JP7315183B2 - マルチチャネル光導電性テラヘルツ受信アンテナ、受信機、テラヘルツシステムおよびテラヘルツ方法 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ放射の受信アンテナおよび受信機、テラヘルツシステム、およびそのようなテラヘルツシステムを用いたテラヘルツ放射の生成および検出方法に関する。

本発明の対象となるタイプのテラヘルツ放射用の受信アンテナは、アンテナ導体と、アンテナ導体に接続され、光によって作動可能な第１光導電体とを含み、第１光導電体は、作動状態において、アンテナ導体および第１光導電体を流れるアンテナ電流を許容する。

このタイプの受信アンテナ（光導電性テラヘルツアンテナとも呼ばれる）は、例えば、文献ＤＥ １０ ２０１０ ０４９ ６５８ Ａ１から知られている。所定の測定間隔で受信したテラヘルツ放射の振幅および／または位相を決定するために、現状の受信アンテナでは、一般に、受信したテラヘルツ放射に対して光励起のタイミング／位相を変化させた連続的なアンテナ電流測定が必要である。位相情報がないと明確に判断できないため、テラヘルツ放射の振幅を１つだけ測定する場合でも、少なくとも２つの測定点の連続測定が必要である。連続測定には、対応する時間が必要となり、用途を複雑にする可能性がある。さらに、光励起のタイミング／位相を調節する必要があるため、受信機と対応するテラヘルツ方法の複雑さも増加する。

従って、本発明の目的は、テラヘルツ放射の受信アンテナおよび受信機、ならびにテラヘルツ放射の受信およびそこに含まれる情報の分析をより迅速かつ簡単に行うことができるテラヘルツシステムを提供すること、およびそれに応じて、そのようなテラヘルツシステムを使用してテラヘルツ放射を生成および検出するためのより迅速かつ簡単な方法を提案することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有するテラヘルツ放射用の受信アンテナ、請求項５の特徴を有するテラヘルツ放射用の受信機、請求項１０の特徴を有するテラヘルツシステム、および請求項１４の特徴を有するそのようなテラヘルツシステムを使用してテラヘルツ放射を生成および検出する方法によって解決される。本発明の有利な実施形態、さらなる発展、および使用は、従属請求項の特徴によって提供される。

本発明によるテラヘルツ放射用の受信アンテナは、冒頭に述べた第１光導電体に加えて、同様にアンテナ導体に接続され、光によって作動することができ、第１光導電体と並列に接続され、作動状態ではアンテナ導体と第２光導電体を介してアンテナ電流を流すことができる少なくとも１つの第２光導電体を備え、各光導電体とアンテナ導体との間には、それぞれの場合に少なくとも１つのハイパスフィルタが接続されていることを特徴とする。

第１光導電体とともに少なくとも１つの第２光導電体を追加することで、受信したテラヘルツ信号を異なるタイミング／位相を有する複数の光信号で同時にスキャンすること、すなわち対応するアンテナ電流を同時に測定することが可能となり、１つの光導電体のみを使用する場合に比べて測定プロセスを適宜加速することができ、タイミング／位相を調節するための装置を使用する必要がなくなる。この目的のためには、少なくとも２つの光導電体を励起するまたは作動させるために、時間的にオフセットされた２つの光信号または信号成分を使用することで十分である。

本発明により、光導電体とアンテナ導体の間に接続され、複数の光導電体とともに複数のアンテナ電流の同時測定を可能にするハイパスフィルタの機能に特に注意するべきである。ハイパスフィルタがないと、光導電体同士が電気的に短絡してしまい、アンテナ電流を個別に測定することができなくなる。

通常、光導電体はアンテナ導体の基部に配置されている。ここで、基部とは、テラヘルツ放射の受信時に、受信したテラヘルツ放射に起因する交流電圧が印加されるアンテナ導体の部分で、従って、アンテナの入力インピーダンスまたは基部インピーダンスに相当する点と考えられる。

光導電体の作動状態と受信したテラヘルツ放射に起因する交流電圧が時間的に重なったときに、光導電体の１つにアンテナ電流が流れる。従って、アンテナ電流の測定可能な成分は、テラヘルツ放射の周波数ｆ_ＴＨｚ（テラヘルツ周波数と呼ばれる）と、それぞれの光導電体の光励起の周波数ｆ_ＬＯ（局部発振周波数とも呼ばれる）との差周波ｆ_ｚ＝｜ｆ_ＴＨｚ－ｆ_ＬＯ｜に対応する周波数ｆ_ｚ（中間周波数とも呼ばれる）の交流電流であってもよい。それに応じて、例えば、テラヘルツ放射の振幅および／または位相などに変調された信号が受信アンテナで復調される。ｆ_ＴＨｚとｆ_ＬＯが同一である特殊な場合では、アンテナ電流は直流である。

ハイパスフィルタの端周波数は、テラヘルツ周波数を伝送するが、それ以下の周波数を伝送しないように選択することができる。そのため、端周波数はｆ_ｚとｆ_ＴＨｚの間になってよい。テラヘルツ周波数ｆ_ＴＨｚは、０．０５ＴＨｚから２０ＴＨｚまでの周波数範囲、典型的には０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでの周波数範囲の周波数でよい。従って、ハイパスフィルタの少なくとも１つは、例えば、５０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間の伝送端を有してよい。

各光導電体と、当該光導電体とアンテナ導体との間に接続される少なくとも１つのハイパスフィルタとの間には、それぞれの場合において、測定信号をピックアップするための接点が設けられてよい。このような測定信号は、アンテナ電流の低周波成分、すなわち、特定の端周波数以下、特にハイパスフィルタの伝送端以下の周波数を有するアンテナ電流の成分に対応してよい。

任意の電気伝導度が変化する、一般的には増加する材料、またはそれらの材料組み合わせは、例えば、可視光、紫外光、赤外光など、すなわち光信号の電磁放射を吸収すると、光導電体を実現することに使用されてよい。これは、光導電体の光励起または作動とも呼ばれている。光導電体の少なくとも１つは、基板上に配置された活性層を含んでよい。例えば、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を用いて、このような光導電体を実現することができる。例えば、活性層は材料系のＩｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ａｓ－Ｐで実現し、基板はＩｎＰまたはＧａＡｓで構成されてよい。

また、アンテナ導体は、基板上に配置されたパターニングされた金属層であってもよい。特に、受信アンテナの光学素子と電子素子を集積した光電子チップとして受信アンテナを実装することが可能となり、堅牢でコンパクトな設計が可能となる。アンテナ導体の形状はボウタイ形状、すなわち鏡面対称に配置された２つの三角形または台形の導体セグメントが対称軸に向かって先細りになっている２パーツの導体形状であってよく、または長方形のストリップの配置でもよい。しかし、アンテナ導体は、例えばホーンアンテナのように３次元幾何学的形状で実現することも可能である。

また、ハイパスフィルタは様々な方法で実装することができる。ハイパスフィルタの少なくとも１つは、光導電体の１つと直列に接続されたキャパシタンスであってもよく、それからなるものであってもよい。キャパシタンスは、例えば、光導電体に接続された導体表面とアンテナ導体に接続された導体表面との間の誘電体層によって実現することができる。本実施形態は、アンテナの設計に後者を使用する場合には、光電子チップ上に集積することが有利である。

しかし、これは唯一の選択肢ではない。例えば、ハイパスフィルタの少なくとも１つは、光導電体の１つと基準電位の間に接続されたインダクタンスを代替的または追加的に含んでもよい。インダクタンスは、例えば、蛇行パターンで配置された導体トラックであってよい。また、本実施形態は、アンテナの設計に後者を使用する場合には、光電子チップ上に集積することが有利である。

複数の光導電体は、等価な位置、すなわち、すべての光導電体の位置に少なくともほぼ同じ電界が存在するように互いに近接して配置されていてもよい。これは、光導電体間の距離が、検出するテラヘルツの最小波長よりも小さい場合です。検出される典型的なテラヘルツの最小波長は、例えば、３００μｍまたは５０μｍで、１ＴＨｚまたは５ＴＨｚの帯域幅に対応する。第１光導電体と第２光導電体は、３００μｍ未満の距離を有してよく、好ましくは２００μｍ未満、１００μｍ未満、または５０μｍ未満の距離を有してよい。

本明細書に記載のタイプの受信アンテナがその利点を発揮する提案されたテラヘルツ放射用の受信機は、本発明によるテラヘルツ放射用の受信アンテナと、受信アンテナの第１光導電体および少なくとも１つの第２光導電体を作動させるための少なくとも１つの光信号を生成するように構成された少なくとも１つの光源とを備え、少なくとも１つの光源は、少なくとも１つの光信号からの光を第１光導電体および第２光導電体に印加するために、受信アンテナの第１光導電体および／または少なくとも１つの第２光導電体に光学的に結合されている。

少なくとも１つの光信号は、時間、周波数空間、または位相で変調されてよい。例えば、少なくとも１つのビート信号、または好ましくは複数の光パルスによって与えられる。

受信機は、光源によって生成された光信号を第１成分と第２成分に分割するように配置された少なくとも１つのビームスプリッタをさらに備えていてもよく、光源は、光信号の第１成分を第１光導電体に印加し、光信号の第２成分を第２光導電体に印加するために、受信アンテナの第１光導電体および少なくとも１つの第２光導電体に光学的に結合されており、光信号の第２成分は、第１光導電体に到達する光信号の第１成分に対して定義された位相シフトおよび／または通過時間差で第２光導電体に到達する。

そのため、光導電体は、少なくとも１つのビームスプリッタによって形成された同じ光信号の異なる成分によって作動する可能性がある。この光信号は、少なくとも１つの結合器によって複数の光信号を重ね合わせることで、ビート信号として形成することができる。結合器は、ビームスプリッタの前に配置されているか、後ろに配置されているかは重要でない。後者の場合であっても、２つの光信号の成分のうちの１つをそれぞれ２つの結合器のうちの１つと重ね合わせることによって、２つの光信号をそれぞれ２つの成分に分割した後にのみビート信号が形成される場合には、２つの結合器を出た光信号は、同一の光信号の２つの成分、すなわち同一のビート信号と呼ばれる。

受信機のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの光源は、平面集積導波路チップを用いて光導電体に接続されてもよい。このようなチップの導波路材料としては、例えば、ポリマー、窒化物、リン化物、ガラスなどであってよい。その場合、光源、受信アンテナ、集積型導波路を共通の基板上に配置することもでき、堅牢でコンパクトな設計を実現することができる。この集積型導波路設計は、光導電体の距離が５０μｍ未満の場合に特に重要となる、光導電体への光結合の寸法を光ファイバよりも小さくできるという利点がある。

光導電体に到達する光信号の成分の前述の位相シフトおよび／または通過時間差、或いは異なる光導電体を作動させるために使用できる複数の光信号間の対応するシフトにより、受信したテラヘルツ放射の同時にスキャンされた成分も、そのタイミング／位相に関して異なることが保証される。これにより、受信したテラヘルツ放射の振幅および／または位相を、連続測定することなく、さらに同時に決定することができる。

これにより、特に、通信技術の分野で広く使われている同相直交（ＩＱ）方式に本明細書に記載の受信機を使用することが可能となり、その結果、例えばテラヘルツ通信で直交位相振幅変調（ＱＡＭ）方式を利用できるようになる。これは、従来の受信機では不可能なことである。なぜなら、ここで提案する受信アンテナだけが、信号の２つの成分を同時にスキャンすることができるためである。ＱＡＭ通信では、送信端で信号に情報を付与することで、キャリア信号の振幅と位相の両方を変調する。これにより、デジタル通信のシンボルを２次元のグリッドで定義することができる。この２つの成分は、同相成分と直交成分（Ｉ成分とＱ成分）と呼ばれている。Ｉ成分とＱ成分は、通常９０°（π／２）の定義された位相シフトを持つ信号の２つの同時測定から、受信機側で決定される。

位相シフトおよび／または通過時間差は、例えば、それぞれの光信号または光信号の成分の光導電体への光結合において、異なる長さの光路長によって実現することができる。これは、光ファイバの長さを変えることで実現できるが、集積型導波路チップ設計の場合は、それぞれの導波路の長さまたは屈折率を変えることで実現できる。

有利には、光源はレーザ光源であってもよく、レーザ光源は１または複数のレーザ、例えばダイオードレーザを含んでもよい。

少なくとも１つの光源は、少なくとも１つの光ビート信号を生成するための、互いに離調または離調可能な少なくとも２つの連続波レーザ、および／または、光パルスを生成するためのパルスレーザを含んでよい。

ビート信号を生成し、それを既知の位相シフトを持つ２つの成分に分割することは、上述のようにＩＱ受信機としての受信機を、例えば通信に使用する場合に特に有利である。このような受信機を使ってサンプルの特性を測定することは、センサ技術においても有利に働く可能性がある。このような状況では、複数の位相周期を備える位相シフトによって対象の光学的厚さを測定することが重要になる場合がある。これを明確に判断するために、テラヘルツ周波数を一定の範囲で離調しているのが現状である。本明細書で提案する受信機は、異なる周波数の少なくとも２つのビート信号を同時に検出することで、この方法を加速することもできる。

また、パルスレーザの使用は、センサ技術における受信機の有利な用途につながる。そのような複数の用途には、例えば、対象の表裏からの反射のタイミング／位相を測定して対象の厚さを判断するような、通過時間測定が含まれる。先行技術では、スキャンパルスのタイミング／位相は、例えば機械的な遅延線を用いて、少なくとも対象物の一重または二重の光学的厚さに対応する範囲で調節される。例えば、ここで説明した受信機では、２つのサンプリングパルスが互いに期待されるタイミング／位相で予め設定されているため、通過時間差の調節はより小さな範囲でのみ行うことになる。これにより、測定時の時間を短縮することができる。

受信機は、第２光導電体における光信号の第２成分の、第１光導電体における光信号の第１成分に対する位相シフトおよび／または通過時間差を調節可能にするように構成された、調節可能な光遅延ユニットをさらに含んでよい。

このような調節可能な遅延ユニットは、例えば、機械的な遅延線として、または電気光学素子として実装することができる。上述したように、調節可能な遅延ユニットは、例えば、受信機がセンシングに使用される場合に有利である。

受信機は、第１光導電体を流れるアンテナ電流、より正確にはこのアンテナ電流の低周波成分に対応する第１測定信号と、第２光導電体を流れるアンテナ電流、より正確にはこのアンテナ電流の低周波成分に対応する第２測定信号とを分析し、定義された位相シフトおよび／または通過時間差を用いて受信したテラヘルツ放射の振幅および／または位相を決定するように構成された分析ユニットを含んでよい。

この分析により、テラヘルツ放射に含まれる情報（その情報は、送信機またはサンプルによって放射に転写された可能性がある）をさらに利用することができる。

測定信号は、例えば、トランスインピーダンス増幅器増幅器（ＴＩＡ）を用いて、光導電体を流れる電流を測定することによって生成することができる。このようなTIAは、特に低電流用の低雑音増幅器として適しているが、他の電流測定器を使用してもよい。

テラヘルツ放射を生成するように構成された送信機と、送信機の手段によって生成されたテラヘルツ放射を受信するように構成された上述のタイプのテラヘルツ放射用の受信機とを備える提案されたテラヘルツシステムは、説明された受信機または受信アンテナの有利な用途を構成する。

テラヘルツシステムの送信機と受信機が連携することで、上記のような有利な用途を実現することができる。そのためには、本システムは、それぞれの用途に応じて様々な設計が可能である。

送信機は、アンテナ導体と、作動状態でバイアス電圧が印加されたときにアンテナ導体と感光素子を介してアンテナ電流を流すようにアンテナ導体に光学的に結合された感光素子とを含んでよい。

このように、光導電性テラヘルツ伝送アンテナの既に知られている利点と、ここで説明する光導電性マルチチャネル受信機の利点を組み合わせることができる。

受信機の少なくとも１つの光源は、さらに送信機の感光素子に光学的に結合され、そして送信機の感光素子が、光源によって生成された光信号のさらなる成分によって作動するようになってよい。

これにより、送信と受信がコヒーレントに設定されることができる。このようなテラヘルツシステムは、特にサンプルの測定に適している。サンプルは送信機と受信機の間に置かれ、伝送されたテラヘルツ放射に情報が転写され、適切な分析の後、サンプルの特性に関する結論を導き出すことができる。

送信機の作動方法にかかわらず、送信機は、送信機によって生成されたテラヘルツ放射の情報を位相変調または振幅変調によって符号化するように適合された変調器を含むことができる。この変調は、光学的な範囲で有利に実現することができる。

このようにして実現された本実施形態は、特にＩＱ受信機として設定された受信機との連携による通信に適している。この場合、上述のように送信機に光導電性アンテナを用いた場合、ＱＡＭによるデジタル通信では、それぞれの場合において、一定の時間間隔で離散的な状態間の信号の変化のみを検出すればよいので、送信機の感光素子に対する励起光は、受信機の受信アンテナの光導電体に対する励起光と、必ずしも同じ光源からのものである必要がない。この目的のためには、送信機側と受信機側で基本的に同じ周波数の励起信号を使用すれば十分であり、関連する時間間隔で光信号の十分なコヒーレンスが得られる。

この変調器は、光導電性の送信機アンテナと、調節可能な光遅延ユニットとの組み合わせで実現することができる。

本発明によるテラヘルツシステムを使用してテラヘルツ放射を生成および検出する方法は、
テラヘルツシステムの送信機によってテラヘルツ信号を生成する段階と、
テラヘルツシステムの受信機によって、送信機によって生成されたテラヘルツ信号を受信する段階であって、上記受信する段階は、
受信機の少なくとも１つの光源によって生成された光信号の第１成分によって、受信機の受信アンテナの第１光導電体を作動させる段階と、
受信機の少なくとも１つの光源によって生成された光信号の第２成分によって、受信機の受信アンテナの少なくとも１つの第２光導電体を作動させる段階と、
前記第１光導電体および前記第２光導電体を作動させながら、前記第１光導電体を流れるアンテナ電流、より正確にはこのアンテナ電流の低周波成分に対応する第１測定信号と、前記第２光導電体を流れるアンテナ電流、より正確にはこのアンテナ電流の低周波成分に対応する第２測定信号とを同時に測定する段階と、
光信号の第１成分と第２成分の間の定義された位相シフトおよび／または通過時間差を用いて、第１測定信号および第２測定信号から受信したテラヘルツ信号の振幅および／または位相を決定する段階と
を含む、受信する段階と、
を備える方法。

最後の段階では、受信機の分析ユニットを使用して、振幅および／または位相を決定することができる。提案された方法では、上述した受信アンテナ、受信機、テラヘルツシステムの利点を、通信またはセンサ技術に活用することが手順上に可能になる。

本方法のいくつかの例では、受信機の少なくとも１つの光源によって生成された光信号の第１成分と、受信機の光源によって生成された光信号の第２成分は、光ビートまたは光パルスであってもよい。

光ビートを使用する場合は、上で説明したように、ＱＡＭを使用した通信やセンサ技術に特に適した方法である。光パルスを用いる場合は、この方法は特に通過時間測定に適している。

さらに、送信機が変調器を備えている場合、提案された方法は、変調器を用いてテラヘルツ信号の位相および／または振幅を変調することによって、テラヘルツシステムの送信機によって生成されたテラヘルツ信号における情報を符号化する段階と、テラヘルツ信号に適用された情報を登録する段階とを含むことができる。

このような形であれば、特に通信に適した方法になる。

このような方法では、さらに、テラヘルツシステムの送信機で生成されたテラヘルツ信号における情報を符号化する際に、テラヘルツ信号の位相と振幅の両方を直交位相振幅変調で変調し、テラヘルツ信号に符号化された情報を登録する際に、第１測定信号と第２測定信号を同相成分と直交成分として使用してもよい。

この方法は、特に通信に適している。このような状況では、この方法は、このような用途のためにはまだほとんど開発されていない電磁スペクトルの周波数範囲を利用することで、高帯域幅とそれに対応する高データ伝送率を可能にする。

本発明による方法は、テラヘルツシステムの送信機と受信機の間のビーム経路にサンプルを配置する段階であって、送信機によって生成されたテラヘルツ信号の成分が、サンプルとの相互作用によって、変化した位相および／または振幅および／または第２通過時間差を受ける配置する段階と、サンプルとの相互作用によって変化した位相および／または振幅、および／または受信機によって受信されたテラヘルツ信号のサンプルによって引き起こされた第２通過時間差を検出する段階と、このように検出された変化した位相および／または振幅および／または周波数および／または第２通過時間差から、サンプルの１または複数の特性を決定する段階とをさらに含んでよい。

この形式では、この方法には、テラヘルツ測定が可能なサンプルの特性を、特に迅速かつ容易に決定できる可能性がある。

以下、本発明の実施形態について、図１Ａ～図６を参照して説明する。図は、概略的に以下を示す。

テラヘルツ放射用の受信アンテナを示す図である。 図１Ａに示したタイプの受信アンテナの上面図および側面図であり、このアンテナは光電子チップとして実装されている。 図１Ｂに示したタイプの受信アンテナを備えたテラヘルツ放射用の受信機の詳細図である。 図１Ａまたは図１Ｂに示したタイプの受信アンテナを備えたテラヘルツ放射用の受信機の詳細図である。 図３に示したタイプのＩＱ受信機を備え、連続波レーザを用いたホモダインテラヘルツシステムを示す図である。 図１Ａまたは図１Ｂに示したタイプの受信アンテナを備えたテラヘルツ放射の受信機のさらなる例を構成する、パルスレーザを用いたホモダインテラヘルツシステムを示す図である。 図４と同様の受信機を備えたヘテロダインテラヘルツシステムであるが、送信機の異なる実施形態を示す図である。

図１Ａに概略的に示したテラヘルツ放射３０用受信アンテナ１は、図１Ｂの具体的な実施形態と同様に、２パーツに分割されたアンテナ導体２と、アンテナ導体２に接続され、光９によって作動可能な第１光導電体３とを備えており、作動状態では、アンテナ導体２および第１光導電体３にアンテナ電流２８を流すことが可能である。

さらに、受信アンテナ１は、同じくアンテナ導体２に接続され、光９によって作動可能な第２光導電体４を備えており、第２光導電体４は、第１光導電体３と並列に接続され、作動状態でアンテナ導体２および第２光導電体４にアンテナ電流２８を流すことができる。それぞれのハイパスフィルタ８は、光導電体３および４のそれぞれと、２パーツからなるアンテナ導体２のそれぞれとの間に、電気接点６を介して接続されている。

接点６により、各光導電体３および４はそれぞれの測定増幅器１０に接続されている。接触手段６は、それぞれの光導電体３および４を流れるアンテナ電流２８の低周波成分２９などのそれぞれの測定信号を、測定増幅器１０によってピックアップすることができる。

繰り返される特徴には、図中に同じ参照符号が付けられている。図１Ｂに示す受信アンテナ１は、ＩｎＰまたはＧａＡｓからなる基板５上に光電子チップとして実装されている。

基板５上には、第１光導電体３および第２光導電体４と、光導電体３および４に電気的に接続された接点６と、金属層として設計され、誘電体層７によって電気接点６から分離された２パーツからなるアンテナ導体２とが配置されており、誘電体層７は、アンテナ導体２の上に重なる部分および接点６のそれぞれの１つとともに、それぞれの場合において、アンテナ導体２とそれぞれの光導電体３または４との間でハイパスフィルタ８として機能するコンデンサを形成している。この配置では、２つの光導電体３と４とが並列に接続されている。

誘電体層７、接点６、アンテナ導体２によって形成されるコンデンサは、ハイパスフィルタ８に対して５０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間の伝送端が得られるように寸法が決められている。

光導電体３および４は、材料系のＩｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ａｓ－Ｐを用いたエピタキシャル層として実装されている。光導電体３および４の間の距離は５０μｍ未満である。光導電体３および４は、光９（矢印で示す）によって作動可能であり、作動状態のアンテナ導体２および作動した光導電体３または４にそれぞれのアンテナ電流２８を流すことができる。光導電体３および４は、それらの間の距離が５０μｍ未満、場合によっては２０μｍまたは１０μｍ未満になるように配置されている。

受信アンテナ１は、さらに、２つの測定増幅器１０を備え、各測定増幅器は、リード線１１を介して、光導電体３および４の一方の接点６に接続されている。第１光導電体３に接続された測定増幅器１０は、第１光導電体３を流れるアンテナ電流の低周波成分に対応する第１測定信号を検出するように配置され、第２光導電体４に接続された測定増幅器１０は、第２光導電体４を流れるアンテナ電流の低周波成分に対応する第２測定信号を検出するように配置されている。測定増幅器には、低電流の測定に適しているという特徴を持つトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）が使用されている。

受信アンテナ１の別の実施形態（図示せず）では、誘電体層７が省略されてもよく、したがって、接点６がアンテナ導体２に直接電気的に接続されてもよい。そして、ハイパスフィルタ８は、接点６から分岐して基準電位に接続されたインダクタとして蛇行パターンの形状の導体経路によって実現することができる。

図１Ａまたは図１Ｂの受信アンテナの応用例を、テラヘルツシステム２１のコンテキストにおけるテラヘルツ放射用の受信機１２を示す図４に示す。受信機１２は、受信アンテナ１に加えて、光源１３、２つのビームスプリッタ１４、および２つの結合器１４'で構成されている。光源１３は、第１光導電体３および第２光導電体４を作動するための光信号を生成するように構成されている。

光源１３は、同種の２つの連続波レーザＬ１およびＬ２を含み、これらは、２つのレーザＬ１およびＬ２からの光を組み合わせることによって光ビート信号を生成することができるように、互いに離調または離調可能である。

この目的のために、連続波レーザＬ１およびＬ２はビームスプリッタ１４に結合されている。受信アンテナを作動するために意図されたレーザＬ１およびＬ２によって生成された光の光成分は、まず、ビームスプリッタ１４によってそれぞれ２つの成分に分けられる。これらの成分の１つには、位相シフトΔΦがかかっている。結合器１４'により、レーザＬ１から発生する成分の１つとレーザＬ２から発生する成分の１つがここでは重なっている。これにより、光源の２つのレーザＬ１およびＬ２によって生成された同一のビート信号の２つの別々の成分が形成される。

これと同様に、光信号の第１成分を第１光導電体３に供給し、同じ光信号の第２成分（第１成分に対して定義された位相シフトおよび／または通過時間差を受けたもの）を第２光導電体４に導くことができる。導波路１５を介して、これらのビート信号の成分のうち第１のものが第１光導電体３に導かれ、第２のものが第２光導電体４に導かれる。

図２に示すように、導波路１５は、平面集積導波路チップ１８によって実装されてもよい。本実施形態では、光信号成分は光ファイバ２４を介して導波路１５に結合されている。その光信号の第２成分を第２光導電体４に導く導波路１５または光ファイバ２４は、光信号の第１成分を第１光導電体３に導く導波路１５または光ファイバ２４に対する長さの差によって、光信号の第２成分に９０度の固定位相シフトを加えるように構成されている。集積型導波路チップ１８により、ファイバ２４の寸法を光導電体３および４の寸法および距離に合わせることができる。

受信機１２は、分析ユニットとしてのデジタルプロセッサ（図示せず）をさらに備えており、測定増幅器１０によって検出された測定信号を分析し、そこから、既知の位相シフトを利用して、受信したテラヘルツ放射の振幅および位相を決定する。

図２に示す例では、集積型導波路チップ１８は別の要素である。代わりに、導波路１５も、光源１３と同様に、受信アンテナ１の光電子チップの基板５上に集積してもよい。

さらに、図２に示すように、受信機１２は、導波路１５の１つに集積され、光信号の第２成分に調節可能な位相シフトを適用するように構成された調節可能な光遅延ユニット１７を含んでもよい。

さらなるテラヘルツシステム２１'の文脈で図５に示されている受信機１２のさらなる実施形態では、２つの連続波レーザＬ１およびＬ２が、光学的な光パルスを生成するように配置されたパルスレーザＬによって置き換えられている。また、この受信機１２は、調節可能な光遅延ユニット１７を備えており、後者は、光信号の第２成分に調節可能な通過時間差を適用するように構成されている。

テラヘルツシステム２１の一部として図４に示した受信機１２は、さらに上述したように、ＩＱ受信機として使用してもよい。対応する動作原理は図３に示されている。上述したように、受信機１２のアンテナ導体２は、ハイパスフィルタ８（ここでは図示せず）を介して、第１光導電体３および第２光導電体４に接続されている。これらは、周期的なビート信号９'によって作動され、ビート信号９'の第２成分は第１成分に対して９０度の位相シフトを持っている。図１Ａおよび１Ｂに示した光導電体３および４を励起するまたは作動させるための光９は、この場合、ビート信号９'の２つの成分に相当する。所定の周波数において、その位相と振幅によって決定されるテラヘルツ信号１９は、ポインタ図において、図示のように、Ｉ成分１９'と、それに直交するＱ成分１９"とに分解することができる。ビート信号９'の２つの成分の間に９０度の位相シフトがあるため、対応する光導電体３および４を流れる電流を成分１９'および１９"で識別することができ、これによりテラヘルツ信号１９の位相および振幅を決定することができる。

また、図４に示すテラヘルツシステム２１は、テラヘルツ放射を生成するように構成された送信機２０を含み、受信機１２は、送信機２０を用いて生成されたテラヘルツ放射を受信するように配置されている。

送信機２０は、アンテナ導体２と、アンテナ導体２に光学的に結合された感光素子２７とを含み、感光素子２７は、作動状態で、バイアス電圧が印加されると、アンテナ導体２と感光素子２７との間にアンテナ電流を流すようにする。このように、送信機２０は受信機１２と実質的に同様の構造であり、送信機２０は１つの感光素子２７のみを有している。バイアス電圧は電圧源２２によって供給される。

本実施形態では、送信機２０および受信機１２は、さらに同一の光源１３によって供給される、すなわち、受信機１２の光源１３は、送信機２０の感光素子２７に光学的に結合され、送信機２０の感光素子２７を作動するための光信号を生成するように配置されている。このため、テラヘルツシステム２１はホモダインシステムとも呼ばれている。

受信機側では、光ビート信号９'は、ビームスプリッタ１４によって第１成分と第２成分に分割され、導波路１５によって光導電体３および４に導かれ、第２成分は、第１光導電体３に到達する第１成分に対して、位相シフトΔΦを有する第２光導電体４に到達する。

テラヘルツシステム２１は、テラヘルツシステム２１を用いてテラヘルツ放射を生成および検出する方法を可能にする。ここでは、送信機２０によってテラヘルツ信号１９を生成する。そのために、電圧源２２によって送信機２０のアンテナ導体２にバイアス電圧を印加する。送信機２０の感光素子２７は、光源１３で生成された光信号によって作動され、感光素子２７にビート信号の周期の交流電流としてアンテナ電流が流れ、その結果、アンテナ導体２によるテラヘルツ信号１９の放射が行われる。

送信機２０によって生成されたテラヘルツ信号１９は、受信機１２によって受信される。このため、受信機１２の受信アンテナ１の第１光導電体３は、受信機１２の光源１３が生成した光信号の第１成分によって作動する。受信機１２の受信アンテナ２の第２光導電体４は、受信機１２の光源１３で生成された光信号の第２成分によって作動され、第２成分は、第１成分に対して９０度の位相シフトΔΦを有する。光導電体３および４の作動と同時に、第１光導電体３を流れるアンテナ電流の低周波成分に対応する第１測定信号と、第２光導電体４を流れるアンテナ電流の低周波成分に対応する第２測定信号とが、測定増幅器１０によって測定される。

既知の位相シフトΔΦを利用して、分析ユニットを用いて、第１測定信号および第２測定信号から受信したテラヘルツ信号１９の振幅と位相を決定する。

記載された方法の応用例は、サンプル２３の分析に特に適している。サンプル２３は、送信機２０と受信機１２の間のビーム経路に配置されている（図４に矢印で示す）。送信機２０で生成されたテラヘルツ信号１９の成分は、サンプル２３と相互作用することで、位相および／または振幅が変化する。

サンプル２３との相互作用によって変化したテラヘルツ信号１９の位相および／または振幅は、分析ユニットによって検出される。このようにして検出された位相および／または振幅から、サンプル２３の１または複数の特性が決定される。サンプル２３の配置によっては、サンプル２３が伝送または反射するテラヘルツ放射を検出することができる。

図５に示すテラヘルツシステム２１'は、その構造の大部分が図４のテラヘルツシステム２１に対応している。そのため、ここでは図４のテラヘルツシステム２１と区別する特徴的な部分のみを説明する。このテラヘルツシステム２１'もホモダインシステムであり、すなわち、送信機２０および受信機１２は、同じ光源１３により供給される。ここでは、２つの連続波レーザＬ１およびＬ２の代わりに、受信機１２の光源１３は、光学的な光パルスを発生するように設定されたパルスレーザＬで構成されている。第２光導電体４に到達した光パルスの第２成分は、第１光導電体３に到達した第１成分との通過時間差ΔＴを示す。

さらに、光源１３と送信機２０の感光素子２７との間には、第２調節可能な光遅延ユニット２５が光学的に接続されており、送信パルスとサンプリングパルスの相対的なタイミング／位相を調節することができる。

図５に示すテラヘルツシステム２１'は、上述の方法のさらなる例に適している。また、本実施例では、送信機２０と受信機１２との間のビーム経路にサンプル２３が配置されている（矢印で示す）。サンプル２３は、テラヘルツ信号１９の伝送成分が受信機１２に衝突するように配置されていてもよいが、テラヘルツ信号１９の少なくとも反射成分が受信機１２に衝突するように配置されていてもよく、受信機１２に衝突したテラヘルツ信号１９の少なくとも成分は、サンプル２３と相互作用することで第２通過時間差を受けることになる。

第２通過時間差は、分析ユニットによって検出され、そのために、いくつかの方法の実施形態では、調節可能な光遅延ユニット１７および／または第２調節可能な光遅延ユニット２５が調節される。このようにして検出された第２飛行時間差および／またはサンプル２３に起因するテラヘルツ放射の減衰から、サンプル２３の特性（厚さなど）が決定される。

図６は、ヘテロダインシステムとして実装された、すなわち、送信機２０および受信機１２が異なる光源１３'および１３によって供給される、さらなるテラヘルツシステム２１"を示すものである。光源１３によって供給される受信機１２は、ここでは、図４の受信機１２と完全に類似しており、したがってその説明を参照することになる。テラヘルツシステムでは、送信機２０は、光源１３'によって供給され、光源１３'は、同種の２つの連続波レーザＬ３およびＬ４からの光信号を組み合わせることによって光ビート信号を生成することができるように、互いに離調された２つのレーザＬ３およびＬ４から構成され、ビート周波数は、２つのレーザＬ１およびＬ２を組み合わせることによって生成されるビートの周波数と同一である。

ただし、２つのレーザＬ３およびＬ４の光信号を組み合わせて生成される光ビート信号のビート周波数は、２つのレーザＬ１およびＬ２の光信号を組み合わせて生成される光ビート信号のビート周波数と等しくなくてもよい。ビート周波数の異なる２つのビート信号を代わりに使用してもよい。しかし、この場合、２つのビート周波数の差、または、追加変調の場合は、前述の差と変調周波数の和が、ハイパスフィルタの伝送端より低くなるようにする必要がある。

送信機２０は、生成されたテラヘルツ放射の情報を、位相変調および／または振幅変調によって符号化するように適合された変調器２６をさらに備える。このため、変調器２６は、レーザＬ３によって生成された光信号を、レーザＬ４によって生成された光信号と組み合わせる前に、調節可能な位相差を適用する調節可能な光遅延ユニットとして構成されている。追加的にまたは代替的に、変調器２６は、例えば、レーザＬ３およびＬ４のレーザ出力を変調することによって、生成されたテラヘルツ放射の振幅を変調するように構成されてもよい。

図４を参照して上述した方法のさらなる例は、有利には、図６に示すヘテロダインテラヘルツシステム２１"を用いて可能になり、この方法は特に通信に適している。ここでは、変調器２６によってテラヘルツ信号１９の位相および／または振幅を変調することにより、テラヘルツシステム２１"の送信機２０によって生成されたテラヘルツ信号１９に情報が符号化され、テラヘルツ信号１９に符号化された情報が検出されるという点で、説明した方法が変更されている。

この方法の特定の実施形態は、上述のＩＱ方法を使用した通信のために特別に構成されている。この場合、テラヘルツシステム２１"の送信機２０を用いて生成したテラヘルツ信号１９における情報を符号化する際には、テラヘルツ信号１９の位相と振幅の両方を直交位相振幅変調を用いて変調し、テラヘルツ信号１９に符号化された情報を検出する際には、第１測定信号と第２測定信号を同相成分と直交成分として用いる。

１ 受信アンテナ
２ アンテナ導体
３ 第１光導電体
４ 第２光導電体
５ 基板
６ 接点
７ 誘電体層
８ ハイパスフィルタ
９ 光
９' ビート信号
１０ 測定増幅器
１１ リード線
１２ 受信機
１３ 光源
１４ ビームスプリッタ
１４' 結合器
１５ 導波路
１７ 調節可能な光遅延ユニット
Ｌ１、Ｌ２ 連続波レーザ
Ｌ パルスレーザ
１８ 集積型導波路チップ
１９ テラヘルツ信号
１９' Ｉ成分
１９" Ｑ成分
２０ 送信機
２１、２１'、２１" テラヘルツシステム
２２ 電圧源
２３ サンプル
２４ 光ファイバ
２５ 第２調節可能な光遅延ユニット
２６ 変調器
２７ 感光素子
２８ アンテナ電流
２９ 低周波成分
３０ テラヘルツ放射

Claims (17)

1. アンテナ導体と、
   前記アンテナ導体に接続され、光によって作動可能である第１光導電体であって、前記第１光導電体は、作動状態において、前記アンテナ導体および前記第１光導電体をアンテナ電流が流れることを許容する、第１光導電体と
   を備えるテラヘルツ放射用の受信アンテナであって、
   前記受信アンテナは、前記アンテナ導体にさらに接続され、光によって作動可能な少なくとも１つの第２光導電体を備え、前記第２光導電体は、前記第１光導電体と並列に接続され、作動状態において、前記アンテナ導体および前記第２光導電体をアンテナ電流が流れることを許容し、
   少なくとも１つのハイパスフィルタがそれぞれ、前記第１光導電体および前記第２光導電体のそれぞれと前記アンテナ導体との間に接続されている
   受信アンテナ。
2. 前記第１光導電体および前記第２光導電体のそれぞれと、前記第１光導電体および前記第２光導電体と前記アンテナ導体との間に接続された前記少なくとも１つのハイパスフィルタとの間に、測定信号をピックアップする接点がそれぞれに設けられている、請求項１に記載の受信アンテナ。
3. 前記ハイパスフィルタのうちの少なくとも１つは、前記第１光導電体および前記第２光導電体の１つと直列に接続されたキャパシタンスであるか、またはそれを備え、および／または、前記少なくとも１つのハイパスフィルタは、前記第１光導電体および前記第２光導電体の１つと基準電位との間に接続されたインダクタンスを備える、請求項１または２に記載の受信アンテナ。
4. 前記ハイパスフィルタのうちの少なくとも１つは、５０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間の伝送端を有し、および／または、前記第１光導電体と前記第２光導電体は、３００μｍ未満の距離を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の受信アンテナ。
5. テラヘルツ放射用の受信機であって、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のテラヘルツ放射用の受信アンテナと、
   前記受信アンテナの前記第１光導電体および前記少なくとも１つの第２光導電体を作動させる少なくとも１つの光信号を生成するよう構成された少なくとも１つの光源とを備え、
   前記少なくとも１つの光源は、前記第１光導電体および前記第２光導電体に前記少なくとも１つの光信号からの光を印加するように、前記受信アンテナの前記第１光導電体、および／または前記少なくとも１つの第２光導電体に光学的に結合される
   受信機。
6. 前記光源によって生成された前記光信号を第１成分と第２成分とに分割するよう構成された少なくとも１つのビームスプリッタを備え、前記光源は、前記光信号の前記第１成分を前記第１光導電体に印加し、前記光信号の前記第２成分を前記第２光導電体に印加するように、前記受信アンテナの前記第１光導電体および前記少なくとも１つの第２光導電体に光学的に結合されて、前記光信号の前記第２成分は、前記第１光導電体に到達する前記光信号の前記第１成分に対して定義された位相シフトおよび／または通過時間差で前記第２光導電体に到達する、請求項５に記載の受信機。
7. 前記第２光導電体における前記光信号の前記第２成分の、前記第１光導電体における前記光信号の前記第１成分に対する前記位相シフトおよび／または通過時間差を調節可能にするよう構成された調節可能な光遅延ユニットをさらに備える、請求項６に記載の受信機。
8. 前記少なくとも１つの光源は、光パルスを生成する少なくとも１つの光ビート信号および／またはパルスレーザを生成するように、少なくとも２つの相互に離調したまたは離調可能な連続波レーザを備える、請求項５から７のいずれか一項に記載の受信機。
9. 定義された位相シフトおよび／または通過時間差を使用して受信したテラヘルツ放射の振幅および／または位相を決定するように、前記第１光導電体を流れる前記アンテナ電流の低周波成分に対応する第１測定信号と、前記第２光導電体を流れる前記アンテナ電流の低周波成分に対応する第２測定信号とを分析するよう構成された分析ユニットをさらに備える、請求項５から８のいずれか一項に記載の受信機。
10. テラヘルツ放射を生成するよう構成された送信機と、
    前記送信機によって生成された前記テラヘルツ放射を受信するよう構成された、請求項５から９のいずれか一項に記載のテラヘルツ放射用の受信機と
    を備える、テラヘルツシステム。
11. 前記送信機は、アンテナ導体と感光素子とを備え、前記感光素子は、作動状態でバイアス電圧が印加されたときに、前記アンテナ導体および前記感光素子をアンテナ電流が流れるように、前記アンテナ導体に光学的に結合されている、請求項１０に記載のテラヘルツシステム。
12. 前記受信機の前記少なくとも１つの光源は、前記送信機の前記感光素子が前記光源によって生成された前記光信号の成分によって作動可能であるように、前記送信機の前記感光素子にさらに光学的に結合されている、
    請求項１１に記載のテラヘルツシステム。
13. 前記送信機は、前記送信機によって生成された前記テラヘルツ放射に含まれる情報を、位相変調および／または振幅変調によって符号化するよう構成された変調器を備える
    請求項１０から１２のいずれか一項に記載のテラヘルツシステム。
14. 請求項１０から１３のいずれか一項に記載のテラヘルツシステムを使用して、テラヘルツ放射を生成および検出する方法であって、前記方法は、
    前記テラヘルツシステムの前記送信機によってテラヘルツ信号を生成する段階と、
    前記テラヘルツシステムの前記受信機により、前記送信機によって生成された前記テラヘルツ信号を受信する段階であって、前記受信する段階は、
    前記受信機の前記少なくとも１つの光源によって生成された前記光信号の第１成分によって、前記受信機の前記受信アンテナの前記第１光導電体を作動させる段階と、
    前記受信機の前記少なくとも１つの光源によって生成された前記光信号の第２成分によって、前記受信機の前記受信アンテナの前記少なくとも１つの第２光導電体を作動させる段階と、
    前記第１光導電体および前記第２光導電体を作動させながら、前記第１光導電体を流れる前記アンテナ電流の低周波成分に対応する第１測定信号と、前記第２光導電体を流れる前記アンテナ電流の低周波成分に対応する第２測定信号とを同時に測定する段階と、
    前記光信号の前記第１成分と前記第２成分との間の定義された位相シフトおよび／または通過時間差を用いて、前記第１測定信号および前記第２測定信号から前記受信したテラヘルツ信号の振幅および／または位相を決定する段階と
    を含む、受信する段階と、
    を備える方法。
15. 前記送信機が備える変調器を用いて前記テラヘルツ信号の前記位相および／または前記振幅を変調することによって、前記テラヘルツシステムの前記送信機によって生成された前記テラヘルツ信号における情報を符号化する段階と、
    前記テラヘルツ信号における符号化された前記情報を登録する段階と
    をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記テラヘルツシステムの前記送信機で生成された前記テラヘルツ信号における情報を符号化する際に、前記テラヘルツ信号の前記位相と前記振幅の両方を直交位相振幅変調で変調し、
    前記テラヘルツ信号における符号化された前記情報を登録する際に、前記第１測定信号と前記第２測定信号とを同相成分と直交成分として使用する
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記テラヘルツシステムの前記送信機と前記受信機との間のビーム経路にサンプルを配置する段階であって、前記送信機によって生成された前記テラヘルツ信号の成分が、前記サンプルとの相互作用によって、変化した位相および／または振幅および／または第２通過時間差を受ける、配置する段階と、
    前記サンプルとの相互作用によって前記変化した位相および／または振幅を検出する、および／または前記受信機によって受信された前記テラヘルツ信号の、前記サンプルによって引き起こされた前記第２通過時間差を検出する段階と、
    このように検出された前記変化した位相および／または振幅および／または周波数、および／または前記第２通過時間差から、前記サンプルの１または複数の特性を決定する段階と、
    をさらに備える、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。

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