(57)【要約】【課題】小型かつ高出力な高周波電磁波発生装置を提供する。【解決手段】２次の非線形性を有する非線形誘電体に２つの異なる周波数の第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２とを導入してこれらを伝搬させることにより、２つの周波数の差の周波数の第３電磁波Ｗ３を発生させる高周波電磁波発生装置において、単一モード誘電体導波路１は、前記非線形誘電体からなるコア部２と、コア部２の周囲を覆うように形成された、コア部２より小さい屈折率の材質からなるクラッド部３とを備えている。電磁波Ｗ１，Ｗ２の合成により発生する電磁波ビートの位相速度が、電磁波Ｗ３がコア部２とクラッド部３とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度と略一致するように、コア部２およびクラッド部３の材質とコア部２の断面寸法とが選択されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次の非線形性を有する非線形誘電体に２つの異なる周波数の第１電磁波と第２電磁波とを導入してこれらを伝搬させることにより、前記２つの周波数の差の周波数の第３電磁波を発生させる高周波電磁波発生装置において、
前記第１電磁波と前記第２電磁波とが導入される前記非線形誘電体からなるコア部と、このコア部の周囲を覆うように形成された、前記コア部より小さい屈折率の材質からなるクラッド部とを備えた単一モード誘電体導波路を有し、
前記第１電磁波と前記第２電磁波との合成により発生する電磁波ビートの位相速度が、前記第３電磁波が前記コア部と前記クラッド部とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度と略一致するように、前記コア部および前記クラッド部の材質と前記コア部の断面寸法とが選択されていることを特徴とする高周波電磁波発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の高周波電磁波発生装置において、
前記第１電磁波と前記第２電磁波との合成により発生する電磁波ビートの位相速度と、前記第３電磁波が前記複合誘電体構造を伝搬する位相速度とが２．５％以下の精度で略一致していることを特徴とする高周波電磁波発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の高周波電磁波発生装置において、
前記コア部は、無機非線形材料または有機非線形材料からなり、
前記クラッド部は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ダイヤモンド状炭素、エポキシ系ポリマーおよびポリイミド系ポリマーのいずれかからなることを特徴とする高周波電磁波発生装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の高周波電磁波発生装置において、
前記コア部の断面形状が方形であることを特徴とする高周波電磁波発生装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波電磁波発生装置において、
前記コア部の断面寸法が幅および高さ共に１．０マイクロメートル以下で、０．２マイクロメートルより大きいことを特徴とする高周波電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に０．１〜１０ＴＨｚ程度の周波数帯域における小型、高出力の高周波電磁波発生装置の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、０．１〜１０ＴＨｚ帯における小型の高周波電磁波発生装置として、２次の非線形効果を持つ誘電体に２つの異なる周波数のレーザーからの電磁波を同時に導入し、導入した電磁波の周波数の差に対応する電磁波を発生させる装置が提案されている（例えば、非特許文献１）。この高周波電磁波発生装置による高周波電磁波発生の概念を図３に示す。図３に示した高周波電磁波発生装置では、レーザー（不図示）からの２つの異なる周波数ｆ1，ｆ2の電磁波Ｗ１，Ｗ２をレンズなどのバルク光学系５で集光してバルク状非線形誘電体４に導入すると、電磁波Ｗ１，Ｗ２の差の周波数ｆ2−ｆ1の電磁波Ｗ３が発生する。なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】カワセ（K.Kawase）他，「ワイドリーチューナブルテラヘルツウエーブパラメトリックジェネレータフォアイメージングシステム（Widely tunable THz-wave parametric generator for imaging system）」，リケンレビュー（RIKEN Review ），理化学研究所，２００２年７月，Ｎｏ．４７，ｐ．４８−５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、非特許文献１の高周波電磁波発生装置では、電磁波Ｗ１，Ｗ２のスポットサイズをせいぜい０．１ミリメートル程度にしか集光することができず、さらに伝搬するに従い電磁波Ｗ１，Ｗ２のスポットサイズ径が急激に拡大するため、エネルギー密度が高くならず、その結果としてレーザーから電磁波Ｗ３へのパワー変換効率が非常に低いという問題点があった。非特許文献１の高周波電磁波発生装置では、レーザーの短パルス化によるピークパワーの増大により、変換効率を向上させているが、パルス化しているために平均パワーはマイクロワットレベルと非常に低くなってしまう。また、パルス運転であるため、無線通信用のキャリア電磁波としては使用不可能であるなど、使用範囲が大きく制限される。
【０００４】
また、非特許文献１の高周波電磁波発生装置においては、導入した２つの周波数の電磁波Ｗ１，Ｗ２によるビートが非線形誘電体４内を進行する位相速度と、同じ体系内を伝搬する高周波電磁波Ｗ３の位相速度とが一致する、いわゆる位相整合条件が成立する必要があるが、通常のバルク材料では、非常に特殊な条件でしかこの位相整合条件が成立しない。具体的には、導入する２つの電磁波Ｗ１，Ｗ２のビームを微小な角度で交差させて、位相整合条件を成立させるが、お互いのビームが斜めに交差するため、高効率の高周波発生を期待して有効相互作用長を長くするにはビームスポット径を大きくしなければならず、このビームスポット径の拡大は前述のエネルギー密度の問題とは相反する条件である。すなわち、このような高周波電磁波発生装置は、エネルギー密度と位相整合の問題により、本質的に高周波電磁波発生効率を大きくできず、小型で高出力の装置とはなり得ない。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型かつ高出力な高周波電磁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】
【０００６】
本発明は、２次の非線形性を有する非線形誘電体に２つの異なる周波数の第１電磁波と第２電磁波とを導入してこれらを伝搬させることにより、前記２つの周波数の差の周波数の第３電磁波を発生させる高周波電磁波発生装置において、前記第１電磁波と前記第２電磁波とが導入される前記非線形誘電体からなるコア部と、このコア部の周囲を覆うように形成された、前記コア部より小さい屈折率の材質からなるクラッド部とを備えた単一モード誘電体導波路を有し、前記第１電磁波と前記第２電磁波との合成により発生する電磁波ビートの位相速度が、前記第３電磁波が前記コア部と前記クラッド部とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度と略一致するように、前記コア部および前記クラッド部の材質と前記コア部の断面寸法とが選択されたものである。
また、本発明の高周波電磁波発生装置の１構成例は、前記第１電磁波と前記第２電磁波との合成により発生する電磁波ビートの位相速度と、前記第３電磁波が前記複合誘電体構造を伝搬する位相速度とが２．５％以下の精度で略一致するようにしたものである。
また、本発明の高周波電磁波発生装置の１構成例において、前記コア部は、無機非線形材料または有機非線形材料からなり、前記クラッド部は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ダイヤモンド状炭素、エポキシ系ポリマーおよびポリイミド系ポリマーのいずれかからなるものである。
また、本発明の高周波電磁波発生装置の１構成例において、前記コア部の断面形状は方形である。
また、本発明の高周波電磁波発生装置の１構成例において、前記コア部は、その断面寸法が幅および高さ共に１．０マイクロメートル以下で、０．２マイクロメートルより大きいものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、微小なコア部に第１電磁波と第２電磁波を導入することにより、高エネルギー密度状態を実現することができる。また、第１電磁波と第２電磁波との合成により発生する電磁波ビートの位相速度が、第３電磁波がコア部とクラッド部とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度と略一致するように、コア部およびクラッド部の材質とコア部の断面寸法とを選択しておくことにより、位相整合条件を成立させることができる。その結果、２次の非線形性を有する非線形誘電体に２つの異なる周波数の第１電磁波と第２電磁波とを導入し２つの周波数の差の周波数の第３電磁波を発生させる高周波電磁波発生装置における高周波電磁波発生効率を劇的に向上させることができる。これにより、０．１〜１０ＴＨｚ領域における高周波電磁波発生装置の小型化、高出力化を可能にし、小型で運用が簡便な高周波電磁波発生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態となる高周波電磁波発生装置に用いる単一モード誘電体導波路を電磁波の伝搬方向と垂直な平面で切断した横断面図、図１（ｂ）は単一モード誘電体導波路を電磁波の伝搬方向と平行な平面で切断した縦断面図、図２は本実施の形態の高周波電磁波発生装置による高周波電磁波発生の概念を示す図である。本実施の形態の高周波電磁波発生装置は、単一モード誘電体導波路１と、２つの異なる周波数のレーザー（不図示）とから構成される。単一モード誘電体導波路１は、２次の非線形性を有する非線形誘電体からなるコア部２と、コア部２の周囲を覆うように形成された、コア部２より小さい屈折率の材質からなるクラッド部３とから構成される。
【０００９】
本実施の形態では、単一モード誘電体導波路１の微小なコア部２により高いエネルギー密度を実現し、またコア部２に導入する２つの異なる周波数ｆ1，ｆ2の第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２との合成により発生する電磁波ビートの位相速度ＶpBEAT が、２つの周波数ｆ1，ｆ2の差に対応する周波数ｆout （＝ｆ2−ｆ1）の第３電磁波Ｗ３がコア部２とクラッド部３とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度ＶpOUTと略一致するように、コア部２およびクラッド部３の材質とコア部２の断面寸法とを選択するようにしている。
【００１０】
なお、コア部２に導入する２つの電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数の差が、電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数に比べて十分小さい場合には、電磁波Ｗ１，Ｗ２の合成により発生する電磁波ビートの位相速度ＶpBEAT は、電磁波Ｗ１，Ｗ２の群速度ＶglN と一致する。したがって、このような条件下における「電磁波ビートの位相速度ＶpBEAT 」を、「電磁波Ｗ１，Ｗ２の群速度ＶglN 」と言い換えてもよい。
【００１１】
また同様に、コア部２に導入する２つの電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数の差が、電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数に比べて十分小さい場合には、コア部２の大きさは発生する高周波電磁波Ｗ３の波長に対して十分小さいため、発生する高周波電磁波Ｗ３に関してはクラッド部３の材質だけを考慮すればよい。したがって、このような条件下における「高周波電磁波Ｗ３がコア部２とクラッド部３とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度ＶpOUT」は、「高周波電磁波Ｗ３がクラッド部３を伝搬する位相速度ＶpOUT」と言い換えてもよい。なお、単一モード誘電体導波路１は、電磁波Ｗ１，Ｗ２に対しては単一モード条件を満たしているが、発生する高周波電磁波Ｗ３に対しては単一モード条件を満たしていない可能性がある。したがって、高周波電磁波Ｗ３については伝搬する構造体を単一モード誘電体導波路ではなく、コア部２とクラッド部３とからなる複合誘電体構造と記している。
【００１２】
コア部２の材質は、２次の非線形性の大きな物質が好ましく、具体的には、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＫＴｉＯＰＯ4 、ＫＮｂＯ3 、ＢａＢ2Ｏ3等の無機非線形材料や、ＭＭＯＮＳ、ＤＩＶＡ、ＤＭＮＰ、ＡＰＤＡ、ＡＢＳＡ、ＮＰＮａ、ＤＡＳＴ、ＬＡＰ等と呼ばれる有機非線形材料を用いる。コア部２に導入する電磁波Ｗ１，Ｗ２は、一般に赤外領域から可視光領域までのレーザーからの電磁波であるが、この電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数帯域におけるこれら非線形物質の屈折率は１．６〜２．３程度の値である。
【００１３】
クラッド部３の材質は、コア部２に導入する電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数帯域における屈折率が同周波数帯域におけるコア部２の屈折率より低く、かつ電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数帯域と発生させる電磁波Ｗ３の周波数帯域とにおいて低損失な材料を用いる必要がある。具体的には、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2 、ダイヤモンド状炭素、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマー等が挙げられる。コア部２に導入する電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数帯域におけるクラッド部３の屈折率は１．５〜１．８程度の値である。
【００１４】
ここで、ＬｉＮｂＯ3 からなるコア部２と、結晶性ＳｉＯ2 からなるクラッド部３とで構成する方形の単一モード誘電体導波路１に、２００ＴＨｚ近傍の赤外線を導入する場合を考える。この場合、２００ＴＨｚ近傍の電磁波Ｗ１，Ｗ２に対するコア部２の屈折率は約２．２、クラッド部３の屈折率は約１．５である。このような材料の組み合わせにおいて、単一モード条件を満たす方形の単一モード誘電体導波路１のコア部２の寸法は、例えば正方形断面のコア部２の場合、正方形の１辺が０．８マイクロメートル以下である。
【００１５】
導波路１の断面形状や材料の組み合わせにより、単一モード条件を満たす導波路寸法の最大値は変化する。例えば、前記正方形断面のコア部２を有する導波路１と同じ材料系において、長辺と短辺の比が２対１の長方形断面のコア部２の場合には、単一モード条件を満たす長辺の長さは１．０マイクロメートル以下となる。単一モード条件を満たす形状寸法は、コア部２に導入する電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数に反比例するので、数百ＴＨｚの周波数を持つ可視光を導入する場合は、上記寸法より更に小さくなる。
【００１６】
導波路構造が単一モード条件を満たさねばならない理由は、多モード導波路を用いると、高周波電磁波の発生効率が著しく低下するからである。つまり、多モード導波路ではコア部に導入した電磁波により発生するビートのモードも多数になるのであるが、位相整合できるのはそれらのうちたかだか１つのモードであり、他のモードは高周波電磁波発生に寄与しないからである。
【００１７】
本実施の形態において、コア部２に導入した電磁波Ｗ１，Ｗ２のパワーのほとんどは、１辺が１マイクロメートル程度の断面のコア部２に閉じ込められるが、このコア部２の断面積は従来のバルク光学系５を用いて集光した電磁波ビームスポットの１／１００００程度の寸法である。したがって、図３に示した従来の高周波電磁波発生装置ではレーザーをパルス化しなければ得ることができなかったＴＷ／ｍ2 程度のエネルギー密度も、本実施の形態では、１００ｍＷ以下の連続発振型のレーザーを用いて容易に実現することができ、高効率、高平均出力の高周波発生が期待される。
【００１８】
ただし、コア部２の断面寸法が小さくなりすぎると、導入した電磁波Ｗ１，Ｗ２の閉じ込め状態が逆に悪化し、そのパワーのほとんどがクラッド部３に漏洩してしまう。このような状態では、高エネルギー密度状態が保たれなくなる。上述したＬｉＮｂＯ3 からなるコア部２と結晶性ＳｉＯ2 からなるクラッド部３とで構成した単一モード誘電体導波路１に２００ＴＨｚ近傍の電磁波Ｗ１，Ｗ２を導入する場合、例えば正方形断面のコア部２の１辺の寸法が０．２マイクロメートルでは、電磁波パワーの９０％以上がクラッド部３に漏洩してしまい、高周波発生が困難になる。
【００１９】
例えば、断面寸法が０．８×０．４マイクロメートルのＬｉＮｂＯ3 からなるコア部２と結晶性ＳｉＯ2 からなるクラッド部３とで構成した単一モード誘電体導波路１に、２００ＴＨｚ近傍の近接した２つの周波数の電磁波Ｗ１，Ｗ２を導入し、１ＴＨｚの高周波電磁波Ｗ３を発生させる場合について位相整合条件を詳しく計算すると、導入した２００ＴＨｚ近傍の電磁波Ｗ１，Ｗ２の群速度ＶglN は光速の０．４３倍である。２つの電磁波Ｗ１，Ｗ２の周波数は０．５％程度の差で近接しているので、この群速度ＶglN は電磁波Ｗ１，Ｗ２の合成により発生するビート波の位相速度ＶpBEAT と一致する。このビート波を源に発生する１ＴＨｚの電磁波Ｗ３に対するコア部２の材質ＬｉＮｂＯ3 の屈折率は、２００ＴＨｚのときとは異なり６前後となり、クラッド部３の材質ＳｉＯ2 の屈折率は、約２．１となる。そして、１ＴＨｚの電磁波Ｗ３がコア部２とクラッド部３とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度ＶpOUTは、詳しい計算によると光速の０．４２倍となり、これはビート波の位相速度ＶpBEAT に対し約２％の誤差にて略一致している。
【００２０】
ここで、本実施の形態が高周波電磁波発生装置として充分に機能するのに必要な単一モード誘電体導波路１の長さ、すなわち相互作用長は、本実施の形態と同様な位相整合型高周波電磁波発生装置である進行波管を参考にして決定できるであろう。通常の進行波管の相互作用長は、発生する高周波電磁波の管内波長の１０〜１００倍の長さである。同様に、本実施の形態でも、最低１０波長分の相互作用長が必要であるとすれば、この１０波長の間にビート波と発生する電磁波Ｗ３との位相差は１／４波長以内であることが要求される。したがって、必要な位相整合の精度は（１／４波長）／（１０波長）＝０．０２５、すなわち２．５％以下である。この位相整合の精度は、導入する電磁波Ｗ１，Ｗ２の波長やその伝搬損失、発生する高周波電磁波Ｗ３の波長やその伝搬損失などにより変化するが、おおむね上述の誤差２．５％が許容範囲と推測される。
【００２１】
断面寸法が０．８×０．４マイクロメートルのＬｉＮｂＯ3 からなるコア部２と結晶性ＳｉＯ2 からなるクラッド部３とで構成した単一モード誘電体導波路１に、２００ＴＨｚ近傍の電磁波Ｗ１，Ｗ２を導入した前述の計算では、ビート波の位相速度ＶpBEAT （電磁波Ｗ１，Ｗ２の群速度ＶglN ）と発生電磁波Ｗ３がコア部２とクラッド部３とからなる複合誘電体構造を伝搬する位相速度ＶpOUTとの誤差が２％である。したがって、許容範囲２．５％を満たしているので、ここに位相整合条件が成立し、高効率な高周波電磁波発生が期待される。
【００２２】
また、より長い導波路構造が許されるのであれば、単一モード誘電体導波路１の材料選択や形状調整などにより位相整合条件の誤差を少なくすることにより、有効相互作用長を長くして、さらなる高効率な高周波電磁波発生が期待される。
なお、本発明の基本概念は、微小なコア部２による高エネルギー密度状態の実現と、単一モード誘電体導波路１の材質とその寸法による位相整合であるため、コア部２の形状は方形以外のいかなる形状でもかまわないことは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、主に０．１〜１０ＴＨｚ程度の周波数帯域の電磁波の発生に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態となる高周波電磁波発生装置に用いる単一モード誘電体導波路の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の高周波電磁波発生装置による高周波電磁波発生の概念を示す図である。
【図３】従来の高周波電磁波発生装置による高周波電磁波発生の概念を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…単一モード誘電体導波路、２…コア部、３…クラッド部、Ｗ１，Ｗ２…導入電磁波、Ｗ３…発生電磁波。
【図１】
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【図２】
2005031574.tif 000004
【図３】
2005031574.tif 000005