JPH043125A - Nonlinear optical element - Google Patents
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- JPH043125A JPH043125A JP2104943A JP10494390A JPH043125A JP H043125 A JPH043125 A JP H043125A JP 2104943 A JP2104943 A JP 2104943A JP 10494390 A JP10494390 A JP 10494390A JP H043125 A JPH043125 A JP H043125A
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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/212—Mach-Zehnder type
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超高速光通信や、光信号処理を可能にする非
線形光学素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a nonlinear optical element that enables ultrahigh-speed optical communication and optical signal processing.
光情報処理や光通信においては、光に信号を乗せるため
に光変調を行なったり、光演算を行なうシ
等の光制御する必要がある。現在実用に供されている、
これらのシステムにおいては、電気信号によって制御を
行なう方式(電気−光制御方式)が用いられている。即
ち、光源である半導体レーザを電流によって直接変調し
たり、あるいは、半導体や誘電体材料への電圧の印加よ
る屈折率や吸収の変化を用いて光変調、光演算を行なっ
ている。In optical information processing and optical communication, it is necessary to perform optical control such as optical modulation to add a signal to light and optical calculation. Currently in practical use,
In these systems, a control method using electrical signals (electro-optical control method) is used. That is, optical modulation and optical calculation are performed by directly modulating a semiconductor laser, which is a light source, with an electric current, or by changing the refractive index or absorption by applying a voltage to a semiconductor or dielectric material.
この電気信号による制御方式では、素子自体の速度や電
気信号と被制御光間の速度不整合等によって処理速度が
制限され、処理速度をサブナノ秒程度以上にすることは
極めて困難である。このため、この従来の電気−光制御
方式による処理速度の限界を打破する方式として、光信
号によって光変調や光演算を行なう、いわゆる光−光制
御方式が検討されつつある。この光−光制御方式では、
CR時定数による制限がないので、超高速化が図れる可
能性があるという特徴がある。In this control method using electrical signals, the processing speed is limited by the speed of the element itself and the speed mismatch between the electrical signal and the controlled light, and it is extremely difficult to increase the processing speed to about sub-nanoseconds or higher. Therefore, a so-called light-to-light control method, which performs optical modulation and optical calculation using an optical signal, is being considered as a method to overcome the processing speed limitations of the conventional electric-to-light control method. In this light-light control method,
Since there is no restriction due to the CR time constant, it has the characteristic that it is possible to achieve ultra-high speed.
光で光を制御する光素子の動作特性は、その光素子に用
いられる光学非線形材料に大きく依存する。材料の光学
非線形性の大きさは、その材料のχfj+の値として表
わされる。光素子に要求される特性として、上記の様な
高速性とともに、低い光パワーで動作可能という低パワ
ー性がある。これらを実現するために、光励起に対する
緩和時間τが短く (高速性)、また大きなχ0)(低
パワー性)を示す非線形光学材料が要求される。ところ
が−般に大きなχt31を有する非線形光学材料は、大
きなτの値を示す。また同じ材料でも光波長等の使用条
件が異なれば、その光学非線形発現に関与する物理現象
が異なるが、大きなχ+31を示す物理現象はやはり大
きなτを示すのが一般的である。これに関する詳細な説
明はR,A、フィッンヤー編、オプチカル・フェイズ・
コンシュゲイジョン(アカデミツク・プレス、1983
年)の第10章に見られる。The operating characteristics of an optical element that controls light with light largely depends on the optical nonlinear material used in the optical element. The magnitude of optical nonlinearity of a material is expressed as the value of χfj+ of that material. Characteristics required of optical devices include not only high speed as described above, but also low power such as the ability to operate with low optical power. In order to achieve these, a nonlinear optical material is required that exhibits a short relaxation time τ for optical excitation (high speed) and a large χ0) (low power). However, nonlinear optical materials that generally have a large χt31 exhibit a large τ value. Further, even if the same material is used under different conditions of use such as light wavelength, the physical phenomena involved in the manifestation of optical nonlinearity will differ, but physical phenomena that exhibit a large χ+31 generally also exhibit a large τ. A detailed explanation of this can be found in R.A. Finnyer, ed., Optical Phase.
Consegation (Academic Press, 1983)
See Chapter 10 of 2010).
種々の非線形材料と非線形現象の組み合わせの中でも、
半導体材料中に光によって電子/正孔プラズマを生成す
る方法は大きなχ(3)を示すことが知られている。こ
れは、制御光により価電子帯の電子を伝導帯へ励起する
結果、その半導体の屈折率が変化する現象である(バン
ドフィリング効果)。しかし、この現象の緩和時間は、
G a A sのような直接遷移型の半導体の場合でも
10−9秒以上で、超高速信号処理等の応用に対して不
十分である(オプチカル フェイズ コンジュゲーショ
ン、第10章(前出))。Among various combinations of nonlinear materials and nonlinear phenomena,
It is known that methods of generating electron/hole plasma by light in semiconductor materials exhibit large χ(3). This is a phenomenon in which the refractive index of the semiconductor changes as a result of exciting electrons in the valence band to the conduction band by control light (band filling effect). However, the relaxation time of this phenomenon is
Even in the case of direct transition type semiconductors such as GaAs, it takes more than 10-9 seconds, which is insufficient for applications such as ultra-high-speed signal processing (Optical Phase Conjugation, Chapter 10 (mentioned above)) .
本発明の目的は、上記の様に半導体中に電子もしくは正
孔を励起する非線形現象に伴う(大きな)χ0)を利用
して低パワー化を実現しつつ、その動作速度が前記の電
子もしくは正孔の緩和時間によって制限されない非線形
光学素子を提供することである。The purpose of the present invention is to reduce the power by utilizing the (large) The object of the present invention is to provide a nonlinear optical element that is not limited by hole relaxation time.
本発明の非線形光学素子は、3次の光学的非線形性(χ
0))を示す材料で成る領域を少くとも有する光導波領
域を具備し、前記光導波領域の光学的非線形材料で成る
領域に静的な電界を印加する、電界印加手段を具備した
ことを特徴としている。The nonlinear optical element of the present invention has third-order optical nonlinearity (χ
0))), comprising an optical waveguide region having at least a region made of a material exhibiting 0)), and an electric field applying means for applying a static electric field to a region of the optical waveguide region made of an optically nonlinear material. It is said that
本発明のもう一つの非線形光学素子は、量子井戸構造も
しくは多重量子井戸構造もしくは多数の平行な量子井戸
細線構造からなる3次の非線形光学材料で成る領域を少
くとも有する光導波領域を具備し、前記3次の非線形光
学材料で成る領域に印加する電界の方向が量子井戸もし
くは多重量子井戸の積層面に平行な方向、もしくは量子
井戸細線の軸方向である静的電界印加手段を備えたこと
を特徴としている。Another nonlinear optical element of the present invention includes an optical waveguide region having at least a region made of a third-order nonlinear optical material consisting of a quantum well structure, a multiple quantum well structure, or a large number of parallel quantum well wire structures, A static electric field applying means is provided in which the direction of the electric field applied to the region made of the third-order nonlinear optical material is parallel to the laminated plane of the quantum well or multiple quantum well, or in the axial direction of the quantum well thin wire. It is a feature.
C(’l”m ) 帯半導体における
価電子帯から伝導生への電子の光励起に基因する3次の
光学非線形定数χj31の表記は、D、A、B、 ミ
ラー他により与えられている(D、A、E、 ミラー
他、オプチックス・コミュニケーション誌、第35巻2
2号、221ページ〜226ページ、1980年)。こ
の文献の(11)式がχ13′を午えるが、この表記に
は明らかにタイツエラーがある。そこで、同文献と本質
的には同じ方法てχt31を求めると
Re [χ” (ω5 、’ (tJp+ −ωp、
ωs)’3となる。ここでeは電子の電荷、hはブラン
ク定数、h=h/(2π)2m。は電子の質量、鼾は価
電子帯と伝導帯の間の双極子モーメント、ω1−E、/
h、E、はバンドギャップ、μは電子と正孔の有効質量
に対する還元質量、TIおよびT2は電子の縦緩和時間
と横緩和時間である。また、ここでは、上記の文献の解
析を拡張して、ポンプ光(制御ン光)の角周波数ω2と
信号光(被制御光)の角周波数ω、が異なる場合も考慮
している。また、ここでは非線形屈折率変化を考慮して
いるので、χ口)の実数部だけを求めた6つまり、光励
起による物質の屈折率変化の大きさは非線形屈折率を用
いて
n=no+n2I (2)
で与えられるが、ここでn、が線形の屈折率、n2Iが
閤強度工による屈折率の変化分を示している。The notation of the third-order optical nonlinear constant χj31, which is based on the photoexcitation of electrons from the valence band to the conduction band in a C('l”m) band semiconductor, is given by D, A, B, Miller et al. (D , A. E. Miller et al., Optics Communication, Vol. 35, 2.
2, pp. 221-226, 1980). Equation (11) in this document has χ13', but there is clearly a tights error in this notation. Therefore, if we calculate χt31 using essentially the same method as in the same document, we get Re [χ"(ω5,' (tJp+ -ωp,
ωs)'3. Here, e is the electron charge, h is a blank constant, and h=h/(2π)2m. is the mass of the electron, snore is the dipole moment between the valence band and the conduction band, ω1-E, /
h, E, are the band gap, μ is the reduced mass relative to the effective mass of electrons and holes, and TI and T2 are the longitudinal and transverse relaxation times of the electron. Further, here, the analysis of the above-mentioned literature is extended to consider the case where the angular frequency ω2 of the pump light (control light) and the angular frequency ω of the signal light (controlled light) are different. In addition, since nonlinear refractive index changes are considered here, only the real part of )
Here, n is the linear refractive index, and n2I is the change in the refractive index due to the stiffness.
このn2は非線形屈折率と呼ばわ、上記χ13′とはの
関係がある(単位はcgsである)。This n2 is called a nonlinear refractive index, and has a relationship with the above-mentioned χ13' (unit: cgs).
以上より、半導体における価電子帯から伝導帯への電子
の光励起により発現する非線形屈折率変化は、以下のよ
うに解釈できる。エネルギーがバンドギャップより大き
い波長の光を半導体に照射すると、光吸収に伴い価電子
帯から伝導帯へ多数の電子が励起される。しかし、伝導
帯に電子がたまるにつれ、価電子帯から伝導帯への励起
はより困難になる(バンドフィリング効果)。この効果
がχ13]として表わされる。モしてχ(3)の実数部
は(2)式及び(3)式を通して、その半導体の屈折率
に関係している。ここで光吸収による価電子帯から伝導
♂X励起のスピードは極めて速い(数百fs)。From the above, the nonlinear refractive index change caused by photoexcitation of electrons from the valence band to the conduction band in a semiconductor can be interpreted as follows. When a semiconductor is irradiated with light of a wavelength whose energy is greater than the band gap, many electrons are excited from the valence band to the conduction band as the light is absorbed. However, as electrons accumulate in the conduction band, excitation from the valence band to the conduction band becomes more difficult (band filling effect). This effect is expressed as χ13]. The real part of χ(3) is related to the refractive index of the semiconductor through equations (2) and (3). Here, the speed of conduction ♂X excitation from the valence band due to light absorption is extremely fast (several hundreds of fs).
つまり、非線形屈折率は光が半導体に入射した瞬間に発
現すると考えてよい。この非線形現象を光素子に応工し
た時、その光素子の動作速度を制限するのは、光照射を
中止した後にも既に励起さtたキャリアがすぐには消滅
しないことによる。これは(1)式中のT、(縦緩和時
間もしくはキャリアの再結合時間)の大きさによる。T
、は直接遷移の半導体でも1Ons以上であるため、χ
(3゛は0.1GHz以上の光強度の変動には追従でき
ない。In other words, it can be considered that the nonlinear refractive index appears the moment light enters the semiconductor. When this nonlinear phenomenon is applied to an optical device, the operating speed of the optical device is limited because the already excited carriers do not disappear immediately even after the light irradiation is stopped. This depends on the size of T (longitudinal relaxation time or carrier recombination time) in equation (1). T
, is more than 1 Ons even in a direct transition semiconductor, so χ
(3゛ cannot follow fluctuations in light intensity of 0.1 GHz or more.
することに着目する。通常この種の非線形現象のスピー
ド限界は、上記のようにキャリアの再結合時間とされて
いる。しかし何らかの方法でキャリア(N子もしくは正
孔)を信号光の光路外へ掃弓してしまえば、信号光はこ
のキャリアの影響をもはや受けないので、キャリアの掃
引時間程度で非文
線形性も消滅する。キャリアめ空間的に掃引するには、
直流電界(磁界でもよい)を半導体に印加すればよい。Focus on what you do. The speed limit of this type of nonlinear phenomenon is usually considered to be the carrier recombination time as described above. However, if the carriers (N electrons or holes) are swept out of the optical path of the signal light by some method, the signal light will no longer be affected by the carriers, so non-linearity will occur depending on the carrier sweep time. Disappear. To sweep the carrier spatially,
A direct current electric field (or a magnetic field may be used) may be applied to the semiconductor.
高純度のドープされていないGaA sを例にとると、
電界強度が数K V / amの時、電子のドリフト速
度として室温でも10’cm/s以上が可能である。も
し、光路幅が1μm程度であると電子を掃引するのに必
要な時間は約10psとなる。このようにすれば、光素
子は約100GHzで動作可能である。Taking high purity undoped GaAs as an example,
When the electric field strength is several KV/am, the drift velocity of electrons can be 10'cm/s or more even at room temperature. If the optical path width is about 1 μm, the time required to sweep the electrons is about 10 ps. In this way, the optical device can operate at about 100 GHz.
ここで注意すべきことは、このように光素子を高速化す
ると、その分だけχ′3′の値が減少して、その結果素
子動作に必要な光パワーも増大する点である。電子を光
路外に掃引するということは、近似的に(1)式におい
て、T1を減少させることに等しいからである。そのた
め、−層の高速化を計るためには、ドリフト速度を向上
させると同時にχ131を大きくする必要がある。この
ためには、前記のバルクのGaAsを、量子井戸構造や
多重量子井戸構造、さらには量子細線構造におきかえる
。What should be noted here is that if the speed of the optical device is increased in this way, the value of χ'3' will decrease accordingly, and as a result, the optical power required for the operation of the device will also increase. This is because sweeping the electrons out of the optical path is approximately equivalent to decreasing T1 in equation (1). Therefore, in order to increase the speed of the − layer, it is necessary to increase the drift speed and at the same time increase χ131. For this purpose, the bulk GaAs described above is replaced with a quantum well structure, a multiple quantum well structure, or a quantum wire structure.
この様な構造を導入することにより、通常は3次元的に
拡がっている電子の波動関数を、2次元的もしくは1次
元的にとじこめることができる。拡がりの次元が減少す
る結果、減少した次元方向に関する電子のモード数が大
きく減少するため、電子の散乱確率が大幅に減少する。By introducing such a structure, the electron wave function, which normally spreads three-dimensionally, can be confined two-dimensionally or one-dimensionally. As a result of the reduction in the dimension of the spread, the number of modes of electrons in the direction of the reduced dimension is greatly reduced, and thus the scattering probability of electrons is significantly reduced.
その結果電子の移動度、そしてドリフト速度が大幅に向
上する(例えば半導体超格子の物理と応用1日本物理学
会編、第10章)。As a result, electron mobility and drift speed are greatly improved (for example, Physics and Applications of Semiconductor Superlattices 1, edited by the Physical Society of Japan, Chapter 10).
ここで注意しはければならないことは、この様な構造に
おいてキャリアの移動度に著しい異方性があることであ
る。つまり量子井戸の場合、積層面に平行な方向のキャ
リアのドリフト速度は向上するが、層に垂直な方向には
電流は極めて流れにくくなっている。量子井戸細線も同
様で、細線の軸方向のドリフト速度のみが向上する。What must be noted here is that there is significant anisotropy in carrier mobility in such a structure. In other words, in the case of quantum wells, although the carrier drift speed in the direction parallel to the stacked layers increases, it is extremely difficult for current to flow in the direction perpendicular to the layers. The same is true for quantum well thin wires, and only the drift speed in the axial direction of the thin wires is improved.
上記の様に多重量子井戸等の量子構造を導入することに
より、キャリアのドリフト速度が増大し、より高速な非
線形素子が可能となる。その他に量子井戸構造を導入す
ることにより、室温でもエキン
シトJ−が生成されるため、エキシトンに伴う太きな双
極子モーメントが発生する。(1)式から明らかなよう
に、χ(3ゝは双極子モーメントpの4乗に比例するた
め、pが10倍になるとχ131は101倍になる。こ
のため、光素子の動作に必要な光パワーは、動作速度を
同じにすると10’分の1に減少し、また104の高速
化をしても、光パワーの増加は102程度にとどまる。By introducing a quantum structure such as a multiple quantum well as described above, the drift velocity of carriers increases, and a higher speed nonlinear element becomes possible. In addition, by introducing a quantum well structure, excitons J- are generated even at room temperature, and therefore a thick dipole moment accompanying excitons is generated. As is clear from equation (1), χ(3も) is proportional to the fourth power of the dipole moment p, so when p increases by 10 times, χ131 increases by 101 times. The optical power decreases to 1/10' when the operating speed remains the same, and even if the operating speed is increased by 104, the increase in optical power remains at about 102.
次に本発明の非線形光学素子について図面を用いて詳し
く説明する。Next, the nonlinear optical element of the present invention will be explained in detail using the drawings.
第2図は、本発明の非線形光学素子を5光−光制御によ
る光変調装置に応用した例の模式的な構成図である。同
図においてボート■より波長1455μmの被制御光が
入射され、ビームスプリッタ−1で2分され、一方はミ
ラー3を介してビームスプリッタ−2に到達する。他の
ビームは誘電体多層膜ミラー4で反射された後、本発明
の非線形光学素子の1つである非線形導波路5に入射し
、位相変化を経験した後に、ビームスプリッタ−2で前
記のビームと合波される。そして、この合波時の両ビー
ムの相対的位相差により、合波成分は◎のボートもしく
は■のボートに表れる。その相対的位相差は非線形導波
路中を伝搬するうちに発生する。つまり、非線形導波路
5にはボート■より波長0.81μmの制御光が入射さ
れ、これを吸収する(誘電体多層膜ミラー4は、波長0
,81μmでの反射率はゼロである。)。この結果、作
用の項の(1)〜(3)式で示したように、非線形導波
路5の屈折率が変化する。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an example in which the nonlinear optical element of the present invention is applied to a light modulation device using five-light-light control. In the figure, controlled light with a wavelength of 1455 μm is incident from boat ①, is split into two by beam splitter 1, and one reaches beam splitter 2 via mirror 3. After being reflected by the dielectric multilayer mirror 4, the other beam enters the nonlinear waveguide 5, which is one of the nonlinear optical elements of the present invention, and after experiencing a phase change, the beam splitter 2 It is combined with Then, due to the relative phase difference between the two beams at the time of combining, the combined component appears in the ◎ boat or the ■ boat. The relative phase difference occurs during propagation in the nonlinear waveguide. In other words, control light with a wavelength of 0.81 μm is incident on the nonlinear waveguide 5 from the boat (2) and is absorbed (the dielectric multilayer mirror 4 has a wavelength of 0.81 μm).
, 81 μm, the reflectance is zero. ). As a result, the refractive index of the nonlinear waveguide 5 changes as shown in equations (1) to (3) in the section on effects.
本発明の非線形光学素子の一実施例である非線形導波路
の構造奢の詳細を第1図に拡大して示した。これは同導
波路構造の断面の模式図である。The details of the structure of a nonlinear waveguide, which is an embodiment of the nonlinear optical element of the present invention, are shown in an enlarged scale in FIG. This is a schematic cross-sectional view of the same waveguide structure.
この非線形導波路はGaAs 51で成る基板上にAρ
orGao、aA S 52を3μmの厚さで、その後
、Aj12As53を2μmの厚さで、そしてGaAs
−AρAs54の多重量子井戸構造(MQW)を05μ
mの厚さで、最後にA n O,2G a o、sA
S 55厚を0,5μmの厚さで分子線エピタキシー法
により成長したものである。A 、n O,2G a
o8A 3層55はその後エツチングにより第1図に示
すように幅が0.5μmのリッジ型に加工されている。This nonlinear waveguide is fabricated on a substrate made of GaAs 51 with Aρ
orGao, aA S 52 with a thickness of 3 μm, then Aj12As53 with a thickness of 2 μm, and then GaAs
-AρAs54 multiple quantum well structure (MQW) with 05μ
m thickness, and finally A n O, 2G a o, sA
S55 was grown to a thickness of 0.5 μm by molecular beam epitaxy. A, n O, 2G a
The o8A three layer 55 is then etched into a ridge shape with a width of 0.5 μm as shown in FIG.
領域56゜57は、Siを拡散することによりn+型に
なっている。領域56と57の表面に金電極58゜59
を蒸着により形成し、この電極58.59に直流電源6
0が接続されている。54のAfAs−GaAsのMQ
Wは、100人とGaAs層と100人のAAAs層を
25周期成長したものである。The regions 56° and 57 have become n+ type by diffusing Si. Gold electrodes 58°59 on the surfaces of regions 56 and 57
is formed by vapor deposition, and a DC power source 6 is connected to this electrode 58,59.
0 is connected. 54 AfAs-GaAs MQ
W is obtained by growing 25 cycles of 100 GaAs layers and 100 AAAs layers.
非線形導波路5の光の入出力端は、光の反射を防ぐ膜が
コーティングされている。非線形導波路において、リッ
ジ部55とその周辺のMQW層54が導波路部分になっ
ている。これはMQW層54の屈折率が約3.1でクラ
ラF層53の屈折率が約2.85のため、縦方向のとじ
こめが行なわれる。The light input and output ends of the nonlinear waveguide 5 are coated with a film that prevents light reflection. In the nonlinear waveguide, the ridge portion 55 and the MQW layer 54 around it form a waveguide portion. This is because the refractive index of the MQW layer 54 is approximately 3.1 and the refractive index of the Clara F layer 53 is approximately 2.85, so that vertical confinement is performed.
横方向のとじ込めは、リッジ部55により行われる。つ
まり、リッジ部の屈折率が3.22と高いため、光はM
QW層内で横に拡がらずに、リッジ部およびその周辺の
MQW層54にとじ込められる。The lateral binding is performed by the ridge portion 55. In other words, since the refractive index of the ridge is as high as 3.22, the light is
It is confined within the ridge portion and the MQW layer 54 around it without spreading laterally within the QW layer.
ここで、リッジ部55の断面は0.5μmX0.5μm
。Here, the cross section of the ridge portion 55 is 0.5 μm x 0.5 μm.
.
MQW層54の厚さを0.5μmとした結果、光パワー
の約50%かりッジ部、除りの50%が54のMQW層
54に分配される。またMQW層内での光の横方向の拡
がりは1μm程度である。As a result of setting the thickness of the MQW layer 54 to 0.5 μm, approximately 50% of the optical power is distributed to the bridge portion, and the remaining 50% is distributed to the MQW layer 54 . Further, the lateral spread of light within the MQW layer is about 1 μm.
リッジ部55.MQW層54.クラッド層53のハンド
ギヤツブはそれぞれ1.73eV、1.53eV、2.
76v程度である。従って、波長が155μmの被制御
光に対する光吸収係数は、はとんど無視できる程度であ
る。波長0,81μmの制御光に対してはMQW層54
のみが強い吸収を示し、他の部分における吸収はやはり
無視できる。Ridge portion 55. MQW layer 54. The hand gear of the cladding layer 53 has a voltage of 1.73 eV, 1.53 eV, and 2.
It is about 76v. Therefore, the optical absorption coefficient for the controlled light having a wavelength of 155 μm is almost negligible. For control light with a wavelength of 0.81 μm, the MQW layer 54
Only one part shows strong absorption, and the absorption in other parts can also be ignored.
前記MQW層54における制御光の吸収は、波長081
μmが同MQW層のエキシトン波長に相当するため特に
大きい。ここで(1)式においてe−4,8Xl O”
esu、c=3×10”aIl/s、 ’A=1.05
4×10−’7ergSeCrma=0−99X 10
(=;g、mり=0−62ma+ mAA−0,62m
。The control light absorption in the MQW layer 54 has a wavelength of 081
It is particularly large because μm corresponds to the exciton wavelength of the same MQW layer. Here, in equation (1), e-4,8Xl O”
esu, c=3×10”aIl/s, 'A=1.05
4×10-'7ergSeCrma=0-99X 10
(=;g, mri=0-62ma+ mAA-0,62m
.
吸収係数αは約5000cm−’となる(なおp2にお
ける因子3.0は、MQW構造におけるエキシトン吸収
に関する双極子モーメントの、バルク値p 2= 1.
33 x m o X E、に対する補正因子テする。The absorption coefficient α is approximately 5000 cm-' (the factor 3.0 in p2 is the bulk value p2=1.0 of the dipole moment regarding exciton absorption in the MQW structure).
The correction factor for 33 x m o x E.
これは吸収係数が約3倍になることを意味する)。ここ
で、T+=i00psとおいたのは、電極58.59の
間に1■の直流電源が接続されているためである。ここ
で前記電極間隔は約10it mであるが、この結果M
QW層54の層方向にIKV/cmの電界が保持される
。この電界により、上記光ガイド部にλ=0.81μm
の制御光により生成されたキャリアは約100ps程度
で導波部分外に掃引され、これは近似的に縦緩和時間T
1を100psまで短縮したことに相当する。このため
、本素子の動作速度は10GHzとなる。もし電界を印
加しない場合は、GaAs系材料の本来のTがl On
s以上のため、素子の最大動作速度は0.1GHz以下
である。This means that the absorption coefficient is approximately tripled). Here, the reason why T+=i00 ps is set is that a DC power source of 1 cm is connected between the electrodes 58 and 59. Here, the electrode spacing is about 10 it m, and as a result, M
An electric field of IKV/cm is maintained in the layer direction of the QW layer 54. This electric field causes the light guide section to have a wavelength of λ=0.81 μm.
The carriers generated by the control light are swept out of the waveguide section in about 100 ps, which is approximately equal to the longitudinal relaxation time T.
1 to 100 ps. Therefore, the operating speed of this element is 10 GHz. If no electric field is applied, the original T of the GaAs-based material is l On
s or more, the maximum operating speed of the element is 0.1 GHz or less.
ここで本素子の動作に必要な制御パワーは以下のように
なっている(被制御光のパワーは任意である)。第2図
のような装置が動作するためには、非線形導波路伝搬に
伴う信号光(被制御光)の位相シフトが制御光の有無に
よりπラジアン異なることが要求される。この位相の相
対的シフト△φは
で与えられる。ここで、α、はポンプ光の吸収係数λ、
信号光の波長、nは屈折率(二3.0)、cは3 x
1010an/ sで工、はポンプ光強度(W/n()
仁
である。Δφ=πとし、上記の数値を(4)式に無人す
ると3.2 X 10 ”W/n(となる。導波路のモ
ードの大きさは1μmX1μm程度であるので、必要な
制御光パワーは約32mWとなる。Here, the control power required for the operation of this device is as follows (the power of the controlled light is arbitrary). In order for the device shown in FIG. 2 to operate, it is required that the phase shift of the signal light (controlled light) accompanying nonlinear waveguide propagation differs by π radians depending on the presence or absence of the control light. This relative phase shift Δφ is given by Δφ. Here, α is the absorption coefficient λ of the pump light,
The wavelength of the signal light, n is the refractive index (23.0), and c is 3 x
At 1010an/s, is the pump light intensity (W/n()
It is jin. If Δφ=π and the above value is applied to equation (4) without an operator, it becomes 3.2×10”W/n(.The size of the waveguide mode is approximately 1 μm×1 μm, so the required control light power is approximately It becomes 32mW.
以上の見積りは、実はかなりパワーを大きめに見積って
いる。これは(1)式の導圧過程において、半導体が弱
い吸収飽和状態にあることが仮定されているためである
。この仮定は、それほど吸収係数の大きくない波長領域
では良い仮定である。しかし、本実施例のように、極め
て光吸収の大きいエキシトン波長を利用する場合には、
必要パワーがかなり大きめになる方向で、大きな誤差が
生ずる。これは、エキシトン波長では、バルクと比較し
て1/10以下の光パワーで顕著な吸収飽和効果を示す
からである。このため、χ0′は(1)式の大きさより
遥かに犬ぎく、また光吸収係数も低パワーで飽和する。The above estimate actually overestimates the power considerably. This is because it is assumed that the semiconductor is in a weak absorption saturation state in the pressure induction process of equation (1). This assumption is a good assumption in a wavelength region where the absorption coefficient is not so large. However, when using an exciton wavelength with extremely high light absorption as in this example,
A large error occurs in the direction where the required power becomes considerably large. This is because at the exciton wavelength, a remarkable absorption saturation effect is exhibited at an optical power of 1/10 or less compared to the bulk. Therefore, χ0' is much larger than the magnitude of equation (1), and the optical absorption coefficient is also saturated at low power.
したがって(4)式のαアが実効的に小さくなる。これ
らの理由で、本実施例の構成では]、mW程度で10G
Hz動作が可能である。Therefore, αa in equation (4) is effectively reduced. For these reasons, in the configuration of this embodiment], 10G at about mW
Hz operation is possible.
このことは直流電源の電圧を上げ、キャリアのド、)フ
ト速度を上げることにより、より高速動作を行う時に必
要な光パワーもそれほど高くならないことを意味する。This means that by increasing the voltage of the DC power supply and increasing the drift speed of carriers, the optical power required for higher-speed operation does not increase so much.
以上、本発明非線形光学素子について、実施例による詳
しい説明を行なったが、本発明は本実施例に限定される
訳ではない。本実施例では導波路型の素子としたが、こ
れは光が基板に垂直方向に入射する固型の構成をとって
もよい。また、本実施例ではGaAs系の材料を用いた
が、これは波長に応じて他の材料例えばInP系等が用
いられることは明らかである。また、電界の印加方法も
、電極を(高濃度ドープ層を介さずに)直接半導体構造
の接続する等、種々の変形が考えられる。Although the nonlinear optical element of the present invention has been described in detail using Examples, the present invention is not limited to the Examples. In this embodiment, a waveguide type element is used, but it may also have a solid structure in which light is incident on the substrate in the perpendicular direction. Furthermore, although a GaAs-based material is used in this embodiment, it is obvious that other materials such as InP-based materials may be used depending on the wavelength. Furthermore, various modifications can be considered to the method of applying the electric field, such as directly connecting the electrode to the semiconductor structure (without intervening a heavily doped layer).
以上のように、本発明の非線形光学素子の動作速度は、
使用する非線形光学材料のキャリア緩和時間に制限され
ない。As described above, the operating speed of the nonlinear optical element of the present invention is
It is not limited by the carrier relaxation time of the nonlinear optical material used.
第1図は本発明の非線形光学素子の模式的な構成図であ
る。第2図は第1図の非線形導波路の利用例の模式図で
ある。
1.2はハーフミラ−13はミラー、4は誘電体多層膜
ミラー、5は非線形導波路、51はGaAs基板、52
はA I! 0.20 a o−s A sバッファー
層、53はApAsクラッド層、54はGaAs−Af
fAs MQW層、55はAl1.2 G a o、
* A Sリッジ部、56.57はSi ドープにょる
n+領領域58.59は金電極、60は直流電源である
。
代理人 弁理士 内 原 晋
55A16αA5
拓
図
?
図FIG. 1 is a schematic diagram of a nonlinear optical element of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of an example of the use of the nonlinear waveguide shown in FIG. 1.2 is a half mirror, 13 is a mirror, 4 is a dielectric multilayer mirror, 5 is a nonlinear waveguide, 51 is a GaAs substrate, 52
is AI! 0.20 a o-s As buffer layer, 53 is ApAs cladding layer, 54 is GaAs-Af
fAs MQW layer, 55 is Al1.2 Ga o,
*A S ridge portion, 56.57 is a Si-doped n+ region, 58.59 is a gold electrode, and 60 is a DC power source. Agent Patent Attorney Susumu Uchihara 55A16αA5 Takuzu? figure
Claims (2)
材料で成る領域を少くとも有する光導波領域を具備し、
前記光導波領域の光学的非線形性を示す材料で成る領域
に静的な電界を印加する電界印加手段を具備したことを
特徴とする非線形光学素子。(1) An optical waveguide region having at least a region made of a material exhibiting third-order optical nonlinearity (χ^(^3^)),
A nonlinear optical element comprising electric field applying means for applying a static electric field to a region of the optical waveguide region made of a material exhibiting optical nonlinearity.
多数の平行な量子井戸細線構造からなる3次の非線形光
学材料で成る領域を少くとも有する光導波領域を具備し
、前記3次の非線形光学材料で成る領域に印加する電界
の方向が前記量子井戸もしくは多重量子井戸の積層面に
平行な方向、もしくは量子井戸細線の軸方向である静的
電界印加手段を備えたことを特徴とする非線形光学素子
。(2) An optical waveguide region having at least a region made of a third-order nonlinear optical material consisting of a quantum well structure, a multi-quantum well structure, or a large number of parallel quantum well wire structures, A nonlinear optical element comprising a static electric field applying means in which the direction of the electric field applied to the region is parallel to the laminated plane of the quantum well or multi-quantum well, or in the axial direction of the quantum well wire.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104943A JPH043125A (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Nonlinear optical element |
| GB9108537A GB2244342B (en) | 1990-04-20 | 1991-04-22 | Nonlinear optical device for controlling a signal light by a control light |
| US07/688,391 US5191630A (en) | 1990-04-20 | 1991-04-22 | Nonlinear optical device for controlling a signal light by a control light |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104943A JPH043125A (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Nonlinear optical element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH043125A true JPH043125A (en) | 1992-01-08 |
Family
ID=14394174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2104943A Pending JPH043125A (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Nonlinear optical element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH043125A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5329601A (en) * | 1991-12-20 | 1994-07-12 | Nec Corporation | Semiconductor optical waveguide type switch including light control means |
| US6498885B1 (en) | 1998-08-05 | 2002-12-24 | Nec Corporation | Semiconductor nonlinear waveguide and optical switch |
-
1990
- 1990-04-20 JP JP2104943A patent/JPH043125A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5329601A (en) * | 1991-12-20 | 1994-07-12 | Nec Corporation | Semiconductor optical waveguide type switch including light control means |
| US6498885B1 (en) | 1998-08-05 | 2002-12-24 | Nec Corporation | Semiconductor nonlinear waveguide and optical switch |
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