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、InGa1−xAs(0<x<1)からなる井戸層とInAl1−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=χE+χ+χ+・・・ 式(1)

但し、χ、χ、χ・・・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
opt: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〜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、請求項記載の面発光量子カスケードレーザ。
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