特許 7475924 量子カスケードレーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-19

(45)【発行日】2024-04-30

(54)【発明の名称】量子カスケードレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/34 20060101AFI20240422BHJP

【ＦＩ】

H01S5/34

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020060396

(22)【出願日】2020-03-30

(65)【公開番号】P2021158321

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-03-02

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、総務省、戦略的情報通信研究開発推進事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100183081

【弁理士】

【氏名又は名称】岡▲崎▼ 大志

(72)【発明者】

【氏名】藤田 和上

(72)【発明者】

【氏名】日▲高▼ 正洋

【審査官】八木 智規

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００７／２４８１３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－６０３９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられた活性層と、を備え、
前記活性層は、光を発生させる発光層と前記発光層から電子が輸送される注入層とを含む単位積層体が多段に積層されてなるカスケード構造を有し、
前記発光層及び前記注入層の各々は、量子井戸層及び障壁層が交互に積層されてなる量子井戸構造を有し、
前記単位積層体における前記発光層と前記注入層との間には、前記発光層に含まれる前記量子井戸層の平均層厚よりも小さく且つ前記注入層に含まれる前記量子井戸層の平均層厚よりも小さい層厚を有する前記量子井戸層である分離量子井戸層を含む分離層が設けられており、
前記単位積層体は、前記量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上位準位と、発光下位準位と、前記分離量子井戸層の基底準位に起因する非線形準位と、を有する、量子カスケードレーザ。

【請求項2】

前記分離量子井戸層の層厚は、前記発光層に含まれる前記量子井戸層のうち前記分離量子井戸層と隣接する第１量子井戸層の層厚よりも小さく、且つ、前記注入層に含まれる前記量子井戸層のうち前記分離量子井戸層と隣接する第２量子井戸層の層厚よりも小さい、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項3】

前記分離量子井戸層の層厚は、前記第１量子井戸層の層厚の１／２以下であり、且つ前記第２量子井戸層の層厚の１／２以下である、請求項２に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項4】

前記発光上位準位と前記非線形準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも小さく設定されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項5】

前記単位積層体である第１単位積層体において最も低エネルギーの準位である低準位と前記第１単位積層体の後段に配置される前記単位積層体である第２単位積層体における前記発光上位準位との間の反交差ギャップは、前記低準位と前記第２単位積層体における前記非線形準位との間の反交差ギャップよりも大きく設定されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項6】

前記単位積層体において、前記分離量子井戸層は、先頭の前記量子井戸層から数えて４～６番目の前記量子井戸層のいずれかによって構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項7】

前記単位積層体は、前記発光上位準位、前記発光下位準位、及び前記非線形準位が共鳴する二重共鳴プロセスにより、中赤外光である第１周波数ω_１の光及び第２周波数ω_２の光、並びに前記第１周波数ω_１の光及び前記第２周波数ω_２の差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させるように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項8】

前記分離層は、前記単位積層体の積層方向における前記分離量子井戸層の両側に配置される前記障壁層である分離障壁層を含み、
前記分離障壁層の層厚は、前記発光層に含まれる前記障壁層の平均層厚よりも小さく且つ前記注入層に含まれる前記障壁層の平均層厚よりも小さい、請求項１～７のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項9】

前記分離層は、前記単位積層体の積層方向における前記分離量子井戸層の両側に配置される前記障壁層である分離障壁層を含み、
前記分離障壁層の層厚は、前記発光層に含まれる前記障壁層のうち前記分離障壁層と隣接する第１障壁層の層厚及び前記注入層に含まれる前記障壁層のうち前記分離障壁層と隣接する第２障壁層の層厚よりも小さい、請求項１～８のいずれか一項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】

本開示は、量子カスケードレーザに関する。

【背景技術】

【0002】

差周波発生（ＤＦＧ：Difference-Frequency Generation）により、第１周波数ω_１と第２周波数ω_２との周波数差である第３周波数ω_３（＝｜ω_１－ω_２｜）のテラヘルツ波を発生させる量子カスケードレーザ（以下、「ＱＣＬ」という。）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１０－５２１８１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したようなＱＣＬでは、中赤外光である２波長（ω_１、ω_２）のポンプ光成分を生成し、ＱＣＬ内部での非線形光学効果（ＮＬ：Nonlinear mixing）及び差周波発生（ＤＦＧ）により、テラヘルツ波を発生させている。このような技術を利用した高い中赤外－テラヘルツ変換効率（高い２次の非線形感受率χ^（２））を有する方式として、例えば、２つの発光上位準位の両方にキャリア（電子）が充分に注入されるように設計された結合二重上位準位（ＤＡＵ：dual-upper-state）構造が知られている。しかし、従来のＤＡＵ構造では、レーザ発振に必要な閾値電流密度が比較的高くなってしまうため、室温連続動作が困難であるという問題があった。

【0005】

そこで、本開示の一側面は、閾値電流密度を低減させることができる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】

【0006】

本開示の一側面に係る量子カスケードレーザは、基板と、基板上に設けられた活性層と、を備え、活性層は、光を発生させる発光層と発光層から電子が輸送される注入層とを含む単位積層体が多段に積層されてなるカスケード構造を有し、発光層及び注入層の各々は、量子井戸層及び障壁層が交互に積層されてなる量子井戸構造を有し、単位積層体における発光層と注入層との間には、発光層に含まれる量子井戸層の平均層厚よりも小さく且つ注入層に含まれる量子井戸層の平均層厚よりも小さい層厚を有する量子井戸層である分離量子井戸層を含む分離層が設けられている。

【0007】

上記量子カスケードレーザでは、活性層を構成する各単位積層体において、発光層と注入層との間に分離層が設けられている。分離層は、発光層に含まれる量子井戸層の平均層厚及び注入層に含まれる量子井戸層の平均層厚よりも小さい層厚を有する分離量子井戸層を含んでいる。このような分離量子井戸層によれば、単位積層体の量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、非線形光学効果に寄与する非線形準位を形成することが可能となる。また、前段の単位積層体の注入層から非線形準位へのキャリア（電子）の注入量は比較的少ないため、非線形準位のキャリア数は低く抑えられる。その結果、２つの発光上位準位の両方に対して積極的に電子が注入される従来のＤＡＵ構造と比較して、活性層におけるレーザ発振に必要となる閾値電流密度を低減させることができる。

【0008】

分離量子井戸層の層厚は、発光層に含まれる量子井戸層のうち分離量子井戸層と隣接する第１量子井戸層の層厚よりも小さく、且つ、注入層に含まれる量子井戸層のうち分離量子井戸層と隣接する第２量子井戸層の層厚よりも小さくてもよい。また、分離量子井戸層の層厚は、第１量子井戸層の層厚の１／２以下であり、且つ第２量子井戸層の層厚の１／２以下であってもよい。上記構成によれば、分離層を介した発光層から注入層への電子の輸送効率を向上させることができる。その結果、レーザ発振の効率を向上させることができる。

【0009】

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、発光上位準位と、発光下位準位と、分離量子井戸層の基底準位に起因する非線形準位と、を有してもよい。上記構成によれば、発光上位準位及び発光下位準位とは別に分離量子井戸層の基底準位に起因して形成される非線形準位により、閾値電流密度の低減を図りつつ、２次の非線形感受率χ^（２）の向上を図ることができる。

【0010】

発光上位準位と非線形準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも小さく設定されていてもよい。上記構成によれば、発光上位準位に対して非線形準位を安定して設定することができるため、良好なデバイス特性を得ることができる。

【0011】

単位積層体である第１単位積層体において最も低エネルギーの準位である低準位と第１単位積層体の後段に配置される単位積層体である第２単位積層体における発光上位準位との間の反交差ギャップは、低準位と第２単位積層体における非線形準位との間の反交差ギャップよりも大きく設定されていてもよい。上記構成によれば、前段の単位積層体（第１単位積層体）の注入層から後段の単位積層体（第２単位積層体）の発光上位準位に流れる電流（すなわち、電子の注入量）を、第１単位積層体の注入層から第２単位積層体の非線形準位に流れる電流に対して十分に大きくすることができる。これにより、非線形準位に対するキャリア（電子）の注入を効果的に抑制することができる。

【0012】

単位積層体において、分離量子井戸層は、先頭の量子井戸層から数えて４～６番目の量子井戸層のいずれかによって構成されていてもよい。上記構成によれば、分離量子井戸層の基底準位に起因する非線形準位の波動関数が発光層における先頭の障壁層（注入障壁）に到達しない構成を好適に実現できる。これにより、前段の単位積層体の注入層から後段の単位積層体の非線形準位への電子の注入を効果的に抑制することができる。

【0013】

単位積層体は、発光上位準位、発光下位準位、及び非線形準位が共鳴する二重共鳴プロセスにより、中赤外光である第１周波数ω_１の光及び第２周波数ω_２の光、並びに第１周波数ω_１の光及び第２周波数ω_２の差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させるように構成されていてもよい。上記構成によれば、上述した非線形準位を形成することによって、閾値電流密度の低減を図りつつ、比較的高い中赤外－テラヘルツ変換効率（２次の非線形感受率χ^（２））でテラヘルツ波を発生させることができる。

【0014】

分離層は、単位積層体の積層方向における分離量子井戸層の両側に配置される障壁層である分離障壁層を含んでもよく、分離障壁層の層厚は、発光層に含まれる障壁層の平均層厚よりも小さく且つ注入層に含まれる障壁層の平均層厚よりも小さくてもよい。上記構成によれば、分離層を介した発光層から注入層への電子の輸送効率をより一層向上させることができる。

【0015】

分離層は、単位積層体の積層方向における分離量子井戸層の両側に配置される障壁層である分離障壁層を含んでもよく、分離障壁層の層厚は、発光層に含まれる障壁層のうち分離障壁層と隣接する第１障壁層の層厚及び注入層に含まれる障壁層のうち分離障壁層と隣接する第２障壁層の層厚よりも小さくてもよい。上記構成によれば、分離層を介した発光層から注入層への電子の輸送効率をより一層向上させることができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示の一側面によれば、閾値電流密度を低減させることができる量子カスケードレーザを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、一実施形態に係る量子カスケードレーザを含むレーザモジュールの斜視図である。

【図2】図２は、量子カスケードレーザの断面図である。

【図3】図３は、図２のIII-III線に沿った量子カスケードレーザの断面図である。

【図4】図４は、量子カスケードレーザの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5】図５は、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6】図６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。

【図7】図７は、量子カスケードレーザの電流－光出力特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。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。なお、図面の寸法比率は、明細書の説明と必ずしも一致していない。

【0019】

図１に示されるように、レーザモジュール１は、量子カスケードレーザ（以下、「ＱＣＬ」という）１０と、ＱＣＬ１０が載置されるサブマウント２０と、を備えている。ＱＣＬ１０は、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間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。サブマウント２０は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んで構成されたセラミック基板である。

【0020】

［量子カスケードレーザの構成］
ＱＣＬ１０は、例えば、室温環境下でテラヘルツ波を出力することが可能なテラヘルツ光源として構成されている。図２に示されるように、ＱＣＬ１０は、一方向に沿って互いに対向する（互いに反対側に位置する）第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂを有している。ＱＣＬ１０は、中赤外領域（例えば、３μｍ以上２０μｍ以下）の光（本実施形態では、第１周波数ω_１の光及び第２周波数ω_２（＜ω_１）の光）を第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂ（具体的には、後述する活性層３１の端面３１ａ及び端面３１ｂ）のそれぞれから出射するように構成されている。本明細書では便宜上、第１端面１０ａと第２端面１０ｂとが対向する方向（すなわち、上記光の出射方向に沿った方向）をＸ軸方向、ＱＣＬ１０の厚さ方向（すなわち、後述する半導体層３の積層方向）をＺ軸方向、ＱＣＬ１０の幅方向（すなわち、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに直交する方向）をＹ軸方向という。

【0021】

図１～図３に示されるように、ＱＣＬ１０は、半導体基板２と、半導体層３と、絶縁膜４と、上部電極５と、下部電極６と、を備えている。なお、図２は、ＱＣＬ１０の幅方向中央部におけるＸＺ平面に沿った断面図である。半導体基板２は、例えば、長方形板状のＩｎＰ単結晶基板（半絶縁性基板：Ｆｅがドーピングされた高抵抗の半導体基板）である。半導体基板２は、半導体層３が設けられる主面２ａと、主面２ａとは反対側の裏面２ｂと、を有している。主面２ａ及び裏面２ｂはＺ軸方向に垂直な平坦面であり、裏面２ｂがサブマウント２０上に載置されている。半導体基板２の長さ（Ｘ軸方向に沿った長さ）は、例えば数百μｍ～数ｍｍ程度である。半導体基板２の幅（Ｙ軸方向に沿った長さ）は、例えば数百μｍ～数ｍｍ程度である。半導体基板２の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、例えば数百μｍ程度である。

【0022】

半導体基板２は、ＱＣＬ１０の第１端面１０ａの一部として、主面２ａ及び裏面２ｂを接続する側面２ｃを有している。側面２ｃは、第１面２ｄと、第２面２ｅと、を有している。第１面２ｄは、裏面２ｂに接続され、裏面２ｂから主面２ａ側に延びる平坦面である。第１面２ｄは、裏面２ｂから主面２ａ側に向かうほど第２端面１０ｂから離れるように、主面２ａ及び裏面２ｂに対して傾斜している。第１面２ｄと主面２ａとが成す角度θ_１は、例えば３０°～８０°程度である。第１面２ｄは、例えば、元々長方形板状に形成されていた半導体基板の角部を研磨することによって形成される研磨面である。第２面２ｅは、第１面２ｄの主面２ａ側の端部と主面２ａとを接続する平坦面である。第２面２ｅは、第１面２ｄに対して傾斜している。第２面２ｅは、主面２ａ及び裏面２ｂに対して略直交している。

【0023】

第１面２ｄと第２面２ｅとの間に形成される角部２ｆの近傍では、活性層３１からＱＣＬ１０の界面に向かって伝搬するテラヘルツ波の成分と界面において反射されたテラヘルツ波の成分とが強め合う状態となる。このため、例えば角部２ｆを図示しないレンズのレンズ面に近づけて配置することにより、テラヘルツ波を効率良くレンズ内部に伝搬させることが可能となり、テラヘルツ波の取り出し効率を向上させることができる。

【0024】

半導体層３は、半導体基板２の主面２ａに設けられている。半導体層３の厚さは、１０μｍ～２０μｍ程度である。半導体層３は、活性層３１と、上部ガイド層３２と、下部ガイド層３３と、上部クラッド層３４と、下部クラッド層３５と、上部コンタクト層３６と、下部コンタクト層３７と、支持層３８と、を有している。半導体基板２の主面２ａ側から、下部コンタクト層３７、下部クラッド層３５、下部ガイド層３３、活性層３１、上部ガイド層３２、上部クラッド層３４、及び上部コンタクト層３６が、この順に積層されている。支持層３８は、リッジストライプ状に形成された活性層３１、上部ガイド層３２及び下部ガイド層３３の両側（Ｙ軸方向における両側）において、下部クラッド層３５と上部クラッド層３４との間に設けられている。なお、下部コンタクト層３７は、下部コンタクト層３７上に積層される下部クラッド層３５よりも外側（Ｙ軸方向における外側）に延在する部分を有している。

【0025】

下部コンタクト層３７は、例えば、厚さ２００ｎｍ程度の高濃度ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ：１．０×１０^１８／ｃｍ^３）である。下部クラッド層３５は、例えば、厚さ５μｍ程度のＳｉドープＩｎＰ層（Ｓｉ：１．５×１０^１６／ｃｍ^３）である。下部ガイド層３３は、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＳｉドープＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ：１．５×１０^１６／ｃｍ^３）である。活性層３１は、量子カスケード構造が形成された層である。活性層３１の層構造の詳細については後述する。

【0026】

上部ガイド層３２は、例えば、厚さ３５０ｎｍ程度のＳｉドープＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ：１．５×１０^１６／ｃｍ^３）である。上部ガイド層３２には、第１ポンプ光及び第２ポンプ光（詳細については後述する）の共振方向Ａ０に沿って、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子構造が形成されている。上部ガイド層３２は、当該回折格子構造として、共振方向Ａ０において並設された回折格子層３２ａ，３２ｂを含んでいる。回折格子層３２ａは、第１ポンプ光を単一モード発振させる。回折格子層３２ｂは、第２ポンプ光を単一モード発振させる。なお、本実施形態では、共振方向Ａ０は、Ｘ軸方向に平行な方向である。

【0027】

上部クラッド層３４は、例えば、厚さ５μｍ程度のＳｉドープＩｎＰ層（Ｓｉ：１．５×１０^１６／ｃｍ^３）である。上部コンタクト層３６は、例えば、厚さ１５ｎｍ程度の高濃度ＳｉドープＩｎＰ層（Ｓｉ：１．５×１０^１８／ｃｍ^３）である。支持層３８は、例えば、ＦｅドープＩｎＰ層である。

【0028】

図３に示されるように、絶縁膜４は、上部コンタクト層３６の上面３６ａとＹ軸方向に交差する半導体層３の側面３ａとを覆うように形成されている。絶縁膜４には、上部コンタクト層３６の上面３６ａの一部を露出させるためのコンタクトホール４ａが形成されている。コンタクトホール４ａは、Ｙ軸方向における上面３６ａの中央部を露出させるように、Ｘ軸方向に沿って延在している。絶縁膜４は、例えばＳｉＮによって形成されている。上部電極５は、上部コンタクト層３６の上面３６ａ上に形成されている。上部電極５は、コンタクトホール４ａを介して、上部コンタクト層３６の上面３６ａの一部と電気的に接続されている。下部電極６は、下部コンタクト層３７のうち下部クラッド層３５よりもＹ軸方向外側に延在する部分上に形成されており、下部コンタクト層３７と電気的に接続されている。これにより、下部電極６から上部電極５へと電流を流すことにより、ＱＣＬ１０を駆動させることができる。

【0029】

［活性層の構成］
活性層３１は、電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω_１の第１ポンプ光及び第２周波数ω_２の第２ポンプ光を生成すると共に、チェレンコフ位相整合による差周波発生（ＤＦＧ：Difference-Frequency Generation）によって第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２の差周波数ω_ＴＨｚ（＝｜ω_１－ω_２｜）のテラヘルツ波を生成するように構成されている。

【0030】

活性層３１は、端面３１ａと、端面３１ａとは反対側の端面３１ｂと、を有している。端面３１ａ及び端面３１ｂは、それぞれＸ軸方向に交差する面である。端面３１ａはＱＣＬ１０の第１端面１０ａの一部であり、端面３１ｂはＱＣＬ１０の第２端面１０ｂの一部である。端面３１ａ及び端面３１ｂは、第１ポンプ光及び第２ポンプ光を発振させる共振器を構成している。

【0031】

図４に示されるように、活性層３１は、単位積層体１６が多段に積層されてなるカスケード構造を有している。単位積層体１６は、光を発生させる発光層１７と、発光層１７から電子が輸送される注入層１８と、を含んでいる。発光層１７は、光を発生させる発光機能を主として発揮する部分である。注入層１８は、発光層１７の電子を後段の単位積層体１６の発光層１７の発光上位準位へと注入する電子輸送機能を主として発揮する部分である。発光層１７及び注入層１８の各々は、量子井戸層及び障壁層が交互に積層されてなる量子井戸構造を有している。これにより、各単位積層体１６において、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】

単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上位準位（第２準位）Ｌ_ｕｐ＝Ｌ_２、及び、発光上位準位よりも高いエネルギーを有する非線形準位（第３準位）Ｌ_ＮＬ＝Ｌ_３を有している。また、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上位準位Ｌ_ｕｐよりも低いエネルギーを有する発光下位準位（第１準位）Ｌ_ｌｏｗ＝Ｌ_１、及び、発光下位準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギーを有する緩和準位Ｌ_ｒを有している。

【0033】

発光層１７と前段の単位積層体の注入層１８ａとの間には、注入層１８ａから発光層１７に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。発光層１７と注入層１８との間には、充分に波動関数が染み出す程度の薄い分離層１９が設けられている。すなわち、発光層１７及び注入層１８は、分離層１９によって分離されている。分離層１９は、量子井戸層（分離量子井戸層）と当該量子井戸層を挟む一対の障壁層（分離障壁層）とを有している。このように、活性層３１には、従来のＱＣＬ活性層構造において設けられ得る抽出障壁（exit barrier）層（１つの障壁層）の代わりに、分離層１９が設けられている。

【0034】

単位積層体１６のサブバンド準位構造における各準位の間隔構成は、次のとおりである。すなわち、発光上位準位Ｌ_ｕｐと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔ΔＥ_２１は、第２周波数ω_２のポンプ光のエネルギーＥ_２と略一致している。非線形準位Ｌ_ＮＬと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔ΔＥ_３１は、第１周波数ω_１のポンプ光のエネルギーＥ_１と略一致している。発光上位準位Ｌ_ｕｐと非線形準位Ｌ_ＮＬとのエネルギー間隔ΔＥ_３２は、第１周波数ω_１と第２周波数ω_２との差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波のエネルギーＥ（＝Ｅ_１－Ｅ_２）と略一致している。

【0035】

上記サブバンド準位構造においては、前段の注入層１８ａの緩和準位Ｌ_ｒから注入障壁を介して発光層１７に電子が注入される。これにより、緩和準位Ｌ_ｒと結合している発光上位準位Ｌ_ｕｐが強く励起される。ここで、従来のＤＡＵ構造では、２つの発光上位準位の両方に対して積極的にキャリア（電子）が注入されるように設定されている。一方、活性層３１のサブバンド準位構造では、上位側の２つのエネルギー準位（発光上位準位Ｌ_ｕｐ及び非線形準位Ｌ_ＮＬ）のうち発光上位準位Ｌ_ｕｐに対して電子が積極的に注入されるのに対して、非線形準位Ｌ_ＮＬへの電子の注入量が比較的少なくなるように設定されている。すなわち、従来のＤＡＵ構造では、２つの発光上位準位の各々に充分な電子が注入されるのに対して、活性層３１のサブバンド準位構造は、発光上位準位Ｌ_ｕｐのみに充分な電子が注入されるように構成されている。すなわち、活性層３１のサブバンド準位構造において、非線形準位Ｌ_ＮＬは、主として非線形光学効果のみに寄与するように設定されている。

【0036】

活性層３１では、例えば差周波数ω_ＴＨｚが約２ＴＨｚ以上の場合には、発光上位準位Ｌ_ｕｐ、発光下位準位Ｌ_ｌｏｗ、及び非線形準位Ｌ_ＮＬが共鳴する二重共鳴プロセス（Double Resonant Process）と呼ばれる非線形プロセスにより、差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波が発生する。例えば、発光上位準位Ｌ_ｕｐと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとの間の電子の遷移に対応する第２周波数ω_２の第２ポンプ光が活性層３１に入射すると共に非線形準位Ｌ_ＮＬと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとの間の電子の遷移に対応する第１周波数ω_１の第１ポンプ光が活性層３１に入射したとき、発光上位準位Ｌ_ｕｐと非線形準位Ｌ_ＮＬとの間の電子の遷移に対応する差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波が生成されて放出される。

【0037】

下記の式（１）及び式（２）に示されるように、上記非共鳴プロセスにより生成される差周波ωの光のパワーＷ（ω）は、第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２の中赤外ポンプ光のパワーＷ（ω_１）及びＷ（ω_２）、並びにコヒーレンス長ｌ_ｃｏｈの２乗に比例し、また、非線形感受率χ^（２）は遷移のダイポールモーメントｚ_ｎｍに比例する。

【数1】

【数2】

ここで、上記式において、ｅは電荷、エイチバー（ｈにバーを付した記号）はディラック定数、ΔＮは反転分布数、Γ_ｎｍは各遷移の発光半値幅を示している。上記式（２）に示されるように、３つの準位間における２次の非線形感受率χ^（２）は、対応する遷移におけるダイポールモーメントの積で表される。

【0038】

発光下位準位Ｌ_ｌｏｗに遷移した電子は、緩和準位Ｌ_ｒに緩和される。このように、発光下位準位Ｌ_ｌｏｗから電子が引き抜かれることで、発光上位準位Ｌ_ｕｐと非線形準位Ｌ_ＮＬと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗ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。緩和準位Ｌ_ｒに緩和された電子は、注入層１８を介して、後段の発光層１７ｂの発光上位準位Ｌ_ｕｐにカスケード的に注入される。なお、緩和準位Ｌ_ｒは、１つの準位のみによって構成されたものに限定されず、複数の準位によって構成されたものであってもよいし、或いは、ミニバンドによって構成されたものであってもよい。

【0039】

以上のような電子の注入、電子の発光遷移、及び電子の緩和が、活性層３１を構成する複数の単位積層体１６において繰り返されることで、活性層３１においてカスケード的な光の生成が起こる。電子が複数の単位積層体１６をカスケード的に移動する際に、各単位積層体１６での電子のサブバンド間発光遷移によって、第１周波数ω_１の第１ポンプ光及び第２周波数ω_２の第２ポンプ光が生成される。そして、チェレンコフ位相整合による差周波発生によって第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２の差周波数ω_ＴＨｚ（＝｜ω_１－ω_２｜）のテラヘルツ波が生成される。

【0040】

活性層３１の構成について更に説明する。図５及び図６に示されるサブバンド準位構造は、図４に示されるサブバンド準位構造を構成する活性層構造の一例である。なお、図５には、発光層１７及び注入層１８による繰返し構造のうちの一部について、その動作電界における量子井戸構造及びサブバンド準位構造が示されている。本構成例では、第１周波数ω_１の設計値は９３０ｃｍ^－１であり、第２周波数ω_２を設計値は１０００ｃｍ^－１である。また、発光上位準位Ｌ_ｕｐと非線形準位Ｌ_ＮＬとのエネルギー間隔ΔＥ_３２の設計値は１６ｍｅＶであり、発光上位準位Ｌ_ｕｐと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔ΔＥ_２１の設計値は１２６ｍｅＶであり、活性層３１でのゲインの中心波長は、約１０μｍに設定されている。非線形準位Ｌ_ＮＬと発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔ΔＥ_３１の設計値は１４２ｍｅＶである。また、例えば５０周期分の単位積層体１６が積層されることで活性層３１が構成されている。

【0041】

活性層３１において、差周波発生によるテラヘルツ波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り、且つ２波長のポンプ光成分に対して高い２次の非線形感受率χ^（２）を有する必要がある。本構成例では、上部ガイド層３２に２種類の回折格子層３２ａ，３２ｂを設けることで、単一の活性層設計で、第１周波数ω_１の第１ポンプ光及び第２周波数ω_２の第２ポンプ光の生成、並びに、差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波の生成を実現している。

【0042】

本構成例では、発光下位準位Ｌ_１、発光上位準位Ｌ_２及び非線形準位Ｌ_３のキャリア濃度をそれぞれｎ_１～ｎ_３と表し、「ｎ_１＝ｎ_３」と仮定すると、各サブバンド準位におけるキャリア密度は、「ｎ_２－ｎ_１＝１．０×１０^１５／ｃｍ^３」及び「ｎ_３－ｎ_１＝０．３×１０^１５／ｃｍ^３」である。このようなキャリア密度は、非平衡グリーン関数を用いた解析により導出される。このようにして導出されるキャリア密度から、本構成例によって生成される２次の非線形感受率χ^（２）の総和の絶対値は、設計周波数（すなわち、テラヘルツ波の周波数ω_ＴＨｚ）を２ＴＨｚとした場合において、「｜χ^（２）｜＝１５ｎｍ／Ｖ」と計算される。

【0043】

設計周波数ω_ＴＨｚ、第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２は、ＤＦＢ構造（本実施形態では、上部ガイド層３２に形成された回折格子構造）により決定される。最終的に得られるテラヘルツ波の周波数は、「ω_ＴＨｚ＝ω_１－ω_２」により決定される。本構成例では、設計周波数ω_ＴＨｚは、２ＴＨｚに設定されている。また、活性層３１では、２つの周期のＤＦＢ構造を用いることにより、第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２を共にシングルモード動作させ、テラヘルツ波をシングルモード動作させている。

【0044】

図５及び図６に示されるように、１周期分の単位積層体１６は、１３層の量子井戸層Ｑ１～Ｑ１３及び１３層の障壁層Ｂ１～Ｂ１３が交互に積層されることで量子井戸構造として構成されている。各量子井戸層Ｑ１～Ｑ１３は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層であり、各障壁層Ｂ１～Ｂ１３は、例えば、ＩｎＡｌＡｓ層である。

【0045】

各単位積層体１６において、前段の単位積層体１６側から５層の量子井戸層Ｑ１～Ｑ５及び前段の単位積層体１６側から５層の障壁層Ｂ１～Ｂ５が交互に積層された部分が、主として発光機能を有する発光層１７を構成している。また、後段の単位積層体１６側から７層の量子井戸層Ｑ７～Ｑ１３及び後段の単位積層体１６側から６層の障壁層Ｂ８～Ｂ１３が交互に積層された部分が、主として電子輸送機能を有する注入層１８を構成している。また、発光層１７のうち１段目の障壁層Ｂ１が注入障壁層として機能する。

【0046】

各単位積層体１６における発光層１７と注入層１８との間には、分離層１９が設けられている。分離層１９は、１つの量子井戸層である分離量子井戸層Ｑ６と、単位積層体１６の積層方向（すなわち、Ｚ軸方向）における分離量子井戸層Ｑ６の両側に配置される２つの障壁層である分離障壁層Ｂ６，Ｂ７と、によって構成されている。

【0047】

分離量子井戸層Ｑ６の層厚は、発光層１７から注入層１８への電子の輸送が阻害されない程度に、十分に薄く設定されている。具体的には、分離量子井戸層Ｑ６の層厚（本構成例では１．７ｎｍ）は、発光層１７に含まれる量子井戸層Ｑ１～Ｑ５の平均層厚（本構成例では約４．７ｎｍ）よりも小さく、且つ、注入層１８に含まれる量子井戸層Ｑ７～Ｑ１３の平均層厚（本構成例では約３．３ｎｍ）よりも小さい。

【0048】

また、本構成例では、分離量子井戸層Ｑ６の層厚（１．７ｎｍ）は、発光層１７に含まれる量子井戸層Ｑ１～Ｑ５のうち分離量子井戸層Ｑ６と隣接する量子井戸層Ｑ５（第１量子井戸層）の層厚（本構成例では４．３ｎｍ）よりも小さく、且つ、注入層１８に含まれる量子井戸層Ｑ７～Ｑ１３のうち分離量子井戸層Ｑ６と隣接する量子井戸層Ｑ７（第２量子井戸層）の層厚（本構成例では３．４ｎｍ）よりも小さい。本構成例では、分離量子井戸層Ｑ６の層厚は、単位積層体１６に含まれる量子井戸層Ｑ１～Ｑ１３の中で最も薄く設定されている。さらに、分離量子井戸層Ｑ６の層厚は、量子井戸層Ｑ５の層厚の１／２以下であり、且つ、量子井戸層Ｑ７の層厚の１／２以下である。上記構成によれば、分離層１９を介した発光層１７から注入層１８への電子の輸送効率を向上させることができる。つまり、分離量子井戸層Ｑ６の層厚を十分に薄くすることにより、発光層１７から注入層１８への電子の輸送が阻害されることを防止することができる。その結果、レーザ発振の効率を向上させることができる。

【0049】

同様に、分離障壁層Ｂ６，Ｂ７の層厚も、発光層１７から注入層１８への電子の輸送が阻害されない程度に、十分に薄く設定されている。具体的には、分離障壁層Ｂ６の層厚（本構成例では０．７ｎｍ）及び分離障壁層Ｂ７の層厚（本構成例では０．９ｎｍ）は、発光層１７に含まれる障壁層Ｂ１～Ｂ５の平均層厚（本構成例では約１．６ｎｍ）よりも小さく、且つ、注入層１８に含まれる障壁層Ｂ８～Ｂ１３の平均層厚（本構成例では約２．１ｎｍ）よりも小さい。また、分離障壁層Ｂ６，Ｂ７の層厚は、発光層１７に含まれる障壁層Ｂ１～Ｂ５のうち分離障壁層Ｂ６と隣接する障壁層Ｂ５（第１障壁層）の層厚（本構成例では１．３ｎｍ）及び注入層１８に含まれる障壁層Ｂ８～Ｂ１３）のうち分離障壁層Ｂ７と隣接する障壁層Ｂ８（第２障壁層）の層厚（本構成例では１．５ｎｍ）よりも小さい。上記構成によれば、分離障壁層Ｂ６，Ｂ７の層厚を十分に薄くすることにより、発光層１７から注入層１８への電子の輸送が阻害されることを防止することができる。これにより、分離層１９を介した発光層１７から注入層１８への電子の輸送効率をより一層向上させることができる。

【0050】

各単位積層体１６において、発光上位準位Ｌ_ｕｐと非線形準位Ｌ_ＮＬとのエネルギー間隔ΔＥ_３２は、縦光学フォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも小さく設定されている。具体的には、本構成例において、下記の式（３）の条件が満たされている。仮に式（３）の条件が満たされない場合には、発光上位準位Ｌ_ｕｐ及び非線形準位Ｌ_ＮＬのうち高エネルギー側に位置する準位（本構成例では非線形準位Ｌ_ＮＬ）が、縦光学フォノン散乱によって、高速に低エネルギー側の準位（本構成例では発光上位準位Ｌ_ｕｐ）に緩和することにより、本構成例とは異なる準位構造となってしまう。その結果、良好なデバイス特性（すなわち、本構成例により得られる閾値電流密度及び２次の非線形感受率等）を得ることが困難となる。一方、式（３）の条件が満たされている場合には、発光上位準位Ｌ_ｕｐに対して非線形準位Ｌ_ＮＬを安定して設定することができるため、良好なデバイス特性を得ることが可能となる。
Ｅ_３２＜Ｅ_ＬＯ＝３４ｍｅＶ（Ｉｎ_０．５２Ｇａ_０．４８Ａｓ）…（３）

【0051】

本構成例では、前段側の単位積層体１６（以下、「第１単位積層体」という。）において最も低エネルギーの準位（基底準位）である緩和準位Ｌ_ｒ（低準位）と第１単位積層体の後段に配置される単位積層体１６（以下、「第２単位積層体」という。）における発光上位準位Ｌ_ｕｐとの間の反交差ギャップ（アンチクロッシングのエネルギーギャップ）は、第１単位積層体における緩和準位Ｌ_ｒと第２単位積層体における非線形準位Ｌ_ＮＬとの間の反交差ギャップよりも大きく設定されている。本構成例では、第１単位積層体における緩和準位Ｌ_ｒと第２単位積層体における発光上位準位Ｌ_ｕｐとの反交差ギャップは６．８ｍｅＶであり、第１単位積層体における緩和準位Ｌ_ｒと第２単位積層体における非線形準位Ｌ_ＮＬとの間の反交差ギャップは５．０ｍｅＶである。ここで、第１単位積層体における緩和準位Ｌ_ｒから第２単位積層体における各準位に流れ込む電流値は、反交差ギャップの２乗に比例する。従って、本構成例では、各単位積層体１６において、発光上位準位Ｌ_ｕｐに対して流れる電流値の大きさは、非線形準位Ｌ_ＮＬに対して流れる電流値の１．８４倍となる。このように、前段の単位積層体１６の注入層１８（例えば、緩和準位Ｌ_ｒ）から非線形準位Ｌ_ＮＬへの電子の注入量は比較的少ない。すなわち、非線形準位Ｌ_ＮＬの電子密度及び電子数は、発光上位準位Ｌ_ｕｐの電子密度及び電子数よりも格段に少ない。換言すれば、上記のように反交差ギャップが設定されることにより、前段の単位積層体１６（第１単位積層体）の注入層１８から後段の単位積層体１６（第２単位積層体）の発光上位準位Ｌ_ｕｐに流れる電流（すなわち、電子の注入量）を、第１単位積層体の注入層１８から第２単位積層体の非線形準位Ｌ_ＮＬに流れる電流に対して十分に大きくすることができる。これにより、非線形準位Ｌ_ＮＬに対するキャリア（電子）の注入を効果的に抑制することができる。

【0052】

上述したように、非線形準位Ｌ_ＮＬは、主に分離量子井戸層Ｑ６によって形成されている。具体的には、非線形準位Ｌ_ＮＬは、分離量子井戸層Ｑ６の基底準位に起因する準位である。すなわち、非線形準位Ｌ_ＮＬの波動関数の中心は、分離量子井戸層Ｑ６に位置している。また、分離量子井戸層Ｑ６は、前段の単位積層体１６からある程度離れた位置に設けられている。すなわち、非線形準位Ｌ_ＮＬの波動関数は、実効的に、発光層１７の注入障壁層Ｂ１には到達しないように設定されている。このように発光上位準位Ｌ_ｕｐ及び発光下位準位Ｌ_ｌｏｗとは別に分離量子井戸層Ｑ６の基底準位に起因して形成される非線形準位Ｌ_ＮＬによって、閾値電流密度の低減を図りつつ、２次の非線形感受率χ^（２）の向上を図ることができる。具体的には、電子の注入量が抑制されており、且つ非線形光学効果に寄与する（本構成例では、二重共鳴プロセスによる差周波発生に寄与する）非線形準位Ｌ_ＮＬが形成されることにより、上記効果が奏される。

【0053】

また、本構成例では、単位積層体１６において、分離量子井戸層Ｑ６は、先頭の量子井戸層Ｑ１から数えて４～６番目（本構成例では６番目）の量子井戸層のいずれかによって構成されている。換言すれば、分離層１９は、前段の単位積層体１６の注入層１８からある程度離れた位置（例えば、単位積層体１６における略中央部）に設けられている。これにより、非線形準位Ｌ_ＮＬの波動関数が発光層１７の注入障壁層Ｂ１に到達しないように容易に設定することができる。その結果、前段の単位積層体１６の注入層１８から後段の単位積層体１６の非線形準位Ｌ_ＮＬへの電子の注入を効果的に抑制することができる。

【0054】

次に、上述した活性層３１により生成されるテラヘルツ波の放射角度（チェレンコフ放射角度）θ_Ｃについて説明する。ここでは、第１ポンプ光及び第２ポンプ光が中赤外光であり、テラヘルツ波の周波数範囲が１ＴＨｚ～６ＴＨｚであり、半導体基板２がＩｎＰ単結晶基板である場合を例として挙げる。この場合、差周波発生によって生成されたテラヘルツ波は、図２に矢印Ａ１で示されるように、下記の式（４）で示される放射角度θ_Ｃ（共振方向Ａ０に対する角度）で半導体基板２内を平面波として（すなわち、同位相で）伝播する。式（４）において、ｎ_ＭＩＲは、中赤外光（第１ポンプ光及び第２ポンプ光）に対するＩｎＰ単結晶基板（半導体基板２）の屈折率であり、ｎ_ＴＨｚは、テラヘルツ波に対するＩｎＰ単結晶基板（半導体基板２）の屈折率である。
θ_Ｃ＝cos^－１（ｎ_ＭＩＲ／ｎ_ＴＨｚ）…（４）

【0055】

［量子カスケードレーザの製造方法］
ＱＣＬ１０の製造方法の一例について説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰ基板（半導体基板２）上に、下部コンタクト層３７として高濃度ＳｉドープＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ：１．０×１０^１８ｃｍ^－３）を２００ｎｍ、下部クラッド層３５としてＳｉドープＩｎＰ（Ｓｉ：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）を５μｍ、下部ガイド層３３としてＳｉドープＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）を２５０ｎｍ成長させる。続いて、上述した単位積層体１６を例えば５０周期積層することにより活性層３１を形成する。活性層３１は、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）等を用いて、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＡｓ障壁層を順次エピタキシャル成長させることによって形成される。続いて、活性層３１上に、ＤＦＢ回折格子層を兼ねた上部ガイド層３２として、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）を３５０ｎｍ設け、例えば深さ２５０ｎｍの回折格子（回折格子層３２ａ，３２ｂ）をエッチングによって形成する。回折格子を形成した後に、回折格子の周期構造とは垂直な方向（Ｙ軸方向）に例えば幅１２μｍのリッジストライプを形成する。そして、有機金属気相成長法等によって、下部ガイド層３３、活性層３１、及び上部ガイド層３２の幅方向（Ｙ軸方向）の両側にＦｅドープＩｎＰ層（支持層３８）の埋め込み再成長を行う。続いて、ＳｉドープＩｎＰ（Ｓｉ：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）を５μｍ成長させることにより上部クラッド層３４を形成し、さらに高濃度Ｓｉドープを成長させることにより上部コンタクト層３６を形成する。続いて、エッチングによって半導体基板２側のＩｎＧａＡｓコンタクト層（下部コンタクト層３７）を露出させた後、ＳｉＮ等によって絶縁膜４を形成する。続いて、上下のＩｎＧａＡｓコンタクト層（上部コンタクト層３６及び下部コンタクト層３７）に合わせて絶縁膜４にコンタクトホール（コンタクトホール４ａ等）を形成し、Ａｕの厚膜（厚さ約５μｍ）を蒸着及びメッキ法によって形成することにより、電極を形成する。最後に、Ａｕエッチングによって当該電極を上下の電極（上部電極５及び下部電極６）に分離する。以上により、量子カスケードレーザ素子であるＱＣＬ１０が得られる。

【0056】

［作用及び効果］
以上説明したように、ＱＣＬ１０では、活性層３１を構成する各単位積層体１６においいて、発光層１７と注入層１８との間に分離層１９が設けられている。図５及び図６に示されるように、分離層１９は、発光層１７に含まれる量子井戸層Ｑ１～Ｑ５の平均層厚及び注入層１８に含まれる量子井戸層Ｑ７～Ｑ１３の平均層厚よりも小さい層厚を有する分離量子井戸層Ｑ６を含んでいる。このような分離量子井戸層Ｑ６によれば、単位積層体１６の量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、非線形光学効果に寄与する非線形準位Ｌ_ＮＬを形成することが可能となる。また、前段の単位積層体１６の注入層１８から非線形準位Ｌ_ＮＬへのキャリア（電子）の注入量は比較的少ないため、非線形準位Ｌ_ＮＬのキャリア数は低く抑えられる。その結果、２つの発光上位準位の両方に対して積極的に電子が注入される従来のＤＡＵ構造と比較して、活性層３１におけるレーザ発振に必要となる閾値電流密度を低減させることができる。

【0057】

単位積層体１６は、発光上位準位Ｌ_ｕｐ、発光下位準位Ｌ_ｌｏｗ、及び非線形準位Ｌ_ＮＬが共鳴する二重共鳴プロセスにより、中赤外光である第１周波数ω_１の光及び第２周波数ω_２の光、並びに第１周波数ω_１の光及び第２周波数ω_２の差周波数ω_ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させるように構成されている。上記構成によれば、上述した非線形準位Ｌ_ＮＬを形成することによって、閾値電流密度の低減を図りつつ、比較的高い中赤外－テラヘルツ変換効率（２次の非線形感受率χ^（２））でテラヘルツ波を発生させることができる。

【0058】

例えばＱＣＬ１０で連続発振を行う場合、常にＱＣＬ１０に電流が印加されるため、ＱＣＬ１０の温度が上昇する。これに起因して、レーザ発振のための閾値電流密度も大きくなる。このため、レーザの連続発振を行うＴＨｚ－ＱＣＬでは、閾値電流密度を低減させることが特に求められる。上述したように、ＱＣＬ１０によれば、従来のＤＡＵ構造と同様に、発光下位準位Ｌ_ｌｏｗよりも高いエネルギーを有する２つの準位（発光上位準位Ｌ_ｕｐ及び非線形準位Ｌ_ＮＬ）を形成することにより、比較的高い２次の非線形感受率χ^（２）を実現することができる。さらに、上位２つの準位の一方（非線形準位Ｌ_ＮＬ）には前段の単位積層体１６から殆ど電子が注入されないため、従来のＤＡＵ構造よりも閾値電流密度を低減させることができる。従って、ＱＣＬ１０によれば、比較的高い中赤外－テラヘルツ変換効率（すなわち、比較的高い２次の非線形感受率χ^（２））を維持しつつ、閾値電流密度を低くすることによって室温連続動作を行うことが可能となる。

【0059】

［実施例］
図７は、実施例に係るＱＣＬ１０について測定された中赤外（ＭＩＲ）光及びテラヘルツ（ＴＨｚ）波についての電流－光出力特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電流（Ａ）又は電流密度（ｋＡ／ｃｍ^２）を示し、縦軸はＭＩＲ光のピークパワー（Ｗ）又はＴＨｚ波のピークパワー（μＷ）を示している。測定は、室温（摂氏２５℃）で窒素パージされた環境下において、ＱＣＬ１０から発生した光を２枚の放物面鏡を用いて集光した上で、ＴＨｚ検出器のゴーレイセルを用いて行われた。ＱＣＬ１０は、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅２００ｎｓで駆動され、その信号は、ロックインアンプによって検出された。

【0060】

図７において、グラフＧ１は、第１周波数ω_１に対応する第１波長λ_１のＭＩＲ光のピークパワーの電流依存性を示している。グラフＧ２は、第２周波数ω_２に対応する第２波長λ_２のＭＩＲ光のピークパワーの電流依存性を示している。グラフＧ３は、差周波発生によって生成されたテラヘルツ波のピークパワーの電流依存性を示している。図７に示されるように実施例に係るＱＣＬ１０では、ＭＩＲ光に対して比較的低い閾値電流密度２．２ｋＡ／ｃｍ^２が確認された。具体的には、例えばbound-to-continuum構造と同程度まで閾値電流密度を低減できることが確認された。また、ＭＩＲ光の合計ピーク出力は１Ｗ程度に達しており、従来の活性層構造と比較して高いＭＩＲ－ＱＣＬの性能が得られることが確認された。また、テラヘルツ波の出力については、約３２μＷのピークパワーが確認された。すなわち、従来のＤＡＵ構造と同等の中赤外－テラヘルツ変換効率を実現しつつ、ＤＡＵ構造よりも低い閾値電流密度を実現できることが確認された。

【0061】

［変形例］
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上述した実施形態に限定されない。

【0062】

例えば、２種類の回折格子層３２ａ，３２ｂに替えて、１種類の回折格子層が半導体層３に設けられてもよいし、或いは、３種類以上の回折格子層が半導体層３に設けられてもよい。分布帰還構造として機能する回折格子層は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の少なくとも１つを単一モード発振させるものであればよい。また、分布帰還構造として機能する回折格子層に替えて、ファブリペロー動作において発振スペクトル幅が１ＴＨｚ以上に広がった構成での差周波発生を利用する構成としてもよい。このような構成では、分布帰還構造として機能する回折格子層に比べ、テラヘルツ光の出力は低くなるが、広帯域のＴＨｚスペクトルを得ることができる。

【0063】

また、活性層３１は、図４～図６に示した１種類の単位積層体１６のみを含む構成に限定されず、２種類以上の活性層構造（単位積層体）を含んでいてもよい。

【0064】

また、半導体基板２は、半絶縁性のＩｎＰ単結晶基板に限定されず、例えば、アンドープＩｎＰ単結晶基板（c.c.（carrier concentration）：～５×１０^１５／ｃｍ^３）又は低ドープＩｎＰ単結晶基板（Ｓｉ：５×１０^１５～１×１０^１７／ｃｍ^３）等であってもよい。この場合、半導体基板の裏面側に下部電極を形成することが可能となる。ただし、半導体基板のドーピング濃度を大きくした場合には、基板内部での光吸収率が大きくなるため、テラヘルツ波の取り出し効率は低下してしまう。従って、半導体基板での出力光の吸収損失を低減する観点においては、半導体基板は、上記実施形態のように、不純物がドーピングされていない半絶縁体基板であることが好ましい。また、半導体基板２は、ＩｎＰ基板以外の基板であってもよく、例えばシリコン単結晶基板であってもよい。

【0065】

また、上記実施形態では、ＩｎＰ単結晶基板に対して格子整合する構成の活性層３１を例示したが、活性層３１は、歪補償を導入した構成を用いたものであってもよい。また、活性層３１の半導体材料系については、上述したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓに限定されず、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ等、様々な半導体材料系を適用できる。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を適用できる。

【0066】

また、上記実施形態では、単位積層体１６のサブバンド準位構造において、非線形準位Ｌ_ＮＬは発光上位準位Ｌ_ｕｐよりも高エネルギー側に形成されたが、非線形準位Ｌ_ＮＬは発光上位準位Ｌ_ｕｐよりも低エネルギー側に形成されてもよい。すなわち、第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２の大小関係は、上記実施形態とは逆（ω_１＜ω_２）であってもよい。

【0067】

また、ＱＣＬ１０は、差周波発生によりテラヘルツ波を発生されるテラヘルツ光源に限られず、中赤外（ＭＩＲ）光のみを発生させる中赤外光源として構成されてもよい。すなわち、上述した活性層３１の構造（分離層１９を有する構造）は、中赤外（ＭＩＲ）光のみを発生させる中赤外光源であるＱＣＬに適用されてもよい。

【0068】

また、上記実施形態では、分離層１９は、１つの量子井戸層とその両側に位置する２つの障壁層とによって構成されたが、分離層１９は、２つ以上の分離量子井戸層と３つ以上の障壁層とによって構成されてもよい。分離層１９が複数の分離量子井戸層を含む場合、分離層１９に含まれる複数の分離量子井戸層の各々が非線形準位の形成に寄与してもよい。また、この場合、上記実施形態において説明した「分離量子井戸層の層厚」は、分離層１９に含まれる複数の分離量子井戸層の層厚の平均値と読み替えればよい。

【符号の説明】

【0069】

１…レーザモジュール、２…半導体基板（基板）、１０…ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）、１６…単位積層体、１７…発光層、１８…注入層、１９…分離層、Ｂ１…注入障壁層（障壁層）、Ｂ６，Ｂ７…分離障壁層（障壁層）、Ｂ２～Ｂ５，Ｂ８～Ｂ１３…障壁層、Ｌ_ｕｐ…発光上位準位、Ｌ_ｌｏｗ…発光下位準位、Ｌ_ＮＬ…非線形準位、Ｌ_ｒ…緩和準位（低準位）、Ｑ６…分離量子井戸層（量子井戸層）、Ｑ１～Ｑ５，Ｑ７～Ｑ１３…量子井戸層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】