JP2000162656A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光学デバイスの分野
に関する。より具体的には、本発明は所与の周波数の若
しくは周波数バンド内の放射ビームを発生させるために
使用される光学デバイスに関する。[0001] The present invention relates to the field of optical devices. More specifically, the present invention relates to optical devices used to generate a radiation beam at a given frequency or within a frequency band.
【０００２】[0002]
【従来の技術】幾つかの商業的に重要な波長バンドにお
いて電磁放射光線を生成する上で困難さが生じる。例え
ば、それ等の範囲は、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数範囲
（１００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚ）、近及び中赤外（波長＝
１０００〜５０００ｎｍ）及び青／紫外（波長４００〜
４５０ｎｍ）である。BACKGROUND OF THE INVENTION Difficulties arise in producing electromagnetic radiation in some commercially important wavelength bands. For example, those ranges include the terahertz (THz) frequency range (100 GHz to 20 THz), near and mid-infrared (wavelength =
1000-5000 nm) and blue / ultraviolet (wavelength 400-
450 nm).
【０００３】このような周波数を生成する可能な方法
は、非線形光学効果を使用することである。入射放射光
線により誘発される材料内の偏光Ｐは、材料を励起する
電界Ｅに関連して、べき級数として次のように表現可能
となる。 Ｐ＝χ1 Ｅ ＋χ2 Ｅ2 ＋χ3 Ｅ3 …… （１） 通常、高次の項は無視できるほど小さいと仮定され、Ｐ
∝Ｅという関係が使用される。この近似は大きなＥには
適用されない。非線形光学はこれらの高次の項に関係す
る。[0003] A possible way to generate such frequencies is to use nonlinear optical effects. The polarization P in the material induced by the incident radiation can be expressed as a power series in relation to the electric field E that excites the material: P = χ 1 E + χ 2 E 2 + χ 3 E 3 (1) Normally, it is assumed that higher-order terms are so small that they can be ignored.
The relationship ∝E is used. This approximation does not apply to large Es. Nonlinear optics involves these higher order terms.
【０００４】もし、材料が２つの異なる周波数で照射さ
れると、入力周波数の和（和周波発生として知られ
る）、入力周波数の差（差周波発生として知られる）で
ある周波数を材料が出射することを第２次項が可能とす
る。第２次感受性はまた、材料が単一入力周波数で照射
された時、異なる光学周波数の発生をもたらす。例え
ば、第２高調波発生が自己和発生からもたらされる。光
学パラメトリック変換において、２つの周波数が入力周
波数から発生される。If a material is irradiated at two different frequencies, the material emits a frequency that is the sum of the input frequencies (known as sum frequency generation) and the difference between the input frequencies (known as difference frequency generation). The second order allows this. Secondary sensitivity also results in the generation of different optical frequencies when the material is irradiated at a single input frequency. For example, second harmonic generation results from self-sum generation. In an optical parametric transformation, two frequencies are generated from an input frequency.
【０００５】更に、第３次項χ3 Ｅ3 もまた、第３高調
波周波数及び他の第３次項を生成するように励起可能と
なる。In addition, the third order term 次3 E 3 can also be excited to produce a third harmonic frequency and other third order terms.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】このような構造におい
て生じるこの問題は、望ましい周波数の出射放射光線を
効率的に得るため、入射放射光線により誘発される偏光
の位相が、望ましい出射放射光線の位相とできるだけ近
づくように整合する必要があることである。The problem which arises in such a structure is that the phase of the polarization induced by the incident radiation must be such that the desired phase of the output radiation can be efficiently obtained. Must be matched as close as possible.
【０００７】この位相整合問題はまた、第２周波数のビ
ームによって起こる第１周波数の参照ビームの変化が第
２周波数のビームの測定に使用される、特定な型式の検
出器においても生じる。This phase matching problem also occurs in certain types of detectors where the change in the first frequency reference beam caused by the second frequency beam is used to measure the second frequency beam.
【０００８】ある材料は、複屈折特性による位相整合を
先天的にある程度有し、従って、同材料の少なくもある
長さに亘って位相整合が達成可能となる。しかし、位相
整合をある程度可能とし、従って、材料を周波数コンバ
ータとして完全に実現可能にする複屈折若しくは他の特
性を有し且つ大きな光学非線形性を伴う材料は存在しな
い。Certain materials inherently have some degree of phase matching due to their birefringent properties, so that phase matching can be achieved over at least some length of the material. However, there are no materials with birefringence or other properties and with large optical non-linearities that allow some degree of phase matching and thus make the material fully feasible as a frequency converter.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は上述の問題に対
処し、以下の構成を有する光学デバイスを提供する。即
ち、本発明に係る光学デバイスは光学変調領域を具備
し、前記光学変調領域は、少なくとも１つの入射放射光
線ビームによる照射に応答して前記光学変調領域内を伝
播する、少なくとも２つの異なる周波数の信号の間の位
相整合を増強するための位相整合手段を具備し、前記位
相整合手段は、前記入射放射光線ビームのある方向成分
に沿ってその屈折率において空間的変化を有し、少なく
とも２つの異なる周波数の信号が同位相を維持する前記
変調領域内の距離を最大とするように構成される。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention addresses the above problems and provides an optical device having the following configuration. That is, an optical device according to the present invention comprises an optical modulation region, wherein the optical modulation region propagates in the optical modulation region in response to illumination by at least one incident radiation beam of at least two different frequencies. Phase-matching means for enhancing phase matching between signals, said phase-matching means having a spatial change in its index of refraction along a directional component of said incident radiation beam, and at least two Signals of different frequencies are configured to maximize the distance within the modulation region that maintains the same phase.
【００１０】上述の構成をより明確にすると、前記入射
放射光線ビームのある成分はビームの方向成分である。To make the above arrangement clearer, certain components of the incident radiation beam are directional components of the beam.
【００１１】もし本発明が周波数変換のために使用され
ると、前記光学変調領域は、望ましくは、前記少なくと
も１つの入射放射光線ビームによる照射に応答して出射
放射光線周波数のビームを出射するための周波数変換手
段を具備し、前記位相整合手段は、前記若しくは別の入
射ビーム及び前記出射ビームにより発生される偏光間の
位相整合を増強する。前記出射ビームは前記入射ビーム
と異なる周波数を有する。If the present invention is used for frequency conversion, the optical modulation region preferably emits a beam at an outgoing radiation beam frequency in response to irradiation by the at least one incoming radiation beam. Wherein said phase matching means enhances the phase matching between the polarizations generated by said or another incoming beam and said outgoing beam. The outgoing beam has a different frequency than the incoming beam.
【００１２】前記入力放射光線の周波数を変換するた
め、多くの可能な機構が存在する。There are many possible mechanisms for converting the frequency of the input radiation.
【００１３】新たな周波数が、いわゆる和若しくは差周
波発生により、２つ以上の周波数の入射放射光線から発
生されることが可能となる。[0013] New frequencies can be generated from incident radiation rays of two or more frequencies by so-called sum or difference frequency generation.
【００１４】前記光学デバイスは、２つの周波数成分を
有する放射光線で照射されるか、或いは異なる周波数の
２つの放射光線ビームにより照射される。The optical device is illuminated with a radiation beam having two frequency components, or is illuminated by two radiation beam beams having different frequencies.
【００１５】パルスレーザにより得られるより高い電界
は、非線形性を起こしやすく、偏光の項の（漸進的に小
さくなる）非線形性にアクセスすることを可能とする。The higher electric fields provided by pulsed lasers are prone to nonlinearities and allow access to the (gradually smaller) nonlinearity of the polarization term.
【００１６】単一のパルスレーザで異なる２つの入射周
波数を発生させることが望ましい。また、パルスレーザ
により生成される放射光線パルスは、広範囲に亘る和若
しくは差周波発生にとって理想的である、多数の異なる
周波数を本質的に含む。It is desirable to generate two different incident frequencies with a single pulsed laser. Also, the emitted light pulses generated by the pulsed laser inherently contain a number of different frequencies that are ideal for wide range sum or difference frequency generation.
【００１７】しかし、本発明により達成可能な位相整合
の増強により、相対的に低い電界も使用可能で、従っ
て、２つの周波数は、異なる周波数で駆動される２つの
ＣＷレーザにより提供可能となる。これ等は、パルスシ
ステムのような高い電界を提供しない連続的なビームを
提供するが、非線形効果を依然ＣＷレーザにより起こす
ことが可能である。ＣＷレーザはまた、パルスレーザに
比べて、現在のところ、より遍在し且つ商業的に入手可
能であるという利点を有する。However, due to the enhanced phase matching achievable by the present invention, relatively low electric fields can also be used, and thus the two frequencies can be provided by two CW lasers driven at different frequencies. These provide continuous beams that do not provide high electric fields such as pulsed systems, but nonlinear effects can still be caused by CW lasers. CW lasers also have the advantage that they are currently more ubiquitous and commercially available than pulsed lasers.
【００１８】入射放射光線は、材料の第２次非線形性を
介して、時間依存性の偏光を発生させる。この機構の単
純化された見方は、スプリング上にある材料内の電子を
想像することである。入射放射光線は、入射周波数、そ
れ等の和及び差に対応する周波数で電子を振動させる。The incident radiation ray produces a time-dependent polarization through the second-order nonlinearity of the material. A simplified view of this mechanism is to imagine the electrons in the material on the spring. The incident radiation causes the electrons to oscillate at a frequency corresponding to the incident frequency, their sum and difference.
【００１９】どの周波数が出射されるかは、基本周波数
における材料の非線形係数と、和／差周波数における発
生／変換放射光線と非線形偏光との間の位相整合と、に
依存する。Which frequency is emitted depends on the nonlinear coefficient of the material at the fundamental frequency and the phase matching between the generated / converted radiation and the nonlinear polarization at the sum / difference frequencies.
【００２０】和周波発生において、位相整合条件は次式
で与えられる。 Δｋ＝ｋ（ω1 ）＋ｋ（ω2 ）−ｋ（ω3 ）＝０ ここで、ω1 ＋ω2 ＝ω3 であり、またｋ（ω）は周波
数ωにおける材料内の光のｋ（波数）ベクトルである。In sum frequency generation, the phase matching condition is given by the following equation. Δk = k (ω 1 ) + k (ω 2 ) −k (ω 3 ) = 0 where ω 1 + ω 2 = ω 3 , and k (ω) is the k (wave number) of light in the material at the frequency ω ) Vector.
【００２１】差周波発生において、位相整合条件は次式
で与えられる。In the difference frequency generation, the phase matching condition is given by the following equation.
【００２２】 Δｋ＝ｋ（ω1 ）−ｋ（ω2 ）−ｋ（ω3 ）＝０ ここで、ω1 −ω2 ＝ω3 である。Δk = k (ω 1 ) −k (ω 2 ) −k (ω 3 ) = 0 Here, ω 1 −ω 2 = ω 3 .
【００２３】Ｎ次高調波発生において、位相整合条件は
次式で与えられる。 Δｋ＝Ｎｋ（ω1 ）−ｋ（ω2 ）＝０ ここで、Ｎω1 ＝ω2 である。In the Nth harmonic generation, the phase matching condition is given by the following equation. Δk = Nk (ω 1 ) −k (ω 2 ) = 0 Here, Nω 1 = ω 2 .
【００２４】光学パラメトリック発生において、位相整
合条件は次式で与えられる。 Δｋ＝ｋ（ω1 ）−ｋ（ω2 ）−ｋ（ω3 ）＝０ ここで、ω1 ＝ω2 ＋ω3 である。In optical parametric generation, the phase matching condition is given by the following equation. Δk = k (ω 1 ) −k (ω 2 ) −k (ω 3 ) = 0 Here, ω 1 = ω 2 + ω 3 .
【００２５】発生された電界が駆動電界に対して位相外
となる距離として考えることができるコヒーレンス長は
次式のように定義される。 ｌc ＝２／Δｋ 材料の屈折率ｎはｎ＝ｋｃ／ωで定義され、ここで、ｃ
は真空中における光の速度である。多くの非線形材料の
屈折率は周波数ωと共に変化するため、コヒーレント長
は典型的にはほんの数ミクロンである。本発明は、位相
整合条件Δｋ＝０を満足するため、分散即ちωに伴うｎ
の変化を変更する。The coherence length, which can be considered as the distance where the generated electric field is out of phase with respect to the driving electric field, is defined as follows. lc = 2 / Δk The refractive index n of the material is defined as n = kc / ω, where c
Is the speed of light in a vacuum. The coherent length is typically only a few microns because the index of refraction of many nonlinear materials changes with frequency ω. The present invention satisfies the phase matching condition Δk = 0, so that n
Change the change.
【００２６】差周波発生の技術を使用し、周波数ωTHz
のＴＨｚ放射光線が、２つの可視放射光線周波数ωopt
から発生される場合を考える。入射放射光線の周波数間
の差からＴＨｚ放射光線を発生させるための位相整合は
次式で与えられる。 Δｋ＝ｋ（ωopt ＋ωTHz ）−ｋ（ωopt ）−ｋ（ω
THz ）＝０ 光誘起非線形偏光と、発生ＴＨｚ電界とが同一位相内に
ある距離の単位であるコヒーレント長ｌc は次式で定義
される。Using the technique of difference frequency generation, the frequency ω THz
THz radiation of two visible radiation frequencies ω opt
Consider the case where it is generated from The phase matching for generating a THz radiation beam from the difference between the frequencies of the incident radiation beams is given by: Δk = k (ω opt + ω THz ) −k (ω opt ) −k (ω
THz ) = 0 The coherent length lc, which is a unit of distance where the photo-induced nonlinear polarization and the generated THz electric field are in the same phase, is defined by the following equation.
【００２７】 ｌc ＝πｃ／（ωTHz ｜ηvis −ηTHz ｜） ここで、ηvis は可視周波数における材料の屈折率であ
り、ηTHz はＴＨｚ周波数における材料の屈折率であ
る。Lc = πc / (ω THz | η vis −η THz |) where η vis is the refractive index of the material at the visible frequency and η THz is the refractive index of the material at the T Hz frequency.
【００２８】従って、効率的なＴＨｚ発生のために必要
な長いコヒーレント長のためには、ηvis −ηTHz は小
さくなくてはならない。しかし、無機非線形光学材料は
大きな屈折率のミスマッチを有し、従って、ｌc は数ミ
クロンよりも大きくないであろう。Therefore, η vis -η THz must be small for the long coherent length required for efficient THz generation. However, inorganic nonlinear optical materials have a large refractive index mismatch, and therefore lc will not be greater than a few microns.
【００２９】本発明は、異なる周波数における屈折率の
この変化を減少させることにより位相整合を増強する。The present invention enhances phase matching by reducing this change in refractive index at different frequencies.
【００３０】同様に、変調領域は、式（１）における第
２次係数による２つの周波数の和がより効率的に出射さ
れるように構成可能となる。代わりに、第２高調波も選
択可能である。Similarly, the modulation area can be configured so that the sum of two frequencies based on the second order coefficient in the equation (1) is emitted more efficiently. Alternatively, the second harmonic can be selected.
【００３１】光学パラメトリック発生によっても稼動可
能である。この場合、光学デバイスは単一レーザで励起
される。Operation is also possible by optical parametric generation. In this case, the optical device is excited with a single laser.
【００３２】材料の非線形特性により、異なる周波数の
２つのビームが出射可能となるか、若しくは第２高調波
が出射可能となる。Due to the non-linear characteristics of the material, two beams of different frequencies can be emitted or the second harmonic can be emitted.
【００３３】２つの異なる周波数は運動量及びエネルギ
保存により入力周波数と関係する。The two different frequencies are related to the input frequency by momentum and energy conservation.
【００３４】上述のデバイスの入力光は１つ若しくは２
つのダイオードレーザからの放射光線により供給され
る。従って、レーザ及び光学デバイスは単一チップ上に
一体化可能となる。また、パルスレーザは周波数コンバ
ータと共に単一チップ上に一体化可能となる。The input light of the above device is one or two.
Provided by radiation from two diode lasers. Therefore, the laser and the optical device can be integrated on a single chip. Also, the pulse laser can be integrated with a frequency converter on a single chip.
【００３５】上述の位相整合原理は検出器にも適用可能
で、この場合、変調領域は、望ましくは、第２入力ビー
ムの照射に応答して第１入力ビームの偏光ベクトルを回
転させ、回転された偏光ベクトルのビームを出射するよ
うに構成される。The above-described phase matching principle is also applicable to detectors, in which case the modulation region preferably rotates the polarization vector of the first input beam in response to illumination of the second input beam. It is configured to emit a beam of the polarization vector.
【００３６】第１入力ビームは参照ビームとして考える
ことができ、第２ビームは検出されたビームである。検
出器へ入る前、参照ビーム及び検出ビームの偏光は、こ
れ等が互いに平行で且つ変調領域の通常光軸及び異常光
軸の両者に沿った成分を有するように、回転される。The first input beam can be considered as a reference beam, and the second beam is a detected beam. Prior to entering the detector, the polarizations of the reference beam and the detection beam are rotated such that they are parallel to each other and have components along both the normal and extraordinary optical axes of the modulation region.
【００３７】参照ビーム及び検出ビームは、望ましく
は、光学変調器に入る前に直線偏光される。しかし、こ
れらの一方若しくは両者は円偏光も可能である。The reference and detection beams are preferably linearly polarized before entering the optical modulator. However, one or both of them can also be circularly polarized.
【００３８】変調領域は、検出されたビーム（もし存在
すれば）が参照ビームの偏光をある角度回転させるよう
に構成される。もし検出ビームが存在しなければ、参照
ビームは、これが光学変調領域を通過する間、幾分楕円
に偏光する可能性がある。この効果を補償するため、変
調領域から出射されたビームは、望ましくは、光学修正
回路に通される。The modulation area is configured such that the detected beam (if present) rotates the polarization of the reference beam by an angle. If the detection beam is not present, the reference beam may be polarized somewhat elliptical while it passes through the optical modulation area. To compensate for this effect, the beam emitted from the modulation area is desirably passed through an optical correction circuit.
【００３９】望ましくは、光学修正回路は直線（若しく
は楕円）偏光ビームを円偏光ビームに変換する。Preferably, the optical correction circuit converts a linear (or elliptical) polarized beam into a circularly polarized beam.
【００４０】出射された直線（若しくは楕円）偏光ビー
ムは、望ましくは、１／４波長板により円偏光ビームに
変換される。望ましくは、この円偏光ビームは、次に、
円偏光放射光線を２つの直線成分に分割する偏光分波器
（例えばウォラストンプリズム）に導入される。もし検
出ビームが存在しないと、これ等の直性成分は等しい。
もし検出ビームが存在すると、これ等の直性成分は互い
に等しくない。The emitted linear (or elliptical) polarized beam is desirably converted into a circularly polarized beam by a quarter-wave plate. Desirably, this circularly polarized beam is then:
The light is introduced into a polarization splitter (eg, a Wollaston prism) that splits the circularly polarized radiation into two linear components. If no detection beam is present, these linear components are equal.
If a detection beam is present, these linear components are not equal to one another.
【００４１】望ましくは、プリズムからの２つの出力ビ
ームは、平衡化分割フォトダイオードアセンブリに入射
され、これは、２つのビーム間で大きさの相違がある場
合、非ゼロ出力信号を生成する。Preferably, the two output beams from the prism are incident on a balanced split photodiode assembly, which produces a non-zero output signal if there is a difference in magnitude between the two beams.
【００４２】代わりに、参照ビームは検出器へ入る前に
円偏光化が可能である。これは、参照ビームが検出器に
到達する前の参照ビームの通路に、１／４波長板を配設
することにより達成可能となる。検出されたビーム（も
し存在すれば）は、円偏光化された参照ビームを楕円偏
光ビームに変える。楕円偏光ビームは次に、上述のウォ
ラストンプリズム等により２つの成分に分離される。Alternatively, the reference beam can be circularly polarized before entering the detector. This can be achieved by placing a quarter-wave plate in the path of the reference beam before the reference beam reaches the detector. The detected beam (if present) converts the circularly polarized reference beam into an elliptically polarized beam. The elliptically polarized beam is then split into two components, such as by the Wollaston prism described above.
【００４３】本発明の光学デバイスは、従って、放射光
線の発生及び放射光線の検出の両者に使用可能となる。
従って、本発明を像形成のための光線源（ジェネレー
タ：周波数コンバータ型の）として使用すると共に、本
発明を画像情報を含む光を検出する検出器として使用す
ることにより、撮像システムが提供される。上述のジェ
ネレータ及び検出器のいずれかを、周波数変換検出器若
しくはジェネレータと夫々結合すると、撮像システムが
構成可能であることは自明である。The optical device of the present invention can therefore be used both for generating radiation and for detecting radiation.
Thus, by using the present invention as a light source (generator: frequency converter type) for image formation and using the present invention as a detector for detecting light containing image information, an imaging system is provided. . It is self-evident that an imaging system can be configured by combining any of the generators and detectors described above with a frequency conversion detector or generator, respectively.
【００４４】望ましくは、ビームはジェネレータのため
の入力と検出器のための参照ビームとを形成するために
分割される。像形成用放射光線は、サンプルを撮像する
ためにジェネレータにより生成される。画像情報を担持
する放射光線は次に、参照ビームを使用する検出器によ
り検出される。望ましくは、入力ビーム及び参照ビーム
間の時間変化を提供する制御システムが配設される。Preferably, the beam is split to form an input for the generator and a reference beam for the detector. The imaging radiation is generated by a generator to image the sample. The radiation carrying the image information is then detected by a detector using a reference beam. Desirably, a control system is provided for providing a time change between the input beam and the reference beam.
【００４５】上述の機構のいずれかのための良好な非線
形特性を有する可能な材料は、ＧａＡｓ若しくはＳｉ系
半導体である。より望ましくは、結晶構造が使用され
る。以下に、他の可能な材料の例を示す。Possible materials with good non-linear properties for any of the above mechanisms are GaAs or Si-based semiconductors. More preferably, a crystal structure is used. The following are examples of other possible materials.
【００４６】ＮＨ4 Ｈ2 ＰＯ4 、ＡＤＰ、ＫＨ2 Ｐ
Ｏ4 、ＫＨ2 ＡＳＯ4 、石英、ＡｌＰＯ 4 、ＺｎＯ、Ｃ
ｄＳ、ＧａＰ、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂ
Ｏ3 、Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ2 ＮａＮ
ｂ5 Ｏ15、ＡｇＡｓＳ3 、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧ
ｅＡｓ2 、ＡｇＧａＳｅ2 、ＡｇＳｂＳ3 、ＺｎＳ、及
びＤＡＳＴ（４−Ｎ−メチルスチルバゾリウム）等の有
機結晶。NHFourHTwoPOFour, ADP, KHTwoP
OFour, KHTwoASOFour, Quartz, AlPO Four, ZnO, C
dS, GaP, BaTiOThree, LiTaOThree, LiNb
OThree, Te, Se, ZnTe, ZnSe, BaTwoNaN
bFiveO15, AgAsSThree, Light red ore, CdSe, CdG
eAsTwo, AgGaSeTwo, AgSbSThree, ZnS, and
And DAST (4-N-methylstilbazolium)
Machine crystal.
【００４７】一般的に、非中心対称結晶が第２次効果の
ために使用される。第３次効果は、種々の結晶において
様々な強度で見出される。Generally, non-centrosymmetric crystals are used for secondary effects. Tertiary effects are found at different intensities in different crystals.
【００４８】望ましくは、このような構造が、入力ビー
ム周波数の少なくとも１つで駆動される導波路内に配置
される。この導波路は、単一クラッド層及びコア層か、
２つのクラッド層間に挟まれたコア層のいずれでも実現
可能となる。例えば、ＡｌＧａＡｓクラッド層間に挟ま
れたＧａＡｓ層が使用される。Preferably, such a structure is located in a waveguide driven at at least one of the input beam frequencies. This waveguide can be a single cladding layer and a core layer,
Any of the core layers sandwiched between the two cladding layers can be realized. For example, a GaAs layer sandwiched between AlGaAs cladding layers is used.
【００４９】理想的には、材料はその屈折率に周期的変
化を有する。屈折率は、望ましくは１００ｎｍ〜１０μ
ｍ、より望ましくは０．５μｍ〜５μｍの間のピッチで
変化する。Ideally, a material has a periodic change in its refractive index. The refractive index is desirably 100 nm to 10 μm
m, more preferably at a pitch between 0.5 μm and 5 μm.
【００５０】屈折率の変化は多くの方法により達成可能
となる。単純な方法は、屈折率の局部的変化がビームの
通路内で引起こされるように、非線形光学材料内に単に
複数の穴をエッチングすることである。The change in refractive index can be achieved in a number of ways. A simple method is to simply etch a plurality of holes in the nonlinear optical material so that local changes in the index of refraction are caused in the path of the beam.
【００５１】これ等の穴は、コア層内だけ、或いは両ク
ラッド層の一方若しくは両方内及びコア層内、或いはコ
ア層内はなしで、両クラッド層の一方若しくは両方内に
形成可能である。より複雑な構造では、異なる屈折率の
２つの材料、例えば、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ、を使
用することができる。第１屈折率の第１材料はその内部
に形成された穴若しくはスロットを有し、第１材料と異
なる屈折率を有する第２材料は第１材料の穴若しくはス
ロットを埋める。These holes can be formed only in the core layer, or in one or both of the cladding layers, and in the core layer, or not in the core layer, but in one or both of the cladding layers. For more complex structures, two materials with different refractive indices can be used, for example, GaAs and AlGaAs. A first material having a first refractive index has a hole or slot formed therein, and a second material having a different refractive index than the first material fills the hole or slot of the first material.
【００５２】屈折率の変化は、屈折率が変化若しくは変
調される方向に沿った方向の波数成分のベクトル（運動
量方向）の変化を引起こす。The change in the refractive index causes a change in the vector (momentum direction) of the wave number component in the direction along the direction in which the refractive index is changed or modulated.
【００５３】しかし、実際は、ビームの波数ベクトルが
最大の効果を得るために屈折率が変化する方向と平行と
なるように、変調領域の入力表面に対してビームを直角
に配向すべきである。或いは、ビームは入力表面に対し
てある角度で、例えば４５度で入射も可能である。この
場合、入力ビームの波数ベクトルの方向成分は、屈折率
の変化が生じる方向に対して平行な方向のみである。However, in practice, the beam should be oriented at right angles to the input surface of the modulation area so that the wave number vector of the beam is parallel to the direction in which the index of refraction changes for maximum effect. Alternatively, the beam can be incident at an angle to the input surface, for example at 45 degrees. In this case, the direction component of the wave number vector of the input beam is only the direction parallel to the direction in which the change in the refractive index occurs.
【００５４】このような構造は、再成長、イオンビーム
インプランテーション、イオンビームリソグラフィ、及
び標準リソグラフィパターニング技術により達成可能と
なる。望ましくは、上記構造には異なる屈折率の領域間
にスムーズな境界が配設される。Such a structure can be achieved by regrowth, ion beam implantation, ion beam lithography, and standard lithographic patterning techniques. Desirably, the structure has a smooth boundary between regions of different refractive indices.
【００５５】場合によっては、単数若しくは複数の入射
ビームを供給するための光線源を光学変調領域と一体化
することが望ましい。この光線源は、和及び差周波発生
のための２つのＣＷ光線源、若しくはパルスレーザ光線
源、若しくは単一ＣＷ光線源（パラメトリック発生若し
くは第２高調波発生において）とすることができる。In some cases, it may be desirable to integrate a light source for supplying one or more incident beams with the optical modulation area. The source can be two CW sources for sum and difference frequency generation, or a pulsed laser source, or a single CW source (in parametric or second harmonic generation).
【００５６】光学変調領域は、鏡で構成された共振器内
に配設可能となる。更に、少なくとも１つの入射放射光
線ビームがレーザ共振器内で生成され、光学変調領域が
この共振器内に配設されるようにすることが可能であ
る。The optical modulation area can be arranged in a resonator constituted by a mirror. Furthermore, it is possible for at least one incident radiation beam to be generated in a laser resonator, wherein the optical modulation area is arranged in this resonator.
【００５７】第２の視点において、本発明は以下の構成
を有する放射光線源を提供する。即ち、本発明に係る放
射光線源は、１つ若しくは複数の入力ビームによる照射
に応答して放射光線ビームを出射するための周波数変換
部材具備し、前記出射されたビームは前記１つ若しくは
複数の入力ビームと異なる周波数を有し、前記１つ若し
くは復数の入力ビームは全てレーザ共振器内で生成さ
れ、前記周波数変換部材は前記レーザ共振器内に配設さ
れる。In a second aspect, the present invention provides a radiation beam source having the following configuration. That is, the radiation beam source according to the present invention includes a frequency conversion member for emitting a radiation beam in response to irradiation by one or more input beams, wherein the emitted beam is the one or more beams. The one or multiple input beams having a different frequency than the input beam are all generated in a laser resonator, and the frequency conversion member is disposed in the laser resonator.
【００５８】前記周波数変換部材は、光学変調領域を参
照して前述された周波数変換手段を有する。望ましく
は、前記周波数変換部材は、２つの入力ビーム間の周波
数の差に実質的に等しい周波数のビームを出射するよう
に構成される。より望ましくは、前記周波数変換部材
は、ＴＨｚ周波数範囲（即ち１００ＧＨｚ〜２０ＴＨ
ｚ）の放射光線を出射するように構成される。The frequency conversion member has the frequency conversion means described above with reference to the optical modulation area. Preferably, the frequency conversion member is configured to emit a beam having a frequency substantially equal to a frequency difference between two input beams. More preferably, the frequency conversion member has a THz frequency range (ie, 100 GHz to 20 TH).
z).
【００５９】前記レーザ共振器はパルスレーザのレーザ
共振器とすることができる。また、前記レーザ共振器は
１つ若しくは複数のＣＷレーザ光線源のレーザ共振器、
例えば固体ダイオードとすることができる。The laser resonator may be a pulse laser laser resonator. The laser resonator is a laser resonator of one or more CW laser light sources;
For example, it can be a solid-state diode.
【００６０】[0060]
【発明の実施の形態】図１は本発明の位相整合から得ら
れる４つの発生プロセスを概略的に示す図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing four generation processes obtained from the phase matching of the present invention.
【００６１】図１（ａ）は和周波発生を示す。２つの入
力周波数ω1 、ω2 が合算されて周波数ω3 を発生させ
るように、ω1 、ω2 が大きな第２次感受性（χ2 ）を
有する材料に入射される。ここで、ω1 ＋ω2 ＝ω3 で
ある。FIG. 1A shows sum frequency generation. Two input frequencies omega 1, omega 2 is summed to generate the frequency ω 3, ω 1, ω 2 is incident to a material having a large second-order susceptibility (chi 2). Here, ω 1 + ω 2 = ω 3 .
【００６２】図１（ｂ）は差周波発生を示す。ここで、
入射周波数ω1 、ω2 が減算されて周波数ω3 を発生さ
せる。ここで、ω1 −ω2 ＝ω3 である。FIG. 1B shows the difference frequency generation. here,
The incident frequencies ω 1 and ω 2 are subtracted to generate a frequency ω 3 . Here, ω 1 −ω 2 = ω 3 .
【００６３】図１（ｃ）は第２高調波発生を示す。ここ
で、１つの入力周波数ω1 が存在し、発生された周波数
はω1 の２倍である。即ち、ω1 ＋ω1 ＝ω3 である。FIG. 1C shows the second harmonic generation. Here, there is one input frequency ω 1 and the generated frequency is twice ω 1 . That is, ω 1 + ω 1 = ω 3 .
【００６４】図１（ｄ）は光学パラメトリック発生を示
す。ここで、単一入力周波数ω1 が２つの出力周波数ω
2 、ω3 を発生させる。ここで、ω1 ＝ω2 ＋ω3 であ
る。FIG. 1D shows optical parametric generation. Here, a single input frequency omega 1 are two output frequencies omega
2, to generate a ω 3. Here, ω 1 = ω 2 + ω 3 .
【００６５】図２において、実線は、面内波数ベクトル
の関数としてプロットされた、ＧａＡｓコア層及びＡｌ
0.33Ｇａ0.67Ａｓクラッド層を有する導波路構造におけ
る光子について計算された分散曲線（周波数ω対波数
ｋ）である。格子の周期性は波数ゾーンの境界を作り出
し、ここで分散曲線が折返される。これは、もし、出射
放射光線（この場合ＴＨｚ）光線の傾斜と等しい傾斜を
有する線により、図上の対応する点が接続されるとする
と、一対の光学モードのために位相整合条件が満足され
ることを可能とする。この構成は、モードのどの組合わ
せが動的に可能であるかを示す。出射ＴＨｚ放射光線の
強度は、初期及び最終状態間の移行マトリックスにより
制御され、同マトリックスは、一方、光バンドギャップ
により導入される混合の程度に依存する。変調が強くな
るほど、ＴＨｚ出射の効率が高くなる。In FIG. 2, the solid line represents the GaAs core layer and the Al layer plotted as a function of the in-plane wavenumber vector.
It is a dispersion curve (frequency ω vs. wave number k) calculated for a photon in a waveguide structure having a 0.33 Ga 0.67 As cladding layer. The periodicity of the grating creates the boundaries of the wavenumber zones, where the dispersion curve is folded. This means that if the corresponding points on the figure are connected by a line having a slope equal to the slope of the outgoing radiation (in this case THz) ray, the phase matching condition is satisfied for a pair of optical modes. To be able to This configuration indicates which combination of modes is dynamically possible. The intensity of the emitted THz radiation is controlled by a transition matrix between the initial and final states, which on the other hand depends on the degree of mixing introduced by the optical bandgap. The stronger the modulation, the higher the efficiency of THz emission.
【００６６】破線はＴＨｚ放射光線を励起するのに使用
可能な他のモード示す。異なる光学モードが、面内波数
ベクトルに整合するように、或いはへきかいエッジにお
いて直接結合するように、異なる入射角で構造を照射す
ることにより励起可能である。The dashed line indicates another mode that can be used to excite THz radiation. Different optical modes can be excited by illuminating the structure at different angles of incidence to match the in-plane wavenumber vector or to couple directly at the critical edge.
【００６７】以下において、本発明は可視光分散曲線を
使用して記載するが、位相整合条件が満足されるよう
に、ゾーンの境界でＴＨｚ分散曲線が折返される場合、
逆もまた可能であることに留意すべきである。In the following, the present invention will be described using a visible light dispersion curve. However, if the THz dispersion curve is folded at the zone boundary so that the phase matching condition is satisfied,
It should be noted that the converse is also possible.
【００６８】図３は本発明の位相整合を達成する単純な
構造を示す。ＧａＡｓウエハ１がエッチピット３を形成
するようにエッチングされる。エッチピットは非充填状
態で残される。可視周波数及びＴＨｚ周波数の両者にお
いて、空気はＧａＡｓよりも低い屈折率を有する。FIG. 3 shows a simple structure for achieving the phase matching of the present invention. The GaAs wafer 1 is etched to form the etch pits 3. The etch pit is left unfilled. At both visible and THz frequencies, air has a lower refractive index than GaAs.
【００６９】構造５のピッチは１．５μｍで、ピットは
深さ１μｍ、幅１μｍとなるようにエッチングされる。The pitch of the structure 5 is 1.5 μm, and the pits are etched so as to have a depth of 1 μm and a width of 1 μm.
【００７０】放射光線はサイド７から入射される。これ
は、構造の正確な構成に依存して、ＴＨｚ若しくは青の
放射光線９の出射を可能とする。放射光線はまた、構造
に対して角度をもって入射（８）され、サンプルのエッ
ジで若しくは頂面を通してのいずれかで侵入することが
可能となる。これはまた、図４乃至図１１及び図１４乃
至図１８図示の構造にも適用される。屈折率の変化方向
と平行な運動量波数ベクトルｋの方向成分がある時、位
相整合が生じる。The radiation rays are incident from the side 7. This allows the emission of a THz or blue radiation ray 9 depending on the exact configuration of the structure. The emitted ray is also incident (8) at an angle to the structure, allowing it to penetrate either at the edge of the sample or through the top surface. This also applies to the structures shown in FIGS. 4-11 and 14-18. Phase matching occurs when there is a directional component of the momentum wavenumber vector k parallel to the direction of change of the refractive index.
【００７１】レーザ放射光線源はＴｉ：サファイアレー
ザで、これは、典型的には、パルス幅５０ｆｓ及び反復
率８２ＭＨｚで、９００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲の波長
を生成する。他のタイプのレーザも使用可能で、例え
ば、エルビウム添加ファイバーレーザのようなパルスレ
ーザや、半導体パルスレーザが使用可能となる。僅かに
異なる周波数で駆動される２つのＣＷ半導体ダイオード
レーザもまた使用可能である。The laser radiation source is a Ti: sapphire laser, which typically produces wavelengths in the range of 900 nm to 350 nm with a pulse width of 50 fs and a repetition rate of 82 MHz. Other types of lasers can be used, for example, pulsed lasers such as erbium-doped fiber lasers or semiconductor pulsed lasers. Two CW semiconductor diode lasers driven at slightly different frequencies can also be used.
【００７２】一般的には、第２次高周波数を励起するよ
うに中心非対象であれば、いかなる結晶も使用可能であ
る。例えば、次の材料が使用可能である。ＬｉＯ3 、Ｎ
Ｈ4 Ｈ2 ＰＯ4 、ＡＤＰ、ＫＨ2 ＰＯ4 、ＫＨ2 ＡＳＯ
4 、石英、ＡｌＰＯ4 、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＧａＰ、Ｇａ
Ａｓ、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＴａＯ 3 、ＬｉＮｂＯ3 、Ｔ
ｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ2 ＮａＮｂ
5 Ｏ15、ＡｇＡｓＳ3 、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧｅ
Ａｓ2 、ＡｇＧａＳｅ2 、ＡｇＳｂＳ3 、ＺｎＳ、及び
ＤＡＳＴ（４−Ｎ−メチルスチルバゾリウム）等の有機
結晶。In general, the second higher frequency is excited.
Any crystal can be used as long as it is not asymmetric.
You. For example, the following materials can be used. LiOThree, N
HFourHTwoPOFour, ADP, KHTwoPOFour, KHTwoASO
Four, Quartz, AlPOFour, ZnO, CdS, GaP, Ga
As, BaTiOThree, LiTaO Three, LiNbOThree, T
e, Se, ZnTe, ZnSe, BaTwoNaNb
FiveO15, AgAsSThree, Light red ore, CdSe, CdGe
AsTwo, AgGaSeTwo, AgSbSThree, ZnS, and
Organic such as DAST (4-N-methylstilbazolium)
crystal.
【００７３】図４はクラッド層が配設される点を除いて
図３と類似する構造を示す。ＧａＡｓ基板１３の上面上
にＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓクラッド層１１が形成される。
クラッド層１１上に４００ｎｍのＧａＡｓ層１５が形成
される。次に、ＧａＡｓ層１５がエッチングされ、２０
０ｎｍの深さのエッチピット１７が形成される。構造１
９のピッチはここでも１．５μｍである。入射放射光線
２１がクラッド層１１により光学的に閉じ込められる。FIG. 4 shows a structure similar to FIG. 3 except that a cladding layer is provided. An Al 0.33 Ga 0.67 As clad layer 11 is formed on the upper surface of the GaAs substrate 13.
A GaAs layer 15 of 400 nm is formed on the cladding layer 11. Next, the GaAs layer 15 is etched,
Etch pits 17 having a depth of 0 nm are formed. Structure 1
The pitch of 9 is again 1.5 μm. The incident radiation 21 is optically confined by the cladding layer 11.
【００７４】図５は図４と類似するＧａＡｓ基板１３及
びＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓクラッド層１１を有する構造を
示す。ここで、ＧａＡｓ層２３が形成され、また、Ｇａ
Ａｓ層２３の上面上にＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓクラッド層
２５が形成される。次に、ＧａＡｓ層２５の一部がエッ
チングにより完全に除去され、ＡｌＧａＡｓの島の列が
形成される。FIG. 5 shows a structure having a GaAs substrate 13 and an Al 0.33 Ga 0.67 As clad layer 11 similar to FIG. Here, a GaAs layer 23 is formed.
An Al 0.33 Ga 0.67 As clad layer 25 is formed on the upper surface of the As layer 23. Next, a part of the GaAs layer 25 is completely removed by etching to form a row of AlGaAs islands.
【００７５】ＧａＡｓコア層２３に入射放射光線２７が
主に閉じ込められる。しかし、電界の小さなしかし重要
な部分が、ＡｌＧａＡｓキャップクラッド層２５内にも
存在する。従って、ＡｌＧａＡｓキャップクラッド層２
５の屈折率の変化が、可視光子の運動量に影響し、従っ
て位相整合を増強する。The incident radiation ray 27 is mainly confined in the GaAs core layer 23. However, a small but significant part of the electric field is also present in the AlGaAs cap cladding layer 25. Therefore, the AlGaAs cap cladding layer 2
A change in the index of refraction of 5 affects the momentum of visible photons, thus enhancing phase matching.
【００７６】図６において、ＧａＡｓ基板３３の上面上
にＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ層３１が形成される。層３１の
上面上にＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓクラッド層３５が形成さ
れる。幅１μｍのエッチピットが、層３５を貫通し且つ
層３１に部分的に侵入するように形成される。構造のピ
ッチはここでも１．５μｍで、エッチピットの総計深さ
は１．４μｍである。上側層３５の幅は０．４μｍであ
る。Referring to FIG. 6, an Al 0.33 Ga 0.67 As layer 31 is formed on an upper surface of a GaAs substrate 33. An Al 0.12 Ga 0.88 As clad layer 35 is formed on the upper surface of the layer 31. Etch pits having a width of 1 μm are formed to penetrate layer 35 and partially penetrate layer 31. The pitch of the structure is again 1.5 μm and the total depth of the etch pits is 1.4 μm. The width of the upper layer 35 is 0.4 μm.
【００７７】エッチピットは、ウエットエッチング、反
応性イオンエッチング等により形成することができる。
理想的には、エッチ壁は構造の平面に対して実質的に直
角であり、これは、屈折率の大幅な差異を可能とし、従
って、浅く傾いた側壁の構造に比べて、より良好な位相
整合特性を有する。The etch pits can be formed by wet etching, reactive ion etching, or the like.
Ideally, the etch wall is substantially perpendicular to the plane of the structure, which allows for a large difference in the index of refraction, and thus better phase topography, compared to a structure with shallow sloped sidewalls. Has matching characteristics.
【００７８】図７は２方向における屈折率の変化を伴う
構造を示す。ＧａＡｓ基板４１が一連の穴４３によりエ
ッチングされ、２次元配列が形成される。穴の深さは１
μｍで、幅は１μｍである。非充填穴はＧａＡｓ基板４
１よりも低い屈折率を有する。当然、この２Ｄ構造は図
４乃至図６図示の導波路と共に使用することができる。FIG. 7 shows a structure with a change in the refractive index in two directions. The GaAs substrate 41 is etched by a series of holes 43 to form a two-dimensional array. Hole depth is 1
μm and the width is 1 μm. Unfilled hole is GaAs substrate 4
It has a refractive index lower than 1. Of course, this 2D structure can be used with the waveguides shown in FIGS.
【００７９】図８は屈折率の変化をもたらすように２つ
の材料を使用した構造の断面を示す。ＧａＡｓ基板５１
の上面上に層Ａ５３が形成される。層Ａ５３の上面上に
層Ｂ５５が形成される。層Ｂは、ウエットエッチング、
反応性イオンビームエッチング等によりエッチングさ
れ、深さ０．４μｍのエッチピット５９が形成される。
次に、層Ｃ５７がエッチングされた層Ｂの上に再成長さ
れる。層Ｃ５７は形成されながら穴５９を満たす。FIG. 8 shows a cross section of a structure using two materials to effect a change in refractive index. GaAs substrate 51
A layer A53 is formed on the upper surface of. A layer B55 is formed on the upper surface of the layer A53. Layer B is wet-etched,
Etching is performed by reactive ion beam etching or the like to form an etch pit 59 having a depth of 0.4 μm.
Next, the layer C57 is regrown on the etched layer B. Layer C57 fills hole 59 as it is formed.
【００８０】多数の層組合わせが層Ａ、Ｂ、Ｃにとって
可能となる。例えば、次のようなものである。 Ａ： ＡｌＡｓ ＡｌＳｂ ＧａＳｂ Ａｌx
Ｇａ1-x Ａｓ Ｂ： ＧａＡｓ ＩｎＡｓ ＩｎＡｓ Ａｌx
Ｇａ1-x Ａｓ Ｃ： ＡｌＡｓ ＡｌＳｂ ＧａＳｂ Ａｌx
Ｇａ1-x Ａｓ、 Ａ： ＩｎＰ ＩｎＰ Ｓｉ（また
はＳｉＧｅ） Ｂ： ＩｎＧａＡｓ ＡｌＩｎＡｓ ＧａＡｓ Ｃ： ＩｎＰ ＩｎＰ Ｓｉ（また
はＳｉＧｅ）。 典型的にはｘは、例えば、０．３３以下とすることがで
きる。Many layer combinations are possible for layers A, B, C. For example, it is as follows. A: AlAs AlSb GaSb Al x
Ga 1-x As B: GaAs InAs InAs Al x
Ga 1-x As C: AlAs AlSb GaSb Al x
Ga 1-x As, A: InP InP Si (or SiGe) B: InGaAs AlInAs GaAs C: InP InP Si (or SiGe) Typically, x can be, for example, 0.33 or less.
【００８１】図９はイオンビームインプランテーション
により作成可能な構造を示す。ＧａＡｓ基板６１上に層
Ａ６３が形成される。層Ａ６３上に層Ｂ６５が形成され
る。次に、層Ｂ６５の領域６９にイオン（例えばＧａ+
イオン）が注入される。イオン注入は、バンドギャップ
に局部的に影響し、従って、屈折率の変化をもたらす。
層Ｂ６５の上に層Ｃ７１が形成される。層Ａ、Ｂ、Ｃに
可能な層構成は図８に関連して与えられている。FIG. 9 shows a structure that can be created by ion beam implantation. The layer A63 is formed on the GaAs substrate 61. A layer B65 is formed on the layer A63. Next, ions (eg, Ga +
Ions) are implanted. Ion implantation locally affects the bandgap and thus results in a change in the refractive index.
The layer C71 is formed on the layer B65. Possible layer configurations for layers A, B, C are given in connection with FIG.
【００８２】図８及び９図示の構造は、図７図示のタイ
プの２Ｄ変調構造へ応用することができる。The structure shown in FIGS. 8 and 9 can be applied to a 2D modulation structure of the type shown in FIG.
【００８３】図１０は基板２０１上に形成された集積デ
バイスを示す。半導体パルスレーザ２０５である光光線
源が基板２０１の上面２０３上に形成される。レーザは
周波数成分ω1 及びω2 を有するパルスビームを出射す
る。このビームは周波数コンバータ２０７に入力され
る。周波数コンバータ２０７には、図３乃至図９図示の
ような周波数変換及び位相整合手段が配設される。FIG. 10 shows an integrated device formed on a substrate 201. A light source, which is a semiconductor pulse laser 205, is formed on the upper surface 203 of the substrate 201. The laser emits a pulsed beam having a frequency component omega 1 and omega 2. This beam is input to the frequency converter 207. The frequency converter 207 is provided with frequency conversion and phase matching means as shown in FIGS.
【００８４】周波数コンバータ２０７からの出射放射光
線は、ω1 ±ω2 の周波数で出射される。The radiation emitted from the frequency converter 207 is emitted at a frequency of ω 1 ± ω 2 .
【００８５】図１１は図１０と類似する配置を示すが、
ここで、入力周波数は２つのＣＷレーザ、即ちレーザ２
０９（ω1 の周波数で放射光線を出射する）及びレーザ
２１１（ω2 の周波数で放射光線を出射する）により提
供される。FIG. 11 shows an arrangement similar to FIG.
Here, the input frequency is two CW lasers, ie, laser 2
It is provided by 09 (emitting a radiation beam in omega 1 frequency) and laser 211 (for emitting a radiation beam in omega 2 frequencies).
【００８６】２つの周波数成分は、図１０に関して述べ
たようにω1 ±ω2 の周波数で放射光線を出射するよう
に、周波数コンバータ２０７により組み合わされる。The two frequency components are combined by the frequency converter 207 to emit radiation at a frequency of ω 1 ± ω 2 as described with respect to FIG.
【００８７】図１２は２つの入力周波数の位相整合を必
要とする検出成分を使用する検出システムを示す。検出
システムはＡＣポッケルス効果を使用し、特にＴＨｚ放
射光線の検出に有用となる。FIG. 12 shows a detection system that uses a detection component that requires phase matching of the two input frequencies. The detection system uses the AC Pockels effect and is particularly useful for detecting THz radiation.
【００８８】参照ビームとして作用する可視光ビーム２
２１が検出結晶２２３に入射する。参照ビーム２２１は
直線偏光され、この偏光は検出結晶２２３の通常及び異
常光軸の両者に沿った成分を有するように配向される。
これ等の軸は、通常及び異常光軸に沿って夫々別の屈折
率ｎo 及びｎe を有する。第２放射光線ビーム２２５が
ない場合、直線偏光参照ビーム２２１は、その偏光に無
視できる程度の変化を伴って検出結晶２２３を通過す
る。ここで明確にしたい点は、偏光が回転される角度Θ
が無視できる程度であることである。しかし、直線偏光
ビームは僅かに楕円となることができる。この効果は光
学回路２２７により補償される。The visible light beam 2 acting as a reference beam
21 is incident on the detection crystal 223. Reference beam 221 is linearly polarized, and this polarization is oriented to have components along both the normal and extraordinary optical axes of detection crystal 223.
The axis of this and the like, of ordinary and extraordinary along the optical axis respectively different refractive index n o and n e. In the absence of the second radiation beam 225, the linearly polarized reference beam 221 passes through the detection crystal 223 with a negligible change in its polarization. The point we want to clarify here is the angle at which the polarization is rotated Θ
Is negligible. However, a linearly polarized beam can be slightly elliptical. This effect is compensated by the optical circuit 227.
【００８９】出射ビーム２２９は１／４波長板２２３を
使用して円偏光ビーム２２３に変換される。次に、ウォ
ラストンプリズム２３５（若しくは直交偏光成分を分離
する等価のデバイス）により、これが２直線偏光ビーム
に戻され、偏光ビームの２つの異なる直線成分が平衡化
分割フォトダイオード２３７へ指向される。平衡化分割
フォトダイオード２３７は２つのダイオード間の出力の
差がゼロとなるように平衡化される。The outgoing beam 229 is converted into a circularly polarized beam 223 using a quarter wave plate 223. This is then converted back to a bilinearly polarized beam by a Wollaston prism 235 (or an equivalent device that separates the orthogonally polarized components), and the two different linear components of the polarized beam are directed to a balanced split photodiode 237. The balanced split photodiode 237 is balanced such that the output difference between the two diodes is zero.
【００９０】しかし、検出器２２３が、参照ビームだけ
でなく、第２次ビーム２２５（この場合、ＴＨｚ範囲の
周波数のビーム）も検出すると、偏光が回転される角度
Θは無視できない程度となる。これは、ＴＨｚ電界が、
軸ｎe 、ｎo の１つに沿って可視（基本）放射光線の屈
折率を変更するからである。これは検出器２２３後の可
視フィールドが楕円となることをもたらし、従って、プ
リズム２３５により分離された偏光成分は等しくなくな
る。出力ダイオード間の電圧の差は検出電圧を出力す
る。However, when the detector 223 detects not only the reference beam but also the secondary beam 225 (in this case, a beam having a frequency in the THz range), the angle さ れ る at which the polarized light is rotated is not negligible. This is because the THz electric field
Axis n e, along one of n o is because changing the refractive index of the visible (fundamental) radiation beam. This causes the visible field after the detector 223 to be elliptical, so that the polarization components separated by the prism 235 are not equal. The voltage difference between the output diodes outputs a detection voltage.
【００９１】参照ビーム２２１及びＴＨｚビーム２２５
は、結晶を通過する間は同位相にあるべきである。そう
でないと、偏光回転Θが不明確となる。従って、検出結
晶２２３は図３乃至図９を参照して述べたタイプの位相
整合手段を有する。Reference beam 221 and THz beam 225
Should be in phase while passing through the crystal. Otherwise, the polarization rotation Θ will be unclear. Accordingly, the detection crystal 223 has a phase matching means of the type described with reference to FIGS.
【００９２】図１０及び図１１の周波数変換システム及
び図１２の検出システムを使用した、ＴＨｚ適用に特に
適した撮像システムが図１３に示される。An imaging system that is particularly suitable for THz applications using the frequency conversion system of FIGS. 10 and 11 and the detection system of FIG. 12 is shown in FIG.
【００９３】入力ビームはパルスレーザ光線源２４１に
より提供される。ビームは部分反射ミラー若しくはビー
ムスプリッタ２４３により分割され、ＴＨｚ信号を発生
させるための入力ビーム２４５及び撮像用放射光線を検
出するための参照ビーム２４７が提供される。入力ビー
ム２４５はシステム２５７により時間遅延される。The input beam is provided by a pulsed laser beam source 241. The beam is split by a partially reflecting mirror or beam splitter 243 to provide an input beam 245 for generating a THz signal and a reference beam 247 for detecting imaging radiation. Input beam 245 is time delayed by system 257.
【００９４】参照ビーム２４５は周波数変換ジェネレー
タ２４９若しくは光導電スイッチ等の他のジェネレータ
へ入力される。ジェネレータ２４９は、ＺｎＴｅ結晶、
若しくは適当な非線形係数を有する他の材料（例えば、
ＬｉＩＯ3 、ＮＨ4 Ｈ2 ＰＯ 4 、ＡＤＰ、ＫＨ2 Ｐ
Ｏ4 、ＫＨ2 ＡＳＯ4 、石英、ＡｌＰＯ4 、ＺｎＯ、Ｃ
ｄＳ、ＧａＰ、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂ
Ｏ3 、Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ2 ＮａＮ
ｂ5 Ｏ15、ＡｇＡｓＳ3 、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧ
ｅＡｓ2 、ＡｇＧａＳｅ2 、ＡｇＳｂＳ3 、ＺｎＳ、及
びＤＡＳＴ（４−Ｎ−メチルスチルバゾリウム）等の有
機結晶）からなる。撮像されるサンプルはジェネレータ
２４９上に載置されたＸ−Ｙステージ２５１上に載置さ
れる。撮像ＴＨｚビーム２５３は参照ビーム２４７を伴
って検出器結晶２５５上に反射される。The reference beam 245 is a frequency conversion generator.
249 or other generator such as a photoconductive switch
Is input to The generator 249 includes a ZnTe crystal,
Or another material with a suitable nonlinear coefficient (eg,
LiIOThree, NHFourHTwoPO Four, ADP, KHTwoP
OFour, KHTwoASOFour, Quartz, AlPOFour, ZnO, C
dS, GaP, BaTiOThree, LiTaOThree, LiNb
OThree, Te, Se, ZnTe, ZnSe, BaTwoNaN
bFiveO15, AgAsSThree, Light red ore, CdSe, CdG
eAsTwo, AgGaSeTwo, AgSbSThree, ZnS, and
And DAST (4-N-methylstilbazolium)
Machine crystal). The sample to be imaged is a generator
249 placed on the XY stage 251
It is. The imaging THz beam 253 is accompanied by the reference beam 247.
Is reflected on the detector crystal 255.
【００９５】検出器結晶２５５からの出射ビームは光学
回路２５９（これは図１１の光学回路２２７と同一であ
る）に供給される。光学回路２５９からの出力は信号処
理ユニット２６１に供給される。信号処理ユニット２６
１は、入力ビーム２４５と参照ビーム２４７との間の遅
延及び撮像サンプル２５１に対するステージ２５３の動
作を制御する制御手段２５８とリンクする。The outgoing beam from the detector crystal 255 is supplied to an optical circuit 259 (which is identical to the optical circuit 227 of FIG. 11). The output from the optical circuit 259 is supplied to the signal processing unit 261. Signal processing unit 26
1 links the control means 258 which controls the delay between the input beam 245 and the reference beam 247 and the operation of the stage 253 with respect to the imaging sample 251.
【００９６】図１４は光学パラメトリック発生、第２高
調波発生、または和周波発生のために使用される位相整
合材料（位相整合済み）を概略的に示す。導波路クラッ
ド領域１０３が基板／バッファ層１０１上に形成され
る。導波路コア領域１０５が導波路クラッド領域１０３
上に形成される。導波路コア領域１０５は導波路クラッ
ド領域１０３よりも大きな有効屈折率を有するように選
択され、光学モードが導波路コア領域１０５に大幅に閉
じ込められるようにする。導波路クラッド領域１０３及
び導波路コア領域１０５は単一若しくは多重の層からな
ることができる。FIG. 14 schematically illustrates a phase matched material (phase matched) used for optical parametric, second harmonic, or sum frequency generation. A waveguide cladding region 103 is formed on the substrate / buffer layer 101. The waveguide core region 105 is the waveguide cladding region 103
Formed on top. The waveguide core region 105 is selected to have a larger effective index of refraction than the waveguide cladding region 103 so that the optical mode is largely confined to the waveguide core region 105. The waveguide cladding region 103 and the waveguide core region 105 can be composed of a single or multiple layers.
【００９７】導波路コア領域１０５は導波路クラッド領
域１０３よりも大きな屈折率を有する。例えば、導波路
クラッド領域１０３はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．
３）からなり、導波路コア領域１０５はＧａＡｓからな
ることができる。導波路クラッド領域１０３は０．５〜
１．０μｍの厚さを有し、導波路コア領域１０５は０．
２〜０．８μｍの厚さを有することができる。他の例と
して、導波路クラッド層は１μｍのＳｉＯ2 からなり、
導波路コアは０．４μｍのＳｉからなることができる。
穴１０７が導波路コア領域１０５及び導波路クラッド領
域１０３の両者に形成される。これ等の穴は、フォトリ
ソグラフィ若しくは電子ビームリソグラフィと関連し
て、標準のドライ若しくはウエットエッチングにより形
成することができる。The waveguide core region 105 has a larger refractive index than the waveguide cladding region 103. For example, the waveguide cladding region 103 is formed of Al x Ga 1 -x As (x = 0.
3), and the waveguide core region 105 can be made of GaAs. The waveguide cladding region 103 is 0.5 to
The waveguide core region 105 has a thickness of 1.0 μm.
It can have a thickness of 2 to 0.8 μm. As another example, the waveguide cladding layer is made of 1 μm SiO 2,
The waveguide core can be made of 0.4 μm Si.
Holes 107 are formed in both waveguide core region 105 and waveguide cladding region 103. These holes can be formed by standard dry or wet etching in connection with photolithography or electron beam lithography.
【００９８】この構造の上には、エッチング後、導波路
コア領域よりも小さい屈折率を有する誘電体材料の他の
層（図示せず）を任意に配設することができる。After etching, another layer (not shown) of a dielectric material having a lower refractive index than the waveguide core region can be optionally disposed on the structure.
【００９９】もし図１４が光学パラメトリック発生用に
構成されると、この構造は入射周波数ω1 を照射され、
ω1 ＝ω2 ＋ω3 となるように、周波数ω2 及びω3 の
発生が導かれる。穴は、この構造内に、分散を変更する
ことにより位相整合条件Δｋ＝ｋ（ω1 ）−ｋ（ω2 ）
−ｋ（ω3 ）＝０を満足するように形成される。周波数
ω1 の光は、導波路に沿って伝播するように、導波路の
側部の導波路領域上に集束させることができる。If FIG. 14 is configured for optical parametric generation, this structure is illuminated with an incident frequency ω 1 ,
As a ω 1 = ω 2 + ω 3 , generation of the frequency omega 2 and omega 3 are derived. The hole is phase-matched in this structure by changing the dispersion, Δk = k (ω 1 ) −k (ω 2 )
−k (ω 3 ) = 0 is formed. Light at frequency ω 1 can be focused onto a waveguide region on the side of the waveguide so as to propagate along the waveguide.
【０１００】位相整合条件はまた、効率的な第２高調波
発生を生成するように変更することができる。この場
合、単一周波数（ω1 ）が構造に入射され、ω2 ＝２ω
1 の発生が導かれる。もし位相整合条件Δｋ＝２ｋ（ω
1 ）−ｋ（ω2 ）＝０が満足されると、これが効率的に
達成される。The phase matching conditions can also be modified to produce efficient second harmonic generation. In this case, a single frequency (ω 1 ) is incident on the structure and ω 2 = 2ω
The occurrence of 1 is led. If the phase matching condition Δk = 2k (ω
This is efficiently achieved if 1 ) -k (ω 2 ) = 0 is satisfied.
【０１０１】図１５は図１４と類似の構造を示し、ここ
で、上部クラッド領域１０９がコア領域上に配設され
る。これは単一若しくは多重の層からなることができ
る。上部クラッド領域１０９は下部クラッド領域１０５
と同じ材料若しくは異なる材料からなることができる。
いずれの場合も、これは導波路コア領域１０７よりも小
さい屈折率を有するべきである。これにより、導波路の
コア領域内での光学モードの閉じ込めを改良するという
利点が得られる。図示の如く、穴は、上部クラッド領域
１０９及びコア領域１０７を貫通し、下部クラッド領域
１０５中へエッチングにより形成される。或いは、エッ
チングされた穴はコア領域１０７内若しくは上部クラッ
ド領域１０９内で終端することができる。FIG. 15 shows a structure similar to that of FIG. 14, where the upper cladding region 109 is disposed on the core region. It can consist of single or multiple layers. The upper cladding region 109 is the lower cladding region 105
And the same material or different materials.
In each case, it should have a lower index of refraction than the waveguide core region 107. This has the advantage of improving the confinement of the optical mode in the core region of the waveguide. As shown, holes are formed through the upper cladding region 109 and the core region 107 and into the lower cladding region 105 by etching. Alternatively, the etched holes can terminate in the core region 107 or in the upper cladding region 109.
【０１０２】非線形材料は、位相整合条件を達成するよ
うに多くの方法で調整することができる。例えば、入射
放射光線の角度若しくは波長が変更可能である。或い
は、非線形媒体の温度が変更可能となる。The nonlinear material can be tuned in many ways to achieve the phase matching condition. For example, the angle or wavelength of the incident radiation can be changed. Alternatively, the temperature of the nonlinear medium can be changed.
【０１０３】図１６及び図１７は入力放射光線源１１３
と一体化された位相整合領域１１１を示す。入力放射光
線源１１３は公知のＣＷ固体レーザダイオードとするこ
とができる。代わりに、入力放射光線源はモードロック
固体レーザダイオードとすることができる。モードロッ
ク固体レーザにおいて、放射光線は短パルス中に集中さ
れ、従って、位相整合材料（位相整合済み）内でより効
率的な非線形周波数変換を生成するという利点が得られ
る。FIG. 16 and FIG.
3 shows a phase matching region 111 integrated with the above. The input radiation beam source 113 can be a known CW solid state laser diode. Alternatively, the input radiation source can be a mode-locked solid-state laser diode. In mode-locked solid-state lasers, the radiation beam is concentrated during short pulses, thus providing the advantage of producing a more efficient non-linear frequency conversion within the phase-matched material (phase matched).
【０１０４】図１６において、ダイオード１１３からの
光が受動導波路領域１１７により移送整合材料１１１へ
指向される。分布帰還型半導体レーザダイオードとする
ことができるダイオードレーザと、位相整合材料とは、
同じ導波路構造内に配設することが好都合である。ここ
で、構造は下部クラッド領域１１５上に形成される。レ
ーザダイオード及び位相整合材料の活性領域は導波路領
域のコア内に位置する。コア領域は上部クラッド領域１
１９により覆われる。In FIG. 16, light from diode 113 is directed to transfer matching material 111 by passive waveguide region 117. A diode laser that can be a distributed feedback semiconductor laser diode and a phase matching material are:
It is expedient to arrange them in the same waveguide structure. Here, the structure is formed on the lower cladding region 115. The active regions of the laser diode and the phase matching material are located in the core of the waveguide region. The core region is the upper cladding region 1
Covered by 19.
【０１０５】図１７は図１６に類似するが、位相整合材
料１１１とレーザダイオード１１３との間に導波路が存
在しない。代わりに、リソグラフィ及びエッチングによ
り形成された２つの成分の間に空隙が存在する。レーザ
ダイオードからの出力放射光線の位相整合材料への結合
を最大化するため、これ等の分離は小さくするべきであ
る。FIG. 17 is similar to FIG. 16 except that no waveguide exists between the phase matching material 111 and the laser diode 113. Instead, a gap exists between the two components formed by lithography and etching. These separations should be small in order to maximize the coupling of the output radiation from the laser diode into the phase matching material.
【０１０６】図１８は光学パラメトリック発振器の概略
図を示し、ここで、光学パラメトリック発生のために位
相整合される非線形材料（４０１）の両側に夫々ミラー
（４０３、４０５）が配置される。ミラー（４０３、４
０５）は周波数ω2 で高い反射率を有するように設計さ
れる。このデバイスにおいて、周波数ω2 で光学フィー
ルドの増強が存在する。ミラー（４０３、４０５）は非
線形材料（４０１）の端部を誘電体薄膜コーティングに
より被覆することにより作成することができる。代わり
に、ミラー（４０３、４０５）は他の光バンドギャップ
材料を使用して作成することができる。FIG. 18 shows a schematic diagram of an optical parametric oscillator in which mirrors (403, 405) are arranged on both sides of a nonlinear material (401) to be phase-matched for optical parametric generation. Mirror (403, 4
05) is designed to have a high reflectivity at the frequency omega 2. In this device, enhancement of the optical field is present at the frequency omega 2. The mirrors (403, 405) can be made by coating the edges of the non-linear material (401) with a dielectric thin film coating. Alternatively, the mirrors (403, 405) can be made using other optical bandgap materials.
【０１０７】位相整合材料（４０１）（位相整合済み）
はまた、図１９に概略を示すように、共振器内即ちレー
ザ（４０２）の共振器内に配設することができる。この
場合、ポンプ周波数ω1 で利得を生成する材料、及び非
線形材料の両者は、レーザ共振器の高反射ミラー（４０
３、４０５）の内側に配置される。共振器ミラー（４０
３、４０５）は、ポンプ周波数ω1 及び信号周波数ω2
の両者を高度に反射するように設計される。従って、こ
れ等は両周波数において強い発振フィールドを支持す
る。Phase matching material (401) (phase matched)
Can also be arranged in the cavity, ie in the cavity of the laser (402), as schematically shown in FIG. In this case, both the material generating the gain at the pump frequency ω 1 and the non-linear material are the highly reflective mirrors (40
3, 405). Resonator mirror (40
3, 405) are the pump frequency ω 1 and the signal frequency ω 2
Are designed to highly reflect both. Thus, they support a strong oscillating field at both frequencies.
【０１０８】図２０は共振器内光学パラメトリック発振
器の例を示し、ここで、光学パラメトリック発生のため
に位相整合（３０７）される非線形材料（３０５）の両
側に夫々ミラー（３０１、３０３）が配置される。ミラ
ー（３０１、３０３）は周波数ω2 で高い反射率を有す
るように設計される。このデバイスにおいて、周波数ω
2 で光学フィールドの増強が存在する。ミラー（３０
１、３０３）は非線形材料（３０５）の端部を誘電体薄
膜コーティングにより被覆することにより作成すること
ができる。代わりに、ミラー（３０１、３０３）は他の
光バンドギャップ材料を使用して作成することができ
る。FIG. 20 shows an example of an intra-cavity optical parametric oscillator. Here, mirrors (301, 303) are arranged on both sides of a nonlinear material (305) to be phase-matched (307) for optical parametric generation. Is done. Mirror (301, 303) is designed to have a high reflectance at the frequency omega 2. In this device, the frequency ω
At 2 , there is an enhancement of the optical field. Mirror (30
1, 303) can be made by coating the end of the nonlinear material (305) with a dielectric thin film coating. Alternatively, the mirrors (301, 303) can be made using other optical bandgap materials.
【０１０９】図２０図示のデバイスにおいて、図１５及
び図１７に概略的に示されるように、同じ基板上で、位
相整合領域が半導体レーザダイオードと集積される。こ
のような集積構造は、作成及び組立てコストを低下させ
ると共に、構造自体がよりコンパクトとなる。In the device shown in FIG. 20, a phase matching region is integrated with a semiconductor laser diode on the same substrate as schematically shown in FIGS. Such an integrated structure reduces manufacturing and assembly costs and makes the structure itself more compact.
【０１１０】図２１乃至図２３は前述の光バンドギャッ
プ構造のためのバンド構造の計算結果を示す。図２１乃
至図２３図示のバンド構造をモデル化に使用された計算
結果は、空穴の格子を伴う半導体板を使用する新規な導
波路のためのマックスウエルの方程式の正確な解答であ
る。ここで、導波路の頂部及び底部に、このモデルを閉
じ込める完全な反射ミラーが存在するものと仮定した。
これは当然、導波路クラッド界面による閉じ込めがかな
り弱い可能性もある、実際の導波路構造の正確なモデル
ではない。FIGS. 21 to 23 show the calculation results of the band structure for the above-described optical band gap structure. The calculated results used to model the band structure shown in FIGS. 21-23 are an accurate solution of Maxwell's equations for a novel waveguide using a semiconductor plate with a grid of holes. Here, it is assumed that there are perfect reflecting mirrors at the top and bottom of the waveguide that confine this model.
This is, of course, not an accurate model of the actual waveguide structure, where the confinement by the waveguide cladding interface may be quite weak.
【０１１１】この計算は、平面波基礎状態に代え、ＴＥ
及びＴＭ導波路モードが使用される点を除いて、Cassag
ne等による方法（Phys. Rev. B 53,7134 (1996)）にか
なり近く従う。ｚ方向における厚さｄの板のため、ｋ＝
（ｋx ，ｋy ）を面内方向ｒ＝（ｘ，ｙ）における波ベ
クトルとして採用し、ｑ＝π／ｄとすると、これ等のモ
ードは次式で与えられる。This calculation replaces the plane wave fundamental state with TE
And Cassag except that the TM waveguide mode is used.
Follow the method of ne et al. (Phys. Rev. B 53, 7134 (1996)) fairly closely. For a plate of thickness d in the z direction, k =
If (k x , k y ) is adopted as a wave vector in the in-plane direction r = (x, y) and q = π / d, these modes are given by the following equations.
【０１１２】[0112]
【数１】 (Equation 1)
【０１１３】同じ結果が、波ベクトルに対する軸成分ｑ
を伴う平面波を使用するだけで得られる。適切な導波路
モードの利点は、計算されたバンドを特徴づけるのに役
立つということである。The same result is obtained when the axial component q
Simply by using a plane wave with An advantage of a suitable waveguide mode is that it helps to characterize the calculated band.
【０１１４】周期的なパターニングにより、ブリリュア
ンゾーンにおける波ベクトルのためのフィールドが、逆
格子ベクトルＧにより相違する波ベクトルを伴うこれ等
のモードの直線的な組合わせとして表現可能となる。The periodic patterning allows the field for the wave vectors in the Brillouin zone to be represented as a linear combination of these modes with different wave vectors due to the reciprocal lattice vector G.
【０１１５】[0115]
【数２】 (Equation 2)
【０１１６】マトリックス方程式の解答は、逆格子ベク
トルＧの有限な組合わせからなる基礎内の標準数値対角
行列により得られる。この解答は、ブリリュアンゾーン
における主要な方向に沿った一連のｋにおいて得られ
る。The solution to the matrix equation is obtained by a standard numerical diagonal matrix in the foundation consisting of a finite combination of reciprocal lattice vectors G. The answer is obtained in a series of k's along major directions in the Brillouin zone.
【０１１７】図２１はＧａＡｓ内の穴の三角格子のため
のバンド構造を示す。格子定数は２００ｎｍである。穴
は半径５４．６ｎｍの円形の穴である。フィルファクタ
は０．２７である。外部屈折率は３．５で、内部屈折率
は１．０である。図２１のバルク計算結果は、特に、空
導波路分散 Ｅ（ｋ）α（ｑ2 ＋ｋ2 ）1/2 が概ね放物線状であるところの、カットオフに近いと、
導波路構造の理想モデルではなく、一方、バルクの場
合、これは直線的でカットオフが無い。FIG. 21 shows a band structure for a triangular lattice of holes in GaAs. The lattice constant is 200 nm. The hole is a circular hole having a radius of 54.6 nm. The fill factor is 0.27. The external refractive index is 3.5 and the internal refractive index is 1.0. The result of the bulk calculation in FIG. 21 is particularly close to the cutoff where the empty waveguide dispersion E (k) α (q 2 + k 2 ) 1/2 is approximately parabolic,
It is not an ideal model of the waveguide structure, whereas in the bulk case it is linear and has no cutoff.
【０１１８】低エネルギバンドの放物線形態は図２２に
示され、これは、厚さｄ＝４００ｎｍの導波路の存在を
除いて図２１と同じである。１ｅＶより上の、測定が行
われた領域における２つの計算結果の相違はかなり小さ
く、概ね同じエネルギで現れるギャップを伴う。これ
は、格子定数が導波路幅よりも小さく、従って、測定領
域における非折り曲げｋ値と比較してｑはそれ程重要で
はないからである。空導波路とバルク分散との間の相違
はこのような大きなｋにおいて小さい。The parabolic morphology of the low energy band is shown in FIG. 22, which is the same as FIG. 21 except for the presence of a waveguide with a thickness d = 400 nm. The difference between the two calculated results in the region where the measurements were made above 1 eV is fairly small, with a gap appearing at approximately the same energy. This is because the lattice constant is smaller than the waveguide width, and therefore q is less important compared to the unfolded k value in the measurement area. The difference between an empty waveguide and bulk dispersion is small at such a large k.
【０１１９】もしバンドギャップが空導波路分散の放物
線状部分へ移動可能であると、バンドギャップへのより
大きな効果が可能になると信じられている。これを達成
するため、放物線状部分を興味深いエネルギへ移動させ
るようにガイド層の厚さは減少させることが必要で、ま
た、逆格子ベクトルを小さくするように格子定数は減少
させことが必要である。It is believed that a greater effect on the bandgap would be possible if the bandgap could be moved to the parabolic portion of the empty waveguide dispersion. To achieve this, the thickness of the guide layer needs to be reduced to move the parabolic portion to interesting energies, and the lattice constant needs to be reduced to reduce the reciprocal lattice vector. .
【０１２０】図２３は、導波路厚さｄ＝１３０ｎｍで、
格子定数が１０００ｎｍの場合の典型的な結果を示す。
図２１及び図２２と同様、フィルファクタは２７％であ
る。この構造では、約２００ｍｅＶの幅の完全なバンド
ギャップが存在する。FIG. 23 shows a case where the waveguide thickness d is 130 nm.
Typical results are shown for a lattice constant of 1000 nm.
As in FIGS. 21 and 22, the fill factor is 27%. In this structure, there is a complete bandgap about 200 meV wide.
【０１２１】[0121]
【発明の効果】本発明によれば、望ましい周波数の出射
放射光線が効率的に得られる光学デバイスを提供するこ
とができる。According to the present invention, it is possible to provide an optical device capable of efficiently obtaining emitted radiation having a desired frequency.
【図１】和周波発生、差周波発生、第２高調波発生、及
び光学パラメトリック発生を示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing sum frequency generation, difference frequency generation, second harmonic generation, and optical parametric generation.
【図２】本発明の実施の形態に係る構造における可視光
子の分散モードを示す概略図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a dispersion mode of visible photons in the structure according to the embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施の形態に係る構造を示す概略図。FIG. 3 is a schematic view showing a structure according to the embodiment of the present invention.
【図４】図３図示の構造と類似し且つ複数のクラッド層
を有する構造を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a structure similar to the structure shown in FIG. 3 and having a plurality of cladding layers.
【図５】図３図示の構造と類似し且つ複数のクラッド層
を有する構造を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a structure similar to the structure shown in FIG. 3 and having a plurality of cladding layers.
【図６】図３図示の構造と類似し且つ複数のクラッド層
を有する構造を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a structure similar to the structure shown in FIG. 3 and having a plurality of cladding layers.
【図７】２次元光学構造を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a two-dimensional optical structure.
【図８】再成長を使用して作成した本発明の実施の形態
を示す図。FIG. 8 illustrates an embodiment of the present invention created using regrowth.
【図９】イオンビームインプランテーションを使用して
作成した本発明の実施の形態を示す図。FIG. 9 is a diagram showing an embodiment of the present invention created using ion beam implantation.
【図１０】単一レーザ光線源を有する本発明の実施の形
態を示す図。FIG. 10 illustrates an embodiment of the present invention having a single laser beam source.
【図１１】２つのレーザ光線源を有する本発明の実施の
形態を示す図。FIG. 11 shows an embodiment of the present invention having two laser beam sources.
【図１２】本発明の光学デバイスを使用した検出システ
ムを示す図。FIG. 12 is a diagram showing a detection system using the optical device of the present invention.
【図１３】本発明の光学デバイスを使用した撮像システ
ムを示す図。FIG. 13 is a diagram showing an imaging system using the optical device of the present invention.
【図１４】光学パラメトリック発生、和発生、または高
調波発生のために使用される本発明の実施の形態を示す
図。FIG. 14 illustrates an embodiment of the invention used for optical parametric, sum, or harmonic generation.
【図１５】光学パラメトリック発生、和調波発生、また
は高調波発生のために使用される本発明の実施の形態を
示す図。FIG. 15 illustrates an embodiment of the present invention used for optical parametric, sum harmonic, or harmonic generation.
【図１６】光学変調領域と一体化されたレーザ光線源を
有する本発明の実施の形態を示す図。FIG. 16 illustrates an embodiment of the present invention having a laser beam source integrated with an optical modulation area.
【図１７】図１６図示の構造と類似するが導波路構成が
異なる構造を示す図。FIG. 17 is a diagram showing a structure similar to the structure shown in FIG. 16 but having a different waveguide configuration.
【図１８】共振器内に配設された光学パラメトリック発
振器を示す概略図。FIG. 18 is a schematic diagram showing an optical parametric oscillator provided in a resonator.
【図１９】駆動レーザと同じ共振器内に配設された光学
パラメトリック発振器を示す概略図。FIG. 19 is a schematic diagram showing an optical parametric oscillator disposed in the same resonator as the driving laser.
【図２０】共振器内光学パラメトリック発振器を示す
図。FIG. 20 is a diagram showing an optical parametric oscillator in a resonator.
【図２１】「バルク」の場合のＧａＡｓ内の穴の三角格
子のバンド構造の計算結果を示す図。FIG. 21 is a diagram showing a calculation result of a band structure of a triangular lattice of holes in GaAs in the case of “bulk”.
【図２２】有限厚さの導波路が作成された場合のバンド
構造の他の計算結果を示す図。FIG. 22 is a diagram showing another calculation result of the band structure when a waveguide having a finite thickness is created.
【図２３】有限厚さの導波路の場合の更に他のバンド構
造の計算結果を示す図。FIG. 23 is a diagram showing calculation results of still another band structure in the case of a waveguide having a finite thickness.
１…ＧａＡｓウエハ ３…エッチピット ５…空間的変化構造 ７、８…入射放射光線ビーム ９…出射放射光線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... GaAs wafer 3 ... Etch pit 5 ... Spatial change structure 7, 8 ... Incident radiation beam 9 ... Outgoing radiation beam
フロントページの続き (72)発明者 ドナルド・ドミニク・アーノン イギリス国、シービー４ ０ダブリュイ ー、ケンブリッジ、ミルトン・ロード、ケ ンブリッジ・サイエンス・パーク 260、 ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー トーシバ・リサーチ・ヨーロップ・リミテ ッド内 (72)発明者 アンドリュー・ジェームズ・シールズ イギリス国、シービー４ ０ダブリュイ ー、ケンブリッジ、ミルトン・ロード、ケ ンブリッジ・サイエンス・パーク 260、 ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー トーシバ・リサーチ・ヨーロップ・リミテ ッド内 (72)発明者 クライグ・マイケル・シーズラ イギリス国、シービー４ ０ダブリュイ ー、ケンブリッジ、ミルトン・ロード、ケ ンブリッジ・サイエンス・パーク 260、 ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー トーシバ・リサーチ・ヨーロップ・リミテ ッド内 (72)発明者 リチャード・アンドリュー・ホグ イギリス国、シービー４ ０ダブリュイ ー、ケンブリッジ、ミルトン・ロード、ケ ンブリッジ・サイエンス・パーク 260、 ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー トーシバ・リサーチ・ヨーロップ・リミテ ッド内 (72)発明者 デイビッド・マーク・ウィットテイカー イギリス国、シービー４ ０ダブリュイ ー、ケンブリッジ、ミルトン・ロード、ケ ンブリッジ・サイエンス・パーク 260、 ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー トーシバ・リサーチ・ヨーロップ・リミテ ッド内 (72)発明者 アレクサンダー・ジルス・デイビーズ イギリス国、シービー３・０エイチイー、 ケンブリッジ、メイディングレイ・ロー ド、ユニバーシティー・オブ・ケンブリッ ジ、ケバンディッシュ・ラボラトリー内 (72)発明者 エドモンド・ハロルド・リンフィールド イギリス国、シービー３・０エイチイー、 ケンブリッジ、メイディングレイ・ロー ド、ユニバーシティー・オブ・ケンブリッ ジ、ケバンディッシュ・ラボラトリー内Continuing on the front page (72) Inventor Donald Dominique Arnnon CB40 UK, Cambridge, Milton Road, Cambridge Science Park 260, Cambridge Research Laboratory Toshiba Research Europe Limited (72) Inventor Andrew James Shields UK, CB40, Cambridge, Milton Road, Cambridge Science Park 260, Cambridge Research Laboratory Toshiba Research Europe Limited (72) Inventor Craig Michael Seesla CB40, UK, Cambridge, Milton Road, Cambridge Science Park 260, Cambridge Research Laboratory -Inside Toshiba Research Europe Limited, (72) Inventor Richard Andrew Hog, UK, CB 40, Cambridge, Milton Road, Cambridge Science Park 260, Cambridge Research Laboratory Toshiba Research Europe Limited (72) Inventor David Mark Whitaker UK, CB 40, Cambridge, Milton Road, Cambridge Science Park 260, Cambridge Research Laboratory In Toshiba Research Europe Limited (72) Inventor Alexander Jills Davies UK, CB 3.0 H.E., Cambridge, Maidley Road, University of K. Bridge, Kevandish Laboratory (72) Inventor Edmund Harold Linfield United Kingdom, CB 3.0H, Cambridge, Maidley Road, University of Cambridge, Kevandish Laboratory
Claims (26)
は、少なくとも１つの入射放射光線ビームによる照射に
応答して前記光学変調領域内を伝播する、少なくとも２
つの異なる周波数の信号の間の位相整合を増強するため
の位相整合手段を具備し、前記位相整合手段は、前記入
射放射光線ビームのある方向成分に沿ってその屈折率に
おいて空間的変化を有し、少なくとも２つの異なる周波
数の信号が同位相を維持する前記変調領域内の距離を最
大とするように構成される、ことを特徴とする光学デバ
イス。1. An optical modulation area, comprising: at least two optical modulation areas that propagate through said optical modulation area in response to illumination by at least one incident radiation beam.
Phase-matching means for enhancing the phase-matching between two different frequency signals, said phase-matching means having a spatial change in its refractive index along a directional component of the incident radiation beam. An optical device configured to maximize a distance within the modulation region where signals of at least two different frequencies maintain the same phase.
力ビームによる照射に応答する周波数を持つ放射光線ビ
ームを出射するための周波数変換手段を更に具備し、前
記出射ビームは前記若しくは別の入射ビームと異なる周
波数を有することと、前記位相整合手段は、前記若しく
は別の入射ビーム及び前記出射ビームにより発生される
偏光間の位相整合を増強することと、を特徴とする請求
項１に記載の光学デバイス。2. The modulation region further comprises frequency conversion means for emitting a radiation beam having a frequency responsive to illumination by the at least one input beam, wherein the output beam is the or another input beam. 2. The optical system according to claim 1, wherein the phase matching means enhances phase matching between polarizations generated by the or another incident beam and the outgoing beam. device.
の周波数の差に実質的に等しい周波数のビームを出射す
るように構成されることを特徴とする請求項２に記載の
光学デバイス。3. The optical device according to claim 2, wherein the optical modulation region is configured to emit a beam having a frequency substantially equal to a frequency difference between two incident beams.
の範囲の放射光線を出射するように構成されることを特
徴とする請求項２または３に記載の光学デバイス。4. The device according to claim 1, wherein said device is 100 GHz to 20 Thz.
The optical device according to claim 2, wherein the optical device is configured to emit a radiation beam in a range of:
周波数の和に実質的に等しい周波数のビームを出射する
ように構成されることを特徴とする請求項２に記載の光
学デバイス。5. The optical device according to claim 2, wherein the optical modulation region is configured to emit a beam having a frequency substantially equal to a sum of frequencies of two incident beams.
周波数と異なる周波数のビームを出射するように構成さ
れることを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。6. The optical device according to claim 2, wherein the optical modulation area is configured to emit a beam having a frequency different from the frequency of a single incident beam.
周波数の整数倍に実質的に等しい周波数のビームを出射
するように構成されることを特徴とする請求項２に記載
の光学デバイス。7. The optical device according to claim 2, wherein the optical modulation area is configured to emit a beam having a frequency substantially equal to an integral multiple of the frequency of a single incident beam. .
応答して第１入力ビームの偏光ベクトルを回転させ、回
転された偏光ベクトルのビームを出射するように構成さ
れることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。8. The modulation area is configured to rotate a polarization vector of a first input beam in response to irradiation of a second input beam, and emit a beam of the rotated polarization vector. The optical device according to claim 1.
若しくは他の入射ビームの成分と概ね平行であることを
特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学デバ
イス。9. An optical device according to claim 1, wherein a change in the refractive index of said phase matching means is substantially parallel to the component of said or another incident beam.
ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の
光学デバイス。10. The optical device according to claim 1, wherein the change in the refractive index is substantially periodic.
０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項
１０に記載の光学デバイス。11. The pitch of the periodic change of the refractive index is 10
The optical device according to claim 10, wherein the optical device has a range of 0 nm to 10 μm.
とを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光
学デバイス。12. The optical device according to claim 1, wherein the optical modulation region includes a semiconductor.
を特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の光学
デバイス。13. The optical device according to claim 1, wherein the optical modulation region includes a crystal.
4 Ｈ2 ＰＯ4 、ＡＤＰ、ＫＨ2 ＰＯ4、ＫＨ2 ＡＳ
Ｏ4 、石英、ＡｌＰＯ4 、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＧａＰ、Ｇ
ａＡｓ、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 、
Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ
15、ＡｇＡｓＳ3 、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧｅＡｓ
2 、ＡｇＧａＳｅ2 、ＡｇＳｂＳ3 、ＺｎＳ、ＤＡＳＴ
（４−Ｎ−メチルスチルバゾリウム）、及びＳｉから選
択された１つ若しくは複数を具備することを特徴とする
請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学デバイス。14. The optical modulation region is composed of LiIO 3 , NH
4 H 2 PO 4 , ADP, KH 2 PO 4 , KH 2 AS
O 4 , quartz, AlPO 4 , ZnO, CdS, GaP, G
aAs, BaTiO 3 , LiTaO 3 , LiNbO 3 ,
Te, Se, ZnTe, ZnSe, Ba 2 NaNb 5 O
15 , AgAsS 3 , light silver ore, CdSe, CdGeAs
2 , AgGaSe 2 , AgSbS 3 , ZnS, DAST
The optical device according to any one of claims 1 to 13, comprising one or more selected from (4-N-methylstilbazolium) and Si.
されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに
記載の光学デバイス。15. The optical device according to claim 1, wherein said optical modulation region is provided in a waveguide structure.
コア層を具備することを特徴とする請求項１乃至１５の
いずれかに記載の光学デバイス。16. The optical device according to claim 1, wherein said optical modulation region includes a first cladding layer and a core layer.
に具備し、前記コア層は前記第１及び第２クラッド層間
に挟まれることを特徴とする請求項１６に記載の光学デ
バイス。17. The optical device according to claim 16, wherein said optical modulation region further comprises a second cladding layer, and said core layer is sandwiched between said first and second cladding layers.
た１つ若しくは複数の穴を有することを特徴とする請求
項１乃至１７のいずれかに記載の光学デバイス。18. The optical device according to claim 1, wherein the modulation area has one or more holes formed in a beam path.
層を具備し、前記穴は前記クラッド層に形成されないこ
とを特徴とする請求項１８に記載の光学デバイス。19. The optical device according to claim 18, wherein the optical modulation region has a clad layer and a core layer, and the hole is not formed in the clad layer.
層を具備し、前記穴は前記クラッド層に形成されること
を特徴とする請求項１８に記載の光学デバイス。20. The optical device according to claim 18, wherein the optical modulation region includes a cladding layer and a core layer, and the hole is formed in the cladding layer.
具備することを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか
に記載の光学デバイス。21. The optical device according to claim 1, further comprising a light source for the incident radiation.
とを特徴とする請求項２１に記載の光学デバイス。22. The optical device according to claim 21, wherein said light source is a diode laser.
ザが配設されることを特徴とする請求項２１に記載の光
学デバイス。23. The optical device according to claim 21, wherein two diode lasers are provided as the light source.
特徴とする請求項２１に記載の光学デバイス。24. The optical device according to claim 21, wherein said light source is a pulsed laser.
設されることを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか
に記載の光学デバイス。25. The optical device according to claim 1, wherein the optical modulation region is provided in a mirror resonator.
ムはレーザ共振器内で生成され、前記光学変調領域は前
記共振器内に配設されることを特徴とする請求項１乃至
２５のいずれかに記載の光学デバイス。26. The method according to claim 1, wherein the at least one incident radiation beam is generated in a laser resonator, and the optical modulation area is arranged in the resonator. An optical device as described.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9824058A GB2343964B (en) | 1998-11-03 | 1998-11-03 | An optical device |
| GB9824058.3 | 1998-11-03 |
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