專利名稱：使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置及方法，涉及由在半導(dǎo)體表面上高速移動(dòng)的光脈沖引起的自由載流子(等離子體)反射電磁波、并基于被反射后的電磁波的相位變化來(lái)變換(倍增)頻率的頻率變換裝置及方法。
背景技術(shù)：
以往，在頻率小于等于1THz的電磁波區(qū)域中，作為增加、變換輸入波的頻率的方法，使用了利用變?nèi)荻O管、各種晶體管等半導(dǎo)體元件所具有的電氣的非線性，將元件安裝到共振器內(nèi)進(jìn)行倍增的方式(參照非專利文獻(xiàn)1、2)。
另外，以往，非專利文獻(xiàn)3中記載了對(duì)靜止等離子體的界面高速移動(dòng)時(shí)的反射及透射波的理論性分析。非專利文獻(xiàn)4中記載了對(duì)只有靜止的電介質(zhì)的界面高速移動(dòng)時(shí)的反射及透射波的理論性分析。非專利文獻(xiàn)5中記載了通過(guò)在同軸電纜上負(fù)載可變?nèi)萘慷O管、并使電壓脈沖移動(dòng)，而生成等價(jià)的移動(dòng)界面，測(cè)定入射波的透射頻率變化，根據(jù)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻率變化而高速移動(dòng)電磁場(chǎng)的多普勒頻率轉(zhuǎn)變。非專利文獻(xiàn)6中記載了以下一種實(shí)驗(yàn)，即負(fù)載了以高壓充電的電容器的線路中，使激光作為觸發(fā)脈沖放電，生成等價(jià)的等離子體界面，調(diào)查此時(shí)發(fā)生的電磁波成為微波段。
非專利文獻(xiàn)1E.Schlecht，G.Chattopadhyay，A.Maestrini，A.Fung，S.Martin，D.Pukala，J.Burston and I.Mehdi，“200，400 and800GHz Schottky Diode“Substrateless”MultipliersDesignand Results”2001 MMT-S International MicrowaveSymposium Digest，vol.3，pp.1649-1652，2001.
非專利文獻(xiàn)2X.Melique，A.Maestrini，R.Farre，P.Mounaix，M.Favreau，O.Vanbesien，J-M.Goutoule，F(xiàn).Mollot，G.Beaudin，T.Narhi，D.Lippens，“Fabrication andPerformance of Inp-based Heterostructure BarrierVaractors in a 250-GHz Waveguide Tripler”MicrowaveTheory and Techniques，IEEE Transactions on，vol.48，no.6，pp.1000-1006，Jun 2000.
非專利文獻(xiàn)3M.Lampe，et al.，“Submillimeter-Wave Production byUpshifted Reflection from a Moving Ionization Front”，Year1997非專利文獻(xiàn)4C.S.Tsai and B.A.Auld，“Wave Interaction with MovingBoundaries”，1967非專利文獻(xiàn)5伊藤洋，早田潔，“高速移動(dòng)すゐ電磁界のドツプラ一周波數(shù)遷移”，1979非專利文獻(xiàn)6J.R.Hoffman，et al.，“High power radiation fromionization fronts in a static electric field in a waveguide”，2001發(fā)明內(nèi)容但是，以往的方式中存在以下問(wèn)題。
1)如果增加頻率變換率(頻率倍增率)則變換效率急劇下降，故實(shí)用的變換倍率最大是限制在5倍或5倍以下。
2)在超過(guò)100GHz的大于等于短毫米波的頻帶中，元件特性劣化并且精密且微型共振器的制作困難，其輸出大幅度減少，變得不實(shí)用。
3)由于使用阻抗匹配用共振器，故其同步范圍被限定。
4)由于固態(tài)元件的最大允許輸入功率被限制，故不能夠得到大的輸出。
根據(jù)以上理由，在超過(guò)300GHz的亞毫米波段中，現(xiàn)狀是，在根據(jù)以往技術(shù)的倍增器中，即使是2倍波，變換效率也為20％程度或小于等于它，另外輸出也是小于等于10mW。
鑒于以上點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種頻率變換裝置及方法，例如，其不使用如以往的變?nèi)荻O管等具有非線性特性的固態(tài)元件，也不需要阻抗匹配用共振器等復(fù)雜的共振器結(jié)構(gòu)，利用高頻傳送線路上的多普勒效應(yīng)能夠在從微波或毫米波到兆兆赫波的幅度寬的頻率范圍內(nèi)工作。另外，本發(fā)明的目的在于，通過(guò)調(diào)整光延遲電路及高頻傳送線路的結(jié)構(gòu)，改變光及輸入輸出波的傳播速度，從而能夠容易地調(diào)整頻率變換率(頻率倍增率)。
另外，本發(fā)明的目的在于，解決如下的課題。
1)能夠產(chǎn)生大于等于100GHz的短毫米波/亞毫米波及兆兆赫波段的相干的電磁波。
2)以寬頻帶、高效率容易地實(shí)現(xiàn)超過(guò)10倍的高頻率變換率。
3)通過(guò)改變輸入頻率，得到達(dá)到100％的寬范圍內(nèi)的連續(xù)性的頻率可變輸出。這是以具有共振器結(jié)構(gòu)的以往方式不能夠達(dá)到的。
4)超過(guò)1W的高輸出功率在短毫米波/亞毫米波段的高頻率區(qū)域也能夠達(dá)成。這是因?yàn)楸景l(fā)明的最大允許工作功率不是由固態(tài)元件的低允許輸入功率決定，而是由高頻傳送線路的高放電破壞電壓決定。結(jié)果，能夠利用具有大功率的輸入波。
5)使電路制作及設(shè)計(jì)容易。
根據(jù)本發(fā)明的第一解決方案，提供一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，其包括基板，其被激發(fā)光激發(fā)表面等離子體，并傳播輸入波；高頻傳送線路，其形成在上述基板上，并具有第一及第二側(cè)；和光延遲電路，其向激光提供傳播時(shí)間差，對(duì)于上述基板照射該激光，從上述高頻傳送線路的第一或第二側(cè)輸入輸入波，并在第二側(cè)反射，將激光入射到上述光延遲電路，由上述光延遲電路，根據(jù)上述高頻傳送線路的線路方向的位置，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)上述高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由上述光延遲電路在上述基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路上述高頻傳送線路，將在上述高頻傳送線路的第二側(cè)反射后的輸入波由表面等離子體進(jìn)一步反射，通過(guò)該反射點(diǎn)向上述高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從上述高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
根據(jù)本發(fā)明的第二解決方案，提供一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，其包括基板，其被激發(fā)光激發(fā)表面等離子體，并傳播輸入波；高頻傳送線路，其形成在上述基板上，并具有第一及第二側(cè)；和光延遲電路，其向激光提供傳播時(shí)間差，并對(duì)于上述基板照射該激光，從上述高頻傳送線路的第二側(cè)輸入輸入波，將激光入射到上述光延遲電路，由上述光延遲電路，根據(jù)上述高頻傳送線路的線路方向的位置，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)上述高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由上述光延遲電路在上述基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路上述高頻傳送線路，將輸入波由表面等離子體反射，通過(guò)其反射點(diǎn)向上述高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從上述高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
根據(jù)本發(fā)明的第三解決方案，提供一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，從形成在基板上的高頻傳送線路的第一側(cè)輸入輸入波，并使其在第二側(cè)反射，將激光入射到光延遲電路，由光延遲電路，根據(jù)高頻傳送線路的線路方向的位置，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由光延遲電路在基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路高頻傳送線路，將在高頻傳送線路的第二側(cè)反射后的輸入波由表面等離子體進(jìn)一步反射，通過(guò)其反射點(diǎn)向高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
根據(jù)本發(fā)明的第四解決方案，提供一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，
從形成在基板上的高頻傳送線路的第二側(cè)輸入輸入波，將激光入射到光延遲電路，由光延遲電路，根據(jù)高頻傳送線路的線路方向的位置，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由光延遲電路在基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路高頻傳送線路，將輸入波由表面等離子體反射，通過(guò)其反射點(diǎn)向高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。


圖1是使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方式的原理圖。
圖3是輸入了脈沖波時(shí)的時(shí)序圖。
圖4是輸入了連續(xù)波時(shí)的時(shí)序圖。
圖5是使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是第二實(shí)施例中的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方式的原理圖。
圖7是使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是表示輸入波在以速度vopt運(yùn)動(dòng)的等離子體界面被反射的情況的圖。
圖9是表示輸出頻率fout和功率反射率R的計(jì)算結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
1.第一實(shí)施例1-1.結(jié)構(gòu)圖1表示使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置的第一本實(shí)施例的頻率變換裝置包括輸入部1，高頻傳送線路2，基板3，激光光源4，光延遲電路5，輸出部6。
輸入部1將輸入波輸入到高頻傳送線路2中。另外，輸入部1具有例如循環(huán)器等頻率識(shí)別電路。高頻傳送線路2形成在基板3上，并傳送輸入波及輸出波。高頻傳送線路2具有例如共面線路、窄槽線路、波導(dǎo)管電路等。例如，高頻傳送線路2可以通過(guò)將至少2根線蒸鍍?cè)诨?上來(lái)形成?；?可以使用例如硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、或銦系等半導(dǎo)體基板、絕緣性高的半導(dǎo)體基板。另外，本實(shí)施例中，作為一個(gè)例子，使用硅半導(dǎo)體基板作為基板3，高頻傳送線路2使用頻率特性比較平坦的共面帶狀線路。另外，高頻傳送線路2(例如帶狀線路)為了提高匹配性可以具有向輸出部6(例如波導(dǎo)管)的匹配部(例如變換用變細(xì)部)。激光光源4使用TiSaphire激光等合適的激光。輸出部6作為輸入輸出分波電路(頻率識(shí)別型分支電路)，具有例如波導(dǎo)管等各種濾波電路。另外，輸出部6通過(guò)將該波導(dǎo)管的截止頻率fcutoff設(shè)定為大于輸入波的最大頻率，能夠使輸入波全反射，只取出輸出波。
光延遲電路5使激光延遲并入射到高頻傳送線路2及基板3上。另外，在該實(shí)施例中，光延遲電路5利用了石英中的光速的下降。光延遲電路5根據(jù)在三角形狀石英中傳播的激光的光程長(zhǎng)短，并根據(jù)高頻傳送線路2的線路方向的位置，生成激光到達(dá)基板3的到達(dá)時(shí)間差。因此，基板3上被激發(fā)的表面等離子體從輸入部1向輸出部6的方向高速移動(dòng)。高頻傳送線路2上的光激發(fā)等離子體的等價(jià)的前進(jìn)速度vopt，當(dāng)設(shè)光激發(fā)等離子體和電磁波的相互作用長(zhǎng)為L(zhǎng)int、石英部的最大長(zhǎng)為L(zhǎng)delay時(shí)，滿足下面的公式。
vopt=cLintLdelay(n-1)---(1)]]>在此，c是光速，n是電介質(zhì)的折射率。由此，如果高頻傳送線路2中的輸入波及輸出波的傳播速度vin及vout、相互作用長(zhǎng)Lint被決定，則配合需要的頻率變換率(頻率倍增率)G可以設(shè)計(jì)光延遲電路5。另外，關(guān)于頻率變換率G將在后面敘述。在此，為了由激光光源4使激光垂直入射到光延遲電路5上，在其入射面上設(shè)置比光的波長(zhǎng)長(zhǎng)的平坦部。因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)比入射波及反射波的波長(zhǎng)短得多，故可以忽略光波面的不連續(xù)。
另外，關(guān)于各部分不限于上述內(nèi)容，可以是其他的各種電路結(jié)構(gòu)。
1-2.工作圖2表示使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方式的原理圖。該電路包括高頻傳送線路2和光波導(dǎo)線路21。另外，設(shè)光波導(dǎo)線路21在傳送線路上的長(zhǎng)度、即光激發(fā)等離子體產(chǎn)生的長(zhǎng)度(相互作用長(zhǎng))為L(zhǎng)int，設(shè)到濾波器的長(zhǎng)度為L(zhǎng)t，vopt是等離子體的激發(fā)速度。在此，假設(shè)輸入波的傳播速度總是大于vopt。圖中，通過(guò)輸入部1使輸出波由左側(cè)入射，并在輸出部6的波導(dǎo)管部或高頻傳送線路2的共面帶狀線路的端部反射。此時(shí)，當(dāng)由激光光源4入射激光時(shí)，通過(guò)在光波導(dǎo)線路21中傳播的激光通過(guò)在半導(dǎo)體基板的表面引起電子—空穴等離子體來(lái)短路高頻傳送線路2，并反射輸入波(微波或毫米波)。通過(guò)其反射點(diǎn)與激光一起高速運(yùn)動(dòng)，基于和多普勒效應(yīng)相同原理進(jìn)行頻率變換(增頻變換)。并且，輸出部6輸出反射后的輸出波。
本實(shí)施例中的頻率變換率G，根據(jù)光激發(fā)等離子體的移動(dòng)速度即光脈沖的延遲速度vopt和輸入波及輸出波在高頻傳送線路2傳播的速度vin及vout，由以下公式?jīng)Q定。另外，其理論能量變換效率ξ根據(jù)工作原理變成1/G。
G=1+vopt/vin1-vopt/vout---(2)]]>下面，對(duì)輸入波、激光、輸出波的各脈沖的定時(shí)進(jìn)行說(shuō)明。
圖3表示輸入是脈沖波時(shí)的時(shí)序圖。
輸入脈沖寬度為tin的輸入脈沖由高頻傳送線路2的左側(cè)輸入。輸入脈沖在高頻傳送線路2中以傳送速度vin朝向右側(cè)傳播，并在輸出部6反射后，在高頻傳送線路2中以傳送速度vin朝向左側(cè)前進(jìn)。在此，在輸入脈沖正好在圖2中的光波導(dǎo)線路21的左頂端時(shí)在那里激發(fā)等離子體的情況下，激光脈沖的定時(shí)時(shí)間為ta＝2Lt/vin。此時(shí)，光波導(dǎo)線路21上產(chǎn)生等離子體，并且該等離子體反射輸入脈沖的同時(shí)在高頻傳送線路2中朝右方向前進(jìn)。反射后的輸出波以傳送速度為vout的輸出波在高頻傳送線路2中傳送，并從激光脈沖的定時(shí)時(shí)間開始經(jīng)過(guò)出射時(shí)間tb＝Lt/vout后，從輸出部6作為輸出脈沖輸出。在此，脈沖寬度tout為tout＝(Lint/vopt)×(1-vopt/vout)或者tin×(1-vopt/vout)/(1+vopt/vin)中短的一方。
輸出脈沖被輸出后，如果再次輸入輸入脈沖，則可以反復(fù)得到輸出脈沖。假設(shè)輸入脈沖和激光脈沖的周期滿足tperiod＞ta+tb+tout這樣的條件，以該周期tperiod輸出輸出脈沖。另外，在半導(dǎo)體內(nèi)的光激發(fā)載流子的衰減時(shí)間(緩和時(shí)間)忽略不計(jì)。嚴(yán)格地講，能夠?qū)⑴c該衰減時(shí)間相等的時(shí)間加到上述周期中。
然后，對(duì)輸入是連續(xù)波時(shí)的情況進(jìn)行說(shuō)明。
圖4表示輸入是連續(xù)波時(shí)的時(shí)序圖。
此時(shí)，輸入波在高頻傳送線路2中從左側(cè)向右方向以傳送速度vin傳播，并在輸出部6被反射后，在高頻傳送線路2中向左方向以傳播速度vin前進(jìn)。在此，在任意的時(shí)間上由激光光源4將激光脈沖入射到光波導(dǎo)線路21中時(shí)，在高頻傳送線路2上產(chǎn)生等離子體，并且該等離子體反射輸入波。反射后的輸出波變成傳送速度為vout的輸出脈沖，在高頻傳送線路2中傳送，并從激光脈沖的定時(shí)時(shí)間開始經(jīng)過(guò)tb＝Lt/vout后，由輸出部6輸出。在此，輸出脈沖寬度tout是tout＝(Lint/vopt)×(1-vopt/vout)。另外，對(duì)應(yīng)于輸出脈沖的輸入的等價(jià)的脈沖寬度可以由tin＝tout(1+vopt/vin)/(1-vopt/vout)提供。假設(shè)激光脈沖的周期滿足tperiod＞tb+tout這樣的條件，以該周期tperiod輸出輸出波。
2.第二實(shí)施例2-1.結(jié)構(gòu)圖5表示使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例表示根據(jù)輸入部1的輸入波的饋電點(diǎn)在輸出部6的輸出濾波器一側(cè)的例子。其他各部分的結(jié)構(gòu)和第一實(shí)施例相同。
該頻率變換裝置包括輸入部1，高頻傳送線路2，基板3，激光光源4，光延遲電路5，輸出部6。在該實(shí)施例中，作為一個(gè)例子，在輸入部1的輸入波的饋電中使用最簡(jiǎn)單且一般的同軸線路，但除此之外也可以使用微帶狀線路、波導(dǎo)管。另外，供給輸入波的結(jié)構(gòu)如果還考慮饋電位置、形狀，則其組合有很多，可以適當(dāng)構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)根據(jù)使用的頻率及其范圍、并且根據(jù)輸出的使用用途來(lái)選擇。
由輸入部1提供的輸入波由同軸線路饋電到高頻傳送線路2的共面帶狀線路中。該輸入波在輸出部6的濾波器部(波導(dǎo)管型高通濾波器)或高頻傳送線路2的共面帶狀線路的端部全反射(或者大致全反射)，故傳播到光延遲電路5側(cè)。為使該傳播功率為最大，調(diào)整輸出部6的輸出濾波器與輸入部1的同軸線路之間的距離(饋電點(diǎn)位置)。另外，同軸線路與共面帶狀線路之間的連接線利用輸出頻率fout高于輸入頻率fin，對(duì)于輸出頻率fout調(diào)整其長(zhǎng)度，使其具有足夠大的阻抗。這樣，可以防止輸出功率流向輸入部1的輸入用同軸線路側(cè)，而將其大部分傳送到輸出部6的輸出濾波器側(cè)。
另外，在第二實(shí)施例中，為將輸入功率高效率地送到電路中，需要按照輸入頻率fin調(diào)整從輸出部6的輸出濾波器到輸入部1的輸入波的饋電位置的距離。因此，在位置固定的電路中，有時(shí)其工作頻率范圍被限制。對(duì)此，在第一實(shí)施例(饋電位置在左側(cè))中，因?yàn)闆]有這樣的限制，故能夠在更寬頻帶中工作。
2-2.工作圖6表示第二實(shí)施例中的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方式的原理圖。
在該圖中，表示將圖2中的輸入波從高頻傳送線路2的右側(cè)入射的情況，關(guān)于高頻傳送線路2、光波導(dǎo)線路21是一樣的。輸入波由輸入部1從高頻傳送線路2的右側(cè)輸入。此時(shí)，當(dāng)由激光光源4入射激光時(shí)，在光波導(dǎo)線路21中傳播的激光則通過(guò)在半導(dǎo)體基板的表面上引起電子—空穴等離子體而短路高頻傳送線路2、并反射輸出波(微波或毫米波)。通過(guò)其反射點(diǎn)與激光一起高速運(yùn)動(dòng)，基于和多普勒效應(yīng)相同原理進(jìn)行頻率變換(增頻變換)。并且，輸出部6輸出反射后的輸出波。另外，輸出部6的頻率識(shí)別用分波電路(頻率濾波器)可以使用例如不是共振器結(jié)構(gòu)，而是僅利用輸入輸出的頻率差進(jìn)行路徑分配的結(jié)構(gòu)。頻率變換率G與在第一實(shí)施例中說(shuō)明的頻率變換率相同。另外，關(guān)于時(shí)序圖，由于來(lái)自輸入部1的輸入波從高頻傳送線路2的右側(cè)輸入，因此第一實(shí)施例的定時(shí)時(shí)間ta為定時(shí)時(shí)間ta’＝Lt/vin。
3.第三實(shí)施例在第一及第二實(shí)施例中處理了入射波的大致連續(xù)的反射。但是，根據(jù)本發(fā)明的工作原理，即使由光激發(fā)等離子體引起的反射點(diǎn)不連續(xù)移動(dòng)，也能夠進(jìn)行頻率變換動(dòng)作。
圖7表示使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例中，光延遲電路5中使用了光纖。
該頻率變換裝置包括輸入部1，高頻傳送線路2，基板3，激光光源4，光延遲電路50，輸出部6。光延遲電路50以外的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例相同。另外，在該實(shí)施例中，共面帶狀的線之間，作為光延遲電路50設(shè)置有光纖，并以與其相鄰的光纖截面的中心間的間隔為d進(jìn)行排列。另外，相鄰光纖的間隔可以沒有。在此，如果設(shè)相鄰光纖之間的時(shí)間延遲為tdelay，則第n個(gè)光纖的時(shí)間延遲為n×tdelay。通過(guò)調(diào)整光纖的長(zhǎng)度、改變相鄰光纖之間的延遲時(shí)間tdelay，能夠比較自由地決定有效的光等離子體的移動(dòng)速度vopt。另外，此時(shí)在高頻傳送線路2上傳播的光等離子體的移動(dòng)速度vopt可以由以下公式?jīng)Q定。
vopt＝d/tdelay(3)該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可以比較小型且自由度高地設(shè)計(jì)光延遲電路50。另外，該結(jié)構(gòu)中，輸出波的頻率fout除含有輸入波的頻率fin的單純的頻率變換率為G倍的頻率成分以外，還含有由波形的不連續(xù)生成的高次諧波成分。但是，通過(guò)將相鄰的光纖的間隔d設(shè)定為小于等于與高頻傳送線路2中的輸入波的1個(gè)波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)木嚯x的1/4，能夠大幅度地減少其成分。
另外，在本實(shí)施例中，也可以如第二實(shí)施例那樣，可以將輸入部1配置在高頻傳送線路2的右側(cè)等來(lái)適當(dāng)?shù)貥?gòu)成電路。另外，當(dāng)輸入部1配置在高頻傳送線路2的左側(cè)時(shí)，動(dòng)作與第一實(shí)施例相同，在高頻傳送線路2的右側(cè)時(shí)，動(dòng)作與第二實(shí)施例相同。
4.頻率變換式下面，對(duì)公式(2)的導(dǎo)出進(jìn)行說(shuō)明。
圖8表示輸入波在以速度vopt運(yùn)動(dòng)的等離子體邊界反射的情況的圖。
公式(2)更加一般化地表示根據(jù)多普勒效應(yīng)的頻率變換式，公式的導(dǎo)出本身與通常的公式完全一樣。如圖中所示，輸入波在以速度vopt運(yùn)動(dòng)的等離子體邊界反射。此時(shí)，有這樣一種原理(the principle of phase equality)，即輸入波及輸出波在界面上的相位變化必須相同(參照C.S.Tsai and B.A.Auld，“WaveInteraction with Moving Boundaries”，J.Appl.Phys.，vol.38，no.5，pp.2106-2115，1967.)。
由此，下式成立。
ωin+kinvopt＝ωout-koutvopt(4)在此，ω表示頻率，k表示傳播常數(shù)。改變公式(4)得到下式。下標(biāo)in、out分別表示輸入波及輸出波。
G=ωoutωin=1+voptkinωin1-voptkoutωout---(5)]]>在此，利用vin＝ωin/kin、vout＝ωout/kout的關(guān)系，可以導(dǎo)出公式(2)。
另外，作為參考，如果波傳播的介質(zhì)均勻，沒有頻率特性，即vin＝vout時(shí)，波的傳播介質(zhì)是自由空間(vin＝vout＝c，c光速)時(shí)，變成如下。
G=ωoutωin=1+vopt/c1-vopt/c]]>5.實(shí)例圖9是表示輸出頻率fout與功率反射率R的計(jì)算結(jié)果的圖。圖9(a)表示頻率變換率G＝10的情況，圖9(b)表示頻率變換率G＝20的情況。參數(shù)是由激光引起的硅板中的等離子體(載流子)密度np。計(jì)算條件如下。
·輸入波頻率fin；10GHz～50GHz·輸出波頻率fout；100GHz～500GHz(頻率變換率G＝10)200GHz～1000GHz(頻率變換率G＝20)·激光；TiSaphire激光系統(tǒng)波長(zhǎng)532nm最大輸出能量1mJ脈沖寬度2psec·高頻傳送線路2；種類共面帶狀線路線路阻抗100Ω線間距離20μm傳播速度c/2.5(假設(shè)為一定)相互作用距離Lint30mm該計(jì)算中，為使分析容易，假設(shè)高頻傳送線路2上的輸入波及輸出波的傳播速度在計(jì)算的全范圍中固定。實(shí)際上，如果頻率超過(guò)了500GHz，則傳播速度降低，結(jié)果，頻率變換率G變大，但在該計(jì)算中忽略其效果。另外，基于相同的理由，設(shè)高頻傳送線路2中沒有傳播損失而進(jìn)行計(jì)算。從該結(jié)果中可知，使用載流子密度為1021cm-3(相當(dāng)于1mJ脈沖能量)的比較低密度的半導(dǎo)體等離子體，1THz的電磁波能夠以大于等于功率反射率R＝80％得到。如果，使用具有100W的功率的輸入波，則作為輸出功率可以得到80W。該值是在以前的固態(tài)裝置中不能夠達(dá)成的值。
考慮輸入波及輸出波的脈沖寬度的變換的全體的能量變換效率ξ為功率反射率R的1/G，即R/G。因此，在圖9(a)的結(jié)果中，頻率變換率G＝10、輸出頻率fout＝500GHz、功率反射率R＝90％相當(dāng)于能量變換效率ξ＝9％，另外，在圖9(b)的結(jié)果中，頻率變換率G＝20、輸出頻率fout＝1000GHz、功率反射率R＝85％相當(dāng)于能量變換效率ξ＝4.2％?？紤]高頻率變換率G時(shí)，這些能量變換效率ξ的值是足夠高的值。這樣，根據(jù)本實(shí)施例的頻率變換裝置及方法在高輸出/高頻發(fā)生中有用。由此，使以前只能由克萊斯管等電子管得到的高輸出脈沖發(fā)生成為可能，并且能夠應(yīng)用于只由固態(tài)裝置構(gòu)成的小型毫米波段雷達(dá)系統(tǒng)等。
本實(shí)施例中，設(shè)想光激發(fā)等離子體自身靜止，并只有其界面在運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，與發(fā)射體實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況不同，不會(huì)引起反射波振幅的增幅。因此，在理想的條件下，功率變換效率ηp為1，能量變換效率ξ根據(jù)反射波的脈沖寬度壓縮效應(yīng)變成1/G。另外，頻率變換時(shí)的能量變換效率ξ的下降不依賴于工作頻率本身。
產(chǎn)業(yè)上的利用的可能性如上所述，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種頻率變換裝置及方法，例如，其不使用如以往的變?nèi)荻O管等具有非線性特性的固態(tài)元件，也不需要阻抗匹配用共振器等復(fù)雜的共振器結(jié)構(gòu)，利用高頻傳送線路上的多普勒效應(yīng)能夠在從微波或毫米波到兆兆赫波的寬的頻率范圍內(nèi)工作。另外，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)調(diào)整光延遲電路及高頻傳送線路的結(jié)構(gòu)，改變光及輸入輸出波的傳播速度，從而能夠容易地調(diào)整頻率變換(頻率倍增率)。
并且，根據(jù)本發(fā)明，能夠取得如下的效果。
1)能夠產(chǎn)生大于等于100GHz的短毫米波/亞毫米波及兆兆赫波段的相干的電磁波。
2)以寬頻帶、高效率容易地實(shí)現(xiàn)超過(guò)10倍的高頻率變換率。
3)通過(guò)改變輸入頻率，能夠得到達(dá)到100％的寬范圍內(nèi)的連續(xù)的頻率可變輸出。這是具有共振器結(jié)構(gòu)的以往方式不能夠達(dá)到的。
4)在短毫米波/亞毫米波段的高頻率區(qū)域也能夠達(dá)到超過(guò)1W的高輸出功率。這是因?yàn)楸景l(fā)明的最大允許工作功率不是由固態(tài)元件的低的允許輸入功率決定，而是由高頻傳送線路的高的放電破壞電壓決定。結(jié)果，能夠利用具有大功率的輸入波。
5)使電路制作及設(shè)計(jì)容易。
權(quán)利要求
1.一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，包括基板，其被激發(fā)光激發(fā)表面等離子體，并傳播輸入波；高頻傳送線路，其形成在上述基板上，并具有第一及第二側(cè)；和光延遲電路，其向激光提供傳播時(shí)間差，對(duì)于上述基板照射該激光，從上述高頻傳送線路的第一或第二側(cè)輸入輸入波，并使其在第二側(cè)反射，將激光入射到上述光延遲電路，由上述光延遲電路，根據(jù)上述高頻傳送線路的線路方向的位置，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)上述高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由上述光延遲電路在上述基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路上述高頻傳送線路，將在上述高頻傳送線路的第二側(cè)反射后的輸入波由表面等離子體進(jìn)一步反射，通過(guò)其反射點(diǎn)向上述高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從上述高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
2.一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，包括基板，其被激發(fā)光激發(fā)表面等離子體，并傳播輸入波；高頻傳送線路，其形成在上述基板上，并具有第一及第二側(cè)；和光延遲電路，其向激光提供傳播時(shí)間差，對(duì)于上述基板照射該激光，從上述高頻傳送線路的第二側(cè)輸入輸入波，將激光入射到上述光延遲電路，由上述光延遲電路，根據(jù)上述高頻傳送線路的線路方向的位置，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)上述高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由上述光延遲電路在上述基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路上述高頻傳送線路，將輸入波由表面等離子體反射，通過(guò)其反射點(diǎn)向上述高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從上述高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
3.如權(quán)利要求1或2所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，還包括輸出部，該輸出部通過(guò)將截止頻率設(shè)定為大于輸入波的最大頻率，使輸入波反射，并透射輸出波。
4.如權(quán)利要求1或2所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，頻率變換率或頻率倍增率G，根據(jù)光激發(fā)等離子體的移動(dòng)速度vopt和輸入波及反射波的在上述高頻傳送線路上傳播的速度vin及vout，由下式?jīng)Q定G=1+vopt/vin1-vopt/vout.]]>
5.如權(quán)利要求1或2所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，上述光延遲電路含有三角形狀的石英，被配置成使激光的傳播距離在上述高頻傳送線路的第一側(cè)短、在第二側(cè)長(zhǎng)，使激光對(duì)于上述基板垂直地入射到上述光延遲電路，利用在石英中的光速降低的差來(lái)移動(dòng)光激發(fā)等離子體。
6.如權(quán)利要求5所述的利用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，其特征在于，在上述光延遲電路的激光的入射面，以階梯形狀設(shè)置了多個(gè)與激光的入射方向垂直、長(zhǎng)于激光波長(zhǎng)的平坦部。
7.如權(quán)利要求1或2所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，上述光延遲電路在上述高頻傳送線路的線間包括以規(guī)定間隔排列的多個(gè)光纖，被配置成使激光的傳播距離在上述高頻傳送線路的第一側(cè)短、在第二側(cè)長(zhǎng)，使激光入射到上述光延遲電路中，利用在多個(gè)光纖中的光速降低的差來(lái)移動(dòng)光激發(fā)等離子體。
8.如權(quán)利要求1或2所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換裝置，其特征在于，上述高頻傳送線路由共面線路或窄槽線路構(gòu)成。
9.一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，從形成在基板上的高頻傳送線路的第一側(cè)輸入輸入波，并使其在第二側(cè)反射，將激光入射到光延遲電路，由光延遲電路，隨著高頻傳送線路的線路方向的位置的變化，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)至高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由光延遲電路在基板光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路高頻傳送線路，將在高頻傳送線路的第二側(cè)反射后的輸入波由表面等離子體進(jìn)一步反射，通過(guò)該反射點(diǎn)向高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
10.一種使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，從形成在基板上的高頻傳送線路的第二側(cè)輸入輸入波，將激光入射到光延遲電路，由光延遲電路，隨著高頻傳送線路的線路方向的位置的變化，生成傳播時(shí)間差并使激光到達(dá)至高頻傳送線路，通過(guò)激光經(jīng)由光延遲電路在基板上光激發(fā)表面等離子體來(lái)短路高頻傳送線路，將輸入波由表面等離子體反射，通過(guò)其反射點(diǎn)向高頻傳送線路的第二側(cè)移動(dòng)來(lái)根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理進(jìn)行輸入波的頻率變換，從高頻傳送線路的第二側(cè)輸出頻率變換后的輸出波。
11.如權(quán)利要求9或10所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，通過(guò)將截止頻率設(shè)定為大于輸入波的最大頻率，使輸入波反射，并透射輸出波。
12.如權(quán)利要求9或10所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，其特征在于，頻率變換率或頻率倍增率G，根據(jù)光激發(fā)等離子體的移動(dòng)速度vopt和輸入波及反射波在高頻傳送線路上傳播的速度vin及vout，由下式?jīng)Q定G=1+vopt/vin1-vopt/vout.]]>
13.如權(quán)利要求9或10所述的使用光激發(fā)表面等離子體的頻率變換方法，其中，由上述光延遲電路，使激光的傳播距離在高頻傳送線路的第一側(cè)短、在第二側(cè)長(zhǎng)，利用激光的由于光延遲電路的光速降低的差來(lái)移動(dòng)光激發(fā)等離子體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種頻率變換裝置，其不使用具有非線性特性的固態(tài)元件，也不需要復(fù)雜的共振器結(jié)構(gòu)，能夠在從微波到兆兆赫波的寬的頻率范圍內(nèi)工作。由輸入部(1)將輸入波入射到高頻傳送線路(2)，并在輸出部(6)的波導(dǎo)管部反射。入射根據(jù)由激光光源(4)入射激光，光延遲電路(5)使激光延遲后照射到高頻傳送線路(2)及基板(3)。經(jīng)由光延遲電路(5)激光在半導(dǎo)體等基板(3)表面激發(fā)電子—空穴等離子體來(lái)短路高頻傳送線路(2)、反射入射波。通過(guò)其反射點(diǎn)與激光共同高速運(yùn)動(dòng)，從而基于與多普勒效應(yīng)相同原理進(jìn)行頻率變換。輸出部(6)全反射輸入波，只取出輸出波。
文檔編號(hào)H03D7/00GK1748361SQ20048000383
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月10日
發(fā)明者裴鐘石 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)