JPH0983074A

JPH0983074A - 磁場を用いた発光方法、および、外部磁場を用いた波長可変発光装置

Info

Publication number: JPH0983074A
Application number: JP7235694A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamada; 篤志山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】広い波長幅で波長を変化させることのできる発
光方法およびこの方法を用いた発光装置を提供する。【課題解決手段】量子井戸構造を有する１０１素子に、
磁場発生手段１０２から磁場をかける。そして、磁場に
よる量子井戸構造の電子および正孔のランダウ準位間で
の再結合により発光させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ等の
発光装置に関する。特に、発光波長を変化させることの
できる発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長可変の半導体レーザは、多電極の分
布帰還型レーザにおいて実現されている。例えば、N.Ch
en et al,SSDM'93,PD-1-9,Aug.1993に記載されている素
子は、上面に３つの電極を持ち、素子内には、変調した
グレーティングが設けられている。このような構成の素
子において、各電極間にかける電圧の比を変化させるこ
とにより、キャビティ内の光子密度分布を変化させる。
これにより、光子密度分布が大きくなっているところで
のグレーティングのピッチに対応した波長の光が得られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の技術では、波長を変化させるために、電子正孔
間の遷移エネルギーを直接変化させているわけではな
い。そのため、発光波長の可変幅は、３電極間の電圧の
比を変化させていない時の波長を中心とした小さい波長
幅に限られる。そのため、波長を大きく変化させること
は現在のところできていない。

【０００４】本発明は、波長を大きく変化させることの
できる発光方法およびこの方法を用いた発光装置を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、量子井戸構造を有する素子を磁場
中に配置し、前記磁場による前記量子井戸構造の電子お
よび正孔のランダウ準位間での再結合により、発光させ
ることを特徴とする磁場を用いた発光方法が提供され
る。

【０００６】また、上記目的を達成するために、本発明
によれば、量子井戸構造を有する半導体レーザと、前記
半導体レーザに磁場を加えるための磁場発生装置とを有
することを特徴とする発光装置が提供される。

【０００７】

【本発明の実施の形態】本発明の一実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。

【０００８】本実施の形態の発光装置の構成について、
図１、図２を用いて説明する。

【０００９】本実施の形態の発光装置は、半導体レーザ
素子１０１の上部と下部とに、それぞれ、電流を流した
コイルによって磁場を発生する磁場発生装置１０２を配
置した構成である。磁場発生装置１０２には、発生する
磁場の大きさを調節するための制御装置が接続されてい
る。２つの磁場発生装置１０２は、発生する磁場の向き
が同じになるように配置する。

【００１０】半導体レーザ素子１０１は、ｎ−ＧａＡｓ
基板１の上に、順に、ｎ−ＧａＡｓ層２、Ａｌ_xＧａ_1ーx
Ａｓ（ｘ＝０．３０）下部クラッド層３、活性層４、Ａ
ｌ_xＧａ_1ーxＡｓ（ｘ＝０．３０）上部クラッド層５、ｐ
−ＧａＡｓ層６と、ＳｉＯ₂層７とを順に積層した構成
である。下部クラッド層３と上部クラッド層５とは、不
純物をドープされていない。

【００１１】活性層４は、不純物をドープしていない複
数のＡｌ_xＧａ_1ーxＡｓ層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ
と、不純物をドープしていない複数のＧａＡｓ層４ｆと
を、図６のように積層した構成の多重量子井戸構成であ
る。

【００１２】また、基板１の裏面には、ＡｕＧｅ電極８
を配置する。また、ＳｉＯ₂層７に貫通孔を設け、この
貫通孔からｐ−ＧａＡｓ層６に接するように、ＡｕＺｎ
電極９を配置する。電極９、１０を図示しない電源に接
続し、接続部以外をポリイミド層１０、１１によって覆
う。

【００１３】また、レーザ素子１０１の端面は、ミラー
状にし、共振器を構成する。

【００１４】電極９、１０を、図示していない電源に接
続し、ＳｉＯ2層７の貫通孔下部の各層に集中するよう
に電流を注入する。これによって、活性層４において電
子と正孔の発光再結合が生じる。光は、上部下部クラッ
ド層５、３に挟まれた活性層４を伝搬して、端面で反射
される。これによりレーザ素子１０１はレーザ発振し、
端面からレーザ光を出射する。

【００１５】このとき、活性層４から生じた光のエバネ
ッセント場が十分小さくなるところに、ｐ−ＧａＡｓ層
６、ｎ−ＧａＡｓ層２が配置されるように、上部クラッ
ド層５、下部クラッド層３を厚くしておくことにより、
ｐ−ＧａＡｓ層６およびｎ−ＧａＡｓ層２中のキャリア
によって、光が吸収され、減衰するのを防ぐことができ
る。

【００１６】このとき、磁場発生装置１０２から磁場を
加えない場合の活性層４における電子のポテンシャル構
造と、エネルギー固有値（基底準位）、および、波動関
数をシュレディンガー方程式から求めた。その結果を図
３に示す。図３に図示した磁場を加えない場合の電子の
基底準位と、図示しない正孔の基底準位との間の電子と
正孔の発光再結合による発振波長は、８３８．８ｎｍで
ある。

【００１７】また、磁場発生装置１０２から１０Ｔの磁
束密度が加えた場合の活性層４における電子の実効ポテ
ンシャルと、その実効ポテンシャル下でのエネルギー固
有値（基底準位）と、実効ポテンシャル下での波動関数
とを、シュレディンガー方程式から求めた。この結果を
図４に示す。求め方については、詳しく後述する。

【００１８】磁場が加わった場合の電子および正孔のエ
ネルギー固有値すなわちエネルギー準位をランダウ準位
と呼ぶ。

【００１９】図４に示した１０Ｔの磁束密度を加えた場
合の電子の基底準位と、図示しない正孔の基底準位との
間の発光再結合による発振波長は、８３３．２ｎｍであ
る。

【００２０】さらに、磁場発生装置１０２から加える磁
束密度を変化させた場合の発振波長の変化を計算により
求めた。その結果を図５に示す。図５からわかるよう
に、磁束密度が大きくなるのに比例して、発振波長は小
さくなる。例えば、磁束密度を３０Ｔにした場合には、
磁束密度０の場合よりも、発振波長が、約１６ｎｍ小さ
くなっていることがわかる。

【００２１】このように、本発明は、半導体レーザ素子
１０１に、磁場発生装置１０２から磁場を加えることに
より、加える磁場の大きさによって発振波長の変化する
波長可変の発光装置を得ることができる。この発光装置
は、磁場が加わることによって、電子と正孔のエネルギ
ー準位の絶対値が大きくなることにより、電子正孔間の
遷移エネルギーが大きくなることを利用したものであ
る。この磁場によるエネルギー準位の変化は、磁場の大
きさに比例するため、本実施の形態の発光装置は、波長
可変の幅が大きい。

【００２２】また、上述の半導体レーザ１０１では、活
性層に多重量子井戸構造を用いているため、単一量子井
戸構造を用いた場合と比較し、キャリア分布が平坦にな
り、発振が容易である。また、発振波長が、短波長化す
るという特徴がある。ただし、本実施例は、多重量子井
戸層に限定されるものではなく、活性層を単一井戸構造
にすることも可能である。

【００２３】また、上述の説明では、基底準位での発光
再結合について説明したが、基底準位に限らず、励起準
位での発光再結合も生じる。この場合の発光波長は、基
底準位の波長よりも短波長になる。

【００２４】また、本実施例では、ポリイミド層１０、
１１によって素子を覆っているが、ポリイミド層１０、
１１を取り除いた構成にすることも可能である。

【００２５】最後に、シュレディンガー方程式により、
磁場が加えられた半導体レーザの活性層の電子および正
孔の波動関数およびエネルギー固有値を計算によって求
める方法について説明する。

【００２６】磁場中の自由電子のハミルトニアンは、

【００２７】

【数１】

【００２８】と表される。ｍは、電子や正孔の質量、ｃ
は、電子や正孔の速度、ｈは、プランク定数である。

【００２９】

【数２】

【００３０】（数２）を（数１）に代入すると、

【００３１】

【数３】

【００３２】となる。自由電子においては、ｍは、空間
座標に依存しないので、波動関数Ψを、

【００３３】

【数４】

【００３４】とすることにより、変数分離され、シュレ
ディンガー方程式は、以下のような方程式になる。

【００３５】

【数５】

【００３６】（数５）は、調和振動子型のハミルトニア
ンで、固有値は、

【００３７】

【数６】

【００３８】と表せ、波動関数は、

【００３９】

【数７】

【００４０】となる。Ｈ_nは、エルミート多項式であ
る。

【００４１】以上は、自由電子に関する議論であり、系
の有効質量が、全空間にわたって等しいときには、上記
の議論がそのまま適用できる。しかし、本発明の活性層
は、ｚ方向に層を積層することにより構成した量子井戸
構造であるため、有効質量は、空間座標のｚに依存した
量になっており、上の議論は、そのまま適用できない。
そのため、有効質量をｚの関数としてハミルトニアンを
記述し、それについてのシュレディンガー方程式を解く
必要がある。

【００４２】以下に、各層の有効質量の違いを取り込ん
だ場合の、磁場による荷電粒子の振る舞いを記述する。
量子井戸構造のｊ番目の層での全ハミルトニアンは、

【００４３】

【数８】

【００４４】となる。ここでは、全系の波動関数を、

【００４５】

【数９】

【００４６】とする。これを（数８）にオペレートする
と、

【００４７】

【数１０】

【００４８】が得られる。

【００４９】

【数１１】

【００５０】（数１１）の左辺第１項と第２項は、調和
振動子のハミルトニアンを表す。従って、固有値は、

【００５１】

【数１２】

【００５２】であるので、（数１１）は、

【００５３】

【数１３】

【００５４】となる。すなわち系のエネルギー固有値
は、ｚ方向のシュレディンガー方程式において、磁場の
ない場合の有効ポテンシャル（（数１３）の第２項：Ｕ
_j）に、有効質量ｍ_jのｎ次のランダウ準位から決まるエ
ネルギー固有値（（数１３）の第３項）をたしあわせた
ものを新たな実効ポテンシャルとして求めたものにほか
ならない。（数１３）の第２項と第３項とをまとめてＷ
_jと表すと、磁場がない場合の有効質量近似下でのハミ
ルトニアンと同型になり、これは、転送行列等を用いる
ことにより容易に解くことができる。このときの波動関
数は、

【００５５】

【数１４】

【００５６】

【数１５】

【００５７】の形で求められるが、ここでのｋ_zは、
（数４）ないし（数６）で用いられているｋ_zとは異な
ることに留意しなければならない。また、系のエネルギ
ー固有値は、

【００５８】

【数１６】

【００５９】である。

【００６０】このようにして、本発明の発光素子の半導
体レーザの多重量子井戸構造の活性層に、磁場がかかっ
た場合の波動関数およびエネルギー固有値を求めること
ができる。

【００６１】

【発明の効果】上述したように、本発明によって、広い
波長幅で波長を変化させることのできる発光方法と発光
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による波長可変発光装置の構成を示す説
明図。

【図２】図１の発光装置の半導体レーザの構成を示す断
面図。

【図３】図１の発光装置の半導体レーザに磁場がかけて
いないときの電子のポテンシャル構造と波動関数とエネ
ルギー固有値を示すグラフ。

【図４】図１の発光装置の半導体レーザに磁場をかけた
時の電子のポテンシャル構造と波動関数とエネルギー固
有値を示すグラフ。

【図５】図１の発光装置の磁束密度の大きさと発振波長
との関係を示すグラフ。

【図６】図１の発光装置の半導体レーザの活性層の層構
成を示す説明図。

【符号の説明】

１・・・ｎ−ＧａＡｓ基板、２・・・ｎ−ＧａＡｓ層、
３・・・ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層、４・・・活性
層、５・・・ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層、６・・・ｐ
−ＧａＡｓ層、７・・・ＳｉＯ₂層、８・・・ＡｕＧｅ
電極、９・・・ＡｕＺｎ電極、１０、１１・・・ポリイ
ミド層、１０１・・・半導体レーザ、１０２・・・磁場
発生装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子井戸構造を有する素子を磁場中に配置
し、前記磁場による前記量子井戸構造の電子および正孔のラ
ンダウ準位間での再結合により、発光させることを特徴
とする磁場を用いた発光方法。
【請求項２】請求項１において、前記磁場の大きさを変
化させることにより、前記ランダウ準位の絶対値を変化
させ、これにより発光波長を変化させることを特徴とす
る磁場を用いた発光方法。
【請求項３】請求項１において、前記ランダウ準位のう
ち基底準位間での再結合を用いることを特徴とする磁場
を用いた発光方法。
【請求項４】請求項１において、前記量子井戸構造は、
多重量子井戸構造であることを特徴とする磁場を用いた
発光方法。
【請求項５】量子井戸構造を有する半導体レーザと、前
記半導体レーザに磁場を加えるための磁場発生装置とを
有することを特徴とする発光装置。
【請求項６】請求項５において、前記磁場発生装置は、
任意の大きさの磁場を加えることが可能であり、前記磁場発生装置が発生する磁場の大きさを制御する制
御装置を備えることを特徴とする発光装置。