なり、これが電磁場の状態密度を与える。実際に遷移が起こる確率は、この状態密度を掛けたものとなる。伝導帯の電子および価電子帯の正孔の存在確率はフェルミ-ディラック分布関数で与えられる。電子(正孔)の存在確率が1/2となるエネルギーレベル。従って、半導体内において熱平衡状態での伝導帯の電子および価電子帯の正孔密度のエネルギー分布は、各々の状態密度関数にフェルミ-ディラック分布関数をかけたものとなる。半導体pn接合に順バイアスを印加して電流注入を行うと、もはや熱平衡状態ではなくなり、伝導帯電子および価電子帯正孔の存在確率を一つのフェルミ-ディラック分布関数で表わすことはできなくなり、伝導帯電子および価電子帯正孔に対して各々別々の分布関数を定義する必要がある。真空中の電子は光と相互作用可能か?それを考えるには、真空中の電子のエネルギー分散関係と光(フォトン)のエネルギー分散関係を比較してみること。曲線)を図にしてみよう。そこに、フォトンのエネルギー分散関係を重ねて比較してみよう。真空中の電子の質量(半導体中の場合は、有効質量で考えればよい。電界印加によって得られる発光をエレクトロルミネセンス(Electroluminescence:EL)と呼び、電流(電子と正孔)を注入して発光させる注入型と、電界によって加速した電子が何らかの発光中心に衝突し、その発光中心が励起されて発光する真性とに区別される。μm程度の広い領域で発光再結合が起こる。従ってホモ接合では、キャリヤ密度が低いために効果的な発光再結合は得にくい。一般的なLDの活性層は、二重ヘテロ(Double-hetero)構造によってキャリヤ(電子と正孔)および光を活性層に効果的に閉じ込め、高いキャリヤ密度により高い発光再結合効率を実現している。活性層の厚さを電子のド・ブロイ波長(数nm)程度まで薄くすると、キャリヤが狭い領域に閉じこめられるため、状態密度が離散化される。これを量子サイズ効果と呼ぶ。電子および正孔の波動関数およびエネルギー準位も量子化される。通常エピタキシャル成長では、基板の格子定数に成長させる物質の格子定数を合わせて結晶成長を行う。Λ=5.869Å)にIn0.53Ga0.47Asなど。量子井戸活性層に格子歪を導入することにより、(特に価電子帯の)状態密度関数を望ましい形に設計することが可能。価電子帯では、Γ点での重い正孔と軽い正孔のエネルギー縮退が解けて分裂する。その結果、伝導帯と重い正孔のバンド間での遷移が支配的となる。Γ点付近での重い正孔の有効質量が小さくなる。その結果、僅かに正孔を注入すれば反転分布が得られるようになる。従って、発振閾値の低いLDを実現するには好都合。Γ点での重い正孔と軽い正孔のエネルギー縮退が解けて分裂する。その結果、伝導帯と軽い正孔のバンド間での遷移が支配的となる。伝導帯と軽い正孔のバンド間での遷移は、活性層に垂直な電場成分を有する(TM-likeモードの)光と相互作用をするため、TM-likeモードの光に対して光学利得を有する。TEとTMの両方の光に対して増幅を行いたい光増幅器などに用いられる。半導体レーザの駆動電流に変調信号を重畳し、直接光出力を変調する方式を直接変調と呼ぶ。nm程度長い波長域に光学利得が得られる。波長多重伝送やフォトニックネットワークでは、発振波長を自由に変えられる波長可変レーザが望まれる。波長可変レーザは、光増幅器と波長選択素子とで構成できる。光通信において、半導体レーザーなどは直接変調が可能であるが、直接変調を行えない光源(ガスレーザーや固体レーザーなど)には、外部で光変調を行う光変調器がある。化合物半導体などのpn接合に逆バイアスを印加すると、印加電界によって光吸収特性が変化(フランツ・ケルディッシュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果)し、これを利用して光の強度変調を行うもの。effect)を有している。LNによる光導波路では、伝搬光の位相変調が可能。LNによる光導波路によってMach-Zehnder(MZ)型の光干渉計を構成し、光の位相変化を強度変化に変換し光強度変調も行える。波長多重光伝送においては、異なる波長の光搬送波を1本の光ファイバーを用いて伝送する。(分光器あるいは分波器)が不可欠。通信用デバイスでは、戻り光が様々な悪影響を及ぼすことがある。偏光子により、光を一方向にのみ通過させる素子を光相反素子または光アイソレーターと呼ぶ。光ファイバーや通信用光デバイスの中では、波長によって光の伝搬速度が異なるために、光信号波形が乱されることがある。