(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チェレンコフ型位相整合によりテラヘルツ波を検出するためのテラヘルツ波検出素子であって、
電気光学結晶を含み、光を伝搬する導波路と、
前記導波路に前記テラヘルツ波を入力する結合部材と、を備え、
前記電気光学結晶の厚さは、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記電気光学結晶における等価波長の半分以下であり、
前記導波路を伝搬する前記光の伝搬状態は、前記結合部材を介して前記導波路に前記テラヘルツ波が入射することで変化する
ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
【請求項２】
前記導波路は、前記電気光学結晶を含み前記光が伝搬するコア層と、クラッド層と、を有し、
前記クラッド層は、前記結合部材と前記コア層との間に配置されており、
前記クラッド層の厚さｄは、前記光の前記コア層における光強度の１／ｅ２（ｅは自然対数の底）になる厚みをａ、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記クラッド層における等価波長を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に記載のテラヘルツ波検出素子。
【請求項３】
前記電気光学結晶に対する前記光の実効的な群屈折率をｎｇ、前記電気光学結晶に対する前記テラヘルツ波の実効的な屈折率をｎＴＨｚとしたときに、前記光と前記テラヘルツ波のなす角度θｃは、
ｃｏｓθｃ＝ｎｇ／ｎＴＨｚ
を満たす
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検出素子。
【請求項４】
前記結合部材は、前記テラヘルツ波を線状に集光する円錐面を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波検出素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出素子と、
前記テラヘルツ波検出素子の導波路を伝搬した光を検出する検出手段と、備える
ことを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
【請求項６】
前記検出手段は、前記光の偏光状態を検出する
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項７】
前記電気光学結晶は、Ｙカットのニオブ酸リチウムを含み、
前記導波路の前記光の伝搬方向をＸ軸、前記伝搬方向と垂直な方向をＺ軸とした場合に、前記導波路に入射する前記光は、電界のＹ軸成分とＺ軸成分とを含む偏光であり、
前記検出手段は、前記導波路を伝搬した前記光を互いに偏光方向の異なる直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記直線偏光の夫々を検出する光検出器と、を有する
ことを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項８】
前記偏光分離素子および前記光検出器は、前記導波路と同一基板上に形成されており、前記偏光分離素子と前記光検出器とは、導波路で結合されている
ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項９】
前記検出手段は、前記光の位相状態を検出する
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１０】
前記検出手段は、被検光路と参照光路とを持つマッハツェンダ干渉計を有し、
前記被検光路は、前記テラヘルツ波素子の導波路を含む
ことを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１１】
パルス光を受け二つの分岐光に分岐する分岐部と、前記分岐部から前記二つの分岐光のそれぞれを受けて伝搬する二つの伝搬部と、を有する導波路と、
前記二つの伝搬部の一方の伝搬部にテラヘルツ波を入力する結合部材と、
前記二つの伝搬部を伝搬した前記二つの分岐光の位相差を検出する検出部と、を備え、
前記テラヘルツ波が入力される前記一方の伝搬部は、電気光学結晶を含む
ことを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
【請求項１２】
チェレンコフ型位相整合により前記テラヘルツ波を検出する
ことを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１３】
第１の電気光学結晶を含み第１の光を伝搬する第１の導波路と、
第２の電気光学結晶を含み第２の光を伝搬する第２の導波路と、
前記第１の導波路を前記第１の光が伝播することで前記第１の電気光学結晶から発生するテラヘルツ波を空間に取り出す第１の結合部材と、
前記空間から前記第２の導波路にテラヘルツ波を入力する第２の結合部材と、を備え、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、同一基板上に配置されており、
前記電気光学結晶の厚さは、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記電気光学結晶における等価波長の半分以下であり、
前記第２の電気光学結晶を伝搬する前記第２の光の伝搬状態は、前記第２の結合部材を介して前記第２の導波路に前記テラヘルツ波が入射することで変化する
ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
【請求項１４】
サンプルからのテラヘルツ波を測定するテラヘルツ時間領域分光システムであって、
テラヘルツ波を発生する発生器と、
前記サンプルからのテラヘルツ波を検出する請求項５乃至１２のいずれか一項に記載のテラヘルツ波検出装置と、を備える
ことを特徴とするテラヘルツ時間領域分光システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のテラヘルツ時間領域分光システムを備える
ことを特徴とするトモグラフィ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波素子、テラヘルツ波検出装置、テラヘルツ時間領域分光システム及びトモグラフィ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周波数が３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波（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。
【０００３】
テラヘルツ波の検出方法としては、非線形光学結晶を用いる方法が広く用いられている。非線形光学結晶の代表的なものとしてＬｉＮｂＯｘ（ニオブ酸リチウム、以後ＬＮ）、ＬｉＴａＯｘ、ＮｂＴａＯｘ、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅなどがある。この非線形結晶を用いたテラヘルツ波の検出には、１次電気光学効果であるポッケルス効果（２次の非線形現象の１つ）を用いる。すなわち、プローブ光として光をテラヘルツ波と同一箇所に照射すると、テラヘルツ波の電界に応じてプローブ光の偏光状態が変わるので、その変化量を偏光素子および光検出器で検出する（特許文献１）。このような非線形結晶を用いた素子の場合、対応できるプローブ光の波長帯域は広く、０．８μｍ帯のほか、１μｍ以上のいわゆる通信波長帯も可能であり、ファイバレーザ等の安価な光源を利用できるという利点もある。
【０００４】
特許文献１では、いわゆる縦形動作というものでプローブ光の偏光を変化させる。結晶の厚さは相互作用長に相当するので、位相整合すれば厚いほど感度が向上する。しかし、広帯域でテラヘルツ波との位相整合をとるためには結晶を薄くする必要があり、感度と周波数帯域にはトレードオフの関係にある。そこで、相互作用長を長くして感度を向上させるために、非線形結晶を横形動作させるものが提案されている（非特許文献１）。その際の位相整合としては、テラヘルツ波とプローブ光の非線形結晶中での分散を利用したチェレンコフ型位相整合による方式が検討されている。
【０００５】
なお、チェレンコフ型の位相整合方式によりテラヘルツ波を発生させることも提案されている（特許文献２、非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第０３３８８３１９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０４４８８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】平成２２年度  日本分光学会  年次講演会  Ｐ−４３（講演予稿集ｐ．１２８）
【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】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に記載されたチェレンコフ型位相整合では、使用している非線形結晶は厚さ０．５ｍｍのＬＮ結晶体であり、プローブ光として入射した光の伝搬状態は、導波路への結合のさせ方により大きく異なる。すなわちマルチモード伝搬になる場合が多く、入射光は複数の群速度をもつ光の集合体となるため、応答速度に問題がある。また、Ｓｉプリズムを介して結合されたテラヘルツ波がプローブ光に到達する時間が、ＬＮ結晶の厚み方向で差がある。たとえば、厚さ０．５ｍｍ、屈折率２．２のＬＮ結晶にテラヘルツ波が垂直入射すると仮定すれば、およそ４ｐｓの時間差が生じる。このため、位相整合できるテラヘルツ波の周波数には限界がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、高感度な横形動作の非線形光学結晶によるテラヘルツ波検出において、位相整合できる帯域を伸ばすことで、検出可能なテラヘルツ波の周波数帯域を広くすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としてのテラヘルツ波素子は、チェレンコフ型位相整合によりテラヘルツ波を検出するためのテラヘルツ波検出素子であって、電気光学結晶を含み、光を伝搬する導波路と、前記導波路に前記テラヘルツ波を入力する結合部材と、を備え、前記電気光学結晶の厚さは、前記テラヘルツ波の最大周波数に相当する波長の前記電気光学結晶における等価波長の半分以下であり、前記導波路を伝搬する前記光の伝搬状態は、前記結合部材を介して前記導波路に前記テラヘルツ波が入射することで変化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
高感度、広帯域のテラヘルツ波を検出させる検出素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による実施形態１のテラヘルツ波素子の構造図
【図２】本発明による実施形態１のトモグラフィ装置の構成図
【図３】チェレンコフ型位相整合を説明する図
【図４】本発明による実施形態１のテラヘルツ波形の例
【図５】本発明による実施形態２のテラヘルツ波素子の構造図
【図６】本発明による実施形態３のテラヘルツ波素子の構造図
【図７】本発明による実施形態４のテラヘルツ波素子の構造図
【図８】本発明による実施形態５のテラヘルツ波素子の構造図
【図９】本発明による実施形態５のトモグラフィ装置の構成図
【図１０】本発明による実施形態６のテラヘルツ波素子の構造図
【図１１】本発明による実施形態６の他のテラヘルツ波素子の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
本発明による第１の実施形態であるＬＮ結晶より成るテラヘルツ波素子について図１を用いて説明する。（ａ）は斜視図、（ｂ）は導波路部におけるＡ−Ａ’断面図を表す。
【００１４】
ＬＮ基板１はＹカットのニオブ酸リチウムであり、レーザ光の伝搬方向をＬＮ結晶のＸ軸、伝搬と直交する方向をＺ軸としている（図示した座標軸参照）。そのような構成にすることによって、図の１２のようにＳ偏波（本実施形態ではＬＮ結晶のＺ軸に平行な直線偏波）で入射したテラヘルツ波による１次電気光学効果（ポッケルス効果）で効果的に屈折率変化が起こるようになっている。ＬＮ基板上には接着剤２、ＭｇＯドープＬＮ結晶層から成る導波層４、低屈折率バッファ層５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。すなわち、接着剤２と低屈折率バッファ層５は導波層４よりも屈折率を低くしており、導波層４はレーザ光に対してコアとなるコア層であり、接着剤２とバッファ層５はレーザ光に対してクラッドとなるクラッド層である。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はない。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導波路として機能する。導波路は、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４を形成して、樹脂等で周囲３を埋め込む方法などにより形成することができる。周囲には何も埋め込まずに空気の状態でも構わない。なお、光の閉じ込めを強くするために導波層４のように横方向にも導波構造を形成したが、導波層４の領域が横に均一に広がり、周囲３のような閉じ込め領域のないスラブ導波路でもよい。あるいは、複数の導波層４を横方向に並列に配して、光の導波モードを制御しつつテラヘルツ波の受光領域を増大させるようにしてもよい。低屈折率バッファ層５の上には、検出するテラヘルツ波を外部から結合させるプリズム、回折格子、フォトニック結晶等の光結合部材７が、少なくとも導波路上に備えられている。なお、バッファ層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、かつ光結合部材７でテラヘルツ波が入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、高屈折率層である導波層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との界面でコア領域の光強度の１／ｅ２以下になる様な厚さ以上であることが望ましい。ただし、ｅは自然対数の底である。また後者については、入射す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みなされるからである。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素子でのテラヘルツ波検出は可能である。
【００１５】
ここで、チェレンコフ型の位相整合について図２を用いて説明する。これは、非線形光学結晶からテラヘルツ波を発生する、電気光学的チェレンコフ放射を考えれば理解しやすい。図２において、励起源であるレーザ光１００の伝搬速度が、発生するテラヘルツ波の伝播速度よりも速い場合に、衝撃波のようにテラヘルツ波１０１が円錐状に放出される。一般の電気光学結晶のバルク体の場合、その放射角θｃ（光とテラヘルツのなす角度θｃ）は、光とテラヘルツ波の媒質（非線形光学結晶）中の屈折率の比である次式（１）で決まる。
【００１６】
【数１】
0005943594.tif 000002
【００１７】
ただし、ｖｇ、ｎｇは非線形光学結晶に対する励起光の群速度、群屈折率、ｖＴＨｚ、ｎＴＨｚは非線形光学結晶に対するテラヘルツ波の位相速度、屈折率を表す。たとえば非特許文献２（特許文献２）には、発生するテラヘルツ波の波長よりも十分薄い厚さを持つスラブ導波路を用いて、チェレンコフ型の位相整合により差周波発生方式で広帯域な単色テラヘルツ波を発生させるという報告がある。ここで、ｎｇ、ｎＴＨｚは、光、テラヘルツ波の実効的な屈折率である。例えば、ｎｇは、導波路の光に対する群屈折率である。また、非特許文献２（特許文献２）のように近傍に光結合のためのプリズムがあれば、そのプリズムの屈折率も考慮した放射を考える必要があるため、ｎＴＨｚは、導波路と結合部材（プリズム）で決まる実効的なテラヘルツ波の屈折率である。導波路が薄ければプリズムの材料を選択することによりθｃを調整することもできる。
【００１８】
さて、この発生の逆過程を考えると、テラヘルツ波の波面が戻っていく際に、レーザ光１００のフロント１０２のポイントが、同様にレーザ源に戻りながら常にテラヘルツ波と相互作用するには、上記の式（１）と同じ関係を満たせばよいことがわかる。これがテラヘルツ波を検出する際のチェレンコフ型位相整合となる。その際、重要なことはたとえば１０２のポイントでテラヘルツ波とレーザ光が相互作用することである。したがって、レーザ光の伝搬領域がテラヘルツ波の波長程度に厚くなると（たとえば１００〜１００’の幅）、相互作用のポイントはその伝搬領域の上下（１０２と１０２’）の時間差から相互作用するテラヘルツ波の波面でぼけが生じることになる。ぼけが生じてしまうと、テラヘルツ波素子は、テラヘルツ波の高速な変化すなわち高周波に対する応答ができなくなる。その厚さの定量的な説明は後述する。
【００１９】
次に検出手段の検出メカニズムについて説明する。図１で示したように導波路４にＺ軸にからたとえば４５度傾けた直線偏光でレーザ光を入射させてＸ軸に沿って伝搬させると、テラヘルツ波が入射されない状態でもＬＮ結晶の複屈折性により偏光状態が変化する（自然複屈折）。伝搬後に入射面とは異なる面から出射される光の偏光状態をウォラストンプリズム９と２つのフォトダイオード１０，１１でバランス受信することで調べることができる。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軸成分に位相差を生じ、楕円偏光となって伝搬する。このような自然複屈折による位相差は、結晶の種類（ＬＮは３ｍ結晶）や入射偏光方向、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。このテラヘルツ信号がない状態での偏光変動を周知の補償板（不図示）で調整し、オフセットをキャンセルするようにしてもよい。なお、詳細については、特許文献１に記載があるので、ここでは説明を省略する。
【００２０】
本実施形態でのテラヘルツ波が入射したときの相互作用としては、テラヘルツ電磁界が電気光学結晶に与える１次電気光学効果により、導波路のＺ軸の屈折率が変化して伝搬光の偏光状態が変化することを利用する。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、楕円偏光の楕円率や主軸の方向が変化する。
【００２１】
このレーザ光の伝搬状態の変化を外部の偏光素子（ウォラストンプリズム等）９および光検出器（フォトダイオード等）１０、１１で差動増幅により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。差動増幅は必須のものではなく、９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）。
【００２２】
また、伝搬光の偏光状態の変化を検出する方法について述べたが、伝搬光により発生するテラヘルツ波と外部より入射させるテラヘルツ波の相互作用が伝搬光に与える変化を、伝搬光の光強度や振動周波数の変化として検出する方法もある。その場合は偏光素子が不要で光検出器のみでよく、入射光の偏光面はＺ軸に平行でもよい。
【００２３】
以上に説明したような検出手段は、テラヘルツ波の信号を電気信号に変換するときには必要であるが、レーザ光そのものを変調させて、その変調光を後段に用いる場合には不要である。これは、たとえば、本発明のテラヘルツ波素子を、テラヘルツ波を用いた光変調器として利用する場合がある。
【００２４】
本実施形態のテラヘルツ波素子をテラヘルツ波検出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ックイメージング装置（トモグラフィ装置）の例を図３に示す。
【００２５】
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、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のものをフェムト秒レーザ２０として用いたが、波長は１．０６μｍ帯などでもよく、パルス幅、繰り返し周波数は前記の値に限らない。
【００２６】
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、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。またこれらは偏波保持ファイバであることが望ましい。
【００２７】
テラヘルツ波検出側は、すでに説明した本実施形態のテラヘルツ波素子２４の導波路に結合させる。その際、光学的遅延器２９を介してレンズを用いてフェムト秒レーザ２０からの光をテラヘルツ波素子２４に空間結合させることができる。オールファイバにするためにファイバーストレッチャーを用いた遅延器（不図示）としたり、光学的遅延器をテラヘルツ波発生側に設置してもよい。その際、検出側はファイバ先端にセルフォック（登録商標）レンズを集積化させたものや先端を加工したピッグテール型とし、それらの開口数がチェレンコフ型位相整合素子の導波路の開口数以下になるように構成してもよい。これらの場合にはそれぞれの端部に無反射コーティングすることで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。もしくはファイバ２３と導波路のＮＡおよびモードフィールド径を近くなるよう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）として接着しても良い。その場合は接着剤を適切に選ぶことで反射による影響を低減することができる。
【００２８】
なお、前段のファイバ２２やフェムト秒レーザ２０で偏波保持でないファイバ部分が含まれる場合、インライン型の偏光コントローラ等で本発明のテラヘルツ波素子２４への入射光の偏光を安定化させることが望ましい。
【００２９】
ただし、励起光源はファイバレーザに限るものではなく、その場合には偏光の安定化などの問題は軽減される。
【００３０】
テラヘルツ波はたとえば光ファイバ２２からの出力を光伝導素子２８に照射して発生させ、放物面鏡２６ａによって平行ビームにするとともにビームスプリッタ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。サンプルから反射されたテラヘルツ波は放物面鏡２６ｃで集光されてテラヘルツ波素子２４および検出器２７に到達する。光伝導素子は、光源の中心波長が１．５５μｍであれば典型的には低温成長ＩｎＧａＡｓにダイポールアンテナを形成したものを用いる。検出器２７は、前述したように、例えば、ウォラストンプリズム９と２つのフォトダイオード１０，１１とを有する。
【００３１】
ここで、電源部３１により光伝導素子２８に印加する電圧を変調し、テラヘルツ波素子２４によって伝搬状態を変化させた光を検出する検出器２７の出力を、増幅器３４を介して信号取得部３２により同期検波できるように構成されている。データ処理・出力部３３ではＰＣなどを用いて光学遅延器２９を移動させながらテラヘルツ信号波形を取得するようになっている。サンプルがミラーの場合で表面反射のみのテラヘルツパルス取得波形の例を図４に示す。
【００３２】
この系は測定対象であるサンプル３０からの反射と照射のテラヘルツ波は同軸の場合であり、テラヘルツ波のパワーとしては半減する。そこで、図３（ｂ）のようにミラーを増やして非同軸の構成とし、サンプルへの入射角が９０度でなくなるものの、パワーを増やすようにしてもよい。
【００３３】
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る。そこでサンプルを１次元でスキャンすれば断層像、２次元スキャンすれば３次元像を得ることができる。
【００３４】
本実施形態のトモグラフィ装置によれば、内部浸透厚さと奥行き分解能を向上させることができる。また、ファイバを用いた励起レーザを照射手段とすることができるので、装置の小型、低コスト化が可能となる。
【００３５】
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。
【００３６】
励起光源としては超短パルス状のものを用いたが、連続波もしくはナノ秒オーダーのパルスで、波長の異なる２つのレーザを用いて、差周波発生による単一波長のテラヘルツ波を検出する場合にも適用できる。
【００３７】
ここでは結晶の材料としてＬＮ結晶を用いたが、その他の電気光学結晶として従来技術で述べたＬｉＴａＯｘ、ＮｂＴａＯｘ、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅなどを用いることができる。
【実施例１】
【００３８】
本実施例では、図１に示した素子構造において、屈折率ｎがおよそ１．５の光学接着剤層２が厚さ３μｍ、ＭｇＯドープＬＮ結晶の導波層４が厚さ３．８μｍで幅５μｍ、低屈折率バッファ層５は３μｍ厚で２と同様の光学接着剤により構成されている。光結合部材７としては高抵抗Ｓｉプリズムを用いており、チェレンコフ型位相整合を満たすため、θｃｌａｄが４９度でテラヘルツ波がプリズム表面に垂直入射できるようにθが４１度のプリズムが接着されている。なお、テラヘルツ波の入射面ではない面が傾斜しているように書かれているが、こちらの面の角度は垂直など任意である。導波路長としてはたとえば１０ｍｍとしているがこれに限らない。
【００３９】
上記導波層４の厚さの決定は次のように行った。すなわち、テラヘルツパルスとして検出したいフーリエ周波数帯域から最大周波数ｆｍａｘが決まる。次いで導波層４の厚さを、ｆｍａｘに相当する結晶中の等価波長の半分以下で、かつ入射する超短パルスレーザ光の結合／伝搬ロスの小さいシングルモード条件が成立するように設定する。本実施例ではたとえば７．５ＴＨｚまで対応するとして自由空間での波長はおよそ４０μｍになり、ＬＮ導波層のテラヘルツの屈折率５．２とすると、導波層の厚さはλｅｑ（ＴＨｚ）／２（＝４０／５．２／２）≒３．８μｍ以下が望ましいことになる。一方、本実施形態の光導波路としては入射レーザ光の中心波長１．５５μｍの場合で厚さおよそ５μｍが結合効率・伝搬ロスの観点から望ましいことが、導波路シミュレーションの結果より得られている。しかし、より薄い方の条件、すなわちテラヘルツ波の帯域確保を優先的に選択して、導波層の厚さを３．８μｍと決定した。ここで、本実施例でのｆｍａｘ＝７．５ＴＨｚはＬＮ結晶のＬＯフォノン吸収の周波数に相当し、その周波数近傍で顕著にテラヘルツ波が吸収されて放射されないことを考慮して設定した。入射レーザ光のパルス幅によってはＬＯフォノンの吸収帯よりも周波数の高い、たとえば１０ＴＨｚ以上で検出可能な場合がある。その際には、それに合わせてさらに光導波路厚を薄くすることで対応する。また、入射レーザ光の中心波長が１μｍの場合には、シミュレーションによる最適厚さは約３．６μｍとなり、この場合にはこちらの厚さで決まる。このようにテラヘルツの必要帯域が異なる場合や、入射レーザ光の結合効率・伝搬ロスが小さくなる要件との関係から導波層４の厚さを決定することが重要であり、両者のうち薄い方をベストモードとして選択することが望ましい。
【００４０】
一方、低屈折率バッファ層５が、厚さ２μｍで、光学接着剤層２と同様の光学接着剤で形成されている。同様に７．５ＴＨｚまで対応するとして、等価波長を低屈折率層の屈折率１．５で除した値と仮定すると、実施形態１のところで説明したようにλｅｑ／１０（＝４０／１．５／１０）≒２．７μｍの厚さ以下になるように２μｍとしている。
【００４１】
〔実施形態２〕
本発明の第２の実施形態を図５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４２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。導波路長はたとえば５ｍｍとなっている。なお、図５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。
【００４２】
これは、図５（ｂ）のように、貼り合わせウエハ４５を準備することで実現可能である。貼り合わせウエハ４５は、プリズム４０の材料である高抵抗Ｓｉ基板４０’に低屈折率バッファ層となる接着剤（実施形態１と同様）４１’を用いて導波層となるＭｇＯドープＬＮ結晶基板４２’を接着することで形成されている。ＬＮ結晶基板４２’は導波層の厚さになるまで研磨されている。研磨後には保護も兼ねたＳｉＯ２などの酸化膜や樹脂などの低屈折率層４３を導波層４２上（図５（ａ））に成膜することが望ましい。この低屈折率層４３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。
【００４３】
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。たとえば表面が（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。
【００４４】
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。
後段の光検出手段は省略してあるが、テラヘルツ波の検出方法は実施形態１と同様である。
【００４５】
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。
【００４６】
〔実施形態３〕
本発明による第３の実施形態は図６のように検出器も同一基板上に集積化するものである。基板５０には実施形態１と同様なチェレンコフ型位相整合によるテラヘルツ波素子５１が備えられ、その出力端には２つの集積光導波路５３、５４に入射光を２つの偏光成分に分岐して導波させるための導波型偏光ビームスプリッタ５２が備えられている。さらに２つの光検出器５５，５６が導波路５３、５４の光出力を検出するために集積化されている。２つの光検出器の出力は、実施形態１と同様、バランス受信によりテラヘルツ波信号を検出するために用いる。
【００４７】
導波型偏光ビームスプリッタはたとえば導波路５３、５４のＹ分岐部に誘電体多層膜を形成することで可能となる。また、導波路としては基板５０をＳｉとし、その上に矩形形状を作製してＳｉ導波路としてもよい。１μｍ帯以下の励起レーザを用いる場合には光がＳｉで吸収されるため、ＳｉＯ２の導波路にしてもよい。光検出器としてはＩｎＧａＡｓによるＭＳＭ検出器などを基板５０に集積させることができる。
【００４８】
上記のように基板５０をＳｉにした場合には、実施形態２のようにＳｉ基板をエッチングして、図６の平面図では裏側からテラヘルツ波を入射させるようにしてもよい（不図示）。
【００４９】
本実施形態では空間結合系を少なくしたことで、素子全体がコンパクトで安定になること、光検出器までの光の導波ロスが低減できるなどの利点がある。実施形態１で説明したトモグラフィ装置のテラヘルツ波検出素子として本実施形態の素子を用いれば、イメージングの性能を向上させることができる。
【００５０】
〔実施形態４〕
本発明による第４の実施形態は図７の平面図に示すようにＹ分岐６７、合波器６８をもつマッハツェンダ干渉計６４を備え、その出力を導波路６３に伝搬させて光検出器６６で信号を取得するようにした集積型素子である。材料はこれまでと同様にＬＮを始めとした非線形光学結晶を用いることができる。Ｙ分岐６７は、被検光を伝播する被検導波路（被検光路）と参照光を伝播する参照導波路（参照光路）とに導波路６１を分岐している。本発明のテラヘルツ波素子６２の導波路は、被検導波路に含まれている。
【００５１】
本実施形態では導波路を伝搬する光の偏光の変動を利用してテラヘルツ波を検出するのではなく、光の位相状態の変化を利用する。
【００５２】
そのため、テラヘルツ波素子（チェレンコフ型位相整合部）６２の導波層の結晶軸方向は実施形態１と同じだが、入射するレーザ光６９の偏光方向はＺ軸と平行にする。その場合、ＭｇＯドープＬＮ結晶層においても複屈折性は発現せず、導波路６１、６３がこの結晶で構成されていても偏光変動が起きない。
【００５３】
ここで、テラヘルツ波がＳ偏波で入射すると、ポッケルス効果により屈折率が変化するために伝搬する光の伝搬速度が変化する。マッハツェンダ干渉計の構成にしてあるため、一方の導波路の伝搬速度が変化すると合波器部分６８において被検光路と参照光路で位相差が発生し、干渉により光強度の変化が生じる。
【００５４】
この位相差は入射するテラヘルツ波の強度によって変化するため、検出器６６によってテラヘルツ信号を受信できることになる。
【００５５】
本実施例では偏光制御素子を用いないために構成が簡単になる。実施形態１で説明したトモグラフィ装置のテラヘルツ波検出素子として本実施形態の素子を用いれば、小型で安定なシステムを構成することができる。
【００５６】
〔実施形態５〕
本発明による第５の実施形態は、実施形態１で説明した電気光学的チェレンコフ放射を用いたテラヘルツ波発生を用い、本発明によるチェレンコフ型位相整合によるテラヘルツ波検出素子と集積化させたものである。
【００５７】
その構造の例を図８（ａ）の断面図、図８（ｂ）の平面図で示す。図８（ａ）は伝搬させるレーザ光の導波路部分の断面図であり、図８（ｂ）の上面図に示すように１つの素子に実施形態１と同様のＭｇＯドープＬＮ結晶からなる２つの導波路８４ａ，ｂが並列に備えられている。８１、８２、８５も実施形態１と同様にそれぞれ、ＬＮ基板および上下の低屈折率な接着層である。８７はＳｉプリズムであるが、図８に示したように一方の導波路部分（ここでは８４ａ）は周知のチェレンコフ型テラヘルツ発生素子であって、レーザ光の伝搬によりθｃｌａｄ＝４９°でテラヘルツ波が空間に放射される。もう一方の導波路は本発明によるテラヘルツ波検出素子となっていて、同様にθｃｌａｄ＝４９°でＳｉプリズム８７ｂを介してテラヘルツ波が導波路８４ｂに結合されるように構成している。そのため、導波路８４ａと導波路８４ｂには、互いに異なる（特に傾斜方向が異なる）Ｓｉプリズム（第１の結合部材８７ａ、第２の結合部材８７ｂ）が設けられている。傾斜角などは実施形態１と同様で良く、その場合、発生と検出のテラヘルツ波のクロストークも小さい。検出器側となる８４ｂにはレーザ光２としてプローブ光を入射させるが、実施形態１と同様に入射偏光はＺ軸から４５°傾ける。出力端にはウォラストンプリズムのような偏光分離素子８３と２つの光検出器８６、８８を設置して、テラヘルツ波の信号で変化したレーザ光の伝搬状態を取得することができる。なお、たとえば２つの導波路８４ａ、８４ｂは幅５μｍで間隔は１ｍｍ程度にしているが、これに限るものではない。スラブ導波路にしてレーザ光の入射位置で発生、検出の部分を分離してもよい。
【００５８】
このような集積チェレンコフ型位相整合素子を用いたテラヘルツ時間領域分光システムの例を図９に示す。ファイバレーザ７０の出力をカップラ７１を介して２つに分岐し、一方は光ファイバ７９を通して本実施形態による集積チェレンコフ型位相整合素子７３のポンプ光（図８の第１レーザ光）として導波させる。分岐したレーザ光のもう一方は光ファイバ７８ａから遅延光学系７２、光チョッパー９１を介して光ファイバ７８ｂに結合させ、集積チェレンコフ型位相整合素子７３のプローブ光（図８の第２レーザ光）として導波させる。発生したテラヘルツ波は放物面鏡７６ａで集光されてサンプル９０に照射される。ここで反射されたテラヘルツ波は放物面鏡７６ｂで集光されて素子７３および検出部７４で検出される。検出部７４は、図８における偏光分離素子８３と２つの光検出器８６、８８を有する。
【００５９】
このシステムを用いた分光情報取得方法やトモグラフィ像の取得方法は周知の方法を用いることができる。
【００６０】
本実施形態は発生、検出が一体になった素子を提供でき、テラヘルツ時間領域分光システムをコンパクトにすることができる。
【００６１】
〔実施形態６〕
本発明による第６の実施例は、テラヘルツ波の集光性を高めるために結合部材の形状に曲面を取り入れたものである。図１０（ａ），（ｂ）は、結合部材として超半球レンズを２面カットした構造体９２を設置したものである。図において、図１と同じ部分には同符号を付してある。この場合、テラヘルツ波はレンズの焦点位置に集光されるため、実施形態１とは異なる方向から入射させている。すなわち、レーザ光とテラヘルツ波が対抗する方向から入れている。レーザ光として数１０ｆｓ以下の超短パルスを用いた場合には、導波路内では波長分散によりパルス幅が広がるため、むしろ入射端近傍で相互作用を行うようにした方が広帯域にできる場合がある。
【００６２】
そのため、図１０（ｂ）のようにθｃｌａｄ（Ｓｉ部材であれば４９度）の方向からテラヘルツが入射して矢印の先端部の焦点位置が、たとえば導波路内で端部より５００μｍ内部に入ったところになるように設定している。
【００６３】
結合部材に、導波路におけるレーザ光の伝搬方向に垂直な断面において、電気光学結晶側に接する面以外の部分に円弧のような曲線を持たせることで、導波路の側面方向からのテラヘルツ波も集光させることができる。したがって、本実施例では、実施例１のような三角プリズムを用いる場合に比べてテラヘルツ波の利用効率を向上させることができる。
【００６４】
なお、レンズの設置方向を逆転してレーザ光とテラヘルツ波を同一方向から（実施形態１のように）入射させてもよい。
【００６５】
このような導波路におけるレーザ光の伝搬方向に垂直な断面で円弧のような曲線を持たせる他の構造として、図１１のように円錐形状の一面をカットしたような構造体９３でもよい。この場合は導波路の側面方向からのテラヘルツ波も集光させつつ、導波路方向には焦点をもたないすなわち線状の集光を実現することができる。そのため、実施例１と同様にレーザ光とテラヘルツ波を同一方向から入射させて相互作用長を長くとることができる。そのため、上記の超半球レンズをカットした場合に比べてさらにＳＮ比を向上させることができる。構造体９２か構造体９３のどちらを使用するかは、検出したい信号のＳＮ比と帯域の関係でそれぞれ選択すればよい。
【００６６】
なお、図１０，１１では導波路長さと結合部材の長さが一致するように描かれているが、一致していなくても問題ない。
【符号の説明】
【００６７】
１  基板
２  接着剤層
３  導波路周囲領域
４  導波層
５  低屈折率バッファ層
７  光結合部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005943594.tif 000008
【図７】
0005943594.tif 000009
【図８】
0005943594.tif 000010
【図９】
0005943594.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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