埋め込み量子井戸フォトニック結晶レーザの無閾値動作

滝口雅人1,2 谷山秀昭1,2 ⻆倉久史1,2 Muhammad Danang Birowosuto1,2
倉持栄一1,2 新家昭彦1,2 佐藤具就1,3 武田浩司1,3 松尾慎治1,3 納富雅也1,2
1 NTTナノフォトニクスセンタ 2量子光物性研究部 3NTT先端集積デバイス研究所

 フォトニック結晶(PhC)共振器は非常に小さなモード体積と高いQ値をもち、高速に変調できるレーザやLEDに応用できるため、チップ内光ネットワークにおける有望な光源の候補になっている。そこで我々は、PhCの内部に量子井戸(MQW)を埋め込んだ高速で高効率な発光素子の研究を行ってきた[図1(a)]。一般的なMQW-PhC素子は、活性層が基板面内全体にあり、キャリア拡散やPhCの穴界面での表面再結合の影響が避けられないが、埋め込みMQWは、活性層が共振器内部にのみ存在し、キャリアの閉じ込めが強く、非発光表面再結合を非常に小さくできる。したがってこの素子を用いれば、非常に鮮明な自然放出光制御が可能となる[1]。このような素子は、自然放出係数(β)を限りなく 1に近づけることができ、極限的に高効率である無閾値レーザ動作を可能にする。
 本研究では[2]、異なる格子定数の素子を用いて共振周波数をシフトさせ、ゲインと共振波長の離調を変えながらレーザのβや理論的に予測されている無閾値動作に関して評価を行った。図1(b)は共鳴近傍条件(1428 nm)と離調を取った時の(1415 nm)のL-Lプロット、発光寿命の結果である。図のように、L-Lや誘導放出による発光高速化を確認し、レーザ発振の転移を確かめた。これらの結果から、離調が少ない時は明瞭に自然放出光結合定数が大きくなり(β = 0.9)、無閾値動作することが確認できた。図1(c)のように理論値ともよく一致する。

図1 (a)埋め込み量子井戸レーザの概念図。 (b)LL特性。 (c)βの離調依存性と理論値との比較。