JP4831466B2 - Method and apparatus for generating and detecting terahertz waves - Google Patents
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Description
本発明は、光伝導アンテナを用いて、テラヘルツ波を発生または検出する方法と、その方法を実施する装置に関する。 The present invention relates to a method for generating or detecting a terahertz wave using a photoconductive antenna, and an apparatus for implementing the method.
大容量で高速の情報伝送や情報処理を行う装置を実現するために、光の出力を光によって制御することのできる光制御−光スイッチング素子や光メモリ素子の実用化が求められている。 In order to realize an apparatus that performs large-capacity and high-speed information transmission and information processing, there is a demand for practical use of an optical control-optical switching element and an optical memory element that can control the output of light by light.
一般に、入力光の強度が小さい時には、反射する光のスペクトルや透過する光のスペクトルなどの光学応答は、入力される光の強度にはほとんど依存しない。このような応答は、入力される光による誘起分極の大きさが、媒質内の電場の強度に比例していることから線形応答と呼ばれる。 In general, when the intensity of input light is small, optical responses such as the spectrum of reflected light and the spectrum of transmitted light hardly depend on the intensity of input light. Such a response is called a linear response because the magnitude of the induced polarization due to the input light is proportional to the intensity of the electric field in the medium.
それに対し、媒質の光学的特性が、入力される光の強度に依存する効果を、一般に非線形光学効果という。非線形光学効果は、レーザーのように、ほぼ単色で指向性の強い光に対してのみ見られる光学現象であり、物質の非線形な応答を示すものである。高調波発生や誘導ラマン効果などがその一例である。非線形光学効果は、光学媒体が分散性を有し、しばしば複屈折性も有するため、強い指向特性をもっている。 In contrast, an effect in which the optical characteristics of the medium depend on the intensity of input light is generally referred to as a nonlinear optical effect. The non-linear optical effect is an optical phenomenon that can be seen only with light that is almost monochromatic and highly directional like a laser, and shows a non-linear response of a substance. Examples include harmonic generation and the induced Raman effect. The nonlinear optical effect has strong directivity because the optical medium has dispersibility and often birefringence.
入力される光の強度が大きくなってくると、例えば、強弱２種の光が入力した場合には、弱い光による応答は強い光の強度によって、また強い光による応答はそれ自身の強度によって変化するという現象が生じる。このような現象を利用すれば反射、透過などの光の応答を、その光自身や、他の入力光によって制御することができる。 When the intensity of the input light increases, for example, when two types of intensity light are input, the response due to the weak light changes according to the intensity of the strong light, and the response due to the strong light changes according to the intensity of the light itself. A phenomenon occurs. By utilizing such a phenomenon, the response of light such as reflection and transmission can be controlled by the light itself or other input light.
従来、光によって光を制御するいわゆる光−光制御に用いる非線形光学素子や非線形光学用構造体としては、次のものが挙げられる。すなわち、ＧａＡｓ量子井戸構造などにおいて、バンド間遷移を用いてバンド充填効果による非線形光学効果を利用したもの、ＩｎＳｂなどの狭いバンドギャップ半導体において、自由キャリヤの非線形運動を利用したもの、バルク半導体の励起子準位や量子井戸微粒子などに閉じ込められた励起子準位の共鳴を用いた励起子共鳴型光学材料などがあり、これらを用いた光スイッチ素子や光双安定素子などが報告されている。 Conventionally, examples of nonlinear optical elements and nonlinear optical structures used for so-called light-light control for controlling light by light include the following. In other words, in GaAs quantum well structures, etc., using non-linear optical effects due to band-filling effects using interband transitions, narrow band gap semiconductors such as InSb, using non-linear motion of free carriers, excitation of bulk semiconductors There are exciton resonance type optical materials using resonance of exciton levels confined in a child level or quantum well fine particles, and optical switch elements and optical bistable elements using these are reported.
高速かつ大容量の光情報処理においては、光−光制御による光スイッチや光メモリが必要とされる。このような素子においては、光によって光の信号を制御し加工するために、光と光の間の相互作用の大きさが重要な問題となる。真空中では相互作用しない光も、物質媒質中においては、その媒質の分極を介して光と光の間に相互作用が生じる。その相互作用の大きさは、媒質固有の非線形分極の大きさで決まり、光の強さに依存する。 In high-speed and large-capacity optical information processing, an optical switch or optical memory based on optical-optical control is required. In such an element, in order to control and process a light signal by light, the magnitude of the interaction between light becomes an important problem. Light that does not interact in vacuum also interacts between light and light in the material medium through the polarization of the medium. The magnitude of the interaction is determined by the magnitude of the nonlinear polarization unique to the medium and depends on the intensity of light.
非線形光学効果を用いた光エレクトロニクス素子を作製するに当って重要な点の一つは、いかに小さな制御光強度で大きな非線形光学効果を生じさせるかということであり、この点が実用化可能か否かを分けるポイントとなっている。
そのために、従来では、低次元物質や極めて微細な構造を人工的に造形し、電子をこの中に量子的に閉じ込め、振動子強度を最低励起準位に集中させて非線形感受率を大きくするなど、電子系の量子閉じ込め効果に注目したものがあった。しかし、半導体のような原子間の相互作用の大きな物質においては、感受率と実際の応答出力の関係は単純ではなく感受率の評価だけでは非線形光学効果の大きさは評価できない。
One of the important points in fabricating optoelectronic devices using nonlinear optical effects is how to generate a large nonlinear optical effect with a small control light intensity. It is a point that divides.
Therefore, conventionally, low-dimensional materials and extremely fine structures are artificially modeled, electrons are confined in this quantum, and the oscillator strength is concentrated at the lowest excitation level to increase the nonlinear susceptibility. There was a thing which paid attention to the quantum confinement effect of the electron system. However, in a substance having a large interaction between atoms such as a semiconductor, the relationship between the susceptibility and the actual response output is not simple, and the magnitude of the nonlinear optical effect cannot be evaluated only by evaluating the susceptibility.
近年、遠赤外線やサブミリ波の領域において新しい発生及び検出方式の研究が急速に進展しつつあり、テラヘルツ波が注目されている。この領域は、赤外とミリ波の間、換言すれば光波と電波の境界に位置する。光と電波のそれぞれの領域が重要な応用技術とともに発展してきたのとは対照的に、技術面でも応用面でも未だ開拓途上にある領域である。
しかしながら、無線通信における周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、並びにこの周波数帯の電磁波の特徴を活用したイメージングや、環境計測、各種検査、バイオや医学への応用など、テラヘルツ領域の研究は今後ますます重要になることが予想される。
また、これまで光源・検出器が未発達であったために解明されていない物理現象・生命現象・物質構造の解明、更に、宇宙、大気や生体、プラズマなどの計測・診断など幅広い基礎的な応用分野の発展につながる。
In recent years, research on new generation and detection methods is rapidly progressing in the far infrared and submillimeter wave regions, and terahertz waves have attracted attention. This region is located between infrared and millimeter waves, in other words, at the boundary between light waves and radio waves. In contrast to the development of light and radio waves along with important applied technologies, they are still in the process of being developed both in terms of technology and application.
However, research in the terahertz area, such as effective use of frequency bands in wireless communication and support for ultra-high-speed communication, imaging utilizing the characteristics of electromagnetic waves in this frequency band, environmental measurement, various examinations, biotechnology and medical applications, etc. Are expected to become increasingly important in the future.
In addition, a wide range of basic applications such as the elucidation of physical phenomena, life phenomena, and material structures that have not been elucidated because light sources and detectors have not been developed so far, and the measurement and diagnosis of space, the atmosphere, living organisms, plasmas, etc. It leads to field development.
テラヘルツ波帯は発生も検出も困難であり、技術的に未発達な領域であるが、特に、簡便な広帯域波長可変光源はこの領域の応用研究を飛躍的に前進させるために必要不可欠な光源として多くの研究者から待ち望まれている。なかでも0.2〜3テラヘルツ（波長100〜1500μm）付近をカバーする簡便な広帯域波長可変光源の開発が特に求められている。 The generation and detection of the terahertz wave band is difficult and technically undeveloped, but in particular, a simple broadband wavelength tunable light source is an indispensable light source for making significant progress in applied research in this area. It is awaited by many researchers. In particular, the development of a simple broadband wavelength tunable light source that covers the vicinity of 0.2 to 3 terahertz (wavelength 100 to 1500 μm) is particularly required.
光技術を用いてテラヘルツ波を発生させる従来の方式には、次のようなものがある。すなわち、非線形光学結晶を用いた差周波光発生（DFG）、非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振、光伝導（PC）素子を用いた光混合、PC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生が挙げられる。 Conventional methods for generating terahertz waves using optical technology include the following. In other words, differential frequency light generation (DFG) using nonlinear optical crystals, parametric oscillation using nonlinear optical crystals, light mixing using photoconductive (PC) elements, ultrashort electromagnetic waves by femtosecond optical pulses using PC elements One example is pulse generation.
非線形光学結晶を用いたDFGと非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振は、２次の非線形光学効果を有する結晶に光波を入射し、位相整合条件下でテラヘルツ波を発生させる構成である。DFGでは二つの入射光の波長間隔（〜nm）を変化させることによって、発生させるテラヘルツ波の波長を制御する。一方、パラメトリック発振を用いる方式では、入射光は１波長でよく、またその入射角を変化させるのみで、発生させるテラヘルツ波の波長を制御できる特長がある。 The DFG using the nonlinear optical crystal and the parametric oscillation using the nonlinear optical crystal are configured such that a light wave is incident on a crystal having a second-order nonlinear optical effect and a terahertz wave is generated under phase matching conditions. In DFG, the wavelength of the terahertz wave to be generated is controlled by changing the wavelength interval (˜nm) of two incident lights. On the other hand, the method using parametric oscillation has the advantage that the wavelength of the terahertz wave to be generated can be controlled only by changing the incident angle of incident light.
PC素子を用いた光混合とPC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生は、非線形光学効果ではなくピコ秒以下のキャリヤ寿命を有する低温成長 GaAs 薄膜における光伝導効果を用いて光混合を行うものであり、バイアス電界が必要になる点が上記方式と異なる。
微小ダイポールアンテナやスパイラル状のアンテナを一体化した PC 素子を用いて、850 nm 帯の２台の LD 出力の光混合により 0.2〜3 THz の周波数域の CW-テラヘルツ波発生が行われている。また、同様な PC 素子にフェムト秒光パルスを照射することによって、テラヘルツ波を含んだ幅広い周波数成分を有する超短電磁パルスの発生が可能である。
Ultrashort electromagnetic pulse generation by light mixing using a PC element and femtosecond light pulse using a PC element is not a nonlinear optical effect, but light using a photoconductive effect in a low-temperature-grown GaAs thin film with a carrier lifetime of picoseconds or less. It differs from the above method in that mixing is performed and a bias electric field is required.
CW-terahertz waves in the frequency range of 0.2 to 3 THz are generated by optical mixing of two LD outputs in the 850 nm band using a PC element that integrates a micro dipole antenna and a spiral antenna. Moreover, by irradiating a similar PC element with femtosecond light pulses, it is possible to generate ultrashort electromagnetic pulses having a wide range of frequency components including terahertz waves.
また、従来、テラヘルツ波の発生には、800nm帯のパルスレーザーを利用することが主であった。しかし、既に多くのインフラが整っている光通信帯の光波を利用してテラヘルツ波の発生を行なうことができれば、テラヘルツ波の応用も今後一層進むものと考えられる。 Conventionally, the generation of terahertz waves has mainly been performed using an 800 nm band pulse laser. However, if terahertz waves can be generated using light waves in an optical communication band that already has a lot of infrastructure, terahertz waves will probably be applied further in the future.
光通信は、1.55μm帯のレーザー光を利用したものが普及している。ファイバー利用時、伝搬損失の最も小さい波長が、1.55μm帯であるためである。また、1.55μm帯の光波は、ファイバーアンプによってファイバー中で増幅することができる利点もある。
現在、発生源であるPC素子に用いている半導体基板であるGaAsは、800nm帯にバンドギャップがあり、1.55μm帯のレーザーではエネルギーが小さくテラヘルツ波を発生させることができない。
GaAsは、バンドギャップが1.42eで、吸収端波長が873nmであるため、バンドギャップ以下（吸収端より長波長）のエネルギーの光は吸収されずに透過してしまい、テラヘルツ波を発生させることができない。
Optical communication that uses laser light in the 1.55 μm band is widespread. This is because the wavelength with the smallest propagation loss is 1.55 μm when using fiber. In addition, there is an advantage that the light wave in the 1.55 μm band can be amplified in the fiber by the fiber amplifier.
Currently, GaAs, which is a semiconductor substrate used for a PC element as a generation source, has a band gap in the 800 nm band, and a 1.55 μm band laser has low energy and cannot generate a terahertz wave.
Since GaAs has a band gap of 1.42e and an absorption edge wavelength of 873 nm, light with energy below the band gap (wavelength longer than the absorption edge) is transmitted without being absorbed, and can generate terahertz waves. Can not.
従来、光伝導アンテナによるテラヘルツ波の発生と検出は、基板材料物質のバンドギャップよりも大きな光エネルギーをもつゲート光を使用して、光励起によって光電流を生成することが一般的である。そのため、現在高性能を示している低温成長GaAs基板を用いた光伝導アンテナでは、基本的に通信帯の光源をゲート光に使うことができない。 Conventionally, generation and detection of terahertz waves by a photoconductive antenna generally generate a photocurrent by photoexcitation using gate light having a light energy larger than the band gap of a substrate material. For this reason, a photoconductive antenna using a low-temperature grown GaAs substrate that currently exhibits high performance cannot basically use a light source in a communication band as a gate light.
そこで、本発明は、通信帯の光源をゲート光に使うことができるようにし、材料物質の選択肢も拡げることの可能なテラヘルツ波の発生及び検出方法並びにその装置を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a terahertz wave generation and detection method and apparatus capable of using a light source in a communication band for gate light and expanding the choice of material.
上記課題を解決するために、本発明のテラヘルツ波の発生方法は、次の構成を備える。
すなわち、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する方法において、基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間にパルス光を照射することで、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第２高調波で光スイッチを動作させてテラヘルツ波を発生させることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the terahertz wave generation method of the present invention has the following configuration.
That is, in a method of generating terahertz waves using a photoconductive antenna, a bias voltage is applied between the antenna pattern lines with respect to the photoconductive antenna in which a nonlinear element is arranged on the antenna pattern formed on the surface of the substrate. In this state, pulse light is irradiated between the antenna pattern lines to which the bias voltage is applied, so that the wavelength conversion is performed by the nonlinear effect of the nonlinear element, and the optical switch is operated with the generated second harmonic. Generating terahertz waves.
このようなテラヘルツ波発生方法を実施する装置は、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する装置において、基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、アンテナパターンのライン間にパルス光を照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、第２高調波を発生させる光照射手段とを備えることを特徴とする。 An apparatus for performing such a terahertz wave generation method is an apparatus that generates a terahertz wave using a photoconductive antenna, and is arranged on a substrate, an antenna pattern made of a metal film formed on the substrate, and the antenna pattern. A photoconductive antenna having a non-linear element, voltage applying means for applying a bias voltage between the lines of the antenna pattern, irradiating pulse light between the lines of the antenna pattern, performing wavelength conversion by the non-linear effect of the non-linear element, And a light irradiation means for generating a second harmonic.
また、本発明のテラヘルツ波の検出方法は、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する方法において、基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、アンテナパターンのライン間に光照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を電流測定回路で検出することを特徴とする。 Further, the terahertz wave detection method of the present invention is a method for detecting terahertz waves using a photoconductive antenna, wherein the non-linear element is arranged on the antenna pattern formed on the surface of the substrate. In response to the electric field strength of the terahertz wave, light is irradiated between the lines of the antenna pattern, and the light subjected to wavelength conversion by the nonlinear effect of the nonlinear element is used as the gate light to generate a photocurrent by photoexcitation. The generated photocurrent is detected by a current measuring circuit.
このようなテラヘルツ波検出方法を実施する装置は、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する装置において、基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、アンテナパターンのライン間に光を照射する光照射手段と、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって生成した光電流を検出する電流測定回路とを備えることを特徴とする。 An apparatus for performing such a terahertz wave detection method is an apparatus that detects a terahertz wave using a photoconductive antenna, and is arranged on a substrate, an antenna pattern made of a metal film formed on the surface of the substrate, and the antenna pattern. Light generated by photoexcitation using a photoconductive antenna having a non-linear element, a light irradiating means for irradiating light between the lines of the antenna pattern, and light having undergone wavelength conversion by the non-linear effect of the non-linear element as gate light And a current measuring circuit for detecting a current.
ここで、非線形素子を非線形光学結晶としてもよい。
非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶が好適に使用できる。
また、非線形素子は、入射光の吸収の小さい物質で構成されることが好ましい。
Here, the nonlinear element may be a nonlinear optical crystal.
As the nonlinear optical crystal, a BBO crystal can be preferably used.
The nonlinear element is preferably made of a material that absorbs little incident light.
基板としては、低温成長ＧａＡｓが好適に使用できる。 As the substrate, low-temperature grown GaAs can be preferably used.
アンテナパターンとしては、ダイポール型の金属膜が好適に使用できる。 As the antenna pattern, a dipole type metal film can be preferably used.
入射光のエネルギーは、基板のバンドギャップエネルギーの半分以上であることが望ましい。 The energy of the incident light is desirably at least half of the band gap energy of the substrate.
本発明によると、アンテナパターンの上に配置させた非線形素子によって、その非線形効果によって波長変換を行い、第２高調波を発生させるので、通信帯の光源をゲート光に使うことが可能である。 According to the present invention, the nonlinear element placed on the antenna pattern performs wavelength conversion by the nonlinear effect to generate the second harmonic, so that the light source in the communication band can be used for the gate light.
以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の要部を示す斜視説明図である。
光伝導アンテナは、基板（１１）と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン（１２）と、その上に配置された非線形素子（１３）とを有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective explanatory view showing a main part of a terahertz wave generator according to the present invention.
The photoconductive antenna has a substrate (11), an antenna pattern (12) made of a metal film patterned on the surface, and a non-linear element (13) disposed thereon.
図示のアンテナパターン（１２）はダイポール型であるが、ボウタイ型やストリップライン型なども利用できる。
このようなアンテナパターン形状によっては、テラヘルツ波の強度や周波数帯域が異なる。例えば、ボウタイ型の場合は、テラヘルツ波の放射強度は比較的大きく、ピーク周波数は０．１ＴＨｚ程度と低く、低周波領域の分光測定に有効である。ストリップライン型の場合は、テラヘルツ波のピーク周波数は１ＴＨｚ程度であり、４ＴＨｚ程度まで放射強度を有し、周波数帯域が比較的広い。また、複数の光スイッチを有する素子を用い、各光スイッチに印加するバイアス電圧の値と極性を切り換えることにより、テラヘルツ波の周波数スペクトルを変えることも可能である。
The illustrated antenna pattern (12) is a dipole type, but a bow tie type, a stripline type, or the like can also be used.
Depending on the antenna pattern shape, the intensity and frequency band of the terahertz wave are different. For example, in the case of the bow-tie type, the radiation intensity of the terahertz wave is relatively large and the peak frequency is as low as about 0.1 THz, which is effective for spectroscopic measurement in a low frequency region. In the case of the stripline type, the peak frequency of the terahertz wave is about 1 THz, the radiation intensity is up to about 4 THz, and the frequency band is relatively wide. It is also possible to change the frequency spectrum of the terahertz wave by using an element having a plurality of optical switches and switching the value and polarity of the bias voltage applied to each optical switch.
基板（１１）としては、低温成長ＧａＡｓが好適である。
非線形素子（１３）は、入射光の吸収の小さい物質が好ましく、例えば、ＢＢＯ結晶(β-BaB2O4）などの非線形光学結晶が好適である。非線形素子（１３）については、後に詳述する。
As the substrate (11), low-temperature grown GaAs is suitable.
The nonlinear element (13) is preferably a substance that absorbs little incident light. For example, a nonlinear optical crystal such as a BBO crystal (β-BaB2O4) is suitable. The nonlinear element (13) will be described in detail later.
アンテナパターン（１２）には、配線（１４）を介して、そのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段（１５）が接続されている。
アンテナパターン（１２）のライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間に、ポンプ光としてのパルス光（２１）を照射すると、非線形素子（１３）の非線形効果によって波長変換が行われ第２高調波を発生する。
発生したテラヘルツ波（２２）は、半球状等のレンズ（１６）を透過して外部に放射される。
なお、パルス光（２１）の光源としては、例えば、フェムト秒パルスレーザーが利用できる。集光レンズを介挿してパルス光（２１）の光束を絞ってもよい。
A voltage applying means (15) for applying a bias voltage between the lines is connected to the antenna pattern (12) via the wiring (14).
When a bias voltage is applied between the antenna pattern (12) lines and the pulse light (21) as the pump light is irradiated between the antenna pattern lines to which the bias voltage is applied, the nonlinear element (13) Wavelength conversion is performed by a non-linear effect to generate a second harmonic.
The generated terahertz wave (22) passes through a lens (16) such as a hemisphere and is emitted to the outside.
As the light source of the pulsed light (21), for example, a femtosecond pulse laser can be used. The light beam of the pulsed light (21) may be narrowed through a condenser lens.
非線形素子（１３）は、強い光に対して非線形の応答をする物質であり、例えば、1550nmのレーザー光を照射すると２倍の周波数の775nmの第２高調波が放出される。
非線形光学結晶であるＢＢＯ結晶は、フラックス法やチョクラルスキー法で成長させられ、３元素結晶のため高品質可が比較的容易であり、大きな有効非線形第２高調波発生係数を有し、約410 nmから3500nmまで放射可能な利点がある。
The nonlinear element (13) is a substance that has a nonlinear response to strong light. For example, when a 1550 nm laser beam is irradiated, a second harmonic of 775 nm having a double frequency is emitted.
The BBO crystal, which is a nonlinear optical crystal, is grown by the flux method or the Czochralski method, and since it is a three-element crystal, high quality is relatively easy, it has a large effective nonlinear second harmonic generation coefficient, There is an advantage that it can emit from 410 nm to 3500 nm.
非線形結晶としては、他に、BBO、LBO、KTP、KDP、CLBO、CBO、BIBO、LiNbO3、MgO: LiNbO3、AgGaS2、AgGaSe2、POM、NPP、ZGP、AANPなども適宜利用できる。 In addition, as the nonlinear crystal, BBO, LBO, KTP, KDP, CLBO, CBO, BIBO, LiNbO 3 , MgO: LiNbO 3 , AgGaS 2 , AgGaSe 2 , POM, NPP, ZGP, AANP, and the like can be used as appropriate.
以上のように、本発明によると、従来の光伝導アンテナの基板（１１）上に、波長変換を行なう非線形素子（１３）を取り付けたことによって、一光子吸収現象によってはアンテナ基板中に電力注入できないようなゲート光を、波長変換素子（１３）の非線形効果によって十分なエネルギーの光に変換し、ゲート光としての作用をもたせることができた。 As described above, according to the present invention, power is injected into the antenna substrate depending on the one-photon absorption phenomenon by attaching the nonlinear element (13) for wavelength conversion on the substrate (11) of the conventional photoconductive antenna. The gate light that cannot be converted into light having sufficient energy by the non-linear effect of the wavelength conversion element (13), and the function as gate light can be provided.
同様に、図２は、本発明によるテラヘルツ波検出装置の要部を示す斜視説明図である。
光伝導アンテナは、基板（１１）と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン（１２）と、その上に配置された非線形素子（１３）とを有する。アンテナパターン（１２）には、配線（１４）を介して、そのライン間にかかる電流を測定する電流測定手段（１７）が接続されている。
Similarly, FIG. 2 is a perspective explanatory view showing a main part of the terahertz wave detection device according to the present invention.
The photoconductive antenna has a substrate (11), an antenna pattern (12) made of a metal film patterned on the surface, and a non-linear element (13) disposed thereon. The antenna pattern (12) is connected to a current measuring means (17) for measuring a current applied between the lines via the wiring (14).
テラヘルツ波検出装置は、約０．０１×１０12〜１００×１０12Ｈzの周波数領域のパルス光を試料に照射して、試料からの透過光または反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定する装置として利用できる。
試料からのテラヘルツ波（２３）は、レンズ（１６）を介して光伝導アンテナへ入射し、アンテナパターン（１２）のライン間に照射される。一方、プローブ光としてのパルス光（２１）もそこに照射する。
このとき、非線形素子（１３）の非線形効果によって波長変換が行われる。
そして、アンテナパターン（１２）のライン間では、テラヘルツ波（２３）によって電場が生じた状態になり、プローブ光としてのパルス光（２１）によっては電場強度に応じた光電流が生じる。それを電流測定手段（１７）で計測することで、テラヘルツ波（２３）に依存する電場強度を得ることができる。
The terahertz wave detection apparatus irradiates a sample with pulsed light in a frequency region of about 0.01 × 10 12 to 100 × 10 12 Hz, and detects transmitted light or reflected light from the sample, thereby electrically measuring the sample. It can be used as a device for measuring characteristics and component concentrations.
The terahertz wave (23) from the sample is incident on the photoconductive antenna through the lens (16) and is irradiated between the lines of the antenna pattern (12). On the other hand, pulsed light (21) as probe light is also irradiated there.
At this time, wavelength conversion is performed by the nonlinear effect of the nonlinear element (13).
An electric field is generated between the lines of the antenna pattern (12) by the terahertz wave (23), and a photocurrent corresponding to the electric field intensity is generated by the pulsed light (21) as the probe light. By measuring it with the current measuring means (17), the electric field strength depending on the terahertz wave (23) can be obtained.
以上のように、本発明によると、従来の光伝導アンテナの基板（１１）上に、波長変換を行なう非線形素子（１３）を取り付けたことによって、基板材料物質のバンドギャップよりも小さな光エネルギーをもつゲート光によるサンプリングができ、高感度の電磁波形状検出が可能になった。 As described above, according to the present invention, the non-linear element (13) for performing wavelength conversion is mounted on the substrate (11) of the conventional photoconductive antenna, so that light energy smaller than the band gap of the substrate material is obtained. Sampling using the gate light is possible, and highly sensitive electromagnetic wave shape detection is possible.
本発明によると、通信帯の帯域でテラヘルツ波の発生及び検出が可能なので、通信用の電磁波受信アンテナや、センシングシステム分野における検出装置や、分光装置のための検出装置などに活用できる。
テラヘルツ波技術は、原子系の量子状態を制御する手段としての原子チップ、原子光学、BEC技術や、物質系の新しい観測手段としても有望であり、本発明はテラヘルツ波の多様な用途に寄与する。
テラヘルツ波の応用分野は、物性、分子分光、生体研究などの基礎研究から、半導体など各種材料の品質評価、高感度ガス検出、超高速通信などの応用分野まで多岐にわたる。
また、半導体、プラスチック、ビニール、紙、ゴム、木材、歯、骨、乾燥食品などを透過する電磁波の中で、テラヘルツ波が最も短波長すなわち高分解能であることから、人体に危険なX線に代わる安全な非破壊検査用光源としての実用化に期待がもたれる。
更に、DNAやタンパク質、酵素など生体高分子の骨格振動周波数が、テラヘルツ波領域に存在することが明らかになりつつあり、医療応用や生体イメージングなどの分野でも有望である。
また、皮膚癌や乳癌の早期診断、火傷深さの診断、虫歯の断層撮影、半導体シリコン基板の検査、粉ミルク等への異物混入防止、乾燥食品の水分含有量検査、材木や紙などの水分含有量検査など多分野にわたるので、産業上利用価値が高い。
According to the present invention, terahertz waves can be generated and detected in a communication band, so that it can be used for electromagnetic wave receiving antennas for communication, detection devices in the field of sensing systems, detection devices for spectroscopic devices, and the like.
Terahertz wave technology is also promising as an atomic chip, atomic optics, BEC technology as a means for controlling the quantum state of atomic systems, and a new observation means for material systems, and the present invention contributes to various uses of terahertz waves. .
The application fields of terahertz waves range from basic research such as physical properties, molecular spectroscopy, and biological research to application fields such as quality evaluation of various materials such as semiconductors, high-sensitivity gas detection, and ultrahigh-speed communication.
In addition, terahertz waves have the shortest wavelength, that is, high resolution among electromagnetic waves that pass through semiconductors, plastics, vinyl, paper, rubber, wood, teeth, bones, and dry foods. Expectation for practical use as an alternative safe non-destructive inspection light source.
Furthermore, it is becoming clear that the skeletal vibration frequencies of biopolymers such as DNA, proteins, and enzymes are present in the terahertz wave region, which is also promising in fields such as medical applications and bioimaging.
In addition, early diagnosis of skin cancer and breast cancer, diagnosis of burn depth, tomography of caries, inspection of semiconductor silicon substrate, prevention of foreign matter contamination in powdered milk, moisture content inspection of dried food, moisture content such as timber and paper Since it covers many fields such as quantity inspection, it has high industrial utility value.
１１ 基板
１２ アンテナパターン
１３ 非線形素子
１４ 配線
１５ 電圧印加手段
１６ レンズ
１７ 電流測定手段
２１ ポンプ光としてのパルス光
２２ 発生したテラヘルツ波
２３ 検出対象のテラヘルツ波
DESCRIPTION OF
Claims (16)
基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、
アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間にパルス光を照射することで、
非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第２高調波でテラヘルツ波を発生させる
ことを特徴とするテラヘルツ波の発生方法。 A method of generating terahertz waves using a photoconductive antenna,
For a photoconductive antenna in which a nonlinear element is placed on the antenna pattern formed on the surface of the substrate,
By irradiating pulsed light between the antenna pattern lines to which the bias voltage is applied in a state where a bias voltage is applied between the antenna pattern lines,
A method for generating a terahertz wave, wherein wavelength conversion is performed by a non-linear effect of a non-linear element, and a terahertz wave is generated by the generated second harmonic.
基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、
アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、
アンテナパターンのライン間にパルス光を照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第２高調波でテラヘルツ波を発生させる光照射手段を備える
ことを特徴とするテラヘルツ波の発生装置。 An apparatus for generating terahertz waves using a photoconductive antenna,
A photoconductive antenna having a substrate, an antenna pattern made of a metal film formed on the surface thereof, and a non-linear element disposed thereon;
Voltage applying means for applying a bias voltage between the lines of the antenna pattern;
A terahertz wave generator characterized by comprising light irradiation means for irradiating pulse light between antenna pattern lines, performing wavelength conversion by a non-linear effect of a non-linear element, and generating a terahertz wave with the generated second harmonic .
請求項２に記載のテラヘルツ波の発生装置。 The terahertz wave generator according to claim 2, wherein the nonlinear element is a nonlinear optical crystal.
請求項３に記載のテラヘルツ波の発生装置。 The terahertz wave generator according to claim 3, wherein the nonlinear optical crystal is a BBO crystal.
請求項２ないし４に記載のテラヘルツ波の発生装置。 The terahertz wave generating device according to claim 2, wherein the nonlinear element is made of a substance that absorbs less incident light.
請求項２ないし５に記載のテラヘルツ波の発生装置。 The terahertz wave generator according to claim 2, wherein the substrate is low-temperature grown GaAs.
請求項２ないし６に記載のテラヘルツ波の発生装置。 The terahertz wave generator according to claim 2, wherein the antenna pattern is a dipole-type metal film.
請求項２ないし７に記載のテラヘルツ波の発生装置。 The terahertz wave generating device according to claim 2, wherein the energy of incident light is at least half of the band gap energy of the substrate.
基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、
アンテナパターンのライン間に光照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、
テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を電流測定回路で検出する
ことを特徴とするテラヘルツ波の検出方法。 A method for detecting terahertz waves using a photoconductive antenna,
For a photoconductive antenna in which a nonlinear element is placed on the antenna pattern formed on the surface of the substrate,
By irradiating light between the lines of the antenna pattern and using the light that has undergone wavelength conversion by the nonlinear effect of the nonlinear element as the gate light, and generating photocurrent by photoexcitation,
A method for detecting a terahertz wave, wherein a photocurrent generated according to the electric field intensity of the terahertz wave is detected by a current measuring circuit.
基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、
アンテナパターンのライン間に光を照射する光照射手段と、
非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を検出する電流測定回路とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波の検出装置。 An apparatus for detecting terahertz waves using a photoconductive antenna,
A photoconductive antenna having a substrate, an antenna pattern made of a metal film formed on the surface thereof, and a non-linear element disposed thereon;
A light irradiation means for irradiating light between the lines of the antenna pattern;
A current measurement circuit that detects photocurrent generated according to the electric field intensity of the terahertz wave by generating photocurrent by photoexcitation using light that has been wavelength-converted by the nonlinear effect of the nonlinear element as gate light A terahertz wave detector characterized by the above.
請求項１０に記載のテラヘルツ波の検出装置。 The terahertz wave detection device according to claim 10, wherein the nonlinear element is a nonlinear optical crystal.
請求項１１に記載のテラヘルツ波の検出装置。 The terahertz wave detection device according to claim 11, wherein the nonlinear element is a BBO crystal.
請求項１０ないし１２に記載のテラヘルツ波の検出装置。 The terahertz wave detection device according to claim 10, wherein the nonlinear element is made of a substance that absorbs less incident light.
請求項１０ないし１３に記載のテラヘルツ波の検出装置。 The terahertz wave detection device according to claim 10, wherein the substrate is low-temperature grown GaAs.
請求項１０ないし１４に記載のテラヘルツ波の検出装置。 The terahertz wave detection device according to claim 10, wherein the antenna pattern is a dipole metal film.
請求項１０ないし１５に記載のテラヘルツ波の検出装置。
The terahertz wave detection device according to claim 10, wherein the energy of incident light is at least half of the band gap energy of the substrate.
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