JPWO2005098530A1

JPWO2005098530A1 - ＴＨｚ波発生装置

Info

Publication number: JPWO2005098530A1
Application number: JP2006512004A
Authority: JP
Inventors: 日隈　薫; 薫日隈; 市川　潤一郎; 潤一郎市川; 森　慎吾; 慎吾森
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US7768696B2; WO2005098530A1; US20090052013A1

Abstract

本発明は、ＴＨｚ波を安定的かつ効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供することを目的とし、特に、レーザ光源の周波数変動に対しても安定であり、ＴＨｚ波の周波数を容易に変更可能であるＴＨｚ波発生装置を提供するものである。
レーザ光源を含む光源部Ａからのレーザ光をＴＨｚ波発生素子Ｄに入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波（ｆ_Ｔ）を発生させるＴＨｚ波発生装置において、該レーザ光源ＡとＴＨｚ波発生素子Ｄとの間に、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部Ｂと、波長選択手段Ｃを配置し、該レーザ光を該光周回部に導入し、該波長選択手段により該光周回部で生成される複数の波長を有する光波の中から特定の波長（ｆ_０，ｆ_ｎ）を選択し、該ＴＨｚ波発生素子に入射させることを特徴とする。

Description

本発明は、ＴＨｚ（テラヘルツ）波発生装置に関し、特に、レーザ光源を含む光源部からのレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射して、ＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置に関する。

ＴＨｚ（テラヘルツ）波とは、波長が３０μｍ〜３００μｍの赤外光であると同時に、周波数としては１ＴＨｚを越える超高周波電磁波である。
ＴＨｚ波は、基礎科学分野や工学分野、さらには医用・バイオ分野などで様々な応用が期待されているものである。例えば、基礎科学分野では、理化学物質の分光による構造解明、電波・赤外天文分光科学による星間物質の発見など、工学分野では、ＴＨｚ波超高速通信（宇宙空間通信等）、地球環境センシング（各種ガス、環境物質の検出等）、半導体物質の自由電子密度及び移動度の評価、誘電体機能物質の誘電特性の評価、有機機能性ポリマーの立体構造評価、電子パッケージの内部検査など、さらには、医用・バイオ分野では、生体機能性タンパク質の構造解析、生体組織の機能イメージング、薬剤（不透明粉体ベース）の構造解析など、多岐に渡る。

ＴＨｚ波の発生方法としては、図１（ａ）に示す差周波発生（ＤＦＧ）を利用する方法や、図１（ｂ）に示すパラメトリック発振を利用する方法などが知られている。
差周波発生を利用する方法では、ＴＨｚ波発生素子として、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡｓ、有機ＤＡＳＴ（４−dimethylamino−N−methyl−４−stilbazolium tosylate）などによる非線形光学結晶（ＤＦＧ結晶とも言う）を用い、該ＴＨｚ波発生素子に周波数の異なる２つの光波を入射し、２つの光波の差の周波数を有する差周波により、ＴＨｚ波発生させるものである。

このような差周波発生方法では、異なる周波数（ω_１、ω_２）を有する２つの光源が必要となり、しかも、ＴＨｚ波（ω_３＝ω_２−ω_１）を安定的に発生させるためには、両者の周波数の差を常に一定に保持することが必要となる。このためには、２つの光源から発生する光波の周波数（波長）を所定の値に高精度に維持・制御することが求められる。
さらに、２つの光源の一方を波長可変光源とし、ＴＨｚ波の周波数を可変する場合にでも、波長可変光原の周波数の変更精度が１ＧＨｚ程度であるため、ＴＨｚ波の周波数制御にも限界を生じていた。

他方、パラメトリック発振を利用する方法は、以下の特許文献１にも開示されているように、ＴＨｚ波発生素子として共振器内に非線形光学結晶を配置し、ＴＨｚ波発生素子に所定の周波数（ω_１）を有する１つの光波を入射させ、パラメトリック効果により入射光波の周波数と共振器内の共振周波数（ω_２）との差に相当する周波数のＴＨｚ波（ω_３，ω_１＝ω_２＋ω_３）を発生させるものである。
特開２００２−７２２６９号公報

このようなパラメトリック発振方法では、差周波発生方法と比較して、光源が１つで済むという利点があるものの、依然として、光源から発生する光波の周波数（波長）を所定の値に高精度に維持・制御することが求められる。
さらに、共振器内の共振効率を高効率に維持することが必要であり、共振器を構成する反射部材（ＨＲミラー）の位置・形状を高精度に維持・制御することも求められる。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、ＴＨｚ波を安定的かつ効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供することを目的とし、特に、レーザ光源の周波数変動に対しても安定であり、ＴＨｚ波の周波数を容易に変更可能であるＴＨｚ波発生装置を提供することである。

請求項１に係る発明は、レーザ光源を含む光源部からのレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置において、該レーザ光源とＴＨｚ波発生素子との間に、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部と、波長選択手段を配置し、該レーザ光を該光周回部に導入し、該波長選択手段により該光周回部で生成される複数の波長を有する光波の中から特定の波長を選択し、該ＴＨｚ波発生素子に入射させることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のＴＨｚ波発生装置において、該光源部は、単一モードレーザ光源からの単一波長光を供給するよう構成したことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のＴＨｚ波発生装置において、該波長選択手段は、任意の波長が選択可能であることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該光周回部には、光増幅器を有することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該波長選択手段と該ＴＨｚ発生素子の間に、光増幅器を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、レーザ光源が供給する特定の波長光を、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部において、繰り返しＳＳＢ光変調器を通過させることにより、精密に制御された一定周波数間隔を有する多数の波長の連続光を生成することが可能となる。
しかも、波長選択手段により、複数の波長が混在した光波の中から、必要な波長を有する光波を分離し、個別に出力することが可能となる。
これにより、常に安定した異なる周波数を有する光波をＴＨｚ波発生素子に入射させることが可能となり、ＴＨｚ波を安定して発生することができる。

しかも、仮に、レーザ光源の波長が変動した場合でも、ＳＳＢ光変調器により生成される光波の周波数は、ＳＳＢ光変調器に印加される変調信号の周波数に依存して決まるため、結果として、波長選択手段により選択された異なる周波数の光波における、両者の周波数の差は常に一定の値を示す。これにより、常に安定したＴＨｚ波を発生することが可能となる。
また、ＴＨｚ波の周波数を変更する場合は、波長選択手段による選択波長を変更する方法や、ＳＳＢ光変調器に印加する変調信号の周波数を変更する方法を利用することにより、容易にＴＨｚ波の周波数を調整することが可能となる。

請求項２に係る発明により、光源部は単一モードレーザ光源からの単一波長光を供給するよう構成されているため、ＴＨｚ波発生装置を構成する部品点数を削減でき、装置全体を簡略化できると共に、製造コストを低下させることが可能となる。

請求項３に係る発明により、波長選択手段は任意の波長が選択可能であるため、簡単な構成で、ＴＨｚ波の周波数を任意に調整することが可能となる。

請求項４に係る発明により、光周回部には光増幅器を有するため、ＳＳＢ光変調器で生成される側波帯スペクトルの光強度の減衰を補償することが可能となる。つまり、レーザ光による特定の波長からＳＳＢ光変調器により多数の波長を有する光波を生成しても、光増幅器により常に光強度が高められているため、ＴＨｚ波発生素子に入射される光波の光強度を所定以上に維持することが可能となる。

請求項５に係る発明により、波長選択手段と該ＴＨｚ発生素子の間に光増幅器を有するため、ＴＨｚ波発生装置に入力される複数の光強度を高めることができる。つまり、ＴＨｚ波発生素子において出力されるＴＨｚ波の強度は、入力される光の強度に依存するため、入力する光の強度を予め高めておくことにより、出力するＴＨｚ波の光強度を高めることが可能となる。

ＴＨｚ波の発生原理を示す図である。本発明のＴＨｚ波発生装置の基本的概念を示す図である。ＳＳＢ光変調器の動作状況を説明する図である。光周回部で生じる多波長光の状態を説明する図である。本発明に係る実施例を説明する図である。

符号の説明

Ａ光源部
Ｂ光周回部
Ｃ出力部
１０１単一モードレーザー
１０２アイソレータ
１０３偏波コントローラ
１０４光カップラ
１０５ＳＳＢ光変調器
１０６信号発生器
１０７光増幅器
１０８アイソレータ
１０９光フィルタ、
１１５偏波コントローラ

図２は、本発明に係るＴＨｚ波発生装置の基本的概念を示す図である。
レーザー光源のように特定波長の光波を供給する光源部Ａと、伝播する光波が周回状の光路を形成すると共に、該周回の光路上に単一側波帯（Single Side Band、ＳＳＢ）光変調器を有する光周回部Ｂと、多数の波長を含む光波の中から特定の波長を選択する波長選択手段Ｃと、異なる波長（周波数ｆ_０，ｆ_ｎ）を有する２つの光波を入射し、該２つの光波の周波数の差に等しい周波数（ｆ_Ｔ＝ｆ_ｎ−ｆ_０）を有する光波（ＴＨｚ波）を出射するＴＨｚ波発生素子Ｄから構成される。

光源Ａとしては、単一モードのレーザー光源が一つあれば、以下に述べるＳＳＢ光変調器が生成する側波帯スペクトルにより、精密に制御された一定周波数間隔を有する多数の波長の連続光を生成することが可能となる。
また、光源部Ａには、レーザー光源にレーザー光が再入射しないように、出射光の光路上にアイソレータを配置したり、光源部Ａから出射する光波の偏波面を整えるため、偏波コントローラをレーザー光の光路上に配置することも可能である。

次に、光周回部Ｂに用いられる単一側波帯（ＳＳＢ）光変調器について、説明する。
図３に、ＳＳＢ光変調器の動作を示す。
下記の非特許文献１にも詳述されているように、ＳＳＢ光変調器は、通常の信号発生器からマイクロ波が印加されて動作する。
例えば、このマイクロ波の周波数をｆとすると、ＳＳＢ光変調器に入射した光は周波数がｆだけシフトする。図２のように、入射光の周波数ｆ_０は、ＳＳＢ光変調器を通過した後、出力光の周波数はｆ_０＋ｆとなる。この出力光のことを側波帯スペクトルという。
このように、ＳＳＢ光変調器は光の周波数シフターとして動作する。
なお、ＳＳＢ光変調器へのマイクロ波の加え方により、出力光の周波数をｆ_０−ｆのようにマイナス方向にシフトさせることも可能である。
論文「ＸカットＬｉＮｂＯ３を用いた光ＳＳＢ−ＳＣ変調器」（日隈薫、他４名、ｐ．１７〜２１、「住友大阪セメント・テクニカルレポート２００２年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成１３年１２月８日）

また、光周回部Ｂにおいて、光ファイバーや基板上に形成した導波路、または、レンズ、ミラーなどの光学部品を利用して、伝播する光波が周回状の光路を描くように設定すると共に、周回する光路上にＳＳＢ光変調器を配置する。
光周回部Ｂにおいては、図４に示すように、最初に光周回部を伝播する光波の周波数をｆ_０（０回周回）をすると、１回目にＳＳＢ光変調器を通過した光波の周波数は、ｆ_０＋ｆ（１回周回）となる。同様に２回目、３回目は、ｆ_０＋２ｆ、ｆ_０＋３ｆとなり、同一の周波数間隔ｆで、多数の波長を有する光波を生成することが可能となる。

光周回部Ｂには、光源部Ａから特定の波長を持つ光波が連続的に供給されているため、光周回部Ｂの光路上には、図４に示すような多数の波長を持つ光波が同時に存在することとなる。
一般に、ＳＳＢ光変調器により生成される側波帯スペクトルは、ＳＳＢ光変調器に入力される光波と比較し、光強度が低下する。このため、光周回部Ｂの周回する光路上には、光増幅器を配置することにより、側波帯スペクトルの光強度の低下を補い、多波長光源として利用可能な光強度を確保している。

さらに、光周回部Ｂの周回する光路上には、波長選択手段Ｃにより選択される光波の波長に対応して、光フィルタを設けることができる。
この光フィルタの透過波長の範囲を、分波素子により分波可能な波長範囲と一致させることにより、図４に示すように、光周回部を周回する光波の波長を限定し、必要な波長範囲以外の光波を生成することがなく、最終的に多波長光源から出射する光波に含まれるノイズを抑制することが可能となる。

また、光周回部Ｂの周回する光路上には、ＳＳＢ光変調器に逆方向から再入射する光波を抑制するためのアイソレータや、ＳＳＢ光変調器の変調効率が高くなるように光波の偏波面を調整するための偏波コントローラを配置することも可能である。

次に、波長選択手段Ｃについて説明する。
波長選択手段は、誘電体膜で形成される誘電体膜フィルタ、光ファイバーグレーティング（ＦＢＧ）などの特定波長を選択できるものであれば特に限定されるものではない。また、波長選択手段は選択される波長が固定されたものでもいいが、エタロン、回折格子などのように、任意の波長が選択できる可変タイプを用いることも可能である。

ＴＨｚ波発生素子は、上述したような、差周波発生を利用するＴＨｚ波発生素子が好適に利用可能である。具体的には、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡｓ、有機ＤＡＳＴなどによる非線形光学結晶を利用する。
ＴＨｚ波発生素子の動作は、図１（ａ）のように、異なる周波数を有する２つの光波を非線形光学結晶に入射することにより、該２つの光波の周波数の差に相当する周波数を有するＴＨｚ波を発生する。

次に、光源部Ａと光周回部Ｂ、または光周回部Ｂと波長選択手段Ｃ又はＴＨｚ波発生素子との光学的結合の方法について説明する。
これらの光学的な結合には、当該技術分野において公知の光結合器が利用可能である。
特に、製造コストの削減や装置全体のコンパクト化を図るには、光源部と光周回部とを結合する光結合器と、光周回部と波長選択手段又はＴＨｚ波発生器とを結合する光結合器とを共用し、光学部品の利用点数を削減するのが、好ましい。
具体的な例は、以下で述べるが、このような光結合器には、光ファイバーカップラや、光サーキュレータと光ファイバーグレーティングとの組み合わせなどが利用可能である。

また、光周回部Ｂで利用されるＳＳＢ光変調器などは、偏波依存性を有するため、光源部Ａと光周回部Ｂ、または光周回部Ｂと波長選択手段Ｃなどとの光学的結合、さらには、光周回部内の各光学部品の光学的結合においては、偏波面を適正に調整することが、好ましい。
このため、これらの接続において、単一モード光ファイバーを利用すると共に、光源部Ａと光周回部Ｂに偏波コントローラを設ける方法、あるいは、接続において偏波保持光ファイバーを利用すると共に、光結合器に偏波保持機能を有する光結合器を用いる方法が利用可能である。

次に、波長選択手段ＣとＴＨｚ波発生素子Ｄの間に設けることができる、光増幅器について説明する。
光増幅手段としては、使用する波長の光を増幅可能であるものであれば特に限定されるものではないが、特にＴＨｚ波発生素子として差周波発生を利用する素子を用いる場合には、差周波を発生させるための、異なる周波数を有する２つの光波を共に増幅できる増幅器を用いることが好適である。これは、差周波発生型ＴＨｚ波発生素子において出力されるＴＨｚ波の強度は、ＴＨｚ波発生素子に入力される、異なる周波数を有する２つの光波の各強度の積に比例するため、２つの光波の光強度を共に増幅することにより、出力されるＴＨｚ波の光強度を大幅に高めることができるためである。例えば、光通信において一般的に用いられているエルビウムドープファイバアンプ（ＥＤＦＡ）は、波長１．５５μｍ帯の広い範囲にわたって光増幅機能を有していることから、このＥＤＦＡを用いることは好適である。

次に、具体例として、図５に、一つの実施例を示す。
図５の実施例に係るＴＨｚ波発生装置は、光源部Ａ、光周回部Ｂ、波長選択手段Ｃ、及びＴＨｚ波発生素子Ｄの４つの部分からなり、特に、光源部Ａ、光周回部Ｂ及び波長選択手段Ｃは光結合器１０４によって結合されている。
光源部Ａは単一波長光を出射する単一モードレーザー１０１、アイソレータ１０２、偏波コントローラ１０３からなる。アイソレータ１０２は反射戻り光がレーザに戻るのを防ぐために設置されている。レーザ光は、光結合器１０４により光周回部Ｂ内に導入される。

光周回部Ｂは、ＳＳＢ光変調器１０５、アイソレータ１０８、光フィルタ１０９、光増幅器１０７、偏波コントローラ１１５と、これらを結ぶ単一モード光ファイバ１１２または偏波保持ファイバからなる。なお、偏波保持ファイバを用いる場合は偏波コントローラは不要である。
またＳＳＢ光変調器１０５は信号発生器１０６からの周波数ｆのマイクロ波信号によって駆動されている。
光周回部Ｂに配置された光結合器１０４には、波長選択手段Ｃが接続されており、光周回部内を通過する光波の一部が、波長選択手段へ導出されている。
さらに、波長選択手段Ｃを通過した光波は、ＴＨｚ波発生素子Ｄに導入される。また、波長選択手段ＣとＴＨｚ波発生素子との間に、光サージ現象などを利用した光増幅器を設け、波長選択手段Ｃにより選択された光波を増幅するよう構成することも可能である。

次に、図５の実施例に係るＴＨｚ波発生装置の動作について説明する。
発振周波数ｆ_０の単一モードレーザー１０１から出射した光は、アイソレータ１０２を通って偏波コントローラ１０３によって適切な偏波状態にされた後、光カップラ１０４で、光周回部Ｂ側の光ループと波長選択手段Ｃに分岐される。この両者への分岐比を調整することにより、出力光の各波長間、特に周波数ｆ_０と他の周波数（ｆ_０＋ｆ等）との光強度を調整することが可能となる。

波長選択手段Ｃが周波数ｆ_０と（ｆ_０＋ｎｆ）との２つの周波数を有する光波のみ選択的に透過する場合には、波長選択手段Ｃへ入射した周波数のｆ_０の光は、該波長選択手段を通過し、ＴＨｚ波発生素子Ｄに入力される。
一方、光ループ内のＳＳＢ変調器１０５は、変調周波数ｆを発振する信号発生器１０６によって駆動されている。そこで光ループに入射した光周波数ｆ_０はＳＳＢ変調器によって周波数がｆだけシフトし、（ｆ_０＋ｆ）の周波数の光に変換される。

変換された光はアイソレータ１０８と光フィルタ１０９を通り、光増幅器１０７によって増幅された後、偏波コントローラ１１５によって適切な偏波状態にされて、光ループを一周し、光カップラ１０４で、光波の一部が波長選択手段Ｃに導かれ、残りは再び光ループ内を周回する。

波長選択手段Ｃに導かれた光は周波数が（ｆ_０＋ｆ）になっているので、波長選択手段Ｃにより遮断される。

一方、光ループ内に再度入射した光はＳＳＢ変調器１０５によって、再度周波数シフトを受け、（ｆ_０＋２ｆ）の周波数の光に変換される。再度光増幅された後、光カップラ１０４で一部が波長選択手段Ｃに導かれ、波長選択手段Ｃにより遮断される。
残りの一部は光ループ内を周回し、（ｆ_０＋３ｆ）の周波数の光に変換される。
これらの動作を繰り返すことにより、ｎ回（ｎは１以上の整数）光ループを周回すると、光は（ｆ_０＋ｎｆ）の周波数に変換され、波長選択手段Ｃに導かれた一部は波長選択手段Ｃ通過し、周波数ｆ_０の光波と同様に、ＴＨｚ波発生素子Ｄに入力される。

その後、再度、光ループに導かれた光は（ｆ_０＋（ｎ＋１）ｆ）の周波数に変換されるが、この光は光フィルタ１０９を通過することが出来ないのでここで周回が終わる。これは、光フィルターの周波数特性を、図３に示すように、（ｆ_０＋ｎｆ）以下の周波数の光は通過するが、（ｆ_０＋（ｎ＋１）ｆ）以上の周波数の光は通過しないように設定されているからである。
ｎ回以上、光が光ループを周回すると、（ｆ_０＋ｎｆ）より大きな周波数の光が発生し、これはＴＨｚ波発生装置内においてノイズとなるからである。
なお、特定の波長選択を波長選択手段Ｃのみで行ってもよいし、上述のように光フィルタ１０９と組み合わせることにより行うことも可能である。

以上の動作の結果、単一モードレーザーから常に連続光として光がループに供給されているので、波長選択手段Ｃからは、常に周波数ｆ_０と（ｆ_０＋ｎｆ）の光波のみが出射される。
そして、これらの２つの光波は、ＴＨｚ波発生素子Ｄに入射され、２つの周波数の差である周波数ｎｆを有するＴＨｚ波が、ＴＨｚ波発生素子Ｄから出力される。
なお、上記説明ではＳＳＢ光変調器によって光の周波数を増やす場合について説明をしたが、ＳＳＢ光変調器の設定方法や変調信号の印加方法により、光の周波数を減らすことも可能であり、この場合にも同様な動作が可能である。
また、上記説明では、波長選択手段Ｃから出射される周波数ｆ_０と（ｆ_０＋ｎｆ）の光波は直接ＴＨｚ波発生素子Ｄに入射されているが、波長選択手段ＣとＴＨｚ波発生装置Ｄの間に光増幅器を設けることも可能であり、これにより出射されるＴＨｚ波の光強度を高めることも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、ＴＨｚ波を安定的かつ効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供することができ、特に、レーザ光源の周波数変動に対しても安定であり、ＴＨｚ波の周波数を容易に変更可能であるＴＨｚ波発生装置を提供することが可能となる。

Claims

レーザ光源を含む光源部からのレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置において、
該レーザ光源とＴＨｚ波発生素子との間に、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部と、波長選択手段を配置し、該レーザ光を該光周回部に導入し、該波長選択手段により該光周回部で生成される複数の波長を有する光波の中から特定の波長を選択し、該ＴＨｚ波発生素子に入射させることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
請求項１に記載のＴＨｚ波発生装置において、該光源部は、単一モードレーザ光源からの単一波長光を供給するよう構成したことを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
請求項１又は２に記載のＴＨｚ波発生装置において、該波長選択手段は、任意の波長が選択可能であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該光周回部には、光増幅器を有することを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該波長選択手段と該ＴＨｚ発生素子の間に、光増幅器を有することを特徴とするＴＨｚ波発生装置。