JPH0252870B2 - - Google Patents
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- JPH0252870B2 JPH0252870B2 JP58128708A JP12870883A JPH0252870B2 JP H0252870 B2 JPH0252870 B2 JP H0252870B2 JP 58128708 A JP58128708 A JP 58128708A JP 12870883 A JP12870883 A JP 12870883A JP H0252870 B2 JPH0252870 B2 JP H0252870B2
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Description
技術分野
本発明は、半導体材料に磁気電気光効果により
光増幅作用を付与してなる磁気電気光効果型光増
幅器に関し、特に、ヘリウム温度等の低温にて広
い波長範囲に亘り光増幅作用を呈するとともに、
常温にても光増幅作用を呈するようにした光増幅
器を提供しようとするものである。 従来技術 従来、固体光増幅器としては、ガスレーザ、固
体レーザ等により光ポンピングを行なつて半導体
材料中に電子・正孔の分布反転領域を形成した光
増幅器、あるいは、ｐ―ｎ接合半導体材料に順方
向の電流を流して接合領域の中央部に電子・正孔
の分布反転領域を形成した光増幅器等、増幅媒質
を活性化して誘導輻射により光増幅を行なうとい
う増幅原理による光増幅器が用いられて来た。 しかして、かかる増幅原理による従来の光増幅
器において装置を小型化するとともに、効率のよ
い半導体光増幅器を開発することが、光通信用お
よび軍事産業用の赤外線装置等に要求されている
が、例えば従来のｐ―ｎ接合型半導体レーザダイ
オードにおいては、第１図に示すように、活性領
域の幅がキヤリアの拡散距離程度に限られ、例え
ば10μm程度に極めて狭くなつている。すなわち、
ｎ型半導体基板１上のｐ型半導体層２との間に形
成したｐ―ｎ接合領域３にリード線６，７により
バイアス電圧を印加し、例えば研磨して反射鏡面
にした端面４からの入射光を増幅して対向面５か
らレーザビーム８として取出すのであるが、入射
端面４におけるｐ―ｎ接合領域３の幅が上述のよ
うに極めて狭いので、かかるｐ―ｎ接合領域３の
端面に入射光を結合させるのが極めて困難である
うえに、赤外線領域にて動作させるには液体窒素
温度、すなわち、77〓程度に冷却する必要がある
など、実用上の不便を来たす、という欠点があつ
た。 発明の要点 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去
し、基本的には常温にても動作し、入力光を受光
面積が広く、しかも、増幅出力光の波長を任意に
変化させ得るようにした固体光増幅器として、新
たな増幅原理に基づく磁気電気光効果光増幅器を
提供することにある。 かかる本発明の目的を達成すれば、従来のよう
に液体窒素等により冷却するための大きい魔法び
んの使用や液体窒素等の寒冷剤の補給などの実用
上の不便を解消し、装置を小型化し得るととも
に、広い波長範囲に亘つて活性領域に対する入力
光の結合が容易となるなど、実用上極めて大きい
利点とが得られる。 すなわち、本発明の磁気電気光効果光増幅器
は、ｐ―ｎ接合型半導体材料の順方向に大きい電
流を流して分布反転領域を形成するという従来の
光増幅原理とは全く異なる新たな光増幅原理に基
づき、液体ヘリウム温度の4.2〓から室温を超え
る広い温度範囲にて遠赤外線から真空紫外線まで
の広汎な波長領域に亘つて動作する固体光増幅器
が得られるようにしたものであり、永久磁石もし
くは電磁石により生成した磁場中に、少なくとも
その磁場の強度に対応した電子・正孔の易動度を
有する均質材料よりなる半導体ブロツクを配設
し、その半導体ブロツクの対向面に電極を設けて
通電したときに生ずるローレンツ力により前記半
導体ブロツク内に前記対向面に交差した平坦面に
沿つて電子・正孔の分布反転領域を形成し、前記
交差した平坦面に対向する他の平坦面から入射し
て前記電子・正孔の分布反転領域を通過する光を
増幅して前記交差した平坦面から放出し得るよう
にしたことを特徴とするものである。 したがつて、本発明光増幅器においては、従来
の実用上の不便が解消するのみならず、例えば液
体ヘリウム温度にて動作させる場合には、極めて
広い波長範囲に亘つて、印加磁場の強さに応じ、
増幅出力光の波長を任意に設定することが可能と
なり、光インテンシフアイヤや波長変半導体レー
ザとしての使用が可能となるなどの優れた作用効
果が得られる。 実施例 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。 まず、本発明光増幅器の磁気電気光効果による
光増幅の新たな動作原理について説明する。 第２図に示すように、熱平衡状態にて単位体積
あたりnp個の電子とpp個の正孔とを有する厚さｄ
の半導体平行板平板９のＸ軸に平行な長さ方向に
電流を流すとともに、Ｚ軸に平行な幅方向に強
さ〓の磁場を印加したときに、磁場の強さ〓が充
分に大きくて強磁場条件が満される場合には、電
子と正孔とが、点線にて図示するように、磁
場〓電流の同時作用に基づくローレンツ力によ
つて−ｙ方向に掃き寄せられるので、電子の濃度
ｎ（ｙ）は、第３図に示すように、磁場がない場
合における熱平衡時の値npからずれて、第２図に
陰影斜線を付して示す発光面（ｙ＝−ｄ）の近傍
においては増大し、その反対側の試料面（ｙ＝
ｏ）の近傍においては減少して空乏層が生ずるこ
とになる。また、正孔の濃度ｐ（ｙ）についても
同様の分布が生ずることになる。したがつて、電
子および正孔の濃度の積npは、発光面の近傍に
おいては np＞ni 2 (1) となり、いわゆる分布反転が生じている。ここ
に、niは真性キヤリヤ濃度であり、また、磁場を
印加しない熱平衡の状態においてはnp＝ni 2であ
る。 したがつて、上述のように分布反転が生じた状
態においては、過剰な電子と正孔との対が発光面
の近傍において再結合して消滅するが、その消滅
の際に、その半導体材料のエネルギ・ギヤツプ
Egにほぼ等しい値に相当する中心波長λpとして、 λpｃ・ｈ／（Eg＋kT） (2) なる波長の光１１が放出されて輻射する。ここ
に、ｃは光の速度、ｈはプランクの常数、ｋはボ
ルツマン常数、Ｔは絶対温度である。 上述した中心波長λpの光の輻射強度は、電流密
度Ｊおよび磁場強度Ｈの値に非線形的に依存し、
その輻射強度の値は、次式によつて与えられる非
平衡状態における再結合放出の単位体積、単位時
間あたりの速度Rcに比例する。 RcＲ exp（γJH／KT） (3) ここに、 Ｒ＝Ｂ ni 2 (4) であり、ＲおよびＢは、それぞれ、熱平衡状態に
おける再結合放出の速度および確率であり、ま
た、niは前述した真性キヤリヤ濃度であり、さら
に、半導体材料の厚さｄは関連して近似的に γ｜ｄ｜／cnp (5) によつて与えられるパラメータである。 しかして、後述するように、光の増幅において
は、分布反転領域における過剰の電子および正孔
の体積再結合が重要であり、その体積再結合にお
いては、上述した近似式(5)にはよらず、正確に、 γ＝｜ｙ｜／ｃ np (6) とおいて、半導体材料の各部分において、再結合
放出の速度Rcに関し、上述の(3)式が成立するも
のとする。 以上に述べたような電子・正孔の分布反転が−
ｙ方向に作用するＪ×Ｈ力すなわちローレンツ力
によつて生じている場合における電子および正孔
の分布状態をｙ方向に沿つて１次元的に模式的に
表わすと第４図のようになる。すなわち、本発明
者の行なつた実験によれば、半導体材料の平行平
板９の発光面１０に対向する反対側の表面にて、
周囲光の吸収により、その表面近傍に生じている
空乏層に電子と正孔とが補充されるので、通常の
条件下においては、発光面近傍の分布反転領域の
方がこの欠乏層より広い領域を占めることが明ら
かとなつており、実際に、前述した再結合放出の
速度Rcに関する(3)式においては、ｙ＝ｏにてｎ
（ｙ）＝npと仮定されているが、この(3)式は上述し
た実験の結果に対してよく近似している。かかる
状態においては、半導体材料のエネルギ・ギヤツ
プに相当する波長λpを有する入射光は、半導体平
行平板９を通過している間に、np＞ni 2となる分
布反転領域において次々に誘導放出を繰返しなが
ら、第４図に模式的に示すように増幅されて行
く。かかる増幅動作が本発明の要点をなす光増幅
の動作原理であり、ｐ―ｎ接合半導体による従来
の増幅原理とは全く異なつたものである。かかる
新たな光増幅の原理は、赤外線増幅器を室温にて
動作させるのに極めて有用であるが、液体ヘリウ
ム温度すなわち4..2〓近傍の低温にて動作させる
ときには、印加磁場の強度を変えることによつて
波長可変の光増幅を行なうことができ、また、強
力な単色光源として動作させることもできる。す
なわち、低温、強磁場の条件下においては、伝導
バンドおよび価電子バンドのエネルギ準位は離散
的なランダウ準位に分れており、光の波長の許容
遷移は、スピンを無視した簡単な放物線的バンド
モデルに対してつぎの関係式を満足しなければな
らない。 〓＝Eg＋（ｌ＋１／２）ωC1＋（ｌ＋１／２）ω
C2(7) ここに、ω（＝2π／λ）はバンド間ランダウ遷
移に関与する光の角周波数であり、ｌ（＝０，１，
２，…）は磁気量子数であり、はプランクの常
数ｈに対して＝ｈ／2πなる関係を有する常数であ り、ωci（＝eH／miｃ；ｉ＝１，２）は電子（ｉ
＝１のとき）および正孔（ｉ＝２のとき）のサイ
クロトロン角周波数であり、さらに、miは電子
および正孔の有効質量、ｅは電子の電荷、ｃは光
速度、Ｈは磁場強度である。 したがつて、半導体材料のエネルギ・ギヤツプ
Egよりも短かい波長の光により半導体材料平行
平板９の背面（ｙ＝ｏ）を照射して光励起により
過剰の電子と正孔との対を生成させ、Ｊ×Ｈ力の
作用によつて発光面１０の近傍における電子・正
孔の分布反転を増大させると、(7)式の関係を満す
波長の光の再結合放出が増強された形態の再結合
輻射光１１が生ずる。しかも、(7)式から明らかな
ように、再結合輻射光１１の周波数は印加磁場の
強さＨを変えることによつて可変制御することが
でき、したがつて、波長可変の単色光光源すなわ
ち単色光レーザを製作することが可能となる。 また、上述した光励起の代わりに電子線励起を
用いることにより、さらに短かい波長の光、例え
ば、真空紫外光の単色光源を実現することも可能
であり、共振器を付加して適切な帰還を行なうこ
とにより、上述した光増幅器を広汎な波長範囲に
亘つて動作する半導体レーザとして使用すること
も可能である。 本発明の光増幅器は、上述したように極めて広
い応用範囲を有するうえに、増幅される光の波長
が、(2)式、もしくは、液体ヘリウム温度にて動作
させる場合には(7)式に従い、使用する半導体材料
のエネルギ・ギヤツプEgの値によつて決まるの
であるから、種々の半導体材料を使用することに
より、遠赤外光線から真空紫外光線に至る極めて
広い波長範囲の光を増幅することができる。 しかして、本発明光増幅器に使用する種々の半
導体材料について、それぞれのエネルギ・ギヤツ
プEgの値と増幅される波長λとの関係を例示す
れば第１表のとおりである。 なお、本発明光増幅器には、原理的には、あら
ゆる種類の半導体材料を使用することができる
が、本発明光増幅器を構成するに必要な印加磁場
の強さとの関係において、電子・正孔の易動度の
大きい半導体材料、すなわち、電子・正孔の有効
質量miの小さい半導体材料を使用するのが好適
である。
光増幅作用を付与してなる磁気電気光効果型光増
幅器に関し、特に、ヘリウム温度等の低温にて広
い波長範囲に亘り光増幅作用を呈するとともに、
常温にても光増幅作用を呈するようにした光増幅
器を提供しようとするものである。 従来技術 従来、固体光増幅器としては、ガスレーザ、固
体レーザ等により光ポンピングを行なつて半導体
材料中に電子・正孔の分布反転領域を形成した光
増幅器、あるいは、ｐ―ｎ接合半導体材料に順方
向の電流を流して接合領域の中央部に電子・正孔
の分布反転領域を形成した光増幅器等、増幅媒質
を活性化して誘導輻射により光増幅を行なうとい
う増幅原理による光増幅器が用いられて来た。 しかして、かかる増幅原理による従来の光増幅
器において装置を小型化するとともに、効率のよ
い半導体光増幅器を開発することが、光通信用お
よび軍事産業用の赤外線装置等に要求されている
が、例えば従来のｐ―ｎ接合型半導体レーザダイ
オードにおいては、第１図に示すように、活性領
域の幅がキヤリアの拡散距離程度に限られ、例え
ば10μm程度に極めて狭くなつている。すなわち、
ｎ型半導体基板１上のｐ型半導体層２との間に形
成したｐ―ｎ接合領域３にリード線６，７により
バイアス電圧を印加し、例えば研磨して反射鏡面
にした端面４からの入射光を増幅して対向面５か
らレーザビーム８として取出すのであるが、入射
端面４におけるｐ―ｎ接合領域３の幅が上述のよ
うに極めて狭いので、かかるｐ―ｎ接合領域３の
端面に入射光を結合させるのが極めて困難である
うえに、赤外線領域にて動作させるには液体窒素
温度、すなわち、77〓程度に冷却する必要がある
など、実用上の不便を来たす、という欠点があつ
た。 発明の要点 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去
し、基本的には常温にても動作し、入力光を受光
面積が広く、しかも、増幅出力光の波長を任意に
変化させ得るようにした固体光増幅器として、新
たな増幅原理に基づく磁気電気光効果光増幅器を
提供することにある。 かかる本発明の目的を達成すれば、従来のよう
に液体窒素等により冷却するための大きい魔法び
んの使用や液体窒素等の寒冷剤の補給などの実用
上の不便を解消し、装置を小型化し得るととも
に、広い波長範囲に亘つて活性領域に対する入力
光の結合が容易となるなど、実用上極めて大きい
利点とが得られる。 すなわち、本発明の磁気電気光効果光増幅器
は、ｐ―ｎ接合型半導体材料の順方向に大きい電
流を流して分布反転領域を形成するという従来の
光増幅原理とは全く異なる新たな光増幅原理に基
づき、液体ヘリウム温度の4.2〓から室温を超え
る広い温度範囲にて遠赤外線から真空紫外線まで
の広汎な波長領域に亘つて動作する固体光増幅器
が得られるようにしたものであり、永久磁石もし
くは電磁石により生成した磁場中に、少なくとも
その磁場の強度に対応した電子・正孔の易動度を
有する均質材料よりなる半導体ブロツクを配設
し、その半導体ブロツクの対向面に電極を設けて
通電したときに生ずるローレンツ力により前記半
導体ブロツク内に前記対向面に交差した平坦面に
沿つて電子・正孔の分布反転領域を形成し、前記
交差した平坦面に対向する他の平坦面から入射し
て前記電子・正孔の分布反転領域を通過する光を
増幅して前記交差した平坦面から放出し得るよう
にしたことを特徴とするものである。 したがつて、本発明光増幅器においては、従来
の実用上の不便が解消するのみならず、例えば液
体ヘリウム温度にて動作させる場合には、極めて
広い波長範囲に亘つて、印加磁場の強さに応じ、
増幅出力光の波長を任意に設定することが可能と
なり、光インテンシフアイヤや波長変半導体レー
ザとしての使用が可能となるなどの優れた作用効
果が得られる。 実施例 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。 まず、本発明光増幅器の磁気電気光効果による
光増幅の新たな動作原理について説明する。 第２図に示すように、熱平衡状態にて単位体積
あたりnp個の電子とpp個の正孔とを有する厚さｄ
の半導体平行板平板９のＸ軸に平行な長さ方向に
電流を流すとともに、Ｚ軸に平行な幅方向に強
さ〓の磁場を印加したときに、磁場の強さ〓が充
分に大きくて強磁場条件が満される場合には、電
子と正孔とが、点線にて図示するように、磁
場〓電流の同時作用に基づくローレンツ力によ
つて−ｙ方向に掃き寄せられるので、電子の濃度
ｎ（ｙ）は、第３図に示すように、磁場がない場
合における熱平衡時の値npからずれて、第２図に
陰影斜線を付して示す発光面（ｙ＝−ｄ）の近傍
においては増大し、その反対側の試料面（ｙ＝
ｏ）の近傍においては減少して空乏層が生ずるこ
とになる。また、正孔の濃度ｐ（ｙ）についても
同様の分布が生ずることになる。したがつて、電
子および正孔の濃度の積npは、発光面の近傍に
おいては np＞ni 2 (1) となり、いわゆる分布反転が生じている。ここ
に、niは真性キヤリヤ濃度であり、また、磁場を
印加しない熱平衡の状態においてはnp＝ni 2であ
る。 したがつて、上述のように分布反転が生じた状
態においては、過剰な電子と正孔との対が発光面
の近傍において再結合して消滅するが、その消滅
の際に、その半導体材料のエネルギ・ギヤツプ
Egにほぼ等しい値に相当する中心波長λpとして、 λpｃ・ｈ／（Eg＋kT） (2) なる波長の光１１が放出されて輻射する。ここ
に、ｃは光の速度、ｈはプランクの常数、ｋはボ
ルツマン常数、Ｔは絶対温度である。 上述した中心波長λpの光の輻射強度は、電流密
度Ｊおよび磁場強度Ｈの値に非線形的に依存し、
その輻射強度の値は、次式によつて与えられる非
平衡状態における再結合放出の単位体積、単位時
間あたりの速度Rcに比例する。 RcＲ exp（γJH／KT） (3) ここに、 Ｒ＝Ｂ ni 2 (4) であり、ＲおよびＢは、それぞれ、熱平衡状態に
おける再結合放出の速度および確率であり、ま
た、niは前述した真性キヤリヤ濃度であり、さら
に、半導体材料の厚さｄは関連して近似的に γ｜ｄ｜／cnp (5) によつて与えられるパラメータである。 しかして、後述するように、光の増幅において
は、分布反転領域における過剰の電子および正孔
の体積再結合が重要であり、その体積再結合にお
いては、上述した近似式(5)にはよらず、正確に、 γ＝｜ｙ｜／ｃ np (6) とおいて、半導体材料の各部分において、再結合
放出の速度Rcに関し、上述の(3)式が成立するも
のとする。 以上に述べたような電子・正孔の分布反転が−
ｙ方向に作用するＪ×Ｈ力すなわちローレンツ力
によつて生じている場合における電子および正孔
の分布状態をｙ方向に沿つて１次元的に模式的に
表わすと第４図のようになる。すなわち、本発明
者の行なつた実験によれば、半導体材料の平行平
板９の発光面１０に対向する反対側の表面にて、
周囲光の吸収により、その表面近傍に生じている
空乏層に電子と正孔とが補充されるので、通常の
条件下においては、発光面近傍の分布反転領域の
方がこの欠乏層より広い領域を占めることが明ら
かとなつており、実際に、前述した再結合放出の
速度Rcに関する(3)式においては、ｙ＝ｏにてｎ
（ｙ）＝npと仮定されているが、この(3)式は上述し
た実験の結果に対してよく近似している。かかる
状態においては、半導体材料のエネルギ・ギヤツ
プに相当する波長λpを有する入射光は、半導体平
行平板９を通過している間に、np＞ni 2となる分
布反転領域において次々に誘導放出を繰返しなが
ら、第４図に模式的に示すように増幅されて行
く。かかる増幅動作が本発明の要点をなす光増幅
の動作原理であり、ｐ―ｎ接合半導体による従来
の増幅原理とは全く異なつたものである。かかる
新たな光増幅の原理は、赤外線増幅器を室温にて
動作させるのに極めて有用であるが、液体ヘリウ
ム温度すなわち4..2〓近傍の低温にて動作させる
ときには、印加磁場の強度を変えることによつて
波長可変の光増幅を行なうことができ、また、強
力な単色光源として動作させることもできる。す
なわち、低温、強磁場の条件下においては、伝導
バンドおよび価電子バンドのエネルギ準位は離散
的なランダウ準位に分れており、光の波長の許容
遷移は、スピンを無視した簡単な放物線的バンド
モデルに対してつぎの関係式を満足しなければな
らない。 〓＝Eg＋（ｌ＋１／２）ωC1＋（ｌ＋１／２）ω
C2(7) ここに、ω（＝2π／λ）はバンド間ランダウ遷
移に関与する光の角周波数であり、ｌ（＝０，１，
２，…）は磁気量子数であり、はプランクの常
数ｈに対して＝ｈ／2πなる関係を有する常数であ り、ωci（＝eH／miｃ；ｉ＝１，２）は電子（ｉ
＝１のとき）および正孔（ｉ＝２のとき）のサイ
クロトロン角周波数であり、さらに、miは電子
および正孔の有効質量、ｅは電子の電荷、ｃは光
速度、Ｈは磁場強度である。 したがつて、半導体材料のエネルギ・ギヤツプ
Egよりも短かい波長の光により半導体材料平行
平板９の背面（ｙ＝ｏ）を照射して光励起により
過剰の電子と正孔との対を生成させ、Ｊ×Ｈ力の
作用によつて発光面１０の近傍における電子・正
孔の分布反転を増大させると、(7)式の関係を満す
波長の光の再結合放出が増強された形態の再結合
輻射光１１が生ずる。しかも、(7)式から明らかな
ように、再結合輻射光１１の周波数は印加磁場の
強さＨを変えることによつて可変制御することが
でき、したがつて、波長可変の単色光光源すなわ
ち単色光レーザを製作することが可能となる。 また、上述した光励起の代わりに電子線励起を
用いることにより、さらに短かい波長の光、例え
ば、真空紫外光の単色光源を実現することも可能
であり、共振器を付加して適切な帰還を行なうこ
とにより、上述した光増幅器を広汎な波長範囲に
亘つて動作する半導体レーザとして使用すること
も可能である。 本発明の光増幅器は、上述したように極めて広
い応用範囲を有するうえに、増幅される光の波長
が、(2)式、もしくは、液体ヘリウム温度にて動作
させる場合には(7)式に従い、使用する半導体材料
のエネルギ・ギヤツプEgの値によつて決まるの
であるから、種々の半導体材料を使用することに
より、遠赤外光線から真空紫外光線に至る極めて
広い波長範囲の光を増幅することができる。 しかして、本発明光増幅器に使用する種々の半
導体材料について、それぞれのエネルギ・ギヤツ
プEgの値と増幅される波長λとの関係を例示す
れば第１表のとおりである。 なお、本発明光増幅器には、原理的には、あら
ゆる種類の半導体材料を使用することができる
が、本発明光増幅器を構成するに必要な印加磁場
の強さとの関係において、電子・正孔の易動度の
大きい半導体材料、すなわち、電子・正孔の有効
質量miの小さい半導体材料を使用するのが好適
である。
【表】
以上に詳述した動作原理により光増幅を行なう
本発明の光増幅器の基本的構成の例を第５図に示
す。図示の構成においては、１万ガウス程度を超
える強い磁場を形成する永久磁石もしくは電磁石
１２の両磁極NS間に、第１表に例示したような
半導体材料の平行平板１３を固定して配設し、そ
の平行平板１３の両端面に被着した電流電極を介
して外部電源１４から電流Ｉを直流、交流もしく
はパルス電流の形態にて流す。なお、半導体平行
平板１１の両端面に被着する電極は、上述のよう
に、単に電流を流すためのいわゆるオーミツクの
電極とする他に、半導体材料に電子もしくは正孔
の少数キヤリヤを注入する機能を兼ね備えた半導
体電極とすることもできる。かかる構成の半導体
平行平板１３の背面から、例えば図示のように磁
石１２の一部に透明材料よりなる開口部１２ａを
設けて、半導体材料のエネルギ・ギヤツプに相当
する第１表に例示したような波長の入力光P1を
入射させると、前述した動作原理に基づき、半導
体平行平板１３内にて光増幅作用が行なわれ、陰
影斜線を施して図示する発光面から増幅出力光
P2が放出される。また、半導体平行平板１３に
印加する磁場の強さおよび電流Ｉの大きさのいず
れか一方もしくは双方を周知慣用の適切な手段に
より変化させれば、増幅出力光P2を外部信号に
より種々の形態に変調することが容易に行なわれ
る。また、液体ヘリウム温度（4.2〓）程度の低
温にて動作させる場合には、半導体平行平板１３
の背面をその半導体材料のエネルギ・ギヤツプに
相当する値より短かい波長の入力光P1により照
射して半導体材料中に光励起によるキヤリヤを生
成させ、電流電極を介して電流を流すとともに、
例えば超伝導電磁石等を使用して１万乃至15万ガ
ウス程度の強磁場を印加し、その印加磁場の強さ
を可変にすると、前述した(7)式につて表わした動
作原理に従い、印加磁場の強さによつて波長を制
御し得る単色光が発光面から輻射される。その輻
射光の波長可変範囲は、例えばInSb平行平板に
10万ガウス程度の磁場を印加した場合には、
5.3μmから4.9μmまでの範囲内にて波長可変とな
る。本発明のかかる光増幅器は、上述した強磁場
条件が満されば半導体材料の真性領域にて動作す
る特長を有しているが、前述した注入電極から少
数キヤリヤを注入することによつて印加磁場の強
さに関する条件を緩和するようにした場合をも含
めて、磁場と電流との同時印加によるＪ×Ｈ力す
なわちローレンツ力により電子・正孔の分布反転
領域を形成して光増幅を行なう装置を総称したも
のである。 つぎに、かかる本発明の光増幅器をｎ型InSb
半導体材料を用いて構成し、第６図に示す構成配
置の測定装置を用いて光増幅動作のパルス特性を
測定した実験の結果について説明する。実験試料
としては、有効寸法として長さ11mm，幅4.0mm，
厚さ0.88mmのInSb平行平板１５を用いたが、この
試料の77〓の低温における電子濃度npおよびホー
ル易動度μの値は、それぞれ、５×10-15cm-3お
よび1.66×105cm2／Vsであり、常温294〓における
電子濃度npおよびホール易動度μの値は、それぞ
れ、2.38×1016cm-3および6.41×104cm2／Vsであ
る。かかる試料１５を、5.3μmバンドパスフイル
タとして作用する有効直径９mmのGe窓１７を有
する金属ジヤーに収容し、パルス発生器２４によ
りパルス幅20μs、繰返し周波数50Hzにて6Aまで
の大きさのパルス電流を流すほかに、周波数250
Hzの交流電流もしくは直流電流をも流し得るよう
にしてあり、さらに、２万ガウスまでの強さの直
流磁場〓を電磁石によつて電流に直交する方向に
印加するように構成してある。かかるInSb試料
１５のエネルギ・ギヤツプに相当する波長5.3μm
を入力光としては、Ar+レーザ発振器１８を連続
発振させた波長514.5mm、パワー100〜900mWの
出力光を、周波数50Hzのチヨツパ１９により方形
波パルス状に整形し、サフアイヤ窓１６および直
径３mmの絞りを介して、試料１５の背面を照射
し、第７図に示すようにフオトルミネツセンスに
よつて所要の入射光を生成させている。試料１５
からの増幅出力光は、波長5.3μmにて最大の透過
率を有するGe窓１７を介して取出し、長さ50cm
のライトパイプ２０により導いて、他のジヤーに
収容したInSb赤外線検出器２１に供給し、その
赤外線検出器２１からの周波数50Hzあるいは250
Hzにて変調された検出出力信号をロツクイン増幅
器２２による同期整流検波により狭帯域の検出を
行ない、その検出出力信号波形を陰極線表示器２
３に表示する。なお、上述したInsb赤外線検出器
２１は、光起電力型検出器であり、80〓の低温に
て２〜5.7μmの波長範囲に亘り検出動作を行な
い、波長5.1μmにて最大分光感度値D*＝1.3×1011
cmHz1/2W-1を呈するものである。 上述の測定装置により、InSb半導体試料１５
に２万ガウスの磁場を印加するとともに、0.1A
および0.2Aにて周波数250Hzの交流電流を流した
ときに、温度80〓および292〓にて得られる出力
光の強度の励起用レーザ電力に対する依存性の測
定結果の例を第８図に示す。図中、実線は低温80
〓における測定結果を示し、点線は室温292〓に
おける測定結果を示す。なお、InSb試料からの
輻射光の強度が、励起用レーザの照射強度
500mW以上のときに、急激に増大することが明
確に認められた。また、励起用レーザの照射強度
を900mWとした場合には、非照射時に比して、
低温80〓においては電流値Ｉ＝0.1Aのときに実
に100倍にも達し、室温292〓においても3.3倍ま
で達する輻射強度の出力光がInSb試料から得ら
れた。 以上の測定実験にて観測された半導体試料から
の輻射光の強度の励起用レーザ電力に対する非線
形的な依存性は、強磁場印加時のInSb半導体材
料中にて、第３図示の特性曲線から判るようなＪ
×Ｈ力による磁気集中（magneto―
concentration）効果と光励起との重量作用によ
つてある種の誘導輻射が生起していることを示し
ている。かかる誘導輻射に基づく光増幅が実際に
強磁場印加時の半導体材料中にて行なわれている
ことは、つぎに述べる実験によつて直接に確かめ
ることができる。 すなわち、実験試料とするInSb半導体平行平
板に、第８図に挿入して図示したように磁場Ｈと
電流Ｊとを印加した状態にて、周波数50Hzにてチ
ヨツプした出力800mWのAr+レーザを照射して
フオトルミネツセンスにより波長5.3μmの入力光
を生成させる。しかして、印加磁場の強度Ｈを２
万ガウスとするとともに、その印加磁場を横切つ
てパルス幅20μsの大きさ6Aまでのパルス電流を、
光励起に同期して流すと、半導体平行平板１５か
らの出力光は、5.3μmバンドパスGeフイルタ１７
を介して狭帯域のInSb赤外線検出器２１および
ロツクイン増幅器２２の組合わせにより同期整流
検波される。このようにして検出した出力輻射光
の強度を、磁場および電流を印加しないＨ＝ｏ，
Ｊ＝ｏのときのフオトルミネツセンスの出力光強
度を１として正規化して、第９図および第１０図
に示す。第９図に示す低温80〓における測定デー
タは、印加磁場強度Ｈ＝20kGおよびＨ＝−20kG
のときの正規化した出力輻射光強度の印加電流依
存性を表わし、また、第１０図に示す測定データ
は、室温292〓における同様の測定結果を表わし
ており、いずれも、パルス電流とチヨツプされた
レーザ光照射とのパルス密度すなわちデユーテイ
比の差を考慮して、測定値が同一デユーテイ比を
有するように補正してある。 一方、パルス電流の替わりに小さい値の直流電
流を半導体試料に流して入力光をチヨツプした場
合の測定値と比較した結果に基づき、上述の正規
化した出力輻射光強度が正味の光増幅率と因子２
以内の精度をもつて一致することが確かめられて
いる。したがつて、第９図示の実験結果は、80〓
の低温におけるInSb半導体試料については、２
万ガウスの強磁場を印加し、6Aの電流を流した
ときに、ほぼ260倍に達する光増幅が行なわれる
ことを表わしている。また、印加磁場の極性を反
転した場合には、第９図に点線にて示すように、
Ｉ≦4Aの電流範囲においては負の光輻射、すな
わち、光の吸収が半導体試料の発光面にて行なわ
れていることが認められる。かかる光吸収は、負
極性の磁場を印加したＨ＜０の場合には、過剰の
電子・正孔が半導体平行平板の背面近傍に掃き寄
さられて、発光面の近傍には欠乏層が生じ、その
欠乏層における周囲光の吸収によつて光励起のキ
ヤリヤが生成されるために生じたものである。し
かしながら、Ｉ≧5Aの電流領域においては、周
囲光の吸収が飽和して、半導体平行平板の背面近
傍における光輻射の強度が逆に光吸収に打ち勝つ
ために、正味の光増幅が再び起るものと考えられ
る。また、第１０図示の室温におけるInSb半導
体試料についての実験結果においても、２万ガウ
スの強磁場を印加して6Aの電流を流したときに
は、ほぼ200倍を超える光増幅率が得られること、
および、印加磁場の極性を反転すると負の光輻射
すなわち光の吸収が発光面にて起ることが判る。 上述した一連の実験結果は、強磁場印加のもと
に電流を半導体試料に流して得られるＪ×Ｈ力の
磁気集中効果によつて実現したnp＞ni 2なる電
子・正孔の分布反転領域を、その半導体材料のエ
ネルギ・ギヤツプに相当する波長の光が通過する
ときには、その入力光が分布反転領域にて誘導輻
射を繰返しながら増幅されることを示しており、
かかる態様の光増幅は、半導体材料内における光
増幅の新たな動作原理をなすものである。 かかる動作原理による本発明光増幅器を例えば
第１表に示したような種々異なるエネルギ・ギヤ
ツプを有する半導体材料を用いて構成することに
より、遠赤外光から真空紫外光に至る広範囲の波
長を有する入力光を増幅することができ、また、
半導体材料に流す電流の大きさを変化させること
により増幅出力光に対して容易に変調をかけるこ
とができる。かかる態様の光増幅を行なう本発明
光増幅器は、基本的には、液体窒素温度から室温
を超えた100℃程度の高温に至る広い範囲の温度
にて、強磁場の条件が満される限り、広汎な波長
範囲に亘つて光増幅動作を行なうが、適切な表面
処理を半導体材料に施すことによつて電子・正孔
の分布反転領域を半導体平行平板の厚さ方向の広
い範囲に亘つて生成させることにより、その光増
幅の効率を向上させることができる。さらに、あ
る種の半導体材料を用いた場合には、強磁場印加
の効果を高めるために、前述したように適切な注
入電極を半導体材料に設けて少数キヤリヤを注入
することも極めて効果的である。また、液体ヘリ
ウム温度の低温にて本発明光増幅器を動作させる
場合には、半導体材料のエネルギ・ギヤツプに相
当する波長より短かい波長の入力光により半導体
平行平板の背面を照射して光励起によるキヤリヤ
を生成させ、Ｊ×Ｈ力によつて発光面近傍におけ
る過剰の電子・正孔対の濃度を増大させることに
より、印加磁場の強さに応じて増幅出力光の波長
を制御して、波長可変の単色光源として利用する
ことができ、さらに、適切な共振器を付加するこ
とにより、波長可変のレーザとして利用すること
もできる。 つぎに、本発明磁気電気光効果光増幅器を各種
の光通信装置に応用した好適例を列挙して説明す
る。 (a) 赤外線無線通信装置 波長８〜14μmの赤外線は、大気中にてあま
り減衰しないので、宇宙通信や地上局相互間の
無線通信に利用することができる。しかして、
かかる無線通信に必要不可欠のものは、送信用
および受信用の光増幅器であり、原則的には室
温にて動作し、増幅率が大きく、しかも、受光
面積が大きくて入力光との結合が容易であるこ
と、等の特性が望まれるが、上述した波長範囲
にて動作する本発明磁気電気光効果光増幅器と
しては、例えば、テルル化水銀カドミウム
Hg1-xCdxTeの組成比ｘをｘ0.2とした半導体
材料が12.4μm近傍の波長を有する光を増幅す
る機能を有している。この光増幅器は、さらに
適切な帰還を施すことによつてレーザ発振器と
することもできるので、送信用の光源として使
用することもできる。 かかる赤外線無線通信装置の概略構成の例を
第１１図ａに示す。図示の概略構成において
は、本発明による磁気電気光効果を赤外線発生
用ダイオードレーザ２７に適用して波長12.4μ
ｍの赤外線を発生させ、そのダイオードに流す
電流としてマイクロホン２５から発生した音声
周波電流を低周波増幅器２６により増幅したも
のを流すと、その音声周波電流によつて強度変
調された赤外線信号が得られる。この赤外線信
号を、同じく本発明による磁気電気光効果光増
幅器２８により増幅したうえで、送信用光学シ
ステム２９を介して光信号伝送媒体３０中に送
出する。その送信光信号を、受信用光学システ
ム３１を介し、本発明による磁気電気光効果光
増幅器３２に供給して増幅したうえで、赤外線
検出器３３により検出して音声周波信号に復調
し、低周波増幅器３４により電力増幅してスピ
ーカ３５に供給し、所要の音声出力を得る。 (b) 赤外線無線通信用中継増幅器 一般に、光通信において光信号の伝送距離が
長くなると、光信号の強度が減衰するために、
適切な伝送距離毎に中継増幅器を配置して光信
号を中継増幅する必要がある。かかる中継増幅
器として、従来考えられているように、光信号
を一旦電気信号に変換して電力増幅を行なつた
うえで発光ダイオードを駆動して光信号に再変
換する間接型の光増幅器においては、情報量お
よびSN比などの光信号の質が損なわれるが、
本発明磁気電気光効果光増幅器は、室温にて動
作し、増幅率が大きく、しかも、受光面積が大
きくて入力光との直接結合が容易であるので、
光通信用中継増幅器としては理想的な動作をす
るものと考えられる。本発明光増幅器を中継増
幅器として使用した赤外線無線通信系の構成
は、例えば第１１図ｂに示すように、光信号媒
体３６を伝搬して来た光信号を、受信用光学シ
ステム３７を介し、本発明磁気電気光効果光増
幅器３８，３９に供給して中継増幅するととも
に、信号波形整形器４０により伝搬中に生じた
光信号の波形歪みを補正し、送信用光学システ
ム４１を介して、再び、光信号媒体４２中に送
出する。 (c) 光フアイバ通信装置 例えば、波長0.87μmの光搬送波を用いた光
フアイバ通信に本発明光増幅器を適用する場合
には、第１１図ａ，ｂに示した無線通信系にお
ける光信号伝送媒体の替わりに光フアイバを置
換して配設し、本発明磁気電気光効果光増幅器
を構成する半導体材料として0.87μm近傍の波
長にて動作するガリウム砒素化合物GaAsを選
定すれば、第１１図ａ，ｂに示した構成をその
まま光フアイバ通信装置として使用することが
できる。 効 果 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、半導体材料に例えば永久磁石を用いて強磁場
を印加するとともに電流を流すことにより、室温
にても動作する光増幅器の実現を可能とするのみ
ならず、液体ヘリウム温度の低温にて動作させる
場合に、超伝導電磁石により印加する磁場の強さ
を変化させることにより、波長可変の強力な単色
光源すなわちレーザの実現を可能とする。従来の
ｐ―ｎ接合型半導体レーザは、入力光に対する受
光面積が極端に狭く、入力光との結合が困難であ
るのみならず、中赤外線波長に対しては液体窒素
温度以下の低温においてのみ動作可能であるとい
う欠点を有していたが、本発明による磁気電気光
効果光増幅器は、基本的には室温にて動作し、入
力光に対する受光面積が従来に比して格段に広い
ばかりでなく、１段毎の光増幅率を200倍以上に
大きくとることができる等の優れた利点を有して
いるので、光フアイバを用いた光通信系における
中継用光増幅器、もしくは、波長８〜14μmの赤
外線を用いた無線通信用の光増幅器としての応用
が期待される。さらに、液体ヘリウム温度の低温
にて動作させる場合には、無線通信用の波長可変
の強力な光源として、従来慣用のスピンフリツプ
ラマンレーザより格段に有効に利用されることが
期待される。すなわち、従来慣用のスピンフリツ
プラマンレーザは、液体ヘリウム温度にて動作さ
せた場合に印加磁場の強度に応じて波長可変では
あるが、ラマン効果を利用したものであるがため
に、本発明光増幅器より格段に光変換効率が低
い。
本発明の光増幅器の基本的構成の例を第５図に示
す。図示の構成においては、１万ガウス程度を超
える強い磁場を形成する永久磁石もしくは電磁石
１２の両磁極NS間に、第１表に例示したような
半導体材料の平行平板１３を固定して配設し、そ
の平行平板１３の両端面に被着した電流電極を介
して外部電源１４から電流Ｉを直流、交流もしく
はパルス電流の形態にて流す。なお、半導体平行
平板１１の両端面に被着する電極は、上述のよう
に、単に電流を流すためのいわゆるオーミツクの
電極とする他に、半導体材料に電子もしくは正孔
の少数キヤリヤを注入する機能を兼ね備えた半導
体電極とすることもできる。かかる構成の半導体
平行平板１３の背面から、例えば図示のように磁
石１２の一部に透明材料よりなる開口部１２ａを
設けて、半導体材料のエネルギ・ギヤツプに相当
する第１表に例示したような波長の入力光P1を
入射させると、前述した動作原理に基づき、半導
体平行平板１３内にて光増幅作用が行なわれ、陰
影斜線を施して図示する発光面から増幅出力光
P2が放出される。また、半導体平行平板１３に
印加する磁場の強さおよび電流Ｉの大きさのいず
れか一方もしくは双方を周知慣用の適切な手段に
より変化させれば、増幅出力光P2を外部信号に
より種々の形態に変調することが容易に行なわれ
る。また、液体ヘリウム温度（4.2〓）程度の低
温にて動作させる場合には、半導体平行平板１３
の背面をその半導体材料のエネルギ・ギヤツプに
相当する値より短かい波長の入力光P1により照
射して半導体材料中に光励起によるキヤリヤを生
成させ、電流電極を介して電流を流すとともに、
例えば超伝導電磁石等を使用して１万乃至15万ガ
ウス程度の強磁場を印加し、その印加磁場の強さ
を可変にすると、前述した(7)式につて表わした動
作原理に従い、印加磁場の強さによつて波長を制
御し得る単色光が発光面から輻射される。その輻
射光の波長可変範囲は、例えばInSb平行平板に
10万ガウス程度の磁場を印加した場合には、
5.3μmから4.9μmまでの範囲内にて波長可変とな
る。本発明のかかる光増幅器は、上述した強磁場
条件が満されば半導体材料の真性領域にて動作す
る特長を有しているが、前述した注入電極から少
数キヤリヤを注入することによつて印加磁場の強
さに関する条件を緩和するようにした場合をも含
めて、磁場と電流との同時印加によるＪ×Ｈ力す
なわちローレンツ力により電子・正孔の分布反転
領域を形成して光増幅を行なう装置を総称したも
のである。 つぎに、かかる本発明の光増幅器をｎ型InSb
半導体材料を用いて構成し、第６図に示す構成配
置の測定装置を用いて光増幅動作のパルス特性を
測定した実験の結果について説明する。実験試料
としては、有効寸法として長さ11mm，幅4.0mm，
厚さ0.88mmのInSb平行平板１５を用いたが、この
試料の77〓の低温における電子濃度npおよびホー
ル易動度μの値は、それぞれ、５×10-15cm-3お
よび1.66×105cm2／Vsであり、常温294〓における
電子濃度npおよびホール易動度μの値は、それぞ
れ、2.38×1016cm-3および6.41×104cm2／Vsであ
る。かかる試料１５を、5.3μmバンドパスフイル
タとして作用する有効直径９mmのGe窓１７を有
する金属ジヤーに収容し、パルス発生器２４によ
りパルス幅20μs、繰返し周波数50Hzにて6Aまで
の大きさのパルス電流を流すほかに、周波数250
Hzの交流電流もしくは直流電流をも流し得るよう
にしてあり、さらに、２万ガウスまでの強さの直
流磁場〓を電磁石によつて電流に直交する方向に
印加するように構成してある。かかるInSb試料
１５のエネルギ・ギヤツプに相当する波長5.3μm
を入力光としては、Ar+レーザ発振器１８を連続
発振させた波長514.5mm、パワー100〜900mWの
出力光を、周波数50Hzのチヨツパ１９により方形
波パルス状に整形し、サフアイヤ窓１６および直
径３mmの絞りを介して、試料１５の背面を照射
し、第７図に示すようにフオトルミネツセンスに
よつて所要の入射光を生成させている。試料１５
からの増幅出力光は、波長5.3μmにて最大の透過
率を有するGe窓１７を介して取出し、長さ50cm
のライトパイプ２０により導いて、他のジヤーに
収容したInSb赤外線検出器２１に供給し、その
赤外線検出器２１からの周波数50Hzあるいは250
Hzにて変調された検出出力信号をロツクイン増幅
器２２による同期整流検波により狭帯域の検出を
行ない、その検出出力信号波形を陰極線表示器２
３に表示する。なお、上述したInsb赤外線検出器
２１は、光起電力型検出器であり、80〓の低温に
て２〜5.7μmの波長範囲に亘り検出動作を行な
い、波長5.1μmにて最大分光感度値D*＝1.3×1011
cmHz1/2W-1を呈するものである。 上述の測定装置により、InSb半導体試料１５
に２万ガウスの磁場を印加するとともに、0.1A
および0.2Aにて周波数250Hzの交流電流を流した
ときに、温度80〓および292〓にて得られる出力
光の強度の励起用レーザ電力に対する依存性の測
定結果の例を第８図に示す。図中、実線は低温80
〓における測定結果を示し、点線は室温292〓に
おける測定結果を示す。なお、InSb試料からの
輻射光の強度が、励起用レーザの照射強度
500mW以上のときに、急激に増大することが明
確に認められた。また、励起用レーザの照射強度
を900mWとした場合には、非照射時に比して、
低温80〓においては電流値Ｉ＝0.1Aのときに実
に100倍にも達し、室温292〓においても3.3倍ま
で達する輻射強度の出力光がInSb試料から得ら
れた。 以上の測定実験にて観測された半導体試料から
の輻射光の強度の励起用レーザ電力に対する非線
形的な依存性は、強磁場印加時のInSb半導体材
料中にて、第３図示の特性曲線から判るようなＪ
×Ｈ力による磁気集中（magneto―
concentration）効果と光励起との重量作用によ
つてある種の誘導輻射が生起していることを示し
ている。かかる誘導輻射に基づく光増幅が実際に
強磁場印加時の半導体材料中にて行なわれている
ことは、つぎに述べる実験によつて直接に確かめ
ることができる。 すなわち、実験試料とするInSb半導体平行平
板に、第８図に挿入して図示したように磁場Ｈと
電流Ｊとを印加した状態にて、周波数50Hzにてチ
ヨツプした出力800mWのAr+レーザを照射して
フオトルミネツセンスにより波長5.3μmの入力光
を生成させる。しかして、印加磁場の強度Ｈを２
万ガウスとするとともに、その印加磁場を横切つ
てパルス幅20μsの大きさ6Aまでのパルス電流を、
光励起に同期して流すと、半導体平行平板１５か
らの出力光は、5.3μmバンドパスGeフイルタ１７
を介して狭帯域のInSb赤外線検出器２１および
ロツクイン増幅器２２の組合わせにより同期整流
検波される。このようにして検出した出力輻射光
の強度を、磁場および電流を印加しないＨ＝ｏ，
Ｊ＝ｏのときのフオトルミネツセンスの出力光強
度を１として正規化して、第９図および第１０図
に示す。第９図に示す低温80〓における測定デー
タは、印加磁場強度Ｈ＝20kGおよびＨ＝−20kG
のときの正規化した出力輻射光強度の印加電流依
存性を表わし、また、第１０図に示す測定データ
は、室温292〓における同様の測定結果を表わし
ており、いずれも、パルス電流とチヨツプされた
レーザ光照射とのパルス密度すなわちデユーテイ
比の差を考慮して、測定値が同一デユーテイ比を
有するように補正してある。 一方、パルス電流の替わりに小さい値の直流電
流を半導体試料に流して入力光をチヨツプした場
合の測定値と比較した結果に基づき、上述の正規
化した出力輻射光強度が正味の光増幅率と因子２
以内の精度をもつて一致することが確かめられて
いる。したがつて、第９図示の実験結果は、80〓
の低温におけるInSb半導体試料については、２
万ガウスの強磁場を印加し、6Aの電流を流した
ときに、ほぼ260倍に達する光増幅が行なわれる
ことを表わしている。また、印加磁場の極性を反
転した場合には、第９図に点線にて示すように、
Ｉ≦4Aの電流範囲においては負の光輻射、すな
わち、光の吸収が半導体試料の発光面にて行なわ
れていることが認められる。かかる光吸収は、負
極性の磁場を印加したＨ＜０の場合には、過剰の
電子・正孔が半導体平行平板の背面近傍に掃き寄
さられて、発光面の近傍には欠乏層が生じ、その
欠乏層における周囲光の吸収によつて光励起のキ
ヤリヤが生成されるために生じたものである。し
かしながら、Ｉ≧5Aの電流領域においては、周
囲光の吸収が飽和して、半導体平行平板の背面近
傍における光輻射の強度が逆に光吸収に打ち勝つ
ために、正味の光増幅が再び起るものと考えられ
る。また、第１０図示の室温におけるInSb半導
体試料についての実験結果においても、２万ガウ
スの強磁場を印加して6Aの電流を流したときに
は、ほぼ200倍を超える光増幅率が得られること、
および、印加磁場の極性を反転すると負の光輻射
すなわち光の吸収が発光面にて起ることが判る。 上述した一連の実験結果は、強磁場印加のもと
に電流を半導体試料に流して得られるＪ×Ｈ力の
磁気集中効果によつて実現したnp＞ni 2なる電
子・正孔の分布反転領域を、その半導体材料のエ
ネルギ・ギヤツプに相当する波長の光が通過する
ときには、その入力光が分布反転領域にて誘導輻
射を繰返しながら増幅されることを示しており、
かかる態様の光増幅は、半導体材料内における光
増幅の新たな動作原理をなすものである。 かかる動作原理による本発明光増幅器を例えば
第１表に示したような種々異なるエネルギ・ギヤ
ツプを有する半導体材料を用いて構成することに
より、遠赤外光から真空紫外光に至る広範囲の波
長を有する入力光を増幅することができ、また、
半導体材料に流す電流の大きさを変化させること
により増幅出力光に対して容易に変調をかけるこ
とができる。かかる態様の光増幅を行なう本発明
光増幅器は、基本的には、液体窒素温度から室温
を超えた100℃程度の高温に至る広い範囲の温度
にて、強磁場の条件が満される限り、広汎な波長
範囲に亘つて光増幅動作を行なうが、適切な表面
処理を半導体材料に施すことによつて電子・正孔
の分布反転領域を半導体平行平板の厚さ方向の広
い範囲に亘つて生成させることにより、その光増
幅の効率を向上させることができる。さらに、あ
る種の半導体材料を用いた場合には、強磁場印加
の効果を高めるために、前述したように適切な注
入電極を半導体材料に設けて少数キヤリヤを注入
することも極めて効果的である。また、液体ヘリ
ウム温度の低温にて本発明光増幅器を動作させる
場合には、半導体材料のエネルギ・ギヤツプに相
当する波長より短かい波長の入力光により半導体
平行平板の背面を照射して光励起によるキヤリヤ
を生成させ、Ｊ×Ｈ力によつて発光面近傍におけ
る過剰の電子・正孔対の濃度を増大させることに
より、印加磁場の強さに応じて増幅出力光の波長
を制御して、波長可変の単色光源として利用する
ことができ、さらに、適切な共振器を付加するこ
とにより、波長可変のレーザとして利用すること
もできる。 つぎに、本発明磁気電気光効果光増幅器を各種
の光通信装置に応用した好適例を列挙して説明す
る。 (a) 赤外線無線通信装置 波長８〜14μmの赤外線は、大気中にてあま
り減衰しないので、宇宙通信や地上局相互間の
無線通信に利用することができる。しかして、
かかる無線通信に必要不可欠のものは、送信用
および受信用の光増幅器であり、原則的には室
温にて動作し、増幅率が大きく、しかも、受光
面積が大きくて入力光との結合が容易であるこ
と、等の特性が望まれるが、上述した波長範囲
にて動作する本発明磁気電気光効果光増幅器と
しては、例えば、テルル化水銀カドミウム
Hg1-xCdxTeの組成比ｘをｘ0.2とした半導体
材料が12.4μm近傍の波長を有する光を増幅す
る機能を有している。この光増幅器は、さらに
適切な帰還を施すことによつてレーザ発振器と
することもできるので、送信用の光源として使
用することもできる。 かかる赤外線無線通信装置の概略構成の例を
第１１図ａに示す。図示の概略構成において
は、本発明による磁気電気光効果を赤外線発生
用ダイオードレーザ２７に適用して波長12.4μ
ｍの赤外線を発生させ、そのダイオードに流す
電流としてマイクロホン２５から発生した音声
周波電流を低周波増幅器２６により増幅したも
のを流すと、その音声周波電流によつて強度変
調された赤外線信号が得られる。この赤外線信
号を、同じく本発明による磁気電気光効果光増
幅器２８により増幅したうえで、送信用光学シ
ステム２９を介して光信号伝送媒体３０中に送
出する。その送信光信号を、受信用光学システ
ム３１を介し、本発明による磁気電気光効果光
増幅器３２に供給して増幅したうえで、赤外線
検出器３３により検出して音声周波信号に復調
し、低周波増幅器３４により電力増幅してスピ
ーカ３５に供給し、所要の音声出力を得る。 (b) 赤外線無線通信用中継増幅器 一般に、光通信において光信号の伝送距離が
長くなると、光信号の強度が減衰するために、
適切な伝送距離毎に中継増幅器を配置して光信
号を中継増幅する必要がある。かかる中継増幅
器として、従来考えられているように、光信号
を一旦電気信号に変換して電力増幅を行なつた
うえで発光ダイオードを駆動して光信号に再変
換する間接型の光増幅器においては、情報量お
よびSN比などの光信号の質が損なわれるが、
本発明磁気電気光効果光増幅器は、室温にて動
作し、増幅率が大きく、しかも、受光面積が大
きくて入力光との直接結合が容易であるので、
光通信用中継増幅器としては理想的な動作をす
るものと考えられる。本発明光増幅器を中継増
幅器として使用した赤外線無線通信系の構成
は、例えば第１１図ｂに示すように、光信号媒
体３６を伝搬して来た光信号を、受信用光学シ
ステム３７を介し、本発明磁気電気光効果光増
幅器３８，３９に供給して中継増幅するととも
に、信号波形整形器４０により伝搬中に生じた
光信号の波形歪みを補正し、送信用光学システ
ム４１を介して、再び、光信号媒体４２中に送
出する。 (c) 光フアイバ通信装置 例えば、波長0.87μmの光搬送波を用いた光
フアイバ通信に本発明光増幅器を適用する場合
には、第１１図ａ，ｂに示した無線通信系にお
ける光信号伝送媒体の替わりに光フアイバを置
換して配設し、本発明磁気電気光効果光増幅器
を構成する半導体材料として0.87μm近傍の波
長にて動作するガリウム砒素化合物GaAsを選
定すれば、第１１図ａ，ｂに示した構成をその
まま光フアイバ通信装置として使用することが
できる。 効 果 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、半導体材料に例えば永久磁石を用いて強磁場
を印加するとともに電流を流すことにより、室温
にても動作する光増幅器の実現を可能とするのみ
ならず、液体ヘリウム温度の低温にて動作させる
場合に、超伝導電磁石により印加する磁場の強さ
を変化させることにより、波長可変の強力な単色
光源すなわちレーザの実現を可能とする。従来の
ｐ―ｎ接合型半導体レーザは、入力光に対する受
光面積が極端に狭く、入力光との結合が困難であ
るのみならず、中赤外線波長に対しては液体窒素
温度以下の低温においてのみ動作可能であるとい
う欠点を有していたが、本発明による磁気電気光
効果光増幅器は、基本的には室温にて動作し、入
力光に対する受光面積が従来に比して格段に広い
ばかりでなく、１段毎の光増幅率を200倍以上に
大きくとることができる等の優れた利点を有して
いるので、光フアイバを用いた光通信系における
中継用光増幅器、もしくは、波長８〜14μmの赤
外線を用いた無線通信用の光増幅器としての応用
が期待される。さらに、液体ヘリウム温度の低温
にて動作させる場合には、無線通信用の波長可変
の強力な光源として、従来慣用のスピンフリツプ
ラマンレーザより格段に有効に利用されることが
期待される。すなわち、従来慣用のスピンフリツ
プラマンレーザは、液体ヘリウム温度にて動作さ
せた場合に印加磁場の強度に応じて波長可変では
あるが、ラマン効果を利用したものであるがため
に、本発明光増幅器より格段に光変換効率が低
い。
第１図は従来のｐ―ｎ接合型半導体レーザの構
成を示す斜視図、第２図は本発明磁気電気光効果
光増幅器の動作原理を示す斜視図、第３図は同じ
くその動作の態様の例を示す特性曲線図、第４図
は同じくその光増幅の動作原理を模式的に示す線
図、第５図は本発明光増幅器の基本的構成の例を
示す斜視図、第６図は同じくその光増幅器の光パ
ルス増幅特性測定装置の構成を示すブロツク線
図、第７図は同じくその光増幅器の動作の態様を
模式的に示す線図、第８図乃至第１０図は同じく
その光増幅器の動作特性の測定結果をそれぞれ示
す特性曲線図、第１１図ａ，ｂは本発明光増幅器
を適用した赤外線無線通信系の構成例をそれぞれ
示すブロツク線図である。 １…ｎ型半導体基板、２…ｐ型半導体層、３…
ｐ―ｎ接合層、４，５…端面、６，７…バイアス
用リード線、８…レーザビーム、９…半導体平行
平板、１０…発光面、１１…再結合輻射光、１２
…永久磁石（電磁石）、１２ａ…透明開口部、１
３…半導体平行平板、１４…電源、１５…InSb
半導体試料、１６…サフアイヤ窓、１７…Ge窓、
１８…Ar+レーザ発振器、１９…チヨツパ、２０
…光パイプ、２１…InSb赤外線検出器、２２…
ロツクイン増幅器、２３…陰極線管表示器、２４
…パルス発生器、２５…マイクロホン、２６，３
４…低周波増幅器、２７…磁気赤外線ダイオード
レーザ、２８，３２，３８，３９…磁気電気光効
果光増幅器、２９，３１，３７，４１…光学シス
テム、３０，３６，４２…光信号媒体、３３…赤
外線検出器、３５…スピーカ、４０…信号波形整
形器。
成を示す斜視図、第２図は本発明磁気電気光効果
光増幅器の動作原理を示す斜視図、第３図は同じ
くその動作の態様の例を示す特性曲線図、第４図
は同じくその光増幅の動作原理を模式的に示す線
図、第５図は本発明光増幅器の基本的構成の例を
示す斜視図、第６図は同じくその光増幅器の光パ
ルス増幅特性測定装置の構成を示すブロツク線
図、第７図は同じくその光増幅器の動作の態様を
模式的に示す線図、第８図乃至第１０図は同じく
その光増幅器の動作特性の測定結果をそれぞれ示
す特性曲線図、第１１図ａ，ｂは本発明光増幅器
を適用した赤外線無線通信系の構成例をそれぞれ
示すブロツク線図である。 １…ｎ型半導体基板、２…ｐ型半導体層、３…
ｐ―ｎ接合層、４，５…端面、６，７…バイアス
用リード線、８…レーザビーム、９…半導体平行
平板、１０…発光面、１１…再結合輻射光、１２
…永久磁石（電磁石）、１２ａ…透明開口部、１
３…半導体平行平板、１４…電源、１５…InSb
半導体試料、１６…サフアイヤ窓、１７…Ge窓、
１８…Ar+レーザ発振器、１９…チヨツパ、２０
…光パイプ、２１…InSb赤外線検出器、２２…
ロツクイン増幅器、２３…陰極線管表示器、２４
…パルス発生器、２５…マイクロホン、２６，３
４…低周波増幅器、２７…磁気赤外線ダイオード
レーザ、２８，３２，３８，３９…磁気電気光効
果光増幅器、２９，３１，３７，４１…光学シス
テム、３０，３６，４２…光信号媒体、３３…赤
外線検出器、３５…スピーカ、４０…信号波形整
形器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 永久磁石もしくは電磁石により生成した磁場
中に、少なくともその磁場の強度に対応した電
子・正孔の易動度を有する均質材料よりなる半導
体ブロツクを配設し、その半導体ブロツクの対向
面に電極を設けて通電したときに生ずるローレン
ツ力により前記半導体ブロツク内に前記対向面に
交差した平坦面に沿つて電子・正孔の分布反転領
域を形成し、前記交差した平坦面に対向する他の
平坦面から入射して前記電子・正孔の分布反転領
域を通過する光を増幅して前記交差した平坦面か
ら放出し得るようにしたことを特徴とする磁気電
気光効果光増幅器。 ２ 電子・正孔の少数キヤリアを注入する材料に
より、前記電極を形成し、もしくは、他の電極を
形成して設けたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の磁気電気光効果光増幅器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58128708A JPS6021588A (ja) | 1983-07-16 | 1983-07-16 | 磁気電気光効果光増幅器 |
| EP84304809A EP0132139B1 (en) | 1983-07-16 | 1984-07-13 | A light amplifier based on the magnetoelectric-photo effect |
| DE8484304809T DE3478541D1 (en) | 1983-07-16 | 1984-07-13 | A light amplifier based on the magnetoelectric-photo effect |
| US06/914,516 US4749952A (en) | 1983-07-16 | 1986-10-02 | Light amplifier based on the magnetoelectric-photo effect |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58128708A JPS6021588A (ja) | 1983-07-16 | 1983-07-16 | 磁気電気光効果光増幅器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6021588A JPS6021588A (ja) | 1985-02-02 |
| JPH0252870B2 true JPH0252870B2 (ja) | 1990-11-14 |
Family
ID=14991461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58128708A Granted JPS6021588A (ja) | 1983-07-16 | 1983-07-16 | 磁気電気光効果光増幅器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4749952A (ja) |
| EP (1) | EP0132139B1 (ja) |
| JP (1) | JPS6021588A (ja) |
| DE (1) | DE3478541D1 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6343121A (ja) * | 1986-08-08 | 1988-02-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 磁気電気光効果光変調器 |
| US4952811A (en) * | 1989-06-21 | 1990-08-28 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Field induced gap infrared detector |
| US6953703B2 (en) | 1991-03-18 | 2005-10-11 | The Trustees Of Boston University | Method of making a semiconductor device with exposure of sapphire substrate to activated nitrogen |
| CA2070708C (en) * | 1991-08-08 | 1997-04-29 | Ichiro Kasai | Visible and infrared indium antimonide (insb) photodetector with non-flashing light receiving surface |
| US5784397A (en) * | 1995-11-16 | 1998-07-21 | University Of Central Florida | Bulk semiconductor lasers at submillimeter/far infrared wavelengths using a regular permanent magnet |
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