JP2013222810A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波の半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a terahertz wave semiconductor laser device.
テラヘルツカスケードレーザは、小型で駆動が容易なテラヘルツ光源として期待されている。しかしながら、テラヘルツカスケードレーザの出射端面から出射されるテラヘルツ波には、出射端面における出射領域に対して波長が非常に長いため、回折の影響が顕著に現れて広がり角が大きくなり、その結果、テラヘルツカスケードレーザの発振光として有効に利用し得る割合(取出し効率)を高くしにくい。 The terahertz cascade laser is expected as a terahertz light source that is small and easy to drive. However, since the wavelength of the terahertz wave emitted from the emission end face of the terahertz cascade laser is very long with respect to the emission region at the emission end face, the influence of diffraction appears remarkably and the spread angle becomes large. It is difficult to increase the ratio (extraction efficiency) that can be effectively used as the oscillation light of the cascade laser.
テラヘルツ波の広がり角を抑制する方法として、テラヘルツカスケードレーザの表面にリング状の回折格子構造を形成し、その表面から出射される高次の回折モードを利用する方法が知られている(非特許文献1及び2参照)。また、テラヘルツ波の広がり角を抑制する別の方法として、テラヘルツカスケードレーザとメタマテリアル構造の一次元漏れ波アンテナとを組み合わせる方法が知られている(非特許文献3及び4参照)。
As a method for suppressing the spread angle of a terahertz wave, a method is known in which a ring-shaped diffraction grating structure is formed on the surface of a terahertz cascade laser and a higher-order diffraction mode emitted from the surface is used (non-patent document).
しかしながら、非特許文献1及び2記載の方法では、高次の回折モードを利用するため、テラヘルツ波の取出し効率は必ずしも高くない。また、非特許文献3及び4記載の方法では、メタマテリアル構造の一次元漏れ波アンテナを用いるため、一次元方向においてテラヘルツ波の広がり角を抑制することができるだけである。
However, in the methods described in
そこで、本発明は、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can emit a terahertz wave whose divergence angle is suppressed in a two-dimensional direction with high extraction efficiency.
本発明の半導体レーザ装置は、第1の電極と、第1の電極上に設けられた環状の半導体積層体と、第1の電極と対向するように、且つ環状に並ぶように、半導体積層体上に設けられた複数の第2の電極と、第1の電極と対向し、第2の電極のそれぞれと電気的に接続された第3の電極と、第1の電極と第3の電極との間に設けられた第1の絶縁層と、を備え、半導体積層体は、量子カスケードレーザ構造を有し、第1の電極と第2の電極との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発生すると共に、第1の電極、第2の電極、第3の電極及び第1の絶縁層と共にメタマテリアルリング共振器として機能し、テラヘルツ波を外部に出射する。 A semiconductor laser device according to the present invention includes a first electrode, an annular semiconductor laminate provided on the first electrode, and a semiconductor laminate that faces the first electrode and is arranged in an annular shape. A plurality of second electrodes, a third electrode facing the first electrode and electrically connected to each of the second electrodes, a first electrode and a third electrode; The semiconductor stacked body has a quantum cascade laser structure, and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, whereby terahertz In addition to generating a wave, it functions as a metamaterial ring resonator together with the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the first insulating layer, and emits a terahertz wave to the outside.
この半導体レーザ装置では、量子カスケードレーザ構造を有する半導体積層体でテラヘルツ波が発生する。このとき、半導体積層体は、第1の電極、第2の電極、第3の電極及び第1の絶縁層と共にメタマテリアルリング共振器として機能するため、当該テラヘルツ波が半導体積層体の形状に応じたリング状のパターンをなして外部に出射される。しかも、半導体積層体がメタマテリアルリング共振器の構成の一部を兼ねているため、発生したテラヘルツ波が外部に出射する際のロスが生じにくい。よって、この半導体レーザ装置によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる。 In this semiconductor laser device, a terahertz wave is generated in a semiconductor stacked body having a quantum cascade laser structure. At this time, since the semiconductor stacked body functions as a metamaterial ring resonator together with the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the first insulating layer, the terahertz wave corresponds to the shape of the semiconductor stacked body. A ring-shaped pattern is emitted to the outside. In addition, since the semiconductor stacked body also serves as a part of the configuration of the metamaterial ring resonator, loss when the generated terahertz wave is emitted to the outside hardly occurs. Therefore, according to this semiconductor laser device, the terahertz wave whose divergence angle is suppressed in the two-dimensional direction can be emitted with high extraction efficiency.
ここで、第2の電極は、テラヘルツ波の波長の4分の1未満の周期で環状に並んでいてもよい。これによれば、テラヘルツ波に対するメタマテリアルリング共振器として、第1の電極、半導体積層体、第2の電極、第3の電極及び第1の絶縁層を良好に機能させることができる。 Here, the second electrodes may be arranged in a ring shape with a period of less than a quarter of the wavelength of the terahertz wave. According to this, as the metamaterial ring resonator with respect to the terahertz wave, the first electrode, the semiconductor stacked body, the second electrode, the third electrode, and the first insulating layer can function well.
また、第1の電極、半導体積層体、第2の電極、第3の電極及び第1の絶縁層は、メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数が0となるように、構成されていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器内での波長が無限大となり、周波数に依存しなくなるため、共振器長を自由に設計することが可能となる。また、テラヘルツ波の広がり角を、二次元方向においてより確実に抑制することができる。 In addition, the first electrode, the semiconductor stacked body, the second electrode, the third electrode, and the first insulating layer are dispersed so that the metamaterial ring resonator has a unit structure exhibiting balanced dispersion characteristics. You may be comprised so that the phase constant of a characteristic may be set to 0. According to this, since the wavelength in the metamaterial ring resonator becomes infinite and does not depend on the frequency, the resonator length can be freely designed. Further, the spread angle of the terahertz wave can be more reliably suppressed in the two-dimensional direction.
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体積層体を支持する基板を更に備え、第1の電極は、基板上に設けられていてもよい。これによれば、半導体レーザ装置の各構成の安定化を図ることができる。 The semiconductor laser device of the present invention may further include a substrate that supports the semiconductor stacked body, and the first electrode may be provided on the substrate. According to this, each component of the semiconductor laser device can be stabilized.
また、半導体積層体は、円形状であってもよい。これによれば、円形状のパターンをなすテラヘルツ波を出射することができる。 Further, the semiconductor stacked body may be circular. According to this, a terahertz wave forming a circular pattern can be emitted.
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体積層体の外側の側面に形成され、第2の電極のそれぞれと第3の電極とを電気的に接続する第4の電極と、半導体積層体と第4の電極との間に設けられた第2の絶縁層と、を更に備えていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が0となる構成を実現するための構造を単純化することができる。 The semiconductor laser device of the present invention is formed on the outer side surface of the semiconductor stacked body, and electrically connects the second electrode and the third electrode, the semiconductor stacked body, And a second insulating layer provided between the four electrodes. According to this, the structure for realizing the configuration in which the phase constant of the dispersion characteristic of the metamaterial ring resonator is 0 can be simplified.
本発明によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser device that can emit a terahertz wave whose divergence angle is suppressed in a two-dimensional direction with high extraction efficiency.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1〜図3に示されるように、半導体レーザ装置1は、InPからなる正方形板状の基板2を備えている。基板2の表面2aには、金及びインジウムからなる共通電極(第1の電極)3が設けられている。共通電極3の表面3aには、円形環状の半導体積層体4が設けられている。つまり、基板2は、半導体積層体4を支持している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
半導体積層体4は、InGaAs/InAlAsからなる量子カスケードレーザ構造を有している。半導体積層体4は、基板2の表面2a上の中央に配置されている。半導体積層体4の表面4aには、共通電極3と対向するように、且つ環状に並ぶように、金からなる複数の分割電極(第2の電極)5が設けられている。半導体積層体4は、共通電極3と分割電極5とに挟まれることで、金属導波路によるリング共振器を構成しており、共通電極3と分割電極5との間に電圧が印加されることにより、テラヘルツ波を発生させる。
The semiconductor stacked body 4 has a quantum cascade laser structure made of InGaAs / InAlAs. The semiconductor stacked body 4 is disposed at the center on the
共通電極3の表面3a上において、半導体積層体4が設けられた領域の外側の領域には、シリコン窒化膜からなる絶縁層(第1の絶縁層)6aが積層されている。また、半導体積層体4の外側の側面4b上にも、シリコン窒化膜からなる絶縁層(第2の絶縁層)6bが設けられている。そして絶縁層6a,6bは、互いに一体的に形成されている。すなわち、絶縁層6aは、共通電極3の表面3a上に延在し、半導体積層体4の外側の側面4bに接する部分で当該側面4bに沿うように折れ曲がり、そこから絶縁層6bとして連続して、当該側面4bをも覆っている。当該側面4bを覆った絶縁層6bの上端は、各分割電極5の表面に当接している。
On the
絶縁層6aの表面6c上には、共通電極3と対向するように、金からなる矩形状の複数の対向電極(第3の電極)7が設けられている。対向電極7の数は、分割電極5の数と同じであり、各対向電極7は、半導体積層体4の円環の半径方向において各分割電極5に対応するように、当該円環に沿って環状に配置されている。
A plurality of rectangular counter electrodes (third electrodes) 7 made of gold are provided on the
半導体積層体4の外側の側面4bには、絶縁層6bを介して金からなる複数の接続電極(第4の電極)8が形成されている。各接続電極8は、各分割電極5と各対向電極7とを電気的に接続している。つまり、各接続電極8及び各対向電極7は、各分割電極5を始端として絶縁層6b,6aに沿って延在している。
A plurality of connection electrodes (fourth electrodes) 8 made of gold are formed on the
分割電極5は、対象とするテラヘルツ波の波長の4分の1未満の周期で環状に並んでいる。すなわち、各分割電極5は、ギャップ9によって互いに離間され、半導体積層体4の表面4a上でメタマテリアル構造をなしている。これにより、半導体積層体4は、共通電極3、分割電極5、対向電極7、接続電極8及び絶縁層6a,6bと共にメタマテリアルリング共振器として機能し、半導体積層体4で発生したテラヘルツ波を外部に出射する。ここで周期とは、各分割電極5及びギャップ9が並ぶ周方向における一つの分割電極5及び一つのギャップ9の大きさの合計値に相当する。例えば、半導体積層体4の中心を通る円周の長さを、分割電極5(又はギャップ9)の数で除した値である。
The divided
ここで、半導体積層体4、共通電極3、分割電極5、対向電極7、接続電極8及び絶縁層6a,6bは、メタマテリアルリング共振器として平衡系の分散特性を示す単位構造ΔZを有するように、且つ分散特性の位相定数が0となるように、構成されている。メタマテリアルリング共振器の分散特性について、次に説明する。
Here, the semiconductor stacked body 4, the
図4は、半導体レーザ装置1においてメタマテリアルリング共振器として機能する部分の単位構造ΔZの等価回路を示している。図4(a)に示されるように、単位構造ΔZの等価回路は、隣り合う分割電極5の間に形成される直列キャパシタンスCLと、接続電極8に相当する並列インダクタンスLLと、対向電極7と共通電極3との間に形成される第1の並列キャパシタンスCgと、分割電極5と共通電極3との間に形成される第2の並列キャパシタンスCRと、分割電極5に相当する直列インダクタンスLRとの5つの要素からなる。この等価回路は、左手/右手系複合線路と考えることができ、いわゆる伝送線路型メタマテリアル構造をなしているといえる。
FIG. 4 shows an equivalent circuit of a unit structure ΔZ of a part that functions as a metamaterial ring resonator in the
ここで、並列インダクタンスLLと第1の並列キャパシタンスCgとにより構成されるインピーダンスZは、次の式(1)で表される。
(式中、ωはテラヘルツ波の角周波数を示し、jは虚数単位を示す。)
Here, the impedance Z constituted by the parallel inductance L L and the first parallel capacitance C g is expressed by the following equation (1).
(Wherein, ω represents the angular frequency of the terahertz wave, and j represents the imaginary unit.)
式(1)においてCgの値が十分に大きい場合は、Cgを含む項を無視することができるため、インピーダンスZはLLの項のみで構成されるものとみなすことができる。すなわち、図4(a)に示される等価回路は、図4(b)に示されるように、第1の並列キャパシタンスCgが存在しない等価回路とみなすことができる。 If the value of C g in Equation (1) is sufficiently large, the term including C g can be ignored, and therefore the impedance Z can be considered to be composed of only the L L term. That is, the equivalent circuit shown in FIG. 4 (a), may be as shown in FIG. 4 (b), regarded as an equivalent circuit in which the first parallel capacitance C g is not present.
この場合、分割電極5は、接続電極8を介して共通電極3に仮想的に接地されているといえる。つまり、対向電極7と共通電極3との間には絶縁層6aが存在するために直流回路としては繋がっていないものの、テラヘルツ領域の周波数の交流回路としては、対向電極7と共通電極3との間に形成される第1の並列キャパシタンスCgによって繋がっているために、テラヘルツ領域の周波数の交流回路としては、分割電極5が接続電極8を介して、電源が接続されている共通電極3に接地されていることになる。なお、直接の接地ではなく仮想の接地としている理由は、直流回路として分割電極5を共通電極3とを繋げると、半導体積層体4に電圧を印加することができなくなり、テラヘルツ波を発生させることができないからである。
In this case, it can be said that the divided
上記仮想的な接地は、例えば次のようにして実現することができる。絶縁層6a,6bを膜厚が0.1μm、且つ比誘電率が7のシリコン窒化膜とし、対向電極7のサイズを30μm×30μmとすれば、Cg=560fFとなり、式(1)でω=2THz×2πの場合においてCgを含む項を無視することができる。また、接続電極8を幅2μm、長さ10μmとすれば、LL=約5.7pHとなり、式(1)でω=2THz×2πの場合においてLLがCgを含む項よりも2桁程度大きくなり、Cgを含む項を無視することができる。従って、上記仮想的な接地が可能となる。
The virtual grounding can be realized as follows, for example. If the insulating
上記仮想的な接地が成立すると、メタマテリアルリング共振器は図4(b)に示される等価回路における上記4つの要素(CL,LL,CR,LR)を調整することで分散特性を制御することができる。ここで分散特性とは、位相定数βとテラヘルツ波の角周波数ωとの関係を表す特性であり、具体的には、図5に示されるグラフで表されるものである。また、位相定数βは次の式(2)で求められるものである。
ここで、半導体積層体4、共通電極3、分割電極5、対向電極7、接続電極8及び絶縁層6a,6bを構成する部材の形状や材質等、並びに、隣り合う分割電極5の間の距離(すなわちギャップ9の幅)等を種々変更することにより、メタマテリアルリング共振器が平衡系(すなわち(CL・LR)(−1/2)=(CR・LL)(−1/2)となる場合)の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数βが0となるように構成することができる。また、あらかじめ所望の角周波数ωを設定し、位相定数βが0のときにその角周波数ωとなるようにメタマテリアルリング共振器を構成することもできる。
Here, the shape and material of the members constituting the semiconductor laminate 4, the
例えば、単位構造の高さ、幅、長さをそれぞれ10μmとし、ギャップ9の幅を0.2μm、接続電極8の幅を2μm程度とすれば、CLとLRとで決まる角周波数ωseと、CRとLLとで決まる角周波数ωshとが2THz領域で一致し(図5におけるω軸上で重なり)、β=0で角周波数ωのギャップがない平衡系の分散特性を示す単位構造を作製することができる。
For example, the height of the unit structure, width, and 10μm in length, respectively, if the width of the
以上説明したように、半導体レーザ装置1では、量子カスケードレーザ構造を有する半導体積層体4でテラヘルツ波が発生する。このとき、半導体積層体4は、共通電極3、分割電極5、対向電極7、接続電極8及び絶縁層6a,6bと共にメタマテリアルリング共振器として機能するため、当該テラヘルツ波が半導体積層体4の形状に応じた円形状のパターンをなして外部に出射される。しかも、半導体積層体4がメタマテリアルリング共振器の構成の一部を兼ねているため、発生したテラヘルツ波が外部に出射する際のロスが生じにくい。よって、この半導体レーザ装置1によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる。
As described above, in the
ここで、接続電極8が半導体積層体4の外側の側面4bに形成されて分割電極5のそれぞれと対向電極7とを電気的に接続しており、半導体積層体4と接続電極との間には絶縁層6bが設けられているため、半導体レーザ装置1は、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が0となる構成を実現するための構造が単純化されているといえる。
Here, the
また、半導体レーザ装置1では、分割電極5がテラヘルツ波の波長の4分の1未満の周期で環状に並んでいるため、テラヘルツ波に対するメタマテリアルリング共振器として、共通電極3、半導体積層体4、分割電極5、対向電極7、接続電極8及び絶縁層6a,6bが良好に機能する。
In the
更に、半導体レーザ装置1では、共通電極3、半導体積層体4、分割電極5、対向電極7、接続電極8及び絶縁層6a,6bは、メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数が0となるように、構成されているため、メタマテリアルリング共振器内での波長が無限大となり、周波数に依存しなくなるため、共振器長を自由に設計することが可能となる。また、テラヘルツ波の広がり角を、二次元方向においてより確実に抑制することができる。すなわち、位相定数が0となる状態では、メタマテリアルリング共振器からテラヘルツ波が真上に(つまり、半導体積層体4の円形状がなす平面に対して垂直方向に)出射する。
Further, in the
また、半導体レーザ装置1では、半導体積層体4を支持する基板を更に備え、共通電極3が基板上に設けられているため、半導体レーザ装置1の各構成の安定化が図られている。
In addition, since the
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何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では半導体積層体の環状形状が円形状である態様を示したが、図6に示されるように、環状形状は六角形その他の多角形であってもよい。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the embodiment in which the annular shape of the semiconductor stacked body is a circular shape is shown. However, as shown in FIG. 6, the annular shape may be a hexagon or other polygons.
また、上記実施形態では、絶縁層6a,6bが一体的に形成されている態様を示したが、半導体レーザ装置1が本発明の効果を奏するように構成される限りにおいて、絶縁層6a,6bは、互いに別の部材としてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the insulating
また、上記実施形態では、分割電極5と対向電極7とを電気的に接続する手段として、半導体積層体4の外側の側面4bに形成された接続電極8を示したが、ワイヤー接続やスルーホール接続等を用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
1…半導体レーザ装置、2…基板、3…共通電極(第1の電極)、4…半導体積層体、4b…半導体積層体の外側の側面、5…分割電極(第2の電極)、6a,6b…絶縁層(第1の絶縁層,第2の絶縁層)、7…対向電極(第3の電極)、8…接続電極(第4の電極)。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の電極上に設けられた環状の半導体積層体と、
前記第1の電極と対向するように、且つ環状に並ぶように、前記半導体積層体上に設けられた複数の第2の電極と、
前記第1の電極と対向し、前記第2の電極のそれぞれと電気的に接続された第3の電極と、
前記第1の電極と前記第3の電極との間に設けられた第1の絶縁層と、を備え、
前記半導体積層体は、量子カスケードレーザ構造を有し、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発生すると共に、前記第1の電極、前記第2の電極、前記第3の電極及び前記第1の絶縁層と共にメタマテリアルリング共振器として機能し、前記テラヘルツ波を外部に出射する、半導体レーザ装置。 A first electrode;
An annular semiconductor stack provided on the first electrode;
A plurality of second electrodes provided on the semiconductor stacked body so as to face the first electrode and to be arranged in a ring shape;
A third electrode facing the first electrode and electrically connected to each of the second electrodes;
A first insulating layer provided between the first electrode and the third electrode,
The semiconductor stacked body has a quantum cascade laser structure, and generates a terahertz wave when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and the first electrode, A semiconductor laser device that functions as a metamaterial ring resonator together with the second electrode, the third electrode, and the first insulating layer, and emits the terahertz wave to the outside.
前記第1の電極は、前記基板上に設けられている、請求項1〜3のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。 A substrate for supporting the semiconductor laminate;
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first electrode is provided on the substrate.
前記半導体積層体と前記第4の電極との間に設けられた第2の絶縁層と、を更に備える、請求項1〜5のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。 A fourth electrode formed on an outer side surface of the semiconductor stacked body and electrically connecting each of the second electrodes and the third electrode;
The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising: a second insulating layer provided between the semiconductor stacked body and the fourth electrode.
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