JP2728200B2 - 固体テラヘルツ帯電磁波発生装置 - Google Patents

固体テラヘルツ帯電磁波発生装置

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JP2728200B2
JP2728200B2 JP7226387A JP22638795A JP2728200B2 JP 2728200 B2 JP2728200 B2 JP 2728200B2 JP 7226387 A JP7226387 A JP 7226387A JP 22638795 A JP22638795 A JP 22638795A JP 2728200 B2 JP2728200 B2 JP 2728200B2
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    • G02F2/00Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は固体素子を用いた
非常に高い周波数、特にテラヘルツ帯電磁波の発生装置
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】固体素子を用いたテラヘルツ帯(≒10
12Hz)電磁波の発生方法としては、化合物半導体表面
にフェムト秒程度(≒10-15 秒)の強い光パルスを照
射して過渡的な電流を励起する方法や、電界を印加した
半導体量子井戸にフェムト秒程度の強い光パルスを照射
することにより、重い正孔と軽い正孔の準位間や複数の
量子井戸のエネルギー固有値の異なる準位間の振動を励
起する方法などが提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述の方法のうち、例
えば化合物半導体表面にフェムト秒程度の強い光パルス
を照射して過渡的な電流を励起する方法では、発生され
る電磁波のスペクトルが広がってしまい単色性のよい電
磁波の発生は困難であった。また、前述のすべての方法
において、照射した光パルスの電力のうちの多くは半導
体表面領域や量子井戸領域を透過してしまうため、効率
のよい大きな強度の電磁波の発生が困難であった。
【0004】そこで本発明の目的は前述の課題を解決
し、単色性のよい高効率の強度の大きなテラヘルツ帯の
電磁波の発生可能な、固体素子を用いた固体テラヘルツ
帯電磁波発生装置を提供せんとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明固体テラヘルツ帯電磁波発生装置は、化合物半導
体単結晶基板上に、この素子の励起子発生領域で励起さ
れ、時間軸上で周期的に生成・消滅をくり返す励起子が
生成・消滅に伴い発する光波の波長に実質的に等しい波
長を有し、かつ、外部から照射されるフェムト秒オーダ
の光パルスの光波に対し、互いに異なる屈折率を有する
第1のおよび第2の化合物半導体層からなる多重積層
で、前記生成・消滅に伴い発する光波および前記光パル
スの光波を反射する第1の分布ブラッグ反射器と、前記
光パルスの光波を吸収して励起子の励起が可能な領域
で、この領域で発生した励起子が前記光パルスの光波及
び前記生成・消滅に伴い発する光波と強く結合してポラ
リトンと呼ばれる状態を形成する励起子発生領域と、前
記第1の分布ブラッグ反射器と同一構成で同一機能を有
し、かつ、第1の分布ブラッグ反射器および励起子発生
領域と一体になって前記光パルスの光波及び前記生成・
消滅に伴い発する光波の定在波を形成させる第2の分布
ブラッグ反射器と、を順次に積層して構成される構造の
固体素子を具えるとともに、前記励起子発生領域で発生
した励起子を形成する電子と正孔を空間的に分離するた
めの電界を印加する電圧印加手段を具えることを特徴と
するものである。
【0006】
【発明の実施の形態】以下添付図面を参照し実施例によ
り本発明の実施の形態を説明する。図1に本発明に係る
固体テラヘルツ帯電磁波発生装置の固体素子部分の構造
のこれには限定されない一例を示す。この例では化合物
半導体単結晶基板1(例えばGaAs)上に第1の化合
物半導体層21(例えばAlAs)/第2の化合物半導
体層22(例えばAlx Ga(1-x) As)から成る第1
の分布ブラッグ反射器2、バリア層31(例えばAlA
s)と量子井戸層32(例えばGaAs)とバリア層3
3(例えばAlAs)から成る励起子発生領域3、さら
に第2の化合物半導体層41(例えばGax Al(1-x)
As)/第1の化合物半導体層42(例えばAlAs)
から成る第2の分布ブラッグ反射器4を順次積層した構
造となっている。この時具体例ではGax Al(1-x)
sのxはほぼ0.2が好適とされている。
【0007】さらにこの構造のうち下側の第1の分布ブ
ラッグ反射器2および上側の第2の分布ブラッグ反射器
4の化合物半導体層には、後に説明する励起子発生領域
に自発的直流電界を印加するため、それぞれn形および
p形の不純物が添加されるのが好適であるし、この不純
物の添加の形は逆に第1の分布ブラッグ反射器にp形、
第2の分布ブラッグ反射器にn形でも差し支えない。
【0008】この素子に設けられる分布ブラッグ反射器
の第1のおよび第2の化合物半導体層に互いに異なる屈
折率を有する層を使用するのは、この反射器の部分で前
記光パルスの光波および前記生成・消滅に伴い発する光
波を反射させ、上述の光波を第1の分布ブラッグ反射器
と第2の分布ブラッグ反射器間で効率よく光吸収させ、
励起子発生領域での励起子の発生効率を向上させると共
に前記生成・消滅に伴い発する光波と励起子の強い相互
作用を可能にするものである。積層された2層間の屈折
率の差が大きい程界面での反射効率が増大するが、差が
左程大きくない場合には何層も多重積層させる必要があ
る。具体例の第1の化合物半導体層がAlAsで第2の
化合物半導体層がAl0.2 Ga0.8 Asの時には、それ
ら屈折率はほぼ2.98と3.45であるから左程大き
な差とはいえず積層多重させる必要がある。
【0009】第1のおよび第2の分布ブラッグ反射器お
よびこれらで挟まれた励起子発生領域で構成される共振
器の共振波長をλとするときは、分布ブラッグ反射器の
AlAs,Alx Ga(1-x) As各層はλ/4、AlA
sバリア層とGaAs量子井戸層を加えた共振器長はλ
/2の厚さに設定するのが好適である。
【0010】本発明に係わる固体テラヘルツ帯電磁波発
生装置においては、例えば上述の装置に、前記励起子発
生領域で励起され、時間軸上で生成・消滅をくり返す励
起子が生成・消滅に伴い発する光波の波長に実質的に等
しい波長の強い光パルスを照射することによりテラヘル
ツ帯の電磁波を発生させることができる。
【0011】この場合、上下の分布ブラッグ反射器およ
びこれらに挟まれた層で構成される共振器の共振波長を
もつ光は、共振器内で多重散乱を起こし定在波が形成さ
れる。この定在波は共振器層中央に置かれたGaAs量
子井戸層内の励起子とコヒーレントな強い相互作用を起
こす。このように、励起子と光が強く結合した場合、そ
れぞれはもとの物理的状態ではなくポラリトンと呼ばれ
る新しい状態を形成することが知られている。ポラリト
ンが形成されている状態においては、励起子と光の間で
エネルギーがその位相を維持した形で交換される。この
エネルギー交換の周期は励起子と光の結合(相互作用)
の強さにより決まる特定の値を持ち、この周期に対応し
た周波数で励起子が生成・消滅を繰り返す。例えば上記
の構成例においてはその周波数はおおよそ1テラヘルツ
となることが実験的に明らかになっている。
【0012】一般に励起子を非常に高い周波数、特にテ
ラヘルツ帯の周波数で生成・消滅させることは容易では
ない。しかしながらポラリトンと呼ばれる状態において
は、励起子の生成・消滅は、励起子と光波の強い相互作
用に伴う自発的な現象であるため、非常に高い周波数で
の生成・消滅が可能となる。
【0013】一方、一般に空間的に分離した正負の電荷
からなる双極子が周期的に振動する場合に、この双極子
から電磁波が発生することは周知の事実である。上述の
構成例においては上下の分布ブラッグ反射器がnおよび
p型にドープされているため、量子井戸内部には自発的
な直流電界が印加されている。さらにこのnおよびp型
層に電極を設けることにより内部電界を制御することも
可能である。このように上記構成例では内部電界の存在
により励起子の空間的な対称性が破れており、励起子を
形成する電子と正孔は分離している。従ってこの装置に
強い光パルスを照射して生成・消滅を繰り返す励起子を
励起することにより、同装置から電磁波が発生される。
【0014】
【発明の効果】本発明による固体テラヘルツ帯電磁波発
生装置においては、共振器を備えることにより、光を装
置内に閉じ込め、量子井戸内の励起子との強い相互作用
を可能にする。このような励起子と光の強い相互作用が
ある場合の励起子と光の間のエネルギー交換の周期は、
励起子と光の結合(相互作用)の強さにより決まる特定
の値を持つため、この現象を起源として発生する電磁波
の単色性は極めて良い。一方、本発明に係わる固体テラ
ヘルツ帯電磁波発生装置に備えられた共振器は、光を装
置内に閉じ込め励起子と光の強い結合を実現する作用を
持つと同時に、装置に照射される光パルスが共振器内で
定在波を形成し、この定在波の腹の位置に置かれた量子
井戸層の励起子を効率よく励起する作用を持つ。この励
起子の高効率な励起は、強度の大きなテラヘルツ帯電磁
波の発生を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体テラヘルツ帯電磁波発生装置
の固体素子部分の構造を示す図。
【符号の説明】
1 化合物半導体単結晶基板 2 第1の分布ブラッグ反射器 3 励起子発生領域 4 第2の分布ブラッグ反射器 21,42 第1の化合物半導体層 22,41 第2の化合物半導体層 31,33 バリア層 32 量子井戸層

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化合物半導体単結晶基板(1)上に、 この素子の励起子発生領域で励起され、時間軸上で周期
    的に生成・消滅をくり返す励起子が生成・消滅に伴い発
    する光波の波長に実質的に等しい波長を有し、かつ、外
    部から照射されるフェムト秒オーダの光パルスの光波に
    対し、互いに異なる屈折率を有する第1の(21)およ
    び第2の(22)化合物半導体層からなる多重積層で、
    前記生成・消滅に伴い発する光波および前記光パルスの
    光波を反射する第1の分布ブラッグ反射器(2)と、 前記光パルスの光波を吸収して励起子の励起が可能な領
    域で、この領域で発生した励起子が前記光パルスの光波
    及び前記生成・消滅に伴い発する光波と強く結合してポ
    ラリトンと呼ばれる状態を形成する励起子発生領域
    (3)と、 前記第1の分布ブラッグ反射器と同一構成で同一機能を
    有し、かつ、第1の分布ブラッグ反射器および励起子発
    生領域と一体になって前記光パルスの光波及び前記生成
    ・消滅に伴い発する光波の定在波を形成させる第2の分
    布ブラッグ反射器(4)と、を順次に積層して構成され
    る構造の固体素子を具えるとともに、 前記励起子発生領域で発生した励起子を形成する電子と
    正孔を空間的に分離するための電界を印加する電圧印加
    手段を具えることを特徴とする固体テラヘルツ帯電磁波
    発生装置。
  2. 【請求項2】 前記励起子発生領域が単一または多重量
    子井戸構造であることを特徴とする請求項1記載の固体
    テラヘルツ帯電磁波発生装置。
  3. 【請求項3】 第1のおよび第2の分布ブラッグ反射器
    とこれらで挟まれた励起子発生領域とで構成される光波
    の前記定在波が立つ共振器の共振波長がλと設定される
    請求項1または2記載の発生装置において、前記第1の
    および第2の化合物半導体層の厚みがそれぞれλ/4、
    前記励起子発生領域の共振器長がλ/2の厚さに設定さ
    れることを特徴とする固体テラヘルツ帯電磁波発生装
    置。
  4. 【請求項4】 前記励起子発生領域の内部に自発的な直
    流電界を印加するため、前記第1のおよび第2の分布ブ
    ラッグ反射器を構成する化合物半導体層の導電形が互い
    に反対極性であることを特徴とする請求項1から3いず
    れかに記載の固体テラヘルツ帯電磁波発生装置。
  5. 【請求項5】 化合物半導体単結晶基板、第1の化合物
    半導体層、第2の化合物半導体層、量子井戸層および量
    子井戸層をはさむバリア層がそれぞれGaAs,AlA
    s,Alx Ga(1-x) As,GaAsおよびAlAsで
    あることを特徴とする請求項1から4いずれかに記載の
    固体テラヘルツ帯電磁波発生装置。
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