專利名稱：高頻電信號控制器和感測系統的制作方法
技術領域：
本發明與產生主要在毫米波到兆兆赫波范圍內的高頻電信號的高頻電信號控制器和使用這種控制器的感測系統有關。
背景技術：
近年來，業已開發了一種使用從毫米波到兆兆赫波(頻率在30GHz到30THz)范圍內的電磁波的無損感測技術。就使用這個頻帶的電磁波的技術來說，開發的有一種用安全的穿透檢查系統代替X射線系統實現成像的技術和一種獲得在物質內部的吸收譜或復合介電系數以評估原子的鍵合狀態或載流子的濃度或遷移率的技術。此外，就使用毫米波的技術來說，開發的有一種用于頻率在70GHz頻帶內的防撞雷達的位置感測技術。
例如，就二維成像系統來說，有一個已提出的實例，其中系統用作為分立組件的毫米波產生器、輻射毫米波的天線、接收單元、毫米波傳播通路等配置(參見日本專利申請公報No.2001-050908)。圖8示出了這種系統。這種系統設計成通過天線112向空間輻射正弦毫米波產生器102產生的毫米波116，而具有強度分布的毫米波116被電光晶體110接收后用來自激光器104的激光束讀取。此時，用同步波檢測技術檢測由于試樣物體113的介電常數差異而引起的毫米波的相位差，從而可以獲得高S/N比的穿透成像。
另一方面，就位置感測技術來說，正在開發的有為測量前、后車輛之間的距離的車載毫米波雷達。就其提出的例子來說，有一個用非輻射介質線(NRD)構造成如圖9所示的模塊形式的收發機(參見日本專利申請公報No.2000-022424)。在這個例子中，毫米波振蕩器輸出的毫米波通過NRD 221傳播，再通過環行器219和耦合器212、211抵達配置在可移動部分231內的主輻射體213，被配置在主輻射體213上方的喇叭天線(未示出)接收。在這樣的連接中，可以將可移動部分231驅動成對于毫米波的幅射方向角執行掃描。毫米波被同一個喇叭天線接收后，通過環行器219，在耦合器223內與用耦合器221從振蕩器輸出中分流出的一部分毫米波混合。用這樣的方式，接收所關注的毫米波。由上可見，可以構成這種能使檢測方向可變的毫米波模塊。
發明內容
最近幾年來，普遍使用的小型便攜模塊在諸如穿透成像和位置感測中現在已經成為必需的，因為預期可以用這樣的模塊作為簡單檢查各種材料和活體信息的器件和作為信息設備內的定位器(例如，用這種模塊作為檢測筆型輸入單元的空間位置的器件)。
在這種情況下，如圖8所示的常規例子那樣用分立元件構成的系統尺寸就較大。此外，在執行二維成像的方法中，波束被擴展以共同執行測量，達到高速操作。然而，由于必須增大毫米波輸出，這種方法在功耗上存在問題。此外，在圖9所示構造成模塊形式使波束掃描可以用NRD執行的收發機的情況下，這個問題得到解決。然而，這要求制造NRD的精度和與耦合器、環行器等一起的安裝位置精度都很高。結果，存在收發機成本高因此不適合大量生產的問題。此外，由于必須用馬達以執行波束掃描，這就成為節能和小型化的障礙。
考慮到上述情況，本發明的目的是提供一種用主要在毫米波到兆兆赫波范圍內的電磁波執行感測之類的高頻電信號控制器，這種高頻電信號控制器可以很容易構造成一個低功耗的小型便攜式集成模塊的形式，以及提供一種使用這種高頻電信號控制器的感測系統。
按照本發明所設計的高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的產生器，用作將激光束變換成頻率比激光束的低的電磁波的單元，這個產生器與一個產生激光束的諸如半導體激光器或固態激光器之類的激光器、一個傳播激光束將激光束引導到所述產生器的光波導和一個傳播信號的傳輸線一起配置(集成)在同一個基底上。按照具有這種結構的高頻電信號控制器，可以很容易得到一種諸如模塊之類的結構，其中將諸如小型半導體激光器之類的激光器和將激光束引導到產生器的光波導與產生器和傳播產生器所產生的信號的傳輸線一起集成在同一個基底上。而且，還可以得到將一個檢測器和一個將信號傳播給檢測器的傳輸線也集成在這同一個基底上的形式。此外，還可以得到用同一個構件形成一個構成光波導的介質構件和一個構成傳輸線的介質絕緣層的形式。在這個例子中，由于用同一個構件形成光波導和傳播信號的傳輸線，因此可以很容易提供一種制造方便成本較低的小型模塊。而且，在配置了一個檢測器和一個天線的情況下，可以在任何場合對諸如半導體、有機物和活體之類的所有試樣簡單地執行透射/反射測量，從而可以用接觸或非接觸方式檢查介電常數、載流子濃度分布之類，可以執行對DNA、蛋白質之類的檢驗、鑒定、安全檢查等。
按照本發明所設計的高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的發射器、一個接收器、一個傳播電信號的傳輸線和一個向空間輻射通過傳輸線傳播的電信號或從空間接收信號的構件，其中，所述構件所提供的在空間與傳輸線之間的電信號耦合度是可以可變地控制的。此外，按照本發明所設計的一種高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的發射器、一個接收器、一個傳播電信號的傳輸線和一個向空間輻射通過傳輸線傳播的電信號或從空間接收信號的構件，這個構件具有一個可移動部分，可以用偏轉方式控制向空間輻射的電磁波的方向性。按照本發明的控制器的結構，將可用于形成傳輸線之類的微波集成電路(MIC)技術和可用于形成可變地控制電信號的耦合度的裝置、構件的可移動部分等的微型機電系統(MEMS)技術擴展到毫米波到兆兆赫波的范圍，為了應用而融合，從而使控制器可以小型化。
從以上所提到的基本結構可見，如下面要說明的這種高頻電信號控制器是可行的。
可以采用的一種結構是將一個天線配置成如以上所提到的構件，使得通過天線輻射或接收的電磁波的強度或方向可以改變。此外，還可以采用的一種結構是以上所提到的傳輸線是由一個形成以上所提到的構件的平面電路構成的微帶線或共面線(共面帶狀線)。就一個典型實例來說，作為平面電路在一個基底上形成微帶線和共面線等，在這個平面電路內可以用光刻技術之類高精度形成一個將高頻信號從發射器傳播給接收器的傳輸線，而將一個向空間輻射/從空間接收電磁波的薄膜天線等集成在同一個平面電路上。
此外，還可以采用的一種結構是平面電路上形成一個接通/斷開電接觸點的可移動部分，使得構件與空間之間的信號耦合度可以由這個可移動部分可變地控制。也就是說，在同一個平面電路上集成微型接觸開關等，用作控制與天線的耦合比的裝置。按照這個開關的接通/斷開控制對天線饋送電功率。
此外，以上所提到的傳輸線是一個作為具有一個矩形或圓形的空腔的三維構件的波導，而以上所提到的天線是一個具有類似空腔的喇叭天線。于是，可以將控制器構造成可以執行改變喇叭天線的輸入部分與波導之間的位置關系以改變耦合度的操作和改變喇叭天線的輸出單元的方向以執行為向空間輻射的電磁波的方向性掃描的操作這兩種操作中至少一種操作。也就是說，可以采用MEMS技術使本身形成有天線的這個構件運動，從而還可以對電磁波的幅射或接收執行強度控制和方向性控制。這是通過使一個可以振動和轉動的構件運動，或者例如通過按照靜電方法、電磁方法之類使喇叭天線滑動來實現的。
此外，控制器可以構造成在以上所提到的天線的一個表面上集成一個光子晶體或透鏡，以通過一個窄發射角發射具有高方向性的電磁波。
此外，還可以采用的一種結構是將一個環行器集成在傳輸線內，使電信號可以在接到傳輸線上的發射器、接收器和構件之間沿一個方向流動。而且，還可以采用的一種結構是將發射器和接收器集成在同一個基底上。
此外，還可以采用的一種結構是產生高頻電信號的發射器用來將一個脈沖激光束照射到兩個配置在一個光電導膜的表面上的加有電壓的導體之間的間隙上，而接收器從在同一個結構內這兩個導體之間流動的電流得到一個電信號，但只是在同一個脈沖激光束的一部分照射到接收器的兩個導體之間的間隙上時才可以執行接收，允許控制波束延遲量的裝置配置在將脈沖激光束引導到接收器的光通道的中間。在這樣的方式中，就發送/接收高頻信號來說，除了包括使用一個諸如異質結雙極型晶體管(HBT)或肖特基勢壘二極管(SBD)之類的半導體電子器件的方法之外，還有一種將短脈沖激光束照射到一個光電導開關器件上以產生和檢測短脈沖電信號的方法。
在上述情況中，典型的是用在毫米波段到兆兆赫波段(30GHz到30THz)范圍內的一個頻率作為高頻電信號的頻率。
此外，按照本發明所設計的高頻感測系統的特征是用以上所提到的高頻電信號控制器控制電磁波通過空間的傳播，以無線檢查一個對象的表面或內部的組成部分、介電常數分布狀態、位置信息之類。結果，可以實現具有以上所提到的高頻電信號控制器的大部分特征的感測系統。
圖1A、1B和1C為說明按照本發明所設計的高頻電信號控制器的第一實施例的集成模塊的結構的視圖；圖2A和2B為示出在第一實施例內的開關處在斷開狀態時電磁波分析例的視圖；圖3A和3B為示出在第一實施例內的開關處在接通狀態時電磁波分析例的視圖；圖4A和4B為說明按照本發明所設計的高頻電信號控制器的第二實施例的集成模塊的結構的視圖；圖5A和5B為說明按照本發明所設計的高頻電信號控制器的第三實施例的集成模塊的結構的視圖；圖6為說明按照本發明所設計的高頻電信號控制器的第四實施例的集成模塊的結構的透視圖；
圖7A和7B為示出在按照本發明所設計的第四實施例的集成模塊內控制電磁波束的方向性的例子的透視圖；圖8為示出一個傳統的毫米波二維成像系統的例子的示意圖；圖9為示出一個傳統的毫米波雷達系統的收發單元的例子的示意圖；圖10為按照本發明所設計的第五實施例的集成模塊的結構的透視圖；圖11A、11B、11C和11D為說明在包括制造圖10所示集成模塊的方法中的一些過程的示意圖；圖12為一個兆兆赫產生器的例子的剖視圖；圖13為一個兆兆赫檢測器的例子的剖視圖；圖14為按照本發明所設計的第六實施例的集成模塊的結構的透視圖；圖15為按照本發明所設計的第七實施例的集成模塊的結構的透視圖；以及圖16A和16B為說明按照本發明所設計的第八實施例的感測系統的透視圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖通過給出一些實施例具體說明本發明的一些具體實現方式。應當指出的是，在這里所給出的材料、結構、器件等并不是限制性的。
第一實施例圖1A至1C示出了按照本發明所設計的第一實施例。在第一實施例中，如圖1A所示，在同一個模塊3上微帶線5的中間形成蝴蝶結型薄膜天線4A和4B，而微帶線5與該天線之間的連接用一個微型接觸開關6控制。雖然發射器1和接收器2如圖1A所示以混合方式集成在同一個模塊內，但也可以采用發射器1和接收器2連接到外部發射器或接收器的形式。就發射器來說，例如可以使用一個微波和毫米波的振蕩電路，其中用一個異質結雙極型晶體管(HBT)作為放大器。可以用一個肖特基勢壘二極管(SBD)作為高速接收器。如沿圖1A的線1B-1B切剖的剖視圖1B所示，微帶線5構造成使得在基底10上形成一個用Ti/Au之類形成的接地面9而在絕緣體8上形成用Ti/Au形成的微帶線(傳輸線圖案)5。
就基底10的材料來說，可以用Si、玻璃陶瓷、AIN之類。就絕緣體8的材料來說，可以用通過將BCB樹脂、聚硅烷、聚酰亞胺之類的材料通過旋涂工藝加到基底上再加以固化而得到的材料。微帶線5和薄膜天線4a和4b的圖案可以用利用光刻技術的剝離方法簡單地在絕緣體8上形成。要注意的是，在形成薄膜天線4a和4b前，先要形成一個通孔電極11，以便與接地面9接觸。就接觸開關6來說，如沿圖1A的線1C-1C切剖的剖視圖1C所示，集成一個具有懸臂結構的靜電驅動型開關。30V的電壓加到驅動接線7上，使得電極12與接觸開關6由于靜電吸引力而相互吸引。結果，就可將薄膜天線4b接到微帶線5上。
在接觸開關6保持在斷開狀態時，發射器1的大部分輸出抵達接收器2，因此可以在不向外部發送信號的情況下進行初始設置之類。接觸開關6接通后，一部分信號按照薄膜天線4a和4b的反射/發射特性發射到外部通過空中傳播。其中有一部分抵達接收器2，而另一部分返回到發射器1。此外，從外部傳來的電磁波或者從這個模塊發射的經反射后返回的電磁波可以被薄膜天線4a和4b接收，耦合給微帶線5，由接收器2接收。薄膜天線4a和4b與微帶線5之間的耦合率也可以根據直接配置在天線下的接地面9的形狀改變。
對于微帶線圖案，以下這些設計例子是可行的。在500μm厚10mm×25mm的Si基底10上形成Ti/Au(50nm/450nm)電極9，再隔著10μm厚的絕緣層(聚硅烷)8(它的相對介電常數εr＝2.8)在Ti/Au(50nm/450nm)電極9上方形成25μm寬的微帶線5。在這種情況下，可以得到一條50Ω的匹配線。圖2A、2B和圖3A、3B示出了在薄膜天線4a和4b的形狀都采用底為800μm的等腰直角三角形時傳播100GHz的電磁波分析例。在這些圖中，左側與輸入端口相應，右側與輸出端口相應。它們各有一個50Ω的終端。圖2A和2B示出了在接觸開關6保持斷開時的狀態。從圖2A的電流分布圖可見，幾乎全部信號都抵達右側輸出端口，因為沒有電功率提供給薄膜天線4a和4b。圖2B示出了天線輻射圖。從圖2B可見，有一定量的不對稱的泄漏電場。另一方面，圖3A和3B示出了在接觸開關6保持接通時的狀態。從圖3A可見，電功率提供給薄膜天線4a和4b，因此抵達右側輸出端口的信號的幅度很小。此外，從示出天線輻射圖的圖3B可見，輻射的是方向性對稱的電磁波。
采用如上所述的非常小的模塊(在上面所提到的數值示例中為10mm×25mm左右)，高頻信號與空間耦合的狀態可以通過用電壓信號接通/斷開接觸開關6改變。可以在便攜式設備之類的無線模塊內適當地使用這種模塊，以增大無線模塊設計的自由度。
在這個實施例中，以蝴蝶結型天線作為一個例子。然而，如在以下實現方式中所說明的那樣，也可以使用任何薄膜天線，如偶極天線、補片天線、縫隙天線、螺旋天線、對數周期天線，或者為了得到寬帶、八木、喇叭天線之類將多個這樣的天線排列而成的天線。特別是，由于在產生一個高頻脈沖時必須得到寬的頻帶，可以使用適合這種情況的類型的天線。此外，還可以采用將GaAs或InP用作基底材料而將諸如HBT和SBD之類的高速電子器件單片集成的形式。
第二實施例在第一實施例的結構中，可能不執行信號控制，因為有時根據頻帶電磁波被傳輸線或天線反射。本實施例旨在用環行器控制信號的流動。圖4A和4B所示的這個實施例用環行器22和26將來自發射器1的信號限制成流向天線23和將來自天線23的信號限制成流向接收器2。從天線23至接收器2的信號是一個由通過反射來自發射器1的信號而產生的電磁波與從外部接收到的電磁波構成的復合信號。注意，從接收器2至發射器1的信號沒有示出，因為它很弱。如圖4B這個剖視圖所示，這個環行器是通過將一個鐵氧體片26埋置在環行器22內構成的。
在這個實施例中，雙補片天線23和27用作發射/接收高頻脈沖的天線，以得到一個寬的頻帶。在這種情況下，如圖4B這個剖視圖所示，尺寸不同的補片天線23和27垂直疊置，相互連接。天線的結構也可以如在第一實施例中所說明的，并不局限于這種結構。傳輸線20和21與第一實施例中的類似，形成為50Ω匹配線，在傳輸線20上配置了一個用于信號控制的機械開關24。傳輸線20在配置機械開關24的部分斷開，它的斷開部分按照開關24的接通/斷開而閉合/打開。與第一實施例類似，適當的電壓加到電極25上，使開關24接通/斷開，以允許控制從補片天線23和27幅射電磁波。其他方面與第一實施例的相同。
第三實施例圖5A和5B示出了這個實施例的結構。在上面所提到的兩個實施例中，僅對從天線幅射電磁波執行接通/斷開控制，在以電磁波形式輻射信號時提供給天線的信號的幅度是固定的。然而，在這個實施例中，可以移動制成小型的喇叭天線34，來控制信號提供程度，以改變所輻射的電磁波或所接收的電磁波的強度。
傳輸線30和31、發射器1和接收器2與第二實施例中的相同。此外，在第二實施例中用環行器控制信號的流動，而在這個實施例中用定向耦合器35和電阻器32來限制將來自發射器1的信號直接傳播給接收器2。它的隔離比可以根據電阻器32的電阻值、定向耦合器35的形狀之類控制。在這種情況下，將一個來自天線的反射分量返回到發射器。因此，在需要限制該反射分量的情況下，可以將這些器件用一個環行器代替，也可以在發射器1前配置一個隔離器。
具有補片天線形狀的主輻射體36配置在定向耦合器35的一端。將來自主輻射體36的電磁波向空間輻射的具有強方向性的喇叭天線34通過孔33與主輻射體36耦合。在這種情況下，可以在基底內形成一種波導結構來代替微帶線，而在與喇叭天線34耦合的部分開一個孔。
如圖5B所示，喇叭天線34構造成在一個塊狀體內具有一個喇叭形的空心部分。實際上，制備兩個構件，每個構件通過在通過表面處理制作的樹脂或Si構件的內壁上用真空蒸發方法淀積Au之類形成。然后，將這兩個構件粘附在一起，形成喇叭天線34。如果喇叭天線34如圖5A所示設計成可在集成模塊3上移動(沿雙箭頭所示方向)，那么就可改變通過孔與主輻射體36耦合的效力。結果，就可以調整從天線34輻射的電磁波的強度或天線34接收電磁波的靈敏度。作為驅動這個塊狀天線34的方法，可以使用靜電方法、用磁鐵的電磁方法、超聲波方法等。此外，如果控制喇叭天線34使它繞孔33轉動，就可以使電磁波的波束方向偏轉，同時使耦合度保持幾乎不變。
第四實施例按照本發明所設計的第四實施例如圖6所示，在一個由一對扭簧之類支持的介質構件57上形成螺旋天線50，使得螺旋天線50可以被驅動成繞扭簧之類的軸轉動，用螺旋天線50執行波束掃描。傳輸線、發射電路和接收電路可以與在上面所提到的實施例中的相同。然而，在這個實施例中，使用了一個共面帶狀線，其中在基底55上形成的絕緣層56的表面上形成兩個導體51和52，以允許執行推挽驅動。
如圖6所示，饋給螺旋天線50的電功率是通過介質構件57的轉動驅動支持部分從導體51和52得到的。介質構件57可以用電磁驅動方法之類以特定的頻率振動，執行利用來自螺旋天線50的電磁波束的掃描。在要增強方向性時，如圖7A所示，需在介質構件57上再集成一個用聚四氟乙烯、Si之類制成的半球面透鏡40。或者，若如圖7B所示集成一個光子晶體41，由于晶石準直效應從而可以得到一個方向性很強的波束。光子晶體41可以用層疊各具有多排Si桿的多層以使得各層的形成為寬度為波長量級(例如1mm左右)的線條的各排Si桿相互垂直的結構形式實現。
此外，為了發射和接收高頻脈沖信號，可以采用一種用短脈沖激光器58接通/斷開光電導開關59的方法。也就是說，利用這樣一種現象通過低溫生長形成的不摻雜GaAs層53通常具有高的電阻，只是在有激光束照射到光電導開關59的間隙上時，在不摻雜的GaAs層53內才產生光生載流子，從而如果在間隙兩端加有一個電壓46就會立刻引起電流流動，產生一個高頻脈沖。如果來自脈沖激光器58的脈沖的寬度設置為100fsec左右，這個脈沖就可以變換為一個脈沖寬度為約0.4psec的電磁波脈沖，導致輻射頻率在THz范圍的電磁波。就脈沖激光器58來說，用鈦藍寶石制成的鎖模激光器容易操作，因為它具有很高的可控性。然而，在認為便攜性重要的情況下，從小型化來看可以使用半導體鎖模激光器。
在接收側，通過導體51和52傳播的高頻脈沖被結構與光電導開關59相同的光電導開關60接收。此時，在光束分離器62內分出的經反射鏡63反射的激光束照射到接收側的光電導開關60的間隙上，使得僅在有激光束照射的一段時間內可以觀察到呈現為電流45形式的高頻脈沖信號。為了隔離產生高頻脈沖這側的直流電壓，光電導開關60與共面帶狀線的導體52隔開。在這里，短脈沖激光束的延遲量由光延遲單元61控制，從而可以在對高頻脈沖的信號波形采樣時觀察該信號波形。如果加到產生高頻脈沖這側的光電導開關59上的電壓用一個要在接收側同步檢測的正弦波信號調制，就可以實現高靈敏度的測量。在這個實施例中，也可以將在第一實施例中所說明的機械開關集成在線51和52之一的在光電導開關59與螺旋天線50之間的部分中，以對信號執行接通/斷開控制。
這種用電脈沖的發射/接收在無線感測系統、高速通信之類內作為寬帶無線技術即所謂的超寬帶(UWB)技術正處在開發過程中。本發明的控制器可有效地應用于這種UWB系統。
在上面所提到的各個實施例中，說明了用在毫米波到兆兆赫波范圍內的電磁波實現感測之類的微型集成模塊的結構。這種集成模塊可以作為便攜性更為優異的器件用于對物質的二維透射或反射成像、短距離位置感測雷達之類的領域，如在有關技術例子中所說明的。在用這種器件作為成像設備的情況下，可以將一個能在任何不需要安裝空間的場合方便地進行檢查的系統配置為對人的攜帶物進行安全檢查的系統、檢查IC卡的系統、指紋檢測器或診斷血流、皮膚、眼睛之類的醫療保健診斷系統。此外，在這種器件用作位置感測設備的情況下，可以將這種器件配置成包含在便攜式設備內，從而可以應用于顯示器、計算機之類、遙控設備或用于游戲之類的定位器的無線輸入單元。
第五實施例按照本發明所設計的第五實施例是將兩個執行兩波長混合的半導體激光器、一個光波導、一個兆兆赫產生器、一個傳播兆兆赫波的傳輸線和一個兆兆赫檢測器集成在一個基底上，即安裝在一個共同的基底上。圖10示出了這個集成模塊的透視圖。
在半絕緣的GaAs基底301上形成具有感光性的絕緣樹脂302。通過光刻處理，使絕緣樹脂302只有一個與Y形分支光波導304相應的區域的折射率大于周邊區域的折射率。作為絕緣樹脂302的材料例如可以使用感光聚硅烷(商品名為Glasia(NIPPON PAINT公司出品))。除了這種材料之外，諸如BCB或聚酰亞胺之類的具有感光性的光學樹脂也都可以用來制作光波導和電絕緣層。
AlGaAs/GaAs串聯分布反饋(DFB)型半導體激光器303a和303b以混合方式安裝。半導體激光器303a和303b都可執行單模振蕩，各具有多電極結構。因此，用半導體激光器303a和303b中每一個，都可使波長連續改變2nm左右，而光輸出沒有大的改變。應該使用具有不同衍射光柵間距的一個單元，使得兩個半導體激光器303a和303b的振蕩中心波長預先相差1THz左右。而且，通過檢測部分波束以用注入的電流執行反饋控制，使兩個半導體激光器303a和303b的振蕩波長之差保持穩定。在半導體激光器303a和303b的波段(830nm波段)，波長和頻率之間的轉換因子大約為4.35×1011(Hz/nm)。為了產生1THz的拍頻，必需要有2.3nm左右的波長差。作為對所關注的波長的反饋控制，例如，在鎖相環(PLL)控制中，必需進行利用分頻器和合成器的偏置鎖定。由于偏置量與上述拍頻相應，因此電磁波的振蕩產生的頻率由合成器確定。雖然原則上可以產生所有的拍頻，但考慮到鎖定范圍和半導體激光器的譜線寬度(10MHz左右)，判定拍頻在幾十MHz到10THz左右的范圍內。在這個實施例中，可以執行從100GHz到3THz的連續調諧。
從相應半導體激光器303a和303b發射的激光束以所傳播的光束313a和313b形式傳播，通過光電導開關加到兆兆赫產生器306上。此時，由于所傳播的光束313a和313b是通過疊加在基底301上的Y形分支光波導304傳播的，因此保持了半導體激光器303a和303b發射的激光束的極化。這樣，就不需要極化調整措施。光電導開關由一層通過低溫(約20℃)生長不摻雜的GaAs形成的薄膜307構成，通常具有優異的絕緣性能。于是，即使有30V左右的電壓從直流電壓源310加到兩個導體305和317上，也沒有電流流過光電導開關。施加了激光束后，產生光生載流子，使電流流過光電導開關。在這種情況下，光生載流子受到以上提到的拍頻調制，產生與拍頻相應的電磁波314。電磁波314通過在絕緣樹脂302上形成的導體305和317傳播。這里，假設例如導體305和317的寬度都為30μm，而導體305與317的間距為200μm。注意，兆兆赫產生器306的間隙部分316假設為5μm寬。
圖12示出了光電導開關另一形式的沿線12-12切剖的剖視圖。為了采用波導型的光電導開關以增強光吸收效率，在基底301上依次生長一個AlGaAs(Al的成分為0.3)層330和一個不摻雜的GaAs層331。然后，有選擇地將GaAs層331蝕刻成寬度為10μm左右，然后在得到的GaAs層331兩側掩埋一個絕緣層332。此外，將電極334a和334b配置成隔著間隙333相對。與如圖10中所示的配置GaAs塊狀層的情況相比，在這種形式中轉換效率得到增強。此外，作為又一種形式，可以通過使用一個非線性晶體增強基于拍頻產生電磁波314的效率。
檢測器308(在圖10中示為在半導體層309上形成的)以電信號311的形式得到所傳播的兆兆赫波314。如沿圖10中的線13-13切剖的剖視圖13所示的肖特基勢壘二極管用作檢測器308。這個肖特基勢壘二極管包括一個在半絕緣GaAs基底301上生長的n型GaAs層340上形成的AuGe/Ni/Au電極341、一個形成為直徑等于或小于2μm的通孔電極的點接觸部分343、一個肖特基電極342和一個絕緣層344。肖特基電極342和點接觸部分343都是用Ti/Pt/Au形成的。用檢測器308可以檢測的頻率為1THz左右。注意，如圖10所示，導體305和317與電極308是隔離的。
作為感測對象的試樣312放在具有以上所提到結構的集成模塊上(它的長度和寬度為毫米級)。在兆兆赫波314通過導體305和317傳播時，電磁波(損耗波)也泄漏到表面。這樣，檢測器308檢測到的毫米波或兆兆赫波的強度對應于試樣312的吸收特性而改變。因此，測量試樣312，同時改變拍頻以允許進行試樣312的兆兆赫范圍的光譜化學分析。譜衍射中的頻率分解力由所用的激光的譜線寬度確定，在這個實施例中為10MHz左右。就試樣312來說，諸如半導體、金屬、介質、有機材料、活體物質(細胞、DNA和蛋白質)、食品和置物之類的任何物質都可以成為感測對象。因此，對于任何物質都可以簡單地檢查常規上可能得不到的兆兆赫范圍特性。
在實際執行測量時，為了增強S/N比，有這樣一種處理方法可以采用將一個頻率等于或低于1MHz的正弦波信號疊加在來自其中一個半導體激光器的信號上，而在檢測器308側將該信號與來自同一個信號源的信號混合，以執行同步檢測。
圖11A至11D示出了包括制造這種模塊的方法的一個例子。在圖11A中，在半絕緣GaAs基底301上生長由GaAs晶體形成的GaAs層320。此時，如果必要的話，GaAs層320可以用AlGaAs異質生長，也可以在生長溫度和成分隨區域改變的情況下多次有選擇地生長。在這種情況下，最后生長要通過低溫生長形成的構成光電導開關的不摻雜GaAs層。此后，用具有圖案321的光掩模通過應用g線323之類的光刻處理執行抗蝕圖案成形(未示出)。在圖11B中，用光致抗蝕劑作為掩模執行使用氯的感應耦合等離子體(ICP)蝕刻，形成半導體層307和309的區域。另一方面，將兩個半導體激光器303a和303b分別安裝在預定位置。
在圖11C中，應用絕緣樹脂(聚硅烷)302，形成能透射光的絕緣層，再用掩模圖案324對要形成光波導304的區域執行i線曝光。這樣，就形成了光波導304，因為在光波導304的區域內產生了0.01左右的折射率差。在圖11D中，用剝離方法形成由Ti/Au形成的電極，制成模塊。
用這樣的方式，傳播電磁波的光波導304和絕緣樹脂302用相同的材料形成，因此可以提供較為經濟的特別適合大量生產的集成模塊。雖然在這個實施例中用共面帶狀線作為電磁波的傳輸線，但也可以應用諸如微帶線和共面線之類的所有集成型傳輸線。
第六實施例按照本發明所設計的第六實施例如圖14所示包括一個螺旋天線351，用來向空間輻射毫米波到兆兆赫波范圍的電磁波，使得一個在空間上離集成模塊有一段距離的試樣352可以得到檢查。
整個集成模塊的結構幾乎與第五實施例相同。因此，用兩個半導體激光器執行混合，一個將輸入的電磁波變換成與拍頻相應的電磁波的兆兆赫產生器306、兩個導體305和317、一個檢測器308等集成在一起。螺旋天線351形成在適于振動的介質構件350中，必要時適于使向空間輻射的波束353的方向偏轉。此外，可以將一個機械開關(未示出)配置成能選擇是否從導體305和317向螺旋天線351饋電。加到試樣352上的電磁波的反射波再由螺旋天線351接收，以通過檢測器308得出一個信號。
如果設置有螺旋天線351的構件350設置成可以一維振動，就可以執行波束掃描，因此在將試樣352在與掃描方向垂直的方向上移動時可以得到試樣352的二維反射圖像。此時，為了增強電磁波的方向性以提高圖像的空間分辨率，在螺旋天線351上還可以設置一個介質透鏡或光子晶體(未示出)。這樣，由于可以得到數量級為波長的空間分辨率，在電磁波的頻率為1THz的情況下空間分辨率就為300μm左右。為了進一步提高分辨率，如果在上面所提到的透鏡或光子晶體內用金屬之類形成一個尺寸等于或小于波長的1/10的微型開口，即一個尺寸等于或小于30μm的開口，這個開口就起著一個近場探頭的作用。結果，就可以得到一個分辨率與開口尺寸相近的圖像。然而，在使用這種近場探頭時，必須在試樣352接近透鏡或光子晶體的狀態下檢查試樣352。
用這樣的方式，在這個實施例中，可以對試樣352進行非接觸方式的檢查。實際上，由于兆兆赫波在空中傳播時受到非常大的衰減(100dB/km左右)，檢查一個尺寸等于或小于幾米的試樣是切實可行的。
在這種情況下，雖然給出的是所有產生和檢測在毫米波到兆兆赫波范圍內的電磁波用一個模塊處理的例子，但產生器和檢測器也可以配置為分立的模塊。在這種情況下，可以用配置成相對的產生器和檢測器得到試樣的透射二維圖像。
第七實施例在按照本發明所設計的第七實施例中，不是用混合光束產生兆兆赫CW波束，而是產生頻率在兆兆赫范圍的脈沖，以執行時域譜測量(TDS)。
圖15示出了一個集成模塊的結構。半導體鎖模激光器360安裝在基底301上，它發射的寬度為0.3psec左右的脈沖耦合給光波導361。所傳播的激光束之一加到兆兆赫產生器306上，變換為脈沖寬度為0.5psec左右的電磁波366，再通過傳輸線傳播。另一個通過光波導361的分支得到的激光束如標注數字364所示通過光延遲單元362加到檢測器363上。光檢測器363是一個結構與兆兆赫產生器306相同的光電導開關單元。因此，在光檢測器363內，僅在加有激光脈沖時產生光生載流子，因此使與通過傳輸線傳播的電磁波脈沖的電場幅度相應的電流流動，以信號形式被檢測。因此，改變延遲單元362的延遲量就能測量兆兆赫脈沖的電場強度的時間改變。延遲單元362可以由一個延遲波導和一個光開關(未示出)、一個改變折射率的元件等組成。就檢測方法來說，除了在這個實施例中的方法之外，也可以采用這樣一種方法在光檢測器363前配置一個EO晶體，以將兆兆赫脈沖強度的時間起伏改變為基于EO晶體的Pockel效應的起伏，由光檢測器363測量通過來自脈沖激光器的激光束的分支得到的光束的經透射的光束強度。
在這個實施例中，如在第六實施例中的那樣，電磁波脈沖從螺旋天線351向空間輻射，以測量從試樣352反射的電磁波，檢驗脈沖響應，從而可以用非接觸的方式檢查試樣352內部的載流子濃度、介電常數、遷移率等等。也可以用配置成相對的產生器和檢測器兩個模塊執行透射測量。這些方法適合鑒定半導體特別是有機半導體和導電聚合物膜。如果如在第六實施例中那樣用波束對試樣掃描，也可以檢查試樣內的二維分布。此外，如果測量延遲時間，就可以高精確地測出遠地試樣的位置。在兆兆赫脈沖的寬度為0.5psec時，如果假設可以檢測為脈沖寬度的二分之一左右的延遲量，那么就可以以0.5×10-12/2×(3×108)＝750μm的精度來檢測試樣的位置。
在執行這些TDS時，如果在執行如在第五實施例中所述的同步檢測時以μsec量級改變光束延遲量以相繼執行跟蹤，可以不必使用高速的電子電路。
第八實施例在上面所提到的各個實施例中，說明了用在毫米波到兆兆赫波范圍內的電磁波實現感測的微型集成模塊的結構。這種集成模塊可以用作便攜性更為優異的器件諸如檢查物質的二維透射或反射成像器，或短距離位置感測雷達之類，如在有關技術例子中所說明的。在用這種集成模塊作為成像器的情況下，可以將一個能在不需要安裝空間的任何場合簡單地進行檢查的系統配置為對人的攜帶物進行安全檢查或者檢查IC卡的檢查系統、指紋檢測器或診斷血流、皮膚、眼睛之類的醫療保健診斷系統。此外，在集成模塊用于位置感測的情況下，也可以將集成模塊配置成包含在便攜式設備內的形式。因此，可以將集成模塊用于顯示設備或計算機、遙控設備或用于游戲的定位器之類的無線輸入單元。
圖16A和16B為簡單地說明一種包括使用感測系統的方法的透視圖。在圖16A中，一個安裝有以上所提到的集成模塊的卡372通過插入口371插入分析儀370，使放置在模塊上或者位于模塊上方的試樣可以受到分析。或者，也可以采用在模塊器件上安裝有一個存儲器和將模塊器件插入分析儀370時對預先所檢查的信息進行分析的方法。
此外，還可以采用如圖16B所示的方法，其中為安裝有以上提到的集成模塊的卡372配置一個無線裝置，通過無線通信373將信息適當地發送給分析儀，以及將安裝有該模塊的卡接到移動電話機之類上以將信息發送給分析儀的方法等等。
采用這種用在毫米波到兆兆赫波范圍內的電磁波的微型模塊，就能實現方便個人攜帶的、在各處可以用來執行健康狀態檢查、驗證和保安檢查、將數據和位置信息輸入信息設備等的系統。
工業實用性如上所述，按照本發明，可以實現用主要在毫米波到兆兆赫波范圍內的電磁波執行感測的高頻電信號控制器，這種高頻電信號控制器很容易構造成小型的低功耗集成模塊之類，可以方便地控制電磁波通過空間傳播的狀態，如天線的輻射強度和波束偏轉、接通/斷開之類。因此，這種高頻電信號控制器可用于執行材料分析的活體信息檢查系統、行李安全檢查系統和透射/反射成像系統、以無線方式檢測位置信息的雷達系統、將數據輸入各種信息設備的定位器等，使這些設備或系統的便攜性可以得到提高。
權利要求
1.一種高頻電信號控制器，所述高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的發射器、一個接收器、一個傳播電信號的傳輸線和一個向空間輻射通過傳輸線傳播的電信號或從空間接收信號的構件，其中所述構件提供的在空間與傳輸線之間的電信號耦合度是可以可變地受控的。
2.一種高頻電信號控制器，所述高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的發射器、一個接收器、一個傳播電信號的傳輸線和一個向空間輻射通過傳輸線傳播的電信號或從空間接收信號的構件，其中所述構件具有一個可移動的部分；以及向空間輻射的電磁波的方向性可以以偏轉方式控制。
3.一種按照權利要求1所述的高頻電信號控制器，其中一個天線配置為所述構件，使得可以使通過天線輻射或接收的電磁波的強度或者方向性成為可變的。
4.一種按照權利要求1所述的高頻電信號控制器，其中所述傳輸線是由一個平面電路構成的一個微帶線、共面線或共面帶狀線；以及所述構件在所述平面電路上形成。
5.一種按照權利要求4所述的高頻電信號控制器，其中配置一個接通/斷開一個電接觸點的可移動部分，所述可移動部分在所述平面電路上形成；以及所述構件與空間之間的信號耦合度可以由所述可移動部分可變地控制。
6.一種按照權利要求3所述的高頻電信號控制器，其中所述傳輸線是一個具有一個矩形或圓形的空腔的波導；所述天線是一個具有類似空腔的喇叭天線；以及可以執行改變喇叭天線的輸入部分與波導之間的位置關系以改變耦合度、改變喇叭天線的輸出單元的方向以執行為向空間輻射的電磁波的方向性掃描這兩種操作中的至少一種操作。
7.一種按照權利要求3所述的高頻電信號控制器，其中所述天線的表面上集成有一個光子晶體或透鏡，以通過一個窄發射角發射具有高方向性的電磁波。
8.一種按照權利要求1所述的高頻電信號控制器，其中所述傳輸線內集成有一個環行器，使電信號在連接到傳輸線上的發射器、接收器和構件之間沿一個方向流動。
9.一種按照權利要求1所述的高頻電信號控制器，其中一個在毫米波段到兆兆赫波段(30GHz到30THZ)范圍內的頻率用作高頻電信號的頻率。
10.一種按照權利要求1所述的高頻電信號控制器，其中所述發射器和接收器集成在同一個基底上。
11.一種按照權利要求1所述的高頻電信號控制器，其中所述產生高頻電信號的發射器將一個脈沖激光束照射到配置在一個光電導膜的表面上的加有電壓的兩個導體之間的間隙上；所述接收器從在同一個結構內的所述兩個導體之間流動的電流得到一個電信號；所述接收只是在所述脈沖激光束的一部分照射到接收器的所述兩個導體之間的間隙上時才執行；以及在將脈沖激光束引導到接收器的光通道的中間配置有一個允許控制光束延遲量的裝置。
12.一種高頻感測系統，其中用如在權利要求1中所述的高頻電信號控制器控制電磁波通過空間的傳播，以無線檢查一個對象的表面或內部的組成部分、介電常數分布狀態、位置信息之類。
13.一種高頻電信號控制器，所述高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的產生器，用作將一個激光束變換成一個頻率比激光束的低的電磁波的單元，其中所述產生器與一個產生激光束的激光器、一個傳播激光束以將激光束引導到所述產生器的光波導和一個傳播信號的傳輸線一起集成在同一個基底上。
14.一種按照權利要求13所述的高頻電信號控制器，其中所述產生器具有波導型結構，以與用于傳播激光束的所述光波導耦合。
15.一種按照權利要求13所述的高頻電信號控制器，其中一個檢測器和一個將信號傳播給所述檢測器的傳輸線進一步集成在同一個基底上。
16.一種按照權利要求14所述的高頻電信號控制器，其中一個構成所述光波導的介質構件和一個構成所述傳輸線的介質絕緣層用同一個構件形成。
17.一種按照權利要求13所述的高頻電信號控制器，其中所述激光器包括具有不同振蕩波長的兩個器件；從所述兩個器件發射的光束在一個在同一個基底上形成的Y形分支光波導內相互混合；以及從所述產生器產生一個頻率與所述兩個器件之間的頻率差相應的電信號。
18.一種按照權利要求13所述的高頻電信號控制器，其中所述激光器由一個用來產生一個脈沖寬度等于或短于10psec的短脈沖的半導體鎖模激光器組成；以及由所述產生器產生一個短脈沖電信號。
19.一種按照權利要求18所述的高頻電信號控制器，其中通過在同一個基底上形成的所述光波導也可以將所述半導體鎖模激光器的光輸出引導到所述檢測器；用于將半導體鎖模激光器的光輸出引導到檢測器的所述光波導配置有一個用來改變延遲量的光延遲單元；以及在改變所述延遲量時測量所述短脈沖電信號的時間波形。
20.一種按照權利要求13所述的高頻電信號控制器，所述高頻電信號控制器還包括一個能向空間輻射/從空間接收電磁波的天線，所述天線配置在所述傳輸線內。
21.一種按照權利要求20所述的高頻電信號控制器，所述高頻電信號控制器還包括用于使從該天線輻射的電磁波的方向偏轉的裝置。
22.一種按照權利要求13所述的高頻電信號控制器，其中一個在毫米波段到兆兆赫波段(30GHz到30THz)范圍內的頻率用作所述高頻電信號的頻率。
23.一種高頻感測系統，其中用如在權利要求13中所述的高頻電信號控制器來測量一個放置在用于傳播所述電信號的傳輸線上的對象的表面或內部的組成部分、介電常數分布狀態、位置信息之類。
24.一種高頻感測系統，其中用如在權利要求20中所述的高頻電信號控制器來控制電磁波通過空間的傳播，以無線測量一個對象的表面或內部的組成部分、介電常數分布狀態、位置信息之類。
全文摘要
一種高頻電信號控制器包括一個產生高頻電信號的發射器、一個接收器、一個傳播電信號的傳輸線和一個向空間輻射通過傳輸線傳播的電信號或從空間接收信號的構件。所述構件提供的在空間與傳輸線之間的電信號的耦合度可以是可變地受控的。
文檔編號H01Q3/26GK1809760SQ20048001768
公開日2006年7月26日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年6月25日
發明者尾內敏彥 申請人:佳能株式會社