JP5666847B2 - 電磁波発振素子 - Google Patents
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Description
本発明は、いわゆるテラヘルツ波を発振する素子に関するものである。
テラヘルツ波は、一般的に０．１THｚ〜１０THｚまでの周波数の電磁波であり、物性、電子分光、生命科学、化学、薬品科学の基礎分野から大気環境計測、セキュリティ、材料検査、食品検査、通信などの応用分野への展開が期待されている。
テラヘルツ波発生素子として、これまで数１００GHｚ帯では後進波管（Backward wave
oscillator:BWO）、フォトミキシシング、１THｚ以上で自由電子レーザ、p-Geレーザ、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser:QCL）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（TDS：Time Domain
Spectroscopy）などに応用されている。
oscillator:BWO）、フォトミキシシング、１THｚ以上で自由電子レーザ、p-Geレーザ、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser:QCL）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（TDS：Time Domain
Spectroscopy）などに応用されている。
これに対して、LiNbO３などの非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生は、擬似位相整合（Quasi Phase Matching:QPM）を利用した方法とフォノンポラリトンを利用した方法があり、時間的、空間的コヒーレントの高い発生源として応用が期待されている。
非特許文献１（「テラヘルツ波基礎と応用」（工業調査会発刊2005年、西澤潤一編」 １０５−１１５頁）によると、結晶中の光学活性の横波格子振動（ＴＯフォノン）とテラヘルツ波の混成波であるポラリトンによる誘導ラマン散乱（ポラリトン誘導散乱と呼ぶ）により、ポンプ波とアイドラー波、およびテラヘルツ波の３波間のパラメトリック相互作用が強く生じる。この結果、ポンプ波が、あるしきい値を超えると、ポンプ波と同程度のコヒーレンシーを有するアイドラー波およびテラヘルツ波が発生するとしている。ポラリトン誘導散乱は、LiNbO３、LiTaO３、GaPなどの極性結晶で観察される。 LiNbO３は,(1)光波領域で広帯域に透明（0.4nm〜5.5μｍ）、(2)光ダメージに対する耐性が高いなどの特性をもつことから、高出力なテラヘルツ波発生が可能である。
特許文献１（特開平9-146131）には、y板、あるいはｚ板LiNbO３基板を使用したテラヘルツ波発振素子が記載されている。図１を参照しつつ、テラヘルツ波の発振原理を述べる。図１にはｚ板LiNbO３基板５の主面５ａを上から見た状態を示す。基板５には、ポンプ波の入射面５ｃ、ポンプ波の出射面５ｄ、側面５ｂおよび５ｅが設けられている。例えば光源１からポンプ波３を基板に照射すると共に、光源２からアイドラー波４を照射する。ポンプ波３（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波３の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波４およびテラヘルツ波７の周波数が定まる。
本法では、典型的には、ポンプ波３の波動ベクトルｋ１とアイドラー波動ベクトルｋ２との角度αが0.5°〜1°のときに位相整合条件が満足され、高効率なテラヘルツ波７（波長100μｍ〜300μｍ：周波数3THz〜1THz）が発生する。また、テラヘルツ波は、アイドラー波に対して65°〜66°で発生するとしている。ｙ板を用いる場合には、結晶方位が異なる関係でポンプ波３とアイドラー波４は基板の垂直平面上で角度αで伝搬し、ポンプ波に対してθとなる角度でテラヘルツ波が発生する。
しかし、（１）結晶のサブミリ波（テラヘルツ波）に対する屈折率値は5.2と大きく、空気との間に全反射が生じるので、ｙ板、ｚ板LiNbO３基板のいずれの場合もそのままでは空気中に取り出すことができない。（２）結晶中は光損失が大きく、テラヘルツ波の伝搬距離が3mmとすると、0.1％程度に減衰する。これに対して、特許文献１（特開平9-146131）では、基板５の側面５ｂにグレーティング６を設けて、高効率に空気中に出射させることを可能にしている。
また、非特許文献２（K. Kawase, M. Sato, T. Taniuchi, and H. Ito,
Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996）では、アイドラー波に対して共振器を構成する（テラヘルツ波パラメトリック発振：ＴＰＯ）ことで、アイドラー波の強度とともにテラヘルツ波の強度も高めることが可能としている。この場合、角度αを１°〜２°まで変化させることにより、0.97THz〜2.2THzまでの発生が可能である。ｙ板LiNbO３基板を使用し、結晶表面にシリコンプリズムを圧着することで、（１）高効率で空気中に取り出し可能であり、（２）出射角度の変化が小さくなり（波長依存性が小さい）、（３）指向性の高いテラヘルツ波発生が可能である。
Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996）では、アイドラー波に対して共振器を構成する（テラヘルツ波パラメトリック発振：ＴＰＯ）ことで、アイドラー波の強度とともにテラヘルツ波の強度も高めることが可能としている。この場合、角度αを１°〜２°まで変化させることにより、0.97THz〜2.2THzまでの発生が可能である。ｙ板LiNbO３基板を使用し、結晶表面にシリコンプリズムを圧着することで、（１）高効率で空気中に取り出し可能であり、（２）出射角度の変化が小さくなり（波長依存性が小さい）、（３）指向性の高いテラヘルツ波発生が可能である。
しかし、この方法でも、結晶表面近傍を伝搬させる際のテラヘルツ波の減衰は大きい。また、基板表面にシリコンプリズムを精度良く装着する工程は実施が難しく、コストも高い。
特許文献２（特開2002-72269）では、単一周波数の励起光源（レーザ）を照射し、かつ単一周波数のアイドラー波で光注入することによって、スペクトル線幅の狭線化が可能でかつ高出力のテラヘルツ波発生方法が開示されている。しかし、テラヘルツ波の取り出しにはシリコンプリズムを使用している。
非特許文献３（第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００９春 筑波大学 ３０ｐ−Ｐ１−３ 「ニオブ酸リチウム導波路を用いたチェレンコフ型位相整合テラヘルツ光源の広帯域化」では、ｙ板、あるいはｘ板ニオブ酸リチウムのスラブ光導波路を採用することで、テラヘルツ波光源の広帯域化を図っている。図２を参照しつつ述べると、ｙ板酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウムからなる基板９の光導波路の入射面９ｃからポンプ波３、アイドラー波４を入射させる。９ａは上面であり、９ｆは底面であり、９ｅは側面である。スラブ光導波路の厚さは３．８μｍであるが、その詳細は記載されていない。本法は、（１）スラブ光導波路９の厚みを３．８μｍにすることで励起光源をスラブ導波路基板９に閉じ込め、位相不整合を低減する。（２）基板９の厚みを薄くすることで結晶表面から発生させ、結晶中でのテラヘルツ波７の吸収を回避する。（３）基板９の上面９ａにプリズム６を設けることによって、テラヘルツ波７を取り出している。
「テラヘルツ波基礎と応用」（工業調査会発刊 2005年、西澤潤一編」 １０５−１１５頁
K. Kawase, M. Sato, T. Taniuchi, and H. Ito,Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996
第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００９春 筑波大学 ３０ｐ−Ｐ１−３ 「ニオブ酸リチウム導波路を用いたチェレンコフ型位相整合テラヘルツ光源の広帯域化
以上述べてきたように、従来の素子では、テラヘルツ波がパラメトリック発振しても、その大部分は結晶内部で吸収されてしまう。しかも、結晶の屈折率が空気の屈折率に比べて著しく高いため、結晶表面にプリズムやグレーティングを取り付けないと、テラヘルツ波を外部へと取り出すことができない。従って、素子から発振させ得るテラヘルツ波の強度が低くて実用に適さない上、プリズムやクレーティングを結晶表面に取り付ける工程が必要である。また、厳密にはプリズムやグレーティングによる伝搬損失や反射損失が発生してしまう。
本発明の課題は、ポンプ波、およびアイドラー波をスラブ導波路基板に閉じ込め、パラメトリック発振により高効率でテラヘルツ波を発生させ、さらにテラヘルツ波を結晶の外部へと取り出し得る強度を向上させるのと共に、結晶表面にプリズムやグレーティングなどのテラヘルツ波取り出し光学手段を設ける必要をなくすることである。
本発明は、ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって，
支持基板、
非線形光学結晶のｚ板からなる発振基板であって、上面、底面、およびポンプ波が入射する入射面を備えている発振基板、
および支持基板と発振基板とを接合する接着層を備えており、この接着層のポンプ波に対する屈折率が発振基板のポンプ波に対する屈折率よりも小さく、
発振基板が、ポンプ波およびアイドラー波が底面と平行に伝搬したときにパラメトリック効果によって発振する電磁波に対してカットオフとなることを特徴とする。
支持基板、
非線形光学結晶のｚ板からなる発振基板であって、上面、底面、およびポンプ波が入射する入射面を備えている発振基板、
および支持基板と発振基板とを接合する接着層を備えており、この接着層のポンプ波に対する屈折率が発振基板のポンプ波に対する屈折率よりも小さく、
発振基板が、ポンプ波およびアイドラー波が底面と平行に伝搬したときにパラメトリック効果によって発振する電磁波に対してカットオフとなることを特徴とする。
本発明においては、支持基板上に、非線形光学結晶のｚ板からなる発振基板を接着する。ｚ板からなる発振基板を使用する場合、パラメトリック効果によりテラヘルツ波を発生するためには、図３のようにポンプ波およびアイドラー波は基板厚み方向に振動する偏波を入力し、基板底面と平行に伝搬させる。このときパラメトリック効果によって電磁波（テラヘルツ波）が発振するが、この電磁波も基板厚み方向に振動する偏波となり基板底面と平行な方向へと向かって発振される。この際、基板の厚さを、発振する電磁波に対してカットオフとなる厚さとすることを想到した。
この結果として、基板でパラメトリック発振したテラヘルツ波は、強度を低下させることなく結晶の外部へと取り出すことができる上、結晶表面にプリズムやグレーティングなどのテラヘルツ波取り出しの光学手段を設ける必要がない。
図１に示したような形態の素子では、基板内部でのテラヘルツ波の減衰を防止できず、出射面５ｂへのプリズム等の設置も必須である。
非特許文献３の素子では、ｙ、あるいはｘ板を利用しており、テラヘルツ波は結晶表面方向に向かって発生する。この場合、基板厚が厚いと基板表面までの伝搬損失が問題となり高出力のテラヘルツ波を基板外に取り出すことができなかった。このため、基板厚を薄くすることにより、伝搬距離を短くし吸収損失を低減している。さらに、基板表面にシリコンプリズムを圧着し、基板外にテラヘルツ波を高効率で取り出している。このことから、テラヘルツ波に対しては、カットオフになっていない。
なぜなら、もし発振基板がテラヘルツ波に対してカットオフとなっていれば、発振基板外に一定の方向にテラヘルツ波が放射されるので、シリコンプリズムを設置する必要はないからである。また、発振基板がテラヘルツ波に対してカットオフとなっていれば、発振基板内をテラヘルツ波が伝搬する間に吸収されて損失となることはなく、従って発振基板の厚さを３．８μｍまで薄くすることで基板内でのテラヘルツ波の吸収を防止する必要はないからである。
本願構造は、ｚ板を使用し基板厚を薄くすることでテラヘルツ波に対しては、カットオフとなっている。したがって、基板の上下のクラッドには高屈折率材料であるシリコンなどのプリズムを装着することなくテラヘルツ波を基板外に取り出すことが可能となる。
本願構造は、シリコンプリズムを設置する必要がないので、クラッドのポンプ光に対する屈折率はＬＮ基板の屈折率よりも小さくすることが可能である。これにより、励起光の閉じ込めも十分になり光強度を増大することが可能となり、より高出力のテラヘルツ波発生が可能となる。
本発明は、ポンプ波とアイドラー波とからバラトリック効果によって、０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子である。
すなわち、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶からなる発振基板内にポンプ波を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波とテラヘルツ波を発生させる。このとき、ポンプ波として単一周波数の第１レーザー光を使用し、かつ、アイドラー波の発生方向に単一周波数の別の第２レーザー光を光注入することが好ましい。
図３、４、５（ａ）に示すように、非線形光学結晶からなる発振基板１１は、ポンプ波およびアイドラー波の入射面１１ｃ、出射面１１ｄ、側面１１ｂ、１１ｅ、上面１１ａおよび底面１１ｆを有する。発振基板１１の底面１１ｆは、支持基板１３に対して接着層１２によって接着されている。
図５（ｂ）の素子では、更に支持基板１３の接合面に、テラヘルツ波反射膜１５が形成されている。
例えば光源１からポンプ波３を基板に照射すると共に、光源２からアイドラー波４を照射する。このとき、ポンプ波３およびアイドラー波４が基板底面１１ｆに平行に伝搬するようにする。ポンプ波３（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波３の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波４およびテラヘルツ波７の波長が定まる。
ポンプ波とアイドラー波との重なり部分から発振するテラヘルツ波は、ポンプ波３に対して角度θをなしつつ、基板底面１１ｆに平行に発振する。ここで、基板１１の厚さＴを小さくすると、基板底面１１ｆに平行に発振するテラヘルツ波７に対してカットオフ条件となり、テラヘルツ波は結晶内部を伝搬することなく、基板外に発振される。従って、基板内部の伝搬によるテラヘルツ波の減衰が防止され、かつ結晶表面にプリズム、グレーティング等のテラヘルツ波取り出し手段を設ける必要がない。
非線形光学結晶は、テラヘルツ波をパラメトリック発振する結晶であれば良いが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体である。また、光損傷を抑制するために酸化マグネシウムなどのドーピングをしていてもよい。さらに、ニオブ酸リチウムについては、コングルエント組成のほかストイキオメトリ組成であってもよい。
非線形光学結晶のｚ板とは、結晶のｚ軸方向が基板５の法線方向（垂直方向）を向いた基板のことをいう。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの誘電体の場合、非線形光学定数ｄ３３が最も大きく、入力光（ポンプ波とアイドラー波）の偏波はｚ軸方向とすることにより、ｚ軸方向の電磁波を発生する。本願は、基板厚を２０μｍ以下にすることにより入力光に対してはスラブ導波路としており、ＴＭモードで導波路伝搬することによりパワー密度を上げ高効率でテラヘルツ波を発生することが可能となる。
ポンプ波、アイドラー波、テラヘルツ波の周波数、α、θは、パラメトリック発振条件によって定まるものである。典型的には、ポンプ波の波長は８００ｎｍ〜１６００ｎｍが好ましく、αは ０．０４°〜４°が好ましい。この場合、θは６５°〜６２°の範囲となる。
図７に示す屈折率構造（コア屈折率ｎ１、クラッド屈折率ｎ２、ｎ３）において、本願が使用するＴＭモード伝搬の場合、カットオフとなる基板厚さＴcは、次の式によって表される（ｍはモード次数を示す）。
例えば、ニオブ酸リチウム単結晶からなる発振基板を用いた場合、０．１THｚ〜３THｚの周波数に対応するカットオフとなる基板厚さＴcは、１４４ 〜 ４．８μｍである。
本願構造では、テラヘルツ波を高効率で発生させるために、励起光源であるポンプ波とアイドラー波をスラブ導波路伝搬させることができ、この観点で発振基板の厚さを２０μｍ以下とすることが好ましい。最適には、励起光源を効率よく発振基板に結合させ、さらに低損失で伝搬させるためには４μｍ以上、１５μｍ以下が好ましい。
テラヘルツ波の周波数、入射角度α、出射角度θの関係を図６に示す。図６は、以下の条件下でシミュレートしたものである。
ポラリトン誘導散乱過程では、上記のようにポンプ波、アイドラー波、およびテラヘルツ波の間にエネルギー保存則と運動量保存則を満足させる必要がある。このことから、ポンプ波を１０６４ｎｍとしエネルギー保存則からアイドラー波およびテラヘルツ波の周波数（波長）を算出した。さらに、それぞれの波長に対する屈折率をセルマイヤーの式から算出し、運動量保存則から入射角度α、出射角度θを算出した。
ポラリトン誘導散乱過程では、上記のようにポンプ波、アイドラー波、およびテラヘルツ波の間にエネルギー保存則と運動量保存則を満足させる必要がある。このことから、ポンプ波を１０６４ｎｍとしエネルギー保存則からアイドラー波およびテラヘルツ波の周波数（波長）を算出した。さらに、それぞれの波長に対する屈折率をセルマイヤーの式から算出し、運動量保存則から入射角度α、出射角度θを算出した。
この結果からわかるように、テラヘルツ波の領域、特に０．５ＴＨｚ以下の領域では、入射角度αが小さく、ポンプ波とアイドラー波との間隔が小さくなる。
支持基板の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体や、GaP、ZnSeなどの半導体、石英ガラスなどのガラスを例示できる。
また、信頼性上、熱膨張を発振基板と合わせるという観点では、支持基板は発振基板と同じ材質であることが望ましい。
また、信頼性上、熱膨張を発振基板と合わせるという観点では、支持基板は発振基板と同じ材質であることが望ましい。
発振基板と支持基体とを接着する接着剤は、発振基板よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、カルドポリマー系接着剤、室温硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
接着層の厚さは特に限定されないが、テラヘルツ波の漏れを防止するという観点からは、０．５μｍ以上が好ましい。
ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザや半導体レーザ励起の固体レーザ（YAG、YVO4、YLFなど）を直接バットジョイント、あるいはレンズ結合させる。またこれらの光源をファイバでガイドし、そのファイバ端面を結晶に直接バットジョイントさせることができるし、レンズ結合させてもよい。
本発明では、接着層のポンプ光に対する屈折率が、発振基板のポンプ光に対する屈折率よりも小さいが、両者の差は，０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることが更に好ましい。
また、接着層のポンプ光に対する屈折率は２以下であることが好ましい。接着層のポンプ光に対する屈折率は、実際的には１．３以上であることが多く、１．４以上であることが更に好ましい。
発振基板のポンプ光に対する屈折率は、２以上であることが好ましい。また、発振基板のポンプ光に対する屈折率は、４以下であることが好ましい。
図５（ｂ）に例示するように、支持基板１３の接着層側の接合面に、電磁波反射膜１５を形成することによって、更に以下の効果を奏する。
すなわち、発振基板の表面には電極がなく、発生した電磁波（０．１THｚ〜３THｚ）についてはカットオフとなるために、発振基板の表面と裏面（支持基板側）方向に放射する。発生した電磁波は、放射モードとなるために、基板側面まで到達しない。
ここで、放射した電磁波は全方向に発散するため、効率よく基板表面方向に出射させることは難しいことを発見した。すなわち、０．１THｚ〜３THｚのテラヘルツ波は、各種材料による吸収率が大きく、発振基板の裏面方向に放射した電磁波は、そのまま支持基板に吸収されてしまい、素子から放射されなくなる。例えば、ニオブ酸リチウム単結晶からなる支持基板１３を使用した場合には、厚さ100μｍ程度で、電磁波はほとんど吸収されてしまう。この結果、発生した電磁波のうち相当量（約半分）が、素子から外部に放射されなくなる。
ここで、支持基板の接着層側の表面に電磁波反射膜を形成することにより、発振基板の裏面方向に放射した電磁波が素子外に放射され、２倍以上の出力が得られることがわかった。
なお、かりに光変調器で０．１THｚ〜３THｚの周波数帯で変調動作させた場合には、これらの電磁波は基板モードとして支持基板内を伝搬する。しかし、これらの電磁波はすべて吸収され、消失するので、電磁波反射膜を支持基板表面に形成する必要はない。
本実施形態においては、電磁波反射膜とは、（１）電磁波を支持基板内に進入することを防止し（電磁波の遮断）、（２）発振基板の表面側に放射させる（電磁波の放射）ものである。電磁波反射膜に対する前記電磁波の大気中での反射率は、８０％以上であることが好ましく、反射率の上限は特になく、１００％であってよい。
テラヘルツ帯の反射率は、一般的に、フーリエ変換赤外分光装置（例えば、Bruker IFS66v/S）を使用して測定できる。
テラヘルツ帯の反射率は、一般的に、フーリエ変換赤外分光装置（例えば、Bruker IFS66v/S）を使用して測定できる。
電磁波反射膜の材質としては、金属や半導体が挙げられ、貴金属、特に金、銀、銅のいずれかを使用することが特に好ましい。電磁波反射膜の厚みは、発生する電磁波の表皮深さの３倍以上であることが好ましい。例えば電磁波反射膜が金からなり、電磁波の周波数が0.2THzである場合、金の導電率は44.4×106 /Ωｍであり、従って表皮深さは0.17μｍとなる。したがって、反射膜の厚さは、0.51μｍ以上であることが好ましい。電磁波反射膜の厚さの上限は限定されないが、蒸着やスパッタなどで容易に薄膜形成できるという観点で3μｍが好ましい。
（実施例１）
図３、４、５（ａ）を参照しつつ説明した素子を作製した。
具体的には、発振基板１１として、MgOドープのｚ板ニオブ酸リチウム単結晶基板を使用し、支持基板１３として、ｚ板ノンドープニオブ酸リチウム単結晶基板を使用した。発振基板のポンプ波（波長1064nm）に対する屈折率は2.14である。支持基板の接合面に厚さ１μｍ以下に均一に接着層を塗布し、発振基板を貼り合わせた。使用した接着層は、カルドポリマーで波長１μｍ帯で屈折率が１．９のものを使用した。次いで、精密研磨により、発振基板の厚さが５μｍとなるまで均一に薄板加工を実施した。その後、ダイシングにより素子長５ｃｍにチップ切断し、図３、４、図５（ａ）に示す素子を試作した。
図３、４、５（ａ）を参照しつつ説明した素子を作製した。
具体的には、発振基板１１として、MgOドープのｚ板ニオブ酸リチウム単結晶基板を使用し、支持基板１３として、ｚ板ノンドープニオブ酸リチウム単結晶基板を使用した。発振基板のポンプ波（波長1064nm）に対する屈折率は2.14である。支持基板の接合面に厚さ１μｍ以下に均一に接着層を塗布し、発振基板を貼り合わせた。使用した接着層は、カルドポリマーで波長１μｍ帯で屈折率が１．９のものを使用した。次いで、精密研磨により、発振基板の厚さが５μｍとなるまで均一に薄板加工を実施した。その後、ダイシングにより素子長５ｃｍにチップ切断し、図３、４、図５（ａ）に示す素子を試作した。
試作した素子に、ポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）（レーザ光）を、0.094°（入射角度α）の角度で入射させたところ、双方の光は発振基板１１内をスラブモード伝搬し、ポンプ波３に対して角度θ64.8°の方向から、0.2THzの電磁波７が1mW検出できた。
ここで、図３、図４に示すように各光を伝搬させたとき、発生する波長0.2THzの電磁波に対してカットオフとなる発振基板の厚さは、15.8μｍである。
同様にして、本素子にアイドラー波の波長を可変し、入射角度αを図６に示すようにしたところ、0.5THzまでの電磁波７が出射角度θの方向から発生し、3THzまでの電磁波発生を観測できた。電磁波の波長が3THzの場合には、アイドラー波４の波長1075.6nm、入射角度α＝1.34°、出射角度θ＝は64.1°であった。以上から、本素子は広帯域のテラヘルツ波発生が可能であることを実証した。
（実施例２）
実施例１と同様にして、図３、図４および図５（ｂ）を参照しながら説明した素子を作製した。ただし、本例においては、支持基板１３を発振基板１１に対して接着する前に、支持基板１３の表面に電磁波反射膜１５を成膜した。接着層は実施例１と同じものを使用した。
実施例１と同様にして、図３、図４および図５（ｂ）を参照しながら説明した素子を作製した。ただし、本例においては、支持基板１３を発振基板１１に対して接着する前に、支持基板１３の表面に電磁波反射膜１５を成膜した。接着層は実施例１と同じものを使用した。
すなわち、支持基板であるｚ板ノンドープニオブ酸リチウム単結晶基板１３の接合面に、チタン、白金、金をそれぞれ100オングストローム、200オングストロームおよび1μｍ蒸着した。次いで、さらに接着強度を上げるために、白金、チタンをそれぞれ200オングストローム、100オングストローム蒸着し、反射膜１５を成膜した。形成した反射膜の反射率は、フーリエ変換赤外分光装置（例えば、Bruker IFS66v/S）によって測定し、テラヘルツ帯において９０％以上であった。
本素子を実施例１と同様にテラヘルツ波発生を行ったところ、ポンプ光、アイドラー光の波長、入射角度、出射角度の条件は同じで、ポンプ波３に対して角度θ64.8°の方向から、0.2THzのテラヘルツ波が２.5mW検出できた。これは、発振基板内でカットオフとなり、支持基板１３に放射された電磁波が、実施例１の場合には吸収減衰されていたが、金層が反射膜として働き、素子表面側に放射されたものと考えることができる。
（比較例１）
実施例１と同様にして、図３、４、５（ａ）を参照しながら説明した素子を作製した。ただし、発振基板１１の厚さを100μｍとした。
実施例１と同様にして、図３、４、５（ａ）を参照しながら説明した素子を作製した。ただし、発振基板１１の厚さを100μｍとした。
試作した素子にポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）のレーザ光を0.094°の角度で入射したところ、双方の光は発振基板１１内をスラブモード伝搬し、ポンプ波３に対して64.8°の方向から0.2THzの電磁波７が発生した。しかし、電磁波７の出力は10μW程度しか検出できなかった。
同様に、本素子にアイドラー波４の波長を可変し、入射角度αを図６に示すようにしたところ、0.5THzまでの電磁波７が出射角度θの方向から発生し、本素子は、3THzまでの電磁波発生を観測できた。3THzの場合には、アイドラー波の波長1075.6nm、入射角度1.34°、出射角度は64.1°であったが、出力はいずれも実施例１と比較して1/100以下であった。
（比較例２）
実施例１と同様にして、図３、４、５（ａ）を参照しながら説明した素子を作製した。ただし、発振基板１１の厚さを２５μｍとした。
実施例１と同様にして、図３、４、５（ａ）を参照しながら説明した素子を作製した。ただし、発振基板１１の厚さを２５μｍとした。
試作した素子にポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）のレーザ光を0.094°の角度で入射したところ、双方の光は発振基板１１内をスラブモード伝搬したが、モードサイズは実施例1と比較して5倍以上であり、パワー密度は1/5以下となった。したがって、ポンプ波３に対して64.8°の方向から0.2THzの電磁波が発生したが、出力は100μW程度しか検出できなかった。
同様、本素子にアイドラー波４の波長を可変し、入射角度αを図６に示すようにしたところ、0.5THzまでの電磁波７が出射角度θの方向から発生し、本素子は、3THzまでの電磁波発生を観測できた。3THzの場合には、アイドラー波４の波長1075.6nm、入射角度1.34°、出射角度は64.1°であったが、出力はいずれも実施例１と比較して1/10以下であった。
３ ポンプ波 ４ アイドラー波 ７ テラヘルツ波 １１ 発振基板 １１ａ 発振基板の上面 １１ｃ 発振基板の入射面 １１ｆ 発振基板の底面 １２ 接着層 １３ 支持基板 １５ 電磁波反射膜 α 入射角
Claims (4)
- ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって，
支持基板、
非線形光学結晶のＺ板からなる発振基板であって、上面、底面、および前記ポンプ波が入射する入射面を備えている発振基板、
および前記支持基板と前記発振基板とを接合する接着層を備えており、
前記接着層の前記ポンプ波に対する屈折率が、前記発振基板の前記ポンプ光に対する屈折率よりも小さく、前記発振基板が、前記ポンプ波および前記アイドラー波が前記底面と平行に伝搬したときにパラメトリック効果によって発振する前記電磁波に対してカットオフとなることを特徴とする、電磁波発振素子。 - 前記発振基板の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 前記非線形光学結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
- 前記接着層のポンプ波に対する屈折率が２以下であり、前記接着層の前記電磁波に対する屈折率が５以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
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