京都府中小企業技術センター技報№36（2008）

量子カスケードの現状と展望
笠１ 現状

原健

一＊１hop2006
年にはイタリアで第２回I
nternationalWorks

サブバンド 遷移を使って中赤外からテラヘルツonQCLsが開かれている。

領域で発振する量子カスケード・レーザ（Quantum（http://www.
rle.
mit.
edu/
2006qcl/default.
htm）これら

CascadeLaser:QCL）の研究開発は欧米で盛んにの 国 際 会 議の スポン サ ーは 米 国ではDARPAや行われている。GoogleScholarで“Quantum CascadeOfficeof Nav
al Research（ONR）、US Ar
myLaser”で検索をかけると現在、２万件以上が出てRes.Lab.
がなっている。

くる。QCLのア イデ ィアは1971
年にKa
zarinovとQCLは環境モニタや半導体プロセス、食品製造

Surisによって出された。しかしながらサブバンド時のガス計測、エンジンの燃焼診断、薬品や爆発における電子寿命はピコ秒と短いために、実現が物の発見、個人向けの医療診断、生命科学への応疑問視され長い間、まともには見られていなかっ用が考えられている。米国では軍事面から安全をた。QCLはその後、20年以上たった1994
年に、Bell

脅かす化学的、生物学的媒介物の検知や秘話通信

研にいたJ.Faist、F.
Capasso等によって実現された。 での応用も考えられている。
Scienceに掲載された最初の報告では発振波長はガス・センシングの市場規模は現在、世界的に4.
2μm、10Kでの閾値電流は850mA（閾値電流密見て＄７ billion、日々の健康チェックも含めた診

度：15kA/cm2）最大動作温度は～90１ｋAKでのパ断では＄22billion、と推定されている。４～５μm

ルス発振であり、光出力は８mWであった。現在

ではCO2、COの吸収があり環境計測や排ガス分析

では４～13μmで室温動作するまでに至っている。

によるエンジン開発、呼気診断への応用が期待さ

InGaAs/InAlAs系を用いた６μm帯のQCLでは333Kれている。5.
2μmではNOの吸収があるが、NOはでの室温連続発振が実現されており、最大光出力循環器系における信号伝達物質の役割を果たしては30mWである。QCLの発振域はテラヘルツ帯におり、分子イメージングなど生体計測への応用もまで及んでおり、米国MITからは159μmで連続発期待されている。NO2の吸収は6.
1μmにあってエ振時の最高温度として117Kが報告されている。量ンジン開発や環境計測の対象となる。またSO2の子井戸中でのサブバンド 間遷移に関する国際会議

吸収は7.
4μmにある。9.
5μm近傍ではグルコース“InternationalConferenceonIntersubband Transi-のセンシングなどが挙げられる。大気中の塵など

tionsinQu
antum Wells（ITQW）”が隔年で行われによるレ イリー散乱は波長の４乗に反比例する。ている。９回目となる2007
年はUKで行われたが、したがって中赤外光のレ イリー散乱は可視光に比QCLの発表件数は40件以上はある。

べて小さくなる。DARPAなどの米国の政府系機関（http://www.
itqw07.
leeds.
ac.
uk/dlcenter.
php）また、がQCLの スポン サーにな っている理由はQCLを使ったレーダや測距、秘話通信システムに関心を＊１

立命館大学理工学部

電子光情報工学科持っているためである。
QCLを使った機器を開発している代表的なメー教授－45－

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カを以下に述べる。CascadeTechnologies（UK）

NO2をターゲットに大気監視や汚染放出監視、呼は2003
年 にtheUniversityofStrathclyde
か ら スピ気分析用機器の開発を行っている。

ン・オフして設立された。10.
25μmガスセンサを

QCLは現在、非常に多くの論文が出ており、そ開発中である。車のエンジン直後の排気ガス中にれを使って応用機器を開発する所もいくつか出ては有毒なCOやNOx、未燃焼炭化水素（エチレン）がいる。しかしながらQCLをデバイスとして実際に含まれているがその分析用検知器をシング ル・製造、販売している メーカは 限られる。代表はモード で発振する分布帰還形QCL（DFBQCL）を

AlpesLasers（Neuchâtel、Switzerland）である。こ使って開発している。PPTオーダの高い感度とリの 会 社は1988
年 J.
Faist等がNe
uchatel
大 学か ら ス

アルタイムでの測定が可能となっている。分光用ピンオフして設立したものである。～10人程度の途では波長を掃引する必要がある。QCLに300nsの規模と思われるが、QCLを応用した機器開発の会パルスを印加すると温度上昇で波長が自然に時間

社 や研究機関（CascadeTechnologies、フラウン的にシフトする。これを逆手に取って利用するこホーファ研究所、ジェット推進研究所等）に素子とで広範な波長域での分光を実現している。
（図１）を 供 給 し て い る。Alpesの ホー ムページ

QCLでの周波数変調測定法と光音響法を組み合わ（http://www.
alpeslasers.
com/）を見ると火星探査機

せると安価な吸収検出システムが実現できる。光にQCLの搭載が計画されているとのことである。

音響法は被測定物質での吸収、熱膨張の繰り返し

この会社は また2007
年１月からは73μm and84にともなう周期的な音の発生をマイクで拾うことμm（LN2温度、パルス、マルチモード ）といっで検出する。

たテラヘルツ域でのQCLの供給を開始している。
波長250μmの素子も近いうちに提供されるよう

QCL

Gas Cell㱥1 㱥2tDetectorになるとのことである。

TQCLを供給できるもう一つの会社は浜松ホトニ㱥1 㱥2クスである。2007年８月にはSPC（Singlephoton

図１ 周波数変調測定法

resonancecontinuum）構造と呼ぶQCLの出荷を開DaylightSolutions（CA、USA）は４～12μmで始 し て い る。（図２）供 給 さ れ る 波 長 帯 は

QCLを使った波長可変外部共振器型レーザを出して い る。DFBQCLの 温 度を 変 化 さ せ て 波 長をチュ ーニング す る方法では 可変範囲は10cm-1のオーダである。この値は発振波長の１％であり、10μmな ら ば0.
1μmと な る。そ れ に 対 し てDaylightSolutions
はQCLを組み込んだ外部共振器形レーザを開発している。波長可変幅は中心波長に対して10％と可変幅が１桁、大きい。焦点距離２mmのカルコゲナ イド ・ガラス製非球面レンズ
２個で外部共振器を構成しており、長さは25mm

図２と小さい。Ph
ysicalSciences（MA,USA）は CO、－46－SPC構造QCL (K.Fuji
ta etal.
,Appl.Phys.Lett.
,Vol.91 (2007)141121.
)

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5.23μmがDFB構造となっている。分解能は0.
005nm、

5.21Wav elength [μm]

4.
8/5.
2/5.
8/7.
8/9.
7μmである。このうち7.
8μmと9.
7レーザ出力は10mW以上、入力電圧は９～15Vである。SPC構造では３→２間のサブバンド 間遷移で400 mA
α=0~0.55.195.17レーザ発振が起こる。従来の典型的な単一フォノ

5.15ン共鳴構造では準位２とその下にある準位１の間

5.13315 mA

α=-1.5~-2.0280

はLOフォノンのエネルギー（～30meV）になるよ

520 mA

α=-1.0~-1.5330

380430Current [mA]

480530

図3 5μmDFBQCLのスペクトル幅増大係数（実測値）うに設計されている。これによってレーザ下側準位（準位２）の電子はLOフォノンとの共鳴散乱で～0.
5psの時間で準位１に緩和する。それによって

QCLではこれまでα＝０と考えられてきた。その準位３と２の間に反転分布が形成される。室温連理由はQCLの発振を最初に報告した1994
年のFaist

続動作を実現するには更に二重フォノン共鳴構造のNatureに 掲載された 論文にあ ると思われ る。とする必要があった。単一フォノン共鳴構造では

Faistはサブバンド 間利得がピーク波長に対して対温度が室温レベルになると準位1からの電子が準称であるのでQCLではα＝０と論じている。しか位２に熱的に励起される確率が無視できなくなるしながら著者等のグループはサブバンド の非放物ためである。しかしながら～30ｍＶの間隔で正確線性等によって利得は非対称となり、それによっに２つの準位を活性領域内に形成することは膜厚てαはゼロではなくなることを示した。αの電流の制御という観点から容易でない。その問題を回依存性も明瞭に現れ、マイナスの値を取る。
（図３）

避するためにSPCでは準位１の下にミニバンド がQCLはチップ単体でもまだ高価である。当然な出来るようにしている。これによって準位２へのがらその寿命が気になるところであるが、20％出電子の熱的励起と膜厚の厳密制御の2つの問題が力低下時で10～50年といった推定が成されている。

解消できる。

pn接合を有するバイポーラ形の半導体LDと比べQCLは分光的な応用からスペクトル幅が狭く、て劣化のメカニズムは異なるものと思われる。バ

またそれを広げるスペクトル幅増大係数（αパライポーラ形の半導体LDに比べて発光部でのド ーメータ）が小さいという特徴を有している。通常パント制御が不要になる点からして、QCLは比較の1.
55μmDFBLDの スペ クト ル 幅は ～１MHzで的丈夫なレーザではないかと考えている。

ある。それに対して8.
5μm DFBQCLでは12kHzと２桁ほど小さな値が報告されている。これは自然

２ 今後の課題、展望

放出光ゆらぎのレーザ光への結合確率がpsと高速QCLでは２～４μmを 何 とか カバ ーで きな い

な非発光緩和過程によって実効的に小さくなるたか？

めである。

できないかということが今後の課題である。

またテラヘルツ域での室温cw発振が実現

αパラメータはスペクトル幅を広げる。定常状

短波長化では3.
3μmにCH4の強い吸収帯がある

態のLDのスペクトル幅はSc
hawlowTownsのスペので 期待が 大きい。CH4は 都市ガ スの主成分とクト ル幅に 対して（1＋α2）倍となる。1.
55μmなっており、CH4に対しての非接触、リアルタイ

DFBLDで は３～５の 値を と る。そ れ に 対 し て

ムな漏洩検知器や遠隔監視システムが望まれてい－4
7－

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る。CH4はまたCO2とともに温室効果ガスである。

ことが望ましいが、下側準位が近いので、そこに平均気温の上昇は極地の氷の融解をもたらし、地も同時に電子が入り込むことになる。そのために中からのCH4の発生を促すものと予想されている。

反転分布を形成することは一般的に難しくなる。

そのためのリアルタイムなモニター光源が望まれ中赤外でのサブバンド 内の電子の緩和過程は主にている。中赤外のQCLはInGaAs/InAlAs
系が用いらLOフォノン 散乱であったがテラヘルツ域でのサれ歪みの導入で～4.
8μmは 性能面から問題なく

ブ バンド 間エ ネルギ ーはLOフ ォ ノン の エ ネル実現できる。しかしながらそれ以下では閾値電流ギー以下になる。したがって非発光緩和過程は電の増大が生ずる。そこでGaInAs/AlAsSbといった子―電子散乱や不純物散乱、界面での散乱が主とSbを加えた材料系での研究開発が進められていなる。活性領域の両側を金属で挟んだ構造で光閉る。フラウンホーファ研究所からは2006
年に3.
7～

じこめ係数を上げ、冒頭で述べたように117Kのcw

3.
9μmの発振が報告されている。発振最大温度は発振が達成されている。この温度を更に高めるた

310Kで17ｍW（パルス、100ns、１kHz）の光出力めにはもう一つ、アイディアが欲しいところであが得られている。短波長化での課題は伝導帯バンる。この領域は 生命科学の観点から興味深い。

ド オフセット（ΔEc）を大きくし、電子の次段のDNAやタンパク質、酵素など生体高分子の振動周注入層へのリークを如何に防ぐかがポイントとな波数がこの周波数域にあることが明らかになってる。Ga
InAs/AlAsSbのΔEcはΓ点では1.
6eVと大きおり、簡便な光源が実現すれば医学、薬学など様々いがX点では0.
9eVにまで下がってしまう。その点な分野への応用研究が盛んになってくるだろう。

が3.
7μm以下での短波長化を 進める際の問題とテラヘルツ波はＸ線に比べて物質に対する適度ななる。

透過性を有し、かつ安全であることから、非破壊テラヘルツ域ではレーザ上側準位と下側準位の差がLOフォノンのエネルギーよりも小さくなっ検査や違法薬物検査システムなどへの応用も期待される。ている。上側準位にだけ電子を共鳴的に注入する－48－