JP5127430B2 - レーザ素子 - Google Patents
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Description
本レーザ素子は、電磁波の伝播方向に沿って伸びる利得媒質103を備える。利得媒質103は、光学遷移を利用して電磁波を放出する複数の活性領域140、160を含む。更に、前記利得媒質には、接続領域150を含む。上述のように当該領域は、例えば、前段の活性領域140からのキャリアの高速なエネルギー緩和を起こさせると共に後段の活性領域160にキャリアを注入することになる。こうした利得媒質103において、接続領域150は量子カスケードレーザにおける緩和領域と同様の配置となる。活性領域140、160と領域150は、電流注入されると全体として正味の利得を有する。
R140×R12B=R160×R12A (式1)
これは一例ではあるが、抵抗体12における電気抵抗12A、12BによってV150を制御できることを示すものである。
R12A<R140、R12B<R160 (式2)
(実施例1)
図2は、本発明を適用できるレーザ素子の実施例1の構成の電磁波の伝播方向に垂直な断面を示すものである。本実施例において、利得媒質203は、量子カスケードレーザで用いられる活性領域240、260を2回繰り返した構成を有する。従って、活性領域240、260間に1個のカスケード接続領域250を有する。これらのバンドプロファイルは、図4(a)に示す通りのBound-to-Continuum型の多重量子井戸構成のものとして設計されている。これらの領域については、GaAs基板上に格子整合するGaAsを井戸層とし、格子整合するAlGaAsや非整合のAlGaAsを障壁層とすることができる。
AlGaAs4.3nm(441)/GaAs18.8nm(442)/AlGaAs0.8nm(443)/GaAs15.8nm(444)/AlGaAs0.6nm(445)/GaAs11.7nm(446)/AlGaAs2.5nm(451)/GaAs10.3nm(452)/AlGaAs2.9nm(453)/GaAs10.2nm(454)/AlGaAs3.0nm(455)/GaAs10.8nm(456)/AlGaAs3.3nm(457)/GaAs9.9nm(458)
図5は、本発明を適用できるレーザ素子の実施例2の構成の電磁波の伝播方向に垂直な断面を示す。本実施例において、利得媒質503は、障壁層を三枚用いた共鳴トンネルダイオードで用いられる活性領域540、560の繰り返しが2回である。従って、活性領域540、560間に1個の緩和領域550を有する。これらのバンドプロファイルは、図6に示す通りの多重量子井戸構成のものとして設計されている。これらの領域については、InP基板上に格子整合するInGaAsを井戸層とし、格子整合するInAlAsや非整合のAlAsを障壁層とすることができる。
AlAs1.3nm(641)/InGaAs7.6nm(642)/InAlAs2.6nm(643)/InGaAs5.6nm(644)/AlAs1.3nm(651)/InGaAs5.4nm(652)/InAlAs0.6nm(653)/InGaAs5.4nm(654)/InAlAs0.6nm(653)/InGaAs5.4nm(654)/InAlAs0.6nm(653)/InGaAs5.4nm(654)/InAlAs0.6nm(653)/InGaAs5.4nm(656)
図7は、本発明を適用できるレーザ素子の実施例3の構成の電磁波の伝播方向に垂直な断面を示すもので、実施例1の変形例を表すものである。本実施例は、実施例1における利得媒質203を一般的に表現してn回(図示例では3回)繰り返して利得媒質703が構成された変形例である(図7(b))。量子カスケードレーザでは繰り返し数を上げるとハイパワーとなるため、その点において本実施例は好ましい例である。その他の点は、実施例1と同様である。
図8は、本発明を適用できるレーザ素子の実施例4の構成の電磁波の伝播方向に垂直な断面を示すもので、実施例3の変形例を表すものである。本実施例も、実施例1における利得媒質203を一般的に表現してn回繰り返して利得媒質803が構成された場合の変形例である(図8(b))。本実施例では、更に、表面プラズモンの横モードを整形して導波路損失を低減する。その点において本実施例は好ましい例である。その他の点は、実施例3と同様である。
22、32、52…Bi膜抵抗体(電位調整手段)
72、82…poly-Si膜抵抗体(電位調整手段)
101、102、201、202、301、302、501、502、701、702、801、802…負誘電率媒質(クラッド)
103、203、303、503、703、803…利得媒質
111、112、511、512、711、712、811、812…電気的接点(負誘電率媒質、クラッド)
121、122、221、222、321、322、521、522、721、722、821、822…電極
140、160、240、260、340、440、460、540、560、640、660、740、840…活性領域
150、250、350、550、650、750、850…接続領域
441、443、445、451、453、455、457、641、643、651…障壁
442、444、446、452、454、456、458、642、644、652、654、656…量子井戸
450…緩和領域
454、654…インジェクタ層(引き出し層)
Claims (9)
- 利得媒質と、前記利得媒質をその厚さ方向の上下で挟み電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質を夫々含み構成される第一及び第二のクラッドと、を備え、電磁波を発振する量子カスケードレーザ素子であって、
前記利得媒質は、
量子井戸構造を持ち、前記電磁波を発生する複数の活性領域と、
前記複数の活性領域の間に挟まれており、量子井戸と障壁を含み構成される、該複数の活性領域を接続する接続領域と、を有し、
前記接続領域と前記第一のクラッドとの間、及び、前記接続領域と前記第二のクラッドとの間は、前記接続領域の電位を調整する電位調整手段を介して電気的に接続されており、
前記電位調整手段は、前記複数の活性領域のそれぞれに印加される電圧が均一になるように構成されていることを特徴とする量子カスケードレーザ素子。 - 利得媒質と、前記利得媒質をその厚さ方向の上下で挟み電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質を夫々含み構成される第一及び第二のクラッドと、を備え、電磁波を発振する量子カスケードレーザ素子であって、
前記利得媒質は、
量子井戸構造を持ち、前記電磁波を発生する複数の活性領域と、
前記複数の活性領域の間に挟まれており、量子井戸と障壁を含み構成される、該複数の活性領域を接続する接続領域と、を有し、
前記接続領域と前記第一のクラッドとの間、及び、前記接続領域と前記第二のクラッドとの間は、前記接続領域の電位を調整する電位調整手段を介して電気的に接続されており、
前記複数の活性領域は、同じ周波数の前記電磁波を発生するように構成されていることを特徴とする量子カスケードレーザ素子。 - 前記複数の活性領域は、互いに同じ多層膜構造からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の量子カスケードレーザ素子。
- 前記複数の活性領域は、互いに幅が異な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素子。
- 前記電位調整手段は、抵抗体であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の量子カスケードレーザ素子。
- 基板上に前記量子カスケードレーザ素子は設けられており、前記接続領域は、前記基板の面内方向に引き出され、前記抵抗体に電気的に接続される引き出し層を含むことを特徴とする請求項5に記載の量子カスケードレーザ素子。
- 前記引き出し層は、キャリアドープされ、且つ有限なシート抵抗を有することを特徴とする請求項6に記載の量子カスケードレーザ素子。
- 前記活性領域は、フォトンアシストトンネル現象を利用した共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の量子カスケードレーザ素子。
- 前記電磁波は、30GHzから30THzまでの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の量子カスケードレーザ素子。
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