JPH043125A - 非線形光学素子 - Google Patents
非線形光学素子Info
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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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-
- G—PHYSICS
- 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
(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、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。
線形光学素子に関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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））。
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））。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
関係がある（単位はｃｇｓである）。
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）。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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
。
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。
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。
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）。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
く説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ここで、リッジ部５５の断面は０．５μｍＸ０．５μｍ
。
。
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。
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。
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。
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。
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
。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (2)
- （１）３次の光学的非線形性（χ＾（＾３＾））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。 - （２）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
。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2104943A JPH043125A (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 非線形光学素子 |
| US07/688,391 US5191630A (en) | 1990-04-20 | 1991-04-22 | Nonlinear optical device for controlling a signal light by a control light |
| GB9108537A GB2244342B (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 (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 非線形光学素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH043125A true JPH043125A (ja) | 1992-01-08 |
Family
ID=14394174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2104943A Pending JPH043125A (ja) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | 非線形光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH043125A (ja) |
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/ja 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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