テラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波検出素子、及びテラヘルツ時間領域分光装置
【課題】光励起により効率良く比較的高強度のテラヘルツ波を発生したり、パルス幅の比較的狭いテラヘルツ波を発生したりすることができる発生素子などを提供する。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子は、電気光学結晶のコア部４を含む光導波路と、導波路を光が伝搬することで導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材７と、テラヘルツ波を反射する反射層６または反射面を有する。反射層６や反射面は、コア部４を挟んで光結合部材７の設けられた側とは反対側の位置に設けられる。反射面は、光導波路を伝搬する光の振幅が充分低下するだけの距離をコア部４から隔てた位置に設けられる。光結合部材７の出射面に対するテラヘルツ波の入射角がブリュースター条件を満たす様に設定されてもよい。同じ構成で逆過程によりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として用いられる。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子は、電気光学結晶のコア部４を含む光導波路と、導波路を光が伝搬することで導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材７と、テラヘルツ波を反射する反射層６または反射面を有する。反射層６や反射面は、コア部４を挟んで光結合部材７の設けられた側とは反対側の位置に設けられる。反射面は、光導波路を伝搬する光の振幅が充分低下するだけの距離をコア部４から隔てた位置に設けられる。光結合部材７の出射面に対するテラヘルツ波の入射角がブリュースター条件を満たす様に設定されてもよい。同じ構成で逆過程によりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０GHz〜３０THz）までの周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子、及び、それらのうち少なくとも一方を用いたテラヘルツ時間領域分光装置に関する。特には、レーザ光照射により前記周波数帯のフーリエ成分を含む電磁波の発生または検出を行う電気光学素子を含む発生または検出素子、及びそれを用いたテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）によるトモグラフィ装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。テラヘルツ波の発生方法としては、非線形光学結晶を用いる方法が広く用いられる。非線形光学結晶の代表的なものとしては、LiNbOx（以後、LNとも言う）、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどがある。テラヘルツ波の発生には２次の非線形現象を用いる。方式としては、周波数差を持つ２レーザ光の入射による差周波発生（Difference-Frequency Generation: DFG）が知られる。ここでは、周波数の異なる２レーザ光を入射した場合、その２レーザ光の差周波数に応じた周期を有する非線形分極が生じる。また、非線形光学結晶では、レーザ光の入射によりエネルギー状態が励起し、元のエネルギー状態に戻る際にエネルギー波が放射される。非線形光学結晶が非線形分極している場合、その分極の周波数に対応するエネルギー波が放射され、テラヘルツ波の周波数を有して分極しているとき、非線形光学結晶からテラヘルツ波が放射される。また、光パラメトリック過程による単色テラヘルツ波発生、フェムト秒パルスレーザ光の照射で光整流によりテラヘルツパルスを発生する方式なども知られる。
【０００３】
この様な非線形光学結晶からテラヘルツ波を発生する過程として、電気光学的チェレンコフ放射が最近注目されている。これは、図９に示す様に、励起源であるレーザ光１００の伝搬群速度が、発生するテラヘルツ波の伝播位相速度よりも速い場合に、衝撃波の様にテラヘルツ波１０１が円錐状に放出される現象である。光とテラヘルツ波の媒質（非線形光学結晶）中の屈折率の比により、テラヘルツ波の放射角θcは次式で決まる。
cosθc=vTHz/vg=ng/nTHz
ここで、vg、ngは夫々レーザ光の群速度、群屈折率、vTHz、nTHzは夫々テラヘルツ波の位相速度、屈折率を表す。これまでに、このチェレンコフ放射現象を用いて、波面を傾斜させたフェムト秒レーザ光をLNに入射させ光整流により高強度のテラヘルツパルスを発生させるという報告がある（非特許文献１参照）。また、波面傾斜の必要をなくすために、発生するテラヘルツ波の波長よりも十分小さい厚さを持つスラブ導波路を用いて、DFG方式により単色テラヘルツ波を発生させるという報告がある（特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００４】
この様な特許文献、非特許文献の例は、進行波励起によるテラヘルツ波発生であるため、異なる波源から発生したテラヘルツ波が放射方向で位相整合して強め合うことで取り出し効率を向上させるという提案に係る。この放射方式の特徴としては、非線形光学結晶を用いたものでは比較的高効率にできて高強度のテラヘルツ波を発生できる事、結晶特有のフォノン共鳴によるテラヘルツ領域の吸収を高周波側に選ぶことでテラヘルツ波の帯域を広くできる事などが挙げられる。これらの技術は、光伝導素子によるテラヘルツ発生に比べて発生帯域を広くでき、光整流を用いるテラヘルツパルス発生の場合にはパルス幅を狭くでき、例えばテラヘルツ時間領域分光装置に利用する場合に装置性能を向上できることが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2010-204488号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，ｖｏｌ．２５，ｐｐ．Ｂ６−Ｂ１９，２００８．
【非特許文献２】Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１７，ｐｐ．６６７６−６６８１，２００９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１、２に記載された方式では、結晶内に発生するテラヘルツ波のうち、一部の方向に発生するものだけを空気中に取り出している。チェレンコフ放射は、結晶を伝搬するレーザ光の周囲の全ての方向に発生している。従って、上記方式では、取り出し面から得られるテラヘルツ波は高々全体の半分程度しかなく、取り出せない成分は非線形結晶内の吸収により消失していた。そのため、テラヘルツ波の取り出し効率が制限されている。この様に、発生するテラヘルツ波の振幅増大を含む波形整形の制御について、充分と言い得る技術が得られていないのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の一側面としての電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、光を伝搬させる電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、反射層とを有する。前記反射層は、光導波路のコア部を挟んで光結合部材の設けられた側とは反対側の位置に設けられて前記発生するテラヘルツ波を反射する。また、上記課題に鑑み、本発明の電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、光を伝搬させる電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、反射面とを有する。前記反射面は、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を位相反転して反射するためのものである。そして、光導波路のコア部を挟んで光結合部材の設けられた側とは反対側において、光導波路を伝搬する光の振幅が光導波路のコア部における光の振幅の1/e2以下になるだけの距離をコア部から隔てた位置に設けられている。ここで、eは自然対数の底である。また、上記課題に鑑み、本発明の電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、光を伝搬させる電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を出射面を介して空間に取り出す光結合部材とを有する。そして、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波の電界の偏光方向が光結合部材の出射面に対してP偏光であり、前記出射面に対するテラヘルツ波の入射角がブリュースター条件を満たす様に設定されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一側面によれば、光励起により効率良く比較的高強度のテラヘルツ波を発生したり、パルス幅の比較的狭いテラヘルツ波を発生したりして、発生するテラヘルツ波の波形整形を柔軟に制御することができる発生素子を提供できる。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態１及び実施例１の構造図。
【図２】本発明のトモグラフィ装置に係る実施形態の構成図。
【図３】本発明のトモグラフィ装置によりイメージングした断層像の例などを示す図。
【図４】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施例２の構造図
【図５】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態２の構造図。
【図６】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態３の構造図。
【図７】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態４の構造図。
【図８】本発明のトモグラフィ装置に係る実施形態５の構成図。
【図９】電気光学的チェレンコフ放射の概念図。
【図１０】本発明による実施形態６となるテラヘルツ波検出素子の実施形態の構造図。
【図１１】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態の構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、上記の如き反射層または反射面を設けたり、若しくはブリュースター条件を満たす構成にしたりすることで、発生するテラヘルツ波の波形整形を制御する。この考え方に基づき、本発明のテラヘルツ波発生素子の基本的な構成は、上述した様な構成を有する。また、同じ構成で逆過程によりテラヘルツ波を検出することができる。なお、ここで用いる１次電気光学効果のための電気光学結晶は、２次の非線形性を持つものであり、一般に実用的な電気光学結晶と２次の非線形性を持つ非線形光学結晶はほぼ等価である。こうした構成の発生または検出素子を、テラヘルツ時間領域分光装置や、サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置に用いることで、内部浸透厚さの向上や奥行き分解能などを向上させることができる。
【００１２】
以下、図を用いて実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態１）
本発明による実施形態１であるLN結晶より成るテラヘルツ発生素子について、図１を用いて説明する。図１において、（a）は斜視図、（b）は導波路部におけるA-A’断面図である。LN基板１はYカットニオブ酸リチウム基板であり、レーザ光の伝搬方向をLN結晶のX軸とし、Y軸及び伝搬方向（X軸）と直交する方向をZ軸としている（図１（a）に示した座標軸参照）。この様な構成にすることによって、２次非線形現象である電気光学的チェレンコフ放射によるテラヘルツ波発生を効率良く起こすことができる。すなわち、結晶軸は、２次非線形過程により発生するテラヘルツ波と伝搬光との位相整合が取れる様に設定され、２次非線形過程に関与する光波（テラヘルツ波と伝搬光）の波数ベクトルの間に位相整合条件が成り立っている。
【００１３】
LN基板１上には、上下のクラッド部２，５とMgOドープLN結晶層から成るコア部４とによって、入射するレーザ光を全反射で伝搬させる導波路が形成されている。つまり、上下のクラッド部２，５の屈折率はコア部４の屈折率よりも低くしている。下部クラッド部２は、コア部４を張り合わせるための接着剤を兼ねていてもよい。なお、接着剤２は、張り合わせ法で作製した場合に必要であって、拡散などでドープ層を形成する場合には必ずしも必要でない。この場合でも、LN基板よりはMgOドープLN層の屈折率が高いため、基板１が下部クラッド部２となって導波路として機能する。すなわち、下記の光結合部材７のある側と反対側の基板１が下部クラッド部を兼ねる形態、言い換えれば下部クラッド部２のみを有する形態でもよい。一方、上部クラッド部５は、LNよりも屈折率が小さい樹脂や無機酸化物などが好適に用いられる。上部クラッド部５は、光結合部材７を固定するための接着剤を兼ねていてもよい。導波路の横方向の構造は、Ti拡散により高屈折率化して周囲の領域３と屈折率差を設ける方法や、エッチングによりリッジ形状に導波路コア部４を形成して樹脂等で周囲の領域３を埋め込む方法などにより形成することができる。ここでは、光の閉じ込めを強くするために導波路コア部４の横方向（Z軸方向）にも導波路構造を形成したが、コア部４が横に均一に広がり、閉じ込め領域のないスラブ導波路としてもよい。導波路の上には、発生したテラヘルツ波を外部に取り出すプリズム、回折格子、フォトニック結晶等の光結合部材７が設けられている（ここではプリズムを図示）。プリズムは、広帯域に亘るテラヘルツ波を取り出せるので、好ましい光結合部材７である。
【００１４】
更に、発生するテラヘルツ波を反射するための反射層６が導波路コア部４と下部クラッド部２との間に形成されている。この反射層６は、入射するレーザ光の光伝搬が正常に行なわれるために、光透過性導電膜が好適に用いられる。この様な膜には、ITO（InSnO）、InO、SnO、ZnOなどがある。反射層６は、MgOドープLN結晶層を張り合わせる前に表面に蒸着しておくことで容易に形成できる。或いは、金属細線によるメッシュまたはワイヤグリッド構造と樹脂により反射層６を構成してもよく、これにより、同様に、光は透過して且つテラヘルツ波を効果的に反射することができる。その他、ドーピングした半導体層、樹脂、ポーラス化した構造でもよい。更には、中空にくり抜いたエアスペーサ層をコア部４と下部クラッド部２との間に形成してコア部底部にフレネル反射による反射層を設けてもよい。要するに、一般的に反射層として使用できるものであれば、反射層６として用いることができる。キャリアドープした半導体層を用いる場合、その電子密度などで決まるプラズマ周波数をテラヘルツ波の最大周波数より高く設定するのが好ましい。反射層の厚さは、好適な反射が達成できる様に、テラヘルツ波の反射層内への侵入長を考慮して設計すればよい。
【００１５】
図１の導波路にZ軸に平行な偏波すなわち水平偏波でレーザ光を入射させてX軸に沿って伝搬させると、背景技術で示した非特許文献２に記載の原理或いは超短パルス光源を用いた光整流により、結晶表面からテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は、光結合部材７を介して空間に取り出すことができる。LNでの光/テラヘルツ波の屈折率差で決まるチェレンコフ放射角は凡そ６５度であり、プリズム７の場合、導波路でテラヘルツ波が全反射せずに空気中に取り出せるプリズム材料としては、例えばテラヘルツ波の損失が少ない高抵抗Siが好適である。この場合、テラヘルツ波が基板表面となす角θclad（図１（b）参照）は凡そ４９度である。このとき、反射層６があるために、基板１側に放射されるテラヘルツ波も図１（b）に描かれている様に反射して外部に取り出せることになり、取り出し効率を向上させられる。
【００１６】
コア部４として必要な厚さは、取り出したいテラヘルツ波の最大周波数に対する発生素子内での等価波長の半分（すなわちコア部４の厚さに相当する位相ずれが、発生したテラヘルツ波の等位相面において反転して打ち消し合いが生じない程度の厚さ）以下である。一方、上部クラッド層５の厚さは、導波層４をレーザ光が伝搬する際のクラッド層として機能するのに十分厚く、且つ光結合部材７でテラヘルツ波を外部に放射する際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。前者に関しては、導波層４をコアとし低屈折率層２，５をクラッドとした導波路において、光結合部材７との界面での光強度がコア領域の光強度の1/e2（eは自然対数の底）以下になる様な厚さ以上であることが望ましい。また後者については、外部に放射させる最大周波数におけるテラヘルツ波の低屈折率バッファ層５における等価波長λeq（THz）に対して、１/１０程度の厚さ以下に上部クラッド層５がなっていることが望ましい。波長の１/１０のサイズの構造体は、一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できると看做されるからである。ただし、前記望ましい厚さの範囲外でも、本発明のテラヘルツ波発生素子からのテラヘルツ波発生は可能である。
【００１７】
以上の様に、導波路の構成、電気光学結晶の軸方向、反射層の構成などを設定することで、光励起及びチェレンコフ放射によるテラヘルツ波を効率良く高強度で発生させることができる。
【００１８】
上記素子をテラヘルツ波発生素子として用いて構成したテラヘルツ時間領域分光システム（THz-TDS）によるトモグラフィ装置の例を図２（a）に示す。ここでは、励起光源として光ファイバを含むフェムト秒レーザ２０を用い、分岐器２１を介してファイバ２２及びファイバ２３から出力を取り出す。典型的には、中心波長１.５５μmでパルス幅２０fs、繰り返し周波数５０MHzのものを用いたが、波長は１.０６μm帯などでもよく、パルス幅、繰り返し周波数はこれらの値に限らない。また、出力段のファイバ２２、２３は、最終段の高次ソリトン圧縮のための高非線形ファイバや、テラヘルツ発生器及び検出器までに至る光学素子等による分散を補償するためのプリチャープを行う分散ファイバを含んでいてもよい。これらは偏波保持ファイバであることが望ましい。
【００１９】
テラヘルツ波発生側のファイバ２２からの出力は、前述した本発明によるチェレンコフ放射型素子２４（チェレンコフ型の位相整合方式の素子２４）の導波路に結合させる。その際、ファイバ先端にセルフォックレンズを集積化させたり、先端を加工したピッグテール型としたりして、出力が素子２４の導波路の開口数以下になる様に構成して結合効率を上げることが望ましい。レンズ（不図示）を用いて空間結合にしてもよい。これらの場合に、それぞれの端部に無反射コーティングを施せば、フレネルロスの低減、不要な干渉ノイズの低減につながる。若しくは、ファイバ２２と素子２４の導波路のNA及びモードフィールド径が近くなる様に設計すれば、突き当てによる直接結合（バットカップリング）として接着してもよい。この場合は、接着剤を適切に選ぶことで、反射による悪影響を低減することができる。なお、前段のファイバ２２やファイバレーザ２０で、偏波保持でないファイバ部分が含まれる場合、インライン型の偏波コントローラによりチェレンコフ放射型素子２４への入射光の偏波を安定化させることが望ましい。ただし、励起光源はファイバレーザに限るものではなく、ファイバレーザでない場合には偏波の安定化などのための対策は軽減される。
【００２０】
発生したテラヘルツ波は、図２（a）に示した周知のTHz-TDS法による構成によって検出される。すなわち、放物面鏡２６aによって平行ビームにしてビームスプリッタ２５で分岐し、一方は、放物面鏡２６bを介してサンプル３０に照射する。サンプル３０から反射されたテラヘルツ波は放物面鏡２６cで集光され、光伝導素子による検出器２９に到達し受信される。光伝導素子は、典型的には低温成長GaAsにダイポールアンテナを形成したものを用い、光源２０が１.５５μmであれば、不図示のSHG結晶を用いて倍波を生成して検出器２９のプローブ光とする。このとき、パルス形状を維持するために、０.１mm程度の厚さのPPLN（周期的極性反転リチウムナイオベイト）を用いることが望ましい。光源２０が１μm帯の場合には、InGaAs単層或いはMQWで構成した光伝導素子の検出器２９において、倍波を生成することなく、基本波をプローブ光に利用することが可能である。本装置では、プローブ光側には例えばオプティカルチョッパー３５を入れて変調し、チョッパーを駆動する変調部３１と検出器２９から増幅器３４を介して検出信号を取得する信号取得部３２とを用いて同期検波できる様に組まれている。そして、データ処理・出力部３３では、PCなどを用いて遅延部である光学遅延器２７を移動させながらテラヘルツ信号波形を取得する様になっている。遅延部は、発生手段（発生部）である素子２４におけるテラヘルツ波発生時と検出手段（検出部）である検出器２９におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整できれば、どの様なものでもよい。以上に述べた様に、本装置は、テラヘルツ波を発生するための本発明のテラヘルツ波発生素子を含む発生手段と、発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、遅延部を備える。そして、この装置は、検出手段が、発生手段から放射されサンプルで反射されて来たテラヘルツ波を検出し、サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されている。
【００２１】
図２（a）に図示の系では、測定対象であるサンプル３０からの反射波と照射テラヘルツ波は同軸であり、ビームスプリッタ２５の存在でテラヘルツ波のパワーは半減する。よって、図２（b）の様にミラー２６の数を増やして非同軸の構成にし、サンプル３０への入射角が９０度でなくなるものの、テラヘルツ波のパワーを増やす様にしてもよい。
【００２２】
本装置を用いて、サンプル３０の内部に材料の不連続部があれば、取得する信号において、不連続部に相当する時間位置に反射エコーパルスが現れ、サンプル３０を１次元でスキャンすれば断層像が得られ、２次元スキャンすれば３次元像を得ることができる。本実施形態の構成により強いテラヘルツ波が発生できるので、例えばトモグラフィではサンプル３０の深さ方向の浸透厚さを増大することができる。また、モノパルスで３００fs以下の比較的細いテラヘルツパルスを得ることができるので、奥行き分解能を向上させられる。更に、ファイバを用いた励起レーザを照射手段とできるので、装置の小型、低コスト化が可能となる。ここでは、材料としてLN結晶を用いたが、その他の電気光学結晶として、背景技術のところで述べたLiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどを用いることもできる。このとき、LNではテラヘルツ波と励起光に対して背景技術で説明した屈折率差がありノンコリニアで発生するテラヘルツ波が取り出せるが、他の結晶では必ずしも差が大きくないので、取り出しが難しい場合がある。しかし、導波路型にしてテラヘルツ発生部とプリズムが近接している場合、電気光学結晶よりも大きい屈折率を持つプリズム（例えばSi）を用いればチェレンコフ放射の条件（vTHz＜vg）を満たし、テラヘルツ波を外部に取り出すことができる。
【００２３】
（実施例１）
実施形態１のタイプである実施例１を説明する。本実施例では、図１に示した素子構造において、屈折率nが凡そ１.５の下部クラッド部２が厚さ２μmの光学接着剤で形成され、MgOドープのコア部４が厚さ３.８μm、幅５μmで形成されている。また、上部クラッド部５が、２μm厚の下部クラッド部２と同様の光学接着剤で形成されている。本実施例では、例えば７THzまで対応するとして、自由空間での波長は凡そ４３μmになる。ここで、コア部４で屈折率２.２（LN:MgO）、上部クラッド部５で屈折率１.５であると仮定すると、実施形態１で説明した様に、コア部４の厚さは等価波長λeq_core（凡そ４３/２.２＝１９．５）の１/２以下となる様に設計している。すなわち、ほぼ９.８μm以下に設計している。また、クラッド部の厚さはλeq_clad（凡そ４３/１.５=２８.７）の１/１０以下、すなわち２.９μm以下となる様に設計している。更に、高抵抗Siによる図１（ｂ）のθが４１度のプリズム７が接着されている。この場合、θの角度とテラヘルツ波の放射角はほぼ余角の関係となり、テラヘルツ波は、プリズム７の傾斜面（出射面）からほぼ垂直に出射し透過率が最大になる。ただし、θについては必ずしも９０−θcladと等しい必要は無く、またテラヘルツ波の出射も垂直でなくてもよい。
【００２４】
本実施例では、反射層６としてITO（厚さ１００nm）を用いる。このときITOの光に対する屈折率は２.２程度であり、伝搬する光に対して損失、屈折等の影響をあまり与えない。一方で、テラヘルツ波に対する反射率は９０％以上が可能となる。この様にコア部４に近接して反射層６を備える場合には、その光に対する屈折率がコア部或いはクラッド部の屈折率とほぼ等しい、若しくはその間の屈折率であることが望ましい。図２のシステムでサンプル３０に照射したテラヘルツパルス波形の例と取得した断層像の例を図３に示す。図３（a）より、パルス幅２７０fs程度のモノパルスが得られていることが分かる。また、図３（b）は、厚さ凡そ９０μmの紙を３枚重ねたサンプルで１方向のスキャンを行なって得た断層像である。６つの層（白線）が見えるのは、紙間には空気を挟んで隙間があり、各紙の表裏が界面として捉えられるためである。
【００２５】
（実施例２）
同じく実施形態１のタイプである実施例２を説明する。本実施例では、図４の様に反射層に金属グリッドを含む層を用いる。図４では反射層４１が分かり易くなる様にコア部４５まで描いてあり、上部クラッド層より上側は省いてある。また、本実施例では、リッジ状の導波路でなく、横方向はレーザ光照射領域４３よりも広がったスラブ導波路となっている。図４において、４０はLN基板、４２は下部クラッド層となる低屈折率の樹脂接着剤、４１はグリッド状の金属パターン４４を持つ反射層、４５は、実施形態１で述べたMgOドープLN層のコア部である。
【００２６】
ここで、金属パターン４４は、例えば厚さ１００nm、幅１０μm、間隔１０μmのAuである。この様なグリッドが樹脂層に埋め込まれて反射層４１を構成している。この場合、グリッドに平行な成分の電界を持つテラヘルツ波が反射される一方で、導波路を伝搬するレーザ光に対する相互作用は小さい。グリッドの代わりに金属メッシュを使用することもできる。一般に、金属グリッドやメッシュ構造は、ミリ波からテラヘルツ波帯においてフィルタ特性を持つ。上記の金属の幅や間隔は、ここで取り扱う１０THzの信号成分までは反射率が９０％以上である様に設計している。また、グリッドの場合は強い偏波依存性を持つ。そのため、金属パターンによる反射層４１を用いる場合には、発生するテラヘルツ波の周波数スペクトルや偏光を調整することが可能となる。
【００２７】
（実施形態２）
実施形態２を説明する。本実施形態では、図５に示す様にMgOドープLN結晶によるコア部４の結晶軸を変更している。その他の構造は実施形態１と同じであり、同じ部分には同一符号を付している。Z軸が垂直になったことで、入射レーザ光の偏波も垂直に合わせ、発生するテラヘルツ波も垂直方向の偏波となる。この場合、光結合部材７としてプリズムを用いていれば、テラヘルツ波の電界の偏光方向が光結合部材７の出射面に対してP偏光となりP偏光入射になる。よって、テラヘルツ波の放射方向に対してブリュースター角となる様な面をプリズム７の出射面が構成していれば、テラヘルツ波を外部へ取り出す際の内部反射を防ぐことができ、出射面に無反射コーティング等がなくても透過率を大きくできるという利点がある。
【００２８】
光結合部材７としてSiを用いた場合、テラヘルツ波に対する屈折率を３．４とするとブリュースター角はarctan（１/３.４）≒１６°となる。従って、この場合は、図１（b）で示したθの値としては、１８０−θclad−（９０−１６）＝５７°に調整することでブリュースター条件が満たされ、光結合部材７の出射面を介するテラヘルツ波の透過率が最大になる。
【００２９】
なお、発生するテラヘルツ波の偏波方向が本実施形態の条件を満たす場合には、上述した様なブリュースター角の設定は、反射層６がない構成の発生素子の場合にも有効であり、内部反射を防いでテラヘルツ波を外部へ取り出すことができる。
【００３０】
（実施形態３）
実施形態２を説明する。本実施形態では、図６に示した様にコア部４より離れた位置に反射層（反射面を形成する層）５０を設けたものである。この反射面は、光導波路のコア部４を挟んで光結合部材７の設けられた側とは反対側において、光導波路を伝搬する光の振幅がコア部４における光の振幅の1/e2以下になるだけの距離をコア部４から隔てた位置に設けられる。その他の構成は、反射層６が無いほかは、実施形態１と同じであり、同じ部分には同一符号を付している。
【００３１】
ここでは、クラッド層２と反射層５０の界面で位相反転して反射する成分と、反射しないで直接放射される成分との間に時間差を設けている。これにより、その合成波は、図６にイメージ的に示した様に、合成されない場合に比べてパルス幅が狭くなる部分ができる様に調整できる。そのために、反射して遅延する時間としては、例えば元のパルス幅（ここでは２５０fsとする）の凡そ半分（例えば１３０fs）に設定する。この場合、下部クラッド層２の厚さdで反射面の位置がほぼ決まるとして、次の式が成り立つ。
２×d／sinθc＝１３０×１０-１５×c／n２
ここで、n２は下部クラッド層２の屈折率、θcは屈折率差で決まるテラヘルツの取り出し角（背景技術のところで述べた）、cは光速である。θcはLNで６５°であり、n２＝１.５とすると、dは凡そ１２μmとなる。
【００３２】
反射層５０としては、ドーピングした半導体、例えば１０１７cm-３以上にドープしたn型Si層などが用いられる。なお、この層には、光導波層を伝搬する光のエネルギーは殆ど到達しないため、光損失等を考慮する必要は無い。従って、TiOなどの高屈折率層や金属層などで反射層５０を設けても良い。
【００３３】
（実施形態４）
これまでは、主に、励起光にフェムト秒レーザ光を用いて光整流によりテラヘルツパルスを発生させる例を説明してきた。これに対して、実施形態４では、２つの異なる発振周波数ν１、ν２を持つレーザ光を入射させ、差周波に相当する単色のテラヘルツ波を出射する。レーザ光源としては、Nd:YAGレーザ励起のKTP-OPO（Optical-Parametric-Oscillator）光源（これは２波長の光を出力する）や、２台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。
【００３４】
図７は本実施形態の断面図である。LN基板６０上に、接着剤層６１、反射層６５、MgOドープLN導波層６２、低屈折率バッファ層６３が積層されている。実施形態１と同様に、５μm幅の導波路が形成されている。本実施形態では、テラヘルツ波の出力を大きくするために、導波路長を４０mmとして、複数の光結合部材６４が備えられている。各光結合部材６４は例えばほぼ１cmの長さで、図７の様に４つを配することができる。複数の光結合部材６４で光結合部材を構成することでその全体の容積が小さくなり、テラヘルツ波が光結合部材を透過する距離を低減できて損失をより少なくできる。反射層６５の材料は実施形態１と同様である。
【００３５】
本実施形態において、入射する光の周波数差｜ν１−ν２｜を０.５THzから７THzとしたとき、その範囲で放射テラヘルツ波の周波数を可変にできる。本実施形態では、特定のテラヘルツ帯の周波数で検査やイメージングを行う応用、例えば、医薬品の特定物質の吸収スペクトルに周波数を合わせてその物質の含有量を調べるなどの検査が可能となる。
【００３６】
（実施形態５）
これまでの実施形態や実施例では、図８に示す様なLNによるテラヘルツ波発生素子７１の光導波路の終端部は、そこから出る光がノイズ源にならない様に、粗面にしたり、斜めカットして光を外部に取り出したり、ARコーティングしたりしている。これに対して、実施形態５では、終端部８０に斜めカットやARコーティングなどの処理を施して、終端部８０から出射される光をプローブ光として再利用する。すなわち、本実施形態では、テラヘルツ波発生素子７１の光導波路終端部８０からの光を検出手段へのプローブ光として利用し、遅延部は、テラヘルツ波発生素子７１の導波路への光の到達時間と検出手段へのプローブ光の到達時間との間の遅延時間を調整する。
【００３７】
図８は、図２と同様にTHz-TDS方式のトモグラフィ装置を示す図であって、電気システム部は省略してある。図２の実施形態と異なる点は、ファイバ分岐部を備えず、ファイバを含む励起レーザ７０の出力を全てテラヘルツ波発生素子７１に入射していることである。テラヘルツ波発生素子７１から発生したテラヘルツ波は、図２の実施形態と同様に放物面鏡、ハーフミラー７７を通してサンプル７８に照射される。サンプル７８からの反射光はテラヘルツ検出部７４に入射し、信号取得が行われる。一方、テラヘルツ波発生素子７１を伝搬したレーザ光の一部は、終端部８０から再び出射し、ミラー７２、遅延部７３、レンズ７５を通して検出部７４のプローブ光として利用される。
【００３８】
この様な形態にした場合、励起レーザ光の分岐部を必要としないので構成点数を減らすことができると共に、効率良く励起レーザ７０のパワーを利用することができる。
【００３９】
（実施形態６）
本実施形態では、同構造の素子をテラヘルツ波検出素子として機能させるものである。すなわち図１０に示すように、LN基板８１上に接着剤層８２、反射層８６、MgOドープLN結晶層から成る導波層８４、低屈折率バッファ層８５によって、入射するレーザ光を全反射で伝播させる導波路が形成される。さらに光結合部材８７を備えてテラヘルツ波が入射される構造になっている。ここでは、超短パルスレーザ光をこれまでの実施形態とは反対側の面から、偏波８９を直線偏光で結晶のZ軸から傾けて（例えば４５度）入射させる。その場合、出射されたレーザ光は、電気光学結晶の複屈折性によって電界のZ軸成分とY軸成分には位相差が生じて、出射された空間では楕円偏波となって伝播する。このような自然複屈折による位相差は結晶の種類や入射偏波方向、導波路長さによって異なり、位相差ゼロの構成にすることもできる。
【００４０】
ここに、光結合部材、例えばSiプリズム８７によって偏波の主軸がZ軸のテラヘルツパルが実施形態１などで出射していた面から入射する。すると、テラヘルツ波発生の逆過程で、導波路を伝播する超短パルスレーザ光とテラヘルツ波の相互作用を導波路全体に渡って行わせることが可能となる。相互作用としては、テラヘルツ電磁界が電気光学結晶に与える１次電気光学効果（ポッケルス効果、即ち２次非線形過程の一種の効果）により、導波路のZ軸の屈折率が変化して伝播光の偏波状態が変化することである。具体的にはレーザ光の電界のZ軸成分とY軸成分の位相差が誘導複屈折により変化し、楕円偏波の楕円率や主軸の方向が変化する。このレーザ光の伝播状態の変化を外部の偏光素子９１及び光検出器９２、９３で検出すれば、テラヘルツ波の電界振幅の大きさを検出できることになる。本実施形態では、ウォラストンプリズム９１で２つの偏光を分離して、２つの光検出器９２、９３の差動増幅によりS/N比を向上させている。差動増幅は必須のものではなく、９１を偏光板として１つの光検出器のみで強度を検出してもよい（不図示）。
【００４１】
前記自然複屈折の補償のために位相補償板（λ/4板など、不図示）を出射端と偏光素子９１との間に追加してもよい。このように検出器として本発明の素子を用いることで、伝搬するレーザ光に影響を与えないテラヘルツ波の反射層により、結合するテラヘルツ波を増大させることができ、結果として感度を向上させることができる。本素子を用いてこれまでの実施形態で説明したようなテラヘルツ時間領域分光装置、及びトモグラフィ装置を構築することができる。その際の発生素子は、本発明のようなチェレンコフ型の位相整合方式を使用した素子でもよいし、従来の光伝導素子等を用いた発生素子など、何でもよい。
【００４２】
本実施形態では、光入射を、発生とは逆側の端部より行ったが、発生と同じ側から入射してもよい。その場合は整合する長さが小さくなるため信号強度が小さくなる。光導波路の形態としては、実施例１のようなリッジ形状としたが、実施例２のようなスラブ導波路としてもよい。また、パルスレーザ光でテラヘルツパルスを検出する事例について説明したが、実施形態４のように２つの周波数のレーザ光を入射させてその差周波成分の単色のテラヘルツ波を検出することもできる。その場合は、差周波を変化させれば、所望の周波数のテラヘルツ波をフィルタのように切り出して電界振幅を検出することができる。
【００４３】
テラヘルツ波の検出の仕方としては、結合したテラヘルツ波による１次電気光学効果で光の偏波状態が変化するのを検出する方式について述べた。しかし、光の伝播状態の変化として、導波路を伝播する光の位相変化や、導波路を伝播する光の周波数と、結合したテラヘルツ波の周波数の差周波の光信号を検出する、すなわち光のビート信号を検出する方式でもよい。
【００４４】
（実施形態７）
本発明の第７の実施形態を図１１を用いて説明する。本実施形態ではレーザ光を伝搬させる導波層９６がサンドイッチ型のスラブ導波路になっているとともに、導波層を保持するLN基板がない構造になっている。導波路長は例えば５mmとなっている。なお、図１１は図１とは異なり、プリズム側が下側になるような図を示している。これは、次の様にして製造して実現可能である。図１１（ｂ）のように、プリズム９４の材料である基体の高抵抗Si基板９４’に低屈折率バッファ層となる接着剤（実施形態1と同様）９５’を用いて導波層となるMgOドープLN結晶基板９６’を接着する。そして、LN結晶側を導波層の厚さまで研磨した貼り合わせウエハ９９を準備する。研磨後には、実施形態１に示したような反射層となる光透過性導電膜９７、及び保護も兼ねたSiO2などの酸化膜や樹脂などの低屈折率層９８を表面に成膜することが望ましい。この低屈折率層９８を備えない場合でも、空気の屈折率が低いために導波層への光閉じ込めは可能である。
【００４５】
上記の第一の工程の後に、Siプリズムは研磨か化学エッチングにより傾斜部を作製すればよい。この第二の工程では、例えば表面が（１００）面の（１００）Si基板の場合に、周知のウエットエッチング（KOHなど）を行えば、５５度の傾斜をもつ（１１１）面が出現する。理想面の４１度から１４度ずれているが、表面の反射ロス（フレネルロス）の増大は軽微である。もちろん４１度の面を出すために傾斜基板を用いたりしてもよい。ここで、入射する光は、４４のように楕円状であってもよい。その場合には、レーザ光源より結合させるためのレンズに棒状のロッドレンズやシリンドリカルレンズを用いて、導波路の層構造の垂直方向を絞る形にしてもよい。テラヘルツ波の発生、検出方法は実施形態１から６と同様である。
【００４６】
本実施形態ではスラブ導波路にしたことで、プローブ光の結合が容易になったこと、テラヘルツ波の集光が十分でない場合でも相互作用領域を広く取れるなどのメリットがある。もちろん同様にSi基板に張り付けた形態から作製する場合にもリッジ導波路形状にすることができる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独で或いは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４８】
２、５‥クラッド部、４‥コア部、６‥反射層、７‥光結合部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０GHz〜３０THz）までの周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子、及び、それらのうち少なくとも一方を用いたテラヘルツ時間領域分光装置に関する。特には、レーザ光照射により前記周波数帯のフーリエ成分を含む電磁波の発生または検出を行う電気光学素子を含む発生または検出素子、及びそれを用いたテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）によるトモグラフィ装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。テラヘルツ波の発生方法としては、非線形光学結晶を用いる方法が広く用いられる。非線形光学結晶の代表的なものとしては、LiNbOx（以後、LNとも言う）、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどがある。テラヘルツ波の発生には２次の非線形現象を用いる。方式としては、周波数差を持つ２レーザ光の入射による差周波発生（Difference-Frequency Generation: DFG）が知られる。ここでは、周波数の異なる２レーザ光を入射した場合、その２レーザ光の差周波数に応じた周期を有する非線形分極が生じる。また、非線形光学結晶では、レーザ光の入射によりエネルギー状態が励起し、元のエネルギー状態に戻る際にエネルギー波が放射される。非線形光学結晶が非線形分極している場合、その分極の周波数に対応するエネルギー波が放射され、テラヘルツ波の周波数を有して分極しているとき、非線形光学結晶からテラヘルツ波が放射される。また、光パラメトリック過程による単色テラヘルツ波発生、フェムト秒パルスレーザ光の照射で光整流によりテラヘルツパルスを発生する方式なども知られる。
【０００３】
この様な非線形光学結晶からテラヘルツ波を発生する過程として、電気光学的チェレンコフ放射が最近注目されている。これは、図９に示す様に、励起源であるレーザ光１００の伝搬群速度が、発生するテラヘルツ波の伝播位相速度よりも速い場合に、衝撃波の様にテラヘルツ波１０１が円錐状に放出される現象である。光とテラヘルツ波の媒質（非線形光学結晶）中の屈折率の比により、テラヘルツ波の放射角θcは次式で決まる。
cosθc=vTHz/vg=ng/nTHz
ここで、vg、ngは夫々レーザ光の群速度、群屈折率、vTHz、nTHzは夫々テラヘルツ波の位相速度、屈折率を表す。これまでに、このチェレンコフ放射現象を用いて、波面を傾斜させたフェムト秒レーザ光をLNに入射させ光整流により高強度のテラヘルツパルスを発生させるという報告がある（非特許文献１参照）。また、波面傾斜の必要をなくすために、発生するテラヘルツ波の波長よりも十分小さい厚さを持つスラブ導波路を用いて、DFG方式により単色テラヘルツ波を発生させるという報告がある（特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００４】
この様な特許文献、非特許文献の例は、進行波励起によるテラヘルツ波発生であるため、異なる波源から発生したテラヘルツ波が放射方向で位相整合して強め合うことで取り出し効率を向上させるという提案に係る。この放射方式の特徴としては、非線形光学結晶を用いたものでは比較的高効率にできて高強度のテラヘルツ波を発生できる事、結晶特有のフォノン共鳴によるテラヘルツ領域の吸収を高周波側に選ぶことでテラヘルツ波の帯域を広くできる事などが挙げられる。これらの技術は、光伝導素子によるテラヘルツ発生に比べて発生帯域を広くでき、光整流を用いるテラヘルツパルス発生の場合にはパルス幅を狭くでき、例えばテラヘルツ時間領域分光装置に利用する場合に装置性能を向上できることが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2010-204488号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，ｖｏｌ．２５，ｐｐ．Ｂ６−Ｂ１９，２００８．
【非特許文献２】Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１７，ｐｐ．６６７６−６６８１，２００９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１、２に記載された方式では、結晶内に発生するテラヘルツ波のうち、一部の方向に発生するものだけを空気中に取り出している。チェレンコフ放射は、結晶を伝搬するレーザ光の周囲の全ての方向に発生している。従って、上記方式では、取り出し面から得られるテラヘルツ波は高々全体の半分程度しかなく、取り出せない成分は非線形結晶内の吸収により消失していた。そのため、テラヘルツ波の取り出し効率が制限されている。この様に、発生するテラヘルツ波の振幅増大を含む波形整形の制御について、充分と言い得る技術が得られていないのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の一側面としての電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、光を伝搬させる電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、反射層とを有する。前記反射層は、光導波路のコア部を挟んで光結合部材の設けられた側とは反対側の位置に設けられて前記発生するテラヘルツ波を反射する。また、上記課題に鑑み、本発明の電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、光を伝搬させる電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、反射面とを有する。前記反射面は、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を位相反転して反射するためのものである。そして、光導波路のコア部を挟んで光結合部材の設けられた側とは反対側において、光導波路を伝搬する光の振幅が光導波路のコア部における光の振幅の1/e2以下になるだけの距離をコア部から隔てた位置に設けられている。ここで、eは自然対数の底である。また、上記課題に鑑み、本発明の電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、光を伝搬させる電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波を出射面を介して空間に取り出す光結合部材とを有する。そして、光導波路を伝搬する光により光導波路から発生するテラヘルツ波の電界の偏光方向が光結合部材の出射面に対してP偏光であり、前記出射面に対するテラヘルツ波の入射角がブリュースター条件を満たす様に設定されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一側面によれば、光励起により効率良く比較的高強度のテラヘルツ波を発生したり、パルス幅の比較的狭いテラヘルツ波を発生したりして、発生するテラヘルツ波の波形整形を柔軟に制御することができる発生素子を提供できる。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態１及び実施例１の構造図。
【図２】本発明のトモグラフィ装置に係る実施形態の構成図。
【図３】本発明のトモグラフィ装置によりイメージングした断層像の例などを示す図。
【図４】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施例２の構造図
【図５】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態２の構造図。
【図６】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態３の構造図。
【図７】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態４の構造図。
【図８】本発明のトモグラフィ装置に係る実施形態５の構成図。
【図９】電気光学的チェレンコフ放射の概念図。
【図１０】本発明による実施形態６となるテラヘルツ波検出素子の実施形態の構造図。
【図１１】本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態の構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の電気光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子は、上記の如き反射層または反射面を設けたり、若しくはブリュースター条件を満たす構成にしたりすることで、発生するテラヘルツ波の波形整形を制御する。この考え方に基づき、本発明のテラヘルツ波発生素子の基本的な構成は、上述した様な構成を有する。また、同じ構成で逆過程によりテラヘルツ波を検出することができる。なお、ここで用いる１次電気光学効果のための電気光学結晶は、２次の非線形性を持つものであり、一般に実用的な電気光学結晶と２次の非線形性を持つ非線形光学結晶はほぼ等価である。こうした構成の発生または検出素子を、テラヘルツ時間領域分光装置や、サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置に用いることで、内部浸透厚さの向上や奥行き分解能などを向上させることができる。
【００１２】
以下、図を用いて実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態１）
本発明による実施形態１であるLN結晶より成るテラヘルツ発生素子について、図１を用いて説明する。図１において、（a）は斜視図、（b）は導波路部におけるA-A’断面図である。LN基板１はYカットニオブ酸リチウム基板であり、レーザ光の伝搬方向をLN結晶のX軸とし、Y軸及び伝搬方向（X軸）と直交する方向をZ軸としている（図１（a）に示した座標軸参照）。この様な構成にすることによって、２次非線形現象である電気光学的チェレンコフ放射によるテラヘルツ波発生を効率良く起こすことができる。すなわち、結晶軸は、２次非線形過程により発生するテラヘルツ波と伝搬光との位相整合が取れる様に設定され、２次非線形過程に関与する光波（テラヘルツ波と伝搬光）の波数ベクトルの間に位相整合条件が成り立っている。
【００１３】
LN基板１上には、上下のクラッド部２，５とMgOドープLN結晶層から成るコア部４とによって、入射するレーザ光を全反射で伝搬させる導波路が形成されている。つまり、上下のクラッド部２，５の屈折率はコア部４の屈折率よりも低くしている。下部クラッド部２は、コア部４を張り合わせるための接着剤を兼ねていてもよい。なお、接着剤２は、張り合わせ法で作製した場合に必要であって、拡散などでドープ層を形成する場合には必ずしも必要でない。この場合でも、LN基板よりはMgOドープLN層の屈折率が高いため、基板１が下部クラッド部２となって導波路として機能する。すなわち、下記の光結合部材７のある側と反対側の基板１が下部クラッド部を兼ねる形態、言い換えれば下部クラッド部２のみを有する形態でもよい。一方、上部クラッド部５は、LNよりも屈折率が小さい樹脂や無機酸化物などが好適に用いられる。上部クラッド部５は、光結合部材７を固定するための接着剤を兼ねていてもよい。導波路の横方向の構造は、Ti拡散により高屈折率化して周囲の領域３と屈折率差を設ける方法や、エッチングによりリッジ形状に導波路コア部４を形成して樹脂等で周囲の領域３を埋め込む方法などにより形成することができる。ここでは、光の閉じ込めを強くするために導波路コア部４の横方向（Z軸方向）にも導波路構造を形成したが、コア部４が横に均一に広がり、閉じ込め領域のないスラブ導波路としてもよい。導波路の上には、発生したテラヘルツ波を外部に取り出すプリズム、回折格子、フォトニック結晶等の光結合部材７が設けられている（ここではプリズムを図示）。プリズムは、広帯域に亘るテラヘルツ波を取り出せるので、好ましい光結合部材７である。
【００１４】
更に、発生するテラヘルツ波を反射するための反射層６が導波路コア部４と下部クラッド部２との間に形成されている。この反射層６は、入射するレーザ光の光伝搬が正常に行なわれるために、光透過性導電膜が好適に用いられる。この様な膜には、ITO（InSnO）、InO、SnO、ZnOなどがある。反射層６は、MgOドープLN結晶層を張り合わせる前に表面に蒸着しておくことで容易に形成できる。或いは、金属細線によるメッシュまたはワイヤグリッド構造と樹脂により反射層６を構成してもよく、これにより、同様に、光は透過して且つテラヘルツ波を効果的に反射することができる。その他、ドーピングした半導体層、樹脂、ポーラス化した構造でもよい。更には、中空にくり抜いたエアスペーサ層をコア部４と下部クラッド部２との間に形成してコア部底部にフレネル反射による反射層を設けてもよい。要するに、一般的に反射層として使用できるものであれば、反射層６として用いることができる。キャリアドープした半導体層を用いる場合、その電子密度などで決まるプラズマ周波数をテラヘルツ波の最大周波数より高く設定するのが好ましい。反射層の厚さは、好適な反射が達成できる様に、テラヘルツ波の反射層内への侵入長を考慮して設計すればよい。
【００１５】
図１の導波路にZ軸に平行な偏波すなわち水平偏波でレーザ光を入射させてX軸に沿って伝搬させると、背景技術で示した非特許文献２に記載の原理或いは超短パルス光源を用いた光整流により、結晶表面からテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は、光結合部材７を介して空間に取り出すことができる。LNでの光/テラヘルツ波の屈折率差で決まるチェレンコフ放射角は凡そ６５度であり、プリズム７の場合、導波路でテラヘルツ波が全反射せずに空気中に取り出せるプリズム材料としては、例えばテラヘルツ波の損失が少ない高抵抗Siが好適である。この場合、テラヘルツ波が基板表面となす角θclad（図１（b）参照）は凡そ４９度である。このとき、反射層６があるために、基板１側に放射されるテラヘルツ波も図１（b）に描かれている様に反射して外部に取り出せることになり、取り出し効率を向上させられる。
【００１６】
コア部４として必要な厚さは、取り出したいテラヘルツ波の最大周波数に対する発生素子内での等価波長の半分（すなわちコア部４の厚さに相当する位相ずれが、発生したテラヘルツ波の等位相面において反転して打ち消し合いが生じない程度の厚さ）以下である。一方、上部クラッド層５の厚さは、導波層４をレーザ光が伝搬する際のクラッド層として機能するのに十分厚く、且つ光結合部材７でテラヘルツ波を外部に放射する際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。前者に関しては、導波層４をコアとし低屈折率層２，５をクラッドとした導波路において、光結合部材７との界面での光強度がコア領域の光強度の1/e2（eは自然対数の底）以下になる様な厚さ以上であることが望ましい。また後者については、外部に放射させる最大周波数におけるテラヘルツ波の低屈折率バッファ層５における等価波長λeq（THz）に対して、１/１０程度の厚さ以下に上部クラッド層５がなっていることが望ましい。波長の１/１０のサイズの構造体は、一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できると看做されるからである。ただし、前記望ましい厚さの範囲外でも、本発明のテラヘルツ波発生素子からのテラヘルツ波発生は可能である。
【００１７】
以上の様に、導波路の構成、電気光学結晶の軸方向、反射層の構成などを設定することで、光励起及びチェレンコフ放射によるテラヘルツ波を効率良く高強度で発生させることができる。
【００１８】
上記素子をテラヘルツ波発生素子として用いて構成したテラヘルツ時間領域分光システム（THz-TDS）によるトモグラフィ装置の例を図２（a）に示す。ここでは、励起光源として光ファイバを含むフェムト秒レーザ２０を用い、分岐器２１を介してファイバ２２及びファイバ２３から出力を取り出す。典型的には、中心波長１.５５μmでパルス幅２０fs、繰り返し周波数５０MHzのものを用いたが、波長は１.０６μm帯などでもよく、パルス幅、繰り返し周波数はこれらの値に限らない。また、出力段のファイバ２２、２３は、最終段の高次ソリトン圧縮のための高非線形ファイバや、テラヘルツ発生器及び検出器までに至る光学素子等による分散を補償するためのプリチャープを行う分散ファイバを含んでいてもよい。これらは偏波保持ファイバであることが望ましい。
【００１９】
テラヘルツ波発生側のファイバ２２からの出力は、前述した本発明によるチェレンコフ放射型素子２４（チェレンコフ型の位相整合方式の素子２４）の導波路に結合させる。その際、ファイバ先端にセルフォックレンズを集積化させたり、先端を加工したピッグテール型としたりして、出力が素子２４の導波路の開口数以下になる様に構成して結合効率を上げることが望ましい。レンズ（不図示）を用いて空間結合にしてもよい。これらの場合に、それぞれの端部に無反射コーティングを施せば、フレネルロスの低減、不要な干渉ノイズの低減につながる。若しくは、ファイバ２２と素子２４の導波路のNA及びモードフィールド径が近くなる様に設計すれば、突き当てによる直接結合（バットカップリング）として接着してもよい。この場合は、接着剤を適切に選ぶことで、反射による悪影響を低減することができる。なお、前段のファイバ２２やファイバレーザ２０で、偏波保持でないファイバ部分が含まれる場合、インライン型の偏波コントローラによりチェレンコフ放射型素子２４への入射光の偏波を安定化させることが望ましい。ただし、励起光源はファイバレーザに限るものではなく、ファイバレーザでない場合には偏波の安定化などのための対策は軽減される。
【００２０】
発生したテラヘルツ波は、図２（a）に示した周知のTHz-TDS法による構成によって検出される。すなわち、放物面鏡２６aによって平行ビームにしてビームスプリッタ２５で分岐し、一方は、放物面鏡２６bを介してサンプル３０に照射する。サンプル３０から反射されたテラヘルツ波は放物面鏡２６cで集光され、光伝導素子による検出器２９に到達し受信される。光伝導素子は、典型的には低温成長GaAsにダイポールアンテナを形成したものを用い、光源２０が１.５５μmであれば、不図示のSHG結晶を用いて倍波を生成して検出器２９のプローブ光とする。このとき、パルス形状を維持するために、０.１mm程度の厚さのPPLN（周期的極性反転リチウムナイオベイト）を用いることが望ましい。光源２０が１μm帯の場合には、InGaAs単層或いはMQWで構成した光伝導素子の検出器２９において、倍波を生成することなく、基本波をプローブ光に利用することが可能である。本装置では、プローブ光側には例えばオプティカルチョッパー３５を入れて変調し、チョッパーを駆動する変調部３１と検出器２９から増幅器３４を介して検出信号を取得する信号取得部３２とを用いて同期検波できる様に組まれている。そして、データ処理・出力部３３では、PCなどを用いて遅延部である光学遅延器２７を移動させながらテラヘルツ信号波形を取得する様になっている。遅延部は、発生手段（発生部）である素子２４におけるテラヘルツ波発生時と検出手段（検出部）である検出器２９におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整できれば、どの様なものでもよい。以上に述べた様に、本装置は、テラヘルツ波を発生するための本発明のテラヘルツ波発生素子を含む発生手段と、発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、遅延部を備える。そして、この装置は、検出手段が、発生手段から放射されサンプルで反射されて来たテラヘルツ波を検出し、サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されている。
【００２１】
図２（a）に図示の系では、測定対象であるサンプル３０からの反射波と照射テラヘルツ波は同軸であり、ビームスプリッタ２５の存在でテラヘルツ波のパワーは半減する。よって、図２（b）の様にミラー２６の数を増やして非同軸の構成にし、サンプル３０への入射角が９０度でなくなるものの、テラヘルツ波のパワーを増やす様にしてもよい。
【００２２】
本装置を用いて、サンプル３０の内部に材料の不連続部があれば、取得する信号において、不連続部に相当する時間位置に反射エコーパルスが現れ、サンプル３０を１次元でスキャンすれば断層像が得られ、２次元スキャンすれば３次元像を得ることができる。本実施形態の構成により強いテラヘルツ波が発生できるので、例えばトモグラフィではサンプル３０の深さ方向の浸透厚さを増大することができる。また、モノパルスで３００fs以下の比較的細いテラヘルツパルスを得ることができるので、奥行き分解能を向上させられる。更に、ファイバを用いた励起レーザを照射手段とできるので、装置の小型、低コスト化が可能となる。ここでは、材料としてLN結晶を用いたが、その他の電気光学結晶として、背景技術のところで述べたLiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどを用いることもできる。このとき、LNではテラヘルツ波と励起光に対して背景技術で説明した屈折率差がありノンコリニアで発生するテラヘルツ波が取り出せるが、他の結晶では必ずしも差が大きくないので、取り出しが難しい場合がある。しかし、導波路型にしてテラヘルツ発生部とプリズムが近接している場合、電気光学結晶よりも大きい屈折率を持つプリズム（例えばSi）を用いればチェレンコフ放射の条件（vTHz＜vg）を満たし、テラヘルツ波を外部に取り出すことができる。
【００２３】
（実施例１）
実施形態１のタイプである実施例１を説明する。本実施例では、図１に示した素子構造において、屈折率nが凡そ１.５の下部クラッド部２が厚さ２μmの光学接着剤で形成され、MgOドープのコア部４が厚さ３.８μm、幅５μmで形成されている。また、上部クラッド部５が、２μm厚の下部クラッド部２と同様の光学接着剤で形成されている。本実施例では、例えば７THzまで対応するとして、自由空間での波長は凡そ４３μmになる。ここで、コア部４で屈折率２.２（LN:MgO）、上部クラッド部５で屈折率１.５であると仮定すると、実施形態１で説明した様に、コア部４の厚さは等価波長λeq_core（凡そ４３/２.２＝１９．５）の１/２以下となる様に設計している。すなわち、ほぼ９.８μm以下に設計している。また、クラッド部の厚さはλeq_clad（凡そ４３/１.５=２８.７）の１/１０以下、すなわち２.９μm以下となる様に設計している。更に、高抵抗Siによる図１（ｂ）のθが４１度のプリズム７が接着されている。この場合、θの角度とテラヘルツ波の放射角はほぼ余角の関係となり、テラヘルツ波は、プリズム７の傾斜面（出射面）からほぼ垂直に出射し透過率が最大になる。ただし、θについては必ずしも９０−θcladと等しい必要は無く、またテラヘルツ波の出射も垂直でなくてもよい。
【００２４】
本実施例では、反射層６としてITO（厚さ１００nm）を用いる。このときITOの光に対する屈折率は２.２程度であり、伝搬する光に対して損失、屈折等の影響をあまり与えない。一方で、テラヘルツ波に対する反射率は９０％以上が可能となる。この様にコア部４に近接して反射層６を備える場合には、その光に対する屈折率がコア部或いはクラッド部の屈折率とほぼ等しい、若しくはその間の屈折率であることが望ましい。図２のシステムでサンプル３０に照射したテラヘルツパルス波形の例と取得した断層像の例を図３に示す。図３（a）より、パルス幅２７０fs程度のモノパルスが得られていることが分かる。また、図３（b）は、厚さ凡そ９０μmの紙を３枚重ねたサンプルで１方向のスキャンを行なって得た断層像である。６つの層（白線）が見えるのは、紙間には空気を挟んで隙間があり、各紙の表裏が界面として捉えられるためである。
【００２５】
（実施例２）
同じく実施形態１のタイプである実施例２を説明する。本実施例では、図４の様に反射層に金属グリッドを含む層を用いる。図４では反射層４１が分かり易くなる様にコア部４５まで描いてあり、上部クラッド層より上側は省いてある。また、本実施例では、リッジ状の導波路でなく、横方向はレーザ光照射領域４３よりも広がったスラブ導波路となっている。図４において、４０はLN基板、４２は下部クラッド層となる低屈折率の樹脂接着剤、４１はグリッド状の金属パターン４４を持つ反射層、４５は、実施形態１で述べたMgOドープLN層のコア部である。
【００２６】
ここで、金属パターン４４は、例えば厚さ１００nm、幅１０μm、間隔１０μmのAuである。この様なグリッドが樹脂層に埋め込まれて反射層４１を構成している。この場合、グリッドに平行な成分の電界を持つテラヘルツ波が反射される一方で、導波路を伝搬するレーザ光に対する相互作用は小さい。グリッドの代わりに金属メッシュを使用することもできる。一般に、金属グリッドやメッシュ構造は、ミリ波からテラヘルツ波帯においてフィルタ特性を持つ。上記の金属の幅や間隔は、ここで取り扱う１０THzの信号成分までは反射率が９０％以上である様に設計している。また、グリッドの場合は強い偏波依存性を持つ。そのため、金属パターンによる反射層４１を用いる場合には、発生するテラヘルツ波の周波数スペクトルや偏光を調整することが可能となる。
【００２７】
（実施形態２）
実施形態２を説明する。本実施形態では、図５に示す様にMgOドープLN結晶によるコア部４の結晶軸を変更している。その他の構造は実施形態１と同じであり、同じ部分には同一符号を付している。Z軸が垂直になったことで、入射レーザ光の偏波も垂直に合わせ、発生するテラヘルツ波も垂直方向の偏波となる。この場合、光結合部材７としてプリズムを用いていれば、テラヘルツ波の電界の偏光方向が光結合部材７の出射面に対してP偏光となりP偏光入射になる。よって、テラヘルツ波の放射方向に対してブリュースター角となる様な面をプリズム７の出射面が構成していれば、テラヘルツ波を外部へ取り出す際の内部反射を防ぐことができ、出射面に無反射コーティング等がなくても透過率を大きくできるという利点がある。
【００２８】
光結合部材７としてSiを用いた場合、テラヘルツ波に対する屈折率を３．４とするとブリュースター角はarctan（１/３.４）≒１６°となる。従って、この場合は、図１（b）で示したθの値としては、１８０−θclad−（９０−１６）＝５７°に調整することでブリュースター条件が満たされ、光結合部材７の出射面を介するテラヘルツ波の透過率が最大になる。
【００２９】
なお、発生するテラヘルツ波の偏波方向が本実施形態の条件を満たす場合には、上述した様なブリュースター角の設定は、反射層６がない構成の発生素子の場合にも有効であり、内部反射を防いでテラヘルツ波を外部へ取り出すことができる。
【００３０】
（実施形態３）
実施形態２を説明する。本実施形態では、図６に示した様にコア部４より離れた位置に反射層（反射面を形成する層）５０を設けたものである。この反射面は、光導波路のコア部４を挟んで光結合部材７の設けられた側とは反対側において、光導波路を伝搬する光の振幅がコア部４における光の振幅の1/e2以下になるだけの距離をコア部４から隔てた位置に設けられる。その他の構成は、反射層６が無いほかは、実施形態１と同じであり、同じ部分には同一符号を付している。
【００３１】
ここでは、クラッド層２と反射層５０の界面で位相反転して反射する成分と、反射しないで直接放射される成分との間に時間差を設けている。これにより、その合成波は、図６にイメージ的に示した様に、合成されない場合に比べてパルス幅が狭くなる部分ができる様に調整できる。そのために、反射して遅延する時間としては、例えば元のパルス幅（ここでは２５０fsとする）の凡そ半分（例えば１３０fs）に設定する。この場合、下部クラッド層２の厚さdで反射面の位置がほぼ決まるとして、次の式が成り立つ。
２×d／sinθc＝１３０×１０-１５×c／n２
ここで、n２は下部クラッド層２の屈折率、θcは屈折率差で決まるテラヘルツの取り出し角（背景技術のところで述べた）、cは光速である。θcはLNで６５°であり、n２＝１.５とすると、dは凡そ１２μmとなる。
【００３２】
反射層５０としては、ドーピングした半導体、例えば１０１７cm-３以上にドープしたn型Si層などが用いられる。なお、この層には、光導波層を伝搬する光のエネルギーは殆ど到達しないため、光損失等を考慮する必要は無い。従って、TiOなどの高屈折率層や金属層などで反射層５０を設けても良い。
【００３３】
（実施形態４）
これまでは、主に、励起光にフェムト秒レーザ光を用いて光整流によりテラヘルツパルスを発生させる例を説明してきた。これに対して、実施形態４では、２つの異なる発振周波数ν１、ν２を持つレーザ光を入射させ、差周波に相当する単色のテラヘルツ波を出射する。レーザ光源としては、Nd:YAGレーザ励起のKTP-OPO（Optical-Parametric-Oscillator）光源（これは２波長の光を出力する）や、２台の波長可変レーザダイオードを用いることができる。
【００３４】
図７は本実施形態の断面図である。LN基板６０上に、接着剤層６１、反射層６５、MgOドープLN導波層６２、低屈折率バッファ層６３が積層されている。実施形態１と同様に、５μm幅の導波路が形成されている。本実施形態では、テラヘルツ波の出力を大きくするために、導波路長を４０mmとして、複数の光結合部材６４が備えられている。各光結合部材６４は例えばほぼ１cmの長さで、図７の様に４つを配することができる。複数の光結合部材６４で光結合部材を構成することでその全体の容積が小さくなり、テラヘルツ波が光結合部材を透過する距離を低減できて損失をより少なくできる。反射層６５の材料は実施形態１と同様である。
【００３５】
本実施形態において、入射する光の周波数差｜ν１−ν２｜を０.５THzから７THzとしたとき、その範囲で放射テラヘルツ波の周波数を可変にできる。本実施形態では、特定のテラヘルツ帯の周波数で検査やイメージングを行う応用、例えば、医薬品の特定物質の吸収スペクトルに周波数を合わせてその物質の含有量を調べるなどの検査が可能となる。
【００３６】
（実施形態５）
これまでの実施形態や実施例では、図８に示す様なLNによるテラヘルツ波発生素子７１の光導波路の終端部は、そこから出る光がノイズ源にならない様に、粗面にしたり、斜めカットして光を外部に取り出したり、ARコーティングしたりしている。これに対して、実施形態５では、終端部８０に斜めカットやARコーティングなどの処理を施して、終端部８０から出射される光をプローブ光として再利用する。すなわち、本実施形態では、テラヘルツ波発生素子７１の光導波路終端部８０からの光を検出手段へのプローブ光として利用し、遅延部は、テラヘルツ波発生素子７１の導波路への光の到達時間と検出手段へのプローブ光の到達時間との間の遅延時間を調整する。
【００３７】
図８は、図２と同様にTHz-TDS方式のトモグラフィ装置を示す図であって、電気システム部は省略してある。図２の実施形態と異なる点は、ファイバ分岐部を備えず、ファイバを含む励起レーザ７０の出力を全てテラヘルツ波発生素子７１に入射していることである。テラヘルツ波発生素子７１から発生したテラヘルツ波は、図２の実施形態と同様に放物面鏡、ハーフミラー７７を通してサンプル７８に照射される。サンプル７８からの反射光はテラヘルツ検出部７４に入射し、信号取得が行われる。一方、テラヘルツ波発生素子７１を伝搬したレーザ光の一部は、終端部８０から再び出射し、ミラー７２、遅延部７３、レンズ７５を通して検出部７４のプローブ光として利用される。
【００３８】
この様な形態にした場合、励起レーザ光の分岐部を必要としないので構成点数を減らすことができると共に、効率良く励起レーザ７０のパワーを利用することができる。
【００３９】
（実施形態６）
本実施形態では、同構造の素子をテラヘルツ波検出素子として機能させるものである。すなわち図１０に示すように、LN基板８１上に接着剤層８２、反射層８６、MgOドープLN結晶層から成る導波層８４、低屈折率バッファ層８５によって、入射するレーザ光を全反射で伝播させる導波路が形成される。さらに光結合部材８７を備えてテラヘルツ波が入射される構造になっている。ここでは、超短パルスレーザ光をこれまでの実施形態とは反対側の面から、偏波８９を直線偏光で結晶のZ軸から傾けて（例えば４５度）入射させる。その場合、出射されたレーザ光は、電気光学結晶の複屈折性によって電界のZ軸成分とY軸成分には位相差が生じて、出射された空間では楕円偏波となって伝播する。このような自然複屈折による位相差は結晶の種類や入射偏波方向、導波路長さによって異なり、位相差ゼロの構成にすることもできる。
【００４０】
ここに、光結合部材、例えばSiプリズム８７によって偏波の主軸がZ軸のテラヘルツパルが実施形態１などで出射していた面から入射する。すると、テラヘルツ波発生の逆過程で、導波路を伝播する超短パルスレーザ光とテラヘルツ波の相互作用を導波路全体に渡って行わせることが可能となる。相互作用としては、テラヘルツ電磁界が電気光学結晶に与える１次電気光学効果（ポッケルス効果、即ち２次非線形過程の一種の効果）により、導波路のZ軸の屈折率が変化して伝播光の偏波状態が変化することである。具体的にはレーザ光の電界のZ軸成分とY軸成分の位相差が誘導複屈折により変化し、楕円偏波の楕円率や主軸の方向が変化する。このレーザ光の伝播状態の変化を外部の偏光素子９１及び光検出器９２、９３で検出すれば、テラヘルツ波の電界振幅の大きさを検出できることになる。本実施形態では、ウォラストンプリズム９１で２つの偏光を分離して、２つの光検出器９２、９３の差動増幅によりS/N比を向上させている。差動増幅は必須のものではなく、９１を偏光板として１つの光検出器のみで強度を検出してもよい（不図示）。
【００４１】
前記自然複屈折の補償のために位相補償板（λ/4板など、不図示）を出射端と偏光素子９１との間に追加してもよい。このように検出器として本発明の素子を用いることで、伝搬するレーザ光に影響を与えないテラヘルツ波の反射層により、結合するテラヘルツ波を増大させることができ、結果として感度を向上させることができる。本素子を用いてこれまでの実施形態で説明したようなテラヘルツ時間領域分光装置、及びトモグラフィ装置を構築することができる。その際の発生素子は、本発明のようなチェレンコフ型の位相整合方式を使用した素子でもよいし、従来の光伝導素子等を用いた発生素子など、何でもよい。
【００４２】
本実施形態では、光入射を、発生とは逆側の端部より行ったが、発生と同じ側から入射してもよい。その場合は整合する長さが小さくなるため信号強度が小さくなる。光導波路の形態としては、実施例１のようなリッジ形状としたが、実施例２のようなスラブ導波路としてもよい。また、パルスレーザ光でテラヘルツパルスを検出する事例について説明したが、実施形態４のように２つの周波数のレーザ光を入射させてその差周波成分の単色のテラヘルツ波を検出することもできる。その場合は、差周波を変化させれば、所望の周波数のテラヘルツ波をフィルタのように切り出して電界振幅を検出することができる。
【００４３】
テラヘルツ波の検出の仕方としては、結合したテラヘルツ波による１次電気光学効果で光の偏波状態が変化するのを検出する方式について述べた。しかし、光の伝播状態の変化として、導波路を伝播する光の位相変化や、導波路を伝播する光の周波数と、結合したテラヘルツ波の周波数の差周波の光信号を検出する、すなわち光のビート信号を検出する方式でもよい。
【００４４】
（実施形態７）
本発明の第７の実施形態を図１１を用いて説明する。本実施形態ではレーザ光を伝搬させる導波層９６がサンドイッチ型のスラブ導波路になっているとともに、導波層を保持するLN基板がない構造になっている。導波路長は例えば５mmとなっている。なお、図１１は図１とは異なり、プリズム側が下側になるような図を示している。これは、次の様にして製造して実現可能である。図１１（ｂ）のように、プリズム９４の材料である基体の高抵抗Si基板９４’に低屈折率バッファ層となる接着剤（実施形態1と同様）９５’を用いて導波層となるMgOドープLN結晶基板９６’を接着する。そして、LN結晶側を導波層の厚さまで研磨した貼り合わせウエハ９９を準備する。研磨後には、実施形態１に示したような反射層となる光透過性導電膜９７、及び保護も兼ねたSiO2などの酸化膜や樹脂などの低屈折率層９８を表面に成膜することが望ましい。この低屈折率層９８を備えない場合でも、空気の屈折率が低いために導波層への光閉じ込めは可能である。
【００４５】
上記の第一の工程の後に、Siプリズムは研磨か化学エッチングにより傾斜部を作製すればよい。この第二の工程では、例えば表面が（１００）面の（１００）Si基板の場合に、周知のウエットエッチング（KOHなど）を行えば、５５度の傾斜をもつ（１１１）面が出現する。理想面の４１度から１４度ずれているが、表面の反射ロス（フレネルロス）の増大は軽微である。もちろん４１度の面を出すために傾斜基板を用いたりしてもよい。ここで、入射する光は、４４のように楕円状であってもよい。その場合には、レーザ光源より結合させるためのレンズに棒状のロッドレンズやシリンドリカルレンズを用いて、導波路の層構造の垂直方向を絞る形にしてもよい。テラヘルツ波の発生、検出方法は実施形態１から６と同様である。
【００４６】
本実施形態ではスラブ導波路にしたことで、プローブ光の結合が容易になったこと、テラヘルツ波の集光が十分でない場合でも相互作用領域を広く取れるなどのメリットがある。もちろん同様にSi基板に張り付けた形態から作製する場合にもリッジ導波路形状にすることができる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独で或いは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４８】
２、５‥クラッド部、４‥コア部、６‥反射層、７‥光結合部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、
前記導波路のコア部を挟んで前記光結合部材の設けられた側とは反対側の位置に設けられて前記発生するテラヘルツ波を反射する反射層と、
を備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
【請求項２】
前記反射層は、前記導波路のコア部に接してい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。
【請求項３】
前記反射層は、前記光に対して透過性を有する光透過性導電膜であることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項４】
前記反射層の前記光に対する屈折率は、前記導波路を構成するコア部またはクラッド部の屈折率と等しいか、コア部とクラッド部の屈折率の間の屈折率であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項５】
前記反射層は、ITO（InSnO）、InO、SnO、ZnOのうちのいずれか１つを少なくとも含むことを特徴とする請求項３または４に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項６】
前記反射層は、金属メッシュまたはワイヤグリッドを含む層、若しくはキャリアドープした半導体を含む層であることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項７】
電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を位相反転して反射するための反射面と、
を備え、
前記反射面は、前記導波路のコア部を挟んで前記光結合部材の設けられた側とは反対側において、前記導波路を伝搬する光の振幅が前記導波路のコア部における光の振幅の1/e2（eは自然対数の底）以下になるだけの距離を前記コア部から隔てた位置に設けられていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
【請求項８】
電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を出射面を介して空間に取り出す光結合部材と、
を備え、
前記導波路を伝搬する光により前記導波路から発生するテラヘルツ波の電界の偏光方向が前記光結合部材の出射面に対してP偏光であり、前記出射面に対するテラヘルツ波の入射角がブリュースター条件を満たす様に設定されていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
【請求項９】
前記導波路は、前記光に対してコア部となる高屈折率層とクラッド部となる低屈折率層とを含み、
前記低屈折率層の少なくとも１つの層は、前記高屈折率層及び前記光結合部材にそれぞれ接して挟まれており、
該少なくとも１つの層の厚さdは、前記光の前記コア部における光強度の1/e2（eは自然対数の底）になる厚みをa、空間に取り出すテラヘルツ波の最大周波数における前記低屈折率層での等価波長をλeqとしたとき、
a＜d＜λeq/１０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項１０】
電気光学結晶を含む導波路と、
前記導波路に空間からテラヘルツ波を入射させる光結合部材と、
前記導波路のコア部を挟んで前記光結合部材の設けられた側とは反対側の位置に設けられて前記入射するテラヘルツ波を反射する反射層と、を備え、
前記導波路の前記電気光学結晶の結晶軸は、該導波路に前記テラヘルツ波が入射することで、前記導波路を伝播する光の伝播状態が変化する様に設定されていることを特徴とするテラヘルツ波検出素子
。
【請求項１１】
テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記発生手段が、請求項１乃至９の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子を含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】
テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記検出手段が、請求項１０に記載のテラヘルツ波検出素子を含むことを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記検出手段は、前記発生手段から放射されサンプルで反射されて来たテラヘルツ波を検出し、
前記サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記テラヘルツ波発生素子の光導波路終端部からの光を前記検出手段へのプローブ光として利用し、
前記遅延部は、前記テラヘルツ波発生素子の光導波路への前記光の到達時間と前記検出手段への前記プローブ光の到達時間との間の遅延時間を調整することを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の素子の製造方法であって、
低屈折率層となる接着剤を介して前記光結合部材となる基体と前記コア部となる電気光学結晶を張り合わせる第一の工程と、
前記光結合部材となる基体を、前記導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す構造、もしくは前記導波路に空間からテラヘルツ波を入射させる構造に加工する第二の工程と、
を少なくとも含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１】
電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、
前記導波路のコア部を挟んで前記光結合部材の設けられた側とは反対側の位置に設けられて前記発生するテラヘルツ波を反射する反射層と、
を備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
【請求項２】
前記反射層は、前記導波路のコア部に接してい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。
【請求項３】
前記反射層は、前記光に対して透過性を有する光透過性導電膜であることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項４】
前記反射層の前記光に対する屈折率は、前記導波路を構成するコア部またはクラッド部の屈折率と等しいか、コア部とクラッド部の屈折率の間の屈折率であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項５】
前記反射層は、ITO（InSnO）、InO、SnO、ZnOのうちのいずれか１つを少なくとも含むことを特徴とする請求項３または４に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項６】
前記反射層は、金属メッシュまたはワイヤグリッドを含む層、若しくはキャリアドープした半導体を含む層であることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項７】
電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す光結合部材と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を位相反転して反射するための反射面と、
を備え、
前記反射面は、前記導波路のコア部を挟んで前記光結合部材の設けられた側とは反対側において、前記導波路を伝搬する光の振幅が前記導波路のコア部における光の振幅の1/e2（eは自然対数の底）以下になるだけの距離を前記コア部から隔てた位置に設けられていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
【請求項８】
電気光学結晶のコア部を含む光導波路と、
前記導波路を光が伝搬することで前記導波路から発生するテラヘルツ波を出射面を介して空間に取り出す光結合部材と、
を備え、
前記導波路を伝搬する光により前記導波路から発生するテラヘルツ波の電界の偏光方向が前記光結合部材の出射面に対してP偏光であり、前記出射面に対するテラヘルツ波の入射角がブリュースター条件を満たす様に設定されていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
【請求項９】
前記導波路は、前記光に対してコア部となる高屈折率層とクラッド部となる低屈折率層とを含み、
前記低屈折率層の少なくとも１つの層は、前記高屈折率層及び前記光結合部材にそれぞれ接して挟まれており、
該少なくとも１つの層の厚さdは、前記光の前記コア部における光強度の1/e2（eは自然対数の底）になる厚みをa、空間に取り出すテラヘルツ波の最大周波数における前記低屈折率層での等価波長をλeqとしたとき、
a＜d＜λeq/１０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
【請求項１０】
電気光学結晶を含む導波路と、
前記導波路に空間からテラヘルツ波を入射させる光結合部材と、
前記導波路のコア部を挟んで前記光結合部材の設けられた側とは反対側の位置に設けられて前記入射するテラヘルツ波を反射する反射層と、を備え、
前記導波路の前記電気光学結晶の結晶軸は、該導波路に前記テラヘルツ波が入射することで、前記導波路を伝播する光の伝播状態が変化する様に設定されていることを特徴とするテラヘルツ波検出素子
。
【請求項１１】
テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記発生手段が、請求項１乃至９の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生素子を含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】
テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記検出手段が、請求項１０に記載のテラヘルツ波検出素子を含むことを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記検出手段は、前記発生手段から放射されサンプルで反射されて来たテラヘルツ波を検出し、
前記サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記テラヘルツ波発生素子の光導波路終端部からの光を前記検出手段へのプローブ光として利用し、
前記遅延部は、前記テラヘルツ波発生素子の光導波路への前記光の到達時間と前記検出手段への前記プローブ光の到達時間との間の遅延時間を調整することを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の素子の製造方法であって、
低屈折率層となる接着剤を介して前記光結合部材となる基体と前記コア部となる電気光学結晶を張り合わせる第一の工程と、
前記光結合部材となる基体を、前記導波路から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す構造、もしくは前記導波路に空間からテラヘルツ波を入射させる構造に加工する第二の工程と、
を少なくとも含むことを特徴とする製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１４１５５（Ｐ２０１２−１４１５５Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０４８０３（Ｐ２０１１−１０４８０３）
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．セルフォック
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．セルフォック
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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