特許 5721252 電磁波発振素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5721252

(24)【登録日】2015年4月3日

(45)【発行日】2015年5月20日

(54)【発明の名称】電磁波発振素子

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/39 20060101AFI20150430BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/39

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2010-173367(P2010-173367)

(22)【出願日】2010年8月2日

(65)【公開番号】特開2011-59671(P2011-59671A)

(43)【公開日】2011年3月24日

【審査請求日】2013年7月25日

(31)【優先権主張番号】特願2009-185768(P2009-185768)

(32)【優先日】2009年8月10日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097490

【弁理士】

【氏名又は名称】細田 益稔

(74)【代理人】

【識別番号】100097504

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 純雄

(72)【発明者】

【氏名】近藤 順悟

(72)【発明者】

【氏名】青木 謙治

(72)【発明者】

【氏名】岩田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】江尻 哲也

【審査官】 河原 正

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０１４１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５９６７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／３５−１／３９

Ｈ０１Ｓ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって、
支持基板、
非線形光学結晶からなる発振基板であって、上面、底面、および前記ポンプ波が入射する入射面を備えている発振基板、
前記支持基板と前記発振基板とを接合する接着層、および
前記支持基板の前記接着層側の表面に前記電磁波を反射する反射膜を備えており、前記接着層の前記ポンプ波に対する屈折率が、前記発振基板の前記ポンプ波に対する屈折率よりも小さく、前記発振基板が前記非線形光学結晶からなるｚ板であり、前記ポンプ波および前記アイドラー波が前記底面と平行に伝搬したときにパラメトリック効果によって発振する前記電磁波に対してカットオフとなることを特徴とする、電磁波発振素子。

【請求項2】

前記発振基板の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の素子。

【請求項3】

前記非線形光学結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。

【請求項4】

前記接着層の前記ポンプ波に対する屈折率が２以下であり、前記接着層の前記電磁波に対する屈折率が５以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、いわゆるテラヘルツ波を発振する素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

テラヘルツ波は、一般的に０．１THｚ〜１０THｚまでの周波数の電磁波であり、物性、電子分光、生命科学、化学、薬品科学の基礎分野から大気環境計測、セキュリティ、材料検査、食品検査、通信などの応用分野への展開が期待されている。

【0003】

テラヘルツ波発生素子として、これまで数１００GHｚ帯では後進波管（Backward wave
oscillator:BWO）、フォトミキシシング、１THｚ以上で自由電子レーザ、p-Geレーザ、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser:QCL）などが開発されているが、小型化、高出力化に課題があった。
一方、最近ではフェムト秒レーザを光源とした光スイッチあるいは光整流により広帯域のテラヘルツ波を発生し、時間領域分光（TDS：Time Domain
Spectroscopy）などに応用されている。

【0004】

これに対して、LiNbO_３などの非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発生は、擬似位相整合（Quasi Phase Matching:QPM）を利用した方法とフォノンポラリトンを利用した方法があり、時間的、空間的コヒーレントの高い発生源として応用が期待されている。

【0005】

非特許文献１（「テラヘルツ波基礎と応用」（工業調査会発刊2005年、西澤潤一編」 １０５−１１５頁）によると、結晶中の光学活性の横波格子振動（ＴＯフォノン）とテラヘルツ波の混成波であるポラリトンによる誘導ラマン散乱（ポラリトン誘導散乱と呼ぶ）により、ポンプ波とアイドラー波、およびテラヘルツ波の３波間のパラメトリック相互作用が強く生じる。この結果、ポンプ波が、あるしきい値を超えると、ポンプ波と同程度のコヒーレンシーを有するアイドラー波およびテラヘルツ波が発生するとしている。ポラリトン誘導散乱は、LiNbO_３、LiTaO_３、GaPなどの極性結晶で観察される。 LiNbO_３は,(1)光波領域で広帯域に透明（0.4nm〜5.5μｍ）、(2)光ダメージに対する耐性が高いなどの特性をもつことから、高出力なテラヘルツ波発生が可能である。

【0006】

特許文献１（特開平9-146131）には、y板、あるいはｚ板LiNbO_３基板を使用したテラヘルツ波発振素子が記載されている。図１を参照しつつ、テラヘルツ波の発振原理を述べる。図１にはｚ板LiNbO_３基板５の主面５ａを上から見た状態を示す。基板５には、ポンプ波の入射面５ｃ、ポンプ波の出射面５ｄ、側面５ｂおよび５ｅが設けられている。例えば光源１からポンプ波３を基板に照射すると共に、光源２からアイドラー波４を照射する。ポンプ波３（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波３の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波４およびテラヘルツ波７の周波数が定まる。

【0007】

本法では、典型的には、ポンプ波３の波動ベクトルｋ１とアイドラー波動ベクトルｋ２との角度αが0.5°〜1°のときに位相整合条件が満足され、高効率なテラヘルツ波７（波長100μｍ〜300μｍ：周波数3THz〜1THz）が発生する。また、テラヘルツ波は、アイドラー波に対して65°〜66°で発生するとしている。ｙ板を用いる場合には、結晶方位が異なる関係でポンプ波３とアイドラー波４は基板の垂直平面上で角度αで伝搬し、ポンプ波に対してθとなる角度でテラヘルツ波が発生する。

【0008】

しかし、（１）結晶のサブミリ波（テラヘルツ波）に対する屈折率値は5.2と大きく、空気との間に全反射が生じるので、ｙ板、ｚ板LiNbO_３基板のいずれの場合もそのままでは空気中に取り出すことができない。（２）結晶中は光損失が大きく、テラヘルツ波の伝搬距離が3mmとすると、0.1％程度に減衰する。これに対して、特許文献１（特開平9-146131）では、基板５の側面５ｂにグレーティング６を設けて、高効率に空気中に出射させることを可能にしている。

【0009】

また、非特許文献２（K. Kawase, M. Sato, T. Taniuchi, and H. Ito,
Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996）では、アイドラー波に対して共振器を構成する（テラヘルツ波パラメトリック発振：ＴＰＯ）ことで、アイドラー波の強度とともにテラヘルツ波の強度も高めることが可能としている。この場合、角度αを１°〜２°まで変化させることにより、0.97THz〜2.2THzまでの発生が可能である。ｙ板LiNbO_３基板を使用し、結晶表面にシリコンプリズムを圧着することで、（１）高効率で空気中に取り出し可能であり、（２）出射角度の変化が小さくなり（波長依存性が小さい）、（３）指向性の高いテラヘルツ波発生が可能である。しかし、この方法でも、結晶表面近傍を伝搬させる際のテラヘルツ波の減衰は大きい。

【0010】

特許文献２（特開2002-72269）では、単一周波数の励起光源（レーザ）を照射し、かつ単一周波数のアイドラー波で光注入することによって、スペクトル線幅の狭線化が可能でかつ高出力のテラヘルツ波発生方法が開示されている。

【0011】

非特許文献３（第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００９春 筑波大学 ３０ｐ−Ｐ１−３ 「ニオブ酸リチウム導波路を用いたチェレンコフ型位相整合テラヘルツ光源の広帯域化」では、ｙ板、あるいはｘ板ニオブ酸リチウムのスラブ光導波路を採用することで、テラヘルツ波光源の広帯域化を図っている。図２を参照しつつ述べると、ｙ板酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウムからなる基板９の光導波路の入射面９ｃからポンプ波３、アイドラー波４を入射させる。９ａは上面であり、９ｆは底面であり、９ｅは側面である。スラブ光導波路の厚さは３．８μｍであるが、その詳細は記載されていない。本法は、（１）スラブ光導波路９の厚みを３．８μｍにすることで励起光源をスラブ導波路基板９に閉じ込め、位相不整合を低減する。（２）基板９の厚みを薄くすることで結晶表面から発生させ、結晶中でのテラヘルツ波７の吸収を回避する。（３）基板９の上面９ａにプリズム６を設けることによって、テラヘルツ波７を取り出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開平9-146131

【特許文献2】特開2002-72269

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】「テラヘルツ波基礎と応用」（工業調査会発刊 2005年、西澤潤一編」 １０５−１１５頁

【非特許文献2】K. Kawase, M. Sato, T. Taniuchi, and H. Ito,Appl. Phys. Lett., 68, PP.2483, 1996

【非特許文献3】第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００９春 筑波大学 ３０ｐ−Ｐ１−３ 「ニオブ酸リチウム導波路を用いたチェレンコフ型位相整合テラヘルツ光源の広帯域化

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

しかし、０．１THｚ〜３THｚのテラヘルツ波は、発振基板内部での吸収率が極めて大きく、僅かな距離を伝搬するだけでもほとんど吸収されてしまい、発振基板から外部へと放射されなくなる。このため、非特許文献３では、発振基板を薄くすることで、パラメトリック発振したテラヘルツ波の発振基板内での吸収量を減らすことを試みている。

【0015】

しかし、発振基板を薄くすると、発振基板の機械的強度が著しく低くなるため、取り扱いが困難になる。このため、本発明者は、発振基板を、別体の支持基板に対して接着することを想到した。しかし、このような構成では、素子から発振するテラヘルツ波の強度が一層低下することが判明してきた。

【0016】

本発明の課題は、ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子において、素子内における電磁波の吸収量を最小限とできる構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明は、ポンプ波とアイドラー波とからパラメトリック効果によって０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子であって，
支持基板、
非線形光学結晶からなる発振基板であって、上面、底面、および前記ポンプ波が入射する入射面を備えている発振基板、
支持基板と発振基板とを接合する接着層、および
支持基板の接着層側の表面に電磁波を反射する反射膜を備えており、接着層のポンプ波に対する屈折率が、発振基板のポンプ波に対する屈折率よりも小さく、発振基板が非線形光学結晶からなるｚ板であり、ポンプ波および前記アイドラー波が底面と平行に伝搬したときにパラメトリック効果によって発振する電磁波に対してカットオフとなることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、前述したように、発振基板を接着層によって別体の支持基板を接着している。従って、発振基板を薄くしても素子の強度が保持されるので、発振基板でパラメトリック発振した電磁波の発振基板内部における吸収量を減らすことができる。

【0019】

しかし、発振基板内でパラメトリック発振した電磁波は、素子の表面だけでなく、支持基板側へと向かっても放射する。しかし、この電磁波は、支持基板内部でも強い吸収を受け、著しく減衰する。例えば、ニオブ酸リチウム単結晶からなる支持基板を使用した場合には、厚さ100μｍ程度で、電磁波はほとんど吸収されてしまう。この結果、発生した電磁波のうち相当量が、素子から外部に放射されなくなる。

【0020】

ここで、本発明者は、支持基板の接着層側の表面に電磁波反射膜を形成することにより、発振基板の裏面方向に放射した電磁波も素子外に放射され、素子から外部へと発振する電磁波の出力を顕著に増大させ得ることを確認し、本発明に到達した。

【0021】

なお、かりに光変調器で０．１THｚ〜３THｚの周波数帯で変調動作させた場合には、これらの電磁波は基板モードとして支持基板内を伝搬する。しかし、これらの電磁波はすべて吸収され、消失するので、電磁波反射膜を支持基板表面に形成する必要はない。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】従来例の発振素子を説明するための模式図である。

【図2】従来例の発振素子を説明するための模式図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る発振素子を示す斜視図である。

【図4】図３の発振素子を概略的に示す平面図である。

【図5】（ａ）は、参考例の発振素子の側面図であり、（ｂ）は、図３、図４の発振素子の側面図である。

【図6】本発明の他の実施形態に係る発振素子を示す断面図であり、発振基板がｙ板からなる。

【図7】屈折率構造の計算モデルを示す模式図である。

【図8】テラヘルツ波の周波数、入射角度α、出射角度θの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明は、ポンプ波とアイドラー波とからバラトリック効果によって、０．１THｚ〜３THｚの周波数を有する電磁波を発振する素子である。

【0024】

すなわち、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶からなる発振基板内にポンプ波を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波とテラヘルツ波を発生させる。このとき、ポンプ波として単一周波数の第１レーザー光を使用し、かつ、アイドラー波の発生方向に単一周波数の別の第２レーザー光を光注入することが好ましい。

【0025】

図３、４、５（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る発振素子を示す。非線形光学結晶からなる発振基板１１は、ポンプ波およびアイドラー波の入射面１１ｃ、出射面１１ｄ、側面１１ｂ、１１ｅ、上面１１ａおよび底面１１ｆを有する。発振基板１１の底面１１ｆは、支持基板１３に対して接着層１２によって接着されている。そして、図５（ｂ）に示すように、更に支持基板１３の接合面に、電磁波反射膜１５が形成されている。

【0026】

例えば光源１からポンプ波３を基板に照射すると共に、光源２からアイドラー波４を照射する。このとき、ポンプ波３およびアイドラー波４が基板底面１１ｆに平行に伝搬するようにする。ポンプ波３（周波数ω１）とアイドラー波（周波数ω２）、およびポラリトン（テラヘルツ波：周波数ωT）の間にエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ωＴ）および運動量保存則（ノンコリニア位相整合条件：ｋ１＝ｋ２＋ｋｔｈ）が成立し、ポラリトン誘導散乱が観測される。この場合、分散特性のために、ポンプ波３の光軸からの角度α、θに応じて、アイドラー波４およびテラヘルツ波７の波長が定まる。

【0027】

ポンプ波とアイドラー波との重なり部分から発振するテラヘルツ波は、ポンプ波３に対して角度θをなしつつ、基板底面１１ｆに平行に発振する。ここで、基板１１の厚さＴを小さくすると、基板底面１１ｆに平行に発振するテラヘルツ波７に対してカットオフ条件となり、テラヘルツ波は結晶内部を伝搬することなく、基板外に発振される。従って、基板内部の伝搬によるテラヘルツ波の減衰が防止され、かつ結晶表面にプリズム、グレーティング等のテラヘルツ波取り出し手段を設ける必要がない。

【0028】

本実施形態においては、支持基板上に、非線形光学結晶のｚ板からなる発振基板を接着する。ｚ板からなる発振基板を使用する場合、パラメトリック効果によりテラヘルツ波を発生するためには、図３のようにポンプ波およびアイドラー波は基板厚み方向に振動する偏波を入力し、基板底面と平行に伝搬させる。このときパラメトリック効果によって電磁波（テラヘルツ波）が発振するが、この電磁波も基板厚み方向に振動する偏波となり基板底面と平行な方向へと向かって発振される。この際、基板の厚さを、発振する電磁波に対してカットオフとなる厚さとすることを想到した。

【0029】

この結果として、基板でパラメトリック発振したテラヘルツ波は、強度を低下させることなく結晶の外部へと取り出すことができる上、結晶表面にプリズムやグレーティングなどのテラヘルツ波取り出しの光学手段を設ける必要がない。

【0030】

図１に示したような形態の素子では、基板内部でのテラヘルツ波の減衰を防止できず、出射面５ｂへのプリズム等の設置も必須である。

【0031】

非特許文献３の素子では、ｙ、あるいはｘ板を利用しており、テラヘルツ波は結晶表面方向に向かって発生する。この場合、基板厚が厚いと基板表面までの伝搬損失が問題となり高出力のテラヘルツ波を基板外に取り出すことができなかった。このため、基板厚を薄くすることにより、伝搬距離を短くし吸収損失を低減している。さらに、基板表面にシリコンプリズムを圧着し、基板外にテラヘルツ波を高効率で取り出している。このことから、テラヘルツ波に対しては、カットオフになっていない。

【0032】

なぜなら、もし発振基板がテラヘルツ波に対してカットオフとなっていれば、発振基板外に一定の方向にテラヘルツ波が放射されるので、シリコンプリズムを設置する必要はないからである。また、発振基板がテラヘルツ波に対してカットオフとなっていれば、発振基板内をテラヘルツ波が伝搬する間に吸収されて損失となることはなく、従って発振基板の厚さを３．８μｍまで薄くすることで基板内でのテラヘルツ波の吸収を防止する必要はないからである。

【0033】

本実施形態では、ｚ板を使用し基板厚を薄くすることでテラヘルツ波に対しては、カットオフとなっている。したがって、基板の上下のクラッドには高屈折率材料であるシリコンなどのプリズムを装着することなくテラヘルツ波を基板外に取り出すことが可能となる。

【0034】

本実施形態では、シリコンプリズムを設置する必要がないので、クラッドのポンプ光に対する屈折率はＬＮ基板の屈折率よりも小さくすることが可能である。これにより、励起光の閉じ込めも十分になり光強度を増大することが可能となり、より高出力のテラヘルツ波発生が可能となる。

【0035】

本実施形態では、ｚ板からなる発振基板の表面には電極がなく、発生した電磁波（０．１THｚ〜３THｚ）についてはカットオフとなるために、発振基板の表面と裏面（支持基板側）方向に放射する。発生した電磁波は、放射モードとなるために、基板側面まで到達しない。

【0036】

ここで、放射した電磁波は全方向に発散するため、効率よく基板表面方向に出射させることは難しいことを発見した。すなわち、０．１THｚ〜３THｚのテラヘルツ波は、各種材料による吸収率が大きく、発振基板の裏面方向に放射した電磁波は、そのまま支持基板に吸収されてしまい、素子から放射されなくなる。例えば、ニオブ酸リチウム単結晶からなる支持基板１３を使用した場合には、厚さ100μｍ程度で、電磁波はほとんど吸収されてしまう。この結果、発生した電磁波のうち相当量（約半分）が、素子から外部に放射されなくなる。

【0037】

ここで、支持基板の接着層側の表面に電磁波反射膜を形成することにより、発振基板の裏面方向に放射した電磁波が素子外に放射され、２倍以上の出力が得られることがわかった。

【0038】

また、他の好適な実施形態においては、発振基板がｙ板からなる。図６は、この実施形態に係る発振素子を模式的に示す側面図である。

【0039】

非線形光学結晶のｙ板からなる発振基板９は、支持基板１３に対して接着層１２によって接着されている。支持基板１３の接合面に電磁波反射膜１５が形成されている。発振基板９の光導波路の入射面９ｃからポンプ波３、アイドラー波４を入射させる。９ａは上面であり、９ｆは底面であり、９ｅは側面である。ポンプ波３とアイドラー波４との重なり部分から発振する電磁波７は、ポンプ波３に対して角度をなしつつ、上方向へと向かって出射する。基板９の上面９ａにプリズム６を設けることによって、テラヘルツ波７を取り出している。

【0040】

発振基板がｙ板からなる場合、電磁波は、図６に示すように発振基板上方に出射される。また、この場合に基板表面側にシリコンプリズム６を設置し、効率よく空気中に電磁波を取り出している。しかし、発振基板（例えば屈折率5.2）と、例えばシリコンプリズム（屈折率3.4）との間には屈折率差が生じるために、約4.4％の反射が生じる。また、シリコンプリズムと空気との界面においても反射が生じ、反射波が発振基板９側に戻ってくる。発振基板９に戻ってきた電磁波の一部は、支持基板１３側に放射されるので、前記のように吸収され、２５％程度の損失が発生してしまう。

【0041】

ここで、電磁波反射膜１５を形成することにより、支持基板１３側に放射していた電磁波を表面方向に反射することができるので，素子から外部へと取り出せる電磁波の強度を高くすることができる。

【0042】

非線形光学結晶は、テラヘルツ波をパラメトリック発振する結晶であれば良いが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体である。また、光損傷を抑制するために酸化マグネシウムなどのドーピングをしていてもよい。さらに、ニオブ酸リチウムについては、コングルエント組成のほかストイキオメトリ組成であってもよい。

【0043】

非線形光学結晶のｚ板とは、結晶のｚ軸方向が基板５の法線方向（垂直方向）を向いた基板のことをいう。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの誘電体の場合、非線形光学定数ｄ３３が最も大きく、入力光（ポンプ波とアイドラー波）の偏波はｚ軸方向とすることにより、ｚ軸方向の電磁波を発生する。本願は、基板厚を２０μｍ以下にすることにより入力光に対してはスラブ導波路としており、ＴＭモードで導波路伝搬することによりパワー密度を上げ高効率でテラヘルツ波を発生することが可能となる。

【0044】

非線形光学結晶のｙ板とは、結晶のｚ軸方向が発振基板の表面に平行な方向を向いた基板のことをいう。

【0045】

ポンプ波、アイドラー波、テラヘルツ波の周波数、α、θは、パラメトリック発振条件によって定まるものである。典型的には、ポンプ波の波長は８００ｎｍ〜１６００ｎｍが好ましく、αは ０．０４°〜４°が好ましい。この場合、θは６５°〜６２°の範囲となる。

【0046】

図７に示す屈折率構造（コア屈折率ｎ１、クラッド屈折率ｎ２、ｎ３）において、本願が使用するＴＭモード伝搬の場合、カットオフとなる基板厚さＴcは、次の式によって表される（ｍはモード次数を示す）。

【数1】

例えば、ニオブ酸リチウム単結晶からなる発振基板を用いた場合、０．１THｚ〜３THｚの周波数に対応するカットオフとなる基板厚さＴcは、１４４ 〜 ４．８μｍである。

【0047】

本発明では、テラヘルツ波を高効率で発生させるために、励起光源であるポンプ波とアイドラー波をスラブ導波路伝搬させることができ、この観点で発振基板の厚さを２０μｍ以下とすることが好ましい。最適には、励起光源を効率よく発振基板に結合させ、さらに低損失で伝搬させるためには４μｍ以上、１５μｍ以下が好ましい。

【0048】

テラヘルツ波の周波数、入射角度α、出射角度θの関係を図８に示す。図８は、以下の条件下でシミュレートしたものである。
ポラリトン誘導散乱過程では、上記のようにポンプ波、アイドラー波、およびテラヘルツ波の間にエネルギー保存則と運動量保存則を満足させる必要がある。このことから、ポンプ波を１０６４ｎｍとしエネルギー保存則からアイドラー波およびテラヘルツ波の周波数（波長）を算出した。さらに、それぞれの波長に対する屈折率をセルマイヤーの式から算出し、運動量保存則から入射角度α、出射角度θを算出した。

【0049】

この結果からわかるように、テラヘルツ波の領域、特に０．５ＴＨｚ以下の領域では、入射角度αが小さく、ポンプ波とアイドラー波との間隔が小さくなる。

【0050】

支持基板の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、KTP、KNなどの誘電体や、GaP、ZnSeなどの半導体、石英ガラスなどのガラスを例示できる。
また、信頼性上、熱膨張を発振基板と合わせるという観点では、支持基板は発振基板と同じ材質であることが望ましい。

【0051】

発振基板と支持基体とを接着する接着剤は、発振基板よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、カルドポリマー系接着剤、室温硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０^−６／Ｋ）を例示できる。

【0052】

接着層の厚さは特に限定されないが、テラヘルツ波の漏れを防止するという観点からは、０．５μｍ以上が好ましい。

【0053】

ポンプ波やアイドラー波の光源は、半導体レーザや半導体レーザ励起の固体レーザ（YAG、YVO4、YLFなど）を直接バットジョイント、あるいはレンズ結合させる。またこれらの光源をファイバでガイドし、そのファイバ端面を結晶に直接バットジョイントさせることができるし、レンズ結合させてもよい。

【0054】

本発明では、接着層のポンプ光に対する屈折率が、発振基板のポンプ光に対する屈折率よりも小さいが、両者の差は，０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることが更に好ましい。

【0055】

また、接着層のポンプ光に対する屈折率は２以下であることが好ましい。接着層のポンプ光に対する屈折率は、実際的には１．３以上であることが多く、１．４以上であることが更に好ましい。

【0056】

発振基板のポンプ光に対する屈折率は、２以上であることが好ましい。また、発振基板のポンプ光に対する屈折率は、４以下であることが好ましい。

【0057】

本発明においては、電磁波反射膜とは、（１）電磁波を支持基板内に進入することを防止し（電磁波の遮断）、（２）発振基板の表面側に放射させる（電磁波の放射）ものである。
電磁波反射膜に対する前記電磁波の大気中での反射率は、８０％以上であることが好ましく、反射率の上限は特になく、１００％であってよい。
テラヘルツ帯の反射率は、一般的に、フーリエ変換赤外分光装置（例えば、Bruker IFS66v/S）を使用して測定できる。

【0058】

電磁波反射膜の材質としては、金属や半導体が挙げられ、貴金属、特に金、銀、銅のいずれかを使用することが特に好ましい。電磁波反射膜の厚みは、発生する電磁波の表皮深さの３倍以上であることが好ましい。例えば電磁波反射膜が金からなり、電磁波の周波数が0.2THzである場合、金の導電率は44.4×10⁶ /Ωｍであり、従って表皮深さは0.17μｍとなる。したがって、反射膜の厚さは、0.51μｍ以上であることが好ましい。電磁波反射膜の厚さの上限は限定されないが、蒸着やスパッタなどで容易に薄膜形成できるという観点で3μｍが好ましい。

【実施例】

【0059】

（実施例１）
図３、図４および図５（ｂ）を参照しつつ説明した発振素子を作製した。
具体的には、ニオブ酸リチウム単結晶のｚ板を支持基板１３とし、支持基板１３の接合面にチタン、白金、金をそれぞれ100オングストローム、200オングストローム、1μｍ蒸着し、さらに接着強度を上げるために白金、チタンをそれぞれ200オングストローム、100オングストローム蒸着した。形成した反射膜の反射率は、フーリエ変換赤外分光装置（例えば、Bruker IFS66v/S）によって測定し、テラヘルツ帯において９０％以上であった。発振基板のポンプ波（波長1064nm）に対する屈折率は2.14である。支持基板１３の接合面に接着剤を厚さ１μｍ均一に塗布し、MgOドープニオブ酸リチウム単結晶からなるｚ板を支持基板の接合面に貼り合わせた。使用した接着層は、カルドポリマーで波長１μｍ帯で屈折率が１．９のものを使用した。次いで、MgOドープニオブ酸リチウム単結晶からなるｚ板を精密研磨し、基板厚５μｍまで均一に薄板加工した。その後、ダイシングにより素子長５ｃｍにチップ切断し、発振素子を試作した。

【0060】

試作した素子にポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）の各レーザ光を0.094°の交差角度αで入射させたところ、双方の光は発振基板内１１をスラブモード伝搬した。ポンプ波３に対して交差角度θ64.8°の方向から0.2THzのテラヘルツ波が2.5mW検出された。

【0061】

同様にして、本素子にアイドラー波の波長を可変し、入射角度αを図８に示すようにしたところ、0.5THzまでの電磁波７が出射角度θの方向から発生し、3THzまでの電磁波発生を観測できた。電磁波の波長が3THzの場合には、アイドラー波４の波長1075.6nm、入射角度α＝1.34°、出射角度θ＝は64.1°であった。以上から、本素子は広帯域のテラヘルツ波発生が可能であることを実証した。

【0062】

（比較例１）
実施例１と同様の発振素子を作製した。ただし、本例においては、支持基板１３の接合面に電磁波反射膜１５を形成しなかった。

【0063】

試作した素子にポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）の各レーザ光を0.094°の交差角度αで入射させたところ、双方の光は発振基板１１内をスラブモード伝搬した。ポンプ波３に対して64.8°の方向から0.2THzのテラヘルツ波７が1mWの出力で発振した。すなわち、出力は、電磁波反射膜がある場合の半分以下となった。

【0064】

同様に、本素子にアイドラー波の波長を可変し入射角度を図８に示すようにしたところ、0.5THzまでのテラヘルツ波が出射角度θの方向から発生したが、出力は反射膜がある場合に比べていずれも半分以下となった。

【0065】

（実施例２）
図６を参照しつつ説明した発振素子を作製した。
具体的には、ニオブ酸リチウム単結晶のｙ板を支持基板１３とし、支持基板１３の接合面にチタン、白金、金をそれぞれ100オングストローム、200オングストローム、1μｍ蒸着し、さらに接着強度を上げるために白金、チタンをそれぞれ200オングストローム、100オングストローム蒸着した。形成した反射膜の反射率は、フーリエ変換赤外分光装置（例えば、Bruker IFS66v/S）によって測定し、テラヘルツ帯において９０％以上であった。発振基板のポンプ波（波長1064nm）に対する屈折率は2.14である。次に、実施例１と同様に、支持基板１３の接合面に厚さ１μｍにわたって接着剤を塗布し、この接合面を、MgOドープニオブ酸リチウム単結晶からなるｙ板に接着した。使用した接着層は、カルドポリマーで波長１μｍ帯で屈折率が１．９のものを使用した。MgOドープニオブ酸リチウム単結晶からなるｙ板を精密研磨し、基板厚３．８μｍまで均一に薄板加工を実施した。その後、ダイシングにより素子長５ｃｍにチップ切断した。発振基板９の上方にシリコンプリズム６を設置し、図６に示す素子を試作した。

【0066】

試作した素子に、ポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）の各レーザ光を入射させたところ、双方の光は発疹基板９内をスラブモード伝搬した。ポンプ波に対して上方向からシリコンプリズム６を透過して0.2THzのテラヘルツ波が１mW発生した。

【0067】

（比較例２）
実施例２と同様にして発振素子を作製した。ただし、支持基板１３の接合面に電磁波反射膜１５を形成しなかった。

【0068】

試作した素子にポンプ波３（波長1064nm、パワー100mW）、アイドラー波４（波長1064.8nm、パワー100mW）の各レーザ光を入射したところ、双方の光は発振基板９内をスラブモード伝搬し、ポンプ波３に対して上方向から0.2THzのテラヘルツ波が発生した。ただし、発生したテラヘルツ波の出力は0.3ｍＷであり、実施例２に比べて30％となった。

【符号の説明】

【0069】

３ ポンプ波 ４ アイドラー波 ７ テラヘルツ波 ９、１１ 発振基板 ９ａ、１１ａ 発振基板の上面 ９ｃ、１１ｃ 発振基板の入射面 ９ｆ、１１ｆ 発振基板の底面 １２ 接着層 １３ 支持基板 １５ 電磁波反射膜 α 入射角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】