2018 Fiscal Year Annual Research Report
光波とミリ波を周波数接続するバウンダリーフォトニクスの技術開発
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18H01906
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
縄田 耕二 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (90586405)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / 非線形光学 / バックワード光パラメトリック発振 / 周期分極反転素子 / ニオブ酸リチウム結晶 / モードホップ・フリー / 波長可変 / 高出力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、これまで近赤外領域でしか報告の無かったバックワード・光パラメトリック発振をテラヘルツ波領域で実証し、効率的な発振条件の探求を目的とする。
初年度はバックワード・テラヘルツ波パラメトリック発振の性能を確認するために設計と実証試験を行った。非線形波長変換において重要なエネルギー保存則と運動量保存則をバックワード・テラヘルツ波パラメトリック発振においても満たすため、斜周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶を設計し、実験を行った。通常テラヘルツ波は結晶内でフォノンと結合したポラリトンとして伝搬するが、エネルギーのフォノン散逸は波長変換に影響せず、エネルギー保存則は励起光とアイドラー光およびテラヘルツ波の間で保存されていることを明らかにした。また、逆向きに伝搬する光波・テラヘルツ波間の運動量不整合は、強誘電体における2次の非線形分極を周期的に反転させた周期分極反転構造によって補償することができた。
特筆すべき成果として、励起光の入射角度を回転させるだけでテラヘルツ波の周波数を同調することが出来た。通常の発振器は共振器モードの制限によって狭線幅発振を実現する、一方で、共振器モードに依存して限られた周波数でしか動作しない。それに対して、バックワード・テラヘルツ波パラメトリック発振は共振器を持たない発振現象であるにも関わらず、狭線幅発振をしており、かつ共振器モードに依存した周波数制限なしにモードホップフリーで広帯域周波数可変性を有していることを明らかにした。位相整合条件を計算した結果、周波数可変幅は0.1～1.2THzの範囲で位相整合を満たすと明らかになった。
本成果はNature系雑誌のScientific Reportsに掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまで近赤外領域でしか報告の無かったバックワード光パラメトリック発振をテラヘルツ波領域で初めて実証した。テラヘルツ波発振を得るための励起条件が徐々に明らかになってくるとともに、その性能も見えてきた。本研究はNature系雑誌のScientific Reportsに掲載されるなど順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
更なる高効率化に向けて励起光条件等を見直し、実証のための光学系を設計する。興味深い事実として、共振器モードの無いテラヘルツ波発振現象は光注入による高効率化が容易に見込めると推察される。光注入による効果として、変換効率の向上、低閾値化、などが期待される。また、低閾値化が達成されればニオブ酸リチウム結晶以外の非線形光学結晶でも実現できる可能性があると分かってきた、一方で、本研究ではこれまでの知見を活かすためニオブ酸リチウム結晶を使って研究を進める。また、広帯域かつシームレスな周波数可変性を明らかにするための結晶設計を行う。
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