(57)【要約】  量子カスケードレーザ装置は、複数の量子井戸と、複数の障壁と、を備え、少なくとも障壁の一部は活性領域を規定し、活性領域の一端は注入障壁と隣接し、活性領域を規定する複数の量子井戸において複数の電子井戸の２以上の隣接した量子井戸は、注入領域に隣接し、２以上の隣接した量子井戸の厚さは、それぞれ、活性領域を規定する複数の量子井戸において、２以上の隣接した量子井戸に続く量子井戸の厚さよりも薄いことを特徴とする。結果として活性領域では、光子は、高い光子放射エネルギー状態から低い光子放射エネルギー状態に遷移し、寿命時間を増加する。このため、長波長（７ｕｍ以上）の光を放射する装置又はレーザを発振する装置にとって、効率をより高くし、全体の性能をより高くする結果になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子井戸と、
複数の障壁と、
を備え、
少なくとも前記障壁の一部は、活性領域を規定し、
前記活性領域の一端は注入障壁と隣接し、
前記活性領域を規定する前記複数の量子井戸において前記複数の量子井戸の２以上の隣接した量子井戸は、前記注入領域に隣接し、
前記２以上の隣接した量子井戸の厚さは、それぞれ、前記活性領域を規定する前記複数の量子井戸において、前記２以上の隣接した量子井戸に続く量子井戸の厚さよりも薄い、
ことを特徴とする量子カスケードレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示は、光増幅チップなどの一般的な量子カスケード装置に関する。この光増幅チップは統合された又は外部の空洞量子カスケードレーザ（ＱＣＬｓ）、ＡＳＥ光源、類似の応用品に使われており、高温で高エネルギーの連続波発振（ＣＷ）を持ち、特に次のような波長を持っている。高温環境における、赤外線計測器、赤外線逆探知装置、ガスやその他の分子の検知、その他の装置に適用可能な波長で、特に７μｍ以上の波長。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本開示は、２以上の薄い量子井戸から始まる活性領域を有する量子カスケード装置を提供する。より具体的には、量子カスケードレーザ構造は、複数の量子井戸と、複数の障壁と、を備え、少なくとも前記障壁の一部は活性領域を規定し、前記活性領域の一端は注入障壁と隣接し、前記活性領域を規定する前記複数の量子井戸において前記複数の量子井戸の２以上の隣接した量子井戸は前記注入障壁に隣接し、前記２以上の隣接した量子井戸の厚さは、それぞれ、前記活性領域を規定する前記複数の量子井戸において、前記２以上の隣接した電子井戸に続く量子井戸の厚さよりも薄い、ことを特徴とする。結果として活性領域では、光子は、高い光子放射エネルギー状態から低い光子放射エネルギー状態に遷移し、寿命時間を増加する。このため、長波長（７ｕｍ以上）の光を放射する装置又はレーザを発振する装置にとって、効率をより高くし、全体の性能をより高くする結果になる。
【０００３】
本開示における特定の実施の形態に関して詳細に記載した以降の内容を、次の図と関連して読むことで、よく理解できる。図中の類似の構造を、類似の参照番号で表す。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】活性領域を有し、実在する量子カスケード構造における、連続する量子井戸と障壁のエネルギー準位と厚さを示すエネルギーバンド図である。
【図２】本開示の量子井戸の活性領域に関する実施の形態に従ったエネルギーバンド図であり、２以上の薄い量子井戸を開始位置（注入障壁のすぐ後で、２倍以上厚い量子井戸の前）に有する活性領域を含み、実在する量子カスケード構造における、連続する量子井戸と障壁のエネルギー準位と厚さを示している。
【図３】本開示の量子井戸の活性領域に関する他の実施の形態に従ったエネルギーバンド図であり、２以上の薄い量子井戸を開始位置（注入障壁のすぐ後で、２倍以上厚い量子井戸の前）に有する活性領域を含み、実在する量子カスケード構造における、連続する量子井戸と障壁のエネルギー準位と厚さを示し、量子井戸は階段状に構成され、少なくとも活性領域の終了位置の直前の量子井戸は、少なくとも活性領域の隣接する量子井戸よりも低い最小エネルギー準位を持つ。
【図４】図３の改良した活性領域構造を活用したサブマウント型ＱＣＬチップのパルス発振の光電流電圧（ＬＩＶ）曲線を示したグラフである。
【図５】図３の改良した活性領域構造を活用したサブマウント型ＱＣＬチップの連続波発振（ＣＷ）の光電流電圧（ＬＩＶ）曲線を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
本開示は、次のことを示している。ＱＣＬのような量子カスケード装置の活性領域において、２つの薄い量子井戸を活用して、上位のレーザの発振状態の電子の寿命時間を長くし、レーザの性能を改良する（２つの光子、４階層の量子カスケード装置における、上位のレーザの発振状態の寿命時間τ４を、特に、遷移寿命時間τ４３の延長により、長くする。遷移寿命時間τ４３は、上位の光子の放射状態又はレーザ発振状態から、下位の光子の放射状態又はレーザ発振状態への遷移の遷移寿命時間である。）。この遷移に関する寿命時間を延長することは、長波長（７μｍ以上）の量子カスケード装置において、有用である。なぜなら、波長が長くなるほど、上位の放射状態４と下位の放射状態３とのエネルギー間隔は小さくなるからである。結果として、上位の光子の放射状態又はレーザ発振状態から、下位の光子の放射状態又はレーザ発振状態への遷移に関する遷移寿命時間τ４３は短くなる。ＱＣＬシステム（４準位）のレート方程式に基づき、ゲイン係数ｇ又は内部効率ηｉは、τ４（１−τ３／τ４３）に比例する。τ３は下位のレーザ発振状態３の寿命時間であり、τ４は上位のレーザ発振状態４の寿命時間であり、１／τ４＝１／τ４３＋１／τ４２＋１／τ４１＋．．．である。このため、τ４３が小さいほど、τ４は小さくなる。それゆえに、τ４３が小さいほど、要素と内部効率も小さくなる。従って、τ４３を延長することで、効率を改良した長波長（７μｍ以上）の量子カスケード装置を提供することができる。
【０００６】
所望の長波長を発振するためには、エネルギー間隔は小さいままでなくてはならない。寿命時間τ４３も２つのエネルギー状態が互いに重複する度合いに影響され、この条件下では、エネルギー状態の重複がより大きく、寿命時間τ４３はより短い結果になる。
【０００７】
図２は、本開示の量子井戸の活性領域に関する実施の形態に従ったエネルギーバンド図であり、実在する量子カスケード構造における連続する量子井戸と障壁のエネルギー準位と厚さを示している。この量子カスケード構造の活性領域は、開始位置（注入障壁の直後、２倍以上厚い量子井戸の前）に少なくとも２つの薄い量子井戸を有する。注入障壁の代わりに、注入障壁の後にある２つの薄い量子井戸により、上位の光の放射状態４の波動関数の一部を、この薄い量子井戸の中で増加する。一方、下位の光の放射状態３はこの薄い量子井戸を通過できない。それは、下位のレーザの発振状態のエネルギー準位が、ほとんど、この薄い量子井戸の基底状態の下にあることが原因である。この方法では、上位と下位とのレーザ発振状態の重複は縮小され、寿命時間τ４３は増加する。例えば、寿命時間τ４３は、図１に示した従来の構造における３．７ｐｓから、図２に示したこの変更した構造における５．５ｐｓまで増加する。このように、２つの構造が約１３３ｍｅＶの同じレーザ発振遷移エネルギー（９．４μｍのレーザ発振の波長に相当するエネルギー）を持っていたとしても、寿命時間τ４３は増加する。
【０００８】
活性領域の開始位置に２つ（又はこれ以上）の薄い量子井戸を用いることを、階段状の量子井戸の活性領域に適用し、組み込むことで、有効に利用できる。この階段状の量子井戸の活性領域は、２０１１年１１月２９日付けの米国仮出願６１／５６４３７５と、２０１２年１０月２６日付けの米国本出願１３／６６１５５９とで、本発明者らが発表した。図３は、階段状の量子井戸の活性領域に適用した、本開示の量子井戸の活性領域に関する実施の形態に従ったエネルギーバンド図であり、実在する量子カスケード構造における連続する量子井戸と障壁のエネルギー準位と厚さを示している。この量子カスケード構造の活性領域は、活性領域の開始位置（注入障壁の直後、２倍以上厚い量子井戸の前）に２以上の薄い量子井戸を持つ。また、活性領域の量子井戸は階段状に構成され、少なくとも活性領域の最終的な最後の量子井戸は、少なくとも隣接する活性領域の量子井戸より低い最小のエネルギー準位を持つ。図３のエネルギーバンド図は、１０．３μｍの放射波長を持つ。例として、アクティブコアを１段階又は１期間成長させた構造を、表１に示す。この例では、薄い量子井戸を＊で示す。
【表１】
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【０００９】
レーザ送信エネルギーは約１１８ｍｅＶで、１０．６μｍに相当する。寿命時間τ４３は、約４．８ｐｓである。従来のＱＣＬの波長を３．５ｐｓとすると、約４０％高い。さらに、エネルギー準位４とエネルギー準位５（上位の光放射レベルと上位の光放射レベルの前の最初の寄生レベル）の間隔は、階段状の量子井戸の活性領域により増加する。さらに、この活性領域を使用する量子カスケード装置の効率も増加する。
【００１０】
この構造に基づくＱＣＬを、成長させ、製作し、試験を行った。本開示の活性領域構造を持つこの例の実施の形態によるサブマウント型ＱＣＬチップのパルス発振と連続波発振（ＣＷ）の光電流電圧（ＬＩＶ）曲線を、それぞれ、図４、図５に示す。試験したチップは、６ｍｍの長い空洞と、９．５μｍの幅のストリップを持つ。このチップは１０．７μｍ近傍のレーザを発振する。この装置で、２．１Ｗの最大ピークパワーと、１０．２％の最大パルスＷＰＥとが得られた。１．１ＷのＣＷ出力パワーも得られた。１Ｗの最大キンクフリーＣＷ出力パワーと、４．８％の最大ＣＷ  ＷＰＥも得られた。
【００１１】
図から分かるように、テスト装置は、良好な温度性能も示した。９５℃でも、最大ＣＷ出力パワーは２００ｍＷに達した。常温で、１０μｍ以上の波長を持ち、高いパワー（１Ｗより大きい）のＣＷ出力を持つことが確認されたＱＣＬは、これが初めてである。わずかに幅の広いストリップ（１１．５μｍ）のテストＱＣＬでは、１５度で、１．３ＷのＣＷ出力パワーを得た。
【００１２】
（関連出願への相互参照）
本願は、２０１３年１１月３０日付の米国出願番号６１／９１０３４２に基づき、ＵＳＣ３５巻１１９条の優先権の利益を主張する。本明細書には、米国出願番号６１／９１０３４２の全体を参照して、取り込むものとする。
【００１３】
（付記１）
複数の量子井戸と、
複数の障壁と、
を備え、
少なくとも前記障壁の一部は、活性領域を規定し、
前記活性領域の一端は注入障壁と隣接し、
前記活性領域を規定する前記複数の量子井戸において前記複数の量子井戸の２以上の隣接した量子井戸は、前記注入領域に隣接し、
前記２以上の隣接した量子井戸の厚さは、それぞれ、前記活性領域を規定する前記複数の量子井戸において、前記２以上の隣接した量子井戸に続く量子井戸の厚さよりも薄い、
ことを特徴とする量子カスケードレーザ装置。
【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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