[发明专利]激光器器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种振荡器件，其中增益媒质被负介电常数媒质夹着， 该负介电常数媒质的对于电磁波的介电常数的实部是负的。更具体地， 本发明涉及一种激光器器件，其输出具有在从30GHz到30THz的范 围内的频率的电磁波。

在下面的描述中，在从30GHz到30THz的频率范围内的电磁波 被称为毫米波或太赫兹(terahertz)波。注意，接近30GHz的范围可 被称为毫米波段，并且接近30THz的范围可被称为太赫兹波段。

背景技术

新型半导体激光器的示例包括被称为量子级联激光器的半导体激光 器，该激光器基于导带或价带的公共能带内的载流子能级之间的跃迁 (子带间跃迁)。

量子级联激光器的振荡波长取决于与光跃迁有关的两个能级之间的 能隙(energy gap)。因此，可以从宽的频谱范围(从中红外区域到太赫 兹波段)上选择振荡波长，并且已首次证实该激光器可以通过选择中红 外区域中的4.2μm的振荡波长的结构来实现。

近年来，随着对被认为对生物传感等有用的太赫兹波段的电磁波资 源的需求，已进行了长波长激光器的开发，该长波长激光器的振荡波长 是从具有比中红外区域长的波长的区域中选择的。

长波长激光器具有用于在其频率范围中产生增益的增益媒质的结 构，并且具有被称为表面等离子体振子(plasmon)波导的结构，其中 可以严格地进行对增益媒质的光学约束(optical confinement)。这不同 于其中通过电介质包层(cladding)进行光约束的传统半导体激光器。

日本专利申请公开No.2000-138420公开了一种将其介电常数的实 部为负的负介电常数媒质用作包层的方法。在该情况中，由包层引导的 波导模是该负介电常数媒质内的被称为表面等离子体振子的电荷载流子 的极化振荡对其有贡献的电磁波。在表面等离子体振子中不存在衍射极 限，并且因此大部分的模强度可以被约束到增益媒质。

该技术的使用实现了振荡波长为11.4μm的激光振荡，其朝向较长 的波长偏移。

此外，Appl.Phys.Lett.，Vol.83，2124(2003)公开了一种将其介电常 数的实部为负的负介电常数媒质作为包层布置在增益媒质的顶部和底部 上的方法。在该情况中，包层引导的波导模也是表面等离子体振子。相 比于日本专利申请公开No.2000-138420中的情况，具有作为包层的两 个负介电常数媒质的增益媒质使得能够将多得多的模强度约束到增益媒 质。通过使用该技术，实现了其振荡波长约为100μm(3THz)的激光 振荡，其更加朝向较长的波长偏移。

在具有如上文所述的被称为表面等离子体振子波导的结构的长波长 激光器中，检查用于获得期望的激光振荡的稳定性。日本专利申请公开 No.2001-291929公开了一种作为分布反馈(DFB)结构的使振荡波长 稳定的技术，在该分布反馈结构中在波导模的传播方向上重复不同的负 介电常数媒质。另一方面，在振荡波长更加朝向较长的波长偏移的太赫 兹波段中，可以利用电子器件中的稳定技术。Jpn.J.Appl.Phys.，Vol. 44，7809(2005)公开了一种通过将电阻器元件插入到作为电子器件的天 线谐振器的外部部分中来使0.59THz(511μm)的振荡稳定的技术。

然而，在传统的长波长激光器中，隧道注入(tunnel injection)被 用作将电流注入到增益媒质中的方法。因此存在如下问题，即，工作点 是不稳定的并且因此使激光振荡不稳定。

由于在电流-电压特性(I-V特性)中呈现负微分电阻区域以及隧道 注入，因此工作点是不稳定的。这是在典型的光学半导体激光器中未发 现的现象。因此，日本专利申请公开No.2001-291929中公开的技术不 被认为对于传统的长波长激光器是足够稳定的结构，并且因此需要也可 以使工作点稳定的稳定结构。而且，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.44，7809 (2005)中公开的技术是电子器件中的稳定技术，这引起了如下问题， 即，当稳定技术被原样地用于激光器时，不能获得激光振荡。

发明内容