JP2003066495A - Method of generating light or electromagnetic wave and generator for the same - Google Patents
Method of generating light or electromagnetic wave and generator for the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、テラヘルツ光等の
電磁波を発生させることができる光又は電磁波の発生方
法及び発生装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method or an apparatus for generating light or electromagnetic waves capable of generating electromagnetic waves such as terahertz light.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、特にテラヘルツ領域の光（サブミ
リ波）については、これまで有効なコヒーレント光源が
無かった。テラヘルツ領域の光（サブミリ波）を容易に
発生させることができるようになれば、新規光部品、検
査装置用特殊光源として、これを利用することができ
る。又、テラヘルツ光はＸ線や紫外線に較べて安全であ
り、医用診断等への応用も可能である。このように、テ
ラヘルツ光は、Ｘ線に代わる安全光源として各種産業に
おいて広範囲に利用が期待できるものであり、また新規
な応用分野が開拓されるものとも考えられる。しかしな
がら、これまで、この波長領域のコヒーレントな光は簡
便に発生させることが出来なかった。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been no effective coherent light source for light in the terahertz region (submillimeter wave). If it becomes possible to easily generate light in the terahertz region (submillimeter wave), it can be used as a new optical component or a special light source for an inspection apparatus. Further, terahertz light is safer than X-rays and ultraviolet rays, and can be applied to medical diagnosis and the like. As described above, terahertz light can be expected to be widely used in various industries as a safety light source that replaces X-rays, and it is considered that new application fields will be opened up. However, until now, coherent light in this wavelength region could not be easily generated.
【０００３】周波数１〜１０ＴＨｚの電磁波をここでは
テラヘルツの電磁波又はテラヘルツ光と呼ぶことにす
る。この周波数領域は波長３０ミクロンから３００ミク
ロンに相当する。この領域のコヒーレントな電磁波は発
生させることが難しく、簡便に発振可能で良質な光源
（電磁波源）を実現することが望まれている。An electromagnetic wave having a frequency of 1 to 10 THz is referred to as a terahertz electromagnetic wave or terahertz light here. This frequency range corresponds to wavelengths of 30 to 300 microns. It is difficult to generate coherent electromagnetic waves in this region, and it is desired to realize a high-quality light source (electromagnetic wave source) that can easily oscillate.
【０００４】すでに述べたようにテラヘルツ領域の光源
はＸ線に代わる新たな安全光源として医療分野への応用
が期待されている。テラヘルツ光を照射し、皮膚の状態
観察や歯の断層診断などの研究が進められている。その
他、コンクリートの断層診断、紙幣の透かしの可視化、
パッケージ食品の水分量計測やフロッピー（登録商標）
ディスクなどの内部透視など、多くの応用が考えられて
いる。As already mentioned, the light source in the terahertz region is expected to be applied to the medical field as a new safety light source replacing X-rays. Irradiation with terahertz light is being carried out to observe skin condition and tomographic diagnosis of teeth. Others, fault diagnosis of concrete, visualization of watermarks on banknotes,
Moisture content measurement of packaged food and floppy (registered trademark)
Many applications such as internal see-through of disks are considered.
【０００５】この領域の電磁波を発生させる装置として
は、従来、自由電子レーザを用いた大がかりなものはあ
ったが、規模が大きすぎて実用には不向きであった。
又、波長１０．６ミクロンの炭酸ガスレーザを励起光源
とし、それを気体分子に照射し、その時の気体分子の振
動、回転準位を使って、テラヘルツ光を発生させる研究
もなされてきた。しかしながら、気体の回転、振動準位
は固定されているため、波長可変領域が狭いことや装置
が大きすぎると言う問題があり、実用化には至っていな
い。As a device for generating electromagnetic waves in this region, a large-scale device using a free electron laser has been conventionally used, but it is not suitable for practical use because of its large scale.
Further, research has also been conducted to generate terahertz light by using a carbon dioxide laser having a wavelength of 10.6 μm as an excitation light source, irradiating it with gas molecules, and using vibration and rotation levels of the gas molecules at that time. However, since the rotation and vibration levels of gas are fixed, there are problems that the wavelength variable region is narrow and the device is too large, and it has not been put to practical use.
【０００６】又、非線形光学素子であるニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯ３）を用いてパラメトリック発振器を構
成し、ＮｄＹＡＧレーザを励起光源として、ＴＨｚ領域
の光を取り出す方法が発表されている。ＬｉＮｂＯ３に
ＮｄＹＡＧレーザ（１．０６μｍ）を照射すると、特定
の方向にアイドラー光と呼ばれるほぼ励起光に等しい波
長を持つ光とテラヘルツ光とに分解される。この時、入
射光のＫベクトルと射出される２つの光のＫベクトルが
保存される（Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．
１，ｐ６９（２０００年１月））。Further, a method has been disclosed in which a parametric oscillator is constructed using lithium niobate (LiNbO 3 ) which is a nonlinear optical element, and light in the THz region is extracted using an NdYAG laser as an excitation light source. When LiNbO 3 is irradiated with an NdYAG laser (1.06 μm), it is decomposed in a specific direction into light called an idler light having a wavelength substantially equal to the excitation light and terahertz light. At this time, the K vector of the incident light and the K vector of the two emitted lights are stored (O plus E, Vol. 22, No. 22).
1, p69 (January 2000)).
【０００７】さらに、光スイッチによるテラヘルツ光の
発生方法も研究されている。この方法は、ガリウム砒素
基板上に金属の微小ダイポールアンテナを設け、そのア
ンテナに直流バイアス電圧を印加する。この時、アンテ
ナの平行線路間にフェムト秒のレーザパルスを照射する
と電子正孔が生成され、この時、電子正孔の生成により
瞬時電流が流れるため、双極子放射であるテラヘルツ光
が発生する（Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．
１，ｐ４１（２０００年１月））。Furthermore, a method of generating terahertz light by an optical switch has been studied. In this method, a metal micro dipole antenna is provided on a gallium arsenide substrate, and a DC bias voltage is applied to the antenna. At this time, when femtosecond laser pulses are radiated between the parallel lines of the antenna, electron holes are generated, and at this time, an instantaneous current flows due to the generation of electron holes, so terahertz light that is dipole radiation is generated ( O plus E, Vol.
1, p41 (January 2000)).
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ＬｉＮｂＯ３にＮｄＹＡＧレーザを照射して、パラメト
リック発振を起こさせる方法では、高い発生効率を得る
ために大型の非線形光学単結晶を用いる必要があり、高
効率な発振を実現する事は難しいという問題がある。
又、ダイポールアンテナによる方法では、パルス発振で
あること、及び電子正孔のスクリーニング効果のためテ
ラヘルツ光の発生効率が低いという問題がある。However, in the method of irradiating the above LiNbO 3 with the NdYAG laser to cause parametric oscillation, it is necessary to use a large nonlinear optical single crystal in order to obtain high generation efficiency. There is a problem that it is difficult to realize highly efficient oscillation.
In addition, the method using a dipole antenna has a problem that the terahertz light generation efficiency is low due to the pulse oscillation and the electron hole screening effect.
【０００９】従って本発明の目的は、テラヘルツ光等の
電磁波を効率よく発生させることができる光又は電磁波
の発生方法及び発生装置を提供することにある。Therefore, it is an object of the present invention to provide a light or electromagnetic wave generating method and a generating apparatus capable of efficiently generating an electromagnetic wave such as terahertz light.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的は、非線形光学
効果及び周期的な誘電率分布を有するフォトニック結晶
に光又は電磁波を入射することより、入射された光又は
電磁波とは異なる複数の光又は電磁波を発生させる光又
は電磁波の発生方法により、達成される。ここで、光又
は電磁波は、フォトニック結晶に特定の制御された方向
（同一方向及び異なる方向を含む）より入射することが
できる。入射される光又は電磁波はレーザ光とすること
ができる。また、発生する複数の光又は電磁波の少なく
とも１つは、フォトニック結晶のフォトニックバンドの
傾斜の小さい状態又は光の群速度が真空中の光の速度に
較べて非常に小さい領域に相当するものとすることがで
きる。さらに、発生する複数の光又は電磁波の１つと同
じ波長の光をフォトニック結晶に特定の方向より入射す
ることができる。発生する複数の光又は電磁波の１つの
波長は、例えば３０μｍ〜３００μｍの範囲にあり、そ
の周波数はいわゆるテラヘルツ領域とすることができ
る。また、本発明に係る光又は電磁波の発生方法では、
非線形光学効果及び周期的な誘電率分布を有するフォト
ニック結晶内部で光又は電磁波を生成することより、生
成された光又は電磁波とは異なる複数の光又は電磁波を
発生させることもできる。The above object is to provide a plurality of light beams different from the incident light or electromagnetic wave by injecting light or electromagnetic wave into a photonic crystal having a nonlinear optical effect and a periodic dielectric constant distribution. Alternatively, it is achieved by a method of generating light or electromagnetic waves that generate electromagnetic waves. Here, light or electromagnetic waves can be incident on the photonic crystal in a specific controlled direction (including the same direction and different directions). The incident light or electromagnetic wave may be laser light. Further, at least one of the plurality of generated light or electromagnetic waves corresponds to a state in which the photonic band of the photonic crystal has a small inclination or a region where the group velocity of light is extremely smaller than the velocity of light in vacuum. Can be Further, a plurality of generated lights or light having the same wavelength as one of the electromagnetic waves can be incident on the photonic crystal from a specific direction. One wavelength of a plurality of generated lights or electromagnetic waves is, for example, in the range of 30 μm to 300 μm, and the frequency thereof can be in the so-called terahertz region. Further, in the method of generating light or electromagnetic waves according to the present invention,
It is also possible to generate a plurality of lights or electromagnetic waves different from the generated lights or electromagnetic waves by generating lights or electromagnetic waves inside the photonic crystal having a nonlinear optical effect and a periodic dielectric constant distribution.
【００１１】本発明に係る光又は電磁波の発生装置は、
非線形光学効果及び周期的な誘電率分布を有するフォト
ニック結晶と、前記フォトニック結晶に特定の方向（同
一方向及び異なる方向を含む）から光又は電磁波を入射
する光又は電磁波入射装置とを備えて構成される。ここ
で、光又は電磁波入射装置は、レーザ光を出射するレー
ザ装置と、前記レーザ光を分岐してフォトニック結晶に
伝達する分岐部材とを備えることができる。この場合、
レーザ装置を波長可変レーザとすることができる。この
ように構成することにより、テラヘルツ光等の電磁波を
効率よく発生させることができる。The light or electromagnetic wave generator according to the present invention is
A photonic crystal having a non-linear optical effect and a periodic dielectric constant distribution; and a light or electromagnetic wave incident device for injecting light or an electromagnetic wave into the photonic crystal from a specific direction (including the same direction and different directions) Composed. Here, the light or electromagnetic wave incident device may include a laser device that emits laser light and a branching member that branches the laser light and transmits it to the photonic crystal. in this case,
The laser device may be a tunable laser. With this configuration, electromagnetic waves such as terahertz light can be efficiently generated.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明するが、その前に、まず本発明の原理を説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below, but before that, the principle of the present invention will be described first.
【００１３】図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれフォトニッ
ク結晶の例を示す図である。同図（ａ）は球状のフォト
ニック結晶１１を示し、（ｂ）は格子状のフォトニック
結晶１２を示す。フォトニック結晶とは、人工的に作製
された光の波長と同程度の周期的な屈折率分布を持つ構
造体である。材料としては、例えば、ＣｕＣｌ，ＬｉＮ
ｂＯ３，ＧａＡｓなどが用いられる。本発明は、このフ
ォトニック結晶の持つ強い非線形光学効果を利用し、入
射波とは波長の大きく異なるテラヘルツ光等の電磁波を
効率よく発振させるものである。1A and 1B are views showing examples of photonic crystals, respectively. The figure (a) shows the spherical photonic crystal 11, and the figure (b) shows the lattice-shaped photonic crystal 12. A photonic crystal is a structure that has a periodic refractive index distribution that is approximately the same as the wavelength of light that is artificially created. As the material, for example, CuCl, LiN
bO 3 , GaAs or the like is used. The present invention utilizes the strong nonlinear optical effect of this photonic crystal to efficiently oscillate an electromagnetic wave such as terahertz light having a wavelength greatly different from that of the incident wave.
【００１４】フォトニック結晶は屈折率あるいは誘電率
の周期場を提供する人工媒体であるが、その内に置かれ
た光は、半導体で言えば周期的なクーロンポテンシャル
中に置かれた電子の場合と同様の振る舞いをする。すな
わちブリルアンゾーンを用いて光の特性を記述すること
が出来る。A photonic crystal is an artificial medium that provides a periodic field of refractive index or dielectric constant, and the light placed therein is, in the case of a semiconductor, an electron placed in a periodic Coulomb potential. Behaves like. That is, the Brillouin zone can be used to describe the characteristics of light.
【００１５】このことをさらに詳しく述べる。光は電磁
波であり、Ｍａｘｗｅｌｌの電場磁場に関する４つの方
程式に従うことはよく知られている。人工的に作られた
周期的な誘電率を持つ構造体、フォトニック結晶のもと
では、電場に関するＭａｘｗｅｌｌの方程式は次のよう
に書ける。なお、以下の式中及び説明中のｒ，ａ，ｋ，
ｕはベクトルを示す。
［１／ε（ｒ）］∇×［∇×Ｅ（ｒ）］＝［ω２／
ｃ２］Ｅ（ｒ）
この方程式において、誘電率は周期性ε（ｒ）＝ε（ｒ
＋ａ）を満たす。ここでａはフォトニック結晶の基本並
進ベクトルである。なお、磁場に関しても同様な方程式
が成立する。This will be described in more detail. It is well known that light is an electromagnetic wave and follows the four equations of Maxwell's electric and magnetic fields. Under an artificially created structure with a periodic dielectric constant, a photonic crystal, Maxwell's equation for the electric field can be written as follows. It should be noted that r, a, k, and
u indicates a vector. [1 / ε (r)] ∇ × [∇ × E (r)] = [ω 2 /
c 2 ] E (r) In this equation, the permittivity is periodic ε (r) = ε (r
+ A) is satisfied. Here, a is a basic translation vector of the photonic crystal. Similar equations hold for the magnetic field.
【００１６】上記方程式は並進対称操作に関して不変で
あり、光の電場ベクトルＥ（ｒ，ｔ）［又は磁場］に関
して半導体中の電子と同様にブロッホの定理が成り立つ
事が証明出来る（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５２，７９８２
（１９９５））。従って、フォトニック結晶内の光の状
態は電子の結晶中での状態と同様、
Ｅ（ｒ，ｔ）＝ｕｎｋ（ｒ）ｅｘｐ（ｉｋｒ）
と書くことができることが知られている。ｎはバンドを
表している。ここでｕｎ ｋ（ｒ）は次の関係を満足す
る。
ｕｎｋ（ｒ）＝ｕｎｋ（ｒ＋ａ）
ここでａはフォトニック結晶の誘電率の周期であり、フ
ォトニック結晶の格子定数に相当する。The above equation is invariant with respect to translational symmetry operation, and it can be proved that Bloch's theorem holds for the electric field vector E (r, t) [or magnetic field] of light as well as the electrons in the semiconductor (Phys. Rev. B52, 7982
(1995)). Therefore, the light of the state of the photonic crystal as well as status during electron crystal, E (r, t) = It can be written as u nk (r) exp (ikr ) is known. n represents a band. Here, u n k (r) satisfies the following relationship. unk (r) = unk (r + a) Here, a is the period of the dielectric constant of the photonic crystal and corresponds to the lattice constant of the photonic crystal.
【００１７】これらのことは、光又は電磁場に対してバ
ンド構造が出現することを示している。又、ある対称性
を持ったフォトニック結晶では光の存在できないエネル
ギー帯域が出現する。この光の存在できない領域はフォ
トニックバンドギャップと呼ばれている。These facts indicate that a band structure appears for light or an electromagnetic field. Further, in a photonic crystal having a certain symmetry, an energy band where light cannot exist appears. This region where light cannot exist is called a photonic band gap.
【００１８】図２は、フォトニック結晶のバンド構造の
一例を示す図である。この図からも分かるように、光は
通常の誘電体や真空中にある時と較べて、フォトニック
結晶内では非常に大きな波数ベクトルを持つ。さらに光
のバンド計算から、フォトニック結晶内では、図２中の
Ｂで示すように、バンドがフラットになる領域も存在す
る事が分かる。これを反映して、そのエネルギー領域で
は屈折率（ｎ＝ｃｋ／ω）の増大が起こる。又、バンド
の傾斜ｄω／ｄｋに対応する光の群速度が著しく低下す
る事が分かる。FIG. 2 is a diagram showing an example of a band structure of a photonic crystal. As can be seen from this figure, light has a very large wave number vector in the photonic crystal as compared to when it is in a normal dielectric or in a vacuum. Further, from the light band calculation, it can be seen that in the photonic crystal, there is a region where the band is flat, as shown by B in FIG. Reflecting this, the refractive index (n = ck / ω) increases in the energy region. Further, it can be seen that the group velocity of light corresponding to the band inclination dω / dk is remarkably reduced.
【００１９】次に、フォトニック結晶の非線形効果につ
いて述べる。周期的な誘電率を有するフォトニック結晶
において、それを構成する物質の誘電率が非線形性を持
っている場合を考察する。すなわち、フォトニック結晶
が２次の非線形感受率χ（２ ）（ｒ）を持つとすると、
入射した光（ωを光の角周波数とする）が結合して２ω
の第二高調波（ＳＨＧ）を発生させることも検討されて
いる（Ｐｈｙｓ．，Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．５４，ｐ５７
３２（１９９６））。Next, the nonlinear effect of the photonic crystal will be described. In a photonic crystal having a periodic dielectric constant, let us consider a case where the dielectric constant of the material forming the photonic crystal has nonlinearity. That is, if the photonic crystal has a second-order nonlinear susceptibility χ (2 ) (r),
The incident light (where ω is the angular frequency of light) is combined and 2ω
It is also considered to generate the second harmonic wave (SHG) of Phys., Rev. B, Vol. 54, p57.
32 (1996)).
【００２０】図３は、非線形フォトニック結晶における
波数ベクトルの保存則を説明するための図である。本発
明では、この非線形フォトニック結晶に入射方向が特定
の方向（同一方向及び異なる方向を含む）の２種の光を
導入し、合成Ｋベクトルの和を図に示すように小さくし
ておく事を考える。この時、２種の入射光のエネルギー
は異なっていても良いし、又同じであっても良い。説明
を簡単にするため、同じエネルギーを持つレーザ光を考
える事にする。又、入射光はフォトニックバンドの第１
分岐にあるとする。その時、例えば、この入射レーザ光
を互いに異なった方向から入射させる。このようにする
と、以下に述べるように２つのレーザ光線の合成Ｋベク
トルを小さくすることが出来る。FIG. 3 is a diagram for explaining the conservation law of the wave number vector in the nonlinear photonic crystal. In the present invention, two kinds of light having incident directions (including the same direction and different directions) are introduced into this nonlinear photonic crystal, and the sum of the combined K vectors is made small as shown in the figure. think of. At this time, the energies of the two types of incident light may be different or the same. To simplify the explanation, consider a laser beam having the same energy. In addition, the incident light is the first photonic band.
Suppose you are in a branch. At this time, for example, the incident laser light is made incident from different directions. By doing so, the combined K vector of the two laser beams can be reduced as described below.
【００２１】入射レーザ光を互いに異なった方向から入
射させると非線形光学効果により、非線形感受率を通じ
て、光が互いに結合を起す。その合成Ｋベクトルは、
Ｋ＝Ｋ１（ω０）＋Ｋ２（ω０）
と表される。ここで、Ｋ１（ω０）はレーザ光の進行方
向がＫ１、その時の光のエネルギーが（ｈ／２π）ω０
である事を表している（ｈはプランク定数）。同様にＫ
２（ω ０）はレーザ光の進行方向がＫ２、その時の光の
エネルギーが（ｈ／２π）ω０である事を表している。Incident laser light enters from different directions.
And the nonlinear optics effect, through the nonlinear susceptibility
Then, the light causes a bond with each other. The composite K vector is
K = K1(Ω0) + KTwo(Ω0)
Is expressed as Where K1(Ω0) Is how the laser light travels
Direction is K1, The energy of light at that time is (h / 2π) ω0
(H is Planck's constant). Similarly K
Two(Ω 0) Indicates that the traveling direction of the laser beam is KTwo, Of the light of that time
Energy is (h / 2π) ω0It means that.
【００２２】さて、この時、非線形効果が起こり、次の
ようなＫベクトルとエネルギーの保存を満足する解が存
在する事が分かる。
Ｋ＝Ｋ３（２ω０−Δ）＋Ｋ４（Δ）
ここでΔをω０に較べて小さいと仮定すると、Ｋ３（２
ω０−Δ）はほぼ第２高調波に等しいエネルギーを持
ち、図２に示すフォトニックバンドＢの光に対応する。
この光はバンドの傾きが緩やかであるために、その群速
度が、同じ振動数の真空中の光の速度に較べて非常に小
さく、そのためこのＫ３（２ω０−Δ）を持つ光が強く
励起されると考えられる。この群速度異常による増強効
果はフォトニック結晶における基本的な非線形光学特性
の一つである。At this time, it can be seen that a non-linear effect occurs and there exists a solution satisfying the following K vector and energy conservation. K = K 3 (2ω 0 −Δ) + K 4 (Δ) Here, assuming that Δ is smaller than ω 0 , K 3 (2
ω 0 −Δ) has energy almost equal to the second harmonic and corresponds to the light in the photonic band B shown in FIG.
Since this light has a gradual band inclination, its group velocity is much smaller than the velocity of light in a vacuum of the same frequency, and therefore the light having K 3 (2ω 0 −Δ) is strong. It is thought to be excited. The enhancement effect due to this group velocity anomaly is one of the basic nonlinear optical properties in photonic crystals.
【００２３】一方、Ｋ４（Δ）は低エネルギー側に現れ
る光であり、本発明でのテラヘルツ光に対応する光であ
る。このようにしてテラヘルツ光やその他所望の波長の
光を得ることが出来る。２つの入射光のなす角を変える
ことで、合成Ｋベクトルの値を選択する事ができる。合
成Ｋベクトルの大きさを変えることにより、Ｋベクトル
とエネルギーの保存則を満足するＫ４（Δ）は大きく変
わる。従って角振動数Δを自由に選択できるので、この
光はテラヘルツ光に限定されない事は言うまでもない。On the other hand, K 4 (Δ) is light that appears on the low energy side, and is light corresponding to the terahertz light in the present invention. In this way, terahertz light and other desired wavelength light can be obtained. The value of the combined K vector can be selected by changing the angle formed by the two incident lights. By changing the size of the composite K vector, K 4 (Δ) that satisfies the conservation law of the K vector and energy is greatly changed. Therefore, since the angular frequency Δ can be freely selected, it goes without saying that this light is not limited to terahertz light.
【００２４】さらにアイドラー光と同じ角周波数を持つ
光を外部より入射させると、フォトニック結晶内部では
Ｋ３（２ω０−Δ）を持つ光となる。この時、図３の誘
導散乱過程の確率が高まり、Ｋ４（Δ）の光（電磁波）
のスペクトルを狭帯化出来る。すなわち、Ｋ３（２ω０
−Δ）の光を外部から導入すると、その光による誘導散
乱効果が起こり、上記光混合過程が増大されて、Ｋ
３（２ω０−Δ）の光のみならず信号光であるテラヘル
ツ光も強く観測される。Further, when light having the same angular frequency as the idler light is made incident from the outside, it becomes light having K 3 (2ω 0 −Δ) inside the photonic crystal. At this time, the probability of the stimulated scattering process in FIG. 3 increases, and the light of K 4 (Δ) (electromagnetic wave)
The spectrum of can be narrowed. That is, K 3 (2ω 0
When the light of −Δ) is introduced from the outside, an induced scattering effect due to the light occurs, the above-mentioned light mixing process is increased, and K
Not only 3 (2ω 0 −Δ) light but also terahertz light that is signal light is strongly observed.
【００２５】なお上記説明においてはフォトニック結晶
の外部よりレーザ光線を入射させる事を前提に説明した
が、光線はフォトニック結晶内部において生成したもの
であっても同様の効果が得られることは明らかである。
すなわちレーザ発振可能な構造を複数のフォトニック結
晶内に作製しておき、それを用いて上記光の合成を行っ
てもよい。Although the above description has been made on the assumption that the laser beam is incident from the outside of the photonic crystal, it is clear that the same effect can be obtained even if the beam is generated inside the photonic crystal. Is.
That is, a structure capable of laser oscillation may be formed in a plurality of photonic crystals, and the light may be used to synthesize the light.
【００２６】以上の説明からも分かるように、本発明で
得られる電磁波は単にテラヘルツ光に限定されるもので
は無い。すなわち、本発明は、２種の光をフォトニック
結晶に入射させ、その非線形性を用いて入射光を分解
し、入射光とは異なる所望の波長の光又は電磁波２種を
発生させる手段として使用できるからである。As can be seen from the above description, the electromagnetic wave obtained in the present invention is not limited to terahertz light. That is, the present invention is used as a means for injecting two kinds of light into a photonic crystal, decomposing the incident light by using its nonlinearity, and generating two kinds of light or electromagnetic waves of a desired wavelength different from the incident light. Because you can.
【００２７】これをエネルギーの関係で表せば、次のよ
うになる。
Ｅ（Ｋ１）＋Ｅ（Ｋ２）＝Ｅ（Ｋ３）＋Ｅ（Ｋ４）
ここにＫ１，Ｋ２は入射光の波数ベクトル、Ｋ３，Ｋ４
は分解され、放出される光（又は電磁波）の波数ベクト
ルであり、Ｅ（Ｋｉ）は波数Ｋｉを持つ光（又は電磁
波）のエネルギーである。This can be expressed as follows in terms of energy. E (K 1 ) + E (K 2 ) = E (K 3 ) + E (K 4 ), where K 1 and K 2 are wave vector of incident light, and K 3 and K 4
Is the wave number vector of the light (or electromagnetic wave) that is decomposed and emitted, and E (Ki) is the energy of the light (or electromagnetic wave) having the wave number Ki.
【００２８】このように、上述のフォトニック結晶に光
を照射する方法を使うことにより、２つの入射光線の光
のエネルギーを、異なる２つの光のエネルギーに効率よ
く分解することができる。以下、実施例に基づいて、本
発明を具体的に説明する。As described above, by using the above method of irradiating the photonic crystal with light, the light energy of the two incident light beams can be efficiently decomposed into two different light energies. Hereinafter, the present invention will be specifically described based on Examples.
【００２９】（実施例１）図４は、本発明に係る光又は
電磁波の発生装置の一実施例を示す図である。本実施例
は、図示のように、波長可変レーザ４１と、分岐部材４
２及び反射部材４３〜４７と、フォトニック結晶４８と
を備える。ここで、波長可変レーザ４１は、例えば、チ
ッソレーザ励起又はＡｒレーザ励起の色素レーザ（ポリ
メチレン系色素）（１．１μｍ帯）を用いて励起する。
色素レーザにより最適波長が分かれば、その後は波長固
定の半導体レーザ（１．３μｍ）を用いてもよい。ま
た、分岐部材４２は例えばハーフミラーであり、反射部
材４３〜４７は例えばミラーである。本実施例では、波
長可変レーザ４１、分岐部材４２及び反射部材４３〜４
７が、光又は電磁波入射装置を構成する。(Embodiment 1) FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a light or electromagnetic wave generator according to the present invention. In this embodiment, as shown in the drawing, the wavelength tunable laser 41 and the branching member 4 are used.
2 and the reflecting members 43 to 47, and the photonic crystal 48. Here, the wavelength tunable laser 41 is excited using, for example, a dye laser (polymethylene dye) (1.1 μm band) excited by a nitrogen laser or an Ar laser.
If the optimum wavelength is known by the dye laser, a wavelength-fixed semiconductor laser (1.3 μm) may be used thereafter. The branching member 42 is, for example, a half mirror, and the reflecting members 43 to 47 are, for example, mirrors. In this embodiment, the wavelength tunable laser 41, the branching member 42, and the reflecting members 43 to 4 are used.
7 constitutes a light or electromagnetic wave incident device.
【００３０】フォトニック結晶４８は、次のようにして
作製される。まず、図示しない透明ガラス基板上にＧａ
Ｐ（ガリウムリン）を真空蒸着法により１ミクロン着膜
する。次にＳｉＯ２を同様に１ミクロン着膜する。これ
を繰り返し実施することにより１次元のフォトニック結
晶４８が作製できる。ＧａＰは比誘電率８．４を持つ強
い非線形性光学材料である。比誘電率は他の物質と比較
して大きい。一方、ＳｉＯ２は比誘電率（約２．１）を
持ち、非線形性は小さい。この２種類の材料の誘電率の
差は大きく、そのためフォトニックバンド構造が現れ
る。The photonic crystal 48 is manufactured as follows. First, on a transparent glass substrate (not shown), Ga
P (gallium phosphide) is deposited to a thickness of 1 micron by a vacuum evaporation method. Next, SiO 2 is similarly deposited to a thickness of 1 micron. By repeating this, the one-dimensional photonic crystal 48 can be manufactured. GaP is a strong nonlinear optical material having a relative dielectric constant of 8.4. The relative permittivity is large compared to other substances. On the other hand, SiO 2 has a relative dielectric constant (about 2.1) and has a small nonlinearity. The difference in dielectric constant between these two types of materials is large, so that a photonic band structure appears.
【００３１】真空蒸着を行うと各層とも完全な単結晶に
はならず多結晶状態となるがコラムナーの方向は大まか
に揃う。従ってマクロな結晶方位は単結晶ほど明確では
ないが、現れてくる。この真空蒸着を交互に１０回ずつ
繰り返し、約２０ミクロンの厚さの１次元フォトニック
結晶４８を作製する。When vacuum evaporation is performed, each layer does not become a complete single crystal but becomes a polycrystalline state, but the columnar directions are roughly aligned. Therefore, the macroscopic crystal orientation appears, although not as clear as that of a single crystal. This vacuum vapor deposition is alternately repeated 10 times to produce a one-dimensional photonic crystal 48 having a thickness of about 20 microns.
【００３２】次に動作を説明する。まず、波長可変レー
ザ４１からレーザ光（波長λ）を出射する。このレーザ
光は、反射部材４２で分岐され、それぞれ反射部材４３
〜４５及び４６〜４７を介して１次元フォトニック結晶
４８の両側に到達し、ある角度θで照射される。本例で
は、フォトニック結晶４８の上面からは角度θ１で、下
面からは角度θ２でレーザ光が照射される。Next, the operation will be described. First, the wavelength tunable laser 41 emits laser light (wavelength λ). This laser light is branched by the reflection member 42, and each reflection member 43
Through 45 and 46-47 reach both sides of the one-dimensional photonic crystal 48 and are irradiated at an angle θ. In this example, laser light is emitted from the upper surface of the photonic crystal 48 at an angle θ1 and from the lower surface at an angle θ2.
【００３３】ここで、波長可変レーザ４１から出射され
るレーザ光の波長を変えていくと、ある波長λのところ
でｃｈ／（λ／２）−Δのエネルギーを持つ光とエネル
ギーΔを持つ長波長の光が観測される。この光を分光す
ると、長波長側にテラヘルツ光等の電磁波が発生してい
ることが分かる。Here, when the wavelength of the laser light emitted from the wavelength tunable laser 41 is changed, the light having the energy of ch / (λ / 2) -Δ and the long wavelength having the energy Δ are obtained at a certain wavelength λ. The light of is observed. When this light is dispersed, it can be seen that electromagnetic waves such as terahertz light are generated on the long wavelength side.
【００３４】この時発生するテラヘルツ光のエネルギー
Ｅ（Ｋ４）は
Ｅ（Ｋ４）＝Ｅ（Ｋ１）＋Ｅ（Ｋ２）−Ｅ（Ｋ３）
となり、この関係はエネルギーの保存則より厳密に成立
するので、Ｅ（Ｋ３）の光を観測することで出射された
長波長側の波長（又は振動数）を正確に知ることが出来
る。本実施例では入射光の波長は１．１μｍであり、そ
れにより発生する光は約１／２の０．５５μｍの波長の
光と０．３ｍｍの長波長の光（電磁波）である。それぞ
れの光は発生する方向とエネルギーが大きく異なるた
め、分離は容易である。The energy E (K 4 ) of the terahertz light generated at this time is E (K 4 ) = E (K 1 ) + E (K 2 ) −E (K 3 ), and this relationship is stricter than the energy conservation law. Therefore, the wavelength (or frequency) on the long wavelength side emitted can be accurately known by observing the light of E (K 3 ). In this embodiment, the wavelength of the incident light is 1.1 μm, and the light generated thereby is approximately ½ of the light having a wavelength of 0.55 μm and the light having a long wavelength of 0.3 mm (electromagnetic wave). Since each light has a great difference in the direction of generation and energy, separation is easy.
【００３５】（実施例２）図５は、本発明に係る光又は
電磁波の発生装置の他の実施例を示す図である。本実施
例は、図示のように、レーザ光源５１と、分岐部材５２
及び反射部材５３〜５６と、フォトニック結晶５７とを
備える。ここで、レーザ光源５１は、例えば、波長１．
３μｍ（１．０５ｅＶ）の半導体レーザを用いることが
できる。また、分岐部材５２は例えばハーフミラーであ
り、反射部材５３〜５６は例えばミラーである。本実施
例では、レーザ光源５１、分岐部材５２及び反射部材５
３〜５６が、光又は電磁波入射装置を構成する。(Embodiment 2) FIG. 5 is a view showing another embodiment of the light or electromagnetic wave generator according to the present invention. In this embodiment, as shown, a laser light source 51 and a branch member 52
And reflection members 53 to 56 and a photonic crystal 57. Here, the laser light source 51 has, for example, a wavelength of 1.
A semiconductor laser of 3 μm (1.05 eV) can be used. The branching member 52 is, for example, a half mirror, and the reflecting members 53 to 56 are, for example, mirrors. In this embodiment, the laser light source 51, the branch member 52, and the reflecting member 5
3-56 constitute a light or electromagnetic wave incident device.
【００３６】次に、フォトニック結晶５７の作製方法を
説明する。まず、非線形光学効果を持つインジウムリン
ＩｎＰ基板を厚さ０．５μｍに加工し、電子線ビームを
用いてストライプ構造を形成する（第４８回応用物理学
関係連合講演会、講演予稿集（２００１年３月、２９ｐ
−ＺＨ−７）。これを積層してフォトニック結晶構造を
得る。具体的には、基板として２インチのＩｎＰ基板を
用いた。ＭＯＣＶＤ法によりこのＩｎＰ基板上にＩｎＧ
ａＡｓとＩｎＰをこの順序に堆積する。犠牲層のＩｎＧ
ａＡｓは０．８μｍ堆積した。又ＩｎＰ層は０．５μｍ
堆積した。次にレジストを塗布し、電子線描画装置によ
り、レジストのストライプ状パターンを形成する。スト
ライプの幅は０．５μｍ、ストライプ間の周期は１μｍ
とした。続いて、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）法によ
り、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓ層を同時にエッチングす
る。ＩｎＧａＡｓ層を犠牲層としてエッチング除去し、
エアブリッジ構造を作成する。その後、宙に浮いた０．
５μｍのＩｎＰ層をマイクロマニュピレーション法によ
り取り外す。このＩｎＰ層を一層ずつ積層する事によ
り、３次元フォトニック結晶を作製することができる。
図６は、このＩｎＰ層を２層積層した状態の一例を示す
図である。本例では、ＩｎＰ層６１上にＩｎＰ層６２が
直角に交叉して積層される。Next, a method of manufacturing the photonic crystal 57 will be described. First, an indium phosphide InP substrate having a nonlinear optical effect is processed to a thickness of 0.5 μm, and a stripe structure is formed using an electron beam (Proceedings of the 48th Joint Lecture on Applied Physics, 2001). March, 29p
-ZH-7). This is laminated to obtain a photonic crystal structure. Specifically, a 2-inch InP substrate was used as the substrate. InG is formed on the InP substrate by MOCVD.
aAs and InP are deposited in this order. InG of sacrificial layer
0.8 μm of aAs was deposited. The InP layer is 0.5 μm
Deposited. Next, a resist is applied, and a stripe pattern of the resist is formed by an electron beam drawing device. The stripe width is 0.5 μm, and the period between stripes is 1 μm
And Subsequently, the InP and InGaAs layers are simultaneously etched by the ICP (inductively coupled plasma) method. Etching away the InGaAs layer as a sacrificial layer,
Create an air bridge structure. After that, it floated in the air.
The 5 μm InP layer is removed by micromanipulation. A three-dimensional photonic crystal can be manufactured by stacking the InP layers one by one.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a state where two InP layers are laminated. In this example, the InP layer 62 is stacked on the InP layer 61 at right angles.
【００３７】犠牲層をエッチング除去するためエッチン
グ液として硫酸系エッチャントを用いた。積層は１００
回行い、約５０μｍの厚みの３次元フォトニック結晶５
７を作製する。フォトニック結晶５７の１辺の長さは２
ｍｍとした。A sulfuric acid-based etchant was used as an etching solution for removing the sacrificial layer by etching. 100 layers
3D photonic crystal with a thickness of about 50 μm
7 is produced. The length of one side of the photonic crystal 57 is 2
mm.
【００３８】次に動作を説明する。まず、図５のレーザ
光源（半導体レーザ）５１から波長１．３μｍ（１．０
５ｅＶ）のレーザ光を出射する。このレーザ光は、反射
部材５２で分岐され、それぞれ反射部材５３〜５５及び
５６を介して３次元フォトニック結晶５７の前後に照射
される。この時、約２ｅＶに対応したエネルギー準位の
フォトニックバンドが励起されるため、入射光の約２倍
のエネルギーを持つ光（２ω０−Δ）と、
Ｅ（Ｋ４）＝Ｅ（Ｋ１）＋Ｅ（Ｋ２）−Ｅ（Ｋ３）
を満足する長波長の電磁波であるテラヘルツ光（Δ）が
発生する。この場合も、それぞれの光は発生する方向や
エネルギーが大きく異なるため、分離は容易である。Next, the operation will be described. First, from the laser light source (semiconductor laser) 51 shown in FIG.
A laser beam of 5 eV) is emitted. The laser light is branched by the reflecting member 52, and is irradiated before and after the three-dimensional photonic crystal 57 via the reflecting members 53 to 55 and 56, respectively. At this time, since a photonic band having an energy level corresponding to about 2 eV is excited, light (2ω 0 −Δ) having energy twice that of incident light and E (K 4 ) = E (K 1 ) + E (K 2 ) −E (K 3 ), which is a long-wavelength electromagnetic wave that generates terahertz light (Δ). In this case as well, the directions and energies of the respective lights are greatly different, so that the separation is easy.
【００３９】このように、本発明では、フォトニック結
晶の非線形効果の増幅作用により、２種類の入射光ω
１、ω２を、別の波長を持った２種の光又は電磁波ω
３、ω４に効率よく分解することができる。通常この種
の実験はフォノンによる光散乱の影響を抑えるため、低
温で実施することが多いが、フォトニック結晶では一義
的にはフォノンは存在しないので、常温においても、増
強効果が顕著に現れるという特徴がある。As described above, in the present invention, two types of incident light ω are generated by the amplifying action of the nonlinear effect of the photonic crystal.
1 and ω2 are two kinds of light or electromagnetic waves ω having different wavelengths.
It can be efficiently decomposed into 3 and ω4. Usually, this type of experiment is often performed at low temperature to suppress the influence of light scattering due to phonons, but since phonons do not exist uniquely in photonic crystals, the enhancement effect is remarkable even at room temperature. There are features.
【００４０】[0040]
【発明の効果】本発明によれば、テラヘルツ光等の電磁
波を効率よく発生させることができる光又は電磁波の発
生方法及び発生装置を得ることができる。According to the present invention, it is possible to obtain a method or an apparatus for generating light or electromagnetic waves that can efficiently generate electromagnetic waves such as terahertz light.
【図１】（ａ）、（ｂ）はそれぞれフォトニック結晶の
例を示す図である。FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing examples of photonic crystals.
【図２】フォトニック結晶のバンド構造の一例を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a band structure of a photonic crystal.
【図３】非線形フォトニック結晶における波数ベクトル
の保存則を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a conservation rule of a wave number vector in a nonlinear photonic crystal.
【図４】本発明に係る光又は電磁波の発生装置の一実施
例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a light or electromagnetic wave generator according to the present invention.
【図５】本発明に係る光又は電磁波の発生装置の他の実
施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing another embodiment of the light or electromagnetic wave generator according to the present invention.
【図６】ＩｎＰ層を２層積層した状態の一例を示す図で
ある。FIG. 6 is a diagram showing an example of a state in which two InP layers are stacked.
４１ 波長可変レーザ ４２〜４７ 反射部材 ４８ フォトニック結晶 41 Tunable laser 42-47 reflective member 48 Photonic Crystal
Claims (10)
を有するフォトニック結晶に光又は電磁波を入射するこ
とより、入射された光又は電磁波とは異なる複数の光又
は電磁波を発生させることを特徴とする光又は電磁波の
発生方法。1. A plurality of lights or electromagnetic waves different from the incident lights or electromagnetic waves are generated by injecting lights or electromagnetic waves into a photonic crystal having a nonlinear optical effect and a periodic dielectric constant distribution. The method of generating light or electromagnetic waves.
の方向より入射されることを特徴とする請求項１記載の
光又は電磁波の発生方法。2. The method for generating light or electromagnetic waves according to claim 1, wherein the light or electromagnetic waves is incident on the photonic crystal in a specific direction.
ることを特徴とする請求項１又は２記載の光又は電磁波
の発生方法。3. The method for generating light or electromagnetic wave according to claim 1, wherein the incident light or electromagnetic wave is laser light.
も１つがフォトニック結晶のフォトニックバンドの傾斜
の小さい状態又は光の群速度が真空中の光の速度に較べ
て非常に小さい領域に相当することを特徴とする請求項
１〜３のいずれかに記載の光又は電磁波の発生方法。4. A state in which at least one of a plurality of generated light or electromagnetic waves has a small inclination of a photonic band of a photonic crystal or a region where the group velocity of light is very small as compared with the velocity of light in vacuum. The method for generating light or electromagnetic waves according to any one of claims 1 to 3, wherein.
じ波長の光がフォトニック結晶に特定の方向より入射さ
れることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
光又は電磁波の発生方法。5. The light or electromagnetic wave according to claim 1, wherein light having the same wavelength as one of a plurality of generated light or electromagnetic waves is incident on the photonic crystal in a specific direction. How to occur.
長が３０μｍ〜３００μｍの範囲にあることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれかに記載の光又は電磁波の発生
方法。6. The method for generating light or electromagnetic waves according to claim 1, wherein one wavelength of a plurality of generated light or electromagnetic waves is in the range of 30 μm to 300 μm.
を有するフォトニック結晶内部で光又は電磁波を生成す
ることにより、生成された光又は電磁波とは異なる複数
の光又は電磁波を発生させることを特徴とする光又は電
磁波の発生方法。7. A plurality of lights or electromagnetic waves different from the generated lights or electromagnetic waves are generated by generating lights or electromagnetic waves inside a photonic crystal having a nonlinear optical effect and a periodic dielectric constant distribution. A characteristic method of generating light or electromagnetic waves.
を有するフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶に
特定の方向から光又は電磁波を入射する光又は電磁波入
射装置とを備えたことを特徴とする光又は電磁波の発生
装置。8. A photonic crystal having a non-linear optical effect and a periodic dielectric constant distribution, and a light or electromagnetic wave incident device for injecting light or an electromagnetic wave into the photonic crystal from a specific direction. A device for generating light or electromagnetic waves.
射するレーザ装置と、前記レーザ光を分岐してフォトニ
ック結晶に伝達する分岐部材とを備えたことを特徴とす
る請求項８記載の光又は電磁波の発生装置。9. The light or electromagnetic wave incident device comprises a laser device for emitting a laser beam and a branching member for branching the laser beam and transmitting it to a photonic crystal. A generator of light or electromagnetic waves.
とを特徴とする請求項９記載の光又は電磁波の発生装
置。10. The light or electromagnetic wave generating device according to claim 9, wherein the laser device is a wavelength tunable laser.
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