JP4857027B2 - レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ素子に関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（30GHz乃至30THz）の周波数領域内の周波数帯における電流注入型のレーザ素子に関する。更に詳細には、表面プラズモンの伝搬する導波路を備えた電流注入型のレーザ素子に関する。

新しい種類の半導体レーザとして、伝導帯或いは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのエネルギー準位間遷移（サブバンド間遷移）に基づく量子カスケードレーザと呼ばれる半導体レーザが、これまでに知られている。量子カスケードレーザの発振波長は、光学遷移に関する2つのエネルギー準位のエネルギー間隔に依存する。したがって、広いスペクトル領域（中赤外域からテラヘルツ帯まで）に渡って発振波長を選択できる可能性があり、はじめに、中赤外域の4.2[μm]に発振波長が選択された構成によって、この様なレーザが実現可能であることが実証された。最近では、生体センシングなどに有用と考えられているテラヘルツ帯の電磁波資源の需要もあり、発振波長を中赤外域より長波長側に選択された長波長レーザの開発が行われる様になっている。

長波長レーザでは、その周波数領域において利得を有する様な利得媒質の構成とともに、利得媒質への光閉じ込めを行うことも重要である。というのも、利得媒質の層厚は、厚く作製できても、1[μm]から10[μm]程度であって、典型的な長波長レーザの場合、これは発振波長の1／10かそれ以下となるからである。ゆえに、従来の半導体レーザで知られる様な誘電体クラッドによって光閉じ込めを行う手法を用いた場合、光の回折限界より薄い利得媒質への光閉じ込めを行うことはできない。したがって、長波長レーザのレーザ発振のために、新しい種類の光閉じ込めの手法がこれまでに考えられてきた。

特許文献1は、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして用いて、この問題を解決する方法を開示している。このとき、クラッドに導かれる導波モードは、表面プラズモンと呼ばれる負誘電率媒質内の荷電キャリアの分極振動が寄与した電磁波である。表面プラズモンには回折限界が存在しないため、モード強度の多くを、発振波長の1／10程度の薄い利得媒質へ閉じ込めることが可能である。この様な手法を用いることによって、発振波長が長波長よりの11.4[μm]のレーザ発振を達成している。

また、非特許文献1は、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして、利得媒質の上下に配する方法を開示している。このときも、クラッドに導かれる導波モードは、表面プラズモンである。二枚の負誘電率媒質をクラッドとした利得媒質では、特許文献1と比べても更に多くのモード強度を発振波長の1／10程度の薄い利得媒質へ閉じ込めることが可能である。この様な手法を用いることによって、発振波長が更に長波長よりの約100[μm]（3[THz]）のレーザ発振を達成している。
特開2000‐138420号公報 Benjamin S. Williams etal, ;Appl. Phys. Lett., Vol. 83（2005）, 2124

しかしながら、従来の光閉じ込めの手法において、発振波長より十分に薄い利得媒質へ表面プラズモンを閉じ込めようとすると、導波路損失が比較的大きくなるということが知られている。そして、これに伴って、レーザ発振のしきい値を上昇させてしまい、例えば、しきい値電流密度の上昇に伴う消費電力の増大化、レーザ発振を維持するための冷却手段が別途必要となるなどの事態が生じていた。こうして、利得媒質が薄いほどレーザ発振のしきい値を上昇させてしまうため、従来の長波長レーザでは利得媒質を比較的厚く構成せざるを得なかった。つまり、量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造で構成された利得媒質などを用いる必要があるが、これは比較的高価であり、従来の長波長レーザは高コストであった。

これらのことは、発振波長の1／10以下の薄い利得媒質への光閉じ込めが必要となる様な100[μm]以上（3[THz]以下）の長波長レーザにおいて、特に顕著である。

上記課題に鑑み、本発明のレーザ素子は、電磁波を共振させるための共振構造を含む導波路を有するレーザ素子であって、
前記導波路は、
電磁波を発生させるための利得媒質と、
前記利得媒質に電気的に接して設けられ、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一のクラッドと、
前記利得媒質に電気的に接して設けられ、該利得媒質を介して前記第一のクラッドの反対側に設けられ、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第二のクラッドと、
前記利得媒質の少なくとも片方の側面に接して設けられ、前記第一及び第二のクラッドで挟まれ、前記電磁波に対する誘電率実部が正である側面構造と、を備え、
前記側面構造に保持される表面プラズモンの波数が前記利得媒質に保持される表面プラズモンの波数よりも小さくなるように構成される。前記電磁波の周波数は、典型的には、30GHz以上30THz以下の周波数領域の一部を含む。

本発明のレーザ素子の構成は、上記の如き第一のクラッドと第二のクラッド及び側面構造を用いている。したがって、発振波長より十分に薄い利得媒質を用いる場合でも、これへモード強度の比較的多くを閉じ込めることが可能であって、導波路損失が小さくなり、これに伴って、レーザ発振のしきい値を低減することができる。

以下に、本発明のレーザ素子の実施の形態について説明する。本発明の一実施形態のレーザ素子は、発振されるべき電磁波（30GHzから30THzの周波数領域の一部を含む）に対して利得を有する利得媒質と、電磁波を伝搬させる導波路と、導波路によって構成される電磁波を共振させるための共振構造を備える。利得媒質は、電磁波の伝搬方向に沿って伸びて、その厚さ方向の上下において、負誘電率媒質の第一のクラッドと第二のクラッドで挟まれている。更に、その幅方向における少なくとも片方の側面に、正誘電率媒質の上下を負誘電率媒質で挟んだ構成の側面構造が隣接している。こうして、利得媒質、側面構造、第一のクラッドと第二のクラッドにより導波路を構成している。

図1は、本実施形態を示す断面図である。図1において、101と102は、負誘電率媒質であって、発振されるべき電磁波の周波数領域において負の誘電率実部を有する物質である。ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域において、例えば、キャリアドープした半導体（例えば、InAs、InP、GaAs、Siなど）か、金属（例えば、Ag、Au、Cu、Alなど）か、又はこれらの複数の物質によって構成される。負誘電率媒質は、典型的な場合、導電性材料でもあるので、透明導電膜（ITOなど）を選択してもよい。ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域では、誘電率虚部と実部との比Im（ε）／Re（ε）（εは複素誘電率）が他のものと比べて比較的大きい金属が、導体ロスを最も小さくできる。したがって、負誘電率媒質101、102は金属を用いて構成すると好ましい。

また、図1において、103は、上記負誘電率媒質101、102で上下を挟まれた利得媒質である。利得媒質は、一般に、キャリアを注入すると利得が発生する物質であって、外部から電流注入を行うためには利得媒質103と負誘電率媒質101、102との電気的な接触を図る必要がある。このため、高濃度キャリアドープされた半導体を電気的接点111、112として利用する。ここで、高濃度とは、少なくとも誘電率実部が負になる様なキャリア濃度より濃度が高いものとする。また、121と122は、電極材である。図示しない外部電界印加手段によって供給される電界は、この電極材121、122の間に印加され、こうして、利得媒質103へ電流注入される。

上記構成で、負誘電率媒質101、102と電気的接点111、112はミリ波帯やテラヘルツ帯においてクラッドとして機能する。したがって、この様な負誘電率媒質101、102と電気的接点111、112によって導かれる電磁波は、回折限界をもたない表面プラズモンが導波モードとして許容される。このため、利得媒質103の厚さ（y方向の寸法）が波長と比べて十分に小さくても、導波モードは存在する。ここでは、波長と比べて十分に小さい寸法は、上記背景技術のところで述べたことを考慮して、波長の1／10以下と考える。

しかし、この様な状況になると、表面プラズモンは負誘電率媒質101、102や電気的接点111、112における導体ロスに強く影響される様になる。そして、これに伴って、比較的大きな導波路損失が必ず発生してしまうため、本発明では以下の様にして導波路損失を小さくする。すなわち、導波路損失の大きさは、近似的には、導波モードの伝搬方向に関する波数の大きさと材料に起因するロスとの積に比例する。材料に起因するロスには、負誘電率媒質101、102と電気的接点111、112の導体ロスも含まれる。

ところが、導波モードの伝搬方向に関する波数の大きさをβとすると、実はβを小さくすることは可能である。そのためには、これよりも波数の小さな表面プラズモンと結合させ、一体となった導波モードを形成させればよい。βの大きさは導波モードの等価屈折率に比例する。ゆえに、波数βを小さくすることは、実空間における導波モードの横方向への広がりを大きくとることに相当する。正誘電率媒質105の上下を負誘電率媒質101、102で挟んだ構成の側面構造は、このために設けたものである。典型的な場合、正誘電率媒質105の厚さが利得媒質103の厚さよりも厚いとき、正誘電率媒質105に保持される表面プラズモンの波数は利得媒質103に保持される表面プラズモンの波数より小さくなる。したがって、本実施形態では、負誘電率媒質101、102の少なくとも一方には利得媒質103の幅にわたる部分において利得媒質側に突出したリブ104を含み、リブ104と利得媒質103により伝搬方向に伸びるリブ構造として、第一のクラッドと第二のクラッド及び側面構造を構成する。図1の例では、利得媒質103の下側においてのみ、利得媒質側に突出したリブ104を形成している。

リブ104の形状は、図1の様な短冊状でなくてもよく、例えば、図9（a）、（b）の様な台形状リブ904でも、かまぼこ状リブ914でもよい。また、図10の様にリブ104、114を配してもよい。すなわち、図10の構造では、負誘電率媒質101、102の両方に、利得媒質103のほぼ幅にわたる部分において利得媒質側に突出したリブ104、114を夫々形成している。

ただし、より十分な上記結合を期すために、リブ104の幅（x方向の寸法）は波長以下とすると好ましい。また、正誘電率媒質105の幅（x方向の寸法）は少なくとも利得媒質103の厚さ以上とすると好ましい。より適切に設計された場合、導波モードのビームウェストをリブ104の幅かそれ以上にまで広げることができるからである。ゆえに、利得媒質103へのモード強度の閉じ込めを行いながら、更に波数βを小さくすることができるので、導波路損失が小さくなり、レーザ発振におけるしきい値も低減できる効果がある。

以上に述べた効果は、特に、利得媒質103の厚さが波長と比べて十分に小さいとき顕著である。したがって、利得媒質103に共鳴トンネルダイオードを使用しても、従来例における導波路損失と遜色ない程度にまで導波路損失を抑えることができる。なお、共鳴トンネルダイオードで得られる利得の値は、量子カスケードレーザと同程度（数十cm^‐1）から一桁程度（数百cm^‐1）大きく、更に温度上昇に伴う利得の低下が少ないことから、室温におけるレーザ発振を期待することができる。したがって、0.1[THz]乃至10[THz]を含むミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域において効果的と考えられる。

以上の効果を確認するために、電磁界シミュレーションを行った。使用したシミュレーション手法は波数空間平面波展開法によるもので（Phys. Rev. B, Vol. 68, 245117 （2003）を参照）、導波モードの複素伝搬定数γ（＝β＋iα、iは虚数単位、αは減衰定数）を算出する周波数ソルバである。また、負誘電率材料の指定方法としては、当業者間ではよく知られている様にドゥルーデの複素誘電率モデルを用いた。ここでは、シミュレーションを行う波長を、共鳴トンネルダイオードにおいて利得が大きいとされる900[μm]から300[μm]（対応する周波数は0.3[THz]から1[THz]）とし、負誘電率媒質101、102としてはAuを想定し、非特許文献1と同様に電子の緩和時間τを0.05[psec]と置いた。周波数0.3[THz]乃至1[THz]で、Auは誘電率実部が負である。電気的接点121、122の厚さについては夫々50[nm]、100[nm]とし、InGaAs系の半導体材料を想定し、同様に電子の緩和時間τを0.1[psec]と置いた。利得媒質103としてはi‐InGaAs系の材料によって構成した半導体多重量子井戸（共鳴トンネルダイオード）を想定し、その厚さを30[nm]とした。周波数0.3[THz]乃至1[THz]ではi‐InGaAsは誘電率実部が正であって、背景誘電率ε＝11．6に漸近した値となる。

また、シミュレーションを行う構造は図1と図2で示す様なxy断面構造とし、導波モードの伝搬方向zは無限とした。ここで、図1は本実施形態に係る構造断面であって、図2は従来例に係る構造断面である。図1の本実施形態に係る構造断面では更に、リブ104の幅を4[μm]とし、正誘電率媒質（ε＝1）105の厚さを1[μm]に設定した。なお、シミュレーションの条件としては、いずれもx方向3[μm]、y方向90[μm]とし、両方向には周期境界条件を課した。平面波展開基底数はx方向に17、y方向に61とした。

シミュレーション結果を以下に説明する。図3（a）は導波路損失（電力損失分として、αの2倍の値）と周波数の関係を表している。なお、図中の凡例（a-1）（a-2）は夫々以下に対応している。

（a-1）本実施形態に係る構造において、0.3[THz]における導波路損失は79[cm^‐1]と見積もられた。この値は、負誘電率媒質101、102（電気的接点111、112も含む）の導体ロスに基づいた損失である。また、導波モードのビームウェスト（x方向）は約8[μm]であった。このとき、モード強度の閉じ込めは少なくとも40%以上と見積もられた。

（a-2）従来構造において、0.3[THz]における導波路損失は224 [cm^‐1]と見積もられた。同様に、この値は負誘電率媒質101、102（電気的接点111、112も含む）の導体ロスに基づいた損失である。

周波数依存性を見ると、0.3[THz]乃至1[THz]全域で導波路損失が低減されていることも分かり、本実施形態に係る構造が効果を有していることを示している。

また、図4（a）は波数βと周波数の関係を表し、以上に説明した理由で導波路損失が低減できることを裏付けている。なお、周波数とともに導波路損失が大きくなる傾向は、周波数が高くなるほど導体ロスが大きくなる傾向と一致している。

また、従来例の様に利得媒質103の厚さが波長の1／10程度の構造でも、効果が得られることを確認するために、同様に電磁界シミュレーションを行った。ここでは、シミュレーションを行う波長を量子カスケードレーザにおいて利得が大きいとされる300[μm]から100[μm]（対応する周波数は1[THz]から3[THz]）とし、負誘電率媒質101、102としてはAuを想定し、非特許文献1と同様に電子の緩和時間τを0.05[psec]と置いた。電気的接点121、122の厚さについては夫々50[nm]、100[nm]とし、GaAs系の材料を想定し、同様に電子の緩和時間τを0.1[psec]と置いた。利得媒質103としては、わずかにキャリアドープされたn‐GaAs系の材料によって構成した半導体多重量子井戸（量子カスケードレーザ）を想定し、その厚さを10[μm]とした。周波数1[THz]乃至3[THz]ではn‐GaAsは誘電率実部が正であって、背景誘電率ε＝12．9に漸近した値となる。ここで、自由電子の緩和時間τは0.1[psec]と置いた。

シミュレーションを行う構造は図1と図2で示す様なxy断面構造とし、導波モードの伝搬方向zは無限とした。図1の本実施形態に係る構造断面では、更にリブ104の幅を4[μm]とし、正誘電率媒質（ε＝1）105の厚さを20[μm]に設定した。なお、シミュレーションの条件としては、いずれもx方向30[μm]、y方向20[μm]とし、両方向には周期境界条件を課した。平面波展開基底数はx方向に17、y方向に21とした。

シミュレーション結果を以下に示す。図3（b）は導波路損失（電力損失分として、αの2倍）と周波数の関係を表している。なお、図中の凡例（b-1）（b-2）は夫々以下に対応している。

（b-1）本実施形態に係る構造において、3[THz]における導波路損失は17
[cm^‐1]であった。更に解析を進めたところ、9.6[cm^‐1]程度が負誘電率媒質101、102（電気的接点111、112も含む）の導体ロスに基づいた損失であり、その他は、利得構造103における自由電子吸収ロスと考えられる。また、導波モードのビームウェストは約9[μm]であった。

（b-2）従来構造において、3[THz]における導波路損失は19[cm^‐1]と見積もられた。そのうち、6.0[cm^‐1]程度が負誘電率媒質101、102（電気的接点111、112も含む）の導体ロスに基づいた損失であり、その他は、利得構造103における自由電子吸収ロスと考えられる。この結果は、従来例の非特許文献1記載の導波路損失とほぼ同様の傾向である。

周波数依存性を見ると、1[THz]乃至2[THz]付近で導波路損失が低減されていることも分かり、本実施形態に係る構造が効果を有していることを示している。

また、図4（b）は波数βと周波数の関係を表し、以上に説明した導波路損失が低減できる理由を裏付けている。ただし、3[THz]付近では、導波路損失は飽和して、むしろ短冊状のリブ104の角部に起因すると考えられる導体ロスが増加している。これはリブ104の形状の選択によるもので、本発明において本質的ではない。すでに述べたように、台形状リブやかまぼこ状リブなどとして角部を除くこともできるからである。なお、周波数とともに導波路損失が小さくなる傾向は、周波数が低くなるほど自由電子吸収ロスが大きくなる傾向と一致している。

ただし、以上に示された本発明の実施形態において、利得媒質103の有する利得がミリ波帯よりも低い周波数領域まで及んでいる場合は、寄生的なRF発振が発生する可能性がある。これは、次の様にして防止することができる。すなわち、寄生的なRF発振はRC時定数によるものである。例えば、利得媒質103から電極材121、122を経由して図示しない外部電界印加手段までのRC共振回路による時定数も、寄生的なRF発振の原因である。ゆえに、バイアスTを介して電極材121、122の間に電界を供給する方法や、電極材121、122の間に、別途、抵抗器などを挿入するなどの方法が、アナログ回路技術でよく知られており、この様な構成を付加してもよい。

上記のレーザ素子の構成によれば、発振波長より十分に薄い利得媒質を用いる場合でも、これへモード強度の多くを閉じ込めることが可能であって、導波路損失が小さくなり、これに伴って、レーザ発振のしきい値を低減することができる。また、しきい値電流密度が小さくなることで省電力化が行え、更に、レーザ発振を維持するための冷却手段の簡易化や、好ましくは不要となるなどの効果がある。また、利得媒質の選択肢として、比較的低コストである共鳴トンネルダイオードを選択することもできる。

以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

（実施例1）
図5は、本発明に係るレーザ素子構成の実施例1を示した断面図である。実施例1は、金属圧着プロセスを経て作製されるレーザ素子の例である。

電磁波の伝搬方向に垂直な面での断面図である図5（a）において、負誘電率媒質501は導体ロスを小さくするためのAu薄膜であって、Si基板500上に蒸着されたものである。また、負誘電率媒質502はAuである。ここで、負誘電率媒質501と負誘電率媒質502に挟まれてリブ構造があり、リブ構造は、電磁波の伝搬方向に伸びるリブ504、514と利得媒質503から構成されている。リブ514は、負誘電率媒質502上に形成したAuを含む電極材を兼ねたものであり、Au502とボンディングされて形成されたものである。また、リブ504は、負誘電率媒質501上に形成したAuを含む電極材を兼ねたものであり、同様に、Au薄膜501とボンディングされて形成されたものである。

本実施例では、利得媒質503としては、InP基板に格子整合するInGaAs／InAlAs系の多重量子井戸が選択される。例えば、5.0/3.8/5.6/2.7/7.7/3.8/5.0（数字は単位[nm]による各部の厚さ、下線がない部分はInGaAsによる井戸、下線部はInAlAsによるポテンシャル障壁）の半導体多層膜構造から構成された共鳴トンネルダイオードが選択される。いずれの層にも意図的にキャリアドープを行わないアンドープとすると、利得媒質503における自由電子吸収ロスは無視できる。

この共鳴トンネルダイオードは、フォトンアシストトンネルと呼ばれる現象に基づいてミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域で利得を有する。上記共鳴トンネルダイオードは、0.3[V]の電界印加時においてピーク電流密度が約50k[A/cm²]の負性抵抗素子であったため、したがって、例えば、0.3[THz]乃至1[THz]の周波数領域で130[cm^‐1]程度の利得を有していると考えられる（Jpn．Jour．Appl．Phys．，Vol．40，5251（2001）を参照）。

このとき、負誘電率媒質501において、利得媒質503側の電気的接点511は、例えばn‐InGaAsの半導体膜（厚さ100[nm]）によって構成される。更に同様に、負誘電率媒質502において、利得媒質503側の電気的接点512は、n‐InGaAsの半導体膜（厚さ50[nm]）によって構成される。やはり、導体ロスを小さくするため、これら電気的接点511、512は高濃度キャリアドープされた層とすることが好ましく、例えば、電子濃度を1×10¹⁸cm[cm^‐3]以上とする。この様な利得媒質503や電気的接点511、512は、InP基板に半導体エピタキシャル成長させたものであるが、図5（a）では、InP基板はすでに取り除かれている。電流注入はAu501、502を通して行われ、図示しない定電圧源まで電気ケーブルなどを介してAu501、502が接続されている。この様にして、電極材の間には適当に電界を印加できるようしておく。

また、本実施例では、リブ構造の側面に隣接する側面構造を成す正誘電率媒質505は空気とし、他の正誘電率媒質515によって空気の満たされる領域を確保する。例えば、正誘電率媒質515として比較的低損失で低誘電率の誘電体であるBCBを利用してもよい。

図5（a）におけるAu501、502の厚さは、ミリ波帯からテラヘルツ帯の電磁波の表皮深さより厚くする。例えば、300[nm]以上とする。また、リブ504、514の幅は本実施例では4[μm]とし、正誘電率媒質505、515の厚さを1[μm]とする。

本実施例では、レーザ共振器を、カットして形成された端面に挟まれたファブリペロー共振器とするものである。すなわち、導波路は、電磁波の伝搬方向において少なくとも二つの端面を備えて共振構造を構成し、端面からの反射を利用して電磁波を定在波とする。したがって、図5（b）（図5（a）でリブ514を含んだxz平面における断面図）に示す様に、伝搬方向の長さLが発振波長を決める要素となる。いま、発振させたい波長における表面プラズモン導波モードの波数の大きさをβとすると、半導体レーザ技術でよく知られる様に、π／βの整数倍をLと一致させればよい。例えば、利得媒質503である共鳴トンネルダイオードにおける利得が導波路損失を上回る様な0.3[THz]に発振波長を設定する。このときのπ／βとしては0.01[cm]が得られるから、例えば、その10倍の0.1[cm]を伝搬方向の長さLとしてレーザ発振を達成することができる。

以上の構成は次の作製方法で作製することができる。まず、InP基板上に、分子ビームエピタキシー（MBE）法などによって、n‐InGaAs層512、InGaAs／InAlAs多重量子井戸層503、n‐InGaAs層511をエピタキシャル成長する。その表面に電極としてTi／Au504を蒸着し、上記した様な幅4[μm]のリブ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとICP（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。次に、上記電極504とSi基板500上のAu薄膜501との間で、圧着によるボンディングを行う。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、InP基板だけが選択的に除去されるため、リブ状のエピタキシャル層がSi基板500上に転写される形となる。最後に、上記InP基板を除去した後に現れたn‐InGaAs層512の表面に、リフトオフ法によりリブ状の金属膜514を形成する。更に、表面にAuコーティングを行ったAl板502を、金属膜514と接触させ、且つBCB515で支えられる形でエアギャップ505を形成すれば、上記構成は完成する。

ここで、正誘電率媒質505として、誘電率異方性のある液晶（液晶分子の長軸方向と短軸方向との誘電率が異なる）を充填すると、液晶分子制御電界を別途印加することによって、導波モードの波数の大きさβを変化させることができる。この様な周波数可変レーザでは、伝搬方向の長さLは、例えば、π／βの100倍とし、予め数多くの共振波長を利用できる様にしておいてもよい。

（実施例2）
図6は、本発明に係るレーザ素子の実施例2を示した断面図である。実施例2は、簡易に作製することのできる本発明に係るレーザ素子の例である。

電磁波の伝搬方向に垂直な面での断面図である図6（a）において、負誘電率媒質601はn‐InP基板である。導体ロスを小さくするためには高濃度キャリアドープされた導電性基板を選択するのが好ましく、例えば、電子濃度を1×10¹⁹cm[cm^‐3]以上とする。または、n-InGaAsなどにおける高濃度キャリアドープされた厚い半導体層を選択してもよい。600はAu薄膜で、本実施例においてn‐InP基板601における導体ロスを低減するためのものである。また、負誘電率媒質602はAuである。ここで、リブ構造は、リブ604、614及び利得媒質603から構成されている。リブ614は、蒸着によりAu602と一体となって形成されたもので、リブ604は、n‐InP基板601をエッチング処理したものである。本実施例でも、利得媒質603には、InP基板に格子整合するInGaAs／InAlAs系の多重量子井戸を選択し、例えば、実施例1と同様の構造とする。

このとき、利得媒質603側の電気的接点611は、例えば、n‐InGaAsの半導体層（厚さ400[nm]）によって構成される。同様に、利得媒質603側の電気的接点612は、例えば、n‐InGaAsの（厚さ半導体層50[nm]）によって構成される。実施例1と同様に、導体ロスを小さくするため、高濃度キャリアドープされた層とすると好ましく、例えば、電子濃度を1×10¹⁸cm[cm^‐3]以上とする。電極材はAu600、602が兼ね、電流注入はAu600、602を通して行われ、図示しない定電圧源まで電気ケーブルなどを介して接続されている。この様にして、電極材の間には、適当に電界を印加できるようしておく。なお、利得媒質603の側面に隣接する正誘電率媒質605には、比較的低損失で低誘電率の誘電体であるBCBを利用する。

図6（a）におけるn‐InP基板601の厚さは、例えば、典型的な厚さ350[μm]の基板を利用し、最も薄い部分でも、ミリ波帯からテラヘルツ帯の電磁波の表皮深さより厚くする。n‐InP基板601における導体ロスを低減するためAu薄膜600も同様に電磁波の表皮深さより厚くし、例えば300[nm]とする リブ604、614の幅は、作製を容易にするために8[μm]とし、BCB605の厚さは3[μm]とする。或いは、更に最適な組み合わせの数値を選択してもよい。

本実施例も、レーザ共振器をカットして形成された端面に挟まれたファブリペロー共振器とするものである。ただし、特に一方の端面からレーザ出力を得たいときは、図6（b）（図6（a）でリブ614を含んだxz平面における断面図）に示す様に、外部空間と結合効率を高める様なインピーダンス変換構造606を設けて反射率を低下させてもよい。このためには、例えば、マイクロ波技術でよく知られるλ／4インピーダンス変換器を利用する。すなわち、インピーダンス変換構造606におけるdを、変換器におけるπ／2βと一致させ、端面からdの長さだけリブ604、614の幅を狭くして外部空間とのインピーダンス不整合を低減させる。同じ方法は、マイクロストリップライン、コプレーナウェーブガイドなどの外部高周波伝送路との結合効率を高めるときにも適用できる。反対に、端面からdの長さだけリブ604、614の幅を広くして外部空間とのインピーダンス不整合を高めることも可能である。

以上の構成の作製方法の一例は下記の通りである。すなわち、実施例1と同様に、MBE法によりn‐InP基板601の上に、n‐InGaAs層611、InGaAs／InAlAs多重量子井戸層603、n‐InGaAs層612をエピタキシャル成長する。次に、幅8[μm]のリブ状に、やはり実施例1と同様にInP基板601までエッチングを行い、リフトオフ法によりn‐InP基板601の上にのみCr／Au電極600が形成される様にする。更に、このリブの外側に、BCB膜605を厚さ3[μm]になる様に塗布し、リブとなる領域のみ、フォトリソグラフィ及びCF₄とO₂を用いたドライエッチングにより窓開けして、n‐InGaAs層612を露出させる。ここに、Ti／Auを蒸着させれば電極602とすることができ、素子が完成する。このとき、図6（b）のインピーダンス変換構造606を作成するには、予め、リブ構造の平面構造をフォトマスクで対応させればよい。

（実施例3）
図7は、本発明に係るレーザ素子の実施例3を示した断面図である。実施例3は、本発明の上記実施形態において、レーザ共振器を、分布帰還型（DFB）共振器としたものである。これによれば、例えば、実施例1、2などで特に高速変調を行いたいとき、発振波長を安定させることが可能となる。

図7（a）は、図1におけるリブを含んだyz平面の断面図であって、リブ704の幅が伝搬方向に沿って周期的に変化する形状となっている。こうして、第一のクラッドと第二のクラッドの少なくとも一方に、幅方向の寸法が伝搬方向に沿って周期的に変化する部分を持たせ、ブラッグ反射を利用して電磁波を定在波としている。なお、これに伴って、利得媒質703、電気的接点711、712も同様に変化する。周期的に変化する形状は、本実施例では、幅が有る・無しで変化する様な矩形型（図7（b）に示す様に幅が無しに相当する領域は正誘電率媒質705で置き換えられる）とする。もちろん、リブ704の幅が正弦波状に変化する様な正弦波型を選択してもよい。この様な構造は、半導体レーザ技術においてよく知られる利得導波型のDFBレーザと屈折率導波型のDFBレーザとのハイブリッドタイプとして考えることができる。なお、図7（a）において、部分701、702、721、722は、夫々、図1の負誘電率媒質101、負誘電率媒質102、電極材121、電極材122に対応する要素である。

本実施例において、基本的構造は、例えば、実施例1（図5）と同様とし、更に、一周期の長さに対するリブ704の幅が有る領域の長さをデューティに換算し、例えば95%とする。基本構造において、利得媒質703における利得が導波路損失より十分に上回る場合は、デューティを更に小さく選択してもよい。このとき、図7（b）（図7（a）でリブ704を含んだxz平面における断面図）に示す様に、1つの周期707の長さaが、発振波長を決める要素となる。いま、発振させたい波長における表面プラズモン導波モードの波数の大きさをβとすると、π／βをaと一致させればよい。例えば、0.3[THz]に発振波長を設定し、このとき、π／βとして近似的に0.01[cm]が得られる。本実施例では、周期707を10回繰り返す構造とし、更に適切な位置に端面を設ける。

以上に述べた様に、リブ704の幅を伝搬方向に沿って周期的に変化する形状とした本レーザ素子では、発振波長を安定させることが可能とする。しかし、発振波長を安定させるための構造はこれに限らない。例えば、リブ704の幅は一定にして正誘電率媒質705の誘電率を伝搬方向に沿って周期的に変化する様にしてもよい。

（実施例4）
図8は、本発明に係るレーザ素子の実施例4を示した断面図である。実施例4は、実施例3におけるレーザ出力を、表面プラズモン導波モードの伝搬方向と垂直な方向へ導くための構成を持つ例である。

図8（a）は、図1におけるリブを含んだyz平面における断面図であって、リブ804の幅が伝搬方向に沿って周期的に変化する形状となっている。その上更に、負誘電率媒質802に開口808を設けている。なお、これに伴って、電極材812にも開口808を設けておく。このとき、開口808は、アンテナ技術でよく知られるスロットアンテナとして機能する。すなわち、負誘電率媒質802の表面電位を基準とすると、伝搬方向に沿ってπ／βの周期でリブ804の電位が正と負とに分布する。電位の基準面を逆にリブ804へ入れ替えると、負誘電率媒質802の表面電位は、やはり伝搬方向に沿ってπ／βの周期で正と負とに分布する。

したがって、リブ804に沿った負誘電率媒質802の適切な位置に開口808を設けると、開口808の＋V点、‐V点の間に電気双極子を見いだすことができる。＋V点と‐V点の間の距離は波長と比べて十分に小さいと好ましく、本実施例では、開口808におけるアンテナ長を伝搬方向と垂直な方向としている。図8（b）は、本実施例における開口808を含んだxz平面の断面図であって、開口808の形状を示している。ここでは、開口808の形状をλ／2アンテナとする。典型的なスロットアンテナの放射パターンによれば、レーザ出力は、表面プラズモン導波モードの伝搬方向と垂直に得られることになる。開口808は一つでもよいが、本実施例の様に、伝搬方向に沿って2a（＝2π／β）の周期でアレイ状に配してもよい。というのも、夫々の開口808における電磁界放射間で位相同期を得るためである。なお、図8（a）において、部分801、803、805、811、821、822は、夫々、図7（a）の負誘電率媒質701、利得媒質703、正誘電率媒質705、電気的接点711、電極材721、電極材722に対応する要素である。

以上に述べた開口808を設けたレーザ素子は、一次元アレイ構造を実現するものである。しかし、一次元アレイに限ることはない。例えば、表面プラズモン導波モードを伝搬させるためのリブ804を並行して複数設け、更に表面プラズモンの波長と等しいピッチで配列させると、同様の方法で位相同期した二次元アレイ構造とすることもできる。

本発明によるレーザ素子の一実施形態について示した断面図。 比較例として従来例のレーザ素子を示した断面図。 本発明の実施形態における導波路損失を従来例と比較した図。 本発明の実施形態における波数を従来例と比較した図。 実施例1に係るレーザ素子の構成を示す断面図。 実施例2に係るレーザ素子の構成を示す断面図。 実施例3に係るレーザ素子の構成を示す断面図。 実施例4に係るレーザ素子の構成を示す断面図。 本発明の実施形態についての変形例を示した断面図。 本発明の実施形態についての変形例を示した断面図。

符号の説明

101、102、501、502、601、602、701、702、801、802…負誘電率媒質
103、503、603、703、803…利得媒質
104、114、504、514、604、614、704、804、904、914…リブ
105、505、515、605、705、805…正誘電率媒質
111、112、511、512、611、612、711、712、811、812…電気的接点（負誘電率媒質）
121、122、721、722、821、822…電極材
600…電極材（金薄膜）

Claims (13)

1. 電磁波を共振させるための共振構造を含む導波路を有するレーザ素子であって、
   前記導波路は、
   電磁波を発生させるための利得媒質と、
   前記利得媒質に電気的に接して設けられ、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一のクラッドと、
   前記利得媒質に電気的に接して設けられ、該利得媒質を介して前記第一のクラッドの反対側に設けられ、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第二のクラッドと、
   前記利得媒質の少なくとも片方の側面に接して設けられ、前記第一及び第二のクラッドで挟まれ、前記電磁波に対する誘電率実部が正である側面構造と、を備え、
   前記側面構造に保持される表面プラズモンの波数が前記利得媒質に保持される表面プラズモンの波数よりも小さくなるように構成されることを特徴とするレーザ素子。
2. 前記側面構造の誘電率が前記利得媒質の誘電率よりも小さくなるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
3. 前記側面構造の厚さが前記利得媒質の厚さよりも厚くなるように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ素子。
4. 前記第一あるいは第二のクラッドは、金属、キャリアドープした半導体、又は、これら金属とキャリアドープした半導体によって構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ素子。
5. 前記側面構造は誘電体によって構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ素子。
6. 前記導波路は、前記電磁波の伝搬方向において少なくとも二つの端面を備えて前記共振構造を構成し、前記端面からの反射を利用して前記電磁波を定在波とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ素子。
7. 前記端面にインピーダンス変換構造を備え、前記定在波の一部を外部空間又は外部伝送路へ取り出すことを特徴とする請求項６に記載のレーザ素子。
8. 前記第一のクラッドと第二のクラッドの少なくとも一方に、前記幅方向の寸法が前記電磁波の伝搬方向に沿って周期的に変化する部分を持たせ、ブラッグ反射を利用して前記電磁波を定在波とすること特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ素子。
9. 前記第一のクラッドと第二のクラッドのいずれか一方に少なくとも一つの開口を備え、前記定在波の一部を外部空間又は外部伝送路へ取り出すことを特徴とする請求項８に記載のレーザ素子。
10. 前記利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のレーザ素子。
11. 前記利得媒質は、前記電磁波の波長の十分の一以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザ素子。
12. 前記電磁波の周波数は30GHz以上30THz以下の周波数領域の一部を含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザ素子。
13. 前記第一及び第二のクラッドはそれぞれ、前記利得媒質に接する電気的接点を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザ素子。