JP2007206439A - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形光学材料を用いずに、弱い光の波長変換を実現すること。
【解決手段】波長変換装置１００は、フォトニックバンドギャップを有する第１の層１０と、第１の層１０のフォトニックバンドギャップと一部重なり、低周波数（長波長）側にずれたフォトニックバンドギャップを有する第２の層２０と、それらの間に形成された、時間と共に実効屈折率を変化可能な第３の層とから成る。第１の層１０のフォトニックバンドギャップの低周波数端（長波長端）近くの周波数の電磁波を入射すると、第３の層３０から第２の層２０には透過できず、即ち反射され、第２の層から出射されない。しかし、この状態で第３の層３０の屈折率を小さくなるように変化させると、入射波は第３の層付近にトラップされたまま、周波数が上昇し、第２の層２０の高周波数端の周波数（短波長端の波長）に達した段階で、透過波として出ていく。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイスでは制御することができないミリ波以上の電磁波を対象に、入射波よりも周波数の高い、即ち波長が短い透過波を作り出す波長変換装置に関する。

良く知られているように、赤外乃至紫外領域において、周波数が高くなる方向への波長変換は、通常、非線形光学材料を用いて行われる。例えば下記特許文献１乃至４である。

一方、非特許文献１のように、近年、多層膜に衝撃波などを作用させて、高速に各層の厚みを半分程度に大変形させることにより、高い周波数への変換が実現できることがシミュレーションにより調べられ、米マサチューセッツ工科大学から報告されている。
特開２００４−２１４６７４ 特開２００４−２１２５７５ 特開２００４−２７９６０４ 特開平９−３２１７００ E. J. Reed, M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. Lett., 90, 203904 (2003)

非線形光学材料を用いる場合、非常に強度が高い入射波が必要となり、入射波としてレーザー光などしか対象にならず、弱い電磁波の波長変換は困難である。

また、非特許文献１の技術は、衝撃波などを用いて高速に層の厚みを大変形させることから、その実現は難しく、一般的な工業製品への応用へは多くの課題があると考えられる。

そこで、非線形光学材料を用いずに、更には、多層膜の高速での大変形を用いずに波長変換を実現することの可能性を探索し、本発明を完成するに至った。

請求項１に係る発明は、フォトニックバンドギャップを有する第１の層と、前記第１の層のフォトニックバンドギャップと一部重なり、且つより長い波長帯域に渡ってフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に形成された、実効屈折率を時間的に変化可能な第３の層とから成り、前記第１の層に、そのフォトニックバンドギャップの長波長端の光を入射させながら、前記第３の層の実効屈折率を減少させることで前記第２の層からそのフォトニックバンドギャップの短波長端の光を出射させることを特徴とする波長変換装置である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の波長変換装置において、前記第３の層は、第１の屈折率から成る第１の構成材料が膜厚方向全体に充填された第１の部分と、前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率から成る第２の構成材料が膜厚方向全体に充填された第２の部分と、それらの間に形成され、前記第１の部分から前記第２の部分にかけて、前記第１の構成材料の膜厚が減り且つ前記第２の構成材料の膜厚が増えるように形成された、構成材料膜厚比変化部分とから成り、前記第１の層に入射された長波長端の光が、時間と共に前記第１の部分、前記構成材料膜厚比変化部分、前記第２の部分に入射するように前記第３の層を膜厚方向と垂直方向に移動又は回転させるようにしたことを特徴とする。
請求項３及び請求項４に係る発明は、各々請求項１及び請求項２に係る発明の構成を逆転させて、第１の層に、そのフォトニックバンドギャップの短波長端の光を入射させながら、第２の層からそのフォトニックバンドギャップの長波長端の光を出射させることを特徴とする波長変換装置である。
また、請求項５に係る発明は、請求項１に記載の波長変換装置において、前記第１の層と前記第２の層とは、各々多重層からなるブラッグ反射層を形成していることを特徴とする。

第１の層に入射した、第１の層のフォトニックバンドギャップの長波長端の光は第１の層を透過して第３の層に達するが、第２の層のフォトニックバンドギャップにより第２の層を透過することができない。この時、第３の層の実効屈折率が減少すると、第３の層の光は下記シミュレーションに示される通り周波数が高く、波長が短くなる。こうして、第３の層の光の波長が短くなって第２の層のフォトニックバンドギャップの短波長端に達すると、当該光は第２の層を透過して出射されることとなる。

第１の層と第２の層はブラッグ反射膜の設計思想により任意に構成可能すると良い。また、実効屈折率を変化可能な第３の層は、２つの材料からなり、それらの何れかのみが膜厚方向に充填された部分と、その間に形成された、屈折率の変化する部分により構成し、第１の層に入射された長波長端の光が、第３の層にトラップされた状態で、時間と共に屈折率の高い部分を通過し、徐々に屈折率が低くなる部分を通過し、最終的に最も屈折率の低い部分を通過するようにすれば良い。例えば空気を屈折率の低い部分とする場合は、高屈折率材料の膜厚が、膜厚方向と垂直な方向に徐々に減る様な構成の第３の層を用意して、当該第３の層を膜厚方向と垂直な方向に移動又は回転させることで実現可能である。
以上の構成を逆転させた、第１の層に、そのフォトニックバンドギャップの短波長端の光を入射させながら、第２の層からそのフォトニックバンドギャップの長波長端の光を出射させることを特徴とする波長変換装置についても原理は全く同様である。

以下、図を用いて本発明について説明する。

まず、次のような構成を想定し、シミュレーションを行った。図１は本発明に係る波長変換装置１００の構成を示す断面図である。波長変換装置１００は、ケイ素とアルミナの多重層から成る第１の層１０と第２の層２０、及び、その間に形成される屈折率が時間と共に変化する第３の層３０から成る。波長変換装置１００の図１左側の第１の層１０に所定の光を入射させ、波長が変化した光を図１右側の第２の層２０から出力させるものである。各層の膜厚を次のとおりとした。
第１の層１０：いずれも３７０ｎｍ厚の２１層のアルミナの層１１−１〜１１−２１と２０層のケイ素の層１２−１〜１２−２０とを合計４１層交互に形成する。
第２の層２０：いずれも３８０ｎｍ厚の２１層のアルミナの層２１−１〜２１−２１と２０層のケイ素の層２２−１〜２２−２０とを合計４１層交互に形成する。
第３の層３０：アルミナの層１１−２１と２１−１との間であって、厚さは７４０ｎｍで一定。

まず、屈折率を、ケイ素が３．３、アルミナが１．７として、第１の層１０と第２の層２０のフォトニックバンドギャップを計算した。これを図２に示す。第１の層１０と第２の層２０とはそれぞれを構成する層の厚みがわずかに異なっていることから、フォトニックバンドギャップもわずかにずれている。出射側である第２の層２０のフォトニックバンドギャップが入射側である第１の層１０のフォトニックバンドギャップよりも低周波数側（長波長側）にずれている。これを模式図的に描くと図３のようになる。このような波長変換装置１００に第１の層１０のフォトニックバンドギャップの低周波数端（長波長端）近くの周波数の電磁波を入射すると、第３の層３０から第２の層２０には透過できず、即ち反射され、第２の層２０から出射されない。しかし、この状態で第３の層３０の屈折率を小さくなるように変化させると、入射波は第３の層３０付近にトラップされたまま、周波数が上昇し、第２の層２０の高周波数端の周波数（短波長端の波長）に達した段階で、透過波として出ていく。尚、今回は第１の層１０において、アルミナの層１１−１〜１１−２１と２０層のケイ素の層１２−１〜１２−２０との厚さを等しくし、第２の層２０において、アルミナの層２１−１〜２１−２１と２０層のケイ素の層２２−１〜２２−２０との厚さを等しくしたが、図２のようなバンド構造を実現することは、各層の厚さを異なるものとしても可能である。

尚、シミュレーションにおいては、屈折率を、第１の層と第２の層におけるケイ素が３．３、アルミナが１．７とし、第３の層３０では屈折率は３．３から１へ６．１ｎｓで変化するとした。原点を第３の層と第１の層の界面上にとり、膜厚方向（光の伝搬方向）にｘ軸をとる。第１の層１０はｘの負側、第２の層２０はｘの正側とした。また、電場をｙ軸方向、磁場をｚ軸方向とし、ｘ軸方向に約１０ｎｍ幅で要素分割を行い、時刻ｔ＝０で全領域でＥ＝０とおいて、次の式（１）を差分法により離散化して逐次的に電界Ｅを計算した。尚、波長変換装置１００の外側は屈折率１として、適当な距離の位置に、電磁波を吸収する境界を置いた。こうして、周波数１５０ＴＨｚ（波長２μｍ）の電磁波を第１の層１０の表面（アルミナの層１１−１の表面）に励起させるシミュレーションを行った。

図４．Ａ乃至図４．Ｄに、その結果を示す。図４．Ａはｔ＝１．２ｎｓ、図４．Ｂはｔ＝２．５ｎｓ、図４．Ｃはｔ＝３．７ｎｓ、図４．Ｄはｔ＝５．１ｎｓにおける、膜厚方向（ｘ軸方向）の位置と、周波数と、電場の強さを３次元的に示したグラフ図である。図４．Ａのように、ｔ＝１．２ｎｓでは入射光は中央（ｘ＝０）に達するが、第２の層２０（ｘが正の側）には達しない。図４．Ｂのように、ｔ＝２．５ｎｓでは入射光は第３の層３０の屈折率が低下したことにより第３の層３０付近（ｘ＝０付近）にトラップされる。範囲は第３の層３０の前後５周期ずつぐらいである。図４．Ｃのように、ｔ＝３．７ｎｓでは第３の層３０の屈折率の低下と共に、第３の層３０付近（ｘ＝０付近）にトラップされた光は、その周波数が徐々に高くなっていく。そして図４．Ｄのように、ｔ＝５．１ｎｓでは、第３の層３０付近（ｘ＝０付近）にトラップされた光は、その周波数が１７０ＴＨｚ（波長１．７６μｍ）に達し、図３の第２の層２０のフォトニックバンドギャップの高周波数端（短波長端）に一致した段階で第２の層２０を透過し、波長変換装置１００から出射される。

上記の周波数の上昇は第３の層３０近傍にトラップされた状態でおこることから、このトラップ状態が長いと、用いる材料によっては損失が問題になる場合がある。本例における入射光に対する透過光の電界Ｅの比は、約２６０／２００００＝１．３×１０^-2である。一方、非線形光学材料を用いて第２高調波発生により波長変換を行う場合は、２次の電気感受率χ⁽²⁾が大きく見積もっても１０００ｐｍ／Ｖ程度であることから、上記の電界の比に対応するχ⁽²⁾＊Ｅの値は２×１０^-5となり、波長変換装置１００の約６５０分の１である。そして、入射光の強度が小さいほどこの差は広がる。即ち本発明は微弱な光に対する波長変換として非常に有効である。

〔第３の層の具体例〕
上記の波長変換装置１００のうち、いずれも多層膜である第１の層１０及び第２の層２０は、既に述べた通り、ケイ素とアルミナの多層膜で当然構成可能である。屈折率が変化する第３の層は次のように実現することができる。図５．Ａは、本発明による波長変換装置２００の側面図、図５．Ｂはその断面図、図５．Ｃは多層膜部分の拡大図である。

波長変換装置２００は、回転軸２５０に固定された、半径ｒの円盤状の２つの透光性ガラス２０１及び２０２に挟持された多層膜２８０とから成る。波長変換装置２００は２つの透光性ガラス２０１及び２０２に挟持された多層膜２８０を所定の速度で回転させることにより、実施例１の第３の層３０を有する波長変換装置１００を実現するものである。また、光の入射及び出射は、半径ｒの円盤状の２つの透光性ガラス２０１及び２０２に挟持された多層膜２８０の円周付近で行われる。

多層膜２８０は、図１の波長変換装置１００とほぼ同様の構成である。第１の層２１０は、いずれも３７０ｎｍ厚の２１層のアルミナの層２１１−１〜２１１−２１と２０層のケイ素の層２１２−１〜２１２−２０とを合計４１層交互に形成する。第２の層２２０は、いずれも３８０ｎｍ厚の２１層のアルミナの層２２１−１〜２２１−２１と２０層のケイ素の層２２２−１〜２２２−２０とを合計４１層交互に形成する。第３の層２３０は、アルミナの層２１１−２１と２２１−１との間で厚さは７４０ｎｍのケイ素で形成され、円盤状の円周部分において、次のように「空隙部分」を有する。当該空隙部分の屈折率は１である。

第３の層２３０の円周部分は、円周方向４μｍのケイ素部分と、円周方向４μｍのケイ素の無い空隙部分とから成る。電磁波では波長程度以下の構造は識別できないことから、ケイ素部分と空隙部分との境界は鮮明には識別されずに、それぞれの屈折率が徐々に変化する境界として認識される。

また、実施例１のように、７４０ｎｍ厚のケイ素部分から７４０ｎｍ厚の空隙部分への４μｍの距離を６．１ｎｓで通過するためには、その部分での接線速度が約６６０ｍ／ｓであればよい。これは円板の半径ｒを６．３ｃｍとして、毎分１０万回転で実現可能である。この回転数は例えば工業用の高速モーターなどで実現可能である。本方法は高速な回転体は用いるものの、高速・大変形は不要であり、実現性は大きい。

〔本発明の効果の考察〕
各層における、光の各周波数をω、波数をｋ、屈折率をｎとし、真空中の光の速さをｃとおけば、ω／ｋ＝ｃ／ｎである。第３の層の実効屈折率ｎが変化し、第３の層近傍で光が定在波となり、ｋが一定又は変化が狭い範囲で拘束されることで、ωが変化するものと理解することができる。この原理によれば、第３の層の屈折率を減少させ図３で光を逆向きに入射させれば、長波長化も可能である。

以下のような構成で、別のシミュレーションを行った。図６は本発明に係る波長変換装置３００の構成を示す断面図である。波長変換装置３００は、チタニアとシリカの多重層から成る第１の層３１０と第２の層３２０、及び、その間に形成される屈折率が時間と共に変化する第３の層３３０から成る。波長変換装置３００の図６左側の第１の層３１０に所定の光を入射させ、波長が変化した光を図６右側の第２の層３２０から出力させるものである。各層の膜厚を次のとおりとした。
第１の層３１０：いずれも９７ｎｍ厚の４１層のシリカの層３１１−１〜３１１−４１と４０層のチタニアの層３１２−１〜３１２−４０とを合計８１層交互に形成する。
第２の層３２０：いずれも１００ｎｍ厚の４１層のシリカの層３２１−１〜３２１−４１と４０層のチタニアの層３２２−１〜３２２−４０とを合計８１層交互に形成する。
第３の層３３０：シリカの層３１１−４１と３２１−１との間であって、厚さは１８５０ｎｍで一定。

まず、屈折率を、チタニアが２．５、シリカが１．４５として、第１の層３１０と第２の層３２０のフォトニックバンドギャップを計算した。これを図７に示す。第１の層３１０と第２の層３２０とはそれぞれを構成する層の厚みがわずかに異なっていることから、フォトニックバンドギャップもわずかにずれている。出射側である第２の層３２０のフォトニックバンドギャップが入射側である第１の層３１０のフォトニックバンドギャップよりも低周波数側（長波長側）にずれている。これを模式図的に描くと図３と同様になる。よって、波長変換装置３００は、波長変換装置１００と同様に、第１の層３１０のフォトニックバンドギャップの低周波数端（長波長端）近くの周波数の電磁波を入射すると、第３の層３３０から第２の層３２０には透過できず、即ち反射され、第２の層３２０から出射されない。しかし、この状態で第３の層３３０の屈折率を小さくなるように変化させると、入射波は第３の層３３０付近にトラップされたまま、周波数が上昇し、第２の層３２０の高周波数端の周波数（短波長端の波長）に達した段階で、透過波として出ていく。

尚、シミュレーションにおいては、屈折率を、第１の層と第２の層におけるチタニアが２．５、シリカが１．４５とし、第３の層３３０では屈折率は２．５から１へ１４．３ｎｓで変化するとした。ｘ軸を膜厚方向（光の伝搬方向）にとり、第１の層３１０はｘが０〜７８５７ｎｍ、第２の層３２０はｘが９７０７〜１７８０７ｎｍとした。以下全く実施例１と同様にして、周波数３２８ＴＨｚ（波長９１５ｎｍ）の電磁波を第１の層３１０の表面（シリカの層３１１−１の表面）に励起させるシミュレーションを行った。

図８．Ａ乃至図８．Ｃに、その結果を示す。図８．Ａはｔ＝３．３ｎｓ、図８．Ｂはｔ＝６．７ｎｓ、図８．Ｃはｔ＝１０ｎｓにおける、膜厚方向（ｘ軸方向）の位置と、周波数と、電場の強さを３次元的に示したグラフ図である。図８．Ａのように、ｔ＝３．３ｎｓでは入射光は第３の層３３０（ｘ＝７８５７〜９７０７）に達するが、第２の層３２０（ｘが９７０７以上）には達しない。図８．Ｂのように、ｔ＝６．７ｎｓでは入射光は第３の層３３０の屈折率が低下したことにより第３の層３３０（ｘ＝７８５７〜９７０７）付近にトラップされる。範囲は第３の層３３０の前後５周期ずつぐらいである。図８．Ｃのように、ｔ＝１０ｎｓでは第３の層３３０の屈折率の低下と共に、第３の層３３０（ｘ＝７８５７〜９７０７）付近にトラップされた光は、その周波数が徐々に高くなっていくとともに、その周波数が４２９ＴＨｚ（波長７００ｎｍ）に達し、第２の層３２０のフォトニックバンドギャップの高周波数端（短波長端）に一致した段階で第２の層３２０を透過し、波長変換装置３００から出射される。

〔第２実施例における第３の層の具体例〕
上記の波長変換装置３００のうち、いずれも多層膜である第１の層３１０及び第２の層３２０は、既に述べた通り、チタニアとシリカの多層膜で当然構成可能である。屈折率が変化する第３の層３３０は次のように実現することができる。図９．Ａは、本発明による波長変換装置４００の断面図、図９．Ｂは多層膜部分の拡大図である。

波長変換装置４００は、振動装置４５０に固定された、形状任意の２つの透光性ガラス４０１及び４０２に挟持された多層膜４８０とから成る。波長変換装置４００は２つの透光性ガラス４０１及び４０２に挟持された多層膜４８０を所定の周期で振動させることにより、実施例２の第３の層３３０を有する波長変換装置３００を実現するものである。また、光の入射及び出射は、２つの透光性ガラス４０１及び４０２に挟持された多層膜４８０全体で行われる。

多層膜４８０は、図６の波長変換装置３００とほぼ同様の構成である。第１の層４１０は、いずれも９７ｎｍ厚の４１層のシリカの層４１１−１〜４１１−４１と４０層のチタニアの層４１２−１〜４１２−４０とを合計８１層交互に形成する。第２の層４２０は、いずれも１００ｎｍ厚の４１層のシリカの層４２１−１〜４２１−４１と４０層のチタニアの層４２２−１〜４２２−４０とを合計８１層交互に形成する。第３の層４３０は、シリカの層４１１−４１と４２１−１との間で厚さは１８５０ｎｍのチタニアで形成され、紙面に垂直方向にストライプ状に形成された「空隙部分」を有する。当該空隙部分の屈折率は１である。

第３の層４３０はストライプ状に形成された幅２μｍのチタニア部分と、幅２μｍのチタニアの無い空隙部分とから成る。電磁波では波長程度以下の構造は識別できないことから、チタニア部分と空隙部分との境界は鮮明には識別されずに、それぞれの屈折率が徐々に変化する境界として認識される。

こうして、圧電素子などを用いた振動装置４５０により第３の層４３０を紙面内上下方向に２μｍ動かすと、屈折率を２．５（チタニア相当）から１（空隙相当）あるいはその逆に徐々に変化させることができる。これは実施例１の場合と原理として同じである。さらに、この変化の速度は、上記のシミュレーションより１４．３ｎｓであり、往復では２８．６ｎｓである。これを振動の周波数に直すと、１／（２８．６ｎｓ）＝３５ＭＨｚとなる。この振動の周波数は、圧電セラミックなどを使えば、実現可能なレベルである。そこで、圧電セラミックなどを用いた振動装置により、考案した多層膜を振動させることで、波長変換装置を実現できる。

本発明では非線形光学材料を用いないことから、強度が低い入射波でも波長変換が可能である。たとえば、暗視カメラの機能をもつ膜、即ち赤外線を入射させて可視光に変換して出力する装置に応用できる。

本発明に係る波長変換装置１００の層構成を示す断面図。 本発明に係る波長変換装置１００の、第１の層１０と第２の層２０のそれぞれの光周波数に対する透過率を示したグラフ図。 第１の層１０と第２の層２０のフォトニックバンドギャップと、第３の層３０の作用を説明するための概念図。 シミュレーション結果を示す三次元グラフ図。 本発明に係る波長変換装置２００の構成図。 本発明に係る波長変換装置３００の層構成を示す断面図。 本発明に係る波長変換装置３００の、第１の層３１０と第２の層３２０のそれぞれの光周波数に対する透過率を示したグラフ図。 シミュレーション結果を示す三次元グラフ図。 本発明に係る波長変換装置４００の構成図。

符号の説明

１０：第１の層（フォトニックバンドギャップを有する多重層）
２０：第２の層（第１の層のフォトニックバンドギャップと異なるフォトニックバンドギャップを有する多重層）
３０：第３の層（実効屈折率変化層）
１１−１〜２１、２１−１〜２１：アルミナの層
１２−１〜２０、２２−１〜２０：ケイ素の層
３１１−１〜４１、３２１−１〜４１：シリカの層
３１２−１〜４０、３２２−１〜４０：チタニアの層

Claims (5)

1. フォトニックバンドギャップを有する第１の層と、
   前記第１の層のフォトニックバンドギャップと一部重なり、且つより長い波長帯域に渡ってフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、
   前記第１の層と前記第２の層との間に形成された、実効屈折率を時間的に変化可能な第３の層とから成り、
   前記第１の層に、そのフォトニックバンドギャップの長波長端の光を入射させながら、前記第３の層の実効屈折率を減少させることで前記第２の層からそのフォトニックバンドギャップの短波長端の光を出射させることを特徴とする波長変換装置。
2. 前記第３の層は、
   第１の屈折率から成る第１の構成材料が膜厚方向全体に充填された第１の部分と、
   前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率から成る第２の構成材料が膜厚方向全体に充填された第２の部分と、
   それらの間に形成され、前記第１の部分から前記第２の部分にかけて、前記第１の構成材料の膜厚が減り且つ前記第２の構成材料の膜厚が増えるように形成された、構成材料膜厚比変化部分とから成り、
   前記第１の層に入射された長波長端の光が、時間と共に前記第１の部分、前記構成材料膜厚比変化部分、前記第２の部分に入射するように前記第３の層を膜厚方向と垂直方向に移動又は回転させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. フォトニックバンドギャップを有する第１の層と、
   前記第１の層のフォトニックバンドギャップと一部重なり、且つより短い波長帯域に渡ってフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、
   前記第１の層と前記第２の層との間に形成された、実効屈折率を時間的に変化可能な第３の層とから成り、
   前記第１の層に、そのフォトニックバンドギャップの短波長端の光を入射させながら、前記第３の層の実効屈折率を増加させることで前記第２の層からそのフォトニックバンドギャップの長波長端の光を出射させることを特徴とする波長変換装置。
4. 前記第３の層は、
   第１の屈折率から成る第１の構成材料が膜厚方向全体に充填された第１の部分と、
   前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率から成る第２の構成材料が膜厚方向全体に充填された第２の部分と、
   それらの間に形成され、前記第１の部分から前記第２の部分にかけて、前記第１の構成材料の膜厚が減り且つ前記第２の構成材料の膜厚が増えるように形成された、構成材料膜厚比変化部分とから成り、
   前記第１の層に入射された短波長端の光が、時間と共に前記第１の部分、前記構成材料膜厚比変化部分、前記第２の部分に入射するように前記第３の層を膜厚方向と垂直方向に移動又は回転させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
5. 前記第１の層と前記第２の層とは、各々多重層からなるブラッグ反射層を形成していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の波長変換装置。

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