JP6893591B1 - レーザモジュール - Google Patents

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Abstract

レーザモジュールは、主面及び主面とは反対側の裏面を有する基板と、主面上に設けられた第１クラッド層と、第１クラッド層の基板とは反対側に設けられた活性層と、活性層の第１クラッド層とは反対側に設けられた第２クラッド層と、を有する量子カスケードレーザと、活性層の端面に対向する位置に配置されたレンズ面を有するレンズと、を備える。基板、第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層の積層方向に交差する方向を向く活性層の端面は、第１周波数の光及び第２周波数の光を発振させる共振器を構成し、活性層は、第１周波数及び第２周波数の差周波数のテラヘルツ波を生成する。基板は、レンズ面に直接的又は間接的に接触しており、活性層の端面は、レンズ面のうち端面と向かい合う部分に対して傾斜している。

Description

本開示は、レーザモジュールに関する。
従来、光の発振によってテラヘルツ波を生成する活性層を含む量子カスケードレーザと、レンズを含む光学素子と、を備えるレーザモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザモジュールでは、活性層で生成されたテラヘルツ波がレンズによって集光されてからレーザモジュールの外部に出力される。
米国特許第８６１９８３２号明細書
上記特許文献１に記載されたレーザモジュールでは、量子カスケードレーザの端面の全体を光学素子（レンズ又はスペーサ）に接触させている。本発明者の知見によれば、このような構成を採用した場合、活性層における光の発振が不安定となる場合がある。一方、量子カスケードレーザの端面を光学素子から離間させた場合、テラヘルツ波が量子カスケードレーザと光学素子との間の空気層において全反射してしまい、テラヘルツ波の取り出し効率が低下するおそれがある。
そこで、本開示の一側面は、活性層における光の発振を安定化させると共に、活性層において生成されるテラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができるレーザモジュールを提供することを目的とする。
本開示の一側面に係るレーザモジュールは、主面及び主面とは反対側の裏面を有する基板と、主面上に設けられた第１クラッド層と、第１クラッド層の基板とは反対側に設けられた活性層と、活性層の第１クラッド層とは反対側に設けられた第２クラッド層と、を有する量子カスケードレーザと、活性層の端面に対向する位置に配置されたレンズ面を有するレンズと、を備える。基板、第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層の積層方向に交差する方向を向く活性層の端面は、第１周波数の光及び第２周波数の光を発振させる共振器を構成し、活性層は、第１周波数及び第２周波数の差周波数のテラヘルツ波を生成する。基板は、レンズ面に直接的又は間接的に接触しており、活性層の端面は、レンズ面のうち端面と向かい合う部分に対して傾斜している。
上記レーザモジュールでは、基板は、レンズ面に直接的又は間接的に接触している。これにより、テラヘルツ波を基板を介してレンズ面へと伝搬させることができるため、テラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができる。さらに、活性層の端面は、レンズ面のうち端面と向かい合う部分に対して傾斜している。すなわち、活性層の端面の全体が、レンズ面に接触していない。これにより、共振器を構成する活性層の端面において、テラヘルツ波を生成するための光を安定して発振させることができる。以上により、このレーザモジュールによれば、活性層における光の発振を安定化させると共に、活性層において生成されるテラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができる。
レンズの焦点は、量子カスケードレーザの内部に位置していてもよい。上記構成によれば、テラヘルツ波をより効率よくレンズ側に伝搬させることができる。
基板は、レンズ面に線接触していてもよい。上記構成によれば、レンズ面に対する基板の接触面積が小さい場合でもテラヘルツ波を効率よくレンズ側に伝搬させることができる。
基板は、レンズ面に対して傾斜するように裏面から主面側に延びる第１面を有し、第１面の主面側の端部に形成された角部は、レンズ面に線接触していてもよい。上記構成によれば、第１面の主面側の端部に形成される角部をレンズ面に接触させることにより、基板とレンズ面とを線接触させる構成を実現できる。
基板は、主面及び裏面を接続し、レンズ面に対向する側面を有し、裏面と側面との間に形成された角部は、レンズ面に線接触していてもよい。上記構成によれば、裏面と側面との間の角部をレンズ面に接触させることにより、基板とレンズ面とを線接触させる構成を実現できる。
基板の主面から裏面までの厚さは、２００μｍ以下であってもよい。上記構成によれば、活性層において生成されたテラヘルツ波の基板内部での減衰を抑制し、テラヘルツ波の取り出し効率をより一層向上させることができる。
基板は、レンズ面に面接触していてもよい。上記構成によれば、レンズ面に対する基板の接触面積が大きくなるため、レンズ面と基板との接触部分における基板の破損が抑制される。
基板は、レンズ面に対して傾斜するように裏面から主面側に延びる第１面と、第１面の主面側の端部に接続され、レンズ面に平行な第２面と、を有し、第２面は、レンズ面に面接触していてもよい。上記構成によれば、レンズ面に平行な第２面をレンズ面に接触させることにより、基板とレンズ面とを面接触させる構成を実現できる。また、第１面を設けることにより、基板とレンズ面との接触面積を小さく抑えることができる。
上記レーザモジュールは、量子カスケードレーザとレンズとの間に配置されたスペーサを更に備え、スペーサは、レンズ面に平行であり且つレンズ面に接触する出力面と、出力面とは反対側の入力面と、を有し、基板は、スペーサの入力面に接触しており、活性層の端面は、スペーサの入力面に対して傾斜していてもよい。例えば、量子カスケードレーザに対するレンズの位置合わせのために、基板をレンズ面に接触させた状態で、量子カスケードレーザに対してレンズを移動させると、量子カスケードレーザとレンズ面との摩擦によって、量子カスケードレーザが破損するおそれがある。上記構成によれば、量子カスケードレーザとスペーサとの位置関係を固定した状態（すなわち、量子カスケードレーザとスペーサとの間に摩擦が生じない状態）で、スペーサに対してレンズを移動させることによって、量子カスケードレーザに対するレンズの位置合わせを行うことができる。そのため、量子カスケードレーザの破損が抑制される。
スペーサの屈折率は、レンズの屈折率と略同一であってもよい。上記構成によれば、スペーサとレンズとの界面におけるテラヘルツ波の反射損失を抑制することができる。
上記レーザモジュールは、基板の裏面が載置される載置面と、載置面に接続され、スペーサの入力面に当接する当接面と、を有する載置部を更に備え、載置面と当接面とが成す角度は、鋭角であってもよい。上記構成によれば、載置部を介して量子カスケードレーザ及びスペーサの位置決めを容易に行うことができる。
本開示の一側面によれば、活性層における光の発振を安定化させると共に、活性層において生成されるテラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができるレーザモジュールを提供することが可能となる。
図１は、一実施形態に係るレーザモジュールの斜視図である。 図２は、レーザモジュールの断面図である。 図３は、レーザモジュールの量子カスケードレーザの断面図である。 図４は、図３のIV−IV線に沿っての断面図である。 図５は、量子カスケードレーザの活性層の構成の一例を示す図である。 図６は、活性層の構成の具体例を示す図である。 図７は、活性層の構成の具体例を示す表である。 図８は、図２の拡大図である。 図９は、量子カスケードレーザの内部におけるテラヘルツ波の強度分布を示す図である。 図１０は、比較例に係る測定装置を示す図である。 図１１は、実施例に係る測定装置を示す図である。 図１２は、比較例及び実施例の測定結果を示すグラフである。 図１３は、レーザモジュールの変形例を示す図である。 図１４は、レーザモジュールの変形例を示す図である。 図１５は、レーザモジュールの変形例を示す図である。 図１６は、図１５の拡大図である。 図１７は、レーザモジュールの効果の検証結果を示す図である。 図１８は、レーザモジュールの効果の検証結果を示す図である。 図１９は、レーザモジュールの効果の検証結果を示す図である。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面に示される各部材（又は部位）の寸法又は寸法の比率は、説明をわかり易くするために、実際の寸法又は寸法の比率とは異なることがある。
図１及び図２に示されるように、レーザモジュール（例えば、外部共振器型）１は、量子カスケードレーザ（以下、「ＱＣＬ」という）１０、サブマウント（載置部）２０及びレンズ３０を備えている。
ＱＣＬ１０は、室温環境下においてテラヘルツ波を出力することが可能な光源である。ＱＣＬ１０は、棒状を呈している。ＱＣＬ１０は、軸線Ｘ１に沿って延びている。ＱＣＬ１０は、軸線Ｘ１に沿って互いに対向する第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂを有し、中赤外領域の広帯域（例えば３μｍ以上２０μｍ以下）の光を第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂそれぞれから出射する。ＱＣＬ１０は、中心波長が互いに異なる複数の活性層がスタック状に積層された構造を有しており、上記のような広帯域の光を出射することができる。なお、ＱＣＬ１０は、単一の活性層からなる構造を有していてもよく、この場合でも上記のような広帯域の光を出射することができる。
ＱＣＬ１０は、サブマウント２０の載置面２０ａに載置されている。ＱＣＬ１０は、サブマウント２０上に固定されている。サブマウント２０は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んで構成されたセラミック基板である。レンズ３０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる超半球レンズである。レンズ３０は、平坦なレンズ面３０ａを有している。レンズ３０は、レンズ面３０ａがＱＣＬ１０に対向するようにＱＣＬ１０に対して第１端面１０ａ側に配置されている。レンズ面３０ａには、ＱＣＬ１０から出射されるテラヘルツ波が入射される。レンズ３０は、ＱＣＬ１０から出射されるテラヘルツ波を集光する。ＱＣＬ１０及びサブマウント２０は、レンズ面３０ａに対して傾斜している。具体的には、ＱＣＬ１０の軸線Ｘ１、及びサブマウント２０の載置面２０ａは、レンズ面３０ａに対して傾斜している。
［量子カスケードレーザの構成］
図３及び図４に示されるように、ＱＣＬ１０は、半導体基板２と、半導体層３と、を備えている。半導体基板２は、主面２ａ、及び主面２ａとは反対側の裏面２ｂを有している。主面２ａ及び裏面２ｂは、ＱＣＬ１０の軸線Ｘ１に沿った平坦面である。半導体基板２の裏面２ｂは、サブマウント２０の載置面２０ａに載置されている。半導体基板２は、例えば、長方形板状のＩｎＰ単結晶基板（半絶縁性基板：不純物がドーピングされていない高抵抗の半導体基板）である。半導体基板２の長さ、幅、厚さは、それぞれ、数百μｍ〜数ｍｍ程度、数百μｍ〜数ｍｍ程度、数百μｍ程度である。以下の説明では、半導体基板２の長さ方向、幅方向、厚さ方向（主面２ａ及び裏面２ｂが互いに対向する方向）を、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向という。
半導体基板２は、主面２ａ及び裏面２ｂを接続する側面２ｃを有している。側面２ｃは、ＱＣＬ１０の第１端面１０ａの一部である。側面２ｃは、レンズ面３０ａに対向している。側面２ｃは、第１面２ｄと、第２面２ｅと、を有している。
第１面２ｄは、平坦面である。第１面２ｄは、裏面２ｂに接続されており、裏面２ｂから主面２ａ側に延びている。第１面２ｄは、主面２ａ及び裏面２ｂに対して傾斜している。第１面２ｄは、裏面２ｂから主面２ａ側に向かうほど第２端面１０ｂから離れるように傾斜している。第１面２ｄと主面２ａとが成す角度θ１は、例えば３０°〜８０°程度である。第１面２ｄは、例えば、長方形板状の半導体基板を研磨することによって形成されている。つまり、第１面２ｄは、研磨面である。第１面２ｄと裏面２ｂとの間には、第１角部２ｆが形成されている。第１角部２ｆは、第１面２ｄと裏面２ｂとが接続する部分である。第１角部２ｆは、Ｙ軸方向に沿って延びている。
第２面２ｅは、平坦面である。第２面２ｅは、第１面２ｄの主面２ａ側の端部及び主面２ａに接続されている。第２面２ｅは、第１面２ｄに対して傾斜している。第２面２ｅは、主面２ａ及び裏面２ｂに対して略直交している。第２面２ｅと主面２ａとの間には、第２角部２ｇが形成されている。第２角部２ｇは、第２面２ｅと主面２ａとが接続する部分である。第２角部２ｇは、Ｙ軸方向に沿って延びている。
第１面２ｄと第２面２ｅとの間には、第３角部２ｈが形成されている。第３角部２ｈは、第１面２ｄと第２面２ｅとが接続する部分である。第３角部２ｈは、第１面２ｄの主面２ａ側の端部、及び第２面２ｅの裏面２ｂ側の端部に形成されている。第１面２ｄが上述したような傾斜面であることにより、第１角部２ｆは、第３角部２ｈよりもＱＣＬ１０の第２端面１０ｂ側に位置している。第３角部２ｈは、Ｙ軸方向に沿って延びている。
半導体層３は、半導体基板２の主面２ａに設けられている。半導体層３は、側面３ｃを有している。側面３ｃは、ＱＣＬ１０の第１端面１０ａの一部である。側面３ｃは、平坦面である。側面３ｃは、半導体基板２の主面２ａ及び裏面２ｂに対して略直交している。すなわち、本実施形態では、側面３ｃは、半導体基板２の第２面２ｅと同一の平面上に位置している。側面３ｃは、第１縁３ｄと、第２縁３ｅと、を有している。第１縁３ｄは、側面３ｃの半導体基板２とは反対側の縁である。第１縁３ｄは、Ｙ軸方向に沿って延びている。第２縁３ｅは、側面３ｃの半導体基板２側の縁である。第２縁３ｅは、Ｙ軸方向に沿って延びている。第２縁３ｅは、半導体基板２の第２角部２ｇと重なっている。半導体層３の厚さは、１０μｍ〜２０μｍ程度である。
半導体層３は、活性層３１、上部ガイド層３２、下部ガイド層３３、上部クラッド層（第２クラッド層）３４、下部クラッド層（第１クラッド層）３５、上部コンタクト層３６及び下部コンタクト層３７、並びに、支持層３８を有している。下部コンタクト層３７は、例えば、厚さ４００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１８／ｃｍ３）であり、半導体基板２の主面２ａに設けられている。下部クラッド層３５は、例えば、厚さ５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、下部コンタクト層３７の表面に設けられている。つまり、下部クラッド層３５は、下部コンタクト層３７を介して半導体基板２の主面２ａ上に設けられている。下部ガイド層３３は、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、下部クラッド層３５の表面に設けられている。活性層３１は、量子カスケード構造を有する層であり（詳細については後述する）、下部ガイド層３３の表面に設けられている。つまり、活性層３１は、下部クラッド層３５の半導体基板２とは反対側に設けられている。
上部ガイド層３２は、例えば、厚さ４５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、活性層３１の表面に設けられている。上部クラッド層３４は、例えば、厚さ５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、上部ガイド層３２の表面に設けられている。つまり、上部クラッド層３４は、活性層３１の下部クラッド層３５とは反対側に設けられている。上部コンタクト層３６は、例えば、厚さ１５ｎｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉdoped：１．５×１０１８／ｃｍ３）であり、上部クラッド層３４の表面に設けられている。支持層３８は、例えば、ＩｎＰ層（Fe doped）であり、リッジストライプ状に形成された活性層３１、上部ガイド層３２及び下部ガイド層３３の両側において、下部クラッド層３５と上部クラッド層３４との間に設けられている。活性層３１、上部ガイド層３２、下部ガイド層３３、上部クラッド層３４、下部クラッド層３５、上部コンタクト層３６及び下部コンタクト層３７、並びに、支持層３８のそれぞれのレンズ３０側の端面は、互いに一致しており、半導体層３の側面３ｃを構成している。なお、上部コンタクト層３６の表面には、電極が設けられていてもよい。
上部ガイド層３２には、第１ポンプ光及び第２ポンプ光（詳細については後述する）の共振方向Ａ０に沿って、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子構造が形成されている。上部ガイド層３２は、当該回折格子構造として、共振方向Ａ０において並設された回折格子層３２ａ，３２ｂを含んでいる。回折格子層３２ａは、第１ポンプ光を単一モード発振させる。回折格子層３２ｂは、第２ポンプ光を単一モード発振させる。なお、本実施形態では、共振方向Ａ０は、Ｘ軸方向に平行な方向である。
［活性層の構成］
上述した活性層３１の構成について、より詳細に説明する。活性層３１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ポンプ光を生成するように、且つチェレンコフ位相整合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（＝｜ω１−ω２｜）のテラヘルツ波を生成するように、構成されている。具体的には、活性層３１は、ＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造を有している。
活性層３１は、端面３１ａと、端面３１ａとは反対側の端面３１ｂと、を有している。端面３１ａ及び端面３１ｂは、それぞれＸ軸方向（半導体基板２、下部クラッド層３５、活性層３１及び上部クラッド層３４の積層方向（Ｚ軸方向）に交差する方向）を向いている。端面３１ａは、ＱＣＬ１０の第１端面１０ａの一部である。端面３１ａは、半導体層３の側面３ｃの一部である。つまり、端面３１ａは、半導体基板２の主面２ａに対して略直交している。端面３１ａは、レンズ３０のレンズ面３０ａに対向している。つまり、レンズ面３０ａは、活性層３１の端面３１ａに対向する位置に配置されている。端面３１ｂは、ＱＣＬ１０の第２端面１０ｂの一部である。端面３１ａ及び端面３１ｂは、第１ポンプ光及び第２ポンプ光を発振させる共振器を構成している。
図５に示されるように、活性層３１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及び電子注入層１８によって構成されている。量子井戸発光層１７及び電子注入層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いる。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。
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、及び、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を有している。更に、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する第１発光下準位（準位１）Ｌｌｏｗ１＝Ｌ１、第１発光上準位よりも低く且つ第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、第１発光上準位よりも低く且つ第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、及び、これらの発光下準位よりも低いエネルギーを有する緩和準位Ｌｒを有している。
量子井戸発光層１７と前段の単位積層体の電子注入層１８ａとの間には、電子注入層１８ａから量子井戸発光層１７に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。量子井戸発光層１７と電子注入層１８との間には、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層が設けられている。なお、量子井戸発光層１７と電子注入層１８との間に、量子井戸発光層１７から電子注入層１８に抽出される電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が必要に応じて設けられていてもよい。
単位積層体１６のサブバンド準位構造における各準位の間隔構成は、次のとおりである。すなわち、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は、それぞれ、第１周波数ω１のポンプ光のエネルギー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は、それぞれ、第２周波数ω２のポンプ光のエネルギーＥ２と略一致している（ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２）。また、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周波数ω１と第２周波数ω２との差周波数ωのテラヘルツ波のエネルギーＥ＝Ｅ１−Ｅ２と略一致している（ΔＥ２１＝ΔＥ３２＝ΔＥ５４＝Ｅ）。本実施形態では、第１周波数ω１は第２周波数ω２よりも大きく、差周波数はω＝ω１−ω２である。
以上のようなサブバンド準位構造においては、前段の電子注入層１８ａの緩和準位Ｌｒから注入障壁を介して量子井戸発光層１７に電子が注入され、これにより、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。このとき、電子−電子散乱等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、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２に充分なキャリアが供給される。
第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２に注入された電子は、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３のそれぞれに遷移する。このとき、発光上準位と発光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されて放出される。特に、エネルギーＥ１を有する第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び、エネルギーＥ２を有する第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成されて放出される。
第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３に遷移した電子は、緩和準位Ｌｒに緩和される。このように、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３から電子が引き抜かれることで、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２と、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下Ｌｌｏｗ２及び第３発光下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。緩和準位Ｌｒに緩和された電子は、電子注入層１８を介して、後段の量子井戸発光層１７ｂの第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２にカスケード的に注入される。なお、緩和準位Ｌｒは、１つの準位のみによって構成されたものに限定されず、複数の準位によって構成されたものであってもよいし、或いは、ミニバンドによって構成されたものであってもよい。
以上のような電子の注入、電子の発光遷移、及び電子の緩和が、活性層３１を構成する複数の単位積層体１６において繰り返されることで、活性層３１においてカスケード的な光の生成が起こる。電子が複数の単位積層体１６をカスケード的に移動する際に、各単位積層体１６での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ポンプ光が生成される。そして、チェレンコフ位相整合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（＝｜ω１−ω２｜）のテラヘルツ波が生成される。
活性層３１の構成の具体例について更に説明する。図６及び図７に示されるサブバンド準位構造は、図５に示されるサブバンド準位構造の具体例である。なお、図６には、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８による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が示されている。
本具体例では、４０周期分の単位積層体１６が積層されることで活性層３１が構成されており、活性層３１でのゲインの中心波長が１０μｍに設定されている。また、図６及び図７に示されるように、１周期分の単位積層体１６は、１１層の量子井戸層１６１〜１６４，１８１〜１８７及び１１層の量子障壁層１７１〜１７４，１９１〜１９７が交互に積層されることで量子井戸構造として構成されている。各量子井戸層１６１〜１６４，１８１〜１８７は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層であり、各量子障壁層１７１〜１７４，１９１〜１９７は、例えば、ＩｎＡｌＡｓ層である。
単位積層体１６においては、４層の量子井戸層１６１〜１６４及び４層の量子障壁層１７１〜１７４が交互に積層された部分が主に量子井戸発光層１７として機能し、７層の量子井戸層１８１〜１８７及び７層の量子障壁層１９１〜１９７が交互に積層された部分が主に電子注入層１８として機能する。また、量子井戸発光層１７のうち１段目の量子障壁層１７１が注入障壁層として機能する。なお、本具体例では、実効的に抽出障壁として機能する抽出障壁層が量子井戸発光層１７と電子注入層１８との間に設けられていない。本具体例では、量子障壁層１９１が形式的に抽出障壁層と規定され、その前後で、量子井戸発光層１７と電子注入層１８とが機能的に区分されている。
活性層３１において、差周波発生によるテラヘルツ波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り、且つ２波長のポンプ光成分に対して高い２次の非線形感受率χ（２）を有する必要がある。本具体例では、上述したＤＡＵ／ＭＳ構造を採用して結合二重上準位構造が有する広い利得帯域を利用し、且つ上部ガイド層３２に２種類の回折格子層３２ａ，３２ｂを設けることで、単一の活性層設計で、第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光の生成、並びに、差周波数ωのテラヘルツ波の生成を実現している。
図６に示されるように、本具体例のサブバンド準位構造は、強く結合した第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３に電子が光学遷移するように、設計されている。本具体例では、第１発光上準位Ｌ４と第２発光準位Ｌ５との間のエネルギー間隔は、ΔＥ５４＝１８ｍｅＶである。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である。
本具体例において、前段の電子注入層から量子井戸発光層１７に注入された電子は、高速な電子−電子散乱等によって第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５に等しく分布し、第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５はあたかも広がった単一の上準位のように振る舞う。したがって、第１発光上準位Ｌ４から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３への電子の遷移によるゲインと、第２発光準位Ｌ５から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３への電子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た構成では、積層された複数の活性層構造を用いた構成とは異なり、活性層３１の全領域にわたって均一な非線形光学特性が得られ、高効率な波長変換が実現される。第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２、第３発光下準位Ｌ３、第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５のキャリア濃度をそれぞれｎ１〜ｎ５と仮定すると共に、ｎ１＝ｎ２＝ｎ３と仮定し、条件ｎ５−ｎｉ＝１．０×１０１５／ｃｍ３、ｎ４−ｎｉ＝１．３×１０１５／ｃｍ３（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。
設計周波数ωTHz、第１周波数ω１及び第２周波数ω２は、ＤＦＢ構造で決定される。最終的に得られるテラヘルツ波はωTHz=ω１−ω２により決定される。一般に、ＴＨｚＮＬ−ＱＣＬ（詳細は後述する）では、周波数が０．６ＴＨｚ〜６ＴＨｚの範囲で発光が得られるため、設計周波数ωTHzがこの範囲になるように設計される。本具体例では、設計周波数ωTHzは、３ＴＨｚ程度である。この際、２つの周期のＤＦＢ構造を用いて第１周波数ω１及び第２周波数ω２を共にシングルモード動作させ、テラヘルツ波をシングルモード動作させることが可能である。
次に、第１ポンプ光及び第２ポンプ光が中赤外光であり、テラヘルツ波の周波数範囲が１ＴＨｚ〜６ＴＨｚであり、半導体基板２がＩｎＰ単結晶基板である場合を例として、テラヘルツ波の放射角度（チェレンコフ放射角度）θＣについて説明する。差周波発生によって生成されたテラヘルツ波は、図３に矢印Ａ１で示されるように、下記式（１）で示される放射角度θＣ（共振方向Ａ０に対する角度）で半導体基板２内を平面波として（すなわち、同位相で）伝播する。下記式（１）において、ｎＭＩＲは、中赤外光（第１ポンプ光及び第２ポンプ光）に対するＩｎＰ単結晶基板（半導体基板２）の屈折率であり、ｎＴＨｚは、テラヘルツ波に対するＩｎＰ単結晶基板（半導体基板２）の屈折率である。また、半導体基板２内を伝播したテラヘルツ波は、下記式（２）で示される入射角θＩで半導体基板２の裏面２ｂに入射する。
θＣ＝cos−１（ｎＭＩＲ／ｎＴＨｚ）…（１）
θＩ＝９０°−θＣ…（２）
［活性層の製造方法］
次に、活性層３１の製造方法について説明する。上述したような活性層構造は、テラヘルツ波の吸収を考慮して半絶縁性のＩｎＰ基板（半導体基板２）を用い、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ井戸層及びＩｎＡｌＡｓ障壁層を分子線エピタキシー法（MBE: Molecular Beam Epitaxy）や有機金属気相成長法（MOCVD:Metal-organic Chemical Vapor Deposition）等によって、順次エピタキシャル成長させることによって形成される。具体的には、まず、下部コンタクト層３７として高濃度ＳｉドープＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ：１．５×１０１８ｃｍ−３）を４００ｎｍ、下部クラッド層３５としてＳｉドープＩｎＰ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）を５μｍ、下部ガイド層３３としてＳｉドープＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）を２５０ｎｍ成長させる。続いて、活性層３１を例えば４０周期積層し、その上にＤＦＢ回折格子層を兼ねた上部ガイド層３２としてＳｉドープＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）を４５０ｎｍ設け、例えば深さ２５０ｎｍの回折格子をエッチングによって形成する。回折格子を形成した後に、回折格子の周期構造とは垂直な方向に例えば幅１２μｍのリッジストライプを形成する。そして、その両側壁において、有機金属気相成長法等によってＦｅドープＩｎＰ層（支持層３８）の埋め込み再成長を行なう。続いて、上部クラッド層３４としてＳｉドープＩｎＰ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）を５μｍ、上部コンタクト層３６として高濃度Ｓｉドープを成長させる。続いて、エッチングによって半導体基板２側のＩｎＧａＡｓコンタクト層（下部コンタクト層３７）を露出させた後、絶縁膜としてＳｉＮなどを形成する。続いて、上下のＩｎＧａＡｓコンタクト層（上部コンタクト層３６及び下部コンタクト層３７）に合わせてコンタクトホールを開け、電極（不図示）としてＡｕの厚膜（厚さ約５μｍ）を蒸着及びメッキ法によって形成する。最後に、Ａｕエッチングによって上下の電極を分離して素子を完成させる。
［ＱＣＬ及びレンズの構成］
次に、ＱＣＬ１０及びレンズ３０の構成について、より詳細に説明する。図８に示されるように、サブマウント２０は、レンズ面３０ａから離れている。サブマウント２０の載置面２０ａは、レンズ面３０ａに対して傾斜している。載置面２０ａは、レンズ面３０ａから離れるほどＱＣＬ１０とは反対側に向かって傾斜している。載置面２０ａに載置されたＱＣＬ１０は、レンズ面３０ａに対して傾斜している。具体的には、ＱＣＬ１０の軸線Ｘ１は、レンズ面３０ａに対して傾斜している。つまり、半導体基板２の主面２ａ及び裏面２ｂは、レンズ面３０ａに対して傾斜している。ＱＣＬ１０は、レンズ面３０ａから離れるほどサブマウント２０側に向かって傾斜している。
ＱＣＬ１０は、レンズ面３０ａに接触している。具体的には、ＱＣＬ１０の第１端面１０ａは、サブマウント２０の端面２０ｃよりもレンズ３０側に突出している。これにより、サブマウント２０の端面２０ｃがレンズ面３０ａに接触しないように構成されている。本実施形態では、半導体基板２は、レンズ面３０ａに直接的に接触している。具体的には、半導体基板２は、レンズ面３０ａに線接触している。より具体的には、半導体基板２の第３角部２ｈは、レンズ面３０ａに線接触している。
半導体基板２の第１面２ｄ、第２面２ｅ及び半導体層３の側面３ｃは、それぞれレンズ面３０ａに対して傾斜している。具体的には、第１面２ｄは、第３角部２ｈから第１角部２ｆに向かうほどレンズ面３０ａから離れるように傾斜している。第２面２ｅは、第３角部２ｈから第２角部２ｇに向かうほどレンズ面３０ａから離れるように傾斜している。側面３ｃは、第２縁３ｅから第１縁３ｄに向かうほどレンズ面３０ａから離れるように傾斜している。なお、側面３ｃを構成する活性層３１の端面３１ａ（図３参照）も側面３ｃと同様に、レンズ面３０ａに対して傾斜している。端面３１ａは、レンズ面３０ａに接触していない。すなわち、端面３１ａの全体が、レンズ面３０ａから離れている。
レンズ３０の焦点Ｘは、ＱＣＬ１０の内部に位置している。換言すると、ＱＣＬ１０は、レンズ３０の焦点ＸがＱＣＬ１０の内部に位置するように配置されている。本実施形態では、レンズ３０の焦点Ｘは、半導体基板２の内部に位置している。
［作用及び効果］
以上説明したように、レーザモジュール１では、半導体基板２が、レンズ面３０ａに直接的に接触している。これにより、テラヘルツ波を半導体基板２を介してレンズ面３０ａへと伝搬させることができるため、テラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができる。さらに、活性層３１の端面３１ａは、レンズ面３０ａに対して傾斜している。すなわち、活性層３１の端面３１ａの全体が、レンズ面３０ａに接触していない。これにより、共振器を構成する活性層３１の端面３１ａにおいて、テラヘルツ波を生成するための光を安定して発振させることができる。以上により、レーザモジュール１によれば、活性層３１における光の発振を安定化させると共に、活性層３１において生成されるテラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができる。また、半導体基板２は、半導体層３よりも強い機械的強度を有しており破損し難い。したがって、上述したように半導体基板２をレンズ面３０ａに接触させることにより、半導体層３（例えば活性層３１よりも上部クラッド層３４側の部分）をレンズ面３０ａに接触させる場合に比べて、ＱＣＬ１０の破損が抑制される。
上述したように、本実施形態では、ＱＣＬ１０で発生したテラヘルツ波をレンズ３０に結合させることにより、テラヘルツ波の高効率な取り出しを実現している。例えば、ＱＣＬ１０の半導体基板２の第３角部２ｈにレンズ３０を接触させ、ＱＣＬ１０の内部におけるテラヘルツ波の強度が強くなっている箇所にレンズ３０が位置するように、ＱＣＬ１０及びレンズ３０が配置される。これにより、テラヘルツ波は、自由空間を介さずにレンズ３０の内部に伝搬されると共に集光されて外部に取り出される。また、レンズ３０としてシリコンレンズを用いた場合には、発散角が大幅に低減し、テラヘルツビームの形状を格段に向上させることができる。
上述したレーザモジュール１の効果について補足する。テラヘルツ量子カスケードレーザ（ＴＨｚ−ＱＣＬ）のレーザ端面にレンズ面を接触させると、端面の反射率が変化しポンプ光の発振が妨げられる場合がある。一方、本実施形態のレーザモジュール１のように、中赤外ＱＣＬ内部の非線形光学効果（ＮＬ：Nonlinear Mixing）を利用した差周波発生（DifferentialFrequency Generation）によってテラヘルツ波を出す技術（ＴＨｚ ＮＬ−ＱＣＬ）の場合、テラヘルツ波は直接発振により発生しておらず、中赤外ポンプ光による差周波発生により発生している。そのため、上述した直接発振のＴＨｚ−ＱＣＬのような要因（ポンプ光の発生が妨げられる要因）は存在しない。しかし、本発明者の知見によれば、ＴＨｚＮＬ−ＱＣＬでは、中赤外ポンプ光において強い発振を起こしているため、ＴＨｚ ＮＬ−ＱＣＬの中赤外レーザ端面（すなわち端面３１ａ）の導波路構造近傍をレンズ面３０ａに強く押し付けた場合、中赤外発振に対して重要な端面３１ａの反射率に影響を及ぼす可能性がある。そのため、中赤外レーザ導波路付近の領域とレンズを接触させないことが好ましい。したがって、上述したように活性層３１の端面３１ａをレンズ面３０ａから離間させたレーザモジュール１によれば、活性層３１における光の発振を安定化させることができる。一方、ＴＨｚＮＬ−ＱＣＬは、室温環境下でテラヘルツ波を発生させることが可能であることが知られているが、基板によるテラヘルツ波の吸収量が比較的大きいため、テラヘルツ波の取り出し効率を向上させることが求められていた。これに関して、レーザモジュール１では、上述したように、共振器を構成する端面３１ａ以外の部分（本実施形態では、半導体基板２の側面２ｃ）をレンズ面３０ａに接触させることにより、光の発振を安定化させつつ、テラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができる。以上により、レーザモジュール１によれば、室温動作可能で汎用性の高い小型テラヘルツ光源を実現できる。
また、レンズ３０の焦点Ｘは、ＱＣＬ１０の内部に位置している。上記構成によれば、テラヘルツ波をより効率よくレンズ３０側に伝搬させることができる。
また、半導体基板２は、レンズ面３０ａに線接触している。上記構成によれば、レンズ面３０ａに対する半導体基板２の接触面積をなるべく小さくすることにより、テラヘルツ波をより効率よくレンズ側に伝搬させることができる。すなわち、活性層３１において生成されたテラヘルツ波は、ＱＣＬ１０の内部を伝搬し、ＱＣＬ１０と空気との界面（以下、「界面」という）で反射を繰り返す。その結果、定常状態におけるＱＣＬ１０の内部には、電界分布が形成される。具体的には、図９に示されるように、ＱＣＬ１０の端部における結晶成長層近傍で角をなす部分（例えば、第３角部２ｈの近傍（矢印Ｂで示された部分））では、活性層３１からＱＣＬ１０の界面に向かって伝搬するテラヘルツ波の成分と界面において反射されたテラヘルツ波の成分とが強め合う状態となる。このテラヘルツ波の成分が強め合う部分をレンズ３０に線接触させることにより、テラヘルツ波をＱＣＬ１０とレンズ３０との接触部を介してレンズ３０の内部に伝搬させることができる。ここで、レンズ３０は、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上の高抵抗シリコンにより形成された超半球レンズであってもよい。この場合、レンズ３０の内部でのテラヘルツ波の吸収量が極めて小さいため、レンズ３０の内部に導入されたテラヘルツ波を減衰させることなく集光させることが可能である。本実施形態では、レンズ３０は、抵抗率が１ｋΩ・ｃｍであって、直径が６ｍｍであって、中心厚が３．７ｍｍであるシリコン超半球レンズである。
また、半導体基板２は、レンズ面３０ａに対して傾斜するように裏面２ｂから主面２ａ側に延びる第１面２ｄを有している。第１面２ｄの主面２ａ側の端部に形成された第３角部２ｈは、レンズ面３０ａに線接触している。上記構成によれば、第１面２ｄの主面２ａ側の端部に形成される第３角部２ｈをレンズ面３０ａに接触させることにより、半導体基板２とレンズ面３０ａとを線接触させる構成を実現できる。
次に、実施例及び比較例を用いて、レーザモジュール１の効果について説明する。
［比較例］
図１０は、比較例に係る測定装置８０を示す図である。図１０に示されるように、測定装置８０は、ＱＣＬ８１と、放物面鏡８２，８３と、検出部８４と、を備えている。ＱＣＬ８１は、第１面２ｄ（研磨面）が形成されていない点でＱＣＬ１０と相違している。放物面鏡８２，８３は、軸外し放物面鏡（ＯＡＰ）であって、テラヘルツ波の出力を収集する。ＱＣＬ８１から出力されたテラヘルツ波は、放物面鏡８２で平行光化された後、放物面鏡８３を経て検出部８４に入射する。検出部８４は、入射されたテラヘルツ波の強度等を検出する。なお、放物面鏡８２，８３のそれぞれの収集効率は、約６０％程度である。
［実施例］
図１１は、実施例に係る測定装置９０を示す図である。測定装置９０は、レーザモジュール１と、検出部９４と、を備えている。検出部９４は、レンズ３０の出射面（レンズ面３０ａとは反対側の球面）に対向する位置に設置されている。ＱＣＬ１０から出力されたテラヘルツ波は、レンズ３０によって集光された後、検出部９４に入射する。検出部９４は、入射されたテラヘルツ波の強度等を検出する。
図１２は、比較例及び実施例の測定結果を示すグラフである。図１２は、比較例と、実施例との電流−出力特性の比較を示している。測定は、室温であって大気環境下において、ＴＨｚ検出器（検出部８４，９４）のゴーレイセルを用いて行われた。ＱＣＬ８１，１０は、１００ｋＨｚ、２００ｎｓで駆動され、その信号は、ロックインアンプによって検出された。図１２に示されるように、比較例では、テラヘルツ波のピーク出力が約１２０μＷであることが確認された。一方、実施例では、テラヘルツ波のピーク出力が約６３０μＷであることが確認された。このように、実施例では、比較例の約５倍程度のテラヘルツ波の強度が検出された。なお、図１２の点線は、比較例の測定結果の放物面鏡８２，８３の収集効率による補正結果である。具体的には、補正結果は、放物面鏡８２，８３の収集効率が１００％であると仮定した場合のテラヘルツ波の強度である。以上のように、実施例の場合のテラヘルツ波の出力は、比較例の放物面鏡８２，８３の収集効率を補正したとしても、比較例のテラヘルツ波の出力を大幅に上回っている。
［変形例］
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではない。
［第１変形例］
図１３は、レーザモジュールの第１変形例を示す図である。図１３に示されるように、第１変形例に係るレーザモジュール１Ａは、ＱＣＬ１０の代わりにＱＣＬ１０Ａを備える点でレーザモジュール１と相違している。ＱＣＬ１０Ａは、半導体基板２の代わりに半導体基板２Ａを備える点でＱＣＬ１０と相違している。半導体基板２Ａは、長方形板状に形成されており、第１面２ｄ及び第２面２ｅを有さない点で半導体基板２と相違している。すなわち、半導体基板２Ａの側面２ｋは、半導体基板２の側面２ｃと異なり、主面２ａ及び裏面２ｂに対して略直交する平坦面である。
レーザモジュール１Ａでは、側面２ｋと裏面２ｂとの間に形成された角部２ｍが、レンズ面３０ａに線接触している。上記構成によれば、角部２ｍをレンズ面３０ａに接触させることにより、半導体基板２Ａとレンズ面３０ａとを線接触させる構成を実現できる。このため、半導体基板２のように研磨等によって第１面２ｄを形成する必要がなく、ＱＣＬ１０Ａの製造工程を簡素化することができる。
レーザモジュール１Ａでは、半導体基板２Ａの主面２ａから裏面２ｂまでの厚さが、２００μｍ以下であってもよい。上記構成によれば、活性層３１において生成されたテラヘルツ波の半導体基板２Ａ内部での減衰を抑制し、テラヘルツ波の取り出し効率をより一層向上させることができる。すなわち、半導体基板２Ａを十分に薄くなるまで研磨した場合には、テラヘルツ波は、半導体基板２Ａの内部で完全に減衰する前に裏面２ｂに到達する。例えば、テラヘルツ波の周波数が３ＴＨｚ程度であって半導体基板２Ａの厚さが約３００μｍである場合、テラヘルツ波は、半導体基板２Ａの内部で１/ｅ程度まで減衰する。そのため、半導体基板２Ａを２００μｍ以下まで薄くし、レンズ３０に半導体基板２Ａを接触させることによって、レーザモジュール１と同様に、テラヘルツ波の取り出し効率を向上させることが可能となる。
［第２変形例］
図１４は、レーザモジュールの第２変形例を示す図である。図１４に示されるように、第２変形例に係るレーザモジュール１Ｂは、ＱＣＬ１０の代わりにＱＣＬ１０Ｂを備える点でレーザモジュール１と相違している。ＱＣＬ１０Ｂは、半導体基板２の代わりに半導体基板２Ｂを備えている点でＱＣＬ１０と相違している。半導体基板２Ｂは、側面２ｃの代わりに側面２ｎを有しており、レンズ面３０ａに面接触している点で半導体基板２と相違している。
具体的には、側面２ｎは、第１面２ｐと、第２面２ｑと、第３面２ｒと、を含んでいる。第１面２ｐは、平坦面である。第１面２ｐは、裏面２ｂに接続されており、裏面２ｂから主面２ａ側に延びている。第１面２ｐは、主面２ａ及び裏面２ｂに対して傾斜している。第１面２ｐは、裏面２ｂから主面２ａ側に向かうほどＱＣＬ１０Ｂの第２端面（ＱＣＬ１０Ｂのレンズ面３０ａに対向する端面とは反対側の端面）から離れるように傾斜している。第１面２ｐは、例えば、長方形板状の半導体基板を研磨することによって形成されている。つまり、第１面２ｐは、研磨面である。
第２面２ｑは、平坦面である。第２面２ｑは、第１面２ｐの主面２ａ側の端部に接続されており、第１面２ｐから主面２ａ側に延びている。第２面２ｑは、主面２ａ、裏面２ｂ及び第１面２ｐに対して傾斜している。第２面２ｑは、裏面２ｂから主面２ａ側に向かうほどＱＣＬ１０Ｂの第２端面から離れるように傾斜している。第２面２ｑは、第１面２ｐと同様に、半導体基板を研磨することによって形成されている。つまり、第２面２ｑは、研磨面である。第２面２ｑは、レンズ面３０ａに平行な面である。第２面２ｑは、レンズ面３０ａに面接触している。なお、第２面２ｑの幅（結晶成長方向における長さ）Ｄは、１００μｍ以下であることが好ましい。
第３面２ｒは、平坦面である。第３面２ｒは、第２面２ｑの主面２ａ側の端部及び主面２ａに接続されている。第３面２ｒは、第１面２ｐ及び第２面２ｑに対して傾斜している。第３面２ｒは、主面２ａ及び裏面２ｂに対して略直交している。第３面２ｒは、半導体層３の側面３ｃと同一の平面上に位置している。
上記構成によれば、レンズ面３０ａと半導体基板とを線接触させる場合と比較して、レンズ面３０ａに対する半導体基板２Ｂの接触面積が大きくなるため、レンズ面３０ａと半導体基板２Ｂとの接触部分における半導体基板２Ｂの破損が抑制される。また、レンズ面３０ａに平行な第２面２ｑをレンズ面３０ａに接触させることにより、半導体基板２Ｂとレンズ面３０ａとを面接触させる構成を実現できる。また、第１面２ｐを設けることにより、半導体基板２Ｂとレンズ面３０ａとの接触面積（すなわち、第２面２ｑの面積）を小さく抑えることができる。
［第３変形例］
図１５は、レーザモジュールの第３変形例を示す図である。図１５に示されるように、第３変形例に係るレーザモジュール１Ｃは、スペーサ４０を更に備えている点でレーザモジュール１と相違している。また、レーザモジュール１Ｃは、サブマウント２０の代わりにサブマウント２０Ｃを備えている。
具体的には、スペーサ４０は、ＱＣＬ１０及びサブマウント２０Ｃとレンズ３０との間に配置されている。スペーサ４０は、板状を呈している。スペーサ４０は、出力面４０ａと、出力面４０ａとは反対側の入力面４０ｂと、を有している。出力面４０ａは、レンズ面３０ａに平行であり且つレンズ面３０ａに接触している。半導体基板２は、レンズ面３０ａに間接的に接触している。具体的には、半導体基板２は、入力面４０ｂに直接的に接触している。より具体的には、半導体基板２は、入力面４０ｂに線接触している。半導体基板２の第３角部２ｈは、入力面４０ｂに線接触している。
半導体基板２の側面２ｃ及び半導体層３の側面３ｃは、それぞれ入力面４０ｂに対して傾斜している。具体的には、図１６に示されるように、第１面２ｄは、第３角部２ｈから第１角部２ｆに向かうほど入力面４０ｂから離れるように傾斜している。第２面２ｅは、第３角部２ｈから第２角部２ｇに向かうほど入力面４０ｂから離れるように傾斜している。側面３ｃは、第２縁３ｅから第１縁３ｄに向かうほど入力面４０ｂから離れるように傾斜している。なお、側面３ｃを構成する活性層３１の端面３１ａ（図３参照）も側面３ｃと同様に、入力面４０ｂに対して傾斜している。端面３１ａは、入力面４０ｂに接触していない。すなわち、端面３１ａの全体が、入力面４０ｂから離れている。
例えば、ＱＣＬ１０に対するレンズ３０の位置合わせ（光軸合わせ）のために、半導体基板２をレンズ面３０ａに接触させた状態で、ＱＣＬ１０に対してレンズ３０を移動させると、ＱＣＬ１０とレンズ面３０ａとの摩擦によって、ＱＣＬ１０が破損するおそれがある。上記構成によれば、ＱＣＬ１０とスペーサ４０との位置関係を固定した状態（すなわち、ＱＣＬ１０とスペーサ４０との間に摩擦が生じない状態）で、スペーサ４０に対してレンズ３０を移動させることによって、ＱＣＬ１０に対するレンズ３０の位置合わせを行うことができる。そのため、ＱＣＬ１０の破損が抑制される。
レーザモジュール１Ｃのスペーサ４０の屈折率は、レンズ３０の屈折率と略同一である。上記構成によれば、スペーサ４０とレンズ３０との界面におけるテラヘルツ波の減衰を抑制することができる。
図１５に示されるように、サブマウント２０Ｃは、載置面２０ｄと、当接面２０ｅと、を有している。載置面２０ｄには、半導体基板２の裏面２ｂが載置されている。当接面２０ｅは、載置面２０ｄに接続されている。当接面２０ｅは、載置面２０ｄに対して傾斜している。載置面２０ｄと当接面２０ｅとが成す角度θ２は、鋭角である。当接面２０ｅは、スペーサ４０の入力面４０ｂに対向している。当接面２０ｅは、入力面４０ｂと平行な面である。当接面２０ｅは、入力面４０ｂに当接している。上記構成によれば、サブマウント２０Ｃを介してＱＣＬ１０及びスペーサ４０の位置決めを容易に行うことができる。すなわち、半導体基板２の裏面２ｂを載置面２０ｄに載置し、スペーサ４０の入力面４０ｂを当接面２０ｅに沿わせることで、ＱＣＬ１０、スペーサ４０及びレンズ３０の配置を容易に行い、レンズ３０に対するＱＣＬ１０の位置決めを容易に行うことができる。
［その他の変形例］
上記実施形態では、レンズ３０のレンズ面として、全体が同一平面上に位置する平坦なレンズ面３０ａを例示したが、必ずしもレンズ面の全体が同一平面上に位置していなくてもよい。例えば、レンズ３０のレンズ面は、活性層３１の端面３１ａと向かい合う第１部分と、第１部分に接続され且つ第１部分に対して傾斜する第２部分と、を有していてもよい。この場合、活性層３１の端面３１ａは、レンズ３０のレンズ面のうち少なくとも端面３１ａと向かい合う部分（すなわち第１部分）に対して傾斜していればよく、レンズ面のうち端面３１ａと向かい合っていない部分（例えば第２部分）に対して平行になっていてもよい。このような場合であっても、端面３１ａがレンズ３０のレンズ面に接触しない構成を実現することができ、上記実施形態と同様の効果が奏される。
また、レーザモジュール１においては、半導体基板２の側面２ｃは、第２面２ｅを有していなくてもよい。具体的には、側面２ｃは、第１面２ｄのみを有していてもよい。すなわち、第１面２ｄは、半導体基板２の裏面２ｂから主面２ａにかけて設けられてもよい。この場合、レンズ面３０ａと接触する第３角部２ｈは、第１面２ｄと主面２ａとの間に形成される。同様に、レーザモジュール１Ｂにおいては、半導体基板２Ｂは、第３面２ｒを有していなくてもよい。具体的には、半導体基板２Ｂの側面２ｎは、第１面２ｐ及び第２面２ｑのみを有していてもよい。この場合、第２面２ｑは、第１面２ｐ及び主面２ａに接続される。
また、上記実施形態ではレンズ３０が高抵抗のシリコンからなる超半球レンズである例を示したが、レンズ３０は、空気よりも高い屈折率を有する材料によって構成されればよい。レンズ３０の材料は、例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等であってもよい。また、レンズ３０は、必ずしも超半球レンズでなくてもよい。例えば、上記実施形態のレンズ３０の代わりに、サブ波長構造を利用した平坦面（サブ波長レベルの凹凸構造が形成された面）をレンズ面として有するメタレンズ等が用いられてもよい。
また、ＱＣＬ１０，１０Ａ，１０Ｂがレンズ面３０ａに対して押し付けられることにより、半導体基板２，２Ａ，２Ｂだけではなく、半導体層３における活性層３１よりも半導体基板側の層（下部ガイド層３３、下部クラッド層３５、下部コンタクト層３７）もレンズ面３０ａに直接的又は間接的に接触していてもよい。
また、レーザモジュール１Ｃは、スペーサ４０を備えていなくてもよい。この場合、サブマウント２０Ｃの当接面２０ｅは、レンズ面３０ａに当接していてもよい。これにより、ＱＣＬ１０の位置決めを容易に行うことができる。すなわち、半導体基板２の裏面２ｂを載置面２０ｄに載置し、レンズ３０のレンズ面３０ａを当接面２０ｅに沿わせることで、ＱＣＬ１０及びレンズ３０の配置を容易に行い、レンズ３０に対するＱＣＬ１０の位置決めを容易に行うことができる。
また、２種類の回折格子層３２ａ，３２ｂに替えて、１種類の回折格子層が半導体層３に設けられてもよいし、或いは、３種類以上の回折格子層が半導体層３に設けられてもよい。分布帰還構造として機能する回折格子層は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の少なくとも１つを単一モード発振させるものであればよい。また、分布帰還構造として機能する回折格子層に替えて、ファブリペロー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よい。このような構成では、分布帰還構造として機能する回折格子層に比べ、テラヘルツ光の出力は低くなるが、広帯域のＴＨｚスペクトルを得ることができる。
また、活性層３１は、１種類の結合二重上準位構造を用いたものに限定されず、２種類以上の活性層構造を用いたものであってもよい。また、活性層３１は、結合二重上準位構造を用いたものに限定されず、例えば、bound-to-continuum構造、two phonon resonance構造等を用いたものであってもよい。
また、半導体基板２，２Ａ，２Ｂは、半絶縁性のＩｎＰ単結晶基板に限定されず、例えば、アンドープＩｎＰ単結晶基板（Ｓｉ doped：〜５×１０１５／ｃｍ３）、低ドープＩｎＰ単結晶基板（Ｓｉ doped：５×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３）等であってもよい。ただし、半導体基板２，２Ａ，２Ｂでの出力光の吸収損失を低減する観点では、半導体基板２，２Ａ，２Ｂは、不純物がドーピングされていない半絶縁体基板であることが好ましい。また、半導体基板２，２Ａ，２Ｂは、Ｉｎｐ基板以外の基板であってもよく、例えばシリコン単結晶基板であってもよい。
また、上述した具体例では、ＩｎＰ単結晶基板に対して格子整合する構成の活性層３１を例示したが、活性層３１は、歪補償を導入した構成を用いたものであってもよい。また、活性層３１の半導体材料系については、上述したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓに限定されず、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ等、様々な半導体材料系を適用できる。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を適用できる。
次に、レーザモジュール１の効果の検証結果について説明する。図１７は、ＱＣＬ１０からレンズ３０又は空気へのテラヘルツ波の伝搬を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。図１７の上段は、シミュレーションの条件を示しており、下段は、それぞれの条件に対応する結果を示している。図１７の（ａ）は、第３角部２ｈとレンズ面３０ａとが線接触しており、第１面２ｄとレンズ面３０ａとが成す角度θが５°である場合を示している。図１７の（ｂ）は、第３角部２ｈとレンズ面３０ａとが線接触しており、第１面２ｄとレンズ面３０ａとが成す角度θが１０°である場合を示している。図１７の（ｃ）は、第３角部２ｈとレンズ面３０ａとが線接触しており、第１面２ｄとレンズ面３０ａとが成す角度θが１５°である場合を示している。図１７の（ｄ）は、ＱＣＬ１０とレンズ３０とが接触していない場合を示している。なお、図１７の（ａ）〜（ｃ）に示されるいずれの条件においても、ＱＣＬ１０におけるレンズ３０と接触している部分以外の部分は、空気のみと接触している。図１７の（ｄ）に示される条件において、ＱＣＬ１０は、空気のみと接触している。図１８の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図１７の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの場合のレンズ面３０ａにおけるビームパターン（ＱＣＬ１０から伝搬されたテラヘルツ波の出力の分布）を示す図であり、図１８の（ｄ）は、図１７の（ｄ）の場合の空気層におけるビームパターンを示す図である。
図１７の（ａ）〜（ｄ）及び図１８の（ａ）〜（ｄ）に示されるように、ＱＣＬ１０がレンズ３０と接触している場合には、ＱＣＬ１０がレンズ３０と接触していない場合に比べ、少なくとも、レンズ３０におけるＱＣＬ１０と接触している部分（矢印Ｃで示された部分）においては、ＱＣＬ１０からレンズ３０へのテラヘルツ波の伝搬量が多くなっている。また、活性層３１（図３参照）において生成されたテラヘルツ波が半導体基板２（図３参照）の内部で減衰するため、ＱＣＬ１０は、活性層３１に近い位置においてレンズ３０と接触することが好ましい。例えば、半導体基板２におけるレンズ３０と接触する位置から活性層３１までの最短距離は、１５０μｍ以内、好ましくは１００μｍ以内、より好ましくは５０μｍ以内である。
図１９は、ＱＣＬ１０がレンズ３０と接触していない場合（図１８の（ｄ）の場合）におけるテラヘルツ波のトータルパワー（テラヘルツ波の出力の積分値）Ｐａｉｒを１とした場合に、ＱＣＬ１０がレンズ３０と接触している場合（図１８の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの場合）のトータルパワーＰｓｉを角度θ毎に示す図である。図１９に示されるように、ＱＣＬ１０をレンズ３０に接触させることで、第１面２ｄとレンズ面３０ａとが成す角度θに関わらず、ＱＣＬ１０からのテラヘルツ波を空気層へ取り出す場合の約４倍以上のパワーを得ることができた。以上のシミュレーションの結果から、ＱＣＬ１０をレンズ３０に接触させることによる効果及び重要性が示された。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…レーザモジュール、２，２Ａ，２Ｂ…半導体基板、２ａ…主面、２ｂ…裏面、２ｃ，２ｋ，２ｎ…側面、２ｄ，２ｐ…第１面、２ｅ，２ｑ…第２面、２ｒ…第３面、１０，１０Ａ，１０Ｂ…ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）、２０，２０Ｃ…サブマウント（載置部）、２０ａ，２０ｄ…載置面、２０ｅ…当接面、３０…レンズ、３０ａ…レンズ面、３１…活性層、３１ａ…端面、３４…上部クラッド層（第２クラッド層）、３５…下部クラッド層（第１クラッド層）、４０…スペーサ、４０ａ…出力面、４０ｂ…入力面、Ｘ…焦点。

Claims (11)

  1. 主面及び前記主面とは反対側の裏面を有する基板と、前記主面上に設けられた第１クラッド層と、前記第１クラッド層の前記基板とは反対側に設けられた活性層と、前記活性層の前記第１クラッド層とは反対側に設けられた第２クラッド層と、を有する量子カスケードレーザであって、前記基板、前記第１クラッド層、前記活性層、及び前記第２クラッド層の積層方向に交差する方向を向く前記活性層の端面は、第１周波数の光及び第２周波数の光を発振させる共振器を構成し、前記活性層は、前記第１周波数及び前記第２周波数の差周波数のテラヘルツ波を生成する、前記量子カスケードレーザと、
    前記活性層の前記端面に対向する位置に配置されたレンズ面を有するレンズと、を備え、
    前記基板は、前記レンズ面に直接的又は間接的に接触しており、
    前記活性層の前記端面は、前記レンズ面のうち前記端面と向かい合う部分に対して傾斜している、レーザモジュール。
  2. 前記レンズの焦点は、前記量子カスケードレーザの内部に位置している、請求項１に記載のレーザモジュール。
  3. 前記基板は、前記レンズ面に線接触している、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
  4. 前記基板は、前記レンズ面に対して傾斜するように前記裏面から前記主面側に延びる第１面を有し、
    前記第１面の前記主面側の端部に形成された角部は、前記レンズ面に線接触している、請求項３に記載のレーザモジュール。
  5. 前記基板は、前記主面及び前記裏面を接続し、前記レンズ面に対向する側面を有し、
    前記裏面と前記側面との間に形成された角部は、前記レンズ面に線接触している、請求項３に記載のレーザモジュール。
  6. 前記基板の前記主面から前記裏面までの厚さは、２００μｍ以下である、請求項５に記載のレーザモジュール。
  7. 前記基板は、前記レンズ面に面接触している、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
  8. 前記基板は、前記レンズ面に対して傾斜するように前記裏面から前記主面側に延びる第１面と、前記第１面の前記主面側の端部に接続され、前記レンズ面に平行な第２面と、を有し、
    前記第２面は、前記レンズ面に面接触している、請求項７に記載のレーザモジュール。
  9. 前記量子カスケードレーザと前記レンズとの間に配置されたスペーサを更に備え、
    前記スペーサは、前記レンズ面に平行であり且つ前記レンズ面に接触する出力面と、前記出力面とは反対側の入力面と、を有し、
    前記基板は、前記スペーサの前記入力面に接触しており、
    前記活性層の前記端面は、前記スペーサの前記入力面に対して傾斜している、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
  10. 前記スペーサの屈折率は、前記レンズの屈折率と略同一である、請求項９に記載のレーザモジュール。
  11. 前記基板の前記裏面が載置される載置面と、前記載置面に接続され、前記スペーサの前記入力面に当接する当接面と、を有する載置部を更に備え、
    前記載置面と前記当接面とが成す角度は、鋭角である、請求項１０に記載のレーザモジュール。
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