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 - Google Patents
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Description
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LiNbO3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Tp、同期注入光波長帯に対しては比較的高い反射率Rs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Rs’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】
Tp,Rs,R’sの代表的な値はTp=90−100%,Rs=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TiO2,SiO2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fT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neff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kz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、kz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 d2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d2=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LiNbO3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 (3)
- 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。
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