JP2019020506A

JP2019020506A - テラヘルツ波発生素子

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Publication number: JP2019020506A
Application number: JP2017136923A
Authority: JP
Inventors: 直岸本; Sunao Kishimoto; 小川　洋; Hiroshi Ogawa; 洋小川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-02-07

Abstract

【課題】テラヘルツ波を高効率で発生させることが可能なテラヘルツ波発生素子を提供する。【解決手段】互いに波長の異なる、信号光と励起光との差周波発生によりテラヘルツ波を発生させる素子であって、光導波路コアと、光導波路コアの、光伝搬方向に沿った全側面を覆うクラッドとで構成される。テラヘルツ波、信号光及び励起光は、位相整合した状態で光導波路をコリニアに伝搬する。【選択図】図１

Description

この発明は、テラヘルツ波を発生させる素子に関する。

電波天文学、電子分光、材料科学、セキュリティ、情報通信又は食品検査等の幅広い分野において、テラヘルツ波の利用が期待されている。テラヘルツ波は、電波と光波の間の例えば０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯の電磁波である。

テラヘルツ波の発生方法として、量子カスケードレーザ、フォトミキシング若しくはフェムト秒レーザを用いた光スイッチ又は光整流を用いる方法がある。

また、非線形光学結晶を用いた、非線形光学効果によってテラヘルツ波を発生させる方法もある。

例えば、励起光を含む周波数の異なる２種類の光を、非線形光学結晶にコリニアに入力し、差周波発生過程によってテラヘルツ波を発生させる装置がある（例えば特許文献１参照）。また、非線形光学結晶で構成された光導波路に光を入力し、超短パルス光源による光整流によってテラヘルツ波を発生させる装置がある（例えば特許文献２参照）。また、励起光を含む周波数の異なる２種類の光を、非線形光学結晶からなる発振基板にノンコリニアに入力し、差周波発生過程によってテラヘルツ波を発生させる装置がある（例えば特許文献３参照）。

ここで、非線形光学結晶として用いられる例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）は、テラヘルツ波に対する吸収が大きい。そのため、非線形光学結晶において、テラヘルツ波を長距離伝播させることは困難である。そこで、特許文献１に係る装置では、発生したテラヘルツ波を、チェレンコフ放射によって非線形光学結晶表面から放射させる。また、特許文献２に係る装置では、発生したテラヘルツ波を、プリズムを用いて非線形光学結晶表面から放射させる。また、特許文献３に係る装置では、カットオフ条件を満たすように発振基板の厚さを薄くすることによって、発生したテラヘルツ波を発振基板表面から放射させる。

ところで、光通信の分野には、非線形光学効果を利用した波長変換素子がある。このような波長変換素子を光導波路素子において実現する際には、非線形光学結晶として例えばＬｉＮｂＯ_３を光導波路の材料として用いることができる。非線形光学効果に基づく波長変換の手法としては、疑似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−ＰｈａｓｅＭａｔｃｈｉｎｇ）がある。このＱＰＭを、ＬｉＮｂＯ_３を材料とする光導波路において実現させた波長変換素子として、ＱＰＭ型波長変換素子がある。ＱＰＭ型波長変換素子は、光導波路に周期的分極反転構造を作り込んで構成される。

ＱＰＭ型波長変換素子では、位相整合条件を満たすように分極反転構造の周期を設計することによって、任意の波長の光に対して波長変換を行うことができる。そして、ＱＰＭ型波長変換素子では、光が相互作用する長さ（相互作用長）を大きくとる、すなわち光を長距離伝播させることによって、より大きな非線形光学効果を得ることができる。

テラヘルツ波の発生に、上述のＱＰＭ型波長変換素子を利用することが考えられる。この場合、差周波発生過程で相互作用する光を、ＱＰＭ型波長変換素子内で長距離伝播させることで、高効率にテラヘルツ波を発生させられると考えられる。

特開２０１０−２０４４８８号公報特開２０１１−２０３７１８号公報特開２０１５−１１８３９２号公報

しかしながら、上述したように、非線形光学結晶として用いられるＬｉＮｂＯ_３は、テラヘルツ波に対する吸収が大きい。そのため、特許文献１〜３の装置では、テラヘルツ波を長距離伝播させることができず、相互作用長を大きくとることができない。従って、テラヘルツ波を効率良く発生させることが困難と考えられる。

さらに、この吸収の問題により、特許文献１〜３の装置では、テラヘルツ波を非線形光学結晶表面から放射させることによって出力する。そのため、出力されるテラヘルツ波のモードフィールドが安定しない。従って、集光して分光計測等に利用することが困難である。

また、ＱＰＭ型波長変換素子を利用する場合にも、上述した吸収の問題により、長距離伝播させることが困難である。そのため、特許文献１〜３の装置と同様に、テラヘルツ波を効率良く発生させることが困難と考えられる。

そこで、この発明の目的は、テラヘルツ波を高効率で発生させることが可能なテラヘルツ波発生素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明のテラヘルツ波発生素子は、互いに波長の異なる、信号光と励起光との差周波発生によりテラヘルツ波を発生させる素子であって、光導波路コアと、光導波路コアの、光伝搬方向に沿った全側面を覆うクラッドとで構成される。テラヘルツ波、信号光及び励起光は、位相整合した状態で光導波路をコリニアに伝搬する。

この発明のテラヘルツ波発生素子では、光導波路コアのサイズを調整することにより、信号光及び励起光とテラヘルツ波に対する光導波路の実効屈折率を一致させることができる。この結果、コリニアに伝搬するテラヘルツ波、信号光及び励起光について、位相整合条件が満たされ、差周波発生過程によるテラヘルツ波発生が可能になる。

テラヘルツ波発生素子を示す概略図である。発生するテラヘルツ波の各波長に対して位相整合条件を満たす、光導波路コアの厚さと幅の関係を示す図である。テラヘルツ波発生素子の製造方法を説明するための工程図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

テラヘルツ波発生素子は、例えば光通信において、信号光をテラヘルツ波に変換する素子として使用することができる。ここでは、一例として、受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）で一般的に使用される１．３〜１．６μｍ付近の波長帯の信号光に基づいて、３ＴＨｚ付近のテラヘルツ波を発生させる場合の構成例について説明する。

（構成）
図１を参照して、この発明の実施の形態によるテラヘルツ波発生素子について説明する。なお、図１において、光の概略的な伝搬方向を矢印Ｒで示す。

テラヘルツ波発生素子は、光導波路コア１０と、クラッド２０とを備えて構成される。クラッド２０は、光導波路コア１０の光伝搬方向に沿った全側面を覆う。すなわち、テラヘルツ波発生素子は、埋め込み導波路型の光導波路素子である。

光導波路コア１０は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を材料として形成される。ＬｉＮｂＯ_３は、１．５μｍ帯の屈折率が、約２．１であり、１〜３ＴＨｚのテラヘルツ波に対する屈折率が、約５である。

クラッド２０は、テラヘルツ波、信号光及び励起光に対して透明であり、屈折率がＬｉＮｂＯ_３よりも低い材料を用いる。クラッド材料として、例えばシクロオレフィンの重合体であるＺＥＯＮＥＸ（登録商標）を用いることができる。ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）は、１．５μｍ帯の光と、１〜３ＴＨｚのテラヘルツ波に対する屈折率は、約１．６である。

ここで、位相整合条件を考える。光通信波長帯の信号光及び励起光の波長に対して、発生するテラヘルツ波の波長は二桁程度大きい。このため、光導波路コア１０を伝搬する際のクラッド２０への染み出しはテラヘルツ波の方が大きくなる。つまり、光導波路の、テラヘルツ波に対する実効屈折率は、信号光及び励起光の実効屈折率よりもクラッド２０の影響を大きく受ける。これを利用すると、光導波路コアの厚さ及び幅を適切に設定することで信号光及び励起光とテラヘルツ波の実効屈折率が等しくなり位相整合を満たすようになる。

波長λ１のテラヘルツ波、波長λ２の信号光、及び、波長λ３の励起光に対して、差周波発生過程に基づき波長変換するときの位相不整合量Δｋは、以下の式（１）で表される。

Δｋ＝２πＮ１／λ１＋２πＮ２／λ２−２πＮ３／λ３（１）
ここで、Ｎ１、Ｎ２及びＮ３は、それぞれ、テラヘルツ波、信号光及び励起光に対する、光導波路の実効屈折率である。

信号光及び励起光と、テラヘルツ波の波長の関係は、エネルギー保存則から、以下の式（２）となる。

１／λ１＋１／λ２＝１／λ３（２）
式（２）を式（１）に代入すると、以下の式（３）が得られる。

Δｋ＝２πＮ１／λ１＋２πＮ２／λ２−２πＮ３（１／λ１＋１／λ２）
＝２π（Ｎ１−Ｎ３）／λ１＋２π（Ｎ２−Ｎ３）／λ２（３）
信号光と励起光の波長は近いため、Ｎ２＝Ｎ３とみなして、上式（３）を整理すると、以下の式（４）が得られる。

Δｋ＝２π（Ｎ１−Ｎ３）／λ１（４）
式（４）に示されるように、Ｎ１＝Ｎ３のときに、位相整合条件が満たされる。

ここで、ＬｉＮｂＯ_３、ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）を用いた場合、以下の式（５）の関係が得られる。

テラヘルツ波に対するＬｉＮｂＯ_３の屈折率（約５）
＞信号光及び励起光に対するＬｉＮｂＯ_３の屈折率（約２．１）
＞テラヘルツ波、信号光及び励起光に対するＺＥＯＮＥＸ（登録商標）の屈折率（約１．６）（５）
テラヘルツ波に対する光導波路の実効屈折率は、染み出しの影響により、テラヘルツ波に対するＬｉＮｂＯ_３の屈折率（約５）と、テラヘルツ波に対するＺＥＯＮＥＸ（登録商標）の屈折率（約１．６）の間の値となる。

従って、光導波路コアの厚さ及び幅の設定により、信号光及び励起光に対する光導波路コアの実効屈折率を一致させることができる。この結果、コリニアに伝搬するテラヘルツ波、信号光及び励起光について、位相整合条件が満たされ、差周波発生過程によるテラヘルツ波発生が可能になる。

ここでは、光導波路コアは、ＬｉＮｂＯ_３を材料として形成され、クラッドは、ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）を材料として形成される例を説明したが、光導波路コア及びクラッドの材料はこれに限定されない。

光導波路コアは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）及びニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）などの強誘電体を材料として形成することができる。また、この強誘電体に、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）、及びインジウム（Ｉｎ）などの添加物を１又は複数添加してもよい。

（光導波路コアの厚さ及び幅の決定方法）
図２を参照して、光導波路コアのサイズの調整について説明する。図２は、シミュレーションにより取得した、発生するテラヘルツ波の各波長に対して位相整合条件を満たす、光導波路コアの厚さと幅の関係を示す図である。図２では、横軸に、光導波路コアの幅を取り、縦軸に、光導波路コアの厚さを取って示している。光導波路コアの幅方向及び厚さ方向は、互いに直交し、かつ、それぞれ伝搬方向にも直交する方向である。ここでは、テラヘルツ波の波長１００μｍ（周波数３ＴＨｚ）から波長３００μｍ（周波数１ＴＨｚ）までの場合を示している。

図２に示される位相整合曲線を用いれば、発生させるテラヘルツ波の波長について、適切な導波路コアのサイズ（幅及び厚さ）を設定することができ、位相整合を実現することができる。

（テラヘルツ波発生素子の製造方法）
図３を参照して、テラヘルツ波発生素子の製造方法を説明する。図３は、テラヘルツ波発生素子の製造方法を説明するための工程図であって、伝搬方向に直交する切断端面を示している。

先ず、接合工程（図３（Ａ））において、例えば、ＸカットのＬｉＮｂＯ_３基板である強誘電体基板１２とＺＥＯＮＥＸ（登録商標）基板である第１のクラッド用基板２２を接着する。強誘電体基板１２と第１のクラッド用基板２２の接着には、例えば、一般的な光学接着剤を用いることができる。この場合、接着剤層の厚さは１μｍ程度となるので、テラヘルツ波への影響はほとんど無視できると考えられる。

次に、研磨工程（図３（Ｂ））において、研磨加工により強誘電体基板１４を薄膜化する。このとき、強誘電体基板１４は、図２を参照して説明した、厚さ及び幅の決定方法により決定した厚さまで薄膜化される。

次に、溝形成工程（図３（Ｃ））において、例えばダイシングソーによる溝加工によりリッジ形状の光導波路コアを形成する。ダイシングソーとして、粒径の小さいダイヤモンドブレードを用いる。

上面側から少なくとも第１のクラッド用基板２４の上面に到達する深さで、強誘電体基板１６に切り込みを入れることによって、互いに平行な２本の溝３０を形成する。２本の溝３０の間の部分が光導波路コア１０となる。この溝加工で形成される２本の溝３０の間隔は、上述した厚さ及び幅の決定方法により決定した幅に対応して決定される。例えば、光導波路コア１０の厚さを２０μｍに決定した場合、２本の溝３０の間隔、すなわち、光導波路コア１０の幅を５〜４０μｍの範囲内の値にすることで、１〜３ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させることができる。

次に、埋め込み工程（図３（Ｄ））において、光導波路コア１０の側面を覆うようにクラッド材料であるＺＥＯＮＥＸ（登録商標）溶液を塗布し、光導波路コア１０の上面からＺＥＯＮＥＸ（登録商標）基板である、第２のクラッド用基板２６を熱処理により接合させる。第１のクラッド用基板２４と第２のクラッド用基板２６とで、光導波路コア１０の光伝搬方向に沿った全側面を覆うクラッド２０が構成される。

上述の工程により、テラヘルツ波発生素子が得られる。

以上、説明したように、このテラヘルツ波発生素子は、光導波路コア及びクラッドの材質（屈折率）が決まれば、光導波路コアの厚さと幅の組み合わせによって位相整合条件を満たす波長の組み合わせが変わるので、異なる波長のテラヘルツ波を得ることができる。また、このテラヘルツ波発生素子の製造にあたり、擬似位相整合のための分極反転構造の形成が不要になるので、より簡易に製造することができる。

１０光導波路コア
１２、１４、１６強誘電体基板
２０クラッド
２２、２４第１のクラッド用基板
２６第２のクラッド用基板
３０溝

Claims

互いに波長の異なる、信号光と励起光との差周波発生によりテラヘルツ波を発生させる素子であって、
光導波路コアと、
前記光導波路コアの、光伝搬方向に沿った全側面を覆うクラッドと
で構成され、
前記テラヘルツ波、前記信号光及び前記励起光は、位相整合した状態で光導波路をコリニアに伝搬する
ことを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
前記テラヘルツ波に対する前記光導波路コアの屈折率が、前記信号光及び前記励起光に対する前記光導波路コアの屈折率よりも大きく、かつ
前記信号光及び前記励起光に対する前記光導波路コアの屈折率が、前記テラヘルツ波、前記信号光及び前記励起光に対する前記クラッドの屈折率よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
前記光導波路コアは、強誘電体を材料として形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生素子。
前記強誘電体は、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタニルリン酸カリウム及びニオブ酸カリウムの群から選択された材料、又は、
マグネシウム、亜鉛、スカンジウム、及びインジウムから選択された１又は複数の添加物が添加された、前記群から選択された材料である
ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波発生素子。