JP2006235381A - Electromagnetic wave generator and method for manufacturing the same - Google Patents

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Hirokazu Takenouchi
弘和 竹ノ内
Takaaki Kakitsuka
孝明 硴塚
Shinji Matsuo
慎治 松尾
Isao Tomita
勲 富田
Toru Segawa
徹 瀬川
Jun Miyatsu
純 宮津
Katsuhiro Ajito
克裕 味戸
Hiroyuki Suzuki
博之 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic wave generator efficiently generating a high-output electromagnetic wave having a narrow line width in the range of 0.1 to 10 THz, and also to provide a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: A compound semiconductor pseudo phase matching element 100 includes compound semiconductors 101 and 102 having the same composition. The compound semiconductors 101 and 102 are joined together to form a junction body. The junction body, in which the surface perpendicular to the optical axis where spatial symmetry of the crystals of the compound semiconductors 101 and 102 is inversed is made as the junction surface formed by the joining, is an orientation inversion structure having orientation inversion periods antiparallel to each other with respect to the optical axis direction where the spatial symmetry is inversed. The orientation inversion periods are a natural number multiple of π/Δk (ν1 and ν2 are the frequencies of two wavelength incident light, ν3 is the frequency of a generated electromagnetic wave of 0.1-10 THz, n1, n2, and n3 are refractive indexes of a nonlinear material at the frequencies of ν1, ν2, and ν3, c is the light velocity, and Δk=2π/c×(n1×ν1-n2×ν2-n3×ν3)). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は0.1〜10THzの範囲の電磁波を発生させる装置に関するものである。   The present invention relates to an apparatus for generating an electromagnetic wave in the range of 0.1 to 10 THz.

光と電波の境界領域である0.1〜10THz帯の電磁波は、多くの物質を透過する性質があり、化学物質の特定、水分検出、生体への非侵襲イメージング等への応用が行われており、それらに関する開発が盛んに進められている。   The 0.1-10 THz band electromagnetic wave, which is the boundary region between light and radio waves, has the property of transmitting many substances, and has been applied to identification of chemical substances, moisture detection, non-invasive imaging of living bodies, etc. Development related to these is actively underway.

非特許文献1には、0.1THz〜10THzの範囲の電磁波を発生させる電磁波発生装置が開示されている。この装置では、高い二次非線形効果をもつ有機化合物や化合物半導体のバルク結晶を用い、この結晶にQスイッチパルスレーザから生成した異なる二波長のナノ秒パルスレーザを入射することで、位相整合条件の下、差周波発生効果によるパルスが発生する。   Non-Patent Document 1 discloses an electromagnetic wave generator that generates an electromagnetic wave in a range of 0.1 THz to 10 THz. This device uses a bulk crystal of organic compounds and compound semiconductors with high second-order nonlinear effects, and enters the two-wavelength nanosecond pulse lasers generated from the Q-switched pulse laser into the crystal, thereby satisfying the phase matching condition. Below, a pulse is generated by the difference frequency generation effect.

T. Tanabe, K. Suto, J. Nishizawa, T. Kimura, K. Saito “Frequency-tunable high-power terahertz wave generation from GaP” J. Appl. Phys.93, pp.4610-4615T. Tanabe, K. Suto, J. Nishizawa, T. Kimura, K. Saito “Frequency-tunable high-power terahertz wave generation from GaP” J. Appl. Phys. 93, pp. 4610-4615

しかしながら、非特許文献1記載の装置には以下に示す問題があった。
すなわち、バルク非線形結晶を用いた差周波発生においては、励起光源としてパラメトリック発振器等の線幅の太い光源を用いたときには、出力する電磁波の線幅も広がってしまう。実際に非特許文献1に記載の装置によれば、時間幅10nsの励起光で励起しているにもかかわらず、スペクトルの半値幅は400GHzであり、フーリエ変換限界のスペクトル幅(1GHz以下)に比べると2桁ほど広がってしまっていることが示されている。
However, the apparatus described in Non-Patent Document 1 has the following problems.
That is, in the difference frequency generation using the bulk nonlinear crystal, when a light source having a large line width such as a parametric oscillator is used as the excitation light source, the line width of the output electromagnetic wave is widened. Actually, according to the apparatus described in Non-Patent Document 1, the half width of the spectrum is 400 GHz even though excitation is performed with excitation light having a time width of 10 ns, and the spectrum width of the Fourier transform limit (1 GHz or less) is reached. It is shown that it has spread by about two digits.

また、位相整合長を大きく取ることには限界があり、そのため効率が悪く出力を大きくとれないという問題があった。非特許文献1によれば、その出力は4mJの励起光に対して出力電磁波のピークパワーは480mWであり、効率、パワーともに実用的な見地からは十分であるとは言い難い。   In addition, there is a limit to taking a large phase matching length, so that there is a problem that the efficiency is poor and the output cannot be increased. According to Non-Patent Document 1, the peak power of the output electromagnetic wave is 480 mW with respect to the excitation light of 4 mJ, and it is difficult to say that both efficiency and power are sufficient from a practical standpoint.

本発明は以上のような問題点を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、0.1THzから10THzの範囲の狭線幅の電磁波を高効率に高出力で発生させることを可能とする電磁波発生装置およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to generate an electromagnetic wave having a narrow line width in a range of 0.1 THz to 10 THz with high efficiency and high output. An object of the present invention is to provide an electromagnetic wave generating device and a manufacturing method thereof.

上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、周波数差が0.1〜10GHzに設定された2波長光が入射すると、該2波長光による差周波発生により0.1〜10THzの電磁波を発生させる擬似位相整合型の波長変換素子を有する電磁波発生装置において、前記波長変換素子は、同じ組成を有する、III-V 族またはII-VI 族化合物半導体である非線形材料からなる第1の化合物半導体および第2の化合物半導体を有し、該第1および第2の化合物半導体は互いに接合されて接合体を形成し、該接合体は、前記第1および第2の化合物半導体との積層面(接合面)を、前記第1および第2の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行な方位反転周期を有する方位反転構造であり、ν1、ν2を入射する前記2波長光の周波数とし、ν3を前記0.1〜10THzの発生電磁波の周波数とし、n1、n2、n3をそれぞれ周波数ν1、ν2、ν3における前記非線形材料の屈折率とし、cを光速とし、Δk=2π/c×(n1・ν1−n2・ν2−n3・ν3)とすると、前記方位反転周期はπ/Δkの自然数倍であることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is configured such that when two-wavelength light having a frequency difference set to 0.1 to 10 GHz is incident, 0.1 to 10 THz is generated by the difference frequency generation by the two-wavelength light. In the electromagnetic wave generation device having a quasi-phase matching type wavelength conversion element for generating an electromagnetic wave, the wavelength conversion element is a first material made of a nonlinear material which is the III-V group or II-VI group compound semiconductor having the same composition. A compound semiconductor and a second compound semiconductor are included, and the first and second compound semiconductors are joined to each other to form a joined body, and the joined body is a stacked surface of the first and second compound semiconductors. An optical axis whose spatial symmetry is reversed, where (bonding surface) is a plane perpendicular to the optical axis where the spatial symmetry of the crystals of the first and second compound semiconductors is reversed. In the direction Azimuth reversal structure having azimuth reversal periods antiparallel to each other, ν1 and ν2 are the frequencies of the incident two-wavelength light, ν3 is the frequency of the generated electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz, and n1, n2, When n3 is the refractive index of the nonlinear material at frequencies ν1, ν2, and ν3, c is the speed of light, and Δk = 2π / c × (n1, ν1-n2, ν2-n3, ν3), the azimuth inversion period is It is a natural number multiple of π / Δk.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記0.1〜10THzの電磁波に対する導波路をさらに備え、該導波路内に前記波長変換素子が配置されていることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, further comprising a waveguide for the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz, wherein the wavelength conversion element is arranged in the waveguide. .

請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、前記波長変換素子に入射される前記2波長光のそれぞれを励起する励起手段をさらに備え、該励起手段より前記2波長光を前記波長変換素子に入射して前記0.1〜10THzの電磁波を発生させ、該発生した0.1〜10THzの電磁波を出力することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the optical system further comprises excitation means for exciting each of the two-wavelength light incident on the wavelength conversion element, and the two-wavelength light is emitted from the excitation means. It is incident on the wavelength conversion element to generate the 0.1 to 10 THz electromagnetic wave, and the generated 0.1 to 10 THz electromagnetic wave is output.

請求項4記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記0.1〜10THzの電磁波に対する導波路はプラズマ閉じこめによるものであることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the waveguide for the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz is based on plasma confinement.

請求項5記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記0.1〜10THzの電磁波に対する導波路は屈折率閉じこめによるものであることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the waveguide for the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz is based on a refractive index confinement.

請求項6記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記非線形材料は閃亜鉛鉱構造であることを特徴とする。   A sixth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to fifth aspects, the nonlinear material has a zinc blende structure.

請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記接合面は、(110)面もしくは(110)面と結晶的に等価な面であり、前記対称性が反転する結晶軸方向は[111]軸または[100]軸、もしくはこれらに等価な結晶軸方向であることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein the joint surface is a (110) plane or a crystallographically equivalent plane to the (110) plane, and the crystal axis direction in which the symmetry is reversed is The [111] axis or the [100] axis or a crystal axis direction equivalent to these is characterized.

請求項8記載の発明は、請求項6または7記載の発明において、前記III-V 族化合物半導体は、GaAs、GaPまたはInPの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the invention according to claim 6 or 7, characterized in that the group III-V compound semiconductor contains at least one of GaAs, GaP or InP.

請求項9記載の発明は、請求項6または7記載の発明において、前記III-V 族化合物半導体は、少なくともInx1Alx2Ga(1-x1-x2)y1Asy2(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含んでいることを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the invention according to claim 6 or 7, wherein the group III-V compound semiconductor is at least In x1 Al x2 Ga (1-x1-x2) N y1 As y2 P (1-y1- y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1, y1 + y2 ≦ 1).

請求項10記載の発明は、請求項6または7記載の発明において、前記II-VI 族化合物半導体は、β−ZnS、ZnSeまたはZnTeの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする。   The invention according to claim 10 is the invention according to claim 6 or 7, wherein the II-VI group compound semiconductor contains at least one of β-ZnS, ZnSe, or ZnTe.

請求項11記載の発明は、請求項6または7記載の発明において、前記II-VI 族化合物半導体は、少なくともZnx1Cdx2Hg(1-x1-x2)y1Sey2Te(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含んでいることを特徴とする。 The invention according to claim 11 is the invention according to claim 6 or 7, wherein the II-VI group compound semiconductor is at least Zn x1 Cd x2 Hg (1-x1-x2) S y1 Se y2 Te (1-y1- y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1, y1 + y2 ≦ 1).

請求項12記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記非線形材料はウルツ鉱構造であることを特徴とする。   The invention according to claim 12 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the nonlinear material has a wurtzite structure.

請求項13記載の発明は、請求項12記載の発明において、前記接合面は、(1100)面または(1120)面、もしくはこれらと結晶的に等価な面であり、前記対称性が反転する結晶軸方向は、[0001]軸方向であることを特徴とする。   The invention according to claim 13 is the crystal according to claim 12, wherein the bonding surface is a (1100) plane, a (1120) plane, or a plane crystallographically equivalent to the plane, and the symmetry is reversed. The axial direction is the [0001] axial direction.

請求項14記載の発明は、請求項12または13記載の発明において、前記III-V 族化合物半導体は、少なくともGaNを含んでいることを特徴とする。   The invention according to claim 14 is the invention according to claim 12 or 13, characterized in that the group III-V compound semiconductor contains at least GaN.

請求項15記載の発明は、請求項12または13記載の発明において、前記III-V 族化合物半導体は、少なくともInx1Alx2Ga(1-x1-x2)y1Asy2(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含んでいることを特徴とする。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the invention of the twelfth or thirteenth aspect, the III-V group compound semiconductor is at least In x1 Al x2 Ga (1-x1-x2) N y1 As y2 P (1-y1- y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1, y1 + y2 ≦ 1).

請求項16記載の発明は、請求項12または13記載の発明において、前記II-VI 族化合物半導体は、α−ZnS、ZnO、CdS、CdSeまたはCdTeの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする。   The invention according to claim 16 is the invention according to claim 12 or 13, wherein the II-VI group compound semiconductor contains at least one of α-ZnS, ZnO, CdS, CdSe, or CdTe. To do.

請求項17記載の発明は、請求項12または13記載の発明において、前記II-VI 族化合物半導体は、少なくともZnx1Cdx2Hg(1-x1-x2)y1Sey2Te(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1)を含んでいることを特徴とする。 The invention according to claim 17 is the invention according to claim 12 or 13, wherein the II-VI group compound semiconductor is at least Zn x1 Cd x2 Hg (1-x1-x2) S y1 Se y2 Te (1-y1- y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1).

請求項18記載の発明は、請求項1乃至17のいずれかに記載の発明において、前記入射する2波長光の少なくとも一方の光源が半導体レーザであることを特徴とする。   The invention according to claim 18 is the invention according to any one of claims 1 to 17, characterized in that at least one light source of the incident two-wavelength light is a semiconductor laser.

請求項19記載の発明は、請求項1乃至17のいずれかに記載の発明において、前記入射する2波長光の少なくとも一方の光源がYAGレーザ励起の光パラメトリック発振器であることを特徴とする。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to seventeenth aspects, at least one light source of the incident two-wavelength light is a YAG laser-pumped optical parametric oscillator.

請求項20記載の発明は、請求項18または19記載の発明において、前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長が、1260nm≦λ≦1675nm(Oバンド、Eバンド、Sバンド、Cバンド、Lバンド、Uバンド)であることを特徴とする。   The invention according to claim 20 is the invention according to claim 18 or 19, wherein at least one wavelength of the incident two-wavelength light is 1260 nm ≦ λ ≦ 1675 nm (O band, E band, S band, C band, L Band, U band).

請求項21記載の発明は、請求項18または19記載の発明において、前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長λが、1460nm≦λ≦1625nm(Sバンド、Cバンド、Lバンド)であることを特徴とする。   The invention according to claim 21 is the invention according to claim 18 or 19, wherein at least one wavelength λ of the incident two-wavelength light is 1460 nm ≦ λ ≦ 1625 nm (S band, C band, L band). It is characterized by.

請求項22記載の発明は、請求項18または19記載の発明において、前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長λが、1530nm≦λ≦1565nm(Cバンド)であることを特徴とする。   A twenty-second aspect of the invention is characterized in that, in the invention of the eighteenth or nineteenth aspect, a wavelength λ of at least one of the incident two-wavelength light is 1530 nm ≦ λ ≦ 1565 nm (C band).

請求項23記載の発明は、請求項18記載の発明において、前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長λが、900nm≦λ≦1100nmであることを特徴とする。   The invention according to claim 23 is the invention according to claim 18, wherein the wavelength λ of at least one of the incident two-wavelength light is 900 nm ≦ λ ≦ 1100 nm.

請求項24記載の発明は、請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、前記第1および第2の化合物半導体の厚さを、研磨によって前記方位反転周期と等しくなるように調整する調整工程と、該調整された第1および第2の化合物半導体を接合して接合体を形成する接合体形成工程とを有し、前記接合体は、前記第1および第2の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行な方位反転周期を有する方位反転構造であることを特徴とする。   According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electromagnetic wave generating device according to the first to twenty-third aspects, the thicknesses of the first and second compound semiconductors are made equal to the orientation inversion period by polishing. An adjusting step of adjusting the first and second compound semiconductors to form a joined body, and the joined body includes the first and second compounds. A plane perpendicular to the optical axis at which the spatial symmetry of the semiconductor crystal is inverted is a bonding surface formed by the bonding, and the orientations having azimuth reversal periods that are antiparallel to the optical axis direction at which the spatial symmetry is inverted. It is an inversion structure.

請求項25記載の発明は、請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、前記第1および第2の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなる第3の化合物半導体であって、前記方位反転周期よりも厚い厚さを有する第3の化合物半導体を用意する用意工程と、該用意された第3の化合物半導体を、該第3の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなり、前記方位反転周期に相当する厚さを有する第4の化合物半導体に接合して、前記第3および第4の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な第1の面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行である接合体を形成する接合体形成工程と、該接合体を形成する前記第3の化合物半導体の、前記接合面と対向する第2の面から、エネルギー一定のイオンを高電界によって加速して前記第3の化合物半導体に打ち込み、前記接合面から前記方位反転周期に相当する距離に人工的劈開面を形成する劈開面形成工程と、前記劈開面に沿って、前記接合体を形成する第4の化合物半導体を、前記方位反転距離に相当する厚さを有し、前記接合面を有する化合物半導体と、残りの化合物半導体とに劈開して、前記積層体を、前記方位反転周期を有する方位反転構造とする方位反転構造形成工程とを有することを特徴とする。   The invention according to claim 25 is the method of manufacturing an electromagnetic wave generator according to any one of claims 1 to 23, wherein the third compound semiconductor is made of a nonlinear material having the same composition as the first and second compound semiconductors. A preparation step of preparing a third compound semiconductor having a thickness greater than the direction inversion period, and a nonlinear material having the same composition as that of the third compound semiconductor. A first compound perpendicular to an optical axis that is joined to a fourth compound semiconductor having a thickness corresponding to the orientation reversal period and in which the spatial symmetry of the crystals of the third and fourth compound semiconductors is reversed. A joined body forming step of forming joined bodies that are anti-parallel to the optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed, and a third surface that forms the joined body. Compound An ion having a constant energy is accelerated by a high electric field from the second surface facing the bonding surface of the semiconductor and is implanted into the third compound semiconductor, and is artificially moved from the bonding surface to a distance corresponding to the orientation inversion period. A cleavage plane forming step for forming a cleavage plane, and a fourth compound semiconductor forming the joined body along the cleavage plane, having a thickness corresponding to the azimuth inversion distance and having the junction plane The method further comprises an orientation reversal structure forming step of cleaving into a semiconductor and the remaining compound semiconductor to make the stacked body an orientation reversal structure having the orientation reversal period.

請求項26記載の発明は、請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、前記第1および第2の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなる第3の化合物半導体であって、前記方位反転周期よりも厚い厚さを有する第3の化合物半導体を用意する用意工程と、前記第3の化合物半導体の1つの面から、エネルギー一定のイオンを高電界によって加速して前記第3の化合物半導体に打ち込み、前記面または該面に対向する面から前記方位反転周期に相当する距離に人工的劈開面を形成する劈開面形成工程と、前記人工的劈開面から前記方位反転周期に相当する距離にある面で接合するように、前記第3の化合物半導体を、該第3の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなり、前記方位反転周期に相当する厚さを有する第4の化合物半導体に接合して、前記第3および第4の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行である接合体を形成する接合体形成工程と、前記劈開面に沿って、前記接合体を形成する第4の化合物半導体を、前記方位反転距離に相当する厚さを有し、前記接合面を有する化合物半導体と、残りの化合物半導体とに劈開して、前記積層体を、前記方位反転周期を有する方位反転構造とする方位反転構造形成工程とを有することを特徴とする。   The invention described in claim 26 is the method of manufacturing the electromagnetic wave generator according to any one of claims 1 to 23, wherein the third compound semiconductor is made of a nonlinear material having the same composition as the first and second compound semiconductors. A preparation step of preparing a third compound semiconductor having a thickness greater than the orientation inversion period; and from one surface of the third compound semiconductor, ions having constant energy are accelerated by a high electric field, and Cleaving into the third compound semiconductor and forming an artificial cleavage plane at a distance corresponding to the orientation inversion period from the surface or a surface facing the surface; and the orientation inversion period from the artificial cleavage surface The third compound semiconductor is made of a non-linear material having the same composition as the third compound semiconductor so as to be bonded at a surface at a distance corresponding to the distance corresponding to the orientation inversion period. A plane perpendicular to the optical axis at which the spatial symmetry of the crystals of the third and fourth compound semiconductors is reversed is bonded to the fourth compound semiconductor having the thickness, and the space A bonded body forming step of forming a bonded body that is antiparallel to the optical axis direction in which the symmetry is reversed, and a fourth compound semiconductor that forms the bonded body along the cleavage plane, A direction inversion structure forming step of cleaving into a compound semiconductor having a thickness corresponding to a distance and having the bonding surface, and the remaining compound semiconductor to form the stacked body in an direction inversion structure having the direction inversion period It is characterized by having.

請求項27記載の発明は、請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、前記第1および第2の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなる第3の化合物半導体であって、前記方位反転周期よりも厚い厚さを有する第3の化合物半導体を用意する用意工程と、該用意された第3の化合物半導体を、該第3の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなり、前記方位反転周期に相当する厚さを有する第4の化合物半導体に接合して、前記第3および第4の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な第1の面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行である接合体を形成する接合体形成工程と、該接合体を形成する前記第3の化合物半導体の、前記接合面と対向する第2の面に対して研磨して、前記接合体を形成する前記第3の化合物半導体の厚さを、前記方位反転周期に相当する厚さに調節する研磨工程とを有することを特徴とする。   A twenty-seventh aspect of the invention is a method of manufacturing an electromagnetic wave generating device according to the first to twenty-third aspects, wherein the third compound semiconductor is made of a nonlinear material having the same composition as the first and second compound semiconductors. A preparation step of preparing a third compound semiconductor having a thickness greater than the direction inversion period, and a nonlinear material having the same composition as that of the third compound semiconductor. A first compound perpendicular to an optical axis that is joined to a fourth compound semiconductor having a thickness corresponding to the orientation reversal period and in which the spatial symmetry of the crystals of the third and fourth compound semiconductors is reversed. A joined body forming step of forming joined bodies that are anti-parallel to the optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed, and a third surface that forms the joined body. Compound Polishing the second surface of the semiconductor facing the bonding surface to adjust the thickness of the third compound semiconductor forming the bonded body to a thickness corresponding to the orientation inversion period. And a process.

請求項28記載の発明は、請求項24乃至27のいずれかに記載の発明において、前記周期反転構造を有する波長変換素子を支持基板に接合させる工程をさらに含むことを特徴とする。   The invention according to claim 28 is the invention according to any one of claims 24 to 27, further comprising a step of bonding the wavelength conversion element having the periodic inversion structure to a support substrate.

本発明の一実施形態では、上記の構成を取ることによって、擬似位相整合構造のもつ急峻な波長選択性により、出力電磁波の狭線幅が実現される。また、擬似位相整合構造を取ることでバルク非線形結晶を用いた差周波発生に比べて素子長を極めて長く取ることが可能であるため、高効率、高出力化が実現できる。さらに導波路による閉じこめ構造を導入し、電磁波間の相互作用を大きくすることで、さらなる高効率化を実現することができ、安価・高効率で信頼性の高い、光通信用半導体レーザや希土類添加光ファイバアンプ励起用の半導体レーザダイオードを励起光源として用いることも可能となる。   In one embodiment of the present invention, by adopting the above configuration, the narrow line width of the output electromagnetic wave is realized by the steep wavelength selectivity of the quasi phase matching structure. Moreover, since the element length can be made extremely long by adopting the quasi phase matching structure as compared with the difference frequency generation using the bulk nonlinear crystal, high efficiency and high output can be realized. Furthermore, by introducing a confinement structure using a waveguide and increasing the interaction between electromagnetic waves, it is possible to achieve even higher efficiency, and it is cheap, highly efficient, and highly reliable. It is also possible to use a semiconductor laser diode for exciting an optical fiber amplifier as a pumping light source.

以上説明したように、本発明によれば、0.1THzから10THzの範囲の狭線幅の電磁波を高効率・高出力で発生させることが出来る。また導波路構造を具備した素子においては、バルク型に比べて電磁波間の相互作用を大きくすることができるため、さらに変調効率を高めることができる。これによって、安価・高効率で信頼性の高い、光通信用半導体レーザや希土類添加光ファイバアンプ励起用の半導体レーザダイオードを励起光源として用いて電磁波発生器を構成することが可能となる。   As described above, according to the present invention, an electromagnetic wave having a narrow line width in a range of 0.1 THz to 10 THz can be generated with high efficiency and high output. In addition, in an element having a waveguide structure, since the interaction between electromagnetic waves can be increased as compared with the bulk type, the modulation efficiency can be further increased. As a result, an electromagnetic wave generator can be configured using an inexpensive and highly efficient and reliable semiconductor laser for optical communication or a semiconductor laser diode for exciting a rare earth-doped optical fiber amplifier as an excitation light source.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態に係る電磁波発生装置を示す図である。本実施形態に係る電磁波発生装置は、波長変換素子としての化合物半導体擬似位相整合素子100、化合物半導体擬似位相整合素子100を励起する手段としての、2つの励起光源(不図示)を備えている。この励起光源から発振された励起レーザ103、104は、化合物半導体擬似位相整合素子100の一方の面から入射される。本実施形態では、この励起レーザ103と104との周波数差を0.1〜10THzに設定する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an electromagnetic wave generator according to this embodiment. The electromagnetic wave generator according to this embodiment includes a compound semiconductor quasi-phase matching element 100 as a wavelength conversion element and two excitation light sources (not shown) as means for exciting the compound semiconductor quasi-phase matching element 100. Excitation lasers 103 and 104 oscillated from the excitation light source are incident from one surface of the compound semiconductor pseudo phase matching element 100. In this embodiment, the frequency difference between the excitation lasers 103 and 104 is set to 0.1 to 10 THz.

なお、本実施形態において、励起レーザ103、104の少なくとも一方の励起光源としては、半導体レーザやYAGレーザ励起の光パラメトリック発振器とすることができる。また、それらに限らず、産業応用上極めて重要性の高い、安価でハイパワーかつ信頼性の高い光源として、光ファイバアンプによる増幅が可能である光通信波長帯(例えば、Oバンド(1260〜1360nm)、Eバンド(1360〜1460nm)、Sバンド(1460〜1530nm)、Cバンド(1530〜1565nm)、Lバンド(1565〜1625nm)Uバンド(1625〜1675nm))に属する半導体レーザダイオード、もしくは希土類ドープ光ファイバアンプの励起光源として実用化されている900〜1100nm帯の半導体レーザダイオード等も励起レーザ102,103の励起光源として用いることができる。   In this embodiment, the pumping light source of at least one of the pumping lasers 103 and 104 can be a semiconductor laser or a YAG laser pumped optical parametric oscillator. In addition, the optical communication wavelength band (for example, O band (1260 to 1360 nm) that can be amplified by an optical fiber amplifier is used as an inexpensive, high power, and highly reliable light source that is extremely important for industrial applications. ), E band (1360 to 1460 nm), S band (1460 to 1530 nm), C band (1530 to 1565 nm), L band (1565 to 1625 nm) U band (1625 to 1675 nm)), or rare earth doped A 900 to 1100 nm band semiconductor laser diode that has been put to practical use as an excitation light source for an optical fiber amplifier can also be used as an excitation light source for the excitation lasers 102 and 103.

図1において、化合物半導体擬似位相整合素子100は、非線形材料である化合物半導体101、および101と同じ化学組成の非線形材料である化合物半導体102とで構成される。本実施形態では、各化合物半導体101および102との積層面(接合面)を、化合物半導体101および102の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面とし、化合物半導体101および102の結晶の空間対称性が反転する光学軸を反転軸として所定の周期で方位反転を行い、擬似位相整合素子としている。   In FIG. 1, a compound semiconductor quasi-phase matching element 100 includes a compound semiconductor 101 that is a nonlinear material and a compound semiconductor 102 that is a nonlinear material having the same chemical composition as the 101. In the present embodiment, the stacked surface (bonding surface) with each of the compound semiconductors 101 and 102 is a surface perpendicular to the optical axis at which the spatial symmetry of the crystals of the compound semiconductors 101 and 102 is reversed, and the crystals of the compound semiconductors 101 and 102 are The quasi-phase matching element is obtained by performing azimuth reversal at a predetermined period with the optical axis whose spatial symmetry is reversed as the reversal axis.

化合物半導体101と102とが閃亜鉛鉱構造の場合、化合物半導体101と102とにおける、(110)面もしくは(110)面と結晶的に等価な面(具体的には(110)、(110)、(10)、(10)、(101)、()、(10)、(01)、(011)、(011)、(01)、(01)(下線は上線の代用であり、以下同じとする)の12面のいずれか)を互いに平行にし、(111)面もしくは(111)面と結晶的に等価な面(具体的には(111)、(11)、(11)、(11)、(111)、()、(111)、(111)の8面のいずれか)の法線方向に対し、結晶方位が互いに反転するように化合物半導体101と102とを配置させている。(110)面もしくは(110)の面と結晶的に等価な面を積層面とすることで、2次非線形光学定数を有効に利用することが可能となる。 For the compound semiconductor 101 and 102 Toga閃zinc blende structure, in the compound semiconductor 101 and 102. (110) plane or (110) plane and the crystal equivalent planes (specifically (110), (11 0 ), (1 1 0), ( 1 10), (101), ( 1 0 1 ), (10 1 ), ( 1 01), (011), (0 11 ), (01 1 ), (0 1 1) (Any of the twelve faces of the underline is a substitute for the overline, and the same shall apply hereinafter) are parallel to each other, and a plane that is crystallographically equivalent to the (111) plane or the (111) plane (specifically ( 111), (11 1 ), (1 1 1), ( 1 11), (1 11 ), ( 1 1 1 ), ( 1 1 1 ), ( 11 1) (any one of 8 faces of ( 111 )) in the normal direction On the other hand, the compound semiconductors 101 and 102 are arranged so that the crystal orientations are reversed. By using the (110) plane or a plane that is crystallographically equivalent to the (110) plane as a laminated plane, the second-order nonlinear optical constant can be used effectively.

また、(111)面もしくは(111)面と結晶的に等価な面の代わりに、化合物半導体101と102とにおける、(100)面もしくは(100)面と結晶的な等価な面(具体的には(100)、(00)、(010)、(00)、(001)、(00)の6面)の法線方向に対し、結晶方位が互いに反転するように化合物半導体101と102とを配置させても同様の効果が得られる。 Further, instead of the (111) plane or the plane that is crystallographically equivalent to the (111) plane, the (100) plane or the plane equivalent to the (100) plane in the compound semiconductors 101 and 102 (specifically, the (100), (1 00), (010), (0 1 0), (001), compound semiconductor 101 as with respect to the normal direction, the crystal orientation is reversed each other six sides of (00 1)) The same effect can be obtained even if the two and 102 are arranged.

化合物半導体101と102とがウルツ鉱構造の場合は、化合物半導体101と102とにおける、(100)面もしくは(100)面と結晶的に等価な面(具体的には((100)、(100)、(010)、(010)、(100)、(010)の6面)、または(110)面もしくは(110)面と結晶的に等価な面(具体的には((110)、(1120)、(110)、(0)、(110)、(2110)の6面)のいずれかを互いに平行にし、(0001)面もしくは(0001)面と結晶的に等価な(000)面の法線方向に対し、結晶方位が互いに反転するように化合物半導体101と102とを配置させればよい。 When the compound semiconductors 101 and 102 have a wurtzite structure, the (1 1 00) plane or the (1 1 100 ) plane crystallographically equivalent plane (specifically ((1 1 00), (1 100), (01 1 0), (0 1 10), (10 1 0), 6 faces), or (11 2 0) plane or (11 2 0) plane of the (1 010) (Specifically, six surfaces ((11 2 0), ( 11 20), (1 2 10), ( 1 2 1 0), ( 2 110), (2 11 0)) ) Are parallel to each other, and the compound semiconductors 101 and 102 are so arranged that their crystal orientations are reversed with respect to the normal direction of the (0001) plane or the (000 1 ) plane that is crystallographically equivalent to the (0001) plane. May be arranged.

また、化合物半導体101,102の材料は、GaAs、GaP、AlAs、AlP、InAs、InP、GaN、InNなどのIII-V 族の2元化合物半導体の少なくとも1つおよびこれらの混晶であるInx1Alx2Ga(1-x1-x2)y1Asy2(1-y1-y2)(ただし0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含むことができる。もしくは、化合物半導体101,102の材料は、α−ZnS、β−ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、CdS、CdSe、CdTe、HgTe、ZnSなどのII-VI 族の2元化合物半導体の少なくとも1つおよびこれらの混晶であるZnx1Cdx2Hg(1-x1-x2)y1Sey2Te(1-y1-y2)(ただし0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を使用しても良い。 The material of the compound semiconductors 101 and 102 is at least one of III-V group binary compound semiconductors such as GaAs, GaP, AlAs, AlP, InAs, InP, GaN, and InN, and In x1 that is a mixed crystal thereof. Al x2 Ga (1-x1-x2) N y1 As y2 P (1-y1-y2) (where 0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1, y1 + y2 ≦ 1). Alternatively, the material of the compound semiconductors 101 and 102 is at least one of II-VI group binary compound semiconductors such as α-ZnS, β-ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, HgTe, ZnS, and the like. Zn x1 Cd x2 Hg (1-x1-x2) Sy1 Se y2 Te (1-y1-y2) (where 0≤x1, x2, y1, y2≤1, x1 + x2≤1, y1 + y2≤) 1) may be used.

本実施形態においては、III-V 族、II-VI 族化合物半導体について積層面、方位反転面について詳細に記述したが、III-V 族、II-VI 族に限らず、アダマンティン系列に属するI-III-VI族と II-IV-V族(ともにカルコパイライト構造をもつ)、 II-III-VI族(デイフェクトカルコパイライト構造をもつ)などの多元化化合物半導体についても、該構造を構成する化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を積層面とし、上記結晶の空間対称性が反転する光学軸を反転軸として所定の周期で方位反転を行っても、同様の効果が得られる。 In this embodiment, III-V and II-VI compound semiconductors have been described in detail with respect to the laminated surface and orientation inversion surface. However, the present invention is not limited to III-V and II-VI groups, and I belongs to the adamantine series. -III-VI 2 group and II-IV-V 2 group (both having chalcopyrite structure), II-III 2 -VI 4 group (with de EFFECT chalcopyrite structure) for a multi-source of a compound semiconductor such as the The direction perpendicular to the optical axis where the spatial symmetry of the crystal of the compound semiconductor constituting the structure is inverted is the laminated surface, and the direction is inverted at a predetermined cycle with the optical axis where the spatial symmetry of the crystal is inverted as the inversion axis. The same effect can be obtained.

また、化合物半導体101,102の厚みLc(分極の反転周期)は、式(1)で求められるコヒーレンス長に設定することで擬似位相整合条件が達成され、高効率な差周波光を発生させることが可能となる。
Lc=n×π/Δk …… (1) (n;自然数)
ただし、Δk=2π/c×(n1・ν1−n2・ν2−n3・ν3)
ここでν1,ν2,ν3は、それぞれ励起レーザ光103の周波数、励起レーザ光104の周波数、発生電磁波の周波数であり、ν1とν2との差がν3となる関係が成立する。またcは光速である。
Further, the thickness Lc (polarization inversion period) of the compound semiconductors 101 and 102 is set to the coherence length obtained by the equation (1), whereby the quasi phase matching condition is achieved, and highly efficient difference frequency light is generated. Is possible.
Lc = n × π / Δk (1) (n: natural number)
However, Δk = 2π / c × (n1, ν1-n2, ν2-n3, ν3)
Here, ν1, ν2, and ν3 are the frequency of the excitation laser beam 103, the frequency of the excitation laser beam 104, and the frequency of the generated electromagnetic wave, respectively, and the relationship in which the difference between ν1 and ν2 is ν3 is established. C is the speed of light.

図1では、化合物半導体101,102はそれぞれ10個を互いに半導体直接接合技術を用いて接着した20層の積層半導体としているが、この層数は2層以上であれば良い。   In FIG. 1, each of the compound semiconductors 101 and 102 is a 20-layer laminated semiconductor in which 10 semiconductors are bonded to each other using a semiconductor direct bonding technique, but the number of layers may be two or more.

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited to the following Example, It cannot be overemphasized that it can change variously in the range which does not deviate from the summary.

(第1の実施例)
本実施例では、図1に示した電磁波発生装置において、化合物半導体101,102はGaPとした。また、発生電磁波の周波数ν3が1THzとなるようにLc,ν1,ν2を設定した。本実施例では、化合物半導体101,102がGaPであるので、具体的なLcの値は約0.75mmである。
(First embodiment)
In this embodiment, the compound semiconductors 101 and 102 are GaP in the electromagnetic wave generator shown in FIG. Further, Lc, ν1, and ν2 were set so that the frequency ν3 of the generated electromagnetic wave was 1 THz. In this embodiment, since the compound semiconductors 101 and 102 are GaP, a specific value of Lc is about 0.75 mm.

励起レーザ102,103に関しては、本実施例では、繰り返し10Hz、パルス幅10nsのNd:YAGレーザからのパルスからパラメトリック発振器(OPO)2台を用いて生成した1550nm帯(Cバンド:1530〜1565nm)のパルス光をそれぞれ用いた。   Regarding the pump lasers 102 and 103, in this embodiment, a 1550 nm band (C band: 1530 to 1565 nm) generated by using two parametric oscillators (OPO) from pulses from an Nd: YAG laser having a repetition rate of 10 Hz and a pulse width of 10 ns. Each pulsed light was used.

励起レーザ102、103について、それぞれの光軸を互いに一致させ、偏波コントローラを用いて方位反転軸に平行な直線偏波になるようにして化合物半導体擬似位相整合素子100に入射したところ、従来技術(400GHz)よりも狭線幅(50GHz程度)で高強度のパルス状の電磁波を発生させられることが確認できた。   When the pump lasers 102 and 103 are incident on the compound semiconductor quasi-phase matching element 100 so that their optical axes coincide with each other and are linearly polarized parallel to the azimuth inversion axis using a polarization controller, It was confirmed that high-intensity pulsed electromagnetic waves can be generated with a narrower line width (about 50 GHz) than (400 GHz).

光軸を一致させない場合でも、効率は若干落ちるものの効果そのものは本質的に失われない。   Even if the optical axes are not matched, the effect itself is essentially not lost, although the efficiency is slightly reduced.

(第2の実施例)
本実施例では、図1に示す化合物半導体擬似位相整合素子100の積層構造の作製方法について述べる。
両面鏡面研磨することで厚みをLcに調整したGaP基板(化合物半導体)101および102それぞれ10組を有機溶媒(アセトン、エタノール)、硫酸、ふっ酸を用いて表面を洗浄後、十分に水洗を行う。
(Second embodiment)
In this example, a method for manufacturing a stacked structure of the compound semiconductor quasi phase matching element 100 shown in FIG. 1 will be described.
10 pairs of GaP substrates (compound semiconductors) 101 and 102 each having a thickness adjusted to Lc by double-sided mirror polishing are cleaned with an organic solvent (acetone, ethanol), sulfuric acid, and hydrofluoric acid, and then sufficiently washed with water. .

本実施例では上記の薬液を表面洗浄に用いたが、その目的は有機物質の除去、無機物質の除去、表面の自然酸化膜の除去にあるので、これらの目的が達せられる薬液の組み合わせであれば、他の種類の薬液を用いることもできる。例えば、GaAsの場合は、硫酸系の薬液によってGaAs基板自体が反応してしまうために表面洗浄液として使うことができない。このため無機物質の除去の目的には塩酸系の薬液を代わりに用いる。   In this example, the above chemical solution was used for surface cleaning, but its purpose is to remove organic substances, inorganic substances, and natural oxide film on the surface. Therefore, any combination of chemical solutions that can achieve these purposes can be used. For example, other types of chemicals can be used. For example, GaAs cannot be used as a surface cleaning solution because the GaAs substrate itself reacts with a sulfuric acid chemical solution. For this reason, hydrochloric acid chemicals are used instead for the purpose of removing inorganic substances.

その後スピナー等の乾燥装置によって乾燥させたGaP基板101と102を、GaP101と102とを上述の面方位のとおり交互に重ね合わせる。すなわち、GaP基板101と102とにおける、(110)面もしくは(110)面と結晶的に等価な面を互いに平行にし、(111)面もしくは(111)面と結晶的に等価な面の法線方向に対し、結晶方位が互いに反転するようにGaP基板101と102とを接合する。この時点で既に水素結合による弱い力で接着されているが、素子の接合面に100g/cm程度の荷重を加えながら水素雰囲気中で400℃以上に保ち、一定時間加熱することで脱水縮合がおこり、より強固に接合された積層構造をもった化合物半導体擬似位相整合素子100を作製することができる。 Thereafter, the GaP substrates 101 and 102 dried by a drying device such as a spinner are alternately superposed on the GaPs 101 and 102 according to the above-described plane orientation. That is, in the GaP substrates 101 and 102, planes that are crystallographically equivalent to the (110) plane or the (110) plane are parallel to each other, and the normal line of the plane that is crystal equivalent to the (111) plane or the (111) plane. The GaP substrates 101 and 102 are bonded so that the crystal orientations are reversed with respect to the direction. At this time, it is already bonded with a weak force due to hydrogen bonding, but dehydration condensation can be achieved by heating at a temperature of 400 ° C. or higher in a hydrogen atmosphere while applying a load of about 100 g / cm 2 to the bonding surface of the element and heating for a certain time. As a result, the compound semiconductor quasi-phase matching element 100 having a laminated structure bonded more firmly can be manufactured.

本実施例で用いた接合方法は通常、直接接合技術と呼ばれている。これは金属同士を接合する際によく利用される拡散接合とは本質的に異なる方法で、直接接合技術によって作製した接合界面は、拡散接合とは異なり、界面における相互拡散が極めて少ない。したがって極めて急峻に2次非線形分極率の反転した方位反転構造を作製可能でき、これによって界面の「ダレ」による効率の低下を最小限に抑えることが可能となる。   The joining method used in this example is usually called a direct joining technique. This is an essentially different method from diffusion bonding that is often used to join metals together. Unlike diffusion bonding, a bonding interface produced by direct bonding technology has very little interdiffusion at the interface. Therefore, it is possible to produce an azimuth inversion structure in which the second-order nonlinear polarizability is inverted very steeply, and this makes it possible to minimize a decrease in efficiency due to “sagging” of the interface.

(第3の実施例)
第2の実施例の方法によらずとも、化合物半導体擬似位相整合素子100は、本実施例で説明する方法でも作製することができる。
図2(a)〜(h)は、本実施例に係る電磁波発生装置の作製方法を示す図である。
まず、支持基板105と、厚みLcよりも厚く、上面が(110)面(もしくは(110)面結晶的に等価な面でもよい)である化合物半導体基板106を用意し(図2(a))、支持基板105に化合物半導体基板106を、第2の実施例にて説明した直接接合技術により直接接合させる(単に、直接接続させるとも呼ぶ)(図2(b))。ここで、化合物半導体基板106はGaAsとした。また、支持基板105は石英やInP基板などGaAsに対して選択的にエッチング等で除去可能な材料を用いるか、(110)面(もしくは(110)面結晶的に等価な面)と結晶方位が直交する(100)面(もしくは(100)面結晶的に等価な面でもよい)のGaAs基板を用いてもよい。
(Third embodiment)
Regardless of the method of the second embodiment, the compound semiconductor quasi-phase matching element 100 can also be manufactured by the method described in this embodiment.
2A to 2H are views showing a method for manufacturing the electromagnetic wave generator according to the present embodiment.
First, a support substrate 105 and a compound semiconductor substrate 106 which is thicker than the thickness Lc and whose upper surface is a (110) plane (or a (110) plane crystal equivalent surface) are prepared (FIG. 2A). Then, the compound semiconductor substrate 106 is directly bonded to the support substrate 105 by the direct bonding technique described in the second embodiment (also simply referred to as direct connection) (FIG. 2B). Here, the compound semiconductor substrate 106 is made of GaAs. The support substrate 105 is made of a material that can be selectively removed by etching or the like such as quartz or InP substrate, or has a crystal orientation of (110) plane (or (110) plane crystal equivalent). A GaAs substrate having an orthogonal (100) plane (or a (100) plane crystal equivalent surface) may be used.

直接接合後、化合物半導体基板106の上面から、エネルギー一定の水素イオンを高電界によって加速することによって化合物半導体基板106に打ち込み(単に、水素イオンを打ち込むとも呼ぶ)、次いでアニールすることで劈開面107を人工的に形成させる(図2(c))。なお、このときの水素イオンの打ち込みエネルギーは、化合物半導体基板106の下面(水素イオンが打ち込まれた面に対向する面)から劈開面107までの距離が、反転周期Lcになるように設定する。   After direct bonding, hydrogen ions having constant energy are accelerated from a top surface of the compound semiconductor substrate 106 by a high electric field by accelerating the compound semiconductor substrate 106 (also simply referred to as hydrogen ion implantation), and then annealed to cleave the surface 107. Is artificially formed (FIG. 2C). Note that the hydrogen ion implantation energy at this time is set so that the distance from the lower surface of the compound semiconductor substrate 106 (the surface facing the surface into which the hydrogen ions are implanted) to the cleavage surface 107 is the inversion period Lc.

ここでイオン打ち込み法の特徴として、打ち込まれた水素イオンは、その運動エネルギーに応じた深さにとどまり、とどまったイオン近傍の原子間の結合を破壊することができる。水素イオンが通過した軌跡も併せて結晶的なダメージを受けるが、水素イオン通過によるダメージはアニールによって回復させることが可能である。打ち込まれた水素イオンの運動エネルギーと打ち込み深さとの関係は極めて高い再現性を持つので、打ち込む水素イオンのエネルギーを一定に揃えて打ち込みを行い、アニールを行うことで、表面から一定の深さの原子間結合のみ選択的に破壊することが可能となる。すなわち、その深さに形成された面を境に、容易に劈開することができる。よって、このようにして形成された、水素イオンが打ち込まれた基板の上面から一定の距離(打ち込まれた水素イオンのエネルギーに応じた距離)の面が劈開面となるのである。   Here, as a feature of the ion implantation method, the implanted hydrogen ions remain at a depth corresponding to the kinetic energy, and the bonds between the atoms in the vicinity of the remaining ions can be broken. The trajectory through which the hydrogen ions have passed is also subjected to crystal damage, but damage caused by the passage of hydrogen ions can be recovered by annealing. The relationship between the kinetic energy of the implanted hydrogen ions and the implantation depth has extremely high reproducibility, so by implanting and implanting the energy of the implanted hydrogen ions to a certain depth, Only interatomic bonds can be selectively broken. That is, it can be easily cleaved with the surface formed at the depth as a boundary. Therefore, the surface formed in this way and having a certain distance from the upper surface of the substrate into which hydrogen ions are implanted (a distance corresponding to the energy of the implanted hydrogen ions) is a cleavage plane.

化合物半導体基板106を、厚みLcの基板108と、残りの基板109とに劈開した後(図2(d))、厚みLcより厚い厚さを有する化合物半導体基板110を基板108と(111)面(もしくは(111)面結晶的に等価な面)の法線方向に対し、結晶方位が反転するように配置して直接接合させる(図2(e))。次いで、上述のように、化合物半導体基板110の上面から、化合物半導体基板110の下面から劈開面111までの距離が、反転周期Lcになるようにして水素イオンを打ち込み、次いでアニールすることで劈開面111を人工的に形成させる(図2(f))。次いで、化合物半導体基板110を、厚みLcの基板112と、残りの基板113とに劈開する(図2(g))。   After the compound semiconductor substrate 106 is cleaved into the substrate 108 having the thickness Lc and the remaining substrate 109 (FIG. 2D), the compound semiconductor substrate 110 having a thickness larger than the thickness Lc is changed to the substrate 108 and the (111) plane. With respect to the normal direction of (or (111) plane crystal equivalent surface), the crystal orientation is reversed and the layers are directly joined (FIG. 2 (e)). Next, as described above, hydrogen ions are implanted so that the distance from the upper surface of the compound semiconductor substrate 110 to the cleavage surface 111 from the lower surface of the compound semiconductor substrate 110 is the inversion period Lc, and then annealed to thereby cleave the cleavage surface. 111 is artificially formed (FIG. 2F). Next, the compound semiconductor substrate 110 is cleaved into the substrate 112 having a thickness Lc and the remaining substrate 113 (FIG. 2G).

このような、直接接合、イオン打ち込み、アニール、劈開の過程を基板106と基板110とで交互に繰り返すことでも、第1の実施例と同様の特性を有する化合物半導体擬似位相整合素子100を作製することが可能である(図2(g))。   The compound semiconductor quasi-phase matching element 100 having the same characteristics as those of the first embodiment can also be manufactured by alternately repeating such direct bonding, ion implantation, annealing, and cleavage processes on the substrate 106 and the substrate 110. Is possible (FIG. 2 (g)).

本実施例に係る作製方法は、Lcが薄く、第2の実施例のように研磨による厚み調整が困難である場合でも適用可能であり、劈開後の基板109、基板113は再利用することが可能であることが特徴である。   The manufacturing method according to this example can be applied even when Lc is thin and it is difficult to adjust the thickness by polishing as in the second example, and the substrate 109 and the substrate 113 after cleavage can be reused. It is a feature that it is possible.

(第4の実施例)
第3の実施例では、各化合物半導体を接合してから、水素イオンの打ち込みを行っている。本実施例では、化合物半導体の接合構成の前に、一方の化合物半導体に水素イオンの打ち込みを行い、人工的劈開面を形成する。
(Fourth embodiment)
In the third embodiment, hydrogen ions are implanted after bonding each compound semiconductor. In this embodiment, before the compound semiconductor is joined, hydrogen ions are implanted into one compound semiconductor to form an artificial cleavage plane.

本実施例では、まず、厚みLcよりも厚く、上面が(110)面(もしくは(110)面結晶的に等価な面でもよい)である第1の化合物半導体基板を用意し、上記上面またはそれと対向する面に、水素イオンの打ち込み、次いでアニールを行い、上記上面またはそれと対向する面から距離Lcの面に劈開面を人工的に形成する。   In this example, first, a first compound semiconductor substrate having a thickness larger than the thickness Lc and having an upper surface of (110) plane (or a (110) plane crystal equivalent surface) is prepared. Hydrogen ions are implanted into the opposite surface, and then annealed to artificially form a cleavage plane on the upper surface or a surface at a distance Lc from the opposite surface.

次いで、第1の化合物半導体基板の、劈開面から距離Lcにある面と、支持基板とを直接接合させる。このようにして形成された支持基板と第1の化合物半導体基板との接合体は、図2(c)と同様になる。次いで、第3の実施例と同様にして、第1の化合物半導体基板を、厚みLcの基板と、残りの基板とに劈開することによって、支持基板上に厚みLcを有する第1の化合物半導体を形成する。   Next, the surface of the first compound semiconductor substrate at a distance Lc from the cleavage surface is directly bonded to the support substrate. The joined body of the support substrate and the first compound semiconductor substrate thus formed is the same as that shown in FIG. Next, in the same manner as in the third embodiment, the first compound semiconductor substrate having the thickness Lc on the support substrate is obtained by cleaving the first compound semiconductor substrate into the substrate having the thickness Lc and the remaining substrate. Form.

次いで、厚みLcよりも厚く、上面が(110)面(もしくは(110)面結晶的に等価な面でもよい)である第2の化合物半導体基板を用意し、上記上面またはそれと対向する面に、水素イオンの打ち込み、次いでアニールを行い、上記上面またはそれと対向する面から距離Lcの面に劈開面を人工的に形成する。次いで、第2の化合物半導体基板の、劈開面から距離Lcにある面と、支持基板上に形成された第1の化合物半導体の上面とを、(111)面(もしくは(111)面結晶的に等価な面)の法線方向に対し、結晶方位が反転するように配置して直接接合させる。次いで、第2の化合物半導体を、厚みLcの基板と、残りの基板とに劈開する。   Next, a second compound semiconductor substrate that is thicker than the thickness Lc and whose upper surface is a (110) plane (or may be a (110) plane crystal equivalent surface) is prepared, and the upper surface or a surface facing it is prepared. Hydrogen ions are implanted and then annealed to artificially form a cleavage plane on the surface at a distance Lc from the upper surface or the surface facing the upper surface. Next, the surface of the second compound semiconductor substrate at a distance Lc from the cleavage plane and the upper surface of the first compound semiconductor formed on the support substrate are (111) plane (or (111) plane crystallographically). It is arranged so that the crystal orientation is reversed with respect to the normal direction of the equivalent plane) and directly joined. Next, the second compound semiconductor is cleaved into a substrate having a thickness Lc and the remaining substrate.

以上の、水素イオン打ち込み、直接接合、劈開を繰り返すことによって、第1の実施例と同様の特性を有する化合物半導体擬似位相整合素子100を作製することが可能である。   By repeating hydrogen ion implantation, direct bonding, and cleavage, the compound semiconductor quasi-phase matching element 100 having the same characteristics as those of the first embodiment can be manufactured.

(第5の実施例)
上述の方法によらずとも、化合物半導体擬似位相整合素子100は、本実施例で説明する方法でも作製することができる。
図3(a)〜(f)は、本実施例に係る電磁波発生装置の作製方法を示す図である。
第2の実施例に係る作製方法では、劈開により厚みLcの基板を得るようにイオン打ち込みを行い、その後劈開することで作製した。
(Fifth embodiment)
Regardless of the method described above, the compound semiconductor pseudo phase matching element 100 can also be manufactured by the method described in this embodiment.
3A to 3F are views showing a method for manufacturing the electromagnetic wave generator according to the present embodiment.
In the manufacturing method according to the second example, ion implantation was performed so as to obtain a substrate having a thickness Lc by cleavage, and then the substrate was cleaved.

これに対して、本実施例では、支持基板105と、上面が(110)面(もしくは(110)面結晶的に等価な面でもよい)である化合物半導体基板106を用意し(図3(a))、支持基板105に化合物半導体基板106を直接接合させた後(図3(b))、化合物半導体基板106の上面を研磨によって厚みをLcに調整する(図3(c))。その後、化合物半導体基板110を結晶方位が反転するように配置して直接接合させ(図3(d))、化合物半導体基板110の上面を研磨によって厚みをLcに調整する(図3(e))。このような工程を順次繰り返すことで、第1の実施例と同様の構造(図3(f))を作製することが可能である。
なお、第2〜第5の実施例を組み合わせることができることは言うまでもない。
In contrast, in this embodiment, a support substrate 105 and a compound semiconductor substrate 106 whose upper surface is a (110) plane (or a (110) plane crystal equivalent surface) are prepared (FIG. 3A). )) After the compound semiconductor substrate 106 is directly bonded to the support substrate 105 (FIG. 3B), the thickness of the upper surface of the compound semiconductor substrate 106 is adjusted to Lc by polishing (FIG. 3C). Thereafter, the compound semiconductor substrate 110 is arranged so that the crystal orientation is reversed and directly bonded (FIG. 3D), and the upper surface of the compound semiconductor substrate 110 is adjusted to Lc by polishing (FIG. 3E). . By repeating such steps sequentially, it is possible to produce a structure similar to that of the first embodiment (FIG. 3F).
Needless to say, the second to fifth embodiments can be combined.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、バルク型の化合物半導体擬似位相整合素子の構造および作製方法に関して記載したが、本実施形態では、励起光または発生電磁波の少なくとも一方もしくは両方を導波路に閉じ込める。このようにすることで、差周波発生の効率を高めることができる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the structure and manufacturing method of the bulk type compound semiconductor quasi-phase matching element have been described. However, in this embodiment, at least one or both of excitation light and generated electromagnetic waves are confined in the waveguide. By doing in this way, the efficiency of difference frequency generation can be improved.

図4は、本実施形態に係る化合物半導体擬似位相整合素子を示す図である。本実施形態では、図4に示すように、バルク構造の素子から導波路化を行う。
図4において、符号114は支持基板であり、本実施形態ではその材料を石英としている。第1の実施形態にて説明した、化合物半導体擬似位相整合素子100と支持基板114とはポリイミドで接着して一体化する。次に図5に示すように、内面を金属でコーティングした石英製のパイプ115で素子を覆い、残りの空隙を石英の屈折率にマッチングした樹脂116で埋めることで図5のような導波路素子を作製することが可能である。
FIG. 4 is a diagram showing the compound semiconductor quasi-phase matching element according to the present embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 4, a waveguide is formed from an element having a bulk structure.
In FIG. 4, reference numeral 114 denotes a support substrate, and in this embodiment, the material is quartz. The compound semiconductor quasi-phase matching element 100 and the support substrate 114 described in the first embodiment are bonded and integrated with polyimide. Next, as shown in FIG. 5, the element is covered with a quartz pipe 115 whose inner surface is coated with a metal, and the remaining gap is filled with a resin 116 matching the refractive index of quartz, whereby a waveguide element as shown in FIG. Can be produced.

なお、図4に示すような導波路化を行うにあたり、第1の実施形態に係る化合物半導体擬似位相整合素子100について、所定の幅を有するように接合面に垂直な方向で切断し、支持基板114に接合させればよい。また、上記切断を行わずに、化合物半導体擬似位相整合素子100を支持基板114に接合してから、所定の幅を有するように、ダイシングなどにより化合物半導体擬似位相整合素子100を切断し、導波路化を行っても良い。   In forming the waveguide as shown in FIG. 4, the compound semiconductor quasi-phase matching element 100 according to the first embodiment is cut in a direction perpendicular to the bonding surface so as to have a predetermined width. 114 may be joined. In addition, the compound semiconductor pseudo phase matching element 100 is bonded to the support substrate 114 without performing the above-described cutting, and then the compound semiconductor pseudo phase matching element 100 is cut by dicing or the like so as to have a predetermined width. You may do.

本実施形態で作製した、導波路型化合物半導体擬似位相整合素子は強い閉じこめが可能であるため、Nd:YAGレーザ励起のOPO以外にも、産業応用上極めて重要性の高い、安価でハイパワーかつ信頼性の高い光源として、光ファイバアンプによる増幅が可能である光通信波長帯(例えば、Oバンド(1260〜1360nm)、Eバンド(1360〜1460nm)、Sバンド(1460〜1530nm)、Cバンド(1530〜1565nm)、Lバンド(1565〜1625nm)、Uバンド(1625〜1675nm))に属する半導体レーザダイオード、もしくは希土類ドープ光ファイバアンプの励起光源として実用化されている900〜1100nm帯の半導体レーザダイオード等も励起レーザ102,103の励起光源として用いることができる。   Since the waveguide type compound semiconductor quasi-phase matching element manufactured in this embodiment can be strongly confined, in addition to the Nd: YAG laser-pumped OPO, it is extremely important for industrial application, inexpensive and high power and As a reliable light source, an optical communication wavelength band (for example, O band (1260 to 1360 nm), E band (1360 to 1460 nm), S band (1460 to 1530 nm), C band (which can be amplified by an optical fiber amplifier) 1530 to 1565 nm), L band (1565 to 1625 nm), U band (1625 to 1675 nm)), or 900 to 1100 nm band semiconductor laser diode that has been put to practical use as a pumping light source for rare earth doped optical fiber amplifiers And the like, and the excitation light sources of the excitation lasers 102 and 103 It can be used Te.

本実施形態では、支持基板114に石英を用いたが、差周波発生を行う3つの周波数において透明な材料であれば何でも良い。また、支持基板114と化合物半導体擬似位相整合素子100との接着にはポリイミドを用いたが、一般的な光学接着剤を用いても良いし、直接接合技術によって高温高圧下で接着させても良い。また、作製した構造が発生電磁波に対して導波路となっていれば目的は達成されることから、樹脂116は必ずしも支持基板の屈折率にマッチングしている必要はなく、内面を金属コーティングしたパイプの形状も四角形以外の形であっても良い。   In this embodiment, quartz is used for the support substrate 114, but any material that is transparent at the three frequencies that generate the difference frequency may be used. In addition, polyimide is used for bonding the support substrate 114 and the compound semiconductor quasi phase matching element 100, but a general optical adhesive may be used, or bonding may be performed under high temperature and high pressure by a direct bonding technique. . In addition, since the object is achieved if the manufactured structure is a waveguide for the generated electromagnetic wave, the resin 116 does not necessarily match the refractive index of the support substrate, and the pipe whose inner surface is metal-coated. The shape may be other than a square.

なお、本実施形態では、0.1〜10THzの電磁波に対する導波路は、マイクロ波領域で一般的に利用される金属壁を利用したプラズマ閉じこめによる導波路としたが、光領域で一般的に利用されている屈折率差を利用した屈折率閉じこめによる導波路構造であっても同様の効果が得られる。   In this embodiment, the waveguide for electromagnetic waves of 0.1 to 10 THz is a waveguide by plasma confinement using a metal wall generally used in the microwave region, but is generally used in the optical region. The same effect can be obtained even with a waveguide structure using a refractive index confinement utilizing the refractive index difference.

また、本実施形態では導波路を支持する基板を用いたが、必ずしも支持基板はなくても良い。   In this embodiment, the substrate that supports the waveguide is used. However, the support substrate is not necessarily required.

なお、本発明の一実施形態では、半導体化合物の接合を、直接接合により行っているが、これに限定されず、2つの化合物半導体を接合できる方式であればいずれを用いても良い。   In the embodiment of the present invention, the semiconductor compound is joined by direct joining. However, the present invention is not limited to this, and any method may be used as long as two compound semiconductors can be joined.

本発明の一実施形態に係る電磁波発生装置を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic wave generator which concerns on one Embodiment of this invention. (a)〜(h)は、本発明の一実施例に係る電磁波発生装置の作製方法を示す図である。(A)-(h) is a figure which shows the preparation methods of the electromagnetic wave generator which concerns on one Example of this invention. (a)〜(f)は、本発明の一実施例に係る電磁波発生装置の作製方法を示す図である。(A)-(f) is a figure which shows the preparation methods of the electromagnetic wave generator which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施形態に係る化合物半導体擬似位相整合素子を示す図である。It is a figure which shows the compound semiconductor pseudo phase matching element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る化合物半導体擬似位相整合素子を示す図である。It is a figure which shows the compound semiconductor pseudo phase matching element which concerns on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 化合物半導体擬似位相整合素子
101、102 化合物半導体
103、104 励起レーザ
100 Compound Semiconductor Quasi-Phase Matching Element 101, 102 Compound Semiconductor 103, 104 Excitation Laser

Claims (28)

周波数差が0.1〜10GHzに設定された2波長光が入射すると、該2波長光による差周波発生により0.1〜10THzの電磁波を発生させる擬似位相整合型の波長変換素子を有する電磁波発生装置において、
前記波長変換素子は、同じ組成を有する、III-V 族またはII-VI 族化合物半導体である非線形材料からなる第1の化合物半導体および第2の化合物半導体を有し、
該第1および第2の化合物半導体は互いに接合されて接合体を形成し、
該接合体は、前記第1および第2の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行な方位反転周期を有する方位反転構造であり、
ν1、ν2を入射する前記2波長光の周波数とし、ν3を前記0.1〜10THzの発生電磁波の周波数とし、n1、n2、n3をそれぞれ周波数ν1、ν2、ν3における前記非線形材料の屈折率とし、cを光速とし、Δk=2π/c×(n1・ν1−n2・ν2−n3・ν3)とすると、前記方位反転周期はπ/Δkの自然数倍であることを特徴とする電磁波発生装置。
When two-wavelength light having a frequency difference set to 0.1 to 10 GHz is incident, the electromagnetic wave generation includes a quasi-phase matching type wavelength conversion element that generates an electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz by the difference frequency generation by the two-wavelength light. In the device
The wavelength conversion element has a first compound semiconductor and a second compound semiconductor made of a nonlinear material that is a group III-V or group II-VI compound semiconductor having the same composition,
The first and second compound semiconductors are joined together to form a joined body;
The joined body has an optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed with a surface perpendicular to the optical axis in which the spatial symmetry of the crystals of the first and second compound semiconductors is reversed as a joined surface formed by the joining. Is an azimuthal inversion structure having azimuth inversion cycles antiparallel to each other,
ν1 and ν2 are the frequencies of the incident two-wavelength light, ν3 is the generated electromagnetic wave frequency of 0.1 to 10 THz, and n1, n2, and n3 are the refractive indexes of the nonlinear materials at frequencies ν1, ν2, and ν3, respectively. , C is the speed of light, and Δk = 2π / c × (n1, ν1-n2, ν2-n3, ν3), the direction inversion period is a natural number multiple of π / Δk. .
前記0.1〜10THzの電磁波に対する導波路をさらに備え、
該導波路内に前記波長変換素子が配置されていることを特徴とする請求項1記載の電磁波発生装置。
Further comprising a waveguide for the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz,
The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the wavelength conversion element is disposed in the waveguide.
前記波長変換素子に入射される前記2波長光のそれぞれを励起する励起手段をさらに備え、
該励起手段より前記2波長光を前記波長変換素子に入射して前記0.1〜10THzの電磁波を発生させ、該発生した0.1〜10THzの電磁波を出力することを特徴とする請求項1または2記載の電磁波発生装置。
Further comprising excitation means for exciting each of the two-wavelength light incident on the wavelength conversion element,
2. The two-wavelength light is incident on the wavelength conversion element from the excitation means to generate the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz, and the generated electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz is output. Or the electromagnetic wave generator of 2.
前記0.1〜10THzの電磁波に対する導波路はプラズマ閉じこめによるものであることを特徴とする請求項2記載の電磁波発生装置。   3. The electromagnetic wave generator according to claim 2, wherein the waveguide for the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz is formed by plasma confinement. 前記0.1〜10THzの電磁波に対する導波路は屈折率閉じこめによるものであることを特徴とする請求項2記載の電磁波発生装置。   3. The electromagnetic wave generator according to claim 2, wherein the waveguide for the electromagnetic wave of 0.1 to 10 THz is based on a refractive index confinement. 前記非線形材料は閃亜鉛鉱構造であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電磁波発生装置。   6. The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the nonlinear material has a zinc blende structure. 前記接合面は、(110)面もしくは(110)面と結晶的に等価な面であり、
前記空間対称性が反転する光学軸方向は[111]軸または[100]軸、もしくはこれらに等価な結晶軸方向であることを特徴とする請求項6記載の電磁波発生装置。
The joint surface is a (110) plane or a plane that is crystallographically equivalent to the (110) plane,
7. The electromagnetic wave generator according to claim 6, wherein the optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed is a [111] axis, a [100] axis, or a crystal axis direction equivalent to these.
前記III-V 族化合物半導体は、GaAs、GaPまたはInPの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする請求項6または7記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 6 or 7, wherein the group III-V compound semiconductor contains at least one of GaAs, GaP, and InP. 前記III-V 族化合物半導体は、少なくともInx1Alx2Ga(1-x1-x2)y1Asy2(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含んでいることを特徴とする6または7記載の電磁波発生装置。 The III-V group compound semiconductor is at least In x1 Al x2 Ga (1-x1-x2) Ny1 As y2 P (1-y1-y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1 , Y1 + y2 ≦ 1). 6. The electromagnetic wave generator according to 6 or 7, wherein 前記II-VI 族化合物半導体は、β−ZnS、ZnSeまたはZnTeの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする請求項6または7記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 6 or 7, wherein the II-VI group compound semiconductor contains at least one of β-ZnS, ZnSe, or ZnTe. 前記II-VI 族化合物半導体は、少なくともZnx1Cdx2Hg(1-x1-x2)y1Sey2Te(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含んでいることを特徴とする請求項6または7記載の電磁波発生装置。 The II-VI group compound semiconductor is at least Zn x1 Cd x2 Hg (1-x1-x2) Sy1 Se y2 Te (1-y1-y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1 , Y1 + y2 ≦ 1), The electromagnetic wave generator according to claim 6 or 7. 前記非線形材料はウルツ鉱構造であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電磁波発生装置。   6. The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the nonlinear material has a wurtzite structure. 前記接合面は、(1100)面または(1120)面、もしくはこれらと結晶的に等価な面であり、
前記空間対称性が反転する光学軸方向は、[0001]軸方向であることを特徴とする請求項12記載の電磁波発生装置。
The joint surface is a (1100) surface or a (1120) surface, or a surface that is crystallographically equivalent to these,
13. The electromagnetic wave generator according to claim 12, wherein an optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed is a [0001] axis direction.
前記III-V 族化合物半導体は、少なくともGaNを含んでいることを特徴とする請求項12または13記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 12 or 13, wherein the III-V group compound semiconductor contains at least GaN. 前記III-V 族化合物半導体は、少なくともInx1Alx2Ga(1-x1-x2)y1Asy2(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1、x1+x2≦1、y1+y2≦1)を含んでいることを特徴とする請求項12または13記載の電磁波発生装置。 The III-V group compound semiconductor is at least In x1 Al x2 Ga (1-x1-x2) Ny1 As y2 P (1-y1-y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1, x1 + x2 ≦ 1 , Y1 + y2 ≦ 1), The electromagnetic wave generator according to claim 12 or 13. 前記II-VI 族化合物半導体は、α−ZnS、ZnO、CdS、CdSeまたはCdTeの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする請求項12または13記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 12 or 13, wherein the II-VI group compound semiconductor contains at least one of α-ZnS, ZnO, CdS, CdSe, or CdTe. 前記II-VI 族化合物半導体は、少なくともZnx1Cdx2Hg(1-x1-x2)y1Sey2Te(1-y1-y2)(0≦x1,x2,y1,y2≦1)を含んでいることを特徴とする請求項12または13記載の電磁波発生装置。 The II-VI group compound semiconductor contains at least Zn x1 Cd x2 Hg (1-x1-x2) Sy1 Se y2 Te (1-y1-y2) (0 ≦ x1, x2, y1, y2 ≦ 1). The electromagnetic wave generator according to claim 12 or 13, wherein the electromagnetic wave generator is provided. 前記入射する2波長光の少なくとも一方の光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項1乃至17のいずれかに記載の電磁波発生装置。   18. The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein at least one light source of the incident two-wavelength light is a semiconductor laser. 前記入射する2波長光の少なくとも一方の光源がYAGレーザ励起の光パラメトリック発振器であることを特徴とする請求項1乃至17のいずれかに記載の電磁波発生装置。   18. The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein at least one of the incident two-wavelength light sources is a YAG laser-pumped optical parametric oscillator. 前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長が、1260nm≦λ≦1675nm(Oバンド、Eバンド、Sバンド、Cバンド、Lバンド、Uバンド)であることを特徴とする請求項18または19記載の電磁波発生装置。   20. The wavelength of at least one of the incident two-wavelength light is 1260 nm ≦ λ ≦ 1675 nm (O band, E band, S band, C band, L band, U band). Electromagnetic wave generator. 前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長λが、1460nm≦λ≦1625nm(Sバンド、Cバンド、Lバンド)であることを特徴とする請求項18または19記載の電磁波発生装置。   20. The electromagnetic wave generator according to claim 18, wherein at least one wavelength λ of the incident two-wavelength light satisfies 1460 nm ≦ λ ≦ 1625 nm (S band, C band, L band). 前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長λが、1530nm≦λ≦1565nm(Cバンド)であることを特徴とする請求項18または19記載の電磁波発生装置。   20. The electromagnetic wave generator according to claim 18, wherein a wavelength λ of at least one of the incident two-wavelength light satisfies 1530 nm ≦ λ ≦ 1565 nm (C band). 前記入射する2波長光の少なくとも一方の波長λが、900nm≦λ≦1100nmであることを特徴とする請求項18記載の電磁波発生装置。   19. The electromagnetic wave generator according to claim 18, wherein the wavelength λ of at least one of the incident two-wavelength light satisfies 900 nm ≦ λ ≦ 1100 nm. 請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、
前記第1および第2の化合物半導体の厚さを、研磨によって前記方位反転周期と等しくなるように調整する調整工程と、
該調整された第1および第2の化合物半導体を接合して接合体を形成する接合体形成工程とを有し、
前記接合体は、前記第1および第2の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行な方位反転周期を有する方位反転構造であることを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
24. A method of manufacturing an electromagnetic wave generator according to claim 1, comprising:
An adjusting step of adjusting the thicknesses of the first and second compound semiconductors to be equal to the orientation inversion period by polishing;
A joined body forming step of joining the adjusted first and second compound semiconductors to form a joined body,
The bonded body has an optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed, with a plane perpendicular to the optical axis in which the spatial symmetry of the crystals of the first and second compound semiconductors is reversed as a bonded surface formed by the bonding. A method for manufacturing an electromagnetic wave generator, characterized in that the structure has an azimuth reversal structure having azimuth reversal periods antiparallel to each other.
請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、
前記第1および第2の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなる第3の化合物半導体であって、前記方位反転周期よりも厚い厚さを有する第3の化合物半導体を用意する用意工程と、
該用意された第3の化合物半導体を、該第3の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなり、前記方位反転周期に相当する厚さを有する第4の化合物半導体に接合して、前記第3および第4の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な第1の面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行である接合体を形成する接合体形成工程と、
該接合体を形成する前記第3の化合物半導体の、前記接合面と対向する第2の面から、エネルギー一定のイオンを高電界によって加速して前記第3の化合物半導体に打ち込み、前記接合面から前記方位反転周期に相当する距離に人工的劈開面を形成する劈開面形成工程と、
前記劈開面に沿って、前記接合体を形成する第4の化合物半導体を、前記方位反転距離に相当する厚さを有し、前記接合面を有する化合物半導体と、残りの化合物半導体とに劈開して、前記積層体を、前記方位反転周期を有する方位反転構造とする方位反転構造形成工程と
を有することを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
24. A method of manufacturing an electromagnetic wave generator according to claim 1, comprising:
A preparation step of preparing a third compound semiconductor made of a nonlinear material having the same composition as the first and second compound semiconductors and having a thickness greater than the orientation inversion period;
The prepared third compound semiconductor is joined to a fourth compound semiconductor made of a nonlinear material having the same composition as the third compound semiconductor and having a thickness corresponding to the orientation inversion period. The first surface perpendicular to the optical axis at which the spatial symmetry of the crystals of the third and fourth compound semiconductors is inverted is defined as a bonding surface formed by the bonding, and the optical axis direction at which the spatial symmetry is inverted is mutually A joined body forming step of forming a joined body that is antiparallel;
From the second surface of the third compound semiconductor that forms the bonded body, the ions having a constant energy are accelerated by a high electric field from the second surface facing the bonding surface, and are implanted into the third compound semiconductor. A cleavage plane forming step of forming an artificial cleavage plane at a distance corresponding to the azimuth inversion period;
Along the cleavage plane, a fourth compound semiconductor that forms the joined body is cleaved into a compound semiconductor having a thickness corresponding to the azimuth inversion distance and the junction surface and the remaining compound semiconductor. And an orientation reversal structure forming step in which the laminated body has an orientation reversal structure having the orientation reversal period.
請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、
前記第1および第2の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなる第3の化合物半導体であって、前記方位反転周期よりも厚い厚さを有する第3の化合物半導体を用意する用意工程と、
前記第3の化合物半導体の1つの面から、エネルギー一定のイオンを高電界によって加速して前記第3の化合物半導体に打ち込み、前記面または該面に対向する面から前記方位反転周期に相当する距離に人工的劈開面を形成する劈開面形成工程と、
前記人工的劈開面から前記方位反転周期に相当する距離にある面で接合するように、前記第3の化合物半導体を、該第3の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなり、前記方位反転周期に相当する厚さを有する第4の化合物半導体に接合して、前記第3および第4の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行である接合体を形成する接合体形成工程と、
前記劈開面に沿って、前記接合体を形成する第4の化合物半導体を、前記方位反転距離に相当する厚さを有し、前記接合面を有する化合物半導体と、残りの化合物半導体とに劈開して、前記積層体を、前記方位反転周期を有する方位反転構造とする方位反転構造形成工程と
を有することを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
24. A method of manufacturing an electromagnetic wave generator according to claim 1, comprising:
A preparation step of preparing a third compound semiconductor made of a nonlinear material having the same composition as the first and second compound semiconductors and having a thickness greater than the orientation inversion period;
From one surface of the third compound semiconductor, ions having constant energy are accelerated by a high electric field and implanted into the third compound semiconductor, and a distance corresponding to the orientation inversion period from the surface or a surface facing the surface. A cleaved surface forming step for forming an artificial cleaved surface on the surface,
The third compound semiconductor is made of a non-linear material having the same composition as the third compound semiconductor so that the third compound semiconductor is bonded to a surface at a distance corresponding to the orientation inversion period from the artificial cleavage plane, and the orientation inversion is performed. A junction formed by joining to a fourth compound semiconductor having a thickness corresponding to a period and having a plane perpendicular to the optical axis at which the spatial symmetry of the crystals of the third and fourth compound semiconductors is reversed. As a surface, a joined body forming step of forming joined bodies that are antiparallel to the optical axis direction in which the spatial symmetry is reversed, and
Along the cleavage plane, a fourth compound semiconductor that forms the joined body is cleaved into a compound semiconductor having a thickness corresponding to the azimuth inversion distance and the junction surface and the remaining compound semiconductor. And an orientation reversal structure forming step in which the laminated body has an orientation reversal structure having the orientation reversal period.
請求項1ないし23に記載の電磁波発生装置の製造方法であって、
前記第1および第2の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなる第3の化合物半導体であって、前記方位反転周期よりも厚い厚さを有する第3の化合物半導体を用意する用意工程と、
該用意された第3の化合物半導体を、該第3の化合物半導体と同じ組成を有する非線形材料からなり、前記方位反転周期に相当する厚さを有する第4の化合物半導体に接合して、前記第3および第4の化合物半導体の結晶の空間対称性が反転する光学軸に垂直な第1の面を前記接合により形成された接合面として、前記空間対称性が反転する光学軸方向に対して互いに反平行である接合体を形成する接合体形成工程と、
該接合体を形成する前記第3の化合物半導体の、前記接合面と対向する第2の面に対して研磨して、前記接合体を形成する前記第3の化合物半導体の厚さを、前記方位反転周期に相当する厚さに調節する研磨工程と
を有することを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
24. A method of manufacturing an electromagnetic wave generator according to claim 1, comprising:
A preparation step of preparing a third compound semiconductor made of a nonlinear material having the same composition as the first and second compound semiconductors and having a thickness greater than the orientation inversion period;
The prepared third compound semiconductor is joined to a fourth compound semiconductor made of a nonlinear material having the same composition as that of the third compound semiconductor and having a thickness corresponding to the orientation inversion period. The first surface perpendicular to the optical axis at which the spatial symmetry of the crystals of the third and fourth compound semiconductors is inverted is defined as a bonding surface formed by the bonding, and the optical axis direction at which the spatial symmetry is inverted is mutually A joined body forming step for forming a joined body that is anti-parallel;
The thickness of the third compound semiconductor forming the bonded body is determined by polishing the second compound semiconductor forming the bonded body with respect to the second surface facing the bonded surface. And a polishing step of adjusting to a thickness corresponding to the reversal period.
前記周期反転構造を有する波長変換素子を支持基板に接合させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項24乃至27のいずれかに記載の電磁波発生装置の製造方法。
28. The method for manufacturing an electromagnetic wave generating device according to claim 24, further comprising a step of bonding the wavelength conversion element having the periodic inversion structure to a support substrate.
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