JP2001320136A - 量子カスケードレーザー - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザー遷移そのものによって自己モード同
期が実現されるようなレーザーシステムを提供するこ
と。 【解決手段】 大きい非線型屈折率を有するサブバンド
間遷移を利用する量子カスケードレーザーが、中赤外光
のピコ秒パルスを生成する。ＱＣレーザーのカーレンズ
モード同期は、サブバンド内レーザー遷移に起因する屈
折率の非線型性によって実現される。ＱＣ自己収束機構
を損失変調に変換するために必要とされるキャビティ内
絞りは、以下のような性質を有するＱＣレーザー導波路
によって実現される：（１）半導体材料から比較的薄い
誘電体層によって隔てられた、光学的損失の大きい層、
（２）比較的長いレーザー導波路。ある実施例において
は、モード結合に用いられる前記損失の大きい層は金属
で形成されており、本発明に係るレーザーデバイスにお
ける電極の一方を構成するように配置される。
期が実現されるようなレーザーシステムを提供するこ
と。 【解決手段】 大きい非線型屈折率を有するサブバンド
間遷移を利用する量子カスケードレーザーが、中赤外光
のピコ秒パルスを生成する。ＱＣレーザーのカーレンズ
モード同期は、サブバンド内レーザー遷移に起因する屈
折率の非線型性によって実現される。ＱＣ自己収束機構
を損失変調に変換するために必要とされるキャビティ内
絞りは、以下のような性質を有するＱＣレーザー導波路
によって実現される：（１）半導体材料から比較的薄い
誘電体層によって隔てられた、光学的損失の大きい層、
（２）比較的長いレーザー導波路。ある実施例において
は、モード結合に用いられる前記損失の大きい層は金属
で形成されており、本発明に係るレーザーデバイスにお
ける電極の一方を構成するように配置される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は量子カスケードレー
ザーに関し、特に、中赤外波長範囲において自己モード
同期性を実現する量子カスケードレーザー構造に関す
る。
ザーに関し、特に、中赤外波長範囲において自己モード
同期性を実現する量子カスケードレーザー構造に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】過去数十年間、“超高速”レーザー源の
開発に大きな研究努力が払われてきている。ここで、
“超高速”レーザー源とは、数ピコ秒からフェムト秒の
範囲における持続時間を有する光パルスを生成すること
が可能なレーザー源を指し示している。このような超短
パルスは、種々の気体及び固体レーザー媒質を用いて生
成されてきた。このような超短パルス光源により、物理
学、化学及び生物学における無数の実験での時間分解能
が著しく改善されてきている。光通信においてより広い
帯域が必要とされていることは、超高速レーザー源の設
計及び開発に影響を与えたもう一つのファクターであ
る。超高速半導体レーザーは、そのコンパクトな大き
さ、高効率、低コスト及び（数百ＧＨｚに及ぶ）無比の
パルス繰り返しレートを考慮するとき、通信アプリケー
ションにおいて非常に重要である。
開発に大きな研究努力が払われてきている。ここで、
“超高速”レーザー源とは、数ピコ秒からフェムト秒の
範囲における持続時間を有する光パルスを生成すること
が可能なレーザー源を指し示している。このような超短
パルスは、種々の気体及び固体レーザー媒質を用いて生
成されてきた。このような超短パルス光源により、物理
学、化学及び生物学における無数の実験での時間分解能
が著しく改善されてきている。光通信においてより広い
帯域が必要とされていることは、超高速レーザー源の設
計及び開発に影響を与えたもう一つのファクターであ
る。超高速半導体レーザーは、そのコンパクトな大き
さ、高効率、低コスト及び（数百ＧＨｚに及ぶ）無比の
パルス繰り返しレートを考慮するとき、通信アプリケー
ションにおいて非常に重要である。
【０００３】超短レーザーパルスの生成に係る最も一般
に用いられるアプローチは、モードロック技法である。
一般的には、モードロックは、キャビティ（共振器）の
ラウンドトリップ時間に等しい基本周期によるレーザー
利得の周期的変調に起因する。このような状況下では、
最大利得は、ラウンドトリップ時間だけ時間的に離れ
て、変調と適切に同期がなされたパルス列より構成され
るレーザービームが受けることになる。このような特性
を有する光波形は、レーザーキャビティの複数個の縦モ
ードのコヒーレントな加算を通じて設定され、このよう
な場合にはモードが互いにフェーズロックされている。
この種のデバイスの特性は、しばしば周波数軸上（周波
数ドメイン）で記述される。このような記述では、レー
ザーがキャビティラウンドトリップ周波数（すなわち、
隣接モード間の周波数間隔）で変調されると、隣接モー
ドの変調側波帯によって複数個のモードがしきい値以上
に駆動され、このことによって、パルスレーザー放射に
必要とされるフェーズロックが自動的に設定される。
に用いられるアプローチは、モードロック技法である。
一般的には、モードロックは、キャビティ（共振器）の
ラウンドトリップ時間に等しい基本周期によるレーザー
利得の周期的変調に起因する。このような状況下では、
最大利得は、ラウンドトリップ時間だけ時間的に離れ
て、変調と適切に同期がなされたパルス列より構成され
るレーザービームが受けることになる。このような特性
を有する光波形は、レーザーキャビティの複数個の縦モ
ードのコヒーレントな加算を通じて設定され、このよう
な場合にはモードが互いにフェーズロックされている。
この種のデバイスの特性は、しばしば周波数軸上（周波
数ドメイン）で記述される。このような記述では、レー
ザーがキャビティラウンドトリップ周波数（すなわち、
隣接モード間の周波数間隔）で変調されると、隣接モー
ドの変調側波帯によって複数個のモードがしきい値以上
に駆動され、このことによって、パルスレーザー放射に
必要とされるフェーズロックが自動的に設定される。
【０００４】一般に、モードロックを実現させるための
変調は、外部源によって生成される（“能動”モードロ
ックと規定されている）か、あるいはある種のキャビテ
ィ内光非線型性を通じてレーザーパルスそれ自体によっ
て生成される（“受動”あるいは“自己“モードロック
と規定されている）かのいずれかである。通常、最も短
いパルス持続時間及び最大の繰り返しレートは、自己モ
ードロック（ＳＭＬ）によって実現され、これまでにい
くつかのＳＭＬ技法が例示されてきている。各々の場合
において、光強度の増大と共に損失を低減させる非線型
機構が必要とされる。この種の配置の一例は、キャビテ
ィ内可飽和吸収体、すなわち、レーザー波長におけるそ
の不透明度が強度を増大させるに連れて減少する吸収体
である。あるいは、非線型ミラーもしくは（より高い強
度レベルにおいてより高い反射率を有する）非線型結合
キャビティが用いられる。別の有効な機構は、Ｔｉ（チ
タン）：サファイアレーザーに関連して発見されたもの
であるが、自己収束効果すなわちカー（Ｋｅｒｒ）レン
ズ効果であり、これには正の非線型屈折率を有するキャ
ビティ内媒質が必要とされる。正の非線型屈折率を有す
るこの種の媒質においては、ビームの横断面プロファイ
ルにおける中心の部分（強度がより高い部分）がより大
きな屈折率を感じ、それゆえ、その伝播が周辺部と比較
して減速される。よって、この非線型媒質が、光強度に
比例してビームの直径を小さくする正レンズとして機能
する。従って、この効果は、単にキャビティ内にスリッ
トあるいは絞りを用いることによって、可飽和損失機構
に変換することが可能である。
変調は、外部源によって生成される（“能動”モードロ
ックと規定されている）か、あるいはある種のキャビテ
ィ内光非線型性を通じてレーザーパルスそれ自体によっ
て生成される（“受動”あるいは“自己“モードロック
と規定されている）かのいずれかである。通常、最も短
いパルス持続時間及び最大の繰り返しレートは、自己モ
ードロック（ＳＭＬ）によって実現され、これまでにい
くつかのＳＭＬ技法が例示されてきている。各々の場合
において、光強度の増大と共に損失を低減させる非線型
機構が必要とされる。この種の配置の一例は、キャビテ
ィ内可飽和吸収体、すなわち、レーザー波長におけるそ
の不透明度が強度を増大させるに連れて減少する吸収体
である。あるいは、非線型ミラーもしくは（より高い強
度レベルにおいてより高い反射率を有する）非線型結合
キャビティが用いられる。別の有効な機構は、Ｔｉ（チ
タン）：サファイアレーザーに関連して発見されたもの
であるが、自己収束効果すなわちカー（Ｋｅｒｒ）レン
ズ効果であり、これには正の非線型屈折率を有するキャ
ビティ内媒質が必要とされる。正の非線型屈折率を有す
るこの種の媒質においては、ビームの横断面プロファイ
ルにおける中心の部分（強度がより高い部分）がより大
きな屈折率を感じ、それゆえ、その伝播が周辺部と比較
して減速される。よって、この非線型媒質が、光強度に
比例してビームの直径を小さくする正レンズとして機能
する。従って、この効果は、単にキャビティ内にスリッ
トあるいは絞りを用いることによって、可飽和損失機構
に変換することが可能である。
【０００５】損失が飽和状態から“超高速”時間スケー
ル、特に、キャビティのラウンドトリップ時間よりも遙
かに高速に回復する、ということが、非線型機構の性質
に依存せずに本質的である。言い換えれば、各パルスが
通過した後、損失は、連続したパルス間における光放射
を防止するために、次のパルスが到達する前にその定常
状態値（比較的高い値）に迅速に復帰しなければならな
い。ＳＭＬ非線型性の緩和寿命は、その結果得られる光
パルス幅を制限する働きもある。このような理由から、
過去の技術に係る自己モードロックの例示は、キャビテ
ィ内に負荷された外部媒質あるいはレーザーホスト媒質
内の非共鳴遷移のいずれかによって実現される超高速非
線型性に依拠している。
ル、特に、キャビティのラウンドトリップ時間よりも遙
かに高速に回復する、ということが、非線型機構の性質
に依存せずに本質的である。言い換えれば、各パルスが
通過した後、損失は、連続したパルス間における光放射
を防止するために、次のパルスが到達する前にその定常
状態値（比較的高い値）に迅速に復帰しなければならな
い。ＳＭＬ非線型性の緩和寿命は、その結果得られる光
パルス幅を制限する働きもある。このような理由から、
過去の技術に係る自己モードロックの例示は、キャビテ
ィ内に負荷された外部媒質あるいはレーザーホスト媒質
内の非共鳴遷移のいずれかによって実現される超高速非
線型性に依拠している。
【０００６】原理的には、“固有の”非線型屈折率は、
あらゆるレーザー媒体に存在し、それらは、レーザー遷
移によって実現されているもの及びクラマース・クロー
ニッヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）変換を介して
利得係数と関連しているものである。これは共鳴非線型
性であり、よって、本質的に大きい。それゆえ、適切な
キャビティ配置（例えば、カップルド・キャビティシス
テム、あるいはキャビティ内絞りなど）と組み合わせる
ことにより、充分に大きな固有非線型屈折率を有するレ
ーザー媒体が、自己モード同期レーザーを実現するため
に使用されうる、ということが期待される。しかしなが
ら、このような非線型性はレーザー遷移に係る実際の分
布移行に関連しているため、その動的応答は上部レーザ
ー状態の寿命によって制限される。今日までに開発され
てきたモード同期レーザーでは、この寿命がキャビティ
ラウンドトリップ時間よりもはるかに遅い（あるいは同
程度）であり、それゆえ、ＳＭＬに係る前述された要求
を満たし得ない。
あらゆるレーザー媒体に存在し、それらは、レーザー遷
移によって実現されているもの及びクラマース・クロー
ニッヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）変換を介して
利得係数と関連しているものである。これは共鳴非線型
性であり、よって、本質的に大きい。それゆえ、適切な
キャビティ配置（例えば、カップルド・キャビティシス
テム、あるいはキャビティ内絞りなど）と組み合わせる
ことにより、充分に大きな固有非線型屈折率を有するレ
ーザー媒体が、自己モード同期レーザーを実現するため
に使用されうる、ということが期待される。しかしなが
ら、このような非線型性はレーザー遷移に係る実際の分
布移行に関連しているため、その動的応答は上部レーザ
ー状態の寿命によって制限される。今日までに開発され
てきたモード同期レーザーでは、この寿命がキャビティ
ラウンドトリップ時間よりもはるかに遅い（あるいは同
程度）であり、それゆえ、ＳＭＬに係る前述された要求
を満たし得ない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】それゆえ、一般に、従
来技術に係るモード同期レーザーは、“外的な”構造に
のみ限定されており、モード同期機能を実現する目的で
外部から追加された非線型性、すなわち損失“ディスク
リメータ（弁別器）”、の使用を必要としている。単一
あるいは複数個の外部コンポーネントの利用は、モード
同期レーザーシステムの費用及び複雑さの双方を増大さ
せる。
来技術に係るモード同期レーザーは、“外的な”構造に
のみ限定されており、モード同期機能を実現する目的で
外部から追加された非線型性、すなわち損失“ディスク
リメータ（弁別器）”、の使用を必要としている。単一
あるいは複数個の外部コンポーネントの利用は、モード
同期レーザーシステムの費用及び複雑さの双方を増大さ
せる。
【０００８】よって、当該技術分野においては、自己開
始／自己保持モード同期半導体レーザー配置、すなわ
ち、レーザー遷移そのものがモード同期機構の非線型コ
ンポーネントを実現するようなレーザーシステム、に係
る要求が残存している。
始／自己保持モード同期半導体レーザー配置、すなわ
ち、レーザー遷移そのものがモード同期機構の非線型コ
ンポーネントを実現するようなレーザーシステム、に係
る要求が残存している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】従来技術に残存する要求
は、本発明によって取り扱われる。本発明は、モード同
期レーザーに関し、特に、中赤外波長範囲において自己
モード同期性を実現することが可能な量子カスケードレ
ーザー構造に関する。
は、本発明によって取り扱われる。本発明は、モード同
期レーザーに関し、特に、中赤外波長範囲において自己
モード同期性を実現することが可能な量子カスケードレ
ーザー構造に関する。
【００１０】本発明に従って、（その非常に大きな双極
子能率による）大きい非線型屈折率を有するサブバンド
間遷移によって特徴付けられた量子カスケードレーザー
が、中赤外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられ
る。詳細に述べれば、ＱＣレーザーのカーレンズモード
同期が、サブバンド内レーザー遷移に起因する屈折率の
非線型性によって実現される。
子能率による）大きい非線型屈折率を有するサブバンド
間遷移によって特徴付けられた量子カスケードレーザー
が、中赤外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられ
る。詳細に述べれば、ＱＣレーザーのカーレンズモード
同期が、サブバンド内レーザー遷移に起因する屈折率の
非線型性によって実現される。
【００１１】ＱＣ自己収束機構を損失変調に変換するた
めに必要とされるキャビティ内絞りは、以下のような性
質によって特徴付けられるＱＣレーザー導波路によって
実現される： （１）半導体材料から比較的薄い誘電体
層によって隔てられた、（例えば金属などの）光学的に
非常に損失の大きい（すなわち吸収する）層；このた
め、この層が、活性領域内で生成された光波を“見る”
（すなわち光学的に相互作用する）ことになる；及び、
（２）比較的長いレーザー導波路（そのため、伝播損失
が例えば鏡面損失などの他の損失より大きい）。ある実
施例においては、モード結合に用いられる前記損失の大
きい層は金属で形成されており、本発明に係るレーザー
デバイスにおける電気的コンタクト（電極）の一方を構
成するように配置されている。
めに必要とされるキャビティ内絞りは、以下のような性
質によって特徴付けられるＱＣレーザー導波路によって
実現される： （１）半導体材料から比較的薄い誘電体
層によって隔てられた、（例えば金属などの）光学的に
非常に損失の大きい（すなわち吸収する）層；このた
め、この層が、活性領域内で生成された光波を“見る”
（すなわち光学的に相互作用する）ことになる；及び、
（２）比較的長いレーザー導波路（そのため、伝播損失
が例えば鏡面損失などの他の損失より大きい）。ある実
施例においては、モード結合に用いられる前記損失の大
きい層は金属で形成されており、本発明に係るレーザー
デバイスにおける電気的コンタクト（電極）の一方を構
成するように配置されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】自己モードロック（ＳＭＬ）可能
なＱＣレーザー例１０の等角図が図１に示されている。
ＱＣレーザー１０は、上部クラッド層１６及び下部クラ
ッド層１２の間に挟まれた活性領域１４を有している。
少なくとも上部クラッド層１６及び活性領域１４は、リ
ッジ導波路レーザー構造において代表的な細長いメサ構
造を有している。電気的絶縁層１８（例えば、シリコン
窒化膜あるいはシリコン酸化膜）がデバイス頂部に構成
されており、前記メサ構造の頂部の一部を露出する開口
を形成するようにパターニングされている。頂部金属コ
ンタクト（電極）２０が、絶縁層１８及び上部クラッド
層１６の露出された部分を覆うように形成されている。
第二電極２２は、基板１１の底面に形成されている。基
板１１それ自体は単結晶の半導体主体あるいはこのよう
な主体と他の層（例えば、当該主体の頂部表面上に成長
させられたエピタキシャル層）との組み合わせである。
具体的には、この種の層は、III−Ｖ族化合物半導体、
例えばＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓなどのＩｎベース
のIII−Ｖ族半導体から構成される。このような構造で
は、レーザービームは、主として、活性領域１４を直接
に取り囲むクラッド領域１２、１６によって閉じ込めら
れる。特に、クラッド領域１２、１６において、高い屈
折率を有する第一層（例えば、低不純物濃度のＩｎＧａ
Ａｓ）を活性領域１４に隣接させ、その外側に低い屈折
率を有する第二材料層（例えばＩｎＡｌＡｓあるいはＩ
ｎＰ）を配置するようにクラッド領域１２、１６を形成
することによって、ビームの強い閉じ込めが実現されう
る。結果として、閉じ込めは、利得媒体の屈折率にはあ
まり依存せず、結果として、この方向での著しい自己収
束は期待されない。
なＱＣレーザー例１０の等角図が図１に示されている。
ＱＣレーザー１０は、上部クラッド層１６及び下部クラ
ッド層１２の間に挟まれた活性領域１４を有している。
少なくとも上部クラッド層１６及び活性領域１４は、リ
ッジ導波路レーザー構造において代表的な細長いメサ構
造を有している。電気的絶縁層１８（例えば、シリコン
窒化膜あるいはシリコン酸化膜）がデバイス頂部に構成
されており、前記メサ構造の頂部の一部を露出する開口
を形成するようにパターニングされている。頂部金属コ
ンタクト（電極）２０が、絶縁層１８及び上部クラッド
層１６の露出された部分を覆うように形成されている。
第二電極２２は、基板１１の底面に形成されている。基
板１１それ自体は単結晶の半導体主体あるいはこのよう
な主体と他の層（例えば、当該主体の頂部表面上に成長
させられたエピタキシャル層）との組み合わせである。
具体的には、この種の層は、III−Ｖ族化合物半導体、
例えばＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓなどのＩｎベース
のIII−Ｖ族半導体から構成される。このような構造で
は、レーザービームは、主として、活性領域１４を直接
に取り囲むクラッド領域１２、１６によって閉じ込めら
れる。特に、クラッド領域１２、１６において、高い屈
折率を有する第一層（例えば、低不純物濃度のＩｎＧａ
Ａｓ）を活性領域１４に隣接させ、その外側に低い屈折
率を有する第二材料層（例えばＩｎＡｌＡｓあるいはＩ
ｎＰ）を配置するようにクラッド領域１２、１６を形成
することによって、ビームの強い閉じ込めが実現されう
る。結果として、閉じ込めは、利得媒体の屈折率にはあ
まり依存せず、結果として、この方向での著しい自己収
束は期待されない。
【００１３】本発明に従って、ＱＣレーザーにおいて自
己収束を実現するためには、二つの条件が必要とされ
る。第一に、絶縁層１８は比較的薄くなければならない
（すなわち、以下ｔで示される厚さが０．５μｍ未
満）。この比較的薄い層は、活性領域１４内の光波が金
属層２０を“見る”（すなわち、光学的に相互作用す
る）ために要求されるものであり、結果として、金属層
とのモード結合が実現される。しかしながら、絶縁層１
８は、金属層２０と活性領域１４との間に直接の電気的
経路が形成されることを許容してしまうほどには薄くて
はいけない（すなわち、絶縁層１８は、このデバイスに
おける電気的短絡の形成を防止するのに充分な厚さを有
する必要がある）。第二に、図１において“Ｌ”で示さ
れている導波路リッジの長さが比較的長く（例えば、Ｌ
≧３．５ｍｍ）、伝播損失が鏡面損失よりも大きい必要
がある。以下に詳細に議論されるように、これら二つの
特性の組み合わせがＱＣレーザーにおける自己モードロ
ックにつながることが見出されている。
己収束を実現するためには、二つの条件が必要とされ
る。第一に、絶縁層１８は比較的薄くなければならない
（すなわち、以下ｔで示される厚さが０．５μｍ未
満）。この比較的薄い層は、活性領域１４内の光波が金
属層２０を“見る”（すなわち、光学的に相互作用す
る）ために要求されるものであり、結果として、金属層
とのモード結合が実現される。しかしながら、絶縁層１
８は、金属層２０と活性領域１４との間に直接の電気的
経路が形成されることを許容してしまうほどには薄くて
はいけない（すなわち、絶縁層１８は、このデバイスに
おける電気的短絡の形成を防止するのに充分な厚さを有
する必要がある）。第二に、図１において“Ｌ”で示さ
れている導波路リッジの長さが比較的長く（例えば、Ｌ
≧３．５ｍｍ）、伝播損失が鏡面損失よりも大きい必要
がある。以下に詳細に議論されるように、これら二つの
特性の組み合わせがＱＣレーザーにおける自己モードロ
ックにつながることが見出されている。
【００１４】本発明の別の実施例３０が図２に示されて
おり、この配置においては、別個の頂部電極３２及び光
学的に損失の大きい側壁層３４、３６が用いられてい
る。側壁層３４、３６は、図示されているように、薄い
絶縁層１８のうちの活性領域１４を取り囲む部分を覆う
ように配置されている。頂部電極３２は、絶縁層１８に
形成された開口部に配置されており、上部クラッド層１
６への直接電極として機能する。一般に、これらの層は
相異なった機能を実現するため、それぞれが相異なった
厚さ、さらには相異なった組成を有している。本発明の
目的に関しては、問題となる層は側壁層３４、３６であ
り、これらは、活性領域１４内の光波に対するモード結
合を実現することが必要とされる。図１に示された配置
の場合と同様、絶縁層１８の厚さｔは、モード結合が実
現されるように良好に制御されていなければならず、さ
らに、導波路の長さは自己モード同期が起こることを保
証するために充分なものでなければならない。光学的損
失の大きい側壁層がそれ自体電気的に絶縁層である場合
には、個別の絶縁層１８は必要とされず、その絶縁層１
８が果たすべき機能が当該側壁層に直接組み込まれるこ
とに留意されたい。
おり、この配置においては、別個の頂部電極３２及び光
学的に損失の大きい側壁層３４、３６が用いられてい
る。側壁層３４、３６は、図示されているように、薄い
絶縁層１８のうちの活性領域１４を取り囲む部分を覆う
ように配置されている。頂部電極３２は、絶縁層１８に
形成された開口部に配置されており、上部クラッド層１
６への直接電極として機能する。一般に、これらの層は
相異なった機能を実現するため、それぞれが相異なった
厚さ、さらには相異なった組成を有している。本発明の
目的に関しては、問題となる層は側壁層３４、３６であ
り、これらは、活性領域１４内の光波に対するモード結
合を実現することが必要とされる。図１に示された配置
の場合と同様、絶縁層１８の厚さｔは、モード結合が実
現されるように良好に制御されていなければならず、さ
らに、導波路の長さは自己モード同期が起こることを保
証するために充分なものでなければならない。光学的損
失の大きい側壁層がそれ自体電気的に絶縁層である場合
には、個別の絶縁層１８は必要とされず、その絶縁層１
８が果たすべき機能が当該側壁層に直接組み込まれるこ
とに留意されたい。
【００１５】ある配置においては、光学的損失の大きい
側壁層３４、３６が（例えば金などの）金属層より構成
され、さらに、同一の材料が頂部電極３２として側壁上
に同一の処理段階で退席される場合がある。しかしなが
ら、一般に、光学的損失の大きい側壁層３４、３６は、
適切な材料であれば（すなわち、損失が大きいあるいは
吸収する材料）どのようなものから構成されても良い。
すなわち、水平方向において充分なモード結合及び導波
路内に閉じ込められた光に対して損失を実現することが
可能なあらゆる材料である。例えば、いくつかのポリマ
ー材料（ポリイミドなど）は、中赤外波長範囲において
強い共鳴吸収を示すことが一般に知られている。
側壁層３４、３６が（例えば金などの）金属層より構成
され、さらに、同一の材料が頂部電極３２として側壁上
に同一の処理段階で退席される場合がある。しかしなが
ら、一般に、光学的損失の大きい側壁層３４、３６は、
適切な材料であれば（すなわち、損失が大きいあるいは
吸収する材料）どのようなものから構成されても良い。
すなわち、水平方向において充分なモード結合及び導波
路内に閉じ込められた光に対して損失を実現することが
可能なあらゆる材料である。例えば、いくつかのポリマ
ー材料（ポリイミドなど）は、中赤外波長範囲において
強い共鳴吸収を示すことが一般に知られている。
【００１６】同業者には公知であるが、ＱＣレーザー
は、（図３において“活性領域”として示されている）
放射遷移領域よりなる反復ユニットを複数個（通常、２
５から３０の間の個数）、及び、図３に示されているよ
うに、カスケード配置になるように連続的に積層された
インジェクタ（注入）領域を有していて、全体として活
性領域１４を構成している。多くの場合には、レーザー
材料は、低不純物濃度ＩｎＰ基板（すなわち基板１１）
に対して格子定数をマッチングさせたＩｎＧａＡｓ／Ａ
ｌＩｎＡｓ材料系を用いて分子ビームエピタキシー法に
よって成長させられる。その後、ウェット化学エッチン
グによる処理がなされ、図１及び図２に示されたメサ構
造が形成される。よく知られているように、ＱＣレーザ
ー動作は、サブバンド間電子遷移、すなわち、結合量子
井戸における量子化された伝導帯状態間の遷移、に基づ
いている。これらの遷移の特徴は、通常数ピコ秒という
超高速緩和時間であり、この時間は他の全てのレーザー
システムにおけるものよりも少なくとも二桁は高速であ
る。従来技術に係るＱＣレーザー活性領域（すなわち、
放射遷移領域）の電子バンド構造が図３に示されてい
る。本質的には、これは３レベルシステムを構成してお
り、ヘテロ構造よりなる薄い障壁を介したトンネリング
によってキャリアが上部状態（図３においては“３”と
いうラベルが付されている）に注入され、ＬＯフォノン
介在散乱によって下部レーザー状態（“２”というラベ
ルが付されている）から引き抜かれる。本発明に関連し
た重要な特徴は、フォノン放射が上部状態３の分布数を
減少させることに関しても極めて効果的であり、その結
果として、ピコ秒台のキャリア寿命が実現されることで
ある（これは、数十ピコ秒という、ＱＣレーザーにおけ
る通常のラウンドトリップ時間よりも遙かに短い）。
は、（図３において“活性領域”として示されている）
放射遷移領域よりなる反復ユニットを複数個（通常、２
５から３０の間の個数）、及び、図３に示されているよ
うに、カスケード配置になるように連続的に積層された
インジェクタ（注入）領域を有していて、全体として活
性領域１４を構成している。多くの場合には、レーザー
材料は、低不純物濃度ＩｎＰ基板（すなわち基板１１）
に対して格子定数をマッチングさせたＩｎＧａＡｓ／Ａ
ｌＩｎＡｓ材料系を用いて分子ビームエピタキシー法に
よって成長させられる。その後、ウェット化学エッチン
グによる処理がなされ、図１及び図２に示されたメサ構
造が形成される。よく知られているように、ＱＣレーザ
ー動作は、サブバンド間電子遷移、すなわち、結合量子
井戸における量子化された伝導帯状態間の遷移、に基づ
いている。これらの遷移の特徴は、通常数ピコ秒という
超高速緩和時間であり、この時間は他の全てのレーザー
システムにおけるものよりも少なくとも二桁は高速であ
る。従来技術に係るＱＣレーザー活性領域（すなわち、
放射遷移領域）の電子バンド構造が図３に示されてい
る。本質的には、これは３レベルシステムを構成してお
り、ヘテロ構造よりなる薄い障壁を介したトンネリング
によってキャリアが上部状態（図３においては“３”と
いうラベルが付されている）に注入され、ＬＯフォノン
介在散乱によって下部レーザー状態（“２”というラベ
ルが付されている）から引き抜かれる。本発明に関連し
た重要な特徴は、フォノン放射が上部状態３の分布数を
減少させることに関しても極めて効果的であり、その結
果として、ピコ秒台のキャリア寿命が実現されることで
ある（これは、数十ピコ秒という、ＱＣレーザーにおけ
る通常のラウンドトリップ時間よりも遙かに短い）。
【００１７】さらに、サブバンド間遷移は、その極めて
大きい双極子モーメントによる巨大非線型屈折率によっ
て特徴付けられる。本発明に従って、この遷移が、中赤
外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられる。詳細
に述べれば、サブバンド間レーザー遷移に係る非線型屈
折率によって、ＱＣレーザーのカーレンズモード同期が
実現される。自己収束機構を損失変調に変換するために
必要とされるキャビティ内絞りは、前述された条件、す
なわち、強い吸収を有する（すなわち、光学的に非常に
損失の多い）材料によって重畳された比較的薄い誘電体
層及び長い導波路領域の使用の下でＱＣレーザー導波路
によって実現される。この種のＱＣ自己モード同期レー
ザーのアプリケーションには中赤外波長範囲における時
間分解スペクトロスコピー（時間分解分光）が含まれ、
その波長範囲には多くの種類の化学及び生物学的物質が
それらの分子振動に関連した個々に特徴的な吸収スペク
トル形状を有している。本発明に係るＳＭＬ ＱＣレー
ザーは、中赤外光の大気損失の低さを利用した高速自由
空間通信システムにおける使用にも適している。
大きい双極子モーメントによる巨大非線型屈折率によっ
て特徴付けられる。本発明に従って、この遷移が、中赤
外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられる。詳細
に述べれば、サブバンド間レーザー遷移に係る非線型屈
折率によって、ＱＣレーザーのカーレンズモード同期が
実現される。自己収束機構を損失変調に変換するために
必要とされるキャビティ内絞りは、前述された条件、す
なわち、強い吸収を有する（すなわち、光学的に非常に
損失の多い）材料によって重畳された比較的薄い誘電体
層及び長い導波路領域の使用の下でＱＣレーザー導波路
によって実現される。この種のＱＣ自己モード同期レー
ザーのアプリケーションには中赤外波長範囲における時
間分解スペクトロスコピー（時間分解分光）が含まれ、
その波長範囲には多くの種類の化学及び生物学的物質が
それらの分子振動に関連した個々に特徴的な吸収スペク
トル形状を有している。本発明に係るＳＭＬ ＱＣレー
ザーは、中赤外光の大気損失の低さを利用した高速自由
空間通信システムにおける使用にも適している。
【００１８】図４は、図１及び図２に示されたＱＣレー
ザー例の基本モードの横方向屈折率プロファイル及び結
果として得られた強度分布の双方を示している。前述さ
れているように、横方向には自己収束は起こらない。な
ぜなら、モードは活性材料を取り囲むクラッド層（すな
わち、図４において最も屈折率の高い層）によって主に
閉じ込められており、そこには強い非線型性が存在しな
いからである。図５は、同一のデバイスの水平方向（す
なわち、活性層に平行な方向）における屈折率プロファ
イルと結果として得られる強度分布を示している。図示
されているように、水平方向においては、活性領域の強
い非線型屈折率の結果として、自己収束が起こってい
る。すなわち、強度が増加すると（つまり、破線から実
線のように変化すると）、導波路の中央部分の屈折率
（図５においては“Ｃ”で示されている）が増加し、従
って、ビームがより強く閉じ込められる。水平方向で
は、光の導波は、主として、半導体材料複合層（すなわ
ち、領域１２、１４、１６）の実効屈折率と重畳されて
いる誘電体層及び光学的損失の大きい層の複素屈折率と
の差異に起因する。半導体材料複合層は利得媒体それ自
体（活性領域１４）からの大きな寄与を有しており、従
って高い非線型性を有する。従って、図５に示されてい
るように、光強度の増大により、カー効果を介したレー
ザービームの収束が引き起こされる。光強度の増大は利
得領域との重なりを増大させ、かつ、外部の損失の大き
い吸収（例えば金属）層との重なりを減少させて、自己
モードロックに必要とされる可飽和損失機構を実現す
る。
ザー例の基本モードの横方向屈折率プロファイル及び結
果として得られた強度分布の双方を示している。前述さ
れているように、横方向には自己収束は起こらない。な
ぜなら、モードは活性材料を取り囲むクラッド層（すな
わち、図４において最も屈折率の高い層）によって主に
閉じ込められており、そこには強い非線型性が存在しな
いからである。図５は、同一のデバイスの水平方向（す
なわち、活性層に平行な方向）における屈折率プロファ
イルと結果として得られる強度分布を示している。図示
されているように、水平方向においては、活性領域の強
い非線型屈折率の結果として、自己収束が起こってい
る。すなわち、強度が増加すると（つまり、破線から実
線のように変化すると）、導波路の中央部分の屈折率
（図５においては“Ｃ”で示されている）が増加し、従
って、ビームがより強く閉じ込められる。水平方向で
は、光の導波は、主として、半導体材料複合層（すなわ
ち、領域１２、１４、１６）の実効屈折率と重畳されて
いる誘電体層及び光学的損失の大きい層の複素屈折率と
の差異に起因する。半導体材料複合層は利得媒体それ自
体（活性領域１４）からの大きな寄与を有しており、従
って高い非線型性を有する。従って、図５に示されてい
るように、光強度の増大により、カー効果を介したレー
ザービームの収束が引き起こされる。光強度の増大は利
得領域との重なりを増大させ、かつ、外部の損失の大き
い吸収（例えば金属）層との重なりを減少させて、自己
モードロックに必要とされる可飽和損失機構を実現す
る。
【００１９】前述されているように、本発明に係るＱＣ
レーザーにおいて自己モードロックを実現するために
は、この非線型性の寄与がＱＣデバイスにおける全体と
してのキャビティ損失のうちの主たる部分である必要が
ある。従って、半導体材料と金属側壁層との間に比較的
薄い（すなわち、＜０．５μｍ）誘電体層を用いること
により、金属への充分なモード結合が実現されることが
保証される。金は、この目的に用いられる金属の一例で
ある。このような損失が鏡面損失よりも大きいことを可
能にするために、比較的長い（例えば、Ｌ＞３．５ｍ
ｍ）キャビティも必要とされる。
レーザーにおいて自己モードロックを実現するために
は、この非線型性の寄与がＱＣデバイスにおける全体と
してのキャビティ損失のうちの主たる部分である必要が
ある。従って、半導体材料と金属側壁層との間に比較的
薄い（すなわち、＜０．５μｍ）誘電体層を用いること
により、金属への充分なモード結合が実現されることが
保証される。金は、この目的に用いられる金属の一例で
ある。このような損失が鏡面損失よりも大きいことを可
能にするために、比較的長い（例えば、Ｌ＞３．５ｍ
ｍ）キャビティも必要とされる。
【００２０】本発明に従って形成されたＱＣレーザーに
おける自己モード同期の実験的証拠が、図６及び図７に
示された実験において示されている。詳細に述べれば、
５あるいは８μｍ（二つの大気ウィンドウを表わすもの
として選択された波長であり、例示目的のみと見なされ
るべきである）での放射を行なう複数個のＱＣレーザー
が、そのＳＭＬ機能を調べる目的で作成された。これら
のデバイスは、カスケード配置を構成するように積層さ
れた、活性領域１４を構成する比較的多い数（２５−３
０）の放射遷移領域を有している。レーザー材料は、分
子ビームエピタキシを用いてＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡ
ｓ材料系で成長させられ、低不純物濃度ＩｎＰ基板に対
して格子定数が一致するようになっている。その後、レ
ーザー材料は、ウェット化学エッチングによって、前述
されたような細長い導波路構造に処理された。そのの
ち、個々のレーザーに対してワイヤーボンディングがな
され、銅のヒートシンクに半田付けされて、ヘリウム流
を利用したクライオスタットの温度制御コールドフィン
ガーにマウントされた。これらのデバイスからの光出力
は、液体窒素デュワービン内にマウントされた高速（公
称帯域１２ＧＨｚ）量子井戸赤外検出器（ＱＷＩＰ）を
用いて検出された。光スペクトル測定は、フーリエ変換
赤外スペクトルメータ（ＦＴＩＲ）を用いて実行され
た。
おける自己モード同期の実験的証拠が、図６及び図７に
示された実験において示されている。詳細に述べれば、
５あるいは８μｍ（二つの大気ウィンドウを表わすもの
として選択された波長であり、例示目的のみと見なされ
るべきである）での放射を行なう複数個のＱＣレーザー
が、そのＳＭＬ機能を調べる目的で作成された。これら
のデバイスは、カスケード配置を構成するように積層さ
れた、活性領域１４を構成する比較的多い数（２５−３
０）の放射遷移領域を有している。レーザー材料は、分
子ビームエピタキシを用いてＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡ
ｓ材料系で成長させられ、低不純物濃度ＩｎＰ基板に対
して格子定数が一致するようになっている。その後、レ
ーザー材料は、ウェット化学エッチングによって、前述
されたような細長い導波路構造に処理された。そのの
ち、個々のレーザーに対してワイヤーボンディングがな
され、銅のヒートシンクに半田付けされて、ヘリウム流
を利用したクライオスタットの温度制御コールドフィン
ガーにマウントされた。これらのデバイスからの光出力
は、液体窒素デュワービン内にマウントされた高速（公
称帯域１２ＧＨｚ）量子井戸赤外検出器（ＱＷＩＰ）を
用いて検出された。光スペクトル測定は、フーリエ変換
赤外スペクトルメータ（ＦＴＩＲ）を用いて実行され
た。
【００２１】テストされたレーザーの各々に対して、滑
らかな多重ピーク包絡線によって特徴付けられる、極め
て広い（＞１ＴＨｚ）マルチモードスペクトルをそれぞ
れのレーザーが放射するＤＣバイアス範囲が存在する。
この範囲外では、当該デバイスは、単一モード連続発振
を行なう。図６に示されているのは、ヒートシンク温度
を８０Ｋに保った長さ８μｍのＱＣレーザーに関する一
連のスペクトルである。これらの多モードスペクトルに
おける位相ロック特性は、ＱＷＩＰを用いてレーザー出
力を検出し、その結果得られた光電流をスペクトルアナ
ライザに表示させることによって確認された。詳細に述
べれば、（図６に示されているように）レーザーのラウ
ンドトリップ時間（あるデバイスにおいては１３ＧＨ
ｚ）に中心を有するブロードなスペクトルが観察され
た。この特徴は、光スペクトルにおける隣接モード間相
互のうなりに起因するものであり、非常に安定している
ことが見出された。このことは、各モードの相対位相の
ランダムなドリフトが無視できるものであることを意味
しており、モード同期レーザーにおいて期待されるもの
である。その広いスペクトル幅（１５０ＭＨｚ以上）
は、その光帯域に亘る屈折率、すなわちモード間隔の変
化による。同様の特徴は、高速バイアス“ティー”を用
いて測定されたＱＣレーザー電流のＲＦスペクトルにお
いても観察され、レーザー利得が実効的に変調されてい
ることを示している。
らかな多重ピーク包絡線によって特徴付けられる、極め
て広い（＞１ＴＨｚ）マルチモードスペクトルをそれぞ
れのレーザーが放射するＤＣバイアス範囲が存在する。
この範囲外では、当該デバイスは、単一モード連続発振
を行なう。図６に示されているのは、ヒートシンク温度
を８０Ｋに保った長さ８μｍのＱＣレーザーに関する一
連のスペクトルである。これらの多モードスペクトルに
おける位相ロック特性は、ＱＷＩＰを用いてレーザー出
力を検出し、その結果得られた光電流をスペクトルアナ
ライザに表示させることによって確認された。詳細に述
べれば、（図６に示されているように）レーザーのラウ
ンドトリップ時間（あるデバイスにおいては１３ＧＨ
ｚ）に中心を有するブロードなスペクトルが観察され
た。この特徴は、光スペクトルにおける隣接モード間相
互のうなりに起因するものであり、非常に安定している
ことが見出された。このことは、各モードの相対位相の
ランダムなドリフトが無視できるものであることを意味
しており、モード同期レーザーにおいて期待されるもの
である。その広いスペクトル幅（１５０ＭＨｚ以上）
は、その光帯域に亘る屈折率、すなわちモード間隔の変
化による。同様の特徴は、高速バイアス“ティー”を用
いて測定されたＱＣレーザー電流のＲＦスペクトルにお
いても観察され、レーザー利得が実効的に変調されてい
ることを示している。
【００２２】これらの結果は、レーザーモードの位相が
実際に互いにロックされていることを明らかに示してい
る。しかしながら、記録されて図６に示された実験は、
それぞれのモード振幅のコヒーレントな加算によってピ
コ秒パルスが生み出されるものであるという証拠を何ら
与えていない。ＦＴＩＲにおいてマイケルソン（Ｍｉｃ
ｈｅｌｓｏｎ）干渉計によって生成された、レーザー出
力の線型自己相関トレース例（図７）が、所望のピコ秒
パルスの存在を確認している。図７は、８μｍデバイス
（上部）及び５μｍデバイス（下部）の双方の結果を示
している。干渉計中の光ビームが超短パルスを構成して
いる場合には、これらのトレースを構成している干渉フ
リンジは、干渉系の双方の腕からのパルスが検出器にお
いて時間的にオーバーラップした場合にのみ起こる。そ
れゆえ、二つの腕の間の大きな遅延時間においてフリン
ジ振幅がほとんど観測されないということは、良好な変
調深さを有するパルス放射を意味している。しかしなが
ら、これらのトレースは、振幅のみならずそれぞれの位
相によっても影響されるために、パルスの持続時間の正
確な測定を与えるものではないことに留意されたい。
実際に互いにロックされていることを明らかに示してい
る。しかしながら、記録されて図６に示された実験は、
それぞれのモード振幅のコヒーレントな加算によってピ
コ秒パルスが生み出されるものであるという証拠を何ら
与えていない。ＦＴＩＲにおいてマイケルソン（Ｍｉｃ
ｈｅｌｓｏｎ）干渉計によって生成された、レーザー出
力の線型自己相関トレース例（図７）が、所望のピコ秒
パルスの存在を確認している。図７は、８μｍデバイス
（上部）及び５μｍデバイス（下部）の双方の結果を示
している。干渉計中の光ビームが超短パルスを構成して
いる場合には、これらのトレースを構成している干渉フ
リンジは、干渉系の双方の腕からのパルスが検出器にお
いて時間的にオーバーラップした場合にのみ起こる。そ
れゆえ、二つの腕の間の大きな遅延時間においてフリン
ジ振幅がほとんど観測されないということは、良好な変
調深さを有するパルス放射を意味している。しかしなが
ら、これらのトレースは、振幅のみならずそれぞれの位
相によっても影響されるために、パルスの持続時間の正
確な測定を与えるものではないことに留意されたい。
【００２３】但し、パルス幅は、（図７に示された自己
相関トレースのサイドローブに直接関連する）光学スペ
クトルにおいて観測された多重ピーク構造から、C.H.Li
nらによる“自己位相変調を用いた光パルス幅測定”と
いう表題の論文（IEEE J. ofQuantum ELectronics誌第
８巻第４２９頁（１９７２年））において初めて概説さ
れた手法を用いて推定されうる。超高速レーザーパルス
に関しては、多重ピーク構造は自己位相変調の存在を表
わしており、これは、自己収束の時間的類似として記述
されうる。すなわち、屈折率の二次の非線型性が存在す
る場合には、光電場は、パルス強度プロファイルに比例
する、時間的に変化する位相を生成する。従って、光ス
ペクトルは、
相関トレースのサイドローブに直接関連する）光学スペ
クトルにおいて観測された多重ピーク構造から、C.H.Li
nらによる“自己位相変調を用いた光パルス幅測定”と
いう表題の論文（IEEE J. ofQuantum ELectronics誌第
８巻第４２９頁（１９７２年））において初めて概説さ
れた手法を用いて推定されうる。超高速レーザーパルス
に関しては、多重ピーク構造は自己位相変調の存在を表
わしており、これは、自己収束の時間的類似として記述
されうる。すなわち、屈折率の二次の非線型性が存在す
る場合には、光電場は、パルス強度プロファイルに比例
する、時間的に変化する位相を生成する。従って、光ス
ペクトルは、
【数１】 に示されているように広がる。ここで、Δωmaxは、ス
ペクトル幅の二乗平均、τpはパルスの半値全幅、及
び、ガウス型パルス形状が仮定されている。最後に、φ
maxは
ペクトル幅の二乗平均、τpはパルスの半値全幅、及
び、ガウス型パルス形状が仮定されている。最後に、φ
maxは
【数２】 によって与えられる最大非線型位相シフトである。ここ
で、Ｌは伝播長（この場合にはレーザーのラウンドトリ
ップ経路）、λは波長、ｎ2は非線型屈折率、及び、Ｉ
maxはパルスピーク強度である。さらに、理論的研究に
より、φmaxが３／２πという値に到達する際に光学的
スペクトル中の最初の凹みが現われること、そして、そ
れ以降の凹みがより大きなφmaxの値において現われる
こと、が示されている。
で、Ｌは伝播長（この場合にはレーザーのラウンドトリ
ップ経路）、λは波長、ｎ2は非線型屈折率、及び、Ｉ
maxはパルスピーク強度である。さらに、理論的研究に
より、φmaxが３／２πという値に到達する際に光学的
スペクトル中の最初の凹みが現われること、そして、そ
れ以降の凹みがより大きなφmaxの値において現われる
こと、が示されている。
【００２４】図６のスペクトルを参照すると、およそ
０．６Ａのバイアス電流から、明らかな凹みが観測され
る。よって、φmax＝３／２πとし、Δωmaxを０．６Ａ
のスペクトルで測定されたｒｍｓ幅（２５０ＧＨｚ）と
すると、推定されるパルス幅はτp＝３．２ピコ秒とな
る。これは近似的な結果であることに留意されたい。な
ぜなら、主として群速度分散の影響を考慮していないか
らである。群速度分散の影響は、付随するスペクトル広
がりのために、特に大きなＤＣバイアスの値において同
様に重要である。
０．６Ａのバイアス電流から、明らかな凹みが観測され
る。よって、φmax＝３／２πとし、Δωmaxを０．６Ａ
のスペクトルで測定されたｒｍｓ幅（２５０ＧＨｚ）と
すると、推定されるパルス幅はτp＝３．２ピコ秒とな
る。これは近似的な結果であることに留意されたい。な
ぜなら、主として群速度分散の影響を考慮していないか
らである。群速度分散の影響は、付随するスペクトル広
がりのために、特に大きなＤＣバイアスの値において同
様に重要である。
【００２５】自己モード同期レーザーの出力強度に関し
ては、低速焦電検出器が、ＳＭＬＱＣデバイスのＬ−Ｉ
特性（すなわち、バイアス電流対平均光強度特性）を測
定するために用いられた。ＣＷ（連続発振）からＳＭＬ
動作への移り変わりは、図８に示された微係数ｄＬ／ｄ
Ｉの急激な増加を示す曲線より明らかである。さらに、
測定された平均強度から、その繰り返しレートを知るこ
とによって、パルスのピーク強度が推定されうる。一般
に、ピーク強度は、動作条件に依存して、数百ミリワッ
トから１ワット以上の範囲の値を含む。
ては、低速焦電検出器が、ＳＭＬＱＣデバイスのＬ−Ｉ
特性（すなわち、バイアス電流対平均光強度特性）を測
定するために用いられた。ＣＷ（連続発振）からＳＭＬ
動作への移り変わりは、図８に示された微係数ｄＬ／ｄ
Ｉの急激な増加を示す曲線より明らかである。さらに、
測定された平均強度から、その繰り返しレートを知るこ
とによって、パルスのピーク強度が推定されうる。一般
に、ピーク強度は、動作条件に依存して、数百ミリワッ
トから１ワット以上の範囲の値を含む。
【００２６】自己モード同期現象の起源に係る明確な証
拠に関して、ＣＷ及びＳＭＬ動作の双方の場合にファー
フィールドビームプロファイルが測定され、比較され
た。ある場合には、この種の測定は、そのＳＭＬどうさ
が自己開始的ではないことが見出されたＱＣレーザーを
用いてなされた。この特定のデバイスは、ＤＣ電流によ
ってバイアスされた場合に、８μｍにおいて単一モード
ＣＷ放射をした。モード同期は、（能動モード同期の場
合と同様に）そのラウンドトリップ周波数に共鳴したＲ
Ｆ変調をＤＣバイアスに重畳することによって実現され
た。しかしながら、その後、このレーザーは、変調を停
止した後においても、モード同期状態に留まった。この
デバイスは、バイアス、温度などの条件が同一の場合に
（ＣＷ及び自己開始の）双方の場合の比較を許容すると
いう観点から、前述の測定に特に適していた。ＳＭＬ条
件下でのファーフィールドビームプロファイルはＣＷの
場合よりも広がっていることが見出され、これは導波路
内でのより狭いビームに対応している。よって、パルス
放射に固有のより高い即時強度レベルにおいては、ビー
ムがレーザー内部で実際に自己収束を起こしていること
が明らかである。ＣＷ及びＳＭＬの双方の場合のビーム
直径の比は、ＤＣバイアス（よって、光強度）と共に増
大し、最大で１．３３と測定された。
拠に関して、ＣＷ及びＳＭＬ動作の双方の場合にファー
フィールドビームプロファイルが測定され、比較され
た。ある場合には、この種の測定は、そのＳＭＬどうさ
が自己開始的ではないことが見出されたＱＣレーザーを
用いてなされた。この特定のデバイスは、ＤＣ電流によ
ってバイアスされた場合に、８μｍにおいて単一モード
ＣＷ放射をした。モード同期は、（能動モード同期の場
合と同様に）そのラウンドトリップ周波数に共鳴したＲ
Ｆ変調をＤＣバイアスに重畳することによって実現され
た。しかしながら、その後、このレーザーは、変調を停
止した後においても、モード同期状態に留まった。この
デバイスは、バイアス、温度などの条件が同一の場合に
（ＣＷ及び自己開始の）双方の場合の比較を許容すると
いう観点から、前述の測定に特に適していた。ＳＭＬ条
件下でのファーフィールドビームプロファイルはＣＷの
場合よりも広がっていることが見出され、これは導波路
内でのより狭いビームに対応している。よって、パルス
放射に固有のより高い即時強度レベルにおいては、ビー
ムがレーザー内部で実際に自己収束を起こしていること
が明らかである。ＣＷ及びＳＭＬの双方の場合のビーム
直径の比は、ＤＣバイアス（よって、光強度）と共に増
大し、最大で１．３３と測定された。
【００２７】観測された非線型屈折率の物理的起源に関
しては、これらのモード同期パルスの比較的低強度レベ
ル（数百ミリワットのオーダー）では、観測されたφ
max＝３／２πの非線型位相シフトを実現するために
は、式（２）において非線型屈折率ｎ2として１０-9ｃ
ｍ2／Ｗほどの値が必要とされる。これは、Ｔｉ：サフ
ァイアレーザーにおけるカーレンズモード同期を引き起
こしている非線型屈折率よりも７桁大きい値である。結
果として、半導体のいてカー非線型性を引き起こすこと
が知られている二光子吸収、電子ラマン（Ｒａｍａｎ）
散乱、及び光シュタルク（Ｓｔａｒｋ）効果などは、全
て排除される。なぜなら、それらの非線型性は極めて小
さいからである（ｎ2〜１０-12ｃｍ2／Ｗあるいはそれ
未満）。
しては、これらのモード同期パルスの比較的低強度レベ
ル（数百ミリワットのオーダー）では、観測されたφ
max＝３／２πの非線型位相シフトを実現するために
は、式（２）において非線型屈折率ｎ2として１０-9ｃ
ｍ2／Ｗほどの値が必要とされる。これは、Ｔｉ：サフ
ァイアレーザーにおけるカーレンズモード同期を引き起
こしている非線型屈折率よりも７桁大きい値である。結
果として、半導体のいてカー非線型性を引き起こすこと
が知られている二光子吸収、電子ラマン（Ｒａｍａｎ）
散乱、及び光シュタルク（Ｓｔａｒｋ）効果などは、全
て排除される。なぜなら、それらの非線型性は極めて小
さいからである（ｎ2〜１０-12ｃｍ2／Ｗあるいはそれ
未満）。
【００２８】サブバンド間レーザー遷移の非線型屈折率
に関しては、２レベル近似に基づく以下の表式から計算
されうる：
に関しては、２レベル近似に基づく以下の表式から計算
されうる：
【数３】 ここで、ｚ32はレーザー遷移の双極子能率、ΔＮは単位
体積当たりの反転分布、ｎはバックグラウンドの屈折
率、ν0及びΔνは利得曲線の中心周波数及び半値全
幅、Ｉｓａｔは飽和強度、及びｑ、ε0、及びｈは、そ
れぞれ電気素量、真空の誘電率、及びプランク定数であ
る。代表的なＱＣレーザーのバラメータを用いて、非線
型屈折率例が光周波数νの関数として図９にプロットさ
れている。この図から、利得中心周波数ν0においては
ｎ2がゼロであり、対称関数のクラマース＝クローニッ
ヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）変換の一般的な性
質を示していることがわかる。しかしながら、ν0から
わずか１００ＧＨｚ離調した周波数において、ｎ２は既
に実験的事実を正当化するのに充分なほど大きい（およ
そ１０-9ｃｍ2／Ｗ）。図９の右の縦軸は、図５に示さ
れた６００ｍＡの場合のスペクトルに対応するパラメー
タ値を用いて式（２）によって計算したφmaxとνとの
関係を表示するようにスケーリングされている。図６の
スペクトル形状を説明するために必要とされるφmax＝
３／２πは、１００ＧＨｚ未満の離調で到達されてい
る。さらに、この非線型性の緩和時間は、レーザー反転
分布の寿命から（設計値として）数ピコ秒であり、測定
されたパルス幅と矛盾がない。
体積当たりの反転分布、ｎはバックグラウンドの屈折
率、ν0及びΔνは利得曲線の中心周波数及び半値全
幅、Ｉｓａｔは飽和強度、及びｑ、ε0、及びｈは、そ
れぞれ電気素量、真空の誘電率、及びプランク定数であ
る。代表的なＱＣレーザーのバラメータを用いて、非線
型屈折率例が光周波数νの関数として図９にプロットさ
れている。この図から、利得中心周波数ν0においては
ｎ2がゼロであり、対称関数のクラマース＝クローニッ
ヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）変換の一般的な性
質を示していることがわかる。しかしながら、ν0から
わずか１００ＧＨｚ離調した周波数において、ｎ２は既
に実験的事実を正当化するのに充分なほど大きい（およ
そ１０-9ｃｍ2／Ｗ）。図９の右の縦軸は、図５に示さ
れた６００ｍＡの場合のスペクトルに対応するパラメー
タ値を用いて式（２）によって計算したφmaxとνとの
関係を表示するようにスケーリングされている。図６の
スペクトル形状を説明するために必要とされるφmax＝
３／２πは、１００ＧＨｚ未満の離調で到達されてい
る。さらに、この非線型性の緩和時間は、レーザー反転
分布の寿命から（設計値として）数ピコ秒であり、測定
されたパルス幅と矛盾がない。
【００２９】自己収束は正のｎ2の値を必要とするが、
図９に示された非線型屈折率はν＝ν0でその符号を変
化させていることに留意されたい。ＳＭＬ条件下で測定
された光帯域はν0の周り数百ＧＨｚに亘っており、ｎ2
の双方の符号に対応している。しかしながら、これらの
測定においては、光スペクトルの重心が、ν0より低
い、ｎ2が正となっている周波数に位置していることが
見出されている。もちろん、このことは、より高い強度
においてより狭いビームプロファイルが観察されたこと
とも一致している。よって、自己モード同期は、前述さ
れた自己収束機構を通じて、ν0未満の周波数を有する
モードによって開始されていると考えることができる。
これらのモードの位相が同期されると、それぞれ相互の
うなりがレーザー利得の充分大きな変調をもたらし、他
のいくつかのモードが閾値以上になる。
図９に示された非線型屈折率はν＝ν0でその符号を変
化させていることに留意されたい。ＳＭＬ条件下で測定
された光帯域はν0の周り数百ＧＨｚに亘っており、ｎ2
の双方の符号に対応している。しかしながら、これらの
測定においては、光スペクトルの重心が、ν0より低
い、ｎ2が正となっている周波数に位置していることが
見出されている。もちろん、このことは、より高い強度
においてより狭いビームプロファイルが観察されたこと
とも一致している。よって、自己モード同期は、前述さ
れた自己収束機構を通じて、ν0未満の周波数を有する
モードによって開始されていると考えることができる。
これらのモードの位相が同期されると、それぞれ相互の
うなりがレーザー利得の充分大きな変調をもたらし、他
のいくつかのモードが閾値以上になる。
【００３０】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
【００３１】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、中
赤外波長範囲において自己モード同期性を実現すること
が可能な量子カスケードレーザー構造が提供される。
赤外波長範囲において自己モード同期性を実現すること
が可能な量子カスケードレーザー構造が提供される。
【００３２】特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で
記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係
を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解
釈してはならない。
記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係
を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解
釈してはならない。
【図１】 本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザー例を示す
等角図。
等角図。
【図２】 モード同期及び電極に関して個別の金属層を
利用した、本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザー構造の別
の例を示す図。
利用した、本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザー構造の別
の例を示す図。
【図３】 従来技術に係る量子カスケードレーザーの動
作を示す模式的なエネルギーダイアグラム。
作を示す模式的なエネルギーダイアグラム。
【図４】 図１及び図２に示されたＳＭＬ ＱＣレーザ
ーに係る屈折率プロファイル及びその結果得られる基本
導波路モードの強度分布を横方向（すなわち、活性層に
垂直な方向）に沿って示すグラフ。
ーに係る屈折率プロファイル及びその結果得られる基本
導波路モードの強度分布を横方向（すなわち、活性層に
垂直な方向）に沿って示すグラフ。
【図５】 図１に示されたＳＭＬ ＱＣレーザーに係る
屈折率プロファイル及びその結果得られる基本導波路モ
ードの強度分布を水平方向（すなわち、活性層に平行な
方向）に沿って示すグラフ。
屈折率プロファイル及びその結果得られる基本導波路モ
ードの強度分布を水平方向（すなわち、活性層に平行な
方向）に沿って示すグラフ。
【図６】 本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザーの実施例
における光学的スペクトルを相異なったレーザーＤＣバ
イアス電流に関して示したグラフ。
における光学的スペクトルを相異なったレーザーＤＣバ
イアス電流に関して示したグラフ。
【図７】 本発明に係る８μｍデバイス例及び５μｍデ
バイス例におけるＳＭＬ条件での線型自己相関トレース
を示す図。
バイス例におけるＳＭＬ条件での線型自己相関トレース
を示す図。
【図８】 本発明に係るＳＭＬ ＱＣレーザーにおける
ｄＬ／ｄＩ及び光強度の双方をバイアス電流の関数とし
て示す図。
ｄＬ／ｄＩ及び光強度の双方をバイアス電流の関数とし
て示す図。
【図９】 図６のグラフに係るＳＭＬ ＱＣレーザーに
対するパラメータ値を用いて計算した、サブバンド間レ
ーザー遷移の非線型屈折率ｎ2を示す図。
対するパラメータ値を用いて計算した、サブバンド間レ
ーザー遷移の非線型屈折率ｎ2を示す図。
１０ ＱＣレーザー １２、１６ クラッド層 １４ 活性領域 １８ 誘電体層 ２０ 第一電極 ２２ 第二電極 ３２ 頂部電極 ３４、３６ 側壁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ジェームス ネルソン ベイラージオン アメリカ合衆国、07081 ニュージャージ ー州、スプリングフィールド、ツリー ト ップ ドライブ 161 (72)発明者 フェデリコ カパッソ アメリカ合衆国、07090 ニュージャージ ー州、ウェストフィールド、ウェストブル ック ロード 42 (72)発明者 アルフレッド イー チョ アメリカ合衆国、07901 ニュージャージ ー州、サミット、ケネス コート 11 (72)発明者 クレア エフ グマクル アメリカ合衆国、07974 ニュージャージ ー州、ニュー プロビデンス、スプリング フィールド アベニュー 1170 (72)発明者 アルバート リー ハッチンソン アメリカ合衆国、08854 ニュージャージ ー州、ピスカタウェイ、リバー ロード 1359 (72)発明者 ロバート パイエラ アメリカ合衆国、07078 ニュージャージ ー州、ショート ヒルズ、モーリス ター ンパイク 806、アパートメント ２Ａ６ (72)発明者 デボラ リー シヴコ アメリカ合衆国、07059 ニュージャージ ー州、ウォレン、プレインフィールド ア ベニュー 16 Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA61 AA62 AA71 AA74 AA89 CA15 CB22
Claims (19)
- 【請求項１】（Ａ）小さい実効屈折率を有するクラッド
領域の間に配置された大きい実効屈折率を有するコア領
域と、 （Ｂ）前記コア領域のそれぞれいずれかの側に配置さ
れ、メサ構造を形成する頂部及び底部クラッド領域と、 （Ｃ）前記クラッド層及び前記コア領域の露出された表
面を覆う絶縁層と、 （Ｄ）電流を流す前記頂部及び底部クラッド層に付着す
る電極とを有する光学的構造を構成する多層構造を有す
る量子カスケード（ＱＣ）レーザーにおいて、 前記コア領域は、公称上同一の反復ユニットからなる多
層構造を有し、 前記各反復ユニットは、活性領域（放射遷移領域）及び
キャリア注入領域を有しており、 前記活性領域は、上部及び下部キャリアエネルギー状態
を実現するように選択された層構造を有し、前記上部エ
ネルギー状態から下部エネルギー状態へのキャリア遷移
が波長λの光子の放射をもたらし、前記キャリア注入領
域がある反復ユニットの前記活性領域の前記下部エネル
ギー状態からその下位に位置する反復ユニットの活性領
域の上部エネルギー状態へのキャリア輸送を容易にする
ように選択された層構造を有しており、 当該量子カスケードレーザーが自己モード同期を実現
し、 前記絶縁層が、厚さ１μｍ未満の比較的薄い層より構成
されており、 前記量子カスケードレーザーが、前記活性領域のうちの
少なくとも一部において前記比較的薄い層を覆う目的で
配置された光学的に損失の大きい側壁層と鏡面損失より
も大きい伝播損失を実現するために充分なほどの比較的
長い活性領域を有するキャビティとを有することを特徴
とする量子カスケードレーザー。 - 【請求項２】 前記レーザーが自己モード同期を実現
し、０．５μｍ未満の厚さの絶縁層を有することを特徴
とする請求項１に記載の量子カスケードレーザー。 - 【請求項３】 前記絶縁層が、シリコン窒化膜であるこ
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
ー。 - 【請求項４】 前記絶縁層が、シリコン酸化膜であるこ
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
ー。 - 【請求項５】 前記レーザーが、中赤外領域に出力波長
を放射することを特徴とする請求項１に記載の量子カス
ケードレーザー。 - 【請求項６】 前記レーザーが、５μｍの波長で放射す
ることを特徴とする請求項５に記載の量子カスケードレ
ーザー。 - 【請求項７】 前記レーザーが、８μｍの波長で放射す
ることを特徴とする請求項５に記載の量子カスケードレ
ーザー。 - 【請求項８】 前記各々のパルス出力が、狭いパルス幅
を有することを特徴とする請求項１に記載の量子カスケ
ードレーザー。 - 【請求項９】 前記パルス幅が、５ピコ秒未満であるこ
とを特徴とする請求項８に記載の量子カスケードレーザ
ー。 - 【請求項１０】 前記光学的損失の大きい側壁層が金属
材料よりなり、前記上部クラッド領域への頂部電極と連
続した層を形成してい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ー。 - 【請求項１１】 前記金属材料が、金であることを特徴
とする請求項１０に記載の量子カスケードレーザー。 - 【請求項１２】 前記側壁層が、前記頂部電極とは分離
されていることを特徴とする請求項１に記載の量子カス
ケードレーザー。 - 【請求項１３】 前記側壁層が、金属層よりなることを
特徴とする請求項１２に記載の量子カスケードレーザ
ー。 - 【請求項１４】 前記側壁金属層が、前記頂部電極と同
一の材料よりなることを特徴とする請求項１３に記載の
量子カスケードレーザー。 - 【請求項１５】 前記側壁金属層及び前記頂部電極が、
金よりなることを特徴とする請求項１４に記載の量子カ
スケードレーザー。 - 【請求項１６】 前記側壁層が、ポリマー材料よりなる
ことを特徴とする請求項１２に記載の量子カスケードレ
ーザー。 - 【請求項１７】 前記上部及び下部クラッド領域が、複
数個のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓエピタキシャル層よ
りなることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケー
ドレーザー。 - 【請求項１８】 前記活性領域キャビティが、３．５ｍ
ｍ以上の長さを有す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ー。 - 【請求項１９】 前記側壁層が、絶縁層であり当該絶縁
層を組み込んでい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ー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/566348 | 2000-05-08 | ||
| US09/566,348 US6563852B1 (en) | 2000-05-08 | 2000-05-08 | Self-mode-locking quantum cascade laser |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP2001320136A5 JP2001320136A5 (ja) | 2004-10-14 |
| JP3785057B2 JP3785057B2 (ja) | 2006-06-14 |
Family
ID=24262501
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001136193A Expired - Fee Related JP3785057B2 (ja) | 2000-05-08 | 2001-05-07 | 量子カスケードレーザー |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6563852B1 (ja) |
| EP (1) | EP1154532B1 (ja) |
| JP (1) | JP3785057B2 (ja) |
| CN (1) | CN1326300C (ja) |
| CA (1) | CA2342080C (ja) |
| DE (1) | DE60114286T2 (ja) |
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