JPS5950589A - 自然放出を制御した機能発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ、発光ダイオードのような発光素子及び
光双安定、単安定、非安定素子、光微分利得素子のよう
な光機能素子（本明細書では機能発光素子と称する）に
関す゛るものである。

このような機能発光素子そのものは大部分既知であり、
一部は実用化され−でいる。しかし、−例としてレーザ
について説明すると、自然放出光、誘導放出光にかかわ
らず一般に輻剣場（光波）は場の境界条件、周期条件を
満足りる固有モートでづへて記述される。つまり、どの
ような光波もこれら固有モードのいずれかに含まれてし
まうのであるが、通常のレーザでは共振器が横方向に開
放形であり、その固有モードの多くは高損失放射系で連
続的に無数存在する。このため、しきい値以下のボンピ
ングのもとでは、多くの注入エネルギが自然放出の形で
、はぼあらゆる方向に、利得帯域幅全体で放出される。

従って、特定の方向に特定の周波数域で特定の固有モー
ドの形で出力される光パワーは少なく、時間コヒーレン
ス、空間コヒーレンスはよくない。ボンピングが発振し
きい値をこえると、軸方向の少数の低損失固有（共振）
モードのみで発振を行ない、多くのエネルギがこれらに
集中して出力され、結果としてコヒーレンスのよい光が
効率よく出力されるわけである。従って、かなり高い発
振しきい値を越えないと、」ヒーレンスな光を得られな
いという欠点がある。

本発明の目的は、このようなしきい値のないコヒーレン
ス発光素子、あってもしきい値の低いレーザ、Ｑスイッ
チングレーザ、光双安定、単安定、非安定素子、光微分
利得素子等従来にない新しいタイプの発光素子、光機能
素子を得ることにある。

この目的を達成覆るため本発明によれば、利得、損失、
屈折率反射率等の光学的定数の異なる媒質から成り、長
さ、幅、高さの三次元方向に光の波長程度の周期的構造
を持たせることにより、光波の固有モードを離散的に存
在さけ、かつ利得帯域内にその固有周波数を持つものを
零個を含む非常に少数にし、自然放出光を制御したこと
を特徴と覆る。但し、ここで波長程度とは、光波長の数
倍から数分の−の広い範囲をさづ。また周期的構造とは
周期構造と同等のものを含む。

このような本発明にお（プる波長程度の構造をもつ三次
元光共振器では、三次元の境界条件、周期条件により光
波の固有モー１〜は離散的に存在し、かつ、利１ｑ帯域
内にその固有周波数を持つものは非常に少数（数個もし
くは０個）となる。例えは、利得帯域内に固有モードが
ただ一つしか存在しない場合を考えると、ボンピングが
しきいｆ＋Ｆｊ　Ｑ下の場合、自然放出光はすべてこの
唯一の固有上−ドて出力さ祉、その指向性、周波数純度
は固有モードのＱ値ににるところまで狭められ、コヒー
レンスのよい高効率発光が得られる。さらに、放出する
固有モードの数が少ないので、自然放出確率か減少し、
上位順位寿命が延びることになり、レーザ発振のしきい
値が低下するほか、発振出力も単一モードどなって良質
光源となる。利得帯域内の固有モードが２，３個ともう
少し多い場合も、出力の」ヒーレンス性はやや悪くなる
ものの、その作用は一つの場合に準する。

もう一つの例として、利得帯域内の固有モー１〜数がＯ
の場合を考えると、自然放出及び誘導遷移（吸収、放出
）が禁止されるので、」ニ位準位寿命は著しく延び、ホ
ンピング］ニネルギが大量にシー１Ｆ媒質に蓄積される
。従って何らかの手法ににす、固有モードの固有共振周
波数、あるいは利得曲線を移動させ、素早くこれらを重
ねてやればＱスイッチ状に光出力光パルスを得ることが
できる。

さて、素子を構成する光学媒質、レーザＩｓ質は一般に
非線形成があり、上位順位寿命密Ｖ（半導体レーザでは
励起電子密度）や光強度、さらに（Ｊ、外部電界、磁界
、力等により光学定数（屈折率、吸収係数、利得係数等
）やレーザ発振中心周波数、利１％　ｆｌｉｔ線等が変
化する。そこで、上）小のような光スイッチングを外部
トリ力により強制的に起こけるほか、これら非線形性を
介して自発的に起こさせることも可能となる。特に、光
強度または−Ｌ位順位分布密度の変化→光学定数の変化
→光放出、吸収過稈の変化→光強度または上位順位分布
密度の変化という一巡の因果ループが形成されるので、
このループのループ利得の大きさ、位相、遅れ等に依存
して、電子回路のマルヂハイブレークやシュミツＩ−ト
リガが回路に見られるのと類似の光双安定、単安定、非
安定素子、光微分利得素子等の種々の非線形光機能素子
、光論理演粋素子を得ることができる。

これを整理して本発明により得られる効果を列挙すると
以下のようになる。まずレーザ利得帯域内にただ一つの
固有（共振）モードを設定した場■　自然放出光の空間
的、時間的コヒーレンス性がよいので、しきい値のない
高効率］ピー１２２発光素子、コヒーレンス発光ダイオ
ードが得られる。

■　自然放出確率を低くできるので、上位順位の寿命が
延び、レーザの発振しきい値をさげることができる。つ
まり、低しきい値レーザが１ｑられる。

■　安定な生−モード発振レーザが得られる。

つぎに固有モード共振周波数をレーザ利得帯域外にはず
して設定した場合、 ■　自然放出、誘導放出が禁止されるので、大きな分布
反転が得られ、Ｑスイッチに利用できる。

さらに、前述したように非線形ループが形成され、かつ
、モード数が少ないことによりその非線形性は強（あら
れれるので、これを利用することにより、 ■　光双安定素子、光用安定素子、先非安定素子、光双
安定素子等の非線形光機能素子として利用できる。

また、素子が非１贋に小型になることにＪ、す、■　高
密度集積が可能であり、 ■　高速駆動、高速動作が可能（光子寿命がグ、０いの
で、光子寿命は其振器（」法に反比例）である。

以下、図面にＪ、り本発明の詳細な説明覆る。

第１図は最も実際的と思われる三次元層１１Ｊ］構造と
半導体シーリ゛媒貿を組み合わした実施例の素子の中心
部を構成する三次元周期構造部を示したものである。こ
こではＸ　、　Ｖ　、　７３１Ｔ’ｌｌｌ方向に関し、
用いる半導体の組成比又は１・−ブする不純物の温度な
どを変化させ、半導１ホの光学的性質（ｌ１ｉｌ　ＪＪ
ｉ率、利１り、吸収係数など）を波長程度の周期で周期
的に変化さゼ、三次元周期構造を１・５たｌＩＣいる。

さらにこの三次元三次元周期構造部をｙ方向にｐ影領域
１、主要活性域２（発光に関して最も活（’＋である部
分）、１１形領域３の３部に分【ノ、り１ルヘデ「１接
合構造を持たｌ、電流励起効率を高めている。もち論、
半導体レーザダイオード（既に試みられている他の励起
構造を１）１用づること１：）７号能である。」（導体
レーザグイオードの材料は例えばＧａＡｓ、ＧａＡｌ　
　Ａｓ、　　１ｎＱａＡｓ　　Ｐ、　　Ｉｎ１等光学的
性質を波長程度の周期で周期的に変化さｉ！得るものな
らば何でもよい。これをシー１Ｆにづるには電流）」１
人用霜極Ａｂ壁聞面を設りる必要があるが、これは当業
者には自明であるから、図面を簡明ならしめるため第１
図では省略した。

第２図は内部に第１図の三次元周期構造部４を有する発
光素子の具体的構造を示したものである。

これは第１図の三次元周期（？４４部４を内部にもつこ
とを除りば通常の半導体レーザダイオードとほぼ同じ構
造であり、５は高抵抗半導体層である。

電極６および６−と三次元周期構造部４との間に半導体
層７．７−を設けたのは電極と三次元周期構造部の電気
的接続を良くするためのちのである。

励起電［８Ｊ、り電極６，６−を通して電流を注入づる
と、通常の半導体レーザダイオードと同様、発振しぎい
値電流以下では自然放出光が主である発光が得られ、発
光ダイオードとして動作でる。

しかし、本発明によれば半導体本体が三次元周期４１４
造を右しているので、周期条件を満足し、存在が許され
る光波は自然放出光であっても、第３図に示すようにレ
ーザ利得帯域内、又は発光帯域内の少数（ここでは唯一
つ）のモードＭＳに限定される。この結果、自然放出光
が発光帯域全体に、かつあらゆる方向に発生し、その一
部を利用覆る通常の発光ダイオードに比べ、単色性、指
向性の良いコヒーシン１〜発光ダイＡ−ドとして動作覆
る。

また第２図の素子を発振しきい値以上の励起電流で駆動
ターればレーザとして動作することになる。

しかし本発明によれば、上述したように自然放出過程が
特定のモードに限定されるので、電気入力のうち自然放
出光として失われる分が通常の半導体レーザダイオード
に比べて小さくなる。この結果、同一の電気入力では自
然放出光によるもれ分が少ないだけレーザ利得が高くな
り、シーリ゛発ｊ辰しきい値の低いレーザとして動作す
る。

第３図は光波モードとレーザ利得曲線を示り一説明図で
ある。縦軸はレーザ利得及び七−ドの光波損失（但し下
方で損失大）を表わし、横軸は光波長又は光周波数を表
わす。今の場合、レーザ利行帯域９内にはＩＩＩｆ一つ
のシーリ゛モード（ｆｖｌ　ｓン１０がある。このＭＳ
モードの共鳴幅は符号１１で印し、レーザ利得曲線を符
号１２０示した。符号１３．１４は隣接モードを表わづ
が、これらはレーザ刊賀帯域外にある。モードの間隔は
周朋構）査の周＋１１Ｊに反比例する。モードの共鳴幅
（例えば１１）は周期構造にｉＪ３　ｔｊる光学的性質
の変化が大きい稈、また周期構造が長く続く稈短くなる
。モードの利４９曲線に対重る相対位置（波長位置）は
周期を微小変化させることにより、又は温度を変化さけ
ることなどにより変えることができ、レーザ利得帯域１
２内の光波モードをＯとづることも可能ぐある。

ｍ／１図は光スイツチング素子、光論理演算素子、その
他の光機能素子を示したものである。これは電極分を除
くど第２図ど同じ構成である。この例では電極を２分割
しているが、（１５，１６）さらに多く分割することも
できる。電極を２分割した場合は２個の駆動電極１５．
１６を持つ一つのシーＩＪ″素子ども、２個のレーザ素
子が一体化されでおかれ、互いに強く（ブっこうし−Ｃ
いるものとも考えることができる（このような電極構成
はタンデム系と呼ばれている）。符号１７．１８は電源
である。

入力として電極１５．１６よりの電気式ツノ、出力とし
てレーザ発振出力を考えると、−電極当りの入力が発振
に十分なものとずれはＯｆ＜回路どなり、−電極当りの
入力では発振に不十分であるが、２個の電極の入ツクを
加えれば発振り−るというのであれば、ＡＮＤ回路とし
て利用できる。さらに一方の電極側を発振用、他方の電
極をスイッチング制御用電源に接続ずれは光スイッチン
グ素子として動作させることができる（ＡＮＤ回路とじ
て本質的に同じ）。

このような機能は三次元周期構造がない通常のレーザ構
造にタンデム系電極をつりでも得られるものであるが、
本発明のように三次元周期構造部を含む場合は、 （Δ）　づべての光波が非常に少数の七−ドに集中し波
長的及び空間的に光波エネルギが集中づるので、レーザ
作用に伴う非線形効果が大きくなり、光及び電気信号に
より素子構成媒質の光学的特性（屈折率、利得、利得周
波数、吸収係数など）が容易に変化りる。

（８）　　この大きな非線形効果のため、レーザ光強度
変化→シーザ媒質等の光学的特性変化→レーザ光強度変
化という帰還ループができ、そのループ利得が大きくな
る。

（Ｃ）　　第３図について既に述べたように、三次元周
期構造部の周期や素子の温度の設定如何では、レーザ利
得帯域内に一つも発掘可能モードがないようにすること
ができる。

そして（Ａ）によりスイッチング動作、論理演算動作は
、顕著、高感度となり、（Ｂ）は電子回路のマルチバイ
ブレータにおけるループ利得と類似であり、本素子も適
当なバイアス電流を２電極に流してお番ノば光マルチバ
イブレータとして動作でき、非安定、単安定、双安定（
フリップ　フロップ）素子どして使用できる。

（Ｃ）の場合は発光過程がづへ（゛禁止されるので、電
気駆動入力エネルギがレーザ媒質に蓄積されることにな
り（半導体レーザの場合は電青帯の電子数と、価電子帯
の正孔数が非常に大きくなる）制御電極からの電気信号
又は他のｈ法により１ノ一ザ動作特性を変化さけて光波
モードをレーザ利得帯域内に持ってくれば、０スイツヂ
ング状の光パルス発生素子として（う動作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は三次元周期構造部の斜視図、 第２図は第１図の三次元周期構造部を右する発光素子の
具体的構造の斜視図、 第３図は光波モードとシーリ゛利得曲線を示′７Ｊ説明
図、 第４図は光スイッチング素子、光論理演算素子等の光；
幾重素子の斜視図である。 １・・・ｐ型頭１ｆ２・・・主要活１！Ｉｊ戟３・・・
ｎ型領域　　　　４・・・三次元周期構造部５・・・高
抵抗半導体層　６．６′・・・電（ηｋｌ、７′・・・
半導体Ｒ８・・・励起電源９・・・レーザ利得帯域　１
０・・・レーザモード（Ｍｓ　）１１・・・１ｙｌｓモ
ードの共鳴幅 １２・・・レーザ利得曲線　　１３．１４・・・隣接モ
ード１５．１６・・・電極　　　　１７．１８・・・電
源特許出願人　　大　　阪　　人　　学　　良策１図 第２図 第３図 第４図 手続補正書 昭和５８年５月２４・日 事件の表示 昭和５７年　特　　許願第１６０５５６号２、発明の名
称 自然放出を制御した機能発光素子 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 大阪府吹田市山田丘１番１号 大阪大学長　山　村　雄　− な説明、図面の簡単な説明の欄 補正の内容（別紙の通り） （１）明細淋第１頁第４行〜第２真第１０行の特許請求
の範囲を、次のとおりに補正する。 「２、特許請求の範囲 Ｌ　利得、損失、屈折率、反射率等の光学的定数の異な
る媒質から収り、長さ、幅副さの三次元方向に光の波長
程度の周期モードを離散的に仔荘させ、かつ利得帯域内
にその固有周波数を持つｂのを零個を含む非常に少数に
し、自然救出光？制御したことを＃徴とする機能発光素
子０２、特許請求の範囲第１項記載の機能発光素子に４
４！ｉ！とこの電極を励起する電源を設け、発振しきい
値以下の電流を注入し、自然狡出尤をｍＪ　＋卸してコ
ヒーレントな開光ダイオードとした（とを特徴とする機
能発光素子。 ＆　特許請求の範囲第１項記載の機能発光素子に電極と
この電極を励起する電源を設は発撮しきい値以丘の電流
を注入し、自然数出光を制御して低しきい値レーザとし
たことを特徴とする機能発光素子。 瓜　三次元共振器構造部の上ド両面にある、電極と半導
体の電気的接触をよくするだめの半導体層にタンデム七
Ｎ１を設けて光論理演算素子、光スイツチング素子とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の機能発
光素子。」 （２）明細寓第４頁第６行および第１１行の「周期的構
造Ｊの後に、「もしくはこれと同等な、光の波長爆度の
大きさで三次元的にソＣ学的高反射層で囲まれる構造」
の４１字をそれぞれｊＪｌＩ人する。 （３）同第５頁第２０行の「非線形成」を「非線形性」
に訂正する。 （４）同第５頁第５行、第２０行、第６−第７行〜第８
行、第９行および第７頁第５行の「上位順位」を、それ
ぞれ「上位準位」に訂正する。 （５）同第５頁第１４行の「ホンピングエネルギ」を。 「ボンピングエネルギ」に訂正する。 （６）　ｂ’Ｊ　８７ｍ　ｍ　Ｆ３　ｆＴの「コヒーレ
ンス」を「コヒーレント」に訂正する。 （７）同第９頁第７行、第９行および第１４頁第１１行
の「第１図の」４字をそれぞれ削除する。 （８）同第９員第７行、第９行、第１２イす、第１３行
〜第１４行および第１４＊＠１１行、第１８行の１三次
元周期構造部」の後に、［もしくは三次元的に高反射層
で囲まれる＃　Ｍ　ｉｆ［（Ｊの２１字をそれぞれ加入
する。 （９）同第９頁第１９行〜第２υ行の「三次元周期構造
」の後に、「もしくは三次元的に高反射層で囲まれる構
造」の２０字を加入する。 （１０）同第９員第２０行の「周期条件」の後に、「も
しくは境界条件」の８字をＪＪｎ人する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　利得、損失、屈折率、反射率等の光学的定数の異
   なる媒質から成り、長さ、幅、高さの三次元方向に光の
   波長程度の周期的構造を持たせることにより、光波の固
   有モードを離散的に存在さゼ、かつ利得帯域内にその固
   有周波数を持つものを零個含む非常に少数にし、自然放
   出光を制御したことを特徴と覆る機能発光素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の機能発光素子に電極と
   この電極を励起する電源を設け、発振しきい値以下の電
   流を注入し、三次元周期構造により自然放出光を制御し
   てコヒーレントな発光ダイオードとしたことを特徴とす
   る機能発光素子。 ３、　特許請求の範囲第１項記載の機能発光素子に電極
   とこの電極を励起する電源を設け、発振しきい値以上の
   電流を注入し、三次元周期構造により自然放出光を制御
   して低しきい値レーザーとしたことを特徴と覆る機能発
   光素子。 ４、　三次元周期構造部の上下両面にある、電極と半導
   体の電気的接触をよくするための半導体層に、タンデム
   電極を設（）て光論理潰砕素子、光スイツチング素子と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の１幾
   重発光素子。