(57)【要約】【課題】フォトニック結晶導波路を用いて、テラヘルツ波等の電磁波を、効率的に発生させる。【解決手段】差周波発生器は、シグナル光及びポンプ光を発生する光源１０と、シグナル光及びポンプ光を導波する第１フォトニック結晶導波路２０であって、シグナル光及びポンプ光の差周波を発生させる第１フォトニック結晶導波路２０と、を備える。【選択図】図１
2019040034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シグナル光及びポンプ光を発生する光源と、
前記シグナル光及び前記ポンプ光を導波するフォトニック結晶導波路であって、前記シグナル光及び前記ポンプ光の差周波を発生させる第１フォトニック結晶導波路と、
を備える差周波発生器。
【請求項２】
前記シグナル光及び前記ポンプ光の少なくともいずれか一方は、前記第１フォトニック結晶導波路におけるスローライト領域に含まれる周波数を有し、
前記スローライト領域は、前記第１フォトニック結晶導波路によって導波される光の群速度が、真空中の光の速度の０．０３倍よりも小さくなる領域である
請求項１に記載の差周波発生器。
【請求項３】
前記差周波は、テラヘルツ波である
請求項１又は２に記載の差周波発生器。
【請求項４】
前記第１フォトニック結晶導波路は、前記第１フォトニック結晶導波路における他の領域の周期構造とは異なる周期構造を有する調整領域を備え、前記調整領域における周期構造は、前記シグナル光及び前記ポンプ光の位相整合を高めるよう設定されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の差周波発生器。
【請求項５】
前記差周波を導波する第２フォトニック結晶導波路を更に備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の差周波発生器。
【請求項６】
前記第２フォトニック結晶導波路は、導波路領域と、前記導波路領域の両側方に形成された周期構造領域と、を備え、
前記第１フォトニック結晶導波路は、前記導波路領域内に形成されている
請求項５に記載の差周波発生器。
【請求項７】
前記第２フォトニック結晶導波路１２０は、前記第１フォトニック結晶導波路２０において発生する第１差周波を導波する第１領域と、前記第１フォトニック結晶導波路２０において発生し、前記第１差周波とは周波数が異なる第２差周波を導波する第２領域と、を備える
請求項５又は６に記載の差周波発生器。
【請求項８】
シグナル光及びポンプ光を導波するフォトニック結晶導波路において、前記シグナル光及びポンプ光の差周波を発生させることを含む差周波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、差周波発生に関する。
【背景技術】
【０００２】
差周波発生（Difference Frequency Generation : DFG）は、非線形光学媒質に入射された二つの光の周波数の差に相当する電磁波が生じる現象である。差周波発生は、例えば、周波数０．１〜１０ＴＨｚ程度の電磁波であるテラヘルツ波発生に用いられる。非特許文献１は、差周波発生を用いたテラヘルツ波発生を開示している。また、非特許文献１は、テラヘルツ波を導波するＧａＰテラヘルツ波フォトニック結晶導波路（Gap THz Photonic Crystal Waveguides）を開示している。ＧａＰ結晶は、非線形光学媒質であり、差周波発生を起こすことができる。非特許文献１のフォトニック結晶導波路は、差周波発生によるテラヘルツ波を導波するよう構成されているため、発生したテラヘルツ波を伝搬させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Kyosuke Saito, Tadao Tanabe, Yutaka Oyama,”THz-Wave Generation from GaP THz Photonic Crystal Waveguides under Difference-Frequency Mixing”,Optics and Photonics Journal, 2012,2, pp.201-205
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光と電波の中間の周波数をもつテラヘルツ波の発生技術は、未だ発展途上であり、より高効率なテラヘルツ波発生技術が求められている。非特許文献１に記載のフォトニック結晶導波路は、差周波として発生したテラヘルツ波を導波するためのものにすぎず、フォトニック結晶導波路を、テラヘルツ波のような電磁波の効率的な発生のために用いていない。
【０００５】
本開示は、フォトニック結晶導波路を用いて、テラヘルツ波等の電磁波を、効率的に発生させる技術に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のある側面は、差周波発生器である。差周波発生器は、シグナル光及びポンプ光を発生する光源と、前記シグナル光及び前記ポンプ光を導波する第１フォトニック結晶導波路であって、前記シグナル光及び前記ポンプ光の差周波を発生させる第１フォトニック結晶導波路と、を備えることができる。
【０００７】
本開示の他の側面は、差周波発生方法である。差周波発生方法は、シグナル光及びポンプ光を導波するフォトニック結晶導波路において、前記シグナル光及びポンプ光の差周波を発生させることを含むことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、差周波発生を高効率で起こすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、差周波発生器の平面図である。
【図２】図２は、フォトニック結晶導波路の分散関係を示す図である。
【図３】図３は、スローライトの強度向上を示す図である。
【図４】図４は、シグナル光とポンプ光の説明図である。
【図５】図５は、導波路モードに沿ったシグナル光とポンプ光の設定例を示す図である。
【図６】図６は、差周波の強度と群屈折率を示すグラフである。
【図７】図７は、群速度及び波長と、差周波の強度との関係を示す図である。
【図８】図８は、差周波の周波数と強度とを示す図である。
【図９】図９は、第２例に係るフォトニック結晶導波路を示す平面図である。
【図１０】図１０は、調整領域を有するフォトニック結晶導波路の導波路モードを示す図である。
【図１１】図１１は、波長と群屈折率の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、波長と差周波の強度を示す図である。
【図１３】図１３は、第３例に係るフォトニック結晶導波路を示す平面図である。
【図１４】図１４は、第４例に係るフォトニック結晶導波路を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［１．差周波発生器及び差周波発生方法］
【００１１】
（１）実施形態に係る差周波発生器は、シグナル光及びポンプ光を発生する光源を備える。シグナル光及びポンプ光は、差周波発生によりアイドラ光を発生させる。アイドラ光は、テラヘルツ波であってもよい。シグナル光及びポンプ光は、光周波数帯の電磁波である。光周波数帯は、例えば１０１３Ｈｚから１０１６Ｈｚである。実施形態に係る差周波発生器は、第１フォトニック結晶導波路を備える。第１フォトニック結晶導波路は、シグナル光及びポンプ光を導波する。すなわち、フォトニック結晶導波路は、シグナル光及びポンプ光が共鳴する導波路モードを有する。実施形態において、第１フォトニック結晶導波路は、アイドラ光を導波しない。第１フォトニック結晶導波路は、シグナル光及びポンプ光の差周波（アイドラ光）を効率的に発生させる。差周波発生は、非線形光学媒質において起きる。実施形態において、光源は、第１フォトニック結晶導波路内にあってもよいし、第１フォトニック結晶導波路外にあってもよい。
【００１２】
（２）前記シグナル光及び前記ポンプ光の少なくともいずれか一方は、前記第１フォトニック結晶導波路におけるスローライト領域に含まれる周波数を有するのが好ましい。前記シグナル光及び前記ポンプ光の両方が、前記第１フォトニック結晶導波路におけるスローライト領域に含まれてもよい。スローライト領域では、光の群速度が大きく低下するため、差周波発生の効率が高まる。
【００１３】
前記スローライト領域は、前記第１フォトニック結晶導波路によって導波される光の群速度が、真空中の光の速度よりも遅くなる領域である。前記スローライト領域は、前記第１フォトニック結晶導波路によって導波される光の群速度が、真空中の光の速度の速度０．０３倍よりも小さくなる領域であってもよく、０．０１倍よりも小さくなる領域であってもよい。
【００１４】
（３）前記差周波は、テラヘルツ波であってもよい。この場合テラヘルツ波発生が効率的に行われる。テラヘルツ波は、例えば、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの範囲内の電磁波である。テラヘルツ波は、０．３ＴＨｚよりも大きい電磁波であってもよい。テラヘルツ波は、３ＴＨｚよりも小さい電磁波であってもよい。
【００１５】
（４）前記第１フォトニック結晶導波路は、前記第１フォトニック結晶導波路における他の領域の周期構造とは異なる周期構造を有する調整領域を備えてもよい。前記調整領域における周期構造は、前記シグナル光及び前記ポンプ光の位相整合を高めるよう設定されている。
【００１６】
（５）実施形態に係る差周波発生器は、前記差周波を導波する第２フォトニック結晶導波路を更に備えてもよい。この場合、第１フォトニック結晶導波路によって発生した差周波を、第２フォトニック結晶導波路によって導波することができる。
【００１７】
（６）前記第２フォトニック結晶導波路は、導波路領域と、前記導波路領域の両側方に形成された周期構造領域と、を備えることができる。前記第１フォトニック結晶導波路は、前記導波路領域内に形成されていてもよい。
【００１８】
（７）前記第２フォトニック結晶導波路１２０は、前記第１フォトニック結晶導波路２０において発生する第１差周波を導波する第１領域と、前記第１フォトニック結晶導波路２０において発生し、前記第１差周波とは周波数が異なる第２差周波を導波する第２領域と、を備えていてもよい。
【００１９】
（８）実施形態に係る差周波発生方法は、シグナル光及びポンプ光を導波するフォトニック結晶導波路において、前記シグナル光及びポンプ光の差周波を発生させることを含む。
【００２０】
［２．差周波発生器の例］
【００２１】
［２．１  第１例］
【００２２】
図１は、実施形態に係る差周波発生器１００を示している。図１に示す差周波発生器１００は、非線形光学媒質によって構成されたフォトニック結晶導波路２０において生じる差周波発生によりテラヘルツ波を効率的に発生させる。差周波発生器１００は、光源１０を備える。光源１０は、周波数の異なる複数の光を発生させる。光源１０は、例えば、多波長の光を発生させる多波長レーザ光源である。周波数の異なる複数の光は、周波数がωＰであるポンプ光と、周波数がωｓであるシグナル光を含む。
【００２３】
差周波発生器１００は、フォトニック結晶導波路２０（第１フォトニック結晶導波路）を備える。図１に示すフォトニック結晶導波路２０は、非線形光学媒質である半導体薄膜に形成された周期構造を有する。半導体薄膜は、例えば、ＧａＡｓ薄膜である。周期構造は、例えば、空孔３１が２次元平面において、周期的に配列されたものである。空孔３１の直径は、例えば、２００〜３００ｎｍである。フォトニック結晶導波路２０は、導波路領域２１と、導波路領域２１の両側方に形成された周期構造領域２２，２３と、を有する。導波路領域２１は、例えば、空孔３１の線欠陥として形成される。周期構造領域２２，２３は、例えば、三角格子状に周期的に配列された複数の空孔３１を備える。図１において、ｒは、空孔３１の半径を示し、ａは、空孔３１の間隔を示す。ｒとａの大きさは、導波する光の波長に応じて設定される。
【００２４】
フォトニック結晶内では、図２に示すような、特異な光の分散関係（ω，ｋ）が発生するとともに、フォトニックバンドギャップと呼ばれる電磁波の存在できない周波数帯が発生する。フォトニック結晶内に導波路領域２１を設けると、フォトニックバンドギャップの周波数帯において、新たな光モード（導波路モード（ＰＣ−ＷＧモード））Ｍ１，Ｍ２が出現する。このため、これらのモードＭ１，Ｍ２に共鳴する周波数の光は、導波路領域２１を伝搬することができる。つまり、導波路領域２１は、フォトニックバンドギャップの周波数帯において、導波路モードＭ１，Ｍ２に共鳴する周波数の光を導波する。
【００２５】
図２に示すモードＭ１，Ｍ２の傾きは、導波路領域２１において伝搬される光の群速度を示す。例えば、モードＭ１において示す変曲点Ｐ１よりもｋｘが大きくなる領域では、傾きが特に小さくなっており、群速度が特に低下することを示している。なお、モードＭ１においては、変曲点Ｐ１よりもｋｘが小さい範囲においても、群速度は、真空中の光の速度よりも遅くなっている。
【００２６】
光の群屈折率は、光の群速度に反比例するため、フォトニック結晶導波路においては、光の群屈折率が大きくなる。大きな群屈折率は、光を圧縮させ、光電場を高強度にする。本実施形態は、かかる現象を、差周波発生効率の増大のために用いる。
【００２７】
なお、図１において、光源１０は、フォトニック結晶導波路２０の外部に設けられており、光源１０からフォトニック結晶導波路２０へ光が入射する。ただし、光源１０は、フォトニック結晶導波路２０に一体的に設けられていてもよい。フォトニック結晶導波路２０に一体的に設けられる光源１０は、例えば、量子ドット又は量子井戸である。フォトニック結晶を構成する半導体薄膜に、量子ドット又は量子井戸を有する活性層を積層させることで、フォトニック結晶導波路２０内に一体的に設けられた光源１０が得られる。周波数の異なる複数の光を発生させる光源１０は、例えば、多波長光源である。多波長光源は、例えば、ドットのサイズ分布を有する量子ドット、又は膜厚分布を有する量子井戸によって構成される。そのような多波長光源は、例えば、特開２０１５−６０８８０号公報に開示されている。フォトニック結晶導波路２０内に一体的に設けられた光源１０によって、差周波発生効率をさらに増大させることができる。
【００２８】
実施形態において、前述のポンプ光（周波数ωｐ）及びシグナル光（周波数ωｓ）は、いずれも、導波路モードＭ１に共鳴する周波数の光である。したがって、導波路領域２１に入射されたポンプ光及びシグナル光は、導波路領域２１によって導波される。
【００２９】
ポンプ光及びシグナル光は、導波路領域２１への閉じ込め効果によって、導波路領域２１内において、光電場が高強度化する。しかも、導波路領域２１内においては、光の群速度が低下する（群速度低下効果）。群速度が低下した光は、スローライト（Slow light）と呼ばれる。ここでは、スローライトは、真空中の光の速度よりも、低い群速度を持つ光である。図３に示すように、通常の光（Fast light）が導波路領域２１へ入射すると、群速度が低下し、光圧縮を受けて、強度が高まる。さらに、光の周波数が、スローライト領域とよばれる群速度が特に低下する周波数帯内にあると、群速低下効果が非常に大きくなり、光電場がさらに高強度化される。
【００３０】
フォトニック結晶導波路２０は、前述のように、非線形光学媒質によって形成されているため、差周波の電磁波を発生させることができる。例えば、フォトニック結晶導波路２０に導波される２つの光の周波数の差を、テラヘルツにすることで、テラヘルツ波発生が起きる。前述のように、ポンプ光及びシグナル光は、フォトニック結晶導波路２０によって光電場が高強度化されているため、非線形効果が高まり、差周波の電磁波が高強度化する。したがって、例えばテラヘルツ波を高効率で発生させることができる。
【００３１】
以下、高強度の電磁波の発生をシミュレーションにより確認した結果を示す。シミュレーションは、２次元有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法にて行った。シミュレーションに際しては、図１において符号１１で示す位置（導波路領域２１内）に、ポンプ光及びシグナル光を発生する光源を設定し、符号４１で示す位置に、光のパワーモニターを設定した。フォトニック結晶導波路２０は、図２に示す導波路モードＭ１を有する。ポンプ光（周波数ωｐ）及びシグナル光（周波数ωｓ）は、いずれも、導波路モードＭ１に共鳴する周波数の光とした。ポンプ光及びシグナル光がフォトニック結晶導波路２０によって導波されるように、空孔３１の間隔ａは，２７４ｎｍとし、空孔３１の半径ｒは、８５ｎｍとした。
【００３２】
図４に示すように、光源１１において、ポンプ光及びシグナル光は、中心波長が、１．３μｍ帯の２波長パルスとして発生する。両パルス光のパルス幅は、１ｐｓとし、ピーク強度は１Ｗとした。ポンプ光とシグナル光の周波数の差は３ＴＨｚとした。パワーモニター４１で得られた時間領域での光を、フーリエ変換によって周波数スペクトルに変換し、差周波（ωｐ−ωｓ＝３ＴＨｚ）の電磁波強度を取得した。
【００３３】
シミュレーションにおいては、図５に示すようにポンプ光とシグナル光の差周波を３ＴＨｚに維持しつつ、導波路モードＭ１に沿って両パルスの光の波長を変化させた。図６は、この場合の差周波強度の変化を示している。図６において、横軸は、シグナル光の波長を示す。図６（ａ）の縦軸は、差周波の電磁波であるテラヘルツ波のピーク強度を示す。図６（ｂ）の縦軸は、群屈折率を示す。図６において、黒塗りの四角（ＰＣ−ＷＧ）は、実施形態に係るフォトニック結晶導波路２０におけるテラヘルツ波のピーク強度及び群屈折率を示す。図６において、黒塗りの三角（Ｂｕｌｋ）は、比較例としてバルク（Ｂｕｌｋ）におけるテラヘルツ波のピーク強度及び群屈折率を示す。
【００３４】
バルクは、非線形光学媒質であるＧａＡｓ薄膜によって構成されており、空孔３１を有しない。バルクは、非線形光学媒質であるため、差周波発生を生じさせるが、フォトニック結晶導波路のように光増強効果はない。
【００３５】
図６（ａ）に示すように、フォトニック結晶導波路２０において差周波発生したテラヘルツ波は、バルクにおいて差周波発生したテラヘルツ波よりも、高強度になっている。このような高強度化は、導波路モードＭ１に対応する全波長において生じる。この高強度化は、フォトニック結晶導波路２０における光の閉じ込め効果によるシグナル光及びポンプ光の高強度化により、差周波の発生効率が増大したためであると考えられる。
【００３６】
しかも、フォトニック結晶導波路２０において差周波発生したテラヘルツ波は、図６（ａ）に示すように、シグナル光の波長が領域Ｂに入ると、強度が急激に増大し始め、シグナル光の波長が図６に示す領域Ａに漸近するに従い、強度が順次増大することが確認された。これは、群速度低下による光圧縮で生じたシグナル光及びポンプ光の高強度化により、差周波の発生効率が増大したためであると考えられる。そして、領域Ａにおいては、強度が非常に大きくなった。また、図６（ｂ）に示すように、シグナル光の波長が図６に示す領域Ａに漸近するに従い、群屈折率が順次増大することが確認された。つまり、シグナル光の波長が、領域Ａに漸近するに従い、群速度が順次低下していることがわかる。また、フォトニック結晶導波路２０による差周波の発生効率は、群屈折率に依存していることがわかる。
【００３７】
バルクにおいては、シグナル光及びポンプ光の閉じ込め効果も、群速度低下効果も生じないため、図６に示すように、フォトニック結晶導波路に比べて、差周波の発生効率は、一定で、かつ低い。
【００３８】
非特許文献１のように、差周波発生したテラヘルツ波を導波するよう構成されたフォトニック結晶導波路も、バルクのように低い差周波発生効率しか得られない。テラヘルツ波を導波するフォトニック結晶導波路においては、差周波発生したテラヘルツ波は、導波路モードに共鳴する電磁波であるが、差周波発生前のシグナル光及びポンプ光は、導波路モードに共鳴する電磁波ではない。このため、テラヘルツ波を導波するフォトニック結晶導波路は、シグナル光及びポンプ光にとっては、バルクと同然であり、バルクと同様の発生効率しか期待できない。
【００３９】
これに対して、シグナル光及びポンプ光を導波するフォトニック結晶導波路２０を利用することで、図６に示すように効率的なテラヘルツ波発生が可能である。とりわけ、領域Ａ及び領域Ｂからなる領域Ｃにおいて、差周波の強度が特に大きくなっており、より効率的な差周波発生が可能である。なお、シグナル光の波長が、領域Ａよりも波長が大きい領域に入ると、ポンプ光の波長が領域Ａに近づくか領域Ａ内に入るものの、シグナル光が、領域Ａから外れるため、差周波の強度が、やや低下する。もっとも、領域Ａよりも波長が大きい領域においても、効率的な差周波発生は可能である。
【００４０】
ここで、図６の領域Ａは、図２に示す領域Ａに概ね対応しており、モードＭ１の傾きが小さくなる領域であって、群速度が大きく低下する波長帯である。領域Ａは、シグナル光の群速度が、概ね、真空中の光の速度ｃの０．０１倍よりも小さくなる。領域Ａにおいては、例えば、光の群速度は、真空中の光の速度ｃの０．０１倍〜０．００５倍の範囲にある。
【００４１】
図７は、図６における領域Ａ，Ｂと光の群速度との関係を示す図である。図７は、図６（ａ）に、群速度を示す上側横軸を付加したものである。なお、図７において、群速度を示す上側横軸のスケールは、不規則である。これは、上側横軸における値は、下側縦軸のシグナル光波長のデータに合わせて設定されているため、規則的にならないためである。
【００４２】
図７をも参照して、図６に示す領域Ａは、シグナル光の群速度が、概ね、真空中の光の速度ｃの０．０１よりも小さい範囲である。また、図６に示す領域Ｂは、光の群速度が、概ね、真空中の光の速度ｃの０．０３倍から０．０１倍となる領域である。図６に示す領域Ｃは、光の群速度が、０．０３倍よりも小さい範囲である。
【００４３】
ここで、群速度の低下による光増強効果を得る観点からは、光の波長は、群速度が、真空中の光の速度ｃの０．１倍よりも小さいのが好ましく、０．０３倍よりも小さいのがより好ましく、０．０１倍よりも小さいのがさらに好ましい。図７においては、波長が１２４０ｎｍ付近において、群速度が光の速度ｃの０．１倍程度となっており、波長が１２５０ｎｍ付近において、群速度が光の速度ｃの０．０３倍となっており、１２５７ｎｍ付近において、群速度が光の速度ｃの０．０１倍となっている。
【００４４】
図８は、シグナル光とポンプ光との周波数の差を、約１〜４．５ＴＨｚの間で変化させた場合における差周波の強度を示している。図８に示すように、３ＴＨｚ以外の周波数においても、差周波の発生が確認できる。
【００４５】
［２．２  第２例］
【００４６】
図９は、実施形態に係る差周波発生器１００のための他のフォトニック結晶導波路２０（第１フォトニック結晶導波路）の例を示している。図９に示すフォトニック結晶導波路２０は、図２に示す導波路モードＭ１とほぼ同様の導波路モードＭ１を持つ。このフォトニック結晶導波路２０において、周期構造領域２２，２３は、基本領域２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃと、調整領域２２ｂ，２３ｂと、を備える。基本領域２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃは、図１の周期構造領域２２，２３と同様の機能を有する。つまり、基本領域２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃは、図１に示す周期構造２２，２３と同様に、導波路領域２１における光閉じ込めを実現する。ここでは、空孔３１の間隔ａは、３４３ｎｍとし、空孔３１の半径は、１０６ｎｍとした。調整領域２２ｂ，２３ｂは、基本領域２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃの周期構造とは異なる周期構造を有する。図示の例では、調整領域２２ｂ，２３ｂにおける空孔３１の半径ｒ１を、ｒの１．２倍である１２７ｎｍとした。調整領域２２ｂ、２３ｂにおける空孔３１の間隔は、基本領域２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃと同様とした。
【００４７】
調整領域２２ｂ，２３ｂは、図９の導波路領域２１が有する導波路モードＭ１において傾きが小さく光の群速度が特に遅くなる領域の傾きを、ほぼ一定にする。シグナル光及びポンプ光の周波数がいずれも、導波路モードＭ１の傾きが一定である領域に含まれることで、シグナル光とポンプ光の位相整合が高まり、差周波発生効率を高めることができる。
【００４８】
図１０に示すＬＶＬＤ（Ｌｏｗ−ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ａｎｄ  Ｌｏｗ−Ｄｓｉｐｅｒｓｉｏｎ：低群速度かつ低群速度分散）ＰＣ−ＷＧは、図９に示す周期構造２２，２３によって調整された導波路モードＭ１を示している。図１０において、ＰＣ−ＷＧは、図９に示す周期構造２２，２３全体において、間隔ａ及び半径ｒを、基本領域２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃにおける値に統一した場合（調整領域２２ｂ、２３ｂがない場合）の導波路モードＭ１であり、図２に示す導波路モードＭ１とほぼ同じである。
【００４９】
図９に示す周期構造２２，２３は、調整領域２２ｂ、２３ｂを有することで、導波路モードＭ１において傾きが小さく光の群速度が特に遅くなる領域の傾きＬ１を、ほぼ一定にする。図２に示す導波路モードＭ１では、変曲点Ｐ１よりもｋｘが大きくなる領域と、変曲点Ｐ１よりもｋｘが小さくなる領域とでは、傾きが異なる。このため、領域Ａ近傍において、シグナル光ωｓとポンプ光ωｐとの周波数差をある程度確保しようとすると、ポンプ光ωｐは、変曲点Ｐ１よりもｋｘが小さくなる領域に位置し、シグナル光ωｓは、変曲点Ｐ１よりもｋｘが大きくなる領域に位置することになる。図２に示すポンプ光ωｐの位置おける傾きが図１０に示すＬ１２であり、図２に示すシグナル光ωｓの位置における傾きが図１０に示すＬ１３である場合、両者の傾きＬ１２，Ｌ１３の差により、両者の群速度に差が生じ、位相整合がやや低下する。
【００５０】
ここで、図１０のＰＣ−ＷＧにおいて、傾きＬ１２の領域に、シグナル光ωｓとポンプ光ωｐの両方が位置すれば、傾きは一定であるが、傾きＬ１２が大きいため、群速度低下効果が小さくなる。また、傾きＬ１３の領域に、シグナル光ωｓとポンプ光ωｐの両方が位置させることができれば、傾きは一定であり、大きな群速度低下効果も得られるが、傾きが小さすぎるため、シグナル光ωｓとポンプ光ωｐとの周波数差を大きくするのが困難になり、差周波発生の制約となる。
【００５１】
これに対して、図１０のＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧにおいては、傾きＬ１の領域は、傾きが一定であって、傾きＬ２の領域に比べて傾きが小さくなっており、群速度低下効果を大きくすることができる。また、傾きＬ１は、傾きＬ３に比べて傾きが大きいため、シグナル光ωｓとポンプ光ωｐとの周波数差を十分に大きくするのが容易である。
【００５２】
図１１は、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧの群屈折率（Ｇｒｏｕｐ  ｉｎｄｅｘ）と、ＰＣ−ＷＧの群屈折率を示している。図１１において、下側横軸は、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧにおけるシグナル光の波長（ＬＶＬＤ  Ｓｉｇｎａｌ−ｐｕｌｓｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｈｔ）を示し、上側横軸は、ＰＣ−ＷＧにおけるシグナル光の波長（Ｓｉｇｎａｌ−ｐｕｌｓｅ  ｗｅｖｅｌｅｎｇｈｔ）を示す。図１１に示すように、ＰＣ−ＷＧでは、シグナル光の波長が大きくなるにしたがって、導波路モードＭ１の傾きが小さくなるため、群屈折率が急激に増大する。これに対して、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧでは、傾きＬ１の領域（例えば、図１１の１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲）では、群屈折率が、概ね３０〜５０の範囲に収まっており、概ね一定であり、波長が大きくなっても群屈折率の増大が抑えられている。
【００５３】
図１２は、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧによって発生した差周波の強度と、ＰＣ−ＷＧによって発生した差周波の強度と、を示している。図１２において、下側横軸は、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧにおけるシグナル光の波長（ＬＶＬＤ  Ｓｉｇｎａｌ−ｐｕｌｓｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｈｔ）を示し、上側横軸は、ＰＣ−ＷＧにおけるシグナル光の波長（Ｓｉｇｎａｌ−ｐｕｌｓｅ  ｗｅｖｅｌｅｎｇｈｔ）を示す。
【００５４】
前述のように、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧでは、ＰＣ−ＷＧに比べて群屈折率の増大が抑えられており、群速度の低下もＰＣ−ＷＧに比べて抑えられている。しかし、図１２に示すように、ＬＶＬＤ  ＰＣ−ＷＧでは、ＰＣ−ＷＧと同程度以上のテラヘルツ波強度が得られている。これは、傾きＬ１がほぼ一定であることにより、ポンプ光とシグナル光の位相整合が高まったためである。
【００５５】
図９に戻り、調整領域２２ｂ，２３ｂは、周期構造２２，２３において、導波路領域２１の近傍に形成される。図示の例では、導波路領域２１から２列目及び３列目の空孔３１が、調整領域２２ｂ，２３ｂである。群速度が低下すると、電磁界は、導波路領域２１を中心に、両側方の周期構造領域２２，２３へ広がるサイドローブを持つ。したがって、図２の領域Ａ付近のように、群速度が低下する領域の傾きを調整するには、導波路領域２１の近傍（調整領域２２ｂ，２３ｂ）の周期構造（ａ，ｒの値）を調整すればよい。群速度が遅い光に関しては、調整領域２２ｂ，２３ｂの周期構造の影響を受けて、群屈折率が変化し、導波路モードＭ１を調整することができる。例えば、図９に示すように、調整領域２２ｂ、２３ｂにおける空孔３１の大きさをやや大きくすることで、傾きＬ１をほぼ一定にすることができる。なお、空孔３１の間隔ａを調整することで、傾きＬ１を調整してもよい。
【００５６】
［２．３  第３例］
【００５７】
図１３は、実施形態に係る差周波発生器１００のための他のフォトニック結晶導波路の例を示している。図１３において、第１フォトニック結晶導波路２０は、第２フォトニック結晶導波路１２０内に形成されている。第２フォトニック結晶導波路１２０は、導波路領域１２１と、導波路領域１２１の両側方に形成された周期構造領域１２２，１２３と、を備えている。周期構造領域１２２，１２３の空孔１３１の間隔ａと半径ｒの大きさは、導波路領域１２１が、テラヘルツ波を導波するように設定されている。テラヘルツ波は、第１フォトニック結晶導波路２０に導波される光よりも波長が長いため、周期構造領域１２２，１２３の空孔１３１の間隔ａと半径ｒは、周期構造領域２２，２３における空孔３１の間隔ａと半径ｒよりも大きく、テラヘルツ波が共鳴する導波路モードを持つように設定されている。
【００５８】
第１フォトニック結晶導波路２０は、第２フォトニック結晶導波路１２０の導波路領域１２１内に、周期構造領域２２，２３を形成することによって構成されている。つまり、第１フォトニック結晶導波路２０は、導波路領域１２１内に形成されている。第１フォトニック結晶導波路２０によって発生したテラヘルツ波は、第２フォトニック結晶導波路１２１によって導波されるため、効率的にテラヘルツ波を導波することができる。
【００５９】
［２．４  第４例］
図１４は、実施形態に係る差周波発生器１００のための他のフォトニック結晶導波路の例を示している。図１４に示す例においても、第１フォトニック結晶導波路２０は、第２フォトニック結晶導波路２２０の導波路領域２２１ａ，２２１ｂ内に形成されている。図１４に示す第２フォトニック結晶導波路１２０は、導波路領域２２１ａ，２２１ｂの長手方向中途位置において区分される第１領域２３１と、第２領域２３２と、を備えている。第１領域２３１及び第２領域２３２は、それぞれ周期構造領域２２２ａ，２２３ａ，２２２ｂ，２２３ｂを備える。第１領域２３１における周期構造と、第２領域２３２における周期構造とは、異なる。
【００６０】
第１領域２３１の周期構造領域２２２ａ，２２３ａは、比較的低い周波数のテラヘルツ波（第１差周波）を導波するように、周期構造が設定されており、第２領域２３２の周期構造領域２２２ｂ，２２３ｂは、比較的高い周波数のテラヘルツ波（第２差周波）を導波するように、周期構造が設定されている。すなわち、第１領域２３１及び第２領域２３２は、それぞれ異なる周波数の電磁波を導波する。なお、図１４に示すように、第２領域２３２が高い周波数の電磁波を導波するように、第２領域２３２には、第１領域２３１よりも大きな空孔が形成される。
【００６１】
光源は、例えば、第１フォトニック結晶導波路２０内に一体に設けられる。光源は、例えば、第１シグナル光、第１ポンプ光、第２シグナル光、第２ポンプ光の４つの光を発生する多波長光源である。第１シグナル光及び第１ポンプ光は、第１フォトニック結晶導波路２０の導波路モードＭに共鳴する光であって、第１差周波を発生させるように両光の周波数差が設定されている。第２シグナル光及び第２ポンプ光は、第１フォトニック結晶導波路２０の導波路モードＭに共鳴する光であって、第１差周波よりも高い周波数の第２差周波を発生させるように２つの光の周波数差が設定されている。
【００６２】
第１フォトニック結晶導波路２０において発生した第１差周波及び第２差周波のうち、第１差周波は、第１領域２３１によって導波され、第２差周波は、第２領域２３１によって導波される。したがって、第１差周波及び第２差周波をそれぞれ別個に取り出すことができる。
【００６３】
［３．変形］
【００６４】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  光源
１１  光源
２０  第１フォトニック結晶導波路
２１  導波路領域
２２  周期構造領域
２３  周期構造領域
３１  空港
４１  パワーモニター
１００  差周波発生器
１２０  第２フォトニック結晶導波路
１２１  導波路領域
１２２  周期構造領域
１２３  周期構造領域
１３１  空孔
２２０  第２フォトニック結晶導波路
２２１ａ  導波路領域
２２１ｂ  導波路領域
２２２ａ  周期構造領域
２２２ｂ  周期構造領域
２２３ａ  周期構造領域
２２３ｂ  周期構造領域
２３１  第１領域
２３２  第２領域
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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