JP2541089B2 - 非線形光学素子 - Google Patents
非線形光学素子Info
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- JP2541089B2 JP2541089B2 JP4341863A JP34186392A JP2541089B2 JP 2541089 B2 JP2541089 B2 JP 2541089B2 JP 4341863 A JP4341863 A JP 4341863A JP 34186392 A JP34186392 A JP 34186392A JP 2541089 B2 JP2541089 B2 JP 2541089B2
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- JP
- Japan
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- optical element
- optical waveguide
- optical
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- area
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学素子に関
し、特に光ファイバ通信や光情報処理等の分野で光制御
素子として用いられる非線形光学素子に関する。
し、特に光ファイバ通信や光情報処理等の分野で光制御
素子として用いられる非線形光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信システムや光情報処理シ
ステムの高速化には、光制御を行う素子の動作の高速化
が必要不可欠である。従来、光制御素子においては、電
気信号により光制御を行う方法（電気−光制御）がとら
れてきたが、近年、より高速の動作が期待される方法と
して、光により光制御を行う方法（光−光制御）が注目
されている。光−光制御方式を用いた場合の利点とし
て、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されな
いこと、電気パルスよりも超短パルス発生の容易な光パ
ルスが利用可能であることなどが挙げられる。
ステムの高速化には、光制御を行う素子の動作の高速化
が必要不可欠である。従来、光制御素子においては、電
気信号により光制御を行う方法（電気−光制御）がとら
れてきたが、近年、より高速の動作が期待される方法と
して、光により光制御を行う方法（光−光制御）が注目
されている。光−光制御方式を用いた場合の利点とし
て、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されな
いこと、電気パルスよりも超短パルス発生の容易な光パ
ルスが利用可能であることなどが挙げられる。
【０００３】例えば、特開平４−３１２５号公報には、
光吸収により非線形屈折率変化を示す光導波部に静電界
を印加する手段を有する非線形光学素子が記載されてい
る。この素子の光導波部では、制御光が吸収され、励起
されたキャリアによるバンドフィリング効果によって非
線形屈折率変化が引き起こされる。この非線形屈折率変
化により、光導波部を伝搬する信号光が位相変調され
る。ここで、光吸収による非線形屈折率変化の発現は非
常に高速であるが、その消失は光励起さたキャリアの寿
命（〜数ｎＳ）により決まるため、高速動作は不可能で
ある。そこで特開平４−３１２５号公報に記載の非線形
光学素子では、この素子の光導波部に静電界が印加され
ることにより、励起されたキャリアを光導波部外に掃引
することを提案している。バンドフィリング効果が前記
掃引時間で消失し、非線形屈折率変化が回復する。すな
わち、この素子では、動作速度がバンド間緩和時間で制
限されず、高速の光制御が可能になる。
光吸収により非線形屈折率変化を示す光導波部に静電界
を印加する手段を有する非線形光学素子が記載されてい
る。この素子の光導波部では、制御光が吸収され、励起
されたキャリアによるバンドフィリング効果によって非
線形屈折率変化が引き起こされる。この非線形屈折率変
化により、光導波部を伝搬する信号光が位相変調され
る。ここで、光吸収による非線形屈折率変化の発現は非
常に高速であるが、その消失は光励起さたキャリアの寿
命（〜数ｎＳ）により決まるため、高速動作は不可能で
ある。そこで特開平４−３１２５号公報に記載の非線形
光学素子では、この素子の光導波部に静電界が印加され
ることにより、励起されたキャリアを光導波部外に掃引
することを提案している。バンドフィリング効果が前記
掃引時間で消失し、非線形屈折率変化が回復する。すな
わち、この素子では、動作速度がバンド間緩和時間で制
限されず、高速の光制御が可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のような電界によ
る光キャリア掃引を行う素子において重要なことは、常
に光導波部に高い静電界が印加されていることである。
しかし実際には、光励起キャリアにより光電流が生じ、
このため光導波部以外の種々の電気抵抗に電圧降下が生
ずる結果、重要な光導波部における電界強度が低下する
という問題があった。したがって高い変調度を得るべく
高密度の光キャリアを生成すると、上記電界強度の低下
により、高速性が損なわれるという問題があった。
る光キャリア掃引を行う素子において重要なことは、常
に光導波部に高い静電界が印加されていることである。
しかし実際には、光励起キャリアにより光電流が生じ、
このため光導波部以外の種々の電気抵抗に電圧降下が生
ずる結果、重要な光導波部における電界強度が低下する
という問題があった。したがって高い変調度を得るべく
高密度の光キャリアを生成すると、上記電界強度の低下
により、高速性が損なわれるという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、このような問題を解決し
た非線形光学素子を提供することにある。
た非線形光学素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の非線形光学素子
は、光吸収により非線形屈折率変化を生ずる半導体材料
からなるコア層とこのコア層に接合するクラッド層とで
層に垂直な方向に光導波構造を形成し、層に水平な方向
にも光導波構造を実現する手段を有し、さらにコア層を
ノンドープとするＰＩＮ構造を成し、さらにこのＰＩＮ
構造の上下に電極を有し、電極の面積が光導波部の面積
より大きいことを特徴とする。
は、光吸収により非線形屈折率変化を生ずる半導体材料
からなるコア層とこのコア層に接合するクラッド層とで
層に垂直な方向に光導波構造を形成し、層に水平な方向
にも光導波構造を実現する手段を有し、さらにコア層を
ノンドープとするＰＩＮ構造を成し、さらにこのＰＩＮ
構造の上下に電極を有し、電極の面積が光導波部の面積
より大きいことを特徴とする。
【０００７】
【実施例】図１に本発明の非線形光学素子の一実施例を
示す。本実施例ではＳｉを１０18ｃｍ-3ドーピングした
ＧａＡｓ基板２上に、Ｓｉを１０18ｃｍ-3ドーピングし
た厚さ２μｍのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．０７）下
部クラッド層３、ノンドーピングで厚さ０．２μｍのＡ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．０７）下部クラッド層４、
ノンドーピングで厚さ０．５μｍのＧａＡｓコア層５、
ノンドーピングで厚さ０．２μｍのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ
（ｘ＝０．０７）上部クラッド層６、Ｂｅを１０18ｃｍ
-3ドーピングした厚さ０．６μｍのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ
（ｘ＝０．０７）上部クラッド層７、Ｂｅを１０18ｃｍ
-3ドーピングした厚さ０．２μｍのＧａＡｓキャップ層
８が順に積層されている。さらに、エッチングプロセス
により高さ０．９μｍ，幅４μｍのストライプが形成さ
れている。素子表面にはＳｉＯ2 絶縁膜１０と電極１１
が積層され、電極１１はＧａＡｓキャップ層８にオーミ
ック接触している。また、基板２の裏面にもオーミック
電極１が形成されている。
示す。本実施例ではＳｉを１０18ｃｍ-3ドーピングした
ＧａＡｓ基板２上に、Ｓｉを１０18ｃｍ-3ドーピングし
た厚さ２μｍのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．０７）下
部クラッド層３、ノンドーピングで厚さ０．２μｍのＡ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．０７）下部クラッド層４、
ノンドーピングで厚さ０．５μｍのＧａＡｓコア層５、
ノンドーピングで厚さ０．２μｍのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ
（ｘ＝０．０７）上部クラッド層６、Ｂｅを１０18ｃｍ
-3ドーピングした厚さ０．６μｍのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ
（ｘ＝０．０７）上部クラッド層７、Ｂｅを１０18ｃｍ
-3ドーピングした厚さ０．２μｍのＧａＡｓキャップ層
８が順に積層されている。さらに、エッチングプロセス
により高さ０．９μｍ，幅４μｍのストライプが形成さ
れている。素子表面にはＳｉＯ2 絶縁膜１０と電極１１
が積層され、電極１１はＧａＡｓキャップ層８にオーミ
ック接触している。また、基板２の裏面にもオーミック
電極１が形成されている。
【０００８】このように、本実施例の非線形光学素子
は、通常はキャパシタンスを最小限にするためにストラ
イプ上のみに形成される電極１１を、その他の部分にも
広げることにより、意図的にキャパシタンスを大きくし
ていることを特徴とする。発明が解決しようとする課題
で述べたように、静電界による光励起キャリアの掃引効
率を上げるためには、常に光導波部に高い静電界が印加
されていることが重要だが、以下の説明で明らかなよう
に、これは大面積電極１１がもたらす大きなキャパシタ
ンスにより達成される。
は、通常はキャパシタンスを最小限にするためにストラ
イプ上のみに形成される電極１１を、その他の部分にも
広げることにより、意図的にキャパシタンスを大きくし
ていることを特徴とする。発明が解決しようとする課題
で述べたように、静電界による光励起キャリアの掃引効
率を上げるためには、常に光導波部に高い静電界が印加
されていることが重要だが、以下の説明で明らかなよう
に、これは大面積電極１１がもたらす大きなキャパシタ
ンスにより達成される。
【０００９】図２に図１の実施例の電気的等価回路を示
す。ここで、Ｃpin は実施例のＰＩＮ構造のキャパシタ
ンス、Ｒは直列内部抵抗（小さいので無視できる）、Ｃ
s は浮遊溶量、Ｚは外部抵抗、ｖ0 ／ｓは光励起による
起電力を表す。ここでｖ0 ＝ｑ0 ／Ｃpin ，ｑ0 は光励
起されたキャリアの量である。キルヒホッフの法則によ
ると、
す。ここで、Ｃpin は実施例のＰＩＮ構造のキャパシタ
ンス、Ｒは直列内部抵抗（小さいので無視できる）、Ｃ
s は浮遊溶量、Ｚは外部抵抗、ｖ0 ／ｓは光励起による
起電力を表す。ここでｖ0 ＝ｑ0 ／Ｃpin ，ｑ0 は光励
起されたキャリアの量である。キルヒホッフの法則によ
ると、
【００１０】
【数１】
【００１１】となる。ｓはラプラス演算子である。ｉ1
およびｉ2 は図２に示すループ電流である。ここで
（１），（２）式より、ＰＩＮ構造に印加されている電
圧を求めると、
およびｉ2 は図２に示すループ電流である。ここで
（１），（２）式より、ＰＩＮ構造に印加されている電
圧を求めると、
【００１２】
【数２】
【００１３】となる。（３）式は光励起されたキャリア
によるキャパシタンスＣpin 上にかかる電圧の変化を示
す。前記の如く、非線形導波路の高速化には、電圧変化
が少ない方が望ましいので、Δｖ（ｔ）→０の極限を求
めると、（Ｃpin ＋Ｃs ）→∞となる。すなわちＰＩＮ
構造のキャパシタンスは大きいほどよく、このために
は、電極の面積が大きいほどよい。
によるキャパシタンスＣpin 上にかかる電圧の変化を示
す。前記の如く、非線形導波路の高速化には、電圧変化
が少ない方が望ましいので、Δｖ（ｔ）→０の極限を求
めると、（Ｃpin ＋Ｃs ）→∞となる。すなわちＰＩＮ
構造のキャパシタンスは大きいほどよく、このために
は、電極の面積が大きいほどよい。
【００１４】以上、本発明の非線形光学素子について、
実施例による詳しい説明を行ったが、本発明は本実施例
に限定されるものではない。本実施例ではＧａＡｓ系の
材料を用いたが、これは光波長に応じて、他の材料、例
えばＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ等が用いられることは明ら
かである。また素子の構造に関しても、導波損失の低減
のためにコア層とクラッド層間にバッファ層を加える
と、種々の変形が考えられる。
実施例による詳しい説明を行ったが、本発明は本実施例
に限定されるものではない。本実施例ではＧａＡｓ系の
材料を用いたが、これは光波長に応じて、他の材料、例
えばＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ等が用いられることは明ら
かである。また素子の構造に関しても、導波損失の低減
のためにコア層とクラッド層間にバッファ層を加える
と、種々の変形が考えられる。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の非線形光
学素子は、大きな素子容量を持つため、制御光吸収によ
る印加静電界の低下が抑制され、高速動作が可能であ
る。
学素子は、大きな素子容量を持つため、制御光吸収によ
る印加静電界の低下が抑制され、高速動作が可能であ
る。
【図１】本発明の非線形光学素子の一実施例を示す断面
図である。
図である。
【図２】図１の実施例の等価回路を示す図である。
１ 電極 ２ ＳｉドープＧａＡｓ基板 ３ ＳｉドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層 ４ ノンドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層 ５ ノンドープＧａＡｓコア層 ６ ノンドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層 ７ ＢｅドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層 ８ ＢｅドープＧａＡｓキャップ層 １０ ＳｉＯ2 絶縁膜 １１ 電極 Ｃpin 非線形素子のＰＩＮ構造のキャパシタンス ｖ0 ／ｓ ステップ状に加えられた励起光による起電力 Ｒ 非線形素子のＰＩＮ構造の抵抗 Ｃs 浮遊および外部回路のキャパシタンス Ｚ 外部回路の抵抗
Claims (2)
- 【請求項１】光吸収により非線形屈折率変化を生ずる半
導体材料からなるコア層とこのコア層に接合するクラッ
ド層とで層に垂直な方向に光導波構造を形成し、層に水
平な方向にも光導波構造を実現する手段を有し、さらに
前記コア層をノンドープとするＰＩＮ構造を成し、さら
にこのＰＩＮ構造の上下に電極を有する非線形光学素子
において、前記電極の面積が光導波部の面積より大きい
ことを特徴とする非線形光学素子。 - 【請求項２】制御光吸収によるバンドフィリング効果と
静電界印加によるキャリア掃引を利用した高速の光−光
制御を行う非線形光学素子において、 大きなキャパシタンスを保持するために、電極の面積を
光導波部の面積よりも大きくしたことを特徴とする非線
形光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4341863A JP2541089B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | 非線形光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4341863A JP2541089B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | 非線形光学素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06186602A JPH06186602A (ja) | 1994-07-08 |
| JP2541089B2 true JP2541089B2 (ja) | 1996-10-09 |
Family
ID=18349333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4341863A Expired - Lifetime JP2541089B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | 非線形光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2541089B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2921397B2 (ja) * | 1994-06-14 | 1999-07-19 | 日本電気株式会社 | 非線形光学素子 |
| JP2012208413A (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-25 | Anritsu Corp | 光ゲート素子 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2783871B2 (ja) * | 1989-10-31 | 1998-08-06 | 沖電気工業株式会社 | 導波型光素子 |
| JPH04107428A (ja) * | 1990-08-28 | 1992-04-08 | Fujikura Ltd | 基板型光スイッチ |
-
1992
- 1992-12-22 JP JP4341863A patent/JP2541089B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06186602A (ja) | 1994-07-08 |
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