特許 6281867 テラヘルツ波コネクタおよびテラヘルツ波集積回路、および導波路およびアンテナ構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6281867

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】テラヘルツ波コネクタおよびテラヘルツ波集積回路、および導波路およびアンテナ構造

(51)【国際特許分類】

   H01P 3/16 20060101AFI20180208BHJP

   H01P 5/08 20060101ALI20180208BHJP

   H01Q 13/24 20060101ALI20180208BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20180208BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20180208BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20180208BHJP

   G02B 6/14 20060101ALI20180208BHJP

【ＦＩ】

   H01P3/16

   H01P5/08 L

   H01P5/08 Z

   H01Q13/24

   G02B6/12 331

   G02B6/122 301

   G02B6/122 311

   G02B6/124

   G02B6/14

【請求項の数】30

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2014-28756(P2014-28756)

(22)【出願日】2014年2月18日

(65)【公開番号】特開2014-197837(P2014-197837A)

(43)【公開日】2014年10月16日

【審査請求日】2016年11月29日

(31)【優先権主張番号】特願2013-41606(P2013-41606)

(32)【優先日】2013年3月4日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４、２５年度、総務省、ＩＣＴイノベーション創出型研究開発事業「極低消費電力テラヘルツ波無線通信に向けた集積回路基盤技術の研究開発」に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100133514

【弁理士】

【氏名又は名称】寺山 啓進

(74)【代理人】

【識別番号】100122910

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 広之

(72)【発明者】

【氏名】冨士田 誠之

(72)【発明者】

【氏名】永妻 忠夫

(72)【発明者】

【氏名】石垣 司

(72)【発明者】

【氏名】大西 大

(72)【発明者】

【氏名】宮井 英次

【審査官】 橘 均憲

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００４／０８１６２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１６９６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３１００６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５２１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１７２９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１０９２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３６５４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１０１７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００９２１５６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２８５７９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０４８５９６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ ３／００−３／２０

Ｈ０１Ｐ ５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなるテーパー形状を備えることを特徴とするテラヘルツ波コネクタ。

【請求項2】

前記テーパー形状の上面および下面は、前記２次元フォトニック結晶スラブの側面視において、前記末端部から前記先端部まで連続的に傾斜面を有することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項3】

前記テーパー形状の側面は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記末端部から前記先端部まで連続的に傾斜面を有することを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項4】

前記テーパー形状の側面は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記末端部から前記先端部まで連続的に曲面を有することを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項5】

前記テーパー形状の側面は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記末端部から前記先端部まで連続的に段差面を有することを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項6】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる円錐型形状を備えることを特徴とするテラヘルツ波コネクタ。

【請求項7】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる四角錘形状を備えることを特徴とするテラヘルツ波コネクタ。

【請求項8】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなる楔型形状を備えることを特徴とするテラヘルツ波コネクタ。

【請求項9】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる撥型形状を備えることを特徴とするテラヘルツ波コネクタ。

【請求項10】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる階段型形状を備えることを特徴とするテラヘルツ波コネクタ。

【請求項11】

前記断熱的モード変換機構部は、樹脂層により保護されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項12】

前記格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項13】

前記格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項14】

前記断熱的モード変換機構部は、導波管内に形成された導波管導波路内に挿入可能な形状を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項15】

前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置される導波管フランジは、前記端面に接していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項16】

前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置される導波管フランジは、前記端面から離隔していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項17】

前記断熱的モード変換機構部が配置される前記２次元フォトニック結晶スラブの端面は、前記断熱的モード変換機構部の周辺部において、前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備え、前記導波管フランジから離隔していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項18】

前記２次元フォトニック結晶スラブは、半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項19】

前記半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の内、いずれかを適用可能であることを特徴とする請求項１８に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項20】

前記２次元フォトニック結晶スラブは、抵抗率は３０００Ωｃｍ以上のシリコンで形成されたことを特徴とする請求項１８に記載のテラヘルツ波コネクタ。

【請求項21】

請求項１〜２０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波コネクタを前記２次元フォトニック結晶スラブの入出力部の少なくとも一方に備えたことを特徴とするテラヘルツ波集積回路。

【請求項22】

前記２次元フォトニック結晶スラブには、送受信器、アンテナ、若しくは２次元フォトニック結晶合分波器のいずれかを搭載したことを特徴とする請求項２１に記載のテラヘルツ波集積回路。

【請求項23】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波若しくはテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなるテーパー形状を備えることを特徴とする導波路。

【請求項24】

前記テーパー形状の側面は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記末端部から前記先端部まで連続的に傾斜面を有することを特徴とする請求項２３に記載の導波路。

【請求項25】

前記断熱的モード変換機構部は、アレイ化されていることを特徴とする請求項２３または２４に記載の導波路。

【請求項26】

前記アレイ間の距離Ｄは、光波若しくはテラヘルツ波の媒質内波長λに対して、０＜Ｄ＜λであることを特徴とする請求項２５に記載の導波路。

【請求項27】

前記アレイ間の距離Ｄは、λ／８＜Ｄ＜（３／８）λであることを特徴とする請求項２６に記載の導波路。

【請求項28】

前記アレイ間の距離Ｄは、λ／４であることを特徴とする請求項２７に記載の導波路。

【請求項29】

２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波若しくはテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部と
を備え、
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなるテーパー形状を備えることを特徴とするアンテナ構造。

【請求項30】

前記２次元フォトニック結晶スラブには、送信器と、受信器と、２次元フォトニック結晶合分波器と、入出力機構のいずれかを搭載したことを特徴とする請求項２９に記載のアンテナ構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、テラヘルツ波コネクタおよびテラヘルツ波集積回路、および導波路およびアンテナ構造に関し、特に、２次元フォトニック結晶スラブと導波管の接続部の接続損失を低減化可能なテラヘルツ波コネクタおよびテラヘルツ波集積回路、および導波路端における光干渉・多重反射の影響を抑制した無反射構造の導波路およびその導波路を適用したアンテナ構造に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電波と光波の中間の周波数に位置するテラヘルツ波帯（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）では、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用などの研究が活発化しており、その産業化が期待されている。しかし、現状では、テラヘルツ波システムは、大型、立体構造の部品で構成されているため、大型かつ高価である。システム全体を小型化するためには、デバイスを集積化したテラヘルツ波集積回路の実現が不可欠である。

【0003】

テラヘルツ波集積回路の基盤技術としては、光波領域と電波領域、双方の技術の利用が考えられる。しかし、レンズやミラーなどの光学部品は大型、かつ立体構造であり、集積化には向かない。また、電波領域で使われる中空金属導波管は、微細な立体構造のため、作成が困難となる。さらに、平面金属伝送路は、金属の吸収の影響が大きくなるため、導波損失が大きくなる。

【0004】

テラヘルツ波集積回路の基盤技術として、光波領域では進展の著しい２次元フォトニック結晶（２Ｄ ＰＣ：Two Dimensional Photonic Crystal）スラブの適用が検討されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。

【0005】

テラヘルツ波帯の導波管は、ＷＲ６（１１０ＧＨｚ−１７０ＧＨｚ）〜ＷＲ１（０．７５ＴＨｚ〜１．１ＴＨｚ）で規格化されている。その断面サイズは、１６５１μｍ×８２６μｍ〜２５４μｍ×１２７μｍと小さいが、機械加工で形成され、接続にはネジでの固定を行う必要がある。例えば、ＷＲ３（２２０ＧＨｚ−３２５ＧＨｚ）では、約０．５ｄＢ程度の損失がある（例えば、非特許文献４参照。）。

【0006】

また、ミリ波周波数帯における２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の共鳴および導波路線欠陥モードについても検討されている（例えば、非特許文献５参照。）。

【0007】

また、フォトニック結晶導波路においては、一般にテラヘルツ波帯に限らず、導波路の終端部分が半導体／空気の大きな屈折率差をもつため、端面反射による光干渉（ファブリペロー共振）・多重反射の影響がある（例えば、非特許文献６参照。）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】石垣司、冨士田誠之、および永妻忠夫, “テラヘルツ波集積回路に向けたフォトニック結晶スラブの検討”, 2012年電子情報通信学会総合大会, 岡山, no. C-14-19, 2012. (2012/3/21)

【非特許文献2】ティ・イシガキ、エム・フジタ、エム・ナガイ、エム・アシダ、およびティー・ナガツマ（T. Ishigaki, M. Fujita, M. Nagai, M. Ashida and T. Nagatsuma）著, “テラヘルツ波集積回路用フォトニック結晶スラブ（Photonic-crystal slab for terahertz-wave integrated circuits）”, IEEE Photonics Conference 2012 (IPC2012), Burlingame, no. ThJ3, Sep. 27th, pp. 774-775, 2012.

【非特許文献3】永妻忠夫、冨士田誠之、向井俊和、鶴田一魁、および大西大，“共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ無線技術の現状と展望”, NICT 講演会テラヘルツ波の産業応用の可能性(東京)(2013/1/16).

【非特許文献4】エル・ビー・ローク、エス・シン、エイ・ウィルソン、およびケイ・エルガイド (L. B. Lok, S. Singh, A. Wilson and K. Elgaid) 著, "１４０ＧＨｚ−３２５ＧＨｚ帯におけるネットワークアナライザの較正特性に対する導波路開口寸法およびミスアラインメントの影響（Impact of waveguide aperture dimensions and misalignment on the calibrated performance of a network analyzer from 140 to 325GHz）", Microwave Measurement Conference, 2009 73rd ARFTG, Digital Object Identifier: 10.1109/ARFTG.2009.5278062

【非特許文献5】エム・シュスター、オー・アントニアク、ピー・ラール、およびエヌ・クライン（M. Schuster, O. Antoniuk, P. Lahl, and N. Klein）著,“ミリ波周波数帯における２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の共鳴および導波路線欠陥モード（Resonant and waveguiding defect modes in a two-dimensional electromagnetic band-gap slab structure for millimeter wave frequencies）”, J. Appl. Phys. 97, 044912 (2005).

【非特許文献6】ヒトミチ・タカノ、ヨシヒロ・アカハネ、タカシ・アサノ、およびススム・ノダ（Hitomichi Takano, Yoshihiro Akahane, Takashi Asano and Susumu Noda）著, “２次元フォトニック結晶スラブにおける面内型チャネルドロップフィルタ（In-plane-type channel drop filter in a two-dimensional photonic crystal slab”, Appl. Phys. Lett. 84, 2226 (2004).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

導波管はコストが高く、接続損失の点で問題がある。また、テラヘルツ波伝送路として、金属伝送路も提案されているが、吸収損失の点で問題がある。

【0010】

非特許文献５においては、Ｗバンドのミリ波帯（７５ＧＨｚ−１００ＧＨｚ）において、２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の入出力伝送損について検討されているが、詳細構造については、開示されていない。

【0011】

また、端面反射による光干渉・多重反射の影響の結果は、ノイズや通信帯域制限の原因等になり、デバイスの利用や精確な評価を困難にしている。

【0012】

本発明の目的は、２次元フォトニック結晶スラブと導波管の接続部の接続損失を低減化可能なテラヘルツ波コネクタおよびそのテラヘルツ波コネクタを適用したテラヘルツ波集積回路を提供することにある。

【0013】

また、本発明の目的は、導波路端における光干渉・多重反射の影響を抑制した無反射構造の導波路およびその導波路を適用したアンテナ構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明の一態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部とを備え、前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなるテーパー形状を備えるテラヘルツ波コネクタが提供される。

【0015】

本発明の他の態様によれば、上記のテラヘルツ波コネクタを前記２次元フォトニック結晶スラブの入出力部の少なくとも一方に備えたテラヘルツ波集積回路が提供される。

【0016】

本発明の他の態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波若しくはテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部とを備え、前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなるテーパー形状を備える導波路が提供される。

【0017】

本発明の他の態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波若しくはテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部とを備え、前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、末端部から先端部まで連続的に細くなるテーパー形状を備えるアンテナ構造が提供される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、２次元フォトニック結晶スラブと導波管の接続部の接続損失を低減化可能なテラヘルツ波コネクタおよびそのテラヘルツ波コネクタを適用したテラヘルツ波集積回路を提供することができる。

【0019】

本発明によれば、２次元フォトニック結晶スラブの導波路端における光干渉・多重反射の影響を抑制した無反射構造の導波路およびその導波路を適用したアンテナ構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】基本技術に係る２次元フォトニック結晶スラブの模式的鳥瞰図。

【図2】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図3】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタの保護構造の模式的平面構成図。

【図4】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタと導波管との極低損失接続部の模式的鳥瞰構成図。

【図5】第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図6】第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図7】（ａ）第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図、（ｂ）第１の実施の形態の変形例４に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図8】（ａ）第１の実施の形態の変形例５に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図、（ｂ）第１の実施の形態の変形例６に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図9】（ａ）第１の実施の形態の変形例７に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図、（ｂ）第１の実施の形態の変形例８に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図、（ｃ）第１の実施の形態の変形例９に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図10】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタと導波管との極低損失接続部の詳細な平面構成図。

【図11】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用可能な２次元フォトニック結晶スラブの格子点の周期構造であって、（ａ）正方格子例、（ｂ）三角格子例。

【図12】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタに適用可能な２次元フォトニック結晶スラブの格子点の周期構造であって、（ａ）長方格子例、（ｂ）菱型格子例。

【図13】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを入出力接続部に備える２次元フォトニック結晶スラブを用いた分光システムの実験系の写真例。

【図14】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを入出力接続部に備える２次元フォトニック結晶スラブを用いた実験系の図１３に対応する模式的ブロック構成図。

【図15】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタの有無による２次元フォトニック結晶スラブと導波管との間における透過率Ｔと周波数ｆとの関係の特性例（Ｃ₀：テラヘルツ波コネクタが無い場合、Ｃ₁：テラヘルツ波コネクタが有る場合）。

【図16】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタによる２次元フォトニック結晶スラブと導波管との間における透過率Ｔと周波数ｆとの関係の特性例（Ｇ₀：テラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間にギャップが無い場合、Ｇ：テラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間にギャップが有る場合）。

【図17】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間にギャップが無い場合の模式的平面構成図。

【図18】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間にギャップが有る場合の模式的平面構成図。

【図19】第１の実施の形態の変形例１０に係るテラヘルツ波コネクタの模式的平面構成図。

【図20】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタの透過率の周波数特性の理論解析結果（テラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間に適切なギャップが無い場合）。

【図21】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用した２次元フォトニック結晶スラブの透過率の周波数特性の実験結果（Ａ：２次元フォトニック結晶導波路＋テラヘルツ波コネクタ、Ｂ：２次元フォトニック結晶導波路無し＋テラヘルツ波コネクタ）。

【図22】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用した２次元フォトニック結晶スラブの透過率の周波数特性の実験結果（テラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間に適切なギャップが有る場合）。

【図23】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置される格子点の格子定数ａと２次元フォトニック結晶導波路の導波帯域周波数ｆとの関係の電磁界シミュレーション結果。

【図24】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用可能な２次元フォトニック結晶スラブの材料としてシリコンを用いた場合の伝送損失とシリコンの抵抗率との関係を示す図。

【図25】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用したテラヘルツ波集積回路の模式的鳥瞰図。

【図26】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用したテラヘルツ波集積回路上の合分波器の配置構成の説明図。

【図27】第２の実施の形態に係る導波路を適用したアンテナ構造の模式的鳥瞰構成図。

【図28】（ａ）第２の実施の形態に係る導波路を適用したフォトニック結晶導波路における反射率Ｒと周波数ｆとの関係を示すシミュレーション結果、（ｂ）第２の実施の形態に係る導波路およびその導波路を適用したフォトニック結晶導波路の模式的鳥瞰構成図。

【図29】（ａ）比較例として、無反射構造の導波路を適用しない場合のフォトニック結晶導波路における反射率Ｒと周波数ｆとの関係を示すシミュレーション結果、（ｂ）比較例として、無反射構造の導波路を適用しない場合のフォトニック結晶導波路の模式的鳥瞰構成図。

【図30】第２の実施の形態に係る導波路を適用したフォトニック結晶導波路における透過強度と周波数ｆとの関係を示す実験結果（透過スペクトルの一例）。

【図31】第２の実施の形態に係る導波路を適用したフォトニック結晶導波路における３次元電磁界放射パターンのシミュレーション結果。

【図32】第２の実施の形態に係る導波路を適用したフォトニック結晶導波路におけるテーパー先端方向ＤＴに指向性を示す断面放射パターンのシミュレーション結果。

【図33】第２の実施の形態に係る導波路の断熱的モード変換機構部（テーパー部）をアレイ化した構造例であって、（ａ）２アレイアンテナの例、（ｂ）３アレイアンテナの例、（ｃ）４アレイアンテナの例、（ｄ）４アレイアンテナの別の例。

【図34】第２の実施の形態に係る導波路のテーパー部をアレイ化した構造例であって、（ａ）８アレイアンテナの例、（ｂ）２４アレイアンテナの例。

【図35】第２の実施の形態に係る導波路のテーパー部をアレイ化した構造におけるアンテナ利得（ｄＢｉ）とアレイ数Ｎとの関係のシミュレーション結果。

【発明を実施するための形態】

【0021】

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0022】

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【0023】

[第１の実施の形態]
基本技術に係る２次元フォトニック結晶スラブ１２は、図１に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２に対して、テラヘルツ波の波長と同程度の周期構造を有する格子点１２Ａを形成した構造を備える。図１の例では、周期構造を有する格子点１２Ａが三角格子を有する。基本技術に係る２次元フォトニック結晶スラブ１２は、図１に示すように、波長と比較して小さな（λ／４以下）の端面からテラヘルツ入力波Ｗ_iを入力し、テラヘルツ出力波Ｗ_oを出力するため、入出力部における結合損失が相対的に大きい。入出力部における結合効率は、例えば、約〜数％以下である。

【0024】

（素子構造）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１は、図２に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した断熱的モード変換機構部１０とを備える。

【0025】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０は、図２に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えていても良い。また、テーパー形状の側面は、図２に示すように、傾斜面を備えていても良い。

【0026】

また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１は、図３に示すように、断熱的モード変換機構部１０を樹脂層３８などで被覆した保護構造を備えていても良い。ここで、樹脂層３８としては、例えば、紫外線硬化樹脂・熱硬化樹脂等のポリマー樹脂等を適用可能である。

【0027】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１と導波管２８との極低損失接続部は、図４に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置された断熱的モード変換機構部１０を導波管２８の導波管導波路３６内に挿入することによって実現可能である。

【0028】

すなわち、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１においては、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に断熱的モード変換機構部１０を導入し、結晶端面構造を工夫することで、導波管フランジ３４に近接する結晶端面における余計な表面波を抑制することによって、導波管２８への極低損失な接続を行うことができる。

【0029】

（変形例１）
第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０Ａは、図５に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は曲面を有していても良い。ここで、この曲面は、双曲面若しくは指数関数面を有していても良い。

【0030】

（変形例２）
第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０Ｂは、図６に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は複数の段差面を有していても良い。

【0031】

（変形例３）
第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０Ａは、図７（ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は曲面を有していても良い。図７（ａ）の形状は、図５の形状に比べて、相対的に断熱的モード変換機構部１０Ａの長さが短く設定されている。

【0032】

（変形例４）
第１の実施の形態の変形例４に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０Ｃは、図７（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる円錐型形状を備えていても良い。ここで、円錐型形状の変形例には、図７（ｂ）に示すようなトランペット型形状のみならず、単純な円錐形状が含まれていても良い。

【0033】

（変形例５）
第１の実施の形態の変形例５に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０は、図８（ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる四角錘形状を備えていても良い。

【0034】

（変形例６）
第１の実施の形態の変形例６に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０は、図８（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる楔型形状を備えていても良い。

【0035】

（変形例７）
第１の実施の形態の変形例７に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０は、図９（ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる複数の階段型形状を備えていても良い。

【0036】

（変形例８）
第１の実施の形態の変形例８に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０は、図９（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる撥型形状を備えていても良い。ここで、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は曲面を有する。

【0037】

（変形例９）
第１の実施の形態の変形例９に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０は、図９（ｃ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の幅が薄くなる楔型形状を備えていても良い。ここで、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は傾斜面を有する。

【0038】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、断熱的モード変換機構部１０の構造は、図２〜図９に示された構造に限定されるものではなく、これらの構造のいずれかを組み合わせた構造も用いることも可能である。例えば、四角錘形状の側面に複数の段差形状を導入しても良い。あるいは、円錐形状若しくは円錐型トランペット形状の側面に複数の段差形状を導入しても良い。

【0039】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、樹脂層３８で被覆された断熱的モード変換機構部１０は、図１０に示すように、導波管導波路３６内に挿入される。図１０において、導波管導波路３６の開口部Ｘ・Ｙは、例えば、約０．４ｍｍ・約０．８ｍｍである。また、断熱的モード変換機構部１０の底部の厚さＹ₀は、例えば、約０．２ｍｍである。

【0040】

２次元フォトニック結晶スラブ１２は、２次元周期構造を有する誘電体板構造である。その設計により、電磁モードが存在できないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Photonic Band Gap）が現れる。さらに周期構造を乱すことで、ＰＢＧ内に導波モードや共振モードを導入し、波長サイズ以下の微小領域での低損失な導波路や共振器を実現することができる。

【0041】

ここで、ＰＢＧの帯域幅は、誘電体の屈折率に依存し、高屈折率材料が望ましい。

【0042】

実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を接続部に備える２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料は、半導体材料で形成されていても良い。

【0043】

半導体材料としては、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。特に、高抵抗Ｓｉは、テラヘルツ波帯で高い屈折率を有し、材料吸収が少ない。

【0044】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの周期構造であって、正方格子の例は、図１１（ａ）に示すように模式的に表され、三角格子の例は、図１１（ｂ）に示すように模式的に表される。

【0045】

また、実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの周期構造であって、長方格子の例は、図１２（ａ）に示すように模式的に表され、菱型格子（面心長方格子）の例は、図１２（ｂ）に示すように模式的に表される。

【0046】

また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの孔形状を備えていても良い。また、格子点１２Ａの孔形状は、貫通していても良く、凹部構造を有していても良い。さらに、２次元フォトニック結晶スラブ１２を構成する材料に所定の濃度で不純物ドーピングが実施されていても良い。

【0047】

また、格子点１２Ａは、例えば、空気孔として形成しても良く、或いは屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対してＡｌＧａＡｓ層を充填して形成しても良い。

【0048】

また，第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、格子点１２Ａ（孔）に関しては、空気の孔を空けるだけでなく、孔（の一部）を低屈折率（誘電率）の媒質で埋める構造も可能である。低屈折率（誘電率）の媒質としては、例えば、テフロン、フッ素樹脂、ポリイミド、アクリル、ポリエステル、エポキシ樹脂、液晶、ポリウレタンなどのポリマー材料を適用可能である。さらに、低屈折率（誘電率）の媒質としては、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、サファイアなどの誘電体も適用可能である。さらに、低屈折率（誘電率）の媒質としては、エアロゲルなどの多孔質体も適用可能である。

【0049】

また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の上下の主面を低屈折率の媒質で挟み込んだ積層構造を採用しても良い。

【0050】

また、実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の上下の主面の内、上面もしくは下面のみに低屈折率の媒質を付加した積層構造も適用可能である。

【0051】

また，第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、低屈折率なプリント基板の上に２次元フォトニック結晶スラブ１２が搭載された構成を採用しても良い。

【0052】

また，実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の上下の主面を金属で挟み込んだ積層構造を採用しても良い。

【0053】

また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の上下の主面の内、上面もしくは下面のみに金属を付加した積層構造も適用可能である。テラヘルツ帯では金属による吸収損失は増えるが、光波領域よりは吸収損失は高くは無いため、上記の金属を積層する構成を採用しても良い。

【0054】

また、２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料としては、半導体に限らず、高屈折率の媒質ならば適用可能である。例えば、ＭｇＯ(酸化マグネシウム)はテラヘルツ波帯での屈折率が約３．１と高い誘電体（絶縁体）になるため、２次元フォトニック結晶スラブ１２に適用可能である。

【0055】

（分光システムの実験系）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを入出力接続部に備える２次元フォトニック結晶スラブを用いた分光システムの実験系の写真例は、図１３に示すように表される。また、図１３に対応する模式的ブロック構成は、図１４に示すように表される。

【0056】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を入出力接続部に備える２次元フォトニック結晶スラブ１２を用いた分光システムは、図１３および図１４に示すように、マイクロ波発振器（シンセサイザ）３０と、シンセサイザ３０に接続された逓倍器（×３）２４₂と、逓倍器２４₂に接続された逓倍器（×３）２４₁と、逓倍器２４₁に接続された導波管２８と、導波管２８に接続された２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２に接続された導波管２６と、導波管２６に接続されたミキサ２２と、ミキサ２２に接続されたスペクトラムアナライザ３２とを備える。

【0057】

抵抗率３０００ΩｃｍのＳｉ基板を用い、導波管２６・２８との入出力構造として、テーパー構造を設けた長さ約１９ｍｍの２次元フォトニック結晶導波路１４を作製した。また、２次元フォトニック結晶導波路１４のない２次元フォトニック結晶スラブも比較のため作製した。

【0058】

マイクロ波発振器（シンセサイザ）３０、逓倍器２４₁・２４₂、スペクトラムアナライザ３２、ＷＲ３導波管２６・２８で構成される分光システム（図１３・図１４）を用い、作製した実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を入出力接続部に備える２次元フォトニック結晶スラブ（サンプル）１２を導波管２６・２８と接続し、逓倍器２４₁から２次元フォトニック結晶スラブ（サンプル）１２への入力信号周波数を０．２８ＴＨｚ−０．３９ＴＨｚの範囲で変化させ、スペクトラムアナライザ３２で透過特性を測定した。

【0059】

（テラヘルツ波コネクタの有無による透過特性）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１の有無による２次元フォトニック結晶スラブ１２と導波管２６・２８との間における透過率Ｔと周波数ｆとの関係は、図１５に示すように表される。図１５において、曲線Ｃ₀は、テラヘルツ波コネクタ１が無い場合に対応し、曲線Ｃ₁は、テラヘルツ波コネクタ１が有る場合で、かつテラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０・３４間に適切なギャップが無い場合に対応する。実験に用いたテラヘルツ波コネクタ１の構造は、図２と同様の構成を備え、断熱的モード変換機構部１０の長さ（テーパー長Ｌ₁）は、約３ｍｍである。

【0060】

図１５から明らかなように、実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１の導入により、透過率Ｔが増大する。尚、曲線上Ｄ₀部分の特定の周波数において、約６ｄＢ程度の透過率低下が観測されている。

【0061】

断熱的モード変換機構部１０の長さ（テーパー長Ｌ₁）を短くすることで、表面波との結合状態が変化し、透過率の低下する周波数が変化する。ただし、透過率Ｔの低くなる現象が現れる。テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０・３４間に適切なギャップを設けることによって、後述する図２２に示すように、０．３１４ＴＨｚ−０．３３７ＴＨｚの帯域ｆｗ１に相当する約２３ＧＨｚの範囲内では、０．１ｄＢ以下という極めて低損失な透過特性が得られ、透過率Ｔの低くなる現象も改善可能である。

【0062】

（テラヘルツ波コネクタと導波管フランジとの間のギャップの有無による透過特性）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０との間のギャップの有無による２次元フォトニック結晶スラブ１２と導波管２６との間における透過率Ｔと周波数ｆとの関係は、図１６に示すように表される。図１６において、破線の曲線Ｇ₀は、テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０間にギャップが無い場合（図１７）に相当し、実線で表された曲線Ｇは、テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０間にギャップが有る場合（図１８）に相当する。ここで、断熱的モード変換機構部１０の長さ（テーパー長Ｌ₁）は、約３ｍｍである。

【0063】

テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０間にギャップが無い場合には、図１７に示すように、導波管フランジ４０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に接している。一方、テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０間にギャップが有る場合は、図１８に示すように、導波管フランジ４０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面からギャップ距離Ｗ_Gだけ離隔して配置されている。

【0064】

テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０間にギャップが無い場合には、図１７に示すように、導波管フランジ４０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に接しているため、テラヘルツ入力波ｈν_iの表面モードの励起によって、特定周波数における透過率の低下が観測される。

【0065】

一方、テラヘルツ波コネクタ１と導波管フランジ４０間にギャップが有る場合は、図１８に示すように、導波管フランジ４０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面からギャップ距離Ｗ_Gだけ離隔して配置されているため、テラヘルツ入力波ｈν_iの表面モードを抑制することができる。特に、ギャップ距離Ｗ_G＞波長／３とすることが望ましい。

【0066】

図１７および図１８に示された構成上、実験に用いたテラヘルツ波コネクタ１の構造は、図２と同様の構成を備え、断熱的モード変換機構部１０の長さＬ₁は、約３ｍｍである。

【0067】

実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１においては、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に断熱的モード変換機構部１０を導入し、結晶端面構造を工夫して、導波管フランジ４０を２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面からギャップ距離Ｗ_Gだけ離隔して配置することによって、導波管フランジ４０に近接する結晶端面における余計な表面波を抑制することによって、導波管２６との極低損失な接続を行うことができる。

【0068】

（変形例１０）
図１８に示されたギャップ構造を断熱的モード変換機構部１０の周辺部においてのみ形成しても良い。

【0069】

第１の実施の形態の変形例１０に係るテラヘルツ波コネクタ１の模式的平面構成は、図１９に示すように表される。

【0070】

第１の実施の形態の変形例１０に係るテラヘルツ波コネクタ１においては、ギャップ領域１２Ｂを形成するために、断熱的モード変換機構部１０の底辺部分の２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に、端面方向の長さＷ₂で深さ（ギャップ距離）Ｗ₁のリセス構造を形成している。すなわち、断熱的モード変換機構部１０が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、図１９に示すように、断熱的モード変換機構部１０の底辺の周辺部において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジ（４０）との間にギャップ距離Ｗ₁を備え、導波管フランジから離隔していても良い。

【0071】

第１の実施の形態の変形例１０に係るテラヘルツ波コネクタ１においては、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に断熱的モード変換機構部１０を導入し、結晶端面構造を工夫して、導波管フランジ４０を２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面からギャップ距離Ｗ₁だけ離隔して配置することによって、導波管フランジ４０に近接する結晶端面における余計な表面波を抑制することによって、導波管２６との極低損失な接続を行うことができる。特に、ギャップ距離Ｗ₁＞波長／３とすることが望ましい。

【0072】

(理論解析結果)
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１の透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性の理論解析結果（テラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間に適切なギャップが無い場合）は、図２０に示すように表される。図２０において、帯域ｆｗは、２次元フォトニック結晶導波路１４のＰＢＧに基づく帯域を表す。ここで、テーパー長Ｌ₁＝４．５ｍｍである。

【0073】

実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１は、２次元フォトニック結晶導波路１４の導波帯域全体にわたり、３ｄＢ以下の低損失が得られる。特に、２次元フォトニック結晶導波路１４内におけるファブリペロー共振を抑制可能であれば、０．３ｄＢ以下の低損失も得られる。

【0074】

（実験結果）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用した２次元フォトニック結晶スラブ１２の透過率Ｔの周波数特性の実験結果は、図２１に示すように表される。図２１において、曲線Ａは、２次元フォトニック結晶導波路＋テラヘルツ波コネクタの構成に対応し、曲線Ｂは、２次元フォトニック結晶導波路無し＋テラヘルツ波コネクタの構成に対応する。

【0075】

図２１に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４の無い場合（曲線Ｂ）では、ＰＢＧ帯域（０．３０ＴＨｚ−０．３９ＴＨｚ）での伝播が禁止されるため、ＰＢＧ帯域における透過率Ｔ（ｄＢ）は、−４０ｄＢ〜−６０ｄＢ程度であり、きわめて低い。一方、２次元フォトニック結晶導波路１４の有る場合（曲線Ａ）では、その伝播領域となる０．３１ＴＨｚ以上で導波モードが現れ、特に、図２１中においてｆｗ２で示される０．３１１ＴＨｚ−０．３２５ＴＨｚの範囲では、約１ｄＢ以下の極低損失特性が得られている。

【0076】

さらに、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用した２次元フォトニック結晶スラブの透過率の周波数特性の実験結果（テラヘルツ波コネクタと導波管フランジ間に適切なギャップが有る場合）は、図２２に示すように表される。図２２において、帯域ｆｗ１は、０．３１４ＴＨｚ−０．３３７ＴＨｚの帯域に相当する。図２２から明らかなように、帯域ｆｗ１に相当する約２３ＧＨｚの範囲内では、０．１ｄＢ以下という極めて低損失な透過特性が得られている。

【0077】

（格子定数と動作可能周波数との関係）
２次元周期構造を有する誘電体板構造の周期構造に線欠陥を導入することで、２次元フォトニック結晶導波路が形成される。面内方向の電磁モードが存在できないＰＢＧ効果と２次元フォトニック結晶スラブ平面に対して垂直な上下方向の全反射効果によって、電磁波を誘電体内に閉じ込めることが可能である。このため、２次元フォトニック結晶導波路は、伝播損失が小さい。

【0078】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置される格子点１２Ａの格子定数ａと２次元フォトニック結晶導波路１４の導波帯域周波数ｆとの関係の電磁界シミュレーション結果は、図２３に示すように表される。

【0079】

図２３に示すように、格子定数ａを小さくすることで動作周波数帯を高周波に変化させることができる。例えば、格子定数ａ＝８０μｍでは約０．９ＴＨｚから約１．１ＴＨｚ、格子定数ａ＝２４０μｍ（実験構造）では約０．３１ＴＨｚから約０．３８ＴＨｚ、格子定数ａ＝７５０μｍでは約０．１０ＴＨｚから約０．１２ＴＨｚにおける動作が可能である。

【0080】

また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタを適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置される格子点１２Ａの格子定数ａとＰＧＢ周波数との関係の電磁界シミュレーション結果によれば、格子定数ａを小さくすることでＰＧＢ周波数帯を高周波に変化させることができる。例えば、格子定数ａ＝８０μｍでは約０．９ＴＨｚから約１．１ＴＨｚ、格子定数ａ＝２４０μｍ（実験構造）では約０．３０ＴＨｚから約０．３８ＴＨｚ、格子定数ａ＝７２０μｍでは約０．１０ＴＨｚから約０．１３ＴＨｚにおいて、ＰＧＢ周波数帯域が発現する。

【0081】

（伝送損失とシリコンの抵抗率との関係）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料としてＳｉを用いた場合の伝送損失とＳｉの抵抗率との関係の電磁界シミュレーション結果は、図２４に示すように表される。図２４には、２次元フォトニック結晶を構成するシリコン（Ｓｉ）の吸収損失をドルーデモデル（Drude model）で考慮し、電磁界シミュレーションによってＳｉの抵抗率（Ωｃｍ）に対する伝播損失（ｄＢ／ｃｍ）を求めた結果が示されている。ここでは、厚さ２００μｍのＳｉに直径１４４μｍの円形三角格子を格子定数ａ＝２４０μｍで配列し、０．３０ＴＨｚ−０．３９ＴＨｚにＰＢＧ帯域を持つ２次元フォトニック結晶スラブを用いた。

【0082】

図２４より、Ｓｉの抵抗率が３０００Ωｃｍ以上で、伝播損失が０．２（ｄＢ／ｃｍ）以下になることがわかる。この値は、０．３ＴＨｚ帯における金属の吸収損失が影響する金属伝送路や導波管と比較して小さい値である。すなわち、２次元フォトニック結晶導波路がテラヘルツ波集積回路の伝送線路として十分に適用可能であることがわかる。特に、高抵抗Ｓｉを用いた２次元フォトニック結晶導波路１４は、極低損失である。

【0083】

（テラヘルツ波集積回路）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１は、テラヘルツ波集積回路に適用可能である。

【0084】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を２次元フォトニック結晶スラブ１２の入出力部の少なくとも一方に備えたテラヘルツ波集積回路２の模式的鳥瞰構成は、図２５に示すように表される。また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用したテラヘルツ波集積回路２上の合分波器の構成は、図２６に示すように表される。

【0085】

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用したテラヘルツ波集積回路２は、図２５に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した断熱的モード変換機構部１０とを備える。

【0086】

更に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１を適用したテラヘルツ波集積回路２は、図２５に示すように、複数の送受信器１８₁・１８₂・１８₃・１８₄・１８₅・１８₆と、アンテナ１６と、フォトニック結晶合分波器２０とを備えていても良い。ここで、複数の送受信器１８₁・１８₂・１８₃・１８₄・１８₅・１８₆は、複数の異なる周波数ｆ₁・ｆ₂・ｆ₃・ｆ₄・ｆ₅・ｆ₆を有するテラヘルツ波を送受信可能である。図２５において、周波数ｆ₁・ｆ₂・ｆ₃・ｆ₄・ｆ₅・ｆ₆に対応して表示された矢印は、送信若しくは受信方向を示す。

【0087】

２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置される格子点１２Ａの周期構造を乱すことで、図２６に示すように、特定周波数の入出力を可能とする合分波器を形成可能である。このような合分波器は、図２５および図２６に示すように、破線で囲まれた合分波器形成領域Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｕ、Ｖに形成される。合分波器の周波数帯は、格子点１２Ａの孔の埋め方（個数）、埋めた周りの孔の大きさ、孔の位置のシフト、孔の周りの周期の大きさの変更などで調整可能である。例えば、孔を小さくしたり、個数を増やしたり、周期を大きくすると低周波数側に適用可能な周波数帯がシフトする。一方、孔を大きくしたり、個数を減らしたり、周期を小さくすると高周波数側へ適用可能な周波数帯がシフトする。すなわち、孔を大きくすると、テラヘルツ波の感じる屈折率が小さくなるために高周波側に移動し、逆に孔を大きくすると、テラヘルツ波の感じる屈折率が大きくなるために抵周波側に移動する。

【0088】

例えば、破線で囲まれた合分波器形成領域Ｐでは、周りの孔の大きさを大きく設定している。合分波器形成領域Ｑでは、周りの孔１２Ｃの大きさを小さく設定している。合分波器形成領域Ｖでは、小さな孔１２Ｓを導入している。合分波器形成領域Ｓでは、矢印で示されるように、２個の孔を内側にシフトしている。合分波器形成領域Ｒでは、矢印で示されるように、２個の孔を外側にシフトしている。合分波器形成領域Ｕでは、中央の孔を埋めて個数を減らしている。以上の合分波器形成領域の構成は一例である。

【0089】

[第２の実施の形態]
（無反射構造の導波路）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタの断熱的モード変換機構部（テーパー構造）１０では、屈折率が、例えば、約３と高い半導体から、屈折率が、例えば、約１と低い媒質に向けて断熱的に屈折率が低くなる。このため、端面反射の影響を大幅に低減することが可能である。この断熱的モード変換機構部１０は、フォトニック結晶導波路に集積化・一括形成可能な無反射構造である。したがって、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタは、導波管との接続以外にも重要な役割を果たす。すなわち、単にコネクタに限定されず、無反射構造の導波路若しくは無反射構造の放射器などとしても適用可能である。また、取り扱う周波数帯域もテラヘルツ波帯に限定されず、一般的な光波も含まれる。この場合、フォトニック結晶は、格子点１２Ａの格子定数ａを微細化し、動作波長が、例えば、約１μｍ〜２μｍ帯で、格子定数ａは、例えば、約２５０ｎｍ〜約５００ｎｍなどとすれば良い。また、格子点１２Ａの直径・深さは、例えば、約２００ｎｍ・３００ｎｍ程度である。これらの数値例は、２次元フォトニック結晶スラブ１２を構成する材料系および波長などによって適宜変更可能である。例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した２次元フォトニック結晶スラブ１２においては、波長としては、約２００ｎｍ〜約４００ｎｍ程度である。

【0090】

第２の実施の形態に係る導波路３における断熱的モード変換機構部１０の構造は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波コネクタ１における断熱的モード変換機構部１０・１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃと同様である。

【0091】

第２の実施の形態に係る導波路３は、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波若しくはテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４Ａと、２次元フォトニック結晶導波路１４Ａが延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した断熱的モード変換機構部１０とを備える。

【0092】

ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４Ａと、２次元フォトニック結晶導波路１４Ａが延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した断熱的モード変換機構部１０によって、フォトニック結晶導波路１４Ａに集積化・一括形成可能な無反射構造の導波路構造が形成される。

【0093】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図２と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えていても良い。また、テーパー形状の側面は、図２と同様に、傾斜面を備えていても良い。

【0094】

また、第２の実施の形態に係る導波路３は、図３と同様に、断熱的モード変換機構部１０を樹脂層３８などで被覆した保護構造を備えていても良い。

【0095】

また、実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０Ａは、図５と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は曲面を有していても良い。ここで、この曲面は、双曲面若しくは指数関数面を有していても良い。

【0096】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０Ｂは、図６と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は複数の段差面を有していても良い。

【0097】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０Ａは、図７（ａ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は曲面を有していても良い。

【0098】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０Ｃは、図７（ｂ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる円錐型形状を備えていても良い。ここで、円錐型形状の変形例には、図７（ｂ）と同様に、トランペット型形状のみならず、単純な円錐形状が含まれていても良い。

【0099】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図８（ａ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる四角錘形状を備えていても良い。

【0100】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図８（ｂ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる楔型形状を備えていても良い。

【0101】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図９（ａ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる複数の階段型形状を備えていても良い。

【0102】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図９（ｂ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる撥型形状を備えていても良い。ここで、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は曲面を有する。

【0103】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図９（ｃ）と同様に、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の幅が薄くなる楔型形状を備えていても良い。ここで、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備え、かつテーパー形状の側面は傾斜面を有する。

【0104】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０は、図１９と同様に、底辺部分の２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に、端面方向の長さＷ₂で深さ（ギャップ距離）Ｗ₁のリセス構造を形成していても良い。すなわち、断熱的モード変換機構部１０が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０の底辺の周辺部において、結晶端面における余計な表面波を抑制することができる。特に、ギャップ距離Ｗ₁＞波長／３とすることが望ましい。

【0105】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０の構造は、上記の構造に限定されるものではなく、これらの構造のいずれかを組み合わせた構造も用いることも可能である。例えば、四角錘形状の側面に複数の段差形状を導入しても良い。あるいは、円錐形状若しくは円錐型トランペット形状の側面に複数の段差形状を導入しても良い。

【0106】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。

【0107】

また、格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。

【0108】

また、第２の実施の形態に係る導波路３において、２次元フォトニック結晶スラブ１２は、半導体材料で形成されていても良い。ここで、半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の内、いずれかを適用可能である。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２は、抵抗率は３０００Ωｃｍ以上のシリコンで形成されていても良い。

【0109】

（アンテナ構造）
第２の実施の形態に係る導波路３は、その導波路３を用いた光デバイス一般において、無反射効果を有するため、例えば、アンテナ構造１４０にも適用可能である。
第２の実施の形態に係る導波路３を適用したアンテナ構造１４０の模式的鳥瞰構成は、図２７に示すように表される。

【0110】

第２の実施の形態に係る導波路３を適用したアンテナ構造１４０は、図２７に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波若しくはテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４Ａと、２次元フォトニック結晶導波路１４Ａが延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路１４Ａが延伸した断熱的モード変換機構部１０とを備える。

【0111】

更に、第２の実施の形態に係る導波路３を適用したアンテナ構造１４０は、図２７に示すように、入出力機構６０と、フォトニック結晶合分波器２０と、送信器１８Ｔと、受信器１８Ｒと、２次元フォトニック結晶導波路１４Ａと、２次元フォトニック結晶導波路１４Ａの終端構造となる無反射構造の導波路３とを備える。入出力機構６０は、自由空間からのカプラであって、１次元フォトニック結晶からなるグレーティングカプラで構成される。

【0112】

（反射率のシミュレーション結果）
第２の実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおける反射率Ｒと周波数ｆとの関係を示すシミュレーション結果は、図２８（ａ）に示すように表され、第２の実施の形態に係る導波路３およびその導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａの模式的鳥瞰構成は、図２８（ｂ）に示すように表される。ここで、図２８（ｂ）に示された導波路３は、断熱的モード変換機構部１０の底辺部分の２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に、図１９と同様に、リセス構造を備える。

【0113】

また、比較例として、無反射構造の導波路を適用しない場合のフォトニック結晶導波路１４における反射率Ｒと周波数ｆとの関係を示すシミュレーション結果は、図２９（ａ）に示すように表され、比較例として無反射構造の導波路を適用しない場合のフォトニック結晶導波路１４の模式的鳥瞰構成は、図２９（ｂ）に示すように表される。

【0114】

図２８（ａ）および図２９（ａ）において、フォトニック結晶導波路導波域はΔＦ（ＰＣ）で表される。

【0115】

第２の実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおいては、図２８（ａ）に示すように、ΔＦ（ＰＣ）（０．３１３ＴＨｚ−０．３９５ＴＨｚ)における平均反射率Ｒは、約１．１％である。一方、比較例に係るフォトニック結晶導波路１４のΔＦ（ＰＣ）における平均反射率Ｒは、約２６％と高い。しかも、図２９（ａ）に示された結果は、フォトニック結晶導波路１４の片側端面における結果である。このため、実際の値は、図２９（ａ）に示す値よりも大きくなる。

【0116】

第２の実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおいては、ΔＦ（ＰＣ）における平均反射率Ｒは、無反射構造の導波路を適用しない（テーパー構造無し）場合と比較して、約１／２３に抑制されている。なお、実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおいては、図２８（ｂ）に示す構成において、断熱的モード変換機構部１０を形成しない反対側の端面に誘電体多層膜などで形成される反射防止膜を備えていても良い。

【0117】

第２の実施の形態に係る導波路３のテーパー構造の断熱的モード変換機構部１０では、屈折率が、例えば、約３と高い半導体から屈折率が、例えば、約１と低い媒質に向けて、断熱的に屈折率が導波方向に低くなる。そのため、光波もしくはテラヘルツ波をフォトニック結晶中に閉じ込められた導波路から自由空間へ放射する放射器（一種の放射アンテナ）としても働く。また、通常のアンテナ同様に光波もしくはテラヘルツ波を自由空間から導波路へ入力するための入力機構としても動作可能である。

【0118】

（テーパーをもつ導波路の透過実験結果）
第２の実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおける透過強度(ａ.ｕ.)と周波数ｆとの関係を示す実験結果（透過スペクトルの一例）は、図３０に示すように表される。

【0119】

第２の実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおいては、図３０に示すように、 フォトニック結晶導波路１４Ａの先端部がテーパー構造の断熱的モード変換機構部１０を有するため、端面の干渉の影響によるスペクトルの乱れが大幅に軽減されている。

【0120】

（電磁界放射パターンのシミュレーション結果）
第２の実施の形態に係る導波路３を適用したフォトニック結晶導波路１４Ａにおける３次元電磁界放射パターンのシミュレーション結果は、図３１に示すように表される。また、テーパー先端方向ＤＴに指向性を示す断面放射パターンのシミュレーション結果は、図３２に示すように表される。

【0121】

第２の実施の形態に係る導波路３においては、光波若しくはテラヘルツ波は、フォトニック結晶導波路１４Ａからテーパー先端方向へ指向性をもって放射される。
そのアンテナ利得は、例えば、約１０．４４（ｄＢｉ）である。ここで、ｄＢｉは、均一放射に対する指向性強度をｄＢ単位で表した値である。すなわち、均一放射と比べて、何ｄＢ強度が上昇するかという単位を表す。図３１において、均一放射と比べて、電力が３ｄＢ上昇する範囲における指向性は、片側で約４０度である。

【0122】

第２の実施の形態に係る導波路３においては、反射率Ｒの低さを反映して、放射方向の周波数依存性のない広帯域動作のアンテナとして働く。

【0123】

（テーパーのアレイ化の構造例）
また、第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０（テーパー部）をアレイ化した構造例であって、２アレイアンテナの例は図３３（ａ）に示すように表され、３アレイアンテナの例は図３３（ｂ）に示すように表され、４アレイアンテナの例は図３３（ｃ）に示すように表され、４アレイアンテナの別の例は図３３（ｄ）に示すように表される。

【0124】

すなわち、２アレイアンテナでは、図３３（ａ）に示すように、２個のテーパー部１０Ａ₁・１０Ａ₂を備える。３アレイアンテナでは、図３３（ｂ）に示すように、３個のテーパー部１０Ａ₁・１０Ａ₂・１０Ａ₃を備える。４アレイアンテナでは、図３３（ｃ）に示すように、４個のテーパー部１０Ａ₁・１０Ａ₂・１０Ａ₃・１０Ａ₄を備える。さらに、４アレイアンテナの別の例でも、図３３（ｄ）に示すように、４個のテーパー部１０Ａ₁・１０Ａ₂・１０Ａ₃・１０Ａ₄を備える。

【0125】

さらに、第２の実施の形態に係る導波路３において、テーパー部をアレイ化した構造例であって、８アレイアンテナの例は図３４（ａ）に示すように表され、２４アレイアンテナの例は図３４（ｂ）に示すように表される。８アレイアンテナでは、図３４（ａ）に示すように、８個のテーパー部１０Ａ₁・１０Ａ₂・１０Ａ₃・１０Ａ₄・…・１０Ａ₈を備える。さらに、２４アレイアンテナでは、図３４（ｂ）に示すように、２４個のテーパー部１０Ａ₁・１０Ａ₂・１０Ａ₃・…・１０Ａ₂₄を備える。

【0126】

第２の実施の形態に係る導波路３において、断熱的モード変換機構部１０をアレイ化した構造におけるアンテナ利得（ｄＢｉ）とアレイ数Ｎとの関係のシミュレーション結果は、図３５に示すように表される。断熱的モード変換機構部１０をアレイ化することで、開口面積が増大し、放射指向性、すなわち、アンテナ利得を向上可能である。アレイ数Ｎに比例して、最大強度が増大していく。その際、アレイ間の距離Ｄは、０＜Ｄ＜λであれば良い。さらに望ましくは、λ／８＜Ｄ＜（３／８）λであれば良く、Ｄ〜λ／４が最適値である。ここで、λは、実施の形態に係る導波路３において放射若しくは受信される光波若しくはテラヘルツ波の波長である。

【0127】

また、図３３および図３４において、テーパー各部の寸法ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃、ｄ₄の関係は、ｄ₁＞λ、ｄ₄＝ｄ₂＋ｄ₃＞λが望ましい。

【0128】

第２の実施の形態に係る導波路３においては、断熱的モード変換機構部１０（テーパー部）をアレイ化することによって、近視野（Near Field）アレイアンテナを構成可能である。

【0129】

以上説明したように、本発明によれば、２次元フォトニック結晶と導波管の入出力部の接続損失を低減化可能なテラヘルツ波コネクタおよびそのテラヘルツ波コネクタを適用したテラヘルツ波集積回路を提供することができる。

【0130】

また、本発明によれば、２次元フォトニック結晶スラブの導波路端における光干渉（ファブリペロー共振）・多重反射の影響を抑制した無反射構造の導波路およびその導波路を適用したアンテナ構造を提供することができる。

【0131】

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【0132】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【産業上の利用可能性】

【0133】

本発明のテラヘルツ波コネクタは、テラヘルツ波集積回路、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用など幅広い応用分野に適用可能である。

【0134】

本発明の導波路およびアンテナ構造は、情報通信（無線機器、有線機器）、信号処理（光集積回路）応用など幅広い応用分野に適用可能である。

【符号の説明】

【0135】

１…テラヘルツ波コネクタ
２…テラヘルツ波集積回路
３…導波路
１６…アンテナ
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…断熱的モード変換機構部
１０Ａ₁、１０Ａ₂、１０Ａ₃、１０Ａ₄、…、１０Ａ₂₄…テーパー部
１２…２次元フォトニック結晶スラブ
１２Ａ…格子点（空孔）
１２Ｂ…ギャップ領域
１４、１４Ａ…２次元フォトニック結晶導波路
１８、１８₁、１８₂、１８₃、１８₄、１８₅、１８₆…送受信器
１８Ｔ…送信器
１８Ｒ…受信器
２０…フォトニック結晶合分波器
２２…ミキサ
２４₁、２４₂…逓倍器
３０…シンセサイザ
３２…スペクトラムアナライザ
２６、２８…導波管
３４、４０…導波管フランジ
３６…導波管導波路
３８…樹脂層
６０…入出力機構（グレーティングカプラ）
１４０…アンテナ構造
Ｌ₁…テーパー長
ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄、ｆ₅、ｆ₆…周波数
ａ…格子定数
ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃、ｄ₄…（テーパー各部の）寸法
Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｕ、Ｖ…合分波器形成領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】