【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光発生器に関し、特に、長波長でかつ短パルス化可能なコヒーレント光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を利用したシステム（光伝送、光記録、光演算等）は、将来の大容量、高速情報処理の鍵を握るものと考えられている。 こられのシステムには、主として、AlGaAsレーザによる０．８μｍ帯及びAlGaInAs
レーザによる１．５μｍ帯の光が用いられる。 ０．８μ
ｍ帯は光ディスクメモリやＬＡＮ等の近距離光通信に、
１．５μｍ帯は石英光ファイバーを使った長距離大容量光通信に使われている。

【０００３】近年、より長波長域の光を用いたシステムへの関心が高まっている。 フッ化物光ファイバーは、レイリー散乱の減少によって２〜３μｍの波長域で伝搬損失が最小となり、次世代の長距離光通信システムの有力な候補とされている。 また、数〜１０μｍの光は、地上と人工衛星や人工衛星間の通信に適すると考えられている。 この様に、中赤外から遠赤外の光は、これからの通信システムに重要な役割を占めると考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらのシステムに好適な、長波長でかつ短パルス化可能なコヒーレント光源を与えるものである。

【０００５】ところで、中赤外から遠赤外域のコヒーレントな光（２．５〜４０μｍ）を発生する手段として、
（１）PbSnTeやInSbのような化合物半導体レーザ、
（２）ＣＯ ₂気体レーザ、（３）ＹＡＧレーザと色素レーザとの波長差を用いた差周波レーザ、等がある。

【０００６】PbCdS 、PbSnSeやPbSnTe等の鉛塩半導体レーザは、その組成を変化させかつ液体窒素温度に冷却することにより、２〜３２μｍのレーザ光を発生させることができる。

【０００７】一方、InSbは、液体窒素温度で強磁場（２
〜７Ｔ）を加えることで５μｍ光を出射することができる。

【０００８】ＣＯ ₂レーザは１０．６μｍ、差周波レーザは色素を交換することで１．５から４μｍの光を発生することが可能である。

【０００９】しかしながら、これらのレーザには、上記したように低温や強磁場、又は、色素の交換が必要であったり、装置が大型で大きな入力パワーを必要とする等、システムに応用するには重大な問題点が存在する。

【００１０】長波長光を用いたシステムを実現するには、室温で動作し、小型で低消費パワーの光源を得ることが重要である。

【００１１】本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、現在容易に入手可能な半導体レーザと化合物半導体量子井戸、量子細線又は量子箱構造を組み合わせ、差周波発生を用いて、室温で動作し、
小型で低消費パワーの長波長でかつ短パルス化可能なコヒーレント光源を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理を説明するためのものである。 エネルギーギャップの小さな半導体層がそれよりギャップの大きな半導体層によって挟まれる、いわゆる量子井戸（簡単のため、１次元的な量子井戸とする。しかし、２次元的量子井戸すなわち量子細線、３次元的量子井戸すなわち量子箱の場合も同様に考えられる。）構造を考える。 この時、伝導帯及び価電子帯には、それぞれ電子及び正孔にとってのポテンシャル井戸ができる。 伝導帯の井戸の中には離散的なエネルギー準位c1、c2…が形成される。 同様に、価電子帯には重い正孔に対して、hh1 、hh2 …が、軽い正孔に対しては、lh1 、lh2 …ができる。

【００１３】これらの準位の中、まず、図１に示す３つの準位間（伝導帯と軽い正孔）の光学的な遷移を考えると、ＴＭ波（光の電界方向が量子井戸の積層方向）に対しては、c1−lh2 遷移のみが対称性から禁止されるが、
その他の遷移は許容される。 しかし、この量子井戸に電界を加えると、図１に示すように、非対称な量子井戸構造となり、２つのバンド間遷移に対応した励起子準位（c1lh1:1S及びc1lh2:1S）は、何れも許容遷移となる。
ここで、1Sは励起子の基底状態を表す。 また、これらの励起子間の遷移（lh1lh2）も、サブバンド間遷移に特有な大きな振動子強度を持つ許容遷移となっている。

【００１４】ここに、ポンプ光として、２つの励起子の生成エネルギー（ｈω ₁ ／２π、ｈω ₂ ／２π）に等しい光子エネルギーを持つＴＭ偏光の２本のコヒーレント光を入射すると、図１より明らかなように、 ｈω ₃ ／２π＝ｈω ₂ ／２π−ｈω ₁ ／２π なる差周波数の光が発生する。

【００１５】電界がかけられていないときには、ｈω ₂
／２πによる励起子準位（c1lh2:1S）は禁止遷移であるため、差周波発生は起きない。 さらに、電界によって遷移エネルギーも変化するため、差周波発生利得は最適電界の近くに急峻なピークを持つ。 内部電界は、外部回路により数十ピコ秒以下の速さで変調できるため、差周波放出光（ｈω ₃ ／２π）をこの速度で効率よく変調可能となる。

【００１６】放出光の波長は、ｈω ₁ ／２π、ｈω ₂ ／
２π及び電界の調整で変化させることができる。

【００１７】また、図２に示すように、c2lh1:1Sなる励起子準位にｈω ₂ ／２πを共鳴させれば、伝導帯でのサブバンド（c1及びc2）間の遷移による放出光を得ることができる。

【００１８】同様に、図３及び図４に示すように、伝導帯と重い正孔間の遷移を用いることも可能である。 ただし、入射波としてＴＥ波（光の電界が量子井戸の積層方向に垂直）を用いることは言うまでもない。

【００１９】この様に、放出光の波長は、広い範囲で変化させることができる。 より広い範囲をカバーするには、井戸幅を変えればよい。

【００２０】放出光エネルギーの上限は、第２のサブバンドレベルがバンド不連続量より小さいという条件で決まり、下限は放出光のエネルギーが励起子の線幅より大きいという条件で決まる。 GaAs/AlAs の超格子を用いるならば、放出光の波長は約２．５μｍから６０μｍの範囲となる。

【００２１】位相整合をとるには、（１）グレーティングの利用、（２）チェレンコフモードの利用を考えればよい。 特に、グレーティングの場合、各波長に対する伝搬ベクトル（β _i ，i=1,2,3 ）がグレーティングの格子ベクトルＫ（Ｋ＝ 2π／Λ，Λはグレーティングの周期）と、 β ₂ ＝β ₁ ＋β ₃ ＋ｑＫ，ｑ＝０，±１，±２，… なる関係を満たす必要があるが、β ₂ ≒β ₁であるからＫ≒β ₃となり、グレーティングの周期Λは比較的大きくてすみ、デバイスへの加工も容易である。

【００２２】なお、以上において、２つのコヒーレント光ω ₁ 、ω ₂を入射させる代わりに、エネルギーの高い方の光ω ₁又はω ₂のみを入射させ、残りの２つの中の１つ（入射光がω ₁の時は、ω ₂又はω ₃ ）を量子井戸中で共振させるパラメトリック構造にすることによっても、同様に差周波数のコヒーレントな光を発生させることができる。

【００２３】以上説明したように、本発明のコヒーレント光発生器は、少なくとも３つのエネルギー準位を有し、かつ、電界が印加された量子井戸、量子細線又は量子箱構造からなり、３つの遷移のうち２つの遷移エネルギーに対応する波長の光を入射させることによって、他の１つの遷移エネルギーに対応する波長の光を差周波発生させるようにしたことを特徴とするものである。

【００２４】この場合、電界が印加されていない時には、３つの遷移のうち少なくとも１つが光学的に禁止遷移となり、かつ、電界印加時には許容遷移となるものであることが望ましい。 また、差周波発生を起こす遷移が伝導帯又は価電子帯におけるサブバンド間遷移であることが望ましい。 なお、印加する電界の変調によって発生光を変調することができる。

【００２５】具体例としては、GaAs/AlAs 又はGaAs/AlG
aAs 量子井戸、量子細線又は量子箱に可視域の波長のレーザ光を入射させることにより、中赤外から遠赤外のコヒーレントな光を発生させることができる。

【００２６】なお、本発明のもう１つのコヒーレント光発生器は、少なくとも３つのエネルギー準位を有し、かつ、電界が印加された量子井戸、量子細線又は量子箱構造からなり、３つの遷移のうち最大遷移エネルギーに対応する波長の光を入射させ、かつ、それ以外の少なくとも１つの遷移エネルギーに対応する波長の光を該量子井戸、量子細線又は量子箱構造中で共振させることによって、最大遷移エネルギー以外の他の遷移エネルギーに対応する波長の光を差周波発生させるようにしたことを特徴とするものである。

【００２７】

【作用】本発明においては、少なくとも３つのエネルギー準位を有し、かつ、電界が印加された量子井戸、量子細線又は量子箱構造からなり、３つの遷移のうち２つの遷移エネルギーに対応する波長の光を入射させることによって、他の１つの遷移エネルギーに対応する波長の光を差周波発生させるようにしたので、室温で動作し、小型で低消費パワーの、中赤外から遠赤外領域のコヒーレントな光源を実現することができる。

【００２８】

【実施例】次に、本発明のコヒーレント光発生器の実施例について説明する。 図５は素子の構成を示した斜視図である。 以下に、その作成法を説明する。 ｎ型にドープされたGaAs基板１上に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等によってn-
GaAsバッファ層２、 n-Al _0.5 Ga _0.5 As下部クラッド層３、及び、超格子導波層４として i-GaAs100Å/i-Al _0.4
Ga _0.6 As100Åを５０周期積層する。 次に、位相整合のために、導波層４の上部にグレーティング５を形成する。
その上に p-Al _0.5 Ga _0.5 As 上部グラット層６を再成長させた後、 p ⁺ -GaAs コンタクト層７をつける。 チャネル型導波路とするために、幅２μｍのリッジを形成した後、絶縁層としてSiO ₂ ８をつける。 リッジ上部の絶縁層を除去した後、Cr/Au 電極９を形成する。 また、基板１
裏面を研磨後、AuGe/Ni/Au電極１０を形成し、拡散のため熱処理を行う。

【００２９】このようにして作成されたコヒーレント光発生器の上下の電極９、１０に１０Ｖの逆バイアス電圧を印加すると、超格子導波層４には１００ｋＶ／ｃｍの電界が作用する。 このとき、図１におけるω ₂の光として約０．８μｍ、及び、ω ₁として０．８４μｍの光を入射させて導波させると、ω ₃として約１５μｍのコヒーレント光が発生する。 また、外部電圧を高速変調することにより、ピコ秒オーダーの光パルスを得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】上記のように、本発明のコヒーレント光発生器によれば、市販の半導体レーザと１０Ｖ程度のパルス発生器と超格子導波路と組み合わせるだけで、中赤外から遠赤外領域のコヒーレントな光パルスを容易に得ることができる。 したがって、この波長領域での光システムのための小型で安価な光源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するためのバンド構造及び遷移構造の１つの例を示す図である。

【図２】他の例の図１の同様な図である。

【図３】もう１つの例の図１の同様な図である。

【図４】さらに別の例の図１の同様な図である。

【図５】本発明の１実施例のコヒーレント光発生器の構成を示した斜視図である。

【符号の説明】

１…n-GaAs基板 ２…n-GaAsバッファ層 ３…n-Al _0.5 Ga _0.5 As下部クラッド層 ４…超格子導波層 ５…グレーティング ６…p-Al _0.5 Ga _0.5 As上部グラット層 ７… p ⁺ GaAsコンタクト層 ８…SiO ₂ ９…Cr/Au 電極 １０…AuGe/Ni/Au電極