テラヘルツ量子カスケードレーザの物理と高性能化に関する研究

太赫兹量子级联激光器物理及性能提升研究

基本信息

批准号：
12F02064
负责人：
平川一彦
金额：
$ 0.77万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12F02064/
关键词：
テラヘルツ量子カスケードレーザトンネル効果

项目摘要

近年、量子カスケードレーザはテラヘルツ(THz)領域の光源として注目されている。量子カスケードレーザは非常に精密な多層構造の設計により作製されるが、その動作、特に層間のトンネル伝導に関して十分な理解がなされているとは言い難い状況にあり、素子の高性能化を目指すためには、量子カスケード構造の伝導ダイナミクスの理解が不可欠である。本年は、量子カスケードレーザの伝導の理解のために以下の2点について検討を行った。1)量子カスケードレーザ構造の自己無撞着バンド計算と電流一電圧特性の予測:THz領域の量子カスケードレーザでは、サブバンド間のエネルギー間隔を数meV程度の精度で設計する必要がある。しかし、素子にドーピングを行うと、電子の蓄積やドナーの空間分布によりバンド曲がりが生ずる。本研究では、適切な境界条件を設定することにより、量子カスケードレーザ構造のバンド計算を自己無撞着に行い、バンド曲がりの程度を評価するとともに、バンド曲がりが小さくなるような指針を与えることができた。さらに、上記のバンド計算で得られた各層の波動関数の情報を元に、密度行列の手法を用いて、量子カスケードレーザの電流一電圧特性の理論計算を行いつつある。2)量子カスケードレーザ構造の精密な電流一電圧特性の測定とTHz電磁波照射の影響:本研究では、繰り返し数10ユニットで、メササイズが10ミクロン角の微小素子を作製し、精密な電流電圧特性の測定を行った。特に、発振している量子カスケードレーザ中ではキャビティ中の強いTHz電場がサブバンド間の誘導放出を引き起こし、電子伝導に大きな影響を与えていると考えられる。我々は発振中のレーザを模擬するために、アンテナ構造を集積化した素子に、外部より遠赤外レーザの光を照射し、その電流一電圧特性の変化を調べ、特徴的な電流変化が観測され始めた。

近年来，量子级联激光器作为太赫兹（THz）区域的光源引起了人们的关注。量子级联激光器是通过设计极其精确的多层结构来制造的，但很难说对其操作有足够的了解，特别是层间的隧道传导，为此，了解量子级联结构的传导动力学至关重要。。今年，我们研究了以下两点来了解量子级联激光器的传导。 1）量子级联激光器结构的自洽能带计算和电流电压特性预测：在太赫兹区域的量子级联激光器中，需要以几meV的精度设计子带之间的能量间隔。然而，当器件被掺杂时，由于电子的积累和施主的空间分布，会发生能带弯曲。在本研究中，通过设置适当的边界条件，我们可以对量子级联激光器结构进行自洽能带计算，评估能带弯曲程度，并为减少能带弯曲提供指导。此外，基于通过上述能带计算获得的各层波函数信息，我们目前正在利用密度矩阵法对量子级联激光器的电流-电压特性进行理论计算。 2）量子级联激光器结构电流电压特性的精确测量及太赫兹电磁波辐照的影响：本研究中，我们制作了台面尺寸为10微米见方、重复率为10个单位的微元件，并测量了精确的电流电压特性。进行电流-电压特性测量。特别是，在振荡量子级联激光器中，腔内的强太赫兹电场被认为会引起子带之间的受激发射，这对电子传导有很大影响。为了模拟振荡激光，我们从外部用远红外激光照射具有集成天线结构的元件，研究其电流-电压特性的变化，并观察到特性电流开始发生变化。