JP2006267888A - Semiconductor optical control element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体光制御素子に関し、特に、励起子と励起子分子との干渉効果により光遅延動作を実現させる方法に適用して好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor optical control element, and is particularly suitable for application to a method for realizing an optical delay operation by an interference effect between excitons and exciton molecules.
近年のインターネットなどの進展に伴う情報通信の高速化に対応して、光ファイバを用いた光通信が普及してきている(非特許文献1、2)。この光通信では、情報の伝達手段として光パルスが用いられ、情報内容に応じて光パルスの時間的密度や大きさを変化させる手法が採られている。この光パルスの操作は、光源の直接変調動作によっても実現できる。あるいは、光源から一定周期で光パルスを放出させた後、別の素子を用いて光パルスを遅延させることでも実現できる。この別の素子を用いて光パルスを遅延させる方法は、光源を安定して動作させることができるという利点があり、広く用いられている。
In response to the speeding up of information communication accompanying the recent development of the Internet and the like, optical communication using optical fibers has become widespread (
この光パルスの遅延処理は、送信と受信が1対1で行われる通信のみならず、送信と受信が多対多で行われる通信で極めて重要である。すなわち、多対多の通信では、送信者が指定した受信者に正確に情報を送る必要がある。通常、多数の送信者からの信号は1箇所に集められた後、多数の受信者に配信される。この場合、送信者からの信号が集められる箇所では、異なる送信者からの信号が同時に届くことがある。現在の技術では、多数の送信者から同時に届いた光パルスを異なる受信者に同時に配信することは困難である。このため、多数の送信者から同時に届いたいずれかの光パルスを光遅延素子にて遅延させながら、多数の送信者から同時に届いた光パルスを順番に配信することが行われている。 This optical pulse delay processing is extremely important not only in communication in which transmission and reception are performed one-to-one, but also in communication in which transmission and reception are performed in a many-to-many manner. That is, in many-to-many communication, it is necessary to accurately send information to a recipient designated by the sender. Usually, signals from multiple senders are collected in one place and then distributed to multiple receivers. In this case, signals from different senders may arrive at the same place where signals from the senders are collected. With current technology, it is difficult to simultaneously deliver light pulses that arrive simultaneously from multiple senders to different recipients. For this reason, optical pulses that have simultaneously arrived from a large number of transmitters are sequentially distributed while any optical pulse that has simultaneously arrived from a large number of transmitters is delayed by an optical delay element.
図19は、従来の光遅延素子の一例を示す図である。
図19において、光遅延素子には、信号光L61の経路を変化させる光スイッチ61と光ファイバ62が設けられている。ここで、光スイッチ61には、トリガー電圧TG4が入力される。そして、光スイッチ61は、トリガー電圧TG4がオンになると、信号光L61の経路を光ファイバ62側に切り替え、トリガー電圧TG4がオフになると、信号光L61をそのまま通過させることができる。
FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a conventional optical delay element.
In FIG. 19, the optical delay element is provided with an
図20は、図19の光遅延素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
図20において、信号光L61として光入力パルスL61aが光スイッチ61に入力されたものとする。ここで、トリガー電圧TG4がオフの場合、光入力パルスL61aは光スイッチ61をそのまま通過し、光出力パルスL61bの遅延は発生しない。一方、トリガー電圧TG4がオンすると、光スイッチ61に入力された光入力パルスL61aは光ファイバ62に導入される。このため、光スイッチ61から出射される光出力パルスL61bは、光ファイバ62の長さ分に対応した遅延が発生し、光入力パルスL61aごとに遅延時間D11、D12だけ遅延される。
なお、この光遅延素子では、信号光L61が光スイッチ61および光ファイバ62を通過する時に光吸収による減衰が発生するが、その減衰量は、通常の光通信では無視することができる。
FIG. 20 is a timing chart showing an optical delay operation in the optical delay element of FIG.
In FIG. 20, it is assumed that an optical input pulse L61a is input to the
In this optical delay element, attenuation due to light absorption occurs when the signal light L61 passes through the
図21は、従来の光遅延素子のその他の例を示す図である。
図21において、光遅延素子には、信号光L71を電気信号に変換するフォトディテクタ71、電気信号を蓄えるバッファメモリ73および電気信号を信号光L71´に変換するレーザ光源72が設けられている。また、光遅延素子には、レーザ光源72に電気信号を供給するトリガー回路74が設けられている。ここで、トリガー回路74には、トリガー電圧TG5が入力される。そして、トリガー回路74は、トリガー電圧TG5がオンした時にのみバッファメモリ73に蓄えられた電気信号をレーザ光源72に供給することができる。
FIG. 21 is a diagram showing another example of a conventional optical delay element.
In FIG. 21, the optical delay element is provided with a
図22は図21の光遅延素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
図22において、信号光L71として光入力パルスL71aがフォトディテクタ71に入力されると、その光入力パルスL71aは電気信号に変換され、バッファメモリ73に蓄えられる。そして、トリガー電圧TG5がオンすると、バッファメモリ73に蓄えられた電気信号はレーザ光源72に供給され、光入力パルスL71aに対応した光出力パルスL71bがレーザ光源72から出射される。ここで、光出力パルスL71bはトリガー電圧TG5に入力タイミングに従って出射されるため、トリガー電圧TG5の入力タイミングを制御することにより、光出力パルスL71bの遅延時間D21、D22を個別に変化させることができ、光出力パルスL71bの遅延時間D21、D22を光入力パルスL71aごとに異ならせることもできる。
FIG. 22 is a timing chart showing an optical delay operation in the optical delay element of FIG.
In FIG. 22, when an optical input pulse L 71 a is input to the
なお、図21の光遅延素子では、フォトディテクタ71、バッファメモリ73およびレーザ光源72とも1mm四方の大きさで構成することができ、光遅延素子全体としての大きさも数mm四方あれば十分なため、コンパクト化が可能である。
しかしながら、図19の光遅延素子では、光入力パルスL61aの遅延時間D11、D12は光ファイバ62の長さによって決定され、光ファイバ62の長さを制御することは困難である。このため、光入力パルスL61aの遅延時間D11、D12は同一になり、光入力パルスL61aの遅延時間を光入力パルスL61aごとに制御することができないという問題があった。
また、図19の光スイッチ61は、1mm四方の大きさで構成することができるが、必要な遅延量を得るには光ファイバ62の長さは数cmから数十cm程度だけ必要となることから、光遅延素子全体としては現在の光通信で使われている素子の中で最も大きくなるという問題があった。
However, in the optical delay element of FIG. 19, the delay times D11 and D12 of the optical input pulse L61a are determined by the length of the
The
また、図21の光遅延素子では、フォトディテクタ71での光から電気への変換効率は、高くても数10%であるため、変換された電気信号のみでレーザ光源72を駆動することは困難である。このため、レーザ光源72を駆動するために外部電源が必要となり、消費電力が増大するという問題があった。また、フォトディテクタ71では、光パルスを電気信号に変換した際に、光パルスの位相情報が完全に失われることから、光の位相に情報を書き込むことで通信を行うことができなくなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、消費電力の増大を抑制しつつ、遅延時間を制御することが可能となるとともに、コンパクト化を図ることが可能な半導体光制御素子を提供することである。
In the optical delay element shown in FIG. 21, the light-to-electricity conversion efficiency of the
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor light control element that can control the delay time while suppressing an increase in power consumption and can be made compact.
上述した課題を解決するために、請求項1記載の半導体光制御素子によれば、励起子を閉じ込める量子ドットと、前記励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光を前記量子ドットに照射する制御用光源とを備えることを特徴とする。
これにより、量子ドットに制御光を照射することで、励起子分子のエネルギーに対応した準位を振動させることが可能となる。このため、励起子分子を構成する励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させた上で、吸収スペクトルの微分を変化させることが可能となり、屈折率を変化させることができる。この結果、励起子のエネルギーに対応した波長の信号光を量子ドットに入射することで、信号光の吸収損失を抑制しつつ、信号光を遅延させることが可能となり、信号光を電気信号に変換する必要がなくなることから、光遅延素子の消費電力を低減することが可能となるとともに、信号光を遅延させるために光ファイバを用いる必要がなくなり、光遅延素子のコンパクト化を図ることが可能となる。
また、信号光を遅延させるために信号光を電気信号に変換する必要がなくなることから、信号光の位相情報を保存することができ、伝達される情報量を増大させることができる。
In order to solve the above-described problem, according to the semiconductor optical control element according to
Thereby, the level corresponding to the energy of the exciton molecule can be oscillated by irradiating the quantum dot with the control light. For this reason, it becomes possible to change the derivative of the absorption spectrum and to change the refractive index after almost eliminating the light absorption between the levels corresponding to the energy of the exciton constituting the exciton molecule. . As a result, signal light having a wavelength corresponding to the energy of the exciton is incident on the quantum dot, so that it is possible to delay the signal light while suppressing absorption loss of the signal light, and convert the signal light into an electrical signal. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the optical delay element, and it is not necessary to use an optical fiber to delay the signal light, and the optical delay element can be made compact. Become.
Further, since it is not necessary to convert the signal light into an electric signal in order to delay the signal light, the phase information of the signal light can be preserved and the amount of information transmitted can be increased.
また、請求項2記載の半導体光制御素子によれば、前記励起子のエネルギーに対応した波長の信号光が前記量子ドットに入射され、前記励起子のエネルギーに対応した準位と前記励起子分子のエネルギーに対応した準位によって1準位を共通とする3準位系が構成されることを特徴とする。
これにより、励起子分子のエネルギーに対応した準位を振動させることで、励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させた上で、吸収スペクトルの微分を変化させることが可能となる。このため、起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光を量子ドットに照射することで、信号光の吸収損失を抑制しつつ、信号光を遅延させることが可能となり、光遅延素子の消費電力化およびコンパクト化を実現することが可能となる。
According to the semiconductor optical control element of
As a result, the level corresponding to the energy of the exciton molecule is oscillated, so that the optical absorption between the levels corresponding to the energy of the exciton can be almost eliminated and the derivative of the absorption spectrum can be changed. It becomes. For this reason, it is possible to delay the signal light while suppressing the absorption loss of the signal light by irradiating the quantum dot with the control light having a wavelength corresponding to the energy of the molecular molecule, thereby reducing the power consumption of the optical delay element. And it becomes possible to realize compactness.
また、請求項3記載の半導体光制御素子によれば、前記制御用光源から出射される制御光のパワーを前記信号光の遅延時間に対応して制御するトリガー回路をさらに備えることを特徴とする。
これにより、制御光のパワーを変化させることで、励起子分子のエネルギーに対応した準位間の結合状態に起因する光応答特性を制御することが可能となり、励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させたままで、吸収スペクトルの微分を制御することが可能となる。このため、信号光を電気信号に変換することなく、信号光の遅延時間を制御することが可能となり、光遅延素子の消費電力を低減することが可能となるとともに、信号光を遅延させるために光ファイバを用いる必要がなくなり、光遅延素子のコンパクト化を図ることが可能となる。
The semiconductor light control element according to
As a result, by changing the power of the control light, it becomes possible to control the optical response characteristics due to the bonding state between the levels corresponding to the energy of the exciton molecule, and the level corresponding to the energy of the exciton. It is possible to control the differentiation of the absorption spectrum while substantially eliminating the light absorption between the two. Therefore, it is possible to control the delay time of the signal light without converting the signal light into an electric signal, to reduce the power consumption of the optical delay element, and to delay the signal light There is no need to use an optical fiber, and the optical delay element can be made compact.
また、請求項4記載の半導体光制御素子によれば、前記量子ドットの幅及び長さがボーア半径の2から10倍の範囲、前記量子ドットの高さがボーア半径の0.1から1倍の範囲にあることを特徴とする。
これにより、励起子を量子ドットに安定して存在させることが可能となるとともに、半導体光制御素子の使用環境での温度エネルギーよりも励起子分子エネルギーを大きくすることができ、励起子分子も量子ドットに安定して存在させることが可能となる。このため、励起子および励起子分子の双方を量子ドットに安定して存在させることが可能となり、半導体光制御素子を安定して動作させることができる。
According to another aspect of the semiconductor optical control element of the present invention, the width and length of the quantum dots are in the range of 2 to 10 times the Bohr radius, and the height of the quantum dots is 0.1 to 1 times the Bohr radius. It is characterized by being in the range of
As a result, the excitons can be stably present in the quantum dots, and the exciton molecule energy can be made larger than the temperature energy in the environment where the semiconductor light control element is used. It is possible to make the dots stably exist. Therefore, both excitons and exciton molecules can be stably present in the quantum dots, and the semiconductor light control element can be stably operated.
また、請求項5記載の半導体光制御素子によれば、前記量子ドットは、第1半導体層が、前記第1半導体よりもバンドギャップの大きな第2半導体層で完全に取り囲まれた構造を持つことを特徴とする。
これにより、半導体製造プロセスを用いることで量子ドットを形成することができ、量子ドットを精度よく形成することが可能となるとともに、半導体光制御素子を容易に量産化することができる。
According to another aspect of the semiconductor optical control device of the present invention, the quantum dot has a structure in which the first semiconductor layer is completely surrounded by the second semiconductor layer having a larger band gap than the first semiconductor. It is characterized by.
As a result, quantum dots can be formed by using a semiconductor manufacturing process, and quantum dots can be formed with high accuracy, and semiconductor light control elements can be easily mass-produced.
また、請求項6記載の半導体光制御素子によれば、前記制御用光源は、ファブリーペロー型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードであり、前記制御用光源と前記量子ドットが設けられた活性領域とが同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
これにより、制御用光源と量子ドットが設けられた活性領域とを同一半導体基板上に集積化することができ、半導体光制御素子のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、半導体製造プロセス上で制御用光源と量子ドットとの位置合わせを行うことができ、半導体光制御素子の組み立て作業を簡略化することができる。
Further, according to the semiconductor light control element of claim 6, the control light source is a Fabry-Perot semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser, a light emitting diode or a superluminescent diode, and the control light source and the light source The active region provided with the quantum dots is formed on the same semiconductor substrate.
As a result, the light source for control and the active region provided with the quantum dots can be integrated on the same semiconductor substrate, so that the semiconductor light control element can be made compact and the semiconductor manufacturing process can be achieved. The alignment of the control light source and the quantum dots can be performed, and the assembly work of the semiconductor light control element can be simplified.
また、請求項7記載の半導体光制御素子によれば、前記制御用光源の活性層は、前記量子ドットと同一の構造を持つことを特徴とする。
これにより、制御用光源の消費電力を低減することが可能となり、制御用光源を半導体光制御素子に組み込んだ場合においても、半導体光制御素子全体の消費電力を低減することができる。
According to a seventh aspect of the present invention, the active layer of the control light source has the same structure as the quantum dots.
As a result, the power consumption of the control light source can be reduced, and even when the control light source is incorporated in the semiconductor light control element, the power consumption of the entire semiconductor light control element can be reduced.
以上説明したように、本発明によれば、励起子と励起子分子との干渉効果によって光遅延動作を実現することが可能となり、遅延時間を制御することを可能とした上で、光遅延素子の消費電力化およびコンパクト化を実現することが可能となるとともに、信号光の位相情報を保存することができ、伝達される情報量を増大させることができる。 As described above, according to the present invention, an optical delay operation can be realized by the interference effect between excitons and exciton molecules, and the delay time can be controlled. As a result, the phase information of the signal light can be preserved and the amount of information transmitted can be increased.
以下、本発明の実施形態に係る半導体光制御素子について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す斜視図である。
図1において、半導体光制御素子には、量子ドット12および制御用光源13が設けられている。ここで、量子ドット12は、光吸収および屈折を生じさせる活性領域を構成することできる。そして、量子ドット12は、信号光L11によって生成された励起子を量子ドット12に閉じ込めるためのエネルギー障壁層11にて周囲を完全に取り囲まれた構造を持つことができる。また、制御用光源13は、励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光L12を量子ドット12に照射することができる。また、信号光L11の波長は、量子ドット12に閉じ込められる励起子のエネルギーに対応するように設定することができる。
Hereinafter, a semiconductor optical control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the semiconductor light control element according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the semiconductor light control element is provided with
なお、エネルギー障壁層11および量子ドット12の材質としては半導体を用いることができ、エネルギー障壁層11を構成する半導体層は量子ドット12を構成する半導体層よりもバンドギャップが大きくなるように選択することができる。また、量子ドット12は、励起子のエネルギーに対応した準位と励起子分子のエネルギーに対応した準位によって1準位を共通とする3準位系を構成することができる。また、量子ドット12の幅r1及び長さr2をボーア半径の2から10倍の範囲、量子ドット12の高さr3をボーア半径の0.1から1倍の範囲に設定することが好ましい。
A semiconductor can be used as the material of the
そして、光入力パルスL11aが信号光L11として量子ドット12に入射すると、信号光L11のエネルギーに対応した励起子が量子ドット12に生成される。そして、量子ドット12に励起子が生成された状態で、制御光L12が量子ドット12に入射すると、制御光L12のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット12に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって、励起子および励起子分子のエネルギーに対応した準位がドレズド状態に移行する。このため、励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させた上で、信号光L11の吸収スペクトルの微分を変化させることが可能となり、信号光L11の吸収損失を抑制しつつ、光入力パルスL11aを遅延させた光出力パルスL11bを出射させることが可能となる。
When the optical input pulse L11a enters the
図2は、周波数νpの光が入射した時の2準位系における光励起状態を示す図である。
図2において、準位1、2で構成される2準位系にエネルギーhνpの信号光L11が入射したもとする。ここで、信号光L11のエネルギーhνpを準位1、2のエネルギー差に対応させると、この2準位系には信号光L11のエネルギーhνpに対応した励起子を発生させることができる。なお、hはプランク定数、νpは信号光L11の周波数である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a photoexcited state in a two-level system when light having a frequency ν p is incident.
In FIG. 2, it is assumed that the signal light L11 having energy hν p is incident on a two-level system composed of
図3は、図2の2準位系における光応答特性を示す図である。
図3において、図2の2準位系では、吸収係数は、準位1、2のエネルギー差D12に対応するエネルギーhνpでピークを持つことが判る。なお、吸収係数は、2準位による光の吸収量を表す。また、屈折率は、光の遅延時間に比例する量であり、吸収係数の微分に近似的に比例する。
ここで、屈折率をn(hν)とすれば、2準位系での光の速度vgは、光エネルギー(hν)の関数として以下の(1)式で表すことができる。
vg=c/(n(hν)+hν(∂n(hν)/∂(hν))) ・・・(1)
ただし、cは真空中の光速である。従って、屈折率n(hν)または屈折率の微分∂n(hν)/∂(hν)が大きくなると、光の速度vgは遅くなり、光を遅延させることができる。
FIG. 3 is a diagram showing optical response characteristics in the two-level system of FIG.
3, it can be seen that in the two-level system of FIG. 2, the absorption coefficient has a peak at the energy hv p corresponding to the energy difference D12 between the
Here, if the refractive index is n (hν), the speed of light v g in the two-level system can be expressed by the following equation (1) as a function of the light energy (hν).
v g = c / (n (hν) + hν (∂n (hν) / ∂ (hν))) (1)
Where c is the speed of light in vacuum. Therefore, if the refractive index n (hv) or refractive index differential ∂n (hν) / ∂ (hν ) is increased, the speed of light v g is slow, the light can be delayed.
図4は、周波数νp、νcの2種類の波長の光が入射した時の3準位系における光励起状態を示す図である。
図4において、図2の2準位系に準位3が追加された3準位系に対して、エネルギーhνpの信号光L11およびエネルギーhνcの制御光L12が入射されたものとする。ここで、信号光L11のエネルギーhνpを準位1、2のエネルギー差に対応させるとともに、制御光L12のエネルギーhνcを準位2、3のエネルギー差に対応させると、この3準位系には、信号光L11のエネルギーhνpに対応した励起子を発生させた上で、制御光L12のエネルギーhνcに対応した励起子分子を発生させることができる。なお、hはプランク定数、νpは信号光L11の周波数、νcは制御光L12の周波数である。また、エネルギーhνcの制御光L12の光パワーは、例えば、エネルギーhνpの信号光L11の光パワーの10倍程度強くすることができる。
FIG. 4 is a diagram showing a photoexcited state in a three-level system when light of two types of wavelengths ν p and ν c is incident.
In FIG. 4, it is assumed that signal light L11 with energy hν p and control light L12 with energy hν c are incident on the three-level system in which
そして、制御光L12のエネルギーhνcに対応した励起子分子が生成されると、準位2、3間においてエネルギーhνcの制御光L12が準位2、3と強く結合し、準位2、3にラビ振動が発生する。そして、準位2、3にラビ振動が発生すると、準位2、3が光の衣をまとった準位2D、3Dに変化し、ドレスド状態に移行する。そして、準位2、3が準位2D、3Dに変化すると、準位1、2間のエネルギー対応した状態が消失し、信号光L11のエネルギーhνpに対応した準位1、2間における光吸収をほぼ消失させることができる。このため、図4の3準位系では、準位1、2のエネルギー差D12に対応する周波数νpにおいて、吸収係数に極小値を持たせることができる。
Then, when an exciton molecule corresponding to the energy hν c of the control light L12 is generated, the control light L12 having the energy hν c is strongly coupled to the
図5は、図4の3準位系における光応答特性を示す図である。
図5において、図4の3準位系では、吸収係数は、準位1、2のエネルギー差D12に対応するエネルギーhνpの付近でほぼ0になることが判る。また、エネルギーhνpの付近では、屈折率の正の勾配が著しく大きくなっていることが判る。これは、準位1、2間の光吸収過程と、準位1から準位2、3を経て再び準位2に戻ってくる光吸収過程とが干渉した効果であると解釈することもできる。
FIG. 5 is a diagram showing optical response characteristics in the three-level system of FIG.
In FIG. 5, it can be seen that in the three-level system of FIG. 4, the absorption coefficient becomes almost zero in the vicinity of the energy hv p corresponding to the energy difference D12 between the
従って、準位1、2のエネルギー差D12に対応するエネルギーhνpの付近では、(1)式の屈折率の微分∂n(hν)/∂(hν)が大きくなり、光の速度vgは遅くなる。このため、1準位を共通に持つ3準位系を形成できれば、光遅延動作を実現することができる。また、3準位系の光応答特性は、エネルギーhνcの制御光L12の光パワーに依存する。このため、エネルギーhνcの制御光L12の光パワーを制御することで、屈折率を変化させることができ、エネルギーhνpの信号光L11の遅延時間を制御することができる。
Therefore, in the vicinity of the energy hν p corresponding to the energy difference D12 between the
図6は、本発明の一実施形態に係る屈折率の変化分と周波数νcの光パワーとの関係を示す図である。なお、図6は、信号光L11のエネルギーhνpが準位1、2のエネルギー差D12に等しくなる領域付近の屈折率の微分を、エネルギーhνcの制御光L12の光パワーに対してプロットしたものである。
図6において、エネルギーhνcの制御光L12の光パワーを増加させると、屈折率の微分が小さくなることが判る。このため、エネルギーhνcの制御光L12の光パワーを増加させると、光の速度vgを速くすることができ、エネルギーhνpの信号光L11の遅延時間を短くすることができる。従って、光の屈折率を変化させることで遅延時間を制御すること可能となり、信号光L11を電気信号に変換させる必要がなくなることから、信号光L11を電気信号に変換する際の損失をなくすことが可能となるとともに、信号光L11の位相情報を保存することができ、伝達される情報量を増大させることができる。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the change in refractive index and the optical power at the frequency ν c according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 plots the derivative of the refractive index in the vicinity of the region where the energy hν p of the signal light L11 is equal to the energy difference D12 between the
In FIG. 6, it can be seen that when the optical power of the control light L12 having the energy hv c is increased, the derivative of the refractive index is decreased. Therefore, increasing the optical power of the control light L12 energy hv c, it is possible to increase the speed v g of light, it is possible to shorten the delay time of the signal beam L11 energy hv p. Therefore, it becomes possible to control the delay time by changing the refractive index of the light, and it is not necessary to convert the signal light L11 into an electric signal. Therefore, the loss in converting the signal light L11 into an electric signal is eliminated. The phase information of the signal light L11 can be preserved, and the amount of information transmitted can be increased.
図7は、本発明の作用を実証するために用いた試料構造を模式的に示す図である。
図7において、GaAs(311)B基板20上には、AlGaAs障壁層21が形成され、AlGaAs障壁層21には、InGaAs量子ドット22が埋め込まれている。なお、InGaAs量子ドット22のサイズは、高さが3nm、幅が30nmとした。また、量子ドット22に入射される信号光L21を生成するための波長可変レーザ24が設けられるとともに、量子ドット22の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する制御用光源23が設けられている。さらに、量子ドット22を通過した信号光L21を検出する光検出器25が設けられている。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a sample structure used for demonstrating the action of the present invention.
In FIG. 7, an
そして、波長可変レーザ24にて発生された信号光L21を量子ドット22に入射させると、図8の励起子K1が生成され、図2の2準位状態に対応する励起子状態が生成される。そして、制御用光源23にて発生された制御光L22を量子ドット22に入射させ、制御光L22の波長を励起子K1同士が結合した励起子分子K2のエネルギーに対応させると、図4の3準位状態に対応する励起子分子状態が生成される。
When the signal light L21 generated by the
図9は、励起子状態における光吸収スペクトルを示す図である。
図9において、波長可変レーザ24にて発生された信号光L21を量子ドット22に入射させると、複数の鋭い吸収ピークX1〜X4が出現する。この吸収ピークX1〜X4は、図8の励起子K1の最低次から4次までの高次状態に対応し、それぞれの励起子状態は図2の2準位状態を形成する。そして、この量子ドット22において、光照射パワーを上昇させると、この量子ドット22中にもう一つの励起子K1が形成され、励起子K1同士が結合した励起子分子状態が生成される。
FIG. 9 is a diagram showing a light absorption spectrum in an exciton state.
In FIG. 9, when signal light L21 generated by the
図10は、励起子状態および励起子分子状態における光吸収スペクトルを示す図である。
図10において、励起子状態が生成された後に、励起子分子状態が生成されると、励起子K1の吸収ピークX1〜X4に対応して、励起子分子の吸収ピークXX1〜XX4が生成される。ここで、励起子分子の吸収ピークXX1〜XX4は、励起子K1の吸収ピークX1〜X4に対して、励起子分子結合エネルギーEk分だけ低エネルギー側にシフトする。また、励起子K1が形成された後に励起子分子K2が形成されるので、励起子分子状態が生成された時のエネルギー状態は、例えば、励起子K1の吸収ピークX1のエネルギーと励起子分子の吸収ピークXX1のエネルギーに対しては3準位状系となる。
FIG. 10 is a diagram showing light absorption spectra in an exciton state and an exciton molecular state.
In FIG. 10, when the exciton molecule state is generated after the exciton state is generated, the absorption peaks XX1 to XX4 of the exciton molecule are generated corresponding to the absorption peaks X1 to X4 of the exciton K1. . Here, the absorption peaks XX1 to XX4 of the exciton molecules are shifted to the lower energy side by the exciton molecule binding energy Ek with respect to the absorption peaks X1 to X4 of the exciton K1. In addition, since the exciton molecule K2 is formed after the exciton K1 is formed, the energy state when the exciton molecule state is generated is, for example, the energy of the absorption peak X1 of the exciton K1 and the exciton molecule. A three-level system is formed for the energy of the absorption peak XX1.
図11は、励起子状態および励起子分子状態にて生成された3準位系の状態を示す図である。
図11において、励起子K1の吸収ピークX1に対応した準位X1を持つ2準位系に対して、エネルギーhνXの信号光L21が量子ドット22に入射されたものとする。ここで、信号光L21のエネルギーhνXを準位1、X1間のエネルギー差に対応させると、このエネルギー差に対応した励起子K1が生成される。そして、励起子K1が生成された状態で、エネルギーhνXXの制御光L22が量子ドット22に入射されたものとする。ここで、制御光L22のエネルギーhνXXを準位X1、XX1間のエネルギー差に対応させると、このエネルギー差に対応した励起子分子K2が生成される。このため、このエネルギー差に対応した励起子分子K2の吸収ピークXX1が出現するとともに、準位X1、XX1に対しては3準位系となる。
FIG. 11 is a diagram showing the state of the three-level system generated in the exciton state and the exciton molecular state.
In FIG. 11, it is assumed that the signal light L21 of energy hν X is incident on the
また、励起子分子−励起子エネルギーは、励起子−基底状態エネルギーに比べて励起子分子結合エネルギーEk分だけ小さい。このため、制御光L22のエネルギーhνXXを励起子分子−励起子エネルギーに一致させることにより、図12の光応答特性を得ることができ、吸収係数に極小値を持たせた上で、光遅延動作を実現することができる。
ここで、(1)式の分母が大きいほど光遅延効果が大きくなることから、光遅延因子Sを以下の(2)式で定義することができる。
S=n(hν)+hν(∂n(hν)/∂(hν)) ・・・(2)
Further, the exciton molecule-exciton energy is smaller by the exciton molecule binding energy Ek than the exciton-ground state energy. For this reason, by making the energy hν XX of the control light L22 coincide with the exciton molecule-exciton energy, the optical response characteristic of FIG. 12 can be obtained, and the optical delay is obtained with the absorption coefficient having a minimum value. Operation can be realized.
Here, since the optical delay effect increases as the denominator of the equation (1) increases, the optical delay factor S can be defined by the following equation (2).
S = n (hν) + hν (∂n (hν) / ∂ (hν)) (2)
図13は、本発明の一実施形態に係る遅れ因子と周波数νXXの光入力パワーとの測定結果を示す図である。
図13において、エネルギーhνXXの制御光L22の光入力パワーを変化させることにより、遅れ因子Sを制御できることが判る。また、制御光L22の光入力パワーを適切に選べば、光の速度vgを10万分の1以下にすることもできる。
なお、励起子分子結合エネルギーEkは励起子分子K2の安定性を決定するため、半導体光制御素子の遅延動作を安定して行わせるためには、半導体光制御素子の使用環境での温度エネルギーよりも励起子分子結合エネルギーEkを大きくすることが好ましい。
FIG. 13 is a diagram illustrating measurement results of the delay factor and the optical input power of the frequency ν XX according to the embodiment of the present invention.
In FIG. 13, it can be seen that the delay factor S can be controlled by changing the optical input power of the control light L22 of energy hv XX . Further, if properly choose the optical input power of the control light L22, the velocity v g of light may be 10 parts per million or less.
Since the exciton molecule binding energy Ek determines the stability of the exciton molecule K2, in order to stably perform the delay operation of the semiconductor light control element, the temperature energy in the use environment of the semiconductor light control element is used. It is also preferable to increase the exciton molecule binding energy Ek.
図14は、本発明の一実施形態に係る量子ドットの横方向の大きさと励起子分子結合エネルギーとの関係を示す図である。
図14において、励起子分子結合エネルギーEkは、図1の量子ドット12の幅r1及び長さr2にて変化することが判る。ここで、励起子分子結合エネルギーEkは、量子ドット12の幅r1及び長さr2がボーア半径の3倍程度で最大になり、ボーア半径の2から10倍の範囲で温度エネルギーEnより大きくなることが判る。また、励起子分子K2だけでなく、励起子K1も安定に存在させるには、量子ドット12の高さr3を0.1から1倍の範囲に設定する必要がある。
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the lateral size of quantum dots and exciton molecule binding energy according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 14, it is understood that the exciton molecule binding energy Ek changes with the width r1 and the length r2 of the
図15は、本発明の第2実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
図15において、半導体基板30上には、エネルギー障壁層31が形成され、エネルギー障壁層31には、量子ドット32が埋め込まれている。なお、量子ドット32のサイズは、例えば、高さが3nm(ボーア半径の0.3倍)、幅が30nm(ボーア半径の3倍)となるように設定することができる。また、量子ドット32の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する半導体レーザ33が設けられている。さらに、半導体レーザ33には、半導体レーザ33を発光させるためのトリガー電圧TG1を印加するトリガー回路34が接続されている。なお、半導体基板30としては、例えば、GaAs(311)B基板の他、GaAs(100)基板やInP基板を用いるようにしてもよい。また、量子ドット32およびエネルギー障壁層31を構成する半導体としては、InGaAs/AlGaAs系の他、InP、GaInAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaInNAsなど任意の材質について適用が可能である。また、半導体レーザ33としては、ファブリーペロー型半導体レーザの他、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどを用いるようにしてもよい。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor optical control device according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 15, an
図16は、図15の半導体光制御素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
図16において、光入力パルスL31aが信号光L31として量子ドット32に入射すると、信号光L31のエネルギーに対応した励起子が量子ドット32に生成される。そして、量子ドット32に励起子が生成された状態で、トリガー回路34からトリガー電圧TG1を半導体レーザ33に印加することにより、制御光L32を量子ドット32に入射させる。そして、制御光L32が量子ドット32に入射されると、制御光L32のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット32に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって屈折率が変化する。このため、光入力パルスL31aが遅延された光出力パルスL31bが量子ドット32から出力される。
FIG. 16 is a timing chart showing an optical delay operation in the semiconductor optical control element of FIG.
In FIG. 16, when the optical input pulse L31a is incident on the
ここで、制御光L32の光パワーに依存して量子ドット32の屈折率の微分が変化するため、半導体レーザ33に印加されるトリガー電圧TG1の大きさと入力タイミングを制御することにより、光出力パルスL31bの遅延時間D1、D2を個別に変化させることができ、光出力パルスL31bの遅延時間D1、D2を光入力パルスL31aごとに異ならせることができる。すなわち、制御光L32の光パワーを増加させると、光の速度vgを速くすることができ、信号光L31の遅延時間を短くすることができる。このため、半導体レーザ33に印加されるトリガー電圧TG1を大きくすると、光出力パルスL31bの遅延時間D1を小さくすることができ、半導体レーザ33に印加されるトリガー電圧TG1を小さくすると、光出力パルスL31bの遅延時間D2を大きくすることができる。
なお、半導体レーザ33の活性層には量子ドット32と同一の構造を持たせるようにしてもよい。これにより、半導体レーザ33の消費電力を低減することが可能となり、量子ドット32が形成された半導体光制御素子に半導体レーザ33を組み込んだ場合においても、半導体光制御素子全体の消費電力を低減することができる。
Here, since the derivative of the refractive index of the
Note that the active layer of the semiconductor laser 33 may have the same structure as the
図17は、本発明の第3実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
図17において、半導体基板40上の一部の領域には、エネルギー障壁層41が形成され、エネルギー障壁層41には、量子ドット42が埋め込まれている。また、半導体基板40上の他の領域には、下部クラッド層43、活性層44および上部クラッド層45が順次積層され、量子ドット42の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する半導体レーザ48が構成されている。さらに、半導体基板40と上部クラッド層45との間には半導体レーザ48に電圧を印加するための直流バイアス電源46が接続されるとともに、直流バイアス電源46には、半導体レーザ48を発光させるためのトリガー電圧TG2を印加するトリガー回路47が接続されている。なお、半導体基板40としては、例えば、GaAs(311)B基板の他、GaAs(100)基板やInP基板を用いるようにしてもよい。また、量子ドット42、エネルギー障壁層41、下部クラッド層43、活性層44および上部クラッド層45を構成する半導体としては、InGaAs/AlGaAs系の他、InP、GaInAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaInNAsなど任意の材質について適用が可能である。また、半導体レーザ43としては、ファブリーペロー型半導体レーザの他、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどを用いるようにしてもよい。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor optical control device according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 17, an
そして、光入力パルスL41aが信号光L41として量子ドット42に入射すると、信号光L41のエネルギーに対応した励起子が量子ドット42に生成される。そして、量子ドット42に励起子が生成された状態で、トリガー電圧TG2を供給することにより、制御光L42を量子ドット42に入射させる。そして、制御光L42が量子ドット42に入射されると、制御光L42のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット42に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって屈折率が変化する。このため、光入力パルスL41aが遅延された光出力パルスL41bが量子ドット42から出力される。
ここで、制御光L42の光パワーに依存して量子ドット42の屈折率の微分が変化するため、トリガー電圧TG2の大きさと入力タイミングを制御することにより、光出力パルスL41bの遅延時間を変化させることができ、信号光L41を電気信号に変換させることなく、遅延時間を制御することができる。
When the optical input pulse L41a enters the
Here, since the derivative of the refractive index of the
図18は、本発明の第4実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
図18において、半導体基板50上の一部の領域には、エネルギー障壁層51が形成され、エネルギー障壁層51には、量子ドット52が埋め込まれている。また、エネルギー障壁層51上には、ブラッグ分布反射層53、活性層54、ブラッグ分布反射層55および電圧印加層56が順次積層され、量子ドット52の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する面発光レーザ60が構成されている。ここで、ブラッグ分布反射層53の一部は、活性層44、ブラッグ分布反射層55および電圧印加層56から露出され、この露出されたブラッグ分布反射層53上には、電圧印加層57が形成されている。さらに、電圧印加層56、57間には面発光レーザ60に電圧を印加するための直流バイアス電源58が接続されるとともに、直流バイアス電源58には、面発光レーザ60を発光させるためのトリガー電圧TG3を印加するトリガー回路59が接続されている。なお、半導体基板50としては、例えば、GaAs(311)B基板の他、GaAs(100)基板やInP基板を用いるようにしてもよい。また、ブラッグ分布反射層53、活性層54、ブラッグ分布反射層55、量子ドット52およびエネルギー障壁層51を構成する半導体としては、InGaAs/AlGaAs系の他、InP、GaInAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaInNAsなど任意の材質について適用が可能である。また、面発光型半導体レーザの他、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどを用いるようにしてもよい。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor optical control device according to the fourth embodiment of the present invention.
In FIG. 18, an
そして、光入力パルスL51aが信号光L51として量子ドット52に入射すると、信号光L51のエネルギーに対応した励起子が量子ドット52に生成される。そして、量子ドット52に励起子が生成された状態で、トリガー電圧TG3を供給することにより、面発光レーザ60を発光させ、面発光レーザ60から出射された制御光を量子ドット52に入射させる。そして、制御光が量子ドット52に入射されると、制御光のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット52に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって屈折率が変化する。このため、光入力パルスL51aが遅延された光出力パルスL51bが量子ドット52から出力される。
When the light input pulse L51a enters the
ここで、面発光レーザ60から出射された制御光の光パワーに依存して量子ドット52の屈折率の微分が変化するため、トリガー電圧TG3の大きさと入力タイミングを制御することにより、光出力パルスL51bの遅延時間を変化させることができ、信号光L51を電気信号に変換させることなく、遅延時間を制御することができる。
Here, since the derivative of the refractive index of the
なお、ブラッグ分布反射層53、活性層44、ブラッグ分布反射層55および電圧印加層56を形成する方法としては、MBE(molecular beam epitaxy)、MOCVD(metal organic chemical vaper depiosition)、あるいはALCVD(atomic layer chemical vaper depiosition)などのエピタキシャル成長を用いることができる。また、量子ドット52が埋め込まれたエネルギー障壁層51を形成する方法としては、量子ドット52を構成する半導体層をエピタキシャル成長にて成膜した後、リソグラフィー技術で形成したレジストパターンをマスクとしてこの半導体層を量子ドット52に形状にエッチングし、さらに、エピタキシャル成長にてエネルギー障壁層51を量子ドット52上に成膜させることにより、量子ドット52をエネルギー障壁層51に埋め込むことができる。
また、図18の実施形態では、量子ドット52が埋め込まれたエネルギー障壁層51上に面発光型半導体レーザ60を積層させる方法について説明したが、量子ドット52が埋め込まれたエネルギー障壁層51を面発光型半導体レーザ60上に積層させるようにしてもよい。
As a method of forming the Bragg
In the embodiment of FIG. 18, the method of laminating the surface emitting
本発明は、遅延時間を制御することを可能とした上で、消費電力化およびコンパクト化が可能な光遅延素子を実現することができ、光通信などの分野で利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can realize an optical delay element capable of controlling power consumption and downsizing while allowing delay time to be controlled, and can be used in fields such as optical communication.
11、31、41、51 エネルギー障壁層
12、32、42、52 量子ドット
13、23 制御用光源
L11、L21、L31、L41、L51 信号光
L11a、L31a、L41a、L51a 光入力パルス
L11b、L31b、L41b、L51b 光出力パルス
L12、L22、L32、L42 制御光
20 GaAs(311)B基板
21 AlGaAs障壁層
22 InGaAs量子ドット
24 波長可変レーザ
25 光検出器
K1 励起子
K2 励起子分子
30、40、50 半導体基板
33、48 半導体レーザ
TG1〜TG3 トリガー電圧
43 下部クラッド層
45 上部クラッド層
44、54 活性層
46、58 直流バイアス電源
34、47、59 トリガー回路
53、55 ブラッグ分布反射層
56、57 電圧印加層
70 面発光レーザ
11, 31, 41, 51
Claims (7)
前記励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光を前記量子ドットに照射する制御用光源とを備えることを特徴とする半導体光制御素子。 Quantum dots that confine excitons;
A semiconductor light control element comprising: a control light source that irradiates the quantum dots with control light having a wavelength corresponding to energy of exciton molecules to which the excitons are bonded.
前記制御用光源と前記量子ドットが設けられた活性領域とが同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の半導体光制御素子。 The control light source is a Fabry-Perot semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser, a light emitting diode or a superluminescent diode,
6. The semiconductor light control element according to claim 1, wherein the control light source and the active region provided with the quantum dots are formed on the same semiconductor substrate.
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