JP3848841B2 - 表面プラズモンレーザ構造を有する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンレーザ構造に関し、特に、長波長シングルモード動作を行う分布帰還（ＤＦＢ）構造を有する表面プラズモンレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ半導体材料におけるバンド間遷移に基づく長波長注入レーザに関する従来技術は、一般に、λ＜５μｍに制限されているため、中ないし遠赤外スペクトルのかなりの部分は鉛塩レーザによってしかアクセスできずに残されている。しかし、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓヘテロ構造における伝導体状態間のサブバンド間遷移で動作する量子カスケード（ＱＣ）レーザは、きわめて広範囲で有用であり、２つの大気窓の波長の範囲（３．４〜１３μｍ）をカバーし、室温で高い光パワーを提供することがこれまでにわかっている。分布帰還（ＤＦＢ）デバイス（活性領域に隣接して光導波路に埋め込まれたグレーティング構造を含む）として形成すると、シングルモード動作が可能である。光導波は、周囲の（外部）クラッド領域よりも高い屈折率を有する内部コア（活性）領域により達成される。しかし、長波長では、導波路層（コア＋クラッド）の全厚は扱いが困難となり、さらに、自由キャリアによる光吸収（特に、比較的高濃度でドープされたｎ型ＱＣクラッド層における）は、さらに大きい信号損失を生じる。また、長波長で動作するＤＦＢ構造は、グレーティング構造を形成するのに非常に深いエッチングを必要とするため、再成長には問題が多く、活性領域から遠く離れた弱結合グレーティングしか選択の余地がなくなる。これらのすべての問題点のため、ＤＦＢ構造は、長波長アプリケーションにとって有望でない候補となっている。
【０００３】
しかし、電磁気学のマクスウェルの法則により、２つの異なる均一材料の間の界面には、別のタイプの光閉込めが起こり得る。２つの材料の誘電率（ε）の実部が逆符号である場合、界面に垂直な２つの向きに指数関数的に減衰する強度により特徴づけられた光波が存在する。与えられた放射周波数に対して、単一の閉込めモードが存在し、磁界は、界面に平行で、伝播方向に垂直に偏波する（すなわち、ＴＭ(transverse magnetic)偏波）。
【０００４】
実部が負の誘電率は、一般に、荷電調和振動子の電磁応答、特に、振動子共鳴ω_０より上で、ε（ω_Ｌ）＝０となる周波数ω_Ｌ（純粋縦モードが伝播可能）までの周波数に現れる。金属や高濃度ドープ半導体では、既存の準自由電子は、横励起に対して厳密にゼロ共鳴周波数の単振動子としてふるまうが、同時に、非常に高いω_Ｌを示し、これは一般に、可視あるいはさらにＵＶの波長範囲にある。これは「プラズマ周波数」ω_Ｐと呼ばれる、電荷密度発振の周波数である。このように、金属は、Ｒｅ［ε］＜０となるきわめて広い波長範囲を示し、この範囲で、金属は、界面に閉じ込められた電磁波を有することができる。この電磁波を「表面プラズモン」という。光周波数における従来の多層誘電体導波路の代わりに、表面プラズモンを使用する可能性が、中赤外半導体レーザの分野で最近活用されている。しかし、このような表面プラズモンデバイスの性能はあまり高くなく、従来の多層構造の性能と競合するほどではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来技術において、ＤＦＢデバイスのように極度に厚くなることや製造が技術的に困難になることのない、比較的長波長のレーザ（すなわち、λ＞１５μｍ）が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来技術における課題は、本発明によって解決される。本発明は、表面プラズモンレーザ構造に関し、特に、シングルモード長波長（例えば、λ＝１７μｍ）発光を行う分布帰還（ＤＦＢ）構造を有する表面プラズモンレーザに関する。
【０００７】
表面プラズモンレーザは、絶縁リッジ構造として形成された活性領域とを有するとともに、リッジに沿って活性領域に隣接して長軸方向に配置された金属表面層を有する。この構造により、表面プラズモン伝播が形成され、１５μｍより長波長では、金属内への侵入深さ（すなわち、表皮厚さ）に伴うパワー損失が大幅に低減されることがわかっている。その結果得られる、導波路層の低減された厚さ（従来の厚さ約９μｍから、４μｍ以下に低減される）での大きいモード閉込めΓを利用して、長波長レーザを作成する。
【０００８】
本発明によれば、金属表面層は、金属製のグレーティング（すなわち、周期的）表面構造を有し、これにより、シングルモード発光が可能なＤＦＢ表面プラズモンレーザを形成する。一実施例では、まず、チタンのストライプを活性領域の露出表面に堆積した後、金の連続層を堆積する。その結果得られるＴｉ／Ａｕ−Ａｕグレーティングは、シングルモードプラズモン放射を出力する。その出力波長は、デバイスの動作温度を変えることにより「同調」することができる。
【０００９】
本発明の特定実施例では、ＤＦＢ表面プラズモンレーザの活性領域は、量子カスケード（ＱＣ）構造を有する。この構造は、複数のほぼ同一の繰返し単位を有し、各繰返し単位は、１個以上の量子井戸を有する。高エネルギー状態から低エネルギー状態への連続キャリア遷移により光子が放出され、その光子エネルギーは、繰返し単位の構造および組成に依存する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
中〜遠赤外半導体レーザは一般に、ガス検知アプリケーションで使用されている。このようなアプリケーションでは、高い分解能および感度を有する分光技術が実装されなければならない。この目的のためには、シングルモードデバイスが好ましい。ほとんどの場合、ＤＦＢ共振器（適当な周期および強さのグレーティングを含む）を実装したＱＣレーザあるいはダイオードレーザが、このシングルモードデバイスとして用いられる。このような構造は、屈折率ｎ_ｅｆｆおよび減衰係数α_ｗ（または実効正味利得）の変調を引き起こし、すべての可能な縦モードのうちからグレーティング周期に最もよく一致する光モードを取り出す。
【００１１】
本発明に従って形成された実施例のシングルモード表面プラズモンレーザ１０の等角図を図１に示す。レーザ１０は、ＩｎＰ基板１４上に成長された、例えばＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓで形成された活性領域１２を有する。活性領域１２は、リッジ（稜）として（例えば、湿式化学エッチングを用いて）形成され、絶縁体１６が、リッジの側面と、ＩｎＰ基板１４の上面にわたって堆積される。二酸化ケイ素は、この目的のために用いられる絶縁体の例である。レーザ１０の前部ファセットを図２に示す。この図では、活性領域１２の側面と基板１４の上面の絶縁体１６の位置が明確に示されている。その後、上部電気コンタクト１８および下部電気コンタクト２０を（例えば、電子ビーム蒸発を用いて）形成し、活性領域リッジ１２の上面２２の広い部分を、後で金属製の表面プラズモン伝達層２４を堆積するために露出させる。
【００１２】
本発明によれば、電磁モードの表面プラズモン性により、エッチング手続きを用いることを必要とせずにレーザにＤＦＢ構造を組み込むことができる。表面プラズモン構造の表面金属層としてどの金属を選択するかは、モードの侵入深さに強く影響を及ぼし、そのため屈折率および減衰損失係数の両方に強く影響を及ぼす。一実施例では、金属層２４は、金の層（例えば、厚さ約３００ｎｍ）を有する。この場合、誘電率の実部は絶対値は比較的大きい負の値となり（λ〜１７μｍでＲｅ［ε_Ａｕ］〜−１．１×１０^４）、金属内への侵入深さは比較的浅くなる。別法として、チタン（これは、絶対値がずっと小さい負の誘電率（λ＝１７μｍでＲｅ［ε_Ｔｉ］〜−１×１０^３）と、大きい侵入深さを示す）を用いることも可能である。例えば、厚い金の層（例えば、３００ｎｍ）の前に比較的薄いチタン（例えば、１０ｎｍ）を堆積することにより、純金に対する屈折率変化Δｎ_ｅｆｆ／ｎ_ｅｆｆ〜１．８×１０^−３および減衰損失の変化Δα_ｗ／α_ｗ〜１．５×１０^−２が得られる。本発明の実施例の表面プラズモンレーザのリッジにわたってこの変化に空間変調を導入することにより、シングルモード長波長ＤＦＢデバイスを形成することができる。一実施例（図１〜図３に示す）は、二重金属Ｔｉ／Ａｕ−Ａｕ構造を有する。特に、図３に示すように、光コンタクトリソグラフィ（あるいはその他の任意の適当なプロセス）を用いて、チタンストライプ３０の１次ブラッググレーティング（５０％の公称デューティサイクルを示す）を形成する。この場合、１０ｎｍのチタンの堆積を用いている。その後、比較的厚い（例えば、３００ｎｍ）金層３２を蒸着することにより、図３に示すように、活性領域１２の上面２２にわたって、Ｔｉ／Ａｕ（３０）と純Ａｕ（３２）の交互のストライプ列ができる。この特定実施例は二重金属構造を用いているが、他のさまざまな多重金属グレーティング構造も使用可能である。例えば、三重金属グレーティング構造も使用可能である。
【００１３】
誘電率ε、屈折率ｎ、および消衰係数ｋの間の関係Ｒｅ［ε］＝ｎ^２−ｋ^２は、負のＲｅ［ε］を有する材料は通常、非常に吸収性が高いことを意味する。このため、表面プラズモン導波モードの減衰係数αは、金属製伝達層（図１および図２のデバイス１０における層２４）の侵入（表皮）深さδに強く依存し、これの減少とともに減少する。ε_１を金属（層２４）の誘電率とし、ε_２を半導体（活性領域１２）の誘電率とすると、侵入深さδは次のように表される。
【数１】

ただし、ω／２πは、電磁波の周波数であり、ｃは、真空中の光速である。上記から、絶対値の大きい負のＲｅ［ε_１］（ｋ^２≫ｎ^２）は、小さいδを意味し、光損失が小さくなる。上記から、減衰係数αは、実で正のε_２の場合に次のように容易に導出される。
【数２】

第１近似で、金属の周波数依存誘電率は、簡単なドルーデの自由キャリアの式によって表される。
【数３】

ただし、ε_∞は背景誘電率であり、γ^−１は現象論的散乱時間である。
【００１４】
本発明によれば、表面プラズモン導波路は、εのローレンツ依存性により、放射波長が増大するとともに低損失となることが発見された。金属導波路は、実際に、マイクロ波アプリケーションで広く用いられており、ＴＥおよびＴＥＭモード伝播も可能にするためにより複雑な３次元形状を有するが、最も簡単な設計（すなわち、「マイクロストリップ」）では、この場合も基本ＴＭモードは表面プラズモンによる。
【００１５】
図４に、誘電体プロファイルと、閉込め係数Γ（活性材料にわたる光学モードの正規化積分として定義される）、導波路減衰係数α_ｗ、およびモード有効屈折率ｎ_ｅｆｆにより伝送行列法を用いて計算された、対応する表面プラズモンモードを示す。比較のために、従来技術の半導体クラッド導波路のモードプロファイルも示す。図４のグラフから明らかなように、エピタキシャル成長の厚さは、従来技術の約９μｍという値から、４μｍ以下へと縮小され、同時に、活性材料に場の強度が集中することにより、Γは０．４７から０．８１に上昇している。
【００１６】
パルスモード（パルス幅５０ｎｓ、デューティサイクル５ｋＨｚ）で動作する長さ１．４ｍｍ、幅３４μｍの深くエッチングしたリッジ導波路レーザの光出力（Ｌ）−電流（Ｉ）（実線）および電流−電圧（Ｖ）（破線）特性を図５に示す。光パワーは、約５０％の収集効率で単一ファセットから測定されている。Ｉ−Ｖ特性は、温度５Ｋで測定し、Ｌ−Ｉ曲線は、グラフに温度が示されている。
【００１７】
図６に、本発明の実施例のＤＦＢ表面プラズモンレーザの出力を示す。図示のように、シングルモードのパルス発光が、波長１６．２μｍで明らかであり、サイドモードは１０^−３のレベル以下に十分に抑圧されている。
【００１８】
本発明の１つの特定実施例では、デバイスの活性領域１２は、量子カスケード（ＱＣ）構造を有する。一般に、量子カスケード構造は、例えばＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ材料系では固体源ＭＢＥによって成長され、ＩｎＰ基板に格子整合した、多数の超格子／インジェクタ状態からなる。図７に、例示的なＱＣ超格子／インジェクタ構造に対する例示的な伝導体ダイヤグラムを示す。具体的には、ＱＣ活性材料可変周期超格子内のエネルギーポテンシャル差は、２つの異なる半導体のナノメートル厚の層を周期的に交互に形成し、伝導体（超格子領域）を、エネルギーギャップ（ミニギャップ）によって分離された狭エネルギーバンド（ミニバンド）に分割することにより得られる。レーザ作用は、ミニバンド輸送によるユニポーラ電子注入を通じて、第１のミニギャップのエッジの端の状態間で達成される。ＱＣデバイスの作用により、複数の超格子領域が、特別に設計されたインジェクタによって橋渡しされる。このインジェクタは、適当なバイアス条件下で、一方の超格子の下位のミニバンドから電子を抽出し、その電子を、次の超格子の第２のミニバンドに注入する。このようにして、超格子領域／キャリアインジェクタ領域を通るそれぞれの１個の電子によって、多数の格子が放出され、大きい微分量子効率（通常、１よりずっと大きい）が得られる。半導体ヘテロ構造におけるサブバンド間およびミニバンド間の遷移は、それらの選択則に由来する固有のＴＭ偏波のため、表面プラズモン導波路に特に適している。
【００１９】
図７に示した具体的ダイヤグラムは、２０．５ｋＶ／ｃｍのバイアスを加えた場合のバンド構造を示す。活性領域／インジェクタ段に対する実際の層厚（単位：ナノメートル）は、
【数４】

（最初の障壁からスタートして左から右へ）である。Ａｌ_０．４８Ｉｎ_０．５２Ａｓ層（エネルギー障壁）は、Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ井戸と交互に、太字で示している。下線を引いた層は、ｎ_ｅ＝２．５×１０^１７ｃｍ^−３にドープされている。斜体はインジェクタ領域を示す。活性領域およびインジェクタ領域における関連する波動関数の絶対値の二乗が、レーザ遷移（活性領域における波形矢印で示す）とともに図示されている。
【００２０】
上記のように、デバイスの周囲温度を変えることによってその有効屈折率を変化させることにより、ＤＦＢ表面プラズモンレーザのレーザ周波数を「同調」することが可能である。図８に、実施例のＤＦＢ表面プラズモンレーザの同調曲線のプロットを示す（さまざまな波長で記録したスペクトルを挿入して示す）。図８の例では、幅２３μｍで長さ１．５ｍｍのシングルモードレーザを使用した。レーザは、Ｔｉ／Ａｕ−Ａｕ周期グレーティング構造を有し、その周期は２μｍである。図示のように、温度を５〜１２０Ｋの範囲にわたり変えると、約１６．１８μｍから約１６．２６μｍまでの波長変化を生じた。この例の依存性は明らかに非線形であるが、最高温度における線形同調係数を定義することができる。図８の具体的結果では、１ｎｍ／Ｋの値を有する同調係数が、受け入れられる近似である。
【００２１】
理解されるべき点であるが、上記のＤＦＢ表面プラズモンレーザ構造は、本発明の原理の応用例となる多くの可能な具体的実施例を代表する単なる例示である。当業者であれば、本発明の技術思想および技術的範囲を離れることなく、他の多くのさまざまな実施例を考えることが可能である。一般に、このようなシングルモード長波長デバイスには多くの異なる応用がある。第１の応用例を図９に示す。図９は、本発明のＤＦＢ表面プラズモンレーザ４０を含むポイントセンシング装置の概略図である。一般に、レーザは、粗波長同調のための温度制御ステージ（図示せず）上に設置される。ＤＦＢ表面プラズモンレーザ４０からの中ＩＲ（中赤外）放射４２は、通常のガスセル４４（あるいはマルチパスセル）を通り、通過後の放射４６は、通常の検出器４８に入射する。検出器４８からの電気出力は、（変調信号発生器５２からの適当な変調信号（例えば、１．２ｋＨｚ正弦波）とともに）ロックイン増幅器５０に供給され、ロックイン増幅器５０からの出力は、データ解析および整形のためにコンピュータ５４に供給される。その後、データは、適当な方法で（例えばビジュアルディスプレイ６０に）表示あるいは記憶される。ＤＦＢ表面プラズモンレーザ４０は、適当な電流でポンピングされる。例えば、ランプ波電流発生器５６からの低周波電流ランプ波（例えば、周期２５０ｍｓ）、バイアス電流発生器５８からの短いバイアスパルス（例えば、パルス幅５ｎｓ、周期２μｓ）、および、変調電流発生器５２からの変調信号が、コンバイナ６２に供給され、結果として得られる、電流パルスと正弦波が重畳した電流ランプ波が、ＤＦＢ表面プラズモンレーザ４０にパルス入力として入力される。電流ランプ波は、所定範囲にわたりレーザ温度を掃引するように作用し、パルスは、短いレーザパルスの放出を引き起こす。パルス波長は、ある範囲の波長にわたりゆっくりと掃引され、波長の関数としての吸収が決定される。こうして、この波長範囲に吸収線を有するガスがセル内に存在することが直ちに検出され、このガスを同定することができる。当業者には認識されるように、図９には、いくつかの従来の構成は示していない。例えば、測定装置は通常コンピュータ制御下にあり、コンピュータ５４への入力およびコンピュータ５４からの出力がさらに必要である。また、レーザを駆動し温度／波長の同調を行うための、他のさまざまな構成が使用可能である。図９に示した構成は単なる例示であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２２】
図１０は、例示的なリモートセンシングシステム８０の概略図である。排出源７２（例えば、工場）が、気体排出雲６４を排出する。本発明によるＤＦＢ表面プラズモンレーザ６６は、放射６８を放出し、放射６８は、排出雲６４を通って伝播し、（例えばコーナーリフレクタ６７により）反射される。その後、反射された放射６９は、検出器７０により検出される。ＤＦＢ表面プラズモンレーザ６６は、（例えば、上記の図９の場合のように）適当な方法でポンピングされ、検出器７０の出力は（同じく上記のような）適当な方法で利用することができる。ミラーやその他の適当な反射器を、コーナーリフレクタ６７の代わりに用いることができる。反射器は、航空機や、モニタされる煙突を有する高層構造物に置くことも可能である。もちろん、検出器も、航空機や高層構造物に置くことが可能である。一般に、レーザと検出器の見通し線配置が得られる任意の構成が可能である。
【００２３】
本発明のＤＦＢ表面プラズモンレーザは、一般に、保護および制御のための適当なハウジング内に設置される。パッケージは通常、冷却手段（例えば、水冷または熱電冷却）、温度制御のためのフィードバックループに用いられる温度センサ手段（例えば、熱電対）、および、レーザのポンプ電流を入力する手段を含む。レーザは、通常のようにして冷却手段に取り付けられる。オプションとして、ハウジングは、レーザ出力パワーを制御する検出器手段を含むことも可能である。ハウジングは、通常、レーザ放射に対して透明なウィンドウを有し、通常、真空排気されるか、不活性気体で充填される。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、ＤＦＢデバイスのように極度に厚くなることや製造が技術的に困難になることのない、比較的長波長のレーザが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って形成されたＤＦＢプラズモンレーザの等角図である。
【図２】図１のデバイスの前部ファセットの図である。
【図３】図１のシングルモードＤＦＢ表面プラズモンレーザの縦断面図である。
【図４】本発明に従って形成された実施例の表面プラズモンレーザのモード強度および誘電率の実部を、従来の誘電体導波路と比較したグラフである。
【図５】実施例の表面プラズモンレーザのＬ−Ｉ特性および電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例のＤＦＢ表面プラズモンレーザからのシングルモード出力を示す図である。
【図７】本発明の実施例のＤＦＢ量子カスケード（ＱＣ）表面プラズモンレーザの活性領域の例示的な伝導体ダイヤグラムを示す図である。
【図８】レーザ周囲温度の関数として同調する、本発明のシングルモードＤＦＢ−ＱＣプラズモンレーザの出力波長を「同調」する能力を示す図である。
【図９】本発明のＤＦＢ表面プラズモンレーザの一実施例を、この場合はポイントセンシング装置の一部として示す図である。
【図１０】ガス検知装置の一部としてＤＦＢ表面プラズモンレーザを有する例示的なリモートセンシングシステムを示す図である。
【符号の説明】
１０ シングルモード表面プラズモンレーザ
１２ 活性領域
１４ ＩｎＰ基板
１６ 絶縁体
１８ 上部電気コンタクト
２０ 下部電気コンタクト
２２ 上面
２４ 表面プラズモン伝達層（金属層）
３０ チタンストライプ
３２ 金層
４０ ＤＦＢ表面プラズモンレーザ
４２ 中赤外放射
４４ ガスセル
４８ 検出器
５０ ロックイン増幅器
５２ 変調信号発生器
５４ コンピュータ
５６ ランプ波電流発生器
５８ バイアス電流発生器
６０ ビジュアルディスプレイ
６２ コンバイナ
６４ 排出雲
６６ ＤＦＢ表面プラズモンレーザ
６７ コーナーリフレクタ
６８ 放射
７０ 検出器
７２ 排出源
８０ リモートセンシングシステム

Claims (10)

1. 表面プラズモンレーザ構造を有する装置であって、
   上部主表面を有する半導体基板（例えば１４）、
   前記半導体基板の上部主表面の一部を被覆し、側壁および上面を有するリッジとして形成された活性領域（例えば１２）、
   前記活性領域の上面の一部を被覆する金属製表面プラズモン伝達層（例えば２４）、
   前記活性領域の側壁および前記半導体基板の上部主表面の露出領域を被覆する絶縁層（例えば１８）、及び
   レーザに電流を流すために前記半導体基板の下部主表面に結合した電気コンタクト（例えば２０）
   からなり、
   前記表面プラズモンレーザがシングルモードのデバイスであり、前記金属製表面プラズモン伝達層が、周期的ブラッグ構造を示す分布帰還（ＤＦＢ）グレーティング構成として形成される多層金属構成（例えば３０、３２）からなることを特徴とする装置。
2. 前記多層金属グレーティングは、二重金属グレーティングを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記二重金属グレーティングは、チタンおよび金を含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記周期的構造は、ｎ次ブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記周期的構造は、１次ブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記周期的構造は、前記レーザの活性領域の上面の上に形成された第１金属と、第１金属のグレーティングおよび前記レーザの活性領域の残りの露出領域の両方を被覆するように配置された少なくとも１つの第２金属の層とを有する１次ブラッググレーティング層を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記第１金属はチタンであり、前記少なくとも１つの第２金属は金であることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記活性領域は、複数のほぼ同一の多層半導体繰返し単位を含む量子カスケード活性ユニットを有し、各繰返し単位は、単位活性領域およびキャリアインジェクタ領域を有し、単位活性領域は上位および下位エネルギー状態を有し、上位エネルギー状態から下位エネルギー状態へのキャリア遷移により波長λの光子が放出されることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. それぞれの量子カスケード単位活性領域は、
   上位および下位のミニバンドと、それらの間のミニギャップとを有する超格子領域を含み、
   前記上位エネルギー状態は上位ミニバンドにあり、前記下位エネルギー状態は下位ミニバンドにあり、
   前記キャリアインジェクタ領域は、与えられた繰返し単位の下位ミニバンドから隣の下流の繰返し単位の上位ミニバンドへのキャリア遷移が起こりやすいように選択されることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 光子放出波長λは、ＤＦＢ ＱＣ表面プラズモンレーザの周囲温度を変化させることによって調整されることを特徴とする請求項８記載の装置。

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