JPH0271578A

JPH0271578A - 電磁波デバイス

Info

Publication number: JPH0271578A
Application number: JP63215817A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Mizushima; 宜彦水島; Takashi Iida; 孝飯田; Toru Hirohata; 徹廣畑; Kenichi Sugimoto; 賢一杉本; Sadahisa Warashina; 禎久藁科; Kazutoshi Nakajima; 和利中嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1988-08-30
Publication date: 1990-03-12
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: EP0356941A3; EP0356941A2; JP2680369B2; US5020064A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、電磁波、光波等の増幅器ないし発振器等とし
て機能する電磁波デバイスに関するものである。

〔従来の技術〕従来の電磁波ないし光波域における発振器には、メーザ
またはレーザがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、これらの発振周波数ないし波長は、それが利用
する特定の物理現象によって定まる特定の値を持ち、一
般に固定しており、広範囲に変えることは困難である。

また、通常のトランジスタ発振器はその周波数を変え得
るが、超高周波ないし光波域には使用できない。

また、進行波管のように電子ビームのプラズマ分散を利
用するものは広帯域の特長を有するが、光の領域まで使
用することはできない。これは、動作原理上遅波構造を
必要とし、光の波長でこのようなものの実現は困難だか
らである。

本発明の課題はこのような問題点を解消すること、すな
わち、超高周波ないし光波域を含む広い周波数（波長）
帯域において発振器ないし増幅器等を構成し得る電磁波
デバイスを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の電磁波デバイスは
基本的な構造として、自由キャリヤを含む媒質と、この
媒質に磁界を加える手段と、前記媒質に対して前記磁界
と直交する方向成分を有する方向に入力電磁波を加える
手段と、入力方向成分を含む方向にキャリヤを加速する
手段とを備え、前記電磁波入力手段が加える電磁波の周
波数を前記媒質のプラズマ周波数にサイクロトロン周波
数を加減した範囲内とし、その偏波面を前記磁界および
自己の入力方向の双方に直交する面内の成分を有するも
のとしたものである。

〔作用〕

本発明は、磁界中における加速された電子流とプラズマ
波との相互作用の特殊な挙動に基づいている。このよう
な現象は未だ知られておらず、本発明者の発見にかかる
ものである。本発明では、直交する電磁界における電磁
波の伝搬モードにおいて、負性抵抗が存在することをそ
の基本原理とする。

本発明の基本配置は、上述したように自由キャリヤを含
む媒質に対し、静磁界と、それに直交する方向のキャリ
ヤ加速電界とがあり、この加速電界の方向に伝搬ベクト
ルを持ち、これらの２方向に対して直交する方向の偏波
面を持つＴＥＭモードが存在する状態である。この状態
で、電磁波の周波数が媒質のプラズマ周波数付近にある
とき、このモードは増幅される。磁界が存在しないとき
、媒質のプラズマ周波数は、媒質の誘電率が正から負に
変わる転移点として知られているが、磁界を有する直交
配置においては、異常分散が起こる。

特に加速電界の下では増幅に転じることを本発明者が発
見したのである。

磁界と電界との直交配置はフォークト配置と名付けられ
ているが、フォークト配置における異常モードにおいて
は、電磁波に縦波モードが存在し得る。したがって、空
間電荷波と相互作用し得るので、別に設けた加速電界に
よってキャリヤを駆動すれば、キャリヤから空間電荷を
介して電磁波にエネルギが伝達される。

加速された電子流はプラズマ周波数によって変調され、
速波と遅波とに分かれ、電磁波から上記のようにして生
じた縦波と相互作用をする。電子流が有する信号自体は
縦波であり、これがプラズマ周波数を側帯波として有す
ることは進行波管の理論でよく知られている。こうして
電子流の縦波と電磁波の縦波とは相互作用をする。エネ
ルギは電子流と電磁波との間で交換され、電子が加速さ
れているときは、エネルギは外部電界から電磁波に移る
。

このような作用を別の表現で説明すれば、キャリヤは磁
界によりサイクロトロン運動をするが、同時に加速電界
によってドリフトしながらサイクロトロン円弧は移動す
る。キャリヤは加速を受けるので電磁波を放射するが、
外部に対しては周期が打Ｊ加するようなコヒーレントモ
ードの電磁波のみが全体として成長する。

フォークト配置では、異常分散はプラズマ周波数とサイ
クロトロン周波数とで定まる。前者の方が大きい通常の
条件では、増幅利得を持つ周波数範囲は、プラズマ周波
数を中心としてサイクロトロン周波数を加減した範囲内
ということができる。

本発明の理論が成立するためには、キャリヤの散乱緩和
時間が電磁波の周期に比べて充分長いことが必要である
。このような条件を満足させるためには、媒質を冷却す
ること、移動度の大きな媒質を使用すること、大きな磁
界を用いること等が有効である。また、このことから、
電磁波の周波数は高いほうが良く、超高周波領域ないし
光波領域において本発明の価値が特に発揮される。

なお、自由キャリヤの典型的なものとしては、真空管内
の電子流と、半導体内の電子またはホールがある。半導
体中のキャリヤの場合には、主として有効質量の軽い電
子に注目すればよく、ホールの動きは通常無視できる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す概略構成図である。

本実施例では、自由キャリヤを含む媒質１として、イン
ジウムアンチモナイドの半導体が用いられており、その
寸法は５　Ｘ　Ｉ　Ｘ　１　ｍｍ、キャリヤ密度１０１
８ｃｌＴｌ−３である。プラズマ周波数は約１７μｍ波
長に相当するので、赤外光の増幅に適当である。この媒
質１は、図示省略した磁界手段で作られた０、５テスラ
の磁界２中に置かれる。

媒質１の両端には電極３．４が設けられており、電源７
による電圧印加により両者間にキャリヤ加速用電界が作
られる。媒質１は、このキャリヤ加速用電界が磁界２と
直交するように配置されている。電極３．４は、その中
央において光が通過するように、リング形状となってい
る。磁界２とキャリヤ加速用電界の双方に直交する方向
には図示しない別の電極を設け、キャリヤのドリフトに
伴って生ずるホール電圧を打ち消すような電圧を媒質１
に加える。この電極は無接触的に設けれても良い。

本実施例では、増幅周波数が遠赤外領域にあるので、そ
のような光を電極３．４に設けた光の通過窓から媒質１
に照射する。このとき、その偏波面を磁界２と直交する
ような位置に選ぶ。かかる照射によって、照射面と反対
側から増幅された出力光が得られる。その増幅度は、媒
質１ｃ＋ｎ当り約３０ｄＢの理論値から内部反射等の内
部損失を差し引いて定、まる。通常の場合、外部に対し
ては、媒質１　ｃｍ当り約１０ｄＢ以上が期待できる。

利得周波数帯域を近似的に表示すれば、本発明者の理論
によって、の間にある。ここで、ω　、ω　は、それぞれブＣラズマ角周波数、サイクロトロン角周波数である。

本願発明ではこの利得周波数帯域を、プラズマ周波数を
中心としてサイクロトロン周波数を加減した範囲という
ことにする。

本実施例では、媒質１としてインジウムアンチモナイド
を用いているが、自由キャリヤを含むものであればいか
なるものでも良い。

媒質１のその他の具体例として、たとえばガリウムアル
ゼナイドなどがよい。この場合、表面に高濃度のｎ型層
をエピタキシャル成長により付加し、その電子密度を１
０１９印−３とすると、利得周波数は９μｍ波長に相当
するものとなる。インジウムアンチモナイドやガリウム
アルセナイドは、キャリヤの移動度が大きいので媒質１
の材料として好都合であるが、これらに限定されるもの
ではなく、上述したキャリヤの散乱緩和時間の制限を考
慮すれば、いかなる半導体ないし金属も使用しｉｖる。

たとえば、紫外線領域のためにはプラズマ周波数を紫外
線領域に持つ銀を使用することができる。

さらに、媒質１として、低圧ガス中の電子プラズマ、放
電プラズマも同様に使用でき、この場合は、イオンを無
視して電子のみ考慮すれば良い。

一般にマイクロ波、ミリ波領域に適する。電子ビームも
同様に使用することができる。この場合は、。

プラズマ周波数を高くとることが困難であるという問題
もあるが、電子の衝突や散乱が少ないので、緩和時間の
制限が少ないという特長がある。なお、一般に緩和時間
の制限を免れるためには、媒質を低温に保つことが有効
である。

つぎに、本発明の他の実施例を第２図に基づいて説明す
る。本実施例の電磁波デバイスは発振器として機能する
ものである。同図において、符号８は第１図に示した電
磁波デバイスであり、反射鏡すないし１２を用いて出力
光を導いて入力に戻している。ここでは、リング状進行
波構造の配置例を示している。この例では、元の入力光
がなくても内部利得のために発振し、最大利得のある周
波数の電磁波が外部に得られる。この共振器の共振周波
数を変えるのは、その共振器ミラー間隔などの幾何学的
寸法を変化させることも同時になされる。

以下に述べるように、プラズマ周波数などを変えて周波
数変調する手段により発振周波数を変えることができる
。これらによって自由に発振周波数をできることはトラ
ンジスタ発振器におけるのと同様に自由であって、レー
ザの様に特定のエネルギ学位を利用しないから、本発明
の電磁波デバイスはその可変の利得帯域幅が広いことが
最大の特徴をなす。

以上説明したことから、周波数帯域や利得を変えたり、
内部における位相推移を変えたりするようなパラメータ
を外部から変調すれば、出力電磁波は変調されることが
明らかである。たとえば、印加磁界ないし加速電界は、
本来直流として考えたか、これに変調電圧を重畳すれば
出力は変調される。

本発明の装置では、キャリヤ密度を変化させれば、プラ
ズマ周波数が変わり利得周波数特性が変わるために出力
電圧が変調される。また、このとき等飾光学長さが変わ
るために位相推移量が変わり、位相変調が起こる。第３
図はキャリヤ密度を変化させる手段を備えた電磁波デバ
イスの一実施例を示すものである。符号１３で示すもの
が第１図の電磁波デバイスであり、符号１４で示すもの
は電磁波デバイス１３の媒質１に設けたｐｎ接合である
。このｐｎ接合に電圧を加えることで、媒質１の内部に
おけるキャリヤ密度を調節することができる。

本発明の装置では、外部から別の光ないし放射線を入射
させればキャリヤが発生し、プラズマ周波数と誘電率が
変化する。これによって変調が可能である。第４図は光
または高速粒子を入射させる手段１５を備えることによ
り電磁波変調機能を有する電磁波デバイスの一実施例を
示すものである。同図において、電極３．４を含む回路
に設けた検出器１６に出力信号が得られる。

本発明の装置は、電磁プラズマの非線形効果に基づくの
で、パラメトリック効果がある。したがって、複数の入
力電磁波に対して、周波数混合効果による和周波数また
は差周波数の出力が得られる。第５図はこれを利用して
周波数変換機能を持たせた電磁波デバイスを示すもので
あり、２つの電磁波入力装置からそれぞれ周波数の異な
る電磁波が人力部分１７に入力される。この場合、通過
帯域でない周波数に対しては出力がないので、その周波
数のフィルターを省略できる利点も生じる。

本発明の装置では、全体の電磁界が一体となって混成し
ているので、人力電磁波があると、その反作用が制御電
極に表れる。すなわち、たとえばドリフトキャリヤの方
向に起電力ないし電流が生じる。これによって、電磁波
検出器として動作する。第６図に電磁波検出機能を持つ
本発明の電磁波デバイスの一実施例を示す。符号１８．
１つで示すものは、加速電極３．４と共用または独立に
設けられた電極で、検出器１６と共に、電極３−４の方
向に発生する起電力または電流を観測する手段を（Ｉ■
成する。

また、別の用途としては、周波数分析器がある。

上述したように、外部に共振器などの周波数フィルタを
設けるか、または、上記各種パラメータを調節して周波
数選択特性を持たせれば、これらの特性を順次時系列的
に選択することによって出力は周波数分析された系列と
して得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の電磁波デバイスは、増幅
器を主体として、これに若干の手段を付加することで発
振器、変調器その他種々の機能を発揮させることができ
る。また、本発明で取り扱う電磁波は、プラズマ周波数
で定まる領域にあるので、これで定義できるすべての範
囲、すなわち、通常の電波領域から光波、ないしエック
ス線領域にも適用される。このように本発明は、周波数
を広い範囲にわたって同調可能であり、しかも光領域に
おけるレーザーとして実用し得る唯一の重要なデバイス
であり、その工業上の応用価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電磁波増幅機能を有する本発明の一実施例を
示す構成図、第２図は、電磁波発振機能を有する本発明
の一実施例を示す構成図、第３図および第４図は、それ
ぞれ電磁波変調機能を有する本発明の一実施例を示す構
成図、第５図は、電磁波周波数変換機能を有する本発明
の一実施例を示す構成図、第６図は、電磁波検出機能を
有する本発明の一実施例を示す構成図である。１・・・媒質、２・・・磁界、３．４・・・加速電極、
５・・・入力用窓端面、６・・・出力用窓端面、７・・
・電子加速用電源、８．１３・・・増幅機能を持つ電磁
波デバイス、９〜１２・・・反射鏡、１４・・・ｐｎ接
合、１５・・・光入射手段、１６・・・検出器、１７・
・・電磁波入力部分、１８．１９・・・起電力ないし電
流変化検出用電極。１噌騎ξ竣苫彎す３冥糞使Ｊ（基本電増り第１図特許出願人　　浜松ホトニクス株式会社代理人弁理士　
　　長谷用　　芳　　樹間　　　　　　　　　塩　　　
１）　　辰　　　也第２図第図変詔ロ殻：’ｊＥ１＊ｔｉ笑施伊Ｊ第図周１１臥変換機宋Σ讐オる冥沈ダＪ第図第図手続補正書昭和６３年１０月２７日

Claims

【特許請求の範囲】１、自由キャリヤを含む媒質と、この媒質に磁界を加え
る手段と、前記媒質に対して前記磁界と直交する方向成
分を有する方向に入力電磁波を加える手段と、入力方向
成分を含む方向にキャリヤを加速する手段とを備え、前
記電磁波入力手段が加える電磁波の周波数を前記媒質の
プラズマ周波数を中心としてサイクロトロン周波数を加
減した範囲内とし、その偏波面を前記磁界および自己の
入力方向の双方に直交する面内の成分を有するものとす
ることを特徴とする電磁波増幅機能を持つ電磁波デバイ
ス。２、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、共振器構
造または分波器構造による特定波長選択手段を有するこ
とを特徴とする電磁波発振機能を持つ電磁波デバイス。３、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、出力の少
なくとも一部を入力に戻す手段を有することを特徴とす
る電磁波発振機能を持つ電磁波デバイス。４、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、キャリヤ
密度を変化させて振幅ないし通過帯域を変更する手段を
有することを特徴とする電磁波変調機能を持つ電磁波デ
バイス。５、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、磁界を変
化させて振幅ないし通過帯域を変化させる手段を有する
ことを特徴とする電磁波変調機能を持つ電磁波デバイス
。６、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、キャリヤ
加速手段の加速電界を変化させて振幅ないし通過帯域を
変更する手段を有することを特徴とする電磁波変調機能
を持つ電磁波デバイス。７、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、光または
高速粒子を入射させて変調入力信号とする手段を有する
ことを特徴とする電磁波変調機能を持つ電磁波デバイス
。８、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、さらに別
に入力電磁波を加える手段と、ヘテロダインにより第３
の周波数を取り出す手段とを有することを特徴とする電
磁波周波数変換機能を持つ電磁波デバイス。９、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、電磁波伝
搬方向に発生する起電力ないし電流の変化を検出する手
段を有することを特徴とする電磁波検出機能を持つ電磁
波デバイス。１０、請求項１記載の電磁波デバイスにおいて、通過帯
域を変える手段と、該帯域を連続的に変えることにより
周波数分析出力を順次出力する手段とを有することを特
徴とする電磁波分析機能を持つ電磁波デバイス。