JP5350940B2 - レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、量子カスケードレーザを備えるレーザモジュールに関する。

波長５〜３０μｍ程度の中赤外領域における光源として、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser：ＱＣＬ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。量子カスケードレーザは、半導体量子井戸中に形成されたサブバンド間の電子遷移を利用したモノポーラータイプの素子であり、半導体量子井戸構造より構成される活性層を多段にカスケード結合することによって高効率、高出力動作が実現されている。現在では、３．８〜１１．５μｍの広い波長範囲で室温（ＲＴ）での連続発振（ＣＷ）が達成されており、パルス駆動型量子カスケードレーザやＣＷ（Continuous Wave）駆動型量子カスケードレーザ等が実用化されている。

特開平８−２７９６４７号公報

現在販売されている一般的な量子カスケードレーザのパッケージとしては、ＣＡＮ型パッケージ、バタフライ型パッケージ、又はＨＨＬ（High Heat Load）パッケージ等が採用されている。しかしながら、中赤外光はその光学系のアライメントが難しく、上述したいずれのパッケージのものも、レーザ発振及び温度制御以外の機能は備えておらず、出力や波長のモニタリングなどの機能を備えた高機能化されたモジュールの実現が要求されている。

本発明は、高機能化を図ることができるレーザモジュールを提供することを目的とする。

本発明に係るレーザモジュールは、量子カスケードレーザと、一対の開口端を有し、一方の開口端が量子カスケードレーザの出射端面と対向する面に対向するように配置された管状部材と、管状部材の他方の開口端と対向するように配置された赤外線検出器と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザモジュールでは、管状部材は、一方の開口端が量子カスケードレーザの出射端面と対向する面に対向し、他方の開口端が赤外線検出器と対向するように配置されているので、量子カスケードレーザの出射端面と対向する面から放射された光は、管状部材内を伝わって赤外線検出器に入射し、検出される。したがって、量子カスケードレーザから放射された光は、アライメントが難しい光学部材を用いることなく、赤外線検出器に導波されることとなる。この結果、量子カスケードレーザの出力や波長等のモニタリングが可能となり、レーザモジュールの高機能化が図られる。

好ましくは、管状部材は、その断面積が１．２３〜２．２４ｍｍ^２に設定されている。この場合、管状部材の内側を導波する光の光量が増加し、量子カスケードレーザから放射された光を赤外線検出器に効率良く導波することができる。管状部材が円筒形状を呈している場合には、内径が１．２５〜１．６９ｍｍに設定されていることが好ましい。

また、好ましくは、管状部材は、１４ゲージ〜１６ゲージの中空の針である。この場合、管状部材の内側を導波する光の光量が増加し、量子カスケードレーザから放射された光を赤外線検出器に効率良く導波することができる。

好ましくは、管状部材は、ステンレス鋼からなる。この場合、安価なレーザモジュールを実現することができる。

本発明によれば、高機能化を図ることができるレーザモジュールを提供することができる。

本実施形態に係るレーザモジュールの概略構成を示す側面図である。 本実施形態に係るレーザモジュールの概略構成を示す平面図である。 サンプルＳ１〜Ｓ７にて用いられた管状部材のＧ（ゲージ）を示す図表である。 サンプルＳ１〜Ｓ７における光出力の測定結果を示す線図である。 サンプルＳ４の光出力を１００としたときのピーク出力比の関係を示す線図である。 サンプル１において、後側端面と開口端との間隔を０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、及び１．０ｍｍにそれぞれ設定したときの光出力の測定結果を示す線図である。 サンプル６において、後側端面と開口端との間隔を０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、及び１．０ｍｍにそれぞれ設定したときの光出力の測定結果を示す線図である。 サンプル８において、後側端面と開口端との間隔を０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、及び１．０ｍｍにそれぞれ設定したときの光出力の測定結果を示す線図である。 サンプルＳ１〜Ｓ７において、発振中心波長が４．３μｍである量子カスケードレーザを用いたときの光出力の測定結果である。 サンプルＳ４の光出力を１００としたときのピーク出力比の関係を示す線図である。 サンプルＳ１〜Ｓ７において、発振中心波長が８．２μｍである量子カスケードレーザを用いたときの光出力の測定結果である。 サンプルＳ４の光出力を１００としたときのピーク出力比の関係を示す線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係るレーザモジュールＬＭの構成を説明する。図１は、本実施形態に係るレーザモジュールの概略構成を示す側面図である。図２は、本実施形態に係るレーザモジュールの概略構成を示す平面図である。レーザモジュールＬＭは、量子カスケードレーザ１、サブマウント３、管状部材５、及び赤外線検出器７を備えている。

量子カスケードレーザ１は、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプの光導波型半導体レーザ素子である。量子カスケードレーザ１は、半導体基板と、半導体基板上に形成された活性層とを備えて構成されている。量子カスケードレーザ１は互いに対向している前側端面１ａ及び後側端面１ｂを有しており、前側端面１ａ及び後側端面１ｂにより光共振器が構成されている。量子カスケードレーザ１の共振器構造（前側端面１ａ及び後側端面１ｂ）については、両端面へき開によって形成することができる。量子カスケードレーザ１の構成及び動作は、当該技術分野では既知であり（例えば、上述した特許文献１、特開２００４−２４７４９２号公報、特開２００５−０３９０４５号公報、及び、特開２００８−１７７３６６号公報等に記載されている。）、これ以上の詳細な説明を省略する。

量子カスケードレーザ１は、サブマウント３にマウントされている。サブマウント３は、金属又はセラミック等からなり、電極パッド３ａ，３ｂが配置されている。量子カスケードレーザ１は、はんだ等を用いたダイボンドにより電極パッド３ａ上に配置されると共に、量子カスケードレーザ１の一方の電極が電極パッド３ａに接続されている。量子カスケードレーザ１の他方の電極は、ワイヤボンデング等によりと電極パッド３ｂと接続されている。サブマウント３は、ＴＥＣ（Thermo-ElectricalCooler）等の冷却素子９にマウントされている。冷却素子９は、固定部材１１にマウントされている。

量子カスケードレーザ１に電流を適切な方向に流すと、量子カスケードレーザ１の前側端面１ａ及び後側端面１ｂから光が放射される。一般に、量子カスケードレーザ１の前側端面１ａから放射された光を、量子カスケードレーザ１の出力光として用いる。すなわち、前側端面１ａが出力光の出射端面となる。

管状部材５は、一対の開口端５ａ，５ｂを有している。管状部材５は、円筒形状を呈しており、ステンレス鋼からなる。管状部材５は、開口端５ａが量子カスケードレーザ１の後側端面１ｂと対向すると共に中心軸線が前側端面１ａ及び後側端面１ｂにより構成される光共振器の光軸方向と一致するように、量子カスケードレーザ１の後側端面１ｂ側に配置されている。管状部材５は、搭載部材１３を介して固定部材１１にマウントされている。

管状部材５の内径は、１．２５〜１．６９ｍｍに設定され、管状部材５の断面積は、１．２３〜２．２４ｍｍ^２に設定されている。本実施形態では、管状部材５の内径は１．２５ｍｍであり、断面積は１．２３ｍｍ^２であり、後側端面１ｂと開口端５ａとの間隔は０．５ｍｍである。管状部材５の長さは、８ｍｍに設定されている。

赤外線検出器７は、中赤外領域の光を検出することが可能な検出器である。赤外線検出器７は、管状部材５の開口端５ｂと対向するように配置されている。赤外線検出器７として、例えば、中赤外領域において高感度を有するＭＣＴ（Mercury Cadmium Telluride）検出器を用いることができる。赤外線検出器７は、搭載部材１５を介して固定部材１１にマウントされている。

以上のように、本実施形態では、管状部材５は、開口端５ａが量子カスケードレーザ１の後側端面１ｂに対向し、開口端５ｂが赤外線検出器７と対向するように配置されているので、量子カスケードレーザ１の後側端面１ｂから放射された光は、管状部材５内を伝わって赤外線検出器７に入射し、検出される。したがって、量子カスケードレーザ１の後側端面１ｂから放射された光は、アライメントが難しい光学部材を用いることなく、赤外線検出器７に導波されることとなる。この結果、レーザモジュールＬＭでは、量子カスケードレーザ１の出力や波長等のモニタリングが可能となり、レーザモジュールＬＭの高機能化が図られる。

ところで、出力や波長のモニタリングを行う為には、量子カスケードレーザから放射された光を高効率に伝送させる必要がある。量子カスケードレーザから出射される中赤外領域の光は、光通信用に用いるレーザで使用されている石英やプラスチック等の光ファイバでは損失が大きくなるため、これらの光ファイバは量子カスケードレーザの光学系では使用し難い。中赤外の光を伝送させる光ファイバとして中空ファイバが知られているが、この中空ファイバは高価であり、中空ファイバを採用した場合、レーザモジュールの高コスト化は避けられない。

レーザモジュールＬＭでは、ステンレス鋼からなる管状部材５により量子カスケードレーザ１からの光を導波させている。この場合、管状部材５として、一般に市販されているものを使用することができる。この結果、量子カスケードレーザ１の出力や波長等のモニタリングのための光学系を複雑化することなく、小型で且つ安価なレーザモジュールＬＭを実現することができる。

本発明者等は、管状部材５の内径（断面積）と、赤外線検出器７の出力（光出力）との関係を明らかにするために、以下のような実験をおこなった。すなわち、管状部材５の内径が異なる複数のサンプル（サンプルＳ１〜Ｓ６）及び管状部材５を用いないサンプル（サンプルＳ７）を作製し、各サンプルの光出力（ｍＶ）を得た。本実験では、管状部材５として、中空の針、特に、注射針用のステンレス鋼パイプを用いた。注射針用のパイプは規格化されており、ゲージ（Ｇ）という規格が使用される。各サンプルにおける管状部材５のゲージ（Ｇ）、すなわち内径及び外径を、図３に示す。また、本実験では、後側端面１ｂと開口端５ａとの間隔を０．５ｍｍに設定し、管状部材５の長さを８ｍｍに設定し、開口端５ｂと赤外線検出器７（受光部）との間隔を２ｍｍに設定した。

測定結果を、図４及び図５に示す。図４は、測定結果を示す線図であり、図５は、図４に示された測定結果において、内径が１．２５ｍｍとされたサンプルＳ４の光出力を１００としたときのピーク出力比の関係を示す線図である。各サンプルは、管状部材５のＧ（ゲージ）を異ならせた点を除いて同じ構成であり、量子カスケードレーザ１として発振中心波長が５．２μｍであるパルス駆動型量子カスケードレーザを用いた。ここでは、印加電圧を１９．００Ｖ、パルス幅を３００ｎｓｅｃ、繰返し周波数を１１１ｋＨｚ、動作温度を２０．００℃とした。

図４及び図５に示される測定結果から、管状部材５の内径が１．２５〜１．６９ｍｍに設定された、すなわち管状部材５の断面積が１．２３〜２．２４ｍｍ^２に設定されたサンプルＳ２〜Ｓ４（１４ゲージ〜１６ゲージ）は、サンプルＳ１，Ｓ５〜Ｓ７に比して、光出力が大きくなることが分かる。このように、管状部材５の内径（断面積）を上記範囲内に設定することにより、管状部材５の内側を導波する光の光量が増加し、量子カスケードレーザ１から放射された光を赤外線検出器７に効率良く導波することができる。

続いて、サンプルＳ１，Ｓ４，Ｓ６を用いて、後側端面１ｂと開口端５ａとの間隔Ｌと光出力との関係を明らかにするために、以下のような実験をおこなった。すなわち、サンプルＳ１，Ｓ４，Ｓ６において、後側端面１ｂと開口端５ａとの間隔Ｌを０．２５ｍｍ、０．７５ｍｍ、及び１．０ｍｍに設定したときの光出力（ｍＶ）を更にそれぞれ得た。

測定結果を、図６〜図８に示す。図６は、サンプル１における測定結果を示す線図である。図７は、サンプル４における測定結果を示す線図である。図８は、サンプル６における測定結果を示す線図である。

図６〜図８に示される測定結果から、後側端面１ｂと開口端５ａとの間隔Ｌを異ならせた場合でも、光出力が略変化しないことが分かる。すなわち、管状部材５の内側を導波する光の光量は、量子カスケードレーザ１と管状部材５との間隔に略依存しないことが分かる。

続いて、サンプルＳ１〜Ｓ７を用いて、量子カスケードレーザ１として発振中心波長と光出力との関係を明らかにするために、以下のような実験をおこなった。すなわち、サンプルＳ１〜Ｓ７において、量子カスケードレーザ１として発振中心波長が４．３μｍ及び８．２μｍである量子カスケードレーザを用いたときの光出力（ｍＶ）をそれぞれ得た。

測定結果を、図９〜図１２に示す。図９は、発振中心波長が４．３μｍである量子カスケードレーザを用いたときの測定結果であり、図１０は、図９に示された測定結果において、サンプルＳ４の光出力を１００としたときのピーク出力比の関係を示す線図である。図１１は、発振中心波長が８．２μｍである量子カスケードレーザを用いたときの測定結果であり、図１２は、図１１に示された測定結果において、サンプルＳ４の光出力を１００としたときのピーク出力比の関係を示す線図である。

図９〜図１２に示される測定結果から、量子カスケードレーザ１の発振中心波長を異ならせた場合でも、管状部材５の内径を１．２５〜１．６９ｍｍに設定する、すなわち管状部材５の断面積を１．２３〜２．２４ｍｍ^２に設定することにより、光出力が大きくなることが分かる。したがって、管状部材５の内側を導波する光の光量は、量子カスケードレーザ１の発振中心波長に略依存しないことが分かる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本実施形態では、管状部材５は、円筒形状を呈しているが、これに限られることなく、角筒形状を呈していてもよい。すなわち、管状部材５の断面形状は、円形に限られることなく、多角形であってもよい。

管状部材５は、ステンレス鋼からなる金属部材であるが、これに限られることなく、中赤外領域の光の反射率の高い材料、例えばＡｕ、Ａｇ、又はＣｕ等からなる金属部材であってもよい。また、管状部材５そのものが、中赤外領域の光の反射率の高い部材によらず、管状部材５の内面に反射率の高い材料をコーティングしているものであっても構わない。

１…量子カスケードレーザ、１ａ…前側端面、１ｂ…後側端面、５…管状部材、５ａ，５ｂ…開口端、７…赤外線検出器、ＬＭ…レーザモジュール。

Claims (4)

1. 中赤外領域の光を出射する量子カスケードレーザと、
   一対の開口端を有し、一方の開口端が前記量子カスケードレーザの出射端面と対向する面に直接対向するように配置された管状部材と、
   前記管状部材の他方の開口端と直接対向するように配置され、中赤外領域の光を検出する赤外線検出器と、を備え、
   前記管状部材は、その断面積が１．２３〜２．２４ｍｍ ^２ に設定されていることを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記管状部材は、円筒形状を呈しており、内径が１．２５〜１．６９ｍｍに設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 中赤外領域の光を出射する量子カスケードレーザと、
   一対の開口端を有し、一方の開口端が前記量子カスケードレーザの出射端面と対向する面に直接対向するように配置された管状部材と、
   前記管状部材の他方の開口端と直接対向するように配置され、中赤外領域の光を検出する赤外線検出器と、を備え、
   前記管状部材は、１４ゲージ〜１６ゲージの中空の針であることを特徴とするレーザモジュール。
4. 前記管状部材は、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザモジュール。