量子カスケードレーザーとは？わかりやすく解説

量子カスケードレーザー（りょうしカスケードレーザー、英: Quantum cascade laser, QCL）は遠赤外線を発する半導体レーザーである。1994年にベル研究所のJerome Faist、フェデリコ・カパッソ、Deborah Sivco、Carlo Sirtori、Albert Hutchinson、アルフレッド・チョーにより実証された^[1]。

典型的な半導体レーザーではバルク材料のバンドギャップを横切って電子・正孔対が再結合することにより光子が放出されるが、QCLはユニポーラであり、ヘテロ接合を繰り返すことによって形成される多重量子井戸内のサブバンド間遷移（英語版）を発光原理とする。このアイデアは1971年に提案された^[2]。

サブバンド間 vs. バンド間遷移

バルク半導体結晶内では、電子は低エネルギーの電子が集中している価電子帯と、高エネルギーの電子がまばらに分布している伝導帯の2つの連続的なエネルギーバンドの1つで状態を占めることがある。2つのエネルギーバンドは電子が占有できる状態が存在しないエネルギーバンドギャップにより分離される。従来の半導体レーザーダイオードは伝導帯の高エネルギー電子が価電子帯の正孔と再結合する際の単一光子の放出により光が発生する。光子のエネルギーつまりレーザーダイオードの発光波長は使用する材料系のバンドギャップにより決まる。

しかし、QCLは光学活性領域におけるバルク半導体材料を用いない。代わりに超格子を形成する様々な材料組成の周期的な一連の薄層からなる。超格子はデバイス長にわたり様々な電位を導入し、これはデバイス長にわたり異なる位置を占める電子の確率が変化することを意味している。これは1次元多重量子井戸閉じ込めと呼ばれ、許容されるエネルギー帯域を多数の離散電子サブバンドに分割する。層の厚さを適切に設計することにより、レーザー放射を達成するために必要とされるシステム内の2つのサブバンド間の反転分布を作ることが可能である。システム内のエネルギー準位の位置は主に材料ではなく層の厚さにより決まるため、QCLの発光波長を同じ材料系で広範囲で調整することが可能である。

量子カスケード構造では、電子はサブバンド間遷移を受け光子が放出される。電子は構造の次の周期に入り、この過程が繰り返される。

さらに半導体レーザーダイオードでは電子および正孔はバンドギャップを横切って再結合した後に消滅し、光子生成においてそれ以上の役割をすることはない。しかし、単極のQCLでは1度電子がサブバンド間遷移を経て超格子の1周期で光子を放出すると、別の光子が放出される次の周期にトンネルすることができる。QCL構造を横切る際に単一の電子が複数の光子を放出させるこの過程によりこの「カスケード」という名前が生まれており、これにより半導体レーザーダイオードよりも高い出力パワーにつながる1より大きい量子効率を可能にする。

動作原理

レート方程式

QCLは通常、3準位系を基礎とする。波動関数の形成が状態間の散乱と比較して十分速い過程であると仮定すると、非時間依存シュレーディンガー方程式の解として与えられる準位間の、遷移速度をレート方程式により記述することで系をモデル化することができる。各サブバンド間は寿命 $\tau _{if}$

電子の波動関数は3つの量子井戸QCL活性領域の各周期において繰り返される。上側のレーザー準位は太線で示されている。

活性領域の設計

散乱率は、サブバンドの電子波動関数を決定する超格子における層の厚さを適切に設計することで調整される。2つのサブバンド間の散乱率はサブバンド間の波動関数とエネルギー間隔の重なりに大きく依存する。図は3量子井戸(3QW)QCL活性領域および注入器における波動関数を示す。

$W_{32}$

導光路をそなえるQCファセットの断面暗灰色: InP, 薄灰色: QC層, 黒: 絶縁層, 金: 金メッキ. リッジ ~ 10 um 幅

ヘテロ構造導光路を備えるQCファセットの断面暗灰色: InP, 薄灰色: QC層, 黒:絶縁層. ヘテロ構造 ~ 10 um 幅

有用な発光デバイスを作製するために量子カスケード利得材料を処理する最初のステップは、利得媒質を光導波路に閉じ込めることである。これにより放出された光をコリメートされたビームに向けることが可能になり、光が利得媒質に戻り結合するというレーザー共振器が構築される。

2種類の導光路が一般的に使われている。リッジ導光路は量子カスケード利得媒質中に平行な溝をエッチングして、通常は~10umの幅、数mmの長さの量子カスケード材料の絶縁された溝が形成される。通常、注入電流をリッジに導通するために溝内に誘電材料が堆積され、リッジ全体が金で被覆されることによって導電性を付与し、リッジの発光時の放熱を助ける。光は導波路のへき開された端面から放射され、通常は寸法がほんの数マイクロメートルの活性領域を有する。

2番目は埋め込み型ヘテロ構造である。ここでは、QC材料も同様にエッチングされて、絶縁されたリッジが形成される。しかし現在では、新しい半導体材料がリッジの上に形成される。 QC材料と成長した材料の間の屈折率の変化は、導光路を形成するのに十分で注入された電流をQC利得媒質に導くために、誘電体材料もQCリッジの周囲の成長した材料の上に堆積される。埋め込み型ヘテロ構造導波路は、光が生成されている時にQC活性領域から効率的に放熱する。

レーザーの種類

量子カスケードレーザーの利得媒質は超発光仕様で位相の揃った光を生成することが可能ではあるものの^[8]、一般的には光学共振器と組み合わせてレーザーを形成する。

ファブリーペローレーザー

これはもっとも単純な量子カスケードレーザーである。導光路が最初に量子カスケード材料の外部に利得媒質のために形成される。半導体結晶の端部は導光路のファブリーペロー共振器を形成するために2個の平行の反射鏡を形成するように劈開、研磨される。半導体の端部の劈開面は共振器を形成するために十分な反射率を有する。ファブリーペロー量子カスケードレーザーは高出力を発生できるが^[9]通常は高い動作電流においてマルチモードである。波長はQC素子の温度を変えることによって変更できる。

分散帰還レーザー

帰還型(DFB)量子カスケードレーザー^[10]は望ましい波長以外の波長で放出されるのを防ぐために分散ブラッグ反射器(DBR)を導光路上に有すること以外はファブリーペローレーザーと似ている。これにより、高い動作電流でもレーザーのシングルモード動作を強制する。DFBレーザーは主に温度を変えることにより調整できるがDFBレーザーをパルスモードで駆動することによりレーザーの波長が急速にチャープされ、波長領域を高速で掃引できる^[11]。

外部共振器レーザー

Littrow構成における回折格子によって提供される周波数選択的光学帰還を有する外部共振器内のQC素子の模式図

外部共振器(EC)量子カスケードレーザーは量子カスケード素子をレーザー利得媒質として備える。劈開面を内部光学共振器として機能しないようにする目的で片方または両側の導光路に反射防止コーティングを施す。光学共振器を構成するために反射鏡がQC素子の外部に配置される。

仮に外部共振器内に波長選択素子が含まれるのであればレーザー放射を単一波長に抑える事が可能で、さらには発光波長を変化させることさえ可能である。一例として回折格子を使用する事により、中心波長を15%以上変化させることができる波長可変レーザーを形成するために使用される^[12]。

拡張調整素子

単体の集積素子のみを利用して量子カスケードレーザーの帯域を拡張するために複数の手法が存在する。集積された加熱装置は所定の動作温度で中心波長を0.7%まで拡張可能で^[13]標準的なDFB素子が0.1%未満であることと比較してバーニア効果によって作動する上部構造の格子は中心波長を4%拡大できる^[14]。

形成

量子ヘテロ構造を形成する2つの異なる半導体の接合界面は、分子線エピタキシー (MBE)や有機金属気相成長法(MOCVD)としても知られている有機金属気相成長法 (MOVPE)などの方法を用いて基板上に成長させる。

用途

ファブリーペロー(FP)量子カスケードレーザーは1998年に発売され^[15]、帰還型素子(DFB)は2004年に発売され^[16]、広帯域波長可変外部共振器量子カスケードレーザーは2006年に発売された^[17]。高出力光、可変波長領域と室温作動はQCLを環境中のガス分析や大気汚染物質の調査のような分光による遠隔観測や保安用途で便利なものにした^[18]。さらに視界不良の条件下でのクルーズコントロールでの衝突回避レーダー、産業工程制御、呼気検査のような医療診断において利用が期待される^[19]。同様にQCLはプラズマ化学においても使用される^[20]。

複数のレーザー装置で使用する場合、間欠パルスQCL分光法は毒性化学物質、爆発物、薬物等の複雑な分子の識別、定量分析に使用可能な広帯域分光領域をもたらす可能性がある^[要説明]^[21]

フィクションにおいて

Star Citizenというテレビゲームでは量子カスケードレーザーを高出力のレーザー兵器として扱う^[22]。

脚注

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外部リンク

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