波導(dǎo)元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括用于引導(dǎo)電磁波的波導(dǎo)的波導(dǎo)元件。具體地，本發(fā)明涉及用于從毫米波帶到太赫茲波帶(30GHZ到30THZ)(此處也被稱為太赫茲波)的頻率區(qū)內(nèi)的電磁波的元件，諸如振蕩元件和檢測元件。
【背景技術(shù)】
[0002]在太赫茲波頻率區(qū)中，存在生物材料、藥物、電子材料等等的很多有機(jī)分子(根據(jù)其結(jié)構(gòu)和狀態(tài))的吸收峰。而且，太赫茲波容易穿透材料(諸如紙、陶瓷、樹脂和布)。近些年，已經(jīng)對使用這樣的太赫茲波特性的成像技術(shù)和傳感技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)。例如，預(yù)期其對安全的熒光鏡檢查裝置(用來替代X射線裝置)、對制造過程中的嵌入非破壞性檢查裝置的應(yīng)用。
[0003]關(guān)于電流注入類型的太赫茲波光源，對基于半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中的電子的子帶間躍迀而使用電磁波增益的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。非專利文獻(xiàn)I提出了太赫茲波帶量子級聯(lián)激光器(QCL)，其中被認(rèn)為是低損耗波導(dǎo)的雙側(cè)金屬波導(dǎo)(在此之后還被稱為DMff)被集成為共振器。由于使通過受激發(fā)射而發(fā)射的太赫茲波在表面等離子激元模(surface pIasmonmode)中被引導(dǎo)至如下共振器結(jié)構(gòu)，其中金屬被放置在由厚度大約1ym的半導(dǎo)體薄膜形成的增益介質(zhì)之上和之下，因此通過高階處的光限制和低損耗傳播，此元件實現(xiàn)3THz左右的激光振蕩。
[0004]引文列表
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]PTL 1:日本專利申請公開 N0.2010-510703
[0007]PTL 2:美國專利申請公開 N0.2003/0206708
[0008]非專利文獻(xiàn)
[0009]NPL 1:應(yīng)用物理學(xué)快報 83，2124(2003)
[0010]NPL 2:光學(xué)快報，第32冊，第19期，第2840頁到第2842頁(2007)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]由于波導(dǎo)和間隔之間的阻抗失配，DMff引起邊緣反射或者波束圖案發(fā)散的增加。因此，從應(yīng)用的角度看，存在有效使用并操縱光束的任務(wù)?？紤]到這一點，非專利文獻(xiàn)2提出了通過將硅透鏡置于波導(dǎo)的末端來改進(jìn)提取效率和指向性的方法，但是此方法具有這樣的實際問題:結(jié)構(gòu)是物理上以及機(jī)械上不穩(wěn)定的并且需要額外的部件。因此專利文獻(xiàn)I公開了其中集成了號角天線的示例。然而，此結(jié)構(gòu)很難被稱為具有充足的物理穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，而且電磁波的指向性可能偏離波導(dǎo)光軸地傾斜。因此，存在改進(jìn)頻率穩(wěn)定性和電磁波操縱性的空間。另外，專利文獻(xiàn)2公開了其中在波導(dǎo)中布置寬帶領(lǐng)結(jié)形天線的示例。但是還沒有解決天線和波導(dǎo)之間的阻抗失配的問題以及輻射電磁波或入射電磁波的指向性的問題。
[0012]問題的解決方案
[0013]鑒于上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種波導(dǎo)元件，包括:用于引導(dǎo)電磁波的波導(dǎo)；用于輻射或接收所述電磁波的共振天線，所述共振天線被布置在所述波導(dǎo)的用于輻射或接收所述電磁波的部分處；以及用于使所述波導(dǎo)的阻抗與所述共振天線的阻抗匹配以將所述波導(dǎo)耦合到所述共振天線的阻抗匹配部，其中所述波導(dǎo)包括:第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，各自具有電磁波的負(fù)的介電常數(shù)實部；以及布置在所述第一導(dǎo)體層和所述第二導(dǎo)體層之間的核心層，其中核心層具有電磁波的增益和用于電磁波的載波的非線性中的一個。
[0014]本發(fā)明的進(jìn)一步方面將參照附圖通過下列對示例性實施例的描述而變得清楚。
【附圖說明】
[0015]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的元件的透視圖。
[0016]圖1B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的元件的剖面圖。
[0017]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的透視圖。
[0018]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的透視圖。
[0019]圖2C是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的透視圖。
[0020]圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的元件的阻抗的頻率特性的曲線圖。
[0021]圖3B是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的元件的輻射效率的頻率特性的曲線圖。
[0022]圖4A是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的透視圖。
[0023]圖4B是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的剖面圖。
[0024]圖4C是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的剖面圖。
[0025]圖5A是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的說明性圖解。
[0026]圖5B是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的整體圖解。
[0027]圖6A是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的說明性圖解。
[0028]圖6B是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的整體圖解。
[0029]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的說明性圖解。
[0030]圖7B是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的說明性圖解。
[0031]圖8A是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的透視圖。
[0032]圖SB是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的反射特性的曲線圖。
[0033]圖SC是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的線寬依賴性的曲線圖。
[0034]圖8D是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個示例的元件的電磁波輸出特性的曲線圖。
【具體實施方式】
[0035]在本發(fā)明中，提供阻抗匹配部，所述阻抗匹配部用于使波導(dǎo)的阻抗與共振天線的阻抗匹配，以將波導(dǎo)耦合到共振天線，該波導(dǎo)用于在各自具有負(fù)的介電常數(shù)實部的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層之間引導(dǎo)電磁波，該共振天線用于輻射或接收電磁波。阻抗匹配部用于使波導(dǎo)和共振天線的輸入阻抗和輸出阻抗彼此接近，或者用于在波導(dǎo)和共振天線之間布置具有在波導(dǎo)阻抗和共振天線阻抗之間的阻抗范圍的部件或結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，這被稱為波導(dǎo)阻抗和共振天線阻抗之間的匹配，并且因此波導(dǎo)和共振天線可以適當(dāng)?shù)乇舜笋詈?。因此，比較起具有大概377 Ω的特性阻抗的空氣和具有0.1到幾十Ω的特性阻抗的等離子激元波導(dǎo)直接彼此耦合的情況，外部和波導(dǎo)以更小的阻抗差彼此耦合。
[0036]在下列情況下，參照附圖，描述根據(jù)本發(fā)明的元件的實施例和示例。
[0037]實施例
[0038]參照圖1A到圖4C描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的元件100。圖1A和圖1B是例示元件100的外觀的概要圖解，其中圖1A是透視圖，而圖1B是Α-Α’的剖面圖。圖2Α到圖2C是例示本實施例的元件的修改示例的圖解，其中圖2Α是元件200的透視圖，圖2Β是元件300的透視圖，圖2C是元件400的透視圖。圖3Α和圖3Β是例示本發(fā)明的元件的特性的示例的圖解。圖4Α到圖4C是例示作為本實施例的另一個修改示例的元件500的圖解，其中圖4Α是透視圖，圖4Β和圖4C是Α-Α’的#丨』面圖。
[0039]本實施例的元件100是使用波導(dǎo)107作為共振器的振蕩元件，該波導(dǎo)107包括具有電磁波增益的活性層101、第一導(dǎo)體層103和第二導(dǎo)體層104。波導(dǎo)107被集成在襯底105上。波導(dǎo)107是被稱為DMff的光學(xué)波導(dǎo)，包括作為包層的第一導(dǎo)體層103和第二導(dǎo)體層104，將活性層101作為核心夾在兩個相鄰的導(dǎo)體層之間。換句話說，波導(dǎo)由第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層界定，而核心層具有分層結(jié)構(gòu)，所述分層結(jié)構(gòu)被布置以與第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層接觸并且包括被布置在第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層之間的半導(dǎo)體。第一導(dǎo)體層103和第二導(dǎo)體層104由具有有著振蕩模中的電磁波的負(fù)的介電常數(shù)實部的負(fù)介電常數(shù)的介質(zhì)構(gòu)成。第一導(dǎo)體層103和第二導(dǎo)體層104之間的距離是波導(dǎo)波長(Ag)或更小，優(yōu)選地為λ g/2或更小，更優(yōu)選地為大約λ/10，其中AgR表為了電磁波的振蕩或檢測的波導(dǎo)107中的波導(dǎo)波長。在這個情況下，在波導(dǎo)的末端處輻射或接收的太赫茲波頻率區(qū)中的電磁波在波導(dǎo)107中以等離子激元模(其中不存在衍射極限)來傳播。因此，波導(dǎo)?；蛘袷幠Ｖ械牟▽?dǎo)波長Ug)表達(dá)為Ag= λ/ι，其中λ代表真空中的電磁波的波長，而&代表波導(dǎo)107的等效折射率。另外，為了以波導(dǎo)波長λg獲得共振和振蕩，沿著作為電磁波的傳播方向的縱向(即，方向Α-Α’)的波導(dǎo)107的長度L設(shè)置到λ g/2的整數(shù)倍，這在半導(dǎo)體激光技術(shù)中是已熟知的。
[0040]活性層101包括具有用于通過載波的子帶間躍迀來產(chǎn)生太赫茲波的多重量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體102，并且具有太赫茲波頻率區(qū)中的電磁波增益。作為半導(dǎo)體102的結(jié)構(gòu)，例如，包括幾十個層的半導(dǎo)體多層的共振隧道結(jié)構(gòu)或者包括幾百到幾千個層的半導(dǎo)體多層的量子級聯(lián)激光器(QCL)結(jié)構(gòu)是適合的。將本實施例描述為其中共振隧道二極管(在此之后也被稱為RTD)或者量子級聯(lián)激光器(QCL)結(jié)構(gòu)被用于活性層101的半導(dǎo)體102的情況?；谪?fù)差分電阻區(qū)中的光子輔助遂穿現(xiàn)象，RTD具有毫米波頻率區(qū)到太赫茲波頻率區(qū)中的電磁波增益?；谟捎诠舱袼齑┈F(xiàn)象和載波的非光發(fā)射高速瞬變現(xiàn)象導(dǎo)致的有效的反向分布，QCL具有太赫茲波頻率區(qū)中的電磁波增益。
[0041]而且，作為半導(dǎo)體102，使用高頻元件(諸如Esaki 二極管、Gunn 二極管或者具有終止端子的晶體管)是可能的。另外，使用TUNNETT 二極管、頂PATT 二極管或者異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)也是適當(dāng)?shù)?。另外，使用?fù)合半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(FET)或者高電子迀移率晶體管(HEMT)也是適當(dāng)?shù)?。另外，使用利用超?dǎo)體的Josephson元件也是可能的。另外，半導(dǎo)體102可以具有太赫茲波頻率區(qū)中的載波的非線性，并且在這種情況下，元件100用作檢測元件。
[0042]活性層101可以包括高度摻雜的半導(dǎo)體層111和112，用于將具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體102連接到第一導(dǎo)體層103以及第二導(dǎo)體層104。活性層101和第一導(dǎo)體層103以及第二導(dǎo)體層104彼此機(jī)械連接以及電連接。波導(dǎo)107具有其中從外部電源施加偏壓到第一導(dǎo)體層103和第二導(dǎo)體層104之間的結(jié)構(gòu)，使得偏壓被施加到包括在活性層101中的半導(dǎo)體102 (諸如RTD或QCL)。此處，金屬(比如Ag、Au、Cu、Al或AuIn合金)、半金屬(比如B1、Sb、ITO或ErAs)、高度摻雜的半導(dǎo)