JP5809643B2 - 光発生装置および光発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、光発生装置および光発生方法に関するものである。

近年、所望の周波数を有する光に対する研究として、特にテラヘルツ領域の光源の研究が盛んに行われている。テラヘルツ波は、分光技術を利用した多岐にわたる物性値測定や、当該テラヘルツ波の特性を生かしたイメージング技術に適用されることが考えられ、その応用分野は工業、医療、農業、バイオ、セキュリティなど、非常に広範囲に広がっている。その為、テラヘルツ波を発生させるための技術の向上に大いに注目が集まっている。例えば、非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波の発生法として、複屈折を利用したもの（例えば、下記の非特許文献１を参照）、擬似位相整合によるもの（例えば、下記の非特許文献２を参照）、二重共振器を利用したもの（例えば、下記の非特許文献３を参照）、パラメトリック発振によるものなど、様々な方法が試みられている。

W. Shi and Y.J. Ding,Appl. Phys. Lett. 84, 2004, Number 10 K. L.Vodopyanov and M.N.Fejer et al., Appl. Phys. Lett. 89, 14119, 2006 Kitada et al.,Appl. Phys.Lett. 95, 111106, 2009 ChristophWalther, et al. "Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz, " Appl. Phys. Lett. 91, 131122, 2007 F. Hindle et al., C. R. Physique 9, 262-275, 2008

しかし、上記の非特許文献１〜３で例示した従来の技術は、ポンプ光源にＧＷ／ｃｍ^２オーダーの強い強度のレーザ光を用いる技術であったり、線幅を小さくしにくいパルス光を用いる技術であったり、原理的に素子が大きくなってしまう技術であったり、光発生の効率が低かったりする場合が多く、所望の周波数を有する光の発生法として現実的なものとは言えない。

前述したように、上記の非特許文献１〜３で例示した従来の技術は、全てポンプ光源にパルス光を用いた技術で、連続光源として評価したものはない。連続光は、パルス光より周波数領域のスペクトル分解能が優れている。そのため連続光の光源が市場で求められているものの、周波数可変領域、発生強度、小型化などの市場の要求を満たすものは少ない。連続光源には、カスケードレーザ（例えば、上記の非特許文献４を参照）やフォトミキシング技術（例えば、上記の非特許文献５を参照）が知られているが、ＴＨｚ周波数帯の、特に指紋スペクトル検出に必要とされている０．５〜３．０ＴＨｚにおいては、前者は低温動作、後者は出力のオーダーが１００ｎＷ以下である。また、後者は周波数が高くなるにつれて出力が低下し、２ＴＨｚ以上では１ｎＷ以下の出力となってしまう。なお、後者は入射光強度を上げることで発生強度を上げることが出来るが、入射光強度が一定以上高くなると、電極部分の熱破壊が生じるため、入射光強度を上げることによる出力強度向上には上限が存在する。

そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、所望の周波数を有する光を効率良く発生させることが可能な光発生装置および光発生方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光発生装置は、入射光を増強して出力する共振器構造と、前記入射光を前記共振器構造に入力する入力部と、を備え、前記入射光は、異なる偏光状態および異なる周波数を有する第１入射光および第２入射光であり、前記入力部は、前記共振器構造における主面に垂直の方向から傾斜した角度で、前記第１入射光および前記第２入射光を入力し、前記共振器構造は、前記第１入射光の周波数と前記第２入射光の周波数との差分に相当する周波数を有する光を出力する、を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の光発生方法は、入射光を増強して出力する共振器構造と、前記入射光を前記共振器構造に入力する入力部と、を備える光発生装置において、前記入射光は、異なる偏光状態および異なる周波数を有する第１入射光および第２入射光であり、前記入力部が、前記共振器構造における主面に垂直の方向から傾斜した角度で、前記第１入射光および前記第２入射光を入力するステップと、前記共振器構造が、前記第１入射光の周波数と前記第２入射光の周波数との差分に相当する周波数を有する光を出力するステップと、を備えることを特徴とする。

このような本発明の光発生装置および光発生方法によれば、光発生装置は共振器構造および入力部を備え、入力部が、第１入射光および第２入射光を共振器構造における主面に対して角度をつけて入力すると、共振器構造は第１入射光の周波数と第２入射光の周波数との差分に相当する周波数を有する光を出力光として出力する。ここで、２つの入射光は互いに異なる偏光状態を有し、例えば第１入射光がｓ偏光状態であり且つ第２入射光がｐ偏光状態である。または第１入射光がｐ偏光状態であり且つ第２入射光がｓ偏光状態であっても良い。また、２つの入射光は互いに異なる周波数を有し、例えばｓ偏光状態の入射光の周波数は、入力部の当該傾斜角度に応じたｓ偏光の共振周波数と一致し、且つｐ偏光状態の入射光の周波数は、入力部の当該傾斜角度に応じたｐ偏光の共振周波数と一致することが好ましい。なお、ここでいう共振周波数とは、共振器モードを発生させる周波数のことであり、当該共振周波数は周波数の一つの値を指すことに限られることなく、共振器モードを発生させるある程度の幅をもつ周波数帯であっても良い。以上のような本発明の光発生装置および光発生方法においては、入力部が角度をつけて入射光を入力することにより、異なる偏光状態の光に対して共振器構造の共振周波数にずれが発生する。これは、周期的薄膜構造が起こす構造性複屈折のために生じる現象と捉えられ、偏光によって有効屈折率が変化することが原因と考えられる。そして、当該ずれに相当する周波数を有する光が出力光として出力される。従って、発生すべき所望の周波数に応じて入力部が入射角度を調整することにより、所望の周波数の光を発生させることができる。つまり、本発明は周波数可変の光発生装置および光発生方法である。更に、本装置および方法によれば、光発生の効率が向上され、且つ装置全体の小型化が達成される。

また、本発明においては、前記共振器構造の温度を調節することにより、前記ｓ偏光の共振周波数および前記ｐ偏光の共振周波数を制御する温度調節部を更に備えても良い。

この発明によれば、共振器構造の温度を調節することにより、ｓ偏光の共振周波数およびｐ偏光の共振周波数を制御し、これにより両方の共振周波数のうち何れか一方が一定となるように制御することができる。また、温度調節は比較的容易な制御手法といえるので、装置構成の利便性を向上させることができる。

また、本発明において、前記共振器構造は、ＧａＡｓ層からなる欠陥層と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡を備えた単純共振器構造であっても良い。

また、本発明において、前記共振器構造は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡を備えた複合フォトニック結晶構造であっても良い。

また、本発明において、前記共振器構造は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶を備えた単純フォトニック結晶構造であっても良い。

これらの発明によれば、本発明における共振器構造を構成するための具体的手法が提示される。

また、本発明において、複合フォトニック結晶構造の反射鏡におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の膜厚が異なっても良い。ここで、例えば、フォトニック結晶におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比は、ＧａＡｓ層：ＡｌＡｓ層＝１：１であり、反射鏡におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比は、ＧａＡｓ層：ＡｌＡｓ層＝１：４であるようにして、フォトニック結晶と反射鏡で有効膜厚の比が異なっても良い。

これらの発明によれば、光発生の効率が更に向上され、且つ装置全体の更なる小型化が達成される。

また、本発明において、前記共振器構造は、前記入力部が前記傾斜した角度で前記第１入射光および前記第２入射光を入力したことにより、構造性複屈折が引き起こされ、その結果として異なる値を有するようになった前記ｓ偏光の共振周波数および前記ｐ偏光の共振周波数の差分に相当する周波数を有する光を出力しても良い。

本発明によれば、所望の周波数を有する光を効率良く発生させることが可能な光発生装置および光発生方法を提供することができる。

テラヘルツ光発生装置１の構成概要図である。 レーザ発振部１０，１１が角度をつけて第１入射光および第２入射光を共振器構造１２に入力する様子をイメージしている図である。 レーザ発振部１０，１１が角度をつけてｓ偏光状態の第１入射光およびｐ偏光状態の第２入射光を共振器構造１２に入力すると、共振器モードの発生する周波数にずれが発生することを説明するための図である。 レーザ発振部１０，１１が角度をつけてｓ偏光状態の第１入射光およびｐ偏光状態の第２入射光を共振器構造１２に入力すると、共振器モードの発生する周波数にずれが発生することを説明するための図である。 温度調節により、ずれた共振周波数に変化が発生する様子を示す図である。 構成例１において共振器構造１２として採用された単純共振器１２１の概念図である。 テラヘルツ光発生装置１を用いて所望のテラヘルツ領域の出力光を発生させる手順を示すフローチャートである。 構成例１において、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す図である。 構成例１において、入射角度θと温度の関係を示す図である。 構成例１において、入射角度θと変換効率の関係を示す図である。 構成例２において共振器構造１２として採用された複合フォトニック結晶構造１２２の概念図である。 構成例２において、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す図である。 構成例２において、入射角度θと温度の関係を示す図である。 構成例２において、入射角度θと変換効率の関係を示す図である。 構成例３において共振器構造１２として採用された単純フォトニック結晶１２３の概念図である。 構成例３において、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す図である。 構成例３において、入射角度θと温度の関係を示す図である。 構成例３において、入射角度θと変換効率の関係を示す図である。 第２実施形態の複合フォトニック結晶構造１２４の概念図である。 ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比率を異ならせることで、ｐ偏光の透過ピークとｓ偏光の透過ピークの周波数差Δωを変えることができることを説明するための図である。 第１実施形態の構成例２の場合（Ａ）と第２実施形態の場合（Ｂ）とで、透過率スペクトルの違いを説明するための図である。 第２実施形態において、低角度入射時（Ａ）と高角度入射時（Ｂ）の動作を示した図である。 第２実施形態において、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す図である。 第２実施形態において、入射角度θと温度の関係を示す図である。 第２実施形態において、入射角度θと変換効率の関係を示す図である。 第１実施形態の構成例２における変換効率と、第２実施形態のそれを比較して示すための図である。 第１実施形態の構成例２における半値幅と、第２実施形態のそれを比較して示すための図である。 図２７の半値幅比較をｌｏｇスケールで表示した図である。 第２実施形態と、他の技術との性能比較を示すための図である。 図１における光学系を、ファイバを用いた光学系として構成できることを説明するための図である。 図１における光学系を、偏光ビームスプリッタを用いた光学系として構成できることを説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明にかかる光発生装置および光発生方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
（テラヘルツ光発生装置１の全体構成）
まず、本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ光発生装置１（特許請求の範囲における「光発生装置」に相当）の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、テラヘルツ光発生装置１の構成概要図である。図１に示すように、テラヘルツ光発生装置１は、レーザ発振部１０，１１（特許請求の範囲における「入力部」に相当）、共振器構造１２、および温度調節器１３（特許請求の範囲における「温度調節部」に相当）を主に備えて構成される。レーザ発振部１０，１１は、入射光をミラー１４やレンズ１５を介して共振器構造１２に入力するものである。共振器構造１２は、レーザ発振部１０，１１より入力した入射光を増強して出力光として出力するものである。

レーザ発振部１０，１１が共振器構造１２に入射する入射光は、第１入射光および第２入射光の二つの入射光である。２つの入射光は互いに異なる偏光状態を有し、例えば第１入射光がｓ偏光状態であり且つ第２入射光がｐ偏光状態であっても良く、または第１入射光がｐ偏光状態であり且つ第２入射光がｓ偏光状態であっても良い。なお、第１実施形態では、第１入射光がｓ偏光状態であり、且つ第２入射光がｐ偏光状態であることとし、レーザ発振部１０がｓ偏光状態の第１入射光を共振器構造１２に入射し、且つレーザ発振部１１がｐ偏光状態の第２入射光を共振器構造１２に入射することとする。

レーザ発振部１０，１１は、共振器構造１２における主面に垂直の方向から傾斜した角度で、第１入射光および第２入射光を共振器構造１２に入力する。図２には、レーザ発振部１０，１１が角度をつけて第１入射光および第２入射光を共振器構造１２に入力する様子がイメージされている。レーザ発振部１０，１１は、共振器構造１２における主面１２ａに垂直の方向である方向Ｄ１に対して角度θだけ傾斜した方向である方向Ｄ２で、第１入射光および第２入射光を入力する。第１実施形態において、レーザ発振部１０，１１は、第１入射光および第２入射光を等角度で傾斜して入射させるとともに、当該傾斜角度θは０°〜９０°の範囲において調整される。

レーザ発振部１０，１１が角度をつけてｓ偏光状態の第１入射光およびｐ偏光状態の第２入射光を共振器構造１２に入力すると、共振器モードの発生する周波数（以下、「共振周波数」ともいう。共振周波数は周波数の一つの値を指すことに限られることなく、共振器モードを発生させるある程度の幅をもつ周波数帯であっても良い。）にずれが発生する。図３、４にはこれが波長に対する透過率としてイメージされている。図３には、レーザ発振部１０，１１が共振器構造１２における主面１２ａに垂直にｓ偏光状態の第１入射光およびｐ偏光状態の第２入射光を入力した場合が、グラフＧ１およびＧ２で表示されている。ｓ偏光状態の第１入射光のグラフＧ１における共振周波数は波長Ｈ１（例えば１０６４ｎｍ）に相当する周波数であり、ｐ偏光状態の第２入射光のグラフＧ２における共振周波数は波長Ｈ２（例えば１０６４ｎｍ）に相当する周波数である。また、図４には、レーザ発振部１０，１１が共振器構造１２における主面１２ａに１５°だけ角度をつけてｓ偏光状態の第１入射光およびｐ偏光状態の第２入射光を入力した場合が、グラフＧ３およびＧ４でそれぞれ表示されている。ｓ偏光状態の第１入射光のグラフＧ３における共振周波数は波長Ｈ３に相当する周波数であり、ｐ偏光状態の第２入射光のグラフＧ４における共振周波数は波長Ｈ４に相当する周波数である。図３に示されるように、垂直入射の場合は、ｓ偏光とｐ偏光との間に共振周波数のずれは生じない。つまり、波長Ｈ１と波長Ｈ２は一致している。したがって、図３においてはグラフＧ１およびＧ２が重なって表示されている。一方、１５°傾斜して入射した場合には、共振周波数のずれが発生しており、図４においては、当該ずれが符号Ｚ１で表示されている。また、図４において、グラフＧ３はグラフＧ１からシフトされ、共振周波数の波長が波長Ｈ１から波長Ｈ３にシフトされたことを表し、グラフＧ４はグラフＧ２からシフトされ、共振周波数の波長が波長Ｈ２から波長Ｈ４にシフトされたことを表す。なお、図３、４は後述の構成例３において、共振器構造１２として単純フォトニック結晶１２３を採用し、入射角度θをそれぞれ０°、１５°とした場合である。また、後述するが、第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１の出力光は、後述の温度調節を施さない場合には、図４に示したずれＺ１に相当する周波数を有する。

レーザ発振部１０，１１により共振器構造１２に入力される２つの入射光は、互いに異なる周波数を有する。例えば、ｓ偏光状態の第１入射光の周波数は、レーザ発振部１０の傾斜角度θに応じたｓ偏光の共振周波数と一致し、ｐ偏光状態の第２入射光の周波数は、レーザ発振部１１の傾斜角度θに応じたｐ偏光の共振周波数と一致する。具体的に、図４の例において１５°傾斜して入射した場合に、ｓ偏光に対しては波長Ｈ３でその透過率がピークとなっており、ｓ偏光状態の第１入射光は波長Ｈ３に相当する周波数を有する。また、ｐ偏光に対しては波長Ｈ４でその透過率がピークとなっており、ｐ偏光状態の第２入射光は波長Ｈ４に相当する周波数を有する。なお、後述の構成例１〜３のそれぞれの場合において１５°傾斜して入射した場合に、構成例１の単純共振器の場合は波長Ｈ４が１０６０．８５ｎｍであり、構成例２の複合フォトニック結晶の場合は波長Ｈ４が１０６０．４ｎｍであり、構成例３の単純フォトニック結晶の場合は波長Ｈ４が１０６０．１５ｎｍであった。しかし、実際には装置設計の便宜を図り、後述するような温度調節を行い、ｓ偏光状態の第１入射光が図５に示す波長Ｈ５に相当する周波数を有するように、且つｐ偏光状態の第２入射光が図５に示す波長Ｈ６（例えば１０６４ｎｍ）に相当する周波数を有するように制御する。図５は、図４のような状況において、温度調節により共振周波数に変化が発生する様子を示す図である。ｓ偏光状態の第１入射光の周波数をｖ１（波長Ｈ５に相当する周波数）とし、ｐ偏光状態の第２入射光の周波数をｖ２（波長Ｈ６に相当する周波数）とした場合に、出力光の周波数はその差分の|ｖ１―ｖ２|である。

ここで、温度調節器１３について詳細に説明する。入射角度θを大きくすると、共振器モードの周波数が高周波数側に移動してしまう。これを表したのが上述の図３および図４である。そこで、温度調節器１３が、移動してしまった共振周波数を元の共振周波数に戻すため、共振器構造１２に温度調節を施して屈折率を制御する。これにより、ｓ偏光状態の第１入射光の共振周波数およびｐ偏光状態の第２入射光の共振周波数を制御し、両方の共振周波数のうち何れか一方が一定となるように制御される。第１実施形態においては、ｐ偏光状態の第２入射光の共振周波数が、入射角度がゼロの状態（垂直入射の状態）の共振周波数に戻って一定となるように制御される。図５にはそれが矢印でイメージされており、温度調節を施した後に、ｓ偏光状態の第１入射光の共振周波数は波長Ｈ３から波長Ｈ５に変化されている。また、ｐ偏光状態の第２入射光の共振周波数（波長Ｈ４に相当する周波数）は温度調節により波長Ｈ６に変化されている。なお、波長Ｈ６は、垂直入射時の共振周波数（波長Ｈ１およびＨ２に相当する周波数、図３、４参照）と一致またはその近傍の波長である。そして、このような温度調節後は、図５にて符号Ｚ２で表示される波長の差分に相当する周波数の差分が、第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１の出力光の周波数となる。なお、上述した通り、温度調節を施さない場合には、図４、５にて符号Ｚ１で表示される波長の差分に相当する周波数の差分が、第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１の出力光の周波数となる。

このときの温度調節の範囲は、例えば２２０Ｋ〜３９０Ｋの範囲である。なお、温度調節の範囲は、使用する共振器構造によって、つまり共振器構造の膜数、膜厚、材料によって変化する。なお、屈折率の温度依存性を下記の式（１）および（２）に示す。式（１）は共振器構造１２がＧａＡｓからなる部分を含む場合に、当該部分における屈折率の温度依存性を示す。また、式（２）は共振器構造１２がＡｌＡｓからなる部分を含む場合に、当該部分における屈折率の温度依存性を示す。なお、式（１）および（２）において、ｎは屈折率を示し、Ｔは共振器構造１２の温度を示す。

なお、下記の参考文献１は、温度調節により周波数制御を行う技術に関する参考文献である。
＜参考文献１＞ J. Talghader and J. S. Smith, Appl. Phys. Lett. 66, 335, 1995

図１に戻り、共振器構造１２は、上記のｖ１の周波数を有するｓ偏光状態の第１入射光をシグナル光として、且つ上記のｖ２の周波数を有するｐ偏光状態の第２入射光をポンプ光としてレーザ発振部１０，１１よりそれぞれ入力し、両入射光の周波数の差分、つまり|ｖ１―ｖ２|に相当する周波数を有する出力光をアイドラー光として出力する。つまり、共振器構造１２は、レーザ発振部１０，１１が上記傾斜した角度θでｓ偏光状態の第１入射光をシグナル光として、且つｐ偏光状態の第２入射光をポンプ光として入力したことにより、構造性複屈折が引き起こされ、その結果として異なる値を有するようになったｓ偏光の共振周波数およびｐ偏光の共振周波数の差分に相当する周波数を有する光を出力する。第１実施形態では、下記の構成例１〜３により、共振器構造１２がテラヘルツ領域の光をアイドラー光として出力することとなる。

以下、複数種類の共振器構造１２を利用した第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１の構成例について説明する。

（構成例１）
最初の構成例は、共振器構造１２として単純共振器を採用した場合である。図６は、この場合の単純共振器１２１の概念図である。図６に示されるように、単純共振器１２１は、ＧａＡｓ層からなる欠陥層と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡（ＤＢＲ： Distributed BraggReflector）を備えた構造を有する。

単純共振器１２１におけるパラメータをまとめると以下の通りである。
１．ＤＢＲにおけるＧａＡｓ層について、
膜厚：９９．０９ｎｍ
層数：１７層
屈折率：３．５８８（波長：１０６４ｎｍ）
２．ＤＢＲにおけるＡｌＡｓ層について、
膜厚：６５．７３ｎｍ
層数：１７層
屈折率：２．９８９（波長：１０６４ｎｍ）
３．欠陥層のＧａＡｓ層について、
膜厚：２３９１．７ｎｍ
層数：１層
屈折率：３．５８８（波長：１０６４ｎｍ）
４．ＤＢＲにおける周期数：前後それぞれ１７周期ずつ、合計３４周期
５．合計結晶長：７９９５．２４ｎｍ

このような構造の単純共振器１２１を備えたテラヘルツ光発生装置１を用いて所望のテラヘルツ領域の出力光を発生させる手順を図７のフローチャートに示す。最初に、用途に応じて発生させたいテラヘルツ波の周波数を決定する（ステップＳ１）。次に、共振器構造１２の種類を決定する（ステップＳ２）。本構成例においては単純共振器１２１が決定されたとする。

次に、発生させたいテラヘルツ波の周波数に応じて、ｓ偏光状態の第１入射光（シグナル光）およびｐ偏光状態の第２入射光（ポンプ光）の入射角度θを決定する（ステップＳ３）。入射角度θは発生させたい光の周波数によって決定されるものであり、図８は単純共振器１２１が共振器構造１２として決定された場合に、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す。図８に示されるように、例えば０．３１ＴＨｚの光を発生させたい場合には、入射角度θを６５°と決定することができる。

図７に戻り、次の手順として、ポンプ光の周波数および強度、シグナル光の周波数および強度、そして単純共振器１２１の温度を決定する（ステップＳ４）。上記例のように、例えば０．３１ＴＨｚの光を発生させたい場合に、ポンプ光の周波数を約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保ち、その強度は１ＭＷ／ｃｍ２と決定する。なお、変換効率を考慮すると、できれば高い強度の方が望ましい。また、シグナル光の周波数は２８１．９５ＴＨｚ−差周波（発生させたい光の周波数）で決定することが出来るため、約２８１．６４ＴＨｚと決定する。シグナル光の強度については、ポンプ光の強度と同程度か、それ以下の強度とする。また、単純共振器１２１の温度は、図９に示されるように、例えば０．３１ＴＨｚの光を発生させるために入射角度θを６５°と決定した場合に、絶対温度として３４０Ｋと決定することができる。温度調節によりポンプ光の周波数が上記の約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保たれる。

以上により、所望の０．３１ＴＨｚの光が発生される。図１０は、このときの変換効率を示す。図１０に示されるように、入射角度θを６５°とし、且つ３４０Ｋで単純共振器１２１を温度調節した場合に、そのときの変換効率は２．１ｅ‐００６％である。他の周波数範囲での結果を参酌すると、入射角度θを大きくするにつれ、変換効率は高くなり、６５°付近で変換効率の最大値が現れる。なお、図１０では最大の変換効率が２．１ｅ‐００６％と表示されているが、これは、現在のすぐに使用可能なレーザ光源の性能を考慮し、閉じ込め効果を弱めたためであり、条件を変えることにより、より高い変換効率の値を得ることができる。

本構成例の優れた点は、１．素子の薄さ、２．発生周波数が可変であること、３．高出力の連続光源となり得ること、が一例として挙げられる。素子、つまり共振器構造１２の薄さにおいては、従来知られているものと比べると３桁のオーダーで薄いものになっている。また、変換効率は厚さの２乗に比例して上昇するので、それを加味すると、本構成例の装置が比類ない性能を有した装置であることがいえる。ここで、非特許文献３の装置は、その構成が本構成例の装置と全く異なるため比較の対象にならないものの、共振器構造の薄さだけにおいては、本構成例と同程度のオーダーのものであると考えられる。同文献では未だ変換効率の議論に達してさえいないので、本構成例の装置との間で変換効率の比較をすることはできない。しかし、本発明者の知見では、入射光の強度や素子の厚さ等の条件を同等なものにした場合に、本構成例の方が変換効率の面で比べ物にならないほど優れていると考えられる。

更に、発生周波数や入射光の周波数が可変であることは、テラヘルツ波の応用に非常に有利に働く。これは非特許文献２の疑似位相整合や非特許文献３の２重共振器にはない性能であり、両文献の技術に比べて、本構成例の方が応用に適した装置であるといえる。

また、変換効率は入射光強度に比例するので、連続光より尖頭値が高いパルス光の方が変換効率の数値は高くなる。そのため、多くの研究（例えば、上記の非特許文献１〜３）でパルス光における変換効率を計算しているが、パルス光の周波数領域分解能は連続光のそれに劣るので、例えば吸収スペクトル等を得る時には精度が劣る。非線形光学効果を用いた波長変換技術で連続光のテラヘルツ発生の試みを行った文献は非常に少ないため、本明細書では、仕方なく、パルス光との比較を行う。パルス光の場合に比べて、第１実施形態における変換効率の数値そのものが劣るのは、仕方のないことである。

ここで、フォトミキシング（例えば、上記の非特許文献５）における出力は周波数が高くなるにつれてオーダー単位で低下するが、第１実施形態における出力は０．５−３．０ＴＨｚの周波数領域でもそれほど低下しない。また、発生するテラヘルツ光の線幅は、ポンプ光・シグナル光の線幅とほぼ同等のオーダーとなると考えられる。第１実施形態における構成例ではＧＨｚオーダーの線幅を想定してはいるものの、現在ｋＨｚやＭＨｚの連続光源も市販されているため、それに合わせた設計で、変換効率の更なる上昇が望める。また、現在の構成例でも、ＧＨｚ以下の線幅の光源を入射させると、ほぼ同じオーダーの線幅の光が発生できる。また、共振器構造１２の構造の相違（下記の構成例２や３で示すように構造そのものの違いや、成長面の差異）によっても、変換効率の値が上記示した値より高くなる場合がある。

（構成例２）
次の構成例は、共振器構造１２として複合フォトニック結晶構造１２２を採用した場合である。図１１は、この場合の複合フォトニック結晶構造１２２の概念図である。図１１に示されるように、複合フォトニック結晶構造１２２は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡（ＤＢＲ）を備えた構造を有する。

複合フォトニック結晶構造１２２におけるパラメータをまとめると以下の通りである。
１．ＤＢＲにおけるＧａＡｓ層について、
膜厚：７９．１８ｎｍ
層数：１４層
屈折率：３．３８２（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
２．ＤＢＲにおけるＡｌＡｓ層について、
膜厚：９２．４９ｎｍ
層数：１４層
屈折率：２．８９５（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
３．フォトニック結晶におけるＧａＡｓ層について、
膜厚：７２．５３ｎｍ
層数：１３層
屈折率：３．３８２（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
４．フォトニック結晶におけるＡｌＡｓ層について、
膜厚：８４．７２ｎｍ
層数：１２層
屈折率：２．８９５（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
５．ＤＢＲにおける周期数：前後それぞれ１４周期ずつ、合計２８周期
６．合計結晶長：６７６６．０１ｎｍ

このような構造の複合フォトニック結晶構造１２２を備えたテラヘルツ光発生装置１を用いて所望のテラヘルツ領域の出力光を発生させる手順は、図７のフローチャートに示した通りである。最初に、用途に応じて発生させたいテラヘルツ波の周波数を決定する（ステップＳ１）。次に、共振器構造１２の種類を決定する（ステップＳ２）。本構成例においては複合フォトニック結晶構造１２２が決定されたとする。

次に、発生させたいテラヘルツ波の周波数に応じて、ｓ偏光状態の第１入射光（シグナル光）およびｐ偏光状態の第２入射光（ポンプ光）の入射角度θを決定する（ステップＳ３）。入射角度θは発生させたい光の周波数によって決定されるものであり、図１２は複合フォトニック結晶構造１２２が共振器構造として決定された場合に、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す。図１２に示されるように、例えば１．５５ＴＨｚの光を発生させたい場合には、入射角度θを６７°と決定することができる。

図７に戻り、次の手順として、ポンプ光の周波数および強度、シグナル光の周波数および強度、そして複合フォトニック結晶構造１２２の温度を決定する（ステップＳ４）。上記例のように、例えば１．５５ＴＨｚの光を発生させたい場合に、ポンプ光の周波数を約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保ち、その強度は１ＭＷ／ｃｍ２と決定する。なお、変換効率を考慮すると、できれば高い強度の方が望ましい。また、シグナル光の周波数は２８１．９５ＴＨｚ−差周波（発生させたい光の周波数）で決定することが出来るため、約２８０．４ＴＨｚと決定する。シグナル光の強度については、ポンプ光の強度と同程度か、それ以下の強度とする。また、複合フォトニック結晶構造１２２の温度は、図１３に示されるように、例えば１．５５ＴＨｚの光を発生させるために入射角度θを６７°と決定した場合に、絶対温度として３８０Ｋと決定することができる。温度調節によりポンプ光の周波数が上記の約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保たれる。

以上により、所望の１．５５ＴＨｚの光が発生される。図１４は、このときの変換効率を示す。図１４に示されるように、入射角度θを６７°とし、且つ３８０Ｋで複合フォトニック結晶構造１２２を温度調節した場合に、そのときの変換効率は６ｅ‐００５％である。他の周波数範囲での結果を参酌すると、入射角度θを大きくするにつれ、変換効率は高くなり、６７°付近で変換効率の最大値が現れる。なお、図１４では最大の変換効率が６ｅ‐００５％と表示されているが、これは、現在のすぐに使用可能なレーザ光源の性能を考慮し、閉じ込め効果を弱めたためであり、条件を変えることにより、より高い変換効率の値を得ることができる。なお、本構成例の優れた点については、上記構成例１で述べたことと同様のことがいえるので、記載を省略する。

（構成例３）
次の構成例は、共振器構造１２として単純フォトニック結晶１２３を採用した場合である。図１５は、この場合の単純フォトニック結晶１２３の概念図である。図１５に示されるように、単純フォトニック結晶１２３は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶を備えた構造を有する。

単純フォトニック結晶１２３におけるパラメータをまとめると以下の通りである。
１．フォトニック結晶におけるＧａＡｓ層について、
膜厚：７４．７４ｎｍ
層数：７０層
屈折率：３．５８８（波長：１０６４ｎｍ）
２．フォトニック結晶におけるＡｌＡｓ層について、
膜厚：８７．３１ｎｍ
層数：６９層
屈折率：２．９８９（波長：１０６４ｎｍ）
３．合計結晶長：１１２５６．１９ｎｍ

このような構造の単純フォトニック結晶１２３を備えたテラヘルツ光発生装置１を用いて所望のテラヘルツ領域の出力光を発生させる手順は、図７のフローチャートに示した通りである。最初に、用途に応じて発生させたいテラヘルツ波の周波数を決定する（ステップＳ１）。次に、共振器構造１２の種類を決定する（ステップＳ２）。本構成例においては単純フォトニック結晶１２３が決定されたとする。

次に、発生させたいテラヘルツ波の周波数に応じて、ｓ偏光状態の第１入射光（シグナル光）およびｐ偏光状態の第２入射光（ポンプ光）の入射角度θを決定する（ステップＳ３）。入射角度θは発生させたい光の周波数によって決定されるものであり、図１６は単純フォトニック結晶１２３が共振器構造として決定された場合に、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す。図１６に示されるように、例えば３ＴＨｚの光を発生させたい場合には、入射角度θを８５°と決定することができる。

図７に戻り、次の手順として、ポンプ光の周波数および強度、シグナル光の周波数および強度、そして単純フォトニック結晶１２３の温度を決定する（ステップＳ４）。上記例のように、例えば３ＴＨｚの光を発生させたい場合に、ポンプ光の周波数を約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保ち、その強度は１ＭＷ／ｃｍ２と決定する。なお、変換効率を考慮すると、できれば高い強度の方が望ましい。また、シグナル光の周波数は２８１．９５ＴＨｚ−差周波（発生させたい光の周波数）で決定することが出来るため、約２７８．９５ＴＨｚと決定する。シグナル光の強度については、ポンプ光の強度と同程度か、それ以下の強度とする。また、単純フォトニック結晶１２３の温度は、図１７に示されるように、例えば３ＴＨｚの光を発生させるために入射角度θを８５°と決定した場合に、絶対温度として４２０Ｋと決定することができる。温度調節によりポンプ光の周波数が上記の約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保たれる。

以上により、所望の３ＴＨｚの光が発生される。図１８は、このときの変換効率を示す。図１８に示されるように、入射角度θを８５°とし、且つ４２０Ｋで単純フォトニック結晶１２３を温度調節した場合に、そのときの変換効率は３．９ｅ‐００５％である。他の周波数範囲での結果を参酌すると、入射角度θを大きくするにつれ、変換効率は高くなり、８５°付近で変換効率の最大値が現れる。なお、図１８では最大の変換効率が３．９ｅ‐００５％と表示されているが、これは、現在のすぐに使用可能なレーザ光源の性能を考慮し、閉じ込め効果を弱めたためであり、条件を変えることにより、より高い変換効率の値を得ることができる。なお、本構成例の優れた点については、上記構成例１で述べたことと同様のことがいえるので、記載を省略する。

（第１実施形態の作用および効果）
続いて、第１実施形態にかかるテラヘルツ光発生装置１の作用および効果について説明する。第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１では、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ共振器構造１２を用いてテラヘルツ波を発生させている。共振器構造１２に角度をつけて光を入射すると、角度が大きくなるにつれて透過率スペクトルはシフトするが、ｓ偏光とｐ偏光でそのシフトする周波数の幅に差が生じてくる（図３参照）。これは、周期的薄膜構造が起こす構造性複屈折のために生じる現象と捉えられ、偏光によって有効屈折率が変化するためと考えられる。そのとき、それぞれの偏光の透過率スペクトルに合わせた２つの周波数の光を入射させることによって、共振器構造の内部で光電場が増強され、強い差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）を生じさせることができる。生じた差周波はテラヘルツ領域に達し、上記で述べたようにその変換効率も高い。なお、第１実施形態において入射光の強度がＭＷ／ｃｍ２オーダーでの連続光発生であることを考慮すれば、第１実施形態による変換効率は従来の技術（特に入射光の強度がＧＷ／ｃｍ２オーダーの場合）に比べて非常に優れているといえる。更に、入射角度θとともに差周波の周波数も変化するため（図８、図１２、図１６参照）、第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１は周波数可変のテラヘルツ光源として活用することが可能である。

また、単純共振器１２１の合計結晶長が８．０μｍであり、複合フォトニック結晶構造１２２の合計結晶長が６．９μｍであり、単純フォトニック結晶１２３の合計結晶長が１１．２６μｍであることからわかるように、第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１における共振器構造１２の結晶長は長くても数十μｍ程度である。したがって、装置全体の小型化が達成でき、第１実施形態のテラヘルツ光発生装置１は汎用性の高いテラヘルツ光源として適用されることができる。

また、第１実施形態では、レーザ発振部１０，１１が等角度で第１入射光および第２入射光を共振器構造１２に入射し、温度調節器１３が共振器構造１２に温度調節を施している。これにより、ｓ偏光の共振周波数およびｐ偏光の共振周波数が制御され、両方の共振周波数のうち何れか一方が一定となるように制御される。また、温度調節は比較的容易な制御手法といえるので、装置構成の利便性を向上させることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態の構成例２と共通点が多く、差異点としては、反射鏡におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の膜厚が異なることである。より具体的には、第２実施形態では、反射鏡におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比が、ＧａＡｓ層：ＡｌＡｓ層＝１：４である。これに対して、第１実施形態の構成例２では、反射鏡におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比が、ＧａＡｓ層：ＡｌＡｓ層＝１：１である。以下、第１実施形態の構成例２との共通点についてはなるべく説明を省略し、差異点を中心に説明する。

すなわち、第１実施形態の構成例２におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比は、以下の通りである。なお、有効膜厚は、膜厚に屈折率を乗じた値である。
１．ＤＢＲ部分において
ＧａＡｓ層の有効膜厚＝７９．１８×３．３８２＝２６７．８
ＡｌＡｓ層の有効膜厚＝９２．４９×２．８９５＝２６７．８
ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比＝２６７．８：２６７．８＝１：１
２．フォトニック結晶部分において
ＧａＡｓ層の有効膜厚＝７２．５３×３．３８２＝２４５．３
ＡｌＡｓ層の有効膜厚＝８４．７２×２．８９５＝２４５．３
ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比＝２４５．３：２４５．３＝１：１

一方で、第２実施形態では、図１の共振器構造１２として第１実施形態の構成例２と同様に複合フォトニック結晶構造を採用しているが、ＤＢＲ部分における膜厚が異なる。図１９は、第２実施形態の複合フォトニック結晶構造１２４の概念図である。図１９に示されるように、複合フォトニック結晶構造１２４は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡（ＤＢＲ）を備えた構造を有する。

複合フォトニック結晶構造１２４におけるパラメータをまとめると以下の通りである。
１．ＤＢＲにおけるＧａＡｓ層について、
膜厚：３１．００ｎｍ
層数：３０層
屈折率：３．３８２（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
２．ＤＢＲにおけるＡｌＡｓ層について、
膜厚：１４５．００ｎｍ
層数：３０層
屈折率：２．８９５（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
３．フォトニック結晶におけるＧａＡｓ層について、
膜厚：７４．５０ｎｍ
層数：４５層
屈折率：３．３８２（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
４．フォトニック結晶におけるＡｌＡｓ層について、
膜厚：８７．００ｎｍ
層数：４４層
屈折率：２．８９５（波長：１０６４ｎｍ、温度：２００Ｋ）
５．ＤＢＲにおける周期数：前後それぞれ３０周期ずつ、合計６０周期
６．合計結晶長：１７７４０．５ｎｍ

したがって、第２実施形態におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比は、以下の通りである。
１．ＤＢＲ部分において
ＧａＡｓ層の有効膜厚＝３１．００×３．３８２＝１０４．８
ＡｌＡｓ層の有効膜厚＝１４５．００×２．８９５＝４１９．８
ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比＝１０４．８：４１９．８＝１：４
２．フォトニック結晶部分において
ＧａＡｓ層の有効膜厚＝７４．５０×３．３８２＝２５２．０
ＡｌＡｓ層の有効膜厚＝８７．００×２．８９５＝２５１．９
ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比＝２５２．０：２５１．９＝１：１

以上で示したように、第２実施形態では、フォトニック結晶部分においてはＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚が一致しているものの、ＤＢＲ部分におけるＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚は比率１：４で異なる。

ＧａＡｓ層の有効膜厚とＡｌＡｓ層の有効膜厚を異ならせることで、つまりＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の有効膜厚の比率を異ならせることで、ｐ偏光の透過ピークとｓ偏光の透過ピークの周波数差Δω（図４、５におけるＺ１、Ｚ２に相当）を変えることができる。図２０はこれを示しており、同図（Ａ）の横軸のＸは有効膜厚の比率を示し、縦軸はΔωを示す。なお、Ｘは以下の数式で表現される値である。
Ｘ＝ＡｌＡｓ層の有効膜厚／（ＧａＡｓ層の有効膜厚＋ＡｌＡｓ層の有効膜厚）

図２０（Ａ）で示されるように、有効膜厚の比率が１：１であるＸ＝０．５の場合（同図（Ｂ）、第１実施形態の構成例２の場合）には、大きい値（１．０７ＴＨｚ）の差周波が得られ、有効膜厚の比率が１：４であるＸ＝０．８の場合（同図（Ｃ）、第２実施形態）には、小さい値（０．３ＴＨｚ）の差周波が得られる。なお、図２０（Ｂ）、（Ｃ）において、グラフＧ７、９はｓ偏光の透過率スペクトルを示し、グラフＧ８、１０はｐ偏光の透過率スペクトルを示す。なお、図２０において、Ｘは有効膜厚の比を示しているが、屈折率を乗じない膜厚の比でも同じようなΔωの挙動を示すので、以下の説明においては、有効膜厚の比を単に膜厚比と記載する。

図２１は、第１実施形態の構成例２の場合と第２実施形態の場合とで、透過率スペクトルの違いを説明するための図である。同図（Ａ）は第１実施形態の構成例２の場合を示し、同図（Ｂ）は第２実施形態の場合を示す。どちらもフォトニック結晶（ＰＣ）は、１：１の膜厚比で構成し、Δωは最大のものを使用している。しかし、ＤＢＲにおいては、同図（Ａ）の第１実施形態の構成例２の場合は１：１の膜厚比であり、同図（Ｂ）の第２実施形態では、例えば１：４など、一方が厚いものを使用している。なお、同図において、Ｇ１１、１３、１５、１７、１９、２１はｓ偏光の透過率スペクトルを示し、グラフＧ１２、１４、１６、１８、２０、２２はｐ偏光の透過率スペクトルを示す。

同図（Ａ）に示す第１実施形態の構成例２の場合では、ｐ偏光のＰＣピーク波長ｗ１でＤＢＲが高反射率であり（ｐ偏光のＰＣピーク波長ｗ１がグラフＧ１４の凹部の中心部に対応、つまりフォトニックバンドギャップの中心部に対応）、且つｓ偏光のＰＣピーク波長ｗ２でもＤＢＲが高反射率であり（ｓ偏光のＰＣピーク波長ｗ２がグラフＧ１３の凹部の中心部に対応、つまりフォトニックバンドギャップの中心部に対応）、ｐ偏光およびｓ偏光ともに同程度の反射率をもつＤＢＲとなっている。一方で、同図（Ｂ）に示す第２実施形態の場合では、ｐ偏光のＰＣピーク波長ｗ３でＤＢＲが高反射率であり（ｐ偏光のＰＣピーク波長ｗ３がグラフＧ２０の凹部の中心部に対応、つまりフォトニックバンドギャップの中心部に対応）、且つｓ偏光のＰＣピーク波長ｗ４ではＤＢＲが低反射率であり（ｓ偏光のＰＣピーク波長ｗ４がグラフＧ１９の凹部の中心部に対応しない、つまりフォトニックバンドギャップの中心部に対応しない）、ｐ偏光のみ閉じ込め効果が高いＤＢＲとなっている。結果として、複合フォトニック結晶にすると、同図（Ａ）の第１実施形態の構成例２の場合では、同図（Ａ）の最下段に示すように、ｐ偏光の半値幅ｈ１、およびｓ偏光の半値幅ｈ２の差|ｈ１−ｈ２|が大きい一方、同図（Ｂ）の第２実施形態の場合では、同図（Ｂ）の最下段に示すように、ｐ偏光の半値幅ｈ３、およびｓ偏光の半値幅ｈ４の差|ｈ３−ｈ４|が小さい。なお、半値幅（full width at half maximum、FWHM）は、透過ピークのピーク値の０．５倍となる波長（周波数）の差を指す値である。

図２２は、第２実施形態において、低角度入射時と高角度入射時の動作を示した図である。同図（Ａ）は低角度入射時の場合を示し、同図（Ｂ）は高角度入射時の場合を示す。同図（Ａ）の低角度入射においては、ｐ、ｓ偏光ともにＰＣピーク波長（ｗ５、ｗ６）がＤＢＲの高反射部分にあるので、ともに高反射率ＤＢＲとなっている。一方、同図（Ｂ）の高角度入射においては、ｐ偏光のＰＣピーク波長ｗ７に対するＤＢＲは高反射率、ｓ偏光のＰＣピーク波長ｗ８に対するＤＢＲは低反射率となっている。第１実施形態の構成例２では、角度が大きくなるにつれて、ｐ偏光の閉じ込め効果の減少とｓ偏光の閉じ込め効果の増加が生じる可能性があり、ｓ偏光しか上手く利用できないおそれがあったが、第２実施形態では、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層の膜厚比に調整を加えたことで、角度が大きくなっても、適切な半値幅を保つことができ、結果として、低角度においても高角度においてもちょうどいい半値幅を保つことができる。なお、同図において、Ｇ２３、２５、２７、２９、３１、３３はｓ偏光の透過率スペクトルを示し、グラフＧ２４、２６、２８、３０、３２、３４はｐ偏光の透過率スペクトルを示す。

このような構造の複合フォトニック結晶構造１２４を備えたテラヘルツ光発生装置１を用いて所望のテラヘルツ領域の出力光を発生させる手順は、図７のフローチャートに示した通りである。最初に、用途に応じて発生させたいテラヘルツ波の周波数を決定する（ステップＳ１）。次に、共振器構造１２の種類を決定する（ステップＳ２）。本実施形態においては複合フォトニック結晶構造１２４が決定されたとする。

次に、発生させたいテラヘルツ波の周波数に応じて、ｓ偏光状態の第１入射光（シグナル光）およびｐ偏光状態の第２入射光（ポンプ光）の入射角度θを決定する（ステップＳ３）。入射角度θは発生させたい光の周波数によって決定されるものであり、図２３は複合フォトニック結晶構造１２４が共振器構造として決定された場合に、入射角度θと発生させたい光の周波数の関係を示す。図２３に示されるように、例えば１．２ＴＨｚの光を発生させたい場合には、入射角度θを４０°と決定することができる。なお、第２実施形態では、入射角度が大きくなるにつれて、ｐ偏光の透過率スペクトルとｓ偏光の透過率スペクトルの差（Δω）が大きくなるので、その分発生周波数も大きくなる。

図７に戻り、次の手順として、ポンプ光の周波数および強度、シグナル光の周波数および強度、そして複合フォトニック結晶構造１２４の温度を決定する（ステップＳ４）。上記例のように、例えば１．２ＴＨｚの光を発生させたい場合に、ポンプ光の周波数を約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保ち、その強度は１ＭＷ／ｃｍ２と決定する。なお、変換効率を考慮すると、できれば高い強度の方が望ましい。また、シグナル光の周波数は２８１．９５ＴＨｚ−差周波（発生させたい光の周波数）で決定することが出来るため、約２８０．８５ＴＨｚと決定する。シグナル光の強度については、ポンプ光の強度と同程度か、それ以下の強度とする。また、複合フォトニック結晶構造１２４の温度は、図２４に示されるように、例えば１．２ＴＨｚの光を発生させるために入射角度θを４０°と決定した場合に、絶対温度として２９０Ｋと決定することができる。温度調節によりポンプ光の周波数が上記の約２８１．９５ＴＨｚ（波長：１０６４ｎｍ）として一定に保たれる。なお、第２実施形態では、入射角度が大きくなるにつれて透過率スペクトルのシフトが大きくなるので、その分試料温度を変える必要がある。

以上により、所望の１．２ＴＨｚの光が発生される。図２５は、このときの変換効率を示す。図２５に示されるように、入射角度θを４０°とし、且つ２９０Ｋで複合フォトニック結晶構造１２４を温度調節した場合に、そのときの変換効率は１．８ｅ‐００３％である。図１４に示した第１実施形態の構成例２の結果と比較すると、２桁以上の変換効率の向上が達成されていることが分かる。図２６は、第１実施形態の構成例２における変換効率と、第２実施形態のそれを比較して示すための図である。グラフＧ３５は第１実施形態の構成例２における変換効率を示し、グラフＧ３６は第２実施形態における変換効率を示す。全ての入射角度において、第２実施形態の変換効率が第１実施形態の構成例２のそれより高いことが分かる。なお、表示上の便宜のため、図２６ではｌｏｇスケールで変換効率を示している。

図２７は、第１実施形態の構成例２における半値幅と、第２実施形態のそれを比較して示すための図である。グラフＧ３７は第１実施形態の構成例２におけるｐ偏光の半値幅を示し、グラフＧ３８は第１実施形態の構成例２におけるｓ偏光の半値幅を示し、グラフＧ３９は第２実施形態におけるｐ偏光の半値幅を示し、グラフＧ４０は第２実施形態におけるｓ偏光の半値幅を示す。グラフＧ３９および４０で示される第２実施形態の場合は、両偏光とも、理想の半値幅としている０．０１［ｎｍ］近くで、最大でも０．０５５［ｎｍ］である。一方、グラフＧ３７および３８で示される第１実施形態の構成例２の場合は、ｓ偏光の半値幅が０．０１［ｎｍ］となるのは入射角度７０°付近であるが、この場合のｐ偏光の半値幅は０．３５［ｎｍ］まで増加している。

図２８は、図２７の半値幅比較を表示の便宜上ｌｏｇスケールで表示した図である。図２７と対応させるために、グラフの符号を同じ数字としている。図２８で示すように、第１実施形態の構成例２の場合は、入射角度が大きくなるにつれ、ｐ偏光とｓ偏光の半値幅の差が大きくなっていく（グラフＧ３７’およびＧ３８’参照）。一方で、第２実施形態の場合は、入射角度が大きくなっても、ｐ偏光とｓ偏光の半値幅の差が小さい（グラフＧ３９’およびＧ４０’参照）。このように、半値幅の差が一定であることにより、より高角度でもｐ偏光、ｓ偏光ともに結晶内部に入射することが可能となり、テラヘルツ波発生に寄与することが出来る。更に、ｐ偏光とｓ偏光の半値幅が小さいことから、結晶内部の電場増強効果が高く、変換効率の上昇が望める。

図２９は、第２実施形態と、他の技術との性能比較を示すための図である。図２９における比較対象の他の技術は、例えばＧａＡｓ疑似位相整合の場合は下記の参考文献２に記載されている技術をいう。また、例えばＧａＰ疑似位相整合の場合は下記の参考文献３に記載されている技術をいう。なお、下記の参考文献２および３の例は、最近の論文の中でも最も変換効率の高いものの例示である。
＜参考文献２＞ Joseph E. Schaar,et al. “Terahertz Sources Basedon Intracavity Parametric Down-conversion in Quasi-Phase-Matched GarlliumArsenide,” IEEE Jounal Topics InQuantum Electronics, vol. 14, No. 2, 2008
＜参考文献３＞ Eliot B.Petersen, et al. “Efficientparametric terahertz generation in quasi-phase-matched GaP through cavityenhanced difference-frequency genaration,” Appl. Phys. Lett. 98, 121119, 2011

参考文献２および３の技術と、第２実施形態を比較すると、変換効率および出力強度では第２実施形態の方が確かに劣っている。しかし、ここで注目すべき点は、参考文献２および３の技術ではパルス応答における変換効率および出力強度であり、第２実施形態では連続光源における変換効率および出力強度であることである。一般的に変換効率はパルス応答の方が連続光源に比べて強くなる傾向にあるので、第２実施形態における変換効率および出力強度が参考文献２および３の技術におけるそれらに比べて、単純に劣っているとは言い難い。また、参考文献２および３の技術においては、連続光源における変換効率および出力強度が計算できない点にも注目すべきである。これに対して、第２実施形態では、市場でよりニーズが高い連続光源に対する変換効率および出力強度が計算できている。

現在、連続光源に対する論文自体があまりないため、敢えて連続光源との比較を行うならカスケードレーザとの比較になる。しかし、下記の参考文献４に示されるように、カスケードレーザは、常温の場合、出力強度が３００ｎＷ程度で、周波数を可変しているとは言い難い。つまり、第２実施形態で達成できている出力強度向上および周波数可変の効果をカスケードレーザでは期待できない。しかも、上記の非特許文献４に示されるように、最も重要と言われている０．５~３ＴＨｚの領域を、カスケードレーザでは例えば１０Ｋの低温化でしか高強度出力できないという問題点がある。これに対して、第２実施形態では、低温状態でしか動作できないといった制限はない。
＜参考文献４＞ Mikhail A.Belkin, et al. “Room temperature terahertz quantum cascade laser source basedon intracavity difference-frequency generation,” Appl. Phys. Lett. 92, 201101,2008

また、参考文献２および３における結晶自体はどちらも6mm程度であるが、共振器をつけることで変換効率を上げているので、共振器の大きさを素子長としている。一方で、第２実施形態では、結晶自体が共振器のようなものなので、光学系が小さくなることが期待できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明が上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、テラヘルツ領域の光の発生を一例としているが、本発明の思想はこれに限定されることなく、テラヘルツ以外の領域の光の発生にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態においては、レーザ発振部１０，１１が等角度で第１入射光および第２入射光を共振器構造１２に入射しているが、これに限らず、第１入射光の入射角度と第２入射光の入射角度とが異なっていてもかまわない。入射角度を異ならせることにより、ｓ偏光およびｐ偏光の共振周波数を異ならせることができ、結果的に出力光の周波数を変化させることができる。

また、上記実施形態においては、共振器構造１２の例として、単純共振器１２１、複合フォトニック結晶構造１２２、および単純フォトニック結晶１２３を挙げているが、これに限らず、例えば非特許文献３に記載の２重共振器も本発明の方式を当てはまることが出来る構造である。

また、上記実施形態においては、説明の便宜上、共振器構造１２の材料をＧａＡｓやＡｌＡｓに限定しているが、これに限らず、例えばＺｎＴｅ−ＭｇＴｅ、ＭｇＳｅ−ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ−ＭｇＴｅ、ＩｎＧａＰ/ＧａＡｓ、ＧａＡｓ/ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ/Ｇｅ、ＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ等、一般に多層構造作製のため格子整合出来る材料で、反転対称性が破れた結晶構造を有する物質であれば良い。

また、上記実施形態においては、説明の便宜上、第１入射光がｓ偏光状態であり、且つ第２入射光がｐ偏光状態であることとしているが、これに限らず、例えば、第１入射光がｐ偏光状態であり、且つ第２入射光がｓ偏光状態であっても良い。

ここで、本実施形態における光学系について、より詳細に説明する。なお、以下の内容は第１実施形態および第２実施形態に共通する内容である。すなわち、図１に示したような光学系を例えば図３０に示すようにファイバを用いた光学系として構成することもできる。この光学系では、図１のミラー１４およびレンズ１５の代わりに、偏波保持ファイバ１６およびファイバアレイ１７を備えて構成される。この場合の装置構成例としては、例えばレーザ発振部１０，１１におけるレーザ光源は、ＴＯＰＴＩＣＡ社のＴＡ ｐｒｏという製品を用いることができる。この場合の発生波長域は１０３５〜１０８５ｎｍであり、発生強度は１０００ｍＷであり、線幅は０．１〜１ＭＨｚ（ｔｙｐｉｃａｌ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ．、，５μｓ）である。または、同製品において、１０６０〜１０８３ｎｍの発生波長域、２０００ｍＷの発生強度、０．１〜１ＭＨｚ（ｔｙｐｉｃａｌ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ．、，５μｓ）の線幅を有するものを用いても良い。更に、Ｎｏｖａ Ｗａｖｅ社の製品として、発生波長域１０６４ｎｍ、発生強度２０００ｍＷ、線幅１００ｋＨｚ未満の製品であるＳＦＬ−ＰＭを用いても良い。また、偏波保持ファイバ１６およびファイバアレイ１７に対しては、１０６０〜１０８０ｎｍ波長域のものを用い、ｐ偏光ｓ偏光を同時伝送できる偏波保持ファイバを用いても良い。

また、図１に示したような光学系を例えば図３１に示すように偏光ビームスプリッタを用いた光学系として構成することもできる。この光学系では、図１のミラー１４の代わりに、偏光ビームスプリッタ１８を備えて構成される。この場合の装置構成例としては、例えばレーザ発振部１０，１１におけるレーザ光源は、上記のファイバを用いた光学系で用いたものと同じものを用いることができる。また、偏光ビームスプリッタ１８としては、シグマ光機社のＰＢＳ−ＨＰシリーズ、またはＮｅｗｐｏｒｔ社の０５ＢＣ１５ＰＨ.９を用いることができる。また、レンズ１５としては、シグマ光機社のＮＹＴＬシリーズまたはＮＹＤＬシリーズを用いることができる。

１…テラヘルツ光発生装置、１０，１１…レーザ発振部、１２…共振器構造、１２ａ…共振器構造１２における主面、１３…温度調節器、１４…ミラー、１５…レンズ、１６…偏波保持ファイバ、１７…ファイバアレイ、１８…偏光ビームスプリッタ、１２１…単純共振器、１２２，１２４…複合フォトニック結晶構造、１２３…単純フォトニック結晶。

本発明は、所望の周波数を有する光を効率良く発生させることが可能な光発生装置および光発生方法を提供する。

Claims (12)

1. 入射光を増強して出力する共振器構造と、
   前記入射光を前記共振器構造に入力する入力部と、
   を備え、
   前記入射光は、異なる偏光状態および異なる周波数を有する第１入射光および第２入射光であり、
   前記入力部は、前記共振器構造における主面に垂直の方向から傾斜した角度で、前記第１入射光および前記第２入射光を入力し、
   前記共振器構造は、前記第１入射光の周波数と前記第２入射光の周波数との差分に相当する周波数を有する光を出力する、
   を備えることを特徴とする光発生装置。
2. 前記第１入射光がｓ偏光状態であり且つ前記第２入射光がｐ偏光状態である、または前記第１入射光がｐ偏光状態であり且つ前記第２入射光がｓ偏光状態である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光発生装置。
3. 前記ｓ偏光状態の入射光の周波数は、前記入力部の当該傾斜角度に応じたｓ偏光の共振周波数であり、
   前記ｐ偏光状態の入射光の周波数は、前記入力部の当該傾斜角度に応じたｐ偏光の共振周波数である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光発生装置。
4. 前記共振器構造の温度を調節することにより、前記ｓ偏光の共振周波数および前記ｐ偏光の共振周波数を制御する温度調節部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光発生装置。
5. 前記共振器構造は、ＧａＡｓ層からなる欠陥層と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡を備えた単純共振器構造である、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光発生装置。
6. 前記共振器構造は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶と、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層の積層からなる反射鏡を備えた複合フォトニック結晶構造である、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光発生装置。
7. 前記反射鏡における前記ＧａＡｓ層および前記ＡｌＡｓ層の膜厚が異なる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の光発生装置。
8. 前記フォトニック結晶における前記ＧａＡｓ層および前記ＡｌＡｓ層の有効膜厚の比は、前記ＧａＡｓ層：前記ＡｌＡｓ層＝１：１であり、前記反射鏡における前記ＧａＡｓ層および前記ＡｌＡｓ層の有効膜厚の比は、前記ＧａＡｓ層：前記ＡｌＡｓ層＝１：４であり、前記フォトニック結晶と前記反射鏡で有効膜厚の比が異なることを特徴とする請求項７に記載の光発生装置。
9. 前記共振器構造は、ＧａＡｓ層からなる活性層およびＡｌＡｓ層からなる非活性層の積層からなるフォトニック結晶を備えた単純フォトニック結晶構造である、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光発生装置。
10. 前記共振器構造は、前記入力部が前記傾斜した角度で前記第１入射光および前記第２入射光を入力したことにより、構造性複屈折が引き起こされ、その結果として異なる値を有するようになった前記ｓ偏光の共振周波数および前記ｐ偏光の共振周波数の差分に相当する周波数を有する光を出力する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の光発生装置。
11. 入射光を増強して出力する共振器構造と、前記入射光を前記共振器構造に入力する入力部と、を備える光発生装置において、
    前記入射光は、異なる偏光状態および異なる周波数を有する第１入射光および第２入射光であり、
    前記入力部が、前記共振器構造における主面に垂直の方向から傾斜した角度で、前記第１入射光および前記第２入射光を入力するステップと、
    前記共振器構造が、前記第１入射光の周波数と前記第２入射光の周波数との差分に相当する周波数を有する光を出力するステップと、
    を備えることを特徴とする光発生方法。
12. 前記第１入射光がｓ偏光状態であり且つ前記第２入射光がｐ偏光状態であり、または前記第１入射光がｐ偏光状態であり且つ前記第２入射光がｓ偏光状態であり、
    前記ｓ偏光状態の入射光の周波数は、前記入力部の当該傾斜角度に応じたｓ偏光の共振周波数であり、
    前記ｐ偏光状態の入射光の周波数は、前記入力部の当該傾斜角度に応じたｐ偏光の共振周波数であり、
    前記光発生装置は温度調節部を更に備え、
    前記温度調節部が、前記共振器構造の温度を調節することにより、前記ｓ偏光の共振周波数および前記ｐ偏光の共振周波数を制御するステップを更に備える、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光発生方法。

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