JP2014165412A - 短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置 - Google Patents

短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】所望のパルス幅の光パルスを得ることができる短光パルス発生装置を提供する。
【解決手段】短光パルス発生装置１００は、量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部１０と、量子井戸構造を有し、光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部１２と、チャープした光パルスを分岐させる光分岐部１４と、モード結合する距離で配置されており、かつ、光分岐部１４にて分岐された複数の光パルスの各々が入射する複数の光導波路を有し、分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部１６と、を含み、光分岐部１４で分岐されてから群速度分散部１６の複数の光導波路に入射するまでの複数の光路における光パルスの光路長は、互いに等しい。
【選択図】図１

Description

本発明は、短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置に関する。
近年、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。
テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置は、例えば、サブピコ秒（数百フェムト秒）程度のパルス幅をもつ光パルスを発生させる短光パルス発生装置と、短光パルス発生装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、を有している。
テラヘルツ波発生装置を構成している短光パルス発生装置として、例えば、特許文献１には、群速度分散補償器を備えた半導体短パルスレーザー素子が開示されている。
ここで、群速度分散補償器について説明する。光パルスが媒質中を伝搬する時、自己位相変調効果により、光パルスの周波数が時間とともに増加したり（アップチャープ）、光パルスの周波数が時間とともに減少したり（ダウンチャープ）したりする。このとき、アップチャープした光パルスが、負の群速度分散特性を持つ媒質を通過すると、光パルスの後半部が前半部に比べて群速度が大きくなり、パルス幅が狭くなる。また、ダウンチャープした光パルスが、正の群速度分散特性を持つ媒質を通過すると、光パルスの後半部が前半部に比べて群速度が大きくなり、パルス幅が狭くなる。このように、群速度分散によってパルス幅を狭める、すなわち、パルス圧縮を行うのが、群速度分散補償器である。
特開平１０−２１３７１４号公報
しかしながら、特許文献１の群速度分散補償器では、群速度分散補償器が正の群速度分散特性を持つのか、負の群速度分散特性を持つのかを、制御できない。このため、特許文献１の群速度分散補償器を備えた短光パルス発生装置では、所望のパルス幅が得られないという問題がある。例えば、アップチャープした光パルスが群速度分散補償器を通過しても、群速度分散補償器が正の群速度分散特性を持っていると、パルス幅が拡がってしまう。また、同様に、ダウンチャープした光パルスが群速度分散補償器を通過しても、群速度分散補償器が負の群速度分散特性を持っていると、パルス幅が拡がってしまう。また、群速度分散補償器が正の群速度分散特性と負の群速度分散特性とを両方持っていると、パルス波形が歪んでしまい、結果として所望のパルス幅が得られない場合がある。このように、短光パルス発生装置では、群速度分散補償器の群速度分散特性を制御できなければ、所望のパルス幅が得られない場合がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、所望のパルス幅の光パルスを得ることができる短光パルス発生装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の短光パルス発生装置を含む、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置を提供することにある。
本発明に係る短光パルス発生装置は、
量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部と、
量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
チャープした前記光パルスを分岐させる光分岐部と、
モード結合する距離で配置されており、かつ、前記光分岐部にて分岐された複数の前記光パルスの各々が入射する複数の光導波路を有し、前記分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
を含み、
前記光分岐部で分岐されてから前記群速度分散部の前記複数の光導波路に入射するまでの複数の光路における前記光パルスの光路長は、互いに等しい。
このような短光パルス発生装置によれば、光分岐部で分岐されてから群速度分散部に入射するまでの複数の光パルスの光路長が互いに等しいため、分岐されて群速度分散部に入射する複数の光パルスを同位相にすることができる。これにより、群速度分散部が正の群速度分散特性を持つことができる。このように、当該短光パルス発生装置によれば、群速度分散部を正の群速度分散特性を持つように制御することができるため、所望のパルス幅の光パルスを得ることができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記光分岐部は、
半導体材料からなり、チャープした前記光パルスが入射する第１半導体導波路と、
前記半導体材料からなり、前記第１半導体導波路から分岐している第２半導体導波路および第３半導体導波路と、
を有し、
前記第２半導体導波路の長さと前記第３半導体導波路の長さは、互いに等しくてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、分岐されて群速度分散部に入射する複数の光パルスを、同位相にすることができる。
本発明に係る短光パルス発生装置は、
量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部と、
量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
チャープした前記光パルスを分岐させる光分岐部と、
モード結合する距離で配置されており、かつ、前記光分岐部にて分岐された複数の前記光パルスの各々が入射する複数の光導波路を有し、前記分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
を含み、
前記光分岐部は、前記分岐された複数の光パルスに、互いに逆位相となって前記群速度分散部に入射する光路差を生じさせる。
このような短光パルス発生装置によれば、光分岐部は、分岐された複数の光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部に入射する光路差を生じさせるため、分岐されて群速度分散部に入射する複数の光パルスを逆位相にすることができる。これにより、群速度分散部が負の群速度分散特性を持つことができる。このように、当該短光パルス発生装置によれば、群速度分散部を負の群速度分散特性を持つように制御することができるため、所望のパルス幅の光パルスを得ることができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記光分岐部は、
半導体材料からなり、チャープした前記光パルスが入射する第１半導体導波路と、
前記半導体材料からなり、前記第１半導体導波路から分岐している第２半導体導波路および第３半導体導波路と、
を有し、
前記光路差は、前記第２半導体導波路の長さと前記第３半導体導波路の長さとの差によって生じてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、分岐されて群速度分散部に入射する複数の光パルスを、逆位相にすることができる。
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記光分岐部は、
半導体材料からなり、チャープした前記光パルスが入射する第１半導体導波路と、
前記半導体材料からなり、前記第１半導体導波路から分岐している第２半導体導波路および第３半導体導波路と、
前記第２半導体導波路に電圧を印加する第１電極と、
前記第３半導体導波路に電圧を印加する第２電極と、
を有していてもよい。
このような短光パルス発生装置によれば、第１電極によって第２半導体導波路を構成する半導体層の屈折率を変化させ、第２電極によって第３半導体導波路を構成する半導体層の屈折率を変化させることができる。したがって、分岐された複数の光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部に入射する光路差を生じさせることができる。
本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
を含む。
このようなテラヘルツ波発生装置によれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
本発明に係るカメラは、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を含む。
このようなカメラによれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
本発明に係るイメージング装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
を含む。
このようなイメージング装置によれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
本発明に係る計測装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
を含む。
このような計測装置によれば、本発明に係る短光パルス発生装置を含むため、小型化を図ることができる。
第１実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 光パルス生成部で生成される光パルスの一例を示すグラフ。 周波数チャープ部のチャープ特性の一例を示すグラフ。 群速度分散部における光パルスのモードを説明するためのグラフ。 群速度分散部で生成された光パルスの一例を示すグラフ。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る短光パルス発生装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第１変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第１実施形態の第１変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第２変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第１実施形態の第２変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第３変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第１実施形態の第３変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第４変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第１実施形態の第４変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第５変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第１実施形態の第５変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第２実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す斜視図。 第２実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 群速度分散部における光パルスのモードを説明するためのグラフ。 群速度分散部で生成された光パルスの一例を示すグラフ。 第２実施形態の第１変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第２実施形態の第１変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第２実施形態の第２変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す平面図。 第２実施形態の第２変形例の短光パルス発生装置を模式的に示す断面図。 第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図。 第４実施形態に係るイメージング装置を示すブロック図。 第４実施形態に係るイメージング装置のテラヘルツ波検出部を模式的に示す平面図。 対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフ。 対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図。 第５実施形態に係る計測装置を示すブロック図。 第６実施形態に係るカメラを示すブロック図。 第６実施形態に係るカメラを模式的に示す斜視図。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．第１実施形態
１．１． 短光パルス発生装置の構成
まず、第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００を模式的に示す平面図である。
短光パルス発生装置１００は、図１および図２に示すように、光パルスを生成する光パルス生成部１０と、光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部１２と、チャープした光パルスを分岐させる光分岐部１４と、分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部１６と、を含む。
光パルス生成部１０は、光パルスを生成する。ここで、光パルスとは、短時間に急峻に強度が変化する光をいう。光パルス生成部１０が生成する光パルスのパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は特に限定されないが、例えば１ｐｓ（ピコ秒）以上１００ｐｓ以下である。光パルス生成部１０は、例えば、量子井戸構造（コア層１０８）を有する半導体レーザーであり、図示の例では、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザーである。なお、光パルス生成部１０は、例えば、ＤＢＲレーザーやモード同期レーザー等の半導体レーザーであってもよい。また、光パルス生成部１０は、半導体レーザーに限定されず、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であってもよい。光パルス生成部１０で生成された光パルスは、第１クラッド層１０６、コア層１０８、および第２クラッド層１１０で構成されている光導波路１を伝搬して周波数チャープ部１２の光導波路２に入射する。
周波数チャープ部１２は、光パルス生成部１０で生成された光パルスの周波数をチャープさせる。周波数チャープ部１２は、例えば半導体材料で構成されており、量子井戸構造を有している。図示の例では、周波数チャープ部１２は、量子井戸構造を有しているコア層１０８を含んで構成されている。周波数チャープ部１２は、光導波路１に接続されている光導波路２を有している。光パルスが光導波路２を伝搬すると、光カー効果により光導波路材料の屈折率が変化し、電界の位相が変化する（自己位相変調効果）。この自己位相変調効果により、光パルスの周波数がチャープされる。ここで、周波数チャープとは、光パルスの周波数が時間的に変化する現象をいう。
周波数チャープ部１２は、半導体材料で構成されているため、１ｐｓから１００ｐｓ程度のパルス幅を持つ光パルスに対して応答速度が遅い。そのため、周波数チャープ部１２では、光パルスに、当該光パルスの強度（電界振幅の２乗）に比例した周波数チャープ（アップチャープやダウンチャープ）が付与される。ここで、アップチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに増加する場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに減少する場合をいう。言い換えると、アップチャープとは、光パルスの波長が時間とともに短くなる場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの波長が時間とともに長くなる場合をいう。
光分岐部１４は、周波数チャープ部１２でチャープした光パルスを分岐させる。光分岐部１４は、チャープした光パルスが入射する光導波路４と、光導波路４から分岐している複数（図示の例では２つ）の光導波路４ａ，４ｂと、を有している。光導波路４および光導波路４ａ，４ｂは、半導体材料で構成されている半導体導波路である。光導波路４は、周波数チャープ部１２の光導波路２に接続されている。光導波路４ａは、光導波路４から分岐して、群速度分散部１６の光導波路６ａに接続されている。また、光導波路４ｂは、光導波路４から分岐して、群速度分散部１６の光導波路６ｂに接続されている。
ここで、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２とは、互いに等しい。なお、光導波路４ａの長さＬ１とは、図２に示すように、光導波路４を伝搬する光パルスが分岐する分岐点Ｆと群速度分散部１６の光導波路６ａの入射面１７ａとの間の光導波路４ａに沿った距離である。また、光導波路４ｂの長さＬ２とは、分岐点Ｆと群速度分散部１６の光導波路６ｂの入射面１７ｂとの間の光導波路４ｂに沿った距離である。また、光導波路４ａと光導波路４ｂとは、同じ半導体材料からなるため、屈折率が等しい。したがって、分岐点Ｆにて分岐してから光導波路４ａを伝搬して光導波路６ａ（入射面１７ａ）に入射するまでの光パルスの光路長と、分岐点Ｆにて分岐してから光導波路４ｂを伝搬して光導波路６ｂ（入射面１７ｂ）に入射するまでの光パルスの光路長とは、互いに等しい。ここで、光路長とは、屈折率ｎの媒質中を光路に沿って距離ｄだけ光が進行するとき、その積ｎｄをいう。このように、光分岐部１４では、光分岐部１４で分岐してから群速度分散部１６に入射するまでの光路長が互いに等しいため、光導波路４ａを伝搬して群速度分散部１６に入射する光パルスと光導波路４ｂを伝搬して群速度分散部１６に入射する光パルスとは、群速度分散部１６の入射面１７ａ，１７ｂにおいて、同位相となる。したがって、群速度分散部１６における光パルスのモードが偶モードとなる。これにより、群速度分散部１６が、正の群速度分散特性を持つことができる。すなわち、群速度分散部１６を正常分散媒質とすることができる。この理由については後述する「１．４． 群速度分散部の群速度分散特性」で説明する。
なお、同位相とは、２つの光の位相差が０度であることをいう。また、偶モードとは、２つの光導波路に、同相の腹（山）を持つ電界分布を有するモードをいう（図６参照）。すなわち、偶モードでは、光パルスが群速度分散部１６の２つの光導波路６ａ，６ｂにおいて、互いに同一の符号の電界で伝搬される。また、正常分散とは、波長が短くなるにしたがって屈折率が大きくなる現象をいう。
群速度分散部１６は、光分岐部１４で分岐された光パルスに対して波長（周波数）に応じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散部１６は、チャープした光パルスに対して、光パルスのパルス幅が小さくなるような群速度差を生じさせることができる（パルス圧縮）。群速度分散部１６は、入射する光パルスが互いに同位相であるため、正の群速度分散特性を持つ。したがって、群速度分散部１６では、ダウンチャープした光パルスに、正の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。このように群速度分散部１６では、群速度分散に基づくパルス圧縮を行う。群速度分散部１６で圧縮された光パルスのパルス幅は特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。
群速度分散部１６は、モード結合する距離で配置されており、かつ、光分岐部１４にて分岐された複数の光パルスの各々が入射する複数（２つ）の光導波路６ａ，６ｂを有している。すなわち、２つの光導波路６ａ，６ｂは、いわゆる結合導波路を構成している。なお、モード結合する距離とは、光導波路６ａおよび光導波路６ｂを伝搬する光が、互いに行き来することが可能な距離である。群速度分散部１６では、２つの光導波路６ａ，６ｂにおけるモード結合により、大きな群速度差を生じさせることができる。群速度分散部１６の光導波路６ａは、光分岐部１４の光導波路４ａに接続されている。群速度分散部１６の光導波路６ｂは、光分岐部１４の光導波路４ｂに接続されている。
１．２． 短光パルス発生装置の構造
次に、短光パルス発生装置１００の構造について説明する。図３は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００を模式的に示す断面図である。なお、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
短光パルス発生装置１００は、図１〜図３に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６が一体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置１００は、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６が同一基板１０２上に設けられている。
具体的には、短光パルス発生装置１００は、基板１０２と、バッファー層１０４と、第１クラッド層１０６と、コア層１０８と、第２クラッド層１１０と、キャップ層１１２と、絶縁層１２０と、電極１３０と、電極１３２と、を含んで構成されている。
基板１０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。基板１０２は、図１に示すように、光パルス生成部１０が形成される第１領域１０２ａと、周波数チャープ部１２が形成される第２領域１０２ｂと、光分岐部１４が形成される第３領域１０２ｃと、群速度分散部１６が形成される第４領域１０２ｄと、を有している。
バッファー層１０４は、基板１０２上に設けられている。バッファー層１０４は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。バッファー層１０４は、その上方に形成される層の結晶性を向上させることができる。
第１クラッド層１０６は、バッファー層１０４上に設けられている。第１クラッド層１０６は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
コア層１０８は、第１ガイド層１０８ａと、ＭＱＷ層１０８ｂと、第２ガイド層１０８ｃと、を有している。
第１ガイド層１０８ａは、第１クラッド層１０６上に設けられている。第１ガイド層１０８ａは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。
ＭＱＷ層１０８ｂは、第１ガイド層１０８ａ上に設けられている。ＭＱＷ層１０８ｂは、例えば、ＧａＡｓウェル層と、ＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸構造を有している。図示の例では、ＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数（ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層の積層数）は、第１領域１０２ａ〜第４領域１０２ｄの上方において、同じである。すなわち、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６において、ＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数は同じである。なお、第１領域１０２ａの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第２領域１０２ｂの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第３領域１０２ｃの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第４領域１０２ｄの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、が、異なっていてもよい。すなわち、光パルス生成部１０を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、周波数チャープ部１２を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、光分岐部１４を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、群速度分散部１６を構成するＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数とは、異なっていてもよい。なお、量子井戸構造とは、半導体発光装置分野における一般的な量子井戸構造を指し、異なるバンドギャップを持つ２種以上の材料を用いて、バンドギャップの小さい材料の薄膜（ｎｍオーダー）を、バンドギャップの大きい材料の薄膜でサンドイッチにした構造である。
第２ガイド層１０８ｃは、ＭＱＷ層１０８ｂ上に設けられている。第２ガイド層１０８ｃは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。第２ガイド層１０８ｃには、ＤＦＢ型の共振器を構成する周期構造が設けられている。周期構造は、図１に示すように、第１領域１０２ａの上方に設けられている。周期構造は、屈折率の異なる２つの層（第２ガイド層１０８ｃと第２クラッド層１１０）によって構成されている。
第１ガイド層１０８ａ、およびＭＱＷ層１０８ｂ、第２ガイド層１０８ｃにより、ＭＱＷ層１０８ｂに生じる光（光パルス）を伝播するコア層１０８を構成することができる。第１ガイド層１０８ａおよび第２ガイド層１０８ｃは、注入キャリア（電子および正孔）をＭＱＷ層１０８ｂに閉じ込めると同時に、コア層１０８に光を閉じこめる層である。
なお、コア層１０８は、少なくとも第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方で量子井戸構造（ＭＱＷ層１０８ｂ）を有していればよい。例えばコア層１０８は、第３領域１０２ｃ、第４領域１０２ｄの上方では、量子井戸構造を有していなくてもよい。すなわち、光分岐部１４を構成するコア層１０８、および群速度分散部１６を構成するコア層１０８は、量子井戸構造を有していなくてもよい。その場合、光分岐部１４および群速度分散部１６のコア層１０８は、例えば、ＡｌＧａＡｓ層の単層である。
第２クラッド層１１０は、コア層１０８上に設けられている。第２クラッド層１１０は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層である。
図示の例では、第１クラッド層１０６、コア層１０８、および第２クラッド層１１０によって、光導波路１、光導波路２、光導波路４、光導波路４ａ，４ｂ、光導波路６ａ，６ｂが構成されている。各光導波路１，２，４，４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂは、図示の例では、直線状に設けられている。光導波路１，２，４，４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂは、図２に示すように、コア層１０８の側面１０９ａからコア層１０８の側面１０９ｂまで連続している。
光導波路４ａ，４ｂは、半導体層１０４〜１１２の積層方向に垂直な方向に配列されている。図示の例では、光導波路４ａ，４ｂは、基板１０２の面内方向に配列されている。光導波路４ａの幅と、光導波路４ｂの幅とは、図示の例では、同じ大きさである。なお、光導波路４ａの幅と、光導波路４ｂの幅とは、異なる大きさを有していてもよい。
光導波路６ａと光導波路６ｂとは、結合導波路を構成している。光導波路６ａおよび光導波路６ｂは、半導体層１０４〜１１２の積層方向に垂直な方向に配列されている。図示の例では、光導波路６ａ，６ｂは、基板１０２の面内方向に配列されている。光導波路６ａの幅と、光導波路６ｂの幅とは、図示の例では、同じ大きさである。なお、光導波路６ａの幅と、光導波路６ｂの幅とは、異なる大きさを有していてもよい。
光パルス生成部１０では、例えば、ｐ型の第２クラッド層１１０、不純物がドーピングされていないコア層１０８、およびｎ型の第１クラッド層１０６により、ｐｉｎダイオードが構成される。第１クラッド層１０６および第２クラッド層１１０の各々は、コア層１０８よりもバンドギャップが大きく、屈折率が小さい層である。コア層１０８は、光を発生させ、かつ光を増幅しつつ導波させる機能を有する。第１クラッド層１０６および第２クラッド層１１０は、コア層１０８を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能（光の漏れを抑制する機能）を有する。
光パルス生成部１０では、電極１３０と電極１３２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、コア層１０８（ＭＱＷ層１０８ｂ）において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光（光パルス）を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光導波路１内で光（光パルス）の強度が増幅される。
キャップ層１１２は、第２クラッド層１１０上に設けられている。キャップ層１１２は、電極１３２とオーミックコンタクトすることができる。キャップ層１１２は、例えば、ｐ型のＧａＡｓ層である。
キャップ層１１２と、第２クラッド層１１０の一部とは、柱状部１１１を構成している。例えば、光パルス生成部１０では、柱状部１１１の平面形状によって、電極１３０，１３２間の電流経路が決定される。
バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、コア層１０８、第２クラッド層１１０、キャップ層１１２は、第１領域１０２ａ、第２領域１０２ｂ、第３領域１０２ｃ、第４領域１０２ｄにわたって設けられている。すなわち、これらの層１０４，１０６，１０８，１１０，１１２は、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６に共通の層であり、連続している層である。
絶縁層１２０は、第２クラッド層１１０上であって、柱状部１１１の側方に設けられている。さらに、絶縁層１２０は、第２領域１０２ｂ、第３領域１０２ｃ、第４領域１０２ｄの上方のキャップ層１１２上に設けられている。絶縁層１２０は、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ポリイミド層などである。
絶縁層１２０として上記の材料を用いた場合、電極１３０，１３２間の電流は、絶縁層１２０を避けて、該絶縁層１２０に挟まれた柱状部１１１を流れることができる。また、絶縁層１２０は、第２クラッド層１１０の屈折率よりも小さい屈折率を有することができる。この場合、柱状部１１１が形成されていない部分の垂直断面の有効屈折率は、柱状部１１１が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、光導波路１，２，４，４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ内に効率良く光を閉じ込めることができる。なお、図示はしないが、絶縁層１２０として上記の材料を用いず、空気層としてもよい。この場合、空気層が絶縁層１２０として機能することができる。
電極１３０は、基板１０２の下の全面に設けられている。電極１３０は、該電極１３０とオーミックコンタクトする層（図示の例では基板１０２）と接している。電極１３０は、基板１０２を介して、第１クラッド層１０６と電気的に接続されている。電極１３０は、光パルス生成部１０を駆動するための一方の電極である。電極１３０としては、例えば、基板１０２側からＣｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、電極１３０は、基板１０２の第１領域１０２ａの下方にのみ設けられていてもよい。
電極１３２は、キャップ層１１２の上面であって、第１領域１０２ａの上方に設けられている。さらに、電極１３２は、絶縁層１２０上に設けられていてもよい。電極１３２は、キャップ層１１２を介して、第２クラッド層１１０と電気的に接続されている。電極１３２は、光パルス生成部１０を駆動するための他方の電極である。電極１３２としては、例えば、キャップ層１１２側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、図示の例では、電極１３０が基板１０２の下面側に設けられ、電極１３２が基板１０２の上面側に設けられている両面電極構造であるが、電極１３０と電極１３２とが基板１０２の同じ面側（例えば上面側）に設けられている片面電極構造であってもよい。
ここでは、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００の一例として、ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用いる場合について説明したが、これに限定されず、例えば、ＡｌＧａＮ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＺｎＣｄＳｅ系などのその他の半導体材料を用いてもよい。
なお、図示はしないが、周波数チャープ部１２に逆バイアスを印加するための電極を設けてもよい。このとき、周波数チャープ部１２のキャップ層１１２上には絶縁層１２０を設けず、周波数チャープ部１２に逆バイアスを印加するための電極は、キャップ層１１２とオーミックコンタクトする。これにより、周波数チャープ部１２の吸収特性を制御することができ、周波数のチャープ量を調整することができる。
また、光分岐部１４に電圧を印加するための電極を設けてもよい。例えば、光分岐部１４の光導波路４ａに電圧を印加するための電極、および光分岐部１４の光導波路４ｂに電圧を印加するための電極を設けてもよい。このとき、光分岐部１４のキャップ層１１２上には絶縁層１２０を設けず、光分岐部１４に電圧を印加する電極は、キャップ層１１２とオーミックコンタクトする。これにより、非線形光学効果により光導波路４ａおよび光導波路４ｂの屈折率を制御することができ、光導波路４ａを伝搬する光パルスの光路長、および光導波路４ｂを伝搬する光パルスの光路長を制御することができる。そのため、例えば、デバイスの製造ばらつきにより発生する光路長のばらつきを補正して、最適な光路長に調整することができる。
また、群速度分散部１６に電圧を印加するための電極を設けてもよい。例えば、群速度分散部１６において、光導波路６ａに電圧を印加するための電極、および光導波路６ｂに電圧を印加するための電極を設けてもよい。このとき、群速度分散部１６のキャップ層１１２上には絶縁層１２０を設けず、群速度分散部１６に電圧を印加する電極は、キャップ層１１２とオーミックコンタクトする。これにより、群速度分散部１６の群速度分散量を制御することができる。そのため、例えば、デバイスの製造ばらつきにより発生する群速度分散値のばらつきを補正して、最適な分群速度散値に調整することができる。
１．３． 短光パルス発生装置の動作
次に、短光パルス発生装置１００の動作について説明する。図４は、光パルス生成部１０で生成された光パルスＰ１の一例を示すグラフである。図４に示すグラフの横軸ｔは、時間であり、縦軸Ｉは光強度（電界振幅の２乗）である。図５は、周波数チャープ部１２のチャープ特性の一例を示すグラフである。図５に示すグラフの横軸ｔは時間であり、縦軸Δωはチャープ量（周波数の変化量）である。なお、図５では、光パルスＰ１を一点鎖線で示し、光パルスＰ１に対応するチャープ量Δωを実線で示している。図６は、群速度分散部１６における光パルスのモードを説明するためのグラフである。なお、図６に示すグラフの横軸ｘは、距離であり、縦軸Ｅは、電界である。図７は、群速度分散部１６で生成された光パルスＰ３の一例を示すグラフである。図７に示すグラフの横軸ｔは時間であり、縦軸Ｉは光強度である。
光パルス生成部１０は、例えば、図４に示す光パルスＰ１を生成する。光パルス生成部１０では、電極１３０と電極１３２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧が印加されることにより、光パルスＰ１が生成される。光パルスＰ１は、図示の例では、ガウス波形である。光パルスＰ１のパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）ｔは、図示の例では、１０ｐｓ（ピコ秒）である。光パルスＰ１は、光導波路１を伝搬し、周波数チャープ部１２の光導波路２に入射する。
周波数チャープ部１２は、光強度に比例したチャープ特性を有する。下記式（１）は、周波数チャープの効果を示す式である。
Figure 2014165412
ここで、Δωはチャープ量（周波数の変化量）、ｃは光速、τｒは非線形屈折率効果の応答時間、ｎ２は非線形屈折率、ｌは導波路長、ω０は光パルスの中心周波数、Ｅは電界の振幅である。
周波数チャープ部１２は、光導波路２を伝搬する光パルスＰ１に対して、式（１）に示す周波数チャープを付与する。具体的には、図５に示すように、周波数チャープ部１２は、光パルスＰ１に対して、光パルスＰ１の前部では周波数を時間とともに減少させ、光パルスＰ１の後部では周波数を時間とともに増加させる。すなわち、周波数チャープ部１２は、光パルスＰ１の前部をダウンチャープさせ、光パルスＰ１の後部をアップチャープさせる。したがって、光パルス生成部１０で生成された光パルスＰ１は、周波数チャープ部１２を通過することで、前部がダウンチャープされ、後部がアップチャープされた光パルス（以下「光パルスＰ２」という）となる。チャープした光パルスＰ２（図示せず）は、光分岐部１４の光導波路４に入射する。
光分岐部１４は、チャープした光パルスＰ２を分岐させる。具体的には、光導波路４を伝搬する光パルスＰ２は、分岐点Ｆにおいて、光導波路４ａを伝搬する光パルスＰ２と、光導波路４ｂを伝搬する光パルスＰ２とに分岐される。そして、光導波路４ａを伝搬する光パルスＰ２は、群速度分散部１６の光導波路６ａに入射し、光導波路４ｂを伝搬する光パルスＰ２は、群速度分散部１６の光導波路６ｂに入射する。ここで、光分岐部１４では、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２とが等しい。そのため、光分岐部１４で分岐されてから、群速度分散部１６に入射するまでの２つの光路における光パルスＰ２の光路長は、互いに等しくなる。したがって、光導波路４ａを伝搬して群速度分散部１６に入射する光パルスＰ２と、光導波路４ｂを伝搬して群速度分散部１６に入射する光パルスＰ２とは、群速度分散部１６の入射面１７ａ，１７ｂにおいて、同位相となる。
群速度分散部１６は、チャープした光パルスＰ２に対して、波長（周波数）に応じた群速度差を生じさせて（群速度分散）、パルス圧縮を行う。群速度分散部１６では、光パルスＰ２が光導波路６ａ，６ｂによって構成される結合導波路を通過することによって、光パルスＰ２に群速度差を生じさせる。ここで、群速度分散部１６では、光導波路６ａ，６ｂに入射する光パルスＰ２が同位相であるため、図６に示すように、群速度分散部１６における光パルスＰ２のモードが偶モードとなる。これにより、群速度分散部１６が、正の群速度分散特性を持つことができる。
群速度分散部１６は、図７に示すように、光パルスＰ２に正の群速度分散を生じさせて、ダウンチャープされた光パルスＰ２の前部を圧縮する。これにより、光パルスＰ３が生成される。図示の例では、光パルスＰ３のパルス幅ｔは、０．３３ｐｓである。光パルスＰ３は、コア層１０８の側面１０９ｂに設けられている光導波路６ａの端面および光導波路６ｂの端面の少なくとも一方から出射される。
１．４． 群速度分散部の群速度分散特性
次に、群速度分散部１６の群速度分散特性について説明する。
導波路ａと導波路ｂとからなる結合導波路での電界Ｅは、下記式（２）で表される。
Figure 2014165412
ここで、Ｅ１は、導波路ａのみ存在する場合の電界、Ｅ２は、導波路ｂのみ存在する場合の電界である。また、Ａ（ｚ）は、導波路ａの電界振幅、Ｂ（ｚ）は、導波路ｂの電界振幅である。
ここで、Ａ（ｚ）およびＢ（ｚ）は下記式（３）で表される。
Figure 2014165412
ただし、Ａ（０）は、導波路ａに入射される電界振幅であり、Ｂ（０）は、導波路ｂに入射される電界振幅であり、β１は、導波路ａのみ存在する場合の伝搬定数であり、β２は、導波路ｂのみ存在する場合の伝搬定数であり、Ｋ１２は、（導波路ａから導波路ｂへの）結合係数であり、β＋は、偶モードの伝搬定数であり、β−は奇モードの伝搬定数である。
ここで、結合導波路では、群速度分散は、β１＝β２になる波長で最大値が得られる。そこで、例えば、波長８５０ｎｍの短パルスを得たい場合には、β１＝β２になる波長が８５０ｎｍとなるようにβ１、β２を設定する。そのため、β１＝β２とすると、（４）の各式は、以下のように表される。
Figure 2014165412
そのため、式（３）は、下記式（５）のように表される。
Figure 2014165412
式（５）において、Ａ０は、導波路ａに入射される電界振幅であり、Ａ０＝Ａ（０）である。また、Ｂ０は、導波路ｂに入射される電界振幅であり、Ｂ０＝Ｂ（０）である。
ここで、Ａ０とＢ０とが同じ位相であれば、すなわち、Ａ０＝Ｂ０であれば、式（５）は、２項目が消えて、１項目だけが残る。１項目は、偶モードの項、すなわち、正の群速度分散を生む項である。したがって、結合導波路では、同位相の光が入射すると、正の群速度分散を生じる。
一方、Ａ０とＢ０とが逆位相であれば、すなわち、Ａ０＝−Ｂ０であれば、式（５）は、１項目が消えて、２項目だけが残る。２項目は、奇モードの項、すなわち、負の群速度分散を生む項である。したがって、結合導波路では、逆位相の光が入射すると、負の群速度分散を生じる。
本実施形態に係る短光パルス発生装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
短光パルス発生装置１００では、量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部１０と、量子井戸構造を有し、光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部１２と、チャープした光パルスを分岐させる光分岐部１４と、モード結合する距離で配置されており、かつ、光分岐部１４にて分岐された複数の光パルスの各々が入射する複数の光導波路６ａ，６ｂを有し、分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部１６と、を含み、光分岐部１４で分岐されてから群速度分散部１６の複数の光導波路６ａ，６ｂに入射するまでの複数の光路における光パルスの光路長は、互いに等しい。これにより、光パルス生成部１０で生成された光パルスを圧縮して（パルス幅を小さくして）、例えば１ｆｓ以上８００ｆｓ以下のパルス幅の光パルス（短光パルス）を出射することができる。
さらに、光分岐部１４で分岐されてから群速度分散部１６に入射するまでの光パルスの光路長が互いに等しいため、分岐されて群速度分散部１６に入射する光パルスを同位相にすることができる。これにより、群速度分散部１６が正の群速度分散特性を持つことができる。このように短光パルス発生装置１００では、群速度分散部１６を正の群速度分散特性を持つように制御することができるため、所望のパルス幅の光パルスを得ることができる。
短光パルス発生装置１００では、光分岐部１４は、半導体材料からなり、チャープした光パルスが入射する光導波路４と、光導波路４と同じ半導体材料からなり、光導波路４から分岐した光導波路４ａおよび光導波路４ｂと、を有し、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２とは、互いに等しい。そのため、分岐して群速度分散部１６に入射する光パルスを、同位相にすることができる。
短光パルス発生装置１００よれば、周波数チャープ部１２が量子井戸構造を有していることにより、装置の小型化を図ることができる。以下、その理由について説明する。
上記した式（１）に示されるように、チャープ量Δωは、非線形屈折率ｎ２に比例する。すなわち、非線形屈折率が大きいほど、単位長さあたりのチャープ量が大きくなる。ここで、一般的な石英ファイバー（ＳｉＯ２）の非線形屈折率ｎ２は、１０−２０ｍ２／Ｗ程度である。これに対し、量子井戸構造を有する半導体材料の非線形屈折率ｎ２は、１０−１０〜１０−８ｍ２／Ｗ程度である。このように、量子井戸構造を有する半導体材料は、石英ファイバーと比べて極めて大きな非線形屈折率ｎ２を有している。そのため、周波数チャープ部１２として、量子井戸構造を有する半導体材料を用いることにより、石英ファイバーを用いた場合と比べて、単位長さあたりのチャープ量を大きくすることができ、周波数チャープを付与するための光導波路の長さを短くすることができる。したがって、周波数チャープ部１２を小型化することができ、装置の小型化を図ることができる。
短光パルス発生装置１００では、群速度分散部１６が、モード結合する距離で配置されている２つの光導波路６ａ，６ｂを有しているため、モード結合により、光パルスに大きな群速度差を生じさせることができる。したがって、群速度差を生じさせるための光導波路の長さを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。
短光パルス発生装置１００では、群速度分散部１６は、半導体材料（半導体層１０４，１０６，１０８，１１０，１１２）からなるため、例えば石英ファイバーと比べて、結合導波路（光導波路６ａ，６ｂ）を容易に形成することができる。
短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６は、同一基板１０２上に設けられている。そのため、エピタキシャル成長等を用いて、光パルス生成部１０を構成する半導体層、周波数チャープ部１２を構成する半導体層、光分岐部１４を構成する半導体層、および群速度分散部１６を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間のアライメント、周波数チャープ部１２と光分岐部１４との間のアライメント、および光分岐部１４と群速度分散部１６との間のアライメントを容易化できる。
短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部１０の光導波路１を構成しているコア層１０８と、周波数チャープ部１２の光導波路２を構成しているコア層１０８と、光分岐部１４の光導波路４，４ａ，４ｂを構成しているコア層１０８と、群速度分散部１６の光導波路６ａ，６ｂを構成しているコア層１０８とは、同一層であり、連続している。これにより、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間での光損失、周波数チャープ部１２と光分岐部１４との間での光損失、および光分岐部１４と群速度分散部１６との間での光損失を低減することができる。例えば、光パルス生成部１０の光導波路１を構成しているコア層と周波数チャープ部１２の光導波路２を構成しているコア層とが連続していない場合、すなわち、これらの層の間に空間や光学素子等がある場合、光パルスが光パルス生成部１０から出射されて周波数チャープ部１２に入射するまでの間に、光損失が生じてしまう場合がある。また、周波数チャープ部１２のコア層と光分岐部１４のコア層とが連続していない場合、光分岐部１４のコア層と群速度分散部１６のコア層が連続していない場合も同様である。
短光パルス発生装置１００では、光分岐部１４は、積層された複数の半導体層１０４，１０６，１０８，１１０，１１２を有し、複数の光導波路４ａ，４ｂは、これらの半導体層の積層方向と垂直な方向に配列されている。同様に、群速度分散部１６は、積層された複数の半導体層１０４，１０６，１０８，１１０，１１２を有し、複数の光導波路６ａ，６ｂは、これらの半導体層の積層方向と垂直な方向に配列されている。そのため、例えば、光導波路４ａ，４ｂおよび光導波路６ａ，６ｂが、積層方向に配列されている場合に比べて、光分岐部１４や群速度分散部１６を構成する半導体層の積層数を少なくすることができる。したがって、製造工程を簡略化することができ、製造コストを下げることができる。
１．２． 短光パルス発生装置の製造方法
次に、本実施形態に係る短光パルス発生装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図８および図９は、本実施形態に係る短光パルス発生装置１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
図８に示すように、基板１０２上に、バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、コア層１０８、第２クラッド層１１０、キャップ層１１２を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。なお、コア層１０８を形成する際には、まず、第１クラッド層１０６上に第１ガイド層１０８ａおよびＭＱＷ層１０８ｂを成長させる。次に、ＭＱＷ層１０８ｂ上に第２ガイド層１０８ｃを成長させる。そして、第１領域１０２ａの上方の第２ガイド層１０８ｃの上面を干渉露光およびエッチングして凹凸面を形成する（図１参照）。その後、該凹凸面上を含む第２ガイド層１０８ｃ上に屈折率の異なる第２クラッド層１１０を成長させる。これにより、第２ガイド層１０８ｃに周期構造が形成される。このようにしてコア層１０８が形成される。
図９に示すように、キャップ層１１２および第２クラッド層１１０をエッチングして、柱状部１１１を形成する。次に、柱状部１１１の側方および柱状部１１１上に絶縁層１２０を形成する。絶縁層１２０は、第１領域１０２ａの上方の柱状部１１１上には形成されない。絶縁層１２０は、例えばＣＶＤ法、塗布法などにより形成される。
図１に示すように、第１領域１０２ａの上方の柱状部１１１（キャップ層１１２）上に電極１３２を形成する。キャップ層１１２上に真空蒸着法で成膜することにより形成される。次に、基板１０２の下面下に電極１３０を形成する。電極１３０は、例えば、真空蒸着法により形成される。なお、電極１３０および電極１３２の形成順序は、特に限定されない。
以上の工程により、短光パルス発生装置１００を製造することができる。
本実施形態に係る短光パルス発生装置の製造方法によれば、所望のパルス幅の光パルスを得ることができる短光パルス発生装置１００を得ることができる。
１．５． 短光パルス発生装置の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る短光パルス発生装置について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する本実施形態の変形例に係る短光パルス発生装置において、上述した短光パルス発生装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
（１）第１変形例
まず、第１変形例について説明する。図１０は、第１変形例に係る短光パルス発生装置２００を模式的に示す平面図である。図１１は、第１変形例に係る短光パルス発生装置２００を模式的に示す断面図である。なお、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６が一体に設けられていた。
これに対して、短光パルス発生装置２００では、図１０および図１１に示すように、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２とが一体に設けられ、光分岐部１４と群速度分散部１６とが一体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置２００では、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２とが同一基板１０３上に設けられ、光分岐部１４と群速度分散部１６とが同一基板１０２上に設けられている。
光パルス生成部１０および周波数チャープ部１２は、光分岐部１４および群速度分散部１６が設けられている基板１０２とは、異なる基板１０３上に設けられている。基板１０３の材質は、例えば、基板１０２と同じである。
光分岐部１４のコア層１０８、および群速度分散部１６のコア層１０８は、量子井戸構造を有していなくてもよい。コア層１０８は、例えば、単層のＡｌＧａＡｓ層である。
周波数チャープ部１２と光分岐部１４との間には、光学素子２１０が配置されている。光学素子２１０は、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、光分岐部１４の光導波路４に入射させるためのレンズである。なお、光学素子２１０を設けずに、光分岐部１４から出射される光パルスを、直接、光分岐部１４の光導波路４に入射させてもよい。
なお、群速度分散部１６を構成する半導体層１０４、１０６、１０８、１１０、１１２の層構造（バンド構造）は特に限定されない。例えば、これらの半導体層１０４〜１１２を、すべてｎ型（あるいはｐ型）の半導体層としてもよい。
短光パルス発生装置２００によれば、光パルス生成部１０および周波数チャープ部１２が同一基板１０３上に設けられているため、エピタキシャル成長等を用いて、光パルス生成部１０を構成する半導体層、および周波数チャープ部１２を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、光パルス生成部１０と光分岐部１４との間のアライメントを容易化できる。さらに、光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間での光損失を低減することができる。
さらに、短光パルス発生装置２００によれば、光分岐部１４および群速度分散部１６が同一基板１０２上に設けられているため、エピタキシャル成長等を用いて、光分岐部１４を構成する半導体層、および群速度分散部１６を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、光分岐部１４と群速度分散部１６との間のアライメントを容易化できる。さらに、光分岐部１４と群速度分散部１６との間での光損失を低減することができる。
（２）第２変形例
次に、第２変形例について説明する。図１２は、第２変形例に係る短光パルス発生装置３００を模式的に示す平面図である。図１３は、第２変形例に係る短光パルス発生装置３００を模式的に示す断面図である。なお、図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６が一体に設けられていた。
これに対して、短光パルス発生装置３００では、図１２および図１３に示すように、周波数チャープ部１２と、光分岐部１４と、群速度分散部１６とが一体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置３００では、周波数チャープ部１２と、光分岐部１４と、群速度分散部１６とが同一基板１０２上に設けられている。
光パルス生成部１０は、光パルスを出射することができればその構成は特に限定されない。図示の例では、光パルス生成部１０は、ファブリペロー型の半導体レーザーである。光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間には、光学素子３１０が配置されている。光学素子３１０は、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、周波数チャープ部１２に入射させるためのレンズである。なお、光学素子３１０を設けずに、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、直接、周波数チャープ部１２に入射させてもよい。
短光パルス発生装置３００によれば、周波数チャープ部１２、光分岐部１４、および群速度分散部１６が同一基板１０２上に設けられているため、エピタキシャル成長等を用いて、周波数チャープ部１２を構成する半導体層、光分岐部１４を構成する半導体層、および群速度分散部１６を構成する半導体層を、同じ工程で効率よく形成することができる。さらに、周波数チャープ部１２と光分岐部１４との間のアライメント、光分岐部１４と群速度分散部１６との間のアライメントを容易化できる。さらに、周波数チャープ部１２と光分岐部１４との間での光損失、および光分岐部１４と群速度分散部１６との間での光損失を低減することができる。
（３）第３変形例
次に、第３変形例について説明する。図１４は、第３変形例に係る短光パルス発生装置４００を模式的に示す平面図である。図１５は、第３変形例に係る短光パルス発生装置４００を模式的に示す断面図である。なお、図１５は、図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光パルス生成部１０、周波数チャープ部１２、および群速度分散部１６が一体に設けられていた。
これに対して、短光パルス発生装置４００では、図１４および図１５に示すように、光パルス生成部１０と、周波数チャープ部１２と、光分岐部１４および群速度分散部１６と、が別体に設けられている。すなわち、短光パルス発生装置４００では、光パルス生成部１０が基板４０１上に設けられ、周波数チャープ部１２が基板４０２上に設けられ、光分岐部１４および群速度分散部１６が基板４０３上に設けられている。基板４０１，４０２，４０３としては、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板などを用いることができる。
光パルス生成部１０と周波数チャープ部１２との間には、光学素子４１０が配置されている。光学素子４１０は、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、周波数チャープ部１２に入射させるためのレンズである。また、周波数チャープ部１２と光分岐部１４との間には、光学素子４２０が配置されている。光学素子４２０は、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、光分岐部１４に入射させるためのレンズである。なお、光学素子４１０を設けずに、光パルス生成部１０から出射される光パルスを、直接、周波数チャープ部１２に入射させてもよい。また、光学素子４２０を設けずに、周波数チャープ部１２から出射される光パルスを、直接、光分岐部１４に入射させてもよい。
（４）第４変形例
次に、第４変形例について説明する。図１６は、第４変形例に係る短光パルス発生装置５００を模式的に示す平面図である。図１７は、第４変形例に係る短光パルス発生装置５００を模式的に示す断面図である。なお、図１７は、図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１に示すように、光パルス生成部１０が、ＤＦＢレーザーであった。
これに対して、短光パルス発生装置５００では、図１７に示すように、光パルス生成部１０は、ファブリペロー型の半導体レーザーである。
短光パルス発生装置５００では、平面視において（半導体層１０４〜１１２の積層方向からみて）、第１領域１０２ａと、第２領域１０２ｂとの境界に溝部５１０が設けられている。溝部５１０は、キャップ層１１２、第２クラッド層１１０、コア層１０８、第１クラッド層１０６を貫通するように設けられている。溝部５１０が設けられることで、コア層１０８には、端面１０９ｃが設けられる。光パルス生成部１０では、側面１０９ａと端面１０９ｃとが反射面として機能し、ファブリペロー共振器が構成される。光パルス生成部１０の端面１０９ｃから出射された光パルスは、溝部５１０を通過して、周波数チャープ部１２に入射する。
（５）第５変形例
次に、第５変形例について説明する。図１８は、第５変形例に係る短光パルス発生装置６００を模式的に示す斜視図である。図１９は、第５変形例に係る短光パルス発生装置６００を模式的に示す平面図である。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、周波数チャープ部１２で光パルスの周波数をチャープさせて、光分岐部１４でチャープした光パルスを分岐させていた。
これに対して、短光パルス発生装置６００では、図１８および図１９に示すように、周波数チャープ部１２および光分岐部１４が一体となっており、光パルスを分岐させた後に、光パルスの周波数をチャープさせている。
短光パルス発生装置６００では、光パルス生成部１０で生成された光パルスは、光導波路１を伝搬して、光導波路４に入射し、光導波路４を伝搬する。光導波路４を伝搬した光パルスは分岐して、光導波路４ａ，４ｂを伝搬する。光導波路４ａ，４ｂを伝搬する光パルスは、光導波路４ａ，４ｂを伝搬する間に、チャープする。そして、チャープした光パルスは、光導波路６ａ，６ｂに入射し、光導波路６ａ，６ｂによって構成される結合導波路を通過することによって群速度差が生じ、パルス圧縮される。
短光パルス発生装置６００によれば、短光パルス発生装置１００と同様の作用効果を奏することができる。
２． 第２実施形態
２．１． 短光パルス発生装置の構成
次に、第２実施形態に係る短光パルス発生装置７００について、図面を参照しながら説明する。図２０は、本実施形態に係る短光パルス発生装置７００を模式的に示す斜視図である。図２１は、本実施形態に係る短光パルス発生装置７００を模式的に示す平面図である。以下で説明する本実施形態に係る短光パルス発生装置７００において、上述した短光パルス発生装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した短光パルス発生装置１００では、図１および図２に示すように、光分岐部１４で分岐されてから群速度分散部１６に入射するまでの光パルスの光路長は、互いに等しかったため、群速度分散部１６に入射する光パルスは、同位相であった。
これに対して、短光パルス発生装置７００では、図２０および図２１に示すように、光分岐部１４は、分岐された複数の光パルスに互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせる。すなわち、短光パルス発生装置７００では、群速度分散部１６に入射する光パルスは、逆位相となる。ここで、逆位相とは、２つの光の位相差が１８０度であることをいう。
光分岐部１４では、分岐された複数の光パルスに互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせることで、光導波路４ａを伝搬して光導波路６ａに入射する光パルスと光導波路４ｂを伝搬して光導波路６ｂに入射する光パルスとが、逆位相となる。したがって、群速度分散部１６における光パルスのモードが奇モードとなる。これにより、群速度分散部１６が、負の群速度分散特性を持つことができる。すなわち、群速度分散部１６を異常分散媒質とすることができる（「１．４． 群速度分散部の群速度分散特性」参照）。なお、奇モードとは、２つの光導波路に、逆位相の腹（山）を持つ電界分布を有するモードをいう（図２２参照）。すなわち、奇モードでは、光パルスが群速度分散部１６の２つの光導波路６ａ，６ｂにおいて、互いに逆の符号の電界で伝搬される。また、異常分散とは、波長が長くなるにしたがって屈折率が大きくなる現象をいう。
光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２とは、異なっている。光導波路４ａと光導波路４ｂとは同じ半導体材料からなるため、同じ屈折率を有する。そのため、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２との差｜Ｌ１−Ｌ２｜によって、光導波路４ａを伝搬する光パルスと光導波路４ｂを伝搬する光パルスとに光路差を生じさせることができる。なお、光導波路４ａの幅と、光導波路４ｂの幅とは、図示の例では、異なる大きさを有している。なお、光導波路４ａの幅と、光導波路４ｂの幅とは、同じ大きさであってもよい。
ここで、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２との差｜Ｌ１−Ｌ２｜について、具体的に説明する。
光導波路４ａを伝搬して光導波路６ａに入射するときの光パルス（電磁波）の位相は、下記のように表わされる。
Figure 2014165412
ただし、βは伝搬定数であり、ｔは時間、ωは光導波路４ａ，６ａを伝搬する光の角周波数である。なお、伝搬定数βは、以下のように表される。
Figure 2014165412
ただし、ｎｅは、等価屈折率であり、λ０は、光導波路４ａ，６ａを伝搬する光の波長である。
また、光導波路４ｂを伝搬して光導波路６ｂに入射するときの光パルス（電磁波）の位相は、下記のように表わされる。
Figure 2014165412
光導波路４ａを伝搬して光導波路６ａに入射するときの光パルスの位相と、光導波路４ｂを伝搬して光導波路６ｂに入射するときの光パルスの位相とを、逆位相にするには、この光導波路６ａに入射するときの光パルスの位相が、光導波路６ｂに入射するときの光パルスの位相に対してｍ×π（ｍは奇数）進んでいればよいので、以下のような関係式が成り立つ。
Figure 2014165412
このように、光導波路４ａと光導波路４ｂとが、式（６）の関係を満たすことで、光分岐部１４は、分岐された光パルスに互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせることができる。
例えば、光パルスの波長が８５０ｎｍであり、光導波路４ａ，４ｂの等価屈折率ｎｅがｎｅ＝３．４とすると、光導波路４ａと光導波路４ｂとの長さの差｜Ｌ１−Ｌ２｜は、以下のようになる。
Figure 2014165412
ｍの値は、例えば、光導波路６ａ，６ｂ間の距離を考慮して適宜設定することができる。
群速度分散部１６は、光導波路４ａ，４ｂから入射する光パルスが互いに逆位相であるため、負の群速度分散特性を持つ。したがって、群速度分散部１６では、アップチャープした光パルスに、負の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる（パルス圧縮）。すなわち、群速度分散部１６は、異常分散媒質である。ここで、異常分散とは、波長が長くなるにしたがって群速度が遅くなる現象をいう。なお、光導波路６ａの幅と、光導波路６ｂの幅とは、図示の例では、異なる大きさを有している。なお、光導波路６ａの幅と、光導波路６ｂの幅とは、同じ大きさであってもよい。
短光パルス発生装置７００の構造および製造方法については、短光パルス発生装置１００と同様であり、その説明を省略する。
２．２． 短光パルス発生装置の動作
次に、短光パルス発生装置７００の動作について説明する。図２２は、群速度分散部１６における光パルスのモードを説明するための図である。なお、図２２に示すグラフの横軸ｘは、距離であり、縦軸Ｅは、電界である。図２３は、群速度分散部１６で生成された光パルスＰ３の一例を示すグラフである。図２３に示すグラフの横軸ｔは時間であり、縦軸Ｉは光強度である。
光パルス生成部１０は、例えば、図４に示す光パルスＰ１を生成する。光パルスＰ１は、光導波路１を伝搬し、周波数チャープ部１２の光導波路２に入射する。
周波数チャープ部１２は、図５に示すように、光導波路２を伝搬する光パルスＰ１に対して、光パルスＰ１の前部をダウンチャープさせ、光パルスＰ１の後部をアップチャープさせる。したがって、光パルス生成部１０で生成された光パルスＰ１は、周波数チャープ部１２を通過することで、前部がダウンチャープされ、後部がアップチャープされた光パルスＰ２となる。チャープが付与された光パルスＰ２（図示せず）は、光分岐部１４の光導波路４に入射する。
光分岐部１４は、チャープした光パルスＰ２を分岐させる。ここで、光分岐部１４では、分岐された複数の光パルスに互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせる。したがって、光導波路４ａを伝搬して光導波路６ａに入射する光パルスＰ２と、光導波路４ｂを伝搬して光導波路６ｂに入射する光パルスＰ２とは、逆位相となる。
群速度分散部１６は、周波数チャープが付与された光パルスＰ２に対して、波長（周波数）に応じた群速度差を生じさせて（群速度分散）、パルス圧縮を行う。群速度分散部１６では、光パルスＰ２が光導波路６ａ，６ｂによって構成される結合導波路を通過することによって、光パルスＰ２に群速度差を生じさせる。ここで、群速度分散部１６では、光導波路６ａ，６ｂに入射する光パルスＰ２が逆位相であるため、図２２に示すように、群速度分散部１６における光パルスＰ２のモードが奇モードとなる。これにより、群速度分散部１６が、負の群速度分散特性を持つことができる。
群速度分散部１６は、負の群速度分散特性を持つため、図２３に示すように、光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせて、アップチャープされた光パルスＰ２の後部を圧縮する。これにより、光パルスＰ２が圧縮されて、光パルスＰ３が生成される。
第２実施形態に係る短光パルス発生装置７００は、例えば、以下の特徴を有する。
短光パルス発生装置７００によれば、光分岐部１４は、分岐された複数の光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせることができるため、群速度分散部１６に入射する光パルスを逆位相にすることができる。これにより、群速度分散部１６が負の群速度分散特性を持つことができる。このように、短光パルス発生装置７００によれば、群速度分散部１６を負の群速度分散特性を持つように制御することができるため、所望のパルス幅の光パルスを得ることができる。
短光パルス発生装置７００では、光分岐部１４は、チャープした光パルスが入射し、半導体材料からなる光導波路４と、光導波路４から分岐した光導波路４ａおよび光導波路４ｂと、を有し、光導波路４ａを伝搬する光パルスと光導波路４ｂを伝搬する光パルスとの光路差は、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２との差によって生じている。これにより、群速度分散部１６に入射する光パルスを、逆位相にすることができる。
２．３． 短光パルス発生装置の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る短光パルス発生装置について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する本実施形態の変形例に係る短光パルス発生装置において、上述した短光パルス発生装置７００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
（１）第１変形例
まず、第１変形例について説明する。図２４は、第１変形例に係る短光パルス発生装置８００を模式的に示す平面図である。図２５は、第１変形例に係る短光パルス発生装置８００を模式的に示す断面図である。なお、図２５は、図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線断面図である。
上述した短光パルス発生装置７００では、図２１に示すように、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２との差｜Ｌ１−Ｌ２｜によって、分岐された光パルスに互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせていた。
これに対して、短光パルス発生装置８００では、図２４および図２５に示すように、光導波路４ａの屈折率と光導波路４ｂの屈折率との差によって、群速度分散部１６に入射する光パルスを逆位相にする光路差を生じさせている。
具体的には、短光パルス発生装置８００では、光分岐部１４の光導波路４ａに電圧を印加する第１電極８１０と、光導波路４ｂに電圧を印加する第２電極８２０と、を含んで構成されている。
第１電極８１０は、光導波路４ａを構成しているキャップ層１１２の上面に設けられている。第１電極８１０と電極１３０とで光導波路４ａに電圧を印加することができる。
第２電極８２０は、光導波路４ｂを構成しているキャップ層１１２の上面に設けられている。第２電極８２０と電極１３０とで光導波路４ｂに電圧を印加することができる。
電極８１０，８２０としては、例えば、キャップ層１１２側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。
ここで、第１電極８１０が、光導波路４ａを構成する半導体層に電圧を印加することで、非線形光学効果により光導波路４ａの屈折率が変化する。同様に、第２電極８２０が、光導波路４ｂを構成する半導体層に電圧を印加することで、非線形光学効果により光導波路４ｂの屈折率が変化する。そのため、光導波路４ａ，４ｂに電圧を印加することによって、光導波路４ａの屈折率と、光導波路４ｂの屈折率とを異なる屈折率とすることができる。これにより、分岐された光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせることができる。
図２４の例では、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２とは、同じ長さである。なお、図示はしないが、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２とは、異なる長さであってもよい。すなわち、光導波路４ａの長さＬ１と光導波路４ｂの長さＬ２との差｜Ｌ１−Ｌ２｜、および光導波路４ａの屈折率と光導波路４ｂの屈折率との差によって、分岐された光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせることができる。
短光パルス発生装置８００では、第１電極８１０と第２電極８２０が光導波路４ａ，４ｂに電圧を印加することにより、光導波路４ａ，４ｂを構成する半導体層の屈折率を変化させて、分岐された光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を生じさせることができる。
（２）第２変形例
次に、第２変形例について説明する。図２６は、第２変形例に係る短光パルス発生装置９００を模式的に示す平面図である。図２７は、第２変形例に係る短光パルス発生装置９００を模式的に示す断面図である。なお、図２７は、図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線断面図である。
上述した短光パルス発生装置７００では、図２０および図２１に示すように、光分岐部１４が、光導波路４および光導波路４ａ，４ｂで構成されていた。
これに対して、短光パルス発生装置９００では、図２６および図２７に示すように、光分岐部１４は、レンズ９１０と、ビームスプリッター９２０と、ミラー９３０と、を含んで構成されている。
レンズ９１０は、周波数チャープ部１２から出射された光パルスを、ビームスプリッター９２０に導くためのレンズである。なお、図示はしないが、周波数チャープ部１２から出射された光パルスを、レンズ９１０を介さずに、直接、ビームスプリッター９２０に入射させてもよい。
ビームスプリッター９２０は、光パルスを２つに分岐させるための光学素子である。周波数チャープ部１２から出射された光パルスは、ビームスプリッター９２０によって分岐される。ビームスプリッター９２０では、入射した光パルスの一部を反射し、一部を透過させることができる。これにより、光パルスを分岐させることができる。ビームスプリッター９２０によって分岐された光パルスの一方は、群速度分散部１６の光導波路６ａに入射し、ビームスプリッター９２０によって分岐された光パルスの他方は、ミラー９３０に入射する。
ミラー９３０は、ビームスプリッター９２０で分岐された光パルスを反射させて、光導波路６ｂに導くための光学素子である。
ビームスプリッター９２０で分岐されてから光導波路６ａに入射するまでに光パルスが進む距離Ｌ１と、ビームスプリッター９２０で分岐されてから光導波路６ｂに入射するまでに光パルスが進む距離Ｌ２との差｜Ｌ１−Ｌ２｜は、上記式（６）の関係を有している。したがって、光分岐部１４は、分岐された複数の光パルスに、互いに逆位相となって群速度分散部１６に入射する光路差を、生じさせることができる。
ここで、距離Ｌ１は、図示の例では、ビームスプリッター９２０で光パルスが分岐される分岐点Ｆと光導波路６ａの入射面１７ａとの間の距離である。また、距離Ｌ２は、図示の例では、分岐点Ｆとミラー９３０との間の距離ｌ１とミラー９３０と光導波路６ｂの入射面１７ｂとの間の距離ｌ２の和である。
短光パルス発生装置９００では、群速度分散部１６は、バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、コア層１０８（以下「第１コア層１０８」ともいう）、第２クラッド層１１０、キャップ層１１２に加えて、第２コア層１１４と、第３クラッド層１１６と、を含んで構成されている。
第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０上に設けられている。第２コア層１１４は、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０および第３クラッド層１１６に挟まれている。なお、第２コア層１１４は、第１コア層１０８と同様に量子井戸構造を有していてもよい。また、第２コア層１１４と第１コア層１０８とがともに量子井戸構造を有しておらず、例えば、単層のＡｌＧａＡｓ層であってもよい。また、第２コア層１１４の膜厚は、第１コア層１０８の膜厚と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第３クラッド層１１６は、第２コア層１１４上に設けられている。第３クラッド層１１６は、例えば、例えばｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
図示の例では、第２クラッド層１１０、第２コア層１１４、および第３クラッド層１１６によって、光導波路６ｂが構成されている。光導波路６ａおよび光導波路６ｂは、図示の例では、直線状に設けられている。光導波路６ａおよび光導波路６ｂは、結合導波路を構成している。
群速度分散部１６を構成している光導波路６ａと光導波路６ｂとが、半導体層１０４〜１１６の積層方向に配列されている。図示の例では、光導波路６ａの上方に、光導波路６ｂが配置されており、半導体層１０４〜１１６の積層方向からみて、光導波路６ａと光導波路６ｂとは、重なっている。
なお、群速度分散部１６を構成する半導体層１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６の層構造（バンド構造）は特に限定されない。例えば、これらの半導体層１０４〜１１６を、すべてｎ型（あるいはｐ型）の半導体層としてもよい。また、例えば、第１クラッド層１０６をｎ型、第１コア層１０８をｉ型、第２クラッド層１１０をｐ型、第２コア層１１４をｉ型、第３クラッド層１１６をｐ型にしてもよい。この場合、第１クラッド層１０６に接続する電極、および第２クラッド層１１０に接続する電極を設けることで、光導波路６ａを構成する半導体層に電圧を印加することができる。また、例えば、第１クラッド層１０６をｎ型、第１コア層１０８をｉ型、第２クラッド層１１０をｎ型、第２コア層１１４をｉ型、第３クラッド層１１６をｐ型にしてもよい。この場合、第２クラッド層１１０に接続する電極、および第３クラッド層１１６に接続する電極を設けることで、光導波路６ｂを構成する半導体層に電圧を印加することができる。また、例えば、第１クラッド層１０６をｎ型、第１コア層１０８をｉ型、第２クラッド層１１０をｐ型、第２コア層１１４をｉ型、第３クラッド層１１６をｎ型にしてもよい。この場合、第１クラッド層１０６に接続する電極、および第３クラッド層１１６に接続する電極を設けることで、光導波路６ａおよび光導波路６ｂを構成する半導体層に電圧を印加することができる。このように、光導波路６ａ，６ｂを構成する半導体層に電圧を印加することで、非線形光学効果により屈折率が変化し伝搬定数が変化する。これにより、群速度分散値が変化するので、デバイスの製造ばらつきにより発生する群速度分散値のばらつきを補正して、最適な分群速度散値に調整することができる。
短光パルス発生装置９００では、群速度分散部１６を構成している光導波路６ａと光導波路６ｂとが、半導体層１０４〜１１６の積層方向に配列されている。これにより、光導波路６ａ，６ｂ間の距離を、半導体層の膜厚で制御することができる。したがって、光導波路６ａ，６ｂ間の距離を精度よく制御することができる。さらに、例えば光導波路６ａを構成する第１コア層１０８と、光導波路６ｂを構成する第２コア層１１４を、異なる材質とすることができる。
３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００について、図面を参照しながら説明する。図２８は、第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００の構成を示す図である。
テラヘルツ波発生装置１０００は、図２８に示すように、本発明に係る短光パルス発生装置１００と、光伝導アンテナ１０１０と、を含む。ここでは、本発明に係る短光パルス発生装置として、短光パルス発生装置１００を用いた場合について説明する。
短光パルス発生装置１００は、励起光である短光パルス（例えば図７に示す光パルスＰ３）を発生させる。短光パルス発生装置１００が発生させる短光パルスのパルス幅は、例えば、１ｆｓ以上８００ｆｓ以下である。
光伝導アンテナ１０１０は、短光パルス発生装置１００で発生した短光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。なお、テラヘルツ波とは、周波数が、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に、３００ＧＨｚ以上３ＴＨｚ以下の電磁波をいう。
光伝導アンテナ１０１０は、図示の例では、ダイポール形状光伝導アンテナ（ＰＣＡ）である。光伝導アンテナ１０１０は、半導体基板である基板１０１２と、基板１０１２上に設けられ、ギャップ１０１６を介して対向配置された１対の電極１０１４と、を有している。この電極１０１４間に、光パルスが照射されると、光伝導アンテナ１０１０は、テラヘルツ波を発生させる。
基板１０１２は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）基板と、ＳＩ−ＧａＡｓ基板上に設けられている低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層と、を有している。電極１０１４の材質は、例えば、Ａｕである。１対の電極１０１４間の距離は特に限定されず、条件に応じて適宜設定される。１対の電極１０１４間の距離は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。
テラヘルツ波発生装置１０００では、まず、短光パルス発生装置１００が、短光パルスを発生させ、光伝導アンテナ１０１０のギャップ１０１６に向けて出射する。短光パルス発生装置１００から出射された短光パルスは、光伝導アンテナ１０１０のギャップ１０１６を照射する。光伝導アンテナ１０１０では、ギャップ１０１６に短光パルスが照射されることにより、自由電子が励起される。そして、この自由電子を電極１０１４間に電圧を印加することによって加速させる。これにより、テラヘルツ波が発生する。
テラヘルツ波発生装置１０００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
４． 第４実施形態
次に、第４実施形態に係るイメージング装置１１００について、図面を参照しながら説明する。図２９は、第４実施形態に係るイメージング装置１１００を示すブロック図である。図３０は、イメージング装置１１００のテラヘルツ波検出部１１２０を模式的に示す平面図である。図３１は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図３２は、対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図である。
イメージング装置１１００は、図２９に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から出射し、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏの画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部１１３０とを備えている。
テラヘルツ波発生部１１１０としては、本発明に係るテラヘルツ波発生装置を用いることができる。ここでは、本発明に係るテラヘルツ波発生装置として、テラヘルツ波発生装置１０００を用いた場合について説明する。
テラヘルツ波検出部１１２０としては、図３０に示すように、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルター８０と、フィルター８０を通過した前記目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部８４とを備えたものを用いる。また、検出部８４としては、例えば、テラヘルツ波を熱に変換して検出するもの、すなわち、テラヘルツ波を熱に変換し、そのテラヘルツ波のエネルギー（強度）を検出し得るものを用いる。このような検出部としては、例えば、焦電センサー、ボロメーター等が挙げられる。なお、テラヘルツ波検出部１１２０の構成は、前記の構成に限定されない。
また、フィルター８０は、２次元的に配置された複数の画素（単位フィルター部）８２を有している。すなわち、各画素８２は、行列状に配置されている。
また、各画素８２は、互いに異なる波長のテラヘルツ波を通過させる複数の領域、すなわち、通過させるテラヘルツ波の波長（以下、「通過波長」とも言う）が互いに異なる複数の領域を有している。なお、図示の構成では、各画素８２は、第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４を有している。
また、検出部８４は、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４に対応してそれぞれ設けられた第１の単位検出部８４１、第２の単位検出部８４２、第３の単位検出部８４３および第４の単位検出部８４４を有している。各第１の単位検出部８４１、各第２の単位検出部８４２、各第３の単位検出部８４３および各第４の単位検出部８４４は、それぞれ、各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波を熱に変換して検出する。これにより、各画素８２のそれぞれにおいて、４つの目的の波長のテラヘルツ波をそれぞれ確実に検出することができる。
次に、イメージング装置１１００の使用例について説明する。
まず、分光イメージングの対象となる対象物Ｏが、３つの物質Ａ、ＢおよびＣで構成されているとする。イメージング装置１１００は、この対象物Ｏの分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部１１２０は、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出することとする。
また、テラヘルツ波検出部１１２０のフィルター８０の各画素８２においては、第１の領域８２１および第２の領域８２２を使用する。第１の領域８２１の通過波長をλ１、第２の領域８２２の通過波長をλ２とし、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度をα１、波長λ２の成分の強度をα２としたとき、その強度α２と強度α１の差分（α２−α１）が、物質Ａと物質Ｂと物質Ｃとで、互いに顕著に区別できるように、第１の領域８２１の通過波長λ１および第２の領域８２２の通過波長λ２が設定されている。
図３１に示すように、物質Ａにおいては、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と波長λ１の成分の強度α１の差分（α２−α１）は、正値となる。また、物質Ｂにおいては、強度α２と強度α１の差分（α２−α１）は、零となる。また、物質Ｃにおいては、強度α２と強度α１の差分（α２−α１）は、負値となる。
イメージング装置１１００により、対象物Ｏの分光イメージングを行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で、α１およびα２として検出する。この検出結果は、画像形成部１１３０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
画像形成部１１３０においては、前記検出結果に基づいて、フィルター８０の第２の領域８２２を通過したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と、第１の領域８２１を通過したテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度α１の差分（α２−α１）を求める。そして、対象物Ｏのうち、前記差分が正値となる部位を物質Ａ、前記差分が零となる部位を物質Ｂ、前記差分が負値となる部位を物質Ｃと判断し、特定する。
また、画像形成部１１３０では、図３２に示すように、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部１１３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物Ｏの物質Ａの分布する領域は黒色、物質Ｂの分布する領域は灰色、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置１１００では、以上のように、対象物Ｏを構成する各物質の同定と、その各部質の分布測定とを同時に行うことができる。
なお、イメージング装置１１００の用途は、前記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部１１３０において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。
イメージング装置１１００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
５． 第５実施形態
次に、第５実施形態に係る計測装置１２００について、図面を参照しながら説明する。図３３は、第５実施形態に係る計測装置１２００を示すブロック図である。以下で説明する本実施形態に係る計測装置１２００において、上述したイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
計測装置１２００は、図３３に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から出射し、対象物Ｏを透過するテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏを計測する計測部１２１０と、を備えている。
次に、計測装置１２００の使用例について説明する。計測装置１２００により、対象物Ｏの分光計測を行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で検出する。この検出結果は、計測部１２１０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
計測部１２１０においては、前記検出結果から、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物Ｏの成分およびその分布の分析等を行う。
計測装置１２００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
６． 第６実施形態
次に、第６実施形態に係るカメラ１３００について、図面を参照しながら説明する。図３４は、第６実施形態に係るカメラ１３００を示すブロック図である。図３５は、カメラ１３００を模式的に示す斜視図である。以下で説明する本実施形態に係るカメラ１３００において、上述したイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
カメラ１３００は、図３４および図３５に示すように、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から出射し、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波または対象物Ｏを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、記憶部１３０１とを備えている。そして、これらの各部１１１０，１１２０，１３０１はカメラ１３００の筐体１３１０に収められている。また、カメラ１３００は、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像）させるレンズ（光学系）１３２０と、テラヘルツ波発生部１１１０で発生したテラヘルツ波を筐体１３１０の外部へ出射させるための窓部１３３０を備える。レンズ１３２０や窓部１３３０はテラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部１３３０は、スリットのように単に開口が設けられている構成としても良い。
次に、カメラ１３００の使用例について説明する。カメラ１３００により、対象物Ｏを撮像する際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をレンズ１３２０によってテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像させて）検出する。この検出結果は、記憶部１３０１に送出され、記憶される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。
カメラ１３００は、短光パルス発生装置１００を含むため、小型化を図ることができる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１，２，４，４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ…光導波路、１０…光パルス生成部、１２…周波数チャープ部、１４…光分岐部、１６…群速度分散部、１７ａ，１７ｂ…入射面、８０…フィルター、８２…画素、８４…検出部、１００…短光パルス発生装置、１０２…基板、１０２ａ…第１領域、１０２ｂ…第２領域、１０２ｃ…第３領域、１０２ｄ…第４領域、１０３…基板、１０４…バッファー層、１０６…第１クラッド層、１０８…コア層（第１コア層）、１０８ａ…第１ガイド層、１０８ｂ…ＭＱＷ層、１０８ｃ…第２ガイド層、１０９ａ，１０９ｂ…側面，１０９ｃ…端面、１１０…第２クラッド層、１１１…柱状部、１１２…キャップ層、１１４…第２コア層、１１６…第３クラッド層、１２０…絶縁層、１３０，１３２…電極、２００…短光パルス発生装置、２１０…光学素子、３００…短光パルス発生装置、３１０…光学素子、４００…短光パルス発生装置、４１０，４２０…光学素子、５００…短光パルス発生装置、５１０…溝部、６００，７００，８００…短光パルス発生装置、８１０…第１電極、８２０…第２電極、８２１…第１の領域、８２２…第２の領域、８２３…第３の領域、８２４…第４の領域、８４１…第１の単位検出部、８４２…第２の単位検出部、８４３…第３の単位検出部、８４４…第４の単位検出部、９００…短光パルス発生装置、９１０…レンズ、９２０…ビームスプリッター、９３０…ミラー、１０００…テラヘルツ波発生装置、１０１０…光伝導アンテナ、１０１２…基板、１０１４…電極、１０１６…ギャップ、１１００…イメージング装置、１１１０…テラヘルツ波発生部、１１２０…テラヘルツ波検出部、１１３０…画像形成部、１２００…計測装置、１２１０…計測部、１３００…カメラ、１３０１…記憶部、１３１０…筐体、１３２０…レンズ、１３３０…窓部

Claims (9)

  1. 量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部と、
    量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
    チャープした前記光パルスを分岐させる光分岐部と、
    モード結合する距離で配置されており、かつ、前記光分岐部にて分岐された複数の前記光パルスの各々が入射する複数の光導波路を有し、前記分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
    を含み、
    前記光分岐部で分岐されてから前記群速度分散部の前記複数の光導波路に入射するまでの複数の光路における前記光パルスの光路長は、互いに等しいことを特徴とする短光パルス発生装置。
  2. 前記光分岐部は、
    半導体材料からなり、チャープした前記光パルスが入射する第１半導体導波路と、
    前記半導体材料からなり、前記第１半導体導波路から分岐している第２半導体導波路および第３半導体導波路と、
    を有し、
    前記第２半導体導波路の長さと前記第３半導体導波路の長さは、互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載の短光パルス発生装置。
  3. 量子井戸構造を有し、光パルスを生成する光パルス生成部と、
    量子井戸構造を有し、前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
    チャープした前記光パルスを分岐させる光分岐部と、
    モード結合する距離で配置されており、かつ、前記光分岐部にて分岐された複数の前記光パルスの各々が入射する複数の光導波路を有し、前記分岐された複数の光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
    を含み、
    前記光分岐部は、前記分岐された複数の光パルスに、互いに逆位相となって前記群速度分散部に入射する光路差を生じさせることを特徴とする短光パルス発生装置。
  4. 前記光分岐部は、
    半導体材料からなり、チャープした前記光パルスが入射する第１半導体導波路と、
    前記半導体材料からなり、前記第１半導体導波路から分岐している第２半導体導波路および第３半導体導波路と、
    を有し、
    前記光路差は、前記第２半導体導波路の長さと前記第３半導体導波路の長さとの差によって生じることを特徴とする請求項３に記載の短光パルス発生装置。
  5. 前記光分岐部は、
    半導体材料からなり、チャープした前記光パルスが入射する第１半導体導波路と、
    前記半導体材料からなり、前記第１半導体導波路から分岐している第２半導体導波路および第３半導体導波路と、
    前記第２半導体導波路に電圧を印加する第１電極と、
    前記第３半導体導波路に電圧を印加する第２電極と、
    を有することを特徴とする請求項３に記載の短光パルス発生装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    を含むことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
  7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
    を含むことを特徴とするカメラ。
  8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
    を含むことを特徴とするイメージング装置。
  9. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
    前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから出射され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
    を含むことを特徴とする計測装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016085396A (ja) * 2014-10-28 2016-05-19 セイコーエプソン株式会社 短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置
US11499915B2 (en) * 2017-03-21 2022-11-15 ETH Zürich Device for THz generation and/or detection and methods for manufacturing the same

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6299958B2 (ja) * 2014-01-30 2018-03-28 セイコーエプソン株式会社 光伝導アンテナ、カメラ、イメージング装置、および計測装置
DE102016104602A1 (de) * 2016-03-14 2017-09-14 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlichtquelle
CN107026391A (zh) * 2017-04-27 2017-08-08 中国科学院半导体研究所 多波长混合集成光发射阵列
US9934927B1 (en) * 2017-08-02 2018-04-03 College Of William And Mary Infrared light generating system
US10840672B2 (en) * 2017-08-18 2020-11-17 Nokia Solutions And Networks Oy Mode-locked semiconductor laser capable of changing output-comb frequency spacing
EP3462554A1 (en) 2017-10-02 2019-04-03 ETH Zurich Waveguide heterostructure for dispersion compensation in semiconductor laser
JP7047469B2 (ja) * 2018-03-05 2022-04-05 住友大阪セメント株式会社 光変調器
KR102075356B1 (ko) * 2018-08-27 2020-02-10 한양대학교 산학협력단 시편 두께 측정 장치 및 시편 두께 측정 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10213714A (ja) * 1997-01-31 1998-08-11 Hitachi Ltd 光パルス分散補償器、及びこれを用いた光パルス圧縮器、半導体短パルスレーザ素子並びに光通信システム
JP2006024803A (ja) * 2004-07-09 2006-01-26 Hitachi Ltd 小型テラヘルツ光発生検出装置
JP2012195545A (ja) * 2011-03-18 2012-10-11 Seiko Epson Corp テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置および計測装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5651079A (en) * 1995-08-25 1997-07-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Photonic switching devices using light bullets

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10213714A (ja) * 1997-01-31 1998-08-11 Hitachi Ltd 光パルス分散補償器、及びこれを用いた光パルス圧縮器、半導体短パルスレーザ素子並びに光通信システム
JP2006024803A (ja) * 2004-07-09 2006-01-26 Hitachi Ltd 小型テラヘルツ光発生検出装置
JP2012195545A (ja) * 2011-03-18 2012-10-11 Seiko Epson Corp テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置および計測装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016085396A (ja) * 2014-10-28 2016-05-19 セイコーエプソン株式会社 短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置
US11499915B2 (en) * 2017-03-21 2022-11-15 ETH Zürich Device for THz generation and/or detection and methods for manufacturing the same

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