2次元導波構造を用いたテラヘルツ帯電磁波面制御の研究

二维波导结构太赫兹波段电磁波前控制研究

基本信息

批准号：
10J04238
负责人：
門内靖明
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J04238/
关键词：
テラヘルツ波フェーズドアレイアンテナ導波路

项目摘要

本研究の最終的な目標は、100GHzから1THzにかけての極めて高い周波数帯(テラヘルツ帯)の電磁波に対するフェーズドアレイを実現することであった。採用第3年目は、第2年目の構想および基礎実験の成果に基づいて、世界初のテラヘルツフェーズドアレイを実証した。具体的には、静電気力によってパターンを自在に変更可能な反射型グレーティングを作製し、それを用いたテラヘルツ波ビームステアリングを実験的に実証した。なお、実験の実施にあたって、研究員は2012年6月から9月まで独マールブルク大学物理学科に滞在して研究を遂行した。第2年目において、研究員は、静電気力によって自在にパターンを再構成可能な回折格子の構造を提案し、その試作にとりかかった。光マイクロマシンで用いられる反射型回折格子に比べると、テラヘルツ帯では約100倍大きな可動範囲が要求されるため、金属エッチングやフレキシブル基板電極などを組み合わせた新規な構造を提案してこれを実現した。具体的には、5μm厚の薄いステンレスシートに多数の開口をエッチングすることで、隣り合う開口の境界部分に残る支柱を両持ちカンチレバーとして利用した。実際に商業的なフォトエッチングプロセスを用いて、0.18mm周期のカンチレバーアレイを256本形成した。また、それらを個別に静電気的に駆動するために、厚さ12.5μmのポリイミド基板を絶縁層として各カンチレバーに個別に電圧を印加可能な電極アレイをフレキシブル基板上に形成した。2012年の4月から5月にかけて上記のデバイス作製を完了させ、当該構造によりカンチレバーが個別に駆動可能なことを確認した。その後、6月から9月にかけて、作製されたデバイスを用いてテラヘルツ波ビームステアリングの実証実験を行った。実験にあたっては、研究員が独マールブルク大学に滞在し、テラヘルツ時間領域分光測定装置を用いて測定を行った。実験では、0.1～0.9THzの高帯域にわたって指向性ビームのステアリングが実証され、特に0.3THz付近では40度以上の走査角レンジが達成された。また、指向性ビームのみならず、集束ビームのステアリングも実証されている。研究の成果をまとめた学術論文が、2013年1月にOptics Express誌に掲載された。

这项研究的最终目标是实现100GHz至1THz极高频段（太赫兹频段）电磁波的相控阵。采用的第三年，基于第二年的概念和基本实验结果，展示了世界上第一个太赫兹相控阵。具体来说，我们创建了一种可以利用静电力自由改变图案的反射光栅，并通过实验证明了使用它的太赫兹波束控制。在进行实验时，研究人员于2012年6月至9月留在德国马尔堡大学物理系开展研究。第二年，研究人员提出了一种衍射光栅的结构，其图案可以利用静电力自由地重新配置，并开始制作它的原型。与光学微机械中使用的反射式衍射光栅相比，太赫兹波段需要大约100倍的可移动范围，因此我们通过提出一种结合金属蚀刻和柔性基板电极的新结构来实现这一目标。具体来说，我们通过在厚度为 5 μm 的不锈钢薄板上蚀刻大量开口，将保留在相邻开口之间边界处的支柱用作双面悬臂梁。事实上，我们使用商业光刻工艺，形成了 256 个悬臂梁的阵列，周期为 0.18 毫米。为了单独静电驱动它们，使用12.5μm厚的聚酰亚胺基板作为绝缘层，在柔性基板上形成电极阵列，并且能够单独向每个悬臂施加电压。上述装置的制造于2012年4月至5月期间完成，并确认可以使用该结构单独驱动悬臂。此后，从6月到9月，利用制作的装置进行了太赫兹波束控制的演示实验。在实验中，研究人员留在德国马尔堡大学，使用太赫兹时域光谱仪进行测量。在实验中，在 0.1 至 0.9 THz 的高频段上演示了定向光束转向，并且实现了超过 40 度的扫描角度范围，特别是在 0.3 THz 左右。此外，还演示了聚焦光束和定向光束的转向。 2013年1月《Optics Express》发表了一篇总结研究成果的学术论文。