JP6306363B2 - Time domain spectrometer - Google Patents
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Description
本発明は、光伝導型の電磁波発生部および電磁波検出部を用いた時間領域分光装置に関するものである。 The present invention relates to a time-domain spectroscopic device using a photoconductive electromagnetic wave generator and an electromagnetic wave detector.
従来、この種の時間領域分光装置として、フォムト秒レーザー(励起光)を発生するレーザー照射装置と、フォムト秒レーザーをポンプ光とプローブ光とに分けるビームスプリッターと、ポンプ光によりテラヘルツ電磁波を発生すると共にテラヘルツ電磁波を測定試料に照射する電磁波発生装置と、プローブ光により、測定試料を透過したテラヘルツ電磁波を検出する電磁波検出装置と、電磁波検出装置に入射するフォムト秒レーザーを遅延させる遅延光学系と、フォムト秒レーザーを反射・集光する各種光学系と、入力信号を処理する信号処理装置と、を備えたものが知られている(特許文献1参照)。この時間領域分光装置では、電磁波発生装置および電磁波検出装置として、同一の電磁波発生検出装置を用いている。当該電磁波発生検出装置は、基板と、基板上に成長させたバッファ層と、バッファ層上に成長させた半導体層と、半導体層上に形成されたアンテナとを備えている。 Conventionally, as this type of time domain spectroscopic device, a laser irradiation device that generates a femtosecond laser (excitation light), a beam splitter that divides the femtosecond laser into pump light and probe light, and terahertz electromagnetic waves are generated by the pump light. Together with an electromagnetic wave generator for irradiating the measurement sample with the terahertz electromagnetic wave, an electromagnetic wave detection device for detecting the terahertz electromagnetic wave transmitted through the measurement sample by the probe light, a delay optical system for delaying the femtosecond laser incident on the electromagnetic wave detection device, An apparatus including various optical systems that reflect and collect a femtosecond laser and a signal processing device that processes an input signal is known (see Patent Document 1). In this time domain spectroscopic device, the same electromagnetic wave generation detection device is used as the electromagnetic wave generation device and the electromagnetic wave detection device. The electromagnetic wave generation detection device includes a substrate, a buffer layer grown on the substrate, a semiconductor layer grown on the buffer layer, and an antenna formed on the semiconductor layer.
ところで、この種の時間領域分光装置において、電磁波発生検出装置の半導体層として、所定のIn比率(例えば35%)のInGaAsを用いることが考えられる。
しかしながら、この電磁波発生検出装置を、電磁波発生装置および電磁波検出装置の両方に適用した結果、電磁波検出装置のノイズ(暗電流)が増大し、テラヘルツ波の検出感度が低くなってしまうという問題が生じた。
By the way, in this type of time domain spectroscopic device, it is conceivable to use InGaAs having a predetermined In ratio (for example, 35%) as the semiconductor layer of the electromagnetic wave generation detecting device.
However, as a result of applying this electromagnetic wave generation detection device to both the electromagnetic wave generation device and the electromagnetic wave detection device, there is a problem that noise (dark current) of the electromagnetic wave detection device increases and the detection sensitivity of the terahertz wave is lowered. It was.
本発明は、電磁波発生部および電磁波検出部のそれぞれにおいて最適な光伝導層を用いることにより、テラヘルツ波の検出感度を向上させることができる時間領域分光装置を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a time domain spectroscopic device capable of improving the detection sensitivity of terahertz waves by using an optimum photoconductive layer in each of the electromagnetic wave generation unit and the electromagnetic wave detection unit.
本発明の時間領域分光装置は、ポンプ光により、電磁波を発生させ、発生した電磁波をターゲットに照射する電磁波発生部と、プローブ光により、ターゲットを透過または反射した電磁波を検出する電磁波検出部と、を備え、電磁波発生部および電磁波検出部は、量子ドットを含有するInXGa1−XAs(0≦X≦0.53)化合物半導体からなる光伝導層を、それぞれ含むと共に、光伝導層上に形成され且つギャップを存して対向配置された一対のアンテナを、それぞれ有し、電磁波検出部の光伝導層のIn比率Xは、電磁波発生部の光伝導層のIn比率Xより小さく、電磁波検出部のギャップは、電磁波発生部のギャップより小さいことを特徴とする。 The time domain spectroscopic device of the present invention includes an electromagnetic wave generation unit that generates electromagnetic waves by pump light and irradiates the generated electromagnetic waves to the target, an electromagnetic wave detection unit that detects electromagnetic waves transmitted or reflected by the target by probe light, comprising a wave generation unit and the electromagnetic wave detection unit, the in X Ga 1-X As ( 0 ≦ X ≦ 0.53) photoconductive layer made of a compound semiconductor containing quantum dots, each containing Mutotomoni photoconductive layer a pair of antennas disposed opposite and in presence of gaps formed thereon, respectively have, in ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave detection unit, rather less than the in ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave generator , the gap of the electromagnetic wave detection unit is characterized smaller than the gap of the electromagnetic wave generator Ikoto.
この場合、電磁波発生部の光伝導層のIn比率Xは、30%以上40%以下であり、電磁波検出部の光伝導層のIn比率Xは、0%以上10%以下であることが好ましい。 In this case, the In ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave generation unit is preferably 30% or more and 40% or less, and the In ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave detection unit is preferably 0% or more and 10% or less.
さらに、電磁波発生部の光伝導層の一部または全部は、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加され、電磁波検出部の光伝導層の一部または全部は、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されていることが好ましい。 Further, a part or all of the photoconductive layer of the electromagnetic wave generating part is added with Be in a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less, and part of the photoconductive layer of the electromagnetic wave detecting part. Alternatively, all of Be is preferably added at a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less.
一方、励起光を出力する励起光光源と、励起光光源から出力された励起光を、ポンプ光とプローブ光とに分割する光分割部と、を更に備え、励起光光源は、波長が1.45μm以上1.65μm以下の励起光を照射することが好ましい。 On the other hand, an excitation light source that outputs the excitation light and a light splitting unit that divides the excitation light output from the excitation light source into pump light and probe light are provided. It is preferable to irradiate excitation light of 45 μm or more and 1.65 μm or less.
また、電磁波発生部および電磁波検出部の各光伝導層は、複数層の個別光伝導層と、複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の量子ドットと、を含むことが好ましい。 Each of the photoconductive layers of the electromagnetic wave generation unit and the electromagnetic wave detection unit preferably includes a plurality of individual photoconductive layers and a plurality of quantum dots formed between the individual photoconductive layers. .
この場合、各層の量子ドットは、その下層に位置する各層の個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基づいて形成されたものであることが好ましい。 In this case, it is preferable that the quantum dots of each layer are formed based on the strain caused by the difference in lattice constant with respect to the individual photoconductive layer of each layer located in the lower layer.
また、量子ドットは、InAs,InGaAs,InAsSbおよびInGaSbのいずれかであることが好ましい。 The quantum dot is preferably any of InAs, InGaAs, InAsSb, and InGaSb.
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る時間領域分光装置について説明する。この時間領域分光装置は、時間領域分光法を応用したものであり、パルスレーザー光によりテラヘルツ波を発生させ、このテラヘルツ波を、サンプルを透過させた後に検出し、その検出結果から、サンプルのテラヘルツ波による材料分析等の分光分析を実施するものである。なお、この場合のテラヘルツ波は、0.1THz〜10THzの電磁波は元より、数十GHz〜数百THzの電磁波をも含むものである。 Hereinafter, a time domain spectroscopic device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. This time domain spectrometer is an application of time domain spectroscopy, which generates terahertz waves using pulsed laser light, detects the terahertz waves after passing through the sample, and detects the terahertz of the sample from the detection result. Spectral analysis such as material analysis by waves is performed. In addition, the terahertz wave in this case includes not only electromagnetic waves of 0.1 THz to 10 THz but also electromagnetic waves of several tens GHz to several hundreds THz.
図1は、時間領域分光装置1の構成図である。同図に示すように、時間領域分光装置1は、パルスレーザー光である励起光を発生・出力する励起光光源2と、出力された励起光をポンプ光LP1とプローブ光LP2とに分割するビームスプリッター3(光分割部)と、ビームスプリッター3からのポンプ光LP1により、テラヘルツ波Th(電磁波)を発生させると共に当該テラヘルツ波ThをサンプルS(ターゲット)に照射する光伝導型のテラヘルツ波発生部4(電磁波発生部)と、ビームスプリッター3からのプローブ光LP2により、サンプルSを透過したテラヘルツ波Thを検出する光伝導型のテラヘルツ波検出部5(電磁波検出部)と、を備えている。 FIG. 1 is a configuration diagram of a time domain spectroscopic device 1. As shown in the figure, the time domain spectroscopic device 1 includes a pumping light source 2 that generates and outputs pumping light that is pulsed laser light, and a beam that splits the output pumping light into pump light LP1 and probe light LP2. A photoconductive terahertz wave generating unit that generates a terahertz wave Th (electromagnetic wave) by the splitter 3 (light splitting unit) and the pump light LP1 from the beam splitter 3 and irradiates the sample S (target) with the terahertz wave Th. 4 (electromagnetic wave generation unit) and a photoconductive terahertz wave detection unit 5 (electromagnetic wave detection unit) that detects the terahertz wave Th transmitted through the sample S by the probe light LP2 from the beam splitter 3.
また、時間領域分光装置1は、テラヘルツ波検出部5に入射するプローブ光LP2を遅延させる遅延光学系11と、ビームスプリッター3から出力されたプローブ光LP2を、遅延光学系11に導く第1反射鏡12と、遅延光学系11から出力されたプローブ光LP2を適宜反射してテラヘルツ波検出部5に導く第2反射鏡13および第3反射鏡14と、を備えている。
In addition, the time domain spectroscopic device 1 delays the probe light LP2 incident on the terahertz wave detection unit 5 and the first reflection that guides the probe light LP2 output from the beam splitter 3 to the delay
さらに、時間領域分光装置1は、テラヘルツ波発生部4から照射されたテラヘルツ波ThをサンプルSに導く第1放物面鏡15と、サンプルSを透過したテラヘルツ波Thをテラヘルツ波検出部5に導く第2放物面鏡16と、を備えている。
Further, the time domain spectroscopic device 1 supplies the first
またさらに、時間領域分光装置1は、テラヘルツ波発生部4の発生側光伝導アンテナ素子21A(後述する)に所定のバイアス電圧を印加するバイアス電源回路17と、テラヘルツ波検出部5の検出側光伝導アンテナ素子21B(後述する)に発生した電流を検出して処理する信号処理回路18と、を備えている。そして、詳細は後述するが、この信号処理回路18により、イメージング処理や材料分析等の分光分析処理が行われる。
Furthermore, the time domain spectroscopic device 1 includes a bias
励起光光源2は、フェムト秒パルスレーザー等の励起光を照射する。具体的には、励起光光源2は、励起光として、波長が1.45μm以上1.65μm以下のパルスレーザー光を照射する。 The excitation light source 2 irradiates excitation light such as a femtosecond pulse laser. Specifically, the excitation light source 2 emits pulsed laser light having a wavelength of 1.45 μm or more and 1.65 μm or less as excitation light.
ビームスプリッター3は、励起光光源2から出力された励起光を分割し、分割した一方の励起光をポンプ光LP1として出力すると共に、分割した他方の励起光をプローブ光LP2として出力する。 The beam splitter 3 divides the excitation light output from the excitation light source 2, outputs one of the divided excitation lights as pump light LP1, and outputs the other divided excitation light as probe light LP2.
テラヘルツ波発生部4は、ポンプ光LP1が照射される発生側光伝導アンテナ素子21Aと、発生側光伝導アンテナ素子21AのサンプルS側に取り付けられた半球レンズ22aと、を有している。発生側光伝導アンテナ素子21Aは、その表面側(後述の平行伝送線路32側)に、ポンプ光LP1が照射されるように配置されている。
The terahertz wave generation unit 4 includes a generation side
テラヘルツ波検出部5は、プローブ光LP2が照射される検出側光伝導アンテナ素子21Bと、検出側光伝導アンテナ素子21BのサンプルS側に取り付けられた半球レンズ22bと、を有している。検出側光伝導アンテナ素子21Bは、その表面側(後述の平行伝送線路32側)に、プローブ光LP2が照射され、その裏面側に、サンプルSを透過したテラヘルツ波Thが照射されるように配置されている。
The terahertz wave detection unit 5 includes a detection-side
このような時間領域分光装置1では、励起光光源2から出力された励起光は、ビームスプリッター3により、ポンプ光LP1とプローブ光LP2とに分けられる。そして、ビームスプリッター3により分けられたポンプ光LP1は、発生側光伝導アンテナ素子21Aに入射する。このとき、バイアス電源回路17により発生側光伝導アンテナ素子21Aに、所定のバイアス電圧を印加しておくことで、発生側光伝導アンテナ素子21Aからテラヘルツ波Thが発生する。このテラヘルツ波Thは、半球レンズ22aを通過し第1放物面鏡15を介して、サンプルSに照射される。そして、サンプルSを通過したテラヘルツ波Thは、第2放物面鏡16および半球レンズ22bを介して、検出側光伝導アンテナ素子21Bに入射する。
In such a time domain spectroscopic device 1, the excitation light output from the excitation light source 2 is divided into pump light LP 1 and probe light LP 2 by the beam splitter 3. The pump light LP1 divided by the beam splitter 3 is incident on the generation side
一方、ビームスプリッター3により分けられたプローブ光LP2は、第1反射鏡12に反射され、遅延光学系11に照射される。その後、遅延光学系11により時間遅延が与えられたプローブ光LP2は、第2反射鏡13および第3反射鏡14を介して、検出側光伝導アンテナ素子21Bに入射する。入射したテラヘルツ波Thおよびプローブ光LP2により、検出側光伝導アンテナ素子21Bで検出された信号は、信号処理回路18に入力される。信号処理回路18は、サンプルSを透過したテラヘルツ電磁波の時間波形およびサンプルSが無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形を各々時系列データとして記憶し、これをフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、サンプルSからのテラヘルツ電磁波の強度振幅や位相の分光スペクトルを得る。これにより、サンプルSの部分的な、物理的・科学的性質を探るための分析情報(分光分析情報)やテラヘルツ波Thのイメージング情報を得ることができる。
On the other hand, the probe light LP <b> 2 divided by the beam splitter 3 is reflected by the first reflecting
ここで図2および図3を参照して、発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび検出側光伝導アンテナ素子21Bについて説明する。図2(a)および(b)は、発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび検出側光伝導アンテナ素子21Bの斜視図である。図3(a)および(b)は、発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび検出側光伝導アンテナ素子21Bの断面図である。発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび検出側光伝導アンテナ素子21Bは、光伝導層53a,53bの元素組成比を除き、同一のものを用いている。
Here, the generation side
同図に示すように、両光伝導アンテナ素子21A,21Bは、主体を為す光伝導基板31と、光伝導基板31上に成膜された平行伝送線路32と、により構成されている。
As shown in the figure, the two
平行伝送線路32は、光伝導基板31(後述の光伝導層53a,53b)上に形成されたダイポール型の一対のアンテナ41,41で構成されている。各アンテナ41は、線状に延びるライン部42と、ライン部42の中央から内側に延設した電極部43と、を有しており、ライン部42の少なくとも一方の端部が電極パッド44として機能する。一対のアンテナ41,41は、そのライン部42,42同士が平行に配置され、且つ相互の電極部43,43が所定のギャップを存して対向配置されている。すなわち、相互の電極部43,43の対向端部間には、数μmの幅(実施形態のものは、5μm程度)のギャップ部45が構成されている。
The
実施形態の各アンテナ41は、Au(金)で構成されているが、Al、Ti、Cr、Pd、Pt、Au−Ge合金、Al−Ti合金等の導電性材料であってもよい。なお、平行伝送線路32(アンテナ41)の形式は、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型等であってもよい。また、ギャップ部45(電極部43)を複数形成する構成であってもよい。
Each
光伝導基板31は、基板51と、基板51上に形成されたバッファ層52と、バッファ層52上に形成された光伝導層53a,53bと、を備えている。なお、詳細は後述するが、本実施形態では、この光伝導層53a,53bの元素組成比を、発生側光伝導アンテナ素子21Aと検出側光伝導アンテナ素子21Bとで相違させることで、ダイナミックレンジおよびS/N比を向上させている。
The
基板51は、化合物半導体の単結晶基板であり、GaAs(ガリウム砒素)により構成されている。基板51の材料としては、GaAsの他、バッファ層52や光伝導層53a,53bの材料(の格子定数)に応じて、例えばSi、Ge、InP等の単結晶半導体を用いることもできる。
The
バッファ層52は、基板51の格子定数以上、光伝導層53a,53bの格子定数以下もしくは基板51の格子定数以下、光伝導層53a,53bの格子定数以上となる材料を用いて、基板51上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、実施形態のものは、GaAsにより構成されている。バッファ層52は、この上に積層する光伝導層53a,53bの結晶性を制御するために設けられている。このため、バッファ層52を構成する半導体材料は、基板51および光伝導層53a,53bの材料(の格子定数)に応じて任意に選択して用いることができる。また、バッファ層52を複数層としてもよい。
The
光伝導層53a,53bは、量子ドット62を含有するInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)化合物半導体により構成されている。具体的には、光伝導層53a,53bは、複数層の個別光伝導層61a,61bと、複数層の個別光伝導層61a,61bの各層間に形成した複数層の量子ドット62とにより構成されている。
The
個別光伝導層61a,61bは、InXGa1-XAs(0≦X≦0.53)を、バッファ層52を介して基板51上に低温で成長させたもの(いわゆるLT−GaAsもしくはLT−InGaAs)であり、量子ドット62は、各個別光伝導層61a,61b上にInAs(インジウム砒素)を成長させたものである。本実施形態の量子ドット62は、当該量子ドット62を構成するInAsと、その下層(または上層)のGaAs(またはInGaAs:インジウムガリウム砒素)と、の間の格子定数のミスマッチ(相違)を利用し、これにより生ずるひずみ力で島状構造(量子ドット62)を実現するものである。そして、光伝導層53a,53b内に量子ドット62を封じ込めるように、個別光伝導層61a,61bの形成と、量子ドット62の形成とを交互に行って、光伝導層53a,53bが形成されている。
The individual
なお、量子ドット62は、光伝導層53a,53b(個別光伝導層61a,61b)との格子定数の相違を考慮し、InAs,InGaAs,InAsSb,InGaSb等であることが好ましい。また更に、量子ドット62の形成方法として、微細マスクを用いた選択成長や界面活性剤を用いたもの等、結晶成長時に形成するものであってよい。
The
このように構成された発生側光伝導アンテナ素子21Aでは、バイアス電圧を印加して相互の電極部43,43間に電界を発生させた状態で、ギャップ部45に励起光(ポンプ光LP1)が照射されると、励起光によりギャップ部45の光伝導層53aが励起する。これにより、光伝導層53aにキャリア(電子および正孔)が生成され、且つ電極部43,43間の電圧(電界)でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。このパルス状電流の時間変動(超高速電流変調)によりテラヘルツ波Th(厳密にはテラヘルツパルス波)が発生し、誘電率の大きい基板51側に強く放射される。また、このように構成された検出側光伝導アンテナ素子21Bでは、テラヘルツ波Thを受けたときに一対の電極部43,43間に電流が流れるため、テラヘルツ波Thを検出することができる。
In the generation side
次に、本実施形態の時間領域分光装置1における、発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび検出側光伝導アンテナ素子21Bの相違部分について説明する。本実施形態の時間領域分光装置1では、上記したように、両光伝導アンテナ素子21A,21Bの光伝導層53a,53bにおける元素組成比を相違させている。具体的には、両光伝導層53a,53bは共に、量子ドット62を含有するInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)により構成されているが、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53b(各個別光伝導層61b)における当該In比率X(インジウム比率)は、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53a(各個別光伝導層61a)における当該In比率Xより小さくなっている。例えば、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aのIn比率Xは、30%以上40%以下とし、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bのIn比率Xは、0%以上10%以下とする。これにより、テラヘルツ波時間波形をフーリエ変換したスペクトル(テラヘルツ波スペクトル)のダイナミックレンジ或いはS/N比を向上させている。なお、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aのIn比率Xは、35%とすることが理想的であり、35%前後(34%以上36%以下)とすることがより好ましい。
Next, the difference between the generation side
ここで図4の実験結果を参照して、このIn比率Xの相違の有効性について説明する。図4(a)は、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bのIn比率Xと、ダイナミックレンジとの関係を表した図(グラフ)である。一方、図4(b)は、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bのIn比率Xと、S/N比との関係を表した図(グラフ)である。両図の実験結果は、サンプルS無しで、両光伝導アンテナ素子21A,21Bにおいて、量子ドット62を含有するInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)の光伝導層53a,53bを用い、且つ発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aのIn比率Xを35%(In35Ga65As)として得られたものである。
Here, the effectiveness of the difference in the In ratio X will be described with reference to the experimental results of FIG. FIG. 4A is a graph (graph) showing the relationship between the In ratio X of the
同図に示すように、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bにおけるIn比率Xが、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aにおけるIn比率Xと同一である場合(In比率35%)には、ダイナミックレンジが約36dBとなり、S/N比が約3800となる。一方、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bにおけるIn比率Xが、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aにおけるIn比率Xより小さい場合(In比率35%未満)には、ダイナミックレンジおよびS/N比が共に上昇し、ダイナミックレンジが36dBを超え、S/N比が3800を超えている。このように、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bにおけるIn比率Xを、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aにおけるIn比率Xより小さくすることで、ダイナミックレンジおよびS/N比が向上される。これは、In比率Xを小さくすることで、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bにおける抵抗が上がり、ノイズ(暗電流)が低減するためだと考えられる。つまり、同図の実験結果では、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bは、In比率Xを上げて励起効率を大きくするよりも、In比率Xを下げて抵抗を上げ、ノイズを低減させるほうが、比較的効果があることを示唆している。
As shown in the figure, when the In ratio X in the
以上のような構成によれば、両光伝導アンテナ素子21A,21Bの光伝導層53a,53bにおけるIn比率Xを相違させ、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bにおけるIn比率Xを、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aより小さくすることで、発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび検出側光伝導アンテナ素子21Bのそれぞれにおいて、最適な光伝導層53a,53bを用いることができ、ダイナミックレンジおよびS/N比を向上させることができる。つまり、時間領域分光装置1におけるテラヘルツ波Thの検出感度を向上させることができる。
According to the above configuration, the In ratio X in the
さらに言えば、発生側光伝導アンテナ素子21Aの光伝導層53aのIn比率Xを、抵抗増加(ノイズ低減)よりも励起効率を優先した所定範囲のIn比率(30%以上40%以下)とし、検出側光伝導アンテナ素子21Bの光伝導層53bにおけるIn比率Xを、励起効率よりも抵抗増加(ノイズ低減)を優先した所定範囲のIn比率(0%以上10%以下)とすることで、ダイナミックレンジおよびS/N比をより向上させることができる。これは、本願発明者が、発生側光伝導アンテナ素子21Aでは、In比率Xを上げてもノイズがあまり大きくならず、検出側光伝導アンテナ素子21Bでは、In比率Xを上げると、励起効率以上に、ノイズが大きくなってしまうことを確認し、これを利用して得られた効果である。すなわち、発生側光伝導アンテナ素子21Aでは、In比率Xを上げた際、これに伴う抵抗減少(ノイズ増加)の影響よりも、これに伴う励起光率上昇の影響の方が強く、また、検出側光伝導アンテナ素子21Bでは、In比率Xを上げた際、これに伴う励起光率上昇の影響よりも、これに伴う抵抗減少(ノイズ増加)の影響の方が強い。そのため、各光伝導層53a,53bのIn比率Xを、これを加味した上記各所定範囲にすることで、ダイナミックレンジおよびS/N比をより向上させることができる。
Further, the In ratio X of the
なお、上記実施形態においては、両光伝導アンテナ素子21A,21Bの間で、光伝導層53a,53bのIn比率Xのみ相違させる構成であったが、これに加え、図5に示すように、両光伝導アンテナ素子21A,21Bの平行伝送線路32(一対のアンテナ41,41)におけるギャップを相違させる構成であってもよい。具体的には、検出側光伝導アンテナ素子21Bにおける電極部43,43間のギャップを、発生側光伝導アンテナ素子21Aにおける電極部43,43間のギャップより小さくする。かかる構成によれば、検出側光伝導アンテナ素子21Bのギャップを小さくすることで、プローブ光の照射領域であるギャップ部45を小さくすることができる。これにより、当該ギャップ部45に集光するプローブ光のスポットサイズを小さくすることができ、当該ギャップ部45に照射されるプローブ光のレーザー光パワー密度を高くすることができる。これによって、検出側光伝導アンテナ素子21Bの検出感度が向上し、時間領域分光装置1におけるテラヘルツ波Thの検出感度をより向上させることができる。
In the above embodiment, only the In ratio X of the
また、上記実施形態においては、両光伝導アンテナ素子21A,21Bの光伝導層53a,53bを、アンドープのInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)で構成するものであったが、当該光伝導層53a,53bを、Be(ベリリウム)が所定の割合(1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下)で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)で構成するものであってもよい。かかる構成によれば、光伝導層53a,53bのノイズ(暗電流)が低減され、時間領域分光装置1におけるテラヘルツ波Thの検出感度をより向上させることができる。
In the above embodiment, the
また、当該光伝導層53a,53bの一部(例えば表面側)のみを、Beが所定の割合(1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下)で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)で構成するものであってもよい。
Further, only part of the
なお、上記実施形態においては、発生したテラヘルツ波ThをサンプルSに透過させて検出するようにしているが、サンプルSに反射させて検出するようにしてもよい。また、マトリクス状に配置した複数の発生側光伝導アンテナ素子21Aおよび複数の検出側光伝導アンテナ素子21Bを用いて、サンプルSを面的に検出(イメージング)することも可能である。もちろん、サンプルSを光路に直交するX・Y方向に微小移動させて、これを面的に検出(イメージング)することも可能である。
In the above embodiment, the generated terahertz wave Th is transmitted through the sample S and detected, but it may be reflected by the sample S and detected. It is also possible to detect (imaging) the sample S in a plane using a plurality of generation side
1:時間領域分光装置、 2:励起光光源、 3:ビームスプリッター、 4:テラヘルツ波発生部、 5:テラヘルツ波検出部、 41:アンテナ、 53a,53b:光伝導層、 61a,61b:個別光伝導層、 62:量子ドット、 LP1:ポンプ光、 LP2:プローブ光、 S:サンプル、 Th:テラヘルツ波 1: time domain spectroscopic device, 2: excitation light source, 3: beam splitter, 4: terahertz wave generation unit, 5: terahertz wave detection unit, 41: antenna, 53a, 53b: photoconductive layer, 61a, 61b: individual light Conductive layer, 62: quantum dot, LP1: pump light, LP2: probe light, S: sample, Th: terahertz wave
Claims (7)
プローブ光により、前記ターゲットを透過または反射した前記電磁波を検出する電磁波検出部と、を備え、
前記電磁波発生部および前記電磁波検出部は、量子ドットを含有するInXGa1−XAs(0≦X≦0.53)化合物半導体からなる光伝導層を、それぞれ含むと共に、前記光伝導層上に形成され且つギャップを存して対向配置された一対のアンテナを、それぞれ有し、
前記電磁波検出部の前記光伝導層のIn比率Xは、前記電磁波発生部の前記光伝導層のIn比率Xより小さく、
前記電磁波検出部の前記ギャップは、前記電磁波発生部の前記ギャップより小さいことを特徴とする時間領域分光装置。 An electromagnetic wave generating unit that generates electromagnetic waves by pump light and irradiates the generated electromagnetic waves to a target;
An electromagnetic wave detection unit for detecting the electromagnetic wave transmitted or reflected by the target by probe light, and
The electromagnetic wave generating unit and the electromagnetic wave detection unit, the In X Ga 1-X As ( 0 ≦ X ≦ 0.53) photoconductive layer made of a compound semiconductor containing quantum dots, each containing Mutotomoni, the photoconductive layer Each having a pair of antennas formed on and facing each other with a gap between them,
In ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave detection unit is rather smaller than the In ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave generator,
The electromagnetic wave the gap of the detector, a time domain spectroscopic apparatus according to claim smaller Ikoto than the gap of the electromagnetic wave generator.
前記電磁波検出部の前記光伝導層のIn比率Xは、0%以上10%以下であることを特徴とする請求項1に記載の時間領域分光装置。 In ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave generator is 30% or more and 40% or less,
2. The time domain spectroscopic device according to claim 1, wherein an In ratio X of the photoconductive layer of the electromagnetic wave detection unit is 0% or more and 10% or less .
前記電磁波検出部の前記光伝導層の一部または全部は、Beが1×1017cm−3以上1×1018cm−3以下の割合で添加されていることを特徴とする請求項1または2に記載の時間領域分光装置。 Part or all of the photoconductive layer of the electromagnetic wave generating part is added at a ratio of Be of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less,
The electromagnetic wave detection unit of part or all of the photoconductive layer, claim 1, characterized in that Be is added in a proportion of 1 × 10 17 cm -3 to 1 × 10 18 cm -3 or less, or 2. The time domain spectroscopic apparatus according to 2.
前記励起光光源から出力された前記励起光を、前記ポンプ光と前記プローブ光とに分割する光分割部と、を更に備え、
前記励起光光源は、波長が1.45μm以上1.65μm以下の前記励起光を照射することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の時間領域分光装置。 An excitation light source that outputs excitation light;
A light splitting unit that splits the pumping light output from the pumping light source into the pump light and the probe light; and
4. The time domain spectroscopic device according to claim 1 , wherein the excitation light source emits the excitation light having a wavelength of 1.45 μm or more and 1.65 μm or less. 5.
前記複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の前記量子ドットと、を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の時間領域分光装置。 Each of the photoconductive layers of the electromagnetic wave generation unit and the electromagnetic wave detection unit includes a plurality of individual photoconductive layers,
5. The time domain spectroscopic device according to claim 1 , comprising: a plurality of quantum dots formed between layers of the plurality of individual photoconductive layers. 6.
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