JP2012222352A - テラヘルツシステムで使用するためのビート信号生成装置、テラヘルツシステム、およびビート信号生成装置の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】できる限り費用対効果が高く製造される、テラヘルツシステム用のビート信号生成装置を提供する。
【解決手段】第１の波長λ₁の光を発生する第１の単一モードレーザ２と、第１の波長λ₁とは異なる第２の波長λ₂の光を発生する第２の単一モードレーザ３と、第１の出力ポート１１および第２の出力ポート１２と、第１のレーザ２の光の位相、および、第２のレーザ３の光の位相を変調する位相変調部４とを備え、第１のレーザ２の光は、第２のレーザ３を介して伝送され、第２の出力ポート１２において第２のレーザ２の光が重畳され、第２のレーザ３の光は、第１の単一モードレーザ２を介して伝送され、第１の出力ポート１１において第１のレーザ２の光が重畳され、これにより、第１の出力ポート１１からの第１のビート信号Ａと、第２の出力ポート１２からの第２のビート信号Ｂの間の位相が位相変調部４によって調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツシステムで使用するためのビート信号生成装置、テラヘルツシステム、およびビート信号生成装置の使用方法に関する。

テラヘルツシステム（すなわち、テラヘルツ送信器および／またはテラヘルツ受信器）を制御する光ビート信号を使用することは、当該分野において公知である。0.1THz〜10THzの範囲のテラヘルツ電磁放射光が、安全工学または分光法などの様々な分野において用いられる。テラヘルツシステムは例えば特許文献１に開示されている。

米国特許出願公開第２０１０/００８０５０５号

本発明は、できる限り費用対効果が高く製造される、テラヘルツシステム用のビート信号生成装置、およびテラヘルツシステムを提供することを目的とする。

この課題は、ビート信号生成装置、テラヘルツシステムおよびビート信号生成装置の使用方法に関する独立請求項に係る本発明によって解決される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項において定義される。

本発明によれば、テラヘルツシステムで使用するためのビート信号生成装置が提供され、この装置は、
第１の波長の放射光を発生する（第１の波長で発光する）第１の単一モードレーザと、
第１の波長とは異なる第２の波長の放射光を発生する（第２の波長で発光する）第２の単一モードレーザと、
第１および第２の出力ポートと、
第１のレーザで発生した放射光の位相と、第２のレーザで発生した放射光の位相との両方を変調する位相変調部とを備え、当該ビート信号生成装置は以下のように構成される。

第１のレーザで発生した放射光は位相変調部を通って位相が変調されてから第２のレーザを介して伝送される。これにより、第２の出力ポートでは、第１のレーザで発生して位相が変調された放射光に第２のレーザで発生した放射光が重畳されて、第２のビート信号が構成される。
第２のレーザで発生した放射光は位相変調部を通って位相が変調されてから第１のレーザを介して伝送される。これにより、第１の出力ポートでは、第２のレーザで発生して位相が変調された放射光に第１のレーザで発生した放射光が重畳されて、第１のビート信号が構成される。
このため、第１の出力ポートで放射される第１のビート信号と、第２の出力ポートで放射される第２のビート信号との間の位相が、位相変調部によって調整される。

第１のレーザは第２の波長に対して十分に透過性を有するように構成され、第２のレーザは第１の波長に対して十分に透過性を有するように構成される。例えば、第１および第２のレーザの透過性は、もう一方のレーザで発生した波長に対して、少なくとも70％であり、好ましくは少なくとも80％であり、さらに好ましくは少なくとも90％である。適切なレーザの例については後述する。

２つの単一モードレーザおよび位相変調部は、１つの半導体チップで形成されてもよい。例えば、２つのレーザおよび位相変調部は１つの半導体チップで一体化つまり集積化して形成される。チップを集積化することで、第１および第２のレーザから第１および第２の出力ポートに向かう光路において、発生した２つの波長のうちの１つのみに影響を及ぼす位相不安定性が、低減または除去される。２つの出力ポートは、チップの側面に形成されてもよい。チップは、半導体基板、およびこの基板上に配置された、１つまたは複数の材料層を含む。チップの両側面における出力ポートの少なくとも１つには、反射防止コーティングが施されてもよい。

本発明の別の実施形態によれば、ビート信号生成装置は、第１のレーザを第１の出力ポートおよび位相変調部のそれぞれに接続し、第２のレーザを第２の出力ポートおよび位相変調部のそれぞれに接続する、複数の光導波路を備える。

換言すれば、位相変調部は第１のレーザと第２のレーザの間に配置される。例えば、複数の光導波路は、いずれも直線光導波路であり、共通の軸心に沿って配置される。そのため、光導波路は、２つのレーザと位相変調部を通る軸を有する直線光導波路を構成する。これにより、ビート生成装置の構成部品（レーザおよび位相変調部）は、湾曲部（ベンド）や結合器を用いることなく一列に並んで配置されて、装置の寸法は、公知の光ビート信号源に比べて低減される。例えば、本発明のビート生成装置は、最大でも約1mm×0.3mmの面積を有する。

光導波路も半導体チップに、例えば、リッジ（隆起状）構造または埋め込まれた光導波路の構造で一体化つまり集積化されてもよい。また、光導波路、レーザおよび／または位相変調部は、一体的に構成されてもよい。なお、第１および第２のレーザは、必ずしも直線光導波路を通って位相変調部に接続されなくてもよい。直線光導波路以外の光導波路が原理上用いられることができる。ただし、単一の位相変調部の配置および構成は、第１のビート信号と第２のビート信号の間の位相が調整されるように、第２の波長の放射光とは異なるように第１の波長の放射光に影響を及ぼすことができるものである。すなわち、第１の波長の放射光と第２の波長の放射光の位相変調部による位相シフトは異なる。

さらに、第１のレーザは第１の出力ポート（例えば、チップの側面に配置されている出力ポート）に隣接し、かつ／または第２のレーザは第２の出力ポート（例えば、チップの側面に配置されている出力ポート）に隣接することができる。これにより、第１のレーザと第１の出力ポートの間、および／または第２のレーザと第２の出力ポートの間に、別部品の光導波路を設ける必要がなくなる。同様に、第１および第２のレーザは位相変調部に隣接し、これにより、第１のレーザと位相変調部の間、または第２のレーザと位相変調部の間に別部品の光導波路を設ける必要がなくなる。ただし、第１のレーザ、第２のレーザおよび／または位相変調部は、光導波路を備えるか、または光導波路を構成してもよい。光導波路は、これら構成部品を通る光を案内し、隣の構成部品に光を結合する。

本発明のさらに別の実施形態によれば、位相変調部は電気光学ユニット（電気光学機器）である。このユニットは、第１および第２のレーザが通過して案内される光導波路と、少なくとも１つの電極であって、光導波路の両端に電圧を印加し、かつ／または、光導波路に電流を注入する電極とを備える。例えば、電気光学ユニットは第１のレーザと第２のレーザの間に配置される。電極に電圧を印加すると、位相変調部の光導波路の屈折率が変化する。これにより、光導波路を通過する光（すなわち、第１および第２のレーザで発生した光）の位相を変更する。ここで、第１および第２のレーザで発生した光の波長は互いに異なるため、それぞれの光の位相シフトは、互いに異なる。位相変調部の光導波路は、例えば、第１のレーザを位相変調部に接続する光導波路および第２のレーザを位相変調部に接続する光導波路と一体化つまり集積化して形成される。位相変調部は、例えば入力ポートを備え、この入力ポートを通って、kHz（キロヘルツ）からGHz（ギガヘルツ）の範囲の周波数の電圧が電極に供給される。

さらに他の実施形態の位相変調部は、第１および第２のレーザが通過して案内される光導波路を有し、この光導波路には熱を加える加熱用手段が設けられている。この加熱用手段が加える熱に応じて、光導波路の屈折率が変化する。これにより、光導波路を通過する光（すなわち、第１および第２のレーザで発生した光）の位相を変更する。この実施形態でも、第１および第２のレーザで発生した光の波長は互いに異なるため、それぞれの光の位相シフトは、互いに異なる。

なお、位相変調部は、位相変調部を通って伝送される光の位相のみに実質的に影響を及ぼすように、構成される。光振幅に及ぼす影響は、無視できる程度か、または少なくともほとんど無視できる程度である。例えば、位相変調部に注入される光強度の10％未満、好ましくは5％未満、さらに好ましくは2％未満が、電気光学ユニットを通過する間に吸収されるか、または注入光は位相変調部によって実質的に吸収されない。特に、位相変調部は受動ユニットであり、すなわち、位相変調部は、第１のレーザおよび／または第２のレーザのレーザ活性媒質（例えば、活性層）を含まない。それでも、位相変調部は第１のレーザおよび／または第２のレーザに一体的に接続されることは可能であり、この場合、例えば、レーザ活性層は位相変調部の領域内で除去されるか、または活性層は位相変調部の領域では成長されない（「選択的な領域の成長」）。

本発明の別の改良によれば、第１のレーザは（第１の）ＤＦＢレーザであり、第２のレーザは（第２の）ＤＦＢレーザである。ここで、第１のＤＦＢレーザはそのストップバンドの長波長側の放射光を発生するように構成され、第２のＤＦＢレーザはそのストップバンドの短波長側の放射光を発生するように構成される。

ＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ）は、レーザ活性媒質と、レーザ活性媒質に沿って配置されたブラッグ回折格子とを備える。ここで、ＤＦＢレーザは、回折格子のブラッグ波長の領域において、ストップバンド、すなわち、ブラッグ回折格子の高反射率の波長帯を備える。例えば、ブラッグ回折格子が平均的な結合係数を有する場合、ストップバンドは数ナノメートル（例として4nm）のスペクトル幅を有する。さらに、ＤＦＢレーザ（均一なブラッグ回折格子を有するＤＦＢレーザ）は、好ましくは、ストップバンドの短波長側でストップバンドに隣接する波長を有する第１のモード（「短波長モード」）で発光し、かつ、ストップバンドの長波長側でストップバンドに隣接する波長を有する第２のモード（「長波長モード」）で発光する。ＤＦＢレーザの特性については、ここでは詳述しないが、当該分野では周知である。

特に、第１および第２のＤＦＢレーザのブラッグ回折格子は、第１のＤＦＢレーザの放射光の波長（つまり「第１の波長」）が第２のＤＦＢレーザのストップバンドの外に位置し、第２のＤＦＢレーザの放射光の波長（つまり「第２の波長」）が第１のＤＦＢレーザのストップバンドの外に位置するように、構成される。例えば、第１および第２のＤＦＢレーザのブラッグ回折格子は、第１のＤＦＢレーザで発生した放射光の波長が、第２のＤＦＢレーザで発生した放射光の波長よりも短くなるように、すなわち、第１のＤＦＢレーザの回折格子のブラッグ波長が、第２のＤＦＢレーザの回折格子のブラッグ波長よりも短くなるように、構成される。

なお、第１および第２のＤＦＢレーザのいずれもが、そのストップバンドの短波長側と長波長側のいずれかで放射光を発生するように構成されることも可能である。その場合、一方のレーザの発光が他方のレーザのブラッグ回折格子によって阻止されることを防止するために、２つのレーザの発光波長は、２つのレーザのうちの１つのレーザのストップバンド幅だけ少なくともずれるように、２つのレーザの各ブラッグ回折格子は構成される。また、第１のＤＦＢレーザおよび／または第２のＤＦＢレーザはλ/4タイプであり、その発光波長はストップバンドの中心に位置することも想定される。

しかし、より小さいビート周波数（例えば、500GHz以下）を発生するには、上述のように、第１のＤＦＢレーザはストップバンドの長波長側で発光するように設定され、第２のＤＦＢレーザはストップバンドの短波長側で発光するように設定される（長波長側と短波長側は逆であってもよい）。この構成によって、第２のレーザによって第１の波長の発光が阻止されるか、または第１のレーザによって第２の波長の発光が阻止されるという、障害を含むことなく、原理上、第１の波長と第２の波長の波長差異に応じた、任意のビート周波数（例えば、100GHz以下）を生成することができる。

短波長モードと長波長モードのいずれかを、ＤＦＢレーザの単一モード出力で実現するには、いくつかの手段が存在する。例えば、従来の屈折率結合ブラッグ回折格子を有するＤＦＢレーザは、縦方向ホールバーニング効果によって、ストップバンドの短波長側で発光する。ＤＦＢレーザの長波長モードにおける励起は、屈折率結合回折格子の代わりに、利得結合（複素結合）ブラッグ回折格子を用いて達成される。利得結合回折格子は、例えば、そのレーザの活性層内に延びる溝を設けることによって製造される。したがって、ストップバンドの長波長側で発光する第１のＤＦＢレーザと、ストップバンドの短波長側で発光する第２のＤＦＢレーザとを提供するために、第１のＤＦＢレーザは利得結合ブラッグ回折格子を有し、第２のＤＦＢレーザは屈折率結合ブラッグ回折格子を有してもよい。

さらに、第１のＤＦＢレーザは少なくとも第１および第２のセクションを備え、各セクションは第１および第２のブラッグ回折格子を有してもよい。すなわち、レーザは多セクションの（複数のセクションを有する）ＤＦＢレーザとして形成される。第１のブラッグ回折格子と第２のブラッグ回折格子のブラッグ波長およびストップバンドの幅（すなわち、結合係数）は、第１および第２のセクションにおける長波長モードの波長のみがほぼ一致するように、すなわち、第１および第２のセクションにおける長波長モードのみが重なるように、相違する（ずれる）。同様に、第２のＤＦＢレーザも多セクションのＤＦＢレーザとして実現されることができ、ブラッグ回折格子は短波長モードのみが重なるように構成される。

第１および／または第２のＤＦＢレーザとしての多セクション（例えば、２セクション）のＤＦＢレーザは、利得結合ブラッグ回折格子を有するＤＦＢレーザを置き換えてもよい。両方のセクションのブラッグ回折格子は、利得結合回折格子が設けられる必要がないように（生成が困難である利得結合回折格子を避けるように）、屈折率結合回折格子として形成されてもよい。第１および第２のＤＦＢレーザの両方が多セクションのＤＦＢレーザとして実現される場合、これらセクションのブラッグ回折格子は、例えば、２つのレーザのうちの一方のレーザの発光波長が他方のレーザのストップバンドによって阻止されないように構成される。

さらに、第１のレーザおよび／または第２のレーザが、これらレーザで発生する放射光の波長調整手段を備えることも可能である。この波長調整手段は、例えば、レーザそれぞれに割り当てられた加熱素子（例として抵抗加熱素子）を備える。

一例においては、波長調整手段によって、第１の２セクションＤＦＢレーザの第１および第２のブラッグ回折格子のうちの少なくとも１つにおけるブラッグ波長が変更される。これにより、例えば、長波長モードでの重なりが短波長モードでの重なりに切り替えられる。同様に、第２のレーザの第１および第２のセクションうちの少なくとも１つのセクションのブラッグ波長が変更されて、これにより、短波長モードでの重なりが長波長モードでの重なりに切り替えられる。このように、ビート生成装置の第１の出力波長と第２の出力波長の差が切り替えられるため、ビート周波数を様々な調整範囲に切り替えることができる。

特に、波長調整手段は、その第１の加熱用素子が第１の２セクションＤＦＢレーザの第１のセクションに割り当てられ、その第２の加熱用素子が第１の２セクションＤＦＢレーザの第２のセクションに割り当てられるように構成される。これにより、第１のレーザの第１のブラッグ回折格子のブラッグ波長と第１のレーザの第２のブラッグ回折格子のブラッグ波長とが互いに独立して変更される。同様に、第１および第２の加熱用素子が、それぞれ、第２の２セクションＤＦＢレーザの第１および第２のセクションに割り当てられる。加熱用素子を用いることで、所定のモード切替えが実行される。

また、２セクションＤＦＢレーザの各セクションの活性領域に注入されるレーザ電流は、電流が各セクションに対して別個独立に設定されるように、制御される。例えば、第１および／または第２のレーザの各セクションは個別の電極を有し、これら電極は別個独立に制御される。レーザの各セクションに異なる電流を注入することにより、レーザモードのスペクトル位置がシフトする。これは、また、短波長モードと長波長モードを切り替えるために用いられることができる。

なお、本発明は、第１および／または第２のレーザとしてＤＦＢレーザを用いるものに限定されない。むしろ、他の種類のレーザ、例えば、活性媒質の両側面にブラッグ反射器を有するＤＢＲレーザが用いられてもよい。また、半導体レーザを用いる必要性もない。他のレーザとして、例えば、固体レーザまたはガスレーザが用いられることも可能である。この場合、第１のレーザと第２のレーザの間および／またはこれらレーザと位相変調部の間の光は、光導波路内に少なくとも部分的に案内されるのではなく、例えば、フリーレーザビームである。

ビート信号生成装置は、さらに、第１および／または第２のレーザで発生した放射光の空間強度分布を、改良された空間強度分布（改良空間強度分布）に変更する、モード変換器（「テーパ」）を備えてもよい。この実施形態は、特に、半導体チップに一体化された第１および第２のレーザを備えた実施形態を基本とする。モード変換器は、チップの面から光ファイバなどへの光の結合における結合損失を低減する。モード変換器は、一体化された光導波路の出力側における光の空間強度分布を、光ファイバのモード（横方向モード）に一致するように、または少なくとも近づくように、変換する。

ビート信号生成装置は、さらに、第１および／または第２のレーザで発生した放射光を増幅する増幅器を備えてもよい。増幅器は、電流が電極を介して注入されるレーザ活性領域を備え、このレーザ活性領域は、第１および／または第２のレーザに結合される。特に、増幅器は、ビート信号生成装置の第１の出力ポートと第１のレーザの間および／または第２の出力ポートと第２のレーザの間に配置される。増幅器を用いることで、出力パワーが増加するだけでなく、所定の出力パワーが設定されること、または出力信号の振幅が変調されることも可能である。振幅の変調は、特に、キロヘルツまたはメガヘルツ領域などの高周波で実行され、例えば、ロックイン装置に供給される信号を生成するために実行される。

本発明また、ビート生成装置（特に上述した装置）を備えたテラヘルツシステムに関する。ビート生成装置は、
第１の波長の放射光を発生する（第１の波長で発光する）第１のレーザと、
第１の波長とは異なる第２の波長の放射光を発生する（第２の波長で発光する）第２のレーザと、
第１および第２の出力ポートと、
例えば、第１のレーザと第２のレーザの間に配置され、第１のレーザで発生した放射光の位相と、第２のレーザで発生した放射光の位相との両方を変更する位相変調部とを備え、当該ビート信号生成装置は以下のように構成される。

第１のレーザで発生した放射光は位相変調部を通って位相が変調されてから第２のレーザを介して伝送される。これにより、第２の出力ポートでは、第１のレーザで発生し、位相が変調された放射光に第２のレーザで発生した放射光が重畳されて、第２のビート信号が構成される。
第２のレーザで発生した放射光は位相変調部を通って位相が変調されてから第１のレーザを介して伝送される。これにより、第１の出力ポートでは、第２のレーザで発生し、位相が変調された放射光に第１のレーザで発生した放射光が重畳されて、第１のビート信号が構成される。
このため、第１の出力ポートで放射される第１のビート信号と、第２の出力ポートで放射される第２のビート信号との間の位相が、位相変調部によって調整される。
当該ビート信号生成装置の第１の出力ポートはテラヘルツシステムの第１の構成部品に接続され、当該ビート信号生成装置の第２の出力ポートはテラヘルツシステムの第２の構成部品に接続される。

テラヘルツシステムは連続波テラヘルツシステムであってもよく、この場合、第１の構成部品はテラヘルツ送信器であり、第２の構成部品はテラヘルツ受信器の局部発振器である。特に、テラヘルツ送信器は、ビート信号生成装置の第１の出力ポートを介するビート信号出力が供給されるフォトミキサを備えてもよい。フォトミキサは、ビート信号を受信すると、アンテナを介して放射されるテラヘルツ信号を生成する。

さらに、本発明は、ビート信号生成装置（特に上述した装置）の使用方法に関する。ビート信号生成装置は、
第１の波長の放射光を発生する（第１の波長で発光する）第１のレーザと、
第１の波長とは異なる第２の波長の放射光を発生する（第２の波長で発光する）第２のレーザと、
第１および第２の出力ポートと、
例えば、第１のレーザと第２のレーザの間に配置され、第１のレーザで発生した放射光の位相と、第２のレーザで発生した放射光の位相との両方を変更する位相変調部とを備え、当該ビート信号生成装置は以下のように構成される。

第１のレーザで発生した放射光は位相変調部を通って位相が変調されてから第２のレーザを介して伝送される。これにより、第２の出力ポートでは、第１のレーザで発生し、位相が変調された放射光に第２のレーザで発生した放射光が重畳されて、第２のビート信号が構成される。
第２のレーザで発生した放射光は位相変調部を通って位相が変調されてから第１のレーザを介して伝送される。これにより、第１の出力ポートでは、第２のレーザで発生し、位相が変調された放射光に第１のレーザで発生した放射光が重畳されて、第１のビート信号が構成される。
このため、第１の出力ポートで放射される第１のビート信号と、第２の出力ポートで放射される第２のビート信号との間の位相が、位相変調部によって調整される。

ビート信号生成装置はテラヘルツシステムを制御するために用いられる。前記ビート信号生成装置の第１の出力ポートはテラヘルツシステムの第１の構成部品に接続され、前記ビート信号生成装置の第２の出力ポートはテラヘルツシステムの第２の構成部品に接続される。

上記のように、第１の構成部品はテラヘルツ送信器であってもよく、第２の構成部品はテラヘルツ受信器の局所発振器であってもよい。

本発明の実施形態は、図面を参照してより詳細に記載される。

本発明の一実施形態に係るビート信号生成装置の概略構成図である。 ＤＦＢレーザ回折格子のスペクトル特性を示すグラフである。 本発明の別の実施形態に係るビート信号生成装置で用いられる、２つの単一モードＤＦＢレーザのスペクトル特性を示すグラフである。 図３で考察したビート信号生成装置のスペクトル動作を示すグラフであって、ビート信号生成装置の２つのレーザの間には位相変調部が配置されている場合の動作を示すグラフである。 本発明の別の実施形態に係るビート生成装置のスペクトル動作を示すグラフであって、このビート生成装置は２つの２セクションＤＦＢレーザを有する場合の動作を示すグラフである。 図５のスペクトルにおいて、２つのレーザの一方のストップバンドがシフトした場合のスペクトル動作を示すグラフである。 本発明のさらに別の実施形態に係るビート生成装置の概略構成図である。

図１に示す本発明に係るビート生成装置１は、第１の波長の放射光を発生する第１の単一モードレーザ２と、第１の波長とは異なる第２の波長の放射光を発生する第２の単一モードレーザ３とを備える。２つのレーザ２，３の間には、位相変調部４（位相セクション）が配置されている。この位相変調部４は、レーザ２，３で発生した放射光であって、位相変調部４を通過する放射光の位相をシフトするのに用いられる。

レーザ２，３および位相変調部４は１つの半導体基板上に一体化（集積化）されている。これにより、ビート信号生成装置１は光チップ１０として構成される。ビート信号生成装置１は、さらに、第１の出力ポート１１および第２の出力ポート１２を備える。これら出力ポートは、例えば、光チップ１０の側面で構成される。第１のレーザ２の出力側は第１の集積光導波路（一体化した導波路）１１１を介して第１の出力ポート１１に接続される。同様に、第２のレーザ３は別の集積光導波路（一体化した導波路）１１２を介して第２の出力ポート１２に接続される。さらに、第１のレーザ２のもう一方の出力側と位相変調部４の間には集積光導波路１１３が設けられ、第２のレーザ３のもう一方の出力側と位相変調部４の間には集積光導波路１１４が設けられる。光導波路１１１〜１１４は、一直線上に並んだ直線光導波路である。光導波路１１１〜１１４は、例えば、レーザ２，３および位相変調部４と一体化して形成される。特に、位相変調部４は、受動セクションとして構成され、つまり、第１および第２のレーザ２，３の活性層を含まない。

これにより、第１のレーザ２の光は、第１の出力ポート１１に向かって案内されるだけでなく、位相変調部４および第２のレーザ３を通って反対の方向の第２の出力ポート１２に向かって案内される。第１のレーザ２からの光（第１の波長を有する光）を第２の出力ポート１２まで通過させるために、第２のレーザ３は第１の波長に対して十分な透過性を有する。同様に、第２のレーザ３の光は第２の出力ポート１２に向かって案内されるだけでなく、位相変調部４および第１のレーザ２を通って第１の出力ポート１１に向かって案内される。

したがって、第１の出力ポート１１において、第１のレーザ２の光の一部分には第２のレーザ３の光（位相変調部４と第１のレーザ２を通った光）が重畳され、第２の出力ポート１２において、第１のレーザで発生した光のうち、位相変調部４および第２のレーザ３を通過する、他部分には、第２のレーザ３の光が重畳される。第１の波長を有する光と第２の波長を有する光とが重畳することで、第１の出力ポート１１では第１のビート信号Ａが生成され、第２の出力ポート１２では第２のビート信号Ｂが生成される。第１の出力ポート１１におけるビート信号Ａと、第２の出力ポート１２におけるビート信号Ｂとの位相差は、位相変調部４によって調整される。

なお、１つの位相変調部４のみが、２つのレーザ２，３の放射光の変調に用いられる。ただし、２つのレーザ２，３の光が位相変調部４を通って反対方向に通過するので、位相変調は、ビート信号Ｂのうちの第１のレーザ２からの光に追加され、ビート信号Ａのうちの第２のレーザ３からの光に追加される。そして、第１のレーザ２で発生した光波および第２のレーザ３で発生した光波に対する位相変調部４での位相シフトは、第１のレーザ２で発生した光波および第２のレーザ３で発生した光波に対してそれぞれ異なっており、位相変調部４での位相シフトは、最終的に、ビート信号Ａ，Ｂの相対位相の変化につながる。

出力ポート１１から放射されるビート信号Ａはテラヘルツ送信器のフォトミキサ（図示せず）に供給され、出力ポート１２から放射されるビート信号Ｂはテラヘルツ受信器のフォトミキサ（図示せず）に供給されてもよい。

ビート信号生成装置の第１および／または第２の単一モードレーザ２，３に適したレーザはＤＦＢレーザである。ここで、ＤＦＢレーザの実現可能なスペクトル動作の例を図２に示す。ＤＦＢレーザは、ＤＦＢレーザのブラッグ回折格子のブラッグ波長λ_Braggを含む前後の波長において、この波長帯のブラッグ回折格子の高反射率に起因して、ストップバンドを有する。レーザは、好ましくは、ストップバンドの短波長側で波長λ_sの放射光を放射する（短波長モード）か、または、ストップバンドの長波長側で波長λ_lの放射光を放射する（長波長モード）。

ＤＦＢレーザの単一モード発振を達成するためには、起こり得るレーザモードの一方を抑制しなければならない。図３に示す例では、第１のレーザ２は、ストップバンドの長波長側でのモードのみが励起されるように構成されたＤＦＢレーザであり、すなわち、このレーザによって放射された光の波長（「第１の波長」）は長波長モードの波長である。このために、第１のＤＦＢレーザ２は例えば利得結合ブラッグ回折格子を有する。第２のレーザ３はストップバンドの短波長側のみで発振し、すなわち、このレーザによって放射された光の波長（「第２の波長」）は短波長モードの波長である。このために、第２のＤＦＢレーザ３は例えば屈折率結合ブラッグ回折格子を有する。

さらに、２つのＤＦＢレーザ２，３のブラッグ回折格子は、一方のレーザの発振波長が他方のレーザのストップバンドの外側に位置するように構成される。これにより、第１のＤＦＢレーザ２から放射された光は第２のＤＦＢレーザ３を介して伝送され、第２のＤＦＢレーザ３から放射された光は第１のＤＦＢレーザ２を介して伝送される。

図４は、図３で考察した２つのＤＦＢレーザの間に位相変調部が配置された場合の動作を示す。

図５は、本発明に係るビート信号生成装置に適した単一モードレーザを実現する、別の可能性に関する。第１および第２のレーザ２，３の両方が、２つのセクションからなるＤＦＢレーザ（２つの部分を有するＤＦＢレーザ）として実現される。２つのセクションからなるＤＦＢレーザ（２セクションＤＦＢレーザ）は、第１の（屈折率結合）ブラッグ回折格子および第１のレーザ活性領域を有する第１のＤＦＢセクションと、第２の（屈折率結合）ブラッグ回折格子および第２のレーザ活性領域を有する第２のＤＦＢセクションとを備える。

第１のレーザ２の第１および第２のブラッグ回折格子は、これらブラッグ回折格子が異なるストップバンド幅および異なるブラッグ波長を有することで、第１および第２のＤＦＢセクションの長波長モードのみが重なるように、すなわち、レーザ２の第１のＤＦＢセクションにおけるストップバンドの長波長側のモードの波長が、レーザ２の第２のＤＦＢセクションにおける長波長モードでの波長とほぼ同一（いずれも波長λ_l）となるように、構成される。詳細には、第２のセクション（図５のセクション２）のブラッグ回折格子は、第１のセクション（図５のセクション１）よりも、小さい結合係数および長いブラッグ波長を有する。このように、第１および第２のセクションのブラッグ回折格子の特性（ブラッグ回折格子の構成）を選択することで、利得結合ブラッグ回折格子を用いなくとも、単一モード出力が達成される。

同様に、第２のレーザ３のブラッグ回折格子は、２つのセクションの短波長モード（波長λ_s）のみが重なるように構成される。このように２セクションからなる２つのＤＦＢレーザを用いることで、第１の単一モードレーザおよび第２の単一モードＤＦＢレーザが提供される。ただし、第１のレーザ２は第２のＤＦＢレーザ３の放射光を通過させるのに十分な透過性を有し、第２のレーザ３は第１のＤＦＢレーザ２の放射光を通過させるのに十分な透過性を有する。

図５の２セクションからなるＤＦＢレーザ２，３のうちの少なくとも１つには、出力波長調整手段が装備されている。例えば、２つのレーザ２，３のうちの１つは加熱用手段を備え、例として、第１の加熱用素子が当該レーザの第１のブラッグ回折格子からなるセクションに割り当てられ、第２の加熱用素子が当該レーザの第２のブラッグ回折格子からなるセクションに割り当てられる。ここで、これら２つの加熱用素子は、２つのブラッグ回折格子の少なくとも一方のブラッグ波長が他方のブラッグ回折格子のブラッグ波長に対してシフトするように、互いに別個独立に制御される。図６に示すように、第２のレーザ３の第２のセクションのブラッグ回折格子のブラッグ波長は、波長λ_sにおける短波長モードにおいて重なっていたものを、長波長モードでの重なりにシフトするように、長波長に向かってシフトされる。これにより、第１のレーザ２で発生した第１の波長と第２のレーザ３で発生した第２の波長の波長差は、Δ１から、より大きい値であるΔ２に変化する。そのため、ビート周波数も変化して、ビート信号がテラヘルツシステムに供給される時のテラヘルツシステムの調整範囲が切り替えられる。

図７は、本発明の別の実施形態に関する。本実施形態は、図１の実施形態とほぼ同一であり、ビート生成装置１は、第１のレーザ２、第２のレーザ３、およびこれらレーザの間に配置された位相変調部４を備える。

位相変調部４は光導波路を備え、この光導波路には電極が接続されている。この光導波路の屈折率を変化させるために、電極には、電圧源４１を用いて電圧が印加される。図１と同様に、光導波路１１１〜１１４が設けられ、光導波路１１１〜１１４、レーザ２，３および位相変調部４は、半導体チップに一体化（集積化）される。また、出力ポート１１，１２において、第１のレーザ２で発生した光（第１の波長λ₁を有する光）と、第２のレーザ３で発生した光（第２の波長λ₂を有する光）とが重畳される。

特に、光導波路１１１〜１１４，レーザ２，３および位相変調部４は、第１および第２のレーザ２，３ならびに位相変調部４を構成するように構造化された、単一の集積光導波路によって構成される。例えば、レーザ２，３は、活性領域、および光導波路を構成するブラッグ回折格子を備える。

ビート生成装置１は、さらに、それぞれ第１および第２のテーパ（テーパ状の光結合素子）５１，５２の形態からなる、２つのモード変換器を備える。第１のテーパ５１は光導波路１１１の一端と第１の出力ポート１１の間に配置され、第２のテーパ５２は光導波路１１２の一端と第２の出力ポート１２の間に配置される。第１の出力ポート１１に結合された光ファイバ６１に案内されるモードの重なりを良好にするために、テーパ５１が用いられて、光導波路１１１で案内された光モードの幅を広くする。同様に、第２の出力ポート１２に結合された光ファイバ６２に案内されるモードの重なりを良好にするために、テーパ５２が用いられて、光導波路１１２で案内された光モードの幅を広くする。

さらに、ビート生成装置１は、第１および／または第２のレーザ２，３で発生した光を増幅する増幅器７１，７２を備え、これら増幅器７１，７２は、それぞれ、光導波路１１１，１１２の一部を構成する。増幅器は、光導波路１１１に配置された、第１のレーザの活性セクションおよび／または光導波路１１２に配置された、第２のレーザ活性セクションを含んでもよい。これらレーザ活性セクションは、それぞれ、第１のレーザおよび第２のレーザに隣接することも可能である（例えば、第１および／または第２のレーザのレーザ活性領域と一体に構成される）。この場合、増幅器のレーザ活性セクションと、それに対応する第１または第２のレーザを制御するために、共通電極が設けられてもよい。代わりに、増幅器と、それに対応する第１または第２のレーザに、別個の電極が用いられてもよい。

１ ビート生成装置
２ 第１のレーザ
３ 第２のレーザ
４ 位相変調部
１１ 第１の出力ポート
１２ 第２の出力ポート
４１ 電圧源
５１，５２ テーパ
６１，６２ 光ファイバ
７１，７２ 増幅器
１１１〜１１４ 光導波路

Claims (17)

1. テラヘルツシステムにおいて用いられる、ビート信号生成装置であって、
   第１の波長（λ₁）を有する放射光を発生する第１の単一モードレーザ（２）と、
   第１の波長（λ₁）とは異なる第２の波長（λ₂）を有する放射光を発生する第２の単一モードレーザ（３）と、
   第１の出力ポート（１１）および第２の出力ポート（１２）と、
   前記第１の単一モードレーザ（２）で発生した放射光の位相、および、前記第２の単一モードレーザ（３）で発生した放射光の位相を変調する位相変調部（４）とを備え、
   前記第１の単一モードレーザ（２）で発生した放射光は、前記第２の単一モードレーザ（３）を介して伝送され、前記第２の出力ポート（１２）において前記第２の単一モードレーザ（３）で発生した放射光が重畳され、
   前記第２の単一モードレーザ（３）で発生した放射光は、前記第１の単一モードレーザ（２）を介して伝送され、前記第１の出力ポート（１１）において前記第１の単一モードレーザ（２）で発生した放射光が重畳され、これにより、
   前記第１の出力ポート（１１）から放射される第１のビート信号（Ａ）と、前記第２の出力ポート（１２）から放射される第２のビート信号（Ｂ）との間の位相が、前記位相変調部（４）によって調整される、ビート信号生成装置（１）。
2. 請求項１において、さらに、
   複数の直線状の光導波路（１１１〜１１４）であって、前記第１の単一モードレーザ（２）を前記第１の出力ポート（１１）に接続する光導波路（１１１）、前記第１の単一モードレーザ（２）を前記位相変調部（４）に接続する光導波路（１１３）、前記第２の単一モードレーザ（３）を前記第２の出力ポート（１２）に接続する光導波路（１１２）、および前記第２の単一モードレーザ（３）を前記位相変調部（４）に接続する光導波路（１１４）からなる、複数の直線状の光導波路（１１１〜１１４）を備えた、ビート信号生成装置（１）。
3. 請求項１または２において、前記位相変調部（４）は、電気光学位相変調器であり、前記第１の単一モードレーザ（２）および前記第２の単一モードレーザ（３）の間に配置された、ビート信号生成装置（１）。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記第１の単一モードレーザ（２）は第１のＤＦＢレーザで、前記第２の単一モードレーザ（３）は第２のＤＦＢレーザであり、これら第１および第２のＤＦＢレーザのブラッグ回折格子は、前記第１のＤＦＢレーザで発生した放射光の波長が、前記第２のＤＦＢレーザのストップバンドの外側に位置し、前記第２のＤＦＢレーザで発生した放射光の波長が、前記第１のＤＦＢレーザのストップバンドの外側に位置するように、構成される、ビート信号生成装置（１）。
5. 請求項４において、前記第１のＤＦＢレーザは、そのストップバンドの長波長側で放射光を発生するように構成され、前記第２のＤＦＢレーザは、そのストップバンドの短波長側で放射光を発生するように構成される、ビート信号生成装置（１）。
6. 請求項４または５において、前記第１のＤＦＢレーザは利得結合ブラッグ回折格子を有する、ビート信号生成装置（１）。
7. 請求項４から６のいずれか一項において、前記第２のＤＦＢレーザは屈折率結合ブラッグ回折格子を有する、ビート信号生成装置（１）。
8. 請求項４から７のいずれか一項において、
   前記第１のＤＦＢレーザは、第１のブラッグ回折格子を含む第１のセクション、および第２のブラッグ回折格子を含む第２のセクションを少なくとも備え、当該第１セクションと当該第２のセクションの長波長モードの波長のみが同一となるように、当該第１のブラッグ回折格子と当該第２のブラッグ回折格子は、それらのブラッグ波長およびそれらのストップバンドの幅が異なっており、かつ／または、
   前記第２のＤＦＢレーザは第１のブラッグ回折格子を含む第１のセクション、および第２のブラッグ回折格子を含む第２のセクションを少なくとも備え、当該第１のセクションと当該第２のセクションの短波長モードの波長のみが同一となるように、前記第１のブラッグ回折格子と前記第２のブラッグ回折格子は、それらのブラッグ波長およびそれらのストップバンドの幅が異なっている、ビート信号生成装置（１）。
9. 請求項１から８のいずれか一項において、前記第１のレーザ（２）と前記第２のレーザ（３）のいずれか一方または両方が、発生する放射光の波長を調整する波長調整手段を備える、ビート信号生成装置（１）。
10. 請求項８に従属する請求項９において、前記波長調整手段は、
    前記第１のＤＦＢレーザの前記第１のブラッグ回折格子と前記第２のブラッグ回折格子のうちの少なくとも１つのブラッグ波長を変更して、長波長モードの重なりを短波長モードの重なりに切り替え、かつ／または、
    前記第２のＤＦＢレーザの前記第１のブラッグ回折格子と前記第２のブラッグ回折格子のうちの少なくとも１つのブラッグ波長を変更して、短波長モードの重なりを長波長モードの重なりに切り替える、ビート信号生成装置（１）。
11. 請求項９に従属する請求項１０において、前記波長調整手段は、
    前記第１のＤＦＢレーザの前記第１のブラッグ回折格子のブラッグ波長と前記第１のＤＦＢレーザの前記第２のブラッグ回折格子のブラッグ波長が別個独立に変更されるように、前記第１のＤＦＢレーザの前記第１のセクションに割り当てられた第１の加熱用素子、および、前記第１のＤＦＢレーザの前記第２のセクションに割り当てられた第２の加熱用素子を備え、かつ／または、
    前記第２のＤＦＢレーザの前記第１のブラッグ回折格子のブラッグ波長と前記第２のＤＦＢレーザの前記第２のブラッグ回折格子のブラッグ波長が別個独立に変更されるように、前記第２のＤＦＢレーザの前記第１のセクションに割り当てられた第１の加熱用素子、および、前記第２のＤＦＢレーザの第２のセクションに割り当てられた第２の加熱用素子を備えた、ビート信号生成装置（１）。
12. 請求項１から１１のいずれか一項において、さらに、
    前記第１の単一モードレーザ（２）で発生した放射光と前記第２の単一モードレーザ（３）で発生した放射光のいずれか一方または両方の空間強度分布を、改良空間強度分布に変換する、モード変換器（５１，５２）を備えた、ビート信号生成装置（１）。
13. 請求項１から１２のいずれか一項において、さらに、
    前記第１の単一モードレーザ（２）で発生した放射光と前記第２の単一モードレーザ（３）で発生した放射光のいずれか一方または両方を増幅する増幅器（７１，７２）を備えた、ビート信号生成装置（１）。
14. ビート信号生成装置（１）を備えたテラヘルツシステムであって、
    前記ビート信号生成装置（１）は、
    第１の波長（λ₁）を有する放射光を発生する第１のレーザ（２）と、
    第１の波長（λ₁）とは異なる第２の波長（λ₂）を有する放射光を発生する第２のレーザ（３）と、
    第１の出力ポート（１１）および第２の出力ポート（１２）と、
    前記第１のレーザ（２）で発生した放射光の位相、および、前記第２のレーザ（３）で発生した放射光の位相を変調する位相変調部（４）とを備え、
    前記ビート信号生成装置（１）は、さらに、
    前記第１のレーザ（２）で発生した放射光は、前記第２のレーザ（３）を介して伝送され、前記第２の出力ポート（１２）において前記第２のレーザ（３）で発生した放射光が重畳され、
    前記第２のレーザ（３）で発生した放射光は、前記第１のレーザ（２）を介して伝送され、前記第１の出力ポート（１１）において前記第１のレーザ（２）で発生した放射光が重畳され、これにより、
    前記第１の出力ポート（１１）から放射される第１のビート信号（Ａ）と、前記第２の出力ポート（１２）から放射される第２のビート信号（Ｂ）との間の位相が、前記位相変調部（４）によって変調されるように、構成されており、
    前記ビート信号生成装置（１）の前記第１の出力ポート（１１）は当該テラヘルツシステムの第１の構成部品に接続され、前記ビート信号生成装置（１）の前記第２の出力ポート（１２）は当該テラヘルツシステムの第２の構成部品に接続される、テラヘルツシステム。
15. ビート信号生成装置（１）の使用方法であって、
    前記ビート信号生成装置（１）は、
    第１の波長（λ₁）を有する放射光を発生する第１のレーザ（２）と、
    第１の波長（λ₁）とは異なる第２の波長（λ₂）を有する放射光を発生する第２のレーザ（３）と、
    第１の出力ポート（１１）および第２の出力ポート（１２）と、
    前記第１のレーザ（２）で発生した放射光の位相、および、前記第２のレーザ（３）で発生した放射光の位相を変調する位相変調部（４）とを備え、
    前記ビート信号生成装置（１）は、さらに、
    前記第１のレーザ（２）で発生した放射光は、前記第２のレーザ（３）を介して伝送され、前記第２の出力ポート（１２）において前記第２のレーザ（３）で発生した放射光が重畳され、
    前記第２のレーザ（３）で発生した放射光は、前記第１のレーザ（２）を介して伝送され、前記第１の出力ポート（１１）において前記第１のレーザ（２）で発生した放射光が重畳され、これにより、
    前記第１の出力ポート（１１）から放射される第１のビート信号（Ａ）と、前記第２の出力ポート（１２）から放射される第２のビート信号（Ｂ）との間の位相が、位相変調部（４）によって変調されるように、構成されており、
    前記ビート信号生成装置（１）はテラヘルツシステムを制御するのに用いられ、前記ビート信号生成装置（１）の前記第１の出力ポート（１１）は前記テラヘルツシステムの第１の構成部品に接続され、前記ビート信号生成装置（１）の前記第２の出力ポート（１２）は前記テラヘルツシステムの第２の構成部品に接続される、ビート信号生成装置（１）の使用方法。
16. 請求項１から１３のいずれか一項に記載されたビート信号生成装置（１）を備えたテラヘルツシステムであって、
    前記ビート信号生成装置（１）の前記第１の出力ポート（１１）は当該テラヘルツシステムの第１の構成部品に接続され、前記ビート信号生成装置（１）の前記第２の出力ポート（１２）は当該テラヘルツシステムの第２の構成部品に接続される、テラヘルツシステム。
17. 請求項１から１３のいずれか一項に記載されたビート信号生成装置（１）の使用方法であって、
    前記ビート信号生成装置（１）はテラヘルツシステムを制御するのに用いられ、前記ビート信号生成装置（１）の前記第１の出力ポート（１１）は前記テラヘルツシステムの第１の構成部品に接続され、前記ビート信号生成装置（１）の前記第２の出力ポート（１２）は前記テラヘルツシステムの第２の構成部品に接続される、ビート信号生成装置（１）の使用方法。

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