(57)【要約】  本発明は、リン化インジウム（InP）又はひ化ガリウム（GaAs）製の基板層（16）にエピタキシャル法で形成した半導体原材料の層を積層したものを有する活性層（20）と、レーザー輻射線の出力面（28）を覆って垂直方向に延在する反射防止膜（34）であって、全レーザー輻射線が前記出力面を通過するような屈折率と所定の厚さとを有する材料で作られている反射防止膜とを有する量子カスケードレーザー増幅器（12）に関する。前記反射防止膜（34）は、所定の屈折率（ｎD）よりも小さい所定の第一の屈折率（ｎ1）を有する第一層（36）と、所定の屈折率（ｎD）よりも小さい所定の第二の屈折率（ｎ2）を有する少なくとも１つの第二層（38）とを含み、反射防止膜（34）の前記第一層（36）がフッ化イットリウム（ＹＦ3）で作られていることを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−リン化インジウム（InP）製の基板（16）を成す下方水平層と、
−前記基板（16）上にエピタキシャル成長させた半導体材料の、水平方向に延在する複数の層を垂直に積み上げることによって形成される活性領域（20）と、
−垂直方向に延在するレーザー輻射線の出力面（28）を覆うと共に、該レーザー輻射線の全部を前記出力面を通過させるように定められた理想的な屈折率（ｎD）を有する、垂直方向に延在する反射防止膜（34）とを有し、
該反射防止垂直膜が
−前記所定の屈折率よりも小さい第一の屈折率（ｎ1）を有する少なくとも１つの第一層（36）と、
−前記所定の屈折率よりも大きい第二の屈折率（ｎ2）を有する少なくとも１つの第二層と
を有する赤外レーザー輻射線を出射することのできる量子カスケードレーザー増幅器（12）において、
前記反射防止膜（34）の前記第一層（36）がフッ化イットリウム（ＹＦ3）で作られていることを特徴とする、レーザー増幅器（12）。
【請求項２】
前記反射防止膜（34）の前記第一層（36）が、前記レーザー増幅器（12）の出力面（28）と前記第二層（38）との間に挿入されていることを特徴とする、先行する請求項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項３】
前記第二層（38）がセレン化亜鉛（ZnSe）で作られていることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項４】
前記第二層（38）が硫化亜鉛（ZnS）で作られていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項５】
前記第二層（38）が酸化ニオブ（Nb2O5）で作られていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項６】
前記第二層（38）が窒化シリコン（Si3N4）で作られていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項７】
前記レーザー増幅器（12）が近赤外及び／又は中赤外の多モードレーザー輻射線を出射し、その波長が３〜18μｍであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項８】
前記反射防止膜（34）の前記第一層（36）及び前記第二層（38）の厚さが、レーザー輻射線の波長によって決定されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項９】
−ひ化ガリウム（GaAs）製の基板（16）を成す下方水平層と、
−前記基板（16）上にエピタキシャル成長させた半導体材料の、水平方向に延在する複数の層を垂直に積み上げることによって形成される活性領域（20）と、
−垂直方向に延在するレーザー輻射線の出力面（28）を覆うと共に、該レーザー輻射線の全部を前記出力面を通過させるように定められた理想的な屈折率（ｎD）を有する、垂直方向に延在する反射防止膜（34）とを有し、
該反射防止垂直膜が
−前記所定の屈折率よりも小さい第一の屈折率（ｎ1）を有する少なくとも１つの第一層（36）と、
−前記所定の屈折率よりも大きい第二の屈折率（ｎ2）を有する少なくとも１つの第二層と
を有する赤外レーザー輻射線を出射することのできる量子カスケードレーザー増幅器（12）において、
前記反射防止膜（34）の前記第一層（36）がフッ化イットリウム（ＹＦ3）で作られていることを特徴とする、レーザー増幅器（12）。
【請求項１０】
前記反射防止膜（34）の前記第一層（36）が、前記レーザー増幅器（12）の出力面（28）と前記第二層（38）との間に挿入されていることを特徴とする、先行する請求項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項１１】
前記第二層（38）がセレン化亜鉛（ZnSe）で作られていることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項１２】
前記第二層（38）が硫化亜鉛（ZnS）で作られていることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項１３】
前記第二層（38）が酸化ニオブ（Nb2O5）で作られていることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項１４】
前記第二層（38）が窒化シリコン（Si3N4）で作られていることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項１５】
前記レーザー増幅器（12）が近赤外及び／又は中赤外の多モードレーザー輻射線を出射し、その波長が３〜18μｍであることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【請求項１６】
前記反射防止膜（34）の前記第一層（36）及び前記第二層（38）の厚さが、レーザー輻射線の波長によって決定されることを特徴とする、請求項９〜１５のいずれか一項に記載のレーザー増幅器（12）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射防止膜が設けられた出力面を有する量子カスケードレーザーに関する。
【０００２】
より詳しくは、本発明は赤外レーザー輻射線を発することのできる量子カスケードレーザー増幅器に関し、該量子カスケードレーザー増幅器は、
−リン化インジウム（InP）基板又はひ化ガリウム（GaAs）基板上にエピタキシャル成長させた半導体材料の、水平方向に延在する複数の層を垂直に積み上げることによって形成される活性領域と、
−垂直方向に延在するレーザー輻射線の出力面を覆うと共に、該レーザー輻射線の全部を前記出力面を通過させる所定の屈折率を有する、垂直方向に延在する反射防止膜とを有し、
該反射防止垂直膜が
−前記所定の屈折率よりも小さい第一の屈折率を有する少なくとも１つの第一層と、
−前記所定の屈折率よりも大きい第二の屈折率を有する少なくとも１つの第二層と
を有する。
【背景技術】
【０００３】
量子カスケード型のレーザーは、最新の技術においてすでに知られている。典型的な量子カスケードレーザーは、特に、EP 1 195 865 A1に詳細に開示されている。
【０００４】
この型のレーザーは、一般に、所謂ファブリ・ペロー共振空洞に関連するチップ又はレーザーダイオードのような、半導体増幅器を有している。
【０００５】
この半導体増幅器に電流を通じると、レーザー増幅器はレーザー輻射線を放つ。前記共振空洞は、レーザー増幅器を通過させることによって、このレーザー輻射線を少なくとも部分的に第二反射手段へと反射させる第一反射手段を有している。第二反射手段は、前記増幅器を介して、前記レーザー輻射線を再び第一反射手段に向けて反射する。このようにしてレーザー輻射線はレーザー増幅器内を連続的に往復し、この往復によってレーザー輻射線の増幅を行う。
【０００６】
レーザーの内側にファブリ・ペロー空洞を作ることは公知である。そして、反射手段は、レーザー増幅器の対向する２つの劈開した垂直面によって形成され、これら垂直面の内の少なくとも１つがレーザー輻射線の出力面をなす。
【０００７】
外部ファブリ・ペロー空洞を作ることも公知である。この場合、半反射鏡などの第一反射手段は、レーザーの外側の、レーザー輻射線の軌道上に配置される。この半反射鏡によって、出力面から出射されたレーザー輻射線は、再びレーザーの出力面に向けて反射されることになる。反射された輻射線は、このようにして、レーザー増幅器に入り、出力面に対向する劈開された反射面で形成することのできる第二反射手段によって反射される。レーザー増幅器を通過する毎に、このようにしてレーザー輻射線が増幅される。
【０００８】
このような量子カスケードレーザーは、例えば、多モードレーザー輻射線を発し、その１つのモードはレーザー輻射線を作る光の波長に対応する。各モードの光の波長は、近赤外及び中赤外範囲、即ち、３〜18μｍである。
【０００９】
回折格子などの分散要素を使用することは、全単一モードレーザー輻射線を作るためにレーザー増幅器で反射された輻射線をスペクトルによってフィルタするための外部空洞を有するレーザーにおいて知られている。
【００１０】
このようなレーザーの同調範囲を増大させて連続的な同調を容易にするために、レーザーの出力面が、その一部を反射することなく、レーザー増幅器の内部に向けてレーザー輻射線を完全に通過させるのが好ましい。レーザー輻射線の一部が出力面によって反射されると、同調が乱される。実際、レーザー増幅器は外部空洞内に寄生内部共振空洞を形成し、寄生モードを出現させる。
【００１１】
さて、出力面が処理されていないと、レーザー増幅器を形成する増幅器媒体の、例えば3.15〜3.22である屈折率ｎLと、１に等しい空気の屈折率との差によって、入射レーザー輻射線の一部が反射し、式（ｎL−１）2／（ｎL＋１）2に従って計算される出力面の反射率が約27％になる。
【００１２】
この問題を解決するために、レーザーの出力面に反射防止性材料の被膜を設ける方法が知られている。反射防止性材料の屈折率は所定の理想的な屈折率に近く、例えば、ここでは1.8である。この理想的な屈折率は、２つの材料の境界面における屈折率を計算することによって決定される。ここでは、空気の屈折率ｎA＝１であり、基板の屈折率はｎLであるので、
【００１３】
【数１】
2010512655.tif 000003
を得ることができる。
【００１４】
このように、アルミナ（Al2O3）被膜をレーザーの出力面に設ける方法が知られている。しかしながら、その屈折率が所定の理想的な屈折率からあまりにも離れているので、このような被膜は赤外レーザー輻射線の全部を通すことがない。したがって、このような反射防止膜は、近赤外、即ち１〜２μｍの波長に対して適切であり、中赤外、即ち、３〜18μｍの波長には適切ではない。
【００１５】
このような膜は、特に、Applied Physics Letters, 2001年刊、Volume 78, p. 2834 に掲載された、ジー・ピー・ルオ（G. P. Luo）による「格子同調した外部空洞量子カスケード半導体レーザー（“Grating-tuned external-cavity quantum-cascade semiconductor lasers”）」と題された論文、Optics Letters, 2005年刊、Volume 30, p. 2584に掲載された、アール・マウリーニー等（R. Maulini et al.）による「広域同調可能な熱電気冷却外部空洞量子カスケードレーザーの連続波操作（“Continuous-wave operation of a broadly tunable thermoelectrically cooled external cavity quantum-cascade laser”）」と題された論文に開示されている。
【００１６】
他の材料で作られた被覆も知られているが、これらの材料は増幅器を形成する材料の層に適切に接着しないという欠点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】EP 1 195 865 A1
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Applied Physics Letters, 2001年刊、Volume 78, p. 2834 に掲載された、ジー・ピー・ルオ（G. P. Luo）による「格子同調した外部空洞量子カスケード半導体レーザー（“Grating-tuned external-cavity quantum-cascade semiconductor lasers”）」と題された論文
【非特許文献２】Optics Letters, 2005年刊、Volume 30, p. 2584に掲載された、アール・マウリーニー等（R. Maulini et al.）による「広域同調可能な熱電気冷却外部空洞量子カスケードレーザーの連続波操作（“Continuous-wave operation of a broadly tunable thermoelectrically cooled external cavity quantum-cascade laser”）」と題された論文
【非特許文献３】オプトエレクトロニクス（Optoelectronics）、エー．ローゼンヒェル（E. Rosencher）及びベー．ヴァンテル（B. Vinter）著、パリ、マッソン（Masson）編、1998年版の第９章
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、本発明は、反射防止膜の第一層をフッ化イットリウム（ＹＦ3）で作ることを特徴とする、先に記載した型のレーザーを提案することによって、これらの問題を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の他の特徴によると、
−反射防止膜の第一層は、レーザー増幅器の出力面と第二層との間に挿入されている。
−前記第二層はセレン化亜鉛（ZnSe）で作られている。
−前記第二層は硫化亜鉛（ZnS）で作られている。
−前記第二層は酸化ニオブ（Nb2O5）で作られている。
−前記第二層は窒化シリコン（Si3N4）で作られている。
−レーザー増幅器は近赤外及び／又は中赤外の多モードレーザー輻射線を出射し、その波長は３〜18μｍである。
−反射防止膜の第一層及び第二層の厚さは、レーザー輻射線の波長によって決定される。
【００２１】
他の特徴及び効果は、添付の図面を参照してなされる、以下の詳細な記述を読むことによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の教示に従って作られた反射防止膜を備えたレーザー増幅器を含む量子カスケードレーザーを概略的に説明する断面図である。
【図２】レーザーの波数に対する、本発明の教示に従って作られた反射防止膜を形成する層の厚さを示す曲線を含むグラフである。
【図３】レーザーの波数に対する、本発明の教示に従って作られた反射防止膜を形成する層の厚さを示す曲線を含むグラフである。
【図４】レーザー増幅器の性能に本発明の教示に従って作られた反射防止膜が与える影響を示すグラフであり、出力面の反射率がほぼゼロであり、これによってレーザーの増幅が大幅に弱められること（閾値電流が増大すること）が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の記載と請求項において、長手、垂直、及び横の方向が本発明を制限することなく採用され、それぞれ、図１に示した３次元の参照軸“Ｌ、Ｖ、Ｔ”で示される。
【００２４】
さらに、全く同じ要素、同類の要素又は類似の要素は同じ参照符号で示す。
【００２５】
量子カスケードレーザー10が図１に示されており、このカスケードレーザーは、外部共振空洞14に設けられたレーザー増幅器12を含んでいる。
【００２６】
レーザー増幅器12は、ここでは、ブロック、矢印、ダイオード又は半導体材料の様々な層を積み重ねて作られた垂直方向のチップとして示されている。公知の方法で、レーザー増幅器12は、下方に水平方向に延在する基板層16を有している。この基板16の上面18に、水平方向に延在する半導体材料の層を垂直に積み重ねて形成された活性領域20が設けられている。
【００２７】
基板16は電極の機能を果たすことができる。
【００２８】
より詳しくは、活性領域20は、図１において下から上に向かって、第一下方光閉じ込め層22、利得領域24、及び第二上方光閉じ込め層26を含んでいる。
【００２９】
前記利得領域24は量子井戸と量子障壁とを連続的に成す複数の層によって形成されている。利得領域24は注入障壁も含んでいる。このような活性領域とその組成とのより詳細な記述については、前記EP 1 195 865 A1を参照することができる。
【００３０】
前記利得領域24が、基板16と光閉じ込め層22, 26とを介して適切な電流を与えられると、レーザー輻射線が利得領域24で発生される。
【００３１】
光閉じ込め層22, 26が、利得領域24で生じたレーザー輻射線の伝播を長手方向に沿って案内するための水平方向の導波路を形成する。
【００３２】
増幅器12の全層は、レーザー増幅器12が分解しないように、水平面に同じ格子セルを有する単結晶構造を有している。
【００３３】
基板16はインジウムを基材として作られており、より具体的には単結晶リン化インジウム（InP）で作られている。その電気伝導性を高めるために、基板16は任意にドープすることができる。
【００３４】
本発明の図示されていない別の態様によると、基板16はひ化ガリウム（GaAs）の単結晶合金で作られている。
【００３５】
活性層20の様々な層も、基板上にエピタキシャル成長させた単結晶半導体材料で作られる。
【００３６】
このような組成を有すると、水平面において同じ格子セルを有すると共にInP製の基板16の格子セルと全く同じである結晶構造を定めることが可能である。このように、レーザー増幅器12は均一な結晶構造を有しており、それ故に様々な層が分解することがない。
【００３７】
公知の方法で、例えば珪素（Ｓｉ）でいくつかの層をドープすることができる。
【００３８】
レーザー増幅器12は、後端部縦断垂直面27と前端部縦断垂直面28とによって長手方向の境界を定められている。前端面28と後端面27とは平行である。これらの面27, 28はレーザー増幅器12を形成している材料を劈開することによって作られる。
【００３９】
前端面28は利得領域24で生成されたレーザー輻射線の出力面をなしており、後端面27は、図１において矢印「Ｆ」によって示されているレーザー輻射線を利得領域24の内側に向けて反射するための面をなしている。
【００４０】
外部鏡面32の半反射縦断垂直面30は、レーザー増幅器12の出力面28と対向してその前に配置されている。外部鏡面32の半反射縦断垂直面30は、レーザー増幅器12の出力面28を通って出てくるレーザー輻射線の少なくとも一部を反射することができる。
【００４１】
外部鏡面32の半反射面30とレーザー増幅器12の後端反射面27との間に長手方向に延在する空間は、レーザー増幅器12の外部共振空洞14をなす。
【００４２】
このようなレーザーは、近赤外及び中赤外領域の３〜18μｍの波長で、多モードレーザー輻射線を出射することができる。
【００４３】
以下の記述のために、レーザー輻射線モードの波数はその波長の逆数として定義する。したがって、中赤外の波数は550〜3,333 cm-1である。
【００４４】
レーザー増幅器12の出力面28が処理されていないと、例として与えられる組成に対して3.15〜3.22であるレーザー増幅器12の屈折率“ｎL”と、地域によらず１に等しい周囲空気“ｎA”の屈折率との差によって、入射レーザー輻射線の一部が反射される。例えば、反射率は約27％である。
【００４５】
本発明は、広範囲に亘る近赤外及び中赤外レーザー輻射線を通過させることのできる、特に性能のよい垂直縦断反射防止膜34を、レーザー増幅器12の出力面28に設けることを提案する。反射防止膜34は、レーザー輻射線の全部を通過させるように決定された理想的な屈折率“ｎD”に近い屈折率を有している。この所定の理想的な屈折率“ｎD”は、例として示されたレーザー増幅器12に対して、例えば、1.8である。
【００４６】
本発明の教示によると、前記所定の理想的な屈折率“ｎD”よりも小さい第一の屈折率“ｎ1”を有する、水平方向に延在する層の積層部を縦断して垂直方向に延在する第一層36と、前記所定の理想的な屈折率“ｎD”よりも大きい第一の屈折率“ｎ2”を有する、水平方向に延在する層の積層部を縦断して垂直方向に延在する第二層38とによって、反射防止膜34が形成されている。
【００４７】
前記第一層36は出力面28と前記第二層38との間に挿入されている。このように、第一層36は、レーザー増幅器12の出力面28と直接接触するように配置されている。
【００４８】
反射防止膜34の第一層36は、フッ化イットリウム（ＹＦ3）で作られている。こうして、第一層36は、前記所定の理想的な屈折率“ｎD”よりも小さい第一の屈折率“ｎ1”を有している。さらに、このようにして作られた反射防止膜34の第一層36は、レーザー増幅器12の出力面28に完全に固着する。
【００４９】
反射防止膜34の第二層38は、セレン化亜鉛（ZnSe）で作られている。このように、第二層38は、前記所定の理想的な屈折率“ｎD”よりも大きい屈折率“ｎ2”を有している。このようにして作られた第二層38は前記第一層36に完全に固着する。
【００５０】
反射防止膜34の第一及び第二層36、38の各々の屈折率“ｎ1、ｎ2”は、関連するレーザー輻射線の波長に依存する。反射率ゼロを得るための２つの層の厚さは、関連するレーザー輻射線の波長によって決定される。レーザー輻射線の波数に適応させた厚さの計算は、例えば、「オプトエレクトロニクス（Optoelectronics）」（エー．ローゼンヒェル（E. Rosencher）、ベー．ヴァンテル（B. Vinter）著）、パリ、マッソン（Masson）編、1998年版の第９章に記載されている、公知の反射率計算法を適用することができる。
【００５１】
単位がｃｍ-1である様々な波数に対して反射率がゼロである反射防止膜34を得るために
出力面28に堆積させる第一層36と第二層38との厚さは、ナノメーターの単位で、図２に対応する次の表１に示されている。
【００５２】
【表１】
2010512655.tif 000004
【００５３】
先に述べたように、このようにして作られた反射防止膜34は、そのモードが中赤外域の波数を有するレーザー輻射線を完全に透過する。
【００５４】
本発明の図示されていない別の態様によると、第二層38が硫化亜鉛（ZnS）で作られている。この材料は、実のところ、セレン化亜鉛の屈折率と接着性に類似する屈折率と接着性とを有している。
【００５５】
単位がｃｍ-1である様々な波数に対して反射率がゼロである反射防止膜34を得るために
出力面28に堆積させる第一層36と第二層38との厚さは、ナノメーターの単位で、図３に対応する次の表２に示されている。
【００５６】
【表２】
2010512655.tif 000005
【００５７】
本発明の図示されていない更に別の態様によると、類似の特性を有する他の材料も反射防止膜34の第二層38を作るのに使用することができる。そのような材料としては、例えば、Nb2O5又はSi3N4を挙げることができる。
【００５８】
反射防止膜の２種の層36、38は、真空蒸着室において、例えば、熱蒸発、電子銃を用いた蒸発、又は陰極スパッタリングによって、レーザー増幅器12の出力面28に蒸着させる。
【００５９】
本発明の教示に従って作られた反射防止膜34を備えたレーザー増幅器12を用いると、赤外領域、特に中赤外域の、レーザー輻射線の幅広い波長に対して反射率ゼロを実現することができる。
【００６０】
さらに、ＹＦ3で作られた第一層36は出力面28に完全に固着し、出力面28から外れる危険性、又は分解の危険性は全くない。
【００６１】
また、反射防止膜34の第二層38は、前記第一層36に完全に固着する。
【００６２】
本発明の図示されていないまた別の態様によると、図１に関連させて、第二層38が出力面28と第一層36との間に挿入される。このようにすると、第二層38は、レーザー増幅器12の出力面28と直接接触して配置されることになる。
【００６３】
第二層38を作るのに使用される材料も、出力面28に完全に固着する。
【００６４】
図示されていない更なる態様によると、反射防止膜38は２層を超える層を有することもできる。その場合、少なくとも１つの第一層をフッ化イットリウムで作り、複数の第二層を先に記載した材料で作ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2010512655.tif 000010
2010512655.tif 000011
2010512655.tif 000012
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