JP2002510809A - フォトニックバンドギャップ構造を用いたフォトニック信号の周波数変換 - Google Patents

フォトニックバンドギャップ構造を用いたフォトニック信号の周波数変換

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Abstract

(57)【要約】 フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）、２分の１／４分の１波長の混合、および周期的構造に基づいた新規なＳＨ発生器について説明する。エネルギー出力および変換効率はどちらとも、比較可能な長さの位相整合されたバルクデバイスよりも、大きさがほぼ３桁大きい。ＧａＡＳ／ＡｌＡｓ半導体の周期的構造についても同様の結果が発見された。これらの結果は、周波数上昇および下降変換レーザ、より高いおよびより低い高調波発生、およびラマンタイプのレーザにおいて、即時型の用途を有し、ストークスまたは反ストークス共鳴が、バンドエッジ近傍で増強または抑制され得る。この基礎となるメカニズムは概して、フィールドを強力に制限し、より長い相互作用時間を可能にし、実効利得長さを増加し、変換効率を改善することを必要とする。しかし、強力なポンプ制限だけででも、有意に改善されたＳＨ発生の結果を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 米国連邦政府支援による研究および開発のもとで為された発明に対する権利に
関する記載 本発明は、Ｕ．Ｓ． Ａｒｍｙ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｃｏｍｍａｎｄにより授与
されたＣｏｎｔｒａｃｔ ＤＡＡＨ０１−９６−Ｐ−Ｒ０１０のもとで、政府の
支援により為された。米国政府は、本発明に対し、所定の権利を有する。
【０００２】 （発明の技術分野） 本発明は、入力信号以外の周波数でフォトニック信号を発生することに関する
。本発明は、特に、第２以上の高調波発生、和および差周波発生変換、ラマン処
理およびフォトニックバンドエッジ近辺での汎用（ｇｅｎｅｒｉｃ）パラメトリ
ック増幅に関する。
【０００３】 （関連技術） 近年、フォトニック技術の進歩により、電子デバイスとフォトニックデバイス
との一体化への傾向が生じている。これらのデバイスは、従来の電子デバイスに
対していくつもの利点を提供する。例えば、これらのデバイスは、動作速度の高
速化、サイズ低減、急速な温度変化のような環境変化に対する強靱性、ならびに
長寿命化および高繰返し速度を処理する能力の増加を提供する。これらの構造は
、金属、半導体性材料、通常の誘電材料またはこれらの材料の任意の組合せから
作製され得る。
【０００４】 フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造の理論的および実験的調査は、こ
れらの新規な材料が提供する可能性が広範囲に認められている証拠である。この
ような材料において、電磁場伝搬は、ある範囲の周波数で禁じられ、別の周波数
では可能である。透過されるスペクトルにおいてある範囲の周波数がほとんど存
在しない状態を、半導体バンドギャップになぞらえてフォトニックバンドギャッ
プ（ＰＢＧ）と呼ぶ。この現象は、光の干渉に基づいている；すなわち、バンド
ギャップ内の周波数において、前方および後方伝搬成分が、その構造内部におい
て互いに破壊的に相殺し得、その結果完全な反射が発生する。
【０００５】 例えば、フォトニックバンドエッジ非線形光学的リミッタおよびスイッチの開
発において、近年、ＰＢＧ構造の進歩が為された。Ｍ．Ｓｃａｌｏｒａらによる
、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７３：１３６８（１９９
４）の、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈ
ｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ−Ｇａｐ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」を参照されたい（本明
細書中、同文献全体を参考のため援用する）。さらに、非線形光ダイオードの開
発に伴い、フォトニック技術の進歩も達成された。Ｍ．Ｓｃａｌｏｒａらによる
、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ７６：２０２３（
１９９４）の、「Ｔｈｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ−Ｅｄｇｅ Ｏｐｔｉｃ
ａｌ Ｄｉｏｄｅ」を参照されたい。本明細書中、同文献全体を参考のため援用
する。加えて、一様なＰＢＧ構造により付与されるフォトニック信号遅延に伴う
物理的プロセスについては、Ｓｃａｌｏｒａらによる、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ
Ｒａｐｉｄ Ｃｏｍｍ．５４（２）、Ｒ１０７８−Ｒ１０８１（１９９６年８月
）の、「Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｔ
ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｅｄｇｅ：ｌａｒｇｅ ｔｕｎａｂｌｅ
ｇｒｏｕｐ ｄｅｌａｙ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｍａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
ａｎｄ ｌｏｓｓ」に詳細に記載されている。本明細書中、同文献全体を参考
のため援用する。
【０００６】 利用可能な出力波長範囲を拡張する要求により、レーザのようなコヒーレント
な光源の周波数変換について長年調査が行われてきた。ラマンシフト、高調波発
生、および準位相整合技術などの、多様なプロセスが用いられてきた。また、周
波数の上昇および下降変換と、より一般的な問題であるより直接的なプロセスを
用いると通常は得られない周波数でのレーザー放射を得ることもまた重要である
。
【０００７】 高調波発生は、複数のポンプ信号周波数での高調波を発生し得る適切な非線形
材料を用いた光と物質との間の非線形相互作用を伴う。従来からの非線形材料に
は、リン酸二水素化カリウム（ＫＤＰ）、β−硼酸バリウム（ＢＢＯ）、三硼酸
リチウム（ＬＢＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などがある。しかし、
効率的な周波数変換についてのこれらタイプの非線形結晶の有用性は、非線形係
数、位相整合性、ウォークオフ角（ｗａｌｋｏｆｆ ａｎｇｌｅ）、および受光
角などのパラメータを適切に調節することにしばしば依存する。
【０００８】 例えば、ニオブ酸リチウムは、その非線形係数χ(2)が他のほとんどの材料よ
りも大きいため、従来から第２高調波発生（ＳＨ）用に用いられている。加えて
、χ(2)の有効大きさは、ポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ）と呼ばれるプロセスに
よりさらに増加することができる。典型的には、ある長さのＬｉＮｂＯ3材料（
通常は数ミリメートルから数センチメートル）が、各々厚さ数ミクロンのオーダ
ーであるようなセクションに細分化される。次いで、強力な静電場が、各セクシ
ョン毎に電界方向が逆転するように、材料に印加される。したがって、電界は、
可視光が写真板に残す表示（ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）に類似する永久的表示（ｐ
ｅｒｍａｎｅｎｔ ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）を残す。これにより、各セクション
毎のχ(2)の符号は、材料の全長にわたってある様式で逆転する。非線形材料の
屈折率の符号が交互に変わった結果（この技術は準位相整合（ＱＰＭ）とも呼ば
れる）、同様の長さの位相整合されていない材料からのＳＨ発生は、準位相整合
された場合よりも何桁も小さくなってしまい得る。
【０００９】 こういった種類の材料処理を行う理由は、以下のように説明できる。すなわち
、ＳＨ発生のためには、オリジナルの周波数の２倍のフィールド（ｆｉｅｌｄ）
が生成される。任意の材料の屈折率は、フィールドの強度に依存するだけではな
く、周波数にも依存する。典型的なＳＨ上昇変換では、屈折率は、１０％以上も
異なり得る；これは、材料における光の速度は、その量の分だけ異なり、その結
果、基本波とＳＦ波との２種類の波は、位相がずれることを意味する。結果とし
て、χ(2)を変調することにより、これらの波は、位相が一致した状態に留まる
傾向となる（この状態はＱＰＭ現象として規定される）。これにより、ＳＨ発生
が改善される。
【００１０】 しかし、周波数変換に用いられるＱＰＭデバイスは典型的には、長さが１〜２
センチメートル（ｃｍ）程度である。必要とされているのは、サイズが小さく、
充分な変換効率を有し、そして従来技術で製造することのできる、光源の周波数
変換を行うデバイスである。 （発明の要旨） 本発明は、フォトニック信号を、入射ポンプビームまたはパルスの周波数以外
の周波数で生成する新規なデバイスおよび方法を提供する。このフォトニックバ
ンドギャップ（ＰＢＧ）デバイスは、複数の第１および第２の材料層を含む。こ
れらの第１および第２の材料層は、ＰＢＧデバイスがフォトニックバンドギャッ
プ構造を呈するよう構成される。フォトニックバンドギャップ構造は、ポンプ信
号周波数に対応する透過バンドエッジを呈する。第２の周波数での第２のフォト
ニッ信号は、入力された信号と層の構成との相互作用により生成される。第２の
フォトニック信号は、ポンプ信号の高調波であり、デバイスを通じて透過される
かまたはＰＢＧデバイスの入力領域から反射されかのいずれかになり得る。
【００１１】 本発明の一実施形態によれば、第１および第２の層は、周期的に交互に配置す
る方式で構成される。加えて、ＰＢＧデバイスは、ポンプ信号の他の高調波を発
生するために、１つ以上の周期欠陥をさらに含み得る。
【００１２】 本発明によれば、ポンプパルスを周波数変換するための方法は、ポンプ信号に
ついて所望の周波数を選択し、第２の信号を所望の高調波周波数で生成する工程
を含む。次に、上述した構造と同様の層構成を有するＰＢＧ構造が提供される。
さらに、この方法は、出力信号をポンプ信号周波数の所望の高調波で生成するた
めに、所望のポンプ信号をＰＢＧ構造に入力する工程を含む。
【００１３】 発生される信号は、持続波（ＣＷ）（ポンプビームがＣＷ信号の場合）または
パルス波（ｐｕｌｓｅｄ ｗａｖｅ）（ポンプビームがパルス状である場合）の
いずれの形式ともなり得る。ＰＢＧデバイス用の周波数変換プロセスは、同様な
サイズを有する他のいかなる通常のＱＰＭデバイスよりも何桁以上もより効率的
である。この変換効率は、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造を利用す
ることにより達成され得る。入射ポンプビームまたはパルスが、フォトニックバ
ンドギャップのごく近傍において、フォトニックバンドエッジの透過共鳴（ｔｒ
ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）近くでＰＢＧデバイスに与えられ
る。ＰＢＧデバイス内で生成された（周波数または波長が異なる）出力信号もま
た、透過共鳴に同調される。
【００１４】 コンパクトなサイズの周波数変換デバイスが、１次元構造のモデルを用いて、
高調波発生およびパラメトリック発振を含む広範囲の用途を実施するよう設計さ
れ得る。これらのＰＢＧデバイスはまた、簡単な方法で製造することができ、現
在の技術ニーズを満たす。
【００１５】 本発明のさらなる特徴および利点ならびに本発明の多様な実施形態の構造およ
び動作については、以下の添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】 本発明を添付図面を参照しながら説明する。図面中、類似の参照符号は同一ま
０たは機能的に類似の素子を示す。加えて、参照符号の左端桁は、その参照符号
が初出した図面を示す。
【００１７】 （好適な実施形態の詳細な説明） １．本発明の概要 本発明は、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造を利用した周波数変換
デバイスを提供する。線形型（ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｉｍｅ）のこれらのＰＢＧ
構造において提示された増強メカニズムは、通常の位相整合材料によってまたは
従来のファイバ格子ジオメトリ（ｇｒａｔｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ）にお
いて達成される変換速度よりも３桁近く大きな周波数上昇（または下降）変換速
度を提供する。ＰＢＧ構造の幾何学的特性および周期性は、バンドエッジ近辺の
電磁場モードの密度を実質的に改変するよう作用し得、これにより、大きく増大
された速度の第２高調波（ＳＨ）信号の放射を容易にする。より重要なことは、
上記により、恐らく、通常の準位相整合構造において発生する現在の製造上の問
題を、半導体または誘電薄膜ならびにこれらの組み合わせを堆積するための現在
の技術を用いることにより、完全に避けることができる点である。
【００１８】 本発明は、この例示的な環境に関して説明する。これらの用語を用いて説明す
るのは、便宜目的のみのためである。本発明をこの例示的な環境における用途に
限定することは意図されていない。実際、以下の説明を読めば、当業者にとって
、本発明を他の環境において実施する方法はより明らかとなる。 ２．光の物質との非線形相互作用 光と物質との非線形相互作用は、より直接的なレーザープロセスでは通常得ら
れない周波数での光発生の分野における用途にとって重要である。質的レベルに
おいて、自然界で見出されるすべての材料は、ある程度の非線形である。これは
、印加される電磁界強度が充分に強力である場合、電気分極率（ｄｉｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ）などの通常の材料の特徴的な特性が変
化することを意味する。
【００１９】 この、磁化率の電界強度に対する依存性（これは、ひいては材料の屈折率の一
形態である）は、以下のように例示できる。
【００２０】
【数１】
【００２１】 ここで、ｊは整数であり、χ(1)は低入射（ｌｏｗ ｉｎｃｉｄｅｎｔ）フィー
ルドについての媒質の磁化率であり、χ(j)は（ｊ）が増加するにつれて大きさ
が急激に低減するｊ番目の非線形係数であり、Ｅは印加フィールドである。した
がって、フィールド強度が序々に増加すると、ｊ番目の項の寄与は有意になる。
χ(j)は典型的には、材料に応じて、各連続するのχ(j+1)係数よりも２から４桁
大きくなり得る。一方、奇数または偶数の１よりも大きい（ｊ）の係数は全て、
材料の分子レベルでの特徴に応じて消滅し得る。例えば、分子がガス状態におけ
るように幾何学的対称中心を有する場合、全ての偶数の係数が消滅し得る。
【００２２】 強力な外部光学フィールド（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）の周波数ωでの用
途では、電気分極率に寄与する非線形性のため、光を周波数２ω、３ω、４ω等
で生成することが可能である。同様に、異なる周波数ω1およびω2を有する２つ
の強力なフィールドが非線形材料に印可された場合、個別の高調波に加えて、周
波数（ω1＋ω2）および（ω1−ω2）（すなわち、和周波数および差周波数）を
有する光もまた生成され得る。例えば、χ(2)の媒質は、その力学理論を支配す
る１次非線形係数を意味し、ＳＨの生成ならびに和周波数変換および差周波数変
換が可能である；χ(3)の媒質は、第３高調波発生が可能であるといった具合で
ある。
【００２３】 例えば、非線形媒質において典型的に求められる非線形周波数変換の１つのタ
イプは、ＳＨ発生である。しかし、本説明は、第３高調波発生などの高いまたは
低い方の周波数への非線形周波数変換にも適用可能である。
【００２４】 ＬｉＮｂＯ3のような、従来からの周波数変換プロセスに用いられる非線形材
料は、その非線形性が屈折率へ寄与することにより数十ミクロン毎に符号が逆転
するように処理される。しかし、ＬｉＮｂＯ3ホスト材料の線形屈折率は、いか
なる方法でも変更されない（すなわち、空間的に一様である）。
【００２５】 本発明による、周波数変換を行うために設計されるデバイスを形成する方法は
、全く異なる：すなわち、空間的変調が、屈折率の線形部分に付与される。言い
換えれば、本構造の線形屈折率（ｌｉｎｅａｒ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａ
ｃｔｉｏｎ）により、高い値と低い値とが交互に配置する。これは、ＧａＡｓ（
ガリウムヒ素）およびＡｌＡｓ（ヒ化アルミニウム）などの、少なくとも２つの
材料を交互させることにより達成される。ＧａＡＳ（ヒ化ガリウム）およびＡｌ
Ａｓ（ヒ化アルミニウム）は、屈折率がそれぞれ約３．４および約２．９であり
、その結果５〜１０ミクロンの長さの構造を有する。上述したように異なる屈折
率を有する異なる材料を交互させると、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）
構造が生成される。
【００２６】 本発明で用いる物理的プロセスは、従来の周波数変換技術とは、フォトニック
バンドエッジ効果を利用している点において異なる。フォトニックバンドエッジ
効果は、ポンプおよびＳＨ信号の強力なオーバーラップと、各伝搬速度の有意な
低減と、これらによる相互作用時間の増加とを産み出す。以下に説明する通り、
本発明のいくつかの利点には、以下のものが含まれる：（１）比較可能な変換効
率により、典型的なＱＰＭ構造よりも構造が１００〜１０００倍小さくなり得る
；（２）ＰＢＧ構造を形成する際に通常の半導体材料を用いることができ、製造
コストの削減につながる；および（３）ＰＢＧデバイスは、そのサイズおよび構
成のため、集積回路環境と適合する。 ３．ＰＢＧ構造を用いた周波数変換 １つの局面において、フォトニックバンドギャップ構造は、図１Ａに示すよう
に複数の層を含む。図１Ａ中、これらの複数の層は、高い屈折率と低い屈折率の
ものが交互している。ＰＢＧ構造１０２は、交互に配置する層１０８および１１
０の堆積物を含む。交互に配置する層１０８および１１０はそれぞれ、（低い入
射ポンプパワーに対して）所定の屈折率ｎ1およびｎ2ならびに所定の厚さａおよ
びｂを有する屈折材料である。詳細には、第１のタイプの層１０８は、高屈折率
層ｎ1となるよう選択され得る。第２のタイプの層１１０は、低屈折率層ｎ2とな
るよう選択され得る。これらの層の幅は、両方の層が入射ポンプ波長のサイズの
一部となるよう選択され得る。
【００２７】 例えば、第１の層１０８は、等式ａ＝λ／４ｎ1により決定される入来フォト
ニック信号（λ）の波長に対応する厚さ（ａ）を有するよう設計され得る。同様
に、第２の層１１０は、屈折率ｎ2および厚さ（ｂ）を有し得る（ここで、ｂ＝
λ／４ｎ2である）。このパターンは、Ｎ個の周期１２２中、繰り返すことがで
きる（ここで、１個の周期は、交互に配置する層１１２の１セットと等しい）。
このタイプの構造は、４分の１波長構造とも呼ばれる。本発明の説明から当業者
には明らかなように、特定の周波数変換用途に応じて交互する層の他の配置にも
為され得る。
【００２８】 層の幅を調節することによって、バンドギャップの位置が、異なる周波数へシ
フトする。この特性は有利であり、入力レーザ周波数および出力レーザ周波数の
オプションを考慮する際、柔軟性をもたらす。
【００２９】 図１Ｂは、Ｎ個の周期におけるＰＢＧ構造１０２の屈折率特性の方形波パター
ン曲線プロフィールの図である。図１５０は、一様なＰＢＧ構造の屈折率（ｎ）
１５２を距離（ｚ）１５４の関数としてプロットしており、これは、デバイス中
の周期１５６の数により限定される。図１５０は、材料中で突然屈折率が変化し
た際の周期的性質を示す。
【００３０】 大きな屈折率変調（ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）のＰＢＧ構造は概し
て、非線形率（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｉｎｄｅｘ）の変化によるバンド構造のシ
フトの影響を受けにくい。これは、屈折率変化は、線形率の変調深さ(ｌｉｎｅ
ａｒ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）上の小さな変動である
からである。以下に説明するように、フォトニックバンドエッジ近辺で同調され
る超短パルスについては、適切な屈折率、厚さ、および周期性を有する材料を選
択することにより、群速度の低速化、フィールド強度の増大、および従来のバル
ク上昇変換速度よりも３桁近く大きな周波数変換が得られ得る。１０-3よりも大
きい変換効率は、ほんの数マイクロメートルの長さ、１回のポンプパス（ｐｕｍ
ｐ ｐａｓｓ）および現実的なポンプ強度を有する構造で達成され得る。平面波
変換速度は、持続時間がほんの数ピコセカンド（ｐｓ）のポンプ信号のような、
透過共鳴帯域幅よりも周波数帯域幅が小さいパルスを利用することにより近似さ
れ得る。
【００３１】 図２は、本発明の好適な実施形態を示す。ＰＢＧ構造２００は、１つの周期が
２つの層（すなわち４分の１波長層２０２および２分の１波長層２０４）を含む
よう形成され、これにより、周期的で、２分の１／４分の１波の混合構造が形成
される。この特定の選択により、１次および２次のバンドエッジは、図４に示し
以下に詳細に説明するように、互いにほぼ２倍離れる。次いで、ポンプフィール
ドおよびＳＨフィールドの両方は、それぞれのフォトニックバンドエッジに同調
される。このバンドエッジの合致は、フィールドを強力にオーバーラップさせ、
波の速度を数桁台で有意に低減して両媒質における光速度未満の大きさにし、そ
して相互作用時間を増加させる。例えば、、Ｓｃａｌｏｒａらによる、Ｐｈｙｓ
．Ｒｅｖ．Ａ（１９９７年１０月）の、「Ｐｕｌｓｅｄ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒ
ｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ，
ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」を参照されたい（本明細書中、同文
献全体を参考のため援用する）。これらのファクタにより、従来のＱＰＭデバイ
スを有意に超えるＳＨエネルギー出力が増加する。
【００３２】 上述した種類の構造から、ある基準周波数付近の周波数範囲がＰＢＧデバイス
内を伝搬できないようなＰＢＧ構造が得られる。一方、この構造は、バンドギャ
ップから離れた別の周波数には透明であり得る。例えば、図３は代表的フォトニ
ックバンド構造を示す。図３は、構造３０１についての特徴的透過曲線を示す。
より高い周波数では、より高い次数のギャップも出現して、一連のギャップを発
生している。しかし、通常では、より高い次数のギャップは無視される。図３に
おいて、１次バンドギャップ３０２および２次バンドギャップ３０４が示されて
いる。図１Ａに示すような一様なＰＢＧ構造は典型的には、無数のフォトニック
バンドギャップおよびバンドエッジを呈する。図３において、透過曲線３０６は
、光学的透過３０８を正規化周波数（Ω）３１０の関数としてプロットすること
により得られる（ここで、Ω＝ω／ω0である）。最大可能透過は１である。し
たがって、特定の範囲のエネルギーを有する電子が半導体結晶内を伝搬すること
が不可能である半導体の電子バンドギャップになぞらえた「バンドギャップ」と
いう名前を生み出すのは、これらの透過されるスペクトル中の周波数の不在部分
である。
【００３３】 フォトニックバンドギャップの外部の周波数において、本構造の特性は、一連
の透過共鳴が得られるようなものである。このような共鳴の数は、本構造を構成
する周期の数と等しい。前記共鳴の帯域は、周期の全数、屈折率ｎ1およびｎ2、
ならびに屈折率の差δｎ＝│ｎ2−ｎ1│の敏感な関数であり、屈折率変調深さと
しても知られている。
【００３４】 ＳＨ発生に関して、ＰＢＧ構造は、非線形利得またはＳＨ信号が最大化された
場合、形成され得る。以下に詳細に説明する計算を用いて、ＰＢＧ構造における
電磁波の伝搬を示す方程式を解くことができる。この計算の結果は、光のパルス
が非線形媒質χ(2)と相互作用してＳＨ信号を発生する場合、ＰＢＧ構造からの
ＳＨエネルギー出力は、ほぼ同じ長さの単純なバルク非線形媒質のエネルギー出
力よりも大きさが３桁ほど大きいことを示す。
【００３５】 本発明の１つの実施形態は、交互に配置するＧａＡｓおよびＡｌＡｓの層の２
０個の周期（または４０個の層）を含むＰＢＧ構造である。あるいは、このＰＢ
Ｇ構造はまた、例えば空気とＧａＡｓ、ガラスとＡｌＡｓ、他の誘電材料の組合
せおよび従来から非線形材料として考えられていない材料のような、異なるセッ
トの材料も含み得る。加えて、このＰＢＧ材料はまた、ファイバ格子の形態の、
光ファイバ状にも生成され得る。これは、この周波数変換能力は、任意の１つの
材料に特定されるのではなく、特定の用途の特定の必要性に応じてある程度の柔
軟性が存在することを示す。したがって、本発明の構造は、本明細書中に記載さ
れている実施形態のみに限定されるべきではない。
【００３６】 本発明によれば、約１ピコセカンド以上の持続時間の光のパルスは、低い周波
数バンドエッジから離れた第１透過共鳴の最大値に対応する周波数に同調され得
る。図４は、このことを模式的に示し、群屈折率（ｇｒｏｕｐ ｉｎｄｅｘ）を
正規化された周波数の関数としてプロットする。ポンプの周波数（すなわち、Ｓ
Ｈ周波数）での２倍で生成された信号の全エネルギーは、類似する非線形特性お
よび寸法を有するＱＰＭデバイスのエネルギー出力よりも約１０００倍大きいが
、フォトニックバンドギャップ構造を示さない。したがって、第２高調波周波数
で生成された信号は、図４に示す通り、２次ギャップの低周波バンドエッジの第
２の透過共鳴に同調される。
【００３７】 本発明によれば、例えば差または和周波などの他の任意の周波数を増強するこ
とが必要な場合、本記載に基づいて、ポンプおよび所望の周波数の両方をフォト
ニックバンド透過共鳴に同調するようにＰＢＧ構造を工夫することは、当業者に
とって明らかである。より高い変換効率が求められる場合、以下に詳細に説明す
る計算は、そのような変換効率の向上は、構造を含む周期の数を少し増やすだけ
で達成され得ることを示す。この理由は、典型的なＰＢＧ構造における変換効率
が、構造の長さに非常に敏感であるためである。例えば、Ｎをデバイスを含む周
期数だとすると、エネルギー出力は、Ｎ6にほぼ比例する。この説明から当業者
には明らかなように、最適化手順を用いることにより、特定の用途のための上昇
または下降変換プロセスにとって理想的なパラメータが生成され得る。
【００３８】 例えば、第３高調波発生の場合、ＰＢＧ構造は、構造の中心部に２分の１の厚
さの波長の「欠陥」層を有する４分の１波長の周期的構造を含む。図５は、本実
施形態を模式的に示すものである。デバイス５０２は、図１Ａに関連して上述し
たものと類似する屈折材料が交互に配置する層の少なくとも２つの積層物（また
は領域）５０４および５０６を含む。デバイス５０２の中心部では、周期性欠陥
領域５０８が、各積層物５０４および５０６が等しい数の屈折材料の交互に配置
する層を有している状態で、積層物５０４および５０６間に挿入されている（ま
たは配置されている）。欠陥領域５０８はまた、ｎ1またはｎ2のどちらかに等し
く、かつ同一のχ(2)非線形係数を有する屈折率（ｎ）を有し得る屈折材料でも
ある。例えば、一様な積層物５０４および５０６内の個別層の厚さが４分の１の
波長の長さとなるよう選択された場合、周期性欠陥領域５０８の厚さは、波長の
２分の１または１となる。しかし、周期性欠陥領域５０８については他の厚さも
用いることができる。ここで「欠陥」という用語は、単に構造の周期性における
切れ目（ｂｒｅａｋ）を意味する。
【００３９】 この欠陥層は、図６に示すように各ギャップの中心で透過共鳴を生成するよう
に周期性に切れ目を入れる。ここで、１次および２次のギャップの中心間の距離
は、正確には３の倍数である。したがって、ポンプ信号を１次ギャップの中心部
に同調することにより、第３高調波発生での光の発生が増強される。例えば、従
来の通信レーザダイオードにおいて見られるような約１５５０ｎｍのポンプ信号
波長を用いると、第３高調波信号は、ＰＢＧデバイスから約５１６ナノメートル
（ｎｍ）の波長で出力される。したがって、材料の種類、材料パラメータ、およ
び材料の正確な幾何学的特性（例えば、層の厚さ）などの適切なパラメータのセ
ットを選択すれば、当業者は、所望の特性を有するデバイスに到達することがで
きる。
【００４０】 本発明の別の実施形態は、複数の周期性「欠陥」を有するＰＢＧデバイスであ
る。言い換えれば、厚さが異なるいくつかの欠陥が、ＰＢＧデバイス内に配置さ
れ得る。これらの多数の欠陥を交互に配置する層の積層物間に配置することによ
り、ａ周期性構造が形成され、フォトニックバンドギャップ構造もまた示される
。このａ周期性構造は、本発明の記載から当業者にとって明らかなように、本明
細書中記載されている周波数変換技術のうち任意のものを行うために利用いられ
得る。
【００４１】 本発明によれば、周期の数を増やした構造では、変換効率をさらに高めること
ができる。例えば、（２０周期から３０周期まで）構造長さを５０％まで増やす
ことにより、エネルギー出力を５倍に増やすことができる。しかし、以下の点に
留意されたい：（１）透過共鳴帯域は１／Ｎ2（Ｎは周期数）として減少し、こ
れにより、構造内部でポンプを大きく増強することを保証するためにパルス持続
時間を増やす必要がある；および（２）ＰＢＧ構造内部における過度の電界上昇
または増強のため、材料破壊が発生し得る。
【００４２】 非線形効果への考慮は、本発明のＰＢＧ構造と周波数変換に用いられる従来の
非線形材料との間の差をよりいっそう顕著に際立たせる。ＧａＡｓまたはＡｌＡ
ｓ層内の典型的な非線形率変化は、
【００４３】
【数２】
【００４４】 のオーダであり得る。このことは、非線形率のシフトは、線形屈折率変調深さよ
りも大きくなり得ることを示す。結果的に、周波数軸上のギャップ位置は、より
高いまたはより低い周波数に劇的にシフトし得、その帯域は、非線形性の符号に
応じて有意に増加または減少し得る。
【００４５】 対照的に、持続時間がほんの数百光学サイクル（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｙｃｌｅ
）の（すなわち、フェムトセカンドオーダーの（ｒｅｇｉｍｅ））超短パルスの
周波数帯域幅は、ＰＢＧの１次透過共鳴ピークの帯域幅よりも、（波長に応じて
）小さくなり得る（ここで、群速度は最低である）。ここで、超短パルスの伝搬
は、非分散性である。加えて、非線形率変化は、屈折率変調深さよりも小さい大
きさのオーダーのままであり、これにより、ＰＢＧ構造は、１以上の値であり得
る。したがって、変化は光学的限定およびスイッチング、光ダイオード挙動、な
らびに強力なパルス再生にとって充分であるが、ギャップおよび透過共鳴帯域な
らびにそれらの位置は、限定的に変更される。
【００４６】 周波数領域における帯域構造の安定性もまた、パラメトリック光上昇／下降変
換ならびに高調波発生において重要である。この結果により、本発明によって、
フォトニックバンドエッジ効果に基づいた、コンパクトで効率的な高利得の光増
幅器および光パラメトリック発振器が新しく産み出されることが強調される。
【００４７】 これらのＰＢＧ構造における利得の増強は、誘電境界の近隣におけるアクセス
可能なフィールドモードの密度が、その境界によって改変されること想起するこ
とによって理解される。これは、線形または非線形の利得の媒質がＰＢＧ構造に
導入された場合、誘導放射率および自然放射率は、フェルミの黄金則（以下を参
照のこと）に従って改変されることを意味する。ＱＰＭ構造において、持続波に
おける位相の不整合を避けるために、波間の位相差を最小化することが望ましい
。ＱＰＭデバイスについては、位相差のこの最小化は典型的には、組成が一様で
ありかつ線形率が不連続になっていない活物質をポーリングすることにより達成
される。したがって、非線形係数は、符号を縦軸方向に数十マイクロメートル（
μｍ）毎に逆転させるだけである。
【００４８】 本発明のＰＢＧ構造については、フォトニックバンドエッジ近辺で発生するポ
ンプおよびＳＨ信号双方を異例に強力に閉じ込めることに依存している。電磁界
モードの密度が大きい場合、群速度は低速となり、フィールド振幅はバルク値よ
りも大きさが１桁以上増強され得、そして、ポンプおよびＳＨモードの強力なオ
ーバーラップが発生する。この場合材料は、通常の方法でポーリングされない；
すなわち、強力なモードのオーバーラップ、共伝搬（ｃｏｐｒｏｐａｇａｔｉｏ
ｎ）、およびより長い相互作用時間を産み出すのは、構造の幾何学的特性であり
、これらの組合せにより、上記のＰＢＧ構造の利得の増強度が最終的に決定する
。
【００４９】 前述したＰＢＧ構造は、従来の技術により製造することができる。フォトニッ
クおよび半導体デバイスを作成する際通常遭遇する多様な反応条件およびパラメ
ータの他の適切な改変物または適用物は、本発明の精神および範囲を逸脱するこ
となく当業者にとって明らかである。
【００５０】 上述したように、本発明は、グループＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩの材料系な
らびに誘電材料で実施され得る。説明目的のため、上記例ではＧａＡｓ／ＡｌＡ
ｓ材料システムで説明した。しかし、当業者であれば、本明細書中記載された発
明は、他のＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ系でも実施され得ることを理解する。
【００５１】 さらに、半導体固体物理学に関するバックグラウンド材料は、複数の文献で見
つけることができる。これらの複数の文献は、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅによる、「Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｊｏｈｎ Ｗ
ｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ （１９８１）」お
よび「 Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎ
ｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ
．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ （１９８５）」と題された２冊の本を含む。本明細書中
、同文献の双方を参考のため援用する。当業者であれば、開示されている層状デ
バイスを、従来の処理技術に従って過度の実験なく容易に製造し得る。 ４．実施例の適用 本発明のＰＢＧ構造は、多様な周波数変換技術を行うために利用され得る。上
述したように、２分の１／４分の１波混合構造は、同調可能なソリッドステート
レーザ、ガスレーザおよび半導体ダイオードレーザを含む多様なコヒーレント光
源のＳＨ発生を行うために利用され得る。例えば、ＰＢＧ構造は、レーザビーム
を約８１０ｎｍの波長で放射する従来のＡｌＧａＡｓダイオードレーザの出力フ
ァセットに配置され得る。多様な出力波長のダイオードレーザは、Ｃａｌｉｆｏ
ｒｎｉａのＳｐｅｃｔｒａ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｂｓ，Ｉｎｃ．およびＣａｌｉｆ
ｏｒｎｉａのＣｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｃ．，を含む複数の業者から市販されてい
る。交互層の材料のセットを適切に選択し、層の厚さのセットを適切に選択し、
そしてＰＢＧデバイスのについての周期数を適切に選択することにより、ＰＢＧ
デバイスからの約４０５ｎｍでの出力が達成され得る。この種のデバイスは、「
青色」レーザ放射を出力し得、この放射は、通信および光学的記憶用途に大変貴
重なものである。加えて、（リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、β−硼酸バリウ
ム（ＢＢＯ）、三硼酸リチウム（ＬＢＯ）などの従来の非線形材料が、角度配置
に大きく依存しているのに対して）ＰＢＧデバイスはサイズがコンパクトでかつ
角度独立性を有するため、ＳＨ発生光空洞（ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ）構
成（例えば、外部空洞および内部空洞設計）は、大変背設計するのが簡単である
。高調波発生のための典型的な光学的レイアウトは周知である。Ｗ．Ｋｏｅｃｈ
ｎｅｒによる、「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｌａｇ，２nd Ｅｄ．（１９８８））（特に第１
０章）を参照されたい。本明細書中、同文献を参考のため援用する。公知の反射
防止コーティングもまた、当業者にとって明らかなように、スプリアス反射を低
減するために用いられ得る。
【００５２】 加えて、本発明のＰＢＧ構造はまた、例えば、ポンプパルス波長よりも大きい
出力波長を発生することができるパラメトリッック発振技術において用いられ得
る。Ｋｏｅｃｈｎｅｒの文献に記載されているような公知の光学的パラメトリッ
ック発振方法に基づけば、当業者にとって本発明のＰＢＧ構造を利用いてパラメ
トリックデバイスを設計し、より低い周波数（すなわち、より長い波長で）で周
波数変換を達成することは明らかである。
【００５３】 さらに、上述したＰＢＧ構造のタイプに類似する光ファイバ格子が、設計され
得る。光ファイバ格子もまた、周期的構造である。ファイバ格子に対する屈折率
は、高屈折率コントラスト(ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）半導体
構造の屈折率変調深さに類似する屈折率変調深さ（すなわち、高い値および低い
値）を達成し得る。しかし、ファイバ格子は、半導体ＰＢＧ構造に関連する屈折
率の不連続よりもより小さい屈折率の不連続を有する構造である：すなわち、フ
ァイバ格子について、半導体ＰＢＧ構造の変調率は１に近い（ａｐｐｒｏａｃｈ
ｉｎｇ ｕｎｉｔｙ）のに対し、ファイバ格子のコアに沿った屈折率変調は典型
的には、δｎ＝１０-3〜１０-4のオーダーである。透過共鳴の帯域およびバンド
ギャップは、δｎ（屈折率変調深さ）に比例するため、ファイバ格子周波数変換
デバイスは、形状を維持するためにより長い持続時間（すなわち、ナノセカンド
）の光パルスを用いる用途に好適である。
【００５４】 ファイバ格子は、周知の製造技術により、光ファイバ上に発生され得る。例え
ば、Ｇ．ＢａｌｌおよびＷ．Ｍｏｒｅｙによる、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．６，ｐ．４２０（１９９２）の、「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕ
ｓｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ
ｌａｓｅｒ」と、Ｙ．Ｒａｏらによる、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ，Ｖｏｌ．３１， Ｎｏ．１２， ｐ．１００９（１９９５）の、「Ｓｐａ
ｔｉａｌｌｙ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｂｒａｇｇ
ｇｒａｔｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｓｅｎｓ
ｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｗ
ａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｈｉｆｔ」とに記載されているファイバ格子用途および
製造技術を参照されたい。本明細書中、同文献の双方を参考のため援用する。
【００５５】 たとえば、ファイバ格子製造は、光学的「マスク」を、感光性ファイバコア上
に配置し、次いでそのマスクファイバアセンブリを、エキシマレーザのような高
輝度紫外線光線で照射することにより達成され得る。その結果得られた格子は、
ファイバ格子と呼ばれ、特にバンドギャップおよび透過共鳴に関して、高屈折率
コントラストの半導体ＰＢＧ構造の特性とほとんど同じ特性を示す。加えて、マ
スクは、バンドエッジ効果または上記の図５に示すものと類似する透過共鳴のど
ちらかを付与する格子を生成するよう設計され得る。本記載に基づけば、周波数
変換が可能なファイバ格子を設計することは当業者にとって明らかである。例え
ば、上述したパラメータによるファイバ格子デバイスは、レーザダイオードの出
力に結合され得、これにより、青色の波長範囲内の放射を出力することが可能な
コンパクトなソースが産み出される。 ５．モデル ａ．方程式 本発明によれば、モデルは、当業者が、ＰＢＧ構造を設計して所望の用途につ
いて光学的周波数変換を行うすることを可能とするために利用され得る。例えば
、ここに示すのは、１次元システムにおいて超短パルス（約１ｐｓ以下）と関連
する力学理論について述べた分析である。このモデルは、マックスウェルの方程
式を時間領域において直接的に積分することにより、パルス状の任意の深度のＰ
ＢＧ格子に対するＳＨ発生の分析および増強を拡張する。
【００５６】 図２に示すデバイス２００に類似する以下の簡単な１次元システムについて考
える。この例示デバイスは、４０の誘電層（全部で２０周期、基準波長１μｍに
対して約１２μｍの厚さ）を含み、屈折率は、高い値ｎ2＝１．４２８５７およ
び低い値ｎ1＝１の間を交互に配置する。小さい値である
【００５７】
【数３】
【００５８】 （ガウス単位で約３×１０-9ｃｍ／スタットボルト）が選択され、非線形材料が
、ＰＢＧ構造全体に一様に分布すると仮定する。次いで、基準波長λ0として、
これらの層は、厚さａ＝λ0／（４ｎ1）およびｂ＝λ0／（２ｎ2）をそれぞれ有
する。これは、波長λ0について、２分の１／４分の１混合波長の積層物を形成
する。周波数範囲は、図７に示すように反射され、この構造の透過係数は、スケ
ールド周波数（ｓｃａｌｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）Ω＝ω／ω0（ここで、ω0 ＝２πｃ／λ0）の関数としてプロットされる。図７は、このパラメータの選択
により、２次ギャップの位置は、１次ギャップから約２倍離されることを示す。
図１に示すデバイスのような通常の４分の１波長の構造については、１次および
２次のバンドエッジは、３の倍数で分離される。これら２つのエッジを利用する
ことは、第３高調波発生にとってより適切である。
【００５９】 運動方程式は、全てのフィールドについてマックスウェルの方程式で始まり、
ガウス単位で以下のような方程式となり得る。
【００６０】
【数４】
【００６１】 ここで、ＰNLは、全非線形分極である。一般性を失うことなく、これらのフィー
ルドは、任意かつ適宜に、以下のように分解することができる。
【００６２】
【数５】
【００６３】 この分解は、基本および第２高調波角度周波数を強調する。非線形分極は、電磁
界強度のべき乗で以下のように展開され得る。
【００６４】
【数６】
【００６５】 初期の左または右伝搬ポンプパルスを仮定することができるが、ＳＨ信号は、最
初はどの場所においても０である。同時発生されたＳＨフィールドの伝搬方向お
よび構造内部の準定常波の正確な性質は、以下の（ａ）〜（ｃ）により、動力学
的に決定される：（ａ）初期および境界条件の特性；（ｂ）バンドエッジに対す
るポンプ周波数同調、および（ｃ）構造内部での非線形双極子の分布。この非線
形双極子分布は、結果に有意に影響を与える。ＳＨ発生は、位相感応性プロセス
である。構造内部の任意のポイントにおけるフィールドおよびその位相は、構造
内部の全ての場所で発生する全てのフィールドの重ね合わせである。したがって
、位相は、運動方程式の積分に含められるべき重要な要素である。しかし、双極
子分布は、フィールドが偶然局所化される層において修正される範囲において重
要である。例えば、低周波バンドエッジ近辺において、フィールドは高屈折率層
において局所化される。いくつかの層間でのモードオーバーラップは常時発生す
るが、低屈折率層での非線形媒質分布を修正することの影響は小さい。
【００６６】 このモデルについて、屈折率の大きな不連続の存在下で伝搬する超短波入射パ
ルスについて考える。したがって、全ての２次的空間的導関数は、境界条件を適
切に含むよう保持されるべきである。しかし、パルス包絡線は光学的サイクルよ
りも常時ずっと長い持続時間を有することが仮定でき、これにより、低速で変化
する包絡線の時間の近似（ＳＶＥＡＴ）のみの用途が可能となる。ＳＶＥＡＴの
一般的な説明については、Ｓｃａｌｏｒａ，Ｍ．らによる、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．
Ｌｅｔｔ．７３：１３６８（１９９４）を参照されたい。本明細書中、同文献全
体を参考のため援用する。基本および第２高調波フィールドの運動方程式は、以
下のように得られる。まず最初に、Ｅｑ．（２）をＥｑ．（１）に代入すると、
以下が得られる：
【００６７】
【数７】
【００６８】 ここで、ｋ＝ω／ｃであり、ＳＶＥＡＴが為される。この波数ベクトルの選択は
単に、初期に自由空間を伝搬し、任意の構造から離れて配置される周波数ωのポ
ンプフィールドと一致する初期条件である。伝搬の結果生じるあらゆる位相変調
効果（すなわち、反射および非線形相互作用）を、フィールドの包絡線の力学理
論において考慮する。すべての２次空間的導関数が運動方程式に含まれているこ
とは、反射が、近似することなくすべての次数について説明されることを意味す
る。したがって、パルスはＳＶＥＡＴを乱すほど短くはならない（これは通常、
伝搬距離がパルス幅のオーダーになった場合の数十回の光学的サイクルを意味す
る）と仮定し、全てのしかし最も低いオーダーの力学理論への一時的寄与を無視
し、Ｅｑｓ．（４）、Ｅｑｓ．（５）および（６）の非線形分極展開を用いると
、以下のようになる。
【００６９】
【数８】
【００７０】 ここで、ξ＝ｚ／λ0，τ＝ｃｔ／λ0である。方程式（８）は、ＳＨフィールド
の変化率を示す。一方、方程式（７）は、ポンプ（または基本）信号を示す。空
間座標ｚは、便宜上、λ0の単位を基準とした；次いで、時間は、対応する光学
的周期の単位で表した。したがって、ＰＢＧデバイスの層、ポンプ信号周波数、
および帯域、ならびにポンプ信号強度についての屈折率を知ることにより、ポン
プ信号と異なる周波数を有する所望の出力信号を得られるＰＢＧ構造を設計する
ことができる。
【００７１】 前述したように、前方および後方ＳＨ発生が発生し得る。言い換えれば、周波
数変換デバイスは、出力高調波信号の透過または反射のどちらかを行い得る。さ
らに、媒質が非分散性であり、ポンプ信号が低周波バンドエッジ透過共鳴で同調
されていると仮定すると、ＳＨ周波数は、２次バンドエッジから充分に離れた場
所に見出される：これは、図７に示すように、通過帯域の中心で同調される。Ｓ
Ｈ信号をバンドエッジ近辺で適切に同調するために、材料分散が導入される。こ
れにより、バンド構造が変化する。具体的には、すべてのより高次のギャップは
、周波数が下降する傾向となり、その結果、ＳＨ信号周波数は、低い周波数、２
次バンドエッジにより近接して同調され、電磁的密度状態は最大となる。
【００７２】 計算的見地から見れば、分散量を変えることは簡単である。製造の見地から見
れば、同じ条件を得るのがより困難となる。しかし、本発明の発明者らは、バン
ド構造およびその特徴は、（ａ）周期数と、（ｂ）層の厚さと、（ｃ）材料分散
との影響を強く受けることを発見する。例えば、層の数を増やす（または減らす
）と、バンドエッジが鋭くなり、ギャップ間の透過共鳴の数が増加（または減少
）し、その結果、各共鳴の実効的なシフトが発生する。さらに、４分の１または
２分の１波長条件（λ0の単位で）から離れる方向に層の厚さを変えると、バン
ドギャップおよび透過共鳴の位置について周波数のシフトが発生する。これらの
周波数のシフトが材料分散に結合されたとき、所望の特性を有する構造が実現さ
れる。
【００７３】 ＳＨ発生にとって最適なパラメータを見つけるために（すなわち、バンドエッ
ジに対しての同調）、高屈折率層の屈折率を、ｎ2（２Ω）＝１．４２８５７か
らｎ2（２Ω）＝１．６５まで変化させる。より高い屈折率値は、２次ギャップ
のちょうど内側のＳＨ発生に対応し、その抑制が期待される。屈折率の中間値に
ついては、ＳＨ発生は、モードの密度が最大のときも発生する。仮定される分散
度は、誘電体または半導体材料双方で発見された分散度の典型的なものであり、
この場合では５〜１０％である。
【００７４】 図４は、好適なＰＢＧサンプルについて、Ｎg＝ｃｄｋ／ｄωと規定された、
図２に示す群屈折率と類似する群屈折率を示すことを想起されたい。最大群屈折
率もまた、δｎ、屈折率変調深さ、および周期数のセンシティブな関数であるこ
とに留意されたい。この２分の１／４分の１波長混合構造についての最大群屈折
率は、同じ屈折率変調深さで２０周期構造である４分の１波長に大きさの点で類
似する。この場合、ｎ2（Ω）＝１．４２８５７であり、ｎ2（２Ω）＝１．５１
９である。さらに、この関数の絶対値は、高いおよび低いバンドエッジの近隣で
最大である点に留意されたい。 ｂ．ピコセカンド入力パルスモデル この実施例において、ポンプパルス周波数は、低周波バンドエッジに対応する
よう選択される。ここで、透過共鳴は、ほぼ１であり、群屈折率は最大（図２中
、Ω＝０．５９１）である。高いポンプ率は、構造内部においてフィールド強度
がその周波数で劇的に増加したことを示す。これは重要である。なぜならば、Ｅ
ｑ．（８）が示すように、ＳＨ利得はフィールドにおいて非線形だからである。
ｎ2（２Ω）＝１．５１９となるように屈折率を選択することにより、ＳＨ周波
数は、２次バンドギャップの低周波数側で最大となるモードの第２の密度と一致
する（図４を参照のこと）。ここで、前方および後方ＳＨ発生を含む屈折率整合
のバルクに対するＰＢＧデバイスからの全エネルギー出力は、持続時間がたった
の６０光学サイクルのポンプパルスにおける１桁の大きさ（λ0＝１μｍのとき
、強度包絡線の１／ｅ幅は約２００フェムトセカンド（ｆｓ））から、約１ｐｓ
の長さのパルスにおける約５００倍まで変化する。サブピコセカンド以下のパル
スについては、パルスの周波数範囲が広いため、その増強度は低減する。
【００７５】 ＳＨ信号がモード最大の際の密度で同調されたとき、ＳＨ発生は最大ではない
。これは、フィールドに上記のことが発生するための正しい位相が無いためであ
る。一例として、公知のマトリクス行列変換を用いると、透過される平面波フィ
ールドの位相は、ギャップを介してπの位相ずれと、任意のギャップの同じ側に
おける連続する共鳴間の２πの位相シフトを受けることが見出され得る。したが
って、選択される周期数は、構造内部のＳＨフィールドの位相全体に衝撃を与え
得る。短いパルスについては、その広帯域周波数構成のため、状況はもっと複雑
である。
【００７６】 図８は、１ｐｓパルスについてのＳＨエネルギーの出力を、ｎ2（２Ω）の関
数として計算した結果を示す（すなわち、分散）。ｎ2（２Ω）＝１．５１９の
とき、最大エネルギー出力が発生し、これは、最大時の第２の透過または群屈折
率に対応する。図４は、ｎ2＝１．５１９についてのバンド構造を示す。バンド
エッジ近辺でのバンド構造の湾曲は、第２の透過共鳴から離れた場所ではやや弱
くなっている。これらの結果は、双極子分布もまた重要なファクタであることを
示す。この場合において、ＳＨフィールドは、構造内部において非線形双極子の
連続的な分布から発生する；すなわち、非線形性は、高屈折率層および低屈折率
層の両方にある。この双極子分布により、伝搬固有モードの形式と、発生した信
号が構造から出る方式とが決定する。したがって、本記載に基づけば当業者にと
って明らかなように、当業者であれば、ＳＨ変換効率を最大化またはさらに改善
する非線形双極子分布を発見し得る。
【００７７】 上記の計算はまた、パルス幅の重要性を強調する。スペクトル幅がバンドエッ
ジ透過共鳴よりも大きいパルスは、構造とうまく結合しない傾向がある。この状
況は、分散性伝搬と、ＰＢＧ構造内部のわずかに増強されたフィールド強度のみ
とにつながる。一方、周波数バンド幅がバンドエッジ共鳴バンド幅よりも小さい
パルスは、より少ない周波数成分を有し、分散をほとんど経ないかまたは全く経
ず、そして、構造内部においてフィールドが自由空間またはバルク値に対して約
１桁以上大きく増加させることを可能にする（ここで、フィールド振幅は概して
、Ｅfree／ｎに比例する）。
【００７８】 例えば、図９は、構造内部のポンプフィールド強度を、１−ｐｓパルスがピー
ク時に構造に達した瞬間にプロットしたものである。パルスが急激に下降するの
につれて、最大フィールド強度は、後方または前方進行成分の線形相互作用効果
により、（構造外部でのピーク値と比較して）１桁以上増幅される。一方、図１
０は、図９と同じ瞬間でのＳＨフィールド強度の準定常波のパターンを示す。双
方の固有モードは、高屈折率層の内部において広範囲にオーバーラップしており
、フィールドは、ポンプパルスの持続時間中ずっとこの形態を伝搬する。このモ
ードのオーバーラップは、双方のフィールドにおける群速度の劇的な低減と組み
合わさって、ポンプおよびＳＨ信号間の効率的なエネルギー交換を可能にする。
【００７９】 図１１は、１２μｍの厚さのデバイス（実線）およびポンプ反射を最小にする
ために両端を反射防止層でコーティングされた１２μｍのバルクサンプル（点線
）について、２０周期での全エネルギー出力（前方および後方を含む）を、入射
パルス幅（光学サイクルで表す）の関数として表したものを示す。１０-12オ−
ダーの変換効率を生じる低い入力フィールド強度を考えている。この傾向は、ポ
ンプ減損が有意でない限り存続する。分かりやすくするため、横座標は、対数目
盛でプロットしている。図１１は、ＰＢＧサンプルは、入力パルス幅が３００光
学サイクルすなわち約１ｐｓに近づいたとき、全エネルギー出力（したがってパ
ワー出力）が、屈折率整合されたバルク材料よりも約５００倍大きいことを示す
。この結果は、これらの規模の長さにおいて、バルクサンプルのエネルギー出力
が入射パルス幅とともに直線的に増加することを示す。そのため、この図は、持
続波入力パルスが与えられるとき、本発明のＰＢＧデバイスから適切な出力エネ
ルギーを得ることができることを明瞭に示している。
【００８０】 それとは対照的に、ＰＢＧの場合のエネルギー成長は、早期における指数的増
加により特徴付けられ、パルス幅が１ｐｓに近づいたときにやっと直線的成長に
とってかわる（ｇｉｖｅ ｗａｙ）。これは、ポンプフィールド固有モード強度
（したがってＳＨ利得も）は、パルス幅とともに急速に増加し、準単色限定に達
したときに飽和することを示す（この場合、パルス周波数帯域が、バンドエッジ
共鳴帯域よりもやや小さいとき）。
【００８１】 また、発生したＳＨパルスの振幅および幅はどちらとも、入射パルス幅が増加
するのとともに増加する。図１２は、本構造から離れて伝搬するＳＨフィールド
を示す。ポンプが左から入射したのに対し、本構造は、両方向から有意に放射し
、発生したＳＨパルスは入射ポンプパルスと同じ幅を有する点に留意されたい。
この全体的挙動を先験的に予測することは、関連する分析的結果が無い場合特に
困難である。さらに、バンドエッジから離れてポンプを同調し、より高い周波数
バンドエッジへ同調し、または、非線形双極子分布を変更することにより、図１
２のパターンを有意に変え得る。
【００８２】 図１３は、ピークフィールド強度に対する変換効率を、１ｐｓの持続時間の１
パルスについて、ガウス単位でプロットしたものである。ここで、これらの単位
における１０9の│Ε│2は、自由空間における１０ＧＷ／ｃｍ2にほぼ対応する
。このエネルギーフローの自由空間での値は、本構造内部でのエネルギーフロー
と区別される。ここで、効率とは、最終的なＳＨエネルギーの総量と初期ポンプ
エネルギーの総量との間の比率として定義される。この比率はまた、対応するピ
ークフィールド強度間の比率をそれぞれ表す。図１３は、この単純なたった１２
μｍの長さのＰＢＧ構造について、１０ＧＷ／ｃｍ2のポンプ強度で１０-2オー
ダーの変換効率が達成され得、約１０ＧＷ／ｃｍ2のＳＨ信号強度が生じること
を示す。これは、ＰＢＧ構造は長さがほんの数マイクロメートルしかなく、たっ
た１つのポンプパスが発生し、
【００８３】
【数９】
【００８４】 という非常に適度な値が用いられていることを考えれば、大変画期的なことであ
る。０．１ｐｍ／Ｖというχ(2)の値は、保存される値であることに留意された
い。もっと高いχ(2)の値で選択された材料が、本発明のＰＢＧ構造に取り入れ
られ得ることは明らかであり、その結果、変換効率は１０-1に近づく。本発明の
ＰＢＧデバイスの非常にコンパクトな特徴と、ポンプがサンプルを１回しか通過
しないこととを考えると、利得からデバイス長への比率は、当該分野でのデバイ
スの現状に比べ、数桁の改善が得られる。
【００８５】 このような、位相整合された上昇変換に関する大きな改善は、以下のように説
明することができる。フェルミの黄金則によれば、発振する双極子から放射され
るパワーは、Ｐ（ω）＝ρ（ω）│Ε（ω）│2で与えられる。ここで、ρ（ω
）は、モードの密度であり、│Ε（ω）│2は、固有モード強度である。平均エ
ネルギー出力は、このパワー出力を相互作用時間τで乗じることにより得ること
ができる。上記で指摘したように、これら全ての量は、ＰＢＧ構造についてほぼ
一桁だけ増加する。実際、│Ε（ω）│2およびτはどちらともρ（ω）に比例
するため、放射される全エネルギーは概して、ρ（ω）3に比例する。したがっ
て、図１１は、全エネルギー出力における有意な増加を示す。
【００８６】 より高い変換効率は、ポンプパワーを増加することにより、または、上述した
ように、本構造の長さを適度な量だけ増やすことにより容易に達成され得る。例
えば、計算によれば、全周期数を３０に増やすと、デバイス長が５０％だけ増加
し、ＳＨ出力エネルギー（およびパワーレベル）が１ｐｓパルスについて５倍増
加し、同じ倍率で変換効率が改善されるということが示される。これが発生する
のは、最大群屈折率がほぼＮ2として増加するからである。ここで、Ｎは周期数
である。フィールド固有モード強度もまた、Ｎ2に比例し、これにより、デバイ
ス長に対するエネルギー出力を非線形の方法で増加させる。
【００８７】 さらに、計算によれば、直線の、減損型ポンプ系（ｕｎｄｅｐｌｅｔｅｄ−ｐ
ｕｍｐ ｒｅｇｉｍｅ）おいて、変換効率は、図１３に示すように、自由空間ピ
ークフィールド値に比例する。ここで、実際のχ(2)値における全ての小さな偏
移、バンドエッジに対する同調、および入力パルス幅は、実験的結果との比較に
有意に影響を与え得る。この理由のため、上記に示したモデルは、ＰＢＧ構造の
全体的挙動を決定するために非常に価値があり、χ(2)を決定する際用いられ得
る。したがって、ＰＢＧデバイスの設計プロセスにおいて本発明に基づき適切に
配慮をし、ＳＨ波長での吸収が最小にされれば、非常に効率的なＳＨ発生器を製
造することができる。類似モデルもまた、効率的な第３高調波発生器などを設計
するために用いられ得る点に留意されたい。
【００８８】 本発明の別の実施形態において、構造は、一連の交互に配置する層を含む。こ
こで、ｎ1（Ω，２Ω）＝１およびｎ2（Ω，２Ω）＝１．４２８５７である。分
かりやすくするために、材料は分散性ではないと仮定する。この実施例について
、層の厚さは、低屈折率層の幅がａ＝０．６５λ0／ｎ1（ここで、この低屈折率
層は、フィールドの局在化におけるシフトのため、活性層である）で、高屈折率
層の幅がｂ＝０．０８９λ0／ｎ2となるよう選択される。次いで、１次の第１の
共鳴でポンプを同調すると、高周波バンドエッジにより、ＳＨ信号は、２次の高
周波バンドエッジの第２の共鳴で同調される（上記の低周波数バンドエッジにつ
いての記載において達成されたのと同様）。しかし、高周波バンドエッジの例の
変換効率は、低周波バンドエッジの変換効率と比較すると、１ｐｓパルスにつき
およそ２倍まで増加し得る。ポンプを高周波バンドエッジで同調することにより
、低屈折率層においてポンプフィールドの局所化のシフトが発生する。このシフ
トにより、その層におけるフィールド固有モードの強度が増加する。また、活性
層の幅も、０．５λ0から０．６５λ0まで約３０％増加する。この組合せにより
、長さが約１２μｍのデバイス長についての非線形利得全体における増加が説明
され得る。 ｃ．ＳＨ発生のためのＧａＡｓ／ＡｌＡｓ２分の１／４分の１波長の積層物 本章節では、２０周期のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ材料を含む２分の１／４分の１波
長混合構造の数値モデルについて説明する。両方の材料について、
【００８９】
【数１０】
【００９０】 、屈折率はｎ1（Ω）＝２．８６８およびｎ2（Ω）＝３．３１、ｎ1（２Ω）＝
２．９およびｎ2（２Ω）＝３．３５間を交互し、吸収は無視できるものと仮定
した。これらの屈折率は、３μｍのポンプ波長と、１．５μｍでの第２高調波信
号とに対応する。１０ＧＷ／ｃｍ2のポンプ強度について、この２分の１／４分
の１波長混合のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ構造は、この２０周期の構造において、１０ -2 〜１０-3のオーダーの変換効率を生成した。非線形ＳＨ利得（Ｅｑ．（６）は
、χ(2)ε2Ωの積として定義される）についての上述したモデル方程式は、この
高い変換効率は、χ(2)における桁の増加および（ＧａＡｓについての率の有意
な増加による）フィールド固有モード強度における桁の減少のためであることを
示す。加えて、変換効率における有意な増加が、ＰＢＧ構造における周期の増加
により達成され得る。これらの結果はまた、ＩＩ−ＶＩ系の半導体のような異な
る材料が、より高い周波数での上昇変換にとって望ましいことを示す。 ６．周波数変換の方法 図１４は、入力フォトニック信号の周波数変換を行うための方法を示す。入力
フォトニック信号は、入力フォトニック信号周波数およびフォトニック信号帯域
を有する。工程１４０２において、入力フォトニック信号の周波数が、所望の高
調波周波数での第２の信号に対応するよう、選択される。加えて、入力信号のタ
イプ（例えば、持続波またはパルス化動作）もまた、考慮すべきである。次に、
工程１４０４において、フォトニックバンドギャップ構造を呈する材料層構成を
含むデバイスが提供される。多様なタイプの材料層構成が、上記において記載さ
れている。構成の具体的なタイプ（そして行われるべき周波数変換のタイプ）は
、以下を含むファクタによって異なる（しかしこれらのファクタに限定されない
）：（１）選択される材料の吸収および透過特性；（２）屈折率の不連続面など
のパラメータに影響を与える、構造を形成する材料の屈折率；（３）材料層の厚
さ；および（４）交互に配置する層の周期数。これらのパラメータを組み合せる
ことにより、好適には入力フォトニック信号周波数に対応する透過バンドエッジ
を呈するＰＢＧ構造が得られる。最後に、入力フォトニック信号は、ポンプ信号
の高調波周波数で第２のフォトニック信号を発生するためにデバイスに伝えられ
る。入力フォトニック信号と層構成との相互作用により、第２の周波数で第２の
フォトニック信号が発生する。ここで、第２の周波数は、第１の周波数とは異な
る。当業者にとっては、本方法を用いて、例えば高調波発生および光学的パラメ
トリック発振のような周波数変換技術を行うことは明らかである。 ７．結論 上記にて本発明の色々な実施形態について説明したが、これらの実施形態は、
例示として示しただけであり、限定するものではないことが理解されるべきであ
る。したがって、本発明の拡がりと範囲は、前述した例示的実施形態のいづれに
よっても限定されるべきではなく、本明細書の請求範囲およびそれと同等のもの
によってのみ規定されるべきである。さらに、上記にて言及した全ての論文およ
び特許文献を、本明細書中、参考のため援用する。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 図１は、本発明の１実施形態である、一様なＰＢＧ構造を有する４分の１波長
の周波数変換デバイスの模式図である。
【図１Ｂ】 図１Ｂは、図１Ａに示す一様なＰＢＧ構造の屈折率曲線の特性図である。
【図２】 図２は、本発明の１実施形態である、２分の１／４分の１波混合のＰＢＧデバ
イスの模式図である。
【図３】 図３は、本発明による、第３高調波発生のためのＰＢＧデバイスについての透
過曲線の特性を示す。
【図４】 図４は、本発明による、無次元の、正規化された周波数曲線に対する群屈折率
を示す。
【図５】 図５は、本発明の１実施形態である、周期性欠陥領域を有するＰＢＧデバイス
を示す。
【図６】 図６は、図５に示すＰＢＧ構造の屈折率曲線の特性図である。
【図７】 図７は、２分の１／４分の１波長積層物の、無次元の、正規化された周波数に
対する２０周期における透過を示す。
【図８】 図８は、屈折率に対する最大エネルギー出力を示す。
【図９】 図９は、パルスのピークがＰＢＧ構造に達した瞬間での、本発明のＰＢＧ構造
内部でのポンプフィールド固有モード分布を示す。
【図１０】 図１０は、図９の場合についての第２高調波の固有モードを示す。
【図１１】 図１１は、ＰＢＧ（直線）からのＳＨエネルギー出力と、位相整合されたバル
ク材料（点線）とを、パルス幅の関数として比較したものである。
【図１２】 図１２は、同時発生したＳＨパルスを示す。
【図１３】 図１３は、入射パルスのピークフィールド強度に対するＳＨ変換効率を示す。
【図１４】 図１４は、本発明による周波数変換方法を示すフローチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブローマー， マーク ジェイ． アメリカ合衆国 アラバマ 35613， ア テネ， サンダーソン レーン 15829 Ｆターム(参考） 2K002 AB12 CA13 DA10 DA11 EA07 HA20

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 デバイスに入射する入力フォトニック信号と異なる周波数を
    有するフォトニック信号を発生するためのデバイスであって、該入力フォトニッ
    ク信号は、入力フォトニック信号周波数および入力フォトニック信号帯域幅を有
    し、 複数の第１の材料層と、 複数の第２の材料層と、 を含む、デバイスであって、 該第１および第２の材料層は、該デバイスがフォトニックバンドギャップ構造
    を呈するよう構成され、該フォトニックバンドギャップ構造は、該入力フォトニ
    ック信号周波数に対応する透過バンドエッジを呈し、該入力フォトニック信号と
    該層の構成との相互作用により、第２の周波数で第２のフォトニック信号が発生
    し、該第２の周波数は該第１の周波数とは異なる、デバイス。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２の材料層は、該材料層から形成された構
    成が、前記フォトニックバンドギャップ構造を呈するよう、周期的に交互に配置
    する方式で構成される、請求項１に記載のデバイス。
  3. 【請求項３】 前記第１の材料層は第１の屈折率を有し、前記第２の材料層
    は第２の屈折率を有し、該第１の屈折率および該第２の屈折率は互いに異なる、
    請求項１に記載のデバイス。
  4. 【請求項４】 前記第１材料層は第１の厚さを有し、前記第２材料層は第２
    の厚さを有し、該第１の厚さおよび該第２の厚さは互いに異なる、請求項１に記
    載のデバイス。
  5. 【請求項５】 前記フォトニックバンドギャップ構造はまた、２次バンドギ
    ャップにおいて第２の透過共鳴を呈し、前記第２の周波数は該第２の透過共鳴に
    同調される、請求項１に記載のデバイス。
  6. 【請求項６】 前記第２のフォトニック信号は、前記デバイス内で反射され
    、前記入射フォトニック信号が、入射する前記デバイスの表面から放出される、
    請求項１に記載のデバイス。
  7. 【請求項７】 前記入力フォトニック信号は、持続波レーザソースによって
    生成される持続波入力フォトニック信号である、請求項１に記載のデバイス。
  8. 【請求項８】 前記層構成は、２分の１／４分の１波長混合構造を形成し、
    前記第２の周波数は、前記入力フォトニック信号周波数の第２高調波である、請
    求項１に記載のデバイス。
  9. 【請求項９】 前記層構成は、４分の１波長構造を形成する、請求項１に記
    載のデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記第１および第２の材料層は、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓ
    半導体層をそれぞれ含み、該第１および第２の層は、半導体基板上で形成される
    、請求項１に記載のデバイス。
  11. 【請求項１１】 前記デバイスの長さは、約５マイクロメートルから約１０
    ００マイクロメートルである、請求項１に記載のデバイス。
  12. 【請求項１２】 第３のフォトニック信号が、前記入力フォトニック信号お
    よび前記第２のフォトニック信号と、前記層構成との相互作用による周波数混合
    プロセスの結果として発生する、請求項１に記載のデバイス。
  13. 【請求項１３】 前記第１および第２の層は、周期的に交互に配置する方式
    で構成され、該構成は第１の領域を形成するデバイスであって、該デバイスは、 周期的に交互に配置する層を有する第２の領域であって、 第３の材料層と、 第４の材料層と、を含む、第２の領域と、 該周期的に交互に配置する材料層の該第１の領域と該第２の領域との間に挿入
    される周期性欠陥領域とを含み、該第１の領域、該第２の領域、および該周期性
    領域構成は、前記入力フォトニック信号に対応する透過バンドエッジを有するフ
    ォトニックバンドギャップ構造を呈し、該入力フォトニック信号の、該第１の領
    域、該第２の領域、および該周期性領域の構成との相互作用は、第２のフォトニ
    ック信号を第２の周波数で発生させ、該第２の周波数は該第１の周波数とは異な
    っている、デバイスをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
  14. 【請求項１４】 前記第１および第２の領域は、４分の１波構造でそれぞれ
    構成され、前記周期性欠陥領域の厚さは、前記入力フォトニック信号の約１／２
    の波長である、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 【請求項１５】 前記第２の周波数は、前記入力フォトニック周波数の第３
    高調波である、請求項１３に記載のデバイス。
  16. 【請求項１６】 入力フォトニック信号を光学的に周波数変換するための方
    法であって、該入力フォトニック信号は、入力フォトニック信号周波数および入
    力フォトニック信号帯域幅を有し、該方法は、 第２の信号を所望の高調波周波数で発生するように、該入力フォトニック信号
    の周波数を選択する工程と、 複数の第１の材料層と、 複数の第２の材料層と、 を含むデバイスを提供する工程と、 該第１および第２の材料層は、該デバイスがフォトニックバンドギャップ構造
    を呈するよう構成され、該フォトニックバンドギャップ構造は、該入力フォトニ
    ック信号周波数に対応する透過バンドエッジを呈し、該入力フォトニック信号と
    該層構成との相互作用は、第２の周波数で第２のフォトニック信号を生成し、該
    第２の周波数は該第１の周波数とは異なっている工程と、 該入力フォトニック信号を、該デバイスに入力して、該第２の信号を該高調波
    周波数で発生する工程と、 を含む、方法。
  17. 【請求項１７】 前記デバイスにおいて用いられる前記材料を、前記第１の
    材料層が第１の屈折率を、前記第２の材料層が第２の屈折率を有するよう選択し
    、該第１の屈折率は、該第２の屈折率よりも大きく、該第１の屈折率および該第
    ２の屈折率間の差は、前記入力フォトニック信号の所望の高調波周波数に対応す
    る、請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記第１および第２の材料層を交互に配置する方法で構成
    する工程と、該交互に配置する第１および第２の層についていくつかの周期を選
    択して、所望の変換効率を提供する工程とをさらに含む、請求項１６に記載の方
    法。
  19. 【請求項１９】 前記バンドエッジの幅が、前記入力フォトニック信号帯域
    幅よりも大きくなるよう、前記交互に配置する第１および第２の層についていく
    つかの周期を選択することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記入力フォトニック信号周波数および前記高調波周波数
    での前記材料における吸収が最小となるように前記交互に配置する方法で前記材
    料を選択することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
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