JP2009063754A - 溝型導光格子構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡潔な構造で高い精度と高い効率とを達成することができるようにした透過型回折格子として用いることが可能な溝型導光格子構造およびその製造方法を提供する。また、作製に手間を必要とせず、小型で薄型のカップラあるいは透過型回折格子として用いることが可能な溝型導光格子構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】固体状の透明媒質よりなる板状体あるいはプリズム形状である溝型導光格子構造であって、上記溝型導光格子構造における上記溝型導光格子構造の外部領域との界面である表面に、複数の溝が隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が上記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜して刻設されているものであり、上記溝は、ダイサーにより刻設するようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、溝型導光格子構造およびその製造方法に関し、さらに詳細には、テラヘルツ波発生器、大気環境学、天文学、地球惑星科学、気象学、化学、生物学あるいは医学などにおける各種の分光計測装置や分光分析装置、化学工業、食品製造あるいは衛星関連製品製造などにおける品質管理装置、光通信やレーザー関連機器などの通信情報分野などに用いて好適なカップラあるいは透過型回折格子として用いることが可能な溝型導光格子構造に関するものであり、より詳細には、光通信の導波路用波長弁別器や混合器となる透過型回折格子あるいはテラヘルツ波発生用非線形光学結晶などに用いるカップラとして用いることが可能な溝型導光格子構造に関する発明であり、特に、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶に用いて好適なカップラとして用いることが可能な溝型導光格子構造およびその製造方法に関するものである。

近年、空港等における爆発物や化学物質の遠隔検出手段として、テラヘルツ波の透過観察法が注目されている。こうした観測装置においては、テラヘルツ波発生器の非線形光学結晶に接するように配置されたテラヘルツ波出射用カップラが用いられている。

従来より、テラヘルツ波を発生させる手段として、例えば、ニオブ酸リチウム等の非線形光学結晶に２波長のレーザー光（ポンプ光およびシード光）を同時に入射させて、パラメトリック発振によりテラヘルツ波を発生させるようにした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（以下、適宜に「ｉｓ−ＴＰＧ方式」と称する。）や、非線形光学結晶にフェムト秒レーザー（１フェムト秒＝１０^−１５秒）を照射してテラヘルツ波を発生させる光伝導方式が知られており、既に実用化されている。

ここで、上記したｉｓ−ＴＰＧ方式によれば、シード光の波長を選択することにより、当該シード光の波長に応じた任意の周波数のテラヘルツ波を得ることができるものである。

また、上記した光伝導方式の場合は、フェムト秒レーザーが持つ広い帯域中の波長成分間での差周波混合であるため、広い周波数帯域のテラヘルツ波を発生させることができるものである。

ところで、上記したような手法により非線形光学結晶を用いてテラヘルツ波を発生することができるが、テラヘルツ波は非線形光学結晶内での吸収が大きいために、結晶の表面近傍、即ち、非線形光学結晶と外部媒質との界面近傍でテラヘルツ波を発生させる必要がある。

ここで、図１には、上記した従来の手法により非線形光学結晶を用いてテラヘルツ波を発生させた場合の非線形光学結晶内におけるテラヘルツ波の動きを概念的に図示した説明図が示されている。

即ち、ｉｓ−ＴＰＧ方式を用いてテラヘルツ波を発生させる場合には、まず、非線形光学結晶１００内に外部より所定の波長に調整したポンプ光およびシード光を導入することにより、非線形光学結晶１００内でテラヘルツ波を発生させることができる。

そして、このようにして発生したテラヘルツ波は、非線形光学結晶１００の表面へ向かって進むものであるが、非線形光学結晶１００を形成するニオブ酸リチウムは屈折率が６程度と非常に大きく、また、非線形光学結晶１００表面の法線方向から測った場合の臨界角がわずか１０度程度と極めて小さいため、非線形光学結晶１００と外部媒質（空気または真空）との界面において全反射し、非線形光学結晶１００の表面１００ａにおける臨界角を超えてしまい、非線形光学結晶１００内で吸収されて減衰していくため、非線形光学結晶１００の外部にテラヘルツ波を取り出せないという問題点があった。

このため、こうしたテラヘルツ波を非線形光学結晶１００の外部に取り出すために、界面である非線形光学結晶１００の表面１００ａに中間的な屈折率を有する物質で構成されたプリズム等のカップラを配設するという手法が用いられている。

即ち、非線形光学結晶１００の表面１００ａにカップラを配置することにより、テラヘルツ波を取り出すことが可能となり、こうしたカップラとしては、高抵抗（高純度）シリコンにより形成されたプリズムが多く使用されている。

図２には、高抵抗シリコンにより形成されたプリズムよりなるカップラ１０２を用いて、非線形光学結晶１００内部で発生したテラヘルツ波を非線形光学結晶１００の外部へ取り出す際のテラヘルツ波の動きを概念的に図示した説明図が示されている。

ところで、図２に示されるように、非線形光学結晶１００に対して大きなシリコンプリズムのカップラ１０２を用いた場合には、光源サイズが大きくなってしまうため取り扱い難くなるとともに、発生したテラヘルツ波がシリコンに吸収されることにより損失が大きく効率が悪いという問題点があった。

さらに、非線形光学結晶１００内において発生するテラヘルツ波は周波数により出射角がわずかに異なるため、すべての周波数を同一方向に導くためには、新たに回折格子等の混合器を設置する必要があるという新たな問題点を招来するものであった。

一方、非線形光学結晶に対してシリコンプリズムのカップラの大きさを小さくした場合には、非線形光学結晶の表面積に合わせて多数のカップラを精度良く整列させる必要があるため、こうした作業は極めて煩雑でありコスト高を招来するという問題点があった。

また、上記したシリコンプリズムのカップラとして、図３に示すように、異方性エッチングにより加工されたシリコンの格子１０４が用いられている場合にはこうしたシリコンの格子１０４は光の出射表面１０４ａが階段形状をしており、それぞれのＶ溝の角度αが７２度に固定されるために形状の自由度が少なく、非線形光学結晶１００と格子１０４との界面および格子１０４と空気あるいは真空などの外部媒質との界面においてフレネル反射損失が生じる等、必ずしも最適な条件で使用することができないという問題点があった。

Ｈａｙａｓｈｉ、Ｓｈｉｎ’ｉｃｈｉｒｏ；Ｍｉｎａｍｉｄｅ、Ｈｉｒｏａｋｉ；Ｉｋａｒｉ、Ｔｏｍｏｆｕｍｉ；Ｏｇａｗａ、Ｙｕｉｃｈｉ；Ｓｈｉｋａｔａ、Ｊｕｎ−Ｉｃｈｉ；Ｉｔｏ、Ｈｉｒｏｍａｓａ；Ｏｔａｎｉ、Ｃｈｉｋｏ；Ｋａｗａｓｅ、Ｋｏｄｏ、"Ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｐａｌｍｔｏｐ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ"、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ＩＰ、１１７−１２３、（２００７） Ｋ．Ｋａｗａｓｅ、Ｊ．Ｓｈｉｋａｔａ、Ｈ．Ｉｔｏ、"ＴＯＰＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗａｖｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｏｕｒｃｅ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｒ１−Ｒ１４、（２００１）

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡潔な構造で高い精度と高い効率とを達成することができるようにしたカップラあるいは透過型回折格子として用いることが可能な溝型導光格子構造およびその製造方法を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、作製に手間を必要とせず、小型で薄型のカップラあるいは透過型回折格子として用いることが可能な溝型導光格子構造およびその製造方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による溝型導光格子構造およびその製造方法は、板状体あるいはプリズム形状の表面に所定の幅と深さを有する複数のスリット状の溝を互いに平行に配置し、溝の側面において全反射または溝の周期構造と光波とのカップリングにより、溝型導光格子構造の外部へテラヘルツ波などの光を導くようにしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、固体状の透明媒質よりなる板状体あるいはプリズム形状である溝型導光格子構造であって、上記溝型導光格子構造における上記溝型導光格子構造の外部領域との界面である表面に、複数の溝が隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が上記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜して刻設されているようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、さらに、上前記溝の内部に所定の材質を充填し、上記溝の内部に充填する所定の材質の屈折率を、上記溝型導光格子構造を形成する固体状の透明媒質が有する屈折率よりも低くしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記溝の幅は、上記溝型導光格子構造内に入射された電磁波を上記溝の側面において全反射し、上記溝型導光格子構造の外部に出射するように設定するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、さらに、上記溝の内部に所定の材質を充填し、上記溝の内部に充填する所定の材質の屈折率を、上記溝型導光格子構造を形成する固体状の透明媒質が有する屈折率よりも高くしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または４のいずれか１項に記載の発明において、上記溝の幅と上記溝が隣接して配置される間隔とは、上記溝型導光格子構造内に入射された電磁波が上記溝の側面で反射する電磁波と透過する電磁波とに分岐し、上記反射する電磁波は上記透過する電磁波とは異なる透過する電磁波と合わさり、かつ、上記透過する電磁波は上記反射する電磁波とは異なる反射する電磁波と合わさり、上記溝型導光格子構造の外に出射されるように設定するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、上記溝の幅は、入射する電磁波の波長以下とするようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の発明において、固体状の透明媒質よりなる板状体あるいはプリズム形状である溝型導光格子構造の表面をダイサーにより刻設して、上記表面に複数の溝を隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が上記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜するように形成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明において、本発明のうち請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の発明において、固体状の透明媒質よりなる板状体である溝型導光格子構造の表面をレーザーアブレーションにより刻設して、上記表面に複数の溝を隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が前記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜するように形成するようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、簡潔な構造で高い精度と高い効率とを達成することが可能な溝型導光格子構造およびその製造方法を提供することができるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、作製に手間を必要とせず、小型で薄型の溝型導光格子構造およびその製造方法を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による溝型導光格子構造およびその製造方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

まず、図４には、本発明による溝型導光格子構造１０の第１の実施の形態の概念構成断面説明図が示されている。

この溝型導光格子構造１０は、固体状の透明媒質よりなる板状体である。こうした溝型導光格子構造１０は、真空中や透明媒質（気体、液体または固体）中で使用されるものである。

そして、この溝型導光格子構造１０の表面１０ｂには複数の溝１０ａの開口部が互いに並行であるように刻設されている。

なお、溝１０ａの開口部は、溝型導光格子構造１０の長辺を有する側面が図４に示したＸＹＺ直交座標系を示す参考図におけるＸＹ平面に平行であるように載置されている場合において、Ｚ軸に平行であるように並んでいるものである。

溝１０ａの開口部は長方形形状であり、図４に示すように、各溝１０ａは開口部からＹ軸と平行あるいはＹ軸方向における左斜め下方向へ所定の深さを有する。

より詳細には、この複数の溝１０ａはすべて、所定の長さｄ１と所定の幅ｗ１とを有しており、溝型導光格子構造１０の表面１０ｂに対して角度θ１だけ傾斜して整列している。

上記した構成を有する溝型導光格子構造１０は、例えば、非線形光学結晶１００上に載置され、非線形光学結晶１００内においてパラメトリック発振により発生されたテラヘルツ波を非線形光学結晶１００から外部に取り出すためのカップラとして用いられるものである。

なお、その際には、非線形光学結晶１００の長辺と溝型導光格子構造１０の長辺とが平行になるように向きをあわせて載置するようにすることが好ましい。

ここで、溝型導光格子構造１０を非線形光学結晶１００上に載置して、非線形光学結晶１００内においてパラメトリック発振により発生された波長３０〜６００μｍのテラヘルツ波を非線形光学結晶１００から外部に取り出すためのカップラとして用いる場合について具体的に説明すると、溝型導光格子構造１０の材質としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、シリコン、ダイアモンドおよび樹脂などを用いることが好ましい。なお、本実施の形態においては、溝型導光格子構造１０の材質としてシリコンを選択し、シリコンにより形成された溝型導光格子構造１０を用いた。

そして、溝型導光格子構造１０は長方体形状を備えるものとして、その寸法は、縦１０〜１００ｍｍ、横１．５〜５０ｍｍ、高さ１〜２０ｍｍとした。

また、ある溝１０ａと当該溝１０ａと隣り合う溝１０ａとの間隔たるピッチｐ１は、テラヘルツ波の媒質中における波長に対して１．５倍以上とし、本実施の形態においては、ピッチｐ１を５０〜５０００μｍとした。

さらに、溝１０ａの深さｄ１は格子間隔であるピッチｐ１の値の１〜２０倍とし、本実施の形態においては、深さｄ１を３０〜１２０００μｍとした。

さらにまた、溝１０ａの幅ｗ１は、テラヘルツ波の媒質中における波長に対して０．５倍以上とし、本実施の形態においては、溝１０ａの幅ｗ１を１５〜１０００μｍとした。

そして、溝１０ａと表面１０ｂとがなす角θ１は、４５〜９０度の範囲内であるものとし、本実施の形態においては、溝１０ａと表面１０ｂとがなす角θ１を６０〜９０度とした。

また、本実施の形態においては、溝型導光格子構造１０の下部に配置する非線形光学結晶１００の材質としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いるものとした。

以上の構成において、図５を参照しながら溝型導光格子構造１０によるテラヘルツ波の発生について説明する。
即ち、まず、ポンプ光を発生する光源（図示せず。）とシード光を発生する光源（図示せず。）とによりポンプ光とシード光とをそれぞれ発生させ、溝型導光格子構造１０の下部に設置した非線形光学結晶１００にポンプ光とシード光とを同時に入射する。

こうして非線形光学結晶１００にポンプ光とシード光とを同時に入射することにより、パラメトリック発振により発生されたテラヘルツ波１２は、溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００との界面に向かって進む。

そして、溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００との界面に向かって進んだテラヘルツ波１２は、溝型導光格子構造１０に入射する際に、溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００との界面において、その大部分は屈折してテラヘルツ波１２ａとして溝型導光格子構造１０に入射するが、その一部は溝型導光格子構造１０に入射されずに溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００との界面において反射され、非線形光学結晶１００内に戻るテラヘルツ波１２ｂとなる（図５を参照する。）。

なお、溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００との界面において反射されたテラヘルツ波１２ｂは、非線形光学結晶１００内で吸収されて減衰する。

一方、上記したように非線形光学結晶１００から溝型導光格子構造１０へ入射したテラヘルツ波１２ａは、溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００との屈折率の違いに応じて（スネルの法則に従って）屈折する。こうしたテラヘルツ波１２ａは直進した後に、溝１０ａの側面において全反射するものである。

そして、溝１０ａの側面において全反射したテラヘルツ波１２ａは、直進し、溝型導光格子構造１０と空気または真空である外部媒質との界面に到達する。そして、テラヘルツ波１２ａの大部分は、テラヘルツ波１２ｄとして溝型導光格子構造１０と外部媒質との界面である表面１０ｂより溝型導光格子構造１０の外に出射される。

より詳細には、テラヘルツ波１２ａが溝型導光格子構造１０より出射される際に、テラヘルツ波１２ａの一部であるテラヘルツ波１２ｃは、溝型導光格子構造１０と外部媒質との界面において反射して溝型導光格子構造１０内に戻る。

しかしながら、テラヘルツ波１２ａの大部分であるテラヘルツ波１２ｄは、溝型導光格子構造１０と空気または真空である外部媒質との界面で反射せずに、溝型導光格子構造１０の外部へ出射されることになるものである。

ここで、溝型導光格子構造１０と外部媒質との界面において反射されたテラヘルツ波１２ｃは、溝型導光格子構造１０内から再び非線形光学結晶１００に入射減衰するか、反射を繰り返して溝１０ａより溝型導光格子構造１０の外部へ出射する。

一方、溝型導光格子構造１０より外部へ出射したテラヘルツ波１２ｄは、溝型導光格子構造１０と外部媒質との界面においてスネルの法則に従って屈折しながら外部媒質中へ放出されるものであり、溝型導光格子構造１０によれば、少ない損失で効率よくテラヘルツ波を得ることができるものである。

次に、図６を参照しながら、本発明による溝型導光格子構造の第２の実施の形態について説明する。

ここで、本発明による溝型導光格子構造の第２の実施の形態の原理について簡単に説明すると、屈折率が高い媒質ａから媒質ａよりも屈折率が低い媒質ｂに電磁波が入射する際に、電磁波が臨界角を超えて入射した場合であっても、屈折率が低い媒質ｂに波長程度の距離にわたってエバネッセント波と呼ばれる電磁波が漏れ出すことが知られている。

本発明による溝型導光格子構造の第２の実施の形態においては、溝型導光格子構造に刻設する溝の幅（光学長）を波長以下の寸法、具体的には波長の４分の１程度の幅を有するようになされており、こうした溝型導光格子構造に入射された電磁波は溝の側面を透過する（光トンネル効果）ことができ、等価的に屈折率変調格子が形成される。溝の幅、溝同士の間隔および溝の深さをテラヘルツ波と溝の電磁気的なカップリングが強い条件になるように調整された溝型導光格子構造を用いることにより、高い回折効率が得られるものである。

こうした第２の実施の形態の溝型導光格子構造２０（図６参照）は、上記した第１の実施の形態の溝型導光格子構造１０（図４参照）と比較すると、非線形光学結晶で溝型導光格子構造２０を構成している点と、溝型導光格子構造２０の表面２０ｂに刻設された溝２０ａが有する幅ｗ２が溝型導光格子構造１０の溝１０ａの幅ｗ１に比べて細く、かつ、溝２０ａの内部に樹脂などが充填されている点とにおいて異なっている。

こうした、第２の実施の形態の溝型導光格子構造２０によれば、溝の深さを波長の１．５〜１０倍にすることができるため、シリコン等の透過型回折格子を用いることなく非線形光学結晶の溝型導光格子構造２０のみでテラヘルツ波を非線形光学結晶の外部に取り出すことが可能になるものである。

具体的には、溝型導光格子構造２０は、固体状の透明媒質よりなる直方体形状を備えている。こうした溝型導光格子構造２０は、真空中や透明媒質（気体、液体または固体）中で使用されるものである。

こうした溝型導光格子構造２０の長辺を有する側面が、図６に示したＸＹＺ直交座標系を示す参考図におけるＸＹ平面に平行であるように載置されている場合には、Ｚ軸に平行であるように複数の深い溝２０ａが溝型導光格子構造２０の表面に刻設されている。

溝２０ａの開口部は、長方形形状をしており、その長辺が図６に示したＸＹＺ直交座標系を示す参考図におけるＺ軸に平行に複数並んでおり、各溝２０ａは、図６に示すように、開口部からＹ軸と平行あるいはＹ軸方向における左斜め下方向へ所定の深さを有するように形成されているものである。

より詳細には、この複数の溝２０ａはすべて、所定の長さｄ２と所定の幅ｗ２とを有しており、溝型導光格子構造２０の表面２０ｂに対して角度θ２傾斜しており、かつ、複数の溝２０ａが互いに平行であるように整列している。

ここで、溝型導光格子構造２０を用いてパラメトリック発振により波長３０〜６００μｍのテラヘルツ波を発生させる場合について具体的に説明すると、溝型導光格子構造２０の材質としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、シリコン、ダイアモンドおよび樹脂などが挙げられるが、本発明による第２の実施の形態においては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いた。

そして、溝型導光格子構造２０は非線形光学結晶の表面に形成されるものとして、その寸法は、縦１０〜１００ｍｍ、横１．５〜５０ｍｍとした。

また、ある溝２０ａと当該溝２０ａと隣り合う溝２０ａとの間隔たるピッチｐ２は、テラヘルツ波の媒質中における波長に対して０．５〜１０倍程度とし、本実施の形態においては、ピッチｐ２を１．５〜６０００μｍとした。

さらに、溝２０ａの深さｄ２は格子間隔であるピッチｐ２の値の１．５〜１００倍とし、本実施の形態においては、深さｄ２を３０〜６０００μｍとした。

さらにまた、溝２０ａの幅ｗ２は、テラヘルツ波の媒質中における波長に対して１倍以下とし、本実施の形態においては、溝２０ａの幅ｗ２を７．５〜１５０μｍとした。

そして、溝２０ａと表面２０ｂとがなす角θ２は、４５〜９０度の範囲内であるものとし、本実施の形態においては、溝２０ａと表面２０ｂとがなす角θ２を６０〜９０度とした。

また、溝２０ａの内部には樹脂などが充填されるが、その材質としては、例えば、ポリエチレンや透明な樹脂などが挙げられる。なお、本実施の形態においては、透明な樹脂を充填するものとした。

以上の構成において、図７を参照しながら溝型導光格子構造２０によるテラヘルツ波の発生および伝搬について幾何光学的に概念を説明する。

まず、はじめに、ポンプ光を発生する光源（図示せず。）とシード光を発生する光源（図示せず。）とを用いてポンプ光とシード光とをそれぞれ発生させ、溝型導光格子構造２０の下部２０ｃにポンプ光とシード光とを同時に入射する。

なお、ポンプ光とシード光とを入射する溝型導光格子構造２０の下部２０ｃとは、溝型導光格子構造２０において、溝型導光格子構造２０の表面に刻設された溝２０ａの下端部２０ａａよりも下方の領域を意味するものである。

そうすると、溝型導光格子構造２０の下部２０ｃへのポンプ光とシード光との同時に入射によるパラメトリック発振により発生されたテラヘルツ波２２は、溝型導光格子構造２０の下部２０ｃから溝型導光格子構造２０の表面２０ｂへ向かい斜め上方向へ出射され、溝２０ａの下端部２０ａａ付近の側面に到達し、溝２０ａの側面に反射するテラヘルツ波２２ａと溝２０ａを透過するテラヘルツ波２２ｂとに分岐される。

そして、溝２０ａに反射したテラヘルツ波２２ａは、そのまま溝型導光格子構造２０の透明媒質中を直進し、先ほど反射した溝２０ａと隣接する他の溝２０ａの側面上のある地点Ａに到達する。このとき、新たな溝２０ａの側面の地点Ａに到達したテラヘルツ波２２ａは、溝２０ａを透過する。

一方、溝２０ａの下端部２０ａａ付近の側面に到達し、溝２０ａの側面を透過したテラヘルツ波２２ｂは、溝型導光格子構造２０の透明媒質内をさらに直進し、先ほど透過したある溝２０ａと隣接する他の溝２０ａの側面上の地点Ａに到達する。このとき、新たな溝２０ａの側面の地点Ａに到達したテラヘルツ波２２ｂは、溝２０ａを透過する。

即ち、テラヘルツ波２２ａとテラヘルツ波２２ｂとは、同じ地点Ａにおいて合流するものである。

こうした地点Ａにおいて、テラヘルツ波２２ａは溝２０ａを透過し、一方、テラヘルツ波２２ｂは溝２０ａに対して正反射する。そして、透過したテラヘルツ波２２ａと反射したテラヘルツ波２２ｂとが合わさり、テラヘルツ波２２ｃとなる。

テラヘルツ波２２ｃは、地点Ａより斜め上方側に直進し、溝型導光格子構造２０と外部媒質との界面たる溝型導光格子構造２０の表面２０ｂまで到達する。

表面２０ｂに到達したテラヘルツ波２２ｃの大部分は表面２０ｂより溝型導光格子構造２０の外部に出射されるテラヘルツ波２２ｄとなり、溝型導光格子構造２０と外部媒質との界面である表面２０ｂより溝型導光格子構造２０の外に出射される。

このとき、テラヘルツ波２２ｃは溝型導光格子構造２０と外部媒質との界面において反射し溝型導光格子構造２０内に戻るテラヘルツ波２２ｅと、溝型導光格子構造２０と外部媒質との界面で反射せずに、溝型導光格子構造２０の外部へ出射されるテラヘルツ波２２ｄとに分かれるものである。

そして、溝型導光格子構造２０と外部媒質との界面において反射し、溝型導光格子構造２０内に戻ったテラヘルツ波２２ｅは、溝型導光格子構造２０内に吸収され減衰する。

一方、溝型導光格子構造２０より外部へ出射したテラヘルツ波２２ｄは、溝型導光格子構造２０と外部媒質との界面においてわずかに屈折し、外部媒質中へ放出される。このようにして、本発明によれば少ない損失で効率よくテラヘルツ波を得ることができるものである。

ここで、溝型導光格子構造１０ならびに溝型導光格子構造２０の作製方法について、以下に説明する。

まず、溝型導光格子構造１０の溝１０ａは、例えば、シリコンウエハからＩＣチップを切断する際に使用されるダイサーやレーザーアブレーション装置を用いることにより、容易に形成することが可能である。

従って、ダイサーを用いて直方体形状のシリコンにスリット状の溝を複数刻設することにより、溝型導光格子構造１０を作成することが可能である。

同様に、溝型導光格子構造２０の溝２０ａもまた、ダイサーやレーザーアブレーション装置を用いて形成することが可能である。

従って、直方体形状の非線形光学結晶にダイサーを用いてスリット状の溝を複数刻設し、さらに、刻設された複数のスリット状の溝に樹脂を充填する。

より詳細には、溝型導光格子構造２０の表面２０ｂ上に液体状態の樹脂を溝２０ａ内部に入るように垂らしていき、すべての溝２０ａ内に樹脂を充填し終えたら、溝型導光格子構造２０の表面２０ｂにあふれた樹脂を拭き取り、溝２０ａ内の樹脂を硬化させる。こうして溝型導光格子構造２０が得られる。

上記において説明したように、本発明による溝型導光格子構造１０ならびに２０はスリット状の溝を整列させた回折格子であり、テラヘルツ波発生のための非線形光学結晶用カップラとして有効である。

また、本発明による溝型導光格子構造１０によれば、従来の回折格子が有する階段形状の格子の代わりにスリット状の深い溝の格子による全反射を利用することにより、簡単な構造でありながら高い精度と高い効率を得ることができるようになる。

そして、本発明による溝型導光格子構造２０において、テラヘルツ波と格子の電磁気的なカップリングが強い条件に調整したことにより、等価的に屈折率変調格子が形成されるため、ボリュームフェイズホログラフィック（ＶＰＨ：Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ）回折格子のように、テラヘルツ波の入射角と出射角をＢｒａｇｇの条件を満足させることにより、高い効率を得ることができるようになる。

さらに、上記した本発明による溝型導光格子構造２０においては、溝２０ａ内部に樹脂を充填することで、溝２０ａ内に塵埃が入ることを防止し、屈折率の差を小さくする効果がある。

また、溝型導光格子構造１０ならびに２０の格子間隔を調整することにより、非線形光学結晶内において発生するテラヘルツ波の出射角の周波数依存性を打ち消すことも可能である。

そして、これら本発明による溝型導光格子構造１０ならびに溝型導光格子構造２０によれば、シリコンウエハからＩＣチップを切断する際に使用されているダイサーやレーザーアブレーション装置を用いることにより、あるいはシリコン等の基板に回折格子を加工したものを非線形光学結晶と接合したり、非線形光学結晶にスリット状回折格子を直接加工することでテラヘルツ波を得られる回折格子を作成することができるため、従来のシリコンカップラと比較して安価で高精度の回折格子を実現することができるようになる。

さらに、上記した本発明による溝型導光格子構造１０ならびに溝型導光格子構造２０によれば、非線形光学結晶に直接溝型導光格子構造を加工したり、非線形光学結晶と同一の屈折率を有する材質の溝型導光格子構造を用いて非線形光学結晶と接合することができるため、溝型導光格子構造と非線形光学結晶との界面におけるフレネル反射損失を軽減できるため、効率よくテラヘルツ波を得ることができるようになる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（８）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、本発明をテラヘルツ波の発生に用いる場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、溝型導光格子構造２０および非線形光学結晶１００の材質を所望の光に対応した材質に変えることにより、別の波長の光を得ることが可能である。例えば、波長２００〜３０００ｎｍの近紫外線〜可視光〜近赤外線において使用する場合には、溝型導光格子構造１０および２０および非線形光学結晶１００の材質として、例えば、各種光学結晶、各種光学ガラスや樹脂などを用いればよい。また、波長３〜３０μｍの中間赤外線において使用する場合には、溝型導光格子構造１０および２０の材質として、例えば、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、カドミウムテルル（ＣｄＴｅ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、ゲルマニウム、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、シリコン、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）や硫化亜鉛（ＺｎＳ）などを用いればよい。また、波長３００μｍ以上の電波において使用する場合には、溝型導光格子構造１０および２０として、例えば、樹脂、ガラス、非金属結晶、セラミックス、乾燥した木材やコンクリートなどを用いればよい。

（２）上記した実施の形態においては、溝型導光格子構造２０の溝２０ａに樹脂を充填して用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、溝２０ａ内に樹脂などを充填せずに空洞の状態で用いてもよいものである。

（３）上記した実施の形態においては、第１の実施の形態における溝型導光格子構造１０の溝１０ａには樹脂などを充填していないが、これに限られるものではないことは勿論であり、金属や不透明物質や溝型導光格子構造１０の材料よりも屈折率が高い材質を充填して用いてもよいものである。

（４）上記した実施の形態においては、溝型導光格子構造２０の溝２０ａに充填する材料として樹脂を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、イオン結晶を用いてもよい。ポリエチレンは、近紫外線、可視光および近赤外線（３００〜２５００ｎｍ）ならびにテラヘルツ波（１７〜３００μｍ）を扱う場合に適しており、中間赤外線を扱う場合には、ＣｓＩやＫＢｒなどのイオン結晶を水溶液から析出させたものが考えられる。

（５）上記した実施の形態においては、第１の実施の形態において、溝型導光格子構造１０と非線形光学結晶１００とを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、第２の実施の形態で行ったように非線形光学結晶１００の材質を基板として格子を加工することで、溝型導光格子構造１０として用いても良いものである。また、第２の実施の形態において、溝型導光格子構造２０は非線形光学結晶に溝２０ａを刻設したものであったが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による第１の実施の形態における溝型導光格子構造１０のように、溝型導光格子構造と非線形光学結晶とをそれぞれ個別に用意するようにしてもよい。

（６）上記した実施の形態においては、溝型導光格子構造１０ならびに溝型導光格子構造２０の加工にダイサーを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、溝型導光格子構造１０ならびに溝型導光格子構造２０の加工にはレーザーアブレーションなどの技術を用いるようにしてもよいものである。

（７）上記した実施の形態においては、溝型導光格子構造１０の表面１０ｂならびに溝型導光格子構造２０の表面２０ｂに対して特殊な処理を施さなかったが、これに限られるものではないことは勿論であり、溝型導光格子構造と外部媒質（真空、気体、液体または固体）との界面における反射損失を最小に抑えるために、溝型導光格子構造１０の表面１０ｂならびに溝型導光格子構造２０の表面２０ｂにポリエチレン等からなる反射防止膜を施しても良いものである。

（８）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（７）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、分光計測装置あるいは分光分析装置などに使用される分散素子や、光通信用あるいはレーザー光学などにおいて用いられるビーム分配器、ビーム混合器あるいは波長弁別器などに使用される回折光学素子などとして利用することができる。

図１は、従来の方法による非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生の際の、カップラを使用しない場合の非線形光学結晶内のテラヘルツ波の動きを表した概念説明図である。 図２は、従来の方法によるシリコンプリズムのカップラと非線形光学結晶とを用いたテラヘルツ波発生の際の、非線形光学結晶内で発生したテラヘルツ波の動きを表した概念説明図である。 図３は、従来の方法による異方性エッチング加工されたシリコン回折格子のカップラと非線形光学結晶とを用いたテラヘルツ波発生の際の、非線形光学結晶内で発生したテラヘルツ波の動きを表した概念説明図である。 図４は、本発明による溝型導光格子構造の第１の実施の形態を示す概念構成断面説明図である。 図５は、本発明による溝型導光格子構造の第１の実施の形態における、溝型導光格子構造内でのテラヘルツ波の動きを表した概念説明図である。 図６は、本発明による溝型導光格子構造の第２の実施の形態を示す概念構成断面説明図である。 図７は、本発明による溝型導光格子構造の第２の実施の形態における、溝型導光格子構造内でのテラヘルツ波の動きを表した概念説明図である。

符号の説明

１０ 溝型導光格子構造
１０ａ 溝
１０ｂ 表面
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ テラヘルツ波
２０ 溝型導光格子構造
２０ａ 溝
２０ａａ 下端部
２０ｂ 表面
２０ｃ 下部
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ テラヘルツ波
１００ 非線形光学結晶
１００ａ 表面
１０２ カップラ
１０４ 回折格子
１０４ａ 出射表面

Claims (8)

1. 固体状の透明媒質よりなる板状体あるいはプリズム形状である溝型導光格子構造であって、
   前記溝型導光格子構造における前記溝型導光格子構造の外部領域との界面である表面に、複数の溝が隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が前記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜して刻設されている
   ことを特徴とする溝型導光格子構造。
2. 請求項１に記載の溝型導光格子構造において、さらに、
   前記溝の内部に所定の材質を充填し、
   前記溝の内部に充填する所定の材質の屈折率を、前記溝型導光格子構造を形成する固体状の透明媒質が有する屈折率よりも低くする
   ことを特徴とする溝型導光格子構造。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の溝型導光格子構造において、
   前記溝の幅は、前記溝型導光格子構造内に入射された電磁波を前記溝の側面において全反射し、前記溝型導光格子構造の外部に出射するように設定する
   ことを特徴とする溝型導光格子構造。
4. 請求項１に記載の溝型導光格子構造において、さらに、
   前記溝の内部に所定の材質を充填し、
   前記溝の内部に充填する所定の材質の屈折率を、前記溝型導光格子構造を形成する固体状の透明媒質が有する屈折率よりも高くする
   ことを特徴とする溝型導光格子構造。
5. 請求項１、２または４のいずれか１項に記載の溝型導光格子構造において、
   前記溝の幅と前記溝が隣接して配置される間隔とは、前記溝型導光格子構造内に入射された電磁波が前記溝の側面で反射する電磁波と透過する電磁波とに分岐し、前記反射する電磁波は前記透過する電磁波とは異なる透過する電磁波と合わさり、かつ、前記透過する電磁波は前記反射する電磁波とは異なる反射する電磁波と合わさり、前記溝型導光格子構造の外に出射されるように設定する
   ことを特徴とする溝型導光格子構造。
6. 請求項５に記載の溝型導光格子構造において、
   前記溝の幅は、入射する電磁波の波長以下とする
   ことを特徴とする溝型導光格子構造。
7. 請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の溝型導光格子構造の製造方法において、
   固体状の透明媒質よりなる板状体あるいはプリズム形状である溝型導光格子構造の表面をダイサーにより刻設して、前記表面に複数の溝を隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が前記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜するように形成する
   ことを特徴とする溝型導光格子構造の製造方法。
8. 請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の溝型導光格子構造の製造方法において、
   固体状の透明媒質よりなる板状体である溝型導光格子構造の表面をレーザーアブレーションにより刻設して、前記表面に複数の溝を隣接して等間隔で並行に、かつ、該溝全体が前記表面に対して垂直あるいは所定の角度傾斜するように形成する
   ことを特徴とする溝型導光格子構造の製造方法。