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特開2022-33605構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022033605
(43)【公開日】2022-03-02
(54)【発明の名称】構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置
(51)【国際特許分類】
H01L 39/22 20060101AFI20220222BHJP
【ＦＩ】
H01L39/22 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020137591
(22)【出願日】2020-08-17
(71)【出願人】
【識別番号】504171134
【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学
(74)【代理人】
【識別番号】110002826
【氏名又は名称】特許業務法人雄渾
(72)【発明者】
【氏名】柏木 隆成
(72)【発明者】
【氏名】門脇 和男
(72)【発明者】
【氏名】南 英俊
(72)【発明者】
【氏名】辻本 学
【テーマコード（参考）】
4M113
【Ｆターム（参考）】
4M113AA01
4M113AA60
4M113AC13
4M113AD32
4M113AD36
4M113BA01
4M113BA04
4M113BA11
4M113CA35
(57)【要約】
【課題】本発明の課題は、高強度の電磁波放射を可能とする構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供することである。
【解決手段】上記課題を解決するため、超伝導素子と、第一及び第二の支持基板とを備え、超伝導素子、第一及び第二の支持基板が、超伝導素子の厚さ方向に電気的に導通するよう積層し、第一及び第二の支持基板には、超伝導素子から発生する電磁波を反射する反射機構を各々備えた構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供する。
これによれば、超伝導素子から発生した電磁波を、第一及び第二の支持基板の間で反射することで、電磁波を２つの支持基板の間に閉じ込めることが可能となる。そして、閉じ込めた電磁波を超伝導素子にフィードバックすることで、超伝導素子で発生する電磁波の位相同期を高め、高強度の電磁波放射が可能になる。
【選択図】図１
【解決手段】上記課題を解決するため、超伝導素子と、第一及び第二の支持基板とを備え、超伝導素子、第一及び第二の支持基板が、超伝導素子の厚さ方向に電気的に導通するよう積層し、第一及び第二の支持基板には、超伝導素子から発生する電磁波を反射する反射機構を各々備えた構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供する。
これによれば、超伝導素子から発生した電磁波を、第一及び第二の支持基板の間で反射することで、電磁波を２つの支持基板の間に閉じ込めることが可能となる。そして、閉じ込めた電磁波を超伝導素子にフィードバックすることで、超伝導素子で発生する電磁波の位相同期を高め、高強度の電磁波放射が可能になる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超伝導体を含む超伝導素子と、
第一の支持基板と、
第二の支持基板と、を備え、
前記超伝導素子、前記第一の支持基板及び前記第二の支持基板が、前記超伝導素子の厚さ方向に電気的に導通するように積層して配置され、
前記第一及び第二の支持基板には、前記超伝導素子から発生する電磁波を反射する反射機構を各々備えることを特徴とする、構造体。
第一の支持基板と、
第二の支持基板と、を備え、
前記超伝導素子、前記第一の支持基板及び前記第二の支持基板が、前記超伝導素子の厚さ方向に電気的に導通するように積層して配置され、
前記第一及び第二の支持基板には、前記超伝導素子から発生する電磁波を反射する反射機構を各々備えることを特徴とする、構造体。
【請求項2】
前記超伝導体は、層状超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶を含むことを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
【請求項3】
前記第一及び第二の支持基板の屈折率は、前記超伝導素子の屈折率との差が大きくないことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体。
【請求項4】
前記第一及び第二の支持基板の屈折率と、前記超伝導素子の屈折率との差分の絶対値が、前記超伝導素子の屈折率の３０％以内となることを特徴とする、請求項３に記載の構造体。
【請求項5】
前記第一及び第二の支持基板は、超伝導素子より高い熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項6】
前記反射機構は、前記第一及び第二の支持基板の屈折率とは異なる屈折率を有する領域を前記構造体の積層方向とは直交する面に形成することを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項7】
前記反射機構は、前記第一及び第二の支持基板の表面を金属薄膜で被覆したものを含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項8】
前記反射機構は、前記第一及び第二の支持基板の外側に配置され、電磁波を反射する構造物を含むことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項9】
前記反射機構は、前記第一及び／又は第二の支持基板の一面に半球面を備えるものを含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項10】
前記反射機構は、前記超伝導素子からの距離が調整可能であることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項11】
前記第一及び第二の支持基板、並びに前記超伝導素子をユニットとして形成し、前記ユニットを積層することを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項12】
前記第一及び第二の支持基板は、各々異なる厚さを有することを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項13】
前記超伝導素子は、平面上に前記超伝導素子を複数個並べたアレイ構造を形成していることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項14】
前記超伝導素子は、平面上に前記超伝導素子を複数個並べたアレイ構造をさらに積層していることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項15】
請求項１～１４のいずれか一項に記載の構造体を備え、
交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して動作することによりテラヘルツ帯域電磁波を発振することを特徴とする、テラヘルツ帯域電磁波発振素子。
交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して動作することによりテラヘルツ帯域電磁波を発振することを特徴とする、テラヘルツ帯域電磁波発振素子。
【請求項16】
請求項１５に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子と、
電圧印加手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、前記第一及び前記第二の支持基板を介して、前記超伝導素子に電圧を印加するものであることを特徴とする、テラヘルツ帯域電磁波発振装置。
電圧印加手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、前記第一及び前記第二の支持基板を介して、前記超伝導素子に電圧を印加するものであることを特徴とする、テラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超伝導素子を備える構造体に関するものである。また、本発明は、特にテラヘルツ帯域電磁波を発振するテラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、電波と光の中間領域の波長をもつテラヘルツ波（０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚ）が着目されている。テラヘルツ波は、光のような直進性をもち、電波のように紙やプラスチックといった物質を透過する性質を持つ。また、テラヘルツ帯の周波数は、分子の回転や振動、結晶格子の振動、タンパク質などの高分子の振動などの周波数と等しい。そのためテラヘルツ波は、様々な物質の同定に利用できるのみならず、イメージングなどの非破壊検査、セキュリティ、高速通信、天文学、医療等の幅広い産業分野への利用が期待され、注目を集めている。
【0003】
テラヘルツ波を発生する小型素子の１つとして、近年、高温超伝導体の単結晶を用いた発振素子が提案されている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、高温超伝導体に積層された超伝導層と絶縁体層を利用したテラヘルツ波発振素子が提案されている。
【0004】
絶縁体層を超伝導層でサンドイッチした構造は、ジョセフソン接合として知られる。ここに電圧が発生すると、印加電圧に比例した高周波電流が発生する。この効果は、交流ジョセフソン効果として知られている。高温超伝導体の単結晶には、ジョセフソン接合を自然に内包したものがあり、固有ジョセフソン接合として知られている。そのため、このような単結晶に電圧を印加することで、交流ジョセフソン効果を原理とする高周波電流の発生が可能になる。
【0005】
更に、特許文献３では、この高温超伝導発振素子の発振特性を改善する技術が提案されている。この特許文献３では、超伝導素子を複数の基板で挟み込むことで、素子からの発熱を逃がす構造や、複数の発振素子を挟み込む形状などについて提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００５－２５１８６３号公報
【特許文献2】特開２００９－４３７８７号公報
【特許文献3】特開２０１６－５１８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記したように、テラヘルツ波は幅広い分野への応用利用が考えられる。また、上記特許文献１～３に記載されるようなテラヘルツ波発振素子により、テラヘルツ帯の電磁波の発生が可能となることも知られている。
一方、テラヘルツ波の応用利用に際しては、小型で簡便なテラヘルツ波の発振素子やテラヘルツ波の検出器が求められるが、未だ十分な機能を有するものは得られていないという現状が、テラヘルツ波の電磁波を様々な産業分野に応用利用する際の発展を妨げる要因の１つになっている。特に、１～２テラヘルツ近辺で高強度な単色連続電磁波を得る小型発振器の実現については、特許文献１～３に記載されたテラヘルツ波発振素子を含め、未だ至っていないという現状がある。
一方、テラヘルツ波の応用利用に際しては、小型で簡便なテラヘルツ波の発振素子やテラヘルツ波の検出器が求められるが、未だ十分な機能を有するものは得られていないという現状が、テラヘルツ波の電磁波を様々な産業分野に応用利用する際の発展を妨げる要因の１つになっている。特に、１～２テラヘルツ近辺で高強度な単色連続電磁波を得る小型発振器の実現については、特許文献１～３に記載されたテラヘルツ波発振素子を含め、未だ至っていないという現状がある。
【0008】
特許文献１～３に記載されたテラヘルツ波発振素子のように、従来の電磁波発振素子では、超伝導体の単結晶自体が電流発生源、共振器、アンテナの機能を有し、超伝導体の単結晶が形成するメサ構造の形状及びサイズに応じて特定の周波数波（テラヘルツ波）を発振することが行われている。
しかしながら、従来の電磁波発振素子構造のように、超伝導体の単結晶が形成するメサ構造の形状及びサイズに応じた電磁波放射では、電磁波の高強度化を行うためには加工精度等の技術的な困難がある。
しかしながら、従来の電磁波発振素子構造のように、超伝導体の単結晶が形成するメサ構造の形状及びサイズに応じた電磁波放射では、電磁波の高強度化を行うためには加工精度等の技術的な困難がある。
【0009】
そこで、本発明の課題は、高強度の電磁波放射を可能とする構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、超伝導体の単結晶からなる超伝導素子の外部に反射機構を設け、超伝導素子から発生した電磁波を反射機構で反射させ、超伝導素子へ電磁界をフィードバックすることで、高強度な電磁波放射が可能となることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するための構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置である。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するための構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置である。
【0011】
上記課題を解決するための本発明の構造体は、超伝導体を含む超伝導素子と、第一の支持基板と、第二の支持基板と、を備え、超伝導素子、第一の支持基板及び第二の支持基板が、超伝導素子の厚さ方向に電気的に導通するように積層して配置され、第一及び第二の支持基板には、超伝導素子から発生する電磁波を反射する反射機構を各々備えることを特徴とする。
この特徴によれば、超伝導素子から発生した電磁波を、第一の支持基板と第二の支持基板の間で反射することで、２つの支持基板の間に定在波を発生させ、電磁波を閉じ込めることが可能となる。これにより、電磁波が超伝導素子にフィードバックすることで、超伝導素子で発生する電磁波の位相同期を高め、高強度の電磁波発生が可能になる。また、電磁波の位相同期が高くなることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
この特徴によれば、超伝導素子から発生した電磁波を、第一の支持基板と第二の支持基板の間で反射することで、２つの支持基板の間に定在波を発生させ、電磁波を閉じ込めることが可能となる。これにより、電磁波が超伝導素子にフィードバックすることで、超伝導素子で発生する電磁波の位相同期を高め、高強度の電磁波発生が可能になる。また、電磁波の位相同期が高くなることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0012】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、超伝導体は、層状超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶を含むという特徴を有する。
この特徴によれば、高温超伝導体の固有ジョセフソン接合を有する単結晶を用い、交流ジョセフソン効果を利用した電磁波発生が可能になる。これにより、超伝導素子から高周波の電磁波を安定して発生させることが可能となる。
この特徴によれば、高温超伝導体の固有ジョセフソン接合を有する単結晶を用い、交流ジョセフソン効果を利用した電磁波発生が可能になる。これにより、超伝導素子から高周波の電磁波を安定して発生させることが可能となる。
【0013】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、第一及び第二の支持基板の屈折率は、超伝導素子の屈折率との差が大きくないという特徴を有する。
この特徴によれば、超伝導素子と第一及び第二の支持基板間の屈折率の差による電磁波の反射を抑え、超伝導素子で発生した電磁波を効率よく反射機構にて反射することが可能となる。これにより、安定した定在波を発生させ、超伝導素子へのフィードバックを効果的に行い、高強度な電磁波放射を行うことが可能となる。また、超伝導素子へのフィードバックが効果的に行われることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
この特徴によれば、超伝導素子と第一及び第二の支持基板間の屈折率の差による電磁波の反射を抑え、超伝導素子で発生した電磁波を効率よく反射機構にて反射することが可能となる。これにより、安定した定在波を発生させ、超伝導素子へのフィードバックを効果的に行い、高強度な電磁波放射を行うことが可能となる。また、超伝導素子へのフィードバックが効果的に行われることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0014】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、前記屈折率との差が大きくないことについて望ましくは、第一及び第二の支持基板の屈折率と、超伝導素子の屈折率との差分の絶対値が、超伝導素子の屈折率の３０％以内となるという特徴を有する。
この特徴によれば、超伝導素子と第一及び第二の支持基板間の屈折率の差による電磁波の反射をより一層抑え、超伝導素子で発生した電磁波を効率よく反射機構にて反射することが可能となる。これにより、安定した定在波を発生させ、超伝導素子へのフィードバックを効果的に行い、高強度な電磁波放射を行うことが可能となる。また、超伝導素子へのフィードバックが効果的に行われることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
この特徴によれば、超伝導素子と第一及び第二の支持基板間の屈折率の差による電磁波の反射をより一層抑え、超伝導素子で発生した電磁波を効率よく反射機構にて反射することが可能となる。これにより、安定した定在波を発生させ、超伝導素子へのフィードバックを効果的に行い、高強度な電磁波放射を行うことが可能となる。また、超伝導素子へのフィードバックが効果的に行われることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0015】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、第一及び第二の支持基板は、絶縁体又は半絶縁性の基板であり、超伝導素子より高い熱伝導率を有するという特徴を有する。
この特徴によれば、超伝導素子の動作時のジュール熱を第一及び第二の支持基板を介して効率的に逃がすことが可能となるとともに、超伝導素子に対して効率的に電流を流すことが可能になる。
この特徴によれば、超伝導素子の動作時のジュール熱を第一及び第二の支持基板を介して効率的に逃がすことが可能となるとともに、超伝導素子に対して効率的に電流を流すことが可能になる。
【0016】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、反射機構は、第一及び第二の支持基板の屈折率とは異なる屈折率を有する領域を構造体の積層方向とは直交する面に形成するという特徴を有する。
この特徴によれば、屈折率の異なる領域を設けることのみで、電磁波を反射することが可能となり、電磁波を簡便に閉じ込めることが可能になる。
この特徴によれば、屈折率の異なる領域を設けることのみで、電磁波を反射することが可能となり、電磁波を簡便に閉じ込めることが可能になる。
【0017】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、反射機構は、第一及び第二の支持基板の表面を金属薄膜で被覆したものを含むという特徴を有する。
この特徴によれば、簡易な構造により、電磁波を反射させることが可能になる。また、支持基板と反射機構を一体化することで、構造体の小型化やコスト削減が容易になる。さらに、反射効率の高い金属薄膜を用いることで、第一及び第二の支持基板の間に電磁波を効果的に閉じ込めることが可能になる。
この特徴によれば、簡易な構造により、電磁波を反射させることが可能になる。また、支持基板と反射機構を一体化することで、構造体の小型化やコスト削減が容易になる。さらに、反射効率の高い金属薄膜を用いることで、第一及び第二の支持基板の間に電磁波を効果的に閉じ込めることが可能になる。
【0018】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、反射機構は、第一及び第二の支持基板の外側に配置され、電磁波を反射する構造物を含むという特徴を有する。
この特徴によれば、支持基板と反射機構とを別体として設けることにより、構造体内部で電磁波を反射させる範囲を調整することが容易となる。これにより、構造体内部に閉じ込める電磁波の波長を調整することが可能になる。
この特徴によれば、支持基板と反射機構とを別体として設けることにより、構造体内部で電磁波を反射させる範囲を調整することが容易となる。これにより、構造体内部に閉じ込める電磁波の波長を調整することが可能になる。
【0019】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、反射機構は、第一及び／又は第二の支持基板の一面に半球面を備えるものを含むという特徴を有する。
この特徴によれば、反射機構として半球面を備える支持基板を用いることで、支持基板と電磁波を外部に発振する際のレンズとを一体化して機能させることが可能となる。これにより、部品点数を少なくすることが可能となる。
この特徴によれば、反射機構として半球面を備える支持基板を用いることで、支持基板と電磁波を外部に発振する際のレンズとを一体化して機能させることが可能となる。これにより、部品点数を少なくすることが可能となる。
【0020】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、反射機構は、前記超伝導素子からの距離が調整可能であるという特徴を有する。
この特徴によれば、超伝導素子と反射機構により形成される電磁波の定在波の位置関係を調整することが可能となる。これにより、超伝導素子に対する電磁波のフィードバック量を調整することが可能になる。
この特徴によれば、超伝導素子と反射機構により形成される電磁波の定在波の位置関係を調整することが可能となる。これにより、超伝導素子に対する電磁波のフィードバック量を調整することが可能になる。
【0021】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、第一及び第二の支持基板、並びに超伝導素子をユニットとして形成し、ユニットを積層するという特徴を有する。
この特徴によれば、支持基板と超伝導素子をユニット化することで、構造体の形成が容易になる。また、ユニットを積層することで、積層したユニット内に含まれる複数の超伝導素子から発生する電磁波の位相を同期させることが容易となり、強い電磁波の発生が可能になる。さらに、電磁波の位相が同期することで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
この特徴によれば、支持基板と超伝導素子をユニット化することで、構造体の形成が容易になる。また、ユニットを積層することで、積層したユニット内に含まれる複数の超伝導素子から発生する電磁波の位相を同期させることが容易となり、強い電磁波の発生が可能になる。さらに、電磁波の位相が同期することで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0022】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、第一及び第二の支持基板は、各々異なる厚さを有するという特徴を有する。
この特徴によれば、支持基板の組み合わせにより、超伝導素子と反射機構により形成される電磁波の定在波の位置関係を容易に調整することが可能となる。これにより、電磁波のフィードバック量を調整することが可能になる。
この特徴によれば、支持基板の組み合わせにより、超伝導素子と反射機構により形成される電磁波の定在波の位置関係を容易に調整することが可能となる。これにより、電磁波のフィードバック量を調整することが可能になる。
【0023】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、超伝導素子は、平面上に超伝導素子を複数個並べたアレイ構造を形成しているという特徴を有する。
この特徴によれば、超伝導素子のアレイ構造間で発生した電磁波の位相同期が可能になり、高強度の電磁波発生が可能になる。また、電磁波の位相が同期することで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
この特徴によれば、超伝導素子のアレイ構造間で発生した電磁波の位相同期が可能になり、高強度の電磁波発生が可能になる。また、電磁波の位相が同期することで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0024】
また、本発明の構造体の一実施態様としては、超伝導素子は、平面上に超伝導素子を複数個並べたアレイ構造をさらに積層しているという特徴を有する。
この特徴によれば、超伝導素子が３次元的に配置されることで、さらに強い電磁波発生が可能となる。
この特徴によれば、超伝導素子が３次元的に配置されることで、さらに強い電磁波発生が可能となる。
【0025】
上記課題を解決するための本発明のテラヘルツ帯域電磁波発振素子は、上記構造体を備え、交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して動作することによりテラヘルツ帯域電磁波を発振するという特徴を有する。
この特徴によれば、反射機構を設けた構造体により、電磁波が超伝導素子にフィードバックすることで、超伝導素子で発生した電磁波の位相同期が可能になり、高強度の電磁波発生が可能になる。このため、従来の超伝導体を用いたテラヘルツ帯域電磁波発振素子と比べて、格段の発振出力の向上が可能となる。
この特徴によれば、反射機構を設けた構造体により、電磁波が超伝導素子にフィードバックすることで、超伝導素子で発生した電磁波の位相同期が可能になり、高強度の電磁波発生が可能になる。このため、従来の超伝導体を用いたテラヘルツ帯域電磁波発振素子と比べて、格段の発振出力の向上が可能となる。
【0026】
上記課題を解決するための本発明のテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、上記テラヘルツ帯域電磁波発振素子と、電圧印加手段とを備え、電圧印加手段は、第一の支持基板及び第二の支持基板を介して、超伝導素子に電圧を印加するものであるという特徴を有する。
この特徴によれば、上記したテラヘルツ帯域電磁波発振素子をテラヘルツ帯域電磁波発振装置として、動作させることが可能になる。これにより、高周波数・高強度の電磁波を発振する電磁波発振装置として効果的に機能させることができる。
この特徴によれば、上記したテラヘルツ帯域電磁波発振素子をテラヘルツ帯域電磁波発振装置として、動作させることが可能になる。これにより、高周波数・高強度の電磁波を発振する電磁波発振装置として効果的に機能させることができる。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、高強度の電磁波放射を可能とする構造体、テラヘルツ波帯電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の第１の実施態様に係る構造体の概略説明図（平面図）である。
【図2】本発明の第１の実施態様に係る構造体の別の態様を示す概略説明図（平面図）である。
【図3】本発明の第２の実施態様に係る構造体の概略説明図（平面図）である。
【図4】本発明の第３の実施態様に係る構造体の概略説明図（平面図）である。
【図5】本発明の第４の実施態様に係る構造体の概略説明図（平面図）である。
【図6】本発明の第４の実施態様に係る構造体の別の態様を示す概略説明図（平面図）である。
【図7】本発明の第５の実施態様に係る構造体の概略説明図（平面図）である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置の実施態様を詳細に説明する。
なお、実施態様に記載する内容と図面については、本発明に係る特徴をわかりやすく説明するために例示したに過ぎず、これに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際とは異なっていることがある。
なお、実施態様に記載する内容と図面については、本発明に係る特徴をわかりやすく説明するために例示したに過ぎず、これに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際とは異なっていることがある。
【0030】
本発明の構造体は、特に超伝導素子の実装のために使用される。超伝導素子の使用に係る一例としては、例えば、テラヘルツ波を発振することができるテラヘルツ帯域電磁波発振素子等が挙げられる。また、超伝導素子の実装に係る一例としては、例えば、テラヘルツ帯域電磁波発振装置等が挙げられる。
【0031】
［第１の実施態様］
図１は、本発明の第１の実施態様における構造体及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置の概略説明図（平面図）である。
図１は、本発明の第１の実施態様における構造体及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置の概略説明図（平面図）である。
【0032】
図１に示すように、本実施態様の構造体１０Ａは、第一の支持基板１と、第二の支持基板２と、超伝導素子３と、反射機構４と、シリコン半球レンズ５と、配線６と、を備える。また、図１に示すように、本実施態様のテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、構造体１０Ａにおける配線６に対し、電流・電圧印加手段として外部電源７を設置したものである。
【0033】
（構造体(テラヘルツ帯域電磁波発振素子））
本実施態様の構造体１０Ａは、超伝導体からなる超伝導素子３から放射された電磁波を反射機構４で反射して定在波を発生させ、超伝導素子３と、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の厚さの合計で決定される共振周波数の電磁波を閉じ込めるものである。
これにより、閉じ込められた電磁波が超伝導素子３に影響を及ぼすことで、超伝導素子３で発生する電磁波の位相同期に係る環境を好適化し、その結果共振周波数の電磁波を高強度で発振させることが可能になる。
本実施態様の構造体１０Ａは、超伝導体からなる超伝導素子３から放射された電磁波を反射機構４で反射して定在波を発生させ、超伝導素子３と、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の厚さの合計で決定される共振周波数の電磁波を閉じ込めるものである。
これにより、閉じ込められた電磁波が超伝導素子３に影響を及ぼすことで、超伝導素子３で発生する電磁波の位相同期に係る環境を好適化し、その結果共振周波数の電磁波を高強度で発振させることが可能になる。
【0034】
本実施態様の構造体１０Ａとしては、超伝導素子３に直流電流・電圧が印加できるように適切に配置するとともに、第一の支持基板１と第二の支持基板２の外側に向けて適当なビーム形状となるように電磁波を発振させることが、利用上の観点から好ましい。その一例として、図１には、第二の支持基板２の右側面にシリコン半球レンズ５を取り付けた様子を示している。これにより、シリコン半球レンズ５を通して、電磁波が発振する。シリコン半球レンズ５のサイズ等については特に限定されず、支持基板のサイズに合わせて適宜設定することが可能である。例えば、図１で示した構造体１０Ａの具体的な実施例としては、第二の支持基板２（縦７ｍｍ×横７ｍｍ）に対し、シリコン半球レンズ５の直径を４ｍｍ、厚さ（高さ）を２ｍｍとするものが挙げられる。
なお、図１に示したシリコン半球レンズ５は、構造体１０Ａ外に電磁波を発振させる際の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。シリコン半球レンズ５を設けること以外の例としては、例えば、第二の支持基板２（あるいは第一の支持基板１）の一面に半球面を備え、半球レンズと第二の支持基板２を同一材料で一体化した構造が挙げられる。これにより、部品点数が少なくなるという効果も奏する。
なお、図１に示したシリコン半球レンズ５は、構造体１０Ａ外に電磁波を発振させる際の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。シリコン半球レンズ５を設けること以外の例としては、例えば、第二の支持基板２（あるいは第一の支持基板１）の一面に半球面を備え、半球レンズと第二の支持基板２を同一材料で一体化した構造が挙げられる。これにより、部品点数が少なくなるという効果も奏する。
【0035】
本実施態様における構造体１０Ａは、図１に示すように、第一の支持基板１と第二の支持基板２の間に超伝導素子３が積層するように配置される。また、第一の支持基板１と第二の支持基板２には、電流を導入するための配線６が接続されている。これにより、第一の支持基板１、第二の支持基板２及び超伝導素子３が、超伝導素子３の厚さ方向に電気的に導通できるように構成される。
【0036】
以下、構造体１０Ａの各構成要素について説明する。
【0037】
本実施態様における第一の支持基板１及び第二の支持基板２は、それぞれの表面に超伝導素子３へ電流を導入するための配線６を備え、超伝導素子３を支持するものでもある。
本実施態様における第一の支持基板１及び第二の支持基板２は、材質や形状、サイズについては同一のものを用いるものとする。これにより、支持基板の入手や加工に係るコストを削減することが可能となる。
なお、第一の支持基板１と第二の支持基板２に配置された配線６は、金線や銅線などの線材や、真空蒸着やスパッタ等にて金属などの薄膜を堆積させることで形成したものなどが挙げられる。
本実施態様における第一の支持基板１及び第二の支持基板２は、材質や形状、サイズについては同一のものを用いるものとする。これにより、支持基板の入手や加工に係るコストを削減することが可能となる。
なお、第一の支持基板１と第二の支持基板２に配置された配線６は、金線や銅線などの線材や、真空蒸着やスパッタ等にて金属などの薄膜を堆積させることで形成したものなどが挙げられる。
【0038】
本実施態様における第一の支持基板１と第二の支持基板２は、超伝導素子３で発生する電磁波が効率よく支持基板内を透過することが求められる。そのため、第一の支持基板１と第二の支持基板２としては、電磁波を透過しやすい材質、かつ超伝導素子３と屈折率の差が大きくない材質を用いることが好ましい。より具体的には、第一の支持基板１と第二の支持基板２の屈折率は、超伝導素子３の屈折率との差分の絶対値が、超伝導素子３の屈折率の３０％以内となるものとすることが好ましい。これにより、超伝導素子３と第一の支持基板１及び第二の支持基板２間の屈折率の差による電磁波の反射を抑え、超伝導素子３で発生した電磁波は効率よく反射機構４に導入される。
【0039】
また、本実施態様における第一の支持基板１と第二の支持基板２は、超伝導素子３を支持するとともに、超伝導素子３で発生した熱は支持基板を介して排熱することが求められる。そのため、第一の支持基板１と第二の支持基板２としては、超伝導素子３よりも熱伝導率が高い材料を用いることが好ましい。これにより、超伝導素子３の動作時のジュール熱を第一の支持基板１及び第二の支持基板２を介して効率的に排熱することが可能となり、超伝導素子３の安定した動作が可能となる。
【0040】
さらに、本実施態様における第一の支持基板１と第二の支持基板２は、超伝導素子３の厚さ方向に直流電流・電圧を印加するための導入部の役割を担う。そのため、第一の支持基板１と第二の支持基板２としては、高抵抗又は絶縁性を有する材料を用いることが好ましい。これにより、超伝導素子３に対し効率的に電流を流すことが可能となる。
【0041】
したがって、本実施態様における第一の支持基板１及び第二の支持基板２としては、超伝導素子３に対して屈折率の差があまり大きくなく、高抵抗の半導体もしくは絶縁性の基板であり、超伝導素子３より高い熱伝導率を有する材質を用いるものが特に好ましい。
例えば、超伝導素子３として、層状超伝導体ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）の単結晶であるＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（Ｂｉ２２１２）を例にとると、Ｂｉ２２１２のテラヘルツ帯での屈折率は４．２、室温での熱伝導率は１～５Ｗ／ｍ・Ｋであることが知られている（以下、屈折率を「ｎ」、室温での熱伝導率を「κ」とする）。したがって、このときの第一の支持基板１及び第二の支持基板２の材質の具体例としては、半絶縁性のガリウム－ヒ素基板（ｎ＝３．６、κ＝５５Ｗ／ｍ・Ｋ）、サファイア基板（ｎ＝３、κ＝２７Ｗ／ｍ・Ｋ）、ゲルマニウム基板（ｎ＝４、κ＝６４０Ｗ／ｍ・Ｋ）、高抵抗シリコン基板（ｎ＝３．４、κ＝１６３Ｗ／ｍ・Ｋ）、などが挙げられ、超伝導素子３と支持基板（第一の支持基板１及び第二の支持基板２）の屈折率の差分の絶対値が３０%以内の材料が好適に用いられる。なお、屈折率差は大きくなるが、窒化アルミニウム基板（ｎ＝２．２、κ＝１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）、ダイヤモンド基板（κ＝２０００Ｗ／ｍ・Ｋ）などの熱伝導性の高い基板も用いることが可能である。
例えば、超伝導素子３として、層状超伝導体ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）の単結晶であるＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（Ｂｉ２２１２）を例にとると、Ｂｉ２２１２のテラヘルツ帯での屈折率は４．２、室温での熱伝導率は１～５Ｗ／ｍ・Ｋであることが知られている（以下、屈折率を「ｎ」、室温での熱伝導率を「κ」とする）。したがって、このときの第一の支持基板１及び第二の支持基板２の材質の具体例としては、半絶縁性のガリウム－ヒ素基板（ｎ＝３．６、κ＝５５Ｗ／ｍ・Ｋ）、サファイア基板（ｎ＝３、κ＝２７Ｗ／ｍ・Ｋ）、ゲルマニウム基板（ｎ＝４、κ＝６４０Ｗ／ｍ・Ｋ）、高抵抗シリコン基板（ｎ＝３．４、κ＝１６３Ｗ／ｍ・Ｋ）、などが挙げられ、超伝導素子３と支持基板（第一の支持基板１及び第二の支持基板２）の屈折率の差分の絶対値が３０%以内の材料が好適に用いられる。なお、屈折率差は大きくなるが、窒化アルミニウム基板（ｎ＝２．２、κ＝１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）、ダイヤモンド基板（κ＝２０００Ｗ／ｍ・Ｋ）などの熱伝導性の高い基板も用いることが可能である。
【0042】
本実施態様における第一の支持基板１及び第二の支持基板２の形状やサイズについては特に限定されず、超伝導素子３を支持し、超伝導素子３から発生する電磁波を十分に透過させることができるものであればよい。例えば、図１で示した構造体１０Ａの具体的な実施例としては、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の平面部分を、縦７ｍｍ×横７ｍｍの正方形とし、厚さを０．５ｍｍとするものが挙げられる。なお、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の平面部分の形状は正方形に限定されるものではなく、長方形や円形としてもよい。また、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の厚さは、構造体１０Ａから電磁波を発振させる上で重要な要素となるが、この厚さを規定する手段は特に限定されない。例えば、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の間に閉じ込める周波数の波長に応じて厚さを適宜設計することや、超伝導素子３から発生する電磁波の波長や強度に応じ、電磁波が透過可能な厚さを適宜選択することなどが挙げられる。
【0043】
本実施態様における超伝導素子３は、超伝導体の単結晶あるいは多結晶を用いた超伝導素子であり、台地形状や柱状形状を形成しているものを指す。超伝導素子３としては、特に、２つの超伝導体を弱く結合させることで発現するジョセフソン効果を利用したジョセフソン接合を有するもの（ジョセフソン素子と呼ばれることもある）が挙げられる。なお、このようなジョセフソン素子の構造の一例としては、２つの超伝導体が金属や絶縁体層で隔てられる構造や、２つの超伝導体の間に細いくびれや段差を形成する構造等が挙げられる。
【0044】
また、本実施態様における超伝導素子３の具体的な例としては、例えば、多重積層型ジョセフソン接合を有する層状超伝導体ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）の単結晶に含まれる固有ジョセフソン接合を用いたもの等が挙げられる。なお、ＢＳＣＣＯ単結晶としては、交流ジョセフソン効果を生じることができるものであればよく、このような化学式の一例としては、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（Ｂｉ２２１２）やＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ（Ｂｉ２２２３）などが挙げられる。
【0045】
本実施態様における超伝導素子３の形状は、平板形状あるいは柱状形状であれば特に限定されない。例えば、超伝導素子３の上下底面の形状は、正方形や長方形などの他の多角形や円形などであってもよい。
【0046】
本実施態様における超伝導素子３は、直流電流・電圧が印加されることにより交流電流を発生する電流発生源として機能するものである。さらに超伝導素子３自体は、形状で決定される共振器やアンテナの機能も有することで、第一の支持基板１と第二の支持基板２へ電磁波を放出することが可能となる。
【0047】
【0048】
図２に示すように、第一の支持基板１と第二の支持基板２において、支持する超伝導素子３に対して反対側の端部表面に金属薄膜を被覆し、反射機構４としてそれぞれ金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂが設けられている。これにより、支持基板と反射機構４を一体化し、第一の支持基板１と第二の支持基板２の両端での電磁波を反射させることが可能になる。また、それぞれの支持基板（第一の支持基板１及び第二の支持基板２）と反射機構４を一体化することで、構造体１０Ａの小型化やコスト削減が容易になる。
また、支持基板と反射機構４を一体化する他の例としては、図２に示したシリコン半球レンズ５を用いる代わりに、第二の支持基板２（あるいは第一の支持基板１）に半球面を備えるものを用い、半球面ごと第二の支持基板２上に金属薄膜を被覆することが挙げられる。この場合、部品点数を少なくすることが可能となる。また、上述したように、半球面を備える支持基板（第一の支持基板１及び／又は第二の支持基板２）は電磁波を外部に発振する際のレンズが一体化された構造となるため、部品点数を少なくできるという効果がより一層発揮される。
また、支持基板と反射機構４を一体化する他の例としては、図２に示したシリコン半球レンズ５を用いる代わりに、第二の支持基板２（あるいは第一の支持基板１）に半球面を備えるものを用い、半球面ごと第二の支持基板２上に金属薄膜を被覆することが挙げられる。この場合、部品点数を少なくすることが可能となる。また、上述したように、半球面を備える支持基板（第一の支持基板１及び／又は第二の支持基板２）は電磁波を外部に発振する際のレンズが一体化された構造となるため、部品点数を少なくできるという効果がより一層発揮される。
【0049】
本実施態様における金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂは、いわゆる反射板として機能するものである。このような金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂとしては、電磁波の反射率が高い金属を用いることが好ましく、特にテラヘルツ帯の電磁波の反射率が高いものがより好ましい。このような金属としては、具体的には、金や銀などが挙げられる。
【0050】
また、本実施態様における反射機構４は、発生した電磁波の一部をシリコン半球レンズ５側に透過する必要がある。このため、第一の支持基板１側に設ける金属蒸着膜４０Ａと第二の支持基板２側に設けられる金属蒸着膜４０Ｂは異なる透過率を有することが好ましい。ここで、透過率は反射率に置き換えるものとしてもよい。例えば、金属蒸着膜４０Ａの透過率をゼロ、あるいは反射率を略１００％とし、金属蒸着膜４０Ｂの透過率を数％、あるいは反射率を９０％台とすることなどが挙げられる。
金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂの透過率や反射率を異なるものとするための手段は、特に限定されない。例えば、第二の支持基板２に設けられる金属蒸着膜４０Ｂの厚さを、第一の支持基板１に設けられる金属蒸着膜４０Ａの厚さに比べて薄くすることや、金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂの材質を異なるものとすることなどが挙げられる。
なお、金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂの透過率を膜の厚さで制御する手段は特に限定されない。例えば、スキンデプスを考慮して金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂそれぞれの膜の厚さを設計することなどが挙げられる。
金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂの透過率や反射率を異なるものとするための手段は、特に限定されない。例えば、第二の支持基板２に設けられる金属蒸着膜４０Ｂの厚さを、第一の支持基板１に設けられる金属蒸着膜４０Ａの厚さに比べて薄くすることや、金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂの材質を異なるものとすることなどが挙げられる。
なお、金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂの透過率を膜の厚さで制御する手段は特に限定されない。例えば、スキンデプスを考慮して金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂそれぞれの膜の厚さを設計することなどが挙げられる。
【0051】
（テラヘルツ帯域電磁波発振装置）
図１に示すように、本実施態様のテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子としての構造体１０Ａにおける配線６に対し、電流・電圧印加手段として外部電源７を設置することで、テラヘルツ帯域電磁波発振装置として動作する様にしたものである。また、本実施態様のテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、温度制御機構を備えることが好ましい（不図示）。
図１に示すように、本実施態様のテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子としての構造体１０Ａにおける配線６に対し、電流・電圧印加手段として外部電源７を設置することで、テラヘルツ帯域電磁波発振装置として動作する様にしたものである。また、本実施態様のテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、温度制御機構を備えることが好ましい（不図示）。
【0052】
外部電源７については、構造体(テラヘルツ帯域電磁波発振素子）１０Ａ内部の超伝導素子３に対して印加する電流及び電圧を制御できるものであればよく、具体的な構成については特に限定されない。外部電源７としては、例えば、プログラマブル電源（可変電源）を用いることなどが挙げられる。
また、温度制御機構については、超伝導素子３を構成する超伝導体を、超伝導転移温度Ｔｃ以下とし、電磁波発振に好適な温度範囲を制御・維持することができるものであればよく、具体的な構成については特に限定されない。温度制御機構としては、例えば、温度設定が可能な冷凍機などが挙げられる。
また、温度制御機構については、超伝導素子３を構成する超伝導体を、超伝導転移温度Ｔｃ以下とし、電磁波発振に好適な温度範囲を制御・維持することができるものであればよく、具体的な構成については特に限定されない。温度制御機構としては、例えば、温度設定が可能な冷凍機などが挙げられる。
【0053】
外部電源７及び温度制御機構により、超伝導転移温度Ｔｃ以下の超伝導体（ジョセフソン素子）に所定の電圧を印加することで、構造体(テラヘルツ帯域電磁波発振素子）１０Ａを動作させる。これにより、テラヘルツ帯域電磁波発振装置２０からテラヘルツ帯の電磁波を得ることが可能になる。また、本実施態様におけるテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、構造体(テラヘルツ帯域電磁波発振素子）１０Ａが交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して動作する構成として、ＢＳＣＣＯ単結晶の高温超伝導体の固有ジョセフソン接合を用いているため、外部電源７から印加する電流及び電圧を制御することで、発振する周波数を変化させることも可能となる。
【0054】
また、本実施態様のテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０として、構造体１０Ａを保持・収納が可能な支持体を設けるものとしてもよい。これにより、構造体１０Ａからの電磁波放射を安定して行うことが可能となる。
このとき、支持体には構造体１０Ａからの電磁波の出射及び構造体１０Ａへの電磁波の入射が可能な電磁波透過口を設けることが好ましい。さらに、電磁波透過口に電磁波の出射あるいは入射効率を高める構造を設けるものとしてもよい。このような構造としては、例えば、図１に示すように、構造体１０Ａに設けたシリコン半球レンズ５を利用することや、シリコン半球レンズ５以外の形状、素材からなる集光レンズを設けることなどが挙げられる。これにより、テラヘルツ帯域電磁波発振装置２０から発振する電磁波の出射効率あるいはテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０への電磁波の入射効率を向上させることが可能となる。また、テラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、テラヘルツ帯域電磁波の発振器だけではなく、テラヘルツ帯域電磁波の検出器として好適に利用することも可能である。
このとき、支持体には構造体１０Ａからの電磁波の出射及び構造体１０Ａへの電磁波の入射が可能な電磁波透過口を設けることが好ましい。さらに、電磁波透過口に電磁波の出射あるいは入射効率を高める構造を設けるものとしてもよい。このような構造としては、例えば、図１に示すように、構造体１０Ａに設けたシリコン半球レンズ５を利用することや、シリコン半球レンズ５以外の形状、素材からなる集光レンズを設けることなどが挙げられる。これにより、テラヘルツ帯域電磁波発振装置２０から発振する電磁波の出射効率あるいはテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０への電磁波の入射効率を向上させることが可能となる。また、テラヘルツ帯域電磁波発振装置２０は、テラヘルツ帯域電磁波の発振器だけではなく、テラヘルツ帯域電磁波の検出器として好適に利用することも可能である。
【0055】
以上のように、本実施態様の構造体１０Ａをテラヘルツ帯域電磁波発振素子として用い、高周波数かつ高強度の電磁波発振が可能なテラヘルツ帯域電磁波発振装置２０を作製することが可能となる。
【0056】
［第２の実施態様］
図３は、本発明の第２の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
図３は、本発明の第２の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
【0057】
図３に示すように、本実施態様における構造体１０Ｂは、第１の実施態様の構造体１０Ａにおいて、反射機構４として第一の支持基板１と第二の支持基板２の外側に反射板４１Ａ、４１Ｂを設けたものである。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図３における図示については省略している。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図３における図示については省略している。
【0058】
本実施態様における構造体１０Ｂは、第一の支持基板１及び第二の支持基板２の外側に、反射機構４として電磁波を反射する構造物を設けるものであり、図３に示すように、第一の支持基板１と第二の支持基板２とは別体として反射板４１Ａ、４１Ｂを設けるものである。これにより、反射機構４と超伝導素子３の距離を調整することが容易になるため、構造体１０Ｂ内部に閉じ込める電磁波の波長を調整することが可能となる。
【0059】
本実施態様における反射板４１Ａ、４１Ｂは、電磁波の反射率が高い金属を用いることが好ましく、特にテラヘルツ帯の電磁波の反射率が高いものがより好ましい。このような金属としては、具体的には、金や銀などが挙げられる。また、反射板４１Ａ、４１Ｂは、表面で電磁波の反射が生じるものであればよく、例えば、金や銀などからなる金属構造物のほか、金や銀などを表面に被覆した非金属構造物であってもよい。
【0060】
本実施態様における反射板４１Ａ、４１Ｂの形状は、図３に示すように、平板とすることで、加工が容易となるという利点を有するが、これに限定されるものではない。反射板４１Ａ、４１Ｂの他の形状の例としては、例えば、集光作用を示す形状として凹面を有する構造などが挙げられる。なお、凹面を有する構造としては、反射板４１Ａ、４１Ｂのいずれか片方のみを凹面とすることや、両方を凹面とすることが挙げられる。
【0061】
本実施態様における反射板４１Ａ、４１Ｂは、超伝導素子３との距離を調整するための距離調整機能を備えることが好ましい。より具体的には、例えば、図３におけるＺ方向の位置を調整する機能を備えていることが好ましい。そのための距離調整機構の一例としては、可動式ステージ、マイクロメーターなどが挙げられる。
【0062】
本実施態様における反射機構４は、上述した第１の実施態様と同様に、発生した電磁波の一部をシリコン半球レンズ５側に透過する必要がある。このため、第一の支持基板１側に設ける反射板４１Ａと第二の支持基板２側に設けられる反射板４１Ｂは、異なる透過率あるいは反射率を有することが好ましい。より具体的には、第二の支持基板２側に設けられる反射板４１Ｂの厚さを、第一の支持基板１側に設けられる反射板４１Ａの厚さに比べて薄くすることや、反射板４１Ａ、４１Ｂの材質を異なるものとすることなどが挙げられる。
【0063】
本実施態様における構造体１０Ｂでは、反射機構４が超伝導素子３からの距離を調整可能な距離調整機構を備えることで、超伝導素子３と反射機構４により形成される電磁波の定在波の位置関係を調整することが可能となる。これにより、超伝導素子３に対する電磁波のフィードバック量を調整することが可能となる。この結果、超伝導素子３で発生する電磁波の位相同期に係る環境を最適化し、構造体１０Ｂから発振する電磁波の放射強度を向上させることが可能となる。
【0064】
［第３の実施態様］
図４は、本発明の第３の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
図４は、本発明の第３の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
【0065】
図４に示すように、本実施態様における構造体１０Ｃは、第１の実施態様の構造体１０Ａにおける第一の支持基板１と、第二の支持基板２と、超伝導素子３とをユニット８として、そのユニット８を第一の支持基板１と、第二の支持基板２と、超伝導素子３の中心を通る軸方向に積層したものである。ここで、本実施態様におけるユニット８の積層方向は、図４におけるＺ方向に相当する。以下、ユニット８の積層方向をＺ方向と呼ぶ。
また、本実施態様における構造体１０Ｃでは、反射機構４は、積層したユニット８の両端部に設けるものとする。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図４における図示については省略している。
また、本実施態様における構造体１０Ｃでは、反射機構４は、積層したユニット８の両端部に設けるものとする。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図４における図示については省略している。
【0066】
本実施態様における構造体１０Ｃは、第一の支持基板１と第二の支持基板２と超伝導素子３で構成されたユニット８をＺ方向に積層することで、超伝導素子３の３次元アレイ構造を形成するものである。これにより、超伝導素子３から発生する電磁波の出力を互いに高め合う同期現象が生じ、超伝導素子３全体としての電磁波の発振出力の向上が可能となる。
また、ユニット８を形成することで、構造体１０Ｃの形成が容易になる。
また、ユニット８を形成することで、構造体１０Ｃの形成が容易になる。
【0067】
図４では、反射機構４として金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂを設けるものを示しているが、これに限定されない。反射機構４としては、超伝導素子３から発生する電磁波を反射するものであればよく、上述した反射板４１Ａ、４１Ｂを用いるものとしてもよい。
【0068】
また、図４では、ユニット８を３つ積層したものを示しているが、これに限定されない。本実施態様におけるユニット８の積層数、すなわちＺ方向の厚さを調整することで、構造体１０Ｃに閉じ込められた電磁波の定在波と超伝導素子３の位置関係を調整し、超伝導素子３に対する電磁波のフィードバック量を調整することが可能となる。この結果、超伝導素子３で発生する電磁波の位相同期に係る環境を最適化し、構造体１０Ｃから発振する電磁波の放射強度を向上させることが可能となる。
【0069】
［第４の実施態様］
図５は、本発明の第４の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
図５は、本発明の第４の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
【0070】
図５に示すように、本実施態様における構造体１０Ｄは、第１の実施態様の構造体１０Ａにおける第一の支持基板１と第二の支持基板２に代えて、それぞれの厚さを異なるものとした第一の支持基板１´と、第二の支持基板２´を設けるものである。また、第一の支持基板１´と、第二の支持基板２´と、超伝導素子３を、それぞれの中心を通る軸方向に積層するものである。ここで、本実施態様における支持基板１´、２´及び超伝導素子３の積層方向は、図５におけるＺ方向に相当する。以下、支持基板１´、２´及び超伝導素子３の積層方向をＺ方向と呼ぶ。
また、本実施態様における構造体１０Ｄでは、反射機構４は、支持基板１´、２´のＺ方向両端部に設けるものとする。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図５における図示については省略している。
また、本実施態様における構造体１０Ｄでは、反射機構４は、支持基板１´、２´のＺ方向両端部に設けるものとする。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図５における図示については省略している。
【0071】
本実施態様における構造体１０Ｄは、第一の支持基板１´と第二の支持基板２´と超伝導素子３をＺ方向に積層することで、超伝導素子３の３次元アレイ構造を形成するものである。これにより、超伝導素子３から発生する電磁波の出力を互いに高め合う同期現象が生じ、超伝導素子３全体としての電磁波の発振出力の向上が可能となる。また、同期現象が生じることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0072】
図５では、反射機構４として金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂを設けるものを示しているが、これに限定されない。反射機構４としては、超伝導素子３から発生する電磁波を反射するものであればよく、上述した反射板４１Ａ、４１Ｂを用いるものとしてもよい。
【0073】
本実施態様における第一の支持基板１´及び第二の支持基板２´は、図５において、第一の支持基板１´の厚さをＺ１、第二の支持基板２´の厚さをＺ２としたときに、Ｚ２＞Ｚ１が成り立つものとしているが、これに限定されず、Ｚ１＞Ｚ２が成り立つものであってもよい。
【0074】
本実施態様の構造体１０Ｄでは、第一の支持基板１及び第二の支持基板２を異なる厚さとすることで、少ない部品点数でＺ方向の厚さを調整することが容易となる。そして、Ｚ方向の厚さを調整することで、構造体１０Ｄに閉じ込められた電磁波の定在波と超伝導素子３の位置関係を調整し、超伝導素子３に対する電磁波のフィードバック量を調整することが可能となる。この結果、超伝導素子３で発生する電磁波の位相同期に係る環境を最適化し、構造体１０Ｄから発振する電磁波の放射強度を向上させることが可能となる。また、電磁波の位相同期に係る環境が最適化されることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0075】
図５では、図の左側から順に、金属蒸着膜４０Ａが設けられた第一の支持基板１、超伝導素子３、第二の支持基板２、超伝導素子３、第二の支持基板２、超伝導素子３、金属蒸着膜４０Ｂが設けられた第一の支持基板１となるように積層したものを示しているが、これに限定されない。
【0076】
図６は、本実施態様における構造体１０Ｄの別の態様を示す概略説明図（平面図）である。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図６における図示については省略している。
【0077】
図６では、構造体１０ＤのＺ方向の厚さを調整するために、第一の支持基板１´及び第二の支持基板２´とは異なる厚さを有する第三の支持基板９を設けている。これにより、Ｚ方向の厚さを微調整することが可能となる。
ここで、反射機構４は、構造体１０ＤのＺ方向に積層した支持基板の両端部に設けるものとする。例えば、図６においては、第一の支持基板１が構造体１０ＤのＺ方向における左端となるため、第一の支持基板１に金属蒸着膜４０Ａを設け、一方、第三の支持基板９が構造体１０ＤのＺ方向における右端となるため、第三の支持基板９に金属蒸着膜４０Ｂを設けたものを示している。これにより、構造体１０ＤのＺ方向において、超伝導素子３から発生する電磁波を反射させることができる。
ここで、反射機構４は、構造体１０ＤのＺ方向に積層した支持基板の両端部に設けるものとする。例えば、図６においては、第一の支持基板１が構造体１０ＤのＺ方向における左端となるため、第一の支持基板１に金属蒸着膜４０Ａを設け、一方、第三の支持基板９が構造体１０ＤのＺ方向における右端となるため、第三の支持基板９に金属蒸着膜４０Ｂを設けたものを示している。これにより、構造体１０ＤのＺ方向において、超伝導素子３から発生する電磁波を反射させることができる。
【0078】
本実施態様における第三の支持基板９は、第一の支持基板１と第二の支持基板２と同じ材質を用いる。
また、本実施態様における第三の支持基板９の厚さＺ３は、Ｚ３＝Ｚ２－Ｚ１（Ｚ２＞Ｚ１）で決定する。
また、本実施態様における第三の支持基板９の厚さＺ３は、Ｚ３＝Ｚ２－Ｚ１（Ｚ２＞Ｚ１）で決定する。
【0079】
本実施態様における構造体１０Ｄは、支持基板として異なる厚さのものを複数種類用いることで、構造体１０ＤのＺ方向の厚さを簡便に微調整することが可能となる。これにより、超伝導素子３で発生する電磁波の位相同期に係る環境を最適化し、構造体１０Ｄから発振する電磁波の放射強度を向上させることが可能となる。また、電磁波の位相同期に係る環境が最適化されることで、線幅を狭くできるという効果も奏する。
【0080】
［第５の実施態様］
図７は、本発明の第５の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
図７は、本発明の第５の実施態様における構造体を示す概略説明図（平面図）である。
【0081】
図７に示すように、本実施態様における構造体１０Ｅは、第１の実施態様の構造体１０Ａにおいて、超伝導素子３を支持基板平面（図７におけるＸＹ面）上に複数個設け、アレイを形成させ、さらにその超伝導素子のアレイを、第一の支持基板１と、第二の支持基板２と、超伝導素子３それぞれの中心を通る軸方向（図７におけるＺ方向）に積層したものである。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図７における図示については省略している。
なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。また、第１の実施態様における配線６及び外部電源７に関しては、図７における図示については省略している。
【0082】
本実施態様における構造体１０Ｅは、超伝導素子３を第一の支持基板１と第二の支持基板２の間のＸＹ平面上に複数個並べアレイを形成することで、電磁波放射の高強度化を可能とするものである。また、本実施態様における構造体１０Ｅは、さらにＺ方向にアレイを積層することで、電磁波放射の高強度化及び発振線幅の狭帯域化を可能とするものである。すなわち、本実施態様における構造体１０Ｅは、上述した第３の実施態様における構造体１０Ｃ及び第４の実施態様における構造体１０Ｄと同様に、超伝導素子３を積層化することによる各種効果を発揮することができる。
【0083】
図７では、反射機構４として金属蒸着膜４０Ａ、４０Ｂを設けるものを示しているが、これに限定されない。反射機構４としては、超伝導素子３から発生する電磁波を反射するものであればよく、上述した反射板４１Ａ、４１Ｂを用いるものとしてもよい。
【0084】
以上のように、本実施態様における構造体１０Ｅは、超伝導素子３を２次元アレイ化及び３次元アレイ化することで電磁波放射の高強度化及び発振線幅の狭帯域化が可能となるものである。
なお、本実施態様における構造体１０Ｅの構成は、第２の実施態様における構造体１０Ｂ、第３の実施態様における構造体１０Ｃ、第４の実施態様における構造体１０Ｄに適用するものとしてもよい。これにより、第２～第４の実施態様における構造体１０Ｂ～１０Ｄの電磁波放射の高強度化及び発振線幅の狭帯域化が可能となる。
なお、本実施態様における構造体１０Ｅの構成は、第２の実施態様における構造体１０Ｂ、第３の実施態様における構造体１０Ｃ、第４の実施態様における構造体１０Ｄに適用するものとしてもよい。これにより、第２～第４の実施態様における構造体１０Ｂ～１０Ｄの電磁波放射の高強度化及び発振線幅の狭帯域化が可能となる。
【0085】
なお、上述した実施態様は、構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置の一例を示すものである。本発明に係る構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置を変形してもよい。
【0086】
例えば、本実施態様の構造体に設ける反射機構としては、第１の実施態様及び第２の実施態様に示したものを組み合わせるものとしてもよい。より具体的には、第一の支持基板の外側に反射板を設け、第二の支持基板の右端面は金属蒸着膜を設けるものが挙げられる。これにより、第二の支持基板側は反射機構と支持基板が一体化し、第一の支持基板側では反射機構の位置を容易に調整することが可能となる。この結果、構造体の形成を容易にするとともに、超伝導素子に対する電磁波のフィードバック量を容易に調整することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0087】
本発明の構造体及びテラヘルツ帯域電磁波発振素子は、高周波数（テラヘルツ帯域）かつ高強度の電磁波発振が可能な電磁波発振素子として好適に利用することができる。
また、本発明のテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、テラヘルツ帯の電磁波を利用した分光器や非破壊イメージング装置のほか、テラヘルツ波の検出器などに適用することができる。
また、本発明のテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、テラヘルツ帯の電磁波を利用した分光器や非破壊イメージング装置のほか、テラヘルツ波の検出器などに適用することができる。
【符号の説明】
【0088】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 構造体、２０ テラヘルツ帯域電磁波発振装置、１，１´ 第一の支持基板、２，２´ 第二の支持基板、３ 超伝導素子、４ 反射機構、４０Ａ，４０Ｂ 金属蒸着膜、４１Ａ，４１Ｂ 反射板、５ シリコン半球レンズ、６ 配線、７ 外部電源 、８ ユニット、９ 第三の支持基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
