JP2014053346A - 短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置 - Google Patents

短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】小型化を図ることができる短光パルス発生装置を提供する。
【解決手段】短光パルス発生装置１００は、量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部１０と、量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部１２と、モード結合する距離で配置されている複数の光導波路を有し、チャープした前記光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部１４と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置に関する。
近年、１００ＧＨｚ以上、３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。
このテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置は、例えば、サブピコ秒（数百フェムト秒）程度のパルス幅をもつ光パルスを発生させる短光パルス発生装置と、短光パルス発生装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナとを有している。一般的に、サブピコ秒程度のパルス幅の光パルスを発生させる短光パルス発生装置として、フェムト秒ファイバーレーザーや、チタンサファイヤレーザー等が使用されている。
例えば、特許文献１には、希土類元素をドープしたファイバーを用いることで、線形にチャープした高パワーの放物線型パルスが発生可能なファイバーレーザーが開示されている。
特開２００９−１５８９８３号公報
しかしながら、特許文献１のファイバーレーザーでは、光パルスに所定の周波数チャープを付与するためにはファイバー長を長くする必要があるため、装置が大型化してしまうという問題があった。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、小型化を図ることができる短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置を提供することにある。
本発明に係る短光パルス発生装置は、
量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部と、
量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
モード結合する距離で配置されている複数の光導波路を有し、チャープした前記光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
を含む。
このような短光パルス発生装置によれば、周波数チャープ部が量子井戸構造を有している。量子井戸構造を有する半導体材料は、例えば石英ファイバーと比べて、非線形屈折率が大きいため、単位長さあたりの周波数のチャープ量（周波数の変化量）を大きくすることができる。したがって、周波数チャープ部を小型化することができ、装置の小型化を図
ることができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記群速度分散部は、半導体材料からなってもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、モード結合する距離で配置される複数の光導波路を容易に形成することができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
基板を含み、
前記光パルス生成部、前記周波数チャープ部、および前記群速度分散部は、前記基板に設けられていてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、例えばエピタキシャル成長等を用いて、光パルス生成部を構成する半導体層、周波数チャープ部を構成する半導体層、および群速度分散部を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記光パルス生成部の量子井戸構造を有する層と、前記周波数チャープ部の量子井戸構造を有する層とは、同一層であってもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、光パルス生成部と周波数チャープ部との間での光損失を低減することができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記周波数チャープ部の量子井戸構造を有する層と、複数の前記光導波路のうちの少なくとも１つを構成するコア層とは、同一層であってもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、周波数チャープ部と群速度分散部との間での光損失を低減することができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記群速度分散部は、積層された複数の半導体層を有し、
複数の前記光導波路は、前記半導体層の積層方向に配列されていてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、光導波路間の距離を、半導体層の膜厚で制御することができる。したがって、光導波路間の距離を精度よく制御することができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記群速度分散部は、積層された複数の半導体層を有し、
複数の前記光導波路は、前記半導体層の積層方向に垂直な方向に配列されていてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、例えば光導波路が積層方向に配列されている場合に比べて、群速度分散部を構成する半導体層の積層数を少なくすることができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記光パルス生成部、前記周波数チャープ部、および前記群速度分散部は、それぞれＡｌＧａＡｓ系材料からなる複数の半導体層を有していてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、テラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナの励起に適した波長を有する、短光パルスを発生させることができる。
本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
を含む。
このようなテラヘルツ波発生装置によれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
本発明に係るカメラは、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を含む。
このようなカメラによれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
本発明に係るイメージング装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
を含む。
このようなイメージング装置によれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
本発明に係る計測装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
を含む。
このような計測装置によれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
第１実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 光パルス生成部で生成される光パルスの一例を示すグラフ。 周波数チャープ部のチャープ特性の一例を示すグラフ。 群速度分散部で生成された光パルスの一例を示すグラフ。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第１変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第２変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第１実施形態の第２変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第３変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第１実施形態の第３変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第４変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第２実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る短光パルス発生装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る短光パルス発生装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図。 第４実施形態に係るイメージング装置を示すブロック図。 第４実施形態に係るイメージング装置のテラヘルツ波検出部を模式的に示す平面図。 対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフ。 対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図。 第５実施形態に係る計測装置を示すブロック図。 第６実施形態に係るカメラを示すブロック図。 第６実施形態に係るカメラを模式的に示す斜視図。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．第１実施形態
１．１． 短光パルス発生装置の構成
まず、第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００を模式的に示す断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
短光パルス発生装置１００は、図１および図２に示すように、光パルスを生成する光パ
ルス生成部１０と、光パルスに周波数チャープを付与する周波数チャープ部１２と、周波数チャープが付与された光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部１４と、を含む。
光パルス生成部１０は、光パルスを生成する。ここで、光パルスとは、短時間に急峻に強度が変化する光をいう。光パルス生成部１０が生成する光パルスのパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は特に限定されないが、例えば１ｐｓ（ピコ秒）以上１００ｐｓ以下である。光パルス生成部１０は、例えば、量子井戸構造（第１コア層１０８）を有する半導体レーザーであり、図示の例では、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザーである。なお、光パルス生成部１０は、例えば、ＤＢＲレーザーやモード同期レーザー等の半導体レーザーであってもよい。また、光パルス生成部１０は、半導体レーザーに限定されず、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であってもよい。光パルス生成部１０で生成された光パルスは、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、および第２クラッド層１１０で構成されている光導波路２を伝搬する。
周波数チャープ部１２は、光パルス生成部１０で生成された光パルスに周波数チャープを付与する。周波数チャープ部１２は、例えば半導体材料で構成されており、量子井戸構造を有している。図示の例では、周波数チャープ部１２は、量子井戸構造を有している第１コア層１０８を有している。光パルスが周波数チャープ部１２の光導波路２を伝搬すると、光カー効果により光導波路材料の屈折率が変化し、電界の位相が変化する（自己位相変調効果）。この自己位相変調効果により、光パルスに周波数チャープが付与される。ここで、周波数チャープとは、光パルスの周波数が時間的に変化する現象をいう。
周波数チャープ部１２は、半導体材料で構成されているため、１ｐｓから１００ｐｓ程度のパルス幅を持つ光パルスに対して応答速度が遅い。そのため、周波数チャープ部１２では、光パルスに、当該光パルスの強度（電界振幅の２乗）に比例した周波数チャープ（アップチャープやダウンチャープ）が付与される（すなわち、光パルスの周波数をチャープさせる）。ここで、アップチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに増加する場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに減少する場合をいう。言い換えると、アップチャープとは、光パルスの波長が時間とともに短くなる場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの波長が時間とともに長くなる場合をいう。
群速度分散部１４は、周波数チャープが付与された光パルスに対して波長（周波数）に応じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散部１４は、周波数チャープが付与された光パルスに対して、光パルスのパルス幅が小さくなるような群速度差を生じさせることができる（パルス圧縮）。例えば、群速度分散部１４では、アップチャープされた光パルスに負の群速度分散（異常分散）を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。この場合、群速度分散部１４は、異常分散媒質である。ここで、異常分散とは、波長が長くなるにしたがって群速度が遅くなることをいう。
また、群速度分散部１４では、ダウンチャープされた光パルスに、正の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。この場合、群速度分散部１４は、正常分散媒質である。ここで、正常分散とは、波長が長くなるにしたがって群速度が速くなることをいう。このように群速度分散部１４では、群速度分散に基づくパルス圧縮を行う。群速度分散部１４で圧縮された光パルスのパルス幅は特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。
群速度分散部１４は、モード結合する距離で配置されている２つの光導波路２，４を有している。すなわち、２つの光導波路２，４は、いわゆる結合導波路を構成している。なお、モード結合する距離とは、光導波路２および光導波路４を伝搬する光が、互いに行き
来することが可能な距離である。群速度分散部１４では、２つの光導波路２，４におけるモード結合により、大きな群速度差を生じさせることができる。また、群速度分散部１４は、光パルスの波長帯において、正常分散を有することもできるし、異常分散を有することもできる。
次に、短光パルス発生装置１００の構造について説明する。短光パルス発生装置１００は、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が一体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置１００は、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が同一基板１０２上に設けられている。
具体的には、短光パルス発生装置１００は、基板１０２と、バッファー層１０４と、第１クラッド層１０６と、第１コア層１０８と、第２クラッド層１１０と、キャップ層１１２と、第２コア層１１４と、第３クラッド層１１６と、キャップ層１１８と、絶縁層１２０，１２２と、第１電極１３０と、第２電極１３２と、を含んで構成されている。
基板１０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。基板１０２は、光パルス生成部１０が形成される第１領域１０２ａと、周波数チャープ部１２が形成される第２領域１０２ｂと、群速度分散部１４が形成される第３領域１０２ｃと、を有している。
バッファー層１０４は、基板１０２上に設けられている。バッファー層１０４は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。バッファー層１０４は、その上方に形成される層の結晶性を向上させることができる。
第１クラッド層１０６は、バッファー層１０４上に設けられている。第１クラッド層１０６は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
第１ガイド層１０８ａは、第１クラッド層１０６上に設けられている。第１ガイド層１０８ａは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。
ＭＱＷ層１０８ｂは、第１ガイド層１０８ａ上に設けられている。ＭＱＷ層１０８ｂは、例えば、ＧａＡｓウェル層と、ＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸構造を有している。図示の例では、ＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数（ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層の積層数）は、第１〜第３領域１０２ａ〜１０２ｃの上方において、同じである。すなわち、各部１０，１２，１４において、ＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数は同じである。なお、第１領域１０２ａの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第２領域１０２ｂの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第３領域１０２ｃの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数とが、異なっていてもよい。すなわち、光パルス生成部１０を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、周波数チャープ部１２を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、群速度分散部１４を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数とは、異なっていてもよい。なお、量子井戸構造とは、半導体発光装置分野における一般的な量子井戸構造を指し、異なるバンドギャップを持つ２種以上の材料を用いて、バンドギャップの小さい材料の薄膜(ｎｍオーダー)を、バンドギャップの大きい材料の薄膜でサンドイッチにした構造である。
第２ガイド層１０８ｃは、ＭＱＷ層１０８ｂ上に設けられている。第２ガイド層１０８ｃは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。第２ガイド層１０８ｃには、ＤＦＢ型の共振器を構成する周期構造が設けられている。周期構造は、第１領域１０２ａの上方に設けられている。周期構造は、図２に示すように、屈折率の異なる２つの層１０８ｃ，１１０
によって構成されている。
第１ガイド層１０８ａ、およびＭＱＷ層１０８ｂ、第２ガイド層１０８ｃにより、ＭＱＷ層１０８ｂに生じる光（光パルス）を伝播する第１コア層１０８を構成することができる。第１ガイド層１０８ａおよび第２ガイド層１０８ｃは、注入キャリア（電子および正孔）をＭＱＷ層１０８ｂに閉じ込めると同時に、第１コア層１０８に光を閉じこめる層である。
第２クラッド層１１０は、第１コア層１０８上に設けられている。第２クラッド層１１０は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層である。
図示の例では、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、および第２クラッド層１１０によって、光導波路２が構成されている。光導波路２は、第１コア層１０８の端面１０９ａから、端面１０９ａと反対側の第１コア層１０８の端面１０９ｂまで、延在している。光導波路２は、図示の例では、直線状に設けられている。
なお、第１コア層１０８は、少なくとも第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方で量子井戸構造を有していればよい。例えば第１コア層１０８は、第３領域１０２ｃの上方では、量子井戸構造を有していなくてもよい。すなわち、群速度分散部１４を構成する第１コア層１０８は量子井戸構造を有していなくてもよい。その場合、第１コア層１０８は、例えば、ＡｌＧａＡｓ層の単層である。
光パルス生成部１０では、例えば、ｐ型の第２クラッド層１１０、不純物がドーピングされていない第１コア層１０８、およびｎ型の第１クラッド層１０６により、ｐｉｎダイオードが構成される。第１クラッド層１０６および第２クラッド層１１０の各々は、第１コア層１０８よりもバンドギャップが大きく、屈折率が小さい層である。第１コア層１０８は、光を発生させ、かつ光を増幅しつつ導波させる機能を有する。第１クラッド層１０６および第２クラッド層１１０は、第１コア層１０８を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能（光の漏れを抑制する機能）を有する。
光パルス生成部１０では、第１電極１３０と第２電極１３２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、第１コア層１０８（ＭＱＷ層１０８ｂ）において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光（光パルス）を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光導波路２内で光（光パルス）の強度が増幅される。
バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、第２クラッド層１１０は、基板１０２の第１領域１０２ａ，第２領域１０２ｂ，第３領域１０２ｃにわたって設けられている。すなわち、これらの層１０４，１０６，１０８，１１０は、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４に共通の層であり、連続している層である。光導波路２は、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４において連続している第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、第２クラッド層１１０で構成される。
キャップ層１１２は、第２クラッド層１１０上に設けられている。より具体的には、キャップ層１１２は、第２クラッド層１１０上であって、基板１０２の第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方に設けられている。キャップ層１１２は、第２電極１３２とオーミックコンタクトすることができる。キャップ層１１２は、例えば、ｐ型のＧａＡｓ層である。
キャップ層１１２と、第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方に設けられている第２クラッド層１１０の一部とは、柱状部６を構成している。例えば、光パルス生成部１０では、柱状部６の各層の積層方向から見た平面形状によって、電極１３０，１３２間の電流経路が決定される。
絶縁層１２０は、図１に示すように、第２クラッド層１１０上であって、柱状部６の側方に設けられている。さらに、絶縁層１２０は、第２領域１０２ｂの上方のキャップ層１１２上に設けられている。絶縁層１２０は、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ポリイミド層などである。
絶縁層１２０として上記の材料を用いた場合、電極１３０，１３２間の電流は、絶縁層１２０を避けて、該絶縁層１２０に挟まれた柱状部６を流れることができる。また、絶縁層１２０は、第２クラッド層１１０の屈折率よりも小さい屈折率を有することができる。この場合、絶縁層１２０を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁層１２０を形成しない部分、すなわち、柱状部６が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、光導波路２内に効率良く光を閉じ込めることができる。なお、図示はしないが、絶縁層１２０として上記の材料を用いず、空気層としてもよい。この場合、空気層が絶縁層１２０として機能することができる。
第１電極１３０は、基板１０２の下の全面に設けられている。第１電極１３０は、該第１電極１３０とオーミックコンタクトする層（図示の例では基板１０２）と接している。第１電極１３０は、基板１０２を介して、第１クラッド層１０６と電気的に接続されている。第１電極１３０は、光パルス生成部１０を駆動するための一方の電極である。第１電極１３０としては、例えば、基板１０２側からＣｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、第１電極１３０は、基板１０２の第１領域１０２ａの下方にのみ設けられていてもよい。
第２電極１３２は、キャップ層１１２の上面であって、第１領域１０２ａの上方に設けられている。さらに、第２電極１３２は、絶縁層１２０上に設けられていてもよい。第２電極１３２は、キャップ層１１２を介して、第２クラッド層１１０と電気的に接続されている。第２電極１３２は、光パルス生成部１０を駆動するための他方の電極である。第２電極１３２としては、例えば、キャップ層１１２側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、図示の例では、第１電極１３０が基板１０２の下面側に設けられ、第２電極１３２が基板１０２の上面側に設けられている両面電極構造であるが、第１電極１３０と第２電極１３２とが基板１０２の同じ面側（例えば上面側）に設けられている片面電極構造であってもよい。
第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０上に設けられている。より具体的には、第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０上であって、第３領域１０２ｃの上方に設けられている。第２コア層１１４は、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０および第３クラッド層１１６に挟まれている。
第３クラッド層１１６は、第２コア層１１４上に設けられている。第３クラッド層１１６は、例えば、例えばｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
図示の例では、第２クラッド層１１０、第２コア層１１４、および第３クラッド層１１６によって、光導波路４が構成されている。光導波路４は、第２コア層１１４の端面１１４ａから、端面１１４ａと反対側の第２コア層１１４の端面１１４ｂまで延在している。光導波路４は、図示の例では、直線状に設けられている。
光導波路２および光導波路４は、モード結合する距離で配置されている。すなわち、光導波路２および光導波路４とは、結合導波路を構成している。光導波路２および光導波路４は、群速度分散部１４を構成している半導体層１０４〜１１８の積層方向に配列されている。図示の例では、光導波路２の上方に、光導波路４が配置されており、半導体層１０４〜１１８の積層方向からみて、光導波路２と光導波路４とは、重なっている。
キャップ層１１８は、第３クラッド層１１６上に設けられている。キャップ層１１８は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。キャップ層１１８と、第３クラッド層１１６の一部とは、柱状部８を構成している。
絶縁層１２２は、図１に示すように、第３クラッド層１１６上であって、柱状部８の側方に設けられている。さらに、絶縁層１２２は、キャップ層１１８上に設けられている。絶縁層１２２は、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ポリイミド層などである。
絶縁層１２２は、第３クラッド層１１６の屈折率よりも小さい屈折率を有することができる。この場合、絶縁層１２２を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁層１２２を形成しない部分、すなわち、柱状部８が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、光導波路２および光導波路４内に効率良く光を閉じ込めることができる。なお、図示はしないが、絶縁層１２２として上記の材料を用いず、空気層としてもよい。この場合、空気層が絶縁層１２２として機能することができる。
以上、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００の一例として、ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用いる場合について説明したが、これに限定されず、例えば、ＡｌＧａＮ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＺｎＣｄＳｅ系などのその他の半導体材料を用いてもよい。
なお、図示はしないが、周波数チャープ部１２に逆バイアスを印加するための電極を設けてもよい。これにより、周波数チャープ部１２の吸収特性を制御することができ、周波数のチャープ量を調整することができる。また、群速度分散部１４に電圧を印加するための電極を設けてもよい。例えば、群速度分散部１４において、第１クラッド層１０６に電気的に接続された電極と第２クラッド層１１０に電気的に接続された電極を設けることで、光導波路２に電圧を印加することができる。また、第２クラッド層１１０に電気的に接続された電極と第３クラッド層１１６に電気的に接続された電極を設けることで、光導波路４に電圧を印加することができる。また、第１クラッド層１０６に電気的に接続された電極と第３クラッド層１１６に電気的に接続された電極を設けることで、光導波路２および光導波路４に電圧を印加することができる。これにより、群速度分散部１４の群速度分散量を制御することができる。すなわち、デバイスの製造ばらつきにより発生する群速度分散値のばらつきを補正し、短光パルス幅を制御するために最適な分群速度散値に調整することができる。
次に、短光パルス発生装置１００の動作について説明する。図３は、光パルス生成部１０で生成された光パルスＰ１の一例を示すグラフである。図３に示すグラフの横軸ｔは、時間であり、縦軸Ｉは光強度（電界振幅の２乗）である。図４は、周波数チャープ部１２のチャープ特性の一例を示すグラフである。図４に示すグラフの横軸ｔは時間であり、縦軸Δωはチャープ量（周波数の変化量）である。なお、図４では、光パルスＰ１を一点鎖線で示し、光パルスＰ１に対応するチャープ量Δωを実線で示している。図５は、群速度分散部１４で生成された光パルスＰ３の一例を示すグラフである。図５に示すグラフの横軸ｔは時間であり、縦軸Ｉは光強度である。なお、図５に示すグラフは、図３に示すグラ
フに対応している。
光パルス生成部１０は、例えば、図３に示す光パルスＰ１を生成する。光パルス生成部１０では、第１電極１３０と第２電極１３２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧が印加されることにより、光パルスＰ１が生成される。光パルスＰ１は、図示の例では、ガウス波形である。光パルスＰ１のパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）ｔは、図示の例では、１０ｐｓ（ピコ秒）である。光パルスＰ１は、光導波路２を伝搬し、周波数チャープ部１２に入射する。
周波数チャープ部１２は、光強度に比例したチャープ特性を有する。下記式（１）は、周波数チャープの効果を示す式である。
Figure 2014053346
ここで、Δωはチャープ量（周波数の変化量）、ｃは光速、τｒは非線形屈折率効果の応答時間、ｎ２は非線形屈折率、ｌは導波路長、ω０は初期周波数、Ｅは電界の振幅である。
周波数チャープ部１２は、光導波路２を伝搬する光パルスＰ１に対して、式（１）に示す周波数チャープを付与する。具体的には、図４に示すように、周波数チャープ部１２は、光パルスＰ１に対して、光パルスＰ１の前部では周波数を時間とともに減少させ、光パルスＰ１の後部では周波数を時間とともに増加させる。すなわち、周波数チャープ部１２は、光パルスＰ１の前部にダウンチャープを付与し、光パルスＰ１の後部にアップチャープを付与する。したがって、光パルス生成部１０で生成された光パルスＰ１は、周波数チャープ部１２を通過することで、前部がダウンチャープされ、後部がアップチャープされた光パルス（以下「光パルスＰ２」という）となる。チャープが付与された光パルスＰ２（図示せず）は、群速度分散部１４に入射する。
群速度分散部１４は、周波数チャープが付与された光パルスＰ２に対して、波長（周波数）に応じた群速度差を生じさせて（群速度分散）、パルス圧縮を行う。群速度分散部１４では、光パルスＰ２が光導波路２，４によって構成される結合導波路を通過することによって、光パルスＰ２に群速度差を生じさせる。図５の例では、群速度分散部１４は、光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせて、アップチャープされた光パルスＰ２の後部を圧縮している。これにより、光パルスＰ３が生成される。図示の例では、光パルスＰ３のパルス幅ｔは、０．３３ｐｓである。光パルスＰ３は、光導波路２の端面１０９ｂおよび光導波路４の端面１１４ｂの少なくとも一方から出射される。
本実施形態に係る短光パルス発生装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
短光パルス発生装置１００では、量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部１０と、量子井戸構造を有し、光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部１２と、モード結合する距離で配置されている複数の光導波路２，４を有し、チャープした光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部１４と、を含む。これにより、光パルス生成部１０で生成された光パルスを圧縮して（パルス幅を小さくして）、例えば１ｆｓ以上８００ｆｓ以下のパルス幅の光パルス（短光パルス）を出射することができる。
さらに、短光パルス発生装置１００よれば、周波数チャープ部１２が量子井戸構造を有していることにより、装置の小型化を図ることができる。以下、その理由について説明する。
上記した式（１）に示されるように、チャープ量Δωは、非線形屈折率ｎ２に比例する。すなわち、非線形屈折率が大きいほど、単位長さあたりのチャープ量が大きくなる。ここで、一般的な石英ファイバー（ＳｉＯ２ガラス）の非線形屈折率ｎ２は、１０−２０ｍ２／Ｗ程度である。これに対し、量子井戸構造を有する半導体材料の非線形屈折率ｎ２は、１０−１０〜１０−８ｍ２／Ｗ程度である。このように、量子井戸構造を有する半導体材料は、石英ファイバーと比べて極めて大きな非線形屈折率ｎ２を有している。そのため、周波数チャープ部１２として、量子井戸構造を有する半導体材料を用いることにより、石英ファイバーを用いた場合と比べて、単位長さあたりのチャープ量を大きくすることができ、周波数チャープを付与するための光導波路の長さを短くすることができる。したがって、周波数チャープ部１２を小型化することができ、装置の小型化を図ることができる。
さらに、短光パルス発生装置１００では、群速度分散部１４が、モード結合する距離で配置されている２つの光導波路２，４を有しているため、モード結合により、光パルスに大きな群速度差を生じさせることができる。したがって、群速度差を生じさせるための光導波路の長さを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。
短光パルス発生装置１００では、群速度分散部１４は、半導体材料（半導体層１０６，１０８，１１０，１１４，１１６）からなるため、例えば石英ファイバーと比べて、結合導波路（光導波路２，４）を容易に形成することができる。
短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４は、同一基板１０２に設けられている。そのため、エピタキシャル成長等を用いて、光パルス生成部１０を構成する半導体層、周波数チャープ部１２を構成する半導体層、および群速度分散部１４を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間のアライメント、および周波数チャープ部１２と群速度分散部１４との間のアライメントを容易化できる。
短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部１０の量子井戸構造を有する層（第１コア層１０８）と、周波数チャープ部１２の量子井戸構造を有する層（第１コア層１０８）とは、同一層であり、連続している。さらに、短光パルス発生装置１００では、周波数チャープ部１２の量子井戸構造を有する層（第１コア層１０８）と、群速度分散部１４の複数の光導波路２，４のうちの少なくとも１つを構成しているコア層（第１コア層１０８）とは、同一層であり、連続している。これにより、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間での光損失、および周波数チャープ部１２と群速度分散部１４との間での光損失を低減することができる。例えば、光パルス生成部１０の量子井戸構造を有する層と周波数チャープ部１２の量子井戸構造を有する層とが連続していない場合、すなわち、これらの層の間に空間や光学素子等がある場合、光パルスが光パルス生成部１０から出射されて周波数チャープ部１２に入射するまでの間に、光損失が生じてしまう場合がある。また、周波数チャープ部１２の量子井戸構造を有する層と群速度分散部１４の複数の光導波路２，４のうちの少なくとも１つを構成しているコア層とが連続していない場合も同様である。
短光パルス発生装置１００では、群速度分散部１４は、積層された複数の半導体層１０６，１０８，１１０，１１４，１１６を有し、複数の光導波路２，４は、これらの半導体
層の積層方向に配列されている。これにより、光導波路２，４間の距離を、半導体層の膜厚で制御することができる。したがって、光導波路２，４間の距離を精度よく制御することができる。さらに、例えば光導波路２を構成する第１コア層１０８と、光導波路４を構成する第２コア層１１４を、異なる材質とすることができる。
１．２． 短光パルス発生装置の製造方法
次に、本実施形態に係る短光パルス発生装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図６および図７は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
図６に示すように、基板１０２上に、バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、第２クラッド層１１０、第２コア層１１４、キャップ層１１２、第３クラッド層１１６、キャップ層１１８を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。なお、第１コア層１０８を形成する際には、まず、第１クラッド層１０６上に第１ガイド層１０８ａおよびＭＱＷ層１０８ｂを成長させる。次に、ＭＱＷ層１０８ｂ上に第２ガイド層１０８ｃを成長させる。そして、第１領域１０２ａの上方の第２ガイド層１０８ｃの上面を干渉露光およびエッチングして凹凸面を形成する。その後、該凹凸面上を含む第２ガイド層１０８ｃ上に屈折率の異なる第２クラッド層１１０を成長させる。これにより、第２ガイド層１０８ｃに周期構造が形成される。このようにして第１コア層１０８が形成される。
次に、キャップ層１１８および第３クラッド層１１６をエッチングして、柱状部８を形成する。その後、基板１０２の第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方のキャップ層１１８、第３クラッド層１１６、第２コア層１１４を除去し、キャップ層１１２および第２クラッド層１１０をエッチングして、柱状部６を形成する（図１参照）。
図７に示すように、柱状部６，８上に、および柱状部６，８の側方に絶縁層１２０，１２２を形成する（図１参照）。絶縁層１２０は、第１領域１０２ａの上方の柱状部６上には形成されない。絶縁層１２０，１２２は、例えばＣＶＤ法、塗布法などにより形成される。
図１および図２に示すように、柱状部６（キャップ層１１２）上に第２電極１３２を形成する。キャップ層１１２上に真空蒸着法で成膜することにより形成される。次に、基板１０２の下面下に第１電極１３０を形成する。第１電極１３０は、例えば、真空蒸着法により形成される。なお、第１電極１３０および第２電極１３２の形成順序は、特に限定されない。
以上の工程により、短光パルス発生装置１００を製造することができる。
短光パルス発生装置１００の製造方法によれば、小型化を図ることができる短光パルス発生装置１００を得ることができる。
１．３． 短光パルス発生装置の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る短光パルス発生装置について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する本実施形態の変形例に係る短光パルス発生装置において、上述した短光パルス発生装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
（１）第１変形例
まず、第１変形例について説明する。図８は、第１変形例に係る短光パルス発生装置２００を模式的に示す断面図である。
上述した短光パルス発生装置１００では、図２に示すように、光パルス生成部１０が、ＤＦＢレーザーであった。
これに対して、短光パルス発生装置２００では、図８に示すように、光パルス生成部１０は、ファブリペロー型の半導体レーザーである。
短光パルス発生装置２００では、平面視において（半導体層１０４〜１１８の積層方向からみて）、第１領域１０２ａと、第２領域１０２ｂとの境界に溝部２１０が設けられている。溝部２１０は、キャップ層１１２、第２クラッド層１１０、第１コア層１０８、第１クラッド層１０６を貫通するように設けられている。溝部２１０が設けられることで、第１コア層１０８には、端面１０９ｃが設けられる。光パルス生成部１０では、端面１０９ａと端面１０９ｃとが反射面として機能し、ファブリペロー共振器が構成される。光パルス生成部１０の端面１０９ｃから出射された光パルスは、溝部２１０を通過して、周波数チャープ部１２に入射する。
（２）第２変形例
次に、第２変形例について説明する。図９は、第２変形例に係る短光パルス発生装置３００を模式的に示す斜視図である。図１０は、第２変形例に係る短光パルス発生装置３００を模式的に示す断面図である。なお、図９では、便宜上、光パルス生成部１０、および光学素子３１０の図示を省略している。また、図１０は、図２に対応している。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が一体に設けられていた。
これに対して、短光パルス発生装置３００では、図９および図１０に示すように、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が一体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置３００では、周波数チャープ部１２および群速度分散部１４が同一基板１０２上に設けられている。
光パルス生成部１０は、周波数チャープ部１２および群速度分散部１４が設けられている基板１０２とは、異なる基板１０３上に設けられている。光パルス生成部１０は、光パルスを出射することができればその構成は特に限定されない。図示の例では、光パルス生成部１０は、ファブリペロー型の半導体レーザーである。光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間には、光学素子３１０が配置されている。光学素子３１０は、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、周波数チャープ部１２に入射させるためのレンズである。なお、光学素子３１０を設けずに、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、直接、周波数チャープ部１２に入射させてもよい。
短光パルス発生装置３００によれば、周波数チャープ部１２および群速度分散部１４が同一基板１０２上に設けられているため、エピタキシャル成長等を用いて、周波数チャープ部１２を構成する半導体層、および群速度分散部１４を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、周波数チャープ部１２と群速度分散部１４との間のアライメントを容易化できる。さらに、周波数チャープ部１２の量子井戸構造を有する層と、群速度分散部１４のコア層とが、連続しているため、周波数チャープ部１２と群速度分散部１４との間での光損失を低減することができる。
（３）第３変形例
次に、第３変形例について説明する。図１１は、第３変形例に係る短光パルス発生装置４００を模式的に示す斜視図である。図１２は、第３変形例に係る短光パルス発生装置４００を模式的に示す断面図である。なお、図１１では、便宜上、群速度分散部１４、および光学素子４１０の図示を省略している。また、図１２は、図２に対応している。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が一体に設けられていた。
これに対して、短光パルス発生装置４００では、図１１および図１２に示すように、光パルス生成部１０、および周波数チャープ部１２が一体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置４００では、光パルス生成部１０および周波数チャープ部１２が同一基板１０２上に設けられている。
群速度分散部１４は、光パルス生成部１０および周波数チャープ部１２が設けられている基板１０２とは、異なる基板１０３上に設けられている。群速度分散部１４の第１コア層１０８は、量子井戸構造を有していなくてもよい。第１コア層１０８は、例えば、単層のＡｌＧａＡｓ層である。また、第１コア層１０８の組成と、第２コア層１１４の組成とは、異なっていてもよい。例えば、第１コア層１０８を、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層とし、第２コア層１１４を、Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ層としてもよい。
群速度分散部１４を構成する半導体層１０４、１０６、１０８、１１０、１１４、１１６、１１８の層構造（バンド構造）は特に限定されない。例えば、これらの半導体層１０４〜１１８を、すべてｎ型（あるいはｐ型）の半導体層としてもよい。また、例えば、第１クラッド層１０６をｎ型、第１コア層１０８をｉ型、第２クラッド層１１０をｐ型、第２コア層１１４をｉ型、第３クラッド層１１６をｐ型にしてもよい。この場合、第１クラッド層１０６に接続する電極、および第２クラッド層１１０に接続する電極を設けることで、光導波路２を構成する半導体層に電圧を印加することができる。また、例えば、第１クラッド層１０６をｎ型、第１コア層１０８をｉ型、第２クラッド層１１０をｎ型、第２コア層１１４をｉ型、第３クラッド層１１６をｐ型にしてもよい。この場合、第２クラッド層１１０に接続する電極、および第３クラッド層１１６に接続する電極を設けることで、光導波路４を構成する半導体層に電圧を印加することができる。また、例えば、第１クラッド層１０６をｎ型、第１コア層１０８をｉ型、第２クラッド層１１０をｐ型、第２コア層１１４をｉ型、第３クラッド層１１６をｎ型にしてもよい。この場合、第１クラッド層１０６に接続する電極、および第３クラッド層１１６に接続する電極を設けることで、光導波路２および光導波路４を構成する半導体層に電圧を印加することができる。このように、光導波路２，４を構成する半導体層に電圧を印加することで、非線形光学効果により屈折率が変化し伝搬定数が変化する。これにより、群速度分散値が変化するので、デバイスのばらつきにより発生する群速度分散値のばらつきを補正することができる。
周波数チャープ部１２と群速度分散部１４の間には、光学素子４１０が配置されている。光学素子４１０は、例えば、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、群速度分散部１４に入射させるためのレンズである。なお、光学素子４１０を設けずに、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、直接、群速度分散部１４に入射させてもよい。
短光パルス発生装置４００によれば、光パルス生成部１０および周波数チャープ部１２が同一基板１０２上に設けられているため、エピタキシャル成長等を用いて、光パルス生成部１０を構成する半導体層、および周波数チャープ部１２を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、光パルス生成部１０と周波数チャープ部
１２との間のアライメントを容易化できる。さらに、光パルス生成部１０の量子井戸構造を有する層と、周波数チャープ部１２の量子井戸構造を有する層とは、連続しているため、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間での光損失を低減することができる。
（４）第４変形例
次に、第４変形例について説明する。図１３は、第４変形例に係る短光パルス発生装置５００を模式的に示す断面図である。なお、図１３は、図２に対応している。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が一体に設けられていた。
これに対して、短光パルス発生装置５００では、図１３に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４が別体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置５００では、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４がそれぞれ異なる基板５０１，５０２，５０３上に設けられている。基板５０１，５０２，５０３としては、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板などを用いることができる。
光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間には、光学素子５１０が配置されている。光学素子５１０は、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、周波数チャープ部１２に入射させるためのレンズである。また、周波数チャープ部１２と群速度分散部１４の間には、光学素子５２０が配置されている。光学素子５２０は、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、群速度分散部１４に入射させるためのレンズである。なお、光学素子５１０を設けずに、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、直接、周波数チャープ部１２に入射させてもよい。また、光学素子５２０を設けずに、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、直接、群速度分散部１４に入射させてもよい。
２． 第２実施形態
２．１． 短光パルス発生装置の構成
次に、第２実施形態に係る短光パルス発生装置６００について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態に係る短光パルス発生装置６００を模式的に示す斜視図である。図１５は、本実施形態に係る短光パルス発生装置６００を模式的に示す断面図であり、図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。以下で説明する本実施形態に係る短光パルス発生装置６００において、上述した短光パルス発生装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、結合導波路を構成している光導波路２と光導波路４とが、半導体層１０４〜１１８の積層方向に配置されていた。
これに対して、短光パルス発生装置６００では、図１４および図１５に示すように、結合導波路を構成している光導波路２と光導波路４とが、半導体層１０４〜１１０の積層方向に垂直な方向に配列されている。図示の例では、光導波路２，４は、基板１０２の面内方向に配列されている。
短光パルス発生装置６００は、基板１０２と、バッファー層１０４と、第１クラッド層１０６と、第１コア層１０８と、第２クラッド層１１０と、キャップ層１１２と、絶縁層１２０と、第１電極１３０と、第２電極１３２と、を含んで構成されている。
キャップ層１１２と、第２クラッド層１１０の一部とは、２つの柱状部６０６，６０８を構成している。柱状部６０６は、第１コア層１０８の一方の端面から他方の端面まで延出している。すなわち、柱状部６０６は、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４にわたって設けられている。柱状部６０８は、基板１０２の第３領域１０２ｃの上方にのみ設けられている。すなわち、柱状部６０８は、群速度分散部１４にのみ設けられている。
絶縁層１２０は、図１に示すように、第２クラッド層１１０上であって、柱状部６０６の側方および柱状部６０８の側方に設けられている。さらに、絶縁層１２０は、柱状部６０６，６０８上であって、第２電極１３２が形成されている領域を除いた領域に設けられている。絶縁層１２０を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁層１２０を形成しない部分、すなわち、柱状部６０６，６０８が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、光導波路２，４内に効率良く光を閉じ込めることができる。光導波路２と光導波路４とは、同じ半導体層１０６，１０８，１１０で構成されている。
光導波路２の幅（柱状部６０６の幅）と、光導波路４の幅（柱状部６０８の幅）とは、図示の例では、異なっている。なお、光導波路２の幅（柱状部６０６の幅）と、光導波路４の幅（柱状部６０８の幅）とは、同じであってもよい。
短光パルス発生装置６００では、結合導波路を構成している光導波路２と光導波路４とが、半導体層１０４〜１１０の積層方向に垂直な方向に配列されている。そのため、例えば、光導波路２，４が、積層方向に配列されている場合に比べて、群速度分散部１４を構成する半導体層の積層数を少なくすることができる。したがって、製造工程を簡略化することができ、製造コストを下げることができる。
なお、図示はしないが、短光パルス発生装置６００において、図９および図１０に示す短光パルス発生装置３００と同様に、周波数チャープ部１２および群速度分散部１４を同一基板に設け、光パルス生成部１０を別基板に設けてもよい。また、図１１および図１２に示す短光パルス発生装置４００と同様に、光パルス生成部１０および周波数チャープ部１２を同一基板に設け、群速度分散部１４を別基板に設けてもよい。また、図１３に示す短光パルス発生装置５００と同様に、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１４をそれぞれ別基板に設けてもよい。
２．２． 短光パルス発生装置の製造方法
次に、本実施形態に係る短光パルス発生装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１６および図１７は、本実施形態に係る短光パルス発生装置６００の製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図１６および図１７は、図１５に対応している。
図１６に示すように、基板１０２上に、バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、第２クラッド層１１０、キャップ層１１２を、この順でエピタキシャル成長させる。なお、第１コア層１０８を形成する際には、上述した短光パルス発生装置１００の製造方法と同様に、第２ガイド層１０８ｃに周期構造を形成する。
図１７に示すように、キャップ層１１２および第２クラッド層１１０をエッチングして、柱状部６０６，６０８を形成する。次に、柱状部６０６，６０８の側方および柱状部６０６，６０８上に絶縁層１２０を形成する。
図１４に示すように、第１領域１０２ａの上方のキャップ層１１２上に第２電極１３２を形成する。次に、基板１０２の下面下に第１電極１３０を形成する。
以上の工程により、短光パルス発生装置６００を製造することができる。
短光パルス発生装置６００の製造方法によれば、小型化を図ることができる短光パルス発生装置６００を得ることができる。
３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置７００について、図面を参照しながら説明する。図１８は、第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置７００の構成を示す図である。
テラヘルツ波発生装置７００は、図１８に示すように、本発明に係る短光パルス発生装置１００と、光伝導アンテナ７１０と、を含む。ここでは、本発明に係る短光パルス発生装置として、短光パルス発生装置１００を用いた場合について説明する。
短光パルス発生装置１００は、励起光である短光パルス（例えば図５に示す光パルスＰ３）を発生させる。短光パルス発生装置１００が発生させる短光パルスのパルス幅は、例えば、１ｆｓ以上８００ｆｓ以下である。
光伝導アンテナ７１０は、短光パルス発生装置１００で発生した短光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。なお、テラヘルツ波とは、周波数が、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に、３００ＧＨｚ以上３ＴＨｚ以下の電磁波をいう。
光伝導アンテナ７１０は、図示の例では、ダイポール形状光伝導アンテナ（ＰＣＡ）である。光伝導アンテナ７１０は、半導体基板である基板７１２と、基板７１２上に設けられ、ギャップ７１６を介して対向配置された１対の電極７１４と、を有している。この電極７１４間に、光パルスが照射されると、光伝導アンテナ７１０は、テラヘルツ波を発生させる。
基板７１２は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）基板と、ＳＩ−ＧａＡｓ基板上に設けられている低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層と、を有している。電極７１４の材質は、例えば、Ａｕである。１対の電極７１４間の距離は特に限定されず、条件に応じて適宜設定される。１対の電極７１４間の距離は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。
テラヘルツ波発生装置７００では、まず、短光パルス発生装置１００が、短光パルスを発生させ、光伝導アンテナ７１０のギャップ７１６に向けて出射する。短光パルス発生装置１００から出射された短光パルスは、光伝導アンテナ７１０のギャップ７１６を照射する。光伝導アンテナ７１０では、ギャップ７１６に短光パルスが照射されることにより、自由電子が励起される。そして、この自由電子を電極７１４間に電圧を印加することによって加速させる。これにより、テラヘルツ波が発生する。
テラヘルツ波発生装置７００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
４． 第４実施形態
次に、第４実施形態に係るイメージング装置８００について、図面を参照しながら説明する。図１９は、第４実施形態に係るイメージング装置８００を示すブロック図である。図２０は、イメージング装置８００のテラヘルツ波検出部８２０を模式的に示す平面図である。図２１は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図２２は、
対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図である。
イメージング装置８００は、図１９に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部８１０と、テラヘルツ波発生部８１０から出射し、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部８２０と、テラヘルツ波検出部８２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏの画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部８３０とを備えている。
テラヘルツ波発生部８１０としては、本発明に係るテラヘルツ波発生装置を用いることができる。ここでは、本発明に係るテラヘルツ波発生装置として、テラヘルツ波発生装置７００を用いた場合について説明する。
テラヘルツ波検出部８２０としては、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルター８０と、フィルター８０を通過した前記目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部８４とを備えたものを用いる。また、検出部８４としては、例えば、テラヘルツ波を熱に変換して検出するもの、すなわち、テラヘルツ波を熱に変換し、そのテラヘルツ波のエネルギー（強度）を検出し得るものを用いる。このような検出部としては、例えば、焦電センサー、ボロメーター等が挙げられる。なお、テラヘルツ波検出部８２０の構成は、前記の構成に限定されない。
また、フィルター８０は、２次元的に配置された複数の画素（単位フィルター部）８２を有している。すなわち、各画素８２は、行列状に配置されている。
また、各画素８２は、互いに異なる波長のテラヘルツ波を通過させる複数の領域、すなわち、通過させるテラヘルツ波の波長（以下、「通過波長」とも言う）が互いに異なる複数の領域を有している。なお、図示の構成では、各画素８２は、第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４を有している。
また、検出部８４は、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４に対応してそれぞれ設けられた第１の単位検出部８４１、第２の単位検出部８４２、第３の単位検出部８４３および第４の単位検出部８４４を有している。各第１の単位検出部８４１、各第２の単位検出部８４２、各第３の単位検出部８４３および各第４の単位検出部８４４は、それぞれ、各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波を熱に変換して検出する。これにより、各画素８２のそれぞれにおいて、４つの目的の波長のテラヘルツ波をそれぞれ確実に検出することができる。
次に、イメージング装置８００の使用例について説明する。
まず、分光イメージングの対象となる対象物Ｏが、３つの物質Ａ、ＢおよびＣで構成されているとする。イメージング装置８００は、この対象物Ｏの分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部８２０は、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出することとする。
また、テラヘルツ波検出部８２０のフィルター８０の各画素８２においては、第１の領域８２１および第２の領域８２２を使用する。第１の領域８２１の通過波長をλ１、第２の領域８２２の通過波長をλ２とし、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度をα１、波長λ２の成分の強度をα２としたとき、その強度α２と強度α１の差分（α２−α１）が、物質Ａと物質Ｂと物質Ｃとで、互いに顕著に区別できるように、前記第１の領域８２１の通過波長λ１および第２の領域８２２の通過波長λ２が設定されて
いる。
図２１に示すように、物質Ａにおいては、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と波長λ１の成分の強度α１の差分（α２−α１）は、正値となる。また、物質Ｂにおいては、強度α２と強度α１の差分（α２−α１）は、零となる。また、物質Ｃにおいては、強度α２と強度α１の差分（α２−α１）は、負値となる。
イメージング装置８００により、対象物Ｏの分光イメージングを行う際は、まず、テラヘルツ波発生部８１０により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部８２０で、α１およびα２として検出する。この検出結果は、画像形成部８３０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
画像形成部８３０においては、前記検出結果に基づいて、フィルター８０の第２の領域８２２を通過したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と、第１の領域８２１を通過したテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度α１の差分（α２−α１）を求める。そして、対象物Ｏのうち、前記差分が正値となる部位を物質Ａ、前記差分が零となる部位を物質Ｂ、前記差分が負値となる部位を物質Ｃと判断し、特定する。
また、画像形成部８３０では、図２２に示すように、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部８３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物Ｏの物質Ａの分布する領域は黒色、物質Ｂの分布する領域は灰色、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置８００では、以上のように、対象物Ｏを構成する各物質の同定と、その各部質の分布測定とを同時に行うことができる。
なお、イメージング装置８００の用途は、前記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部８３０において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。
イメージング装置８００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
５． 第５実施形態
次に、第５実施形態に係る計測装置９００について、図面を参照しながら説明する。図２３は、第５実施形態に係る計測装置９００を示すブロック図である。以下で説明する本実施形態に係る計測装置９００において、上述したイメージング装置８００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
計測装置９００は、図２３に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部８１０と、テラヘルツ波発生部８１０から出射し、対象物Ｏを透過するテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部８２０と、テラヘルツ波検出部８２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏを計測する計測部９１０と、を備えている。
次に、計測装置９００の使用例について説明する。計測装置９００により、対象物Ｏの分光計測を行う際は、まず、テラヘルツ波発生部８１０により、テラヘルツ波を発生させ
、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部８２０で検出する。この検出結果は、計測部９１０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
計測部９１０においては、前記検出結果から、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物Ｏの成分およびその分布の分析等を行う。
計測装置９００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
６． 第６実施形態
次に、第６実施形態に係るカメラ１０００について、図面を参照しながら説明する。図２４は、第６実施形態に係るカメラ１０００を示すブロック図である。図２５は、カメラ１０００を模式的に示す斜視図である。以下で説明する本実施形態に係るカメラ１０００において、上述したイメージング装置８００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
カメラ１０００は、図２４および図２５に示すように、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部８１０と、テラヘルツ波発生部８１０から出射し、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波または対象物Ｏを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部８２０と、記憶部１１００とを備えている。そして、これらの各部８１０，８２０，１１００はカメラ１０００の筐体１０１０に収められている。また、カメラ１０００は、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部８２０に収束（結像）させるレンズ（光学系）１０２０と、テラヘルツ波発生部８１０で発生したテラヘルツ波を筐体１０１０の外部へ出射させるための窓部１０３０を備える。レンズ１０２０や窓部１０３０はテラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部１０３０は、スリットのように単に開口が設けられている構成としても良い。
次に、カメラ１０００の使用例について説明する。カメラ１０００により、対象物Ｏを撮像する際は、まず、テラヘルツ波発生部８１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をレンズ１０２０によってテラヘルツ波検出部８２０に収束（結像させて）検出する。この検出結果は、記憶部１１００に送出され、記憶される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構
成を含む。
２…光導波路、４…光導波路、６，８…柱状部、１０…光パルス生成部、１２…周波数チャープ部、１４…群速度分散部、８０…フィルター、８２…画素、８４…検出部、１００…短光パルス発生装置、１０２…基板、１０２ａ…第１領域、１０２ｂ…第２領域、１０２ｃ…第３領域、１０３…基板、１０４…バッファー層、１０６…第１クラッド層、１０８…第１コア層、１０８ａ…第１ガイド層、１０８ｂ…ＭＱＷ層、１０８ｃ…第２ガイド層、１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ…端面、１１０…第２クラッド層、１１０ａ…第１層、１１０ｂ…第２層、１１２…キャップ層、１１４…第２コア層、１１４ａ，１１４ｂ…端面、１１６…第３クラッド層、１１８…キャップ層、１２０，１２２…絶縁層、１３０…第１電極、１３２…第２電極、２００…短光パルス発生装置、２１０…溝部、３００…短光パルス発生装置、３１０…光学素子、４００…短光パルス発生装置、４１０…光学素子、５００…短光パルス発生装置、５０１，５０２，５０３…基板、５１０…光学素子、５２０…光学素子、６００…短光パルス発生装置、６０６，６０８…柱状部、７００…テラヘルツ波発生装置、７１０…光伝導アンテナ、７１２…基板、７１４…電極、７１６…ギャップ、８００…イメージング装置、８１０…テラヘルツ波発生部、８２０…テラヘルツ波検出部、８２１…第１の領域、８２２…第２の領域、８２３…第３の領域、８２４…第４の領域、８３０…画像形成部、８４１…第１の単位検出部、８４２…第２の単位検出部、８４３…第３の単位検出部、８４４…第４の単位検出部、９００…計測装置、９１０…計測部、１０００…カメラ、１０１０…筐体、１０２０…レンズ、１０３０…窓部、１１００…記憶部
なお、図示はしないが、周波数チャープ部１２に逆バイアスを印加するための電極を設けてもよい。これにより、周波数チャープ部１２の吸収特性を制御することができ、周波数のチャープ量を調整することができる。また、群速度分散部１４に電圧を印加するための電極を設けてもよい。例えば、群速度分散部１４において、第１クラッド層１０６に電気的に接続された電極と第２クラッド層１１０に電気的に接続された電極を設けることで、光導波路２に電圧を印加することができる。また、第２クラッド層１１０に電気的に接続された電極と第３クラッド層１１６に電気的に接続された電極を設けることで、光導波路４に電圧を印加することができる。また、第１クラッド層１０６に電気的に接続された電極と第３クラッド層１１６に電気的に接続された電極を設けることで、光導波路２および光導波路４に電圧を印加することができる。これにより、群速度分散部１４の群速度分散量を制御することができる。すなわち、デバイスの製造ばらつきにより発生する群速度分散値のばらつきを補正し、短光パルス幅を制御するために最適な群速度分散値に調整することができる。
絶縁層１２０は、図１５に示すように、第２クラッド層１１０上であって、柱状部６０６の側方および柱状部６０８の側方に設けられている。さらに、絶縁層１２０は、柱状部６０６，６０８上であって、第２電極１３２が形成されている領域を除いた領域に設けられている。絶縁層１２０を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁層１２０を形成しない部分、すなわち、柱状部６０６，６０８が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、光導波路２，４内に効率良く光を閉じ込めることができる。光導波路２と光導波路４とは、同じ半導体層１０６，１０８，１１０で構成されている。
また、画像形成部８３０では、図２２に示すように、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部８３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物Ｏの物質Ａの分布する領域は黒色、物質Ｂの分布する領域は灰色、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置８００では、以上のように、対象物Ｏを構成する各物質の同定と、その各物質の分布測定とを同時に行うことができる。

Claims (12)

  1. 量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部と、
    量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
    モード結合する距離で配置されている複数の光導波路を有し、チャープした前記光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
    を含むことを特徴とする短光パルス発生装置。
  2. 前記群速度分散部は、半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の短光パルス発生装置。
  3. 基板を含み、
    前記光パルス生成部、前記周波数チャープ部、および前記群速度分散部は、前記基板に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の短光パルス発生装置。
  4. 前記光パルス生成部の量子井戸構造を有する層と、前記周波数チャープ部の量子井戸構造を有する層とは、同一層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置。
  5. 前記周波数チャープ部の量子井戸構造を有する層と、複数の前記光導波路のうちの少なくとも１つを構成するコア層とは、同一層であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置。
  6. 前記群速度分散部は、積層された複数の半導体層を有し、
    複数の前記光導波路は、前記半導体層の積層方向に配列されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置。
  7. 前記群速度分散部は、積層された複数の半導体層を有し、
    複数の前記光導波路は、前記半導体層の積層方向に垂直な方向に配列されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置。
  8. 前記光パルス生成部、前記周波数チャープ部、および前記群速度分散部は、それぞれＡｌＧａＡｓ系材料からなる複数の半導体層を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    を含むことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
  10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
    を含むことを特徴とするカメラ。
  11. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる
    光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
    を含むことを特徴とするイメージング装置。
  12. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
    を含むことを特徴とする計測装置。
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