2019 Fiscal Year Research-status Report
メタマテリアルTHz QCLsの高出力化と制御化に関する研究
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18K04296
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
林 宗澤 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (40585155)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子カスケードレーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
テラヘルツ量子カスケードレーザーの新しいリーク電流の解析および可変障壁井戸構造の量子カスケードレーザーの新規提案、メタマテリアル面発光レーザーの導波路金属表面パータンの解析とシミュレーション。非平衡グリーン関数法に基づいた第一原理計算によって、テラヘルツ量子カスケードレーザーの発光層構造における電子密度分布・電流分布・光利得を直接計算する方法を開発しました。これにより、従来の構造設計では定量化が難しかった、上位発光準位から発光過程に直接寄与しない遠距離の高エネルギーサブバンド準位への横方向リーク電流の存在を確認し、高出力動作および高温動作に対するこのリーク電流の影響を解析しました。積層構造中の全てのエネルギー領域のサブバンド準位を同時に考慮し、各サブバンド準位間の相互作用とその影響を総合的に解析できます。上位発光準位から発光過程に直接寄与しない遠距離の高エネルギーサブバンド準位への横方向リーク電流の発見および定量化に成功しました。
このリーク電流を抑制する新たな可変障壁井戸構造のデバイスを新規提案、設計・作製し、低温から液体窒素温度での高出力化を実現しました。非平衡グリーン関数法に基づいた第一原理計算によって、発振準位から水平方向に発生する横リーク電流で、光利得が大幅に減衰する動作メカニズムを発見し、違う障壁井戸高さの構造により、リーク準位のエネルギーをシフトさせることで、リーク電流を大幅に低減でき、高温で高い光利得が得られる事を明らかにしました。この新規構造を導入した量子カスケードレーザーを実際に作製し、パワー密度では世界最高値、また、シングルストライプからの出力として0.9Wを記録するなど、高出力化が可能となることを実証しました。更にこの発光層に用いるメタマテリアル面発光量子カスケードレーザーの導波路パータンの解析と初期シミュレーションは完成しました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新規横方向リーク電流の解析を利用して、素子単体発光層構造の最適化することで、テラヘルツ量子カスケードレーザーの高出力は成功しました。この新規リーク電流の抑えは高出力と高温動作素子構造の設計方向性を示すことに成功しました。新しい提案している”可変障壁井戸構造”のテラヘルツ量子カスケードレーザーはこの高エネルギーサブバンド準位からの横リーク電流を大きく抑えることが可能になります。いくつの解析と最適化、実際作製した量子カスケードレーザーはプロジェクト初期の0.35Wから最近の0.9Wまで、出力を大幅に進歩しました。
実際のテラヘルツ応用について、応用し易い液体窒素冷却デュワーと電源セットの新規設計と試作も順調に進んでいる。メタマテリアル面発光量子カスケードレーザーの導波路表面パータンの初期特性解析と設計も完成された。それによって、素子の大面積化と発光パータンのコントロール性も大きく改善できると期待します。ヒートシンク技術をテラヘルツ量子カスケードレーザーのプロセスに導入し、電流注入部分コンタクト熱対応の強化、活性層の熱特性の向上とデバイスヒートシンクの高効率化も順調に進んでいる。コンパクト液体窒素動作温度帯小型の高出力連続動作テラヘルツ光源を実現する。小型リアルタイムテラヘルツイメージングシステムの光源としての遠視野像コントロールの改善も確実に進展しました。
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| Strategy for Future Research Activity |
非平衡グリーン関数計算を利用し、量子カスケードレーザーのメカニズムと材料特性のより深い解析すること。提案した新たな発光層構造の最適化、特定の材料システムや基本設計にとどまらず、テラヘルツ量子カスケードレーザーの開発全般における特性改善に大きな影響を与える重要な成果です。新規横リーク電流減少するため”可変障壁井戸構造”の更なる最適化することとメタマテリアル金属導波路の最適化と実作。新規の高温動作と高出力テラヘルツ量子カスケードレーザーを作成する予定です。
テラヘルツ量子カスケードレーザー素子の面発光型二次DFB導波路とメタマテリアル表面構造の導入及び素子更にの連続動作化と大面積化。応用向けの新規液体窒素冷却デュワーの小型化と小型スターリング冷凍機の最適化、より高出力使い勝手の小型液体窒素温度動作するテラヘルツ光源開発を続きます。
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| Causes of Carryover |
二年目低温実験用大量購入予定の液体ヘリウムとヘリウムガスは手に入らないので、代わり次の年度での冷凍機の購入を変更します。
MBEの成長状態は安定する、メンテナンスの時期は伸ばします。メンテナンス用の材料と消耗品、そして購入する予定のRIBER社製MBE用Gaセルは最終年度に変更すること。
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