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

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10210204
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 武田 三男 信州大学, 理学部, 教授 (20115653)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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
• Keywords: フォトニックバンド / フォトニック結晶 / 非線形光学効果 / 光混合 / THz電磁波 / サブミリ波発振器

Research Abstract

本研究は、フォトニック結晶中において電磁波の群速度異常により非線形光学効果(差周波)が増強することに着目し、THz帯の高効率発振器を開発するものである。(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2波長光混合THz連続波電磁波の発生実験の2つの実験で構成されている。研究内容及び得られた成果は以下のとおりである。
(1)共振器用フォトニック結晶の設計と製作。積層型の単純立方格子及び四角穴エアーロッド三角格子を作製し、群論解析により幾つかの群速度異常を示すモードが、光伝導スイッチ素子の発信領域に存在することを見出した。
(2)バンドギャップ振動数の測定とバンド構造の決定。FTIRにより透過率を測定し、バンドギャップ振動数が理論計算の推測と良く一致することを確認した。三角格子の線欠陥結晶を数種類作製し、バンドギャップ領域に出現したモードが線欠陥による局在モードである可能性が高いことを見出した。
(3)THz時間領域分光による電磁波分散関係の決定。位相シフトの振動数依存性から、バンド構造を決定した。位相はバンドギャップの上下及びファブリーペロー効果による振幅極小点ごとに半位相(π)だけ変化すること、透過率極小点近傍では緩やかに変化し、逆に極大位置近傍で急激に変化することを明らかにした。フォトニック結晶中において位相は、1つのバンドの端から端(ブリルアン帯の中心から境界)までに、フォトニック格子の格子数(層数)×πだけ変化することを見出した。
(4)光伝導スイッチ発信素子の作製。低温MBE成長ガリウム砒素膜(LT-GaAs)製ダイポール及びボウタイアンテナ型光伝導スイッチを作製した。
(5)THzパルス電磁波発生実験。光伝導スイッチ発信器をフォトニック結晶で挟み光混合サブミリ波発振器を作製した。7〜10cm^<-1>のバンドギャップに対応する領域において発信が抑制されていることが認められた。光-電磁波間エネルギー変換効率について、現在解析中である。
(6)光混合連続波THz電磁波発生実験。フォトニック結晶で挟まない発信器のみのTHz電磁波発生を確認した。発信領域は3〜30cm^<-1>である。現在、単純立方及び三角格子フォトニック結晶で挟んだ場合の発信THz電磁波の測定実験を進行中である。
(7)FDTD(Finite-Difference Time-Domain method)法によるフォトニック共振器中のTHz電磁波の伝播特性の計算。光伝導アンテナから発生したTHz電磁波の伝播特性を計算中である。

Research Products

• [Publications] T. Aoki, M. Wada Takeda, J. W. Haus et al.: "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). 37 (1999)
• [Publications] Y. Miyoshi, M. Wada Takeda, N. Kawai, et al.: "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). 36 (1999)
• [Publications] J. W. Haus Z. 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"Proceeding of Conference on Lasers and Electron-Optics Quantum Electronics and Laser Science (CLEO/QELS2000) San Francisco, California. (2000)
• [Publications] M. Tani, R. Fukasawa, M. Herrmann, K. Sakai, S. Nakashima, N. Yoshioka, A. Ishida and H. Fujiyasu: "Teraherz Emission Spectroscopy of Coherent Phonons in Semiconductors"SPIE, Ultrafast Phenomena in Semiconductors III. 3624. 109-118-27-29 (1999)
• [Publications] P. Y. Han, F. Pan, M. Tani and X.-C. Zhang: "Thz Wave Sensors and Their Applications"The Journal of Nonlinear of Nonlinear Optics by Gordon and Breach. (2000)
• [Publications] G. C. Cho, M. Tani, J. Wegener and X.-C. Zhang: "Sub-THz Transmission Spectroscopy in Liquids Using a Stand-Alone Compact Unit"IEEE Lasers and Electro-Optics Society 1999 Annual Meeting(LEOS'99). (1999)
• [Publications] M. Tani, K. wang-Su Lee, X.-C. Zhang: "THz wave detection with LT-GaAs photoconductive antenna using 1.55-um probe"Proceeding of 1999 IEEE Seventh international Conference on Terahertz Electronics(THz'99). (1999)
• [Publications] M. Tani, P. Gu, M. Hyodo, K. Sakai, T. Hidaka: "Generation of Coherent Teraherz Radiation by Photomixing of Dual-Mode Lasers"(2000)