JP2005195707A

JP2005195707A - テラヘルツ電磁波発振器

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Publication number: JP2005195707A
Application number: JP2003436902A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Toru Kurabayashi; 徹倉林; Ken Sudo; 建須藤
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】テラヘルツ電磁波発生装置において高効率化・高出力化を実現する。
【解決手段】テラヘルツ電磁波発生装置に用いる結晶において、結晶内部あるいは結晶表面の一部を加工し、共振器構造を形成することにより、テラヘルツ電磁波取出し方向にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を発生させ、高効率テラヘルツ差周波発生を実現し得るテラヘルツ電磁波発生装置を実現する。
【選択図】図３

Description

本発明は、媒質中のフォノンを利用したテラヘルツ電磁波発生装置に関する。

近年、その応用が注目されているテラヘルツ電磁波（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）は、光の周波数と電波の周波数の境界に当たる。光の周波数はおよそ３０−１０００ＴＨｚであるのに対して、マイクロ波やミリ波などの電波の周波数は０．１ＴＨｚ以下の周波数を持っている。この周波数のギャップを埋めるのがＴＨｚ波帯である。テラヘルツ発生においては、その原理的方法に基づきテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚＴｉｍｅ−ＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＴＨｚ−ＴＤＳ）、テラヘルツパラメトリック発振器（ＴＨｚＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌａｔｏｒ；ＴＨｚ−ＴＰＯ）、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生（ＴＨｚＤｉｆｆｅｒｅｎｔＦｒｅｑｕｅｎｃｙＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ＴＨｚ−ＤＦＧ）、あるいはｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどの半導体デバイスを用いたテラヘルツ電磁波発生方法が実現されている。

誘電体であるＬｉＮｂＯ_３結晶内のフォノンを利用したテラヘルツ電磁波発生法は既に実現され、ＬｉＮｂＯ_３結晶に１つまたは２つのポンプ光を入射し、差周波発生やパラメトリック発振によりテラヘルツ電磁波を発生させている。

特に、テラヘルツ電磁波を発生させる周波数混合用結晶としてＧａＰを用いた場合には、差周波発生により０．１５〜７ＴＨｚという他に類を見ない広範囲において波長可変で高出力のコヒーレントなテラヘルツ電磁波の発生が実現されている（例えば、非特許文献１を参照）。
さらに、有機結晶であるＤＡＳＴ（４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍｔｏｓｙｌａｔｅ：ジメチルアミノスチルバゾリウムトシレイト）結晶を用いた差周波発生では、最近、出力はＧａＰ結晶に及ばないものの２〜２０ＴＨｚの極めて広い周波数範囲でのテラヘルツ電磁波発生が確認されている（例えば、非特許文献２を参照）。
Ｔ．Ｔａｎａｂｅ，Ｋ．Ｓｕｔｏ，Ｊ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，Ｔ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｋ．ｓａｉｔｏ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ９３，４６１０（２００３）などＴ．Ｔａｎｉｕｃｈｉ，Ｊ．Ｓｈｉｋａｔａ，ａｎｄＨ．Ｉｔｏ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．３６，１４１４（２０００）．

前述のＬｉＮｂＯ_３、ＧａＰやＤＡＳＴ等の結晶を用いたテラヘルツ電磁波発生方法においては、母材のテラヘルツ帯吸収係数が大きく発生するテラヘルツ電磁波の出力を大きくできないという問題があり、高出力化が課題であった。従来は高出力のテラヘルツ電磁波を得るために、入射するポンプ光の光強度を増加することなどで対応していたが、過剰光パワー入射の影響により結晶中に欠陥が生じてしまい、その結果出力を維持できないという問題があった。

上記問題を解決するために本発明の特徴は、周波数混合用結晶中のフォノンを励起し、テラヘルツ電磁波取出し方向にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を発生させるための共振器となる構造を結晶内部あるいは結晶表面構造に持ち、高効率テラヘルツ差周波発生を実現し得るテラヘルツ電磁波発生装置を実現する。

特に、テラヘルツ電磁波を発生させる結晶としてＧａＰを用いると、差周波発生により０．１５〜７ＴＨｚという広範囲において波長可変で高出力のコヒーレントなテラヘルツ電磁波の発生が実現される。ＧａＰにおいては光学フォノンを構成する横波の基本振動周波数は１１ＴＨｚときわめて高いので、横光学フォノンとフォトンの結合系量子であるポラリトンモードでは広周波数帯域の出力が得られる。図１に示すように、２つのポンプ光の波長を１．０μｍよりわずかに大きくすると２つのポンプ光間に非平行方向配置（ノンコリニア）にて位相整合が実現されるので、第１のポンプ光１と第２のポンプ光２をなす角θ_ｉｎで入射するとテラヘルツ電磁波３が結晶内角度θ_ｏｕｔ方向に得られる。図２に示すのは従来法によるテラヘルツ波発生方法における、結晶、ポンプ光およびテラヘルツ電磁波出力の位置関係である。

本発明では、図３に示すようにＧａＰの結晶構造においてテラヘルツ電磁波の出力方向に、共振器構造を作製し、定在波が形成されるよう、共振器長ｄをｍλ／２ｎ（ｍ＝１，２，３、ｎは屈折率）としていることを特徴とする。このような構造の結晶を用いることにより、結晶内部で共振条件を満たす波長（λ／ｎ）の強度が強められるので、自由空間に放出されるテラヘルツ電磁波の波長λの出力が強められることになる。また可変波長光源を形成するためには、図４に示すように、テーパ状共振器構造を採用し、テラヘルツ発生の個所をシフトさせることで、共振器長を連続的に可変できるので波長可変テラヘルツ電磁波発振器を形成することができる。

共振器構造は結晶の内部あるいは表面に、誘電率、密度、あるいは結晶構造の異なる物質層を形成することで、共振器端面を形成できる。例えば、金属層あるいは誘電体薄膜層、拡散層あるいは合金薄膜層、さらには結晶欠陥薄膜層の形成等により共振器端面構造を作製する。これらの構造によりフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を介したテラヘルツ電磁波発生により高出力化を実現する。

また、前記共振器構造の一部に電極を形成し、電流注入を行うことによって、結晶中を走行するキャリア（例えば電子）が結晶格子に散乱された際に放出するフォノンを利用することもできる。この場合も発生したフォノンのうち、テラヘルツ電磁波に寄与する成分を選択的に取り出し、定在波を形成することによって、発生するテラヘルツ電磁波の高出力化が可能となる。

本発明のテラヘルツ電磁波発振器によれば、周波数混合用結晶中のフォノンを励起し、テラヘルツ電磁波取出し方向にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を励起する共振器構造を結晶内部または表面に持ち、高効率・高出力のテラヘルツ波発生が可能となるので、テラヘルツ分光用光源としてだけでなく、食品、バクテリアやウィルス、あるいは生体組織、癌などの異常細胞を選択的に励起することが可能な高出力テラヘルツ光源を形成できる。

図３に示すように、テラヘルツ電磁波の差周波発生を行うため周波数混合用結晶としてＧａＰ結晶を用い、結晶を加工しテラヘルツ電磁波の出力方向に共振器構造を作製し、定在波が形成されるよう共振器長ｄをｍλ／２ｎ（ｍ＝１，２，３、ｎは屈折率）に設定する。これによって、結晶内部で共振条件を満たす波長（λ／ｎ）の強度が強められるので、自由空間に放出されるテラヘルツ電磁波の波長λの出力が強められる。共振器構造は結晶の内部あるいは表面に、誘電率、密度、あるいは結晶構造の異なる物質層を形成することで、共振器端面を形成する。

本発明によるテラヘルツ電磁波発振器の概略図を図３に示した。結晶としてＧａＰ単結晶を用い、第１のポンプ光１として波長１．０６４μｍのパルスＹＡＧレーザを用いる。第２のポンプ光２として第１のポンプ光の基本波を３逓倍した３５５ｎｍの光で励起される波長可変パラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）を用いる。ＯＰＯの出力波長を１．０３８−１．０６５μｍの範囲に選べば差周波数は０．１５−７ＴＨｚの範囲になる。またＯＰＯの波長を１．０６４６−１．０９１μｍの範囲に選んでも良い。第１のポンプ光１の入射角および第２のポンプ光２をなす角θ_ｉｎを調整すると、テラヘルツ波３が結晶表面から垂直方向に放射される。第１のポンプ光１および第２のポンプ光２の入射面は結晶をカットした平面になっており、散乱や反射の影響を抑えた工夫がなされている。さらに第１のポンプ光１の入射角および第２のポンプ光２の入射角を選ぶと全反射条件により、テラヘルツ波取出し平面へのポンプ光の入射をカットすることができるので、フィルタ等を用いなくてもＴＨｚ電磁波を分離できる。

第１および第２のポンプ光１および２としてＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ（Ｃｒ添加カンラン石）レーザを用いることもできる。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザは、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い励起され、１．１５μｍから１．３５μｍまでの範囲の波長が得られる可変波長レーザである。二つのＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源として用い、差周波発生させることができる。

例えば第１のポンプ１の波長を１．２０μｍに固定し、第２のポンプ光２は同種のＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザを用い、波長を掃引する。第２のポンプ光の波長を１．２０２４μｍ〜１．２３４６μｍまで変えることにより、テラヘルツ電磁波の発生する周波数範囲は０．１５−７ＴＨｚの範囲になる。

図４は波長可変共振器構造を持つテラヘルツ電磁波発振器を表している。図３の結晶とは異なり、共振器構造を形成する２つの平面が非平行のテーパ状共振器構造を採用している。すなわち共振器を形成する下方面が、テラヘルツ電磁波３の出力平面に対して、平行面からのずれ角θ７を有している。この構造の結晶を用いることで、テラヘルツ発生の個所をシフトさせると、共振器長を連続的に可変できるので波長可変テラヘルツ電磁波発振器を形成することができる。

例えば、図中、第１のポンプ光１および第２のポンプ光２の照射一を実線で表したものから、点線で表した位置へ（図中左から右へ）シフトすると、テラヘルツ電磁波３の発生場所もシフトするが、最適発振波長をλ_Ａからλ_Ｂにシフトできる。共振器長はそれぞれ、ｄ_Ａ＝ｍ（λ_Ａ／２ｎ）およびｄ_Ｂ＝ｍ（λ_Ｂ／２ｎ）を満たすように設定される。このとき、第１のポンプ光１の周波数を固定する場合、第２のポンプ光２は最適発振波長の差周波を発生すべく、周波数が選択されることは言うまでもない。

上記、差周波発生に用いられる結晶として、ＧａＰ以外にも、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＧａＳｅおよびＤＡＳＴなども用いることができる。

図５に示すのは、実施例１において共振器構造となる端面に加工を施した場合の実施例である。８ａおよび９ａは金属あるいは誘電体膜層である。８ａは例えば金属層では、テラヘルツ電磁波を透過させる必要性から薄膜化しハーフミラーとしている。また、８ａが誘電体の場合には、誘電体多層膜によりハーフミラーを形成している。一方９ａは金属あるいは誘電体膜層の場合とも全反射ミラーとしている。

８ｂおよび９ｂは拡散あるいは合金層である。この場合には結晶の一部を改質し、結晶６に対して屈折率の差等を生じせしめることによりフォノンあるいはフォノンポラリトンの反射を増加させるとともに、結晶内にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を誘発し、出力側の拡散、あるいは合金層８ｂを透過させてテラヘルツ電磁波３を取り出す構造を用いている。合金層としてはＡｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｚｎなどを用い、テラヘルツ電磁波の出力側である８ｂは透過特性を得るために薄い合金層となっている。不純物拡散層の形成では、ＧａＰ結晶の共振器を形成する表面近傍に、Ｓｉ，Ｓ，Ｔｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｃｒ等の不純物を拡散し導電性や導電率を改質することにより、共振器端面を形成する。

８ｃおよび９ｃは、結晶欠陥の導入により、結晶の表面付近の一部を改質した共振器構造を用いている。欠陥の導入に関しては、Ａｒ^＋、Ｈｅ^＋、Ｈ^＋などの加速したイオンの照射により、欠陥の導入深さと欠陥の導入量が制限される。

図６に示すのは、共振器構造の一部に電極を形成し、電流注入を行うことを特徴とするテラヘルツ電磁波発振器の実施例である。電流注入により結晶中を走行するキャリア、例えば電子が８ａおよび８ｂ間の電界によって加速され、走行中に結晶格子に散乱されると、ｋからｋ’へと運動量変化を生じ、フォノンｑ（＝ｋ−ｋ’）を生成する。このような電子の散乱の際に放出されるフォノンをテラヘルツ電磁波発振器に利用することもできる。この場合も発生したフォノンのうち、テラヘルツ電磁波に寄与する波長成分を選択的に取り出し、結晶内にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を誘発することによって、発生するテラヘルツ電磁波の高出力化が可能となる。

図７に示すのは、実施例２において、金属あるいは誘電体膜層、拡散あるいは合金層、および結晶欠陥層の導入により共振器端面を形成結晶内にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を誘発し、効率よくテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とするテラヘルツ電磁波発振器において、各端面構造における出力側構造にスリット状のパターンを施したことを特徴とする。

８０ａはスリット状のパターンを施した金属あるいは誘電体膜層であり、スリットパターンのスペース部分は波長よりテラヘルツ電磁波の波長より短く設定することにより、近接場光１２ａがスリット状パターン８０ａを通過して出力される。近接場光は自由空間に放出された際に急激に減衰するのでこれを防ぐために、スリット状パターン８０ａに接近させてホーンアンテナあるいはプリズム１１を設置してある。

同様に、スリット状パターン８０ｂは拡散あるいは合金層によるものであり、８０ｃはスリット状に形成した結晶欠陥によるテラヘルツ電磁波発振器構造を示している。

図８に示すのは、金属あるいは誘電体膜層、拡散あるいは合金層、および結晶欠陥層の導入により共振器端面を形成結晶内にフォノンあるいはフォノンポラリトンの定在波を誘発し、効率よくテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とするテラヘルツ電磁波発振器において、結晶内部に導波路を設けたことを特徴とする実施例である。

導波路１３およびテーパ型導波路１５はＧａＰで構成され、その周りのクラッド層１４はＡｌＧａＰで構成される。導波路によって形成される屈折率差によって、フォノンあるいはフォノンポラリトンを効率的に導波路内に閉じ込めることができるので、定在波の強度を高めることができ、高効率・高出力のテラヘルツ電磁波発振器を形成できる。

また、テーパ型導波路１５のような形状の導波路を導入することによって、導波路内のフォノンあるいはフォノンポラリトンの密度を制御できるので、ストレートタイプよりも効率的なフォノンあるいはフォノンポラリトンの閉じ込めが実現できる。図８では出力側が開いた構造になっているが、図８とは逆に出力側が閉じた構造も有効である。

図９は図８の構造の作製方法を示すプロセス説明図である。（Ａ）に示すようにＧａＰ基板結晶６０上にＡｌＧａＰ成長層６１、ＧａＰ成長層６２、およびＡｌＧａＰ成長層６３を順次結晶成長させる。結晶成長方法としては液相成長法や有機金属気相成長法などが用いられる。（Ｂ）に示したのはフォトレジストあるいはＳｉＮ膜などをマスク材６４として用い、塩素イオンなどによる反応性イオンエッチングによりエッチング溝６５を形成するプロセスを表している。（Ｃ）では（Ｂ）の基板上にＡｌＧａＰ成長層６５を再成長したあとの状態を表している。すなわち、（Ｂ）で形成されたエッチング溝６５は再成長層６６で埋め戻される。（Ｄ）は図８における結晶６を切り出すプロセスを表している。ダイシングやカッテイングにより台形上に切り出した後、必要に応じて研磨等で厚み方向を薄く加工し、切り出した各面を鏡面研磨することで図８における結晶６を形成する。

以上により、本発明によればテラヘルツ電磁波の差周波発生を行うため結晶構造の工夫により、テラヘルツ電磁波の出力方向に共振器構造を設け、結晶内部で共振条件を満たす波長成分の強度を強めることにより、自由空間に放出されるテラヘルツ電磁波の出力が強められることを特徴とするテラヘルツ電磁波発振器を構成できる。これによって、従来にない高効率・高出力のテラヘルツ波発生が可能になるので、テラヘルツ分光用光源としてだけでなく、食品、バクテリアやウィルス、あるいは生体組織、癌などの異常細胞を選択的に励起することが可能な高出力テラヘルツ光源を形成できるので、テラヘルツ電磁波発振器の新たな応用分野を構築できる。

テラヘルツ電磁波およびポンプ光の波数ベクトルを表し、差周波テヘルツ電磁波発生の原理を説明するための図である。従来法によるテラヘルツ波発生方法を示す図である。本発明によるテラヘルツ電磁波発振器の概略図である。本発明による波長可変共振器構造を持つテラヘルツ電磁波発振器の概略図である。実施例１における共振器構造となる端面に加工を施した場合のテラヘルツ電磁波発振器の概略図である。実施例２における共振器構造の一部に電極を形成し、電流注入を行うことを特徴とするテラヘルツ電磁波発振器の概略図である。実施例２における各端面の出力側構造にスリット状のパターンを施し、近接場光を利用したテラヘルツ電磁波発振器の概略図である。実施例２における共振器構造の結晶内部に導波路を設けたことを特徴とするテラヘルツ電磁波発振器の概略図である。図８の構造の作製方法を示すプロセス説明図である。

符号の説明

１…第１のポンプ光
２…第２のポンプ光
３…テラヘルツ電磁波
４…ポンプ光が結晶内でなす角度θ_ｉｎ
５…テラヘルツ電磁波の結晶内角度θ_ｏｕｔ
６…結晶
７…共振器構造反射面の共振器構造出力面からのずれ角θ
８ａ，８０ａ…金属あるいは誘電体膜層からなる共振器構造出力面
９ａ…金属あるいは誘電体膜層からなる共振器構造反射面
８ｂ，８０ｂ…拡散あるいは合金層からなる共振器構造出力面
９ｂ…拡散あるいは合金層からなる共振器構造反射面
８ｃ，８０ｃ…結晶欠陥層からなる共振器構造出力面
９ｃ…結晶欠陥層からなる共振器構造反射面
１０…電極
１１…ホーンアンテナあるいはプリズム
１２ａ，ｂ，ｃ…近接場光
１３…導波路
１４…クラッド層
１５…テーパ型導波路
６０…ＧａＰ基板結晶
６１、６３…ＡｌＧａＰ成長層
６２、６６…ＧａＰ成長層
６４…マスク材
６５…エッチング溝

Claims

第１のポンプ光および波長可変の第２のポンプ光を用い、前記ポンプ光の２つのビームが互いに微小な角度で入射しフォノンまたはフォノンポラリトンを周波数混合用結晶の中に励起する手段を有し、前記結晶の少なくとも結晶内部の一部、あるいは少なくとも結晶表面の一部を加工し、テラヘルツ電磁波のほぼ取り出し方向に共振器構造を設けたことを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
前記結晶の共振器構造を形成する結晶表面の一部が、少なくとも金属層、誘電体膜層、拡散層、合金層、あるいは結晶欠陥層で覆われていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
前記結晶の共振器構造を形成する結晶内部の一部がヘテロ接合によって形成される導波路構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
前記結晶の共振器構造を形成する結晶表面の少なくとも一部に電極を設け、電源を接続し、電流注入を行うことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
請求項２の記載において、共振器構造を形成する２平面のうちのテラヘルツ電磁波を出力する側の結晶表面の一部が、少なくともスリット状に加工された金属層、誘電体膜層、拡散層、合金層、あるいは結晶欠陥層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
前記共振器長が、ｎを周波数混合用の結晶中でのフォノンまたはフォノンポラリトンに対する屈折率、λを発生するテラヘルツ電磁波の波長とした場合に、λ／２ｎの整数倍になっていることを特徴とする請求項１から４に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
前記結晶が、ＧａＰ、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＧａＳｅおよびＤＡＳＴのいずれかであることを特徴とする請求項１から６に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
請求項３に記載のヘテロ接合がＧａＰおよびＡｌＧａＰによって形成され、ＧａＰ層を導波路として、ＡｌＧａＰをクラッド層として用いることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
前記第１のポンプ光として波長１．０μｍより長波長のレーザ光を用い、波長可変の第２のポンプ光の周波数の差周波数が０．１５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１から６に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。