(57)【要約】  差周波数発生（ＤＦＧ）による放射の発生方法および装置。例示的な一実現例においては、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）は、ＱＣＬの活性領域に組み込まれる、有効な２次非線形感受率χ(2)を有する。ＱＣＬは、非線形感受率から生じる差周波数発生（ＤＦＧ）に基づいて、第１の周波数ω１において第１の放射、第２の周波数ω２において第２の放射、および第３の周波数ω３＝ω１−ω２において第３の放射を発生するように、構成される。１つの観点において、ＱＣＬは、室温においてかなりのＴＨｚ放射を発生するように構成してもよい。
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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ーの活性領域に組み込まれる有効な２次非線形感受率（χ(2)）を有する量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）であって、第１の周波数ω１における第１の放射、第２の周波数ω２における第２の放射、および第３の周波数ω３＝ω１−ω２における第３の放射を、非線形感受率から生じる差周波数発生（ＤＦＧ）に基づいて発生するように構成されている前記ＱＣＬを含む、装置。
【請求項２】
ＱＣＬが、
第１の放射を発生するように構成された第１の量子カスケード（ＱＣ）構造、および
第２の放射を発生するように構成された第２のＱＣ構造を含み、
非線形感受率が、前記第１のＱＣ構造と前記第２のＱＣ構造の少なくとも一方に組み込まれている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
非線形感受率が、第１のＱＣ構造と第２のＱＣ構造の両方に組み込まれている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
非線形感受率が、第１のＱＣ構造と第２のＱＣ構造の一方だけに組み込まれている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
非線形感受率が、第１のＱＣ構造ではなく、第２のＱＣ構造に組み込まれている、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
第１のＱＣ構造が、少なくとも１つの２フォノン構造を含み、
第２のＱＣ構造が、少なくとも１つのｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造を含む、請求項２〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
第１のＱＣ構造が、約２０〜３０の２フォノン構造を含み、
第２のＱＣ構造が、約３０のｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ＱＣＬは、第１、第２および第３の放射を発生する、単一量子カスケード（ＱＣ）構造を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
単一ＱＣ構造が、少なくとも１つの改変２フォノン構造を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
第１の放射および第２の放射が、それぞれ、電磁スペクトルの中赤外帯内の第１および第２の波長を有し、第３の放射が、電磁スペクトルのテラヘルツ（ＴＨｚ）帯内の波長を有する、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
第１および第２の波長は、約５〜１０マイクロメートルの範囲であり、
第３の波長が、約３０〜３００マイクロメートルの範囲である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
装置が、室温で動作するように構成されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
装置が、約２５０°Ｋ以下の温度で動作するように構成されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
装置が、約１５０°Ｋ以下の温度で動作するように構成されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
装置が、約８０°Ｋ以下の温度で動作するように構成されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
装置が、動作温度の制御された変動に基づいて、第１、第２および第３の周波数を可変に同調するように構成されている、請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
ＱＣＬの動作温度を制御するために、前記ＱＣＬに結合された熱電冷却器をさらに含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
熱電冷却器が、約１９５〜２９５°Ｋの範囲にわたる動作温度を提供するように構成されている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
装置が、連続波（ＣＷ）モードで動作するように構成されている、請求項１〜１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
装置が、パルスモードで動作するように構成されている、請求項１〜１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
ＱＣＬが、表面プラズモン導波路構造を含む、請求項１〜２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
表面プラズモン導波路構造が、第３の放射を実質的に閉じ込める、少なくとも１つの導電面を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
第１および第２の放射が、少なくとも１つの導電面と大きく重畳しないように、表面プラズモン導波路構造が構成されている、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
表面プラズモン導波路構造が、
活性領域がその間に配置されている、第１および第２の導電面、および
第１および第２の導電面の間に活性領域が配置された、低ドープバッファー材料を含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
第１および第２の導電面が、装置への電流の印加を容易化するための金属接点を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
表面プラズモン導波路構造上に配置されたグレーティングをさらに含み、表面プラズモン導波路構造の長さに沿って第３の放射を抽出するように構成されている、請求項２１〜２５のいずれかに記載の装置。
【請求項２７】
ＱＣＬが、第３の放射の少なくとも一部分がそこから発出する、後端ファセットおよび前端ファセットを含む、導波路構造を有する、請求項１〜２６のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
導波路構造が、前端ファセットに近接するテーパー区間を含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前端ファセットと光学連通するレンズをさらに含む、請求項２７または２８に記載の装置。
【請求項３０】
Ａ）非線形感受率から生じる差周波数発生（ＤＦＧ）に基づく、第１の周波数ω１における第１の放射、第２の周波数ω２における第２の放射、および第３の周波数ω３＝ω１−ω２における第３の放射の発生を容易化するように、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）の活性領域に、有効な２次非線形感受率（χ(2)）を組み込むことを含む、方法。
【請求項３１】
ＱＣＬが、第１の放射を発生するように構成された第１の量子カスケード（ＱＣ）構造、および第２の放射を発生するように構成された第２のＱＣ構造を含み、
Ａ）が、前記第１のＱＣ構造と前記第２のＱＣ構造の少なくとも一方に非線形感受率を組み込むことを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
Ａ）が、第１のＱＣ構造と第２のＱＣ構造の両方に非線形感受率を組み込むことを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
Ａ）が、第１のＱＣ構造と第２のＱＣ構造の一方だけに非線形感受率を組み込むことを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
Ａ）が、第１のＱＣ構造ではなく、第２のＱＣ構造に非線形感受率を組み込むことを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
第１のＱＣ構造が、少なくとも１つの２フォノン構造を含み、
第２のＱＣ構造が、少なくとも１つのｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造を含む、請求項３１〜３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
第１のＱＣ構造が、約２０の２フォノン構造を含み、
第２のＱＣ構造が、約３０のｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
ＱＣＬは、第１、第２および第３の放射を発生する、単一量子カスケード（ＱＣ）構造を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
単一ＱＣ構造が、少なくとも１つの改変２フォノン構造を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
第１の放射および第２の放射が、それぞれ、電磁スペクトルの中赤外帯内の第１および第２の波長を有し、第３の放射が、電磁スペクトルのテラヘルツ（ＴＨｚ）帯内の波長を有する、請求項３０〜３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
第１および第２の波長は、約５〜１０マイクロメートルの範囲であり、
第３の波長が、約３０〜３００マイクロメートルの範囲である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
ＱＣＬを室温で動作させることをさらに含む、請求項３０〜４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
ＱＣＬを約２５０°Ｋ以下の温度で動作させることをさらに含む、請求項３０〜４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４３】
ＱＣＬを約１５０°Ｋ以下の温度で動作させることをさらに含む、請求項３０から４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４４】
ＱＣＬを約８０°Ｋ以下の温度で動作させることをさらに含む、請求項３０〜４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４５】
第１、第２および第３の周波数を可変に同調するように、ＱＣＬの動作温度を制御可能に変動させることをさらに含む、請求項３０〜４４のいずれかに記載の方法。
【請求項４６】
動作温度を制御可能に変動させることが、約１９５〜２９５°Ｋの範囲にわたり動作温度を制御可能に変動させることをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
ＱＣＬを連続波（ＣＷ）モードで動作させるように、連続電流をＱＣＬに印加することをさらに含む、請求項３０〜４６のいずれかに記載の方法。
【請求項４８】
ＱＣＬをパルスモードで動作させるように、前記ＱＣＬにパルス電流を印加することをさらに含む、請求項３０〜４６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ放射の発生方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
政府援助研究
本明細書で開示する主題に関する研究の一部は、合衆国国立科学財団（United States National Science Foundation）第ＮＳＦ−ＥＣＳ−０５４７０１９およびＮＳＦ−ＯＩＳＥ−０５３０２２０、ならびに合衆国空軍科学研究局（the United States Air Force Office of Scientific Research）授与番号ＦＡ９５５０−０５−１−０４３５により支援されるものであり、合衆国政府は、開示される主題の一部について特定の権利を有する。
【０００３】
背景
テラヘルツ（ＴＨｚ）スペクトル範囲（
【数１】
2010521815.tif 000003
；一般的には遠赤外帯とマイクロ波帯の間）には、効率的で、狭帯域の同調可能な半導体光源、特に小型で、電気的に励起される室温半導体光源が長年、欠落していた。かなり長い間、ｐドープされたゲルマニウムレーザーが、ＴＨｚ領域において唯一利用可能な半導体光源であった。しかしながら、この光源は、液体窒素の温度より低い温度でのみ作動する（すなわち、極低温冷却を必要とする）。
【０００４】
近年、半導体ベースの量子カスケードレーザー（ＱＣＬｓ：Quantum-Cascade Lasers）が、ＴＨｚスペクトル領域用に開発され、最高動作温度はパルスモードにおいて１７８°Ｋ（約３ＴＨｚの放出周波数）であると報告されている。しかしながら、これらのレーザーには固有の重大な制限がある。第１に、それらの同調性は、利得ペクトルが狭いために、本質的に制限されている。第２には、それらの動作温度は、低エネルギーＴＨｚ遷移を越えての反転分布が根本的に必要であるために、極低温に制約される可能性が高い。特に、ＴＨｚ放射の特徴である狭エネルギー帯遷移特性のゆえに、動作温度が上がると、電子緩和の別のチャネルが有効となり、それによって反転分布（population inversion）を妨害するために、高エネルギー状態の非放射性減損（non-radiative depletion）が発生しやすい。光導電性スイッチ類またはミキサー技術に基づく、代替光源は室温で動作可能であるが、効率が低く、大型で発光帯が広い。
【０００５】
ＱＣＬに関わる他の研究活動において、ＱＣＬは、中赤外スペクトル帯域（例えば、約５〜１０マイクロメートル）における複数の異なる波長において同時にレーザー発光するように実現されている。そのような一例では、単一の量子カスケード活性領域が、最大で３つの異なる波長を同時に発生しており、別の例においては、異なる波長における中赤外発生用に設計された２つの活性領域が、単一のＱＣＬ導波路構造に集積され、このＱＣＬ導波路構造から、数百ミリワットの電力レベルにおいて、２波長発生が達成されている。
【０００６】
差周波数発生（ＤＦＧ）は、非線形の光学過程であり、周波数ω１およびω２の２本のビーム（「ポンプ」ビームと呼ばれることが多い）が２次非線形感受率（second-order nonlinear susceptibility）χ(2)を有する媒体内で反応して、周波数ω＝ω１−ω２における放射を発生する。周波数ω＝ω１−ω２における波動の強度は、次の式で与えられる：
【数２】
2010521815.tif 000004
ここで、
【数３】
2010521815.tif 000005
は、コヒーレンス長であり、Ｗ（ωｉ）、ｎ（ωｉ）、および
【数４】
2010521815.tif 000006
は、それぞれ、周波数ωｉにおける電力、屈折率およびビームの波ベクトルであり、αは、差周波数ωにおける損失を表わし、Ｓｅｆｆは、反応の有効面積であり、媒体は両ポンプに対して透明であること、およびＤＦＧ過程におけるポンプ電力の減損は無視できることが仮定される。式（１）から、効率的なＤＦＧのために、大きなχ(2)を有する材料を使用し、高強度のビームを入力し、低損失と位相整合、
【数５】
2010521815.tif 000007
を達成する必要がある。
【０００７】
ＤＦＧは、良好なレーザー光源が存在する、赤外（ＩＲ）または可視スペクトル範囲におけるポンプ周波数ω１およびω２を使用することによって、ＴＨｚ放射を発生するのに利用することができる。様々な研究活動では、ＬｉＮｂＯ３またはＧａＡｓなどの非線形光学結晶を、２つの連続波（ＣＷ）またはパルスレーザーで外部的に励起することによる、室温における狭帯域ＴＨｚ発生を報告している。そのような活動の一つは、約１．５マイクロメートルの波長と、それぞれ約１Ｗの電力レベルで動作する、２つのレーザーダイオードの出力によって励起される、ＬｉＮｂＯ３におけるＤＦＧに基づくＣＷＴＨｚ発生を報告しており、この場合に、ＴＨｚ出力は、１９０から２００マイクロメートル（１．５〜１．６ＴＨｚ）の間で同調することができる。検出されたＴＨｚ信号の出力電力は、サブナノワット（sub-nanowatt）レベルである。ＤＦＧを介してＴＨｚ放射を発生しようとする、これらの活動は、非線形媒体に関する低損失および位相整合に頼って、変換効率を高めるものである。特に、それらは高強度パルス固体レーザー（通常、約１ＧＷ／ｃｍ２、非線形結晶の損傷閾値によって制限されることが多い）からの集束ビームを使用し、透明非線形結晶内の厳密な位相整合または擬似位相整合のいずれかによって、数十ミリメートルの大きいコヒーレンス長を達成する。この技法は、広いスペクトル同調性をもたらし、室温で機能する。しかしながら、これには、強力なレーザーポンプと、一般的に複雑な光学装置とが必要であり、最終的には、嵩張って重すぎるＴＨｚ源が得られる。
【０００８】
式（１）によれば、ＤＦＧにおいて生成される信号の強度は、２次非線形感受率の２乗に比例し、ＤＦＧに基づく出力電力は、より高い２次非線形感受率を有する非線形材料が使用されると大幅に改善される可能性がある。これに関して、１９８０年代末期からの研究によって、サブバンド間遷移と呼ばれる同一帯域内の光学的遷移に対応して量子井戸構造に関連するそれぞれのエネルギーレベルを適応させることによって、中および遠赤外スペクトル領域において大きな光学的非線形性を有する、非対称の単一量子井戸構造または結合量子井戸構造を工作できるということが確立された。特に、１つの研究では、結合量子井戸構造において６０マイクロメートル（５ＴＨｚ）において、ＦＤＧに対する１０６ｐｍ／Ｖの（すなわち、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＰ、ＧａＡｓなどの従来の非線形結晶のそれより４桁大きい）２次非線形感受率χ(2)が計測された。
【０００９】
前述の過程に対するメカニズムは、図１に示してあり、この場合に、（それぞれ、矢印１０２および１０４で表わされるエネルギー遷移に対応して）約１０マイクロメートルで発出するＣＯ２レーザーからの２本の中赤外ビームが、（矢印１０６で表わされるエネルギー遷移に対応して）約６２マイクロメートルの波長において、差周波数信号を発生する。原理的に、そのようなχ(2)は、相対的に低いポンプ強度および低いコヒーレンス長に対しても、効率的なＴＨｚ発生を可能にする。しかしながら、これらの構造における高い光学的非線形性は、すべての相互作用場がサブバンド間遷移と共鳴するという理由で、達成される。この結果として、ポンプビームならびにＴＨｚＤＦＧビームの強い吸収が発生し、このために、ＴＨｚＤＦＧ効率が制限されることは避けられない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本開示は、全体的には、差周波数発生（ＤＦＧ）に基づきテラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発生するための量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）に関する、新規な装置および方法を目的とする。
【００１１】
本出願者らは、図１に示される過程によって例示される特に高い２次光学非線形性が、ＤＦＧ過程を実現するための潜在的に魅力的な選択肢を与えることを認識、評価した。しかしながら、そのような過程を実際に利用するためには、重大な吸収問題を、実質的に軽減または克服する必要がある。しかしながら、出願者らは、これらの吸収問題に対する解決策も認識し、評価した。具体的には、高い２次非線形性のために工作された量子井戸構造において、エネルギーレベル１および２は大幅に減損するのに対して、ほとんどのキャリアが、より高いエネルギーレベル３（図１における最高レベル）において発見されるように、反転分布が達成されると、大量の吸収が効率的に緩和されることである。言い換えると、吸収問題は、結合量子井戸から生ずるエネルギー状態が、レーザー利得と大きな２次非線形感受率χ(2)の両方をもたらす活性非線形半導体デバイスを設計することによって対応することができる。
【００１２】
一部の先行研究活動においては、ＱＣＬ構造において共鳴２次非線形感受率と反転分布とを複合することによる、第２高調波発生（second-harmonic generation）が実証されている。しかしながら、この技法は、高いχ(2)と反転分布の統合の利点には、ＴＨｚＤＦＧに対しては特に厳しいレーザー設計問題が伴うので、従来はＤＦＧに対して適用されていない。しかしながら、出願者らは、ＱＣＬ構造内にＤＦＧを効率的に実現できるように、そのような設計問題も克服した。
【００１３】
したがって、本開示は、ＱＣＬ内でのＤＦＧに基づく、ＴＨｚ放射を提供する新規の方法および装置の様々な実施態様を対象とする。例えば、一態様においては、高い２次非線形感受率と反転分布が、２つの別個の中赤外周波数における発生を支援する、ＱＣＬ中に組み込まれる。これらの態様におけるＴＨｚ放射の発生の基本的な物理的メカニズムは、図１に示す過程に類似する、結合量子井戸非線形領域における共鳴ＤＦＧである。しかしながら、そのような構造に基づく従来研究と異なり、本開示の新規な態様によれば、統合された非線形活性領域は、エネルギー状態３における反転分布を有する。中赤外線放射は、この過程に対してキャビティ間光学ポンプとして働くが、ポンプの共鳴吸収は、状態３における反転分布が理由で、抑制される。すなわち、そのような原理に基づくＱＣＬキャビティの全長は、コヒーレント非線形光学的発生に寄与することができる。この結果として、ＤＦＧのためのポンプレーザーと非線形領域の両方を収容する、ＴＨｚ放射の小型の半導体光源が結果として得られる。様々な観点において、本明細書において開示する発明の概念によれば、（ＤＦＧに基づかない）ＴＨｚＱＣＬに対する従来設計と比較して、高い動作温度および広い同調可能なＴＨｚ放射が、可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
要約すると、本明細書で開示する１つの態様は、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）の活性領域に組み込まれた有効な２次非線形感受率（χ(2)）を有するＱＣＬであって、第１の周波数ω１における第１の放射、第２の周波数ω２における第２の放射、および第３の周波数ω３＝ω１−ω２における第３の放射を、非線形感受率から生じる差周波数発生（ＤＦＧ）に基づいて発生するように構成されている、前記ＱＣＬを含む、新規な装置を対象とする。
【００１５】
別の態様は、非線形感受率から生じる差周波数発生（ＤＦＧ）に基づく、第１の周波数ω１における第１の放射、第２の周波数ω２における第２の放射、および第３の周波数ω３＝ω１−ω２における第３の放射の発生を容易化するように、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）の活性領域内に、有効な２次非線形感受率（χ(2)）を組み込むことを含む、新規の方法を対象とする。
【００１６】
前述の概念と、以下により詳細に考察する追加の概念とのすべての組合せは（そのような概念が互いに排他的でない限り）、本明細書で開示する発明の主題の一部であると意図されることを理解すべきである。特に、本開示の最後にある、請求された主題のすべての組合せは、本明細書で開示する発明の主題の一部であると意図するものである。また、参照により組み込まれたいずれかの開示において表れることのある、本明細書において明示的に使用される用語は、本明細書において開示される特定の概念と最も整合性のある意味が与えられるべきであると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】大きな光学的非線形性を含む、非対称の単一量子井戸構造または結合量子井戸構造における差周波数発生（ＤＦＧ）の概念を概念的に示す、エネルギー準位図である。
【図２】本開示の発明の一態様による、ＱＣＬの活性領域を形成する、２つの統合量子カスケード構造を含む、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）における差周波数発生（ＤＦＧ）を概念的に示す、エネルギー準位図である。
【図３】本開示の発明の一態様による、活性領域におけるＤＦＧに基づきＴＨｚ放射を発生するように構成された例示的ＱＣＬの、全体レイアウトおよび規模を示す図である。
【図４ａ】本開示の発明の一態様による、図３に示すＱＣＬの導波路構造のさらなる詳細を示す図である。
【図４ｂ】本開示の発明の一態様による、図３に示すＱＣＬの屈折係数プロファイルおよび導波路モードのさらなる詳細を示す図である。
【図４ｃ】本開示の発明の一態様による、図３に示すＱＣＬの屈折係数プロファイルおよび導波路モードのさらなる詳細を示す図である。
【図４ｄ】本開示の発明の一態様による、図３に示すＱＣＬの屈折係数プロファイルおよび導波路モードのさらなる詳細を示す図である。
【図５ａ】本開示の発明の一態様による、図３および図４（ａ）に示すＱＣＬの活性領域の第２のＱＣ構造（ａ）の一周期に対する計算された伝導帯図である。
【図５ｂ】本開示の発明の一態様による、図３および図４（ａ）に示すＱＣＬの活性領域の第１のＱＣ構造（ｂ）の一周期に対する計算された伝導帯図である。
【図５ｃ】本開示の発明の一態様による、図５（ａ）および図５（ｂ）に示された伝導帯図に基づくＴＨｚ共鳴ＤＦＧ過程を示す、エネルギー準位図である。
【図６】本開示の発明の一態様による、図３および図４（ａ）に示すものと類似の例示的ＱＣＬからの典型的な中赤外発光スペクトル、ならびにそのようなＱＣＬの典型的な電流‐電圧（Ｉ‐Ｖ）特性および光出力対電流（Ｌ‐Ｉ）特性を示すグラフである。
【図７ａ】本開示の発明の一態様による、図３および図４（ａ）に示されたものと類似の例示的リッジ導波路ＱＣＬから、異なる温度で収集されたＴＨｚスペクトルを示すグラフである。
【図７ｂ】本開示の発明の一態様による、ピークＴＨｚＤＦＧ電力と、合計中赤外発光電力の、注入電流への依存性、ならびに、図３および図４（ａ）に示すものと類似の例示的リッジ導波路ＱＣＬに対する、ＴＨｚＤＦＧ電力対２つの中赤外ポンプの電力の積を示す、グラフである。
【図８ａ】本開示の発明の別の態様によるＱＣＬに対する、中赤外レーザーモードおよびＴＨｚモードの強度分布を示す図である。
【図８ｂ】本開示の別の新規な態様によるＱＣＬに対する、導波路構造を示す図である。
【図９】ポンプ周波数およびＤＦＧ周波数の両方を発生するための高い非線形感受率を組み込まれた単一量子カスケード構造を含む、本開示の発明のさらに別の態様による、ＤＦＧに基づくＱＣＬに対する、エネルギー図である。
【図１０】ポンプ周波数およびＤＦＧ周波数の両方を発生するための高い非線形感受率を組み込まれた単一量子カスケード構造を含む、本開示の発明のさらに別の態様による、ＤＦＧに基づくＱＣＬのための、伝導帯図である。
【図１１】本開示の発明の別の態様による、ＱＣＬのための導波路構造の横断面図である。
【図１２】本開示の発明の一態様による、図１１の導波路構造の上面図である。
【図１３】図１１に示すＱＣＬのbound-to-continuumＱＣ構造の一周期に対する、計算された伝導帯図である。
【図１４】図１１に示すＱＣＬに対する、導波路屈折率プロファイルと共に、中赤外（ＩＲ）およびＴＨｚ波に対する、計算された導波路モードを示す図である。
【図１５ａ】図１１に示す導波路構造によって設計された例示的ＱＣＬの様々な動作特徴を示す図である。
【図１５ｂ】図１１に示す導波路構造によって設計された例示的ＱＣＬの様々な動作特徴を示す図である。
【図１５ｃ】図１１に示す導波路構造によって設計された例示的ＱＣＬの様々な動作特徴を示す図である。
【図１５ｄ】図１１に示す導波路構造によって設計された例示的ＱＣＬの様々な動作特徴を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下は、テラヘルツ放射を発生するための、本開示による発明の方法および装置に関する様々な概念、およびその態様についてのより詳細な説明である。開示される概念は、実現のいかなる特定の方法にも限定されないので、上記で導入されて、以下でさらに詳細に考察される様々な概念は、多数の方法のいずれによっても実現することができることを理解すべきである。具体的な実現形態および応用形態の例は、主として実証目的で提供されるものである。
【００１９】
本開示による方法および装置の様々な態様において、２つの中赤外（ＩＲ）「ポンプ」光源に基づく量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）におけるテラヘルツ（ＴＨｚ）放射を提供する差周波数発生（ＤＦＧ）のための例示的基準としては、１）ＱＣＬの活性領域中に、有効な第２次非線形感受率χ(2)と反転分布を複合させる；２）中赤外（ＩＲ）ポンプ光源およびＤＦＧの結果として生じるＴＨｚ放射の両方に対して好適に低損失である、導波路を設計すること、および３）ＤＦＧに対する位相整合をもたらすことが挙げられる。これらの基準のそれぞれについて以下で考察する。
【００２０】
一態様によれば、ＱＣＬ内のＤＦＧは、ＱＣＬの活性領域を形成するために、互いに統合された２つの量子カスケード構造を利用して実現され、一方のＱＣ構造は２つの中赤外ポンプ光源の一方の共鳴を支援するように構成され、他方のＱＣ構造は、２つの中赤外ポンプ光源の他方の共鳴を支援するように構成され、ＱＣ構造の一方または両方が、ＤＦＧに基づくＴＨｚ放射を支援するように有効な２次非線形感受率を有するように構成される。図２は、それぞれのＱＣ構造に対するエネルギー準位図を介して、そのような実現形態の一例を概念的に図示している。図２に示す過程において、第１ＱＣ構造は、（エネルギー遷移５１０に対応する）ポンプ周波数ω１におけるレーザー発光を支援するように構成されるのに対して、第２のＱＣ構造は、（エネルギー遷移５１２に対応する）ポンプ周波数ω２におけるレーザー発光を支援するように構成される。この態様の一観点において、第２のＱＣ構造はまた、高い非線形感受率χ(2)を有するように構成され、そのために、第２のＱＣ構造は、同時に反転分布および（エネルギー遷移５１４に対応する）ＤＦＧを支援する領域となる。図２における点線の矢印は、デバイス中の電流（キャリア経路）を概略的に図示している。
【００２１】
一態様において、図２におけるエネルギー準位図を介して概念的に図示されるＱＣ構造は、ポンプ周波数ω１のための第１ＱＣ構造として“３量子井戸”構造または「２−フォノン共鳴（two-phonon resonance）」構造を利用し、統合非線形性を有するポンプ周波数ω２のための第２ＱＣ構造として「ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ（連続体に結合した）」構造を利用して実現してもよい。個別には、それぞれの設計は、室温で動作することが知られている。２フォノンＱＣ設計または３量子井戸ＱＣ設計では、ＤＦＧに対する高い非線形性感受率が得られず、本願出願人らは、ＱＣ設計は、ＤＦＧに対する著しく高い２次非線形感受率を支援できること、およびｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ設計は、ある数の異なる場合（例えば、異なるポンプ周波数およびその結果として得られるＤＦＧ）に対して最適化することができることを認識、理解した。
【００２２】
前述のことから、ＤＦＧに基づいてＴＨｚ放射を発生するように構成されたＱＣＬの一態様は、２つのＱＣ構造または「サブスタック（sub-stacks）」を有する活性領域を含む。この態様の様々な観点において、第１ＱＣ構造は、第１のポンプ周波数ω１に対応する第１のレーザー発光波長を支援する、多段階の「２−フォノン共鳴」構造を含み、第２ＱＣ構造は、第２のポンプ周波数ω２に対応する第２のレーザー発光波長を支援し、同時にＴＨｚＤＦＧのための有効な２次非線形感受率χ(2)を有する、多段階のｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造を含む。この態様に基づく一例示実現形態において、第１ＱＣ構造は、第１のポンプ周波数ω１に対して約７．６マイクロメートルのレーザー発光波長を支援する（とともに、ＤＦＧに対して比較的小さなχ(2)を有する）、２０段の２−フォノン共鳴構造を含んでもよく、また第２ＱＣ構造は、第２のポンプ周波数ω２に対応する約８．７マイクロメートルのレーザー発光波長を支援する３０段のｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造を含んでもよい。さらに、第２ＱＣ構造は、（例えば、約６０マイクロメートルにおける）ＴＨｚＤＦＧに対して非常に大きいχ(2)を有するように構成される。
【００２３】
図３は、活性領域１０３においてＤＦＧに基づくＴＨｚ放射を発生するように構成された、例示的ＱＣＬ１００の全体レイアウトおよび規模を示し、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、図２（ＱＣＬの活性領域内の２つのＱＣ構造）と関連して上述した設計考察に基づく本開示の一態様による、中赤外波長およびテラヘルツ波長に対する、導波路構造、屈折率プロファイル、および導波路モードを含む、ＱＣＬ製作、構造および動作特性のさらなる詳細を示す。一実現形態において、そのようなＱＣＬは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により成長し、ＩｎＰ基板に格子整合された、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓヘテロ構造を基礎としてもよい。
【００２４】
より具体的には、図４（ａ）を参照すると、一態様においてはＭＢＥ成長が、ｎ＝１．３〜１．８×１０１７ｃｍ−３までｎドープされたＩｎＰ基板１２２上で始まり、ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３までｎドープされた１．６μｍ厚ＧａＩｎＡｓ層１１６（第１の低ドープバッファ層）が下部導波路コアとして作用する。この下部導波路コア１１６の上に、２０段階の「２−フォノン共鳴」構造１１２と３０段階の「ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ」構造１１４が成長し、ＱＣＬの活性領域１０３として作用し、この２つのＱＣ構造１１２および１１４は、ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３までｎドープされた２００ｎｍ厚のＧａＩｎＡｓスペーサ（図４（ａ）では図示せず）によって隔てられている。Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２ＡｓおよびＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓは、２つのＱＣ構造用として本態様において使用される材料であり、２つの構造の層配列は、（注入障壁から始まり、図５（ａ）および（ｂ）を参照）ナノメートル単位で、それぞれ４０、２０、７、６０、９、５９、１０、５２、１２、３８、１２、３２、１２、３２、１６、３１、１９、３１、２２、３０、２２、２９、および４０、１８、９、５４、１１、５３、１１、４８、２２、３４、１４、３３、１３、３２、１５、３１、１９、３０、２３、２９、２５、２９である。これらの障壁は、太字で示してあり、下線を施した層は、ｎ＝４×１０１７ｃｍ３までドープされている。
【００２５】
成長は、上部導波路コアとして作用する、ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３までｎドープされた１．５μｍ厚のＧａＩｎＡｓ層１１８（第２の低ドープバッファ層）で終わる。次いで、ウエハがＭＯＣＶＤ室に移送されて、ｎ＝１０１７ｃｍ−３までｎドープされた１０μｍ厚ＩｎＰ層１２０が、過成長して中赤外モードおよびＴＨｚモードの両方のための上部導波路クラッドとなる。図３において示すように、この材料は、ディープエッチングされたリッジ導波路に加工してもよく、このリッジ導波路は、長さが約２ｍｍ、幅が約１５〜２５μｍであり、リッジの横壁上の４００ｎｍ厚さのＳｉ３Ｎ４絶縁層１１０と、Ｔｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／４００ｎｍ）上部接点１０８とを備える。非合金Ｇｅ／Ａｕ接点１２４が、基板１２２の背面に付着される。Ａｌ２Ｏ３（２００ｎｍ／５０ｎｍ）層（図４（ａ）には示さず）を含む、高反射率コーティングが、 デバイスの後端ファセット上に蒸着される。さらに、回折格子１０５を、任意選択で導波路構造の表面上に配置して、導波路の長さに沿ってＤＦＧ放射を抽出するように構成してもよい。
【００２６】
図４（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、λ＝７．６マイクロメートル（ｂ）、８．７マイクロメートル（ｃ）および６０マイクロメートル（ｄ）におけるモードに対する、ＴＭ００導波路モードにおける磁場強度を示す。Ｈｘの値は、∫（Ｈｘ）２ｄｚ［μｍ単位］＝１となるように正規化されている。他に示されているのは屈折率プロファイルであり、有効な非線形感受率を有する領域がシェーディングされている。Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ化合物およびＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ化合物は、二元化合物に対するデータ間での線形内挿と、自由キャリア寄与を説明するために緩和時間定数τ＝１０−１３を有するドルーデ（Drude）モデルとを用いて得てもよい。この技法は、中赤外において有効であることが知られている。しかしながら、Ｒｅｓｔｓｔｒａｈｌｅｎｂａｎｄに近接すること、および光学フォノンエネルギーが材料成分に強く依存することから、６０μｍの波長に対しては非常に正確ではないことに留意すべきである。２０μｍ幅リッジの導波路におけるＴＭ００モードに対して、それぞれ７．６μｍ、８．７μｍおよび６０μｍの波長において、３．２６６＋ｉ×０．０００５７、３．２４８＋ｉ×０．０００８０、および２．９８１＋ｉ×０．１６１の有効屈折率ｎｅｆｆが得られる。このデータから、約（４２０＋１７０ｉ）ｃｍ−１の位相ずれｋ−（ｋ１−ｋ２）が推定され、これが約２２μｍのコヒーレンス長ｌｃｏｈ＝１／｜ｋ−（ｋ１−ｋ２）｜に対応する。
【００２７】
図５（ａ）は、図３および図４（ａ）に示すＱＣＬ１００の活性領域１０３の形成部分として示される、統合された２次光学非線形性を有する、「ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ」第２ＱＣ構造１１４の３０段スタックの１周期５２０の、計算された伝導帯図を示す。同様に、図５（ｂ）は、ＱＣＬ１００の活性領域１０３の「２−フォノン共鳴」ＱＣ構造１１２構成部分の２０段スタックの１周期５２２の計算された伝導帯図を示す。これらの図において、波状の曲線は、関連する量子状態の波動関数の２乗の係数を表わす。ＤＦＧに対して重要な「ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ」区間における、電子状態は、図５（ａ）において太字で、１〜５を符して示してある。両構造に対する注入障壁５２５（すなわち、電子がトンネル効果でそこを通過して構造に達する必要がある障壁）は、図面における最左端障壁として示されている。
【００２８】
図５（ａ）および５（ｂ）に示す伝導帯図に基づく、図３および図４（ａ）に示されたＱＣＬ１００の活性領域１０３におけるＴＨｚ共鳴ＤＦＧ過程の概略が、図５（ｃ）のエネルギー準位図に示されており、図５（ａ）からの該当するエネルギーレベルが図５（ｃ）において太字、かつ符号をつけて示されている。特に、図５（ｃ）は、ＱＣＬ１００が、非線形感受率から生じる差周波数発生（ＤＦＧ）に基づき、第１の周波数ω１（５２４）において第１の放射を、第２の周波数ω２（５２６）において第２の放射を、そして第３の周波数ω＝ω１−ω２（５２８）において第３の放射を発生するように構成されている。このＤＦＧ過程において、２次非線形感受率の式は次のようになる：
【数６】
2010521815.tif 000008
ここで、Ｎｅは、上部レーザーレベル１における電子濃度であり、ｎおよびｎ’は、高密度の状態の多様体（図３ａ）におけるレベルであり、ｅｚｉｊ、ωｉｊおよびΓｉｊが、状態ｉおよびｊの間の遷移のダイポールマトリックス要素、周波数、およびの広幅化（broadening）である。ここで、電子集団のほとんどは、上部レーザーレベル１にあり、下部レーザーレベルにおける分布は無視される。
【００２９】
この特定の例示的実現において、χ(2)への最大の寄与は、図５（ａ）および（ｃ）における、状態１、３および４から生じる。計算されたダイポールマトリックス要素およびエネルギー間隔を式（２）に挿入し、広幅化
【数７】
2010521815.tif 000009
、および電子のほとんどが上部レーザー状態にあると仮定して、それぞれ７．６および８．７マイクロメートル波長における、２つのレーザーポンプ間のＤＦＧ過程に対して、２次非線形感受率
【数８】
2010521815.tif 000010
が推定される。実際的に、所与の実現形態に対するχ(2)の実際値は、レーザー状態において電子集団分布がより均一であることから、より小さくなることがあり、さらに、サブバンド間遷移エネルギーおよび線幅の値における不確実さは、χ(2)の実際値が小さいことの理由を説明することもある。図１１および段落[００４８]と関係して以下にさらに考察するように、χ(2)をより正確に推定するためのより改良された数学形式は、レーザーの「利得＝損失」状態を考慮に入れてもよい。
【００３０】
図３および図４（ａ）と関係して上述した過程により製作された、例示的ＱＣＬについて様々な計測が行われた。中赤外とＴＨｚ発光の両方のスペクトル計測に対して、フーリエ変換赤外分光計が使用された。中赤外およびＴＨｚスペクトルの計測に、水銀カドミウムテルル検出器およびヘリウム冷却シリコンボロメータ（silicon bolometer）を、それぞれ使用した。中赤外発光およびＴＨｚ発光に対して、それぞれ、較正されたサーモパイル検出器（thermopile detector）および較正されたボロメータを用いて電力計測を行った。電力収集効率は、中赤外計測に対しては約７０％、ＴＨｚ計測に対しては１０％未満であると推定された。以下においてさらに考察する、様々な図において提示されるデータは、収集効率に対して補正されていない。中赤外ポンプとＴＨｚＤＦＧの両方を区別するために、光学フィルタを使用した。
【００３１】
図３および図４（ａ）と関係して上述した例示的なリッジ導波路デバイスからの典型的な中赤外発光スペクトルが、図６の挿入図に示されている。ポンプ発光波長は
【数９】
2010521815.tif 000011
である。デバイスは、最高約２５０°Ｋまで二波長モードで動作し、室温において単一波長発光
【数１０】
2010521815.tif 000012
をもたらす。図６はまた、後端ファセット高反射コーティングを有する幅２０μｍ、長さ２ｍｍのリッジデバイスを用いて、パルスモード（２００ｋＨｚにおいて６０ｎｓパルス）において１０°Ｋで得られた、デバイスの典型的な電流‐電圧（Ｉ‐Ｖ）特性および光出力対電流（Ｌ‐Ｉ）特性を図示している。７．６μｍおよび８．７μｍのポンプレーザーのピーク電力を、それぞれ、下方の２つの曲線にプロットした。データは、推定７０％の電力収集効率に対して、補正されていない。
【００３２】
異なる温度で収集された、代表的なリッジ導波路ＱＣＬからのＴＨｚスペクトルが図７ａに示されている。これらのスペクトルは、後端ファセット高反射コーティングを有する幅２０μｍ、長さ２ｍｍのリッジデバイスから得られた。ここでも、このデバイスは、５００ｋＨｚにおける６０ナノセカンドパルスにおいて３．６アンペアのピーク電流の、パルスモードで動作した。ＴＨｚ信号のスペクトル位置は、中赤外ポンプの周波数の差と一致する。１０°Ｋおよび８０°Ｋにおける最大ＤＦＧ出力電力は同等であり、この特定の例示デバイスにおいてＤＦＧが観察された最高温度である１５０°Ｋにおいては、約５分の１であった。ＤＦＧ信号の温度による低下は、中赤外ポンプ強度の温度による低下によるものと考えることができる。特に、１０°Ｋと８０°Ｋにおける２つの中赤外ポンプのピーク電力の積は同様であり、１５０°Ｋにおけるそれは、約４分の１に低下した。
【００３３】
典型的なデバイスに対する、ピークＴＨｚＤＦＧ電力、および合計中赤外発光電力の、１０°Ｋにおける注入電流への依存性が、図７ｂに示されている。ＴＨｚＤＦＧ電力に対する、２つの中赤外ポンプの電力の積が図７ｂの挿入図にプロットされている。式（１）から期待される線形依存性は、１１ｎＷ／Ｗ２のスロープ効率について、明らかに観察することができる。中赤外計測およびＴＨｚ計測に対して、それぞれ、推定７０％および１０％電力収集効率に対して、データは補正されていない。
ＱＣＬにおける、ＴＨｚＤＦＧ変換効率を評価するために、ＱＣＬ導波路全体にわたるχ(2)の変動と、導波路内の不均一電場強度分布を考慮しなくてはならない。以下の解析において、ポンプ波動の電力は、ＤＦＧ発光のそれよりもはるかに大きく、結合されたＴＭ偏光導波路モードの場合には、一般の教科書技法に従って、ＤＦＧ変換効率に対する式を導出した。
【００３４】
周波数ω１およびω２における２つの中赤外ポンプによる、周波数ω＝ω１−ω２において誘起される非線形偏光Ｐ（２）は、周波数ωにおける波動の放射源として作用する。結合量子井戸システムに対して、Ｐ（２）は、導波路層に直角に偏光されており、そのために、ＴＭ偏光導波路モードだけに寄与する。導波路内での周波数ωにおけるモードの磁場振幅は、以下のように表現できる：
【数１１】
2010521815.tif 000013
ここで、座標系は図４（ａ）に示されており、Ｈω（ｘ，ｚ）×ｅｉ（ωｔ−ｋｙ）は、受動導波路内でのモード（すなわち、Ｐ（２）なし）であり、ｈ（ｙ）は、Ｐ（２）と共に導波路内を伝播するときに、モード強度の増大の原因となる、緩やか変化する振幅である。Ｈ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）に対する数式を波動方程式に挿入し、ｈ（ｙ）の２階微分を無視すると（緩やかな変化の振幅近似（slow-varying amplitude approximation）を使用して）、次式を得る：
【数１２】
2010521815.tif 000014
【００３５】
ここで、Ｈω（ｘ，ｚ）×ｅｉ（ωｔ−ｋｙ）は、受動導波路に対する波動方程式の解であることを利用した。異なる次数の導波路モードの直交性を利用して、ｈ（ｙ）に対して次式を得る：
【数１３】
2010521815.tif 000015
非線形偏光は、中赤外ポンプモードの電界によって誘起され、
【数１４】
2010521815.tif 000016
ここで、
【数１５】
2010521815.tif 000017
は、周波数ωｉにおけるモードの電界振幅のｚ成分である。
【００３６】
ＴＭ偏光モードにおける電界と磁界の間の関係を使用して、次式を得る：
【数１６】
2010521815.tif 000018
ここで、
【数１７】
2010521815.tif 000019
およびｋｉは、周波数ωｉにおけるモードの、有効屈折率と波動ベクトルである。式（Ｓ４）および（Ｓ５）を式（Ｓ３）に挿入し、ｙについて積分すると、次式を得る：
【数１８】
2010521815.tif 000020
ここでは、ω＝ω１−ω２であることを利用し、
【数１９】
2010521815.tif 000021
であると仮定した。
【００３７】
ＤＦＧ発光の電力を計算するために、周波数ωにおけるモードの時間平均されたポインティングベクトル（Poynting vector）を積分して、次式を得る：
【数２０】
2010521815.tif 000022
ここで、〈．．．〉は時間平均であり、実際の電場強度は、
【数２１】
2010521815.tif 000023
で表わされる。式（Ｓ６）からのｈ（ｙ）に対する数式を、式（Ｓ７）に挿入し、この数式をポンプ波動の２つの強度で正規化すると、ＤＦＧ波動の電力に対する数式が得られ、一部簡略化すると次式となる：
【数２２】
2010521815.tif 000024
【００３８】
ここで、Ｗｉは、周波数ωｉにおけるモードの電力であり、ｌｃｏｈ＝１／｜ｋ−（ｋ１−ｋ２）｜である。この数式は、さらに
【数２３】
2010521815.tif 000025
と仮定することによって、さらに簡略化することができる。次いで、次式が得られる：
【数２４】
2010521815.tif 000026
ここで、χ(2)は、ＱＣＬ導波路内の非線形感受率のピーク値であり、相互作用の有効面積Ｓｅｆｆは、次式で与えられる：
【数２５】
2010521815.tif 000027
ここで、平面波に対して、ビーム強度はＩ＝Ｗ／Ｓであり、一定χ(2)とすると、平面波近似において与えられるＤＦＧ強度式を回復する。
【００３９】
ＱＣＬ導波路内でのＴＨｚＤＦＧ変換効率を評価するために、図４（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すモードプロファイルを使用するとともに、ｘ方向（図４（ａ）を参照）における場強度の依存性を無視して、式（Ｓ１０）における積分を評価する。中赤外ポンプはＴＭ００モードであると仮定し、ＴＭ００モードに対してＤＦＧが最も効率的であると検証して、幅２０μｍリッジデバイスに対して、
【数２６】
2010521815.tif 000028
を得る。ｌｃｏｈ＝２２μｍとすると、この結果として、約７００μＷ／Ｗ２の内部変換効率ηｉｎｔ＝Ｗ／（Ｗ１Ｗ２）となり、ここで電力Ｗｉは、ＱＣＬ導波路の内側で計測される。電力ＷｉはＱＣＬ導波路外部で計測される場合に、外部変換効率ηｅｘｔ＝Ｗ／（Ｗ１Ｗ２）を評価するために、フレネル方程式（Fresnel formulas）および計算されたｎｅｆｆを使用して、レーザー前端ファセット透過率を推定してもよい。すべての３つの波長に対して約０．７の電力透過係数が得られ、ηｅｘｔ、約１ｍＷ／Ｗ２が得られる。ここで、λ＝６０μｍおよびリッジ導波路横断面積約１５×２０μｍ２に対して、実際の前端ファセット透過係数は、フレネル方程式によって得られるものより大幅に小さいことに留意されたい。この結果として、より小さなηｅｘｔが得られる。
【００４０】
要約すると、図４（ａ）の態様と関係して考察した上記の例においては、位相整合を達成しようとする試みはなく、コヒーレンス長は最大化されなかった。ＴＭ００ポンプとＴＨｚＤＦＧモードの間の位相不整合、ｋ−（ｋ１−ｋ２）は、約４２０ｃｍ−１と推定され、ＴＨｚＤＦＧに対する損失αは約３４０ｃｍ−１と推定され、これは約２２μｍのコヒーレンス長ということになる（式（１）を参照）。
【数２７】
2010521815.tif 000029
を使用し、中赤外はＴＭ００モードでだけでレーザー発生と仮定する、理論的推定値によると、ＤＦＧ変換効率は、導波路幾何学形状において１ｍＷ／Ｗ２のオーダーであると予測される。中赤外およびＴＨｚＤＦＧの信号収集効率に対して補正のされた、変換効率の計測値は、約５０ｎＷ／Ｗ２である。この食い違いは、多くの高次横モードにおける中赤外レーザー発生、χ(2)の実際値が大幅に小さいこと、ＴＨｚ波取出し（out-coupling）の低効率などを含む、ある数の要因から生じている可能性がある。
【００４１】
中赤外モードおよびＴＨｚモードのための誘電体モード閉じ込めをもたらすために、金属・有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって成長した１０μｍ厚のＩｎＰ上部導波路クラッド１２０が、図４（ａ）の態様において利用されるのに対して、別の態様によれば、結合誘電体／金属表面プラズモン導波路構造を利用してもよく、この場合には、中赤外ポンプは、誘電体導波路コアに閉じ込められ、ＴＨｚモードは、先に研究されたＴＨｚＱＣＬ（ＤＦＧに基づかない）のそれと同様に、金属層（複数を含む）／壁（複数を含む）によって誘導される。金属層はＴＨｚモードに対してはよいが、中赤外場に対して高い損失を導入する。したがって、中赤外モードは、金属処理壁（metallized walls）との重複を少なくする必要がある。これは、中赤外モードが厚いＴＨｚ導波路の中心に位置して、壁に向かって自然に消滅し、その結果、金属との重複が非常に少なくなる設計において達成することができる。
【００４２】
図８（ｂ）は、本開示の発明の別の態様による、表面プラズモン導波路構造１８０を含む、そのようなＱＣＬ１００Ａの例を示し、これに対して図８（ａ）は、ＱＣＬ１００Ａに対する、中赤外レーザーモード（中央の幅の狭い方のプロット）およびＴＨｚモード（幅の広い方のプロット）の強度分布を示す。特に、図８（ａ）に示す強度分布は、同時に電流注入のための接点となる２つの金属壁１７０および１７２によって形成される約１０．５μｍ厚さの例示的導波路において、中赤外レーザーモードおよびＴＨｚモードに対して成長方向（導波路の上部から数えた距離）に示されている。図８（ｂ）に示すように、集積された活性領域１０３は、導波路の中央領域（例えば、４〜５μｍ）を占有する。導波路の残りの部分は、低ドープのバッファ材料（例えば、図４（ａ）に示すものと類似の層１１６および１１８）を含む。一観点において、中赤外ポンプモードのプロファイルの幅が狭いために、実現形態によっては、ＴＨｚＱＣレーザーにおいて行われるように、導波路全体を活性領域で充填する必要がない。別の観点においては、任意選択で、格子１８２を表面プラズモン導波路構造１８０の表面上に配置して、導波路の長さに沿ってＤＦＧ放射を抽出するように構成してもよい。
【００４３】
さらに別の態様によれば、ＤＦＧに基づくＱＣＬは、高い非線形感受率を組み込まれた単一の量子カスケード構造を含み、ポンプ周波数とＤＦＧ周波数の両方を発生してもよい。図９および図１０は、それぞれ、そのようなデバイスに対する、エネルギー準位図および伝導帯図を示す。この設計は、２−フォノン共鳴構造の修正形態に基づいている。図９および図１０において、レーザー作用の原因となるエネルギーレベルと、高い２次非線形性が太字の符号１、２、３で示されている。１から３および２から３へのレーザー遷移は、同一の発振強度を有するように設計され、周波数差が６０μｍにおけるＴＨｚ放射に対応する。平均ドーピングを約５×１０１６ｃｍ−３にとり、状態１および２で均一に共有される電子集団を仮定すると、６０μｍにおけるＤＦＧに対する非線形感受率は、８×１０５ｐｍ／Ｖの大きさでもよい。
【００４４】
ＴＨｚ放射を発生するための本開示による、ＱＣＬの様々な態様において、ＱＣＬは、連続波（ＣＷ）またはパルス放射を発生するように動作させてもよく、また、動作温度の制御された変動に基づいて、第１、第２および第３の周波数を可変に同調するように構成してもよい。この目的で、様々な態様による装置には、（一定点で安定化させるか、または変動させる）ＱＣＬ（例えば、図４（ａ）および図８（ｂ）を参照）に結合された熱電（ＴＥ）冷却器１９０を含めて、ＱＣＬの動作温度を制御してもよい。一観点において、ＴＥ冷却器は、単一冷却器または多段階冷却器として、約１９５°〜２９５°Ｋの範囲でＱＣＬ動作温度をもたらすように構成してもよい。
【００４５】
上記で考察した発明の概念に従う、さらに別の例示実現形態において、異なる動作波長および／または動作性能尺度に対して適応させることのできる、ＴＨｚＱＣＬを実現するために、図４（ａ）に示す全般導波路構造に対して、様々な変形形態が考えられる。図１１は、本開示の発明の別の態様による、図４（ａ）に示すもの全体的に類似するが、いくつかの変更を加えた、ＱＣＬのための導波路構造のそのような一例を示している。図１１に示す導波路構造に基づく例示的な一実現形態においては、上記で考察した概念によるＤＦＧに基づくＴＨｚＱＣＬは、波長λ１＝８．９μｍとλ２＝１０．５μｍの中赤外で動作して、
【数２８】
2010521815.tif 000030
において、８０°Ｋで７μＷ出力電力、２５０°Ｋで約１μＷの出力電力、および３００°Ｋ（すなわち、約室温以上）で約３００ｎＷ出力電圧で、テラヘルツ出力を生成するように設計できる。
【００４６】
より具体的には、図１１に示されるＱＣＬ１００Ｂは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）成長によるＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓへテロ構造に基づいている。特に、ＭＢＥ成長は、９×１０１６ｃｍ−３までｎドープされ、３０段の２−フォノン共鳴ＱＣ構造１１２Ｂを有し、１０．５μｍで発光するように設計されたＩｎＰ基板１２２Ｂ上で始まり、３×１０１６ｃｍ−３までｎドープされた、１００ｎｍ厚さのＧａＩｎＡｓスペーサ（図１１では図示せず）、および８．９μｍで発光するように設計された３０段のｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍＱＣ構造１１４Ｂが、それに続く。この例示的装置に対して、ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍＱＣ構造１１４Ｂの一周期に対する層配列は（Å単位で）、注入障壁から始まり、４０／２４／７／６５／８／６４／８／５８／２２／４０／１３／３８／１４／３７／１５／３６／１９／３６／２５／３６／２５／３５であり、これに対して、２−フォノン共鳴構造１１２Ｂの一周期に対する層配列は、４０／２０／７／６０／９／５９／１０／５２／１４／３８／１２／３２／１２／３２／１６／３１／１９／３１／２２／３０／２２／２９である。障壁は、太字で示されており、下線が施された層は、ｎ＝３×１０１７ｃｍ−３までドープされている。３７ｋＶ／ｃｍの印加バイアスにおける、ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造の一周期の計算された伝導帯図が、図１３に示されている。以上のように、波状曲線が、波動関数の二乗モジュラス（moduli squared）を表わす。ＤＦＧに対して重要な電子状態が、太字で符号１〜３で示されている。
【００４７】
図１１のＱＣＬ構造１００Ｂにおいて、ＭＢＥ成長は、３×１０１６ｃｍ−３までｎドープされた、５０ｎｍ厚のＧａＩｎＡｓ層（図１１には図示せず）で終端する。次いで、それぞれ、５×１０１６ｃｍ−３と５×１０１８ｃｍ−３までｎドープされた、３．５μｍ厚の層１２０Ｂ１と０．２μｍ厚ＩｎＰ層１２０Ｂ２を含む、上部導波路クラッドが、ＭＯＣＶＤによって過成長される。図４（ａ）に示されたＱＣＬと同様に、実施例によっては、この材料を、リッジの横壁上の４００ｎｍ厚Ｓｉ３Ｎ４絶縁層１１０ＢとＴｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／４００ｎｍ）上部接点１０８Ｂを備える、長さ２ｍｍで幅が１５〜２５μｍのディープエッチングされたリッジ導波路に加工してもよい（例えば、図３を参照）。非合金Ｇｅ／Ａｕ接点１２４Ｂは、基板１２２Ｂの背面に堆積させてもよい。また、高反射率コーティング（例えば、Ａｌ２Ｏ３／Ａｕ（２００ｎｍ／５０ｎｍ）層を含む）をデバイスの後端ファセットに蒸着させてもよい。さらに、格子１０５Ｂを、任意選択で導波路構造の表面に配置し、導波路の長さに沿ったＤＦＧ放射を抽出するように構成してもよい。
【００４８】
式（２）に関係する上記の考察を再び参照すると、図１１のＱＣＬ１００Ｂにおいて、ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造１１４Ｂは、ＤＦＧに対する相当なχ(2)を有する。上部レーザー状態における電子密度は、「利得＝損失」条件から求めることができる。反転分布を有する媒体におけるレーザー利得は、次式で与えられる：
【数２９】
2010521815.tif 000031
ここで、ｎｅｆｆ（ω１）は、レーザーモードの有効屈折率であり、ｎは下部レーザーレベルを指す。ＱＣＬに対する「利得＝損失」条件は、次式で与えられる：
【数３０】
2010521815.tif 000032
ここで、ｇｍａｘは、式（３）におけるレーザー利得の極大値であり、Γは活性領域とのモード重複因子であり、αｗｇおよびαｍは、それぞれ導波路損失およびミラー損失である。ＱＣＬ１００Ｂに対して、
【数３１】
2010521815.tif 000033
のパラメータをとると、
【数３２】
2010521815.tif 000034
が得られる。
【数３３】
2010521815.tif 000035
をとると、式（２）、（３）および（４）から、発明者らのデバイスにおいてはＤＦＧ過程に対して、
【数３４】
2010521815.tif 000036
であることがわかる。
【００４９】
図４（ａ）と関係して上記で考察した導波路構造について、図４（ａ）と図１１の構造におけるいくらかの差について注記する。第１に、活性領域および導波路層におけるドーピングは低減され、この結果として、ＴＨｚ波に対する損失が小さくなる。第２に、導波路は、ここでは位相整合、ｋ＝ｋ１−ｋ２のために設計されている。中赤外ポンプおよびＴＨｚ波のＴＭ００モードに対して計算された有効屈折率、ならびにＴＨｚモード損失を使用して、図１１のＱＣＬに対するコヒーレンス長（図１を参照）は、幅２５〜６０μｍのリッジにおいて約５０〜８０μｍであり、図４（ａ）のＱＣＬに対するよりも約３倍大きい。ｌｃｏｈに対する限定要因は、ＴＨｚにおける導波路損失であり、これは
【数３５】
2010521815.tif 000037
と計算される。ここで、αは、基板、導波路層、および活性領域におけるドーピングをさらに低減することによって、１００ｃｍ−１未満に低減することが可能であることを理解すべきである。
【００５０】
図１２は、図１１の導波路の一実施例の上面図を示す。上記のように、導波路は、前端ファセット３７０に向かって約６０μｍまで拡幅しているテーパー区間３６０を含む、長さ２ｍｍで幅２５μｍのディープエッチングされたリッジ導波路を形成するように加工してもよい。ここでも、Ａｌ２Ｏ３／Ａｕ（２００ｎｍ／５０ｎｍ）層を含む、高反射率コーティングを後端ファセット３８０に蒸着させてもよい。一観点において、テーパー区間３６０は、導波路からのＴＨｚ放射の取出し効率を向上させる。中赤外（ＩＲ）波およびＴＨｚ波に対して計算された導波路モードが、導波路屈折率プロファイルとともに、図１４に示されている。図１４においては、波長λ＝８．９μｍ（細い黒線）および６０μｍ（太い灰色線）に対して、ＴＭ００導波路モードにおける磁場強度は右軸に示されており、屈折率プロファイルは左軸に示されている。活性領域の２つの区域も灰色で示されている。
【００５１】
計測のために、図１１に示される導波路構造による例示的ＱＣＬは、反復速度２５０ｋＨｚで６０ｎｓパルスのパルスモードで動作させた。放射は、２つの２インチ直径放物形鏡を使用して収集した。一方は、５ｃｍ焦点長であって、デバイスからの光を収集し、他方は、１５ｃｍの焦点長であって、光を中赤外（ＩＲ）計測のための熱電対または水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）検出器に、またはＴＨｚ計測用のＨｅ冷却較正シリコンボロメータに、焦点を合わせなおす。中赤外（ＩＲ）電力は、本明細書の設定の７０％収集効率に対して補正した。スペクトルは、フーリエ変換赤外分光計で採取した。ＴＨｚ計測に対して、中赤外（ＩＲ）放射を光学フィルタを使用して阻止した。これらの例示的ＱＣＬは、室温まで二波長で動作した。電流‐電圧特性、２つの中赤外（ＩＲ）ポンプ電力の積、Ｗ（ω１）×Ｗ（ω２）の、電流に対する依存性、および代表的なデバイスに対する代表的な発光スペクトルが、図１５（ａ）に示されている。同デバイスの８０°ＫにおけるＴＨｚ発光スペクトルが図１５（ｂ）に示されている。比較のために、図１５（ａ）における中赤外（ＩＲ）スペクトルを使用してシミュレーションされた、ＴＨｚＤＦＧスペクトルも図１５（ｂ）に示されている。
【００５２】
導波路内へサブ波長ＴＨｚモードを閉じ込めることが理由で、一観点において、ＱＣＬから出力されたＴＨｚＤＦＧは著しく発散しており、ＴＨｚ取出し効率が低いことがある。したがって、さらに別の態様においては、図１２に示すように、シリコン長半球形レンズ（silicon hyperhemispherical lens）３９０を、任意選択で出力ファセット３７０に取り付けるか、またはそれと光学的に連通（例えば、適当に近接）させてもよい。例示的な一実施例においては、レンズ３９０は、出力ファセット３７０の５μｍ範囲に位置する、直径２ｍｍ、高さ１．１９ｍｍの高抵抗率シリコン長半球レンズとしてもよい。レンズ位置合せのために、ＱＣＬからの中赤外（ＩＲ）出力を、ＭＣＴ検出器を用いて撮像してもよい。実施例によっては、レンズを備えるＱＣＬは、レンズなしのデバイスと比較して、収集されたＴＨｚＤＦＧ電力出力において２５倍の増加を実証した。様々な観点において、この増加は、（推定値＜１０％から約１００％へ）向上した収集効率と、ＴＨｚ取出し効率の向上とに由来している。異なる温度で収集された、レンズ付きのデバイスの代表的なＴＨｚＤＦＧスペクトルが、図１５（ｃ）に示されている。ＴＨｚ出力は、室温まで観察され、収集効率に対して補正されたＴＨｚ電力は、８０°Ｋにおいて約７μＷから、２５０°Ｋにおいて約１μＷ、室温において３００ｎＷへと減少する。この傾向は、図１５（ｄ）に実証されており、この図では、異なる温度における中赤外（ＩＲ）ポンプ電力の積がプロットされている。図１５（ｄ）におけるデータは、ＴＨｚ電力出力の低下は、ほとんど中赤外（ＩＲ）ポンプ電力の低下に由来する（式（１）を参照）のに対して、ＴＨｚＤＦＧ変換効率は、約５μＷ／Ｗ２一定のままである。（ｄ）における計測およびすべてのスペクトル計測は、２５０ｋＨｚの反復速度で、６０ｎｓ、３．５Ａ電流パルスを用いて動作させるデバイスを用いて行った。
【００５３】
要約すると、様々な態様によれば、３つの赤外波長で狭帯域放射を同時に発生し、それによって中赤外から遠赤外の全領域にまたがるように構成された、ＱＣＬデバイスが開示される。そのような光源は、例えば、様々な材料の分光器、リモートセンシング（爆発物の検出を含む）、および電波天文学用のヘテロダイン受信機における局所発信器への応用が可能である。
【００５４】
本発明の様々な態様について、本明細書において説明し図示したが、当業者であれば、実行するための構造および／または結果、および／または１つまたは２つ以上の利点を取得するための様々な他の手段および／または機能を容易に思い描き、そのような変更形態および／または修正形態のそれぞれは、本明細書に記載される本発明の態様の範囲内に含まれると考えるものである。より一般的には、当業者であれば、本明細書にて記述したすべてのパラメータ類、寸法、材料、および構成は、例示を意味するものであり、実際のパラメータ、寸法、材料および／または構成は、特定の応用、または本発明の教示がそれに対して使用される応用に依存することを、容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載された本発明の特定の態様に対する多数の等価物を認識するか、または常用の実験のみを使用してそれらを確認することができる。したがって、前述の態様は例としてのみ提示されるものであり、添付の請求の範囲とその等価物の範囲内で、本発明の態様は、具体的に記述および請求されている以外の方法で実施されてもよいことを理解すべきである。本開示の発明の態様は、本明細書に記載される、個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とするものである。さらに、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組合せは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾していなければ、本開示の発明の範囲に含まれる。
【００５５】
本願において定義され、使用されるすべての定義は、辞書による定義、参照により組み入れられる文書における定義、および／または定義された用語の通常の意味、に対して優先するものと理解すべきである。
本願の明細書および請求の範囲において使用される場合の、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、そうでないことを明示しない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解すべきである。
【００５６】
本願の明細書および請求の範囲において使用される場合の、「および／または」という語句は、そのように連結された要素の「いずれか一方または両方」、すなわち、ある場合には連結されて存在し、その他の場合には非連結で存在する要素を意味するものと理解すべきである。「および／または」付きで列挙される複数の要素は、同様に、すなわち、そのように連結された要素の「１つまたは２つ以上」、と解釈すべきである。「および／または」の語句によって具体的に識別される要素以外に、具体的に識別されたそれらの要素に関係していようとも、いなくとも、その他の要素が任意選択で存在してもよい。すなわち、非限定の例として、「Ａおよび／またはＢ」という言及は、「ｃｏｍｒｉｓｉｎｇ」などのオープンエンド用語と連結して使用される場合には、一態様においては、Ａのみ（任意選択で、Ｂ以外の要素を含む）、別の態様においては、Ｂのみ（任意選択でＡ以外の要素を含む）、さらに別の態様においては、ＡおよびＢの両方（任意選択で、その他の要素を含む）、その他を意味することができる。
【００５７】
本願の明細書および請求の範囲において使用される場合には、「または（ｏｒ）」は、上記で定義された「および／または」と同じ意味を有すると理解すべきである。例えば、リストにおいてアイテムを分離するときに、「または」または「および／または」は内包的、すなわち、少なくとも１つを含むが、また２つ以上、ある数の、またはあるリストの要素、および任意選択で、リストにない追加のアイテム、を含むものと解釈される。「そのうちの１つだけ」または「そのうちの厳密に１つ」、または請求の範囲において使用されるときに、「からなる（consisting of）」などの、そうでないことが明示される用語だけが、ある数の、またはあるリストの要素のうちの厳密に１つの要素の包含を意味する。一般に、本願において使用される場合には、用語「または」は、「いずれか（ｅｉｔｈｅｒ）」、「うちの１つ」、「うちの１つだけ」または「うちの厳密に１つ」など、排他性の用語が先行する場合にのみ、排他的選択肢（すなわち、「一方または他方であるが、両方ではない」）を示すものと解釈すべきである。「本質的に〜からなる（consisting essentially of）」は、請求の範囲において使用される場合に、特許法の分野で使用される通常の意味を持つことになる。
【００５８】
本願の明細書および請求の範囲において使用される場合には、１つまたは２つ以上の要素のリストを参照する、「少なくとも」という語句は、その要素のリストにおける、任意の１つまたは２つ以上の要素から選択される、少なくとも１つの要素を意味するが、その要素のリスト内に具体的にリストされた、それぞれのすべての要素を必ずしも含まないとともに、その要素のリスト内の要素の任意の組合せを排除するものではないと理解すべきである。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に特定される要素以外に、具体的に特定されたそれらの要素に関係しようとも、関係しなくとも、要素が随意に存在することを許容するものである。すなわち、非限定の一例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、これと等価に、「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、または、これと等価に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一態様においては、Ｂの存在なしで（かつ任意選択でＢ以外の要素を含み）、少なくとも１つ、任意選択で２つ以上の、Ａ、を意味し；別の態様においては、Ａの存在なしで（かつ任意選択でＡ以外の要素を含み）、少なくとも１つの、任意選択で２つ以上の、Ｂ、を意味し；さらに別の態様においては、少なくとも１つ、任意選択で２つ以上を含む、Ａ，および少なくとも１つの、任意選択で２つ以上の、Ｂ、（かつ任意選択でその他の要素を含む）などを意味することができる。
【００５９】
ここで、そうでないことを明示しない限り、２つ以上のステップまたは行為を含む、本明細書において請求される任意の方法において、ステップまたは行為の順序は、その方法のステップまたは行為が記載されている順序に必ずしも限定されないことを理解すべきである。
請求の範囲においては、上記の明細書におけるのと同様に、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｃａｒｒｙｉｎｇ」、「ｈａｖｉｎｇ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ」、「ｈｏｌｄｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ」、その他などの、すべての移行句はオープンエンドである、すなわち〜を含むが限定されない、と理解すべきである。移行句「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ」および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ」だけが、それぞれ、米国特許局特許審査便覧（the United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures）のセクション２１１１．０３に記載されるように、クローズドまたはセミクローズドの移行句である。
【図１】
2010521815.tif 000038
【図２】
2010521815.tif 000039
【図３】
2010521815.tif 000040
【図４ａ】
2010521815.tif 000041
【図４ｂ】
2010521815.tif 000042
【図４ｃ】
2010521815.tif 000043
【図４ｄ】
2010521815.tif 000044
【図５ａ】
2010521815.tif 000045
【図５ｂ】
2010521815.tif 000046
【図５ｃ】
2010521815.tif 000047
【図６】
2010521815.tif 000048
【図７ａ】
2010521815.tif 000049
【図７ｂ】
2010521815.tif 000050
【図８ａ】
2010521815.tif 000051
【図８ｂ】
2010521815.tif 000052
【図９】
2010521815.tif 000053
【図１０】
2010521815.tif 000054
【図１１】
2010521815.tif 000055
【図１２】
2010521815.tif 000056
【図１３】
2010521815.tif 000057
【図１４】
2010521815.tif 000058
【図１５ａ】
2010521815.tif 000059
【図１５ｂ】
2010521815.tif 000060
【図１５ｃ】
2010521815.tif 000061
【図１５ｄ】
2010521815.tif 000062
【国際調査報告】
2010521815.tif 000063
2010521815.tif 000064
2010521815.tif 000065