JP4831466B2

JP4831466B2 - テラヘルツ波の発生及び検出方法並びにその装置

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Publication number: JP4831466B2
Application number: JP2005271051A
Authority: JP
Inventors: 篤東海林; 伸吾齋藤
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007079511A

Description

本発明は、光伝導アンテナを用いて、テラヘルツ波を発生または検出する方法と、その方法を実施する装置に関する。

大容量で高速の情報伝送や情報処理を行う装置を実現するために、光の出力を光によって制御することのできる光制御−光スイッチング素子や光メモリ素子の実用化が求められている。

一般に、入力光の強度が小さい時には、反射する光のスペクトルや透過する光のスペクトルなどの光学応答は、入力される光の強度にはほとんど依存しない。このような応答は、入力される光による誘起分極の大きさが、媒質内の電場の強度に比例していることから線形応答と呼ばれる。

それに対し、媒質の光学的特性が、入力される光の強度に依存する効果を、一般に非線形光学効果という。非線形光学効果は、レーザーのように、ほぼ単色で指向性の強い光に対してのみ見られる光学現象であり、物質の非線形な応答を示すものである。高調波発生や誘導ラマン効果などがその一例である。非線形光学効果は、光学媒体が分散性を有し、しばしば複屈折性も有するため、強い指向特性をもっている。

入力される光の強度が大きくなってくると、例えば、強弱２種の光が入力した場合には、弱い光による応答は強い光の強度によって、また強い光による応答はそれ自身の強度によって変化するという現象が生じる。このような現象を利用すれば反射、透過などの光の応答を、その光自身や、他の入力光によって制御することができる。

従来、光によって光を制御するいわゆる光−光制御に用いる非線形光学素子や非線形光学用構造体としては、次のものが挙げられる。すなわち、ＧａＡｓ量子井戸構造などにおいて、バンド間遷移を用いてバンド充填効果による非線形光学効果を利用したもの、ＩｎＳｂなどの狭いバンドギャップ半導体において、自由キャリヤの非線形運動を利用したもの、バルク半導体の励起子準位や量子井戸微粒子などに閉じ込められた励起子準位の共鳴を用いた励起子共鳴型光学材料などがあり、これらを用いた光スイッチ素子や光双安定素子などが報告されている。

高速かつ大容量の光情報処理においては、光−光制御による光スイッチや光メモリが必要とされる。このような素子においては、光によって光の信号を制御し加工するために、光と光の間の相互作用の大きさが重要な問題となる。真空中では相互作用しない光も、物質媒質中においては、その媒質の分極を介して光と光の間に相互作用が生じる。その相互作用の大きさは、媒質固有の非線形分極の大きさで決まり、光の強さに依存する。

非線形光学効果を用いた光エレクトロニクス素子を作製するに当って重要な点の一つは、いかに小さな制御光強度で大きな非線形光学効果を生じさせるかということであり、この点が実用化可能か否かを分けるポイントとなっている。
そのために、従来では、低次元物質や極めて微細な構造を人工的に造形し、電子をこの中に量子的に閉じ込め、振動子強度を最低励起準位に集中させて非線形感受率を大きくするなど、電子系の量子閉じ込め効果に注目したものがあった。しかし、半導体のような原子間の相互作用の大きな物質においては、感受率と実際の応答出力の関係は単純ではなく感受率の評価だけでは非線形光学効果の大きさは評価できない。

近年、遠赤外線やサブミリ波の領域において新しい発生及び検出方式の研究が急速に進展しつつあり、テラヘルツ波が注目されている。この領域は、赤外とミリ波の間、換言すれば光波と電波の境界に位置する。光と電波のそれぞれの領域が重要な応用技術とともに発展してきたのとは対照的に、技術面でも応用面でも未だ開拓途上にある領域である。
しかしながら、無線通信における周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、並びにこの周波数帯の電磁波の特徴を活用したイメージングや、環境計測、各種検査、バイオや医学への応用など、テラヘルツ領域の研究は今後ますます重要になることが予想される。
また、これまで光源・検出器が未発達であったために解明されていない物理現象・生命現象・物質構造の解明、更に、宇宙、大気や生体、プラズマなどの計測・診断など幅広い基礎的な応用分野の発展につながる。

テラヘルツ波帯は発生も検出も困難であり、技術的に未発達な領域であるが、特に、簡便な広帯域波長可変光源はこの領域の応用研究を飛躍的に前進させるために必要不可欠な光源として多くの研究者から待ち望まれている。なかでも0.2〜3テラヘルツ（波長100〜1500μm）付近をカバーする簡便な広帯域波長可変光源の開発が特に求められている。

光技術を用いてテラヘルツ波を発生させる従来の方式には、次のようなものがある。すなわち、非線形光学結晶を用いた差周波光発生（DFG）、非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振、光伝導（PC）素子を用いた光混合、PC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生が挙げられる。

非線形光学結晶を用いたDFGと非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振は、２次の非線形光学効果を有する結晶に光波を入射し、位相整合条件下でテラヘルツ波を発生させる構成である。DFGでは二つの入射光の波長間隔（〜nm）を変化させることによって、発生させるテラヘルツ波の波長を制御する。一方、パラメトリック発振を用いる方式では、入射光は１波長でよく、またその入射角を変化させるのみで、発生させるテラヘルツ波の波長を制御できる特長がある。

PC素子を用いた光混合とPC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生は、非線形光学効果ではなくピコ秒以下のキャリヤ寿命を有する低温成長 GaAs 薄膜における光伝導効果を用いて光混合を行うものであり、バイアス電界が必要になる点が上記方式と異なる。
微小ダイポールアンテナやスパイラル状のアンテナを一体化した PC 素子を用いて、850 nm 帯の２台の LD 出力の光混合により 0.2〜3 THz の周波数域の CW-テラヘルツ波発生が行われている。また、同様な PC 素子にフェムト秒光パルスを照射することによって、テラヘルツ波を含んだ幅広い周波数成分を有する超短電磁パルスの発生が可能である。

また、従来、テラヘルツ波の発生には、800nm帯のパルスレーザーを利用することが主であった。しかし、既に多くのインフラが整っている光通信帯の光波を利用してテラヘルツ波の発生を行なうことができれば、テラヘルツ波の応用も今後一層進むものと考えられる。

光通信は、1.55μm帯のレーザー光を利用したものが普及している。ファイバー利用時、伝搬損失の最も小さい波長が、1.55μm帯であるためである。また、1.55μm帯の光波は、ファイバーアンプによってファイバー中で増幅することができる利点もある。
現在、発生源であるPC素子に用いている半導体基板であるGaAsは、800nm帯にバンドギャップがあり、1.55μm帯のレーザーではエネルギーが小さくテラヘルツ波を発生させることができない。
GaAsは、バンドギャップが1.42eで、吸収端波長が873nmであるため、バンドギャップ以下（吸収端より長波長）のエネルギーの光は吸収されずに透過してしまい、テラヘルツ波を発生させることができない。

従来、光伝導アンテナによるテラヘルツ波の発生と検出は、基板材料物質のバンドギャップよりも大きな光エネルギーをもつゲート光を使用して、光励起によって光電流を生成することが一般的である。そのため、現在高性能を示している低温成長GaAs基板を用いた光伝導アンテナでは、基本的に通信帯の光源をゲート光に使うことができない。

そこで、本発明は、通信帯の光源をゲート光に使うことができるようにし、材料物質の選択肢も拡げることの可能なテラヘルツ波の発生及び検出方法並びにその装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のテラヘルツ波の発生方法は、次の構成を備える。
すなわち、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する方法において、基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間にパルス光を照射することで、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第２高調波で光スイッチを動作させてテラヘルツ波を発生させることを特徴とする。

このようなテラヘルツ波発生方法を実施する装置は、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する装置において、基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、アンテナパターンのライン間にパルス光を照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、第２高調波を発生させる光照射手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のテラヘルツ波の検出方法は、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する方法において、基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、アンテナパターンのライン間に光照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を電流測定回路で検出することを特徴とする。

このようなテラヘルツ波検出方法を実施する装置は、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する装置において、基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、アンテナパターンのライン間に光を照射する光照射手段と、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって生成した光電流を検出する電流測定回路とを備えることを特徴とする。

ここで、非線形素子を非線形光学結晶としてもよい。
非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶が好適に使用できる。
また、非線形素子は、入射光の吸収の小さい物質で構成されることが好ましい。

基板としては、低温成長ＧａＡｓが好適に使用できる。

アンテナパターンとしては、ダイポール型の金属膜が好適に使用できる。

入射光のエネルギーは、基板のバンドギャップエネルギーの半分以上であることが望ましい。

本発明によると、アンテナパターンの上に配置させた非線形素子によって、その非線形効果によって波長変換を行い、第２高調波を発生させるので、通信帯の光源をゲート光に使うことが可能である。

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の要部を示す斜視説明図である。
光伝導アンテナは、基板（１１）と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン（１２）と、その上に配置された非線形素子（１３）とを有する。

図示のアンテナパターン（１２）はダイポール型であるが、ボウタイ型やストリップライン型なども利用できる。
このようなアンテナパターン形状によっては、テラヘルツ波の強度や周波数帯域が異なる。例えば、ボウタイ型の場合は、テラヘルツ波の放射強度は比較的大きく、ピーク周波数は０．１ＴＨｚ程度と低く、低周波領域の分光測定に有効である。ストリップライン型の場合は、テラヘルツ波のピーク周波数は１ＴＨｚ程度であり、４ＴＨｚ程度まで放射強度を有し、周波数帯域が比較的広い。また、複数の光スイッチを有する素子を用い、各光スイッチに印加するバイアス電圧の値と極性を切り換えることにより、テラヘルツ波の周波数スペクトルを変えることも可能である。

基板（１１）としては、低温成長ＧａＡｓが好適である。
非線形素子（１３）は、入射光の吸収の小さい物質が好ましく、例えば、ＢＢＯ結晶(β-BaB2O4）などの非線形光学結晶が好適である。非線形素子（１３）については、後に詳述する。

アンテナパターン（１２）には、配線（１４）を介して、そのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段（１５）が接続されている。
アンテナパターン（１２）のライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間に、ポンプ光としてのパルス光（２１）を照射すると、非線形素子（１３）の非線形効果によって波長変換が行われ第２高調波を発生する。
発生したテラヘルツ波（２２）は、半球状等のレンズ（１６）を透過して外部に放射される。
なお、パルス光（２１）の光源としては、例えば、フェムト秒パルスレーザーが利用できる。集光レンズを介挿してパルス光（２１）の光束を絞ってもよい。

非線形素子（１３）は、強い光に対して非線形の応答をする物質であり、例えば、1550nmのレーザー光を照射すると２倍の周波数の775nmの第２高調波が放出される。
非線形光学結晶であるＢＢＯ結晶は、フラックス法やチョクラルスキー法で成長させられ、３元素結晶のため高品質可が比較的容易であり、大きな有効非線形第２高調波発生係数を有し、約410 nmから3500nmまで放射可能な利点がある。

非線形結晶としては、他に、BBO、LBO、KTP、KDP、CLBO、CBO、BIBO、LiNbO₃、MgO: LiNbO₃、AgGaS₂、AgGaSe₂、POM、NPP、ZGP、AANPなども適宜利用できる。

以上のように、本発明によると、従来の光伝導アンテナの基板（１１）上に、波長変換を行なう非線形素子（１３）を取り付けたことによって、一光子吸収現象によってはアンテナ基板中に電力注入できないようなゲート光を、波長変換素子（１３）の非線形効果によって十分なエネルギーの光に変換し、ゲート光としての作用をもたせることができた。

同様に、図２は、本発明によるテラヘルツ波検出装置の要部を示す斜視説明図である。
光伝導アンテナは、基板（１１）と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン（１２）と、その上に配置された非線形素子（１３）とを有する。アンテナパターン（１２）には、配線（１４）を介して、そのライン間にかかる電流を測定する電流測定手段（１７）が接続されている。

テラヘルツ波検出装置は、約０．０１×１０¹²〜１００×１０¹²Ｈzの周波数領域のパルス光を試料に照射して、試料からの透過光または反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定する装置として利用できる。
試料からのテラヘルツ波（２３）は、レンズ（１６）を介して光伝導アンテナへ入射し、アンテナパターン（１２）のライン間に照射される。一方、プローブ光としてのパルス光（２１）もそこに照射する。
このとき、非線形素子（１３）の非線形効果によって波長変換が行われる。
そして、アンテナパターン（１２）のライン間では、テラヘルツ波（２３）によって電場が生じた状態になり、プローブ光としてのパルス光（２１）によっては電場強度に応じた光電流が生じる。それを電流測定手段（１７）で計測することで、テラヘルツ波（２３）に依存する電場強度を得ることができる。

以上のように、本発明によると、従来の光伝導アンテナの基板（１１）上に、波長変換を行なう非線形素子（１３）を取り付けたことによって、基板材料物質のバンドギャップよりも小さな光エネルギーをもつゲート光によるサンプリングができ、高感度の電磁波形状検出が可能になった。

本発明によると、通信帯の帯域でテラヘルツ波の発生及び検出が可能なので、通信用の電磁波受信アンテナや、センシングシステム分野における検出装置や、分光装置のための検出装置などに活用できる。
テラヘルツ波技術は、原子系の量子状態を制御する手段としての原子チップ、原子光学、BEC技術や、物質系の新しい観測手段としても有望であり、本発明はテラヘルツ波の多様な用途に寄与する。
テラヘルツ波の応用分野は、物性、分子分光、生体研究などの基礎研究から、半導体など各種材料の品質評価、高感度ガス検出、超高速通信などの応用分野まで多岐にわたる。
また、半導体、プラスチック、ビニール、紙、ゴム、木材、歯、骨、乾燥食品などを透過する電磁波の中で、テラヘルツ波が最も短波長すなわち高分解能であることから、人体に危険なX線に代わる安全な非破壊検査用光源としての実用化に期待がもたれる。
更に、DNAやタンパク質、酵素など生体高分子の骨格振動周波数が、テラヘルツ波領域に存在することが明らかになりつつあり、医療応用や生体イメージングなどの分野でも有望である。
また、皮膚癌や乳癌の早期診断、火傷深さの診断、虫歯の断層撮影、半導体シリコン基板の検査、粉ミルク等への異物混入防止、乾燥食品の水分含有量検査、材木や紙などの水分含有量検査など多分野にわたるので、産業上利用価値が高い。

テラヘルツ波発生装置の要部を示す斜視説明図テラヘルツ波検出装置の要部を示す斜視説明図

符号の説明

１１基板
１２アンテナパターン
１３非線形素子
１４配線
１５電圧印加手段
１６レンズ
１７電流測定手段
２１ポンプ光としてのパルス光
２２発生したテラヘルツ波
２３検出対象のテラヘルツ波

Claims

光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する方法であって、
基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、
アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加した状態で、そのバイアス電圧の印加されるアンテナパターンのライン間にパルス光を照射することで、
非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第２高調波でテラヘルツ波を発生させる
ことを特徴とするテラヘルツ波の発生方法。
光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生する装置であって、
基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、
アンテナパターンのライン間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、
アンテナパターンのライン間にパルス光を照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行い、発生した第２高調波でテラヘルツ波を発生させる光照射手段を備える
ことを特徴とするテラヘルツ波の発生装置。
非線形素子が、非線形光学結晶である
請求項２に記載のテラヘルツ波の発生装置。
非線形光学結晶が、ＢＢＯ結晶である
請求項３に記載のテラヘルツ波の発生装置。
非線形素子が、入射光の吸収の小さい物質で構成される
請求項２ないし４に記載のテラヘルツ波の発生装置。
基板が、低温成長ＧａＡｓである
請求項２ないし５に記載のテラヘルツ波の発生装置。
アンテナパターンが、ダイポール型の金属膜である
請求項２ないし６に記載のテラヘルツ波の発生装置。
入射光のエネルギーが、基板のバンドギャップエネルギーの半分以上である
請求項２ないし７に記載のテラヘルツ波の発生装置。
光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する方法であって、
基板の表面に形成されたアンテナパターンの上に、非線形素子を配置させた光伝導アンテナに対して、
アンテナパターンのライン間に光照射し、非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、
テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を電流測定回路で検出する
ことを特徴とするテラヘルツ波の検出方法。
光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出する装置であって、
基板と、その表面に形成された金属膜から成るアンテナパターンと、その上に配置された非線形素子とを有する光伝導アンテナと、
アンテナパターンのライン間に光を照射する光照射手段と、
非線形素子の非線形効果によって波長変換を行った光をゲート光として使用して、光励起によって光電流を生成することで、テラヘルツ波の電場強度に応じて生じる光電流を検出する電流測定回路とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波の検出装置。
非線形素子が、非線形光学結晶である
請求項１０に記載のテラヘルツ波の検出装置。
非線形素子が、ＢＢＯ結晶である
請求項１１に記載のテラヘルツ波の検出装置。
非線形素子が、入射光の吸収の小さい物質で構成される
請求項１０ないし１２に記載のテラヘルツ波の検出装置。
基板が、低温成長ＧａＡｓである
請求項１０ないし１３に記載のテラヘルツ波の検出装置。
アンテナパターンが、ダイポール型の金属膜である
請求項１０ないし１４に記載のテラヘルツ波の検出装置。
入射光のエネルギーが、基板のバンドギャップエネルギーの半分以上である
請求項１０ないし１５に記載のテラヘルツ波の検出装置。