2020 Fiscal Year Annual Research Report
Research on high output and control of metamaterial THz QCLs
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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 | QCL / THz |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。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。この方法により、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。発光層の中、各障壁と井戸のアルミ組成の変更により、高エネルギー準位とレーザーの発振動作準位の影響を最小化すること、動作中のリーク電流を抑制する。同時に大電流注入が必要なバンドベンディング強く影響する高いドーピング濃度条件の条件で、設計準位の再アラインメントの構造最適化を提案し、高出力テラヘルツ量子カスケードレーザーを実現しました。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、デューティ比1%の時、4.2THzのピーク出力1.31W、デューティ比5%の時平均出力55mWに実現しました。この高出力発光層に利用して、金属メタマテリアル-半導体フォトニック結晶構造を設計、実作する、面発光型テラヘルツ量子カスケードレーザーの初期発振も成功しました。
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