JP2008010733A - Quantum cascade laser - Google Patents

Quantum cascade laser Download PDF

Info

Publication number
JP2008010733A
JP2008010733A JP2006181502A JP2006181502A JP2008010733A JP 2008010733 A JP2008010733 A JP 2008010733A JP 2006181502 A JP2006181502 A JP 2006181502A JP 2006181502 A JP2006181502 A JP 2006181502A JP 2008010733 A JP2008010733 A JP 2008010733A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
quantum cascade
laser
carrier
cascade laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006181502A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5201544B2 (en
Inventor
Norihiko Sekine
徳彦 関根
Kazuhiko Hirakawa
一彦 平川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Information and Communications Technology
Original Assignee
National Institute of Information and Communications Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Information and Communications Technology filed Critical National Institute of Information and Communications Technology
Priority to JP2006181502A priority Critical patent/JP5201544B2/en
Publication of JP2008010733A publication Critical patent/JP2008010733A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5201544B2 publication Critical patent/JP5201544B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a quantum cascade laser oscillating in the far-infrared region or the terahertz region; particularly to realize a large gain by providing a basic structure for injecting/extracting carriers in a laser active layer with efficiency; and furthermore to realize a low threshold value, a continuous oscillating operation, and a high temperature operation by preventing thermal backfilling of carriers. <P>SOLUTION: An active layer having a laser level of a four level system is composed of a carrier injection layer, a gain layer, and a carrier extraction layer; and population inversion is improved by using layers with higher-speed relaxation than the gain layer as the carrier injection layer and the carrier extraction layer. The high-speed relaxation in the layers is mainly relaxation by making relaxation level differences in the carrier extraction layer and levels of optical phonon uniform, or relaxation by causing stimulated emission with a laser from the outside. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域(数十〜数百μm)の周波数領域で発振する半導体レーザであって、特に、半導体基板上に作製した多重量子井戸構造におけるサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser that oscillates in the far-infrared region or the frequency region of the terahertz region (several tens to several hundreds μm), and in particular, utilizes intersubband transition in a multiple quantum well structure fabricated on a semiconductor substrate. Quantum cascade laser.

従来、中赤外領域(5〜12μm)から遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域(数十〜数百μm)の周波数領域は、セキュリテイ・環境モ二タリング・生体医療診断・劇物/毒物検出・無線通信・分光などにおいて重要な周波数帯であったが、その発展は他の領域に比べて遅れていた。これは、光通信ネツトワ一クで用いられているバンド間遷移半導体レーザのようなコンパクトな光源がこれまで存在しなかったためである。   Conventionally, the frequency range from the mid-infrared region (5-12 μm) to the far-infrared region or terahertz region (tens to hundreds of μm) is security, environmental monitoring, biomedical diagnosis, deleterious substances / poisonous detection, wireless Although it was an important frequency band in communications and spectroscopy, its development was delayed compared to other areas. This is because a compact light source such as the interband transition semiconductor laser used in the optical communication network has not existed so far.

しかし最近、半導体量子構造中のサブバンド間遷移を用いた半導体レーザ、いわゆる量子カスケードレーザが開発された(非特許文献1)。これは、バンドギャップエネルギーの異なる半導体薄膜を多層積層し、キャリアの注入/引抜き領域と利得領域を多段に組み合わせることにより、所望の発光波長に相当する工ネルギー間隔を持つサブバンド間遷移からレーザ発振を実現する半導体光デバイスである。この例を図4(a)に示す。このデバイスは、発光波長が構成材料に固有な物性パラメータによらず、半導体薄膜の膜厚などの設計パラメータで決定されるため、発光波長が(エネルギー障壁高さ以下で)自由に設計可能であるという特徴を持つ。そのため、特に中赤外領域からテラヘルツ領域までカバーするコンパクトな光源を実現可能である。   Recently, however, semiconductor lasers using intersubband transitions in semiconductor quantum structures, so-called quantum cascade lasers, have been developed (Non-Patent Document 1). This is because laminating semiconductor thin films with different bandgap energies and combining the carrier injection / extraction region and the gain region in multiple stages, thereby lasing from intersubband transitions with a process energy interval corresponding to the desired emission wavelength. It is a semiconductor optical device that realizes An example of this is shown in FIG. In this device, the emission wavelength is determined by the design parameters such as the film thickness of the semiconductor thin film, regardless of the physical property parameters specific to the constituent material, and thus the emission wavelength can be freely designed (within the energy barrier height). It has the characteristics. Therefore, it is possible to realize a compact light source that covers from the mid-infrared region to the terahertz region.

しかしながら、特にこれまでのテラヘルツ帯量子カスケードレーザは、低温下もしくはパルス駆動下において実現されているものの、近赤外の量子カスケードレーザのような良好なデバイス特性は得られていない。これは、従来の量子カスケード構造は、エネルギー準位の配置がいわゆる3準位系(図4(b))となっており、高いキャリア注入状態および高温動作時には、閾値上昇・キャリアのバックフィリング(back‐filling)などの影響により、レーザ発振自体が困難になることが1因である。   However, in particular, the conventional terahertz band quantum cascade laser is realized under a low temperature or under a pulse drive, but has not obtained good device characteristics like a near-infrared quantum cascade laser. This is because the conventional quantum cascade structure has a so-called three-level system (FIG. 4 (b)) in which the energy levels are arranged. In a high carrier injection state and at a high temperature operation, the threshold rise and carrier backfilling ( One reason is that laser oscillation itself becomes difficult due to the influence of back-filling.

テラヘルツ帯量子カスケードレーザの高温動作化の対策として、レーザ端面に高反射膜を施し、閾値を低減することにより高温動作を実現するという例がある。また、レーザ活性層を金属で狭み込むことにより、高い光閉じ込め率と効率的な放熱を同時に兆現することにより、高温動作を実現しようとする例(例えば非特許文献2)もある。しかしながら、どちらの例も、レーザ特性の本質的な改善とはなっていない。
Science, vol. 264, 553(1994) Applied Physics Letters, vol. 83, 5142(2003).
As a countermeasure against high temperature operation of the terahertz band quantum cascade laser, there is an example in which high temperature operation is realized by providing a high reflection film on the laser end face and reducing the threshold value. In addition, there is an example (for example, Non-Patent Document 2) that realizes a high-temperature operation by simultaneously manifesting a high light confinement rate and efficient heat dissipation by narrowing the laser active layer with metal. However, neither example is an essential improvement in laser characteristics.
Science, vol. 264, 553 (1994) Applied Physics Letters, vol. 83, 5142 (2003).

本発明の目的は、遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域(数十〜数百μm)の周波数領域で発振する半導体レーザを実現することであって、特に、レーザ活性層におけるキャリアの注入・引抜きを効率よく行う基本構造を提供することを目的としている。これにより、大きな利得を実現し、さらに熱によるキャリアのback-fillingを抑制することにより、低閾値や連続発振動作を達成して、高温動作が可能な量子カスケードレーザを実現することにある。   An object of the present invention is to realize a semiconductor laser that oscillates in the far-infrared region or the frequency region of the terahertz region (several tens to several hundreds μm). In particular, the carrier injection and extraction in the laser active layer is efficient. The goal is to provide a basic structure that is often used. This is to realize a quantum cascade laser capable of operating at a high temperature by realizing a low gain and continuous oscillation operation by realizing a large gain and further suppressing back-filling of carriers due to heat.

この発明によって、量子カスケードレーザにおいて、利得層の前後に高速な緩和を伴う活性層を用いることにより、高い光学利得とバックフィリング効果を低減することができるようになり、これによって温度上昇による特性劣化を抑制することができるため、高温で連続発振動作する量子カスケードレーザの作製が可能となる。   According to the present invention, in the quantum cascade laser, it is possible to reduce the high optical gain and the backfilling effect by using the active layer with high-speed relaxation before and after the gain layer. Therefore, it is possible to manufacture a quantum cascade laser that operates continuously at a high temperature.

本発明は、多重量子井戸型半導体レーザの一種であり、サブバンド間の遷移で発振する量子カスケードレーザであって、4準位系のレーザ準位を備える活性層が、キャリア注入層、利得領域、およびキャリア引抜き層からなり、キャリア注入層とキャリア引抜き層に、上記の利得領域よりも高速な緩和を伴う層を用いることにより反転分布が容易に実現できるようにすることで、高い光学利得を実現するものである。   The present invention is a kind of a multiple quantum well semiconductor laser, which is a quantum cascade laser that oscillates by transition between subbands, and an active layer having a four-level laser level includes a carrier injection layer, a gain region And a carrier extraction layer, and a carrier injection layer and a carrier extraction layer that use a layer with relaxation that is faster than the above-described gain region, so that an inversion distribution can be easily realized, thereby achieving a high optical gain. It is realized.

また、上記の量子カスケードレーザにおいて、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層における高速な緩和が主に光学フォノン散乱で引き起こされるように構成することで、高速な緩和を実現するものである。   In the above quantum cascade laser, high-speed relaxation is realized by configuring so that high-speed relaxation in the carrier injection layer or carrier extraction layer is mainly caused by optical phonon scattering.

また、上記の量子カスケードレーザの活性層において、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層に、高速な緩和が主に誘導放出によるサブバンド間遷移で引き起こされる層を用いることで、高速な緩和を実現するものである。   Also, in the active layer of the above quantum cascade laser, a layer in which high-speed relaxation is mainly caused by intersubband transition due to stimulated emission is used in the carrier injection layer or carrier extraction layer, thereby realizing high-speed relaxation. It is.

また、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層において、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層で緩和されるエネルギー差は、散乱を引き起こす光学フォノンのエネルギーレベルと同等もしくはそれ以上とすることで、光学フォノンによる高速な緩和を実現するものである。   In addition, in the carrier injection layer or the carrier extraction layer, the energy difference relaxed in the carrier injection layer or the carrier extraction layer is equal to or higher than the energy level of the optical phonon that causes scattering, so that the optical phonon relaxes at high speed. Is realized.

また、同じ波長の光で誘導放射を引き起こすサブバンドエネルギーレベルを持つキャリア注入層とキャリア引抜き層とにすることで、誘導放射のための光学系を1つにすることができる。   In addition, by using a carrier injection layer and a carrier extraction layer having a subband energy level that causes stimulated radiation with light of the same wavelength, one optical system for stimulated radiation can be provided.

また、誘導放射は必ずしもレーザ発振には至らないので、外部から誘導放射を引き起こすレーザ光を入射することが望ましい。   In addition, since stimulated radiation does not necessarily lead to laser oscillation, it is desirable to enter laser light that causes stimulated radiation from the outside.

さらに、誘導放射を引き起こすレーザ光は、共振器に閉じ込めることで、光の電場を増強できるので、量子カスケードレーザを前記の共振器内に設置することが望ましい。   Furthermore, since the laser light that induces the stimulated emission can be confined in the resonator to enhance the electric field of the light, it is desirable to install a quantum cascade laser in the resonator.

また、上記の半導体レーザの端面に反射構造を設けることで、外見上は、使用する共振器の数を減らすことができる。   In addition, by providing a reflection structure on the end face of the semiconductor laser, the number of resonators used can be reduced in appearance.

本発明では、図1(a)に示したような活性層構造を取ることにより、上記の問題を解決する。すなわち、量子カスケードレーザの活性層において、利得領域前後に少なくとも1段ずつ緩和時間の非常に短いキャリア注入・引抜き層を設けることで解決する。   In the present invention, the above problem is solved by adopting an active layer structure as shown in FIG. That is, in the active layer of the quantum cascade laser, the problem is solved by providing a carrier injection / extraction layer having a very short relaxation time at least one step before and after the gain region.

この構造に対応する工ネルギー準位の配置は図1(b)になり4準位系を形成している。この場合、利得領域直前のキャリア注入部においては、優先的にレーザ上位レベルにキャリアが蓄積されるため、レーザ上位レベルのキャリア密度を高密度にすることが出来る。一方、利得領域直後のキャリア引抜き部においては、優先的にキャリアがレーザ準位レベルから除去されるためにレーザ下位レベルのキャリア密度を常に低くすることが出来る。その結果、レーザ上位・下位レベル間に大きな注入キャリア密度差をつけることができ、すなわち大きな反転分布を形成することができるため、大きな光学利得を実現できる。   The arrangement of the engineering energy levels corresponding to this structure is as shown in FIG. 1B, forming a four-level system. In this case, in the carrier injection part immediately before the gain region, carriers are preferentially accumulated at the laser upper level, so that the carrier density at the laser upper level can be increased. On the other hand, in the carrier extraction portion immediately after the gain region, carriers are preferentially removed from the laser level level, so that the carrier density at the lower level of the laser can always be lowered. As a result, a large difference in injected carrier density can be provided between the upper and lower laser levels, that is, a large inversion distribution can be formed, so that a large optical gain can be realized.

さらに、一般に量子スケードレーザの素子温度が上昇すると、キャリアの熱励起によりキャリア注入層の存在するキャリアが、前段のレーザ下位レベルに励起される、いわゆるキャリアのバックフィリング現象が起こり、その結果、反転分布の程度が小さくなりレーザ発振が困難になる。しかし、この手法によれば活性層の1ユニットをカスケード接続した際、レーザ上位レベルと前段のレーザ下位レベルの間のエネルギー差を大きく取れるため、キャリアのバックフィリングを抑制することができる。   Furthermore, in general, when the element temperature of a quantum scale laser rises, so-called carrier backfilling phenomenon occurs, in which carriers in the carrier injection layer are excited to the lower laser level of the previous stage by the thermal excitation of the carriers. The degree of distribution becomes small and laser oscillation becomes difficult. However, according to this method, when one unit of the active layer is cascade-connected, a large energy difference between the upper laser level and the previous laser lower level can be obtained, so that carrier backfilling can be suppressed.

上記2点(高い光学利得、バックフィリングの抑制)の特徴から、本手法により、量子カスケードレーザに温度に対して堅牢な構造をとることができ、低閾値や連続発振動作さらには高温動作を可能にする。   Due to the characteristics of the above two points (high optical gain, suppression of backfilling), this method allows the quantum cascade laser to have a robust structure with respect to temperature, enabling low threshold, continuous oscillation operation, and high temperature operation. To.

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, devices having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals unless there is a special reason.

ここに挙げる例では、GaAs基板上に約90μmで発振する量子カスケードレーザについて示しているが、InP系・窒化物系・Si/Ge系など他材料系でも、同様の工ネルギーバンド構造を有するものであれば、これらの材料を用いたレーザヘ適用することを妨げるものではない。これは、上記の様に、量子カスケードレーザは、発光波長が構成材料に固有な物性パラメータによらず、半導体薄膜の膜厚などの設計パラメータで決定されるという特徴による。   In the example given here, a quantum cascade laser that oscillates on a GaAs substrate at about 90 μm is shown, but other materials such as InP, nitride, and Si / Ge have the same energy band structure. If so, application to a laser using these materials is not precluded. This is because, as described above, the quantum cascade laser is characterized in that the emission wavelength is determined by the design parameters such as the film thickness of the semiconductor thin film, regardless of the physical property parameters inherent to the constituent materials.

図2は実施例である。この実施例は、MBE成長法などによって作製されており、半絶縁性GaAs基板1上に、下部n‐GaAsコンタクト層2(0.8μm厚)、活性層4(キャリア注入層、利得領域、キャリア引抜き層を含む)、上部n‐GaAsコンタクト層5(0.1μm厚)から成る。配線3、6は、それぞれ、下部n‐GaAsコンタクト層2、上部n‐GaAsコンタクト層5に、接続している。   FIG. 2 shows an embodiment. This embodiment is fabricated by the MBE growth method or the like. On the semi-insulating GaAs substrate 1, a lower n-GaAs contact layer 2 (0.8 μm thick), an active layer 4 (carrier injection layer, gain region, carrier) The upper n-GaAs contact layer 5 (0.1 μm thick). The wirings 3 and 6 are connected to the lower n-GaAs contact layer 2 and the upper n-GaAs contact layer 5, respectively.

活性層は、図1(a)のような周期構造を124周期繰り返している。1周期内の構成は、
a. i‐AlxGa1-xAs(3.0nm厚)、
b. i‐GaAs層(16.5nm厚)、
c. i‐AlxGa1-xAs(x=0.3)層(1.0nm厚)、
d. i‐GaAs層(9.5nm厚)、
e. i‐AlxGa1-xAs(x=0.3)層(3.6nm厚)、
f. i‐GaAs層(8.7nm厚)、
g. i‐AlxGa1-xAs(x=0.3)層(1.4nm厚)、
h. i‐GaAs層(7.0nm厚)、
i. i‐AlxGa1-xAs(x=0.3)層(2.0nm厚)、
j. i‐GaAs層(15.2nm厚)、
k. i‐AlxGa1-xAs(x=0.3)層(1.0nm厚)、
l. i‐GaAs層(0.6nm厚)、
m. n‐GaAs層(9.0nm厚)、
n. i‐AlxGa1-xAs(x=0.3)層(2.0nm厚)、
o. n‐GaAs層(8.4nm厚)、
である。上記のe層が、キャリア注入層と利得領域との境界であり、i層が利得領域とキャリア引抜き層との境界である。
The active layer repeats the periodic structure as shown in FIG. The configuration within one cycle is
i. Al-Ga x Ga 1-x As (3.0 nm thickness),
b. i-GaAs layer (16.5 nm thick),
c. i-Al x Ga 1-x As (x = 0.3) layer (1.0 nm thick),
d. i-GaAs layer (9.5 nm thick),
e. i-Al x Ga 1 -x As (x = 0.3) layer (3.6 nm thick),
f. i-GaAs layer (8.7 nm thick),
g. i-Al x Ga 1 -x As (x = 0.3) layer (1.4 nm thick),
h. i-GaAs layer (7.0 nm thick),
i. i-Al x Ga 1-x As (x = 0.3) layer (2.0 nm thick),
j. i-GaAs layer (15.2 nm thick),
k. i-Al x Ga 1 -x As (x = 0.3) layer (1.0 nm thick),
l. i-GaAs layer (0.6 nm thick),
m. n-GaAs layer (9.0 nm thick),
n. i-Al x Ga 1 -x As (x = 0.3) layer (2.0 nm thick),
o. n-GaAs layer (8.4 nm thick),
It is. The e layer is the boundary between the carrier injection layer and the gain region, and the i layer is the boundary between the gain region and the carrier extraction layer.

ここで電流注入層及び電流引抜き層には、光学フオノンによる速い緩和を利用しており、今回のGaAsの場合、遷移エネルギーは約36meVとした。ここで、電流注入層あるいは電流引抜き層の速い緩和を主に光学フォノンとの散乱によって行なうためには、遷移エネルギーと光学フォノンのエネルギーレベルを一致させるか遷移エネルギーを光学フォノンのエネルギーレベルよりも少し大きくすればよい。   Here, the current injection layer and the current extraction layer utilize fast relaxation by optical phonon, and in the case of GaAs of this time, the transition energy is about 36 meV. Here, in order to perform fast relaxation of the current injection layer or the current extraction layer mainly by scattering with the optical phonon, the transition energy and the energy level of the optical phonon are matched or the transition energy is slightly lower than the energy level of the optical phonon. Just make it bigger.

上記の他、利得層が速い緩和を伴う電流注入・引抜き層に挟まれている構造を用いた量子カスケードレーザ構造である限りにおいて、上記以外の構造でも良い。   In addition to the above, as long as the quantum cascade laser structure uses a structure in which the gain layer is sandwiched between current injection / extraction layers with fast relaxation, other structures may be used.

図3は、誘導放射を用いて、図1(b)の準位4から3への遷移、あるいは準位2から1への遷移による緩和を促進するものである。量子カスケードレーザ素子10は、ここでは端部に反射構造を持っていないものとして説明するが、量子カスケードレーザ素子10は、反射鏡11とわずかに透過せいのある反射鏡13とで作られる第1の共振器に設置され、図1(b)の準位3から2へ遷移によって誘導放射しレーザ発振する。ここで、反射鏡12は、上記のレーザ発振によるレーザ光は透過するが、それ以外の光は反射するという波長選択性のあるものである。また、反射鏡14は、レーザ18からのレーザ光は透過するが、それ以外の光を反射する波長選択性をもつものである。このとき、量子カスケードレーザ素子10は、反射鏡11とわずかに透過性のある反射鏡15で作られる第2の共振器、また反射鏡11とわずかに透過せいのある反射鏡17で作られる第3の共振器中にも設置されている。第2の共振器には、レーザ装置16からのレーザ光を入力し、図1(b)の準位4から3への誘導放射による遷移を促進させる。同様に、第3の共振器には、レーザ装置17からのレーザ光を入力し、図1(b)の準位2から1への誘導放射による遷移を促進させる。当然のことながら、照射するレーザ光の波長と誘導放射による光の波長は等しいものとする。また、第1から第3の共振器の光路は、量子カスケードレーザ素子10の内部では一致させるようにすることが望ましい。また、誘導放射に係わる準位は、温度依存性を持つので、レーザ装置16、18は、波長を調整可能なレーザ装置とすることが望ましい。   FIG. 3 uses stimulated radiation to promote relaxation due to the transition from level 4 to level 3 or the transition from level 2 to level 1 in FIG. Although the quantum cascade laser element 10 is described here as having no reflecting structure at the end, the quantum cascade laser element 10 is a first mirror made up of a reflecting mirror 11 and a reflecting mirror 13 that is slightly transmissive. The laser is oscillated by being stimulated by the transition from the level 3 to the level 2 in FIG. 1B. Here, the reflecting mirror 12 has wavelength selectivity such that the laser beam generated by the laser oscillation described above is transmitted, but the other light is reflected. The reflecting mirror 14 has a wavelength selectivity for transmitting the laser light from the laser 18 but reflecting other light. At this time, the quantum cascade laser element 10 includes a second resonator made up of a reflecting mirror 15 and a reflecting mirror 15 that is slightly transmissive, and a reflecting mirror 17 that is made slightly transparent to the reflecting mirror 11. 3 is also installed in the resonator. Laser light from the laser device 16 is input to the second resonator, and the transition by the induced radiation from the level 4 to the level 3 in FIG. Similarly, the laser beam from the laser device 17 is input to the third resonator, and the transition by the induced radiation from the level 2 to the level 1 in FIG. 1B is promoted. As a matter of course, the wavelength of the laser light to be irradiated is equal to the wavelength of the light by the induced radiation. Further, it is desirable that the optical paths of the first to third resonators are made to coincide within the quantum cascade laser element 10. In addition, since the level related to the stimulated radiation has temperature dependence, it is desirable that the laser devices 16 and 18 be laser devices capable of adjusting the wavelength.

また、準位4から3への遷移波長と準位2から1への遷移波長とを等しくなる様に設定することで、第2あるいいは第3のいずれかの共振器とそれに付随するレーザ装置を省くことができる。   Further, by setting the transition wavelength from the level 4 to 3 and the transition wavelength from the level 2 to 1 to be equal, either the second or third resonator and the laser associated therewith are set. The device can be omitted.

ここで、反射鏡11は、量子カスケードレーザ素子10の端面に金属膜や多層誘電体膜を用いた反射構造を作りこむことによって外見上省くことができる。   Here, the reflecting mirror 11 can be omitted in appearance by forming a reflecting structure using a metal film or a multilayer dielectric film on the end face of the quantum cascade laser element 10.

図3に示す構成を従来の3準位系の量子カスケードレーザに適用することも容易である。この場合は、反射鏡14、15、レーザ装置16を省いた構成にして、図4の準位2から1への誘導放射による遷移を促進させることができ、その結果、反転分布をより明確にして、レーザ発振の閾値を低減あるいは出力の増大を期待することができる。   It is easy to apply the configuration shown in FIG. 3 to a conventional three-level quantum cascade laser. In this case, it is possible to promote the transition by the stimulated emission from the level 2 to the level 1 in FIG. 4 by omitting the reflecting mirrors 14 and 15 and the laser device 16, and as a result, the inversion distribution is made clearer. Thus, it can be expected that the laser oscillation threshold is reduced or the output is increased.

本発明の(a)活性層構造、(b)エネルギー準位の配置図である。FIG. 2 is an arrangement diagram of (a) an active layer structure and (b) energy levels of the present invention. 本発明の量子カスケードレーザ素子の断面図である。It is sectional drawing of the quantum cascade laser element of this invention. 誘導放射用いて緩和を改善した量子カスケードレーザを示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a quantum cascade laser with improved relaxation using stimulated emission. FIG. 一般的な量子カスケードレーザの(a)活性層構造、(b)エネルギー準位の配置図である。It is an arrangement diagram of (a) active layer structure and (b) energy level of a general quantum cascade laser.

符号の説明Explanation of symbols

1 半絶縁性GaAs基板
2 下部n‐GaAsコンタクト層
3 配線
4 活性層
5 上部n‐GaAsコンタクト層
6 配線
10 量子カスケードレーザ素子
11、12、13、14、15 反射鏡
16 レーザ装置
17 反射鏡
18 レーザ装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semi-insulating GaAs substrate 2 Lower n-GaAs contact layer 3 Wiring 4 Active layer 5 Upper n-GaAs contact layer 6 Wiring 10 Quantum cascade laser element 11, 12, 13, 14, 15 Reflective mirror 16 Laser apparatus 17 Reflective mirror 18 Laser equipment

Claims (8)

サブバンド間の遷移で発振する多重量子井戸型半導体レーザにおいて、4準位系のレーザ準位を備える活性層が、キャリア注入層、利得領域、およびキャリア引抜き層からなり、キャリア注入層とキャリア引抜き層に、上記の利得領域よりも高速な緩和を伴う層を用いることにより高い光学利得を実現することを特徴とする量子カスケードレーザ。   In a multiple quantum well semiconductor laser that oscillates by transition between subbands, an active layer having a four-level laser level includes a carrier injection layer, a gain region, and a carrier extraction layer. A quantum cascade laser characterized in that a high optical gain is realized by using a layer with relaxation at a higher speed than the above gain region. 請求項1の量子カスケードレーザにおいて、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層における高速な緩和が主に光学フォノン散乱で引き起こされるように構成したことを特徴とする量子カスケードレーザ。   2. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein high-speed relaxation in the carrier injection layer or the carrier extraction layer is mainly caused by optical phonon scattering. 請求項1の量子カスケードレーザにおいて、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層に、高速な緩和が主に誘導放出によるサブバンド間遷移で引き起こされる層を用いることを特徴とする量子カスケードレーザ。   2. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein a layer in which high-speed relaxation is mainly caused by intersubband transition by stimulated emission is used for the carrier injection layer or the carrier extraction layer. キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層において、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層で緩和されるエネルギー差は、散乱を引き起こす光学フォノンのエネルギーレベルと同等もしくはそれ以上とすることを特徴とする請求項2に記載の量子カスケードレーザ。   The energy difference relaxed in the carrier injection layer or the carrier extraction layer in the carrier injection layer or the carrier extraction layer is equal to or higher than the energy level of the optical phonon that causes the scattering. Quantum cascade laser. 同じ波長の光で誘導放出を引き起こすサブバンドエネルギーレベルを持つ上キャリア注入層とキャリア引抜き層とを備えることを特徴とする請求項3に記載の量子カスケードレーザ。   4. The quantum cascade laser according to claim 3, further comprising an upper carrier injection layer and a carrier extraction layer having a subband energy level that causes stimulated emission with light of the same wavelength. 誘導放出が外部から照射された光で引き起こされることを特徴とする請求項3あるいは5に記載の量子カスケードレーザ。   6. The quantum cascade laser according to claim 3, wherein stimulated emission is caused by light irradiated from outside. 誘導放出を引き起こす光用の共振器内部に設置したことを特徴とする請求項3あるいは5に記載の量子カスケードレーザ。   6. The quantum cascade laser according to claim 3, wherein the quantum cascade laser is installed inside a light resonator that causes stimulated emission. 上記の半導体レーザの端面に反射構造を設けて共振器を構成することを特徴とする請求項7に記載の量子カスケードレーザ。
NICT-05-80 1/8
8. The quantum cascade laser according to claim 7, wherein a resonator is configured by providing a reflection structure on an end face of the semiconductor laser.
NICT-05-80 1/8
JP2006181502A 2006-06-30 2006-06-30 Quantum cascade laser Expired - Fee Related JP5201544B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006181502A JP5201544B2 (en) 2006-06-30 2006-06-30 Quantum cascade laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006181502A JP5201544B2 (en) 2006-06-30 2006-06-30 Quantum cascade laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008010733A true JP2008010733A (en) 2008-01-17
JP5201544B2 JP5201544B2 (en) 2013-06-05

Family

ID=39068659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006181502A Expired - Fee Related JP5201544B2 (en) 2006-06-30 2006-06-30 Quantum cascade laser

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5201544B2 (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008060396A (en) * 2006-08-31 2008-03-13 Hamamatsu Photonics Kk Quantum cascade laser
WO2009107609A1 (en) * 2008-02-28 2009-09-03 浜松ホトニクス株式会社 Quantum cascade laser
US8330140B2 (en) 2009-07-31 2012-12-11 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting device
US8514903B2 (en) 2010-05-19 2013-08-20 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
JP2013171842A (en) * 2012-02-17 2013-09-02 National Institute Of Information & Communication Technology Quantum cascade laser
DE102013210437A1 (en) 2012-06-05 2013-12-05 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum Cascade Lasers
DE102013210438A1 (en) 2012-06-05 2013-12-05 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum Cascade Lasers
US8699538B2 (en) 2010-11-26 2014-04-15 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
JP2014220538A (en) * 2014-08-27 2014-11-20 株式会社東芝 Semiconductor laser device
JP2015088517A (en) * 2013-10-28 2015-05-07 浜松ホトニクス株式会社 Quantum cascade laser
US9407065B2 (en) 2011-08-03 2016-08-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor laser
CN107768977A (en) * 2017-11-17 2018-03-06 中国工程物理研究院流体物理研究所 A kind of pulse regulator control system of the QCL based on dual-beam modulation

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105655866B (en) * 2016-02-01 2018-11-27 中国科学院半导体研究所 A kind of Terahertz semiconductor laser and its manufacturing method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08279647A (en) * 1994-04-04 1996-10-22 At & T Corp Unipolar semiconductor laser
JP2000156545A (en) * 1998-09-18 2000-06-06 Atr Adaptive Communications Res Lab Quantum cascade semiconductor laser system
JP2006032691A (en) * 2004-07-16 2006-02-02 Canon Inc Element

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08279647A (en) * 1994-04-04 1996-10-22 At & T Corp Unipolar semiconductor laser
JP2000156545A (en) * 1998-09-18 2000-06-06 Atr Adaptive Communications Res Lab Quantum cascade semiconductor laser system
JP2006032691A (en) * 2004-07-16 2006-02-02 Canon Inc Element

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008060396A (en) * 2006-08-31 2008-03-13 Hamamatsu Photonics Kk Quantum cascade laser
WO2009107609A1 (en) * 2008-02-28 2009-09-03 浜松ホトニクス株式会社 Quantum cascade laser
JP2009206340A (en) * 2008-02-28 2009-09-10 Hamamatsu Photonics Kk Quantum cascade laser
US8374208B2 (en) 2008-02-28 2013-02-12 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
US8330140B2 (en) 2009-07-31 2012-12-11 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting device
US8514903B2 (en) 2010-05-19 2013-08-20 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
US8699538B2 (en) 2010-11-26 2014-04-15 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
US9407065B2 (en) 2011-08-03 2016-08-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor laser
JP2013171842A (en) * 2012-02-17 2013-09-02 National Institute Of Information & Communication Technology Quantum cascade laser
DE102013210438A1 (en) 2012-06-05 2013-12-05 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum Cascade Lasers
US9240674B2 (en) 2012-06-05 2016-01-19 Hamamatsu Photonics K. K. Quantum cascade laser
US9246309B2 (en) 2012-06-05 2016-01-26 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
DE102013210437A1 (en) 2012-06-05 2013-12-05 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum Cascade Lasers
DE102013210438B4 (en) 2012-06-05 2022-09-22 Hamamatsu Photonics K.K. quantum cascade laser
JP2015088517A (en) * 2013-10-28 2015-05-07 浜松ホトニクス株式会社 Quantum cascade laser
JP2014220538A (en) * 2014-08-27 2014-11-20 株式会社東芝 Semiconductor laser device
CN107768977A (en) * 2017-11-17 2018-03-06 中国工程物理研究院流体物理研究所 A kind of pulse regulator control system of the QCL based on dual-beam modulation
CN107768977B (en) * 2017-11-17 2023-06-30 中国工程物理研究院流体物理研究所 Pulse regulation and control system of quantum cascade laser based on double-beam modulation

Also Published As

Publication number Publication date
JP5201544B2 (en) 2013-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5201544B2 (en) Quantum cascade laser
Williams et al. Operation of terahertz quantum-cascade lasers at 164 K in pulsed mode and at 117 K in continuous-wave mode
Faist et al. High-power continuous-wave quantum cascade lasers
JP4250573B2 (en) element
Tacke Lead–salt lasers
JP7211963B2 (en) Improvements in terahertz lasers and terahertz extraction
JP6559000B2 (en) Quantum cascade laser
Liu et al. On the importance of cavity-length and heat dissipation in GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers
Holl et al. GaSb‐based 2.0 μm SDL with 17 W output power at 20° C
Vurgaftman et al. High-temperature HgTe/CdTe multiple-quantum-well lasers
Lin et al. Variable Barrier height AlGaAs/GaAs quantum cascade laser operating at 3.7 THz
Majid et al. First demonstration of InGaP/InAlGaP based orange laser emitting at 608 nm
Sharma et al. Recent advances of efficient design of terahertz quantum-cascade lasers
Xia et al. Femtosecond superradiant emission in AlGaInAs quantum-well semiconductor laser structures
Laurain et al. Influence of non-radiative carrier losses on pulsed and continuous VECSEL performance
Holl et al. GaSb-based VECSEL for high-power applications and Ho-pumping
Belyanin et al. Three-terminal semiconductor laser for wave mixing
JP2006310784A (en) Quantum cascade laser
Shernyakov et al. Effect of the active region and waveguide design on the performance of edge-emitting lasers based on InGaAs/GaAs quantum well-dots
JP4536490B2 (en) Laser apparatus and control method thereof
Bedford et al. Recent VECSEL developments for sensors applications
Meinecke et al. Increasing stability by two-state lasing in quantum-dot lasers with optical injection
Ramos et al. Surface‐emitted blue light from [112]‐oriented (In, Ga) As/GaAs quantum well edge‐emitting lasers
Debusmann et al. Spacer and well pumping of InGaN vertical cavity semiconductor lasers with varying number of quantum wells
Cardinali et al. Gain Characteristics of Optically Pumped UVC Lasers with Wide AlGaN Single‐Quantum‐Well Active Regions

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090325

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120306

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120501

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120807

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121002

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130122

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160222

Year of fee payment: 3

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees