(57)【要約】  第１の態様によると、本開示は、中心放出角周波数と称する所与の放出角周波数（ω）を中心とする、所与の放出スペクトル帯域で放射を放出するためのレーザ光源に関する。レーザ光源は、既知の周波数依存群遅延分散（「利得ＧＤＤ」）を有する利得部分と、利得部分の一端に配置され既知の周波数依存群遅延分散（「ＧＴＩ  ＧＤＤ」）を有するＧＴＩミラーとを備える、レーザキャビティを備える。利得部分とＧＴＩミラーは同一のレーザ媒質の中に形成され、前記レーザ媒質は既知の周波数依存群遅延分散（「材料ＧＤＤ」）を有し、利得部分とＧＴＩミラーは誘電体媒質で充填された所定の幅のギャップによって分離されており、従って２つの部分からなるレーザキャビティを形成する。更に、ＧＴＩ  ＧＤＤは、前記放出スペクトル帯域において、利得ＧＤＤと材料ＧＤＤとの合計を少なくとも部分的に補償する。
2019530987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の放出角周波数（ω）を中心とする所与の放出スペクトル帯域の放射を放出するためのレーザ光源であって、前記レーザ光源は、
既知の周波数依存群遅延分散（「利得ＧＤＤ」）を有する利得部分と、前記利得部分の一端に配置され既知の周波数依存群遅延分散（「ＧＴＩ  ＧＤＤ」）を有するＧＴＩミラーとを備える、レーザキャビティを備え、
前記利得部分と前記ＧＴＩミラーは同一のレーザ媒質の中に形成され、前記レーザ媒質は既知の周波数依存群遅延分散（「材料ＧＤＤ」）を有し、従って２つの部分からなるレーザキャビティを形成し、
前記利得部分と前記ＧＴＩミラーは、誘電体媒質で充填された所定の幅（ａ）のギャップによって分離されており、
前記ＧＴＩ  ＧＤＤは、前記放出スペクトル帯域において、前記利得ＧＤＤと前記材料ＧＤＤとの合計を少なくとも部分的に補償する、レーザ光源。
【請求項２】
前記誘電体媒質はグラフェンを含む、請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記誘電体媒質は空気である、請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記ギャップの前記幅（ａ）は、πｃ／（ｎｄ２ω）よりも小さく、ここでｎｄは前記誘電体媒質の反射率であり、ｃは真空中の光速である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記ＧＴＩミラーの長さ（Ｌ２）は、前記中心放出角周波数（ω）が前記ＧＴＩ  ＧＤＤの非共振周波数サブ帯域内にあるように決定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記レーザキャビティはモード同期キャビティである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記利得部分は量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記レーザ媒質は、前記レーザ媒質の成長方向に垂直に配置された２つの金属層、すなわち下部金属層と上部金属層との間に配置され、従って二重金属キャビティを形成する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記中心放出角周波数（ω）は１ＴＨｚ〜５ＴＨｚに含まれる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項１０】
所与の放出角周波数（ω）を中心とする所与の放出スペクトル帯域の放射を放出するためのレーザ光源を製造する方法であって、前記方法は、
既知の角周波数依存群遅延分散（「材料ＧＤＤ」）を有するレーザ媒質を基板上に堆積するステップと、
前記レーザ媒質を２つの部分、すなわち、既知の周波数依存群遅延分散（「利得ＧＤＤ」）を有する利得部分、および既知の周波数依存群遅延分散（「ＧＴＩ  ＧＤＤ」）を有するＧＴＩミラーに分離し、従って２つの部分からなるレーザキャビティを形成するステップと
を含み、前記ＧＴＩ  ＧＤＤは、前記放出スペクトル帯域において、前記利得ＧＤＤと前記材料ＧＤＤとの合計を補償する、方法。
【請求項１１】
前記レーザ媒質を２つの部分に分離する前記ステップは、
前記レーザ媒質をエッチングして、誘電体媒質で充填された所定の幅（ａ）のギャップを設け、従って前記利得部分および前記ＧＴＩミラーを形成するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源およびその製造方法に関し、より詳細には本発明は、赤外線（ＩＲ）およびテラヘルツ（ＴＨｚ）領域で、すなわち１００ＴＨｚ未満の放出周波数で電磁放射を放出するためのレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＨｚ放射の直接生成に対処する場合、角周波数に対する群遅延の導関数として定義される群遅延分散（ＧＤＤ）を管理することは容易ではない。ＧＤＤは、一部のデバイス、例えば超高速レーザを実現する際に障害となる場合がある。分散は屈折率が周波数に対して変化することを示し、それは、例えば短パルス生成にとっては望ましくない。ＧＤＤは、非補償型分散（ゼロではないＧＤＤ）を有する材料内でパルスが伝播する際にパルスがどのように広がるかを示し、ＧＤＤは短パルス（広い放出スペクトル帯域幅に対応）にとって益々重要になる。
【０００３】
バルク材料（例えばバルクＧａＡｓ）に起因する材料ＧＤＤ（すなわち、材料に関連する屈折率分散）は、レストストラーレン帯域からの残留吸収の結果として重要な要素である。更に、利得ＧＤＤ（すなわち、レーザの利得に関連するＧＤＤ）は材料ＧＤＤよりも更に大きい。利得ＧＤＤは、例えば、サブ帯域間遷移によって加えられる分散によるものであり、ＴＨｚ周波数コム動作を著しく制限する可能性がある。
【０００４】
その上、光および近赤外周波数とは対照的に、ＴＨｚ波長に対する分散補償方式は存在していない。実際、総ＧＤＤを削減するために使用できる概念はわずかしかない。ＴＨｚ導波路に適用されてきた方式では、周波数コム動作を示すために、チャープ導波路として機能する狭いコルゲート導波路を使用してきた。（ＴＨｚ分散管理は受動導波路にも考慮されてきた）。
【０００５】
ギレターノア干渉計（ＧＴＩ）は、パルスを圧縮するために光学および近赤外領域で使用されてきた補償方式である（例えば、Ｋａｆａｋａ  ｅｔ  ａｌ．“Ｐｉｃｏｓｅｎｃｏｎｄ  ａｎｄ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｌｙ  ｍｏｄｅ  ｌｏｃｋｅｄ  Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｌａｓｅｒ”ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２８，２１５１−２１６２（１９９２）を参照のこと）。ＧＴＩミラーはまた、中赤外レーザにおける周波数コム生成にも適用されてきた。Ｖｉｌｌａｒｅｓ  ｅｔ  ａｌ．（“Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｍｂｓ”Ｏｐｔｉｃａ  ３，２５２（２０１６）から抜き出した図１に示すように、レーザのバックファセットは複数の層で被覆されており、全厚は波長のオーダーであり、反射率Ｒ１およびＲ２はＧＴＩを形成するように適合されている。しかし、例えば波長が約１００μｍまで大きくなり得るＴＨｚ領域の場合（３ＴＨｚの周波数に対して）、反射率条件に整合するように適合された厚い被覆は作製が極めて困難である。
【０００６】
ここで発明者らはこの制限を克服し、特にＴＨｚおよび赤外領域で適合された新しい分散補償方式を有する新しいレーザ光源を示す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｋａｆａｋａ  ｅｔ  ａｌ．“Ｐｉｃｏｓｅｎｃｏｎｄ  ａｎｄ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｌｙ  ｍｏｄｅ  ｌｏｃｋｅｄ  Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｌａｓｅｒ”ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２８，２１５１−２１６２（１９９２）
【非特許文献２】Ｖｉｌｌａｒｅｓ  ｅｔ  ａｌ．“Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｍｂｓ”Ｏｐｔｉｃａ  ３，２５２（２０１６）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様によると、本開示は、中心放出角周波数と称する所与の放出角周波数（ω）を中心とする、所与の放出スペクトル帯域で放射を放出するためのレーザ光源に関する。レーザ光源は、既知の周波数依存群遅延分散（「利得ＧＤＤ」）を有する利得部分と、利得部分の一端に配置され既知の周波数依存群遅延分散（「ＧＴＩ  ＧＤＤ」）を有するＧＴＩミラーとを備える、レーザキャビティを備える。利得部分とＧＴＩミラーは同一のレーザ媒質の中に形成され、前記レーザ媒質は既知の周波数依存群遅延分散（「材料ＧＤＤ」）を有し、利得部分とＧＴＩミラーは誘電体媒質で充填された所定の幅のギャップによって分離されており、従って２つの部分からなるレーザキャビティを形成する。更に、ＧＴＩ  ＧＤＤは、前記放出スペクトル帯域において、利得ＧＤＤと材料ＧＤＤとの合計を少なくとも部分的に補償する。
【０００９】
１つ以上の実施形態によると、前記の放出スペクトル帯域におけるＧＤＤの補償の結果、総ＧＤＤは、材料ＧＤＤ、利得ＧＤＤおよびＧＴＩ  ＧＤＤの合計に等しく、前記の放出スペクトル帯域において−０．２ｐｓ２〜０．２ｐｓ２に含まれる。
【００１０】
１つ以上の実施形態によると、総ＧＤＤは、前記放出スペクトル帯域の少なくとも第１のサブ帯域において厳密に正であり、前記放出スペクトル帯域の少なくとも第２のサブ帯域において厳密に負である。好適には、第１のダブ帯域および第２のサブ帯域は中心放出周波数のそれぞれの側に配置される。出願人らは、総ＧＤＤのそのような再分配は、レーザ光源によって放出されるパルスの持続時間を短縮することを可能にすることを示した。
【００１１】
１つ以上の実施形態によると、中心放出角周波数は１００ＴＨｚ未満であり、例えば１ＴＨｚ〜５ＴＨｚに含まれる。
【００１２】
１つ以上の実施形態によると、利得部分およびＧＴＩは同一のウェハ上に配置され、従ってモノリシックのレーザキャビティを提供する。
【００１３】
ＧＴＩミラーがレーザ材料自体の中に作られるというレーザ光源のこの新しい概念により、ＧＴＩ  ＧＤＤによる材料ＧＤＤおよび利得ＧＤＤの補償、ならびにＩＲおよびＴＨｚ領域における短パルス放出の生成が可能になる。その目的のために、利得部分とＧＴＩミラーとは電気的に絶縁されており、光学的に結合されている。
【００１４】
１つ以上の実施形態によると、ＧＴＩミラーは、レーザ媒質をエッチングして、誘電体媒質で充填された所定の幅ａのギャップを設けることによって形成される。従って、レーザキャビティは、第１の部分（利得部分）、第２の部分（ＧＴＩミラー）、およびこれら２つの部分を分離するギャップを備える。
【００１５】
誘電体媒質は、例えば空気、グラフェンまたは他の任意の誘電体媒質を含んでもよい。
【００１６】
１つ以上の実施形態によると、ギャップの幅ａは、光がレーザキャビティの２つの部分の間で結合するほどに十分に小さい。１つ以上の実施形態によると、ギャップの幅ａは放出波長λよりもはるかに小さい。例えば、ギャップの幅ａはλ／４より小さく、すなわちπｃ／（２ｎｄω）より小さい。ここで、ｃは真空中の光速、ｎｄはギャップを充填する誘電体媒質の屈折率、ωはレーザ光源の中心放出角周波数である。
【００１７】
１つ以上の実施形態によると、ＧＴＩミラーの利得部分に面する、以降でフロントファセットと称するファセットの反射率ｒ１は、０．０１〜０．２に含まれる。
【００１８】
１つ以上の実施形態によると、ＧＴＩミラーのフロントファセットとは反対側の、以降でバックファセットと称するファセットの反射率ｒ２は、０．５〜１、例えば０．８〜１に含まれる。
【００１９】
ＧＴＩミラーのフロントファセットの反射率はｒ１は、レーザ媒質の実効屈折率、および／またはギャップを充填する誘電体媒質の実効屈折率、および／またはギャップ幅ａ、および／または中心放出角周波数ω、および／またはＧＴＩミラーの長さＬ２に依存する。
【００２０】
１つ以上の実施形態によると、ギャップの幅ａは、０．０１（１％）よりも大きいＧＴＩミラーのフロントファセットの反射率ｒ１を実現するほどに十分に大きい。
【００２１】
１つ以上の実施形態によると、ＧＴＩミラーの長さＬ２は、放出スペクトル帯域がＧＴＩ  ＧＤＤの非共振周波数サブ帯域内にあるように決定される。ＧＴＩ  ＧＤＤの非共振角周波数サブ帯域においてＧＴＩミラーを用いることにより、より広い帯域幅で利得ＧＤＤと材料ＧＤＤとの合計を補償することが可能になる。
【００２２】
１つ以上の実施形態によると、レーザキャビティはモード同期キャビティである。モード同期レーザキャビティにより、より短いパルス（典型的には２０ｐｓ未満）を得ることが可能になり、周波数コムを生成させることが可能になる。
【００２３】
１つ以上の実施形態によると、レーザキャビティは半導体レーザ、例えば量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）、またはバンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ）である。
【００２４】
１つ以上の実施形態によると、レーザキャビティはレーザ媒質の成長方向に垂直に配置された２つの金属層、すなわち下部層と上部層との間に配置される。この構成は「二重金属キャビティ（ｄｏｕｂｌｅ  ｍｅｔａｌ  ｃａｖｉｔｙ）」と呼ばれ、光をレーザキャビティ内に、より良好に閉じ込めることを可能にする。
【００２５】
１つ以上の実施形態によると、利得部分の上部に配置された前記金属の上部層の一部は電極として機能する。
【００２６】
第２の態様によると、本開示は、所与の放出角周波数（ω）を中心とする所与の放出スペクトル帯域で放射を放出するためのレーザ光源を製造する方法に関し、
−  既知の周波数依存群遅延分散（「材料ＧＤＤ」）を有するレーザ媒質を基板上に堆積するステップと、
−  レーザ媒質を２つの部分、すなわち、既知の周波数依存群遅延分散（「利得ＧＤＤ」）を有する利得部分、および既知の周波数依存群遅延分散（「ＧＴＩ  ＧＤＤ」）を有するＧＴＩミラーに分離し、従って２つの部分からなるレーザキャビティを形成するステップと
を含み、ＧＴＩ  ＧＤＤは、前記放出スペクトル帯域において、利得ＧＤＤと材料ＧＤＤとの合計を少なくとも部分的に補償する。
【００２７】
１つ以上の実施形態によると、レーザ媒質を２つの部分に分離するステップは、レーザ媒質をエッチングして誘電体媒質で充填された所定の幅ａのギャップを設け、従って前記利得部分、ＧＴＩミラーを形成するステップを含む。
【００２８】
ここで本開示を、非限定的な例を用いて、かつ添付の図面を参照して更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術による中赤外レーザ光源を示す（すでに説明済み）。
【図２】本開示によるレーザ光源の一例の概略的な機能図を示し、前記レーザ光源は利得部分およびギレターノア干渉計（ＧＴＩ）ミラーを備える。
【図３Ａ】ＧＴＩ、バルク材料、すなわちＧａＡｓ、およびＱＣＬ利得の、ＧＤＤへの個々の寄与を示す曲線を表し、ＧＴＩ  ＧＤＤは、５８μｍおよび３８μｍの長さのＧＴＩミラー（レーザキャビティの全長）に関して示されている。
【図３Ｂ】総ＧＤＤを、５８μｍおよび３８μｍの長さのＧＴＩミラー（レーザキャビティの全長３．２ｍｍ）に対して示し、比較のために利得ＧＤＤおよび材料ＧＤＤの寄与も示す。
【図４Ａ】本開示によるレーザ光源の異なる実施形態の概略図を示す。
【図４Ｂ】本開示によるレーザ光源の異なる実施形態の概略図を示す。
【図５Ａ】本開示の一実施形態によるレーザ光源を示す３Ｄスキームであり、利得部分はＱＣＬである。図５Ａに示す挿入図は、非対称の反射率ｒ１およびｒ２、ならびにキャビティ長Ｌ２を有するＧＴＩミラーを表す。
【図５Ｂ】本開示による、それぞれ、ＱＣＬに結合したＧＴＩミラー、ＧＴＩミラーとＱＣＬとの間のギャップ、および２つのレーザ光源が設けられたウェハの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得られた画像を示す。
【図５Ｃ】本開示による、それぞれ、ＱＣＬに結合したＧＴＩミラー、ＧＴＩミラーとＱＣＬとの間のギャップ、および２つのレーザ光源が設けられたウェハの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得られた画像を示す。
【図５Ｄ】本開示による、それぞれ、ＱＣＬに結合したＧＴＩミラー、ＧＴＩミラーとＱＣＬとの間のギャップ、および２つのレーザ光源が設けられたウェハの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得られた画像を示す。
【図６Ａ】本開示による５８μｍのＧＴＩを有するＱＣＬ（図６Ａ）、および標準ＱＣＬキャビティ（図６Ｂ）に対して、０．０６ｐｓのサンプリングステップで取得した時間の関数としての能動モード同期の電界の比較を示し、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解電界振動を強調するために、両サンプルに対する単一パルスを拡大したものを示す（時間スケールは異なる）。図６Ｅおよび図６Ｆは、両サンプルに対する電界強度を示し、ＦＷＨＭはガウス形状に近似することにより計算された。
【図６Ｂ】本開示による５８μｍのＧＴＩを有するＱＣＬ（図６Ａ）、および標準ＱＣＬキャビティ（図６Ｂ）に対して、０．０６ｐｓのサンプリングステップで取得した時間の関数としての能動モード同期の電界の比較を示し、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解電界振動を強調するために、両サンプルに対する単一パルスを拡大したものを示す（時間スケールは異なる）。図６Ｅおよび図６Ｆは、両サンプルに対する電界強度を示し、ＦＷＨＭはガウス形状に近似することにより計算された。
【図６Ｃ】本開示による５８μｍのＧＴＩを有するＱＣＬ（図６Ａ）、および標準ＱＣＬキャビティ（図６Ｂ）に対して、０．０６ｐｓのサンプリングステップで取得した時間の関数としての能動モード同期の電界の比較を示し、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解電界振動を強調するために、両サンプルに対する単一パルスを拡大したものを示す（時間スケールは異なる）。図６Ｅおよび図６Ｆは、両サンプルに対する電界強度を示し、ＦＷＨＭはガウス形状に近似することにより計算された。
【図６Ｄ】本開示による５８μｍのＧＴＩを有するＱＣＬ（図６Ａ）、および標準ＱＣＬキャビティ（図６Ｂ）に対して、０．０６ｐｓのサンプリングステップで取得した時間の関数としての能動モード同期の電界の比較を示し、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解電界振動を強調するために、両サンプルに対する単一パルスを拡大したものを示す（時間スケールは異なる）。図６Ｅおよび図６Ｆは、両サンプルに対する電界強度を示し、ＦＷＨＭはガウス形状に近似することにより計算された。
【図６Ｅ】本開示による５８μｍのＧＴＩを有するＱＣＬ（図６Ａ）、および標準ＱＣＬキャビティ（図６Ｂ）に対して、０．０６ｐｓのサンプリングステップで取得した時間の関数としての能動モード同期の電界の比較を示し、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解電界振動を強調するために、両サンプルに対する単一パルスを拡大したものを示す（時間スケールは異なる）。図６Ｅおよび図６Ｆは、両サンプルに対する電界強度を示し、ＦＷＨＭはガウス形状に近似することにより計算された。
【図６Ｆ】本開示による５８μｍのＧＴＩを有するＱＣＬ（図６Ａ）、および標準ＱＣＬキャビティ（図６Ｂ）に対して、０．０６ｐｓのサンプリングステップで取得した時間の関数としての能動モード同期の電界の比較を示し、図６Ｃおよび図６Ｄは、分解電界振動を強調するために、両サンプルに対する単一パルスを拡大したものを示す（時間スケールは異なる）。図６Ｅおよび図６Ｆは、両サンプルに対する電界強度を示し、ＦＷＨＭはガウス形状に近似することにより計算された。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
ここで、本発明の具体的な実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態についての以下の詳細な説明では、本発明のより完全な理解をもたらすために多数の具体的な詳細が記述されている。しかし、本発明はこれらの具体的な詳細がなくとも実施できることは当業者には明らかであろう。その他の場合は、説明を不必要に複雑にすることを避けるために、よく知られた特徴は詳細には説明していない。
【００３１】
本明細書では、用語「備える／備えている」は、「含む／含んでいる」、「含有する／含有している」と同義であり（同一であることを意味し）、包括的または非限定的であり、追加の、非列挙の要素を除外しない。例えば「から（ｆｒｏｍ）」、「〜から〜まで（ｆｒｏｍ．．．ｔｏ）」、「未満（ｂｅｌｏｗ）」、「より多い（ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ）」、「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ  ｔｈａｎ）」、「より少ない（ｌｅｓｓ  ｔｈａｎ）」、「より低い（ｌｏｗｅｒ  ｔｈａｎ）」、「少なくとも」などの用語を使用する範囲の限界値は、その範囲に含まれると考えられる。
【００３２】
本開示は、ギレターノア干渉計（ＧＴＩ）の新しい概念に基づいている。本開示により、レーザ材料の屈折率分散を補償することが可能になり、短パルスおよび周波数コムの生成が可能になる。本開示は、ＧＴＩを実現するためにレーザ材料自体を使用することに基づく。本開示は、レーザ媒質への外部光学配置に基づく、またはミラー上もしくはレーザ自体上に施される薄いコーティングの使用に基づく、典型的な方法とは対照的である。
【００３３】
図２は、本開示によるレーザ光源の一例の概略的な機能図を示す。レーザ光源２０は、長さＬのレーザキャビティを有する。レーザキャビティは、長さＬ１の利得部分２４、および長さＬ２のＧＴＩミラー２２を備える。ＧＴＩミラーは長さＬ２の小さな共振器のようなものである。好ましくは、ＧＴＩミラーの長さＬ２は、レーザ光源によって放出される波長と同じオーダーであり、すなわち２πｃ／ｎωと同じオーダーであり、ここで、ｎはＧＴＩミラー媒質の屈折率（これは利得部分の屈折率でもある）、ｃは真空中の光速、ωはレーザ光源の中心放出角周波数である。
【００３４】
ＧＴＩミラーは、「フロントファセット」と称する、利得部分に面するファセット、および「バックファセット」と称する、フロントファセットに対向するファセットを備える。ＧＴＩミラーは図２に示すように反射で動作し、理想的な場合には、フロントミラーは低い反射率（振幅反射率ｒ１≒０．１）を有し、一方バックファセットは完全な反射率（振幅反射率ｒ２＝１）を有する。従って、理想的な場合には、ＧＴＩミラーはファブリーペロー共振器として機能し、その群遅延分散（ＧＤＤ）は角周波数ωの関数として次式によって表現される。
【数１】
2019530987.tif 000003
ここで、τ＝２ｎＬ２／ｃは、ＧＴＩの往復時間を意味する。ＧＴＩミラーの長さＬ２を正確に選択することによって、利得部分における材料分散および利得分散の補償を達成することができる。
【００３５】
実際の場合では、バックファセットの反射率ｒ２は１ではない。従って、バックファセットの１ではない反射率ｒ２を考慮するために、十分に確立された式（１）を一般化する必要がある。
【００３６】
それゆえ、図２に示すように、ＧＴＩミラーに入射する電界をＥｉ、反射電界の合計をＥｒとすると、ＧＴＩミラーの合計の反射ｒｔｏｔＧＴＩは、以下のように書くことができる。
【数２】
2019530987.tif 000004
ここで、ＧＴＩミラー内の電界の位相δはωｎＬ２／ｃに等しく、ＧＴＩミラー内の単一のトリップに相当する。式（２）では、第１の項（−ｒ１）と他の項の符号は、最初の反射「１」の半波損失ゆえに異なる。ＧＴＩの合計の反射係数
【数３】
2019530987.tif 000005
は、周波数依存の複素関数である。これは、異なる角周波数に対して異なる位相項を追加することになり、従って分散を補償する可能性をもたらす。
【００３７】
ＧＴＩミラーのＧＤＤは、スペクトル位相の角周波数に関する二次導関数であり、１でない反射係数を有するＧＴＩミラーのスペクトル位相についての一般式は次式によって与えられ得る。
【数４】
2019530987.tif 000006
【００３８】
ｒ１が理想的な場合（ｒ１≒０．１）よりもはるかに高い影響の結果、共振周波数付近においてＧＴＩ  ＧＤＤはより顕著に変動するが、共振から外れると影響はほとんどない。従って、ＧＴＩ  ＧＤＤの非共振周波数サブ帯域においてＧＴＩミラーを用いることにより、より広い帯域幅で利得ＧＤＤと材料ＧＤＤとの合計を補償することが可能になる。例えば、ＧＤＤの補償の結果、総ＧＤＤは、材料ＧＤＤ、利得ＧＤＤ、およびＧＴＩ  ＧＤＤの合計に等しく、放出スペクトル帯域において−０．２ｐｓ２〜０．２ｐｓ２に含まれる。
【００３９】
図３Ａは、ＧＴＩ（５８μｍおよび３８μｍの長さを有する）、レーザ材料（この例ではＧａＡ）、および利得からの、ＧＤＤへの個々の寄与を計算した結果を示す。材料ＧＤＤは分散関係から求め、利得ＧＤＤはクラマース・クローニッヒの関係式から計算した。後者を、利得１０ｃｍ−１、２．４８ＴＨｚを中心とする角周波数、６００ＧＨｚのガウシアン半値全幅（ＦＷＨＭ）でモデル化した。
【００４０】
例えば、二重金属キャビティに小さな空隙（約２μｍ）をエッチングして、ＱＣＬの端部に小さなキャビティを実現すると、その結果、フロントファセット（ｒ１）およびバックファセット（ｒ２）の反射率のコントラストを有するＧＴＩミラーが得られる。ファセットおよび空隙の反射率は、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  ＢｏｃｈｕｍのＮ．ＪｕｋａｍによるＭｅｅｐソフトウェアパッケージを使用して有限差分時間領域法から計算した。これらのシミュレーションから、本研究で実現されたＧＴＩミラーでは、ｒ１＝０．６１のフロントファセット反射率、およびｒ２＝０．８３のバックファセット反射率が得られ、従って理想的な場合である、ｒ１＝０．１およびｒ２＝１とは異なる。（ｒ２の高い値は、二重金属導波モードの強い閉じ込めの結果である）。
【００４１】
図３Ａに示すように、利得ＧＤＤはその中心放出角周波数でゼロ交差を示し、正のＧａＡｓ材料ＧＤＤよりも明らかに優位である。図３Ａに示すように、５８μｍのＧＴＩのＧＤＤは、利得の中心周波数（２．４８ＴＨｚ）より下では大部分が負であり、それより上では正であり、利得ＧＤＤとは反対である。対照的に、３８μｍのＧＴＩは調査した領域では負のＧＤＤのみを示している。この例では、ＧＴＩは、「共振外れ」、すなわち破線の箱で示すような、５８μｍのＧＴＩの約２．２５ＴＨｚ〜約２．７５ＴＨｚの共鳴角周波数で使用される。
【００４２】
図３Ｂは利得および材料ＧＤＤを、ＧＴＩ  ＱＣＬの総ＧＤＤ（材料、利得およびＧＴＩ  ＧＤＤの合計）と比較している。注目すべきことに、総ＧＤＤは５８μｍのＧＴＩについては２．４〜２．７ＴＨｚの範囲でほぼ平坦（ほぼゼロＧＤＤ）であり、一方、３８μｍのＧＴＩについては完全に負である。
【００４３】
出願人は、ＱＣＬ材料自体などの利得媒質自体を使用して、非理想的な反射率を有するＧＴＩを実現できることを示している。ＧＴＩの正しい長さ（約２．５ＴＨｚの放出に対して５８μｍ）を設計することによって、ＧＴＩを使用して利得プロファイルおよび材料によって引き起こされる分散を補償し、従ってモード同期時に短いパルスを実現することができる。広い帯域幅のＧＤＤ補償は、ＧＴＩの正および負の両方のＧＤＤレジームを利用することにより、従って正および負の利得ＧＤＤを同時に補償することにより達成される。
【００４４】
図４Ａおよび図４Ｂは、本開示によるレーザ光源の異なる実施形態を示す。
【００４５】
図４Ａおよび図４Ｂに示す実施形態では、レーザ光源３０は、所与の放出角周波数ω（放出波長λ）を中心とする放出スペクトル帯域の放射を放出するように適合されたレーザキャビティを備える。レーザキャビティは全長Ｌおよび高さｈを有する。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、レーザキャビティは２つの部分からなり、利得部分３１、および利得部分の一端に配置されたＧＴＩミラー３２を備える。利得部分とＧＴＩミラーは同一のレーザ媒質の中に形成され、従って２つの部分からなるレーザキャビティを形成する。レーザ媒質は、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）またはバンド間カスケードレーザであってもよい。
【００４６】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、利得部分とＧＴＩミラーとは電気的に絶縁されており、光学的に結合されている。
【００４７】
これらの実施形態では、レーザキャビティはレーザ媒質の成長方向に垂直に配置された２つの金属層３４、３５、すなわち下部金属層と上部金属層との間に配置され、従って「二重金属キャビティ」を形成する。そのような二重金属キャビティにより、光をレーザキャビティ内に、より良好に閉じ込めることが可能になる。
【００４８】
図４Ａ〜図４Ｂに示すように、レーザ光源に電気的に給電する必要がある場合には、金属層を更に電極として使用することができる（電源３６）。
【００４９】
図４Ａおよび図４Ｂに示す一実施形態によると、レーザ媒質はエッチングされ、従ってレーザキャビティの２つの部分３２、３１を分離するギャップ３３が形成される。所定の幅ａのギャップは、図４Ｂに示すように誘電体媒質３３’で充填されてもよく、または空気で充填されてもよい（図４Ａ）。誘電体媒質（図４Ｂ）は、例えばグラフェンまたは任意の他の誘電体材料であってもよい。
【００５０】
図５Ａは、本開示によるレーザ光源３０の別の例のスキームであり、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄは、本開示による実験的なレーザ光源３０の画像を示す。具体的には、図５Ａは、本開示の一実施形態によるレーザ光源を示す３Ｄスキームであり、利得部分はＱＣＬであり、ＧＴＩミラー３２は、レーザ媒質をエッチングして所定の長さのギャップを形成することによって得られる。図５Ａに示す挿入図は、非対称な反射率ｒ１およびｒ２、ならびにキャビティ長Ｌ２を有するＧＴＩミラーを示す。図５Ｂ、図５Ｃ、および図５Ｄは、本開示による、それぞれ、ＱＣＬに結合したＧＴＩミラー（３８μｍ長）、ＧＴＩミラーとＱＣＬとの間の１．５μｍギャップ、および２つのレーザ光源が設けられたウェハの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得られた画像を示す。
【００５１】
先に説明したように一体化されたＧＴＩミラーの長さを設計し、二重金属キャビティＱＣＬの高い反射率を活用することによって、ＱＣＬに固有のＧＤＤの大幅な補償を実現することができる。
【００５２】
図５Ａ〜図５Ｄに示すレーザ光源は以下のように生成することができる。２．７ＴＨｚで動作する修正ＬＯフォノンデポピュレーション活性領域に基づいて、０．５ＴＨｚに近い広い放出帯域幅を有し、約２．５ＴＨｚになるように設計された中心レーザ発振角周波数を有するＱＣＬのような利得部分を使用することができる（詳細は方法のセクションを参照）。ウェハは、標準的なリソグラフィを使用し、垂直リッジプロファイルを得るために誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングを使用してリッジを画定することで、二重金属キャビティに加工することができる。ＧＴＩミラーは、同じ処理ステップにおいて、ＱＣＬリッジの一端にある活性領域をエッチングして貫通させて、メインのＱＣＬリッジから小さなサブ波長（約１．５μｍ）の空隙によって分離された５８μｍおよび３８μｍの短いキャビティ長ａを実現することによって、実現することができる（図５Ｂおよび図５Ｃを参照）。両デバイスのリッジ幅Ｗは６８μｍであり、レーザキャビティの全長Ｌは約３．２ｍｍであった。「リッジ幅」とは何か？計算された曲線の仮説を決定するのに役立つ詳細のみを保管すること。
【００５３】
本明細書の一実施形態によると、レーザキャビティはモード同期キャビティである。往復角周波数に近いマイクロ波変調を使用して、レーザ光源を能動的にモード同期させ、それにより短いパルスを生成させる、すなわち各モードの角周波数間隔および位相を固定することができる（更なる詳細は方法のセクションにある）。
【００５４】
従って、レーザキャビティにモノリシックに一体化されたこの分散補償方式により、パルス持続時間を大幅に短縮することが可能になる。
【００５５】
この結果から直接、標準的なＱＣＬジオメトリでの１６ｐｓから、４ｐｓという短いパルス持続時間が、２．３〜２．９ＴＨｚにわたる連続ガウススペクトル範囲を伴って得られる。多過ぎる分散を導入するものと比較して、ゼロ分散をもたらす長さのＧＴＩの特性を決定することにより、ＧＴＩミラーの分散効果が明らかに実証された。後者は安定した超短パルス列を示し、一方で前者はパルス形成を破壊する。
【００５６】
例えば、同じ手法を３．２５ＴＨｚ  ＱＣＬに適用し、この技術の普遍性を実証した。角周波数放出が３．１ＴＨｚ〜３．４ＴＨｚの範囲である、５ｐｓのパルス持続時間が生成された。この新規で比較的単純な手法は、更に広いスペクトル帯域幅を補償し、潜在的にサブピコ秒のパルス幅を達成するために、容易に拡大縮小することができ、よって、これらの光源は、マイクロ波参照によって制御される周波数コム分光法に利用可能になる。
【００５７】
従って、本開示に記載されるようなレーザ光源を用いて得られる受動モード同期により、超短ＴＨｚパルス生成において、能動モード同期によって設定されるパルス制限が解除され、レーザの利得損失（利得）を強力に変調することが可能になる。
【００５８】
例えば能動モード同期の場合、マイクロ波電力は３０ｄＢｍに設定することができる。最も明瞭なパルスが得られたマイクロ波変調周波数は、標準サンプルおよびＧＴＩ  ＱＣＬサンプルに対して、それぞれ１２．６２ＧＨｚおよび１２．８８ＧＨｚである。標準ＱＣＬでは、適用された変調は自由スペクトル範囲とはかなり異なることに留意することが重要である。図６では、時間の関数としての電界放出を、５８μｍのＧＴＩ  ＱＣＬ（図６Ａ）および標準ＱＣＬ（図６Ｂ）で比較している。（図３に示すように、５８μｍのＧＴＩミラーは、ＴＨｚ  ＱＣＬ放出の負および正の分散補償をもたらすように設計されている）。明らかに分かるように、初期増幅段階（ｔ＜５００ｐｓ）の後に安定したパルスが形成され、分散補償を挿入したことにより、本開示によるレーザ光源のパルス持続時間を、標準レーザと比較して大幅に短縮することが可能になる。
【００５９】
図６Ｃおよび図６Ｄは、それぞれ、ＧＴＩ  ＱＣＬおよび標準ＱＣＬに対する１つのパルスの拡大を示し、２つの場合の間の違いを強く強調しており、前者の電界振動はかなり少ない。パルス持続時間のＦＷＨＭを抽出するために、図６Ｅおよび図６Ｆに破線で示すように、ガウス近似を使用してパルス形状強度を近似した。
【００６０】
この実験結果は、ＴＨｚ  ＱＣＬ導波路の中にモノリシックに一体化された分散補償方式を、能動モード同期時にＴＨｚ  ＱＣＬのパルス持続時間を大幅に短縮するように、成功裏に設計できることを示している。これは、小さな共振器が等しくないキャビティミラー反射率を有し、よって総分散の制御を可能にするという、適応ＧＴＩ概念に基づいている。一体化されたＧＴＩにおいては、ＭＭ導波路に埋め込まれたＱＣＬの高ファセット反射率がＴＨｚパルス用のバックエンドミラーとして使用され、一方、低反射率ミラーはサブ波長の空隙を導波路内に直接エッチングすることによって実現される。その中心角周波数付近でのＱＣＬ放出を補償するようにＧＴＩの長さを設計することによって、４ｐｓという短いパルス持続時間を形成することができる。このオンチップ分散技術は、従来のボトルネックを克服してＴＨｚ  ＱＣＬからの短パルスを実現し、かつ更に広い帯域幅を補償する潜在力を有し、よってサブピコ秒レジームの達成を可能にする。そのような短パルスは、短ピークＴＨｚパルス生成のためのＴｉ：サファイアレーザに取って代わる高ピーク出力ＴＨｚ光源にとって、および安定したマイクロ波発生器によりモード間隔を正確に制御できる二重周波数コム分光法にとって関心の対象となるであろう。
【００６１】
ＴＨｚ量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）のパルス特性評価は、電気光学検出を使用する電界のコヒーレントサンプリングに基づき得る。この技術は、ＴＨｚ  ＱＣＬの放出をＴＨｚパルスに位相同期させることを必要とし、それは次にフェムト秒レーザの反復周波数に同期される。この要件を満たすために、確立された超高速インジェクションシーディング技術を用いることができる。固定位相を有する広帯域ＴＨｚパルス（シード）が、Ｔｉ：Ｓａレーザからの１００ｆｓ近赤外パルスによって励起される光伝導スイッチを用いて生成される。ＴＨｚシードパルスは、数ナノ秒の持続時間を有する電気的な無線周波数（ＲＦ）パルスでＱＣＬを利得スイッチングする前に、ＱＣＬ導波路のキャビティの一端に注入される。これにより、ＱＣＬ固有の自然放出によって開始されるのではなく、ＴＨｚ入力パルスが増幅され、最終的にはＱＣＬ放出をシードすることが可能になる。最後に、乾燥空気を含むパージボックスを使用して大気中の水分によるＴＨｚ放出の吸収を防ぐ。
【００６２】
モード同期レジームを開始するために、ＱＣＬバイアスのマイクロ波変調をＴＨｚキャビティ往復周波数の近くに適用してもよい。利得はＱＣＬ閾値の近くで変調される。マイクロ波変調は、Ｔｉ：Ｓａレーザのピックオフビームによる超高速フォトダイオードの光励起から生成される。生成された電気信号は、Ｔｉ：サファイア反復周波数（７６ＭＨｚ）で分離された、約２０ＧＨｚまでの角周波数のコムから構成される。イットリウム鉄ガーネット帯域通過フィルタを使用して、ＱＣＬキャビティ往復周波数に近い基準レーザ反復周波数の高調波を取り出し、それを次に一組のマイクロ波電力増幅器によって増幅する。ＴＨｚシードパルスを、変調されたＱＣＬバイアスと適切に同期させることにより、ＱＣＬ電界を時間の関数として検出することが電気光学サンプリングを介して可能になる。
【００６３】
上述したようなデバイスおよび方法は、当業者に明白に明らかであろう様々な変形、修正および改良を含み、これらの様々な変形、修正および改良は、以下の請求項によって定義されるような本発明の範囲の一部を形成することが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【国際調査報告】
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