(57)【要約】【課題】  差周波発生による出力光を好適に生成することが可能な量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】  半導体基板１０と、発光層及び注入層が多段に積層された活性層１５とを備えて、量子カスケードレーザ２Ａを構成する。活性層１５は、周波数ω１の第１ポンプ光及び周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であって、差周波発生で差周波数ωの出力光を生成するように構成されている。活性層１５を含む素子構造部１１の外部には、第１ポンプ光生成のための外部回折格子２５が設けられ、素子構造部１１の内部には、第２ポンプ光生成のための内部回折格子１３が設けられている。また、内部回折格子１３による周波数ω２は、ゲインピークと一致しない周波数に固定に設定され、外部回折格子２５による周波数ω１は、周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定されている。【選択図】  図１
2017050308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の第１面上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記活性層は、単一の活性層構造によって構成され、前記単位積層体は、量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、前記第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位と、それぞれ前記第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位とを有するとともに、
前記活性層は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であって、前記第１ポンプ光及び前記第２ポンプ光による差周波発生によって、前記第１周波数ω１及び前記第２周波数ω２の差周波数ωの出力光を生成するように構成され、
前記半導体基板の前記第１面上に設けられた前記活性層を含む素子構造部の外部に、前記第１周波数ω１の光を前記素子構造部へと帰還させることで前記第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成するとともに前記第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子が設けられ、前記素子構造部の内部に、前記第２周波数ω２の前記第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子が設けられ、
前記内部回折格子によって決まる前記第２周波数ω２は、ゲインスペクトルにおけるゲインピークと一致しない周波数に固定に設定され、前記外部回折格子によって決まる前記第１周波数ω１は、前記第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記内部回折格子によって決まる前記第２周波数ω２は、前記ゲインスペクトルにおける強度が前記ゲインピークに対して６０％以上９０％以下となる周波数に設定されていることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記素子構造部の前記外部回折格子側の第１端面に、前記ゲインピークの周波数の光に対する反射率を低減する反射低減膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記素子構造部の前記外部回折格子とは反対側の第２端面に、前記ゲインピークの周波数の光に対する反射率を増大する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記半導体基板の前記第１面とは反対側の第２面において、レーザ共振器構造での共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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】
本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：quantum cascade laser）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１４／０１８５９９号
【特許文献２】特開平８−２７９６４７号公報
【特許文献３】特表２０１０−５２１８１５号公報
【特許文献４】特開２０１１−０３５１３９号公報
【特許文献５】特開２０１１−２４３７８１号公報
【特許文献６】特開２０１３−０９８２５１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K. Vijayraghavan et al.,"Terahertz sources based on Cerenkov difference-frequency generation inquantum cascade lasers", Appl. Phys. Lett. Vol.100 (2012) pp.251104-1 -251104-4
【非特許文献２】K. Vijayraghavan et al.,"Broadly tunable terahertz generation in mid-infrared quantum cascadelasers", Nat. Commun. Vol.4 Art.2021 (2013) pp.1-7
【非特許文献３】R. Kohler et al.,"Terahertz semiconductor-heterostructure laser", NATURE Vol.417(2002) pp.156-159
【非特許文献４】S. Fathololoumi et al.,"Terahertz quantum cascade lasers operating up to 〜200 K with optimized oscillator strength and improved injectiontunneling", Optics Express Vol.20 (2012) pp.3866-3876
【非特許文献５】Q. Y. Lu et al., "Roomtemperature single-mode terahertz sources based on intracavitydifference-frequency generation in quantum cascade lasers", Appl. Phys.Lett. Vol.99 (2011) 131106-1 - 131106-3
【非特許文献６】Q. Y. Lu et al., "Widelytuned room temperature terahertz quantum cascade laser sources based ondifference-frequency generation", Appl. Phys. Lett. Vol.101 (2012)pp.251121-1 - 251121-4
【非特許文献７】Q. Y. Lu et al., "Roomtemperature terahertz quantum cascade laser sources with 215 μW output power through epilayer-down mounting", Appl. Phys.Lett. Vol.103 (2013) pp.011101-1 - 011101-4
【非特許文献８】Q. Y. Lu et al.,"Continuous operation of a monolithic semiconductor terahertz source atroom temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.104 (2014) pp.221105-1 - 221105-5
【非特許文献９】C. Pflugl et al.,"Surface-emitting terahertz quantum cascade laser source based onintracavity difference-frequency generation", Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008)pp.161110-1 - 161110-3
【非特許文献１０】Y. Jiang et al.,"External cavity terahertz quantum cascade laser sources based onintra-cavity frequency mixing with 1.2-5.9 THz tuning range", J. OptVol.16 (2014) 094002 pp.1-9
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子カスケードレーザでは、１９９４年の発振成功以来、発振波長の長波長化が積極的に進められており、２００２年にはテラヘルツ（ＴＨｚ）帯でのレーザ発振がR. Kohlerらによって報告された（非特許文献３：NATURE Vol.417(2002) pp.156-159）。テラヘルツ帯とは、波長に換算すると１００μｍ前後、例えば波長６０μｍ〜３００μｍ程度のいわゆる遠赤外領域であり、電波と光との境界に相当する領域である。テラヘルツ光（テラヘルツ波）は、電波の透過性と光の直進性とを併せ持つという特徴から、これまでにないセンシング手段として、医療生体、セキュリティ、通信、宇宙観測など、様々な分野で応用が検討されている。
【０００７】
従来構造の半導体レーザでは、このようなテラヘルツ帯までの長波長化は困難であったが、量子カスケードレーザでは、上記したようにテラヘルツ帯での発振を実現している。しかしながら、現状では依然として、液体窒素を利用した極低温環境にレーザ動作が限られているため、産業応用上の有用性の点で問題がある。
【０００８】
例えば、S. Fathololoumiら（非特許文献４：Optics Express Vol.20 (2012) pp.3866-3876）によれば、活性層をＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）の３重量子井戸構造のカスケード結合で構成した場合に、発振周波数２．８５ＴＨｚにて最高動作温度〜２００Ｋが報告されている。しかしながら、現状の方法では、さらなる高温動作化は非常に困難な状況である。
【０００９】
一方、M. A. Belkinらは、２波長発振型中赤外ＱＣＬを用い、ＱＣＬ内における２次の非線形光学効果によって、差周波発生（ＤＦＧ：difference frequency generation）でテラヘルツ光（ＴＨｚ光）を発生させることに成功している（特許文献３：特表２０１０−５２１８１５号公報）。このような構成でテラヘルツ光を発生させるＱＣＬ（ＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬ）では、既に室温で動作可能であることが確認されており、さらなる特性向上が期待されている。
【００１０】
最近では、Northwestern大学のグループからもＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬについての報告がなされている（非特許文献５：Appl. Phys. Lett. Vol.99 (2011) 131106-1 - 131106-3、非特許文献６：Appl. Phys. Lett. Vol.101 (2012) pp.251121-1 - 251121-4、非特許文献７：Appl. Phys. Lett. Vol.103 (2013) pp.011101-1 - 011101-4）。また、ごく最近、平均光出力μＷレベルの室温連続動作が実現されており、室温パルス動作ではｍＷレベルのピーク光出力も報告されているが、１０Ａ以上の大電流が必要な状況であり、さらなる特性の向上が求められている（非特許文献８：Appl. Phys. Lett. Vol.104 (2014) pp.221105-1 - 221105-5）。
【００１１】
また、現在、このようなＴＨｚ−ＱＣＬにおいて、テラヘルツ光の高い取り出し効率を実現するため、チェレンコフ位相整合を適用する方法が用いられており、例えば、角度２０°もしくは３０°程度で研磨された素子端面をテラヘルツ光の出力端面とする構成が用いられている（例えば、特許文献１：国際公開ＷＯ２０１４／０１８５９９号、非特許文献１：Appl. Phys. Lett. Vol.100 (2012) pp.251104-1 - 251104-4、非特許文献２：Nat. Commun. Vol.4 Art.2021 (2013) pp.1-7参照）。その結果として、μＷレベルのテラヘルツ光出力が実現されているが、実用化に向けて充分な出力は得られていない。
【００１２】
また、ＴＨｚ−ＱＣＬにおいて、金属グレーティングを用いた素子表面からのテラヘルツ光出力の取り出し手法が検討されている。しかしながら、このような構成では、金属による光の損失、及びテラヘルツ光に対するモード結合効率が最適化されていないなどの問題があり、現時点で、チェレンコフ位相整合を用いたＱＣＬを上回る良好なテラヘルツ出力特性は得られていない（非特許文献９：Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008) pp.161110-1 - 161110-3）。
【００１３】
また、上記した素子端面を所定角度で研磨してテラヘルツ光の出力端面とする構成に関連して、レーザ素子の共振器構造において回折格子による外部共振器を用いて、差周波発生に用いられる２波長の中赤外ポンプ光成分のうちの一方の波長を可変とし、それによってテラヘルツ光の波長を可変とする構成が提案されている（非特許文献２：Nat. Commun. Vol.4 Art.2021 (2013) pp.1-7、非特許文献１０：J. Opt Vol.16 (2014) 094002 pp.1-9）。しかしながら、このような構成においても、テラヘルツ光の生成、出力について充分な特性は得られていない。
【００１４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、テラヘルツ光などの光を差周波発生によって好適に生成、出力することが可能な量子カスケードレーザ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】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板の第１面上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで、量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）活性層は、単一の活性層構造によって構成され、単位積層体は、量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位と、それぞれ第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位とを有するとともに、（４）活性層は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であって、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって、第１周波数ω１及び第２周波数ω２の差周波数ωの出力光を生成するように構成され、（５）半導体基板の第１面上に設けられた活性層を含む素子構造部の外部に、第１周波数ω１の光を素子構造部へと帰還させることで第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成するとともに第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子が設けられ、素子構造部の内部に、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子が設けられ、（６）内部回折格子によって決まる第２周波数ω２は、ゲインスペクトルにおけるゲインピークと一致しない周波数に固定に設定され、外部回折格子によって決まる第１周波数ω１は、第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定されていることを特徴とする。
【００１６】
上記した量子カスケードレーザでは、第１周波数（角周波数、以下単に周波数という）ω１の第１ポンプ光と、第２周波数ω２の第２ポンプ光との２周波数の光成分を生成可能なように、活性層を構成している。このような構成では、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生を利用することにより、例えばテラヘルツ光などの長波長の出力光を差周波数ω＝｜ω１−ω２｜の光として生成することができる。
【００１７】
また、このような活性層を含んで半導体基板の第１面上に設けられた半導体積層構造である素子構造部の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成する外部回折格子を設け、素子構造部の内部に、第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子を設けるとともに、外部回折格子を、外部共振器において共振される光の第１周波数ω１が変更可能なように構成している。このような構成では、第１ポンプ光の周波数ω１を変更することにより、差周波発生によって生成されるテラヘルツ光などの出力光の周波数ωを可変とすることができる。
【００１８】
また、上記構成では、第１ポンプ光及び第２ポンプ光を生成する活性層を、単一種類の活性層構造によって構成するとともに、具体的に、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位の２個の発光上準位と、複数（２個以上）の発光下準位とを設けている。このように、２個の発光上準位と、２個以上の発光下準位とを組み合わせる構成によれば、各準位間のエネルギー間隔等を適切に設定することにより、単一の活性層構造によって単峰で広帯域な発光スペクトル（発光のゲインスペクトル）を得ることができる。これにより、活性層において、互いに異なる周波数を有する第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成することが可能となる。
【００１９】
さらに、このような準位構造を有する活性層に対し、内部回折格子による分布帰還共振器での第２周波数ω２を、ゲインピークとは異なる周波数に固定に設定するとともに、外部回折格子による外部共振器での第１周波数ω１を、第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定している。これにより、第１ポンプ光、第２ポンプ光の生成、及び差周波発生によるテラヘルツ光などの出力光の生成を、好適に実現することが可能となる。
【００２０】
ここで、上記構成において、分布帰還共振器の内部回折格子によって決まる第２周波数ω２については、ゲインスペクトルにおける第２周波数ω２での強度がゲインピークに対して６０％以上９０％以下となる周波数に設定されていることが好ましい。このような構成によれば、外部回折格子及び内部回折格子による第１、第２周波数ω１、ω２を適切に設定して、第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成することができる。
【００２１】
また、量子カスケードレーザにおける共振器構造については、素子構造部の外部回折格子側の第１端面において、ゲインピークの周波数の光に対する反射率を低減する反射低減膜（低反射膜）が形成されている構成とすることが好ましい。また、素子構造部の外部回折格子とは反対側の第２端面において、ゲインピークの周波数の光に対する反射率を増大する反射膜（高反射膜）が形成されている構成とすることが好ましい。
【００２２】
また、上記構成では、半導体基板の第１面とは反対側の第２面において、レーザ共振器構造での共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝が設けられている構成としても良い。このような構成によれば、基板裏面に設けられた複数の溝それぞれの側面を出力光の出力面として機能させて、活性層において差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を外部へと好適に出力することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の量子カスケードレーザによれば、単一の活性層構造を用いた活性層の単位積層体でのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを設け、第１周波数ω１の第１ポンプ光と、第２周波数ω２の第２ポンプ光とを生成可能であって、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって差周波数ωの出力光を生成するように活性層を構成し、活性層を含む素子構造部の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成して第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子を設け、素子構造部の内部に、第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子を設け、内部回折格子による第２周波数ω２を、ゲインピークとは異なる周波数に固定に設定するとともに、外部回折格子による第１周波数ω１を、第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定することにより、テラヘルツ光などの光を差周波発生によって好適に生成、出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。
【図２】量子カスケードレーザにおけるレーザ素子本体の構成、及び差周波発生による出力光の生成について示す側面図である。
【図３】量子カスケードレーザの活性層の構成、及び活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。
【図４】量子カスケードレーザの変形例の構成を示す図である。
【図５】半導体基板の第２面に形成される溝の構成について示す側面図である。
【図６】半導体基板の第２面に形成される溝の構成について示す側面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）量子カスケードレーザにおけるレーザ素子本体の変形例の構成を示す側面図である。
【図８】量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す側面断面図である。
【図９】量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す正面図である。
【図１０】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図１１】活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。
【図１２】量子カスケードレーザの素子構造の一例を示す正面図である。
【図１３】量子カスケードレーザの素子構造の他の例を示す斜視図である。
【図１４】量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルを示すグラフである。
【図１５】量子カスケードレーザで得られる発光スペクトル、及び共振周波数の設定について示すグラフである。
【図１６】量子カスケードレーザの発振スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２６】
図１は、量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１に示した量子カスケードレーザにおけるレーザ素子本体の構成、及び差周波発生による出力光の生成について示す側面図である。本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間での電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ２Ａは、レーザ素子本体１Ａと、コリメートレンズ２０と、外部回折格子２５とを備えて構成されている。また、レーザ素子本体１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０の第１面（表面）１０ａ上に形成された活性層１５を含む素子構造部１１とを備えて構成されている。
【００２７】
活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、図２に示すように、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は、レーザ素子の具体的な構成、特性等に応じて適宜設定される。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
【００２８】
また、本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａにおけるレーザ素子本体１Ａでは、活性層１５は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能であるとともに、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生（ＤＦＧ）によって、第１周波数ω１及び第２周波数ω２の差周波数ω＝｜ω１−ω２｜の出力光を生成するように構成されている。なお、ポンプ光成分の周波数ω１、ω２は、活性層１５におけるサブバンド準位構造、及び後述する周波数（波長）選択用の内部回折格子１３、外部回折格子２５によって決定される。
【００２９】
このような構成において、活性層１５で生成される周波数ω１、ω２の第１ポンプ光、第２ポンプ光それぞれは、例えば中赤外光となる。また、差周波発生によって生成される周波数ωの光は、例えばテラヘルツ光などの長波長の光となる。なお、図２においては、レーザ共振器構造での第１ポンプ光及び第２ポンプ光の共振方向（ポンプ光の進行方向）を矢印Ａ０によって示している。この共振方向Ａ０は、活性層１５を含む半導体積層構造である素子構造部１１が形成される基板１０の第１面１０ａと略平行である。
【００３０】
図３は、図１、図２に示した量子カスケードレーザ２Ａの活性層１５の構成、及び活性層１５におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。本実施形態における活性層１５は、ＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造（特許文献４：特開２０１１−０３５１３９号公報、特許文献５：特開２０１１−２４３７８１号公報、特許文献６：特開２０１３−０９８２５１号公報参照）を有し、第１周波数ω１の光、及び第２周波数ω２の光を生成可能に構成されている。また、活性層１５は、単一種類の活性層構造によって構成されている。
【００３１】
図３に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
【００３２】
本実施形態における単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位（準位４）Ｌｕｐ１＝Ｌ４と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位（準位５）Ｌｕｐ２＝Ｌ５と、複数の発光下準位とを有している。また、図３に示す構成例では、発光下準位よりも低いエネルギーを有する準位として、緩和準位Ｌｒが設けられている。
【００３３】
また、単位積層体１６は、上記のサブバンド準位構造においてさらに具体的に、それぞれ第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位として、第１発光下準位（準位１）Ｌｌｏｗ１＝Ｌ１と、第１発光下準位よりも高いエネルギーを有する第２発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗ２＝Ｌ２と、第２発光下準位よりも高いエネルギーを有する第３発光下準位（準位３）Ｌｌｏｗ３＝Ｌ３とを有している。
【００３４】
また、図３に示す単位積層体１６では、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁（injection barrier）層が設けられている。また、発光層１７と、注入層１８との間においても、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が必要に応じて設けられる。ただし、図３では、発光層１７と注入層１８との間については、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層のみを設ける構成を例示している。
【００３５】
単位積層体１６でのサブバンド準位構造における各準位の間隔構成については、具体的には、第１発光上準位Ｌｕｐ１から第１発光下準位Ｌｌｏｗ１への発光遷移（４→１）のエネルギーΔＥ４１、及び第２発光上準位Ｌｕｐ２から第２発光下準位Ｌｌｏｗ２への発光遷移（５→２）のエネルギーΔＥ５２が、それぞれ、第１周波数ω１の光のエネルギーＥ１と略一致している（ΔＥ４１＝ΔＥ５２＝Ｅ１）。また、第１発光上準位Ｌｕｐ１から第２発光下準位Ｌｌｏｗ２への発光遷移（４→２）のエネルギーΔＥ４２、及び第２発光上準位Ｌｕｐ２から第３発光下準位Ｌｌｏｗ３への発光遷移（５→３）のエネルギーΔＥ５３が、それぞれ、第２周波数ω２の光のエネルギーＥ２と略一致している（ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２）。本構成例では、第１、第２周波数ω１、ω２は条件ω１＞ω２を満たすように設定されており、その差周波数はω＝ω１−ω２となっている。
【００３６】
また、上記準位構造において、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１と第２発光下準位Ｌｌｏｗ２とのエネルギー差ΔＥ２１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２と第３発光下準位Ｌｌｏｗ３とのエネルギー差ΔＥ３２、及び第１発光上準位Ｌｕｐ１と第２発光上準位Ｌｕｐ２とのエネルギー差ΔＥ５４は、それぞれ、第１、第２周波数ω１、ω２の差周波数ωの光のエネルギーＥ＝Ｅ１−Ｅ２と略一致している（ΔＥ２１＝ΔＥ３２＝ΔＥ５４＝Ｅ）。
【００３７】
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでの緩和準位Ｌｒからの電子は、注入障壁を介して発光層１７へと注入され、これによって、緩和準位Ｌｒと結合している第２発光上準位Ｌｕｐ２が強く励起される。また、このとき、電子−電子散乱などの高速散乱過程を介して、第１発光上準位Ｌｕｐ１にも充分な電子が供給されて、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の両方に充分なキャリアが供給される。
【００３８】
第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２に注入された電子は、第１、第２、第３発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３のそれぞれへと遷移し、このとき、発光上準位と下準位とのサブバンド準位間のエネルギー差に相当するエネルギーの光が生成、放出され、特に、第１周波数ω１でエネルギーＥ１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２でエネルギーＥ２の第２ポンプ光が生成、放出される。
【００３９】
発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３へと遷移した電子は、緩和準位Ｌｒへと緩和される。このように、発光下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３から電子を引き抜くことにより、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と下準位Ｌｌｏｗ１、Ｌｌｏｗ２、Ｌｌｏｗ３との間でレーザ発振を実現するための反転分布が形成される。ここで、電子の緩和に用いられる緩和準位Ｌｒについては、図３では１つの準位のみを模式的に示しているが、複数の準位、あるいはミニバンドによって緩和準位を構成しても良い。また、発光下準位から緩和準位Ｌｒへと緩和された電子は、注入層１８を介して、緩和準位Ｌｒから、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２へとカスケード的に注入される。
【００４０】
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間発光遷移の際に、第１周波数ω１の第１ポンプ光、第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成される。また、これらの第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生によって、テラヘルツ光などの差周波数ωの光が生成、出力される。
【００４１】
なお、活性層１５の構成については、その具体例とともにさらに後述する。また、活性層１５については、図３に示した構成に限らず、第１、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを有するとともに、第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成可能な様々な構成を用いて良い。
【００４２】
再び図１、図２を参照する。本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａでは、図１に示すように、半導体基板１０の第１面１０ａ上に設けられた活性層１５を含む素子構造部１１の外部に、第１周波数ω１の光を素子構造部１１へと帰還させる外部回折格子２５が設けられている。この外部回折格子２５は、具体的には、素子本体１Ａの素子構造部１１におけるレーザ共振器構造での第１端面１１ａと対向する位置に、コリメートレンズ２０を介して配置されている。これにより、素子構造部１１の外部回折格子２５とは反対側の第２端面１１ｂと、外部回折格子２５とによって、第１周波数ω１の第１ポンプ光を生成するための外部共振器（ＥＣ：external cavity）が構成されている。
【００４３】
また、本構成例では、外部回折格子２５に対して、回折格子２５を回転駆動して光軸に対する設置角度を変えることで、共振周波数可変機構（共振波長可変機構）として機能する回転ステージ２６が設けられている。これにより、外部回折格子２５を用いた外部共振器は、第１ポンプ光の第１周波数ω１を変更可能に構成されている。
【００４４】
また、量子カスケードレーザ２Ａでは、図１、図２に模式的に示すように、活性層１５を含む素子構造部１１の内部に、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）共振器を構成する内部回折格子１３が設けられている。以上の構成により、本実施形態の量子カスケードレーザ２Ａでは、外部共振器の外部回折格子２５、及び分布帰還共振器の内部回折格子１３の構成によって、第１ポンプ光の周波数ω１、及び第２ポンプ光の周波数ω２が決定されている。また、外部回折格子２５による共振周波数ω１が回転ステージ２６によって可変に構成されていることにより、差周波発生によって生成される出力光の周波数ωが可変とされている。
【００４５】
また、このような構成において、内部回折格子１３によって決まる第２周波数ω２は、活性層１５でのゲインスペクトルにおけるゲインピークと一致しない周波数に固定に設定されている。また、外部回折格子２５によって決まる第１周波数ω１は、上記の第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定されている。また、ゲインピークとは異なる周波数に設定される第２周波数ω２については、ピーク周波数よりも低周波数（長波長）側、または高周波数（短波長）側のいずれに設定されても良い。
【００４６】
なお、量子カスケードレーザ２Ａにおけるレーザ共振器構造で共振、生成される２波長のポンプ光成分の周波数ω１、ω２については、図３に示した準位構造での準位間エネルギーに関して上述した周波数ω１、ω２とは略一致していても良く、あるいは一致していなくても良い。ここで、図３に示した結合二重上準位構造（ＤＡＵ構造）では、後述するように、例えば単峰で広帯域な発光スペクトル（ゲインスペクトルに対応）が得られる。ポンプ光の周波数ω１、ω２については、このようなゲインスペクトルに対し、ピーク周波数を考慮して上記のように設定すれば良い。また、図３の準位構造ではω１＞ω２としているが、ω１＜ω２となるように周波数ω１、ω２を設定しても良い。
【００４７】
図１、図２に示した素子本体１Ａを含む量子カスケードレーザ２Ａの構成について、さらに説明する。なお、以下の説明においては、第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び第２周波数ω２の第２ポンプ光それぞれを中赤外光とし、差周波数ωの出力光をテラヘルツ光とし、また、半導体基板１０の半導体材料としてＩｎＰを用いた例について、主に説明する。ここで、ＩｎＰ基板のテラヘルツ帯での屈折率は、周波数３ＴＨｚのテラヘルツ光に対してｎＴＨｚ＝３．６である。また、ポンプ光として用いられる中赤外光に対する実効屈折率は、ｎＭＩＲ＝３．３７である。ただし、本実施形態による量子カスケードレーザ２Ａの構成は、このような構成に限定されるものではない。
【００４８】
本実施形態による量子カスケードレーザ２Ａでは、差周波発生による差周波数ωの光の生成、出力において、チェレンコフ位相整合を用いている。チェレンコフ位相整合は、擬似的な位相整合方法であって、中赤外ポンプ光の進行方向Ａ０に対して、図２中に右下方向へ向かう実線矢印Ａ１、及び左下方向へ向かう破線矢印Ａ２によって示すように、有限の放射角度θｃを有する方向にテラヘルツ出力光が放射される。また、図２中において、放射方向Ａ１とともに示す点線Ａ３は、テラヘルツ光の波面を示している。
【００４９】
チェレンコフ放射は、差周波数ωがテラヘルツ波に相当する２波長のポンプ光成分が非線形光学結晶に入射する際に、その２波長成分の位相差に応じた空間分布を有する２次の非線形分極が誘起されることによって発生する。この非線形分極は、２波長のポンプ光成分の差周波数となる周波数を有し、各点での非線形分極の位相に応じたタイミングでテラヘルツ光を放射している。
【００５０】
この結果として、屈折率分散により、テラヘルツ帯でのＩｎＰ基板の屈折率ｎＴＨｚ＝３．６が中赤外領域での実効屈折率ｎＭＩＲ＝３．３７よりも大きい場合、結晶内で発生したテラヘルツ光は、図２に示す放射方向Ａ１、Ａ２に同位相で伝搬する。また、このときのチェレンコフ放射角度θｃは、周波数を３ＴＨｚとして下記式
θｃ＝ｃｏｓ−１（ｎＭＩＲ／ｎＴＨｚ）〜２０°
で表される。すなわち、ＩｎＰ基板１０上に活性層１５を含む半導体積層構造を成長したＤＦＧ−ＴＨｚ−ＱＣＬでは、図２に示すように、差周波発生によって生成されるテラヘルツ光は、約２０°の放射角度で活性層１５から下方へと伝搬する。
【００５１】
活性層１５で発生してチェレンコフ放射されたテラヘルツ光は、上記した放射角度θｃの方向にＩｎＰ基板１０の内部を伝搬し、最終的に、基板１０と素子外部の空気との界面である、基板１０の第１面１０ａとは反対側の第２面（裏面）１０ｂに到達する。このとき、ＩｎＰ基板１０のテラヘルツ光に対する屈折率ｎＴＨｚ＝３．６に対して、空気の屈折率はｎａｉｒ＝１と大きく異なる。このため、第２面１０ｂにおいて全反射が生じて、テラヘルツ光を出力光として素子外部に取り出すことが困難である。
【００５２】
これに対して、図２に示すレーザ素子本体１Ａを含む量子カスケードレーザ２Ａでは、半導体基板１０の第２面１０ｂにおいて、レーザ共振器構造での共振方向Ａ０と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝１２を設けている。このような構成では、図２中に矢印Ａ５によって模式的に示すように、複数の溝１２のそれぞれから、テラヘルツ出力光が外部の基板下方へと出力される。
【００５３】
本実施形態によるレーザ素子本体１Ａを有する量子カスケードレーザ２Ａの効果について説明する。
【００５４】
図１、図２に示した量子カスケードレーザ２Ａでは、図３に活性層１５の構成例を示したように、第１周波数ω１の第１ポンプ光と、第２周波数ω２の第２ポンプ光との２周波数の光成分を生成可能なように活性層１５を構成している。このような構成では、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波発生を利用することにより、例えばテラヘルツ光などの長波長の出力光を差周波数ωの光として生成することができる。
【００５５】
また、このような活性層１５を含んで半導体基板１０の第１面１０ａ上に設けられた素子構造部１１の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成する外部回折格子２５を設け、素子構造部１１の内部に、第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子１３を設けるとともに、外部回折格子２５を、外部共振器で共振される光の第１周波数ω１が変更可能なように構成している。
【００５６】
このように、活性層１５に対して外部回折格子２５及び内部回折格子１３を設ける構成によれば、ポンプ光成分の第１、第２周波数ω１、ω２を、外部回折格子２５による外部共振器、及び内部回折格子１３による分布帰還共振器によって好適に設定、制御して、差周波発生に用いられる第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成することができる。また、このような構成では、第１ポンプ光の周波数ω１を外部回折格子２５によって変更することにより、差周波発生によって生成されるテラヘルツ光などの出力光の周波数ωを連続的に可変に制御することができる。
【００５７】
また、量子カスケードレーザ２Ａでは、活性層１５を、単一種類の活性層構造によって構成するとともに、具体的に、図３に示したように、発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位の２個の発光上準位と、複数（２個以上、図３では３個）の発光下準位とを設けている。このように、２個の発光上準位と、２個以上の発光下準位とを組み合わせる構成によれば、各準位間のエネルギー間隔等を適切に設定することにより、単一の活性層構造によって単峰で広帯域な発光スペクトル（発光のゲインスペクトル）を得ることができる。これにより、活性層１５において、互いに異なる周波数を有する第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成することが可能となる。
【００５８】
さらに、このような準位構造を有する活性層１５に対し、内部回折格子１３による分布帰還共振器での第２周波数ω２を、ゲインピークとは異なる周波数に固定に設定するとともに、外部回折格子２５による外部共振器での第１周波数ω１を、第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定している。このような構成を有する量子カスケードレーザ２Ａによれば、第１ポンプ光、第２ポンプ光の生成、及び差周波発生によるテラヘルツ光などの出力光の生成を、好適に実現することが可能となる。
【００５９】
ここで、上記構成において、分布帰還共振器の内部回折格子１３によって決まる第２ポンプ光の周波数ω２については、ゲインスペクトルにおける周波数ω２での強度がゲインピークに対して６０％以上９０％以下となる周波数に設定されていることが好ましい。このような構成によれば、外部回折格子２５及び内部回折格子１３によって決まる第１、第２周波数ω１、ω２を適切に設定して、第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成することが可能となる。
【００６０】
また、上記構成では、半導体基板１０の第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂにおいて、レーザ共振器構造での共振方向と交差する方向にそれぞれ形成された複数の溝１２が設けられている構成とすることが好ましい。このような構成によれば、基板裏面１０ｂに設けられた複数の溝１２それぞれの側面を出力光の出力面として機能させて、活性層１５において差周波発生によって生成されたテラヘルツ光などの光を外部へと好適に出力することが可能となる。
【００６１】
また、このように外部への光出力に基板裏面１０ｂの複数の溝１２を用いる構成では、上記したように出力光の差周波数ωを外部共振器によって可変とした場合でも、外部への光の出力角度（出力角度分布）の変化を抑制することができる。また、このような構成では、基板裏面１０ｂが光の出力面となるため、レンズ、光ファイバなどの光学系を必要に応じて容易に取り付けることができる。
【００６２】
また、基板裏面１０ｂに溝１２を形成する場合、その形状については、複数の溝１２のそれぞれは、溝内部の幅が第２面１０ｂ側から深さ方向に単調減少するとともに、その側面の第２面１０ｂに垂直な方向（レーザ素子での半導体積層方向）に対する傾斜角度θｇが変化していく曲面形状に形成されている構成とすることが好ましい。このような構成によれば、溝側面での位置によって光の出力角度が変化することで、出力光の周波数ωの変化による出力角度分布の変化を好適に抑制することができる。
【００６３】
また、上記構成において、半導体基板１０の第２面１０ｂにおける複数の溝１２の形成方向については、複数の溝１２は、第２面１０ｂにおいて、光の共振方向Ａ０と直交する方向にそれぞれ形成されていることが好ましい。これにより、複数の溝１２それぞれの側面を、テラヘルツ光などの出力光の出力面として好適に機能させることができる。
【００６４】
また、レーザ素子本体１Ａにおける半導体基板１０、及び第２面１０ｂの複数の溝１２等の具体的な構成については、半導体基板１０は、その厚さｔが５０μｍ以上２００μｍ以下である構成とすることが好ましい。また、複数の溝１２のそれぞれは、溝の深さをｈとして、その幅ｗがｈ／１０以上２ｈ以下（深さｈの１／１０以上２倍以下）となるように形成されている構成とすることが好ましい。
【００６５】
また、複数の溝１２のそれぞれは、半導体基板１０の厚さをｔとして、その深さｈが３０μｍ以上ｔ−２０μｍ以下となるように形成されている構成とすることが好ましい。また、複数の溝１２のそれぞれは、出力光の波長をλとして、その深さｈがλ／１０以上２λ以下（出力光の波長λの１／１０以上２倍以下）となるように形成されている構成とすることが好ましい。
【００６６】
また、複数の溝１２は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／２以上２ｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ以下となるように形成されていることが好ましい。あるいは、複数の溝１２は、溝の深さをｈ、溝の幅をｗ、差周波発生による出力光の放射角度をθｃとして、溝の間隔Ｌがｈ／ｔａｎθｃ＋ｗ／２以上となるように形成されていることが好ましい。
【００６７】
また、複数の溝１２のそれぞれは、その側面の第２面１０ｂに垂直な方向（レーザ素子での半導体積層方向）に対する傾斜角度θｇが４°以上２０°以下となるように形成されている構成とすることが好ましい。
【００６８】
これらの構成によれば、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成された複数の溝１２のそれぞれの側面、内面から、テラヘルツ光などの出力光を充分な強度で好適に出力させることが可能となる。
【００６９】
なお、量子カスケードレーザにおいて、差周波発生によってテラヘルツ光を生成する場合の活性層の構成としては、互いに異なる量子井戸構造を有する複数種類の活性層構造をスタックする構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、活性層の全体での構成が複雑となり、また、活性層の動作の不安定化、及びそれによる閾値の上昇、消費電力の増大、発熱による素子特性の悪化などの問題が生じる可能性がある。また、このように複数の活性層構造を有する構成では、量子準位構造の設計が難しく、また、それぞれが異なる非線形光学特性を有しているため、差周波発生による波長変換効率においても効率的ではない。
【００７０】
これに対して、上記構成の量子カスケードレーザ２Ａでは、活性層１５を単一種類の活性層構造によって構成するとともに、そのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位と、複数の発光下準位とを設ける構成としている。このような構成によれば、単一の活性層設計での活性層１５をゲイン媒質に用いることで、テラヘルツ光などの出力光を差周波発生によって高効率で生成することが可能となる。また、活性層の全体での構成を簡単化し、その動作の安定化、素子特性の向上等を実現することができる。
【００７１】
図４は、図１に示した量子カスケードレーザの変形例の構成を示す図である。本構成例の量子カスケードレーザ２Ｂでは、図１に示した量子カスケードレーザ２Ａの構成に加えて、素子構造部１１の外部回折格子２５側の第１端面１１ａに、ゲインピークの周波数の光に対する反射率を低減する反射低減膜（低反射膜）２１が形成されている。また、素子構造部１１の外部回折格子２５とは反対側の第２端面１１ｂに、ゲインピークの周波数の光に対する反射率を増大する反射膜（高反射膜）２２が形成されている。
【００７２】
このように、レーザ素子本体１Ａにおいて、その素子構造部１１の第１端面１１ａ、第２端面１１ｂに、それぞれ反射低減膜２１、反射膜２２を設けることにより、量子カスケードレーザ２Ｂにおける外部回折格子２５及び内部回折格子１３を用いたレーザ共振器構造を好適に構成することができる。なお、これらの反射低減膜２１及び反射膜２２については、その一方のみを設ける構成としても良い。また、これらの反射低減膜２１、反射膜２２の構成については、具体的にはさらに後述する。
【００７３】
図１、図２に示した素子本体１Ａを有する量子カスケードレーザ２Ａにおける複数の溝１２でのテラヘルツ光の出力条件について、さらに説明する。図５、図６は、半導体基板１０の第２面１０ｂに形成される溝１２の構成について示す側面図である。
【００７４】
ここで、ＴＨｚ−ＱＣＬの特性向上における課題の１つとして、活性層内で生成されたテラヘルツ光の基板内部での再吸収がある。量子カスケードレーザの基板として、不純物をドープしていないＩｎＰ基板を用いた場合であっても、例えば周波数３ＴＨｚの光に対して吸収係数は２０ｃｍ−１程度となる。このとき、コヒーレンス長は１００μｍ程度であり、したがって、活性層で生成されるテラヘルツ光のほとんどが、外部に取り出されずに基板内部で吸収されることとなる。上記実施形態において基板裏面１０ｂに設けられる複数の溝１２は、このような光を好適に出力させるためのものである。
【００７５】
上記実施形態による量子カスケードレーザ２Ａでは、図５に示すように、基板１０の第２面１０ｂに複数の溝１２を形成する。そして、放射角度θｃで放射方向Ａ１にチェレンコフ放射されたテラヘルツ光を、溝１２の側面の半導体と空気との界面において屈折させて、出力方向Ａ６で出力光として外部に取り出す。
【００７６】
ここで、上述したように、半導体基板１０を半絶縁性ＩｎＰ基板とし、周波数３ＴＨｚを想定して活性層１５から下方へのテラヘルツ光の放射角度をθｃ＝２０°とし、また、溝１２の側面の第２面１０ｂに垂直な方向に対する傾斜角度をθｇ＝１０°とした場合を例として考える。このような構成では、基板１０の内部を伝搬するテラヘルツ光は、溝１２の側面に対して入射角度θｉｎ＝１０°で入射する。
【００７７】
このとき、テラヘルツ帯でのＩｎＰ基板１０の屈折率ｎＴＨｚ＝３．６に対して、空気の屈折率はｎａｉｒ＝１であり、スネルの法則
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２
により、テラヘルツ光は溝１２の側面から下方に出射角度θｏｕｔ＝４０°で屈折して出力される。これにより、結果的に、複数の溝１２を介した半導体基板１０の面方向へのテラヘルツ光の出力が可能となる。
【００７８】
ここで、溝１２の側面の傾斜角度がθｇ＝０°で、溝側面がへき開端面と平行な場合には、テラヘルツ光は全反射されて外部へは出力されない。放射角度θｃ＝２０°でテラヘルツ光が基板１０内部を伝搬している場合には、溝側面の傾斜角度θｇが４°以上の角度で、テラヘルツ光が全反射せずに基板１０の面方向に出力される。一方、溝側面の傾斜角度θｇが２０°よりも大きい場合には、テラヘルツ光が上方に屈折されるため、基板１０に再び取り込まれる成分が発生する。したがって、溝１２の側面については、その傾斜角度θｇが例えば４°以上２０°以下となるように、溝１２を形成することが好ましい。
【００７９】
また、半導体基板１０の第２面１０ｂにおいて実際に形成される溝１２は、図５に示すように側面が平面状で尖った形状ではなく、図６に示すように側面が曲面状で、溝内部で傾斜角度が連続的に変化していく形状となる。この場合、図６中に実線矢印によってテラヘルツ光の基板１０内部での伝搬方向Ａ１、Ａ２、及び溝側面からの出力方向Ａ６、Ａ７を示すように、溝側面での位置によって、テラヘルツ光の屈折角度、及びそれによる外部への出射角度が変化する。
【００８０】
このような点を考慮すると、溝１２の側面の傾斜角度θｇについては、溝側面のうちのできるだけ多くの部分、例えば溝側面の１／３以上の面部分が４°以上２０°以下の条件を満たす傾斜角度θｇとなるように、溝１２を形成することが好ましい。また、溝１２の深さｈ、幅ｗ、間隔Ｌ、及び半導体基板１０の厚さｔ等については、このような外部への光の出力条件を考慮して適切に設定することが好ましい。
【００８１】
また、図１、図２に示した量子カスケードレーザ２Ａでは、外部回折格子２５を用いた外部共振器での共振周波数ω１を可変に構成することにより、テラヘルツ光の周波数ωが可変となっている。これに対して、基板１０の第２面１０ｂに形成された複数の溝１２からテラヘルツ光を出力する構成によれば、出力光の周波数ωを可変とした場合でも、外部への光の出力角度分布などの出力条件の変化を抑制することができる。
【００８２】
以上に説明した半導体基板１０の第２面１０ｂでの複数の溝１２による溝構造は、例えば、ダイシングソー、スクライバー、また、比較的浅い溝の場合はエッチング処理、集束イオンビーム等によって加工、形成することができる。また、ダイシングソー、あるいはスクライバー等を用いて溝を形成する場合には、溝加工後にウェットエッチングを施すことで、溝側面を好適な曲面形状とすることができる。
【００８３】
なお、量子カスケードレーザ２Ａのレーザ素子本体１Ａ内において差周波発生によって生成される光の外部への出力構成については、図１、図２では、上記したように基板裏面１０ｂに複数の溝１２を設ける構成を例示したが、このような構成に限らず、他の構成を用いても良い。図７（ａ）、（ｂ）は、図１に示した量子カスケードレーザ２Ａにおけるレーザ素子本体の変形例の構成を示す側面図である。
【００８４】
図７（ａ）に示す構成例では、半導体基板１０の裏面１０ｂに設けられる複数の溝１２に代えて、基板１０の一方の端面を所定角度で研磨して出力端面１０ｃとしている（例えば、特許文献１：国際公開ＷＯ２０１４／０１８５９９号参照）。差周波発生で生成される光の出力構成としては、このような構成を用いても良い。ただし、このように素子端面を研磨する構成では、外部に取り出すことができるテラヘルツ光は、基板内部での吸収等により、端面近傍の数１００μｍ程度の範囲において生成された光にとどまる。
【００８５】
また、差周波発生で生成される光の波長、その出力角度、及び基板１０に用いられる半導体材料等の構成条件によって、基板裏面１０ｂの複数の溝１２、または研磨された出力端面１０ｃ等の出力構造が不要な場合には、図７（ｂ）に示すように、半導体基板１０において特別な構造を設けずに光を出力する構成としても良い。
【００８６】
量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに、さらに説明する。図８は、量子カスケードレーザにおけるレーザ素子本体の具体的な構成の一例を、共振方向に沿った断面について示す側面断面図である。また、図９は、図８に示したレーザ素子本体の構成を、端面方向からみて示す正面図である。図１０は、図８に示した量子カスケードレーザのレーザ素子本体における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。また、図１１は、活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。
【００８７】
ここで、図１０においては、活性層１５での発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その動作電界での量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。図１０に示すサブバンド準位構造は、図３に示した準位構造の具体例となっている。また、図８〜図１１に示した素子構造は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition）法による結晶成長によって形成することができる。
【００８８】
図８、図９に示す素子本体１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてテラヘルツ光の吸収を考慮して、厚さｔ＝１５０μｍの半絶縁性のＩｎＰ基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ４００ｎｍの高濃度Ｓｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１８ｃｍ−３）ＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層５１、厚さ５μｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＰ下部クラッド層５２、厚さ２５０ｎｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５３、単位積層体１６が４０周期積層された活性層１５、厚さ４５０ｎｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５４、厚さ５μｍのＳｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１６ｃｍ−３）ＩｎＰ上部クラッド層５７、及び厚さ１５ｎｍの高濃度Ｓｉドープ（Ｓｉ：１．５×１０１８ｃｍ−３）ＩｎＰ上部コンタクト層５８が順次積層されることで、レーザ素子本体１Ｂの素子構造が形成されている。
【００８９】
また、上部ガイド層５４には、図８に示すように、第２周波数ω２の第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器の内部回折格子１３として機能する深さ２５０ｎｍの回折格子構造５５がエッチングによって形成されている。
【００９０】
また、クラッド層５２、５７を含む導波路構造においてコア層部分を構成している活性層１５及びガイド層５３、５４は、図９に示すように、ガイド層５４の回折格子構造を形成した後に、光の共振方向に沿って例えば幅１２μｍのリッジストライプ状に形成されている。また、そのリッジストライプの両側壁を覆うようにＦｅドープＩｎＰ支持層６５がＭＯＣＶＤ等による埋め込み再成長で形成されている。また、ＩｎＰ基板５０の第２面１０ｂには、差周波発生によって生成された差周波数ωのテラヘルツ光を出力するための複数の溝１２が形成されている。また、このような素子構造に対し、必要に応じて、さらに絶縁膜の形成、電極の形成等が行われる。
【００９１】
本構成例における活性層１５は、上記したように、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が４０周期で積層されて構成されている。本構成例では、活性層１５でのゲインの中心波長を１０μｍに設定している。また、１周期分の単位積層体１６は、図１０、図１１に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
【００９２】
これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、それぞれＩｎＰ基板５０と格子整合するＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、それぞれＩｎＰ基板５０と格子整合するＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。
【００９３】
また、単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図１０に示す積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が注入障壁層となっている。
【００９４】
なお、本構成例においては、発光層１７と、注入層１８との間に位置する抽出障壁層については、実効的に抽出障壁として機能している障壁層は存在していない。図１０においては、障壁層１９１を形式的に抽出障壁層と規定し、その前後で、発光層１７と注入層１８とを機能的に区分している。図１１に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
【００９５】
量子カスケードレーザの素子本体１Ｂにおいて、差周波発生によるテラヘルツ光の生成を実現するためには、２波長のポンプ光成分を生成可能であって、ポンプ光に対して高い２次の非線形感受率χ（２）を有する活性層が必要である。本構成例の活性層１５では、図３に示したＤＡＵ／ＭＳ構造を採用して、結合二重上準位（ＤＡＵ）構造が持つ広い利得帯域を利用し、かつ、内部回折格子１３による分布帰還共振器、及び外部回折格子２５による外部共振器を設けることで、単一の活性層設計での周波数ω１の第１ポンプ光、周波数ω２の第２ポンプ光の生成、差周波発生による差周波数ωのテラヘルツ光の生成、及び外部回折格子２５による周波数の可変制御を実現している。
【００９６】
図１０に示すサブバンド準位構造は、強く結合した２つの上準位Ｌ４、Ｌ５から、複数の下準位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３へと電子が光学遷移する設計となっている。具体的には、図１０の構成例では、２つの上準位Ｌ４、Ｌ５間のエネルギー間隔は、ΔＥ５４＝１８ｍｅＶとなっている。また、その他の準位間のエネルギー間隔は、ΔＥ５３＝１２１ｍｅＶ、ΔＥ５２＝１３６ｍｅＶ、ΔＥ５１＝１４９ｍｅＶ、ΔＥ４３＝１０２ｍｅＶ、ΔＥ４２＝１１７ｍｅＶ、ΔＥ４１＝１３１ｍｅＶとなっている。
【００９７】
このような構成において、前段の注入層から発光層１７へと注入された電子は、高速な電子−電子散乱等によって上準位Ｌ４、Ｌ５に等しく分布し、２つの上準位Ｌ４、Ｌ５はあたかも広がった単一の上準位のように振舞う。したがって、上準位Ｌ４から下準位Ｌ１〜Ｌ３への遷移によるゲインと、上準位Ｌ５から下準位Ｌ１〜Ｌ３への遷移によるゲインとが同等の寄与で重なり合い、単峰で広帯域なゲインスペクトルが得られる。
【００９８】
このように、単一の活性層構造を用いる構成では、複数の活性層構造をスタックさせた構成とは異なり、活性層の全領域にわたって均一な非線形光学特性が得られ、それによって高効率な波長変換を実現することができる。準位Ｌ１〜Ｌ５のそれぞれにおける仮定したキャリア濃度をｎ１〜ｎ５とするとともに、ｎ１＝ｎ２＝ｎ３と仮定し、条件ｎ５−ｎｉ＝１．０×１０１５ｃｍ−３、ｎ４−ｎｉ＝１．３×１０１５ｃｍ−３（ｉ＝１、２、３）を用いると、ＤＡＵ構造によって生成される２次の非線形感受率χ（２）の総和の絶対値として、｜χ（２）｜＝２３．３ｎｍ／Ｖが得られる。
【００９９】
また、内部回折格子１３である回折格子構造５５、及び外部回折格子２５の設計によって、ポンプ光の周波数ω１、ω２、テラヘルツ出力光の周波数ω＝｜ω１−ω２｜、及びテラヘルツ光の周波数ωの可変範囲等を決定する。また、本構成例では、回折格子１３、２５による分布帰還共振器構造、外部共振器構造を用いて、周波数ω１の第１ポンプ光及び周波数ω２の第２ポンプ光をともにシングルモード動作させ、これによって、テラヘルツ出力光についてもシングルモード動作させている。
【０１００】
量子カスケードレーザの具体的な構成について、さらに説明する。図１２は、量子カスケードレーザの素子構造の一例を示す正面図である。本構成例における量子カスケードレーザのレーザ素子本体１Ｃでは、図８、図９に示した素子構造に対して、ＩｎＰ基板５０側の下部コンタクト層５１を露出させるためのエッチングを行って、活性層１５等を含み基板１０上の素子構造部１１に対応する素子構造部６０、及びその両側の支持構造部６１を形成している。
【０１０１】
また、素子構造部６０を覆うようにＳｉＮ絶縁層６２を設けるとともに、絶縁層６２のコンタクトホールを介して上部コンタクト層５８と電気的に接続された上部電極６６を形成している。また、支持構造部６１を覆うようにＳｉＮ絶縁層６３を設けるとともに、絶縁層６２、６３の間のコンタクトホールを介して下部コンタクト層５１と電気的に接続された下部電極６７を形成している。このような電極６６、６７は、例えば、厚さ約５μｍの厚いＡｕ膜を蒸着及びメッキ法によって形成した後、エッチングで上部、下部電極を分離することによって形成することができる。
【０１０２】
なお、このような素子構造の形成において、エッチング方法については、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれの方法を用いても良い。また、微細パターニングについても、例えば干渉露光法、ナノインプリント法など、所望のサイズの加工が可能なものであれば任意の方法を用いて良い。
【０１０３】
図１３は、量子カスケードレーザの素子構造の他の例を示す斜視図である。図１２に示した構成の量子カスケードレーザの素子本体１Ｃでは、差周波発生によって生成されたテラヘルツ光は、図２に示したように、ポンプ光の共振方向に対して放射角度θｃで基板５０側に放射される。この点を考慮すると、図１３に示すように、量子カスケードレーザの素子本体１Ｃの基板５０で、複数の溝１２が形成された裏面１０ｂを上側にして組み立てる、いわゆるエピダウン組立を用いることが好ましい。
【０１０４】
図１３に示す構成例では、上部電極６６、下部電極６７が導通しないように溝７１によってボンディングパッドを分割したサブマウント７０を用い、サブマウント７０上にレーザ素子本体１Ｃを配置したレーザ素子の組立例を示している。このような構成では、ワイヤボンディングが容易となり、また、光学系の配置が容易となる。
【０１０５】
上記構成の量子カスケードレーザにおける内部回折格子１３による分布帰還共振器、外部回折格子２５による外部共振器での共振器構造、及び第１、第２ポンプ光成分の第１、第２周波数ω１、ω２の設定条件等について、さらに説明する。
【０１０６】
図１４は、上記構成の量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図１４において、グラフＧ１〜Ｇ４は、それぞれ、印加電圧が５．５Ｖ、６．７Ｖ、７．９Ｖ、９．４Ｖのときの発光スペクトルを示している。また、ここでは、共振器長を３ｍｍとして構成したレーザ素子の端面方向から観測した中赤外光の室温におけるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の発光スペクトルを示している。レーザ素子の動作条件については、動作温度３００Ｋ、繰返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅５００ｎｓでレーザ素子をパルス動作させている。
【０１０７】
これらのグラフＧ１〜Ｇ４に示すように、活性層１５において上記のＤＡＵ／ＭＳ構造を用いることにより、単峰で広帯域な発光スペクトルが得られている。また、発光スペクトルの中心波長は１０μｍ、スペクトルの半値全幅は約４００ｎｍとなっている。また、この場合、図１４に示すＥＬの発光スペクトルと、ゲインスペクトルとは、ほぼ一致するとみなすことができる。
【０１０８】
周波数ω２の第２ポンプ光を生成する分布帰還共振器に用いられる内部回折格子１３の構成については、図１４に示した発光のゲインスペクトルに対し、そのゲインピークと一致しない周波数及び波長となるように、内部回折格子１３で選択される第２周波数ω２を設定する。また、具体的には、上述したように、内部回折格子１３によって決まる第２ポンプ光の周波数ω２を、ゲインスペクトルにおける強度が、ゲインピークに対して６０％以上９０％以下となる周波数に設定することが好ましい。
【０１０９】
図１５は、量子カスケードレーザで得られる発光スペクトル、及び共振周波数の設定について示すグラフである。図１５において、グラフＧ５は、ゲインピークで規格化されたゲインスペクトル（発光スペクトル）を示している。また、縦軸の規格化強度に対する領域Ｒ０は、ゲインピークに対する相対強度が６０％以上９０％以下となる範囲を示している。また、横軸の波長に対する領域Ｒ１は、短波長（高周波数）側で規格化強度が６０％以上９０％以下となる波長範囲（周波数範囲）を示し、領域Ｒ２は、長波長（低周波数）側で規格化強度が６０％以上９０％以下となる波長範囲（周波数範囲）を示している。内部回折格子１３による第２周波数ω２については、このような領域Ｒ１、Ｒ２内において設定することが好ましい。
【０１１０】
ここで、内部回折格子１３による分布帰還共振器で選択される発振波長をゲインピーク近傍に設定すると、フィードバックが強くかかるためにシングルモード発振が得られる。このため、優れた単色性が要求される光通信、レーザ分光などでは、このような波長設定が必要となる。
【０１１１】
これに対して、上記構成の量子カスケードレーザでは、差周波発生によってテラヘルツ光を生成するために、中赤外ポンプ光を同時に２波長で発振させる必要がある。したがって、内部回折格子１３については、ある程度ゲインピークから離れた波長でＤＦＢ発振するように回折格子を構成して、ＤＦＢモードと、素子構造部１１の端面で形成された共振器による複数のファブリペロモードとが混在する状況とすることが必要となる。
【０１１２】
一方、内部回折格子１３による分布帰還共振器での発振波長がゲインピークから離れすぎると、ＤＦＢ発振そのものが困難となる。これらの点を考慮すると、上記したように、内部回折格子１３での発振波長（発振周波数ω２）については、ゲインスペクトルにおける強度がゲインピークに対して６０％以上９０％以下となる領域Ｒ１、Ｒ２内で設定することが好ましい。
【０１１３】
なお、内部回折格子１３によって選択される光の波長は、ゲインピークのピーク波長に対して短波長側の領域Ｒ１内、または長波長側の領域Ｒ２内のどちらに設定しても良く、例えば、内部回折格子１３として機能する回折格子構造５５を作製しやすい波長を適宜選択すれば良い。また、回折格子構造５５は、レーザ共振器構造での共振方向に対して部分的に形成しても良く、あるいは、全領域にわたって回折格子構造５５を形成しても良い。
【０１１４】
周波数ω１の第１ポンプ光を生成する外部共振器に用いられる外部回折格子２５の構成については、上記したようにＤＦＢモードに対して混在する複数のファブリペロモードから、外部共振器を用いて第１周波数ω１でシングルモード発振を得るように構成する。外部共振器の構成としては、例えば、良く知られたリトロー配置を用いれば良い。
【０１１５】
また、レーザ素子本体から出射された光を平行光として回折格子２５に導くためのコリメートレンズ２０（図１参照）としては、例えば、ＺｎＳｅなどの材料からなる非球面レンズを用いることができ、波長４〜１２μｍの光に対して透過率が９０％以上となるような誘電体多層膜によって低反射コートが両表面に施されている。このようなコリメートレンズ２０については、例えば、焦点距離を１０ｍｍ以下、開口数ＮＡを０．８以上とすることが好ましい。
【０１１６】
外部回折格子２５については、反射型のブレーズド回折格子を用い、例えば、溝密度が１００本／ｍｍ以上、表面Ａｕコーティング、また、レーザ発振可能な波長範囲で回折効率が６０％以上となっていることが好ましい。
【０１１７】
また、外部回折格子２５を用いた外部共振器による発振を安定させて、回折格子２５による周波数（波長）の可変範囲を広帯域化するため、図４に示したように、素子構造部１１での回折格子２５側の第１端面１１ａに、中赤外ポンプ光に対する低反射コートなどの反射低減膜２１を設けることが好ましい。これにより、第１端面１１ａでの光の反射率をへき開端面の状態（反射率約２８％）よりも低減させて、回折格子２５との結合効率を高めることができる。
【０１１８】
ＤＡＵ／ＭＳ構造の活性層１５を用いる上記構成では、図１４に示したように、単峰で広帯域な発光スペクトルが得られる。このため、この反射低減膜２１については、ゲインピークの周波数の光に対する反射率を低減するように構成すれば良い。また、反射低減膜２１の構成については、具体的には、誘電体多層膜、または厚さλｐ／４ｎとなる誘電体単層膜による低反射コートを用いることができる。ここで、λｐはゲインピークの波長、ｎはコーティング材料の屈折率である。
【０１１９】
反射低減膜２１のコーティング材料としては、絶縁性、かつ波長１０μｍの光に対して透明で、低屈折率な材料を用いることが好ましい。そのような材料としては、例えば、波長１０μｍの光に対する屈折率が１．５２のＣｅＯ２を好適に用いることができる。この場合、λｐ／４ｎとなる膜厚約１．６μｍでＣｅＯ２膜を形成すると、反射率２．６％が得られる。このような構成によれば、現実的な膜厚による単層コーティングという簡単な構成で、数％の低反射率を得ることができる。
【０１２０】
一方、素子構造部１１で外部回折格子２５とは反対側の第２端面１１ｂについては、図４に示したように、中赤外ポンプ光に対する高反射コートなどの反射膜２２を設けることが好ましい。この反射膜２２については、反射低減膜２１と同様に、ゲインピークの周波数の光に対する反射率を増大するように構成すれば良い。
【０１２１】
ここで、通常の分布帰還共振器型のレーザ素子では、活性層近傍に設けた回折格子によるフィードバックを強く行わせる必要があり、素子端面による共振器としての効果を抑制するために、両端面での光の反射率を低減する構成が用いられている。また、外部共振器型のレーザ素子では、外部回折格子とは反対側の素子端面から出力光を外部へと取り出すため、端面には高反射コートを設けない構成が用いられている。
【０１２２】
これに対して、上記構成の量子カスケードレーザでは、差周波発生によるテラヘルツ光の生成に用いる２波長のポンプ光成分を同時に発振させるため、素子端面による共振器としての効果を残しておく必要がある。また、テラヘルツ出力光は、半導体基板１０の裏面１０ｂ側から外部へと出力されるため、外部回折格子とは反対側の素子端面から光を取り出すなどの構成は不要であり、したがって、上記のように第２端面１１ｂにおいて反射膜２２を形成する構成が可能である。
【０１２３】
反射膜２２としては、具体的には例えば、絶縁性、かつ波長１０μｍの光に対して透明であるＣｅＯ２膜を第１層とし、その上にＡｕ膜などの金属膜を形成することで、反射率がほぼ１００％の高反射コートを実現することができる。このように、素子構造部１１の端面１１ｂに反射膜２２を設けることにより、活性層１５内により多くの光を閉じ込めて差周波発生に寄与するポンプ光の光量を増大することができ、したがって、テラヘルツ光などの出力光を高出力化することが可能となる。
【０１２４】
また、このように素子構造部１１の端面１１ａ、１１ｂに反射低減膜２１、反射膜２２を設ける構成によれば、ＤＦＢモードと、ファブリペロモードとが混在した発振状態を好適に実現することができる。この場合、ミラー損失の低減によって発振閾値が低くなり、発熱による素子特性の悪化等を抑制することができる。また、レーザ素子の低閾値化により、室温でのＣＷ発振が可能となる。
【０１２５】
図１６は、量子カスケードレーザの室温パルス駆動（１００ｋＨｚ／２００ｎｓ）における発振スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波数（ｃｍ−１）または波長（μｍ）を示し、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図１６において、グラフＧ６は、内部回折格子１３を用いた分布帰還共振器による発振スペクトルを示し、Ｇ７で示す複数のグラフ（複数のピーク）は、外部回折格子２５を用いた外部共振器で周波数を変化させたときの各発振スペクトルを示している。
【０１２６】
図１６のグラフでは、分布帰還共振器による波数９３０ｃｍ−１付近の第２ポンプ光に対し、外部共振器による第１ポンプ光の波数は８２９〜８９３ｃｍ−１の範囲で変化している。上記構成の量子カスケードレーザでは、これらの第１ポンプ光、第２ポンプ光を用いた差周波発生によってテラヘルツ出力光が生成されるので、結果として、得られるテラヘルツ光の周波数を１〜３ＴＨｚの広帯域で可変とすることができる。
【０１２７】
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、活性層１５でのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位に対して３個の発光下準位を設ける構成としているが、発光下準位の個数については、例えば２個としても良く、あるいは４個以上としても良い。また、周波数が異なる第１ポンプ光及び第２ポンプ光を好適に生成するためには、発光下準位の個数を３個以上とすることが好ましい。
【０１２８】
また、上記した構成例では、半導体基板１０として半絶縁ＩｎＰ基板を用いているが、例えばアンドープＩｎＰ基板（Ｓｉ：〜５×１０１５ｃｍ−３）、あるいは低ドープＩｎＰ基板（Ｓｉ：５×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−３）を基板１０として用いても良い。これらの基板を用いた場合、基板裏面に電極を設ける構成が可能となる。ただし、基板におけるドーピング濃度を大きくした場合、基板内部での光の吸収が大きくなるため、外部に出力されるテラヘルツ光の強度が小さくなる。
【０１２９】
また、上記した構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成の活性層を例示しているが、このような活性層については、歪補償を導入した構成を用いても良い。また、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間の発光遷移が可能であって、上記した第１ポンプ光、第２ポンプ光の生成、及び差周波発生による出力光の生成を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
【０１３０】
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
【０１３１】
また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造については、上記した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板の第１面上に設けられた上記構成の活性層とを備え、活性層を含む素子構造部の外部に、第１ポンプ光を生成するための外部共振器を構成するとともに第１周波数ω１を変更可能に構成された外部回折格子が設けられ、素子構造部の内部に、第２ポンプ光を生成するための分布帰還共振器を構成する内部回折格子が設けられ、内部回折格子によって決まる第２周波数ω２が、ゲインピークと一致しない周波数に固定に設定され、外部回折格子によって決まる第１周波数ω１が、第２周波数ω２とは異なる周波数に可変に設定されていれば良い。
【０１３２】
また、外部回折格子に対して設けられる共振周波数可変機構については、上記実施形態では回折格子を回転駆動する回転ステージを例示しているが、このような構成に限らず、他の構成の可変機構を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、テラヘルツ光などの光を差周波発生によって好適に生成、出力することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。
【符号の説明】
【０１３４】
２Ａ、２Ｂ…量子カスケードレーザ、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…レーザ素子本体、１０…半導体基板、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１…素子構造部、１１ａ…第１端面、１１ｂ…第２端面、１２…溝、１３…内部回折格子、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…電子注入層、２０…コリメートレンズ、２１…反射低減膜、２２…反射膜、２５…外部回折格子、２６…回転ステージ、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層、５２…ＩｎＰ下部クラッド層、５３…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５４…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５５…回折格子構造、５７…ＩｎＰ上部クラッド層、５８…ＩｎＰ上部コンタクト層、
６０…素子構造部、６１…支持構造部、６２、６３…ＳｉＮ絶縁層、６５…ＩｎＰ支持層、６６…Ａｕ上部電極、６７…Ａｕ下部電極、７０…サブマウント、７１…溝。
【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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