DE68924996T2

DE68924996T2 - Optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung.

Info

Publication number: DE68924996T2
Application number: DE68924996T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Fukuzawa; Toshio Katsuyama; Kensuke Ogawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2009-05-06
Also published as: DE68924996D1; JP2928532B2; JPH02124540A; US4957337A; EP0340779B1; EP0340779A2; US5091980A; EP0340779A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Vorrichtungen, die eine optische Modulation, eine optische Erfassung oder optisch logische Operationen ausführen, sie betrifft insbesondere eine optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung, die in optischen integrierten Schaltungen wie optischen Computern oder OEICs mit hoher Ansprechgeschwindigkeit verwendet werden kann, und ein Verfahren zum Herstellen dieser Vorrichtung.
In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff "Licht" generell zur Bezeichnung von elektromagnetischen Wellen verwendet.

Beschreibung des Standes der Technik

Computer, die anstelle menschlicher Gehirne logische Operationen durch das Ein- und Ausschalten kleiner Ströme und durch das Speichern und Abgeben kleiner Ladungen ausführen, haben sich zusammen mit der Software entsprechend den Anforderungen an zunehmende Verarbeitungsgeschwindigkeiten und an eine zunehmende Miniaturisierung schon recht weit entwickelt. Neuere Forschungsinteressen richten sich unter dem Gesichtspunkt der Wechselwirkung von Elektronen und dem etwa von einer Potentialtopf dargestellten Mikrofeld auf die Manipulation von Strömen und Feldern nach quantenmechanischen Prinzipien. Zum Beispiel ist in PHYSICAL REVIEW LETTERS, Bd. 55, (1985), Seiten 2344-2347 ein Phänomen beschrieben, bei dem die elektrische Leitfähigkeit einer feinen Halbleiterschleife aufgrund des Aharonov-Bohm-Effekts, der als einer der Quanten-Interferenzeffekte bekannt ist, eine magnetische Vibration zeigt. Der Aharonov-Bohm-Effekt wird rein quantenmechanisch dadurch erklärt, daß die Wellenfunktion der Elektronen auch dann durch das Vektorpotential eines Magnetfeldes beeinflußt wird, wenn sich die Elektronen nicht direkt durch das lokalisierte Magnetfeld bewegen und dadurch die Phase der Wellenfunktion geändert wird. Dieser Effekt kann in der Form von Interferenzen von Elektronen beobachtet werden, die durch das Vektorpotential beeinflußt sind.
In PHYSICAL REVIEW LETTERS, Bd. 56 (1986), Seiten 2748-2751 ist die Modulation der Lichtabsorption von Excitonen in einem Potentialtopf aufgrund des optischen Stark- Effektes abgehandelt. Der optische Stark-Effekt ist ein nichtlinearer optischer Effekt und ein Phänomen, bei dem der Energiepegel von Excitonen durch Wechselwirkung mit einem optischen Feld verschoben wird.
In SOLID STATE COMMUNICATIONS, Bd. 33, (1980), Seiten 1135-1138 ist ein optischer Zwei-Photonen-Prozeß aufgrund der Wechselwirkung von excitonischen Polaritonen beschrieben.
Die obigen bekannten Techniken machen von dem Quanten-Interferenz-Phänomen für Elektronen aufgrund des Aharanov-Bohm-Effektes Gebrauch, um die Leitfähigkeit eines Halbleiters durch Verändern der Intensität eines äußeren Magnetfeldes zu modulieren.
Mit der Modulation der Absorptionsintensität mittels des optischen Stark-Effektes für Potentialtopf-Excitonen und der Wechselwirkung zwischen excitonischen Polaritonen ist nur schwer eine Intensitätsmodulation mit praktisch ausreichender Wirksamkeit zu erreichen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung zu schaffen, mit der die obigen Probleme mit den herkömmlichen Techniken überwunden werden können und mit der eine optische Modulation auf der Basis eines völlig neuen Wirkungsprinzips realisiert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung zu schaffen, bei der auf optische Vorrichtungen ein Quanten-Interferenz-Effekt wie der Aharanov-Bohm-Effekt für Elektronen oder der angeregte Zustand eines Elektronensystems wirkt, um eine optische Modulation, eine optische Detektion und optische logische Operationen mit ultrahoher Geschwindigkeit auszuführen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung zu schaffen, bei der ein Quanten-Interferenz-Effekt wie der Aharanov- Bohm-Effekt über Excitonenzustände und/oder angeregte Zustände eines Elektronensystems eine optische Modulation bewirkt. Das heißt, daß eine Vorrichtung realisiert wird, die frei vom Einfluß der Relaxationszeit des Anregungszustandes des Elektronensystems und frei von Wärmestrahlung aufgrund der Verteilung der Energie von einfallendem Licht und magnetischen Flüssen ist, die eine Änderung des Phasenzustandes hervorrufen. Die erfindungsgemäße optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung ist daher für die Herstellung und den Betrieb von ultraschnellen optischen Vorrichtungen in hoch integrierter Form von besonderer Bedeutung.
Es ist damit möglich, in Verbindung mit einer optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung, die den optischen Stark-Effekt für excitonische Polaritonen und die Wechselwirkung zwischen excitonischen Polaritonen anwendet, eine optische Vorrichtung mit neuer, einfacher Struktur zu schaffen, die logische Operationen ausführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die in den Ansprüchen 1 und 6 beschriebene optische Quanten- Interferenz- Vorrichtung geschaffen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Modulation des angeregten Zustandes eines Elektronensystems als modulierter optischer Phasenzustand ausgegeben wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß eine Modulationsvorrichtung geschaffen wird, die das Leistungsvermögen oder die Effektivität der optischen Modulation bedeutend verbessert.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung kann in verschiedenen Teilen oder Anordnungen von Teilen umgesetzt werden. Die Zeichnungen dienen nur zur Darstellung der bevorzugten Ausführungsformen und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
Die Fig. 1 zeigt das Erscheinungsbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung.
Die Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1 dar.
Die Fig. 3A, 3B, 3C und 3D zeigen die zeitlichen Änderungen in der Flußdichte des modulierenden Lichts und in der Intensität des ausgegebenen modulierten Lichts.
Die Fig. 4 zeigt die jeweilige Dispersionsrelation zwischen Licht und Excitonen in einem Material.
Die Fig. 5A und 5B zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung mit einer Verwendung des optischen Stark-Effekts.
Die Fig. 6 zeigt die Dispersionsrelation von excitonischen Polaritonen.
Die Fig. 7 stellt ein Beispiel für den Aufbau des Wellenleiters der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung im Querschnitt dar.
Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung, die eine integrierte optische Logikvorrichtung bildet.
Die Fig. 9 stellt einen Photodetektor dar, bei dem die erfindungsgemäße optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung angewendet wird.
die Fig. 10 zeigt das Erscheinungsbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten- Interferenz-Vorrichtung.
Die Fig. 11 ist ein Querschnitt durch die optische Wellenleiterschleife der Vorrichtung der Fig. 10.
Die Fig. 12 ist ein Querschnitt durch den optischen Wellenleiter der Fig. 10.
Die Fig. 13 zeigt das Erscheinungsbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten- Interferenz-Vorrichtung mit einem optische Wellenleiter und einem angrenzenden, schleifenförmigen optischen Wellenleiter.
Die Fig. 14 ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt des optischen Wellenleiters mit einer Multipotentialtopfstruktur zwischen dem Wellenleiter und dem Substrat, um die Änderung in der Dichte des magnetischen Flusses zu erhöhen.
Die Fig. 15 zeigt das Erscheinungsbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten- Interferenz-Vorrichtung.
Die Fig. 16 ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt der optischen Wellenleiterschleife der Vorrichtung der Fig. 15.
Die Fig. 17 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung, die integrierte optische Logikelemente bildet.
Die Fig. 18 ist die Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung, die einen Aufbau zum Anlegen eines elektrischen Feldes in der Richtung besitzt, in der das Feld das Interferometer längs der Oberfläche des Substrats kreuzt;
die Fig. 19 ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt der optischen Wellenleiterschleife der Vorrichtung der Fig. 18.
Die Fig 20 ist der Fig. 7 ähnlich, sie zeigt ein Beispiel für den Aufbau des optischen Wellenleiters der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt.
Die Fig. 21, 22 und 23 zeigen jeweils das Erscheinungsbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung.
Die Fig. 24 ist eine Aufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 23.
Die Fig. 25 ist eine Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 23.
Die Fig. 26 ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform mit Vorrichtungen, etwa die in der Fig. 23 gezeigten, die auf dem gleichen Substrat integriert sind.
Die Fig. 27A und 27B sind jeweils Aufsichten auf weitere Ausführungsformen mit Vorrichtungen, etwa die in der Fig. 23 gezeigten, die auf dem gleichen Substrat integriert sind.
Die Fig. 28A und 28B und die Fig. 29 und 30 zeigen jeweils eine bevorzugte Form des Endabschnittes für das einfallende Licht des optischen Wellenleiters der erfindungsgemäßen optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wenn Licht in eine optische Wellenleiterstruktur (ein Interferometer) mit einer geschlossenen Schleife, wie sie durch einen optischen Wellenleiter des Mach-Zehnder-Typs dargestellt wird, eintritt, wird es in zwei Strahlen aufgeteilt, die dann wieder vereinigt werden, d. h. es wird eine optische Interferenzschleife gebildet. Wenn der Wellenleiterbereich dieses Interferometers aus einem Material besteht, bei dem ein Quantenzustand (ein erster Quantenzustand) wie ein angeregter Zustand eines Elektronensystems, der durch einen Excitonenzustand dargestellt wird, existiert und bei dem sich Licht (moduliertes Licht) durch den optischen Wellenleiter fortpflanzt, das sich an den ersten Quantenzustand koppelt, so wird eine optische Interferenzschleife gebildet, die eine Mode besitzt, bei der der Phasenzustand eines zweiten Quantenzustands aufrechterhalten bleibt, der durch die Wechselwirkung des modulierten Lichts mit dem ersten Quantenzustand gebildet wird. Der Begriff "Kopplung" beinhaltet den Zustand des Systems, der erhalten wird, wenn die Energie des einfallenden Lichts im wesentlichen mit dem Energiepegel des ersten Quantenzustands zusammenfällt, dieser Zustand stellt die Bedingung dar, die für die effektive Existenz des zweiten Quantenzustands erforderlich ist. Um eine solche "Kopplung" des einfallenden Lichts mit dem angeregten Zustand des Elektronensystems zu erhalten, muß der ersten Quantenzustand ein System sein, das wie in einem Excitonenzustand eine Polarisierung ausbildet. Wenn ein Magnetfeld so angelegt wird, daß es durch das Fenster (den Einwirkungsabschnitt) verläuft, das bzw. der der Bereich ist, der vom Interferometer umgeben ist, und die Intensität des Magnetfeldes verändert wird, ändern sich die Phasenbedingungen für den zweiten Quantenzustand durch die Wechselwirkung des ersten Quantenzustands mit dem von außen einwirkenden Faktor, was der Aharanov-Bohm-Effekt genannt wird, und die Intensität des abgegebenen Lichts wird durch den Quanten-Interferenzeffekt moduliert.
Wenn als Quelle für das Magnetfeld eine optische Magnetfeldkomponente verwendet wird, erfolgt eine Intensitätsmodulation mit Licht von einer Frequenz im Bereich des fernen Infrarots, da es wünschenswert ist, daß die optische Magnetfeldkomponente während der Zeit, in der sich die excitonischen Polaritonen durch die schleifenartige Struktur ausbreiten, im wesentlichen konstant bleibt. Wenn zum Beispiel das Interferometer etwa 100 µm lang ist, dauert es etwa 0,1-1 ps, bis die excitonischen Polaritonen durch das Interferometer gelaufen sind. Es ist dadurch die Modulationsrate bestimmt, da Licht im fernen Infrarot eine dieser Zeit entsprechende Periode hat.
Die Modulationsfrequenz ist ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des als Quelle des Magnetfeldes einfallenden Lichts im fernen Infrarot. Wenn das Fenster mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlt wird, das eine Energie besitzt, die mit der Absorptionswellenlänge des Excitonenzustandes des Fensterbereichs zusammenfällt, wird ein magnetisches Moment induziert und dadurch eine Änderung im Magnetfeld hervorgerufen, um eine Änderung in der Phasenbedingung aufgrund des Aharanov-Bohm-Effekts zu ermöglichen. Es kann erwartet werden, daß dieses Phänomen bei der Anwendung eines stationären Magnetfelds einen besonders bemerkenswerten Effekt hervorruft, und mit diesem Phänomen kann daher eine optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung mit superschnellem Ansprechverhalten auf ultrakurze Impulse von einem Farbstofflaser oder dergleichen realisiert werden.
Eine ähnliche Vorrichtung kann mit einem linearen optischen Wellenleiter mit einem angrenzenden schleifenförmigen optischen Wellenleiter erzeugt werden. Das auf den linearen optischen Wellenleiter einfallende Licht breitet sich aufgrund der Feldverteilung auch in den angrenzenden schleifenförmigen Wellenleiter aus. Bei einer solchen Struktur ist es gewöhnlich in einem Zustand, der optisch gekoppelter Zustand genannt wird, möglich, durch Anlegen eines Magnetfeldes, das durch ein Fenster in dem vom schleifenförmigen Wellenleiter umgebenen Bereich verläuft, die Intensität des abgegebenen Lichts zu modulieren. Eine wirkungsvolle optische Kopplung wird mit einem Abstand erhalten, der im wesentlichen gleich der Wellenlänge ist, oder mit einem Abstand, der kleiner ist als fünf Wellenlängen des modulierten Lichts.
Es ist möglich, zu dem System einen Modulationsfreiheitsgrad hinzuzufügen. Zum Beispiel ist es möglich, wie oben angegeben ein elektrisches Feld an das Interferometer anzulegen. Wenn ein elektrisches Feld über den das Interferometer bildende optischen Wellenleiter angelegt wird, wird der Zustand der Excitonen und der angeregte Zustand des Elektronensystems polarisiert, was eine Änderung des Ladungszustands hervorruft, der seinerseits eine Veränderung in der Periode der Phasenänderung aufgrund der Intensität des Magnetfeldes verursacht. Wenn ein elektrisches Feld an einen Teil des Interferometers angelegt wird, um die Phasenbedingungen des Quanten-Interferenzeffekts zu steuern, und ein Magnetfeld einwirkt, ist es möglich, die Intensität des abgegebenen Lichts zwischen einem Minimum und einem Maximum zu steuern.
Es ist möglich, eine Quanten-Interferenz-Vorrichtung zu realisieren, bei der die Intensität von Licht durch Ändern der Phasenbedingungen des Interferometers durch die Anwendung des optischen Stark-Effekt, durch die Wechselwirkung der excitonischen Polaritonen oder durch den Aharanov-Bohm-Effekt moduliert wird. Bei dieser Vorrichtung wird die "Energie- Wellenlängen-Dispersionscharakteristik" der excitonischen Polaritonen oder des angeregten Zustands des Elektronensystems geändert, um eine Änderung in der Phase auf der Basis eines nichtlinearen optischen Vorgangs wie dem optischen Stark-Effekt oder einem Zwei-Photonen-Prozeß der excitonischen Polaritonen hervorzurufen.
Anhand der Fig. 1, 2 und 3 wird eine logisch arbeitende Vorrichtung beschrieben, bei der die Wirkungsprinzipien der vorliegenden Erfindung Anwendung gefunden haben. Der grundlegende Aufbau und die Wirkungsprinzipien der Vorrichtung sind auch auf andere Vorrichtungen wie Photodetektoren anwendbar.
Die Fig. 1 zeigt den grundlegenden Aufbau der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung, die zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung verwendet wird. Die Vorrichtung umfaßt eine schleifenartige Struktur 101 aus einem Halbleiter oder einem Isolator, einen optischen Wellenleiter 109 aus dem gleichen Material wie die Struktur 101, der optisch wenigstens an die Struktur 101 angekoppelt ist, und einen Einwirkungsabschnitt 103, der von der Innenseite der Schleifenstruktur 101 gebildet wird, wobei diese Elemente auf einem Substrat 102 ausgebildet sind. Das zu modulierende Licht 104 tritt in den Wellenleiter 109 ein, während gleichzeitig modulierendes Licht 106 auf den Einwirkungsabschnitt 103 einwirkt. Wenn innerhalb der schleifenförmigen Struktur 101 der Anaranov-Bohm-Effekt der Elektronen verwendet wird, ist es wichtig, das modulierende Licht 106 auf den Bereich einzustrahlen, der von der Schleifenstruktur 101 umgeben ist, durch die das zu modulierende Licht 104 läuft, da es erforderlich ist, daß die elektronische Komponente der Wellenfunktion der Excitonen in der Schleifenstruktur 101 zweimal angeschlossen wird. Da das modulierende Licht 106 eine magnetische Feldkomponente aufweist, wirkt sein Vektorpotential auch in der Schleifenstruktur 101. Die optische Modulation ist die Änderung in der Intensität des abgegebenen modulierten Lichts 105, die durch Einstrahlen des modulierenden Lichts 106 erhalten wird.
Die Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1. Obwohl in der Fig. 1 nicht gezeigt, ist eine Isolationsschicht 207 aus z. B. SiO&sub2;, die die auf dem Substrat 202 ausgebildete Schleifenstruktur bedeckt, und eine Licht abschirmende Metallschicht 208 vorgesehen, die verhindert, daß das Modulationslicht auf die Schleifenstruktur eingestrahlt wird.
Hinsichtlich der Führung des zu modulierenden Lichts, das sich in einer einzigen Mode ausbreitet, ist der Wellenleiterbereich mit der schleifenförmigen Struktur 201 und dem Wellenleiter 209 vorzugsweise 0,05-10 µm breit. Der Abschnitt des Wellenleiterbereichs, auf den das Licht effektiv beschränkt ist, ist vorzugsweise 5-10 µm dick. Der Abstand zwischen den beiden Zweigen der schleifenförmigen Struktur ist vorzugsweise gleich 5 µm-1 mm, wenn wie in der Fig. 1 gezeigt die sogenannte Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur verwendet wird.
Die Fig. 3A und 3B und die Fig. 3C und 3D zeigen die zeitliche Änderung der Magnetflußdichte des modulierenden Lichts 106, das auf den Einwirkungsabschnitt 103 der Fig. 1 eingestrahlt wird, und die zeitliche Änderung der Ausgangsintensität des modulierten Lichts 105. Die Wellenfunktion ψex(r) eines Excitons läßt sich quantenmechanisch wie folgt darstellen:
ψex(r) = f(r) Φe(r) Φh(r),
wobei Φe(r) und Φh(r) die Wellenfunktionen eines Elektrons und eines Lochs sind, f(r) eine Hüllfunktion ist, die in der Form der des Wasserstoffatoms ähnlich ist, und r einen Positionsvektor darstellt. Der Aharanov-Bohm-Effekt von excitonischen Polaritonen, der einer der Quanten-Interferenzeffekte ist, die bei der vorliegenden Erfindung angewendet werden (diese Darstellung gilt nicht allgemein, sie wird in dieser Beschreibung jedoch zur Vereinfachung oft verwendet), beruht auf der Tatsache, daß die Wellenfunktion von Excitonen, die zur Polarisation mit Licht in einem Medium gekoppelt werden, aus dem Produkt der Wellenfunktionen für Elektronen und Löcher gebildet wird, und daß die Phasenkomponenten der Wellenfunktionskomponenten für Elektronen und Löcher sich in Abhängigkeit von der Einwirkung des Magnetfeldes ändern. Die Wellenfunktion der excitonischen Polaritonen wird durch die Kombination der Wellenfunktion zur Beschreibung eines Photons und der Wellenfunktion zur Beschreibung des Excitons dargestellt. Ein solcher kombinierter Zustand hat zur Folge, daß die Excitonenkomponente des Lichts, das Teil der Kombination ist, moduliert wird. Da die absoluten Ladungswerte für das Elektron und das Loch gleich sind, sind auch die Perioden ihrer Phasenänderungen gleich. Der Aharanov-Bohm-Effekt verringert sich daher auch dann nicht, wenn die Wellenfunktion des Excitons die Form des Produkts aus den beiden Wellenfunktionen des Elektrons und des Lochs annimmt.
In den optischen Wellenleiter 109 tritt moduliertes Licht 104 mit einer Wellenlänge im Bereich der Wellenlänge zum Erzeugen des Absorptionsmaximums eines Excitons (vorzugsweise innerhalb ±20 nm) ein. Eine Änderung in der Phase der Excitonen-Wellenfunktion spiegelt sich daher vollständig im excitonischen Polariton wider. Der magnetische Fluß Φ&sub0;, der der Periode der Änderung in der Intensität des abgegebenen modulierten Lichts 105 entspricht, ist durch
Φ&sub0; = hc/e
bestimmt, wobei h, c und e die Plancksche Konstante, die Lichtgeschwindigkeit und die Größe der Elementarladung sind. Die Flußdichte B&sub0;, die zum Erzeugen eines Flusses Φ&sub0; erforderlich ist, ist durch
B&sub0; = Φ&sub0;/S = hc/eS
gegeben, wobei S der effektive Bereich des Einwirkungsabschnitts 103 ist.
Es wird nun ein Beispiel für logische Operationen beschrieben. Es sei B&sub1; die Amplitude der Flußdichte des modulierenden Lichts 106, und es wird ein Beispiel genommen, bei dem B&sub1; = B&sub0; ist. Das in der Fig. 3A gezeigte modulierende Licht entspreche dem Zeichen +1 und das in der Fig. 3B gezeigte modulierende Licht dem Zeichen -1. Wenn das modulierende Licht der Fig. 3A auf den Einwirkungsbereich eingestrahlt wird, zeigt die Intensität des abgegebenen modulierten Lichts aufgrund des Aharanov-Bohm-Effekts die in der Fig. 3C gezeigte zeitliche Änderung. Wenn sich die Flußdichte des Modulationslichts mit der Zeit von 0 → B1 → 0 ändert, weist das erfaßte Signal zwei Maxima auf, da es zwei Schwingungsperioden enthält. Wenn das modulierende Licht der Fig. 3A und das modulierende Licht der Fig. 3B gleichzeitig eingestrahlt werden, erfolgt eine Auslöschung, so daß sich die Ausgangsintensität überhaupt nicht ändert. Dies entspricht dem Vorgang 1 + (-1) = 0. Wenn zwei der modulierenden Lichtstrahlen der Fig. 3A eingestrahlt werden, verdoppelt sich die sich ergebende Amplitude. In diesem Fall ergibt sich die in der Fig. 3D gezeigte Intensität des abgegebenen Lichts, wobei die Anzahl der Maxima. doppelt so groß ist wie in der Fig. 3C. Dies entspricht der Gleichung 1 + 1 = 2. Auf diese Weise sind logische Operationen möglich.
Wenn die vorliegende Erfindung als Photodetektor verwendet wird, wird dieser einfach durch Beobachten einer Änderung in der Intensität des ausgegebenen modulierten Lichts erhalten, wenn ein einziger modulierender Lichtstrahl eingestrahlt wird.
Um den Aharanov-Bohm-Effekt wirkungsvoll zu erzeugen, ist es erforderlich, daß das Magnetfeld des Lichts senkrecht zur Schleifenfläche eine große Komponente hat. Dazu ist es erforderlich, daß das modulierende Licht unter einem senkrecht zur Schleifenfläche liegenden Einfallswinkel eingestrahlt wird.
Anhand eines besonderen Beispiels wird als weitere Form der vorliegenden Erfindung die Arbeitsweise einer optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung beschrieben, die den optischen Stark-Effekt verwendet.
Die Fig. 4 zeigt die Dispersionsrelation von Excitonen (408, 408') und Licht (407). Im Bereich, in dem die Excitonen und das Licht in Resonanz sind, wird die Dispersionsrelation der excitonischen Polaritonen wiedergegeben, und die Wellenlänge der excitonischen Polaritonen ändert sich stark. Es ist daher auch dann möglich, die Wellenlänge der excitonischen Polaritonen erheblich zu verschieben, wenn die Leistung des modulierenden Lichts im Vergleich zur Leistung des modulierenden Lichts, das bei den herkömmlichen Techniken zur Einstrahlung auf ein Material im angeregten Zustand verwendet wird, wesentlich kleiner ist. Diese große Verschiebung in der Resonanz-Absorptionswellenlänge der excitonischen Polaritonen ermöglicht die Anwendung des Quanten-Interferenzeffekts bei optischen Modulationsvorrichtungen in einem großen Wellenlängenbereich. Die Fig. 5A und 5B zeigen schematisch die Arbeitsweise einer optischen Vorrichtung, bei der die in der Fig. 4 gezeigte charakteristische Dispersionsrelation der excitonischen Polaritonen verwendet wird. Zu modulierendes Licht 504 und modulierendes Licht 506 treten in einen optischen Wellenleiter 501 aus einem Halbleiter oder einem Isolator auf einem Substrat 502 ein, um ein moduliertes Ausgangssignal 505 zu erzeugen. Die Fig. 5A zeigt eine Vorrichtung mit einem linearen optischen Wellenleiter, während die Fig. 5B eine Vorrichtung mit sich schneidenden optischen Wellenleitern zeigt. In der Fig. 5A ist ein Fenster 503, durch den als Einwirkungsabschnitt das modulierende Licht 506 eintritt, besonders vorgesehen. Das Fenster 503 wird dazu verwendet, die Intensität des modulierenden Lichts 506, das dem optischen Wellenleiter 501 zugeführt wird, durch die Transmission, Interferenz usw. des Lichts zu erhöhen. In der Fig. 4 bezeichnet hνp die Photonenenergie des modulierenden Lichts 506, die kleiner ist als der Exciton-Energiepegel. Wenn das modulierende Licht eine Energie hat, die gleich dem Exciton- Energiepegel ist oder größer, regt es direkt Elektronen und Löcher an, so daß die Ansprechzeit durch die Rekombinations- Lebensdauer von Elektron-Loch-Paaren begrenzt ist. Wenn die Wellenlänge des modulierenden Lichts von der Absorptionswellenlänge der Excitonen stark abweicht, wird die Änderung der Phase der excitonischen Polaritonen aufgrund des optischen Stark-Effekts verringert, so daß die Wellenlänge des modulierenden Lichts vorzugsweise ± 10 nm um die Excitonen- Absorptionswellenlänge liegt.
Es wird nun der optische Stark-Effekt der Excitonen beschrieben. Die Dispersionsrelation der Excitonen im nicht bestrahlten Zustand wird durch die gestrichelte Linie 408 angezeigt. Beim Einfallen von modulierendem Licht 506 werden dieses Licht und der Excitonenzustand gemischt, und der sich ergebende Zustand verschiebt sich zur Seite höherer Energie, so daß die Dispersionskurve von 408 zu 408' wandert. Dieses Phänomen tritt mit einer kurzen Ansprechzeit im Bereich von Pikosekunden oder weniger auf. Als Ergebnis der Wechselwirkung von Licht und Excitonen werden die excitonischen Polaritonen gebildet.
Die Fig. 6 zeigt die Dispersionsrelation der excitonischen Polaritonen. Die Dispersionsrelation wird durch die gestrichelten Linien 609 und 610 dargestellt, die den Polaritonen im oberen und unteren Zweig entsprechen. Aufgrund des Einfallens von modulierendem Licht 506 mit einer Energie von hνp und den optische Stark-Effekt verschiebt sich die Dispersionsrelation nach 609' und 610'. Wenn zu modulierendes Licht 504 mit der Energie hν&sub0; eintritt und davon die excitonischen Polaritonen erzeugt werden, wird die Dispersionsrelation der excitonischen Polaritonen durch 609 und 610 angegeben, wenn kein modulierendes Licht 506 einfällt, so daß die Wellenzahl der excitonischen Polaritonen für das Polariton im oberen Zweig gleich ku und für das Polariton im unteren Zweig gleich k&sub1; ist. Wenn modulierendes Licht 506 einfällt, ändert sich die Dispersionsrelation aufgrund des optische Stark-Effekts zu 609' und 610'. Da durch den Stark-Effekt keine Energie vom Licht auf die excitonischen Polaritonen übertragen wird, bleibt die Energie der excitonischen Polaritonen auf dem Wert von hν&sub0;. Im Ergebnis sind die Wellenzahlen der Polaritonen im oberen und unteren Zweig gleich ku' und k&sub1;'.
Durch das Einstrahlen des modulierenden Lichts ist es möglich, die Wellenlänge der excitonischen Polaritonen in dem Bereich (dem Einwirkungsabschnitt) zu ändern, auf den das modulierende Licht einfällt. Die durch den Einwirkungsbereich laufenden excitonischen Polaritonen verändern im Vergleich zu den excitonischen Polaritonen, die nicht durch den Einwirkungsbereich laufen, ihre Phase. Der Vergleich des zu modulierenden Lichts, das nicht durch den Einwirkungsbereich gelaufen ist, mit dem zu modulierenden Licht, das durch den Bereich gelaufen ist, ergibt eine optische Modulation. Durch Interferenz dieser Lichtstrahlen mit anschließender Ausgabe des Lichts entspricht die Modulation der optischen Intensität der Größe der Phasenänderung. Wenn die Energie hν&sub0; des zu modulierenden Lichts 504 kleiner ist als der Exciton- Energiepegel (der durch den Schnittpunkt der Dispersionskurven der in der Fig. 4 gestrichelt bei 408 gezeigten Excitonen mit der Ordinatenachse dargestellt wird), wird nur das Polariton des unteren Zweiges erzeugt, und der obige Effekt entsteht nur beim Polariton des unteren Zweiges.
Wenn der optische Stark-Effekt auf excitonische Polaritonen angewendet wird, kann im Vergleich zum reinen Gebrauch von Excitonen eine Modulation bei sehr kleinen Ausgangssignalen ausgeführt werden. Wenn die Modulation durch die Excitonen optisch ausgeführt wird, erfolgt eine Energieverschiebung längs der Ordinatenachse der Fig. 4, so daß die Größe der Energieverschiebung nicht für eine Modulation ausreicht, solange kein Laser mit großer Ausgangsleistung von etwa 1 GW cm&supmin;² verwendet wird.
Wenn die excitonischen Polaritonen verwendet werden, wird als zu modulierendes Licht Licht aus der Umgebung des Bereichs verwendet, in dem das Licht und die Excitonen in Resonanz sind, so daß mit einem Laserstrahl geringer Leistung und dergleichen eine große Wellenlängenänderung erreicht wird und ein solcher Laserstrahl für die optische Modulation verwendet werden kann.
Wenn ein Farbstofflaserstrahl mit einer maximalen Leistungsdichte von z. B. 1 kW cm&supmin;² über ein Objektiv etc. als Strahl von etwa 10 µm Durchmesser auf einen optischen Wellenleiter eingestrahlt wird, wird durch die Bestrahlung mit dem Farbstofflaser der Exciton-Energiepegel um etwa 0,1 meV verschoben. Es läßt sich jedoch vorhersagen, daß sich die Wellenlänge der excitonischen Polaritonen in den Dispersionskurven um etwa 10% verschiebt. Wenn modulierendes Licht auf einen 4 µm langen Abschnitt (den Einwirkungsabschnitt) eingestrahlt wird und die Wellenlänge der excitonischen Polaritonen in der Umgebung von 800 nm liegt, wird die Phase des modulierten Lichts, das durch den bestrahlten Bereich gelaufen ist, um eine halbe Wellenlänge verschoben, was heißt, daß eine miniaturisierte optische Vorrichtung geschaffen wurde, die es bisher nicht gegeben hat. Da das Grundphänomen des Vorganges eine kurze Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden hat, ist es möglich, eine superschnelle optische Modulationsvorrichtung zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen genauer beschrieben.

Beispiel 1

Auf das halbisolierende GaAs-Substrat 702 der Fig. 7 wurde durch Molekularstrahlepitaxie eine GaAs-Potentialtopfschicht 709 (5 nm dick) und darauf zwei Al1-xGaxAs- Schichten (x = 0,7) (Kernschichten) von 1,5 µm Dicke so aufgebracht, daß die Kernschichten 710 an der Ober- bzw. Unterseite der Potentialtopfschicht 709 lagen. Die Kernschichten 710 dienen gegenüber der Schicht 709 auch als Barriere. Hüllschichten 711 aus GaAs (1 µm dick) wurden so aufgebracht, daß die Kernschichten dazwischen liegen. Die Folge dieser Schichten 709, 710 und 711 wurde einem Elektronenstrahl ausgesetzt und einem Trockenätzen unterworfen. Das sich ergebende halbfertige schleifenförmige optische Wellenleiterprodukt ist im Schnitt in der Fig. 7 gezeigt. Die Schleife ist 5 µm breit. Dann wurde durch Sputtern eine 100 nm dicke SiO&sub2;-Isolierschicht (nicht gezeigt) ausgebildet und die Isolierschicht durch Aufsputtern einer Licht abschirmenden Silberschicht (nicht gezeigt) von 100 nm Dicke abgedeckt. Schließlich wurde der Einwirkungsbereich durch Trockenätzen ausgebildet. Die Fenstergröße betrug 100 nm · 100 nm. Auf diese Weise wurde die in der Fig. 1 und der Fig. 2 gezeigte Vorrichtung erhalten.
Diese Vorrichtung wurde dann in flüssigem Helium auf 4,2 K abgekühlt, um die excitonische Polaritonenstreuung aufgrund der thermischen Schwingungen zu beseitigen, woraufhin die Messung erfolgte. Um die Kohärenz der excitonischen Polaritonen im optischen Wellenleiterbereich der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung aufrecht zu erhalten, war die Kühlung nicht unbedingt erforderlich. Das Aufrechterhalten der Kohärenz ist auch durch die Verwendung eines Kristalls mit niedriger Verunreinigungsdichte und geringen Gitterdefekten möglich. Es war erforderlich, Licht einer Wellenlänge zu wählen, die nahe an der Wellenlänge liegt, bei der das Maximum der Excitonenabsorption auftritt, um die Kopplung des zu modulierenden Lichts mit den Excitonen im Potentialtopf zu erhöhen. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde Licht mit einer Wellenlänge von 750 nm aus einem Farbstofflaser als das zu modulierende Licht verwendet, und es wurde die Intensität des vom optischen Wellenleiter abgegebenen Lichts gemessen. Wenn als modulierendes Licht das Licht mit einer Wellenlänge von 119 µm von einem Infrarotlaser auf das Fenster (den Einwirkungsbereich) eingestrahlt wurde, wurde in der Intensität des optischen Ausgangssignales eine dem modulierenden Licht entsprechende Änderung hervorgerufen, wodurch eine Photodetektion möglich war. Die optische Ansprechzeit dieser Vorrichtung lag im Bereich von Subpikosekunden.

Beispiel 2

Es wurde eine Vorrichtung ähnlich wie im Beispiel 1 und der Fig. 1 vorbereitet. Das Substrat 702 bestand aus mit Fe dotiertem InP. Die Schleife umfaßte die Potentialtopfschicht 709, Kernschichten 710 und Hüllschichten 711 aus In1-xGaxAs1-yPy (x = 0,4, y = 0, 15), InP und In1-xGaxAs1-yPy. Die Messung erfolgte bei 4,2 K mit Licht einer Wellenlänge von 1,5 µm von einem optischen Kommunikationslaser als zu modulierendes Licht. Im Ergebnis wurde ein Ansprechverhalten erreicht, das dem vom Beispiel 1 ähnlich war.

Beispiel 3

Auf einem CuCl-Substrat 702 wurde durch die Elektronenstrahleinwirkung und das Trockenätzen des Beispiels 1 ein optischer CuCl-Wellenleiter hergestellt. Bei 4,2 K erfolgte eine Messung wie im Beispiel 1, bei der eine Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden ermittelt wurde.

Beispiel 4

Wie in der Fig. 8 gezeigt, wurden drei der Vorrichtungen des Beispiels 1 auf einem (nicht gezeigten) Substrat integriert. Wenn bei 4,2 K nur ein zu modulierender Lichtstrahl 812 eingestrahlt wurde, wurde durch die Einstrahlung von modulierendem Licht (119 µm) aus den beiden Lichtquellen 810 und 810' in die Fenster 814 und 816 das abgegebene Licht 805 verändert. Das einfallende Licht 812 wurde durch das in das Fenster 814 eingestrahlte modulierende Licht moduliert und auch durch das in das Fenster 816 eingestrahlte modulierende Licht. Wenn beide Fenster mit dem modulierenden Licht bestrahlt wurden, änderte sich das abgegebene Licht in der Form des Produkts der beiden modulierenden Lichtstrahlen. Wenn ein weiteres zu modulierendes Licht 813 eingestrahlt wurde, hatte das abgegebene Licht 805 eine maximale Ausgangsintensität, wenn die Lichtstrahlen 812 und 813 in der Phase übereinstimmten, und die Ausgangsintensität war Null, wenn die Lichtstrahlen 812 und 813 um π phasenverschoben waren. Durch Einstrahlen von Licht aus einer weiteren Lichtquelle in das Fenster 815 wurde auch das einfallende Licht 813 moduliert, wodurch eine komplexe Signalverarbeitung möglich war.

Beispiel 5

Der in der Fig. 9 gezeigte AlGaAs-DH-Laser 917 als Quelle für das zu modulierende Licht und ein Photodetektor 918, dem als Eingangssignal Laserlicht unter einer Sperrspannung zugeführt wird, wurden in einer zweidimensionalen Anordnung auf dem Substrat 902 an den Wellenleiterbereich 901 der im Beispiel 1 hergestellten Vorrichtung angeschlossen. Es wurde eine Abdeckung 903 mit Fenstern 914 vorgesehen, die für das modulierende Licht durchlässig sind.
Wenn auf die in einem zweidimensionalen Array angeordneten Fenster 914 modulierendes Licht von 119 µm eingestrahlt wurde, arbeitete die Vorrichtung als zweidimensionaler Positionssensor.

Beispiel 6

Eine Potentialtopfschicht 709 ähnlich der der Fig. 7 wurde aus einer Folge von fünf Paaren von GaAs-Schichten (5 nm dick) und Al1-xGaxAs-Schichten (x = 0,7, 6 nm dick) hergestellt. Ein nicht die Schleifenstruktur bildender linearer Wellenleiterabschnitt wurde für zehn Minuten auf 550ºC aufgeheizt, um Zn einzudiffundieren und dadurch eine Mischkristallstruktur auszubilden. So wurde eine dem Beispiel 1 ähnliche Vorrichtung vorbereitet.
Das Ansprechvermögen auf das modulierende Licht war erhöht und die Abschwächung der excitonischen Polaritonen in den nicht die Schleife bildenden Wellenleiterabschnitten war verringert.

Beispiel 7

Dieses Beispiel wird anhand der Fig. 10-12 beschrieben. Die Fig. 10 zeigt das Erscheinungsbild einer optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung zum Modulieren der optischen Intensität mit einem stationären Magnetfeld oder Licht. Der optische Wellenleiter 1001 wurde auf dem Substrat 1002 als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet. Das zu modulierende Licht 1005 wurde auf das Eingabeende des optischen Wellenleiters eingestrahlt, um dadurch excitonische Polaritonen hervorzurufen, die sich durch den optischen Wellenleiter ausbreiten. Gleichzeitig wurde ein Magnetfluß oder Licht 1007 zur Modulation an das Fenster 1003 angelegt, das in dem vom Mach-Zehnder-Interferometer umgebenen Bereich vorgesehen war. Die Phase der excitonischen Polaritonen änderte sich entsprechend der Intensität des Magnetflusses oder Lichts, und auch die Intensität des abgegebenen modulierten Lichts 1006 veränderte sich.
Eine Anschlußfläche 1004 wurde dazu verwendet, die über den gesamten optischen Wellenleiter 1001 angelegte Feldstärke zu verändern. So wurde die Größe der Excitonen- Polarisierung eingestellt und der Grad des Quanten-Interferenzeffektes von außen gesteuert. Eine Anschlußfläche 1004' wurde dazu verwendet, ein Feld an einen Teil des Mach- Zehnder-Interferometers anzulegen, um zwischen einer symmetrischen und einer antisymmetrischen Einstellung des Interferometers wählen zu können. Symmetrische Einstellung heißt, daß sich die Phase des sich durch das Interferometer ausbreitenden Lichts um ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge verschiebt, wenn eine physikalische Größe (ein physikalischer Faktor) 1007 zum Modulieren des magnetischen Flusses oder Lichts an das Fenster 1007 angelegt wird, um dadurch die Intensität des abgegebenen Lichts 1006 auf Null zu bringen. Antisymmetrische Einstellung heißt, daß die Phase des sich durch das Interferometer ausbreitenden Lichts, wenn keine physikalische Größe einwirkt, nur um ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Welle abweicht und kein abgegebenes Licht 1006 erhalten wird, während abgegebenes Licht erhalten wird, wenn die Größe 1007 angelegt wird. Gleichzeitig wird durch genaues Abstimmen der an die Anschlußfläche 1004' angelegten Spannung die Wirksamkeit der Lichtmodulation verändert (maximiert).
Der optische Wellenleiter war 1,5 µm breit und das Mach-Zehnder-Interferometer 500 µm lang und 50 µm breit. Der an das Interferometer angeschlossene lineare optische Wellenleiter war 100 µm lang.
Die Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch die Anschlußfläche 1004 der Vorrichtung der Fig. 10 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts. Der auf dem Substrat 1102 vorgesehene optische Wellenleiter wurde durch Trockenätzen als optischer Wellenleiter 1101 des Stegtyps ausgebildet, dessen Querschnitt in der Fig. 12 gezeigt ist.
Um an den optischen Wellenleiter ein Feld anlegen zu können, wurde in der zur Substratoberfläche senkrechten Richtung ein pn-Übergang ausgebildet. An den pn-Übergang wurde eine Sperrspannung angelegt. Als Substrat 1102 der Fig. 11 wurde ein n&spplus;-GaAs-Wafersubstrat 1217 mit einer Ladungsträgerdichte von 10¹&sup8; cm&supmin;³ verwendet, das Si enthielt. Die Wellenleiterschicht wurde durch Molekularstrahlepitaxie aufgebracht. In den n- und p-Schichten wurde Si bzw. Zn mit einer Ladungsträgerdichte von 10¹&sup7; cm&supmin;³ hinzugefügt. Eine 0,3 µm dicke GaAs-Schicht wurde als n-Hüllschicht 1216 aufgebracht; ein Laminat aus 300 Paaren von gleichmäßig dotierten 2 nm- GaAs/3 nm-Schichten. Als n-Kernschichten 1215 dienten Al0,3Ga0,7As-Supergitterschichten; als i-Kernschicht 1213 diente eine Folge von 50 Paaren undotierter 2 nm-GaAs/3 nm- Al0,3Ga0,7As-Supergitterschichten; als Potentialtopfschicht 1214 diente eine 5 nm-GaAs-Schicht; als i-Kernschicht 1213' diente eine Folge von 50 Paaren undotierter 2 nm-GaAs/3 nm- Al0,3Ga0,7As-Supergitterschichten; als p-Kernschicht 1212 diente eine Folge von 300 Paaren gleichmäßig dotierter 2 nm- GaAs/3 nm-Al0,3Ga0,7As-Supergitterschichten; und als p- Hüllschicht 1211 eine 1,0 -mm GaAs-Schicht.
Um an einen Teil des Mach-Zehnder-Interferometers zum Umschalten der Einstellung des Interferometers zwischen einer symmetrischen Form und einer antisymmetrischen Form ein Feld anlegen zu können, wurden in einen Bereich des Interferometers (50 µm lang · 1,4 µm breit · 2 µm tief) Be-Ionen injiziert, um eine p&spplus;-Schicht 1218 mit einer Ladungsträgerdichte von 10¹&sup8; cm&supmin;³ auszubilden. Bei der Ioneninjektion wurde Fotolack aufgebracht und als Maske verwendet. Auf der p&spplus;-Schicht 1218 und der p-Hüllschicht 1211 wurde außerhalb der p&spplus;- Schicht 1218 eine 100 nm dicke Au-Elektrode 1208 (1 µm breit und 30 µm lang) ausgebildet. Um zu verhindern, daß sich die Elektrode über die p&spplus;-Schicht 1218 und die p-Hüllschicht 1211 erstreckt, kann zu Positionierungszwecken eine auf dem Substrat 1217 vorgesehene Positioniermarke verwendet werden. Die darauffolgenden Herstellungsschritte werden anhand des Querschnittes der Fig. 11 beschrieben. Durch Magnetronsputtern wird eine 300 nm dicke Si&sub3;N&sub4;-Isolierschicht 1109 ausgebildet. Durch Ätzen wird in der Elektrode 1108 (der Elektrode 1208 der Fig. 12) ein (nicht gezeigtes) Kontaktloch ausgebildet. Um die Anschlußfläche 1104 herzustellen, wurde eine 200 nm dicke Al-Schicht aufgebracht und geätzt. Eine 500 nm dicke Si&sub3;N&sub4;-Isolierschicht 1109 wurde darübergelegt. Als abschirmende Metallschicht 1110 wurde Au 500 nm dick abgeschieden. Durch Ätzen wurde eine Öffnung 1112 für das Fenster 1103 und eine Öffnung 1111 zum Verbinden der Anschlußfläche 1104 mit einer externen Zuleitung ausgebildet. In der Öffnung 1112 für das Fenster 1103 wurde eine nicht reflektierende Si&sub3;N&sub4;- Beschichtung 200 nm dick aufgebracht. In der Fig. 10 sind die Isolierschicht 1109 und die Metallschicht 1110 weggelassen worden.
Um das Eindringen des magnetischen Flusses in den optischen Wellenleiter zu verhindern, kann anstelle von Au, Al oder dergleichen ein bei hohen Temperaturen supraleitendes YBaCuO-Material für die Metallschicht 1110 verwendet werden.
Die Rückseite des Substrats 1102 wurde abgeschliffen, bis das Substrat 100 µm dick war, und darauf wurde Au als Gegenelektrode 1113 500 nm dick abgeschieden. Der sich ergebende Wafer wurde an den beiden Enden des Mach-Zehnder- Interferometerabschnitts abgetrennt und die Substratrückseite auf einen Cu-Block gelötet.
Die sich ergebende Vorrichtung wurde in einen optischen Meßkryostaten eingesetzt und mit flüssigem Helium auf 4,2 K abgekühlt. An die Anschlußfläche 1104 wurde eine Sperrspannung von 5 V angelegt und das Eingangsende des optischen Wellenleiters 1101 mit kontinuierlichem, zu modulierenden Licht der Wellenlänge 760 nm aus einem Ein-Wellenlängen- Farbstofflaser bestrahlt. Im Fenster 1103 wirkte ein magnetischer Fluß ein, wobei die Flußdichte von 0 bis 5 Tesla verändert wurde. Als die Intensitätsänderung des dadurch erzeugten modulierten Lichts untersucht wurde, hat es sich bestätigt, daß die Intensität des modulierten Lichts aufgrund des Aharanov-Bohm-Effekts der Exciton-Polaritonen oszillierte. Wenn die Sperrspannung allmählich verringert wurde, stieg die Periode der Schwingungen an, da sich die Eigenschaften des Aharanov-Bohm-Effekts durch Fluktuationen in der Polarisation der Excitonen änderten.
Es wurde ein stationäres Magnetfeld mit einer Flußdichte von 5 Tesla an die Vorrichtung angelegt, die von einem modesynchronen Farbstofflaser kommenden Lichtimpulse wurden durch einen YAG-Anregungsfarbstofflaserverstärker verstärkt, um zirkular polarisiertes Licht zu erzeugen, und dieses Licht wurde dann als modulierendes Licht auf das Fenster eingestrahlt. Das modulierende Licht hatte eine Ausgangsintensität von 1 GW/cm², eine Impulsbreite von 1 Pikosekunde und eine Wellenlänge von 820 nm. Es wurde bestätigt, daß ein Vorgang auftrat, bei dem bei der Einstrahlung des modulierenden Lichts die Intensität des modulierten Lichts abnahm und dann wieder zunahm. Dieser Vorgang erfolgte mit der Impulsbreite des modulierenden Lichts und hatte eine Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden. Wenn an die Anschlußfläche 1004 der Fig. 10 eine Sperrspannung von 10 V angelegt wurde, arbeitete die Vorrichtung als antisymmetrisches Mach-Zehnder- Interferometer, und es wurde bestätigt, daß nur dann moduliertes Licht mit einer Ansprechzeit im Bereich von Pikosekunden abgegeben wurde, wenn das modulierende Licht eingestrahlt wurde.
Ohne stationäres Magnetfeld verringerte sich die Wirksamkeit auch bei einer Temperatur von über 4,2 K, es erfolgte jedoch eine optische Modulation durch den Aharanov- Bohm-Effekt mit einer Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden.
Die Vorrichtung dieses Beispiels arbeitete unter der Bedingung, daß die Vorrichtung als antisymmetrisches Interferometer betrieben wurde, als logische NICHT-Schaltung mit einer Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden.

Beispiel 8

Anstelle eines Mach-Zehnder-Interferometers wurde die in der Fig. 13 gezeigte Vorrichtung vorbereitet. Nebeneinander wurden auf dem Substrat 1302 ein streifenförmiger optischer Wellenleiter 1319 und ein schleifenförmiger optischer Wellenleiter 1320 ausgebildet. Der Abstand zwischen den Wellenleitern 1319 und 1320 lag innerhalb des fünffachen der Wellenlänge des zu modulierenden Lichts 1305 von einer Lichtquelle 1311. Wenn das zu modulierende Licht 1305 durch den Wellenleiter 1319 läuft, dringt aufgrund der Ausbreitung des optischen Feldes auch in den schleifenförmigen Wellenleiter 1320 Licht ein. Wenn daher im Fenster 1303 in dem vom schleifenförmigen Wellenleiter 1320 umgebenen Bereich ein magnetischer Fluß oder Licht 1307 einwirkte, wurde aufgrund des Aharanov-Bohm-Effekts der excitonischen Polaritonen das abgegebene Licht 1306 moduliert. In diesem Fall kann durch Einstellen der Sperrspannung, die am gesamten schleifenförmigen Wellenleiter anliegt, der Grad des Quanten-Interferenzeffekts ausgewählt werden, und es erfolgt die Auswahl zwischen der symmetrischen und der antisymmetrischen Einstellung des Interferometers. Nur die Anschlußfläche 1304 wurde als Elektrodenzuführung vorgesehen.
Die Arten und Zusammensetzungen der verwendeten Materialien sind ähnlich wie im Beispiel 7. Der Herstellungsprozeß ist ähnlich wie im Beispiel 1. Wenn eine optische Messung ähnlich wie im Beispiel 7 erfolgte, konnte bestätigt werden, daß die Intensität des abgegebenen Lichts 1306 mit einer Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden moduliert wurde.

Beispiel 9

Wie bei den Beispielen 7 und 8 konnte bestätigt werden, daß sich die Intensität der abgegebenen Lichtstrahlen 1006 und 1306 mit einer Periode ändert, die einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des modulierenden Lichts 1007 und 1307 entspricht, wenn Licht im fernen Infrarot mit einer Wellenlänge von 337 µm als modulierendes Licht 1007 und 1307 eingestrahlt wurde. Als modulierendes Licht 1307 wurden dann zwei Lichtstrahlen im fernen Infrarot mit einer Wellenlänge von 337 µm eingestrahlt. Wenn die Phasen der Infrarotlichtstrahlen gleich waren, entsprach die Änderung in der Intensität der abgegebenen Lichtstrahlen 1006 und 1306 dem doppelten der Frequenz eines einfach abgegebenen Lichts, und wenn die Lichtstrahlen um π phasenverschoben waren, wurde die Frequenz der abgegebenen Lichtstrahlen 1006 und 1306 zu Null. Dieses Ergebnis zeigt, daß, wenn die Frequenzen der ausgegebenen Lichtstrahlen 1006 und 1306 als Rechenwerte betrachtet werden, die logischen Operationen für die Summierung und die Substraktion mit einer Rechenzeit im Bereich von Subpikosekunden optisch ausgeführt werden können.

Beispiel 10

Auf einem Substrat wurde zuerst eine Multi-Potentialtopfstruktur und dann ein optischer Wellenleiter so aufgebracht, daß auch bei einer Einstrahlung von modulierenden Lichtstrahlen 1007 und 1307 geringerer Intensität als in den Beispielen 7 und 8 die Intensität der abgegebenen Lichtstrahlen 1006 und 1306 moduliert wurde. Die Fig. 14 zeigt einen Querschnitt durch die sich ergebende Vorrichtung. Die Multi- Potentialtopfstruktur 1421 umfaßt eine Folge von 100 Paaren aus 10 nm-GaAs/10 nm-Al0,3Ga0,7As-Schichten. Jede Schicht war eine n-Schicht mit einer Ladungsträgerdichte von 10¹&sup7; cm&supmin;³, in die gleichmäßig Si eindotiert war. Die übrige Struktur der Vorrichtung und der Herstellungsprozeß waren ähnlich wie bei den Beispielen 7 und 8, die anhand der Fig. 10-13 beschrieben wurden.
Mit einer Wellenlänge des modulierenden Lichts 1007 und 1307 von 800 nm, die mit dem Exciton-Energiepegel im Multi-Potentialtopf 1421 in Resonanz war, wurde eine optische Messung wie bei den Beispielen 7 und 8 ausgeführt. Die Intensität des modulierenden Lichts 1007 und 1307 war 100 MW/cm², was 1/10 der bei den Beispielen 7 und 8 verwendeten Intensität ist. Im Ergebnis konnte bestätigt werden, daß eine optische Modulation ähnlich wie bei den Beispielen 7 und 8 erhalten wurde und daß die Multi-Potentialtopfstruktur wirkungsvoll dazu diente, die Intensität des modulierenden Lichtstrahls 1007 und 1307 herabsetzen zu können.

Beispiel 11

Wie in der Fig. 15 gezeigt, wurde eine Quanten-Interferenzvorrichtung hergestellt, bei der das modulierende Licht direkt auf den optischen Wellenleiter 1501 eingestrahlt wurde und die optische Modulation auf der Basis des optischen Stark-Effekts oder der Wechselwirkung von excitonischen Polaritonen ausgeführt wurde. Der optische Wellenleiter 1501 bildete ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einem Wellenleiterfenster 1523, durch das modulierendes Licht 1524 von einer Lichtquelle 1510 eingestrahlt wurde, und mit einem optischen Wellenleiter 1522 zur Aufnahme von modulierendem Licht 1524' von einer Lichtquelle 1510'. In der Fig. 15 sind zur Vereinfachung das Fenster 1523 und der Wellenleiter 1522 zusammen gezeigt. Wie im Beispiel 7 wurde eine Anschlußfläche 1504' dazu verwendet, zwischen einer symmetrischen und einer antisymmetrischen Einstellung des Interferometers zu wählen.
Die Fig. 16 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung mit einem Fenster wie dem Fenster 1523 der Fig. 15. Bei dem vorliegenden Beispiel war das Anlegen eines elektrischen Feldes zum Steuern der Polarisation der Excitonen wie in den Beispielen 7-10 nicht unbedingt erforderlich, auch mit einem Nullfeld wurden zufriedenstellende Ergebnisse erhalten. Da jedoch die Vorrichtung des vorliegenden Beispiels und die des Beispiels 7 für ein später noch zu beschreibendes Beispiel auf dem gleichen Substrat ausgebildet wurden, wies die Vorrichtung des vorliegenden Beispiels einen pn-Übergang wie im Beispiel 7 auf, der für die Ausbildung eines solchen zusammengesetzten Beispiels geeignet ist. Da jedoch im vorliegenden Beispiel an den ganzen optischen Wellenleiter 1501 kein Feld angelegt wurde, waren dafür auch keine Elektroden vorgesehen. Als Substrat 1502 wurde das gleiche n&spplus;-GaAs- Wafersubstrat wie im Beispiel 7 verwendet. Der Querschnitt des Wellenleiters 1501 entsprach dem der Vorrichtung im Beispiel 7 (vgl. Fig. 12). Um ein symmetrisches oder antisymmetrisches Auswahlfeld anlegen zu können, wurde durch die Diffusion von Zn eine Dotierungsschicht 1525 ausgebildet, die die gleiche Rolle spielte wie die p&spplus;-Schicht 1218 des Beispiels 7. Der darauffolgende Prozeß war wie beim Beispiel 7. Da jedoch ein Wellenleiterfenster 1523 vorgesehen ist, wurde eine nichtreflektierende Beschichtung ausgebildet, die wie beim Fenster 1103 im Beispiel 7 aus einer darübergelegten Si&sub3;N&sub4;-Schicht mit 200 nm Dicke besteht. Ohne dem Fenster 1523 wird dieser Prozeß weggelassen.
Es wurden die optischen Modulationseigenschaften der Vorrichtung mit dem Wellenleiterfenster 1523 untersucht. Als zu modulierendes Licht 1505 wurde kontinuierliches Licht mit einer Wellenlänge von 760 nm von einem Farbstofflaser 1511 des Ringtyps eingestrahlt.
Licht mit der Wellenlänge 780 nm und einer Impulsbreite von 100 Femtosekunden von einem modesynchronen Farbstofflaser 1510 des Kollisionstyps wurde mit einem Objektiv zu einem Strahl mit einem Durchmesser von 2 µm fokussiert und dann als modulierendes Licht 1524 eingestrahlt. Es ergab sich sowohl mit der symmetrischen als auch mit der antisymmetrischen Einstellung des Interferometers durch den optischen Stark-Effekt ein Modulationswirkungsgrad von mehr als 10 dB. Die Vorrichtung folgte den Impulsen des Lasers 1510 und wies eine Reaktionszeit im Bereich von 100 Femtosekunden oder weniger auf.
Es wurden die Eigenschaften der Vorrichtung mit dem optischen Wellenleiter 1522 zur Bestrahlung mit dem modulierenden Licht untersucht. In diesem Fall spielte die Wechselwirkung zwischen den excitonischen Polaritonen bei der optischen Modulation eine wesentliche Rolle. Es wurden die gleichen Eigenschaften erhalten, wie sie auch durch den optischen Stark-Effekt erhalten werden.
Die Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform arbeitet als logische NICHT-Schaltung mit einer Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden, wenn sie als antisymmetrisches Interferometer betrieben wird.

Beispiel 12

Die Fig. 17 zeigt zwei Vorrichtungen, die denen der Beispiele 7 und 11 entsprechen und die zum optischen Ausführen einer logischen Operation auf dem gleichen Substrat 1702 integriert sind. Der Herstellungsvorgang entsprach jeweils dem der Beispiele 7 und 11. In der Fig. 17 sind die Isolierschicht 1109 und die Metallschicht 1110 des Beispiels 7, die in der Fig. 11 gezeigt sind, weggelassen worden. Der optische Wellenleiter 1726 hat den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie der optische Wellenleiter des Beispiels 7. Aufbau und Funktion des optischen Wellenleiters 1727 sind die gleichen wie beim Beispiel 11. Ein optischer Wellenleiter zum Einführen des modulierenden Lichts, der mit dem Mach-Zehnder- Interferometer des optischen Wellenleiters 1727 verbunden ist und dem Wellenleiter 1522 des Beispiels 11 entspricht, war an das Abgabeende des Wellenleiters 1726 angekoppelt.
An die gesamten Wellenleiter 1726 und 1727 wurde über eine Anschlußfläche 1704 aus einer Gleichstromquelle 1728 eine Sperrspannung von 10 V angelegt. Mittels Gleichstromquellen 1729 und 1730 wurden an Teile der Wellenleiter 1726 und 1728 über Anschlußflächen 1704' Sperrspannungen von 5 V angelegt, um die Interferometer in die antisymmetrische Einstellung zu bringen. Als zu modulierendes Licht 1731 wurde kontinuierliches Licht mit einer Wellenlänge von 706 nm aus einem AlGaAs-Doppel-Heterolaser durch eine Glasfaser 1734 mit sphärischem Ende in den Wellenleiter 1727 eingestrahlt. Als zu modulierendes Licht 1732 wurde darüberhinaus kontinuierliches Licht mit einer Wellenlänge von 760 nm aus einem AlGaAs- Doppel-Heterolaser durch eine Glasfaser 1735 mit sphärischem Ende in den Wellenleiter 1726 eingestrahlt.
Das zu modulierende und das modulierende Licht sollte wie bei der vorliegenden Ausführungsform durch einen optischen Wellenleiter wie etwa eine optische Glasfaserleitung in die erfindungsgemäße optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung eingestrahlt werden. Es können statt der Glasfasern auch andere Wellenleiter wie auf dem Substrat ausgebildete optische Wellenleiter verwendet werden. Bei der Herstellung der Vorrichtung ist die Größe des Koppelkoeffizienten beim Lichteintritt wichtig. Dies wird später genauer in Verbindung mit einem Vorschlag für eine zu bevorzugende optische Wellenleiterstruktur beschrieben. Lichtimpulse von einem modesynchronen Farbstofflaser wurden durch einen YAG-Anregungsfarbstofflaserverstärker in zirkular polarisiertes Licht verstärkt, das dann als modulierendes Licht 1707 auf das Fenster 1703 eingestrahlt wurde. Das modulierende Licht 1707 wies eine Ausgangsdichte von 1 GW/cm², eine Impulsbreite von 1 Pikosekunde und eine Wellenlänge von 820 nm auf.
Es wird hier angenommen, daß das zu modulierende Licht 1732 und das modulierende Licht 1707 zwei bei einer logischen Operation verwendete Eingangssignale darstellt. Es wurde bestätigt, daß das abgegebene Licht 1733 nur dann erhalten wurde, wenn in die Vorrichtung zwei Eingangssignale eingegeben wurden, und daß eine UND-Operation ausgeführt wurde. Die Ansprechzeit der Operation wurde durch die Breite der Laserimpulse bestimmt, die als modulierendes Licht 1707 verwendet wurden, die Operationszeit lag im Bereich von Subpikosekunden. In der Fig. 17 sind die Lichtquellen zur Abgabe des Lichts 1731, 1732 und 1707 weggelassen worden.

Beispiel 13

Bei den obigen Beispielen wurde der pn-Übergang senkrecht zur Oberfläche des Substrates ausgebildet. Das heißt, daß die p- und n-Bereiche senkrecht zur Oberfläche der Substrate angeordnet waren. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Vorrichtung mit der gleichen Funktion wie die Vorrichtung des Beispiels 7 durch Ausbilden von pn-Übergängen in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche realisiert, d. h. durch Anordnen der p- und n-Bereiche so, daß sie parallel zur Substratoberfläche liegen. Dadurch wurde die Herstellung der optischen Wellenleiterschichten vorteilhaft vereinfacht. Die Fig. 18 und 19 zeigen den Aufbau der Vorrichtung. Beim vorliegenden Beispiel wurde nur die Hüllschicht 1836 geätzt, als der streifenförmige Stegwellenleiter durch Ätzen ausgebildet wurde. Wie in der Fig. 19 gezeigt, wurde durch Implantieren von Si-Ionen außerhalb des optischen Wellenleiters 1801 ein n-Bereich 1938 ausgebildet und durch Implantieren von Be- Ionen in einen Bereich innerhalb des optischen Wellenleiters bzw. entsprechend dem Einwirkungsabschnitt 1803, der von der schleifenförmigen Struktur umgeben ist, ein p-Bereich 1939. Auf diese Weise wurden pn-Übergänge erzeugt, die sich parallel zur Oberfläche des Substrats 1802 über den optischen Wellenleiter 1801 erstreckten. An den pn-Übergängen wurden Elektroden 1835a, 1835b und Anschlußflächen 1804a, 1804b und 1804c vorgesehen, und an jede der Anschlußflächen wurde ein elektrisches Feld angelegt.
Die optische Wellenleiterschicht wurde durch Molekularstrahlepitaxie auf einem halbisolierenden GaAs-Wafer ausgebildet, der als Substrat 1802 verwendet wurde. Eine 0,3 µm- GaAs-Hüllschicht 1936, ein Kern 1937 mit einer Folge von 300 Paaren aus 2 nm-GaAs/3 nm-Al0,3Ga0,7As-Supergitterschichten, eine 5 nm-GaAs-Potentialtopfschicht 1914, ein Kern 1937' mit einer Folge von 300 Paaren aus 2 nm-GaAs/3 nm-Al0,3Ga0,7As- Supergitterschichten und eine 1 µm-GaAs-Hüllschicht 1939 wurden in dieser Reihenfolge aufeinander abgeschieden. Diese Schichten waren alle undotiert.
Die im Beispiel 13 erhaltenen Eigenschaften waren die gleichen wie beim Beispiel 7.

Beispiel 14

Es wurde eine Vorrichtung hergestellt, bei der ein Fe-dotierter InP-Wafer als Substrat verwendet wurde, eine 5 nm-In0,6Ga0,4As0,85P0,15-Schicht als Potentialtopfschicht, eine Folge von 300 Paaren aus 2 nm-InP/ 3 nm-In0,6Ga0,4As0,85P0,15- Supergitterschichten als Kern und eine InP-Schicht als Hüllschicht. Bei der Untersuchung der Vorrichtung mit Licht der Wellenlänge 1,5 µm aus einem optischen Kommunikationslaser als das zu modulierende Licht und Licht mit einer Wellenlänge von 1,6 µm und von einer Impulsbreite von 1 Pikosekunde aus einem Farbzentrumslaser als modulierendes Licht wurden Ergebnisse wie bei den Beispielen 7-13 erhalten. Insbesondere wurde wie im Beispiel 12 eine Einrichtung mit auf dem gleichen Substrat integrierten Vorrichtungen an einem Relaispunkt eines optischen Glasfaserkommunikationssystems angeordnet, um an übertragenen Signalen logische Operationen auszuführen und die Ergebnisse über die optischen Fasern auszusenden.
Bei den obigen Beispielen kann CuCl oder ZnSe zur Ausbildung der optischen Wellenleiter und damit der Vorrichtung verwendet werden.
In den zukünftigen Interferometerabschnitt bzw. den schleifenförmigen Wellenleiterabschnitt wurde bei 550ºC für 10 Minuten Zn eindiffundiert, um Mischkristalle zu bilden und dadurch den Endbereich für die optische Absorption zu vergrößern, wodurch die Wellenleiterverluste um bis zu 50% verringert wurden.

Beispiel 15

Wie in der Fig. 20 gezeigt, wurden auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 2002 Schichten 2011-2013 durch Molekularstrahlepitaxie aufgebracht. Die Potentialtopfschicht 2011 bestand aus einer 5 nm dicken GaAs-Schicht, und die beiden Kernschichten 2012 aus jeweils einer 1,7 µm dicken Al0,3Ga0,7As-Schicht wurden auf der Oberseite und der Unterseite der Potentialtopfschicht 2011 angeordnet. Die Schichten 2012 dienten als Barriereschichten für die Potentialtopfschicht 2011. Der Kern lag zwischen einer oberen Hüllschicht 2013 aus einer 1,0 µm dicken GaAs-Schicht und einer unteren Hüllschicht 2013 aus einer 0,3 µm dicken GaAs-Schicht. Diese Schichten wurden einer Fotolackbehandlung und einem Naßätzen ausgesetzt, um den optischen Wellenleiter mit dem in der Fig. 20 gezeigten Querschnitt zu bilden. Der Wellenleiter war 10 µm breit.
In der Fig. 21 ist der gesamte Wellenleiter gezeigt. Diese Vorrichtung weist einen Aufbau auf, bei dem ein optischer Interferenzwellenleiter des Mach-Zehnder-Typs mit einem Wellenleiter für die Einstrahlung des modulierenden Lichts verbunden ist.
Als modulierendes Licht 2104 wurde kontinuierliches Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm aus einem AlGaAs-DH- Laser 2110 in den optischen Wellenleiter 2101 eingestrahlt. Gleichzeitig wurde als zu modulierendes Licht 2106 in den Wellenleiter 2101 Licht mit einer Impulsbreite von 2 Pikosekunden und einer Wellenlänge von 820 nm aus einem Farbstofflaser 2111 eingestrahlt. Im Ergebnis zeigte das abgegebene Licht 2105 eine der Einstrahlung des Farbstofflaserstrahls entsprechende Verringerung der Intensität, die Ansprechzeit lag im Bereich von Subpikosekunden.

Beispiel 16

In der Fig. 20 ist ein optischer Wellenleiter mit einem Substrat 2002, einer Potentialtopfschicht 2011, Kernschichten 2012 und Hüllschichten 2013 gezeigt, die aus Fedotiertem InP, In0,6Ga0,4As0,85P0,15, InP und In0,6Ga0,4As0,85P0,15 bestehen.
Kontinuierliches Licht der Wellenlänge 1,5 µm aus dem optischen Kommunikationslaser 2110 der Fig. 21 wurde als modulierendes Licht 2104 verwendet und Licht der Wellenlänge 1,57 µm mit einer Impulsbreite von 15 Pikosekunden aus dem Farbzentrumslaser 2111 als das zu modulierende Licht 2106. Es wurde festgestellt, daß die Modulation der Intensität des abgegebenen Lichts 2105 vom zeitlichen Verhalten des eingestrahlten Laserstrahls bestimmt war und mit einer Ansprechzeit im Bereich von Subpikosekunden auftrat.

Beispiel 17

Es werde der Zustand, bei dem in den Beispielen 15 und 16 zu modulierendes Licht 2106 auf die Vorrichtung eingestrahlt wird, "1" genannt und der Zustand, bei dem kein zu modulierendes Licht eingestrahlt wird, "0". Wenn der Zustand, bei dem abgegebenes Licht 2105 erhalten wird, "1" genannt wird und der Zustand, bei dem kein abgegebenes Licht erhalten wird, "0", entspricht die Beziehung zwischen dem zu modulierenden Licht 2106 und dem abgegebenen Licht 2105 der Funktion eines logischen NICHT-Gatters.

Beispiel 18

Ein Wellenleiter 2001 wie der der Fig. 22 aus Materialien wie bei den Beispielen 15 und 16 wurde auf einem (nicht gezeigten) Substrat ausgebildet. Bei der Verwendung der Entsprechungen des Beispiels 17 stellt die Beziehung zwischen den beiden eingegebenen Lichtstrahlen 2206 und dem abgegebenen Licht 2205 ein logisches XOR dar.

Beispiel 19

Es wurde eine Vorrichtung mit einer Schichtstruktur mit einer Potentialtopfschicht 2011 und einer Folge von 10 GaAs-Schichten (5 nm)/10 Al0,3Ga0,7As-Schichten (8nm) wie in der Fig. 20 hergestellt. In den Teil der Vorrichtung, der nicht direkt unter dem Fenster 503 der Fig. 5A lag bzw. der nicht der Schnittpunkt der Wellenleiter 501 der Fig. 5B war, wurde Zn bei 550ºC für zehn Minuten eindiffundiert, um eine Mischkristallstruktur auszubilden.
Dadurch wurde die optische Ansprechempfindlichkeit erhöht und der Grad der Abschwächung der excitonischen Polaritonen verringert.

Beispiel 20

Auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat wurde eine Schicht wie in der Fig. 20 durch Molekularstrahlepitaxie aufgebracht. Eine 5 nm dicke GaAs-Schicht bildete die Potentialtopfschicht 2011, die zwischen zwei Barriereschichten aus Al0,3Ga0,7As mit einer Dicke von 1,5 µm lag. Diese Schichten bildeten die Kernschichten 2012. Hüllschichten 2013 aus GaAs wurden 1 µm dick abgeschieden. Nach einer Elektronenstrahlbehandlung wurden diese Schichten einem Trockenätzen unterworfen, um die in den Fig. 23 und 24 gezeigten linearen und schleifenförmigen optischen Wellenleiter 2301 und 2302 auszubilden. Die Breite l der Wellenleiter betrug 5 µm und der Schleifenradius R war 50 µm, die Länge L der Vorrichtung war gleich 500 µm.
Wie in der Fig. 25 gezeigt, wurde auf einem Substrat 2303 durch Sputtern eine SiO&sub2;-Isolierschicht 2508 100 nm dick aufgebracht. Durch Sputtern wurde über der Isolierschicht 2508 eine dünne abschirmende Silberschicht 2309 mit 100 nm Dicke erzeugt. Durch Trockenätzen wurde ein Fenster 2304 ausgebildet, durch das modulierendes Licht 2307 eingestrahlt wurde. Der Radius des Fensters war 40 µm.
Das sich ergebende halbfertige Produkt wurde in flüssigem Helium auf 4,2 K abgekühlt, und es wurde von einer Lichtquelle 2311 auf den Wellenleiter 2301 Licht mit 750 nm als zu modulierendes Licht 2305 eingestrahlt, das im wesentlichen mit der Absorptionswellenlänge von gewichteten Excitonen übereinstimmte. Wenn auf das Fenster 2304 modulierendes Licht 2307 mit einer Wellenlänge von 119 µm von einem Infrarotlaser 2310 eingestrahlt wurde, erschien eine Änderung in der Intensität des abgegebenen Lichts 2306, die dem modulierenden Licht 2307 entsprach, wodurch eine Photodetektion möglich war. Die Ansprechzeit dieser Vorrichtung zeigte sich im Bereich von Subpikosekunden.

Beispiel 21

Es wurde die Vorrichtung der Fig. 26 unter Verwendung der Vorrichtung des Beispiels 20 auf einem Substrat 2605 ausgebildet. Es wurde eine Messung wie im Beispiel 18 durchgeführt. Wenn in eine zentrale Schleife 2602 (in der Reihe CN) modulierendes Licht eingestrahlt wurde, wurden die Lichtstrahlen moduliert, die sich durch die Wellenleiter 2601 und 2601' auf den beiden Seiten der Schleife 2602 fortpflanzten. Wenn die Schleife 2603 in der linken Reihe (LF) mit Licht bestrahlt wurde, wurde nur das zu modulierende Licht moduliert, das durch den linken optischen Wellenleiter 2601 lief. Im Falle der Schleife 2604 in der rechten Reihe (RH) wurde nur zu modulierendes Licht moduliert, das durch den rechten optischen Wellenleiter 2601' lief. Die Modulationsperiode des abgegebenen Lichts stieg an, wenn der Durchmesser der Schleife kleiner war.

Beispiel 22

Unter Verwendung des halbfertigen Produkts des Beispiels 20 wurde die integrierte Vorrichtung der Fig. 27A und 27B ausgebildet. Es wurden sechs lineare Wellenleiter 2701 A-F als Signalleitungen und sechs Arten von Schleifen 2702 a-f vorgesehen. Wenn zu modulierende Lichtstrahlen in A-F eingegeben und die Periode des abgegebenen Lichts überwacht wurde, arbeitete die Vorrichtung als zweidimensionaler positionsempfindlicher Photosensor.
Die Vorrichtung arbeitete als Zeichengenerator, wenn A-F sechsstelligen Zeichen und a-f den Zeichen an der jeweiligen Stelle in der Vorrichtung des Beispiels 22 entsprachen.

Beispiel 23

Es wurde eine Vorrichtung ausgebildet, bei der das Substrat 2303 der Fig. 25 des Beispiels 20 aus mit Fe dotiertem InP, die Potentialtopfschicht 2011 aus In0,6Ga0,4As0,8SP0,15, die Barriereschicht 2012 aus InP und die Hüllschicht 2013 aus In0,6Ga0,4As0,85P0,15 bestand. Bei einer Messung wie in den Beispielen 18-20 wurden unter Verwendung von zu modulierendem Licht 2305 mit einer Wellenlänge von 1,5 µm aus einem optischen Kommunikationslaser 2311 ähnliche Ergebnisse erhalten.
Es wurden bisher die bevorzugten Aspekte der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung beschrieben, im folgenden wird die Struktur des optischen Wellenleiters genauer erläutert.
Halbleitermaterialien, mit denen ein optischer Wellenleiter geschaffen werden kann, durch den sich excitonische Polaritonen ausbreiten, die eine kohärente Kombination von Licht und Excitonen umfassen, sind die III-V-Halbleiter und Verbindungen der II-VI-Halbleiter wie GaAs, TnP, GaSb, InSb, InAs, GaP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe und CdTe, ternäre und quaternäre Halbleiter und CuCl. Mit diesen Wellenleitern werden die erfindungsgemäßen Effekte durch Ausbilden einer Potentialtopfschicht in der Richtung der Ausbreitung der excitonischen Polaritonen besonders gut erhalten. Ein wichtiger Faktor ist der Koppelkoeffizient, der wirksam wird, wenn das zu modulierende Licht in das Eingabeende der erfindungsgemäßen optischen Quanten-Interferenz-Vorrichtung eingestrahlt wird. Die Kopplung hat in der realen Vorrichtung einen großen Einfluß auf das Ansteigen des Umwandlungswirkungsgrades von dem zu modulierenden Licht in excitonische Polaritonen. Eine wirksame Maßnahme zum Anheben des Koppelkoeffizienten ist die geeignete Anordnung und Form der Potentialtopfschicht im Wellenleiter.
Die Fig. 28A zeigt den Aufbau des das Licht aufnehmenden Endes eines solchen optischen Wellenleiters. Auf einem Substrat 2802 wurde als Kern des optischen Wellenleiters eine Halbleiterschicht 2814 ausgebildet, die mit einer Hüllschicht 2813 abgedeckt wurde, um die Grundstruktur eines optischen Wellenleiters zu bilden. Wichtig ist hier die Position oder Struktur der Potentialtopfschicht 2811 in der Kernschicht 2812. In der Fig. 28A ist die Potentialtopfschicht 2811 im optischen Wellenleiter vom Ende 2806 entfernt ausgebildet, in das das zu modulierende Licht 2805 von einer Lichtquelle 2811 eintritt. Die Endfläche ist in der Regel mit einer Antireflexschicht bedeckt. Wenn die Potentialtopfschicht 2811, die zur Ausbreitung des Lichts beiträgt, derart vom Wellenleiterende entfernt vorgesehen wird, werden die Verluste aufgrund des Phänomens unterschiedlicher Brechungsindizes verringert, die entstehen, wenn das Licht vom Wellenleiterabschnitt ohne die Potentialtopfschicht 2811 zum Wellenleiterabschnitt mit der Potentialtopfschicht geführt wird.
Der Umwandlungswirkungsgrad verbessert sich auch durch allmähliches Ändern der Dicke der Potentialtopfschicht 2811 in der Ausbreitungsrichtung des Lichts.
Die Fig. 28B zeigt eine andere bevorzugte Form des Wellenleiters. In den Fig. 28A und 28B bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente. Das Besondere am Beispiel der Fig. 28B ist das Vorsehen einer Anzahl von Potentialtopfschichten, die in gleichen Abständen Lp angeordnet sind. Wenn das Intervall Lp gleich nλ/4 ist, wobei n eine ganze Zahl und λ die Wellenlänge eines zweiten Quantenzustands wie durch den optischen Wellenleiter laufende excitonische Polaritonen ist, wird die reflektierte Komponente des zu modulierenden Lichts verringert. Entsprechend erhöhte sich der Umwandlungswirkungsgrad vom modulierten Licht zu den excitonischen Polaritonen.
Es wird nun ein Beispiel für einen besonderen optischen Wellenleiter beschrieben. Die Fig. 29 zeigt einen Querschnitt durch den Wellenleiterabschnitt. Durch Kristallwachstum wurden auf einem GaAs-Substrat 2902 mittels Molekularstrahlepitaxie eine 0,3 µm dicke GaAs-Schicht 2911, eine 80 nm dicke Supergitterschicht (GaAs/A (GaAs)) 2912, eine 1,8 µm dicke Al0,3Ga0,7As-Kernschicht 2913, eine 5 nm dicke Quantenschicht 2914, eine 1,8 µm dicke Al0,3Ga0,7As-Kernschicht 2915, eine 80 nm dicke Supergitterschicht (GaAs/A (GaAs)) 2916 und eine 1,0 µm dicke GaAs-Hüllschicht 2917 aufgebracht. Durch reguläres, nicht-selektives Ätzen wurde ein streifenförmiger optischer Potentialtopfwellenleiter des Stegtyps ausgebildet. Um in einem 100 µm langen Abschnitt eines 500 µm langen Wellenleiters, beginnend am Licht einfallenden Ende davon, einen optischen Wellenleiter zu erzeugen, in dem sich kein Potentialtopf befindet, wurde ein Teil der ausgebildeten Potentialtopfschicht 2914 weggeätzt und dann die Kernschicht 2915 wachsen gelassen. Der Umwandlungswirkungsgrad von dem zu modulierenden Licht 2905 von einer äußeren Lichtquelle 2911 in excitonische Polaritonen verbesserte sich dadurch um 20%. Im Falle eines Wellenleiters mit einer durch die ganze Länge des Wellenleiters, durch die sich die excitonischen Polaritonen ausbreiten, laufenden Potentialtopfschicht war der Umwandlungswirkungsgrad klein, zum Beispiel etwa 5%, so daß der durch die vorliegende Struktur hervorgerufene Effekt groß ist.
Es wurde eine Vorrichtung gebildet, bei der durch Kristallwachstum auf dem GaAs-Substrat der Fig. 30 unter den gleichen Bedingungen wie bei dem obigen optischen Wellenleiter eine GaAs/A (GaAs)-Potentialtopfschicht 3014, eine A/GaAs-Kernschicht 3013 und eine GaAs-Hüllschicht 3016 aufgebracht wurde, wobei zur Ausbildung von Potentialtopfschichten 3014 (0,2 µm lang) durch Mischkristalle mit einer Periode von von 0,5 µm Zn-Diffusionsbereiche 3020 vorgesehen waren. Wenn Licht 3005 mit einer Wellenlänge von 760 nm in das aufnehmende Ende 3006 des Potentialtopfwellenleiters eingestrahlt wurde, betrug der Umwandlungswirkungsgrad von Licht in excitonische Polaritonen 15%, was das Doppelt dessen ist, was mit einem regulären optischen Potentialtopfwellenleiter erreicht wird.
Bei den obigen beiden Beispielen können anstelle der GaAs-Substrate 2902 und 3002 andere Materialien wie InP für das Substrat verwendet werden, um einen Umwandlungswirkungsgrad zu erhalten, der dem der obigen optischen Wellenleiterstruktur ähnlich ist. Die folgende Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der experimentellen Ergebnisse. Tabelle 1 SUBSTRAT KERN POTENTIALTOPF HÜLLSCHICHT Anmerkung: WG (1) stellt den Umwandlungs-Wirkungsgrad dar, der erhalten wird, wenn die Potentialtopfschicht in einem Abstand von 100 µm vom aufnehmenden Ende eines 500 µm langen optischen Wellenleiters ausgebildet wird. WG. (2) stellt den Umwandlungs-Wirkungsgrad dar, der erhalten wird, wenn in Abständen vom 10fachen der Wellenlänge eines Polaritons eine Anzahl von kurzen Potentialtöpfen ausgebildet wird.
Obwohl die Erfindung anhand von optischen Modulationsvorrichtungen, logischen optischen Vorrichtungen oder Licht erfassenden Vorrichtungen beschrieben wurde, können damit natürlich auch andere optische Vorrichtungen geschaffen werden, einschließlich optischer Verstärker, optischer Schalter und dergleichen.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann erkennt jedoch natürlich beim Lesen und Verstehen der vorliegenden Beschreibung sofort die Möglichkeit von Modifikationen und Abänderungen. Die Erfindung ist jedoch so zu verstehen, daß sie alle Änderungen und Modifikationen einschließt, soweit diese von den anhängenden Ansprüchen umfaßt sind.

Claims

1. Optische Quanten-Interferenz-Vorrichtung zum Modulieren eines ersten Lichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge durch einen zweiten Lichtstrahl mit einer zweiten Wellenlänge, mit

einem Substrat (102, 202, 702, 902, 1002, 1102, 1217, 1302, 1502, 1702, 1802, 2002, 2303, 2605, 2802, 2902, 3002)

einem ersten optischen Wellenleiter (109, 801, 1319, 2301, 2601, 2601', 2701), der auf dem Substrat angeordnet ist, um den ersten Lichtstrahl (104, 812, 813, 1005, 1305, 1731, 1732, 2106, 2206, 2305, 2905) weiterzuleiten, und mit

einem zweiten optischen Wellenleiter (101, 201, 901, 1001, 1320, 1501, 1727, 2101, 2201, 2302, 2602-4, 2702) , der auf dem Substrat angeordnet ist und die Form einer Schleife hat, die einen Einwirkungsabschnitt (103, 814-6, 1003, 1303, 1703, 1803, 2304) zum Modulieren des ersten Lichtstrahls begrenzt,

wobei der erste und der zweite Wellenleiter aus einem Halbleiter oder einem Isolatormaterial mit einer Absorptionswellenlänge des Excitonenzustands besteht, die mit der ersten Wellenlänge übereinstimmt, und wobei die Wellenleiter so angeordnet sind, daß das Licht von dem einen Wellenleiter zum anderen gelangen kann und eine Bestrahlung des Einwirkungsabschnittes mit dem zweiten Lichtstrahl (106, 1007, 1307, 1707, 2307) die Wellenfunktion der Excitonen darin ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Anschlußfläche (1004, 1004', 1304, 1704, 1704', 1804a-c), die mit dem zweiten Wellenleiter verbunden ist, um die Feldstärke eines elektrischen Feldes zu steuern, das an den zweiten Wellenleiter angelegt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Wellenleiter eine Anzahl von Schichten umfaßt, von denen wenigstens eine eine Potentialtopfstruktur aus GaAs, InP, CuCl, ZnSe, CdS oder Mischkristallen davon aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einwirkungsabschnitt einen nichtreflektierenden Aufbau hat.

5. Optische Quanten-Modulations-Vorrichtung zum Modulieren eines ersten Lichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge durch einen zweiten Lichtstrahl mit einer zweiten Wellenlänge, mit

einem Substrat (502, 1502),

einem optischen Wellenleiter (501, 1501) aus einem Halbleiter oder Isolatormaterial, der auf dem Substrat angeordnet ist, um den ersten Lichtstrahl (504, 1505) weiterzuleiten, wobei die Absorptionswellenlänge des Excitonenzustands des Materials für den Wellenleiter mit der ersten Wellenlänge übereinstimmt, und mit

einer Einrichtung (503, 1522) zum Einkoppeln des zweiten Lichtstrahls in einen Teil des Wellenleiters derart, daß sich die Wellenfunktion der Excitonen in diesem Teil ändert, wobei dieser Teil so angeordnet ist, daß nur ein Teil des ersten Lichtstrahls hindurchläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Koppeleinrichtung ein Fenster (503, 1523) im Wellenleiter umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Koppeleinrichtung einen weiteren optischen Wellenleiter (1522) umfaßt, der mit dem ersten Wellenleiter verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, mit einer Anschlußfläche (1504'), die mit dem ersten Wellenleiter verbunden ist, um die Feldstärke eines elektrischen Feldes zu steuern, das an den Wellenleiter angelegt werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Wellenleiter eine Anzahl von Schichten umfaßt, von denen wenigstens eine eine Potentialtopfstruktur aus GaAs, InP, CuCl, ZnSe, CdS.oder Mischkristallen davon aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Koppeleinrichtung einen nichtreflektierenden Aufbau hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 10, wobei der nichtreflektierende Aufbau eine Folge von einer Isolierschicht (1109) und einer Metallschicht (1110) umfaßt.

12. Optische Quanten-Interferenz-Einrichtung mit einer Anzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die parallel oder mehrstufig miteinander verbunden sind.

13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der zweite Lichtstrahl eine Frequenz im Gebiet des fernen Infrarots hat.

14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der zweite Lichtstrahl zirkular polarisiertes Licht ist.