(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド領域（１１）、上部クラッド領域（１３）及びコア領域（１２）を持ち、それら領域が共同で少なくとも１つのモードのレーザー光を誘導するように適用されている１個の量子カスケード分散フィードバック・レーザーを具備し、
（ａ）前記上部クラッド領域が、プラズモン励起閉じ込め層（plasmon-enhanced confinement layer；ＰＥＣＬ層）と呼ばれ、前記上部クラッド領域の少なくとも１つの層（２１）の上に在り、且つ、メタル電極（２３）の直ぐ下に在る層（２２）を含有し、
（ｂ）格子構造が、前記ＰＥＣＬ層中に一連のグルーブ（２５）として形成され、
（ｃ）前記ＰＥＣＬ層（２２）が、レーザー動作中、前記導波レーザー・モードの前記振幅が、前記グルーブ（２５）の下に在る前記上部クラッド領域の第１の部分内で増強され、前記第１の部分の間に位置している前記上部クラッド領域の第２の部分（２４）内で抑圧され、前記増強及び抑圧によって前記導波レーザー・モードの変調が得られるように構成されており、
（ｄ）前記ＰＥＣＬ層が、厚さを持ち、前記グルーブが、前記ＰＥＣＬ層の厚さの少なくとも８５％を成す深さに達しており、
（ｅ）前記変調が、単一モードＣＷ波レーザー動作を可能にする強さである、
ことを特徴とする装置（１０）。
【請求項２】
前記グルーブ（２５）が、前記ＰＥＣＬ層の厚さの全体に渡って達していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記装置が、目的の化学種（species）に従って赤外線吸収を測定するための測定装置（７０、９０）であり、
前記測定装置が、単一モード赤外レーザー光発光源（７１、９３）と或る量の前記目的化学種と相互作用を起こした後の前記レーザー光を検出するための検出器（７４、９８）とを具備し、
前記発光源（７１、９３）が、請求項１記載の前記量子カスケード分散フィードバック・レーザーを具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
更に、前記レーザーに電気的に接続され、前記レーザーにレーザー加熱電流を印加して、前記レーザー加熱電流が変化するとき前記レーザー光の波長が変化するように働く、電流源（７８１）を具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記導波レーザー・モードの前記変調が、少なくとも７７Ｋのレーザー温度で、単一モードＣＷ波レーザー動作を可能にする強さであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項６】
レーザー動作中、前記導波レーザー・モードが、有効屈折率の影響を受け、前記ＰＥＣＬ層（２２）が、前記有効屈折率を少なくとも２×１０-3の変調強度で空間変調するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
レーザー動作中、前記導波レーザー・モードが、閉じ込め係数によって定量化される、前記コア領域との重複度を有し、
前記ＰＥＣＬ層（２２）が、前記閉じ込め係数を少なくとも１０％の変調強度で変調するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
格子構造が、レーザー動作中、結合係数によって定量化される分散光フィードバックを実現するように選択され、前記ＰＥＣＬ層（２２）が、少なくとも１０ｃｍ-1の結合係数を備えるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記ＰＥＣＬ層（２２）が、前記メタル電極の近傍で前記導波レーザー・モードの前記振幅を抑圧するように選択された厚さを有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記ＰＥＣＬ層の厚さが、０．３５μｍ未満であり、前記ＰＥＣＬ層のドーパント濃度が、少なくとも８×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子カスケード（quantum cascade；ＱＣ）レーザーに関し、特にＱＣレーザーを有するシステムと装置に関する。特に、この発明は量子カスケード分散フィードバック（quantum cascade distributed feedback；ＱＣＤＦＢ）レーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＱＣレーザーは赤外線（infrared；IR）波長の可調範囲（tunable range）に渡って光を発光するように設計することが出来るユニポーラ半導体レーザーである。特に、そのようなレーザーは約３μｍから１７μｍまでの中赤外線スペクトル領域で発光するように設計することが出来る。このスペクトル領域は、とりわけ多くの産業廃棄ガス（industrial gases）及び環境汚染物質の吸収線がこの範囲に在るので重要である。このことは、ＱＣレーザが、例えば環境調査或いはプロセス制御用のセンサーにおいて、そのような物質、即ち産業廃棄ガス或いは環境汚染物質のような吸収分光計用の発光源として有利な応用分野を有することが出来ることを示唆している。
【０００３】
ＱＣレーザーは、高屈折率のコア領域とそれを挟む低屈折率のクラッド領域からなる光学導波路を形成する多層構造体を有する。クラッド領域はまた、導波光（guided optical radiation）が高屈折率領域内、即ち、低屈折率クラッド領域への遷移によって特徴づけられる境界を持つコア内に閉じ込められる傾向が有るので、“閉じ込め”領域とも呼ばれる。
【０００４】
コア領域は、公称上同一の複数の繰り返しユニットからなり、各繰り返しユニットは活性領域とキャリア注入領域とを有する。この活性領域は、キャリアに高エネルギ状態と低エネルギ状態を与えるよう選択された層構造を有する。なお、キャリアは典型的には電子であるが、正孔であってもよい。高エネルギ状態と低エネルギ状態との間の分離は、高エネルギ状態から低エネルギ状態へのキャリア遷移によって赤外線波長λの光子の放射が起きるようになる分離である。
【０００５】
このキャリア注入領域は、ある繰り返しユニットの活性領域の低いエネルギ状態を占めているキャリアを隣接する（下流側の）繰り返しユニットの活性領域の高いエネルギ状態へ移動させるのを容易にし、その結果移動したキャリアが下流の活性領域の高エネルギ状態を占めるようになる。かくしてキャリアは、層構造の中を移動するにつれて、高エネルギ状態から低エネルギ状態への連続的な遷移を受け、その間、波長λの多数の光子を放出する。この光子エネルギ、なかんずく波長λは繰り返しユニットの構造と組成の細部に依存する。
【０００６】
ＱＣレーザーの１つの望ましい特性は、特に精密分光測定に関わる応用分野では単一モード動作であり、サイド・モード（side modes）を代表的な１，０００の台の因数で抑圧することによって定義される。初期のＱＣレーザーは極低温（約１４０K以下）での連続波（continuous wave；ＣＷ）動作及び室温でのパルス状動作では単一モード・エミッションが不可能であった。ＱＣレーザーの典型的な発光スペクトル（emission spectra）は多モードである。
【０００７】
１９９９年４月２７日に特許された"Article Comprising an Improved QC Laser"なる表題の米国特許第５，９０１，１６８号は単一モード動作が可能な改良されたＱＣレーザーを記載している。単一モード動作は格子構造を用いて分散フィードバックを供することにより、達成される。格子構造は特に単一モード動作を誘発するために設計されていた。格子構造は分散フィードバック用に使用されていたので、ここに記載されたレーザーはＱＣＤＦＢレーザーと呼ばれる部類に属していた。
【０００８】
特に、米国特許第５，９０１，１６８号ではデバイスの上部面に作られた格子構造を使用し、コア層の近傍には格子構造が埋め込み形成されていない構成で単一モード・エミッションの便益を達成している（但し、この特許にはそのような埋設構造を使用して得られた結果は報告されていない）。格子構造が埋め込み形成されるのではなく、重ね合わせ形成される構成は、製造プロセスが大幅に簡単化されるので有利である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、コア層から大きな隔たりが有るために、格子が上に重なっている構造（overlying grating structure）は格子が埋設されている構造（buried grating structure）よりも弱い発光モード結合を示すと広く信じられている。特に、それらモードの有効屈折率の表面格子による変調を介して起きる結合が不充分であると信じられていた。事実、表面格子を用いて作成された初期のＱＣＤＦＢレーザーは、ＣＷ波動作時格子励起単一モード・エミッションでは動作しなかった。その後者は導波モード（guided mode）と格子との間に強い結合を必要とする。
【００１０】
更に高い出力パワーを有し、特に、単一モードＣＷ波出力を伴っての動作が可能なＱＣＤＦＢレーザーに対する要望が依然として存続している。しかし、モード不安定は温度及びパワー・レベルが増大するにつれてひどくなる傾向が有る。強いモード結合構造がそのようなスペクトル不安定性に対処するために必要とされる。従って、この技術分野で認められている１つの課題は、単一モード動作の範囲を光出力パワー及び予想される動作温度、特にＣＷ波動作状態に対して充分に広がるモード安定性を備え、その一方で、格子が埋設されている構造よりもむしろ格子が上に重なっている構造を使用することによって製造プロセスにもたらされた利便性を引き続き享受することである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、導波モードに対して比較的に強い結合を達成し、従ってＣＷ波動作状態の下でも単一モード動作用のＱＣＤＦＢレーザーを誘発するのに高い効果が有る格子が上に重なっている構造を提供することを目的とする。
そのような格子構造の使用によって、室温で連続的に調整することが出来、パルス動作での単一モード動作、及び、液化窒素温度以上、即ち７７K以上での第一格子励起連続可調ＣＷ波単一モード動作が実証されている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明はＱＣＤＦＢレーザーを具備する製品、例えば、吸収分光装置に具現化される。ＱＣＤＦＢレーザーは第１及び第２のクラッド領域とそれらの間に割り付けられたコア領域とを具備する。  コア領域は、波長λでレーザー発光するように選択された複数の多層半導体反復単位を有する。ＱＣＤＦＢレーザーは更に、分散フィードバックを供し、単一モード・レーザー動作を容易にする格子構造を具備する。格子構造はコアの上に在るが、しかしそれからは上部クラッド領域の少なくとも一部によって隔てられている。格子構造の上には上部メタル電極が置かれている。
【００１３】
格子構造の少なくとも一部は上部メタル電極に隣接して割り付けられたプラズモン励起閉じ込め層（plasmon-enhanced confinement layer；ＰＥＣＬ層）と呼ぶ半導体層中にエッチングされた一連のグルーブ（本明細書では"バレー"とも称する）として形成される。ＰＥＣＬ層のレーザー光波長λでの屈折率は、典型的にはその下に在るどのクラッド領域の屈折率よりも顕著に低い。レーザーの誘導導波路モード（guided waveguide mode）はグルーブ内中間点位置でグルーブ間中間点位置の有効屈折率と相違する有効屈折率の影響を受けることとなる。
【００１４】
ＰＥＣＬ層の厚さ、屈折率（ドーピングを通じて調整されたときの）、及びエッチングされた深さは、有効屈折率がグルーブ内中間点位置とグルーブ間中間点位置との間で現在好適とされる値は約５×１０-3であるが、２×１０-3まで変化するように、且つ、もしかした場合は１×１０-2ほどの幅或いはそれ以上の幅で変化するように選択される。
【００１５】
ＰＥＣＬ層の特性は、ＰＥＣＬ層材料が殆ど或いは完全に除去されているグルーブ内中間点位置の近傍で、導波路内を進行するレーザー・モードが、上部クラッド層と上に在る電極との間の界面に存在する界面プラズモン（surface-plasmon）に効率的に結合することが出来るように、選択される。これにより、モードが面に向かってプルされ、それによって、導波路を構成している種々の層との重なり量が変化する効果が得られる。ＰＥＣＬ層が完全な状態のままであるグルーブ間中間点位置の近傍では、界面プラズモンとの結合が少なくとも部分的に抑圧され、面からモードが効率的に押し退けられる。この（格子周期での周期的な）“プッシュ・プル”動作が、屈折率の比較的強い変調の要因を為している。その“プッシュ・プル”動作は派生的に、導波モードと導波路コア、即ち多数の活性領域及びキャリア注入領域（injectors）との重なり量として定義される閉じ込め係数の変調を通じて、モードの利得の変調を誘発する。なお、本質的に損失の大きい界面プラズモンとの空間変調結合によって、更に損失変調が引き起こされ得ることに留意しなければならない。
【００１６】
レーザー・モードの“プッシュ”或いは“プル”は、ＰＥＣＬ層又は格子の近傍での、レーザー光の電磁界の振幅の相対的な減少又は増大をいう。“プッシュとプル”の量は、閉じ込め係数を変えることによって定量化することが出来、閉じ込め係数は、約１０％〜２０％（導波路閉じ込めの絶対百分比）であるように設計されるのが好ましい。しかし、必要に応じて更に高くすることも可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はＱＣＤＦＢレーザー１０を概略的に示している。符号１１ないし１３はそれぞれ下部閉じ込め領域、上部閉じ込め領域及び上部閉じ込め領域を表し、上部閉じ込め領域１３はその最上面に格子を包含している。符号１４及び１５は金属被覆層を表している。波状の矢印は出力光を表している。
【００１８】
本発明の実施例は約４．５μｍの波長で公称レーザー発光を為すように構成された。本発明者らは、約４．６０から４．７５μｍの波長範囲に渡る実施例からの可調エミッションを測定した。当業者にはよく知られているように、実施例の構成は層の厚さ、材料組成、ドーピング濃度及び格子周期を適切に調整することによって他の波長での動作に応じて増減することが出来る。実施例では、下部閉じ込め領域１１は約２×１０17ｃｍ-3の比較的に低いドーピング濃度でＩｎＰ基板の一部であった。実施例でのドーピングは全て、シリコンを使用したｎ型であった。
【００１９】
ＱＣ活性領域１２は、２６の、各々が活性領域及びキャリア注入領域（injector region）を具備する反復単位から成る。本発明の種類の有効レーザー内の反復単位の総数は、少なくて１、多くて約７５とすることが出来る。反復単位の典型的な数は２５から３０の範囲に有る。反復単位は、１×１０17ｃｍ-3の比較的に低い濃度でドーピングされたＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａsの導波路コアに埋め込み形成され、ＩｎＰ基板上に格子整合成長された。ＱＣ活性領域１２の更に詳細を次に述べる。
【００２０】
上部閉じ込め領域１３は、Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａsの１．５μｍの厚さで３×１０16ｃｍ-3の濃度にドーピングされた下部層と、その上に在るＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａsが厚さ０．６２μｍで３×１０17ｃｍ-3の濃度にドーピングされた層と、続いてその上に在るＰＥＣＬ層とから成る。ＰＥＣＬ層はＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａs０．１５μｍ厚さの層として形成され、４×１０19ｃｍ-3の比較的に高い濃度にドーピングされた。
【００２１】
２５から３０μｍの厚さが段階的に変化する遷移層（digitally graded transition layers）が、上部クラッド領域内のバルク状材料間、例えば、コア領域とＩｎＰ基板との間、及び、ＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓとの間の遷移領域（transition）内で成長された。
【００２２】
ＱＣ活性領域１２中に、２６反復単位のスタックが下から厚さ０．２μｍのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａsの層によって下から境界を定められ、厚さ０．２２μｍのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａsの層によって上から境界を定められた。反復単位のスタックは注入領域で始まり、且つ、終了する。各反復単位は表１にリストされた構成を持つ。
【００２３】
0003833463.tif 000002
【００２４】
反復単位内の障壁とウエルとの組合わせ構成はＩｎＰ基板に対して反対符号の格子歪みを持つように選択され、その結果、１反復単位の全ての層に渡る積算歪みが事実上にゼロになる。そのような歪み操作（strain engineering）を取り入れたＱＣレーザーが、２０００年２月８日にF. Capassoらに与えられた"Article Comprising a Strain-Compensated QC Laser"なる標題の米国特許第６，０２３，４８２号に記載されている。
【００２５】
上記の如き、各反復単位の活性領域内の障壁とウエルとの組合わせ構成は、高いキャリア・レベルと低いキャリア・レベルとを持ち、それらの間でレーザー光波長で光放出が起きる遷移領域を持つように設計されている。７０ｋＶ／ｃｍの設計電界では、それらレベル間のエネルギー落差は２７８ｍｅＶであり、約４．５μｍの発光波長に対応した。
【００２６】
一次ブラッグ格子となるように設計された格子が、レジスト格子の光学接触リソグラフィ（optical contact lithography）、Ｏ2プラズマ処理及びＨＢr：ＨＮＯ3：Ｈ2Ｏ = １：１：１０内でのほぼ０．２０μｍの深さの湿式化学エッチング（wet etching）によって作成された。このエッチング深さは格子のバレー部からＰＥＣＬ層材料を完全に除去するのに充分であった。続いてエッチングされた格子が３０ｎｍＴｉ／３００ｎｍＡｕの最上部接点メタル被覆で被覆された。
【００２７】
レーザーが、理論的に３．６の結合積（coupling product）、即ち、“結合係数×長さ”（coupling coefficient times length）を生じる、信頼性の高い単一モードＱＣＤＦＢレーザー光を発光するために前に示された目標設計値である２．２５ｍｍの長さに劈開された。
ストライプの幅は８から１１μｍであった。
【００２８】
レーザー処理及び測定手順は通例のものであり、例えば、C. GmachlらのAppl. Phys. Lett. 72 (1998), 1430 - 1432の"Continuous-wave and high-power pulsed operation of index-coupled distributed feedback quantum cascade laser at λ ＝8.5μｍ"なる標題の論文に記載されている。
【００２９】
図２は本発明のＱＣＤＦＢレーザーの上部閉じ込め領域及び上部メタル電極を概略的に示している。層２０は、上記したように、３×１０16ｃｍ-3の濃度で厚さ１．５μｍにドーピングされたＡｌＩｎＡｓ下部層である。層２１は、上記したように、３×１０17ｃｍ-3の濃度で厚さ０．６２μｍ（エッチング前）にドーピングされたＡｌＩｎＡｓ中間層である。層２２は、上記したように、４×１０19ｃｍ-3の濃度でエッチング前で厚さ０．１５μｍにドーピングされたＡｌＩｎＡｓから成るＰＥＣＬ層である。層２３は、上部メタル電極である。図に示されるように、格子がＰＥＣＬ層２２を完全に通して中間層２１の途中まで形成される。格子は稜部２４及びバレー（即ち、グルーブ）部２５を含有する。バレー部２５の材料はエッチングによって除去されている。図に示されるように、バレー部２５には電極材料が埋められている。バレー部２５を埋める正確な方法は通常の方法であり、ここではその詳述を割愛する。
【００３０】
ＰＥＣＬ層２２の１つの効果は上部クラッド領域の隣接電極２３が存在している部分でのレーザーの誘導導波路モードの振幅を低減することである。この効果は、導波モードが上部クラッド層と電極との間の界面でかなり高い振幅を持つとき、光損失の大部分が電極材料内でエネルギー散逸によってもたらされ、同様にモードが面（電極）に向かって活性導波路コアの外へプルされるので重要な効果である。
【００３１】
ＰＥＣＬ層２２が、半導体―メタル界面での光振幅を抑圧するのに有益であることが、過去知られている。例えば、March ２６, １９９６にF. Capassoらに与えられた“Article Comprising a Semiconductor Waveguide Structure”なる標題の米国特許第５，５０２，７８７号には７μ×１０18ｃｍ-3の濃度で厚さ０．６０μｍにドーピングされたＧａＩｎＡsの最上部クラッド層を有するＱＣレーザー（without distributed feedback）が記載されている。この米国特許第５，５０２，７８７号は、層の材料、ドーピング濃度及び適切な発光波長の基本物理特性から、屈折率の実数部及び虚数部を導き出すための式を与える。この特許は、所定の層組立て構成に関し、屈折率の実数部及び虚数部が両方とも比較的に低いドーピング濃度の範囲が有ることを示している。実数部が低い屈折率を持つことが、クラッド層内で且つ電極界面から離れた位置で、所望の光閉じ込め機能を果たすために重要である。低い虚数部を持つことは、過大な光損失を回避するために重要である。
【００３２】
上述の米国特許第５，９０１，１６８号もまた高濃度にドーピングされた最上部クラッド層を開示している。この特許では、最上部クラッド層は７×１０18ｃｍ-3の濃度で厚さ０．９０μｍにドーピングされたＩｎＰから成る。分散フィードバックのための格子は最上部クラッド層の０．２５μｍの深さにエッチングされる。その結合係数κ（格子によって供されるフィードバックの強さを記述する量）は約２から３ｃｍ-1であると推定された。
【００３３】
米国特許第５，９０１，１６８号に、最上部クラッド層がそれぞれ７×１０18ｃｍ-3の濃度にドーピングされた厚さ０．６０μｍのＡｌＩｎＡｓ及び７×１０18ｃｍ-3の濃度にドーピングされた厚さ１．３０μｍのＩｎＰである別の構成が開示されている。その後者は埋設された格子を持つ構成である。
【００３４】
図２に示されている構成のような本発明の新規構成では、ＰＥＣＬ層２２と格子の組合わせがこれまでに開示されているものよりも強く発光モード（optical mode）へ結合され、その結果、屈折率の少なくとも実数部の、そして典型的にはその虚数部のかなり強い変調を達成している。本発明で達成される強い結合は、少なくとも一部、本発明の格子がＰＥＣＬ層２２中に深くエッチングされ、そして典型的には図示されるようにＰＥＣＬ層２２の厚み方向の全長に渡ってエッチングされる事実に依る。
【００３５】
その強い結合は、格子のグルーブ即ちバレーからＰＥＣＬ層材料を大幅に除去したことに起因して、もたらされる。ＰＥＣＬ層材料は、完全に除去されるか、さもなければＰＥＣＬ層材料がグルーブ領域内でモードとメタル電極との間の分離層として、もはや機能することが出来ない程度の薄さにされなければならない。厚さの選択は、実現可能で且つ望ましくは容易に達成可能なエッチング深さに基づいてなされる。容易に達成可能なエッチング深さは、使用されるエッチング技術と格子周期に依存する。例えば、格子周期がほぼ１μｍであるとき、約０．３μｍのエッチング深さを湿式化学エッチングによって容易に達成することが可能である。
【００３６】
ほぼ０．７５μｍの格子周期を持つ本発明の実施例では、更に小さいエッチング深さ（例えば、約０．２μｍ或いはそれ以下）が湿式化学エッチングによって容易に達成することが可能である。このことを検討することにより、本発明者らは０．１５μｍのＰＥＣＬ層２２の厚さを選択した。前のＱＣレーザーに比して薄いＰＥＣＬ層２２の厚さは、ドーピング濃度を高くし（その正確な値はレーザー波長によっても影響を受ける）、それをグルーブ間中間点近傍の位置で効果が有るようにすることによって補償される必要が有る。当該技術分野の技術者には、そのような補償を達成するのに充分なドーピング濃度が解析式（analytical formulas）及び数値モデル法（numerical modeling）から容易に決定することが出来ることが分かるであろう。
【００３７】
例えば、４から５μｍの範囲で発光するレーザーでは、ＰＥＣＬ層２２が０．２５μｍ未満の厚みを持ち、且つ、少なくとも１×１０19ｃｍ-3の濃度にドーピングされることが一般的であろう。同様に、９から１０μｍの範囲で発光するレーザーでは、ＰＥＣＬ層２２が０．３５μｍ未満の厚みを持ち、且つ、少なくとも８×１０18ｃｍ-3の濃度にドーピングされることが一般的であろう。
【００３８】
再度、図２において、バレー２５内の誘導導波路モードが、メタル−半導体界面プラズモンと強く結合している。これは、バレー位置での導波路減衰係数を、プラズモンとの結合が抑圧される稜部２４での位置での同一の係数に比して、増大させる傾向が有る。これはまた、ＰＥＣＬ層２２内のモードの有効屈折率及びモードの閉じ込め係数の実質的な変調を誘発するモードの振幅を、増強する傾向が有る。当業者ならば理解できるように、モードの閉じ込め係数は、発光モードと活性領域及びキャリア注入領域との重なり合いの単位（measure）であり、その係数は比較的高い利得の領域でより高く、比較的低い利得の領域でより低くなるように意図されている。本発明の構成の場合、屈折率の実数部の変調度ｎ１が約４．５２×１０-3であり、本願発明者は、レーザー光導波モード（laser guided mode）に対する吸収係数の変調強度αlが、約１２．８ｃｍ-1であると推定している。本願発明者によるモードの閉じ込め係数の対応変調強度г１の推定値は、０．２１である。
【００３９】
本発明者らはその結果として生じた格子の結合係数κを約１６ｃｍ-1であると推定した。それに比して、従来技術の最上部格子装置（top-grating device）では結合係数κが僅か２から３ｃｍ-1程にしか達しなかった。これに対し、本発明によって作成されたレーザーは典型的には１０ｃｍ-1以上の結合係数κを持つこととなろう。
【００４０】
本発明の実施例において、約４倍の結合係数が実現されるのは、主に有効屈折率の変調の寄与するところが大きい。本発明の新規な“格子−ＰＥＣＬ層”組合わせ構成の利点を達成するために、有効屈折率の変調強度ｎ１が少なくとも１×１０-3であり、出来ればなお一段と高くあることが一般的に望ましいであろう。このことは、格子のバレーがＰＥＣＬ層２２中へ充分に深くエッチングされるという条件で、容易に達成することが出来る。本発明によって作成された代表的なレーザーでは、バレーがＰＥＣＬ層２２の厚さの少なくとも８５％を通してエッチングされることとなろう。事実、少なくとも数個のケースでは、ＰＥＣＬ層２２の厚さの１００％を通してエッチングすることが好適である。前に述べた如く、ＰＥＣＬ層２２の厚さは主として、層を貫通するエッチングが容易に達成され得るように選択される。
【００４１】
図３及び４は、本明細書に記載されている如く実質的に０．７３μｍの格子周期で作成され、５０ｎｓのパルス幅と５ＫＨｚのパルス周期（repetition rate）を持つパルス・モードで動作される幅が１１μｍで長さが２．２５ｍｍのＱＣＤＦＢレーザー・デバイスの特性を示している。図３はヒートシンク温度の関数としての発光波長を示している。黒丸は閾値に近いスペクトルから得られた値であり、白丸は閾値電流のほぼ２倍のスペクトルから得られた値である。図４は電流の関数としての電圧（破線表示曲線）及び光出力パワー（実線表示曲線）を示している。光出力パワー曲線は幾つかのヒートシンク温度に関して与えられている。光出力は１つの切子面からほぼ６０％の集光効率で集光された。そのレーザーは図中の全ての電流レベルに対して単一モードであった。
【００４２】
信頼性の高い単一モード出力が９０Kから３００Kの温度範囲で達成された。単一モード動作では、電流レベルに無関係に約３０ｄＢのサイド・モード抑圧比が達成された。室温で１００ｍＷのピーク・パワー・レベルが達成された。室温で１８０ｍＷ／Ａの傾斜効率が達成され、そして低温で４００ｍＷ／Ａの傾斜効率が達成された。パルス状動作における室温での閾値電流密度は７ｋＡ／ｃｍ２であり、Ｔ0は１１３Ｋであった。Ｔ0の定義は上記C. GmachlらのAppl. Phys. Lett. 72 (1998), 1430 - 1432に見られる。
【００４３】
図５及び６は、本明細書に記載されている如く実質的に０．７５μｍの格子周期を用いて作成され、ＣＷ波と単一モードで動作される９μｍ幅のレーザーの特性を示している。図５はレーザー動作限界（laser threshold）に近いヒートシンク温度の関数としての発光波長（△）及び８０Kの一定ヒートシンク温度での駆動電流の関数としての発光波長（黒丸）を示している。図６は８０Kの一定ヒートシンク温度での電流の関数としての電圧（破線表示曲線）及び６０Kと８０Kのヒートシンク温度での電流の関数としての光出力パワー（実線表示曲線）を示している。
【００４４】
ＣＷ波動作では、本発明の線幅の測定は分光計のほぼ７．５ＧＨｚである解像度によって制限された。
【００４５】
８０Kでの最高ＣＷ波単一モード出力パワーは１５０ｍＷであり、傾斜効率は４００ｍＷ／Ａ以下であり、閾値電流密度は３．５ｋＡ／ｃｍ２であった。
【００４６】
一般的に、ＱＣＤＦＢレーザーは、赤外線スペクトル特性（infrared spectral features）を有する多くの物質、特にガス状物質のスペクトルを分析及び検出するためのポイント・センシング装置及びリモート・センシング装置に使用することが出来る利点が有る。この点で、ＱＣＤＦＢレーザーを使用している多数の周知の機器構成が有益である。無制限に、そのような構成には波長変調、直接吸収、光音響分光セル（photoacoustic cell；ＰＡＣ）及び空洞終結（cavity ring down；ＣＲＤ）の各構成が含まれる。
【００４７】
ＱＣＤＦＢレーザーを使用している分光機器に関する出版された論述には、
▲１▼ R. M Wllliamsらの"Kilohertz linewidth from frequency-stabilized mid-infrared quantum cascade lasers," Optics Letters 24 (1999) 1844 - 1846；
▲２▼ B. A. Paldusらの"Photoacoustic spectroscopy using quantum cascade lasers," Optics Letters 24 (1999) 178 - 180；
▲３▼ A. A. Kosterevらの"Methane concentration and isotopic composition measurements with a mid-infrared quantum cascade laser," Optics Letters 24 (1999) 1762 - 1764；及び
▲４▼ K. Namjouらの"Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser," Optics Letters 23 (1998) 219 - 221、
が有る。
【００４８】
図７は、例示的なポイントセンシング装置７０の略図であり、ここで符号７１は本発明によるレーザーを示す。説明のため、図７のＱＣＤＦＢレーザーは波長変調用に構成されている。典型的には、このレーザーは、粗波長同調用の温度制御台（図示されていない）に取り付けられる。レーザーからの中赤外線光７２１は、従来のガス・セル７３（オプションとして、マルチパス・セル）を通過し、外に出た励起発光７２２は従来の検出器７４に照射される。検出器の電気出力はロックイン増幅器７５に（適切な変調信号、例えば変調信号発生器７８３からの１．２ｋＨｚの正弦波と共に）供給され、ロックイン増幅器の出力はデータの分折およびフォーマットのためにコンピュータ７６に供給される。続いてこのデータは何らかの適切な方法（例えば、ディスプレー７９）で表示され、且つ、格納される。ＱＣＤＦＢレーザーは適切な電流でポンプされる。例えば、ランプ電流発生器７８１からの低周波数電流ランプ（例えば、期間２５０ｍｓ）と、バイアス電流発生器７８２からの短バイアスパルス（例えば、パルス幅５ｎｓ、期問２μｓ）と、変調電流発生器７８３からの変調信号とは結合器７３に供給され、その結果として生じる電流ランプは、重畳電流パルスおよび正弦波と共にレーザーに適用される。電流ランプは、レーザーの温度を所定の範囲にわたるものとする（sweep）のに役立ち、パルスによって短いレーザーパルスが放射される。パルス波長はゆっくりと波長の範囲にわたり、波長の関数としての吸収が決定される。よって、波長の範囲内に吸収線を有する気体がセルの中に存在することが容易に検出され、その気体を識別することができる。当業者であれば分かるように、図７にはいくつかの従来の特徴が示されていない。例えば、測定の設定は典型的にはコンピュータによって制御され、さらにコンピュータとの間の入出力を必要とする。
【００４９】
図８は、例示的なリモート・センシング・システム８０の略図であり、ここで排出源８１、例えば工場の煙突は排出ガス雲８２を放出する。ＱＣＤＦＢレーザー８３は、排出ガス雲８２を通って拡散する中赤外線光８４を放射し、例えばコーナー・レフレクタ８５による反射を受ける。続いて、反射された反射光８７は検出器８８によって検出される。レーザーは、適切な方法で、例えば図７に関連して説明した方法でポンプすることができ、検出器の出力は適切な方法で、例えばこれも上記の方法で利用することができる。ミラーまたは他の適切な反射器をコーナー・レフレクタ８５の代わりに用いることができる。反射器は、航空機や、監視されている排気スタックを含む高位の対象物の上に置くことができる。勿論、検出器はまた航空機や飛行物体の上に置くことができる。一般的に、レーザーおよび検出器が見通し位置に配されることが計画される。
【００５０】
一般的に、ＱＣＤＦＢレーザーは保護および制御のために適切なハウジングの中に取り付けられる。パッケージは、典型的には、冷却手段（例えば、水冷、熱電冷却）と、温度制御用フィードバックループで用いられる温度感知手段（例えば、熱電対）と、ポンプ電流をレーザーに流す手段とを備える。ＱＣＤＦＢレーザーは、従来の方法で冷却手段に取り付けられる。オプションとして、ハウジングは、レーザー出力を制限するための検出手段を含んでもよい。ハウジングは、典型的には、レーザー放射に対して透過性であるウィンドウを有し、典型的には真空にされるか、または不活性ガスで満たされる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、導波モードに対して比較的に強い結合を達成し、従ってＣＷ波動作状態の下でも単一モード動作用のＱＣＤＦＢレーザーを誘発するのに高い効果が有る格子が上に重なっている構造を提供することが出来る。
【００５２】
なお、特許請求の範囲に記載した参照符号は発明の理解を容易にするためのものであり、特許請求の範囲を制限するように理解されるべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１はＱＣＤＦＢレーザーの上位レベルの概略図である。
【図２】  本発明による本発明のＱＣＤＦＢレーザーの上部閉じ込め領域及び上部メタル電極の概略図である。
【図３】  本発明による本発明のＱＣＤＦＢレーザーの０．７３μｍの格子周期を持つ１つの実施例におけるパルス状動作の、ヒートシンク温度の関数である発光波長の特性曲線である。
【図４】  本発明による本発明のＱＣＤＦＢレーザーの０．７３μｍの格子周期を持つ１つの実施例におけるパルス状動作の、電流の関数である電圧及び光出力パワーの特性曲線である。
【図５】  本発明によるＱＣＤＦＢレーザーの０．７５μｍの格子周期を持つ第２の実施例におけるＣＷ波動作の、レーザー動作限界に近いヒートシンク温度の関数である発光波長及び８０Ｋ一定のヒートシンク温度での駆動電流の関数である発光波長の特性曲線である。
【図６】  本発明によるＱＣＤＦＢレーザーの０．７５μｍの格子周期を持つ第２の実施例におけるＣＷ波動作の、８０Ｋのヒートシンク温度での電流の関数である電圧及び６０Ｋ及び８０Ｋのヒートシンク温度での電流の関数である光出力パワーの特性曲線である。
【図７】  実施の態様の項に述べるようなＱＣＤＦＢレーザーを使用している本発明のポイント・センシング装置の概略図である。
【図８】  実施の態様の項に述べるようなＱＣＤＦＢレーザーを使用している本発明のリモート・センシング装置の概略図である。
【符号の説明】
１０  ＱＣＤＦＢレーザー
１１  下部閉じ込め領域
１２  ＱＣ活性領域
１３  上部閉じ込め領域
１４  金属被覆層
１５  金属被覆層
２０  下部層
２１  中間層
２２  ＰＥＣＬ層
２３  上部メタル電極
２４  稜部
２５  バレー部（グルーブ部）
７０  本発明のポイント・センシング装置
７１  ＱＣＤＦＢレーザー
７２１  中赤外線光
７２２  励起発光
７３  ガス・セル（混合器）
７４  検出器
７５  ロックイン増幅器
７６  コンピュータ
７８１  ランプ電流発生器
７８２  バイアス電流発生器
７８３  変調信号発生器
７９  ディスプレー
８０  リモート・センシング装置
８１  排出源
８２  排出ガス雲
８３  ＱＣＤＦＢレーザー
８４  中赤外線光
８５  コーナー・レフレクタ
８７  反射光
８８  検出器
【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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