JP2017050307A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 差周波発生によって生成された光を好適に出力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、基板の第１面１０ａ上に設けられ、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た活性層１５とを備えて、量子カスケードレーザ２Ａを構成する。活性層１５は、周波数ω１の第１ポンプ光及び周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であって、差周波発生によって差周波数ωの出力光を生成するように構成されている。活性層１５を含む素子構造部１１の外部には、第１ポンプ光を生成する外部共振器を構成し、周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子２５が設けられている。また、基板の第２面１０ｂにおいて、共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝１２が設けられている。
【選択図】 図１

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。
国際公開ＷＯ２０１４／０１８５９９号 特開平８−２７９６４７号公報 特表２０１０−５２１８１５号公報 特開２０１１−０３５１３９号公報 特開２０１１−２４３７８１号公報 特開２０１３−０９８２５１号公報
K. Vijayraghavan et al.,"Terahertz sources based on Cerenkov difference-frequency generation inquantum cascade lasers", Appl. Phys. Lett. Vol.100 (2012) pp.251104-1 -251104-4 K. Vijayraghavan et al.,"Broadly tunable terahertz generation in mid-infrared quantum cascadelasers", Nat. Commun. Vol.4 Art.2021 (2013) pp.1-7 R. Kohler et al.,"Terahertz semiconductor-heterostructure laser", NATURE Vol.417(2002) pp.156-159 S. Fathololoumi et al.,"Terahertz quantum cascade lasers operating up to 〜200 K with optimized oscillator strength and improved injectiontunneling", Optics Express Vol.20 (2012) pp.3866-3876 Q. Y. Lu et al., "Roomtemperature single-mode terahertz sources based on intracavitydifference-frequency generation in quantum cascade lasers", Appl. Phys.Lett. Vol.99 (2011) 131106-1 - 131106-3 Q. Y. Lu et al., "Widelytuned room temperature terahertz quantum cascade laser sources based ondifference-frequency generation", Appl. Phys. Lett. Vol.101 (2012)pp.251121-1 - 251121-4 Q. Y. Lu et al., "Roomtemperature terahertz quantum cascade laser sources with 215 μW output power through epilayer-down mounting", Appl. Phys.Lett. Vol.103 (2013) pp.011101-1 - 011101-4 Q. Y. Lu et al.,"Continuous operation of a monolithic semiconductor terahertz source atroom temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.104 (2014) pp.221105-1 - 221105-5 C. Pflugl et al.,"Surface-emitting terahertz quantum cascade laser source based onintracavity difference-frequency generation", Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008)pp.161110-1 - 161110-3 Y. Jiang et al.,"External cavity terahertz quantum cascade laser sources based onintra-cavity frequency mixing with 1.2-5.9 THz tuning range", J. OptVol.16 (2014) 094002 pp.1-9
量子カスケードレーザでは、１９９４年の発振成功以来、発振波長の長波長化が積極的に進められており、２００２年にはテラヘルツ（ＴＨｚ）帯でのレーザ発振がR. Kohlerらによって報告された（非特許文献３：NATURE Vol.417(2002) pp.156-159）。テラヘルツ帯とは、波長に換算すると１００μｍ前後、例えば波長６０μｍ〜３００μｍ程度のいわゆる遠赤外領域であり、電波と光との境界に相当する領域である。テラヘルツ光（テラヘルツ波）は、電波の透過性と光の直進性とを併せ持つという特徴から、これまでにないセンシング手段として、医療生体、セキュリティ、通信、宇宙観測など、様々な分野で応用が検討されている。
従来構造の半導体レーザでは、このようなテラヘルツ帯までの長波長化は困難であったが、量子カスケードレーザでは、上記したようにテラヘルツ帯での発振を実現している。しかしながら、現状では依然として、液体窒素を利用した極低温環境にレーザ動作が限られているため、産業応用上の有用性の点で問題がある。
例えば、S. Fathololoumiら（非特許文献４：Optics Express Vol.20 (2012) pp.3866-3876）によれば、活性層をＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）の３重量子井戸構造のカスケード結合で構成した場合に、発振周波数２．８５ＴＨｚにて最高動作温度〜２００Ｋが報告されている。しかしながら、現状の方法では、さらなる高温動作化は非常に困難な状況である。
一方、M. A. Belkinらは、２波長発振型中赤外ＱＣＬを用い、ＱＣＬ内における２次の非線形光学効果によって、差周波発生（ＤＦＧ：difference frequency generation）でテラヘルツ光（ＴＨｚ光）を発生させることに成功している（特許文献３：特表２０１０−５２１８１５号公報）。このような構成でテラヘルツ光を発生させるＱＣＬ（ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬ）では、既に室温で動作可能であることが確認されており、さらなる特性向上が期待されている。
最近では、Northwestern大学のグループからもＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬについての報告がなされている（非特許文献５：Appl. Phys. Lett. Vol.99 (2011) 131106-1 - 131106-3、非特許文献６：Appl. Phys. Lett. Vol.101 (2012) pp.251121-1 - 251121-4、非特許文献７：Appl. Phys. Lett. Vol.103 (2013) pp.011101-1 - 011101-4）。また、ごく最近、μＷレベルの室温連続動作が実現されており、室温でｍＷレベルの出力も報告されているが、１０Ａ以上の大電流が必要な状況であり、さらなる特性の向上が求められている（非特許文献８：Appl. Phys. Lett. Vol.104 (2014) pp.221105-1 - 221105-5）。
ＴＨｚ−ＱＣＬの特性向上における課題の１つとして、活性層内で生成されたテラヘルツ光の基板内部での再吸収がある。量子カスケードレーザの基板として、不純物をドープしていないＩｎＰ基板を用いた場合であっても、例えば周波数３ＴＨｚの光に対して吸収係数は２０ｃｍ−１程度となる。このとき、コヒーレンス長は１００μｍ程度であり、したがって、活性層で生成されるテラヘルツ光のほとんどが、外部に取り出されずに基板内部で吸収されることとなる。
現在、テラヘルツ光の高い取り出し効率を実現するため、チェレンコフ位相整合を適用する方法が用いられており、例えば、角度２０°もしくは３０°程度で研磨された素子端面をテラヘルツ光の出力端面とする構成が用いられている（例えば、特許文献１：国際公開ＷＯ２０１４／０１８５９９号、非特許文献１：Appl. Phys. Lett. Vol.100 (2012) pp.251104-1 - 251104-4、非特許文献２：Nat. Commun. Vol.4 Art.2021 (2013) pp.1-7参照）。その結果として、μＷレベルのテラヘルツ光出力が実現されているが、実用化に向けて充分な出力は得られていない。このように素子端面を研磨する構成では、外部に取り出すことができるテラヘルツ光は、基板内部での吸収等により、端面近傍の数１００μｍ程度の範囲において生成された光にとどまる。
また、ＴＨｚ−ＱＣＬにおいて、金属グレーティングを用いた素子表面からのテラヘルツ光出力の取り出し手法が検討されている。しかしながら、このような構成では、金属による光の損失、及びテラヘルツ光に対するモード結合効率が最適化されていないなどの問題があり、現時点で、チェレンコフ位相整合を用いたＱＣＬを上回る良好なテラヘルツ出力特性は得られていない（非特許文献９：Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008) pp.161110-1 - 161110-3）。
また、上記した素子端面を所定角度で研磨してテラヘルツ光の出力端面とする構成に関連して、レーザ素子の共振器構造において回折格子による外部共振器を用いて、差周波発生に用いられる２波長の中赤外ポンプ光成分のうちの一方の波長を可変とし、それによってテラヘルツ光の波長を可変とする構成が提案されている（非特許文献２：Nat. Commun. Vol.4 Art.2021 (2013) pp.1-7、非特許文献１０：J. Opt Vol.16 (2014) 094002 pp.1-9）。しかしながら、このような構成では、基板の屈折率分散等により、素子端面からのテラヘルツ光の出力角度が波長によって変化するなどの問題がある。
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、差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を好適に出力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）半導体基板の第１面上に設けられ、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が形成された活性層とを備え、（３）活性層は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であって、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって、第１周波数ω１及び第２周波数ω２の差周波数ωの出力光を生成するように構成され、（４）半導体基板の第１面上に設けられた活性層を含む素子構造部の外部に、第１周波数ω１の光を素子構造部へと帰還させることで第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成するとともに、第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子が設けられ、（５）半導体基板の第１面とは反対側の第２面において、レーザ共振器構造での共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝が設けられていることを特徴とする。
上記した量子カスケードレーザでは、第１周波数（角周波数、以下単に周波数という）ω１の第１ポンプ光と、第２周波数ω２の第２ポンプ光との２周波数の光成分を生成可能なように、活性層を構成している。このような構成では、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生を利用することにより、例えばテラヘルツ光などの長波長の出力光を差周波数ω＝｜ω１−ω２｜の光として生成することができる。
また、このような活性層を含んで半導体基板の第１面上に設けられた半導体積層構造である素子構造部の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成する外部回折格子を設けるとともに、この外部回折格子を、外部共振器において共振される光の第１周波数ω１が変更可能なように構成している。このような構成では、第１ポンプ光の周波数ω１を変更することにより、差周波発生によって生成されるテラヘルツ光などの出力光の周波数ωを可変とすることができる。
また、上記構成では、活性層で差周波発生によって生成される出力光に対し、半導体基板の裏面である第２面において、レーザ素子での光の共振方向と交差する方向に延びる溝を複数形成している。このような構成によれば、基板裏面に設けられた複数の溝それぞれの側面を出力光の出力面として機能させて、活性層において差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を好適に出力することが可能となる。また、このように複数の溝を用いる構成では、出力光の周波数ωを可変とした場合でも、溝内部での光の反射等により、光の出力角度分布の変化を抑制することができる。
ここで、上記構成において、溝の形状については、複数の溝のそれぞれは、溝内部の幅が第２面側から深さ方向に単調減少するとともに、その側面の第２面に垂直な方向に対する傾斜角度θｇが変化していく曲面形状に形成されている構成とすることが好ましい。このような構成によれば、溝側面での位置によって光の出力角度が変化することで、出力光の周波数ωの変化による出力角度分布の変化を好適に抑制することができる。
また、上記構成の量子カスケードレーザは、半導体基板の第１面上に設けられた素子構造部の内部に、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子が設けられている構成としても良い。このような構成によれば、差周波発生に用いられる第１ポンプ光及び第２ポンプ光を、外部回折格子による外部共振器、及び内部回折格子による分布帰還共振器によって好適に生成することができる。
また、上記構成の量子カスケードレーザは、半導体基板の第２面上に、複数の溝から外部へと出力される出力光が通過するレンズ素子が設けられている構成としても良い。このような構成によれば、第２面上のレンズ素子により、外部へと出力される光の出力条件を好適に設定、制御することができる。
また、上記構成において、複数の溝の形成方向については、複数の溝は、半導体基板の第２面において、共振方向と直交する方向にそれぞれ形成されていることが好ましい。これにより、複数の溝それぞれの側面を、テラヘルツ光などの出力光の出力面として好適に機能させることができる。
また、半導体基板は、その厚さｔが５０μｍ以上２００μｍ以下である構成とすることが好ましい。
また、複数の溝のそれぞれは、溝の深さをｈとして、その幅ｗがｈ／１０以上２ｈ以下（深さｈの１／１０以上２倍以下）となるように形成されている構成とすることが好ましい。
また、複数の溝のそれぞれは、半導体基板の厚さをｔとして、その深さｈが３０μｍ以上ｔ−２０μｍ以下となるように形成されている構成とすることが好ましい。
また、複数の溝のそれぞれは、出力光の波長をλとして、その深さｈがλ／１０以上２λ以下（出力光の波長λの１／１０以上２倍以下）となるように形成されている構成とすることが好ましい。
また、複数の溝は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／２以上２ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ以下となるように形成されていることが好ましい。あるいは、複数の溝は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ／２以上となるように形成されていることが好ましい。
これらの構成によれば、半導体基板の第２面に形成された複数の溝のそれぞれの側面から、テラヘルツ光などの出力光を充分な強度で好適に出力させることができる。
本発明の量子カスケードレーザによれば、第１周波数ω１の第１ポンプ光と、第２周波数ω２の第２ポンプ光とを生成可能であって、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって差周波数ωの出力光を生成するように活性層を構成し、活性層を含む素子構造部の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成して第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子を設けるとともに、半導体基板の裏面である第２面において、レーザ素子での光の共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝を設けることにより、差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を好適に出力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におけるレーザ素子本体の構成、及び差周波発生による出力光の生成について示す側面図である。 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。 半導体基板の第２面に形成される溝の構成について示す側面図である。 半導体基板の第２面に形成される溝の構成について示す側面図である。 従来構成の量子カスケードレーザでの光の出力条件について示す図である。 曲面形状の溝からの光の出力条件について示す図である。 曲面形状の溝からの光の出力条件について示す図である。 半導体基板の第２面に形成される溝の構成について示す側面図である。 量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す側面断面図である。 量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す正面図である。 活性層を構成する単位積層体の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素子構造の一例を示す正面図である。 量子カスケードレーザの素子構造の他の例を示す斜視図である。 レンズ素子を用いた場合の量子カスケードレーザの構成の一例を示す側面断面図である。 図１６に示した量子カスケードレーザの構成を示す斜視図である。 レンズ素子を用いた場合の量子カスケードレーザの構成の他の例を示す側面断面図である。 図１８に示した量子カスケードレーザの構成を示す斜視図である。
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、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。また、図２は、図１に示した量子カスケードレーザにおけるレーザ素子本体の構成、及び差周波発生による出力光の生成について示す側面図である。本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間で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２Ａは、レーザ素子本体１Ａと、コリメートレンズ２０と、外部回折格子２５とを備えて構成されている。また、レーザ素子本体１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０の第１面（表面）１０ａ上に形成された活性層１５を含む素子構造部１１とを備えて構成されている。
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、図２に示すように、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。発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は、レーザ素子の具体的な構成、特性等に応じて適宜設定される。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。
また、本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａにおけるレーザ素子本体１Ａでは、活性層１５は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であるとともに、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生（ＤＦＧ）によって、第１周波数ω１及び第２周波数ω２の差周波数ω＝｜ω１−ω２｜の出力光を生成するように構成されている。なお、ポンプ光成分の周波数ω１、ω２は、活性層１５におけるサブバンド準位構造、及び後述する周波数（波長）選択用の内部回折格子１３、外部回折格子２５によって決定される。
このような構成において、活性層１５で生成される周波数ω１、ω２の第１ポンプ光、第２ポンプ光それぞれは、例えば中赤外光となる。また、差周波発生によって生成される周波数ωの光は、例えばテラヘルツ光などの長波長の光となる。なお、図２においては、レーザ共振器構造での第１ポンプ光及び第２ポンプ光の共振方向（ポンプ光の進行方向）を矢印Ａ０によって示している。この共振方向Ａ０は、活性層１５を含む半導体積層構造である素子構造部１１が形成される基板１０の第１面１０ａと略平行である。
図３は、図１、図２に示した量子カスケードレーザ２Ａの活性層１５の構成、及び活性層１５におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。本実施形態における活性層１５は、ＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造（特許文献４：特開２０１１−０３５１３９号公報、特許文献５：特開２０１１−２４３７８１号公報、特許文献６：特開２０１３−０９８２５１号公報参照）を有し、第１周波数ω１の光、及び第２周波数ω２の光を生成可能に構成されている。
図３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。
本実施形態における単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位（準位４）Ｌｕｐ１＝Ｌ４と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位（準位５）Ｌｕｐ２＝Ｌ５と、複数の発光下準位とを有している。また、図３に示す構成例では、発光下準位よりも低いエネルギーを有する準位として、緩和準位Ｌｒが設けられている。
また、単位積層体１６は、上記のサブバンド準位構造においてさらに具体的に、それぞれ第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位として、第１発光下準位（準位１）Ｌｌｏｗ１＝Ｌ１と、第１発光下準位よりも高いエネルギーを有する第２発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗ２＝Ｌ２と、第２発光下準位よりも高いエネルギーを有する第３発光下準位（準位３）Ｌｌｏｗ３＝Ｌ３とを有している。
また、図３に示す単位積層体１６では、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁（injection barrier）層が設けられている。また、発光層１７と、注入層１８との間においても、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が必要に応じて設けられる。ただし、図３では、発光層１７と注入層１８との間については、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層のみを設ける構成を例示している。
単位積層体１６でのサブバンド準位構造における各準位の間隔構成については、具体的には、第１発光上準位Ｌｕｐ１から第１発光下準位Ｌｌｏｗ１への発光遷移（４→１）のエネルギーΔＥ４１、及び第２発光上準位Ｌｕｐ２から第２発光下準位Ｌｌｏｗ２への発光遷移（５→２）のエネルギーΔＥ５２が、それぞれ、第１周波数ω１の光のエネルギーＥ１と略一致している（ΔＥ４１＝ΔＥ５２＝Ｅ１）。また、第１発光上準位Ｌｕｐ１から第２発光下準位Ｌｌｏｗ２への発光遷移（４→２）のエネルギーΔＥ４２、及び第２発光上準位Ｌｕｐ２から第３発光下準位Ｌｌｏｗ３への発光遷移（５→３）のエネルギーΔＥ５３が、それぞれ、第２周波数ω２の光のエネルギーＥ２と略一致している（ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２）。本構成例では、第１、第２周波数ω１、ω２は条件ω１＞ω２を満たすように設定されており、その差周波数はω＝ω１−ω２となっている。
また、上記準位構造において、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１と第２発光下準位Ｌｌｏｗ２とのエネルギー差ΔＥ２１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２と第３発光下準位Ｌｌｏｗ３とのエネルギー差ΔＥ３２、及び第１発光上準位Ｌｕｐ１と第２発光上準位Ｌｕｐ２とのエネルギー差ΔＥ５４は、それぞれ、第１、第２周波数ω１、ω２の差周波数ωの光のエネルギーＥ＝Ｅ１−Ｅ２と略一致している（ΔＥ２１＝ΔＥ３２＝ΔＥ５４＝Ｅ）。
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでの緩和準位Ｌｒからの電子は、注入障壁を介して発光層１７へと注入され、これによって、緩和準位Ｌｒと結合している第２発光上準位Ｌｕｐ２が強く励起される。また、このとき、電子−電子散乱などの高速散乱過程を介して、第１発光上準位Ｌｕｐ１にも充分な電子が供給されて、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の両方に充分なキャリアが供給される。
第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２に注入された電子は、第１、第２、第３発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３のそれぞれへと遷移し、このとき、発光上準位と下準位とのサブバンド準位間のエネルギー差に相当するエネルギーの光が生成、放出され、特に、第１周波数ω１でエネルギーＥ１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２でエネルギーＥ２の第２ポンプ光が生成、放出される。
発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３へと遷移した電子は、緩和準位Ｌｒへと緩和される。このように、発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３から電子を引き抜くことにより、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３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。ここで、電子の緩和に用いられる緩和準位Ｌｒについては、図３では１つの準位のみを模式的に示しているが、複数の準位、あるいはミニバンドによって緩和準位を構成しても良い。また、発光下準位から緩和準位Ｌｒへと緩和された電子は、注入層１８を介して、緩和準位Ｌｒから、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２へとカスケード的に注入される。
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体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をカスケード的に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間発光遷移の際に、第１周波数ω１の第１ポンプ光、第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成される。また、これらの第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって、テラヘルツ光などの差周波数ωの光が生成、出力される。
なお、活性層１５の構成については、その具体例とともにさらに後述する。また、活性層１５については、図３に示した構成に限らず、第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能な様々な構成を用いて良い。
再び図１、図２を参照する。本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａでは、図１に示すように、半導体基板１０の第１面１０ａ上に設けられた活性層１５を含む素子構造部１１の外部に、第１周波数ω１の光を素子構造部１１へと帰還させる外部回折格子２５が設けられている。この外部回折格子２５は、具体的には、素子本体１Ａのレーザ共振器構造での第１端面１１ａと対向する位置に、コリメートレンズ２０を介して配置されている。これにより、レーザ素子本体１Ａの第２端面１１ｂと、外部回折格子２５とによって、第１周波数ω１の第１ポンプ光を生成するための外部共振器（ＥＣ：external cavity）が構成されている。
また、本構成例では、外部回折格子２５に対して、回折格子２５を回転駆動して光軸に対する設置角度を変えることで、共振周波数可変機構（共振波長可変機構）として機能する回転ステージ２６が設けられている。これにより、外部回折格子２５を用いた外部共振器は、第１ポンプ光の第１周波数ω１を変更可能に構成されている。
また、量子カスケードレーザ２Ａでは、図１、図２に模式的に示すように、活性層１５を含む素子構造部１１の内部に、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）共振器を構成する内部回折格子１３が設けられている。以上の構成により、本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａでは、外部共振器の外部回折格子２５、及び分布帰還共振器の内部回折格子１３の構成によって、第１ポンプ光の周波数ω１、及び第２ポンプ光の周波数ω２が決定されている。また、外部回折格子２５による共振周波数ω１が回転ステージ２６によって可変に構成されていることにより、差周波発生によって生成される出力光の周波数ωが可変とされている。
なお、量子カスケードレーザ２Ａにおけるレーザ共振器構造で共振、生成される２波長のポンプ光成分の周波数ω１、ω２については、図３に示した準位構造での準位間エネルギーに関して上述した周波数ω１、ω２とは略一致していても良く、あるいは一致していなくても良い。ここで、図３に示した結合二重上準位構造（ＤＡＵ構造）では、後述するように、例えば単峰で広帯域な発光スペクトルが得られる。ポンプ光の周波数ω１、ω２については、このような発光スペクトルにおいて、例えば、内部回折格子１３によって決まる第２周波数ω２を、ゲインピークと一致しない任意の周波数に固定に設定し、一方、外部回折格子２５によって決まる第１周波数ω１を、周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定する構成を用いることができる。また、図３の準位構造ではω１＞ω２としているが、ω１＜ω２となるように周波数ω１、ω２を設定しても良い。
図１、図２に示した素子本体１Ａを含む量子カスケードレーザ２Ａの構成について、さらに説明する。なお、以下の説明においては、第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光それぞれを中赤外光とし、差周波数ωの出力光をテラヘルツ光とし、また、半導体基板１０の半導体材料としてＩｎＰを用いた例について、主に説明する。ここで、ＩｎＰ基板のテラヘルツ帯での屈折率は、周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光に対してｎＴＨｚ＝３．６である。また、ポンプ光として用いられる中赤外光に対する実効屈折率は、ｎＭＩＲ＝３．３７である。ただし、本実施形態による量子カスケードレーザ２Ａの構成は、このような構成に限定されるものではない。
本実施形態による量子カスケードレーザ２Ａでは、差周波発生による差周波数ωの光の生成、出力において、チェレンコフ位相整合を用いている。チェレンコフ位相整合は、擬似的な位相整合方法であって、中赤外ポンプ光の進行方向Ａ０に対して、図２中に右下方向へ向かう実線矢印Ａ１、及び左下方向へ向かう破線矢印Ａ２によって示すように、有限の放射角度θｃを有する方向にテラヘルツ出力光が放射される。また、図２中において、放射方向Ａ１とともに示す点線Ａ３は、テラヘルツ光の波面を示している。
チェレンコフ放射は、差周波数ωがテラヘルツ波に相当する２波長のポンプ光成分が非線形光学結晶に入射する際に、その２波長成分の位相差に応じた空間分布を有する２次の非線形分極が誘起されることによって発生する。この非線形分極は、２波長のポンプ光成分の差周波数となる周波数を有し、各点での非線形分極の位相に応じたタイミングでテラヘルツ光を放射している。
この結果として、屈折率分散により、テラヘルツ帯でのＩｎＰ基板の屈折率ｎＴＨｚ＝３．６が中赤外領域での実効屈折率ｎＭＩＲ＝３．３７よりも大きい場合、結晶内で発生したテラヘルツ光は、図２に示す放射方向Ａ１、Ａ２に同位相で伝搬する。また、このときのチェレンコフ放射角度θｃは、周波数を３ＴＨｚとして下記式
θｃ＝ｃｏｓ−１（ｎＭＩＲ／ｎＴＨｚ）〜２０°
で表される。すなわち、ＩｎＰ基板１０上に活性層１５を含む半導体積層構造を成長したＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬでは、図２に示すように、差周波発生によって生成されるテラヘルツ光は、約２０°の放射角度で活性層１５から下方へと伝搬する。
活性層１５で発生してチェレンコフ放射されたテラヘルツ光は、上記した放射角度θｃの方向にＩｎＰ基板１０の内部を伝搬し、最終的に、基板１０と素子外部の空気との界面である、基板１０の第１面１０ａとは反対側の第２面（裏面）１０ｂに到達する。このとき、ＩｎＰ基板１０のテラヘルツ光に対する屈折率ｎＴＨｚ＝３．６に対して、空気の屈折率はｎａｉｒ＝１と大きく異なる。このため、第２面１０ｂにおいて全反射が生じて、テラヘルツ光を出力光として素子外部に取り出すことが困難である。
これに対して、図２に示すレーザ素子本体１Ａを含む量子カスケードレーザ２Ａでは、半導体基板１０の第２面１０ｂにおいて、レーザ共振器構造での共振方向Ａ０と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝１２を設けている。このような構成では、図２中に矢印Ａ５によって模式的に示すように、複数の溝１２のそれぞれから、テラヘルツ出力光が外部の基板下方へと出力される。
本実施形態によるレーザ素子本体１Ａを有する量子カスケードレーザ２Ａの効果について説明する。
図１、図２に示した量子カスケードレーザ２Ａでは、図３に活性層１５の構成例を示したように、第１周波数ω１の第１ポンプ光と、第２周波数ω２の第２ポンプ光との２周波数の光成分を生成可能なように活性層１５を構成している。このような構成では、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生を利用することにより、例えばテラヘルツ光などの長波長の出力光を、差周波数ωの光として生成することができる。
また、このような活性層１５を含んで半導体基板１０の第１面１０ａ上に設けられた素子構造部１１の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成する外部回折格子２５を設けるとともに、この外部回折格子２５を、外部共振器において共振される光の第１周波数ω１が変更可能なように構成している。このような構成では、第１ポンプ光の周波数ω１を可変とすることにより、差周波発生によって生成されるテラヘルツ光などの出力光の周波数ωを連続的に可変に制御することができる。
また、上記構成の量子カスケードレーザ２Ａでは、活性層１５で差周波発生によって生成される出力光に対し、半導体基板１０の裏面である第２面１０ｂにおいて、レーザ素子での光の共振方向Ａ０と交差する方向に延びる溝１２を複数形成している。このような構成によれば、基板裏面１０ｂに設けられた複数の溝１２それぞれの側面、内面を出力光の出力面として機能させることで、活性層１５において差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を好適に出力することが可能となる。また、このように外部への光出力に複数の溝１２を用いる構成では、上記したように出力光の周波数ωを外部共振器によって可変とした場合でも、溝内部での光の反射等により、外部への光の出力角度（出力角度分布）の変化を抑制することができる。
ここで、上記構成において、基板裏面１０ｂに形成される溝１２の形状については、複数の溝１２のそれぞれは、溝内部の幅が第２面１０ｂ側から深さ方向に単調減少するとともに、その側面の第２面１０ｂに垂直な方向（レーザ素子での半導体積層方向）に対する傾斜角度θｇが変化していく曲面形状に形成されている構成とすることが好ましい。このような構成によれば、溝側面での位置によって光の出力角度が変化することで、出力光の周波数ωの変化による出力角度分布の変化を好適に抑制することができる。
また、上記構成の量子カスケードレーザ２Ａは、上述したように、外部共振器を構成する外部回折格子２５に加えて、半導体基板１０の第１面１０ａ上に設けられた素子構造部１１の内部に、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子１３が設けられている構成としても良い。このような構成によれば、ポンプ光成分の第１、第２周波数ω１、ω２を、外部回折格子２５による外部共振器、及び内部回折格子１３による分布帰還共振器によって好適に設定、制御して、差周波発生に用いられる第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成することができる。
また、上記構成の量子カスケードレーザ２Ａは、半導体基板１０の第２面１０ｂ上に、複数の溝１２から外部へと出力される出力光が通過するレンズ素子が設けられている構成としても良い。このような構成によれば、第２面１０ｂ上のレンズ素子により、外部へと出力される光の出力角度分布などの出力条件を好適に設定、制御することができる。このようなレンズ素子を用いる構成については、具体的にはさらに後述する。
また、上記構成において、半導体基板１０の第２面１０ｂにおける複数の溝１２の形成方向については、複数の溝１２は、第２面１０ｂにおいて、光の共振方向Ａ０と直交する方向にそれぞれ形成されていることが好ましい。これにより、複数の溝１２それぞれの側面を、テラヘルツ光などの出力光の出力面として好適に機能させることができる。
また、レーザ素子本体１Ａにおける半導体基板１０、及び第２面１０ｂの複数の溝１２等の具体的な構成については、半導体基板１０は、その厚さｔが５０μｍ以上２００μｍ以下である構成とすることが好ましい。
また、複数の溝１２のそれぞれは、溝の深さをｈとして、その幅ｗがｈ／１０以上２ｈ以下（深さｈの１／１０以上２倍以下）となるように形成されている構成とすることが好ましい。
また、複数の溝１２のそれぞれは、半導体基板１０の厚さをｔとして、その深さｈが３０μｍ以上ｔ−２０μｍ以下となるように形成されている構成とすることが好ましい。また、複数の溝１２のそれぞれは、出力光の波長をλとして、その深さｈがλ／１０以上２λ以下（出力光の波長λの１／１０以上２倍以下）となるように形成されている構成とすることが好ましい。
また、複数の溝１２は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／２以上２ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ以下となるように形成されていることが好ましい。あるいは、複数の溝１２は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ／２以上となるように形成されていることが好ましい。
また、複数の溝１２のそれぞれは、その側面の第２面１０ｂに垂直な方向（レーザ素子での半導体積層方向）に対する傾斜角度θｇが４°以上２０°以下となるように形成されている構成とすることが好ましい。
これらの構成によれば、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成された複数の溝１２のそれぞれの側面、内面から、テラヘルツ光などの出力光を充分な強度で好適に出力させることが可能となる。なお、これらの半導体基板１０、及び複数の溝１２等の構成条件については、具体的にはさらに後述する。
図１、図２に示した素子本体１Ａを有する量子カスケードレーザ２Ａにおける複数の溝１２でのテラヘルツ光の出力条件について、さらに説明する。図４、図５は、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成される溝１２の構成について示す側面図である。
上記実施形態による量子カスケードレーザ２Ａでは、図４に示すように、基板１０の第２面１０ｂに複数の溝１２を形成する。そして、放射角度θｃで放射方向Ａ１にチェレンコフ放射されたテラヘルツ光を、溝１２の側面の半導体と空気との界面において屈折させて、出力方向Ａ６で出力光として外部に取り出す。
ここで、上述したように、半導体基板１０を半絶縁性ＩｎＰ基板とし、周波数３ＴＨｚを想定して活性層１５から下方へのテラヘルツ光の放射角度をθｃ＝２０°とし、また、溝１２の側面の第２面１０ｂに垂直な方向に対する傾斜角度をθｇ＝１０°とした場合を例として考える。このような構成では、基板１０の内部を伝搬するテラヘルツ光は、溝１２の側面に対して入射角度θｉｎ＝１０°で入射する。
このとき、テラヘルツ帯でのＩｎＰ基板１０の屈折率ｎＴＨｚ＝３．６に対して、空気の屈折率はｎａｉｒ＝１であり、スネルの法則
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２
により、テラヘルツ光は溝１２の側面から下方に出射角度θｏｕｔ＝４０°で屈折して出力される。これにより、結果的に、複数の溝１２を介した半導体基板１０の面方向へのテラヘルツ光の出力が可能となる。
ここで、溝１２の側面の傾斜角度がθｇ＝０°で、溝側面がへき開端面と平行な場合には、テラヘルツ光は全反射されて外部へは出力されない。放射角度θｃ＝２０°でテラヘルツ光が基板１０内部を伝搬している場合には、溝側面の傾斜角度θｇが４°以上の角度で、テラヘルツ光が全反射せずに基板１０の面方向に出力される。一方、溝側面の傾斜角度θｇが２０°よりも大きい場合には、テラヘルツ光が上方に屈折されるため、基板１０に再び取り込まれる成分が発生する。したがって、溝１２の側面については、その傾斜角度θｇが例えば４°以上２０°以下となるように、溝１２を形成することが好ましい。
また、半導体基板１０の第２面１０ｂにおいて実際に形成される溝１２は、図４に示すように側面が平面状で尖った形状ではなく、図５に示すように側面が曲面状で、溝内部で傾斜角度が連続的に変化していく形状となる。この場合、図５中に実線矢印によってテラヘルツ光の基板１０内部での伝搬方向Ａ１、Ａ２、及び溝側面からの出力方向Ａ６、Ａ７を示すように、溝側面での位置によって、テラヘルツ光の屈折角度、及びそれによる外部への出射角度が変化する。
このような点を考慮すると、溝１２の側面の傾斜角度θｇについては、溝側面のうちのできるだけ多くの部分、例えば溝側面の１／３以上の面部分が４°以上２０°以下の条件を満たす傾斜角度θｇとなるように、溝１２を形成することが好ましい。
また、図１、図２に示した量子カスケードレーザ２Ａでは、外部回折格子２５を用いた外部共振器での共振周波数ω１を可変に構成することにより、テラヘルツ光の周波数ωが可変となっている。これに対して、基板１０の第２面１０ｂに形成された複数の溝１２からテラヘルツ光を出力する構成によれば、出力光の周波数ωを可変とした場合でも、外部への光の出力角度分布などの出力条件の変化を抑制することができる。このようなテラヘルツ光の外部への出力条件について、図６〜図８を参照して説明する。
なお、以下においては、差周波発生によって生成される出力光について、周波数範囲が１ＴＨｚ〜６ＴＨｚのテラヘルツ光を主に想定する。これは、１ＴＨｚよりも低い周波数領域では、活性層１５中の自由電子による光の吸収が顕著となって、利用可能な充分な光出力を得ることができず、また、６ＴＨｚよりも高い周波数領域では、素子構造部１１を構成する半導体材料において、縦光学フォノンに起因する強い吸収が存在することから、同様に利用可能な充分な光出力を得ることができないためである。
図６は、従来構成の量子カスケードレーザでの光の出力条件について示す図である。図６に示す量子カスケードレーザ８０では、基板８１の端面８２を所定角度で斜めに研磨して、差周波発生によるテラヘルツ光の出力面としている。なお、図６では、基板８１上の半導体積層構造については、活性層８５のみを模式的に図示している。また、活性層８５におけるポンプ光の共振方向を、矢印Ｂ０によって示している。
差周波発生によって生成されるテラヘルツ出力光のチェレンコフ出射角度θｃは、上記したように
θｃ＝ｃｏｓ−１（ｎＭＩＲ／ｎＴＨｚ）
によって求められる。基板８１を半絶縁ＩｎＰ基板とした場合、ｎＭＩＲについては、差周波発生に関わる波長範囲内ではｎＭＩＲ＝３．３７で一定として良い（非特許文献１０：J. Opt Vol.16 (2014) 094002 pp.1-9参照）。また、非特許文献１０によれば、周波数１ＴＨｚに対してｎＴＨｚ＝３．５、６ＴＨｚに対してｎＴＨｚ＝３．８である。また、周波数３ＴＨｚでは、上記したようにｎＴＨｚ＝３．６である。
これらの屈折率の数値を用いて、上記式より差周波発生によるテラヘルツ出力光の共振方向Ｂ０に対する放射角度θｃを求めると、基板８１の内部を伝搬方向Ｂ１で伝搬する３ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθｃ１＝２０°、伝搬方向Ｂ２で伝搬する１ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθｃ２＝１５．７°、伝搬方向Ｂ３で伝搬する６ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθｃ３＝２７．５°である。
また、スネルの法則を用いて、周波数１ＴＨｚ、６ＴＨｚのテラヘルツ光のそれぞれに対する半導体基板から空気に進入する際の全反射の臨界角を求めると、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光に対して全反射臨界角は１６．６°、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光に対して全反射臨界角は１５．３°である。
また、上記したテラヘルツ光の放射角度θｃに対し、基板端面８２の研磨角度を２０°とすると、３ＴＨｚのテラヘルツ光は、端面８２の垂線に沿って出力方向Ｂ６で外部へと出力される。また、１ＴＨｚのテラヘルツ光は、出力方向Ｂ７で外部へと出力され、その出力角度はθ６７＝１５．２°である。また、６ＴＨｚのテラヘルツ光は、出力方向Ｂ８で外部へと出力され、その出力角度はθ６８＝２９．７°である。
したがって、このような構成において外部回折格子を用いた外部共振器によってテラヘルツ出力光の周波数を１ＴＨｚ〜６ＴＨｚの範囲で変化させると、それに伴って光の出力角度が約４５°変化する。このように大きな出力ビームの出力条件の変化は、分光等の光学系へのテラヘルツ光の応用において問題となる。また、基板端面を研磨する構成では、研磨作業自体が容易ではなく、また、テラヘルツ出力光に対するレンズ、ミラーなどの光学素子の設置、例えば超半球レンズのように光の出力面に近接させて使用する光学素子の設置において、そのアライメントが困難となる。
これに対して、テラヘルツ光の出力において基板１０の第２面１０ｂに形成された複数の溝１２を用いる上記構成では、例えば溝内部での光の反射等により、周波数ωの変化に伴う外部への光の出力条件の変化を抑制することができる。また、特に、複数の溝１２のそれぞれの形状を、図５に示したように、溝内部の幅が第２面１０ｂ側から深さ方向に単調減少するとともに、その側面の第２面１０ｂに垂直な方向に対する傾斜角度θｇが連続的に変化していく曲面形状とすることにより、テラヘルツ出力光の周波数ωの変化による出力条件の変化を、さらに好適に抑制することができる。
図７は、周波数１ＴＨｚ、放射角度θｃ＝１５．７°のテラヘルツ光の、曲面形状を有する溝１２からの出力条件について示す図である。図７において、光路Ｐ１は、光が入射する溝側面の面部分がほぼ垂直で、入射角度θＰ１が放射角度θｃに近い場合の光の出力を示している。ここで、溝側面での光の入射角度は、図７に示すように、入射する面部分での接線の垂線に対して定義される。この場合、入射角度が臨界角である１６．６°以下であれば、テラヘルツ光は全反射せずに外部に出力される。また、入射角度が大きい角度であるほど、光の出力方向は屈折によって基板裏面１０ｂに垂直な方向に近づく。
光路Ｐ２は、溝側面に進入したテラヘルツ光が屈折を受けず、入射角度と同じ出力角度で外部へと出力される場合を示している。また、光路Ｐ３は、光路Ｐ１とは接線の垂線に対して反対側で、テラヘルツ光の溝側面への入射、及び外部への出力が起こる場合を示している。この場合にも、入射角度θＰ３が臨界角である１６．６°以下であれば、テラヘルツ光は全反射せずに外部に出力される。
また、光路Ｐ２、Ｐ３では、直接的には、基板裏面１０ｂから下方へはテラヘルツ光は出力されないが、溝１２内部での１回または複数回の反射を経て、その一部が下方へと出力される。また、光路Ｐ４では、溝側面に対する入射角度が臨界角を超えているため、全反射によってテラヘルツ光は外部に出力されない。なお、このようなテラヘルツ光の溝１２への入射、反射、外部への出力は、左右対称に起こる。
図８は、周波数６ＴＨｚ、放射角度θｃ＝２７．５°のテラヘルツ光の、曲面形状を有する溝１２からの出力条件について示す図である。この場合、光路Ｑ１に示すように、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光では透過していた面部分でも、１５．３°の臨界角との関係で全反射となる場合がある。一方で、光路Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４に示すように、周波数１ＴＨｚの場合とは異なる溝側面の領域でテラヘルツ光の透過、外部への出力が起こる。また、光路Ｑ５では、全反射によってテラヘルツ光は外部に出力されない。
図７、図８に示したように、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成された溝１２の内面が曲面形状を有する構成では、テラヘルツ出力光の周波数ω、及びチェレンコフ放射角度θｃが変化した場合であっても、周波数ωに応じて、溝曲面のいずれかの領域から同様な出力角度広がりで、テラヘルツ光が外部へと出力されることとなる。
次に、量子カスケードレーザ２Ａにおける素子本体１Ａを構成する半導体基板１０の厚さｔについて説明する。周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光に対する半絶縁ＩｎＰ基板での吸収係数は、上記したように２０ｃｍ−１程度である。また、レーザ素子本体１Ａでの活性層１５を含む導波路構造の内部では、不純物ドーピング等により、テラヘルツ光は既に２０ｃｍ−１程度の吸収を受けている。このような吸収によるテラヘルツ光の減衰の効果を考慮すると、半導体基板１０の厚さｔについては、研磨等によってできるだけ薄くすることが好ましい。
しかしながら、基板１０を薄くすることは、レーザ素子の物理的強度の低下につながるため、一定の限界がある。理想的には、導波路構造として機能する基板１０上の素子構造部１１に基板１０の第２面１０ｂを近づけて、基板１０の厚さｔを５０μｍ程度まで研磨等によって薄くし、また、基板１０の第２面１０ｂに５０μｍに近い深さｈ（図２参照）の溝１２を形成することが好ましい。これによって、溝１２の上端を、基板１０の第１面１０ａ上に形成された導波路構造に近づけることができる。
このような半導体基板１０の厚さｔについては、例えば、後述する実施例では、１５０μｍに設定している。また、半導体基板１０の厚さが２００μｍを超えると、テラヘルツ光は半分以下の強度に減衰すると考えられる。このため、基板１０の厚さｔは、少なくとも２００μｍ以下とすることが好ましい。したがって、半導体基板１０の厚さｔは、５０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましい。
また、上記した１ＴＨｚ〜６ＴＨｚの周波数範囲でのテラヘルツ光について考えると、最も光の吸収の影響を受けやすい周波数５〜６ＴＨｚのテラヘルツ光の出力について考慮する必要がある。非特許文献１０によれば、５〜６ＴＨｚのテラヘルツ光に対する半絶縁ＩｎＰ基板の吸収係数は約３０ｃｍ−１である。このとき、例えば光強度が１／ｅになるまでに伝搬可能な距離は３３０μｍと見積もることができる。
ここで、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光は、放射角度θｃ＝２７．５°で基板１０内部を伝搬する。このため、基板１０の厚さｔが３３０μｍ×ｓｉｎ２７．５°〜１５０μｍ以下であれば、基板１０の第２面１０ｂまでのテラヘルツ光の伝搬が可能である。一方、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光は、図８に示したように溝１２の比較的深い面部分で外部へと出力される。この点を考慮すると、半導体基板１０の厚さｔは、上記したように２００μｍ以下とすることが好ましい。
次に、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成される溝１２の幅ｗについて説明する。溝１２の幅ｗについては、溝の深さｈに対して幅ｗをｈ／１０以上２ｈ以下とし、溝１２の形状について、溝１２の開口部分が最も広く、溝１２の深さ方向に対して幅ｗが単調減少するような任意の曲面形状とすることが好ましい。
溝１２の幅がｗ＝ｈ／１０の場合、溝１２の中心に対して対称で側面が平面状の溝形状（図４参照）を仮定すると、基板１０の第２面１０ｂに垂直な方向に対する側面の傾斜角度θｇは約５°となる。したがって、溝１２の幅ｗをｈ／１０よりも小さくすると、溝側面を曲面状とした場合でも、放射角度θｃが大きい周波数４〜６ＴＨｚのテラヘルツ光に対して、全反射を回避可能な領域が限られることとなる。
また、溝１２の幅がｗ＝２ｈの場合、曲面状の溝側面のいずれかの領域において、１〜６ＴＨｚの範囲でどの周波数のテラヘルツ光であっても、外部への出力が可能となる。ただし、溝１２の幅ｗを２ｈよりも大きくした場合、溝１２へと入射するテラヘルツ光に対して外部へと出力可能な領域が小さくなり、効率的でない。したがって、溝１２の幅ｗについては、上記したようにｈ／１０以上２ｈ以下とすることが好ましい。特に、曲面状の溝１２の側面において、１〜６ＴＨｚの周波数範囲でテラヘルツ光を出力可能な領域を広くし、広帯域で効率的なテラヘルツ光の出力を行うためには、溝１２の幅ｗをｈ／５以上ｈ／２以下とすることが好ましい。
次に、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成される溝１２の深さｈについて説明する。溝１２の深さｈが大きすぎる場合、溝１２の深い部分で溝側面から出射されたテラヘルツ光は、溝１２の内部で再び基板１０の内部に取り込まれる可能性がある。一方、溝１２の深さｈが小さすぎる場合、基板１０の内部を伝搬するテラヘルツ光が溝側面に到達する面積が小さくなる。
このような点を考慮すると、溝１２の適切な深さｈは、テラヘルツ光の波長λ（周波数ω）に応じて変化し、最も大きい場合は波長λの倍程度、小さい場合は波長の１／１０程度が適切と考えられる。したがって、複数の溝１２のそれぞれの深さｈについては、テラヘルツ出力光の波長λに対して、λ／１０以上２λ以下とすることが好ましい。例えば、周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光の場合、波長λは約１００μｍであり、溝１２の適切な深さｈの範囲は１０μｍ〜２００μｍである。
また、溝１２の深さｈについては、レーザ素子の機械的な強度を確保するため、半導体基板１０の厚さｔと、溝１２の深さｈとの差を２０μｍ以上とすることが好ましい。したがって、基板の厚さｔを考慮した溝の深さｈの上限は、ｔ−２０μｍとなる。
一方、構造物のサイズが光の波長λに対して１／１０よりも小さくなると、レイリー散乱と呼ばれる現象が起こり、光を幾何光学で扱うことができなくなる。上記のようにテラヘルツ光の周波数範囲として１ＴＨｚ〜６ＴＨｚを考えた場合、最も長い波長は１ＴＨｚの場合のλ＝３００μｍであり、したがって、この波長λの１／１０である３０μｍが溝１２の深さｈの下限となる。したがって、溝１２の深さｈについては、３０μｍ以上ｔ−２０μｍ以下とすることが好ましい。
次に、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成される複数の溝１２における、隣り合う溝同士の間隔Ｌについて、図９を参照して説明する。溝１２の間隔Ｌは深さｈと関連している。すなわち、溝１２の間隔Ｌが狭く、溝１２が深い場合には、基板１０内部を伝搬するテラヘルツ光は先に溝１２の深い部分に当たるため、溝１２の浅い部分にはテラヘルツ光は到達することができない。したがって、溝１２の側面において、テラヘルツ光の出力に寄与しない面部分が生じる。
溝１２の側面の全ての部分を光出力に利用するための溝の間隔Ｌｃは、下記式
Ｌｃ＝ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ／２
で与えられる。ここで、ｈは溝の深さ、ｗは溝の幅、θｃは上記した差周波発生による出力光のチェレンコフ放射角度である。この条件において、基板１０内部を伝搬するテラヘルツ光は、溝１２の側面において半導体と空気との界面で屈折される。ただし、溝側面の傾斜角度θｇによっても、溝側面から出力されたテラヘルツ光の空気中での伝搬波面の状況が変化する。したがって、溝１２の間隔Ｌの設定においては、このような波面条件等も考慮する必要がある。
溝１２の間隔Ｌが上記した間隔Ｌｃよりも大幅に広い場合、基板１０内部を伝搬するテラヘルツ光の多くは、溝１２の側面ではなく基板１０の第２面１０ｂに到達することとなる。このため、溝１２の間隔Ｌは、上記の間隔Ｌｃの２倍以下であることが好ましい。例えば、後述する実施例では、溝１２の間隔Ｌを２００μｍに設定している。
一方、溝１２の間隔Ｌが狭い場合には、上記したように、溝１２の側面のうちで深い部分のみが光出力に寄与することとなる。この点を考慮すると、溝１２の間隔Ｌは、溝１２の深さｈの半分以上とすることが好ましい。したがって、溝１２の間隔Ｌは、ｈ／２以上２ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ以下とすることが好ましい。後述する実施例では、溝１２の適切な間隔Ｌの範囲は１７μｍ〜２０６μｍである。
また、溝１２の間隔Ｌは、溝側面を効率的に光出力に利用するために、ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ／２以上とすることが好ましい。また、上記した周波数範囲１ＴＨｚ〜６ＴＨｚを考えた場合、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光に対する放射角度θｃが約１５°であることを考慮して、溝１２の間隔Ｌをｈ／ｔａｎ１５°＋ｗ／２以上とすることが好ましい。
これにより、基板裏面１０ｂからみて最も浅い角度で基板１０内部を伝搬する１ＴＨｚのテラヘルツ光が、隣り合う溝に当たらずに溝１２の基板裏面１０ｂ側の領域まで到達することが可能となる。特に、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光は、基板裏面１０ｂに近い領域で好適に外部へと出力されるため、溝１２の間隔Ｌをｈ／ｔａｎ１５°＋ｗ／２よりも小さくすると、そのような光の出力効率が低下する。
また、複数の溝１２における溝１２の間隔Ｌについては、等間隔である必要はないが、テラヘルツ光の外部への出力効率を考慮すると、例えば、基板裏面１０ｂにおいて、間隔Ｌ＝ｈ／ｔａｎ１５°＋ｗ／２で等間隔に複数の溝１２を形成することが好ましい。これにより、レーザ素子の共振器長の全域にわたって、差周波発生で生成されたテラヘルツ光を好適に外部へと出力することが可能となる。
以上に説明した半導体基板１０の第２面１０ｂでの複数の溝１２による溝構造は、例えば、ダイシングソー、スクライバー、また、比較的浅い溝の場合はエッチング処理、集束イオンビーム等によって加工、形成することができる。また、ダイシングソー、あるいはスクライバー等を用いて溝を形成する場合には、溝加工後にウェットエッチングを施すことで、溝側面を好適な曲面形状とすることができる。
量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに、さらに説明する。図１０は、量子カスケードレーザにおけるレーザ素子本体の具体的な構成の一例を共振方向に沿った断面について示す側面断面図である。また、図１１は、図１０に示したレーザ素子本体の構成を端面方向からみて示す正面図である。図１２は、図１０に示した量子カスケードレーザのレーザ素子本体における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。また、図１３は、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。
ここで、図１２においては、活性層１５での発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その動作電界での量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。図１２に示すサブバンド準位構造は、図３に示した準位構造の具体例となっている。また、図１０〜図１３に示した素子構造は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition）法による結晶成長によって形成することができる。
図１０、図１１に示す素子本体１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてテラヘルツ光の吸収を考慮して、厚さｔ＝１５０μｍの半絶縁性のＩｎＰ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４００ｎｍの高濃度Ｓｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１８ｃｍ−３）ＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層５１、厚さ５μｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＰ下部クラッド層５２、厚さ２５０ｎｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５３、単位積層体１６が４０周期積層された活性層１５、厚さ４５０ｎｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５４、厚さ５μｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＰ上部クラッド層５７、及び厚さ１５ｎｍの高濃度Ｓｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１８ｃｍ−３）ＩｎＰ上部コンタクト層５８が順次積層されることで、レーザ素子本体１Ｂの素子構造が形成されている。
また、上部ガイド層５４には、図１０に示すように、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器の内部回折格子１３として機能する深さ２５０ｎｍの回折格子構造５５がエッチングによって形成されている。
また、クラッド層５２、５７を含む導波路構造においてコア層部分を構成している活性層１５及びガイド層５３、５４は、図１１に示すように、ガイド層５４の回折格子構造を形成した後に、光の共振方向に沿って例えば幅１２μｍのリッジストライプ状に形成されている。また、そのリッジストライプの両側壁を覆うようにＦｅドープＩｎＰ支持層６５がＭＯＣＶＤ等による埋め込み再成長で形成されている。また、ＩｎＰ基板５０の第２面１０ｂには、差周波発生によって生成された差周波数ωのテラヘルツ光を出力するための複数の溝１２が形成されている。また、このような素子構造に対し、必要に応じて、さらに絶縁膜の形成、電極の形成等が行われる。
本構成例における活性層１５は、上記したように、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。本構成例では、活性層１５でのゲインの中心波長を１０μｍに設定している。また、１周期分の単位積層体１６は、図１２、図１３に示すように、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ＩｎＰ基板５０と格子整合する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ＩｎＰ基板５０と格子整合する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。
また、単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図１２に示す積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が注入障壁層となっている。
なお、本構成例においては、発光層１７と、注入層１８との間に位置する抽出障壁層については、実効的に抽出障壁として機能している障壁層は存在していない。図１２においては、障壁層１９１を形式的に抽出障壁層と規定し、その前後で、発光層１７と注入層１８とを機能的に区分している。図１３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。
量子カスケードレーザの素子本体１Ｂにおいて、差周波発生によるテラヘルツ光の生成を実現するためには、２波長のポンプ光成分を生成可能であって、ポンプ光に対して高い２次の非線形感受率χ（２）を有する活性層が必要である。本構成例の活性層１５では、図３に示したＤＡＵ／ＭＳ構造を採用して、結合二重上準位（ＤＡＵ）構造が持つ広い利得帯域を利用し、かつ、内部回折格子１３による分布帰還共振器、及び外部回折格子２５による外部共振器を設けることで、単一の活性層設計での周波数ω１の第１ポンプ光、周波数ω２の第２ポンプ光の生成、差周波発生による差周波数ωのテラヘルツ光の生成、及び外部回折格子２５による周波数の可変制御を実現している。
図１２に示すサブバンド準位構造は、強く結合した２つの上準位Ｌ４、Ｌ５から、複数の下準位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３へと電子が光学遷移する設計となっている。具体的には、図１２の構成例では、２つの上準位Ｌ４、Ｌ５間のエネルギー間隔は、ΔＥ５４＝１８ｍｅＶとなっている。また、その他の準位間のエネルギー間隔は、ΔＥ５３＝１２１ｍｅＶ、ΔＥ５２＝１３６ｍｅＶ、ΔＥ５１＝１４９ｍｅＶ、ΔＥ４３＝１０２ｍｅＶ、ΔＥ４２＝１１７ｍｅＶ、ΔＥ４１＝１３１ｍｅＶとなっている。
このような構成において、前段の注入層から発光層１７へと注入された電子は、高速な電子−電子散乱等によって上準位Ｌ４、Ｌ５に等しく分布し、２つの上準位Ｌ４、Ｌ５はあたかも広がった単一の上準位のように振舞う。したがって、上準位Ｌ４から下準位Ｌ１〜Ｌ３への遷移によるゲインと、上準位Ｌ５から下準位Ｌ１〜Ｌ３への遷移によるゲインとが同等の寄与で重なり合い、単峰で広帯域な発光スペクトルが得られる。
このように、単一の活性層構造を用いる構成では、複数の活性層構造をスタックさせた構成とは異なり、活性層の全領域にわたって均一な非線形光学特性が得られ、それによって高効率な波長変換を実現することができる。準位Ｌ１〜Ｌ５のそれぞれにおける仮定したキャリア濃度をｎ１〜ｎ５とするとともに、ｎ１＝ｎ２＝ｎ３と仮定し、条件ｎ５−ｎｉ＝１．０×１０１５ｃｍ−３、ｎ４−ｎｉ＝１．３×１０１５ｃｍ−３（ｉ＝１、２、３）を用いると、ＤＡＵ構造によって生成される２次の非線形感受率χ（２）の総和の絶対値として、｜χ（２）｜＝２３．３ｎｍ／Ｖが得られる。
また、内部回折格子１３である回折格子構造５５、及び外部回折格子２５の設計によって、ポンプ光の周波数ω１、ω２、テラヘルツ出力光の周波数ω＝｜ω１−ω２｜、及びテラヘルツ光の周波数ωの可変範囲等を決定する。また、本構成例では、回折格子１３、２５による分布帰還共振器構造、外部共振器構造を用いて、周波数ω１の第１ポンプ光及び周波数ω２の第２ポンプ光をともにシングルモード動作させ、これによって、テラヘルツ出力光についてもシングルモード動作させている。
第１周波数ω１の第１ポンプ光を生成する外部共振器に用いられる外部回折格子２５の構成について説明する。外部共振器の構成としては、例えば、良く知られたリトロー配置を用いれば良い。また、レーザ素子本体から出射された光を平行光として回折格子２５に導くためのコリメートレンズ２０（図１参照）としては、例えば、ＺｎＳｅなどの材料からなる非球面レンズを用いることができ、波長４〜１２μｍの光に対して透過率が９０％以上となるような誘電体多層膜によって低反射コートが両表面に施されている。このようなコリメートレンズ２０は、例えば焦点距離を１０ｍｍ以下、開口数ＮＡを０．８以上とすることが好ましい。
外部回折格子２５については、反射型のブレーズド回折格子を用い、例えば、溝密度が１００本／ｍｍ以上、表面Ａｕコーティング、また、レーザ発振可能な波長範囲で回折効率が６０％以上となっていることが好ましい。
また、外部共振器による発振を安定させて、回折格子２５による周波数（波長）の可変範囲を広帯域化するため、素子構造部１１での回折格子２５側の第１端面１１ａに、誘電体多層膜、あるいは厚さλｐ／４ｎＭＩＲとなる誘電体単層膜による低反射コートを施しても良い。ここで、λｐはゲインピークの波長、ｎＭＩＲは波長λｐの光に対する活性層１５の屈折率である。誘電体材料としては、例えば、波長１０μｍの光に対する屈折率が１．５２のＣｅＯ２等を用いることができる。この場合、λｐ／４ｎＭＩＲとなる膜厚約１．６μｍでＣｅＯ２膜を形成すると、反射率２．６％が得られる。
次に、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成する分布帰還共振器に用いられる内部回折格子１３の構成について説明する。内部回折格子１３による分布帰還共振器で発振させる光の波長は、上述したように、活性層１５でのゲインピークと一致しない波長とすることが好ましい。ここで、差周波発生によってテラヘルツ光を生成するためには、中赤外ポンプ光を同時に２波長で発振させる必要がある。このため、内部回折格子１３による分布帰還共振器では、ゲインピークから離れたところで発振するように回折格子１３を作成し、ＤＦＢモードと、素子構造部１１の端面で形成された共振器による複数のファブリペロモードとが混在する状況とすることが好ましい。
内部回折格子１３によって選択される光の波長は、ゲインピークのピーク波長に対して長波長側、または短波長側のどちらに設定しても良く、例えば、内部回折格子１３として機能する回折格子構造５５を作製しやすい波長を適宜選択すれば良い。また、回折格子構造５５は、レーザ共振器構造での共振方向に対して部分的に形成しても良く、あるいは、全領域にわたって回折格子構造５５を形成しても良い。
量子カスケードレーザの具体的な構成について、さらに説明する。図１４は、量子カスケードレーザの素子構造の一例を示す正面図である。本構成例における量子カスケードレーザのレーザ素子本体１Ｃでは、図１０、図１１に示した素子構造に対して、ＩｎＰ基板５０側の下部コンタクト層５１を露出させるためのエッチングを行って、活性層１５等を含み基板１０上の素子構造部１１に対応する素子構造部６０、及びその両側の支持構造部６１を形成している。
また、素子構造部６０を覆うようにＳｉＮ絶縁層６２を設けるとともに、絶縁層６２のコンタクトホールを介して上部コンタクト層５８と電気的に接続された上部電極６６を形成している。また、支持構造部６１を覆うようにＳｉＮ絶縁層６３を設けるとともに、絶縁層６２、６３の間のコンタクトホールを介して下部コンタクト層５１と電気的に接続された下部電極６７を形成している。このような電極６６、６７は、例えば、厚さ約５μｍの厚いＡｕ膜を蒸着及びメッキ法によって形成した後、エッチングで上部、下部電極を分離することによって形成することができる。
なお、このような素子構造の形成において、エッチング方法については、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれの方法を用いても良い。また、微細パターニングについても、例えば干渉露光法、ナノインプリント法など、所望のサイズの加工が可能なものであれば任意の方法を用いて良い。
図１５は、量子カスケードレーザの素子構造の他の例を示す斜視図である。図１４に示した構成の量子カスケードレーザの素子本体１Ｃでは、差周波発生によって生成されたテラヘルツ光は、図２に示したように、ポンプ光の共振方向に対して放射角度θｃで基板５０側に放射される。この点を考慮すると、図１５に示すように、量子カスケードレーザの素子本体１Ｃの基板５０で、複数の溝１２が形成された裏面１０ｂを上側にして組み立てる、いわゆるエピダウン組立を用いることが好ましい。
図１５に示す構成例では、上部電極６６、下部電極６７が導通しないように溝７１によってボンディングパッドを分割したサブマウント７０を用い、サブマウント７０上にレーザ素子本体１Ｃを配置したレーザ素子の組立例を示している。このような構成では、ワイヤボンディングが容易となり、また、光学系の配置が容易となる。
図１６は、レンズ素子を用いた場合の量子カスケードレーザの構成の一例を示す側面断面図である。また、図１７は、図１６に示した量子カスケードレーザの構成を一部拡大して示す斜視図である。本構成例の量子カスケードレーザ２Ｂでは、レーザ素子本体について、素子本体１Ｃをサブマウント７０上に配置した図１５の構成を用いている。また、本構成例では、テラヘルツ光が出力される複数の溝１２が形成された基板１０の裏面１０ｂ上にレンズ７２を設け、より効率的に、テラヘルツ出力光を外部へと取り出す構成としている。レンズ７２としては、例えば、直径３ｍｍのシリコン超半球レンズ（Si hyper-hemispherical lens）を用いることができる。また、レンズ７２として、Tsurupica（登録商標）レンズを用いても良い。このようなレンズ７２などのレンズ素子を、テラヘルツ出力光が通過するように基板裏面１０ｂの溝構造に密着させて設置することにより、テラヘルツ出力光の集光、コリメート等を効率的に行うことが可能となる。
ここで、基板端面を研磨してテラヘルツ光の出力面とする従来構成では、出力面の面積が小さいため、レンズを正確に取り付けることが難しい。これに対して、複数の溝１２を形成することで基板裏面１０ｂをテラヘルツ光の出力面とする上記構成では、ｍｍサイズの基板裏面にレンズ７２を容易に取り付けることが可能である。このようなレンズ７２を基板裏面に取り付けることにより、テラヘルツ光を外部へと適切に出力することが可能となり、また同時に、レーザ素子の機械的強度を向上することができる。また、このような構成では、中赤外ポンプ光の共振方向と、テラヘルツ光の出力方向とが異なることから、テラヘルツ出力光の利用において中赤外光の混入が抑制され、したがって、テラヘルツ光源として好適に用いることができる。
図１８は、レンズ素子を用いた場合の量子カスケードレーザの構成の他の例を示す側面断面図である。また、図１９は、図１８に示した量子カスケードレーザの構成を一部拡大して示す斜視図である。本構成例の量子カスケードレーザ２Ｃでは、レーザ素子本体１Ｃに対し、複数の溝１２が形成された基板１０の裏面１０ｂ上に、複数の溝１２にそれぞれ対応する複数のシリンドリカルレンズがレーザ共振方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイ７３が設けられている。基板裏面１０ｂ上に配置されるレンズ素子については、このように、超半球レンズ、シリンドリカルレンズ等、テラヘルツ光の望ましい出力条件に応じて様々なレンズ素子を用いて良い。
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、上記実施形態では、活性層１５において１種類の結合二重上準位構造を用いているが、２種類以上の活性層構造をスタックして用いる構成等としても良い。また、活性層１５の具体的な構成については、結合二重上準位構造（ＤＡＵ構造）に限らず、例えばbound-to-continuum構造、two phonon resonance構造など、様々な活性層構造を用いて良い。
また、上記した構成例では、半導体基板１０として半絶縁ＩｎＰ基板を用いているが、例えばアンドープＩｎＰ基板（Ｓｉ：〜５×１０１５ｃｍ−３）、あるいは低ドープＩｎＰ基板（Ｓｉ：５×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−３）を基板１０として用いても良い。これらの基板を用いた場合、基板裏面に電極を設ける構成が可能となる。ただし、基板におけるドーピング濃度を大きくした場合、基板内部での光の吸収が大きくなるため、外部に出力されるテラヘルツ光の強度が小さくなる。
また、上記した構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成の活性層を例示しているが、このような活性層については、歪補償を導入した構成を用いても良い。また、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の発光遷移が可能であって、上記した第１ポンプ光、第２ポンプ光の生成、及び差周波発生による出力光の生成を実現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ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ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は、上記した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板の第１面上に設けられた上記構成の活性層とを備え、活性層を含む素子構造部の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成するとともに第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子が設けられ、また、基板の第２面において、レーザ共振器構造での共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝が設けられていれば良い。
また、外部回折格子に対して設けられる共振周波数可変機構については、上記実施形態では回折格子を回転駆動する回転ステージを例示しているが、このような構成に限らず、他の構成の可変機構を用いても良い。
本発明は、差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を好適に出力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。
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…量子カスケードレーザ、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…素子本体、１０…半導体基板、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１…素子構造部、１１ａ…第１端面、１１ｂ…第２端面、１２…溝、１３…内部回折格子、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…電子注入層、２０…コリメートレンズ、２５…外部回折格子、２６…回転ステージ、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層、５２…ＩｎＰ下部クラッド層、５３…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５４…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５５…回折格子構造、５７…ＩｎＰ上部クラッド層、５８…ＩｎＰ上部コンタクト層、
６０…素子構造部、６１…支持構造部、６２、６３…ＳｉＮ絶縁層、６５…ＩｎＰ支持層、６６…Ａｕ上部電極、６７…Ａｕ下部電極、７０…サブマウント、７１…溝、７２…超半球レンズ、７３…シリンドリカルレンズアレイ。

Claims (10)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の第１面上に設けられ、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が形成された活性層とを備え、
    前記活性層は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であって、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光による差周波発生によって、前記第１周波数ω１及び前記第２周波数ω２の差周波数ωの出力光を生成するように構成され、
    前記半導体基板の前記第１面上に設けられた前記活性層を含む素子構造部の外部に、前記第１周波数ω１の光を前記素子構造部へと帰還させることで前記第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成するとともに、前記第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子が設けられ、
    前記半導体基板の前記第１面とは反対側の第２面において、レーザ共振器構造での共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝が設けられていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
  2. 前記複数の溝のそれぞれは、溝内部の幅が前記第２面側から深さ方向に単調減少するとともに、その側面の前記第２面に垂直な方向に対する傾斜角度θｇが変化していく曲面形状に形成されてい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. 前記半導体基板の前記第１面上に設けられた前記素子構造部の内部に、前記第２周波数ω２の前記第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子が設けら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. 前記半導体基板の前記第２面上に、前記複数の溝から外部へと出力される前記出力光が通過するレンズ素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  5. 前記複数の溝は、前記第２面において、前記共振方向と直交する方向にそれぞれ形成されてい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。
  6. 前記半導体基板は、その厚さｔが５０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  7. 前記複数の溝のそれぞれは、溝の深さをｈとして、その幅ｗがｈ／１０以上２ｈ以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  8. 前記複数の溝のそれぞれは、前記半導体基板の厚さをｔとして、その深さｈが３０μｍ以上ｔ−２０μｍ以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  9. 前記複数の溝は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による前記出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／２以上２ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  10. 前記複数の溝は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による前記出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ／２以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
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