波長変換装置
【課題】屈折率変化により赤外光を可視光に変換する波長変化装置。
【解決手段】第１のブラッグ光反射層１０は、膜厚１３２．８ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層１１を２１層、膜厚８３．７ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層１２を２０層、交互に積層したものであり、波長６６７〜９０９ｎｍの光に対してブラッグ反射層として作用する。第２のブラッグ光反射層２０は、膜厚１３７．９ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層２１を２１層、膜厚８７．０ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層２２を２０層、交互に積層したものであり、波長６９４〜９４３ｎｍの光に対してブラッグ反射層として作用する。中間層３０は、初期屈折率が３．６４×１０-4、これを１ナノ秒で０．９２×１０-4に変化させることで、波長９０９ｎｍの赤外光を波長６９０ｎｍの可視光に変換できる。
【解決手段】第１のブラッグ光反射層１０は、膜厚１３２．８ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層１１を２１層、膜厚８３．７ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層１２を２０層、交互に積層したものであり、波長６６７〜９０９ｎｍの光に対してブラッグ反射層として作用する。第２のブラッグ光反射層２０は、膜厚１３７．９ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層２１を２１層、膜厚８７．０ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層２２を２０層、交互に積層したものであり、波長６９４〜９４３ｎｍの光に対してブラッグ反射層として作用する。中間層３０は、初期屈折率が３．６４×１０-4、これを１ナノ秒で０．９２×１０-4に変化させることで、波長９０９ｎｍの赤外光を波長６９０ｎｍの可視光に変換できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は入射光の波長（周波数）を変換して出力する、波長（周波数）変換装置に関する。本発明は、例えば、赤外光を可視光に変換する装置として用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、赤外光を可視光に変換する装置の有用性に着目し、様々な可能性を追求ている。本発明者らは先に特許文献１に記載の技術を発表した。また、非特許文献１乃至４は、以下で説明する本発明の中間層に用いることの出来る材料が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０６４３９
【特許文献２】特開２００６−２３４９６５
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Valantine J., et al., Nature 455, 376-380 (2008)
【非特許文献２】Osada M., et al., Adv. Mater. 18, 295-299 (2006)
【非特許文献３】Kinoda G., et al., Jap. J. Appl. Phys. 45, L387-L389 (2006)
【非特許文献４】Toyosaki H., et al., Appl. Phys. Lett. 86, 182503 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術を簡単に説明する。図５は、本発明の実施例に係る図面であるが、特許文献１の図３と同様のバンド図である。波長変換装置１００は、第１の層１０と、第２の層２０と、それらに挟まれた第３の層３０とを有する。図５において、第１の層１０と第２の層２０のフォトニックバンドギャップが大部分重なり、且つ、第１の層１０のフォトニックバンドギャップが、第２の層２０のフォトニックバンドギャップよりも高周波数側にずれている。まず、第１の層１０に、第１の層１０のフォトニックバンドギャップの下端（低周波数端）以下で、下端に近い周波数の電磁波を入射させると、第３の層３０から第２の層２０には透過できず、即ち、第３の層３０と第２の層２０との界面で反射され、第２の層２０から出射されない。しかし、この状態で第３の層３０の屈折率を小さくなるように変化させると、入射波は第３の層３０付近にトラップされたまま、周波数が上昇し、第２の層２０の上端（高周波数端）以上の上端に近い周波数に達した時に、その周波数の光が、第２の層２０の側から透過波として出力される。具体的には、第１の層と第２の層を、屈折率１．４５のシリカと屈折率２．５のチタニアの多重層で形成する。第１の層のフォトニックバンドギャップの下端に当たる波長９１５ｎｍの赤外光を第１の層に導入し、第３の層（中間層）の屈折率を２．５から１．０に１４．３ナノ秒で変化させると、第２の層のフォトニックバンドギャップの上端に当たる波長７００ｎｍの可視光が第２の層から射出されることを、シミュレーションにより示した。
【０００６】
しかし、第３の層（中間層）の屈折率を２．５から１．０に１４．３ナノ秒で変化させることは困難である。そこで、屈折率を高速度で変化させ得る波長変換装置を検討し、本願発明を完成させた。この際、屈折率が１０-4オーダーの材料を第３の層（中間層）として用い、その中間層の厚さと、変化後の屈折率の値や、屈折率の変化速度を適切に決定することで、効率の良い波長変換を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、図５に示すように、第１周波数ｆ1 を下端とし、第１周波数ｆ1 よりも大きい第２周波数ｆ2 を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第１の層と、第１周波数ｆ1 よりも小さい第３周波数ｆ3 を下端とし、第３周波数ｆ3 よりも大きく第２周波数ｆ2 よりも小さい第４周波数ｆ4 を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられた中間層と、中間層の屈折率を変化させる屈折率変化手段とを有し、中間層は１０-5以上１０-3以下の屈折率を有し、第１周波数ｆ1 以下で第３周波数ｆ3 よりも大きい第５周波数ｆ5 の入力光を第１の層に導入し、中間層の屈折率を変化させることで、第２の層から第２周波数ｆ2 よりも小さく第４周波数ｆ4 以上の第６周波数ｆ6 の出力光を出力させ、又は、第２周波数ｆ2 よりも小さく第４周波数ｆ4 以上の第６周波数ｆ6 の入力光を第２の層に導入し、中間層の屈折率を変化させることで、第１の層から第１周波数ｆ1 以下で第３周波数ｆ3 よりも大きい第５周波数ｆ5 の出力光を出力させることを特徴とする波長変換装置である。
【０００８】
ここで、フォトニックバンドギャップを有する層とは、フォトニック結晶を用いて作成される。一般的に、所定の周波数帯域の光、電磁波（光も電磁波であるので、以下、「電磁波」という）の伝搬が遮断される（透過率が小さくなる）ことが知られている。フォトニックバンドギャップの上端周波数と下端周波数の間の帯域の電磁波は、伝搬が遮断され、その帯域以外の周波数帯の電磁波は伝搬する。フォトニックバンドギャップを有する層の構成は、公知の構成を採用することができる。また、フォトニックバンドギャップを有する層は、多層膜によるブラッグ光反射層としても形成することができる。
【０００９】
中間層は１０-5以上１０-3以下の屈折率を有する。屈折率が、この範囲に存在する場合に、中間層の屈折率を変化させることで、周波数変化幅を大きくすることができる。なお、屈折率の虚数部は、零と近似する。すなわち、電磁波の進行方向に関する減衰がないものとする。この範囲の屈折率を有する中間層の候補としては、例えば、屈折率をほぼ０としたメタマテリアル（非特許文献１）、非常に回転角の大きなファラデー効果を有する材料（非特許文献２乃至４）を挙げることができる。中間層をメタマテリアルで構成しても良い。屈折率の変化は、中間層をメタマテリアルで構成して、屈折率変化手段は中間層に高出力レーザを照射する手段で構成しても良い。このレーザの照射により、レーザ電力による非線形効果を利用して、メタマテリアルの屈折率を高速度で変化させることができる。屈折率変化手段により、中間層の屈折率を元の値の１／１０倍以上１／２倍以下の範囲内に減少させることができる。また、レーザを照射した状態で、中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下の値となるように、中間層を設計し、レーザの出力を減少させることで、中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させることができる。レーザの出力に対して、屈折率の変化率が正の特性を有した中間層とすれば、レーザの出力の増加により屈折率を増加させ、出力の減少により、屈折率を減少させることができる。
【００１０】
また、中間層は回転角の大きなファラデー効果を有する材料で構成しても良い。ここで回転角の大きなファラデー効果とは、回転角が１０5ｄｅｇ／ｃｍ以上であるものを言う。回転角は好ましくは１０6ｄｅｇ／ｃｍ以上が好ましい。そして、屈折率変化手段は中間層に高出力レーザを照射する手段とすることができる。レーザの照射により、中間層の屈折率を元の値の１／１０倍以上１／２倍以下の範囲内の値に減少させることができる。この場合も、レーザを照射した状態で、中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下の値となるように、中間層を設計し、レーザの出力を減少させることで、中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させることができる。レーザの出力に対して、屈折率の変化率が正の特性を有した中間層とすれば、レーザの出力の増加により屈折率を増加させ、出力の減少により、屈折率を減少させることができる。
【００１１】
また、中間層は回転角の大きなファラデー効果を有した層として、屈折率を１０-5以上１０-3以下の値とするために、中間層に磁場を印加する磁場印加手段を設けることが望ましい。磁場を印加した状態で、中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下の値となるように、中間層を設計し、レーザを照射して、その出力を変化させることにより、屈折率を高速度で変化させることができる。レーザの出力を減少させることで、中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させることができる。レーザの出力に対して、屈折率の変化率が正の特性を有した中間層とすれば、レーザの出力の増加により屈折率を増加させ、出力の減少により、屈折率を減少させることができる。
【００１２】
本発明は、第５周波数は赤外領域にあり、第６周波数は可視領域にあるようにすることが望ましい。第５周波数を入力光の周波数、第６周波数を出力光の周波数とすれば、赤外線を可視光線に変換する装置を実現できる。逆に、第５周波数を可視光領域、第６周波数を紫外線領域としても良い。この場合に、第６周波数を入力光の周波数、第５周波数を出力光の周波数とすれば、紫外線を可視光線に変換する装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１３】
後述するシミュレーションの通り、１０-4オーダーの屈折率を有する中間層をフォトニックバンドギャップを有する第１の層と第２の層とで挟んだ構成の装置を用い、この中間層の屈折率を例えば１／４に変化させることで、波長９０９ｎｍの赤外光を波長６９０ｎｍの可視光に変換できることが示された。
本発明により、電磁波の周波数変換、波長変換が可能となる。また、赤外光を可視光に変換する波長変換装置が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る波長変化装置１００の構成の概略を示す断面図。
【図２】実施例装置のシミュレーション結果を示すスペクトル図。
【図３．Ａ】波長変換装置における固有モードの周波数と中間層の屈折率との関係を示した特性図。
【図３．Ｂ】図３．ＡのＡ4 、Ｂ3 、Ｂ2 、Ｃ1 付近の拡大図。
【図４．Ａ】回転角の大きなファラデー効果を有する材料を中間層として用いた波長変換装置の磁石の配置の一例を示す平面図。
【図４．Ｂ】図４．Ａにおける波長変換装置の断面図。
【図５】本発明の波長変換装置の波長変換機構を示したバンド図。
【図６】非特許文献１に記載されたメタマテリアルの構造を示す斜視図。
【図７】第１のブラッグ光反射層と第２のブラッグ光反射層のフォトニックバンドギャップを示す透過率周波数特性図。
【図８．Ａ】図３．ＡのＡ0 点における固有モードを示す透過率周波数特性図。
【図８．Ｂ】図３．ＡのＡ3 点近傍における固有モードを示す透過率周波数特性図。
【図８．Ｃ】図３．ＡのＡ5 点における固有モードを示す透過率周波数特性図。
【図９．Ａ】中間層における図３．ＡのＡ0 点での周波数３３０ＴＨｚの固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図９．Ｂ】第１のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ0 点での周波数３３０ＴＨｚの固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図９．Ｃ】第２のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ0 点での周波数３３０ＴＨｚの固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１０．Ａ】中間層における図３．ＡのＡ3 点近傍での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１０．Ｂ】第１のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ3 点近傍での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１０．Ｃ】第２のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ3 点近傍での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１１．Ａ】中間層における図３．ＡのＡ5 点での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１１．Ｂ】第１のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ5 点での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１１．Ｃ】第２のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ5 点での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
非特許文献１によれば、図６に示すような、３０ｎｍ厚の銀膜と５０ｎｍ厚のフッ化マグネシウム膜の多重層を、エッチングにより周期が８６０ｎｍの井桁形状に成形した多層フィッシュネット構造により、波長１４５０〜１４８０ｎｍの範囲において屈折率がほぼ０となるメタマテリアルが報告されている。メタマテリアルを用いることで、例えば近赤外光乃至可視光の、概略２００ｎｍの波長範囲の光に対し、１０-4オーダーの屈折率を有する中間層を実現できる。本願発明の中間層とする場合は、積層方向（厚さ方向）が光の導入及び射出方向となる。
【００１６】
本発明の中間層にメタマテリアルを用いる場合、高出力レーザー照射による非線形効果により、屈折率を変化させると良い。屈折率変化Δｎは、非線形屈折率ｎ2とレーザーの電場強度Ｉの積で表される。メタマテリアルとして金属と誘電体の多層膜を用いるのならば、非線形屈折率ｎ2は１０-9ｃｍ2／Ｗ程度であるので、１０-4オーダーの屈折率の変化量を実現するには強度が０．３ＭＷ／ｃｍ2程度のレーザーを用いれば良い。
【００１７】
非特許文献２には、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子（酸化チタンコバルトと酸化チタン鉄の交互積層構造）におけるファラデー効果が報告されている。１００００Ｏｅの外部磁場により、波長８００ｎｍの直線偏光が１．８×１０5ｄｅｇ／ｃｍで回転することが報告されている。本発明の実施のためには、左回り及び右回りの円偏光の、一方の屈折率がほとんど０となることが必要である。これが満たされるための条件について考察する。左回り及び右回りの円偏光の屈折率は、それぞれ、（ε＋ｇ）1/2 、（ε−ｇ）1/2 で表される。ここでεは磁場を印加しない状態での直線偏光を透過させる材料の比誘電率、ｇはこの材料の磁場に比例する比誘電率の変化量である。ファラデー効果の回転角の大きさを、直線偏光を透過させる材料の単位厚さ（単位光路長）当たりの角度θで表すと、次の式（１）となる。但しλは光の波長である。
【数１】
【００１８】
磁場を印加しない状態でのチタニアの屈折率を２．３とする。比誘電率εを屈折率２．３の二乗、波長λを８００ｎｍとすれば、磁場の印加によりε＝ｇとなって、左回り及び右回りの円偏光のうちの一方の円偏光に対する屈折率が（ε−ｇ）1/2 ＝０とすることができる。ε＝ｇが実現される場合のファラデー効果による直線偏光の単位長当たりの回転角θは、次の式（２）で与えられる。尚、πを１８０ｄｅｇとして換算した。
【数２】
【００１９】
この単位厚さ当たりの角度θの値は、非特許文献２に記載された磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子の値の４０倍である。ここで、非特許文献３に、酸化チタンコバルトにニオブを６％添加することでθを１４倍に増大させることができることが記載されており、非特許文献４に、酸化チタンコバルトのコバルト濃度を２倍にすることでθを４．２倍に増大させることができることが記載されている。これらから、ニオブ及び／又はコバルトの添加量を最適にすることで、ε＝ｇを満たすθ＝７．３×１０6ｄｅｇ／ｃｍは、実現できる。このファラデー回転角が実現された状態においては、一方の円偏光に対する屈折率（ε−ｇ）1/2 が１０-5以上１０-3以下の微小値となる。この場合には、誘電率がこの値の範囲となる回転方向の円偏光が入射光として用いられる。
【００２０】
本発明の中間層に磁場を印加して、一方向の円偏光に対する中間層の屈折率（ε−ｇ）1/2 を１０-4オーダーに設定したのちに、その中間層の屈折率を変化させる方法としては、レーザを照射させる方法がある。レーザの出力を高速度で変化させることで、円偏光屈折（ε−ｇ）1/2 を、高速度で変化させることができる。チタニアを基本とする中間層の非線形屈折率ｎ2は４×１０-14ｃｍ2／Ｗ程度であるので、１０-4オーダーの屈折率の変化量を実現するには強度が７ＧＷ／ｃｍ2程度のレーザーを用いれば良い。
【実施例１】
【００２１】
図１は、波長変換装置１００の構成の概略を示した断面図である。本発明の波長変換装置１００は、第１のブラッグ光反射層１０（第１の層）、中間層３０、第２のブラッグ光反射層２０（第２の層）を有する。波長変換装置１００は中間層３０の屈折率を変化させる屈折率変化手段であるレーザ装置２００を更に有する。レーザ装置２００は、中間層３０に対して側面から入射させる。
【００２２】
第１のブラッグ光反射層１０は、膜厚１３２．８ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層を２１層（図１で層１１−１〜１１−２１）、膜厚８３．７ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層を２０層（図１で層１２−１〜１２−２０）、交互に積層したものである。第１のブラッグ光反射層１０の総合厚さは、４４６２．８ｎｍである。図５に示すように、第１のブラッグ光反射層１０は、第１周波数ｆ1 （３３０ＴＨｚ、真空波長９０９ｎｍ）より大きく、その第１周波数ｆ1 よりも大きい第２周波数ｆ2 （４５０ＴＨｚ、真空波長６６７ｎｍ）より小さい範囲の周波数の光に対して、フォトニックバンドギャップを構成する。第１のブラッグ光反射層１０のフォトニックバッドギャップをシミュレーションにより求めた結果を、図７の破線で示す。
【００２３】
第２のブラッグ光反射層２０は、膜厚１３７．９ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層を２１層（図１で層２１−１〜２１−２１）、膜厚８７．０ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層を２０層（図１で層２２−１〜２２−２０）、交互に積層したものである。第２のブラッグ光反射層２０の総合厚さは、４６３５．９ｎｍである。
第２のブラッグ光反射層２０は、図５に示すように、第３周波数ｆ3 （３１８ＴＨｚ、真空波長９４３ｎｍ）より大きく、その第３周波数ｆ3 よりも大きい第４周波数ｆ4 （４３２ＴＨｚ、真空波長６９４ｎｍ）よりも小さい範囲の周波数の光に対して、フォトニックバンドギャップを構成する。ただし、第３周波数ｆ3 は、第１周波数ｆ1 よりも小さく、第４周波数ｆ4 は第２周波数ｆ2 よりも小さい。第２のブラッグ光反射層２０のフォトニックバッドギャップをシミュレーションにより求めた結果を、図７の実線で示す。
【００２４】
中間層３０の厚さｄは３．７５ｍｍとした。中間層３０の具体的な材料については上述したメタマテリアルを最適設計して用いても良く、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子を用いても良い。
磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子を用いる場合は、円偏光屈折率を、１０-5以上１０-3以下の範囲にするために、外部磁場を印加する必要が或る。その磁場の方向は、積層構造体である波長変換装置１００の積層方向であって、図１で示した導入光及び射出光と平行である。
中間層３０の屈折率の変化手段は、中間層３０に対し、例えば図１で示した入力光及び出力光と垂直方向に高出力レーザを照射すると良い。
【００２５】
上記の装置で、中間層３０の初期屈折率を３．６４×１０-4とし、１ナノ秒で０．９２×１０-4に変化させることとした。屈折率の変化量Δｎは２．７２×１０-4である。こうして、第１のブラッグ光反射層１０に、第１周波数ｆ1 に等しい、真空中の波長９０９ｎｍの赤外光（第５周波数ｆ5 （３３０ＴＨｚ）に相当する波長の入力光）を導入し、第２のブラッグ光反射層２０から射出される光（第６周波数ｆ6 の出力光）のスペクトルをシミュレーションにより求めた。シミュレーションにおいては、光の伝搬方向にｘ軸をとる。また、電場の向きをｙ軸方向、磁場の向きをｚ軸方向とし、ｘ軸方向に約１０ｎｍ幅で要素分割を行い、時刻ｔ＝０で全領域でＥ＝０とおいて、次の式（３）を差分法により離散化して逐次的に電界Ｅを計算した。尚、波長変換装置１００の外側は屈折率１とした。このようにして、真空中波長９０９ｎｍの電磁波（第３周波数ｆ3 よりも大きく第１周波数ｆ1 以下の範囲に存在する第５周波数ｆ5 （３３０ＴＨｚ）に相当する波長の入力光）を第１のブラッグ光反射層１０の表面（シリカから成る層１１−１の表面）から入射させて、中間層３０の屈折率を変化させながら、第１のブラッグ光反射層１０、中間層３０、第２のブラッグ光反射層２０の内部における電磁界分布を求めた。
【数３】
【００２６】
図２は、真空中波長９０９ｎｍの第５周波数の光を第１のブラッグ光反射層１０から入射させて、中間層３０の屈折率を初期屈折率３．６４×１０-4から０．９２×１０-4まで変化させた場合における、中間層３０の屈折率が０．９２×１０-4の時の射出光の電界強度である。図２より、真空中の波長６９０ｎｍの可視光領域（第４周波数ｆ4 以上で第２周波数ｆ2 より小さい範囲に存在する第６周波数ｆ6 （４３５ＴＨｚ）に対応する波長の出力光）にピークを有する光が、第２のブラッグ光反射層２０から射出されていることがわかる。尚、波長６９０ｎｍの射出光量は、入力光の０．１％であった。
【００２７】
更に、屈折率の変化速度を一定ではなく、次のように変更した場合について、シミュレーションを行った。初期屈折率３．６４×１０-4から３．６３５×１０-4まで（屈折率の変化量０．００５×１０-4は屈折率の全変化量Δｎである２．７２×１０-4の０．２％）を０．１５ナノ秒で、更に３．６３５×１０-4から０．９２×１０-4まで（屈折率の変化量２．７１５×１０-4は全変化量Δｎである２．７２×１０-4の９９．８％）を０．１５ナノ秒で変化させた場合、同様に波長６９０ｎｍにピークを有する光が射出され、波長６９０ｎｍの射出光量は、導入光の５％に向上した。すなわち、屈折率の変化速度を一定にする場合に比べて、後半の１／２の期間における屈折率の変化速度を、前半の１／２の期間における屈折率の変化速度の５００倍に変更した場合には、出力光の強度は、５０倍に向上することが分かった。
【００２８】
中間層３０は、第１のブラッグ光反射層１０と、第２のブラッグ光反射層２０における周期性や、屈折率が異なることから、この３つの層からなる波長変換装置１００の全体におけるフォトニックバンドギャップ中に、急峻な固有モード（バックグランドの減衰レベルに対して、減衰が小さくなる透過性を有する周波数。ただし、利用できる透過光が得られる程、大きな透過率ではない）が存在する。この固有モードは、中間層３０の屈折率を変化させても、周波数が変化しないモードと、中間層３０の屈折率を変化させることで、周波数が変化する固有モードとが存在する。これらの固有モードの周波数の光は、中間層３０において閉じ込められていると考えられる。これらの固有モードの周波数と、中間層３０の屈折率との関係を示したのが、図３の特性である。すなわち、図３は、３層構造の波長変換装置１００の中間層３０に存在し得る電磁波の周波数と屈折率との関係を示している。
【００２９】
中間層３０の厚さｄを３．７５ｍｍとし、中間層３０の屈折率ｎを０〜４．０×１０-4の範囲で変化させた場合の波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップに形成される固有モードの周波数ｆと屈折率ｎの関係を解析した。
【００３０】
図８は、波長変換装置１００における電磁波の透過率の周波数特性を示す。図３．ＡのＡ0 点（屈折率３．６４×１０-4）における波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップ中の固有モードを、図８．Ａの（ａ）に示す。なお、周波数３３０ＴＨｚの固有モードをより明確に明示するために、屈折率を３．６３×１０-4と、Ａ0 点の屈折率よりは、０．０１×１０-4の微小量だけ小さい点の特性を（ｂ）として示す。周波数３３０ＴＨｚ、３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの３箇所に固有モードが生起されていることが理解される。図３．ＡのＡ3 点付近（屈折率１．８０×１０-4）における波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップ中の固有モードを、図８．Ｂに示す。周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２箇所に固有モードが生起されていることが理解される。図３．ＡのＡ5 点（屈折率０．９２×１０-4）における波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップ中の固有モードを、図８．Ｃの（ａ）に示す。なお、周波数４３５ＴＨｚの固有モードをより明確に明示するために、屈折率を０．９３×１０-4と、Ａ5 点の屈折率よりは、０．０１×１０-4の微小量だけ大きい点の特性を（ｂ）として示す。周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３箇所に固有モードが生起されていることが理解される。
【００３１】
また、図３．ＡのＡ0 点における波長変換装置１００の内部における周波数３３０ＴＨｚの電磁波の電界エネルギー分布を図９に示す。第１のブラッグ光反射層１０、 第２のブラッグ光反射層２０の厚さは、４．４６２８μｍ、４．６３５９μｍと、中間層３０の厚さ３．７５ｍｍに比べて、１／８００程度に薄いために、第１のブラッグ光反射層１０、 第２のブラッグ光反射層２０での電界エネルギー分布は、中間層３０における電界エネルギー分布に関して、ｘ軸のスケールを拡大している。図９．Ａが中間層３０内における電界エネルギー分布、図９．Ｂが第１のブラッグ光反射層１０内における電界エネルギー分布、図９．Ｃが第２のブラッグ光反射層２０内における電界エネルギー分布である。中間層３０において、３次の共振が発生していることが分かる。これは、３３０ＴＨｚの入射光の中間層３０における媒質内波長２．５ｍｍの１．５波長に相当する。図９の比較から、第１のブラッグ光反射層１０内において、３３０ＴＨｚの入射光は、多重反射による電界エネルギー分布を示して透過モードとなり、中間層３０では最大エネルギーが、第１のブラッグ光反射層１０内における最大エネルギーの１００倍程度を示し共振モードとなり、第２のブラッグ反射層２０内では、多重反射による遮断モードとなっていることが理解される。なお、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚのモードは、励振されていないので、現れていない。
【００３２】
この状態を波長変換装置１００内に生起させた状態で、中間層３０の屈折率を、図３．ＡのＡ0 点の屈折率３．６４×１０-4からＡ3 点の屈折率１．８０×１０-4まで低下させる。そして、Ａ3 点における波長変換装置１００内における電界エネルギー分布を図１０に示す。図１０．Ａが中間層３０内における電界エネルギー分布、図１０．Ｂが第１のブラッグ光反射層１０内における電界エネルギー分布、図１０．Ｃが第２のブラッグ光反射層２０内における電界エネルギー分布である。中間層３０において、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の共振モードが増強されていることが分かる。この時、両モード共に、第１のブラッグ光反射層１０及び第２のブラッグ光反射層２０内においては、多重反射による遮断モード、中間層３０においては、共振エネルギーが閉じ込められた状態であることが理解される。
【００３３】
この状態から、中間層３０の屈折率を、図３．ＡのＡ3 点の屈折率１．８０×１０-4からＡ5 点の屈折率０．９２×１０-4まで低下させる。そして、Ａ5 点における波長変換装置１００内における電界エネルギー分布を図１１に示す。図１１．Ａが中間層３０内における電界エネルギー分布、図１１．Ｂが第１のブラッグ光反射層１０内における電界エネルギー分布、図１１．Ｃが第２のブラッグ光反射層２０内における電界エネルギー分布である。中間層３０において、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の共振モードが増強されていることが分かる。この時、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚのモードは、第１のブラッグ光反射層１０及び第２のブラッグ光反射層２０内においては、多重反射による遮断モードとなり、周波数４３５ＴＨｚのモードに関しては、第１のブラッグ光反射層１０内においては、遮断モード、第２のブラッグ光反射層２０内においては、多重反射による透過モードとなっていることが理解される。また、中間層３０内においては、４３５ＴＨｚの共振モードは、媒体内波長の１／２による共振モードとなっている。そして、４３５ＴＨｚの共振モードのエネルギー密度は、３８９ＴＨｚのモードと比べて、５×１０3 倍、３７５ＴＨｚのモードと比べて、２×１０4 倍となっていることが理解される。
【００３４】
図３．Ａ及び図３．Ｂのデータの意味するところは次の通りである。即ち、中間層３０の厚さｄを３．７５ｍｍとし、中間層３０の屈折率ｎを０から４×１０-4まで２．５×１０-7の間隔で変化させて、中間層３０内部に所定の電界エネルギー密度以上で存在し得る光の周波数と、中間層３０の屈折率との関係をプロットしたものが図３．Ａであり、その一部拡大図が図３．Ｂである。例えば、図で点Ａ0は中間層３０の屈折率が３．６４×１０-4の時に周波数３３０ＴＨｚの光が中間層３０内部で所定の強度以上で存在し得ることを示す。
【００３５】
図３．Ａによると、中間層３０の屈折率が０から４×１０-4まで、変化しても、周波数３７５ＴＨｚと３８９ＴＨｚのモードの光は所定の強度以上存在し得ることがわかる。すなわち、中間層３０の屈折率が変化しても、フォトニックバンドギャップ中に存在する周波数３７５ＴＨｚと３８９ＴＨｚの固有モードの周波数は変化しないことが理解される。
【００３６】
しかし、詳しく調べると、図３．Ｂに示す通り、周波数３７５ＴＨｚと３８９ＴＨｚの光は、全屈折率の範囲で常に存在し得るわけではなく、点Ａ4と点Ｂ3付近、点Ｂ2と点Ｃ1付近では不連続となっていることがわかる。これは例えば、点Ａ3付近の周波数３８９ＴＨｚの光は、中間層３０の屈折率が減少して１．０３×１０-4を下回る点Ａ4に至ると、周波数３８９ＴＨｚの光は、存在し得なくなり、屈折率が、さらに低下すると、周波数が上昇し、点Ａ5に向うことが予測されるものである。
【００３７】
次に、このような、中間層３０の屈折率に対する光の周波数特性が得られている場合に、入射光の周波数変換ができる理由について説明する。周波数３３０ＴＨｚの連続光を、第１のブラッグ光反射層１０から、常時、入射させる。中間層３０の屈折率の初期値を４×１０-4とする。この状態では、周波数３３０ＴＨｚは第１のブラッグ光反射層１０のフォトニックバンドギャップの下端周波数であるので、周波数３３０ＴＨｚの光は、第１のブラッグ光反射層１０と中間層３０に存在する。そして、中間層３０の屈折率を、初期値から減少させる。屈折率が、３．６４×１０-4に達した時、図９．Ａに示すように、中間層３０において、周波数３３０ＴＨｚの光の媒質内波長の３／２が中間層３０の厚さに等しくなり、３次の強い共振モードが生起される。このモード状態が、図３．ＡにおけるＡ0 点で表される。
【００３８】
次に、中間層３０の屈折率がＡ0 点の３．６４×１０-4からＡ1 点の３．１７×１０-4に減少する間における、中間層３０の電界エネルギー分布は、図９．Ａの状態を維持する。すなわち、中間層３０における媒質内波長が、中間層３０の厚さの２／３に保持された状態が継続する。これは、第１のブラッグ光反射層１０と第２のブラッグ光反射層２０の周期構造により、中間層３０と第１のブラッグ光反射層１０との界面、中間層３０と第２のブラッグ光反射層２０との界面における電磁波の位相が、固定されるためと思われる。この結果、中間層３０におけるその共振モードの周波数は、その時の屈折率のＡ0 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、周波数が上昇し、Ａ1 点の共振モードでは、周波数は３７５ＴＨｚとなる。次に、中間層３０の屈折率が、Ａ1 点の３．１７×１０-4から、Ａ2 点の２．１３×１０-4まで減少する間は、中間層３０の電界エネルギー分布は、図９．Ａで示された媒質内波長が中間層の厚さの２／３の３次のモードから、媒質内波長が中間層の厚さに等しくなる２次のモードにモード変換が行われる。すなわち、屈折率が変化するこの間は、その時の屈折率のＡ1 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、媒体内波長が長くなる。したがって、３次の共振モードは、Ａ2 点においては、屈折率２．１３×１０-4、媒体内波長３．７５ｍｍ、周波数３７５ＴＨｚの２次の共振モードに変化する。
【００３９】
次に、屈折率がＡ2 点の２．１３×１０-4から、Ａ3 点の２．０５×１０-4まで低下する間は、２次の共振モードが保持され、媒体内波長が３．７５ｍｍに維持される。その時の屈折率のＡ2 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、共振モードの周波数が上昇する。屈折率がＡ3 点の２．０５×１０-4となると、２次の共振モードの周波数は、３８９ＴＨｚとなる。周波数３７５ＴＨｚのモードは、Ｂ0 点より生じた光のモードである。
【００４０】
屈折率がＡ3 点の２．０５×１０-4からＡ4 点の１．０３×１０-4まで低下する間では、中間層３０の電界エネルギー分布は、媒質内波長が中間層の厚さに等しい２次のモードから、媒質内波長が中間層の厚さの２倍に等しくなる１次のモードにモード変換が行われる。すなわち、この間では、その時の屈折率のＡ3 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、中間層３０における媒体内波長が長くなる。したがって、２次の共振モードは、Ａ4 点においては、屈折率１．０３×１０-4、媒体内波長７．５ｍｍ、周波数３８９ＴＨｚの１次の共振モードに変換される。屈折率がＡ3 点からＡ4 点に変化する間は、図１０．Ａに示されるようなモードとなっている。図１０．Ａは、周波数３８９ＴＨｚの共振モードの媒体内波長が、徐々に増大する途中の状態を示している。
【００４１】
次に、屈折率がＡ4 点の１．０３×１０-4からＡ5 点の０．９２×１０-4まで、減少する間は、１次の共振モードが保持され、媒体内波長７．５ｍｍが維持される。この結果、その時の屈折率のＡ4 点における屈折率に対する比の逆数に比例して、共振モードの周波数が上昇する。屈折率がＡ5 点の０．９２×１０-4となると、共振モードの周波数は４３５ＴＨｚとなる。中間層３０の電界エネルギー分布は、図１１．Ａに示すものとなり、周波数３８９ＴＨｚ、及び３７５ＴＨｚのモードは、このモードに比べて、非常に小さい。
【００４２】
周波数４３５ＴＨｚの１次の共振モードは、第２のブラッグ光反射層２０においては、パスバンドに当たり、透過モードであるので、第２のブラッグ光反射層２０から周波数４３５ＴＨｚの光が出力されることになる。
【００４３】
このシミュレーションにおいて、中間層３０が屈折率０．９２×１０-4の時に存在しうる光の周波数４３５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、３７５ＴＨｚでの電界エネルギー密度の最大値は９×１０12、１．８×１０9、４．０×１０8となり、周波数４３５ＴＨｚのモードが支配的となることが理解される。
このようにして、中間層３０の屈折率を、周期的に、大きい値から小さい値に変化させる毎に、その周期に同期した周期のパルス光が第２のブラッグ光反射層２０から出力されることになる。また、屈折率をＡ0 点からＡ5 点に低下させる時間は、中間層３０において、閉じ込めれた光の減衰定数より、短い時間とする必要がある。
【実施例２】
【００４４】
図４は、中間層３０に回転角の大きなファラデー効果を有する材料を用いる場合の永久磁石の配置方法の一例である。ｙ軸方向に伸びた長方形の複数個のネオジム磁石５０とｙ軸方向に伸びた長方形の複数個の単位波長変換装置１００ｕをｚ軸方向に交互に周期的に配置する。単位波長変換装置１００ｕは実施例１における波長変換装置１００と、中間層３０の構成を除き、同一構成である。この実施例では、中間層３０はファラデー効果の大きい材料、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子を用いることができる。この中間層に磁場を印加して、 屈折率（ε−ｇ）1/2 を１０-5以上１０-3以下とする。屈折率のこの範囲の値を初期値として、実施例１と同様な範囲で、屈折率を変化させるために、レーザ光は、単位波長変換装置１００ｕの側面から、ｙ軸に平行に単位波長変換装置１００ｕの中間層３０を通過するように導入される。各ネオジム磁石５０の磁極の向きは、波長変換される光の導入方向及び変換後の射出方向（ｘ軸方向）に平行とし、全て同じ向きである。各ネオジム磁石５０の占有面積の分だけ、全体として透過光量は１／２に低下するが、単位波長変換装置１００ｕの全数により、全体として、波長変換が行われるので、十分な出力光を得ることができる。
【００４５】
図４において、中間層に磁場を印加するには、永久磁石に替えて電磁石を用いることも可能である。この場合には、中間層３０には、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子から成る一枚の長方形状の板を用いる。そして、実施例１の図１に示す構成と同様に、中間層３０の光入射側に、第１のブラッグ光反射層１０が設けられ、中間層３０の光出射側に、第２のブラッグ光反射層２０が設けられている。この中間層３０に磁場を印加するには、光の入射面、出射面から見て、図４．Ａのｙ軸方向に伸びた長方形の複数個の領域に磁界がｘ軸方向に形成されるように、第１のブラッグ光反射層１０の光入射面と、第２のブラッグ光反射層２０の光出射面に、第１の電磁石と第２の電磁石が配置される。第１の電磁石及び第２の電磁石は、入射光の進行方向（ｘ軸正方向）に向かって、同一極である、例えば、Ｎ極が配置される。その結果、中間層３０では、第１の電磁石のＮ極から第２の電磁石のＳ極へ向かう磁束がｘ軸に平行に形成される。電磁石は、図４．Ａに示すようなｙ軸方向に長辺、ｚ軸方向に短辺を有した短冊状の鉄心を有した電磁石に形成している。しかし、図４．Ａに示すような短冊領域を、ｙ軸方向に沿って正方形の領域に等分割して、それぞれの正方形領域に、個別的に円柱鉄心や正方角柱鉄心を有した電磁石を配置するようにしてもよい。
【００４６】
［変形例］
上記の実施例１、２では、図５に示すように、第１のブラッグ光反射層１０から第５周波数ｆ5 の入力光を入力させて、第２のブラッグ光反射層２０から、第５周波数ｆ5 よりも高い第６周波数ｆ6 の出力光を出力するようにしたものである。すなわち、長波長の光を短波長の光に変換する装置である。これとは逆に、図５において、第２のブラッグ光反射層２０から第６周波数ｆ6 の入力光を入力させて、第１のブラッグ光反射層１０から、第６周波数ｆ6 よりも低い第５周波数ｆ5 の出力光を出力させることも可能である。すなわち、入力光を長波長の光に変換することができる。この場合には、中間層３０の屈折率ｎは、図３の特性図から明らかなように、屈折率を０．９２×１０-4から３．６×１０-4に増大させることが必要である。周波数を低くする周波数変換は、屈折率を増加させることで、上記した図３．ＡのＡ5 点の状態から、Ａ4 、Ａ3 、Ａ2 、Ａ1 、Ａ0 に至る経路で、中間層３０におけるモードの変換が実行されることからも、明らかである。
【００４７】
屈折率は、正弦関数や、鋸歯状波などの周期関数により、繰り返して変化させる。光の周波数を向上させる装置では、中間層の屈折率が減少する過程において、高周波数への変換が実行される。光の周波数を低下させる装置では、屈折率が増加する過程において、低周波数への変換が実行される。このようにして、連続光を入射させることで、その連続光よりも周波数の高い、又は、低いパルス光を、中間層３０の屈折率の変動周期で出力することができる。
【００４８】
入力光と出力光の周波数の関係は、第１のブラッグ光反射層と第２のブラッグ光反射層とによって形成されるフォトニックバンドギャップ、中間層の屈折率、屈折率の変動幅、中間層の厚さを最適に設計することにより、任意に実現することができる。周波数変換に関しては、図３に示すように、波長変換装置１００において、中間層の屈折率と、固有モードの周波数との関係を求めることで、容易に、設計することができる。
したがって、本発明の入力光と出力光の周波数範囲は任意であり、赤外領域の光を可視光領域の光に変換したり、紫外光領域の光を可視光領域の光に変換することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の波長変換装置は暗視装置に適用可能である。この他、光信号の変調器に適用することもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１００：波長変換装置
１００ｕ：単位波長変換膜
１０：第１のブラッグ光反射層
２０：第２のブラッグ光反射層
３０：中間層
５０：ネオジム磁石
【技術分野】
【０００１】
本発明は入射光の波長（周波数）を変換して出力する、波長（周波数）変換装置に関する。本発明は、例えば、赤外光を可視光に変換する装置として用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、赤外光を可視光に変換する装置の有用性に着目し、様々な可能性を追求ている。本発明者らは先に特許文献１に記載の技術を発表した。また、非特許文献１乃至４は、以下で説明する本発明の中間層に用いることの出来る材料が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０６４３９
【特許文献２】特開２００６−２３４９６５
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Valantine J., et al., Nature 455, 376-380 (2008)
【非特許文献２】Osada M., et al., Adv. Mater. 18, 295-299 (2006)
【非特許文献３】Kinoda G., et al., Jap. J. Appl. Phys. 45, L387-L389 (2006)
【非特許文献４】Toyosaki H., et al., Appl. Phys. Lett. 86, 182503 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術を簡単に説明する。図５は、本発明の実施例に係る図面であるが、特許文献１の図３と同様のバンド図である。波長変換装置１００は、第１の層１０と、第２の層２０と、それらに挟まれた第３の層３０とを有する。図５において、第１の層１０と第２の層２０のフォトニックバンドギャップが大部分重なり、且つ、第１の層１０のフォトニックバンドギャップが、第２の層２０のフォトニックバンドギャップよりも高周波数側にずれている。まず、第１の層１０に、第１の層１０のフォトニックバンドギャップの下端（低周波数端）以下で、下端に近い周波数の電磁波を入射させると、第３の層３０から第２の層２０には透過できず、即ち、第３の層３０と第２の層２０との界面で反射され、第２の層２０から出射されない。しかし、この状態で第３の層３０の屈折率を小さくなるように変化させると、入射波は第３の層３０付近にトラップされたまま、周波数が上昇し、第２の層２０の上端（高周波数端）以上の上端に近い周波数に達した時に、その周波数の光が、第２の層２０の側から透過波として出力される。具体的には、第１の層と第２の層を、屈折率１．４５のシリカと屈折率２．５のチタニアの多重層で形成する。第１の層のフォトニックバンドギャップの下端に当たる波長９１５ｎｍの赤外光を第１の層に導入し、第３の層（中間層）の屈折率を２．５から１．０に１４．３ナノ秒で変化させると、第２の層のフォトニックバンドギャップの上端に当たる波長７００ｎｍの可視光が第２の層から射出されることを、シミュレーションにより示した。
【０００６】
しかし、第３の層（中間層）の屈折率を２．５から１．０に１４．３ナノ秒で変化させることは困難である。そこで、屈折率を高速度で変化させ得る波長変換装置を検討し、本願発明を完成させた。この際、屈折率が１０-4オーダーの材料を第３の層（中間層）として用い、その中間層の厚さと、変化後の屈折率の値や、屈折率の変化速度を適切に決定することで、効率の良い波長変換を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、図５に示すように、第１周波数ｆ1 を下端とし、第１周波数ｆ1 よりも大きい第２周波数ｆ2 を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第１の層と、第１周波数ｆ1 よりも小さい第３周波数ｆ3 を下端とし、第３周波数ｆ3 よりも大きく第２周波数ｆ2 よりも小さい第４周波数ｆ4 を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられた中間層と、中間層の屈折率を変化させる屈折率変化手段とを有し、中間層は１０-5以上１０-3以下の屈折率を有し、第１周波数ｆ1 以下で第３周波数ｆ3 よりも大きい第５周波数ｆ5 の入力光を第１の層に導入し、中間層の屈折率を変化させることで、第２の層から第２周波数ｆ2 よりも小さく第４周波数ｆ4 以上の第６周波数ｆ6 の出力光を出力させ、又は、第２周波数ｆ2 よりも小さく第４周波数ｆ4 以上の第６周波数ｆ6 の入力光を第２の層に導入し、中間層の屈折率を変化させることで、第１の層から第１周波数ｆ1 以下で第３周波数ｆ3 よりも大きい第５周波数ｆ5 の出力光を出力させることを特徴とする波長変換装置である。
【０００８】
ここで、フォトニックバンドギャップを有する層とは、フォトニック結晶を用いて作成される。一般的に、所定の周波数帯域の光、電磁波（光も電磁波であるので、以下、「電磁波」という）の伝搬が遮断される（透過率が小さくなる）ことが知られている。フォトニックバンドギャップの上端周波数と下端周波数の間の帯域の電磁波は、伝搬が遮断され、その帯域以外の周波数帯の電磁波は伝搬する。フォトニックバンドギャップを有する層の構成は、公知の構成を採用することができる。また、フォトニックバンドギャップを有する層は、多層膜によるブラッグ光反射層としても形成することができる。
【０００９】
中間層は１０-5以上１０-3以下の屈折率を有する。屈折率が、この範囲に存在する場合に、中間層の屈折率を変化させることで、周波数変化幅を大きくすることができる。なお、屈折率の虚数部は、零と近似する。すなわち、電磁波の進行方向に関する減衰がないものとする。この範囲の屈折率を有する中間層の候補としては、例えば、屈折率をほぼ０としたメタマテリアル（非特許文献１）、非常に回転角の大きなファラデー効果を有する材料（非特許文献２乃至４）を挙げることができる。中間層をメタマテリアルで構成しても良い。屈折率の変化は、中間層をメタマテリアルで構成して、屈折率変化手段は中間層に高出力レーザを照射する手段で構成しても良い。このレーザの照射により、レーザ電力による非線形効果を利用して、メタマテリアルの屈折率を高速度で変化させることができる。屈折率変化手段により、中間層の屈折率を元の値の１／１０倍以上１／２倍以下の範囲内に減少させることができる。また、レーザを照射した状態で、中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下の値となるように、中間層を設計し、レーザの出力を減少させることで、中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させることができる。レーザの出力に対して、屈折率の変化率が正の特性を有した中間層とすれば、レーザの出力の増加により屈折率を増加させ、出力の減少により、屈折率を減少させることができる。
【００１０】
また、中間層は回転角の大きなファラデー効果を有する材料で構成しても良い。ここで回転角の大きなファラデー効果とは、回転角が１０5ｄｅｇ／ｃｍ以上であるものを言う。回転角は好ましくは１０6ｄｅｇ／ｃｍ以上が好ましい。そして、屈折率変化手段は中間層に高出力レーザを照射する手段とすることができる。レーザの照射により、中間層の屈折率を元の値の１／１０倍以上１／２倍以下の範囲内の値に減少させることができる。この場合も、レーザを照射した状態で、中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下の値となるように、中間層を設計し、レーザの出力を減少させることで、中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させることができる。レーザの出力に対して、屈折率の変化率が正の特性を有した中間層とすれば、レーザの出力の増加により屈折率を増加させ、出力の減少により、屈折率を減少させることができる。
【００１１】
また、中間層は回転角の大きなファラデー効果を有した層として、屈折率を１０-5以上１０-3以下の値とするために、中間層に磁場を印加する磁場印加手段を設けることが望ましい。磁場を印加した状態で、中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下の値となるように、中間層を設計し、レーザを照射して、その出力を変化させることにより、屈折率を高速度で変化させることができる。レーザの出力を減少させることで、中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させることができる。レーザの出力に対して、屈折率の変化率が正の特性を有した中間層とすれば、レーザの出力の増加により屈折率を増加させ、出力の減少により、屈折率を減少させることができる。
【００１２】
本発明は、第５周波数は赤外領域にあり、第６周波数は可視領域にあるようにすることが望ましい。第５周波数を入力光の周波数、第６周波数を出力光の周波数とすれば、赤外線を可視光線に変換する装置を実現できる。逆に、第５周波数を可視光領域、第６周波数を紫外線領域としても良い。この場合に、第６周波数を入力光の周波数、第５周波数を出力光の周波数とすれば、紫外線を可視光線に変換する装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１３】
後述するシミュレーションの通り、１０-4オーダーの屈折率を有する中間層をフォトニックバンドギャップを有する第１の層と第２の層とで挟んだ構成の装置を用い、この中間層の屈折率を例えば１／４に変化させることで、波長９０９ｎｍの赤外光を波長６９０ｎｍの可視光に変換できることが示された。
本発明により、電磁波の周波数変換、波長変換が可能となる。また、赤外光を可視光に変換する波長変換装置が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る波長変化装置１００の構成の概略を示す断面図。
【図２】実施例装置のシミュレーション結果を示すスペクトル図。
【図３．Ａ】波長変換装置における固有モードの周波数と中間層の屈折率との関係を示した特性図。
【図３．Ｂ】図３．ＡのＡ4 、Ｂ3 、Ｂ2 、Ｃ1 付近の拡大図。
【図４．Ａ】回転角の大きなファラデー効果を有する材料を中間層として用いた波長変換装置の磁石の配置の一例を示す平面図。
【図４．Ｂ】図４．Ａにおける波長変換装置の断面図。
【図５】本発明の波長変換装置の波長変換機構を示したバンド図。
【図６】非特許文献１に記載されたメタマテリアルの構造を示す斜視図。
【図７】第１のブラッグ光反射層と第２のブラッグ光反射層のフォトニックバンドギャップを示す透過率周波数特性図。
【図８．Ａ】図３．ＡのＡ0 点における固有モードを示す透過率周波数特性図。
【図８．Ｂ】図３．ＡのＡ3 点近傍における固有モードを示す透過率周波数特性図。
【図８．Ｃ】図３．ＡのＡ5 点における固有モードを示す透過率周波数特性図。
【図９．Ａ】中間層における図３．ＡのＡ0 点での周波数３３０ＴＨｚの固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図９．Ｂ】第１のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ0 点での周波数３３０ＴＨｚの固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図９．Ｃ】第２のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ0 点での周波数３３０ＴＨｚの固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１０．Ａ】中間層における図３．ＡのＡ3 点近傍での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１０．Ｂ】第１のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ3 点近傍での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１０．Ｃ】第２のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ3 点近傍での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１１．Ａ】中間層における図３．ＡのＡ5 点での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１１．Ｂ】第１のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ5 点での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【図１１．Ｃ】第２のブラッグ光反射層における図３．ＡのＡ5 点での周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の固有モードの電界エネルギー密度のｘに関する分布を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
非特許文献１によれば、図６に示すような、３０ｎｍ厚の銀膜と５０ｎｍ厚のフッ化マグネシウム膜の多重層を、エッチングにより周期が８６０ｎｍの井桁形状に成形した多層フィッシュネット構造により、波長１４５０〜１４８０ｎｍの範囲において屈折率がほぼ０となるメタマテリアルが報告されている。メタマテリアルを用いることで、例えば近赤外光乃至可視光の、概略２００ｎｍの波長範囲の光に対し、１０-4オーダーの屈折率を有する中間層を実現できる。本願発明の中間層とする場合は、積層方向（厚さ方向）が光の導入及び射出方向となる。
【００１６】
本発明の中間層にメタマテリアルを用いる場合、高出力レーザー照射による非線形効果により、屈折率を変化させると良い。屈折率変化Δｎは、非線形屈折率ｎ2とレーザーの電場強度Ｉの積で表される。メタマテリアルとして金属と誘電体の多層膜を用いるのならば、非線形屈折率ｎ2は１０-9ｃｍ2／Ｗ程度であるので、１０-4オーダーの屈折率の変化量を実現するには強度が０．３ＭＷ／ｃｍ2程度のレーザーを用いれば良い。
【００１７】
非特許文献２には、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子（酸化チタンコバルトと酸化チタン鉄の交互積層構造）におけるファラデー効果が報告されている。１００００Ｏｅの外部磁場により、波長８００ｎｍの直線偏光が１．８×１０5ｄｅｇ／ｃｍで回転することが報告されている。本発明の実施のためには、左回り及び右回りの円偏光の、一方の屈折率がほとんど０となることが必要である。これが満たされるための条件について考察する。左回り及び右回りの円偏光の屈折率は、それぞれ、（ε＋ｇ）1/2 、（ε−ｇ）1/2 で表される。ここでεは磁場を印加しない状態での直線偏光を透過させる材料の比誘電率、ｇはこの材料の磁場に比例する比誘電率の変化量である。ファラデー効果の回転角の大きさを、直線偏光を透過させる材料の単位厚さ（単位光路長）当たりの角度θで表すと、次の式（１）となる。但しλは光の波長である。
【数１】
【００１８】
磁場を印加しない状態でのチタニアの屈折率を２．３とする。比誘電率εを屈折率２．３の二乗、波長λを８００ｎｍとすれば、磁場の印加によりε＝ｇとなって、左回り及び右回りの円偏光のうちの一方の円偏光に対する屈折率が（ε−ｇ）1/2 ＝０とすることができる。ε＝ｇが実現される場合のファラデー効果による直線偏光の単位長当たりの回転角θは、次の式（２）で与えられる。尚、πを１８０ｄｅｇとして換算した。
【数２】
【００１９】
この単位厚さ当たりの角度θの値は、非特許文献２に記載された磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子の値の４０倍である。ここで、非特許文献３に、酸化チタンコバルトにニオブを６％添加することでθを１４倍に増大させることができることが記載されており、非特許文献４に、酸化チタンコバルトのコバルト濃度を２倍にすることでθを４．２倍に増大させることができることが記載されている。これらから、ニオブ及び／又はコバルトの添加量を最適にすることで、ε＝ｇを満たすθ＝７．３×１０6ｄｅｇ／ｃｍは、実現できる。このファラデー回転角が実現された状態においては、一方の円偏光に対する屈折率（ε−ｇ）1/2 が１０-5以上１０-3以下の微小値となる。この場合には、誘電率がこの値の範囲となる回転方向の円偏光が入射光として用いられる。
【００２０】
本発明の中間層に磁場を印加して、一方向の円偏光に対する中間層の屈折率（ε−ｇ）1/2 を１０-4オーダーに設定したのちに、その中間層の屈折率を変化させる方法としては、レーザを照射させる方法がある。レーザの出力を高速度で変化させることで、円偏光屈折（ε−ｇ）1/2 を、高速度で変化させることができる。チタニアを基本とする中間層の非線形屈折率ｎ2は４×１０-14ｃｍ2／Ｗ程度であるので、１０-4オーダーの屈折率の変化量を実現するには強度が７ＧＷ／ｃｍ2程度のレーザーを用いれば良い。
【実施例１】
【００２１】
図１は、波長変換装置１００の構成の概略を示した断面図である。本発明の波長変換装置１００は、第１のブラッグ光反射層１０（第１の層）、中間層３０、第２のブラッグ光反射層２０（第２の層）を有する。波長変換装置１００は中間層３０の屈折率を変化させる屈折率変化手段であるレーザ装置２００を更に有する。レーザ装置２００は、中間層３０に対して側面から入射させる。
【００２２】
第１のブラッグ光反射層１０は、膜厚１３２．８ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層を２１層（図１で層１１−１〜１１−２１）、膜厚８３．７ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層を２０層（図１で層１２−１〜１２−２０）、交互に積層したものである。第１のブラッグ光反射層１０の総合厚さは、４４６２．８ｎｍである。図５に示すように、第１のブラッグ光反射層１０は、第１周波数ｆ1 （３３０ＴＨｚ、真空波長９０９ｎｍ）より大きく、その第１周波数ｆ1 よりも大きい第２周波数ｆ2 （４５０ＴＨｚ、真空波長６６７ｎｍ）より小さい範囲の周波数の光に対して、フォトニックバンドギャップを構成する。第１のブラッグ光反射層１０のフォトニックバッドギャップをシミュレーションにより求めた結果を、図７の破線で示す。
【００２３】
第２のブラッグ光反射層２０は、膜厚１３７．９ｎｍ、屈折率１．４５のシリカから成る層を２１層（図１で層２１−１〜２１−２１）、膜厚８７．０ｎｍ、屈折率２．３のチタニアから成る層を２０層（図１で層２２−１〜２２−２０）、交互に積層したものである。第２のブラッグ光反射層２０の総合厚さは、４６３５．９ｎｍである。
第２のブラッグ光反射層２０は、図５に示すように、第３周波数ｆ3 （３１８ＴＨｚ、真空波長９４３ｎｍ）より大きく、その第３周波数ｆ3 よりも大きい第４周波数ｆ4 （４３２ＴＨｚ、真空波長６９４ｎｍ）よりも小さい範囲の周波数の光に対して、フォトニックバンドギャップを構成する。ただし、第３周波数ｆ3 は、第１周波数ｆ1 よりも小さく、第４周波数ｆ4 は第２周波数ｆ2 よりも小さい。第２のブラッグ光反射層２０のフォトニックバッドギャップをシミュレーションにより求めた結果を、図７の実線で示す。
【００２４】
中間層３０の厚さｄは３．７５ｍｍとした。中間層３０の具体的な材料については上述したメタマテリアルを最適設計して用いても良く、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子を用いても良い。
磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子を用いる場合は、円偏光屈折率を、１０-5以上１０-3以下の範囲にするために、外部磁場を印加する必要が或る。その磁場の方向は、積層構造体である波長変換装置１００の積層方向であって、図１で示した導入光及び射出光と平行である。
中間層３０の屈折率の変化手段は、中間層３０に対し、例えば図１で示した入力光及び出力光と垂直方向に高出力レーザを照射すると良い。
【００２５】
上記の装置で、中間層３０の初期屈折率を３．６４×１０-4とし、１ナノ秒で０．９２×１０-4に変化させることとした。屈折率の変化量Δｎは２．７２×１０-4である。こうして、第１のブラッグ光反射層１０に、第１周波数ｆ1 に等しい、真空中の波長９０９ｎｍの赤外光（第５周波数ｆ5 （３３０ＴＨｚ）に相当する波長の入力光）を導入し、第２のブラッグ光反射層２０から射出される光（第６周波数ｆ6 の出力光）のスペクトルをシミュレーションにより求めた。シミュレーションにおいては、光の伝搬方向にｘ軸をとる。また、電場の向きをｙ軸方向、磁場の向きをｚ軸方向とし、ｘ軸方向に約１０ｎｍ幅で要素分割を行い、時刻ｔ＝０で全領域でＥ＝０とおいて、次の式（３）を差分法により離散化して逐次的に電界Ｅを計算した。尚、波長変換装置１００の外側は屈折率１とした。このようにして、真空中波長９０９ｎｍの電磁波（第３周波数ｆ3 よりも大きく第１周波数ｆ1 以下の範囲に存在する第５周波数ｆ5 （３３０ＴＨｚ）に相当する波長の入力光）を第１のブラッグ光反射層１０の表面（シリカから成る層１１−１の表面）から入射させて、中間層３０の屈折率を変化させながら、第１のブラッグ光反射層１０、中間層３０、第２のブラッグ光反射層２０の内部における電磁界分布を求めた。
【数３】
【００２６】
図２は、真空中波長９０９ｎｍの第５周波数の光を第１のブラッグ光反射層１０から入射させて、中間層３０の屈折率を初期屈折率３．６４×１０-4から０．９２×１０-4まで変化させた場合における、中間層３０の屈折率が０．９２×１０-4の時の射出光の電界強度である。図２より、真空中の波長６９０ｎｍの可視光領域（第４周波数ｆ4 以上で第２周波数ｆ2 より小さい範囲に存在する第６周波数ｆ6 （４３５ＴＨｚ）に対応する波長の出力光）にピークを有する光が、第２のブラッグ光反射層２０から射出されていることがわかる。尚、波長６９０ｎｍの射出光量は、入力光の０．１％であった。
【００２７】
更に、屈折率の変化速度を一定ではなく、次のように変更した場合について、シミュレーションを行った。初期屈折率３．６４×１０-4から３．６３５×１０-4まで（屈折率の変化量０．００５×１０-4は屈折率の全変化量Δｎである２．７２×１０-4の０．２％）を０．１５ナノ秒で、更に３．６３５×１０-4から０．９２×１０-4まで（屈折率の変化量２．７１５×１０-4は全変化量Δｎである２．７２×１０-4の９９．８％）を０．１５ナノ秒で変化させた場合、同様に波長６９０ｎｍにピークを有する光が射出され、波長６９０ｎｍの射出光量は、導入光の５％に向上した。すなわち、屈折率の変化速度を一定にする場合に比べて、後半の１／２の期間における屈折率の変化速度を、前半の１／２の期間における屈折率の変化速度の５００倍に変更した場合には、出力光の強度は、５０倍に向上することが分かった。
【００２８】
中間層３０は、第１のブラッグ光反射層１０と、第２のブラッグ光反射層２０における周期性や、屈折率が異なることから、この３つの層からなる波長変換装置１００の全体におけるフォトニックバンドギャップ中に、急峻な固有モード（バックグランドの減衰レベルに対して、減衰が小さくなる透過性を有する周波数。ただし、利用できる透過光が得られる程、大きな透過率ではない）が存在する。この固有モードは、中間層３０の屈折率を変化させても、周波数が変化しないモードと、中間層３０の屈折率を変化させることで、周波数が変化する固有モードとが存在する。これらの固有モードの周波数の光は、中間層３０において閉じ込められていると考えられる。これらの固有モードの周波数と、中間層３０の屈折率との関係を示したのが、図３の特性である。すなわち、図３は、３層構造の波長変換装置１００の中間層３０に存在し得る電磁波の周波数と屈折率との関係を示している。
【００２９】
中間層３０の厚さｄを３．７５ｍｍとし、中間層３０の屈折率ｎを０〜４．０×１０-4の範囲で変化させた場合の波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップに形成される固有モードの周波数ｆと屈折率ｎの関係を解析した。
【００３０】
図８は、波長変換装置１００における電磁波の透過率の周波数特性を示す。図３．ＡのＡ0 点（屈折率３．６４×１０-4）における波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップ中の固有モードを、図８．Ａの（ａ）に示す。なお、周波数３３０ＴＨｚの固有モードをより明確に明示するために、屈折率を３．６３×１０-4と、Ａ0 点の屈折率よりは、０．０１×１０-4の微小量だけ小さい点の特性を（ｂ）として示す。周波数３３０ＴＨｚ、３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの３箇所に固有モードが生起されていることが理解される。図３．ＡのＡ3 点付近（屈折率１．８０×１０-4）における波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップ中の固有モードを、図８．Ｂに示す。周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２箇所に固有モードが生起されていることが理解される。図３．ＡのＡ5 点（屈折率０．９２×１０-4）における波長変換装置１００のフォトニックバンドギャップ中の固有モードを、図８．Ｃの（ａ）に示す。なお、周波数４３５ＴＨｚの固有モードをより明確に明示するために、屈折率を０．９３×１０-4と、Ａ5 点の屈折率よりは、０．０１×１０-4の微小量だけ大きい点の特性を（ｂ）として示す。周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３箇所に固有モードが生起されていることが理解される。
【００３１】
また、図３．ＡのＡ0 点における波長変換装置１００の内部における周波数３３０ＴＨｚの電磁波の電界エネルギー分布を図９に示す。第１のブラッグ光反射層１０、 第２のブラッグ光反射層２０の厚さは、４．４６２８μｍ、４．６３５９μｍと、中間層３０の厚さ３．７５ｍｍに比べて、１／８００程度に薄いために、第１のブラッグ光反射層１０、 第２のブラッグ光反射層２０での電界エネルギー分布は、中間層３０における電界エネルギー分布に関して、ｘ軸のスケールを拡大している。図９．Ａが中間層３０内における電界エネルギー分布、図９．Ｂが第１のブラッグ光反射層１０内における電界エネルギー分布、図９．Ｃが第２のブラッグ光反射層２０内における電界エネルギー分布である。中間層３０において、３次の共振が発生していることが分かる。これは、３３０ＴＨｚの入射光の中間層３０における媒質内波長２．５ｍｍの１．５波長に相当する。図９の比較から、第１のブラッグ光反射層１０内において、３３０ＴＨｚの入射光は、多重反射による電界エネルギー分布を示して透過モードとなり、中間層３０では最大エネルギーが、第１のブラッグ光反射層１０内における最大エネルギーの１００倍程度を示し共振モードとなり、第２のブラッグ反射層２０内では、多重反射による遮断モードとなっていることが理解される。なお、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚのモードは、励振されていないので、現れていない。
【００３２】
この状態を波長変換装置１００内に生起させた状態で、中間層３０の屈折率を、図３．ＡのＡ0 点の屈折率３．６４×１０-4からＡ3 点の屈折率１．８０×１０-4まで低下させる。そして、Ａ3 点における波長変換装置１００内における電界エネルギー分布を図１０に示す。図１０．Ａが中間層３０内における電界エネルギー分布、図１０．Ｂが第１のブラッグ光反射層１０内における電界エネルギー分布、図１０．Ｃが第２のブラッグ光反射層２０内における電界エネルギー分布である。中間層３０において、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚの２本の共振モードが増強されていることが分かる。この時、両モード共に、第１のブラッグ光反射層１０及び第２のブラッグ光反射層２０内においては、多重反射による遮断モード、中間層３０においては、共振エネルギーが閉じ込められた状態であることが理解される。
【００３３】
この状態から、中間層３０の屈折率を、図３．ＡのＡ3 点の屈折率１．８０×１０-4からＡ5 点の屈折率０．９２×１０-4まで低下させる。そして、Ａ5 点における波長変換装置１００内における電界エネルギー分布を図１１に示す。図１１．Ａが中間層３０内における電界エネルギー分布、図１１．Ｂが第１のブラッグ光反射層１０内における電界エネルギー分布、図１１．Ｃが第２のブラッグ光反射層２０内における電界エネルギー分布である。中間層３０において、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、４３５ＴＨｚの３本の共振モードが増強されていることが分かる。この時、周波数３７５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚのモードは、第１のブラッグ光反射層１０及び第２のブラッグ光反射層２０内においては、多重反射による遮断モードとなり、周波数４３５ＴＨｚのモードに関しては、第１のブラッグ光反射層１０内においては、遮断モード、第２のブラッグ光反射層２０内においては、多重反射による透過モードとなっていることが理解される。また、中間層３０内においては、４３５ＴＨｚの共振モードは、媒体内波長の１／２による共振モードとなっている。そして、４３５ＴＨｚの共振モードのエネルギー密度は、３８９ＴＨｚのモードと比べて、５×１０3 倍、３７５ＴＨｚのモードと比べて、２×１０4 倍となっていることが理解される。
【００３４】
図３．Ａ及び図３．Ｂのデータの意味するところは次の通りである。即ち、中間層３０の厚さｄを３．７５ｍｍとし、中間層３０の屈折率ｎを０から４×１０-4まで２．５×１０-7の間隔で変化させて、中間層３０内部に所定の電界エネルギー密度以上で存在し得る光の周波数と、中間層３０の屈折率との関係をプロットしたものが図３．Ａであり、その一部拡大図が図３．Ｂである。例えば、図で点Ａ0は中間層３０の屈折率が３．６４×１０-4の時に周波数３３０ＴＨｚの光が中間層３０内部で所定の強度以上で存在し得ることを示す。
【００３５】
図３．Ａによると、中間層３０の屈折率が０から４×１０-4まで、変化しても、周波数３７５ＴＨｚと３８９ＴＨｚのモードの光は所定の強度以上存在し得ることがわかる。すなわち、中間層３０の屈折率が変化しても、フォトニックバンドギャップ中に存在する周波数３７５ＴＨｚと３８９ＴＨｚの固有モードの周波数は変化しないことが理解される。
【００３６】
しかし、詳しく調べると、図３．Ｂに示す通り、周波数３７５ＴＨｚと３８９ＴＨｚの光は、全屈折率の範囲で常に存在し得るわけではなく、点Ａ4と点Ｂ3付近、点Ｂ2と点Ｃ1付近では不連続となっていることがわかる。これは例えば、点Ａ3付近の周波数３８９ＴＨｚの光は、中間層３０の屈折率が減少して１．０３×１０-4を下回る点Ａ4に至ると、周波数３８９ＴＨｚの光は、存在し得なくなり、屈折率が、さらに低下すると、周波数が上昇し、点Ａ5に向うことが予測されるものである。
【００３７】
次に、このような、中間層３０の屈折率に対する光の周波数特性が得られている場合に、入射光の周波数変換ができる理由について説明する。周波数３３０ＴＨｚの連続光を、第１のブラッグ光反射層１０から、常時、入射させる。中間層３０の屈折率の初期値を４×１０-4とする。この状態では、周波数３３０ＴＨｚは第１のブラッグ光反射層１０のフォトニックバンドギャップの下端周波数であるので、周波数３３０ＴＨｚの光は、第１のブラッグ光反射層１０と中間層３０に存在する。そして、中間層３０の屈折率を、初期値から減少させる。屈折率が、３．６４×１０-4に達した時、図９．Ａに示すように、中間層３０において、周波数３３０ＴＨｚの光の媒質内波長の３／２が中間層３０の厚さに等しくなり、３次の強い共振モードが生起される。このモード状態が、図３．ＡにおけるＡ0 点で表される。
【００３８】
次に、中間層３０の屈折率がＡ0 点の３．６４×１０-4からＡ1 点の３．１７×１０-4に減少する間における、中間層３０の電界エネルギー分布は、図９．Ａの状態を維持する。すなわち、中間層３０における媒質内波長が、中間層３０の厚さの２／３に保持された状態が継続する。これは、第１のブラッグ光反射層１０と第２のブラッグ光反射層２０の周期構造により、中間層３０と第１のブラッグ光反射層１０との界面、中間層３０と第２のブラッグ光反射層２０との界面における電磁波の位相が、固定されるためと思われる。この結果、中間層３０におけるその共振モードの周波数は、その時の屈折率のＡ0 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、周波数が上昇し、Ａ1 点の共振モードでは、周波数は３７５ＴＨｚとなる。次に、中間層３０の屈折率が、Ａ1 点の３．１７×１０-4から、Ａ2 点の２．１３×１０-4まで減少する間は、中間層３０の電界エネルギー分布は、図９．Ａで示された媒質内波長が中間層の厚さの２／３の３次のモードから、媒質内波長が中間層の厚さに等しくなる２次のモードにモード変換が行われる。すなわち、屈折率が変化するこの間は、その時の屈折率のＡ1 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、媒体内波長が長くなる。したがって、３次の共振モードは、Ａ2 点においては、屈折率２．１３×１０-4、媒体内波長３．７５ｍｍ、周波数３７５ＴＨｚの２次の共振モードに変化する。
【００３９】
次に、屈折率がＡ2 点の２．１３×１０-4から、Ａ3 点の２．０５×１０-4まで低下する間は、２次の共振モードが保持され、媒体内波長が３．７５ｍｍに維持される。その時の屈折率のＡ2 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、共振モードの周波数が上昇する。屈折率がＡ3 点の２．０５×１０-4となると、２次の共振モードの周波数は、３８９ＴＨｚとなる。周波数３７５ＴＨｚのモードは、Ｂ0 点より生じた光のモードである。
【００４０】
屈折率がＡ3 点の２．０５×１０-4からＡ4 点の１．０３×１０-4まで低下する間では、中間層３０の電界エネルギー分布は、媒質内波長が中間層の厚さに等しい２次のモードから、媒質内波長が中間層の厚さの２倍に等しくなる１次のモードにモード変換が行われる。すなわち、この間では、その時の屈折率のＡ3 点での屈折率に対する比の逆数に比例して、中間層３０における媒体内波長が長くなる。したがって、２次の共振モードは、Ａ4 点においては、屈折率１．０３×１０-4、媒体内波長７．５ｍｍ、周波数３８９ＴＨｚの１次の共振モードに変換される。屈折率がＡ3 点からＡ4 点に変化する間は、図１０．Ａに示されるようなモードとなっている。図１０．Ａは、周波数３８９ＴＨｚの共振モードの媒体内波長が、徐々に増大する途中の状態を示している。
【００４１】
次に、屈折率がＡ4 点の１．０３×１０-4からＡ5 点の０．９２×１０-4まで、減少する間は、１次の共振モードが保持され、媒体内波長７．５ｍｍが維持される。この結果、その時の屈折率のＡ4 点における屈折率に対する比の逆数に比例して、共振モードの周波数が上昇する。屈折率がＡ5 点の０．９２×１０-4となると、共振モードの周波数は４３５ＴＨｚとなる。中間層３０の電界エネルギー分布は、図１１．Ａに示すものとなり、周波数３８９ＴＨｚ、及び３７５ＴＨｚのモードは、このモードに比べて、非常に小さい。
【００４２】
周波数４３５ＴＨｚの１次の共振モードは、第２のブラッグ光反射層２０においては、パスバンドに当たり、透過モードであるので、第２のブラッグ光反射層２０から周波数４３５ＴＨｚの光が出力されることになる。
【００４３】
このシミュレーションにおいて、中間層３０が屈折率０．９２×１０-4の時に存在しうる光の周波数４３５ＴＨｚ、３８９ＴＨｚ、３７５ＴＨｚでの電界エネルギー密度の最大値は９×１０12、１．８×１０9、４．０×１０8となり、周波数４３５ＴＨｚのモードが支配的となることが理解される。
このようにして、中間層３０の屈折率を、周期的に、大きい値から小さい値に変化させる毎に、その周期に同期した周期のパルス光が第２のブラッグ光反射層２０から出力されることになる。また、屈折率をＡ0 点からＡ5 点に低下させる時間は、中間層３０において、閉じ込めれた光の減衰定数より、短い時間とする必要がある。
【実施例２】
【００４４】
図４は、中間層３０に回転角の大きなファラデー効果を有する材料を用いる場合の永久磁石の配置方法の一例である。ｙ軸方向に伸びた長方形の複数個のネオジム磁石５０とｙ軸方向に伸びた長方形の複数個の単位波長変換装置１００ｕをｚ軸方向に交互に周期的に配置する。単位波長変換装置１００ｕは実施例１における波長変換装置１００と、中間層３０の構成を除き、同一構成である。この実施例では、中間層３０はファラデー効果の大きい材料、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子を用いることができる。この中間層に磁場を印加して、 屈折率（ε−ｇ）1/2 を１０-5以上１０-3以下とする。屈折率のこの範囲の値を初期値として、実施例１と同様な範囲で、屈折率を変化させるために、レーザ光は、単位波長変換装置１００ｕの側面から、ｙ軸に平行に単位波長変換装置１００ｕの中間層３０を通過するように導入される。各ネオジム磁石５０の磁極の向きは、波長変換される光の導入方向及び変換後の射出方向（ｘ軸方向）に平行とし、全て同じ向きである。各ネオジム磁石５０の占有面積の分だけ、全体として透過光量は１／２に低下するが、単位波長変換装置１００ｕの全数により、全体として、波長変換が行われるので、十分な出力光を得ることができる。
【００４５】
図４において、中間層に磁場を印加するには、永久磁石に替えて電磁石を用いることも可能である。この場合には、中間層３０には、磁性半導体チタニアナノシートの人工超格子から成る一枚の長方形状の板を用いる。そして、実施例１の図１に示す構成と同様に、中間層３０の光入射側に、第１のブラッグ光反射層１０が設けられ、中間層３０の光出射側に、第２のブラッグ光反射層２０が設けられている。この中間層３０に磁場を印加するには、光の入射面、出射面から見て、図４．Ａのｙ軸方向に伸びた長方形の複数個の領域に磁界がｘ軸方向に形成されるように、第１のブラッグ光反射層１０の光入射面と、第２のブラッグ光反射層２０の光出射面に、第１の電磁石と第２の電磁石が配置される。第１の電磁石及び第２の電磁石は、入射光の進行方向（ｘ軸正方向）に向かって、同一極である、例えば、Ｎ極が配置される。その結果、中間層３０では、第１の電磁石のＮ極から第２の電磁石のＳ極へ向かう磁束がｘ軸に平行に形成される。電磁石は、図４．Ａに示すようなｙ軸方向に長辺、ｚ軸方向に短辺を有した短冊状の鉄心を有した電磁石に形成している。しかし、図４．Ａに示すような短冊領域を、ｙ軸方向に沿って正方形の領域に等分割して、それぞれの正方形領域に、個別的に円柱鉄心や正方角柱鉄心を有した電磁石を配置するようにしてもよい。
【００４６】
［変形例］
上記の実施例１、２では、図５に示すように、第１のブラッグ光反射層１０から第５周波数ｆ5 の入力光を入力させて、第２のブラッグ光反射層２０から、第５周波数ｆ5 よりも高い第６周波数ｆ6 の出力光を出力するようにしたものである。すなわち、長波長の光を短波長の光に変換する装置である。これとは逆に、図５において、第２のブラッグ光反射層２０から第６周波数ｆ6 の入力光を入力させて、第１のブラッグ光反射層１０から、第６周波数ｆ6 よりも低い第５周波数ｆ5 の出力光を出力させることも可能である。すなわち、入力光を長波長の光に変換することができる。この場合には、中間層３０の屈折率ｎは、図３の特性図から明らかなように、屈折率を０．９２×１０-4から３．６×１０-4に増大させることが必要である。周波数を低くする周波数変換は、屈折率を増加させることで、上記した図３．ＡのＡ5 点の状態から、Ａ4 、Ａ3 、Ａ2 、Ａ1 、Ａ0 に至る経路で、中間層３０におけるモードの変換が実行されることからも、明らかである。
【００４７】
屈折率は、正弦関数や、鋸歯状波などの周期関数により、繰り返して変化させる。光の周波数を向上させる装置では、中間層の屈折率が減少する過程において、高周波数への変換が実行される。光の周波数を低下させる装置では、屈折率が増加する過程において、低周波数への変換が実行される。このようにして、連続光を入射させることで、その連続光よりも周波数の高い、又は、低いパルス光を、中間層３０の屈折率の変動周期で出力することができる。
【００４８】
入力光と出力光の周波数の関係は、第１のブラッグ光反射層と第２のブラッグ光反射層とによって形成されるフォトニックバンドギャップ、中間層の屈折率、屈折率の変動幅、中間層の厚さを最適に設計することにより、任意に実現することができる。周波数変換に関しては、図３に示すように、波長変換装置１００において、中間層の屈折率と、固有モードの周波数との関係を求めることで、容易に、設計することができる。
したがって、本発明の入力光と出力光の周波数範囲は任意であり、赤外領域の光を可視光領域の光に変換したり、紫外光領域の光を可視光領域の光に変換することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の波長変換装置は暗視装置に適用可能である。この他、光信号の変調器に適用することもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１００：波長変換装置
１００ｕ：単位波長変換膜
１０：第１のブラッグ光反射層
２０：第２のブラッグ光反射層
３０：中間層
５０：ネオジム磁石
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数を下端とし、第１周波数よりも大きい第２周波数を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第１の層と、
前記第１周波数よりも小さい第３周波数を下端とし、第３周波数よりも大きく前記第２周波数よりも小さい第４周波数を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた中間層と、
前記中間層の屈折率を変化させる屈折率変化手段とを有し、
前記中間層は１０-5以上１０-3以下の屈折率を有し、
前記第１周波数以下で前記３周波数よりも大きい第５周波数の入力光を前記第１の層に導入し、前記中間層の屈折率を変化させることで、前記第２の層から前記第２周波数よりも小さく前記第４周波数以上の第６周波数の出力光を出力させ、又は、前記第２周波数よりも小さく前記第４周波数以上の第６周波数の入力光を前記第２の層に導入し、前記中間層の屈折率を変化させることで、前記第１の層から前記第１周波数以下で前記第３周波数よりも大きい第５周波数の出力光を出力させる
ことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記屈折率変化手段は、前記出力光の周波数を前記入力光の周波数よりも高くする場合には、前記中間層の屈折率を元の値の１／１０倍以上１／２倍以下の範囲内の値に減少させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記屈折率変化手段は、前記出力光の周波数を前記入力光の周波数よりも低くする場合には、前記中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記中間層は、メタマテリアルから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記中間層は回転角の大きなファラデー効果を有する材料から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下とするように、前記中間層に磁場を印加する磁場印加手段を有することを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記屈折率変化手段は前記中間層に高出力レーザを照射する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記第５周波数は赤外領域にあり、前記第６周波数は可視領域にあることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１】
第１周波数を下端とし、第１周波数よりも大きい第２周波数を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第１の層と、
前記第１周波数よりも小さい第３周波数を下端とし、第３周波数よりも大きく前記第２周波数よりも小さい第４周波数を上端とするフォトニックバンドギャップを有する第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた中間層と、
前記中間層の屈折率を変化させる屈折率変化手段とを有し、
前記中間層は１０-5以上１０-3以下の屈折率を有し、
前記第１周波数以下で前記３周波数よりも大きい第５周波数の入力光を前記第１の層に導入し、前記中間層の屈折率を変化させることで、前記第２の層から前記第２周波数よりも小さく前記第４周波数以上の第６周波数の出力光を出力させ、又は、前記第２周波数よりも小さく前記第４周波数以上の第６周波数の入力光を前記第２の層に導入し、前記中間層の屈折率を変化させることで、前記第１の層から前記第１周波数以下で前記第３周波数よりも大きい第５周波数の出力光を出力させる
ことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記屈折率変化手段は、前記出力光の周波数を前記入力光の周波数よりも高くする場合には、前記中間層の屈折率を元の値の１／１０倍以上１／２倍以下の範囲内の値に減少させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記屈折率変化手段は、前記出力光の周波数を前記入力光の周波数よりも低くする場合には、前記中間層の屈折率を元の値の２倍以上１０倍以下の範囲内の値に増加させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記中間層は、メタマテリアルから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記中間層は回転角の大きなファラデー効果を有する材料から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記中間層の屈折率を１０-5以上１０-3以下とするように、前記中間層に磁場を印加する磁場印加手段を有することを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記屈折率変化手段は前記中間層に高出力レーザを照射する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記第５周波数は赤外領域にあり、前記第６周波数は可視領域にあることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【図１】
【図２】
【図４．Ａ】
【図４．Ｂ】
【図５】
【図７】
【図８．Ａ】
【図８．Ｂ】
【図８．Ｃ】
【図９．Ａ】
【図９．Ｂ】
【図９．Ｃ】
【図１０．Ａ】
【図１０．Ｂ】
【図１０．Ｃ】
【図１１．Ａ】
【図１１．Ｂ】
【図１１．Ｃ】
【図３．Ａ】
【図３．Ｂ】
【図６】
【図２】
【図４．Ａ】
【図４．Ｂ】
【図５】
【図７】
【図８．Ａ】
【図８．Ｂ】
【図８．Ｃ】
【図９．Ａ】
【図９．Ｂ】
【図９．Ｃ】
【図１０．Ａ】
【図１０．Ｂ】
【図１０．Ｃ】
【図１１．Ａ】
【図１１．Ｂ】
【図１１．Ｃ】
【図３．Ａ】
【図３．Ｂ】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１２８４７２（Ｐ２０１１−１２８４７２Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８８５３１（Ｐ２００９−２８８５３１）
【出願日】平成２１年１２月１９日（２００９．１２．１９）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１９日（２００９．１２．１９）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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