JP4445325B2 - テラヘルツ波発生用半導体結晶、その結晶を用いたテラヘルツ波発生装置とその方法及びテラヘルツ波検出装置とその方法 - Google Patents

テラヘルツ波発生用半導体結晶、その結晶を用いたテラヘルツ波発生装置とその方法及びテラヘルツ波検出装置とその方法 Download PDF

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Description

テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波であり、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計測、生物や医学への応用などが検討され、近年重要になってきている。テラヘルツ波の応用を拡大するためには、テラヘルツ波の高効率発生とその高効率検出が極めて重要であるが、本発明は、テラヘルツ波発生用半導体結晶、その結晶を用いたテラヘルツ波発生装置とその方法及びテラヘルツ波検出装置とその方法に関する。
テラヘルツ波の発生には、パラメトリック素子を用いた差周波による発生法、非線形素子を用いたパラメトリック発振器による発生法、電気光学効果（以後EO効果と略記する）を有する結晶を用いた発生法等がある。この内、EO効果を利用してテラヘルツ波を発生する方法は、光学調整が簡単で、実用性が高い方法である。
また、テラヘルツ波の検出には、ボロメータや光伝導アンテナ、ZnTeなどの電気光学（EO：Electro-Optical）効果を利用するもの、等がある。この内、光伝導アンテナとEO効果を利用する方法は、素子を冷却したりする必要もなく、比較的検出効率も高いことから、最も広く用いられている。
EO効果を有するZnTe結晶を用いてテラヘルツ波を発生及び検出する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。これは、ZnTeを波長が０．８μｍの超短光パルスでポンプしてテラヘルツ波を発生させ、ZnTeにテラヘルツ波を入射させ０．８μｍの超短光パルスでサンプリングしてテラヘルツ波を検出するものである。０．８μｍの超短光パルスを用いてZnTeでテラヘルツ波を発生、検出できるのは、０．８μｍの超短光パルスとテラヘルツ波パルスのZnTe中で位相整合がとれる相互作用長（位相整合がとれる相互作用長をコヒーレント長と呼ぶ）が比較的大きいからである。
しかし、０．８μｍの超短光パルスは、大型のTi：サファイアレーザシステムから自由空間に発生されるため、光通信用ファイバとの適合性が悪く、テラヘルツ波発生、検出装置が、大型で、光学系の調整が煩雑であった。また、光通信波長帯域の１〜２μｍの超短光パルスを用いてZnTeでテラヘルツ波を発生、検出するためには、ZnTeの厚さを１００μｍ以下にしなければ位相整合がとれないため、実効的な相互作用長がとれず、高効率発生化、高効率検出化の妨げとなっていた。光通信波長帯域の超短光パルスを用いてテラヘルツ波を高効率に発生、高効率に検出できるEO効果を有する結晶が公知でなかった。
J. Shan, A. Nahata, and T. Heinz, "Terahertz time-domain spectroscopy based on nonlinear optics ", J. Nonlinear Optical Physics and Material, Vol.11, 2002, pp.31-48
上記のように、光通信波長帯域の超短光パルスを用いてテラヘルツ波を高効率に発生、高効率に検出できるEO効果を有する結晶が公知でなかった。また、従来の０．８μｍの超短光パルスを用いたZnTeでのテラヘルツ波発生、検出装置は、大型で光学系の調整が煩雑であるという問題を有していた。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、光通信波長帯域の超短光パルスでテラヘルツ波を高効率に発生、検出できるEO効果を有する結晶を提供することを目的とする。さらに、その結晶を用いてテラヘルツ波を高効率に発生する装置と方法、及び検出する装置と方法を提供することを目的とする。
本発明のテラヘルツ波パルスを発生する結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスをポンプ光としてテラヘルツ波パルスを発生する閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶である。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスとテラヘルツ波パルスとの位相整合がとれる相互作用長（コヒーレント長）が大きいため、光通信波長帯域の超短光パルスをポンプ光としてテラヘルツ波を高効率に発生することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶にしてもよい。
擬位相整合結晶とすることで実質的な相互作用長を大きくして、高効率に高帯域のテラヘルツ波を発生することができる。
前記半導体結晶は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、ポンプ光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に発生することができる。
前記擬位相整合結晶は、前記ポンプ光波長でのグループインデックスと前記発生するテラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ）と、負となる半導体結晶（Ｎ）が交互に積層されているようにするとよい。
有機金属化学蒸気堆積（MOCVD）、分子線エピタキシ（MBE）などの半導体結晶膜作製技術で容易に作製することができる。
前記半導体結晶（Ｐ）と（Ｎ）は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及びAlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、ポンプ光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に発生することができる。
本発明のテラヘルツ波パルスを検出する結晶は、テラヘルツ波パルスと光通信波長帯域の超短光パルスであるサンプリング光が時間的且つ空間的にオーバラップ照射されて該テラヘルツ波パルスの電場信号で変調されたサンプリング光を出射する閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶である。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスとテラヘルツ波パルスとの位相整合がとれる相互作用長（コヒーレント長）が大きいため、光通信波長帯域の超短光パルスをサンプリング光としてテラヘルツ波を高効率に検出することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶にしてもよい。
擬位相整合結晶とすることで実質的な相互作用長を大きくして、高効率に高帯域のテラヘルツ波を検出することができる。
前記半導体結晶は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、サンプリング光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に検出することができる。
前記擬位相整合結晶は、前記サンプリング光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ’）と、負となる半導体結晶（Ｎ’）が交互に積層されているようにするとよい。
有機金属化学蒸気堆積（MOCVD）、分子線エピタキシ（MBE）などの半導体結晶膜作製技術で容易に作製することができる。
前記半導体結晶（Ｐ’）と（Ｎ’）は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及びAlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、サンプリング光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に検出することができる。
本発明の高効率テラヘルツ波発生装置は、光通信波長帯域の超短光パルスであるポンプ光を発生する光源と、該光源から発生された該ポンプ光が照射されてテラヘルツ波パルスを発生する所定厚さの閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶と、を有することを特徴とする。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスとテラヘルツ波パルスとの位相整合がとれる相互作用長（コヒーレント長）が大きいため、光通信波長帯域の超短光パルスをポンプ光としてテラヘルツ波を高効率に発生することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶にしてもよい。
擬位相整合結晶とすることで実質的な相互作用長を大きくして、高効率に高帯域のテラヘルツ波を発生することができる。
前記半導体結晶は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、ポンプ光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に発生することができる。
前記擬位相整合結晶は、前記ポンプ光波長でのグループインデックスと前記発生するテラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ）と、負となる半導体結晶（Ｎ）が交互に積層されているようにするとよい。
有機金属化学蒸気堆積（MOCVD）、分子線エピタキシ（MBE）などの半導体結晶膜作製技術で容易に作製することができる。
前記半導体結晶（Ｐ）と（Ｎ）は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及びAlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、ポンプ光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に発生することができる。
前記半導体結晶の前記所定の厚さが特定の波長のテラヘルツ波パルスを発生するように設定されているようにしてもよい。
所定の厚さをコヒーレント長曲線の極小値に設定することで、そのコヒーレント長を満たす波長のテラヘルツ波を発生することができる。
課題を解決するための本発明の高効率テラヘルツ波発生方法は、光通信波長帯域の超短光パルスであるポンプ光を発生するポンプ光発生ステップと、該ポンプ光発生ステップで発生されたポンプ光を所定厚さの閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶に照射してテラヘルツ波パルスを発生する照射・発生ステップと、を有することを特徴とする。
前記閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶にしてもよい。
前記半導体結晶は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
前記擬位相整合結晶は、前記ポンプ光波長でのグループインデックスと前記発生するテラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ）と、負となる半導体結晶（Ｎ）が交互に積層されているようにするとよい。
前記半導体結晶（Ｐ）と（Ｎ）は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及びAlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
前記半導体結晶の前記所定の厚さが特定の波長のテラヘルツ波パルスを発生するように設定されているようにしてもよい。
本発明の高効率テラヘルツ波検出装置は、閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶と、該半導体結晶にテラヘルツ波パルスと光通信波長帯域の超短光パルスであるサンプリング光とを時間的且つ空間的にオーバラップして照射するオーバラップ照射手段と、を有し、該半導体結晶が該テラヘルツ波の電場信号で変調されたサンプリング光を出射することを特徴とする。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスとテラヘルツ波パルスとの位相整合がとれる相互作用長（コヒーレント長）が大きいため、光通信波長帯域の超短光パルスをサンプリング光としてテラヘルツ波を高効率に検出することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶にしてもよい。
擬位相整合結晶とすることで実質的な相互作用長を大きくして、高効率に高帯域のテラヘルツ波を検出することができる。
前記半導体結晶は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、サンプリング光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に検出することができる。
前記擬位相整合結晶は、前記サンプリング光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ’）と、負となる半導体結晶（Ｎ’）が交互に積層されているようにするとよい。
有機金属化学蒸気堆積（MOCVD）、分子線エピタキシ（MBE）などの半導体結晶膜作製技術で容易に作製することができる。
前記半導体結晶（Ｐ’）と（Ｎ’）は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及びAlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
光通信波長帯域で透明であるので、サンプリング光の吸収損失が少なく、テラヘルツ波を高効率に検出することができる。
本発明の高効率テラヘルツ波検出方法は、テラヘルツ波と光通信波長帯域の超短光パルスであるサンプリング光とを閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶に時間的且つ空間的にオーバラップ照射して該テラヘルツ波の電場信号で変調されたサンプリング光を出射させることを特徴とする。
前記閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶にしてもよい。
前記半導体結晶は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
前記擬位相整合結晶は、前記サンプリング光波長でのグループインデックスと前記発生するテラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ’）と、負となる半導体結晶（Ｎ’）が交互に積層されているようにするとよい。
前記半導体結晶（Ｐ’）と（Ｎ’）は、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及びAlSbの中のいずれか一つであることが好ましい。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスとテラヘルツ波パルスとの位相整合がとれる相互作用長（コヒーレント長）が大きいため、光通信波長帯域の超短光パルスをポンプ光としてテラヘルツ波を高効率に発生することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶とすることで実質的な相互作用長を大きくして、高効率に高帯域のテラヘルツ波を発生することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶は、光通信波長帯域の超短光パルスとテラヘルツ波パルスとの位相整合がとれる相互作用長（コヒーレント長）が大きいため、光通信波長帯域の超短光パルスをサンプリング光としてテラヘルツ波を高効率に検出することができる。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶を擬位相整合結晶とすることで実質的な相互作用長を大きくして、高効率に高帯域のテラヘルツ波を検出することができる。
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の高効率テラヘルツ波発生装置と本発明の高効率テラヘルツ波検出装置を有するテラヘルツ波発生・検出装置の概略構成図である。光通信波長帯域の超短光パルスを発生する光源１から発生された超短光パルスがビームスプリッタ１１でポンプ光とサンプリング光に分割される。テラヘルツ波発生装置は、光源１と、ポンプ光がレンズ１４で集光照射されてテラヘルツ波を発生する所定厚さの閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２とを有している。一方、テラヘルツ波検出装置は、閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶３と、テラヘルツ波とサンプリング光を半導体結晶３に時間的且つ空間的にオーバラップ照射するオーバラップ照射手段４とを有している。
光通信帯域の超短光パルスを発生する光源１としては、ErやYb等の希土類元素がドープされたファイバを利得媒質とするフェムト秒ファイバレーザを使用することができる。具体的には、アイシン精機社製のフェムトライトが好適である。フェムトライトには様々な変形態様モデルがあり、これらは、波長１．０４μｍ、１．２２μｍ、１．５６〜１．９０μｍのフェムト秒パルスを発生する。
閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２ついては、テラヘルツ波検出装置の閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶３と、一緒に説明する。
オーバラップ照射手段４としては、例えば、図１のように、サンプリング光とテラヘルツ波が半導体結晶３に時間的に一致して照射されるようにするための光学遅延線４１と、半導体結晶２から発生されたテラヘルツ波を集光・コリメートする軸外し放物面鏡４２と、コリメートされたテラヘルツ波を半導体結晶３に集光照射する穴あき軸外し放物面鏡４３と、サンプリング光を放物面鏡４３の穴を通して半導体結晶３のテラヘルツ波が照射されている位置に集光照射するレンズ４４とからなる。
１２は光路折り曲げミラー、１５は１／４波長板、１６はウォラストンプリズム、１７、１７’はInGaAs光検出器である。
次に、閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２と３について説明する。閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２と３としては、光通信波長帯域で透明なGaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの中のいずれか一つが好適である。これらの結晶でテラヘルツ波を発生・検出するには、ポンプ光と発生するテラヘルツ波、サンプリング光と検出するテラヘルツ波の位相整合がとれる必要がある。さらに、高効率に発生・検出するためには位相整合がとれる相互作用長（コヒーレト長）が大きくなければならない。
コヒーレント長ｌcはポンプ光或いはサンプリング光の波長λpsとテラヘルツ波の周波数ｆの関数として
ｌc＝ｃ／２ｆ｜ｎTHz−ｎg｜ （１）
で表される。ここで、ｃは光速、ｎTHzはテラヘルツ波領域での屈折率、ｎg＝ｎps−λps∂ｎps／∂λpsはポンプ光或いはサンプリング光での屈折率ｎpsをもつ光パルスのグループインデックスである。
一方、バンドギャップエネルギが１．４３eV以下の屈折率ｎpsは
ｎ2ps＝A＋Bλ2ps／（λ2ps−C2） （２）
と表される。ここで、パラメータA=８．９５０、B=２．０５４、C2=０．３９０μｍ2である。
テラヘルツ波（遠赤外領域）での屈折率は単純なローレンツ共振モデルによって
ｎ2 THz＝ε∞＋ｆ2 1（ε0＋ε∞）／（ｆ2 1−ｆ2−ｉγｆ2） （３）
と表され、ここで、パラメータｆ1＝２３７．３ｃｍ-1、γ／ｆ1＝０．００７、ε∞＝１０．９０、ε∞−ε0＝２．０である。
上記閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２と３として好適なGaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの内、GaAs、InP、及びGaPについて（２）、（３）式を使ってポンプ光或いはサンプリング光のグループインデックスｎgの分散曲線とテラヘルツ波領域での屈折率ｎTHzの分散曲線を求めた結果を図２〜図４に示す。図２からｎTHzは３THｚ以下でほとんど一定で、ｎTHz＝３．６であり、ｎgの分散曲線はλps＞１．３５μｍでｎg＜ｎTHzとなり、λps＞１．３５μｍで位相条件が満たされることがわかる。すなわち、ポンプ光或いはサンプリング光の波長が１．３５μｍ以上のとき図１の半導体結晶２及び３にGaAsを用いることができる。
同様に図３から、ポンプ光或いはサンプリング光の波長が１．２μｍ以上のとき図１の半導体結晶２及び３にInPを用いることができることがわかる。図４からはポンプ光或いはサンプリング光の波長が１．０μｍ以上のとき図１の半導体結晶２及び３にGaPを用いることができることがわかる。
上記閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２と３として好適なGaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP、GaP、GaSb、及び AlSbの内、GaAs、InP、及びGaPについて（１）式を使ってコヒーレント長ｌcを求めた結果を図５〜図７に示す。図５から、例えば半導体結晶２に厚さ２ｍｍのGaAsを用いた場合、ポンプ光の波長が１．５６μｍのとき０．７THz、１．３３μｍのとき２．８THzまで位相整合し、この周波数までのテラヘルツ波を発生できることがわかる。また、半導体結晶３に厚さ２ｍｍのGaAsを用いた場合、サンプリング光の波長が１．５６μｍのとき０．７THz、１．３３μｍのとき２．８THzまで位相整合し、この周波数までのテラヘルツ波を検出できることがわかる。すなわち、半導体結晶３に厚さ２ｍｍのGaAsを用いた場合の検出できるテラヘルツ波のカットオフ周波数がサンプリング光の波長が１．５６μｍのとき０．７THz、１．３３μｍのとき２．８THzであることがわかる。したがって、半導体結晶３の厚さを変えることで検出できるテラヘルツ波のカットオフ周波数を変えることができる。
同様に図６から、例えば半導体結晶２に厚さ１ｍｍのInPを用いた場合、ポンプ光の波長が１．０４μｍのとき０．４THｚ、１．５６μｍのとき０．７５THz、１．２２μｍのとき３．５THzまでのテラヘルツ波を発生できることがわかる。また、１．２２μｍのときコヒーレント長曲線に極小値が現れ、InPの厚さをこの極小値（〜８ｍｍ）近くにすることで１．２THｚのテラヘルツ波のみを選択的に発生することができる。半導体結晶３に厚さ１ｍｍのInPを用いた場合、サンプリング光の波長が１．０４μｍのとき０．４THｚ、１．５６μｍのとき０．７５THz、１．２２μｍのとき３．５THzまでのテラヘルツ波を検出できることがわかる。
図７からは、例えば半導体結晶２に厚さ０．５ｍｍのGaPを用いた場合、ポンプ光の波長が１．０４μｍのとき４．５THｚ、０．９８μｍのとき５．５THzまでのテラヘルツ波を発生できることがわかる。また、０．９８μｍのときコヒーレント長曲線に極小値が現れ、GaPの厚さをこの極小値（〜９．５ｍｍ）近くにすることで１．５THｚのテラヘルツ波のみを選択的に発生できることがわかる。半導体結晶３に厚さ０．５ｍｍのGaPを用いた場合、ポンプ光の波長が１．０４μｍのとき４．５THｚ、０．９８μｍのとき５．５THzまでのテラヘルツ波を検出することができる。
テラヘルツ波を発生する半導体結晶２とテラヘルツ波を検出する半導体結晶３は、面方位（１１０）の結晶が好ましい。非線形感受率χ(2)の反転対称性を使って効率よく発生・検出できる。
半導体結晶２、３を擬位相整合結晶にすると、発生・検出できるテラヘルツ波の周波数帯域を広げることができる。擬位相整合結晶は、例えば以下のようにして作られる。図３及び図４の楕円で囲んだ領域はｎTHzがフラットになっている部分を外挿した交点付近すなわち、ｎg−ｎTHz〜０となる領域で、この付近の横軸の波長範囲で擬位相整合が可能になる。したがって、GaPとInPを１．０４μｍ付近で用いれば、GaPではｎg−ｎTHz＜０、InPではｎg−ｎTHz＞０となり、擬位相整合が可能である。例えば、GaPとInPを交互に積層することで擬位相整合結晶とすることができる。積層する厚さは発生・検出するテラヘルツ波の周波数帯域を満たすコヒーレント長に設定するとよい。積層はMOCVDやMBEなどで行うことができる。
次に、動作について説明する。光源１から発生された光通信波長帯域の超短光パルスはビームスプリッタ１１でポンプ光とサンプリング光に分割される。サンプリング光は２枚の光路折り曲げミラー１２で光路を折り曲げられた後、レンズ４４で穴あき軸外し放物面鏡４３の穴を介して閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶３に集光照射される。
一方、ポンプ光は光路折り曲げミラー１２で光路を折り曲げられ、光学遅延線４１で所定の時間遅延を与えられた後、レンズ１４で閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２に集光照射される。半導体結晶２に光通信波長帯域のポンプ光が照射されると、半導体結晶２からテラヘルツ波が発生される。発生されたテラヘルツ波は軸外し放物面鏡４２でコリメートされ、穴あき軸外し放物面鏡４３で閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶３に前記サンプリング光と同軸に（空間的にオーバラップするように）集光照射される。光学遅延線４１での所定の時間遅延は、サンプリング光とテラヘルツ波が半導体結晶３に同時に（時間的にオーバラップするように）設定される。
半導体結晶３にテラヘルツ波が照射されると、その電場信号によるポッケルス効果で透過するサンプリング光の偏光が回転し、１／４波長板１５を通過後楕円偏光になる。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の成分に差異が生じ、ウォラストンプリズム１６でｐ偏光とｓ偏光を分離してInGaAs光検出器１７、１７’で検出すると、光検出器１７、１７’から出力される電気信号に差異が生じる。この電気信号の差異は半導体結晶３に照射されるテラヘルツ波の電場に比例するので、光検出器１７、１７’から出力される電気信号からテラヘルツ波の電場を検出することができる。なお、テラヘルツ波の光路中に光チョッパーを挿入して、光検出器１７、１７’からの電気信号をロックインアンプで増幅すると、信号のＳＮを上げることができる。
図１の実施形態では、光源１から発生された光通信波長帯域の超短光パルスが空中伝搬するが、光通信波長帯域の光を低損失で伝搬することができる光ファイバは非常にポピュラーであるので、例えば、図１において光源１からレンズ１４及びレンズ４４までは光ファイバ中を伝搬するようにするとよい。光学遅延線４１も光ファイバで構成することができるので、小型化と安定化が図れる。
本実施例では、図１の光源１に、波長１．５６μｍ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅１００ｆｓ、出力３８０ｍＷのレーザを出力する小型ファイバーレーザを用い、閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２と３に厚さが０．５ｍｍ、面方位（１１０）のGaAsを用いた。
図８に本実施例で得られたテラヘルツ波の電場信号波形を、図９に図８の電場信号波形をフーリエ変換したテラヘルツ波のパワースペクトルを示す。約３ＴＨｚまでのテラヘルツ波が発生され、検出された。
本実施例では、図１の光源１に、波長１．０４μｍ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅１００ｆｓ、出力３８０ｍＷのレーザを出力する小型ファイバーレーザを用い、半導体結晶２と３に図１０に示す擬位相整合結晶と図１１に示す擬位相整合結晶をそれぞれ用いた。図１０に示す擬位相整合結晶２は、ポンプ光波長でのグループインデックスとテラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ）２１と負となる半導体結晶（Ｎ）２２とを交互に１０層積層したものである。半導体結晶（Ｐ）２１は厚さ１００μｍのInPであり、半導体結晶（Ｎ）２２は厚さ１００μｍのGaPである。図１１に示す擬位相整合結晶３は、サンプリング光波長でのグループインデックスとテラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶（Ｐ’）３１と負となる半導体結晶（Ｎ’）３２とを交互に１０層積層したものである。半導体結晶（Ｐ’）３１は厚さ１００μｍのInPであり、半導体結晶（Ｎ’）３２は厚さ１００μｍのGaPである。
図１２に本実施例で得られたテラヘルツ波のパワースペクトルを示す。約５ＴＨｚまでのテラヘルツ波が発生され、検出された。
本実施例では、図１の光源１に、波長１．２２μｍ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅１００ｆｓ、出力３００ｍＷのレーザを出力する小型ファイバーレーザを用い、閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶２に厚さが８．５ｍｍ、面方位（１１０）のInPを用い、閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶３に厚さが０．５ｍｍ、面方位（１１０）のGaAsを用いた。
図１３に本実施例で得られたテラヘルツ波のパワースペクトルを示す。１〜１．８ＴＨｚと挟帯域のテラヘルツ波が選択的に発生された。
本発明の高効率テラヘルツ波発生装置と本発明の高効率テラヘルツ波検出装置を有するテラヘルツ波発生・検出装置の概略構成図である。 GaAsでのポンプ光或いはサンプリング光のグループインデックスｎgの分散曲線とテラヘルツ波領域での屈折率ｎTHzの分散曲線を示すグラフである。 InPでのポンプ光或いはサンプリング光のグループインデックスｎgの分散曲線とテラヘルツ波領域での屈折率ｎTHzの分散曲線を示すグラフである。 GaPでのポンプ光或いはサンプリング光のグループインデックスｎgの分散曲線とテラヘルツ波領域での屈折率ｎTHzの分散曲線を示すグラフである。 GaAsにおけるポンプ光或いはサンプリング光の波長が１．３３μｍと１．５６μｍの場合のコヒレント長とテラヘルツ波周波数の関係を示すグラフである。 InPにおけるポンプ光或いはサンプリング光の波長が１．０４μｍ、１．２２μｍ、１．５６μｍの場合のコヒレント長とテラヘルツ波周波数の関係を示すグラフである。 GaPにおけるポンプ光或いはサンプリング光の波長が０．９８μｍ、１．０４μｍの場合のコヒレント長とテラヘルツ波周波数の関係を示すグラフである。 実施例１で得られたテラヘルツ波の電場信号波形である。 図８の電場信号波形をフーリエ変換したテラヘルツ波のパワースペクトルである。 実施例２のテラヘルツ波を発生する擬位相整合結晶の断面図である。 実施例２のテラヘルツ波を検出する擬位相整合結晶の断面図である。 実施例２で得られたテラヘルツ波のパワースペクトルである。 実施例３で得られたテラヘルツ波のパワースペクトルである。
符号の説明
１・・・・光源
２・・・・所定厚さの閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶
３・・・・閃亜鉛型III−Ｖ族化合物半導体結晶
４・・・・オーバラップ照射手段
２１・・・半導体結晶（Ｐ）
２２・・・半導体結晶（Ｎ）
３１・・・半導体結晶（Ｐ’）
３２・・・半導体結晶（Ｎ’）

Claims (6)

  1. 波長帯域が１〜２μｍの光通信波長帯域の超短光パルスをポンプ光としてテラヘルツ波パルスを発生する閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶であって、
    前記閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶は、擬位相整合結晶であり、
    前記擬位相整合結晶は、前記ポンプ光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶と、負となる半導体結晶が交互に積層されていることを特徴とする閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶。
  2. テラヘルツ波パルスと、波長帯域が１〜２μｍの光通信波長帯域の超短光パルスであるサンプリング光と、が時間的且つ空間的にオーバラップ照射されて該テラヘルツ波パルスの電場信号で変調されたサンプリング光を出射する閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶であって、
    前記閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶は、擬位相整合結晶であり、
    前記擬位相整合結晶は、前記サンプリング光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶と、負となる半導体結晶が交互に積層されていることを特徴とする閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶。
  3. 波長帯域が１〜２μｍの光通信波長帯域の超短光パルスであるポンプ光を発生する光源と、前記光源から発生された前記ポンプ光が照射されてテラヘルツ波パルスを発生する所定厚さの閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶と、を有する高効率テラヘルツ波発生装置であって、
    前記閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶は、擬位相整合結晶であり、
    前記擬位相整合結晶は、前記ポンプ光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶と、負となる半導体結晶が交互に積層されていることを特徴とする高効率テラヘルツ波発生装置。
  4. 波長帯域が１〜２μｍの光通信波長帯域の超短光パルスであるポンプ光を発生するポンプ光発生ステップと、前記ポンプ光発生ステップで発生されたポンプ光を所定厚さの閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶に照射してテラヘルツ波パルスを発生する照射・発生ステップと、を有する高効率テラヘルツ波発生方法であって、
    前記閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶は、擬位相整合結晶であり、
    前記擬位相整合結晶は、前記ポンプ光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶と、負となる半導体結晶が交互に積層されていることを特徴とする高効率テラヘルツ波発生方法。
  5. 閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶と、前記半導体結晶にテラヘルツ波パルスと波長帯域が１〜２μｍの光通信波長帯域の超短光パルスであるサンプリング光とを時間的且つ空間的にオーバラップして照射するオーバラップ照射手段と、を有し、前記半導体結晶が前記テラヘルツ波の電場信号で変調されたサンプリング光を出射する高効率テラヘルツ波検出装置であって、
    前記閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶は、擬位相整合結晶であり、
    前記擬位相整合結晶は、前記サンプリング光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶と、負となる半導体結晶が交互に積層されていることを特徴とする高効率テラヘルツ波検出装置。
  6. テラヘルツ波と波長帯域が１〜２μｍの光通信波長帯域の超短光パルスであるサンプリング光とを閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶に時間的且つ空間的にオーバラップ照射して該テラヘルツ波の電場信号で変調されたサンプリング光を出射させる高効率テラヘルツ波検出方法であって、
    前記閃亜鉛型III−V族化合物半導体結晶は、擬位相整合結晶であり、
    前記擬位相整合結晶は、前記サンプリング光波長でのグループインデックスと前記テラヘルツ波波長での屈折率の差分が正となる半導体結晶と、負となる半導体結晶が交互に積層されていることを特徴とする高効率テラヘルツ波検出方法。
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