Highly efficient terahertz frequency conversion at temporal boundary using self-complementary metallic structures

時間的な電磁波の分散関係変化である時間壁を利用することで、電磁波の周波数変換が可能である。その変換効率は電磁波強度によらないため，強い光源が得にくいテラヘルツ周波数領域の電磁波(テラヘルツ波)の周波数変換にも適する。これまでに半導体GaAs導波路を伝搬するテラヘルツ波に対して20%程度の周波数変換後テラヘルツ波の出力効率が示されている。導波路中にテラヘルツ波が存在する間に，半導体導波路上面を光励起することで，境界条件変化に伴う導波路モード変化を誘起する。光励起前後で，導波路中電磁波は異なる分散関係に従って導波する必要があるために周波数の変化が生じる。理論的に示される同構造での数十%以上の変換効率からの出力低下は，光励起部下をテラヘルツ波が導波する際の導電損であることが明らかになった。導電損を低減するためには，光励起部の電気伝導度の増大が必要と考えられる。そのために，導波路の境界条件を変化させるために必要な光励起面積を減少させる，または同じ光強度で生成される伝導電子数を増大させることが有効と考えられる。本研究では、そのような構造として，時間壁の生成部に自己補対構造に近い形状を持つ2次元金属チェッカーボードパターンを持つ導波路構造を提案する。GaAs導波路上にAu/Tiからなるチェッカーボード構造をフォトリソグラフィによって作製した。光ポンプーテラヘルツプローブ光学系を用いて作製した試料中でのテラヘルツ波の周波数変換実験を行った。しかし，パターンなしの場合に比べて周波数変換後のテラヘルツ波出力効率は向上せず，むしろ減少する結果となった。その他のパラメータについても測定を実施し，効率向上の可能性を検討する。

時間的な電磁波の分散関係変化である時間壁を利用することで、電磁波の周波数変換が可能である。その変換効率は電磁波強度によらないため，強い光源が得にくいテラヘルツ周波数領域の電磁波(テラヘルツ波)の周波数変換にも適する。これまでに半導体GaAs導波路を伝搬するテラヘルツ波に対して20%程度の周波数変換後テラヘルツ波の出力効率が示されている。導波路中にテラヘルツ波が存在する間に，半導体導波路上面を光励起することで，境界条件変化に伴う導波路モード変化を誘起する。光励起前後で，導波路中電磁波は異なる分散関係に従って導波する必要があるために周波数の変化が生じる。理論的に示される同構造での数十%以上の変換効率からの出力低下は，光励起部下をテラヘルツ波が導波する際の導電損であることが明らかになった。導電損を低減するためには，光励起部の電気伝導度の増大が必要と考えられる。そのために，導波路の境界条件を変化させるために必要な光励起面積を減少させる，または同じ光強度で生成される伝導電子数を増大させることが有効と考えられる。本研究では、そのような構造として，時間壁の生成部に自己補対構造に近い形状を持つ2次元金属チェッカーボードパターンを持つ導波路構造を提案する。GaAs導波路上にAu/Tiからなるチェッカーボード構造をフォトリソグラフィによって作製した。光ポンプーテラヘルツプローブ光学系を用いて作製した試料中でのテラヘルツ波の周波数変換実験を行った。しかし，パターンなしの場合に比べて周波数変換後のテラヘルツ波出力効率は向上せず，むしろ減少する結果となった。その他のパラメータについても測定を実施し，効率向上の可能性を検討する。