JP6774400B2 - 面発光量子カスケードレーザ - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、面発光量子カスケードレーザに関する。
二次元格子を含むフォトニック結晶層が異方性を有すると、赤外レーザ光を活性層に対して略垂直方向に放出可能な面発光量子カスケードレーザが提供される。
二次元格子が光出射面の全面に亘って同一パターンであると、赤外レーザ光は１つの波長で発光する。
しかし、たとえば、テラヘルツ波を生成する場合など、異なる波長を有する赤外レーザ光を放出することが要求される。
特開２００８−５３５１９号公報
２つの赤外レーザ光を放出可能な面発光量子カスケードレーザを提供する。
実施形態の面発光量子カスケードレーザは、基板と、活性層と、フォトニック結晶層と、を有する。前記活性層は、前記基板の上に設けられ、光学非線形性を有しサブバンド間遷移により第１および第２の赤外レーザ光を放出可能である。前記フォトニック結晶層は、光学異方性を有する直方格子が設けられた第１領域と前記直方格子が設けられた第２領域とが前記活性層上に配置される。前記第１領域の前記直方格子と前記第２領域の前記直方格子とは直交する。前記第１領域において、前記直方格子を構成する２つの辺の内の第１辺に平行な方向の第１のフォトニックバンドギャップの外側で最も高いゲインに相当する第１波長を有する前記第１の赤外レーザ光が前記第１辺に平行な方向に発振する。前記第２領域において、前記直方格子の前記２つの辺の内の第２辺に平行な方向の第２のフォトニックバンドギャップの外側において最も高いゲインに相当する第２波長を有する前記第２の赤外レーザ光が前記第２辺に平行な方向に発振する。前記第１の赤外レーザ光の一部は、前記第２領域に流入し、かつ前記第２領域内に存在可能である。前記第１および第２の赤外レーザ光は、前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードの模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は基板裏面の模式斜視図、図１（ｄ）はテラヘルツ波の出射方向を変化する凹部の模式断面図、である。 フォトニック結晶層の第１、第２領域の表面に設けられた回折格子の模式平面図である。 図３（ａ）は第１領域の第１方向のフォトニックバンドにおいて、波長に対する透過率依存性および波長に対するゲイン依存性を表すグラフ図、図３（ｂ）は第２領域の第２方向のフォトニックバンドにおいて、波長に対する透過率依存性および波長に対するゲイン依存性を表すグラフ図、図３（ｃ）は第２領域の第２方向のフォトニックバンドにおいて、波長に対する透過率依存性および波長に対するゲイン依存性の他の例を表すグラフ図、である。 図４はフォトニック結晶層の第２、第３領域の表面に設けられた回折格子の模式平面図である。 図５（ａ）は比較例にかかるリッジ導波路型量子カスケードレーザの模式斜視図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図６（ａ）は第１実施形態において、上部電極および下部電極を設けたチップの一例の模式斜視図、図６（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図６（ｃ）はチップの裏面の模式斜視図、図６（ｄ）赤外レーザ光およびテラヘルツ波の放出方向の一例を表す模式斜視図、である。 図７（ａ）は第２の実施形態にかかる面発光型量子カスケードレーザの模式斜視図、図７（ｂ）はチップ裏面の模式斜視図、である。 直方格子の配置の変形例を表す模式平面図である。 図９（ａ）〜（ｅ）は、ピット部の一例を表す模式平面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードの模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は基板裏面の模式斜視図、図１（ｄ）はテラヘルツ波の出射方向を変化する凹部の模式断面図、である。
面発光量子カスケードレーザ１０は、基板２０と、活性層２２と、フォトニック結晶層２４と、を有する。
活性層２２は、基板２０の上に設けられ、内部に生じる分極は電界に対して非線形性を有し、サブバンド間遷移により赤外線レーザ光を放出可能である。活性層２２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ことができる。
フォトニック結晶層２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ）は、光学異方性を有する直方格子が設けられた第１領域２４ａと、同一形状の直方格子が設けられた第２領域２４ｂと、が活性層２２上に配置される。第１領域２４ａの直方格子と第２領域２４ｂの直方格子とは、直交する。すなわち、第１領域２４ａの直方格子を構成する二次元格子の第１辺６０と、第２領域２４ｂの第１辺６０とは、直交する。第２領域２４ｂの平面形状は、第１辺６０に平行な辺に関して上下対称でもよく、かつ第２辺７０に平行な辺に関して左右対称でもよい。なお、図１（ａ）はチップ表面の一部分を表す。本図において、第１〜第４の領域２４ａ〜２４ｄは互いに隣接し、市松模様（チェッカーボード）を構成している。
次に、第１領域２４ａと第２領域とにおけるレーザ光の放出方向について説明する。第１領域２４ａ〜第４領域２４ｄでは、第１波長を有する赤外レーザ光３０および第２波長を有する赤外レーザ光３２が２次元直交格子により回折されて概ね垂直方向に向かって放出される。なお、本明細書において、「概ね垂直方向」とは、８１度以上かつ９９度以下の方向であるものとする。
また、たとえば、活性層２２が、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなどを含むと、活性層２２内に誘起される分極Ｐは、光の電界Ｅを用いて、式（１）であらわすことができる。

Ｐ＝χ１Ｅ＋χ２Ｅ２＋χ３Ｅ３＋・・・ 式（１）

但し、χ１、χ２、χ３・・・は電気感受性（Susceptibility）
分極Ｐは、電界Ｅの高次の項が存在するとき光学非線形性を示す。このため、図１（ｂ）に表すように、活性層２２のうち、第１領域２４ａ〜第４領域２４ｄの下方の活性層２２領域では、チェレンコフ位相整合により第１波長と第２波長との差周波光が生成され、基板２０からテラヘルツ波４０として外部に放出される。テラヘルツ波は、たとえば、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚなどである。
なお、差周波光であるテラヘルツ波４０は、活性層２２からチェレンコフ角だけ傾斜して基板２０へ向けて放出される。図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に表すように、基板２０の裏面にくさび状断面を有する凹部２０ａを２次元状に設けることにより、基板２０の裏面に対して垂直に近い角度となるように放出することができる。なお、凹部２０ａは、空気あるいは基板２０の屈折率よりも低い屈折率として下方に屈折させることにより、外部への放出が容易となる。また、凹部の断面を下に向かって拡開すると出射角度を垂直に近づけることが容易となる。
また、図１（ａ）〜（ｃ）において、活性層２２とフォトニック結晶層２４との間にはクラッド層などを設けることができる。さらに、活性層２２と基板２０との間にはクラッド層などを設けることができる。
図２はフォトニック結晶層の第１、第２領域の表面に設けられた直方格子の模式平面図である。
第１領域２４ａにおいて、２次元直方格子を構成する２辺の内の第１辺６０に平行である方向はＹ軸に平行となる。２次元直方格子を構成する２辺の内の第２辺７０に平行である方向はＸ軸に平行となる。また、直方格子を構成し、周囲の屈折率とは異なる屈折率を有するピット部２６の形状は、第１領域２４ａにおいて、第１辺６０に沿った長さが、第２辺７０に沿った長さよりも大きい。ピット部２６は、フォトニック結晶層２４の屈折率よりも低い屈折率を有することができる。ピット部２６は、たとえば、フォトニック結晶層２４の表面側に設けられた凹部の空気層や、凹部に充填された二酸化シリコン層などとすることができる。
また、ピット部２６の形状は、ピット部２６の重心Ｇを通りかつ直方格子の第１辺６０、および第２辺７０に平行な線に関してそれぞれ非対称とする。このため、赤外レーザ光３０、３２は、フォトニック結晶層２４により回折され、表面から上方に向かって放出される。なお、それぞれの領域の境界を破線で表す。
直方格子において、第１辺６０の間隔は第１ピッチＰ１、第２辺７０の間隔は第２ピッチＰ２、で表す。単一モードの第１赤外レーザ光３０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赤外レーザ光３２の波長が４．４μｍ（周波数：６８．１３４６ＴＨｚ、波数：２２７３ｃｍ−１）であるとする。この場合、差周波である１５．８４５３ＴＨｚのテラヘルツ波レーザ光４０（波長が１８９．２μｍ）が生成される。
第１ピッチＰ１は、たとえば、自由空間内の波長である４．３μｍに対応した媒質内波長の近傍で選択可能である。また、第２ピッチＰ２は、たとえば、自由空間内の波長である４．４μｍに対応した媒質内波長の近傍で選択可能である。
図３（ａ）は第１領域の第１辺に平行方向のフォトニックバンドにおいて、波長に対する透過率依存性および波長に対するゲイン依存性を表すグラフ図、図３（ｂ）は第２領域の第２辺に平行方向のフォトニックバンドにおいて、波長に対する透過率依存性および波長に対するゲイン依存性を表すグラフ図、図３（ｃ）は第２領域の第２辺に平行方向のフォトニックバンドにおいて、波長に対する透過率依存性および波長に対するゲイン依存性の他の例を表すグラフ図、である。
縦軸は波長（相対値）、横軸は透過率（相対値）、である。また、波長に対するゲインスペクトル依存性のグラフ図において、縦軸はゲイン、横軸は波長である。
図３（ａ）に表すように、第１領域２４ａは、直方格子の第１辺６０に平行方向の第１のフォトニックバンドギャップ（禁制帯）の外側で最も高いゲインに相当する第１波長λ１で第１辺６０の平行方向に発振する。
図３（ｂ）に表すように、第２領域２４ｂは、直方格子の第２辺７０に平行方向の第２の第２のフォトニックバンドギャップの外側で最も高いゲイン（但しゲインスペクトルピークではない）に相当する第２波長λ２で第２辺７０に平行方向に発振する。第２領域２４ｂの直方格子は、たとえば、第１領域２４ａの回折格子を時計回りに９０度回転したものである。従って、第１領域２４ａの第１辺６０と第２領域２４ｂの第２辺７０とは平行となり、ともにＹ軸に平行となる。また、図３（ｃ）において、第２波長λ２は第２のフォトニックバンドギャップの外側であるのでゲインスペクトルピークに対応する。すなわち、第１の実施形態の面発光量子カスケードレーザは、波長の異なる２つの赤外レーザ光を放出できる。
第１領域２４ａで発振した第１波長λ１の赤外レーザ光３０の一部は、第２領域２４ｂに流入し、かつ第２領域２４ｂ内に存在可能である（第２のフォトニックバンドギャップの外にある）。この結果、第２領域２４ｂにおいて、光学非線形性に基づいてチェレンコフ位相整合により第１波長光と第２波長光との差周波光が生成され、基板２０からテラヘルツ波４０として外部に放出される。
図４はフォトニック結晶層の第２および第３領域の表面に設けられた直方格子の模式平面図である。
第２領域２４ｂにおいて、２次元直方格子を構成する第１辺６０はＸ軸に平行である。また、第３領域２４ｃにおいて、２次元直方格子を構成する第２辺７０は、Ｘ軸に平行である。
図３（ａ）に表すように、第２領域２４ｂは、直方格子の第１辺６０に平行方向の第１のフォトニックバンドギャップ（禁制帯）の外側で最も高いゲインに相当する第１波長λ１で第１辺６０の平行方向に発振する。
図３（ｂ）に表すように、第３領域２４ｃは、直方格子の第２辺７０に平行方向の第２のフォトニックバンドギャップの外側で最も高いゲインに対応する第２波長λ２で第２辺７０に平行方向に発振する。
第２領域２４ｂで発振した第１波長λ１を有する第１の赤外レーザ光の一部は、第３領域２４ｃに流入し、かつ第３領域２４ｃ内に存在可能である（第２のフォトニックバンドギャップの外にある）。第３領域２４ｃにおいて、光学非線形性に基づいてチェレンコフ位相整合により第１の赤外レーザ光と第２の赤外レーザ光との差周波光が生成され、基板２０からテラヘルツ波４０として外部に放出される。
同様にして、第３領域２４ｃと第４領域２４ｄとが隣接するとき、第４領域２４ｄがテラヘルツ波を放出可能となる。
同様にして、第４領域２４ｄと第１領域２４ａとが隣接するとき、第１領域２４ａがテラヘルツ波を放出可能となる。すなわち、図１（ａ）に表すように、直方格子が市松模様状に配置されるとそれぞれの領域２４ａ〜２４ｄはテラヘルツ波を放出できる。
テラヘルツ波は、活性層２２の表面に対して、式（２）で表されるチェレンコフ放射角θで基板２０から放出される。

Figure 0006774400
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°となる。
図５（ａ）は比較例にかかるリッジ導波路型量子カスケードレーザの模式斜視図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
図５（ａ）は、ピッチの異なるグレーティング領域１０２、１０４が露出した状態を表す。また、図５（ｂ）は、２つのグレーティング領域の上を埋め込み上部電極が設けられた後の模式断面図である。
比較例にかかる量子カスケードレーザは、Ｂ−Ｂ線に沿ってピッチの異なるグレーティング領域１０２、１０４が２つ直列に接続されている。このため、異なる２つの赤外レーザ光がＢ−Ｂ線に沿ってそれぞれ共振し、Ｂ−Ｂ線に沿って放出可能である。他方、活性層１１０の光学非直線性により、２つの赤外レーザ光の差周波光が活性層１１０に対してチェレンコフ放射角θを保ちつつ基板１２０に向けて放出される。基板１２０の裏面には溝部１４０ａが設けられ、チップ下方に向けて差周波光（テラヘルツ波）が放出される。この構成では、面発光テラヘルツ波１４０を放出することが困難である。
これに対して、本実施形態によれば、市松模様のフォトニック結晶層により広い面積に亘って均一かつ高出力の面発光が可能なテラヘルツ波を放出可能な量子カスケードレーザが提供される。また、たとえば、テラヘルツ波を紙袋内の有毒な特定物質などに照射すると透過波または反射波強度を測定することにより、特定物質の有無や形状を検出することができる。この場合、リッジ導波路型レーザよりも面発光型レーザを用いた方が、照射光学系の構成などが容易となる。
図６（ａ）は第１実施形態において、上部電極および下部電極を設けたチップの一例の模式斜視図、図６（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図６（ｃ）はチップの裏面の模式斜視図、図６（ｄ）は赤外レーザ光およびテラヘルツ波の放出方向の一例を表す模式斜視図、である。
上部電極８０は、たとえば、フォトニック結晶層２４の分割されたそれぞれの領域２４ａ〜２４ｄの周辺部に枠状に設けることができる。また、それぞれの領域２４ａ〜２４ｄをさらに小領域に分割するようにストライプ電極を適正な間隔で配置すると、それぞれの領域に均等に電流を注入することが容易となる。
他方、図６（ｃ）、（ｄ）に表すように、下部電極８２を、チップの裏面全面に設けるとチップ裏面から下方に向かって放出されたテラヘルツ光４０が、下部電極８２により反射され上方に放出される。このため、テラヘルツ波は、チップの上方に向かって放出される。本願の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザは、２つの赤外線レーザ光をＫＴＰ（KTiOP4）−ＯＰＯ（Optical Parametric Oscillator）などの非線形化生に照射して差周波光としてテラヘルツ波を発生させる構成よりも簡素な構成とすることができる。
図７（ａ）は第２の実施形態にかかる面発光型量子カスケードレーザの模式斜視図、図７（ｂ）はチップを裏面側からみた模式斜視図、である。
それぞれの領域（２４ａ〜２４ｄ）の裏面には開口部８４ａが設けられた下部電極８４が設けられる。テラヘルツ波４０は、それぞれの領域２４ａ〜２４ｄから開口部８４を介してチップの下方に放出される。上部電極８０と下部電極８４との間において、電流密度は開口部８４ａの上部領域では低くなる。量子カスケードレーザはサブバンド間遷移により発光するので、電流密度が低い領域においても光吸収により光出力が低下する程度は小さい（電子とホールの再結合発光と比較して）。
図８は、直方格子の配置の変形例を表す模式平面図である。
第２図には、直方格子の第１辺６０がＹ軸（すなわち第１の方向）に平行な場合が例示されている。本発明の実施形態はこの配置に限定されない。すなわち、直方格子の第１辺６０がＹ軸と角度αで交差していてもよい。角度αは、たとえば、ゼロよりも大きく４５度よりも小さくすることができる。
図９（ａ）〜（ｅ）は、ピット部の一例を表す模式平面図である。
ピット部２６の平面形状において、直方格子の第１辺６０に平行な方向の長さＢが第２辺７０に平行な方向の長さＢよりも大きい。すなわち、Ｂに対するＡをピット部のアスペクト比と定義すると、アスペクト比を、１よりも大きくする。図９（ａ）〜（ｅ）は、三角形、傾いた楕円、大小の２つの円の組み合わせ、台形、多角形の例であるが、ピット部平面形状はこれらに限定されない。
本実施形態により、波長の異なる２つの赤外レーザ光を放出可能な面発光量子カスケードレーザが提供される。このため、たとえば、２つの赤外レーザ光の差周波光としてテラヘルツ光を放出可能である。テラヘルツ波を照射し、その反射波または透過波を検出することにより、紙製容器などに収納された特定物質の有無や形状を検出することができる。
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。
２０ 基板、２０ａ 凹部、２２ 活性層、２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ フォトニック結晶層、２６ ピット部、３０、３２ 赤外レーザ光、４０ テラヘルツ波、６０ （直方格子の）第１辺、７０（直方格子の）第２辺、８０ 上部電極、８２、８４ 下部電極、Ｇ （ピット部の）重心、θ チェレンコフ放射角、λ１ （第１の赤外レーザ光の）第１波長、λ２ （第２の赤外レーザ光の）第２波長

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板の上に設けられ、光学非線形性を有しサブバンド間遷移により第１および第２の赤外レーザ光を放出可能な活性層と、
    光学異方性を有する直方格子が設けられた第１領域と前記直方格子が設けられた第２領域とが前記活性層上に配置されたフォトニック結晶層であって、前記第１領域の前記直方格子と前記第２領域の前記直方格子とが直交する、フォトニック結晶層と、
    を備え、
    前記第１領域において、前記直方格子を構成する２つの辺の内の第１辺に平行な方向の第１のフォトニックバンドギャップの外側で最も高いゲインに相当する第１波長を有する前記第１の赤外レーザ光が前記第１辺に平行な方向に発振し、
    前記第２領域において、前記直方格子の前記２つの辺の内の第２辺に平行な方向の第２のフォトニックバンドギャップの外側で最も高いゲインに相当する第２波長を有する前記第２の赤外レーザ光が前記第２辺に平行な方向に発振し、
    前記第１の赤外レーザ光の一部は、前記第２領域に流入し、かつ前記第２領域内に存在可能であり、
    前記第１および第２の赤外レーザ光は、前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される
    、面発光量子カスケードレーザ。
  2. 前記第２波長は、ゲインスペクトルピークに相当する、請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
  3. 前記第１のフォトニックバンドギャップは、前記第２のフォトニックバンドギャップよりも大きい請求項１または２に記載の面発光量子カスケードレーザ。
  4. 前記第１領域と前記第２領域とが市松模様状に配置され、
    前記市松模様を構成するそれぞれの領域において、前記光学非線形性に基づいてチェレンコフ位相整合により前記第１の赤外レーザ光と前記第２の赤外レーザ光との差周波光が生成され、テラヘルツ波として前記基板から外部に向かって放出される、請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
  5. 前記基板の裏面には、前記それぞれの領域には、前記差周波光を前記基板に対して垂直外方に向けて屈折可能な凹部が設けられた、請求項４記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  6. 前記基板の裏面に設けられ、前記差周波光を上方に反射する下部電極をさらに備えた請求項４または５に記載の面発光量子カスケードレーザ。
  7. 前記基板の裏面に設けられ、開口部が設けられた下部電極をさらに備え、
    前記差周波光は、前記開口部を通り外部に放出される、請求項４または５に記載の面発光量子カスケードレーザ。
  8. 前記直方格子を構成し、周囲のフォトニック結晶層よりも低い屈折率を有するピット部において、前記第１辺に平行な方向の長さが前記第２辺に平行な長さよりも大きく、
    前記ピット部の形状は、前記ピット部の重心を通りかつ前記第１辺および前記第２辺に平行な線に関してそれぞれ非対称である、請求項１〜７のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
  9. 前記それぞれの領域には、枠部状の上部電極が設けられ、
    前記ピット部は、前記枠部と重ならないように設けられた、請求項８記載の面発光量子カスケードレーザ。
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