JP7204103B2 - テラヘルツ波発生素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、テラヘルツ波を発生させる素子とその製造方法に関する。

電波天文学、電子分光、材料科学、セキュリティ、情報通信又は食品検査等の幅広い分野において、テラヘルツ波の利用が期待されている。テラヘルツ波は、電波と光波の間の例えば０．１～１０ＴＨｚの周波数帯の電磁波である。

テラヘルツ波の発生方法として、量子カスケードレーザ、フォトミキシング若しくはフェムト秒レーザを用いた光スイッチ又は光整流を用いる方法がある。

また、非線形光学結晶を用いた、非線形光学効果によってテラヘルツ波を発生させる方法もある。

例えば、励起光を含む周波数の異なる２種類の光を、非線形光学結晶にコリニアに入力し、差周波発生過程によってテラヘルツ波を発生させる装置がある（例えば特許文献１参照）。また、非線形光学結晶で構成された光導波路に光を入力し、超短パルス光源による光整流によってテラヘルツ波を発生させる装置がある（例えば特許文献２参照）。また、励起光を含む周波数の異なる２種類の光を、非線形光学結晶からなる発振基板にノンコリニアに入力し、差周波発生過程によってテラヘルツ波を発生させる装置がある（例えば特許文献３参照）。

ここで、非線形光学結晶として用いられる例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）は、テラヘルツ波に対する吸収が大きい。このため、非線形光学結晶において、テラヘルツ波を長距離伝播させることは困難である。そこで、特許文献１に係る装置では、発生したテラヘルツ波を、チェレンコフ放射によって非線形光学結晶表面から放射させる。また、特許文献２に係る装置では、発生したテラヘルツ波を、プリズムを用いて非線形光学結晶表面から放射させる。また、特許文献３に係る装置では、カットオフ条件を満たすように発振基板の厚さを薄くすることによって、発生したテラヘルツ波を発振基板表面から放射させる。

ところで、光通信の分野には、非線形光学効果を利用した波長変換素子がある。このような波長変換素子を光導波路素子において実現する際には、非線形光学結晶として例えばＬｉＮｂＯ_３を光導波路の材料として用いることができる。非線形光学効果に基づく波長変換の手法としては、疑似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ－Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）がある。このＱＰＭを、ＬｉＮｂＯ_３を材料とする光導波路において実現させた波長変換素子として、ＱＰＭ型波長変換素子がある。ＱＰＭ型波長変換素子は、光導波路に周期的分極反転構造を作り込んで構成される。

ＱＰＭ型波長変換素子では、位相整合条件を満たすように分極反転構造の周期を設計することによって、任意の波長の光に対して波長変換を行うことができる。そして、ＱＰＭ型波長変換素子では、光が相互作用する長さ（相互作用長）を大きくとる、すなわち光を長距離伝播させることによって、より大きな非線形光学効果を得ることができる。

テラヘルツ波の発生に、上述のＱＰＭ型波長変換素子を利用することが考えられる。この場合、差周波発生過程で相互作用する光を、ＱＰＭ型波長変換素子内で長距離伝播させることで、高効率にテラヘルツ波を発生させられると考えられる。

特開２０１０－２０４４８８号公報 特開２０１１－２０３７１８号公報 特開２０１５－１１８３９２号公報

しかしながら、上述したように、非線形光学結晶として用いられるＬｉＮｂＯ_３は、テラヘルツ波に対する吸収が大きい。このため、特許文献１～３の装置では、テラヘルツ波を長距離伝播させることができず、相互作用長を大きくとることができない。従って、テラヘルツ波を効率良く発生させることが困難と考えられる。

さらに、この吸収の影響を抑えるため、特許文献１～３の装置では、テラヘルツ波を非線形光学結晶表面から放射させることによって出力する。このため、出力されるテラヘルツ波のモードフィールドが安定しない。従って、集光して分光計測等に利用することが困難である。

また、ＱＰＭ型波長変換素子を利用する場合にも、上述した吸収の影響により、長距離伝播させることが困難である。このため、特許文献１～３の装置と同様に、テラヘルツ波を効率良く発生させることが困難と考えられる。

そこで、この発明の目的は、テラヘルツ波を高効率で発生させることが可能なテラヘルツ波発生素子を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明のテラヘルツ波発生素子は、支持基板と、支持基板上に接合された、強誘電体結晶であるコア層とを備えて構成される。支持基板及びコア層に、コア層の上面から、第１の溝及び第２の溝が形成されている。これらの第１の溝及び第２の溝は、互いに平行に延在しており、第１の溝及び第２の溝に挟まれたコア層の領域が、光導波路コアとなる。光導波路コアに外部から入力される、励起光と信号光との差周波発生過程によりテラヘルツ波が生成される。ここで、光導波路コアには、励起光、信号光及びテラヘルツ波の擬似位相整合条件を満たす、周期的分極反転構造が形成されている。

また、この発明のテラヘルツ波発生素子の好適実施例によれば、第１溝及び第２の溝の幅及び深さは、テラヘルツ波の波長の半分より大きい。また、光導波路コアの厚さや幅が３～１０μｍの範囲内の値であるのが良い。

上記の周期的分極反転構造は、分極反転周期Λ、励起光の波長λ_ｐ、信号光の波長λ_ｓ、テラヘルツ波の波長λ_Ｔ、励起光に対する光導波路の実効屈折率Ｎ_ｐ、信号光に対する光導波路の実効屈折率Ｎ_ｓ、及び、テラヘルツ波に対する屈折率Ｎ_Ｔが、Λ＝１／（Ｎ_ｐ／λ_ｐ－Ｎ_ｓ／λ_ｓ－Ｎ_Ｔ／λ_Ｔ）を満足するように構成することができる。

さらに、光導波路コアの周囲に、光導波路コアの表面を覆うカバー層を備える構成や、光導波路コア以外の部分に、コア層が設けられていない構成にしてもよい。

また、この発明のテラヘルツ波発生素子の製造方法は、上述のテラヘルツ波発生素子を製造するのに好適であり、以下の工程を備えて構成される。先ず、支持基板上に、周期的分極反転構造が形成されている強誘電体結晶を接合する。次に、強誘電体結晶を所望の厚さにしてコア層を得る。次に、支持基板及びコア層に、コア層の上面から、第１の溝及び第２の溝を形成する。

この発明のテラヘルツ波発生素子及びその製造方法によれば、周期的分極反転構造が形成されている光導波路コアで生成されたテラヘルツ波が、光導波路コアの周囲を伝播する。このため、強誘電体結晶でのテラヘルツ波の損失を抑えることができる。この結果、テラヘルツ波を高効率で発生させることが可能になる。

テラヘルツ波発生素子を示す概略図である。 テラヘルツ波発生装置の製造方法を説明する概略的な工程図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

図１を参照して、この発明のテラヘルツ波発生素子について説明する。図１は、テラヘルツ波発生素子を示す概略図である。図１（Ａ）は、上面から見た平面図であり、図１（Ｂ）は、光の伝播方向（図１（Ａ）中、矢印Ｉで示す。）に沿った方向から見た側面図であり、図１（Ｃ）は、光の伝播方向に直交する方向（図１（Ａ）中、矢印ＩＩで示す。）から見た側面図である。

テラヘルツ波発生素子は、支持基板１０と、コア層３０を備えて構成される。コア層３０は、支持基板１０の上面１０ａ上に、接着層２０を介して接合されている。支持基板１０、接着層２０及びコア層３０に、コア層３０の上面３０ａから、第１の溝４１及び第２の溝４２が形成されている。第１の溝４１及び第２の溝４２は、光の伝播方向（Ｉ）に沿って、互いに平行に延在している。第１の溝４１及び第２の溝４２に挟まれたコア層３０の領域が、光導波路コア３４となる。

支持基板１０の材料として、ＬｉＮｂＯ_３などの強誘電体結晶や、テラヘルツ波の損失が少ない、高抵抗シリコンやＺＥＯＮＥＸ（登録商標）を用いることができる。

接着層２０の材料として、例えば、エポキシ系接着剤や、アクリル系接着剤などの、従来公知の光学接着剤を用いることができる。接着層２０の厚さは、１～５μｍ程度である。この接着層２０は、クラッドとして機能する。

コア層３０の材料として、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）等の強誘電体結晶によって形成されている。これら強誘電体結晶には、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）又はインジウム（Ｉｎ）等を一又は複数種類添加することもできる。

コア層３０には、自発分極の向きが互いに反転した第１ドメイン領域３１と第２ドメイン領域３２とが、光の伝播方向Ｉに沿って交互に周期的に作り込まれている。すなわち、コア層３０は、周期的分極反転構造を有している。なお、第１ドメイン領域３１と第２ドメイン領域３２との境界面は、図では、光の伝播方向Ｉに対して直交するように示されているが、これに限定されない。光の伝播方向Ｉに非平行であれば、直交していなくてもよい。

周期的分極反転構造の周期Λは、光導波路コア３４に入力される信号光及び励起光、並びに光導波路コア３４で発生させるテラヘルツ波に対して、疑似位相整合（ＱＰＭ）条件を満たすように設定される。そして、信号光及び励起光に基づく差周波発生過程によってテラヘルツ波を発生させる。

ＱＰＭ条件として、周期的分極反転構造の分極反転周期Λ、励起光の波長λ_ｐ、信号光の波長λ_ｓ、テラヘルツ波の波長λ_Ｔ、励起光に対する光導波路の実効屈折率Ｎ_ｐ、信号光に対する光導波路の実効屈折率Ｎ_ｓ、及び、テラヘルツ波に対する屈折率Ｎ_Ｔは、下式（１）を満たすように設定される。
Λ＝１／（Ｎ_ｐ／λ_ｐ－Ｎ_ｓ／λ_ｓ－Ｎ_Ｔ／λ_Ｔ） （１）

また、光導波路コア３４の幅及び厚さの寸法は、相互作用する信号光及び励起光のパワー密度を向上させるために小さく設計するのが好ましい。また、光導波路コア３４の幅及び厚さを小さくすることで、光の伝搬方向Ｉに沿った方向から見た光導波路コア３４の断面積が小さくなる。これにより、光導波路コア３４でのテラヘルツ波の損失を低減することができる。一方で、微細加工に係る製造上の困難性や、信号光及び励起光入力時における散乱抑制等の観点から、一定の大きさが必要である。このため、光導波路コア３４の幅及び厚さをそれぞれ３～１０μｍ程度の範囲内にするのが良い。ここで、光導波路コア３４の厚さは、支持基板１０の上面１０ａに直交する方向の、光導波路コア３４の大きさである。また、光導波路コア３４の幅は、光の伝搬方向及び厚さ方向に直交する方向の大きさである。

なお、例えば、支持基板１０にＬｉＮｂＯ_３などテラヘルツ波の吸収の影響を受ける材質を用いる場合、テラヘルツ波の損失を減らすためには、光導波路コア３４だけでなく、光導波路コア３４の直下の支持基板１０の断面積も小さくするのが良い。この場合、光導波路コア３４の幅を小さくするのが良い。

第１の溝４１及び第２の溝４２の幅及び深さは、伝播するテラヘルツ波が、光導波路コア３４以外のコア層３０の部分や支持基板１０に重ならないように、テラヘルツ波の波長の半分より大きくするのが良い。例えば、１ＴＨｚのテラヘルツ波の波長は３００μｍであるので、第１の溝４１及び第２の溝４２の幅及び深さを、波長の半分の１５０μｍ以上とすることができる。なお、第１の溝４１及び第２の溝４２の幅及び深さは、許容されるテラヘルツ波の波長の損失などに応じて設定するのが良い。

（製造方法）
図２を参照して、上述したテラヘルツ波発生素子の製造方法について説明する。図２（Ａ）～（Ｃ）は、テラヘルツ波発生素子の製造方法を説明する工程図であり、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の図１（Ｂ）に対応する側面図である。

先ず、支持基板１０の上面１０ａに、光学接着剤によって、周期的分極反転構造が形成されている強誘電体結晶３００を接合する（図２（Ａ））。この光学接着剤は、接着層２０となる。強誘電体結晶３００に周期的分極反転構造を形成する工程については、従来公知の方法で行えばよいので、ここでは説明を省略する。

次に、強誘電体結晶３００を研磨するなどして所望の厚さに加工することにより、コア層３０を得る（図２（Ｂ））。コア層３０の厚さは、例えば、３～１０μｍ程度である。

次に、支持基板１０、接着層２０及びコア層３０に、コア層３０の上面３０ａから、第１の溝４１及び第２の溝４２を形成する。

第１の溝４１及び第２の溝４２の形成には、例えばダイシングソーを用いることができる。ダイシングソーとして、粒径の小さいダイヤモンドブレードを用いることによって、形成される光導波路コア３４の側面を平滑化することができる。そして、コア層３０の上面３０ａ側からコア層３０に切り込みを入れることによって、互いに平行な１対の溝（第１の溝４１及び第２の溝４２）を形成する。また、第１の溝４１及び第２の溝４２は、周期的分極反転構造の配列方向に沿って形成する。これによって、コア層３０の、第１の溝４１及び第２の溝４２の間の部分として光導波路コア３４を形成することができる。従って、第１の溝４１及び第２の溝４２の間の離間距離として、光導波路コア３４の幅を設定することができる。この離間距離は、例えば、３～１０μｍ程度である。

第１の溝４１及び第２の溝４２は、支持基板１０の中途まで到達する深さで形成される。これら第１の溝４１及び第２の溝４２の深さをテラヘルツ波の波長の半分よりも大きくすることで、伝播するテラヘルツ波が支持基板１０に重なることによる損失を低減できる。同様に、第１の溝４１及び第２の溝４２の幅を、テラヘルツ波の波長の半分よりも大きくすることで、伝播するテラヘルツ波が光導波路コア３４以外のコア層３０に重なることによる損失を低減できる。

なお、第１の溝４１及び第２の溝４２の外側に残存する領域のコア層３０、接着層２０及び支持基板１０の部分は、テラヘルツ波発生素子の動作に寄与しない。そのため、この残存部分を除去することもできる。しかし、この残存部分を残すことによって、製造工程中又は個片化後において、テラヘルツ波発生素子を掴む等のハンドリングが容易となる。なお、この除去する工程は、第１の溝４１及び第２の溝４２を形成した後に別の工程として行ってもよいし、第１の溝４１及び第２の溝４２の形成と同じ工程で行ってもよい。

第１の溝４１及び第２の溝４２内や、光導波路コア３４の上側など、光導波路コア３４の周囲を、カバー層などを設けず空気として、テラヘルツ波を、空間内を伝播させる構成にしてもよい。また、製造工程中又は個片化後において、テラヘルツ波発生素子を掴む等のハンドリングを容易にするために、第１の溝４１及び第２の溝４２内を含めて、光導波路コア３４の周囲に、光導波路コア３４の表面を覆う、すなわち、光導波路コア３４を埋め込むように、カバー層を形成してもよい。カバー層の材質として、例えば、テラヘルツ波の損失の少ないＺＥＯＮＥＸ（登録商標）を用いることができる。

上述した、この発明のテラヘルツ波発生素子及びその製造方法によれば、周期的分極反転構造が形成されている光導波路コアで生成されたテラヘルツ波が、光導波路コアの周囲を伝播する。このため、光導波路コアを構成する強誘電体結晶でのテラヘルツ波の損失を抑えることができる。この結果、テラヘルツ波を高効率で発生させることが可能になる。

上述したこの発明では、接合によりコア層を形成しているが、これに限らずＴｉ拡散やプロトン交換によりコア層を形成しても問題ない。例えばプロトン交換によりコア層を形成する場合、強誘電体基板を２００℃の安息香酸中に２時間浸して、４００℃の酸素雰囲気中で１時間アニール処理することでコア層を形成できる。

１０ 支持基板
２０ 接着層
３０ コア層
３４ 光導波路コア
４１ 第１の溝
４２ 第２の溝

Claims (13)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に接合された、強誘電体結晶であるコア層と
   を備え、
   前記支持基板及び前記コア層に、前記コア層の上面から、第１の溝及び第２の溝が形成され、
   前記第１の溝及び前記第２の溝は、互いに平行に延在しており、
   前記第１の溝及び前記第２の溝に挟まれた前記コア層の領域が、光導波路コアとなり、
   前記光導波路コアに外部から入力される、励起光と信号光との差周波発生過程によりテラヘルツ波が生成され、
   前記光導波路コアに、前記励起光、前記信号光及び前記テラヘルツ波の擬似位相整合条件を満たす、周期的分極反転構造が形成され、
   前記第１の溝及び前記第２の溝の幅及び深さは、前記テラヘルツ波の波長の半分より大きい
   ことを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
2. 前記テラヘルツ波は、前記光導波路コアで生成され、前記光導波路コアの周囲を伝播する
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
3. 前記光導波路コアの厚さが３～１０μｍの範囲内の値である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生素子。
4. 前記光導波路コアの幅が３～１０μｍの範囲内の値である
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
5. 前記周期的分極反転構造の分極反転周期Λ、前記励起光の波長λ_ｐ、前記信号光の波長λ_ｓ、前記テラヘルツ波の波長λ_Ｔ、前記励起光に対する光導波路の実効屈折率Ｎ_ｐ、前記信号光に対する光導波路の実効屈折率Ｎ_ｓ、及び、前記テラヘルツ波に対する屈折率Ｎ_Ｔは、
   Λ＝１／（Ｎ_ｐ／λ_ｐ－Ｎ_ｓ／λ_ｓ－Ｎ_Ｔ／λ_Ｔ）
   を満足する
   ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
6. 前記光導波路コアの周囲に、前記光導波路コアの表面を覆うカバー層を備える
   ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
7. 前記光導波路コア以外の部分に、前記コア層が設けられていない
   ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子。
8. 支持基板上に、周期的分極反転構造が形成されている強誘電体結晶を接合する工程と、
   前記強誘電体結晶を所望の厚さにしてコア層を生成する工程と、
   前記支持基板及び前記コア層に、前記コア層の上面から、第１の溝及び第２の溝を形成する工程と
   を備え、
   前記第１の溝及び前記第２の溝は、互いに平行に延在して形成され、
   前記第１の溝及び前記第２の溝に挟まれた前記コア層の領域が、光導波路コアとなり、
   前記光導波路コアに外部から入力される、励起光と信号光との差周波発生過程によりテラヘルツ波が生成され、
   前記第１の溝及び前記第２の溝の幅及び深さは、前記テラヘルツ波の波長の半分より大きい
   ことを特徴とするテラヘルツ波発生素子の製造方法。
9. 前記テラヘルツ波は、前記光導波路コアで生成され、前記光導波路コアの周囲を伝播する
   ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波発生素子の製造方法。
10. 前記光導波路コアの厚さが３～１０μｍの範囲内の値である
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のテラヘルツ波発生素子の製造方法。
11. 前記光導波路コアの幅が３～１０μｍの範囲内の値である
    ことを特徴とする請求項８～１０のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子の製造方法。
12. さらに、
    前記第１の溝及び前記第２の溝を形成した後に行われる、前記光導波路コアの周囲に、前記光導波路コアの表面を覆うカバー層を形成する工程を備える
    ことを特徴とする請求項８～１１のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子の製造方法。
13. さらに、
    前記第１の溝及び前記第２の溝の外側に残存する領域の、前記コア層及び前記支持基板を除去する工程を備える
    ことを特徴とする請求項８～１２のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生素子の製造方法。

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