JP2011039231A - 電磁波発振素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって、非線形光学結晶の発振基板内でポンプ波とアイドラー波との交差角度を高精度で制御する。
【解決手段】発振素子は、非線形光学結晶からなる発振基板１１であって、ポンプ波３およびアイドラー波４が入射する入射面１１ｃを有する発振基板１１、発振基板１１に設けられており、ポンプ波３Ａとアイドラー波４Ａとの相互作用部分２０と入射面１１ｃとの間に設けられ、ポンプ波３を導波する第一の導波路２４Ａ、および発振基板１１に設けられており、ポンプ波とアイドラー波との相互作用部分２０と入射面１１ｃとの間に設けられ、アイドラー波４を導波する第二の導波路２４Ｂを備える。
【選択図】 図７
【解決手段】発振素子は、非線形光学結晶からなる発振基板１１であって、ポンプ波３およびアイドラー波４が入射する入射面１１ｃを有する発振基板１１、発振基板１１に設けられており、ポンプ波３Ａとアイドラー波４Ａとの相互作用部分２０と入射面１１ｃとの間に設けられ、ポンプ波３を導波する第一の導波路２４Ａ、および発振基板１１に設けられており、ポンプ波とアイドラー波との相互作用部分２０と入射面１１ｃとの間に設けられ、アイドラー波４を導波する第二の導波路２４Ｂを備える。
【選択図】 図７
Description
本発明は、いわゆるテラヘルツ波を発振する素子に関するものである。
テラヘルツ波は、一般的に０．１THｚ〜１０THｚまでの周波数の電磁波であり、物性、電子分光、生命科学、化学、薬品科学の基礎分野から大気環境計測、セキュリティ、材料検査、食品検査、通信などの応用分野への展開が期待されている。
テラヘルツ波発生素子として、これまで数１００GHｚ帯では後進波管（Backward wave
oscillator:BWO）、フォトミキシシング、１THｚ以上で自由電子レーザ、p-Geレーザ、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser:QCL）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
oscillator:BWO）、フォトミキシシング、１THｚ以上で自由電子レーザ、p-Geレーザ、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser:QCL）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（TDS：Time Domain
Spectroscopy）などに応用されている。
Spectroscopy）などに応用されている。
非特許文献１（「テラヘルツ波基礎と応用」（工業調査会発刊 2005年、西澤潤一編」 １０５−１１５頁）によると、結晶中の光学活性の横波格子振動（ＴＯフォノン）とテラヘルツ波の混成波であるポラリトンによる誘導ラマン散乱（ポラリトン誘導散乱と呼ぶ）により、ポンプ波とアイドラー波、およびテラヘルツ波の３波間のパラメトリック相互作用が強く生じる。この結果、ポンプ波が、あるしきい値を超えると、ポンプ波と同程度のコヒーレンシーを有するアイドラー波およびテラヘルツ波が発生するとしている。ポラリトン誘導散乱は、LiNbO３、LiTaO３、GaPなどの極性結晶で観察される。 LiNbO３は,(1)光波領域で広帯域に透明（0.4nm〜5.5μｍ）、(2)光ダメージに対する耐性が高いなどの特性をもつことから、高出力なテラヘルツ波発生が可能である。
特許文献１（特開平9-146131）には、ｚ板LiNbO３基板を使用したテラヘルツ波発振素子が記載されている。図１を参照しつつ、テラヘルツ波の発振原理を述べる。図１には基板５の主面５ａを上から見た状態を示す。基板５には、ポンプ波の入射面５ｃ、ポンプ波の出射面５ｄ、側面５ｂおよび５ｅが設けられている。例えば光源１からポンプ波３を基板に照射すると共に、光源２からアイドラー波４を照射する。ポンプ波３（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波３の光軸からの散乱角α、θに応じて、アイドラー波４およびテラヘルツ波７の周波数が定まる。
本法では、典型的には、ポンプ波３の波動ベクトルｋ１とアイドラー波動ベクトルｋ２との角度αが0.5°〜1°のときに位相整合条件が満足され、高効率なテラヘルツ波７（波長100μｍ〜300μｍ：周波数3THz〜1THz）が発生する。また、テラヘルツ波は、アイドラー波に対して65°〜66°で発生するとしている。
また、非特許文献２（K. Kawase, M. Sato, T. Taniuchi, and H. Ito,
Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996）では、アイドラー波に対して共振器を構成する（テラヘルツ波パラメトリック発振：ＴＰＯ）ことで、アイドラー波の強度とともにテラヘルツ波の強度も高めることが可能としている。この場合、角度αを１°〜２°まで変化させることにより、0.97THz〜2.2THzまでの発生が可能である。ｙ板LiNbO３基板を使用し、結晶表面にシリコンプリズムを圧着することで、（１）高効率で空気中に取り出し可能であり、（２）出射角度の変化が小さくなり（波長依存性が小さい）、（３）指向性の高いテラヘルツ波発生が可能である。
Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996）では、アイドラー波に対して共振器を構成する（テラヘルツ波パラメトリック発振：ＴＰＯ）ことで、アイドラー波の強度とともにテラヘルツ波の強度も高めることが可能としている。この場合、角度αを１°〜２°まで変化させることにより、0.97THz〜2.2THzまでの発生が可能である。ｙ板LiNbO３基板を使用し、結晶表面にシリコンプリズムを圧着することで、（１）高効率で空気中に取り出し可能であり、（２）出射角度の変化が小さくなり（波長依存性が小さい）、（３）指向性の高いテラヘルツ波発生が可能である。
しかし、外部共振器を用いると、発生するアイドラー波のスペクトル線幅が広くなる（数100GHｚ）ことから、差周波により発生するテラヘルツ波の周波数が０．３THｚ以下の発生が特に困難である。このことから、例えば０．３THｚ以下のテラヘルツ波の発生には下記のように２つのレーザ光源が用いられる。
すなわち、特許文献２（特開2002-72269）では、単一周波数の励起光源（レーザ）を照射し、かつ単一周波数のアイドラー波で光注入することによって、スペクトル線幅の狭線化が可能でかつ高出力のテラヘルツ波発生方法が開示されている。しかし、テラヘルツ波の取り出しにはシリコンプリズムを使用している。
非特許文献３（第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００９春 筑波大学 ３０ｐ−Ｐ１−３ 「ニオブ酸リチウム導波路を用いたチェレンコフ型位相整合テラヘルツ光源の広帯域化」では、ｙ板、あるいはｘ板ニオブ酸リチウムのスラブ光導波路を採用することで、テラヘルツ波光源の広帯域化を図っている。図２を参照しつつ述べると、ｙ板酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウムからなる基板９の光導波路の入射面９ｃからポンプ波３、アイドラー波４を入射させる。９ａは上面であり、９ｆは底面であり、９ｅは側面である。スラブ光導波路の厚さは３．８μｍであるが、その詳細は記載されていない。本法は、（１）スラブ光導波路９の厚みを３．８μｍにすることで励起光源をスラブ導波路基板９に閉じ込め、位相不整合を低減する。（２）基板９の厚みを薄くすることで結晶表面から発生させ、結晶中でのテラヘルツ波７の吸収を回避する。（３）基板９の上面９ａにプリズム６を設けることによって、テラヘルツ波７を取り出している。
「テラヘルツ波基礎と応用」（工業調査会発刊 2005年、西澤潤一編」 １０５−１１５頁
K. Kawase, M. Sato, T. Taniuchi, and H. Ito, Appl.Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996
第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００９春 筑波大学 ３０ｐ−Ｐ１−３ 「ニオブ酸リチウム導波路を用いたチェレンコフ型位相整合テラヘルツ光源の広帯域化
本発明者は、ポンプ波とアイドラー波とを各光源から非線形光学結晶に入射させる方法を具体的に検討した。まず、前記した先行技術文献では、各光源からそれぞれ発振したポンプ波およびアイドラー波を、レンズ系を用いて空間伝播させ、結晶に入射させている。
本発明者は、ポンプ波の光源およびアイドラー波の光源をそれぞれ結晶基板の入射面にバットジョイントすることを検討した。また、ポンプ波を伝搬する光ファイバおよびアイドラー波を伝搬する光ファイバをそれぞれ結晶基板の入射面に結合する方法を検討した。しかし、例えばニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた場合、ポンプ波とアイドラー波の角度は１°〜２°以下とする必要がある（非特許文献１）。特に、０．３THz以下の周波数のテラヘルツ波を発生させるためには、ポンプ波とアイドラー波との角度αを０．１°以下にする必要があることが判明してきた。
したがって、レーザ光源や光ファイバを結晶基板の入射面に直接結合し、結晶基板内で相互作用させる方法では、レーザ光源や光ファイバの間隔を小さくしなければいけない。この結果、レーザ光源や光ファイバを設置して入射面に光学結合させたときに、レーザ光源や光ファイバから出射するポンプ波とアイドラー波との交差角度αを高精度で制御することが難しく、精度の劣化によってテラヘルツ波の出力の向上が難しいことが判明してきた。
本発明の課題は、ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって、非線形光学結晶の発振基板内でポンプ波とアイドラー波との交差角度を高精度で制御できるようにすることである。
本発明は、ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって，
非線形光学結晶からなる発振基板であって、ポンプ波およびアイドラー波が入射する入射面を有する発振基板、
発振基板に設けられており、ポンプ波とアイドラー波との相互作用部分と入射面との間に設けられ、ポンプ波を導波する第一の導波路、および
発振基板に設けられており、ポンプ波とアイドラー波との相互作用部分と入射面との間に設けられ、アイドラー波を導波する第二の導波路を備えていることを特徴とする。
非線形光学結晶からなる発振基板であって、ポンプ波およびアイドラー波が入射する入射面を有する発振基板、
発振基板に設けられており、ポンプ波とアイドラー波との相互作用部分と入射面との間に設けられ、ポンプ波を導波する第一の導波路、および
発振基板に設けられており、ポンプ波とアイドラー波との相互作用部分と入射面との間に設けられ、アイドラー波を導波する第二の導波路を備えていることを特徴とする。
本発明者は、非線形光学結晶からなる発振基板の入射面側に、ポンプ波用のガイド導波路とアイドラー波用のガイド導波路とを別々に設け、各導波路の相互作用部分側の末端で、ポンプ波およびアイドラー波の伝搬方向を精密に制御できるようにした。この際、各導波路の入射面側の末端は、外部の光ファイバや光源と正確に光軸合わせされていれば足り、ポンプ波とアイドラー波との交差角度αの精度には直接影響しない。この結果、発振基板の入射面側では、ポンプ波の入射部とアイドラー波の入射部とを十分に離すことができ、かつ入射面におけるポンプ波とアイドラー波との交差角度を制御することなく、発振基板内部で両者の交差角度αを精密に制御することができる。この結果、テラヘルツ波を高い出力で発振させる事が可能である。
本発明は、ポンプ波とアイドラー波とからバラトリック効果によって、０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子である。
すなわち、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶からなる発振基板内にポンプ波を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波とテラヘルツ波を発生させる。このとき、ポンプ波として単一周波数の第１レーザー光を使用し、かつ、アイドラー波の発生方向に単一周波数の別の第２レーザー光を光注入する。
図３〜図５は、本発明に特に適した発振素子を示すものである。
図３、４、５（ａ）に示すように、非線形光学結晶からなる発振基板１１は、ポンプ波およびアイドラー波の入射面１１ｃ、出射面１１ｄ、側面１１ｂ、１１ｅ、上面１１ａおよび底面１１ｆを有する。発振基板１１の底面１１ｆは、支持基板１３に対して接着層１２によって接着されている。
図３、４、５（ａ）に示すように、非線形光学結晶からなる発振基板１１は、ポンプ波およびアイドラー波の入射面１１ｃ、出射面１１ｄ、側面１１ｂ、１１ｅ、上面１１ａおよび底面１１ｆを有する。発振基板１１の底面１１ｆは、支持基板１３に対して接着層１２によって接着されている。
図５（ｂ）の素子では、更に支持基板１３の接合面に、テラヘルツ波反射層１５が形成されており、これによってテラヘルツ波の支持基板１３側への滲み出しを防止できる。
例えば光源１からポンプ波３を基板に照射すると共に、光源２からアイドラー波４を照射する。このとき、ポンプ波３およびアイドラー波４が基板底面１１ｆに平行に伝搬するようにする。ポンプ波３（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波３の光軸からの散乱角α、θに応じて、アイドラー波４およびテラヘルツ波７の波長が定まる。
ポンプ波とアイドラー波との重なり部分から発振するテラヘルツ波は、ポンプ波３に対して角度θをなしつつ、基板底面１１ｆに平行に発振する。ここで、基板１１の厚さＴを小さくすると、基板底面１１ｆに平行に発振するテラヘルツ波７に対してカットオフ条件となり、テラヘルツ波は結晶内部を伝搬することなく、基板外に放射される。従って、基板内部の伝搬によるテラヘルツ波の減衰が防止され、かつ結晶表面にプリズム、グレーティング等のテラヘルツ波取り出し手段を設ける必要がない。
本実施形態においては、支持基板上に、非線形光学結晶のｚ板からなる発振基板を接着する。ｚ板からなる発振基板を使用する場合、パラメトリック効果によりテラヘルツ波を発生するためには、図３のように、ポンプ波およびアイドラー波は基板厚み方向に振動する偏波を入力し、基板底面と平行に伝搬させる。このときパラメトリック効果によって電磁波（テラヘルツ波）が発振するが、この電磁波も基板厚み方向に振動する偏波となり基板底面と平行な方向へと向かって発振される。この際、基板の厚さを、発振する電磁波に対してカットオフとなる厚さとすることを想到した。
この結果として、基板でパラメトリック発振したテラヘルツ波は、強度を低下させることなく結晶の外部へと取り出すことができる上、結晶表面にプリズムやグレーティングなどのテラヘルツ波取り出し光学手段を設ける必要がない。
図１に示したような形態の素子では、基板内部でのテラヘルツ波の減衰を防止できず、出射面５ｂへのプリズム等の設置も必須である。
非特許文献３の素子では、ｙ、あるいはｘ板を利用しており、テラヘルツ波は結晶表面方向に向かって発生する。この場合、基板厚が厚いと基板表面までの伝搬損失が問題となり高出力のテラヘルツ波を基板外に取り出すことができなかった。このため、基板厚を薄くすることにより、伝搬距離を短くし吸収損失を低減している。さらに、基板表面にシリコンプリズムを圧着し、基板外にテラヘルツ波を高効率で取り出している。このことから、テラヘルツ波に対しては、カットオフになっていない。
なぜなら、もし発振基板がテラヘルツ波に対してカットオフとなっていれば、発振基板外に一定の方向にテラヘルツ波が放射されるので、シリコンプリズムを設置する必要はないからである。また、発振基板がテラヘルツ波に対してカットオフとなっていれば、発振基板内をテラヘルツ波が伝搬する間に吸収されて損失となることはなく、従って発振基板の厚さを３．８μｍまで薄くすることで基板内でのテラヘルツ波の吸収を防止する必要はないからである。
本願構造は、ｚ板を使用し基板厚を薄くすることでテラヘルツ波に対しては、カットオフとなっている。したがって、基板の上下のクラッドには高屈折率材料であるシリコンなどのプリズムを装着することなくテラヘルツ波を基板外に取り出すことが可能となる。
本願構造は、シリコンプリズムを設置する必要がないので、クラッドのポンプ光に対する屈折率はＬＮ基板の屈折率よりも小さくすることが可能である。これにより、励起光の閉じ込めも十分になり光強度を増大することが可能となり、より高出力のテラヘルツ波発生が可能となる。
テラヘルツ波の周波数、入射角度α、出射角度θの関係を図６に示す。図６は、以下の条件下でシミュレートしたものである。
ポラリトン誘導散乱過程では、上記のようにポンプ波、アイドラー波、およびテラヘルツ波の間にエネルギー保存則と運動量保存則を満足させる必要がある。このことから、ポンプ波を１０６４ｎｍとしエネルギー保存則からアイドラー波およびテラヘルツ波の周波数（波長）を算出した。さらに、それぞれの波長に対する屈折率をセルマイヤーの式から算出し、運動量保存則から入射角度α、出射角度θを算出した。
ポラリトン誘導散乱過程では、上記のようにポンプ波、アイドラー波、およびテラヘルツ波の間にエネルギー保存則と運動量保存則を満足させる必要がある。このことから、ポンプ波を１０６４ｎｍとしエネルギー保存則からアイドラー波およびテラヘルツ波の周波数（波長）を算出した。さらに、それぞれの波長に対する屈折率をセルマイヤーの式から算出し、運動量保存則から入射角度α、出射角度θを算出した。
この結果からわかるように、テラヘルツ波の領域では入射角度αが小さく、ポンプ波とアイドラー波との間隔が小さくならざるを得ない。このため、入射面１１ｃにおいて、光源と光源との間隔、光ファイバと光ファイバとの間隔を適切に設定することは困難である。また、入射面において、ポンプ波とアイドラー波との交差角度αを精密に設定することは難しくなる。
図７、図８は、それぞれ、本発明の実施形態に係る素子を示す斜視図である。これらの素子は、図３〜図５に示す発振基板１１、接着層１２、支持基板１３および必要に応じて電磁波反射層を備えている。
図７の例においては、発振基板１１の入射面１１ｃに対向する位置に対して光ファイバアレイ２８が固定されている。光ファイバアレイ２８の上面２８ａには一対の溝２１が形成されており、溝２１によって各光ファイバを固定する。光ファイバアレイ２８には、ポンプ波用の第一の光ファイバ２２Ａと、アイドラー波用の第二の光ファイバ２２Ｂとが固定されている。各光ファイバ２２Ａ、２２Ｂの各端面は、発振基板の入射面１１ｃに付き当てられている。
発振基板１１においては、入射面１１ｃと相互作用部分２０との間に、ポンプ波用の第一の導波路２４Ａとアイドラー波用の第二の導波路２４Ｂとが設けられている。本例では、導波路２４Ａの一端２３Ａが入射面１１ｃまで延びており、導波路２４Ｂの一端２３Ｂが入射面１１ｃまで延びている。そして、光ファイバ２２Ａの端面のコアが導波路２４Ａの一端２３Ａに当接して光学結合されており、光ファイバ２２Ｂの端面のコアが導波路２４Ｂの一端２３Ｂに当接して光学結合されている。
一方、各導波路２４Ａ、２４Ｂの他端２５Ａ、２５Ｂは、それぞれ相互作用部２０に向かうように正確に位置合わせされている。こうした精密な位置合わせは、導波路形成時のアライメントによって可能である。
ポンプ波３、アイドラー波４は、それぞれ光ファイバ２２Ａ、２２Ｂによって入射面１１ｃへと向かって伝搬され、各導波路２４Ａ、２４Ｂ内に結合され、各導波路の端部２５Ａ、２５Ｂから３Ａ、４Ａのように発振基板１１内部へと出射する。そして、ポンプ波とアイドラー波とは交差角度αで交差し、相互作用する。この結果、テラヘルツ波７が出射する。
ここで、図３に示すような例では、入射面１１ｃにおいて、ポンプ波３とアイドラー波４との交差角度が決定され、かつαと基板の寸法とによってポンプ波３とアイドラー波４との間隔が決定される。このため、ポンプ波とアイドラー波との間隔が小さいと、光ファイバ２２Ａと２２Ｂとを設置する際の位置決めが難しく、また交差角度αの精度を高めることが難しい。
これに対して、図７の例では、導波路２４Ａと２４Ｂとの各端部２５Ａ、２５Ｂの間隔Ｗおよび角度によって、相互作用部２０の位置および交差角度が決定される。従って、相互作用部の位置と交差角度とを精密に制御することが容易であり、これによってテラヘルツ波７の発振強度を高めることができる。
図８の例においては、発振基板１１の入射面１１ｃに対して基板３０の当接面３０ｂが固定されている。基板３０の上面３０ａには一対のレーザ光源３２Ａ、３２Ｂがマウントされている。
発振基板１１においては、入射面１１ｃと相互作用部分２０との間に、ポンプ波用の第一の導波路２４Ａとアイドラー波用の第二の導波路２４Ｂとが設けられている。本例では、導波路２４Ａの一端２３Ａが入射面１１ｃまで延びており、導波路２４Ｂの一端２３Ｂが入射面１１ｃまで延びている。そして、レーザ光源３２Ａが導波路２４Ａの一端２３Ａに当接して光学結合されており、レーザ光源３２Ｂが導波路２４Ｂの一端２３Ｂに当接して光学結合されている。
一方、各導波路２４Ａ、２４Ｂの他端２５Ａ、２５Ｂは、それぞれ相互作用部２０に向かうように正確に位置合わせされている。こうした精密な位置合わせは、導波路形成時のアライメントによって可能である。
ポンプ波、アイドラー波は、それぞれレーザ光源３２Ａ、３２Ｂから発振され、各導波路２４Ａ、２４Ｂ内に結合され、各導波路の端部２５Ａ、２５Ｂから３Ａ、４Ａのように発振基板１１内部へと出射する。そして、ポンプ波とアイドラー波とは交差角度αで交差し、相互作用する。この結果、テラヘルツ波７が出射する。
本例でも、導波路２４Ａと２４Ｂとの各端部２５Ａ、２５Ｂの間隔Ｗおよび角度によって、相互作用部２０の位置および交差角度が決定される。従って、相互作用部の位置と交差角度とを精密に制御することが容易であり、これによってテラヘルツ波７の発振強度を高めることができる。
非線形光学結晶は、テラヘルツ波をパラメトリック発振する結晶であれば良いが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体である。また、光損傷を抑制するために酸化マグネシウムなどのドーピングをしていてもよい。さらに、ニオブ酸リチウムについては、コングルエント組成のほかストイキオメトリ組成であってもよい。
非線形光学結晶のｚ板とは、結晶のｚ軸方向が基板５の法線方向（垂直方向）を向いた基板のことをいう。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの誘電体の場合、非線形光学定数ｄ３３が最も大きく、入力光（ポンプ波とアイドラー波）の偏波はｚ軸方向とすることにより、ｚ軸方向の電磁波を発生する。本願は、基板厚を２０μｍ以下にすることにより入力光に対してはスラブ導波路としており、ＴＭモードで導波路伝搬することによりパワー密度を上げ高効率でテラヘルツ波を発生することが可能となる。
図１０に示す屈折率構造（コア屈折率ｎ１、クラッド屈折率ｎ２、ｎ３）において、本願が使用するＴＭモード伝搬の場合、カットオフとなる基板厚さＴcは、次の式によって表される（ｍはモード次数を示す）。
例えばニオブ酸リチウム単結晶からなる発振基板を用いた場合、０．１THｚ〜３THｚの周波数に対応するカットオフとなる基板厚さＴcは、１４４ 〜 ４．８μｍである。
本願構造では、テラヘルツ波を高効率で発生させるために、励起光源であるポンプ波とアイドラー波をスラブ導波路伝搬させることができ、この観点で、発振基板の厚さを２０μｍ以下とすることが好ましい。最適には、励起光源を効率よく発振基板に結合させ、さらに低損失で伝搬させるためには４μｍ以上、１５μｍ以下が好ましい。
支持基板の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体や、GaP、ZnSeなどの半導体、石英ガラスなどのガラスを例示できる。
また、信頼性上、熱膨張を発振基板と合わせるという観点では、支持基板は発振基板と同じ材質であることが望ましい。
また、信頼性上、熱膨張を発振基板と合わせるという観点では、支持基板は発振基板と同じ材質であることが望ましい。
発振基板と支持基板とを接着する接着剤は、発振基板よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
接着層の厚さは特に限定されないが、テラヘルツ波の漏れを防止するという観点からは、 ０．５μｍ以上が好ましい。
ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザや半導体レーザ励起の固体レーザ（YAG、、YVO4、YLFなど）が好ましい。
図８のように、レーザ光源からのポンプ波、アイドラー波を各導波路に直接入射させる実施形態では、レーザ光源を導波路に対して直接バットジョイントさせることができ、あるいはレンズ結合させることができる。また、図７のように、レーザ光源からのポンプ波、アイドラー波を、光ファイバ、フェルールなどの光伝送部材を用いて伝送する実施形態では、光伝送部材の端面を導波路に対してバットジョイントさせることができ、あるいはレンズ結合させることができる。
ポンプ波、アイドラー波、テラヘルツ波の周波数、α、θは、パラメトリック発振条件によって定まるものである。典型的には、ポンプ波の波長は８００ｎｍ〜１６００ｎｍが好ましく、αは０．０４°〜 ４°が好ましい。この場合、θは６５°〜６２°の範囲となる。
ポンプ波、アイドラー波をガイドする導波路は、Tiなど金属拡散を利用したもの、プロトン交換導波路、リッジ型構造の導波路であってよい。
また、各導波路の相互作用部分２０側末端における間隔Ｗも、αおよび相互作用部分との間隔によって定めることができる。ここで、本発明では、Ｗが小さくとも、導波路を精密に形成可能であることから、Ｗも正確に位置決めすることが可能である。典型的には、Ｗは、１０μｍ〜２５０μｍとすることができる。
（参考例）
図３〜図５に示す形態のテラヘルツ波発振素子を作製する場合、ポンプ光３とアイドラー光４の間隔Ｇは、両光の交差点２０までの距離Ｌに対して、図９に示すようになる。ここで、発振基板はMgOドープのニオブ酸リチウム単結晶とし、厚さは１０μｍとする。この図から、周波数を０．７ＴＨｚ以上にすれば、Ｌ＝５０ｍｍの場合にＧは２５０μｍ以上となり、光ファイバアレイなどにより２本のファイバを配置しポンプ光とアイドラー光を供給できる。しかし、０．７ＴＨｚ未満の周波数においては、Ｌ＝５０ｍｍ以下の素子長では、光ファイバ部品、半導体レーザのバットジョイントによる接続や短焦点距離（３０ｍｍ以下）のレンズでの光軸結合による接続では困難である。
図３〜図５に示す形態のテラヘルツ波発振素子を作製する場合、ポンプ光３とアイドラー光４の間隔Ｇは、両光の交差点２０までの距離Ｌに対して、図９に示すようになる。ここで、発振基板はMgOドープのニオブ酸リチウム単結晶とし、厚さは１０μｍとする。この図から、周波数を０．７ＴＨｚ以上にすれば、Ｌ＝５０ｍｍの場合にＧは２５０μｍ以上となり、光ファイバアレイなどにより２本のファイバを配置しポンプ光とアイドラー光を供給できる。しかし、０．７ＴＨｚ未満の周波数においては、Ｌ＝５０ｍｍ以下の素子長では、光ファイバ部品、半導体レーザのバットジョイントによる接続や短焦点距離（３０ｍｍ以下）のレンズでの光軸結合による接続では困難である。
（実施例１）
参考例と同様の発振素子を作製する。ただし、図７に示すように、チタン内拡散法によって導波路２４Ａ、２４Ｂを形成する。また、光ファイバアレイを光ファイバに調芯接続した。ポンプ光とアイドラー光は光ファイバに接続した。素子長は５０ｍｍとする。発振基板はニオブ酸リチウム単結晶で作製し、厚さは１０μｍとする。Ｗは４０μｍ〜２５０μｍまで変化させ、Ｇは２５０μｍとする。アイドラー光は波長可変レーザとし、波長を変化させることにより、０．１１THｚ〜０．７THｚまでのテラヘルツ波を発生することができた。素子長１０ｍｍの場合には、同様にWを変化させ、０．１１THｚ〜３THｚまでのテラヘルツ波を、さらに素子長３０ｍｍの場合にも、同様にして０．１１ＴＨｚ〜１ＴＨｚまでのテラヘルツ波発生を確認できた。
参考例と同様の発振素子を作製する。ただし、図７に示すように、チタン内拡散法によって導波路２４Ａ、２４Ｂを形成する。また、光ファイバアレイを光ファイバに調芯接続した。ポンプ光とアイドラー光は光ファイバに接続した。素子長は５０ｍｍとする。発振基板はニオブ酸リチウム単結晶で作製し、厚さは１０μｍとする。Ｗは４０μｍ〜２５０μｍまで変化させ、Ｇは２５０μｍとする。アイドラー光は波長可変レーザとし、波長を変化させることにより、０．１１THｚ〜０．７THｚまでのテラヘルツ波を発生することができた。素子長１０ｍｍの場合には、同様にWを変化させ、０．１１THｚ〜３THｚまでのテラヘルツ波を、さらに素子長３０ｍｍの場合にも、同様にして０．１１ＴＨｚ〜１ＴＨｚまでのテラヘルツ波発生を確認できた。
（実施例２）
参考例と同様の発振素子を作製する。ただし、図８に示すように、チタン内拡散法によって導波路２４Ａ、２４Ｂを形成する。ポンプ光とアイドラー光用半導体レーザをバットジョイントにより調芯接続した。素子長は５０ｍｍとした。発振基板はニオブ酸リチウム単結晶で作製し、厚さは８μｍとする。Ｗは実施例１と同様に４０μｍ〜２５０μｍまで変化させ、Ｇは１ｍｍとする。アイドラー光は波長可変レーザとし、波長を変化させることにより０．１１THｚ〜３THｚまでのテラヘルツ波を発生することができた。素子長１０ｍｍ、３０ｍｍにおいても同様にテラヘルツ波発生を確認できた。
参考例と同様の発振素子を作製する。ただし、図８に示すように、チタン内拡散法によって導波路２４Ａ、２４Ｂを形成する。ポンプ光とアイドラー光用半導体レーザをバットジョイントにより調芯接続した。素子長は５０ｍｍとした。発振基板はニオブ酸リチウム単結晶で作製し、厚さは８μｍとする。Ｗは実施例１と同様に４０μｍ〜２５０μｍまで変化させ、Ｇは１ｍｍとする。アイドラー光は波長可変レーザとし、波長を変化させることにより０．１１THｚ〜３THｚまでのテラヘルツ波を発生することができた。素子長１０ｍｍ、３０ｍｍにおいても同様にテラヘルツ波発生を確認できた。
３ ポンプ波 ３Ａ 導波路から出射したポンプ波 ４ アイドラー波 ４Ａ 導波路から出射したアイドラー波 ７ テラヘルツ波 １１ 発振基板 １１ａ 発振基板の上面 １１ｃ 発振基板の入射面 １１ｆ 発振基板の底面 １２ 接着層 １３ 支持基板 １５ 電磁波反射膜 ２０ 相互作用部分 ２２Ａ 第一の光伝送部材 ２２Ｂ 第二の光伝送部材 ２３Ａ 第一の導波路２４Ａの入射面側端面 ２３Ｂ 第二の導波路２４Ｂの入射面側端面 ２４Ａ 第一の導波路 ２４Ｂ 第二の導波路 ２５Ａ 第一の導波路２４Ａの相互作用部分側端部 ２５Ｂ 第二の導波路２４Ｂの相互作用部分側端部 ２８ 光ファイバアレイ Ｗ 導波路の相互作用部分側端部の間隔 α 入射角
Claims (6)
- ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって、
非線形光学結晶からなる発振基板であって、前記ポンプ波および前記アイドラー波が入射する入射面を有する発振基板、
前記発振基板に設けられており、前記ポンプ波と前記アイドラー波との相互作用部分と前記入射面との間に設けられ、前記ポンプ波を導波する第一の導波路、および
前記発振基板に設けられており、前記ポンプ波と前記アイドラー波との相互作用部分と前記入射面との間に設けられ、前記アイドラー波を導波する第二の導波路を備えていることを特徴とする、電磁波発振素子。 - 前記ポンプ波を発振する第一の光源および前記アイドラー波を発振する第二の光源が前記入射面に光学結合されていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 前記ポンプ波を発振する第一の光伝送素子および前記アイドラー波を発振する第二の光伝送素子が前記入射面に光学結合されていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 支持基板、
および前記支持基板と前記発振基板とを接合する接着層を備えており、
前記発振基板が、前記ポンプ波および前記アイドラー波が前記底面と平行に伝搬したときにパラメトリック効果によって発振する前記電磁波に対してカットオフとなる厚さを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。 - 前記非線形光学結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 前記支持基板の前記接着層側の表面に前記電磁波を反射する反射膜を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の素子。
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