JP4766775B2 - テラヘルツ光発生デバイス及びテラヘルツ光発生方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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関わる。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体或いは半導体のバルク結晶に周波数の異なる２つのコヒーレント光をレンズなどを使って導入し、光非線形効果により１〜１０ＴＨｚ程度の間のテラヘルツ領域の差周波数を発生する方法は古くから実験されているが、極めて効率が悪く、１０^-6以下の光パワー効率しか得られていなかった。図３に示すように、バルク結晶に第１ポンプ光１、第２ポンプ光２を異なる角度で入射し、更にそのいずれとも異なる角度の方向に差周波数を有する第３のコヒーレント光（差周波数光）３を取り出す。２つの角度を適切に選ぶことによって３つの光の波数ベクトルの位相整合を得ていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
バルク結晶においては３つの光の進行方向をそれぞれ異なる角度に選ぶことによって図３のように差周波数の発生に必要な位相整合が得られる（角度整合）のであるが、それぞれ進行方向が異なるため、相互作用可能距離（相互作用長）に制限があり、レンズで絞って光を導入する場合は相互作用長は１００μｍにも満たなかった。これより長距離の相互作用を起こさせるためにはビーム径を太くして、結局、高い効率は得られず、１０^-5以下の光パワー効率が限界とならざるを得なかった。
【０００４】
上記問題点を鑑み、本発明は長い相互作用可能距離にわたって高い光強度で相互作用可能で、高い光パワー効率を有するテラヘルツ領域の光を発生するテラヘルツ光発生デバイス及びテラヘルツ光発生方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、単結晶からなる光導波路を有する差周波発生装置と、第１及び第２ポンプ光を光導波路に対し入射させるポンプ光制御手段とからなるテラヘルツ光発生デバイスであることを要旨とする。ここで、差周波発生装置は、入射端面及びこの入射端面に対向した出射端面、入射端面と出射端面間に位置し、特定のミラー指数で表現される単結晶の結晶方位に沿った光導波路とを有する。また、ポンプ光制御手段は、第１周波数の第１ポンプ光と第２周波数の第２ポンプ光を、共に結晶方位に平行な光として入射端面に対し入射させる。この結果、第１及び第２周波数との差に等しい周波数を持つコヒーレントな差周波数光が、出射端面から取り出される。
【０００６】
本発明の第１の特徴においては、単結晶、特に半導体単結晶の光導波路を用いることが好ましい。第１及び第２ポンプ光を近赤外領域に選ぶと、光導波路中の異常分散のため、差周波数光に対する等価屈折率は短波長ほど、次第に高くなる。したがって、第１及び第２ポンプ光の波長帯を適切に選ぶと、第１及び第２ポンプ光の差に対する等価屈折率と、屈折率の大きい横型光学（ＴＯ）フォノンの周波数より低い周波数領域の差周波数光に対する屈折率とが等しくなる。この場合、同一方向に進行する第１、第２ポンプ光及び差周波数光の波数ベクトルが、図２のように、位相整合することとなる。即ち、第１、第２ポンプ光及び差周波数光の３つの光が同一方向であっても、図２のように３つの波数ベクトルの位相整合が得られるのである。光導波路を使うため相互作用長は光導波路の長さとなり、大きな値の光パワー効率を得ることが可能となる。
【０００７】
そして、本発明の第１の特徴において、第１又は第２周波数を可変とすることにより、差周波数光を可変とできる。
【０００８】
特に、光導波路をリン化ガリウム（ＧａＰ）を主成分とする半導体で構成すれば、ＧａＰのＴＯフォノンの周波数は約１１ＴＨｚであるので、周波数が１ＴＨｚ〜１１ＴＨｚの範囲にある差周波数光を取り出すことが可能である。第１及び第２ポンプ光の波長帯を適切に選ぶと、ポンプ光の差に対する等価屈折率と差周波数光に対する屈折率とが等しくなる。したがって、第１及び第２ポンプ光の波長を１μｍに近い領域に選べば、１１ＴＨｚ以下の周波数において第１、第２ポンプ光及び差周波数光が同一方向であっても位相整合が得られる。第１及び第２ポンプ光の波長帯はコア材料によって異なるが、ＧａＰの場合、１μｍ帯が望ましい。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、第１の特徴のテラヘルツ光発生デバイスを用いたテラヘルツ光発生方法に関する。即ち、本発明の第２の特徴に係るテラヘルツ光発生方法は、第１の特徴で述べた光導波路を用い、第１周波数の第１ポンプ光と第２周波数の第２ポンプ光を、共に結晶方位に平行方向に入射し、光導波路中において、位相整合することにより、第１及び第２周波数との差に等しい周波数を持つコヒーレントな差周波数光を取り出すことを要旨とする。
【００１０】
第１の特徴で述べたように、第１及び第２ポンプ光を近赤外領域に選ぶと、光導波路中の異常分散のため、第１及び第２ポンプ光の差に対する等価屈折率と、差周波数光に対する屈折率とが等しくなる。この場合、同一方向に進行する第１、第２ポンプ光及び差周波数光が、位相整合することとなり、高い光パワー効率で、差周波数光を得ることが可能となる。
【００１１】
【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。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスは、単結晶の光導波路７を有する差周波発生装置６と、第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０を光導波路７に対し入射させるポンプ光制御手段８とを有する。ここで、差周波発生装置６は、入射端面２１及びこの入射端面２１に対向した出射端面２２、入射端面２１と出射端面２２間に位置し、特定のミラー指数で表現される単結晶の結晶方位に沿った光導波路７とを有する。また、ポンプ光制御手段８は、第１周波数の第１ポンプ光９と第２周波数の第２ポンプ光１０を、共に結晶方位に平行な光として入射端面２１に対し入射させる。この結果、第１及び第２周波数との差に等しい周波数を持つコヒーレントな差周波数光１１が、出射端面２２から取り出される。
【００１３】
図１では、詳細な構造の図示を省略しているが、光導波路７は、リッジ構造のＧａＰをコアとし、このコアの周りに形成したＡｌ_xＧａ_1-xＰ層からなるクラッド層とから構成されたＧａＰ／ＡｌＧａＰヘテロ構造を有するリッジ型光導波路７である。このＧａＰ／ＡｌＧａＰヘテロ構造を有する光導波路７は、半導体ラマンレーザ及び光増幅器として本発明者らが開発してきた構造に類似の構造である。但し、半導体ラマンレーザ・増幅器においては、周波数一定の縦型光学（ＬＯ）フォノンを励起すべく、導波路軸の結晶方位は［１００］方位に選んだ。これに対して本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスに用いる光導波路７は［１１０］方位に結晶方位を選んでいる点が、半導体ラマンレーザ及び光増幅器に採用した構造とは相違する点である。
【００１４】
本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスでは、図１に示すように、第１ポンプ光９の偏光方向を［１-1０］方向に、第２ポンプ光１０の偏光方向を［００１］方向に選んでいる。
【００１５】
第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０は、本発明の「ポンプ光制御手段」として機能する偏光ビームスプリッター８を使って合成され、光導波路７の入射端面２１に、それぞれ垂直入射する。その結果、ＴＯフォノンと結合したポラリトンモードと呼ばれる差周波数光１１が励起され光導波路７内を同一方向に進行しもう一方の端面（出射端面）２２から差周波数光１１として、［１１０］方向に取り出される。図１に示すように、出力光（差周波数光）１１の偏光方向は［１-1０］となる。第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０に対する等価屈折率の波長による変化は「なだらか」なので、中心波長として約１μｍ、即ち約０．８μｍ〜１．３μｍの範囲で選べば、差周波数として位相整合された１ＴＨｚ〜１１ＴＨｚの範囲の光を出力光（差周波数光）１１として取り出すことができる。このように周波数範囲が広くできるのは、ポラリトンモードがＬＯフォノンのような固有周波数を持たないからである。
【００１６】
図１において第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０のそれぞれのポンプ光源は図示を省略してある。ポンプ光源は単一モードのレーザダイオードであり、いずれも連続出力１００ｍＷ程度である。第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０の光周波数（波長）は、それぞれ３５３ＴＨｚ（８５０ｎｍ）、及び３４８ＴＨｚ（８６２ｎｍ）である。
【００１７】
本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスの第１ポンプ光９の光源は分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザであり、温度を変えることにより安定に１ＴＨｚ程度周波数を変えることができる。出力光、即ち差周波数光１１の中心周波数は上記の場合、５ＴＨｚであり、１ＴＨｚの可変範囲が得られる。第２ポンプ光１０の光源として外部に共振器とグレーティングを備えた可変波長半導体レーザを使用すれば、３ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの全域にわたって可変波長とすることができる。第２ポンプ光１０の光源としてとして、波長９８０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系レーザダイオードを選べば位相整合範囲が広がるため、１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚまで可変となる。
【００１８】
光導波路７は断面が５μｍ×５μｍであり、導波路長は５ｍｍである。本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスでは、光導波路７の全長５ｍｍにわたって、第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０と差周波数光１１の位相整合した相互作用が可能となる。その結果出力０．１〜０．５ｍＷが得られる。但し、入射端面２１及び出射端面２２は、それぞれ第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０に対して無反射となるように多層蒸着膜からなる無反射コーティングが形成されている。
【００１９】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスは、光導波路７の入射端面２１及び出射端面２２に無反射コーティングが形成されていた。これに対し、本発明の第２の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスは、光導波路７の入射端面２１及び出射端面２２を、それぞれ所定の反射率を有するように多層反射膜で構成し、共振器構造を形成している。
【００２０】
その結果、第２の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスにおいては、第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０が光導波路７内で多重反射共振する。導波路長が５ｍｍのとき、共振は約１０ＧＨｚ置きに生じる。このため、それぞれのポンプ光用レーザダイオードの温度を微調整して、第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０の周波数を、それぞれ共振状態に同調することが可能である。共振状態においては第１ポンプ光９及び第２ポンプ光１０の光導波路７内での強度は、入射光強度の２倍から１０倍に達する。
【００２１】
例として、入射端面２１及び出射端面２２の反射率をそれぞれ２０％、９５％とすると、光導波路７内での光強度は５倍程度の強度となり、差周波数光１１の出力強度も５倍程度に増大する。
【００２２】
反射膜としてＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂多層膜を用いることが好ましい。ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂多層膜は１ＴＨｚ〜１１ＴＨｚの差周波数光１１に対しては透明であり、反射膜としては作用しない。
【００２３】
（第３の実施の形態）
図示を省略しているが、第３の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスの光導波路７は、第１及び第２の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスの光導波路７とは、幾何学的構造が異なる。即ち、第３の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスのＧａＰ光導波路７の断面は１００μｍ×１００μｍであり、第１及び第２の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスに比べて断面積が４００倍である。
【００２４】
厚み１００μｍから３００μｍのバルクＧａＰ単結晶ウェーハをＲＩＥ法で加工することにより、このような比較的大きな断面積の光導波路７を形成することができる。この場合、光導波路７の側面は鏡面となるので、第１及び第２の実施の形態のようなＡｌＧａＰクラッド層は必要ない。第３の実施の形態に係るＧａＰ光導波路７の導波路長は１−１０ｍｍである。
【００２５】
第１ポンプ光９としてパルス光レーザダイオード励起ＹＡＧレーザを用いる。ＹＡＧレーザの波長は１．０６４μｍ（光周波数２８２ＴＨｚ）である。光導波路７への第１ポンプ光９のパルス入力は約１ｋＷである。第２ポンプ光１０はＩｎＧａＡｓＰ系外部共振器型可変波長レーザダイオードであり、中心波長１．０８μｍでＣＷ出力１００ｍＷである。差周波数光１１の出力として１０Ｗのパルス光が得られる。差周波数光１１の周波数は、１ＴＨｚ〜７ＴＨｚの範囲で可変である。
【００２６】
（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様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００２７】
例えば、既に述べた第１〜第３の実施の形態の説明においては、ＧａＰを光導波路７のコアの材料とする場合について、中心に述べたが、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）など他の材料を光導波路７に適用できることは言うまでもない。
【００２８】
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等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る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、高い光パワー効率で、ＣＷ或いはパルス出力の、光周波数が１ＴＨｚ〜１１ＴＨｚ内のコーヒレント光が得られる。
【００３０】
本発明によれば、１ＴＨｚ〜１１ＴＨｚ内で周波数が可変な単一周波数光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るテラヘルツ光発生デバイスを表す図である。
【図２】本発明の位相整合を表す図である。
【図３】従来の差周波数発生法における位相整合を表す。
【符号の説明】
１ 第１ポンプ光
２ 第２ポンプ光
３ 差周波数光
６ 差周波発生装置
７ 光導波路のコア
８ ポンプ光制御手段（偏光ビームスプリッター）
９ 第１ポンプ光
１０ 第２ポンプ光
１１ 差周波数光
２１ 入射端面
２２ 出射端面

Claims (5)

1. 入射端面及び該入射端面に対向した出射端面、前記入射端面と出射端面間に位置し、ＴＯフォノンと結合したポラリトンが直接励起される結晶方位に沿った光導波路とを有する差周波発生装置と、
   第１周波数の第１ポンプ光と第２周波数の第２ポンプ光を、共に前記結晶方位に平行な光として前記入射端面に対し入射させるポンプ光制御手段
   とを備え、前記第１ポンプ光と前記第２ポンプ光を、前記光導波路中において、位相整合することにより、前記第１及び第２周波数との差に等しい周波数を持つポラリトンモードのコヒーレントな差周波数光を、前記出射端面から取り出すことを特徴とするテラヘルツ光発生デバイス。
2. 前記光導波路の側面が鏡面であり、クラッド層を有しないことを特徴とする請求項２記載のテラヘルツ光発生デバイス。
3. 前記光導波路が、リン化ガリウム（ＧａＰ）を主成分とする半導体で構成され、前記差周波数光の周波数が１ＴＨｚ〜１１ＴＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ光発生デバイス。
4. 前記光導波路の結晶方位が［１１０］方向であることを特徴とする請求項３記載のテラヘルツ光発生デバイス。
5. ＴＯフォノンと結合したポラリトンが直接励起される結晶方位に沿った光導波路を用い、第１周波数の第１ポンプ光と第２周波数の第２ポンプ光を、共に前記結晶方位に平行方向に入射し、前記光導波路中において、位相整合することにより、前記第１及び第２周波数との差に等しい周波数を持つポラリトンモードのコヒーレントな差周波数光を取り出すことを特徴とするテラヘルツ光発生方法。

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