WO2004070939A1

WO2004070939A1 - 光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置及び方法

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Publication number: WO2004070939A1
Application number: PCT/JP2004/001327
Authority: WO
Inventors: Jongsuck Bae
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2005-08-10
Also published as: JP2004266355A; EP1603229A4; US7236293B2; JP4077331B2; US20060161608A1; KR20050107413A; KR100635562B1; EP1603229A1; CN1748361A

Abstract

非線形特性を持つ固体素子を使用せず、複雑な共振器構造も必要としない、マイクロ波からテラヘルツ波に至る幅広い周波数範囲で動作可能な周波数変換装置を提供すること。入力部1により入力波を高周波伝送線路2に入射させ、出力部6の導波管部で反射させる。レーザー光源4によりレーザー光を入射し、光遅延回路5は、レーザー光を遅延させて高周波伝送線路2及び基板3に照射する。光遅延回路5を介してレーザー光が半導体等の基板3の表面に電子-正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路2を短絡し、入力波を反射する。この反射点がレーザー光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換を行う。出力部6は、入力波を全反射させ出力波のみを取り出す。

Description

明細書光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置及び方法

技術分野

本発明は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置及び方法に係り、半導体表面上を高速移動する光パルスが誘起した自由キャリア（プラズマ）により電磁波を反射し、反射された電磁波の位相変化に基づき周波数を変換（増倍）する周波数変換装置及び方法に関する。

背景技術

従来、周波数が 1 THz以下の電磁波領域において、入力波の周波数を増加'変換させる方法として、バラクターダイオードや各種トランジスタ等の半導体素子が持つ電気的な非線形性を利用し、素子を共振器内に組み込み遲倍する方式が用いられてきた（非特許文献 1、 2参照）。

また、従来、非特許文献 3には、静止プラズマの境界面が高速移動する場合の反射および透過波の理論的解析について記載されている。非特許文献 4には、静止した誘電体の境界面だけが高速移動する場合の反射および透過波の理論的解析につし、て記載されている。非特許文献 5には、同軸ケーブルに可変容量ダイオードを装荷し、電圧パルスを走らせることで、等価的な移動境界面を生成し、入射波の透過周波数変化を測定し、ドップラー効果による周波数変化が生じるようにして高速移動する電磁界のドップラー周波数遷移について記載されている。非特許文献 6には、高圧で充電されたコンデンサを装荷した線路において、レーザー光をトリガーとして放電させ、等価的なプラズマ境界面を生成し、そのとき発生する電磁波がマイクロ波帯となることを調べた実験について記載されている。非特許文献 1

E.Schlecht, G.Chattopadhyay, A.Maestrini, A.Fung, S.Martin, D.Pukala, J.Burston and I.Mehdi, "200, 400 and 800 GHz Schottky Diode "Substrateless" Multipliers: Design and Results 2001 MMT - S International Microwave Symposium Digest, vol.3, pp. 1649 - 1652, 2001.

非特許文献 2

X.Melique, A.Maestrini, R.Farre, P.Mounaix, M.Favreau, O.Vanbesien, J-M.Goutoule, F.Mollot, G.Beaudin, T.Narhi, D.Lippens, " Fabrication and Performance of InP-based Heterostructure Barrier Varactors in a 250 - GHz Waveguide 1 ripler"Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.48, no.6, pp. 1000-1006, Jun 2000.

非特許文献 3

M.Lampe, et al.， "Submillimeter-Wave Production by Upshifted Reflection from a Moving Ionization Front ， Year 1977

非特許文献 4

C.S.Tsai and B.A.Auld, "Wave Interaction with Moving Boundaries", 1967 非特許文献 5

伊藤洋、早田潔、"高速移動する電磁界のドップラー周波数遷移"， 1 979 非特許文献 6

J.R.Hoffman, et al., 'High power raaiation from ionization fronts in a static electric field in a waveguide ， 2001

発明の開示

しかしながら、従来の方式には、以下の課題がある。

υ周波数変換率（周波数増倍率）を増加させると急激に変換効率が下がるため、実用的な変換倍率は、最大でも 5倍かそれ以下に制限される。 3

2) 1 00GHzを越える短ミリ波以上の周波数帯では、素子特性の劣化と、精密でかつ微小な共振器製作が困難となり、その出力が大幅に減少し、実用的でなくなる。

3)インピーダンス整合用共振器を用いるため、その同調範囲が限定される。

4)固体素子の最大許容入力パワーが制限されているため、大きな出力が得られない。

以上の理由により、 300GHzを越えるサブミリ波帯においては、従来技術による遲倍器では、 2倍波でも変換効率 20%程度かそれ以下、また出力も 1 0mW以下であるのが現状である。

本発明は、以上の点に鑑み、例えば、従来のように、バラクタ一等の非線形特性を持つ固体素子を使用せず、インピーダンス整合用共振器等の複雑な共振器構造も必要とせずに、高周波伝送線路上におけるドップラー効果を利用してマイクロ波もしくはミリ波からテラへルツ波という幅広い周波数範囲で動作可能とした周波数変換装置及び方法を提供することを目的とする。また、本発明は、周波数変換率（周波数增倍率）を光遅延回路および高周波伝送線路の構造の調整により、光および入出力波の伝搬速度を変えることで容易に調整可能とすることを目的とする。

さらに、本発明は、以下のような課題を達成することを目的とする。

1 ) 1 OOGHz以上の短ミリ波'サブミリ波およびテラへルツ波帯のコヒ一レントな電磁波発生を可能にする。

2) 1 0倍を越える高い周波数変換率を、広帯域、高効率で容易に達成する。

3 )入力周波数を変えることで、 1 00%にも及ぶ広い範囲での連続的な周波数可変出力を得る。これは、共振器構造を持つ従来方式では達成不可能である。

4) 1 Wを越える高出力パワーを、短ミリ波■サブミリ波帯の高い周波数領域でも達成可能とする。これは、本発明の最大許容動作パワーが固体素子の低い許容入力パヮーではな高周波伝送線路の高い放電破壊電圧により決定されるためである。この結果、大きなパワーを持つ入力波が利用可能となる。

5)回路製作および設計を容易とする。本発明の第 1の解決手段によると、

光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、

前記基板に形成され、第 1及び第 2の側を有する高周波伝送線路と、

レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、

を備え、

前記高周波伝送線路の第 1又は第 2の側から入力波を入力し、第 2の側で反射させ、

レーザ一光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、

レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、前記高周波伝送線路の第 2の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第 2の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第 2の側から出力する、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置が提供される。

本発明の第 2の解決手段によると、

を備え、

前記高周波伝送線路の第 2の側から入力波を入力し、

レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザ一光を前記高周波伝送線 2004/001327

5 路に到達するようにし、

レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第 2の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、

周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第 2の側から出力する、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置が提供される。

本発明の第 3の解決手段によると、

基板に形成された高周波伝送線路の第 1の側から入力波を入力し、第 2の側で反射させ、

レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、

レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、高周波伝送線路の第 2の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が高周波伝送線路の第 2の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、

周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第 2の側から出力する、光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法が提供される。

本発明の第 4の解決手段によると、

基板に形成された高周波伝送線路の第 2の側から入力波を入力し、

レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が高周波伝送線路の第 2の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、

図面の簡単な説明

第 1図は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第 1の実施の形態の構成図である。

第 2図は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図である。

第 3図は、入力がパルス波の場合のタイミングチヤ一卜の図である。

第 4図は、入力が連続波の場合のタイミングチャートの図である。

第 5図は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第 2の実施の形態の構成図である。

第 6図は、第 2の実施の形態での光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図である。

第 7図は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第 3の実施の形態の構成図である。第 8図は、入力波が速度 v。_ptで運動するプラズマ境界で反射される様子を表す図でめる。第 9図は、出力周波数 f。_utとパワー反射率 Rについての計算結果を表す図である。

発明を実施するための最良の形態

1 .第 1の実施の形態

1 - 1 .構成図 1に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第 1の実施の形態の構成図を示す。

本実施の形態による周波数変換装置は、入力部 1、高周波伝送線路 2、基板 3、レ一ザ一光源 4、光遅延回路 5、出力部 6を備える。

入力部 1は、入力波を高周波伝送線路 2に入力する。また、入力部 1は、例えば、サーキユレータ等の周波数弁別回路を有する。高周波伝送線路 2は、基板 3に形成され、入力波及び出力波を伝送する。高周波伝送線路 2は、例えば、コプレーナ線路ゃスロット線路、そして導波管回路等を有する。例えば、高周波伝送線路 2は、少なくとも 2 本のラインを基板 3に蒸着することで形成することができる。基板 3は、例えば、シリコン（Si)、ガリウムヒ素（GaAs)、またはインジユウム系等の半導体基板、絶縁性の高い半導体基板を用いてもよい。なお、本実施の形態では、一例として、基板 3としてシリコン半導体基板を、高周波伝送線路 2には、比較的周波数特性の平坦なコプレーナ'ストリップ線路を用いている。また、高周波伝送線路 2 (例、ストリップ線路）は、整合性を良くするために出力部 6 (例、導波管）への整合部（例、変換用テーパー）を備えることができる。レーザー光源 4は、 Ti： Saphireレーザ一等の適宜のレーザ一を用いる。出力部 6は、入出力分波回路（周波数弁別型分岐回路）として、例えば、導波管等の各種フィルタ一回路を有する。また、出力部 6は、この導波管のカットオフ周波数 f_cut。ffを、入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を全反射させ、出力波のみを取り出すことができる。

光遅延回路 5は、レーザー光を遅延させて高周波伝送線路 2及び基板 3に入射する。また、この実施の形態では、光遅延回路 5は、石英中での光の速度の低下を利用している。光遅延回路 5は、三角形状の石英中を伝播するレーザー光の光路長の長短により、高周波伝送線路 2の線路方向の位置によってレーザー光の基板 3への到達時間差が生じる。そのため、基板 3上に励起された表面プラズマが、入力部 1から出力部 6方向へ高速に移動する。高周波伝送線路 2上の光励起プラズマの等価的な進行速度 v。_ptは、光励起プラズマと電磁波の相互作用長 L_{i nt}、石英部の最大長 L_{d elay} とすると、次式で与えられる。 V _t = c ^——

°^P L_delay (n - \) ここで、 cは光速、 nは誘電体の屈折率である。これより、高周波伝送線路 2における入力波及び出力波の伝搬速度 v_{i n}及び v。_ut、相互作用長 L_intが決定されれば、必要な周波数変換率（周波数増倍率） Gに合わせて光遅延回路 5を設計できる。また、周波数変換率 Gについては後述する。ここで、レーザ一光源 4により光遅延回路 5にレ —ザ一光を垂直に入射させるため、その入射面には光の波長より長い平坦部を設ける。光の波長が入射波及び反射波の波長より十分短いため、光波面の不連続は、無視できる。

なお、各部分に関しては、上述に限定されず、他の各種の回路構成が可能である。

1 - 2.動作

図 2に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図を示す。この回路は、高周波伝送線路 2、光導波路 21を備える。また、光導波路 21の伝送線路上での長さ、つまり光励起プラズマの発生する長さ（相互作用長）を L_{i nt}、フィルタ一までの長さを L_t、 v。_ptはプラズマの励起速度である。ここで、入力波の伝搬速度 v_{i n}は常に v。 _ptより大きいこととする。図において、入力部 1により入力波を左側より入射させ、出力部 6の導波管部または、高周波伝送線路 2のコプレーナ'ストリップ線路の端部で反射させる。この時、レーザー光源 4によリレーザ一光を入射すると、光導波路 21中を伝搬するレーザー光が半導体基板の表面に電子一正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路 2を短絡し、入力波（マイクロ波あるいはミリ波）を反射する。この反射点がレーザー光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換（アップコンバージョン）を行う。そして、出力部 6は、反射された出力波を出力する。本実施の形態における周波数変換率 Gは、光励起プラズマの移動速度つまリ光パルスの遅延速度 v。_ptと入力波及び出力波の高周波伝送線路 2を伝搬する速度、 v_{i n} 及び v。_utにより、次式で決定される。また、その理論エネルギー変換効率は、動作原理より 1 ZGとなる。

以下に、入力波、レーザー光、出力波の各パルスのタイミングについて説明する。図 3に、入力がパルス波の場合のタイミングチャートの図を示す。入力パルス幅 t_inの入力パルスは、高周波伝送線路 2の左側から入力する。入力パルスは、高周波伝送線路 2を右側から向かって伝送速度 v_{i n}で伝わり、出力部 6で反射されて高周波伝送線路 2を左側に向かって伝送速度 v_{i n}で進行する。ここで、入力パルスが図 2中光導波路 21の左先端に丁度合ったときにそこにプラズマを励起する場合、レーザーパルスのタイミング時間は、 t_a = 2L_tZv_{i n}<tなる。このとき、光導波路 21上にプラズマが発生し、このプラズマは、入力パルスを反射しつつ高周波伝送線路 2をお方向に進行する。反射された出力波は、伝送速度 v。_utの出力波で高周波伝送線路 2を伝送し、レーザーパルスのタイミング時間から出射時間 t_b = L_tZv。_ut後に出力部 6から出力パルスとして出力される。ここで、パルス幅 t。_utは、 t。_ut= (L_intZv₀ _pt) x ( 1— v_optZv_out)または t_in x ( 1— v_optZv_out) Z ( 1 +_Vopt v_in)のうち短い方となる。

出力パルスが出力された後に、再び入力パルスを入力すると繰り返しに出力パルスを得ることができる。入力パルスとレーザ一パルスの周期は、 t_peri。_d >t_a+t_b+t。_utの条件を満たすこととして、この周期 t_pe 。_dで出力パルスが出力される。なお、半導体内での光励起キャリアの緩和時間は無視して出している。厳密には、この緩和時間分を上記周期に足すことができる。

つぎに、入力が連続波である場合について説明する。

図 4に、入力が連続波の場合のタイミングチャートの図を示す。この場合、入力波は、高周波伝送線路 2を左側から右方向に伝送速度 v_{i n}で伝わり、出力部 6で反射されて高周波伝送線路 2を左方向に伝送速度 v_inで進行する。ここで、任意の時間にレーザ一光源 4によりレーザーパルスが光導波路 21に入射すると、高周波伝送線路 2上にプラズマが発生し、このプラズマは、入力波を反射する。反射された出力波は、伝送速度 v。_utの出力パルスとなって、高周波伝送線路 2を伝送し、レ —ザ一パルスのタイミング時間から t_b= L_tZv。_ut後に出力部 6から出力される。ここで、出力パルス幅 t_outは、 t_out= ( L_{i nt}Zv_opt) X ( 1一 v_optZv_out)である。なお、出力パルスに対応する入力の等価的なパルス幅は、 t_{i n} =t_out ( 1 +v_optZv_{i n})ノ（1— v_optZv。 _ut)で与えられる。レーザーパルスの周期は、 t_peri。_d >t_b +t。_utの条件を満たすことして、この周期 t_peH。_dで出力波が出力される。

2.第 2の実施の形態

2— 1 .構成

図 5に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第 2の実施の形態の構成図を示す。この実施の形態は、入力部 1による入力波の給電点が出力部 6の出力フィルター側にある例を示す。他の各部の構成は第 1の実施の形態と同様である。.

この周波数変換装置は、入力部 1、高周波伝送線路 2、基板 3、レーザー光源 4、光遅延回路 5、出力部 6を備える。この実施の形態では、一例として、入力部 1の入力波の給電に、最も簡単かつ一般的な同軸線路を用いるが、この他にも、マイクロストリップ線路や、導波管を用いたものも可能である。また、入力波を供給するための構成は、給電位置や形状も考慮すると、その組み合わせは数多くあり、適宜構成することができる。この構成は、使用する周波数およびその範囲、そして出力の使用用途によつて選択される。

入力部 1から与えられる入力波は、高周波伝送線路 2のコプレーナ'ストリップ線路に同軸線路にて給電される。この入力波は、出力部 6のフィルタ一部（導波管型高域通過フィルタ一）又は高周波伝送線路 2のコプレーナ 'ストリップ線路の端部で全反射 (又は略全反射）されるため、光遅波回路 5側へ伝搬される。この伝搬電力を最大にするように、出力部 6の出力フィルターと入力部 1の同軸線路の間の距離（給電点位置）を調整する。また、同軸線路とコプレーナ'ストリップ線路間の接続線は、出力周波数 f。_utが入力周波数 f_inより高いことを利用し、出力周波数 f。_utに対し、十分大きなインピーダンスを持つようにその長さを調整する。このようにして、出力電力が入力部 1の入力用同軸線路側へ流れることを防ぎ、その大部分を出力部 6の出力フィルタ一側に伝送させることが出来る。

なお、第 2の実施の形態では、効率よく入力電力を回路に送り込むためには、出力部 6の出力フィルタ一から入力部 1の入力波の給電位置までの距離を入力周波数 f_{i n} に合わせて調整する必要がある。このため、位置を固定した回路では、その動作周波数範囲が制限される場合がある。これに対し、第 1の実施の形態（給電位置が左側にあるもの）では、この様な制限がないため、より広帯域動作が可能となる。

2 - 2.動作

図 6に、第 2の実施の形態での光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図を示す。

この図では、図 2での入力波を高周波伝送線路 2の右側から入射した場合であり、高周波伝送線路 2、光導波路 21については同様である。入力波は、入力部 1により高周波伝送線路 2の右側より入力する。この時、レーザ一光源 4によりレーザー光を入射すると、光導波路 21中を伝搬するレーザー光が半導体基板の表面に電子一正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路 2を短絡し、入力波（マイクロ波あるいはミリ波）を反射する。この反射点がレーザ一光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換（アップコンバージョン）を行う。そして、出力部 6は、反射された出力波を出力する。なお、出力部 6の周波数弁別用分波回路（周波数フィルタ一）は、例えば、共振器構造ではなく、単に入出力の周波数差を利用して経路分けを行うものを用いることができる。周波数変換率 Gは、第 1の実施の形態で説明したものと同様である。また、タイミングチャートについては、入力部 1からの入力波が高周波伝送線路 2の右側から入力するので、第 1の実施の形態のタイミング時間 t_aは、タイミング時間 t_a， = L_tZv_in<i:なる。

3.第 3の実施の形態

第 1及び第 2の実施の形態では、入射波のほぼ連続的な反射を取り扱った。しかし、本発明の動作原理から、光励起プラズマによる反射点が不連続に移動しても、周波数変換動作が可能である。

図 7に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第 3の実施の形態の構成図を示す。この実施の形態は、光遅延回路 5に光ファイバ一を用いたものである。

この周波数変換装置は、入力部 1、高周波伝送線路 2、基板 3、レーザー光源 4、光遅延回路 50、出力部 6を備える。光遅延回路 50以外の構成は、第 1の実施の形態と同様である。また、この実施の形態では、コプレーナ'ストリップの線間に、光遅延回路 50として光ファイバ一を設置し、それを隣り合う光ファイバ一断面の中心間での間隔を dで配列している。なお、隣り合う光ファイバ一の間隔はなくてもよい。ここで、隣り合う光ファイバ一間の時間遅延を t_delayとすると、 n番目の光ファイバ一の時間遅延は、 n x t_{d elay}となる。光ファイバ一の長さを調整し、隣り合う光ファイバ一間の遅延時間 t_d _elayを変えることで、実効的な光プラズマの移動速度 v。_ptを比較的自由に決定できる。また、この場合の、高周波伝送線路 2上を伝播する光プラズマの移動速度 v。_ptは、以下の式で決定できる。 v_opt ⁼ dZt_delay (3)

この構成の利点は、光遅延回路 50を比較的小型にかつ自由度高く設計できる点にある。また、この構成では、出力波の周波数 f。_utは、入力波の周波数 f_inの単純な周波数変換率 G倍となる周波数成分の他に、波形の不連続から生じる高調波成分を含む。しかし、隣り合う光ファイバ一の間隔 dを、高周波伝送線路 2中における入力波の 1波長に相当する距離の 1ノ 4以下に設定することで、その成分を大幅に減少されることができる。

また、本実施の形態においても、第 2の実施の形態のように、入力部 1を高周波伝送線路 2の右側に配置するなど適宜に回路を構成することができる。なお、動作は、入力部 1の配置が高周波伝送線路 2の左側である場合、第 1の実施の形態と同様であり、高周波伝送線路 2の右側である場合、第 2の実施の形態と同様である。

4.周波数変換式

以下に、式（2)の導出について説明する。図 8に、入力波が速度 v。_ptで運動するプラズマ境界で反射される様子を表す図を示す。

式（2)は、ドップラー効果による周波数変換式をより一般化して表したものであり、式の導出自体は、通常のものと全く同じである。図に示すように、入力波が、速度 v。_pt で運動するプラズマ境界で反射される。このとき、入力波および出力波の境界面での位相変化は同じでなければならないという原理（the principle of phase equality)がある (G. S. Tsai and B. A. Auld, "Wave Interaction with Moving Boundaries , J. Appl. Phys., vol. 38, no. 5, pp. 2106-21 15,1967.参照)。

このこと力、ら、次式が成り立つ。 ^ω in + ^kin^vopt = ^ω out - ^outVopt (

ここで、 ωは周波数、 kは伝搬定数をそれぞれ表す。式（4)を変形して次式を得る。添字の ίη、 outは、それぞれ入力波及び出力波を示す _c

ここで、 v_in= 0J_inZk_in、 v_out= W。_utZk_outの関係を便って、式（2)が導かれる。なお、参考までに、波が伝搬する媒質を均一で周波数特性がないものとして v_in = v。 _utであるとき、波の伝搬媒質が自由空間（v_in = v。_ut = c, c:光速）の場合は、以下のようになる。

V

1 + opt

ω out

G = c

^ in 1 — ' ^0f"

C

5.実例図 9に、出力周波数 f。_utとパワー反射率 Rについての計算結果を表す図を示す。図

9(a)は、周波数変換率 G = 10とした場合を、図 9(b)は、周波数変換率 G = 20とした場合をそれぞれ表す。パラメータは、レーザ一光で誘起されたシリコン板中のプラズマ（キャリア）密度 n_Pである。計算条件は、以下の通りである。

•入力波周波数 f_in; 10GHz〜50GHz

-出力波周波数 f。_ut;

100GHz~500GHz (周波数変換率 G= 10)

200GHz~ 1000GHz (周波数変換率 G = 20)

■レーザー；

Ti： Saphire レーザ一ンステム波長 532 nm

最大出力エネルギー 1mJ

ノゾレス中畐 2psec

•高周波伝送線路 2;

種類コプレーナ'ストリップ線路

線路インピーダンス 100Ω

線間距離 20 m

伝搬速度 cZ2. 5(—定と仮定）相互作用距離 L_int 30mm

この計算では、解析の容易さから、高周波伝送線路 2での入力波及び出力波の伝搬速度を計算の全範囲で一定と仮定している。実際には、周波数が 500GHzを越えると、伝搬速度が低下し、結果として周波数変換率 Gが大きくなる力この計算では、その効果は無視している。また、同様の理.由で高周波伝送線路 2における伝搬損失は無いものとして計算した。この結果から、キャリア密度 10²¹cm一³ (1 mJのパルスェネルギ一に相当）という比較的低密度の半導体プラズマを用いて、 1THzの電磁波をパワー反射率 R = 80%以上で得られることが分かる。もし、 1 OOWのパワーを持つ入力波を用いたとすると、出力パワーとして 80Wが得られる。この値は、従来の固体装置では達成不可能な値である。

入力波及び出力波のパルス幅の変換を考慮した全体のエネルギー変換効率は、パワー反射率 Rの 1ZG、すなわち、 RZGとなる。従って、図 9(a)の結果において、周波数変換率 G=10、出力周波数 f。_ut=500GHz、パワー反射率 R = 90%は、ェネルギー変換効率 =9%に、また、図 9(b)の結果において、周波数変換率 G = 20、出力周波数 f。_ut=1000GHz、パワー反射率 R = 85%は、エネルギー変換効率 =

4. 2%に相当する。高い周波数変換率 Gを考えた時、これらのエネルギー変換効率 ξの値は、十分高い値である。この様に、本実施の形態による周波数変換装置及び方法は、高出力'高周波発生に有用である。このこと力、ら、従来クライストロン等の電子管でしか得られなかった高出力パルス発生が可能となり、固体装置だけでの小型ミリ波帯レーダーシステム等への応用を可能にする。

本実施の形態では、光励起プラズマ自体は静止し、その境界面だけが運動することと想定される。この場合、反射体が実際に運動する場合とは異なり、反射波振幅の増幅は起こらない。従って、理想的な条件下で、パワー変換効率 η ρが 1、エネルギー変換効率は、反射波のパルス幅圧縮効果により、 1 になる。また、周波数変換時のエネルギー変換効率の低下は、動作周波数自体には依存しない。

産業上の利用可能性

本発明によると、以上のように、例えば、従来のようにくラクタ一等の非線形特性を持つ固体素子を使用せず、インピーダンス整合容共振器等の複雑な共振器構造も必要とせずに、高周波伝送線路上におけるドップラー効果を利用してマイクロ波もしくはミリ波からテラへルツ波という幅広い周波数範囲で動作可能とした周波数変換装置及び方法を提供することができる。また、本発明によると、周波数変換（周波数増倍率）を光遅延回路および高周波伝送線路の構造の調整により、光および入出力波の伝搬速度を変えることで容易に調整可能とすることができる。

さらに、本発明によると、以下のような効果を奏することができる。

1 ) 1 OOGHz以上の短ミリ波■サブミリ波およびテラへルツ波帯のコヒーレントな電磁波発生が可能となる。

2) 1 0倍を越える高い周波数変換率を、広帯域、高効率で容易に達成できる。

3 )入力周波数を変えることで、 1 00 %にも及ぶ広い範囲での連続的な周波数可変出力を得ることができる。これは、共振器構造を持つ従来方式では達成不可能である。

4) 1 Wを越える高出力パワーを、短ミリ波■サブミリ波帯の高い周波数領域でも達成可能となる。これは、本発明の最大許容動作パワーが固体素子の低い許容入力パヮ —ではなぐ高周波伝送線路の高い放電破壊電圧により決定されるためである。この結果、大きなパワーを持つ入力波が利用可能となる。

5)回路製作および設計を容易である。

Claims

請求の範囲

1 . 光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、

レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザ一光を照射するための光遅延回路と、

を備え、

レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザ一光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、

レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、前記高周波伝送線路の第 2の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第 2 の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第 2の側から出力する、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。

2. 光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、

を備え、

前記高周波伝送線路の第 2の側から入力波を入力し、

レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、

周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第 2の側から出力する、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。

3. カットオフ周波数を入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を反射させ、出力波を透過する出力部をさらに備えた請求項 1又は 2に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。

4. 周波数変換率又は周波数增倍率 Gは、光励起プラズマの移動速度 v。_ptと入射波及び反射波の前記高周波伝送線路を伝搬する速度 v_{i n}及び v。_utにより、次式で決定される請求項 1又は 2に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。 ζ-ι― 1 + opt v i.n

1— opt / ' v ' out

5. 前記光遅延回路は、三角形状の石英を含み、レーザー光の伝播距離が、前記高周波伝送線路の第 1の側で短く第 2の側で長くなるように配置され、

レーザー光を前記基板に対して垂直に前記光遅延回路に入射させ、石英中での光速度の低下の差を利用して光励起プラズマを移動するようにした

請求項 1又は 2に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。

6. 前記光遅延回路のレーザー光の入射面に、レーザー光の入射方向と垂直に、レ一ザ一光の波長より長い平坦部を階段形状に複数設けたことを特徴とする請求項 5 に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。

7. 前記光遅延回路は、前記高周波伝送線路の線間に、所定間隔で配列した複数の光ファイバ一を含み、レーザー光の伝播距離が、前記高周波伝送線路の第 1の側で短く第 2の側で長くなるように配置され、

レーザー光を前記光遅延回路に入射させ、複数の光ファイバ一中での光速度の低下の差を利用して光励起プラズマを移動するようにした

8. 前記高周波伝送線路は、コプレーナ線路又はスロット線路により構成されることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。

9. 基板に形成された高周波伝送線路の第 1の側から入力波を入力し、第 2の側で反射させ、

レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、高周波伝送線路の第 2の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が高周波伝送線路の第 2の側に移動することでドップラ一効果の原理により入力波の周波数変換を行い、

周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第 2の側から出力する、

光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。

1 0. 基板に形成された高周波伝送線路の第 2の側から入力波を入力し、レーザ一光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、

周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第 2の側から出力する、光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。

1 1 . カットオフ周波数を入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を反射させ、出力波を透過するようにした請求項 9又は 1 0に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。

1 2. 周波数変換率又は周波数増倍率 Gは、光励起プラズマの移動速度 v。_ptと入射波及び反射波の高周波伝送線路を伝搬する速度 v_in及び v。_utにより、次式で決定されることを特徴とする請求項 9又は 1 0に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。

C一 1 + v opt / ¹ v ^vi.n

1— v opt v out_†

1 3. 前記光遅延回路によりレーザー光の伝播距離が、高周波伝送線路の第 1の側で短く第 2の側で長くなるようにして、レーザー光の光遅延回路による光速度の低下の差を利用して光励起プラズマを移動するようにした請求項 9又は 1 0に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。