JP6559000B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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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
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）。
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ているとともに、（４）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おり、複数の溝それぞれの側面は、出力光の出力面として機能し、半導体基板は、その厚さｔが５０μｍ以上２００μｍ以下であり、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以下となるように形成されており、複数の溝は、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。
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、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。
ここで、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、複数の溝の具体的な構成については、複数の溝のそれぞれは、その側面の第２面に垂直な方向（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。
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、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。
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するとともに、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構成、及び差周波発生による出力光の生成について概略的に示す側面図である。 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。 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。 （ａ）、（ｂ）量子カスケードレーザの作成例を示す写真である。 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。 量子カスケードレーザから出力されるテラヘルツ光の強度の電流依存性を示すグラフである。 量子カスケードレーザの素子構造のさらに他の例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構成、及び差周波発生による出力光の生成について概略的に示す側面図である。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、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、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。
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１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が形成される半導体基板１０の第１面１０ａと略平行である。
図２は、図１に示した量子カスケードレーザ１Ａ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２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２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２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、上記のサブバンド準位構造において、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２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２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。例えば、活性層１５として、発光層及び注入層からなる第１単位積層体が多段に積層されて第１周波数ω１の第１ポンプ光を生成する第１活性層と、発光層及び注入層からなる第２単位積層体が多段に積層されて第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成する第２活性層との２種類の活性層が直列に積層された構成を用いても良い。
再び図１を参照する。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１Ａ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１Ａ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１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１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１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、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１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１に示す量子カスケードレーザ１Ａ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１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へと出力される。
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。
図１に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、図２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、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａ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。
ここで、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、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、複数の溝１２の具体的な構成については、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。
また、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、テラヘルツ光などの出力光の波長を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、図１に示すように、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光のチェレンコフ放射角度を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。
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、具体的には後述する。
図１に示した量子カスケードレーザ１Ａにおける複数の溝１２でのテラヘルツ出力光の取り出しについて、さらに説明する。図３〜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１Ａでは、図３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、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３に示すように側面が平面状で尖った形状ではなく、図４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４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。
次に、量子カスケードレーザ１Ａを構成する半導体基板１０の厚さについて説明する。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、量子カスケードレーザ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上の半導体積層構造に基板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１参照）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。
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。
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５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。
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６は、量子カスケードレーザ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７は、図６に示した量子カスケードレーザの構成を端面方向からみて示す正面図である。図８は、図６に示した量子カスケードレーザ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９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８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、その動作電界における量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。図８に示すサブバンド準位構造は、図２に示した準位構造の具体例となっている。また、図６〜図９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６、図７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、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、量子カスケードレーザ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６に示すように、波長選択機構（周波数選択機構）として機能する深さ２５０ｎｍの回折格子構造がエッチングによって形成されている。具体的には、上部ガイド層５４は、光の共振方向に沿って２つの領域に分割されており、そのうちの一方が、周波数ω１の第１ポンプ光を生成するための第１回折格子構造５５、他方が周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための第２回折格子構造５６となっている。
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７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８、図９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８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８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９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２に示したＤＡＵ／ＭＳ構造を採用して、結合二重上準位構造が持つ広い利得帯域を利用し、かつ、活性層１５に対してガイド層５４に２種類の回折格子構造５５、５６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、及び差周波発生による差周波数ωのテラヘルツ光の生成を実現している。
図８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。図８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、上部ガイド層５４における第１、第２回折格子構造５５、５６によって、ポンプ光の設計周波数ω１、ω２、及びテラヘルツ出力光の設計周波数ωＴＨｚ＝ω１−ω２を決定する。ここでは、一般に、ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬでは、周波数１．５ＴＨｚ〜５ＴＨｚの範囲で発光が得られるため、テラヘルツ出力光の周波数ωＴＨｚがこの範囲内となるように、活性層１５を設計する。本構成例では、テラヘルツ出力光の周波数を３ＴＨｚとしている。また、本構成例では、上部ガイド層５４での第１、第２回折格子構造５５、５６による２周期のＤＦＢ（distributed feedback）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。
図６〜図９に示した量子カスケードレーザ１Ｂにおいて、第１面１０ａ上の素子構造の形成プロセス終了後、ＩｎＰ基板５０内部での光の吸収の影響を小さくするために基板研磨を行って、基板５０の厚さｔを約１３５μｍまで薄くする。図１０は、量子カスケードレーザの作成例を示す写真であり、図１０（ａ）は、レーザ素子の側面側からみた断面構成を示し、図１０（ｂ）は、レーザ素子の底面側からみた構成を示している。
図１０に示す作成例では、ＩｎＰ基板５０の第２面（裏面）１０ｂに対し、ダイシングソーを用いて、共振器長が約３ｍｍのレーザ共振器に沿って、深さｈ＝３５μｍ、幅ｗ＝２８μｍの溝１２を、約２００μｍ間隔で形成している。また、溝構造の形成後、ウェットエッチングを行って、溝１２の側面の基板５０に対する傾斜角度を、垂直から約１０°程度に角度をつけることで、基板５０内部への全反射を防止して、外部へのテラヘルツ光の出力効率を向上している。
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１１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１Ｃでは、図６、図７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等を含む素子構造部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１２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１１に示した構成の量子カスケードレーザ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１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１２に示すように、量子カスケードレーザ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１２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上に量子カスケードレーザ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１３は、量子カスケードレーザから出力されるテラヘルツ光の強度の電流依存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）を示し、縦軸はテラヘルツ光の強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図１３において、グラフＧ１は、上記実施形態による基板１０の裏面１０ｂに複数の溝１２を設けた構成の量子カスケードレーザでの電流−光出力特性を示している。また、グラフＧ２は、基板端面を角度２０°で研磨した従来構成の量子カスケードレーザでの電流−光出力特性を示している。
測定は、室温、窒素パージされた環境条件下において、２つの放物面鏡を用いてテラヘルツ出力光を集光し、テラヘルツ検出器であるゴーレイセルを用いて検出を行っている。レーザ素子は、１００ｋＨｚ、２００ｎｓで駆動し、その信号をロックインアンプで検出している。図１３のグラフより、基板裏面に複数の溝を設けた構成では、基板端面を研磨した従来構成と同程度以上の信号強度が得られていることが確認できる。なお、チェレンコフ位相整合を用いない構成でのテラヘルツ光出力は、同一の測定系では測定できないほど強度が低く、テラヘルツ光出力を検出できていない。
図１４は、量子カスケードレーザの素子構造のさらに他の例を示す斜視図である。本構成例では、図１２に示した構成において、テラヘルツ光が出力される基板１０の裏面上にレンズ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。このようなレンズ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。このようなレンズ７２を基板裏面の溝構造に密着させることにより、テラヘルツ出力光を効率的に集光することができる。
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、テラヘルツ出力光を適切にコリメート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。
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、上部ガイド層５４に設けられた２種類の回折格子構造５５、５６によって、周波数ω１、ω２の第１ポンプ光、第２ポンプ光を生成する構成としているが、３種類以上の回折格子構造がミックスされた回折格子パターンを用いても良い。
また、ポンプ光及びテラヘルツ光の生成において回折格子構造を用いず、ファブリペロ動作において発振スペクトル幅が１ＴＨｚ以上に広がった構成での差周波発生を利用する構成としても良い。このような構成では、ＤＦＢを用いた構成に比べてテラヘルツ光出力は低くなるが、広帯域のＴＨｚスペクトルを得ることができる。
また、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用いる構成としても良い。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るとともに、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。
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。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１２…溝、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…電子注入層、
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…第１回折格子構造、５６…第２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…レンズ。

Claims (3)

  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ているとともに、
    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おり、前記複数の溝それぞれの側面は、前記出力光の出力面として機能し、
    前記半導体基板は、その厚さｔが５０μｍ以上２００μｍ以下であり、
    前記複数の溝のそれぞれは、前記出力光の波長をλとして、その深さｈがλ／１０以上２λ以下となるように形成されており、
    前記複数の溝は、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量子カスケードレーザ。
  2. 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記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記複数の溝のそれぞれは、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４°以上２０°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または２記載の量子カスケードレーザ。
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