(57)【要約】【課題】  製造が容易な簡素な構造を有し、長期信頼性を確保することが可能な小型のテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】  半導体へテロ構造を有するＡ方向及びＢ方向の異なる共振方向の２つの共振器を有する半導体レーザ素子１０と、Ａ方向の共振器とＢ方向の共振器からの２つの光を受けてテラヘルツ波を発生する非線形光学素子１１とを備え、Ａ方向の共振器とＢ方向の共振器は交差して波長の異なる光を発生し、交差する部分に２つの共振器の光を共振器外部に取り出す構造、つまり共振器の他の部分と実行屈折率が異なる構造が形成された光放出部１０ａを有し、非線形光学素子１１は、光放出部１０ａ上に配置される。【選択図】        図１
2006162736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上に設けられ、半導体へテロ構造を有し、第１の光を発生する第１共振器と、
基板上に設けられ、半導体へテロ構造を有し、前記第１共振器と交差し、共振方向が前記第１共振器と異なり、前記第１の光と波長が異なる第２の光を発生する第２共振器と、
前記第１共振器と前記第２共振器との交差部に設けられ、前記第１共振器から外部に第１の光を放出させると共に、前記第２共振器から外部に第２の光を放出させる第１光放出部と、
前記第１光放出部上に設けられ、前記第１光放出部からの前記第１の光及び前記第２の光を受けてテラヘルツ波を発生する第１テラヘルツ波発生部材とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記光を共振器外に取り出す構造は、実行屈折率が前記第１共振器及び第２共振器と異なる構造である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記第１テラヘルツ波発生部材は、非線形光学素子である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記非線形光学素子は、３−５族半導体材料により構成される
ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記屈折率の変化する周期は、前記第１共振器及び第２共振器で異なる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記第１共振器及び第２共振器は、共振器端面上に形成された低反射率あるいは無反射コーティング膜を有し、
前記第１光放出部の周期的屈折率層における屈折率変化の周期は、前記第１共振器及び第２共振器の前記第１光放出部以外の部分の周期的屈折率層における屈折率変化の周期の１．２５倍である
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が格子状に変化した構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記第１共振器及び第２共振器上に設けられ、前記第１共振器及び第２共振器のそれぞれに独立に電流を注入する電極を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項９】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記基板上の前記第１共振器及び第２共振器が設けられない部分に設けられた絶縁体を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１０】
前記第１共振器及び第２共振器は、コンタクト層を有し、
前記コンタクト層は、前記第１光放出部において空隙を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１１】
前記基板は、導電性基板であり、
前記導電性基板は、前記第１光放出部において空隙を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１２】
前記基板は、前記第１光放出部において球状の表面を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１３】
前記基板は、前記第１光放出部においてグレーティング状の表面を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１４】
前記基板は、高抵抗基板であり、
前記第１共振器及び第２共振器は、１μｍ以下の膜厚のコンタクト層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１５】
前記高抵抗基板は、ＧａＡｓあるいはＳｉから構成される
ことを特徴とする請求項１４に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１６】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
第１共振器と接続された直流電源と、第２共振器と接続されたパルス電源とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１７】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記第１共振器と接続された第１パルス電源と、
前記第２共振器と接続された第２パルス電源とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１８】
前記第１の光の周波数と前記第２の光の周波数との差は、テラヘルツ領域である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１９】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が変化しない構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２０】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が等方的な同心円状に変化する構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２１】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が非方的な同心円状に変化する構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２２】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が変化しない構造を有し、
前記周期的屈折率層の屈折率が変化しない部分は、前記第１光放出部の幅よりも広い
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２３】
前記屈折率が変化しない部分は、階段状、直線状、凸扇状又は凹扇状の角を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２４】
前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において球面状の凹部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２５】
前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において斜面が平坦な凹部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２６】
前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において凸部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２７】
前記第１共振器及び第２共振器は、２つのクラッド層と、前記２つのクラッド層に挟まれた活性層とを有し、
前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において前記活性層に達する凹部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２８】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記活性層に達する凹部内に埋め込まれた半導体材料を備える
ことを特徴とする請求項２７に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項２９】
前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向と垂直な幅方向の長さが異なる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３０】
前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向の長さが異なる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３１】
前記第１共振器及び第２共振器は、立方晶の半導体材料から構成され、
前記第１共振器の端面は（１００）と等価な面であり、前記第２共振器の端面は（０１０）と等価な面である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３２】
前記第１共振器及び第２共振器は、立方晶の半導体材料から構成され、
前記第１共振器の端面は（１１０）と等価な面であり、前記第２共振器の端面は（１−１０）と等価な面である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３３】
前記第１共振器及び第２共振器は、六方晶の半導体材料から構成され、
前記第１共振器の端面は（１１−２０）と等価な面であり、前記第２共振器の端面は（１−１００）と等価な面である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３４】
前記第１共振器及び第２共振器は、六方晶の半導体材料から構成され、前記基板のｃ面以外の面に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３５】
前記第１共振器の共振方向と垂直な面の断面形状又は組成は、前記第２共振器の共振方向と垂直な面の断面形状又は組成と異なる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３６】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
第１共振器及び第２共振器のそれぞれの両側に位置するように共振方向に配置されたミラーを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３７】
前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向の共振器端部において、共振方向に向かって短冊状に切断されて形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３８】
前記第１共振器及び第２共振器は、２つのクラッド層と、前記２つのクラッド層に挟まれた活性層とを有し、
前記活性層は、共振方向に向かって短冊状に切断されて形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３９】
前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向の共振器端部において、電流あるいは電圧の印加により屈折率が変化する領域を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４０】
前記第１共振器及び第２共振器の端面は、エッチングによって形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４１】
前記基板は、４角形状をし、
前記共振方向は、前記基板の辺に対して傾いている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４２】
前記基板は、凸部を有し、
前記第１光放出部は、前記凸部の上方に位置する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４３】
前記第１共振器及び第２共振器は、横方向成長法を用いた結晶成長により前記基板上に形成された窒化物半導体材料から構成される共振器である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４４】
前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、
前記周期的屈折率層の共振方向と垂直な幅方向の長さは、前記第１光放出部に向かうにつれて短くなる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４５】
前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部から共振方向に向かって、前記第１光放出部よりも幅の広い光導波部が形成されたマルチモード干渉構造を有し、
前記幅の広い光導波部の共振方向の長さは、前記幅の広い光導波部の光の入力端から１スポットに集光する点までの距離の半分である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４６】
前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部から共振方向に向かって、前記第１光放出部よりも幅の広い第１光導波部と、前記第１光導波部よりも幅の狭い複数の第２光導波部とが順に形成されたマルチモード干渉構造を有し、
前記第１光導波部の共振方向の長さは、前記第１光導波部の光の入力端から複数のスポットに分岐するまでの距離であり、
前記第２導波路部は、前記スポットで前記第１光導波部と接する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４７】
前記第１共振器及び第２共振器は、それぞれの共振方向の中央部で交差する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４８】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記基板上に設けられ、半導体へテロ構造を有し、前記第１の光と波長が異なる第３の光を発生する第３共振器と、
前記第１共振器と前記第３共振器との交差部に設けられ、前記第１共振器から外部に第１の光を放出させると共に、前記第３共振器から外部に第３の光を放出させる第２光放出部と、
前記第２光放出部上に設けられ、前記第２光放出部からの前記第１の光及び前記第３の光を受けてテラヘルツ波を発生する第２テラヘルツ波発生部材とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４９】
前記第３の光の波長は、前記第２の光の波長と異なる
ことを特徴とする請求項４８に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５０】
前記第３の光の波長は、前記第２の光の波長と同じである
ことを特徴とする請求項４８に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５１】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
表面に凸部あるいは凹部を有し、前記第１テラヘルツ波発生部材及び第２テラヘルツ波発生部材上に配置される位相制御部材を備える
ことを特徴とする請求項４８に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５２】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記第１光放出部上方あるいは下方に位置し、前記第１の光及び前記第２の光の波長領域に対して反射特性を有する反射部材を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５３】
前記反射部材は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多層膜あるいはＳｉＯ2／ＴｉＯ2多層膜から構成される
ことを特徴とする請求項５２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５４】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記第１光放出部上方あるいは下方に位置し、焦点が前記第１光放出部と略一致する凹面鏡を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５５】
前記第１共振器の共振方向は、前記第１の共振器の端面法線方向と異なり、
前記第２共振器の共振方向は、前記第２の共振器の端面法線方向と異なる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５６】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
第１共振器の片側に位置するように共振方向に配置されたミラーを備え、
前記ミラーは、共振方向に可動な状態で配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５７】
前記基板は、オフ基板である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５８】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記基板上の前記第１共振器及び第２共振器が設けられない部分に形成されたフォトニック結晶を備え、
前記フォトニック結晶は、前記フォトニック結晶に入射するテラヘルツ波を前記基板に垂直な方向に放射させる屈折率周期構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５９】
前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、
前記第１光放出部上方に配置される電磁波放射アンテナを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６０】
前記電磁波放射アンテナは、前記第１テラヘルツ波発生部材が発生するテラヘルツ波の波長の１／４の長さを有する
ことを特徴とする請求項５９に記載のテラヘルツ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射された複数の光からテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周波数がテラヘルツ領域（一般に０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）である電磁波は、光と電波の境界領域に属し、電波のもつ透過性と光のもつ直進性とを有する。また、この領域の電磁波（以下、テラヘルツ波という）は、物質に固有の吸収スペクトルを多数有する。それゆえ、テラヘルツ波は、例えば、封筒中の郵便物検査、食品検査、所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査、複素誘電率評価などの医学応用、環境計測、工学応用など多数の産業分野での使用が期待されており、近年、その研究開発が活発に行われている。
【０００３】
このテラヘルツ波の発生方法として、非線形光学素子を用いる方法（例えば、非特許文献１参照）が提案されている。この方法について、図４３を用いて説明する。図４３は、テラヘルツ波発生装置の概念図である。
【０００４】
テラヘルツ波発生装置では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（パルス幅１０ｎｓｅｃ、周期１０Ｈｚ、波長１．０６４μｍ＝２８２ＴＨｚ）を第１光源３０１とする。第１光源３０１の一部は、三倍周波数に高調波化（３５５ｎｍ）され、β−ＢａＢ2Ｏ4をベースにした光パラメトリック発振器を励起する。光パラメトリック発振器は広範囲で周波数を変化させることができ、発振波長を自由に変化できる第２光源３０２となる。例えば、第２光源３０２のレーザ光は１．０６７μｍ（＝２８１ＴＨｚ）に調整され、第１光源３０１のレーザ光と共に調節された第２光源３０２のレーザ光が、ミラー３０３、レンズ３０４、３０５及びハーフミラー３０６等の光学部品を用いて、ＧａＳｅ結晶３０７に照射される。ＧａＳｅ結晶は５４ｐｍ／Ｖの非線形光学定数を有する光学材料である。この照射により、２つのレーザ光の周波数の差（差周波）である１ＴＨｚの電磁波（いわゆるテラヘルツ波）がＧａＳｅ結晶３０７の非線形光学効果により誘起され、テラヘルツ波３０８として外部に放射される。
【０００５】
しかしながら、上記テラヘルツ波発生装置においては、光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザや光パラメトリック発振器が用いられるが、これらはサイズが大きく、高価であり、特殊な業務用にしか用いられない。そこで、小型・低価格な半導体レーザ素子を光源とする方法（例えば、非特許文献２参照）が提案されている。この方法では、波長が安定した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子（２個、互いに発振波長が異なる）の差周波からテラヘルツ波を発生している。この方法は、低温成長ＧａＡｓ結晶による光混合を用いてテラヘルツ波を放出している点で、上記のテラヘルツ波を発生させる方法とは異なるが、半導体レーザ素子の差周波を用いている点では共通する。
【非特許文献１】Wei Shi et al., "Efficient, tunable, and coherent 0.18-5.27 THz source based on GaSe crystal", Optics Letters vol.27, No.16, p.1454 (2002)
【非特許文献２】K.A.McIntosh.,"Teraherz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs",Applied Physics Letters, Vol.67, No.26, p.3844 (1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、光源として半導体レーザ素子を用いることによりテラヘルツ波発生装置は小型化される。しかしながら、半導体レーザ素子のレーザ光を非線形光学素子に入射させてテラヘルツ波を発生させようとした場合、２つの半導体レーザ素子の光軸を精密に制御し、２つのレーザ光を非線形光学素子に入射させる必要がある。このような場合、図４３に示されるように、一般にはハーフミラーやレンズが使用される。このためテラヘルツ波発生装置全体が大型化する。さらに、光軸を制御するために高い実装精度が要求され、実装調整工数が多くなるという問題もある。また、その精度を長期に渡って安定させる必要があるが、各種調整の経時変化のため、長期信頼性を確保することができないという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、製造が容易な簡素な構造を有し、長期信頼性を確保することが可能な小型のテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ波発生装置は、基板と、基板上に設けられ、半導体へテロ構造を有し、第１の光を発生する第１共振器と、基板上に設けられ、半導体へテロ構造を有し、前記第１共振器と交差し、共振方向が前記第１共振器と異なり、前記第１の光と波長が異なる第２の光を発生する第２共振器と、前記第１共振器と前記第２共振器との交差部に設けられ、前記第１共振器から外部に第１の光を放出させると共に、前記第２共振器から外部に第２の光を放出させる第１光放出部と、前記第１光放出部上に設けられ、前記第１光放出部からの前記第１の光及び前記第２の光を受けてテラヘルツ波を発生する第１テラヘルツ波発生部材とを備えることを特徴とする。ここで、前記光を共振器外に取り出す構造は、実行屈折率が前記第１共振器及び第２共振器と異なる構造であってもよいし、前記第１の光の周波数と前記第２の光の周波数との差は、テラヘルツ領域であってもよい。
【０００９】
これにより、複雑な組立実装を行うことなく、互いに異なる波長の２つの共振器の光を１点に集めてテラヘルツ波発生部材に入射させることができるので、製造が容易な簡素な構造を有し、長期信頼性を確保することが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、光源として半導体レーザ素子を用いることができるので、小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００１０】
また、前記第１テラヘルツ波発生部材は、非線形光学素子であってもよい。
これにより、２つの共振器の光の差周波のテラヘルツ波をテラヘルツ波発生部材から放出させることができるので、テラヘルツ波の波長（周波数）を正確に制御することが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００１１】
また、前記非線形光学素子は、３−５族半導体材料により構成されてもよい
これにより、非線形光学素子はその結晶の非対称性から非線形効果を有すると同時に信頼性の高い半導体レーザ素子を作製することが可能な３−５族半導体材料（ＧａＡｓ、Ａ
ｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ）から構成されるので、信頼性の高い小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えばＧａＡｓの非線形光学定数は８３ｐｍ／Ｖ、ＧａＮの非線形光学定数は３３ｐｍ／Ｖ程度あり、それぞれ高い非線形光学効果を有する（前者数値についてはD.N.Nikogosyan, "Properties of Optical and Laser-related materials A Handbook", John Wiley & Sons, 1997、後者数値については、A. Chowdhury "Second-harmonic generation in periodically poled GaN", Applied Physics Letters, vol.83, No.6 p.1077 (2003)を参照）。
【００１２】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記屈折率の変化する周期は、前記第１共振器及び第２共振器で異なってもよい。
【００１３】
これにより、各共振器で互いに異なる波長の光を発生させることができ（分布帰還効果）、かつ、その波長を精密に制御することができるので、テラヘルツ波の波長（周波数）を正確に制御することが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００１４】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、共振器端面上に形成された低反射率あるいは無反射コーティング膜を有し、前記第１光放出部の周期的屈折率層における屈折率変化の周期は、前記第１共振器及び第２共振器の前記第１光放出部以外の部分の周期的屈折率層における屈折率変化の周期の１．２５倍であってもよい。
【００１５】
これにより、共振器はλ／４シフト構造及び分布帰還型構造を有することになるので、各共振器の交差部分、すなわち、光放出部において、各共振器の光密度が最大となり、効果的に共振器内の光を重ね合わせることができる。よって、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。λ／４シフト構造の半導体レーザ素子の特性は（単一共振器の場合）、例えばオーム社  応用物理学シリーズ  応用物理学会編、伊賀健一編集「半導体レーザ」p.274 (1994)に詳細に記述されている。
【００１６】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が格子状に変化した構造を有してもよい。
【００１７】
これにより、共振器の屈折率変化を交差部分付近でも維持することができ、分布帰還効果を維持することができるので、分布帰還型構造の２つの共振器を１つにすることができ、共振器の小型化と波長安定化を両立できる。すなわち、安定した特性の小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００１８】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記第１共振器及び第２共振器上に設けられ、前記第１共振器及び第２共振器のそれぞれに独立に電流を注入する電極を備えてもよい。
【００１９】
これにより、１つの基板上に構成された複数の共振器に独立に電流を流せることができ（すなわち、共振器内の光強度を独立してかえることができ）、共振器内の光重なり度を自由に制御することができる。よって、製造上の構造寸法ばらつきに起因した各共振器の閾値電流、スロープ効率のばらつきを駆動回路電流で補償することができるので、性能ばらつきの少ないテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００２０】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記基板上の前記第１共振器及び第２共振器が設けられない部分に設けられた絶縁体を備えてもよい。
【００２１】
これにより、各共振器の側面の酸化や機械的強度低下を抑制することができるので、信頼性を向上させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００２２】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、コンタクト層を有し、前記コンタクト層は、前記第１光放出部において空隙を有してもよいし、前記基板は、導電性基板であり、前記導電性基板は、前記第１光放出部において空隙を有してもよい。
【００２３】
これにより、伝導帯または価電子帯に自由キャリアが多く、テラヘルツ波を吸収しやすい低抵抗コンタクト層あるいは導電性基板によるテラヘルツ波の吸収を抑えることができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００２４】
また、前記基板は、前記第１光放出部において球状の表面を有してもよい。
これにより、非線形光学素子で発生したテラヘルツ波が空気との界面で反射することを防ぎ、内部で発生したテラヘルツ波を容易に取り出すことができる。このような球状レンズを、基板と別にシリコンで作製し貼り付ける場合が報告されているが（例えば、M.Tani et.al., "Emission Characteristics of photoconductive Antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs", Applied Optics, vol.36, No.30, p.7853 (1997)）、それに比べ、基板と一体化されていることにより、基板とレンズとの間での反射ロスがなくなり、より多くのテラヘルツ波を外部に取り出すことができる。すなわち、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００２５】
また、前記基板は、前記第１光放出部においてグレーティング状の表面を有してもよい。
【００２６】
これにより、光放出部で発生したテラヘルツ波をグレーティングで容易に取り出すことができるため、テラヘルツ波を外部に多く取り出すことができる（例えば、川瀬他「非線形光学効果を用いた広帯域波長可変コヒーレントテラヘルツ波発生」、電子情報通信学会論文誌C-I、Vol.J81-C-I No.2 p.66 (1998)で報告されている）。また、グレーティングと基板とが一体化されるので、グレーティング部品と非線形光学素子との界面での反射を低減させることができる。すなわち、高出力で小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００２７】
また、前記基板は、高抵抗基板であり、前記第１共振器及び第２共振器は、１μｍ以下の膜厚のコンタクト層を有してもよい。
【００２８】
これにより、自由キャリアがほとんど無い高抵抗基板に共振器が形成され、基板によるテラヘルツ波の吸収が低減されるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、共振器内に電流を均一に流すために、膜厚が薄くほとんどテラヘルツ波の吸収が起こらない高導電層を用いるので、高効率なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００２９】
また、前記高抵抗基板は、ＧａＡｓあるいはＳｉから構成されてもよい。
これにより、高抵抗基板として比較的安価に入手することができる高抵抗ＧａＡｓ及び高抵抗Ｓｉが用いられるので、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００３０】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、第１共振器と接続された直流電源と、第２共振器と接続されたパルス電源とを備えてもよい。
【００３１】
これにより、パルス電源がＯＮの場合のみ、テラヘルツ波が発生し、複雑なパルス回路を設けることなくテラヘルツ波の発生するタイミングを制御することができるので、低コストで高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００３２】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記第１共振器と接続された第１パルス電源と、前記第２共振器と接続された第２パルス電源とを備えてもよい。
【００３３】
これにより、２つのパルス電源がＯＮの場合のみ、テラヘルツ波が発生し、テラヘルツ波の発生するタイミングを制御する論理積回路を内蔵させることができるので、低コストで高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００３４】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が変化しない構造を有してもよい。
【００３５】
これにより、光放出部における周期的屈折率層の構造が単純になるので、性能ばらつきが小さく、高歩留まりのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００３６】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が等方的な同心円状に変化する構造を有してもよい。
【００３７】
これにより、フレネルレンズ等で知られているように、同心円中心つまり光放出部に光が集まるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００３８】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が非方的な同心円状に変化する構造を有してもよい。
【００３９】
これにより、任意の導波路構造の２つの共振器に対して最適な集光効果を得ることができるので、設計自由度の高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００４０】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記第１光放出部の周期的屈折率層は、屈折率が変化しない構造を有し、前記周期的屈折率層の屈折率が変化しない部分は、前記第１光放出部の幅よりも広くてもよい。
【００４１】
これにより、周期的屈折率層は各共振器の交差する部分において光が広がり、交差部分近傍での反射が低減され、反射ロスが小さくなるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００４２】
また、前記屈折率が変化しない部分は、階段状、直線状、凸扇状又は凹扇状の角を有してもよい。
【００４３】
これにより、周期的屈折率層は各共振器の交差する部分において滑らかに広がることになり、交差部分近傍での光の反射がより低減され、反射ロスのより小さくなるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００４４】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において球面状の凹部を有してもよい。
【００４５】
これにより、エッチングにより容易に形成することが可能な球面状の凹部により共振器の光を外部に放出させるので、低コストかつ高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００４６】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において斜面が平坦な凹部を有してもよい。
【００４７】
これにより、共振器内の光が一定方向に放出され、テラヘルツ波発生部材の設置位置の調整が容易になるので、低コストかつ高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００４８】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において凸部を有してもよい。
【００４９】
これにより、凸部により共振器の光を外部に放出させるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００５０】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、２つのクラッド層と、前記２つのクラッド層に挟まれた活性層とを有し、前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部において前記活性層に達する凹部を有してもよい。
【００５１】
これにより、多くの光が共振器外に放出され、テラヘルツ波発生部材に照射される。そして、入射光の自乗に比例したテラヘルツ波がテラヘルツ波発生部材で発生するので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００５２】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記活性層に達する凹部内に埋め込まれた半導体材料を備えてもよい。
【００５３】
これにより、半導体材料が活性層まで埋め込まれ、活性層端面の非発光再結合中心が減少するので、より信頼性の高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００５４】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向と垂直な幅方向の長さが異なってもよい。
【００５５】
これにより、実効屈折率が各共振器で異なり、同一のグレーティング周期で各共振器を作製しても、各共振器は異なるブラッグ波長を有し、異なる発振波長を有することになる。よって、グレーティング周期を各共振器で変える必要が無くなり、製造工数が減るので、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００５６】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向の長さが異なってもよい。
これにより、各共振器の損失ロスが異なり、グレーティング層を持たない共振器でも発振波長を異ならせることができる。よって、グレーティング層が不要になるので、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００５７】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、立方晶の半導体材料から構成され、前記第１共振器の端面は（１００）と等価な面であり、前記第２共振器の端面は（０１０）と等価な面であってもよい。
【００５８】
これにより、各共振器のエッチング形状は異なり、実効屈折率が各共振器で異なることになる。よって、各共振器は同一の層構造でも異なる発振波長で発振するようになるので、製造工程が容易になり、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００５９】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、立方晶の半導体材料から構成され、前記第１共振器の端面は（１１０）と等価な面であり、前記第２共振器の端面は（１−１０）と等価な面であってもよい。
【００６０】
これにより、各共振器は結晶的に同様なエッチング形状を有するので、グレーティングなどによる発振波長の制御が容易になる。よって、生産性が高まり歩留まりが向上するので、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００６１】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、六方晶の半導体材料から構成され、前記第１共振器の端面は（１１−２０）と等価な面であり、前記第２共振器の端面は（１−１００）と等価な面であってもよい。
【００６２】
これにより、結晶的に安定な方向に共振器が作製されるので、製造ばらつきが減少し、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００６３】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、六方晶の半導体材料から構成され、前記基板のｃ面以外の面に形成されてもよい。
【００６４】
これにより、ピエゾ効果が抑制されるので、活性層内の電子・正孔の空間分離が小さくなり、半導体レーザ素子の発光効率が向上する。よって、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００６５】
また、前記第１共振器の共振方向と垂直な面の断面形状又は組成は、前記第２共振器の共振方向と垂直な面の断面形状又は組成と異なってもよい。
【００６６】
これにより、比較的容易な手法で、グレーティング層を持たない共振器でも発振波長を異ならせることができる。よって、グレーティング層が不要になるので、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００６７】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、第１共振器及び第２共振器のそれぞれの両側に位置するように共振方向に配置されたミラーを備えてもよい。
【００６８】
これにより、ウエハ完成後でも、比較的容易に波長制御できるので、検査後の発振波長の修正が可能で、生産性が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００６９】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向の共振器端部において、共振方向に向かって短冊状に切断されて形成されてもよい。
【００７０】
これにより、ウエハ完成後でも、ドライエッチで端面を短冊状に切断し、分布帰還効果を持たせることにより発振波長を制御することができるので、検査後の発振波長の修正が可能で、生産性が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００７１】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、２つのクラッド層と、前記２つのクラッド層に挟まれた活性層とを有し、前記活性層は、共振方向に向かって短冊状に切断されて形成されてもよい。
【００７２】
これにより、共振器に利得の周期的変化が与えられて分布帰還が生じ、発振波長が安定する。すなわち、活性層がグレーティング層を兼ね、グレーティング層が不要になるので、生産性が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００７３】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、共振方向の共振器端部において、電流あるいは電圧の印加により屈折率が変化する領域を有してもよい。
【００７４】
これにより、位相制御により共振器内の発振波長のチューニングが可能になるので、テラヘルツ波の周波数を容易に変化させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００７５】
また、前記第１共振器及び第２共振器の端面は、エッチングによって形成されてもよい。
【００７６】
これにより、共振器端面を損傷することなくウエハから各チップを切り出すことができるので、高歩留まりのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００７７】
また、前記基板は、４角形状をし、前記共振方向は、前記基板の辺に対して傾いていてもよい。
【００７８】
これにより、１枚のウエハからのチップの取れ数が増加し、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、共振方向がチップの対角方向にある場合のチップ面積は、共振方向がチップの辺方向にある場合のチップ面積の約半分になることが、簡単な計算から導かれる。
【００７９】
また、前記基板は、凸部を有し、前記第１光放出部は、前記凸部の上方に位置してもよい。
【００８０】
これにより、基板の凸部上の各エピタキシャル層は盛り上がり、光放出部表面には凸部が形成される。そして、凸部により共振器の光が外部に放出されるので、低コストかつ高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。すなわち、基板を凸に加工する工程は初期にあるため、凸加工にともなう初期不良を早期に除外して生産性を向上させることができるので、低コストかつ高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができるのである。
【００８１】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、横方向成長法を用いた結晶成長により前記基板上に形成された窒化物半導体材料から構成される共振器であってもよい。
【００８２】
これにより、共振器において空隙が形成されたり、共振器に結晶性が乱れた部分が形成されたりする。よって、その空隙等が形成された部分を光放出部とすることにより、光放出部の実行屈折率を共振器の他の部分と大きく異なるようにすることができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００８３】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、屈折率が共振方向に周期的に変化した周期的屈折率層を有し、前記周期的屈折率層の共振方向と垂直な幅方向の長さは、前記第１光放出部に向かうにつれて短くなってもよい。
【００８４】
これにより、光放出部における光密度が高まるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００８５】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部から共振方向に向かって、前記第１光放出部よりも幅の広い光導波部が形成されたマルチモード干渉構造を有し、前記幅の広い光導波部の共振方向の長さは、前記幅の広い光導波部の光の入力端から１スポットに集光する点までの距離の半分であってもよい。
【００８６】
これにより、レーザ光の強度を維持しつつ共振器を小型化することができるので、高出力かつ小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００８７】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、前記第１光放出部から共振方向に向かって、前記第１光放出部よりも幅の広い第１光導波部と、前記第１光導波部よりも幅の狭い複数の第２光導波部とが順に形成されたマルチモード干渉構造を有し、前記第１光導波部の共振方向の長さは、前記第１光導波部の光の入力端から複数のスポットに分岐するまでの距離であり、前記第２導波路部は、前記スポットで前記第１光導波部と接してもよい。
【００８８】
これにより、共振器長が長くなり、レーザ光の強度をさらに大きくすることができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００８９】
また、前記第１共振器及び第２共振器は、それぞれの共振方向の中央部で交差してもよい。
【００９０】
これにより、設計が容易になるので、高歩留まりのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００９１】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記基板上に設けられ、半導体へテロ構造を有し、前記第１の光と波長が異なる第３の光を発生する第３共振器と、前記第１共振器と前記第３共振器との交差部に設けられ、前記第１共振器から外部に第１の光を放出させると共に、前記第３共振器から外部に第３の光を放出させる第２光放出部と、前記第２光放出部上に設けられ、前記第２光放出部からの前記第１の光及び前記第３の光を受けてテラヘルツ波を発生する第２テラヘルツ波発生部材とを備えてもよい。
【００９２】
これにより、複数の光放出部が形成されるので、設計自由度の高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００９３】
また、前記第３の光の波長は、前記第２の光の波長と異なってもよい。
これにより、異なる周波数のテラヘルツ波を同時に発生させることができる。よって、テラヘルツ分光分析において、複数回の測定をおこなうことなく、一度の測定で種々のテラヘルツ波長での測定をおこなうことができるので、高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００９４】
また、前記第３の光の波長は、前記第２の光の波長と同じであってもよい。
これにより、複数の光放出部で同種類のテラヘルツ波を同時に発生させることができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００９５】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、表面に凸部あるいは凹部を有し、前記第１テラヘルツ波発生部材及び第２テラヘルツ波発生部材上に配置される位相制御部材を備えてもよい。
【００９６】
これにより、任意の波面を形成できるので、テラヘルツ光学系設計の自由度が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００９７】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記第１光放出部上方あるいは下方に位置し、前記第１の光及び前記第２の光の波長領域に対して反射特性を有する反射部材を備えてもよい。
【００９８】
これにより、光放出部付近で漏れた光を共振器内に戻すことができるので、テラヘルツ波への変換効率を向上させることが可能な高効率のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【００９９】
また、前記反射部材は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多層膜あるいはＳｉＯ2／ＴｉＯ2多層膜から構成されてもよい。
【０１００】
これにより、共振器から漏れた光に対してのみ良好な反射特性を有する反射部材をテラヘルツ波発生部材上に配置できるので、高出力かつ高効率のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１０１】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記第１光放出部上方あるいは下方に位置し、焦点が前記第１光放出部と略一致する凹面鏡を備えてもよい。
【０１０２】
これにより、光放出部付近で漏れた光が集光して再び光放出部に入るようになるので、テラヘルツ波への変換効率を向上させることが可能な高効率のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１０３】
また、前記第１共振器の共振方向は、前記第１の共振器の端面法線方向と異なり、前記第２共振器の共振方向は、前記第２の共振器の端面法線方向と異なってもよい。
【０１０４】
これにより、共振器端面からの反射光が低減され、例えばグレーティング層による反射光が支配的な状態となるので、良好な分布帰還性能を得ることができ、高効率のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１０５】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、第１共振器の片側に位置するように共振方向に配置されたミラーを備え、前記ミラーは、共振方向に可動な状態で配置されてもよい。
【０１０６】
これにより、２つの共振器の光の差周波を変化させてテラヘルツ波の周波数を自由に変化させることができるので、チューナブルなテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１０７】
また、前記基板は、オフ基板であってもよい。
これにより、オフ方向と、オフに垂直な方向で発振波長が異なるようになるので、非常に簡単な構造で発振波長の異なる共振器を実現でき、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１０８】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記基板上の前記第１共振器及び第２共振器が設けられない部分に形成されたフォトニック結晶を備え、前記フォトニック結晶は、前記フォトニック結晶に入射するテラヘルツ波を前記基板に垂直な方向に放射させる屈折率周期構造を有してもよい。
【０１０９】
これにより、テラヘルツ波を効率良く外部に取り出すことができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１１０】
また、前記テラヘルツ波発生装置は、さらに、前記第１光放出部上方に配置される電磁波放射アンテナを備えてもよいし、前記電磁波放射アンテナは、前記第１テラヘルツ波発生部材が発生するテラヘルツ波の波長の１／４の長さを有してもよい。
【０１１１】
これにより、テラヘルツ波の指向性が向上するので、テラヘルツ波の取り扱いが容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【発明の効果】
【０１１２】
本発明に係るテラヘルツ波発生装置によれば、製造が容易な簡素な構造を有し、長期信頼性を確保することが可能な小型のテラヘルツ波発生装置を実現できる。また、高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、設計自由度の高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１１３】
よって、本発明により、製造が容易な簡素な構造を有し、長期信頼性を確保することが可能な小型のテラヘルツ波発生装置を提供することが可能となり、実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１４】
以下、本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【０１１５】
テラヘルツ波発生装置は、波長の異なる２つのレーザ光を発振する半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０上に形成され、半導体レーザ素子１０の２つのレーザ光の差周波であるテラヘルツ波を発生する非線形光学素子１１とから構成される。
【０１１６】
半導体レーザ素子１０は、分布帰還型レーザ素子（Distributed Feedback Laser element、ＤＦＢレーザ素子）であり、導電性のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層２、ＧａＡｓ及びＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを用いた量子井戸構造を有するアンドープの活性層３、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ光ガイド層４、周期的屈折率層としてのアンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓグレーティング層５、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層６及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を順次積層させて形成される。
【０１１７】
半導体レーザ素子１０は、電流及び光を閉じ込める半導体へテロ構造を有するＡ方向及びＢ方向の異なる共振方向の２つの共振器を有し、Ａ方向の共振器及びＢ方向の共振器が交差する部分に、２つの共振器の光を共振器外部に取り出す構造、つまり共振器の他の部分と実行屈折率が異なる構造が形成された光放出部１０ａを有する。このとき、Ａ方向及びＢ方向の２つの共振器の端面には、低反射率あるいは無反射コーティング膜、例えば１／（４λｎ）の厚みのＡｌ2Ｏ3膜が形成される（λは各共振器の発振波長、ｎはＡｌ2Ｏ3の屈折率）。また、Ａ方向及びＢ方向の異なる２つの共振器間、つまり基板１上の共振器が形成されない部分には、各共振器の側面の酸化や機械的強度低下を抑制し、電流のリークを防止するポリイミド１２が絶縁材料として埋め込まれる。なお、２つの共振器の長さは、それぞれ例えば８００μｍとされる。また、光を外部に取り出す構造としては、亜鉛等の不純物が注入されてディスオーダされた構造がある。
【０１１８】
なお、活性層３における発光機構は、伝導帯または価電子帯に存在するサブバンド間を、電子または正孔が遷移するときに、そのエネルギー差を光子として放出する発光機構である。このような構造は、量子カスケード構造とよばれ、中・遠赤外レーザの発振機構として知られている。この構造は、n型半導体または、ｐ型半導体のみで実現可能であり、安価な半導体レーザ素子を実現することが可能となる。また、電子と正孔との再結合による発光は、半導体レーザ素子で良く知られた現象であり、信頼性の高い半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【０１１９】
Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉから構成されるｎ型電極８がｎ型ＧａＡｓ基板１裏面に形成され、Ａｕ／Ｚｎから構成されるｐ型電極９が各共振器のｐ型ＧａＡｓコンタクト層７上に形成される。このとき、ｐ型電極９は、２つの共振器に独立に電流を注入できるように、２つの共振器上に電気的に分離して形成される
ｐ型クラッド層６及びｐ型コンタクト層７の厚みは、グレーティング層５からの光の一部が非線形光学素子１１に染み出すように調整される。
【０１２０】
非線形光学素子１１は、非線形光学定数が大きく、テラヘルツ波を透過させる材料から構成され、半導体レーザ素子１０から２つのレーザ光を受けてテラヘルツ波を発生する。非線形光学素子１１を構成する材料としては、例えばＧａＡｓがある。また、その他の材料としては、３−５族半導体材料（ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ）がある。このとき、非線形光学素子１１は、光放出部１０ａ上に配置される。
【０１２１】
ここで、Ａ方向及びＢ方向の２つの共振器におけるグレーティング層５は、屈折率が共振方向に周期的に変化するように、図２に示されるような内部構造を有する。グレーティング層５のグレーティングの周期をΛ、次数をｍ、共振器内の実効屈折率をｎとすると、このグレーティングで決定されるブラッグ波長λBは、λB＝２ｎΛ／ｍなる関係があり、このような構造のＤＦＢレーザ素子はおよそブラッグ波長で発振することが知られている。従って、グレーティングの周期をＡ方向及びＢ方向の各共振器で変えることにより、各共振器の発振波長を変えることができる。例えば、２つの共振器のブラッグ波長をそれぞれ８５０ｎｍ、８５３ｎｍに設定する場合には、共振器内の実効屈折率が３．３であり、グレーティングの次数が１次であるため、各共振器のグレーティングの周期を１２８８Å、１２９２Åとする。これらの波長域では、活性層３を構成するＧａＡｓが利得を有しており、その波長で容易にレーザ発振する。
【０１２２】
また、各共振器は互いに中央部分で交差しており、この交差部分、つまり光放出部１０ａ近傍では、図２に示されるように、各共振器の屈折率変化を光放出部１０ａでも維持し、分布帰還効果を維持することができるようにグレーティングが２次元格子状になっている。その２次元格子状のグレーティングの最も中央部のグレーティング１３の周期は、他のグレーティングの周期の１．２５倍となっている。つまり、最も中央部のグレーティング１３は、他のグレーティングよりも周期が１／４波長分だけ長くなっており（例えば、周期が３２２Å、３２３Åだけ長い）、ＤＦＢレーザでよく知られたλ／４シフト構造が形成されている。このようなλ／４シフト構造と両端面ＡＲ（Anti-reflection）コーティング構造とを用いることにより次の２つの特徴が得られる。
１）発振波長がブラッグ波長に一致するため、差周波がテラヘルツ領域となるように各共振器の発振波長を精密にコントロールできる。
２）各共振器の光強度がλ／４シフトの位置で最大になるため、各共振器の光の最大強度位置が光放出部１０ａにあるように制御できる。半導体レーザ素子１０においては、図２に示されるように、２つの共振器のλ／４シフト位置が一致しており、一致する光放出部１０ａで２つのレーザ光の光強度は最大となり、強い混合光が得られる。
【０１２３】
なお、このグレーティングの形状と共振器長とから決定される結合強度（κＬ）は、大きいほどλ／４シフト位置の光強度が高くなるため、例えばκＬ＝３とされる。
【０１２４】
例えば半導体レーザ素子１０の各共振器の発振波長が８５０ｎｍ、８５３ｎｍとなるようにした場合には、２つの共振器の交差部分において３５２．９ＴＨｚ、３５１．７ＴＨｚの周波数の光の一部が非線形光学素子１１に染み出し、半導体レーザ素子からの光の差周波である１．２ＴＨｚのテラヘルツ波が非線形光学素子にて発生することになる。実際に、半導体レーザ素子の発振波長が８５０ｎｍ、８５３ｎｍであるテラヘルツ波発生装置が発生する電磁波の周波数をマイケルソン干渉計により測定したところ、周波数１．１９ＴＨｚが計測された。
【０１２５】
次に、上記構造を有するテラヘルツ波発生装置の駆動方法について説明する。
図３はテラヘルツ波発生装置の駆動回路の回路図である。
【０１２６】
駆動回路は、一方の共振器にＤＣ電圧を印加する直流電源２１と、他方の共振器にパルス電圧を印加するパルス電源２２とを備える（実際には保護回路等が必要であるが、ここでは示していない）。上記駆動回路により、一方の共振器は常時発光状態となるため、他方の共振器が発光状態となるとき、つまりパルス電源２２がＯＮのときのみ、半導体レーザ素子１０の２つの光の差周波であるテラヘルツ波が非線形光学素子１１から発生する。よって、２つの共振器に独立に電流を流して共振器内の光強度を独立して変えることができ、光放出部における光重なり度を自由に制御することができる。すなわち、製造上の構造寸法ばらつきに起因した共振器の閾値電流、スロープ効率のばらつきを駆動回路電流で補償することができる。また、複雑なパルス回路を設けることなくテラヘルツ波の発生するタイミングを制御することができるので、低コストで高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１２７】
次に、上記構造を有するテラヘルツ波発生装置の製造方法について説明する。
図４〜図８は、テラヘルツ波発生装置の斜視図である。なお、図４〜図８において、簡単のために、１つのテラヘルツ波発生装置を構成する１チップのみが描かれているが、実際には例えば４インチ基板に多数のテラヘルツ波発生装置が一度に形成されている。
【０１２８】
まず、図４に示されるように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層２、アンドープのＧａＡｓ活性層３、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ光ガイド層４及びアンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓグレーティング層５を順次積層させる。このとき、クラッド層２、活性層３、光ガイド層４及びグレーティング層５の膜厚は、それぞれ１μｍ、０．０８μｍ、０．１μｍ及び０．０５μｍとされる。
【０１２９】
次に、フォトレジストをグレーティング層５表面に塗布した後、電子ビーム露光装置を用いて、グレーティングパターンを形成する。その後、図５に示されるように、リン酸系エッチャントを用いてグレーティング層５をエッチング加工する。
【０１３０】
次に、図６に示されるように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、加工されたグレーティング層５及び加工により露出した光ガイド層４表面に、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層６及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を順次積層させる。
【０１３１】
次に、図７に示されるように、ドライエッチングを用いて、共振器とならない不要な部分を除去した後、２つの共振器の交差部分に亜鉛等の不純物を注入して加熱することにより２つの共振器の交差部分の実行屈折率を変化させ、光放出部１０ａを形成する。その後、図８に示されるように、ドライエッチングにより除去された部分にポリイミド１２を流し込み熱硬化させる。
【０１３２】
最後に、ｎ型電極８及びｐ型電極９を基板１及びコンタクト層７上にそれぞれ形成した後、へき開法により共振器端面を露出させ、露出した端面にスパッタ法でＡｌ2Ｏ3無反射コーティング膜を形成する。その後、光放出部１０ａ上に非線形光学素子１１を貼り付けてテラヘルツ波発生装置は完成する。
【０１３３】
なお、共振器端面は、へき開法ではなくエッチングによって形成されてもよい。この場合には、次のような方法でチップ分離が行われる。すなわち、図９（ａ）のテラヘルツ波発生装置の上面図に示されるように、共振器を構成する半導体層５２及びポリイミド１２の一部を基板１が表面に露出するまでエッチングによって除去し、ウエハに例えば約１００μｍの幅の溝５１を形成する（ウエハ上には多数のチップが搭載されているが、図９（ａ）においては４チップのみ示している。）。その後、図９（ｂ）のテラヘルツ波発生装置の上面図に示されるように、ダイシングにより、溝５１が形成された部分で基板１を切断し、ウエハをチップ状に分離する。これによって、損傷の無い共振器端面を形成することができる。
【０１３４】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、２つの共振器を有する半導体レーザ素子１０を光源として用い、２つの共振器の交差部分に光放出部１０ａを形成してその上に非線形光学素子１１を配置する。よって、半導体レーザ素子の光軸を精密に制御するためにハーフミラーやレンズ等を用いることなく、レーザ光を非線形光学素子に入射させることができるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、製造が容易な簡素な構造を有し、長期信頼性を確保することが可能な小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波発生装置は１ｍｍ2以下の大きさまで小型化される。
【０１３５】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、各共振器はその中央でお互い交差する。よって、設計が容易になるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、歩留まりを向上させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１３６】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、非線形光学素子１１を用いてテラヘルツ波を発生させる。よって、２つの共振器の光の差周波のテラヘルツ波を非線形光学素子から放出させることができるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波の波長（周波数）を正確に制御することが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１３７】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、半導体レーザ素子１０は、ＧａＡｓ系半導体材料により構成されるとしたが、六方晶の半導体材料、例えばＧａＮ系材料により構成されてもよい。この場合には、エピタキシャル面がｃ面以外の面、例えばａ面になるようにする。これによって、ピエゾ効果が抑制されるので、活性層内の電子・正孔の空間分離が小さくなり、半導体レーザ素子の発光効率が向上する。
【０１３８】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、テラヘルツ波発生装置は図３に示される駆動回路により駆動されるとした。しかし、テラヘルツ波発生装置は、図１０に示されるような、一方の共振器にパルス電圧を印加するパルス電源３１と、他方の共振器にパルス電圧を印加する電源３２とを備える駆動回路により駆動されてもよい。上記駆動回路により、両方の共振器が発光状態となるとき、つまりパルス電源３１、３２がＯＮのときのみ、半導体レーザ素子１０の２つのレーザ光の差周波であるテラヘルツ波が非線形光学素子１１で発生する。すなわち論理積が１の場合のみテラヘルツ波が発生する。これによって、半導体レーザ素子にはパルス電源のみが供給されることとなり、半導体レーザ素子の放熱が改善されるので、半導体レーザ素子の駆動電圧を高くしてレーザ光の強度を上げることができる。すなわち、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、テラヘルツ波の発生するタイミングを制御する論理積回路を内蔵させることができるので、低コストで高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１３９】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、テラヘルツ波発生装置は、図２に示されるような格子状に屈折率が変化したグレーティング層を光放出部に有するとしたが、これに限られない。
【０１４０】
すなわち、グレーティング層は光放出部において、図１１（ａ）に示されるような屈折率が変化しない４角形状のグレーティング層３３を有していてもよい。これによって、グレーティング層は単純な構造を有することとなるので、特性ばらつきが小さいテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波の周波数ばらつきは、図２に示されるような形状のグレーティング層を有するテラヘルツ波発生装置の１／２に低減される。
【０１４１】
また、グレーティング層は光放出部において、図１１（ｂ）に示されるような等方的な同心円状に屈折率が変化したグレーティング層３４を有していてもよい。これによって、同心円中心部に光が集まることとなるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波の出力は、図２に示されるような形状のグレーティング層を有するテラヘルツ波発生装置よりも約１０％向上する。また、一方の共振器の光が光放出部で他方の共振器に移ることなく、再び一方の共振器に戻るようにすることができるので、各共振器に異なる波長の光を再現性良く独立に発生させ、安定した性能を有するテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１４２】
また、グレーティング層は光放出部において、図１１（ｃ）に示されるような１／４λシフトがなく格子状に屈折率が変化したグレーティング層３５を有していてもよい。これによって、グレーティング層は単純な構造を有することとなるので、製造が容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、歩留まりは、図２に示されるような形状のグレーティング層を有するテラヘルツ波発生装置よりも約１０％向上する。
【０１４３】
また、グレーティング層は光放出部において、図１１（ｄ）に示されるような非等方的な同心円状、つまり楕円状に屈折率が変化したグレーティング層３６を有していてもよい。これによって、幅が異なる等、異なる導波路構造の２つの共振器に対して最適な集光効果を得ることができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、一方の共振器の光が光放出部で他方の共振器に移ることなく、再び一方の共振器に戻るようにすることができるので、各共振器に異なる波長の光を独立に再現性良く発生させ、安定した性能を有するテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１４４】
また、グレーティング層は光放出部において、共振器の他の部分よりも幅広形状の屈折率が変化しないグレーティング層を有していてもよい。このとき、幅広形状のグレーティング層の角の形状としては、例えば図１２（ａ）に示されるような階段状、図１２（ｂ）に示されるような直線形状、図１２（ｃ）に示されるような凹扇状、あるいは図１２（ｄ）に示されるような凸扇状がある。これによって、光放出部近傍での反射が低減され、反射ロスが小さくなるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波の出力は、図２に示されるような形状のグレーティング層を有するテラヘルツ波発生装置よりも約５％向上する。また、光放出部で広がった一方の共振器の光が他方の共振器に移ることなく、再び一方の共振器に戻るようにすることができるので、各共振器に異なる波長の光を再現性良く独立に発生させ、安定した性能を有するテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１４５】
また、グレーティング層は光放出部において、図１２（ｅ）に示されるようなグレーティングの幅が光放出部に向けて狭くなり、テーパー状になった形状をしていてもよい。つまり、２つの共振器の交差部分に向かうにつれて共振器が細くなった形状をしていてもよい。このようなテーパー構造により、光密度は光放出部で最も高くなり、光放出部における光強度が強くなるので、強力なテラヘルツ波を発生させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１４６】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、半導体レーザ素子１０は、図１に示されるような共振器構造を有するＤＦＢレーザ素子であるとしたが、これに限られない。
【０１４７】
すなわち、半導体レーザ素子１０は、図１３（ａ）の断面図に示されるような、ファブリペロー型共振器の両側に位置するようにミラー４１を配置し、外部共振器（複合共振器）構造とした半導体レーザ素子であってもよい。これによって、発振波長を安定化させることができるので、安定した性能を有するテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、ウエハ完成後でも、比較的容易に波長制御できるので、検査後の発振波長の修正が可能で、生産性が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１４８】
また、半導体レーザ素子１０は、図１３（ｂ）の断面図に示されるような、共振方向の共振器端部４２を共振方向に向かって短冊状に切断して形成された、いわゆるＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）レーザ素子であってもよい。これによって、分布帰還型レーザと同様、発振波長を精密に制御することが出来るので、安定した性能を有するテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、ウエハ完成後でも、ドライエッチで端面を短冊状に切断し、分布帰還効果を持たせることにより発振波長を制御することができるので、検査後の発振波長の修正が可能で、生産性が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１４９】
また、半導体レーザ素子１０は、図１３（ｃ）の断面図に示されるような、アンドープのＧａＡｓ活性層４３及びアンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ光ガイド層４４を共振方向に向かって短冊状に切断してグレーティング構造にし、分布帰還型の構造とした半導体レーザ素子であってもよい。これによって、グレーティング層が不必要になるので、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１５０】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、半導体レーザ素子１０はＧａＡｓ系半導体材料等の立方晶の材料から構成され、２つの共振器の端面は次のような面方位を有してもよい。
【０１５１】
すなわち、半導体レーザ素子１０は、図１４（ａ）の上面図に示されるように、Ａ方向の共振器の端面が（０１０）と等価な面であり、Ｂ方向の共振器の端面が（１００）と等価な面であってもよい。共振器端面の形成のためにＨ2ＳＯ4系ウエットエッチングを用いると、共振器内の光の進行方向と垂直な面における断面形状及び組成等の共振器断面構造が各共振器で異なるようになり、（１００）面は順メサ形状に、（０１０）面は逆メサ形状になる。この結果、発振波長が２つの共振器で異なるようになり、２つの共振器のグレーティング周期を異なる周期に設計しなくてもテラヘルツ波を発生させることができる。よって、製造が容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。実際に、０．５ＴＨｚのテラヘルツ波が得られた。
【０１５２】
また、半導体レーザ素子１０は、図１４（ｂ）の上面図に示されるように、Ａ方向の共振器の端面が（１−１０）と等価な面であり、Ｂ方向の共振器の端面が（１１０）と等価な面であってもよい。この場合には、ウエットエッチングで共振器端面を形成しても、共振器内の光の進行方向と垂直な面における共振器断面構造が各共振器で同じになる。この結果、各共振器の発振波長は、グレーティング周期のみで決まり、波長調整が容易になる。よって、製造が容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１５３】
また、半導体レーザ素子１０は例えば酸化亜鉛等の酸化物系半導体材料及び窒化物系半導体材料等の六方晶の材料から構成され、２つの共振器の端面は次のような面方位を有してもよい。
【０１５４】
すなわち、半導体レーザ素子１０は、図１４（ｃ）の上面図に示されるように、基板のｃ面以外の面、例えばａ面に形成され、Ａ方向の共振器の端面が（１−１００）と等価な面であり、Ｂ方向の共振器の端面が（１１−２０）と等価な面であってもよい。この場合には、ウエットエッチングで共振器端面を形成しても、共振器内の光の進行方向と垂直な面における共振器断面構造が各共振器で同じになる。この結果、各共振器の発振波長は、グレーティングの周期のみで決まり、波長調整が容易になる。よって、製造が容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１５５】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、半導体レーザ素子１０は、図１５の半導体レーザ素子の上面図に示されるように、チップの辺に対して共振方向（図１５においてＤ方向）が例えば４５度傾いた共振器を有してもよい。この結果、チップ面積が半分になり、ウエハからのチップの取れ数が倍になる。
【０１５６】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、グレーティングの周期を各共振器で変えることにより各共振器の発振波長が異なるようにしたが、各共振器の活性層の井戸幅を各共振器で変えることにより各共振器の発振波長が異なるようにしてもよい。これによって、グレーティング層が不要になり、安価なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１５７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、光放出部においてコンタクト層及び基板が部分的に除去されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１５８】
図１６は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図であり、図１７は同テラヘルツ波発生装置の１つの共振器の中心部分での断面図（図１６のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【０１５９】
半導体レーザ素子１１０は、エピ側空隙１１１ａが形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１１と、基板側空隙１１２ａが形成された導電性のｎ型ＧａＡｓ基板１１２とを備えるという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０１６０】
ここで、非線形光学素子１１は、エピ側空隙１１１ａでｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１１が除去されて露出したクラッド層６上に、基板側空隙１１２ａ上方に位置するように配置される。
【０１６１】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、多数のキャリアが存在し、テラヘルツ波を吸収するコンタクト層１１１及び基板１１２が部分的に除去され、このコンタクト層１１１が除去された部分に、基板１１２が除去された部分の上方に位置するように非線形光学素子１１が貼り付けられる。よって、キャリア密度が高いコンタクト層及び基板によるテラヘルツ波の吸収が抑えられるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波の出力は、第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置よりも約１０％向上する。
【０１６２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、光放出部において基板表面が球状に加工されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１６３】
図１８は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図であり、図１９は同テラヘルツ波発生装置の１つの共振器の中心部分での断面図（図１８のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【０１６４】
半導体レーザ素子１２０は、球状部１２１ａが形成されたｎ型ＧａＡｓ基板１２１を備えるという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０１６５】
ここで、非線形光学素子１１は、球状部１２１ａ上方に位置するように形成される。
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、半導体レーザ素子１２０において基板１２１方面の屈折率が相対的に高く、光放出部１０ａ上の非線形光学素子１１で発生したテラヘルツ波は基板方向（図１９におけるＥ方向）へ向かう。そして、そのテラヘルツ波が向かう方向にある基板１２１は球状に加工されている。よって、１）基板と空気との界面でのテラヘルツ波の全反射を抑制する、２）レンズ効果によりテラヘルツ波を集光する等の効果が得られるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、球状レンズと基板とが一体化されることとなり、基板とレンズとの間での反射ロスがなくなるので、多くのテラヘルツ波を外部に取り出すことができ、高出力で小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１６６】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、基板１２１は、ＧａＡｓにより構成されるとしたが、Ｓｉにより構成されてもよい。これによって、ＧａＡｓ基板に比べて熱伝導率の高いＳｉ基板が基板として用いられることとなるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１６７】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、基板１２１表面が球状に加工されるとしたが、グレーティング形状に加工されてもよい。すなわち、図２０に示されるように、半導体レーザ素子１０は、光放出部においてグレーティング部１２２ａが形成されたｎ型ＧａＡｓ基板１２２を備えてもよい。これによって、非線形光学素子中のテラヘルツ波を効率的に放出させることができるので（例えば、川瀬他「非線形光学効果を用いた広帯域波長可変コヒーレントテラヘルツ波発生」、電子情報通信学会論文誌C-I、Vol.J81-C-I No.2 p.66 (1998)で報告されている）、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波の出力は、第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置よりも約２０％向上する。また、グレーティングと基板とが一体化されることとなり、グレーティング部品と非線形光学素子との界面での反射を低減させるので、多くのテラヘルツ波を外部に取り出すことができ、高出力で小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１６８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、基板に高抵抗基板を用いるという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１６９】
図２１は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図であり、図２２は同テラヘルツ波発生装置の１つの共振器の中心部分での断面図（図２１のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【０１７０】
半導体レーザ素子１３０は、高抵抗ＧａＡｓ基板や高抵抗Ｓｉ基板等の高抵抗基板１３１と、基板１３１とクラッド層２との間に形成された高導電層であるコンタクト層１３２と、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉから構成され、ポリイミド１２及び２つの共振器を取り囲むようにコンタクト層１３２上に形成されたｎ型電極１３３とを備えるという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。このとき、コンタクト層１３２は、テラヘルツ波の波長に比べて十分に薄く、例えば１μｍ以下であり、ほとんどテラヘルツ波を吸収しない。
【０１７１】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、基板にキャリアがほとんどない高抵抗基板が用いられる。よって、基板によるテラヘルツ波の吸収が無くなるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１７２】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、基板１３１とクラッド層２との間にはコンタクト層１３２が形成されるとしたが、形成されなくてもよい。
【０１７３】
また、基板１３１は第３の実施の形態のようにレンズ状あるいはグレーティング状に加工されてもよい。
【０１７４】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、光放出部に穴が形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１７５】
図２３は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図であり、図２４（ａ）は同テラヘルツ波発生装置の１つの共振器の中心部分での断面図（図２３のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【０１７６】
半導体レーザ素子１４０は、光放出部１０ａにおいてその一部が除去されたｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１４１及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４２を有し、光放出部において球状の凹部１４３が形成されているという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０１７７】
非線形光学素子１４４は、ニオブ酸リチウムから構成され、凹部１４３の上方に設置されるという点で第１の実施の形態の非線形光学素子とは異なる。なお、非線形光学素子１４４は、凹部１４３の開口部に直接接触していてもよいし、離れていてもよい。
【０１７８】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、光放出部１０ａにおいて凹部１４３が形成される。よって、光放出部の実行屈折率が共振器の他の部分と大きく異なることになり、レーザ光が高効率に外部に取り出されて非線形光学素子１４４に照射されるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０１７９】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、光放出部１０ａには、球状の凹部１４３が形成されるとしたが、光放出部において光の分布が共振器の他の部分と大きく異なるようになればそれに限られず、他の形状の凹部あるいは凸部が形成されてもよい。
【０１８０】
すなわち、図２４（ｂ）に示されるように、光放出部において斜面が平坦な凹部１４５が形成されてもよい。これによって、共振器内の光は一定方向に放射されるので、非線形光学素子との結合が容易になる。
【０１８１】
また、図２４（ｃ）に示されるように、光放出部において凸部１４６が形成されてもよい。
【０１８２】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、光放出部に活性層まで到達する穴が形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１８３】
図２５は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図であり、図２６（ａ）は同テラヘルツ波発生装置の１つの共振器の中心部分での断面図（図２５のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【０１８４】
半導体レーザ素子１５０は、光放出部１０ａにおいてその一部が除去されたｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１５１、アンドープのＧａＡｓ活性層１５２、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ光ガイド層１５３、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓグレーティング層１５４、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１５５及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５６を有し、共振器の光放出部１０ａにおいて斜面が平坦な凹部１５８が形成されているという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０１８５】
非線形光学素子１５７は、ニオブ酸リチウムから構成され、凹部１５８の上方に設置されるという点で第１の実施の形態の非線形光学素子とは異なる。なお、非線形光学素子１５７は、凹部１５８の開口部に直接接触していてもよいし、離れていてもよい。
【０１８６】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、光放出部１０ａにおいて凹部１５８が形成され、凹部１５８は活性層１５２までエッチングすることにより形成される。よって、第５の実施の形態のテラヘルツ波発生装置と比較してさらに高効率にレーザ光が外部に取り出されるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、テラヘルツ波の出力は、第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置よりも約１０％向上する。
【０１８７】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、光放出部１０ａには、球状の凹部１５８が形成されるとしたが、凹部には半導体レーザ素子１５０を構成する材料とは異なる屈折率を有する材料が埋め込まれてもよい。
【０１８８】
すなわち、図２６（ｂ）に示されるように、エッチングにより形成された凹部にＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層１５９がＭＯＣＶＤ法により埋め込まれてもよい。これによって、活性層端の非発光再結合中心が減少するので、信頼性の高いテラヘルツ発生装置を実現できる。
【０１８９】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、グレーティング層が形成された半導体レーザ素子のグレーティング形成領域の横に、電流あるいは電圧の印加により光の位相を制御する位相領域が形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１９０】
図２７は本実施の形態における半導体レーザ素子の１つの共振器の中心部分での断面図である。
【０１９１】
半導体レーザ素子１６０は、共振方向の共振器両端に形成された位相領域１６１を有するという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０１９２】
位相領域１６１は、基板１上に、クラッド層２、活性層１６２、光ガイド層４、クラッド層６及びコンタクト層７を順次積層させて形成される。ここで、活性層１６２は、バンドギャップが大きなＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層であり、グレーティング形成領域の活性層３に対してイオン注入による無秩序化を行い、Ａｌ組成を平均化することにより形成される。また、位相領域１６１上には、位相領域用の電極１６３が形成される。
【０１９３】
以上のような構成を有するテラヘルツ波発生装置において、活性層３の両側には活性層３で発光した光を吸収しない活性層１６２が形成され、電極１６３により位相領域１６１に電流を流すと、その電流による発熱またはプラズマ効果により、位相領域１６１の屈折率が変化する。この結果、共振器の実効的な共振器長が変化し、共振器内の発振波長を調整することが可能になる。実際に、電流注入により約０．５ｎｍの発振波長の調整が可能になった。
【０１９４】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、位相領域１６１に電流を流すことで共振器の発振波長を調節することができる。よって、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波の振動数を容易に変化させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。実際に、０．２ＴＨｚの周波数変化が可能になった。
【０１９５】
（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子が横方向成長により形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１９６】
図２８（ａ）は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置が備える半導体レーザ素子の構造を説明するための外観図である。
【０１９７】
半導体レーザ素子は、窒化物系半導体材料から構成され、凸部１７３ａが形成されたサファイア基板１７３と、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層と基板１７３との間の凸部１７３ａ以外の部分に形成されたＳｉＯ2膜１７５とを有するという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０１９８】
以上のような構成を有するテラヘルツ波発生装置において、基板１７３上の半導体層は、ＭＯＣＶＤ法で基板１７３上に半導体層を結晶成長させることにより形成される。よって、基板１７３上で半導体層は、横方向成長する。半導体層の横方向成長において、Ｌ／Ｖ比（Ｌ：基板面平行方向の成長速度、Ｖ：基板面垂直方向の成長速度）が大きい条件では、滑らかな端面を有する凸部が基板１７３の凸部１７３ａ上方に形成される。
【０１９９】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、サファイア基板１７３上の半導体層は横方向成長により形成され、半導体層において空隙が形成されたり、半導体層に結晶性が乱れた部分が形成されたりする。よって、その空隙等が形成された部分を光放出部とすることにより、光放出部の実行屈折率が共振器の他の部分と大きく異なることになるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。また、滑らかな端面を有する凸部が形成されるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、特性ばらつきの少ないテラヘルツ波発生装置を実現することができる。例えば、第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置よりも特性ばらつきが１５％減少する。
【０２００】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、凸部１７３ａを有する基板１７３を用いることで、半導体層を基板１７３上に横方向成長させた。しかし、図２８（ｂ）に示されるように、穴が形成されたＳｉＯ2膜１７８を、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層と基板１７９との間の形成することにより、半導体層を横方向成長させてもよい。
【０２０１】
（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、共振器の光放出部に凸部が形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２０２】
図２９（ａ）は本実施の形態における半導体レーザ素子の１つの共振器の中心部分での断面図である。
【０２０３】
半導体レーザ素子１８０は、光放出部においてその一部が除去されたグレーティング層１８１及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８２と、光放出部において凸部１８３ａが形成されたサファイア基板１８３とを有し、共振器の光放出部において凸部１８４が形成されるという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０２０４】
非線形光学素子１８５は、凸部１８４上に設置されるという点で第１の実施の形態の非線形光学素子とは異なる。
【０２０５】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、共振器の光放出部において凸部１８４が形成される。よって、光放出部の実行屈折率が共振器の他の部分と大きく異なることになるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２０６】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、半導体レーザ素子１８０の共振器の光放出部には、凸部１８４が形成されるとしたが、共振器の光放出部において光の分布が共振器の他の部分と大きく異なるようになればそれに限られず、凹部が形成されてもよい。
【０２０７】
すなわち、図２９（ｂ）に示されるように、半導体レーザ素子は共振器の光放出部において凹部１８６ａが形成されたサファイア基板１８６を有し、共振器の光放出部において凸部１８７が形成されていてもよい。
【０２０８】
（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子が異なる共振器長の２つのファブリペロー共振器を有するという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２０９】
図３０は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の上面図である。
半導体レーザ素子１８８は、グレーティング層を有さず、Ａ方向及びＢ方向にＬ２、Ｌ１の異なる共振器長の２つのファブリペロー共振器を有するという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。一般にファブリペロー共振器では、共振器損失が大きいほど短波長でレーザ発振する。よって、半導体レーザ素子１８８では各共振器で共振器長が異なるため、共振器損失が異なり（共振器長が短いほど共振器損失が大きい）、各共振器は異なる波長の光を発生する。例えば、各共振器の共振器長が、それぞれ例えばＬ１＝８００μｍ、Ｌ２＝１６００μｍであり、共振器に端面コーティング膜が形成されない場合には（反射率３２％）、Ｌ１、Ｌ２方向の共振器損失差は、３．６ｃｍ-1となる。この結果、Ａ方向とＢ方向の共振器の発振波長差が２ｎｍとなり、０．８ＴＨｚのテラヘルツ波が得られる。
【０２１０】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、異なる共振器長の共振器を形成することにより、半導体レーザ素子の発振波長を調節し、テラヘルツ波を発生させる。よって、第１の実施の形態のように、グレーティング層を形成する必要が無くなるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、製造が容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２１１】
（第１１の実施の形態）
本発明の第１１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子が異なる幅の２つの共振器を有するという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２１２】
図３１は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の上面図である。
半導体レーザ素子１８９は、グレーティングの周期が同じグレーティング層（周期は例えば１２９０Å）を有し、Ａ方向及びＢ方向にＷ１、Ｗ２の異なる幅の２つのファブリペロー共振器を有するという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。各共振器の幅が、それぞれ例えばＷ１＝２μｍ、Ｗ２＝３μｍである場合には、各共振器の実効屈折率は各々ｎ１=３．３、ｎ２＝３．３１となる。この結果、ブラッグ波長は８５１．４ｎｍ、８５４ｎｍとなり、０．６ＴＨｚのテラヘルツ波が得られる。
【０２１３】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、異なる幅の共振器を形成することにより、半導体レーザ素子の発振波長を調節し、テラヘルツ波を発生させる。よって、第１の実施の形態のように、２つの共振器のグレーティング周期を異なる周期に設計する必要が無いので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、製造が容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２１４】
（第１２の実施の形態）
本発明の第１２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子がマルチモード干渉（Multi-mode Interferemeter; MMI）構造の共振器を有するという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。ここで、ＭＭＩ構造にすることで、ある部分から入力された光を幅広い光導波部分に導き、干渉により複数個の光に分離させることができるため、ＭＭＩ構造は光通信における分波器、合波器に用いられる。
【０２１５】
図３２（ａ）は、グレーティング層の形状を示す図である。
半導体レーザ素子は、光放出部において幅の狭いグレーティング１９２が形成され、光放出部から共振方向に向かってグレーティング１９２よりも幅の広いグレーティング１９１が形成された屈折率の変化しないグレーティング層１９３を有するという点で第１の実施の形態の半導体レーザ素子とは異なる。
【０２１６】
なお、共振器が図３２（ａ）に示されるようなグレーティング層を有する場合には、ＭＭＩ構造の共振器が形成される。その様子を図３２（ｂ）に簡単に示す。点１９４から幅の広い導波路１９５に出射された光１９６ａ、１９６ｂ、１９６ｃ、１９６ｄは広がり、導波路１９５の内部で干渉する。その干渉の過程で、点１９７のように光が１箇所に集まる場所（点１９４からの距離がＺ１の場所）、及び点１９８、１９９のように光が２箇所に集まる場所（点１９４からの距離がＺ２の場所）が存在する。
【０２１７】
ここで、幅の広いグレーティング１９１の共振方向の長さＬは、幅の広いグレーティング１９１の光入力端である点１９４から１箇所に集光する点１９７までの距離の半分、例えばＬ＝Ｚ１／２とされる。このような構造の共振器においては、幅の広いグレーティング１９１が形成された共振器で光が増幅された後、その端部で反射された光は、再び、幅の狭いグレーティング１９２が形成された共振器に集光する。
【０２１８】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、半導体レーザ素子はＭＭＩ構造の共振器を有する。よって、レーザ光の強度を維持しつつ共振器を小型化することができるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力かつ小型のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２１９】
なお、幅の広いグレーティングは、複数の幅の狭いグレーティングに分かれていてもよい。すなわち、図３３に示されるように、半導体レーザ素子は、光放出部から共振方向に向かって光放出部のグレーティングよりも幅の広いグレーティング２０１、幅の広いグレーティング２０１よりも幅の狭い複数のグレーティング２０２が順に形成された屈折率の変化しないグレーティング層を有してもよい。このとき、幅の広いグレーティング２０１の共振方向の長さＬは、幅の広いグレーティング２０１の光入力端から複数のスポットに分岐するまでの長さ、例えば光が２分岐する図３２（ｂ）のＺ２に示される長さとされ、幅の狭い複数のグレーティング２０２は、複数のスポットに接するように形成される。この構造では、図３２（ａ）と同様に、共振器交差部付近はＭＭＩ構造となっている。これによって、２つの幅の狭いグレーティング２０２により共振器長が長くなり、レーザ光の強度を大きくすることができるので、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２２０】
（第１３の実施の形態）
本発明の第１３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子が３つ以上の共振器を有し、共振器の交差部分が２つ以上存在する、つまり光放出部が２つ以上存在するという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２２１】
図３４（ａ）は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の上面図である。
半導体レーザ素子は、波長７８１nmのＡ方向の分布帰還型共振器｛２１０ａ、２１０ｂ｝と、分布帰還型共振器｛２１０ａ、２１０ｂ｝と交差して設けられた波長７８２ｎｍのＢ方向の分布帰還型共振器｛２１１ａ、２１１ｂ｝、波長７８３ｎｍのＢ方向の分布帰還型共振器｛２１２ａ、２１２ｂ｝、波長７８４ｎｍのＢ方向の分布帰還型共振器｛２１３ａ、２１３ｂ｝、および波長７８５ｎｍのＢ方向の分布帰還型共振器｛２１４ａ、２１４ｂ｝とを有する。
【０２２２】
非線形光学素子２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃは、それぞれ分布帰還型共振器｛２１０ａ、２１０ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１１ａ、２１１ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１０ａ、２１０ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１２ａ、２１２ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１０ａ、２１０ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１３ａ、２１３ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１０ａ、２１０ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１４ａ、２１４ｂ｝との交差部分に形成された光放出部上に配置されており、それぞれ入射する光の差周波である０．４９ＴＨｚ、０．９８ＴＨｚ、１．４７ＴＨｚ、１．９５ＴＨｚの４種類のテラヘルツ波を同時に発生する。
【０２２３】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、非線形光学素子２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃは、４種類のテラヘルツ波を同時に発生する。よって、テラヘルツ分光分析において、複数回の測定をおこなうことなく、一度の測定で種々のテラヘルツ波長での測定をおこなうことができるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高性能のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２２４】
なお、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、図３４（ｂ）のテラヘルツ波発生装置の上面図に示されるように共振器を配置し、複数の非線形光学素子が同時に１種類のテラヘルツ波のみを発生するようにしてもよい。この場合には、半導体レーザ素子は、波長７８１nmのＡ方向の分布帰還型共振器｛２１５ａ、２１５ｂ｝、｛２２０ａ、２２０ｂ｝と、分布帰還型共振器｛２１５ａ、２１５ｂ｝、｛２２０ａ、２２０ｂ｝と交差して設けられた波長７８４ｎｍのＢ方向の分布帰還型共振器｛２１６ａ、２１６ｂ｝、｛２１７ａ、２１７ｂ｝、｛２１８ａ、２１８ｂ｝、｛２１９ａ、２１９ｂ｝とを有する。そして、非線形光学素子２１６ｃ、２１７ｃ、２１８ｃ、２１９ｃ、２１６ｄ、２１７ｄ、２１８ｄ、２１９ｄは、それぞれ分布帰還型共振器｛２１６ａ、２１６ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１５ａ、２１５ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１７ａ、２１７ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１５ａ、２１５ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１８ａ、２１８ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１５ａ、２１５ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１９ａ、２１９ｂ｝と分布帰還型共振器｛２１５ａ、２１５ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１６ａ、２１６ｂ｝と分布帰還型共振器｛２２０ａ、２２０ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１７ａ、２１７ｂ｝と分布帰還型共振器｛２２０ａ、２２０ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１８ａ、２１８ｂ｝と分布帰還型共振器｛２２０ａ、２２０ｂ｝との交差部分に形成された光放出部、分布帰還型共振器｛２１９ａ、２１９ｂ｝と分布帰還型共振器｛２２０ａ、２２０ｂ｝との交差部分に形成された光放出部上に配置されており、それぞれ入射する光の差周波である１．４７ＴＨｚの１種類のテラヘルツ波を同時に発生する。これによって、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２２５】
また、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置において、図３５のテラヘルツ波発生装置の斜視図に示されるように共振器を配置して複数の非線形光学素子が同時に１種類のテラヘルツ波のみを発生するようにし、さらに非線形光学素子上に位相制御部材としての所定形状の基板を配置して任意の波面が形成できるようにしてもよい。この場合には、半導体レーザ素子は、波長７８４nmのＡ方向の分布帰還型共振器｛２３４ａ、２３４ｂ｝、｛２３５ａ、２３５ｂ｝、｛２３６ａ、２３６ｂ｝と、分布帰還型共振器｛２３４ａ、２３４ｂ｝、｛２３５ａ、２３５ｂ｝、｛２３６ａ、２３６ｂ｝と交差して設けられた波長７８１ｎｍのＢ方向の分布帰還型共振器｛２３１ａ、２３１ｂ｝、｛２３２ａ、２３２ｂ｝、｛２３３ａ、２３３ｂ｝とを有する。そして、非線形光学素子は、それぞれ分布帰還型共振器｛２３４ａ、２３４ｂ｝、｛２３５ａ、２３５ｂ｝と、分布帰還型共振器｛２３１ａ、２３１ｂ｝、｛２３２ａ、２３２ｂ｝、｛２３３ａ、２３３ｂ｝との交差部分に形成された光放出部上に形成されており、それぞれ入射する光の差周波である１．４７ＴＨｚの１種類のテラヘルツ波を同時に発生する。さらに、非線形光学素子上には、凸部２３８を有する高抵抗シリコン基板２３７が配置されており、各非線形光学素子から発生したテラヘルツ波は高抵抗シリコン基板２３７を通過するときに位相変調を受ける。すなわち、シリコン基板２３７は、凸レンズとして機能する。このとき、高抵抗シリコン基板が凸部ではなく凹部を有する場合には、高抵抗シリコン基板は凹レンズとして機能する。これによって、高抵抗シリコン基板の形状により、任意の波面が形成できるようになり、テラヘルツ光学系設計の自由度が高いテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２２６】
（第１４の実施の形態）
本発明の第１４の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子上に干渉ミラーが形成されるという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２２７】
図３６は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
テラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子１０上に形成され、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2多層膜から構成される反射部材としての誘電体干渉ミラー２４１を備える。誘電体干渉ミラー２４１は、共振器内のレーザ光の波長（例えば、波長７８０nm近傍の赤外光）では高反射率を有し、一方、テラヘルツ波に対しては、透過するように設計される。なお、誘電体干渉ミラー２４１は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜等の材料から構成されてもよい。
【０２２８】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、半導体レーザ素子１０上には誘電体干渉ミラー２４１が形成される。よって、光放出部付近で漏れたレーザ光が再び光放出部に入るようになるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波への変換効率を向上させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２２９】
なお、誘電体干渉ミラー２４１は、非線形光学素子が形成された光放出部上方では無く、非線形光学素子が形成されていない光放出部下方に位置するように設けられてもよい。
【０２３０】
（第１５の実施の形態）
本発明の第１５の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子上に凹面鏡が形成されるという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２３１】
図３７は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
テラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子１０上に形成され、焦点が光放出部と略一致する凹面鏡２４２を備える。凹面鏡２４２は、共振器内の波長（例えば、波長７８０nm近傍の赤外光）では高反射率を有し、一方、テラヘルツ波に対しては透過するように設計される。
【０２３２】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、半導体レーザ素子１０上には凹面鏡２４２が形成される。よって、光放出部付近で漏れたレーザ光が集光して再び光放出部に入るようになるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波への変換効率を向上させることが可能なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２３３】
なお、凹面鏡２４２は、非線形光学素子が形成された光放出部上方ではなく、非線形光学素子が形成されていない光放出部下方に位置するように設けられてもよい。
【０２３４】
（第１６の実施の形態）
本発明の第１６の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子の共振器の共振方向と端面とがなす角が９０度でないという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２３５】
図３８は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の上面図である。
半導体レーザ素子２５１は、端面法線方向（図３８においてＡ方向）が共振方向（図３８においてＢ方向）と異なる共振器を有し、共振方向は、端面平行方向（図３８においてＣ方向）に対して９０度でない角度θ、例えば角度８３度をなす。
【０２３６】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、共振器の共振方向と端面とがなす角度θは９０度でない。よって、半導体レーザ素子において、共振器端面からの反射光が低減され、グレーティング層による反射光が支配的な状態となるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高効率のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２３７】
（第１７の実施の形態）
本発明の第１７の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子が（００１）基板でなくオフ基板を用いて形成されるという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２３８】
図３９は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
半導体レーザ素子２６０を構成する半導体層は、オフ基板上に形成され、その結晶軸（図３９においてＣ方向）は半導体層に垂直な方向（図３９においてＤ方向）ではなく、どちらか一方の共振器の方向（例えば、図３９においてＡ方向）に傾いている。
【０２３９】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、傾斜方向であるＡ方向の共振器とその面内垂直方向であるＢ方向の共振器とでは正孔の有効質量が異なる。よって、Ａ方向の共振器とＢ方向の共振器とで同じ量子井戸構造を形成しても、発振波長がＡ方向の共振器とＢ方向の共振器とで異なるようになるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、製造が容易な簡素な構造を有するテラヘルツ波発生装置を実現することができる。すなわち、非常に簡単な構造で発振波長の異なる共振器を実現でき、低コストのテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２４０】
（第１８の実施の形態）
本発明の第１８の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザ素子の一方の共振器には分布帰還構造が形成されないという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２４１】
図４０は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
半導体レーザ素子２７１において、Ｂ方向の共振器には分布帰還構造が形成されているが、Ａ方向の共振器には分布帰還構造が形成されていない。Ａ方向の共振器の片側には共振方向に移動可能な状態でミラー２７２が設置されており、Ａ方向の共振器は複合共振器構造を有する。ミラー２７２は、ピエゾ素子２７３に取り付けられており、そのピエゾ素子２７３に電界印加することにより、ミラー２７２の位置がＡ方向の共振器の共振方向に変化する。すなわち、Ａ方向の共振器の共振器長が変化し、Ａ方向の共振器の発振波長が変化する。
【０２４２】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、ピエゾ素子２７３への電界印加に応じて、Ａ方向の共振器の発振波長が変化し、Ａ方向の共振器の光とＢ方向の共振器の光との差周波が変化する。よって、テラヘルツ波の周波数を自由に変化させることができるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、チューナブルなテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２４３】
（第１９の実施の形態）
本発明の第１９の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、共振器間に埋め込まれたポリイミド上にフォトニック結晶が形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２４４】
図４１は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
テラヘルツ波発生装置は、ポリイミド１２上に形成され、その回折性能によりテラヘルツ波を基板と垂直な方向に放射させるフォトニック結晶２８１を備える。フォトニック結晶２８１は、テラヘルツ波に対してのみ周期性を感じる穴を有する。例えばフォトニック結晶２８１は、周期３０μｍで数十μｍの直径の円筒状の穴が配置された屈折率周期構造を有する。
【０２４５】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、ポリイミド１２上には、自身に入射するテラヘルツ波を基板と垂直な方向に放射させるフォトニック結晶２８１が形成される。よって、ポリイミド部分に漏れたテラヘルツ波を有効に外部に取り出すことができるので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、高出力のテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【０２４６】
（第２０の実施の形態）
本発明の第２０の実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、共振器間に埋め込まれたポリイミド上にグランドに接地された電極が形成され、非線形光学素子上に電磁波放射アンテナが設置されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置とは異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０２４７】
図４２（ａ）は本実施の形態におけるテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
テラヘルツ波発生装置は、ポリイミド１２上に形成され、グランドに接地された電極２９３と、非線形光学素子１１で発生するテラヘルツ波の波長の１／４の長さを有し、光放出部上方に位置するように非線形光学素子１１上に設置された電磁波放射アンテナであるアルミ製ポール２９２とを備える。例えば、非線形光学素子１１で発生するテラヘルツ波の周波数が５ＴＨｚであり、波長が６０μｍである場合には、アルミ製ポール２９２の長さは１５μｍとされる。
【０２４８】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、アルミ製ポール２９２、電極２９３及び非線形光学素子１１により図４２（ｂ）に示されるモノポールアンテナと等価な回路が形成される。よって、非線形光学素子で発生したテラヘルツ波を外部へ放射する際のテラヘルツ波の指向性が向上するので、本実施の形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波の取り扱いが容易なテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２４９】
本発明は、テラヘルツ発生装置に利用でき、特に小型で安価なテラヘルツ発生装置等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２５０】
【図１】本発明の第１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図２】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置のグレーティング層の構造を示す図である。
【図３】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の駆動回路の回路図である。
【図４】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の製造方法を説明するためのテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図５】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の製造方法を説明するためのテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図６】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の製造方法を説明するためのテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図７】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の製造方法を説明するためのテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図８】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の製造方法を説明するためのテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図９】（ａ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。（ｂ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図１０】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の駆動回路の回路図である。
【図１１】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置のグレーティング層の構造を示す図である。
【図１２】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置のグレーティング層の構造を示す図である。
【図１３】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。
【図１４】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図１５】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図１７】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図（図１６のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図１９】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図（図１８のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【図２０】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図２２】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図（図２１のＣ−Ｃ’線における断面図）である。
【図２３】本発明の第５の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図２４】（ａ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図（図２３のＣ−Ｃ’線における断面図）である。（ｂ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。（ｃ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。
【図２５】本発明の第６の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図２６】（ａ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図（図２５のＣ−Ｃ’線における断面図）である。（ｂ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。
【図２７】本発明の第７の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。
【図２８】本発明の第８の実施の形態のテラヘルツ波発生装置が備える半導体レーザ素子の構造を説明するための外観図である。
【図２９】本発明の第９の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の断面図である。
【図３０】本発明の第１０の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図３１】本発明の第１１の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図３２】（ａ）本発明の第１２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置のグレーティング層の形状を示す図である。（ｂ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置においてＭＭＩ構造の共振器が形成される様子を説明するための図である。
【図３３】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置のグレーティング層の形状を示す図である。
【図３４】本発明の第１３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図３５】同実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図３６】本発明の第１４の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図３７】本発明の第１５の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図３８】本発明の第１６の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の上面図である。
【図３９】本発明の第１７の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図４０】本発明の第１８の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図４１】本発明の第１９の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。
【図４２】（ａ）本発明の第２０の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の斜視図である。（ｂ）同実施の形態のテラヘルツ波発生装置において形成されるモノポールアンテナと等価な回路を示す図である。
【図４３】従来のテラヘルツ波発生装置の概念図である。
【符号の説明】
【０２５１】
１、１１２、１２１、１２２、１３１、１７３、１７９、１８３、１８６、２３７    基板
２、６、１４１、１５１、１５５    クラッド層
３、４３、１５２、１６２    活性層
４、４４、１５３    光ガイド層
５、３３、３４、３５、３６、１５４、１８１、１９３    グレーティング層
７、１１１、１３２、１４２、１５６、１８２    コンタクト層
８、１３３    ｎ型電極
９    ｐ型電極
１０、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１８０、１８８、１８９、２５１、２６０、２７１    半導体レーザ素子
１０ａ    光放出部
１１、１４４、１５７、１８５、２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃ、２１６ｃ、２１６ｄ、２１７ｃ、２１７ｄ、２１８ｃ、２１８ｄ、２１９ｃ、２１９ｄ    非線形光学素子
１２    ポリイミド
１３    中央部のグレーティング
２１    直流電源
２２、３１、３２    パルス電源
４１、２７２、３０３    ミラー
４２    共振器端部
５１    溝
５２    半導体層
１１１ａ    エピ側空隙
１１２ａ    基板側空隙
１２１ａ    球状部
１２２ａ    グレーティング部
１４３、１４５、１５８、１８６ａ、１８７    凹部
１４６、１７３ａ、１８３ａ、１８４、２３８    凸部
１５９    Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層
１６１    位相領域
１６３、２９３    電極
１７５、１７８    ＳｉＯ2膜
１９１、１９２、２０１、２０２    グレーティング
１９４、１９７、１９８、１９９    点
１９５    導波路
１９６ａ、１９６ｂ、１９６ｃ、１９６ｄ    光
２１０ａ、２１０ｂ、２１１ａ、２１１ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂ、２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂ、２１７ａ、２１７ｂ、２１８ａ、２１８ｂ、２１９ａ、２１９ｂ、２２０ａ、２２０ｂ、２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂ、２３３ａ、２３３ｂ、２３４ａ、２３４ｂ、２３５ａ、２３５ｂ、２３６ａ、２３６ｂ    共振器
２４１    誘電体干渉ミラー
２４２    凹面鏡
２７３    ピエゾ素子
２８１    フォトニック結晶
２９２    アルミ製ポール
３０１    第１光源
３０２    第２光源
３０４、３０５  レンズ
３０６    ハーフミラー
３０７    ＧａＳｅ結晶
３０８    テラヘルツ波
【図１】
2006162736.tif 000003
【図２】
2006162736.tif 000004
【図３】
2006162736.tif 000005
【図４】
2006162736.tif 000006
【図５】
2006162736.tif 000007
【図６】
2006162736.tif 000008
【図７】
2006162736.tif 000009
【図８】
2006162736.tif 000010
【図９】
2006162736.tif 000011
【図１０】
2006162736.tif 000012
【図１１】
2006162736.tif 000013
【図１２】
2006162736.tif 000014
【図１３】
2006162736.tif 000015
【図１４】
2006162736.tif 000016
【図１５】
2006162736.tif 000017
【図１６】
2006162736.tif 000018
【図１７】
2006162736.tif 000019
【図１８】
2006162736.tif 000020
【図１９】
2006162736.tif 000021
【図２０】
2006162736.tif 000022
【図２１】
2006162736.tif 000023
【図２２】
2006162736.tif 000024
【図２３】
2006162736.tif 000025
【図２４】
2006162736.tif 000026
【図２５】
2006162736.tif 000027
【図２６】
2006162736.tif 000028
【図２７】
2006162736.tif 000029
【図２８】
2006162736.tif 000030
【図２９】
2006162736.tif 000031
【図３０】
2006162736.tif 000032
【図３１】
2006162736.tif 000033
【図３２】
2006162736.tif 000034
【図３３】
2006162736.tif 000035
【図３４】
2006162736.tif 000036
【図３５】
2006162736.tif 000037
【図３６】
2006162736.tif 000038
【図３７】
2006162736.tif 000039
【図３８】
2006162736.tif 000040
【図３９】
2006162736.tif 000041
【図４０】
2006162736.tif 000042
【図４１】
2006162736.tif 000043
【図４２】
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【図４３】
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