JPH021830A - 非線形光学素子用半導体 - Google Patents
非線形光学素子用半導体Info
- Publication number
- JPH021830A JPH021830A JP14357188A JP14357188A JPH021830A JP H021830 A JPH021830 A JP H021830A JP 14357188 A JP14357188 A JP 14357188A JP 14357188 A JP14357188 A JP 14357188A JP H021830 A JPH021830 A JP H021830A
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- Japan
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- semiconductor
- fine particles
- exciton
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- optical element
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、室温において大きな非線形感受率を有し、し
かもピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体に関する
ものである。
かもピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体に関する
ものである。
[従来の技術]
これまでGaAs系超格子では準二次元自由励起子の光
学的非線形性が盛んに調べられ、シート(SEED、5
elf Electro−optic Effect
Device)等のデバイスが考えられている。このデ
バイスは例えば「ミラー等著、応用物理論文45巻、1
3頁、1984J (D 、A 、B 、Mi 1le
r、 D 、5 、 Chemla 、T、c 、Da
men 、A 、C。
学的非線形性が盛んに調べられ、シート(SEED、5
elf Electro−optic Effect
Device)等のデバイスが考えられている。このデ
バイスは例えば「ミラー等著、応用物理論文45巻、1
3頁、1984J (D 、A 、B 、Mi 1le
r、 D 、5 、 Chemla 、T、c 、Da
men 、A 、C。
Gossard、W、Wiegmann、T、H,Wo
od and C,A、Burrus。
od and C,A、Burrus。
Appl、Phys、Lett、Vol、45.p、1
3.1984)に記載されている。ところが、自由励起
子を動作媒体として用いる場合には、スペクトル拡散や
空間拡散により飽和人力強度が高くなる傾向がある。ま
た、バンドフィリング効果を用いるため、応答速度がナ
ノ秒以上と遅い欠点があった。一方、自由励起子のかわ
りに、不純物の回りに局在化された束縛励起子を用いる
と、光学的非線形性が大きくなり、且つ応答速度も速く
なることが知られている。これについては例えば、「シ
ャーフィン等著、米国光学学会誌82巻、1179頁、
1985J (W、F、5harfin andM、D
agenais、J、Opt、Soc、Am、B Vo
l、2.p、1179.1985)および「高河原等著
、フィジカル レビュー レターズ56巻、2533頁
、198J (T、Takagahara andE、
Hanamura、Phys、Rev、Lett、Vo
l、56.p、2533゜1986) に記載されてい
る。しかし、束縛励起子の熱的解離エネルギーは一般的
には小さく、室温で動作できる非線形光学素子は、現在
までのところ実現されていない。
3.1984)に記載されている。ところが、自由励起
子を動作媒体として用いる場合には、スペクトル拡散や
空間拡散により飽和人力強度が高くなる傾向がある。ま
た、バンドフィリング効果を用いるため、応答速度がナ
ノ秒以上と遅い欠点があった。一方、自由励起子のかわ
りに、不純物の回りに局在化された束縛励起子を用いる
と、光学的非線形性が大きくなり、且つ応答速度も速く
なることが知られている。これについては例えば、「シ
ャーフィン等著、米国光学学会誌82巻、1179頁、
1985J (W、F、5harfin andM、D
agenais、J、Opt、Soc、Am、B Vo
l、2.p、1179.1985)および「高河原等著
、フィジカル レビュー レターズ56巻、2533頁
、198J (T、Takagahara andE、
Hanamura、Phys、Rev、Lett、Vo
l、56.p、2533゜1986) に記載されてい
る。しかし、束縛励起子の熱的解離エネルギーは一般的
には小さく、室温で動作できる非線形光学素子は、現在
までのところ実現されていない。
[課題を解決するための手段]
本発明は室温において大きな非線形感受率を有し、かつ
ピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体であって、半
導体が量子箱構造半導体または半導体微粒子からなり、
量子箱(微粒子)を構成する材料の禁制帯幅E1および
誘電率6Iと充填媒質の禁制帯幅E2および誘電率ε2
とがE、<R2およびR1〉R2なる関係を有し、微粒
子の粒径は微粒子の束縛エネルギーが室温の熱エネルギ
ーより十分に大ぎくなる程度に小さく、かつ量子箱構造
半導体または半導体微粒子が励起子分子状態に共鳴する
波長において動作することを特徴とする。
ピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体であって、半
導体が量子箱構造半導体または半導体微粒子からなり、
量子箱(微粒子)を構成する材料の禁制帯幅E1および
誘電率6Iと充填媒質の禁制帯幅E2および誘電率ε2
とがE、<R2およびR1〉R2なる関係を有し、微粒
子の粒径は微粒子の束縛エネルギーが室温の熱エネルギ
ーより十分に大ぎくなる程度に小さく、かつ量子箱構造
半導体または半導体微粒子が励起子分子状態に共鳴する
波長において動作することを特徴とする。
[発明が解決しようとする課題]
本発明は実用的なデバイスへの応用上必須な室温動作に
耐えられ、しかも大きな非線形感受率を有し、応答速度
の速い非線形光学素子を実現するための半導体を提供す
ることを目的とする。
耐えられ、しかも大きな非線形感受率を有し、応答速度
の速い非線形光学素子を実現するための半導体を提供す
ることを目的とする。
[作 用コ
低次元量子井戸構造中の励起子分子を動作媒体として用
いると、束縛エネルギーの増大により室温動作が可能と
なること、巨大振動子効果により非線形感受率が増大さ
れること、および非線形性の機構が従来の吸収飽和では
なく、二光子による仮想遷移であるため応答速度が極め
て速くなることなどの長所があり、速い応答速度を持つ
大きな光学的非線形性が室温において実現される。
いると、束縛エネルギーの増大により室温動作が可能と
なること、巨大振動子効果により非線形感受率が増大さ
れること、および非線形性の機構が従来の吸収飽和では
なく、二光子による仮想遷移であるため応答速度が極め
て速くなることなどの長所があり、速い応答速度を持つ
大きな光学的非線形性が室温において実現される。
励起子分子状態とは、2個の励起子が束縛状態を作って
いるものであり、2個の電子と2個の正孔の運動が複雑
に絡み合った四粒子状態である。
いるものであり、2個の電子と2個の正孔の運動が複雑
に絡み合った四粒子状態である。
従来までに、量子井戸、量子細線構造中の励起子分子状
態の計算結果の報告があるが、半導体微粒子における計
算結果は報告されていないので、ここでは球形の半導体
微粒子における励起子分子状態を変分法により計算した
結果について説明する。
態の計算結果の報告があるが、半導体微粒子における計
算結果は報告されていないので、ここでは球形の半導体
微粒子における励起子分子状態を変分法により計算した
結果について説明する。
励起子分子の束縛エネルギー(B XX)は、励起子エ
ネルギーの2倍から励起子分子の全エネルギーを差し引
いたものと定義する。この束縛エネルギーは、微粒子の
粒径R1電子正孔質量比ms/mh、微粒子とそれを取
り囲む充填媒質との誘電率比εl/ε2の三つの重要な
パラメータにより決められている。これらの依存性を第
1図から第3図に示す。ここで、粒径はバルク半導体に
おける励起子のボーア半径(a a)で規格化されてお
り、束縛エネルギーは同じくバルク半導体における励起
子の束縛エネルギー(有効リドベルブ)Ryを単位とし
である。RYはRy =e2/2e、a、で与えられる
。ここでeは電子の素電荷である。図より大きな束縛エ
ネルギーを得るには、小さい粒径、小さい電子正孔質量
比、大きい誘電率比が有効であることがわかる。とりわ
け小さい粒径の場合の誘電率比依存性は顕著である(第
3図)。
ネルギーの2倍から励起子分子の全エネルギーを差し引
いたものと定義する。この束縛エネルギーは、微粒子の
粒径R1電子正孔質量比ms/mh、微粒子とそれを取
り囲む充填媒質との誘電率比εl/ε2の三つの重要な
パラメータにより決められている。これらの依存性を第
1図から第3図に示す。ここで、粒径はバルク半導体に
おける励起子のボーア半径(a a)で規格化されてお
り、束縛エネルギーは同じくバルク半導体における励起
子の束縛エネルギー(有効リドベルブ)Ryを単位とし
である。RYはRy =e2/2e、a、で与えられる
。ここでeは電子の素電荷である。図より大きな束縛エ
ネルギーを得るには、小さい粒径、小さい電子正孔質量
比、大きい誘電率比が有効であることがわかる。とりわ
け小さい粒径の場合の誘電率比依存性は顕著である(第
3図)。
次に、励起子から励起子分子への遷移の振動子強度の粒
径R/ a B 、電子正孔質量比m e / m h
+微粒子と充填媒質との誘電率比ε1/ε2への依存
性を同様に第4図から第6図に示す。ここで振動子強度
はバルク半導体のバンド間遷移の振動子強度(f O)
で規格化されている。各図から大きな振動子強度を得る
には、大きな粒径、小さい電子正孔質ユ比、大きい誘電
率比が有効であることがわかる。
径R/ a B 、電子正孔質量比m e / m h
+微粒子と充填媒質との誘電率比ε1/ε2への依存
性を同様に第4図から第6図に示す。ここで振動子強度
はバルク半導体のバンド間遷移の振動子強度(f O)
で規格化されている。各図から大きな振動子強度を得る
には、大きな粒径、小さい電子正孔質ユ比、大きい誘電
率比が有効であることがわかる。
以上の結果から、微粒子の粒径は束縛エネルギーが室温
の熱エネルギーより十分大きい程度に小さく、かつ必要
な振動子強度を維持できる程度の大きさを有することが
必要とされる。さらに微粒子と充填媒質の禁制帯幅をそ
れぞれElおよびE2とした時、El<E2であること
が゛必要である。
の熱エネルギーより十分大きい程度に小さく、かつ必要
な振動子強度を維持できる程度の大きさを有することが
必要とされる。さらに微粒子と充填媒質の禁制帯幅をそ
れぞれElおよびE2とした時、El<E2であること
が゛必要である。
次に、二光子遷移で作られる励起子分子状態を経由して
生ずる三次の光学的非線形性χ33ゝの周波数分散を第
7図に示す。ここでΔは二光子共鳴からの非共鳴エネル
ギーであり、励起子分子の全エネルギーをEBとして2
MΔ=2省ω−E5で定義されている。横軸はΔを励起
子の位相緩和率γ□で規格しである。−光子共鳴(Δ=
B XX/2)のみならず二光子共鳴(Δ=0)での
特徴的な分散特性が見られている。特に実部Reχ33
)、虚部1mχ33)の分散特性が一光子共鳴と二光子
共鳴とで逆になっていることは興味深い。光学的非線形
性の効率を表わす特性指数としては、χ33′ を吸収
係数αで割ったものが考えられ、これは1個の励起子ま
たは電子正孔対当りの吸収係数または屈折率の変換に比
例する。この特性指数を第8図に示す。二光子共口、も
の所ではχf31 の絶対値は小さいが、χ0)/αは
鋭いピークを持っており、励起子分子遷りを用いること
の存効性がわかる。しかも、励起子分子の二光子共鳴を
用いる光学的非線形性は、吸収飽和型非線形性とは異な
り、励起子または光励起キャリアーの分布の代わりに二
光子による仮想遷移を用いているので、応答時間が極め
て短い特徴がある。
生ずる三次の光学的非線形性χ33ゝの周波数分散を第
7図に示す。ここでΔは二光子共鳴からの非共鳴エネル
ギーであり、励起子分子の全エネルギーをEBとして2
MΔ=2省ω−E5で定義されている。横軸はΔを励起
子の位相緩和率γ□で規格しである。−光子共鳴(Δ=
B XX/2)のみならず二光子共鳴(Δ=0)での
特徴的な分散特性が見られている。特に実部Reχ33
)、虚部1mχ33)の分散特性が一光子共鳴と二光子
共鳴とで逆になっていることは興味深い。光学的非線形
性の効率を表わす特性指数としては、χ33′ を吸収
係数αで割ったものが考えられ、これは1個の励起子ま
たは電子正孔対当りの吸収係数または屈折率の変換に比
例する。この特性指数を第8図に示す。二光子共口、も
の所ではχf31 の絶対値は小さいが、χ0)/αは
鋭いピークを持っており、励起子分子遷りを用いること
の存効性がわかる。しかも、励起子分子の二光子共鳴を
用いる光学的非線形性は、吸収飽和型非線形性とは異な
り、励起子または光励起キャリアーの分布の代わりに二
光子による仮想遷移を用いているので、応答時間が極め
て短い特徴がある。
[実施例]
以下に本発明の詳細な説明する。
実施例1
真空中のGaAs微粒子について説明する。これは現在
までのところ、GaAs−AλGaAs多重量子井戸構
造を電子ビームリソグラフィとエツチングの技術により
加工し、近似的に円筒形の微粒子として実現されている
。ここでは球形微粒子についての光学的非線形性の評価
について述べる。電子正孔質量比は0,14、微粒子と
真空との誘電率の比は12.56である。GaAs微粒
子の禁制帯幅E、α1.52eV、真空の禁制帯幅E2
ム(1)である。微粒子の半径として、R/ a B
= 0.2 (a Bはバルクでの励起子のボーア半径
で約136人)すなわちRe−27人ととると、励起子
分子の束縛エネルギーは約50meVと見積られ、Ry
iy4.2meVである。これは室温の熱エネルギー
より十分大きく、室温での安定性を保証するものである
。χ13) の大きさは微粒子の数密度1015cm”
”に対し、二光子共鳴で1.3X 10−’esu 、
−光子共鳴では1.OX 1O−3esuと評価され、
Ga八へi子井戸で観測されている値と遜色はない。し
かもこの場合は応答速度がピコ秒からサブピコ秒と速い
ことが特徴である。
までのところ、GaAs−AλGaAs多重量子井戸構
造を電子ビームリソグラフィとエツチングの技術により
加工し、近似的に円筒形の微粒子として実現されている
。ここでは球形微粒子についての光学的非線形性の評価
について述べる。電子正孔質量比は0,14、微粒子と
真空との誘電率の比は12.56である。GaAs微粒
子の禁制帯幅E、α1.52eV、真空の禁制帯幅E2
ム(1)である。微粒子の半径として、R/ a B
= 0.2 (a Bはバルクでの励起子のボーア半径
で約136人)すなわちRe−27人ととると、励起子
分子の束縛エネルギーは約50meVと見積られ、Ry
iy4.2meVである。これは室温の熱エネルギー
より十分大きく、室温での安定性を保証するものである
。χ13) の大きさは微粒子の数密度1015cm”
”に対し、二光子共鳴で1.3X 10−’esu 、
−光子共鳴では1.OX 1O−3esuと評価され、
Ga八へi子井戸で観測されている値と遜色はない。し
かもこの場合は応答速度がピコ秒からサブピコ秒と速い
ことが特徴である。
実施例2
ガラス中のCdS微粒子について説明する。これは通常
の色ガラスフィルターにおいて実現されている。ここで
は電子正孔質量比は0.24、微粒子とガラスとの誘電
率比は3.8である。微粒子の禁制帯幅E、は約2.5
8eV、ガラスの禁制帯幅は約10eVである。微粒子
の半径としてR/aB=3すなわちR6190人(a、
y39人)ととると、励起子分子の束縛エネルギーは約
20meV (Ryα28meV)と見積られ、室温で
の安定性の条件はほぼ満たされているとしてよい。χ1
3) の大きさは粒子数密度10”cl”に対し、二光
子共鳴で1.9 x 1O−6esu、−光子共鳴では
8.OX 10−’esu程度と評価される。
の色ガラスフィルターにおいて実現されている。ここで
は電子正孔質量比は0.24、微粒子とガラスとの誘電
率比は3.8である。微粒子の禁制帯幅E、は約2.5
8eV、ガラスの禁制帯幅は約10eVである。微粒子
の半径としてR/aB=3すなわちR6190人(a、
y39人)ととると、励起子分子の束縛エネルギーは約
20meV (Ryα28meV)と見積られ、室温で
の安定性の条件はほぼ満たされているとしてよい。χ1
3) の大きさは粒子数密度10”cl”に対し、二光
子共鳴で1.9 x 1O−6esu、−光子共鳴では
8.OX 10−’esu程度と評価される。
実施例3
NaCiLマトリクス中のCuCJ2微粒子について説
明する。これはNaGIl単結晶中にドープしたCu”
イオンの拡散を利用して作られる。電子正孔質量比は0
,22、CaCl2とNaCuの誘電率比は2.3であ
るa Cu CJ:L 9粒子の禁制帯幅E、は約3
.39eV。
明する。これはNaGIl単結晶中にドープしたCu”
イオンの拡散を利用して作られる。電子正孔質量比は0
,22、CaCl2とNaCuの誘電率比は2.3であ
るa Cu CJ:L 9粒子の禁制帯幅E、は約3
.39eV。
NaCλの禁制帯幅E2は約8.6eVである。微粒子
の半径としてR/a、=3すなわちR&20人(B、5
−17人)ととると、励起子分子の束縛エネルギーは約
110meV(Ry y190meV) となり、室
ン晶の熱エネルギーよりはるかに大きい。χ33′ の
大ぎさけ粒子数密度10”cm””に対し、二光子共鳴
で1.2 x 10””esu 、−光子共鳴では2.
I X 10−’esu程度と評価される。
の半径としてR/a、=3すなわちR&20人(B、5
−17人)ととると、励起子分子の束縛エネルギーは約
110meV(Ry y190meV) となり、室
ン晶の熱エネルギーよりはるかに大きい。χ33′ の
大ぎさけ粒子数密度10”cm””に対し、二光子共鳴
で1.2 x 10””esu 、−光子共鳴では2.
I X 10−’esu程度と評価される。
以上の実施例では、粒子数密度はすべて1015cm−
3と仮定したが、χ13′ の大きさは数密度に比例す
るので、数密度を上げることによりて、ざらに大きな光
学的非線形性が期待される。
3と仮定したが、χ13′ の大きさは数密度に比例す
るので、数密度を上げることによりて、ざらに大きな光
学的非線形性が期待される。
[発明の効果]
以上説明したように、量子箱構造半導体あるいは半導体
微粒子においては、励起子分子状態が室温でも安定に存
在し大きい非線形感受率と高速な応答速度とを持つので
、励起子分子状態に二光子共鳴する波長で動作させるこ
とにより低い光入力で高速応答する非線形光学素子を実
現できる。
微粒子においては、励起子分子状態が室温でも安定に存
在し大きい非線形感受率と高速な応答速度とを持つので
、励起子分子状態に二光子共鳴する波長で動作させるこ
とにより低い光入力で高速応答する非線形光学素子を実
現できる。
孔質量比との関係を示す特性図、
第3図は励起子分子の束縛エネルギーと誘電率比との関
係を示す特性図、 第4図は微粒子中の励起子から励起子分子への1ff2
Jの振動子強度と粒径との関係を示す特性図、第5図は
微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振動子強度
と電子正孔質量比との関係を示す特性図、 第6図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と誘電率比との関係を示す特性図、 第7図は三次の非線形感受率の周波数分散を示す図、 第8図は三次の非線形感受率の特性指数の周波数分散を
示す図である。
係を示す特性図、 第4図は微粒子中の励起子から励起子分子への1ff2
Jの振動子強度と粒径との関係を示す特性図、第5図は
微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振動子強度
と電子正孔質量比との関係を示す特性図、 第6図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と誘電率比との関係を示す特性図、 第7図は三次の非線形感受率の周波数分散を示す図、 第8図は三次の非線形感受率の特性指数の周波数分散を
示す図である。
第1図は励起子分子の束縛エネルギーと粒径との関係を
示す特性図、 第2図は励起子分子の束縛エネルギーと電子正特許出頭
人 日本電信電話株式会社
示す特性図、 第2図は励起子分子の束縛エネルギーと電子正特許出頭
人 日本電信電話株式会社
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)室温において大きな非線形感受率を有し、かつピコ
秒で応答する非線形光学素子用半導体であって、 該半導体が量子箱構造半導体または半導体微粒子からな
り、該量子箱(微粒子)を構成する材料の禁制帯幅E_
1および誘電率ε_1と充填媒質の禁制帯幅E_2およ
び誘電率ε_2とがE_1<E_2およびε_1>ε_
2なる関係を有し、前記微粒子の粒径は該微粒子の束縛
エネルギーが室温の熱エネルギーより十分に大きくなる
程度に小さく、かつ前記量子箱構造半導体または半導体
微粒子が励起子分子状態に共鳴する波長において動作す
ることを特徴とする非線形光学素子用半導体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63143571A JP2666966B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 非線形光学素子用半導体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63143571A JP2666966B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 非線形光学素子用半導体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH021830A true JPH021830A (ja) | 1990-01-08 |
| JP2666966B2 JP2666966B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=15341846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63143571A Expired - Fee Related JP2666966B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 非線形光学素子用半導体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2666966B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0580346A3 (ja) * | 1992-07-13 | 1994-03-09 | Pioneer Electronic Corp | |
| US5420845A (en) * | 1991-06-20 | 1995-05-30 | Hitachi, Ltd. | Methods of varying optical properties, optical devices, information recording media and information recording methods and apparatuses |
-
1988
- 1988-06-13 JP JP63143571A patent/JP2666966B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5420845A (en) * | 1991-06-20 | 1995-05-30 | Hitachi, Ltd. | Methods of varying optical properties, optical devices, information recording media and information recording methods and apparatuses |
| EP0580346A3 (ja) * | 1992-07-13 | 1994-03-09 | Pioneer Electronic Corp | |
| US5456961A (en) * | 1992-07-13 | 1995-10-10 | Pioneer Electronic Corporation | High density optical disk |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2666966B2 (ja) | 1997-10-22 |
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