JP4871816B2 - レーザ素子 - Google Patents
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Description
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、
前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記導波路の前記第一のクラッドにおける前記第二のクラッドを基準とした前記電磁波の表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
発振されるべき電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記利得媒質は前記電磁波の伝播方向に沿って伸びて、その厚さ方向の上下において、前記電磁波に対する誘電率実部が負の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前記導波路を構成しており、
前記導波路の前記第一のクラッドにおける前記第二のクラッドを基準とした前記発振されるべき電磁波の表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
InGaAs 5.0nm / AlAs 1.3nm/InGaAs 5.6nm / InAlAs 2.6nm/InGaAs 7.6 nm/AlAs 1.3nm/InGaAs 5.0nm
いずれの層も意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。エミッタからトンネル注入されるキャリア(ここでは電子)は、以上の半導体多層膜構造を通過するとき、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発生する。また、0.7Vの電界印加時においてピーク電流密度が約280kA/cm2、0.7−0.9Vにおいて負性抵抗を示すものである。
Zin<R (式1)
とする。ここで、ZinはBi膜抵抗体22を配置する表面プラズモン導波路における表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさである。この部分におけるZinは、素子本体20の表面プラズモン導波路における特性インピーダンスZ0より十分に小さい(Zin<<Z0)ため、Z0より大きい抵抗値を選択すれば式1を満たすことができる。いまの場合、表面プラズモン導波路における特性インピーダンスZ0を詳細に解析すれば、0.3−1THzにおいて0.1Ω程度である。ただし、表面プラズモン導波路の解析方法については、素子本体20におけるそれぞれの層の自由キャリア濃度をよく知られたドゥルーデの複素誘電率モデルに反映し、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いている。そこで、本実施例では図2(b)に記述するように、片側が膜厚1.2μm、幅4μm、誘電体上の長さが10μmのリボン状のBi膜抵抗体22を、素子本体20を横断するように両側に配置し、抵抗値Rを約3Ωへ調整する。このようにして、表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさZinとBi膜抵抗体22の抵抗値Rとの間にインピーダンス不整合を確保する。配置方法に関しては、本実施例の場合、端面204、205は開放端であるから、端面204、205から光学的な長さでλ/4だけ離れた部分がはじめの表面電流の極大となる部分となる。したがって、この部分より伝播方向にλ/2のピッチで部分的に抵抗体22を配置する方法を選択する。光学的な長さneLで表され(等価屈折率ne、物理的長さL)、表面プラズモン導波路における等価屈折率を求め、発振波長を決めると物理的長さのピッチが求まる。いまの場合、表面プラズモン導波路における等価屈折率は0.3−1THz周辺で約12である(表面プラズモン導波路の解析については上記の手法を利用した)。本実施例では、1THzを選択することにする。このとき、光学的な長さλ/2は物理的長さに換算すると12.5μmである。また、素子本体20の動作点を安定化するために、
Zin<R (式1)
とする。また、素子本体50の動作点を安定化するために、
より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、
AlGaAs 4.9nm/GaAs 7.9nm/AlGaAs 2.5nm/GaAs 6.6nm/AlGaAs 4.1nm/n−GaAs 15.6nm/AlGaAs 3.3nm/GaAs 9.0nm
の半導体多層膜構造を178回繰り返して構成する。
Zin<R (式1)
とする。ZinはITO膜抵抗体72を配置する表面プラズモン導波路における表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさである。この部分におけるZinは、素子本体70の表面プラズモン導波路における特性インピーダンスZ0より十分に小さい(Zin<<Z0)ため、Z0より大きい抵抗値を選択すれば式1を満たすことができる。いまの場合、表面プラズモン導波路における特性インピーダンスZ0を詳細に解析すれば、3THz周辺において60Ω程度である。ただし、表面プラズモン導波路の解析方法については、素子本体50におけるそれぞれの層の自由キャリア濃度をよく知られたドゥルーデの複素誘電率モデルに反映し、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いている。そこで、本実施例では図7(b)に記述するように、片側が膜厚1.0μm、幅5μm、誘電体上の長さが40μmのリボン状のITO膜抵抗体72を、素子本体70を横断するように片側に配置し、抵抗値Rを約80Ωへ調整する。このようにして、表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさZinとITO膜抵抗体72の抵抗値Rとの間にインピーダンス不整合を確保する。配置方法に関しては、本実施例の場合、端面704、705は開放端であるから、端面704、705から光学的な長さでλ/4だけ離れた部分がはじめの表面電流の極大となる部分となる。したがって、この部分より伝播方向にλ/2のピッチで部分的に抵抗体72を配置する方法を選択する。光学的な長さはneLで表され(等価屈折率ne、物理的長さL)、表面プラズモン導波路における等価屈折率を求め、発振波長を決めると物理的長さのピッチが求まる。いまの場合、表面プラズモン導波路における等価屈折率は3THz周辺で約3.0である(表面プラズモン導波路の解析については上記の手法を利用した)。本実施例では、3THzを選択することにする。このとき、光学的な長さλ/2は物理的長さに換算すると16.7μmである。また、素子本体70の動作点を安定化するために、
111、112、211、212、511、512、701、702 電気的接点(負誘電率媒質)
103、203、503、603 利得媒質
121、122、221、222、521、522、721、722 電極
104、105、204、205、504、505、704、705 端面
10、20、50、70 素子本体
11 基板
21、51、71 転写用基板
12 抵抗体
22、72 膜抵抗体
52 ショットキー電極(抵抗体)
13、23、53、63 誘電体
54 ショットキー障壁
Claims (10)
- 特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とするレーザ素子。 - 前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において開放端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の四分の一だけ離れた部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項1記載のレーザ素子。
- 前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において固定端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の二分の一だけ離れた部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項1記載のレーザ素子。
- 前記抵抗体は、導電性材料で形成される膜抵抗体であることを特徴とする請求項1から3までいずれか記載のレーザ素子。
- 前記抵抗体は、半金属、透明性導電膜又は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4までいずれか記載のレーザ素子。
- 前記抵抗体は、金属と前記半導体の間に生じるショットキー障壁を含む抵抗体であることを特徴とした請求項1から5までいずれか記載の記載のレーザ素子。
- 前記表面電流が極大となる部分は複数有り、前記複数の表面電流が極大となる部分には抵抗温度係数の符号の異なる前記抵抗体を備えることを特徴とする請求項1から5までいずれか記載の記載のレーザ素子。
- 前記負誘電率媒質は、金属、キャリアドープした半導体、又は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6までいずれかに記載のレーザ素子。
- 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7までいずれか記載のレーザ素子。
- 前記電磁波の周波数は30GHzから30THzまでの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることを特徴とする請求項1から9までいずれか記載のレーザ素子。
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