JPH0293523A

JPH0293523A - 非線形光学素子

Info

Publication number: JPH0293523A
Application number: JP63246324A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimizu; 明清水
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-04
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: EP0361508A3; DE68924949D1; DE68924949T2; EP0361508A2; EP0361508B1; JP2698394B2; US5005933A

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。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、光を用いて情報の伝送や処理を行うための基
本的な構成要素である、非線形光学素子、即ち、材料の
光学的非線形性を利用して、光によって、光の変調やス
イッチングや演算等を行う素子に関するものである。

［従来の技術］従来の非線形光学素子（Ｎｏｎ目ｎｅａｒ　Ｏｐｔ！ｃ
ａｌＤｅｖｉｃｅ、以下ＮＯＤと称す）の総合報告とし
ては、Ｇ、１．　Ｓｔｅｇ＋ｓａｎ　ｅｔ　ａｌ、、　
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ−冑ａｖｅ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ、　６，９５３（１９８８）等がある。

この文献に記載されたＮＯＤの典型的な例を第８図に示
す、これは、２本の先導波路ａ、ｂが途中の斜線部で示
す結合領域Ｃで結合した構造を持つ。ａ。

ｂの入射側（図では左側）にそれぞれ光入力Ｐ１、Ｐｌ
を入れると、出射側（右側）から光出力Ｐ３．Ｐ４が出
て来るが、結合領域Ｃに、非線形光学材料（Ｎｏｎｌｌ
ｎｅａｒ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　、以下
ＮＯＭと称す）を用いることにより、有用な機能を持た
せる事が出来る。即ち、Ｐ３とＰ４との比をＰｌとＰｌ
の強度で変化させることができる。

これは、結合長が、Ｃの領域の屈折率で決まり、そして
、その屈折率が光学的非線形性により光強度に依存する
、ということを利用している。これを利用して、光ＡＮ
Ｄゲートや光トランジスターなどが作られている。結合
領域Ｃに用いるＮＯＭとしては、ＬｉＮｂ０．等の読電
偉材料や、ＧａＡｓ等の半導体材料が使われるが、発光
素子との集積化や加工の点で、後者の方が優れている０
本発明も半導体材料を用いるので、以下では、半導体材
料を用いた従来例と比較して説明する。

［発明が解決しようとしている問題点］従来は、ＧａＡ
ｓやＧａＡｓ／＾１ＧａＡｓ多重量子井戸構造（Ｍｕｌ
ｔｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ
　、以下ＭＱＷＳと称す）のバンド端付近の非線形性を
利用していた。即ち、ＭＯＤを動作させる光の光エネル
ギーをｈω、半導体の励起子生成エネルギーをＥ　ａｍ
としたとき、ｈωｚＥｏとなるように選んで構成してい
た。これは、大きな非線形性を得るためであるが、その
半面、次のような問題点を有している。

（１）バンド端付近では、（線形の）屈折率の分散が大
きいため、光パルスの形が崩れてしまう。

このため、極端パルスを高い繰り返し周波数で入射して
、ＮＯＤを動作させる、ということができなくなり、光
情報処理のメリットであるはずの、超高速処理ができな
い。

（２）吸収が大きいので、ひとつのＮＯＤを通過するた
びに、光強度がかなり減衰してしまい、途中で頻繁に増
幅する必要がある。また、この吸収のために、ＮＯＶと
しての水性数（ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆａ＋ｅｒｉｔｓ）で
ある、χ１）／α（ただし、χｌｎ）はｎ次の非線形感
受率、αは吸収係数）が、せっかくχ１″′　が大きく
ても、αも大きいために、思ったほど大きくならない。

この吸収は、ｈωをＥ　ａｘよりすこし小さめに設定す
ると減少させることができることが知られているが、そ
れでも、Ｅ　＠Ｘの数＋ｍｅＶ下まである、フォノン吸
収を伴う吸収とか、ｈω≧Ｅ、、／２の範囲にある、２
光子吸収等は、避けられない。

Ｅ問題点を解決するための手段］最近、我々は、適当な量子井戸構造（ＱｕａｎｔｕＩｌ
−Ｗｅｌｌ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ、以下ＱＷＳと称す）
に適当な電界を印加すると、ｈω：；　Ｅ　、、／　２
の時に、大きな光学的非線形性が得られる事を発見し、
００Ｍ効果と名付けた６本発明は、この００Ｍ効果をＮ
ＯＤに応用するものである。

即ち、ＮＯＤに用いるＮＯＭとして、ＱＷＳを使い、こ
れに００Ｍ効果が現われるように適当な電界（バイアス
電界）を印加して、さらに、光として、ｈω：：　Ｅ　
、、／　２となるものを用いる。

００Ｍ効果により、バルクの半導体結晶をそのまま用い
た場合に比べて、ずっと大きな非線形性が得られる上に
、光子エネルギーがバンド端よりずっと下にあるので、
上記従来例の問題点はほとんど回避できる。特に、ｈω
をＥ。／２より少し小さく設定すれば、前記問題点（２
）にある２光子吸収もなくなるので、上記従来例の問題
点は全て回避できる。

我々の研究によれば、この００Ｍ効果を発揮させるため
には、ＱＷＳの厚さを、励起子の有効ボーア半径と同程
度の厚さにし、また、バイアス電界の大きさは、励起子
を構成する電子と正孔のそれぞれの重心の間の距離が、
有効ボーア半径と同程度または数分の−になるような大
きさになるようにすればよい。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図に、本発明を最も一般的な形で、概念的に表した
。入力光と制御光が結合領域（第６図のＣに相当）で非
線形光学効果により相互作用し、その結果、入力光が変
調されたものが出力光として得られる。

第２図は、第１図示の構成を具体化した本発明の一実施
例を示す斜視図である。また、第３図は、第２図示の素
子の線分ＡＡ’　における略断面図である。説明の都合
上、半導体として。

＾１．Ｇａ＋−，＾Ｓを用いた場合について説明するが
、量子井戸構造を作れる半導体なら、何でも良いことは
明らかであろう、また、先導波路の構造としては、リッ
ジ型導波路を用いた場合について説明するが、これもま
た、半導体を用いて作れる導波路なら、どんなものでも
良い。

素子を作製するには、まずｎ型ＧａＡｓ基板４の上に＾
１．Ｇａ＊　＋ｌｌ＾Ｓを、順に、下部クラッド層３゜
（ｎ型）及び３（無ドープ）、ＭＱＷＳＩ、上部クラッ
ド層２（ドープ）及び２°　（ｎ型）として分子線エピ
タキシー（Ｍ　Ｂ　Ｅ　）法等で成長させる。そして、
これを上面から、反応性イオンビーム等でエツチングし
て、第２図のような帯状の凸部から成るリッジ型導波路
Ｇ１及びＧ２の二本が中央付近で結合している構造を作
る。各種の＾ＩＡｓの組成比Ｘは、クラッド層がｘ　＝
　０．１〜１．０程度、ＭＱＷＳの井戸層が０〜Ｇ、１
　、バリア層が０．４〜１、θ程度が良い、また、各層
の厚さは、３°が１〜５μｍ、３が０．２〜２　ｐ　ｍ
、　　２が０．２〜２ｐｍ、２°が０．１〜５　μｍ、
　　１が０．１〜２　μｍ。

リッジ部の底からＭＱＷＳ上部までの距離を０．２〜０
．９μｍ程度とするのが良い。また、各リッジの９の幅
は１〜４μｍとし、結合領域の幅は２〜８μｍ１その長
さは、数百μｍ〜数ｍｍ程度が良い。

これらの導波路構造の設計の仕方は、通常の、（結合領
域に半導体を用いた）ＮＯＤに準するので、説明を省略
し、以下では本発明に特徴的な部分を詳述する。

本発明の特徴は、００Ｍ効果（＾、　Ｓｈｉｍｉｚｕ。

Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、６
１．６１３（１９８８）及び、　（＾、　　５ｈｉｓｉ
ｚｕ、　　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｒｅｖｉｅｗ、　　８
３７．　　（８５２７（１９８８）参照）を利用する構
成にしであることにある、まず、図に示したように、Ｍ
ＱＷＳに電界を印加するために、ＭＱＷＳ　１および、
それに隣接するクラッド層２．３を無ドープし、その外
側のクラッド層２°、３′に不純物をドープし、結合領
域ではクラッド層２°の上に電極１ｏをつける。基板側
にも電極を付け、図のように外部から電圧源１１で電圧
を供給する。この時のバイアス電界の大きさＦｂｌａｓ
は、第４図に示すように、励起子を構成する電子ｅと正
孔りのそれぞれの重心の間の距離が、有効ボーア半径Ｒ
に対し数分の−から同程度とになるような大きさにする
必要がある。第４図において、ＷはＭＱＷＳの井戸層、
Ｂ、及びＢ２は夫々ＭＱＷＳのバリア層を示す。

なお、クラッド層２°と３°は、同じ極性にドープして
も良いが、図にあるように反対の極性にドープして、逆
バイアスを印加するようにしたほうが、電界の均質性や
、無効電流が少ないこと等で優れている。また、電圧の
供給は、必ずしも外部の電圧源に頼る必要はなく、井戸
層が厚く、かつ、層１，２．３の厚さの合計が割と薄い
時には、クラッド層°、３°を反対の極性にドープした
ことによって生じる内部電界で十分なこともある。但し
、その場合は、各層の厚みゃドープ量を精密に制御する
必要がある。

重要なのは、００Ｍ効果を利用するためには、ＭＱＷＳ
の構造と印加する電界と使用する光の波長とが、以下に
述べるように、すべて適当なものになっている必要があ
ることである。即ち、（ａ）ＭＱＷＳの井戸層は、励起
子の有効ボーア半径と導程度の厚さをもち、（ｂ）バイアス電界の大きさは、励起子を構成する電子
と正孔のそれぞれの重心の間の距離が、有効ボーア半径
と同程度または数分の−になるような大きさで、（ｃ）ＭＱＷＳのバリア層は、該バイアス電界下で、励
起子のトンネル効果に基づくイオン化くなるぐらいの、
厚さとポテンシャルの高さを持っていて、（ｄ）ＭＱＷＳの（上記バイアス電界下での）励起子の
生成エネルギーをＥ　ａｘとしたとき、該ＮＯＤを動作
させる光の波長として、光子のエネルギー（ｈω）が、
ｈωｚＥ、工／２を満たすものを用いる。また、（ｅ）該ＮＯＤを動作させる光の偏光としては、少なく
ともひとつの光については、その電場ベクトルが、ＱＷ
Ｓの層に垂直な成分を持つものを用いる。

もっと具体的に例をあげる。厚さり、のＧａＡｓの井戸
と、厚さり、の＾ｔｏ、　４５ＧａＯ，５ｓＡｓのバリ
アとを積層してなるＭＱＷＳを考えよう。

まず、上記（ａ）の条件については、ＧａＡｓの励起子
の有効ボーア半径は１２０人ぐらいだから、Ｌ８もこの
程度（例えば、８０−２００人）にする。

次に、（ｂ）の条件については％　５をいくらにしたか
によって、（ｂ）を満たすバイアス電界の大きさ（Ｆ１
□）は変わってくる。それを第５図と第６図に示した。

これは、Ｌ、＝１００人、１２０人、１４４人、１７３
人。

２０７人、２４９人、２９９人の各場合について、ＧＤ
Ｍ効果によっ得られるχ″′、χ′３′の大きさを示し
たものである。即ち、第５図の縦軸はχ′２′　　に比
例するあるファクターを、第６図の縦軸はχ′３′　　
に比例するあるファクターを示す。

ＮＯＤの動作に必要な非線形性が２次なら、第５図のそ
れぞれの曲線で、山になるあたりのＦｈｌａの大きさが
適している。（例えば、Ｌ、＝１００人ならＦｂｌａｓ
　；７０　ｋ　Ｖ／　Ｃｍ、　　Ｌｚ　＝１７３人なら
Ｆｂｌａｓ　’％Ｈ１５ｋ　Ｖ　／　Ｃｍ　）この条件
を言い換えると、上記（ｂ）の条件のようになるもので
ある。同様に、ＭＯＤの動作に必要な非線形性が３次な
ら、第６図のそれぞれの曲線で、生になるあたりのＦｂ
ｌ。の大きさが適している。他のＱＷＳについても同様
の曲線を得るのは簡単で、そのやりかたは、前出の清水
の論文に述べられている。

次に、（ｃ）の条件については、上述のようにしス決め
た大きさのバイアス電界をかけたと各に、バリア層が薄
すぎたり（例えば１０人）、低くすぎたり（例えばｘ＝
０．１）すると、励起子は不安定となり、ＧＤＭ効果が
現われない。そうならない条件が（ｃ）である。今考え
られている、第５図及び第６図のＭＱＷＳでは、いずれ
のし、の値についても、ｔ、ａｗａｏ人であれば十分で
あることがわかった。注意すべきことは、逆にＬｌ、を
大きくしすぎるのも良くないことである。

というのは、その場合、ＭＱＷＳのなかでの、井戸の密
度が低くなり、やはりＧＤＭ効果を十分には使えなくな
るからである０条件（ｃ）を満たすり、の値に、少し余
裕をみて若干厚くするぐらいが一番良い。

次に（ｄ）の条件であるが、注意すべきことは、Ｅ　＠
Ｘはバイアス電界の大きさによって変化することである
。例えば、Ｌ、−１２０人の場合、Ｆｂｌａ＊＝Ｏのと
きは、Ｅ　、、ｌ＝　１．４４６　ｅＶであるが、Ｆｂ
ｌｍｇ　＝　５０　ｋＶ／ｃｍにすると、Ｅ　１１．＝
＝　１．４３８　ｅＶとなる。光子エネルギーｈωは、
この後者の方の１／２にあわせる必要がある。特に、１
／２よりも少し小さめに（もっと具体的には、Ｅｌｌ、
−２ｈωが、励起子の吸収ピークの半値半幅と同程度か
やや大きくなるぐらいに。例えば、ｈω＝　０．７１７
ｅＶ）設定すると、普通のバンド間吸収（線形の吸収）
だけでなく、２光子吸収もなくなるので、ＮＯＭの水性
数（ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｍｅｒｉｔｓ）である、χ′
ｎ）／α（αは吸収係数）が、分子がＧＤＭ効果で増大
するだけでなく分母が小さくなるので、特に大きくなる
。

最後に（ｅ）の条件であるが、これは、ＧＤＭ効果によ
り大きくなるχ″″　は、そのテンソルの足が、ＱＷＳ
の層に垂直な成分を持つものに限られるからである。

なお、ＮＯＤの種類は、上記のものに限らない。そのい
くつかの例を第７図（ａ）〜（ｅ）にあげる。第７図に
おいて、左側は各々の素子の概金的な構成を示し、夫々
（ａ）は方向性結合器、（ｂ）は分布帰還型グレーティ
ング、（ｃ）はマツハーツエンダー干渉計、（ｄ）はモ
ードソーター　（ｅ）はプリズム結合器である。ここで
、Ｐ、は入力光、Ｐｏは出力光を示す。また、第７図の
右側のグラフは、各々の素子における人出力特性であり
、横軸は入出力光のパワー、縦軸は入力光のパワーに対
する出力光のパワーの比である。（ａ）の２つのグラフ
の内、上は１ビート長、Ｆは１／２ビート長を示す。

いずれのＮＯＤにおいても、ＮＯＭと、用いる光とを、
上記実施例のように構成することによって、性能が飛躍
的に向上する。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、以下の効果が得
られるものである。

（１）ｈω：　Ｅ　１１　Ｍ　／　２なる光を用いるこ
とにより、バンド端付近に比べて、（線形の）屈折率の
分散が小さいため、光パルスの形が崩れにくい。

このため、極短パルスを高い繰り返し周波数で入射して
、ＮＯＤを動作させて、超高速処理が可能になった。

（２）ｈω：ｌ：　Ｅ　、、／　２なる光を用いること
により、Ｎ０Ｍ内での吸収がほとんどないので、ひとつ
のＮＯＤを通過するたびに、光強度が大きく減衰するこ
とがなく、途中で頻繁に増幅する必要がない。特に、ｈ
ωくＥ□／２なる光を用いることにより、２光子吸収に
よる吸収まで、避ける事ができる。

（３）ＮＯＤに用いるＮＯＭとしての示性数である、χ
（ｎ）／α（ただし、χ（ｎ）はｎ次の非線形感受率、
αは吸収係数）を考えると、χ（０′　はＧＤＭ効果に
より、バルク結晶よりずっと大きな値になり、αは（２
）に述べたように小さいので、非常に大きな示性数が得
られる。その結果、従来のＮＯＤよりも、小さい素子サ
イズ、低い光パワーでの動作、大きな光変調量、等を得
る事ができる。

（４）ＧＤＭ効果の応答速度は非常に速い（１ｐｓｅｃ
以下で応答できる）ので、（１）とあいまつて、超高速
でＮＯＤを動作できる。

（５）ＮＯＭに半導体を用いるので、発光素子や、電気
素子と容易に集積化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の非線形光学素子の概念図、第２図は本
発明の一実施例を示す斜視図、第３図は第２図示の素子
の略断面図、第４図は有効ボーア半径に対する励起子の
大きさを示す概念図、第５図及び第６図は夫々バイアス
電界の大きさに対する非線形感受率の変化を示す図、第
７図（ａ）〜（ｅ）は夫々本発明を通用することの出来
る他の非線形光学素子の例及びその入出力特性を示す図
、第８図は従来の非線形光学素子の例を示す概略図であ
る。１・・・ＭＱＷＳ、２，２°　３．３°・・・クラッド
層、４・・・基板、１０・・・電極、１１・・・電圧源
、ＧＩ。Ｇ２・・・リッジ型導波路。（１−ｃ＝占ト）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）量子井戸構造を構成するように積層された半導体
に、層に垂直なバイアス電界を印加して成る非線形光学
材料を用いて、光の変調、スイッチング又は光による演
算を行なう非線形光学素子において、（ａ）前記量子井戸構造の井戸層が、励起子のボーア半
径と同程度の厚さを持つこと、（ｂ）前記バイアス電界の大きさを、励起子を構成する
電子と正孔のそれぞれの重心の間の距離が、有効ボーア
半径の数分の１から同程度となるような大きさとするこ
と、（ｃ）前記バイアス電界下で、励起子のトンネル効果に
基づくイオン化によって生ずる励起子の吸収ピークの幅
の増加が、無電界時の吸収ピークの幅より小さくなるよ
うに、前記量子井戸構造のバリア層の厚さとポテンシャ
ルを設定すること、（ｄ）前記量子井戸構造の励起子の生成エネルギーをＥ
＿ｅ＿ｘとしたとき、素子を動作させる光の波長として
、光子のエネルギーｎωが、Ｅ＿ｅ＿ｘ／２とほぼ等し
いか又はわずかに小さいものを用いること、及び（ｅ）素子を動作させる光の内、少なくとも一つは、そ
の電場ベクトルが前記量子井戸構造の層に垂直な成分を
持つ偏光であること、を特徴とする非線形光学素子。