JP3890411B2

JP3890411B2 - Method of modulating light with coherent phonons and phonon modulator

Info

Publication number: JP3890411B2
Application number: JP2003000763A
Authority: JP
Inventors: 宗明長谷; 正弘北島
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: JP2004212750A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、コヒーレントフォノンによる光の変調方法およびフォノンモジュレータに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、固体試料中に励起されたコヒーレントフォノンによりテラヘルツの周波数で光の振幅強度あるいは位相を変調させる、コヒーレントフォノンによる光の変調方法およびフォノンモジュレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、光通信の大容量化に対して期待が高まる中で、従来の電子回路で駆動される光素子の応答速度限界が問題となりつつあり、電子回路を主要部分とせず光信号から電気信号あるいは電気信号から光信号への置き換えが不要な、光で光を直接制御する全光スイッチに期待が集まっている。現在のところ、この全光スイッチはギガヘルツ（ＧＨｚ）領域で動作確認がなされておりテラヘルツ（ＴＨｚ）領域に迫りつつある状況にある。
【０００３】
これらの全光スイッチとしては、たとえば半導体の非線形屈折率変化を利用したもの（特許文献１）、半導体超格子の内部サブバンド間遷移を利用したもの（特許文献２）、あるいはガラス材料の３次非線形光学効果を利用したもの（特許文献３）等が知られており、これまでこれらの全光スイッチを連続で動作させることによってＧＨｚ帯の光パルス列の発生を成功させている。
【０００４】
しかしながら、これらの手法の原理は主に固体中の電子励起状態の緩和を利用したものであり、一般的にその時間領域は数ピコ秒オーダにとどまっている。しかもスイッチ動作を連続で行おうとする場合には、１回の光入力に対して電子励起状態の緩和は通常一度しか起こらないため、繰り返しスイッチ動作の回数は限定されてしまう。そのため、高繰り返しの光パルス列を用いて繰り返し電子系を励起することにより３度程度までの繰り返しスイッチは実現されているが、それ以上の繰り返しは実現されていないのが現状である。
【０００５】
また、一方で結晶の電気光学的効果あるいはポッケルス効果を用いたレーザ光の振幅変調素子が開発されている（特許文献４）が、これらの素子の変調可能な周波数帯域はＭＨｚ〜ＧＨｚ帯域であってＴＨｚ帯域までは遥かに届かないものとなっている。また、これらの素子は光ではなく電場印加によって駆動するものであり、全光スイッチ技術の分野には属さない。
【０００６】
上記のように現在テラヘルツ領域に届かない状況にあるが、もしテラヘルツ（ＴＨｚ）領域の連続全光スイッチが実現すれば、スイッチの連続ＯＮ−ＯＦＦによって毎秒テラビット（１０¹²ｂｉｔ／ｓ）以上の超高速データ送信が可能になることから、光通信の分野、またその他の分野においてテラヘルツ領域での利用が可能な光スイッチが強く求められている。
【０００７】
このような状況の中、この出願の発明者等は金属試料の特性を、励起光を用いて発生させた金属試料の格子振動を用いて測定する方法を見出した（特許文献５）。しかしながらこの方法は、励起光により金属試料中に発生した格子振動に対し、励起光と同じ時間幅を持ち励起光に比べて十分弱い強度でかつ限定された波長のプローブ光を照射することで、金属試料の格子振動の振動周期および減衰時間を正確に求めるといった金属試料の特性を測定する方法であり光スイッチとは全く異なる分野に関するものであった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０７−２０５１０
【特許文献２】
特開２０００−８９２７０
【特許文献３】
特開平０９−３０４７９９
【特許文献４】
特開平０５−２１５４
【特許文献５】
特開２００２−２１４３７
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、これまでの非線形屈折率変化などの電子の応答を利用したものとは全く原理の異なった、固体中の格子振動を用いてテラヘルツの周波数で光の振幅あるいは位相を変調させることのできる、コヒーレントフォノンによる光の変調方法およびフォノンモジュレータを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｎＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光を固体試料に入射し、固体試料中に位相が揃った格子振動であるコヒーレントフォノンを励起させて固体試料の反射率あるいは透過率を変化させ、その反射率あるいは透過率が変化した固体試料に、コヒーレントフォノンの周期よりも長い２００フェムト秒以上１ナノ秒以下のパルス幅を持つ光もしくはＣＷ光を被変調光として入射させ、該被変調光の振幅強度あるいは位相をコヒーレントフォノンの振動周期で変調させることを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を提供する。
【００１０】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、固体試料が金属、半金属、半導体、誘電体ならびにそれらの混晶、超格子、微結晶、ナノ結晶のうちのいずれかであることを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を提供する。
【００１１】
さらに、第３には、第１または第２の発明において、被変調光がレーザ光であり、該被変調光の振動強度および位相をコヒーレントフォノンの振動周期で変調することを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を提供する。
【００１２】
また、第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、固体試料中のコヒーレントフォノンの種類が、光学フォノン、音響フォノン、超格子構造における折り返し音響フォノン、微結晶およびナノ結晶における閉じ込め音響フォノンのうちのいずれかであることを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法をも提供する。
【００１３】
さらに、第１１には、第１ないし第１０のいずれかの発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法を行うフォノンモジュレータであって、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｎＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光を発生するレーザ光源と、前記フェムト秒レーザパルス光を入射することでコヒーレントフォノンが励起されることにより反射率あるいは透過率が変化する固体試料と、コヒーレントフォノンの周期よりも長い２００フェムト秒以上１ナノ秒以下のパルス幅を持つ光もしくはＣＷ光を被変調光として発生する被変調光用光源を備え、反射率あるいは透過率が変化した固体試料に、被変調光を入射し、被変調光の振幅強度あるいは位相をコヒーレントフォノンの振動周期で変調させることを特徴とするフォノンモジュレータを提供する。
【００１４】
また第７には、第１ないし６のいずれかの発明において、固体試料の温度範囲が０Ｋ以上１０００Ｋ以下であることを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を、第８には、第１ないし７のいずれかの発明において、室温においても４回以上の連続光スイッチを行い、さらに液体窒素あるいは液体ヘリウムによって固体試料を冷却し、コヒーレントフォノンの寿命を延ばし、１０回以上の連続光スイッチを行うことを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を提供する。
【００１５】
第９には、第３ないし８のいずれかの発明において、振幅強度あるいは位相が変調されるレーザ光の波長が２００ｎｍ以上の紫外域から３０００ｎｍ以下の赤外域までの範囲であることを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を提供し、第１０には、第１ないし９のいずれかの発明において、フェムト秒レーザパルス光でコヒーレントフォノンを固体試料中に励起する際に、フェムト秒レーザパルス光の直線偏光の偏光方向を４５度から９０度回転させることにより、固体試料の結晶軸により決定される励起コヒーレントフォノンモードを選択し、あるいは２つ以上のコヒーレントフォノンモードを同時に励起することを特徴とするコヒーレントフォノンによる光の変調方法を提供する。
【００１６】
さらに、第１１には、第１ないし１０のいずれかの発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法を行うフォノンモジュレータであって、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｎＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光を発生するレーザ光源と、前記フェムト秒レーザパルス光を入射することでコヒーレントフォノンが励起されることにより反射率あるいは透過率が変化する固体試料を備え、反射率あるいは透過率が変化した固体試料に入射する別の光の振幅強度あるいは位相を変調させることを特徴とするフォノンモジュレータを提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１８】
この出願の発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法は、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｎＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光を固体試料に入射し、その固体試料中に“位相が揃った格子振動”であるコヒーレントフォノンを励起させて、このコヒーレントフォノンにより固体試料の屈折率、すなわち反射率あるいは透過率を変化させ、そして反射率あるいは透過率が変化した固体試料に入射するフェムト秒レーザパルス光とは別の光の振幅強度あるいは位相を変調させることを大きな特徴としている。
【００１９】
このような方法を用いることによって、固体試料中にテラヘルツオーダーの振動数を持つコヒーレントフォノンを励起することができ、このコヒーレントフォノンにより固体試料の反射率あるいは透過率を変化させ、固体試料に入射するレーザ光などの光の振幅強度あるいは位相をテラヘルツ領域で変調させることが可能となる。そしてそのテラヘルツ領域の周波数で変調を受けた光を用いることによって、高速光通信や光コンピュータなどの全光回路において毎秒テラビット（１０¹²ｂｉｔ／ｓ）以上の超高速データ送信を可能とすることが期待される。
【００２０】
なお、このとき、固体試料としては金属、半金属、半導体、誘電体ならびにそれらの混晶、超格子、微結晶、ナノ結晶のうちのいずれかを用いることができ、安価な金属、半金属、半導体、誘電体などの単結晶から、それに比べるとコストのかかる半導体超格子、半導体の微結晶やナノ結晶など非常に広い選択幅を有する。
【００２１】
被変調光としては、２００フェムト秒以上１ナノ秒以下のパルス幅を持つレーザ光もしくはＣＷレーザ光（連続発振レーザ光）を好適に用いることができ、そのレーザ光の振幅強度および位相をコヒーレントフォノンの振動周期で変調することが可能となる。なお、被変調光としてはレーザ光以外にもＸ線や放射光なども用いることができる。
【００２２】
固体試料中のコヒーレントフォノンの種類としては、光学フォノン、音響フォノン、超格子構造における折り返し音響フォノン、微結晶およびナノ結晶における閉じ込め音響フォノンのうちのいずれかとすることができ、また、コヒーレントフォノンの倍波振動モードを用いることができるとともに、変調周波数を１ＴＨｚ以上１０００ＴＨｚ以下の広帯域とすることができる。
【００２３】
また、この出願の発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法においては、固体試料の温度範囲が０Ｋ以上１０００Ｋ以下で光の振幅強度あるいは位相を変調させることができ、０℃〜３０℃の室温においても４回以上の連続光スイッチを行うことができ、さらに液体窒素あるいは液体ヘリウムによって固体試料を冷却することで、固体試料中に励起されるコヒーレントフォノンの寿命を延ばし、１０回以上の連続光スイッチを行うことができる。なおこのとき、被変調光がレーザ光の場合、振幅強度あるいは位相が変調される被変調レーザ光の波長は２００ｎｍ以上の紫外域から３０００ｎｍ以下の赤外域までの範囲とすることができる。
【００２４】
さらにフェムト秒レーザパルス光でコヒーレントフォノンを固体試料中に励起する際、図１に示しているように、フェムト秒レーザパルス光の直線偏光の偏光方向を４５度から９０度回転させることにより、固体試料の結晶軸により決定される励起コヒーレントフォノンモードを選択することあるいは２つ以上のフォノンモードを同時に励起することができる。これにより２つの周波数を同時に変調することが可能となり、さらにそれら２つの周波数の選択切換を偏光方向の回転により得ることができるのである。
【００２５】
そしてこの出願の発明においては、上記の光変調方法を行うフォノンモジュレータであって、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｎＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光を発生するレーザ光源と、前記フェムト秒レーザパルス光を入射することでコヒーレントフォノンが励起されることにより反射率あるいは透過率が変化する固体試料を備え、反射率あるいは透過率が変化した固体試料に入射する別の光の振幅強度あるいは位相を変調させることを特徴とするフォノンモジュレータも提供でき、このフォノンモジュレータによりテラヘルツの周波数で光の振幅あるいは位相を変調させることができることから、このフォノンモジュレータは毎秒テラビット以上の超高速データ送信を可能にする新しい光源として期待される。
【００２６】
つぎにこの出願の発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法の原理を説明する。
【００２７】
この出願の発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法の原理は、フェムト秒（１ｆｓ＝１０^-15ｓ）レーザパルス光の照射により固体試料中にテラヘルツ（ＴＨｚ）の振動数を持つ位相の揃った格子振動であるコヒーレントフォノンを励起し、このコヒーレントフォノンによる試料の反射率変化あるいは透過率変化を利用して後から入射したパルス光などの光の振幅強度あるいは位相に、このコヒーレントフォノンの振動と同周期の振幅周期あるいは位相変調を与えるものである。
【００２８】
このコヒーレントフォノンは、固体中の電子励起あるいはラマン過程によって励起されるのであるが、この手法の利点は次の２点にある。
（１）固体のフォノンの周波数は１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度（時間周期に換算して１ｐｓ〜１０ｆｓ）と超高速且つ広帯域であるため、このフォノンによる変調周波数はこれまで実現困難であったテラヘルツ領域にちょうど相当する。
（２）フォノンの寿命は通常ピコ秒（ｐｓ）領域であり、したがってフォノンが減衰するまでのフォノンの振動回数は少なくとも十回程度であり、このフォノンによるスイッチングの回数も最低十回程度である。さらにフォノンの寿命はフォノンが励起される固体を低温とすることで数倍延ばすことが可能であるため、たとえば安価な液体窒素冷却によりスイッチングの回数を室温の場合と比べて数倍多く増やすことも可能となる。
【００２９】
また固体のフォノンは数式１、
【００３０】
【数式１】

に表されるような格子ポテンシャル上を運動していると考えられる。
【００３１】
ここで数式１中のｘはフォノンの振幅変位であり、ｋ、α、β…は係数である。通常はフォノンの振幅が結晶の格子定数Ａに比べて十分小さいと近似的に考えることができ（ｘ＜＜Ａ）、数式１の右辺の第２項以後は無視できてフォノンは自然周波数ω₀で振動していると見なすことができる。
【００３２】
しかしながら、強い大きなフェムト秒レーザパルス光の照射により、大振幅のフォノンが励起されると数式１の右辺の第２項以後が無視できなくなり、数式２の運動方程式を解いて得られる数式３の右辺に示すように、フォノンの倍波振動モード（たとえば２倍波は元の周波数の２倍高い周波数を有する）が現れる。なお数式３中のＡ₁、Ａ₂、Ａ₃…は振幅である。
【００３３】
【数式２】

【００３４】
【数式３】

これらの自然周波数ω₀より非常に高い周波数を有する倍波振動モードを利用すれば、変調周波数を１００ＴＨｚ以上とすることも可能であり、したがって可視〜近赤外域のレーザ光の位相（たとえば、８００ｎｍのレーザ光の電場の振動数は約３７５ＴＨｚに相当する）を変調することも可能となる。
【００３５】
図２は、この出願の発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法を用いたフォノンモジュレータの原理を示したものであり、（ａ）は固体試料が不透明な場合の反射型フォノンモジュレータであって、（ｂ）は固体試料が透明な場合の透過型フォノンモジュレータである。
【００３６】
フェムト秒のパルス幅を持つコヒーレントフォノン励起用のフェムト秒レーザパルス光（１）を金属、半金属、半導体、誘電体などの固体試料（２）に照射し、位相の揃った格子振動すなわちコヒーレントフォノン（３）を励起する。このコヒーレントフォノン（３）により誘電関数を通じてコヒーレントフォノン（３）の振動周期と同期した固体試料（２）の反射率変化あるいは透過率変化が誘起される。このコヒーレントフォノン（３）が振動を続けている間に、フェムト秒レーザパルス光（１）とは別の被変調レーザパルス光（４）（たとえばピコパルス光）を固体試料（２）の同一の場所、すなわちコヒーレントフォノン（３）が発生している場所に照射することにより、このレーザパルス光（４）に振幅変調または位相変調を与えることができ、振幅強度または位相が変調されたレーザパルス光（５）を得ることができるのである。
【００３７】
以上のような原理に基づき、この出願の発明において、テラヘルツ領域での光の変調を行うことが可能な、コヒーレントフォノンによる光の変調方法およびその方法を用いたフォノンモジュレータが見出されたのである。
【００３８】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３９】
【実施例】
＜実施例１＞
図３（ａ）に実際に固体試料としての半金属のビスマス（Ｂｉ）試料中に約１２０ｆｓ（７．６ｍＪ／ｃｍ²）のフェムト秒レーザパルス光で励起した際に励起されたコヒーレントフォノンによるビスマス試料の反射率変化（ΔＲ／Ｒ）を示す波形と、半値幅が２ｐｓの被変調レーザパルス光の波形を示す。なお、図３（ａ）中実線で示されているのがコヒーレントフォノンによるビスマス試料の反射率変化であり、点線のガウス波形で示されているのが非変調レーザパルス波形である。
【００４０】
この実験条件は室温で行われ、したがって固体試料の温度も室温とほぼ同程度の温度であり、コヒーレントフォノン励起用のフェムト秒レーザパルス光の強度は通常よりも強いもので、コヒーレントフォノンによる反射率変化の最大値は、０．０２以上を得ている。このコヒーレントフォノンはＡ_1gモードに対応し、その周波数は約２．７ＴＨｚであり、これは時間周期に変換すると約３７０ｆｓになる。なおこの実験の場合、固体試料の温度が室温であるためコヒーレントフォノンの寿命は４ｐｓと短かった。このコヒーレントフォノンによって変調された被変調レーザパルス光の理想波形を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）より９回程度の繰り返しパルスが出力として得られたことが分かる。
＜実施例２＞
次に、図４（ａ）に同じ半金属ビスマス（Ｂｉ）中に約６０ｆｓ（３．０μＪ／ｃｍ²）のフェムト秒レーザパルス光で励起したコヒーレントフォノンによるビスマス試料の反射率変化（ΔＲ／Ｒ）を示す波形および半値幅が７ｐｓの被変調レーザパルス光の波形を示す。なお、図４（ａ）中実線で示されているのがコヒーレントフォノンによるビスマス試料の反射率変化（ΔＲ／Ｒ）を示す波形であり、点線のガウス波形で示されているのが被変調レーザパルス光の波形である。
【００４１】
この場合の実験条件は半金属ビスマスを液体ヘリウムで冷却したため７Ｋと低温であり、コヒーレントフォノン励起用のフェムト秒レーザパルス光の強度は通常のものであって、コヒーレントフォノンによる半金属ビスマスの反射率変化の最大値は１０^-5と実施例１の実験と比べて小さい。このＡ_1gモードの周波数は低温であるために若干高周波数側にシフトしており、約３．１ＴＨｚであり、これは時間周期に変換して約３２０ｆｓになる。また低温であるため、コヒーレントフォノンの寿命が３０ｐｓと実施例１の室温での実験と比べて非常に長くなっている。
【００４２】
このコヒーレントフォノンによって変調された被変調レーザパルス光の理想波形を図４（ｂ）に示す。同図より２２回程度の繰り返しパルスが出力として得られたことが分かる。
【００４３】
このように、この出願の発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法によってこれまで困難であったＴＨｚ帯域の繰り返し光スイッチが可能であることが示された。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、ＩＴの要である高速光通信や光コンピュータなどの全光回路の高速・大容量化の基礎となる、テラヘルツ領域の周波数でレーザ光の振幅変調あるいは位相変調を行うことが可能なコヒーレントフォノンによる光の変調方法およびフォノンモジュレータが提供される。このフォノンモジュレータの実用化はフェムト秒レーザパルス光を発生するレーザ光源の超小型化および安価で良質な固体試料の選択にかかっているが、現在このレーザ光源に関しては小型化が進んでおり、また固体試料の選択に関しても格子振動はどの固体試料にも存在するため安価且つ良質な固体試料の選択は困難なものではないことから、将来このフォノンモジュレータの実用化の可能性は極めて高いといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法における、固体試料の結晶面に対する励起光の偏光配置を示した概念図である。
【図２】この発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法の原理を例示した概念図である。
【図３】この発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法を用いた、室温における半金属ビスマス中のコヒーレントフォノン発生による被変調レーザパルス光の変調の様子を例示した図である。
【図４】この発明のコヒーレントフォノンによる光の変調方法を用いた、７Ｋにおける半金属ビスマス中のコヒーレントフォノン発生による被変調レーザパルス光の変調の様子を例示した図である。
【符号の説明】
１フェムト秒レーザパルス光
２固体試料
３コヒーレントフォノン
４,５レーザパルス光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a method of modulating light by a coherent phonon and a phonon modulator. More specifically, the invention of this application relates to a method of modulating light by coherent phonons and a phonon modulator that modulates the amplitude intensity or phase of light at a terahertz frequency by coherent phonons excited in a solid sample.
[0002]
[Prior art and its problems]
In recent years, expectations for increasing the capacity of optical communication have increased, and the response speed limit of optical elements driven by conventional electronic circuits is becoming a problem. From an optical signal to an electrical signal or There is an expectation for an all-optical switch that directly controls light with light that does not require replacement of an electrical signal with an optical signal. At present, the operation of this all-optical switch has been confirmed in the gigahertz (GHz) region, and is now approaching the terahertz (THz) region.
[0003]
As these all-optical switches, for example, a switch that uses a nonlinear refractive index change of a semiconductor (Patent Document 1), a switch that uses a transition between internal subbands of a semiconductor superlattice (Patent Document 2), or a third-order glass material. A device using a non-linear optical effect (Patent Document 3) and the like are known, and generation of an optical pulse train in the GHz band has been successful by operating these all-optical switches continuously.
[0004]
However, the principle of these methods mainly uses the relaxation of the electronically excited state in the solid, and the time domain generally remains on the order of a few picoseconds. In addition, when the switch operation is to be performed continuously, the relaxation of the electronically excited state usually occurs only once for one light input, so that the number of repeated switch operations is limited. For this reason, a repetitive switch of up to about 3 degrees is realized by repeatedly exciting an electron system using a high repetition optical pulse train, but no further repetition is realized.
[0005]
On the other hand, laser light amplitude modulation elements using the electro-optic effect or Pockels effect of crystals have been developed (Patent Document 4). The frequency band in which these elements can be modulated is in the MHz to GHz band. Therefore, it is far from reaching the THz band. Further, these elements are driven not by light but by application of an electric field, and do not belong to the field of all-optical switch technology.
[0006]
As described above, the current state does not reach the terahertz region, but if a continuous all-optical switch in the terahertz (THz) region is realized, the terabit per second (10 ¹² bits / s) or more is exceeded by continuous ON-OFF of the switch. Since high-speed data transmission is possible, there is a strong demand for optical switches that can be used in the terahertz region in the fields of optical communication and other fields.
[0007]
Under such circumstances, the inventors of this application have found a method for measuring the characteristics of a metal sample by using lattice vibration of the metal sample generated using excitation light (Patent Document 5). However, this method irradiates the probe vibration of the limited wavelength with the same time width as the excitation light and sufficiently weaker than the excitation light against the lattice vibration generated in the metal sample by the excitation light. This is a method for measuring the characteristics of a metal sample, such as accurately determining the vibration period and decay time of the lattice vibration of the metal sample, and relates to a field completely different from that of an optical switch.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 07-20510 A
[Patent Document 2]
JP 2000-89270 A
[Patent Document 3]
JP 09-304799 A
[Patent Document 4]
JP 05-2154
[Patent Document 5]
JP2002-21437
The invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, solves the problems of the prior art, and is completely based on the principle of utilizing the electronic response such as the nonlinear refractive index change so far. It is an object of the present invention to provide a light modulation method and a phonon modulator using coherent phonons, which can modulate the amplitude or phase of light at a frequency of terahertz using different lattice vibrations in a solid.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the invention of this application firstly includes a femtosecond laser pulse light having a pulse width of 1 femtosecond to 200 femtoseconds, a pulse energy of 1 nJ to 1 J, and a wavelength of 200 nm to 1000 nm. Is incident on the solid sample, and the coherent phonon, which is a lattice vibration in which the phase is aligned in the solid sample, is excited to change the reflectance or transmittance of the solid sample . Light having a pulse width of 200 femtoseconds or more and 1 nanosecond or less, which is longer than the period of coherent phonons, is incident as modulated light, and the amplitude intensity or phase of the modulated light is modulated with the oscillation period of coherent phonons . The present invention provides a light modulation method using coherent phonons.
[0010]
Second, according to the invention of this application, in the first invention, the solid sample is any one of a metal, a metalloid, a semiconductor, a dielectric, and a mixed crystal, superlattice, microcrystal, or nanocrystal thereof. The present invention provides a light modulation method using coherent phonons.
[0011]
Furthermore, thirdly , in the first or second invention, the modulated light is a laser beam, and the coherent phonon is characterized by modulating the vibration intensity and phase of the modulated light with the vibration period of the coherent phonon. Provides a method of modulating light.
[0012]
Fourthly, in any one of the first to third inventions, the coherent phonon type in the solid sample is an optical phonon, an acoustic phonon, a folded acoustic phonon in a superlattice structure, a confined acoustic in a microcrystal, and a nanocrystal. There is also provided a method of modulating light by coherent phonons, which is one of phonons.
[0013]
An eleventh aspect of the invention is a phonon modulator that performs the light modulation method using the coherent phonon according to any one of the first to tenth aspects of the invention, and has a pulse width of 1 femtosecond or more and 200 femtoseconds or less, and a pulse energy of 1 nJ or more and 1J or less. A laser light source that generates femtosecond laser pulse light with a wavelength of 200 nm or more and 1000 nm or less, and a solid sample whose reflectivity or transmittance changes due to excitation of coherent phonons by incidence of the femtosecond laser pulse light, A light source for modulated light that generates light having a pulse width of 200 femtoseconds or longer and 1 nanosecond or less longer than the period of coherent phonons or CW light as modulated light, and for a solid sample with changed reflectance or transmittance , incident modulated light, coherency of the amplitude intensity or phase of the modulated light Providing a phonon modulator for causing modulated at the vibration period of Ntofonon.
[0014]
Seventhly, in any one of the first to sixth inventions, there is provided a light modulation method using coherent phonons, characterized in that the temperature range of the solid sample is 0 K or more and 1000 K or less. In any of the inventions 7 to 7, the continuous optical switch is performed at least four times even at room temperature, the solid sample is cooled with liquid nitrogen or liquid helium, the life of the coherent phonon is extended, and the continuous optical switch is performed ten times or more. The present invention provides a method of modulating light using coherent phonons.
[0015]
Ninth, in any one of the third to eighth inventions, the wavelength of the laser beam whose amplitude intensity or phase is modulated ranges from an ultraviolet region of 200 nm or more to an infrared region of 3000 nm or less. A method of modulating light using coherent phonons is provided. Tenthly, in the invention according to any one of the first to ninth aspects, when the coherent phonons are excited in the solid sample with the femtosecond laser pulse light, the femtosecond laser pulse light is provided. The excitation coherent phonon mode determined by the crystal axis of the solid sample is selected by rotating the polarization direction of the linearly polarized light of 45 to 90 degrees, or two or more coherent phonon modes are simultaneously excited. A method of modulating light by coherent phonons is provided.
[0016]
Furthermore, 11th is the phonon modulator which performs the light modulation method by the coherent phonon of any one of 1st thru | or 10th invention, Comprising: Pulse width 1 femtosecond or more and 200 femtosecond or less, Pulse energy 1nJ or more and 1J or less, A laser light source that generates femtosecond laser pulse light having a wavelength of 200 nm or more and 1000 nm or less, and a solid sample whose reflectivity or transmittance is changed by excitation of coherent phonons by incidence of the femtosecond laser pulse light, Provided is a phonon modulator characterized by modulating the amplitude intensity or phase of another light incident on a solid sample whose reflectance or transmittance is changed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
[0018]
The method of modulating light by the coherent phonon of the invention of this application is such that a femtosecond laser pulse light having a pulse width of 1 femtosecond to 200 femtoseconds, a pulse energy of 1 nJ to 1 J, and a wavelength of 200 nm to 1000 nm is incident on a solid sample, The coherent phonon, which is “phase-matched lattice vibration”, is excited in the solid sample, and this coherent phonon changes the refractive index of the solid sample, that is, the reflectance or transmittance, and the reflectance or transmittance changes. The main feature is that the amplitude intensity or phase of light different from the femtosecond laser pulse light incident on the solid sample is modulated.
[0019]
By using such a method, a coherent phonon having a terahertz order frequency can be excited in a solid sample, and the reflectivity or transmittance of the solid sample is changed by this coherent phonon and incident on the solid sample. It is possible to modulate the amplitude intensity or phase of light such as laser light in the terahertz region. By using light modulated at a frequency in the terahertz region, it is possible to transmit ultra-high-speed data at terabits (10 ¹² bits / s) or more per second in all-optical circuits such as high-speed optical communication and optical computers. Be expected.
[0020]
At this time, as the solid sample, any of metal, metalloid, semiconductor, dielectric and mixed crystal, superlattice, microcrystal, and nanocrystal can be used. From a single crystal such as a semiconductor or a dielectric, it has a very wide selection range such as a semiconductor superlattice, a semiconductor microcrystal or a nanocrystal which is more expensive than that.
[0021]
As the modulated light, laser light or CW laser light (continuous oscillation laser light) having a pulse width of 200 femtoseconds or more and 1 nanosecond or less can be suitably used, and the amplitude intensity and phase of the laser light are determined as coherent phonons. It becomes possible to modulate with the vibration period. In addition to the laser light, X-rays, radiated light, and the like can be used as the modulated light.
[0022]
The type of coherent phonon in the solid sample can be one of optical phonons, acoustic phonons, folded acoustic phonons in superlattice structures, confined acoustic phonons in microcrystals and nanocrystals, and double the coherent phonons. The wave vibration mode can be used, and the modulation frequency can be a wide band from 1 THz to 1000 THz.
[0023]
Further, in the light modulation method using the coherent phonon of the invention of this application, the amplitude intensity or phase of light can be modulated when the temperature range of the solid sample is 0 K or more and 1000 K or less, even at a room temperature of 0 ° C. to 30 ° C. Four or more continuous optical switches can be performed. Further, by cooling the solid sample with liquid nitrogen or liquid helium, the lifetime of the coherent phonon excited in the solid sample is extended, and the continuous optical switch is operated ten or more times. It can be carried out. At this time, when the modulated light is laser light, the wavelength of the modulated laser light whose amplitude intensity or phase is modulated can be in a range from an ultraviolet region of 200 nm or more to an infrared region of 3000 nm or less.
[0024]
Further, when the coherent phonon is excited in the solid sample by the femtosecond laser pulse light, as shown in FIG. 1, the polarization direction of the linearly polarized light of the femtosecond laser pulse light is rotated by 45 degrees to 90 degrees to The excitation coherent phonon mode determined by the crystal axis of the sample can be selected, or two or more phonon modes can be excited simultaneously. As a result, two frequencies can be modulated at the same time, and selection between the two frequencies can be obtained by rotating the polarization direction.
[0025]
In the invention of this application, a phonon modulator that performs the above-described optical modulation method, the femtosecond laser pulse light having a pulse width of 1 femtosecond to 200 femtoseconds, a pulse energy of 1 nJ to 1 J, and a wavelength of 200 nm to 1000 nm. A solid sample whose reflectivity or transmittance is changed by excitation of coherent phonons by incidence of the femtosecond laser pulse light, and the solid sample whose reflectivity or transmittance is changed A phonon modulator characterized by modulating the amplitude intensity or phase of another incident light can also be provided, and this phonon modulator can modulate the amplitude or phase of light at a terahertz frequency. More than terabit It is expected as a new light source which enables very high speed data transmission.
[0026]
Next, the principle of the light modulation method using coherent phonons of the invention of this application will be described.
[0027]
The principle of the light modulation method using coherent phonons of the invention of this application is that a phase-matched grating having a terahertz (THz) frequency in a solid sample by irradiation with femtosecond (1 fs = 10 ⁻¹⁵ s) laser pulse light. Exciting the coherent phonon that is a vibration, and using the change in reflectance or transmittance of the sample due to the coherent phonon, the amplitude intensity or phase of the incident light such as pulsed light is changed to the same period as the vibration of this coherent phonon. The amplitude period or phase modulation is given.
[0028]
This coherent phonon is excited by electronic excitation in a solid or by a Raman process. The advantage of this method is in the following two points.
(1) Since the frequency of a solid phonon is about 1 THz to 100 THz (1 ps to 10 fs in terms of time period) and an ultra-high speed and wide band, the modulation frequency by this phonon is just in the terahertz region that has been difficult to realize so far. Equivalent to.
(2) The lifetime of a phonon is usually in the picosecond (ps) region, and therefore the number of vibrations of the phonon until the phonon is attenuated is at least about ten times, and the number of times of switching by this phonon is at least about ten times. In addition, the lifetime of phonons can be extended several times by lowering the temperature of the solid where phonons are excited. For example, the number of switching operations can be increased several times more than that at room temperature by cheap liquid nitrogen cooling. It becomes possible.
[0029]
The solid phonon is expressed by Equation 1,
[0030]
[Formula 1]

It is thought that it is moving on the lattice potential represented by.
[0031]
Here, x in Equation 1 is the amplitude displacement of the phonon, and k, α, β,... Are coefficients. In general, it can be approximated that the amplitude of the phonon is sufficiently smaller than the lattice constant A of the crystal (x << A), the second term on the right-hand side of Equation 1 can be ignored, and the phonon has a natural frequency ω _0. It can be regarded as vibrating.
[0032]
However, when a large-amplitude phonon is excited by irradiation with a strong large femtosecond laser pulse light, the second term on the right side of Equation 1 cannot be ignored, and the right side of Equation 3 obtained by solving the equation of motion of Equation 2 As shown, the phonon harmonic oscillation mode (for example, the second harmonic has a frequency twice as high as the original frequency) appears. In Equation 3, A ₁ , A ₂ , A ₃ ... Are amplitudes.
[0033]
[Formula 2]

[0034]
[Formula 3]

If a harmonic oscillation mode having a frequency much higher than these natural frequencies ω ₀ is used, the modulation frequency can be set to 100 THz or more. Therefore, the phase of laser light in the visible to near infrared region (for example, 800 nm) It is also possible to modulate the frequency of the electric field of the laser light (corresponding to about 375 THz).
[0035]
FIG. 2 shows the principle of a phonon modulator using the coherent phonon light modulation method of the invention of this application, wherein (a) is a reflective phonon modulator when a solid sample is opaque, b) is a transmission type phonon modulator when the solid sample is transparent.
[0036]
A solid sample (2) such as a metal, a semimetal, a semiconductor, or a dielectric is irradiated with femtosecond laser pulse light (1) for exciting coherent phonons having a pulse width of femtoseconds. (3) is excited. This coherent phonon (3) induces a change in reflectance or transmittance of the solid sample (2) synchronized with the vibration period of the coherent phonon (3) through a dielectric function. While the coherent phonon (3) continues to vibrate, the modulated laser pulse light (4) (for example, pico pulse light) different from the femtosecond laser pulse light (1) is applied to the same location of the solid sample (2). That is, by irradiating the place where the coherent phonon (3) is generated, the laser pulse light (4) can be subjected to amplitude modulation or phase modulation, and the laser pulse light (amplitude intensity or phase modulated) ( 5) can be obtained.
[0037]
Based on the principle as described above, in the invention of this application, a light modulation method using coherent phonons capable of modulating light in the terahertz region and a phonon modulator using the method have been found. .
[0038]
Embodiments of the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0039]
【Example】
<Example 1>
FIG. 3 (a) shows a bismuth produced by coherent phonons excited when excited with a femtosecond laser pulse of about 120 fs (7.6 mJ / cm ² ) in a bismuth (Bi) sample of a semimetal as a solid sample. The waveform which shows the reflectance change ((DELTA) R / R) of a sample, and the waveform of the modulated laser pulse light whose half value width is 2 ps are shown. In FIG. 3A, the solid line indicates the reflectance change of the bismuth sample due to coherent phonons, and the dotted Gaussian waveform indicates the unmodulated laser pulse waveform.
[0040]
This experimental condition was carried out at room temperature, so the temperature of the solid sample was about the same as that of room temperature, the intensity of the femtosecond laser pulse light for coherent phonon excitation was higher than usual, and the reflectivity by coherent phonon The maximum value of change is 0.02 or more. This coherent phonon corresponds to the A _1g mode, and its frequency is about 2.7 THz, which is about 370 fs when converted to a time period. In this experiment, since the temperature of the solid sample was room temperature, the lifetime of the coherent phonon was as short as 4 ps. FIG. 3B shows an ideal waveform of the modulated laser pulse light modulated by the coherent phonon. It can be seen from FIG. 3B that about 9 repetition pulses were obtained as output.
<Example 2>
Next, the reflectance change (ΔR / R) of the bismuth sample by coherent phonons excited by about 60 fs (3.0 μJ / cm ² ) femtosecond laser pulse light in the same metalloid bismuth (Bi) as shown in FIG. ) And a waveform of modulated laser pulse light having a half width of 7 ps. In FIG. 4A, a solid line indicates a waveform indicating a change in reflectance (ΔR / R) of a bismuth sample due to coherent phonons, and a dotted Gaussian waveform indicates a modulated laser. It is a waveform of pulsed light.
[0041]
The experimental conditions in this case are as low as 7K because the metalloid bismuth is cooled with liquid helium, the intensity of the femtosecond laser pulse light for exciting the coherent phonon is normal, and the reflectivity of the metalloid bismuth by the coherent phonon. The maximum value of the change is 10 ⁻⁵ , which is smaller than the experiment of Example 1. Since the frequency of the A _1g mode is a low temperature, it is slightly shifted to a higher frequency side, and is about 3.1 THz, which is converted to a time period and becomes about 320 fs. Moreover, since the temperature is low, the lifetime of the coherent phonon is 30 ps, which is much longer than that at room temperature in Example 1.
[0042]
FIG. 4B shows an ideal waveform of modulated laser pulse light modulated by the coherent phonon. From the figure, it can be seen that about 22 repetition pulses were obtained as output.
[0043]
As described above, it has been shown that the THz-band repetitive optical switch, which has been difficult until now, is possible by the coherent phonon light modulation method of the invention of this application.
[0044]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the invention of this application, the amplitude modulation of laser light at the frequency in the terahertz region, which is the basis of high-speed optical communication and high-speed and large-capacity of all-optical circuits such as optical computers, which are the core of IT, A method of modulating light by a coherent phonon capable of performing phase modulation and a phonon modulator are provided. The practical application of this phonon modulator depends on the miniaturization of a laser light source that generates femtosecond laser pulse light and the selection of a cheap and high-quality solid sample, but the laser light source is currently being miniaturized, and Regarding the selection of the solid sample, since lattice vibration exists in any solid sample, it is not difficult to select a cheap and high-quality solid sample. Therefore, it can be said that the possibility of practical use of this phonon modulator is extremely high in the future.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a polarization arrangement of excitation light with respect to a crystal plane of a solid sample in a light modulation method using coherent phonons according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the principle of a light modulation method using coherent phonons according to the present invention;
FIG. 3 is a diagram exemplifying a state of modulation of modulated laser pulse light by coherent phonon generation in semi-metallic bismuth at room temperature using the light modulation method using coherent phonons of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating a state of modulation of modulated laser pulse light by coherent phonon generation in semi-metallic bismuth at 7K using the light modulation method by coherent phonon of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 femtosecond laser pulse light 2 solid sample 3

coherent phonon

4, 5 laser pulse light

Claims

Coherent phonon, which is a lattice vibration whose phase is aligned in a solid sample, when a femtosecond laser pulse light having a pulse width of 1 femtosecond to 200 femtosecond, pulse energy of 1 nJ to 1 J, wavelength of 200 nm to 1000 nm is incident on the solid sample. Is excited to change the reflectance or transmittance of the solid sample , and light having a pulse width of 200 femtoseconds or more and 1 nanosecond or less longer than the period of the coherent phonon is applied to the solid sample whose reflectance or transmittance is changed. Alternatively, a method of modulating light using coherent phonons , wherein CW light is incident as modulated light, and the amplitude intensity or phase of the modulated light is modulated with an oscillation period of coherent phonons.

2. The method of modulating light with coherent phonons according to claim 1, wherein the solid sample is one of a metal, a metalloid, a semiconductor, a dielectric, and a mixed crystal, superlattice, microcrystal, or nanocrystal thereof. .

3. The method of modulating light using coherent phonons according to claim 1 , wherein the modulated light is laser light, and the vibration intensity and phase of the modulated light are modulated by the vibration period of the coherent phonon.

4. The type of coherent phonons in a solid sample is one of optical phonons, acoustic phonons, folded acoustic phonons in superlattice structures, confined acoustic phonons in microcrystals and nanocrystals. A method of modulating light using a coherent phonon according to any one of the above.

5. The method of modulating light using coherent phonons according to claim 1, wherein a coherent phonon harmonic mode is used.

6. The method of modulating light using coherent phonons according to claim 1, wherein the modulation frequency is a wide band of 1 THz to 1000 THz.

7. The method for modulating light using coherent phonons according to claim 1, wherein the temperature range of the solid sample is 0 K or more and 1000 K or less.

The continuous optical switch is performed at least four times even at room temperature, and the solid sample is further cooled by liquid nitrogen or liquid helium to extend the life of the coherent phonon, and the continuous optical switch is performed ten times or more. Or a light modulation method using coherent phonons according to any one of 7 to 7.

9. The modulation of light by coherent phonons according to claim 3, wherein the wavelength of laser light whose amplitude intensity or phase is modulated ranges from an ultraviolet region of 200 nm or more to an infrared region of 3000 nm or less. Method.

When coherent phonons are excited in a solid sample with femtosecond laser pulse light, excitation determined by the crystal axis of the solid sample by rotating the polarization direction of linearly polarized light of the femtosecond laser pulse light from 45 degrees to 90 degrees 10. The method of modulating light using coherent phonons according to claim 1, wherein a coherent phonon mode is selected, or two or more coherent phonon modes are excited simultaneously.

A phonon modulator that performs the light modulation method using coherent phonons according to any one of claims 1 to 10, wherein the pulse width is 1 femtosecond or more and 200 femtoseconds or less, the pulse energy is 1 nJ or more and 1J or less, and the wavelength is 200 nm or more and 1000 nm or less. A laser light source that generates femtosecond laser pulsed light, a solid sample whose reflectivity or transmittance changes when coherent phonon is excited by incidence of the femtosecond laser pulsed light, and longer than the period of coherent phonon A light source for modulated light that generates light having a pulse width of 200 femtoseconds or more and 1 nanosecond or less or CW light as modulated light is provided, and the modulated light is incident on a solid sample whose reflectance or transmittance has changed. , the amplitude intensity or the phase of the modulated light into a coherent phonon Phonons modulator for causing modulated at the vibration period.