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室温テラヘルツ量子カスケードレーザ

次世代のICT、非破壊検査・分析、宇宙科学を担うナノテクノロジー

技術概要

光と電波の境界領域であるテラヘルツ領域の電磁波(THz波)は、電波のような透過性と光の直進性を兼ね備えた電磁波であり、超高速無線通信や非接触イメージング、そして分光計測による物質同定などさまざまな応用が期待されています。しかしながら、THz領域において小型で室温動作が可能な可搬型受発光半導体デバイスが存在しないことから、THz波の使用範囲が限定され、実用化が進んでいない未開拓な周波数領域となっていました。特に半導体光源に関してはTHz領域では光と電波の中間領域であることから、半導体レーザなどの光デバイスと、ダイオードやトランジスタなどの電子デバイスの両方から研究が進められてきました(図1)が、これまで有効な半導体光源が全く存在しませんでした。

図1. 室温動作半導体THz光源の出力の概況

図1. 室温動作半導体THz光源の出力の概況

このような中、小型光源として最も有望視されているのが量子カスケードレーザ(QCL: Quantum Cascade Laser、図2)です。QCLは、2種類の異なる半導体を多数交互に積層させることにより形成した半導体量子構造内のサブバンド間の遷移を制御した半導体レーザであり、光を放出する活性層構造を多段につなげることによって光子エネルギーの小さな領域においても高出力が得られるため、中赤外(MIR: Mid-Infrared Ray)からTHz領域の小型高性能光源として開発が進められています。QCLでは、通常の半導体レーザと異なり、半導体量子構造のサブバンド間遷移を用いているため、半導体量子構造の波動関数を設計(波動関数工学)することにより、発振波長および光出力に影響を与えるキャリアの緩和時間などを最適化できる特長があります。この最適化により既にMIR領域では高い性能が得られており、室温連続動作が達成されています。一方、テラヘルツ領域では室温で動作するQCLは長らく実現されていませんでした。

差周波発生型テラヘルツ量子カスケードレーザ

図2. (a)量子カスケードレーザ素子

図2.************

(b)量子カスケードレーザの動作概略

 

このような状況で、QCLによるTHz発生の手段として登場したのが2波長発振するMIR QCL内部での差周波発生という非線形光学効果を用いたアプローチです。THz非線形QCLの登場により、室温動作が実現されました。この室温THz-QCLでは、THz発生には半導体量子構造で構成される活性層における非線形光学効果を用いるためTHz波の周波数に相当する光子エネルギー差を有する準位間に反転分布を形成する必要がなく、またMIR QCLは容易に室温動作させることが可能であるため、THz発生も同様に室温動作で可能となります。図3にデバイス動作の概要を示します。デバイスに閾値以上の電流を流すと2波長(ω1、 ω2)のMIRポンプ光が発振し、そこでキャビティ内の差周波発生によって周波数ωTHz=ω1-ω2での関係をもったTHz成分が生成されます。

図3.************

図3. 非線形光学効果を用いたTHz-QCLの動作の概略図

当社では、独自に考案した活性層構造(結合二重上位準位構造:AnticrossDAUTM、図4(a))により、近年mWレベルのTHz出力を達成し、室温動作の検出器を使用したTHz波の受発光が可能となりました。また、単一デバイスで1オクターブ以上のブロードバンドスペクトルを実現し(図4(b))、既にイメージング応用にも成功しました(図5)。

図4.************

図4. (a) 結合二重上位準位構造(AnticrossDAU structure)

図4.室温THz-QCLデバイス(ブロードバンドタイプ)の典型的な特性

(b) 室温THz-QCLデバイス(ブロードバンドタイプ)の典型的な特性

図5 ブロードバンドTHz-QCL光源による分光イメージング(ポリエチレン、D-ヒスチジン、DL-ヒスチジン)(参照文献2より)

図5. ブロードバンドTHz-QCL光源による分光イメージング(ポリエチレン、D-ヒスチジン、DL-ヒスチジン)(参照文献2より)

応用先(実現する未来)

光と電波の境界領域であるTHz領域の電磁波は、電波のような透過性と光の直進性を兼ね備えた電磁波であり、これまでさまざまな可能性が期待されています。
ICTの分野では、その超広帯域性を利用した近距離の超大容量の無線通信に用いられることが期待されています。THz領域では大気中の水の吸収が非常に大きいため長距離の伝送は難しいですが、極短距離であれば、100 Gbpsを超える超大容量通信の実現の可能性があります。

非破壊検査・分析の分野では、THz波は紙や木材、プラスチックなどに対しては透過しやすい特長をもつため、透過の度合いに応じた画像を得ることができ、その形状からその物質が何であるかを非接触で判別することが可能です。また、THz波を物質に当てると結晶構造や生体高分子の振動と共鳴してエネルギーが吸収され、分光情報として吸収スペクトルを得ることができます。室温THz-QCLを用いた小型THz受発光システムを構築することで各種構造材料などの内部状態評価が可能となり、例えば、図5のようにアミノ酸に対する分光イメージングも実現しています。今後、医薬品などに対して非破壊検査で不純物を分別などが期待できます。また同様に、室温THz-QCLを用いた小型THzイメージングシステムを構築することで半導体やICカードの検査、食品の異物混入防止対策、植物の水分モニタリング、封筒内の毒物検査、絵画や紙幣などの文化財検査(補修・偽造防止)、さらにはガン細胞を正常な細胞と見分ける病理検査などへ応用できる可能性があります。

宇宙科学の分野では、THz領域では他の波長領域とは異なる情報得ることができ、星間ガスの観測に適していることから、惑星の形成過程やブラックホールなどの観測が期待されています。THz-QCLは安定して単一周波数のTHz信号を発振されることが可能なため、宇宙から飛来するTHz領域の信号を解析するための局部発振器としての利用が期待されています。

東北大学電気通信研究所 令和2年度(第10回)「RIEC Award本賞」受賞

当社中央研究所材料研究室所属の藤田和上が「RIEC Award本賞」を受賞し、東北大学電気通信研究所・情報通信共同研究拠点・共同プロジェクト研究発表会(2021年2月18日開催)において授賞式が行われました。

「RIEC Award本賞」は、電気情報通信分野の学術研究の発展に顕著な貢献があり、将来にわたり、当該分野の発展に寄与することが期待される優秀な若手研究者に授与される賞です。

<授賞理由>
授賞対象は対象は、「二重上位準位量子カスケードレーザーとテラヘルツ光源に関する研究」であり、量子カスケードレーザにおいて、結合二重上位準位構造を考案し、従来の低周波数動作の限界を解決したサブテラヘルツ帯域での動作に成功して、室温で動作する高出力レーザを実現した点、製品化への貢献や多くの学術研究成果をあげたことが高く評価され、受賞に至りました。

関連ニュースリリース

世界最長、単一素子の半導体レーザで波長450 μmを実現(2019年11月7日)

世界初、室温でテラヘルツ波を発生 小型半導体光源「テラヘルツ差周波量子カスケードレーザ」の開発に成功(2018年10月29日)

参考文献

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  3. L. Consolino, M. Nafa, M. De Regis, F. Cappelli, ... and K. Fujita, “Direct Observation of Terahertz Frequency Comb Generation in Difference-Frequency Quantum Cascade Lasers,” Applied Sciences, Vol. 11, no.4 pp. 1416, 2021.
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  6. Atsushi Nakanishi, Shohei Hayashi, Hiroshi Satozono, and Kazuue Fujita, “Temperature-Insensitive Imaging Properties of a Broadband Terahertz Nonlinear Quantum Cascade Laser,” Applied Sciences Vol. 10, pp. 5926, 2020.
  7. Kazuue Fujita, Shohei Hayashi, Atsushi Nakanishi, Akio Ito, Masahiro Hitaka, and Tatsuo Dougakiuchi, "Sub-terahertz and terahertz generation in long-wavelength quantum cascade lasers," Nanophotonics Vol. 8, pp. 2235-2241, 2019.
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  11. Kazuue Fujita, Seungyong Jung, Yifan Jiang, Jae Hyun Kim, Atsushi Nakanishi, Akio Ito, Masahiro Hitaka, Tadataka Edamura, and Mikhail A. Belkin, "Recent progress in terahertz difference-frequency quantum cascade laser sources (Invited Review Article)," Nanophotonics Vol. 7, pp.1795-1817, 2018.
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  14. 藤田和上, 山西正道, 枝村忠孝, "量子カスケードレーザーの材料・構造研究の最近の進展 (「中赤外・テラヘルツ帯デバイスの進化を支える材料技術」 特集号)," レーザー研究: レーザー学会誌 Vol. 45, pp.735-740, 2017.
  15. Luigi Consolino, Seungyong Jung, Annamaria Campa, Michele De Regis, Shovon Pal, Jae Hyun Kim, Kazuue Fujita et al., "Spectral purity and tunability of terahertz quantum cascade laser sources based on intracavity difference-frequency generation," Science advances Vol. 3, pp. e1603317, 2017.
  16. Kazuue Fujita, Akio Ito, Masahiro Hitaka, Tatsuo Dougakiuchi, and Tadataka Edamura, "Low-threshold room-temperature continuous-wave operation of a terahertz difference-frequency quantum cascade laser source," Applied Physics Express Vol. 10, pp. 082102, 2017.
  17. Tatsuo Dougakiuchi, Kazuue Fujita, Toru Hirohata, Akio Ito, Masahiro Hitaka, and Tadataka Edamura, "High photoresponse in room temperature quantum cascade detector based on coupled quantum well design," Applied Physics Letters Vol. 109, pp. 261107, 2016.
  18. Kazuue Fujita, Masahiro Hitaka, Akio Ito, Masamichi Yamanishi, Tatsuo Dougakiuchi, and Tadataka Edamura, "Ultra-broadband room-temperature terahertz quantum cascade laser sources based on difference frequency generation," Optics express Vol. 24, pp. 16357-16365, 2016.
  19. Kazuue Fujita, Masahiro Hitaka, Akio Ito, Tadataka Edamura, Masamichi Yamanishi, Seungyong Jung, and Mikhail A. Belkin, "Terahertz generation in mid-infrared quantum cascade lasers with a dual-upper-state active region," Applied Physics Letters Vol. 106, pp. 251104, 2015.
  20. Masamichi Yamanishi, Tooru Hirohata, Syohei Hayashi, Kazuue Fujita, and Kazunori Tanaka, "Electrical flicker-noise generated by filling and emptying of impurity states in injectors of quantum-cascade lasers," Journal of Applied Physics Vol. 116, pp. 183106, 2014.
  21. Tatsuo Dougakiuchi, Kazuue Fujita, Atsushi Sugiyama, Akio Ito, Naota Akikusa, and Tadataka Edamura, "Broadband tuning of continuous wave quantum cascade lasers in long wavelength (> 10μm) range," Optics express Vol. 22, pp. 19930-19935, 2014.
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  23. Romain Blanchard, Tobias S. Mansuripur, Burc G?okden, Nanfang Yu, Mikhail Kats, Patrice Genevet, Kazuue Fujita, Tadataka Edamura, Masamichi Yamanishi, and Federico Capasso, "High-power low-divergence tapered quantum cascade lasers with plasmonic collimators,"Appl. Phys. Lett., Vol. 102, pp.191114 -1-191114 -5, 2013.
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