JPH0888440A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- JPH0888440A JPH0888440A JP22213594A JP22213594A JPH0888440A JP H0888440 A JPH0888440 A JP H0888440A JP 22213594 A JP22213594 A JP 22213594A JP 22213594 A JP22213594 A JP 22213594A JP H0888440 A JPH0888440 A JP H0888440A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 量子井戸中に形成される量子準位間の遷移を
用いてレーザ発振を実現することによって、通信波長帯
でのレーザ発振が可能な半導体レーザ装置を提供するこ
とを目的とする。 【構成】 半導体レーザ装置は、第１バリア層のエネル
ギーが量子井戸層内の第１量子準位のエネルギーより下
に位置し、第２バリア層のエネルギーが第１量子準位の
エネルギーと第２量子準位のエネルギーとの間に位置
し、第３バリア層のエネルギーが第２量子準位のエネル
ギーより上に位置し、第４バリア層のエネルギーが第２
量子準位のエネルギーより上に位置し、さらに第５バリ
ア層のエネルギーが第１量子準位のエネルギーより下に
位置することを特徴とする。
用いてレーザ発振を実現することによって、通信波長帯
でのレーザ発振が可能な半導体レーザ装置を提供するこ
とを目的とする。 【構成】 半導体レーザ装置は、第１バリア層のエネル
ギーが量子井戸層内の第１量子準位のエネルギーより下
に位置し、第２バリア層のエネルギーが第１量子準位の
エネルギーと第２量子準位のエネルギーとの間に位置
し、第３バリア層のエネルギーが第２量子準位のエネル
ギーより上に位置し、第４バリア層のエネルギーが第２
量子準位のエネルギーより上に位置し、さらに第５バリ
ア層のエネルギーが第１量子準位のエネルギーより下に
位置することを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信などに用いられ
る半導体レーザ装置に関する。
る半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信などに用いられる従来の半導体レ
ーザは、ＰＮ接合を用いてキャリアを注入し反転分布を
作り、注入された電子と正孔が伝導帯一価電子帯間遷移
によって再結合する現象を利用して、レーザ発振を実現
している。このようなレーザは、超小型化および電流駆
動可能であり、また消費パワーが小さいなどの特徴を有
する。したがって、光通信などの広い産業分野で使われ
ており、特に光通信に重要な１．５ミクロン帯ではＩｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系を用いたＰＮ接合型半導体レーザ
が用いられている。
ーザは、ＰＮ接合を用いてキャリアを注入し反転分布を
作り、注入された電子と正孔が伝導帯一価電子帯間遷移
によって再結合する現象を利用して、レーザ発振を実現
している。このようなレーザは、超小型化および電流駆
動可能であり、また消費パワーが小さいなどの特徴を有
する。したがって、光通信などの広い産業分野で使われ
ており、特に光通信に重要な１．５ミクロン帯ではＩｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系を用いたＰＮ接合型半導体レーザ
が用いられている。
【０００３】また、最近ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを
用いた材料系において量子井戸の量子準位（以下、サブ
バンドともいう）間遷移を用いたレーザ発振がフェイス
トら（Ｊ．Ｆａｉｓｔ ｅｔ ａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅ
ｖｏｌ．２６４，ｐｐ．５５３，１９９４）により報告
されている。
用いた材料系において量子井戸の量子準位（以下、サブ
バンドともいう）間遷移を用いたレーザ発振がフェイス
トら（Ｊ．Ｆａｉｓｔ ｅｔ ａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅ
ｖｏｌ．２６４，ｐｐ．５５３，１９９４）により報告
されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記フェイス
トらのレーザ装置は、発振波長が４．２ミクロンと長
く、構造および材料上の限界から通信波長帯で発振させ
ることは不可能であった。図１２に同装置の模式図を示
す。同構造では発振は第１量子井戸の第１サブバンドと
第２量子井戸の第１サブバンドの間で起こる。従って、
短波長化しようとすると第１量子井戸の井戸厚を非常に
薄くしなければならない。現実的には単原子層程度の井
戸厚揺らぎがあるため、井戸厚が薄くなるとこの単原子
層揺らぎが利得スペクトルのブロードニングを引き起こ
し発振を不可能にする。
トらのレーザ装置は、発振波長が４．２ミクロンと長
く、構造および材料上の限界から通信波長帯で発振させ
ることは不可能であった。図１２に同装置の模式図を示
す。同構造では発振は第１量子井戸の第１サブバンドと
第２量子井戸の第１サブバンドの間で起こる。従って、
短波長化しようとすると第１量子井戸の井戸厚を非常に
薄くしなければならない。現実的には単原子層程度の井
戸厚揺らぎがあるため、井戸厚が薄くなるとこの単原子
層揺らぎが利得スペクトルのブロードニングを引き起こ
し発振を不可能にする。
【０００５】すなわち、従来の伝導帯一価電子帯間遷移
型のレーザでは、本質的に以下のような限界（問題点）
を持つ。
型のレーザでは、本質的に以下のような限界（問題点）
を持つ。
【０００６】１）発振させようとする波長において電流
非注入状態で有限の光吸収があるため、この光吸収を打
ち消すだけのキャリアを注入しなければ発振しない。従
って、最低閾値電流密度は内在的な吸収を打ち消すため
の最低キャリア密度によって加減値を持つ。それは通信
用波長帯では通常の材料系では１００Ａ／ｃｍ2 以上と
言われ、歪み量子井戸等を用いた場合でも５０〜１００
Ａ／ｃｍ2 と言われている。
非注入状態で有限の光吸収があるため、この光吸収を打
ち消すだけのキャリアを注入しなければ発振しない。従
って、最低閾値電流密度は内在的な吸収を打ち消すため
の最低キャリア密度によって加減値を持つ。それは通信
用波長帯では通常の材料系では１００Ａ／ｃｍ2 以上と
言われ、歪み量子井戸等を用いた場合でも５０〜１００
Ａ／ｃｍ2 と言われている。
【０００７】２）低閾値電流動作をねらうためには、こ
の系を透明するために必要なキャリア密度を下げるため
に活性層体積を減らさなければならない。従って低閾値
をねらった場合光閉じ込め係数が小さくなり、必然的に
光出力が小さくなる。
の系を透明するために必要なキャリア密度を下げるため
に活性層体積を減らさなければならない。従って低閾値
をねらった場合光閉じ込め係数が小さくなり、必然的に
光出力が小さくなる。
【０００８】３）半導体のバンドギャップが発振波長を
決めることになるが、半導体のバンドギャップは大きな
温度依存性を持つため、発振波長が温度依存性を持つ。
従って、通信用に使用する際には温度制御装置などを用
いてレーザの温度を一定に保たなければならない。
決めることになるが、半導体のバンドギャップは大きな
温度依存性を持つため、発振波長が温度依存性を持つ。
従って、通信用に使用する際には温度制御装置などを用
いてレーザの温度を一定に保たなければならない。
【０００９】４）キャリアの熱分布によって利得が決ま
るため、温度上昇とともに発振閾値が増大する。従って
３）と同じ理由で温度制御装置が必要になる。
るため、温度上昇とともに発振閾値が増大する。従って
３）と同じ理由で温度制御装置が必要になる。
【００１０】５）エネルギー的に幅を持った二つのバン
ドに分布したキャリアによる発光であり、その分布が非
対称になるために、他のレーザ（ガスレーザなど）に比
べて発振線幅が増大する。
ドに分布したキャリアによる発光であり、その分布が非
対称になるために、他のレーザ（ガスレーザなど）に比
べて発振線幅が増大する。
【００１１】サブバンド間遷移を用いてレーザ発振を実
現すれば、上記の伝導帯一価電子帯間遷移を用いたレー
ザ特有の要因には限界されなくなるが、既に報告されて
いるサブバンド間遷移レーザでは通信波長帯のレーザ発
振を実現することは不可能であった。
現すれば、上記の伝導帯一価電子帯間遷移を用いたレー
ザ特有の要因には限界されなくなるが、既に報告されて
いるサブバンド間遷移レーザでは通信波長帯のレーザ発
振を実現することは不可能であった。
【００１２】従って、本発明の目的は、上記問題点を解
決し、サブバンド間遷移を用いた通信波長帯のレーザ発
振が可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。
決し、サブバンド間遷移を用いた通信波長帯のレーザ発
振が可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】以上説明したように、本
発明にもとづく半導体レーザ装置は、量子井戸構造の第
２量子準位と第１量子準位との間のサブバンド間遷移を
用いて発振する半導体レーザ装置において、上記量子井
戸構造は、第１バリア層、第２バリア層、および第３バ
リア層からなるバリア層構造と第４バリア層および第５
バリア層からなるバリア層構造とで挟まれた井戸層を持
つもので、上記第１バリア層のエネルギーが上記量子井
戸層内の上記第１量子準位のエネルギーより下に位置
し、上記第２バリア層のエネルギーが上記第１量子準位
のエネルギーと上記第２量子準位のエネルギーとの間に
位置し、上記第３バリア層のエネルギーが上記第２量子
準位のエネルギーより上に位置し、上記第４バリア層の
エネルギーが上記第２量子準位のエネルギーより上に位
置し、さらに上記第５バリア層のエネルギーが上記第１
量子準位のエネルギーより下に位置することを特徴とす
る。
発明にもとづく半導体レーザ装置は、量子井戸構造の第
２量子準位と第１量子準位との間のサブバンド間遷移を
用いて発振する半導体レーザ装置において、上記量子井
戸構造は、第１バリア層、第２バリア層、および第３バ
リア層からなるバリア層構造と第４バリア層および第５
バリア層からなるバリア層構造とで挟まれた井戸層を持
つもので、上記第１バリア層のエネルギーが上記量子井
戸層内の上記第１量子準位のエネルギーより下に位置
し、上記第２バリア層のエネルギーが上記第１量子準位
のエネルギーと上記第２量子準位のエネルギーとの間に
位置し、上記第３バリア層のエネルギーが上記第２量子
準位のエネルギーより上に位置し、上記第４バリア層の
エネルギーが上記第２量子準位のエネルギーより上に位
置し、さらに上記第５バリア層のエネルギーが上記第１
量子準位のエネルギーより下に位置することを特徴とす
る。
【００１４】好ましくは、上記量子井戸構造は、さらに
第２の量子井戸層が設けられた２重結合量子井戸構造を
なすもので、上記量子井戸層内の第１の量子準位と上記
第２の量子井戸層内の第１の量子準位とが一致し、また
上記量子井戸層の第２量子準位と上記第２の量子井戸層
の第２量子準位とは一致していないか、または上記第２
の量子井戸層の第２量子準位が存在しない。
第２の量子井戸層が設けられた２重結合量子井戸構造を
なすもので、上記量子井戸層内の第１の量子準位と上記
第２の量子井戸層内の第１の量子準位とが一致し、また
上記量子井戸層の第２量子準位と上記第２の量子井戸層
の第２量子準位とは一致していないか、または上記第２
の量子井戸層の第２量子準位が存在しない。
【００１５】好ましくは、上記半導体レーザ装置におい
て、上記量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ
量子井戸構造からなり、該量子井戸構造の伝導帯の量子
準位間の遷移を用いて、通信用波長帯（１．５５ミクロ
ン）でレーザ発振する。あるいは、好ましくは、上記量
子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ／ＩｎＡｌ
ＧａＡｓ量子井戸構造からなり、該量子井戸構造の伝導
帯の量子準位間の遷移を用いて、通信用波長帯（１．５
５ミクロン）でレーザ発振する。
て、上記量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ
量子井戸構造からなり、該量子井戸構造の伝導帯の量子
準位間の遷移を用いて、通信用波長帯（１．５５ミクロ
ン）でレーザ発振する。あるいは、好ましくは、上記量
子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ／ＩｎＡｌ
ＧａＡｓ量子井戸構造からなり、該量子井戸構造の伝導
帯の量子準位間の遷移を用いて、通信用波長帯（１．５
５ミクロン）でレーザ発振する。
【００１６】
【作用】本発明では、量子井戸中に形成される量子準位
（以下サブバンドと呼ぶ）間の遷移を用いてレーザ発振
を実現する。そのため、好ましくはＩｎＧａＡｓ／Ａｌ
ＡｓＳｂ量子井戸構造を用いる。ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓなどの通常の半導体レ
ーザに用いられている材料系では、伝導帯不連続の大き
さが十分でないため、サブバンド間遷移の発光波長は、
４ミクロン以上になり通信用の光源としては使えない。
一方、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系では伝導帯不連続
が非常に大きいため（１．７５ｅＶ）、サブバンド間遷
移で１．５５ミクロンの通信用波長帯を実現することが
可能である。以下、図面を参照しながら本発明の半導体
レーザ装置の作用について説明する。
（以下サブバンドと呼ぶ）間の遷移を用いてレーザ発振
を実現する。そのため、好ましくはＩｎＧａＡｓ／Ａｌ
ＡｓＳｂ量子井戸構造を用いる。ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓなどの通常の半導体レ
ーザに用いられている材料系では、伝導帯不連続の大き
さが十分でないため、サブバンド間遷移の発光波長は、
４ミクロン以上になり通信用の光源としては使えない。
一方、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系では伝導帯不連続
が非常に大きいため（１．７５ｅＶ）、サブバンド間遷
移で１．５５ミクロンの通信用波長帯を実現することが
可能である。以下、図面を参照しながら本発明の半導体
レーザ装置の作用について説明する。
【００１７】図１０は、サブバンド間遷移を説明するた
めのポテンシャルの模式図である。また、図１１はｎ＝
２のサブバンドに反転分布が形成されている状態のエネ
ルギーバンド図である。図１０に示すように、ｎ＝２の
バンドに電子を注入し、図１１のような反転分布を作
り、誘電放出を起こさせる。適当な光共振器を組むこと
によりレーザ発振が実現できる。この材料系ではｎ＝２
からｎ＝１への発振波長は、１．５ミクロン帯になる。
このレーザは以下のような特徴を持つ。
めのポテンシャルの模式図である。また、図１１はｎ＝
２のサブバンドに反転分布が形成されている状態のエネ
ルギーバンド図である。図１０に示すように、ｎ＝２の
バンドに電子を注入し、図１１のような反転分布を作
り、誘電放出を起こさせる。適当な光共振器を組むこと
によりレーザ発振が実現できる。この材料系ではｎ＝２
からｎ＝１への発振波長は、１．５ミクロン帯になる。
このレーザは以下のような特徴を持つ。
【００１８】１）サブバンド上の全ての電子が同じ波長
で発光するため（ｎ＝２のサブバンドとｎ＝１のサブバ
ンドが図２のように平行であるため、結合状態密度がデ
ルタ関数的になると言っても良い）利得は非常に大きく
なる。またこのサブバンド間遷移はＷｅｓｔ等の報告に
なるように大きな振動子強度を持つため、その分でもさ
らに利得が大きくなる。
で発光するため（ｎ＝２のサブバンドとｎ＝１のサブバ
ンドが図２のように平行であるため、結合状態密度がデ
ルタ関数的になると言っても良い）利得は非常に大きく
なる。またこのサブバンド間遷移はＷｅｓｔ等の報告に
なるように大きな振動子強度を持つため、その分でもさ
らに利得が大きくなる。
【００１９】２）このレーザでは、無電流状態では吸収
がなく、ｎ＝２のバンドに電子がたまりさえすれば利得
を生じるので、上記問題点（１）で述べた限界に制限さ
れなくなる。
がなく、ｎ＝２のバンドに電子がたまりさえすれば利得
を生じるので、上記問題点（１）で述べた限界に制限さ
れなくなる。
【００２０】３）同じ理由で、低閾値電流を狙うために
活性層体積を小さくする必要がない。しかも、この場合
一つの電子が複数の光子を出すことができるため、井戸
を多重に連結すると閾値電流で比較した場合は非常に有
利になる。従って上記問題点（２）で述べた従来レーザ
の限界とは違って、低閾値電流でかつ高光出力のレーザ
が構成可能である。
活性層体積を小さくする必要がない。しかも、この場合
一つの電子が複数の光子を出すことができるため、井戸
を多重に連結すると閾値電流で比較した場合は非常に有
利になる。従って上記問題点（２）で述べた従来レーザ
の限界とは違って、低閾値電流でかつ高光出力のレーザ
が構成可能である。
【００２１】４）発振波長はｎ＝２とｎ＝１のサブバン
ドエネルギー（Ｅ２とＥ１）で決まる。バンドギャップ
が例えばΔＥだけ温度変化してもＥ２とＥ１は同じだけ
シフトするため、発振波の温度依存性はきわめて小さく
なる。従って上記問題点（３）に述べた温度制御装置は
不要となる。
ドエネルギー（Ｅ２とＥ１）で決まる。バンドギャップ
が例えばΔＥだけ温度変化してもＥ２とＥ１は同じだけ
シフトするため、発振波の温度依存性はきわめて小さく
なる。従って上記問題点（３）に述べた温度制御装置は
不要となる。
【００２２】５）キャリアがサブバンド上で熱分布して
も遷移エネルギーは変わらないため、発振閾値の温度依
存性が低い。
も遷移エネルギーは変わらないため、発振閾値の温度依
存性が低い。
【００２３】６）結合状態密度はデルタ関数的であるた
め、通常の半導体レーザの線幅増大係数は利得ピークで
ゼロになるため、発振線幅は狭くなる。
め、通常の半導体レーザの線幅増大係数は利得ピークで
ゼロになるため、発振線幅は狭くなる。
【００２４】以上の点で、本発明のレーザは従来のレー
ザの本質的な限界を上回る通信波長帯のレーザとなりう
る。
ザの本質的な限界を上回る通信波長帯のレーザとなりう
る。
【００２５】本発明では伝導帯不連続の大きいＩｎＧａ
Ａｓ／ＡｌＡｓＳｂ系を用い、さらに同じ移動層に第２
量子準位と第１量子準位間の遷移を用いる。ＩｎＧａＡ
ｓ／ＡｌＡｓＳｂ系を用いることにより１．５５ミクロ
ンでの遷移が可能になり、また第２量子準位を用いるこ
とにより幅の広い井戸でも短い波長を得ることができる
ため、短い波長でも単原子層揺らぎの影響を小さくする
ことができ、通信波長帯における発振を可能にする。
Ａｓ／ＡｌＡｓＳｂ系を用い、さらに同じ移動層に第２
量子準位と第１量子準位間の遷移を用いる。ＩｎＧａＡ
ｓ／ＡｌＡｓＳｂ系を用いることにより１．５５ミクロ
ンでの遷移が可能になり、また第２量子準位を用いるこ
とにより幅の広い井戸でも短い波長を得ることができる
ため、短い波長でも単原子層揺らぎの影響を小さくする
ことができ、通信波長帯における発振を可能にする。
【００２６】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。
る。
【００２７】［実施例１］図１は、本発明にもとづく半
導体レーザの層構造を示す模式図である。参照符号１は
ｎ+ −Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層、２はｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ層、３はｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓクラッド
層、４は活性層、５はｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓクラッ
ド層、６はｎ−ＩｎＰ基板である。また、活性層４は、
ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７、ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ
層８、非ドーピング（ｕｎｄｏｐｅｄ−）ＡｌＡｓ0.5
Ｓｂ0.5 バリア層（２ｎｍ）９、ドープされていないＩ
ｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０，および非ド
ーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5バリア層（１．５ｎｍ）
１１からなる。この活性層は、参照符号７ないし１１の
層からなる層構造単位が１０回繰り返して配列した構造
となっている。
導体レーザの層構造を示す模式図である。参照符号１は
ｎ+ −Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層、２はｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ層、３はｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓクラッド
層、４は活性層、５はｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓクラッ
ド層、６はｎ−ＩｎＰ基板である。また、活性層４は、
ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７、ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ
層８、非ドーピング（ｕｎｄｏｐｅｄ−）ＡｌＡｓ0.5
Ｓｂ0.5 バリア層（２ｎｍ）９、ドープされていないＩ
ｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０，および非ド
ーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5バリア層（１．５ｎｍ）
１１からなる。この活性層は、参照符号７ないし１１の
層からなる層構造単位が１０回繰り返して配列した構造
となっている。
【００２８】図２は、図１に示す活性層４部分のポテン
シャルプロファイルを表すものである。ｎ＝２とｎ＝１
との間の遷移エネルギーは０．８ｅＶであり、波長に換
算すると１．５５ミクロンである。レーザ構造は、幅２
０ミクロンの通常のブロードコンタクト型である。共振
器長は１ｍｍで、両端面には高反射コーティング（９８
％）が施されており、内部損失も併せて共振器の損失は
５ｃｍ-1である。また活性層への光閉じ込め係数は２０
％である。通常のＳＣＨ型ＳＱＷ−ＬＤでは光閉じ込め
係数は０．５〜０．７％である。本半導体レーザ構造に
おいて、光閉じ込め係数の値が大きいのは、このレーザ
が多重に連結可能である性質に由来する。
シャルプロファイルを表すものである。ｎ＝２とｎ＝１
との間の遷移エネルギーは０．８ｅＶであり、波長に換
算すると１．５５ミクロンである。レーザ構造は、幅２
０ミクロンの通常のブロードコンタクト型である。共振
器長は１ｍｍで、両端面には高反射コーティング（９８
％）が施されており、内部損失も併せて共振器の損失は
５ｃｍ-1である。また活性層への光閉じ込め係数は２０
％である。通常のＳＣＨ型ＳＱＷ−ＬＤでは光閉じ込め
係数は０．５〜０．７％である。本半導体レーザ構造に
おいて、光閉じ込め係数の値が大きいのは、このレーザ
が多重に連結可能である性質に由来する。
【００２９】上記半導体レーザ構造に電圧を加えると、
ポテンシャルプロファイルは図３に示すように変化す
る。すなわち、ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７およびｎ−Ｉ
ｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層８のフェルミレベルが、非ドーピ
ングＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０内のｎ
＝２のエネルギーレベルに共鳴し、電流がｎ＝２のバン
ドに共鳴トンネルにより注入される。この時、ｎ＝１の
バンドの電子の寿命は、０．２ｐｓである。なぜなら、
この寿命はＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０
からｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７へトンネルにより電子が
抜ける時間で決まるもので、ＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリ
ア層（１．５ｎｍ）１１が薄いために極めて短くなる。
一方、ｎ＝２のバンドの電子の寿命は主にｎ＝２からｎ
＝１へのＬＯフォノンによる非発光緩和過程およびｎ＝
２の準位から右側の井戸の外へトンネルにより抜けてし
まう過程の速度で決まり、この場合２ｐｓである。ｎ＝
２のバンドの寿命がｎ＝１のバンドの寿命より長いため
に、反転分布が実現する。ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７、
ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層８、非ドーピング（undope
d-）ＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層（２ｎｍ）９、非ド
ーピングＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０，
および非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層
（１．５ｎｍ）１１からなる単位構造が２０回繰り返さ
れているために、このレーザでは一つの電子が光子を２
０回出しうることになる。
ポテンシャルプロファイルは図３に示すように変化す
る。すなわち、ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７およびｎ−Ｉ
ｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層８のフェルミレベルが、非ドーピ
ングＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０内のｎ
＝２のエネルギーレベルに共鳴し、電流がｎ＝２のバン
ドに共鳴トンネルにより注入される。この時、ｎ＝１の
バンドの電子の寿命は、０．２ｐｓである。なぜなら、
この寿命はＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０
からｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７へトンネルにより電子が
抜ける時間で決まるもので、ＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリ
ア層（１．５ｎｍ）１１が薄いために極めて短くなる。
一方、ｎ＝２のバンドの電子の寿命は主にｎ＝２からｎ
＝１へのＬＯフォノンによる非発光緩和過程およびｎ＝
２の準位から右側の井戸の外へトンネルにより抜けてし
まう過程の速度で決まり、この場合２ｐｓである。ｎ＝
２のバンドの寿命がｎ＝１のバンドの寿命より長いため
に、反転分布が実現する。ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７、
ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層８、非ドーピング（undope
d-）ＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層（２ｎｍ）９、非ド
ーピングＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層（３ｎｍ）１０，
および非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層
（１．５ｎｍ）１１からなる単位構造が２０回繰り返さ
れているために、このレーザでは一つの電子が光子を２
０回出しうることになる。
【００３０】この場合計算されるサブバンド間遷移によ
る利得を図４に示す。また、この利得の値を用いて閾値
電流密度と閾値利得の関係を図５に示す。参考までに通
常のバンド間遷移を用いたＳＣＨ−ＳＱＷレーザの同じ
波長における典型的な計算値を示す。図中、Ａは従来の
例で、Ｂは本発明のものである。図からわかるように同
じ閾値利得で比べた場合、全域にわたって本発明の半導
体レーザ構造の方が低い閾値電流密度が達成できること
がわかる。特に低閾値が実現できる低閾値利得の場合に
本発明のレーザでは閾値利得に比例して閾値電流密度が
減少するのに対して、通常のレーザでは系を透明にする
のに一定なキャリアが必要なために、下限値が存在して
いるところが大きな違いである。このようにしきい値利
得を低くすれば１００Ａ／ｃｍ2 以下の極めて低いしき
い値電流密度が実現することになる。
る利得を図４に示す。また、この利得の値を用いて閾値
電流密度と閾値利得の関係を図５に示す。参考までに通
常のバンド間遷移を用いたＳＣＨ−ＳＱＷレーザの同じ
波長における典型的な計算値を示す。図中、Ａは従来の
例で、Ｂは本発明のものである。図からわかるように同
じ閾値利得で比べた場合、全域にわたって本発明の半導
体レーザ構造の方が低い閾値電流密度が達成できること
がわかる。特に低閾値が実現できる低閾値利得の場合に
本発明のレーザでは閾値利得に比例して閾値電流密度が
減少するのに対して、通常のレーザでは系を透明にする
のに一定なキャリアが必要なために、下限値が存在して
いるところが大きな違いである。このようにしきい値利
得を低くすれば１００Ａ／ｃｍ2 以下の極めて低いしき
い値電流密度が実現することになる。
【００３１】このレーザを実際に動作させた結果、電流
密度８０Ａ／ｃｍ2 （しきい値電流１６ｍＡ）で波長
１．５５ミクロンにおいて発振した。閾値直上での反転
分布キャリア密度（すなわちｎ＝２のバンドのキャリア
密度からｎ＝１のバンドのキャリア密度を差し引いたも
の）は１０9 ｃｍ-2であり、ＦＰモードのリップルから
求めた利得の大きさは２５ｃｍ-1であった。このキャリ
ア密度では通常の半導体レーザでは利得は負である（す
なわち吸収領域）。本発明のレーザで１０9 ｃｍ-2程度
という極めて低い反転分布キャリア密度で利得が得られ
ているのは、本発明がサブバンド間遷移によって利得を
生じているための効果である。
密度８０Ａ／ｃｍ2 （しきい値電流１６ｍＡ）で波長
１．５５ミクロンにおいて発振した。閾値直上での反転
分布キャリア密度（すなわちｎ＝２のバンドのキャリア
密度からｎ＝１のバンドのキャリア密度を差し引いたも
の）は１０9 ｃｍ-2であり、ＦＰモードのリップルから
求めた利得の大きさは２５ｃｍ-1であった。このキャリ
ア密度では通常の半導体レーザでは利得は負である（す
なわち吸収領域）。本発明のレーザで１０9 ｃｍ-2程度
という極めて低い反転分布キャリア密度で利得が得られ
ているのは、本発明がサブバンド間遷移によって利得を
生じているための効果である。
【００３２】片面に高反射コートを施さない素子につい
ては、しきい値電流密度が１７０Ａ／ｃｍ2 （閾値電流
３４ｍＡ）に増大するが、出力は大きく増大し、注入電
流５０ｍＡで２００ｍＷの出力が得られた。閾値電流が
低いにもかかわらず大きな出力が得られるのは、本発明
のレーザで一つの電子が複数個の光子を出すという特徴
の効果である。
ては、しきい値電流密度が１７０Ａ／ｃｍ2 （閾値電流
３４ｍＡ）に増大するが、出力は大きく増大し、注入電
流５０ｍＡで２００ｍＷの出力が得られた。閾値電流が
低いにもかかわらず大きな出力が得られるのは、本発明
のレーザで一つの電子が複数個の光子を出すという特徴
の効果である。
【００３３】また、このレーザの温度特性を調べた結
果、特性温度は１２００Ｋであった。これは、本発明が
サブバンド間遷移を用いているために、温度によってバ
ンドギャップが変化しても遷移エネルギーがほとんど変
化しない効果である。
果、特性温度は１２００Ｋであった。これは、本発明が
サブバンド間遷移を用いているために、温度によってバ
ンドギャップが変化しても遷移エネルギーがほとんど変
化しない効果である。
【００３４】［実施例２］図６は、本発明にもとづく半
導体レーザ装置の層構造の第二の実施例を示す模式図で
ある。層構造の基本的な構成は実施例１と同じであり、
参照符号１から６までは全て図１と同一である。しか
し、この実施例では活性層の中の量子井戸構造が二重結
合量子井戸になっている。すなわち、この活性層は、ｎ
−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７、ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層
８、非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層（３ｎ
ｍ）９、非ドーピングＩｎ0.53Ga0.47Ａｓ井戸層（３ｎ
ｍ）１０、非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層
（３ｎｍ）１１、非ドーピングＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ歪
井戸層（２ｎｍ）１２、および非ドーピングＡｌＡｓ
0.5 Ｓｂ0.5 バリア層（１ｎｍ）１３からなる。活性層
は７から１１までの構造を２０回繰り返している。他の
部分は実施例１と全く同じである。図７に活性層中の量
子井戸のポテンシャルを示す図である。図８は同構造の
電界がかかった状態でのポテンシャルを示す図である。
本実施例では、第２の量子井戸として歪量子井戸１２を
結合させ、その時に左側の井戸１０のｎ＝１の準位は右
側の井戸１２の準位と共鳴しているが、左側の井戸１０
のｎ＝２の準位は共鳴する準位が右側の井戸１２に存在
しない、という状態にしている。そのために、ｎ＝２の
準位の寿命が６ｐｓに長くなった。また第１の井戸１０
のｎ＝１のサブバンドの電子は第２の井戸１２のｎ＝１
の準位に共鳴しているため、高速でトンネルして第２の
井戸１２に移り、さらに第２の井戸１２の右側のバリア
１３が非常に薄いために高速に右側のＩｎＡｌＧａＡｓ
層７へ抜ける。この効果で第１の井戸１０のｎ＝１のバ
ンドの寿命は０．１ｐｓになった。
導体レーザ装置の層構造の第二の実施例を示す模式図で
ある。層構造の基本的な構成は実施例１と同じであり、
参照符号１から６までは全て図１と同一である。しか
し、この実施例では活性層の中の量子井戸構造が二重結
合量子井戸になっている。すなわち、この活性層は、ｎ
−ＩｎＡｌＧａＡｓ層７、ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層
８、非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層（３ｎ
ｍ）９、非ドーピングＩｎ0.53Ga0.47Ａｓ井戸層（３ｎ
ｍ）１０、非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層
（３ｎｍ）１１、非ドーピングＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ歪
井戸層（２ｎｍ）１２、および非ドーピングＡｌＡｓ
0.5 Ｓｂ0.5 バリア層（１ｎｍ）１３からなる。活性層
は７から１１までの構造を２０回繰り返している。他の
部分は実施例１と全く同じである。図７に活性層中の量
子井戸のポテンシャルを示す図である。図８は同構造の
電界がかかった状態でのポテンシャルを示す図である。
本実施例では、第２の量子井戸として歪量子井戸１２を
結合させ、その時に左側の井戸１０のｎ＝１の準位は右
側の井戸１２の準位と共鳴しているが、左側の井戸１０
のｎ＝２の準位は共鳴する準位が右側の井戸１２に存在
しない、という状態にしている。そのために、ｎ＝２の
準位の寿命が６ｐｓに長くなった。また第１の井戸１０
のｎ＝１のサブバンドの電子は第２の井戸１２のｎ＝１
の準位に共鳴しているため、高速でトンネルして第２の
井戸１２に移り、さらに第２の井戸１２の右側のバリア
１３が非常に薄いために高速に右側のＩｎＡｌＧａＡｓ
層７へ抜ける。この効果で第１の井戸１０のｎ＝１のバ
ンドの寿命は０．１ｐｓになった。
【００３５】この場合、発振に必要な反転分布キャリア
密度は実施例１と同じであるが、キャリアの寿命が長く
なったためにしきい値電流は大幅に減少する。上の値か
ら計算した閾値電流密度と閾値利得の関係を図９に示
す。図中、Ａは従来の例、Ｂは本発明のものである。実
際に実施例１と全く同じレーザ素子を作製して、特性を
評価したところ、閾値電流密度は２５Ａ／ｃｍ2 あっ
た。
密度は実施例１と同じであるが、キャリアの寿命が長く
なったためにしきい値電流は大幅に減少する。上の値か
ら計算した閾値電流密度と閾値利得の関係を図９に示
す。図中、Ａは従来の例、Ｂは本発明のものである。実
際に実施例１と全く同じレーザ素子を作製して、特性を
評価したところ、閾値電流密度は２５Ａ／ｃｍ2 あっ
た。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
半導体レーザ装置は、量子井戸中に形成される量子準位
間の遷移を用いてレーザ発振を実現するものなので、通
信波長帯でのレーザ発振が可能となる。
半導体レーザ装置は、量子井戸中に形成される量子準位
間の遷移を用いてレーザ発振を実現するものなので、通
信波長帯でのレーザ発振が可能となる。
【図１】本発明にもとづく半導体レーザ装置の活性層構
造を説明するための模式図である（実施例１）。
造を説明するための模式図である（実施例１）。
【図２】図１に示した半導体レーザ装置の活性層中の量
子井戸構造のポテンシャルを示す図である。
子井戸構造のポテンシャルを示す図である。
【図３】図２に示した量子井戸構造に電界がかかった状
態のポテンシャルを示す図である。
態のポテンシャルを示す図である。
【図４】本発明にもとづく半導体レーザ構造における利
得とキャリア密度の関係を示す図である。
得とキャリア密度の関係を示す図である。
【図５】実施例１における閾値電流密度と閾値利得の関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図６】本発明にもとづく半導体レーザ装置の活性層構
造を説明するための模式図である（実施例２）。
造を説明するための模式図である（実施例２）。
【図７】図６に示した半導体レーザ装置の活性層中の量
子井戸構造のポテンシャルを示す図である。
子井戸構造のポテンシャルを示す図である。
【図８】図７に示した量子井戸構造に電界がかかった状
態のポテンシャルを示す図である。
態のポテンシャルを示す図である。
【図９】実施例２における閾値電流密度と閾値利得の関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図１０】本発明にもとづく半導体レーザ装置における
サブバンド間遷移を説明するためのポテンシャルの模式
図である。
サブバンド間遷移を説明するためのポテンシャルの模式
図である。
【図１１】ｎ＝２のサブバンドに反転分布が形成されて
いる状態のエネルギーバンド図である。
いる状態のエネルギーバンド図である。
【図１２】従来の半導体レーザ構造におけるサブバンド
間遷移を説明するための模式図である。
間遷移を説明するための模式図である。
１ ｎ+ −Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層 ２ ｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層 ３ ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓクラッド層 ４ 活性層 ５ ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓクラッド層 ６ ｎ−ＩｎＰ基板 ７ ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ層 ８ ｎ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層 ９ 非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層 １０ 非ドーピングＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ井戸層 １１ 非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層 １２ 非ドーピングＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ歪井戸層 １３ 非ドーピングＡｌＡｓ0.5 Ｓｂ0.5 バリア層
Claims (4)
- 【請求項１】 量子井戸構造の第２量子準位と第１量子
準位との間の量子準位間遷移を用いて発振する半導体レ
ーザ装置において、 前記量子井戸構造は、第１バリア層、第２バリア層、お
よび第３バリア層からなるバリア層構造と第４バリア層
および第５バリア層からなるバリア層構造とで挟まれた
井戸層を持つもので、前記第１バリア層のエネルギーが
前記量子井戸層内の前記第１量子準位のエネルギーより
下に位置し、前記第２バリア層のエネルギーが前記第１
量子準位のエネルギーと前記第２量子準位のエネルギー
との間に位置し、前記第３バリア層のエネルギーが前記
第２量子準位のエネルギーより上に位置し、前記第４バ
リア層のエネルギーが前記第２量子準位のエネルギーよ
り上に位置し、さらに前記第５バリア層のエネルギーが
前記第１量子準位のエネルギーより下に位置することを
特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体レーザ装置におい
て、 前記量子井戸構造は、さらに第２の量子井戸層が設けら
れた２重結合量子井戸構造をなすもので、 前記量子井戸層内の第１の量子準位と前記第２の量子井
戸層内の第１の量子準位とが一致し、また前記量子井戸
層の第２量子準位と前記第２の量子井戸層の第２量子準
位とは一致していないか、または前記第２の量子井戸層
の第２量子準位が存在しないことを特徴とする半導体レ
ーザ装置。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体レーザ装
置において、 前記量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子
井戸構造からなり、該量子井戸構造の伝導帯の量子準位
間の遷移を用いて、通信用波長帯（１．５５ミクロン）
でレーザ発振することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項４】 請求項１または２記載の半導体レーザ装
置において、 前記量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ／Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ量子井戸構造からなり、該量子井戸構造
の伝導帯の量子準位間の遷移を用いて、通信用波長帯
（１．５５ミクロン）でレーザ発振することを特徴とす
る半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22213594A JPH0888440A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22213594A JPH0888440A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 半導体レーザ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0888440A true JPH0888440A (ja) | 1996-04-02 |
Family
ID=16777726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22213594A Pending JPH0888440A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0888440A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1154833A (ja) * | 1997-08-06 | 1999-02-26 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体レーザ装置 |
| WO2000059085A1 (fr) * | 1999-03-25 | 2000-10-05 | Alpes Lasers S.A. | Laser semi-conducteur infrarouge |
| JP2001144382A (ja) * | 1999-09-03 | 2001-05-25 | Univ Tohoku | サブバンド間発光素子 |
| KR100818632B1 (ko) * | 2005-07-26 | 2008-04-02 | 한국전자통신연구원 | 부밴드 천이 반도체 레이저 |
-
1994
- 1994-09-16 JP JP22213594A patent/JPH0888440A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1154833A (ja) * | 1997-08-06 | 1999-02-26 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体レーザ装置 |
| WO2000059085A1 (fr) * | 1999-03-25 | 2000-10-05 | Alpes Lasers S.A. | Laser semi-conducteur infrarouge |
| JP2001144382A (ja) * | 1999-09-03 | 2001-05-25 | Univ Tohoku | サブバンド間発光素子 |
| KR100818632B1 (ko) * | 2005-07-26 | 2008-04-02 | 한국전자통신연구원 | 부밴드 천이 반도체 레이저 |
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