(57)【要約】【課題】所定波長の光を所定方向に出射可能な量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】量子カスケードレーザ１は、半導体基板２と、半導体基板２の表面２ａに設けられ、量子カスケード構造を有する活性層３１を含む半導体層３と、半導体基板２の裏面２ｂに設けられた回折格子部４と、を備える。活性層３１は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数の第１ポンプ光及び第２周波数の第２ポンプ光を生成し、チェレンコフ位相整合による差周波発生によって第１周波数及び第２周波数の差周波数の出力光を生成する。回折格子部４は、出力光に含まれる所定波長の光のｍ次光（ｍは整数）を半導体基板２の裏面２ｂに交差する所定方向に透過させる。【選択図】図１
2019191412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、量子カスケード構造を有する活性層を含む半導体層と、
前記半導体基板の裏面に設けられた回折格子部と、を備え、
前記活性層は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数の第１ポンプ光及び第２周波数の第２ポンプ光を生成し、チェレンコフ位相整合による差周波発生によって前記第１周波数及び前記第２周波数の差周波数の出力光を生成し、
前記回折格子部は、前記出力光に含まれる所定波長の光のｍ次光（ｍは整数）を前記半導体基板の前記裏面に交差する所定方向に透過させる、量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記ｍ次光は、−１次光であり、
前記所定方向は、前記半導体基板の前記裏面に直交する方向である、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記半導体層は、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光の少なくとも１つを単一モード発振させる回折格子層を更に含む、請求項１又は２に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記半導体層における前記半導体基板とは反対側の表面には、金属層が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記回折格子部は、前記半導体基板の前記裏面に設けられた複数の金属膜を含み、
前記複数の金属膜は、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、前記共振方向に配列されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記複数の金属膜は、前記共振方向に直交する方向に延在しており、
前記複数の金属膜の配列周期をｐとし、前記複数の金属膜のそれぞれの高さをｔとし、前記複数の金属膜のそれぞれの幅をｄとすると、
ｄ／ｐは、０．３９＜ｄ／ｐ＜０．９６を満たし、
ｔ／ｐは、０．３５＜ｔ／ｐ＜１．１５、２＜ｔ／ｐ＜２．８又は３．８＜ｔ／ｐ＜４．５を満たす、請求項５に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記回折格子部は、前記半導体基板の前記裏面に一体的に設けられた複数の凸部と、複数の金属膜と、を含み、
前記複数の凸部は、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、前記共振方向に配列されており、
前記複数の金属膜は、前記複数の凸部の頂部及び前記複数の凸部間の底部のうち、前記複数の凸部の前記頂部のみに設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項８】
前記複数の凸部は、前記共振方向に直交する方向に延在しており、
前記複数の凸部の配列周期をｐとし、前記複数の凸部のそれぞれの高さをｔとし、前記複数の凸部のそれぞれの幅をｄとすると、
ｄ／ｐは、０．５１＜ｄ／ｐ＜０．６３又は０．６７＜ｄ／ｐ＜０．８９を満たし、
ｔ／ｐは、０．２＜ｔ／ｐ＜０．４又は０．７＜ｔ／ｐ＜５を満たす、請求項７に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項９】
前記回折格子部は、前記半導体基板の前記裏面に一体的に設けられた複数の凸部と、複数の金属膜と、を含み、
前記複数の凸部は、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、前記共振方向に配列されており、
前記複数の金属膜は、前記複数の凸部の頂部及び前記複数の凸部間の底部のうち、前記複数の凸部間の前記底部のみに設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項１０】
前記複数の凸部は、前記共振方向に直交する方向に延在しており、
前記複数の凸部の配列周期をｐとし、前記複数の凸部のそれぞれの高さをｔとし、前記複数の凸部のそれぞれの幅をｄとすると、
ｄ／ｐは、０．２７＜ｄ／ｐ＜０．８５又は０．８９＜ｄ／ｐ＜０．９２を満たし、
ｔ／ｐは、０．２＜ｔ／ｐ＜５を満たす、請求項９に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項１１】
前記回折格子部は、前記半導体基板の前記裏面に一体的に設けられた複数の凸部と、複数の金属膜と、を含み、
前記複数の凸部は、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、前記共振方向に配列されており、
前記複数の金属膜は、前記複数の凸部の頂部及び前記複数の凸部間の底部の両方に設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項１２】
前記複数の凸部は、前記共振方向に直交する方向に延在しており、
前記複数の凸部の配列周期をｐとし、前記複数の凸部のそれぞれの高さをｔとし、前記複数の凸部のそれぞれの幅をｄとすると、
ｄ／ｐは、０．２８＜ｄ／ｐ＜０．６又は０．６４＜ｄ／ｐ＜０．９５を満たし、
ｔ／ｐは、０．１＜ｔ／ｐ＜５を満たす、請求項１１に記載の量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
チェレンコフ位相整合による差周波発生（ＤＦＧ：difference-frequency generation）によって生成された出力光を出射する量子カスケードレーザとして、特許文献１には、量子カスケード構造を有する活性層を含む半導体層における半導体基板とは反対側の表面に、表面プラズモン導波路構造及び回折格子構造が設けられた量子カスケードレーザが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５２１８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような量子カスケードレーザにおいては、チェレンコフ放射角度で放射された出力光をいかに外部に取り出すかが重要となる。しかしながら、特許文献１に記載された量子カスケードレーザでは、構造が複雑化するおそれがある。一般的に、活性層を含む半導体層における半導体基板とは反対側の表面には、活性層に電流を供給するための電極層を設ける必要があるが、特許文献１に記載された量子カスケードレーザでは、当該表面に表面プラズモン導波路構造及び回折格子構造も設ける必要があるからである。
【０００５】
本発明は、所定波長の光を所定方向に出射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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板の表面に設けられ、量子カスケード構造を有する活性層を含む半導体層と、半導体基板の裏面に設けられた回折格子部と、を備え、活性層は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数の第１ポンプ光及び第２周波数の第２ポンプ光を生成し、チェレンコフ位相整合による差周波発生によって第１周波数及び第２周波数の差周波数の出力光を生成し、回折格子部は、出力光に含まれる所定波長の光のｍ次光（ｍは整数）を半導体基板の裏面に交差する所定方向に透過させる。
【０００７】
この量子カスケードレーザでは、活性層から半導体基板の裏面側にチェレンコフ放射角度で放射された出力光に含まれる所定波長の光が、回折格子部によって回折されて、所定波長の光のｍ次光が、半導体基板の裏面に交差する所定方向に透過させられる。よって、この量子カスケードレーザによれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を所定方向に出射できる。
【０００８】
本発明の量子カスケードレーザでは、ｍ次光は、−１次光であり、所定方向は、半導体基板の裏面に直交する方向であってもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【０００９】
本発明の量子カスケードレーザでは、半導体層は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の少なくとも１つを単一モード発振させる回折格子層を更に含んでもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【００１０】
本発明の量子カスケードレーザでは、半導体層における半導体基板とは反対側の表面には、金属層が設けられていてもよい。この構成によれば、活性層に電流を供給するための電極層として金属層を利用できる。更に、活性層から半導体基板とは反対側にチェレンコフ放射角度で放射された出力光を反射する反射層として金属層が機能するため、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【００１１】
本発明の量子カスケードレーザでは、回折格子部は、半導体基板の裏面に設けられた複数の金属膜を含み、複数の金属膜は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、共振方向に配列されていてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。また、半導体基板での出力光の吸収損失を低減するために半導体基板を薄くしても、複数の金属膜によって量子カスケードレーザの機械的強度の低下を抑制できる。
【００１２】
本発明の量子カスケードレーザでは、複数の金属膜は、共振方向に直交する方向に延在しており、複数の金属膜の配列周期をｐとし、複数の金属膜のそれぞれの高さをｔとし、複数の金属膜のそれぞれの幅をｄとすると、ｄ／ｐは、０．３９＜ｄ／ｐ＜０．９６を満たし、ｔ／ｐは、０．３５＜ｔ／ｐ＜１．１５、２＜ｔ／ｐ＜２．８又は３．８＜ｔ／ｐ＜４．５を満たしてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができる。
【００１３】
本発明の量子カスケードレーザでは、回折格子部は、半導体基板の裏面に一体的に設けられた複数の凸部と、複数の金属膜と、を含み、複数の凸部は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、共振方向に配列されており、複数の金属膜は、複数の凸部の頂部及び複数の凸部間の底部のうち、複数の凸部の頂部のみに設けられていてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。また、半導体基板での出力光の吸収損失を低減するために半導体基板を薄くしても、複数の金属膜によって量子カスケードレーザの機械的強度の低下を抑制できる。
【００１４】
本発明の量子カスケードレーザでは、複数の凸部は、共振方向に直交する方向に延在しており、複数の凸部の配列周期をｐとし、複数の凸部のそれぞれの高さをｔとし、複数の凸部のそれぞれの幅をｄとすると、ｄ／ｐは、０．５１＜ｄ／ｐ＜０．６３又は０．６７＜ｄ／ｐ＜０．８９を満たし、ｔ／ｐは、０．２＜ｔ／ｐ＜０．４又は０．７＜ｔ／ｐ＜５を満たしてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができる。
【００１５】
本発明の量子カスケードレーザでは、回折格子部は、半導体基板の裏面に一体的に設けられた複数の凸部と、複数の金属膜と、を含み、複数の凸部は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、共振方向に配列されており、複数の金属膜は、複数の凸部の頂部及び複数の凸部間の底部のうち、複数の凸部間の底部のみに設けられていてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。また、半導体基板での出力光の吸収損失を低減するために半導体基板を薄くしても、複数の金属膜によって量子カスケードレーザの機械的強度の低下を抑制できる。
【００１６】
本発明の量子カスケードレーザでは、複数の凸部は、共振方向に直交する方向に延在しており、複数の凸部の配列周期をｐとし、複数の凸部のそれぞれの高さをｔとし、複数の凸部のそれぞれの幅をｄとすると、ｄ／ｐは、０．２７＜ｄ／ｐ＜０．８５又は０．８９＜ｄ／ｐ＜０．９２を満たし、ｔ／ｐは、０．２＜ｔ／ｐ＜５を満たしてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができる。
【００１７】
本発明の量子カスケードレーザでは、回折格子部は、半導体基板の裏面に一体的に設けられた複数の凸部と、複数の金属膜と、を含み、複数の凸部は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の共振方向に交差する方向に延在し、共振方向に配列されており、複数の金属膜は、複数の凸部の頂部及び複数の凸部間の底部の両方に設けられていてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。また、半導体基板での出力光の吸収損失を低減するために半導体基板を薄くしても、複数の金属膜によって量子カスケードレーザの機械的強度の低下を抑制できる。
【００１８】
本発明の量子カスケードレーザでは、複数の凸部は、共振方向に直交する方向に延在しており、複数の凸部の配列周期をｐとし、複数の凸部のそれぞれの高さをｔとし、複数の凸部のそれぞれの幅をｄとすると、ｄ／ｐは、０．２８＜ｄ／ｐ＜０．６又は０．６４＜ｄ／ｐ＜０．９５を満たし、ｔ／ｐは、０．１＜ｔ／ｐ＜５を満たしてもよい。この構成によれば、半導体基板の裏面側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、所定波長の光を所定方向に出射可能な量子カスケードレーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態の量子カスケードレーザの断面図である。
【図２】図１に示されるII−II線に沿っての量子カスケードレーザの断面図である。
【図３】図１に示される量子カスケードレーザの活性層の構成の一例を示す図である。
【図４】図１に示される量子カスケードレーザの活性層の構成の具体例を示す図である。
【図５】図１に示される量子カスケードレーザの活性層の構成の具体例を示す表である。
【図６】図１に示される量子カスケードレーザの回折格子部の断面図である。
【図７】図１に示される量子カスケードレーザの回折格子部の変形例の断面図である。
【図８】図１に示される量子カスケードレーザの回折格子部の変形例の断面図である。
【図９】図１に示される量子カスケードレーザの回折格子部の変形例の断面図である。
【図１０】図１に示される量子カスケードレーザの回折格子部の変形例の断面図である。
【図１１】実施例１の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１２】実施例１の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１３】実施例２の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１４】実施例２の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１５】実施例３の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１６】実施例３の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１７】実施例４の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【図１８】実施例４の量子カスケードレーザの透過回折効率のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［量子カスケードレーザの構成］
【００２２】
図１及び図２に示されるように、量子カスケードレーザ１は、半導体基板２と、半導体層３と、回折格子部４と、絶縁層５と、第１電極層（金属層）６と、一対の第２電極層７と、を備えている。半導体基板２は、一方の側の主面である表面２ａ及び他方の側の主面である裏面２ｂを有している。半導体基板２は、例えば、長方形板状のＩｎＰ単結晶基板（半絶縁性基板：不純物がドーピングされていない高抵抗の半導体基板）である。半導体基板２の長さ、幅、厚さは、それぞれ、数百μｍ〜数ｍｍ程度、数百μｍ〜数ｍｍ程度、数百μｍ程度である。以下の説明では、半導体基板２の長さ方向、幅方向、厚さ方向（表面２ａ及び裏面２ｂが互いに対向する方向）を、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向という。
【００２３】
半導体層３は、半導体基板２の表面２ａに設けられている。半導体層３は、活性層３１、上部ガイド層３２、下部ガイド層３３、上部クラッド層３４、下部クラッド層３５、上部コンタクト層３６及び下部コンタクト層３７、並びに、支持層３８を有している。
【００２４】
下部コンタクト層３７は、例えば、厚さ４００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１８／ｃｍ３）であり、半導体基板２の表面２ａに設けられている。下部クラッド層３５は、例えば、厚さ５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、下部コンタクト層３７の表面に設けられている。下部ガイド層３３は、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、下部クラッド層３５の表面に設けられている。活性層３１は、量子カスケード構造を有する層であり（詳細については後述する）、下部ガイド層３３の表面に設けられている。上部ガイド層３２は、例えば、厚さ４５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、活性層３１の表面に設けられている。上部クラッド層３４は、例えば、厚さ５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１６／ｃｍ３）であり、上部ガイド層３２の表面に設けられている。上部コンタクト層３６は、例えば、厚さ１５ｎｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０１８／ｃｍ３）であり、上部クラッド層３４の表面に設けられている。支持層３８は、例えば、ＩｎＰ層（Fe doped）であり、リッジストライプ状に形成された活性層３１、上部ガイド層３２及び下部ガイド層３３の両側において、下部クラッド層３５と上部クラッド層３４との間に設けられている。
【００２５】
上部ガイド層３２には、第１ポンプ光及び第２ポンプ光（詳細については後述する）の共振方向Ａ０に沿って、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子構造が形成されている。上部ガイド層３２は、当該回折格子構造として、共振方向Ａ０において並設された回折格子層３２ａ，３２ｂを含んでいる。回折格子層３２ａは、第１ポンプ光を単一モード発振させる。回折格子層３２ｂは、第２ポンプ光を単一モード発振させる。なお、本実施形態では、共振方向Ａ０は、Ｘ軸方向に平行な方向である。
【００２６】
半導体層３は、導波路構造３ａ及び一対の支持構造３ｂを有している。導波路構造３ａは、Ｙ軸方向における半導体層３の中央においてＸ軸方向に延在している。導波路構造３ａは、活性層３１、上部ガイド層３２、下部ガイド層３３、上部クラッド層３４、下部クラッド層３５、上部コンタクト層３６及び下部コンタクト層３７を含んでいる。一対の支持構造３ｂは、Ｙ軸方向における導波路構造３ａの両側においてＸ軸方向に延在している。各支持構造３ｂは、支持層３８、上部クラッド層３４、下部クラッド層３５及び下部コンタクト層３７を含んでいる。導波路構造３ａと一方の支持構造３ｂとの間、及び導波路構造３ａと他方の支持構造３ｂとの間には、それぞれ、Ｘ軸方向に延在する一対の溝が形成されている。各溝は、下部コンタクト層３７の表面を底面とし、半導体基板２とは反対側に開口している。
【００２７】
絶縁層５は、導波路構造３ａの表面及び側面、並びに、各支持構造３ｂの表面及び側面に設けられている。絶縁層５は、例えば、厚さ３００ｎｍ程度のＳｉＮ膜である。
【００２８】
第１電極層６は、導波路構造３ａの表面（半導体層３における半導体基板２とは反対側の表面）に設けられている。第１電極層６は、例えば、厚さ５μｍ程度のＡｕ膜である。第１電極層６は、導波路構造３ａの表面に位置するように絶縁層５に形成された開口５ａを介して、上部コンタクト層３６と電気的に接続されている。なお、Ｘ軸方向における第１電極層６の長さは、Ｘ軸方向における活性層３１の長さと同等である。また、Ｙ軸方向における第１電極層６の幅は、Ｙ軸方向における活性層３１の幅よりも大きい。
【００２９】
一対の第２電極層７は、それぞれ、一対の支持構造３ｂの表面及び側面に設けられている。各第２電極層７は、例えば、厚さ５μｍ程度のＡｕ膜である。一方の第２電極層７は、導波路構造３ａと一方の支持構造３ｂとの間の溝の底面から一方の支持構造３ｂの表面に至っている。一方の第２電極層７は、当該溝の底面に位置するように絶縁層５に形成された開口５ｂを介して、下部コンタクト層３７と電気的に接続されている。他方の第２電極層７は、導波路構造３ａと他方の支持構造３ｂとの間の溝の底面から他方の支持構造３ｂの表面に至っている。他方の第２電極層７は、当該溝の底面に位置するように絶縁層５に形成された開口５ｂを介して、下部コンタクト層３７と電気的に接続されている。
【００３０】
回折格子部４は、半導体基板２の裏面２ｂに設けられている。回折格子部４は、半導体基板２の裏面２ｂに設けられた複数の金属膜４１を含んでいる。複数の金属膜４１は、共振方向Ａ０に直交する方向（すなわち、Ｙ軸方向）に延在しており、共振方向Ａ０に配列されている。各金属膜４１は、例えば、Ｙ軸方向を長手方向とするＡｕ膜である。なお、Ｘ軸方向における回折格子部４の長さ（回折格子部４が設けられる領域の長さ）は、Ｘ軸方向における活性層３１の長さと同等である。また、Ｙ軸方向における回折格子部４の幅（回折格子部４が設けられる領域の幅）は、Ｙ軸方向における活性層３１の幅よりも大きい。
［活性層の構成］
【００３１】
上述した活性層３１の構成について、より詳細に説明する。活性層３１は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するように、且つチェレンコフ位相整合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（＝｜ω１−ω２｜）の出力光を生成するように、構成されている。具体的には、活性層３１は、ＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造を有している。
【００３２】
図３に示されるように、活性層３１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及び電子注入層１８によって構成されている。量子井戸発光層１７及び電子注入層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いる。これにより、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。
【００３３】
単位積層体１６は、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、及び、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を有している。更に、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する第１発光下準位（準位１）Ｌｌｏｗ１＝Ｌ１、第１発光上準位よりも低く且つ第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、第１発光上準位よりも低く且つ第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、及び、これらの発光下準位よりも低いエネルギーを有する緩和準位Ｌｒを有している。
【００３４】
量子井戸発光層１７と前段の単位積層体の電子注入層１８ａとの間には、電子注入層１８ａから量子井戸発光層１７に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。量子井戸発光層１７と電子注入層１８との間には、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層が設けられている。なお、量子井戸発光層１７と電子注入層１８との間に、量子井戸発光層１７から電子注入層１８に抽出される電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が必要に応じて設けられていてもよい。
【００３５】
単位積層体１６のサブバンド準位構造における各準位の間隔構成は、次のとおりである。すなわち、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は、それぞれ、第１周波数ω１のポンプ光のエネルギー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は、それぞれ、第２周波数ω２のポンプ光のエネルギーＥ２と略一致している（ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２）。また、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周波数ω１と第２周波数ω２との差周波数ωの出力光のエネルギーＥ＝Ｅ１−Ｅ２と略一致している（ΔＥ２１＝ΔＥ３２＝ΔＥ５４＝Ｅ）。本実施形態では、第１周波数ω１は第２周波数ω２よりも大きく、差周波数はω＝ω１−ω２である。
【００３６】
以上のようなサブバンド準位構造においては、前段の電子注入層１８ａの緩和準位Ｌｒから注入障壁を介して量子井戸発光層１７に電子が注入され、これにより、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。このとき、電子−電子散乱等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、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２に充分なキャリアが供給される。
【００３７】
第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２に注入された電子は、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３のそれぞれに遷移する。このとき、発光上準位と発光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されて放出される。特に、エネルギーＥ１を有する第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び、エネルギーＥ２を有する第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成されて放出される。
【００３８】
第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３に遷移した電子は、緩和準位Ｌｒに緩和される。このように、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３から電子が引き抜かれることで、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２と、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下Ｌｌｏｗ２及び第３発光下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。緩和準位Ｌｒに緩和された電子は、電子注入層１８を介して、後段の量子井戸発光層１７ｂの第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２にカスケード的に注入される。なお、緩和準位Ｌｒは、１つの準位のみによって構成されたものに限定されず、複数の準位によって構成されたものであってもよいし、或いは、ミニバンドによって構成されたものであってもよい。
【００３９】
以上のような電子の注入、電子の発光遷移、及び電子の緩和が、活性層３１を構成する複数の単位積層体１６において繰り返されることで、活性層３１においてカスケード的な光の生成が起こる。電子が複数の単位積層体１６をカスケード的に移動する際に、各単位積層体１６での電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成される。そして、チェレンコフ位相整合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（＝｜ω１−ω２｜）の出力光が生成される。
【００４０】
活性層３１の構成の具体例について更に説明する。図４及び図５に示されるサブバンド準位構造は、図３に示されるサブバンド準位構造の具体例である。なお、図４には、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８による繰返し構造のうちの一部について、その動作電界における量子井戸構造及びサブバンド準位構造が示されている。
【００４１】
本具体例では、４０周期分の単位積層体１６が積層されることで活性層３１が構成されており、活性層３１でのゲインの中心波長が１０μｍに設定されている。また、図４及び図５に示されるように、１周期分の単位積層体１６は、１１層の量子井戸層１６１〜１６４，１８１〜１８７及び１１層の量子障壁層１７１〜１７４，１９１〜１９７が交互に積層されることで量子井戸構造として構成されている。各量子井戸層１６１〜１６４，１８１〜１８７は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層であり、各量子障壁層１７１〜１７４，１９１〜１９７は、例えば、ＩｎＡｌＡｓ層である。
【００４２】
単位積層体１６においては、４層の量子井戸層１６１〜１６４及び４層の量子障壁層１７１〜１７４が交互に積層された部分が主に量子井戸発光層１７として機能し、７層の量子井戸層１８１〜１８７及び７層の量子障壁層１９１〜１９７が交互に積層された部分が主に電子注入層１８として機能する。また、量子井戸発光層１７のうち１段目の量子障壁層１７１が注入障壁層として機能する。なお、本具体例では、実効的に抽出障壁として機能する抽出障壁層が量子井戸発光層１７と電子注入層１８との間に設けられていない。本具体例では、量子障壁層１９１が形式的に抽出障壁層と規定され、その前後で、量子井戸発光層１７と電子注入層１８とが機能的に区分されている。
【００４３】
活性層３１において、差周波発生による出力光の生成を実現するためには、２波長のポンプ光成分を生成可能であり、且つ２波長のポンプ光成分に対して高い２次の非線形感受率χ（２）を有する必要がある。本具体例では、上述したＤＡＵ／ＭＳ構造を採用して結合二重上準位構造が有する広い利得帯域を利用し、且つ上部ガイド層３２に２種類の回折格子層３２ａ，３２ｂを設けることで、単一の活性層設計で、第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光の生成、並びに、差周波数ωの出力光の生成を実現している。
【００４４】
図４に示されるように、本具体例のサブバンド準位構造は、強く結合した第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３に電子が光学遷移するように、設計されている。本具体例では、第１発光上準位Ｌ４と第２発光準位Ｌ５との間のエネルギー間隔は、ΔＥ５４＝１８ｍｅＶである。その他の準位間のエネルギー間隔は、ΔＥ５３＝１２１ｍｅＶ、ΔＥ５２＝１３６ｍｅＶ、ΔＥ５１＝１４９ｍｅＶ、ΔＥ４３＝１０２ｍｅＶ、ΔＥ４２＝１１７ｍｅＶ、ΔＥ４１＝１３１ｍｅＶである。
【００４５】
本具体例において、前段の電子注入層から量子井戸発光層１７に注入された電子は、高速な電子−電子散乱等によって第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５に等しく分布し、第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５はあたかも広がった単一の上準位のように振る舞う。したがって、第１発光上準位Ｌ４から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３への電子の遷移によるゲインと、第２発光準位Ｌ５から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３への電子の遷移によるゲインとが同等の寄与で重なり合い、単峰で広帯域な発光スペクトルが得られる。
【００４６】
このように、単一の活性層構造を用いた構成では、積層された複数の活性層構造を用いた構成とは異なり、活性層３１の全領域にわたって均一な非線形光学特性が得られ、高効率な波長変換が実現される。第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２、第３発光下準位Ｌ３、第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５のキャリア濃度をそれぞれｎ１〜ｎ５と仮定すると共に、ｎ１＝ｎ２＝ｎ３と仮定し、条件ｎ５−ｎｉ＝１．０×１０１５／ｃｍ３、ｎ４−ｎｉ＝１．３×１０１５／ｃｍ３（ｉ＝１、２、３）を用いると、ＤＡＵ構造によって生成される２次の非線形感受率χ（２）の総和の絶対値として、｜χ（２）｜＝２３．３ｎｍ／Ｖが得られる。
［回折格子部の構成］
【００４７】
上述した回折格子部４の構成について、より詳細に説明する。まず、第１ポンプ光及び第２ポンプ光が中赤外光であり、出力光がテラヘルツ光（周波数範囲１ＴＨｚ〜６ＴＨｚ）であり、半導体基板２がＩｎＰ単結晶基板である場合を例として、出力光の放射角度（チェレンコフ放射角度）θＣについて説明する。差周波発生によって生成された出力光は、図１に矢印Ａ１，Ａ２で示されるように、下記式（１）で示される放射角度θＣ（共振方向Ａ０に対する角度）で半導体基板２内を平面波として（すなわち、同位相で）伝播する。下記式（１）において、ｎＭＩＲは、中赤外光（第１ポンプ光及び第２ポンプ光）に対するＩｎＰ単結晶基板（半導体基板２）の屈折率であり、ｎＴＨｚは、テラヘルツ光（出力光）に対するＩｎＰ単結晶基板（半導体基板２）の屈折率である。また、半導体基板２内を伝播した出力光は、下記式（２）で示される入射角θＩで半導体基板２の裏面２ｂに入射する。
θＣ＝cos−１（ｎＭＩＲ／ｎＴＨｚ）…（１）
θＩ＝９０°−θＣ…（２）
【００４８】
上記式（１）及び（２）より、中赤外光に対するＩｎＰ単結晶基板の屈折率をｎＭＩＲ＝３．３７とし、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光に対するＩｎＰ単結晶基板の屈折率をｎＴＨｚ＝３．５３とすると、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθＣ＝１７．２°となり、入射角はθＩ＝７２．８°となる。また、中赤外光に対するＩｎＰ単結晶基板の屈折率をｎＭＩＲ＝３．３７とし、周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光に対するＩｎＰ単結晶基板の屈折率をｎＴＨｚ＝３．５７とすると、周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθＣ＝１９．３°となり、入射角はθＩ＝７０．７°となる。また、中赤外光に対するＩｎＰ単結晶基板の屈折率をｎＭＩＲ＝３．３７とし、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光に対するＩｎＰ単結晶基板の屈折率をｎＴＨｚ＝３．８１とすると、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθＣ＝２７．８°となり、入射角はθＩ＝６２．２°となる。
【００４９】
ここで、スネルの法則より、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光がＩｎＰ単結晶基板と空気との界面に入射する際の全反射臨界角は１６．５°となる。また、周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光がＩｎＰ単結晶基板と空気との界面に入射する際の全反射臨界角は１６．３°となる。また、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光がＩｎＰ単結晶基板と空気との界面に入射する際の全反射臨界角は１５．２°となる。したがって、半導体基板２の裏面２ｂに回折格子部４が設けられていないと、半導体基板２の裏面２ｂから出力光を取り出すことは困難である。
【００５０】
以上の事項を踏まえ、回折格子部４は、出力光に含まれる所定波長の光の−１次光Ｌを半導体基板２の裏面２ｂに直交する方向（すなわち、Ｚ軸方向）に透過させるように、構成されている。一般的に、回折格子に平面波が入射すると、その配列周期ｐに応じて、ある特定の方向のみに平面波が回折される。この条件は、格子方程式として、下記式（３）で示される。下記式（３）において、λは真空での平面波の波長、θは平面波の入射角、θｍはｍ次光の回折角、ｎ１は入射側媒質の屈折率、ｎ２は出射側媒質の屈折率である。
ｎ２sinθｍ−ｎ１sinθ＝ｍλ／ｐ…（３）
【００５１】
例えば、周波数１ＴＨｚ（λ≒３００μｍ）の光の−１次光Ｌを半導体基板２の裏面２ｂに直交する方向に出射させる場合には、上述のとおり、ｎ１＝３．５３、θｍ＝７２．８°であるから、ｎ２＝１．０、θｍ＝０、ｍ＝−１とすると、ｐ＝８９．０２μｍとなる。したがって、当該場合における回折格子部４は、図６に示されるように、複数の金属膜４１の配列周期ｐ（隣り合う金属膜４１のＸ軸方向における中心間距離に相当する）が８９．０２μｍとなるように構成される。
【００５２】
また、周波数３ＴＨｚ（λ≒１００μｍ）の光の−１次光Ｌを半導体基板２の裏面２ｂに直交する方向に出射させる場合には、上述のとおり、ｎ１＝３．５７、θｍ＝７０．７°であるから、ｎ２＝１．０、θｍ＝０、ｍ＝−１とすると、ｐ＝２９．６７μｍとなる。したがって、当該場合における回折格子部４は、複数の金属膜４１の配列周期ｐが２９．６７μｍとなるように構成される。
【００５３】
また、周波数６ＴＨｚ（λ≒５０μｍ）の光の−１次光Ｌを半導体基板２の裏面２ｂに直交する方向に出射させる場合には、上述のとおり、ｎ１＝３．８１、θｍ＝６２．２°であるから、ｎ２＝１．０、θｍ＝０、ｍ＝−１とすると、ｐ＝１４．８４μｍとなる。したがって、当該場合における回折格子部４は、複数の金属膜４１の配列周期ｐが１４．８４μｍとなるように構成される。
［作用及び効果］
【００５４】
以上説明したように、量子カスケードレーザ１では、活性層３１から半導体基板２の裏面２ｂ側に放射角度θＣで放射された出力光に含まれる所定波長の光が、回折格子部４によって回折されて、所定波長の光の−１次光Ｌが、半導体基板２の裏面２ｂに直交する方向に透過させられる。よって、量子カスケードレーザ１によれば、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を所定方向に出射できる。特に、所定波長の光の−１次光Ｌが、半導体基板２の裏面２ｂに直交する方向に透過させられるので、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【００５５】
また、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を取り出す裏面出射型の量子カスケードレーザ１は、次のような点で、特許文献１に記載された表面出射型の量子カスケードレーザよりも有利である。すなわち、表面出射型の量子カスケードレーザでは、半導体基板側にヒートシンクを配置せざるを得ない。これに対し、裏面出射型の量子カスケードレーザ１では、半導体層３側にヒートシンクを配置できる。したがって、裏面出射型の量子カスケードレーザ１によれば、表面出射型の量子カスケードレーザに比べ、効率良く導波路構造３ａを冷却できる。また、表面出射型の量子カスケードレーザでは、構造が複雑化し易い半導体層側にレンズ等の光学素子を配置せざるを得ない。これに対し、裏面出射型の量子カスケードレーザ１では、比較的広い面積を確保し易い回折格子部４側にレンズ等の光学素子を配置できる。したがって、裏面出射型の量子カスケードレーザ１によれば、表面出射型の量子カスケードレーザに比べ、レンズ等の光学素子と容易に結合できる。
【００５６】
また、表面出射型の量子カスケードレーザでは、活性層から半導体基板の裏面側に放射された出力光が半導体基板の裏面で反射されたとしても、半導体基板を往復する分だけ大きな吸収損失が生じる。これに対し、裏面出射型の量子カスケードレーザ１では、活性層３１から半導体基板２とは反対側に放射された出力光が、半導体基板２よりも十分に薄い半導体層３の表面で反射されて（第１電極層６の有無にかかわらず全反射する）半導体基板２の裏面２ｂ側に進行する。したがって、裏面出射型の量子カスケードレーザ１によれば、表面出射型の量子カスケードレーザに比べ、所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【００５７】
なお、裏面出射型の量子カスケードレーザ１によれば、回折格子部４も容易に形成できる。仮に、表面出射型の量子カスケードレーザに回折格子部４のような構成を適用しようとすると、構造が複雑化し易い半導体層側に回折格子部を形成することになるため、回折格子部の形成のために半導体層を厚くしなければならない等、より長い結晶成長時間が必要となる。したがって、裏面出射型の量子カスケードレーザ１は、回折格子部４のような構成を適用する上で特に有利である。
【００５８】
また、量子カスケードレーザ１では、第１ポンプ光及び第２ポンプ光を単一モード発振させる回折格子層３２ａ，３２ｂが半導体層３に設けられている。この構成により、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【００５９】
また、量子カスケードレーザ１では、半導体層３の導波路構造３ａにおける半導体基板２とは反対側の表面に、第１電極層６が設けられている。この構成により、第１電極層６は、一対の第２電極層７と共に活性層３１に電流を供給するための電極層として機能するだけでなく、活性層３１から半導体基板２とは反対側にチェレンコフ放射角度で放射された出力光を反射する反射層としても機能する。したがって、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。
【００６０】
また、量子カスケードレーザ１では、回折格子部４が、半導体基板２の裏面２ｂに設けられた複数の金属膜４１を含み、複数の金属膜４１が、共振方向Ａ０に交差する方向に延在し、共振方向Ａ０に配列されている。この構成により、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。また、半導体基板２での出力光の吸収損失を低減するために半導体基板２を薄くしても、複数の金属膜４１によって量子カスケードレーザ１の機械的強度の低下を抑制できる。
【００６１】
なお、半導体基板２の厚さは、５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。半導体基板２の厚さは、例えば、回折格子部４を形成する前に半導体基板２の裏面２ｂを研磨することで調整できる。５０μｍは、量子カスケードレーザ１の機械的強度の低下の抑制を考慮した場合における半導体基板２の厚さの最小値の一例である。２００μｍは、出力光の吸収損失の低減を考慮した場合における半導体基板２の厚さの最大値の一例である。
［変形例］
【００６２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、回折格子部４は、出力光に含まれる所定波長の光のｍ次光（ｍは整数）を半導体基板２の裏面２ｂに交差する所定方向に透過させるように、構成されたものであればよい。
【００６３】
図７に示される回折格子部４は、半導体基板２の裏面２ｂに一体的に設けられた複数の凸部４２と、複数の金属膜４３と、を含んでいる。複数の凸部４２は、共振方向Ａ０に直交する方向に延在しており、共振方向Ａ０に配列されている。複数の金属膜４３は、複数の凸部４２の頂部４２ａ及び複数の凸部４２間の底部４２ｂのうち、複数の凸部４２の頂部４２ａのみに設けられている。
【００６４】
図８に示される回折格子部４は、半導体基板２の裏面２ｂに一体的に設けられた複数の凸部４２と、複数の金属膜４４と、を含んでいる。複数の凸部４２は、共振方向Ａ０に直交する方向に延在しており、共振方向Ａ０に配列されている。複数の金属膜４４は、複数の凸部４２の頂部４２ａ及び複数の凸部４２間の底部４２ｂのうち、複数の凸部４２間の底部４２ｂのみに設けられている。
【００６５】
図９に示される回折格子部４は、半導体基板２の裏面２ｂに一体的に設けられた複数の凸部４２と、複数の金属膜４３，４４と、を含んでいる。複数の凸部４２は、共振方向Ａ０に直交する方向に延在しており、共振方向Ａ０に配列されている。複数の金属膜４３は、複数の凸部４２の頂部４２ａに設けられており、複数の金属膜４４は、複数の凸部４２間の底部４２ｂに設けられている。
【００６６】
図１０に示される回折格子部４は、半導体基板２の裏面２ｂに一体的に設けられた複数の凸部４２を含んでいる（金属膜は含んでいない）。複数の凸部４２は、共振方向Ａ０に直交する方向に延在しており、共振方向Ａ０に配列されている。
【００６７】
図７、図８、図９及び図１０に示される回折格子部４によれば、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光を効率良く取り出すことができる。図７、図８及び図９に示される回折格子部４によれば、半導体基板２での出力光の吸収損失を低減するために半導体基板２を薄くしても、複数の金属膜４３及び複数の金属膜４４の少なくとも一方によって量子カスケードレーザ１の機械的強度の低下を抑制できる。
【００６８】
なお、複数の凸部４２について「半導体基板２の裏面２ｂに一体的に設けられている」とは、例えば、半導体基板２の裏面２ｂにエッチング等を施すことで、複数の凸部４２が半導体基板２と同一の材料で半導体基板２の裏面２ｂに一体的に形成されていることを意味する。その場合、半導体基板２の裏面２ｂは、複数の凸部４２間の底部４２ｂに沿った面である。
【００６９】
また、図７、図８、図９及び図１０に示される回折格子部４が適用される場合にも、上述した理由により、半導体基板２の厚さは、５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。ここで、周波数５ＴＨｚ〜６ＴＨｚのテラヘルツ光に対するＩｎＰ単結晶基板の吸収係数は、３０／ｃｍである。したがって、テラヘルツ光の強度が１／ｅとなるまでにテラヘルツ光が伝搬可能な距離は、３３０μｍと見積もられる。周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光の放射角度はθＣ＝２７．８°であるから、半導体基板２の厚さが１５０μｍ（≒３３０μｍ×sin２７．８°）以下であれば、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光が伝搬可能である。一方、周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光は、複数の凸部４２間の底部４２ｂ近傍を透過する。よって、このことを考慮し、半導体基板２の厚さを２００μｍまでとしておけばよい。また、各凸部４２の高さは、量子カスケードレーザ１の機械的強度を確保する観点から、「半導体基板２の厚さ−２０μｍ」以下とすることが好ましい。以上のような複数の凸部４２は、機械的加工（ダイシングソー、スクライバー等を用いた加工）、エッチング、Focused ion beam等によって形成可能である。
【００７０】
また、図６に示される回折格子部４において、複数の金属膜４１は、共振方向Ａ０に交差する方向に延在するように、半導体基板２の裏面２ｂに設けられていればよい。また、図７、図８、図９及び図１０に示される回折格子部４において、複数の凸部４２は、共振方向Ａ０に交差する方向に延在するように、半導体基板２の裏面２ｂに設けられていればよい。
【００７１】
また、２種類の回折格子層３２ａ，３２ｂに替えて、１種類の回折格子層が半導体層３に設けられてもよいし、或いは、３種類以上の回折格子層が半導体層３に設けられてもよい。分布帰還構造として機能する回折格子層は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の少なくとも１つを単一モード発振させるものであればよい。また、分布帰還構造として機能する回折格子層に替えて、ファブリペロー動作において発振スペクトル幅が１ＴＨｚ以上に広がった構成での差周波発生を利用する構成としてもよい。このような構成では、分布帰還構造として機能する回折格子層に比べ、テラヘルツ光の出力は低くなるが、広帯域のＴＨｚスペクトルを得ることができる。
【００７２】
また、活性層３１は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するように、且つチェレンコフ位相整合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（＝｜ω１−ω２｜）の出力光を生成するように、構成されたものであれば、どのような構成であってもよい。例えば、活性層３１は、第１周波数ω１の第１ポンプ光を生成する第１活性層と、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成する第２活性層との２種類の活性層が直列に積層されたものであってもよい。また、活性層３１は、１種類の結合二重上準位構造を用いたものに限定されず、２種類以上の活性層構造を用いたものであってもよい。また、活性層３１は、結合二重上準位構造を用いたものに限定されず、例えば、bound-to-continuum構造、two phonon resonance構造等を用いたものであってもよい。また、半導体層３の内部に作り込んだ分布帰還構造によって単一モード発振させたポンプ光と、外部共振器によって選択した単一モードのポンプ光とを、同一導波路内で同時にレーザ発振させて混合させることで、単一モードのテラヘルツ光を差周波発生させてもよい。
【００７３】
また、上述した具体例では、ＩｎＰ単結晶基板に対して格子整合する構成の活性層３１を例示したが、活性層３１は、歪補償を導入した構成を用いたものであってもよい。また、活性層３１の半導体材料系については、上述したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓに限定されず、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ等、様々な半導体材料系を適用できる。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を適用できる。
【００７４】
また、半導体基板２は、半絶縁性のＩｎＰ単結晶基板に限定されず、例えば、アンドープＩｎＰ単結晶基板（Ｓｉ doped：〜５×１０１５／ｃｍ３）、低ドープＩｎＰ単結晶基板（Ｓｉ doped：５×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３）等であってもよい。ただし、半導体基板２での出力光の吸収損失を低減する観点では、半導体基板２は、不純物がドーピングされていない半絶縁体基板であることが好ましい。
［シミュレーション結果］
【００７５】
実施例１〜５の量子カスケードレーザについて、透過回折効率のシミュレーションを実施した。実施例１の量子カスケードレーザは、図６に示される回折格子部４を備えるものである。実施例２の量子カスケードレーザは、図７に示される回折格子部４を備えるものである。実施例３の量子カスケードレーザは、図８に示される回折格子部４を備えるものである。実施例４の量子カスケードレーザは、図９に示される回折格子部４を備えるものである。実施例５の量子カスケードレーザは、図１０に示される回折格子部４を備えるものである。なお、実施例１〜５の量子カスケードレーザにおいて、半導体基板２を半絶縁性のＩｎＰ単結晶基板とし、金属膜４１，４３，４４をＡｕ膜とした。
【００７６】
当該シミュレーションでは、実施例１〜５の量子カスケードレーザにおいて、回折格子部４のｐ，ｔ，ｄの値を変化させつつ、２ＤのＲＣＷＡ（厳密波結合理論）を用いて透過回折効率Ｔｍ（Ｔｍ＝Ｉｍ／Ｉ０）を求めた。ここで、実施例１の量子カスケードレーザについては、ｐは、複数の金属膜４１の配列周期（隣り合う金属膜４１のＸ軸方向における中心間距離に相当する）であり、ｔは、各金属膜４１の高さ（Ｚ軸方向における高さ）であり、ｄは、各金属膜４１の幅（Ｘ軸方向における幅）である。実施例２〜５の量子カスケードレーザについては、ｐは、複数の凸部４２の配列周期（隣り合う凸部４２のＸ軸方向における中心間距離に相当する）であり、ｔは、各凸部４２の高さ（Ｚ軸方向における高さ）であり、ｄは、各凸部４２の幅（Ｘ軸方向における幅）である。透過回折効率Ｔｍにおいて、Ｉ０は、回折格子部４に入射したテラヘルツ光（出力光）の強度であり、Ｉｍは、回折格子部４を透過したｍ次光の強度である。
【００７７】
なお、当該シミュレーションでは、光源の偏光を、図１のＸＹ面（Ｚ軸方向に垂直な面）に平行な電界振幅、図１のＹ軸方向の磁界振幅成分を持つもの（ＴＭ波）とした。金属膜４１，４３，４４の材料であるＡｕの実効誘電率としては、下記式（４）及び（５）で示されるドルーデモデルを使用し、その膜厚を０．２μｍとした。
ε（ω）＝１−［ωｐ２／ω（ω＋ｉωγ）］…（４）
ωｐ＝２．１６×１０２／ｃｍ，ωγ＝７．２５×１０４／ｃｍ…（５）
［実施例５の量子カスケードレーザ］
【００７８】
周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光については、ｄ／ｐ＝０．８，ｔ／ｐ＝３．４５（ｄ＝７１．２μｍ，ｔ＝３０７．１μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１（−１次光についての透過回折効率Ｔ−１＝Ｉ−１／Ｉ０、Ｉ０：回折格子部４に入射したテラヘルツ光（出力光）の強度、Ｉ−１：回折格子部４を透過した−１次光の強度）の最大値１３．６％を得た。周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光については、ｄ／ｐ＝０．８，ｔ／ｐ＝２．２（ｄ＝２３．７μｍ，ｔ＝６５．３μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％を得た。周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光については、ｄ／ｐ＝０．７，ｔ／ｐ＝２．１５（ｄ＝１０．４μｍ，ｔ＝３１．９μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％を得た。
［実施例１の量子カスケードレーザ］
【００７９】
周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１１の（ａ）及び図１２の（ａ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．８，ｔ／ｐ＝０．７５（ｄ＝７１．２μｍ，ｔ＝６６．８μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値４３．１％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．３９＜ｄ／ｐ＜０．９６，０．３５＜ｔ／ｐ＜１．１５，２＜ｔ／ｐ＜２．８，３．８＜ｔ／ｐ＜４．５等であった。
【００８０】
周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１１の（ｂ）及び図１２の（ｂ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．８，ｔ／ｐ＝０．７５（ｄ＝２３．７μｍ，ｔ＝２２．３μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値４１．１％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．４２＜ｄ／ｐ＜０．９３，０．４５＜ｔ／ｐ＜１．０５，２．１＜ｔ／ｐ＜２．８，３．８＜ｔ／ｐ＜４．４等であった。
【００８１】
周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１１の（ｃ）及び図１２の（ｃ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．７５，ｔ／ｐ＝０．７５（ｄ＝１１．１μｍ，ｔ＝１１．１μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値３７．５％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．５９＜ｄ／ｐ＜０．８６，０．６＜ｔ／ｐ＜０．９，２．３＜ｔ／ｐ＜２．６，４．０＜ｔ／ｐ＜４．２等であった。
【００８２】
以上の結果から、実施例１の量子カスケードレーザに相当する量子カスケードレーザでは、ｄ／ｐが０．３９＜ｄ／ｐ＜０．９６を満たし、ｔ／ｐが０．３５＜ｔ／ｐ＜１．１５、２＜ｔ／ｐ＜２．８又は３．８＜ｔ／ｐ＜４．５を満たせば、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができるといえる。
［実施例２の量子カスケードレーザ］
【００８３】
周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１３の（ａ）及び図１４の（ａ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．８４，ｔ／ｐ＝１．９（ｄ＝７４．８μｍ，ｔ＝１６９．１μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値２１．７％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．５１＜ｄ／ｐ＜０．６３，０．７６＜ｄ／ｐ＜０．９５，０．２＜ｔ／ｐ＜０．４，０．９＜ｔ／ｐ＜３．３，３．７＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００８４】
周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１３の（ｂ）及び図１４の（ｂ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．８４，ｔ／ｐ＝１．４５（ｄ＝２４．９μｍ，ｔ＝４３．０μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値２５．９％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．５２＜ｄ／ｐ＜０．５７，０．７５＜ｄ／ｐ＜０．９３，０．９＜ｔ／ｐ＜２．９，３．１＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００８５】
周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１３の（ｃ）及び図１４の（ｃ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．７２，ｔ／ｐ＝１．４（ｄ＝１０．７μｍ，ｔ＝２０．８μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値３７．２％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．６７＜ｄ／ｐ＜０．８９，０．７＜ｔ／ｐ＜２．２，３＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００８６】
以上の結果から、実施例２の量子カスケードレーザに相当する量子カスケードレーザでは、ｄ／ｐが０．５１＜ｄ／ｐ＜０．６３又は０．６７＜ｄ／ｐ＜０．８９を満たし、ｔ／ｐが０．２＜ｔ／ｐ＜０．４又は０．７＜ｔ／ｐ＜５を満たせば、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができるといえる。
［実施例３の量子カスケードレーザ］
【００８７】
周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１５の（ａ）及び図１６の（ａ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．５，ｔ／ｐ＝１．２５（ｄ＝４４．５μｍ，ｔ＝１１１．３μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値３３．７％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．２７＜ｄ／ｐ＜０．８５，０．２＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００８８】
周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１５の（ｂ）及び図１６の（ｂ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．５，ｔ／ｐ＝１．２５（ｄ＝１４．８μｍ，ｔ＝３７．１μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値３３．６％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．３１＜ｄ／ｐ＜０．８５，０．２＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００８９】
周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１５の（ｃ）及び図１６の（ｃ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．６５、ｔ／ｐ＝３．６５（ｄ＝９．６４μｍ、ｔ＝５４．２μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値４３．６％を得た。また、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光及び周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光との関係では、ｄ／ｐ＝０．４５，ｔ／ｐ＝１．３５（ｄ＝６．６８μｍ，ｔ＝２０．０μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の極大値３１．８％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．４１＜ｄ／ｐ＜０．５６，０．６２＜ｄ／ｐ＜０．７７，０．８９＜ｄ／ｐ＜０．９２，１．９＜ｔ／ｐ＜２．５，３．３＜ｔ／ｐ＜４．２等であった。
【００９０】
以上の結果から、実施例３の量子カスケードレーザに相当する量子カスケードレーザでは、ｄ／ｐが０．２７＜ｄ／ｐ＜０．８５又は０．８９＜ｄ／ｐ＜０．９２を満たし、ｔ／ｐが０．２＜ｔ／ｐ＜５を満たせば、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができるといえる。
［実施例４の量子カスケードレーザ］
【００９１】
周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１７の（ａ）及び図１８の（ａ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．４５，ｔ／ｐ＝０．３（ｄ＝４０．１μｍ，ｔ＝２６．７μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値３５．２％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．２８＜ｄ／ｐ＜０．６，０．７８＜ｄ／ｐ＜０．９５，０．１＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００９２】
周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１７の（ｂ）及び図１８の（ｂ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．４５，ｔ／ｐ＝０．３（ｄ＝１３．４μｍ，ｔ＝８．９μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値３４．８％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．３１＜ｄ／ｐ＜０．５７，０．７４＜ｄ／ｐ＜０．９３，０．１＜ｔ／ｐ＜５等であった。
【００９３】
周波数６ＴＨｚのテラヘルツ光については、図１７の（ｃ）及び図１８の（ｃ）に示されるように、ｄ／ｐ＝０．７５，ｔ／ｐ＝１．５（ｄ＝１１．１μｍ，ｔ＝２２．３μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の最大値４２．８％を得た。また、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光及び周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光との関係では、ｄ／ｐ＝０．４５，ｔ／ｐ＝０．３５（ｄ＝６．６８μｍ，ｔ＝５．１９μｍ）の場合に透過回折効率Ｔ−１の極大値３１．３％を得た。実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる範囲は、０．３９＜ｄ／ｐ＜０．４７，０．６４＜ｄ／ｐ＜０．９，０．８５＜ｔ／ｐ＜１．６等であった。
【００９４】
以上の結果から、実施例４の量子カスケードレーザに相当する量子カスケードレーザでは、ｄ／ｐが０．２８＜ｄ／ｐ＜０．６又は０．６４＜ｄ／ｐ＜０．９５を満たし、ｔ／ｐが０．１＜ｔ／ｐ＜５を満たせば、半導体基板２の裏面２ｂ側から所定波長の光をより効率良く取り出すことができるといえる。
【００９５】
なお、ｔ／ｐについては５までとした。その理由は、アスペクト比（ｔ／ｐ）が高くなるほど回折格子部４を形成する上で実質的に困難が伴うため、同等の性能が得られるのであればアスペクト比は低いほうが好ましいからである。
【００９６】
当該シミュレーションでは、金属膜４１，４３，４４の材料をＡｕからＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ又はＷに替えても、得られる透過回折効率Ｔ−１の分布に大きな差異がないことが分かった。したがって、金属膜４１，４３，４４の材料はＡｕに限定されないといえる。
【００９７】
また、実施例２の量子カスケードレーザでは、金属膜４３の材料をＡｕからＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ又はＷに替えても、金属膜４３の厚さが０．０１μｍ以上２０μｍ以下であれば、透過回折効率Ｔｍに大きな差異がないことが分かった。また、実施例２の量子カスケードレーザでは、金属膜４３の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であれば、大きな差異がなく高い透過回折効率Ｔ―１が得られることが分かった。また、実施例２の量子カスケードレーザでは、１ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．８４、ｔ／ｐ＝１．９において、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる金属膜４３の厚さの範囲は、０．００２μｍ以上２００μｍ以下であった。また、実施例２の量子カスケードレーザでは、３ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．８５、ｔ／ｐ＝１．４において、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる金属膜４３の厚さの範囲は、０．０１μｍ以上２０μｍ以下であった。また、実施例２の量子カスケードレーザでは、６ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．７２、ｔ／ｐ＝１．４において、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる金属膜４３の厚さの範囲は、０．０１μｍ以上８μｍ以下であった。
【００９８】
また、実施例３の量子カスケードレーザでは、１ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．５、ｔ／ｐ＝１．２５において、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる金属膜４４の厚さの範囲は、０．００１μｍ以上１００μｍ以下であった。また、実施例３の量子カスケードレーザでは、３ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．５、ｔ／ｐ＝１．２５において、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる金属膜４４の厚さの範囲は、０．００１μｍ以上８μｍ以下であった。また、実施例３の量子カスケードレーザでは、６ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．５、ｔ／ｐ＝１．２５において、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ−１が得られる金属膜４４の厚さの範囲は、０．１μｍ以上１μｍ以下であった。
【００９９】
また、実施例４の量子カスケードレーザでは、１ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．４５、ｔ／ｐ＝０．３において、金属膜４３の厚さが０．０００１μｍ以上１００μｍ以下、金属膜４４の厚さが０．００１μｍ以上１０μｍ以下であれば、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１３．６％よりも高い透過回折効率Ｔ―１が得られることが分かった。また、実施例４の量子カスケードレーザでは、３ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．４５、ｔ／ｐ＝０．３において、金属膜４３の厚さが０．０１μｍ以上１００μｍ以下、金属膜４４の厚さが０．００１μｍ以上５μｍ以下であれば、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値１６．７％よりも高い透過回折効率Ｔ―１が得られることが分かった。また、実施例４の量子カスケードレーザでは、６ＴＨｚ、ｄ／ｐ＝０．４５、ｔ／ｐ＝０．３において、金属膜４３の厚さが０．０１μｍ以上３μｍ以下、金属膜４４の厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下であれば、実施例５の量子カスケードレーザにおける透過回折効率Ｔ−１の最大値２８．３％よりも高い透過回折効率Ｔ―１が得られることが分かった。
【符号の説明】
【０１００】
１…量子カスケードレーザ、２…半導体基板、２ａ…表面、２ｂ…裏面、３…半導体層、４…回折格子部、６…第１電極層（金属層）、３１…活性層、３２ａ，３２ｂ…回折格子層、４１，４３，４４…金属膜、４２…凸部、４２ａ…頂部、４２ｂ…底部、Ａ０…共振方向。
【図１】
2019191412.tif 000003
【図２】
2019191412.tif 000004
【図３】
2019191412.tif 000005
【図４】
2019191412.tif 000006
【図５】
2019191412.tif 000007
【図６】
2019191412.tif 000008
【図７】
2019191412.tif 000009
【図８】
2019191412.tif 000010
【図９】
2019191412.tif 000011
【図１０】
2019191412.tif 000012
【図１１】
2019191412.tif 000013
【図１２】
2019191412.tif 000014
【図１３】
2019191412.tif 000015
【図１４】
2019191412.tif 000016
【図１５】
2019191412.tif 000017
【図１６】
2019191412.tif 000018
【図１７】
2019191412.tif 000019
【図１８】
2019191412.tif 000020