JP2019144435A - テラヘルツ波検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波を高効率で検出可能なテラヘルツ波検出素子を提供する。【解決手段】光導波路コア１３５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、光導波路コアは、テラヘルツ波と励起光から検出信号光を生成する第１周期分極反転領域２０と、検出信号光を光パラメトリック増幅する第２周期分極反転領域３０とを備え、第１周期分極反転領域と第２周期分極反転領域はその分極反転周期が互いに異なる。【選択図】図１

Description

この発明は、テラヘルツ波の検出素子に関する。

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。

テラヘルツ波を検出する手段として、熱検出型の検出器や、非線形光学効果を用いた検出器がある。

熱検出型のテラヘルツ波の検出器として、ボロメータ、パイロ検出器、ゴーレイセルなどがある。これらの熱検出型のテラヘルツ波の検出器は、テラヘルツ波を熱エネルギーとして検出する。ボロメータは、比較的検出感度は高いが、液体ヘリウムを使用して４Ｋの極低温下で動作させる必要があるため、実用には向いていない。一方、パイロ検出器やゴーレイセルは、常温で動作するがボロメータに比べ２桁程度検出感度が低い。これらの熱検出型の検出器は、応答速度が遅く、時間分解分光などの計測には向かない。

非線形光学効果を用いたテラヘルツ波の検出器として、導波路中の励起光と、非線形光学結晶の表面の導波路上面から入射したテラヘルツ波との間で、斜周期分極反転による擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。この非線形光学効果を用いたものでは、励起光とテラヘルツ波の差周波に対応した周波数の検出信号光が発生し、この検出信号光が励起光とともに、導波路を伝播するために光パラメトリック増幅（ＯＰＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）により高い検出効率で検出される。

ここで、非線形光学結晶として用いられるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）は、テラヘルツ波に対する吸収が大きい。このため、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。従って、励起光、テラヘルツ波及び検出信号光のうち、テラヘルツ波は大きな損失を受け、導波路を伝播させても非線形相互作用への寄与が小さい。この結果、検出信号光の光パラメトリック増幅の効率に、テラヘルツ波の損失の影響がおよぶことになる。

ところで、光通信の分野においても、非線形光学に基づく波長変換の手法としてＱＰＭを利用した波長変換素子がある。例えば、ＬｉＮｂＯ_３に周期分極反転構造を作りこむことでＱＰＭを実現することができる。通信波長帯において、光導波路構造のＱＰＭ型の波長変換素子として、低損失であり、変換効率が損失を上回る素子が実現されている。

ＱＰＭ型の波長変換素子では、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型の波長変換素子では、関係する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。

特開２０１４−２０３０２５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く、数ｍｍ程度しか伝播できない。このため、この数ｍｍ程度を伝播する間に差周波発生（ＤＦＧ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）過程により検出信号光が発生するが、テラヘルツ波はそれ以上の距離を伝播する間に減衰してしまう。従って、励起光、テラヘルツ波及び検出信号光が相互作用する光パラメトリック増幅過程においては、テラヘルツ波の減衰のため、相互作用長を大きくとることができず、検出信号光を有効に増幅できない。

この発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波と励起光から検出信号光を生成する第１周期分極反転領域と、検出信号光を光パラメトリック増幅する第２周期分極反転領域とを別々に備えることで、テラヘルツ波を高効率で検出可能な、テラヘルツ波検出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検出素子は、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、光導波路コアは、その分極反転周期が互いに異なる、テラヘルツ波と励起光から検出信号光を生成する第１周期分極反転領域と、検出信号光を光パラメトリック増幅する第２周期分極反転領域とを備えて構成される。

この発明のテラヘルツ波検出素子では、テラヘルツ波と励起光から検出信号光を生成する第１周期分極反転領域と、検出信号光を光パラメトリック増幅する第２周期分極反転領域とを別々に備えることで、テラヘルツ波を高効率で検出可能になる。

テラヘルツ波検出素子の概略構成図である。 テラヘルツ波検出素子の動作を説明するための模式図である。

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。

図１及び図２を参照して、この発明のテラヘルツ波検出素子を説明する。図１は、テラヘルツ波検出素子の概略構成図である。図１（Ａ）は、上面から見た平面図であり、図１（Ｂ）は、光の伝播方向に沿った方向から見た側面図であり、図１（Ｃ）は、光の伝播方向に直交する方向から見た側面図である。図２は、テラヘルツ波検出素子の動作を説明するための模式図である。

テラヘルツ波検出素子は、支持基板１１０、クラッド層１２０及び非線形材料基板１３０がこの順に積層されて構成されている。

なお、以下の説明では、支持基板１１０の上面１１０ａに直交する方向を厚さ方向とする。また、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

支持基板１１０は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を材料とした平板状体として構成することができる。

クラッド層１２０は、支持基板１１０上に、支持基板１１０の上面１１０ａを被覆して形成されている。

クラッド層１２０は、支持基板１１０と非線形材料基板１３０との接着剤として機能する。クラッド層１２０は、例えばエポキシ樹脂等の光学用接着剤を材料として形成される。

また、クラッド層１２０は、後述する光導波路コア１３５から支持基板１１０への光の放射を防ぐために、１μｍ以上の厚さであるのが好ましい。

非線形材料基板１３０は、クラッド層１２０上に、クラッド層１２０の上面１２０ａを被覆して形成されている。

非線形材料基板１３０は、クラッド層１２０及び空気よりも屈折率が大きい材料で形成されている。非線形材料基板１３０は、例えばＬｉＮｂＯ_３を材料として形成される。なお、非線形材料基板１３０は、ＬｉＮｂＯ_３以外にも、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）、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）、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。

非線形材料基板１３０には、一対の溝１４０ａ及び１４０ｂが、光の伝播方向（長さ方向）に沿って延在して並んで形成されている。溝１４０ａ及び１４０ｂは、少なくともクラッド層１２０に到達する深さで形成されている。なお、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す構成例では、非線形材料基板１３０及びクラッド層１２０、並びに支持基板１１０の一部を除去する深さで溝１４０ａ及び１４０ｂが形成されている。

非線形材料基板１３０の溝１４０ａ及び１４０ｂに挟まれた部分が、光の実質的な伝送路である光導波路コア１３５となる。光導波路コア１３５は、光の伝播方向（長さ方向）に沿って延在して形成されている。光導波路コア１３５は、上面及び側面が空気に囲まれている。また、非線形材料基板１３０の下面はクラッド層１２０に被覆されている。上述したように、非線形材料基板１３０は、空気及びクラッド層１２０よりも屈折率が大きい。このため、光導波路コア１３５は、空気及びクラッド層１２０をクラッドとした、リッジ構造のコアとして機能する。

このように、このテラヘルツ波検出素子は、光導波路コア１３５と、クラッドを備えて構成され、クラッドは、光導波路コア１３５の、少なくとも、光伝播方向に沿った全側面を覆うように設けられている。

このテラヘルツ波検出素子は、光伝播方向に沿って、順に、第１周期分極反転領域２０と、第２周期分極反転領域３０を備えている。ここで、第１周期分極反転領域２０と第２周期分極反転領域３０はその分極反転周期が互いに異なっている。

第１周期分極反転領域２０及び第２周期分極反転領域３０は、自発分極の向きが互いに反転した第１ドメイン領域２０ａ及び３０ａと第２ドメイン領域２０ｂ及び３０ｂとが、光の伝播方向に沿って交互に周期的に作り込まれた、周期的分極反転構造を有している。なお、第１ドメイン領域２０ａ及び３０ａと第２ドメイン領域２０ｂ及び３０ｂとの境界面は、例えば、光の伝播方向に対して直交するように設計される。なお、第１周期分極反転領域２０については、テラヘルツ波を、光導波路コア１３５の上面から入射させる場合など、第１ドメイン領域２０ａ及び３０ａと第２ドメイン領域２０ｂ及び３０ｂとの境界面は、光の伝播方向に対して直交しない、斜周期分極反転構造にしてもよい。

前段の第１周期分極反転領域２０には、テラヘルツ波（ＴＨｚ）と、励起光（Ｐ）が入力され、差周波発生過程により検出信号光（Ｓ）を生成する。このため、第１周期分極反転領域２０は、テラヘルツ波（ＴＨｚ）と、励起光（Ｐ）との差周波発生のための擬似位相整合条件を満たすように設けられている。第１周期分極反転領域２０の分極反転周期Λ_ＤＦＧは、以下の式（１）で与えられる。

１／Λ_ＤＦＧ＝Ｎ_ＴＨｚ／λ_ＴＨｚ＋Ｎ_Ｓ／λ_Ｓ−Ｎ_Ｐ／λ_Ｐ （１）
ここで、λ_Ｐ及びＮ_Ｐは、それぞれ、励起光の波長及び実効屈折率であり、λ_ＴＨｚ及びＮ_ＴＨｚは、それぞれ、テラヘルツ波の波長及び実効屈折率であり、並びに、λ_Ｓ及びＮ_Ｓは、それぞれ、検出信号光の波長及び実効屈折率である。

後段の第２周期分極反転領域３０には、第１周期分極反転領域２０から出力される、検出信号光（Ｓ）と、励起光（Ｐ）が入力され、検出信号光（Ｓ）が光パラメトリック増幅される。

ここで、通信波長帯で光パラメトリック増幅を起こすためには、波長が通信波長帯のおよそ半分である短波長の光が必要となる。このため、第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）過程と、ＯＰＡ過程が連続的に１つの導波路の中で起こる、カスケード方式のＯＰＡ過程を利用する。

カスケード方式のＯＰＡ過程では、先ず、励起光（Ｐ）のＳＨＧ過程に基づく波長変換により、励起光（Ｐ）の半分の波長λ_Ｐ／２のＳＨＧ光（Ｐ／２）が生成される。次に、ＳＨＧ過程で生成されたＳＨＧ光（Ｐ／２）と、検出信号光（Ｓ）とのＯＰＡ過程により、検出信号光（Ｓ）が増幅される。このとき、検出信号光（Ｓ）のＯＰＡ過程による増幅と、検出信号光（Ｓ）とＳＨＧ光（Ｐ／２）とのＤＦＧ過程によるアイドラ光（Ｉ）の生成が同時に起こる。

第２周期分極反転領域３０の分極反転周期Λ_ＯＰＡは、以下の式（２）で与えられる。

１／Λ_ＯＰＡ＝Ｎ_Ｐ／２／（λ_Ｐ／２）−Ｎ_Ｓ／λ_Ｓ−Ｎ_Ｉ／λ_Ｉ （２）
ここで、λ_Ｐ／２及びＮ_Ｐ／２は、励起光（Ｐ）のＳＨＧ光（Ｐ／２）の波長及び実効屈折率であり、λ_Ｉ及びＮ_Ｉは、それぞれ、ＳＨＧ光（Ｐ／２）と検出信号光（Ｓ）の差周波であるアイドラ光（Ｉ）の波長及び実効屈折率である。

上述のように、通信波長帯において、接合型のリッジ導波路構造のＱＰＭ型波長変換素子は、低損失であり、損失を上回る変換効率の素子が実現されている。このため、この発明のテラヘルツ波検出素子では、テラヘルツ波と励起光から検出信号光を生成する第１周期分極反転領域と、検出信号光を光パラメトリック増幅する第２周期分極反転領域とを順に備えることで、テラヘルツ波を高効率で検出可能になる。

２０ 第１周期分極反転領域
２０ａ、３０ａ 第１ドメイン
２０ｂ、３０ｂ 第２ドメイン
３０ 第２周期分極反転領域
１１０ 支持基板
１２０ クラッド層
１３０ 非線形材料基板
１３５ 光導波路コア
１４０ａ、１４０ｂ 溝

Claims (3)

1. 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、
   前記光導波路コアは、
   テラヘルツ波と励起光から検出信号光を生成する第１周期分極反転領域と、
   前記検出信号光を光パラメトリック増幅する第２周期分極反転領域と
   を備え、
   前記第１周期分極反転領域と前記第２周期分極反転領域はその分極反転周期が互いに異なる
   ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
2. 前記第１周期分極反転領域は、前記テラヘルツ波と前記励起光との差周波発生過程のための擬似位相整合条件を満たし、
   前記第２周期分極反転領域は、前記励起光の第２高調波の発生過程、及び、前記検出信号光と前記第２高調波との光パラメトリック増幅過程のための擬似位相整合条件を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出素子。
3. 前記第１周期分極反転領域の分極反転周期Λ_ＤＦＧは、前記励起光の波長λ_Ｐ及び実効屈折率Ｎ_Ｐ、前記テラヘルツ波の波長λ_ＴＨｚ及び実効屈折率Ｎ_ＴＨｚ、並びに、前記検出信号光の波長λ_Ｓ及び実効屈折率Ｎ_Ｓを用いて、以下の式（１）で与えられ、
   １／Λ_ＤＦＧ＝Ｎ_ＴＨｚ／λ_ＴＨｚ＋Ｎ_Ｓ／λ_Ｓ−Ｎ_Ｐ／λ_Ｐ （１）
   前記第２周期分極反転領域の分極反転周期Λ_ＯＰＡは、前記第２高調波の波長λ_Ｐ／２及び実効屈折率Ｎ_Ｐ／２、前記検出信号光の波長λ_Ｓ及び実効屈折率Ｎ_Ｓ、並びに、前記第２高調波と前記検出信号光の差周波であるアイドラ光の波長λ_Ｉ及び実効屈折率Ｎ_Ｉを用いて、以下の式（２）で与えられる
   １／Λ_ＯＰＡ＝Ｎ_Ｐ／２／（λ_Ｐ／２）−Ｎ_Ｓ／λ_Ｓ−Ｎ_Ｉ／λ_Ｉ （２）
   ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波検出素子。

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