JP6696691B2 - テラヘルツ量子カスケードレーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、テラヘルツ量子カスケードレーザ装置に関する。
３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数を有するテラヘルツ波を用いると、たとえば、紙袋内の特定物質などを検出できる。
しかしながら、テラヘルツ波を高周波回路で生成させることは困難である。
ＫＴＰ（KTiOP4）−ＯＰＯ（Optical Parametric Oscillator）から発生する２波長赤外線レーザ光を非線形結晶に照射すると、差周波としてテラヘルツ波が生成される。しかしながら、その構成は複雑である。
特開２００８−５３５１９号公報
２つの赤外線の差周波としてテラヘルツ波を放出可能な量子カスケードレーザ装置を提供する。
実施形態のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置は、基板と、半導体積層体と、第１電極と、を有する。前記半導体積層体は、サブバンド間光学遷移により赤外線レーザ光を放出可能でありかつ前記基板上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第１クラッド層と、を有し、リッジ導波路が設けられる。前記第１クラッド層の上面には前記リッジ導波路の延在方向に沿って離間して設けられた第１分布帰還領域および第２分布帰還領域が設けられる。前記第１電極は、前記第１クラッド層の上面に設けられる。前記第１分布帰還領域の平面サイズは、前記第２分布帰還領域の平面サイズよりも小さい。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるテラヘルツ量子カスケードレーザ装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図２は、量子カスケードレーザ装置の相対電流密度に対する電圧依存性を説明するグラフ図である。 図３（ａ）はテラヘルツ波量子カスケードレーザ装置の第１分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、図３（ｂ）はその第２分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、である。 図４（ａ）は第１の実施形態の変形例の模式平面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図４（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図５（ａ）は第２の実施形態にかかるテラヘルツ量子カスケードレーザ装置の模式平面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図６（ａ）は第２の実施形態にかかるテラヘルツ量子カスケードレーザ装置の第１分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、図６（ｂ）はその第２分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、である。 図７（ａ）は第２の実施形態の変形例の模式平面図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態についてついて説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるテラヘルツ量子カスケードレーザ装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
テラヘルツ量子カスケードレーザ装置は、基板１０と、半導体積層体２０と、第１電極３０と、を有する。
基板１０は、光学非線形性を有するＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓなどからなるものとする。
半導体積層体２０は、活性層１２と、第１クラッド層１４と、を有する。活性層１２は、サブバンド間光学遷移により第１赤外線レーザ光Ｇ１および第２赤外線レーザ光Ｇ２を放出可能であり、かつ基板１０上に設けられる。第１クラッド１４層は、リッジ導波路４０の延在方向（Ａ−Ａ線に平行）に沿って離間して設けられた第１分布帰還領域１４ａおよび第２分布帰還領域１４ｂを有する。
活性層１２は、たとえば、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなる井戸層とＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）からなる障壁層とが交互に積層された量子井戸層がカスケード接続されたものとする。
第１の実施形態において、第１分布帰還領域１４ａの平面サイズＳ１は、第２分布帰還領域１４ｂの平面サイズＳ２よりも小さい。なお、半導体積層体２０は、第２クラッド層１１をさらに有してもよい。半導体積層体２０の一方に端面にはＳｉＮ／Ａｕなどからなる高反射膜９０を設けることができる。また、半導体積層体１２の他方の端面には、Ｙ２Ｏ３などからなる低反射膜９２を設け、光出射面とすることができる。基板１０の端面１０ａからはテラヘルツ波ＴＨが放出される。
第１分布帰還領域１４ａの平面サイズＳ１は、（第１クラッド層１４の上面の幅）×（回折格子領域のＡ−Ａ線に沿った長さ）で表す。また、第２分布帰還領域１４ｂのサイズＳ２は、（第１クラッド層１４の上面の幅）×（回折格子領域のＡ−Ａ線に沿った長さ）で表す。回折格子の幅が同一である場合、平面サイズの比は、回折格子領域の長さの比となる。
半導体積層体２０の上部には、少なくとも第１クラッド層１４と活性層１２とを含み、メサ形や矩形断面のリッジ導波路４０が設けられる。リッジ導波路４０の両側面には半導体積層体２０を構成する層の屈折率よりも低い屈折率からなる誘電体層４２が設けられ、第１赤外線レーザ光Ｇ１および第２赤外線レーザ光Ｇ２が水平方向にそれぞれ閉じ込められ、かつ活性層１２の側面が保護される。また、半導体積層体２０は、活性層１２と基板１０との間に第２クラッド層１１をさらに有してもよい。リッジ幅Ｗ１は、たとえば、６〜２０μｍなどとすることができる。
第１電極３０は、第１クラッド層１４の上面に設けられる。第１分布帰還領域１４ａおよび第２分布帰還領域１４ｂは、第１クラッド層１４の上面に配置された１次元回折格子により構成される。回折格子のピッチＰは、式（１）で表される。

Ｐ＝ｍＢ×（λ０／２ｎｒ） 式（１）
但し、ｍＢ：１以上の整数
λ０：自由空間内の波長
ｎｒ：リッジ導波路を構成する媒質の屈折率
基板１０が導電性を有する場合、基板１０の裏面に第２電極３２を設けることができる。
図２は、量子カスケードレーザ装置の相対電流密度に対する印加電圧依存性を説明するグラフ図である。
回折格子はリッジ導波路４０沿って所定のピッチで配置されているものとする。たとえば、相対電流密度Ｊが０．５を越えると単一モードの赤外線レーザ光が出射され始め、印加電圧Ｖ１が増加するに従って赤外線レーザ光出力が増加する。第１分布帰還領域１４ａと第２分布期間領域１４ｂとには同一の電圧Ｖ１が供給されるので、電流密度がほぼ等しくなる。もし、２つの分布帰還領域１４ａ、１４ｂの平面サイズがさらに等しい場合、それぞれの領域において消費電力が等しくなるので、それぞれの領域のピーク温度もほぼ等しくなる。このため、第１赤外線レーザ光Ｇ１および第赤外線レーザ光Ｇ２の波長がほぼ等しくなりテラヘルツ波が生成されにくい。
これに対して、第１の実施形態では、第２分布帰還領域１４ｂの電流Ｉ２に対する第１分布帰還領域１４ａの電流Ｉ１の比（Ｉ１／Ｉ２）は、ほぼ２つの領域の平面サイズの比（Ｓ１／Ｓ２）と同一となり、平面サイズが大きい第２分布帰還領域１４ｂで消費される電力は、第１分布帰還領域１４ａで消費される電力の約（Ｓ２／Ｓ１）倍と大きくなる。なお、第１分布帰還領域１４ａの熱抵抗をＲＴＨ１とし、第２分布帰還領域１４ｂの熱抵抗をＲＴＨ２とする。
それぞれの領域において、発生熱は半導体積層体１２の縦方向および水平方向に広がる。Ａ−Ａ線に沿って細長い領域である第２分布帰還領域１４ｂでは発生熱のうち水平方向成分は、主としてリッジＡ−Ａ線に直交する方向に放散される。他方，平面形状が正方形に近い第１分布帰還領域１４ａでは発生熱の内の水平方向成分が四方に広がりつつ放散されるので、放熱源の周辺長が実効的に長くなる。このため、（ＲＴＨ１／ＲＴＨ２）＜（Ｓ２／Ｓ１）となり、平面サイズの大きい第２分布帰還領域１４ｂのピーク温度が第１分布帰還領域１４ａのピーク温度よりも高くなり易い。
すなわち、電流密度がほぼ同一のとき、高電流である第２分布帰還領域１４ｂのピーク温度は、低電流である第１分布帰還領域１４ａのピーク温度よりも高くなりやすい。この結果、第２分布帰還領域１４ｂの波長λ２を第１分布帰還領域１４ａの波長λ１よりも長くできる。
なお、第１分布帰還領域１４ａのピーク温度を第２分布帰還領域１４ｂのピーク温度よりも高くしてもよい。たとえば、第２分布帰還領域１４ｂのリッジ導波路４０の両側にアンドープＩｎＰなどからなる埋め込み層を設けると、発生熱のうちの水平方向成分をさらに効果的に放熱できる。このため、（Ｓ１／Ｓ２）×ＲＴＨ１＞ＲＴＨ２のように第２分布帰還領域１４ｂの熱抵抗を低減でき、波長λ２を波長λ１よりも低くできる。なお、温度に対する赤外線レーザ光の波長変化量は、たとえば、０．２５〜１ｎｍ／℃である。
図３（ａ）はテラヘルツ波量子カスケードレーザ装置の第１分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、図３（ｂ）はその第２分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、である。
第１赤外線レーザ光Ｇ１は、第１分布帰還領域１４ａの直下の活性層１２の領域で生成される。また、第２赤外線レーザ光Ｇ２は、第２分布帰還領域１４ｂの直下の活性層１２の領域で生成される。第１分布帰還領域１４ａの回折格子のピッチをＤ１とし、第２分布帰還領域１４ｂの回折格子のピッチをＤ２とする。第１分布帰還領域１４ａで生じる第１赤外線レーザ光Ｇ１の波長λ１はピッチＤ１により変化させることができる。また、第２分布帰還領域１４ｂで生じる第２赤外線レーザ光Ｇ２の波長λ２はピッチＤ２により変化させることができる。
本図のように、ピッチＤ１≦ピッチＤ２とした場合、差周波としてのテラヘルツ波を所定の範囲内とするために、可変温度範囲を狭くでき、温度の制御精度を高めることができる。
図４（ａ）は第１の実施形態の変形例の模式平面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ線に沿ったその模式断面図、図４（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
テラヘルツ量子カスケードレーザ装置は、第１分布帰還領域１４ａのピーク温度を制御可能な第１ペルチェ素子５０と、第２分布帰還領域１４ｂのピーク温度を制御可能な第２ペルチェ素子５２と、をさらに有することができる。
量子カスケードレーザ装置のチップサイズは、たとえば、１０ｍｍ×３０ｍｍなどとすることができる。このため、第１分布帰還領域１４ａや第２分布帰還領域１４ｂにペルチェ素子５０、５２をそれぞれ設けることができる。たとえば、２つの内のいずれかのペルチェ素子の温度を微調整することにより、テラヘルツ波の波長のチューニングが可能である。この場合、たとえば、ペルチェ素子の駆動電流に時間変化する三角波を重畳するとチューニングが容易となる。また、２つのペルチェ素子によりそれぞれの分布帰還領域の動作温度を、たとえば、数十℃低下させると、２つの赤外線レーザ光の出力を増加させ、テラヘルツ波出力を増大できる。
次に、２つの赤外線レーザ光の差周波としてテラヘルツ波が放出されることを説明する。活性層１２内に誘起される分極Ｐは、入射光の電界Ｅを用いて、式（２）であらわすことができる。

Ｐ＝χ１Ｅ＋χ２Ｅ２＋χ３Ｅ３＋・・・ 式（２）

但し、χ１、χ２、χ３・・・は電気感受性（Suceptibility）
第１赤外線レーザ光Ｇ１の強度および第２赤外線レーザ光Ｇ２の強度が大きくなると、電界Ｅの２次以降の項が大きくなり非線形光学効果を生じる。たとえば、単一モードの第１赤外線レーザ光Ｇ１の波長が４．３μｍ（周波数６９．７１９２ＴＨｚ、波数：２３２６ｃｍ−１）であり、単一モードの第２赤外線レーザ光Ｇ２の波長が４．４μｍ（周波数：６８．１３４６ＴＨｚ、波数：２２７３ｃｍ−１）であるとする。なお、活性層１２がＩｎＧａＡｓ（井戸層）／ＩｎＡｌＡｓ（障壁層）などを含むとする。非線形光学効果により、たとえば、差周波である１５．８４５３ＴＨｚのテラヘルツ波レーザ光ＴＨ（波長が１８９．２μｍ）が生成される。差周波であるテラヘルツ波レーザ光ＴＨは、基板１０の端面１０ａから放出される。
図５（ａ）は第２の実施形態にかかるテラヘルツ量子カスケードレーザ装置の模式平面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
第２の実施形態では、第１電極３０は、分割されており、第１分布帰還領域１４ａの上に設けられた第１領域３０ａと、第２分布帰還領域１４ｂの上に設けられた第２領域３０ｂとを有する。第１領域３０ａの電圧Ｖ１と第２領域３０ｂの電圧Ｖ２とを異なる値とすることができる。
もし、電圧Ｖ１＞電圧Ｖ２とすると、第１分布帰還領域１４ａの電流密度を、第２分布帰還領域１４ｂの電流密度よりも高くすることができる。第１分布帰還領域１４ａの平面サイズＳ１は第２分布帰還領域１４ｂの平面サイズＳ２よりも小さいので、電流密度の増大によりピーク温度をさらに高め、波長変化範囲をさらに広げることができる。
また、基板１０は半絶縁性でもよい。この場合、リッジ導波路４０の両側面に第２クラッド層１１を露出させる。第２クラッド層１１に含まれる高濃度層の表面に第２電極３３ａ、３３ｂを設けることができる。
図６（ａ）は第２の実施形態にかかるテラヘルツ量子カスケードレーザ装置の第１分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、図６（ｂ）はその第２分布帰還領域の一例を部分拡大した模式断面図、である。
ピッチＤ１≧ピッチＤ２とすると、第１赤外線レーザ光Ｇ１の波長λ１は、第２赤外線レーザ光Ｇ２の波長λ２よりも長くできる。さらに、たとえば、印加電圧Ｖ１＞印加電圧Ｖ２とすることにより、第１分布帰還領域１４ａの電流密度がさらに高められ、第１分布帰還領域１４ｂ第２分布帰還領域１４ｂとの温度差が大きくなる。このため、第１赤外線レーザ光Ｇ１と第２赤外線レーザ光Ｇ２との周波数差がさらに大きくでき、差周波であるテラヘルツ波の波長範囲を広げることができる。または、ピッチＤ１＜ピッチＤ２としてもよい。
このように、第２の実施形態では、供給電圧Ｖ１、Ｖ２を独立に変化することにより、２つの領域の温度差を制御できる。なお、供給電圧Ｖ１およびＶ２の少なくともいずれかが時間変化する三角波を含むものとすると、テラヘルツ波のチューニングが容易となる。
図７（ａ）は第２の実施形態の変形例の模式平面図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
テラヘルツ量子カスケードレーザ装置は、第１分布帰還領域１４ａのピーク温度を制御可能な第１ペルチェ素子５０と、第２分布帰還領域１４ｂのピーク温度を制御可能な第２ペルチェ素子５２と、をさらに有している。
ペルチェ素子により動作温度を、たとえば、数十℃低下させると、赤外線レーザ出力が増加し、テラヘルツ波出力を増大する。また、波長のチューニングが容易となる。
第１および第２の実施形態およびこれらに付随する変形例では、活性層１２は、たとえば、発光量子井戸層と注入・緩和量子井戸層とのペアが、数十〜数百層程度厚さ方向に積層されている。活性層１２の縦方向に加えられた電界により電子がサブバンド間遷移を繰り返し、活性層１２内に利得領域を生成する。利得領域を光共振器により共振させると、１〜２０μｍなどの波長範囲の赤外線レーザ光が外部に取り出される。
また、テラヘルツ周波数帯を１〜５ＴＨｚなどとする場合、２つの赤外線レーザ光の波長差は、１００ｎｍなどとする必要がある。分布帰還領域では縦モードの長波長側へのとび移りはないので、温度変化に対する波長変化の比率は屈折率の温度依存性により決定される。たとえば、４〜４．５μｍの波長範囲において、波長変化の比率は、０．２５〜１ｎｍ／℃などである。
なお、テラヘルツ波の波長を被検出物体の吸収線にチューニングするため、赤外線レーザ光の波長を微調整することが必要である。たとえば、２つの領域における赤外線レーザ光の波長は、それぞれの領域の電流変化（時間変化に対する電流三角波形など）、およびペルチェ素子により設けられた２つの領域間の温度差などにより微調整ができる。
次に、チェレンコフ放射によりテラヘルツ波を取り出す方法について説明する。
第１および第２の赤外線レーザ光Ｇ１、Ｇ２は、リッジ導波路４０に沿って直進する。他方、テラヘルツ波は、活性層１２の表面に対して、式（３）に表されるチェレンコフ放射角θで基板１０の端面１０ａから放出される。
Figure 0006696691
但し、ｎＴＨｚ:テラヘルツ波のアンドープＩｎＰにおける屈折率
ｎｏｐｔ：赤外線の活性層における屈折率
ｎ１:第１の赤外線レーザ光の実効屈折率≒ｎｏｐｔ
ｎ２：第２の赤外線レーザ光の実効屈折率≒ｎｏｐｔ
λ１：第１の赤外線レーザ光の波長
λ２：第２の赤外線レーザ光の波長
たとえば、波長が３〜５μｍにおいて、ｎＴＨｚ＝３．６かつｎｏｐｔ＝３．４とすると、チェレンコフ放射角θが約２０°となり、テラヘルツ波ＴＨは研磨された基板１０の端面１０ａの垂直方向に放出される。また、チェレンコフ放射角θが約３０°であるとすると、テラヘルツ波ＴＨは基板１０の端面１０ａで屈折され、赤外線レーザ光が出射する活性層１２の端面に直交する方向に平行に出射される。
第１および第２の実施形態およびこれらに付随した変形例によれば、２つの赤外線の差周波としてテラヘルツ波を放出可能な量子カスケードレーザ装置が提供される。この量子カスケードレーザ装置を用いれば、紙袋内の有害な特定物質などを検出できる。量子カスケードレーザ装置を用いないと、テラヘルツ波の発生装置が複雑となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 基板、１２ 活性層、１４ 第１クラッド層、１４ａ 第１分布帰還領域、１４ｂ 第２分布帰還領域、２０ 半導体積層体、３０ 第１電極、３０ａ 第１領域、３０ｂ 第２領域、４０ リッジ導波路、５０ 第１ペルチェ素子、５２ 第２ペルチェ素子、Ｇ１ 第１赤外線レーザ光、Ｇ２ 第２ 赤外線レーザ光、Ｄ１、Ｄ２ （回折格子の）ピッチ、ＲＴＨ１、ＲＴＨ２ 熱抵抗、Ｓ１、Ｓ２ （分布帰還領域の）平面サイズ、ＴＨ テラヘルツ波

Claims (8)

  1. 基板と、
    サブバンド間光学遷移により赤外線レーザ光を放出可能でありかつ前記基板上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第１クラッド層と、を有し、リッジ導波路が設けられた半導体積層体であって、前記第１クラッド層の上面には前記リッジ導波路の延在方向に沿って離間して設けられた第１分布帰還領域および第２分布帰還領域が設けられた、半導体積層体と、
    前記第１クラッド層の上面に設けられた第１電極と、
    を備え、
    前記第１分布帰還領域の平面サイズは、前記第２分布帰還領域の平面サイズよりも小さい、テラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  2. 前記第１分布帰還領域で生成された第１赤外線レーザ光と前記第２分布帰還領域で生成された第２赤外線レーザ光とは、前記リッジ導波路の一方の端面から出射され、
    前記第１赤外線レーザ光と前記第２赤外線レーザ光との差周波であるテラヘルツ波レーザ光は、前記リッジ導波路の前記一方の端面に対して傾斜した前記基板の端面から出射される、請求項１記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  3. 前記第１分布帰還領域の回折格子のピッチは、前記第２分布帰還領域の回折格子のピッチ以下である請求項１または２に記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  4. 前記第１電極は、前記第１分布帰還領域の上面に設けられた第１領域と、前記第２分布帰還領域の上面に設けられかつ前記第１領域とは離間した第２領域と、を含む請求項１または２に記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  5. 前記第１分布帰還領域の回折格子のピッチは、前記第２分布帰還領域の回折格子のピッチ以上である請求項４記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  6. 前記第１分布帰還領域の幅と前記第２分布帰還領域の幅とは、同一である、請求項１〜５のいずれか１つに記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  7. 前記第１分布帰還領域のピーク温度を制御可能な第１ペルチェ素子と、
    前記第２分布帰還領域のピーク温度を制御可能な第２ペルチェ素子と、
    をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
  8. 前記活性層は、ＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓからなる量子井戸層を含む請求項１〜７のいずれか１つに記載のテラヘルツ量子カスケードレーザ装置。
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