JP2012129497A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力を低減することが可能な量子カスケードレーザを提供する。
【解決手段】 半導体基板１０と、基板１０上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層１５とを備えて量子カスケードレーザ１Ａを構成する。また、活性層１５で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、レーザ光の出力面となる前方端面１２に、レーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下の前方反射膜２０を形成し、かつ、後方端面１３に、レーザ発振光に対する反射率が前方反射膜２０よりも高い後方反射膜３０を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、量子井戸構造での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ものである。

中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１、２参照）。

量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。

米国特許第５４５７７０９号公報 特開２００９−２０６３４０号公報 特開２００８−１０７３３号公報 特開平５−１１０１８８号公報 特開平１０−２００１９５号公報

S. Blaser et al.,"Room-temperature, continuous-wave, single-mode quantum-cascade lasers at λ=5.4μm", Appl. Phys. Lett. Vol.86(2005) pp. 041109-1 - 041109-3 J. S. Yu et al.,"High-power, room-temperature, and continuous-wave operation ofdistributed-feedback quantum-cascade lasers at λ〜4.8μm", Appl. Phys. Lett. Vol.87 (2005) pp. 041104-1 - 041104-3

量子カスケードレーザでは、一般に、上記したように量子井戸発光層と注入層とが複数段交互に積層されるモノポーラ型のカスケード構造、また、通常のＬＤに比べて長い共振器長などのため、駆動電流、駆動電圧が高く、消費電力が１０Ｗ程度と大きくなり（例えば、非特許文献１、２参照）、給電のために専用電源等が必要になるという問題がある。近年、量子カスケードレーザの環境計測分野への応用が始まっているが、例えば、野外での計測、航空機搭載、衛星搭載などの電源供給が限られた使用条件では、量子カスケードレーザの駆動が困難となる場合がある。

これに対して、活性層における量子井戸構造、及びそれによるサブバンド準位構造を工夫することで、量子カスケードレーザの駆動電圧を低減する方法が考えられる。しかしながら、そのような構成では、レーザ動作の閾値電流の低減、あるいは動作効率の向上などの素子特性の向上との両立が難しい。また、レーザ共振器構造での共振器長を短くして、注入電流量を低減する方法が考えられる。しかしながら、このような短共振器構造では、電流密度が同じでも駆動電流を低減することができるが、発振閾値が高くなってしまい、充分な省電力効果を得ることができない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、消費電力を低減することが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで、量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層とを備え、（３）活性層で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、レーザ光の出力面となる前方端面にレーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下の前方反射膜が形成され、後方端面にレーザ発振光に対する反射率が前方反射膜よりも高い後方反射膜が形成されていることを特徴とする。

本発明では、量子カスケードレーザの駆動電流、消費電力の低減に関して、レーザ共振器構造でのミラー損失に着目している。すなわち、量子カスケードレーザの共振器構造では、例えばへき開によってレーザ共振器の両端面が形成される。これに対して、上記した量子カスケードレーザでは、共振器構造の後方端面に高反射率の後方反射膜を形成することで、レーザの高出力化を実現するとともに、後方端面に対向する前方端面に、レーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下であって、レーザ発振光の一部を透過してレーザ光として外部へと出力する前方反射膜を形成している。このように、レーザ素子の両端面に高反射率コーティングを施すことにより、共振器構造におけるミラー損失を抑制して、量子カスケードレーザの駆動電流、消費電力を低減することが可能となる。

ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、後方反射膜は、レーザ発振光に対する反射率が実質的に１００％であることが好ましい。これにより、レーザの高出力化と、ミラー損失の低減とが可能なレーザ共振器構造を好適に実現することができる。

また、レーザ共振器構造の両端面に設けられる前方反射膜及び後方反射膜は、それぞれＡｕ膜を含んで形成されていることが好ましい。また、この場合の前方、後方反射膜のそれぞれの膜厚については、前方反射膜のＡｕ膜厚は２０ｎｍ以下であり、かつ、後方反射膜のＡｕ膜厚は１００ｎｍ以上であることが好ましい。

また、量子カスケードレーザにおいて、レーザ共振器構造は、前方端面と後方端面との間の共振器長が０．１５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。上記したように共振器構造の両端面に反射膜を設けた構成によれば、このように共振器長を短く設定した場合でも、発振閾値を従来と同等以下に抑制して、素子特性を落とすことなく駆動電流の低減を実現することが可能である。

本発明の量子カスケードレーザによれば、カスケード構造を有する活性層でサブバンド間遷移によって生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、レーザ光の出力面となる前方端面にレーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下の前方反射膜を形成し、かつ、後方端面にレーザ発振光に対する反射率が前方反射膜よりも高い後方反射膜を形成することにより、共振器構造におけるミラー損失を抑制して、量子カスケードレーザの駆動電流、消費電力を低減することが可能となる。

量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。 量子カスケードレーザの活性層の構成、及び活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。 量子カスケードレーザにおけるレーザ共振器構造について示す図である。 量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。 活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 量子カスケードレーザの電流−電圧−光出力特性を示すグラフである。 スロープ効率の温度依存性を示すグラフである。 ミラー損失の共振器長依存性を示すグラフである。 量子カスケードレーザの発振スペクトルを示すグラフである。

以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。なお、図１では、レーザ共振器構造については図示を省略している。

活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。

図２は、図１に示した量子カスケードレーザの活性層の構成、及びその活性層において形成されるサブバンド準位構造の一例を示す図である。なお、図２においては、量子カスケードレーザ１Ａの活性層１５における単位積層体１６による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を模式的に示している。また、この図において、横方向は活性層内での積層方向の位置に相当し、縦方向はエネルギーに相当する。

図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。

本構成例では、活性層１５における１周期分の単位積層体１６は、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。また、このような積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が発光層１７となり、７層の井戸層１８１〜１８７及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が注入層１８となっている。

発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層と発光層１７との間に位置し、前段の注入層から発光層への電子に対する注入障壁（injection barrier）層となっている。また、注入層１８の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１９１が、発光層１７と注入層１８との間に位置し、発光層から注入層への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層となっている。

図２に示す単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる準位として、発光上準位（準位３）及び発光下準位（準位２）を有している。また、単位積層体１６は、これらの発光上準位、下準位に加えて、上準位３よりも高いエネルギー準位である注入準位（準位４）、及び下準位２よりも低いエネルギー準位である緩和準位（準位１）を有している。

このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層からの電子ｅ⁻は、注入障壁層１７１を介して、共鳴トンネル効果によって発光層１７の注入準位４へと注入される。また、注入準位４に注入された電子は、例えば縦光学（ＬＯ）フォノン散乱などによって上準位３へと供給される。さらに、上準位３に供給された電子は下準位２へと発光遷移し、このとき、準位３及び準位２のサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光ｈνが生成される。また、下準位２へと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱などによって緩和準位１へと緩和されて引き抜かれる。これにより、上準位３と下準位２との間でレーザ発振を実現するための反転分布が形成される。

また、緩和準位１に緩和された電子は抽出障壁層１９１及び注入層１８を介して、後段の発光層の注入準位へと注入される。このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５の複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａのレーザ共振器構造において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。

なお、活性層１５の単位積層体１６における半導体積層構造、量子井戸構造、及びサブバンド準位構造については、図２はその一例を示すものであり、具体的には上記した構成に限らず、様々な構成を用いて良い。一般には、活性層１５は、カスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成することが可能に構成されていれば良い。例えば、図２に示したサブバンド準位構造のうち、注入準位４、緩和準位１については、不要であれば設けない構成としても良い。また、発光層１７、注入層１８を構成する量子井戸層、障壁層の層数、各層厚についても、発光動作に必要な具体的な準位構造等に応じて適宜に設定して良い。

図３は、図１に示した量子カスケードレーザにおけるレーザ共振器構造について示す図である。本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａでは、活性層１５で生成される所定波長の光ｈνに対するレーザ共振器構造において、共振方向に対向して設けられた前方、後方の各端面について、レーザ光の出力面となる前方端面１２上に前方反射膜２０を形成し、かつ、後方端面１３上に後方反射膜３０を形成している。

前方反射膜２０は、例えばＡｕ膜を含んで構成され、共振器内で発振する所定波長λのレーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下（例えば６０％または９５％）となるように形成される。また、後方反射膜３０は、前方反射膜２０と同様に例えばＡｕ膜を含んで構成され、レーザ発振光に対する反射率が前方反射膜２０よりも高くなる（例えば１００％）ように形成される。

図３に示す構成例では、具体的に、レーザ１Ａの共振器構造の前方端面１２上に、膜厚λ／４のＡｌＮ膜２１、膜厚５ｎｍのＴｉ膜２２、前方反射膜２０となる所定膜厚のＡｕ膜、及び膜厚１５ｎｍのＡｌＮ膜２３がこの順で形成されている。また、レーザ共振器構造の後方端面１３上に、膜厚λ／４のＡｌＮ膜３１、膜厚５ｎｍのＴｉ膜３２、後方反射膜３０となる所定膜厚のＡｕ膜、及び膜厚１５ｎｍのＡｌＮ膜３３がこの順で形成されている。なお、前方、後方端面１２、１３上にそれぞれ形成される前方、後方反射膜２０、３０を含む全体の層構造については、具体的には図３に示した構成以外にも様々な構成を用いることが可能である。

本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。

上記実施形態では、量子カスケードレーザ１Ａの駆動電流、消費電力の低減に関して、レーザ共振器構造でのミラー損失に着目している。ここで、従来の量子カスケードレーザの共振器構造では、例えば、へき開によってレーザ共振器の両端面を形成した構成が用いられている。この場合、へき開面でのレーザ発振光の反射率は３０％程度である。また、レーザの高出力化のために後方端面に全反射膜を形成する構成も考えられるが、このような構成においても、駆動電流を充分に低減することは難しい。

これに対して、図１〜図３に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、共振器構造の後方端面１３上に高反射率の後方反射膜３０を形成することで、レーザの高出力化を実現している。さらに、後方端面１３に対向する前方端面１２上に、レーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下であって、レーザ発振光の一部を透過してレーザ光として外部へと出力する前方反射膜２０を形成している。このように、レーザ素子の両端面にレーザ発振光の波長における高反射率コーティングを施すことにより、共振器構造におけるミラー損失を抑制して、量子カスケードレーザ１Ａの実効的な駆動電流を低減し、それによってレーザの消費電力を下げることが可能となる。

上述した前方、後方反射膜を用いたレーザ共振器構造におけるミラー損失の抑制、及びそれによる量子カスケードレーザの駆動電流、消費電力の低減について、さらに具体的に説明する。

レーザ素子は、利得が損失に打ち勝つことで発振に至るものであり、その発振閾値電流Ｉ_ｔｈは、下記の式（１）のように表すことができる。

ここで、ｇは利得係数、Γは閉じ込め係数、α_ｉは内部損失、α_ｍはミラー損失である。また、この式（１）において、右辺の分母は利得を、分子は損失をそれぞれ表しており、この式から、利得が大きく、損失が小さくなるほど閾値が低くなることがわかる。

量子カスケードレーザ１Ａにおける損失のうち、内部損失α_ｉは、主にレーザ素子内の導波路構造での自由キャリア吸収によって発生する。量子カスケードレーザでは、発光波長が中赤外領域であるために自由キャリア吸収の影響が大きく、通信波長帯のＬＤ等に比べて内部損失が本質的に大きい。例えば、通信波長帯のＬＤでは、内部損失α_ｉは１０〜２０ｃｍ^−１程度である。これに対して、従来構造の量子カスケードレーザでは、内部損失α_ｉは４０〜５０ｃｍ^−１程度である。

一方、ミラー損失α_ｍは、下記の式（２）のように表すことができる。

ここで、Ｌは共振器長、Ｒ_１は前方端面での反射率、Ｒ_２は後方端面での反射率である。この式から、レーザ共振器構造での共振器長Ｌが長く、端面反射率Ｒ_１、Ｒ_２が高いほどミラー損失α_ｍが小さくなることがわかる。例えば、通信波長帯のＬＤでは、共振器長Ｌは０．２５〜０．５ｍｍ程度、ミラー損失α_ｍは２０〜４０ｃｍ^−１程度である。

通常、前方、後方端面をそれぞれへき開面とすると、レーザ発振光の反射率は３０％程度である。したがって、共振器構造の両端面をへき開面とした量子カスケードレーザでのミラー損失α_ｍは、共振器長Ｌ＝１ｍｍで１２ｃｍ^−１、Ｌ＝３ｍｍで４ｃｍ^−１程度となる。一般に、量子カスケードレーザでは、損失に対して充分な利得を得て発振させるために、通常のＬＤに比べて共振器長Ｌを長くしており、例えば、共振器長Ｌは３〜４ｍｍ程度、ミラー損失α_ｍは３〜４ｃｍ^−１程度である。しかしながら、共振器長Ｌを長くする構成では、ミラー損失を低減することが可能である一方で、レーザ素子の駆動電流、消費電力が増大する。

これに対して、図３に示したようにレーザ共振器構造の前方、後方端面１２、１３にそれぞれ高反射率の反射膜２０、３０を形成する構成によれば、共振器長Ｌを増大させず、短共振器化と同時にミラー損失の低減を実現することが可能である。例えば、共振器長がＬ＝３ｍｍの場合に、前方反射膜２０でのレーザ発振光の反射率を６０％、後方反射膜３０での反射率を１００％とすると、ミラー損失α_ｍは０．８５ｃｍ^−１程度である。

上記した量子カスケードレーザ１Ａにおいて、後方反射膜３０は、レーザ発振光に対する反射率が前方反射膜２０よりも高い充分な高反射率に設定されていれば良いが、特に、レーザ発振光に対する反射率が実質的に１００％であることが好ましい。このように、後方反射膜３０を全反射膜とし、前方端面を一部透過ミラー、後方端面を全反射ミラーとすることにより、レーザの高出力化と、ミラー損失α_ｍの低減とが可能なレーザ共振器構造を好適に実現することができる。

また、レーザ共振器構造の両端面に設けられる前方反射膜２０及び後方反射膜３０は、それぞれＡｕ膜を含んで形成されていることが好ましい。また、このような反射膜２０、３０の材料については、レーザ発振光の波長領域、例えば中赤外領域において高い反射率を有する材料であれば、Ａｕ以外の材料を用いることも可能である。

反射膜２０、３０のそれぞれでのレーザ発振光の反射率については、その材料及び膜厚等によって制御することが可能である。上記したように前方、後方反射膜２０、３０としてＡｕ膜を用いる場合、そのそれぞれの膜厚については、前方反射膜２０のＡｕ膜厚は、２０ｎｍ以下（２００Å以下）であることが好ましい。また、後方反射膜３０のＡｕ膜厚は、１００ｎｍ以上（１０００Å以上）であることが好ましい。このように各反射膜のＡｕ膜厚を設定することにより、上記条件を満たすレーザ共振器構造での反射率を好適に実現することができる。

また、量子カスケードレーザ１Ａにおいて、レーザ共振器構造は、前方端面１２と後方端面１３との間の共振器長Ｌが０．１５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。上記したように、共振器構造の両端面１２、１３に反射膜２０、３０を設けた構成によれば、このように共振器長Ｌを短く設定した場合でも、発振閾値を従来と同等以下に抑制して、素子特性を落とすことなく実効的な駆動電流の低減を実現することが可能である。

なお、上記実施形態による量子カスケードレーザ１Ａは、ミラー損失α_ｍを小さくすることによって発振閾値電流、駆動電流を低減するものであるが、このような共振器構造に対して、活性層１５において内部損失α_ｉを小さくすることが可能な量子井戸構造、サブバンド準位構造を組み合わせて用いることとしても良い。これにより、レーザ１Ａの発振閾値電流、駆動電流をさらに低減することができる。

そのような構成としては、例えば、図２に示したように、活性層１５のサブバンド準位構造において、発光上準位３、下準位２に加えて、上準位よりも高いエネルギー準位４を設ける構成がある。この場合、高エネルギー準位４は、例えば、発光上準位３へと電子を供給する注入準位、あるいは上準位３とともに発光に寄与する第２発光上準位として機能する。このような構成では、注入層に溜まったキャリアの大部分が発光層の発光上準位へと注入されるために、自由キャリア吸収の影響が大幅に低減され、内部損失α_ｉを例えば１０〜２０ｃｍ^−１程度まで低減することができる。

本発明による量子カスケードレーザの構成の具体例について説明する。図４は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。なお、量子カスケードレーザの素子構造の形成方法については、充分に高品質な単結晶薄膜が成長できる方法であれば、様々な方法を用いて良い。そのような形成方法としては、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長がある。

図４に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３．５μｍのＩｎＰ下部クラッド層５１、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５２、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５３、厚さ３．５μｍのＩｎＰ上部クラッド層５４、及び厚さ２０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５５が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。なお、本構成例においても、そのレーザ共振器構造については、図３と同様の構造（図４においては図示省略）を用いている。

本構成例における活性層１５は、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が４０周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図２に模式的に示した構成例と同様に、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。

これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。図５に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。本構成例でのレーザ発振光の波長は、λ＝８．５μｍである。

また、このような半導体積層構造に対し、そのレーザ共振器構造の両端面にＡｕ蒸着によって高反射率コーティングを施すことで、量子カスケードレーザ１Ｂを構成する。具体的には、共振器構造の前方端面１２（図３参照）に、前方反射膜２０となる厚さ１０ｎｍ（１００Å）のＡｕ膜を形成する。また、後方端面１３に、後方反射膜３０となる厚さ１５０ｎｍ（１５００Å）のＡｕ膜を形成する。

上記の共振器構造において、前方端面でのレーザ発振光の反射率はＲ_１＝９５．６％、後方端面での反射率はＲ_２＝１００％である。また、このとき、共振器長をＬ＝３ｍｍとするとミラー損失はα_ｍ＝０．０７５ｃｍ^−１、共振器長をＬ＝１ｍｍとするとミラー損失はα_ｍ＝０．２２ｃｍ^−１である。また、共振器長がＬ＝１ｍｍの構成において、光出力は５ｍＷ程度、消費電力は２．５Ｗ以下である。

図６は、上記構成を有する量子カスケードレーザの電流−電圧−光出力特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電流（Ａ）または電流密度（ｋＡ／ｃｍ^２）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）またはピーク値で規格化した光出力に対応する規格化出力パワーを示している。また、図６のグラフにおいて、グラフＡ１は、へき開面−へき開面（ＣＬ−ＣＬ）によって共振器を構成した場合の出力パワーの電流密度依存性を示し、グラフＡ２は、反射膜−反射膜（ＨＲ−ＨＲ）によって共振器を構成した場合の出力パワーの電流密度依存性を示している。また、グラフＡ３は、反射膜−反射膜によって共振器を構成した場合の電圧の電流密度依存性を示している。これらのグラフによれば、レーザ共振器構造の両端面に反射膜を形成する上記構成では、端面コーティング無しでへき開面を利用する構成に比べて、閾値電流の低減、スロープ効率の向上が確認できる。

図７は、スロープ効率の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は駆動温度（Ｋ）を示し、縦軸はスロープ効率（Ｗ／Ａ）を示している。このグラフによれば、温度の上昇にもかかわらず、スロープ効率が上昇していることがわかる。これらの結果は、ミラー損失α_ｍが１ｃｍ^−１以下と極めて小さく、かつ、電流注入によって動的に内部損失α_ｉが減少していることを示している。また、この場合、ピーク光出力は約５ｍＷで、分光分析用途には充分な光出力が得られている。

図８は、ミラー損失の共振器長依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は共振器長Ｌ（ｃｍ）を示し、縦軸はミラー損失α_ｍ（ｃｍ^−１）を示している。また、図８のグラフにおいて、グラフＢ１は、へき開面（反射率３０％）−へき開面（３０％）によって共振器を構成した場合のミラー損失を示し、グラフＢ２は、へき開面（３０％）−反射膜（１００％）によって共振器を構成した場合のミラー損失を示し、グラフＢ３は、反射膜（９５％）−反射膜（１００％）によって共振器を構成した場合のミラー損失を示している。このグラフによれば、レーザ共振器構造の両端面に高反射率の反射膜を形成する上記構成では、両端面でへき開面を利用する構成、あるいは一方の端面に反射膜を形成する構成と比べて、ミラー損失α_ｍが充分に低減されていることが確認できる。

上述したように、レーザ共振器構造の両端面に反射膜を形成する構成によれば、閾値電流の低減、スロープ効率の向上などの素子特性の向上を実現することができる。また、前方、後方反射膜を用いた共振器構造において、さらに量子カスケードレーザを短共振器化すれば、レーザ特性を低下させることなく、サイズ効果によって駆動電流の低減が可能になる。

例えば、共振器長がＬ＝０．５ｍｍ（５００μｍ）で、閾値電流は１００ｍＡ以下、消費電力は１〜２Ｗ程度となる。この場合、乾電池や、パーソナルコンピュータのＵＳＢバスパワーなどによる給電が可能である。また、量子カスケードレーザのバッテリー駆動が可能となれば、野外での２４時間モニタリング、航空機搭載あるいは衛星搭載による地球規模での環境計測などが可能となる。

また、上記したレーザ共振器構造における量子カスケードレーザの短共振器化は、サイズ効果による駆動電流の低減、低消費電力化のみでなく、単一軸モード発振を得る上でも有効である。

一般に、軸モード間隔λ_ＦＳＲ（ＦＳＲ：freespectral range）は、中心波長λ_０に対して以下の式（３）

によって表される。ここで、ｎ_ｅｆｆは実効屈折率、Ｌは共振器長である。

上記の式（３）からわかるように、共振器長Ｌを短くしていけば、軸モード間隔が大きくなり、したがって、レーザ発振は見かけ上、単一軸モード発振に近い状態となる。ここで、図９は、量子カスケードレーザの発振スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波数（ｃｍ^−１）を示し、縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示している。また、このグラフは、共振器長をＬ＝０．２ｍｍ（２００μｍ）、駆動電流をＩ／Ｉ_ｔｈ＝２．５とし、温度３００Ｋ、パルス幅１００ｎｓｅｃ、繰返し周波数１００ｋＨｚで量子カスケードレーザをパルス動作させたときの発振スペクトルを示している。

図９のグラフより、上記した構成及び動作条件では、ＤＦＢレーザのような回折格子等が無い構成でも、単一軸モード発振が得られていることがわかる。また、この構成では、閾値の４倍近くの高注入電流領域まで単一軸モード発振が得られた。低消費電力で、かつ単一軸モード発振が可能なレーザ素子は、例えば分光計測、２４時間リアルタイムフィールド計測などにおいて非常に有効である。

本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。

このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ、Ｓｉ／ＳｉＧｅなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造についても、上記した構造以外にも様々な構造を用いて良い。

本発明は、駆動電流、消費電力を低減することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。

１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１２…前方端面、１３…後方端面、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、２０…前方反射膜、３０…後方反射膜、２１、３１…ＡｌＮ膜、２２、３２…Ｔｉ膜、２３、３３…ＡｌＮ膜、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＰ下部クラッド層、５２…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５３…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５４…ＩｎＰ上部クラッド層、５５…ＩｎＧａＡｓコンタクト層。

Claims (5)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層とを備え、
   前記活性層で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、レーザ光の出力面となる前方端面にレーザ発振光に対する反射率が４０％以上９９％以下の前方反射膜が形成され、後方端面に前記レーザ発振光に対する反射率が前記前方反射膜よりも高い後方反射膜が形成されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
2. 前記後方反射膜は、前記レーザ発振光に対する反射率が実質的に１００％であることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
3. 前記前方反射膜及び前記後方反射膜は、それぞれＡｕ膜を含んで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
4. 前記前方反射膜のＡｕ膜厚は２０ｎｍ以下であり、かつ、前記後方反射膜のＡｕ膜厚は１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の量子カスケードレーザ。
5. 前記レーザ共振器構造は、前記前方端面と前記後方端面との間の共振器長が０．１５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。

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