太赫兹波元件、太赫兹波检测装置、太赫兹时域分光系统和层析成像设备

摘要

一种太赫兹波元件包括波导（2，4，5）以及耦合部件（7），该波导包括电光晶体并且允许光传播通过该波导，并且该耦合部件使得太赫兹波进入波导（2，4，5）。传播通过波导（2，4，5）的光的传播状态随着太赫兹波经由耦合部件（7）进入波导（2，4，5）而改变。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波元件、太赫兹波检测装置、太赫兹时域分光 系统和层析成像设备。

背景技术

近年来，已经开发了使用30GHz到30THz之间的频率范围内 的电磁波（太赫兹波）的非破坏性的感测技术。

作为太赫兹波检测方法，广泛地使用采用非线性光学晶体的方 法。非线性光学晶体的典型的示例包括LiNbOx（铌酸锂，在下文中 被称为“LN”）、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe和GaSe。 使用作为一次电光效应的波克尔斯效应（Pockels effect）（其为一种 二次非线性现象），以用于通过使用非线性晶体来检测太赫兹波。具 体地，当光作为探测光（probe light）被照射到与太赫兹波相同的位 置上时，探测光的偏振状态根据太赫兹波的电场而改变。通过偏振元 件和光检测器检测偏振状态的改变量（参见PTL1）。在使用这种非 线性晶体的元件中，探测光的波长带较宽以致允许0.8-μm带或者甚 至1μm或更大的所谓的通信波长带，由此有利地允许使用便宜的光 源，诸如光纤激光器。

在PTL1中，通过所谓的垂直操作改变探测光的偏振。由于晶 体的厚度等同于相互作用距离，因此通过执行相位匹配，灵敏度能够 随厚度增大而增大。然而，为了实现与宽带中的太赫兹波的相位匹配， 晶体的厚度需要被减小，意味着灵敏度和频带处于折衷关系。为了通 过增大相互作用距离提高灵敏度，已经有其中水平地操作非线性晶体 的提议（参见NPL1）。在该情况下，利用非线性晶体内的探测光和 太赫兹波的色散（dispersion）的切伦科夫（Cerenkov）相位匹配方 法被讨论作为相位匹配方法。

还已经有关于通过切伦科夫相位匹配方法产生太赫兹波的提议 （参见PTL2和NPL2）。

引文列表

专利文献

PTL1日本专利No.03388319

PTL2日本专利公开No.2010-204488

非专利文献

NPL1 2010 Annual Meeting of the Spectroscopical Society of  Japan,p.43(Extended Abstracts,p.128)

NPL2 Opt.Express,vol.17,pp.6676-6681,2009

发明内容

技术问题

然而，在NTL1中讨论的切伦科夫相位匹配中，所使用的非线 性晶体是具有0.5mm的厚度的LN晶体，并且作为探测光输入的光 的传播状态根据晶体如何耦合到波导而显著地变化。具体地，输入光 通常在多个模式中传播并且变为具有多个群速度的光线的集合体 （aggregate），其在响应速度方面是成问题的。此外，经由Si棱镜 耦合的太赫兹波到达探测光所花费的时间在LN晶体的厚度方向上变 化。例如，假设太赫兹波进入具有0.5mm的厚度和2.2的折射率的 LN晶体，发生约4ps的时间差。因此，能够被相位匹配的太赫兹波 的频率是受限的。

关于使用水平操作类型的高灵敏度非线性光学晶体的太赫兹波 的检测，本发明通过扩展能够被相位匹配的带来允许更宽的可检测的 太赫兹波频带。

问题的解决方案

根据本发明一个方面的太赫兹波元件包括：波导，包括电光晶体 并且允许光传播通过该波导；以及耦合部件，使得太赫兹波进入波导。 传播通过波导的光的传播状态随着太赫兹波经由耦合部件进入波导 而改变。

本发明的有利效果

能够提供高灵敏度的、宽带的太赫兹波检测元件。

附图说明

图1A和图1B是根据本发明第一实施例的太赫兹波元件的结构 图。

图2是根据本发明第一实施例的层析成像设备的配置图。

图3A和图3B是用于说明切伦科夫相位匹配的图。

图4示出根据本发明第一实施例的太赫兹波形的示例。

图5A和图5B是根据本发明第二实施例的太赫兹波元件的结构 图。

图6是根据本发明第三实施例的太赫兹波元件的结构图。

图7是根据本发明第四实施例的太赫兹波元件的结构图。

图8A和图8B是根据本发明第五实施例的太赫兹波元件的结构 图。

图9是根据本发明第五实施例的层析成像设备的配置图。

图10A和图10B是根据本发明第六实施例的太赫兹波元件的结 构图。

图11是根据本发明第六实施例的另一个太赫兹波元件的结构 图。

具体实施方式

第一实施例

现在将参考图1A和图1B描述根据本发明第一实施例的由LN 晶体组成的太赫兹波元件。图1A是透视图，并且图1B是波导部中的 沿着线IB-IB截取的截面图。

LN衬底1由Y切（Y-cut）铌酸锂组成，并且LN晶体具有与激 光的传播方向对应的X轴以及与垂直于传播方向的方向对应的Z轴 （参见图1A中示出的坐标轴）。在这种配置的情况下，由于通过由 图1A中的附图标记12表示的太赫兹波作为S偏振波（即，在本实施 例中与LN晶体的Z轴平行的线偏振波）进入的一次电光效应（波克 尔斯效应），有效地发生折射率的变化。在LN衬底1上，粘合剂层 2、由MgO掺杂的LN晶体层形成的波导层4和低折射率缓冲层5形 成允许输入的激光通过全内反射传播通过其的波导。具体地，低折射 率缓冲层5和粘合剂层2的折射率被设定为低于波导层4的折射率。 波导层4是对于激光用作核芯（core）的核芯层，而粘合剂层2和缓 冲层5是对于激光用作包覆（cladding）的包覆层。在要通过将组件 接合在一起来制造波导的情况下要求粘合剂层2，但是在要通过扩散 等来形成掺杂层的情况下不一定要求粘合剂层2。即使在该情况下， 由于MgO掺杂的LN层具有比LN衬底1高的折射率，因此仍然实 现波导的功能。波导能够通过由于Ti扩散增大波导层4的折射率而 改变波导层4和周围区域3之间的折射率来形成，或者通过利用刻蚀 将波导层4形成为脊（ridge）图案并且嵌入树脂等到周围区域3中来 形成。可替代地，周围区域3可以被保持为其中没有嵌入任何东西的 空的状态。虽然像波导层4一样也在横向方向上形成波导结构，以便 增大光限制特性，但是其中波导层4的区域在横向方向上均匀地延伸 使得不具有限制区域的平板波导（slab waveguide）（像周围区域3 一样）也是可容许的。可替代地，多个波导层4可以在横向方向上被 彼此平行地布置，使得在控制光波导模式的同时增大太赫兹波光接收 区域。在低折射率缓冲层5上，至少在波导上方设置将要被检测的太 赫兹波从外部耦合到波导的光耦合部件7（诸如棱镜、衍射光栅或者 光子晶体）。缓冲层5的厚度优选地足够大以便当激光传播通过波导 层4时用作包覆层，但是足够小以便当太赫兹波进入光耦合部件7时 损失和多次反射的影响是可忽略的。关于前者，在其中作为高折射率 层的波导层4用作核芯而低折射率层2和5用作包覆的波导中，上述 厚度优选地大于或等于如下厚度，在该厚度处，低折射率缓冲层5和 光耦合部件7之间的界面处的光强度低于或者等于核芯区域的光强度 的1/e²。应当注意，e是自然对数的底。关于后者，厚度优选地小于 或者等于最大频率处的输入太赫兹波的在低折射率缓冲层5中的等效 波长λ_eq（THz）的约1/10。这是因为，在具有与波长的1/10对应的 尺寸的结构体中，通常认为反射、色散、折射等对具有该波长的电磁 波的影响是可忽略的。然而，应当注意，即使在上述优选的厚度范围 外，使用根据本发明的太赫兹波元件的太赫兹波检测也是可能的。

现在将参考图2描述切伦科夫相位匹配。这能够容易地基于从非 线性光学晶体产生太赫兹波的电光切伦科夫辐射的概念而明白。在图 2中，当用作激发源的激光100的传播速度高于产生的太赫兹波的传 播速度时，以圆锥体的形式像冲击波一样释放太赫兹波101。在正常 的电光晶体块状体（bulk body）的情况下，根据以下公式（1）确定 辐射角θc（即，光与太赫兹波之间的角度θc），其是光和太赫兹波 在介质（即，非线性光学晶体）内的折射率的比。

$\cos {\theta }_c=\frac{v_{\mathrm{THz}}}{v_g}=\frac{n_g}{n_{\mathrm{THz}}}···\left(1\right)$

在该情况下，vg和ng分别表示激发光相对于非线性光学晶体的 群速度和群折射率，并且v_THz和n_THz分别表示太赫兹波相对于非线性 光学晶体的相位速度和折射率。例如，在NPL2（PTL2）中已经有 关于通过使用具有充分小于产生的太赫兹波的波长的厚度的平板波 导、通过基于切伦科夫相位匹配的差频产生方法产生宽带单色的太赫 兹波的报告。在该情况下，ng和n_THz是光和太赫兹波的有效折射率。 例如，ng是波导相对于光的群折射率。如果如NPL2（PTL2）中一 样在波导附近存在用于光耦合的棱镜，则还必须鉴于棱镜的折射率来 考虑辐射。因此，n_THz是根据波导和耦合部件（棱镜）确定的太赫兹 波的有效折射率。如果波导较薄，则能够通过选择用于棱镜的合适材 料来调整θc。

关于这个产生处理的逆过程，当太赫兹波的波前返回时，应该满 足与上述公式（1）中的关系相同的关系，以便使得激光100的前面 （front）102的点在类似地返回到激光源的同时不断地与太赫兹波相 互作用。这被称为在检测太赫兹波时使用的切伦科夫相位匹配。在该 情况下，重要的是，例如，在点102处太赫兹波与激光之间发生相互 作用。因此，当激光的传播区域到达基本上等同于太赫兹波的波长的 厚度（例如，100与100'之间的宽度）时，由于上述传播区域上方和 下方的点（102和102'）之间的时间差，相互作用点在相互作用的太 赫兹波的波前处模糊。当这种模糊发生时，太赫兹波元件变得不能响 应于太赫兹波的高速变化，即，高频。稍后将提供厚度的定量的描述。

接下来，将描述检测单元的检测机制。当例如相对于Z轴45° 倾斜的线性偏振的激光进入波导层4并且如图1所示地沿着X轴传播 通过该波导层4时，即使在其中不输入太赫兹波的状态中，由于LN 晶体的双折射，偏振状态也改变（自然双折射）。能够通过使用渥拉 斯顿棱镜（Wollaston prism）9以及两个光电二极管10和11执行平 衡接收来检查从与输入表面不同的表面输出的所传播的光的偏振状 态。关于在该情况下输出的激光，由于电光晶体的双折射而在电场的 Z轴分量和Y轴分量之间发生相位差，使得光作为椭圆偏振波传播。 由于这种自然双折射而发生的相位差根据晶体的类型（LN是3m晶 体）、输入偏振方向和波导长度而变化，并且用于零相位差的配置也 是可能的。在不存在太赫兹信号的状态中的偏振变化可以通过使用已 知的补偿板（未示出）来调整以使得抵消偏移（offset）。由于在PTL 1中提供了详细描述，因此这里将省略描述。

关于在本实施例中在输入太赫兹波时发生的相互作用，通过利用 由于由太赫兹电磁场给予电光晶体的一次电光效应所导致的Z轴上 的波导的折射率的变化而引起的传播光的偏振状态的变化，使得发生 相互作用。具体地，由于诱导双折射（induced birefringence）而使激 光的电场的Z轴分量和Y轴分量之间的相位差改变，使得椭圆偏振波 的椭圆率和主轴的方向改变。

通过使用外部偏振元件（诸如渥拉斯顿棱镜9）和光检测器（诸 如光电二极管10和11）基于差分放大来检测激光的传播状态的变化， 能够检测太赫兹波的电场幅度。差分放大不是强制性的，并且可以通 过使用渥拉斯顿棱镜9作为偏振器仅仅利用单个光检测器来检测强 度。

此外，虽然上面已经描述了用于检测传播光的偏振状态的变化的 方法，但是还存在用于检测通过由传播光产生的太赫兹波和从外部输 入的太赫兹波之间的相互作用给予传播光的变化作为传播光的振荡 频率或者光强度的变化的方法。在那种情况下，仅仅光检测器是足够 的，而偏振元件不是必要的，并且输入光的偏振面可以平行于Z轴。

虽然当将太赫兹波信号转换为电信号时上面描述的检测单元是 必要的，但是如果激光本身是调制的并且在后级处使用调制光，则检 测单元不是必要的。这适用于当例如根据本发明的太赫兹波元件被用 作使用太赫兹波的光调制器时。

图3A和图3B示出基于使用根据本实施例的太赫兹波元件作为 太赫兹波检测元件的太赫兹时域分光系统（THz-TDS）的层析式成像 设备（层析成像设备）的示例。

包括光纤的飞秒激光器20被用作激发光源，并且经由分离器21 从光纤22和光纤23中提取来自其的输出。虽然通常使用的飞秒激光 器20具有1.55μm的中心波长、20fs的脉冲宽度和50MHz的循环频 率（cyclic frequency），但是波长可以可替代地在1.06μm带中，并 且脉冲宽度和循环频率不限于上述值。

此外，输出级处的光纤22和23中的每一个可以包括用于末级处 的高次孤子压缩（soliton compression）的高非线性光纤或者执行用 于补偿由延伸到太赫兹产生器和太赫兹检测器的光学元件等所引起 的色散的预啁啾（prechirping）的色散光纤。这些光纤优选地是偏振 维持光纤。

太赫兹波检测侧耦合到上面描述的根据本实施例的太赫兹波元 件24的波导。在该情况下，太赫兹波检测侧可以经由光学延迟单元 29使用透镜在空间上耦合到来自飞秒激光器20的光。可替代地，使 用用于实现全光纤配置的光纤拉伸器（fiber stretcher）的延迟单元（未 示出）可以被使用，或者光学延迟单元可以被布置在太赫兹波产生侧。 在那种情况下，检测侧可以通过将自聚焦透镜（Selfoc lens）与光纤 端部集成而被构成，或者可以是通过处理上述端部而形成的猪尾 （pigtail）类型，使得其数值孔径小于或者等于切伦科夫相位匹配元 件的波导的数值孔径。在该情况下，每个端部可以被设置有非反射涂 层，使得减少菲涅耳（Fresnel）损失和不期望的干涉噪声。可替代地， 通过设计光纤23和波导使得它们具有类似的数值孔径和类似的模场 直径（mode field diameter），通过邻接（abutment）的直接耦合（对 接（butt）耦合）也是可容许的。在该情况下，粘合剂被适当地选择 使得能够减少由反射所引起的不利影响。

如果前级处的光纤22或者飞秒激光器20包括非偏振维持光纤组 件，则优选的是通过使用直列式（inline）类型偏振控制器来稳定进 入根据本发明的太赫兹波元件24的输入光的偏振。

然而，激发光源不限于光纤激光器，并且在那种情况下，减少用 于稳定偏振的对策。

太赫兹波通过例如将从光纤22输出的光照射到光导体 （photoconductor）28上而被产生，被抛物面反射镜（parabolic  mirror）26a变为准直射束，并且被分束器25分离。分离的射束之一 经由抛物面反射镜26b被照射到样品30上。从样品30反射的太赫兹 波被抛物面反射镜26c会聚并且到达太赫兹波元件24和检测器27。 如果光源的中心波长对应于1.55μm，则所使用的光导体28通常是使 用低温生长的InGaAs形成的偶极天线。如上所述，检测器27包括例 如渥拉斯顿棱镜9以及两个光电二极管10和11。

该设备被配置为通过电源单元31调制施加到光导体28的电压并 且经由放大器34通过使用信号获取单元32同步地检测来自检测器27 的输出，检测器27检测其传播状态已经由太赫兹波元件24改变的光。 数据处理和输出单元33被配置为使用个人计算机等移动光学延迟单 元29的同时获取太赫兹信号波形。图4示出在样品30是反射镜时仅 仅从表面反射获取的太赫兹脉冲波形的示例。

在这个系统中，从待测量的样品30反射的波以及照射的太赫兹 波彼此同轴，并且太赫兹波的功率减少一半。因此，可以通过增大反 射镜的数量来使得照射的太赫兹波和反射波彼此非同轴，如在图3B 中一样，使得增大太赫兹波的功率，但是在该情况下样品30上的入 射角变得不等于90°。

如果在样品30内的材料中存在不连续的部分，则要获得的信号 将具有在与不连续的部分对应的时间位置处发生的反射回波脉冲。因 此，能够通过一维地扫描样品30获得层析图像，或者能够通过二维 地扫描样品30获得三维图像。

利用根据本实施例的层析成像设备，能够提高内部渗透深度和深 度分辨率。此外，由于使用光纤的激发激光器能够被用作照射单元， 因此能够减少设备的尺寸和成本。

虽然在本实施例中从与产生侧相对的端部输入光，但是可替代地 可以从与产生侧相同的一侧输入光。在那种情况下，由于匹配长度减 少，因此信号强度变得更小。

虽然使用的激发光源是超短脉冲类型，但是上述实施例也可以被 应用于其中要通过使用具有不同波长的两个激光器利用连续波或者 纳秒量级脉冲检测基于差频产生（differential frequency generation） 的单个波长的太赫兹波的情况。

虽然LN晶体被用作用于晶体的材料，但是电光晶体的其它可替 代示例包括LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe和GaSe，如在 背景技术中提到的。

示例1

在该示例中，在图1A和图1B中示出的元件结构中，具有约1.5 的折射率n的光学粘合剂层2被形成有3μm的厚度，由MgO掺杂的 LN晶体组成的波导层4被形成有3.8μm的厚度和5μm的宽度，并且 由与用于光学粘合剂层2的光学粘合剂相同的光学粘合剂组成的低折 射率缓冲层5被形成有3μm的厚度。高电阻率Si棱镜被用作光耦合 部件7。具体地，为了满足切伦科夫相位匹配，具有41°的角度θ的 棱镜被附接，使得太赫兹波能够以49°的角度θclad垂直地进入棱镜 表面。虽然不是太赫兹波输入表面的表面看起来好象它们是倾斜的一 样，但是这些表面的角度是任意的，诸如直角。虽然波导的长度被设 定为例如10mm，但是该长度不限于此值。

波导层4的厚度被如下地确定。具体地，从要被检测作为太赫兹 脉冲的傅里叶频带确定最大频率fmax。然后，波导层4的厚度被设 定以使得厚度小于或者等于晶体内的与最大频率fmax对应的等效波 长的长度的一半，并且使得与输入的超短脉冲激光的低传播损失和良 好的耦合效率对应的单模条件被满足。在该示例中，为了处理直到例 如7.5THz，自由空间中的波长为约40μm，并且如果LN波导层中的 太赫兹波的折射率是5.2，则波导层的厚度优选地为λ_eq(THz)/2(= 40/5.2/2)≈3.8μm。另一方面，鉴于耦合效率和传播损失，波导仿真结 果示出，如果输入的激光的中心波长是1.55μm，则在该示例中的光波 导优选地具有约5μm的厚度。然而，优先地选择更低的条件，即，优 先地为波导选择3.8μm的厚度，使得确保太赫兹波带。在该情况下， 在该示例中fmax=7.5THz对应于LN晶体的LO声子吸收的频率， 并且鉴于太赫兹波在该频率附近被显著地吸收并且不被释放这一事 实而被设定。存在其中根据输入激光的脉冲宽度可以检测作为高于 LO声子吸收带的频率的例如10THz或更高的情况。在那种情况下， 光波导的厚度被相应地减少。此外，如果输入激光的中心波长是1μm， 则基于仿真，最佳的厚度是约3.6μm。在该情况下，选择这个厚度。 因此，重要的是，鉴于输入激光的低传播损失和良好的耦合效率的条 件或要求的太赫兹带的差别，确定波导层4的厚度，并且优选的是选 择这两个条件中的较低一个作为最佳的模式。

另一方面，通过使用与用于光学粘合剂层2的光学粘合剂相同的 光学粘合剂来形成具有2μm的厚度的低折射率缓冲层5。类似地，为 了处理直到7.5THz，假设等效波长等于除以低折射率缓冲层5的折 射率1.5的值，该厚度被设定为2μm，其小于或等于λ_eq/10 (=40/1.5/10)≈2.7μm，如在第一实施例中提到的。

第二实施例

现在将参考图5A和图5B描述本发明的第二实施例。本实施例 使用三明治类型平板波导作为波导层42，并且不具有保持波导层42 的LN衬底，激光传播通过该波导层42。波导的长度被设定为例如5 mm。图5A和图5B与图1A和图1B的不同之处在于棱镜侧被示出为 下侧。

三明治类型平板波导能够通过制备接合晶片（wafer）45来实现， 如图5B所示。通过如下来形成接合晶片45：通过使用要变为低折射 率缓冲层的粘合剂41'（与第一实施例中的粘合剂相同），将要变为 波导的MgO掺杂的LN晶体衬底42'附着到作为用于变为棱镜40的 材料的高电阻率Si衬底40'上。LN晶体衬底42'被研磨直到达到波导 的厚度。在研磨之后，由树脂或氧化物膜（诸如SiO₂）制成的用于保 护的低折射率层43优选地被形成在波导层42上（图5A）。即使没 有设置这个低折射率层43，由于空气的折射率低，光也仍然能够被限 制在波导层中。

可以通过研磨或化学刻蚀把倾斜部分赋予Si棱镜。例如，在（100） Si衬底的情况下，已知的湿法刻蚀（诸如KOH）可以被执行，使得 形成具有55°倾斜角的（111）表面。虽然这个表面相对于具有41°倾 斜角的理想表面偏离了14°，但是该表面处的反射损失（菲涅耳损失） 的增大是最少的。不用说倾斜的衬底可以被用于实现41°表面。

输入的光可以具有椭圆的形状，如由附图标记44表示的。在那 种情况下，棒形透镜（rod lens）或圆柱形透镜可以被用作用于耦合 来自激光源的光的透镜，使得该光在波导的层状结构的垂直方向上被 压制（throttle）。

虽然省略了后级中的光检测单元，但是太赫兹波检测方法与第一 实施例中的相同。

在本实施例中平板波导的使用有利地促进探测光的耦合，并且即 使在太赫兹波被不足地会聚时也允许宽的相互作用区域。

第三实施例

在本发明的第三实施例中，检测器也被集成在同一个衬底上，如 图6所示。衬底50被设置有基于切伦科夫相位匹配的太赫兹波元件 51，其与第一实施例中的类似。太赫兹波元件51的输出端被设置有 波导类型偏振分束器52，其将输入光分离成两个偏振分量并且将这两 个偏振分量引导到两个集成的光波导53和54。此外，两个光检测器 55和56被集成在衬底50上，以便检测从波导53和54输出的光。来 自两个光检测器55和56的输出被用于通过平衡接收检测太赫兹波信 号，如第一实施例中一样。

波导类型偏振分束器52能够通过在波导53和54的Y分枝 （Y-branch）部分处形成电介质多层膜来实现。此外，关于波导53 和54，衬底50可以由Si组成，并且Si波导可以通过在Si衬底50上 形成矩形的图案来制造。如果使用具有1μm带或更低的激发激光，则 由于光被Si吸收，所以可以使用SiO₂波导。关于光检测器55和56， 基于InGaAs的MSM检测器可以被集成在衬底50上。

在衬底50由Si组成的情况下，如上所述，Si衬底可以如第二实 施例中一样被刻蚀，使得允许太赫兹波在图6的平面图中从后侧（未 示出）进入。

在本实施例中，空间耦合系统的数量被减少，使得元件本身紧凑 和稳定，由此有利地减少光在被引导到光检测器55和56时的损失。 通过使用根据本实施例的元件作为第一实施例中描述的层析成像设 备中的太赫兹波检测元件，能够增强成像性能。

第四实施例

如平面图形式的图7所示，根据本发明的第四实施例提供集成元 件，其包括具有Y分枝部分67和耦合器68的马赫-增德尔干涉仪 （Mach-Zehnder interferometer）64，并且使得来自马赫-增德尔干涉 仪64的输出传播通过波导63，以便通过使用光检测器66获取信号。 这里使用的材料能够是主要由LN组成的非线性光学晶体，如上述实 施例中一样。Y分枝部分67将波导61分岔成要被检测的光传播通过 的检测波导（检测光路）和参照光传播通过的参照波导（参照光路）。 根据本发明的太赫兹波元件62中的波导被包括在检测波导内。

在本实施例中，通过利用光的相位状态的变化而不是利用传播通 过波导的光的偏振变化来检测太赫兹波。

因此，虽然太赫兹波元件（切伦科夫相位匹配部分）62中的波 导的晶轴方向与第一实施例中的相同，但是输入的激光69的偏振方 向被设定为与Z轴平行。在那种情况下，在MgO掺杂的LN晶体层 处不发生双折射，并且即使在波导61和63由这个晶体形成时也不发 生偏振变化。

在太赫兹波作为S偏振波进入时，因为折射率由于波克尔斯效应 而改变，所以传播光的传播速度改变。由于马赫-增德尔干涉仪配置， 在波导之一中的传播速度改变时，在耦合器68处的参照光路和检测 光路之间发生相位差，使得由干涉引起的光强度的变化。

由于这个相位差根据输入的太赫兹波的强度而改变，因此太赫兹 信号能够由光检测器66接收。

由于在本实施例中不使用偏振控制器，因此结构被简化。通过使 用根据本实施例的元件作为第一实施例中描述的层析成像设备中的 太赫兹波检测元件，能够实现一种紧凑和稳定的系统。

第五实施例

根据本发明的第五实施例利用第一实施例中描述的通过使用电 光切伦科夫辐射的太赫兹波产生，并且提供与根据本发明的基于切伦 科夫相位匹配的太赫兹波检测元件集成的结构。

该结构的一个示例被示出在图8A中的截面图和图8B中的平面 图中。图8A是激光传播通过的波导部分的截面图。如平面图形式的 图8B所示，在单个元件中彼此平行地设置与第一实施例中使用的类 似的各由MgO掺杂的LN晶体形成的两个波导84a和84b。附图标记 81、82和85分别表示LN衬底以及上下低折射率粘合剂层，如第一 实施例中一样。附图标记87表示Si棱镜。如图8A和图8B所示，波 导之一（在该情况下，波导84a）对应于已知的切伦科夫太赫兹波产 生元件，由于激光传播太赫兹波以49°的角度θclad从该切伦科夫太 赫兹波产生元件释放到空间。另一个波导对应于根据本发明的太赫兹 波检测元件并且被配置为经由Si棱镜87b以49°的角度θclad将太赫 兹波耦合到波导84b。因此，波导84a和波导84b分别被设置有彼此 不同的Si棱镜（即，第一耦合部件87a和第二耦合部件87b）（具体 地，在彼此不同的方向上倾斜）。倾斜角可以与第一实施例中相同， 并且在那种情况下，产生的太赫兹波与检测的太赫兹波之间的串扰 小。探测光作为第二激光被输入到在检测侧的波导84b，并且输入的 偏振光以45°被倾斜，如第一实施例中一样。偏振分离器83（诸如渥 拉斯顿棱镜）以及两个光检测器86和88被布置在输出端处，使得由 于太赫兹波信号改变的激光的传播状态能够被获取。虽然两个波导 84a和84b各具有5μm的宽度并且被彼此间隔开约1mm，但是波导 84a和84b不限于此配置。波导84a和84b可以可替代地是具有在激 光输入位置处彼此分隔的产生部分和检测部分的平板波导。

使用这种集成的切伦科夫相位匹配元件的太赫兹时域分光系统 的示例被示出在图9中。来自光纤激光器70的输出经由耦合器71被 分离成两个分量，并且分离的分量之一作为泵浦光（图8A和图8B 中的第一激光）经由光纤79被引导到根据本实施例的集成的切伦科 夫相位匹配元件73。另一个分离的激光分量经由延迟光学单元72和 斩光器（light chopper）91从光纤78a耦合到光纤78b，并且作为用 于集成的切伦科夫相位匹配元件73的探测光（图8A和图8B中的第 二激光）被引导。产生的太赫兹波被抛物面反射镜76a会聚并且被照 射到样品90上。在样品90处反射的太赫兹波被抛物面反射镜76b会 聚并且被元件73和检测器74检测。检测器74包括图8A和图8B中 示出的偏振分离器83以及两个光检测器86和88。

使用这个系统的层析成像的图像获取方法以及分光信息获取方 法能够通过使用已知的方法来实现。

第五实施例能够提供其中产生器和检测器被集成为单个单元的 元件，由此提供紧凑的太赫兹时域分光系统。

第六实施例

本发明的第六实施例涉及其中耦合部件被给予曲面以便增强太 赫兹波的会聚性的配置。图10A和图10B示出用作耦合部件的结构体 92，其通过切割超半球透镜的两个面来形成。在图10A和图10B中， 与图1A和图1B中的组件类似的组件被给予相同的附图标记。在该情 况下，由于太赫兹波被会聚在透镜的焦点处，因此从与第一实施例中 不同的方向输入太赫兹波。具体地，从相反的方向输入太赫兹波和激 光。如果具有几十fs或更短的超短脉冲被用作激光，则因为脉冲宽度 在波导内由于波长色散而扩展，所以存在其中能够通过使得在输入端 附近发生相互作用来更好实现宽带的情况。

因此，太赫兹波以角度θclad被输入（如果使用Si部件，则为 49°），如图10B所示，并且箭头的前端处的焦点被设定在例如从波 导的端部向内500μm的位置处。

通过在与激光的传播方向垂直的方向上获取的截面中给予波导 圆弧形曲线，来自波导的横向方向的太赫兹波也可以被会聚，由此与 如第一实施例中使用三棱镜时相比，增大了太赫兹波的利用效率。可 替代地，通过反转透镜的取向，激光和太赫兹波可以被从相同的方向 （如第一实施例中一样）输入。

作为其中在与激光的传播方向垂直的方向上获取的截面中波导 被给予圆弧形曲线的另一个结构，通过切割圆锥体的一个面来形成的 结构体93也是可容许的，如图11所示。在该情况下，在也会聚来自 波导的横向方向的太赫兹波的同时，太赫兹波能够在波导方向上没有 焦点的情况下被线形地会聚。因此，激光和太赫兹波能够如第一实施 例中一样从相同的方向被输入，由此允许增大相互作用距离。因此， 与其中如上所述地使用切割的超半球透镜的情况相比，S/N比能够被 进一步提高。结构体92或结构体93可以基于要被检测的信号的带和 S/N比之间的关系来被选择。

虽然在图10A－11中波导和耦合部件被示出为好象它们的长度 匹配一样，但是长度未必需要匹配。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发 明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽 的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。

本申请要求2011年1月14日提交的日本专利申请No. 2011-006123和2011年10月19日提交的日本专利申请No. 2011-230004的权益，上述两个申请的全部内容通过参考被并入于此。

附图标记列表

1  衬底

2  粘合剂层

3  波导周围区域

4  波导层

5  低折射率缓冲层

7  光耦合部件