JP2004172177A

JP2004172177A - 発信装置

Info

Publication number: JP2004172177A
Application number: JP2002333112A
Authority: JP
Inventors: Masaru Iida; 勝飯田; Masahiko Tani; 正彦谷; Mitsuo Takeda; 三男武田
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: JP3787626B2

Abstract

【課題】所要の波長成分を選択的に強めて、ＴＨｚ電磁波を含む電磁波を好適に発信し得る発信装置を実現する。
【解決手段】第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２との間に放射アンテナを内包する不純物構造３を介在させ、前記放射アンテナより電磁波を放射することで前記第一のフォトニック結晶構造１若しくは前記第二のフォトニック結晶構造２を透過する電磁波を発信するものとした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信機器その他種々の機器への適用が可能な電磁波発信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光波と電波との境界にあるＴＨｚ帯域（おおよそ１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの帯域）の利用技術は、ＧＨｚ帯域や赤外〜可視域を利用する技術と比較して立ち後れていた。だが、近年、ＴＨｚ電磁波を発生させる幾つかの手段が考案され、この帯域を用いた超高速通信、超高速エレクトロニクス等の研究も進展しつつある。ＴＨｚ電磁波を発生させる手段として、例えば、光伝導アンテナ（光スイッチ）、半導体表面、量子井戸、電気光学結晶等をフェムト秒光パルスで励起してＴＨｚパルス電磁波を発生させるものや、二つの連続波レーザを光伝導アンテナに照射することでフォトミキシングによる連続波ＴＨｚ電磁波を発生させるものが既知である（非特許文献１を参照）。
【０００３】
【非特許文献１】阪井清美、谷正彦、「テラヘルツ光エレクトロニクス」、応用物理、社団法人応用物理学会、２００１年２月、第７０巻、第２号、ｐ．１４９−１５５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴＨｚ帯域で高Ｑ値の共振器を作成することは、依然として困難である。
【０００５】
他方、昨今、周期的な屈折率分布をもち、フォトニックバンドギャップや欠陥モード生起等の特徴的な性質を有する、フォトニック結晶と呼ばれる誘電体材料への関心が高まっている。フォトニック結晶は、その様々な特徴により、光学あるいは電気光学素子への応用が期待される。フォトニック結晶の応用研究は、通信分野への適用の観点から、これまで主に近赤外領域で行われてきた。だが、フォトニック結晶は、構造サイズのスケーリングにより、働く電磁場の振動数領域を変更することができる。
【０００６】
本発明は、フォトニック結晶を利用し、所要の波長成分を選択的に強めて、ＴＨｚ電磁波を含む電磁波を好適に発信し得る発信装置を実現しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造との間に放射アンテナを内包する不純物構造を介在させて発信装置を構成した。該発信装置において、前記放射アンテナより電磁波を放射すると、前記第一のフォトニック結晶構造若しくは前記第二のフォトニック結晶構造を透過する電磁波が発信される。発信される電磁波には、欠陥モード（若しくは、不純物モード。空間的にもエネルギー的にも局在したモード）の成分が含まれる。加えて、このとき、第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造とが共振器としての作用を営む。結果として、特に欠陥モードが高い強度で外方に発信されるものとなる。
【０００８】
並びに、本発明では、放射アンテナの傍らにフォトニック結晶構造を配置し、前記放射アンテナより電磁波を放射することで反フォトニック結晶構造側に電磁波を発信可能とした発信装置を構成した。このものによれば、前記フォトニック結晶構造のフォトニックバンドギャップに該当する周波数領域の電磁波の発信強度を向上させることが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本発明に係る発信装置Ｄを模式的に示す。このものは、フォトニック結晶に欠陥を導入することによって構成されており、略薄板状の面欠陥をなす不純物構造３が第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２とを隔てるものとなっている。不純物構造３は、電磁波を放射する放射アンテナを内包する。そして、該放射アンテナより連続波電磁波を放射することにより、第一のフォトニック結晶構造１若しくは第二のフォトニック結晶構造を透過する電磁波を外方へ発信し得るものである。
【００１０】
フォトニック結晶の特徴的な性質として、フォトニックバンドギャップの形成を挙げることができる。フォトニックバンドギャップ帯に該当する振動数をもつ光は、フォトニック結晶を透過することができない。ところが、フォトニック結晶に欠陥を導入すると、構造の周期性が損なわれて欠陥モードと呼ばれるＱ値の高いピークがフォトニックバンドギャップ内に立つ。このようなモードに関し、フォトニック結晶は高Ｑ値の共振器として働くことができる。また、フォトニックバンドギャップ端近傍の振動数をもつ光の群速度が小さいことも特徴の一つである。角振動数をω、波数ベクトルをｋとおくと、状態密度Ｄ（ω）〜ｄｋ／ｄω、群速度Ｖ_ｇ（ω）＝ｄω／ｄｋであるから、状態密度は群速度に反比例する。よって、群速度が小さくなれば状態密度が増大する。即ち、フォトニック結晶はフォトニックバンドギャップ端近傍において状態密度が大きいという特性を有している。
【００１１】
本発明に係る発信装置Ｄを実験的に構築するためには、例えば、薄板状の光伝導アンテナ素子をフォトニック結晶で挟み込む。光伝導アンテナ素子について詳述すると、図２に示すように、半絶縁性基板３１（ＧａＡｓ基板等）上に光伝導薄膜３２（低温エピタキシャル成長ＧａＡｓ等）を成長させ、さらにその上に金属の平行伝送線路３３、３４を蒸着させて設けたもので、各平行伝送線路３３、３４の中央部には互いに相寄る方向に突き出る突出片３３ａ、３４ａを形成してある（図示例は、いわゆるボウタイ型光伝導アンテナ）。これら平行伝送線路３３、３４は電極を兼ねる。そして、平行伝送線路３３、３４間に直流バイアスを印加した状態で、周波数が相異なる二つの連続波レーザ４１、４２を一対の突出片３３ａ、３４ａの間隙に波面をそろえて照射することで、電流変調を惹起して二つのレーザ４１、４２の差周波数に相当する連続波電磁波を放射させることができる。この連続波電磁波は、誘電率がより大きい基板３１側に強く放射される。
【００１２】
また、第一のフォトニック結晶構造１及び第二のフォトニック結晶構造２として、例えば、Ｓｉ等を素材とする角柱状のロッドと複数本のロッド間に介在する空隙とよりなる擬単純立方格子フォトニック結晶を採用することができる。四角エアロッド擬単純立方格子フォトニック結晶を、図３に示す。格子定数を０．４０ｍｍ、エアロッド充填率を０．８１８、ロッドの誘電率を１１．４（Ｓｉの誘電率）と設定したとき、該フォトニック結晶は６．５〜１０．２ｃｍ^−１（１ｃｍ^−１≒３０ＧＨｚ）即ちおおよそ０．２〜０．３ＴＨｚの周波数領域にてフォトニックバンドギャップをもつものとなる。単位格子がｘ軸、ｙ軸方向に平面的に並ぶフォトニック結晶スラブをｚ軸方向に複数層重ね、次いで不純物構造３たる光伝導アンテナ素子を配置し、さらに前記スラブをｚ軸方向に複数層重ねることにより、発信装置Ｄを構築できる。このように構築した発信装置Ｄを、図４に模式的に示す。
【００１３】
以降、上述の発信装置Ｄより発信される電磁波の強度の周波数特性に関して、実験結果を基に述べる。発信装置Ｄより発信される電磁波を測定するためのシステムの概略を、図５に示す。該システムは、二つの単一モード連続波レーザ４１、４２を組み合わせた励起光を発信装置Ｄの上流側（左側；パラメタｚの小さい側）より照射し、光伝導アンテナ素子の平行伝送線路３３、３４の突出片３３ａ、３４ａの間隙を励起して連続波電磁波を放射させるとともに、下流側（右側；パラメタｚの大きい側）のフォトニック結晶構造（図示例では、第二のフォトニック結晶構造２）を透過する電磁波をＩｎＳｂホットエレクトロン検出器（ボロメータ）５で測定するものである。なお、第一のフォトニック結晶構造１を上流側、第二のフォトニック結晶構造２を下流側とし、光伝導アンテナ素子の平行伝送線路３３、３４及び光伝導薄膜３２を上流側、基板３１を下流側に配する。しかして、一方の連続波レーザ４２の波長を変えることにより差周波数を変えて、光伝導アンテナ素子より放射される電磁波の周波数を変えながら下流側のフォトニック結晶構造２を透過する電磁波の強度を測定した。なお、ここでは、フォトニック結晶スラブの単位格子のセル数を８×８とし、各フォトニック結晶構造１、２を構成するフォトニック結晶スラブの層数をそれぞれ４層ずつとした。
【００１４】
図６、図７に示すものは、光伝導アンテナ素子のみより下流側（基板３１側）に放射される電磁波のスペクトル、並びに、発信装置Ｄより下流側に発信される電磁波のスペクトルを測定した結果である。横軸は測定電磁波の周波数、縦軸は測定電磁波の強度であり、光伝導アンテナ素子のみより放射される電磁波のスペクトルを実線で、発信装置Ｄより発信される電磁波のスペクトルを点線で、それぞれ表している。さらに、図７は、図６の一部、フォトニック結晶構造１、２のもつフォトニックバンドギャップ帯を含む周波数領域をクローズアップしたものである。光伝導アンテナ素子のみからは、基板３１のファブリー・ペロー共振器効果に基づくピークを伴う放射スペクトルが得られる。一方で、上記発信装置Ｄからは、複数の増強されたピークが得られる。フォトニックバンドギャップ中の７．１ｃｍ^−１、１０．１ｃｍ^−１付近に見出されるピークは、欠陥モードの共鳴効果による放射増強、言い換えるならば、面欠陥をなす不純物構造３の導入に伴い励起される欠陥モードが、第一のフォトニック結晶１と第二のフォトニック結晶２とが発揮する共振器効果によって効率よく外方に発信されたものと考えられる。さらに、６．４ｃｍ^−１付近に見出されるピークは、先に述べたフォトニックバンドギャップ端の大きな状態密度に関係した放射増強、言い換えるならば、フォトニックバンドギャップ端に立つ定在波による増強である。光伝導アンテナ素子のみの場合、基板３１のファブリー・ペロー共振器効果により状態密度は制約を受ける。一方で、光伝導アンテナ素子をフォトニック結晶構造１、２で挟んだ場合には、フォトニックバンドギャップ端の状態密度が大きいことから、基板３１のファブリー・ペロー共振器効果による状態密度の制約が緩和されて放射が増強されるものと解釈することができる。また、フォトニックバンドギャップ外の帯域でも、指向性の向上に伴う放射電磁波スペクトルの増強をある程度確認できる。
【００１５】
因みに、光伝導アンテナ素子の下流側にのみフォトニック結晶構造を設けた場合に該フォトニック結晶構造を透過して下流側に発信される電磁波のスペクトルは、図８、図９に示すようなものとなる。なお、光伝導アンテナ素子の下流側にのみフォトニック結晶構造を設けた場合に下流側に発信される電磁波のスペクトルを実線で表し、上記発信装置Ｄより発信される電磁波のスペクトルを点線で表し（これは図６、図７に示しているものと同等である）ている。図９は、フォトニックバンドギャップ帯を含む周波数領域をクローズアップしたものである。
【００１６】
実験結果より明らかにされたように、第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２との間に放射アンテナを内包する不純物構造３を介在させ、前記放射アンテナより電磁波を放射することで下流側のフォトニック結晶即ち第二のフォトニック結晶構造２を透過する電磁波を発信可能とした発信装置Ｄは、放射アンテナのみの場合あるいは下流側にのみフォトニック結晶構造を設けた場合と比較して、特定振動数の電磁波の強度を高めて下流側に効率よく出力できるものとなる。特定振動数の電磁波の放射効率及びＱ値を改善可能である点で、既存の基板レンズを用いた増強とは大いに異なる。該発信装置Ｄに特異的な増強効果は、欠陥モードの共鳴効果、並びにフォトニックバンドギャップ端近傍での大きな状態密度に由来する効果である。欠陥モードの共鳴効果により増強される周波数成分、即ち７．１ｃｍ^−１、１０．１ｃｍ^−１といったピークの周波数は、第一のフォトニック結晶１、第二のフォトニック結晶２の構造や、不純物構造３の厚み寸法等を変えることによりコントロール可能である。放射アンテナより連続波を放射するものとすれば、第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２との間で特定のモードがより集積され易くなるため、所要の波長成分の強度の向上に資する。また、フォトニックバンドギャップ端近傍の大きな状態密度に関係して増強される周波数成分、即ち６．４ｃｍ^−１のピークの周波数は、異なるフォトニックバンドギャップをもつ別種のフォトニック結晶をフォトニック結晶構造１、２として用いることでコントロール可能であると予想される。しかしながら、当該モードは面欠陥層では弱い振幅しか持っていないため、不純物構造３の厚み寸法を変えたとしてもその周波数はあまり変化しないと思われる。
【００１７】
ところで、図１０に模式的に示すように、放射アンテナ３Ａの上流側にのみフォトニック結晶構造１Ａを設けて発信装置ＤＡを構成する場合、下流側に発信される電磁波の強度の周波数特性は図６ないし図７に示したものとは異なる。上記の実験と同様、フォトニック結晶構造１Ａとしてシリコン製四角エアロッド擬単純立方格子フォトニック結晶を用い、放射アンテナ３Ａとして光伝導アンテナを用いてこのような発信装置ＤＡを構築し、図５に示した実験システムで下流側（光伝導アンテナの基板３１側）に発信される電磁波のスペクトルを測定した結果を、図１１、図１２に示す。なお、光伝導アンテナ素子のみより下流側に放射される電磁波のスペクトルを実線で表し（これは図６、図７に示しているものと同等である）、上述の発信装置ＤＡより下流側に発信される電磁波のスペクトルを点線で表している。図１２は、前記フォトニック結晶構造１Ａのもつフォトニックバンドギャップ帯を含む周波数領域をクローズアップしたものである。フォトニックバンドギャップ帯の略全域にわたり、該発信装置ＤＡより下流側に発信される電磁波の強度は光伝導アンテナのみより下流側に放射される電磁波の強度に勝る。即ち、フォトニックバンドギャップ帯において、上流側に設けたフォトニック結晶構造１Ａの存在により、光伝導アンテナより放射される電磁波の上流側への伝搬が抑制されかつ下流側へ向かう電磁波が強められることが分かる。
【００１８】
このように、放射アンテナ３Ａの傍らにフォトニック結晶構造１Ａを配置し、前記放射アンテナ３Ａより電磁波を放射することで反フォトニック結晶構造側に電磁波を発信可能とした発信装置ＤＡは、該フォトニック結晶構造１Ａがもつフォトニックバンドギャップ帯の波長成分を強めた電磁波を下流側に効率よく出力できるものとなる。フォトニックバンドギャップはフォトニック結晶の素材、構造等を変えることによりコントロール可能である。従って、該発信装置ＤＡを用いれば、所要の波長成分を選択的に強めた電磁波を発信することができる。
【００１９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、発信装置の外部に設置したレーザを励起手段として放射アンテナより電磁波を放射させるものとしていたが、電磁波の放射の態様はこのようなものには限られない。放射アンテナは光伝導アンテナ素子には限られず、種々の態様のアンテナ素子を採用することが可能であって、例えば、外部より電力の供給を受けて電磁波を放射するようなものであってもよい。
【００２０】
放射アンテナ、あるいは放射アンテナを内包する不純物構造の形状は、薄板状には限られない。フォトニック結晶の構造は、擬単純立方格子構造に限られない。第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造とが、互いに異なる構造を有するものであってもよい。勿論、フォトニック結晶構造を構成する素材はＳｉには限られない。
【００２１】
その他各部の具体的構成は上記実施形態には限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上に詳述した本発明によれば、所要の波長成分を選択的に強めて電磁波を発信し得る発信装置を実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における発信装置の全体構成を示す図
【図２】光伝導アンテナ素子を示す図
【図３】四角エアロッド擬単純立方格子フォトニック結晶を示す図
【図４】同実施形態における発信装置を模式的に示す図
【図５】透過電場スペクトルを測定するためのシステムを示す図
【図６】電場スペクトルの測定結果を示す図
【図７】電場スペクトルの測定結果を示す図
【図８】電場スペクトルの測定結果を示す図
【図９】電場スペクトルの測定結果を示す図
【図１０】同実施形態における発信装置を模式的に示す図
【図１１】電場スペクトルの測定結果を示す図
【図１２】電場スペクトルの測定結果を示す図
【符号の説明】
Ｄ…発信装置
１…第一のフォトニック結晶構造
２…第二のフォトニック結晶構造
３…不純物構造
ＤＡ…発信装置
１Ａ…フォトニック結晶構造
３Ａ…放射アンテナ

Claims

第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造との間に放射アンテナを内包する不純物構造を介在させ、前記放射アンテナより電磁波を放射することで前記第一のフォトニック結晶構造若しくは前記第二のフォトニック結晶構造を透過する電磁波を発信可能とした発信装置。
放射アンテナの傍らにフォトニック結晶構造を配置し、前記放射アンテナより電磁波を放射することで反フォトニック結晶構造側に電磁波を発信可能とした発信装置。