JP2002131794A - 光制御素子 - Google Patents
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Abstract
号光の状態を制御する制御光の電力を低減することであ
る。 【解決手段】 共鳴励起型全光・光制御素子の効率を向
上すため、フォトニック結晶61と量子ドットを組み合
わせた構造をもつ全光・光制御素子を提供する。本願発
明は、光信号光を他の制御光を用いて制御し、フォトニ
ック結晶61を配し、該フォトニック結晶61の高誘電
体部に量子ドットを配し、制御光の波長域に量子ドット
のエネルギ準位及びフォトニック結晶の誘電体バンドを
設定し、信号光の波長域にフォトニック結晶のエアーバ
ンドを設定する。
Description
晶を用いた光制御素子に関するものである。本願発明
は、特に超高速時分割多重光通信システムに用いる広帯
域光制御素子に好適なものである。
テムへの適用をめざした全光・光制御素子に関する報告
がなされている。これらの素子では、光信号の情報を別
の光を用いて制御する。素子内の非線形媒質の光学特性
を制御光により変化させる3次の非線形光学効果を基本
原理としている。それらは、キャリアの実励起を伴わな
い仮想励起型(非共鳴型)とキャリアの励起を伴う実励
起型(共鳴型)に分類される。前者では、高速性には優
れるが、非線形光学効果は小さい。また。後者では、非
線形光学効果は比較的大きいものの、高速応答が難しい
ことが知られている。こうした例は、例えば、「超高速
光デバイス」(共立出版)、157-158頁に見られ
る。
記共鳴励起型の全光・光制御素子の性能を実用化レベル
まで向上させることである。共鳴型の全光・光制御素子
を超高速通信システムへ適用するためには、非線形光学
効果の増大、および応答の高速化が必須である。非線形
光学効果の大きさは、信号光を制御光により制御する場
合の制御光の入力電力(即ち、消費電力)に直接関係す
る。共鳴型の全光・光制御素子では非共鳴型に比べ大き
な非線形光学効果が得られるものの、実用レベルでのス
イッチ動作を行うためにはさらに大きな非線形光学効果
が必要である。例えば、田島らはGaAs系バルクを非
線形導波路に用いたマッハツェンダ型光スイッチにおい
て、全光スイッチ動作を報告している。入力電力6pJ
の制御光によりスイッチ動作に必要なπ位相シフトを実
現している。こうした例は、ジャパニーズ・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジクス1994年第3号、1
44−150頁(Jpn. J. Appl. Phy
s. Vol.33、(1994)、pp.144−15
0)に見られる。この結果は、高速の繰り返し、例え
ば、100GHzの繰り返しでは、素子内部での消費電
力は0.6Wとなる。素子と光ファイバとの結合を10
dBとすると、必要な入力電力は数Wとなり、これは実
用レベルとは言えない大きな値である。上記課題を解決
するため、本願発明では、全光スイッチ実用化に向け
た、制御光の消費電力の低減した光制御素子を提供す
る。
ク部材の一方の端面に、光信号光と、これとは別の波長
を有する制御光とを入射する入射面と、前記フォトニッ
ク部材の他方の端面に射出面とを有し、前記フォトニッ
ク部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニック
結晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、且
つ前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及び
フォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号光
の波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定して
なることを特徴とする光制御素子を提供する。この構造
により、共鳴型の全光・光制御素子の非線形光学効果の
増大を実現することが出来る。
周期的に配置された結晶のことを称している。この誘電
率の異なる物質が周期的に配置されるため、光に対して
バンド構造を構成する。本願発明に係わる前記「フォト
ニック部材」は、こうしたフォトニック結晶の領域、及
びこうしたフォトニック結晶において高い誘電率を有す
る高誘電体部に量子ドットを配した領域を有するもので
ある。従って、本願発明に係わる前記「フォトニック部
材」は、所望のフォトニック結晶における低い誘電率を
有する結晶領域と、量子ドットを含有する高い誘電率を
有する結晶領域とが、周期的に配置されることとなる。
ャップを挟んだ上下のバンドでは、光の電場の分布が異
なっている。下側のバンドでは、フォトニック結晶のよ
り高い誘電率の領域に集中し、上側のバンドでは、フォ
トニック結晶の中よりより低い領域に光の電界が集中す
る。これらのバンドを、それぞれ、誘電体バンド及びエ
アーバンドと称する。フォトニック結晶は、その原理か
ら明らかなように、前記高誘電率領域と低誘電率領域の
各構成材料の誘電率の差をより大きくすることによっ
て、その特性をより顕著にすることが出来る。この為、
前記周期的に配列される誘電率の異なる材料として、誘
電率εが約10程度の半導体材料、及び誘電率εが約1
の空気が多用される。尚、前記光電界の局在化の程度
は、一番エネルギーの低いバンドギャップ(これを第1
バンドギャップと称する)で顕著である。
1は3つの側面を合わせて説明している。図1の(a)
領域はフォトニック結晶の分散と誘電体部の誘電率の変
化を示し、(b)領域は、フォトニック結晶における光
電界強度分布を示す図、(c)領域は量子ドットの吸収
特性と非線形係数変化を示す図である。各々の図に対し
て図1の(a)領域のA及びBに相当するエネルギーレ
ベルが(b)及び(c)の各図において対応させて描か
れている。
電率ε=1である)と誘電体で構成した2次元3角配置
エアロッド・フォトニック結晶の分散と誘電体部の誘電
率の変化の例を示す。当該フォトニック部材は、図1の
(b)に見られるように、誘電体層領域26とエアー領
域(具体的には、例えば孔領域)25が周期的に配列さ
れている。そして、本願発明のフォトニック部材では、
前記誘電体領域26に量子ドット26が埋め込まれてい
る。
クトル、縦軸は周波数を示す。曲線21及び22がエア
ーバンドでの特性、曲線23、24が誘電体バンドでの
特性である。図中、実線及び破線は、誘電体部の誘電率
が異なる場合の分散である。そして、その実線は誘電率
がεの場合、点線は誘電率が変化してε−△となった場
合の特性を示す。この例では、誘電率の変化に伴って、
波数ベクトルが△kの変化を生じたことを示している。
領域の○で示したA、Bでのフォトニック部材内部の電
力分布を、各々矢印で示した個所に示す。上段がエアー
バンドでの特性、下段は誘電体バンドでの特性である。
その太い実線の特性曲線29が光電界の強度分布を示し
ている。縦軸は光電界強度である。図1の(b)領域の
ハッチング部は、フォトニック結晶誘電体部26を示
し、その中の小さな楕円は、前述した通り本願発明の特
徴であるフォトニック結晶誘電体部に埋め込まれた量子
ドット26を示す。また、本願発明では、その主旨に従
い、制御光、信号光の波長が、それぞれ誘電体バンド、
エアーバンドに設定されるようにフォトニック結晶の構
造を設定する。
次の非線形感受率の実数部の変化を示す。図1の(c)
の左側の点線の特性は、信号光の吸収特性を示す。即
ち、誘電体バンドの上部のレベルで吸収のピークが発生
する。図1の(c)の左側の実線の特性は、誘電率や屈
折率に対する係数の変化に相当する非線形感受率を示し
ている。0の位置を中心にプラス、マイナスの非線形変
化に相当している。本願発明では、非線形変化を用いよ
うとするものである。即ち、同図の非線形変化特性にお
けるエアーバンドに寄与がある変化を用いるのである。
この尚、量子ドットの吸収の波長域は、本発明の主旨に
従い、制御光の波長域、すなわち図1の(a)中のA
(誘電体バンド)に量子ドットのエネルギ準位が一致す
るように設定されている。通例、量子ドットの不均一な
広がりを含めた吸収ピークと制御光に間隔は、10me
V以下が多用される。
の光制御動作は以下のように行われる。図1の(c)に
示すように、量子ドットのエネルギ準位は制御光のエネ
ルギ(図1の(a)のBとして指示されている)と一致
するように設定されている。この為、所定の制御光によ
り量子ドットは共鳴励起される。その結果、図1の
(c)に例示するように、量子ドットの非線形感受率が
変化を受ける。こうして、フォトニック結晶の量子ドッ
トを含む誘電体部の誘電率が変化する。図1の(a)に
示した実線と破線は、この変化を模式的に示したもので
ある。即ち、実線の特性は点線のそれに変化したのであ
る。図中のΔkは、この誘電率の変化に対応する規格化
した位相変化である。この位相変化により、信号光(こ
の信号光は、図1の(a)のAに示される)を制御する
ことができる。
料として量子ドットを用いた。一般に、フォトニック結
晶のバンドギャップを挟む2つのバンドにおいて、高エ
ネルギ側のバンドはエアーバンド的な性質を、低エネル
ギ側のバンドは誘電体バンド的な性質を持つ。本願発明
では、誘電体バンドに波長が設定された制御光の共鳴励
起を用いてエアーバンドの分散を変化させる。従って、
非線形材料としてバルク結晶、量子井戸等を用いると、
誘電体バンドより高エネルギ側のエアバンドは大きな吸
収を持つことになる。従って、信号光は大きな吸収損失
を受ける。
子ドットは、デルタ関数状の状態密度を持つ。そのた
め、信号光は、量子ドットのエネルギ準位に設定した制
御光よりさらに高エネルギ側に設定されるにもかかわら
ず、量子ドットによる吸収を受けることなく伝搬するこ
とが可能になる。この例が、本願発明の基本構成に係わ
るものである。
ック部材の一方の端面に光信号光、及びこれとは別の波
長を有する制御光とを入射する入力面と、前記フォトニ
ック部材の他方の端面に前記光信号光及び前記制御光の
出力面とを有し、前記フォトニック部材の入力面に光学
的に接続された光導波路を有し、且つ前記フォトニック
部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニック結
晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、且つ
前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及びフ
ォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号光の
波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定したこ
とを特徴とする光制御素子である。本願発明に係わるフ
ォトニック部材に更に、光学的に接続された光導波路を
有することで、各種応用が容易となる。例えば、後述さ
れるマッハツエンダ素子はその例である。
ック部材の光の進行方向に平行な少なくとも一対の側面
を実効的な屈折率の異なる他の材料で囲み光導波構造と
したことを特徴とする光制御素子である。更には、前記
フォトニック部材の、当該光制御素子の基板の表面に交
差し、且つ光の進行方向に平行な少なくとも一対の側面
を実効的な屈折率の異なる他の材料で囲み光導波構造が
有用である。当該制御光及び信号光がこの光導波構造に
よって効率的に導波される。
形態、適用形態などを説明するに、先だって、本願発明
の諸形態に係わる詳細を列挙し説明する。
は、通例のフォトニック結晶を用いて十分である。フォ
トニック結晶には、結晶構造的に、一次元、ニ次元、及
び三次元のものがある。一次元結晶は、例えば、誘電体
薄膜を多層に積層したものが代表例である。こうして、
積層方向に誘電率の周期的構造が構成されるい。ニ次元
結晶は、例えば、半導体結晶に周期的な孔を開孔するも
のが代表例である。面内に誘電率の周期的構造が構成さ
れる。半導体結晶として、シリコン、化合物半導体材
料、例えばGaAs、あるいはInPなどのIII−V
族化合物半導体材料を用いることが出来る。更に、三次
元結晶は、例えば、面内周期構造を周期的にずらして積
層する例が知られている。この例は、例えば、オートク
ローニングと称されるものである。この構造では、全方
位に誘電率の周期構造が可能である。
ことが出来る。これは、例えば、自己組織化成長法の一
つであるストランスキ−クラスタノウ(Stransk
i−Kranstanow)法、ヴォルマー・ウエバー
(Volmer−Weber)法などを用いて作成する
ことが出来る。その大きさも、通例のもので十分であ
る。例えば、GaAs上にInAsを、例えば2モノレ
ーヤ程度供給することにより、高さ3nm−10nm、
密度109−1011/cm2程度の量子ドットの制作可能
である。
性の設定は、ロッド周期の調整、エアロッド/誘電体ロ
ッドの選択、伝搬方向の選択、偏光の選択、フォトニッ
ク結晶格子の選択、及びこれらの組み合わせることによ
り実現可能であるこうして、制御光、信号光の波長域と
該フォトニック結晶のバンド構造との設定を行うことが
可能となる。即ち、周期的な孔のピッチ、大きさなどを
変化させることで、バンドギャップの位置や大きさを調
整することが出来る。更に、例えば、正方格子、六法格
子、蜂の巣型等の選択によっても、やはりバンドギャッ
プの位置や大きさを調整することが出来る。本願発明の
光制御素子に要請される特性に応じて前記各種特性を設
定、調整、あるいは選択する。
いて、信号光、制御光の波長域にフォトニックバンドの
ブリリアンゾーン端部を設定している。更に、合わせ
て、当該光制御素子において、信号光、制御光の波長域
にフォトニックバンドの群速度の小さい領域を設定する
のが好ましい。こうしたフォトニックバンドのブリリア
ンゾーン端部の調整は、前記の周期的な孔のピッチ、大
きさなどを変化させることで、バンドギャップの位置や
ブリリアンゾーン端部を調整することが出来る。一般
に、ブリリアンゾーン端部では群速度は小さい。本願発
明において、群速度はバルク結晶での特性より小さい領
域が良い。例えば、本願発明の代表的な適用例である。
マッハツエンダ型光スイッチなどの主特性である位相変
化は、光の群速度に逆比例する。従って、この目的に、
この群速度は小さい程好ましい。バルク結晶では群速度
の調整は不可能であるが、本願発明のフォトニック部材
では、このように調整が可能である。
(h)の諸構成に基づく諸効果を用いて、信号光を極め
て効率的に制御することが可能となる。以下、その仔細
を説明する。尚、信号光の当該フォトニック部材への入
射系、及び制御光の制御系は、これまでの光・光制御素
子におけるそれらを用いて良い。 (a)初めに、量子ドットを用いたことによる効果であ
る。量子ドットは、状態密度の集中により大きな光非線
形性を持つので、本願発明の目的である位相変化の増大
効果を高めることができる。 (b)量子ドットは、デルタ関数状の状態密度を持つ。
このため、信号光の伝搬損失を一定レベルに押さえる場
合、信号光と制御光の離調幅を小さくすることができ
る。量子ドットのもたらす非線形光学効果は、離調幅の
低減とともに増大するため(図1の(c))、信号光の
受ける非線形光学効果を増大できる。
る光非線形効果の増大について説明する。図2、図3及
び、図4にそれぞれ、フォトニック結晶の波数分散、群
速度分散、およびフォトニック結晶誘電体部の屈折率変
化により誘起される位相変化の計算値を例示した。いず
れの図も横軸はエネルギー(E)、縦軸がそれぞれの特
性値を示している。
電率ε=1)と誘電体で構成した2次元3角配置エアロ
ッドを示した。波数ベクトルの方向(光の伝搬方向)は
Γ−X方向であり、エアロッドの周期は0.27μmで
ある。また、比較のためバルク構造の場合も合わせて示
した。バルク構造の場合の特性は、図2、図3及び、図
4に点線で示し、homoと表示した。
って、信号光の波数の変化が大きく確保されることが理
解される。 (c)更に、本願発明では、信号光、制御光のに群速度
の小さな領域あるいは、ブリリアンゾーン端部を用いる
ことが好ましい。このことは図4の特性から容易に理解
されるであろう。図4に示すように、フォトニック結晶
誘電体部の屈折率変化により誘起される位相変化を、増
大させることができる。バルク構造の場合と比較して2
倍以上の増大が可能である。 (d)更に、信号光に群速度の小さな領域を用いること
により、信号光とフォトニック結晶との相互作用を大き
くすることができる。 (e)また、制御光を誘電体バンドに設定することによ
り、量子ドットを含むフォトニック結晶誘電体部に制御
光の電界を集中することが可能になり、その結果、量子
ドットを効率的に励起することができる(図1の
(b))。 (f)また、信号光をエアーバンドに設定することによ
り、量子ドットを含むフォトニック結晶誘電体部での信
号光の電界を低減することが可能になり、その結果、信
号光の量子ドットによる吸収損失を低減できる(図1の
(b))。そのため、一定の信号光を確保する場合、信
号光と制御光の離調幅を低減することができる。量子ド
ットのもたらす非線形光学効果は、離調幅の低減ととも
に増大するため(図1の(c))、信号光の受ける非線
形光学効果を増大できる。 (g)本願発明では、信号光をさらに効率的に制御する
ため、当該光制御素子において、信号光と制御光の偏光
を異ならしめることも可能である。
を用いて説明する。同図の例は、2次元3角配置エアロ
ッドフォトニック結晶の直行する2つの偏光モードT
E、TMに対する分散である。横軸は波数、縦軸は周波
数を示す。実線はTE偏光、点線はTM偏光の場合の特
性を示す。
ない場合、図5の点線で示したTMモードの誘電体バン
ドの白点○の領域、エアーバンドの黒点●の領域をそれ
ぞれ制御光、信号光に使用することに相当する。図5
に、この場合を制御光:TM/信号光:TMと表示し
た。
してTEモード、誘電体バンドの白点○の領域を使用
し、信号光としてTMモードエアーバンドの黒点●の領
域を使用する。これにより、制御光、信号光の離調幅を
小さくすることができるため、上述の理由で信号光に対
する非線形効果を増大できる。 (h)また、フォトニック結晶誘電体部への電界の集中
の程度は、バンドギャップが大きい程大きくなる傾向が
ある。従って、TEモード誘電体バンドを用いることに
より、量子ドットをより効率的に励起することができ
る。このように、異なる偏光を用いることにより、設計
の自由度が増し、非線形効果を増大効果をより効果的に
高めることができる。
から示す。 (i)量子ドットを使用することにより、非線形性誘起
部の品質を向上できる。フォトニック結晶の周期構造の
繰り返し間隔はサブミクロンである。本願発明では、フ
ォトニック結晶の高誘電体部に制御光による共鳴励起に
よりフォトキャリアを発生させる。高誘電体部と低誘電
体部(低誘電体部として空気の場合を含む)の界面は、
通常多くの欠陥を持つため、この誘電体部がバルク結晶
や量子井戸で構成される場合には、フォトキャリアの再
結合中心になる。そのため、生成したフォトキャリアは
上記界面で消滅してしまい、十分な非線形効果を得るこ
とができない。一方、量子ドットは、フォトニック結晶
の周期構造の繰り返し間隔に比べ十分小さく、量子ドッ
ト内部に生成したフォトキャリアは量子ドットの閉じ込
め効果のため、上記界面には到達しない。従って、制御
光により生成したフォトキャリアは、有効に信号光を制
御することに寄与する。 (j)また、本願発明では、光制御素子において、量子
ドットの高次エネルギ準位を制御光の波長に設定するこ
とが好ましい。
1励起凖位に比べ、高次エネルギ準位では高速になる。
これは、第1励起凖位でのキャリア緩和は発光再結合が
主な過程であるのに対して、高次励起凖位では発光再結
合過程に加え、より高速なバンド内無輻射緩和過程が支
配的になるためである。通例、量子ドットの不均一な広
がりを含めた吸収ピークと制御光に間隔は、10meV
以下が多用される。
子を提供することが出来る。即ち、この形態は、信号
光、制御光用の入力端、及び信号光、制御光を導波させ
る光導波路構造、及び信号光、制御光用の出力端を有す
ることを特徴とする光制御素子である。
向上のため、前記信号光、制御光の群速度をほぼ一致せ
しめるようにフォトニック結晶のフォトニックバンドを
設定するのが好ましい。フォトニック結晶内部では、光
の群速度は図2に示したようにバンドの種類、エネルギ
により異なる。広帯域の信号を重畳した信号光を導波路
中で制御光により制御するためには、信号光と制御光の
群速度を一致させることが必要である。
スイッチする為には、制御光パルスは、その特定の信号
光パルスにのみ作用しなければならない。信号光パルス
列も制御光パルスも非線形導波路内を伝播する。従っ
て、両者の伝播速度によりもたらされる両者の遅延時間
が、信号光の一パルス以内であることが必要となる。
致させる為に、制御光、信号光、ドットエネルギー、フ
ォトニック結晶構造の構成をいかに行うか、その基本的
な例を以下に説明する。制御光と信号光の波長を設定す
る。 (2)制御光の波長に、10meV以内で、量子ドット
の吸収ピークが一致するように量子ドットの材料、寸法
などを設計する。 (3)フォトニック部材の誘電体バンド、エアーバンド
のバンド端付近が、前記(2)の項目で設定した制御
光、信号光と10meV以内で一致するように、フォト
ニック部材を設計する。又、誘電体バンド、エアーバン
ドのバンド端のエネルギーは、フォトニック部材の孔の
ピッチ、孔の大きさ、ロッド周期の調整、エアロッド/
誘電体ロッドの選択、伝搬方向の選択、偏光の選択、フ
ォトニック結晶格子(正方格子、六法格子等)の選択、
及びこれらを組み合わせることにより調整、設定を行う
ことが出来る。 (4)前記(3)の項目で調整された領域の中から、必
要許容度以内で、信号光、及び制御光の群速度が一致す
る領域を設定する。図3にこうした群速度の分散の例を
例示した。 (5)更に、当該光制御素子の特性の要請に応じて、前
記(3)より(4)の手順を繰り返し、より適正な構造
を設定することが出来る。
6に例示するような屈折率ガイド型の光導波路構造が好
ましい。この構造は、フォトニック部材61を、これと
実効的な屈折率の異なる他の材料62、いわゆるクラッ
ド層が囲んでいる構造である。入射光63はフォトニッ
ク部材61に入射する。本構造は、導波路型光制御素子
を提供することが出来る。即ち、この形態は、フォトニ
ック部材の一方の端面に、光信号光と、これとは別の波
長を有する制御光とを入射する入射面と、前記フォトニ
ック部材の他方の端面に射出面とを有し、前記フォトニ
ック部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニッ
ク結晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、
且つ前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及
びフォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号
光の波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定
し、且つ信号光、制御光用の入力端、及び信号光、制御
光を導波させる光導波路構造、及び信号光、制御光用の
出力端を有し、且つ、フォトニック部材を実効的な屈折
率の異なる他の材料で囲むことにより光導波構造とした
ことである。
己組織化量子ドットを用いることが好ましい。即ち、こ
の形態は、フォトニック部材の一方の端面に、光信号光
と、これとは別の波長を有する制御光とを入射する入射
面と、前記フォトニック部材の他方の端面に射出面とを
有し、前記フォトニック部材は、フォトニック結晶領域
及びこのフォトニック結晶の高誘電体部に量子ドットを
配した領域を有し、且つ前記制御光の波長域に量子ドッ
トのエネルギ準位及びフォトニック結晶の誘電体バンド
を設定し、前記信号光の波長域にフォトニック結晶のエ
アーバンドを設定し、且つ前記量子ドットが自己組織化
量子ドットなることを特徴とするものである。
子ドットの材料として、フォトニック結晶誘電体部、量
子ドットに化合物半導体を用いることが有用である。
願発明の光制御素子は、制御光による信号光の位相変調
に大きな効果をもたらす。従って、上記本願諸発明の光
制御素子において、制御光により信号光の位相を変調す
ることを基本動作とすることが好ましく、極めて有用で
ある。
ェンダ型全光スイッチに適用した例を説明する。図7に
マッハツェンダ型全光スイッチの上部から見た概観図を
示す。図8、図9に各々、入力用導波路部、非線形導波
路部の拡大した斜視図、図10、図11に各々図8での
a−b断面、及び図9でのc−d断面を示す断面図を示
す。
る。本例の素子は、図7に見られるように、2つの非線
形導波路71、72を持つ非線形導波路部を素子中央に
配し、その両側に3つの光入力端73、74、75と3
dB結合器導波路構造80を持つ入力用導波路部78、
2つの出力端76、77と3dB結合器導波路構造81
を持つ出力用導波路部79より構成されるマッハツェン
ダ干渉計構造である。
用導波路部の信号入力端74より入射した光は、入力用
導波路部の3dB結合器80で分波され、それぞれ別の
非線形導波路72を通過した後、出力用導波路部の3d
B結合器81で合波される。制御光入力端73から制御
光の入力がない場合には、合波される2つの光の位相は
一致しているため、合波された光は出力用導波路部の2
つの出力端76、77のうちの上側のポートより出射さ
れる。
がある場合、制御光は上側の非線形導波路71を通過す
るため、上側の非線形導波路71の屈折率を変化させ
る。この状態で信号光を入射すると、出力用導波路部の
3dB結合器81で合波される2つの光の位相には違い
が生じる。両者の位相差がπになると、合波された信号
光は、出力用導波路部の2つの出力端のうちの下側のポ
ート77より出射される。このようにして、制御光によ
り信号光の出力端を切り替えるスイッチ動作を行うこと
ができる。
ここでの素子構造設計の指針は、(1)フォトニック結
晶の分散と量子ドットのエネルギ準位の整合、及び
(2)伝搬モードの単一モード化である。なお、出力用
導波路部79の基本は入力用導波路部78の構造と同様
である。前述したように、図8、図9に入力用導波路
部、非線形導波路部の拡大した斜視図、図10、図11
に各々図8でのa−b断面、及び図9でのc−d断面を
示す断面図を示す。これらの図を参酌して説明する。
領域1は、膜厚3μm、幅1μm、長さ10mmの光導
波路部(伝搬部)であり、非線形導波路部では周期的に
エアホールを作製したフォトニック結晶構造になってい
る。このフォトニック結晶は空気(誘電率ε=1)と誘
電体で構成した2次元3角配置エアロッドである。光導
波路の伝搬の方向はΓ−X方向であり、エアロッドの周
期は0.27μm、フォトニック結晶中の空気の占める
割合(エアフィリングファクタ)は58%である。この
フォトニック結晶のΓ−X方向のTMモードの分散は、
図2に相当する。光導波路部は、膜厚1μmのGaAl
As下部クラッド(GaAs混晶比=0.8)2、アン
ドープGaAs基板3の上に形成され、光導波路部の両
側にはポリイミドクラッド4が形成されている。
た。光導波路部は、膜厚1μmのGaAlAs上部クラ
ッド(GaAs混晶比=0.85)6、膜厚1μmのG
aAs光導波路7、及び膜厚1μmのGaAlAs下部
クラッド(GaAs混晶比=0.85)8より構成され
る。こうした光導波路の構造は通例のものを用いて十分
である。上記構造により入出力用導波路部、非線形導波
路部ともに導波路を伝搬する光の横モードが、垂直方
向、水平方向ともに単一モードとなる。
7に約80%閉じ込められ、水平方向ではGaAs光導
波路7に約90%閉じ込められる。ここで、非線形導波
路部には、本発明の特徴であるフォトニック結晶の高誘
電体部にInAsになる量子ドット9を配している。こ
こでは面密度1×1010cm― 2の量子ドットを100
nm間隔で30層積層した。量子ドットの吸収ピーク波
長は1.25μmとした。また、本素子の特性を比較評
価するために、非線形導波路をフォトニック結晶、量子
ドットとも持たない試料、すなわち非線形導波路部に入
出力用導波路部の光導波路と同一な構造の光導波路を持
つ比較試料を作製した。
は、入出力用導波路部、非線形導波路部を個別に作製し
てハイブリッド実装した。勿論、これらをモノリシック
に製造しても良い。
非線形導波路部の作製方法を述べる。結晶成長にはMB
E結晶成長法を用いた。
s下部クラッド(GaAs混晶比=0.8、膜厚1μ
m)2、GaAlAs下部クラッド(GaAs混晶比=
0.1、膜厚1μm)8、GaAs光導波路(膜厚1μ
m)7、GaAlAs上部クラッド(GaAs混晶比=
0.1、膜厚1μm)(6)を順次成長した。成長温
度、砒素圧力は560℃、1×10-5Torrとした。
光導波路の形状形成には硫酸系の溶液による湿式エッチ
ングを用いた。回転塗布法によりポリイミド膜を塗布し
た後、ウエハの裏面を膜厚150μmまで研摩した。そ
の後所望の大きさに劈開して、入出力用導波路部、及び
比較試料の非線形導波路部を作製した。
述べる。これについては、入出力用導波路部の形成方法
との違いを軸に以下に示すこととする。通例の導波路は
通例の方法に従って良い。
(GaAs混晶比=0.8、膜厚1μm)2を成長後、
InAsによる量子ドットを含む光導波路部1を形成し
た。InAs量子ドットを成長温度480℃、In供給
量2.0MLで成長して、GaAlAs(上下部クラッ
ド)及びGaAs(光導波路)100nmで埋め込ん
だ。そして、この行程を30回繰り返した。導波路形状
形成後、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりフ
ォトニック結晶構造を形成した。ドライエッチングのパ
タン形成用のマスクには、Niと電子線レジストの2層
膜を用い、主なドライエッチング条件は、基板温度50
℃、加速電圧500V、ガス圧力1×10 -5Torrと
した。
法、および測定結果を述べる。測定は図7に示す素子の
制御光入力端より、パルス幅1psの制御光、及び信号
光入力端より連続光を入射する。そして、信号光出力端
からの出力を、シンクロ・スキャンストリーク・カメラ
で観測した。この観測に基づき、出力の変調度が極大と
なる制御光入力をスイッチング光電力(πシフト)とし
た。光源には、本実験のフォトニック結晶、量子ドット
を含む試料の測定には、CW及びモードロックしたチタ
ン・サファイヤ・レーザの出力光を、光パラメトリック
発振器により変換した波長1.1μm−1.4μmの光を
用いた。また、フォトニック結晶、量子ドットを含まな
い比較用試料の光源には、CW及びモードロックしたチ
タン・サファイヤ・レーザを用いた。尚、このレーザの
波長は880nm-920nmを用いた。
が1.25μm、且つTM偏光の制御光、波長が1.15
μm、且つTM偏光の信号光を用いた場合、πシフト制
御光に関する電力が1200fJ、スイッチ速度が1n
sの特性を得た。なお、ここで示した光電力は、光導波
路の結合効率、素子入射端、接続端での反射を別途測定
して、それらを差し引いた実質的なスイッチ電力であ
る。また、波長が1.21μm、且つTE偏光の制御
光、波長が1.15μm、且つTM偏光の信号光を用い
た場合、πシフト制御光に関する電力が200fJ、ス
イッチ速度が1nsの特性を得た。この制御光の消費電
力の改善は、前述の図5を用いて説明した効果、及び量
子ドットの光吸収における異方性によるものと考えられ
る。
m、且つTE偏光の制御光、波長が0.92μm、且つ
TE偏光の信号光を用いた場合、πシフト制御光に関す
る電力が6200fJ、スイッチ速度が1nsの特性を
得た。
ク結晶と量子ドットを組み合わせた本願発明の構造によ
り、大幅な制御光電力の削減が可能であることが十分理
解されるであろう。
起することによる応答速度改善の効果を、以下のとおり
検討した。素子構造、作製方法は、基本的に上述の試料
と同等である。ここでは、量子ドットのエネルギ準位を
小さくするため、MBE成長後、780℃で30分の熱
処理を行った。その結果、量子ドットの最低励起エネル
ギ準位は1.25μmから1.30μmに変化して、第2
励起準位がほぼ1.25μmとなった。
行った。本素子は、波長が1.24μm、且つTE偏光
の制御光、波長が1.20μm、且つTM偏光の信号光
の場合、πシフト制御光電力が400fJ、スイッチ速
度が20psの極めて高速な応答を確認できた。
光スイッチによる実施例を示した。本願発明は、光によ
り誘起される位相の変化を効率的に増大することができ
る。従って、本願発明は、他の位相変化を利用した素
子、例えば方向性結合器型光変調器、あるいはエタロン
を利用した光制御素子等への応用が可能であることは言
うまでもない。
て、信号光を制御するために用いられる制御光の電力を
実用化可能なレベルに低減できる。
る。
と波数分散との関係の例を示す図である。
と群速度分散との関係の例を示す図である。
と誘電率の変化によって誘起された波数変化との関係の
例を示す図である。
す概念図である。
型光導波路の例を示す斜視図である。
す平面図である。
出力部の斜視図である。
線形導波路部の斜視図である。
の入出力部を示す図8のa−b断面図である。
非線形導波路部を示す図9のc−d断面図である。
ラッド、5:フォトニック結晶エアホール、6:上部ク
ラッド、7:光導波路、8:下部クラッド、9:量子ド
ット、25:空気、26:誘電体、27:エアーバン
ド、28:誘電体バンド、29:光電界強度の分布曲
線、61:フォトニック結晶、62:クラッド領域、6
3:入射光、71、72:非線形導波路、73:制御光
入力端、74:信号光入力端、75:光入力端、76、
77:信号光出力端、78:入力用導波路部、79:出
力用導波路部、80、81:3dB結合器。
Claims (5)
- 【請求項1】 フォトニック部材の一方の端面に光信号
光、及びこれとは別の波長を有する制御光とを入射する
入力面と、前記フォトニック部材の他方の端面に前記光
信号光の出力面とを有し、且つ前記フォトニック部材
は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニック結晶の
高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、且つ前記
制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及びフォト
ニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号光の波長
域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定してなるこ
とを特徴とする光制御素子。 - 【請求項2】 フォトニック部材の一方の端面に光信号
光、及びこれとは別の波長を有する制御光とを入射する
入力面と、前記フォトニック部材の他方の端面に前記光
信号光の出力面とを有し、前記フォトニック部材の入力
面に光学的に接続された光導波路を有し、且つ前記フォ
トニック部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォト
ニック結晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有
し、且つ前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準
位及びフォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記
信号光の波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設
定したことを特徴とする光制御素子。 - 【請求項3】 フォトニック部材の、光の進行方向に平
行な少なくとも一対の側面を実効的な屈折率の異なる他
の材料で囲み光導波構造としたことを特徴とする請求項
1又は請求項2に記載の光制御素子。 - 【請求項4】 前記信号光と前記制御光の偏光を、相互
に異ならしめることを特徴とする請求項1より請求項3
のいずれかに記載の光制御素子。 - 【請求項5】 前記信号光、及び前記制御光の各群速度
を、前記信号光、前記制御光が前記フォトニック部材を
通過する場合の両者の遅延時間が、信号光の1パルス以
内に一致せしめるように、フォトニック部材のフォトニ
ックバンドを設定したことを特徴とする請求項1より請
求項4のいずれかに記載の光制御素子。
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