JP2006140425A - レーザ装置及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】赤外領域における単一波長の光を効率的に出力できて波長を変えることも可能なレーザ装置及びそのレーザ装置の制御方法を提供する。
【解決手段】レーザ装置２は、複数の半導体層１２〜１６が半導体基板１１上に積層された積層体１０を有し、複数の半導体層の１つの半導体層は、発光領域１４Ａと注入領域１４Ｂが交互に積層された活性層１４であり、積層体が有する第１の端面１０ａから活性層で生成された光Ｌを出力するカスケードレーザ素子２Ａと、カスケードレーザ素子に電圧を供給して駆動する素子駆動手段２Ｂと、積層体の第１の端面１０ａに略直交する方向に進行する弾性波を活性層に供給する弾性波供給手段２Ｄと、カスケードレーザ素子の利得が略極大値になるターンオン電圧を素子駆動手段によってカスケードレーザ素子に供給させ、弾性波を弾性波供給手段によって活性層に供給させる制御手段２Ｃとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外領域の波長の光を出力するカスケードレーザ素子を利用したレーザ装置及びその制御方法に関すものである。
近年、赤外領域の波長の光を出力する半導体レーザ素子として、量子カスケードレーザ素子が注目されている（例えば、特許文献１）。この量子カスケードレーザ素子の活性層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する発光領域とその発光領域に電子を注入するための注入領域とが交互に積層されたカスケード構造を有しており、多段に設けられた発光領域それぞれからカスケード状に光を出力できる。
量子カスケードレーザ素子から出力されるような赤外領域の波長の光は有機物質との相互作用が大きいため、例えば、有機物質の分析には有効な波長領域である。そのため、量子カスケードレーザ素子は分光分析用の光源としての利用が期待されている。また、光通信分野においても、赤外領域の波長の光が求められているため、量子カスケードレーザ素子は、光通信システムに利用される光源としての利用も期待されている。
特開平８−２７９６４７号公報
ところで、分光分析分野や光通信分野で利用される光源としては、単一波長の光を出力可能であって、しかも波長可変であることが要求されている。半導体レーザ素子で出力される光のシングルモード化には、活性層の近傍に回折格子を作り込み、ブラッグ条件を満たす波長の光を出力する分布帰還型が知られているが、半導体レーザ素子内に回折格子を作り込むと波長を変えることができない。
そこで、弾性波を活性層に供給することで活性層内に屈折率分布を形成し、その屈折率分布によって分布帰還を実現することが考えられるが、弾性波の伝搬損失は周波数の２乗に比例するので、レーザ素子の構成によっては、効率的に光を生成することが難しくなる場合もある。
そこで、本発明は、赤外領域における単一波長の光を効率的に出力できると共に波長を変えることができるレーザ装置及びそのレーザ装置の制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者らは、本発明者らが測定により実際に確認した量子カスケードレーザ素子の利得の非線形性に着目した。量子カスケードレーザ素子の活性層は、光を生成する発光領域とその発光領域に電子を注入する注入領域とが交互に積層されたカスケード構造を有する。そして、量子カスケードレーザ素子では、バイアス電圧の印加により活性層に内部電界を印加して注入領域の基底準位と発光領域の励起準位とを整合させることで、注入領域から発光領域に電子を注入して光を生成する。この場合、内部電界を更に増加させると、注入領域の基底準位と発光領域の励起準位とに不整合が生じ、結果として、利得が減少する。すなわち、量子カスケードレーザ素子では、利得が非線形性を有しており、利得が極大値となるターンオン電界が存在し、ターンオン電界を活性層に生じせしめるターンオン電圧が存在する。
本発明者らは、量子カスケードレーザ素子の利得の非線形性と弾性波とを利用して、活性層内に弾性波の屈折率分布の周期よりも短い周期を有する利得分布を形成できることを見出して本発明に至った。
すなわち、本発明に係るレーザ装置は、（１）複数の半導体層が半導体基板上に積層された積層体を有し、複数の半導体層のうちの１つの半導体層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する発光領域と発光領域に電子を注入する注入領域とが複数の半導体層の積層方向に沿って交互に積層されてなる圧電性を有する活性層であり、積層体が有する互いに対向する第１及び第２の端面のうち第１の端面から活性層で生成された光を出力するカスケードレーザ素子と、（２）カスケードレーザ素子に電圧を供給してカスケードレーザ素子を駆動する素子駆動手段と、（３）第１の端面に直交する方向に進行する弾性波を活性層に供給する弾性波供給手段と、（４）カスケードレーザ素子の利得が略極大値になるターンオン電圧を、素子駆動手段によってカスケードレーザ素子に供給させると共に、弾性波を、弾性波供給手段によって活性層に供給させる制御手段と、を備えることを特徴とする。
この構成では、制御手段は、素子駆動手段によってカスケードレーザ素子にターンオン電圧を供給することでカスケードレーザ素子の利得を略極大値にすると共に、弾性波供給手段に活性層内に弾性波を供給させる。この場合、弾性波の供給により、活性層内には弾性波の進行方向に沿って歪み分布ができる。歪み分布は光弾性効果により屈折率分布をつくる。活性層は、圧電性を有するので、同時に歪みは電界分布を作り活性層内の電界が周期的に変調される。
カスケードレーザ素子では、利得が略極大値になっている状態では、電界が増減すれば利得は減少するので、結果として、活性層内には、歪み分布に応じた屈折率分布の周期よりも狭い周期を有する利得分布が形成される。この利得分布は回折格子として機能するので、利得分布によって分布帰還が実現される。
そして、利得分布の周期は、弾性波によって形成される屈折率分布の周期よりも小さいことから、所望の波長の光を出力するために要する弾性波の周波数をより小さくすることが可能である。その結果、弾性波の伝搬損失が低減されるので、効率的且つ確実に単一波長の光を出力することができる。また、弾性波の周波数を調整することによって、波長を容易に変えることができる。
また、本発明に係るレーザ装置の制御手段は、カスケードレーザ素子に素子駆動手段が印加する電圧及び電圧を印加したときに活性層に流れる電流に基づいてターンオン電圧を設定するターンオン電圧設定部を有することが好ましい。
この構成では、カスケードレーザ素子毎にターンオン電圧を設定できる。その結果、確実にカスケードレーザ素子の活性層に利得分布を形成することが可能である。
更に、本発明に係るレーザ装置においては、カスケードレーザ素子から出力される光の強度を検出する光検出手段を更に備え、制御手段は、光検出手段の検出結果に基づいてターンオン電圧を設定するターンオン電圧設定部を有することが好ましい。
この構成でも、カスケードレーザ素子毎にターンオン電圧を設定できる。その結果、確実にカスケードレーザ素子の活性層に利得分布を形成することが可能である。
また、本発明に係るレーザ装置では、カスケードレーザ素子の第１の端面から出力される光のスペクトルを検出するスペクトル検出手段を更に有し、制御手段は、スペクトル検出手段の検出結果に基づいて、弾性波供給手段が供給する弾性波の周波数及び振幅の少なくとも一方を制御する弾性波調整部を有することが好ましい。
この場合、スペクトル検出手段の検出結果に基づいて弾性波の周波数及び振幅の少なくとも一方を調整することで、カスケードレーザ素子から出力される光のスペクトル状態を調整することが可能である。
また、本発明に係るレーザ装置では、第２の端面における活性層上に設けられた絶縁膜を更に有し、弾性波供給手段は、絶縁膜上に設けられると共に第２の端面に略直交する方向に伸縮する圧電素子を有することが好ましい。この場合、絶縁膜上に設けられた圧電素子を伸縮させることで弾性波を第２の端面から活性層に供給するので、弾性波の伝搬損失を更に低減できる。
更に、本発明に係るレーザ装置では、複数の半導体層は同じ導電型を有しており、弾性波供給手段は、第２の端面における活性層上に設けられると共に、活性層の導電型と異なる導電型を有する半導体膜と、半導体膜に電圧を供給する一対の電極と、を有し、一対の電極のうちの一方の電極は半導体膜上に設けられており、他方の電極は積層体上に設けられていることが好ましい。
半導体膜と半導体層とは、異なる導電型を有しているので、半導体膜と活性層との境界には、空乏領域ができる。そして、この空乏領域に上記一対の電極によって交流電圧を印加すると、圧電性駆動力が発生する。この圧電性駆動力によって活性層に加えた交流電圧の周波数に対応する周波数の弾性波が活性層内を進行する。この場合、第２の端面から活性層内に弾性波を供給できるので、弾性波の伝搬損失を更に低減できる。
また、本発明に係るレーザ装置の制御方法は、（１）複数の半導体層が半導体基板上に積層された積層体を有するレーザ素子であって、複数の半導体層のうちの１つの半導体層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する発光領域と発光領域に電子を注入する注入領域とが複数の半導体層の積層方向に沿って積層されてなる圧電性を有する活性層であり、積層体が有する互いに対向する第１及び第２の端面のうち第１の端面から活性層で生成された光を出力するカスケードレーザ素子の利得が略極大値になるターンオン電圧を設定するターンオン電圧設定工程と、（２）設定されたターンオン電圧をカスケードレーザ素子に供給してカスケードレーザ素子を駆動する素子駆動工程と、（３）カスケードレーザ素子の活性層に、第１の端面に略直交する方向に進行する弾性波を供給する弾性波供給工程と、を備えることを特徴とする。
この構成では、ターンオン電圧設定工程で設定したターンオン電圧を供給することでカスケードレーザ素子を駆動しているので、素子駆動工程で駆動されたカスケードレーザ素子の利得は略極大値となっている。このとき、弾性波供給工程で活性層内に弾性波を供給すると、活性層内には、弾性波の進行方向に沿って歪み分布ができ、更に、活性層は圧電性を有するので、歪みに応じて活性層内の電界が変調される。
カスケードレーザ素子では、利得が略極大値になっている状態では、電界が増減すれば利得は減少するので、結果として、活性層内には、歪みに応じた屈折率分布の周期よりも狭い周期を有する利得分布が形成される。この利得分布は回折格子として機能するので、利得分布によって分布帰還が実現される。
利得分布の周期は、弾性波によって形成される屈折率分布の周期よりも小さいので、所望の波長の光を出力するために要する弾性波の周波数をより小さくすることが可能である。その結果、弾性波の伝搬損失が低減されるので、効率的に単一波長の光を出力することができる。また、弾性波の周波数を調整することによって、波長を容易に変えることができる。
また、本発明に係るレーザ装置の制御方法では、ターンオン電圧設定工程において、カスケードレーザ素子に供給する電圧と電圧を供給したときの電流とに基づいてターンオン電圧を設定することが好ましい。この場合、カスケードレーザ素子毎にターンオン電圧を設定できるので、カスケードレーザ素子の活性層内に確実に利得分布を形成できる。
更に、本発明に係るレーザ装置の制御方法では、ターンオン電圧設定工程において、カスケードレーザ素子から出力される光の光強度に基づいてターンオン電圧を設定することも好適である。この場合も、カスケードレーザ素子毎にターンオン電圧を設定できるので、カスケードレーザ素子の活性層内に確実に利得分布を形成できる。
また、本発明に係るレーザ装置の制御方法は、カスケードレーザ素子から出力される光のスペクトルを検出し、その検出結果に基づいて活性層に供給する弾性波の周波数及び振幅のうちの少なくとも一方を調整する弾性波調整工程を更に備えることが好ましい。この場合、カスケードレーザ素子から出力される光のスペクトルに応じて弾性波が調整されるので、所望のスペクトルを有する光を出力することができる。
本発明のレーザ装置によれば、赤外領域での単一波長の光を効率的に出力できると共に波長を変えることができる。また、本発明のレーザ装置の制御方法によれば、レーザ装置から出力される赤外領域の波長の光を効率的に単一波長化することが可能であって、波長も変えることができる。
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ装置及びその制御方法の好適な実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレーザ装置を利用した分光分析システムの構成を示すブロック図である。
分光分析システム１は、中赤外〜遠赤外領域の波長の光Ｌを出力する光源としてのレーザ装置２と、有機物質などの分析対象物３と、検出部４とを備えており、検出部４は、レーザ装置２から出力された光Ｌのうち分析対象物３を透過した透過光を検出する。検出部４は、例えば、ＭＣＴ検出器である。
レーザ装置２は、光Ｌを出力するためのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系量子カスケードレーザ素子（以下、単に「レーザ素子」と称す）２Ａと、レーザ素子２Ａを駆動する素子駆動手段としての駆動用電源２Ｂとを有する。駆動用電源２Ｂは、レーザ装置２の一部を構成すると共にレーザ装置２の各構成要素を制御する制御手段２Ｃに電気的に接続されており、制御手段２Ｃによって設定された電圧をレーザ素子２Ａに印加してレーザ素子２Ａを駆動する。
駆動用電源２Ｂは、例えば、レーザ素子２Ａからパルス状の光Ｌを出力させるときには、パルス電源であり、連続発振させるときには、直流電源である。また、制御手段２Ｃは、例えば、ＲＯＭやＲＡＭ等を含むＣＰＵを備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、検出部４の検出結果を解析する（分光分析する）機能も有する。
また、レーザ装置２では、レーザ素子２Ａから出力する光Ｌを単一波長とするために弾性波を利用した分布帰還を採用しており、レーザ装置２は、レーザ素子２Ａに弾性波を供給するための弾性波供給手段２Ｄを有する。更に、レーザ装置２は、光Ｌのスペクトル状態を検出するスペクトル検出手段２Ｅを有する。スペクトル検出手段２Ｅは、例えば、赤外分光光度計であり、レーザ素子２Ａから出力された光Ｌのうちハーフミラー２Ｆで分岐された光を検出する。
スペクトル検出手段２Ｅは、制御手段２Ｃに電気的に接続されており、スペクトル検出手段２Ｅの検出結果に応じて制御手段２Ｃが弾性波供給手段２Ｄを制御してレーザ素子２Ａに供給する弾性波の周波数及び振幅を調整して光Ｌのスペクトルを最適化する。その結果、レーザ装置２からは、スペクトル状態が最適化された単一波長の光Ｌが出力されるので、分光分析システム１において有効な光源となっている。
次に、レーザ装置２についてより詳細に説明する。
図２に示すように、レーザ装置２のレーザ素子２Ａは積層体１０を有しており、積層体１０は、ｎ型のＧａＡｓからなる半導体基板１１上に、ｎ型の半導体層としてのクラッド層１２、導波コア層１３、活性層１４、導波コア層１５、クラッド層１６が順に積層されて構成されている。積層体１０は、半導体基板１１上に、例えば、固体ソースＭＢＥ法によってクラッド層１２，１６、導波コア層１３, １５及び活性層１４を成長させることで作製される。クラッド層１２，１６、導波コア層１３、１５及び活性層１４の典型的な厚さ及びキャリア濃度は、表１の通りである。
Figure 2006140425
また、積層体１０の互いに対向する前側端面１０ａ（第１の端面）及び後側端面（第２の端面）１０ｂには、それぞれ反射防止膜コート及び高反射膜コートが施されており、レーザ素子２Ａの光共振器を構成している。なお、前側端面１０ａの反射防止膜コートは形成していなくてもよい。以下の説明では、クラッド層１２，１６、導波コア層１３，１５及び活性層１４の積層方向をｚ軸方向とし、前側端面１０ａに直交する方向（光共振器の光軸方向）をｘ軸方向とし、ｚ軸及びｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とする。
積層体１０の下面１０ｃ及び上面１０ｄには、それぞれＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ及びＴｉ／Ａｕからなる層状の電極２０，２１が蒸着法やスパッタ法などによって形成されており、電極２０，２１は駆動用電源２Ｂに電気的に接続されている。したがって、駆動用電源２Ｂによって電極２０，２１に電圧を印加することで、活性層１４にｚ軸方向に成分を有する内部電界Ｅｚを印加できる。
活性層１４は、量子井戸構造のサブバンド間遷移を利用して、中赤外〜遠赤外領域の波長の光を生成する半導体層である。そして、活性層１４で生成された光を導波させるために、活性層１４に隣接してｎ型のＧａＡｓから形成される導波コア層１３，１５が設けられており、導波コア層１３，１５に隣接してクラッド層１２，１６が設けられている。この構成では、クラッド層１２は半導体基板１１に接しており、クラッド層１６は導波コア層１５に接している。クラッド層１２，１６は、ｎ型のＡｌＧａＡｓから形成されており、活性層１４及び導波コア層１３，１５の屈折率よりも低い屈折率を有する。これによって、活性層１４で生成された光は、活性層１４及び導波コア層１３，１５からなる導波路１７内に閉じ込められてｘ軸方向に伝搬する。
図３は、活性層１４のバンド構造の一部を示す模式図である。活性層１４は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する複数の発光領域１４Ａと、発光領域１４Ａに効率的に電子を注入するための複数の注入領域１４Ｂとを有する。活性層１４は、一対の発光領域１４Ａと注入領域１４Ｂとからなる基本周期構造を３０段積層したものであり、多段に設けられた発光領域１４Ａの隣接する発光領域１４Ａ間に注入領域１４Ｂがそれぞれ設けられ、カスケード構造を形成している。なお、図３では、活性層１４を構成する複数の発光領域１４Ａ及び注入領域１４Ｂのうちの２つの発光領域１４Ａ１，１４Ａ２と、それらに隣接する注入領域１４Ｂ１，１４Ｂ２とについてカスケード構造を示している。
発光領域１４Ａは、量子井戸層１０１としてのＧａＡｓ層と量子障壁層１０２としてのＡｌＧａＡｓ層とがｚ軸方向に交互に積層されており、発光領域１４Ａは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有する。また、注入領域１４Ｂは、量子井戸層１０３としてのＧａＡｓ層と、量子障壁層１０４としてＡｌＧａＡｓ層とが交互に積層されており、注入領域１４Ｂは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造を有する。発光領域１４Ａ及び注入領域１４ＢのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層の典型的な厚さ及びキャリア濃度は表２の通りである。
Figure 2006140425
ここで、活性層１４での発光過程について説明する。活性層１４では、駆動用電源２Ｂから電極２０，２１を通してバイアス電圧が印加されると、活性層１４内にｚ軸方向に成分を有する内部電界Ｅｚが生じる。そして、この内部電界Ｅｚによって注入領域１４Ｂ２に形成される基底準位ｇと発光領域１４Ａ１の励起準位ｎ３とが縮退して共鳴トンネル状態となる。
共鳴トンネル状態では、電子１００が発光領域１４Ａ２の励起準位ｎ３に選択的に注入されて、電子１００は、発光領域１４Ａ２の励起準位ｎ２に遷移する。その結果、励起準位ｎ３と励起準位ｎ２との間のエネルギー差に相当する波長の光が生成されて利得が生じる。例えば、励起準位ｎ３と励起準位ｎ２とのエネルギー差が２００ｍｅＶである場合、発光領域１４Ａ２で生成される光の波長は、中赤外領域の波長となる。
そして、励起準位ｎ２に遷移した電子１００は、注入領域１４Ｂ１を更にトンネリングして発光領域１４Ａ１の励起準位ｎ３に注入され、サブバンド間遷移によって同様に光を生成する。前述したように活性層１４では、多段（例えば、３０段）に発光領域１４Ａが設けられているので、電子１００は、複数の発光領域１４Ａをカスケード的に次々に移動することにより各発光領域１４Ａでのサブバンド間遷移により光を生成する。
そして、活性層１４で生成される光のうち所望の波長の光を選択的にレーザ発振させるために、レーザ装置２は、図２に示すように、弾性波供給手段２Ｄを有する。
弾性波供給手段２Ｄは、弾性波を発生させる手段としての圧電素子３０と、圧電素子３０を励振させるための励振用電源部３１とを有する。励振用電源部３１は、圧電素子３０に交流電圧を供給するための高周波電源３１Ａと、インピーダンスを自動的にマッチングさせるインピーダンス整合回路３１Ｂとを有する。
圧電素子３０は、後側端面１０ｂ上に設けられた絶縁膜２Ｇ上に配置されている。絶縁膜２Ｇは、ＳｉＯ２やＳｉＮ等からなりレーザ装置２の一部を構成している。絶縁膜２Ｇは、蒸着法やスパッタ法で形成され、その厚さは、例えば、０．８μｍである。なお、絶縁膜２Ｇは、後側端面１０ｂの導波路１７上に形成されていればよい。
圧電素子３０は、一対の金属膜３０Ａ，３０Ｂ間に、ＺｎＯ等の圧電材料からなる圧電膜３０Ｃが挟まれたものである。圧電膜３０Ｃは、金属膜３０Ａ上に蒸着法やスパッタ法などにより形成されており、その厚さは、例えば、約１μｍである。金属膜３０Ａ，３０Ｂは、例えば、金（Ａｕ）からなり、金属膜３０Ａ，３０Ｂは、絶縁膜２Ｇ上及び圧電膜３０Ｃ上にそれぞれ蒸着法やスパッタ法などにより形成されている。金属膜３０Ａ，３０Ｂの厚さとしては、それぞれ、約０．３μｍ及び約０．７μｍが例示される。また、金属膜３０Ａ，３０Ｂは、高周波電源３１Ａにインピーダンス整合回路３１Ｂを介して電気的に接続されている。
なお、金属膜３０Ａは、導波路１７の側方に位置しているので、金属膜３０ＡをＡｕで形成している場合には、例えば、金属膜３０Ａと前側端面１０ａとによって光共振器を構成することもできる。この場合には、後側端面１０ｂに高反射膜コートを施さなくてもよい。
圧電素子３０は、励振用電源部３１による金属膜３０Ａ，３０Ｂへの交流電圧の印加によって、前側端面１０ａ及び後側端面１０ｂに直交する方向（ｘ軸方向）に伸縮する。圧電素子３０は、後側端面１０ｂの導波路１７上（図２では導波路１７の側方）に位置するので、圧電素子３０は、金属膜３０Ａ，３０Ｂに印加された交流電圧の周波数を周波数νとして有する弾性波Ｗを、後側端面１０ｂを起点として導波路１７内に供給する。
通常、弾性波の位相速度は、弾性波が伝搬する媒体の密度ρと弾性定数ｃに依存し、密度ρの平方根に反比例する。そして、屈折率の大きさと密度の大きさとは対応しているので、光に対しての導波路は、弾性波に対しても導波路として機能する。その結果、弾性波Ｗは、活性層１４及び導波コア層１３，１５からなる導波路１７内を後側端面１０ｂから前側端面１０ａに向かって縦波として伝搬する。これによって、導波路１７内には、その進行方向に沿って屈折率分布が形成される。
活性層１４及び導波コア層１３，１５を構成しているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は圧電性を有するので、弾性波Ｗによって活性層１４内にはｚ軸方向に成分を有する電界が新たに生成され、結果として、活性層１４に印加されている内部電界Ｅｚが変調される。
レーザ装置２では、弾性波Ｗによる活性層１４内の電界変調と、本発明者らが実際に測定して確認したレーザ素子２Ａが有する利得の非線形性とを利用することで活性層１４内にｘ軸方向に沿った利得分布を生じせしめて分布帰還を実現することを特徴としている。
先ず、図４を利用して、レーザ素子２Ａにおける利得の非線形性について説明する。図４は、活性層１４における内部電界Ｅｚとレーザ素子２Ａの利得Ｇとの関係を示す図である。図４の横軸は内部電界Ｅｚを示し、縦軸は利得Ｇを示している。
前述したように、レーザ素子２Ａの活性層１４では、内部電界Ｅｚを印加することで発光領域１４Ａの励起準位ｎ３と注入領域１４Ｂの基底準位ｇとを共鳴トンネル状態とすることにより光を生成している。そして、活性層１４に流れる注入電流を増加させて利得Ｇが損失を上回ったときにレーザ発振が可能となるが、注入電流が更に増加する（すなわち、内部電界Ｅｚが更に大きくなる）と、注入領域１４Ｂの基底準位ｇと発光領域１４Ａの励起準位ｎ３との間に不整合が生じる結果、トンネル共鳴条件が抑制され、逆に利得Ｇが減少する。
したがって、図４に示すように、レーザ素子２Ａは利得Ｇに非線形性を有しており、利得Ｇが極大値Ｇ０になる活性層１４内の閾値電界としてのターンオン電界Ｅｔｈが存在する。
次に、このレーザ素子２Ａの利得Ｇの非線形性を利用した利得分布の形成方法について説明する。図４に示すように、ターンオン電界Ｅｔｈから同程度（例えば、ΔＥｚ）内部電界Ｅｚが増加及び減少した場合、利得Ｇは、極大値Ｇ０から同じように減少してＧ１となる。したがって、ターンオン電界Ｅｔｈから内部電界Ｅｚを周期的に変調することで活性層１４内に利得分布を形成できる。レーザ装置２では、ターンオン電界Ｅｔｈで動作しているレーザ素子２Ａに弾性波Ｗを供給することで、内部電界Ｅｚを周期的に変調して利得分布を形成する。
より具体的に図５を利用して説明する。図５（ａ）は、活性層１４における電界分布を示す図であり、横軸は弾性波Ｗの進行方向を示しており、縦軸は内部電界Ｅｚを示している。また、図５（ｂ）は、活性層１４における利得分布を示す図であり、横軸は弾性波Ｗの進行方向を示しており、縦軸は利得Ｇを示している。
ターンオン電界Ｅｔｈで動作しているレーザ素子２Ａに弾性波Ｗを供給することで活性層１４内に歪み分布ができる。歪み分布は光弾性効果により屈折率分布をつくり、同時に圧電性により、活性層１４内には、図５（ａ）に示すように振幅がΔＥｚである正弦波状の電界分布が形成される。この電界分布の振幅ΔＥｚの大きさは、供給される弾性波Ｗの振幅に依存し、周波数は、弾性波Ｗの周波数に依存している。弾性波Ｗの周波数をνとし、位相速度をＶとすると、歪みに応じた屈折率分布の周期Λｎは、
Figure 2006140425
 と表される。そして、歪み分布に応じた電界分布も同じ周期を有する。
そして、ターンオン電界Ｅｔｈを挟んで内部電界ＥＺがΔＥｚ増加及び減少しても利得Ｇは極大値Ｇ０から同様に減少してＧ１になる結果、式（１）に示す周期Λｎを有する電界分布によって形成される利得分布の周期Λｅは、
Figure 2006140425
 となる。
すなわち、図５（ｂ）に示すように、活性層１４にターンオン電界Ｅｔｈを印加した状態で弾性波Ｗを供給することによって、屈折率分布の周期Λｎの半分の周期を有する利得分布が、弾性波Ｗの進行方向に沿って形成される。この利得分布は回折格子として機能するので、レーザ素子２Ａでは、周期Λｅで決まるブラック条件に対応する波長の光Ｌが選択的にレーザ発振する。
この利得分布型の分布帰還を実現して単一波長の光Ｌを出力するために、レーザ装置２は、図２に示すように、駆動用電源２Ｂや弾性波供給手段２Ｄなどを制御する制御手段２Ｃを有しており、制御手段２Ｃは、ターンオン電圧設定部４０と、弾性波調整部４１とを有する。
制御手段２Ｃは、例えば、ＲＯＭやＲＡＭを含むＣＰＵを備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、ＣＰＵがＲＯＭに記録された制御プログラムを実行することでターンオン電圧設定部４０や弾性波調整部４１の各機能が実現される。なお、前述したように、制御手段２Ｃは、検出部４の検出結果を解析する機能も有している。
ターンオン電圧設定部４０は、レーザ素子２Ａのターンオン電界Ｅｔｈに対応する閾値電圧としてのターンオン電圧Ｖｔｈを設定する。具体的には、ターンオン電圧設定部４０は、駆動用電源２Ｂを制御して、初期電圧Ｖ１（例えば、０）から電圧を一定値（ｄＶ）ずつ変化させながら各電圧を順に、レーザ素子２Ａに印加する。そして、レーザ素子２Ａにそれぞれの電圧を印加したときにレーザ素子２Ａに流れる電流の値を駆動用電源２Ｂから取得し、得られた電流と電圧の複数の組（Ｉ１，Ｖ１）、（Ｉ１＋ｄＩ，Ｖ１＋ｄＶ）・・・・から、微分抵抗値（ｄＶ／ｄＩ）を算出する。
利得Ｇが極大値Ｇ０となるターンオン電界Ｅｔｈでは、活性層１４に注入される電流量は最大となり、その電流による微分アドミッタンスは無限大となる。一方、ターンオン電界Ｅｔｈを越えると急激に増加するリーク電流成分が並列に存在しており、それによる微分アドミッタンスは、急激に増大する。レーザ素子２Ａ全体の微分アドミッタンスは上記２種類の微分アドミッタンスの和で与えられるので、ターンオン電界Ｅｔｈでレーザ素子２Ａ全体の微分アドミッタンスは略極小になる。微分抵抗は微分アドミッタンスの逆数に比例するので、利得Ｇが極大値Ｇ０となるターンオン電界Ｅｔｈでは微分抵抗値（ｄＶ／ｄＩ）は略極大値になり、このときの電圧をターンオン電圧Ｖｔｈとして設定する。
また、弾性波調整部４１は、レーザ装置２が有するスペクトル検出手段２Ｅ、高周波電源３１Ａ及びインピーダンス整合回路３１Ｂに電気的に接続されており、スペクトル検出手段２Ｅで検出された検出結果を受けて、所望のスペクトル状態が得られるように、弾性波Ｗの周波数ν及び振幅を調整する。
より具体的には、弾性波調整部４１は、励振用電源部３１から出力する交流電圧の周波数を掃引し、レーザ素子２Ａの利得幅にみあった周波数の掃引域を決定する。また、スペクトル幅が最も狭くなるように、圧電素子３０への投入電力を決定する。そして、その決定した掃引域内の周波数、及び、決定した投入電力を励振用電源部３１（高周波電源３１Ａ及びインピーダンス整合回路３１Ｂ）に入力して、その励振条件で圧電素子３０を励振させることで、弾性波Ｗの周波数及び振幅を調整する。この際、励振用電源部３１では、入力された周波数及び投入電力に応じて、インピーダンス整合回路３１Ｂが最適な終端条件を高周波電源３１Ａに入力し、高周波電源３１Ａは、その終端条件に対応する交流電圧を圧電素子３０に印加している。
次に、レーザ装置２の制御方法について説明する。図６に示すように、先ず、ターンオン電圧設定工程（Ｓ１１）において、制御手段２Ｃのターンオン電圧設定部４０が、前述した方法で活性層１４内にターンオン電界Ｅｔｈを生じせしめるターンオン電圧Ｖｔｈを設定する。次に、素子駆動工程（Ｓ１２）において、ターンオン電圧設定部４０は、駆動用電源２Ｂを制御して、レーザ素子２Ａをターンオン電圧Ｖｔｈによって駆動せしめる。これにより活性層１４ではサブバンド間遷移が生じて、例えば波長５〜１０μｍの光が生成され、この生成された光はレーザ素子２Ａの光共振器内で反射を繰り返す。
続いて、弾性波供給工程（Ｓ１３）において、弾性波調整部４１が、励振用電源部３１を制御して圧電素子３０に所定の周波数及び投入電力を有する交流電圧を印加する。これによって、活性層１４内に交流電圧の周波数に対応する周波数ν及び投入電力で決まる振幅を有する弾性波Ｗが供給され、活性層１４内にｘ軸方向に沿った屈折率分布が形成される。
活性層１４内にはターンオン電界Ｅｔｈが印加されているので、圧電効果によって電界分布が生じると、屈折率分布の周期Λｎの半分の周期Λｅの利得分布が形成される。その結果、利得分布の周期Λｅによって決まるブラッグ条件を満たす波長の光Ｌが選択的にレーザ発振し、出力端面としての前側端面１０ａから出力される。
レーザ素子２Ａから出力された光Ｌは、ハーフミラー２Ｆで２つに分岐され、分岐された光のうちの一方はレーザ装置２の外部に出力されて分析対象物３（図１参照）に入射され、他方は、スペクトル検出手段２Ｅに入射する。そして、スペクトル検出手段２Ｅは、検出結果を弾性波調整部４１に入力する。
次に、弾性波調整工程（Ｓ１４）において、弾性波調整部４１は、励振用電源部３１を制御して弾性波Ｗの周波数（すなわち、圧電素子３０に印加する交流電圧の周波数）を掃引し、レーザ素子２Ａの利得幅にみあった周波数の掃引域を決定する。そして、弾性波調整部４１は、決定した掃引域内において光Ｌのスペクトル状態が所望の状態になるようにスペクトル検出手段２Ｅの検出結果に基づいて圧電素子３０に印加する交流電圧の周波数及び投入電力を決定して、その結果を励振用電源部３１に入力する。
励振用電源部３１の高周波電源３１Ａは、入力された周波数及び投入電力に応じて圧電素子３０を励振する。この際、インピーダンス整合回路３１Ｂによって終端条件が最適化されている。その結果、弾性波Ｗの周波数及び振幅が調整され、スペクトル状態の最適化された単一波長の光Ｌを出力することができる。また、レーザ素子２Ａに弾性波Ｗを供給している状態においても、ターンオン電圧設定部４０は、微分抵抗値を算出して最適なターンオン電圧Ｖｔｈを微調整することでターンオン電圧Ｖｔｈを再設定することは、単一波長の光Ｌを安定して出力する観点から好ましい。
以上説明したように、レーザ装置２では、中赤外〜遠赤外領域の波長の光（例えば、波長５〜１０μｍの光）Ｌを単一波長化して出力することができ、スペクトル検出手段２Ｅでの検出結果がフィードバックされて弾性波調整部４１によってスペクトル幅が最適化されているので、分光分析に適した光Ｌを得ることができる。そのため、レーザ素子２Ａの外部に回折格子を共振ミラーとする外部共振器を要せず、また、波長選択性を有する回折格子などの分散素子などを要しない。その結果、レーザ装置２の構成が簡易となっており、光軸合わせ等も容易になる。
また、弾性波調整部４１が決定した掃引域内において、弾性波調整部４１が弾性波供給手段２Ｄ（より具体的には、励振用電源部３１）を制御して弾性波Ｗの周波数を連続的に変化させることで光Ｌの波長を連続的に変化させることができる。その結果、広帯域に渡って分析対象物３（図１参照）の分光分析が可能である。そして、スペクトル検出手段２Ｅの検出結果に応じて、スペクトルを最適化しているので、高分解能で高感度な分析が可能である。すなわち、レーザ装置２を利用した分光分析システム１では、高分解能で高感度な分析と広帯域な分析とを両立させることができている。
また、前述したように、利得分布の周期Λｅは、屈折率分布の周期Λｎの半分になるため、波長λの光を出力させようとした場合に、上記レーザ装置２では、利得分布の倍の周期（すなわち、２Λｅ）の屈折率分布を形成すればよい。その結果として、弾性波Ｗの周波数を、利得分布を利用しない場合の半分の周波数にすることができる。例えば、波長９．０μｍの光を出力する場合の周波数は約１．３ＧＨｚ程度でよい。
弾性波Ｗの伝搬損失は、周波数の２乗に比例するため、弾性波Ｗの周波数が半分になれば、弾性波Ｗの伝搬損失は１／４になる。その結果、単一波長の光を効率的に出力することが可能である。また、弾性波Ｗの周波数が半分になっているので、圧電素子３０の励振も容易である。
ところで、一般に回折格子の周期をΛとすると、ブラッグ条件は、
Figure 2006140425
 と表される。ここで、λＢはブラッグ回折を生じせしめる光の波長であり、ｎは光が伝搬する媒質の屈折率であり、ｍｂは回折次数を表す。
また、弾性波Ｗの位相速度をＶとし、周波数をνとし、弾性波Ｗによって形成される歪み分布に応じた屈折率分布の周期をΛｎとすると、
Figure 2006140425
 が成り立つ。
したがって、弾性波Ｗによって活性層１４内に形成される屈折率分布によって波長λの光を得る場合、式（３）及び式（４）より、
Figure 2006140425
 となる。式（５）より、所望の波長λの光を出力するために弾性波Ｗの周波数を小さくするためには、例えば、回折次数を高くすることも考えられる。しかしながら、高次の回折次数を利用すると回折効率は減少するので、結果として、効率的にシングルモード化できない。
これに対して、レーザ装置２では、利得分布を形成することで弾性波Ｗの周波数を半分にできるので、回折効率の高い１次の回折を利用することが可能である。これによって、利得分布型の分布帰還では回折効率も高くなっており、より効率的にシングルモード化することが可能になっている。
このように活性層１４内において光共振器の光軸方向（ｘ軸方向）に沿って形成した利得分布での１次の回折を利用して波長λの光を回折させる場合、式（３）より、
Figure 2006140425
 が成り立つ。そして、利得分布の周期Λｅは、屈折率分布の周期Λｎの半分となるので、
Figure 2006140425
 が成り立つ。これは、屈折率分布によっても光Ｌを生成することが可能であって、その光Ｌをｚ軸方向から取り出せることができることを示している。すなわち、レーザ素子２Ａでは、前側端面１０ａからのみならず、例えば、レーザ素子２Ａの表裏面から光Ｌを出力することもできる。この前側端面１０ａ以外から出力される光はモニタ光として利用することが可能である。
また、レーザ装置２の制御方法では、弾性波Ｗを供給する前のレーザ素子２Ａを駆動して、レーザ素子２Ａ毎にターンオン電界Ｅｔｈに対応するターンオン電圧Ｖｔｈを算出するので、確実に所望の利得分布を活性層１４内に形成することができる。また、レーザ装置２の動作時には制御方法のＳ１１〜Ｓ１４を繰り返すことによって、光Ｌのスペクトル状態に応じたフィードバックがかかるので、スペクトル状態を最適な状態に維持できる。
特に、レーザ素子２Ａの動作中（例えば、分光分析を実施しているとき）では、熱的な影響によってターンオン電圧Ｖｔｈの変動が生じる場合があるが、ターンオン電圧設定工程（Ｓ１１）をレーザ素子２Ａの動作中に実施することで、確実にターンオン電界Ｅｔｈを活性層１４に印加することができる。その結果、レーザ素子２Ａの動作中に熱的な影響などにより駆動条件が変動しても、活性層１４内にターンオン電界Ｅｔｈが印加された状態で弾性波Ｗが活性層１４内に供給される。これによって、活性層１４内には利得分布が確実に形成されるので、単一波長の光を安定して長期的に出力可能である。
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す概略図である。レーザ装置５の構成は、弾性波供給手段２Ｄが、半導体膜３３と、一対の電極としての金属膜３４，３５と、励振用電源部３１とから構成されている点で、主に第１の実施形態のレーザ装置２の構成と相違する。この点を中心にして、レーザ装置５について説明する。なお、第１の実施形態のレーザ装置２の構成要素と同じ要素には、同じ符号を付けるものとし、重複する説明は省略する。
半導体膜３３は、後側端面１０ｂ上に設けられており、半導体膜３３の厚さは、例えば、数μｍ程度である。半導体膜３３は、クラッド層１２，１６、導波コア層１３，１５、活性層１４及び半導体基板１１が有する導電型（すなわち、ｎ型）と異なる導電型（すなわち、ｐ型）を有する。よって、積層体１０と半導体膜３３とによってｐｎ接合が形成されている。
半導体膜３３は、例えば、半導体基板１１上にクラッド層１２，１６、導波コア層１３，１５及び活性層１４を積層した積層体の一方の端面からｐ型不純物（例えば、Ｚｎ）を拡散させることで形成する。この場合、ｐ型不純物を一部に拡散させた積層体のうち半導体膜３３以外の領域が積層体１０となる。また、半導体膜３３は、積層体１０の後側端面１０ｂ上にｐ型の半導体からなる膜を新たに成長させることで形成することもできる。
金属膜３４は、例えば、Ａｕからなり、半導体膜３３上に蒸着法やスパッタ法によって形成されている。金属膜３５は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから形成されている。金属膜３５は、後側端面１０ｂ側のクラッド層１６上に設けられており、金属膜３５と電極２１とは電気的に絶縁されている。一対の電極としての金属膜３４，３５は、励振用電源部３１に電気的に接続されている。
励振用電源部３１は、半導体膜３３に逆バイアス電圧を印加するための直流電源３１Ｃを更に有しており、高周波電源３１Ａ、直流電源３１Ｃ及びインピーダンス整合回路３１Ｂは互いに電気的に接続されている。
上記構成のレーザ装置５では、ｐ型の半導体膜３３がｎ型の半導体からなる積層体１０の後側端面１０ｂ上に設けられており、ｐｎ接合が形成されている。そして、直流電源３１Ｃによって一対の金属膜３４，３５に逆バイアス電圧を印加しつつ、高周波電源３１Ａによって交流電圧を金属膜３４，３５に印加すると、金属膜３４，３５に印加された電圧の大部分は空乏領域に印加され圧電性駆動力が発生する。その結果、交流電圧の周波数に対応する周波数νの弾性波Ｗが後側端面１０ｂを起点として導波路１７内に伝搬する。
このように、レーザ装置５においても、導波路１７内に弾性波Ｗを供給することができる。これによって、第１の実施形態の場合のレーザ装置２の制御方法と同様にして、すなわち、制御手段２Ｃが駆動用電源２Ｂを制御してレーザ素子２Ａの活性層１４にターンオン電界Ｅｔｈを生じせしめるターンオン電圧Ｖｔｈを印加した状態で、制御手段２Ｃが弾性波供給手段２Ｄを制御して弾性波Ｗを導波路１７に供給することによって、活性層１４内に利得分布が形成される。そのため、活性層１４内に形成された利得分布の周期Λｅで決まるブラッグ条件を満たす波長の光Ｌを出力することができる。なお、レーザ装置５の制御方法では、弾性波調整部４１は、スペクトル検出手段２Ｅの検出結果を受けて直流電源３１Ｃが出力する電圧の大きさも調整することで、弾性波Ｗの振幅を調整して光Ｌのスペクトル状態を最適化している。
この場合、第１の実施形態のレーザ装置２の場合と同様に、単一波長の光Ｌを出力するために要する弾性波Ｗの周波数が、利得分布を利用しない場合にくらべて、半分でよい。そして、弾性波Ｗの周波数をより低くすることができることの効果は、第１の実施形態の場合と同様である。すなわち、効率的且つ確実に単一波長の光Ｌを出力することが可能である。また、弾性波Ｗの周波数を変化させることで光Ｌの波長を変えることも可能である。
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す概略図である。
レーザ装置６は、弾性波供給手段２Ｄの圧電素子３０が積層体１０の下面１０ｃ上に設けられている点、及び、弾性波供給手段２Ｄが圧電素子３０の直上の導波コア層１５に作り込まれた回折格子３７を更に有する点で第１の実施形態のレーザ装置２の構成と相違する。この点を中心にしてレーザ装置６について説明する。なお、第１の実施形態のレーザ装置２の構成要素と同じ要素には同じ符号をつけるものとし、重複する説明は省略する。
圧電素子３０は、金属膜３０Ａが積層体１０の下面１０ｃに接するように積層体１０上に設けられており、圧電素子３０と電極２０とは絶縁されている。また、回折格子３７は、導波コア層１５を形成した後に、例えば、リソグラフィー技術を利用して形成されており、その周期は、例えば、１．５μｍである。
この構成では、圧電素子３０に交流電圧を印加すると、圧電素子３０は、積層体１０の積層方向（ｚ軸方向）に伸縮するので、ｚ軸方向に弾性波Ｗ０が供給される。そして、弾性波Ｗ０は、導波コア層１５の上部に作り込まれた回折格子３７によって導波路１７内を伝搬する導波モードの弾性波Ｗに変換される。
この場合も、活性層１４及び導波コア層１３，１５からなる導波路１７に弾性波Ｗが伝搬する。これによって、第１の実施形態のレーザ装置２の制御方法と同様にして、すなわち、制御手段２Ｃが駆動用電源２Ｂを制御してレーザ素子２Ａにターンオン電圧Ｖｔｈを印加した状態で、制御手段２Ｃが弾性波供給手段２Ｄを制御して弾性波Ｗを導波路１７内を伝搬させることによって、活性層１４内に利得分布を形成できる。そのため、第１の実施形態のレーザ装置２の場合と同様に、波長λの光Ｌを出力するために要する弾性波Ｗの周波数が、利得分布を利用しない場合にくらべて、半分でよい。そして、弾性波Ｗの周波数をより低くすることができることの効果は、第１の実施形態の場合と同様である。すなわち、レーザ素子２Ａ内での弾性波Ｗの伝搬損失が低減され、効率的且つ確実に単一波長の光Ｌを出力することが可能である。また、弾性波Ｗの周波数を変化させることで光Ｌの波長を変えることも可能である。
また、レーザ装置６では、後側端面１０ｂからも光Ｌを出力することができるので、後側端面１０ｂから出力される光をモニタ光として利用することが可能である。
（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す概略図である。
レーザ装置７の構成は、光検出手段２Ｈを有する点、及び、ターンオン電圧設定部４２が光検出手段２Ｈの検出結果に応じてターンオン電圧Ｖｔｈを設定する点で第１の実施形態のレーザ装置２の構成と主に相違する。この点を中心にしてレーザ装置７について説明する。なお、第１の実施形態のレーザ装置２の構成要素と同じ要素には同じ符号を付すものとし、重複する説明を省略する。
光検出手段２Ｈは、例えば、ＭＣＴ検出器であり、レーザ素子２Ａの前側端面１０ａから出力された光Ｌのうちハーフミラー２Ｉで分岐された光の強度を検出する。
光検出手段２Ｈは、制御手段２Ｃと電気的に接続されており、制御手段２Ｃが有するターンオン電圧設定部４２は、光検出手段２Ｈの検出結果に応じてターンオン電圧Ｖｔｈを設定する。具体的には、前側端面１０ａから出力される光Ｌの強度が最大になるときに、利得Ｇは極大値Ｇ０をとるので、駆動用電源２Ｂを制御してレーザ素子２Ａへの注入電流を増加させていき、光検出手段２Ｈで検出された光強度が最大値になったときの電圧をターンオン電圧Ｖｔｈとして設定する。
レーザ装置７の制御方法は、光検出手段２Ｈの検出結果に応じてターンオン電圧Ｖｔｈを設定する点で第１の実施形態のレーザ装置２の制御方法と主に相違する。すなわち、レーザ装置の制御方法では、図６に示したターンオン電圧設定工程（Ｓ１１）において、ターンオン電圧設定部４２が駆動用電源２Ｂを制御して、所定の電圧でレーザ素子２Ａを駆動する。これによって、出力された光Ｌの強度を光検出手段２Ｈで検出する。そして、ターンオン電圧設定部４２は、駆動用電源２Ｂを制御して電圧を変化させつつつ（注入電流を変化させつつ）、光検出手段２Ｈで検出される光Ｌの強度が最大になったときの電圧をターンオン電圧Ｖｔｈとして設定する。
ターンオン電圧Ｖｔｈを設定した後のレーザ装置７の制御方法は、第１の実施形態の場合と同様である。すなわち、素子駆動工程（Ｓ１２）において、レーザ素子２Ａにターンオン電圧Ｖｔｈを印加してレーザ素子２Ａを駆動し、弾性波供給工程（Ｓ１３）で、弾性波供給手段２Ｄはターンオン電圧Ｖｔｈが印加されているレーザ素子２Ａに弾性波Ｗを供給する。これによって、活性層１４内に、弾性波Ｗによる歪み分布の周期の半分の周期を有する利得分布が形成され、単一波長の光Ｌが出力される。
そして、弾性波調整工程（Ｓ１４）において、スペクトル検出手段２Ｅの検出結果に応じて、弾性波調整部４１が弾性波供給手段２Ｄを制御して、光Ｌのスペクトル状態が最適な状態になるように弾性波Ｗの周波数及び振幅を調整する。その結果、スペクトル状態の最適化された単一波長の光Ｌを出力することができる。
また、ターンオン電圧設定部４２は、レーザ素子２Ａに弾性波Ｗを供給した状態であっても光検出手段２Ｈの検出結果に応じて最適なターンオン電圧Ｖｔｈを微調整して再設定する。これによって、レーザ素子２Ａの活性層１４には、安定してターンオン電界Ｅｔｈが印加されるので、単一波長の光Ｌを長期的に安定して出力可能である。
この場合も、第１の実施形態のレーザ装置２の場合と同様に、波長λの光Ｌを出力するために要する弾性波Ｗの周波数が、利得分布を利用しない場合にくらべて、半分でよい。そして、弾性波Ｗの周波数をより低くすることができることの効果は、第１の実施形態の場合と同様である。すなわち、レーザ素子２Ａ内での弾性波Ｗの伝搬損失が低減され、効率的且つ確実に単一波長の光Ｌを出力することが可能である。また、弾性波Ｗの周波数を変化させることで光Ｌの波長を変えることも可能である。
また、レーザ装置７では、レーザ装置７の動作中にも、光検出手段２Ｈの検出結果が常に最大値になるようにターンオン電圧設定部４２が駆動用電源２Ｂを制御する。レーザ素子２Ａは、動作時間が長くなると温度の影響などで光強度に変化が生じる場合もあるが、光検出手段２Ｈの検出結果に基づいて上記のようにレーザ素子２Ａに印加する電圧にフィードバックをかけることによって、長期的に安定して単一波長の光Ｌを出力することができる。
レーザ装置７の制御手段２Ｃは、第１の実施形態のレーザ装置２が有するターンオン電圧設定部４０の機能も有していてもよい。この場合には、例えば、弾性波Ｗを活性層１４に印加する前のターンオン電圧Ｖｔｈをターンオン電圧設定部４０が設定し、レーザ素子２Ａの動作中は、光検出手段２Ｈの検出結果に応じてターンオン電圧設定部４２がターンオン電圧Ｖｔｈを調整し直すことも可能である。この場合には、スペクトル検出手段２Ｅの検出結果がフィードバックされて弾性波調整部４１によって、弾性波Ｗの状態が最適化されており、また、光検出手段２Ｈの検出結果がフィードバックされてターンオン電圧設定部４２によってターンオン電界Ｅｔｈが最適化されているので、光Ｌのスペクトル状態を確実に最適化でき、分光分析に適した光Ｌを得ることができる。
なお、本実施形態では、光検出手段２Ｈを設けているが、例えば、スペクトル検出手段２Ｅが有する光検出器を光検出手段２Ｈとして利用することもできる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
例えば、第１〜４の実施形態のレーザ装置２，５〜７では、ターンオン電界Ｅｔｈに対して対称に電界が変調するとしたが、必ずしも対称でなくてもよく、ターンオン電界Ｅｔｈに対応するターンオン電圧Ｖｔｈ近傍の電圧をレーザ素子２Ａに印加できており、活性層１４内の内部電界Ｅｚに周期的な変調を加えられればよい。
第１〜第４の実施形態に示したレーザ素子２Ａの構成は、中赤外領域以上の波長の光を発光し、有効な光閉じ込めができれば特に限定されず、ＧａＡｓ層の代わりにＧａＩｎＮＡｓ層を利用することもできる。また、レーザ素子２Ａは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓで構成された量子カスケードレーザ素子としたが、例えば、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、ＧａＮなど立方晶系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成され中赤外領域以上の波長で発振する構成とすることもできる。また、半導体基板１１、クラッド層１２，１６、導波コア層１３，１５及び活性層１４は、圧電性を有する半導体から構成されていればよい。
更に、弾性波供給手段２Ｄにおいて、弾性波を発生させる手段としては、圧電素子３０を利用したものや、積層体１０と異なる導電型の半導体膜３３とによるｐｎ接合を利用したものに限らず、活性層１４内にｘ軸方向に進行する弾性波Ｗを供給できれば特に限定されない。例えば、活性層１４内に弾性波Ｗが伝搬できれば、表面弾性波を利用しても良い。
また、レーザ素子２Ａでは、導波路１７内を弾性波Ｗが伝搬するとしたが、活性層１４内を弾性波Ｗが伝搬していればよい。
更にまた、レーザ装置２，５〜７を分光分析システム１に適用した場合について説明したが、本発明に係るレーザ装置は、例えば、光通信システムにおける光源としても好適に利用できる。
また、制御手段２Ｃが弾性波調整部４１を有し、スペクトル検出手段２Ｅの検出結果に応じて光Ｌのスペクトル状態を最適化するとしたが、予め固定した条件でレーザ装置２，５〜７を動作させるときには、弾性波調整部４１及びスペクトル検出手段２Ｅは設けなくてもよい。ただし、レーザ装置２，５〜７の起動時や動作中にスペクトル検出手段２Ｅ及び弾性波調整部４１によって、弾性波Ｗの供給条件にフィードバックをかけることは、レーザ装置２，５〜７から出力される光Ｌのスペクトル状態を最適化するために好適である。また、弾性波調整部４１では、弾性波Ｗの周波数及び振幅を調整するとしたが、何れか一方を調整すればよい。
また、第４の実施形態のレーザ装置７の場合と同様に、第２及び第３の実施形態のレーザ装置５，６においても、レーザ装置５，６が光検出手段２Ｈを更に有し、制御手段２Ｃが、ターンオン電圧設定部４０の代わりにターンオン電圧設定部４２を有することも可能である。すなわち、レーザ装置５，６の場合も、光検出手段２Ｈの検出結果に応じて光Ｌの光強度が最大になるときの電圧をターンオン電圧Ｖｔｈとして設定することもできる。
また、この際、制御手段２Ｃがターンオン電圧設定部４０の機能も有していても良いことも第４の実施形態の場合と同様である。また、例えば、光検出手段２Ｈを別に設けずに、スペクトル検出手段２Ｅが有する光検出器を光検出手段２Ｈとして利用してもよい点も第４の実施形態の場合と同様である。
更にまた、第１〜第４の実施形態のレーザ装置２，５〜７では、弾性波Ｗを供給する前のレーザ素子２Ａに印加した電圧と電流とによる微分抵抗値、又はレーザ素子２Ａの光強度に応じてターンオン電圧Ｖｔｈを設定していたが、弾性波Ｗを供給した後にターンオン電圧Ｖｔｈを設定してもよい。
本発明に係るレーザ装置の一実施形態を利用した分光分析システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係るレーザ装置の一実施形態の構成を示す概略図である。 活性層のバンド構造を示す模式図である。 内部電界と利得との関係を示す図である。 （ａ）は、活性層内の弾性波による電界分布を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の電界分布によって生じた利得分布を示す図である。 レーザ装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明に係るレーザ装置の他の実施形態の構成を示す概略図である。 本発明に係るレーザ装置の更に他の実施形態の構成を示す概略図である。 本発明に係るレーザ装置の更に他の実施形態の構成を示す概略図である。
符号の説明
２，５，６，７…レーザ装置、２Ａ…カスケードレーザ素子、２Ｂ…駆動用電源（素子駆動手段）、２Ｃ…制御手段、２Ｄ…弾性波供給手段、２Ｅ…スペクトル検出手段、２Ｇ…絶縁膜、２Ｈ…光検出手段、１０…積層体、１０ａ…前側端面（第１の端面）、１０ｂ…後側端面（第２の端面）、１１…半導体基板、１２，１６…クラッド層（半導体層）、１３，１５…導波コア層（半導体層）、１４…活性層（半導体層）、１４Ａ…発光領域、１４Ｂ…注入領域、４０，４２…ターンオン電圧設定部、４１…弾性波調整部、Ｗ…弾性波、Ｇ…カスケードレーザ素子の利得、Ｇ０…利得の極大値、Ｖｔｈ…ターンオン電圧。

Claims (10)

  1. 複数の半導体層が半導体基板上に積層された積層体を有し、複数の前記半導体層のうちの１つの半導体層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する発光領域と前記発光領域に電子を注入する注入領域とが複数の前記半導体層の積層方向に沿って交互に積層されてなる圧電性を有する活性層であり、前記積層体が有する互いに対向する第１及び第２の端面のうち前記第１の端面から前記活性層で生成された光を出力するカスケードレーザ素子と、
    前記カスケードレーザ素子に電圧を供給して前記カスケードレーザ素子を駆動する素子駆動手段と、
    前記第１の端面に略直交する方向に進行する弾性波を前記活性層に供給する弾性波供給手段と、
    前記カスケードレーザ素子の利得が略極大値になるターンオン電圧を、前記素子駆動手段によって前記カスケードレーザ素子に供給させると共に、前記弾性波を、前記弾性波供給手段によって前記活性層に供給させる制御手段と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記制御手段は、前記カスケードレーザ素子に前記素子駆動手段が印加する電圧及び前記電圧を印加したときに前記活性層に流れる電流に基づいて前記ターンオン電圧を設定するターンオン電圧設定部を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記カスケードレーザ素子から出力される光の強度を検出する光検出手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に基づいて前記ターンオン電圧を設定するターンオン電圧設定部を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  4. 前記カスケードレーザ素子の前記第１の端面から出力される光のスペクトルを検出するスペクトル検出手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記スペクトル検出手段の検出結果に基づいて、前記弾性波供給手段が供給する前記弾性波の周波数及び振幅の少なくとも一方を制御する弾性波調整部を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ装置。
  5. 前記第２の端面における前記活性層上に設けられた絶縁膜を更に有し、
    前記弾性波供給手段は、
    前記絶縁膜上に設けられると共に前記第２の端面に略直交する方向に伸縮する圧電素子を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ装置。
  6. 複数の前記半導体層は同じ導電型を有しており、
    前記弾性波供給手段は、
    前記第２の端面における前記活性層上に設けられると共に、前記活性層の導電型と異なる導電型を有する半導体膜と、
    前記半導体膜に電圧を供給する一対の電極と、
    を有し、
    前記一対の電極のうちの一方の電極は前記半導体膜上に設けられており、他方の電極は前記積層体上に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ装置。
  7. 複数の半導体層が半導体基板上に積層された積層体を有するレーザ素子であって、複数の前記半導体層のうちの１つの前記半導体層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する発光領域と前記発光領域に電子を注入する注入領域とが複数の前記半導体層の積層方向に沿って積層されてなる圧電性を有する活性層であり、前記積層体が有する互いに対向する第１及び第２の端面のうち前記第１の端面から前記活性層で生成された光を出力するカスケードレーザ素子の利得が略極大値になるターンオン電圧を設定するターンオン電圧設定工程と、
    設定された前記ターンオン電圧を前記カスケードレーザ素子に供給して前記カスケードレーザ素子を駆動する素子駆動工程と、
    前記カスケードレーザ素子の前記活性層に、前記第１の端面に略直交する方向に進行する弾性波を供給する弾性波供給工程と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置の制御方法。
  8. 前記ターンオン電圧設定工程において、
    前記カスケードレーザ素子に供給する電圧と前記電圧を供給したときの電流とに基づいて前記ターンオン電圧を設定することを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置の制御方法。
  9. 前記ターンオン電圧設定工程において、
    前記カスケードレーザ素子から出力される光の光強度に基づいて前記ターンオン電圧を設定することを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置の制御方法。
  10. 前記カスケードレーザ素子から出力される光のスペクトルを検出し、その検出結果に基づいて前記活性層に供給する前記弾性波の周波数及び振幅のうちの少なくとも一方を調整する弾性波調整工程を更に備えることを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載のレーザ装置の制御方法。
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