(57)【要約】【課題】広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置１は、共通電極３と、共通電極３上に設けられた環状の半導体積層体４と、共通電極３と対向するように、且つ環状に並ぶように、半導体積層体４上に設けられた複数の分割電極５と、共通電極３と対向し、分割電極５のそれぞれと電気的に接続された対向電極７と、共通電極３と対向電極７との間に設けられた絶縁層６ａと、を備えている。半導体積層体４は、量子カスケードレーザ構造を有し、共通電極３と分割電極５との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発生すると共に、共通電極３、分割電極５、対向電極７及び絶縁層６ａと共にメタマテリアルリング共振器として機能し、テラヘルツ波を外部に出射する。【選択図】図１
2013222810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
前記第１の電極上に設けられた環状の半導体積層体と、
前記第１の電極と対向するように、且つ環状に並ぶように、前記半導体積層体上に設けられた複数の第２の電極と、
前記第１の電極と対向し、前記第２の電極のそれぞれと電気的に接続された第３の電極と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に設けられた第１の絶縁層と、を備え、
前記半導体積層体は、量子カスケードレーザ構造を有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発生すると共に、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極及び前記第１の絶縁層と共にメタマテリアルリング共振器として機能し、前記テラヘルツ波を外部に出射する、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第２の電極は、前記テラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいる、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１の電極、前記半導体積層体、前記第２の電極、前記第３の電極及び前記第１の絶縁層は、前記メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ前記分散特性の位相定数が０となるように、構成されている、請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記半導体積層体を支持する基板を更に備え、
前記第１の電極は、前記基板上に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記半導体積層体は、円形状である、請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記半導体積層体の外側の側面に形成され、前記第２の電極のそれぞれと前記第３の電極とを電気的に接続する第４の電極と、
前記半導体積層体と前記第４の電極との間に設けられた第２の絶縁層と、を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波の半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツカスケードレーザは、小型で駆動が容易なテラヘルツ光源として期待されている。しかしながら、テラヘルツカスケードレーザの出射端面から出射されるテラヘルツ波には、出射端面における出射領域に対して波長が非常に長いため、回折の影響が顕著に現れて広がり角が大きくなり、その結果、テラヘルツカスケードレーザの発振光として有効に利用し得る割合（取出し効率）を高くしにくい。
【０００３】
テラヘルツ波の広がり角を抑制する方法として、テラヘルツカスケードレーザの表面にリング状の回折格子構造を形成し、その表面から出射される高次の回折モードを利用する方法が知られている（非特許文献１及び２参照）。また、テラヘルツ波の広がり角を抑制する別の方法として、テラヘルツカスケードレーザとメタマテリアル構造の一次元漏れ波アンテナとを組み合わせる方法が知られている（非特許文献３及び４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】L. Mahler et al., "Distributed feedbackring resonators for vertically emitting terahertz quantum cascade lasers",Optics Express, 17, 13031 (2009).
【非特許文献２】M. S. Vitiello et al., "High efficiencycoupling of Terahertz micro-ring quantum cascade lasers to the low-loss opticalmodes of hollow metallic waveguides", Optics Express, 19, 1122 (2011).
【非特許文献３】A. A. Tavallaee et al., "Zero-IndexTerahertz Quantum-Cascade Metamaterial Lasers", IEEE Journal of QuantumElectronics, 46, 1091 (2010).
【非特許文献４】A. A. Tavallaee et al., "Terahertzquantum-cascade laser with active leaky-wave antenna", Applied PhysicsLetters, 99, 141115 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１及び２記載の方法では、高次の回折モードを利用するため、テラヘルツ波の取出し効率は必ずしも高くない。また、非特許文献３及び４記載の方法では、メタマテリアル構造の一次元漏れ波アンテナを用いるため、一次元方向においてテラヘルツ波の広がり角を抑制することができるだけである。
【０００６】
そこで、本発明は、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置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】
【０００７】
本発明の半導体レーザ装置は、第１の電極と、第１の電極上に設けられた環状の半導体積層体と、第１の電極と対向するように、且つ環状に並ぶように、半導体積層体上に設けられた複数の第２の電極と、第１の電極と対向し、第２の電極のそれぞれと電気的に接続された第３の電極と、第１の電極と第３の電極との間に設けられた第１の絶縁層と、を備え、半導体積層体は、量子カスケードレーザ構造を有し、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されることによりテラヘルツ波を発生すると共に、第１の電極、第２の電極、第３の電極及び第１の絶縁層と共にメタマテリアルリング共振器として機能し、テラヘルツ波を外部に出射する。
【０００８】
この半導体レーザ装置では、量子カスケードレーザ構造を有する半導体積層体でテラヘルツ波が発生する。このとき、半導体積層体は、第１の電極、第２の電極、第３の電極及び第１の絶縁層と共にメタマテリアルリング共振器として機能するため、当該テラヘルツ波が半導体積層体の形状に応じたリング状のパターンをなして外部に出射される。しかも、半導体積層体がメタマテリアルリング共振器の構成の一部を兼ねているため、発生したテラヘルツ波が外部に出射する際のロスが生じにくい。よって、この半導体レーザ装置によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる。
【０００９】
ここで、第２の電極は、テラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいてもよい。これによれば、テラヘルツ波に対するメタマテリアルリング共振器として、第１の電極、半導体積層体、第２の電極、第３の電極及び第１の絶縁層を良好に機能させることができる。
【００１０】
また、第１の電極、半導体積層体、第２の電極、第３の電極及び第１の絶縁層は、メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数が０となるように、構成されていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器内での波長が無限大となり、周波数に依存しなくなるため、共振器長を自由に設計することが可能となる。また、テラヘルツ波の広がり角を、二次元方向においてより確実に抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体積層体を支持する基板を更に備え、第１の電極は、基板上に設けられていてもよい。これによれば、半導体レーザ装置の各構成の安定化を図ることができる。
【００１２】
また、半導体積層体は、円形状であってもよい。これによれば、円形状のパターンをなすテラヘルツ波を出射することができる。
【００１３】
また、本発明の半導体レーザ装置は、半導体積層体の外側の側面に形成され、第２の電極のそれぞれと第３の電極とを電気的に接続する第４の電極と、半導体積層体と第４の電極との間に設けられた第２の絶縁層と、を更に備えていてもよい。これによれば、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が０となる構成を実現するための構造を単純化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の半導体レーザ装置の平面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置の側面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】図１の半導体レーザ装置におけるメタマテリアルリング共振器の単位構造の等価回路図である。
【図５】図１の半導体レーザ装置におけるメタマテリアルリング共振器の単位構造の分散特性を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施形態の半導体レーザ装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１〜図３に示されるように、半導体レーザ装置１は、ＩｎＰからなる正方形板状の基板２を備えている。基板２の表面２ａには、金及びインジウムからなる共通電極（第１の電極）３が設けられている。共通電極３の表面３ａには、円形環状の半導体積層体４が設けられている。つまり、基板２は、半導体積層体４を支持している。
【００１８】
半導体積層体４は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなる量子カスケードレーザ構造を有している。半導体積層体４は、基板２の表面２ａ上の中央に配置されている。半導体積層体４の表面４ａには、共通電極３と対向するように、且つ環状に並ぶように、金からなる複数の分割電極（第２の電極）５が設けられている。半導体積層体４は、共通電極３と分割電極５とに挟まれることで、金属導波路によるリング共振器を構成しており、共通電極３と分割電極５との間に電圧が印加されることにより、テラヘルツ波を発生させる。
【００１９】
共通電極３の表面３ａ上において、半導体積層体４が設けられた領域の外側の領域には、シリコン窒化膜からなる絶縁層（第１の絶縁層）６ａが積層されている。また、半導体積層体４の外側の側面４ｂ上にも、シリコン窒化膜からなる絶縁層（第２の絶縁層）６ｂが設けられている。そして絶縁層６ａ，６ｂは、互いに一体的に形成されている。すなわち、絶縁層６ａは、共通電極３の表面３ａ上に延在し、半導体積層体４の外側の側面４ｂに接する部分で当該側面４ｂに沿うように折れ曲がり、そこから絶縁層６ｂとして連続して、当該側面４ｂをも覆っている。当該側面４ｂを覆った絶縁層６ｂの上端は、各分割電極５の表面に当接している。
【００２０】
絶縁層６ａの表面６ｃ上には、共通電極３と対向するように、金からなる矩形状の複数の対向電極（第３の電極）７が設けられている。対向電極７の数は、分割電極５の数と同じであり、各対向電極７は、半導体積層体４の円環の半径方向において各分割電極５に対応するように、当該円環に沿って環状に配置されている。
【００２１】
半導体積層体４の外側の側面４ｂには、絶縁層６ｂを介して金からなる複数の接続電極（第４の電極）８が形成されている。各接続電極８は、各分割電極５と各対向電極７とを電気的に接続している。つまり、各接続電極８及び各対向電極７は、各分割電極５を始端として絶縁層６ｂ，６ａに沿って延在している。
【００２２】
分割電極５は、対象とするテラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいる。すなわち、各分割電極５は、ギャップ９によって互いに離間され、半導体積層体４の表面４ａ上でメタマテリアル構造をなしている。これにより、半導体積層体４は、共通電極３、分割電極５、対向電極７、接続電極８及び絶縁層６ａ，６ｂと共にメタマテリアルリング共振器として機能し、半導体積層体４で発生したテラヘルツ波を外部に出射する。ここで周期とは、各分割電極５及びギャップ９が並ぶ周方向における一つの分割電極５及び一つのギャップ９の大きさの合計値に相当する。例えば、半導体積層体４の中心を通る円周の長さを、分割電極５（又はギャップ９）の数で除した値である。
【００２３】
ここで、半導体積層体４、共通電極３、分割電極５、対向電極７、接続電極８及び絶縁層６ａ，６ｂは、メタマテリアルリング共振器として平衡系の分散特性を示す単位構造ΔＺを有するように、且つ分散特性の位相定数が０となるように、構成されている。メタマテリアルリング共振器の分散特性について、次に説明する。
【００２４】
図４は、半導体レーザ装置１においてメタマテリアルリング共振器として機能する部分の単位構造ΔＺの等価回路を示している。図４（ａ）に示されるように、単位構造ΔＺの等価回路は、隣り合う分割電極５の間に形成される直列キャパシタンスＣＬと、接続電極８に相当する並列インダクタンスＬＬと、対向電極７と共通電極３との間に形成される第１の並列キャパシタンスＣｇと、分割電極５と共通電極３との間に形成される第２の並列キャパシタンスＣＲと、分割電極５に相当する直列インダクタンスＬＲとの５つの要素からなる。この等価回路は、左手／右手系複合線路と考えることができ、いわゆる伝送線路型メタマテリアル構造をなしているといえる。
【００２５】
ここで、並列インダクタンスＬＬと第１の並列キャパシタンスＣｇとにより構成されるインピーダンスＺは、次の式（１）で表される。
【数１】
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（式中、ωはテラヘルツ波の角周波数を示し、ｊは虚数単位を示す。）
【００２６】
式（１）においてＣｇの値が十分に大きい場合は、Ｃｇを含む項を無視することができるため、インピーダンスＺはＬＬの項のみで構成されるものとみなすことができる。すなわち、図４（ａ）に示される等価回路は、図４（ｂ）に示されるように、第１の並列キャパシタンスＣｇが存在しない等価回路とみなすことができる。
【００２７】
この場合、分割電極５は、接続電極８を介して共通電極３に仮想的に接地されているといえる。つまり、対向電極７と共通電極３との間には絶縁層６ａが存在するために直流回路としては繋がっていないものの、テラヘルツ領域の周波数の交流回路としては、対向電極７と共通電極３との間に形成される第１の並列キャパシタンスＣｇによって繋がっているために、テラヘルツ領域の周波数の交流回路としては、分割電極５が接続電極８を介して、電源が接続されている共通電極３に接地されていることになる。なお、直接の接地ではなく仮想の接地としている理由は、直流回路として分割電極５を共通電極３とを繋げると、半導体積層体４に電圧を印加することができなくなり、テラヘルツ波を発生させることができないからである。
【００２８】
上記仮想的な接地は、例えば次のようにして実現することができる。絶縁層６ａ，６ｂを膜厚が０．１μｍ、且つ比誘電率が７のシリコン窒化膜とし、対向電極７のサイズを３０μｍ×３０μｍとすれば、Ｃｇ＝５６０ｆＦとなり、式（１）でω＝２ＴＨｚ×２πの場合においてＣｇを含む項を無視することができる。また、接続電極８を幅２μｍ、長さ１０μｍとすれば、ＬＬ＝約５．７ｐＨとなり、式（１）でω＝２ＴＨｚ×２πの場合においてＬＬがＣｇを含む項よりも２桁程度大きくなり、Ｃｇを含む項を無視することができる。従って、上記仮想的な接地が可能となる。
【００２９】
上記仮想的な接地が成立すると、メタマテリアルリング共振器は図４（ｂ）に示される等価回路における上記４つの要素（ＣＬ，ＬＬ，ＣＲ，ＬＲ）を調整することで分散特性を制御することができる。ここで分散特性とは、位相定数βとテラヘルツ波の角周波数ωとの関係を表す特性であり、具体的には、図５に示されるグラフで表されるものである。また、位相定数βは次の式（２）で求められるものである。
【数２】
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【００３０】
ここで、半導体積層体４、共通電極３、分割電極５、対向電極７、接続電極８及び絶縁層６ａ，６ｂを構成する部材の形状や材質等、並びに、隣り合う分割電極５の間の距離（すなわちギャップ９の幅）等を種々変更することにより、メタマテリアルリング共振器が平衡系（すなわち（ＣＬ・ＬＲ）（−１／２）＝（ＣＲ・ＬＬ）（−１／２）となる場合）の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数βが０となるように構成することができる。また、あらかじめ所望の角周波数ωを設定し、位相定数βが０のときにその角周波数ωとなるようにメタマテリアルリング共振器を構成することもできる。
【００３１】
例えば、単位構造の高さ、幅、長さをそれぞれ１０μｍとし、ギャップ９の幅を０．２μｍ、接続電極８の幅を２μｍ程度とすれば、ＣＬとＬＲとで決まる角周波数ωｓｅと、ＣＲとＬＬとで決まる角周波数ωｓｈとが２ＴＨｚ領域で一致し（図５におけるω軸上で重なり）、β＝０で角周波数ωのギャップがない平衡系の分散特性を示す単位構造を作製することができる。
【００３２】
以上説明したように、半導体レーザ装置１では、量子カスケードレーザ構造を有する半導体積層体４でテラヘルツ波が発生する。このとき、半導体積層体４は、共通電極３、分割電極５、対向電極７、接続電極８及び絶縁層６ａ，６ｂと共にメタマテリアルリング共振器として機能するため、当該テラヘルツ波が半導体積層体４の形状に応じた円形状のパターンをなして外部に出射される。しかも、半導体積層体４がメタマテリアルリング共振器の構成の一部を兼ねているため、発生したテラヘルツ波が外部に出射する際のロスが生じにくい。よって、この半導体レーザ装置１によれば、広がり角が二次元方向において抑制されたテラヘルツ波を高い取出し効率で出射することができる。
【００３３】
ここで、接続電極８が半導体積層体４の外側の側面４ｂに形成されて分割電極５のそれぞれと対向電極７とを電気的に接続しており、半導体積層体４と接続電極との間には絶縁層６ｂが設けられているため、半導体レーザ装置１は、メタマテリアルリング共振器の分散特性の位相定数が０となる構成を実現するための構造が単純化されているといえる。
【００３４】
また、半導体レーザ装置１では、分割電極５がテラヘルツ波の波長の４分の１未満の周期で環状に並んでいるため、テラヘルツ波に対するメタマテリアルリング共振器として、共通電極３、半導体積層体４、分割電極５、対向電極７、接続電極８及び絶縁層６ａ，６ｂが良好に機能する。
【００３５】
更に、半導体レーザ装置１では、共通電極３、半導体積層体４、分割電極５、対向電極７、接続電極８及び絶縁層６ａ，６ｂは、メタマテリアルリング共振器が平衡系の分散特性を示す単位構造を有するように、且つ分散特性の位相定数が０となるように、構成されているため、メタマテリアルリング共振器内での波長が無限大となり、周波数に依存しなくなるため、共振器長を自由に設計することが可能となる。また、テラヘルツ波の広がり角を、二次元方向においてより確実に抑制することができる。すなわち、位相定数が０となる状態では、メタマテリアルリング共振器からテラヘルツ波が真上に（つまり、半導体積層体４の円形状がなす平面に対して垂直方向に）出射する。
【００３６】
また、半導体レーザ装置１では、半導体積層体４を支持する基板を更に備え、共通電極３が基板上に設けられているため、半導体レーザ装置１の各構成の安定化が図られている。
【００３７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では半導体積層体の環状形状が円形状である態様を示したが、図６に示されるように、環状形状は六角形その他の多角形であってもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、絶縁層６ａ，６ｂが一体的に形成されている態様を示したが、半導体レーザ装置１が本発明の効果を奏するように構成される限りにおいて、絶縁層６ａ，６ｂは、互いに別の部材としてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、分割電極５と対向電極７とを電気的に接続する手段として、半導体積層体４の外側の側面４ｂに形成された接続電極８を示したが、ワイヤー接続やスルーホール接続等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…半導体レーザ装置、２…基板、３…共通電極（第１の電極）、４…半導体積層体、４ｂ…半導体積層体の外側の側面、５…分割電極（第２の電極）、６ａ，６ｂ…絶縁層（第１の絶縁層，第２の絶縁層）、７…対向電極（第３の電極）、８…接続電極（第４の電極）。
【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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【図６】
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