(57)【要約】 【課題】レーザ素子における正味の利得を改良するための導波路断面形状の最適化に係る技術を提供することである。【解決手段】レーザ素子は、電磁波を共振させるための共振構造を含む導波路を有する。導波路は、利得媒質１０３、利得媒質に接した負誘電率実部の第一の負誘電率媒質１０４、利得媒質に接した負誘電率実部の第二の負誘電率媒質１０２、利得媒質の側面に接し第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた正誘電率実部の側面構造１０５を備える。導波路は、利得媒質１０３の側面間の幅wが、側面構造１０５の第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた厚さhの二倍以下の区間を備える。【選択図】図１
2014175533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を共振させるための共振構造を含む導波路を有するレーザ素子であって、
前記導波路は、
電磁波を発生させるための利得媒質と、
前記利得媒質に電気的に接して設けられた前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一の負誘電率媒質と、
前記利得媒質に電気的に接して設けられ、該利得媒質を介して前記第一の負誘電率媒質の反対側に設けられた前記電磁波に対する誘電率実部が負である第二の負誘電率媒質と、
前記利得媒質の側面に接して設けられ、前記第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた前記電磁波に対する誘電率実部が正である側面構造と、
を備え、
前記利得媒質の側面間の幅wが、前記側面構造の前記第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた厚さhの二倍以下の区間を備えることを特徴とするレーザ素子。
【請求項２】
前記導波路は、
前記利得媒質の側面間の幅wが、前記側面構造の前記第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた厚さh以下の区間を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項３】
前記導波路は、
共振構造の全長に亘って、前記利得媒質の幅wが前記側面構造の厚さhの二倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ素子。
【請求項４】
前記導波路は、
共振構造の全長に亘って、前記利得媒質の幅wが前記側面構造の厚さh以下であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ素子。
【請求項５】
前記導波路は、
前記電磁波の伝搬方向において少なくとも二つの端面を備えて前記共振構造を構成し、前記端面からの反射を利用して前記電磁波を定在波とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【請求項６】
前記利得媒質は、共鳴トンネルダイオードまたは量子カスケードレーザであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【請求項７】
前記第一及び第二の負誘電率媒質は、それぞれ、前記利得媒質に接する高濃度ドーピングされた半導体と該半導体に接する金属から構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【請求項８】
前記第一の負誘電率媒質、前記利得媒質、前記第二の負誘電率媒質の前記利得媒質に電気的に接する部分は、全て半導体であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【請求項９】
前記電磁波の周波数は、30GHz以上30THz以下の周波数領域の一部を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ素子に関する。特には、例えば、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（30GHz乃至30THz）の周波数領域内の周波数帯の電磁波（以下、テラヘルツ波などとも記す）における電流注入型のレーザ素子に関する。更に詳細には、例えば、表面プラズモンの伝搬する導波路を備えた電流注入型のレーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
新しい種類の半導体レーザ発振器として、伝導帯或いは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのエネルギー準位間遷移（サブバンド間遷移）に基づく量子カスケードレーザ、トンネルダイオードを導波路状に加工した発振器、が知られている。最近では、生体センシングなどに有用と考えられているテラヘルツ帯の電磁波資源の需要もある。これに伴って、量子カスケードレーザにおいては、発振波長をより長波長側にする開発が、導波路状のトンネルダイオード発振器においては、発振周波数をより高周波側にする開発が、行われる様になっている。
【０００３】
非特許文献１は、量子カスケードレーザをテラヘルツ帯で発振させる幾つかの方法を開示している。その一つが、半導体の利得媒質を金属と金属で挟み込む金属−金属導波路である。金属は、この周波数帯において誘電率実部が負である負誘電率媒質として機能する。このとき、負誘電率媒質のクラッドに導かれる導波モードは、表面プラズモンと呼ばれる負誘電率媒質内の荷電キャリアの分極振動が寄与した電磁波である。表面プラズモンには回折限界が存在しないため、モード強度の多くを、利得媒質へ閉じ込めることが可能である。この様な手法を用いることによって、発振周波数が1.2THz（発振波長λ＝250μm）のレーザ発振を達成している。
【０００４】
特許文献１は、半導体の利得媒質と側面構造である誘電体とを、ミリ波帯からテラヘルツ帯において誘電率実部が負である負誘電率媒質（構成材料は金属ないし高濃度ドーピングされた半導体）で挟み込む構造を開示している。このときも、負誘電率媒質のクラッドに導かれる導波モードは表面プラズモンであるが、誘電体側面構造を導入することによって、導波路損失を効果的に低減することが可能になっている。この様な手法を用いることによって、例えば、トンネルダイオード等でも発振可能な、発振周波数が0.3THz（発振波長λ＝1000μm）の導波路状の発振器を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第4857027号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Benjamin S. Williams,Nat.Photonics, Vol. 1（2007）, 97
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ミリ波帯からテラヘルツ帯までのレーザ素子の更なる特性改良が求められており、その一要素としての導波路断面形状の改良が必要となっていた。ところが、非特許文献１では、導波路の幅方向についての記載はなく、幅方向が考慮されている特許文献１でも導波路の幅は発振波長以下としか開示されていなかった。したがって、従来のレーザ発振器における、正味の利得（＝利得から導波路損失を引いた差分）を改良する導波路の幅については、良く知られていなかった。本発明は、こうした課題について鑑みたものであり、その目的は、従来のミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯のレーザ素子などの素子における導波路断面形状の最適化を行う技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のレーザ素子は、電磁波を共振させるための共振構造を含む導波路を有するレーザ素子であって、前記導波路は、電磁波を発生させるための利得媒質と、前記利得媒質に電気的に接して設けられた前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一の負誘電率媒質と、前記利得媒質に電気的に接して設けられ、該利得媒質を介して前記第一の負誘電率媒質の反対側に設けられた前記電磁波に対する誘電率実部が負である第二の負誘電率媒質と、前記利得媒質の側面に接して設けられ、前記第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた前記電磁波に対する誘電率実部が正である側面構造と、を備える。そして、前記導波路は、前記利得媒質の側面間の幅wが、前記側面構造の前記第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた厚さhの二倍以下の区間を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来のレーザ素子において、正味の利得が存在する周波数帯、すなわち、利得が導波路損失を上回る周波数帯を拡大することができる。例えば、量子カスケードレーザであれば更なる発振波長帯の拡大、導波路状のトンネルダイオード発振器においては、発振周波数帯の更なる高周波化が行える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態に係るレーザ素子の構造を示す断面図。
【図２】第一の実施形態の変形例に係るレーザ素子の構造を示す断面図。
【図３】第二の実施形態に係るレーザ素子の構造を示す断面図。
【図４】第三の実施形態に係るレーザ素子の構造を示す断面図。
【図５】第四の実施形態に係るレーザ素子の構造を示す上面図。
【図６】実施例１に係るレーザ素子の構造を示す断面図、及び導波路損失α、伝搬方向の波数βの計算結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のレーザ素子は、導波路の利得媒質の側面間の幅wが、側面構造の第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた厚さhの二倍以下の区間を備えることを特徴とする。本発明により、従来のレーザ素子に求められていた正味の利得を改良するための導波路断面形状の最適化を行うことができる。
【００１２】
導波路断面形状の問題は、従来のレーザ素子の利得媒質における電磁波利得を負の微分コンダクタンスGd（<0）に置き換えることによって、電気回路的に検討することが可能である。量子カスケードレーザであれば、利得は、波長λの関数として負の光学伝導度σ（λ）としても表現することが出来る。Gd（λ）とσ（λ）とは比例関係にある。トンネルダイオードの場合は、DC（直流）からテラヘルツ帯辺りに至る周波数領域における負性コンダクタンスGdはあまり変化しないのでDCにおけるGdをミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域に拡張すればよい。こうした置き換えは、特に、導波路に保持される表面プラズモンモードがシングルモードのときに良い近似となる。
【００１３】
シングルモードを伝搬する様な導波路の幅が比較的細いとき、比例係数を介して、電磁波利得∝−Gdの関係がある。導波路損失は、同様に比例定数を介して、導波路単位長さあたりの長手方向の電気抵抗Rsと導波路単位長さあたりの厚さ方向のコンダクタンスGpとに分解される。このときの導波路損失αは、分布定数回路理論より、第一近似として、次の如く記載することができる。
α＝Rs/Zc+GpZc
ここで、Zcは、導波路の特性インピーダンスであり、導波路を伝搬する電磁波の電界と磁界の比に比例する。従来のレーザ素子の導波路における負誘電率媒質は、金属ないし高濃度ドーピングされた半導体など電気伝導率が比較的大きな材料で形成されるため、右辺第二項はGp〜Gd（<0）と考えてよい。この項は負になる。αはm-1の単位を持ち、右辺第二項の絶対値が右辺第一項の絶対値を上回ると、αは負、つまり正味の電磁波利得を意味する。Rsは負誘電率媒質の導体損失で決まってしまうが、Zcは導波路断面形状で調整することができる。したがって、この部分に最適化の余地がある。
【００１４】
特性インピーダンスZcは、別の表現では、導波路単位長さあたりの長手方向のインダクタンスLsと、導波路単位長さあたりの厚さ方向の容量Cpを用いて、次の如く記載することができる。
Zc＝√（Ls/Cp）
従来のレーザ素子において、Lsは導波路幅wに反比例し、Cpは導波路幅wに比例するため、Zc∝1/w（∝は比例するという意味）である。
【００１５】
同様に、導波路損失αの要素を導波路幅w依存性で整理すると、次の様になる。
場合１）利得媒質が側面構造を伴わずに負誘電率媒質に挟まれた場合。
Rs∝1/w
Rs/Zc∝const.（右辺第一項はwに依らずに定数）
Gd∝w
GdZc∝const.（右辺第二項はwに依らずに定数）
上記の如くであるから、導波路幅wを最適化するスケールメリットは第一近似的には考えにくい。
【００１６】
一方で、場合２）利得媒質と側面構造とが、負誘電率媒質に挟まれた場合。
Rs＝const.
Rs/Zc∝w（右辺第一項はwに比例）
Gd∝w
GdZc∝const.（右辺第二項はwに依らずに定数）
上記の如くであるから、導波路幅wは細い方がRs/Zcが小さくなるスケールメリットがあり、正味の電磁波利得を大きくすることができる。より正確には、Rsのw依存性は、詳細な構造によって若干変化するが、wの一次よりは依存性が小さくなるだけ（w依存性がゼロ次に近づくが定数にはならない）であるため、同じ結論に帰着する。本発明は、こうした電気回路的な定性的検討に基づいて導波路断面形状を最適化するものであり、以下のような実施形態がある。
【００１７】
（第一の実施形態）
第一の実施形態に係るレーザ素子について、図１を用いて説明する。図１は本実施形態の導波路断面を示す模式図であり、導波路はｚ方向（紙面と垂直方向）に沿って伸びている。ｚ方向は導波路の長手方向で且つ電磁波の伝搬方向を指している。ｘ方向は、導波路の幅方向、ｙ方向は導波路の厚さ方向に対応する。
【００１８】
第一の実施形態において、１０１、１０２は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の発振周波数帯における負誘電率媒質である。金属あるいは高濃度ドーピングされた半導体、あるいはその両方から構成される。１０３は、同周波数帯における電磁波を発生する利得媒質である。負誘電率媒質１０１、１０２は、利得媒質１０３を挟んで互いに反対側に配置される。典型的には、電流注入を行って利得を有する様な半導体多層膜構造が採用される。利得媒質１０３は、負誘電率媒質１０１、１０２に挟まれており、且つ負誘電率媒質１０１、１０２を通じて利得媒質１０３に電流注入できる様に電気的にも接している。図示しない外部電界印加手段によって供給される電圧は、負誘電率媒質１０１、１０２を介して利得媒質１０３の上下に印加され、こうして、利得媒質１０３へ電流注入を行うことが出来る。負誘電率媒質１０１、１０２それぞれは、第一の負誘電率媒質のクラッド、第二の負誘電率媒質のクラッドであり、導波路には表面プラズモンモードがｚ方向に伝搬することが出来る。また、１０５は誘電率実部が正の正誘電率媒質である。誘電体で構成されたり、あるいは空気つまりエアブリッジで構成されたりしてもよい。正誘電率媒質１０５は、利得媒質１０３の側面に隣接して側面構造を形成するとともに、同様に負誘電率媒質１０１、１０２に挟まれている。
【００１９】
本実施形態の負誘電率媒質１０１、１０２は、少なくとも一方には利得媒質１０３の幅にわたる部分において利得媒質１０３側に突出したリブ形状１０４を含んでいる。このような導波路断面形状において、導波路の幅wは、利得媒質１０３のｘ方向の一方の側面からもう一方の側面までの幅で定義する。負誘電率媒質１０１、１０２に挟まれた側面構造の正誘電率媒質１０５のｙ方向の高さをhと定義する。
【００２０】
本実施形態の場合、導波路の長手方向の電気抵抗Rsは負誘電率媒質１０１、１０２の幅方向に広い部分で決まるから、Rs＝const.といえる。また、利得媒質の電磁波利得に比例する負の微分コンダクタンスGdは、導波路の幅wでその大きさが決まり、Gd∝wである。本実施形態の場合、電磁波の磁力線は側面構造に漏洩するため、導波路の長手方向のインダクタンスLsは、むしろ側面構造の高さhで決まるようになり、導波路幅w依存性は比較的小さくなる。導波路単位長さあたりの厚さ方向の容量Cpは、利得媒質１０３が比較的誘電率の高い半導体であるから導波路の幅wで決まる。ゆえに、特性インピーダンスZcは、おおまかにはZc∝√（h/w）と考えられる。ここで再び、導波路損失α＝Rs/Zc+GpZcを整理し直すと、次の様になる。
Rs＝const.
Rs/Zc∝√（w/h）
Gd∝w
GdZc∝√（h/w）
側面構造の高さhを考慮したため、先の議論とは構造依存性は異なっているが、結論として、導波路幅wは細い方が、Rs/Zcが小さくGdZcが大きくなるため、正味の電磁波利得を大きくすることができることには変わりない。すなわち、正のRs/Zcが小さくなり負のGdZcの絶対値が大きくなって、導波路損失αが小さくなる（正のαが小さくなるか、負のαの絶対値が大きくなる）ので正味の電磁波利得が大きくなる。本実施形態のように側面構造の高さhを規定した際、導波路幅wは側面構造高さh以下であると正味の利得を効果的に大きくできるため、好ましい。より広い許容範囲で言えば、導波路幅wは側面構造高さhの二倍以下であると良い。すなわち、導波路は、利得媒質の側面間の幅wが、側面構造の第一及び第二の負誘電率媒質で挟まれた厚さh以下の区間、或いは厚さhの二倍以下の区間を備える。導波路は、共振構造の全長に亘って、幅wが厚さh以下であったり、厚さhの二倍以下であったりしてもよい。
【００２１】
第一の実施形態の変形例として、図２のような導波路断面も可能である。上述の議論において、利得媒質１０３の導波路における厚さ方向の位置には任意性がある。例えば、図２（ａ）のように利得媒質２０３が第二の負誘電率媒質２０２の側に偏心してもよいし、逆に、第一の負誘電率媒質２０１の側に偏心してもよい。さらにいえば、負誘電率媒質のクラッドのリブ形状についても任意性がある。これは、利得媒質２０３から側面構造２０５に向かう磁力線の漏洩の程度より小さなスケールでの議論になるが、図２（ａ）の様な短冊状でなくてもよく、例えば、図２（ｂ）、（ｃ）の様な台形状リブ２０４でも、かまぼこ状リブ２０４でもよい。つまり、磁力線が漏洩している範囲内のクラッドのリブ形状の縁部の形状は任意である。
【００２２】
（第二の実施形態）
第二の実施形態に係るレーザ素子について、図３を用いて説明する。図３は本実施形態の導波路断面を示す模式図であり、第一の実施形態と同様に、導波路はｚ方向に沿って伸びている。
【００２３】
本実施形態は、第一の実施形態をより実際的に構成した一例を示すものである。３１１、３１２は、利得媒質３０３に接する負誘電率媒質で、高濃度ドーピングされた半導体が選ばれる。３０１、３０２は、高濃度ドーピングされた半導体３１１、３１２に接する負誘電率媒質で、金属が選ばれる。これには２つの理由がある。作製の容易化のためと、側面構造３０５の高さhを大きく設定可能として導波路幅w（=or<h或いは=or<2h）の選択自由度を大きくするためと、である。利得媒質３０３は、典型的には、量子カスケードレーザやトンネルダイオード、共鳴トンネルダイオードのような半導体多層膜構造が採用される。負誘電率媒質３１１、３１２は高濃度ドーピングされた半導体であるから、連続成膜などの手段によって負誘電率媒質３１１、利得媒質３０３、負誘電率媒質３１２の積層構造は容易に形成することが出来る。負誘電率媒質３１１、利得媒質３０３、負誘電率媒質３１２の等しい幅wは、ほぼ選択比が同じ半導体を採用することが出来るため、ドライエッチングあるいはウェットエッチングなどによって容易に形成することが出来る。ただし、通常、こうした構造の実現のためには金属圧着プロセスが必要となる。
【００２４】
本実施形態で重要なことは、上述した定数のRs（長手方向の電気抵抗）を構造上で実現することである。そのためには、負誘電率媒質３０１、３０２の幅方向の広い部分へ電磁波を浸透させる必要がある。本実施形態における発振周波数帯において、金属は表皮深さが薄く、半導体は表皮深さが厚い。こうした性質を利用すると、負誘電率媒質のリブ３１１、３１２の部分には半導体を用いる方が、定数のRsを実現しやすい。側面構造３０５の高さhを大きく選択可能とするためには、リブ３１１、３１２に高濃度ドーピングされた半導体を用いる。典型的には、キャリア濃度1×1019cm‐3程度を選択するとよい。
【００２５】
また、本実施形態では、金属の負誘電率媒質３０１、３０２を通じて利得媒質３０３に電流注入するための二電極３２１、３２２を備えている。本実施形態の素子のレーザ発振動作は、二電極３２１、３２２へ図示しない電圧源を接続することによって達成される。
【００２６】
（第三の実施形態）
第三の実施形態に係るレーザ素子について、図４を用いて説明する。図４は本実施形態の導波路断面を示す模式図であり、第一の実施形態と同様に、導波路はｚ方向に沿って伸びている。
【００２７】
本実施形態は、第一の実施形態をより実際的に構成した一例を示すものである。４００は導電性半導体基板である。例えば、キャリア濃度を1×1018cm‐3以上とするのが好ましい。さらに、負誘電率媒質４０１は高濃度キャリアドープされた半導体を用いる。半導体層４０１は、本実施形態の発振周波数帯における表皮深さより厚いことが望ましく、例えば厚さ数μm（たとえば2μm、3μm）のキャリア濃度1×1020cm‐3の半導体が好ましい。また、金属４２１は、負誘電率媒質のクラッドと電極を兼ねている。こうした構成は、利得媒質４０３から下方向への電気力線の漏洩を低減しつつ、作製を容易化することのできる好適な構成の一つである。金属４０２、高濃度キャリアドープされた半導体４１１、４１２、利得媒質４０３、電極４２２は第二の実施形態と同様である。正誘電率媒質４０５には、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内において比較的低損失で低誘電率の誘電体であるBCB（ベンゾシクロブテン）を利用してもよい。
【００２８】
本実施形態において、基板４００、負誘電率媒質４０１、４１１、利得媒質４０３、負誘電率媒質４１２（第二の負誘電率媒質の利得媒質に電気的に接する部分）は全て半導体である。半導体基板４００上のこうした積層構造は、半導体ヘテロエピタキシャル成膜技術を用いることによって容易に形成することが出来る。さらにいえば、金属圧着プロセスも不要である。
【００２９】
（第四の実施形態）
第四の実施形態に係るレーザ素子について、図５を用いて説明する。図５は本実施形態の導波路上面を示す模式図である。導波路はｚ方向に沿って伸びており、その端面はカットされている。
【００３０】
本実施形態は、第一の実施形態の表面プラズモンの伝搬方向に沿った構成の一例を示すもので、レーザ共振器は、導波路をカットして形成された端面に挟まれたファブリペロー共振器によって構成されている。端面からの反射を利用して電磁波を定在波とする。すなわち、導波路は、電磁波の伝搬方向において少なくとも二つの端面を備えて共振構造を構成し、端面からの反射を利用して電磁波を定在波とする。上面図で重なって描かれている利得媒質５０３ａと負誘電率媒質のリブ５０４ａは、第一の実施形態と同様の断面形状を有する。５０６、５０７は端面である。端面５０６からもう一方の端面５０７までの長さLは、表面プラズモンモードの伝搬方向の波数の大きさをβとすると、半導体レーザ技術で知られる様に、π／βの整数倍をLと一致させることで発振波長を選択することが出来る。整数倍の因子には、典型的には1〜100倍程度を用いるため、典型的な長さLは数十μmから数mm程度となる。
【００３１】
本実施形態でも、側面構造の高さhを規定した際、導波路幅wは、側面構造高さh以下であると、正味の利得−αのため好ましい。図５（ａ）は、導波路幅wが伝播方向、つまりz方向に沿って一定である一例を示している。この例は、導波路の伝搬方向の全区間にわたって、正味の利得−αが大きい。しかしながら、細い導波路幅は、レーザ発振器の出力向上には貢献しない。こうした理由のため、上面図で重なって描かれている利得媒質５０３ｂと負誘電率媒質のリブ５０４ｂを示す図５（ｂ）のように、導波路幅w(z)が伝播方向zの関数となっている構成も考えられる。w(z)=or<h（或いは=or<2h）の区間は正味の利得−αが大きく、w(z)>h（或いは>2h）の区間は、電流注入を大きくできるため、正味の利得と発振器出力を最適化できる構造として、こうした構造は都合が良い。金属５０２は第二の実施形態と同様である。
【００３２】
さらに具体的なレーザ素子について、以下の実施例において説明する。
（実施例１）
第三の実施形態に対応するより具体的な実施例１を説明する。本実施例に係るレーザ素子について、図６を用いて説明する。導波路断面を示す模式図６（ａ）とともに、本実施例では、図６（ｂ）、（ｃ）の如く電気回路計算も行っており、上述の定性的な議論を具体的にしている。
【００３３】
図６（ａ）において、６００は基板である。利得媒質６０３としては、InP基板に格子整合するInGaAs／InAlAs多重量子井戸が選択される。例えば、−ｙ方向に向かって5.0/1.3/5.6/2.6/7.6/1.3/5.0の半導体多層膜構造から構成された共鳴トンネルダイオードが選択される。ここで、数字は単位nmによる各部の厚さ、下線がない部分はInGaAsによる井戸、下線部はInAlAsによるポテンシャル障壁である。これらの層には意図的にキャリアドープを行わないアンドープとする。負誘電率媒質６１１において、共鳴トンネルダイオード６０３との電気的接触は、例えば、n‐InGaAsの半導体膜（厚さ50nm）を用いる。リブ６１１の大部分は電子濃度1×1019cm‐3のn‐InGaAsの半導体膜（厚さ440nm）を用いるが、これは導体損を低減するためである。負誘電率媒質６１２も負誘電率媒質６１１と同様である。
【００３４】
本実施例では、負誘電率媒質６０１には導体損を小さくするためのAu薄膜（厚さ500nm）を用いる。したがって、同図においてInP基板上のInGaAs／InAlAs多重量子井戸におけるInP基板はすでに除去されている。こうした構造は、Au圧着プロセスを用いて作製されるが、具体的には、InGaAs／InAlAs多重量子井戸上に成膜したAu６０１（厚さ250nm）と、導電性Ｓｉ基板６００上に成膜したAu６０１（厚さ250nm）を圧着して作製することが出来る。InP基板の除去には塩酸などのウェットエッチングを用いればよい。
【００３５】
その後、半導体部分６１１、６０３、６１２のウェットエッチングを行い、導波路の幅はw＝1μmに加工する。利得媒質６０３の側面構造６０５にはBCBを用いる。BCBの厚さはh＝1μmを選択する。最後に、n‐InGaAs６１２とBCB６０５の上の負誘電率媒質６０２として、Au薄膜（厚さ500nm）を成膜すれば、導波路断面構造は完成する。
【００３６】
本実施例で、負誘電率媒質のクラッドと電極を兼ねるAu６０２と裏面電極６２１との間に0.8Vのバイアスを印加した場合、共鳴トンネルダイオード６０３で得られる利得は、DCから1THz付近の周波数帯で700cm‐1程度と計算される。これは、負の微分コンダクタンスに換算すると、Gd＝-12mS/μm2となる。このようなパラメータを考慮し、導波路損失αを電気回路計算した結果が図６（ｂ）である。同図において正味の利得が得られるのは縦軸が負の領域である。すなわち、DC付近から1.6THz付近まで正味の利得が得られることが分かった。参考までに同様の構成においてw＝5μm、h＝2μmの場合と比較した。w/hを小さく設計することで、発振可能領域が拡大し、w＝5μm、h＝2μmの構成では発振不可能であった0.5THzより高い周波数でも発振可能になっていることが分かる。
【００３７】
本実施例のレーザ共振器は、簡単のため、第四の実施形態のファブリペロー共振器を用いた。もちろん、半導体レーザ技術でよく知られる様に分布帰還型のDFB共振器を用いてもよい。さらに、本実施例では、テラヘルツレーザ発振器を用いて大腸がんのセンシングを行うため、0.8THzを発振周波数として選択した。0.8THzでは、大腸がんと正常部位とのコントラストが明瞭にとれるためがん診断で有用であるからである。図６（ｂ）と同じパラメータを考慮し、表面プラズモンモードの伝搬方向の波数の大きさβを電気回路計算した結果が図６（ｃ）である。同図より、発振周波数0.8THzにおける波数の大きさβは750cm‐1と計算されたため、導波路の長さについては、本実施例ではπ／βの１倍の、L＝42μmを選択した。もちろん、この長さの整数倍のLを選択してもよい。端面はへき開をしてもよいし、ドライエッチングを用いた加工でも、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波（30GHz以上30THz以下の周波数領域の一部を含む電磁波）にとっての面精度は十分、確保できる。
【００３８】
w/hを小さく設計することで、本実施例のようにβを比較的小さくすることもできるのが本発明のもう一つの特徴でもある。言い換えれば、Lを比較的大きく設計できるため、レーザ発振器の出力を大きくするのには都合が良い。さらに言えば、w/hを小さく設計することで、ファブリペロー共振器の端面からの自由空間への電磁波の取り出し効率も良くなる。こうした理由のため、w/h=or<1の導波路断面形状は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までのレーザ素子にとって非常に好ましい。 
【００３９】
本実施例のように利得媒質がトンネルダイオードの場合、電磁波利得のある周波数帯はDCから高周波側に向かって伸びているが、量子カスケードレーザの場合、電磁波利得のある周波数帯は、数THzを中心として、幅がサブテラヘルツのローレンツ関数型である。量子カスケードレーザの利得媒質を持ったレーザ素子に本実施例を適用すると、正味の利得がその高周波側と低周波側に拡大される。また、本実施例ではw/hを1以下に設定したが、がん診断のためにはw/hが2以下であっても（つまり幅wが厚さhの二倍以下）、発振波長0.8THz（λ＝375μm）の実現ためには十分である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に係るレーザ素子は、製造管理、医療画像診断、安全管理などに用いることができる要素デバイスとして応用が期待されている。
【符号の説明】
【００４１】
１０１・・・第一の負誘電率媒質、１０２・・・第二の負誘電率媒質、１０３・・・利得媒質、１０４・・・負誘電率媒質のリブ形状（第一の負誘電率媒質）、１０５・・・側面構造（正誘電率媒質）
【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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