特許 7640003 量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-25

(45)【発行日】2025-03-05

(54)【発明の名称】量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/34 20060101AFI20250226BHJP

   H01S 5/12 20210101ALI20250226BHJP

   H01S 5/227 20060101ALI20250226BHJP

【ＦＩ】

H01S5/34

H01S5/12

H01S5/227

【請求項の数】 26

(21)【出願番号】P 2024558251

(86)(22)【出願日】2024-07-19

(86)【国際出願番号】 JP2024025976

【審査請求日】2024-10-01

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鴫原 君男

【審査官】佐藤 美紗子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－１０７２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９７４２１５１（ＵＳ，Ｂ１）

(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】

半導体基板と、
前記半導体基板の上に積層したカスケードレーザ領域および第１差周波導波路と、
第１グレーティング結合領域と、
を備え、
前記カスケードレーザ領域は、第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられた複数のステージと、前記複数のステージの上に設けられた第２クラッド層と、を有し、
前記複数のステージの各々は、活性領域と、前記活性領域にキャリアを注入するように構成されたインジェクタ領域と、を有し、
前記活性領域と前記インジェクタ領域の各々は、交互に設けられたバリア層とウエル層を有し、
前記第１差周波導波路は、第３クラッド層と、前記第３クラッド層の上に設けられた第１コア層と、前記第１コア層の上に設けられた第４クラッド層と、を有し、
前記第１グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記第１差周波導波路の導波モードに結合させるように構成されていることを特徴とする量子カスケードレーザ装置。

【請求項2】

前記第１差周波導波路の出射端面は、前記半導体基板の上面に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項3】

前記カスケードレーザ領域は、第１周波数の第１基本波と第２周波数の第２基本波で発振が生じるように構成され、
前記第１差周波導波路は、前記第１周波数と前記第２周波数の差周波数に対応する前記導波モードを有し、
前記第１グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記第１差周波導波路の前記導波モードに結合させるように構成された回折格子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項4】

前記半導体基板の上に前記カスケードレーザ領域が設けられ、
前記カスケードレーザ領域の上に前記第１差周波導波路が設けられることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項5】

前記カスケードレーザ領域から、共振方向と角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍをなす方向に前記光が放射され、
角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍはそれぞれ

【数1】

および

【数2】

を満たし、
前記第１グレーティング結合領域の回折格子の周期Λ^Ｔは、

【数3】

を満たし、
β_１ ^Ｑは、前記第１基本波に対する前記カスケードレーザ領域の伝搬定数であり、
β_２ ^Ｑは、前記第２基本波に対する前記カスケードレーザ領域の伝搬定数であり、
β^Ｔは、前記第１基本波と前記第２基本波の差周波に対する前記第１差周波導波路の伝搬定数であり、
λ^Ｔは、前記差周波の波長であり、
ｎ_ｃ１Ｑ ^Ｔは、前記第１クラッド層の波長λ^Ｔにおける屈折率であり、
ｎ_ｃ２Ｑ ^Ｔは、前記第２クラッド層の波長λ^Ｔにおける屈折率であり、
ｎ_ｃ１Ｔ ^Ｔは、前記第３クラッド層の波長λ^Ｔにおける屈折率であり、
ｍはゼロを除く整数であることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項6】

前記第１グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域と前記第１差周波導波路の間に設けられることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項7】

前記第１グレーティング結合領域は、前記第３クラッド層の内部に設けられ、前記カスケードレーザ領域と離れていることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項8】

前記第１グレーティング結合領域は、前記第３クラッド層と前記第１コア層の界面に設けられることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項9】

前記第１コア層の両側を覆う電流ブロック層を備えることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項10】

前記カスケードレーザ領域の両側を覆う電流ブロック層を備え、
前記第１コア層は前記電流ブロック層から露出していることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項11】

前記半導体基板の上に前記第１差周波導波路が設けられ、
前記第１差周波導波路の上に前記カスケードレーザ領域が設けられることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項12】

前記カスケードレーザ領域から、共振方向と角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍをなす方向に光が放射され、
角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍはそれぞれ

【数4】

および

【数5】

を満たし、
前記第１グレーティング結合領域の回折格子の周期Λ^Ｔは、

【数6】

を満たし、
β_１ ^Ｑは、前記第１基本波に対する前記カスケードレーザ領域の伝搬定数であり、
β_２ ^Ｑは、前記第２基本波に対する前記カスケードレーザ領域の伝搬定数であり、
β^Ｔは、前記第１基本波と前記第２基本波の差周波に対する前記第１差周波導波路の伝搬定数であり、
λ^Ｔは、前記第１基本波と前記第２基本波の差周波の波長であり、
ｎ_ｃ１Ｑ ^Ｔは、前記第１クラッド層の波長λ^Ｔにおける屈折率であり、
ｎ_ｃ２Ｑ ^Ｔは、前記第２クラッド層の波長λ^Ｔにおける屈折率であり、
ｎ_ｃ２Ｔ ^Ｔは、前記第４クラッド層の波長λ^Ｔにおける屈折率であり、
ｍはゼロを除く整数であることを特徴とする請求項１１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項13】

前記第１グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域と前記第１差周波導波路の間に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項14】

前記第１グレーティング結合領域は、前記第４クラッド層の内部に設けられ、前記カスケードレーザ領域と離れていることを特徴とする請求項１１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項15】

前記第１グレーティング結合領域は、前記第４クラッド層と前記第１コア層の界面に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項16】

前記第１コア層の両側を覆う電流ブロック層を備えることを特徴とする請求項１１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項17】

前記カスケードレーザ領域の両側を覆う電流ブロック層を備え、
前記第１コア層は前記電流ブロック層から露出していることを特徴とする請求項１１に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項18】

前記量子カスケードレーザ装置の出射端面と反対側の後端面を覆う第１高反射膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項19】

前記量子カスケードレーザ装置の出射端面のうち前記第１差周波導波路に対応する部分を露出させ、前記カスケードレーザ領域に対応する部分を覆う第２高反射膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項20】

前記カスケードレーザ領域は、前記第１基本波に対応する回折格子と前記第２基本波に対応する回折格子を有し、
前記第１基本波に対応する回折格子と前記第２基本波に対応する回折格子は、前記半導体基板の上面に垂直な方向にずれた位置に設けられることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項21】

前記カスケードレーザ領域は、前記第１基本波に対応する回折格子と前記第２基本波に対応する回折格子を有し、
前記第１基本波に対応する回折格子と前記第２基本波に対応する回折格子は、前記カスケードレーザ領域のうち前記複数のステージの上に設けられることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項22】

前記カスケードレーザ領域は、前記第１基本波に対応する回折格子と前記第２基本波に対応する回折格子を有し、
前記第１基本波に対応する回折格子と前記第２基本波に対応する回折格子は、前記カスケードレーザ領域のうち前記複数のステージの下に設けられることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項23】

前記半導体基板と前記カスケードレーザ領域の間に設けられた第２差周波導波路と、
第２グレーティング結合領域と、
を備え、
前記第２差周波導波路は、第５クラッド層と、前記第５クラッド層の上に設けられた第２コア層と、前記第２コア層の上に設けられた第６クラッド層と、を有し、
前記第２グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記第２差周波導波路の導波モードに結合させるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項24】

前記カスケードレーザ領域は、前記第２クラッド層の上に設けられたコンタクト層を有し、
前記第１差周波導波路は、前記コンタクト層の上に設けられ、
前記量子カスケードレーザ装置の上面電極は前記第１差周波導波路を避けて前記コンタクト層の上に設けられることを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項25】

前記第３クラッド層、前記第１コア層、前記第４クラッド層および前記第１グレーティング結合領域はアンドープであることを特徴とする請求項２４に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項26】

半導体基板の上に、カスケードレーザ領域および差周波導波路を積層し、
前記カスケードレーザ領域と前記差周波導波路の間、または前記差周波導波路の内部にグレーティング結合領域を形成し、
前記カスケードレーザ領域は、第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられた複数のステージと、前記複数のステージの上に設けられた第２クラッド層と、を有し、
前記複数のステージの各々は、活性領域と、前記活性領域にキャリアを注入するように構成されたインジェクタ領域と、を有し、
前記活性領域と前記インジェクタ領域の各々は、交互に設けられたバリア層とウエル層を有し、
前記差周波導波路は、第３クラッド層と、前記第３クラッド層の上に設けられた第１コア層と、前記第１コア層の上に設けられた第４クラッド層と、を有し、
前記グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記差周波導波路の導波モードに結合させることを特徴とする量子カスケードレーザ装置の製造方法。

【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装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、テラヘルツ非線形量子カスケードレーザ（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｎｏｎｌｉｎｅｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ： ＴＨｚ－ｎｏｎｌｉｎｅａｒ－ＱＣＬ）装置が開示されている。この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表面上に形成された光導波路体を備える。光導波路体は、第１領域と、第１領域に対して光導波方向における一方側に位置する第２領域と、を有する。第１領域は第１波長の第１光を生成し、第２領域は第２波長の第２光を生成する。光導波路体は、差周波発生によって第１波長と第２波長との間の差に応じた周波数を有する出力光を生成する。量子カスケードレーザでは、傾斜面から出力光が出射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２２－１５３２８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のような量子カスケードレーザ装置では、ＩｎＰおよびＧａＡｓといった結晶の非線形光学効果を利用することで、周波数ｆ_１と周波数ｆ_２の差の絶対値の差周波ｆ^Ｔを発生させる。差周波ｆ^Ｔはテラヘルツ（ＴＨｚ）波であり、チェレンコフ（Ｃｈｅｒｅｎｋｏｖ）放射される。ここで、特許文献１の量子カスケードレーザ装置ではウエハプロセス完了後に基板の斜め加工が必要となる。このため、製造が困難であった。また、ＴＨｚ波の出射方向は基板の斜め研削角度に依存する。このため、精密な加工精度が必要となる。

【0005】

本開示は、容易に製造できる量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る量子カスケードレーザ装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に積層したカスケードレーザ領域および第１差周波導波路と、第１グレーティング結合領域と、を備え、前記カスケードレーザ領域は、第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられた複数のステージと、前記複数のステージの上に設けられた第２クラッド層と、を有し、前記複数のステージの各々は、活性領域と、前記活性領域にキャリアを注入するように構成されたインジェクタ領域と、を有し、前記活性領域と前記インジェクタ領域の各々は、交互に設けられたバリア層とウェル層を有し、前記第１差周波導波路は、第３クラッド層と、前記第３クラッド層の上に設けられた第１コア層と、前記第１コア層の上に設けられた第４クラッド層と、を有し、前記第１グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記第１差周波導波路の導波モードに結合させるように構成されている。

【0007】

本開示に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法は、半導体基板の上に、カスケードレーザ領域および差周波導波路を積層し、前記カスケードレーザ領域と前記差周波導波路の間、または前記差周波導波路の内部にグレーティング結合領域を形成し、前記カスケードレーザ領域は、第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられた複数のステージと、前記複数のステージの上に設けられた第２クラッド層と、を有し、前記複数のステージの各々は、活性領域と、前記活性領域にキャリアを注入するように構成されたインジェクタ領域と、を有し、前記活性領域と前記インジェクタ領域の各々は、交互に設けられたバリア層とウェル層を有し、前記差周波導波路は、第３クラッド層と、前記第３クラッド層の上に設けられた第１コア層と、前記第１コア層の上に設けられた第４クラッド層と、を有し、前記グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記差周波導波路の導波モードに結合させる。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法では、グレーティング結合領域により、カスケードレーザ領域から半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光が差周波導波路の導波モードに結合する。これにより、差周波導波路から光を出射させることができるため、基板の斜め研削が不要となる。従って、量子カスケードレーザ装置を容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図2】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図3】実施の形態１に係る１つのステージの伝導帯のバンド構造を示す図である。

【図4】実施の形態１に係る１つのステージの量子井戸構造および各エネルギー準位での波動関数の２乗を示す図である。

【図5】実施の形態１に係る利得の波長依存性の例を示す図である。

【図6】実施の形態１の変形例に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図7A】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7B】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7C】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7D】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7E】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7F】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7G】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図7H】実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図8】実施の形態２に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図9】実施の形態２に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図10】実施の形態３に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図11】実施の形態３に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図12】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図13】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図14A】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14B】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14C】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14D】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14E】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14F】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14G】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図14H】実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図15】実施の形態５に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図16】実施の形態５に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図17】実施の形態６に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図18】実施の形態６に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図19】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図20】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図21A】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21B】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21C】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21D】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21E】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21F】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21G】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図21H】実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図22】実施の形態８に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図23】実施の形態８に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図24】実施の形態９に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図25】実施の形態９に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図26】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図27】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図28A】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28B】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28C】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28D】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28E】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28F】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28G】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図28H】実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図29】実施の形態１１に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図30】実施の形態１１に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図31】実施の形態１２に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図32】実施の形態１２に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図33】実施の形態１３に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図34】実施の形態１３の変形例に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図35】実施の形態１４に係る回折格子の配置を説明する図である。

【図36】実施の形態１５に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図37】実施の形態１５に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図38】実施の形態１６に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図39】実施の形態１６に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図40】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図41】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の斜視図である。

【図42A】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42B】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42C】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42D】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42E】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42F】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42G】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42H】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42I】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【図42J】実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置の製造方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

各実施の形態に係る量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

【0011】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置１００の斜視図である。量子カスケードレーザ装置１００は、共振器長がＬでリッジ幅がＷの埋込リッジ型ＴＨｚ非線形ＱＣＬ装置である。以降では、後述する第１基本波と第２基本波の差周波をＴＨｚ波またはＴＨｚ光と呼ぶことがある。また、差周波の波長λ^ＴをＴＨｚ波波長または差周波波長と呼ぶことがある。量子カスケードレーザ装置１００は、例えばｎ型のＩｎＰで形成された半導体基板である基板２を備える。基板２の裏面にはｎ型の電極１が設けられ、基板２の上面にはｎ型の電極１４が設けられる。

【0012】

基板２の上には、層厚が３．５μｍ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ１Ｑ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層３が設けられる。クラッド層３の上には層厚が２２５ｎｍであり、ｎ型のＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓで形成されたガイド層５が設けられる。以下では、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓをＧａＩｎＡｓと略すことがある。さらにクラッド層３の上のガイド層５の両側には、ＦｅがドープされたＩｎＰで形成された電流ブロック層４が設けられる。

【0013】

ガイド層５の上には、複数のステージである３５ステージ６が設けられる。３５ステージ６については後述する。３５ステージの上には、層厚が２３０ｎｍであり、ｎ型ＧａＩｎＡｓで形成されたガイド層７が設けられる。ガイド層７の上には、層厚が３．５μｍ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ２Ｑ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層８が設けられる。クラッド層８の上には、層厚が１．０μｍであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたグレーティング結合領域９が設けられる。

【0014】

グレーティング結合領域９の上には、層厚がｄ_ｃ１ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ１Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層１０が設けられる。クラッド層１０の上には、層厚がｄ_ａ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ａＴ ^Ｔであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたコア層１１が設けられる。コア層１１の上には、層厚がｄ_ｃ２ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ２Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層１２が設けられる。クラッド層１２の上には、層厚が３００ｎｍであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたコンタクト層１３が設けられる。

【0015】

クラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７およびクラッド層８を併せてＱＣＬ導波路またはカスケードレーザ領域と呼ぶ。また、クラッド層１０、コア層１１およびクラッド層１２を併せてＴＨｚ導波路または差周波導波路と呼ぶ。つまり、基板２の上には、カスケードレーザ領域と差周波導波路が積層している。本実施の形態では、基板２の上にカスケードレーザ領域が設けられ、カスケードレーザ領域の上に差周波導波路が設けられる。カスケードレーザ領域は、クラッド層３と、クラッド層３の上に設けられた複数のステージ６と、複数のステージ６の上に設けられたクラッド層８と、を有している。差周波導波路は、クラッド層１０と、クラッド層１０の上に設けられたコア層１１と、コア層１１の上に設けられたクラッド層１２と、を有している。

【0016】

図２は、実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置１００の断面図である。図２は図１をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断して得られる断面を示している。ガイド層７には、長さがＬ_１ ^Ｑであり、周期がΛ_１ ^Ｑの回折格子１５が設けられる。ガイド層７にはさらに、長さがＬ_２ ^Ｑであり、周期がΛ_２ ^Ｑの回折格子１６が設けられる。

【0017】

図２において、波長λ_１ ^Ｑ、周波数ｆ_１ ^Ｑ、伝搬定数β_１ ^Ｑでカスケードレーザ領域を伝搬するＱＣＬ導波モード１７、および、波長λ_２ ^Ｑ、周波数ｆ_２ ^Ｑ、伝搬定数β_２ ^Ｑでカスケードレーザ領域を伝搬するＱＣＬ導波モード１８が模式的に示されている。以降では、波長λ_１ ^ＱのＱＣＬ導波モード１７を第１基本波、波長λ_２ ^ＱのＱＣＬ導波モード１８を第２基本波と呼ぶことがある。つまり、カスケードレーザ領域は、回折格子１５、１６により、周波数ｆ_１ ^Ｑの第１基本波と周波数ｆ_２ ^Ｑの第２基本波で発振が生じるように構成されている。なお、光速ｃを用いると波長λ＝ｃ／ｆと表せる。

【0018】

また図２には、カスケードレーザ領域から基板２の上面に対して傾いた方向に放射されたＴＨｚ光１９、２０が示されている。ＴＨｚ光１９は、ｘ－ｚ平面からｙ方向に角度－θ_ｃｍ傾いた方向にチェレンコフ放射され、ｆ_１ ^Ｑ－ｆ_２ ^Ｑの絶対値である周波数ｆ^Ｔを有する。ＴＨｚ光２０は、ｘ－ｚ平面からｙ方向に角度θ_ｃｐ傾いた方向にチェレンコフ放射され、周波数ｆ^Ｔを有する。以降では、－θ_ｃｍの絶対値とθ_ｃｐが同じ場合はそれぞれ－θ_ｃおよびθ_ｃと記述することもある。さらに図２には、波長λ^Ｔ、周波数ｆ^Ｔ、伝搬定数β^Ｔで差周波導波路を伝搬するＴＨｚ導波モード２１が模式的に示されている。つまり差周波導波路は、周波数ｆ_１ ^Ｑと周波数ｆ_２ ^Ｑの差周波数に対応する導波モードを有している。

【0019】

グレーティング結合領域９は、カスケードレーザ領域と差周波導波路の間に設けられる。グレーティング結合領域９には、長さがＬ^Ｔで周期がΛ^Ｔの回折格子２２が設けられる。差周波導波路からのＴＨｚ導波モード２１は、量子カスケードレーザ装置１００の前端面である出射端面２３からＴＨｚ光２４として出射される。差周波導波路の出射端面２３は、基板２の上面に対して垂直である。基板２のうち出射端面２３の反対側には、後端面２５が設けられる。

【0020】

図３は、実施の形態１に係る１つのステージ５０の伝導帯のバンド構造を示す図である。図３は、一例として電極１４から電極１に向けて５．０ｘ１０^６Ｖ／ｍの電界を印加した場合の、３５ステージ６のうち１つのステージ５０の伝導帯のバンド構造を示している。この構造は、非特許文献１「Ｊ． Ｋｉｍ ｅｔ． ａｌ．， “Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｉｎ ａｎｄ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｙｐｅ－Ｉ ｑｕａｎｔｕｍ－ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ，” ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ， ｖｏｌ． ４０， ｎｏ． １２， ｐｐ． １６６３－１６７４， Ｄｅｃ． ２００４」に開示されている。

【0021】

複数のステージ６の各々は、活性領域４８と、活性領域４８にキャリアを注入するように構成されたインジェクタ領域４９とを有している。活性領域４８とインジェクタ領域４９の各々は、交互に設けられたバリア層とウエル層を有する。

【0022】

活性領域４８において、バリア層３１、ウエル層３２、バリア層３３、ウエル層３４、バリア層３５、ウエル層３６、バリア層３７がこの順で積層している。インジェクタ領域４９において、バリア層３７、ウエル層３８、バリア層３９、ウエル層４０、バリア層４１、ウエル層４２、バリア層４３、ウエル層４４、バリア層４５、ウエル層４６、バリア層４７がこの順で積層している。

【0023】

バリア層３１は層厚が２．４ｎｍであり、アンドープのＡｌ_０．４８Ｉｎ_０．５２Ａｓで形成される。以降ではＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓをＡｌＩｎＡｓと略すことがある。ウエル層３２は層厚が６．５ｎｍであり、アンドープのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層３３は層厚が０．９ｎｍであり、アンドープのＡｌＩｎＡｓで形成される。ウエル層３４は層厚が６．６ｎｍであり、アンドープのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層３５は層厚が１．５ｎｍであり、アンドープＡｌＩｎＡｓで形成される。ウエル層３６は層厚が３．２ｎｍであり、アンドープのＧａＩｎＡｓで形成される。

【0024】

バリア層３７は層厚が４．０ｎｍであり、アンドープのＡｌＩｎＡｓで形成される。ウエル層３８は、層厚が４．１ｎｍであり、アンドープのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層３９は、層厚が１．７ｎｍであり、アンドープＡｌＩｎＡｓで形成される。ウエル層４０は、層厚が３．７ｎｍであり、アンドープのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層４１は、層厚が１．２ｎｍであり、アンドープのＡｌＩｎＡｓで形成される。

【0025】

ウエル層４２は、ｎ型にドーピングされ層厚が３．４ｎｍのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層４３は、ｎ型にドーピングされ層厚が１．１ｎｍのＡｌＩｎＡｓで形成される。ウエル層４４は、ｎ型にドーピングされ層厚が３．４ｎｍのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層４５は、層厚が１．１ｎｍであり、アンドープのＡｌＩｎＡｓで形成される。ウエル層４６は、層厚が２．９ｎｍであり、アンドープのＧａＩｎＡｓで形成される。バリア層４７は、層厚が２．４ｎｍであり、アンドープのＡｌＩｎＡｓで形成される。

【0026】

活性領域４８は、電子が活性領域４８内に形成されるサブバンド間で遷移することで、発光する領域である。インジェクタ領域４９は、活性領域４８に電子を注入する領域である。本実施の形態では、活性領域４８を構成するウエル数が３の場合を例示している。また本実施の形態のウエル層４２、バリア層４３およびウエル層４４のドーピング量は、一例として２．５ｘ１０^１７ｃｍ^－３である。本実施の形態では、一例としてステージ５０を３５個縦に接続して３５ステージ６を構成している。

【0027】

図４は、実施の形態１に係る１つのステージ５０の量子井戸構造および各エネルギー準位での波動関数の２乗を示す図である。波動関数の２乗は電子の存在確率の多寡を表している。１つのステージ５０で許容されるエネルギー準位は１０個ある。図４において、主に活性領域４８に電子が存在する準位を実線で示し、主にインジェクタ領域４９に電子が存在する準位を破線で示している。主に活性領域４８に電子が存在する準位は♯１、２、４、７および９の５つであり、主にインジェクタ領域４９に電子が存在する準位は♯３、５、６、８および１０の５つである。

【0028】

電子密度を計算したところ、主に活性領域４８に電子が存在する準位のうち、エネルギー準位♯４の電子密度はエネルギー準位♯２の電子密度よりも高い。つまり、レーザ発振に必要な反転分布ができていることが分かった。

【0029】

図５は、実施の形態１に係る利得の波長依存性の例を示す図である。図５では、共振器長Ｌ＝２．０ｍｍ、リッジ幅Ｗ＝１０μｍの量子カスケードレーザ装置１００において、電極１４から電極１に向けて電界を印加し、かつ電流を３６０ｍＡ注入した場合の利得の波長依存性が示されている。波長λ^ｐ＝９．４７μｍで最大利得ｇ^ｐ＝２１．８６ｃｍ^－１となり、８．０μｍから１２．０μｍにわたり利得が存在する。

【0030】

仮に、第１基本波の波長λ_１ ^Ｑおよび第２基本波の波長λ_２ ^Ｑをそれぞれ８．８０μｍおよび１０．４６μｍとする。このとき対応する周波数ｆ_１ ^Ｑおよびｆ_２ ^Ｑは、それぞれ３．４０７ｘ１０^１３Ｈｚおよび２．８６６ｘ１０^１３Ｈｚとなる。従って差周波の波長λ^Ｔおよび周波数ｆ^Ｔ＝（ｆ_１ ^Ｑ－ｆ_２ ^Ｑ）は、それぞれ５５．４５μｍおよび５．４０６ｘ１０^１２Ｈｚ＝５．４０６ＴＨｚとなる。

【0031】

第１基本波および第２基本波におけるＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓの屈折率は、非特許文献２「Ｓ． Ｈ． Ｗｅｍｐｌｅ ｅｔ． ａｌ．， “Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｉｎ Ｃｏｖａｌｅｎｔ ａｎｄ Ｉｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，”Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． ４， ｐｐ． １３３８－１３５１， Ｆｅｂ． １９７１」、非特許文献３「伊賀編著，“半導体レーザ，”ｐｐ．３６，オーム社（平成６年１０月２５日）」および非特許文献４「Ｍ． Ａ． Ａｆｒｏｍｏｗｉｔｚ， “Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ ｏｆ Ｇａ１－ｘＡｌｘＡｓ，” Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍ．， ｖｏｌ．１５， ｐｐ． ５９－６３， １９７４」から求めた。また３元混晶であるＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓの屈折率は、非特許文献５「Ｓ． Ａｄａｃｈｉ， “Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ Ｉｎ１－ｘＧａｘＡｓｙＰ１－ｙ，” Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ｖｏｌ．５３， Ｎｏ．１２， ｐｐ． ８７７５－８７９２， １９８２」を用いて算出した。また、波長λ^Ｔ＝５５．４５μｍのＴＨｚ波におけるＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＩｎＡｓの屈折率は、非特許文献６「Ｅ． Ｄ． Ｐａｌｉｋ， “Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ ＩＩＩ，” １９９８」を参照し、ＧａＩｎＡｓの屈折率は非特許文献５を用いて算出した。結果を表１に示す。

【0032】

【表1】

【0033】

表１に示す屈折率を用いると、カスケードレーザ領域の第１基本波に対する伝搬定数β_１ ^Ｑおよび実効屈折率ｎ_ｅｆ１ ^Ｑ＝β_１ ^Ｑ／［２π／λ_１ ^Ｑ］は、それぞれ２．２７１３１ｘ１０^６ｍ^－１および３．１８１１１と求まる。同様に第２基本波に対する伝搬定数β_２ ^Ｑおよび実効屈折率ｎ_ｅｆ２ ^Ｑ＝β_２ ^Ｑ／［２π／λ_２ ^Ｑ］は、それぞれ１．８９９６５ｘ１０^６ｍ^－１および３．１６２４６となる。

【0034】

ガイド層７に設ける回折格子１５、１６は高い次数の回折格子でも構わないが、高い帰還をかける観点では１次が好ましい。第１基本波に対する１次の回折格子１５の周期Λ_１ ^Ｑは、導波路内の波長λ_１ ^Ｑ／ｎ_ｅｆ１ ^Ｑの１／２である１．３０５μｍとなる。同様に第２基本波に対する１次の回折格子１６の周期Λ_２ ^Ｑは、導波路内の波長λ_２ ^Ｑ／ｎ_ｅｆ２ ^Ｑの１／２である１．６５７μｍとなる。本実施の形態では一例として、ガイド層７内に周期Λ_１ ^Ｑ＝１．３０５μｍで長さＬ_１ ^Ｑ＝８００μｍの回折格子１５と、周期Λ_２ ^Ｑ＝１．６５７μｍで長さＬ_２ ^Ｑ＝８００μｍの回折格子１６を設ける。これにより、波長λ_１ ^Ｑ＝８．８０μｍおよび波長λ_２ ^Ｑ＝１０．４６μｍの２つの波長を得ることができる。なお、各回折格子の凸部と凹部の比は１：１が望ましいが、任意に選択することができる。

【0035】

ＴＨｚ波の波長λ^Ｔ＝５５．４５μｍにおけるクラッド層３の屈折率ｎ_ｃ１Ｑ ^Ｔおよびクラッド層８の屈折率ｎ_ｃ２Ｑ ^Ｔは３．６３００であり、第１基本波の実効屈折率ｎ_ｅｆ１ ^Ｑ＝３．１８１１１および第２基本波の実効屈折率ｎ_ｅｆ２ ^Ｑ＝３．１６２４６よりも高い。このため、クラッド層３およびクラッド層８内でチェレンコフ放射が生じる。つまり、カスケードレーザ領域から、共振方向と角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍをなす方向に光が放射される。

【0036】

クラッド層３からのチェレンコフ放射角－θ_ｃｍおよびクラッド層８からのチェレンコフ放射角θ_ｃｐは、非特許文献７「Ｚ．－Ｓ． Ｓｕｈ， “Ｓｉｍｐｌｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｒｅｎｋｏｖ－ｔｙｐｅ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｖｉａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，” Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．１７， ｐｐ． ４２３６－４２４３， ２０１９」より、式（１）および（２）で表すことができる。また、ｋ_０ ^Ｔは式（３）で表される。

【0037】

【数1】

【0038】

【数2】

【0039】

【数3】

【0040】

ここでクラッド層３とクラッド層８は共にＩｎＰなので、屈折率ｎ_ｃ１Ｑ ^Ｔ＝ｎ_ｃ２Ｑ ^Ｔ＝３．６３００である。従って、チェレンコフ放射角は、θ_ｃｍ＝θ_ｃｐ＝θ_ｃ＝２５．３７°となる。

【0041】

また、表１から分かるように、差周波波長λ^Ｔ＝５５．４５μｍにおけるＧａＩｎＡｓの屈折率は、ＩｎＰの屈折率よりも高い。従って、ＧａＩｎＡｓをコアとしＩｎＰをクラッドとすれば、差周波における導波路であるＴＨｚ導波路を形成できる。導波路はマルチモードでも構わないが、出射光を使用する観点ではシンプルモードであることが望ましい。

【0042】

そこで本実施の形態では、クラッド層１０の層厚ｄ_ｃ１ ^Ｔおよびクラッド層１２の層厚ｄ_ｃ２ ^Ｔを２０μｍ、コア層１１の層厚ｄ_ａ ^Ｔを１２μｍとする。この場合、波長λ^Ｔ＝５５．４５μｍのＴＨｚ波に対する差周波導波路の伝搬定数β^Ｔおよび実効屈折率ｎ_ｅｆ ^Ｔは、それぞれ４．５８６２９ｘ１０^５ｍ^－１および４．０４７５１と求まる。非特許文献８「Ａ． Ｙａｒｉｖ ｅｔ． ａｌ．， “Ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃｓ，” ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ， ｖｏｌ． ＱＥ－１３， ｎｏ． ４， ｐｐ． ２３３－２５３， Ａｐｒ． １９７７」より、角度θ_ｃで入射する光と、導波路を伝搬定数β^Ｔで伝搬する光が結合するには、グレーティング結合領域９内の回折格子２２の周期Λ^Ｔは、式（４）を満たす必要がある。

【0043】

【数4】

【0044】

ｍはゼロを除く整数である。ｍ＝１として式（４）を本実施の形態に適用すると、回折格子２２の周期Λ^Ｔは７２．２５μｍとなる。なお、周期Λ^Ｔの回折格子２２の凸部と凹部の比は１：１が望ましいが、これに限るものではなく任意に選択し得る。

【0045】

以上から本実施の形態では、一例として、グレーティング結合領域９内に周期Λ^Ｔ＝７２．２５μｍで長さＬ^Ｔ＝１０００μｍの回折格子２２を設ける。これにより、角度θ_ｃ＝θ_ｃｐでチェレンコフ放射するＴＨｚ光２０を、伝搬定数β^Ｔで差周波導波路内を伝搬するＴＨｚ導波モード２１に結合させることができる。その結果、量子カスケードレーザ装置１００の出射端面２３に対して垂直にＴＨｚ光２４が出射されることになる。

【0046】

また、－θ_ｃｍでチェレンコフ放射するＴＨｚ光１９のうち、一部は量子カスケードレーザ装置１００の内部で吸収される。ＴＨｚ光１９のうち他の部分は、電極１、電極１４、出射端面２３および後端面２５で全反射されて、最終的にはグレーティング結合領域９内の回折格子２２で差周波導波路のＴＨｚ導波モード２１に結合し、ＴＨｚ光２４として取り出される。以降の実施の形態では説明を省略する場合があるが、－θ_ｃｍでチェレンコフ放射するＴＨｚ光１９も装置外へ取り出しが可能である。

【0047】

以上から、グレーティング結合領域９は、ＴＨｚ光１９、２０を差周波導波路のＴＨｚ導波モード２１に結合させるように構成されている。具体的には、グレーティング結合領域９は、ＴＨｚ光１９、２０を差周波導波路のＴＨｚ導波モード２１に結合させるように構成された回折格子２２を有する。これにより、差周波導波路からＴＨｚ光２４を出射させることができるため、例えばウエハプロセス完了後の基板２の斜め研削が不要となる。従って、量子カスケードレーザ装置１００を容易に製造できる。

【0048】

また本実施の形態の差周波導波路は、コア層１１をクラッド層１０、１２で挟んだ３層スラブ導波路と考えることができる。このため、差周波導波路の光強度分布は通常の光導波路と同じローレンツ型となる。従って、ＴＨｚ光２４を外部光学系と高効率で結合させることができる。

【0049】

図６は、実施の形態１の変形例に係る量子カスケードレーザ装置２００の斜視図である。量子カスケードレーザ装置２００は、電流ブロック層４と電極１４の間に、例えばＳｉＯＮ等の絶縁膜２６が設けられる点が量子カスケードレーザ装置１００と異なる。他の構造は量子カスケードレーザ装置１００の構造と同様である。絶縁膜２６を挿入することにより、幅Ｗのリッジの外側を流れる電流を更に抑制することができる。以降の実施の形態においても絶縁膜２６を設けても良い。

【0050】

次に、量子カスケードレーザ装置１００の製造方法を説明する。図７Ａ～図７Ｈは、実施の形態１に係る量子カスケードレーザ装置１００の製造方法を説明する図である。まず図７Ａに示されるように、基板２上にクラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６およびガイド層７をこの順で結晶成長する。結晶成長には、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法等を用いることができる。

【0051】

次に、図７Ｂに示されるように、写真製版とエッチングによりガイド層７内に周期Λ_１ ^Ｑの回折格子１５および周期Λ_２ ^Ｑの回折格子１６を形成する。回折格子１５の長さはＬ_１ ^Ｑ、幅はＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑは０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍである。回折格子１６の長さはＬ_２ ^Ｑ、幅はＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑは０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍである。

【0052】

次に、図７Ｃに示されるように、ガイド層７上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層８およびグレーティング結合領域９をこの順で成長する。次に、図７Ｄに示されるように、写真製版とエッチングによりグレーティング結合領域９内に周期Λ^Ｔの回折格子２２を形成する。回折格子２２の長さはＬ^Ｔ、幅はＷ_ｇ ^Ｔ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｔは０＜ｄ_ｇ ^Ｔ≦１．０μｍである。

【0053】

次に、図７Ｅに示されるように、グレーティング結合領域９上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等でクラッド層１０、コア層１１、クラッド層１２およびコンタクト層１３をこの順で結晶成長する。以上から、基板２の上に、カスケードレーザ領域および差周波導波路が積層され、カスケードレーザ領域と差周波導波路の間にグレーティング結合領域９が形成される。次に、図７Ｆに示されるように、写真製版とエッチングにより、幅Ｗのリッジの両側をクラッド層３の途中までエッチング除去する。

【0054】

次に、図７Ｇに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、リッジの両側にコア層１１の両側を覆う電流ブロック層４を埋込成長する。次に、図７Ｈに示されるように、基板２の裏面に電極１を形成し、コンタクト層１３および電流ブロック層４上に電極１４を形成する。

【0055】

上述した各層の寸法、材質、濃度等は一例であり、変更することができる。また、本実施の形態ではステージ数が３５の場合を例に示した。これに限らず、ステージ数は必要に応じて任意に選択することができる。また、１つのステージ５０を構成する活性領域４８およびインジェクタ領域４９の構造、本実施の形態で例示した構造に限らない。また、本実施の形態では、ＩｎＰ基板を用いたＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ系ＱＣＬ装置を例示した。これに限らず、ＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＱＣＬ装置、およびＧａＮ基板を用いたＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系ＱＣＬ装置にも、本実施の形態を適用できる。さらに、本実施の形態のＱＣＬ装置は基板と格子整合する。これに限らず、基板よりも格子定数が大きいか又は小さい格子不整合系、つまり歪導入系にも、本実施の形態を適用できる。

【0056】

上述した変形は、以下の実施の形態に係る量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る量子カスケードレーザ装置および量子カスケードレーザ装置の製造方法については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

【0057】

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る量子カスケードレーザ装置３００の斜視図である。図９は、実施の形態２に係る量子カスケードレーザ装置３００の断面図である。図９は、図８をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、グレーティング結合領域９は差周波導波路のうちコア層１１の下部のクラッド層の内部に設けられる。グレーティング結合領域９はカスケードレーザ領域と離れている。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。

【0058】

具体的には、量子カスケードレーザ装置３００においてクラッド層８の上には、層厚がｄ_ｃ１Ａ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層５１が設けられる。クラッド層５１の上にグレーティング結合領域９が設けられる。グレーティング結合領域９の上には、層厚がｄ_ｃ１Ｂ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層５２が設けられる。ｄ_ｃ１Ａ ^Ｔ＋ｄ_ｃ１Ｂ ^Ｔ＝ｄ_ｃ１ ^Ｔである。

【0059】

グレーティング結合領域９を差周波導波路のクラッド層内に設けることで、ＴＨｚ光２０が差周波導波路に結合し易くなり、ＴＨｚ光２４の出力を大きくすることができる。

【0060】

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る量子カスケードレーザ装置４００の斜視図である。図１１は、実施の形態３に係る量子カスケードレーザ装置４００の断面図である。図１１は、図１０をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、グレーティング結合領域が、差周波導波路のうちコア層１１の下部のクラッド層１０と、コア層１１の界面に設けられる。具体的には、グレーティング結合領域は、クラッド層１０の上面に回折格子２２を設け、回折格子２２をコア層１１で埋め込むことで形成される。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。

【0061】

このような構成によれば、ＴＨｚ光２０を差周波導波路にさらに結合し易くすることができ、ＴＨｚ光２４を大きくすることができる。また、グレーティング結合領域として層を追加する必要がないため、量子カスケードレーザ装置４００の作製工程を簡略化できる。

【0062】

実施の形態４．
図１２は、実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置５００の斜視図である。図１３は、実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置５００の断面図である。図１３には図１２をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面が示されている。本実施の形態では、基板２の上に差周波導波路が設けられ、差周波導波路の上にカスケードレーザ領域が設けられる点が実施の形態１と異なっている。他の構想は実施の形態１の構造と同様である。

【0063】

具体的には、基板２の上にクラッド層１０、コア層１１およびクラッド層１２がこの順で積層する。クラッド層１２の上に、グレーティング結合領域９、クラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７、クラッド層８がこの順で積層する。グレーティング結合領域９は、カスケードレーザ領域と差周波導波路の間に設けられる。

【0064】

本実施の形態においても実施の形態１と同様に、カスケードレーザ領域から共振方向と角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍをなす方向にＴＨｚ光１９、２０が放射される。角度θ_ｃｐおよび角度－θ_ｃｍはそれぞれ式（５）および式（６）を満たす。

【0065】

【数5】

【0066】

【数6】

【0067】

グレーティング結合領域９の回折格子２２の周期Λ^Ｔは、式（７）を満たす。ｍはゼロを除く整数である

【0068】

【数7】

【0069】

本実施の形態においてもグレーティング結合領域９により、ＴＨｚ光１９、２０を差周波導波路のＴＨｚ導波モード２１に結合させることができる。また、差周波導波路は、層厚の制御が比較的粗くても構わない。このため、成長速度の速い液相エピタキシャル（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ：ＬＰＥ）装置を使用することも可能である。つまり、基板２上にまず差周波導波路を形成する本実施の形態では、量子カスケードレーザ装置５００を容易かつ安価で製造できる。

【0070】

次に、量子カスケードレーザ装置５００の製造方法について説明する。図１４Ａから図１４Ｈは、実施の形態４に係る量子カスケードレーザ装置５００の製造方法を説明する図である。まず図１４Ａに示されるように、基板２上に、クラッド層１０、コア層１１、クラッド層１２、グレーティング結合領域９をこの順で結晶成長させる。結晶成長には、ＬＰＥ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などを用いることができる。次に図１４Ｂに示されるように、写真製版とエッチングにより、グレーティング結合領域９に、周期Λ^Ｔの回折格子２２を形成する。回折格子２２の長さはＬ^Ｔ、幅はＷ_ｇ ^Ｔ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｔは０＜ｄ_ｇ ^Ｔ≦１．０μｍである。

【0071】

次に、図１４Ｃに示されるように、グレーティング結合領域９上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などで、クラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７をこの順で結晶成長させる。次に図１４Ｄに示されるように、写真製版とエッチングにより、ガイド層７内に、周期Λ_１ ^Ｑの回折格子１５および周期Λ_２ ^Ｑの回折格子１６を形成する。回折格子１５の長さはＬ_１ ^Ｑ、幅はＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑは０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍである。回折格子１６の長さはＬ_２ ^Ｑ、幅はＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑは０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍである。

【0072】

次に、図１４Ｅに示されるように、ガイド層７上にＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層８およびコンタクト層１３をこの順で結晶成長する。次に、図１４Ｆに示されるように、写真製版とエッチングにより、幅Ｗのリッジの両側をクラッド層１０の途中までエッチングして除去する。

【0073】

次に、図１４Ｇに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、リッジの両側に電流ブロック層４を埋込成長する。次に、図１４Ｈに示されるように、基板２の裏面に電極１を形成し、コンタクト層１３および電流ブロック層４の上に電極１４を形成する。

【0074】

実施の形態５．
図１５は、実施の形態５に係る量子カスケードレーザ装置６００の斜視図である。図１６は、実施の形態５に係る量子カスケードレーザ装置６００の断面図である。図１６には図１５をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面が示されている。本実施の形態では、グレーティング結合領域９は、差周波導波路のうちコア層１１の上部のクラッド層の内部に設けられる。グレーティング結合領域９はカスケードレーザ領域と離れている。他の構造は実施の形態４の構造と同様である。

【0075】

具体的には、コア層１１の上に層厚がｄ_ｃ２Ａ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層６１が設けられる。クラッド層６１の上にグレーティング結合領域９が設けられる。グレーティング結合領域９の上に、層厚がｄ_ｃ２Ｂ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層６２が設けられる。ｄ_ｃ２Ａ ^Ｔ＋ｄ_ｃ２Ｂ ^Ｔ＝ｄ_ｃ２ ^Ｔである。クラッド層６２の上にクラッド層３が設けられる。

【0076】

本実施の形態では、グレーティング結合領域９を差周波導波路のクラッド層内に設けることで、ＴＨｚ光１９を差周波導波路に結合し易くすることができ、ＴＨｚ光２４の出力を大きくすることができる。

【0077】

実施の形態６．
図１７は、実施の形態６に係る量子カスケードレーザ装置７００の斜視図である。図１８は、実施の形態６に係る量子カスケードレーザ装置７００の断面図である。図１８には図１７をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面が示されている。本実施の形態では、グレーティング結合領域は、差周波導波路のうちコア層１１の上部のクラッド層１２と、コア層１１の界面に設けられる。具体的には、コア層１１の上面に回折格子２２を設け、クラッド層１２で埋め込むことで、グレーティング結合領域を形成できる。他の構造は、実施の形態４の構造と同様である。

【0078】

本実施の形態では、グレーティング結合領域をコア層１１とクラッド層１２との界面に設けることで、ＴＨｚ光１９を差周波導波路にさらに結合し易くすることができ、ＴＨｚ光２４の出力を大きくすることができる。また、グレーティング結合領域として層を追加する必要がないため、量子カスケードレーザ装置７００の作製工程を簡略化できる。

【0079】

実施の形態７．
図１９は、実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置８００の斜視図である。図２０は、実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置８００の断面図である。図２０には図１９をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面が示されている。本実施の形態では、第１基本波の波長λ_１ ^Ｑおよび第２基本波の波長λ_２ ^Ｑがそれぞれ８．３０μｍおよび１０．４８μｍの場合を示す。対応する周波数ｆ_１ ^Ｑおよびｆ_２ ^Ｑはそれぞれ３．６１２ｘ１０^１３Ｈｚおよび２．８６１ｘ１０^１３Ｈｚとなる。差周波波長λ^Ｔおよび差周波数ｆ^Ｔ＝ｆ_１ ^Ｑ－ｆ_２ ^Ｑは、それぞれ３９．９０μｍおよび７．５１３ｘ１０^１２Ｈｚ＝７．５１３ＴＨｚである。

【0080】

量子カスケードレーザ装置８００において、３５ステージ６の上には、層厚が２３０ｎｍであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたガイド層７１が設けられる。ガイド層７１の上にはクラッド層８が設けられる。クラッド層８の上には、層厚がｄ_ｃ１ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ１Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたクラッド層７２が設けられる。クラッド層７２の上には、層厚がｄ_ａ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ａＴ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたコア層７３が設けられる。コア層７３の上には、層厚がｄ_ｃ２ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ２Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたクラッド層７４が設けられる。

【0081】

電流ブロック層４はクラッド層３からクラッド層８までのカスケードレーザ領域の両側を覆う。クラッド層７２、コア層７３およびクラッド層７４を含む差周波導波路は、電流ブロック層４から露出している。

【0082】

ガイド層７１には、長さがＬ_１ ^Ｑ、周期がΛ_１ ^Ｑの回折格子７５、および長さがＬ_２ ^Ｑ、周期がΛ_２ ^Ｑの回折格子７６が設けられる。また図２０には、波長λ_１ ^Ｑ、周波数ｆ_１ ^Ｑ、伝搬定数β_１ ^Ｑでカスケードレーザ領域を伝搬するＱＣＬ導波モード７７と、波長λ_２ ^Ｑ、周波数ｆ_２ ^Ｑ、伝搬定数β_２ ^Ｑでカスケードレーザ領域を伝搬するＱＣＬ導波モード７８が模式的に示されている。本実施の形態では、ＱＣＬ導波モード７７が第１基本波、ＱＣＬ導波モード７８が第２基本波である。

【0083】

また図２０には、カスケードレーザ領域から基板２の上面に対して傾いた方向に放射されたＴＨｚ光７９、８０が示されている。ＴＨｚ光７９は、ｘ－ｚ平面からｙ方向に角度－θ_ｃｍ傾いた方向にチェレンコフ放射され、周波数ｆ^Ｔ＝ｆ_１ ^Ｑ－ｆ_２ ^Ｑを有する。ＴＨｚ光８０は、ｘ－ｚ平面からｙ方向に角度θ_ｃｐ傾いた方向にチェレンコフ放射され、周波数ｆ^Ｔを有する。

【0084】

さらに図２０には、波長λ^Ｔ、周波数ｆ^Ｔ、伝搬定数β^Ｔで差周波導波路を伝搬するＴＨｚ導波モード８１が模式的に示されている。クラッド層８の上面には、長さがＬ^Ｔ、周期がΛ^Ｔの回折格子８２が形成されている。回折格子８２は、クラッド層８を上面から深さ約１μｍだけエッチング除去し、クラッド層７２で埋め込むことで形成される。このように本実施の形態のグレーティング結合領域は、カスケードレーザ領域と差周波導波路の間に設けられる。なお、回折格子８２の周期は後述する。出射端面２３からはＴＨｚ光８３が出射される。

【0085】

実施の形態１と同様に、第１基本波および第２基本波におけるＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓの屈折率を、非特許文献２、非特許文献３および非特許文献４から求めた。また、３元混晶であるＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓの屈折率を、非特許文献５を用いて算出した。また、波長λ^Ｔ＝３９．９０μｍのＴＨｚ波におけるＩｎＰ、ＧａＡｓ、およびＩｎＡｓの屈折率は非特許文献６を参照し、ＧａＩｎＡｓの屈折率は非特許文献５を用いて算出した。この結果を表２に示す。

【0086】

【表2】

【0087】

表２に示す屈折率より、カスケードレーザ領域の第１基本波に対する伝搬定数β_１ ^Ｑおよび実効屈折率ｎ_ｅｆ１ ^Ｑ＝β_１ ^Ｑ／［２π／λ_１ ^Ｑ］は、それぞれ２．４１３２４ｘ１０^６ｍ^－１および３．１８７８５と求まる。同様に、第２基本波に対する伝搬定数β_２ ^Ｑおよび実効屈折率ｎ_ｅｆ２ ^Ｑ＝β_２ ^Ｑ／［２π／λ_２ ^Ｑ］は、それぞれ１．８９５９２ｘ１０^６ｍ^－１および３．１６２２８となる。

【0088】

回折格子７５、７６は高い次数の回折格子でも構わないが、高い帰還をかける観点では１次が好ましい。第１基本波に対する１次回折格子の周期Λ_１ ^Ｑは、導波路内波長λ_１ ^Ｑ／ｎ_ｅｆ１ ^Ｑの１／２である１．３０２μｍとなる。同様に、第２基本波に対する１次回折格子の周期Λ_２ ^Ｑは、導波路内波長λ_２ ^Ｑ／ｎ_ｅｆ２ ^Ｑの１／２である１．６５７μｍとなる。このため、一例としてガイド層７１内に周期Λ_１ ^Ｑ＝１．３０２μｍで長さＬ_１ ^Ｑ＝８００μｍの回折格子７５と、周期Λ_２ ^Ｑ＝１．６５７μｍで長さＬ_２ ^Ｑ＝８００μｍの回折格子７６を設ければ、波長λ_１ ^Ｑ＝８．３０μｍおよび波長λ_２ ^Ｑ＝１０．４８μｍの２つの波長を得ることができる。

【0089】

また、差周波波長λ^Ｔ＝３９．９０μｍにおけるクラッド層３の屈折率ｎ_ｃ１Ｑ ^Ｔおよびクラッド層８の屈折率ｎ_ｃ２Ｑ ^Ｔは４．２０００であり、第１基本波の実効屈折率ｎ_ｅｆ１ ^Ｑ＝３．１８７８５および第２基本波の実効屈折率ｎ_ｅｆ２ ^Ｑ＝３．１６２２８よりも高い。このため、クラッド層３およびクラッド層８内でチェレンコフ放射が生じる。実施の形態１と同様に、式（１）～（３）よりクラッド層３でのチェレンコフ放射角－θ_ｃｍおよびクラッド層８でのチェレンコフ放射角θ_ｃｐが求まる。本実施の形態ではθ_ｃｍ＝θ_ｃｐ＝θ_ｃ＝３８．５４°である。

【0090】

また、表２から分かるように、差周波波長λ^Ｔ＝３９．９０μｍにおけるＩｎＰの屈折率は、ＧａＩｎＡｓの屈折率よりも高い。従って、ＩｎＰをコアとしＧａＩｎＡｓをクラッドとすれば、差周波における導波路、つまり差周波導波路を形成できる。導波路はマルチモードでも構わないが、出射光を使用する観点では、シンプルモードであることが好ましい。そこで、本実施の形態では、クラッド層７２の層厚ｄ_ｃ１ ^Ｔおよびクラッド層７４の層厚ｄ_ｃ２ ^Ｔを１６μｍ、コア層７３の層厚ｄ_ａ ^Ｔを８μｍとする。この場合、波長λ^Ｔ＝３９．９０μｍのＴＨｚ波に対する差周波導波路の伝搬定数β^Ｔおよび実効屈折率ｎ_ｅｆ ^Ｔは、それぞれ６．１３８４５ｘ１０^５ｍ^－１および３．８９８１８と求まる。

【0091】

実施の形態１と同様に式（４）を用いると、角度θ_ｃで入射する光と、導波路を伝搬定数β^Ｔで伝搬する光を結合させるには、回折格子８２の周期Λ^Ｔを６５．０９μｍとすれば良い。つまり、一例としてクラッド層８、７２の界面に、周期Λ^Ｔ＝６５．０９μｍで長さＬ^Ｔ＝１０００μｍの回折格子を設けると、角度θ_ｃ＝θ_ｃｐでチェレンコフ放射するＴＨｚ光を、伝搬定数β^ＴでＴＨｚ導波路内を伝搬するＴＨｚ光に結合させることができる。その結果、出射端面２３に対して垂直にＴＨｚ光８３が出射されることになる。

【0092】

本実施の形態の電流ブロック層４は、リッジの両側においてクラッド層３からクラッド層８までを埋め込み、差周波導波路を埋め込んでいない。これは、屈折率の高いＦｅドープＩｎＰで差周波導波路のリッジ部を埋め込むと、リッジ部にＴＨｚ波が閉じこめられなくなり、アンチ導波路となる可能性があるからである。また、図示していないが、差周波導波路のリッジの両側および電流ブロック層４の上部をＳｉＯＮ等の絶縁膜でカバーしても良い。

【0093】

次に、量子カスケードレーザ装置８００の製造方法を説明する。図２１Ａ～図２１Ｈは、実施の形態７に係る量子カスケードレーザ装置８００の製造方法を説明する図である。まず図２１Ａに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、基板２上にクラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７１をこの順で結晶成長する。次に、図２１Ｂに示されるように、写真製版とエッチングにより、ガイド層７１内に周期がΛ_１ ^Ｑ、長さがＬ_１ ^Ｑ、幅がＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑが０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍの回折格子７５を形成する。同様に、ガイド層７１内に周期がΛ_２ ^Ｑ、長さがＬ_２ ^Ｑ、幅がＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑが０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍの回折格子７６を形成する。

【0094】

次に、図２１Ｃに示されるように、ガイド層７１上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層８を成長する。次に図２１Ｄに示されるように、写真製版とエッチングにより、クラッド層８内に周期がΛ^Ｔ、長さがＬ^Ｔ、幅がＷ_ｇ ^Ｔ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｔが０＜ｄ_ｇ ^Ｔ≦１．０μｍの回折格子８２を形成する。次に、図２１Ｅに示されるように、クラッド層８の上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層７２、コア層７３、クラッド層７４、コンタクト層１３をこの順で結晶成長する。

【0095】

次に、図２１Ｆに示されるように、写真製版とエッチングにより、リッジの両側をクラッド層３の途中までエッチング除去する。次に、図２１Ｇに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、リッジの両側にクラッド層８を埋め込む高さまで、電流ブロック層４を埋込成長する。次に、図２１Ｈに示されるように、基板２の裏面に電極１を形成し、コンタクト層１３の上に電極１４を形成する。

【0096】

実施の形態８．
図２２は、実施の形態８に係る量子カスケードレーザ装置９００の斜視図である。図２３は、実施の形態８に係る量子カスケードレーザ装置９００の断面図である。図２３は、図２２をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態ではグレーティング結合領域が、差周波導波路のうちコア層７３の下部のクラッド層の内部に設けられる点が実施の形態７と異なる。他の構成は実施の形態７の構成と同様である。

【0097】

量子カスケードレーザ装置９００において、クラッド層８の上には、層厚がｄ_ｃ１Ａ ^Ｔであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されるクラッド層９１が設けられる。クラッド層９１の上には、層厚が１．０μｍであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたグレーティング結合領域９２が設けられる。グレーティング結合領域９２の上には、層厚がｄ_ｃ１Ｂ ^Ｔでありｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたクラッド層９３が設けられる。ｄ_ｃ１Ａ ^Ｔ＋ｄ_ｃ１Ｂ ^Ｔ＝ｄ_ｃ１ ^Ｔである。

【0098】

グレーティング結合領域９２を差周波導波路のクラッド層内に設けると、ＴＨｚ光８０を差周波導波路に結合し易くすることができ、ＴＨｚ光８３の出力を大きくすることができる。

【0099】

実施の形態９．
図２４は、実施の形態９に係る量子カスケードレーザ装置１０００の斜視図である。図２５は、実施の形態９に係る量子カスケードレーザ装置１０００の断面図である。図２５は、図２４をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、グレーティング結合領域は、差周波導波路のうちクラッド層７２とコア層７３の界面に設けられる。グレーティング結合領域は、クラッド層７２の上面に、長さがＬ^Ｔで周期がΛ^Ｔの回折格子９４を設け、コア層７３で埋め込むことで形成される。他の構成は実施の形態７の構成と同様である。

【0100】

グレーティング結合領域をクラッド層７２とコア層７３の界面に設けることで、ＴＨｚ光８０を差周波導波路に結合し易くすることができ、ＴＨｚ光８３の出力を大きくすることができる。また、グレーティング結合領域として層を追加する必要がないため、作製工程を簡略化できる。

【0101】

実施の形態１０．
図２６は、実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置１１００の斜視図である。図２７は、実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置１１００の断面図である。図２７は、図２６をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、基板２の上に差周波導波路が設けられ、差周波導波路の上にカスケードレーザ領域が設けられる点が実施の形態７と異なる。

【0102】

つまり、基板２の上にクラッド層７２、コア層７３およびクラッド層７４がこの順で積層する。クラッド層７４の上にクラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７１およびクラッド層８がこの順で積層する。また、グレーティング結合領域を構成する回折格子９４は、クラッド層７４を上面から深さ約１μｍだけエッチング除去し、クラッド層３で埋め込むことで形成される。

【0103】

また、量子カスケードレーザ装置１１００はカスケードレーザ領域の両側を覆う電流ブロック層４を備える。電流ブロック層４はクラッド層７４の上面に設けられている。差周波導波路のコア層７３の側面は、電流ブロック層４から露出している。

【0104】

差周波導波路は、層厚の制御が比較的粗くても構わない。このため、成長速度の速いＬＰＥ装置を使用して差周波導波路を形成することも可能である。よって、基板２上に、先ず差周波導波路を形成する本実施の形態によれば、量子カスケードレーザ装置１１００を容易かつ低コストで製造できる。

【0105】

次に、量子カスケードレーザ装置１１００の製造方法について説明する。図２８Ａ～図２８Ｈは、実施の形態１０に係る量子カスケードレーザ装置１１００の製造方法を説明する図である。まず、図２８Ａに示されるように、ＬＰＥ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などで、基板２上に、クラッド層７２、コア層７３、クラッド層７４をこの順で結晶成長する。次に、図２８Ｂに示されるように、写真製版とエッチングにより、クラッド層７４内に、周期がΛ^Ｔ、長さがＬ^Ｔ、幅がＷ_ｇ ^Ｔ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｔが０＜ｄ_ｇ ^Ｔ≦１．０μｍの回折格子９４を形成する。

【0106】

次に、図２８Ｃに示されるように、クラッド層７４上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などで、クラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７１をこの順で結晶成長する。次に、図２８Ｄに示されるように、写真製版とエッチングにより、ガイド層７１内に、周期がΛ_１ ^Ｑ、長さがＬ_１ ^Ｑ、幅がＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑが０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍの回折格子７５を形成する。同様にガイド層７１内に周期がΛ_２ ^Ｑ、長さがＬ_２ ^Ｑ、幅がＷ_ｇ＞Ｗ、深さｄ_ｇ ^Ｑが０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍの回折格子７６を形成する。

【0107】

次に、図２８Ｅに示されるように、ガイド層７１上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層８およびコンタクト層１３をこの順で結晶成長する。次に、図２８Ｆに示されるように、写真製版とエッチングにより、リッジの両側をクラッド層７４までエッチング除去する。次に、図２８Ｇに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、リッジの両側に電流ブロック層４を埋込成長する。次に、図２８Ｈに示されるように、基板２の裏面に電極１を形成し、コンタクト層１３および電流ブロック層４の上に電極１４を形成する。

【0108】

実施の形態１１．
図２９は、実施の形態１１に係る量子カスケードレーザ装置１２００の斜視図である図３０は、実施の形態１１に係る量子カスケードレーザ装置１２００の断面図である。図３０は、図２９をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、グレーティング結合領域９２が、差周波導波路のうちコア層７３の上部のクラッド層の内部に設けられる点が実施の形態１０と異なっている。グレーティング結合領域９２には、長さがＬ^Ｔで周期がΛ^Ｔの回折格子１０１が形成される。他の構成は実施の形態１０と同様である。

【0109】

本実施の形態では、グレーティング結合領域９２を差周波導波路のクラッド層内に設けることで、ＴＨｚ光７９を差周波導波路に結合し易くすることができ、ＴＨｚ光８３の出力を大きくすることができる。

【0110】

実施の形態１２．
図３１は、実施の形態１２に係る量子カスケードレーザ装置１３００の斜視図である。図３２は、実施の形態１２に係る量子カスケードレーザ装置１３００の断面図である。図３２は、図３１をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、グレーティング結合領域を構成する回折格子９４が、クラッド層７４とコア層７３の界面に設けられる点が実施の形態１０と異なっている。長さがＬ^Ｔ、周期がΛ^Ｔの回折格子９４は、コア層７３の上面から深さ約１μｍをエッチングで除去し、クラッド層７４で埋め込むことで形成される。他の構成は実施の形態１０と同様である。

【0111】

本実施の形態によれば、グレーティング結合領域として層を追加する必要がないため、作製工程を簡略化できる。

【0112】

実施の形態１３．
図３３は、実施の形態１３に係る量子カスケードレーザ装置１４００の斜視図である。量子カスケードレーザ装置１４００は、出射端面２３と反対側の後端面２５を覆う高反射膜１０２を備える点が実施の形態１と異なっている。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。

【0113】

高反射膜１０２として、例えば後端面２５にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を４５０ｎｍ、Ｔｉを１５ｎｍ、Ａｕを１００ｎｍ形成する。高反射膜１０２により、後端面から出射する第１基本波および第２基本波を無くすこと、または低減することができる。従って、ＴＨｚ波の出力を増加させることができる。

【0114】

図３４は、実施の形態１３の変形例に係る量子カスケードレーザ装置１５００の斜視図である。量子カスケードレーザ装置１５００では、出射端面２３のうち差周波導波路に対応する部分を露出させ、カスケードレーザ領域に対応する部分を覆う高反射膜１０２をさらに備える点が、量子カスケードレーザ装置１４００と異なる。これにより、第１基本波および第２基本波は共振器内の留まり、装置外に出射されない。このため、さらにＴＨｚ波の出力を増加させることができる。

【0115】

高反射膜１０２は、第１基本波および第２基本波に対して高反射率であるばかりでなく、ＴＨｚ光２４に対しても高反射率であることが期待される。なお、高反射膜１０２は実施の形態１の量子カスケードレーザ装置に限らず、他の実施の形態の装置に適用されても良い。

【0116】

実施の形態１４．
図３５は、実施の形態１４に係る回折格子１５、１６の配置を説明する図である。これまでは、第１基本波および第２基本波に対応する回折格子を、共振器方向に縦続して配置していた。つまり、第１基本波および第２基本波に対応する回折格子を同じ高さに設けていた。本実施の形態では、第１基本波に対応する回折格子１５と第２基本波に対応する回折格子１６は、基板２の上面に垂直な方向にずれた位置に設けられる。図３５の例では、回折格子１５と回折格子１６は、それぞれガイド層７の上面と下面に設けられる。他の構成は、実施の形態１～１３の何れかの構成と同様である。

【0117】

本実施の形態によれば、回折格子１５、１６の長さＬ１、Ｌ２を共振器長Ｌの範囲で自由に設定できる。つまり長さＬ１、Ｌ２は、回折格子１５、１６の一部が平面視で重なるような長さにも設定できる。ここで、回折格子の長さが長くなると、スペクトル線幅を狭くすることができる。従って本実施の形態によれば、第１基本波および第２基本波の波長の線幅を狭くすることが可能となる。

【0118】

実施の形態１５．
図３６は、実施の形態１５に係る量子カスケードレーザ装置１６００の斜視図である。図３７は、実施の形態１５に係る量子カスケードレーザ装置の断面図である。図３７は、図３６をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。これまでの実施の形態では、第１基本波に対応する回折格子と第２基本波に対応する回折格子は、カスケードレーザ領域のうち３５ステージ６の上、つまりガイド層７に設けられていた。これに対し、本実施の形態では、第１基本波に対応する回折格子１５と第２基本波に対応する回折格子１６は、カスケードレーザ領域のうち３５ステージ６の下、つまりガイド層５に設けられる。

【0119】

この場合も、これまでの実施の形態と同様にＴＨｚ光１９、２０を得ることができる。なお、本実施の形態の回折格子１５、１６の配置は何れの実施の形態に適用しても良い。

【0120】

実施の形態１６．
図３８は、実施の形態１６に係る量子カスケードレーザ装置１７００の斜視図である。図３９は、実施の形態１６に係る量子カスケードレーザ装置１７００の断面図である。図３９は、図３８をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態は、差周波導波路を、電極１とカスケードレーザ領域の間、およびカスケードレーザ領域と電極１４の間の２か所に設けた点が実施の形態１と異なる。つまり、実施の形態１の量子カスケードレーザ装置１００に対して、さらに基板２とカスケードレーザ領域の間に設けられた差周波導波路と、グレーティング結合領域を備えているとも言える。

【0121】

量子カスケードレーザ装置１７００において、基板２の上には、層厚がｄ_ｃ１ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ１Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層２０１が設けられる。クラッド層２０１の上には、層厚がｄ_ａ１ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ａ１Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたコア層２０２が設けられる。コア層２０２の上には、層厚がｄ_ｃ２ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ２Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層２０３が設けられる。クラッド層２０１、コア層２０２およびクラッド層２０３は第１の差周波導波路を構成する。

【0122】

クラッド層２０３の上には、層厚が１．０μｍであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたグレーティング結合領域２０４が設けられる。グレーティング結合領域２０４の上には、カスケードレーザ領域が設けられる。カスケードレーザ領域の構造は実施の形態１の構造と同様である。カスケードレーザ領域の上には、層厚が１．０μｍであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたグレーティング結合領域２０５が設けられる。

【0123】

グレーティング結合領域２０５の上には、層厚がｄ_ｃ３ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ３Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層２０６が設けられる。クラッド層２０６の上には、層厚がｄ_ａ２ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ａ２Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＧａＩｎＡｓで形成されたコア層２０７が設けられる。コア層２０７の上には、層厚がｄ_ｃ４ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ４Ｔ ^Ｔであり、ｎ型のＩｎＰで形成されたクラッド層２０８が設けられる。クラッド層２０６、コア層２０７およびクラッド層２０８は第２の差周波導波路を構成する。

【0124】

図３９には、波長λ^Ｔ、周波数ｆ^Ｔ、伝搬定数β^Ｔで第１の差周波導波路を伝搬するＴＨｚ導波モード２０９が模式的に示されている。また、図３９には、波長λ^Ｔ、周波数ｆ^Ｔ、伝搬定数β^Ｔで第２の差周波導波路を伝搬するＴＨｚ導波モード２１０が模式的に示されている。グレーティング結合領域２０４には、長さがＬ_１ ^Ｔ、周期がΛ_１ ^Ｔの回折格子２１１が形成される。また、グレーティング結合領域２０５には、長さがＬ_２ ^Ｔ、周期がΛ_２ ^Ｔの回折格子２１２が形成される。第１の差周波導波路からはＴＨｚ光２１３が出射される。第２の差周波導波路からはＴＨｚ光２１４が出射される。

【0125】

クラッド層３でのチェレンコフ放射角－θ_ｃｍおよびクラッド層８でのチェレンコフ放射角θ_ｃｐは、実施の形態１と同様に式（１）～（３）を用いて算出できる。一方、グレーティング結合領域２０４内の回折格子２１１の周期Λ_１ ^Ｔは、ゼロを除く整数ｍを用いて、式（８）から求められる。

【0126】

【数8】

【0127】

また、グレーティング結合領域２０５内の回折格子２１２の周期Λ_２ ^Ｔは、ゼロを除く整数ｊを用いて、式（９）から求められる。

【0128】

【数9】

【0129】

本実施の形態では、クラッド層３とクラッド層８は共にＩｎＰなので、チェレンコフ放射角はθ_ｃｍ＝θ_ｃｐ＝θ_ｃ＝２５．３７°である。また、グレーティング結合領域２０４およびグレーティング結合領域２０５も共にＧａＩｎＡｓなので、回折格子２１１、２１２の周期はΛ_１ ^Ｔ＝Λ_２ ^Ｔ＝Λ^Ｔ＝７２．２５ｍｍである。

【0130】

以上から、グレーティング結合領域２０４により、カスケードレーザ領域から基板２の上面に対して傾いた方向に放射されたＴＨｚ光１９を第１の差周波導波路のＴＨｚ導波モード２０９に結合させることができる。また、グレーティング結合領域２０５により、カスケードレーザ領域から基板２の上面に対して傾いた方向に放射されたＴＨｚ光２０を第２の差周波導波路のＴＨｚ導波モード２１０に結合させることができる。

【0131】

本実施の形態では、差周波導波路をカスケードレーザ領域の上下２か所に設けたので、出射端面２３から出射するＴＨｚ光２１３、２１４を実施の形態１の約２倍とすることができる。なお、本実施の形態の差周波導波路を２か所に設ける構造は、何れの実施の形態に適用されても良い。

【0132】

実施の形態１７．
図４０は、実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置１８００の断面図である。図４１は、実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置１８００の斜視図である。図４１は、図４０をｚ_ａ－ｚ_ｂ直線で切断することで得られる断面を示している。本実施の形態では、グレーティング結合領域２２１および差周波導波路のクラッド層２２２、２２４およびコア層２２３を、意図的にドーピングを行わないアンドープとする。また、カスケードレーザ領域のみに電圧を印加する。これにより、動作電圧を低減し、ＴＨｚ出力を増加させることができる。

【0133】

量子カスケードレーザ装置１８００において、クラッド層８の上にはコンタクト層１３が設けられる。グレーティング結合領域２２１および差周波導波路は、コンタクト層１３の上に設けられる。具体的には、コンタクト層１３の上には、層厚が１．０μｍであり、アンドープＧａＩｎＡｓで形成されたグレーティング結合領域２２１が設けられる。グレーティング結合領域２２１の上には、層厚がｄ_ｃ１ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ１Ｔ ^Ｔであり、アンドープのＩｎＰで形成されたクラッド層２２２が設けられる。クラッド層２２２の上には、層厚がｄ_ａ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ａＴ ^Ｔであり、アンドープＧａＩｎＡｓで形成されたコア層２２３が設けられる。コア層２２３の上には、層厚がｄ_ｃ２ ^Ｔ、差周波波長λ^Ｔにおける屈折率がｎ_ｃ２Ｔ ^Ｔであり、アンドープのＩｎＰで形成されたクラッド層２２４が設けられる。

【0134】

本実施の形態では、カスケードレーザ領域のリッジ幅Ｗ^Ｑと差周波導波路のリッジ幅Ｗ^Ｔが異なる。これに限らず、他の実施の形態と同様に、両者を同じ幅としても良い。

【0135】

電極１４は差周波導波路を避けてコンタクト層１３の上に設けられる。電圧は、電極１、基板２、クラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６、ガイド層７、クラッド層８、コンタクト層１３および電極１４にのみ印加される。つまり、グレーティング結合領域２２１、クラッド層２２２、コア層２２３およびクラッド層２２４に電圧は印加されない。従って、動作電圧の低減が図れる。

【0136】

また、グレーティング結合領域２２１、クラッド層２２２、コア層２２３およびクラッド層２２４は、意図的にドーピングを行わないアンドープ層である。このため、ＴＨｚ光に対する光吸収を減らすことができる。従って、ＴＨｚ光２４の出力を増加させることができる。

【0137】

次に、量子カスケードレーザ装置１８００の製造方法を説明する。図４２Ａ～図４２Ｊは、実施の形態１７に係る量子カスケードレーザ装置１８００の製造方法を説明する図である。まず図４２Ａに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、基板２上に、クラッド層３、ガイド層５、３５ステージ６およびガイド層７をこの順で結晶成長する。次に、図４２Ｂに示されるように、写真製版とエッチングにより、ガイド層７内に、周期がΛ_１ ^Ｑ、長さがＬ_１ ^Ｑ、幅がＷ_ｇ＞Ｗ^Ｑ、深さｄ_ｇ ^Ｑが０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍの回折格子１５を形成する。同様にガイド層７内に周期がΛ_２ ^Ｑ、長さがＬ_２ ^Ｑ、幅がＷ_ｇ＞Ｗ^Ｑ、深さｄ_ｇ ^Ｑが０＜ｄ_ｇ ^Ｑ≦２３０ｎｍの回折格子１６を形成する。

【0138】

次に、図４２Ｃに示されるように、ガイド層７上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層８を成長する。次に、図４２Ｄに示されるように、写真製版とエッチングにより、クラッド層３の途中までをエッチングで除去して、幅Ｗ^Ｑのリッジを形成する。次に、図４２Ｅに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、リッジの両側に電流ブロック層４を埋込成長する。

【0139】

次に、図４２Ｆに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、クラッド層８および電流ブロック層４上に、コンタクト層１３およびグレーティング結合領域２２１を結晶成長する。次に、図４２Ｇに示されるように、写真製版とエッチングにより、グレーティング結合領域２２１内に、周期がΛ^Ｔ、長さがＬ^Ｔ、幅がＷ_ｇ ^Ｔ＞Ｗ^Ｔ、深さｄ_ｇ ^Ｔが０＜ｄ_ｇ ^Ｔ≦１．０μｍの回折格子２２を形成する。

【0140】

次に、図４２Ｈに示されるように、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等で、グレーティング結合領域２２１上に、クラッド層２２２、コア層２２３、クラッド層２２４をこの順で結晶成長する。次に、図４２Ｉに示されるように、写真製版とエッチングにより、グレーティング結合領域２２１までをエッチング除去して、幅Ｗ^Ｔのリッジを形成し、コンタクト層１３を露出させる。次に、図４２Ｊに示されるように、基板２の裏面に電極１を形成し、コンタクト層１３の上に電極１４を形成する。

【0141】

なお、上述した差周波５．４０６ＴＨｚ（波長５５．４５μｍ）および７．５１３ＴＨｚ（波長３９．９０μｍ）の値は例示に過ぎず、各実施の形態は任意のＴＨｚ波に適用できる。

【0142】

各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

【符号の説明】

【0143】

１ 電極、２ 基板、３ クラッド層、４ 電流ブロック層、５ ガイド層、６ ３５ステージ、７ ガイド層、８ クラッド層、９ グレーティング結合領域、１０ クラッド層、１１ コア層、１２ クラッド層、１３ コンタクト層、１４ 電極、１５ 回折格子、１６ 回折格子、１７ ＱＣＬ導波モード、１８ ＱＣＬ導波モード、１９ ＴＨｚ光、２０ ＴＨｚ光、２１ ＴＨｚ導波モード、２２ 回折格子、２３ 出射端面、２４ ＴＨｚ光、２５ 後端面、２６ 絶縁膜、３１ バリア層、３２ ウエル層、３３ バリア層、３４ ウエル層、３５ バリア層、３６ ウエル層、３７ バリア層、３８ ウエル層、３９ バリア層、４０ ウエル層、４１ バリア層、４２ ウエル層、４３ バリア層、４４ ウエル層、４５ バリア層、４６ ウエル層、４７ バリア層、４８ 活性領域、４９ インジェクタ領域、５０ ステージ、５１ クラッド層、５２ クラッド層、６１ クラッド層、６２ クラッド層、７１ ガイド層、７２ クラッド層、７３ コア層、７４ クラッド層、７５ 回折格子、７６ 回折格子、７７ ＱＣＬ導波モード、７８ ＱＣＬ導波モード、７９ ＴＨｚ光、８０ ＴＨｚ光、８１ ＴＨｚ導波モード、８２ 回折格子、８３ ＴＨｚ光、９１ クラッド層、９２ グレーティング結合領域、９３ クラッド層、９４ 回折格子、１００ 量子カスケードレーザ装置、１０１ 回折格子、１０２ 高反射膜、２００ 量子カスケードレーザ装置、２０１ クラッド層、２０２ コア層、２０３ クラッド層、２０４ グレーティング結合領域、２０５ グレーティング結合領域、２０６ クラッド層、２０７ コア層、２０８ クラッド層、２０９ ＴＨｚ導波モード、２１０ ＴＨｚ導波モード、２１１ 回折格子、２１２ 回折格子、２１３ ＴＨｚ光、２１４ ＴＨｚ光、２２１ グレーティング結合領域、２２２ クラッド層、２２３ コア層、２２４ クラッド層、３００ 量子カスケードレーザ装置、４００ 量子カスケードレーザ装置、５００ 量子カスケードレーザ装置、６００ 量子カスケードレーザ装置、７００ 量子カスケードレーザ装置、８００ 量子カスケードレーザ装置、９００ 量子カスケードレーザ装置、１０００ 量子カスケードレーザ装置、１１００ 量子カスケードレーザ装置、１２００ 量子カスケードレーザ装置、１３００ 量子カスケードレーザ装置、１４００ 量子カスケードレーザ装置、１５００ 量子カスケードレーザ装置、１６００ 量子カスケードレーザ装置、１７００ 量子カスケードレーザ装置、１８００ 量子カスケードレーザ装置

【要約】

本開示に係る量子カスケードレーザ装置は、半導体基板と、半導体基板の上に積層したカスケードレーザ領域および差周波導波路と、グレーティング結合領域と、を備え、前記グレーティング結合領域は、前記カスケードレーザ領域から前記半導体基板の上面に対して傾いた方向に放射された光を前記差周波導波路の導波モードに結合させるように構成されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図7G】

【図7H】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図14E】

【図14F】

【図14G】

【図14H】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図21C】

【図21D】

【図21E】

【図21F】

【図21G】

【図21H】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28A】

【図28B】

【図28C】

【図28D】

【図28E】

【図28F】

【図28G】

【図28H】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42A】

【図42B】

【図42C】

【図42D】

【図42E】

【図42F】

【図42G】

【図42H】

【図42I】

【図42J】