フォトニック結晶共振器を用いた高効率光混合サブミリ波発振器の開発

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10210204
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 武田 三男 信州大学, 理学部, 教授 (20115653)
• 研究分担者: 谷 正彦 郵政省, 通信総合研究所関西先端研究センター, 主任研究員
• キーワード: フォトニックバンド / フォトニック結晶 / 差周波光混合 / THz電磁波 / サブミリ波発振器 / 光整流

研究概要

フォトニック結晶格子中に欠陥を導入するとバンドギャップ中に不純物局在モードを作り出すことができる。フォトニック結晶はこのモードに対して高いQ値、低損失の共振器としてはたらく。本研究は、(1)フェムト秒レーザーパルス光によるTHzパルス電磁波の発生実験、および、(2)CWレーザー光による光混合THzCW電磁波の発生実験の2つの実験で構成されている。これまで、(1)共振器用フォトニック結晶の設計と製作、(2)バンドギャップ振動数の測定と局在モードの確認、(3)THz時間領域分光による電磁波分散関係(バンド構造)の決定、(4)光伝導スイッチ発振素子の作製を行ってきた。これらの基礎的な成果に基づき、光混合連続波THz電磁波発生実験とTHzパルス電磁波発生実験を進めている。どちらも、発振素子として光伝導スイッチもしくは非線形光学結晶を用いている。
今年度、ZnTe単結晶を使って、フォトニック結晶共振器中に層欠陥による不純物局在モードを励起させることに成功した。シリコンエアロッド単純立方格子により、ZnTeを両側から挟んで、フォトニック結晶共振器を作製した。ZnTeにレーザパルス光(100fs)を照射し、非線形光学効果によりTHz電磁波を発生させた。電磁波出射側にのみフォトニック結晶を置いた場合にはみられない発振ピークをバンドギャップ領域中に見い出した。これは、ZnTe単結晶自身がフォトニック格子中の層欠陥として働き、不純物局在モードを励起したものと考えられる。
さらに、光伝導スイッチ素子に周波数の異なる二つのレーザー光を照射すると、そのレーザーの差周波数に相当する連続波THz電磁波が発生する。擬単純立方格子中にボウタイ型アンテナ光伝導スイッチ素子を不純物層兼発振器として埋め込みフォトニック結晶共振器を作製し、THz電磁波の放射パワーの周波数依存性を調べた。片方の単一モード波長可変半導体レーザー光の波長を変え差周波数を変化させることによって、周波数連続可変のcw-THz電磁波を発生させ、放射された電磁波をInSbホットエレクトロン検出器で測定した。共振器からの放射ではフォトニックバンドギャップ中に鋭い放射ピークが見い出された。この放射ピークは、フォトニック結晶の不純物モードが励起され、共振器効果によって電磁波が効率よく放射されたものであることを見い出した。

研究成果

• [文献書誌] M.Tani,Ping Gu,K.Sakai,H.Kitahara,M.Suenaga,M.Wada Takeda,: "Thz Wave Generation by Difference Frequency Mixing in Photonic Crystal Cavity."Proceeding of 2000 IEEE Eighth International Conference on Terahertz Electronics(THz2000). P-30. 301-304 (2000)
• [文献書誌] J.W.Haus,Zhenyu Yuan,T.Aoki,M.Wada Takeda,M.Tani,K.Sakai,N.Kawai and K.Inoue: "THz spectroscopy of a pseudo-simple cubic photonic band structure"Technical digest of Conference on Lasers and Electro-Optics. QTuG5. 84-85 (2000)
• [文献書誌] Y.Miyoshi,M.Wada Takeda,N.Kawai,K.Sakoda and K.Inoue,Zhenyu Yuan,J.W.Haus,and H.Matsuo: "The photonic line defect modes in the square air-rod pseudo-triangular lattice revealed by far-infrared measurements."Proceeding of 1999 IEEE Seventh International Conference on Terahertz Electronics(THz'99). P36. 253-255 (1999)
• [文献書誌] T.Aoki,M.Wada Takeda,J.W.Haus,Zhenyu Yuan,M.Tani,K.Sakai,N.Kawai,and K.Inoue: "The photonic dispersion relation of the pseudo-simple cubic lattice revealed by THz time domain measurements."Proceeding of 1999 IEEE Seventh International Conference on Terahertz Electronics(THz'99). P37. 256-259 (1999)