JPS6021588A - 磁気電気光効果光増幅器 - 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、半導体材料に磁気電気光効果により光増幅作
用を付与してなる磁気電気光効果型光増幅器に関し、特
に、ヘリウム温度等の低温にて広い波長範囲に亘９光増
幅作用を呈するとともに、常温にても光増幅作用を呈す
るようにした光増幅器を提供しようとするものである。

従来技術 従来、固体光増幅器としては、ガスレーザ、固体レーザ
等により光ボンピングを行なって半導体材料中に電子・
正孔の分布反転領域を形成した光増幅器、あるいは、ｐ
−ｎ接合半導体材料に順方向の電流を流して接合領域の
中央部に電子・正孔の分布反転領域を形成した光増幅器
等、増幅媒質を活性化して誘導輻射により光増幅を行な
うという増幅原理による光増幅器が用いられて来た。

しかして、かかる増幅原理による従来の光増幅器におい
て装置を小型化するとともに、効率のよい半導体光増幅
器を開発することが、光通信用および軍事産業用の赤外
線装置等に要求されているが、例えば従来のｐ−ｎ接合
型半導体レーザダイオードにおいては、第１図に示すよ
うに、活性領域の幅がキャリヤの拡散距離程度に限られ
、例えばｌＯμｍ程度に極めて狭くなっている。すなわ
ち、ｎ型半導体基板１上のｐ型子導体層２との間に形成
したｐ−ｎ接合領域８にリード線６．７によりバイアス
電圧を印加し、例えば研磨して反射鏡面にした端面４か
らの入射光を増幅して対向面５からレーザビーム８とし
て取出すのである力ζ入射端面４におけるｐ−ｎ接合領
域８の幅が上述のように極めて狭いので・かかるｐ−ｎ
接合領域８の端面に入射光を結合させるのが極めて困難
であるうえに、赤外線領域にて動作させるには液体窒素
温度、すなわち、７７°に程度に冷却する必要があるな
ど、実用上の不便を来たす、という欠点があった。

発明の要点 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、基本的
には常温にても動作（７、入力元の受光面積が広く、し
かも、増幅出力光の波長を任意に変化させ得るようにし
た固体光増幅器として、新たな増幅原理に基づく磁気電
気光効果光増幅器を提供することにある。

かかる本発明の目的を達成すれば、従来のように液体窒
素等により冷却するための大きい魔法びんの使用や液体
窒素等の寒冷剤の補給などの実用上の不便を解消し、装
置を小型化し得るとともに、広い波長範囲に亘って活性
領域に対する入力元の結合が容易となるなど、実用上極
めて大きい利点が得られる。

すなわち、本発明の磁気電気光効果光増幅器は、ｐ−ｎ
接合型半導体材料の順方向に大きい電流を流して分布反
転領域を形成するという従来の光増幅原理とは全く異な
る新たな光増幅原理に基づき、液体ヘリウム温度の４．
２°Ｋから室温を超える広い温度範囲にて遠赤外線から
真空紫外線までの広汎な波長領域に亘って動作する固体
光増幅器が得られるようにしたものであり、永久磁石も
しくは電磁石により生成した磁場中に、少なくともその
磁場の強度に対応した電子・正孔の易動度を有する材料
よすする半導体ブロックを配設し、その半導体ブロック
の対向面に電極を設けて通電したときに生ずるローレン
ツ力により前記半導体ブロック内に前記対向面に交差し
た面に沿って電子・正孔の分布反転領域を形成し、前記
交差した面に対向する而から入射して前記電子・正孔の
分布反転領域を通過する元を増幅して前記交差した面か
ら放出し得るようにしたことを特徴とするものである。

したがって、本発明光増幅器においては、従来の実用上
の不便が解消するのみならず、例えば液体ヘリウム温度
にて動作させる場合には、極めて広い波長範囲に亘って
、印加磁場の強さに応じ、増幅出力光の波長を任意に、
設定することが可能となり、元インテンシファイヤや彼
長町変半導体レーザとしての使用が可能となるなどの優
れた作用効果が得られる。

実　施　例 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、本発明光増幅器の磁気電気光効果による光増幅の
新たな動作原理について説明する。

第２図に示すように、熱平衡状態にて単位体積あたりｎ
。個の電、子とｐ。個の正孔と７ｉｌ−有する厚さｄの
半導体平行平板９のＸ軸に平行な長さ方向に電流Ｉｌヲ
流丁とともに、Ｚ軸に平行な幅方向に強さ・旧の磁場を
印加したときに、磁場の強さ旧が充分に大きくて強Ｗｉ
場条件が満される場合には、電子θと正孔■とが、点線
にて１図示するように、磁気旧電気Ｈの同時作用に基づ
くローレンツ力によって−ｙ方向に掃き寄せられるので
、電子の濃度〜）は、第８図に示すように、磁場がない
場合における熱平衡時の値ｎ。からずれて、第２・図に
陰影斜線を付して示す発光面（３／＝−ｄ）の近傍にお
いては増大し、その反対側の試料面（ｙ＝Ｏ）の近傍に
おいては減少して欠乏層が生ずることになる。また、正
孔の濃度ｐ（ｙ）についても同様の分布が生ずることに
なる。したがって、電子および正孔の濃度の積ｎｐは、
発光向の近傍においてはｎ　ｐ　）　ｎ　１　”　（１
） となｐｌいわゆる分布反転が生じている。ここに、ｎ工
は真性キャリヤ濃度であり、また、磁場を印加しない熱
平衡の状態においては　ｎｐ＝ｎエ　である。

したがって、上述のように分布反転が生じた状態におい
ては、過剰な電子と正孔との対が発光面の近傍において
再結合して消滅するが、その消滅の際に、その半導体材
料のエネルギ・ギャップＥｇにほぼ等しい値に相当する
中心波長λ。とじて、λ　言Ｏｈ／　（Ｅｇ　十ｋＴ　
）　（２）なる波長の光１１が放出埒れて輻射する。こ
こに、０は光の速度、ｈはブランクの常数、ｋはボルツ
マン常数、Ｔは絶対温間である。

上述した中心波長λ。の光の輻射強度は、蜜流密度Ｊお
よび磁場強度Ｈの値に非線形的に依存し、その輻射強度
の値は、次式によって与えられる非平衡状態における再
結合放出の単位体積、単位時間あたりの速度Ｒｏに比例
する。

Ｒｃ＝　ｆｔ　ｅｘｐ　（γＪＨ／に’［’　）　（３
１ここに、 Ｒ＝　Ｂ　ｎ２　（４） であり、ＲおよびＢは、それぞれ、熱平衡状態における
再結合放出の速度および確率であり、また、ｎｌ、は前
述した真性キャリヤ濃度であ一す、さらに、γは、半導
体材料の厚さｄに関連して近似的にｒ　字１　ｄ　ｌ／
ａｎ□　（５） によって与えられるパラメータである。

しかして、後述するように、光の増幅においては、分布
反転領域における過剰の電子および正孔の体積再結合が
重要であり、その体積再結合においては、上述した近似
式（５）にはよらず、正確に、ｒ　＝　Ｉｙｌ　１０　
ｎ。（６１ とおいて、半導体材料の各部分において、再結合放出の
速度Ｒ６に関し、上述の（８）式が成立するものとする
〇 以上に述べたような電子・正孔の分布反転が−ｙ方向に
作用するＪＸＨ力すなわちローレンツ力によって生じて
いる場合における電子および正孔の分布状態をｙ方向に
沿って１次元的に模式的に表わすと第４図のようになる
。すなわち、本発明者の行なった実験によれば、半導体
材料の平行平板９の発光向１０に対向する反対側の表面
にて、周囲光の吸収により、その表面近傍に生じている
欠乏層に電子と正孔とが補充されるので、通常の条件下
においては、発光面近傍の分布反転領域の方がこの欠乏
層より広い領域を占めることが明らかとなっており、実
際に、前述した再結合放出の速度Ｒ６に関する（８）式
においては、ｙ＝０にてｎ（ｙ）＝ｎｏと仮定されてい
るが、この（８）式は上述した実験の結果に対してよく
近似している。かかる状態においては、半導体材料のエ
ネルギΦギャップに相当する波長λ。を有する入射光は
、半導体平行平板９を通過している間に、ｎｐ）ｎよ′
　となる分布反転領域において次々に誘導放出を繰返し
ながら、第４図に模式的に示すように増幅されて行く。

かかる増幅動作が本発明の要点をなす光増幅の動作原理
であり、ｐ−ｎ接合半導体による従来の増幅原理とは全
く異なったものである。かかる新たな光増幅の原理は、
赤外線増幅器を室温にて動作させるのに極めて有用であ
るが、液体ヘリウム温度すなわち４．２°に近傍の低温
にて動作させるときには、印加磁場の強度を変えること
によって波長可変の光増幅を行なうことができ、また、
強力な単色光源として動作させることもできる。すなわ
ち、低温、強磁場の条件下においては、伝導バンドおよ
び価電子バンドのエネルギ準位は離散的なランダウ準位
に分れており、光の波長の許容遷移は、スピンを無視し
た筒部な放物線的バンドモデルに対してつぎの関係式を
満足しなければならない０ ■、＝Ｅｇ＋（ｊｌ＋　−）ｌ’ｒω。、＋（ＩＨ）Ｍ
ωａｍ　（７）ここに、ω（−２７′／λ）はバンド間
ランダウ遷移に関与する光の角周波数であり、ｌ　（＝
＋１　、１　、２．。

・・・・　〕は磁気量子数であり、ＰＬはブランクの常
数ω。、（−８Ｈ／ｍｉＣ；１＝１，２）は電子（ｉ＝
１のとき）および正孔（１−２のとき）のサイクロトロ
ン角周波数であり、さらに、ｍｌは電子および正孔の有
効質量、ｅｉ”ｒ、電子の電荷、Ｃは光速度、Ｈは磁場
強度である。

したがって、半導体材料のエネルギ・ギャップＥｇより
も短かい波長の光により半導体平行平板９の背面（ｙ＝
ｏ　）を照射して光励起により過剰の電子と正孔との対
を生成させ、ＪＸＨ力の作用によって発光面１０の近傍
における電子・正孔の分布反転を増大させると、（７）
式の関係を満す波長の光の再結合放出が増強された形態
の再結合輻射光１１が生ずる。しかも、（７）式から明
らかなように、再結合輻射光１１の周波数は印加磁場の
強さＨを変えることによって可変制御することができ、
したがって、波長可変の単色光光源すなわち単色光レー
ザを製作することが可能となる。

また、上述した光励起の代わりに電子線励起を用いるこ
とにより、さらに短かい波長の光、例えば、真空紫外光
の単色光源を実現することも可能であり、共振器を付加
して適切な帰還を行なうことにより、上述した光増幅器
を広汎な波長範囲に亘って動作する半導体レーザとして
使用することも可能である。

本発明光の増幅器は、上述したように極めて広い応用範
囲を有するうえに、増幅される光の波長が、例えば液体
ヘリウム温度にて動作させる場合には、（２）式もしく
は（７）式に従い、使用する半導体材料のエネルギ・ギ
ャップＥｇＯ値によって決まるのであるから、種々の半
導体材料を使用することにより、遠赤外光線から真空紫
外光線に至る極めて広い波長範囲の光を増幅することが
できる。

しかして、本発明光増幅器に使用する種々の半導体材料
について、それぞれのエネルギ・ギャップＥｇＱ値と増
幅される波長λとの関係を例示すれば第１表のとおりで
ある。

なお、本発明光増幅器には、原理的には、あらゆる種類
の半導体材料を使用することができるが、本発明光増幅
器を構成するに必要な印加磁場の強さとの関連において
、電子・正孔の易動度の大きい半導体材料、すなわち、
電子・正孔の有効質量ｍ工の小さい半導体材料を使用す
るのが好適であるＯ 第１表 以上に詳述した動作原理により光増幅を行なう本発明の
光増幅器の基本的構成の例を第５図に示す。図示の構成
においては、１万ガウス程度を超える強い磁場を形成す
る永久磁石もしくは電磁石１２の両磁極ＮＳ間に、第１
表に例示したような半導体材料の平行平板１８を固定し
て配設し、その平行平板１８の両端面に被着した電流電
極を介して外部電源１４から大電流工を直流、交流もし
くはパルス電流の形態にて流す。なお、半導体平行平板
１１の両端面に被着する電極は、上述のように、単に電
流を流すためのいわゆるオーミックの電極とする他に、
半導体材料に電子もしくは正孔の少数キャリヤを注入す
る機能を兼ね備えた半導体電極とすることもできる。か
かる構成の半導体平行平板１８の背面から、例えば図示
のように磁石１２の一部に透明材料よりなる開口部１２
ａを設けて、半導体材料のエネルギ・ギャップに相当す
る第１表に例示したような波長の入力光Ｐ１を入射させ
ると、前述した動作原理に基づき、半導体平行平板１８
内にて光増幅作用が行なわれ、陰影斜ａを施して図示す
る発光面から増幅出力光Ｐ２が放出される。また、半導
体平行平板１８に印加する磁場の強さおよび電流工の大
きさのいずれか一部もしくは双方を周知慣用の適切な手
段により変化感ぜれば、増幅出力光Ｐ２を外部信号によ
り種々の形態に変調することが容易に行なわれる。また
、液体ヘリウム温度（４，２°Ｋ）程度の低温にて動作
させる場合には、半導体半行平板１８の背面をその半導
体材料のエネルギ・ギャップに相当する値より短かい波
長の入力−ＪＰ□により照射して半導体材料中に光励起
によるキャリヤを生成させ、電流電極を介して大電流を
流すとともに−例えば超伝導電磁石等を使用して１万乃
至１５万ガウス程度の強磁場を印加し、その印加磁場の
強さを可変にすると、前述した（７）式によって表わし
７た動作原理に従い、印加磁場の強さによって波長を制
御し得る強い単色光が発光面から輻射される。

その輻射光の波長可変範囲は、例えばＩｎＳｂ平行平板
に１（）万ガウス程度の磁場を印加した場合には、５．
８μｍから４．９μｍまでの範囲内にて彼長町変となる
。本発明のかかる光増幅器は、上述した強磁場条件が満
されば半導体材料の真性領域にて動作する特長を有して
いるが、前述した注入電極から少数キャリヤを注入する
ことによって印加磁場の強さに関する条件を緩和するよ
うにした場合をも含めて、磁場と電流との同時印加によ
るＪＸＨ力′ｔなわちローレンツ力により電子拳正孔の
分布反転領域を形成して光増幅全行なう装置を総称した
ものである。

つぎに、かかる本発明の光増幅器をｎ型Ｉｎ　Ｓｂ半導
体材料を用いて構成し、第６図に示す構成配置の測定装
置を用いて光増幅動作のパルス特性を測定した実験の結
果について説明する。実験試料としては、有効寸法とし
て長さ１．１　ｉｎ　、幅４．ＯＦＡ＋８゜厚さ０．８
８關のＩｎ　Ｓｂ平行平板１５を用いたが、この試料の
７７°にの低温における電子濃度ｎ。およびホール易動
度μの値は、それぞれ、５　Ｘ　１０−１−一’オ！ヒ
１．６６Ｘ１０　ｃ１ｎ／ｖｓであり、常温２９４°Ｋ
における電子濃度ｎ。およびホール易動度μの値は、そ
れぞれ、２．８８　×１０　ｃｍ−オｘ　ヒ６．４１　
ＸＩＯ’ｃｒｒＬ２／ｖＳテする。かかる試料１５”ｉ
、５．８Ｉｔｍバンドパスフィルタとして作用する有効
直径９　ｍｍのＧｅ窓１７を有する金属ジャーに収容し
、パルス発生器２４によりパルス幅２０μｓ１繰返し周
波数２５１３　Ｈｚにて６Ａ’Ｊでの大きさのパルス電
流全流すほかに、交流電流もしくは直流電流をも流し得
るようにしてあり、さらに、２万ガウスまでの強さの直
流磁場］Ｈ′ｆｆ！磁石によって電流に直交する方向に
印加するように構成しである。かかるＩｎＳｂ試料１５
のエネルギ・ギャップに相当する波長５．８μｍの入力
元としては、ＡｒＩ／−ザ発振器１Ｂを連続発振させた
波長５１４．５μｍ１パワー１００〜９００ｍＷの出力
光を、周波数５０　Ｈｚのチョッパ１９により方形波パ
ルス状に整形し、サファイヤ窓１６および直径８朋の絞
Ｖを介して、試料】５の背面を照射し、第７図に示すよ
うに７オトルミネツセンスによって所要の入射光を生成
させている。試料１５からの増幅出力光は、波長５．８
μｍにて最大の透過率を有するＧｅ窓を介して取出し、
長さ５０ｃｍのライトバイブ２０により導いて、他のジ
ャーに収容したＩｎ　Ｓｂ赤外線検出器２１に供給し、
その赤外線検出器２１からの周波数５０　Ｈｚあるいは
２５０Ｈ７にて変調された検出出力信号をロックイン増
幅器２２による同期整流検波により狭帯域の検出を行な
い、その検出出力信号波形を陰極線表示器２３に表示す
る。なお、上述したＩｎ　Ｓｂ赤外線検出器２１は、光
起電力型検出器であり、８０°にの低温にて２〜５．７
μｍの波長範囲に亘ジ検出動作を行ない、波長５，１μ
ｍにて最大分光感度値Ｄ”−１，８Ｘ　１０”のｌＨｚ
帰Ｗ−１を呈するものである。

上述の測定装置により、Ｉｎ　Ｓｂ半導体試料１５に２
万ガウスの磁場を印加するとともに、０．ＩＡおよび０
．２Ａにて周波数２５０Ｈ２の交流電流を流したときに
、温度８０°におよび２９２°Ｋにて得られる出力光の
強度の励起用レーザ電力に対する依存性の測定結果の例
を第８図に示す。図中、実線は低温８０°ＫＫおける測
定結果を示し、点線は室温２９２°Ｋにおける測定結果
を示す。なお、Ｉｎ　Ｓｂ試料からの輻射光の強度が、
励起用レーザの照射強度５ＵＯｍＷ以上のときに２．＠
、激に増大することが明確に認められた。また、励起用
レーザの照射強度をｏｏｏｍｗとした場合には、非照射
時に比して、低温８０°Ｋにおいては電流値Ｉ−（１，
］Ａのときに実に１００倍にも達し、室温２９２０Ｋに
おいても８．８倍まで達する輻射強度の出力光がＩｎ　
Ｓｂ試料から得られた。

以上の測定実験にて観測された半導体試料からの輻射光
の強度の励起用レーザ電力に対する非線形的な依存性は
、強磁場印加時のＩｎ　Ｓｂ半導体材料中にて、第３図
示の特性曲線から判るようなＪＸＨ力による磁気集中（
ｍａｇｎｅｔｏ−ｃｏｎｃｅｎｔｒａ、ｔｉｏｎ）効果
と光励起との重畳作用によっである釉の誘導輻射が生起
していることを示している。かかる誘導輻射に基づく光
増幅が実際に強磁場印加時の半導体材料中にて行なわれ
ていることに、つぎに述べる実験によって直接に確かめ
ることができる。

すなわち、実験試料とするＩｎＳ’ｂ半導体平行平板に
、第８図に挿入して図示したように磁場Ｈと電流Ｊとを
印加した状態にて、周波数５０　Ｈ２にてチョップした
出力ｓｏｏｍＷのＡｒ＋レーザを照射してフォトルミネ
ッセンスにより波長５．８μｍの入力−Ｗ’に生成させ
るｏしかして、印加磁場の強度Ｈを２万ガウスとすると
ともに、その印加磁場を横切ってパルス幅２０μｓの大
きさ６Ａまでのパルス電流金、光励起に同期して流すと
、半導体平行平板１５からの出力光は、５．３μｍバン
ドパスＧｅフィルタ１７を介して狭帯域のＩｎ　Ｓｂ赤
外線検出器２１およびロックイン増幅器２２の組合わせ
により同期整流検波される。このよｆ）にして検出した
出力輻射光の強度を、磁場および′電流を印加しない）
ｌ＝ｏ　、Ｊ＝Ｏのときのフォトルミネッセンスの出力
光強度を１として正規化して、第９図および第１θ図に
示す。第９図に示す低温８０°Ｋにおける測定データは
、印加磁場強度Ｈ＝　２０　ｋＧおよびＨ＝−２０ｋＧ
のときの正規化した出力輻射光強度の印加電流依存性を
表わし・また１第１Ｏ図に示す測定テークは、室温２９
２°Ｋにおける同様の測定結果を表わしており、いずれ
も、パルス電流とチョップされたレーザ光照射とのノ（
ルス密（２０」 度すなわちデユーティ比の差を考慮して、測定値が同一
デユーティ比を有するように補正しである。

−万、パルス電流の替わＦ）Ｋ小さい値の直流電流を半
導体試料に流して入力光全チョップした場合の測定値と
比較した結果に基づき、上述の正規化した出力輻射光強
度が正味の光増幅率と因子２以内の精度をもって一致す
ることが確かめられている。したがって、第９図示の実
験結果は、８０°にの低温におけるＩｎ　Ｓｂ半導体試
料については、２万ガウスの強磁場を印力口し、６Ａの
大電流を流したときに、はぼ２６０倍に達する光増幅が
行なわれることを表わしている。また、印加磁場の極性
を反転した場合には、第９図に点線にて示すように、■
≦４Ａの電流範囲においては負の元輻射、すなわち、元
の吸収が半導体試料の発光面にて行なわれていることが
認められる。かかる光吸収は、負極性の磁場を印加した
Ｈ　＜、　０の場合には、過剰の電子・正孔対が半導体
平行平板の背面近傍に掃き寄せられて、発光面の近傍に
は欠乏層が生じ、その欠乏層における周囲光の吸収によ
って元励起のキャリヤが生成されるために生じたもので
ある。

しかしながら、■≧５Ａの大電流領域においては、周囲
光の吸収が飽和して、半導体平行平板の背面近傍におけ
る光輻射の強度が逆に光吸収に打ち勝つために、正味の
光増幅が再び起るものと考えられる。また、第１Ｏ図示
の室温におけるＩｎ　Ｓｂ半導体試料についての実験結
果においても、２万ガウスの強磁場を印加して６Ａの大
電流を流したときには、はぼ２００倍を超える光増幅率
が得られること、および、印加磁場の極性を反転すると
負の元輻射すなわち光の吸収が発光面にて起ることが判
る。

上述した一連の実験結果は、強磁場印加のもとに大電流
を半導体試料に流して得られるＪｘＨ力の磁気集中効果
によって実現したｎｐ　）　ｎｌなる電子・正孔の分布
反転領域を、その半導体材料のエネルギΦギャップに相
当する波長の元が通過するときには、その入力光が分布
反転領域にて誘導輻射を繰返しながら増幅されることを
示しており、かかる態様の光増幅は、半導体材料内にお
ける光増幅の新たな動作原理をなすものである。

かかる動作原理による本発明光増幅器を例えば第１表に
示したような種々異なるエネルギ・ギャップを有する半
導体材料を用いて構成することにより、遠赤外光から真
空紫外光に至る広範囲の波長を有する入力ｆｔ、を増幅
することができ、また、半導体材料に流す電流の大きさ
を変化させることにより増幅出力光に対して容易に変調
をかけることができる。かかる態様の光増幅を行なう本
発明光増幅器は、基本的には、液体窒素温度から室温を
超えた１００°Ｏａ度の高温に至る広い範囲の温度にて
、強磁場の条件が満される限り、広汎な波長範囲に亘っ
て光増幅動作を行なうが、適切な表面処理を半導体材料
に施すことによって電子Ｏ正孔の分布反転領域を半導体
平行平板の岸さ方向の広い範囲に亘って生成させること
により、その光増幅の効率を向上させることができる。

さらに、ある種の半導体材料を用いた場合には、強磁場
印加の効果を高めるために、前述したように適切な注入
電極を半導体材料に設けて少数キャリヤを注入すること
も極めて効果的である。また、液体ヘリウム温度の低温
にて本発明光増幅器を動作させる場合には、半導体材料
のエネルギ・ギャップに相当する波長より短かい波長の
入力元により半導体平行平板の背面を照射して光励起に
よるキャリヤを生成させ、ＪＸＨ力によって発光面近傍
における過剰の電子・正孔対の濃度を増大させることに
より、印加磁場の強さに応じて増幅出力光の波長を制御
して、波長可変の単色光源として利用することができ、
さらに、適切な共振器を付加することにより、波長可変
のレーザとして利用することもできる。

つぎに、本発明磁気１１Ｅ％電気元効果光増幅器を各種
の光通信装置に応用した好適例を列挙して説明する。

（ａ）　赤外線無線通信装置 波長８〜１４μｍの赤外線は、大気中にてあまり減衰し
ないので、宇宙通信や地上局相互間の無線通信に利用す
ることができる。しかして、かかる無線通信に必要不可
欠のものは、送信用および受信用の光増幅器であり、原
則的には室温にて動作し、増幅率が大きく、シかも、受
光面積が大きくて入力光との結合が容易であること、等
の特性が水銀カドミウムＨｇ、　−ｘ　ｏａｘＴｅ　（
Ｄ組成比ｘ６ｘ；０．２とした半導体材料が１２．４μ
ｍ近傍の波長を有する元を増幅する機能を有している。

この光増幅器は、さらに適切な帰還を施すことによって
レーザ発振器とすることもできるので、送信用の光源と
して使用することもできる。

かかる赤外線無線通信装置の概略構成の例を第１１図（
ａ）に示す。図示の概略構成においては、本発明による
磁気電気光効果を赤外線発生用ダイオードレーザ２７に
適用して波長１２．４μｍの赤外線を発生させ、そのダ
イオードに流す電流としてマイクロホン２５から発生し
た音声周波電流を低周波増幅器２６により増幅したもの
を流すと、その音声周波電流によって強度変調された赤
外線信号が得られる。この赤外線信号を、同じく不発明
による磁気電気光効果光増幅器２８により増幅したうえ
で、送信用光学システム２９を介して光信号伝送媒体８
０中に送出する。その送信元信号を、受信用光学システ
ム８１を介し、本発明による磁気電気光効果光増幅器８
２に供給して増幅したうえで、赤外線検出器８８により
検出して音声周波信号に復調し、低周波増幅器８４によ
り電力増幅してスピーカ８５に供給し、所要の音声出力
を得る。

中）赤外線無線通信用中継増幅器 一般に、光通信において光信号の伝送距離が長くなると
、光信号の強度が減衰するために、適切な伝送距離毎に
中継増幅器を配置して光信号を中継増幅する必要がある
。かかる中継増幅器として・従来考えられているように
、光信号を一旦電気信号に変換して電力増幅を行なった
うえで発光ダイオードを駆動して光信号に再変換する間
接型の光増幅器においては、情報量およびＳＮ比などの
光信号の質が損なわれるが、本発明磁気電気光効果光増
幅器は、室温にて動作し、増幅率が大きく、しかも、受
光面積が大きくて入力光との直接結合が容易であるので
、光通信用中継増幅器としては理想的な動作をするもの
と考えられる。本発明光増幅器を中継増幅器として使用
した赤外線無線通信系の構成は、例えば第１１図（ｂｌ
に示すように、光信号媒体８６を伝搬して来た光信号を
、受信用光学システム８７を介し、本発明磁気電気光効
果光増幅器８８．３９に供給して中継増幅するとともに
、信号波形整形器４０により伝搬中に生じた光信号の波
形歪みを補正し、送信用光学システム４１を介して、再
び、光信号媒体４２中に送出する。

（０）元ファイバ通信装置 例えば、波長０．８７μｍの光搬送波を用いた光フアイ
バ通信に本発明光増幅器を適用する場合には、第１１図
（ａ）　、　（ｂｌに示した無線通信系における光信号
伝送媒体の替わりに元ファイバを置換して配設し、本発
明磁気電気光効果光増幅器を構成する半導体材料として
０．８７μｍ近傍の波長にて動作するガリウム砒素化合
物ＧａＡｓ　ｋ選定すれば、第１１図（ａ）　、　（ｂ
）に示した構成をそのまま元ファイバ通信装置として使
用することができる。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、半導
体材料に例えば永久磁石を用いて強磁場を印加するとと
もに大電流を流すことにより、室温にても動作する光増
幅器の実現を可能とするのみならず、液体ヘリウム温度
の低温に動作させる場合に、超伝導を磁石により印加す
る磁場の強さを変化させることにより、波長可変の強力
な単色光源すなわちレーザの実現を可能とする。従来の
ｐ−ｎ接合型半導体レーザは、入力光に対する受光面積
が極端に狭く、入力元との結合が困難であるのみならず
、中赤外線波長に対しては麺体窒素温度以下の低温にお
いてのみ動作可能であるという欠点を有していたが、本
発明による磁気電気光効果光増幅器は、基本的には室温
にて動作し、入力光に対する受光面積が従来に比して格
段に広いばかりでなく、１段毎の光増幅率を２００倍以
上（２８） に大きくとることができる等の優れた利点を有している
ので、光ファイバを用いた光通信系における中継用光増
幅器、もしくは、波長８〜１４μｍの赤外線を用いた無
線通信用の光増幅器としての応用が期待される。さらに
、液体ヘリウム温度の低温にて動作させる場合には、無
線通信用の波長可変の強力な光源として、従来慣用のス
ピンフリップラマンレーザより格段に有効に利用される
ことが期待される。すなわち、従来慣用のスピンフリッ
プラマンレーザは、液体ヘリウム温度にて動作させた場
合に印加磁場の強度に応じて波長可変ではあるが、ラマ
ン効果を利用したものであるがために、本発明光増幅器
より格段に光変換効率が低い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のｐ−ｎ接合型半導体レーザの構成を示す
斜視図、 第２図は本発明磁気電気光効、！Ｉｉ！：元増幅器の動
作原理を示す斜視図、 第８図は同じくその動作の態様の例を示す特性曲線図、 第４図は同じくその光増幅の動作原理を模式的に示す線
図、 第５図は本発明光増幅器の基本的構成の例を示す斜視図
、 第６図は同じくその光増幅器の元パルス増幅特性測定装
置の構成を示すブロック線図、第７図は同じくその光増
幅器の動作の態様を模式的に示す線図、 第８図乃至第１Ｏ図は同じくその光増幅器の動作特性の
測定結果をそれぞれ示す特性曲線図、第１１図（ａ）　
、　（ｂｌは本発明光増幅器を適用した赤外線無線通信
系の構成例をそれぞれ示すブロック線図である。 ］・・・ｎ型半導体基板　２・・・ｐ型半導体層８・・
・ｐ−ｎ接合層　４，５・・・端面６．７・・・バイア
ス用リード線 ８・・・レーザビーム　９・・・半導体平行平板ｌＯ・
・・発光面　１１・・・再結合輻射光１２・・・永久磁
石（電磁石〕１２ａ・・・透明開口部１８１ノ １３・・・半導体平行平板　１４・・・電源１５・・・
Ｉｎ　Ｓｂ半導体試料　】６・・・サファイヤ窓１７・
・Ｇ８窓　１８・・・Ａｒ＋レーザ発振器１９・・・チ
ョッパ２０・・光パイプ ２１・・・Ｉｎ　Ｓｂ赤外線検出器 ２２・・ロックイン増幅器２８・・陰極線管表示器２４
・・・ハルス発生器２５・・・マイクロホン２６　、．
３４・・・低周波増幅器 ２７・・・磁気赤外線ダイオードレーザ２８、８２．８
８．８９・・・磁気電気光効果光増幅器２９、８１．８
７．４１・・・光学システム８０、８６．４２・・・光
信号媒体 ８８・・赤外線検出器　８５・・・スピーカ４０・・信
号波形整形器。 ＋　３２　・ Ｌ−デ゛電力（Ｗン 第９図 電ｉＪ、富１１　Ｊ　（ｆＯ’Ａ／ｃａｔ”）雷邊１（
Ａ） 手続補正書 昭和５８年　１２月８　日 １、事件の表示 昭和５８年特許　願第１．２８　’Ｉ　０８号２・発明
の名称 磁気電気光効果光増幅器 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 京都大学長 ５゜ ６・補正ノ対象　明細書の「発明の詳細な説明」の欄１
、明細書第６頁拍１６行の「磁気旧？Ｕ気Ｕ」を「磁場
ＩＨ定電流」に訂正し、 同頁第１８行の「ｎ（支）」をＩｎ（ｙ）ｊに訂正する
。 ２同第７頁第１６行乃至第１７行の式 １式％） ） に訂正し、 同頁第１９行の「０」をｒＱＪに訂正する。 ３、同第８頁第５行のｒＲＱＪをｒＲｏＪに訂正し、同
頁第６行乃至第７行の式 ％式％（３） （） に訂正する。 ４、同第９頁第２０行の「〜）−ｎ。」を「吻）−ｎ。 」に訂正する。 ５、同第１２頁第１４行乃至第１５行をっぎのとおりに
訂正する。 「が、（２）式、もしくは、液体ヘリウム温度にて動作
させる場合には（７）式に従い、使用する半導体」 ７、補正の内容　（別紙の通り） ６、同第１４頁第９行のｒ　Ｐｂ１−ＸＳｍ、Ｔｅ　Ｊ
をｒ　Ｐｂ、−ｘＳｎＸＴｅ　Ｊに訂正する。 ７、同第１６頁第８行の「大電流■」を「電流工」に訂
正する。 ８、同第１６頁第１２行の「大電流」を「電流」に訂正
する。 ９同第１７頁第１８行のｒ　ｃｍ”／ｖｓ　Ｊをｒ　Ｃ
ｍ”／ＶＳ　Ｊに訂正する。 １０、同第１８頁第１行のｒ　ｅｍ２／ＶＳ　Ｊをｒ　
ｃｍ”／Ｖｓ　Ｊに訂正し、 同頁第６行の「２５０Ｈ２Ｊをｒ５０ＨｚＪに訂正し、 同頁第６行の「交流電流」を「周波数２５０Ｈ２の交流
電流」に訂正し、 同頁第１２行の「５１４．５　／”ｍ　Ｊをｒ　１）１
４．５　ｎｍ　Ｊに訂正する。 １１、同第２２頁第１０行の「大電流」を「電流」に訂
正する。 １２、同第２８頁第２行、第８行および第１４行の「大
電流」を「電流」にそれぞれ訂正する。 １８同第２９頁第７行の「大電流」を「電流」に訂正す
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　永久磁石もしくは電磁石により生成した磁場中に、
   少なくともその磁場の強度に対応した電子・正孔の易動
   度を有する材料よりなる半導体ブロックを配設し、その
   半導体ブロックの対向面に電極を設けて通電したときに
   生ずるローレンツ力により前記半導体ブロック内に前記
   対向面に交差した面に沿って電子・正孔の分布反転領域
   を形成し、前記交差した面に対向する面から入射して前
   記電子・正孔の分布反転領域を通過する光を増幅して前
   記交差した面から放出し得るようにしたことを特徴とす
   る磁気電気元効果元増幅器。 区　電子・正孔の少数キャリヤを注入する材料により、
   前記電極を形成し、もしくは、他の電極を形成して設け
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気電
   気光効果光増幅器。