JP2000258363A - Millimeter and submillimeter wave spectrometer - Google Patents
Millimeter and submillimeter wave spectrometerInfo
- Publication number
- JP2000258363A JP2000258363A JP11058702A JP5870299A JP2000258363A JP 2000258363 A JP2000258363 A JP 2000258363A JP 11058702 A JP11058702 A JP 11058702A JP 5870299 A JP5870299 A JP 5870299A JP 2000258363 A JP2000258363 A JP 2000258363A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave
- millimeter
- sub
- switch element
- optical switch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Waveguides (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ミリ波・サブミリ波領域の電磁波分光におい
て小型で廉価なしかも安定したミリ波・サブミリ波帯分
光装置を提供する。
【解決手段】 励起光源1の、例えばマルチモード半導
体レーザのインコヒーレントなレーザ光で光スイッチ素
子4を照射し、ミリ波・サブミリ波帯の電磁波を発生さ
せる。これを放物面鏡9で平行化し、マルチン・パプレ
ット型干渉計に導く。これから出てきた電磁波は試料1
0を透過させた後、放物面鏡9を用いてホットエレクト
ロンボロメタ11で検出する。これにより試料の透過率
を求めることができる。また放物面鏡9とホットエレク
トロンボロメタ11の配置を変えて反射電磁波を測定
し、試料の反射率を求めることができる。これらを計算
処理することにより、試料のミリ波・サブミリ波帯にお
ける複素屈折率、キャリヤ濃度及び移動度などを求める
ことができる。
(57) [Problem] To provide a small, inexpensive, and stable millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer for electromagnetic wave spectroscopy in the millimeter-wave / sub-millimeter-wave region. SOLUTION: An optical switch element 4 is irradiated with an incoherent laser beam of, for example, a multi-mode semiconductor laser of an excitation light source 1 to generate a millimeter wave / sub-millimeter wave band electromagnetic wave. This is made parallel by the parabolic mirror 9 and guided to a Martin-Pullet interferometer. The electromagnetic wave coming out is sample 1
After passing through 0, detection is performed with a hot electron bolometer 11 using a parabolic mirror 9. Thereby, the transmittance of the sample can be obtained. In addition, the reflectivity of the sample can be obtained by measuring the reflected electromagnetic waves while changing the arrangement of the parabolic mirror 9 and the hot electron bolometer 11. By calculating these, the complex refractive index, carrier concentration, mobility, and the like of the sample in the millimeter-wave / sub-millimeter-wave band can be obtained.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、材料の特性を評
価する電磁波分光装置に利用し、ミリ波・サブミリ波帯
の周波数の電磁波を放射して電磁波分光するためのミリ
波・サブミリ波帯分光装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer for radiating an electromagnetic wave having a frequency in a millimeter-wave / sub-millimeter-wave band to perform electromagnetic wave spectroscopy. Related to the device.
【0002】[0002]
【従来の技術】ガンダイオードなどの電子素子や後進波
管などの電子管はミリ波・サブミリ波帯で発振し電磁波
を発生する。この発生した電磁波を用いて材料の電磁波
透過率を測定することが行われている。また電波干渉計
を利用して電磁波屈折率や誘電率を測定することも行わ
れている。しかし、これら光源の電磁波の周波数は離散
的又はある周波数のまわりの狭い周波数範囲だけに限ら
れている。したがって、これらの光源を用いた分光装置
は広い周波数範囲にわたって電磁波透過率、電磁波屈折
率、誘電率等を測定できない。2. Description of the Related Art Electronic elements such as gun diodes and electron tubes such as backward wave tubes oscillate in the millimeter and submillimeter wave bands to generate electromagnetic waves. The electromagnetic wave transmittance of a material is measured using the generated electromagnetic wave. In addition, the measurement of the refractive index and the dielectric constant of an electromagnetic wave using a radio wave interferometer is also performed. However, the frequencies of the electromagnetic waves of these light sources are discrete or limited to a narrow frequency range around a certain frequency. Therefore, a spectrometer using these light sources cannot measure the electromagnetic wave transmittance, the electromagnetic wave refractive index, the dielectric constant, and the like over a wide frequency range.
【0003】そのため、熱した黒体や水銀灯などが熱輻
射又は原子の量子遷移によりミリ波・サブミリ波領域の
広い周波数範囲で電磁波を発生することを利用して、こ
れを光源にして干渉計を用いたフーリエ分光法による電
磁波分光が行われてきた。[0003] Therefore, utilizing the fact that a heated black body or mercury lamp generates electromagnetic waves in a wide frequency range of the millimeter wave and submillimeter wave regions by thermal radiation or quantum transition of atoms, an interferometer is used as a light source. Electromagnetic spectroscopy has been performed by the used Fourier spectroscopy.
【0004】一方、これらとは別に、光スイッチ素子を
用いた分光方法が、1980年代から開発されてきてお
り、その例として「M.Exter et al., Opt. Lett. 55 (1
989)2277 」や「D. Grischkowsky et al., J. Opt. So
c. Am. B7(1990)2006 」の文献を掲げることができる。
この光スイッチ素子を用いた分光方法では、光スイッチ
素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば、光キャ
リヤーの生成により瞬間的に導電性となることを利用し
て電磁波放射を行っている。また瞬間的に導電性となる
ことを利用して放射電磁波の検出も行われている。On the other hand, apart from these, a spectroscopic method using an optical switch element has been developed since the 1980's, and an example thereof is described in M. Exter et al., Opt. Lett.
989) 2277 ”and“ D. Grischkowsky et al., J. Opt.
c. Am. B7 (1990) 2006 ”can be cited.
In the spectroscopy method using this optical switch element, electromagnetic wave radiation is performed by utilizing the fact that when the optical switch element is irradiated with a sub-picosecond ultrashort light pulse, it becomes instantaneously conductive due to the generation of an optical carrier. . In addition, the detection of radiated electromagnetic waves is also performed by utilizing the instantaneous conductivity.
【0005】図6の概略構成図を用いて上記分光法を具
体的に説明する。図6に示す従来の分光法はTDS(Ti
me Domain Spectroscopy)と呼ばれるものである。図6
を参照して、TDSではモードロック・チタン・サファ
イア(Ti:Sapphire)レーザなどからの超短
パルス光27をビームスプリッタ28で分割し、一方の
パルス光29を光チョッパー40及びレンズ31を介し
て電源34で電圧印加した電磁波放射用光スイッチ素子
32に照射する。The above-described spectroscopy will be described in detail with reference to the schematic configuration diagram of FIG. The conventional spectroscopy shown in FIG.
me Domain Spectroscopy). FIG.
In the TDS, an ultrashort pulse light 27 from a mode-locked titanium sapphire (Ti: Sapphire) laser or the like is split by a beam splitter 28, and one of the pulse lights 29 is transmitted through an optical chopper 40 and a lens 31. The light is applied to the electromagnetic wave emission optical switch element 32 to which a voltage is applied by the power supply 34.
【0006】パルス光29の照射により、電磁波放射用
光スイッチ素子32には瞬間的に電流が流れるため、そ
の電流変調により電磁波パルス36を放射する。これを
第1の放物面鏡35aで平行化して試料37に照射し、
電磁波パルス36が試料37を透過する。[0006] Since the current instantaneously flows through the optical switch element 32 for radiating the electromagnetic wave by the irradiation of the pulse light 29, the electromagnetic wave pulse 36 is radiated by the current modulation. This is collimated by the first parabolic mirror 35a and irradiated onto the sample 37,
The electromagnetic pulse 36 passes through the sample 37.
【0007】そして、透過した電磁波パルス36を、受
信側の第2の放物面鏡35bで集光し電磁波受信用光ス
イッチ素子33に照射する。このとき、ビームスプリッ
タ28で分割した他方の超短パルス光30を、遅延系を
介して電磁波受信用光スイッチ素子33に照射してお
り、その照射した瞬間だけ電磁波受信用光スイッチ素子
33が導電性となり、到達してきた電磁波パルス36の
電場を電流として検出する。さらに、超短パルス光30
がビームスプリッター28から受信側の電磁波受信用光
スイッチ素子33に到達するまでの時間を遅延系で変え
ることにより、試料37を透過してきた電磁波36の時
間波形を得る。Then, the transmitted electromagnetic wave pulse 36 is condensed by the second parabolic mirror 35b on the receiving side, and is irradiated to the electromagnetic wave receiving optical switch element 33. At this time, the other ultrashort pulsed light 30 split by the beam splitter 28 is irradiated to the electromagnetic wave receiving optical switch element 33 via the delay system, and the electromagnetic wave receiving optical switch element 33 becomes conductive only at the moment of irradiation. The electric field of the arrived electromagnetic wave pulse 36 is detected as a current. Furthermore, ultrashort pulse light 30
By changing the time from the beam splitter 28 to reach the electromagnetic wave receiving optical switch element 33 on the receiving side by the delay system, the time waveform of the electromagnetic wave 36 transmitted through the sample 37 is obtained.
【0008】したがって、高周波で動作する半導体試料
に放射電磁波を照射して半導体試料の透過電磁波を電流
として検出することができ、この検出した試料の透過率
から例えば複素物理量をもとめることができる。なお、
図6中、38は電流増幅器、39はロックイン増幅器、
41は平面鏡、42はリトロリフレクタ、43は移動ス
テージ、44はコンピュータを示す。Therefore, a semiconductor sample operating at a high frequency can be irradiated with a radiated electromagnetic wave to detect a transmitted electromagnetic wave of the semiconductor sample as a current, and a complex physical quantity can be obtained from the detected transmittance of the sample. In addition,
6, 38 is a current amplifier, 39 is a lock-in amplifier,
41 is a plane mirror, 42 is a retroreflector, 43 is a moving stage, and 44 is a computer.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の分光装置では、光源が電子素子や電子管など
の場合、広い周波数範囲にわたるデータを得ることがで
きず、また熱した黒体や水銀灯などでは低周波側、特に
150GHz以下での出力が弱く分光が困難であった。However, in such a conventional spectroscope, when the light source is an electronic element or an electron tube, data over a wide frequency range cannot be obtained, and a heated black body, a mercury lamp, etc. In this case, the output was low on the low frequency side, particularly at 150 GHz or less, and it was difficult to perform spectroscopy.
【0010】さらにTDSでは励起パルスレーザ励起の
光スイッチ素子が広い周波数にわたる電磁波を出すこと
ができるものの、励起レーザとしては大型で極めて高価
な装置が必要である。[0010] Further, in the TDS, although an optical switch element excited by an excitation pulse laser can emit electromagnetic waves over a wide frequency range, a large and extremely expensive apparatus is required as an excitation laser.
【0011】そこで、この発明は0〜数THzのミリ波
・サブミリ波領域の電磁波を放射することができるとと
もに、電磁波分光において小型で廉価な安定した電磁波
励起光源を有するミリ波・サブミリ波帯分光装置を提供
することを目的とする。Therefore, the present invention can radiate an electromagnetic wave in the millimeter / submillimeter wave range from 0 to several THz, and has a small, inexpensive, stable electromagnetic wave excitation light source in the millimeter / submillimeter wave band in electromagnetic wave spectroscopy. It is intended to provide a device.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明のミリ波・サブミリ波帯分光装
置は、励起光源からのインコヒーレント光を光スイッチ
素子に照射して発生したミリ波・サブミリ波帯の電磁波
を用いて分光する構成である。さらに、請求項2記載の
発明は、インコヒーレント光を発光する励起光源と、イ
ンコヒーレント光の照射に基づき高速変調する光電流を
生じミリ波・サブミリ波帯の電磁波を放射する光スイッ
チ素子とを備え、放射した電磁波を2光線干渉計を介し
て電磁波分光する構成とした。請求項3記載の発明は、
請求項1又は2に記載の構成に加え、励起光源がマルチ
モード半導体レーザであることを特徴とする。また請求
項4記載の発明は、励起光源がアルミガリウム砒素製レ
ーザダイオードであることを特徴とするものである。請
求項5記載の発明は、光スイッチ素子が高温超伝導薄膜
素子であることを特徴とする。また請求項6記載の発明
は、光スイッチ素子が半導体光スイッチ素子であること
を特徴とする。さらに請求項7記載の発明は、2光線干
渉計がマルチン・パプレット干渉計であることを特徴と
するものである。In order to achieve the above object, a millimeter-wave / sub-millimeter-wave band spectrometer according to the first aspect of the present invention is produced by irradiating an incoherent light from an excitation light source to an optical switch element. In this configuration, the light is separated using electromagnetic waves in the millimeter and submillimeter wave bands. Furthermore, the invention according to claim 2 includes an excitation light source that emits incoherent light, and an optical switch element that generates a photocurrent that performs high-speed modulation based on the irradiation of incoherent light and emits millimeter-wave / sub-millimeter-wave electromagnetic waves. The apparatus is configured so that the emitted electromagnetic waves are separated into electromagnetic waves through a two-beam interferometer. The invention according to claim 3 is
In addition to the configuration described in claim 1 or 2, the pump light source is a multimode semiconductor laser. The invention according to claim 4 is characterized in that the excitation light source is a laser diode made of aluminum gallium arsenide. The invention according to claim 5 is characterized in that the optical switch element is a high-temperature superconducting thin-film element. The invention according to claim 6 is characterized in that the optical switching element is a semiconductor optical switching element. Further, the invention according to claim 7 is characterized in that the two-beam interferometer is a martin-applet interferometer.
【0013】このような構成の本発明のミリ波・サブミ
リ波帯分光装置では、インコヒーレント光の強度変調に
基づき光スイッチ素子に高速変調電流が流れて、光スイ
ッチ素子がミリ波・サブミリ波帯の電磁波を放射する。
この放射電磁波に光路差を与える2光線干渉計を介して
被測定物に放射電磁波を照射して電磁波分光をする。In the millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer of the present invention having such a configuration, a high-speed modulation current flows through the optical switch element based on the intensity modulation of the incoherent light, and the optical switch element is driven in the millimeter-wave / submillimeter-wave band Emits electromagnetic waves.
The object to be measured is irradiated with the radiated electromagnetic wave via a two-beam interferometer that gives an optical path difference to the radiated electromagnetic wave to perform electromagnetic wave spectroscopy.
【0014】単色性のよいコヒーレントな光は短い時間
スケールで見ても強度が一定であるが、本発明に係るイ
ンコヒーレント光は異なる波長及び周波数を含み、これ
らの重なりによりうなりを生じるため、光強度に量子揺
らぎ以上の振幅の速い周波数にわたる雑音を含んでい
る。したがって、このインコヒーレント光を光スイッチ
素子に照射すれば速い強度変調に伴う光電流が流れ、ミ
リ波・サブミリ波帯の電磁波を放射することができるの
である。Although the coherent light having good monochromaticity has a constant intensity even when viewed on a short time scale, the incoherent light according to the present invention includes different wavelengths and frequencies and generates a beat due to the overlap of these lights. Includes noise over frequencies with amplitudes faster than quantum fluctuations in intensity. Therefore, when this incoherent light is applied to the optical switch element, a photocurrent accompanying fast intensity modulation flows, and an electromagnetic wave in the millimeter wave / submillimeter wave band can be emitted.
【0015】励起光源がマルチモード半導体レーザの場
合、小型、廉価かつ安定になる。また2光線干渉計がマ
ルチン・パプレット干渉計の場合、ミリ波・サブミリ波
帯で周波数依存性がほとんどなく、構成が簡単になる。When the pumping light source is a multi-mode semiconductor laser, it is small, inexpensive and stable. In the case where the two-beam interferometer is a Martin-Pullet interferometer, there is almost no frequency dependency in the millimeter wave / submillimeter wave band, and the configuration is simplified.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいてこの発明を詳細に説明する。図1は本発明に係る
第1の実施形態を示す概略構成図である。図1を参照し
て本発明に係る第1の実施形態を説明すると、この分光
装置は、インコヒーレント光を発光する励起光源1と、
このインコヒーレント光が光学系により、例えばレンズ
2a、光チョッパ3及びレンズ2bを介して照射される
光スイッチ素子4と、この光スイッチ素子4が配設され
たシリコン製半球面レンズ5と、光スイッチ素子4が放
射した電磁波をシリコン製半球面レンズ5を介して集光
し平行化する第1の放物面鏡9aとを備えている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment according to the present invention. A first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. 1. This spectroscopic device includes an excitation light source 1 that emits incoherent light,
An optical switch element 4 to which the incoherent light is irradiated by an optical system via, for example, a lens 2a, an optical chopper 3, and a lens 2b; a silicon hemispherical lens 5 provided with the optical switch element 4; A first parabolic mirror 9a is provided for converging and collimating the electromagnetic waves emitted by the switch element 4 via a hemispherical lens 5 made of silicon.
【0017】ミリ波・サブミリ波帯の周波数の電流変調
に追随する光スイッチ素子は光照射部分が小さいため、
励起光源としては小さく集光可能な光源が望ましい。こ
のようなインコヒーレント光を発光する励起光源とし
て、例えばマルチモード半導体レーザが使用できる。マ
ルチモード半導体レーザは化合物半導体製レーザダイオ
ード、例えばアルミガリウム砒素製(AlGaAs)製
レーザダイオードが使用できる。なお、マルチモード半
導体レーザは小型で廉価であり、さらに性能も安定して
いる。また、空洞共振の調整が不要なレーザの光を集光
するだけであるためメンテナンスもきわめて容易であ
る。An optical switch element that follows current modulation at frequencies in the millimeter-wave and sub-millimeter-wave bands has a small light-irradiated portion.
A small and condensable light source is desirable as the excitation light source. As an excitation light source that emits such incoherent light, for example, a multi-mode semiconductor laser can be used. As the multimode semiconductor laser, a laser diode made of a compound semiconductor, for example, a laser diode made of aluminum gallium arsenide (AlGaAs) can be used. The multi-mode semiconductor laser is small and inexpensive, and has stable performance. In addition, maintenance is very easy because only laser light that does not require adjustment of cavity resonance is collected.
【0018】光スイッチ素子4は半導体チップの表面に
形成されており、光スイッチ素子4を上面にした半導体
チップ下面にシリコン製半球面レンズ5が密接して設け
られている。この光スイッチ素子4は、インコヒーレン
ト光が照射されると電子・正孔対の光キャリアが生じて
電流が流れるものであればよい。光スイッチ素子として
は、例えば化合物半導体などの半導体光スイッチ素子や
高温超伝導薄膜素子が利用できる。なお、必要に応じて
光スイッチ素子に電圧を印加しておく。The optical switch element 4 is formed on the surface of the semiconductor chip, and a hemispherical silicon lens 5 is provided in close contact with the lower surface of the semiconductor chip with the optical switch element 4 on the upper surface. The optical switch element 4 may be any element as long as incoherent light is applied to generate photocarriers of electron-hole pairs and flow current. As the optical switch element, for example, a semiconductor optical switch element such as a compound semiconductor or a high-temperature superconducting thin film element can be used. Note that a voltage is applied to the optical switch element as needed.
【0019】さらに第1の実施形態は、第1の放物面鏡
9aで平行化された電磁波が例えば2光線干渉計を介し
て照射される試料10と、この試料10を透過した電磁
波を集光する第2の放物面鏡9bと、この第2の放物面
鏡9bにより集光された電磁波を検出するホットエレク
トロンボロメタ11とを備えている。Further, in the first embodiment, the sample 10 irradiated with the electromagnetic wave collimated by the first parabolic mirror 9a through, for example, a two-ray interferometer, and the electromagnetic wave transmitted through the sample 10 are collected. It has a second parabolic mirror 9b that emits light, and a hot electron bolometer 11 that detects electromagnetic waves collected by the second parabolic mirror 9b.
【0020】2光線干渉計はミリ波・サブミリ波帯で出
力の周波数依存性のないものが最適である。例えば出力
の周波数依存性がなく、しかも構成が簡単なマルチン・
パプレット(Martin−Puplett)干渉計が
利用できる。このマルチン・パプレット干渉計は、図1
に示すように第1のワイヤグリッド偏光子6aと、第2
のワイヤグリッド偏光子6bと、固定平面鏡7aと、移
動ステージ8に配設された可動平面鏡7bとを有し、干
渉計の光路差は光チョッパ3と同期をとってコンピュー
タ13により制御されている。なお、図1中、12はロ
ックイン増幅器を示す。The two-beam interferometer having an output in the millimeter-wave / sub-millimeter-wave band and having no frequency dependence is optimal. For example, a multi-unit
A Martin-Puplet interferometer is available. This martin-applet interferometer is shown in FIG.
The first wire grid polarizer 6a and the second
, A fixed plane mirror 7a, and a movable plane mirror 7b disposed on the moving stage 8, and the optical path difference of the interferometer is controlled by the computer 13 in synchronization with the optical chopper 3. . In FIG. 1, reference numeral 12 denotes a lock-in amplifier.
【0021】2光線干渉計としては、他にマッハ・ツェ
ンダー干渉計やマイケルソン干渉計を利用することがで
きる。As the two-beam interferometer, a Mach-Zehnder interferometer or a Michelson interferometer can be used.
【0022】次に、本実施形態の作用について説明す
る。励起光源1の例えばマルチモード半導体レーザから
のインコヒーレント光であるレーザ光を、光チョッパ3
を含む光学系により矩形状にして光スイッチ素子4に集
光する。インコヒーレント光は強度に変調を含むため、
光スイッチ素子4を流れる電流は高速変調を受け、光ス
イッチ素子4が電磁波を放射する。Next, the operation of the present embodiment will be described. Laser light, which is incoherent light from, for example, a multi-mode semiconductor laser of the excitation light source 1, is supplied to an optical chopper 3
The light is focused on the optical switch element 4 in a rectangular shape by an optical system including. Since incoherent light includes modulation in intensity,
The current flowing through the optical switch element 4 undergoes high-speed modulation, and the optical switch element 4 emits an electromagnetic wave.
【0023】特にマルチモード半導体レーザでは、発光
するレーザ光に数多くのモードを含むため、光強度はモ
ードの重ね合わせによってうなりを生じる。二つのモー
ドを取り上げた場合、その周波数はモードの差周波であ
り、レーザ光のスペクトル幅は30cm-1程度にまで及
ぶ。このため光強度の変調は数THz程度にわたってい
る。したがって、マルチモード半導体レーザのレーザ光
を用いて光スイッチ素子を照射すれば、高速変調した光
電流が生じ、光スイッチ素子はミリ波・サブミリ波帯の
電磁波を照射する。In particular, in a multi-mode semiconductor laser, since the emitted laser light includes many modes, the light intensity beats due to the superposition of the modes. When two modes are taken, the frequency is the difference frequency of the modes, and the spectrum width of the laser beam extends to about 30 cm -1 . Therefore, the modulation of the light intensity extends over several THz. Therefore, when the optical switch element is irradiated with the laser light of the multi-mode semiconductor laser, a photocurrent modulated at a high speed is generated, and the optical switch element irradiates the millimeter-wave / sub-millimeter-wave electromagnetic wave.
【0024】次に、光スイッチ素子4は電磁波をほとん
ど半導体チップ内側へ放射する。この半導体チップに密
接して配置したシリコン製半球面レンズ5が、放射電磁
波を空間へ効果的にとりだし、電磁波取出効率が向上す
る。Next, the optical switch element 4 radiates electromagnetic waves almost inside the semiconductor chip. The silicon hemispherical lens 5 disposed closely to the semiconductor chip effectively takes out the radiated electromagnetic waves into the space, and the efficiency of taking out the electromagnetic waves is improved.
【0025】この放射電磁波を第1の放物面鏡9aで集
光かつ平行化し、第1のワイヤグリッド偏光子6a、固
定平面鏡7a及び移動ステージ8上の可動平面鏡7bか
らなるマルチン・パプレット(Martin−Pupl
ett)干渉計に導く。この干渉計から出てきた光路差
を有する放射電磁波を第2の放物面鏡9bで集光し、集
めた放射電磁波をホットエレクトロンボロメタ11で検
出する。This radiated electromagnetic wave is condensed and collimated by a first parabolic mirror 9a, and is converted into a Martin pullet (Martin) composed of a first wire grid polarizer 6a, a fixed plane mirror 7a and a movable plane mirror 7b on a moving stage 8. -Pupl
ett) lead to the interferometer. The radiated electromagnetic waves having an optical path difference and emitted from the interferometer are collected by the second parabolic mirror 9b, and the collected radiated electromagnetic waves are detected by the hot electron bolometer 11.
【0026】放射電磁波は光チョッパ3のタイミングに
基づき矩形の変調を受けているが、この矩形変調と同期
した検出信号だけをホットエレクトロンボロメタ11の
パワースペクトルからロックイン増幅器12で検出す
る。コンピュータ13は光チョッパ3と同期して光路差
を制御し、光路差を変化させることによるロックイン増
幅器12の信号強度の変化からフーリエ分光法によりフ
ーリエスペクトルを求める。The radiated electromagnetic wave is subjected to rectangular modulation based on the timing of the optical chopper 3. Only the detection signal synchronized with the rectangular modulation is detected by the lock-in amplifier 12 from the power spectrum of the hot electron bolometer. The computer 13 controls the optical path difference in synchronization with the optical chopper 3 and obtains a Fourier spectrum by Fourier spectroscopy from a change in the signal intensity of the lock-in amplifier 12 caused by changing the optical path difference.
【0027】最後に、試料10を干渉計と第2の放物面
鏡9bとの間に挿入し、光路差を変化させて透過電磁波
のスペクトルを求めれば、試料の電磁波透過率を知るこ
とができる。Finally, if the sample 10 is inserted between the interferometer and the second parabolic mirror 9b and the optical path difference is changed to obtain the spectrum of the transmitted electromagnetic wave, the electromagnetic wave transmittance of the sample can be known. it can.
【0028】第1の実施形態におけるn型Siウエハ
(10Ω・cm、厚さ0.5mm)に対する透過率のデ
ータを図2に示す。図2に示すように、本実施形態では
n型Siウエハの500GHzまでの透過率を測定でき
る。なお、データ曲線は波形の構造をしているが、これ
は試料内部での干渉の効果によるものである。このよう
にSiウエハなどの半導体素子の透過率をミリ波・サブ
ミリ波帯で求めることができる。FIG. 2 shows transmittance data for an n-type Si wafer (10 Ω · cm, thickness 0.5 mm) in the first embodiment. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the transmittance of an n-type Si wafer up to 500 GHz can be measured. The data curve has a waveform structure, which is due to the effect of interference inside the sample. As described above, the transmittance of a semiconductor element such as a Si wafer can be obtained in the millimeter wave / submillimeter wave band.
【0029】低濃度のシリコン半導体の電気的特性は自
由電子モデルを用いてよく記述でき、また自由電子モデ
ルにおける散乱時間は1015cm-3の濃度範囲では濃度
によらず一定とみなすことができるため、キャリア濃度
を決定することができる。これによって、Siウエハの
電気的特性はDCからRFにいたるまで計算することが
できる。The electrical characteristics of a low-concentration silicon semiconductor can be well described using a free-electron model, and the scattering time in the free-electron model can be considered to be constant irrespective of the concentration in a concentration range of 10 15 cm -3. Therefore, the carrier concentration can be determined. Thus, the electrical characteristics of the Si wafer can be calculated from DC to RF.
【0030】次に、この発明の第2の実施形態について
説明する。図3はこの発明に係る第2の実施形態を示す
概略構成図である。第1の実施形態では試料の透過電磁
波を測定する配置になっているが、第2の実施形態では
試料の反射電磁波を測定する配置となっている。つま
り、試料23によって反射した電磁波の方を放物面鏡で
集めてホットエレクトロンボロメタ24に集めて検出す
る。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment according to the present invention. In the first embodiment, the arrangement is such that the transmitted electromagnetic wave of the sample is measured. In the second embodiment, the arrangement is such that the reflected electromagnetic wave of the sample is measured. That is, the electromagnetic wave reflected by the sample 23 is collected by the parabolic mirror, collected by the hot electron bolometer 24, and detected.
【0031】ところで、この周波数領域では金属は反射
率100%と見なせるため、試料23によって反射した
電磁波のフーリエスペクトルと、試料23を平面鏡に置
き換えることによって得られるフーリエスペクトルとの
データを比較することにより試料23の反射スペクトル
を得ることができる。n型Siウエハ(10Ω・cm、
厚さ0.5mm)に対する反射率のデータを図4に示
す。このようにSiウエハなどの半導体素子の反射率を
ミリ波・サブミリ波帯で求めることができる。By the way, in this frequency region, metal can be regarded as having a reflectance of 100%. Therefore, by comparing the Fourier spectrum of the electromagnetic wave reflected by the sample 23 with the Fourier spectrum obtained by replacing the sample 23 with a plane mirror, The reflection spectrum of the sample 23 can be obtained. n-type Si wafer (10Ωcm,
FIG. 4 shows the data of the reflectance with respect to the thickness of 0.5 mm). As described above, the reflectance of a semiconductor element such as a Si wafer can be obtained in the millimeter wave / submillimeter wave band.
【0032】さらに図4に示すように、反射スペクトル
は第1の実施形態による透過スペクトルと相補的なデー
タである。電気的特性を記述するモデルが仮定できない
場合でも、これら2つのデータから各周波数における複
素物理量、例えば複素屈折率、キャリヤ濃度、移動度な
どを求めることができる。例として、図2、図4のデー
タから計算される複素屈折率を図5に示す。Further, as shown in FIG. 4, the reflection spectrum is data complementary to the transmission spectrum according to the first embodiment. Even when a model describing the electrical characteristics cannot be assumed, a complex physical quantity at each frequency, for example, a complex refractive index, a carrier concentration, a mobility, and the like can be obtained from these two data. As an example, FIG. 5 shows a complex refractive index calculated from the data of FIGS.
【0033】このようにミリ波・サブミリ波帯の電気的
特性評価に対して、インコヒーレント光を光スイッチ素
子に照射してミリ波・サブミリ波帯の電磁波を発生さ
せ、発生した電磁波をミリ波・サブミリ波帯の周波数で
動作する超高速半導体素子に照射して分光することによ
り、超高速半導体素子の電気的特性評価をすることがで
きる。As described above, in order to evaluate the electrical characteristics of the millimeter-wave / sub-millimeter-wave band, the optical switch element is irradiated with incoherent light to generate millimeter-wave / sub-millimeter-wave electromagnetic waves. By irradiating an ultra-high-speed semiconductor device operating at a frequency in the sub-millimeter wave band and performing spectroscopy, electrical characteristics of the ultra-high-speed semiconductor device can be evaluated.
【0034】[0034]
【発明の効果】以上の説明で理解されるように、この発
明のミリ波・サブミリ波帯分光装置では、インコヒーレ
ント光を光スイッチ素子に照射してミリ波・サブミリ波
帯の電磁波を発生することができ、このミリ波・サブミ
リ波帯電磁波を発生する光源を利用して電磁波分光がで
きるという効果を有する。したがって、0〜数THzの
ミリ波・サブミリ波帯の領域において小型で廉価な、し
かも安定したミリ波・サブミリ波帯分光装置を提供する
ことができる。As will be understood from the above description, the millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer of the present invention irradiates an optical switch element with incoherent light to generate a millimeter-wave / sub-millimeter-wave electromagnetic wave. Thus, there is an effect that electromagnetic wave spectroscopy can be performed using a light source that generates this millimeter wave / submillimeter wave band electromagnetic wave. Therefore, it is possible to provide a small, inexpensive, and stable millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer in the millimeter-wave / sub-millimeter-wave band range of 0 to several THz.
【図1】この発明に係る第1の実施形態を示す概略構成
図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment according to the present invention.
【図2】この発明に係る第1の実施形態による透過率の
周波数依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing frequency dependence of transmittance according to the first embodiment of the present invention.
【図3】この発明に係る第2の実施形態を示す概略構成
図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment according to the present invention.
【図4】この発明の第2の実施形態による反射率の周波
数依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing frequency dependence of reflectance according to a second embodiment of the present invention.
【図5】図2、図4に示されたデータから計算した複素
屈折率を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a complex refractive index calculated from the data shown in FIGS. 2 and 4;
【図6】従来の分光法(TDS)の概略構成図である。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a conventional spectroscopy (TDS).
1,14 励起光源 2a,2b,15a,15b レンズ 3,16 光チョッパ 4,17 光スイッチ 5,18 シリコン半球面レンズ 6a,19a 第1のワイヤグリッド偏光子 6b,19b 第2のワイヤグリッド偏光子 7a,20a 固定平面鏡 7b,20b 可動平面鏡 8,21 移動ステージ 9a,22a,35a 第1の放物面鏡 9b,22b,35b 第2の放物面鏡 10,23 試料 11,24 ホットエレクトロンボロメタ 12,25 ロックイン増幅器 13,26 コンピュータ 27 光パルス 28 ビームスプリッタ 29 パルス光(電磁波放射用) 30 パルス光(電磁波受信用) 31 レンズ 32 電磁波放射用光スイッチ素子 33 電磁波受信用光スイッチ素子 34 電源 36 電磁波パルス 37 試料 38 電流増幅器 39 ロックイン増幅器 40 光チョッパ 41 平面鏡 42 リトロリフレクタ 43 移動ステージ 44 コンピュータ 1,14 Excitation light source 2a, 2b, 15a, 15b Lens 3,16 Optical chopper 4,17 Optical switch 5,18 Silicon hemispherical lens 6a, 19a First wire grid polarizer 6b, 19b Second wire grid polarizer 7a, 20a Fixed plane mirror 7b, 20b Movable plane mirror 8, 21 Moving stage 9a, 22a, 35a First parabolic mirror 9b, 22b, 35b Second parabolic mirror 10, 23 Sample 11, 24 Hot electron bolometer 12, 25 Lock-in amplifier 13, 26 Computer 27 Optical pulse 28 Beam splitter 29 Pulse light (for electromagnetic wave radiation) 30 Pulse light (for electromagnetic wave reception) 31 Lens 32 Electromagnetic wave radiation optical switch element 33 Electromagnetic wave optical switch element 34 Power supply 36 Electromagnetic wave pulse 37 Sample 38 Current amplifier 39 Lock Quin amplifier 40 optical chopper 41 plane mirror 42 retroreflector 43 moving stage 44 computer
Claims (7)
スイッチ素子に照射して発生したミリ波・サブミリ波帯
の電磁波を用いて分光する、ミリ波・サブミリ波帯分光
装置。1. A millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectral device that irradiates an optical switch element with incoherent light from an excitation light source and performs spectroscopy using millimeter-wave / sub-millimeter-wave electromagnetic waves.
と、この励起光源のインコヒーレント光の照射に基づき
高速変調する光電流を生じミリ波・サブミリ波帯の電磁
波を放射する光スイッチ素子とを備え、この放射した電
磁波を2光線干渉計を介して電磁波分光するミリ波・サ
ブミリ波帯分光装置。2. An excitation light source that emits incoherent light, and an optical switch element that generates a photocurrent that performs high-speed modulation based on irradiation of the excitation light source with incoherent light and emits an electromagnetic wave in a millimeter-wave or sub-millimeter-wave band. A millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer for spectrally separating the emitted electromagnetic waves through a two-beam interferometer.
ザであることを特徴とする、請求項1又は2に記載のミ
リ波・サブミリ波帯分光装置。3. The millimeter-wave / sub-millimeter-wave band spectrometer according to claim 1, wherein the excitation light source is a multimode semiconductor laser.
ーザダイオードであることを特徴とする、請求項1又は
2に記載のミリ波・サブミリ波帯分光装置。4. The millimeter-wave / sub-millimeter-wave spectrometer according to claim 1, wherein the excitation light source is a laser diode made of aluminum gallium arsenide.
子であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のミ
リ波・サブミリ波帯分光装置。5. The millimeter-wave / sub-millimeter-wave band spectrometer according to claim 1, wherein the optical switch element is a high-temperature superconducting thin-film element.
素子であることを特徴とする、請求項1記載のミリ波・
サブミリ波帯分光装置。6. The millimeter wave device according to claim 1, wherein said optical switching device is a semiconductor optical switching device.
Submillimeter wave spectrometer.
ト干渉計であることを特徴とする、請求項2記載のミリ
波・サブミリ波帯分光装置。7. The millimeter-wave / sub-millimeter-wave band spectrometer according to claim 2, wherein said two-beam interferometer is a martin-applet interferometer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11058702A JP2000258363A (en) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | Millimeter and submillimeter wave spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11058702A JP2000258363A (en) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | Millimeter and submillimeter wave spectrometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000258363A true JP2000258363A (en) | 2000-09-22 |
Family
ID=13091864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11058702A Pending JP2000258363A (en) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | Millimeter and submillimeter wave spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000258363A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111525968A (en) * | 2020-04-30 | 2020-08-11 | 上海师范大学 | Beam mapping system and calibration method for submillimeter wave receiver calibration |
-
1999
- 1999-03-05 JP JP11058702A patent/JP2000258363A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111525968A (en) * | 2020-04-30 | 2020-08-11 | 上海师范大学 | Beam mapping system and calibration method for submillimeter wave receiver calibration |
| CN111525968B (en) * | 2020-04-30 | 2022-07-29 | 上海师范大学 | Beam mapping system and calibration method for submillimeter wave receiver calibration |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12352623B2 (en) | Terahertz spectroscopy system and method | |
| US7291839B1 (en) | Subcentimeter radiation detection and frequency domain spectroscopy | |
| Verghese et al. | Generation and detection of coherent terahertz waves using two photomixers | |
| US9400214B1 (en) | Terahertz frequency domain spectrometer with a single photoconductive element for terahertz signal generation and detection | |
| US7681434B2 (en) | Sensing device | |
| Ito et al. | Photonic terahertz-wave generation using antenna-integrated uni-travelling-carrier photodiode | |
| US10714888B2 (en) | Pulsed electromagnetic-wave generator and measuring apparatus | |
| Füser et al. | Terahertz frequency combs: Theoretical aspects and applications | |
| US7615749B2 (en) | Infrared light emitting device, infrared light detecting device, time-domain pulsed spectrometer apparatus, and infrared light emitting method | |
| Ping Gu et al. | Generation of cw-terahertz radiation using a two-longitudinal-mode laser diode | |
| Hubers et al. | Terahertz spectroscopy: System and sensitivity considerations | |
| JP3896532B2 (en) | Terahertz complex permittivity measurement system | |
| JP2001141567A (en) | Infrared spectrometer | |
| JP2017194361A (en) | Dielectric spectroscopic device | |
| JP4248665B2 (en) | Infrared spectrometer | |
| JP2000258363A (en) | Millimeter and submillimeter wave spectrometer | |
| Rout et al. | Experimental methods | |
| JP2010164511A (en) | Sensor unit, terahertz spectral measurement apparatus, and terahertz spectral measurement method | |
| JP3922462B2 (en) | Infrared light emitting device, time-series conversion pulse spectroscopic measuring device, and infrared light emitting method | |
| JP3922463B2 (en) | Infrared light emission device, infrared light detection device, and time-series conversion pulse spectroscopic measurement device | |
| Cherniak et al. | Photonic Stepped-Frequency Intensity Modulated Comb Terahertz Radar | |
| JP2006145372A (en) | Terahertz electromagnetic wave generator | |
| Deng et al. | Spectrum determination of terahertz sources using Fabry-Perot interferometer and bolometer detector | |
| Billet et al. | Ultra-thin InGaAs-MSM photodetectors for THz optoelectronics applications | |
| Hoffmann | Novel Techniques in THz-Time-Domain-Spectroscopy: A comprehensive study of technical improvements to THz-TDS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031031 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20040129 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040730 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060810 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060822 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20061219 |