JPH0422254B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光学非線形吸収材を含むフアブリー
ペロー共振器を有する型の光双安定デバイスに係
る。 発明の背景 光双安定デバイスはたとえば通過及び阻止とい
つた二つの異なる安定状態を実現することができ
る。それらは光スイツチング及び論理機能を実現
するために、基準光源を変調することができ、各
種の方法で光伝送に有用である。 有用な光双安定デバイスの一つは、フアブリー
ペロー干渉空洞の形態で、半導体非線型吸収材料
を含む。基準光源ビームは、空胴の入力端に入射
する。他端すなわち空胴の出力端から伝送される
出力は、入力端面上に基準ビームとともに入射す
るか、あるいは何らかの他の方向から入射するス
イツチング光源により、変調される。空胴中の光
の強度は吸収材を飽和させ、それによりその吸収
係数を減少させる。これにより空胴中の光強度
は、空胴共振を起し、基準ビームを伝達するのに
十分な閾値を越えることが可能になる。空胴内の
光強度が十分減少すると、吸収材は再び飽和しな
くなる。これにより、空胴が共振からはずれ、そ
の最初の阻止状態に戻る。スイツチング状態のプ
ロセスは、空胴が共振状態を保とうとする傾向を
有するという事実により、光学的なヒステリシス
をもつ。 各種の光双安定デバイス及びそれらの動作モー
ドについては、以下に示すような多くの特許及び
文献に述べられている。 １ ピー・ダヴリユ．スミス，アイ．ピー．カミ
ノワ，ピー．ジユイ．ハロニイ及びエル．ダヴ
リユ．ストルツによる“集積化された光双安定
デバイス”アプライド．フイジツクス．レター
ズ，第33巻，第１号，1978年７月，24−27頁； ２ アール．シー．アルフエルニネによる“重み
づけ結合を用いた偏光依存性のない光双方向性
カプラスイツチング”、オプテイカル．コミユ
ニケーシヨン．コンフアレンス．プロシーデイ
ングス，（光伝送コンフアレンス論文集）アム
ステルダム，1977年９月17−19日，11.4−２−
11.4−４頁； ３ エイチ．エム．ギブス，テイ．エヌ．シー．
ヴエンカテサン，エス．エル．マツコール，エ
イ．パスナー，エイ．シー．ゴザード及びダヴ
リユ．ビーグマンによる“空胴の光同調による
光変調”アプライド，フイジツクス，レター
ズ，第34巻，第８号，1979年４月，511−514
頁； ４ エイチ．エム．ギブス，エス．エル．マツコ
ール，テイ．エヌ．シー．ヴエンカテサン，エ
イ．パスナー，エー．シー．ゴザード及びダヴ
リユ．ビーグマンによる“半導体エタロン中の
光双安定性及び変調”インテグレーテツド．ア
ンド．ガイデツド．ウエーブ オプテイクス
（集積導波光学）に関するトピカル．ミーテイ
ングで発表された論文のテクニカル．ダイジエ
スト，1980年６月28−30日，MB5−１−MB5
−４頁； ５ ピー．ダウリユ．スミス及びイー．エイチ．
ターナーによる“双安定フアブリーペロー共振
器”アプライド．フイジツクス．レクーズ，第
30巻，第６号，1977年３月，280−281頁； ６ エイチ．エム．ギブス，エス．エル．マツコ
ール及びテイ．エヌ．シー．ヴエンカテサンに
1977年３月15日に承認された米国特許第
4012699号； ７ エイチ．エム．ギブス，エス．エル．マツコ
ール及びテイ．エヌ．シー．ヴエンカテサンに
1978年10月17日に承認された米国特許第
4121167号； 負帰還機構がある限り、位相変調を用い、フア
ブリー・ペロー空胴を用いない双安定デバイスを
作ることは知られている。そのような方法につい
ては、たとえば上の文献５に述べられている。 上に述べた光双安定デバイスを実現する方法に
付随した問題の一つは、吸収材の非線形性がスイ
ツチング光により吸収材の伝導帯に発生する比較
的高密度の電子に依存することである。低温にお
いて、この光生成は適度の強度の光、特に半導体
の禁制帯に近いエネルギーの励起子を用いること
により実現できる。しかし、室温においては伝導
帯電子の寿命は非常に短く、そのため双安定に必
要な伝導帯電子密度を発生させるには、非常に強
いスイツチング光が必要であり、従つて、許容し
得ないほど感度の低いデバイスが生じる。低温又
は高強度スイツチング光の必要性は両方とも、双
安定デバイスの比較的複雑な構造と比較的高いパ
ワーを要求する。従つて、光伝送システム用の集
積光学デバイスの場合には、それらは避けるのが
望ましい。 発明の概要 本発明のデバイスはフランツーケルデイツシユ
効果による非線形吸収を得るためのフアブリーペ
ロー干渉空胴中の逆バイアス半導体吸収体内に、
電界をかけ、強い電界が印加された時、半導体の
吸収スペクトルを、長波長側にシフトさせる。吸
収体中の光により発生した光電流は、電界を減す
負帰還をもつ帰還抵抗に結合される。この構造に
おいては、抵抗値を調整することにより、感度及
びデバイスの速度を変化させることができる。室
温において著しい利得と非常に速いスイツチング
応答を得ることが可能である。寄性の高速入力を
阻止するため、吸収体構造の一部分と接地の間
に．容量を接続してもよい。 実施例の説明 第１図のデバイス１０は長さ約100μm（ミクロ
ン）、幅約10μmの電子吸収導波路構造で、半導体
製造技術の熟練者には良く知られた方法で、分子
ビームエピタキシー、液相エピタキシー又は有機
金属化学気相堆積により製作できる。デバイス１
０の土台は約250μm（ミクロン）の厚さと約10-3
Ωcm（オームセンチメートル）の抵抗率を有する
p+伝導形GaAs（ガリウムひ素）基板である。約
1μmの厚さをもつスズ−ニツケル合金オーム性接
触材料の導電性電極層１１で、基板１２の底面が
覆われ、接地に接続されている。基板層１２上全
体に約0.5μmの厚さのP+伝導形GaAsバツフア層
１４がある。バツフア層１４上に0.5μm厚のＰ形
伝導形GaAlAs（ガリウムアルミニウムひ素）の
層１６がある。GaAlAs層１６の上にやはり
0.5μm厚の真性（）伝導形の光学的に活性な
GaAs層１８がある。活性層１８の上には、N+伝
導形GaAlAsの第２の0.5μm厚層２０がある。こ
の最上部GaAlAs層２０は電気力線を垂直方向に
限定するために、最上部付近で面をとつたエツチ
されたメサ構造である。GaAlAs層２０上には主
表面間で約105Ωの抵抗を示す単位面積当り８オ
ームの第１のタンタル抵抗層２２がある。最後
に、抵抗層２２上に1μm厚の第２スズ−ニツケル
合金の導電性電極層２４がある。構造全体が両端
でへき開され、フアブリーペロー空胴構造を構成
し、その入力面２６及び出力面２８は相互に平行
である。入力面２６及び出力面２８は、活性層１
８の緻密さを増すために、反射被膜２９で被覆さ
れている。20−200ボルト直流電流を供給できる
駆動電圧源３０が、電極１１，２４間に接続さ
れ、活性層１８内部において、異なる伝導形の隣
接した層１６，２０間に、逆バイアスの方向で電
界を発生する。構造は導波路デバイスである。な
ぜならば、GaAlAs層１６，２０はGaAs活性層
１８より小さい屈折率を有し、従つて、光フアイ
バの屈折率の小さいクラツドが屈折率の大きいコ
ア中へ光を反射して戻す導波管としての作用と同
じように、光を活性層１８へと反射して戻すから
である。奇生の高速信号を阻止し、接地させるた
めに、電極層１１と接地基準電位間に、容量３４
が接続される。 デバイス１０の動作中、約0.9μmの波長の入力
基準ビームを、典型的な場合光フアイバにより、
入力面２６に結合させてもよい。出力フアイバを
出力面２８に結合させてもよい。挿入損を最小す
るために、これらは周知の方法で、光学用接合剤
で表面に接着してもよい。 最初に高出力伝達状態、すなわち空胴が共振状
態にあり、デバイス１０が基準ビームをほとんど
伝達する状態を考えるのが有用である。この状態
において、活性層１８内の光強度は高い。GaAs
活性層１８の非線形特性は、吸収係数が光強度の
増加とともに減少するようなものであるから、共
振を維持するために、基準ビームの与えられた最
小強度に対し、これを安定状態にする。GaAs活
性層１８及び隣接するGaAlAs層１６，２０中の
光生成キヤリヤは、抵抗２２を貫く電流を生じ、
デバイス１０内の電界を下る。なぜならば、電圧
源３０からの電圧は選択された一定値に保たれ
る。電界が減少することにより、周知のフランツ
ーケルデイツシユ効果により、GaAs材料の吸収
端を移動させ、その吸収係数を減少させる。これ
は負帰還を加えることにより、伝達状態の安定性
を更に増す。 第２図のグラフはデバイス１０の光学的ヒステ
リシスを、誇張して示す。縦軸（IOUT）は出力面
２８における出力光強度を表す。横軸（IIN）は
基準及びトリガ光の両方から、空胴中に入る光強
度を表す。 第３図は入射光強度と空胴吸収αLの関係の概
略を示す。空胴吸収は光電流による帰還回路抵抗
２２中の電圧降下を伴い、あるいは伴わず外部電
圧により誘導される。点線３６は帰還がない時の
定数αLを表す。曲線３８は抵抗２２中の光電流
電圧降下により、フランツーケルデイツシユ効果
が減少するとともに、強さが減少する空胴電界に
伴うαLの減少を表す。説明のために、基準光の
与えられた波長に対する双安定に必要な条件を満
すために、αLは値２をもつように選んだ。 デバイス１０を低出力阻止状態にスイツチング
させるのは、たとえば瞬間的に基準光入射ビーム
をしや断することにより、空胴内の光強度を減す
ことにより実現される。それによつて光電流が減
少すると、空胴中の電界が増加し、活性層１８の
吸収端を吸収係数の高い方へ移動させる。その結
果、空胴中の光強度はその共振のための閾値以下
に下がる。さらに、光強度が減少することによ
り、GaAs層１８の屈折率が増すという光一屈折
効果がつけ加わる。これにより、又入射光の波長
に対する空胴の同調がずれる傾向になる。一度空
胴の共振がはずれると、基準光のみの強度では、
共振状態に戻すには不十分である。 デバイス１０を高出力伝達状態に戻すために、
活性層１８にトリガ用光パルスを照射するが、そ
れは基準入射光に重畳させてもよく、あるいはデ
バイス１０の横のような他の方法から入射させて
もよい。トリガ光が加わることにより、光強度が
増すと、活性層１８及び抵抗２２を流れる光電流
が発生し、空胴内の電界が減少し、それに伴い光
吸収も減少する。光吸収が減少すると、トリガパ
ルスによる強度の増加と結合して、空胴を共振状
態に戻す。この遷移において、GaAs、活性層１
８中に光一屈折効果が加わり、同調された空胴の
寸法と両立する値まで、屈折率が減少する。 デバイス１０の重要な点は、室温においてさ
え、抵抗２２の値に依存して、わずか約0.2mw
（ミリワツト）のパワーをもつトリガ光源が二つ
の強度レベル間のスイツチングを行わせ、それに
より基準ビームを変調するのに適しているという
ことである。これは抵抗２２の値に依存して、
10Mb／ｓ（１秒当り100万ビツト）オーダー又は
それ以上の速さで、非常に高速に行うことができ
る。抵抗２２が約50000Ωの値を持つように選択
することにより、約100のオーダーの出力での利
得を得ることが可能である。 総論 あるデバイスにおいて、その動作に適した基準
光の波長は、以下のように選択される。 αL（Ｔ＋αBＬ）-1＞Ｓ (1) ここで、 αLは吸収係数 Ｔは反射端面２６，２８の伝達係数及び αBＬは背景となる吸収係数である。 従つて、波長は活性層に使用される半導体材料
のエネルギーバンド端に依存する。GaAsの場
合、室温において適した波長は0.9μmである。 容量３４の典型的な値は１ピコフアラツドであ
る。これにより、デバイス１０の応答時間は約
10-7秒となり、光パワーは約200μw（マイクロワ
ツト）で、それは単一モードGaAsレーザーで容
易に供給される。そのような値にすると、デバイ
ス１０のスイツチングパワーは約10Mb／ｓ（１
秒当り100万ビツト）である。光パワーは抵抗２
２の値を大きくすると減すことができる。 デバイス１０の利得は光パワーに依存する。電
界がGaAs活性層１８のなだれ条件に近い時、そ
れは最大になる。デバイス１０の光双安定動作の
下限、すなわち双安定状態を維持するための下限
を与える容量３４及び抵抗２２の典型的な値は、
容量３４については約１ピコフアラツドで、もし
速いスイツチングが所望ならば、抵抗２２は100
Ωである。これによつて0.1ns（ナノ秒）の速さに
なる。双安定のための最小光パワーは、電子吸収
を減す電圧降下を起すために、抵抗２２中に適当
な電流を発生させるのに必要なフオトン数によつ
て決る。実在する光フアイバの寸法と両立させる
ため、活性層１８は0.5乃至1μmの厚さの可能性
が大きい。このことは、フランツーケルデイツシ
ユ効果による吸収端移動が、約10ボルトとなるよ
うにするには、約105ボルト／cmの電界が必要で
あることを意味する。デバイスの状態を維持する
のに必要な最小光パワーＰは、光パワーＰが抵抗
２２中の電圧効果がデバイス中のフランツーケル
デイツシユ効果を妨げるのに十分であるような
時、吸収をほぼゼロにするのに必要なパワーであ
る。このことは、抵抗２２中の電圧降下iRが、
デバイス１０にかかる電圧降下Ｖと同程度にるこ
とを意味する。ここで“ｉ”は利得後の光生成電
流である。 もし、この電圧Ｖを10Vととると、抵抗２２の
抵抗値Ｒは105Ωで、変数効率は光入射パワーの
１ワツト当り0.5アンペアとする。すると、保持
パワーＰは周知の関係 Ｐ＝2V／RG＝20V／（105Ω）Ｇ＝0.2×10-5ワツト／
Ｇ(2) で与えられる。ここで、Ｇはデバイスの利得であ
る。もし、Ｇが１ならば、Ｐは2.0μwでデバイス
は10-7秒オーダーの応答時間をもつ。もし利得が
たとえば100に増加したとすると、10-9秒のより
速い応答時間とともに2μwの保持パワーに必要な
Ｒは、対応して103Ωに減すことができる。速度
と感度の条件は交換できる。 活性層１６内の電界の方向は、光の方向には依
存しない。従つて、吸収材中の半導体接合を逆バ
イアスするための適当な方向の電界を発生させる
任意の構造が、デバイスの動作のために使用でき
る。 デバイス１０は多層構造であるが、円筒のよう
な空胴の他の形状も適している。有用なデバイス
は、導波路構成をとらなくても作製できる。抵抗
２２は他の構造に、外部から接続してもよい。 デバイス１０は非線形吸収材としてGaAsを用
いたが、基準ビームの光波長に対し、室温でフラ
ンツーケルデイツシユ効果により、光吸収を起す
範囲の直接型禁制帯をもつ他の半導体も適してい
る。そのような他の材料の例は、GaAlAs（ガリ
ウム．アルミニウムひ素）、InGaAsP（インジウ
ム、ガリウムひ素りん）、InSb（インジウム、ア
ンチモン）、InGasb（インジウム、ガリウムアン
チモン）、InP（インジウム、りん）、InAs（インジ
ウム、ひ素）及びGaSb（ガリウム、アンチモン）
である。
ペロー共振器を有する型の光双安定デバイスに係
る。 発明の背景 光双安定デバイスはたとえば通過及び阻止とい
つた二つの異なる安定状態を実現することができ
る。それらは光スイツチング及び論理機能を実現
するために、基準光源を変調することができ、各
種の方法で光伝送に有用である。 有用な光双安定デバイスの一つは、フアブリー
ペロー干渉空洞の形態で、半導体非線型吸収材料
を含む。基準光源ビームは、空胴の入力端に入射
する。他端すなわち空胴の出力端から伝送される
出力は、入力端面上に基準ビームとともに入射す
るか、あるいは何らかの他の方向から入射するス
イツチング光源により、変調される。空胴中の光
の強度は吸収材を飽和させ、それによりその吸収
係数を減少させる。これにより空胴中の光強度
は、空胴共振を起し、基準ビームを伝達するのに
十分な閾値を越えることが可能になる。空胴内の
光強度が十分減少すると、吸収材は再び飽和しな
くなる。これにより、空胴が共振からはずれ、そ
の最初の阻止状態に戻る。スイツチング状態のプ
ロセスは、空胴が共振状態を保とうとする傾向を
有するという事実により、光学的なヒステリシス
をもつ。 各種の光双安定デバイス及びそれらの動作モー
ドについては、以下に示すような多くの特許及び
文献に述べられている。 １ ピー・ダヴリユ．スミス，アイ．ピー．カミ
ノワ，ピー．ジユイ．ハロニイ及びエル．ダヴ
リユ．ストルツによる“集積化された光双安定
デバイス”アプライド．フイジツクス．レター
ズ，第33巻，第１号，1978年７月，24−27頁； ２ アール．シー．アルフエルニネによる“重み
づけ結合を用いた偏光依存性のない光双方向性
カプラスイツチング”、オプテイカル．コミユ
ニケーシヨン．コンフアレンス．プロシーデイ
ングス，（光伝送コンフアレンス論文集）アム
ステルダム，1977年９月17−19日，11.4−２−
11.4−４頁； ３ エイチ．エム．ギブス，テイ．エヌ．シー．
ヴエンカテサン，エス．エル．マツコール，エ
イ．パスナー，エイ．シー．ゴザード及びダヴ
リユ．ビーグマンによる“空胴の光同調による
光変調”アプライド，フイジツクス，レター
ズ，第34巻，第８号，1979年４月，511−514
頁； ４ エイチ．エム．ギブス，エス．エル．マツコ
ール，テイ．エヌ．シー．ヴエンカテサン，エ
イ．パスナー，エー．シー．ゴザード及びダヴ
リユ．ビーグマンによる“半導体エタロン中の
光双安定性及び変調”インテグレーテツド．ア
ンド．ガイデツド．ウエーブ オプテイクス
（集積導波光学）に関するトピカル．ミーテイ
ングで発表された論文のテクニカル．ダイジエ
スト，1980年６月28−30日，MB5−１−MB5
−４頁； ５ ピー．ダウリユ．スミス及びイー．エイチ．
ターナーによる“双安定フアブリーペロー共振
器”アプライド．フイジツクス．レクーズ，第
30巻，第６号，1977年３月，280−281頁； ６ エイチ．エム．ギブス，エス．エル．マツコ
ール及びテイ．エヌ．シー．ヴエンカテサンに
1977年３月15日に承認された米国特許第
4012699号； ７ エイチ．エム．ギブス，エス．エル．マツコ
ール及びテイ．エヌ．シー．ヴエンカテサンに
1978年10月17日に承認された米国特許第
4121167号； 負帰還機構がある限り、位相変調を用い、フア
ブリー・ペロー空胴を用いない双安定デバイスを
作ることは知られている。そのような方法につい
ては、たとえば上の文献５に述べられている。 上に述べた光双安定デバイスを実現する方法に
付随した問題の一つは、吸収材の非線形性がスイ
ツチング光により吸収材の伝導帯に発生する比較
的高密度の電子に依存することである。低温にお
いて、この光生成は適度の強度の光、特に半導体
の禁制帯に近いエネルギーの励起子を用いること
により実現できる。しかし、室温においては伝導
帯電子の寿命は非常に短く、そのため双安定に必
要な伝導帯電子密度を発生させるには、非常に強
いスイツチング光が必要であり、従つて、許容し
得ないほど感度の低いデバイスが生じる。低温又
は高強度スイツチング光の必要性は両方とも、双
安定デバイスの比較的複雑な構造と比較的高いパ
ワーを要求する。従つて、光伝送システム用の集
積光学デバイスの場合には、それらは避けるのが
望ましい。 発明の概要 本発明のデバイスはフランツーケルデイツシユ
効果による非線形吸収を得るためのフアブリーペ
ロー干渉空胴中の逆バイアス半導体吸収体内に、
電界をかけ、強い電界が印加された時、半導体の
吸収スペクトルを、長波長側にシフトさせる。吸
収体中の光により発生した光電流は、電界を減す
負帰還をもつ帰還抵抗に結合される。この構造に
おいては、抵抗値を調整することにより、感度及
びデバイスの速度を変化させることができる。室
温において著しい利得と非常に速いスイツチング
応答を得ることが可能である。寄性の高速入力を
阻止するため、吸収体構造の一部分と接地の間
に．容量を接続してもよい。 実施例の説明 第１図のデバイス１０は長さ約100μm（ミクロ
ン）、幅約10μmの電子吸収導波路構造で、半導体
製造技術の熟練者には良く知られた方法で、分子
ビームエピタキシー、液相エピタキシー又は有機
金属化学気相堆積により製作できる。デバイス１
０の土台は約250μm（ミクロン）の厚さと約10-3
Ωcm（オームセンチメートル）の抵抗率を有する
p+伝導形GaAs（ガリウムひ素）基板である。約
1μmの厚さをもつスズ−ニツケル合金オーム性接
触材料の導電性電極層１１で、基板１２の底面が
覆われ、接地に接続されている。基板層１２上全
体に約0.5μmの厚さのP+伝導形GaAsバツフア層
１４がある。バツフア層１４上に0.5μm厚のＰ形
伝導形GaAlAs（ガリウムアルミニウムひ素）の
層１６がある。GaAlAs層１６の上にやはり
0.5μm厚の真性（）伝導形の光学的に活性な
GaAs層１８がある。活性層１８の上には、N+伝
導形GaAlAsの第２の0.5μm厚層２０がある。こ
の最上部GaAlAs層２０は電気力線を垂直方向に
限定するために、最上部付近で面をとつたエツチ
されたメサ構造である。GaAlAs層２０上には主
表面間で約105Ωの抵抗を示す単位面積当り８オ
ームの第１のタンタル抵抗層２２がある。最後
に、抵抗層２２上に1μm厚の第２スズ−ニツケル
合金の導電性電極層２４がある。構造全体が両端
でへき開され、フアブリーペロー空胴構造を構成
し、その入力面２６及び出力面２８は相互に平行
である。入力面２６及び出力面２８は、活性層１
８の緻密さを増すために、反射被膜２９で被覆さ
れている。20−200ボルト直流電流を供給できる
駆動電圧源３０が、電極１１，２４間に接続さ
れ、活性層１８内部において、異なる伝導形の隣
接した層１６，２０間に、逆バイアスの方向で電
界を発生する。構造は導波路デバイスである。な
ぜならば、GaAlAs層１６，２０はGaAs活性層
１８より小さい屈折率を有し、従つて、光フアイ
バの屈折率の小さいクラツドが屈折率の大きいコ
ア中へ光を反射して戻す導波管としての作用と同
じように、光を活性層１８へと反射して戻すから
である。奇生の高速信号を阻止し、接地させるた
めに、電極層１１と接地基準電位間に、容量３４
が接続される。 デバイス１０の動作中、約0.9μmの波長の入力
基準ビームを、典型的な場合光フアイバにより、
入力面２６に結合させてもよい。出力フアイバを
出力面２８に結合させてもよい。挿入損を最小す
るために、これらは周知の方法で、光学用接合剤
で表面に接着してもよい。 最初に高出力伝達状態、すなわち空胴が共振状
態にあり、デバイス１０が基準ビームをほとんど
伝達する状態を考えるのが有用である。この状態
において、活性層１８内の光強度は高い。GaAs
活性層１８の非線形特性は、吸収係数が光強度の
増加とともに減少するようなものであるから、共
振を維持するために、基準ビームの与えられた最
小強度に対し、これを安定状態にする。GaAs活
性層１８及び隣接するGaAlAs層１６，２０中の
光生成キヤリヤは、抵抗２２を貫く電流を生じ、
デバイス１０内の電界を下る。なぜならば、電圧
源３０からの電圧は選択された一定値に保たれ
る。電界が減少することにより、周知のフランツ
ーケルデイツシユ効果により、GaAs材料の吸収
端を移動させ、その吸収係数を減少させる。これ
は負帰還を加えることにより、伝達状態の安定性
を更に増す。 第２図のグラフはデバイス１０の光学的ヒステ
リシスを、誇張して示す。縦軸（IOUT）は出力面
２８における出力光強度を表す。横軸（IIN）は
基準及びトリガ光の両方から、空胴中に入る光強
度を表す。 第３図は入射光強度と空胴吸収αLの関係の概
略を示す。空胴吸収は光電流による帰還回路抵抗
２２中の電圧降下を伴い、あるいは伴わず外部電
圧により誘導される。点線３６は帰還がない時の
定数αLを表す。曲線３８は抵抗２２中の光電流
電圧降下により、フランツーケルデイツシユ効果
が減少するとともに、強さが減少する空胴電界に
伴うαLの減少を表す。説明のために、基準光の
与えられた波長に対する双安定に必要な条件を満
すために、αLは値２をもつように選んだ。 デバイス１０を低出力阻止状態にスイツチング
させるのは、たとえば瞬間的に基準光入射ビーム
をしや断することにより、空胴内の光強度を減す
ことにより実現される。それによつて光電流が減
少すると、空胴中の電界が増加し、活性層１８の
吸収端を吸収係数の高い方へ移動させる。その結
果、空胴中の光強度はその共振のための閾値以下
に下がる。さらに、光強度が減少することによ
り、GaAs層１８の屈折率が増すという光一屈折
効果がつけ加わる。これにより、又入射光の波長
に対する空胴の同調がずれる傾向になる。一度空
胴の共振がはずれると、基準光のみの強度では、
共振状態に戻すには不十分である。 デバイス１０を高出力伝達状態に戻すために、
活性層１８にトリガ用光パルスを照射するが、そ
れは基準入射光に重畳させてもよく、あるいはデ
バイス１０の横のような他の方法から入射させて
もよい。トリガ光が加わることにより、光強度が
増すと、活性層１８及び抵抗２２を流れる光電流
が発生し、空胴内の電界が減少し、それに伴い光
吸収も減少する。光吸収が減少すると、トリガパ
ルスによる強度の増加と結合して、空胴を共振状
態に戻す。この遷移において、GaAs、活性層１
８中に光一屈折効果が加わり、同調された空胴の
寸法と両立する値まで、屈折率が減少する。 デバイス１０の重要な点は、室温においてさ
え、抵抗２２の値に依存して、わずか約0.2mw
（ミリワツト）のパワーをもつトリガ光源が二つ
の強度レベル間のスイツチングを行わせ、それに
より基準ビームを変調するのに適しているという
ことである。これは抵抗２２の値に依存して、
10Mb／ｓ（１秒当り100万ビツト）オーダー又は
それ以上の速さで、非常に高速に行うことができ
る。抵抗２２が約50000Ωの値を持つように選択
することにより、約100のオーダーの出力での利
得を得ることが可能である。 総論 あるデバイスにおいて、その動作に適した基準
光の波長は、以下のように選択される。 αL（Ｔ＋αBＬ）-1＞Ｓ (1) ここで、 αLは吸収係数 Ｔは反射端面２６，２８の伝達係数及び αBＬは背景となる吸収係数である。 従つて、波長は活性層に使用される半導体材料
のエネルギーバンド端に依存する。GaAsの場
合、室温において適した波長は0.9μmである。 容量３４の典型的な値は１ピコフアラツドであ
る。これにより、デバイス１０の応答時間は約
10-7秒となり、光パワーは約200μw（マイクロワ
ツト）で、それは単一モードGaAsレーザーで容
易に供給される。そのような値にすると、デバイ
ス１０のスイツチングパワーは約10Mb／ｓ（１
秒当り100万ビツト）である。光パワーは抵抗２
２の値を大きくすると減すことができる。 デバイス１０の利得は光パワーに依存する。電
界がGaAs活性層１８のなだれ条件に近い時、そ
れは最大になる。デバイス１０の光双安定動作の
下限、すなわち双安定状態を維持するための下限
を与える容量３４及び抵抗２２の典型的な値は、
容量３４については約１ピコフアラツドで、もし
速いスイツチングが所望ならば、抵抗２２は100
Ωである。これによつて0.1ns（ナノ秒）の速さに
なる。双安定のための最小光パワーは、電子吸収
を減す電圧降下を起すために、抵抗２２中に適当
な電流を発生させるのに必要なフオトン数によつ
て決る。実在する光フアイバの寸法と両立させる
ため、活性層１８は0.5乃至1μmの厚さの可能性
が大きい。このことは、フランツーケルデイツシ
ユ効果による吸収端移動が、約10ボルトとなるよ
うにするには、約105ボルト／cmの電界が必要で
あることを意味する。デバイスの状態を維持する
のに必要な最小光パワーＰは、光パワーＰが抵抗
２２中の電圧効果がデバイス中のフランツーケル
デイツシユ効果を妨げるのに十分であるような
時、吸収をほぼゼロにするのに必要なパワーであ
る。このことは、抵抗２２中の電圧降下iRが、
デバイス１０にかかる電圧降下Ｖと同程度にるこ
とを意味する。ここで“ｉ”は利得後の光生成電
流である。 もし、この電圧Ｖを10Vととると、抵抗２２の
抵抗値Ｒは105Ωで、変数効率は光入射パワーの
１ワツト当り0.5アンペアとする。すると、保持
パワーＰは周知の関係 Ｐ＝2V／RG＝20V／（105Ω）Ｇ＝0.2×10-5ワツト／
Ｇ(2) で与えられる。ここで、Ｇはデバイスの利得であ
る。もし、Ｇが１ならば、Ｐは2.0μwでデバイス
は10-7秒オーダーの応答時間をもつ。もし利得が
たとえば100に増加したとすると、10-9秒のより
速い応答時間とともに2μwの保持パワーに必要な
Ｒは、対応して103Ωに減すことができる。速度
と感度の条件は交換できる。 活性層１６内の電界の方向は、光の方向には依
存しない。従つて、吸収材中の半導体接合を逆バ
イアスするための適当な方向の電界を発生させる
任意の構造が、デバイスの動作のために使用でき
る。 デバイス１０は多層構造であるが、円筒のよう
な空胴の他の形状も適している。有用なデバイス
は、導波路構成をとらなくても作製できる。抵抗
２２は他の構造に、外部から接続してもよい。 デバイス１０は非線形吸収材としてGaAsを用
いたが、基準ビームの光波長に対し、室温でフラ
ンツーケルデイツシユ効果により、光吸収を起す
範囲の直接型禁制帯をもつ他の半導体も適してい
る。そのような他の材料の例は、GaAlAs（ガリ
ウム．アルミニウムひ素）、InGaAsP（インジウ
ム、ガリウムひ素りん）、InSb（インジウム、ア
ンチモン）、InGasb（インジウム、ガリウムアン
チモン）、InP（インジウム、りん）、InAs（インジ
ウム、ひ素）及びGaSb（ガリウム、アンチモン）
である。
第１図は本発明の一例に従う双安定デバイスの
高視点からの透視図であり、集積化された多層半
導体フアブリーペロー干渉計構造を示す図、第２
図は第１図のデバイスの概略の光学的ヒステリシ
ス特性をグラフで示す図、第３図は第１図のデバ
イスの空胴内における半導体材料の非線形吸収特
性をグラフで示す図である。 主要部分の符号の説明、２２……抵抗手段、１
１，２４……電極、３０……駆動電圧源、１６，
２０……隣接した領域、３４……容量、２６……
入射面、２８……出力面。
高視点からの透視図であり、集積化された多層半
導体フアブリーペロー干渉計構造を示す図、第２
図は第１図のデバイスの概略の光学的ヒステリシ
ス特性をグラフで示す図、第３図は第１図のデバ
イスの空胴内における半導体材料の非線形吸収特
性をグラフで示す図である。 主要部分の符号の説明、２２……抵抗手段、１
１，２４……電極、３０……駆動電圧源、１６，
２０……隣接した領域、３４……容量、２６……
入射面、２８……出力面。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 出力面と平行で分離された入射面を有するフ
アブリーペロー干渉形空洞を規定する手段、 該空洞内のフランツケルデイツシユ効果を有す
る非線形光吸収媒体、及び 該媒体内に電界を発生するための一対の電極を
含む手段とからなる光双安定デバイスにおいて： 駆動電圧源により該電極に駆動電圧が印加され
たとき、該媒体内に逆バイアス電界が生じるよう
該媒体の両側に隣接して配置された異なる伝導形
の少なくとも二つの領域、及び 該媒体と直列に接続された抵抗手段とを含み、
該媒体及び該隣接領域を介して該電極間に生じた
光生成電流が該媒体内の電界の減少をもたらすこ
とを特徴とする光双安定デバイス。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載されたデバイス
において、 高周波疑似信号に対するデバイスの応答を減少
させるため該電極の一つと基準電位間に接続され
た容量を特徴とする光双安定デバイス。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載され
たデバイスにおいて、 該媒体は直接型禁制帯を有する半導体材料であ
ることを特徴とする光双安定デバイス。 ４ 前記特許請求の範囲各項の何れかに記載され
たデバイスにおいて、 フアブリーペロー空洞の緻密さを増すための、
該入射面と出力面上の反射被膜を特徴とする光双
安定デバイス。 ５ 前記特許請求の範囲各項の何れかに記載され
たデバイスにおいて、 該媒体はGaAs、GaAlAs、InGaAsP、InSb、
InGsSb、InP、InAsおよびGaSbからなるグルー
プから選択されることを特徴とする光双安定デバ
イス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/348,869 US4518934A (en) | 1982-02-16 | 1982-02-16 | Optical bistable device |
| US348869 | 1989-05-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58156921A JPS58156921A (ja) | 1983-09-19 |
| JPH0422254B2 true JPH0422254B2 (ja) | 1992-04-16 |
Family
ID=23369906
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58022997A Granted JPS58156921A (ja) | 1982-02-16 | 1983-02-16 | 光双安定デバイス |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4518934A (ja) |
| JP (1) | JPS58156921A (ja) |
| FR (1) | FR2521737B1 (ja) |
| GB (1) | GB2114768B (ja) |
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| JPS61201222A (ja) * | 1985-03-04 | 1986-09-05 | Hitachi Ltd | 光パルス増幅整形装置 |
| JPS62502218A (ja) * | 1985-03-18 | 1987-08-27 | アメリカン テレフオン アンド テレグラフ カムパニ− | 非線形・双安定光学装置 |
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| FR2692374B1 (fr) * | 1992-06-15 | 1994-07-29 | France Telecom | Procede et dispositif de modulation et d'amplification de faisceaux lumineux. |
| RU2099762C1 (ru) * | 1992-07-06 | 1997-12-20 | Фирма "Самсунг Электроникс Ко., Лтд." | Оптический регенератор |
| US6271954B1 (en) * | 1994-03-17 | 2001-08-07 | Molex Fiber Optics, Inc. | Waveguide absorption modulator with integral optical isolator |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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