JP2666966B2 - 非線形光学素子用半導体 - Google Patents
非線形光学素子用半導体Info
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- JP2666966B2 JP2666966B2 JP63143571A JP14357188A JP2666966B2 JP 2666966 B2 JP2666966 B2 JP 2666966B2 JP 63143571 A JP63143571 A JP 63143571A JP 14357188 A JP14357188 A JP 14357188A JP 2666966 B2 JP2666966 B2 JP 2666966B2
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- Japan
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- semiconductor
- fine particles
- exciton
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、室温において大きな非線形感受率を有し、
しかもピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体に関す
るものである。
しかもピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体に関す
るものである。
［従来の技術］ これまでGaAs系超格子では準二次元自由励起子の光学
的非線形性が盛んに調べられ、シード（SEED,Self Elec
tro−optic Effect Device）等のデバイスが考えられて
いる。このデバイスは例えば「ミラー等著、応用物理論
文45巻、13頁、1984」（D.A.B.Miller,D.S.Shemla,T.C.
Damen,A.C.Gossard,W.Wiegmann,T.H.Wood and C.A.Burr
us,Appl.Phys.Lett.Vol.45,p.13,1984）に記載されてい
る。ところが、自由励起子を動作媒体として用いる場合
には、スペクトル拡散や空間拡散により飽和入力強度が
高くなる傾向がある。また、バンドフィリング効果を用
いるため、応答速度がナノ秒以上と遅い欠点があった。
一方、自由励起子のかわりに、不純物の回りに局在化さ
れた束縛励起子を用いると、光学的非線形性が大きくな
り、且つ応答速度も速くなることが知られている。これ
については例えば、「シャーフィン等著、米国光学学会
誌B2巻、1179頁、1985」（W.F・Sharfin and M.Dagenai
s,J.Opt.Soc.Am.B Vol.2,p.1179,1985）および「高河原
等著、フィジカル レビュー レターズ56巻、2533頁、
1986」（T.Takagahara and E.Hanamura,Phys.Rev.Lett.
Vol.56,p.2533,1986）に記載されている。しかし、束縛
励起子の熱的解離エネルギーは一般的には小さく、室温
で動作できる非線形光学素子は、現在までのところ実現
されていない。
的非線形性が盛んに調べられ、シード（SEED,Self Elec
tro−optic Effect Device）等のデバイスが考えられて
いる。このデバイスは例えば「ミラー等著、応用物理論
文45巻、13頁、1984」（D.A.B.Miller,D.S.Shemla,T.C.
Damen,A.C.Gossard,W.Wiegmann,T.H.Wood and C.A.Burr
us,Appl.Phys.Lett.Vol.45,p.13,1984）に記載されてい
る。ところが、自由励起子を動作媒体として用いる場合
には、スペクトル拡散や空間拡散により飽和入力強度が
高くなる傾向がある。また、バンドフィリング効果を用
いるため、応答速度がナノ秒以上と遅い欠点があった。
一方、自由励起子のかわりに、不純物の回りに局在化さ
れた束縛励起子を用いると、光学的非線形性が大きくな
り、且つ応答速度も速くなることが知られている。これ
については例えば、「シャーフィン等著、米国光学学会
誌B2巻、1179頁、1985」（W.F・Sharfin and M.Dagenai
s,J.Opt.Soc.Am.B Vol.2,p.1179,1985）および「高河原
等著、フィジカル レビュー レターズ56巻、2533頁、
1986」（T.Takagahara and E.Hanamura,Phys.Rev.Lett.
Vol.56,p.2533,1986）に記載されている。しかし、束縛
励起子の熱的解離エネルギーは一般的には小さく、室温
で動作できる非線形光学素子は、現在までのところ実現
されていない。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は実用的なデバイスへの応用上必須な室温動作
に耐えられ、しかも大きな非線形感受率を有し、応答速
度の速い非線形光学素子を実現するための半導体を提供
することを目的とする。
に耐えられ、しかも大きな非線形感受率を有し、応答速
度の速い非線形光学素子を実現するための半導体を提供
することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明は室温において大きな非線形感受率を有し、か
つピコ秒で応答する非線光学素子用半導体であって、半
導体が量子箱構造半導体または半導体微粒子からなり、
量子箱（微粒子）を構成する材料の禁制帯幅E1および誘
電率ε１と充填媒質の禁制帯幅E2および誘電率ε２とが
E1＜E2およびε１＞ε２なる関係を有し、微粒の粒径は
微粒子の束縛エネルギーが室温の熱エネルギーより十分
に大きくなる程度に小さく、かつ量子箱構造半導体また
は半導体微粒子が励起子分子状態に共鳴する波長におい
て動作することを特徴とする。
つピコ秒で応答する非線光学素子用半導体であって、半
導体が量子箱構造半導体または半導体微粒子からなり、
量子箱（微粒子）を構成する材料の禁制帯幅E1および誘
電率ε１と充填媒質の禁制帯幅E2および誘電率ε２とが
E1＜E2およびε１＞ε２なる関係を有し、微粒の粒径は
微粒子の束縛エネルギーが室温の熱エネルギーより十分
に大きくなる程度に小さく、かつ量子箱構造半導体また
は半導体微粒子が励起子分子状態に共鳴する波長におい
て動作することを特徴とする。
［作 用］ 低次元量子井戸構造中の励起子分子を動作媒体として
用いると、束縛エネルギーの増大により室温動作が可能
となること、巨大振動子効果により非線形感受率が増大
されること、および非線形性の機構が従来の吸収飽和で
はなく、二光子による仮想遷移であるため応答速度が極
めて速くなることなどの長所があり、速い応答速度を持
つ大きな光学的非線形性が室温において実現される。
用いると、束縛エネルギーの増大により室温動作が可能
となること、巨大振動子効果により非線形感受率が増大
されること、および非線形性の機構が従来の吸収飽和で
はなく、二光子による仮想遷移であるため応答速度が極
めて速くなることなどの長所があり、速い応答速度を持
つ大きな光学的非線形性が室温において実現される。
励起子分子状態とは、２個の励起子が束縛状態を作っ
ているものであり、２個の電子と２個の正孔の運動が複
雑に絡み合った四粒子状態である。従来までに、量子井
戸、量子細線構造中の励起子分子状態の計算結果の報告
があるが、半導体微粒子における計算結果は報告されて
いないので、ここでは球形の半導体微粒子における励起
子分子状態を変分法により計算した結果について説明す
る。
ているものであり、２個の電子と２個の正孔の運動が複
雑に絡み合った四粒子状態である。従来までに、量子井
戸、量子細線構造中の励起子分子状態の計算結果の報告
があるが、半導体微粒子における計算結果は報告されて
いないので、ここでは球形の半導体微粒子における励起
子分子状態を変分法により計算した結果について説明す
る。
励起子分子の束縛エネルギー（BXX）は、励起子エネ
ルギーの２倍から励起子分子の全エネルギーを差し引い
たものと定義する。この束縛エネルギーは、微粒子の粒
径R,電子正孔質量比me/mh,微粒子とそれを取り囲む充填
媒質との誘電率比ε1/ε２の三つの重要なパラメータに
より決められている。これらの依存性を第１図から第３
図に示す。ここで、粒径はバルク半導体における励起子
のボーア半径（aB）で規格化されており、束縛エネルギ
ーは同じくバルク半導体における励起子の束縛エネルギ
ー（有効リドベルグ）Ryを単位としてある。RyはRy＝e2
/2ε1aBで与えられる。ここでｅは電子の素電荷であ
る。図より大きな束縛エネルギーを得るには、小さい粒
径、小さい電子正孔質量比、大きい誘電率比が有効であ
ることがわかる。とりわけ小さい粒径の場合の誘電率比
依存性は顕著である（第３図）。
ルギーの２倍から励起子分子の全エネルギーを差し引い
たものと定義する。この束縛エネルギーは、微粒子の粒
径R,電子正孔質量比me/mh,微粒子とそれを取り囲む充填
媒質との誘電率比ε1/ε２の三つの重要なパラメータに
より決められている。これらの依存性を第１図から第３
図に示す。ここで、粒径はバルク半導体における励起子
のボーア半径（aB）で規格化されており、束縛エネルギ
ーは同じくバルク半導体における励起子の束縛エネルギ
ー（有効リドベルグ）Ryを単位としてある。RyはRy＝e2
/2ε1aBで与えられる。ここでｅは電子の素電荷であ
る。図より大きな束縛エネルギーを得るには、小さい粒
径、小さい電子正孔質量比、大きい誘電率比が有効であ
ることがわかる。とりわけ小さい粒径の場合の誘電率比
依存性は顕著である（第３図）。
次に、励起子から励起子分子への遷移の振動子強度の
粒径R/aB,電子正孔質量比me/mh,微粒子と充填媒質との
誘電率比ε1/ε２への依存性を同様に第４図から第６図
に示す。ここで振動子強度はバルク半導体のバンド間遷
移の振動子強度（f0）で規格化されている。各図から大
きな振動子強度を得るには、大きな粒径、小さい電子正
孔質量比、大きい誘電率比が有効であることがわかる。
粒径R/aB,電子正孔質量比me/mh,微粒子と充填媒質との
誘電率比ε1/ε２への依存性を同様に第４図から第６図
に示す。ここで振動子強度はバルク半導体のバンド間遷
移の振動子強度（f0）で規格化されている。各図から大
きな振動子強度を得るには、大きな粒径、小さい電子正
孔質量比、大きい誘電率比が有効であることがわかる。
以上の結果から、微粒子の粒径は束縛エネルギーが室
温の熱エネルギーより十分大きい程度に小さく、かつ必
要な振動子強度を維持できる程度の大きさを有すること
が必要とされる。さらに微粒子と充填媒質の禁制帯幅を
それぞれE1およびE2とした時、E1＜E2であることが必要
である。
温の熱エネルギーより十分大きい程度に小さく、かつ必
要な振動子強度を維持できる程度の大きさを有すること
が必要とされる。さらに微粒子と充填媒質の禁制帯幅を
それぞれE1およびE2とした時、E1＜E2であることが必要
である。
次に、二光子遷移で作られる励起子分子状態を経由し
て生ずる三次の光学的非線形性χ(3)の周波数分散を第
７図に示す。ここでΔは二光子共鳴からの非共鳴エネル
ギーであり、励起子分子の全エネルギーをEBとして で定義されている。横軸はΔを励起子の位相緩和率γeg
で規格してある。一光子共鳴 のみならず二光子共鳴（Δ＝０）での特徴的な分散時性
が見られている。特に実部Reχ(3),虚部Imχ(3)の分散
特性が一光子共鳴と二光子共鳴とで逆になっていること
は興味深い。光学的非線形性の効率を表わす特性指数と
しては、χ(3)を吸収係数αで割ったものが考えられ、
これは１個の励起子または電子正孔対当りの吸収係数ま
たは屈折率の変換に比例する。この特性指数を第８図に
示す。二光子共鳴の所ではχ(3)の絶対値は小さいが、
χ(3)/α鋭いピークを持っており、励起子分子遷移を用
いることの有効性がわかる。しかも、励起子分子の二光
子共鳴を用いる光学的非線形性は、吸収飽和型非線形性
とは異なり、励起子または光励起キャリアーの分布の代
わりに二光子による仮想遷移を用いているので、応答時
間が極めて短い特徴がある。
て生ずる三次の光学的非線形性χ(3)の周波数分散を第
７図に示す。ここでΔは二光子共鳴からの非共鳴エネル
ギーであり、励起子分子の全エネルギーをEBとして で定義されている。横軸はΔを励起子の位相緩和率γeg
で規格してある。一光子共鳴 のみならず二光子共鳴（Δ＝０）での特徴的な分散時性
が見られている。特に実部Reχ(3),虚部Imχ(3)の分散
特性が一光子共鳴と二光子共鳴とで逆になっていること
は興味深い。光学的非線形性の効率を表わす特性指数と
しては、χ(3)を吸収係数αで割ったものが考えられ、
これは１個の励起子または電子正孔対当りの吸収係数ま
たは屈折率の変換に比例する。この特性指数を第８図に
示す。二光子共鳴の所ではχ(3)の絶対値は小さいが、
χ(3)/α鋭いピークを持っており、励起子分子遷移を用
いることの有効性がわかる。しかも、励起子分子の二光
子共鳴を用いる光学的非線形性は、吸収飽和型非線形性
とは異なり、励起子または光励起キャリアーの分布の代
わりに二光子による仮想遷移を用いているので、応答時
間が極めて短い特徴がある。
［実施例］ 以下に本発明の実施例を説明する。
実施例１ 真空中のGaAs微粒子について説明する。これは現在ま
でのところ、GaAs−AlGaAs多重量子井戸構造を電子ビー
ムリソグラフィとエッチングの技術により加工し、近似
的に円筒形の微粒子として実現されている。ここでは求
形微粒子についての光学的非線形性の評価について述べ
る。電子正孔質量比は0.14、微粒子と真空との誘電率の
比は12.56である。GaAs微粒子の禁制帯幅E11.52eV,真
空の禁制帯幅E2∞である。微粒子の半径として、R/aB
＝0.2（aBはバルクでの励起子のボーア半径で約136Å）
すなわちＲ27Åととると、励起子分子の束縛エネルギ
ーは約50meVと見積られ、By4.2meVである。これは室
温の熱エネルギーより十分大きく、室温での安定性を保
証するものである。χ(3)の大きさは微粒子の数密度10
15cm-3に対し、二光子共鳴で1.3×10-7esu、一光子共鳴
では1.0×10-3esuと評価され、GaAs量子井戸で観測され
ている値と遜色はない。しかもこの場合は応答速度がピ
コ秒からサブピコ秒と速いことが特徴である。
でのところ、GaAs−AlGaAs多重量子井戸構造を電子ビー
ムリソグラフィとエッチングの技術により加工し、近似
的に円筒形の微粒子として実現されている。ここでは求
形微粒子についての光学的非線形性の評価について述べ
る。電子正孔質量比は0.14、微粒子と真空との誘電率の
比は12.56である。GaAs微粒子の禁制帯幅E11.52eV,真
空の禁制帯幅E2∞である。微粒子の半径として、R/aB
＝0.2（aBはバルクでの励起子のボーア半径で約136Å）
すなわちＲ27Åととると、励起子分子の束縛エネルギ
ーは約50meVと見積られ、By4.2meVである。これは室
温の熱エネルギーより十分大きく、室温での安定性を保
証するものである。χ(3)の大きさは微粒子の数密度10
15cm-3に対し、二光子共鳴で1.3×10-7esu、一光子共鳴
では1.0×10-3esuと評価され、GaAs量子井戸で観測され
ている値と遜色はない。しかもこの場合は応答速度がピ
コ秒からサブピコ秒と速いことが特徴である。
実施例２ ガラス中のcds微粒子について説明する。これは通常
の色ガラスフィルターにおいて実現されている。ここで
は電子間孔質量比は0.24、微粒子とガラスとの誘電率比
は3.8である。微粒子の禁制帯幅E1は約2.58eV,ガラスの
禁制帯幅は約10eVである。微粒子の半径としてR/aB＝３
すなわちＲ90Å（aB30Å）ととると、励起子分子の
束縛エネルギーは約20meV（Ry28meV）と見積られ、室
温での安定性の条件はほぼ満たされているとしてよい。
χ(3)の大きさは粒子数密度1015cm-3に対し、二光子共
鳴で1.9×10-6esu、一光子共鳴では8.0×10-4seu程度と
評価される。
の色ガラスフィルターにおいて実現されている。ここで
は電子間孔質量比は0.24、微粒子とガラスとの誘電率比
は3.8である。微粒子の禁制帯幅E1は約2.58eV,ガラスの
禁制帯幅は約10eVである。微粒子の半径としてR/aB＝３
すなわちＲ90Å（aB30Å）ととると、励起子分子の
束縛エネルギーは約20meV（Ry28meV）と見積られ、室
温での安定性の条件はほぼ満たされているとしてよい。
χ(3)の大きさは粒子数密度1015cm-3に対し、二光子共
鳴で1.9×10-6esu、一光子共鳴では8.0×10-4seu程度と
評価される。
実施例３ NaClマトリクス中のCuCl微粒子について説明する。こ
れは、NaCl単結晶中にドープしたCu+イオンの拡散を利
用して作られる。電子正孔質量比は0.22、CuClとNaClの
誘電率比は2.3である。CuCl微粒子の禁制帯幅E1は約3.3
9eV,NaClの禁制帯幅E2は約8.6eVである。微粒子の半径
としてR/aB＝３すなわちＲ20Å（aB７Å）ととる
と、励起子分子の束縛エネルギーは約110meV（Ry190m
eV）とない、室温の熱エネルギーよりはるかに大きい。
χ(3)の大きさは粒子数密度1015cm-3に対し、二光子共
鳴で1.2×10-8esu、一光子共鳴では2.1×10-4seu程度と
評価される。
れは、NaCl単結晶中にドープしたCu+イオンの拡散を利
用して作られる。電子正孔質量比は0.22、CuClとNaClの
誘電率比は2.3である。CuCl微粒子の禁制帯幅E1は約3.3
9eV,NaClの禁制帯幅E2は約8.6eVである。微粒子の半径
としてR/aB＝３すなわちＲ20Å（aB７Å）ととる
と、励起子分子の束縛エネルギーは約110meV（Ry190m
eV）とない、室温の熱エネルギーよりはるかに大きい。
χ(3)の大きさは粒子数密度1015cm-3に対し、二光子共
鳴で1.2×10-8esu、一光子共鳴では2.1×10-4seu程度と
評価される。
以上の実施例では、粒子数密度はすべて1015cm-3と仮
定したが、χ(3)の大きさは数密度に比例するので、数
密度を上げることによって、さらに大きな光学的比線形
性が期待される。
定したが、χ(3)の大きさは数密度に比例するので、数
密度を上げることによって、さらに大きな光学的比線形
性が期待される。
［発明の効果］ 以上説明したように、量子箱構造半導体あるいは半導
体微粒子においては、励起子分子状態が室温でも安定に
存在し大きい非線形感受率と高速な応答速度とを持つの
で、励起子分子状態に二光子共鳴する波長で動作させる
ことにより低い孔入力で高速応答する非線形光学素子を
実現できる。
体微粒子においては、励起子分子状態が室温でも安定に
存在し大きい非線形感受率と高速な応答速度とを持つの
で、励起子分子状態に二光子共鳴する波長で動作させる
ことにより低い孔入力で高速応答する非線形光学素子を
実現できる。
第１図は励起子分子の束縛エネルギーと粒径との関係を
示す特性図、 第２図は励起子分子の束縛エネルギーと電子正孔質量比
との関係を示す特性図、 第３図は励起子分子の束縛エネルギーと誘電率比との関
係を示す特性図、 第４図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と粒径との関係を示す特性図、 第５図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と電子正孔質量比との関係を示す特性図、 第６図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と誘電率比との関係を示す特性図、 第７図は三次の比線形感受率の周波数分散を示す図、 第８図は三次の非線形感受率の特性指数の周波数分散を
示す図である。
示す特性図、 第２図は励起子分子の束縛エネルギーと電子正孔質量比
との関係を示す特性図、 第３図は励起子分子の束縛エネルギーと誘電率比との関
係を示す特性図、 第４図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と粒径との関係を示す特性図、 第５図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と電子正孔質量比との関係を示す特性図、 第６図は微粒子中の励起子から励起子分子への遷移の振
動子強度と誘電率比との関係を示す特性図、 第７図は三次の比線形感受率の周波数分散を示す図、 第８図は三次の非線形感受率の特性指数の周波数分散を
示す図である。
Claims (1)
- 【請求項１】室温において大きな非線形感受率を有し、
かつピコ秒で応答する非線形光学素子用半導体であっ
て、 該半導体が量子箱構造半導体または半導体微粒子からな
り、該量子箱（微粒子）を構成する材料の禁制帯幅E1お
よび誘電率ε１と充填媒質の禁制帯幅E2および誘電率ε
２とがE1＜E2およびε１＞ε２なる関係を有し、前記微
粒子の粒径は該微粒子の束縛エネルギーが室温の熱エネ
ルギーより十分に大きくなる程度に小さく、かつ前記量
子箱構造半導体または半導体微粒子が励起子分子状態に
共鳴する波長において動作することを特徴とする非線形
光学素子用半導体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63143571A JP2666966B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 非線形光学素子用半導体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63143571A JP2666966B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 非線形光学素子用半導体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH021830A JPH021830A (ja) | 1990-01-08 |
| JP2666966B2 true JP2666966B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=15341846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63143571A Expired - Fee Related JP2666966B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 非線形光学素子用半導体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2666966B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100242859B1 (ko) * | 1991-06-20 | 2000-02-01 | 가나이 쓰도무 | 광특성 변형방법, 광학장치, 정보기록매체 그리고 정보기록 방법 및 장치 |
| JPH0628713A (ja) * | 1992-07-13 | 1994-02-04 | Pioneer Electron Corp | 光ディスク |
-
1988
- 1988-06-13 JP JP63143571A patent/JP2666966B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH021830A (ja) | 1990-01-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |