JPH04284681A

JPH04284681A - マイクロ波処理装置

Info

Publication number: JPH04284681A
Application number: JP3049341A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Yajima; 裕介矢島; Katanobu Yokogawa; 賢悦横川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-14
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 1992-10-09
Also published as: EP0503624B1; US5291145A; DE69204088D1; DE69204088T2; EP0503624A1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特にマイクロ波領域の
微弱な電磁波を増幅するのに適したマイクロ波処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波領域の電磁波の増幅に
は、クライストロンや進行波管などの電子管や、ガンダ
イオードやインパットダイオードなどの半導体素子が用
いられていた。これらの電子管や半導体素子については
、たとえば、阿部英太郎著「マイクロ波技術」（東京大
学出版会，東京，１９７９年）に解説されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち電
子管は、広い周波数範囲のマイクロ波増幅に適用できる
が、形状が大きく衝撃に弱い、高電圧や冷却水の供給が
必要となる、寿命が短くしかも性能に経時変化があるな
どの問題がある。一方、半導体素子は、小型で低電圧で
動作するなど、取り扱いの点では電子管より優れている
が、電子管に比べて開発の歴史が浅いので、今のところ
周波数帯が限られ、高価であり信頼性にも問題がある。

【０００４】さらに、これら電子管、半導体素子のいず
れにおいても、電子の集団的な流れを制御して増幅を行
うため、この流れに伴う雑音を発生するという原理的な
問題がある。この問題は、増幅しようとするマイクロ波
が微弱な場合には特に深刻である。

【０００５】本発明の目的は、マイクロ波領域の電磁波
を低雑音で増幅することが可能であり、特に微弱なマイ
クロ波の増幅に適したマイクロ波処理装置を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、中性｛１１０｝平面四空孔を含む単結
晶シリコン，上記単結晶シリコンを低温に保つための冷
却手段，上記単結晶シリコンに光を照射するための光ポ
ンピング手段，上記単結晶シリコンに静磁場を加えるた
めの磁場印加手段，上記単結晶シリコンを上記静磁場に
対して特定の配向に保持するための配向保持手段，上記
単結晶シリコンに電磁波を供給するための入射手段、お
よび上記単結晶シリコンからの電磁波を取り出すための
出射手段によりマイクロ波処理装置を構成する。ここで
、上記中性｛１１０｝平面四空孔は、単結晶シリコンに
高エネルギー電子線，高速中性子線，イオンビームなど
を照射すると容易に生成し、１８０℃以下の温度では安
定であり移動したり消滅したりすることはない。この中
性｛１１０｝平面四空孔には二つの不対電子が存在し、
スピン多重度１（三重項）の常磁性を示す。

【０００７】上記単結晶シリコンを上記冷却手段により
低温に保ち、上記光ポンピング手段により光照射すると
、上記中性｛１１０｝平面四空孔の常磁性電子状態内の
ゼーマン副準位に反転分布が生じる。この、反転分布の
生じたゼーマン副準位間のエネルギー差が上記入射手段
により上記単結晶シリコンに供給する入射電磁波の光子
エネルギーに一致するように、上記静磁場の強度、およ
び上記単結晶シリコンの上記静磁場に対する配向が調整
されている場合には、上記入射手段により上記単結晶シ
リコンに供給される入射電磁波は、上記反転分布の生じ
たゼーマン副準位間の遷移に伴う誘導放出により増幅さ
れて上記出射手段を経て外部に出力される。

【０００８】すなわち、本発明になるマイクロ波処理装
置は、一種の固体メーザ（ＭＡＳＥＲ；Ｍｉｃｒｏｗａ
ｖｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｓｔｉｍｕ
ｌａｔｅｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｒａｄｉａｔｉ
ｏｎ）である。メーザ作用を利用した信号増幅器としては、例えば特開
昭５８−１０８７８２号公報に示されているように、メ
ーザ作用の急峻な電圧傾斜特性を利用した微弱変動電流
の増幅器が提案されている。これに対して本発明では、
新たに発明したメーザ媒質（中性｛１１０｝平面四空孔
を含む単結晶シリコン）によりマイクロ波を増幅する。

【０００９】

【作用】本発明の原理である誘導放出あるいは吸収は、
電子の集団的な流れを伴わないため、雑音を発生しない
。したがって、本発明になるマイクロ波処理装置は、前
述の電子管や半導体素子に比べて、本質的に低雑音な増
幅器である。さらに、本発明になるマイクロ波処理装置
の基本部分である単結晶シリコンには、電子の集団的な
流れのような物質の移動が動作中に全く発生しない。このため、本発明になるマイクロ波処理装置は動作時間
に依存した寿命の制限を受けないので、長期間信頼性の
高い動作を行うことができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

【００１１】図１は本発明になるマイクロ波処理装置の
一実施例の構成を示す図である。

【００１２】同図において、中性｛１１０｝平面四空孔
を含む単結晶シリコン１は配向保持装置２に固定され、
冷却装置３の内部で、所定の温度に調整したヘリウムガ
スフロー４により２０Ｋ以下の一定温度に冷却される。ここで、上記ヘリウムガスフロー４は、液体ヘリウム容
器５から供給される液体ヘリウムを、ヘリウムガス発生
・制御装置７の内部で気化することにより得ている。言
うまでもなく、上記単結晶シリコン１の温度を、必要に
応じて２０Ｋから室温にいたる温度に設定することも可
能である。また、上記中性｛１１０｝平面四空孔は、１
ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ高エネルギー電子線，高
速中性子線，総ドーズ量が１×１０１４／ｃｍ２　以下
のイオンビームなどを、１８０℃以下の温度で照射する
ことにより単結晶シリコン１中に生成させている。

【００１３】そして、上記単結晶シリコン１は、マイク
ロ波空洞共振器６の中のマイクロ波磁場振幅が大きい部
分に設置されている。上記マイクロ波空洞共振器６は、
導波路１２と結合孔１３を介して電磁的に結合している
。さらに、上記導波路１２はサーキュレータ１４を介し
て入力導波路１５、および出力導波路１６と結合してい
る。入力マイクロ波１７は、上記入力導波路１５，上記
サーキュレータ１４，上記導波路１２，上記結合孔１３
を経て上記マイクロ波空洞共振器６に入る。そして、上
記マイクロ波空洞共振器６からのマイクロ波は、上記結
合孔１３，上記導波路１２，上記サーキュレータ１４，
上記出力導波路１６を通り、出力マイクロ波１８となる
。

【００１４】また、上記単結晶シリコン１には、光照射
装置８により１．３μｍ　付近の波長を持つ光１０が照
射できるようになっている。ここで、上記単結晶シリコ
ン１に照射する上記光１０の強度は、光ポンピング手段
である光制御装置９により上記光照射装置８の最大許容
強度から無照射までの範囲で連続的に変えることができ
る。

【００１５】さらに、上記単結晶シリコン１には、磁場
印加装置１１により均一度が０．０１％以上の静磁場を
加える。上記磁場印加装置１１としては、電磁石または
永久磁石を用いている。いずれの場合も、上記単結晶シ
リコン１に印加される静磁場の強度は連続的に変えるこ
とができるが、このための機構は図１では省略されてい
る。

【００１６】次に、本実施例の動作原理を説明する。

【００１７】上記単結晶シリコン１の配向を、上記磁場
印加装置１１により印加される静磁場の向きが｛１１０
｝面内で回転できるように上記配向保持装置２を調整し
、この面内における静磁場の向きを〈１００〉軸からの
傾き角によって表す。

【００１８】まず、静磁場の向きが０度、すなわち〈１
００〉軸と平行にして静磁場の強度をゆっくりと変化さ
せたときの出力マイクロ波１８の強度の変化を、入力マ
イクロ波１７の強度に対する比として図２のＡに示す。

【００１９】図２のＡには、１０Ｋにおいて光を照射し
た場合（上側）と、光を照射しない場合（下側）の結果
を合わせて示してある。ここで、静磁場強度がａ，ｂ，
ｃ，ｄになった時に出力マイクロ波１８の強度が変化す
るのは、上記中性｛１１０｝平面四空孔のスピン多重度
１（三重項）の常磁性電子状態内の三つのゼーマン副準
位のうち、隣接する二つのエネルギー差がこれらの静磁
場強度で入力マイクロ波１７の光子エネルギーに一致し
、常磁性共鳴が起こったためである。個々の中性｛１１
０｝平面四空孔は、上述したようにスピン多重度が１の
三重項であるため、ふたつの静磁場強度で常磁性共鳴を
示す。しかし、上記単結晶シリコン１中に分布する中性
｛１１０｝平面四空孔は、静磁場の向きが〈１００〉軸
に平行な場合には静磁場に対して２種類の非等価な配向
をとりうるので、合計四つの静磁場強度で常磁性共鳴が
観測される。入力マイクロ波１７の周波数が１０ＧＨｚ
付近（Ｘバンド）の場合には、静磁場強度が３６０ｍＴ
（テスラ）付近に数ｍＴにわたってこの常磁性共鳴に起
因する強度変化が現れる。入力マイクロ波１７の振動数
を変えた場合は、静磁場強度（Ｔ；テスラ）≒０．０３
５×マイクロ波周波数（ＧＨｚ）の近似式にしたがって
静磁場強度を調整する必要がある。

【００２０】図２のＡにおいて、光を照射した場合（上
側）には静磁場強度が図中のａとｃになった時に出力マ
イクロ波１８が増幅され、ｂとｄになった時には減衰す
る。これに対して、光を照射しない場合（下側）にはａ
，ｂ，ｃ，ｄのいずれにおいても出力マイクロ波１８は
減衰する。光照射の有無に依存したこのような相違は以
下のように説明される。

【００２１】すなわち、光を照射しない場合には上述し
た三つのゼーマン副準位の中で熱平衡が成り立っており
、高エネルギー側のゼーマン副準位ほど占有数が少ない
。したがってこの場合には、常磁性共鳴によるマイクロ
波光子の吸収が誘導放出によるマイクロ波光子の放出を
上回り、その差に相当する割合だけ出力マイクロ波１８
は入力マイクロ波１７に対して減衰する。このようなマ
イクロ波光子の吸収は、ゼーマン副準位の中で熱平衡が
成り立っている場合には広く観測され（常磁性共鳴吸収
）、上記単結晶シリコン１の室温における抵抗率が充分
に高ければ、１０Ｋにおいて光を照射しない場合（図２
のＡの下側）と室温での結果とは同様なものとなる。

【００２２】一方、光を照射した場合には、これら三つ
のゼーマン副準位の占有数の分布が熱平衡における分布
からずれる。このため、三つのゼーマン副準位の中の二
つの副準位の組み合わせにおいて、高エネルギー側の副
準位の占有数が低エネルギー側のゼーマン副準位の占有
数を上回る場合が生じる（スピン整列）。この場合には
、常磁性共鳴によるマイクロ波光子の誘導放出がマイク
ロ波光子の吸収を上回り、その差に相当する割合だけ出
力マイクロ波１８は入力マイクロ波１７に対して増幅さ
れる（図２のＡの上側におけるａとｃ）。同時に、占有
数の分布の熱平衡分布からのずれにより、常磁性共鳴吸
収の大きさも変化する（図２のＡにおけるｂとｄの、上
側と下側とでの相違）。

【００２３】本発明では、上述した中性｛１１０｝平面
四空孔のゼーマン副準位における誘導放出を利用して入
力マイクロ波１７を増幅する。すなわち、本発明になる
マイクロ波処理装置は、一種の固体メーザ（ＭＡＳＥＲ
；Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｂ
ｙ　ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＥｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｒ
ａｄｉａｔｉｏｎ）である。

【００２４】上述した増幅作用は、静磁場強度、および
この静磁場に対する単結晶シリコン１の配向に依存して
いる。図２のＡに示したように、静磁場の向きが０度、
すなわち〈１００〉軸と平行の時には、静磁場強度を図
中のａあるいはｃに一致させたときに増幅作用が得られ
る。図２のＢには、静磁場の向きを｛１１０｝面内で〈
１００〉軸方向から回転していった時に、増幅作用が得
られる静磁場強度の変化を実線で示した（点線は減衰が
起こる静磁場強度の変化）。

【００２５】図２のＢにおいて、実線が重なるような条
件に静磁場の強度と向きを選ぶと、効率のよい増幅がで
きる。この条件は、図２のＢに示したａ，ｃ，ｅ，ｆ，
ｇ，ｈ，ｉ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｏ，ｐ，ｑ，ｒ，ｓにお
いて満たされている。しかし、これらの中で、ｋ，ｓな
どは、減衰の条件に非常に近接しているので適切でない
。また、静磁場の向きが、上記単結晶シリコン１の結晶
軸のうち〈１００〉，〈１１１〉，〈１１０〉軸の何れ
かと平行になるａ，ｃ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉなどの条件
は、静磁場の向きの調整が容易なので利用しやすい。さらに、ｃ，ｅ，ｉ，ｊなどの条件は、他の増幅条件か
ら比較的離れているので、所望の周波数の入力マイクロ
波１７のみを選択的に増幅したい場合に有効である。ま
た、実線が重なるような条件の中でも増幅の効率には差
があるので（図２のＡのａとｃ参照）、例えば図２のＢ
におけるｃ，ｅなどの条件を選べば高い増幅効率が得ら
れる。

【００２６】これまで説明した本発明になる増幅器の増
幅作用は、静磁場強度、およびこの静磁場に対する単結
晶シリコン１の配向に非常に敏感である。例えば、静磁
場に対する単結晶シリコン１の配向を固定した場合、静
磁場の強度が増幅作用の得られる値から０．０３％　ず
れると増幅作用は無くなる。逆に、振動数の入力マイク
ロ波１７の周波数に対する増幅帯域は非常に狭い。この
ため、本発明になる増幅器は非常に低雑音であり、特に
入力マイクロ波１７が微弱な場合の増幅に適している。また、すでに述べたように、静磁場強度あるいは上記単
結晶シリコン１の配向を変えることにより、増幅するマ
イクロ波の振動数を変えることも容易なので、本発明に
なるマイクロ波処理装置は、狭帯域であるという利点と
、中心周波数連続可変であるという利点を合わせ持つ。

【００２７】次に、実際に入力マイクロ波１７を増幅す
るときの手順を説明する。

【００２８】入力マイクロ波１７に雑音成分や不要な周
波数成分あまり含まれていない場合には、まず、上記配
向保持装置２により静磁場の向きをある程度調整する。そして、出力マイクロ波１８の強度をモニタしながら静
磁場の強度を変えてゆき、強度が最大になったところで
静磁場を固定する。そこで再び、上記配向保持装置２に
より静磁場の向きを、出力マイクロ波１８の強度が最大
になるよう微調整する。あとは必要に応じて、静磁場の
強度と向きの微調整を出力マイクロ波１８の強度が最大
になるまで繰りかえす。

【００２９】一方、入力マイクロ波１７に雑音成分や不
要な周波数成分が多量に含まれている場合には、標準信
号源などを利用して静磁場の向きを上述の手順によりあ
らかじめ調整しておく。その上で、出力マイクロ波１８
の強度をモニタしながら静磁場の強度と向きを微調整し
、出力マイクロ波１８の強度が最大となる条件を探す。

【００３０】増幅したい入力マイクロ波１７の振動数が
常に一定である場合には、必要に応じて多少の微調整を
行う以外は、上のような手順は不要であることは言うま
でもない。また、特に標準信号源などを用いた調整を頻
繁に行う場合には、上記単結晶シリコン１として抵抗率
が１００Ωｃｍ以上の高抵抗品を用いると作業効率が良
い。これは、上記単結晶シリコン１として高抵抗品を用
いると、低温の場合と同様の常時性共鳴吸収を室温で観
測できるので（図２のＡの下側）、室温において基本的
な調整が完了できるためである。

【００３１】すでに述べたように、本発明になるマイク
ロ波処理装置により増幅を行うには、上記単結晶シリコ
ン１を冷却する必要がある。図３に、増幅の効率と上記
単結晶シリコン１の温度との関係を示す。

【００３２】同図で明らかなように、増幅は２０Ｋ以下
の温度でのみ見られ、特に５Ｋから１０Ｋの温度範囲で
最大の効率が得られる。この温度特性は、増幅するマイ
クロ波が１０ＧＨｚ付近、すなわち所謂Ｘバンドである
場合のものである。増幅するマイクロ波の周波数がこれ
より低くなる場合には増幅作用は、より低温でないと起
こらなくなる。逆に、より高周波数のマイクロ波におけ
る増幅作用は、２０Ｋよりも高温でも実現できる。

【００３３】また、冷却と同時に、光照射も増幅のため
の必要条件である。図４には、増幅の効率と上記単結晶
シリコン１に照射する光の強度との関係を示す。

【００３４】増幅作用が得られるのは光強度がある程度
強い場合であり、光強度が弱い場合には出力マイクロ波
１８は入力マイクロ波１７に対して減衰する。同図で明
らかなように、この減衰から増幅への変化は、光強度に
対して連続的でしかも滑らかである。図１に示した実施
例おいては、上記単結晶シリコン１に照射する上記光１
０の強度は連続的に変えられるので、利得を減衰から増
幅の範囲で連続的に変えることが可能である。すなわち
、上記光１０の強度が充分強い時には狭帯域な増幅器と
なり、逆に、上記光１０の強度を充分弱くするか全く照
射しないときには、非常に急峻な特性をもつバンドエリ
ミネーションフィルタとなる。増幅器，フィルタのいず
れとして使用する場合でも、発生する雑音は非常に小さ
くしかも一定値となる。

【００３５】次に、本発明の別の実施例を図５を用いて
説明する。

【００３６】同図において、中性｛１１０｝平面四空孔
を含む単結晶シリコン１は配向保持装置２に固定され、
液体ヘリウム２０を満たした冷却装置３の内部で、温度
制御装置１９により２０Ｋ以下の一定温度に冷却される
。言うまでもなく、上記単結晶シリコン１の温度を、必
要に応じて２０Ｋから室温にいたる温度に設定すること
も可能である。

【００３７】そして、上記単結晶シリコン１は、上記冷
却装置３の内部を通過する導波路２１の内部に設置され
ている。上記導波路２１の、上記冷却装置３内部に入る
部分と外部にでている部分とは、断熱部２２を介してつ
ながっている。入力マイクロ波１７は、上記導波路２１
を通り上記単結晶シリコン１に到達する。そして、上記
単結晶シリコン１からのマイクロ波は、上記導波路２１
を経て出力マイクロ波１８となる。

【００３８】また、上記単結晶シリコン１には、光照射
装置８により１．３μｍ　　付近の波長を持つ光１０が
照射できるようになっている。ここで、上記単結晶シリ
コン１に照射する上記光１０の強度は、光制御装置９に
より上記光照射装置８の最大許容強度から無照射までの
範囲で連続的に変えることができる。

【００３９】さらに、上記単結晶シリコン１には、上記
磁場印加装置１１により均一度が０．０１％　以上の静
磁場を加える。上記磁場印加装置１１としては、電磁石
または永久磁石を用いている。いずれの場合も、上記単
結晶シリコン１に印加される静磁場の強度は連続的に変
えることができるが、このための機構は図５では省略さ
れている。

【００４０】本実施例は、図１により説明した実施例と
ほぼ同じ動作をする。マイクロ波空洞共振器を備えてい
ないことにより、図１により説明した実施例に比べて増
幅の効率はやや低くなる傾向があるが、このために構成
が単純になるので、図１により説明した実施例よりは取
り扱いが容易である。

【００４１】次に、本発明における単結晶シリコン１と
光照射装置８の部分についての別の実施例を図６を用い
て説明する。

【００４２】同図において、単結晶シリコン１と発光ダ
イオード，半導体レーザなどから成る光照射装置８とは
、同一の基板２３上に設置された一体化構造を持つ。光照射装置８には、所定の強度の光１０が単結晶シリコ
ン１に照射されるよう調整された電流が、同図では省略
されている光制御装置９から電流線２４により供給され
る。単結晶シリコン１と光照射装置８とを一体化するこ
とにより、装置を小型化できるのみでなく、操作性や動
作の信頼性なども向上する。

【００４３】単結晶シリコン１を冷却するための手段と
しては、図１，図５で説明した実施例と同様なものも使
用できるが、ペルチェ効果を利用した電子冷却装置によ
り基板２３全体を冷却することもできる。電子冷却を用
いれば、液体ヘリウム２０を用いた冷却手段に比べて、
操作，保守が著しく簡便になる。

【００４４】次に、本発明のさらに別の実施例を図７に
より説明する。

【００４５】同図に示した実施例においては、出力導波
路１６より出力電磁波の一部を取り出し、これに移相器
２５，減衰器２６による位相および振幅調整を行った後
に入力導波路１５において入力電磁波と混合する帰還回
路２７により、上記出力電磁波の一部を、図１，図５，
図６で説明した実施例のいずれかの構成を持つ増幅器２
８に再度供給する。ここで、移相器２５，減衰器２６の
順序は逆でも良い。帰還回路２７を備えたことにより、
本実施例は図１，図５，図６で説明した実施例に比べて
増幅率や信号／雑音比の点で優れている。

【００４６】次に、本発明の他の実施例を図８により説
明する。

【００４７】同図に示した実施例においては、図１，図
５，図６，図７で説明した実施例のいずれかの構成を持
つ増幅器２９を複数（ｎコ）組み合わせて増幅を行う。組み合わせる方法は、上記増幅器２９（以下、増幅器１
，増幅器２，…，増幅器ｎと称する）において、増幅器
ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ−１）の出力導波路１６が増幅
器ｉ＋１の入力導波路１５に接続されるようにする。入力電磁波は上記増幅器１の入力導波路１５に供給し、
上記増幅器ｎの出力導波路１６より出力電磁波を取り出
す。

【００４８】上記増幅器２９は他の増幅器に比べて低雑
音であるため、増幅率を向上させるためにこのような多
段増幅器を構成することは特に有効である。

【００４９】本発明で利用しているメーザ作用は、スピ
ン多重度が１以上の準位（すなわち３つ以上のスピン副
準位を持つ準位）を持ち、しかも光ポンピングなどの手
段によりスピン副準位の間に反転分布が実現できる系で
起こる現象である。一般に、スピン副準位は、スピン−
軌道相互作用，スピン−スピン相互作用などのために、
ゼロ磁場でも分裂している。したがって、反転分布の実
現しているスピン副準位間の分裂幅のエネルギーに相当
する周波数のマイクロ波であれば、外部から静磁場を印
加しなくても本発明と同様の原理により増幅が可能であ
る（ゼロ磁場におけるメーザ増幅）。

【００５０】しかし、ゼロ磁場におけるメーザ増幅では
、増幅し得るマイクロ波の周波数が極めて限定されるた
め、これを増幅器として利用するのは実用的でない。

【００５１】

【発明の効果】本発明では、増幅の原理として誘導放出
を用いているため、前述の電子管や半導体素子のように
電子の集団的な流れを制御して増幅を行う増幅器と比べ
て本質的に低雑音である。従って、微弱なマイクロ波で
あっても高い信号対雑音比で増幅できるという効果があ
る。

【００５２】さらに、非常に狭帯域の増幅器であると同
時に、静磁場の強度あるいは単結晶シリコンの配向の調
整によりこの増幅帯域の中心周波数を容易に変えられる
ため、Ｑ値の高い増幅を所望の周波数のマイクロ波につ
いて行えるという効果もある。

【００５３】また、本発明になるマイクロ波処理装置の
基本部分である単結晶シリコンには、電子の集団的な流
れのような物質の移動が動作中に全く発生しない。この
ため、動作時間に依存した寿命の制限を受けないので、
信頼性が長期間維持できるという効果もある。

【００５４】そして、単結晶シリコンに照射する光の強
度を変えることにより、出力マイクロ波の強度を入力マ
イクロ波の強度に対して、減衰から増幅の範囲で連続的
に調整できるという効果もある。すなわち、本発明は、
装置構成を変えることなく狭帯域増幅器としても、また
、特性の急峻なバンドエリミネーションフィルタとして
も利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるマイクロ波処理装置の一実施例の
構成を示す図。

【図２】本発明になるマイクロ波処理装置の動作原理を
説明するための図。

【図３】本発明になるマイクロ波処理装置の動作を説明
するための図。

【図４】本発明になるマイクロ波処理装置の動作を説明
するための図。

【図５】本発明になるマイクロ波処理装置の別の実施例
の構成を示す図。

【図６】本発明になるマイクロ波処理装置の第三の実施
例の構成を示す図。

【図７】本発明になるマイクロ波処理装置の第四の実施
例の構成を示す図。

【図８】本発明になるマイクロ波処理装置の第五の実施
例の構成を示す図。

【符号の説明】

１…単結晶シリコン、２…配向保持装置、３…冷却装置
、４…ヘリウムガスフロー、５…液体ヘリウム容器、６
…マイクロ波空洞共振器、７…ヘリウムガス発生・制御
装置、８…光照射装置、９…光制御装置、１０…光、１
１…磁場印加装置、１２…導波路、１３…結合孔、１４
…サーキュレータ、１５…入力導波路、１６…出力導波
路、１７…入力マイクロ波、１８…出力マイクロ波、１
９…温度制御装置、２０…液体ヘリウム、２１…導波路
、２２…断熱部、２３…基板、２４…電流線、２５…移
相器、２６…減衰器、２７…帰還部、２７…増幅器、２
８…増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３つ以上のスピン副準位から成る状態を持
つ固体メーザ物質，上記固体メーザ物質を低温に保つた
めの冷却手段，上記固体メーザ物質の上記スピン副準位
のポピュレーション分布を熱平衡状態の分布から変化さ
せるためのポンピング手段，上記固体メーザ物質に静磁
場を加えるための磁場印加手段，上記固体メーザ物質に
電磁波を供給するための入射手段，上記固体メーザ物質
から処理された電磁波を取り出すための出射手段から成
ることを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項２】請求項１記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記固体メーザ物質が、中性｛１１０｝平面四空孔
を含む単結晶シリコンであることを特徴とするマイクロ
波処理装置。
【請求項３】請求項１記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記ポンピング手段が、上記固体メーザ物質に光を
照射する光ポンピング手段であることを特徴とするマイ
クロ波処理装置。
【請求項４】請求項１記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記磁場印加手段が、上記固体メーザ物質を静磁場
に対して特定の配向に保持するための配向保持手段を含
むことを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項５】請求項１記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記入射手段により上記固体メーザ物質に供給する
電磁波がマイクロ波であることを特徴とするマイクロ波
処理装置。
【請求項６】請求項２記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記単結晶シリコンの温度を、上記冷却手段により
２０Ｋ以下の一定温度に保つことを特徴とするマイクロ
波処理装置。
【請求項７】請求項３記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記光ポンピング手段により上記固体メーザ物質に
照射する光の波長が、０．６μｍ　から２μｍの範囲で
あることを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項８】請求項２記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記単結晶シリコンの抵抗率が１００Ωｃｍ以上で
あることを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項９】請求項４記載のマイクロ波処理装置におい
て、上記固体メーザ物質が立方格子から成る単結晶であ
り、上記磁場印加手段により上記固体メーザ物質に加え
る静磁場の向きが、上記固体メーザ物質の結晶軸のうち
〈１００〉，〈１１１〉，〈１１０〉軸の何れかと平行
になるよう、上記配向保持手段により上記固体メーザ物
質の配向を保つことを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項１０】請求項３記載のマイクロ波処理装置にお
いて、上記光ポンピング手段から上記固体メーザ物質に
照射する光の強度を変化させる手段により、上記固体メ
ーザ物質に照射する上記光の強度を調整することにより
、上記出射手段から出力する電磁波の強度を上記入射手
段に入力する電磁波の強度に対して、減衰から増幅の範
囲で調整可能としたことを特徴とするマイクロ波処理装
置。
【請求項１１】請求項１記載のマイクロ波処理装置にお
いて、上記出射手段より出力電磁波の一部を取り出し、
これに位相および振幅調整を行った後に上記入射手段に
おいて入力電磁波と混合し、上記固体メーザ物質に供給
する帰還手段を備えたことを特徴とするマイクロ波処理
装置。
【請求項１２】請求項１記載のマイクロ波処理装置にお
いて、少なくとも２個のマイクロ波処理装置を多段に接
続したことを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項１３】請求項３記載の装置において、上記固体
メーザ物質と上記光ポンピング手段を同一の基板に一体
化したことを特徴とするマイクロ波処理装置。
【請求項１４】請求項２記載のマイクロ波処理装置にお
いて、上記単結晶シリコンとして、エネルギーが１Ｍｅ
Ｖ以上の電子線、あるいは高速中性子線、あるいは総ド
ーズ量が１×１０１４／ｃｍ２　以下のイオンビームの
いずれか、またはそれらの粒子線を任意に組み合わせて
、上記単結晶シリコンの温度を１８０℃以下に保ちなが
ら照射したものを用いることを特徴とするマイクロ波処
理装置。
【請求項１５】請求項２記載のマイクロ波処理装置にお
いて、上記冷却手段により上記単結晶シリコンの温度を
２０Ｋ以下の一定温度に保ち、上記ポンピング手段によ
り上記固体メーザ物質に波長が０．６μｍ　から２μｍ
の範囲の光を照射することを特徴とするマイクロ波処理
装置。