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光通信用量子井戸構造半導体レーザの開発

多重量子井戸構造分布帰還型レーザの断面透過顕微鏡写真

図1 多重量子井戸構造分布帰還型レーザの断面透過顕微鏡写真

 光通信システムでは、光源として半導体レーザが広く用いられている。ところが光通信の大容量化と光通信方式が導入される範囲の拡大が進むにつれ、半導体レーザにはしきい電流値の低減、高出力化、変調時の波長揺らぎの低減、また動作温度範囲の向上などが要求されていた。

 一方、半導体超薄膜を積層した量子井戸構造を半導体レーザの活性層に導入すると、量子効果により上気したような特性の向上が図れることが明らかにされた。これより光通信用の光源として設計技術と作製技術の向上が図られ、製品化に至ることになった。最近では量子井戸構造半導体レーザは、光通信用の光源として導入されて、広く用いられている。特にGbit/s帯の光通信用光源については、欠くことのできないものとなっている。茅根直樹氏、W.T. Tsang氏、水戸郁夫氏らは、以上述べた経過の初期の段階から量子井戸構造レーザの研究開発に取り組み、この成果を実用化に結びつけた。

 まずW.T. Tsang氏は、GaAs/GaAlAs系の材料において、MBE(分子線結晶成長法)による結晶性向上と量子井戸構造の最適設計を行い、初めて量子井戸構造によるしきい電流値の低減を実証した。その後CBE(科学線結晶成長法)により光通信用半導体レーザで用いられているInGaAsP/InP系材料による量子井戸構造とこれを用いた半導体レーザの作製に成功した。茅根直樹氏は、量子井戸構造により高速化が図れることに着目し、GaAlAs/GaAs系の材料による量子井戸構造レーザにおいて、初めて高速性能の実証に成功した。また不純物の変調ドーピングにより更に高速化が図れることを見い出した。またその後InGaAsP/InP系量子井戸構造レーザにおいて、高速化やスペクトル幅の大幅な低減などを実証した。水戸郁夫氏は、MOVPE(有機金属気相成長法)によるInGaAsP/InP系多重量子井戸構造の形成に関する先駆的研究を行い、低吸収損失光導波路が可能なことに着目し半導体レーザの高出力化を実現した。また分布帰還型半導体レーザへの適用を図りスペクトル幅の低減、高速変調時の波長揺らぎの低減などを実現し、光ファイバ伝送実験において有用性を初めて実証した。

 三氏らは、各々の研究機関において光通信用の量子井戸構造半導体レーザの実用化に取り組み、設計技術、作製技術などの向上を図り、製品化に導いた。これらの製品は実際の光通信システムで広く採用されており、ますます増大する情報伝送を支えている光通信システムの中で最も重要な光部品として活用されている。

 以上のように、三氏は、量子井戸構造半導体レーザの研究開発に早くから取り組み、量子井戸構造による性能向上の実証を行い、実用化に導いた。

 この技術に対して、電子情報通信学会は、1996年、茅根直樹氏、Won-Tien Tsang氏、水戸郁夫氏に業績賞を贈った。


文献

[1] K. Uomi, T. Mishima, and N. Chinone、Ultrahigh Relaxation Oscillation Frequency (up to 30 GHz) of Highly P-doped GaAs/GaAlAs Multiple Quantum Well Lasers、1987年、Appl. Phys. Lett., 51, pp.78-80 (1987)
[2] W. T. Tsang、Extremely Low Threshold (AlGa)As modified Multiquantum Well Heterostructure Lasers Grown by Molecular-Beam Epitaxy、1981年、Appl. Phys. Lett., 39, pp.786-788 (1981)
[3] K. Kobayashi and I. Mito、Single Frequency and Tunable Laser Diodes、1988年、J. Lightwave Technology, 6, p.1623 (1988)

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キーワード

量子井戸構造半導体レーザ、半導体レーザ、レーザ・量子エレクトロニクス
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