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埋込みヘテロ構造半導体レーザの発明・開発

埋込みヘテロ構造半導体レーザ

図1 埋込みヘテロ構造半導体レーザ

BHレーザ結晶の表面と断面写真

図2 BHレーザ結晶の表面と断面写真

BHレーザの近視野像

図3 BHレーザの近視野像

 半導体レーザを大容量・長距離光通信システムや各種光情報処理システム用光源として用いるためには、極めて高い要求性能を満足しなければならない。従来の半導体レーザは活性領域のアスペクト比が大きく、これが横モードの不安定性、しきい電流の増大、非対称ビームプロファイル、光出力特性の非直線性等をまねき、半導体レーザを実用に供する上での障害となっていた。このような状況のもとで、塚田俊久氏と伊藤良一氏は屈折率もしくは利得導波形の導波路形成を2次元的に行うことの必要性を早くから指摘してきた。本技術は、半導体レーザの活性領域を光およびキャリヤの閉込めを同時に行うことができる媒体中に完全に埋め込むことにより、半導体レーザの理想形態を世界に先駆けて実現したことにある。

 2氏らは、屈折率導波形の2次元導波路構造を初めて提案し、従来のアスペクト比の大きい断面を有する半導体レーザに代り、アスペクト比~1の埋込みヘテロ構造半導体レーザを実現して安定な単一横モード発振、低電流動作を可能にし、更に高出力化、長寿命化にも努めて実用に耐えうる半導体レーザを開発したものである。両氏は本構造の半導体レーザをまずGaAs-Ga1-xAlxAs系において、独自な液相成長法の開発と素子微細加工技術および素子実装技術の確立により実現した。本構造のレーザにおいては1.5μm以下の極めて狭い幅の活性領域が可能であるため、従来素子においては具備が困難であった諸特性を実現することができる。ますしきい電流は従来比で一けた近い低減が可能となり、最小値では4.5mAという低い値を得るに至った。またTE00横最低次モード動作を再現性よく得ると共に、対照的ビームプロファイルを有する基本モードが電流レベルによらず安定であることを見出した。更に数GHzまで平たんな周波数応答特性を有し、光出力特性の直線性が良好であるため変調時の高調波ひずみが小さく、ディジタル通信ばかりでなく高品質アナログ通信にも適したレーザである。一方、本レーザは微小スポット径を有するため高出力化が困難であると考えられていたが、この点に関しても0.1μm以下の精密制御を行った多層構造の採用により、電力変換効率35%、CW出力20mWという高い値を得ることに成功した。

 この埋込みヘテロ構造半導体レーザは提案当初から世界の注目を浴びると共に内外から高い評価を受けこの分野における研究活動に多大の影響を与えた。とくに光通信用には光ファイバの損失が極小となる1.3~1.5μm帯の波長領域で用いられる半導体レーザとしても本埋込みヘテロ構造が極めて有効であることが確認され、百万時間以上の室温推定寿命を有する高性能素子が実現されるに至っている。既に布設が決定した大西洋横断海底ケーブルシステムをはじめ、各種大容量・長距離光通信システムに用いる光源として主導的位置を占めることが確実となっている。

 このように、本研究開発は半導体レーザの理想形態を世界に先駆けて提案、実現し、その基礎技術の確立と実用化に貢献したもので、今後の光通信、光情報処理分野に大きく寄与するものと考えられる。

 この技術に対して、電子通信学会は、1984年、塚田俊久氏、伊藤良一氏に業績賞を贈った。


文献

[1] Toshihisa Tsukada、GaAs-Ga(1-x)Al(x)As buried-heterostructure injection lasers、1974年、Journal of Applied Physics, vol.45, no.11, pp.4899-4906, November 1974
[2] Toshihisa Tsukada、Buried-Heterostructure Injection Lasers、1975年、Proc. The 6th Conference on Solid State Devices, Tokyo, 1974, Supplement to the Journal of the Japan Society of Applied Physics, vol.44, pp.33-37, 1975
[3] Toshihisa Tsukada and Yasuji Shima、Thermal Characteristics of Buried-Heterostructure Injection Lasers、1975年、IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-11, no.7, pp.494-498, July 1975

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埋込みヘテロ構造半導体レーザ、半導体レーザ、レーザ・量子エレクトロニクス
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