JPH05235488A - 半導体レーザ及び光波長の変調方法 - Google Patents
半導体レーザ及び光波長の変調方法Info
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- JPH05235488A JPH05235488A JP4216682A JP21668292A JPH05235488A JP H05235488 A JPH05235488 A JP H05235488A JP 4216682 A JP4216682 A JP 4216682A JP 21668292 A JP21668292 A JP 21668292A JP H05235488 A JPH05235488 A JP H05235488A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体レーザの活性領域で結合量子ウェルを
利用することでレーザ光出力の周波数および振幅を変調
する。 【構成】 波長可変レーザの活性領域(120) は、幅約20
Å以下の障壁層で分離される幅約50Å以下の二つの量子
ウェルから成る。量子ウェルの材料は真性ＧａＡｓであ
り、障壁層の材料はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝.23)であ
る。活性領域は第一側(32)がドープｐ型で第二側(36)が
ドープｎ型であるダブルへテロ構造に包囲されるため、
レーザ(30)はｐｉｎ型構造となる。ｐｉｎ構造のフラッ
トバンド電圧に対する逆バイアスが、レーザ出力の周波
数と強度を変調するｐｉｎ構造へ印加される。波長可変
レーザは電気及び光ポンピングを含む従来の手段でポン
プされる。波長の変調は1.5 ボルトの作動範囲でほぼ直
線的である。
利用することでレーザ光出力の周波数および振幅を変調
する。 【構成】 波長可変レーザの活性領域(120) は、幅約20
Å以下の障壁層で分離される幅約50Å以下の二つの量子
ウェルから成る。量子ウェルの材料は真性ＧａＡｓであ
り、障壁層の材料はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝.23)であ
る。活性領域は第一側(32)がドープｐ型で第二側(36)が
ドープｎ型であるダブルへテロ構造に包囲されるため、
レーザ(30)はｐｉｎ型構造となる。ｐｉｎ構造のフラッ
トバンド電圧に対する逆バイアスが、レーザ出力の周波
数と強度を変調するｐｉｎ構造へ印加される。波長可変
レーザは電気及び光ポンピングを含む従来の手段でポン
プされる。波長の変調は1.5 ボルトの作動範囲でほぼ直
線的である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は概して半導体デバイス分
野に関し、特に半導体レーザデバイスに関する。さらに
詳細には、本発明は電界により同調された出力光波長お
よび振幅を有することが可能な結合量子ウェルレーザに
関する。
野に関し、特に半導体レーザデバイスに関する。さらに
詳細には、本発明は電界により同調された出力光波長お
よび振幅を有することが可能な結合量子ウェルレーザに
関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信を利用することにより、通信およ
び計算能力を著しく向上させることができる。これは電
気信号を伝送するときより光を伝送するときの方がより
多くの情報を符号化することができるためである。光に
よりデータを表示（あるいはデータを符号化）し伝送す
るためには、レシーバが伝送される情報を検出できるよ
うに伝送される光信号が制御される必要がある。光信号
を制御するということは、極めて正しく形成された波長
で光信号を伝送し、かつ伝送される光波長を変調するこ
とが可能であるということである。量子ウェル半導体レ
ーザは小型であると同時に正しく形成された波長の光を
発するため、光通信において非常に便利である。したが
って、このようなレーザは小型光ファイバ伝送管に隣接
してマウントされ、この管内に形成された波長の光を直
接発することができる。
び計算能力を著しく向上させることができる。これは電
気信号を伝送するときより光を伝送するときの方がより
多くの情報を符号化することができるためである。光に
よりデータを表示（あるいはデータを符号化）し伝送す
るためには、レシーバが伝送される情報を検出できるよ
うに伝送される光信号が制御される必要がある。光信号
を制御するということは、極めて正しく形成された波長
で光信号を伝送し、かつ伝送される光波長を変調するこ
とが可能であるということである。量子ウェル半導体レ
ーザは小型であると同時に正しく形成された波長の光を
発するため、光通信において非常に便利である。したが
って、このようなレーザは小型光ファイバ伝送管に隣接
してマウントされ、この管内に形成された波長の光を直
接発することができる。
【０００３】光通信における半導体レーザの問題点は、
発光された放射周波数に素早く同調できない、あるいは
大幅に変調できないという点である。異なる周波数の光
によりデータが符号化されるとき、一本の導波管内に伝
送されるデータ量が非常に増加するため、これは光通信
において重要である。半導体レーザから発せられた光の
周波数は、レーザを形成する物質における伝導帯エッジ
および価電子帯エッジの相対位置によって決まる。伝導
帯および価電子帯の相対位置を変えるには、一般的に、
デバイスの温度を変えるかあるいはデバイスの格子構造
に機械的圧力を与える必要がある。光出力の周波数に同
調するためにレーザに対してこれらの物理的条件を与え
るのは、光伝送用データを符号化するために必要なタイ
プの物理的条件を与えるよりもさらに遅い。このため、
半導体デバイスレーザは一般的に、発せられた光の周波
数を利用してデータを符号化することができないので、
結果として導波管において半導体レーザがデータ伝送す
るための容量が著しく減少される。
発光された放射周波数に素早く同調できない、あるいは
大幅に変調できないという点である。異なる周波数の光
によりデータが符号化されるとき、一本の導波管内に伝
送されるデータ量が非常に増加するため、これは光通信
において重要である。半導体レーザから発せられた光の
周波数は、レーザを形成する物質における伝導帯エッジ
および価電子帯エッジの相対位置によって決まる。伝導
帯および価電子帯の相対位置を変えるには、一般的に、
デバイスの温度を変えるかあるいはデバイスの格子構造
に機械的圧力を与える必要がある。光出力の周波数に同
調するためにレーザに対してこれらの物理的条件を与え
るのは、光伝送用データを符号化するために必要なタイ
プの物理的条件を与えるよりもさらに遅い。このため、
半導体デバイスレーザは一般的に、発せられた光の周波
数を利用してデータを符号化することができないので、
結果として導波管において半導体レーザがデータ伝送す
るための容量が著しく減少される。
【０００４】光は概して、半導体材料の伝導帯から価電
子帯へ伝送させかつその過程でエネルギーを失う電子に
よって半導体構造から発せられる。失われたエネルギー
は、伝導帯エッジと価電子帯エッジとのエネルギーの差
に、任意のある特定の電子遷移における帯エッジを上回
るエネルギーおよび下回るエネルギーを加えたものに等
しい。伝導帯から価電子帯へ遷移するとき、電子により
失われたエネルギーは半導体より光として発せられる。
光の周波数は失われたエネルギーに比例し、波長は失わ
れたエネルギーに反比例する。伝導帯から価電子帯へ遷
移する電子の失われたエネルギーは、概して数多くの異
なった値をとるため、発せられた光は単一波長ではな
く、まして狭帯の波長でもない。一般的に、半導体から
発せられる放射には、広いスペクトルの波長がある。
子帯へ伝送させかつその過程でエネルギーを失う電子に
よって半導体構造から発せられる。失われたエネルギー
は、伝導帯エッジと価電子帯エッジとのエネルギーの差
に、任意のある特定の電子遷移における帯エッジを上回
るエネルギーおよび下回るエネルギーを加えたものに等
しい。伝導帯から価電子帯へ遷移するとき、電子により
失われたエネルギーは半導体より光として発せられる。
光の周波数は失われたエネルギーに比例し、波長は失わ
れたエネルギーに反比例する。伝導帯から価電子帯へ遷
移する電子の失われたエネルギーは、概して数多くの異
なった値をとるため、発せられた光は単一波長ではな
く、まして狭帯の波長でもない。一般的に、半導体から
発せられる放射には、広いスペクトルの波長がある。
【０００５】一般的に半導体発光デバイスとは違い、半
導体レーザは狭帯域の波長の光を発する。これは多数の
電子が正しく形成されたエネルギー帯の間で遷移するた
めである。単一波長におけるレイジングは他の波長にお
けるレイジングを抑圧する傾向にあるため、エネルギー
帯は正しく形成されている。レーザ出力は便利であるも
のの、出力波長の範囲が限られているためその利用は限
られている。波長がレーザを構成する材料により制御さ
れるため、半導体レーザの出力波長の範囲は限られてい
る。特定の材料で製造されるレーザの出力波長を変更す
るひとつの方法は、量子ウェルレーザを製造することで
ある。量子ウェルレーザは、そのエネルギーが量子ウェ
ルの幅に依存する多数の個々のな伝導状態および価電子
状態を有する。量子ウェルレーザ出力光は、同一材料か
ら作られた一般的な半導体レーザから生成された波長と
は異なる狭帯域の波長を有し、その違いは量子ウェル幅
に依存する。事実上、特定の材料から製造された一般的
な半導体レーザの出力は、同一材料から量子ウェルレー
ザを形成することにより変更できる。
導体レーザは狭帯域の波長の光を発する。これは多数の
電子が正しく形成されたエネルギー帯の間で遷移するた
めである。単一波長におけるレイジングは他の波長にお
けるレイジングを抑圧する傾向にあるため、エネルギー
帯は正しく形成されている。レーザ出力は便利であるも
のの、出力波長の範囲が限られているためその利用は限
られている。波長がレーザを構成する材料により制御さ
れるため、半導体レーザの出力波長の範囲は限られてい
る。特定の材料で製造されるレーザの出力波長を変更す
るひとつの方法は、量子ウェルレーザを製造することで
ある。量子ウェルレーザは、そのエネルギーが量子ウェ
ルの幅に依存する多数の個々のな伝導状態および価電子
状態を有する。量子ウェルレーザ出力光は、同一材料か
ら作られた一般的な半導体レーザから生成された波長と
は異なる狭帯域の波長を有し、その違いは量子ウェル幅
に依存する。事実上、特定の材料から製造された一般的
な半導体レーザの出力は、同一材料から量子ウェルレー
ザを形成することにより変更できる。
【０００６】一般的な半導体レーザおよび量子ウェルレ
ーザの双方に関する問題点は、レーザがいったん製造さ
れれば発せられた光の波長を同調させることができない
という点である。従来技術では量子ウェルレーザの物理
的条件を変更することによりこの問題を解決しようとし
てきた。このようなタイプの物理的変更では、上述のよ
うな通信の適用において量子ウェルレーザを実際に使用
するためには遅すぎる。また従来技術では、与えられた
電界を利用することで量子ウェルレーザの波長および強
度の両方を変調しようと試みてきた。提案されたデバイ
スは、量子ウェルの光遷移エネルギーを変調し、量子ウ
ェルにおける位置の関数として再結合する電子および正
孔の数を変更することにより作動する。強度変調デバイ
スに関連する問題点は、デバイスがレーザを単にオン又
はオフにしただけであるという点である。電界が存在せ
ず、デバイスがレーザをオフにするため電界を利用した
ときのみ、これらのデバイスではレイジングが発生し
た。波長を変調しようとする単一量子ウェルレーザに関
する問題点は、レーザの波長をシフトするのに必要な電
界が実際に生成される小さなシフトに対してあまりに大
きすぎるという点である。これは、単一量子ウェルにお
ける波長シフトが電界の２乗および量子ウェルの幅の４
乗に比例するためである。したがって、波長に小さな変
化をもたらすためには電界に大きな変化が必要となる。
ーザの双方に関する問題点は、レーザがいったん製造さ
れれば発せられた光の波長を同調させることができない
という点である。従来技術では量子ウェルレーザの物理
的条件を変更することによりこの問題を解決しようとし
てきた。このようなタイプの物理的変更では、上述のよ
うな通信の適用において量子ウェルレーザを実際に使用
するためには遅すぎる。また従来技術では、与えられた
電界を利用することで量子ウェルレーザの波長および強
度の両方を変調しようと試みてきた。提案されたデバイ
スは、量子ウェルの光遷移エネルギーを変調し、量子ウ
ェルにおける位置の関数として再結合する電子および正
孔の数を変更することにより作動する。強度変調デバイ
スに関連する問題点は、デバイスがレーザを単にオン又
はオフにしただけであるという点である。電界が存在せ
ず、デバイスがレーザをオフにするため電界を利用した
ときのみ、これらのデバイスではレイジングが発生し
た。波長を変調しようとする単一量子ウェルレーザに関
する問題点は、レーザの波長をシフトするのに必要な電
界が実際に生成される小さなシフトに対してあまりに大
きすぎるという点である。これは、単一量子ウェルにお
ける波長シフトが電界の２乗および量子ウェルの幅の４
乗に比例するためである。したがって、波長に小さな変
化をもたらすためには電界に大きな変化が必要となる。
【０００７】
【０００８】本発明の目的は、光変調器および光スイッ
チを製造することである。
チを製造することである。
【０００９】本発明のもうひとつの目的は、周波数が変
調された光出力を有する半導体レーザを製造することで
ある。
調された光出力を有する半導体レーザを製造することで
ある。
【００１０】本発明のもうひとつの目的は、光周波数が
広範囲にわたって変調されるような周波数の変調された
光出力を有する半導体レーザを製造することである。
広範囲にわたって変調されるような周波数の変調された
光出力を有する半導体レーザを製造することである。
【００１１】本発明のもうひとつの目的は、光周波数が
広範囲の周波数にわたる電界で変調されるような周波数
の変調された光出力を有する半導体レーザを製造するこ
とである。
広範囲の周波数にわたる電界で変調されるような周波数
の変調された光出力を有する半導体レーザを製造するこ
とである。
【００１２】本発明のもうひとつの目的は、光周波数が
広範囲にわたる低レベルの電界で変調されるような周波
数の変調された光出力を有する半導体レーザを製造する
ことである。
広範囲にわたる低レベルの電界で変調されるような周波
数の変調された光出力を有する半導体レーザを製造する
ことである。
【００１３】本発明のもうひとつの目的は、光周波数お
よび光振幅が広範囲にわたる低レベルの電界で変調され
るような周波数と振幅の変調された光出力を有する半導
体レーザを製造することである。
よび光振幅が広範囲にわたる低レベルの電界で変調され
るような周波数と振幅の変調された光出力を有する半導
体レーザを製造することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段と作用】本発明では、レー
ザの光出力の周波数および振幅を変調するために半導体
レーザの活性領域において結合量子ウェルを利用する。
本発明の特定の実施例では、結合量子ウェルはグレーデ
ッド型屈折半導体ダブルヘテロ構造レーザに含まれる。
この波長可変レーザの活性領域は幅約50オングストロー
ムより下の２個の量子ウェルから構成され、これらの量
子ウェルは幅約20オングストロームより下の障壁層によ
り分割されている。量子ウェル材料は真性ＧａＡｓであ
り、障壁層はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓで、ｘ＝.23 である。
活性領域は第一側がドープｐ型半導体であり第二側がド
ープｎ型半導体であるダブルへテロ構造により包囲され
る。この結果、レーザはｐｉｎ型構造となる。ｐｉｎ構
造のフラットバンド電圧に対する逆方向バイアスが、レ
ーザ出力の周波数および強度の両方を変調するｐｉｎ構
造に印加される。波長可変レーザは電気ポンピングおよ
び光学ポンピングを含むさまざまな従来の手段によりポ
ンプされる。波長の変調は1.5 ボルトの作動範囲にわた
ってほぼ線形である。本発明のような電界により変調さ
れる出力波長を有する波長可変レーザは、光通信および
計算分野において便利である。
ザの光出力の周波数および振幅を変調するために半導体
レーザの活性領域において結合量子ウェルを利用する。
本発明の特定の実施例では、結合量子ウェルはグレーデ
ッド型屈折半導体ダブルヘテロ構造レーザに含まれる。
この波長可変レーザの活性領域は幅約50オングストロー
ムより下の２個の量子ウェルから構成され、これらの量
子ウェルは幅約20オングストロームより下の障壁層によ
り分割されている。量子ウェル材料は真性ＧａＡｓであ
り、障壁層はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓで、ｘ＝.23 である。
活性領域は第一側がドープｐ型半導体であり第二側がド
ープｎ型半導体であるダブルへテロ構造により包囲され
る。この結果、レーザはｐｉｎ型構造となる。ｐｉｎ構
造のフラットバンド電圧に対する逆方向バイアスが、レ
ーザ出力の周波数および強度の両方を変調するｐｉｎ構
造に印加される。波長可変レーザは電気ポンピングおよ
び光学ポンピングを含むさまざまな従来の手段によりポ
ンプされる。波長の変調は1.5 ボルトの作動範囲にわた
ってほぼ線形である。本発明のような電界により変調さ
れる出力波長を有する波長可変レーザは、光通信および
計算分野において便利である。
【００１５】
【実施例】図１は本発明の実施例を示す。図１によれ
ば、波長可変半導体レーザおよび従来のレーザが示さ
れ、従来のレーザの光出力が波長可変半導体レーザの光
入力となっている。従来のレーザ２０は波長が約7600オ
ングストロームの単色光を発する。この光は、幅約10ミ
クロンであり半導体レーザ３０の長さだけ広がる半導体
レーザ３０の領域２２に焦点を合わせてある。レーザ２
０のような従来のレーザの構造および動作は本技術分野
において公知である。従来のレーザ２０は光エネルギー
を波長可変半導体レーザ３０へ注入する。波長可変半導
体レーザ３０はこの光エネルギーを従来のレーザから光
出力５０へ変換する。光出力５０の波長および振幅は半
導体レーザ３０に印加された電圧により変調される。半
導体レーザ３０は多層半導体構造であり、この構造にお
いて真性領域６０がｐ型層３２とｎ型層３６との間に介
在される。ｐ型層３２はドーピング濃度が高いため、こ
れに対するオーム接触３９を良好にすることができる。
ｐ型領域およびｎ型領域の双方にオーム接触が提供さ
れ、電圧源２４はこれらの接触により半導体レーザ３０
へ接続される。印加電圧はレーザ構造３０のｐｉｎ構造
に対する組込み（ビルトイン）電界を修正する。電圧源
２４は、出力光５０の周波数および強度を変調するよう
領域６０を横切る電界を形成するために利用される。
ば、波長可変半導体レーザおよび従来のレーザが示さ
れ、従来のレーザの光出力が波長可変半導体レーザの光
入力となっている。従来のレーザ２０は波長が約7600オ
ングストロームの単色光を発する。この光は、幅約10ミ
クロンであり半導体レーザ３０の長さだけ広がる半導体
レーザ３０の領域２２に焦点を合わせてある。レーザ２
０のような従来のレーザの構造および動作は本技術分野
において公知である。従来のレーザ２０は光エネルギー
を波長可変半導体レーザ３０へ注入する。波長可変半導
体レーザ３０はこの光エネルギーを従来のレーザから光
出力５０へ変換する。光出力５０の波長および振幅は半
導体レーザ３０に印加された電圧により変調される。半
導体レーザ３０は多層半導体構造であり、この構造にお
いて真性領域６０がｐ型層３２とｎ型層３６との間に介
在される。ｐ型層３２はドーピング濃度が高いため、こ
れに対するオーム接触３９を良好にすることができる。
ｐ型領域およびｎ型領域の双方にオーム接触が提供さ
れ、電圧源２４はこれらの接触により半導体レーザ３０
へ接続される。印加電圧はレーザ構造３０のｐｉｎ構造
に対する組込み（ビルトイン）電界を修正する。電圧源
２４は、出力光５０の周波数および強度を変調するよう
領域６０を横切る電界を形成するために利用される。
【００１６】波長可変レーザ３０は約1020のｐ型原子／
立方センチ(cm3) にドープされたＧａＡｓのキャップｐ
型領域３２から構成され、厚さは約500 オングストロー
ムである。領域３２は電圧源２４へ接続される。領域６
０はキャップｐ型領域３２とｎ型領域３６との間に介在
される。ｎ型領域３６は約1018/cm3までｎ型ドーパント
でドープされたＧａＡｓ層であり、電圧源２４のアース
へ接続される。波長可変レーザ３０の長さ（Ｌ）は約30
0 ミクロンであり、高さ（Ｈ）は約140 ミクロンであ
る。発光面３８およびそれに対向する面３７は活性領域
の平面に対して垂直である。発光面３７および３８は反
射しやすい面である。発光しないレーザの表面が活性層
の平面に対して垂直である必要はなく、不規則な形状と
されていてもよい。活性領域は特性を有する材料から成
る多数の共面層から形成される。半導体構造におけるこ
の材料層の性質と与えられた動作条件との相互作用とに
より、光出力５０の性質が決定される。出力光５０の波
長は（出力４０と同様）狭帯域であって、出力光５０の
波長および強度は与えられたバイアス２４の値により変
調される。
立方センチ(cm3) にドープされたＧａＡｓのキャップｐ
型領域３２から構成され、厚さは約500 オングストロー
ムである。領域３２は電圧源２４へ接続される。領域６
０はキャップｐ型領域３２とｎ型領域３６との間に介在
される。ｎ型領域３６は約1018/cm3までｎ型ドーパント
でドープされたＧａＡｓ層であり、電圧源２４のアース
へ接続される。波長可変レーザ３０の長さ（Ｌ）は約30
0 ミクロンであり、高さ（Ｈ）は約140 ミクロンであ
る。発光面３８およびそれに対向する面３７は活性領域
の平面に対して垂直である。発光面３７および３８は反
射しやすい面である。発光しないレーザの表面が活性層
の平面に対して垂直である必要はなく、不規則な形状と
されていてもよい。活性領域は特性を有する材料から成
る多数の共面層から形成される。半導体構造におけるこ
の材料層の性質と与えられた動作条件との相互作用とに
より、光出力５０の性質が決定される。出力光５０の波
長は（出力４０と同様）狭帯域であって、出力光５０の
波長および強度は与えられたバイアス２４の値により変
調される。
【００１７】図２（ａ）乃至（ｂ）は波長可変レーザ３
０の垂直構造を詳細に示す。図２（ａ）は、領域６０が
ｐ型領域３２とｎ型領域３６との間に介在されることを
示している。クラッディング層１１０および１１５が活
性領域１２０とｐ型領域３２との間に介在される。クラ
ッディング層１３０および１３５も活性層１２０とｎ型
領域３６との間に介在される。クラッディング層はＡｌ
x Ｇａ1-x Ａｓの層で、ｘは０と１の間にわたり、Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓはドープされたｎ型もしくはｐ型であ
る。第一層１１０は6000オングストローム層のＡｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓで（ｘ＝.63)、これは約1018/cm3までドープ
されたｐ型である。第二層１１５はＡｌxＧａ1-x Ａｓ
層（ｘは.63 から.23 へ徐々に減少する）であって、こ
の層は厚さ1500オングストロームで、約５ｘ1017/cm3ま
でドープされたｐ型である。層１１５のＡｌ含量はそれ
ぞれの部分に関して直線的に減少しているが、放射状あ
るいはその他の状態で減少してもよい。
０の垂直構造を詳細に示す。図２（ａ）は、領域６０が
ｐ型領域３２とｎ型領域３６との間に介在されることを
示している。クラッディング層１１０および１１５が活
性領域１２０とｐ型領域３２との間に介在される。クラ
ッディング層１３０および１３５も活性層１２０とｎ型
領域３６との間に介在される。クラッディング層はＡｌ
x Ｇａ1-x Ａｓの層で、ｘは０と１の間にわたり、Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓはドープされたｎ型もしくはｐ型であ
る。第一層１１０は6000オングストローム層のＡｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓで（ｘ＝.63)、これは約1018/cm3までドープ
されたｐ型である。第二層１１５はＡｌxＧａ1-x Ａｓ
層（ｘは.63 から.23 へ徐々に減少する）であって、こ
の層は厚さ1500オングストロームで、約５ｘ1017/cm3ま
でドープされたｐ型である。層１１５のＡｌ含量はそれ
ぞれの部分に関して直線的に減少しているが、放射状あ
るいはその他の状態で減少してもよい。
【００１８】層１１５は活性領域１２０と層１１０との
間に介在される。図２（ｂ）によれば、活性領域１２０
は３つの層より構成される。活性領域の第一層１２２お
よび第三層１２６はドープされない（あるいは真性）Ｇ
ａＡｓ層である。これらの層は厚さが約50オングストロ
ームだが、20乃至60オングストロームの範囲でもよい。
第二層１２４はドープされないＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層
（ｘ＝.23)である。この層は厚さ約20オングストローム
であるが、単分子層（約３Å）乃至35オングストローム
の範囲でもよい。第二層１２４の幅は、第一層および第
三層の幅に関連する。例えば、第一層および第三層が厚
さ40オングストロームであるとき、第二層１２４は単分
子層乃至35オングストロームの範囲である。第一層およ
び第三層が厚さ50オングストロームであるとき、第二層
１２４は単分子層乃至30オングストロームの範囲であ
る。第二層の最大の厚さは、第一層および第三層の厚さ
を増加させるにつれて減少する。
間に介在される。図２（ｂ）によれば、活性領域１２０
は３つの層より構成される。活性領域の第一層１２２お
よび第三層１２６はドープされない（あるいは真性）Ｇ
ａＡｓ層である。これらの層は厚さが約50オングストロ
ームだが、20乃至60オングストロームの範囲でもよい。
第二層１２４はドープされないＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層
（ｘ＝.23)である。この層は厚さ約20オングストローム
であるが、単分子層（約３Å）乃至35オングストローム
の範囲でもよい。第二層１２４の幅は、第一層および第
三層の幅に関連する。例えば、第一層および第三層が厚
さ40オングストロームであるとき、第二層１２４は単分
子層乃至35オングストロームの範囲である。第一層およ
び第三層が厚さ50オングストロームであるとき、第二層
１２４は単分子層乃至30オングストロームの範囲であ
る。第二層の最大の厚さは、第一層および第三層の厚さ
を増加させるにつれて減少する。
【００１９】図２（ｂ）によれば、活性領域１２０は薄
い障壁層で分割された２つの量子ウェルを有する。活性
領域１２０は、1500オングストロームのＡｌx Ｇａ1-x
Ａｓ層（ｘは徐々に.23 から.63 へ増加）である１３０
に隣接する。アルミニウム濃度の増加は各部分において
直線的であるが、発せられた状あるいはその他の状態で
あってもよい。層１３０は濃度５ｘ1017/cm3までドープ
されたｎ型である。層１１５および層１３０におけるア
ルミニウムのステップ的濃度は、これらの層の屈折率を
変動させる。グレーデッド型屈折層１１５および１３０
は活性領域から層１３５と１１０との間の領域へ発せら
れる光を閉じ込める。層１３０は層１３５と活性領域１
２０との間に介在される。層１３５はＡｌxＧａ1-xＡｓ
層（ｘ＝.63)である。層１３５は厚さ.8ミクロンであ
り、濃度1018/cm3までドープされたｎ型である。層１３
５は層１３０とＧａＡｓ層３６との間に介在される。
い障壁層で分割された２つの量子ウェルを有する。活性
領域１２０は、1500オングストロームのＡｌx Ｇａ1-x
Ａｓ層（ｘは徐々に.23 から.63 へ増加）である１３０
に隣接する。アルミニウム濃度の増加は各部分において
直線的であるが、発せられた状あるいはその他の状態で
あってもよい。層１３０は濃度５ｘ1017/cm3までドープ
されたｎ型である。層１１５および層１３０におけるア
ルミニウムのステップ的濃度は、これらの層の屈折率を
変動させる。グレーデッド型屈折層１１５および１３０
は活性領域から層１３５と１１０との間の領域へ発せら
れる光を閉じ込める。層１３０は層１３５と活性領域１
２０との間に介在される。層１３５はＡｌxＧａ1-xＡｓ
層（ｘ＝.63)である。層１３５は厚さ.8ミクロンであ
り、濃度1018/cm3までドープされたｎ型である。層１３
５は層１３０とＧａＡｓ層３６との間に介在される。
【００２０】図３によれば、活性領域１２０は一対の量
子ウェルから形成されてもよい。クラッディング層１１
５および１３０はそれぞれ、対になった結合量子ウェル
の上下となる。対になった量子ウェルは、厚さ20乃至60
オングストロームの範囲である真性ＧａＡｓの二層から
形成される。ＧａＡｓの二層は、厚さが35オングストロ
ームと単分子層の厚さとの間であるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ
層によって分割される。隔離層１２８は、層１２６、１
２４、１２２により形成される一対の量子ウェルと層１
２６’、１２４’、１２２’により形成される一対の量
子ウェルとを分離する。隔離層は事実上、極めて厚い障
壁層である。隔離層１２８の厚さは少なくとも約100 オ
ングストロームである。隔離層１２８を形成する材料は
個々の量子層の間に障壁層を形成する材料と同一のもの
であるが、対になった結合量子ウェルの間の障壁として
作用し、エピタキシャルに適合性のある他のいかなる材
料であってもよい。この場合、このような材料は真性Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝.23)である。
子ウェルから形成されてもよい。クラッディング層１１
５および１３０はそれぞれ、対になった結合量子ウェル
の上下となる。対になった量子ウェルは、厚さ20乃至60
オングストロームの範囲である真性ＧａＡｓの二層から
形成される。ＧａＡｓの二層は、厚さが35オングストロ
ームと単分子層の厚さとの間であるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ
層によって分割される。隔離層１２８は、層１２６、１
２４、１２２により形成される一対の量子ウェルと層１
２６’、１２４’、１２２’により形成される一対の量
子ウェルとを分離する。隔離層は事実上、極めて厚い障
壁層である。隔離層１２８の厚さは少なくとも約100 オ
ングストロームである。隔離層１２８を形成する材料は
個々の量子層の間に障壁層を形成する材料と同一のもの
であるが、対になった結合量子ウェルの間の障壁として
作用し、エピタキシャルに適合性のある他のいかなる材
料であってもよい。この場合、このような材料は真性Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝.23)である。
【００２１】図４乃至図５において、波長可変レーザ３
０の動作がさらに十分に図示される。図４によれば、構
造の組込み電圧を補う外部電圧が印加されたときの波長
可変レーザ３０に対する伝導帯および価電子帯が示され
る。この状態もフラットバンド状態と呼ばれる。この構
造においてフラットバンド状態に達するために必要な外
部電圧は、ｎ型領域３６に関してｐ型領域３２へ印加さ
れた約1.5 ボルトである。波長可変レーザ３０の活性領
域は層１２２、１２４、１２６から構成される。これら
の層はダブルへテロ・グレーデッド型屈折（ＧＲＩＮＳ
ＣＨ）型構造内に閉じ込められる。活性領域を包囲する
ＧＲＩＮＳＣＨ型構造は本技術分野において公知である
ので、簡単に説明するだけにとどめる。ｐ型ＧａＡｓに
おける伝導帯の下限（Ｅｃ）と価電子帯の上限（ｅＶ）
との差410 は常温で約1.43ｅＶである。バンドギャップ
と呼ばれるこの差もｎ型ＧａＡｓ層３６上において約1.
43ｅＶである。この差は層１１０および１３５において
約2.0 まで増加する。バンドギャップにおけるこの増加
により、層１１０および１３５の間に存在する電子およ
び正孔等のキャリヤを層３２あるいは３６へ移動させな
いようにするエネルギー壁が形成される。層１１０およ
び１３５の間に注入あるいは配置されたキャリヤは、エ
ネルギー壁を超えるだけのエネルギーを持たないため層
１１０および１３５の間の領域に閉じ込められる。
０の動作がさらに十分に図示される。図４によれば、構
造の組込み電圧を補う外部電圧が印加されたときの波長
可変レーザ３０に対する伝導帯および価電子帯が示され
る。この状態もフラットバンド状態と呼ばれる。この構
造においてフラットバンド状態に達するために必要な外
部電圧は、ｎ型領域３６に関してｐ型領域３２へ印加さ
れた約1.5 ボルトである。波長可変レーザ３０の活性領
域は層１２２、１２４、１２６から構成される。これら
の層はダブルへテロ・グレーデッド型屈折（ＧＲＩＮＳ
ＣＨ）型構造内に閉じ込められる。活性領域を包囲する
ＧＲＩＮＳＣＨ型構造は本技術分野において公知である
ので、簡単に説明するだけにとどめる。ｐ型ＧａＡｓに
おける伝導帯の下限（Ｅｃ）と価電子帯の上限（ｅＶ）
との差410 は常温で約1.43ｅＶである。バンドギャップ
と呼ばれるこの差もｎ型ＧａＡｓ層３６上において約1.
43ｅＶである。この差は層１１０および１３５において
約2.0 まで増加する。バンドギャップにおけるこの増加
により、層１１０および１３５の間に存在する電子およ
び正孔等のキャリヤを層３２あるいは３６へ移動させな
いようにするエネルギー壁が形成される。層１１０およ
び１３５の間に注入あるいは配置されたキャリヤは、エ
ネルギー壁を超えるだけのエネルギーを持たないため層
１１０および１３５の間の領域に閉じ込められる。
【００２２】層１１５および１３０のアルミニウム濃度
が直線的に減少するため、バンドギャップは活性領域に
向けて移動する深さの関数として層１３０よび１１５に
おいて直線的に減少する。アルミニウム濃度がレーザ構
造における深さの関数（ｄ）として一定であるとき、バ
ンドギャップは深さの関数として一定である。層１２２
および１２６はアルミニウムが追加されず、ドープされ
ないＧａＡｓ層であるため、層１２２および１２６のバ
ンドギャップはレーザ構造の残りのものより低い。層１
２４は、層１１５および１３０の量子ウェル端に似たバ
ンドギャップを有するＡｌxＧａ1-xＡｓ組成（ｘ＝.23)
である。図４によれば、層１２２、１２４、１２６は、
キャリヤが層１１５および１３０によりこれらの量子ウ
ェルに閉じ込められた２つの量子ウェルを生成する。
が直線的に減少するため、バンドギャップは活性領域に
向けて移動する深さの関数として層１３０よび１１５に
おいて直線的に減少する。アルミニウム濃度がレーザ構
造における深さの関数（ｄ）として一定であるとき、バ
ンドギャップは深さの関数として一定である。層１２２
および１２６はアルミニウムが追加されず、ドープされ
ないＧａＡｓ層であるため、層１２２および１２６のバ
ンドギャップはレーザ構造の残りのものより低い。層１
２４は、層１１５および１３０の量子ウェル端に似たバ
ンドギャップを有するＡｌxＧａ1-xＡｓ組成（ｘ＝.23)
である。図４によれば、層１２２、１２４、１２６は、
キャリヤが層１１５および１３０によりこれらの量子ウ
ェルに閉じ込められた２つの量子ウェルを生成する。
【００２３】光の限界量が、量子ウェルにおける伝導状
態と価電子状態の間でのキャリヤ遷移から解放されると
きにのみレイジング動作が発生するので、量子ウェルを
含む領域にキャリヤを閉じ込めることは量子ウェルレー
ザにとって重要である。すなわち、レイジング動作を獲
得するには、量子ウェルの伝導状態と価電子状態におい
て最小量のキャリヤが存在しなければならないというこ
とである。多数のキャリヤは半導体格子構造において他
のエネルギー状態と再結合し、閉じ込められなければ量
子ウェルの伝導状態と価電子状態において存在しないこ
とになる。結果として、量子ウェル伝導状態および価電
子状態において十分なキャリヤが存在しないためレイジ
ング動作は発生しない。レイジング限界はレイジング動
作を獲得するため量子ウェルへ注入されるべき最少量の
電流である。層１１０および１３５によるエネルギー壁
が増加するとき、レイジング限界は減少する。これは、
キャリヤが量子ウェルへ注入されるとき、エネルギー壁
を超えられるだけのエネルギーを有するものはほとんど
なく大半が光の生成に利用されるためである。同様に、
デバイスの温度が下がると量子ウェルレーザのレイジン
グ限界は減少する。これも、エネルギー壁を超えられる
だけのエネルギーを有するキャリヤがほとんどないため
である。したがって、レーザの作動温度を変化させた
り、あるいは層１１０あるいは１３５に対して異なる材
料（例えば、ＡｌＧａＡｓ組成において異なる量のアル
ミニウム）を用いてエネルギー壁の高さを変化させて
も、デバイスの効率を向上させるだけであってデバイス
の作動方法を変えることはできない。
態と価電子状態の間でのキャリヤ遷移から解放されると
きにのみレイジング動作が発生するので、量子ウェルを
含む領域にキャリヤを閉じ込めることは量子ウェルレー
ザにとって重要である。すなわち、レイジング動作を獲
得するには、量子ウェルの伝導状態と価電子状態におい
て最小量のキャリヤが存在しなければならないというこ
とである。多数のキャリヤは半導体格子構造において他
のエネルギー状態と再結合し、閉じ込められなければ量
子ウェルの伝導状態と価電子状態において存在しないこ
とになる。結果として、量子ウェル伝導状態および価電
子状態において十分なキャリヤが存在しないためレイジ
ング動作は発生しない。レイジング限界はレイジング動
作を獲得するため量子ウェルへ注入されるべき最少量の
電流である。層１１０および１３５によるエネルギー壁
が増加するとき、レイジング限界は減少する。これは、
キャリヤが量子ウェルへ注入されるとき、エネルギー壁
を超えられるだけのエネルギーを有するものはほとんど
なく大半が光の生成に利用されるためである。同様に、
デバイスの温度が下がると量子ウェルレーザのレイジン
グ限界は減少する。これも、エネルギー壁を超えられる
だけのエネルギーを有するキャリヤがほとんどないため
である。したがって、レーザの作動温度を変化させた
り、あるいは層１１０あるいは１３５に対して異なる材
料（例えば、ＡｌＧａＡｓ組成において異なる量のアル
ミニウム）を用いてエネルギー壁の高さを変化させて
も、デバイスの効率を向上させるだけであってデバイス
の作動方法を変えることはできない。
【００２４】量子ウェル構造から光が発せられるとき、
光はレーザデバイス３０から伝送されなければならな
い。量子ウェルはグレーデッド型屈折層１１５と１３０
との間に介在され、このグレーデッド型屈折層は２つの
均等なクラッディング層１１０と１３５との間に介在さ
れる。両グレーデッド型均等屈折層の屈折率は活性領域
の屈折率よりも小さい。このため、活性領域１２０にお
いて生成された光は、クラッディング層と活性領域１２
０との間の屈折率に変化が生じるため活性領域に沿って
その領域内を進む傾向がある。活性層の幅は、活性層と
クラッディング層により決定される光学モードとの間に
十分な重複部分が存在するように設けられている。ＧＲ
ＩＮＳＣＨ型構造において、活性層は１００オングスト
ロームより下でよい。レーザ動作に必要な光学的空胴は
図１に図示されるような２つのへき開面３７、３８によ
り設けられる。これらの面はまたエッチングのみで設け
られてもよいし、あるいはへき開された又はエッチング
された表面に反射コーティングを施すことで設けられて
もよい。残りの２つの表面３３、３５は鏡面ではなく、
表面３３および３５に対してほぼ垂直な方向へレイジン
グ動作を維持することができない。
光はレーザデバイス３０から伝送されなければならな
い。量子ウェルはグレーデッド型屈折層１１５と１３０
との間に介在され、このグレーデッド型屈折層は２つの
均等なクラッディング層１１０と１３５との間に介在さ
れる。両グレーデッド型均等屈折層の屈折率は活性領域
の屈折率よりも小さい。このため、活性領域１２０にお
いて生成された光は、クラッディング層と活性領域１２
０との間の屈折率に変化が生じるため活性領域に沿って
その領域内を進む傾向がある。活性層の幅は、活性層と
クラッディング層により決定される光学モードとの間に
十分な重複部分が存在するように設けられている。ＧＲ
ＩＮＳＣＨ型構造において、活性層は１００オングスト
ロームより下でよい。レーザ動作に必要な光学的空胴は
図１に図示されるような２つのへき開面３７、３８によ
り設けられる。これらの面はまたエッチングのみで設け
られてもよいし、あるいはへき開された又はエッチング
された表面に反射コーティングを施すことで設けられて
もよい。残りの２つの表面３３、３５は鏡面ではなく、
表面３３および３５に対してほぼ垂直な方向へレイジン
グ動作を維持することができない。
【００２５】図５は本発明の量子ウェルの電界効果を示
す。図５（ａ）は、活性領域に作用する電界が存在しな
いときの、波長可変レーザ３０の活性領域に対する価電
子帯および伝導帯を示す。図５（ｂ）は波長可変レーザ
３０の活性領域に対する電界効果を示す。量子ウェル内
のキャリヤは個々のエネルギー状態で存在する。２つの
量子ウェルの間に十分な薄型エネルギー障壁５３５が存
在するとき、単一量子ウェルにおけるエネルギー状態は
２つのエネルギー状態となる。２つの量子ウェルが、単
一量子ウェルにおける単一エネルギー状態から生成され
る２つの別個のエネルギー状態を発生させるのに十分な
薄型障壁によって分割されるとき、量子ウェルは結合さ
れる。図５（ａ）は各エネルギー状態に対してキャリヤ
が存在する確率関数を図示する。確率関数５２０は、量
子ウェルにおける位置関数として対称的エネルギー状態
５４０において電子が見つかる確率を表す。対称的な状
態は、量子ウェルが結合されたときに生成される２つの
エネルギー状態の低い方である。確率関数５３０は、非
対称的エネルギー状態５４５において電子が存在する確
率を量子ウェルにおける位置関数としてプロットする。
非対称的状態は、量子ウェルが結合されたときに生成さ
れる２つのエネルギー状態の高い方である。エネルギー
状態５４５はエネルギー状態５４０よりも高く、５４０
と５４５との間にエネルギー状態は存在しない。エネル
ギー障壁５３５の幅が狭いため電子がエネルギー障壁５
３５を貫通し、エネルギー状態５４０あるいは５４５を
有する電子はどちらの量子ウェルにおいても見つけるこ
とができる。エネルギー状態５４０からの電子は量子ウ
ェルの価電子状態における正孔と再結合し、再結合過程
において光エネルギー（光子）５４０を発する。エネル
ギー状態５５０では２つの価電子状態が存在し、これら
は与えられた界がゼロであるときほぼ重なり合う。同様
に、価電子状態確率分布５５５は電界が与えられないと
き、重複する確率分布関数を有する。
す。図５（ａ）は、活性領域に作用する電界が存在しな
いときの、波長可変レーザ３０の活性領域に対する価電
子帯および伝導帯を示す。図５（ｂ）は波長可変レーザ
３０の活性領域に対する電界効果を示す。量子ウェル内
のキャリヤは個々のエネルギー状態で存在する。２つの
量子ウェルの間に十分な薄型エネルギー障壁５３５が存
在するとき、単一量子ウェルにおけるエネルギー状態は
２つのエネルギー状態となる。２つの量子ウェルが、単
一量子ウェルにおける単一エネルギー状態から生成され
る２つの別個のエネルギー状態を発生させるのに十分な
薄型障壁によって分割されるとき、量子ウェルは結合さ
れる。図５（ａ）は各エネルギー状態に対してキャリヤ
が存在する確率関数を図示する。確率関数５２０は、量
子ウェルにおける位置関数として対称的エネルギー状態
５４０において電子が見つかる確率を表す。対称的な状
態は、量子ウェルが結合されたときに生成される２つの
エネルギー状態の低い方である。確率関数５３０は、非
対称的エネルギー状態５４５において電子が存在する確
率を量子ウェルにおける位置関数としてプロットする。
非対称的状態は、量子ウェルが結合されたときに生成さ
れる２つのエネルギー状態の高い方である。エネルギー
状態５４５はエネルギー状態５４０よりも高く、５４０
と５４５との間にエネルギー状態は存在しない。エネル
ギー障壁５３５の幅が狭いため電子がエネルギー障壁５
３５を貫通し、エネルギー状態５４０あるいは５４５を
有する電子はどちらの量子ウェルにおいても見つけるこ
とができる。エネルギー状態５４０からの電子は量子ウ
ェルの価電子状態における正孔と再結合し、再結合過程
において光エネルギー（光子）５４０を発する。エネル
ギー状態５５０では２つの価電子状態が存在し、これら
は与えられた界がゼロであるときほぼ重なり合う。同様
に、価電子状態確率分布５５５は電界が与えられないと
き、重複する確率分布関数を有する。
【００２６】図５（ｂ）によれば、約15キロボルト/cm
の電界が構造に対して作用すると、伝導および価電子確
率分布関数が変化する。まず、対称的伝導状態５４０と
非対称的伝導状態５４５とのエネルギー差がさらに大き
くなる。また、対称的価電子状態５５３と非対称的価電
子状態５５０は、対応する確率分布（それぞれ５５８お
よび５５５）とともに分離する。対称的伝導状態５４０
の電子は、右（Ｒ）量子ウェルに集中されているが、ま
だ確率分布は左（Ｌ）量子ウェル内に広がっている。同
様に、非対称伝導状態５４５の電子は左量子ウェルに集
中されると同時に、分布が右量子ウェルへ広がる。さら
に、伝導状態５５０の正孔が左量子ウェルに集中される
のに対して、価電子状態５５３の正孔は右量子ウェルに
集中される。
の電界が構造に対して作用すると、伝導および価電子確
率分布関数が変化する。まず、対称的伝導状態５４０と
非対称的伝導状態５４５とのエネルギー差がさらに大き
くなる。また、対称的価電子状態５５３と非対称的価電
子状態５５０は、対応する確率分布（それぞれ５５８お
よび５５５）とともに分離する。対称的伝導状態５４０
の電子は、右（Ｒ）量子ウェルに集中されているが、ま
だ確率分布は左（Ｌ）量子ウェル内に広がっている。同
様に、非対称伝導状態５４５の電子は左量子ウェルに集
中されると同時に、分布が右量子ウェルへ広がる。さら
に、伝導状態５５０の正孔が左量子ウェルに集中される
のに対して、価電子状態５５３の正孔は右量子ウェルに
集中される。
【００２７】特定のエネルギー状態のキャリヤは、エネ
ルギー障壁５３５を貫通する動作のため量子ウェルの間
を移動する。電子および正孔の双方がエネルギー障壁５
３５を貫通する。電子は正孔と比較して有効質量が極め
て小さいため、より確実にエネルギー障壁を貫通する。
量子ウェルを貫通する確率はｅ-Vmdに比例する。ここ
で、Ｖはエネルギー状態と障壁層の頂上との位置エネル
ギー差、ｍは有効質量、ｄは障壁層の幅である。エネル
ギー障壁の厚さが厚くなりすぎたとき、構造に対して電
界が作用すると、フラットバンド状態で右量子ウェルに
配置されるエネルギー状態５５０である正孔は左量子ウ
ェルへ進むことができない。同様に、エネルギー障壁が
厚くなりすぎたならば、フラットバンド状態で左量子ウ
ェルに配置されるエネルギー状態５５３である正孔は、
電界の影響の下にある右量子ウェルへ進むことはない。
電界が構造に対して作用するとき、有効エネルギー障壁
の厚さは減少する。電界が与えられたときに正孔が単一
量子ウェルに配置されるのは、正孔の有効質量を前提と
すれば、ひとつの量子ウェルに電子を集中させずにひと
つの量子ウェルに正孔を完全に集中させるには小さな電
界で十分なためである。Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ金属に対す
るエネルギー障壁の厚さの上限はほぼ35オングストロー
ムである。エネルギー障壁のこの厚さも、伝導状態の量
子ウェル間を貫通する電子の数を減らす。貫通が減少す
れば確率分布５２０および５３０が変化するが、たとえ
エネルギー障壁が厚く、電界が存在するために正孔の貫
通が発生しなくなったとしても、いくらかの貫通は生じ
るので、電子は各量子ウェルのエネルギー状態５４０お
よび５４５に存在する。
ルギー障壁５３５を貫通する動作のため量子ウェルの間
を移動する。電子および正孔の双方がエネルギー障壁５
３５を貫通する。電子は正孔と比較して有効質量が極め
て小さいため、より確実にエネルギー障壁を貫通する。
量子ウェルを貫通する確率はｅ-Vmdに比例する。ここ
で、Ｖはエネルギー状態と障壁層の頂上との位置エネル
ギー差、ｍは有効質量、ｄは障壁層の幅である。エネル
ギー障壁の厚さが厚くなりすぎたとき、構造に対して電
界が作用すると、フラットバンド状態で右量子ウェルに
配置されるエネルギー状態５５０である正孔は左量子ウ
ェルへ進むことができない。同様に、エネルギー障壁が
厚くなりすぎたならば、フラットバンド状態で左量子ウ
ェルに配置されるエネルギー状態５５３である正孔は、
電界の影響の下にある右量子ウェルへ進むことはない。
電界が構造に対して作用するとき、有効エネルギー障壁
の厚さは減少する。電界が与えられたときに正孔が単一
量子ウェルに配置されるのは、正孔の有効質量を前提と
すれば、ひとつの量子ウェルに電子を集中させずにひと
つの量子ウェルに正孔を完全に集中させるには小さな電
界で十分なためである。Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ金属に対す
るエネルギー障壁の厚さの上限はほぼ35オングストロー
ムである。エネルギー障壁のこの厚さも、伝導状態の量
子ウェル間を貫通する電子の数を減らす。貫通が減少す
れば確率分布５２０および５３０が変化するが、たとえ
エネルギー障壁が厚く、電界が存在するために正孔の貫
通が発生しなくなったとしても、いくらかの貫通は生じ
るので、電子は各量子ウェルのエネルギー状態５４０お
よび５４５に存在する。
【００２８】特定のエネルギー状態における量子ウェル
の間の貫通は、電界がレーザ出力の周波数に同調するこ
とができる物理的メカニズムであるために重要である。
ほとんどひとつの量子ウェルに集中された電子（他の量
子ウェルにおけるいくらかの確率関数を有する）が他の
量子ウェルに集中された正孔と再結合し、その過程で光
子の形状でエネルギーを発するとき、光が波長可変半導
体レーザ３０から発せられる。光子の周波数は、伝導エ
ネルギー状態と価電子エネルギー状態との間のエネルギ
ー差に比例する。したがって、状態５４０からの電子が
状態５５３からの正孔と再結合したとき、光子５１２は
状態５４０と５５３との間のエネルギー差に比例するエ
ネルギーとともに解放される。同様に、光子５１５も状
態５４０および５５０におけるキャリヤの再結合によっ
て生成される。これは電子が状態５４０で利用可能であ
り、正孔が左量子ウェルの状態５５０で利用可能なため
である。右量子ウェルから左量子ウェルへ貫通しないた
めに状態５５０の正孔が十分に供給されないとき、状態
間の再結合はほとんど発生せず、光子５１５もほとんど
生成されない。
の間の貫通は、電界がレーザ出力の周波数に同調するこ
とができる物理的メカニズムであるために重要である。
ほとんどひとつの量子ウェルに集中された電子（他の量
子ウェルにおけるいくらかの確率関数を有する）が他の
量子ウェルに集中された正孔と再結合し、その過程で光
子の形状でエネルギーを発するとき、光が波長可変半導
体レーザ３０から発せられる。光子の周波数は、伝導エ
ネルギー状態と価電子エネルギー状態との間のエネルギ
ー差に比例する。したがって、状態５４０からの電子が
状態５５３からの正孔と再結合したとき、光子５１２は
状態５４０と５５３との間のエネルギー差に比例するエ
ネルギーとともに解放される。同様に、光子５１５も状
態５４０および５５０におけるキャリヤの再結合によっ
て生成される。これは電子が状態５４０で利用可能であ
り、正孔が左量子ウェルの状態５５０で利用可能なため
である。右量子ウェルから左量子ウェルへ貫通しないた
めに状態５５０の正孔が十分に供給されないとき、状態
間の再結合はほとんど発生せず、光子５１５もほとんど
生成されない。
【００２９】図５（ｂ）によれば、２つの近接して結合
された量子ウェルが存在するとき、エネルギー状態間の
遷移におけるエネルギー差が電界により変化するため、
波長可変レーザ３０から発せられた光の周波数は与えら
れた電界により変化する。電子が伝導状態５４０から価
電子状態５５０へ遷移することで、状態５４０から状態
５５３への遷移と異なる周波数の光エネルギーを解放す
る。これは価電子状態５５０と５５３との間にエネルギ
ー差が存在するためである。２つの量子ウェルが近接し
て結合されたとき、単一量子ウェルにおける各エネルギ
ー状態に対して２つのエネルギー状態が生成される。結
合が密接なためキャリヤの貫通が著しく発生したとき、
それらの新たに生成されたエネルギー状態は隣接する量
子ウェルからの電子および正孔によって形成される。電
界が構造に作用するとき、個々のエネルギー状態が相互
に関連して調整される。エネルギー状態の間で遷移が起
こるが、このときほとんどの遷移は最も低いエネルギー
差を有する伝導状態と価電子状態との間で発生する。た
だし、それらの状態の確率分布関数の間に重複部分がい
くらか存在するものとする。電界を変調することで伝導
状態と価電子状態との間のエネルギー差が変調される。
伝導状態と価電子状態との差が変調されると、波長（周
波数の逆数に比例）が伝導状態と価電子状態とのエネル
ギー差に比例するため、発せられた光の波長は変調され
る。
された量子ウェルが存在するとき、エネルギー状態間の
遷移におけるエネルギー差が電界により変化するため、
波長可変レーザ３０から発せられた光の周波数は与えら
れた電界により変化する。電子が伝導状態５４０から価
電子状態５５０へ遷移することで、状態５４０から状態
５５３への遷移と異なる周波数の光エネルギーを解放す
る。これは価電子状態５５０と５５３との間にエネルギ
ー差が存在するためである。２つの量子ウェルが近接し
て結合されたとき、単一量子ウェルにおける各エネルギ
ー状態に対して２つのエネルギー状態が生成される。結
合が密接なためキャリヤの貫通が著しく発生したとき、
それらの新たに生成されたエネルギー状態は隣接する量
子ウェルからの電子および正孔によって形成される。電
界が構造に作用するとき、個々のエネルギー状態が相互
に関連して調整される。エネルギー状態の間で遷移が起
こるが、このときほとんどの遷移は最も低いエネルギー
差を有する伝導状態と価電子状態との間で発生する。た
だし、それらの状態の確率分布関数の間に重複部分がい
くらか存在するものとする。電界を変調することで伝導
状態と価電子状態との間のエネルギー差が変調される。
伝導状態と価電子状態との差が変調されると、波長（周
波数の逆数に比例）が伝導状態と価電子状態とのエネル
ギー差に比例するため、発せられた光の波長は変調され
る。
【００３０】電界もまた発せられた光の強度を変調す
る。これは電界が量子ウェル内の電子および正孔の分布
を変調するためである。図５（ｂ）において電子が右側
へ押されるにつれ、電子の分布は量子ウェル壁５７０へ
近づく。量子ウェル壁５７０は無放射型再結合における
中心である。したがって、さらに多くのキャリヤが壁面
５７０付近へ推し進められると、貫通が増加するあるい
は熱電子放出が生じるだけでなく無放射型再結合が増
え、発せられる光が減少する。同様に、図５（ｂ）の正
孔は壁５８０の左へ推し進められ、構造により発せられ
る光量を減少させるため無放射処理において再結合す
る。これらの無放射処理は本技術分野において公知であ
り、一般的に温度に依存する。無放射型再結合率が高い
量子ウェル壁５７０および５８０を構築することによっ
て、量子ウェルレーザ３０はこれらを利用することがで
きる。十分な電界が構造に対して作用するとき、レーザ
動作は停止する。このようにして、レーザ３０は出力の
波長および強度の両方を変調する。
る。これは電界が量子ウェル内の電子および正孔の分布
を変調するためである。図５（ｂ）において電子が右側
へ押されるにつれ、電子の分布は量子ウェル壁５７０へ
近づく。量子ウェル壁５７０は無放射型再結合における
中心である。したがって、さらに多くのキャリヤが壁面
５７０付近へ推し進められると、貫通が増加するあるい
は熱電子放出が生じるだけでなく無放射型再結合が増
え、発せられる光が減少する。同様に、図５（ｂ）の正
孔は壁５８０の左へ推し進められ、構造により発せられ
る光量を減少させるため無放射処理において再結合す
る。これらの無放射処理は本技術分野において公知であ
り、一般的に温度に依存する。無放射型再結合率が高い
量子ウェル壁５７０および５８０を構築することによっ
て、量子ウェルレーザ３０はこれらを利用することがで
きる。十分な電界が構造に対して作用するとき、レーザ
動作は停止する。このようにして、レーザ３０は出力の
波長および強度の両方を変調する。
【００３１】図６は、印加電圧に対し波長可変レーザの
出力における波長を変調したものを示す。図６によれ
ば、印加電圧に対するレーザスペクトルの強度をプロッ
トすることで、波長は印加電圧の関数としてシフトす
る。図６にプロットされた各スペクトルの強度ピーク
は、異なる縦方向の空胴共振に対応していくつか異なっ
ている。半導体レーザ構造３０に対して電圧が印加され
ないとき、ｐｉｎ構造をドーピングすることで組込み電
界を閉じ込める。約1.5 ボルトの電圧がｎ型領域３６に
関してｐ型領域３２へ印加されるとき、レーザ３０のｐ
ｉｎ構造はフラットバンド状態にある。構造がフラット
バンド状態にあれば、電界は構造に対して作用しない。
電圧が1.5 ボルトから０へ低下すると、レーザ構造の組
込み電界は印加電圧では補えないため、バンド構造はそ
れに対して与えられた電界を有する。デバイスの電圧が
減少すると電界はより大きくなる。この波長のシフト
は、1.5 ボルトのフラットバンド状態から約.3ボルトの
電圧においてほぼ直線的である。波長の全体的なシフト
はこの範囲にわたって約７ナノメータ（ｎｍ）である。
電圧が約.3ボルト未満まで減少するとき、直線的シフト
は飽和しはじめる。すなわち、電圧が.3ボルトより下に
なると、波長はもはや増加しない。こうした減少が発生
するのは、電界の影響でキャリヤが別個の量子ウェルに
集中するとき、キャリヤが双極子を閉じ込めるためであ
って、この双極子は構造の組込み電界および印加電圧に
よって閉じ込められた電界に対向する別個の電界を生成
する。印加電圧界が減少するにつれ双極子および対向す
る電界が増加し、これによって与えられた電界の効果が
損なわれる。印加電圧が０になりさらに負となると、活
性領域１２０を横切る電界が増加し、双極子はより大き
くなる。この結果、レーザ出力の波長に対する正味の効
果はなくなる。フラットバンド状態を生成するのに必要
となるｐｉｎ構造よりも大きなｐｉｎ構造に対して電圧
が印加されると、ｐｉｎ構造は順方向へバイアスがかか
る。ｐｉｎ構造の活性領域を横切る電界はフラットバン
ド状態において０ボルト/cm である。ｐｉｎ構造に順方
向バイアスがかかると著しい電流がｐｉｎ構造を流れ、
これにより大幅な電圧（1.5 ボルトを上回る）がｐｉｎ
構造を流れるのを妨ぐ。このため、大きな電界は発生せ
ず発せられた光の波長はシフトされない。発せられた光
の波長はシフトされないものの、レイジング動作は存在
する。光はフラットバンドを超える電圧で発せられる
が、デバイスは結合量子ウェルを利用していない。した
がって、波長のシフトは発生しない。
出力における波長を変調したものを示す。図６によれ
ば、印加電圧に対するレーザスペクトルの強度をプロッ
トすることで、波長は印加電圧の関数としてシフトす
る。図６にプロットされた各スペクトルの強度ピーク
は、異なる縦方向の空胴共振に対応していくつか異なっ
ている。半導体レーザ構造３０に対して電圧が印加され
ないとき、ｐｉｎ構造をドーピングすることで組込み電
界を閉じ込める。約1.5 ボルトの電圧がｎ型領域３６に
関してｐ型領域３２へ印加されるとき、レーザ３０のｐ
ｉｎ構造はフラットバンド状態にある。構造がフラット
バンド状態にあれば、電界は構造に対して作用しない。
電圧が1.5 ボルトから０へ低下すると、レーザ構造の組
込み電界は印加電圧では補えないため、バンド構造はそ
れに対して与えられた電界を有する。デバイスの電圧が
減少すると電界はより大きくなる。この波長のシフト
は、1.5 ボルトのフラットバンド状態から約.3ボルトの
電圧においてほぼ直線的である。波長の全体的なシフト
はこの範囲にわたって約７ナノメータ（ｎｍ）である。
電圧が約.3ボルト未満まで減少するとき、直線的シフト
は飽和しはじめる。すなわち、電圧が.3ボルトより下に
なると、波長はもはや増加しない。こうした減少が発生
するのは、電界の影響でキャリヤが別個の量子ウェルに
集中するとき、キャリヤが双極子を閉じ込めるためであ
って、この双極子は構造の組込み電界および印加電圧に
よって閉じ込められた電界に対向する別個の電界を生成
する。印加電圧界が減少するにつれ双極子および対向す
る電界が増加し、これによって与えられた電界の効果が
損なわれる。印加電圧が０になりさらに負となると、活
性領域１２０を横切る電界が増加し、双極子はより大き
くなる。この結果、レーザ出力の波長に対する正味の効
果はなくなる。フラットバンド状態を生成するのに必要
となるｐｉｎ構造よりも大きなｐｉｎ構造に対して電圧
が印加されると、ｐｉｎ構造は順方向へバイアスがかか
る。ｐｉｎ構造の活性領域を横切る電界はフラットバン
ド状態において０ボルト/cm である。ｐｉｎ構造に順方
向バイアスがかかると著しい電流がｐｉｎ構造を流れ、
これにより大幅な電圧（1.5 ボルトを上回る）がｐｉｎ
構造を流れるのを妨ぐ。このため、大きな電界は発生せ
ず発せられた光の波長はシフトされない。発せられた光
の波長はシフトされないものの、レイジング動作は存在
する。光はフラットバンドを超える電圧で発せられる
が、デバイスは結合量子ウェルを利用していない。した
がって、波長のシフトは発生しない。
【００３２】図１は本発明の実施例の動作を図示する。
ポンプレーザ２０は波長可変レーザ３０に対する入力で
ある光を発する。ポンプレーザからの光が量子ウェルの
価電子状態に存在する電子を伝導状態へ励起する。これ
らの電子が価電子状態で再結合し、価電子状態は波長可
変レーザ３０の活性層に作用する電界に依存する波長の
光を発する。この電界は電圧源２４により変調される。
ポンプレーザ２０は、波長可変レーザがレイジング限界
に達する量子ウェル状態の間で再結合するキャリヤを十
分に供給する。光出力５０はレーザ３０からの波長可変
レーザ出力である。高温で発生するデバイス内の過剰な
無放射型再結合の寄生効果を抑えるため、波長可変レー
ザ３０は一般的に低温で作動する。この場合の低温とは
５ケルビンである。さらに高いエネルギー障壁層材料を
使用して、キャリヤの閉じ込めをさらに増すことができ
ると、波長可変レーザ３０は高温でも作動させることが
できる。
ポンプレーザ２０は波長可変レーザ３０に対する入力で
ある光を発する。ポンプレーザからの光が量子ウェルの
価電子状態に存在する電子を伝導状態へ励起する。これ
らの電子が価電子状態で再結合し、価電子状態は波長可
変レーザ３０の活性層に作用する電界に依存する波長の
光を発する。この電界は電圧源２４により変調される。
ポンプレーザ２０は、波長可変レーザがレイジング限界
に達する量子ウェル状態の間で再結合するキャリヤを十
分に供給する。光出力５０はレーザ３０からの波長可変
レーザ出力である。高温で発生するデバイス内の過剰な
無放射型再結合の寄生効果を抑えるため、波長可変レー
ザ３０は一般的に低温で作動する。この場合の低温とは
５ケルビンである。さらに高いエネルギー障壁層材料を
使用して、キャリヤの閉じ込めをさらに増すことができ
ると、波長可変レーザ３０は高温でも作動させることが
できる。
【００３３】図７は本発明の好ましい実施例を示す。こ
の実施例により図１の実施例とは異なる方法で量子ウェ
ルの伝導状態に電子を供給できる。図１の実施例では、
量子ウェルに励起されたキャリヤを供給するためポンプ
レーザ２０を利用して波長可変レーザ３０を光学的にポ
ンプする。図７の実施例では、量子ウェルへ電気的にキ
ャリヤを供給することで波長可変レーザを電気的にポン
プする。図７に示された波長可変半導体レーザ３０は第
一クラッディング層１１５と１３０との間に活性領域１
２０が介在された多層構造である。第一クラッディング
層１１５は活性領域１２０と第二クラッディング層１１
０との間に介在される。第一クラッディング層１３０は
活性領域１２０と第二クラッディング層１３５との間に
介在される。第二クラッディング層１１０および１３５
はそれぞれ、接触層３２および３６に隣接する。活性領
域１２０は、２つの量子ウェル層の間に障壁層を介在さ
せることにより形成された少なくとも一対の結合された
量子ウェルから構成される。ここで障壁層の厚さは単分
子層乃至35Åの範囲であり、量子ウェル層の厚さは20乃
至60Åの範囲である。活性領域は、１以上の対になった
結合量子ウェルを有し、対になった各量子ウェルは少な
くとも約100 Åで分離されている。量子ウェル層はドー
プされないＧａＡｓ層であり、障壁層はＡｌx Ｇａ1-x
Ａｓ（ここで、ｘは約.23)層である。第一クラッディン
グ層１１５および１３０もまたＡｌxＧａ1-x Ａｓ層で
あるが、ｘは活性層から遠ざかる距離の関数として約.2
3 から約.63 へと各部分において直線的に増加する。第
二クラッディング層１１０、１３５はＡｌx Ｇａ1-x Ａ
ｓ層であり、ｘは約.63 である。第一および第二のクラ
ッディング層がドープされない層であることから、好ま
しい実施例はクラッディング層の構造において図１に示
された実施例とは異なる。第二クラッディング層１１０
に隣接する接触層３２は約５ｘ1018/cm3の濃度までドー
プされたｐ型である。また、第二クラッディング層１３
５に隣接する接触層３６は約２ｘ1018/cm3の濃度までド
ープされたｎ型である。
の実施例により図１の実施例とは異なる方法で量子ウェ
ルの伝導状態に電子を供給できる。図１の実施例では、
量子ウェルに励起されたキャリヤを供給するためポンプ
レーザ２０を利用して波長可変レーザ３０を光学的にポ
ンプする。図７の実施例では、量子ウェルへ電気的にキ
ャリヤを供給することで波長可変レーザを電気的にポン
プする。図７に示された波長可変半導体レーザ３０は第
一クラッディング層１１５と１３０との間に活性領域１
２０が介在された多層構造である。第一クラッディング
層１１５は活性領域１２０と第二クラッディング層１１
０との間に介在される。第一クラッディング層１３０は
活性領域１２０と第二クラッディング層１３５との間に
介在される。第二クラッディング層１１０および１３５
はそれぞれ、接触層３２および３６に隣接する。活性領
域１２０は、２つの量子ウェル層の間に障壁層を介在さ
せることにより形成された少なくとも一対の結合された
量子ウェルから構成される。ここで障壁層の厚さは単分
子層乃至35Åの範囲であり、量子ウェル層の厚さは20乃
至60Åの範囲である。活性領域は、１以上の対になった
結合量子ウェルを有し、対になった各量子ウェルは少な
くとも約100 Åで分離されている。量子ウェル層はドー
プされないＧａＡｓ層であり、障壁層はＡｌx Ｇａ1-x
Ａｓ（ここで、ｘは約.23)層である。第一クラッディン
グ層１１５および１３０もまたＡｌxＧａ1-x Ａｓ層で
あるが、ｘは活性層から遠ざかる距離の関数として約.2
3 から約.63 へと各部分において直線的に増加する。第
二クラッディング層１１０、１３５はＡｌx Ｇａ1-x Ａ
ｓ層であり、ｘは約.63 である。第一および第二のクラ
ッディング層がドープされない層であることから、好ま
しい実施例はクラッディング層の構造において図１に示
された実施例とは異なる。第二クラッディング層１１０
に隣接する接触層３２は約５ｘ1018/cm3の濃度までドー
プされたｐ型である。また、第二クラッディング層１３
５に隣接する接触層３６は約２ｘ1018/cm3の濃度までド
ープされたｎ型である。
【００３４】図７に図示されるレーザ３０の好ましい実
施例は反射面３７、３８を有する。これら反射面はへき
開又はエッチングにより閉じ込めることができる。続い
て、へき開された（あるいはエッチングされた）表面に
対して反射材料のコーティングを加えることによりレイ
ジング限界を減らすことができる。活性層１２０が形成
される平面に対して反射面は垂直であり、反射面３７、
３８は活性層とともに縦空胴を形成する。縦空胴は活性
層１２０の平面に平行でありかつ反射面３７、３８に垂
直な縦軸を有する。縦空胴の水平方向の寸法は拡散領域
１７０および１７５により閉じ込められる。拡散領域１
７０は縦空胴の第一水平端部に接触するｐ型拡散領域で
ある。拡散領域１７０の濃度は約５ｘ1018/cm3である。
拡散領域１７５は縦空胴の第二水平端部に接触し、濃度
が約２ｘ1018/cm3であるｎ型拡散領域である。拡散領域
１７０および１７５は活性領域１２０の全ての層に接触
しなければならない。接触層と拡散領域との間でダイオ
ードあるいはショートを発生しないように、拡散領域１
７０、１７５もまた物理的に接触層３２、３６から隔離
されている。拡散領域１７０、１７５を接触層３２から
分離するため、真性クラッディング層１１０は垂直にエ
ッチングされる。真性層１３５は接触層３６を拡散領域
１７０、１７５から分離する。
施例は反射面３７、３８を有する。これら反射面はへき
開又はエッチングにより閉じ込めることができる。続い
て、へき開された（あるいはエッチングされた）表面に
対して反射材料のコーティングを加えることによりレイ
ジング限界を減らすことができる。活性層１２０が形成
される平面に対して反射面は垂直であり、反射面３７、
３８は活性層とともに縦空胴を形成する。縦空胴は活性
層１２０の平面に平行でありかつ反射面３７、３８に垂
直な縦軸を有する。縦空胴の水平方向の寸法は拡散領域
１７０および１７５により閉じ込められる。拡散領域１
７０は縦空胴の第一水平端部に接触するｐ型拡散領域で
ある。拡散領域１７０の濃度は約５ｘ1018/cm3である。
拡散領域１７５は縦空胴の第二水平端部に接触し、濃度
が約２ｘ1018/cm3であるｎ型拡散領域である。拡散領域
１７０および１７５は活性領域１２０の全ての層に接触
しなければならない。接触層と拡散領域との間でダイオ
ードあるいはショートを発生しないように、拡散領域１
７０、１７５もまた物理的に接触層３２、３６から隔離
されている。拡散領域１７０、１７５を接触層３２から
分離するため、真性クラッディング層１１０は垂直にエ
ッチングされる。真性層１３５は接触層３６を拡散領域
１７０、１７５から分離する。
【００３５】電圧源Ｖ２を接触層３２へ印加し、アース
７を接触層３６へ取り付け、正電圧源Ｖ３を拡散領域１
７０へ印加し、負電圧源Ｖ４を拡散１７５へ印加するこ
とで好ましい実施例は作動する。垂直ｐｉｎ構造の活性
領域１２０を横切る電界を変更するためアース７に対し
て電圧Ｖ２が使用される。接触層３２、３６をドープす
ることにより垂直ｐｉｎ構造は組込み電界を有する。活
性領域１２０から発せられた光の波長を修正するため、
負電圧とｐｉｎ構造のフラットバンド電圧の間でＶ２電
圧は掃引される。この構造のフラットバンド電圧は室温
で約1.5 ボルトである。光が活性領域１２０から発せら
れるのは、拡散領域１７０、活性領域１２０、拡散領域
１７５により形成される水平ｐｉｎ構造が順方向にバイ
アスがかかるため量子ウェルの伝導状態および価電子状
態へキャリヤが供給されるためである。水平ｐｉｎ構造
は順方向にバイアスがかかっているものの拡散領域１７
０と接触層３６との間で漏れ電流を生じさせないため拡
散領域１７０および接触層３６のフラットバンド電圧未
満であるように、電圧Ｖ３は電圧Ｖ４に対して十分にプ
ラスである。この構造では、Ｖ３はＶ４より約1.5 ボル
トプラスでなければならない。
７を接触層３６へ取り付け、正電圧源Ｖ３を拡散領域１
７０へ印加し、負電圧源Ｖ４を拡散１７５へ印加するこ
とで好ましい実施例は作動する。垂直ｐｉｎ構造の活性
領域１２０を横切る電界を変更するためアース７に対し
て電圧Ｖ２が使用される。接触層３２、３６をドープす
ることにより垂直ｐｉｎ構造は組込み電界を有する。活
性領域１２０から発せられた光の波長を修正するため、
負電圧とｐｉｎ構造のフラットバンド電圧の間でＶ２電
圧は掃引される。この構造のフラットバンド電圧は室温
で約1.5 ボルトである。光が活性領域１２０から発せら
れるのは、拡散領域１７０、活性領域１２０、拡散領域
１７５により形成される水平ｐｉｎ構造が順方向にバイ
アスがかかるため量子ウェルの伝導状態および価電子状
態へキャリヤが供給されるためである。水平ｐｉｎ構造
は順方向にバイアスがかかっているものの拡散領域１７
０と接触層３６との間で漏れ電流を生じさせないため拡
散領域１７０および接触層３６のフラットバンド電圧未
満であるように、電圧Ｖ３は電圧Ｖ４に対して十分にプ
ラスである。この構造では、Ｖ３はＶ４より約1.5 ボル
トプラスでなければならない。
【００３６】本発明の好ましい実施例をさらに修正する
と、構造はキャップ層を持たないことになる。特に、ｐ
型キャップ層は金やニッケル等の金属層に置き換えられ
る。この金属層が、活性領域１２０へ電界を与えるショ
ットキー障壁接触部を生成する。この実施例では、クラ
ッディング層１３０、１３５だけでなくクラッディング
層１１０および１１５も変動するアルミニウム含量をさ
らに有するドープされない層である。一般的に、水平ｐ
ｉｎ構造により垂直結合された量子ウェル構造を電気的
にポンプすることで、小型の波長可変半導体レーザ３０
が閉じ込められる。これは構造および操作が簡単なため
多くの応用に対して便利である。
と、構造はキャップ層を持たないことになる。特に、ｐ
型キャップ層は金やニッケル等の金属層に置き換えられ
る。この金属層が、活性領域１２０へ電界を与えるショ
ットキー障壁接触部を生成する。この実施例では、クラ
ッディング層１３０、１３５だけでなくクラッディング
層１１０および１１５も変動するアルミニウム含量をさ
らに有するドープされない層である。一般的に、水平ｐ
ｉｎ構造により垂直結合された量子ウェル構造を電気的
にポンプすることで、小型の波長可変半導体レーザ３０
が閉じ込められる。これは構造および操作が簡単なため
多くの応用に対して便利である。
【００３７】図８は本発明の他の実施例を図示する。図
８によれば、２つの半導体レーザがドープされた接触領
域３６を共有している。接触領域３６は約２ｘ1018/cm3
の濃度までドープされる。ポンプレーザ２０は波長可変
レーザ３０の活性領域１２０へ直接、光４０を注入す
る。ポンプレーザ２０の物理的構造は波長可変レーザ３
０の構造と同一である。両レーザの活性領域は、障壁層
の厚さが単分子層乃至35Åであり、さらに量子ウェルの
長さが20乃至60Åであるような少なくとも一対の結合量
子ウェルから構成される。活性領域は二組のクラッディ
ング層の間に介在される。第一クラッディング層１１
５、１３０はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓドープ層で、ｘは活性
層から離れる距離関数として約.23 から.63 へと各部に
おいて直線的に変動する。第二クラッディング層１１０
および１３５もＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層（ｘは約.63)であ
る。クラッディング層１１０は濃度約1018/cm3までドー
プされたｐ型である。クラッディング層１１５は濃度約
５ｘ1017/cm3までドープされたｐ型である。クラッディ
ング１３０は濃度約５ｘ1017/cm3までドープされたｎ型
であり、クラッディング層１３５は濃度約1018/cm3まで
ドープされたｎ型である。
８によれば、２つの半導体レーザがドープされた接触領
域３６を共有している。接触領域３６は約２ｘ1018/cm3
の濃度までドープされる。ポンプレーザ２０は波長可変
レーザ３０の活性領域１２０へ直接、光４０を注入す
る。ポンプレーザ２０の物理的構造は波長可変レーザ３
０の構造と同一である。両レーザの活性領域は、障壁層
の厚さが単分子層乃至35Åであり、さらに量子ウェルの
長さが20乃至60Åであるような少なくとも一対の結合量
子ウェルから構成される。活性領域は二組のクラッディ
ング層の間に介在される。第一クラッディング層１１
５、１３０はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓドープ層で、ｘは活性
層から離れる距離関数として約.23 から.63 へと各部に
おいて直線的に変動する。第二クラッディング層１１０
および１３５もＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層（ｘは約.63)であ
る。クラッディング層１１０は濃度約1018/cm3までドー
プされたｐ型である。クラッディング層１１５は濃度約
５ｘ1017/cm3までドープされたｐ型である。クラッディ
ング１３０は濃度約５ｘ1017/cm3までドープされたｎ型
であり、クラッディング層１３５は濃度約1018/cm3まで
ドープされたｎ型である。
【００３８】ポンプレーザ２０の物理的構造は波長可変
レーザ３０と同様であるが、ポンプレーザの動作状態は
波長可変レーザとは異なる。ポンプレーザ２０の動作は
結合量子ウェル効果により提供される可調性を利用しな
い。二つのレーザ構造が同一である必要はないが、結合
量子ウェルを含んでいても従来モードにおいてポンプレ
ーザの動作を妨げない。このため、同一基板上にデバイ
スを製造する場合、二つのデバイスの構造は同一であ
る。ポンプレーザ２０は接触領域３２に印加された電圧
Ｖ１が共通の接触領域３６に接続された接地電位に対し
て十分にプラスであるような従来モードにおいて作動
し、結果としてできたｐｉｎ構造は順方向へバイアスが
かかる。ｐｉｎ構造に順方向へバイアスがかかるとき、
電流は電圧源からアースへ流れ、活性領域１２０へキャ
リヤを供給する。活性領域量子ウェルにおけるキャリヤ
は再結合し、光４０を発する。ｐｉｎ構造に順方向へバ
イアスがかかるときには発せられた光の波長を変調する
には不十分な非常に小さな電界が活性領域を横切るだけ
であるため、光４０の波長は電圧Ｖ１では変調されな
い。
レーザ３０と同様であるが、ポンプレーザの動作状態は
波長可変レーザとは異なる。ポンプレーザ２０の動作は
結合量子ウェル効果により提供される可調性を利用しな
い。二つのレーザ構造が同一である必要はないが、結合
量子ウェルを含んでいても従来モードにおいてポンプレ
ーザの動作を妨げない。このため、同一基板上にデバイ
スを製造する場合、二つのデバイスの構造は同一であ
る。ポンプレーザ２０は接触領域３２に印加された電圧
Ｖ１が共通の接触領域３６に接続された接地電位に対し
て十分にプラスであるような従来モードにおいて作動
し、結果としてできたｐｉｎ構造は順方向へバイアスが
かかる。ｐｉｎ構造に順方向へバイアスがかかるとき、
電流は電圧源からアースへ流れ、活性領域１２０へキャ
リヤを供給する。活性領域量子ウェルにおけるキャリヤ
は再結合し、光４０を発する。ｐｉｎ構造に順方向へバ
イアスがかかるときには発せられた光の波長を変調する
には不十分な非常に小さな電界が活性領域を横切るだけ
であるため、光４０の波長は電圧Ｖ１では変調されな
い。
【００３９】光４０を波長可変レーザ３０の活性領域１
２０内へ伝送することにより、ポンプレーザ２０は波長
可変レーザ３０において量子ウェルの価電子状態から伝
導状態へキャリヤを励起する。レーザ３０において励起
されたキャリヤは再結合し、光５０を発する。光５０の
波長は電圧Ｖ２により変調される。活性領域１２０を横
切る電界を変調するため、電圧Ｖ２は負電圧と構造のフ
ラットバンド電圧との間を掃引する。この構造のフラッ
トバンド電圧は1.5 ボルトである。組み込み電界は、こ
の構造に対するＶ２の約1.5 ボルト変化において発せら
れた光の波長を７ｎｍシフトするのに十分である。電圧
Ｖ２がアースに対して著しくマイナスとなったとき、キ
ャリヤ分布関数における変化により双極子が結果として
生じるため波長の変化は飽和する。ｐｉｎ構造に順方向
へバイアスがかかるよう電圧Ｖ２が1.5 ボルトを上回る
とき、電界は発せられるデバイスの波長を変調するには
小さすぎる。
２０内へ伝送することにより、ポンプレーザ２０は波長
可変レーザ３０において量子ウェルの価電子状態から伝
導状態へキャリヤを励起する。レーザ３０において励起
されたキャリヤは再結合し、光５０を発する。光５０の
波長は電圧Ｖ２により変調される。活性領域１２０を横
切る電界を変調するため、電圧Ｖ２は負電圧と構造のフ
ラットバンド電圧との間を掃引する。この構造のフラッ
トバンド電圧は1.5 ボルトである。組み込み電界は、こ
の構造に対するＶ２の約1.5 ボルト変化において発せら
れた光の波長を７ｎｍシフトするのに十分である。電圧
Ｖ２がアースに対して著しくマイナスとなったとき、キ
ャリヤ分布関数における変化により双極子が結果として
生じるため波長の変化は飽和する。ｐｉｎ構造に順方向
へバイアスがかかるよう電圧Ｖ２が1.5 ボルトを上回る
とき、電界は発せられるデバイスの波長を変調するには
小さすぎる。
【００４０】
【発明の効果】本発明は上記より構成され、半導体レー
ザの活性領域で結合量子ウェルを利用することによっ
て、レーザ光出力の周波数及び振幅が変調される。
ザの活性領域で結合量子ウェルを利用することによっ
て、レーザ光出力の周波数及び振幅が変調される。
【図１】本発明の実施例を示す。
【図２】（ａ）乃至（ｂ）は本発明による波長可変半導
体レーザの物理的構造を示す。
体レーザの物理的構造を示す。
【図３】本発明による波長可変半導体レーザの活性領域
の他の物理的構造を示す。
の他の物理的構造を示す。
【図４】本発明による波長可変半導体レーザにおけるバ
ンド図を示す。
ンド図を示す。
【図５】（ａ）乃至（ｂ）は本発明による波長可変半導
体レーザの活性領域における電界効果を示す。
体レーザの活性領域における電界効果を示す。
【図６】本発明による波長可変半導体レーザの出力レー
ザスペクトルにおける電界効果を示す。
ザスペクトルにおける電界効果を示す。
【図７】本発明の好ましい実施例を示す。
【図８】本発明の他の実施例を示す。
３０ 半導体レーザ ３２、３６ 接触層 ３７、３８ 反射面 １１０、１３５ 第二クラッディング層 １１５、１３０ 第一クラッディング層 １２０ 活性領域 １７０、１７５ 拡散領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リン イー リウ アメリカ合衆国10606、ニューヨーク州ホ ワイト プレインズ、マーティン アヴェ ニュー 25 (72)発明者 エミリオ ユージニオ メンデズ アメリカ合衆国10520、ニューヨーク州ク ロトン−オン−ハドソン、レキシントン ドライヴ 69
Claims (10)
- 【請求項１】 光を生成する半導体レーザであって、 二つの量子ウェルを形成する二つの量子ウェル層から成
り、前記量子ウェル層の厚さが約60オングストロームよ
り下である活性領域と、 前記量子ウェル層の間に介在され、厚さが約35オングス
トロームより下である障壁層と、 を含む半導体レーザ。 - 【請求項２】 前記障壁層および前記量子ウェル層に作
用する電界が前記半導体レーザにより生成される前記光
の波長を同調する、請求項１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項３】 前記量子ウェル層がＧａＡｓから形成さ
れ、前記障壁層がＡｌx Ｇａ1-x Ａｓから形成されてｘ
が約０から.63 の範囲にある、請求項１に記載の半導体
レーザ。 - 【請求項４】 光を生成する半導体レーザであって、 各々が二つの量子ウェル層の間に介在される障壁層から
成る複数の結合量子ウェル領域であって、前記量子ウェ
ル層の各々の厚さが約60オングストロームより下であ
り、前記障壁層の各々の厚さが約35オングストロームよ
り下である前記結合量子ウェルと、 厚さが少なくとも約100 オングストロームの隔離領域の
少なくとも一つにより前記複数の結合量子ウェル領域の
各々が隣接する結合量子ウェル領域から分離される複数
の前記隔離領域と、 を含む半導体レーザ。 - 【請求項５】 前記複数の量子ウェル領域に作用する電
界が前記半導体レーザにより生成される前記光の波長を
同調する、請求項４に記載の半導体レーザ。 - 【請求項６】 前記量子ウェル層がＧａＡｓから形成さ
れ、前記障壁層がＡｌx Ｇａ1-X Ａｓから形成されてｘ
は約０から.63 の範囲にあり、前記隔離領域がＡｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓから形成されてｘは約０から.63 の範囲にあ
る、請求項４に記載の半導体レーザ。 - 【請求項７】 光波長を変調するための方法であって、 半導体レーザの活性領域をポンピングし、前記活性領域
が二つの量子ウェル層と一つの障壁層を含み、前記量子
ウェル層が厚さ約60オングストロームより下である二つ
の量子ウェルを形成し、前記障壁層が前記量子ウェルを
約35オングストロームより下で分離し、前記ポンピング
により狭帯域波長の前記レーザから光が生成されるステ
ップと、 前記半導体レーザに電圧を印加し、前記電圧が前記狭帯
波長に同調する前記活性領域を横切る電界を変化させる
ステップと、 を含む光波長の変調方法。 - 【請求項８】 前記ポンピングステップが、 狭帯波長の入射光を発生させるステップと、 前記入射光の焦点を前記半導体レーザに対して合わせる
ステップと、 前記入射光を前記半導体レーザへ伝送するステップと、 を含む請求項７に記載の光波長の変調方法。 - 【請求項９】 前記ポンピングステップが、 前記活性領域の少なくとも二つの領域に電気的に接触す
るステップと、 前記二つの接触領域へ電圧を印加することで、前記印加
された電圧は前記接触領域の間に電流が流れるのを誘導
するステップと、 を含む請求項７に記載の光波長の変調方法。 - 【請求項１０】 光波長を変調するための方法であっ
て、 半導体レーザの活性領域をポンピングし、前記活性領域
が少なくとも二つの結合量子ウェル領域を含み、前記結
合量子ウェル領域は二つの量子ウェル層および一つの障
壁層を含み、前記量子ウェル層は厚さ約60オングストロ
ームより下の量子ウェルを形成し、前記障壁層が前記量
子ウェルを約35オングストロームより下で分離し、前記
ポンピングにより狭帯波長の前記レーザから光が生成さ
れるステップと、 前記半導体レーザへ電圧を印加し、前記電圧が前記狭帯
波長に同調する前記活性領域を横切る電界を変化させる
ステップと、 を含む光波長の変調方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US80792291A | 1991-12-16 | 1991-12-16 | |
| US807922 | 2007-05-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05235488A true JPH05235488A (ja) | 1993-09-10 |
| JP2537002B2 JP2537002B2 (ja) | 1996-09-25 |
Family
ID=25197437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4216682A Expired - Fee Related JP2537002B2 (ja) | 1991-12-16 | 1992-08-14 | 半導体レ―ザ及び光波長の変調方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5287377A (ja) |
| EP (1) | EP0549853B1 (ja) |
| JP (1) | JP2537002B2 (ja) |
| DE (1) | DE69217344T2 (ja) |
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