JP3785057B2 - 量子カスケードレーザー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子カスケードレーザーに関し、特に、中赤外波長範囲において自己モード同期性を実現する量子カスケードレーザー構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去数十年間、“超高速”レーザー源の開発に大きな研究努力が払われてきている。ここで、“超高速”レーザー源とは、数ピコ秒からフェムト秒の範囲における持続時間を有する光パルスを生成することが可能なレーザー源を指し示している。このような超短パルスは、種々の気体及び固体レーザー媒質を用いて生成されてきた。このような超短パルス光源により、物理学、化学及び生物学における無数の実験での時間分解能が著しく改善されてきている。光通信においてより広い帯域が必要とされていることは、超高速レーザー源の設計及び開発に影響を与えたもう一つのファクターである。超高速半導体レーザーは、そのコンパクトな大きさ、高効率、低コスト及び（数百ＧＨｚに及ぶ）無比のパルス繰り返しレートを考慮するとき、通信アプリケーションにおいて非常に重要である。
【０００３】
超短レーザーパルスの生成に係る最も一般に用いられるアプローチは、モードロック技法である。一般的には、モードロックは、キャビティ（共振器）のラウンドトリップ時間に等しい基本周期によるレーザー利得の周期的変調に起因する。このような状況下では、最大利得は、ラウンドトリップ時間だけ時間的に離れて、変調と適切に同期がなされたパルス列より構成されるレーザービームが受けることになる。このような特性を有する光波形は、レーザーキャビティの複数個の縦モードのコヒーレントな加算を通じて設定され、このような場合にはモードが互いにフェーズロックされている。この種のデバイスの特性は、しばしば周波数軸上（周波数ドメイン）で記述される。このような記述では、レーザーがキャビティラウンドトリップ周波数（すなわち、隣接モード間の周波数間隔）で変調されると、隣接モードの変調側波帯によって複数個のモードがしきい値以上に駆動され、このことによって、パルスレーザー放射に必要とされるフェーズロックが自動的に設定される。
【０００４】
一般に、モードロックを実現させるための変調は、外部源によって生成される（“能動”モードロックと規定されている）か、あるいはある種のキャビティ内光非線型性を通じてレーザーパルスそれ自体によって生成される（“受動”あるいは“自己“モードロックと規定されている）かのいずれかである。通常、最も短いパルス持続時間及び最大の繰り返しレートは、自己モードロック（ＳＭＬ）によって実現され、これまでにいくつかのＳＭＬ技法が例示されてきている。各々の場合において、光強度の増大と共に損失を低減させる非線型機構が必要とされる。この種の配置の一例は、キャビティ内可飽和吸収体、すなわち、レーザー波長におけるその不透明度が強度を増大させるに連れて減少する吸収体である。あるいは、非線型ミラーもしくは（より高い強度レベルにおいてより高い反射率を有する）非線型結合キャビティが用いられる。別の有効な機構は、Ｔｉ（チタン）：サファイアレーザーに関連して発見されたものであるが、自己収束効果すなわちカー（Ｋｅｒｒ）レンズ効果であり、これには正の非線型屈折率を有するキャビティ内媒質が必要とされる。正の非線型屈折率を有するこの種の媒質においては、ビームの横断面プロファイルにおける中心の部分（強度がより高い部分）がより大きな屈折率を感じ、それゆえ、その伝播が周辺部と比較して減速される。よって、この非線型媒質が、光強度に比例してビームの直径を小さくする正レンズとして機能する。従って、この効果は、単にキャビティ内にスリットあるいは絞りを用いることによって、可飽和損失機構に変換することが可能である。
【０００５】
損失が飽和状態から“超高速”時間スケール、特に、キャビティのラウンドトリップ時間よりも遙かに高速に回復する、ということが、非線型機構の性質に依存せずに本質的である。言い換えれば、各パルスが通過した後、損失は、連続したパルス間における光放射を防止するために、次のパルスが到達する前にその定常状態値（比較的高い値）に迅速に復帰しなければならない。ＳＭＬ非線型性の緩和寿命は、その結果得られる光パルス幅を制限する働きもある。このような理由から、過去の技術に係る自己モードロックの例示は、キャビティ内に負荷された外部媒質あるいはレーザーホスト媒質内の非共鳴遷移のいずれかによって実現される超高速非線型性に依拠している。
【０００６】
原理的には、“固有の”非線型屈折率は、あらゆるレーザー媒体に存在し、それらは、レーザー遷移によって実現されているもの及びクラマース・クローニッヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）変換を介して利得係数と関連しているものである。これは共鳴非線型性であり、よって、本質的に大きい。それゆえ、適切なキャビティ配置（例えば、カップルド・キャビティシステム、あるいはキャビティ内絞りなど）と組み合わせることにより、充分に大きな固有非線型屈折率を有するレーザー媒体が、自己モード同期レーザーを実現するために使用されうる、ということが期待される。しかしながら、このような非線型性はレーザー遷移に係る実際の分布移行に関連しているため、その動的応答は上部レーザー状態の寿命によって制限される。今日までに開発されてきたモード同期レーザーでは、この寿命がキャビティラウンドトリップ時間よりもはるかに遅い（あるいは同程度）であり、それゆえ、ＳＭＬに係る前述された要求を満たし得ない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、一般に、従来技術に係るモード同期レーザーは、“外的な”構造にのみ限定されており、モード同期機能を実現する目的で外部から追加された非線型性、すなわち損失“ディスクリメータ（弁別器）”、の使用を必要としている。単一あるいは複数個の外部コンポーネントの利用は、モード同期レーザーシステムの費用及び複雑さの双方を増大させる。
【０００８】
よって、当該技術分野においては、自己開始／自己保持モード同期半導体レーザー配置、すなわち、レーザー遷移そのものがモード同期機構の非線型コンポーネントを実現するようなレーザーシステム、に係る要求が残存している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来技術に残存する要求は、本発明によって取り扱われる。本発明は、モード同期レーザーに関し、特に、中赤外波長範囲において自己モード同期性を実現することが可能な量子カスケードレーザー構造に関する。
【００１０】
本発明に従って、（その非常に大きな双極子能率による）大きい非線型屈折率を有するサブバンド間遷移によって特徴付けられた量子カスケードレーザーが、中赤外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられる。詳細に述べれば、ＱＣレーザーのカーレンズモード同期が、サブバンド内レーザー遷移に起因する屈折率の非線型性によって実現される。
【００１１】
ＱＣ自己収束機構を損失変調に変換するために必要とされるキャビティ内絞りは、以下のような性質によって特徴付けられるＱＣレーザー導波路によって実現される： （１）半導体材料から比較的薄い誘電体層によって隔てられた、（例えば金属などの）光学的に非常に損失の大きい（すなわち吸収する）層；このため、この層が、活性領域内で生成された光波を“見る”（すなわち光学的に相互作用する）ことになる；及び、（２）比較的長いレーザー導波路（そのため、伝播損失が例えば鏡面損失などの他の損失より大きい）。ある実施例においては、モード結合に用いられる前記損失の大きい層は金属で形成されており、本発明に係るレーザーデバイスにおける電気的コンタクト（電極）の一方を構成するように配置されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
自己モードロック（ＳＭＬ）可能なＱＣレーザー例１０の等角図が図１に示されている。ＱＣレーザー１０は、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２の間に挟まれた活性領域１４を有している。少なくとも上部クラッド層１６及び活性領域１４は、リッジ導波路レーザー構造において代表的な細長いメサ構造を有している。電気的絶縁層１８（例えば、シリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜）がデバイス頂部に構成されており、前記メサ構造の頂部の一部を露出する開口を形成するようにパターニングされている。頂部金属コンタクト（電極）２０が、絶縁層１８及び上部クラッド層１６の露出された部分を覆うように形成されている。第二電極２２は、基板１１の底面に形成されている。基板１１それ自体は単結晶の半導体主体あるいはこのような主体と他の層（例えば、当該主体の頂部表面上に成長させられたエピタキシャル層）との組み合わせである。具体的には、この種の層は、III−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓなどのＩｎベースのIII−Ｖ族半導体から構成される。このような構造では、レーザービームは、主として、活性領域１４を直接に取り囲むクラッド領域１２、１６によって閉じ込められる。特に、クラッド領域１２、１６において、高い屈折率を有する第一層（例えば、低不純物濃度のＩｎＧａＡｓ）を活性領域１４に隣接させ、その外側に低い屈折率を有する第二材料層（例えばＩｎＡｌＡｓあるいはＩｎＰ）を配置するようにクラッド領域１２、１６を形成することによって、ビームの強い閉じ込めが実現されうる。結果として、閉じ込めは、利得媒体の屈折率にはあまり依存せず、結果として、この方向での著しい自己収束は期待されない。
【００１３】
本発明に従って、ＱＣレーザーにおいて自己収束を実現するためには、二つの条件が必要とされる。第一に、絶縁層１８は比較的薄くなければならない（すなわち、以下ｔで示される厚さが０．５μｍ未満）。この比較的薄い層は、活性領域１４内の光波が金属層２０を“見る”（すなわち、光学的に相互作用する）ために要求されるものであり、結果として、金属層とのモード結合が実現される。しかしながら、絶縁層１８は、金属層２０と活性領域１４との間に直接の電気的経路が形成されることを許容してしまうほどには薄くてはいけない（すなわち、絶縁層１８は、このデバイスにおける電気的短絡の形成を防止するのに充分な厚さを有する必要がある）。第二に、図１において“Ｌ”で示されている導波路リッジの長さが比較的長く（例えば、Ｌ≧３．５ｍｍ）、伝播損失が鏡面損失よりも大きい必要がある。以下に詳細に議論されるように、これら二つの特性の組み合わせがＱＣレーザーにおける自己モードロックにつながることが見出されている。
【００１４】
本発明の別の実施例３０が図２に示されており、この配置においては、別個の頂部電極３２及び光学的に損失の大きい側壁層３４、３６が用いられている。側壁層３４、３６は、図示されているように、薄い絶縁層１８のうちの活性領域１４を取り囲む部分を覆うように配置されている。頂部電極３２は、絶縁層１８に形成された開口部に配置されており、上部クラッド層１６への直接電極として機能する。一般に、これらの層は相異なった機能を実現するため、それぞれが相異なった厚さ、さらには相異なった組成を有している。本発明の目的に関しては、問題となる層は側壁層３４、３６であり、これらは、活性領域１４内の光波に対するモード結合を実現することが必要とされる。図１に示された配置の場合と同様、絶縁層１８の厚さｔは、モード結合が実現されるように良好に制御されていなければならず、さらに、導波路の長さは自己モード同期が起こることを保証するために充分なものでなければならない。光学的損失の大きい側壁層がそれ自体電気的に絶縁層である場合には、個別の絶縁層１８は必要とされず、その絶縁層１８が果たすべき機能が当該側壁層に直接組み込まれることに留意されたい。
【００１５】
ある配置においては、光学的損失の大きい側壁層３４、３６が（例えば金などの）金属層より構成され、さらに、同一の材料が頂部電極３２として側壁上に同一の処理段階で退席される場合がある。しかしながら、一般に、光学的損失の大きい側壁層３４、３６は、適切な材料であれば（すなわち、損失が大きいあるいは吸収する材料）どのようなものから構成されても良い。すなわち、水平方向において充分なモード結合及び導波路内に閉じ込められた光に対して損失を実現することが可能なあらゆる材料である。例えば、いくつかのポリマー材料（ポリイミドなど）は、中赤外波長範囲において強い共鳴吸収を示すことが一般に知られている。
【００１６】
同業者には公知であるが、ＱＣレーザーは、（図３において“活性領域”として示されている）放射遷移領域よりなる反復ユニットを複数個（通常、２５から３０の間の個数）、及び、図３に示されているように、カスケード配置になるように連続的に積層されたインジェクタ（注入）領域を有していて、全体として活性領域１４を構成している。多くの場合には、レーザー材料は、低不純物濃度ＩｎＰ基板（すなわち基板１１）に対して格子定数をマッチングさせたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ材料系を用いて分子ビームエピタキシー法によって成長させられる。その後、ウェット化学エッチングによる処理がなされ、図１及び図２に示されたメサ構造が形成される。よく知られているように、ＱＣレーザー動作は、サブバンド間電子遷移、すなわち、結合量子井戸における量子化された伝導帯状態間の遷移、に基づいている。これらの遷移の特徴は、通常数ピコ秒という超高速緩和時間であり、この時間は他の全てのレーザーシステムにおけるものよりも少なくとも二桁は高速である。従来技術に係るＱＣレーザー活性領域（すなわち、放射遷移領域）の電子バンド構造が図３に示されている。本質的には、これは３レベルシステムを構成しており、ヘテロ構造よりなる薄い障壁を介したトンネリングによってキャリアが上部状態（図３においては“３”というラベルが付されている）に注入され、ＬＯフォノン介在散乱によって下部レーザー状態（“２”というラベルが付されている）から引き抜かれる。本発明に関連した重要な特徴は、フォノン放射が上部状態３の分布数を減少させることに関しても極めて効果的であり、その結果として、ピコ秒台のキャリア寿命が実現されることである（これは、数十ピコ秒という、ＱＣレーザーにおける通常のラウンドトリップ時間よりも遙かに短い）。
【００１７】
さらに、サブバンド間遷移は、その極めて大きい双極子モーメントによる巨大非線型屈折率によって特徴付けられる。本発明に従って、この遷移が、中赤外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられる。詳細に述べれば、サブバンド間レーザー遷移に係る非線型屈折率によって、ＱＣレーザーのカーレンズモード同期が実現される。自己収束機構を損失変調に変換するために必要とされるキャビティ内絞りは、前述された条件、すなわち、強い吸収を有する（すなわち、光学的に非常に損失の多い）材料によって重畳された比較的薄い誘電体層及び長い導波路領域の使用の下でＱＣレーザー導波路によって実現される。この種のＱＣ自己モード同期レーザーのアプリケーションには中赤外波長範囲における時間分解スペクトロスコピー（時間分解分光）が含まれ、その波長範囲には多くの種類の化学及び生物学的物質がそれらの分子振動に関連した個々に特徴的な吸収スペクトル形状を有している。本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザーは、中赤外光の大気損失の低さを利用した高速自由空間通信システムにおける使用にも適している。
【００１８】
図４は、図１及び図２に示されたＱＣレーザー例の基本モードの横方向屈折率プロファイル及び結果として得られた強度分布の双方を示している。前述されているように、横方向には自己収束は起こらない。なぜなら、モードは活性材料を取り囲むクラッド層（すなわち、図４において最も屈折率の高い層）によって主に閉じ込められており、そこには強い非線型性が存在しないからである。図５は、同一のデバイスの水平方向（すなわち、活性層に平行な方向）における屈折率プロファイルと結果として得られる強度分布を示している。図示されているように、水平方向においては、活性領域の強い非線型屈折率の結果として、自己収束が起こっている。すなわち、強度が増加すると（つまり、破線から実線のように変化すると）、導波路の中央部分の屈折率（図５においては“Ｃ”で示されている）が増加し、従って、ビームがより強く閉じ込められる。水平方向では、光の導波は、主として、半導体材料複合層（すなわち、領域１２、１４、１６）の実効屈折率と重畳されている誘電体層及び光学的損失の大きい層の複素屈折率との差異に起因する。半導体材料複合層は利得媒体それ自体（活性領域１４）からの大きな寄与を有しており、従って高い非線型性を有する。従って、図５に示されているように、光強度の増大により、カー効果を介したレーザービームの収束が引き起こされる。光強度の増大は利得領域との重なりを増大させ、かつ、外部の損失の大きい吸収（例えば金属）層との重なりを減少させて、自己モードロックに必要とされる可飽和損失機構を実現する。
【００１９】
前述されているように、本発明に係るＱＣレーザーにおいて自己モードロックを実現するためには、この非線型性の寄与がＱＣデバイスにおける全体としてのキャビティ損失のうちの主たる部分である必要がある。従って、半導体材料と金属側壁層との間に比較的薄い（すなわち、＜０．５μｍ）誘電体層を用いることにより、金属への充分なモード結合が実現されることが保証される。金は、この目的に用いられる金属の一例である。このような損失が鏡面損失よりも大きいことを可能にするために、比較的長い（例えば、Ｌ＞３．５ｍｍ）キャビティも必要とされる。
【００２０】
本発明に従って形成されたＱＣレーザーにおける自己モード同期の実験的証拠が、図６及び図７に示された実験において示されている。詳細に述べれば、５あるいは８μｍ（二つの大気ウィンドウを表わすものとして選択された波長であり、例示目的のみと見なされるべきである）での放射を行なう複数個のＱＣレーザーが、そのＳＭＬ機能を調べる目的で作成された。これらのデバイスは、カスケード配置を構成するように積層された、活性領域１４を構成する比較的多い数（２５−３０）の放射遷移領域を有している。レーザー材料は、分子ビームエピタキシを用いてＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ材料系で成長させられ、低不純物濃度ＩｎＰ基板に対して格子定数が一致するようになっている。その後、レーザー材料は、ウェット化学エッチングによって、前述されたような細長い導波路構造に処理された。そののち、個々のレーザーに対してワイヤーボンディングがなされ、銅のヒートシンクに半田付けされて、ヘリウム流を利用したクライオスタットの温度制御コールドフィンガーにマウントされた。これらのデバイスからの光出力は、液体窒素デュワービン内にマウントされた高速（公称帯域１２ＧＨｚ）量子井戸赤外検出器（ＱＷＩＰ）を用いて検出された。光スペクトル測定は、フーリエ変換赤外スペクトルメータ（ＦＴＩＲ）を用いて実行された。
【００２１】
テストされたレーザーの各々に対して、滑らかな多重ピーク包絡線によって特徴付けられる、極めて広い（＞１ＴＨｚ）マルチモードスペクトルをそれぞれのレーザーが放射するＤＣバイアス範囲が存在する。この範囲外では、当該デバイスは、単一モード連続発振を行なう。図６に示されているのは、ヒートシンク温度を８０Ｋに保った長さ８μｍのＱＣレーザーに関する一連のスペクトルである。これらの多モードスペクトルにおける位相ロック特性は、ＱＷＩＰを用いてレーザー出力を検出し、その結果得られた光電流をスペクトルアナライザに表示させることによって確認された。詳細に述べれば、（図６に示されているように）レーザーのラウンドトリップ時間（あるデバイスにおいては１３ＧＨｚ）に中心を有するブロードなスペクトルが観察された。この特徴は、光スペクトルにおける隣接モード間相互のうなりに起因するものであり、非常に安定していることが見出された。このことは、各モードの相対位相のランダムなドリフトが無視できるものであることを意味しており、モード同期レーザーにおいて期待されるものである。その広いスペクトル幅（１５０ＭＨｚ以上）は、その光帯域に亘る屈折率、すなわちモード間隔の変化による。同様の特徴は、高速バイアス“ティー”を用いて測定されたＱＣレーザー電流のＲＦスペクトルにおいても観察され、レーザー利得が実効的に変調されていることを示している。
【００２２】
これらの結果は、レーザーモードの位相が実際に互いにロックされていることを明らかに示している。しかしながら、記録されて図６に示された実験は、それぞれのモード振幅のコヒーレントな加算によってピコ秒パルスが生み出されるものであるという証拠を何ら与えていない。ＦＴＩＲにおいてマイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計によって生成された、レーザー出力の線型自己相関トレース例（図７）が、所望のピコ秒パルスの存在を確認している。図７は、８μｍデバイス（上部）及び５μｍデバイス（下部）の双方の結果を示している。干渉計中の光ビームが超短パルスを構成している場合には、これらのトレースを構成している干渉フリンジは、干渉系の双方の腕からのパルスが検出器において時間的にオーバーラップした場合にのみ起こる。それゆえ、二つの腕の間の大きな遅延時間においてフリンジ振幅がほとんど観測されないということは、良好な変調深さを有するパルス放射を意味している。しかしながら、これらのトレースは、振幅のみならずそれぞれの位相によっても影響されるために、パルスの持続時間の正確な測定を与えるものではないことに留意されたい。
【００２３】
但し、パルス幅は、（図７に示された自己相関トレースのサイドローブに直接関連する）光学スペクトルにおいて観測された多重ピーク構造から、C.H.Linらによる“自己位相変調を用いた光パルス幅測定”という表題の論文（IEEE J. of Quantum ELectronics誌第８巻第４２９頁（１９７２年））において初めて概説された手法を用いて推定されうる。超高速レーザーパルスに関しては、多重ピーク構造は自己位相変調の存在を表わしており、これは、自己収束の時間的類似として記述されうる。すなわち、屈折率の二次の非線型性が存在する場合には、光電場は、パルス強度プロファイルに比例する、時間的に変化する位相を生成する。従って、光スペクトルは、
【数１】

に示されているように広がる。ここで、Δω_maxは、スペクトル幅の二乗平均、τ_pはパルスの半値全幅、及び、ガウス型パルス形状が仮定されている。最後に、φ_maxは
【数２】

によって与えられる最大非線型位相シフトである。ここで、Ｌは伝播長（この場合にはレーザーのラウンドトリップ経路）、λは波長、ｎ₂は非線型屈折率、及び、Ｉ_maxはパルスピーク強度である。さらに、理論的研究により、φ_maxが３／２πという値に到達する際に光学的スペクトル中の最初の凹みが現われること、そして、それ以降の凹みがより大きなφ_maxの値において現われること、が示されている。
【００２４】
図６のスペクトルを参照すると、およそ０．６Ａのバイアス電流から、明らかな凹みが観測される。よって、φ_max＝３／２πとし、Δω_maxを０．６Ａのスペクトルで測定されたｒｍｓ幅（２５０ＧＨｚ）とすると、推定されるパルス幅はτ_p＝３．２ピコ秒となる。これは近似的な結果であることに留意されたい。なぜなら、主として群速度分散の影響を考慮していないからである。群速度分散の影響は、付随するスペクトル広がりのために、特に大きなＤＣバイアスの値において同様に重要である。
【００２５】
自己モード同期レーザーの出力強度に関しては、低速焦電検出器が、ＳＭＬ ＱＣデバイスのＬ−Ｉ特性（すなわち、バイアス電流対平均光強度特性）を測定するために用いられた。ＣＷ（連続発振）からＳＭＬ動作への移り変わりは、図８に示された微係数ｄＬ／ｄＩの急激な増加を示す曲線より明らかである。さらに、測定された平均強度から、その繰り返しレートを知ることによって、パルスのピーク強度が推定されうる。一般に、ピーク強度は、動作条件に依存して、数百ミリワットから１ワット以上の範囲の値を含む。
【００２６】
自己モード同期現象の起源に係る明確な証拠に関して、ＣＷ及びＳＭＬ動作の双方の場合にファーフィールドビームプロファイルが測定され、比較された。ある場合には、この種の測定は、そのＳＭＬどうさが自己開始的ではないことが見出されたＱＣレーザーを用いてなされた。この特定のデバイスは、ＤＣ電流によってバイアスされた場合に、８μｍにおいて単一モードＣＷ放射をした。モード同期は、（能動モード同期の場合と同様に）そのラウンドトリップ周波数に共鳴したＲＦ変調をＤＣバイアスに重畳することによって実現された。しかしながら、その後、このレーザーは、変調を停止した後においても、モード同期状態に留まった。このデバイスは、バイアス、温度などの条件が同一の場合に（ＣＷ及び自己開始の）双方の場合の比較を許容するという観点から、前述の測定に特に適していた。ＳＭＬ条件下でのファーフィールドビームプロファイルはＣＷの場合よりも広がっていることが見出され、これは導波路内でのより狭いビームに対応している。よって、パルス放射に固有のより高い即時強度レベルにおいては、ビームがレーザー内部で実際に自己収束を起こしていることが明らかである。ＣＷ及びＳＭＬの双方の場合のビーム直径の比は、ＤＣバイアス（よって、光強度）と共に増大し、最大で１．３３と測定された。
【００２７】
観測された非線型屈折率の物理的起源に関しては、これらのモード同期パルスの比較的低強度レベル（数百ミリワットのオーダー）では、観測されたφ_max＝３／２πの非線型位相シフトを実現するためには、式（２）において非線型屈折率ｎ₂として１０^-9ｃｍ²／Ｗほどの値が必要とされる。これは、Ｔｉ：サファイアレーザーにおけるカーレンズモード同期を引き起こしている非線型屈折率よりも７桁大きい値である。結果として、半導体のいてカー非線型性を引き起こすことが知られている二光子吸収、電子ラマン（Ｒａｍａｎ）散乱、及び光シュタルク（Ｓｔａｒｋ）効果などは、全て排除される。なぜなら、それらの非線型性は極めて小さいからである（ｎ₂〜１０^-12ｃｍ²／Ｗあるいはそれ未満）。
【００２８】
サブバンド間レーザー遷移の非線型屈折率に関しては、２レベル近似に基づく以下の表式から計算されうる：
【数３】

ここで、ｚ₃₂はレーザー遷移の双極子能率、ΔＮは単位体積当たりの反転分布、ｎはバックグラウンドの屈折率、ν₀及びΔνは利得曲線の中心周波数及び半値全幅、Ｉｓａｔは飽和強度、及びｑ、ε₀、及びｈは、それぞれ電気素量、真空の誘電率、及びプランク定数である。代表的なＱＣレーザーのバラメータを用いて、非線型屈折率例が光周波数νの関数として図９にプロットされている。この図から、利得中心周波数ν₀においてはｎ₂がゼロであり、対称関数のクラマース＝クローニッヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）変換の一般的な性質を示していることがわかる。しかしながら、ν₀からわずか１００ＧＨｚ離調した周波数において、ｎ２は既に実験的事実を正当化するのに充分なほど大きい（およそ１０^-9ｃｍ²／Ｗ）。図９の右の縦軸は、図５に示された６００ｍＡの場合のスペクトルに対応するパラメータ値を用いて式（２）によって計算したφ_maxとνとの関係を表示するようにスケーリングされている。図６のスペクトル形状を説明するために必要とされるφ_max＝３／２πは、１００ＧＨｚ未満の離調で到達されている。さらに、この非線型性の緩和時間は、レーザー反転分布の寿命から（設計値として）数ピコ秒であり、測定されたパルス幅と矛盾がない。
【００２９】
自己収束は正のｎ₂の値を必要とするが、図９に示された非線型屈折率はν＝ν₀でその符号を変化させていることに留意されたい。ＳＭＬ条件下で測定された光帯域はν₀の周り数百ＧＨｚに亘っており、ｎ₂の双方の符号に対応している。しかしながら、これらの測定においては、光スペクトルの重心が、ν₀より低い、ｎ₂が正となっている周波数に位置していることが見出されている。もちろん、このことは、より高い強度においてより狭いビームプロファイルが観察されたこととも一致している。よって、自己モード同期は、前述された自己収束機構を通じて、ν₀未満の周波数を有するモードによって開始されていると考えることができる。これらのモードの位相が同期されると、それぞれ相互のうなりがレーザー利得の充分大きな変調をもたらし、他のいくつかのモードが閾値以上になる。
【００３０】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、中赤外波長範囲において自己モード同期性を実現することが可能な量子カスケードレーザー構造が提供される。
【００３２】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザー例を示す等角図。
【図２】 モード同期及び電極に関して個別の金属層を利用した、本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザー構造の別の例を示す図。
【図３】 従来技術に係る量子カスケードレーザーの動作を示す模式的なエネルギーダイアグラム。
【図４】 図１及び図２に示されたＳＭＬ ＱＣレーザーに係る屈折率プロファイル及びその結果得られる基本導波路モードの強度分布を横方向（すなわち、活性層に垂直な方向）に沿って示すグラフ。
【図５】 図１に示されたＳＭＬ ＱＣレーザーに係る屈折率プロファイル及びその結果得られる基本導波路モードの強度分布を水平方向（すなわち、活性層に平行な方向）に沿って示すグラフ。
【図６】 本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザーの実施例における光学的スペクトルを相異なったレーザーＤＣバイアス電流に関して示したグラフ。
【図７】 本発明に係る８μｍデバイス例及び５μｍデバイス例におけるＳＭＬ条件での線型自己相関トレースを示す図。
【図８】 本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザーにおけるｄＬ／ｄＩ及び光強度の双方をバイアス電流の関数として示す図。
【図９】 図６のグラフに係るＳＭＬ ＱＣレーザーに対するパラメータ値を用いて計算した、サブバンド間レーザー遷移の非線型屈折率ｎ₂を示す図。
【符号の説明】
１０ ＱＣレーザー
１２、１６ クラッド層
１４ 活性領域
１８ 誘電体層
２０ 第一電極
２２ 第二電極
３２ 頂部電極
３４、３６ 側壁層

Claims (10)

1. 多層光学構造からなる量子カスケード（ＱＣ）レーザーであって、該構造が、
   相対的に小さい実効屈折率を有する頂部（１６）及び底部（１２）クラッド層の間に配置された相対的に大きい実効屈折率を有するコア領域（１４）であって、該コア領域が多層反復ユニットからなり、各反復ユニットが活性領域及びキャリア注入領域からなり、該活性領域が上位キャリアエネルギー状態及び下位キャリアエネルギー状態を呈するように選択された層構造を有し、該上位エネルギー状態から該下位エネルギー状態へのキャリア遷移が波長λの光子の放射をもたらし、該キャリア注入領域が所定の反復ユニットの該活性領域の下位エネルギー状態から隣接する次の反復ユニットの活性領域の上位エネルギー状態へのキャリア輸送を容易にするように選択された層構造を有し、前記頂部及び底部クラッド層が前記コア領域のいずれかの側に配置され、少なくとも前記頂部クラッド層及び前記コア領域がメサ構造を形成する、コア領域（１４）、
   前記クラッド層及び前記コア領域の露出された表面を覆う絶縁層（１８）、及び
   電流を流す前記頂部及び底部クラッド層に付着する電極（２０、２２）
   からなる量子カスケードレーザーにおいて、
   該量子カスケードレーザーが自己モード同期を実現し、前記絶縁層が厚さ１μｍ未満の比較的薄い層からなり、該量子カスケードレーザーが更に、
   光学的に損失の大きい側壁層（３４、３６）であって、該光学的に損失の大きい側壁層と前記活性領域との間でモード結合をもたらすために前記活性領域の少なくとも一部において前記比較的薄い層を覆うように配置された光学的に損失の大きい側壁層（３４、３６）からなり、前記量子カスケードレーザーが更に、伝播損失が鏡面損失よりも大きくなるのに充分なように、長さが少なくとも３．５ｍｍの相対的に長い活性領域キャビティを含む
   ことを特徴とする量子カスケードレーザー。
2. 前記レーザーが自己モード同期を実現し、０．５μｍ未満の厚さの絶縁層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
3. 前記絶縁層が、シリコン窒化膜である
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
4. 前記絶縁層が、シリコン酸化膜である
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
5. 前記レーザーが、中赤外領域に出力波長を放射する
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
6. 前記光学的損失の大きい側壁層が金属材料よりなり、前記上部クラッド領域への頂部電極と連続した層を形成している
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
7. 前記側壁層が、前記頂部電極とは分離されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
8. 前記側壁層が、金属層よりなる
   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ー。
9. 前記上部及び下部クラッド領域が、複数個のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓエピタキシャル層よりなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。
10. 前記側壁層が電気的に絶縁性であり、前記絶縁層を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。

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