JP2003324226A

JP2003324226A - テラヘルツ波発振増幅混合器

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Publication number: JP2003324226A
Application number: JP2002163586A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Ken Sudo; 建須藤
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2003-11-14
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: JP4122386B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高いパワ効率とスペクトル線幅の狭いテラ
ヘルツ波を発生するデバイス及び方法を提供する。【解決手段】バルク或いは光導波路を有する単結晶の
ラマンレーザ１と、ラマン励起のためのポンプ光２、お
よび同期注入光３を導入する光導入手段４を有してい
る。ラマンレーザ１は入射端面１０、入射端面に対向し
た出射端面１１を有し、両者は光共振器端面を構成して
いる。同期注入光とポンプ光との差周波がテラヘルツ波
５として取り出される。その結果、ポンプ光と同期注入
光の差周波数に等しい周波数をもつ０．３ＴＨｚから１
１ＴＨｚの間で周波数可変のスペクトル線幅の狭いテラ
ヘルツ波が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明はテラヘルツ領域のコヒーレント光
を発生するデバイス及びその方法にかかわる。

【０００２】

【従来の技術】およそ０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚ、波
長にして１ｍｍから１０μのテラヘルツ波を発生する手
段として化合物の格子振動、分子振動を用いる提案が１
９６３年に本発明者西澤によってなされ、１９７９年に
は半導体中のパラメトリック効果、即ちポラリトンモー
ドのラマン発振をＧａＰを使って実現している。これに
続いて、固定周波数で、直接にテラヘルツ波の発生も実
現している。更にＧａＰをコア層、ＡｌＧａＰをクラッ
ド層とする半導体光導波路型ラマンレーザおよび光増幅
器を実現し、ラマン発振の効率を高め、ポンプ光しきい
値パワの大幅な低下を達成している。一方、本発明者
は、２つの近赤外レーザ光源を使いＧａＰなどの単結晶
そのものを導波路とする構造、あるいは先に述べたＧａ
Ｐ−ＡｌＧａＰ導波路構造内でポラリトンを励起し、２
つの光周波数の差を有する波長可変のテラヘルツ波を発
生する装置及び方法を開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】生体分子のテラヘルツ
分光やテラヘルツ波を使った波長選択型化学反応制御、
生体中の特定分子や薬剤の反応制御のためには広い波長
可変範囲と先鋭な線幅を有するテラヘルツ波の発生装置
が必要である。更にはテラヘルツ波の出力も高くなけれ
ばならない。しかしながら波長可変性と波長の先鋭さを
高めることは矛盾した要求とも言え、困難である。この
問題を基本的に解決し、高効率かつ広範な波長可変範囲
と先鋭なスペクトルを有するテラヘルツ波発生装置を提
供することが本発明の課題である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、広範囲なテラヘルツ周波数領域で光吸収損失の少な
い、かつラマン効果の大きい固体を用い、同時に位相整
合が得られる結晶方位を選択し、ポンプ光を導入してラ
マンレーザ動作を生じさせ、同時に、ストークス光波長
帯の波長を有する、線幅の先鋭な同期注入光を導入する
ことにより、注入光に一致したストークス光のみが増幅
発振を生じ、同時にポンプ光と同期注入光の差周波数に
等しい周波数を有する線幅の先鋭なテラヘルツ波を発生
させる。

【０００５】そのような固体ラマンレーザとして化合物
半導体やＬｉＮｂＯ_３などの絶縁体を使う。特に、ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体ＧａＰはラマン発振のしきい値が
低く、かつテラヘルツ波の吸収が広い周波数帯で小さい
ので極めて適当である。その［１１０］方位に光軸を取
れば１１ＴＨｚから０．３ＴＨｚ以下まで可変範囲を取
ることが出来る。ラマンレーザは同期注入光波長帯で光
共振器を構成しておく。同期注入光は光導入手段を使っ
て、共振器ミラを透過してポンプ光とほぼ平行に導入す
ることが望ましい。注入されたレーザ光波は共振器内部
で広い増幅帯波長の中から他の波長に打ち勝って増幅さ
れ同期発振に至り、高い強度になる。同時に、ポンプ光
との差周波であるテラヘルツ波が増大し出力として取り
出される。テラヘルツ波は同期注入光と同じく先鋭なス
ペクトルを有する。テラヘルツ波の周波数を変えるには
同期注入光の波長を変えるかまたはポンプ光の波長を変
える。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の第
１−第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載に
おいて同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付
している。

【０００７】（第１の実施の形態）図１に示すように本
発明の第１の実施の形態にかかわるラマン効果差周波発
生装置はバルク単結晶からなるラマンレーザ１とポンプ
光２および同期注入光３を導入する光導入手段４を有し
ている。ラマンレーザ１は入射端面１０、入射端面に対
向した出射端面１１を有し両者はレーザ発振用光共振器
端面を構成している。すなわち、入射端面にはポンプ光
波長帯に対して高透過率Ｔ_ｐ、同期注入光波長帯に対し
ては比較的高い反射率Ｒ_ｓを有する波長選択透過多層誘
電体反射膜を形成し、対向面には同期注入光波長に対し
て高い反射率Ｒ_ｓ’を有する多層誘電体反射膜を形成す
る。ポンプ光は入射側多層膜を透過し、ラマンレーザ１
をラマン励起する。同期注入光は入射側反射膜によりそ
の強度の一部が透過し両端面が高反射率のため多重反射
され、かつ強く増幅される結果、他の広範な波長成分に
打ち勝ち同期注入光の先鋭さを保有したストークス光が
内部で立ち上がり、その波長のみが発振にいたる。ある
いは発振直前の強い増幅状態になる。同時に、ポンプ光
との差周波が同じく先鋭なスペクトル線幅を持って立ち
上がり、テラヘルツ波５が取り出される。

【０００８】Ｔ_ｐ，Ｒ_ｓ，Ｒ’_ｓの代表的な値はＴ_ｐ＝
９０−１００％，Ｒ_ｓ＝９０−９９％，Ｒ’_ｓ＝９８−
１００％が適当である。同期注入光は僅か１０％から１
％が共振器内へと透過するが、内部で強く立ち上がるの
で十分である。むしろ、発振を容易にするため高い反射
率を持たせている。多層誘電体膜は例えばＴｉＯ_２，Ｓ
ｉＯ_２により形成され、膜厚は１−２μと極めて薄いた
めテラヘルツ波は十分に透過し対向面、入射面のいずれ
からも取り出すことができる。ラマンレーザ１としては
広範なテラヘルツ周波数領域で光吸収損失の少ないかつ
ラマン効果の大きい固体を用いる。ＧａＰはラマン発振
のしきい値が低く、かつテラヘルツ波の吸収が広い周波
数帯で小さいので極めて適当である。その［１１０］方
位に光軸を取れば１１ＴＨｚ近くから０．３ＴＨｚ以下
まで可変範囲を広く取ることが出来る。光軸方向が［１
１０］方位のバルク単結晶ＧａＰを用いるか、後述のよ
うにＧａＰ単結晶導波路やＧａＰをコア、ＡｌＧａＰを
クラッド層とする光導波路を用いても良い。

【０００９】テラヘルツ波の周波数を変えるには同期注
入光の波長を変えるかまたはポンプ光の波長を変える。
代表的例としてポンプ光に出力１ＭＷ、パルス幅５０ｎ
ｓのＹＡＧレーザを用いる。ＹＡＧレーザの波長は１．
０６４μ（２８２ＴＨｚ）である。注入同期光としては
ＩｎＧａＡｓＰ系可変波長レーザダイオード、中心波長
１．０８μ、出力１００ｍＷを用いる。ポンプ光のスペ
クトル線幅１０ＭＨｚ、可変波長レーザダイオードの線
幅１００ｋＨｚの場合、テラヘルツ波の線幅１０ＭＨｚ
という著しく狭いスペクトル線幅が得られる。

【００１０】（第２の実施の形態）実施の形態１におけ
るラマンレーザ１において、テラヘルツ波、ポンプ光、
同期注入光の少なくとも一つが光導波効果を持つように
すれば、位相整合を精密に一致させることができ、かつ
光を導波路内に閉じ込めることにより相互作用を高める
ことが出来る。その結果テラヘルツ発生効率を高めるこ
とができる。第２の実施の形態においてはテラヘルツ波
に対して光導波路効果を持たせる装置を説明する。

【００１１】テラヘルツ波に対して光導波効果を持たせ
る例を図２に示す。図２ａはラマンレーザ１として上下
面を研磨したＧａＰ単結晶薄板を用い、これがテラヘル
ツ波のスラブ導波路となる。厚みｄはテラヘルツ波の波
長のオーダーからその数倍であり、典型的には１００μ
から３００μである。薄板の面方位は、（００１）であ
る。ポンプ光と同期注入光は共に結晶端面１０から（１
１０）方向に平行に入射する。テラヘルツ波の周波数ｆ
_Ｔが３ＴＨｚの場合を例に光導波路効果を説明する。ポ
ンプ光は１．０６４μ（２８２ＴＨｚ）、注入光の周波
数は２７９ＴＨｚ，即ち波長１．０７５μである。この
場合、テラヘルツ波即ちポラリトン分散曲線ω＝ｋｃ／
ｎから決まるテラヘルツ波屈折率ｎは分散曲線の傾きの
逆数に対応する。ｋは（波長／２π）である。一方、ポ
ンプ光と注入光が平行なときの等価屈折率ｎ_ｅｆｆは、
極僅かテラヘルツ波屈折率ｎより小さい。この違いの割
合は１％程度であるが、３ＴＨｚのテラヘルツ波の結晶
内波長が３０μなので位相整合距離は３０μ／０．０１
＝３ｍｍ．程度である。したがって、結晶長を３ｍｍ以
上にしても位相整合が得られず、結局テラヘルツ波の発
生効率が高くならない。そこでテラヘルツ波に対して導
波効果を用い、１％程度導波路方向に対する実効屈折率
を小さくする。即ち、厚みｄの板状の結晶はいわゆるス
ラブ導波路として働かせる。光軸方向の波数をｋ_ｚとす
るとほぼ、ｋ_ｚ ^２＝ｋ^２−（π／ｄ）^２であるので、ｄ
を１００μにすると、ｋ_ｚはｋに比べ１％ほど小さく
なり、同じだけ導波路方向の実効屈折率が低下する。そ
の結果、位相整合がほぼ完全となり、１０ｍｍ以上の長
い距離に渡って位相整合が得られる。テラヘルツ波出力
は位相整合距離の２乗に比例するので１０倍以上の効率
を得る。

【００１２】以上はテラヘルツ波に対してスラブ導波路
を形成する場合であるが、図２ｂのように横方向に対し
て幅ｗを、厚みｄと同様に限定する。例えば幅１４０μ
厚み１４０μの棒状にすればテラヘルツ導波路の実効屈
折率は先の例と同様に１％ほど低下し位相整合が得られ
る。棒状導波路はポンプ光、同期注入光に対しても導波
路効果を有しているのでスラブ導波路よりも望ましい。
一方、スラブ導波路においても厚みを中央で厚くすれば
横方向導波路効果を生じ、横方向へのテラヘルツ波の散
逸を防ぎ出力を上げることができる。図２ｃの例では厚
い部分の幅はテラヘルツ波長が１００μの場合、幅ｗが
１００μ、凹凸の差Δｄが１０ミクロンで十分にテラヘ
ルツ波の横方向閉じ込め効果が得られる。ただし、導波
路方向実効屈折率の減少は厚みｄの効果より小さいので
位相整合条件は先に述べたようにスラブ導波路厚みｄで
ほぼ決定できる。このような凹凸形状はリアクティブイ
オンエッチング（ＲＩＥ）法などで容易に作成すること
が出来る。

【００１３】図２ａの例ではテラヘルツ波に対するスラ
ブ導波路厚みｄが固定されているので最適テラヘルツ周
波数を大幅に変えることができない。そこで、より広い
テラヘルツ周波数を一つの装置で出すために、図２ｄ，
のように厚みｄ_２の第２のＧａＰやＳｉ単結晶薄板を
ラマンレーザである第１のＧａＰ薄板下に接触させる。
第２の薄板は厚みの異なる部分をスライドして種々の厚
みを選択制御しても良い。ポンプ光と同期注入光は２つ
の薄板のギャップの存在のため第１のＧａＰ側に限定さ
れるが、テラヘルツ波は波長が長いので界面の存在は無
視できる。図２ｄにおいて例えば厚みｄ_２＝１００μと
すれば最適テラヘルツ周波数を３ＴＨｚから１ＴＨｚに
まで広げることができる。

【００１４】（第３の実施の形態）先の例はテラヘルツ
波に対して導波路効果を持たせたのであるが、ポンプ光
及び注入同期光に対して導波路構造を採用すれば、両光
の強度が高まり、かつ、１０ｍｍから２０ｍｍ以上の長
距離にわたって相互作用を生じさせることができ容易に
ラマン発振にいたる。棒状単結晶はテラヘルツ波のみな
らず、ポンプ光、同期注入光に対しても導波路効果を持
っているが、それについては、第２の実施の形態で述べ
た。一方、ＧａＰ−ＡｌＧａＰエピタキシャル技術を使
えば、１μｘ１μの極微細矩形から、５０μｘ５０μ程
度の矩形、或いは厚み１０μｘ幅１００μのＧａＰ−Ａ
ｌＧａＰスラブ導波路など微細な断面を有する導波路を
形成することができる。ポンプ光と同期注入光は通常、
近赤外波長であり、このような微細断面の中に閉じ込め
られるがテラヘルツ光は大部分導波路の外にパワが分布
している。このような導波路をここでは近赤外導波路と
よぶことにする。近赤外導波路の利点は断面の微細化に
より比較的小出力のポンプ光源によりラマンレーザ発振
を生じせしめることが出来る点にある。図３ａのように
ＧａＰ薄板の上に、ＧａＰをコア層、ＡｌＧａＰをクラ
ッド層とする埋め込み型の近赤外導波路６をエピタキシ
ャル技術とリソグラフィ、ＲＩＥ加工法などを駆使して
形成する。入射レンズを使って導波路にポンプ光と注入
同期光を導波させた状態を図４に示す。導波路の断面は
典型的な例では幅３０ミクロン厚み１０ミクロンの矩形
導波路である。この場合、ポンプ光、注入同期光の屈折
率は導波路内でも平面波と殆どおなじであると考えてよ
い。導波路厚みがテラヘルツ光の結晶内波長（例えば３
ＴＨｚの場合結晶内波長は３０μである）より小さいこ
とにより、発生したテラヘルツ波は大部分導波路の外、
即ち、基板内を進む。この際、テラヘルツ波の屈折率が
２つの近赤外線の差で決まる等価屈折率より１％程小さ
い。即ち屈折率差をΔｎとすると−Δｎ／ｎ＝０．０１
である。このような場合、導波路で発生したテラヘルツ
波は導波路方向にほぼ平行であるが僅かの角度θ＝−Δ
ｎ／ｎの方向へ進むものが位相整合され出力として取り
出される。これを示したのが図４ａである。

【００１５】一方、図３ｂは導波路の上にＧａＰ層を５
０μ以上厚く成長したもので、近赤外導波路と上下のＧ
ａＰ層全体がテラヘルツ導波路であり、実施の形態２で
説明したように、その厚みを適宜選択しあるいは厚みを
制御してほぼ完全な位相制御を行うことができる。その
状態を示したのが図４ｂである。

【００１６】ラマン発振あるいは強増幅状態に至るため
のしきい値ポンプ光パワは近赤外導波路の断面積にほぼ
比例する。１０μｘ１０μ断面積の導波路の場合、およ
そ出力５Ｗのポンプ光でも発振にいたるので連続波ＹＡ
Ｇレーザポンプ光源として使い、連続波テラヘルツ光を
発生させることが出来る。連続光の場合、ポンプ光の波
長純度は１００ｋＨｚ以下にすることが出来る。一方、
注入同期光源に外部共振器を使った波長可変レーザダイ
オードなどでは同程度にできるので１００ｋＨｚ以下と
いう著しい狭い線幅のテラヘルツ光を得ることが出来
る。

【００１７】（第４の実施の形態）以上においてはラマ
ン発振光に対して同期注入を行う例をしめしてきたが、
ポンプ光とラマン発振光の混合光に対して同期注入を行
っても良い。この場合は、微弱なテラヘルツ波を外部か
ら導入して高出力のテラヘルツ波を出力として得ること
ができ、テラヘルツ波の増幅が得られる。光導入手段と
しては球面鏡や法物面鏡を使う。ポンプ光はその中心に
開けた穴を通して導入できる。更には、ラマンレーザの
両端面の外に二枚の球面鏡を対向させ、テラヘルツ波の
共振器を構成すれば近赤外光とテラヘルツ光の両方に対
して増幅発振効果が働ききわめて高い効率が得られる。

【００１８】（その他の実施の形態）上記のように、本
発明は第１−第３の実施の形態によって記載したが、こ
の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定する
ものであると理解すべきではない。この開示から当業者
にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が
明らかとなろう。

【００１９】例えば第１−第３の実施の形態の説明にお
いては、ＧａＰを中心に説明してきたが、ＧａＡｓなど
他のＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体やＺｎＴｅなどはラマン
効率が高いので望ましい。半導体に限るものではなくＬ
ｉＮｂＯ_３などの絶縁体に適用できることは言うまでも
ない。

【００２０】このように、本発明はここでは記載してい
ない、様々な実施の形態を含むことは勿論である。した
がって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特
許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定めら
れるものである。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、高い光パワ効率でＣＷ
或いはパルス出力の、かつ先鋭なスペクトル線幅を有す
る、光周波数が０．３ＴＨｚ−１１ＴＨｚ内のコヒーレ
ント光が得られる。

【００２２】本発明によれば、光周波数が０．３ＴＨｚ
−１１ＴＨｚ内で周波数が可変な、且つ先鋭なスペクト
ル線幅を有する単一周波数テラヘルツ光源が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係わるテラヘルツ波発振増
幅器を表す図である。

【図２】テラヘルツ波用の導波路構造を有するラマンレ
ーザを表す図である。

【図３】ポンプ光及び同期注入光用近赤外導波路を有す
るラマンレーザを表す図である。

【図４】ポンプ光及び同期注入光用近赤外導波路を有す
るラマンレーザにおける光導入とテラヘルツ波出力を表
す図である

【符号の説明】

１ラマンレーザ２ポンプ光３同期注入光４光導入手段５テラヘルツ波６近赤外導波路１０入射端面１１出射端面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体或いは絶縁体のラマン効果によるレ
ーザにおいて、ラマンレーザ発振光あるいは混合光の少
なくとも一つの同期注入光を導入することにより、テラ
ヘルツ波を発生或いは増幅させることを特徴とするテラ
ヘルツ波発振増幅混合器。
【請求項２】テラヘルツ波、ポンプ光、同期注入光の少
なくとも一つが光導波効果を持つ手段を有することを特
徴とする請求項１記載のテラヘルツ波発振増幅混合器。
【請求項３】テラヘルツ波がほぼポンプ光軸方向に位相
整合されていることを特徴とする請求項１記載のテラヘ
ルツ波発振増幅混合器。
【請求項４】前記半導体或いは絶縁体がＧａＰを主成分
とする半導体であることを特徴とする請求項１記載のテ
ラヘルツ波発振増幅混合器。