JP4122386B2

JP4122386B2 - テラヘルツ波発生装置あるいはテラヘルツ波増幅装置

Info

Publication number: JP4122386B2
Application number: JP2002163586A
Authority: JP
Inventors: 潤一西澤; 建須藤
Original assignee: 潤一西澤
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: JP2003324226A

Description

【０００１】
本発明はテラヘルツ領域のコヒーレント光を発生するデバイス及びその方法にかかわる。
【０００２】
【従来の技術】
およそ０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚ、波長にして１ｍｍから１０μのテラヘルツ波を発生する手段として化合物の格子振動、分子振動を用いる提案が１９６３年に本発明者西澤によってなされ、１９７９年には半導体中のパラメトリック効果、即ちポラリトンモードのラマン発振をＧａＰを使って実現している。これに続いて、固定周波数で、直接にテラヘルツ波の発生も実現している。更にＧａＰをコア層、ＡｌＧａＰをクラッド層とする半導体光導波路型ラマンレーザおよび光増幅器を実現し、ラマン発振の効率を高め、ポンプ光しきい値パワの大幅な低下を達成している。一方、本発明者は、２つの近赤外レーザ光源を使いＧａＰなどの単結晶そのものを導波路とする構造、あるいは先に述べたＧａＰ−ＡｌＧａＰ導波路構造内でポラリトンを励起し、２つの光周波数の差を有する波長可変のテラヘルツ波を発生する装置及び方法を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
生体分子のテラヘルツ分光やテラヘルツ波を使った波長選択型化学反応制御、生体中の特定分子や薬剤の反応制御のためには広い波長可変範囲と先鋭な線幅を有するテラヘルツ波の発生装置が必要である。更にはテラヘルツ波の出力も高くなければならない。しかしながら波長可変性と波長の先鋭さを高めることは矛盾した要求とも言え、困難である。この問題を基本的に解決し、高効率かつ広範な波長可変範囲と先鋭なスペクトルを有するテラヘルツ波発生装置を提供することが本発明の課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、広範囲なテラヘルツ周波数領域で光吸収損失の少ない、かつラマン効果の大きい固体を用い、同時に位相整合が得られる結晶方位を選択し、ポンプ光を導入してラマンレーザ動作を生じさせ、同時に、ストークス光波長帯の波長を有する、線幅の先鋭な同期注入光を導入することにより、注入光に一致したストークス光のみが増幅発振を生じ、同時にポンプ光と同期注入光の差周波数に等しい周波数を有する線幅の先鋭なテラヘルツ波を発生させる。
【０００５】
そのような固体ラマンレーザとして化合物半導体やＬｉＮｂＯ_３などの絶縁体を使う。特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＧａＰはラマン発振のしきい値が低く、かつテラヘルツ波の吸収が広い周波数帯で小さいので極めて適当である。その［１１０］方位に光軸を取れば横型光学フォノンの周波数１１ＴＨｚから０．３ＴＨｚ以下まで可変範囲を取ることが出来る。ラマンレーザは同期注入光波長帯で光共振器を構成しておく。同期注入光は光導入手段を使って、共振器ミラを透過してポンプ光とほぼ平行に導入することが望ましい。注入されたレーザ光波は共振器内部で広い増幅帯波長の中から他の波長に打ち勝って増幅され同期発振に至り、高い強度になる。同時に、ポンプ光との差周波であるテラヘルツ波が増大し出力として取り出される。テラヘルツ波は同期注入光と同じく先鋭なスペクトルを有する。テラヘルツ波の周波数を変えるには同期注入光の波長を変えるかまたはポンプ光の波長を変える。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の第１−第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
【０００７】
（第１の実施の形態）
図１に示すように本発明の第１の実施の形態にかかわるラマン効果差周波発生装置はバルク単結晶からなるラマンレーザ１とポンプ光２および同期注入光３を導入する光導入手段４を有している。ラマンレーザ１は入射端面１０、入射端面に対向した出射端面１１を有し両者はレーザ発振用光共振器端面を構成している。すなわち、入射端面にはポンプ光波長帯に対して高透過率Ｔ_ｐ、同期注入光波長帯に対しては比較的高い反射率Ｒ_ｓを有する波長選択透過多層誘電体反射膜を形成し、対向面には同期注入光波長に対して高い反射率Ｒ_ｓ’を有する多層誘電体反射膜を形成する。ポンプ光は入射側多層膜を透過し、ラマンレーザ１をラマン励起する。同期注入光は入射側反射膜によりその強度の一部が透過し両端面が高反射率のため多重反射され、かつ強く増幅される結果、他の広範な波長成分に打ち勝ち同期注入光の先鋭さを保有したストークス光が内部で立ち上がり、その波長のみが発振にいたる。あるいは発振直前の強い増幅状態になる。同時に、ポンプ光との差周波が同じく先鋭なスペクトル線幅を持って立ち上がり、テラヘルツ波５が取り出される。
【０００８】
Ｔ_ｐ，Ｒ_ｓ，Ｒ’_ｓの代表的な値はＴ_ｐ＝９０−１００％，Ｒ_ｓ＝９０−９９％，Ｒ’_ｓ＝９８−１００％が適当である。同期注入光は僅か１０％から１％が共振器内へと透過するが、内部で強く立ち上がるので十分である。むしろ、発振を容易にするため高い反射率を持たせている。多層誘電体膜は例えばＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２により形成され、膜厚は１−２μと極めて薄いためテラヘルツ波は十分に透過し対向面、入射面のいずれからも取り出すことができる。ラマンレーザ１としては広範なテラヘルツ周波数領域で光吸収損失の少ないかつラマン効果の大きい固体を用いる。ＧａＰはラマン発振のしきい値が低く、かつテラヘルツ波の吸収が広い周波数帯で小さいので極めて適当である。その［１１０］方位に光軸を取れば１１ＴＨｚ近くから０．３ＴＨｚ以下まで可変範囲を広く取ることが出来る。光軸方向が［１１０］方位のバルク単結晶ＧａＰを用いるか、後述のようにＧａＰ単結晶導波路やＧａＰをコア、ＡｌＧａＰをクラッド層とする光導波路を用いても良い。
【０００９】
テラヘルツ波の周波数を変えるには同期注入光の波長を変えるかまたはポンプ光の波長を変える。代表的例としてポンプ光に出力１ＭＷ、パルス幅５０ｎｓのＹＡＧレーザを用いる。ＹＡＧレーザの波長は１．０６４μ（２８２ＴＨｚ）である。注入同期光としてはＩｎＧａＡｓＰ系可変波長レーザダイオード、中心波長１．０８μ、出力１００ｍＷを用いる。ポンプ光のスペクトル線幅１０ＭＨｚ、可変波長レーザダイオードの線幅１００ｋＨｚの場合、テラヘルツ波の線幅１０ＭＨｚという著しく狭いスペクトル線幅が得られる。
【００１０】
（第２の実施の形態）
実施の形態１におけるラマンレーザ１において、テラヘルツ波、ポンプ光、同期注入光の少なくとも一つが光導波効果を持つようにすれば、位相整合を精密に一致させることができ、かつ光を導波路内に閉じ込めることにより相互作用を高めることが出来る。その結果テラヘルツ発生効率を高めることができる。第２の実施の形態においてはテラヘルツ波に対して光導波路効果を持たせる装置を説明する。
【００１１】
テラヘルツ波に対して光導波効果を持たせる例を図２に示す。図２ａはラマンレーザ１として上下面を研磨したＧａＰ単結晶薄板を用い、これがテラヘルツ波のスラブ導波路となる。厚みｄはテラヘルツ波の波長オーダーからその数倍であり、典型的には１００μから３００μである。薄板の面方位は、（００１）である。ポンプ光と同期注入光は共に結晶端面１０から（１１０）方向に平行入射する。テラヘルツ波の周波数ｆ_Ｔが３ＴＨｚの場合を例に光導波路効果を説明する。ポンプ光は１．０６４μ（２８２ＴＨｚ）、注入光の周波数は２７９ＴＨｚ、即ち波長１．０７５μである。この場合、テラヘルツ波即ちポラリトン分散曲線ω＝ｋｃ／ｎから決まるテラヘルツ波屈折率ｎは分散曲線の傾きの逆数に対応する。ｋは（波長／２π）である。一方、ポンプ光と注入光が平行なときの等価屈折率ｎ_ｅｆｆは、極僅かテラヘルツ波屈折率ｎより小さい。この違いの割合は１％程度であるが、３ＴＨｚのテラヘルツ波の結晶内波長が３０μなので位相整合距離は３０μなので位相整合距離は３０μ／０．０１＝３ｍｍ．程度である。したがって、結晶長を３ｍｍ以上にしても位相整合が得られず、結局テラヘルツ波の発生効率が高くならない。位相整合はポンプ光、ストークス光、差周波数を有するテラヘルツ波の波数ベクトルｋ _ｐ、ｋ _Ｓ、ｋ _Ｔの間にｋ _ｐ＝ｋ _Ｓ＋ｋ _Ｔの関係が成り立つことである。共振器軸方向をｚ方向とすると、テラヘルツ波導波路はｚ方向に形成され、それぞれの波長ベクトルのｚ方向成分ｋ _ｐｚ、ｋ _Ｓｚ、ｋ _Ｔｚの間に、ｋ _ｐｚ＝ｋ _Ｓｚ＋ｋ _Ｔｚが成り立てば共振器軸方向に位相整合が得られ、ストークス光及びテラヘルツ波が立ち上がることになる。そこでテラヘルツ波に対して導波効果を用い、１％程度導波路方向に対する実効屈折率を小さくする。即ち、厚みｄの板状の結晶はいわゆるスラブ導波路として働かせる。光軸方向の波数をｋ_ｚとするとほぼ、ｋ _Ｔｚ ^２＝ｋ _Ｔ ^２ −（π／ｄ） ^２であるので、テラヘルツ波周波数が３ＴＨｚの場合、ｄを１００μに設計すると、ｋ_ｚはｋに比べ１％ほど小さくなり、同じだけ導波路方向の実効屈折率が低下する。その結果、共振器軸方向において位相整合がほぼ完全となり、１０ｍｍ以上の長い距離に渡って位相整合が得られる。テラヘルツ波出力は位相整合距離の２乗に比例するので１０倍以上の効率を得る。
【００１２】
以上はテラヘルツ波に対してスラブ導波路を形成する場合であるが、図２ｂのように横方向に対して幅ｗを、厚みｄと同様に限定する。例えば幅１４０μ厚み１４０μの棒状にすればテラヘルツ導波路の実効屈折率は先の例と同様に１％ほど低下し位相整合が得られる。棒状導波路はポンプ光、同期注入光に対しても導波路効果を有しているのでスラブ導波路よりも望ましい。一方、スラブ導波路においても厚みを中央で厚くすれば横方向導波路効果を生じ、横方向へのテラヘルツ波の散逸を防ぎ出力を上げることができる。図２ｃの例では厚い部分の幅はテラヘルツ波長が１００μの場合、幅ｗが１００μ、凹凸の差Δｄが１０ミクロンで十分にテラヘルツ波の横方向閉じ込め効果が得られる。ただし、導波路方向実効屈折率の減少は厚みｄの効果より小さいので位相整合条件は先に述べたようにスラブ導波路厚みｄでほぼ決定できる。このような凹凸形状はリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法などで容易に作成することが出来る。
【００１３】
図２ａの例ではテラヘルツ波に対するスラブ導波路厚みｄが固定されているので最適テラヘルツ周波数を大幅に変えることができない。そこで、より広いテラヘルツ周波数を一つの装置で出すために、図２ｄ，のように厚みｄ_２の第２のＧａＰやＳｉ単結晶薄板をラマンレーザである第１のＧａＰ薄板下に接触させる。第２の薄板は厚みの異なる部分をスライドして種々の厚みを選択制御しても良い。ポンプ光と同期注入光は２つの薄板のギャップの存在のため第１のＧａＰ側に限定されるが、テラヘルツ波は波長が長いので界面の存在は無視できる。図２ｄにおいて例えば厚みｄ_２＝１００μとすれば最適テラヘルツ周波数を３ＴＨｚから１ＴＨｚにまで広げることができる。
【００１４】
（第３の実施の形態）
先の例はテラヘルツ波に対して導波路効果を持たせたのであるが、ポンプ光及び注入同期光に対して導波路構造を採用すれば、両光の強度が高まり、かつ、１０ｍｍから２０ｍｍ以上の長距離にわたって相互作用を生じさせることができ容易にラマン発振にいたる。棒状単結晶はテラヘルツ波のみならず、ポンプ光、同期注入光に対しても導波路効果を持っているが、それについては、第２の実施の形態で述べた。一方、ＧａＰ−ＡｌＧａＰエピタキシャル技術を使えば、１μｘ１μの極微細矩形から、５０μｘ５０μ程度の矩形、或いは厚み１０μｘ幅１００μのＧａＰ−ＡｌＧａＰスラブ導波路など微細な断面を有する導波路を形成することができる。ポンプ光と同期注入光は通常、近赤外波長であり、このような微細断面の中に閉じ込められるがテラヘルツ光は大部分導波路の外にパワが分布している。このような導波路をここでは近赤外導波路とよぶことにする。近赤外導波路の利点は断面の微細化により比較的小出力のポンプ光源によりラマンレーザ発振を生じせしめることが出来る点にある。図３ａのようにＧａＰ薄板の上に、ＧａＰをコア層、ＡｌＧａＰをクラッド層とする埋め込み型の近赤外導波路６をエピタキシャル技術とリソグラフィ、ＲＩＥ加工法などを駆使して形成する。入射レンズを使って導波路にポンプ光と注入同期光を導波させた状態を図４に示す。導波路の断面は典型的な例では幅３０ミクロン厚み１０ミクロンの矩形導波路である。この場合、ポンプ光、注入同期光の屈折率は導波路内でも平面波と殆どおなじであると考えてよい。導波路厚みがテラヘルツ光の結晶内波長（例えば３ＴＨｚの場合結晶内波長は３０μである）より小さいことにより、発生したテラヘルツ波は大部分導波路の外、即ち、基板内を進む。この際、テラヘルツ波の屈折率が２つの近赤外線の差で決まる等価屈折率より１％程小さい。即ち屈折率差をΔｎとすると−Δｎ／ｎ＝０．０１である。このような場合、導波路で発生したテラヘルツ波は導波路方向にほぼ平行であるが僅かの角度θ＝−Δｎ／ｎの方向へ進むものが位相整合され出力として取り出される。これを示したのが図４ａである。
【００１５】
一方、図３ｂは導波路の上にＧａＰ層を５０μ以上厚く成長したもので、近赤外導波路と上下のＧａＰ層全体がテラヘルツ導波路であり、実施の形態２で説明したように、その厚みを適宜選択しあるいは厚みを制御してほぼ完全な位相制御を行うことができる。その状態を示したのが図４ｂである。
【００１６】
ラマン発振あるいは強増幅状態に至るためのしきい値ポンプ光パワは近赤外導波路の断面積にほぼ比例する。１０μｘ１０μ断面積の導波路の場合、およそ出力５Ｗのポンプ光でも発振にいたるので連続波ＹＡＧレーザポンプ光源として使い、連続波テラヘルツ光を発生させることが出来る。連続光の場合、ポンプ光の波長純度は１００ｋＨｚ以下にすることが出来る。一方、注入同期光源に外部共振器を使った波長可変レーザダイオードなどでは同程度にできるので１００ｋＨｚ以下という著しい狭い線幅のテラヘルツ光を得ることが出来る。
【００１７】
（第４の実施の形態）
以上においてはラマン発振光に対して同期注入を行う例をしめしてきたが、ポンプ光とラマン発振光の混合光に対して同期注入を行っても良い。この場合は、微弱なテラヘルツ波を外部から導入して高出力のテラヘルツ波を出力として得ることができ、テラヘルツ波の増幅が得られる。光導入手段としては球面鏡や法物面鏡を使う。ポンプ光はその中心に開けた穴を通して導入できる。更には、ラマンレーザの両端面の外に二枚の球面鏡を対向させ、テラヘルツ波の共振器を構成すれば近赤外光とテラヘルツ光の両方に対して増幅発振効果が働ききわめて高い効率が得られる。
【００１８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１−第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００１９】
例えば第１−第３の実施の形態の説明においては、ＧａＰを中心に説明してきたが、ＧａＡｓなど他のＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体やＺｎＴｅなどはラマン効率が高いので望ましい。半導体に限るものではなくＬｉＮｂＯ_３などの絶縁体に適用できることは言うまでもない。
【００２０】
このように、本発明はここでは記載していない、様々な実施の形態を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、高い光パワ効率でＣＷ或いはパルス出力の、かつ先鋭なスペクトル線幅を有する、光周波数が０．３ＴＨｚ−１１ＴＨｚ内のコヒーレント光が得られる。
【００２２】
本発明によれば、光周波数が０．３ＴＨｚ−１１ＴＨｚ内で周波数が可変な、且つ先鋭なスペクトル線幅を有する単一周波数テラヘルツ光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係わるテラヘルツ波発振増幅器を表す図である。
【図２】テラヘルツ波用の導波路構造を有するラマンレーザを表す図である。
【図３】ポンプ光及び同期注入光用近赤外導波路を有するラマンレーザを表す図である。
【図４】ポンプ光及び同期注入光用近赤外導波路を有するラマンレーザにおける光導入とテラヘルツ波出力を表す図である
【符号の説明】
１ラマンレーザ
２ポンプ光
３同期注入光
４光導入手段
５テラヘルツ波
６近赤外導波路
１０入射端面
１１出射端面

Claims

化合物半導体結晶のラマン効果によって増幅あるいは発振するラマンレーザに、ストークス光の同期注入光が導入されることにより、広範な周波数可変範囲と先鋭なスペクトルを有するテラヘルツ波を発生または増幅することを特徴とするテラヘルツ波発生装置あるいはテラヘルツ波増幅装置。
前記化合物結晶の少なくとも一部分に、ポンプ光、ストークス光、テラヘルツ波の少なくとも一つの光導波路が形成され、所定のテラヘルツ波周波数において、該導波路の分散効果により、ポンプ光、ストークス光、テラヘルツ波、三者間の、ラマンレーザ共振器光軸方向の位相整合が得られるように前記光導波路の構造が設計されていることを特徴とする、請求項１記載のテラヘルツ波発生装置あるいはテラヘルツ波増幅装置。
前記化合物半導体結晶がＧａＰ結晶またはＧａＰを主成分とする結晶であることを特徴とする請求項１乃至は２記載のテラヘルツ波発生装置あるいはテラヘルツ波増幅装置。