[发明专利]量子级联激光器

说明书

QCL具备半导体基板和设置于半导体基板上的活性层。活性层具有级联结构，该级联结构层叠多级包括使光产生的发光层和电子从发光层被输送的注入层的单位层叠体而成。发光层及注入层分别具有量子阱层及势垒层交替层叠的量子阱结构。在单位层叠体中的发光层和注入层之间设置有分离层，该分离层包括具有比发光层中所含的量子阱层的平均层厚小且比注入层中所含的量子阱层的平均层厚小的层厚的分离量子阱层。

技术领域

本公开涉及一种量子级联激光器。

背景技术

已知一种通过差频生成(DFG：Difference-Frequency Generation)来产生第一频率ω₁和第二频率ω₂的频率差即第三频率ω3(＝|ω₁－ω₂|)的太赫兹波的量子级联激光器(以下，称为“QCL”。)(例如，参照专利文献1(日本特表2010－521815号公报))。

发明内容

在如上所述的QCL中，生成作为中红外光的两个波长(ω₁、ω₂)的泵浦光分量，通过QCL内部的非线性光学效应(NL：Nonlinear mixing)及差频生成(DFG)来产生太赫兹波。作为利用这样的技术的、具有高的中红外－太赫兹转换效率(高的二阶非线性感受率χ⁽²⁾)的方式，例如，已知一种设计为将载流子(电子)充分注入到两个发光上位能级双方的结合双上位能级(DAU：dual-upper-state)结构。但是，在以往的DAU结构中，存在因为激光振荡需要的阈值电流密度较高，所以室温连续动作困难的问题。

因此，本公开的一方面的目的在于提供一种能够降低阈值电流密度的量子级联激光器。

本公开的一方面提供一种量子级联激光器，其具备：基板；活性层，其设置于基板上，活性层具有级联结构，所述级联结构层叠多级包括使光产生的发光层和电子从发光层被输送的注入层的单位层叠体而成，发光层及注入层分别具有量子阱层及势垒层交替层叠的量子阱结构，在单位层叠体中的发光层和注入层之间设置有分离层，所述分离层包括具有比发光层中所含的量子阱层的平均层厚小且比注入层中所含的量子阱层的平均层厚小的层厚的作为量子阱层的分离量子阱层。

在所述量子级联激光器中，在构成活性层的各单位层叠体中，在发光层和注入层之间设置有分离层。分离层包括分离量子阱层，所述分离量子阱层具有比发光层中所含的量子阱层的平均层厚及注入层中所含的量子阱层的平均层厚小的层厚。根据这样的分离量子阱层，在单位层叠体的基于量子阱结构的子带能级结构中，能够形成有助于非线性光学效应的非线性能级。另外，因为从前级的单位层叠体的注入层向非线性能级的载流子(电子)的注入量较少，所以非线性能级的载流子数被抑制为较低。其结果，与对两个发光上位能级双方积极注入电子的以往的DAU结构比较，能够降低活性层中的激光振荡需要的阈值电流密度。

也可以是，分离量子阱层的层厚比发光层中所含的量子阱层中与分离量子阱层相邻的第一量子阱层的层厚小且比注入层中所含的量子阱层中与分离量子阱层相邻的第二量子阱层的层厚小。另外也可以是，分离量子阱层的层厚为第一量子阱层的层厚的1/2以下，且为第二量子阱层的层厚的1/2以下。根据所述结构，能够提高电子经由分离层从发光层向注入层的输送效率。其结果，能够提高激光振荡的效率。

也可以是，单位层叠体在基于量子阱结构的子带能级结构中具有发光上位能级、发光下位能级、以及分离量子阱层的基底能级引起的非线性能级。根据所述结构，通过与发光上位能级及发光下位能级分开地、因分离量子阱层的基底能级而形成的非线性能级，能够实现阈值电流密度的降低，同时实现二阶非线性感受率χ⁽²⁾的提高。

也可以是，将发光上位能级和非线性能级的能量间隔设定为比纵光学声子的能量E_LO小。根据所述结构，因为能够对发光上位能级稳定地设定非线性能级，所以能够获得良好的设备特性。