JPWO2014189015A1 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

半導体基板１０と、基板上に直列に設けられた第１、第２活性層１５、２５とを備えて、量子カスケードレーザ１Ａを構成する。第１活性層１５の単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位とを有し、第１周波数ω１の光を生成可能に構成され、第２活性層２５の単位積層体２６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有し、第２周波数ω２の光を生成可能に構成され、第１周波数ω１の光、及び第２周波数ω２の光による差周波発生によって、差周波数ωの光を生成する。これにより、テラヘルツ光などの長波長の光を好適に生成することが可能な量子カスケードレーザが実現される。

Description

本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。
中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：quantum cascade laser）が注目を集めている（例えば、特許文献２〜６、非特許文献５〜７参照）。
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
特表２０１０−５２１８１５号公報 特開平８−２７９６４７号公報 特開２０１０−２７８３２６号公報 特開２００８−１７７３６６号公報 特開２０１１−０３５１３９号公報 特開２０１１−２４３７８１号公報
M. A. Belkin et al., "Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation", Nature Photonics Vol.1 (2007) pp.288-292 M. A. Belkin et al., "Room temperature terahertz quantum cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation", Appl. Phys. Lett. Vol.92 (2008) pp.201101-1 - 201101-3 Q. Y. Lu et al., "Room temperature single-mode terahertz sources based on intracavity difference-frequency generation in quantum cascade lasers", Appl. Phys. Lett. Vol.99 (2011) 131106-1 - 131106-3 Q. Y. Lu et al., "Widely tuned room temperature terahertz quantum cascade laser sources based on difference-frequency generation", Appl. Phys. Lett. Vol.101 (2012) pp.251121-1 - 251121-4 R. Kohler et al., "Terahertz semiconductor-heterostructure laser", NATURE Vol.417 (2002) pp.156-159 S. Fathololoumi et al., "Terahertz quantum cascade lasers operating up to 〜200 K with optimized oscillator strength and improved injection tunneling", Optics Express Vol.20 (2012) pp.3866-3876 K. Vijayraghavan et al., "Terahertz sources based on Cerenkov difference-frequency generation in quantum cascade lasers", Appl. Phys. Lett. Vol.100 (2012) pp.251104-1 - 251104-4
量子カスケードレーザでは、１９９４年の発振成功以来、発振波長の長波長化が積極的に進められており、２００２年にはテラヘルツ（ＴＨｚ）帯でのレーザ発振がR. Kohlerらによって報告された（非特許文献５：NATURE Vol.417 (2002) pp.156-159）。テラヘルツ帯とは、波長に換算すると１００μｍ前後のいわゆる遠赤外領域であり、電波と光との境界に相当する領域である。テラヘルツ光（テラヘルツ波）は、電波の透過性と光の直進性とを併せ持つという特徴から、これまでにないセンシング手段として、医療生体、セキュリティ、通信、宇宙観測など、様々な分野で応用が検討されている。
従来構造の半導体レーザでは、このようなテラヘルツ帯までの長波長化は困難であったが、量子カスケードレーザでは、上記したようにテラヘルツ帯での発振を実現している。しかしながら、現状では依然として、液体窒素を利用した極低温環境にレーザ動作が限られているため、産業応用上の有用性の点で問題がある。
例えば、S. Fathololoumiら（非特許文献６：Optics Express Vol.20 (2012) pp.3866-3876）によれば、活性層をＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）の３重量子井戸構造のカスケード結合で構成した場合に、発振周波数２．８５ＴＨｚにて最高動作温度〜２００Ｋが報告されている。しかしながら、現状の方法では、さらなる高温動作化は非常に困難な状況である。
一方、M. A. Belkinらは、２波長発振型中赤外ＱＣＬを用い、ＱＣＬ内における２次の非線形光学効果によって、差周波発生（ＤＦＧ：difference frequency generation）でテラヘルツ光（ＴＨｚ光）を発生させることに成功している（特許文献１：特表２０１０−５２１８１５号公報、非特許文献１：Nature Photonics Vol.1 (2007) pp.288-292、非特許文献２：Appl. Phys. Lett. Vol.92 (2008) pp.201101-1 - 201101-3）。このような構成のＱＣＬ（ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬ）では、既に室温で動作可能であることが確認されており、さらなる特性向上が期待されている。
また、最近では、Northwestern大学のグループからも同様に、ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬについての報告がなされている（非特許文献３：Appl. Phys. Lett. Vol.99 (2011) 131106-1 - 131106-3、非特許文献４：Appl. Phys. Lett. Vol.101 (2012) pp.251121-1 - 251121-4）。しかしながら、現状のＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬの光出力は、室温で数十μＷレベルであり、また、消費電力も大きいため、高duty cycleでの発振も困難である。したがって、このようなＱＣＬについても、さらなる特性の向上が求められている。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、上記したテラヘルツ光などの長波長の光を好適に生成することが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる第１単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された第１活性層と、（３）半導体基板上に第１活性層に対して直列に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる第２単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された第２活性層とを備え、（４）第１活性層の第１単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の光を生成可能に構成され、（５）第２活性層の第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第２周波数ω２の光を少なくとも生成可能に構成され、（６）第１活性層で生成される第１周波数ω１の光、及び第２活性層で生成される第２周波数ω２の光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の光を生成することを特徴とする。
上記した量子カスケードレーザでは、第１単位積層体によって構成されて、第１周波数（角周波数、以下単に周波数という）ω１の光を生成する第１活性層と、第２単位積層体によって構成されて、第２周波数ω２の光を生成する第２活性層との２種類の活性層を、半導体基板上に直列に設ける構成としている。このような構成では、第１周波数ω１の光及び第２周波数ω２の光による差周波発生を利用することにより、例えばテラヘルツ光などの長波長の光を差周波数ω＝｜ω１−ω２｜の光として生成することができる。
また、上記構成では、第１、第２活性層のうちで、第２活性層を構成する第２単位積層体について、そのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有する構成としている。このようなＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造によれば、発光に関わる準位構造における各準位の準位間隔を適切に設定することにより、差周波発生に必要な２次の非線形感受率χ（２）の値を大きくすることができる。これにより、テラヘルツ光などの長波長の光を差周波発生によって高効率で好適に生成することが可能となる。
本発明の量子カスケードレーザによれば、第１単位積層体によって構成されて、第１周波数ω１の光を生成する第１活性層と、第２単位積層体によって構成されて、第２周波数ω２の光を生成する第２活性層とを半導体基板上に直列に設け、第１周波数ω１の光及び第２周波数ω２の光による差周波発生によって差周波数ωの光を生成するとともに、第２活性層を構成する第２単位積層体について、そのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有する構成とすることにより、テラヘルツ光などの長波長の光を高効率で好適に生成することが可能となる。
図１は、量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。 図２は、量子カスケードレーザの第１活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。 図３は、量子カスケードレーザの第２活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。 図４は、量子カスケードレーザの構成の一例を示す図である。 図５は、第１活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 図６は、第１活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 図７は、第２活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 図８は、第２活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 図９は、第２活性層で得られる発光スペクトルを示すグラフである。 図１０は、２次の非線形感受率の電界強度依存性を示すグラフである。 図１１は、（ａ）、（ｂ）２次の非線形感受率の第２周波数ω２の光のエネルギーへの依存性を示すグラフである。 図１２は、量子カスケードレーザの電流−光出力特性を示すグラフである。 図１３は、２波長の中赤外光出力とテラヘルツ光出力との関係について示すグラフである。
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された第１活性層１５と、半導体基板１０上に第１活性層１５に対して直列に形成された第２活性層２５とを備え、第１活性層１５で生成される第１周波数ω１の光、及び第２活性層２５で生成される第２周波数ω２の光による差周波発生（ＤＦＧ）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｜の光を生成するように構成されている。ここで生成される周波数ωの光は、例えばテラヘルツ光などの長波長の光となる。
第１活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の第１単位積層体１６とし、この第１単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する第１活性層１５が構成されている。第１単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。
第２活性層２５は、活性層１５と同様に、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなり第１単位積層体１６とは異なる半導体積層構造を１周期分の第２単位積層体２６とし、この第２単位積層体２６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する第２活性層２５が構成されている。第２単位積層体２６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。
このような構成において、第１活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。また、第２活性層２５は、図１に示した構成例では、第１活性層１５上に直接に形成されている。ただし、この第２活性層２５については、例えば、第１活性層１５と第２活性層２５との間に、他の半導体層（例えばバッファ層）が設けられていても良い。また、半導体基板１０側からの第１、第２活性層１５、２５の積層順は、逆であっても良い。以下、第１、第２活性層１５、２５における準位構造の構成例について説明する。
図２は、図１に示した量子カスケードレーザの第１活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。本実施形態における第１活性層１５は、ＳＰＣ（single phonon resonance-continuum）構造（特許文献４：特開２００８−１７７３６６号公報参照）を有し、第１周波数ω１の光を生成可能に構成されている。
図２に示すように、第１活性層１５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と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層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形成される。これにより、第１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。
本実施形態における第１単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗと、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギーを有する複数の準位を含み緩和準位Ｌｒとして機能する緩和ミニバンドＭＢとを有している。また、緩和ミニバンドＭＢは、発光下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭＢとの間のエネルギー差が縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーとなるように設定されている。
また、図２に示す単位積層体１６では、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと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。また、発光層１７と、注入層１８との間に、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が設けられている。これらの障壁層は、発光層１７及び注入層１８を含む第１活性層１５の具体的な積層構造及びサブバンド準位構造により、必要に応じて設けられる。
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでの緩和ミニバンドＭＢからの電子は、注入障壁を介して発光層１７の発光上準位Ｌｕｐへと注入される。発光上準位Ｌｕｐに注入された電子は発光下準位Ｌｌｏｗへと発光遷移し、このとき、上準位と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第１周波数ω１でエネルギーＥ１の光が生成、放出される。
発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱によって緩和ミニバンドＭＢへと高速で緩和され、さらに、ミニバンドＭＢ内で高速緩和される。このように、発光下準位ＬｌｏｗからＬＯフォノン散乱及びミニバンド内での緩和を介して高速で電子を引き抜くことにより、上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗ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。
また、緩和ミニバンドＭＢは、好ましくは、図２に示すように、発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有して形成される。このような構成において、発光下準位ＬｌｏｗからミニバンドＭＢへと緩和された電子は、抽出障壁及び注入層１８を介して、緩和ミニバンドＭＢから、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐへとカスケード的に注入される。
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を第１活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間発光遷移の際に、第１周波数ω１の光が生成される。
図３は、図１に示した量子カスケードレーザの第２活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。本実施形態における第２活性層２５は、ＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造（特許文献５：特開２０１１−０３５１３９号公報、特許文献６：特開２０１１−２４３７８１号公報参照）を有し、第１周波数ω１の光、及び第２周波数ω２の光を生成可能に構成されている。
図３に示すように、第２活性層２５に含まれる複数の単位積層体２６のそれぞれは、量子井戸発光層２７と、電子注入層２８とによって構成されている。これらの発光層２７及び注入層２８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形成される。これにより、第２単位積層体２６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。
本実施形態における第２単位積層体２６は、図３に示すように、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と、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と、複数の発光下準位と、発光下準位よりも低いエネルギーを有する緩和準位Ｌｒとを有している。また、第２単位積層体２６は、上記の準位構造においてさらに具体的に、複数の発光下準位として、第１発光下準位（準位１）Ｌｌｏｗ１＝Ｌ１と、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と、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とを有している。
また、図３に示す単位積層体２６では、発光層２７と、前段の単位積層体での注入層２８ａとの間に、注入層２８ａから発光層２７へと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。また、発光層２７と、注入層２８との間においても、発光層２７から注入層２８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が必要に応じて設けられる。ただし、図３では、発光層２７と注入層２８との間については、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層のみを設ける構成を例示している。
第２単位積層体２６でのサブバンド準位構造における各準位の間隔構成については、具体的には、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が、それぞれ、第１周波数ω１の光のエネルギー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が、それぞれ、第２周波数ω２の光のエネルギーＥ２と略一致している（ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２）。本構成例では、第１、第２周波数ω１、ω２は、条件ω１＞ω２を満たすように設定されており、その差周波数はω＝ω１−ω２となっている。
また、上記のサブバンド準位構造において、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、第２周波数ω１、ω２の差周波数ωの光のエネルギーＥ＝Ｅ１−Ｅ２と略一致している（ΔＥ２１＝ΔＥ３２＝ΔＥ５４＝Ｅ）。
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層２８ａでの緩和準位Ｌｒからの電子は、注入障壁を介して発光層２７へと注入され、これによって、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。また、このとき、電子−電子散乱など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、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の両方に充分なキャリアが供給される。
第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２に注入された電子は、第１、第２、第３発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３のそれぞれへと遷移し、このとき、発光上準位と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、放出され、特に、第１周波数ω１でエネルギーＥ１の光、及び第２周波数ω２でエネルギーＥ２の光が生成、放出される。
発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３へと遷移した電子は、緩和準位Ｌｒへと緩和される。このように、発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３から電子を引き抜くことにより、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、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。ここで、電子の緩和に用いられる緩和準位Ｌｒについては、図３では１つの準位のみを模式的に示しているが、複数の準位、あるいはミニバンドによって緩和準位を構成しても良い。また、発光下準位から緩和準位Ｌｒへと緩和された電子は、注入層２８を介して、緩和準位Ｌｒから、後段の発光層２７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２へとカスケード的に注入される。
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を第２活性層２５を構成する複数の単位積層体２６で繰り返すことにより、活性層２５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層２７及び注入層２８を多数交互に積層することにより、電子は積層体２６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体２６でのサブバンド間発光遷移の際に、第１周波数ω１の光、第２周波数ω２の光が生成される。
また、図３に示した第２活性層２５では、詳しくは後述するように、活性層２５を構成する第２単位積層体２６での上記した準位構造により、第１、第２周波数ω１、ω２の光による差周波発生に必要な２次の非線形感受率χ（２）が大きくなっている。これにより、第１、第２活性層１５、２５を積層したレーザ１Ａでは、第１活性層１５で生成される第１周波数ω１の光、及び第２活性層２５で生成される第１、第２周波数ω１、ω２の光による差周波発生によって、ＴＨｚ光などの差周波数ωの光が生成される。
また、第２活性層２５で生成される光に対し、図１に示した量子カスケードレーザ１Ａでの半導体積層構造において、第２周波数ω２の光を選択的に発振させるための回折格子による分布帰還型の発振機構を設ける構成とすることも可能である。この場合、第１活性層１５で生成された第１周波数ω１の光、及び第２活性層２５で生成されて回折格子構造によって選択された第２周波数ω２の光による差周波発生によって、差周波数ωの光が生成される。
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。
図１〜図３に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、第１単位積層体１６によって構成されて、第１周波数ω１の光を生成する第１活性層１５と、第２単位積層体２６によって構成されて、第２周波数ω２の光を少なくとも生成する第２活性層２５との２種類の活性層を、半導体基板１０上に直列に設ける構成としている。このような構成では、第１周波数ω１の光及び第２周波数ω２の光による差周波発生を利用することにより、例えばテラヘルツ光などの長波長の光を差周波数ωの光として生成することができる。
また、上記構成では、第１、第２活性層１５、２５のうちで、第２活性層２５を構成する第２単位積層体２６について、そのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と、複数の発光下準位（図３の構成では、第１〜第３発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３）とを有する構成としている。このようなＤＡＵ／ＭＳ構造によれば、発光に関わる準位構造における各準位の準位間隔を適切に設定することにより、第１周波数ω１の光、及び第２周波数ω２の光による差周波発生に必要な２次の非線形感受率χ（２）の値を大きくすることができる。これにより、テラヘルツ光などの長波長の光を差周波発生によって高効率で好適に生成することが可能となる。
ここで、上記構成において、第２活性層２５の第２単位積層体２６は、そのサブバンド準位構造において、第２周波数ω２の光に加えて、第１周波数ω１の光を生成可能に構成されていることが好ましい。このような構成によれば、第１周波数ω１の光及び第２周波数ω２の光による差周波発生のための２次の非線形感受率χ（２）を充分に大きくして、差周波数ωの光を高効率で生成することができる。
また、第２活性層２５で生成される光に対し、第２周波数ω２の光を選択するための機構、例えば回折格子による分布帰還型の発振機構が設けられていることが好ましい。量子カスケードレーザ１Ａの共振器構造において、このような分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）型の発振機構を設けることにより、ＤＡＵ／ＭＳ構造を有する第２活性層２５において、差周波数ωの光の生成に用いられる第２周波数ω２の光を好適かつ選択的に生成することができる。なお、このようなＤＦＢ型の発振機構については、第２活性層２５において、第２周波数ω２の光を選択的に生成する必要がない場合には、設けない構成としても良い。
第２活性層２５における発光及び差周波発生に関わる準位構造については、さらに具体的には、第２活性層２５の第２単位積層体２６は、図３に示すように、そのサブバンド準位構造において、複数の発光下準位として、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１と、第１発光下準位よりも高いエネルギーの第２発光下準位Ｌｌｏｗ２と、第２発光下準位よりも高いエネルギーの第３発光下準位Ｌｌｏｗ３とを有する構成とすることができる。
また、この場合、第２活性層２５の第２単位積層体２６は、第１発光下準位と第２発光下準位とのエネルギー差ΔＥ２１、第２発光下準位と第３発光下準位とのエネルギー差ΔＥ３２、及び第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー差ΔＥ５４が、それぞれ差周波数ωの光のエネルギーＥと略一致するように構成されていることが好ましい。このように、３つの準位間隔のエネルギー差を略同一とする構成によれば、差周波発生によって差周波数ωの光を生成するための２次の非線形感受率χ（２）を充分に大きくして、差周波発生の効率を向上することができる。
また、この場合、サブバンド間発光遷移のエネルギーについては、第２活性層２５の第２単位積層体２６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位から第１発光下準位への発光遷移のエネルギーΔＥ４１、及び第２発光上準位から第２発光下準位への発光遷移のエネルギーΔＥ５２が、それぞれ、第１周波数ω１及び第２周波数ω２の一方の光（図３では、第１周波数ω１の光）のエネルギーと略一致するとともに、第１発光上準位から第２発光下準位への発光遷移のエネルギーΔＥ４２、及び第２発光上準位から第３発光下準位への発光遷移のエネルギーΔＥ５３が、それぞれ、第１周波数ω１及び第２周波数ω２の他方の光（図３では、第２周波数ω２の光）のエネルギーと略一致するように構成されていることが好ましい。このような構成によれば、第２活性層２５において、第２周波数ω２の光の供給と、ＤＦＧによる差周波数ωの光の生成との両者を好適に実現することができる。
なお、第２活性層２５の第２単位積層体２６における複数の発光下準位については、上記したように３つの発光下準位を有する構成に限らず、第１、第２発光上準位に対して、例えば２つ、または４つ以上の発光下準位を有する構成としても良い。このような構成によっても、隣接する発光下準位間のエネルギー差を、差周波数ωの光のエネルギーと略一致させることにより、差周波発生の効率を向上することができる。
また、上記構成において、第１周波数ω１の光を供給する第１活性層１５における準位構造については、第１活性層１５の第１単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギーを有する複数の準位を含む緩和ミニバンドＭＢを有し、発光上準位から発光下準位への発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱によって発光下準位から緩和ミニバンドへと緩和する構成とすることができる。このようなＳＰＣ構造によれば、第１周波数ω１の光を高効率で好適に生成することができる。なお、第１活性層１５におけるサブバンド準位構造については、第１周波数ω１の光を好適に生成可能なものであれば、上記したＳＰＣ構造に限らず、様々な準位構造を用いて良い。
上記実施形態の量子カスケードレーザ１Ａにおける、差周波発生（ＤＦＧ）によるテラヘルツ（ＴＨｚ）光の生成について、さらに説明する。ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬでは、ＤＦＧによるＴＨｚ波の生成を実現するために、２つの異なる周波数ω１、ω２のポンプ光（例えば中赤外光）、及びそれらのポンプ光に対して高い２次の非線形感受率χ（２）を有する活性層が必要となる。図１〜図３に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、第１周波数ω１の光を生成する第１活性層１５と、第２周波数ω２の光を生成する第２活性層２５とを組み合わせるとともに、第２活性層２５においてＤＡＵ／ＭＳ構造を採用することによって、このような条件を実現している。
図３にその構成の具体例を示したＤＡＵ／ＭＳ構造は、第１、第２発光上準位から複数の発光下準位へのサブバンド間遷移を利用することにより、極めて広い利得カーブが得られると同時に、高効率での反転分布の形成により、良好なレーザ特性が得られる準位構造である。このようなＤＡＵ／ＭＳ構造において、上準位、下準位の準位数、各準位のエネルギー、及び準位間のエネルギー間隔等を適切に設計することにより、従来例と比較して倍以上となる大きな２次の非線形感受率χ（２）、及びそれによる高効率でのＤＦＧを実現することができる。
すなわち、下記の式（１）〜式（４）に示すように、ＤＦＧによって生成される差周波数ωの光のパワーＷ（ω）は、第１、第２周波数の中赤外ポンプ光のパワーＷ（ω１）、Ｗ（ω２）、及びコヒーレンス長ｌｃｏｈの２乗に比例し、また、非線形感受率χ（２）は、遷移のダイポールモーメントｚｎｍに比例する。
Figure 2014189015
Figure 2014189015
Figure 2014189015
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 ここで、上記式において、ｅは電荷、Ｎｅは反転分布数、Γｎｍは発光半値幅を示している。また、式（２）は、ΔＥ２１に対して生成される差周波数ωに対するχ（２）を示し、式（３）は、ΔＥ３２に対して生成される差周波数ωに対するχ（２）を示し、式（４）は、ΔＥ５４に対して生成される差周波数ωに対するχ（２）を示している。式（２）〜式（４）に示すように、２次の非線形感受率χ（２）は、対応する遷移におけるダイポールモーメントの積の和によって表される。
これに対して、図３に示した第２活性層２５のサブバンド準位構造では、上準位Ｌ４、Ｌ５に注入された電子が下準位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に遷移することで、光が生成される。このような構成では、図３に関して上述したように、発光遷移４→１、５→２を同一の第１周波数ω１の遷移とし、発光遷移４→２、５→３を同一の第２周波数ω２の遷移とすることができる。また、このとき、周波数ω１、ω２の差周波数ωが生成対象のＴＨｚ光の周波数に対応しており、また、図３に示すΔＥ５４、ΔＥ３２、ΔＥ２１の３つの準位間隔が同一となり、これらの準位間隔が２次の非線形感受率χ（２）に寄与する。したがって、上記実施形態の構成によれば、ほぼ１つの準位間隔のみが感受率χ（２）に寄与している従来構造と比較して、倍以上の大きい感受率χ（２）を実現することが可能である。
本発明による量子カスケードレーザの構成について、第１、第２活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに、さらに説明する。図４は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。また、図５は、図４に示した量子カスケードレーザにおける第１活性層を構成する第１単位積層体の構成の一例を示す図であり、図６は、第１活性層における１周期分の第１単位積層体の構造の一例を示す図表である。また、図７は、図４に示した量子カスケードレーザにおける第２活性層を構成する第２単位積層体の構成の一例を示す図であり、図８は、第２活性層における１周期分の第２単位積層体の構造の一例を示す図表である。
ここで、図５においては、第１活性層１５での発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図７においては、同様に、第２活性層２５での発光層２７及び注入層２８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図４〜図８に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
図４に示す量子カスケードレーザ（ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬ）１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０として半絶縁ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。結晶成長は、例えばＭＯＶＰＥ法により一貫して成長することが可能である。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、第１単位積層体１６が多段に積層された第１活性層１５、第２単位積層体２６が多段に積層された第２活性層２５、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、厚さ５μｍのＩｎＰクラッド層５３、及び厚さ１．５μｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層（ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３）５４が順次積層されることで、ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬである量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。また、上部コア層５２内の所定位置には、波長選択機構である回折格子構造５５が形成されている。また、この積層構造中において、活性層を除くコア層、クラッド層、及びコンタクト層は、ＩｎＰ基板に格子整合している。
具体的なレーザ素子の構造については、図４に示した積層構造の結晶成長完了後、リッジ導波路へのプロセス（特許文献１の図１１参照）を行うことで、ＤＦＧによる発光を好適に得ることが可能となる。このとき、特許文献１の図１２に示されているようにテーパ構造を形成することにより、ＤＦＧ発光を高効率で取り出すことができる。また、近年、出射端面側の基板を、チェレンコフ角（ＩｎＰ基板では、約２０°）に研磨することにより、飛躍的に高効率で発光を取り出せることが報告されており（非特許文献７：Appl. Phys. Lett. Vol.100 (2012) pp.251104-1 - 251104-4）、上記の積層構造に対しても、この手法を用いることが好ましい。
量子カスケードレーザ１Ｂにおける第１、第２活性層１５、２５の設計では、まず、設計周波数ω、ω１、ω２を決定する。最終的に差周波発生によって得られるＴＨｚ光の周波数ωは、ポンプ光の第１、第２周波数ω１、ω２に対してω＝ω１−ω２の関係にあるため、ここでの周波数（波長）の選定が非常に重要になる。
第１周波数ω１の光を生成する第１活性層１５のカスケード構造としては、本構成例では、図２に示したＳＰＣ構造を用いる。ＳＰＣ構造は、１つの上準位から１つの下準位に発光遷移するという構造的特徴から、大きな非線形感受率χ（２）は得られず、ＤＦＧに適した構造ではないが、ＳＰＣ構造を用いることにより、室温以上での高温において高性能発振させることが容易となり、第１周波数ω１のポンプ光生成用の構造としては極めて適している。そして、多段に積層される第２活性層２５のカスケード構造として、上述したＤＡＵ／ＭＳ構造を用いることにより、第２周波数ω２の光を生成するとともに、大きい２次の非線形感受率χ（２）を利用して、ＤＦＧによって差周波数ωのＴＨｚ光を好適に生成することが可能となる。
図５及び図６は、第１周波数ω１の光の生成に用いられる第１活性層１５での単位積層体１６の構成の一例を示している。本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、第１周波数ω１に対応する発振波長を中赤外（ＭＩＲ）光の第１波長λ１＝９．０μｍ、発振エネルギーをＥ１＝１３８ｍｅＶとして設計された例を示している。活性層１５は、発光層１７及び注入層１８を含む第１単位積層体１６が２０周期で積層されて構成されている。
また、１周期分の単位積層体１６は、図５に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、Ｉｎ０．４８Ａｌ０．５２Ａｓ層によって構成されている。
また、このような単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図５に示す積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。
また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層と、発光層１７との間に位置し、前段の注入層から発光層１７への電子に対する注入障壁層となっている。同様に、注入層１８の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１９１が、発光層１７と、注入層１８との間に位置し、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層となっている。図６に、第１活性層１５における１周期分の第１単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
このような構成において、第１単位積層体１６は、その図５に示すサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐ、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び緩和準位Ｌｒとして機能する複数の準位を含むミニバンドＭＢを有し、第１周波数ω１の光を生成可能に構成されている。また、発光層１７及び注入層１８での量子井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。
図７及び図８は、第２周波数ω２の光の生成、及びＤＦＧによる差周波数ωの光の生成に用いられる第２活性層２５での単位積層体２６の構成の一例を示している。本構成例における活性層２５の量子井戸構造では、第２周波数ω２に対応する発振波長を中赤外（ＭＩＲ）光の第２波長λ２＝１０．５μｍ、発振エネルギーをＥ２＝１１８ｍｅＶとして設計された例を示している。活性層２５は、発光層２７及び注入層２８を含む第２単位積層体２６が３０周期で積層されて構成されている。
また、１周期分の単位積層体２６は、図７に示すように、１１個の量子井戸層２６１〜２６４、２８１〜２８７、及び１１個の量子障壁層２７１〜２７４、２９１〜２９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの単位積層体２６の各半導体層のうち、量子井戸層は、Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、Ｉｎ０．４８Ａｌ０．５２Ａｓ層によって構成されている。
また、このような単位積層体２６において、発光層２７と注入層２８とについては、図７に示す積層構造において、４層の井戸層２６１〜２６４、及び障壁層２７１〜２７４からなる積層部分が、主に発光層２７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層２８１〜２８７、及び障壁層２９１〜２９７からなる積層部分が、主に注入層２８として機能する部分となっている。また、発光層２７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層２７１が、前段の注入層と、発光層２７との間に位置し、前段の注入層から発光層２７への電子に対する注入障壁層となっている。
なお、本構成例においては、発光層２７と、注入層２８との間に位置し、発光層２７から注入層２８への電子に対する抽出障壁層については、実効的に抽出障壁として機能している障壁層は存在していない。図７においては、障壁層２９１を形式的に抽出障壁層と規定し、その前後で、発光層２７と注入層２８とを機能的に区分している。図８に、第２活性層２５における１周期分の第２単位積層体２６の具体的な構造の一例を示す。
このような構成において、第２単位積層体２６は、その図７に示すサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１（Ｌ４）、Ｌｕｐ２（Ｌ５）、第１、第２、第３発光下準位Ｌｌｏｗ１（Ｌ１）、Ｌｌｏｗ２（Ｌ２）、Ｌｌｏｗ３（Ｌ３）、及び１または複数の緩和準位Ｌｒを有し、第１、第２周波数ω１、ω２の光をそれぞれ生成可能に構成されている。また、発光層２７及び注入層２８での量子井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。
この単位積層体２６の量子井戸構造及びサブバンド準位構造の設計では、図３に関して上述したΔＥ４１＝ΔＥ５２＝Ｅ１、ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２との準位間隔の条件を満たすように量子井戸層、障壁層のそれぞれの厚さを細かく調整する必要がある。また、本構成例における各発光遷移の遷移強度に対応するダイポールモーメントは、準位Ｌｎ→Ｌｍの発光遷移のダイポールモーメントをｚｎｍとして、ｚ５４＝４．６６ｎｍ、ｚ５３＝１．６３ｎｍ、ｚ５２＝１．３３ｎｍ、ｚ５１＝０．６２ｎｍ、ｚ４３＝１．４ｎｍ、ｚ４２＝１．３６ｎｍ、ｚ４１＝０．７３５ｎｍ、ｚ３２＝８．８４８ｎｍ、ｚ３１＝０．７ｎｍ、ｚ２１＝９．９９ｎｍである。
図７に示す第２単位積層体２６は、周波数ω１、ω２の両者について遷移が起こるように設計されており、第２活性層２５での発光は、様々な発光成分の重ね合わせとなる。図９は、第２活性層で得られる発光スペクトルを示すグラフである。ここで、図９のグラフにおいて、横軸は発光エネルギー（ｍｅＶ）または波長（μｍ）を示し、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を示している。
また、図９において、グラフＡ１は、遷移５→１の発光スペクトルを示し、グラフＡ２は、遷移４→１の発光スペクトルを示し、グラフＡ３は、遷移５→２の発光スペクトルを示し、グラフＡ４は、遷移４→２の発光スペクトルを示し、グラフＡ５は、遷移５→３の発光スペクトルを示し、グラフＡ６は、遷移４→３の発光スペクトルを示している。これらの遷移のうち、遷移４→１、５→２が第１周波数ω１に対応し、遷移４→２、５→３が第２周波数ω２に対応している。また、グラフＡ０は、グラフＡ１〜Ａ６に示した各遷移での発光強度を加算した全体での発光スペクトルを示している。
図９の発光スペクトルのグラフに示すように、ＤＡＵ／ＭＳ構造を有する第２活性層２５からの発光は非常に広い発光スペクトルを有し、その全体としての発光周波数は第１、第２周波数ω１、ω２の中間の周波数となる。一方、図４〜図８に示した構成例では、第１周波数ω１の光は第１活性層１５から供給されるため、第２活性層２５で生成される光については、第２周波数ω２の光を選択的に発振させることが好ましい。このため、図４に示す構成例では、上部コア層５２内において、第２活性層２５における発振光の波長を選択するためのフィードバック機構として、第２周波数ω２の光を強制的に選択、発振させる回折格子構造５５が形成され、これにより、分布帰還（ＤＦＢ）型の発振機構が構成されている。
第２周波数ω２の光を選択する回折格子構造５５としては、例えば、深さ１００ｎｍ、ピッチ１６５０ｎｍの回折格子を導波路内部に形成した構成を用いることができる。本構成例では、回折格子構造５５によって選択される第２周波数ω２が、第１周波数ω１とともに、ＤＦＧによって生成されるＴＨｚ光の周波数ωを決定するため、回折格子構造５５でのピッチ、及び選択周波数の設定が重要となる。また、回折格子構造５５で選択される光のエネルギーは、遷移４→２のエネルギーΔＥ４２に対して±５％程度の範囲で設定されることが好ましい。これは、室温での単一のサブバンド間遷移のエレクトロルミネッセンスの半値幅が中心波長の十数％程度であることを考慮したものである。
また、第２活性層２５は、上述したように、第２周波数ω２の光の供給に加えて、高い２次の非線形感受率χ（２）を利用した差周波発生によるＴＨｚ波の生成の機能を有する。図１０は、第２活性層２５における２次の非線形感受率χ（２）の電界強度依存性を示すグラフである。図１０のグラフにおいて、横軸は電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸は２次の非線形感受率χ（２）（ｐｍ／Ｖ）を示している。また、図１０において、グラフＢ１は、準位２−１による非線形感受率を示し、グラフＢ２は、準位３−２による非線形感受率を示し、グラフＢ３は、準位５−４による非線形感受率を示している。また、グラフＢ０は、グラフＢ１〜Ｂ３に示した各準位での感受率を加算した全体での非線形感受率を示している。
図１０の非線形感受率χ（２）のグラフに示すように、上記構成例では、動作電界付近において、各準位間隔内で大きな感受率χ（２）が得られており、活性層２５が有効に機能していることがわかる。また、準位５−４、３−２、２−１の３つの準位間隔成分の合計でχ（２）＝１．１５×１０６ｐｍ／Ｖと高い感受率が得られている。これは、同様の条件で計算した従来構造のＢＴＣ（bound-to-continuum）型ＤＦＧ−ＱＣＬの場合の値χ（２）＝６．５×１０５ｐｍ／Ｖと比較して、充分に高い値を示している。
また、第２活性層２５に対して設けられた第２周波数ω２の光を選択するための回折格子構造５５（図４参照）については、回折格子によってフィードバックされる光との結合係数κの値を調整することにより、第１、第２活性層１５、２５のうちで第２活性層２５によって発振される光のみに対して機能させることが好ましい。ただし、図４に示したように複数のカスケード活性層構造を用いる構成では、スペクトルホールバーニングが発生するため、回折格子によるフィードバックから外れた第１周波数ω１の光の発振は回折格子による影響を受けず、したがって、上記した条件は容易に達成される。
一方、第２周波数ω２の値については、周波数によって得られる非線形感受率χ（２）が大きく影響を受けるため、その値がとり得る範囲は限定される。図１１は、第２活性層２５における２次の非線形感受率χ（２）の第２周波数ω２の光のエネルギーへの依存性を示すグラフである。図１１（ａ）のグラフにおいて、横軸は第２周波数ω２の光のエネルギーＥ２（ｅＶ）を示し、縦軸は２次の非線形感受率χ（２）（ｐｍ／Ｖ）を示している。また、図１１（ｂ）のグラフにおいて、横軸は第１周波数ω１の光のエネルギーと第２周波数ω２の光のエネルギーとの差Ｅ１−Ｅ２（ｍｅＶ）を示し、縦軸は２次の非線形感受率χ（２）（ｐｍ／Ｖ）を示している。
また、図１１（ａ）及び（ｂ）において、グラフＣ１、Ｄ１は、準位２−１による非線形感受率を示し、グラフＣ２、Ｄ２は、準位３−２による非線形感受率を示し、グラフＣ３、Ｄ３は、準位５−４による非線形感受率を示している。また、グラフＣ０、Ｄ０は、グラフＣ１〜Ｃ３、Ｄ１〜Ｄ３に示した各準位での感受率を加算した全体での非線形感受率を示している。また、ここでは、第１周波数ω１の光のエネルギーについては、Ｅ１＝１３８ｍｅＶで固定としている。これらのグラフに示すように、第２周波数ω２の光のエネルギーＥ２を変化させたとき、ピークからずれると感受率χ（２）の値が大きく減少していることがわかる。
なお、図４に示した構成では、回折格子構造５５によって第２周波数ω２の光を選択する構成を例示したが、例えば、２種類の回折格子構造を形成することにより、第１、第２周波数ω１、ω２の光の両者についてＤＦＢ動作させる構成とすることも可能である。このような構成は、例えば、第１、第２周波数ω１、ω２に対して、回折格子のピッチをそれぞれ１４１０ｎｍ、１６５０ｎｍに設定することで実現することができる。
上述した具体的な構成例において、リッジ導波路構造にプロセスされた共振器長３ｍｍ、リッジ幅２５μｍのレーザ素子として構成した場合の量子カスケードレーザの室温での素子特性について、図１２、図１３を用いて説明する。
図１２は、量子カスケードレーザの中赤外（ＭＩＲ）光及びテラヘルツ（ＴＨｚ）光についての電流−光出力特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電流（Ａ）または電流密度（ｋＡ／ｃｍ２）を示し、縦軸はＭＩＲ光のピークパワー（ｍＷ）またはＴＨｚ光のピークパワー（μＷ）を示している。ここでは、具体的には、温度Ｔ＝２９７Ｋ、パルス幅１００ｎｓ、繰返し周波数３０ｋＨｚでレーザ素子をパルス動作させたときの素子特性を示す。
また、図１２において、グラフＧ１は、第１波長λ１のＭＩＲ光のピークパワーの電流依存性を示し、グラフＧ２は、第２波長λ２のＭＩＲ光のピークパワーの電流依存性を示している。また、グラフＧ３は、差周波発生によって生成されるＴＨｚ光のピークパワーの電流依存性を示している。これらのグラフに示すように、第１、第２波長λ１、λ２のＭＩＲ光について、それぞれ、４．７ｋＡ／ｃｍ２、６ｋＡ／ｃｍ２の閾値電流密度が確認された。また、ＴＨｚ光の出力については、約１３μＷのピークパワーが得られた。
また、図１３は、２波長の中赤外（ＭＩＲ）光出力と、テラヘルツ（ＴＨｚ）光出力との関係について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は２波長λ１、λ２のＭＩＲ光のピークパワーに関する量（Ｗ１×Ｗ２）×１０３（Ｗ２）を示し、縦軸はＴＨｚ光のピークパワー（μＷ）を示している。図１３に示すデータにおいて、ＴＨｚ変換効率はη＝０．４１ｍＷ／Ｗ２が得られた。これは、マルチモードを示しているにもかかわらず、現在報告されている最も高い効率と同程度の値である。なお、図１３において、実線のグラフは、各出力から算出した値を示し、破線のグラフは、その変換効率（スロープ）であるη＝０．４１ｍＷ／Ｗ２の直線を示している。
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、第１、第２活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
また、上記した構成例では、第１、第２活性層を歪補償構造によって構成した場合について示しているが、このような活性層については、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成を用いても良い。また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造については、上記した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の第１、第２活性層とを備えて構成されていれば良い。また、第１活性層の単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の光を生成可能に構成されていれば良く、また、第２活性層の単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第２周波数ω２の光を少なくとも生成可能に構成されていれば良い。
上記実施形態による量子カスケードレーザでは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる第１単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された第１活性層と、（３）半導体基板上に第１活性層に対して直列に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる第２単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された第２活性層とを備え、（４）第１活性層の第１単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の光を生成可能に構成され、（５）第２活性層の第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第２周波数ω２の光を少なくとも生成可能に構成され、（６）第１活性層で生成される第１周波数ω１の光、及び第２活性層で生成される第２周波数ω２の光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の光を生成する構成を用いている。
ここで、上記構成において、第２活性層の第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第２周波数ω２の光に加えて、第１周波数ω１の光を生成可能に構成されていることが好ましい。このような構成によれば、第１周波数ω１の光及び第２周波数ω２の光による差周波発生のための２次の非線形感受率χ（２）を充分に大きくして、差周波数ωの光を高効率で生成することができる。
また、上記構成において、第２活性層で生成される光に対し、第２周波数ω２の光を選択するための回折格子による分布帰還型の発振機構が設けられていることが好ましい。量子カスケードレーザの共振器構造において、このような分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）型の発振機構を設けることにより、第２活性層において、差周波数ωの光の生成に用いられる第２周波数ω２の光を好適に選択的に生成することができる。
第２活性層における発光に関わる準位構造については、具体的には、第２活性層の第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、複数の発光下準位として、第１発光下準位と、第１発光下準位よりも高いエネルギーを有する第２発光下準位と、第２発光下準位よりも高いエネルギーを有する第３発光下準位とを有する構成とすることができる。
また、この場合、第２活性層の第２単位積層体は、第１発光下準位と第２発光下準位とのエネルギー差、第２発光下準位と第３発光下準位とのエネルギー差、及び第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー差が、それぞれ差周波数ωの光のエネルギーと略一致するように構成されていることが好ましい。このように、３つの準位間隔のエネルギー差を略同一とする構成によれば、差周波発生によって差周波数ωの光を生成するための２次の非線形感受率χ（２）を充分に大きく設定することができる。
また、この場合、発光遷移のエネルギーについては、第２活性層の第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位から第１発光下準位への発光遷移のエネルギー、及び第２発光上準位から第２発光下準位への発光遷移のエネルギーが、それぞれ第１周波数ω１及び第２周波数ω２の一方の光のエネルギーと略一致するとともに、第１発光上準位から第２発光下準位への発光遷移のエネルギー、及び第２発光上準位から第３発光下準位への発光遷移のエネルギーが、それぞれ第１周波数ω１及び第２周波数ω２の他方の光のエネルギーと略一致するように構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、第１活性層における準位構造については、第１活性層の第１単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光下準位よりも低いエネルギーを有する複数の準位を含む緩和ミニバンドを有し、発光上準位から発光下準位への発光遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって発光下準位から緩和ミニバンドへと緩和する構成とすることができる。このようなＳＰＣ（single phonon resonance-continuum）構造によれば、第１周波数ω１の光を高効率で好適に生成することができる。
本発明は、テラヘルツ光などの長波長の光を好適に生成することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…第１活性層、１６…第１単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、２５…第２活性層、２６…第２単位積層体、２７…量子井戸発光層、２８…注入層、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コア層、５２…ＩｎＧａＡｓ上部コア層、５３…ＩｎＰクラッド層、５４…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、５５…回折格子構造、
Ｌｕｐ…発光上準位、Ｌｕｐ１…第１発光上準位、Ｌｕｐ２…第２発光上準位、Ｌｌｏｗ…発光下準位、Ｌｌｏｗ１…第１発光下準位、Ｌｌｏｗ２…第２発光下準位、Ｌｌｏｗ３…第３発光下準位、Ｌｒ…緩和準位、ＭＢ…緩和ミニバンド。

Claims (5)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる第１単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された第１活性層と、
    前記半導体基板上に前記第１活性層に対して直列に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる第２単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された第２活性層とを備え、
    前記第１活性層の前記第１単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の光を生成可能に構成され、
    前記第２活性層の前記第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、前記第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有し、電子のサブバンド間発光遷移によって第２周波数ω２の光を少なくとも生成可能に構成され、
    前記第１活性層で生成される前記第１周波数ω１の光、及び前記第２活性層で生成される前記第２周波数ω２の光による差周波発生によって、前記第１周波数ω１及び前記第２周波数ω２の差周波数ωの光を生成することを特徴とする量子カスケードレーザ。
  2. 前記第２活性層の前記第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記第２周波数ω２の光に加えて、前記第１周波数ω１の光を生成可能に構成されるとともに、
    前記第２活性層で生成される光に対し、前記第２周波数ω２の光を選択するための回折格子による分布帰還型の発振機構が設けられていることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記第２活性層の前記第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記複数の発光下準位として、第１発光下準位と、前記第１発光下準位よりも高いエネルギーを有する第２発光下準位と、前記第２発光下準位よりも高いエネルギーを有する第３発光下準位とを有し、
    前記第１発光下準位と前記第２発光下準位とのエネルギー差、前記第２発光下準位と前記第３発光下準位とのエネルギー差、及び前記第１発光上準位と前記第２発光上準位とのエネルギー差が、それぞれ前記差周波数ωの光のエネルギーと略一致するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記第２活性層の前記第２単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、
    前記第１発光上準位から前記第１発光下準位への発光遷移のエネルギー、及び前記第２発光上準位から前記第２発光下準位への発光遷移のエネルギーが、それぞれ前記第１周波数ω１及び前記第２周波数ω２の一方の光のエネルギーと略一致するとともに、
    前記第１発光上準位から前記第２発光下準位への発光遷移のエネルギー、及び前記第２発光上準位から前記第３発光下準位への発光遷移のエネルギーが、それぞれ前記第１周波数ω１及び前記第２周波数ω２の他方の光のエネルギーと略一致するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の量子カスケードレーザ。
  5. 前記第１活性層の前記第１単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記発光下準位よりも低いエネルギーを有する複数の準位を含む緩和ミニバンドを有し、前記発光上準位から前記発光下準位への発光遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和ミニバンドへと緩和することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
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