JP2584811B2 - 非線形光学素子 - Google Patents
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- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- G02F1/01791—Quantum boxes or quantum dots
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- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
Description
【発明の詳細な説明】 〔従来技術〕 本発明は非線形光学効果を利用して短波長の光を得る
非線形光学素子に関する。
非線形光学素子に関する。
従来、短波長の光を得る為に高調波を発生させる装置
が提案されている。このような装置の概略図を第７図に
示す。
が提案されている。このような装置の概略図を第７図に
示す。
第７図において、半導体レーザ31から発した角振動数
ωの基本波32は、LiNbO3やKDP等の非線形光学結晶30に
入射し、角振動数ωの透過波33とともに、角振動数２ω
の高調波34を発生する。
ωの基本波32は、LiNbO3やKDP等の非線形光学結晶30に
入射し、角振動数ωの透過波33とともに、角振動数２ω
の高調波34を発生する。
また、上記高調波を変調する装置としては、第８図に
示すような装置が知られている。第８図において、第７
図と同一の部材には、同一の符号を付し、詳細な説明は
省略する。ここでは、非線形光学結晶の代わりに有極性
高分子35が用いられている。この有極性高分子35には電
源38によりバイアス電場が印加され、このバイアス電場
は変調器39によって変調を受ける。バイアス電場をオン
すると、有極性高分子35の各分子が同一方向を向いて、
非線形感受率χ(2)が増大し、高調波34が発生する。バ
イアス電場をオフにすると、熱的に分子の向きが乱され
るのでχ(2)が減少し、高調波34も減少する。
示すような装置が知られている。第８図において、第７
図と同一の部材には、同一の符号を付し、詳細な説明は
省略する。ここでは、非線形光学結晶の代わりに有極性
高分子35が用いられている。この有極性高分子35には電
源38によりバイアス電場が印加され、このバイアス電場
は変調器39によって変調を受ける。バイアス電場をオン
すると、有極性高分子35の各分子が同一方向を向いて、
非線形感受率χ(2)が増大し、高調波34が発生する。バ
イアス電場をオフにすると、熱的に分子の向きが乱され
るのでχ(2)が減少し、高調波34も減少する。
しかしながら、これらの装置は以下のような問題点を
有していた。
有していた。
１）非線形感受率χ(2)が小さい為、高調波の発生効率
が低い。
が低い。
２）半導体レーザ等の発光デバイスと同一基板上に作成
するのが難しい。
するのが難しい。
３）第７図示の装置の場合、良質な非線形光学結晶を作
成するのにコストがかかる。
成するのにコストがかかる。
４）第８図示の装置の場合、バイアス電場によって分子
を回転させて整列させているので、数msec程度の遅い応
答速度しか得られない。
を回転させて整列させているので、数msec程度の遅い応
答速度しか得られない。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、安
価に作成出来、高調波の発生効率が高い非線形光学素子
を提供することにある。
価に作成出来、高調波の発生効率が高い非線形光学素子
を提供することにある。
本発明の他の目的は、速い応答速度で高調波を変調出
来る非線形光学素子を提供することにある。
来る非線形光学素子を提供することにある。
本発明の上記目的は、非線形光学効果を利用して、入
射した角振動数ωの光から角振動数２ωの光を発生させ
る非線形光学素子を、母体となる半導体又は絶縁体中
に、プランク定数をｈ、 としたときに、 を満たすバンドギヤツプEgを有し、母体とは異なる直接
遷移型の半導体又は絶縁体を、励起子と同程度の大きさ
にして埋め込んで構成し、この埋め込まれた半導体又は
絶縁体に、電子と正孔の波動函数の重心が異なるよう
に、電子と正孔に対して非対称なポテンシヤルを与える
ことによって達成される。
射した角振動数ωの光から角振動数２ωの光を発生させ
る非線形光学素子を、母体となる半導体又は絶縁体中
に、プランク定数をｈ、 としたときに、 を満たすバンドギヤツプEgを有し、母体とは異なる直接
遷移型の半導体又は絶縁体を、励起子と同程度の大きさ
にして埋め込んで構成し、この埋め込まれた半導体又は
絶縁体に、電子と正孔の波動函数の重心が異なるよう
に、電子と正孔に対して非対称なポテンシヤルを与える
ことによって達成される。
即ち、本発明の素子は半導体又は絶縁体から成る母体
に、励起子のボーア半径と同程度のサイズを持つ直接遷
移型の半導体又は絶縁体を埋め込んで作られた、所謂量
子マイクロヘテロ構造（Quantum Micro Hetero Stru
cture、以下QMHSと記す）において、電子と正孔の重心
位置が異なるようなポテンシヤルを付加すると、励起子
が巨大な双極子モーメントを持つようになり、 を満たす光に対して非常に大きな非線形感受率χ(2)を
持つという、本発明者が始めて見い出した現象を利用し
たものである。
に、励起子のボーア半径と同程度のサイズを持つ直接遷
移型の半導体又は絶縁体を埋め込んで作られた、所謂量
子マイクロヘテロ構造（Quantum Micro Hetero Stru
cture、以下QMHSと記す）において、電子と正孔の重心
位置が異なるようなポテンシヤルを付加すると、励起子
が巨大な双極子モーメントを持つようになり、 を満たす光に対して非常に大きな非線形感受率χ(2)を
持つという、本発明者が始めて見い出した現象を利用し
たものである。
非対称なポテンシヤルは、例えば、QMHSにバイアス電
場を印加することによって付与出来る。ここで、このバ
イアス電場を変調すれば高調波の変調が可能になるわけ
であるが、その応答速度は、分子の回転のような遅いプ
ロセスを含まない為、ｐsec以上の高速となる。
場を印加することによって付与出来る。ここで、このバ
イアス電場を変調すれば高調波の変調が可能になるわけ
であるが、その応答速度は、分子の回転のような遅いプ
ロセスを含まない為、ｐsec以上の高速となる。
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。
る。
第１図は本発明の非線形光学素子の第１の実施例を示
す略断面図である。図において、１は無ドープのAlAsか
ら成る母体半導体、２は無ドープのGaAsから成る埋込半
導体を示す。母体半導体１及び埋込半導体２は、交互に
幾重にも積層されて、全体としてQMHSの一つである量子
井戸構造（Quantum Well Structure、以下QWSと記
す）３を構成している。埋込半導体２の厚さは、GaAsに
おける励起子のボーア半径にほぼ等しい120Åである。Q
WS3の両側には、オーミツクコンタクトをとる為のｐ型
領域５及びｎ型領域６を夫々介して電極51及び52が設け
られている。７及び８は、夫々領域５及び６のキヤリア
がQWS3に流入しないように設けた無ドープのAlAsから成
る電荷分離層である。電極51,52間には、電源50によっ
てバイアス電場が印加される。
す略断面図である。図において、１は無ドープのAlAsか
ら成る母体半導体、２は無ドープのGaAsから成る埋込半
導体を示す。母体半導体１及び埋込半導体２は、交互に
幾重にも積層されて、全体としてQMHSの一つである量子
井戸構造（Quantum Well Structure、以下QWSと記
す）３を構成している。埋込半導体２の厚さは、GaAsに
おける励起子のボーア半径にほぼ等しい120Åである。Q
WS3の両側には、オーミツクコンタクトをとる為のｐ型
領域５及びｎ型領域６を夫々介して電極51及び52が設け
られている。７及び８は、夫々領域５及び６のキヤリア
がQWS3に流入しないように設けた無ドープのAlAsから成
る電荷分離層である。電極51,52間には、電源50によっ
てバイアス電場が印加される。
次に上記素子の動作原理を説明する。第２図は、第１
図におけるQWS3の一部分のエネルギーバンドを示す図で
ある。第２図において、71は伝導帯の底のエネルギー、
72は価電子帯の頂上のエネルギー、81は電子の波動函
数、82は正孔の波動函数を示す。QWS3には、電源50によ
ってバイアス電場が印加されている為、ポテンシヤルは
全体に傾いたものになっている。従って、電子及び正孔
に対するポテンシヤルは非対称であり、これらの波動函
数81及び82は互いに重心位置が異なっている。その結
果、電子と正孔の束縛状態である励起子は、大きな双極
子モーメントを持つようになる。これは、QWS3が全体と
して大きな非線形感受率χ(2)を有するようになること
を意味する。例えば、GaAs/AlGaAsから成るQWSは、LiNb
O3の400倍、KDPの5000倍の値のχ(2)を有する。
図におけるQWS3の一部分のエネルギーバンドを示す図で
ある。第２図において、71は伝導帯の底のエネルギー、
72は価電子帯の頂上のエネルギー、81は電子の波動函
数、82は正孔の波動函数を示す。QWS3には、電源50によ
ってバイアス電場が印加されている為、ポテンシヤルは
全体に傾いたものになっている。従って、電子及び正孔
に対するポテンシヤルは非対称であり、これらの波動函
数81及び82は互いに重心位置が異なっている。その結
果、電子と正孔の束縛状態である励起子は、大きな双極
子モーメントを持つようになる。これは、QWS3が全体と
して大きな非線形感受率χ(2)を有するようになること
を意味する。例えば、GaAs/AlGaAsから成るQWSは、LiNb
O3の400倍、KDPの5000倍の値のχ(2)を有する。
このQWS3中を第１図のように半導体レーザ４等の光源
から発した角振動数ω（埋込半導体のバンドギヤツプを
Eg、プランク定数をｈ、 とすると の関係を有する）の基本波10が通過すると、一部はその
まま角振動数ωの透過波11として出てくるが、一部は角
振動数２ωの高調波12に変換される。このとき、変換効
率はχ(2)の自乗に比例する為、非常に高効率となる。
から発した角振動数ω（埋込半導体のバンドギヤツプを
Eg、プランク定数をｈ、 とすると の関係を有する）の基本波10が通過すると、一部はその
まま角振動数ωの透過波11として出てくるが、一部は角
振動数２ωの高調波12に変換される。このとき、変換効
率はχ(2)の自乗に比例する為、非常に高効率となる。
前述の実施例では素子をGaAs及びAlAsで作成したが、
半導体1,2及び層7,8の材料にAlxGa1-xAsを用い、QWS3の
平均のｘが、層７及び８のｘより小さくすれば、QWS3の
屈折率が層７及び８の屈折率より大きくなる。従って、
全体として導波路構造となり、光がQWS3に閉じ込められ
て光の密度が増すので、高調波の生成効率を更に高める
ことが出来る。これは一般に、QWS3の屈折率が層７及び
８の屈折率より大きくなるような組成を選べば、AlxGa
1-xAs以外の材料を用いた場合でも、同様のことが言え
る。またこのように、本発明の素子は化合物半導体を用
いて作成できる為に、同じく化合物半導体から成る半導
体レーザ等の発光デバイスと、同一基板上にモノリシツ
クに形成することが可能である。
半導体1,2及び層7,8の材料にAlxGa1-xAsを用い、QWS3の
平均のｘが、層７及び８のｘより小さくすれば、QWS3の
屈折率が層７及び８の屈折率より大きくなる。従って、
全体として導波路構造となり、光がQWS3に閉じ込められ
て光の密度が増すので、高調波の生成効率を更に高める
ことが出来る。これは一般に、QWS3の屈折率が層７及び
８の屈折率より大きくなるような組成を選べば、AlxGa
1-xAs以外の材料を用いた場合でも、同様のことが言え
る。またこのように、本発明の素子は化合物半導体を用
いて作成できる為に、同じく化合物半導体から成る半導
体レーザ等の発光デバイスと、同一基板上にモノリシツ
クに形成することが可能である。
前述の実施例では、非対称ポテンシヤルを付与する手
段として外部バイアス電場を用いたが、埋込半導体の組
成を場所によって異ならせることによって非対称ポテン
シヤルを実現しても良い。第３図はこのような例を示す
エネルギーバンド図である。ここでは、母体半導体１は
AlAsから成り、埋込半導体２は、（InAs）1-x（GaAs）
ｘから（GaSb）1-y（GaAs）ｙへと厚さ方向に組成を徐
々に変化させて形成されている。その為、埋込半導体２
中では、伝導帯の底のエネルギー71及び価電子帯の頂上
のエネルギー72のポテンシヤルは傾いたものとなってい
る。従って、電子及び正孔の波動函数81及び82は互いに
重心位置が異なり、前述の実施例と同様に高効率に高調
波を発生させることが出来る。このような構成とすれ
ば、バイアス電場を印加する必要がない為、第１図の電
源50及び電極51,52が不要となる。組成を変化させる手
法に関しては、例えば、アイトリプルイージヤーナルク
オンタムエレクトロニクス（IEEE J.Quantum Electro
nics）QE−22,P1611（1986）,L.Esakiに記載されている
“Type II−Staggerd Super−lattice"を用いれば良
い。
段として外部バイアス電場を用いたが、埋込半導体の組
成を場所によって異ならせることによって非対称ポテン
シヤルを実現しても良い。第３図はこのような例を示す
エネルギーバンド図である。ここでは、母体半導体１は
AlAsから成り、埋込半導体２は、（InAs）1-x（GaAs）
ｘから（GaSb）1-y（GaAs）ｙへと厚さ方向に組成を徐
々に変化させて形成されている。その為、埋込半導体２
中では、伝導帯の底のエネルギー71及び価電子帯の頂上
のエネルギー72のポテンシヤルは傾いたものとなってい
る。従って、電子及び正孔の波動函数81及び82は互いに
重心位置が異なり、前述の実施例と同様に高効率に高調
波を発生させることが出来る。このような構成とすれ
ば、バイアス電場を印加する必要がない為、第１図の電
源50及び電極51,52が不要となる。組成を変化させる手
法に関しては、例えば、アイトリプルイージヤーナルク
オンタムエレクトロニクス（IEEE J.Quantum Electro
nics）QE−22,P1611（1986）,L.Esakiに記載されている
“Type II−Staggerd Super−lattice"を用いれば良
い。
第４図は、本発明の非線形光学素子の第２の実施例を
示す略断面図である。第４図において、第１図と同一の
部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
示す略断面図である。第４図において、第１図と同一の
部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例は、前述のQWS3に代えて、QMHSとして量子点
（Quantum Dot、以下QDと記す）構造の層13を用いたも
のである。層13は、母体となるガラス21内に、粒径100
Å程度のCuCl粒子２を埋め込んだものである。本実施例
においても、電源50からバイアス電場を印加することに
よって、高効率に高調波12を発生させることが出来る。
（Quantum Dot、以下QDと記す）構造の層13を用いたも
のである。層13は、母体となるガラス21内に、粒径100
Å程度のCuCl粒子２を埋め込んだものである。本実施例
においても、電源50からバイアス電場を印加することに
よって、高効率に高調波12を発生させることが出来る。
第５図は、本発明の非線形光学素子の第３の実施例を
示す略断面図である。第５図において、第１図と同一の
部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
示す略断面図である。第５図において、第１図と同一の
部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例は、電源50から供給されるバイアス電場を変
調する変調器53を設けた点で第１実施例と相異する。こ
の変調器53としては、通常のスイツチ等を用いることが
出来る。変調器53でバイアス電場をオン−オフすると、
χ(2)が変化し、高調波12を変調することが出来る。そ
の応答速度は、前述したようにｐsec以上の高速であ
る。この場合に、実際の応答速度は、回路系のCR時定数
で決まるが、これもｐsec程度の速さにすることは可能
である。本実施例においてもQWS3の代わりに第４図の如
きQD構造の層13を用いることが出来る。
調する変調器53を設けた点で第１実施例と相異する。こ
の変調器53としては、通常のスイツチ等を用いることが
出来る。変調器53でバイアス電場をオン−オフすると、
χ(2)が変化し、高調波12を変調することが出来る。そ
の応答速度は、前述したようにｐsec以上の高速であ
る。この場合に、実際の応答速度は、回路系のCR時定数
で決まるが、これもｐsec程度の速さにすることは可能
である。本実施例においてもQWS3の代わりに第４図の如
きQD構造の層13を用いることが出来る。
第６図は、本発明の非線形光学素子の第４の実施例を
示す略断面図である。第６図において、第１図と同一の
部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
示す略断面図である。第６図において、第１図と同一の
部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例は、QWS3の光出射側に、高調波を選択的に分
離するフイルター54を設けた点で、第１実施例と異な
る。このフイルター54としては、色ガラス、多層コーテ
イングガラス、回折格子等を用いることが出来る。フイ
ルター54は角振動数２ωの高調波12を透過し、角振動数
ωの透過波11を透過しないように設定される。従って、
素子からは高調波12′のみが出射し、この高調波を利用
する際に、透過波11の影響を除去することが出来る。本
実施例において、QWS3の代わりに第４図の如きQD構造の
層13を用いても良い。また、埋め込み層の組成を第３図
のように徐々に変化させても良い。更に、第５図の如き
変調器53を設ければ、変調された高調波のみを素子から
取り出すことが出来る。
離するフイルター54を設けた点で、第１実施例と異な
る。このフイルター54としては、色ガラス、多層コーテ
イングガラス、回折格子等を用いることが出来る。フイ
ルター54は角振動数２ωの高調波12を透過し、角振動数
ωの透過波11を透過しないように設定される。従って、
素子からは高調波12′のみが出射し、この高調波を利用
する際に、透過波11の影響を除去することが出来る。本
実施例において、QWS3の代わりに第４図の如きQD構造の
層13を用いても良い。また、埋め込み層の組成を第３図
のように徐々に変化させても良い。更に、第５図の如き
変調器53を設ければ、変調された高調波のみを素子から
取り出すことが出来る。
本発明は以上説明した実施例の他にも、種々の応用が
考えられる。例えば、QMHSとしてQWSやQDの他に、量子
細線（Quantum Line、以下QLと記す）構造を用いても
良い。このようなQD,QLはQWSより大きな非線形感受率χ
(2)を得ることが出来る。また、素子を作成する材料も
実施例に限らず、例えば、II−VI族半導体などを用いて
もかまわない。本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない
限りにおいて、このような応用例を全て包含するもので
ある。
考えられる。例えば、QMHSとしてQWSやQDの他に、量子
細線（Quantum Line、以下QLと記す）構造を用いても
良い。このようなQD,QLはQWSより大きな非線形感受率χ
(2)を得ることが出来る。また、素子を作成する材料も
実施例に限らず、例えば、II−VI族半導体などを用いて
もかまわない。本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない
限りにおいて、このような応用例を全て包含するもので
ある。
以上説明したように、本発明の非線形光学素子は、QM
HSに非対称なポテンシヤルを付与することによって構成
したので、 ｉ） 高調波を高い効率で発生させることが出来る、 ii） 発光デバイスとモノリシツクに形成することが可
能となる、 iii） 安いコストで作成出来る。
HSに非対称なポテンシヤルを付与することによって構成
したので、 ｉ） 高調波を高い効率で発生させることが出来る、 ii） 発光デバイスとモノリシツクに形成することが可
能となる、 iii） 安いコストで作成出来る。
等の効果を有する。また、本発明を非線形光変調器に応
用した場合には、応答速度の速い変調が可能となるもの
である。
用した場合には、応答速度の速い変調が可能となるもの
である。
第１図は本発明の非線形光学素子の一実施例を示す略断
面図、第２図及び第３図は夫々本発明におけるQWSの一
部のエネルギーバンドの様子を示す図、第４図，第５図
及び第６図は夫々本発明の他の実施例を示す略断面図、
第７図及び第８図は夫々従来の高調波発生素子を示す概
略図である。 １……母体半導体、２……埋込半導体 ３……量子井戸構造、４……半導体レーザ ５……ｐ型領域、６……ｎ型領域 7,8……電荷分離層、10……基本波 11……透過波、12……高調波 50……電源、51,52……電極
面図、第２図及び第３図は夫々本発明におけるQWSの一
部のエネルギーバンドの様子を示す図、第４図，第５図
及び第６図は夫々本発明の他の実施例を示す略断面図、
第７図及び第８図は夫々従来の高調波発生素子を示す概
略図である。 １……母体半導体、２……埋込半導体 ３……量子井戸構造、４……半導体レーザ ５……ｐ型領域、６……ｎ型領域 7,8……電荷分離層、10……基本波 11……透過波、12……高調波 50……電源、51,52……電極
Claims (5)
- 【請求項１】非線形光学効果を利用して、入射した角振
動数ωの光から角振動数２ωの光を発生させる非線形光
学素子において、 前記素子は、母体となる半導体又は絶縁体中に、プラン
ク定数をｈ、 としたときに、 を満たすバンドギヤツプEgを有し、母体とは異なる直接
遷移型の半導体又は絶縁体を、励起子と同程度の大きさ
にして埋め込み、この埋め込まれた半導体又は絶縁体
に、電子と正孔の波動函数の重心が異なるように、電子
と正孔に対して非対称なポテンシヤルを与えて成ること
を特徴とする非線形光学素子。 - 【請求項２】前記角振動数ωの光から角振動数２ωの光
を選択的に分離するフイルターを設けた特許請求の範囲
第１項記載の非線形光学素子。 - 【請求項３】前記非対称なポテンシヤルは、前記母体及
び埋め込まれた半導体又は絶縁体に、バイアス電場を印
加することによって与えられる特許請求の範囲第１項又
は第２項記載の非線形光学素子。 - 【請求項４】前記非対称なポテンシヤルは、前記埋め込
まれた半導体又は絶縁体の組成を場所によって異ならせ
ることによって与えられる特許請求の範囲第１項又は第
２項記載の非線形光学素子。 - 【請求項５】非線形光学効果を利用して、入射した角振
動数ωの光から角振動数２ωの光を発生させる非線形光
学素子において、 前記素子は、母体となる半導体又は絶縁体と、この母体
に励起と同程度の大きさで埋め込まれたプランク定数を
ｈ、 としたときに、 を満たすバンドギヤツプEgを有する、母体とは異なる直
接遷移型の半導体又は絶縁体と、これらの半導体又は絶
縁体にバイアス電場を印加する手段と、このバイアス電
場を変調する手段とから成ることを特徴とする非線形光
学素子。
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