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特許7184317テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法、テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置及び分光器
(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】
(24)【登録日】2022-11-28
(45)【発行日】2022-12-06
(54)【発明の名称】テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法、テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置及び分光器
(51)【国際特許分類】
H01L 39/22 20060101AFI20221129BHJP
G01N 21/3581 20140101ALI20221129BHJP
【ＦＩ】
H01L39/22 D
G01N21/3581
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018032280
(22)【出願日】2018-02-26
(65)【公開番号】P2019149418
(43)【公開日】2019-09-05
【審査請求日】2020-12-24
(73)【特許権者】
【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】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100169764
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 雄一郎
(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
【審査官】上田 智志
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２６４３１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０１７６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１９１５２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／０３９８２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－０９８２６４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３９／２２
Ｇ０１Ｎ ２１／３５８１
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、所定の範囲内で変化させ、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の周波数と強さを測定することによって、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に関するパラメータの相関関係を取得するパラメータ相関関係取得工程と、前記パラメータ相関関係取得工程で取得した前記パラメータの相関関係に基づいて、前記テラヘルツ帯域電磁波の周波数を入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を出力データとして出力する制御パターンを作成する周波数制御パターン作成工程と、
前記周波数制御パターン作成工程で作成した前記制御パターンに、入力データとして所望のターゲット周波数帯域を入力し、前記制御パターンから前記ターゲット周波数帯域内の各周波数に合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして取得し、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度を前記制御パターンから取得した環境温度に設定し、前記制御パターンから取得したバイアス電圧及びバイアス電流を前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に印加するテラヘルツ帯域電磁波発振工程と、
を備え、
前記周波数制御パターン作成工程において、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の強さが最も強い組み合わせを出力データとして出力するように前記制御パターンを作成する、
テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法。
【請求項2】
前記周波数制御パターン作成工程において、特定の周波数を発振させることが可能かつ小さい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの前記制御パターンと、特定の周波数を発振させることが可能かつ大きい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの前記制御パターンとを作成する、請求項１に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法。
【請求項3】
テラヘルツ帯域電磁波を発振可能なテラヘルツ帯域電磁波発振素子と、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、所定の範囲内で変化させ、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の周波数と強さを測定することによって、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に関するパラメータの相関関係を取得するパラメータ相関関係取得部と、
前記パラメータ相関関係取得部で取得された前記パラメータの相関関係に基づいて、前記テラヘルツ帯域電磁波の周波数を入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を出力データとして出力する制御パターンを作成する周波数制御パターン作成部と、
前記周波数制御パターン作成部で作成された前記制御パターンに、入力データとして所望のターゲット周波数帯域を入力し、前記制御パターンから前記ターゲット周波数帯域内の各周波数に合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして読み出し、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度を前記制御パターンから取得した環境温度に設定し、前記制御パターンから取得したバイアス電圧及びバイアス電流を前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に印加するテラヘルツ帯域電磁波発振素子設定部と、
を備え、
前記周波数制御パターン作成部は、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の強さが最も強い組み合わせを出力データとして出力する前記制御パターンを作成する、
テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置。
【請求項4】
請求項３に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置と、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置に設けられた前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振され、かつ所定の位置に配置可能とされた試料を通過して前記試料の情報を含むテラヘルツ帯域電磁波を検出するテラヘルツ帯域電磁波検出部と、
を備える、
分光器。
【請求項5】
テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、所定の範囲内で変化させ、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の周波数と強さを測定することによって、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に関するパラメータの相関関係を取得するパラメータ相関関係取得工程と、前記パラメータ相関関係取得工程で取得した、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧、バイアス電流、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されたテラヘルツ帯域電磁波の周波数、出力の組み合わせをデータテーブル化し、所望のターゲット周波数帯域を示す入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を当該データテーブルから読み出し、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度を前記データテーブルから取得した環境温度に設定すると共に、前記データテーブルから読み出したバイアス電圧及びバイアス電流を前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に印加するテラヘルツ帯域電磁波発振工程と、
を備え、
前記テラヘルツ帯域電磁波発振工程において、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の強さが最も強い組み合わせを前記データテーブルから読み出す、
テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法。
【請求項6】
テラヘルツ帯域電磁波を発振可能なテラヘルツ帯域電磁波発振素子と、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、所定の範囲内で変化させ、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の周波数と強さを測定することによって、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に関するパラメータの相関関係を取得するパラメータ相関関係取得部と、
前記パラメータ相関関係取得部で取得した、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧、バイアス電流、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されたテラヘルツ帯域電磁波の周波数、出力の組み合わせをデータテーブル化し、所望のターゲット周波数帯域を示す入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を当該データテーブルから読み出し、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度を前記データテーブルから取得した環境温度に設定すると共に、前記データテーブルから読み出したバイアス電圧及びバイアス電流を前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に印加するテラヘルツ帯域電磁波発振素子設定部と、
を備え、
前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子設定部は、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の強さが最も強い組み合わせを前記データテーブルから読み出す、
テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法、テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置及び分光器に関する。
【背景技術】
【0002】
テラヘルツ（ＴＨｚ）オーダーの周波数を有する電磁波（以下、ＴＨｚ波という）の周波数は、０．１ＧＨｚから１０ＴＨｚまでと言われ、分子間の振動や結晶格子の振動などの周波数とほぼ等しい。そのため、物質の同定をはじめとする、非破壊検査、セキュリティ、医療診断、気象観測、環境モニター、天文学、高速大容量通信等の幅広い分野におけるＴＨｚ波の活用が期待されている。
【0003】
近年、ＴＨｚ波を発振する素子として、高温超伝導体を備えた発振素子が注目されている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、高温超伝導体が有する固有ジョセフソン接合を利用したＴＨｚ波発振素子が開示されている。特許文献２に開示されたＴＨｚ波発振素子は、超伝導体の交流ジョセフソン効果に伴うジョセフソンプラズマによって、テラヘルツ波を発振する。また、特許文献２に開示されたＴＨｚ波発振素子は、ジョセフソン接合を積層した構造体が有する固有周波数とジョセフソンプラズマとを共振させることで、高いピーク強度を有するテラヘルツ波を発振する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００５－２５１８６３号公報
【文献】特開２００９－０４３７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の特許文献２に開示されたＴＨｚ波発振素子では、基板上に配置された高温超伝導体の単結晶を、基板側及び単結晶を挟んで基板とは反対側のそれぞれから排熱することによって、広い周波数帯域のＴＨｚ波が得られることが知られている（例えば、特開２０１６－５１８７１）。
【0006】
物質の同定などの幅広い分野では、ＴＨｚ波の周波数を変えながら測定対象試料（以下、単に試料という場合がある）からの周波数ごとの応答の有無を測定する。この際、試料の応答が発せられる周波数（以下、応答周波数という場合がある）が未知であっても、試料に、広い周波数帯域のＴＨｚ波を照射することによって、照射した周波数帯域内に応答周波数が存在する確率が高くなり、試料からの応答を検出し易くなる。また、ＴＨｚ波を用いることによって測定時の分解能を高くすることができる。そのため、任意の応答周波数が判明すれば、応答周波数及びその近傍の周波数帯域をターゲットとして、試料にターゲットの周波数帯域のＴＨｚ波を照射することによって、試料からの応答を詳細に解析できる。このように試料からの応答の有無を検出するためのＴＨｚ波の発振源として、ＴＨｚ波発振素子を活用することが期待される。
【0007】
しかしながら、ＴＨｚ波発振素子から発振されるＴＨｚ波の周波数は、高温超伝導体に印加する電圧と環境温度によって変化する。従来は、ＴＨｚ波発振素子から広く、かつターゲットとする任意の周波数帯域のＴＨｚ波を発振させることが難しいという問題があった。
【0008】
本発明は、上述の事情を勘案したものであって、ＴＨｚ波発振素子から広く、かつターゲットとする任意の周波数帯域のＴＨｚ波を発振させるＴＨｚ波発振素子の発振方法、ＴＨｚ波発振素子の発振装置、及びこのＴＨｚ波発振素子の発振装置を備えた分光器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係るＴＨｚ波発振素子の発振方法は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、所定の範囲内で変化させ、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の周波数と強さを測定することによって、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に関するパラメータの相関関係を取得するパラメータ相関関係取得工程と、前記パラメータ相関関係取得工程で取得した前記パラメータの相関関係に基づいて、前記テラヘルツ帯域電磁波の周波数を入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を出力データとして出力する制御パターンを作成する周波数制御パターン作成工程と、前記周波数制御パターン作成工程で作成した前記制御パターンに、入力データとして所望のターゲット周波数帯域を入力し、前記制御パターンから前記ターゲット周波数帯域内の各周波数に合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして取得し、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度を前記制御パターンから取得した環境温度に設定し、前記制御パターンから取得したバイアス電圧及びバイアス電流を前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に印加するテラヘルツ帯域電磁波発振工程と、を備える。
【0010】
本発明に係るＴＨｚ波発振素子の発振方法では、前記周波数制御パターン作成工程において、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の強さが最も強い組み合わせを出力データとして出力するように前記制御パターンを作成してもよい。
【0011】
本発明に係るＴＨｚ波発振素子の発振方法では、前記周波数制御パターン作成工程において、特定の周波数を発振させることが可能かつ小さい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの前記制御パターンと、特定の周波数を発振させることが可能かつ大きい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの前記制御パターンとを作成してもよい。
【0012】
本発明に係るＴＨｚ波発振素子の発振装置は、テラヘルツ帯域電磁波を発振可能なテラヘルツ帯域電磁波発振素子と、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、所定の範囲内で変化させ、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振されるテラヘルツ帯域電磁波の周波数と強さを測定することによって、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に関するパラメータの相関関係を取得するパラメータ相関関係取得部と、前記パラメータ相関関係取得部で取得された前記パラメータの相関関係に基づいて、前記テラヘルツ帯域電磁波の周波数を入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を出力データとして出力する制御パターンを作成する周波数制御パターン作成部と、前記周波数制御パターン作成部で作成された前記制御パターンに、入力データとして所望のターゲット周波数帯域を入力し、前記制御パターンから前記ターゲット周波数帯域内の各周波数に合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして読み出し、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の環境温度を前記制御パターンから取得した環境温度に設定し、前記制御パターンから取得したバイアス電圧及びバイアス電流を前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子に印加するテラヘルツ帯域電磁波発振素子設定部と、を備える。
【0013】
また、本発明に係る分光器は、上述のテラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置と、前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置に設けられた前記テラヘルツ帯域電磁波発振素子から発振され、かつ所定の位置に配置可能とされた試料を通過して前記試料の情報を含むテラヘルツ帯域電磁波を検出するテラヘルツ帯域電磁波検出部と、を備える。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、ＴＨｚ波発振素子から広く、かつターゲットとする任意の周波数帯域のＴＨｚ波を発振させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明に係るＴＨｚ波発振素子の一実施形態の側面図である。
【図2】図１に示すＴＨｚ波発振素子の特性を示すグラフであり、（ａ）は電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）の一例を示し、（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）に示すＩ－Ｖ特性の測定時にＴＨｚ波発振素子から放射されるＴＨｚ波の出力を示すグラフである。
【図5】本発明に係るＴＨｚ波発振素子の発振装置の一実施形態の概略図である。
【図6】本発明に係る分光器の一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明に係る一実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振方法、ＴＨｚ波発振素子の発振装置及び分光器について、図面を参照しつつ、説明する。なお、以下の説明で用いる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のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。
【0017】
［ＴＨｚ波発振素子の発振方法］
図１に示すように、本発明に係る一実施形態のＴＨｚ波発振素子（テラヘルツ帯域電磁波発振素子）１は、ＴＨｚ波（テラヘルツ帯域電磁波）を発振する超伝導体２と、超伝導体２の上面２ａ側に設けられたカバー９、基板５、スペーサー１２、レンズ１４と、超伝導体２の底面２ｂ側に設けられたカバー８、基板４と、を備える。
図１に示すように、本発明に係る一実施形態のＴＨｚ波発振素子（テラヘルツ帯域電磁波発振素子）１は、ＴＨｚ波（テラヘルツ帯域電磁波）を発振する超伝導体２と、超伝導体２の上面２ａ側に設けられたカバー９、基板５、スペーサー１２、レンズ１４と、超伝導体２の底面２ｂ側に設けられたカバー８、基板４と、を備える。
【0018】
超伝導体２は、超伝導層と絶縁層との積層構造を複数有し、ジョセフソン接合を積層した構造を有する。超伝導体２を構成する物質は、例えばＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（以下、Ｂｉ２２１２とする）である。Ｂｉ２２１２では、ＣｕＯ２層が超伝導層として機能し、Ｂｉ２Ｏ２層が絶縁層として機能する。ジョセフソン効果によって、絶縁層を介して各超伝導層間に超伝導電流が流れる。
【0019】
基板４，５は、平板状に形成され、Ｘ方向及びＹ方向において超伝導体２より大きい長さと幅を有する。基板４の上面４ａに、金などの金属のストライプ膜６が設けられる。ストライプ膜６は、Ｘ方向において上面４ａと同じ長さを有し、Ｙ方向において基板４の幅より狭い所定の幅を有する。基板５の底面５ｂに、金などの金属のストライプ膜７が設けられる。ストライプ膜７は、Ｘ方向において基板４の幅より狭い所定の幅を有し、Ｙ方向において底面５ｂと同じ長さを有する。
【0020】
超伝導体２は、Ｚ方向においてストライプ膜６，７に挟まれている。基板４，５は、サファイアなどの絶縁体で構成される。ストライプ膜６，７に、不図示の電源が接続される。ストライプ膜６，７を通して、超伝導体２に、任意の電圧（以下、バイアス電圧Ｖｓｕｐという）及び電流（以下、バイアス電流Ｉという）を印加できる。
【0021】
カバー８は、基板４の下側に設けられる。カバー８は、平板状に形成され、Ｘ方向及びＹ方向において基板４より大きい長さと幅を有する。カバー９は、Ｘ方向及びＹ方向においてカバー８とほぼ同じ長さと幅を有する。カバー９の底面９ｂに、凹部１０が形成されている。超伝導体２及び基板５と、基板４の少なくとも上側とは、凹部１０の内部に嵌っている。カバー９の上面９ａの中央部に、貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１は、凹部１０に連通し、Ｘ方向及びＹ方向において凹部１０より小さい。カバー８，９は、銅などの金属や熱伝導の高いセラミックスなどの絶縁体でできている。
【0022】
スペーサー１２は、貫通孔１１の底部に露出する基板５の上面５ａからＺ方向の奥側に立ち上がり、貫通孔１１の周壁面の全体を覆うように設けられる。スペーサー１２の中央部に、貫通孔１３が形成されている。つまり、スペーサー１２は、環状に形成されている。スペーサー１２は、金属や樹脂などで構成される。
【0023】
レンズ１４は、貫通孔１３の底部に露出する基板５の上面５ａに設けられる。レンズ１４は、いわゆる平凸レンズである。レンズ１４の底面１４ｂは、平坦になっている。レンズ１４の上面１４ａは、Ｚ方向の奥側に向って凸になるように湾曲する。レンズ１４は、シリコンなどのようにＴＨｚ波を通過させることができる素材でできている。なお、レンズ１４の種類は、ＴＨｚ波発振素子１の使用目的及びＴＨｚ波の発振させる方向等に応じて、平凸レンズ以外のものが適宜選択される場合がある。
【0024】
図２（ａ）は、ＴＨｚ波発振素子１の試作サンプルにおいて、超伝導体２の周囲の温度（以下、環境温度とする）Ｔ（Ｋ）を１５Ｋ，５０Ｋ，７０Ｋのそれぞれに設定した際の電流－電圧特性（以下、Ｉ－Ｖ特性と記載する）を示すグラフである。環境温度は、ＴＨｚ波発振素子１の不図示の温度調節装置の内部に設置し、正確に制御した。なお、図２に示す特性では、接触抵抗などの影響は差し引かれている。
【0025】
図２（ａ）のグラフに示すＩ－Ｖ特性に、バイアス電流が循環するにつれて大きなヒステリシスが現れる。Ｉ－Ｖ特性のヒステリシスは、環境温度が超伝導転移温度に近づくにつれて、急速に収束する。ＴＨｚ波発振素子１は、前述のように多くのジョセフソン接合が積層した構造を有する。これらのジョセフソン接合がすべて動作していると、図２（ａ）のグラフに示すＩ－Ｖ特性は、一番外側（図２の紙面の最も右側）を通るものになり、本実施形態ではこのような特性をouter-branchと称する。これに対し、前述のジョセフソン接合の一部しか動作していない場合、印加電流の増減に対して図２（ａ）のグラフに示すＩ－Ｖ特性にヒステリシスが現れる。このヒステリシスは、特に図２（ａ）のグラフに示すＩ－Ｖ特性の低電流・低電圧領域で観測される。本実施形態ではこのようなＩ－Ｖ特性をinner-branchと称する。
【0026】
図２（ｂ），（ｃ）は、図２（ａ）に示すＩ－Ｖ特性の測定時にＴＨｚ波発振素子１から放射されるＴＨｚ波の出力を示すグラフである。図２の右側及び下側のグラフに示すように、環境温度を１５Ｋにすると、約４Ｖ，６Ｖのバイアス電圧によって、ＴＨｚ波発振素子１からＴＨｚ波が発振される。環境温度を５０Ｋにすると、約２．２Ｖのバイアス電圧によって、ＴＨｚ波発振素子１からＴＨｚ波が発振される。このときのＴＨｚ波の発振は、環境温度を１５Ｋにしたときに約３．５Ｖのバイアス電圧によるＴＨｚ波の発振より強い。環境温度をＴＨｚ波発振素子１の超伝導転移温度に近い７０Ｋにすると、１．３Ｖ付近のバイアス電圧では依然として、ＴＨｚ波発振素子１から強いＴＨｚ波が発振される。
【0027】
得られたＩ－Ｖ特性をふまえ、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波について解析を続ける。図３は、ＴＨｚ波の発振が観測されたＩ－Ｖ特性のデータプロットに関し、異なるバイアス点で観測されたＴＨｚ波の周波数を環境温度の関数としてプロットしたグラフである。ここで、バイアス点は、環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流の組み合わせに依存するＴＨｚ波発振素子１の発振条件を表す。図３に示すように、より高い環境温度にしたときに低い周波数のＴＨｚ波が得られ、より低い環境温度にしたときに高い周波数のＴＨｚ波が得られる。試作サンプルで得られた最低周波数は、環境温度を７１Ｋにしたときの０．３０ＴＨｚであった。試作サンプルで得られた最高周波数は、環境温度を１３Ｋにしたときの１．１４ＴＨｚであった。このようにＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数ｆの環境温度依存性は、図２の左上のグラフに示すＩ－Ｖ特性の環境温度依存性に起因する。環境温度の変化に伴うバイアス電圧の変化は、交流ジョセフソン効果の関係式：ｆ＝（２ｅ／ｈ）Ｖｓｕｐ／Ｎと一致する。前述の関係式のｅは電気素量であり、ｈはプランク定数であり、Ｖｓｕｐはバイアス電圧であり、Ｎは発振素子内部で動作しているジョセフソン接合数である。
【0028】
図４は、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数ｆのバイアス電圧依存性を示すグラフである。図４に示すように、特定のＮの値に対し、周波数ｆは交流ジョセフソン効果の関係式に従い、バイアス電圧Ｖにほぼ比例する。ただし、図４に示すグラフの複数のプロットの一部は、交流ジョセフソン効果の関係式を表す破線上から外れている。このように交流ジョセフソン効果の関係式から外れたプロットは、Ｉ－Ｖ特性のinnner-branchに起因する。
【0029】
以上に例示したＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数ｆにおける環境温度Ｔ、バイアス電圧Ｖｓｕｐ及びバイアス電流Ｉの依存性は、複雑であり、試作サンプルによっては特性が異なる場合がある。したがって、ＴＨｚ波発振素子１からターゲットとする周波数のＴＨｚ波を発振させるために、本実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振方法は、パラメータ相関関係取得工程と、周波数制御パターン作成工程と、ＴＨｚ波発振工程（テラヘルツ帯域電磁波発振工程）とを備える。
【0030】
パラメータ相関関係取得工程では、先ず、ＴＨｚ波発振素子１の環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を初期値に設定する。次に、環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、適切な範囲内で変化させ、各値に対してＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数と出力を測定する。ＴＨｚ波の周波数と出力の測定には、例えばＦＴＩＲ（Fourier-transform infrared）分光器（型番：FARIS-1、日本分光株式会社製）を用いることができる。ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数と出力を測定することによって、ＴＨｚ波発振素子１に関するパラメータの相関関係を取得する。
【0031】
次に、周波数制御パターン作成工程では、パラメータ相関関係取得工程で得た、ＴＨｚ波発振素子１の環境温度、バイアス電圧、バイアス電流、ＴＨｚ波発振素子１から発振されたＴＨｚ波の周波数、出力の組み合わせをデータテーブル化する。データテーブル作成後、ＴＨｚ波の周波数を入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流を出力データとして出力する制御パターンを作成する。
【0032】
次に、ＴＨｚ波発振工程は、試料に照射するＴＨｚ波の周波数帯域を広めに設定し、ターゲット周波数帯域とする。続いて、周波数制御パターン作成工程で作成した制御パターンに入力データとしてターゲット周波数帯域を入力し、試料に照射するＴＨｚ波の周波数間隔を設定する。続いて、制御パターンからターゲット周波数帯域の最も低い周波数に合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして取得し、ＴＨｚ波発振素子１の環境温度を取得した環境温度に設定し、取得したバイアス電圧及びバイアス電流をＴＨｚ波発振素子１に印加する。
【0033】
続いて、ターゲット周波数帯域の最も低い周波数から予め設定した周波数間隔でシフトした周波数を新たに入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして取得し、ＴＨｚ波発振素子１の環境温度を取得した環境温度に設定し、取得したバイアス電圧及びバイアス電流をＴＨｚ波発振素子１に印加する。入力データがターゲット周波数帯域の最も高い周波数に達するまで、同様の作業を繰り返す。
【0034】
前述の作業の繰り返しによって、ターゲット周波数帯域を一旦入力すれば、ＴＨｚ波発振素子１から、ほぼ自動的に広いターゲット周波数帯域のＴＨｚ波を発振させることができる。すなわち、本発明のＴＨｚ波発振素子の発振方法によれば、ＴＨｚ波発振素子から広く、かつターゲットとする任意の周波数帯域のＴＨｚ波を発振させることができる。なお、周波数間隔は、ＴＨｚ波を発振させる度に入力可能であってもよく、あらかじめ設定されていてもよい。
【0035】
前述の作業の繰り返しながら、ターゲット周波数帯域内で周波数を変化させつつ、ＴＨｚ波を試料に照射した際に、試料から透過するＴＨｚ波を検出することにより、試料からの周波数ごとの応答の有無を測定できる。このことにより、試料の分析や同定を行うことができる。
【0036】
また、図２から図４に示すように、ＴＨｚ波の特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせは、複数存在する場合がある。そのため、周波数制御パターン作成工程では、特定の周波数を入力データとしたとき、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の強さが最も強い組み合わせを出力データとして出力するように制御パターンを作成することが好ましい。
【0037】
前述のように制御パターンでＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の強さが最も強い出力データが出力されることによって、試料により強いＴＨｚ波を照射することができる。このことにより、試料からの周波数ごとの応答の有無を高感度に測定できる。
【0038】
さらに、図２から図４に示すグラフからわかるように、環境温度を固定すると、その時に変化させることのできる周波数の範囲は小さくなるが、その周波数の範囲はバイアス電圧によって制御できる。一方で、環境温度を変化させると、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の中心周波数が大きく変化する。そのため、周波数制御パターン作成工程では、特定の周波数を発振させることが可能かつ小さい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの制御パターンと、特定の周波数を発振させることが可能かつ大きい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの制御パターンを作成することが好ましい。ＴＨｚ波発振工程では、周波数間隔をさらに入力データとし、ターゲット周波数帯域及び周波数間隔に合う環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を出力データとして取得し、ＴＨｚ波発振素子１の環境温度を取得した環境温度に設定し、取得したバイアス電圧及びバイアス電流をＴＨｚ波発振素子１に印加することが好ましい。
【0039】
前述のように周波数間隔に合わせた制御パターンを用意することによって、試料の応答周波数及びその近傍の周波数帯域をターゲットとし、試料にターゲットの周波数帯域のＴＨｚ波を所望の周波数間隔で照射することによって、試料からの応答を詳細に解析できる。
【0040】
［ＴＨｚ波発振素子の発振装置］
図５は、本発明に係る一実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振装置（以下、単に「発振装置」という場合がある）５０の概略図である。なお、図５では、ＴＨｚ波発振素子１の具体的な構成の図示は省略する。
図５は、本発明に係る一実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振装置（以下、単に「発振装置」という場合がある）５０の概略図である。なお、図５では、ＴＨｚ波発振素子１の具体的な構成の図示は省略する。
【0041】
図５に示すように、発振装置５０は、ＴＨｚ波発振素子１と、パラメータ相関関係取得部５２と、周波数制御パターン作成部５４と、入力部５６と、ＴＨｚ波発振素子設定部（テラヘルツ帯域電磁波発振素子印加部）５８とを備える。
【0042】
パラメータ相関関係取得部５２は、ＴＨｚ波発振素子１の環境温度、バイアス電圧及びバイアス電流を所定の初期値に設定する。次に、パラメータ相関関係取得部５２は、環境温度、バイアス電圧をそれぞれ個別に、適切な範囲内で変化させつつ、各値に対してＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数と出力を測定する。ＴＨｚ波の出力を測定するために、例えば前述のＦＴＩＲ分光器６０をＴＨｚ波発振素子１の出力側に接続することができる。ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数と出力を測定することによって、ＴＨｚ波発振素子１に関するパラメータの相関関係を取得する。なお、ＦＴＩＲ分光器６０は、ＴＨｚ波発振素子１に関するパラメータの相関関係を取得した後は基本的に不要であるため、ＴＨｚ波発振素子１に関するパラメータの相関関係の取得時のみにＴＨｚ波発振素子１の出力側に接続可能であればよい。
【0043】
周波数制御パターン作成部５４は、パラメータ相関関係取得部５２から、測定で得られたＴＨｚ波発振素子１に関するパラメータ（環境温度、バイアス電圧、バイアス電流、ＴＨｚ波の周波数、ＴＨｚ波の出力）を受信する。周波数制御パターン作成部５４は、前述のパラメータから、ＴＨｚ波の周波数を入力データとし、入力データに合う環境温度、バイアス電流、バイアス電圧を出力データとした制御パターンのデータテーブルＤＴを作成する。
【0044】
周波数制御パターン作成部５４では、ＴＨｚ波の特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせが複数存在する場合、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の強さが最も強い組み合わせが出力データとして出力されるように、制御パターンが作成されることが好ましい。このことによって、ＴＨｚ波発振素子１から確実に強いＴＨｚ波が発振される。
【0045】
また、周波数制御パターン作成部５４では、特定の周波数帯域内で異なる周波数間隔でＴＨｚ波を発振させることができる環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの制御パターンを複数作成することが好ましい。このことによって、測定対象の試料及び測定内容に適した周波数間隔でＴＨｚ波発振素子１からＴＨｚ波が安定して発振される。
【0046】
入力部５６は、不図示のユーザから入力されたＴＨｚ波の所望のターゲット周波数帯域を受信し、ＴＨｚ波発振素子設定部５８に送信（出力）する。
【0047】
ＴＨｚ波発振素子設定部５８は、データテーブルＤＴから入力部５６から受信したＴＨｚ波のターゲット周波数帯域のうち最も低い周波数を入力データとして、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流をデータテーブルＤＴから読み出す。続いて、ＴＨｚ波発振素子設定部５８は、ＴＨｚ波発振素子１をデータテーブルＤＴから読み出した環境温度に設定すると共に、ＴＨｚ波発振素子１にデータテーブルＤＴから読み出したバイアス電流、バイアス電圧を印加する。その後、ＴＨｚ波発振素子設定部５８は、データテーブルＤＴにおける周波数の間隔に応じて入力データの周波数を高くし、その都度、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流をデータテーブルＤＴから読み出し、ＴＨｚ波発振素子１をデータテーブルＤＴから読み出した環境温度に設定すると共に、ＴＨｚ波発振素子１にデータテーブルＤＴから読み出したバイアス電流、バイアス電圧を印加する。ＴＨｚ波発振素子設定部５８は、同様の動作を、入力データの周波数がＴＨｚ波のターゲット周波数帯域のうち最も高い周波数に達するまで続ける。一連の動作によって、ＴＨｚ波発振素子１から所望のターゲット周波数帯域のＴＨｚ波が発振される。なお、上述したように測定対象の試料に照射するＴＨｚ波の周波数を低い周波数から高い周波数へ変化させる測定方法は一例である。本発明に係る発振装置５０では、測定対象の試料に照射するＴＨｚ波の周波数を、例えば高い周波数から低い周波数へ変化させてもよく、ターゲット周波数帯域からランダムに抽出してもよい。試料に照射するＴＨｚ波の周波数をどのように変化させるかということについては、測定対象の試料のスペクトルの解析方法に依存して適宜決められる。
【0048】
また、発振装置５０では、試料に照射するＴＨｚ波の周波数帯域をデータテーブルＤＴの周波数の範囲内で、かつ広めに予め設定し、第１段階の周波数帯域としてもよい。この場合、続いて、ＴＨｚ波発振素子設定部５８は、第１段階の周波数帯域内の各周波数を入力データとして、入力データに合う環境温度、バイアス電圧、バイアス電流をデータテーブルＤＴから読み出し、ＴＨｚ波発振素子１をデータテーブルＤＴから読み出した環境温度に設定すると共に、ＴＨｚ波発振素子１にデータテーブルＤＴから読み出したバイアス電流、バイアス電圧を印加する。この際に、ＦＴＩＲ分光器６０でＴＨｚ波の出力を測定し、試料の応答がみられるＴＨｚ波の周波数を検出し、応答検出周波数とする。次に、ＴＨｚ波発振素子設定部５８は、応答検出周波数のうち最も低い周波数から最も高い周波数までの帯域をターゲット周波数帯域として、上述と同様の動作によってＴＨｚ波発振素子１から所望のターゲット周波数帯域のＴＨｚ波を発振させてもよい。このような構成では、入力部５６を省略できる。
【0049】
上述のパラメータ相関関係取得部５２、周波数制御パターン作成部５４、及びＴＨｚ波発振素子設定部５８は、例えば、ＴＨｚ波発振素子１に接続されたコンピュータ等の制御機器に組み込まれたプログラムである。入力部５６には、例えばキーボードやディスプレー、マウス、タッチパネル等が用いられる。
【0050】
【0051】
図６に示すように、分光器８０は、発振装置５０と、ＴＨｚ波検出部（テラヘルツ帯域電磁波検出部）８２とを備える。発振装置５０とＴＨｚ波検出部８２との間の所定の位置に、測定対象の試料Ｓが配置可能とされる。ＴＨｚ波検出部８２には、発振装置５０から発振され、且つ測定対象の試料Ｓを通過して試料Ｓの情報を含むＴＨｚ波が照射される。ＴＨｚ波検出部８２としては、例えば、ＴＨｚ波に感度を有するディテクタが用いられる。上述したように発振装置５０のＴＨｚ波発振素子１から所望のターゲット周波数帯域のＴＨｚ波が発振されることによって、ＴＨｚ波検出部８２にターゲット周波数帯域内のそれぞれの周波数のＴＨｚ波に対し、試料Ｓの情報を含むＴＨｚ波がＴＨｚ波検出部８２で検出される。
【0052】
なお、分光器８０は少なくともＴＨｚ波の発振源として発振装置５０を含むと共に、試料Ｓの情報を含むＴＨｚ波がＴＨｚ波検出部８２で検出可能であればよく、発振装置５０におけるＴＨｚ波の出射部からＴＨｚ波検出部８２までの分光器８０の構成は図６に示す構成に限定されない。
【0053】
以上説明した本実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振方法は、パラメータ相関関係取得工程と、周波数制御パターン作成工程と、テラヘルツ帯域電磁波発振工程とを備える。パラメータ相関関係取得工程を行うことによって、ＴＨｚ波発振素子１へのバイアス電流、バイアス電圧及びＴＨｚ波発振素子１の環境温度とＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数との相関関係が得られる。周波数制御パターン作成工程を行うことによって、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の周波数を入力データとしたときのＴＨｚ波発振素子１へのバイアス電流、バイアス電圧及びＴＨｚ波発振素子１の環境温度が出力データとして得られる。これらのことをふまえて、テラヘルツ帯域電磁波発振工程を行うことによって、所望のターゲット周波数帯域内のそれぞれの周波数を入力データとして、この入力データに確実に対応するバイアス電流、バイアス電圧及び環境温度を出力データとして得ると共に、これらの出力データに合わせてＴＨｚ波発振素子１を制御し、ＴＨｚ波発振素子１から所望の周波数のＴＨｚ波を発振させることができる。バイアス電圧、バイアス電流、環境温度の何れかを変化させるかということによって、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波を周波数の可動範囲は変わるので、そのことをふまえて前述の相関関係から出力データを適宜選択することによって、ＴＨｚ波発振素子１から広く、かつターゲットとする任意の周波数帯域のＴＨｚ波を発振させることができる。
【0054】
また、本実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振方法では、周波数制御パターン作成工程において、特定の周波数を発振させることが可能な環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせのうち、ＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波の強さが最も強い組み合わせを出力データとして出力するように制御パターンを作成することが好ましい。このことによって、測定対象の試料に対してより強いＴＨｚ波を照射し、試料からの周波数ごとの応答の有無を高感度に測定できる。
【0055】
また、本実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振方法では、特定の周波数を発振させることが可能かつ小さい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの制御パターンと、特定の周波数を発振させることが可能かつ大きい周波数間隔に適する環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせの制御パターンとを双方作成することが好ましい。このことによって、試料の応答周波数及びその近傍の周波数帯域をターゲットとし、試料にターゲット周波数帯域のＴＨｚ波を所望の細かい周波数間隔で照射し、試料からの応答を詳細に解析できる。
【0056】
また、本実施形態の発振装置５０及び分光器８０では、本実施形態のＴＨｚ波発振素子の発振方法と同様の原理によって、ＴＨｚ波発振素子１から広く、かつターゲットとする任意の周波数帯域のＴＨｚ波を発振させることができる。さらに、発振装置５０のＴＨｚ波発振素子１から発振されるＴＨｚ波を試料Ｓに照射し、試料Ｓを通過したＴＨｚ波を検出することによって、試料Ｓに対するＴＨｚ帯の分光測定を行うことができる。
【0057】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【0058】
例えば、本発明のＴＨｚ波発振素子の発振方法で用いるＴＨｚ波発振素子は、図１に示すＴＨｚ波発振素子１に限定されない。本発明のＴＨｚ波発振素子の発振方法で用いるＴＨｚ波発振素子は、超伝導体２を備え、環境温度、バイアス電圧、バイアス電流の組み合わせによって発振されるＴＨｚ波の周波数が変化する素子を全て含む。
【符号の説明】
【0059】
１…ＴＨｚ波発振素子（テラヘルツ帯域電磁波発振素子）
５０…発振装置（テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置）
８０…分光器
８２…ＴＨｚ波検出部（テラヘルツ帯域電磁波検出部）
５０…発振装置（テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置）
８０…分光器
８２…ＴＨｚ波検出部（テラヘルツ帯域電磁波検出部）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】