(57)【要約】【課題】従来のものに比べて、高い温度で動作し、より広い帯域で発振波長を選択できる量子カスケードレーザを実現する。【解決手段】テラヘルツ帯で発振し、電圧を印加する電極間に多数のユニットを積層したものであり、各ユニットは、２種類の化合物半導体層を交互に２回積層して構成した２個のウェルから構成され、レーザ上準位と下準位が空間的に重ならないようにしたもので、化合物半導体層のウェル層について、ＬＯフォノンと電子の結合におけるフレーリッヒ結合係数は、ＧａＡｓの値を上回りＧａＮの値以下であり、ＬＯフォノンエネルギーは、ＧａＡｓの値を上回りＧａＮの値以下とする。２種類の化合物半導体層は、例えば、ウェル層のＧａＮ層とバリア層のＡｌＧａＮ層であるか、または、ウェル層のＡｌＰ層とバリア層のＧａＰ層であるか、または、ウェル層のＡｌＧａＰ層とバリア層のＧａＰ層である。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ帯で発振する量子カスケードレーザであって、光増幅素子を具備し、その光増幅素子は、電圧を印加する電極間に多数のユニットを積層したものであり、
各ユニットは、２種類の化合物半導体層を交互に２回積層して構成した２個のウェルから構成され、上記化合物半導体層のウェル層について、
ＬＯフォノンと電子の結合におけるフレーリッヒ結合係数は、ＧａＡｓの値を超えＧａＮの値以下であり、
ＬＯフォノンエネルギーは、ＧａＡｓの値を超えＧａＮの値以下である、
ことを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
２種類の化合物半導体層は、ウェル層のＧａＮ層とバリア層のＡｌＧａＮ層であるか、または、ウェル層のＡｌＰ層とバリア層のＧａＰ層であるか、または、ウェル層のＡｌＧａＰ層とバリア層のＧａＰ層であることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
発振波長を調整することができる波長選択器を備え、
その波長選択器によって選択された周波数のテラヘルツ波が上記の光増幅素子を通過することを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
上記光増幅素子に電圧を印加する電源装置と、上記波長選択器の選択波長と上記電源装置の印加電圧とを連動させて変える制御手段とを備え、
上記制御装置は、より低周波数での発振の際には印加電圧をより低くし、より高周波数での発振の際にはより高くするものであることを特徴とする請求項３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】
この発明は、テラヘルツ領域で発振し、特に従来よりも高い温度かつ広い波長範囲での発振が可能な量子カスケードレーザに関している。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯（３００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）は光と電波の間の周波数領域にあり、永らく未開拓の周波数帯域であったが、近年イメージング、セキュリティ、環境モニタリング、通信等の応用に向けた研究開発が活発になっている。量子カスケードレーザ（Quantum cascade laser、ＱＣＬ）は、小型・高出力のテラヘルツ帯コヒーレント信号源として注目を集めている。ＱＣＬは、半導体多重量子井戸構造の伝導帯中のサブバンド準位間で反転分布を形成して利得を得て発振するものである。このレーザは多重量子井戸構造の設計により、赤外からテラヘルツ帯の所望の発振周波数を実現するものである。実際のＱＣＬは、高出力化及びモード閉じ込めのため、この多重量子井戸構造を多数重ねている（例えば３ＴＨｚで２２６ユニット、厚さ約１０ミクロン）。このようなテラヘルツ帯量子カスケードレーザ（ＴＨｚ−ＱＣＬ）は、２００２年に発振が初報告され、以後、研究が急速に進展した。
【０００３】
これまで報告されたＴＨｚ−ＱＣＬは３準位系レーザといえる。このレーザでは、図１の共鳴フォノン（resonant phonon depopulation、ＲＰ）型量子カスケードレーザの模式図に示すように電界を加えてサブバンド準位３と準位２の間のエネルギー差を所望の発振周波数相当に一致させ、準位２にある電子を何らかの緩和機構により準位１に緩和し、準位３と準位２の間で反転分布を形成する。あるエジェクタの準位１の電子は、次周期のＱＣＬのインジェクタの準位３に注入される。上記の緩和について最も一般的な共鳴フォノン型ＴＨｚ−ＱＣＬは、サブバンド準位２と準位１間のエネルギー差を縦光学（ＬＯ）フォノンエネルギーＥＬＯ（ＧａＡｓの場合、３６ｍｅＶ（電磁波で８．７ＴＨｚ相当））に一致させ、共鳴フォノン散乱により準位２の電子を高速に引き抜く（つまり緩和させる）。図２は、報告されたＴＨｚ−ＱＣＬの発振周波数と最大動作温度の関係を示す。ＴＨｚ−ＱＣＬでは実用上重要な室温発振は、実現していない。
【０００４】
温度の上昇によりＴＨｚ−ＱＣＬの反転分布が減少する機構として、熱的バックフィリング（thermal backfilling）と熱励起フォノン散乱（thermally activated phonon scattering）が挙げられる。
熱的バックフィリングとは、図３（ａ）に示すようにレーザ下準位である準位２よりも低い準位１にある電子が、熱エネルギーにより上記準位２に励起される現象をいう。
また、熱励起フォノン散乱とは、図３（ｂ）に示すようにレーザ上準位３にある電子が熱エネルギーにより、結晶成長方向ｚに直交するｘｙ面内の運動エネルギーを得て、上記準位２の底とのエネルギー差がＬＯフォノンエネルギー以上になるとＬＯフォノンにより散乱されて非輻射的にレーザ下準位２に緩和する現象をいう。
【０００５】
従来のＴＨｚ−ＱＣＬの１ユニットは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の多重量子井戸構造により構成される。ＲＰ型ＱＣＬの場合、準位２−準位１間のエネルギー差はＥＬＯに等しい。２つのＬＯフォノンによる散乱で電子の引抜が行われる構造を採用すると、準位２−準位１間のエネルギー差がＥＬＯの２倍になるため熱的バックフィリングを大きく抑制することができる。図４はこうした構造での散乱注入型ＴＨｚ−ＱＣＬの２００Ｋでの注入、活性、引抜各領域（つまり、インジェクタ（Injector）、アクティブ（Active）、エジェクタ（Ejector））の電子分布とスペクトル関数の計算結果のプロットである。エネルギーが低い準位１にほとんど電子が存在しないため、熱的バックフィリング効果はレーザ準位３−２間の反転分布の減少にほとんど影響を与えない。
【０００６】
一方、熱励起フォノン散乱は図４に示す活性領域（Active）の電子分布に明瞭に現れている。すなわち、活性領域の電子分布の１７０ｍｅＶ付近に見られる窪みとレーザ下準位２のエネルギー差は、ＬＯフォノンエネルギーとほぼ等しい。これはレーザ上準位３の電子が熱エネルギーを得、１７０ｍｅＶ近傍の状態に励起されたものがＬＯフォノンによりレーザ下準位２に散乱されたことを示している。
【０００７】
このようにＴＨｚ−ＱＣＬの室温発振を実現するには、熱的バックフィリングと熱励起フォノン散乱の抑制が必要であることが明らかになった（非特許文献１）。
【０００８】
熱励起フォノン散乱と熱的バックフィリングは、ＬＯフォノンエネルギーが大きいほど抑制することができる。こうした観点から、ＧａＡｓよりもＬＯフォノンエネルギーが大きいＧａＮ（ＥＬＯは約９０ｍｅＶ）を用いたＴＨｚ−ＱＣＬが注目されている。これに関して簡単な理論的な計算は行われているが（非特許文献４）、実験的には、これまでＧａＮ系材料を用いた量子カスケードレーザの明確な発振の報告はない。これについては、数μｍの厚さのＧａＮ系材料を成長することが現段階では難しく良質な膜を得られないことが、原因の一つと考えられる。
【０００９】
しかし、本発明の発明者は、ＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬが発振しない原因がＧａＮに固有の別の問題にあることを、近年、第一原理計算手法である非平衡グリーン関数法を用いた計算により明らかにした（非特許文献２）。
【００１０】
上記の計算においては、ＧａＮ系材料における分極に伴う巨大な内部電界を減らすことで設計を簡単にするため、計算上、バリア材料にＩｎ０．０４Ａｌ０．１６ＧａＮを用い、基板をＧａＮとした。ＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮ界面での分極を０．００４２Ｃ／ｍ２とし、伝導帯不連続ΔＥcを０．２５ｅＶとした。共鳴フォノン型ＱＣＬ構造を設計し、１周期の構造を［１．０］／｛４．１｝／［１．６］／｛３．１｝／［１．０］／｛２．１｝／［１．６］／｛５．２｝ｎｍと１ユニットが４個のウェルから構成されるものとした。ここで［］はバリア層、｛｝はウェル層の厚さを表す。電界強度は８０ｋＶ／ｃｍ、発振周波数は６−８ＴＨｚの範囲にある。また５．２ｎｍの厚さのウェルを３．２×１０１６ｃｍ−３の密度でｎ型にドーピングした。
【００１１】
上記の構造について、格子温度を２００Ｋとして非平衡グリーン関数法の計算を行った。図５はＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬの１ユニットのスペクトル関数のプロットを示す。また図６はＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬの利得(つまり負の吸収係数)を示す図である。白い部分は損失（正の吸収係数）が存在する領域である。ＱＣＬポテンシャルプロファイルは参考のため示した。活性領域で利得が見られるが、予想に反し局所的利得の最大値が０．７ｃｍ−１とＧａＡｓ系ＱＣＬより１桁程度以上小さい。４０Ｋでは２．９ｃｍ−１であった。またＱＣＬ１ユニットでの利得は４０Ｋで０．５ｃｍ−１しかなく、２００Ｋでは利得は得られなかった。
【００１２】
図７はＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬの注入領域、活性領域、引抜領域の各々における電子分布とスペクトル関数を、エネルギーを横軸にとってプロットしたものである。その電子分布からわかるように熱的バックフィリングと熱励起フォノン散乱は十分に抑制されている。ＧａＮにおいてＬＯフォノンと電子との相互作用が強力であることが、このように性能が悪い原因の一つと考えられる。上記の計算においては、ＬＯフォノン散乱に関する自己エネルギーとしてフレーリッヒ相互作用ハミルトニアンを用いているが、これに含まれる比例係数であるフレーリッヒ結合係数γは次の様に与えられる。
【００１３】
【数１】
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ここで、ε０、ε∞はそれぞれ静電誘電率、高周波誘電率である。
【００１４】
ＧａＡｓの静電比誘電率、高周波比誘電率はそれぞれ１２．９３、１０．８９であり、ＧａＮのそれらは９．７、５．２８であることから、ＧａＮのフレーリッヒ結合係数はＧａＡｓの１５倍になる。そのためＧａＮにおいてサブバンド準位のブロードニングも大きくなる。図７に示したスペクトル関数から分かるようにＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬのレーザ上準位３や下準位２のブロードニングは、図４に示したＧａＡｓ系ＴＨｚ−ＱＣＬにおけるレーザ上準位３や下準位２のブロードニングよりも非常に大きい。テラヘルツ帯ではレーザ上準位−下準位間のエネルギー差が小さいため、図５および図７に示したようにＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬでは活性領域においてレーザ上準位と下準位がエネルギー軸上で重なり合い、反転分布が形成されにくくなり、その結果、利得が減少すると考えられる。
このようにレーザ上準位と下準位のブロードニングが生じるため、ＧａＮ系材料でテラヘルツ帯のＱＣＬを実現することは困難であり、ブレークスルーが求められてきた。
【００１５】
また、非特許文献５に外部共振器をもった周波数調整可能なＱＣＬが報告されている。これは、ＧａＡｓ基板にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のＱＣＬを形成したもので、回折格子を用いた共振器によって周波数を調整するものである。
本発明は上記の場合に比べて、より広範囲の周波数帯域において発振周波数を変えることができる量子カスケードレーザである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】H. Yasuda et al. , “Non-equilibrium Green's function calculation for four-level scheme terahertz quantum cascade lasers”, Applied Physics Letters, Vol. 94, No. 15, 151109, 2009.
【非特許文献２】H. Yasuda et al. , “Non-equilibrium Green's function calculation for GaN-based terahertz quantum cascade laser structures”, IRMMW-THz 2011予稿集, W4C.3.1, 2011.
【非特許文献３】A. Wacker, “Extraction-controlled quantum cascade lasers”, Applied Physics Letters, Vol. 97, No. 8, 081105, 2010.
【非特許文献４】E. Bellotti, K. Driscoll, T. D. Moustakas, and R. Paiella , “Monte Carlo study of GaN versus GaAs terahertz quantum cascade structures”, Applied Physics Letters, Vol. 92, No. 10, 101112 (2008).
【非特許文献５】A. Lee, Q.Qin, S. Kumar, Q. Hu, J.Reno, “Frequency-Tunable External Cavity Terahertz Quantum Cascade Laser”, CThH5.pdf, 2009 OSA/CLEO/IQEC 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
熱励起フォノン散乱のレーザ発振への悪影響の抑制の手法として、ＬＯフォノンエネルギーの大きい半導体材料を用いることが考えられる。例えば、ＧａＮのＬＯフォノンエネルギーは約９０ｍｅＶであり、ＧａＡｓの３６ｍｅＶより大きく、有望である。しかし、上記の様に、４ウェルからなる共鳴フォノン型の量子カスケードレーザ構造でシミュレーションを行ったところ、ＧａＮ系材料では電子とＬＯフォノンとの相互作用が非常に強く、サブバンド準位のブロードニングが生じてレーザ上準位と下準位が重なってしまい、レーザ利得が得られなかった。
そこで、本発明は、ＬＯフォノンエネルギーの大きい半導体を用いかつサブバンド準位のブロードニングの影響を低減した構成を提案し、より高温でのレーザ発振に向けたレーザ利得を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、テラヘルツ帯で発振する量子カスケードレーザであって、光増幅素子を具備し、その光増幅素子は、電圧を印加する電極間に多数のユニットを積層したものであり、
各ユニットは、２種類の化合物半導体層を交互に２回積層して構成した２個のウェルから構成され、上記化合物半導体層のウェル層について、
ＬＯフォノンと電子の結合におけるフレーリッヒ結合係数は、ＧａＡｓの値を超えＧａＮの値以下であり、
ＬＯフォノンエネルギーは、ＧａＡｓの値を超えＧａＮの値以下である、
ことを特徴とするものである。
【００１９】
２種類の化合物半導体層は、例えば、ウェル層のＧａＮ層とバリア層のＡｌＧａＮ層であるか、または、ウェル層のＡｌＰ層とバリア層のＧａＰ層であるか、または、ウェル層のＡｌＧａＰ層とバリア層のＧａＰ層である。
【００２０】
また、発振波長を調整することができる波長選択器を備え、その波長選択器によって選択された周波数のテラヘルツ波が上記の光増幅素子を通過することで、発振波長を選択するものである。
【００２１】
さらに、上記光増幅素子に電圧を印加するための出力電圧可変の電源装置と、
上記波長選択器の選択波長と上記電源装置の印加電圧とを連動させて変える制御手段とを備え、上記制御装置は、より低周波数での発振の際には印加電圧をより低くし、より高周波数での発振の際にはより高くすることで、より広い波長範囲でより安定な発振を実現することができる。
【発明の効果】
【００２２】
従来のものに比べて、より高い温度で動作し、広い帯域で発振波長を選択することができる量子カスケードレーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】共鳴フォノン型量子カスケードレーザの伝導帯ダイアグラムとサブバンド準位の波動関数を示す図である。サブバンド準位３と２の間のエネルギー差を所望の発振周波数相当に一致させ、準位２にある電子を何らかの緩和機構により準位１に緩和し、準位３と２の間で反転分布を形成する。
【図２】報告されたＴＨｚ−ＱＣＬの発振周波数と最大動作温度の関係を示す図である。
【図３】図中、（ａ）は熱的バックフィリングを説明するための図であり、（ｂ）は、熱励起フォノン散乱を説明するための図である。
【図４】従来のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の多重量子井戸構造に、２つのＬＯフォノンによる散乱で電子の引抜が行われる構造を採用し、熱的バックフィリングを大きく抑制した構造の散乱注入型ＴＨｚ−ＱＣＬの、２００Ｋでのインジェクタ（Injector）、アクティブ（Active）、エジェクタ（Ejector）領域の電子分布とスペクトル関数の計算結果のプロットである。
【図５】ＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬのスペクトル関数を示す図である。
【図６】図５のＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬの局所的な吸収係数を示す図である。
【図７】図５のＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬのインジェクタ（Injector）、アクティブ（Active）、エジェクタ（Ejector）領域の各々における電子分布とスペクトル関数を、エネルギーを横軸にとってプロットした図である。
【図８】非極性面に成長したＧａＮ／ＡｌＧａＮ系テラヘルツ帯量子カスケードレーザの伝導帯ダイアグラムとサブバンド準位の波動関数を示す図である。
【図９】図８の量子カスケードレーザの２００Ｋでの、スペクトル関数の非平衡グリーン関数法による計算結果を示す図である。
【図１０】図８の量子カスケードレーザの、２００Ｋでの、局所的なレーザ利得の非平衡グリーン関数法による計算結果を示す図である。
【図１１】図８の量子カスケードレーザの、２００Ｋでの、各領域における電子分布とスペクトル関数の非平衡グリーン関数法による計算結果を示す図である。
【図１２】図８の量子カスケードレーザの１ユニットでの利得の温度依存性を示す図である。
【図１３】極性面上に作成される本発明のＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬのスペクトル関数を示す図である。
【図１４】図１３の本発明のＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬの、２００Ｋでの、非平衡グリーン関数法による利得の分布を示す図である。
【図１５】ＡｌＰ／ＧａＰ系の２ウェル型テラヘルツ帯量子カスケードレーザの２００Ｋでのスペクトル関数の計算結果を示す図である。
【図１６】図１５に示す量子カスケードレーザの局所的な利得を示す図である。
【図１７】図１５に示す量子カスケードレーザの１ユニットでの利得の温度依存性を示す図である。
【図１８】波長可変な量子カスケードレーザの構成例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２５】
先ず本発明の実施例を図８を用いて説明する。本発明のＧａＮ／ＡｌＧａＮ系テラヘルツ帯量子カスケードレーザの１周期の構造は例えば［１．６］／｛６．２｝／［１．３］／｛３．９｝ｎｍであり、１ユニットが２個のウェルから構成される。ここで［］はＡｌＧａＮのバリア層、｛｝はＧａＮのウェル層の厚さを表す。ドーピングは、１ユニットあたり３×１０１０ｃｍ−２の面密度で行った。伝導帯不連続ΔＥｃを０．２５ｅＶとした。電界強度は８２ｋＶ／ｃｍとした。例えばＧａＮ基板の非極性面に成長する。説明の便宜上、図８のように引抜領域（Ejector）・活性領域（Active）を定義する。レーザ上準位３は主に引抜領域に局在し、レーザ下準位２は主に活性領域に局在している。引抜領域でレーザ下準位２にある電子はＬＯフォノンにより準位１に引き抜かれる。次にこのＧａＮ／ＡｌＧａＮ系テラヘルツ帯量子カスケードレーザの２００Ｋでの非平衡グリーン関数法による計算の結果を示す。図９はスペクトル関数を示す。各領域でレーザ上準位３と下準位２のスペクトル関数は重なっていないことが分かる。図１０は局所的なレーザ利得を示し、図１１は各領域における電子分布とスペクトル関数を示す。電子とＬＯフォノンとの相互作用が強いため、レーザ上準位３と下準位２のブロードニングが見られるが、空間的に分離されているため１ユニットでもレーザ利得が得られた（４〜１０ｃｍ−１程度）。図１２は、１ユニットでの利得の温度依存性を示す。熱励起フォノン散乱や熱的バックフィリングが抑制され、ブロードなレーザ上準位と下準位が空間的に分離されているため、格子温度が室温程度でも利得が得られる。
【００２６】
上記は非極性面上の場合であるが、実際に数μｍの厚さで作成可能なものは極性面上の成長となる。図１３は極性面上に作成される本発明のＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬのスペクトル関数を示す。１周期の構造は例えば［２．１］／｛６．２｝／［１．６］／｛４．７｝ｎｍであり、［］はＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎよりなるバリア層、｛｝はＧａＮよりなるウェル層を表す。伝導帯不連続ΔＥｃを０．２５ｅＶとし、ウェルとバリアとの界面での分極を０．００８１Ｃ／ｍ２とした。ドーピングは１ユニットあたり３×１０１０ｃｍ−２の面密度で行った。電界強度は７０ｋＶ／ｃｍとした。格子温度を２００Ｋとした場合の、この例の非平衡グリーン関数法による利得の結果を図１４に示す。１ユニットあたりの利得は、１４．７ｍｅＶ（＝３．５５ＴＨｚ）で、１．４ｃｍ−１となった。なおＧａ面上の成長とするかＮ面上の成長とするかは設計に応じて選択することができる。
【００２７】
上記のように、極性面上の場合でも非極性面上の場合でも利得が高く、レーザ発振は可能である。またサブバンド準位がブロードであるため、従来のＧａＡｓ系ＱＣＬよりも広い印加電圧範囲でレーザ発振が可能であり印加電圧の変動に対するレーザ発振持続の耐性が高いことが分かる。さらにレーザ準位がブロードであるため、図１２に示すように利得が得られる周波数帯が広くなり、広い範囲での波長可変なテラヘルツ帯光源を実現することができる。
【００２８】
なおＧａＡｓ系ＴＨｚ−ＱＣＬで１ユニットが２ウェルからなる同様の構造の報告がある（非特許文献３）。しかしこれは熱励起フォノン散乱を減らすことを目的とするもので、熱励起フォノン散乱の影響が初めからほとんどないＧａＮ系ＱＣＬではその効果はない。
【００２９】
また、上記のように電子とＬＯフォノンとの相互作用を表すパラメータであるフレーリッヒ結合係数はＧａＮではＧａＡｓのそれの約１５倍になるが、他の材料系を選ぶとＧａＡｓよりＬＯフォノンエネルギーを高くしつつ、フレーリッヒ結合係数をＧａＮよりも小さくすることが可能となる。例えばＡｌＰ／ＧａＰ系半導体材料を用いた場合、ＧａＰのＬＯフォノンエネルギー、静電比誘電率、高周波比誘電率は、それぞれ、５０ｍｅＶ、１１．１、９．１１、また、ＡｌＰの場合は、それぞれ、５９ｍｅＶ、９．８、７．６である。ウェルにＡｌＰを用いるとすると、ＬＯフォノンエネルギーを５９ｍｅＶとし、フレーリッヒ結合係数をＧａＡｓの３．３倍に抑えることが可能となる。
【００３０】
図１５は、ＡｌＰ／ＧａＰ系の２ウェル型テラヘルツ帯量子カスケードレーザの２００Ｋでのスペクトル関数の計算結果を示す。１ユニットの構造は、例えば［２．２］／｛７．６｝／［１．１］／｛４．７｝ｎｍであり、［］はＧａＰよりなるバリア層、｛｝はＡｌＰよりなるウェル層を表す。伝導帯不連続ΔＥｃを０．２７ｅＶとした。ドーピングは１ユニットあたり３×１０１０ｃｍ−２の面密度で行った。電界強度は４７ｋＶ／ｃｍである。電子とＬＯフォノンとの相互作用がＧａＮほど強くないためレーザ上準位３と下準位２のブロードニングを抑制することができる。そのためより大きなレーザ利得が得られる。図１６に示すように２００ＫではＧａＮ系ＱＣＬを上回る利得を得ることができる。しかし、図１７に示すように、より高温になると、熱励起フォノン散乱の影響がＧａＮ系ＱＣＬよりも顕著に表れるため、利得の減少はより大きい。なお材料はＡｌＰ、ＧａＰに限られるものではなくＡｌｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ＜１）でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
上記のように、本発明のＱＣＬでは、高温での動作を実現することができる。さらに波長選択器を用いて広い範囲での波長可変なテラヘルツ帯光源を実現することができる。この構成例としては、図１８に示すように、よく知られたファブリー・ペロー共振器を波長選択器５とし、その内部にＱＣＬ素子４を設置し、その共振器の反射鏡の間隔を選択波長調整器６で調整して共振による選択波長を変えて発振波長を可変にした量子カスケードレーザを実現できる。また、非特許文献５の図１に記載の構成の様に回折格子を用いた外部共振器を波長選択器に用いて装置を構成し、選択波長を調整して発振波長を変えることもできる。
【００３２】
また、波長を変える際に、ＱＣＬ素子への印加電圧を変えてその可変範囲を拡大することができる。例えば、より低周波数での発振の際には印加電圧をより低くし、より高周波数での発振の際にはより高くすることができる電源装置７を用いる。また、上記選択波長と上記印加電圧とを連動させて変える制御器８を用いることによって、より安定に波長可変とすることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  準位１
２  準位２
３  準位３
４  ＱＣＬ素子
５  波長選択器
６  選択波長制御器
７  電源装置
８  制御器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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