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技術 電磁波発振素子

出願人 日本碍子株式会社
発明者 近藤順悟青木謙治岩田雄一江尻哲也
出願日 2010年8月2日 (10年4ヶ月経過) 出願番号 2010-173316
公開日 2011年3月24日 (9年8ヶ月経過) 公開番号 2011-059670
状態 特許登録済
技術分野 光偏向、復調、非線型光学、光学的論理素子
主要キーワード 本願構造 電磁波発振 光波領域 後進波管 空間的コヒーレント 薄板加工 室温硬化型接着剤 誘導散乱
関連する未来課題
重要な関連分野

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課題

テラヘルツ波パラメトリック発振させる素子において、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。

解決手段

ポンプ波3とアイドラー波4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を提供する。本素子は、支持基板13、非線形光学結晶Z板からなる発振基板11、および支持基板と発振基板とを接合する接着層12を備える。発振基板11は、上面11a、底面11fおよびポンプ波が入射する入射面11cを備える。発振基板11が、ポンプ波3およびアイドラー波4が底面11f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7に対してカットオフとなる厚さを有する。

概要

背景

テラヘルツ波は、一般的に0.1THz〜10THzまでの周波数電磁波であり、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。

概要

テラヘルツ波をパラメトリック発振させる素子において、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。ポンプ波3とアイドラー波4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を提供する。本素子は、支持基板13、非線形光学結晶のZ板からなる発振基板11、および支持基板と発振基板とを接合する接着層12を備える。発振基板11は、上面11a、底面11fおよびポンプ波が入射する入射面11cを備える。発振基板11が、ポンプ波3およびアイドラー波4が底面11f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7に対してカットオフとなる厚さを有する。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
2件

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請求項1

ポンプ波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。

請求項2

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。

請求項3

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。

請求項4

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。

請求項5

前記支持基板の前記接着層側の表面に前記電磁波を反射する反射膜を備えていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の素子。

技術分野

0001

本発明は、いわゆるテラヘルツ波発振する素子に関するものである。

背景技術

0002

テラヘルツ波は、一般的に0.1THz〜10THzまでの周波数電磁波であり、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。

0003

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。

0004

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。

0005

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。

0006

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。

0007

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。

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

特許文献2(特開2002-72269)では、単一周波数励起光源(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。

0012

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。

0013

特開平9-146131
特開2002-72269

先行技術

0014

「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

発明が解決しようとする課題

0015

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反射損失が発生してしまう。

0016

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。

課題を解決するための手段

0017

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。

発明の効果

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

図面の簡単な説明

0025

従来例の発振素子を説明するための模式図である。
従来例の発振素子を説明するための模式図である。
本発明の一実施形態に係る発振素子を示す斜視図である。
図3の発振素子を概略的に示す平面図である。
(a)、(b)は、それぞれ、図3図4の発振素子の側面図である。
テラヘルツ波の周波数、入射角度α出射角度θの関係を示すグラフである。
屈折率構造計算モデルを示す模式図である。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

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。

0041

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。

0042

ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザ半導体レーザ励起固体レーザ(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。

0043

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。

0044

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。

0045

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。

0046

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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

なお、かりに光変調器で0.1THz〜3THzの周波数帯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。

0051

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。

0052

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。

0053

(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。

0054

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。

0055

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。

0056

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。

0057

(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。

0058

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。

0059

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。

0060

(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。

0061

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。

0062

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。

0063

(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。

0064

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。

実施例

0065

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。

0066

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

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