JP6779937B2 - テラヘルツ波発生素子、およびテラヘルツ時間領域分光装置 - Google Patents
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Description
cosθc=vTHz/vg=ng/nTHz
ここで、vg、ngは夫々励起光の群速度、群屈折率、vTHz、nTHzは夫々テラヘルツ波の位相速度、屈折率を表す。これまでに、このチェレンコフ放射現象を用いて、波面を傾斜させたフェムト秒レーザ光をLNに入射させ光整流により高強度のテラヘルツパルスを発生させるという報告がある(非特許文献1参照)。また、波面傾斜の必要をなくすために、発生するテラヘルツ波の波長よりも十分小さい厚さを持つスラブ導波路を用いて、DFG方式により単色テラヘルツ波を発生させるという報告がある(特許文献1、非特許文献2参照)。
(実施形態1)
本発明による実施形態1であるLN結晶を用いるテラヘルツ波発生素子について、図1を用いて説明する。図1において、(a)は斜視図、(b)は導波路部におけるA-A’断面図である。LN基板1はYカットニオブ酸リチウムであり、レーザ光の伝播方向をLN結晶のX軸、Y軸及び伝播方向(X軸)と直交する方向をZ軸としている(図1(a)に示した座標軸参照)。この様な構成にすることによって、2次非線形現象である電気光学的チェレンコフ放射を効率良く起こすと共に、1次電気光学効果(ポッケルス効果)で屈折率変化を起こすための電界を印加し易くなっている。詳細には、後述の導波路の電気光学結晶であるLN結晶の結晶軸は、後述の電界印加による1次電気光学効果が最大になって屈折率変化を効率良く起こし伝播光の伝播状態に効率良く変化を与える様に設定されている。これと共に、結晶軸は、2次非線形過程により発生するテラヘルツ波と伝播光との位相整合が取れる様にも設定されている。つまり、2次非線形過程に関与する光波(テラヘルツ波と伝播光)の波数ベクトルの間に位相整合条件が成り立つ様にも、結晶軸は設定されている。
実施形態1に対応するより具体的な実施例1を説明する。本実施例では、図1に示した素子構造において、屈折率nがおよそ1.5の光学接着剤層2が厚さ3μmで形成され、MgOドープの導波層4が厚さ3.8μmで形成されている。
Δn≒1/2・n0 3・γ・E
ここで、n0=2.2(LN:MgO)、Eは印加電界である。いま、+/-30Vの矩形で電圧を変化した場合、幅5μmの導波路の場合にはΔnはおよそ0.002となる。素子の電極6を備えた導波路長を10mmとした場合、屈折率は1/1000の変化なので、伝播するレーザ光の伝播距離にしておよそ10μmの差となって表れる。これは、時間差において30fs程度、すなわち想定するテラヘルツパルスの300fsパルス幅のおよそ10%にあたる。
本発明の実施形態2を図4を用いて説明する。本実施形態では、基板40上で、レーザ光を伝播させる導波路42がサンドイッチ型のスラブ導波路になっていると共に、電圧印加用電極45(45a、45b)が光の伝播方向に対して垂直になり、レーザ光の伝播方向と電界印加の方向が同じになっている。そこで、本実施形態の場合には、Yカット、Z軸方向伝播となっており、X軸が入射レーザ光の偏波方向と一致することになる。
本発明による実施形態3は、図5の平面図に示す様に、2つのY分岐部すなわちY分岐器とY合波器を持つマッハツェンダ干渉計型強度変調部54を前段に備え、後段にテラヘルツ波発生部55を設けた集積型素子である。材料は、これまでと同様にLNを始めとした非線形光学結晶50を用いることができる。マッハツェンダ干渉計型強度変調部54に2つの電極52が設けられて、伝播する光の強度変調を可能としている。
これまでは、主に、励起光にフェムト秒レーザ光を用いて光整流によりテラヘルツパルスを発生させる例を説明してきた。これに対して、実施形態4では、2つの異なる発振周波数ν1、ν2を持つレーザ光を入射させ、差周波に相当する単色のテラヘルツ波を出射する。レーザ光源としては、Nd:YAGレーザ励起のKTP-OPO(Optical-Parametric-Oscillator)光源(これは2波長の光を出力する)や、2台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。
これまでの実施形態や実施例では、図7に示す様なLNによるテラヘルツ波発生素子71の導波路の終端部80は、そこから出る光がノイズ源にならない様に、粗面にしたり、斜めカットして光を外部に取り出したり、ARコーティングしたりしている。これに対して、実施形態5では、終端部80に斜めカットやARコーティングなどの処理を施して、終端部80から出射される光をプローブ光として再利用する。すなわち、本実施形態では、テラヘルツ波発生素子71の導波路終端部80からの光を検出手段へのプローブ光として利用し、遅延部は、テラヘルツ波発生素子71の導波路への光の到達時間と検出手段へのプローブ光の到達時間との間の遅延時間を調整する。
本実施形態では、同構造の素子をテラヘルツ波の検出素子として機能させるものである。すなわち図9に示すように、LN基板81上に接着剤82、MgOドープLN結晶層から成る導波層84、低屈折率バッファ層85によって、入射するレーザ光を全反射で伝播させる導波路が形成される。さらに電極86a、86b、光結合部材87を備えてチェレンコフ放射によりテラヘルツ波が出射される構造になっている。ここでは、超短パルスレーザ光をこれまでの実施形態とは反対側の面から、偏波89を直線偏光で結晶のZ軸から傾けて(例えば45度)入射させる。その場合、出射されたレーザ光は、電気光学結晶の複屈折性によって電界のZ軸成分とY軸成分には位相差が生じて、出射された空間では楕円偏波となって伝播する。このような自然複屈折による位相差は結晶の種類や入射偏波方向、導波路長さによって異なり、位相差ゼロの構成にすることもできる。電極86a、86bに印加する静電界によってこの位相差を静的に調整して、テラヘルツ電界がゼロのときに位相差ゼロに調整することも可能である。
Claims (20)
- チェレンコフ型位相整合方式のテラヘルツ波発生素子であって、
基板と、
前記基板の第1の面に配置され、光を第1の方向に導波する導波路と、
前記導波路を光が伝播することで前記導波路から発生する、前記光よりも波長の長いテラヘルツ波を前記テラヘルツ波発生素子の外部へ導く光結合部材と、をこの順に有し、
前記導波路は、LiNbOx、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeからなる群から選択される材料で構成されており、前記第1の方向および前記第1の面と垂直な第2の方向のそれぞれに垂直な第3の方向において、前記光結合部材の幅が、前記導波路の幅よりも大きい
ことを特徴とするテラヘルツ波発生素子。 - チェレンコフ型位相整合方式のテラヘルツ波発生素子であって、
基板と、
前記基板の第1の面に配置され、光を第1の方向に導波する導波路と、
前記導波路の上に配置されたシリコンで構成された部材とを有し、
前記第1の面と垂直な第2の方向における前記部材の長さは、前記第1の方向に向かって徐々に短くなっており、
前記導波路は、LiNbOx、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeからなる群から選択される材料で構成されており、前記第1の方向および前記第2の方向のそれぞれに垂直な第3の方向において、前記部材の幅が、前記導波路の幅よりも大きい
ことを特徴とするテラヘルツ波発生素子。 - 前記第2の方向における前記光結合部材の長さは、前記第1の方向に向かって徐々に短くなっていることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記第2の方向における前記光結合部材の長さは、前記基板の端部まで単調に減少していることを特徴とする請求項3に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記光結合部材は、第1の側面と、第2の側面とを有し、
前記第1の側面と前記第2の側面は、前記光結合部材の頂点を構成し、
前記第2の側面から、前記テラヘルツ波が出射することを特徴とする請求項1、3、4のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記光結合部材の前記第1の側面と、前記基板の前記第1の面とのなす角の角度が、前記光結合部材の前記第2の側面と、前記基板の前記第1の面とのなす角の角度よりも大きいことを特徴とする請求項5に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記第2の方向における前記部材の長さは、前記基板の端部まで単調に減少していることを特徴とする請求項2に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記部材は、第1の側面と、第2の側面とを有し、
前記第1の側面と前記第2の側面は、前記部材の頂点を構成し、
前記第2の側面から、前記テラヘルツ波が出射することを特徴とする請求項2または7に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記部材の前記第1の側面と、前記基板の前記第1の面とのなす角の角度が、前記部材の前記第2の側面と、前記基板の前記第1の面とのなす角の角度よりも大きいことを特徴とする請求項8に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記導波路に結合するように設けられた光ファイバを有することを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記光ファイバは、偏波保持ファイバであることを特徴とする請求項10に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記導波路の幅は、前記テラヘルツ波の波長よりも小さい
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記導波路は、LiNbOxで構成されている
ことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記導波路は、前記第3の方向において、前記導波路よりも屈折率が低い領域に挟まれていることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記導波路は、リッジ形状の導波路である
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記導波路は、前記第3の方向において、前記導波路に前記光を閉じ込めるように構成されている
ことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記光結合部材は、シリコンで構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記導波路は、前記材料で構成されたコア層を有し、
前記コア層の厚さは、前記材料における前記テラヘルツ波の等価波長の半分以下であることを特徴とする請求項1から17のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記導波路は、前記材料で構成された高屈折率層と、前記高屈折率層よりも屈折率が低い低屈折率層と、を有し、
前記低屈折率層は、前記光結合部材と前記高屈折率層との間に配置されており、
前記低屈折率層の厚さdは、前記高屈折率層における前記光の光強度が1/e2(eは自然対数の底)になる厚みをa、前記低屈折率層における前記テラヘルツ波の等価波長をλeqとしたとき、
a<d<λeq/10
を満たす
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生素子。 - テラヘルツ波を発生する発生部と、前記テラヘルツ波を検出する検出部と、を備えるテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記発生部は、請求項1から19のいずれか1項に記載のテラヘルツ波発生素子を有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置。
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