JPH0276347A - テラヘルツ電磁波装置 - Google Patents

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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、テラヘルツ（１０１２ヘルツ＝１，０００、
ＯＯＯＭＨ２）周波数領域での信号発生及びその検出に
関する。

Ｂ、従来技術 ］ンピュータ・サイクル速度とは、論理回路または記憶
回路あるいはその両方の間での通信に必要な時間に関す
るものである。記録密度を増加し、このような要素相互
間の物理的空間を減少させると、信号経路の長さが減少
して処理速度が増加する。信号混信（クロストーク）、
温度上昇などの問題があると、記録密度に限界がもたら
される。

したがうて、゛装置の記録密度を増加させるオプシ１ン
を十分に利用した後で、システム速度を増大させるその
他の技法が必要となる。それに対応するより高い処理速
度を実現するための要件は、非常に高い振動数で動作す
るが、時間的に一様に分布する安定した刻時パルスをも
たらすタイミング回路が必要なことである。

サブピコ秒信号を発生させようとする初期の試みが、オ
ーストン（Ａｕｓｔｏｎ　）の論文、「サブピコ秒電気
光学的衝撃波（Ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ　５ｈｏｃｋ　Ｗａｖｅｓ）　
Ｊ　Ａ　ｐｌ）　ｌ　、　Ｐ　ｈ　”Ｉ　ｓ　。

Ｌｅｔｔ、４３　（８）、１９８３年１０月、ｐｐ−７
１３ないし７エ５、及びオーストン等の論文、「電気光
学的媒体におけるフェムト秒光パルスからのチェレンコ
フ放射（Ｃｈｅｒｅｎｋｏｖ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎｆｒ
ｏｍ　Ｆｅ＋ａｔｏｓｅｃｏｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐ
ｕ１ｓｅｓ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ　Ｍｅ
ｄｉａ）　Ｊ　　Ｐｈ１ｓ、　Ｒｅｖ、　Ｌｅ　ｔ　ｔ
。

５３．１９８４年１０月、ｐｐ、１５５５に報告されて
いる。

Ｍ、Ｂ、ケッチエン（Ｋｅｔｃｈｅｎ　）等の論文、「
共平面伝送線上でのサブピコ秒電気パルスの発生（Ｇｅ
ｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　５ｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ
　ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｕｌｓｅｓ　ｏｎ　Ｃｏｐｌ
ａｎａｒ　Ｔｒａｎｓ＋＊１ｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅｓ）
　ＪＡＩ）ｐ　１．Ｐｈ１ｓ、　　Ｌｅｔｔ、　　４８
　　（１２）　　、２４．１９８６年３月、１）ｐ、７
５１ないし７５３を参照する。この論文は、帯電伝送線
及び狭いギャップを光電導的に短絡させることによって
、超短電気パルスを発生させる方法を記載している。

この論文の報告によれば、相互に１０μｍだけ離した幅
５μｍの３本の並行なアルミニウム線を使って、設計イ
ンピーダンスが１００Ωの伝送線が製造された。この伝
送線は、その接点パッドと一緒に、未ドープのシリコン
・オン・サファイア（ＳＯ８）ウェハ上に作成し、次に
とのウェハにイオン注入してキャリア寿命を短縮させた
。８０フイートのレーザ・パルスを利用して、伝送線を
光電導的に短絡させた。励振ビームは、「スライド接触
」構成で３本の並列な伝送線のうちの２本を架橋するス
ポット直径が１０μｍであった。多重チャネル解析器に
結合されたサンプリング・ビームを利用して、実際のパ
ルス幅が０．６ピコ秒未満のサブピコ秒電気パルスを測
定した。

米国特許第４２５１１３０号明細書は、光ゲートを用い
てサブピコ秒パルスを発生させるパルス発生器を定義し
ている。光をバイアス信号に同期して導波路のファセッ
ト間で前後に通過させることによって、パルスを作成す
る。結合特性を狭帯域バイアス信号により光方向結合器
に沿って制御して、進行バイアス信号のゼロ点近傍領域
でだけゼロ結合が発生するようにする。

米国特許第４３７２８４３号明細書は、定常波を伝送線
に沿って確立させた伝送線を用いた超高速ゲートを記載
している。上記特許は、共鳴電気信号回路を用いて、比
較的小さな信号出力消費で振幅の大きな信号を発生させ
る。

本発明に先行する技術ではないが、デフオンジ（ＤｅＦ
ｏｎｚｏ　）等は、論文「平面型集積式光電アンテナの
過渡応答（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｒｅ５ｐｏｎｓｅ　ｏ
ｆ　ＰｌａｎａｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｏｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ａｎｔｅｎｎａｓ）　Ｊ　ＮＡｐｐ
ｌ、ＰｈＹｓ、Ｌｅｔｔ、５０．１９８７年４月、Ｉ）
ｐ、１１５５ないし１１５７、及び「超短電気パルスの
光電気的送信及び受信（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｔ
ｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ
　ｏｆｔｌｌｔｒａｓｈｏｒｔ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
　Ｐｕ１ｓｅｓ）　Ｊ　、Ａ　ｐｐｌ　。

Ｐｂ）’ｓ−Ｌｅ　ｔ　ｔ、　、１９８７年７月、ｐｐ
。

２１２ないし２１４で、放射線で損傷を受けたシリコン
・オン・サファイア基板上に作成した平面型アンテナ構
造を使ってピコ秒パルスを検出することを報告している
。

また、スミス（Ｓｉ＋１ｔｈ）等の論文「サブピコ秒光
導電ダイポール・アンテナ（Ｓｕｂｐ　ｉｃｏｓｅｃｏ
ｎｄＰｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　　Ｄｉｐｏｌｅ
　　Ａｎｔｅｎｎａｓ）　　Ｊ　　Ｎ　　　Ｉ　　Ｅ　
　ＥＥＪ、Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔ、Ｎ　Ｖｏｌ
。

２４、ＮＯ１２，１９８８年２月、ｐＩ）、２５５ない
し２６０をも参照されたい。この論文は、本発明に先行
する技術ではないが、サブピコ秒電気パルスの発生、小
型グイポールを使った送信とコヒーレント検出を扱って
いる。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、通信システム用の自由に伝播するテラ
ヘルツ波を発生し検出する、集積式テラヘルツ電波シス
テムを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、テラヘルツ信号を送受信で
きる通信システムを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、テラヘルツ周波数のパルス
を発生できる定常波発振器を提供することにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明の上記及びその他の目的は、極超短波様式で動作
するパルス発生システムを使用することによって達成さ
れる。

上記システムの放出源は、超高速スイッチに接続された
共鳴放射構造から構成される。このスイッチの速度に関
する要件は、そのターン・オン時間に対応する帯域幅が
放射構造の特性周波数よりも大きい、すなわち、スイッ
チング速度が発振周期よりも著しく速いことである。

高速スイッチは、この場合、共平面伝送線に接続された
サブピコ秒光導電スイッチから構成される。伝送線は、
２μｍ離れた１対の幅１μｍのアルミニウム線を有する
。伝送線は、光導電スイッチの作成にとって理想的なイ
オン注入したシリコン・オン・サファイア（ＳＯ８）基
板上に付着させる。法送線は、放射構造の先端から幅が
通常５μｍの光導電ギャップによって分離する。

光導電スイッチ（ギャップ）は、接続時間がサブピコ秒
のレーザ・パルスにより、かつ大きな過渡キャリア群を
生成するのに十分なエネルギーで駆動する。

放射構造自体は、同じ基板上に付着させた幅１μｍのア
ルミニウム線である。この幅は、応用分野に応じて変動
することを了解されたい。その長さは、所望の発振周期
に合わせて調節する。長さ１５０μｍの線は予想通り発
振周期が５ピコ秒の放射線をもたらすことが実証された
。この構造は、上記の光導電スイッチによって、先端で
起動（ｅｎｄ−ｆ　ｉｒｅ　）される。放射構造の他端
は、大きな高周波インピーダンスの不連続を介して、バ
イアス・ネットワークに接続される。

ギャップ励振原理を利用して、５ピコ秒の特性発振周期
で放射する送信アンテナを使用すると、遠点に配置した
同−設計の受信アンテナを使って自由伝播信号を観察す
ることができる。これは、導波構造を必要としないオン
チップ信号伝播にとってを用である。次いで、この対を
用いて、論理回路及びメモリの両方で、チップ内または
チップ間の通信が可能になる。

以下の好ましい実施例の図面及び記載を参照しながら、
本発明についてさらに詳しく説明する。

Ｅ、実施例 第１図には、本発明に基づく送信アンテナ及び受信アン
テナが示されている。送信アンテナは、幅約１μｍ１厚
さ約０．５μｍ１長さが所望放射周波数の１／４波長に
等しい細い線５を含んでいる。この線は、一端が超高速
スイッチ素子６で終端し、他端が大きな接続パッド８で
終端している。

この接続パッドへの電気接続は、当業者なら容易に理解
できるものであり、したがって本明細書では詳しく説明
しない。

超高速スイッチ素子の１例は、絶縁体基板上に作成した
並行な２本の金属線から構成される共平面伝送線１１に
接続された、超高速光導電スイッチ６である。通常、こ
の線の設計インピーダンスは、線幅の２倍の線間隔に対
応する約１００オームである。

適当な線は、線幅が１μｍないし１０μｍで、厚さが０
．５μｍのアルミニウムから作成できる。

金属パッド８は、超高速スイッチを動作させるためにバ
イアス電圧電源９に接続される。改めて強調しておくが
、このスイッチの一般的要件は、アンテナの発振周期に
比べて高速でなければならないことである。本発明によ
り、長さ１５０μｍのアンテナをサファイア上に作成し
た場合、発振周期は５ピコ秒である。使用する動作可能
スイッチハ、オーストンの論文（前掲）及びケッチエン
等の論文（前掲）に記載されているような光導電ギャッ
プである。この場合、スイッチは、アンテナと伝送線の
間の単なる５μｍのギャップである。

スイッチを動作させるため、ケッチエン（Ｋｅｔｃｈｅ
ｎ）等の論文に記載されているように、イオン注入した
シリコン・オン・サファイア（ＳＯ８）基板上にメタラ
ジを付着させなければならない。

通常、このギャップを動作させるため約５ボルトのバイ
アスをかけ、持続時間がサブピコ秒の超短レーザ・パル
スで短絡させる。このギャップ過渡励振によって、同調
された４分の１波長アンテナ構造が励振され、この波長
で発振が起こる。それによって、アンテナは、この特性
波長の放射線１３を放射し、その放射線が他の遠隔地点
にオフチップ伝播することができる。受信アンテナ１５
は、バイアス電圧がない点以外は、送信機５と同じ構造
である。受信機は、超高速スイッチ素子１７を介して伝
送線１９に接続される。この高帯域伝送線は、たとえば
受信した放射線によって活動化され制御される論理回路
及び記憶回路に通じる。

伝送線１９は、伝送線１１と同様であるが、同一である
必要はない。この場合も、超高速スイッチ素子１７に関
する要件は、受信した放射線の周期よりも高速なことで
ある。

特定の好ましい実施例では、光導電スイッチを使用し、
検出器もイオン注入ＳＯＳウェハ上に作成する必要があ
る。このスイッチは、同期され集束された第２のサブピ
コ秒レーザ・パルスにょうて駆動される５μｍの光電導
ギャップである。スイッチング順序に応じて、受信した
放射線かもた”らすギャップの両端間の時間に依存する
電圧に対応する正または負のパルスを、伝送線上に発生
させることができる。

別の送信機が、第２図に示されている。この送信機も、
第１図のシステムで使用できる。この設計は、超高速ス
イッチ素子２３によって分離された２個の４分の１波長
セクシヨンから構成される、全長が１／２波長のアンテ
ナ２１を必要とするだけである。この場合も、提案した
実施例は、超高速スイッチ用に光導電ギャップを使用す
る。このスイッチは、上記と同じように働き、サブピコ
秒レーザ・パルスで駆動される。アンテナは、その特性
放射線２７を放射する。

Ｆ０発明の効果 テラヘルツ周波数領域での信号の利用を促進する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づいて使用される基本構造の概略
図である。 第２図は、第１図の実施例で使用される修正された送信
機の概略図である。 ５．２１・・・・送信アンテナ線、６．１７．２３・・
・・スイッチ素子、８・・・・接続パッド、９・・・・
バイアス電圧電源、１１．１８・・・・伝送線、１３．
２７・・・・放射線、１５・・・・受信アンテナ。 出願人　　インターナシ日ナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーシヨン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板上に１対の薄膜線で形成された伝送線を
   含んだサブピコ秒光導電スイッチ素子と、自己の一端及
   び上記伝送線の間に励振ギャップを形成するように、上
   記伝送線に対して間隔付けして配置したアンテナと、 上記アンテナに接続した上記光導電スイッチ素子を駆動
   するための出力パルスを発生するレーザ源とを備え、 上記レーザ源からのパルスが上記励振ギャップを励振し
   て、テラヘルツの周期的な振動を発生し上記アンテナに
   よって送信するようにしたテラヘルツ電磁波装置。
2. （２）薄膜伝送線を含んだサブピコ秒光導電スイッチ素
   子と、 上記伝送線及び自己の一端の間に励振ギャップを形成す
   るように、上記伝送線に対して間隔付けして配置したア
   ンテナとを備え、 上記アンテナに入力があったときテラヘルツの周期的な
   振動を感知するようにしたテラヘルツ電磁波装置。