JPH0715082A - 半導体パルセーションレーザ - Google Patents
半導体パルセーションレーザInfo
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- JPH0715082A JPH0715082A JP5153110A JP15311093A JPH0715082A JP H0715082 A JPH0715082 A JP H0715082A JP 5153110 A JP5153110 A JP 5153110A JP 15311093 A JP15311093 A JP 15311093A JP H0715082 A JPH0715082 A JP H0715082A
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/0658—Self-pulsating
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- Biophysics (AREA)
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 容易に作製でき、所望の周波数で間欠的にレ
ーザ発振を行なう半導体パルセーションレーザを得る。 【構成】 これを構成する量子井戸８ａ，８ｂが、それ
らが充分離れて独立しているときに井戸内に形成される
離散化したエネルギ凖位間のエネルギ差が波長換算して
１０ｎｍ以上離れており、かつ、２つの井戸が結合した
状態において、上記離散化したエネルギ準位が分離して
形成された２つのエネルギ準位１１，１２（２１，２
２）間のエネルギ差が、この２つのエネルギ準位の各々
における波動関数に基づいて得られる、上記２つの井戸
の何れか一方に電子及び正孔の両方が同時に存在するタ
イミングの発生周波数が１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの
間の値となるエネルギ差である２重量子井戸構造の活性
層３を備えた構成とした。
ーザ発振を行なう半導体パルセーションレーザを得る。 【構成】 これを構成する量子井戸８ａ，８ｂが、それ
らが充分離れて独立しているときに井戸内に形成される
離散化したエネルギ凖位間のエネルギ差が波長換算して
１０ｎｍ以上離れており、かつ、２つの井戸が結合した
状態において、上記離散化したエネルギ準位が分離して
形成された２つのエネルギ準位１１，１２（２１，２
２）間のエネルギ差が、この２つのエネルギ準位の各々
における波動関数に基づいて得られる、上記２つの井戸
の何れか一方に電子及び正孔の両方が同時に存在するタ
イミングの発生周波数が１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの
間の値となるエネルギ差である２重量子井戸構造の活性
層３を備えた構成とした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はレーザ発振を間欠的に
行なう半導体パルセーションレーザに関するものであ
る。
行なう半導体パルセーションレーザに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】図１０は従来のパルセーションレーザの
構造を示す斜視図であり、図１１はその動作を説明する
ための主要部の模式断面図である。図において、１０１
は第１導電型の半導体レーザ基板、１０２は第１導電型
の下クラッド層、１０３は活性層、１０４は上記第１導
電型と反対の導電型である第２導電型の上クラッド層、
５は第１導電型の電流ブロック層、１０６ａ，１０６ｂ
は電極である。
構造を示す斜視図であり、図１１はその動作を説明する
ための主要部の模式断面図である。図において、１０１
は第１導電型の半導体レーザ基板、１０２は第１導電型
の下クラッド層、１０３は活性層、１０４は上記第１導
電型と反対の導電型である第２導電型の上クラッド層、
５は第１導電型の電流ブロック層、１０６ａ，１０６ｂ
は電極である。
【０００３】次に従来の半導体パルセーションレーザの
動作について説明する。図１１に示すように、電極６ａ
から注入された電流は、電流ブロック層１０５で狭窄さ
れた後、電流ブロック層１０５と活性層１０３との間の
上クラッド層１０４中で若干広がり、活性層１０３に注
入される。これにより活性層１０３のうち、電流が流れ
ており真上に電流ブロック層１０５の存在しない領域が
発光し、レーザ発振する。
動作について説明する。図１１に示すように、電極６ａ
から注入された電流は、電流ブロック層１０５で狭窄さ
れた後、電流ブロック層１０５と活性層１０３との間の
上クラッド層１０４中で若干広がり、活性層１０３に注
入される。これにより活性層１０３のうち、電流が流れ
ており真上に電流ブロック層１０５の存在しない領域が
発光し、レーザ発振する。
【０００４】ここで、活性層１０３内における、光が存
在する領域と電流が流れる領域の広がりは、電流ブロッ
ク層１０５と活性層１０３との間の上クラッド層１０４
の厚さｄに依存して変化する。この厚さｄを適当な厚み
とすると、光が存在する領域の広がりは電流が流れる領
域の広がりよりも広くなり、活性層１０３中に電流は流
れないがレーザ光が存在する領域１１０が形成される。
この領域１１０はいわゆる可飽和吸収帯となり、最初は
光を吸収するが、光から発生した電子と正孔がある程度
溜まるとそれ以上は光を吸収できずに、逆に今まで溜め
た電子と正孔を、光としていっぺんに吐き出し、初期値
に戻る。すなわち可飽和吸収帯があると、レーザ発振が
間欠的に起こり、いわゆるパルセーションレーザができ
る。
在する領域と電流が流れる領域の広がりは、電流ブロッ
ク層１０５と活性層１０３との間の上クラッド層１０４
の厚さｄに依存して変化する。この厚さｄを適当な厚み
とすると、光が存在する領域の広がりは電流が流れる領
域の広がりよりも広くなり、活性層１０３中に電流は流
れないがレーザ光が存在する領域１１０が形成される。
この領域１１０はいわゆる可飽和吸収帯となり、最初は
光を吸収するが、光から発生した電子と正孔がある程度
溜まるとそれ以上は光を吸収できずに、逆に今まで溜め
た電子と正孔を、光としていっぺんに吐き出し、初期値
に戻る。すなわち可飽和吸収帯があると、レーザ発振が
間欠的に起こり、いわゆるパルセーションレーザができ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、可飽和
吸収帯を利用した半導体パルセーションレーザでは、上
述のように、活性層と電流ブロック層間のクラッド層の
厚さｄのみで光の存在する領域と電流の存在する領域の
両方を制御して可飽和吸収帯を形成するため、各領域を
それぞれ最適値に設定するというよりは、妥協点に設定
するという意味合いが強く、また、その許容範囲は通常
かなり狭い。このため、その設計，製造が困難であると
いう問題点があった。
吸収帯を利用した半導体パルセーションレーザでは、上
述のように、活性層と電流ブロック層間のクラッド層の
厚さｄのみで光の存在する領域と電流の存在する領域の
両方を制御して可飽和吸収帯を形成するため、各領域を
それぞれ最適値に設定するというよりは、妥協点に設定
するという意味合いが強く、また、その許容範囲は通常
かなり狭い。このため、その設計，製造が困難であると
いう問題点があった。
【０００６】さらに、従来の半導体パルセーションレー
ザでは、間欠的なレーザ発振の周波数は、各層のドーピ
ング状態等、様々な要因に基づいて変化するため、これ
を設計することは極めて困難であり、試作を繰り返し
て、目的の値に合わせなければならないという問題点が
あった。
ザでは、間欠的なレーザ発振の周波数は、各層のドーピ
ング状態等、様々な要因に基づいて変化するため、これ
を設計することは極めて困難であり、試作を繰り返し
て、目的の値に合わせなければならないという問題点が
あった。
【０００７】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、容易に作製でき、所望の周波
数で間欠的にレーザ発振を行なう半導体パルセーション
レーザを得ることを目的とする。
るためになされたもので、容易に作製でき、所望の周波
数で間欠的にレーザ発振を行なう半導体パルセーション
レーザを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体パ
ルセーションレーザは、近接して配置された２つの量子
井戸を含む２重量子井戸構造を有する活性層であって、
上記２つの量子井戸の各々が、これらが充分離れて独立
しているときに井戸内に形成される離散化したエネルギ
凖位間のエネルギ差が波長換算して１０ｎｍ以上離れて
いるものであり、かつ、これらが上記近接して配置され
た状態において、上記離散化したエネルギ準位が分離し
て形成された２つのエネルギ準位間のエネルギ差が、上
記２重量子井戸構造におけるキャリアの波動関数に基づ
いて得られる、上記２つの量子井戸の何れか一方に電子
及び正孔の両方が同時に存在するタイミングの発生周波
数が１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの間の値となるエネル
ギ差である活性層を備えたものである。
ルセーションレーザは、近接して配置された２つの量子
井戸を含む２重量子井戸構造を有する活性層であって、
上記２つの量子井戸の各々が、これらが充分離れて独立
しているときに井戸内に形成される離散化したエネルギ
凖位間のエネルギ差が波長換算して１０ｎｍ以上離れて
いるものであり、かつ、これらが上記近接して配置され
た状態において、上記離散化したエネルギ準位が分離し
て形成された２つのエネルギ準位間のエネルギ差が、上
記２重量子井戸構造におけるキャリアの波動関数に基づ
いて得られる、上記２つの量子井戸の何れか一方に電子
及び正孔の両方が同時に存在するタイミングの発生周波
数が１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの間の値となるエネル
ギ差である活性層を備えたものである。
【０００９】
【作用】この発明においては、２重量子井戸構造の活性
層であって、これを構成する量子井戸が、それらが充分
離れて独立しているときに井戸内に形成される離散化し
たエネルギ凖位間のエネルギ差が波長換算して１０ｎｍ
以上離れており、かつ、２つの井戸が結合した状態にお
いて、上記離散化したエネルギ準位が分離して形成され
た２つのエネルギ準位間のエネルギ差が、この２つのエ
ネルギ準位の各々における波動関数に基づいて得られ
る、上記２つの井戸の何れか一方に電子及び正孔の両方
が同時に存在するタイミングの発生周波数が１００ＭＨ
ｚから１０ＧＨｚの間の値となるエネルギ差である活性
層を備えた構成としたから、電子及び正孔が２つの井戸
の何れか一方に同時に存在するタイミングにおいてのみ
これら電子と正孔の再結合によりレーザ発振が生じ得る
利得が生じ、その結果、レーザ発振は、上述の電子及び
正孔が２つの量子井戸の何れか一方に同時に存在するタ
イミングが発生する周期で間欠的に生ずることとなり、
これによりパルセーションレーザを実現することができ
る。
層であって、これを構成する量子井戸が、それらが充分
離れて独立しているときに井戸内に形成される離散化し
たエネルギ凖位間のエネルギ差が波長換算して１０ｎｍ
以上離れており、かつ、２つの井戸が結合した状態にお
いて、上記離散化したエネルギ準位が分離して形成され
た２つのエネルギ準位間のエネルギ差が、この２つのエ
ネルギ準位の各々における波動関数に基づいて得られ
る、上記２つの井戸の何れか一方に電子及び正孔の両方
が同時に存在するタイミングの発生周波数が１００ＭＨ
ｚから１０ＧＨｚの間の値となるエネルギ差である活性
層を備えた構成としたから、電子及び正孔が２つの井戸
の何れか一方に同時に存在するタイミングにおいてのみ
これら電子と正孔の再結合によりレーザ発振が生じ得る
利得が生じ、その結果、レーザ発振は、上述の電子及び
正孔が２つの量子井戸の何れか一方に同時に存在するタ
イミングが発生する周期で間欠的に生ずることとなり、
これによりパルセーションレーザを実現することができ
る。
【００１０】
【実施例】実施例１．図１は本発明の一実施例による半
導体パルセーションレーザを示す図であり、図１(a) は
その全体を示す斜視図、図１(b) は図１(a) 中の一点鎖
線で囲んだ領域を拡大して示した図である。図１(a) に
おいて、１は第１導電型の半導体レーザ基板、２は第１
導電型の下クラッド層、３は活性層、４は上記第１導電
型と反対の導電型である第２導電型の上クラッド層、５
は第１導電型電流ブロック層、６ａ，及び６ｂは電極で
ある。また、図１(b) において、７ａ，７ｂは光閉じ込
め層、８ａは第１の井戸層、８ｂは第２の井戸層、９は
障壁層である。
導体パルセーションレーザを示す図であり、図１(a) は
その全体を示す斜視図、図１(b) は図１(a) 中の一点鎖
線で囲んだ領域を拡大して示した図である。図１(a) に
おいて、１は第１導電型の半導体レーザ基板、２は第１
導電型の下クラッド層、３は活性層、４は上記第１導電
型と反対の導電型である第２導電型の上クラッド層、５
は第１導電型電流ブロック層、６ａ，及び６ｂは電極で
ある。また、図１(b) において、７ａ，７ｂは光閉じ込
め層、８ａは第１の井戸層、８ｂは第２の井戸層、９は
障壁層である。
【００１１】図２は図１(b) のII−II線におけるバンド
ダイアグラム図であり、図において、図１と同一符号は
同一又は相当部分である。また、１１は電子の第１の凖
位、１２は電子の第２の凖位、２１は正孔の第１の凖
位、２２は正孔の第２の凖位である。
ダイアグラム図であり、図において、図１と同一符号は
同一又は相当部分である。また、１１は電子の第１の凖
位、１２は電子の第２の凖位、２１は正孔の第１の凖
位、２２は正孔の第２の凖位である。
【００１２】量子井戸構造中では例えば電子は、井戸層
とその両側の障壁層とのエネルギギャップの差のため
に、井戸層内に閉じ込められ、離散的な準位を形成す
る。また、２つの井戸層を近接させると、各量子井戸内
に形成された量子準位間に結合が生じ、その結果、縮退
していた量子準位が分離する。図に示す第１の準位，及
び第２の準位は、２つの量子井戸を近接させて配置する
ことにより、単一量子井戸に形成される離散的な準位の
一つが分離して形成された準位（サブバンド）である。
とその両側の障壁層とのエネルギギャップの差のため
に、井戸層内に閉じ込められ、離散的な準位を形成す
る。また、２つの井戸層を近接させると、各量子井戸内
に形成された量子準位間に結合が生じ、その結果、縮退
していた量子準位が分離する。図に示す第１の準位，及
び第２の準位は、２つの量子井戸を近接させて配置する
ことにより、単一量子井戸に形成される離散的な準位の
一つが分離して形成された準位（サブバンド）である。
【００１３】電極６ａ，６ｂ間にレーザのｐｎ接合に対
して順方向に電圧を印加すると、キャリアは活性層３内
に注入され、活性層３内の第１の井戸層８ａ，及び第２
の井戸層８ｂにおいて再結合することにより光を発生
し、レーザ発振が生じる。各井戸層内では、電子の第１
の凖位１１にある電子と、正孔の第１の凖位２１にある
正孔とが再結合し、また、電子の第２の凖位１２にある
電子と、正孔の第２の凖位２２にある正孔とが再結合す
る。
して順方向に電圧を印加すると、キャリアは活性層３内
に注入され、活性層３内の第１の井戸層８ａ，及び第２
の井戸層８ｂにおいて再結合することにより光を発生
し、レーザ発振が生じる。各井戸層内では、電子の第１
の凖位１１にある電子と、正孔の第１の凖位２１にある
正孔とが再結合し、また、電子の第２の凖位１２にある
電子と、正孔の第２の凖位２２にある正孔とが再結合す
る。
【００１４】次に、本実施例の半導体パルセーションレ
ーザにおいてレーザ発振が間欠的に生ずる原理について
説明する。図３，及び図４はそれぞれ、電子の第１の凖
位１１の波動関数，及び電子の第２の凖位１２の波動関
数を示す図である。第１の凖位１１の波動関数ψ1 は、
ーザにおいてレーザ発振が間欠的に生ずる原理について
説明する。図３，及び図４はそれぞれ、電子の第１の凖
位１１の波動関数，及び電子の第２の凖位１２の波動関
数を示す図である。第１の凖位１１の波動関数ψ1 は、
【００１５】
【数１】
【００１６】第２の凖位１２の波動関数ψ2 は、
【００１７】
【数２】
【００１８】で表される。ここでφ1 ，φ2 は波動関数
の空間要素である。また、ｅの（ jω1t）乗，ｅの（ j
ω2t）乗は波動関数の時間要素であり、ｊは虚数単位、
ω1 は第１の凖位１１のエネルギに対応した固有の角振
動数、ω2 は第２の凖位１２のエネルギに対応した固有
の角振動数、ｔは時間である。図３，及び図４に示すよ
うに、第１の凖位１１の波動関数は偶関数であり、第２
の凖位１２の波動関数は奇関数である。また、正孔の波
動関数においても形状は同じである。
の空間要素である。また、ｅの（ jω1t）乗，ｅの（ j
ω2t）乗は波動関数の時間要素であり、ｊは虚数単位、
ω1 は第１の凖位１１のエネルギに対応した固有の角振
動数、ω2 は第２の凖位１２のエネルギに対応した固有
の角振動数、ｔは時間である。図３，及び図４に示すよ
うに、第１の凖位１１の波動関数は偶関数であり、第２
の凖位１２の波動関数は奇関数である。また、正孔の波
動関数においても形状は同じである。
【００１９】また、電子は第１の凖位１１と第２の凖位
１２の間を、ある程度、行ったり来たりするので、この
２重量子井戸における電子の波動関数ψは、第１の凖位
１１の波動関数ψ1 と第２の凖位１２の波動関数ψ2 と
の和、即ち、
１２の間を、ある程度、行ったり来たりするので、この
２重量子井戸における電子の波動関数ψは、第１の凖位
１１の波動関数ψ1 と第２の凖位１２の波動関数ψ2 と
の和、即ち、
【００２０】
【数３】
【００２１】で表される。電子の位相は不確定要素であ
り、どのようにとっても良いので、２重量子井戸におけ
る電子の波動関数(3) は、
り、どのようにとっても良いので、２重量子井戸におけ
る電子の波動関数(3) は、
【００２２】
【数４】
【００２３】と書き換えることにより、その時間要素を
まとめることができる。この波動関数(4) において、時
間ｔが０のとき、ψ＝φ1 ＋φ2 となり、この関数の形
状は、図５に示すように２重量子井戸の一方の井戸（第
１の井戸層８ａ）に電子の空間分布が偏ったものとな
る。また時間ｔがπ／（ω2 −ω1 ）のとき、ψ＝−φ
1 ＋φ2 となり、この関数の形状は、図６に示すように
２重量子井戸の他方の井戸（第２の井戸層８ｂ）に電子
の空間分布が偏ったものとなる。このように、２重量子
井戸の電子の波動関数はπ／（ω2 −ω1 ）の２倍を１
周期としてその空間分布の偏りが２つの量子井戸間を往
復する。また、波動関数の絶対値の二乗が電子（又は正
孔）の存在確率を表すので、結合量子井戸内の電子（又
は正孔）の存在確率は、
まとめることができる。この波動関数(4) において、時
間ｔが０のとき、ψ＝φ1 ＋φ2 となり、この関数の形
状は、図５に示すように２重量子井戸の一方の井戸（第
１の井戸層８ａ）に電子の空間分布が偏ったものとな
る。また時間ｔがπ／（ω2 −ω1 ）のとき、ψ＝−φ
1 ＋φ2 となり、この関数の形状は、図６に示すように
２重量子井戸の他方の井戸（第２の井戸層８ｂ）に電子
の空間分布が偏ったものとなる。このように、２重量子
井戸の電子の波動関数はπ／（ω2 −ω1 ）の２倍を１
周期としてその空間分布の偏りが２つの量子井戸間を往
復する。また、波動関数の絶対値の二乗が電子（又は正
孔）の存在確率を表すので、結合量子井戸内の電子（又
は正孔）の存在確率は、
【００２４】
【数５】
【００２５】で表される。即ち、電子（又は正孔）は、
（ω2 −ω1 ）で決まる周波数でその空間分布の偏りが
２つの量子井戸間を往復する。ここで、電子の第１の凖
位１１にある電子と、電子の第２の凖位１２にある電子
のエネルギ差をΔＥ1 とし、また正孔の第１の凖位２１
にある正孔と正孔の第２の凖位２２にある正孔とのエネ
ルギ差をΔＥ2 とすれば、電子は、
（ω2 −ω1 ）で決まる周波数でその空間分布の偏りが
２つの量子井戸間を往復する。ここで、電子の第１の凖
位１１にある電子と、電子の第２の凖位１２にある電子
のエネルギ差をΔＥ1 とし、また正孔の第１の凖位２１
にある正孔と正孔の第２の凖位２２にある正孔とのエネ
ルギ差をΔＥ2 とすれば、電子は、
【００２６】
【数６】
【００２７】の振動数で、第１の井戸層と第２の井戸層
の間を行ったり来たりし、また、正孔は、
の間を行ったり来たりし、また、正孔は、
【００２８】
【数７】
【００２９】の振動数で第１の井戸層と第２の井戸層の
間を行ったり来たりする。通常、ΔＥ1 とΔＥ2 の大き
さは異なるので、電子と正孔はそれぞれ異なる振動数で
第１の井戸層と第２の井戸層の間を行ったり来たりす
る。そして、一定の周期で電子と正孔の両方が何れか一
方の井戸に同時に存在するタイミングが発生する。電子
と正孔が同じ井戸層に入る周波数νは、
間を行ったり来たりする。通常、ΔＥ1 とΔＥ2 の大き
さは異なるので、電子と正孔はそれぞれ異なる振動数で
第１の井戸層と第２の井戸層の間を行ったり来たりす
る。そして、一定の周期で電子と正孔の両方が何れか一
方の井戸に同時に存在するタイミングが発生する。電子
と正孔が同じ井戸層に入る周波数νは、
【００３０】
【数８】
【００３１】（但し、ｍ，ｎは整数）であり、この電子
と正孔の両方が何れか一方の井戸に同時に存在するタイ
ミングにおいてのみこれら電子と正孔の再結合によりレ
ーザ発振が生じ得る利得が生じ、その結果、レーザ発振
は、上述の電子及び正孔が２つの量子井戸の何れか一方
に同時に存在するタイミングが発生する周期で間欠的に
生ずることとなる。即ち、これによりパルセーションレ
ーザを実現することができる。但し、電子の振動数νc
が正孔の振動数νv に比して十分に高い場合は、電子と
正孔が同じ井戸層に入る周波数νは、電子の振動数νc
とほぼ等しい値となる。
と正孔の両方が何れか一方の井戸に同時に存在するタイ
ミングにおいてのみこれら電子と正孔の再結合によりレ
ーザ発振が生じ得る利得が生じ、その結果、レーザ発振
は、上述の電子及び正孔が２つの量子井戸の何れか一方
に同時に存在するタイミングが発生する周期で間欠的に
生ずることとなる。即ち、これによりパルセーションレ
ーザを実現することができる。但し、電子の振動数νc
が正孔の振動数νv に比して十分に高い場合は、電子と
正孔が同じ井戸層に入る周波数νは、電子の振動数νc
とほぼ等しい値となる。
【００３２】このように、本実施例による半導体パルセ
ーションレーザでは、パルセーションの周期は２重量子
井戸内に形成されるサブバンド間のエネルギ差ΔＥ1 ，
ΔＥ2 によって決まる。このサブバンド間のエネルギ差
ΔＥ1 ，ΔＥ2 は、２重量子井戸構造を構成する量子井
戸層８ａ，８ｂ，障壁層９，及び光閉じ込め層７ａ，７
ｂの材料組成、寸法を適当に設定することにより容易に
精度よく所望の値とすることができる。通常、パルセー
ションレーザとして所望されるパルセーションの周波数
は１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであるので、式(7) で求め
られる周波数νがこの範囲の値となるように２重量子井
戸構造を構成する各層の材料組成、及び寸法を設定すれ
ばよい。
ーションレーザでは、パルセーションの周期は２重量子
井戸内に形成されるサブバンド間のエネルギ差ΔＥ1 ，
ΔＥ2 によって決まる。このサブバンド間のエネルギ差
ΔＥ1 ，ΔＥ2 は、２重量子井戸構造を構成する量子井
戸層８ａ，８ｂ，障壁層９，及び光閉じ込め層７ａ，７
ｂの材料組成、寸法を適当に設定することにより容易に
精度よく所望の値とすることができる。通常、パルセー
ションレーザとして所望されるパルセーションの周波数
は１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであるので、式(7) で求め
られる周波数νがこの範囲の値となるように２重量子井
戸構造を構成する各層の材料組成、及び寸法を設定すれ
ばよい。
【００３３】ところで、サブバンドは上述のように、２
つの量子井戸を近接して配置することにより、量子井戸
内に形成される離散的なエネルギ準位が分離して形成さ
れるが、独立した単一量子井戸の状態で形成される複数
の離散的なエネルギ準位の間のエネルギ差が小さい量子
井戸を近接配置して２重量子井戸構造とした場合には、
１の離散的なエネルギ準位が分離して形成されるサブバ
ンドと他の離散的なエネルギ準位が分離して形成される
サブバンドが近接したエネルギ位置に形成されることと
なる。通常、量子井戸内でのキャリアの分布は、各エネ
ルギ準位に対して、波長換算して２ｎｍ程度の広がりを
有しているので、この範囲内に他の離散的なエネルギ準
位が分離して形成されるサブバンドが形成された場合に
は、このサブバンドとの間でキャリアの行き来が生じ、
パルセーションの周波数を決定する要素となる上述した
サブバンド間のエネルギ差が決まらず、所望の周波数で
の動作が得られないことが考えられる。このような不都
合を防止するため、２重量子井戸を構成する各量子井戸
は、独立した単一量子井戸の状態で形成される複数の離
散的なエネルギ準位の間のエネルギ差が、波長換算して
１０ｎｍ以上あることが望ましい。
つの量子井戸を近接して配置することにより、量子井戸
内に形成される離散的なエネルギ準位が分離して形成さ
れるが、独立した単一量子井戸の状態で形成される複数
の離散的なエネルギ準位の間のエネルギ差が小さい量子
井戸を近接配置して２重量子井戸構造とした場合には、
１の離散的なエネルギ準位が分離して形成されるサブバ
ンドと他の離散的なエネルギ準位が分離して形成される
サブバンドが近接したエネルギ位置に形成されることと
なる。通常、量子井戸内でのキャリアの分布は、各エネ
ルギ準位に対して、波長換算して２ｎｍ程度の広がりを
有しているので、この範囲内に他の離散的なエネルギ準
位が分離して形成されるサブバンドが形成された場合に
は、このサブバンドとの間でキャリアの行き来が生じ、
パルセーションの周波数を決定する要素となる上述した
サブバンド間のエネルギ差が決まらず、所望の周波数で
の動作が得られないことが考えられる。このような不都
合を防止するため、２重量子井戸を構成する各量子井戸
は、独立した単一量子井戸の状態で形成される複数の離
散的なエネルギ準位の間のエネルギ差が、波長換算して
１０ｎｍ以上あることが望ましい。
【００３４】次に、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成し
た場合の具体的な数値例を示す。まず、Ａｌx Ｇａ1-x
Ａｓで本実施例の半導体パルセーションレーザを構成し
た場合、電子の振動数νc は正孔の振動数νv に比して
十分に高いので、電子と正孔が同じ井戸層に入る周波数
νは、電子の振動数νc とほぼ等しい値となる。第１の
井戸層８ａ，及び第２の井戸層８ｂのアルミ組成比ｘを
０．１、厚さを８ｎｍとし、光閉じ込め層７ａ，７ｂ，
及び障壁層９のアルミ組成比ｘを０．３５、厚さを１４
ｎｍとすれば、 ΔＥ1 ＝６．８×１０-6〔ｅＶ〕 であるから、ν＝１．６〔ＧＨｚ〕の周波数で発振する
半導体パルセーションレーザを実現できる。なお、この
ときの各量子井戸に形成される離散的なエネルギ準位間
のエネルギ差は波長に換算して約１５ｎｍ程度である。
た場合の具体的な数値例を示す。まず、Ａｌx Ｇａ1-x
Ａｓで本実施例の半導体パルセーションレーザを構成し
た場合、電子の振動数νc は正孔の振動数νv に比して
十分に高いので、電子と正孔が同じ井戸層に入る周波数
νは、電子の振動数νc とほぼ等しい値となる。第１の
井戸層８ａ，及び第２の井戸層８ｂのアルミ組成比ｘを
０．１、厚さを８ｎｍとし、光閉じ込め層７ａ，７ｂ，
及び障壁層９のアルミ組成比ｘを０．３５、厚さを１４
ｎｍとすれば、 ΔＥ1 ＝６．８×１０-6〔ｅＶ〕 であるから、ν＝１．６〔ＧＨｚ〕の周波数で発振する
半導体パルセーションレーザを実現できる。なお、この
ときの各量子井戸に形成される離散的なエネルギ準位間
のエネルギ差は波長に換算して約１５ｎｍ程度である。
【００３５】なお、上記の実施例では、２重量子井戸構
造を構成する量子井戸が薄膜状であるもの、即ち１次元
の量子井戸レーザ（量子井戸層レーザ）であるものにつ
いて説明したが、２重量子井戸構造を構成する量子井戸
が細線状であるもの、即ち２次元の量子井戸レーザ（量
子井戸細線レーザ）、あるいは、２重量子井戸構造を構
成する量子井戸が箱状であるもの、即ち３次元の量子井
戸レーザ（量子井戸箱レーザ）であってもよい。
造を構成する量子井戸が薄膜状であるもの、即ち１次元
の量子井戸レーザ（量子井戸層レーザ）であるものにつ
いて説明したが、２重量子井戸構造を構成する量子井戸
が細線状であるもの、即ち２次元の量子井戸レーザ（量
子井戸細線レーザ）、あるいは、２重量子井戸構造を構
成する量子井戸が箱状であるもの、即ち３次元の量子井
戸レーザ（量子井戸箱レーザ）であってもよい。
【００３６】図７，図８，及び図９は、それぞれ量子井
戸が薄膜状の２重量子井戸構造と該構造における電子の
状態密度，量子井戸が細線状の２重量子井戸構造と該構
造における電子の状態密度，及び量子井戸が箱状の２重
量子井戸構造と該構造における電子の状態密度を示す図
である。図において、８１ａ，８１ｂは量子井戸層、８
２ａ，８２ｂは量子井戸細線、８３ａ，８３ｂは量子井
戸箱であり、９０は障壁層である。
戸が薄膜状の２重量子井戸構造と該構造における電子の
状態密度，量子井戸が細線状の２重量子井戸構造と該構
造における電子の状態密度，及び量子井戸が箱状の２重
量子井戸構造と該構造における電子の状態密度を示す図
である。図において、８１ａ，８１ｂは量子井戸層、８
２ａ，８２ｂは量子井戸細線、８３ａ，８３ｂは量子井
戸箱であり、９０は障壁層である。
【００３７】これらの図からわかるように、２重量子井
戸構造における電子の状態密度は、電子の自由度の減少
に伴って尖鋭化する。従って、上記実施例において、量
子井戸層を量子井戸細線，又は量子井戸箱とすることに
より、さらに顕著な効果が期待できる。
戸構造における電子の状態密度は、電子の自由度の減少
に伴って尖鋭化する。従って、上記実施例において、量
子井戸層を量子井戸細線，又は量子井戸箱とすることに
より、さらに顕著な効果が期待できる。
【００３８】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、２重
量子井戸構造の活性層であって、これを構成する量子井
戸が、それらが充分離れて独立しているときに井戸内に
形成される離散化したエネルギ凖位間のエネルギ差が波
長換算して１０ｎｍ以上離れており、かつ、２つの井戸
が結合した状態において、上記離散化したエネルギ準位
が分離して形成された２つのエネルギ準位間のエネルギ
差が、この２つのエネルギ準位の各々における波動関数
に基づいて得られる、上記２つの井戸の何れか一方に電
子及び正孔の両方が同時に存在するタイミングの発生周
波数が１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの間の値となるエネ
ルギ差である活性層を備えた構成としたから、電子及び
正孔が２つの井戸の何れか一方に同時に存在するタイミ
ングにおいてのみこれら電子と正孔の再結合によりレー
ザ発振が生じ得る利得が生じ、その結果、レーザ発振
は、上述の電子及び正孔が２つの量子井戸の何れか一方
に同時に存在するタイミングが発生する周期で間欠的に
生ずることとなり、これによりパルセーションレーザを
実現することができる効果があり、しかも、上記離散化
したエネルギ準位間のエネルギ差，及び上記離散化した
エネルギ準位が分離して形成された２つのエネルギ準位
間のエネルギ差は、２重量子井戸構造を構成する各層の
材料組成、及び寸法により精度良く設定できるので、所
望の周波数のパルセーションレーザが容易に設計，作製
できる効果がある。
量子井戸構造の活性層であって、これを構成する量子井
戸が、それらが充分離れて独立しているときに井戸内に
形成される離散化したエネルギ凖位間のエネルギ差が波
長換算して１０ｎｍ以上離れており、かつ、２つの井戸
が結合した状態において、上記離散化したエネルギ準位
が分離して形成された２つのエネルギ準位間のエネルギ
差が、この２つのエネルギ準位の各々における波動関数
に基づいて得られる、上記２つの井戸の何れか一方に電
子及び正孔の両方が同時に存在するタイミングの発生周
波数が１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの間の値となるエネ
ルギ差である活性層を備えた構成としたから、電子及び
正孔が２つの井戸の何れか一方に同時に存在するタイミ
ングにおいてのみこれら電子と正孔の再結合によりレー
ザ発振が生じ得る利得が生じ、その結果、レーザ発振
は、上述の電子及び正孔が２つの量子井戸の何れか一方
に同時に存在するタイミングが発生する周期で間欠的に
生ずることとなり、これによりパルセーションレーザを
実現することができる効果があり、しかも、上記離散化
したエネルギ準位間のエネルギ差，及び上記離散化した
エネルギ準位が分離して形成された２つのエネルギ準位
間のエネルギ差は、２重量子井戸構造を構成する各層の
材料組成、及び寸法により精度良く設定できるので、所
望の周波数のパルセーションレーザが容易に設計，作製
できる効果がある。
【図１】本発明の一実施例による半導体パルセーション
レーザを示す図である。
レーザを示す図である。
【図２】図１に示す半導体パルセーションレーザの活性
層近傍のバンドダイアグラム図である。
層近傍のバンドダイアグラム図である。
【図３】第１の凖位における電子の波動関数を示す図で
ある。
ある。
【図４】第２の凖位における電子の波動関数を示す図で
ある。
ある。
【図５】ｔ＝０のときの２重量子井戸構造中の電子の波
動関数の空間分布を示す図である。
動関数の空間分布を示す図である。
【図６】ｔ＝π／（ω2 −ω1 ）のときの２重量子井戸
構造中の電子の波動関数の空間分布を示す図である。
構造中の電子の波動関数の空間分布を示す図である。
【図７】量子井戸が薄膜状の２重量子井戸（量子井戸
層）構造と該構造における電子の状態密度を示す図であ
る。
層）構造と該構造における電子の状態密度を示す図であ
る。
【図８】量子井戸が細線状の２重量子井戸（量子井戸細
線）構造と該構造における電子の状態密度を示す図であ
る。
線）構造と該構造における電子の状態密度を示す図であ
る。
【図９】量子井戸が箱状の２重量子井戸（量子井戸箱）
構造と該構造における電子の状態密度を示す図である。
構造と該構造における電子の状態密度を示す図である。
【図１０】従来の半導体パルセーションレーザを示す斜
視図である。
視図である。
【図１１】従来の半導体パルセーションレーザの動作を
説明するための図である。
説明するための図である。
１ 半導体レーザ基板 ２ 下クラッド層 ３ 活性層 ４ 上クラッド層 ５ 電流ブロック層 ６ａ，６ｂ 電極 ７ａ，７ｂ 光閉じ込め層 ８ａ 第１の井戸層 ８ｂ 第２の井戸層 ９ 障壁層 １１ 電子の第１の準位 １２ 電子の第２の準位 ２１ 正孔の第１の準位 ２２ 正孔の第２の準位
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年９月２２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】次に従来の半導体パルセーションレーザの
動作について説明する。図１１に示すように、電極１０
６ａから注入された電流は、電流ブロック層１０５で狭
窄された後、電流ブロック層１０５と活性層１０３との
間の上クラッド層１０４中で若干広がり、活性層１０３
に注入される。これにより活性層１０３のうち、電流が
流れており真上に電流ブロック層１０５の存在しない領
域が発光し、レーザ発振する。
動作について説明する。図１１に示すように、電極１０
６ａから注入された電流は、電流ブロック層１０５で狭
窄された後、電流ブロック層１０５と活性層１０３との
間の上クラッド層１０４中で若干広がり、活性層１０３
に注入される。これにより活性層１０３のうち、電流が
流れており真上に電流ブロック層１０５の存在しない領
域が発光し、レーザ発振する。
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板上に配置された活性層を備え
た半導体パルセーションレーザにおいて、 上記活性層は、近接して配置された２つの量子井戸を含
む２重量子井戸構造を有するものであって、 上記２つの量子井戸の各々が、これらが充分離れて独立
しているときに井戸内に形成される離散化したエネルギ
凖位間のエネルギ差が波長換算して１０ｎｍ以上離れて
いるものであり、 かつ、これらが上記近接して配置された状態において、
上記離散化したエネルギ準位が分離して形成された２つ
のエネルギ準位間のエネルギ差が、上記２重量子井戸構
造におけるキャリアの波動関数に基づいて得られる、上
記２つの量子井戸の何れか一方に電子及び正孔の両方が
同時に存在するタイミングの発生周波数が１００ＭＨｚ
から１０ＧＨｚの間の値となるエネルギ差であることを
特徴とする半導体パルセーションレーザ。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体パルセーションレ
ーザにおいて、上記活性層は、２重量子井戸層構造であ
ることを特徴とする半導体パルセーションレーザ。 - 【請求項３】 請求項１記載の半導体パルセーションレ
ーザにおいて、上記活性層は、２重量子井戸細線構造で
あることを特徴とする半導体パルセーションレーザ。 - 【請求項４】 請求項１記載の半導体パルセーションレ
ーザにおいて、上記活性層は、２重量子井戸箱構造であ
ることを特徴とする半導体パルセーションレーザ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5153110A JPH0715082A (ja) | 1993-06-24 | 1993-06-24 | 半導体パルセーションレーザ |
| US08/264,333 US5404371A (en) | 1993-06-24 | 1994-06-23 | Semiconductor pulsation laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5153110A JPH0715082A (ja) | 1993-06-24 | 1993-06-24 | 半導体パルセーションレーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0715082A true JPH0715082A (ja) | 1995-01-17 |
Family
ID=15555196
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5153110A Pending JPH0715082A (ja) | 1993-06-24 | 1993-06-24 | 半導体パルセーションレーザ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5404371A (ja) |
| JP (1) | JPH0715082A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09148668A (ja) * | 1995-11-24 | 1997-06-06 | Mitsubishi Electric Corp | パルセーションレーザとその製造方法 |
| US5835521A (en) * | 1997-02-10 | 1998-11-10 | Motorola, Inc. | Long wavelength light emitting vertical cavity surface emitting laser and method of fabrication |
| FR2820517B1 (fr) * | 2001-02-02 | 2003-05-16 | Cit Alcatel | Absorbant optique saturable et application a la regeneration d'un signal multiplexe en longueur d'onde |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0231487A (ja) * | 1988-07-20 | 1990-02-01 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置とその製造方法 |
| US4961197A (en) * | 1988-09-07 | 1990-10-02 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor laser device |
| US5111469A (en) * | 1989-08-15 | 1992-05-05 | Sony Corporation | Semiconductor laser |
-
1993
- 1993-06-24 JP JP5153110A patent/JPH0715082A/ja active Pending
-
1994
- 1994-06-23 US US08/264,333 patent/US5404371A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5404371A (en) | 1995-04-04 |
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