(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
前記第１の電極上に設けられた半導体積層体と、
前記第１の電極と対向するように前記半導体積層体上に設けられた第２の電極と、
前記半導体積層体と隣り合うように前記第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、を備え、
前記半導体積層体は、量子カスケードレーザ構造を有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発振し、
前記環状体は、前記第１の電極、前記複数の第３の電極及び前記第４の電極と共に、一つのメタマテリアルリング共振器として機能し、前記半導体積層体から入射された前記テラヘルツ波を外部に出射する、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第３の電極は、前記テラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいる、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１の電極、前記環状体、前記複数の第３の電極及び前記第４の電極は、前記メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ前記分散特性の位相定数が０となるように、構成されている、請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記環状体は、誘電体からなる、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１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記半導体積層体及び前記環状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】
前記環状体は、円形状である、請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記半導体積層体と前記環状体とは、前記半導体積層体から発振されるテラヘルツ波の光軸が前記環状体の中心を通るように配置されている、請求項１〜７のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第４の電極は、前記環状体の外側の側面に形成されている、請求項１〜８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、テラヘルツ波の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 forvertically emitting terahertz quantum cascade lasers", Optics Express, 17,13031 (2009).
【非特許文献２】M. S. Vitiello et al., "High efficiency coupling of Terahertzmicro-ring quantum cascade lasers to the low-loss optical modes of hollowmetallic waveguides", Optics Express, 19, 1122 (2011).
【非特許文献３】A. A. Tavallaee et al., "Zero-Index Terahertz Quantum-CascadeMetamaterial Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, 46, 1091 (2010).
【非特許文献４】A. A. Tavallaee et al., "Terahertz quantum-cascade laser withactive 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、第１の電極と、第１の電極上に設けられた半導体積層体と、第１の電極と対向するように半導体積層体上に設けられた第２の電極と、半導体積層体と隣り合うように第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、を備え、半導体積層体は、量子カスケードレーザ構造を有し、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発振し、環状体は、第１の電極、複数の第３の電極及び第４の電極と共に、一つのメタマテリアルリング共振器として機能し、半導体積層体から入射されたテラヘルツ波を外部に出射する。
【０００８】
この半導体レーザ装置では、量子カスケードレーザ構造を有する半導体積層体からテラヘルツ波が発振され、当該テラヘルツ波が環状体に入射する。このとき、環状体は、第１の電極、複数の第３の電極及び第４の電極と共に一つのメタマテリアルリング共振器として機能するため、半導体積層体から入射されたテラヘルツ波が環状体の形状に応じたリング状のパターンをなして外部に出射される。しかも、半導体積層体と環状体とが互いに隣り合うように配置されているため、半導体積層体から環状体にテラヘルツ波が高効率で入射する。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、第３の電極は、テラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいてもよい。これによれば、テラヘルツ波に対するメタマテリアルリング共振器として、環状体、第１の電極、第３の電極及び第４の電極を良好に機能させることができる。
【００１０】
また、第１の電極、環状体、第３の電極及び第４の電極は、メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数が０となるように、構成されていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器内での波長が無限大となり、周波数に依存しなくなるため、共振器長を自由に設計することが可能となる。また、テラヘルツ波の広がり角を、二次元方向においてより確実に抑制することができる。
【００１１】
また、環状体は、誘電体からなっていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が０となる構成を実現するための設計の自由度を高くすることができる。
【００１２】
また、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。
【００１３】
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体積層体及び環状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。
【００１４】
また、環状体は、円形状であってもよい。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。
【００１５】
また、半導体積層体と環状体とは、半導体積層体から発振されるテラヘルツ波の光軸が環状体の中心を通るように配置されていてもよい。これによれば、半導体積層体から環状体にテラヘルツ波をより高効率で入射させることができる。
【００１６】
また、第４の電極は、環状体の外側の側面に形成されていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が０となる構成を実現するための構造を単純化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
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】
【００１８】
【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】図１の半導体レーザ装置におけるメタマテリアルリング共振器の単位構造の等価回路図である。
【図５】図１の半導体レーザ装置におけるメタマテリアルリング共振器の単位構造の分散特性を示すグラフである。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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及び円形状の環状体５が設けられている。つまり、基板２は、半導体積層体４及び環状体５を支持している。
【００２１】
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７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７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。
【００２２】
環状体５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。半導体積層体４及び環状体５は、半導体積層体４の出射端面７から発振されるテラヘルツ波の光軸Ｌが環状体５の中心Ｃを通るように配置されている。すなわち、環状体５は、その中心から半導体積層体４が存在する方向へ向かう半径方向において、半導体積層体４の出射端面７と対向している。出射端面７と環状体５の外側の側面との距離は、環状体５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、環状体５の表面５ａ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。環状体５の外側の側面には、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。
【００２４】
分割電極８は、対象とするテラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいる。すなわち、各分割電極８は、ギャップ９によって互いに離間され、環状体５の表面５ａ上でメタマテリアル構造をなしている。これにより、環状体５は、共通電極３、分割電極８及び接続電極１０と共にメタマテリアルリング共振器として機能し、半導体積層体４から入射されたテラヘルツ波を外部に出射する。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の大きさの合計値に相当する。例えば、環状体５の中心を通る円周の長さを、分割電極８（又はギャップ９）の数で除した値である。
【００２５】
ここで、環状体５、共通電極３、分割電極８及び接続電極１０は、メタマテリアルリング共振器として平衡系の分散特性を示す単位構造ΔＺを有するように、且つ分散特性の位相定数が０となるように、構成されている。メタマテリアルリング共振器の分散特性について、次に説明する。
【００２６】
図４は、半導体レーザ装置１においてメタマテリアルリング共振器として機能する部分の単位構造ΔＺの等価回路を示している。単位構造ΔＺの等価回路は、隣り合う分割電極８の間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構造をなしているといえる。
【００２７】
メタマテリアルリング共振器は上記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、具体的には、図５に示されるグラフで表されるものである。また、平衡系の位相定数βは次の式で求められるものである。
【数１】
0005961028.tif 000002
【００２８】
ここで、共通電極３、環状体５、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、メタマテリアルリング共振器が平衡系（すなわち（ＣＬ・ＬＲ）（−１／２）＝（ＣＲ・ＬＬ）（−１／２）となる場合）の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数βが０となるように構成することができる。また、あらかじめ所望の角周波数ωを設定し、位相定数βが０のときにその角周波数ωとなるようにメタマテリアルリング共振器を構成することもできる。
【００２９】
例えば、単位構造の高さ、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、ＣＬとＬＲとで決まる角周波数ωｓｅと、ＣＲとＬＬとで決まる角周波数ωｓｈとが２ＴＨｚ領域で一致し（図５におけるω軸上で重なり）、β＝０で角周波数ωのギャップがない平衡系の分散特性を示す単位構造を作製することができる。
【００３０】
以上説明したように、半導体レーザ装置１では、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環状体５に入射する。このとき、環状体５は、共通電極３、分割電極８及び接続電極１０と共にメタマテリアルリング共振器として機能するため、半導体積層体４から入射されたテラヘルツ波が環状体５が有する円形状のパターンをなして外部に出射される。しかも、半導体積層体４と環状体５とが互いに隣り合うように配置されているため、半導体積層体４から環状体５にテラヘルツ波が高効率で入射する。よって、半導体レーザ装置１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。
【００３１】
また、半導体レーザ装置１では、分割電極８がテラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいるため、テラヘルツ波に対するメタマテリアルリング共振器として、環状体５、共通電極３、分割電極８及び接続電極１０が良好に機能する。
【００３２】
更に、半導体レーザ装置１では、共通電極３、環状体５、分割電極８及び接続電極１０は、メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数が０となるように、構成されているため、メタマテリアルリング共振器内での波長が無限大となり、周波数に依存することなく、共振器長を自由に設計することが可能となる。また、テラヘルツ波の広がり角を、二次元方向においてより確実に抑制することができる。すなわち、位相定数が０となる状態では、メタマテリアルリング共振器からテラヘルツ波が真上に（つまり、環状体５の円形状がなす平面に対して垂直方向に）出射する。
【００３３】
また、半導体レーザ装置１では、環状体５が誘電体からなっているため、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が０となる構成を実現するための設計の自由度が高い。
【００３４】
また、半導体レーザ装置１では、半導体積層体４及び環状体５を支持する基板を更に備え、共通電極３が基板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。
【００３５】
また、半導体レーザ装置１では、半導体積層体４と環状体５とは、半導体積層体４から発振されるテラヘルツ波の光軸Ｌが環状体の中心Ｃを通るように配置されているため、半導体積層体４から環状体５にテラヘルツ波をより高効率で入射させることができる。
【００３６】
そして、半導体レーザ装置１では、接続電極１０が環状体５の外側の側面に形成されているため、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が０となる構成を実現するための構造が単純化されている。
【００３７】
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、環状体が誘電体からなる態様を示したが、環状体が半導体積層体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。
【００３８】
また、図６に示されるように、上記実施形態における半導体積層体の出射端面と反対側の端面の側にも環状体を設けてもよい。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。また、一方の環状体からテラヘルツ波を出射させ、他方の環状体でそのテラヘルツ波をモニタリングするといった使用も可能である。
【００３９】
また、図７に示されるように、環状体は六角形その他の多角形であってもよい。さらに、図８に示されるように、半導体積層体と環状体とは、互いに接していてもよい。この場合、上記実施形態と比べて、半導体積層体から環状体にテラヘルツ波をより高効率で入射させることができる。
【符号の説明】
【００４０】
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、５…環状体、６…対向電極（第２の電極）、７…出射端面、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）。
【図１】
0005961028.tif 000003
【図２】
0005961028.tif 000004
【図３】
0005961028.tif 000005
【図４】
0005961028.tif 000006
【図５】
0005961028.tif 000007
【図６】
0005961028.tif 000008
【図７】
0005961028.tif 000009
【図８】
0005961028.tif 000010