JPH071354B2 - 半導体光学処理素子とその素子を具備する光処理装置 - Google Patents

半導体光学処理素子とその素子を具備する光処理装置

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JPH071354B2
JPH071354B2 JP2180754A JP18075490A JPH071354B2 JP H071354 B2 JPH071354 B2 JP H071354B2 JP 2180754 A JP2180754 A JP 2180754A JP 18075490 A JP18075490 A JP 18075490A JP H071354 B2 JPH071354 B2 JP H071354B2
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レバーテ マコール ジュニア サミュエル
タイ クオチョウ
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アメリカン テレフォン アンド テレグラフ カムパニー
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    • G02F3/00Optical logic elements; Optical bistable devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/01Devices 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 
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光論理素子及び光学的又は電子的に制御可能
な光切換素子を含む光処理装置、特に、半導体メサ構造
を持つ上記光素子に関する。
(従来技術) 半導体光論理素子(論理ゲート)、及び、光学的又は電
子的に制御される光切換素子(光スイッチ)は電気通信
のような様々な情況において有用である。これらの素子
は一般に(二値ディジタルに)パルス化された制御信号
(A)と、要求される素子が光論理ゲートが光スイッチ
かによってパルス化される又はされない被制御光ビーム
(B)からなる入力によって動作する。“パルス化され
る”とは、あらゆる瞬間における制御信号が一般に“ゼ
ロ(0)”と“イチ(1)”又は“低”と“高”に分け
られる2つの強さの両方を持ち得ることが意味する。従
来技術において、このような光スイッチの一例は、制御
信号Aが“高”(以下、“1";A=1)の場合、被制御ビ
ームBを利用手段へ出力し、制御信号Aが“低”(以
下、“0";A=0)の場合、被制御ビームBを出力しない
特性を持つ光能動素子、すなわち正のスイッチ又は、論
理ゲートAB即ち、“AND"、又は、Aが低(A=0)の
時、Bを出力し、Aが“高”(A=1)の時、Bを出力
しない−すなわち負又は反転光スイッチ、論理−AB素子
を利用している。
アプライド フィジックスレターズ(Applied Physics
Letters)50巻795頁〜797頁に発表されたタイら(K.Ta
i)による論文“InGaAs/InP多重量子井戸で作られるピ
コジュール切換エネルギーによる1.55−μm光論理エタ
ロン(Etalon)”において、ファブリーペロー(Fabry
−Perot)エタロン(多重反射干渉計)内に配置される
インジウムりん化物を基板とする多重量子井戸構造を含
む光スイッチは、制御信号が約1.06μmの波長の光ビー
ムAであり、被制御ビームBが約1.55μmの波長を持つ
と発表されている。当業間では周知のようにエタロンの
目的は制御ビームAが存在する場合対不存在の場合の出
力の対照比率(contrast ratio)を増加させることであ
る。
[発明が解決しようとする課題] しかし、それらが、高速ディジタル光電気通信と光論理
のような高速動作環境での使用により実用的となるため
には、これらの素子の切換速度を増加させることが望ま
しい。
[課題を解決するための手段及び作用] 半導体多重量子井戸メサ構造からなる光処理素子の光切
換速度の増加は、電荷キャリアの表面再結合速度を増加
するために、不純物を内部に導入した側表面を持たせる
ことによって達成される。
本発明の実施例において、インジウム−りん化物基板
が、各々インジウム−ガリウム−ひ化物とインジウム−
りん化物の交互の層からなる複数の多重量子井戸メサ構
造を支持している。各メサの側表面には、電荷キャリア
の表面再結合速度を増加させるために、ひ素のような不
純物が添加されており、それによって、メサ構造が光論
理又は切換に使用される場合に、動作速度が増加する。
(実施例の説明) 光処理素子1000(第1図)は、半絶縁姓のインジウム−
りん化物の本体10(“基板”)を含み、その上に、光反
射器(鏡)201−202、多重量子井戸11,12,13,…199、20
0、鏡301が堆積されている。鏡201−202及び301の各々
は、それ自体、インジウム−りん化物と、インジウム−
ガリウム−ひ化物又はインジウム−アルミニウム−ひ化
物の多重の交互の層(図示せず)のような多層構造であ
り、周知の化学ビームエピタキシーによって堆積されて
いる。これらの各層は約0.1マイクロメータの厚さを持
ち、従って、各々の鏡は、1.55マイクロメータの波長に
おいて、約92.5%の反射を行う。
これらの鏡の間には、インジウム−ガリウム−ひ化物1
1,13,…199と、インジウム−りん化物12,…,200の交互
の層、全体で200層からなる複数の多重量子井戸メサ構
造101,102…が配置されている。周知のように、これら
の量子井戸層も、また化学ビームエピタキシーによって
形成される。既知の異方性プラズマエッチング技術が、
鏡301、多重量子井戸11,12,…199,200、鏡202に適用さ
れ、これによりメサ101,102,…が形成される。これらの
各メサは、従って、層11,12,…199,200によって、形成
される多重量子井戸メサ構造を含む。
格子整合のために、インジウム−ガリウム−ひ化物層1
1、13、…199内のインジウム対ガリウムのモル比は0.53
対0.47である。これらの各インジウム−ガリウム−ひ化
物層11,…,199には、不純物は添加されておらず、10ナ
ノメータの厚さを持つ。各インジウム−りん化物層12,
…,200もまた、不純物は添加されておらず、15ナノメー
タの厚さである。
鏡201−202及び301は、内部に多重量子井戸メサ構造が
配置されているファブリ−ペロット(Fabry−Perot)干
渉計(エタロン)を提供する。
メサ形成後、メサ101,102,…の側表面−すなわち鏡202
の上端から鏡301の底部までにわたる円筒形状の表面…
は、電荷キャリアの再結合速度を増加させるために、多
重量子井戸メサ構造11,12,13,…199,200内に表面再結合
中心を導入する処理段階を経る。例えば、1平方センチ
メートルあたり1012−1013の量のひ素イオンが、これら
の側表面内に約20KeVで添加される。あるいは、酸素の
ような他のイオンも使用できる。あるいは、金、チタン
及びそれに類似するどんな金属も、1平方センチメート
ルあたり1012−1014の量を添加でき、それらは、側表面
の近隣を、本質的にバンドギャップ−ゼロの半導体物質
又は金属に変換し、表面付近の電荷キャリアの再結合を
速くする。
一般に、1ナノ秒の切換速度に対して、メサの直径は約
5μmである。1.0又は0.8μmメサ直径にすれば、約25
倍以上で速度になるであろう。
第2図に示すように、光処理素子1000は、本質的に単色
の光ビームA及びBが入力であり、本質的に単色の光ビ
ームXが出力である光切換装置内において、その反射モ
ードで使用される。AとBの波長は、各々約0.9と1.55
マイクロメートルである。光源1001はビームAを供給
し、光源1002はビームBを供給する。ビームAはパルス
状ビームで、ビームBは連続ビームである。第1の光学
鏡素子501は、ビームAを反射するが、ビームBは透過
するように設計されている。第2の光学鏡素子502は、
ビーム分割鏡として、すなわちビームBの強度の約2分
の1を反射し、他の半分を透過するように設計されてい
る。このようにして、ビームA及びBは両方素子1000の
メサ101、102,…上表面上に垂直に入射し、それによ
り、メサの側面の電界強度がゼロとなるように、これら
のメサ内を電磁導波路モードにおいて、上下に伝達す
る。再結合中心が位置しているこれらの側表面におい
て、電磁場が消滅するのは好都合であり、そうでなけれ
ば、半導体の吸収端(absorption edge)が広くなり、
従って、素子の感度が減少され、好ましくない。ビーム
Aの強度のわずかな増加が、出力Xの強度の大きな増加
につながることが望ましい。
出力ビームX(波長=1.55マイクロメートル)は素子10
00から発射し、鏡素子501を通過し、ビーム分割鏡502に
よって部分的に反射され、1.55マイクロメートルの波長
でのビームXの光放射を検出し利用する光検出及び利用
手段上に入射する。素子1000のパラメータは必要があれ
ば試行錯誤によって、ビームBが素子上に入射する場
合、ビームAがない時は、素子1000内に形成されたファ
ブリーペロー干渉計からはほとんどビームBが反射され
ないように設計される。従って、所定の比較的小さい強
度のビームAが素子1000上に入射すると、ビームAの屈
折率と吸収端への非線形的影響は、ビームXを形成する
為に、ファブリーペローから反射される比較的大きいビ
ームBの部分となる。従って論理回路の観点から、X=
AB(即ちX=AandB)となる。すなわちBの存在下で
は、XはAの存在下でのみ感知でき、これは、ビームB
のビームAによる光切換のために望ましい。
ビームA内のノイズに対するより良い免疫性のために、
ビームAへの感度を多少犠牲にして、ビームAが全くの
ゼロではなく、上述の所定の比較的小さい強度の部分
(例、約0.3)に等しい場合に、ビームBの強度の絶対
最小値が起るように、素子のパラメータにわずかなオフ
セットを組み入れ可能である。
一実施例に関し本発明を詳細に記述したが、本発明の範
囲を離れない種々の応用がなされ得る。例えば、反射モ
ードの代わりにエタロンの透過モードを使用することが
でき、この場合は、検出手段1003は、素子1000の他端に
位置しB=1で、出力X=−ABである。またAとB両方
が論理変数であるように、ビームAとBの両方をパルス
化でき、エタロンによる反射後のXの検出の場合は、X
=AB、エタロン透過後のXの検出の場合は、X=−ABで
ある(ここで、−Aは、Aの符号反転を表す)。
さらに鏡に不純物を添加するか、又は他の方法でそれら
を電気的に導電性にすること及び、これらの鏡に電極を
取り付けることによって、ビームBを電極に供給される
電気信号Aによって電子的に制御することが可能であ
り、それにより電子的に制御される光変調器、スイッチ
又は論理素子が形成できる。
上記の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この
技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例が考
え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲の包含
される。
特許請求の範囲に記載された参照番号は、発明の容易な
る理解のためで、その範囲を制限するよう解釈されるべ
きではない。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の特定の実施例に従った光処理素子の
図、 第2図は、第1図に示される素子を用いた光論理装置を
示す概略図である。
フロントページの続き (72)発明者 クオチョウ タイ アメリカ合衆国,07060 ニュージャージ ィ ノース プレインフィールド,ウィロ ー アベニュー 38 (56)参考文献 特開 昭63−211785(JP,A) 特開 昭63−269119(JP,A) 特開 平1−112226(JP,A) Appl.Phys.Lett.Vo l.50,No.13,PP.795−797 Appl.Phys.Lett.Vo l.53,No.4,PP.302−303 A.S.Grove:“Physics and Technology of Semicondactor Deric es”,PP.117〜148,1967 John Wiley,New York

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多重量子井戸III−V族化合物半導体のメ
    サ構造(11,12,……200)を具備する半導体光学処理素
    子(1000)において、 電荷キャリアの表面再結合速度を増加させるために、前
    記メサ構造体の側表面内に砒素イオンを導入し、それに
    よって光学素子の光切換速度を増加させることを特徴と
    する半導体光学処理素子。
  2. 【請求項2】前記多重量子井戸メサ構造が、インジウム
    を含む ことを特徴とする請求項1記載の素子。
  3. 【請求項3】多重量子井戸メサ構造が、インジウムガリ
    ウム砒素の層を含むことを特徴とする請求項1に記載の
    素子。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の半導体光学処理素子(10
    00)と、 前記素子上に入射する第1光ビーム(A)及び第2光ビ
    ーム(B)を各々供給する第1及び第2の光源手段(10
    01,1002)と、 前記第1光ビーム(A)及び第2光ビーム(B)に応じ
    て、素子から出射される光放射を検出し、利用する光検
    出及び光利用手段(1003)と からなることを特徴とする光処理装置。
JP2180754A 1989-07-21 1990-07-10 半導体光学処理素子とその素子を具備する光処理装置 Expired - Fee Related JPH071354B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US384341 1989-07-21
US07/384,341 US5023673A (en) 1989-07-21 1989-07-21 Semiconductor mesa structured optical processing devices, with added side-surface recombination centers to improve the speed of operation

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JPH0359549A JPH0359549A (ja) 1991-03-14
JPH071354B2 true JPH071354B2 (ja) 1995-01-11

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EP (1) EP0409478B1 (ja)
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CA (1) CA2017971C (ja)
DE (1) DE69014455T2 (ja)
HK (1) HK136795A (ja)
SG (1) SG31895G (ja)

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Appl.Phys.Lett.Vol.50,No.13,PP.795−797
Appl.Phys.Lett.Vol.53,No.4,PP.302−303

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CA2017971C (en) 1999-03-16
DE69014455T2 (de) 1995-04-06
JPH0359549A (ja) 1991-03-14
HK136795A (en) 1995-09-08
SG31895G (en) 1995-08-18
DE69014455D1 (de) 1995-01-12
EP0409478B1 (en) 1994-11-30
CA2017971A1 (en) 1991-01-21
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US5023673A (en) 1991-06-11

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