JPH0882811A - 光スイッチング方法、光スイッチング装置、及び光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 屈折率変化を用いて光スイッチングを行うこ
とにより、出力信号を大きく取ることができ、さらに種
々の論理演算が可能な光スイッチング方法、及び前記の
光スイッチング方法を達成するための光スイッチング装
置及び光半導体装置を提供する。 【構成】 直線偏光の信号光と、円偏光又は楕円偏光の
制御光とを、光半導体装置１０に入射し、制御光により
光半導体装置を構成する光学非線形材料の屈折率を変化
することにより信号光をスイッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光非線形性を有する光
半導体装置、及び光半導体装置を用いた光スイッチング
装置及び光スイッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光・光スイッチ、光双安定装置、光・光
メモリ等を実現させるべく、光非線形性を持つ光半導体
装置、即ち、励起子や自由な電子・正孔対が励起される
ことにより光の吸収係数や屈折率が変化する性質を持つ
光半導体装置が提案されているが、未だ多くの改良すべ
き点が存在する。

【０００３】図９は、Kawazoe等による、スピンに依存
した光学非線形性を利用した光・光スイッチング装置及
びその光スイッチング方法を示したものである（Jpn.J.
Appl.Phys. vol.32 (1993) p.L1756参照）。図示するよ
うに、同一の直線偏光の光２６は、ビームスプリッタ
（ＢＳ）２８により２つに分光され、制御光３０と信号
光３２が得られるようになっている。ＢＳ２８により分
光された制御光３０の光軸上には、入射した光を右円偏
光に変える四分の一波長板３４が設けられており、四分
の一波長板３４を透過した制御光は右円偏光になる。こ
の光は、８０ＧＨｚの光の列を形成するためのミラーペ
ア（ＭＰ）３６に入射され、透過光をレンズ（Ｌ）３８
を通して集光した後に、光学非線形素子からなる光半導
体装置（Ｓ）４０に照射される。一方、ＢＰ２８により
分光された信号光３２は、直線偏光のまま同じレンズ３
８を通して光半導体装置４０に照射される。以下の説明
を判り易くするため、ここでは信号光３２は縦偏光であ
るとする。

【０００４】縦偏光は、同じ大きさの右円偏光と左円偏
光成分に分けられるが、光半導体装置４０に右円偏光の
制御光３０が照射されている状態で信号光３２が照射さ
れると、右円偏光成分のみが最初は影響を受けて透過率
が低下し、左円偏光成分は影響を受けない。このように
して、光のスイッチングが行われていた。また、この信
号光を四分の一波長板４２を通すことにより、右円偏光
成分が横偏光に、左円偏光成分が縦偏光になる。これを
ウォラストンプリズム（ＷＰ）４４を通して横偏光と縦
偏光に分け、それぞれをフォトダイオード（ＰＤ）４６
により検出し、これら信号の差をとることにより、光ス
イッチングを観察することができる。スピンはピコ秒か
ら数十ピコ秒で緩和し、上向きスピンと下向きスピンが
平衡状態になるため、スピンの緩和後に信号の差はゼロ
になる。

【０００５】このようにして、超高速に信号が回復し、
さらに高繰り返し動作にも対応する光スイッチング装置
を構成していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光スイッチング装置によれば、制御光照射による光
半導体装置の光吸収変化を利用するので、出力される信
号強度が非常に小さいという問題があった。また、論理
演算を行う場合、複数の制御光を光半導体装置に入射し
て論理演算を行うことはできないので、制御光と信号光
を用いて、制御光と信号光の両方が入射しなければ動作
しない、即ち論理積（ＡＮＤ）しかとれないという問題
があった。

【０００７】本発明の目的は、屈折率変化を用いて光ス
イッチングを行うことにより、出力信号を大きく取るこ
とができ、さらに種々の論理演算が可能な光スイッチン
グ方法、及びこの光スイッチング方法を達成するための
光スイッチング装置及び光半導体装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、直線偏光の
信号光と、円偏光又は楕円偏光の制御光とを、光学非線
形エタロンに入射し、前記制御光により前記光学非線形
エタロンを構成する光学非線形材料の屈折率を変化し、
前記信号光をスイッチングすることを特徴とする光スイ
ッチング方法により達成される。

【０００９】また、上記の光スイッチング方法におい
て、前記光学非線形エタロンを透過した前記信号光をス
イッチングすることが望ましい。また、上記の光スイッ
チング方法において、前記光学非線形エタロンにより反
射された前記信号光をスイッチングすることが望まし
い。また、光学非線形エタロンと、前記光学非線形エタ
ロンに直線偏光の信号光を入射する第１の光学手段と前
記光学非線形エタロンに円偏光又は楕円偏光の制御光を
入射する第２の光学手段とを有し、前記制御光により前
記光学非線形エタロンを構成する光学非線形材料の屈折
率を変化し、前記信号光をスイッチングすることを特徴
とする光スイッチング装置により達成される。

【００１０】また、上記の光スイッチング装置におい
て、前記光学非線形エタロンにより反射された前記信号
光、又は前記光学非線形エタロンを透過した前記信号光
を直線偏光に変換する変換手段と、直線偏光に変換され
た前記信号光を縦偏光と横偏光に分割する分割手段と、
分割された前記縦偏光と前記横偏光との差を検出する検
出手段とをさらに有することを特徴とする光スイッチン
グ装置により達成される。

【００１１】また、上記の光スイッチング装置におい
て、前記光学非線形材料は、ＧａＡｓであることが望ま
しい。また、上記の光スイッチング装置において、前記
光学非線形材料は、バンドギャップの異なる２つの物質
が交互に積層され、電子と正孔が同じ量子井戸に閉じこ
められる多重量子井戸構造であることが望ましい。

【００１２】また、上記の光スイッチング装置におい
て、前記バンドギャップの異なる２つの物質は、ＧａＡ
ｓとＡｌＧａＡｓであることが望ましい。また、上記の
光スイッチング装置において、前記光学非線形材料は、
キャリアがトンネルできる程度の膜厚からなる障壁層
と、直接遷移に関して量子井戸になる第１の量子井戸層
と、間接遷移に対して量子井戸になり、且つ前記間接遷
移に係わる電子の量子準位が、前記直接遷移に係わる電
子の量子準位より低い第２の量子井戸層とを有し、前記
障壁層を前記第１の量子井戸層と前記第２の量子井戸層
により挟んだ積層体を複数積層した積層材料であること
が望ましい。

【００１３】また、上記の光スイッチング装置におい
て、前記障壁層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、前記第１の
量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、前記第２の量子井戸
層は、ＡｌＡｓ層であることが望ましい。また、上記の
光スイッチング装置において、前記光学非線形材料は、
直接遷移に関して量子井戸になる第１の量子井戸層と、
間接遷移に対して量子井戸になり、且つ前記間接遷移に
係わる電子の量子準位が、前記直接遷移に係わる電子の
量子準位より低い第２の量子井戸層とが交互に積層され
た積層材料であることが望ましい。

【００１４】また、上記の光スイッチング装置におい
て、前記第１の量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、前記
第２の量子井戸層は、ＡｌＡｓ層であることが望まし
い。また、光学非線形材料と、前記光学非線形材料の一
方の面に設けられた第１のミラーと、前記光学非線形材
料の他方の面に設けられた第２のミラーとを有する光学
非線形エタロンを有し、直線偏光の信号光と、円偏光又
は楕円偏光の制御光とを前記光学非線形エタロンに入射
した際に、前記制御光により前記光学非線形エタロンを
構成する光学非線形材料の屈折率が変化し、前記信号光
をスイッチングすることを特徴とする光半導体装置によ
り達成される。

【００１５】また、上記の光半導体装置において、前記
光学非線形材料は、キャリアがトンネルできる程度の膜
厚からなる障壁層と、直接遷移に関して量子井戸になる
第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸にな
り、且つ前記間接遷移に係わる電子の量子準位が、前記
直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の量子井
戸層とを有し、前記障壁層を前記第１の量子井戸層と前
記第２の量子井戸層により挟んだ積層体を複数積層した
積層材料であることが望ましい。

【００１６】また、上記の光半導体装置において、前記
障壁層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、前記第１の量子井戸
層は、ＧａＡｓ層であり、前記第２の量子井戸層は、Ａ
ｌＡｓ層であることが望ましい。また、上記の光半導体
装置において、前記光学非線形材料は、直接遷移に関し
て量子井戸になる第１の量子井戸層と、間接遷移に対し
て量子井戸になり、且つ前記間接遷移に係わる電子の量
子準位が、前記直接遷移に係わる電子の量子準位より低
い第２の量子井戸層とを交互に積層した積層材料である
ことが望ましい。

【００１７】また、上記の光半導体装置において、前記
第１の量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、前記第２の量
子井戸層は、ＡｌＡｓ層であることが望ましい。また、
上記の光半導体装置において、前記第１のミラーは、Ａ
ｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とを交互に積層した積層材料
であり、前記第２のミラーは、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡ
ｓ層とを交互に積層した積層材料であることが望まし
い。

【００１８】

【作用】本発明によれば、直線偏光の信号光と、円偏光
又は楕円偏光の制御光とを用い、これら信号光と制御光
を光学非線形エタロンに入射した際の、光学非線形材料
の屈折率変化を利用して光スイッチングを行ったので、
従来の吸収変化により光スイッチングを行う場合よりも
信号強度を大きくすることができる。また、論理積以外
の種々の論理演算を行うことができる。

【００１９】また、上記の光スイッチング方法では、光
学非線形エタロンを透過した信号光をスイッチングする
ことができる。また、上記の光スイッチング方法では、
光学非線形エタロンにより反射された信号光をスイッチ
ングすることができる。また、直線偏光の信号光と、円
偏光又は楕円偏光の制御光との光路上に光学非線形エタ
ロンを設け、制御光により信号光をスイッチングできる
ような光スイッチング装置を形成したので、従来の吸収
変化により光スイッチングを行う光スイッチング装置よ
りも信号強度を大きくすることができる。また、論理積
以外の種々の論理演算を行うことができる。

【００２０】また、前記の光スイッチング装置に、光学
非線形エタロンにより反射された信号光、又は光学非線
形エタロンを透過した信号光を直線偏光に変換する手段
と、縦偏光と横偏光に分割する手段と、分割された縦偏
光と横偏光を別々に検出する手段とを設けたので、光ス
イッチング動作をモニターすることができる。また、光
学非線形材料として、光学非線形が大きい多重量子井戸
構造を有する材料を用いれば、光学非線形材料としてＧ
ａＡｓを用いる場合よりも信号強度を大きくすることが
できる。

【００２１】また、上記の多重量子井戸構造を持つ材料
には、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを交互に積層した積層
材料を適用することができる。また、キャリアがトンネ
ルできる程度の膜厚からなる障壁層が、直接遷移に関し
て量子井戸になる第１の量子井戸層と、間接遷移に対し
て量子井戸になり、且つ間接遷移に係わる電子の量子準
位が、直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の
量子井戸層とにより挟まれて形成された積層体を複数積
層した積層材料を光学非線形材料として用いれば、障壁
層の膜厚を変えることにより回復時間の制御を行うこと
ができる。

【００２２】また、上記の積層材料としては、障壁層に
ＡｌＧａＡｓ層を、第１の量子井戸層にＧａＡｓ層を、
第２の量子井戸層にＡｌＡｓ層を適用することができ
る。また、直接遷移に関して量子井戸になる第１の量子
井戸層と、間接遷移に対して量子井戸になり、且つ間接
遷移に係わる電子の量子準位が、直接遷移に係わる電子
の量子準位より低い第２の量子井戸層とを交互に積層し
た積層材料を光学非線形材料として用いれば、より高速
な応答速度を得ることができる。

【００２３】また、上記の積層材料としては、第１の量
子井戸層にＧａＡｓ層を、第２の量子井戸層にＡｌＡｓ
層を適用することができる。また、光学非線形材料をミ
ラーにより挟んで形成した光学非線形エタロンを有し、
直線偏光の信号光と、円偏光又は楕円偏光の制御光とを
光学非線形エタロンに入射した際に、光学非線形エタロ
ンに入射された制御光により光学非線形エタロンを構成
する光学非線形材料の屈折率が変化し、光学非線形エタ
ロンにより反射される信号光、又は光学非線形エタロン
を透過した信号光をスイッチングする光半導体装置を形
成したので、従来の吸収変化により光スイッチングを行
う場合よりも信号強度を大きくすることができる。ま
た、論理積以外の種々の論理演算を行うことができる。

【００２４】また、キャリアがトンネルできる程度の膜
厚からなる障壁層が、直接遷移に関して量子井戸になる
第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸にな
り、且つ間接遷移に係わる電子の量子準位が、直接遷移
に係わる電子の量子準位より低い第２の量子井戸層とに
より挟まれて形成された積層体を複数積層した積層材料
を光学非線形材料として用いれば、障壁層の膜厚を変え
ることにより回復時間の制御を行うことができる。

【００２５】また、上記の積層材料としては、障壁層に
ＡｌＧａＡｓ層を、第１の量子井戸層にＧａＡｓ層を、
第２の量子井戸層にＡｌＡｓ層を適用することができ
る。また、直接遷移に関して量子井戸になる第１の量子
井戸層と、間接遷移に対して量子井戸になり、且つ間接
遷移に係わる電子の量子準位が、直接遷移に係わる電子
の量子準位より低い第２の量子井戸層とを交互に積層し
た積層材料を光学非線形材料として用いれば、より高速
な応答速度を得ることができる。

【００２６】また、上記の積層材料としては、第１の量
子井戸層にＧａＡｓ層を、第２の量子井戸層にＡｌＡｓ
層を適用することができる。また、上記の第１のミラー
及び第２のミラーとしては、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ
層とを交互に積層した積層材料を適用することができ
る。

【００２７】

【実施例】本発明の一実施例による光スイッチング装
置、光スイッチング方法、及び光半導体装置を図１乃至
図８を用いて説明する。図１は本実施例による光スイッ
チング装置の概略を示す図、図２は本実施例による光半
導体装置の原理を説明する図、図３は光学非線形材料の
屈折率変化にともなう反射光強度の変化を示す図、図４
はタイプIIＴＢＱの構造と動作を説明する図、図５は本
実施例による光半導体装置の構造を示す図、図６は本実
施例による出力信号を示す図、図７は光学非線形材料の
屈折率変化にともなう反射光強度の変化を示す図、図８
は本実施例による光半導体装置を用いた論理演算の方法
を示す図である。

【００２８】始めに、本実施例による光スイッチング装
置の構成を説明する。図１に示すように、直線偏光の信
号光と、四分の一波長板１４により円偏光にされた制御
光が、レンズ１２を通して光半導体装置１０に入射する
様に配置されている。光半導体装置１０は、光学非線形
材料が２枚のミラーにより挟まれた、光学非線形エタロ
ンを成している。光半導体装置１０により反射された光
は、再びレンズ１２に入射した後に四分の一波長板１６
を透過して直線偏光に変えられ、偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ）１８に入射される。ＰＢＳ１８に入射した光
は、ＰＢＳ１８により縦偏光と横偏光に分離され、それ
ぞれがフォトダイオード２０により検出される様になっ
ている。本実施例は、光学非線形エタロンからなる光半
導体装置１０を用いることに特徴があり、光の吸収変化
ではなく、スピンに依存した屈折率変化を用いるもので
ある。

【００２９】次に、光半導体装置１０を構成する光学非
線形エタロンの原理を説明する。光学非線形エタロン
は、光学非線形材料２２がミラー２４により挟まれた形
状を成している（図２（ａ））。光学非線形エタロン１
０に光を入射すると、光学非線形材料２２による吸収ピ
ークの他に、２つのミラー対により発生する共振器ピー
クが現れる（図２（ｂ））。なお、光学非線形エタロン
の設計に際しては、吸収ピークに対して５〜１０ｎｍ程
度長波長側に共振器ピークが発生するように設定するこ
とが望ましい。

【００３０】この光学非線形エタロンに制御光を照射
し、光学非線形材料２２にキャリアがたまると屈折率が
変化する。即ち、共振器ピークの波長はミラーの間隔と
非線形材料の屈折率との積で表されるので、実効的な共
振器長が変化することになる。これにより、共振器ピー
クは、例えば図２（ｃ）の一点鎖線で示すようにシフト
する。このとき、図２（ｃ）中に波線で示した波長に信
号光の波長を設定しておくと、信号光の反射光強度はＡ
からＢに変化することになる。この変化量は、吸収変化
量に比べて大きくなる。これは、図をみても判るよう
に、吸収ピークの変化はピークがなくなっても高々知れ
ているからである。この動作をさせる光の波長は、制御
光を吸収ピークが励起できる波長とし、信号光は共振器
ピークの付近に設定する。

【００３１】次に、スピンに依存した光学非線形エタロ
ンの動作を説明する。通常、制御光と信号光は直線偏光
を使用する。直線偏光を四分の一波長板１４を透過させ
て円偏光にすると、例えば、右円偏光では上向きスピン
電子だけが励起され、左円偏光では下向きスピン電子だ
けが励起される。そのときには、それぞれに対応したス
ピンの電子のみが制御光の作用を受け、吸収率及び屈折
率が変化する。例えば、右円偏光の制御光を用いると、
右円偏光の信号光のみが制御光の作用を受け、反射光及
び透過光が変化する。なお、スピンは、数十ピコ秒で緩
和し、上向きスピンと下向きスピンは平衡状態に達す
る。

【００３２】図３は、共振器ピークが変化する過程を示
したものである。制御光に右円偏光を、信号光にも右円
偏光を用いると、共振器ピークはＡからＣにシフトす
る。さらに、数十ピコ秒経過後にはスピン緩和によって
共振器ピークはＢの位置まで戻る。これに対し、制御光
に右円偏光を、信号光には左円偏光を用いると、励起直
後はピークはＡの位置のままであるが、スピン緩和によ
ってＢの位置までシフトする。従って、光学非線形エタ
ロンにより反射、又は透過された右円偏光の信号光と左
円偏光の信号光の差を取ると、励起前とスピン緩和後は
共振器ピークが同じ位置にあるので信号差は０であり、
励起直後からスピン緩和までの間だけ信号差に強度があ
らわれることになる。

【００３３】従って、制御光には右円偏光或いは左円偏
光を、信号光には直線偏光を用いれば、スピン緩和時間
で信号が完全に回復する応答が得られることになる。な
お、直線偏光は同じ大きさの右円偏光と左円偏光からな
るので、信号光が光学非線形エタロンで変化を受けた後
に四分の一波長板で２つの円偏光成分を横偏光と縦偏光
に変換し、横偏光と縦偏光をＰＢＳにより分離してその
差を検出すれば、数十ピコ秒で完全に回復する信号を観
察することができる。

【００３４】光学非線形エタロンに用いる光学非線形材
料としては、ＧａＡｓバルクやＧａＡｓ多重量子井戸
（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）等を用いればよ
い。なお、２者の間では、ＭＱＷの方が光学非線形性が
大きいので適している。但し、これらの材料ではスピン
緩和による回復時間しか得られないので回復時間の制御
性がない。

【００３５】そこで、電子がトンネリングによって他の
層へ移動するために正孔のスピンが非常に速く緩和する
ので、障壁層膜厚を変えることによって回復時間の制御
を行うことができるタイプIIＴＢＱ（Tunneling Bi-Qua
ntum Well）が、より望ましい。さらに、障壁層をなく
すことによって高速化を図ることができるが、この場合
には励起子効果が小さくなるので、非線形性も小さくな
る。

【００３６】タイプIIＴＢＱは、図４（ａ）に示すよう
に、ＧａＡｓ量子井戸をＡｌＧａＡｓで挟み、さらにＡ
ｌＡｓで挟み込んだ構造となっている。即ち、ＡｌＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを１周期とし
て積層される。タイプIIＴＢＱの設計にあたっては、Ｇ
ａＡｓ層の電子の量子準位がＡｌＡｓ層のＸ点の準位よ
り高くなるようにする（図４（ａ））。これは、層の厚
さやバンドギャップの大きさなどにより変化することが
できる。図４（ｂ）には、障壁層（ＡｌＧａＡｓ層）の
ないタイプIIＴＢＱのバンド図を示したが、この場合に
も設計手法は同じである。

【００３７】このような材料において、ＧａＡｓ層を励
起する光を照射すると、ＧａＡｓ層に電子正孔対が生成
される。これは信号光の透過量や反射光に影響を及ぼ
す。通常、ＭＱＷなどでは、発生したキャリアの寿命に
よって吸収の回復を待つため、キャリア寿命である１０
ｎｓ程度の応答速度となる。しかし、この構造ではＧａ
Ａｓ層における電子が存在する準位よりもＡｌＡｓ層の
Ｘ点の準位の方が低いので、障壁層であるＡｌＧａＡｓ
層の膜厚がトンネルできる程度に十分薄ければ、励起さ
れた電子はＡｌＡｓ層に移動する。これはピコ秒オーダ
で生じるので、非常に速く信号光の強度が回復すること
になる。また、ＡｌＧａＡｓバリアの厚さによってトン
ネル時間、即ち信号光の回復時間を制御することができ
る。特に、障壁層の膜厚をゼロにした、図４（ｂ）で
は、１ピコ秒を切る応答速度を得ることが可能である。

【００３８】なお、ＧａＡｓの価電子帯のΓ点とＡｌＡ
ｓの伝導帯のＸ点との間で吸収が大きくないこと、Ａｌ
ＡｓのバンドギャップがＧａＡｓ量子井戸のそれよりも
大きいことから、制御光や信号光がＧａＡｓ以外の層に
吸収されないことが大きな利点となる。これにより、タ
イプIIＴＢＱはエタロンのような共振器に挿入して使用
することができる。

【００３９】次に、本実施例による光スイッチング装置
及び光スイッチング方法を詳細に説明する。ＹＡＧレー
ザの２倍高調波で色素レーザを励起し、１ピコ秒の光パ
ルスを得た。制御光として右円偏光を用い、波長は重い
正孔だけを励起する光とした。ここで、バンドギャップ
に歪などの関係で軽い正孔が係わっている場合は、軽い
正孔だけを励起する。これは、右円偏光で重い正孔を励
起した場合は上向きスピンを励起するが、軽い正孔では
下向きスピンが励起されるためである。ここでは制御光
波長として、励起子吸収ピークよりも少し長波長側のピ
ークの裾を励起した。信号光は、光半導体装置１０を構
成する光学非線形エタロンの共振器ピークより少し短波
長側の傾斜の急な領域に設定し、直線偏光のまま光半導
体装置１０に入射した。

【００４０】光半導体装置１０は、図５に示すように、
ＧａＡｓ（００１）基板上に、Ａｌ _0.25Ｇａ_0.75Ａｓ
（５４．４ｎｍ）／ＡｌＡｓ（６４．２ｎｍ）を一周期
として１４周期分堆積された第１のミラーが形成されて
いる。第１のミラー上には、ＧａＡｓ（２．８ｎｍ）／
Ａｌ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓ（１．７ｎｍ）／ＡｌＡｓ（７．
１ｎｍ）／Ａｌ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓ（１．７ｎｍ）を一周
期として９７周期分堆積された、タイプIIＴＢＱ構造の
光学非線形材料が形成されている。さらに、光学非線形
材料上には、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ（５４．４ｎｍ）／
ＡｌＡｓ（６４．２ｎｍ）を一周期として９．５周期分
堆積された第２のミラーが形成されている。

【００４１】次に、本実施例による光スイッチング装置
の動作を図１を用いて説明する。ビームスプリッタ（図
示せず）により、直線偏光を２つの光に分岐し、制御光
と信号光とを得る。制御光は、信号光と制御光の光路差
調整するためのミラー（図示せず）により反射した後
に、四分の一波長板１４で右円偏光に変換されて光半導
体装置１０に入射される。信号光は直線偏光のまま光半
導体装置１０に入射される。光半導体装置１０により反
射され、制御光の影響を受けた信号光は四分の一波長板
１６を透過して円偏光成分を直線偏光成分に変換する。
これをＰＢＳ１８で縦偏光と横偏光に分けて検出する。
ミラーを移動させて制御光と信号光の光路差を変化させ
るポンププローブ法によって時間を変化させ、２つの偏
光成分の差を信号として得た。

【００４２】図６に、上記構成により得られた信号を示
す。図示するように、約５０ピコ秒でオフ動作の完了し
た信号得ることができた。次に、本実施例による光半導
体装置により論理演算を行う方法を説明する。光半導体
装置により反射された光強度を図７に示す。図中には光
吸収ピークが３つ描かれているが、長波長側からそれぞ
れ、制御光を入射しない場合（吸収ピークａ）、制御光
を１つ入射した場合（吸収ピークｂ）、制御光を２つ入
射した場合（吸収ピークｃ）の光強度に対応している。

【００４３】ここで、信号光を吸収ピークａと吸収ピー
クｂとの交点に設定した場合を考える。図８（ａ）から
判るように、制御光が入射されない場合及び制御光がど
ちらか１つのみ入射された場合には、光強度はｄのまま
変化しない。一方、制御光が２つともに入射された場合
には、光強度がｄ´に増加する。従って、反射光強度が
変化した場合を１とすれば、論理積（ＡＮＤ）の論理演
算が成されたことになる。

【００４４】次に、信号光を吸収ピークｂの波長に設定
した場合を考える。図８（ｂ）から判るように、制御光
が入射されない場合及び制御光が２つともに入射された
場合には、光強度がｅのままである。一方、どちらか１
つのみ入射された場合には、光強度はｅ´に減少する。
従って、反射光強度が変化した場合を１とすれば、排他
的論理和（ＥＸＯＲ）の論理演算が成されたことにな
る。

【００４５】次に、信号光を吸収ピークｂと吸収ピーク
ｃとの交点に設定した場合を考える。図８（ｃ）から判
るように、制御光が入射されない場合には、ｆのまま光
強度は変化しない。一方、制御光がどちらか１つのみ入
射された場合及び制御光が２つともに入射された場合に
は、光強度がｆ´に減少する。従って、反射光強度が変
化した場合を１とすれば、論理和（ＯＲ）の論理演算が
成されたことになる。

【００４６】なお、０と１の設定は逆にすることも可能
であるので、ＮＡＮＤ、ＥＸＮＯＲ、ＮＯＲを取ること
も可能である。同様に、スピンを利用した論理演算も行
うことができる。右円偏光によって励起することを考え
ると、左円偏光の信号成分は常に励起直後は元のピーク
位置にあるので、右円偏光成分との反射強度が同じか違
うかによって０と１を設定すればよい。

【００４７】このように、本実施例によれば、光学非線
形エタロンにより光半導体装置を形成したので、従来の
吸収変化により光スイッチングを行う場合よりも信号強
度を大きくすることができる。また、論理積以外の種々
の論理演算を行うことができる。また、光学非線形材料
としてタイプIIＴＢＱを用いて光半導体装置を構成した
ので、障壁層の膜厚により信号光の回復時間を制御する
ことができる。また、これにより、容易に高速化を図る
ことができる。

【００４８】本発明の上記実施例に限らず種々の変形が
可能である。例えば、上記実施例では、制御光として円
偏光を用いたが、楕円偏光を用いてもよい。また、上記
の光スイッチング装置では、光半導体装置により反射さ
れた信号光を用いて構成したが、半導体装置を透過した
光を用いて構成してもよい。この場合、例えば図５に示
した光半導体装置では、ＧａＡｓ基板を裏面からエッチ
ング除去すれば、光半導体装置を透過した光を得ること
ができる。

【００４９】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、直線偏光
の信号光と、円偏光又は楕円偏光の制御光とを用い、こ
れら信号光と制御光を光学非線形エタロンに入射した際
の、光学非線形材料の屈折率変化を利用して光スイッチ
ングを行ったので、従来の吸収変化により光スイッチン
グを行う場合よりも信号強度を大きくすることができ
る。また、論理積以外の種々の論理演算を行うことがで
きる。

【００５０】また、上記の光スイッチング方法では、光
学非線形エタロンを透過した信号光をスイッチングする
ことができる。また、上記の光スイッチング方法では、
光学非線形エタロンにより反射された信号光をスイッチ
ングすることができる。また、直線偏光の信号光と、円
偏光又は楕円偏光の制御光との光路上に光学非線形エタ
ロンを設け、制御光により信号光をスイッチングできる
ような光スイッチング装置を形成したので、従来の吸収
変化により光スイッチングを行う光スイッチング装置よ
りも信号強度を大きくすることができる。また、論理積
以外の種々の論理演算を行うことができる。

【００５１】また、前記の光スイッチング装置に、光学
非線形エタロンにより反射された信号光、又は光学非線
形エタロンを透過した信号光を直線偏光に変換する手段
と、縦偏光と横偏光に分割する手段と、分割された縦偏
光と横偏光を別々に検出する手段とを設けたので、光ス
イッチング動作をモニターすることができる。また、光
学非線形材料として、光学非線形が大きい多重量子井戸
構造を有する材料を用いれば、光学非線形材料としてＧ
ａＡｓを用いる場合よりも信号強度を大きくすることが
できる。

【００５２】また、上記の多重量子井戸構造を持つ材料
には、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを交互に積層した積層
材料を適用することができる。また、キャリアがトンネ
ルできる程度の膜厚からなる障壁層が、直接遷移に関し
て量子井戸になる第１の量子井戸層と、間接遷移に対し
て量子井戸になり、且つ間接遷移に係わる電子の量子準
位が、直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の
量子井戸層とにより挟まれて形成された積層体を複数積
層した積層材料を光学非線形材料として用いれば、障壁
層の膜厚を変えることにより回復時間の制御を行うこと
ができる。

【００５３】また、上記の積層材料としては、障壁層に
ＡｌＧａＡｓ層を、第１の量子井戸層にＧａＡｓ層を、
第２の量子井戸層にＡｌＡｓ層を適用することができ
る。また、直接遷移に関して量子井戸になる第１の量子
井戸層と、間接遷移に対して量子井戸になり、且つ間接
遷移に係わる電子の量子準位が、直接遷移に係わる電子
の量子準位より低い第２の量子井戸層とを交互に積層し
た積層材料を光学非線形材料として用いれば、より高速
な応答速度を得ることができる。

【００５４】また、上記の積層材料としては、第１の量
子井戸層にＧａＡｓ層を、第２の量子井戸層にＡｌＡｓ
層を適用することができる。また、光学非線形材料をミ
ラーにより挟んで形成した光学非線形エタロンを有し、
直線偏光の信号光と、円偏光又は楕円偏光の制御光とを
光学非線形エタロンに入射した際に、光学非線形エタロ
ンに入射された制御光により光学非線形エタロンを構成
する光学非線形材料の屈折率が変化し、光学非線形エタ
ロンにより反射される信号光、又は光学非線形エタロン
を透過した信号光をスイッチングする光半導体装置を形
成したので、従来の吸収変化により光スイッチングを行
う場合よりも信号強度を大きくすることができる。ま
た、論理積以外の種々の論理演算を行うことができる。

【００５５】また、キャリアがトンネルできる程度の膜
厚からなる障壁層が、直接遷移に関して量子井戸になる
第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸にな
り、且つ間接遷移に係わる電子の量子準位が、直接遷移
に係わる電子の量子準位より低い第２の量子井戸層とに
より挟まれて形成された積層体を複数積層した積層材料
を光学非線形材料として用いれば、障壁層の膜厚を変え
ることにより回復時間の制御を行うことができる。

【００５６】また、上記の積層材料としては、障壁層に
ＡｌＧａＡｓ層を、第１の量子井戸層にＧａＡｓ層を、
第２の量子井戸層にＡｌＡｓ層を適用することができ
る。また、直接遷移に関して量子井戸になる第１の量子
井戸層と、間接遷移に対して量子井戸になり、且つ間接
遷移に係わる電子の量子準位が、直接遷移に係わる電子
の量子準位より低い第２の量子井戸層とを交互に積層し
た積層材料を光学非線形材料として用いれば、より高速
な応答速度を得ることができる。

【００５７】また、上記の積層材料としては、第１の量
子井戸層にＧａＡｓ層を、第２の量子井戸層にＡｌＡｓ
層を適用することができる。また、上記の第１のミラー
及び第２のミラーとしては、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ
層とを交互に積層した積層材料を適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光スイッチング装置の
概略を示す図である。

【図２】本発明の一実施例による光半導体装置の原理を
説明する図である。

【図３】光学非線形材料の屈折率変化にともなう反射光
強度の変化を示す図である。

【図４】タイプIIＴＢＱの構造と動作を説明する図であ
る。

【図５】本発明の一実施例による光半導体装置の構造を
示す図である。

【図６】本発明の一実施例による出力信号を示す図であ
る。

【図７】制御光の入射に伴う信号光の反射光強度の変化
を示す図である。

【図８】本発明の一実施例による光半導体装置を用いた
論理演算の原理を示す図である。

【図９】従来の光スイッチング装置の概略を説明する図
である。

【符号の説明】

１０…光半導体装置 １２…レンズ １４…四分の一波長板 １６…四分の一波長板 １８…偏光ビームスプリッタ ２０…フォトダイオード ２２…光学非線形材料 ２４…ミラー ２６…直線偏光 ２８…ビームスプリッタ ３０…制御光 ３２…信号光 ３４…四分の一波長板 ３６…ミラーペア ３８…レンズ ４０…光半導体装置 ４２…四分の一波長板 ４４…ウォラストンプリズム ４６…フォトダイオード

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光の信号光と、円偏光又は楕円偏
   光の制御光とを、光学非線形エタロンに入射し、前記制
   御光により前記光学非線形エタロンを構成する光学非線
   形材料の屈折率を変化し、前記信号光をスイッチングす
   ることを特徴とする光スイッチング方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光スイッチング方法にお
   いて、 前記光学非線形エタロンを透過した前記信号光をスイッ
   チングすることを特徴とする光スイッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の光スイッチング方法にお
   いて、 前記光学非線形エタロンにより反射された前記信号光を
   スイッチングすることを特徴とする光スイッチング方
   法。
4. 【請求項４】 光学非線形エタロンと、 前記光学非線形エタロンに直線偏光の信号光を入射する
   第１の光学手段と前記光学非線形エタロンに円偏光又は
   楕円偏光の制御光を入射する第２の光学手段とを有し、 前記制御光により前記光学非線形エタロンを構成する光
   学非線形材料の屈折率を変化し、前記信号光をスイッチ
   ングすることを特徴とする光スイッチング装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の光スイッチング装置にお
   いて、 前記光学非線形エタロンにより反射された前記信号光、
   又は前記光学非線形エタロンを透過した前記信号光を直
   線偏光に変換する変換手段と、 直線偏光に変換された前記信号光を縦偏光と横偏光に分
   割する分割手段と、 分割された前記縦偏光と前記横偏光との差を検出する検
   出手段とをさらに有することを特徴とする光スイッチン
   グ装置。
6. 【請求項６】 請求項４又は５記載の光スイッチング装
   置において、 前記光学非線形材料は、ＧａＡｓであることを特徴とす
   る光スイッチング装置。
7. 【請求項７】 請求項４又は５記載の光スイッチング装
   置において、 前記光学非線形材料は、バンドギャップの異なる２つの
   物質が交互に積層され、電子と正孔が同じ量子井戸に閉
   じこめられる多重量子井戸構造であることを特徴とする
   光スイッチング装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の光スイッチング装置にお
   いて、 前記バンドギャップの異なる２つの物質は、ＧａＡｓと
   ＡｌＧａＡｓであることを特徴とする光スイッチング装
   置。
9. 【請求項９】 請求項４又は５記載の光スイッチング装
   置において、 前記光学非線形材料は、キャリアがトンネルできる程度
   の膜厚からなる障壁層と、直接遷移に関して量子井戸に
   なる第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸に
   なり、且つ前記間接遷移に係わる電子の量子準位が、前
   記直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の量子
   井戸層とを有し、前記障壁層を前記第１の量子井戸層と
   前記第２の量子井戸層により挟んだ積層体を複数積層し
   た積層材料であることを特徴とする光スイッチング装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の光スイッチング装置に
    おいて、 前記障壁層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、 前記第１の量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、 前記第２の量子井戸層は、ＡｌＡｓ層であることを特徴
    とする光スイッチング装置。
11. 【請求項１１】 請求項４又は５記載の光スイッチング
    装置において、 前記光学非線形材料は、直接遷移に関して量子井戸にな
    る第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸にな
    り、且つ前記間接遷移に係わる電子の量子準位が、前記
    直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の量子井
    戸層とが交互に積層された積層材料であることを特徴と
    する光スイッチング装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の光スイッチング装置
    において、 前記第１の量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、 前記第２の量子井戸層は、ＡｌＡｓ層であることを特徴
    とする光スイッチング装置。
13. 【請求項１３】 光学非線形材料と、 前記光学非線形材料の一方の面に設けられた第１のミラ
    ーと、 前記光学非線形材料の他方の面に設けられた第２のミラ
    ーとを有する光学非線形エタロンを有し、 直線偏光の信号光と、円偏光又は楕円偏光の制御光とを
    前記光学非線形エタロンに入射した際に、前記制御光に
    より前記光学非線形エタロンを構成する光学非線形材料
    の屈折率が変化し、前記信号光をスイッチングすること
    を特徴とする光半導体装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載の光半導体装置におい
    て、 前記光学非線形材料は、キャリアがトンネルできる程度
    の膜厚からなる障壁層と、直接遷移に関して量子井戸に
    なる第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸に
    なり、且つ前記間接遷移に係わる電子の量子準位が、前
    記直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の量子
    井戸層とを有し、前記障壁層を前記第１の量子井戸層と
    前記第２の量子井戸層により挟んだ積層体を複数積層し
    た積層材料であることを特徴とする光半導体装置。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の光半導体装置におい
    て、 前記障壁層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、 前記第１の量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、 前記第２の量子井戸層は、ＡｌＡｓ層であることを特徴
    とする光半導体装置。
16. 【請求項１６】 請求項１３記載の光半導体装置におい
    て、 前記光学非線形材料は、直接遷移に関して量子井戸にな
    る第１の量子井戸層と、間接遷移に対して量子井戸にな
    り、且つ前記間接遷移に係わる電子の量子準位が、前記
    直接遷移に係わる電子の量子準位より低い第２の量子井
    戸層とを交互に積層した積層材料であることを特徴とす
    る光半導体装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の光半導体装置におい
    て、 前記第１の量子井戸層は、ＧａＡｓ層であり、 前記第２の量子井戸層は、ＡｌＡｓ層であることを特徴
    とする光半導体装置。
18. 【請求項１８】 請求項１５又は１７記載の光半導体装
    置において、 前記第１のミラーは、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とを
    交互に積層した積層材料であり、 前記第２のミラーは、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とを
    交互に積層した積層材料であることを特徴とする光半導
    体装置。