波导元件的制作方法
【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迀而使用电磁波增益的结构进行了研究。非专利文献I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DMff)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 pIasmonmode)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1ym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 N0.2010-510703
[0007]PTL 2:美国专利申请公开 N0.2003/0206708
[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，DMff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I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。
[0014]本发明的进一步方面将参照附图通过下列对示例性实施例的描述而变得清楚。
【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SB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SC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377 Ω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Α-Α’的剖面图。图2Α到图2C是例示本实施例的元件的修改示例的图解，其中图2Α是元件200的透视图，图2Β是元件300的透视图，图2C是元件400的透视图。图3Α和图3Β是例示本发明的元件的特性的示例的图解。图4Α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4Α是透视图，图4Β和图4C是Α-Α’的#丨』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DMff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(Ag)或更小，优选地为λ g/2或更小，更优选地为大约λ/10，其中AgR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Ug)表达为Ag= λ/ι，其中λ代表真空中的电磁波的波长，而&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Α-Α’)的波导107的长度L设置到λ g/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迀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、頂PATT 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)或者高电子迀移率晶体管(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112，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B1、Sb、ITO或ErAs)、高度掺杂的半导