波导元件
阅读：542发布：2020-05-12
专利汇可以提供波导元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种 波导 元件，包括：用于引导 电磁波 的波导；用于 辐射 或接收电磁波的共振天线，该共振天线被布置在波导的用于辐射或接收电磁波的部分处；以及用于将波导的阻抗与共振天线的阻抗匹配以将波导耦合到共振天线的阻抗匹配部。波导包括：第一导体层和第二导体层，各自具有电磁波的负的 介电常数 实部 ；以及布置在第一导体层和第二导体层之间的核心层。核心层具有电磁波的增益和用于电磁波的载波的非线性中的一个。，下面是波导元件专利的具体信息内容。
1.一种元件，包括：
波导，用于引导电磁波；
共振天线，用于形成所述电磁波的驻电磁场，所述共振天线被布置在所述波导的用于辐射或接收所述电磁波的部分处；以及
阻抗匹配部，用于使所述波导的阻抗与所述共振天线的阻抗匹配以将所述波导耦合到所述共振天线，
其中所述波导包括：
第一导体层和第二导体层，各自具有所述电磁波的负的介电常数实部；以及核心层，布置在所述第一导体层和所述第二导体层之间，以及
其中所述核心层能够对所述电磁波进行放大或者能够对所述电磁波的载波进行非线性处理。
2.根据权利要求1所述的元件，其中所述核心层具有与所述第一导体层和所述第二导体层接触并且包括半导体的分层结构。
3.根据权利要求1所述的元件，其中所述波导的所述部分包括所述波导的端部。
4.根据权利要求1所述的元件，其中所述阻抗匹配部具有用于偏置馈电的结构。
5.根据权利要求1所述的元件，其中所述共振天线还作为所述阻抗匹配部工作。
6.根据权利要求1所述的元件，其中所述共振天线包括微带天线或者贴片天线。
7.根据权利要求1所述的元件，其中所述共振天线具有用于在与波导中传播的电磁波的传播方向垂直的向上方向和向下方向中的一个方向上辐射所述电磁波或接收所述电磁波的结构。
8.根据权利要求2所述的元件，其中所述核心层包括用于通过载波的子带间跃迁来产生太赫兹波的多重量子阱结构。
9.根据权利要求1所述的元件，其中当波导波长λg＝λ/ne成立时，所述第一导体层和所述第二导体层在波导模和振荡模的一个中以λg或更小的距离彼此接近，其中λ代表真空中的电磁波的波长，而ne代表波导的等效折射率。
10.根据权利要求2所述的元件，
其中所述核心层能够对所述电磁波进行放大，
其中所述共振天线布置在所述波导的用于辐射所述电磁波的部分处，以及其中所述电磁波从所述共振天线辐射。
11.根据权利要求2所述的元件，
其中所述核心层能够对所述电磁波的载波进行非线性处理，
其中所述共振天线布置在所述波导的用于接收所述电磁波的部分处，以及其中所述电磁波由所述共振天线接收。
12.根据权利要求1所述的元件，其中所述波导具有用于在所述波导中使所述电磁波共振的结构。
13.根据权利要求1所述的元件，其中阻抗失配发生在所述波导和所述阻抗匹配部之间的界面处。
14.根据权利要求1所述的元件，
其中所述阻抗匹配部包括微带线，以及
其中所述波导元件具有用于通过所述微带线的线宽和夹在所述微带线和接地导体之间的电介质层的膜厚度来调整所述阻抗匹配部的阻抗的结构。
15.根据权利要求1所述的元件，其中所述阻抗匹配部具有λ/4匹配电路。
16.根据权利要求1所述的元件，其中所述阻抗匹配部具有用于耦合馈电的结构。
波导元件
技术领域
[0001] 本发明涉及包括用于引导电磁波的波导的波导元件。具体地，本发明涉及用于从毫米波带到太赫兹波带(30GHz到30THz)(此处也被称为太赫兹波)的频率区内的电磁波的元件，诸如振荡元件和检测元件。
背景技术
[0002] 在太赫兹波频率区中，存在生物材料、药物、电子材料等等的很多有机分子(根据其结构和状态)的吸收峰。而且，太赫兹波容易穿透材料(诸如纸、陶瓷、树脂和布)。近些年，已经对使用这样的太赫兹波特性的成像技术和传感技术进行了研究和开发。例如，预期其对安全的荧光镜检查装置(用来替代X射线装置)、对制造过程中的嵌入非破坏性检查装置的应用。
[0003] 关于电流注入类型的太赫兹波光源，对基于半导体量子阱结构中的电子的子带间跃迁而使用电磁波增益的结构进行了研究。非专利文献1提出了太赫兹波带量子级联激光器(QCL)，其中被认为是低损耗波导的双侧金属波导(在此之后还被称为DMW)被集成为共振器。由于使通过受激发射而发射的太赫兹波在表面等离子激元模(surface plasmon mode)中被引导至如下共振器结构，其中金属被放置在由厚度大约10μm的半导体薄膜形成的增益介质之上和之下，因此通过高阶处的光限制和低损耗传播，此元件实现3THz左右的激光振荡。
[0004] 引文列表
[0005] 专利文献
[0006] PTL 1：日本专利申请公开No.2010-510703
[0007] PTL 2：美国专利申请公开No.2003/0206708
[0008] 非专利文献
[0009] NPL 1：应用物理学快报83，2124(2003)
[0010] NPL 2：光学快报，第32册，第19期，第2840页到第2842页(2007)
发明内容
[0011] 由于波导和间隔之间的阻抗失配，DMW引起边缘反射或者波束图案发散的增加。因此，从应用的角度看，存在有效使用并操纵光束的任务。考虑到这一点，非专利文献2提出了通过将硅透镜置于波导的末端来改进提取效率和指向性的方法，但是此方法具有这样的实际问题：结构是物理上以及机械上不稳定的并且需要额外的部件。因此专利文献1公开了其中集成了号角天线的示例。然而，此结构很难被称为具有充足的物理稳定性和机械稳定性，而且电磁波的指向性可能偏离波导光轴地倾斜。因此，存在改进频率稳定性和电磁波操纵性的空间。另外，专利文献2公开了其中在波导中布置宽带领结形天线的示例。但是还没有解决天线和波导之间的阻抗失配的问题以及辐射电磁波或入射电磁波的指向性的问题。
[0012] 问题的解决方案
[0013] 鉴于上述问题，根据本发明的一个实施例，提供了一种波导元件，包括：用于引导电磁波的波导；用于辐射或接收所述电磁波的共振天线，所述共振天线被布置在所述波导的用于辐射或接收所述电磁波的部分处；以及用于使所述波导的阻抗与所述共振天线的阻抗匹配以将所述波导耦合到所述共振天线的阻抗匹配部，其中所述波导包括：第一导体层和第二导体层，各自具有电磁波的负的介电常数实部；以及布置在所述第一导体层和所述第二导体层之间的核心层，其中核心层具有电磁波的增益和用于电磁波的载波的非线性中的一个。
附图说明
[0015] 图1A是根据本发明的实施例的元件的透视图。
[0016] 图1B是根据本发明的实施例的元件的剖面图。
[0017] 图2A是根据本发明的另一个示例的元件的透视图。
[0018] 图2B是根据本发明的另一个示例的元件的透视图。
[0019] 图2C是根据本发明的另一个示例的元件的透视图。
[0020] 图3A是示出根据本发明的实施例的元件的阻抗的频率特性的曲线图。
[0021] 图3B是示出根据本发明的实施例的元件的辐射效率的频率特性的曲线图。
[0022] 图4A是根据本发明的另一个示例的元件的透视图。
[0023] 图4B是根据本发明的另一个示例的元件的剖面图。
[0024] 图4C是根据本发明的另一个示例的元件的剖面图。
[0025] 图5A是根据本发明的另一个示例的元件的说明性图解。
[0026] 图5B是根据本发明的另一个示例的元件的整体图解。
[0027] 图6A是根据本发明的另一个示例的元件的说明性图解。
[0028] 图6B是根据本发明的另一个示例的元件的整体图解。
[0029] 图7A是根据本发明的另一个示例的元件的说明性图解。
[0030] 图7B是根据本发明的另一个示例的元件的说明性图解。
[0031] 图8A是根据本发明的另一个示例的元件的透视图。
[0032] 图8B是示出根据本发明的另一个示例的元件的反射特性的曲线图。
[0033] 图8C是示出根据本发明的另一个示例的元件的线宽依赖性的曲线图。
[0034] 图8D是示出根据本发明的另一个示例的元件的电磁波输出特性的曲线图。
具体实施方式
[0035] 在本发明中，提供阻抗匹配部，所述阻抗匹配部用于使波导的阻抗与共振天线的阻抗匹配，以将波导耦合到共振天线，该波导用于在各自具有负的介电常数实部的第一导体层和第二导体层之间引导电磁波，该共振天线用于辐射或接收电磁波。阻抗匹配部用于使波导和共振天线的输入阻抗和输出阻抗彼此接近，或者用于在波导和共振天线之间布置具有在波导阻抗和共振天线阻抗之间的阻抗范围的部件或结构。在本发明中，这被称为波导阻抗和共振天线阻抗之间的匹配，并且因此波导和共振天线可以适当地彼此耦合。因此，比较起具有大概377Ω的特性阻抗的空气和具有0.1到几十Ω的特性阻抗的等离子激元波导直接彼此耦合的情况，外部和波导以更小的阻抗差彼此耦合。
[0036] 在下列情况下，参照附图，描述根据本发明的元件的实施例和示例。
[0037] 实施例
[0038] 参照图1A到图4C描述根据本发明的实施例的元件100。图1A和图1B是例示元件100的外观的概要图解，其中图1A是透视图，而图1B是A-A’的剖面图。图2A到图2C是例示本实施例的元件的修改示例的图解，其中图2A是元件200的透视图，图2B是元件300的透视图，图2C是元件400的透视图。图3A和图3B是例示本发明的元件的特性的示例的图解。图4A到图4C是例示作为本实施例的另一个修改示例的元件500的图解，其中图4A是透视图，图4B和图4C是A-A’的剖面图。
[0039] 本实施例的元件100是使用波导107作为共振器的振荡元件，该波导107包括具有电磁波增益的活性层101、第一导体层103和第二导体层104。波导107被集成在衬底105上。波导107是被称为DMW的光学波导，包括作为包层的第一导体层103和第二导体层104，将活性层101作为核心夹在两个相邻的导体层之间。换句话说，波导由第一导体层和第二导体层界定，而核心层具有分层结构，所述分层结构被布置以与第一导体层和第二导体层接触并且包括被布置在第一导体层和第二导体层之间的半导体。第一导体层103和第二导体层104由具有有着振荡模中的电磁波的负的介电常数实部的负介电常数的介质构成。第一导体层
103和第二导体层104之间的距离是波导波长(λg)或更小，优选地为λg/2或更小，更优选地为大约λg/10，其中λg代表为了电磁波的振荡或检测的波导107中的波导波长。在这个情况下，在波导的末端处辐射或接收的太赫兹波频率区中的电磁波在波导107中以等离子激元模(其中不存在衍射极限)来传播。因此，波导模或振荡模中的波导波长(λg)表达为λg＝λ/ne，其中λ代表真空中的电磁波的波长，而ne代表波导107的等效折射率。另外，为了以波导波长λg获得共振和振荡，沿着作为电磁波的传播方向的纵向(即，方向A-A’)的波导107的长度L设置到λg/2的整数倍，这在半导体激光技术中是已熟知的。
103和第二导体层104之间的距离是波导波长(λg)或更小，优选地为λg/2或更小，更优选地为大约λg/10，其中λg代表为了电磁波的振荡或检测的波导107中的波导波长。在这个情况下，在波导的末端处辐射或接收的太赫兹波频率区中的电磁波在波导107中以等离子激元模(其中不存在衍射极限)来传播。因此，波导模或振荡模中的波导波长(λg)表达为λg＝λ/ne，其中λ代表真空中的电磁波的波长，而ne代表波导107的等效折射率。另外，为了以波导波长λg获得共振和振荡，沿着作为电磁波的传播方向的纵向(即，方向A-A’)的波导107的长度L设置到λg/2的整数倍，这在半导体激光技术中是已熟知的。
[0040] 活性层101包括具有用于通过载波的子带间跃迁来产生太赫兹波的多重量子阱结构的半导体102，并且具有太赫兹波频率区中的电磁波增益。作为半导体102的结构，例如，包括几十个层的半导体多层的共振隧道结构或者包括几百到几千个层的半导体多层的量子级联激光器(QCL)结构是适合的。将本实施例描述为其中共振隧道二极管(在此之后也被称为RTD)或者量子级联激光器(QCL)结构被用于活性层101的半导体102的情况。基于负差分电阻区中的光子辅助遂穿现象，RTD具有毫米波频率区到太赫兹波频率区中的电磁波增益。基于由于共振遂穿现象和载波的非光发射高速瞬变现象导致的有效的反向分布，QCL具有太赫兹波频率区中的电磁波增益。
[0041] 而且，作为半导体102，使用高频元件(诸如Esaki二极管、Gunn二极管或者具有终止端子的晶体管)是可能的。另外，使用TUNNETT二极管、IMPATT二极管或者异质结双极晶体管(HBT)也是适当的。另外，使用复合半导体场效应晶体管(FET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)也是适当的。另外，使用利用超导体的Josephson元件也是可能的。另外，半导体102可以具有太赫兹波频率区中的载波的非线性，并且在这种情况下，元件100用作检测元件。
[0042] 活性层101可以包括高度掺杂的半导体层111和117，用于将具有多重量子阱结构的半导体102连接到第一导体层103以及第二导体层104。活性层101和第一导体层103以及第二导体层104彼此机械连接以及电连接。波导107具有其中从外部电源施加偏压到第一导体层103和第二导体层104之间的结构，使得偏压被施加到包括在活性层101中的半导体102(诸如RTD或QCL)。此处，金属(比如Ag、Au、Cu、Al或AuIn合金)、半金属(比如Bi、Sb、ITO或ErAs)、高度掺杂的半导体或者类似物可以被恰当地用于第一导体层103和第二导体层104。
[0043] 本实施例的元件100包括用于在波导107的一部分处辐射或接收电磁波的共振天线108，例如用于在波导107的末端处辐射或接收电磁波的共振天线108。另外，用于匹配波导107和共振天线108之间的阻抗的阻抗匹配部109被布置在波导107和共振天线108之间。共振天线108是利用产生在天线中的电流或磁流的共振现象的天线，并且还被称为驻波天线。共振天线108强烈地辐射或接收具有相对窄带中的工作频率的电磁波，所述窄带的中心频率是共振频率，在所述共振频率处天线的共振器长度变为半波长的整数倍。作为共振天线，存在例如贴片天线、微带天线、槽孔天线、偶极天线、环形天线和折叠的偶极天线。在本实施例中，主要描述的是贴片天线108用作共振天线108的示例。
[0044] 贴片天线108具有其中两个导体(即贴片导体112和接地导体113)夹住电介质114的结构，而沿着方向A-A’的贴片导体112的长度(即共振器长度L)被设置为λ/2。由共振器长度L界定的共振频率f的驻电磁场形成在贴片导体112和接地导体113之间，以辐射或接收中心频率是共振频率f的相对窄带中的电磁波。在这种情况下，电磁波由贴片天线108沿着向上或向下的方向辐射或接收，所述向上或向下的方向基本上垂直于波导107中传播的电磁波的传播方向(方向A-A’)，换言之，半导体102的层压方向。在本实施例中，组成贴片天线108的贴片导体112和接地导体113也被分别用作第一导体层103和第二导体层104。然而，也将贴片导体112和接地导体113分别用作第一导体层103和第二导体层104不是必要的，而是，单独通过使用不同导体布置贴片导体112和接地导体113是可能的。
[0045] 阻抗匹配部109是用于调整波导107和共振天线108之间的阻抗匹配的结构。本实施例的阻抗匹配部109的示例是如下部件或结构，其中使波导107和共振天线108的输入阻抗和输出阻抗彼此接近，以抑制其间的电磁波的反射或相移以使电磁波能顺利传输。换言之，阻抗匹配部是用于调整阻抗匹配部的特性阻抗以调整波导和共振天线之间的输入阻抗和输出阻抗的匹配度的部件或结构。在此实施例中，以简化的方式，调整波导107和共振天线108的特性阻抗以执行其间的阻抗匹配，并且因此调整电磁波的输出效率和输入效率。例如，当元件100被用作振荡元件时，如果波导107的特性阻抗与共振天线108的特性阻抗基本上相等(它们不需要完全彼此相同以产生振荡)，振荡输出可以通过阻抗匹配来增大。另外，如果特性阻抗移离彼此一点，则改进一点输入能量的使用效率(其对振荡有贡献)，并因此可以抑制用于振荡的阈值电流。另外，波导是具有在波导中形成驻电磁波的用途的激光共振器。因此，波导的两个端面都反射一定量的电磁波或更多是必要的。因此，通过设计使得阻抗在波导和阻抗匹配部之间的界面处不完全匹配，振荡输出的功率可以最大化。
[0046] 等离子激元波导(诸如波导107)的特性阻抗取决于结构(诸如活性层101中的半导体102的厚度或者波导107的宽度)和组件材料，并且通常具有0.1Ω到100Ω的范围内的值，以形成具有相对低的阻抗的结构。如果在之后的示例1中描述的具有膜结构的RTD被用于活性层101，则活性层101中的半导体102的厚度大概是30nm，而波导107的宽度是5μm。因此，简单地估计波导107的特性阻抗为大概2Ω。另外，如果在经常用于QCL的结构中的半导体102具有1μm的厚度而波导107具有10μm的宽度，那么简单地估计特性阻抗为大概10Ω。如果在经常用于QCL的结构中的半导体102具有10μm的厚度而波导107具有150μm的宽度，那么简单地估计特性阻抗为大概7Ω。按照这个方式，等离子激元波导具有低于空气的特性阻抗(377Ω)的阻抗。因此，由于波导和空气之间的阻抗失配导致的反射或相移，还没有有效地以常规方式执行光束的输入和输出。
[0047] 本实施例的元件100在端面处装备有共振天线108。例如，贴片天线中的共振天线的特性阻抗在50Ω到300Ω的范围内，槽孔天线中的共振天线的特性阻抗在50Ω到1000Ω的范围内。因此，通过选择适当的天线结构和尺寸，使天线的特性阻抗接近于等离子激元波导的特性阻抗是可能的。而且，此实施例中的元件100的示例包括布置在波导107和共振天线108之间的阻抗匹配部109。阻抗匹配部109使波导107和共振天线108之间的输入阻抗和输出阻抗能被调整，并且因此可以调整等离子激元波导和共振天线108之间的阻抗匹配。对于阻抗匹配部109，适当地使用偏置馈电结构(图2A、图2B和图4A)、λg/4匹配电路(图2C)、耦合馈电结构(图4C)等等(这些广泛用于共振天线)是可能的。另外，如在图1A中所例示的示例中，通过适当地设计共振天线108的结构使得天线具有低阻抗，天线本身也具有作为阻抗匹配部109的用途是可能的。
[0048] 图3A和图3B是示出本发明的元件100的特性的示例的曲线图，其中图3A示出阻抗的频率特性，图3B示出辐射效率的频率特性。图3A和图3B示出通过使用Ansoft公司的高频仿真器HFSS对之后在示例1中公开的元件100的结构的分析结果。换言之，图3A和图3B示出贴片天线的输入阻抗(Zpatch)、波导107的特性阻抗(ZMMW)和辐射效率的频率特性的分析结果。从图3A应理解，当示例1中具有输入阻抗Zpatch(x/L＝0)的贴片天线连接到具有大概2Ω的特性阻抗ZMMW的波导107的末端时，改进辐射效率。换言之，因为波导107和共振天线108的阻抗在贴片天线的500GHz的共振频率附近匹配，如图3B中所示，与单独的波导107的情况相比，辐射效率改进了大概两个数位。在这种情况下，因为设计天线结构使得共振天线108具有低阻抗，天线本身具有作为阻抗匹配部109的用途，使得实现阻抗匹配。具体地，因为贴片天线的特性阻抗ZC大概表达为ZC＝377×t×w-1×εr-1/2，设计用于500GHz的具有大的贴片宽度和小的电介质厚度的λ/2贴片天线，使得ZC变为低阻抗。按这种方式，实现前文提到的结构。此处，t代表电介质114的厚度，w代表贴片天线108的宽度，εr代表电介质114的具体的介电常数。
[0049] 当具有大概2Ω的特性阻抗ZMMW的波导107的末端在距离贴片天线108的末端向内x＝50μm的点处耦合到示例1的贴片天线108时，输入阻抗Zpatch(x/L＝0.25)可以在500GHz附近进一步减小。因此，如图3B中所示，与x/L＝0的情况相比，辐射效率可以改进大概10％。这也可以从如下事实理解：由于偏置馈电的影响，贴片天线的输入阻抗Zin(x)在末端处变为最大值(Zin(0))，而输入阻抗Zin(x)在贴片天线的中心处变为大概0Ω(Zin(x)＝Zin(0)cos2(π·x/L))。按照这种方式，当波导107的馈电位置从共振天线108的中心移动到共振天线108的末端时，阻抗匹配处的馈电位置总可以被找到。
[0050] 作为用于贴片天线的偏置馈电的方法，存在一种在贴片导体212中(例如，如在图2A中例示的元件200中)形成槽口并且将波导107与其连接使得波导207的两侧都离开贴片导体的方法。在图2A中，与图1A和1B中的部分相应的部分由具有相同的两个低数位的一组数字200表示。另外，如果按照波导307的一部分嵌入到贴片天线108中的方式的连接方法如在图2B的元件300中那样使用，那么可以调整阻抗匹配以实现相对低的损耗。此处，波导307的第一导体层连接到贴片导体。在图2B中，与图1A和1B中的部分相应的部分由具有相同的两个低数位的一组数字300表示。另外，如果波导507和天线508如图4B中所例示的通过使用插塞515彼此连接，那么可以将电介质5141和电介质5142的厚度调整为任意值，使得可以调整波导507和天线508之间的阻抗匹配。在图4A到图4C中，与图1A和1B中的部分相应的部分由具有相同的两个低数位的一组数字500表示。另外，如在图2C的元件400中，采用其中λg/4匹配电路被用于阻抗匹配部409以执行波导407和天线408之间的阻抗匹配的结构是可能的。λg/4匹配电路具有沿波导方向的λg/4的长度并且具有在波导407的阻抗和天线408的阻抗之间的范围中的阻抗。在图2C中，与图1A和1B中的部分相应的部分由具有相同的两个低数位的一组数字400表示。
[0051] 而且，波导和天线之间的耦合具有上文提到的DC耦合的这种结构不是必须的。例如，如在图4C例示出的元件500中，采用其中波导507和天线508是AC耦合的耦合馈电结构是可能的。在这种情况下，通过调整天线508的插入部，可以执行波导507和天线508之间的阻抗匹配。另外，天线可以是使用微带线等等的具有有限长度并且在太赫兹波带中工作的微带天线型共振器。电介质是其介电性比导电性占主导的物质，并且是如高电阻电阻器或对于DC电压不传导电流的绝缘体一样工作的材料。通常，具有1kΩm或更大的电阻率的材料适合作电介质。作为具体示例，存在塑料、陶瓷、氧化硅、氮化硅等等。
[0052] 作为共振天线的另一个示例，图5A和图5B例示了其中波导707和半波长槽口天线708经由阻抗匹配部709耦合的结构。波导707是等离子激元波导，其中两个包层(即第一导体层703和第二导体层704)夹住活性层701，而由两个金属板712和713形成的槽口天线708被布置在波导707的端面上。波导707用来自从槽口天线708的中心偏置的位置的电力来馈电，而此结构是阻抗匹配部709。另外，图6A和图6B例示了其中波导807经由阻抗匹配部809耦合到半波长偶极天线808的元件800。半波长偶极天线808被布置在波导807的端面上，而导体层803和导体层804连接到金属板812和813。在这种情况下，其中波导807用来自从偶极天线808的中心的位置偏置的位置的电力来馈电的结构是阻抗匹配部809。另外，还存在如图7A中所例示的其中波导907和一个波长环形天线908经由阻抗匹配部909彼此耦合的结构，以及如图7B中所例示的其中波导1007和半波长折叠偶极天线1008经由阻抗匹配部1009彼此耦合的结构。
[0053] 如上文所述，根据本实施例，阻抗匹配部被布置在等离子激元波导中的用于辐射或接收电磁波的部分中。按照这样的方式，可以匹配波导阻抗和天线阻抗，并且因此可以很好地改进从波导辐射的或由波导接收的电磁波的辐射效率或接收效率。另外，因为电磁波的指向性图案可以被引导至基本上垂直于波导中传播的电磁波的光轴方向的向上或向下的方向，所以可以预期对辐射的或接收的电磁波的指向性以及电磁波的操纵性的改进。因此，预期此实施例实现可以有效使用电磁波的元件。
[0054] 而且，尽管电磁波常规地以宽的辐射角从等离子激元波导的端面辐射，但这种结构使电磁波能沿着基本上垂直于波导中电磁波的传播方向的向上的方向辐射，并且可以通过使用共振天线(诸如贴片天线)改进指向性。因此，可以使电磁波的指向性图案沿着光轴方向稳定，从而可以简单的操纵电磁波。另外，通过将天线平面集成到等离子激元波导，可以预期减小电磁波的倾斜或者由于通过硅透镜或三维天线的常规集成导致的物理不稳定和机械不稳定而引起的频率特性的不稳定。因此，可以预期物理稳定性和机械稳定性和处理准确度的改进，并且还可以预期通过减少光学组件(诸如透镜)的数量带来的成本降低的效果。因此，此实施例可以实现小的并且耐用的元件，所述元件可以有效利用电磁波，并且可以实现半导体元件或者波导元件(诸如使用所述元件的振荡元件或检测元件)。
[0055] 在下面的内容中，描述了更具体的示例。
[0056] 示例1
[0057] 参照图1A到图4C描述根据本发明的元件的具体示例1。此处，根据本发明的元件100可以用作用于电磁波的简单波导，但是通过将核心层布置为具有电磁波增益或非线性来构成半导体元件(诸如振荡元件、电磁波检测元件和电磁波放大元件)是可能的。在下面的描述中，作为其示例，存在描述的示例，其中本发明的元件被用于振荡元件。在这种情况下，将元件构成为如下振荡元件，其中核心层具有电磁波的增益，而第一导体层和第二导体层各自具有振荡模中的电磁波的负的介电常数实部。
[0058] 在此示例中，基于InGaAs/InAlAs的共振隧道二极管(RTD)结构用作半导体102，其为用于通过子带间跃迁和与InP衬底的晶格匹配产生太赫兹波的半导体多重量子阱结构。RTD结构是半导体多层结构，其按照从最上层开始的顺序包括n-InGaAs(50nm，Si，1×
1018cm-3)、InGaAs(5nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(7.6nm)、InAlAs(2.6nm)、InGaAs(5.6nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(5nm)和n-InGaAs(50nm，Si，1×1018cm-3)。这里，加下划线的InGaAs层会是量子阱层，而未加下划线的基于InAlAs的材料会是势垒层，以构成三个势垒共振隧道结构。不与InP晶格匹配的AlAs比临界膜薄并且形成高能势垒。另外，用高浓度载波掺杂的上层的和下层的n-InGaAs层是用于向共振隧道结构注入电子和从共振隧道结构提取电子的发射极层/集电极层。分别布置在发射极层/集电极层和势垒层之间的InGaAs(5nm)是用于防止作为掺杂材料的Si的扩散的层。
1018cm-3)、InGaAs(5nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(7.6nm)、InAlAs(2.6nm)、InGaAs(5.6nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(5nm)和n-InGaAs(50nm，Si，1×1018cm-3)。这里，加下划线的InGaAs层会是量子阱层，而未加下划线的基于InAlAs的材料会是势垒层，以构成三个势垒共振隧道结构。不与InP晶格匹配的AlAs比临界膜薄并且形成高能势垒。另外，用高浓度载波掺杂的上层的和下层的n-InGaAs层是用于向共振隧道结构注入电子和从共振隧道结构提取电子的发射极层/集电极层。分别布置在发射极层/集电极层和势垒层之间的InGaAs(5nm)是用于防止作为掺杂材料的Si的扩散的层。
[0059] 活性层101包括具有RTD结构的半导体102，和被布置在半导体102的上侧和下侧的并且由用高浓度载流子掺杂的n-InGaAs(1×1019cm-3)构成的半导体层111和半导体层117。活性层101的整体厚度大概为3μm。掺杂的半导体层将半导体102的RTD分别连接到具有相对低的电阻的第二导体层104和第一导体层103。第一导体层103和第二导体层104的每个由Ti/Pd/Au层压膜形成。第一导体层103由Ti/Pd/Au/Pd/Ti(分别具有20nm/20nm/400nm/
20nm/20nm的厚度)形成。第二导体层104由Ti/Pd/Au/Pd/Ti(分别具有20nm/20nm/400nm/
20nm/20nm的厚度)形成。衬底105是高电阻硅衬底并且机械地连接到第二导体层104。电介质114优选地由在太赫兹波带中具有低损耗的绝缘材料(例如，诸如BCB的树脂或诸如SiO2的非有机材料)构成，而在此示例中使用苯并环丁烯(BCB)。在元件100中，从连接在第二导体层104和第一导体层103之间的电源向活性层101提供用于驱动的偏置电压。
20nm/20nm的厚度)形成。第二导体层104由Ti/Pd/Au/Pd/Ti(分别具有20nm/20nm/400nm/
20nm/20nm的厚度)形成。衬底105是高电阻硅衬底并且机械地连接到第二导体层104。电介质114优选地由在太赫兹波带中具有低损耗的绝缘材料(例如，诸如BCB的树脂或诸如SiO2的非有机材料)构成，而在此示例中使用苯并环丁烯(BCB)。在元件100中，从连接在第二导体层104和第一导体层103之间的电源向活性层101提供用于驱动的偏置电压。
[0060] 波导107具有法布里-珀罗共振器结构，并且包括沿着电磁波的传播方向的至少两个端面。通过使用来自端面的反射导致电磁波为驻波，并且因此沿着传播方向(波导107的纵向)的长度是确定振荡波长的因素。在此示例中，波导107的长度是0.6mm，其为λg的20倍大，而波导107的宽度是0.005mm。因此，第一导体层103和第二导体层104各自在1mm×0.005mm的矩形图案中。此外，第一导体层103和第二导体层104以大概为3μm的距离彼此接近。设计波导107使得振荡频率是0.5THz，并且波导波长λg是30μm(波导的等效折射率被设置为大概20)。电磁波在波导107中以等离子激元模传播，其中波导107的端面变为开路末端，而在距离端面λg/4处的位置变为共振电场的节点。元件100从布置在波导107的末端处的贴片天线108辐射0.5THz的电磁波，所述电磁波基于光子辅助遂穿效应在负的差分电阻区中产生。
[0061] 贴片天线108包括贴片导体112，其为方形贴片，其边长度是L＝200μm(L(沿着与波导107的纵向平行的方向的长度)＝w(沿着垂直于L方向的宽度)＝200μm)。具有3μm的厚度t的苯并环丁烯(BCB具有εr＝2.4，由陶氏化学公司制造)被布置为在贴片导体112和接地导体113之间的电介质114。贴片天线108被布置在波导107的一个末端上。贴片导体112连接到第一导体层103，而接地导体113连接到第二导体层104。因此，波导107的偏置量x(在波导侧上的贴片导体112的末端和连接部之间的距离)是0μm，并且因此x/L＝0成立。在这种情况下，如从图3A所理解的，波导107的特性阻抗ZMMW大概为2Ω，而连接到波导107的末端的贴片天线108的输入阻抗Zpatch(x/L＝0)大概为500GHz附近的7Ω。因此，因为波导107的阻抗变得与在贴片天线108的共振频率500GHz附近的贴片天线108的阻抗接近，如图3B所示，与单独的波导107的情况相比，辐射效率改进了大概两个数位。在这种情况下，共振天线108本身也作为阻抗匹配部109工作，因此实现阻抗匹配。
[0062] 另外，如图2A所例示，在贴片导体212中形成宽度为15μm、长度为50μm的槽口是可能的。而且，具有大概为2Ω的特性阻抗ZMMW的波导207的末端连接到贴片天线208的从其末端向内移位x＝50μm的位置以执行偏置馈电(x/L＝50/200＝0.25)。在这种情况下，贴片天线208的输入阻抗Zpatch(x/L＝0.25)变为大概500GHz附近的3Ω，并且如图3B所示，进一步改进辐射效率是可能的。
[0063] 此示例中的元件100可以通过下面的制造方法制造。准备由硅构成的第一衬底105，并且在第一衬底105的顶表面上形成Ti/Pd/Au(分别具有20nm/20nm/200nm的厚度)的金属层。准备InP衬底，其上通过外延生长形成包括活性层101的半导体层。在半导体层的顶表面上形成Ti/Pd/Au(分别具有20nm/20nm/200nm的厚度)的金属层。通过Au热压缩接合，将InP衬底与第一衬底105接合，使得两个衬底的顶表面彼此相对。此处，通过压缩接合形成的Ti/Pd/Au/Pd/Ti(分别具有20nm/20nm/400nm/20nm/20nm的厚度)变为第二导体层104和接地导体113。通过磨削和盐酸蚀刻将InP衬底从接合的和集成的衬底移除，以将半导体层转移到第一衬底105上。通过光刻法和干蚀刻法使半导体层成形，以使活性层101成形。通过旋转涂覆法用BCB填充活性层101，并且通过干蚀刻法使其光滑以形成电介质114。接下来，使用真空沉积法和剥离法以完成元件100。换言之，在电介质114上形成由Ti/Pd/Au(分别具有
20nm/20nm/200nm的厚度)构成的第一导体层103和贴片导体112，以使波导107和贴片天线
108的结构成形。
20nm/20nm/200nm的厚度)构成的第一导体层103和贴片导体112，以使波导107和贴片天线
108的结构成形。
[0064] 本发明不局限于上述结构。例如，在这个示例中，上文描述的活性层101是在InP衬底上生长的由InGaAs/InAlAs和InGaAs/AlAs构成的三个势垒共振隧道二极管。然而，本发明不局限于上述结构和材料，而其它结构和其它材料的组合也可以提供根据本发明的元件。例如，可以使用具有双势垒量子阱结构的共振隧道二极管、具有多重(四重或更多)势垒量子阱结构的共振隧道二极管、或具有级联连接的多重量子阱结构(被称为量子级联激光器)。而且，还可以使用整流元件(诸如肖特基二极管)或负电阻元件(诸如耿氏二极管)。那些的任何一个适合用于振荡元件、检测元件和放大元件。关于材料的组合，可以使用形成在GaAs衬底上的GaAs/AlGaAs、GaAs/AlAs或InGaAs/GaAs/AlAs。而且，可以使用在InP衬底上形成的InGaAs/AlGaAsSb、在InAs衬底上形成的InAs/AlAsSb或InAs/AlSb、在Si衬底上形成的SiGe/SiGe等等。可以依据期望的频率等等恰当地选择结构和材料。此外，可以依赖于应用目的来选择衬底的材料。也可以使用半导体衬底，诸如硅衬底、砷化镓衬底、砷化铟衬底、磷化镓衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底、树脂衬底等等。
[0065] 而且，作为电介质114，适合使用非有机材料，诸如SiO2、多晶硅、SiNx、AlN或TiO2，或者有机材料，诸如苯并环丁烯(BCB)、SU-8或聚酰胺。而且，还可以使用再生长的低传导性本征半导体。另外，制造根据本发明的元件的方法不局限于上文提到的方法。例如，可以使用利用飞秒激光或超声波的微加工或常规的NC加工。
[0066] 示例2
[0067] 现在参照图2C描述根据本发明的示例2的元件400。活性层401的半导体402使用量子级联激光器结构，其中重复是8，公布在应用物理学快报91，131122，2007中。活性层401包括由具有大概1μm的厚度的半导体多层膜构成的半导体402和由用高浓度载流子掺杂的具有大概1μm的厚度的n-InGaAs(1×1019cm-3)构成的半导体层411和半导体层417。活性层401的整体厚度大概为3μm。
[0068] 波导407具有DMW结构，其中活性层401夹在第一导体层403和第二导体层404之间。其它结构和材料与示例1中的结构和材料相同，而制造方法也基本上相同。波导407是具有
30μm的宽度和1.4mm的长度的矩形等离子激元波导。波导407的特性阻抗估计为大概为4Ω，使得设计上获得大概1.2THz的震荡。在此示例的元件400中，贴片天线408经由λ/4匹配电路
409被布置在波导407的末端上作为阻抗匹配部。贴片天线408是矩形贴片，具有共振器长度L＝80μm和宽度w＝60μm，而具有3μm的厚度的BCB被布置为贴片导体412和接地导体413之间的电介质414。
30μm的宽度和1.4mm的长度的矩形等离子激元波导。波导407的特性阻抗估计为大概为4Ω，使得设计上获得大概1.2THz的震荡。在此示例的元件400中，贴片天线408经由λ/4匹配电路
409被布置在波导407的末端上作为阻抗匹配部。贴片天线408是矩形贴片，具有共振器长度L＝80μm和宽度w＝60μm，而具有3μm的厚度的BCB被布置为贴片导体412和接地导体413之间的电介质414。
[0069] 此结构中的贴片天线408的特性阻抗估计为大概为12Ω。设计λ/4匹配电路409使得特性阻抗变为(4×12)1/2＝7Ω。在这个示例中，处理并延长了波导407的末端以具有15μm的宽度和17μm的长度。按照这样的方式，通过采用其中λg/4匹配电路被用于阻抗匹配部409使得波导407的阻抗和天线408的阻抗匹配的结构，与单独的波导107的情况相比，用于1.2THz的电磁波的元件400的输出效率和输入效率改进了一个数位。另外，从元件400辐射的或由元件400接收的电磁波的指向性图案可以被引导至基本上垂直于波导中传播的电磁波的光轴方向的向上或向下的方向，并且因此改进辐射的或接收的电磁波的指向性。
[0070] 示例3
[0071] 参照图8A、图8B、图8C和图8D描述本发明的示例3的元件600。图8A例示了元件600的透视图，图8B示出了在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面处的反射特性的分析结果，图8C示出了λ/4匹配部的特性阻抗和微带线的线宽之间的依赖性，而图8D示出了观察的电磁波的输出特性。活性层601、第一导体603和第二导体604具有与示例1相同的结构。另外，其它结构和材料与示例1中的结构和材料相同。然而，活性层601的整体厚度大概为1μm，贴片天线的尺寸为300μm×300μm，而贴片天线608和接地导体613之间的距离为5μm。波导607具有DMW结构，其中第一导体层和第二导体层夹着活性层，并且具有5μm的宽度和50μm的长度的矩形形状(具有0.3THz的振荡频率)。经由微带线形成的λ/4匹配电路609将贴片天线608布置在波导607的末端处。波导607的输入阻抗为6.4Ω，而贴片天线608的输入阻抗为
1/2
23.6Ω。通过将λ/4匹配电路609的输入阻抗设定为(6.4×23.6) ＝12.3Ω，波导607的阻抗和贴片天线608的阻抗基本上匹配。然而，波导607是法布里-珀罗共振器，并且通过波导
607的两个端面反射一定量的电磁波或更多以在波导607中形成驻电磁波是必要的。因此，设计使得在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面处避免完全阻抗匹配是优选的，即使得存在阻抗失配。在此示例中，如果反射率在图8B中由虚线示出的值之上，具体地，如果反射率是0.34或更大，那么在波导中产生共振波。因此，将作为λ/4匹配电路609的微带线的特性阻抗设置为大概7Ω或更小或者大概24Ω或更大是优选的。此处，图8B中的实线示出了在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面上的电磁波的反射特性的分析结果，并且将由于一般的阻抗失配导致的电磁波的反射率计算为模型。另外，“活性层601的增益＞(波导607的波导损耗+波导末端的反射损耗)”在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面上的电磁波的反射率在图8中的虚线之上的区域中成立，这表示电磁波共振为波导607中的驻波。因此，在这个示例中，调整作为λ/4匹配电路609的微带线的长度(150μm)、线宽(50μm)和夹在微带线和接地导体之间的电介质层的厚度(大概1μm)，并且设置λ/4匹配电路609的特性阻抗为5Ω。
在这种情况下，当从波导607看λ/4匹配电路609时反射率大概为0.5。此处，如图8C中所示，通过改变作为λ/4匹配电路609的微带线的线宽和夹在微带线和接地导体之间的电介质层(BCB)的膜厚度，可以调整特性阻抗。如图8D中所示，通过具有上文描述的阻抗匹配部609的结构，能够在室温下观察电磁波输出，大概是单独的波导607的情况的电磁波输出的80倍高。在这种情况下，具有单个波导的元件的振荡频率和将λ/4匹配电路和贴片天线集成在波导末端上的元件的振荡频率都测量为0.3THz，这表示波导607中共振的电磁波通过将λ/4匹配电路和贴片天线集成到波导末端而有效地提取到外面。如此示例中描述的，能够改进从波导辐射的电磁波的辐射效率。
1/2
23.6Ω。通过将λ/4匹配电路609的输入阻抗设定为(6.4×23.6) ＝12.3Ω，波导607的阻抗和贴片天线608的阻抗基本上匹配。然而，波导607是法布里-珀罗共振器，并且通过波导
607的两个端面反射一定量的电磁波或更多以在波导607中形成驻电磁波是必要的。因此，设计使得在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面处避免完全阻抗匹配是优选的，即使得存在阻抗失配。在此示例中，如果反射率在图8B中由虚线示出的值之上，具体地，如果反射率是0.34或更大，那么在波导中产生共振波。因此，将作为λ/4匹配电路609的微带线的特性阻抗设置为大概7Ω或更小或者大概24Ω或更大是优选的。此处，图8B中的实线示出了在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面上的电磁波的反射特性的分析结果，并且将由于一般的阻抗失配导致的电磁波的反射率计算为模型。另外，“活性层601的增益＞(波导607的波导损耗+波导末端的反射损耗)”在波导607和λ/4匹配电路609之间的界面上的电磁波的反射率在图8中的虚线之上的区域中成立，这表示电磁波共振为波导607中的驻波。因此，在这个示例中，调整作为λ/4匹配电路609的微带线的长度(150μm)、线宽(50μm)和夹在微带线和接地导体之间的电介质层的厚度(大概1μm)，并且设置λ/4匹配电路609的特性阻抗为5Ω。
在这种情况下，当从波导607看λ/4匹配电路609时反射率大概为0.5。此处，如图8C中所示，通过改变作为λ/4匹配电路609的微带线的线宽和夹在微带线和接地导体之间的电介质层(BCB)的膜厚度，可以调整特性阻抗。如图8D中所示，通过具有上文描述的阻抗匹配部609的结构，能够在室温下观察电磁波输出，大概是单独的波导607的情况的电磁波输出的80倍高。在这种情况下，具有单个波导的元件的振荡频率和将λ/4匹配电路和贴片天线集成在波导末端上的元件的振荡频率都测量为0.3THz，这表示波导607中共振的电磁波通过将λ/4匹配电路和贴片天线集成到波导末端而有效地提取到外面。如此示例中描述的，能够改进从波导辐射的电磁波的辐射效率。
[0072] 如上文所描述的，根据本发明的实施例，将共振天线和用于将波导耦合到共振天线的阻抗匹配部布置在波导的用来辐射或接收电磁波的部分处。因此，波导的阻抗和天线的阻抗匹配，并且因此改进了从波导辐射的电磁波的辐射效率或由波导接收的电磁波的接收效率。
[0074] 本申请要求申请日为2013年3月16日的日本专利申请No.2013-054449和申请日为2014年1月17日的日本专利申请No.2014-006359的优先权，这些日本专利申请的全部内容通过引用结合于此。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
波导热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈