(57)【要約】【課題】広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置１は、量子カスケードレーザ構造を有し、テラヘルツ波を発振する半導体積層体４と、環状に並んだ複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造７を有し、半導体積層体４から入射されたテラヘルツ波を環状に導波しながら外部に漏れ波を出射する伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケードレーザ構造を有し、テラヘルツ波を発振する半導体積層体と、
環状に並んだ複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造を有し、前記半導体積層体から入射された前記テラヘルツ波を環状に導波しながら外部に漏れ波を出射する伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体と、を備える、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体における光路長は、前記テラヘルツ波の波長の７０〜１３０％である、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
複数の前記伝送線路型メタマテリアル単位構造は、
前記テラヘルツ波の導波の始点となる第１の伝送線路型メタマテリアル単位構造と、
前記第１の伝送線路型メタマテリアル単位構造と離間し、前記テラヘルツ波の導波の終点となる第２の伝送線路型メタマテリアル単位構造と、
前記第１の伝送線路型メタマテリアル単位構造と前記第２の伝送線路型メタマテリアル単位構造とを結ぶ複数の第３の伝送線路型メタマテリアル単位構造と、を含む、請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
複数の前記伝送線路型メタマテリアル単位構造は、円形状に並んでいる、請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造は、前記テラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で並んでいる、請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体は、
前記半導体積層体に電圧を印加するための第１の電極及び第２の電極のうち前記第１の電極上に設けられた環状体と、
前記第１の電極と対向するように、且つ環状に並ぶように前記環状体上に設けられた複数の第３の電極と、
前記第３の電極のそれぞれと前記第１の電極とを電気的に接続する第４の電極と、を有する、請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第４の電極は、前記伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体において外側の側面に形成されている、請求項６記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記環状体は、誘電体からなる、請求項６又は７記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記環状体は、前記半導体積層体と同じ積層構造を有する、請求項６〜８のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記半導体積層体及び前記伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体を支持する基板を更に備え、
前記第１の電極は、前記基板上に設けられている、請求項６〜９のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を出射する半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツカスケードレーザは、小型で駆動が容易なテラヘルツ光源として期待されている。しかしながら、テラヘルツカスケードレーザの出射端面から出射されるテラヘルツ波には、出射端面における出射領域に対して波長が非常に長いため、回折の影響が顕著に現れて広がり角が大きくなり、その結果、テラヘルツカスケードレーザの発振光として有効に利用し得る割合（取出し効率）を高くしにくい。
【０００３】
テラヘルツ波の広がり角を抑制する方法として、テラヘルツカスケードレーザの表面にリング状の回折格子構造を形成し、その表面から出射される高次の回折モードを利用する方法が知られている（非特許文献１及び２参照）。また、テラヘルツ波の広がり角を抑制する別の方法として、テラヘルツカスケードレーザとメタマテリアル構造の一次元漏れ波アンテナとを組み合わせる方法が知られている（非特許文献３及び４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】L. Mahler et al.,"Distributed feedback ring resonators for vertically emitting terahertzquantum cascade lasers", Optics Express, 17, 13031 (2009).
【非特許文献２】M. S. Vitiello et al., "Highefficiency coupling of Terahertz micro-ring quantum cascade lasers to thelow-loss optical modes of hollow metallic waveguides", Optics Express, 19,1122 (2011).
【非特許文献３】A. A. Tavallaee et al.,"Zero-Index Terahertz Quantum-Cascade Metamaterial Lasers", IEEEJournal of Quantum Electronics, 46, 1091 (2010).
【非特許文献４】A. A. Tavallaee et al.,"Terahertz quantum-cascade laser with active leaky-wave antenna",Applied Physics Letters, 99, 141115 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１及び２記載の方法では、高次の回折モードを利用するため、テラヘルツ波の取出し効率は必ずしも高くない。また、非特許文献３及び４記載の方法では、メタマテリアル構造の一次元漏れ波アンテナを用いるため、一次元方向においてテラヘルツ波の広がり角を抑制することができるだけである。
【０００６】
そこで、本発明は、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体レーザ装置は、量子カスケードレーザ構造を有し、テラヘルツ波を発振する半導体積層体と、環状に並んだ複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造を有し、半導体積層体から入射されたテラヘルツ波を環状に導波しながら外部に漏れ波を出射する伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体と、を備える。
【０００８】
この半導体レーザ装置では、伝送線路型メタマテリアル単位構造が環状に並んでいるため、伝送線路型メタマテリアル単位構造が並ぶ平面に対して垂直な方向において漏れ波の電界強度が互いに強め合い、広がり角が二次元方向において抑制されることになる。よって、この半導体レーザ装置によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる。
【０００９】
ここで、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体における光路長は、テラヘルツ波の波長の７０〜１３０％であってもよい。この場合、環状に並ぶ複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造において、放射強度に最も寄与する電界強度最大の位置が、環の中心部に関して対向する位置を占めるため、本来は逆位相であったテラヘルツ波が同位相化される。このため、電界強度が互いに一層強め合い、広がり角が二次元方向において抑制されることになる。
【００１０】
複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造は、テラヘルツ波の導波の始点となる第１の伝送線路型メタマテリアル単位構造と、第１の伝送線路型メタマテリアル単位構造と離間し、テラヘルツ波の導波の終点となる第２の伝送線路型メタマテリアル単位構造と、第１の伝送線路型メタマテリアル単位構造と第２の伝送線路型メタマテリアル単位構造とを結ぶ複数の第３の伝送線路型メタマテリアル単位構造と、を含んでいてもよい。これによれば、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体におけるテラヘルツ波の導波及び外部への出射が良好となる。
【００１１】
また、複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造は、円形状に並んでいてもよい。これによれば、円形状のパターンをなすテラヘルツ波を出射することができる。
【００１２】
複数の伝送線路型メタマテリアル単位構造は、テラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で並んでいてもよい。これにより、メタマテリアルとして有効に機能することができる。
【００１３】
伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体は、半導体積層体に電圧を印加するための第１の電極及び第２の電極のうち第１の電極上に設けられた環状体と、第１の電極と対向するように、且つ環状に並ぶように環状体上に設けられた複数の第３の電極と、第３の電極のそれぞれと第１の電極とを電気的に接続する第４の電極と、を有していてもよく、この場合、第４の電極は、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体において外側の側面に形成されていてもよい。また、環状体は、誘電体からなっていてもよい。本発明ではこれらの構成を適宜選択することができるため、テラヘルツ波の分散特性を平衡系とするか非平衡系とするかの調整、及び、位相定数の調整の自由度が高い。
【００１４】
ここで、環状体は、半導体積層体と同じ積層構造を有していてもよい。これによれば、半導体レーザ装置の製造時に、半導体積層体と環状体とを同じ工程で作製することができる。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体積層体及び伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体を支持する基板を更に備え、第１の電極は、基板上に設けられていてもよい。これによれば、半導体レーザ装置の各構成の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態の半導体レーザ装置の平面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置の側面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体の光路長を示す図である。
【図５】図１の半導体レーザ装置における伝送線路型メタマテリアル単位構造の等価回路図である。
【図６】図１の半導体レーザ装置における伝送線路型メタマテリアル単位構造の分散特性を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態の半導体レーザ装置の平面図及び側面図である。
【図８】本発明の他の実施形態の半導体レーザ装置の平面図及び側面図である。
【図９】本発明の他の実施形態の半導体レーザ装置の平面図及び側面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態の半導体レーザ装置の平面図及び側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１及び図２に示されるように、半導体レーザ装置１は、ＩｎＰからなる矩形板状の基板２を備えている。基板２の表面２ａには、金及びインジウムからなる共通電極（第１の電極）３が設けられている。共通電極３の表面３ａには、半導体積層体４及び略円形状の伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１が設けられている。つまり、基板２は、半導体積層体４及び伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１を支持している。
【００２０】
半導体積層体４は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなる量子カスケードレーザ構造を有している。半導体積層体４は、その長手方向を基板２の長手方向と一致させた状態で基板２の表面２ａ上に配置されている。半導体積層体４の表面４ａには、共通電極３と対向するように、金からなる対向電極（第２の電極）６が設けられている。半導体積層体４は、共通電極３と対向電極６とに挟まれることで、金属導波路によるファブリペロー共振器を構成しており、共通電極３と対向電極６との間に電圧が印加されることにより、出射端面４ｂからテラヘルツ波を発振する。なお、半導体積層体４の両端面のうち、出射端面４ｂと反対側の端面には、テラヘルツ波を全反射する反射膜が形成されていてもよい。
【００２１】
伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１は、共通電極３上に設けられた環状体５０を有している。環状体５０は、ＩｎＰ等の誘電体からなり、半導体積層体４と隣り合うように基板２の表面２ａ上に配置されている。環状体５０は、半導体積層体４からテラヘルツ波が入射する部分である導入部５１、及び、導入部５１から一体的に延びテラヘルツ波が導波される経路を構成する本体部５２からなる。本体部５２は、導入部５１を始点として平面視円形を描くように延びて周回しており、その端部が導入部５１に近接した位置に留まっている。すなわち、本体部５２は、一部を欠いた円形をなしている。
【００２２】
ここで、環状体５０の両端面のうち、導入部５１が設けられている側の端面５０ａは、テラヘルツ波の光軸が通るように、半導体積層体４の出射端面４ｂに対向している。環状体５０の両端部のうち、導入部５１が設けられていない側の端面５０ｂには、導波したテラヘルツ波が反射しないように、無反射コーティング又は斜め加工が施されている。なお、出射端面４ｂと環状体５０の端面５０ａとの距離は、環状体５０の半径方向の厚さよりも小さい距離とされている。
【００２３】
図１〜図３に示されるように、本体部５２の表面５２ａ上には、共通電極３と対向するように、且つ円環状に並ぶように、金からなる複数の分割電極（第３の電極）８が設けられている。各分割電極８は、ギャップ９によって互いに離間されている。また、導入部５１の表面５１ａ上にも、共通電極３と対向するように、金からなる分割電極８が設けられている。
【００２４】
本体部５２の外側の側面５２ｂには、金からなる複数の接続電極（第４の電極）１０が形成されている。各接続電極１０は、各分割電極８（導入部５１上の分割電極８を除く）と共通電極３とを電気的に接続している。つまり、接続電極１０は、各分割電極８を共通電極３に短絡させる。
【００２５】
共通電極３と、一つの分割電極８と、共通電極３及び分割電極８に挟まれた本体部５２の一部と、一つの接続電極１０とにより伝送線路型メタマテリアル単位構造（以下、単に「単位構造」ともいう。）７が構成されている。そして、複数の単位構造７が環状に並ぶことにより、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１が構成されている。ここで、単位構造７は、テラヘルツ波の導波の始点となる第１の単位構造と、これと離間した位置に設けられ、テラヘルツ波の導波の終点となる第２の単位構造と、これらの単位構造を結ぶ複数の第３の単位構造とを含んでいる。
【００２６】
複数の単位構造７が環状に並ぶ周期は、対象とするテラヘルツ波の波長の４分の１未満とされている。ここで周期とは、各分割電極８及びギャップ９が並ぶ周方向における一つの分割電極８及び一つのギャップ９の大きさの合計値、つまり単位構造７の長さΔＺに相当する。例えば、環状体５０の本体部５２の中心を通る円周の長さを、分割電極８（又はギャップ９）の数で除した値といえる（但し、導入部５１が設けられている部分は計算から除く）。
【００２７】
伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１における光路長は、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１においてテラヘルツ波が導波される経路の光学的な長さであり、図４において一点鎖線で示されるとおり、環状体５０における端面５０ａから、導入部５１、及びこれに続く本体部５２を経た反対側の端面５０ｂまでの距離に屈折率を掛けた値をいう。この光路長は、テラヘルツ波の波長の長さとされている。なお、ここでは、光路長は、環状体５０の半径方向の厚さの中心部を通った場合の長さとしている。また、図４において、矢印はテラヘルツ波が導波する方向を示している。
【００２８】
次に、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１の分散特性について説明する。
【００２９】
図５は、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１を構成する単位構造７の等価回路を示している。単位構造７の等価回路は、隣り合う分割電極８の間（つまりギャップ９）に形成される直列キャパシタンスＣＬと、接続電極１０に相当する並列インダクタンスＬＬと、分割電極８と共通電極３との間に形成される並列キャパシタンスＣＲと、分割電極８に相当する直列インダクタンスＬＲとの４つの要素からなる。この等価回路は、左手／右手系複合線路と考えることができ、いわゆる伝送線路型メタマテリアルの単位セルをなしているといえる。
【００３０】
この単位セルは、上記４つの要素（ＣＬ，ＬＬ，ＣＲ，ＬＲ）を調整することで分散特性を制御することができる。ここで分散特性とは、位相定数βとテラヘルツ波の角周波数ωとの関係を表す特性であり、単位セル（長さをΔＺとする）の分散特性は、次の式（１）で表される。
【数１】
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【００３１】
横軸をβ・ΔＺ、縦軸をωとした場合のグラフの概形は図６に示されるとおりである。また、図６に示されるように、各要素の値によって、右手系ブランチ（第一象限側）と左手系ブランチ（第二象限側）がβ＝０においてギャップがない平衡系（すなわちＣＬ・ＬＲ＝ＣＲ・ＬＬとなる場合）の分散特性や、ギャップが存在する非平衡系（すなわちＣＬ・ＬＲ≠ＣＲ・ＬＬとなる場合）の分散特性をとることができる。そして、図６において「ａｉｒ  ｌｉｎｅ」(大気中での光の分散特性)で囲まれた領域（放射領域）では、屈折率の絶対値が１よりも小さくなり、漏れモードとして外部への放射が可能となる。この特性を利用することにより、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１を漏れ波アンテナとして動作させることができる。
【００３２】
具体的には、共通電極３、環状体５０、分割電極８及び接続電極１０を構成する部材の形状や材質等、並びに、隣り合う分割電極８の間の距離（すなわちギャップ９の幅）等を種々変更することにより、分散特性を変化させることができる。例えば、単位構造７の高さ、幅、長さをそれぞれ１０μｍとし、ギャップ９の幅を０．２μｍ、接続電極１０の幅を２μｍ程度とすれば、２ＴＨｚ前後の領域で漏れモードが形成され放射が可能となり、単位構造７が複数並んで形成された伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１の光路長が、入射するテラヘルツ波の波長程度であるため、単位構造７が並ぶ基板２の表面２ａの平面に垂直な方向（環状体５０の円形状がなす平面に対して垂直な方向）にテラヘルツ波を出射することができる。
【００３３】
以上のように構成された半導体レーザ装置１では、共通電極３と対向電極６との間に電圧が印加されると、量子カスケードレーザ構造を有する半導体積層体４からテラヘルツ波が発振され、当該テラヘルツ波が伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１に入射する。このとき、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１においては、単位構造７が環状に並んでおり、且つ光路長が入射するテラヘルツ波の波長程度であるため、単位構造７が並ぶ平面に対して垂直な方向に、テラヘルツ波が漏れ波として外部に出射される。このとき、当該出射方向において漏れ波の電界強度が互いに強め合い、広がり角が二次元方向において抑制されることになる。よって、この半導体レーザ装置によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる。
【００３４】
またこのとき、半導体積層体４と伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１とは互いに隣り合うように配置されており、更に環状体５０の端面のうち導入部５１が設けられた側の端面５０ａが半導体積層体４の出射端面４ｂに対向しているため、半導体積層体４から伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１にテラヘルツ波が高効率で入射する。このため、この半導体レーザ装置１によれば、テラヘルツ波を一層高い取出し効率で出射することができる。
【００３５】
また、外部に出射するテラヘルツ波は、円形状のパターンをなしているため、中空ファイバとの結合が良好である。
【００３６】
また、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１における光路長は、テラヘルツ波の波長の長さとされているため、環状に並ぶ複数の単位構造７において、図４に示されるように、放射強度に最も寄与する電界強度Ｅが最大となる位置が、環の中心部に関して対向する位置を占め、本来は逆位相であったテラヘルツ波が同位相化される。このため、電界強度が互いに一層強め合い、広がり角が二次元方向において抑制されることになる。
【００３７】
また、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１は、環状体５０と、複数の分割電極８と、接続電極１０とを有しており、接続電極１０は、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１において外側の側面に形成されているため、これらの部材の形状や材質等を適宜選択することにより、テラヘルツ波の分散特性を平衡系とするか非平衡系とするかの調整、及び、位相定数を調整することができる。つまり、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１の設計の自由度が高い。
【００３８】
また、半導体レーザ装置１では、複数の単位構造７がテラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で並んでいるため、メタマテリアルとして有効に機能することができる。
【００３９】
また、半導体レーザ装置１では、半導体積層体４及び伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１を支持する基板２を更に備え、共通電極３が基板２の表面２ａ上に設けられているため、半導体レーザ装置１の各構成の安定化が図られている。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、環状体５０が誘電体からなる態様を示したが、環状体５０が半導体積層体４と同じ積層構造を有するものであってもよい。この場合、半導体レーザ装置１の製造時に、半導体積層体４と環状体５０とを同じ工程で作製することができる。
【００４１】
また、上記実施形態では光路長をテラヘルツ波の波長の長さとしたが、これを波長の７０〜１３０％の長さとしてもよい。光路長をこの範囲の長さとした場合でも、漏れ波の電界強度が互いに強め合い、単位構造７が並ぶ平面に垂直な方向への放射強度が高くなる。
【００４２】
また、図７に示されるように、上記実施形態における半導体積層体４の出射端面４ｂと反対側の端面の側にも伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１を設けてもよい。この場合、同時に２箇所からテラヘルツ波を出射させることができる。
【００４３】
また、図８に示されるように、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１は六角形その他の多角形であってもよい。この場合、テラへツル波の出射形状が、伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体１１の形状に応じたものとなる。
【００４４】
また、単位構造７には、直列キャパシタンスＣＬと並列インダクタンスＬＬとが必ずしも両方設けられている必要はない。例えば、図９に示されるように、上記実施形態において並列インダクタンスＬＬを構成していた接続電極１０を有しない構成としてもよい。この場合、分散特性は右手系ブランチのみとなる。また、例えば、図１０に示されるように、上記実施形態において直列キャパシタンスＣＬを構成していたギャップ９を有しない構成としてもよい。この場合、分散特性は右手系ブランチのみとなる。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体レーザ装置、２…基板、３…共通電極（第１の電極）、４…半導体積層体、６…対向電極（第２の電極）、７…伝送線路型メタマテリアル単位構造、８…分割電極（第３の電極）、９…ギャップ、１０…接続電極（第４の電極）、１１…伝送線路型メタマテリアル漏れ波構造体、５０…環状体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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