JP6774400B2 - 面発光量子カスケードレーザ - Google Patents
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Description
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。
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)
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。
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。
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。
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
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。
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。
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)。
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。
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。
Claims (9)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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