(57)【要約】半導体レーザに基づく広帯域波長可変シングルモード赤外線レーザ光源。レーザ光源は、近接したＤＦＢ−ＱＣＬの配列（もしくは他の半導体レーザ）と、および配列内の各レーザのＯＮ／ＯＦＦを個別に切り替えすることができ、レーザの各々への電流を設定でき、および配列内のレーザの温度を制御できるコントローラと、の二つの部分を有する。この装置は、携帯用広帯域センサ内で、化学物質および生物物質を含む多数の化合物を同時に検出するために使用することができる。マイクロ電子コントローラは、同じ広帯域（もしくは多波長）ＱＣＬ材料上に製造された、わずかに異なるＤＦＢ回折格子周期を有する個別に対処されたＤＦＢ−ＱＣＬの配列と組み合わされる。【選択図】図１
2010514163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接した半導体レーザの配列と、
配列内の各レーザのＯＮ／ＯＦＦを切り替え、前記各レーザへの電流を設定し、前記配列内の当該レーザの温度を制御するコントローラと、
を含む、広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項２】
前記シングルモードレーザ光源が、紫外、可視、赤外およびテラヘルツレーザ光源の一つである、請求項１に記載の帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項３】
前記半導体レーザが分布帰還型量子カスケードレーザを含む、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項４】
前記配列内の各レーザが、わずかに異なる分布帰還型回折格子を有する、請求項３に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項５】
前記配列内の各レーザが、わずかに異なる発振波長を有する、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項６】
前記配列内の各レーザが、量子カスケードレーザ材料から成る単一の広帯域利得もしくは多波長、もしくはその他のウエハー上に製造される、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項７】
前記配列内のレーザは、前記レーザの温度を変化させることによって調整されてもよい、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。 
【請求項８】
前記レーザの温度を変化させることは、前記レーザの活性領域の温度を変化させることを含む、請求項７に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。 
【請求項９】
前記配列内の各レーザが、わずかに異なる発振波長を有し、周波数空間において隣接する配列内の二つの分布帰還型量子カスケードレーザの、分布帰還型回折格子によって設定される発振波長の差が十分に小さく、広帯域利得、もしくは多波長、もしくはその他の量子カスケードレーザ材料によって支持される波長帯内のあらゆる所望の波長に対して、前記コントローラが配列内のレーザの温度を、当該レーザが所望の波長で発振するように設定し得る、請求項３に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１０】
レーザの前記配列によって、広帯域利得量子カスケードレーザ材料で利用可能なスペクトル域における連続スペクトルがカバーされる、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１１】
レーザの前記配列によって、多波長量子カスケードレーザ材料によって供給される各発光バンド内で利用可能なスペクトル域における連続スペクトルがカバーされる、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１２】
レーザの前記配列によって、他のあらゆる量子カスケードレーザ材料の発光バンド内で利用可能なスペクトル域における連続スペクトルがカバーされる、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１３】
前記コントローラが、マイクロ電子コントローラを含む、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１４】
チップ上の各レーザは、コンパクトなマイクロ電子コントローラによって独立してアクセスできる、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１５】
前記配列内のレーザは、当該レーザのバイアス電圧を変化させることによって波長を同調してもよい、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源
【請求項１６】
前記配列内のレーザは、当該レーザを加熱もしくは冷却することによって波長を同調してもよい、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１７】
前記配列内の各レーザが、一次もしくは二次分布帰還型回折格子を備えて製造される、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１８】
前記配列内の各レーザが面発光を行う、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項１９】
前記配列内の各レーザが端面発光を行う、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【請求項２０】
前記半導体レーザが、半導体レーザの活性領域の設計において量子カスケードレーザとは異なる分布帰還型半導体レーザを含む、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００６年１２月１５日出願の米国非暫定特許出願番号第１１／６１１，８１９号、標題「広帯域波長可変シングルモード量子カスケードレーザ光源およびセンサ」について優先権を主張する。上述の出願が参照されて、その全体がここに組み入れられる。
【０００２】
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
この研究は、カリフォルニア工科大学への主契約番号ＨＲ００１１−０４−１−００３２における米国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）サブ契約番号６７Ｆ−１０８０８４３によって資金提供を受けた。
【０００３】
本発明は、広帯域波長可変シングルモード電流注入半導体レーザ光源の類に関する。
【背景技術】
【０００４】
量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、単極性の、中赤外領域およびテラヘルツスペクトル領域で作動する半導体レーザであり、これは化学的、生物学的感知、遠隔感知、高分解能分光法、赤外線感知、逆探知装置、およびその他多くの用途に非常に重要である。ＱＣＬでは、半導体ヘテロ構造において制限された電子サブバンド間で光学遷移が起こる。結果として、放出された光子エネルギーが、ヘテロ構造内の井戸およびバリアの厚さによって決定され、バンドギャップの設計によって調整できる。これにより、二つ以上の相当離れた波長で同時に発振するＱＣＬを製造することが可能となる（これは、例えば、特定の波長で発振するように設計した、二つ以上の重ね合わされた活性領域から構成されるヘテロ活性領域の使用であり、C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, F. Capasso, A. Y. Cho著, Applied Physics Letters v. 79, p. 572 （2001）において、５および８ミクロンの波長で発振するＱＣＬに関する報告がされている。）。また、広帯域利得ＱＣＬが製造可能である（これは、「束縛−連続」設計の活性領域が用いられることであり、例えば、R. Maulini,  Beck, J. Faist, E. Gini, Applied Physics Letters v. 84, p. 1659 （2004）において参照される。また、ＱＣＬを製造することが可能となり、各々が異なる波長で発振するよう設計された、束縛−連続設計に基づいて重ね合わされた二つ以上の活性領域を備える活性領域が用いられる。例えば、R. Maulini, A. Mohan, M. Giovannini, J. Faist, E. Gini, Applied Physics Letters v. 88、201113 （2006）において参照される。もしくは、わずかに異なる波長で発振するように設計された多数の活性領域から構成されるヘテロ活性領域が用いられる。例えば、C.Gmachl, D.L. Sivco, R. Colombelli, F. Capasso, A.Y. Cho, Nature v. 415, p. 883 （2002）において参照される。）。従って、一つのＱＣＬチップで、中赤外周波数の広範囲の光を発することが出来る。なお、同様に、テラヘルツ周波数の広範囲の光を発するＱＣＬを設計することも可能である（例えば、Benjamin S. Williams, Sushil Kumar, Qing Hu, and John L. Reno, Optics Letters v. 30, p. 2909 （2005）参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
シングルモード発振は、ほとんどの用途に必要とされる。シングルモード発振を実施するには、ＱＣＬを分布帰還形（ＤＦＢ）レーザに加工する（例えば, Jerome Faist, Claire Gmachl, Federico Capasso, Carlo Sirtori, Deborah L. Sivco, James N. Baillargeon, and Alfred Y. Cho Applied Physics Letters v. 70, p. 2670（1997）参照）か、もしくは波長可変外部共振器型レーザ構成内で使用される（例えば、G. P. Luo, C. Peng, H. Q. Le, S. S. Pei, W.-Y.Hwang, B. Ishaug, J. Um, James N. Baillargeon, and C. -H. Lin, Applied Physics Letter v.78, p.2834（2001） and R. Maulini, A. Mohan, M. Giovannini, J. Faist, E. Gini, Applied Physics Letterｓ v.88、201113（2006）参照）。外部共振器型ＱＣＬは、広範囲の波長可変性を有するが、適切に位置調整された外部光学機器および波長同調用の回折格子を必要とするため、扱いにくく、構築が複雑である。ＤＦＢレーザは非常にコンパクトであるが、ＤＦＢ−ＱＣＬは現状では、波長可変性が限られており、装置の温度を変化させるか（例えば、C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, F. Capasso, A. Y. Cho, Applied Physics Letters v. 79, p.572 （2001）参照） 、もしくは装置を流れるバイアスおよび／もしくは電流を変化させることによって実現される（例えば、C. Gmachl, F. Capasso, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N.  Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A.Y. Cho, Optics Letters v. 25, p. 230 （2000）参照）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ＱＣＬに基づく新規な広帯域波長可変シングルモード赤外線レーザ光源である。本発明は、近接されたＤＦＢ−ＱＣＬ配列と、配列中の各レーザのＯＮ／ＯＦＦを独立して切り替え、各レーザへの電流を設定し、配列中のレーザの温度を制御することが可能な（レーザドライバーを組み込んでいてもよい）マイクロ電子コントローラと、の二つの部分を備える。この装置は携帯用広帯域センサにおいて使用され、化学物質および生物物質を含む多数の化学化合物同時に検出することができる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態において、（レーザドライバーを組み込んでいてもよい）マイクロ電子コントローラを、個別にアドレスされたＤＦＢ−ＱＣＬの配列と組み合わせる。ＤＦＢ−ＱＣＬの配列は、同じ広帯域利得（もしくは多波長、もしくはその他の）ＱＣＬウエハー上に製造される。配列内の各ＤＦＢ−ＱＣＬは、わずかに異なる発振波長を対象とするよう設計されたＤＦＢ回折格子を有する。配列内のＤＦＢ−ＱＣＬの対象の発振波長は、ＱＣＬ材料において利用可能な全利得帯域幅にわたる。配列内で（周波数空間において）隣接する二つのＤＦＢ−ＱＣＬが対象とするＤＦＢ発振波長の差異は、ＤＦＢ−ＱＣＬの温度調整で利用可能な波長同調範囲より小さい。従って、配列内のＤＦＢレーザ間で切り替え、配列内の個別レーザの温度調整を用いることによって、広帯域利得（もしくは多波長、もしくはその他の）ＱＣＬ材料の利得帯域幅内の連続スペクトルをカバーすることが出来る。これにより、狭線幅広帯域波長可変でコヒーレントな光を発するコンパクトなレーザ光源を構築することが可能となる。その性能（波長可変範囲、線幅、出力レベル）は、外部回折格子波長可変ＱＣＬに匹敵するが、本発明の実施形態は、ずっと小型でより製造が容易である。
【０００８】
別の実施形態では、本発明は、赤外スペクトルもしくはテラヘルツスペクトル域で動作するＤＦＢ−ＱＣＬとともに使用されてもよく、また紫外、可視、赤外、およびテラヘルツスペクトル域で動作する他の半導体レーザと同様に使用されてもよい。後者の場合、半導体レーザの活性領域の設計は、ＱＣＬとは異なり得る。本発明のいくつかの詳細は、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り種々の明白な点において変更してもよい。
【０００９】
好ましい実施形態において、本発明は、近接された半導体レーザ配列およびコントローラを備える広帯域波長可変シングルモードレーザ光源である。コントローラはマイクロ電子コントローラを備え、（単数もしくは複数の）レーザドライバーを含んでいてもよい。コントローラは、配列内の各レーザのＯＮ／ＯＦＦを切り替え、各レーザへの電流を設定し、配列内のレーザの温度を制御する。シングルモードレーザ光源は、例えば、赤外線およびテラヘルツレーザ光源であってもよい。半導体レーザは、分布帰還型量子カスケードレーザを備えていてもよい。さらに、配列内の各レーザは、わずかに異なる分布帰還型回折格子を有していてもよい。各分布帰還型回折格子は、わずかに異なる発振波長と対象として設計してもよい。
配列内のレーザは、量子カスケードレーザ材料から成る単一の広帯域利得もしくは多波長もしくはその他のウエハー上に製造されてもよい。配列内の各レーザの発振波長は、レーザの温度を変化させることによって同調させてもよい。レーザの温度を変化させることは、レーザの活性領域の温度を変化させることを含むことも可能である。
【００１０】
好ましい実施形態では、配列内の各レーザは、わずかに異なる分布帰還発振波長を対象とする。配列内で（周波数空間において）隣接する二つのレーザの対象分布帰還発振波長の差異は、別の分布帰還型レーザの温度調整範囲より小さい。従って、広帯域利得、もしくは多波長、もしくはその他の材料の利得スペクトルによって支持された波長帯におけるどんな所望の波長に対しても、マイクロ電子コントローラは、配列内のレーザが選択されて、このレーザが所望の波長で発振されるようにその温度を設定できる。
【００１１】
レーザの配列によって、広帯域利得量子カスケードレーザ材料で利用可能なスペクトル域の連続スペクトルをカバーすることが出来る。さらに、レーザの配列によって、多波長量子カスケードレーザ材料によって供給される各発光バンド内において利用可能なスペクトル域の連続スペクトルをカバーすることが出来る。レーザの配列によって、他のどんな量子カスケードレーザ材料の発光バンド内の利用可能なスペクトル域においても連続スペクトルがカバーできる。レーザの配列は、（（単数もしくは複数の）レーザドライバーを含んでいてもよい）マイクロ電子コントローラとともに、コンパクトな（レーザドライバー（単数もしくは複数）を含んでいてもよい）マイクロ電子コントローラが、チップ上の各レーザに独立してアクセスできる、請求項１に記載の広帯域波長可変シングルモードレーザ光源を備える。配列内のレーザは、レーザのバイアス電圧を変化させることによって波長を同調してもよい。配列内のレーザは、レーザを加熱もしくは冷却することによって波長を同調してもよい。配列内のレーザは、一次もしくは二次分布帰還型回折格子を備えて製造されてもよい。配列内のレーザは、面発光もしくは端面発光を行う。
【００１２】
配列内のレーザは、赤外およびテラヘルツスペクトル域で動作する分布帰還型量子カスケードレーザのみならず、紫外、可視、赤外およびテラヘルツスペクトル域で動作する他の分布帰還型半導体レーザであってもよい。後者の場合、半導体レーザの活性領域の設計は、量子カスケードレーザとは異なり得る。
【００１３】
本発明のさらに他の態様、特徴、および利点は、以下の詳細な記載より、単に好ましい実施形態および実施が図示されることによって容易に理解される。また本発明は、他の実施形態および異なる実施形態が可能であり、その詳細のうちのいくつかは、種々の明白な点において、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り変更が可能である。よって、図面および記載はその性質において説明的なものであって、限定的なものではないとする。本発明の追加の目的および利点を、一部以下の記載において述べ、また一部は記載により明らかにされるか、もしくは本発明の実施により得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明およびその利点のより完全な理解のため、ここで以下の記載および添付図面を参照する。これらの記載および添付図面を以下に簡単に説明する。
【図１】図１は、提案する各々がわずかに異なる発振波長を対象とするＤＦＢ−ＱＣＬの配列を概略的に示す。
【図２】図２は、提案するマイクロ電子コントローラおよびＤＦＢ−ＱＣＬの配列を含む、広帯域波長可変赤外光源の箱図表を示す。
【図３】図３は提案するマイクロ流体送出システムおよび検出器を内蔵した広帯域波長可変赤外光源案に基づくマイクロ流体赤外分光計の概要図である。
【図４】図４は、提案する広帯域波長可変シングルモード赤外光源に基づく、数種類のガスの同時検出に適した光音響ガス検出器の概略図である。
【図５】図５は、提案する広帯域波長可変シングルモード赤外光源に基づく、数種類のガスの同時検出に適した吸収分光ガス検出器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ＱＣＬに基づく新規な広帯域波長可変シングルモード赤外線レーザ光源である。好ましい実施形態では、本発明は、近接したＤＦＢ−ＱＣＬの配列、および（単数もしくは複数）レーザドライバーを組み込んでいてもよいマイクロ電子コントローラの二つの部分を備える。コントローラは配列内の各レーザのＯＮ／ＯＦＦを個別に切り替えることができ、配列内の各レーザへの電流を個別に設定でき、また配列内のレーザの温度を制御できる。装置は、携帯用広帯域センサ内で、化学物質および生物物質を含む多数の化学化合物を同時に検出するために使用することができる。
【００１６】
図１に示されるように、ＤＦＢ−ＱＣＬ配列１００は、同じ広帯域利得（もしくは多波長、もしくはその他の）のＱＣＬウエハー上で処理される。配列内の各ＤＦＢ−ＱＣＬは、わずかに異なるＤＦＢ回折格子を有する。例としては、チップ上のＤＦＢ−ＱＣＬの各々に対する対象の波長（９．７５μｍ、９．８μｍ等）を、チップの一般的な大きさとともに図１に挙げる。面発光および端面発光設計の両方が可能である。
【００１７】
ＤＦＢ−ＱＣＬは、ＱＣＬ材料から成る同じ広帯域利得（もしくは多波長、もしくはその他の）ウエハー上で、可能な限り互いに近接して製造される。これらのＤＦＢ−ＱＣＬの各々は、わずかに異なる発振波長が対象とされるよう設計されたＤＦＢ回折格子を有する。配列内のＤＦＢ−ＱＣＬの対象ＤＦＢ波長は、ＱＣＬ材料で利用可能な全利得帯域幅にわたる。チップ上の各ＤＦＢ−ＱＣＬの現実の発振波長は、装置の温度を変化させるか、もしくは装置を流れるバイアスおよび／もしくは電流を変化させることによって（ＤＦＢ−ＱＣＬに利用可能な範囲内で）調整することが出来る。配列内で（周波数空間において）隣接する二つのＤＦＢ−ＱＣＬの対象ＤＦＢ発振波長の差異は、個々のＤＦＢ−ＱＣＬの温度同調範囲より小さい。従って、広帯域利得、もしくは多波長、もしくはその他のＱＣＬ材料の利得スペクトルによって支持された波長帯におけるどんな所望の波長に対しても、配列内のＤＦＢ−ＱＣＬが選択され、このＤＦＢ−ＱＣＬが所望の波長で発振されるようにその温度を設定することが可能である。従って、全体として、ＤＦＢ−ＱＣＬの配列によって、広帯域利得（もしくはその他の）ＱＣＬ材料で、もしくは多波長ＱＣＬ材料によって供給される発光バンドの各々で利用可能なスペクトル域における連続スペクトルがカバーできる。チップ上の各レーザは、（（単数もしくは複数の）レーザドライバーを組み込んでいてもよい）コンパクトなマイクロ電子コントローラによって独立して対処される。マイクロ電子コントローラは、配列内のレーザの各々のＯＮ／ＯＦＦを個別に切り替えでき、レーザの各々への電流を設定できる。またマイクロ電子コントローラは、各個別のＤＦＢ−ＱＣＬの発振波長を、その温度もしくはバイアス電圧および／もしくは電流のいずれかを制御するか、もしくはその他の手段を行うことのいずれかによって制御する。例えば、配列内のＤＦＢ−ＱＣＬの温度同調は、レーザの全配列を一度に加熱もしくは冷却するか、もしくはＤＦＢ配列内の各レーザを（例えば、ＤＣ電流で）加熱し、全配列の温度を一定に保つことによって実行される。ＤＦＢ−ＱＣＬの一般的な温度同調率、〜０．０９ｃｍ−１／Ｋであれば（例えば、C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, F. Capasso, A. Y. Cho, Applied Physics Letters v. 79, p. 572 （2001）を参照）、配列内の個別のＤＦＢ−ＱＣＬの温度を３５℃変更して、３ｃｍ−１分波長を同調する必要がある。
【００１８】
配列内のＤＦＢ−ＱＣＬは、一次もしくは二次ＤＦＢ回折格子（もしくは、実際には何次のどんなＤＦＢ回折格子でも）のいずれかを備えて製造されてもよい。二次回折格子では、配列内のＤＦＢ−ＱＣＬは、面発光を行うことが出来る（例えば、Daniel Hofstetter, Jerome Faist, Mattias Beck, and Ursula Oesterle, Applied Physics Letters v. 75, p. 3769 （1999）参照）。いくつかの用途では、面発光ＤＦＢ−ＱＣＬの配列を有する広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源は、従来の端面発光ＱＣＬを使用したものよりも有益であり得る。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態に係る広帯域波長可変シングルモードのコヒーレントな赤外光源の概略図を図２に示す。コントローラ２１０は、同様に（単数もしくは複数の）レーザドライバーが組み込まれていてもよく、電源装置２２０から電力を供給されるマルチプレクサ２３０を制御する。
【００２０】
提案する設計の大きさを概算するには、以下の点に注意する。
・一般的にチップ上の一つのＤＦＢ−ＱＣＬは、長さ〜１〜２ｍｍ、幅〜１０μｍであり、
・ＤＦＢ−ＱＣＬは、ＱＣＬウエハー上に、１０μｍ以下の間隔で製造でき、かつ
・各ＤＦＢ−ＱＣＬは、３ｃｍ−１以上に温度同調できる（例えば、C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, F. Capasso, A. Y. Cho, Applied Physics Letters v. 79, p. 572 （2001） and Claire Gmachl, Federico Capasso, Alessandro Tredicucci, Deborah L. Sivco, James N. Baillargeon, Albert L. Hutchinson, and Alfred Y. Cho, Optics Letters v. 25, p. 230 （2000）参照）。従って、（現在までの）最高の広帯域利得外部回折格子ＱＣＬの全帯域をカバーするために（発振波長は８．２〜１０．４ミクロンの間で調節可能である。R. Maulini, A. Mohan, M. Giovannini, J. Faist, E. Gini, Applied Physics Letters v. 88、201113 （2006）を参照）。提案する広帯域波長可変でコヒーレントな赤外光源のチップの大きさは、２ｘ２ｍｍと小さくなる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態では、マイクロ電子コントローラ２１０が、同じ広帯域利得（もしくは多波長、もしくはその他の）ＱＣＬウエハー上に製造されたわずかに異なるＤＦＢ回折格子周期を有する個別に対処されたＤＦＢ−ＱＣＬ１００の配列と組み合わされる。これにより、狭線幅広帯域波長可変コヒーレント放射を供給するコンパクトなレーザ光源を構築することが可能となる。提案する装置の性能（波長可変範囲、線幅、出力レベル）は、外部回折格子波長可変ＱＣＬに匹敵するが、装置の設計はずっと小さく製造が容易である。
【００２２】
本発明は、コンパクトかつ波長可変幅の広い狭線幅光源が望まれる全ての分野において広範囲にわたる用途を有す。これには化学的感知および生物学的感知、遠隔感知、高分解能分光法、赤外線感知、汚染監視、燃焼診断学、およびその他多くの用途が含まれる。提案する装置のコンパクトさによって、マイクロ流体送出システムが統合され、大きさがミリメートル単位のラボチップのための赤外線マイクロ流体分光装置を構築することが可能である。本発明に基づく装置の例について述べる。
【００２３】
本発明は、紫外、可視、赤外およびテラヘルツスペクトル域で動作する他の半導体レーザとして使用されるのと同様に、赤外スペクトルおよびテラヘルツスペクトル域で動作するＤＦＢ−ＱＣＬとして使用される。後者の場合、半導体レーザの活性領域の設計は、量子カスケードレーザとは異なってもよい。本発明の詳細のうち数点は、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り種々の明白な点において変更されてもよい。
【００２４】
本発明の広帯域波長可変シングルモード量子カスケードレーザ光源は、外部回折格子広帯域波長可変ＱＣＬと比較して、多数の利点を提供する。
【００２５】
（1）構成機器の少なさ
本発明の広帯域波長可変シングルモード量子カスケードレーザ光源は、波長調節用の外部光学機器や可動部を一切必要としない。ＤＦＢ−ＱＣＬの配列は、一つのＱＣＬ材料ウエハー上で超微細加工され、マイクロ電子コントローラは、（単数もしくは複数の）レーザドライバーを組み込んでいてもよいが、電子部品のみを含む。結果として、我々の設計は、外部光学構成機器および可動回折格子が必要とされる外部回折格子設計よりもずっと単純である。レーザと光学機器を注意深く位置調整する必要がないため、パッキングのコストはずっと低い。
【００２６】
（2）設置面積の小ささ
本発明は、大きさにおいて本質的に小型である。ＤＦＢレーザ配列の大きさは、２ｘ２ｍｍもの小ささに出来る（上記の概算を参照のこと）。外部回折格子広帯域波長可変ＱＣＬは、可動回折格子および外部の光学構成機器を必要とするため、容易に小型化できない。我々の設計および外部回折格子広帯域波長可変ＱＣＬは双方とも、発振波長の選択にマイクロ電子コントローラを必要とする。
【００２７】
（３）優れた温度性能および高い出力
広帯域波長可変ＱＣＬ光源の我々の設計は、外部回折格子広帯域波長可変ＱＣＬより優れた温度性能および高い出力を提供出来る。これは、外部回折格子波長可変ＱＣＬでは光がＱＣＬ共振器の外部で結合され、次に波長選択を供給する回折格子に投影され、その後ＱＣＬ内に再注入される必要があるためである。これらの工程は全て、レーザ放射損失が引き起こされる。我々の設計では、波長選択は、内蔵ＤＦＢ回折格子によってＱＣＬ自身内で行われる。従って、外部共振器ＱＣＬに特有の損失が回避される。
【実施例】
【００２８】
[提案の広帯域波長可変ＱＣＬ発生光源に基づく機器の例]
１．マイクロ流体の分光計
提案の広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源１００は、マイクロ流体送出システム３２０および検出器３１０を組み込んで、図３に示すような大きさがミリメートル単位のマイクロ流体赤外分光計を作成することが出来る。この分光計は、スタンドアロンユニットとして使用することができ、またラボチップ内部に組み込むことが出来る。
【００２９】
２．ガスの光音響分光
提案の広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源１００は、図４に示すように、光音響分光において使用される構成内へ組み込まれることが可能である。この構成は、ガスセル４１０、マイクロフォン４２０、およびコンピュータを有し、他の電子機器、４３０を伴う。シングルＤＦＢ−ＱＣＬで、光音響分光の原理に基づくきわめて感度の高いガスセンサをうまく構築できることが既に実証されている（例えば、Stefano Barbieri, Jean-Paul Pellaux, Eric Studemann, and Daniel Rosset, Review of Scientific Instruments v. 73, p. 2458 （2002）を参照）。本発明に係る広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源の内蔵により、これらのセンサは、多くの異なるガスを同時に検出することが可能となる。
【００３０】
３．ガスの吸収分光
提案の広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源１００は、図５に示すように、吸収分光において使用される構成内へ組み込まれることが可能である。この構成は、ガス（もしくは液体）セル５１０、光検出器５２０、およびコンピュータを有し、他の電子機器、５３０を伴う。シングルＤＦＢ−ＱＣＬで、吸収分光の原理に基づくきわめて感度の高いガスセンサをうまく構築できることが既に実証されている（例えば, M.R. McCurdy, Y.A. Bakhirkin, F.K. Tittel, Applied Physics B v. 85, p. 445 （2006）を参照）。本発明にかかる広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源の組み込みにより、これらのセンサは、多数の異なるガスもしくは液体を同時に検出することが可能となる。
【００３１】
４．遠隔感知
提案の広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源１００は、爆発物の遠隔検出を含む、遠隔感知目的で使用される構成内へ組み込まれることが可能である。本発明に係る広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源の組み込みにより、これらの遠隔センサは、多数の異なる化合物を同時に検出することが可能となる。
【００３２】
５．他の用途
一般に、提案の広帯域波長可変シングルモードＱＣＬ光源は、赤外スペクトルもしくはテラヘルツスペクトル域の高出力狭線幅広帯域波長可変光源が必要とされるあらゆる用途において使用することができる。
【００３３】
上述の本発明の好ましい実施形態の記載は、図示および説明の目的で提示した。完全な状態や、本発明が開示する厳密な形状に制限する意図はなく、上記教示もしくは本発明の実施によってもたらされる結果に照らして改造および変更が可能である。当業者が本発明を想定される特定の用途に適した種々の実施形態で利用できるように、本発明の原理およびその実用的な用途を説明するため、実施形態を選択し、記載した。本発明の範囲は、ここに添付の請求項、およびそれらに相当するものによって規定されることを意図している。前述の各書類の全体が、ここに参照し組み入れられる。
【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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【国際調査報告】
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