JP2762490B2 - 光素子 - Google Patents
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- optical
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- 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
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
- G02F1/3517—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam using an interferometer
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- 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
- G02F1/01—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/212—Mach-Zehnder type
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光情報処理や光通信に用いられる光素子に
関する。
関する。
（従来の技術） 光情報処理や光通信においては、光に信号を乗せるた
めに光変調を行なったり、光演算を行なう等の光制御を
する必要がある。現在実用に供されている、これらのシ
ステムにおいては、電気信号によって制御を行なう方式
（電気−光制御方式）が用いられている。即ち、光源で
ある半導体レーザを電流によって直接変調したり、ある
いは、半導体や誘電体材料への電圧の印加よる屈折率や
吸収の変化を用いて光変調、光演算を行なっている。こ
のような電気−光制御方式についての詳細は、例えば、
光通信ハンドブック（朝倉書店、柳井久義編集、1982
年）の第273−304ページに記載されている。
めに光変調を行なったり、光演算を行なう等の光制御を
する必要がある。現在実用に供されている、これらのシ
ステムにおいては、電気信号によって制御を行なう方式
（電気−光制御方式）が用いられている。即ち、光源で
ある半導体レーザを電流によって直接変調したり、ある
いは、半導体や誘電体材料への電圧の印加よる屈折率や
吸収の変化を用いて光変調、光演算を行なっている。こ
のような電気−光制御方式についての詳細は、例えば、
光通信ハンドブック（朝倉書店、柳井久義編集、1982
年）の第273−304ページに記載されている。
この電気信号による制御方式では、素子自体の速度や
電気信号と被制御光間の速度不整合等によって処理速度
が制限され、処理速度をサブナノ秒程度以上にすること
は極めて困難である。このため、この従来の電気−光制
御方式による処理速度の限界を打破する方式として、光
信号によって光変調や光演算を行なう、いわゆる光−光
制御方式が検討されつつある。この光−光制御方式で
は、CR時定数による制限がないので、超高速化が図れる
可能性があるという特徴がある。
電気信号と被制御光間の速度不整合等によって処理速度
が制限され、処理速度をサブナノ秒程度以上にすること
は極めて困難である。このため、この従来の電気−光制
御方式による処理速度の限界を打破する方式として、光
信号によって光変調や光演算を行なう、いわゆる光−光
制御方式が検討されつつある。この光−光制御方式で
は、CR時定数による制限がないので、超高速化が図れる
可能性があるという特徴がある。
光スイッチ等の光で光を制御する光素子の動作特性
は、その光素子に用いられる光学的非線形性を有する物
質に大きく依存する。光スイッチ等で重要な光学的非線
形性は非線形屈折率n2であるが、大きなn2を有する物質
は、同時に大きな光吸収係数αを有する。光吸収率が大
きいと、光素子に入射された光は物質に吸収されて出力
光が得られないばかりか、光素子内で急激に光強度が減
少するため、前記非線形屈折率にもとずく効果も弱まっ
てしまう。そこで、光−光素子に用いる物質の適性（fi
gure of merit）は、非線形屈折率を吸収係数で割った
もの、つまりn2/αであると一般に認められている。同
時に、n2/αの値が、光学的非線形性を示す物質の間で
ほとんど同じことが知られている（例えば、R.A.フィッ
シャー編、オプチカルフェイズコンジュゲイション、ア
カデミックプレス、1983年、第10章）。また、最近開発
されつつある量子井戸構造をもつ半導体は、極めて大き
なn2を持つが、やはりαも大きいため、n2/αの値は他
の通常の半導体とかわらない（R.E.スラッシャー他、量
子エレクトロニクス国際会議予稿集、第473〜474ペー
ジ、1988年、東京）。
は、その光素子に用いられる光学的非線形性を有する物
質に大きく依存する。光スイッチ等で重要な光学的非線
形性は非線形屈折率n2であるが、大きなn2を有する物質
は、同時に大きな光吸収係数αを有する。光吸収率が大
きいと、光素子に入射された光は物質に吸収されて出力
光が得られないばかりか、光素子内で急激に光強度が減
少するため、前記非線形屈折率にもとずく効果も弱まっ
てしまう。そこで、光−光素子に用いる物質の適性（fi
gure of merit）は、非線形屈折率を吸収係数で割った
もの、つまりn2/αであると一般に認められている。同
時に、n2/αの値が、光学的非線形性を示す物質の間で
ほとんど同じことが知られている（例えば、R.A.フィッ
シャー編、オプチカルフェイズコンジュゲイション、ア
カデミックプレス、1983年、第10章）。また、最近開発
されつつある量子井戸構造をもつ半導体は、極めて大き
なn2を持つが、やはりαも大きいため、n2/αの値は他
の通常の半導体とかわらない（R.E.スラッシャー他、量
子エレクトロニクス国際会議予稿集、第473〜474ペー
ジ、1988年、東京）。
このように、光学的非線形性を有する半導体の適性n2
/αは、材料によりあまり変わらないため、制御光と被
制御光の波長を異なる値に設定することが、非線形エタ
ロンを用いた光素子で試みられた（J.L.ジェウエル他、
パプライドフィジックスレターズ誌、第44巻、第２号、
第172−174ページ、1984年）。しかしながら、光導波路
を利用する光素子では材料と光の相互作用長を大きくと
れるため、非線形性の上では有利なものの、光損失特性
では極めて不利となるにもかかわらず、上記の様な検討
は行なわれていなかった。そのため、光導波路型光素子
で現在までに得られた最良の結果は、スイッチに必要な
パワーが数ワットで、出力光強度が入力光強度の10％以
下と低いものである（R.ジン他、量子エレクトロニクス
国際会議、ポストデッドラインペーパーPD−31、1988
年、東京）。本発明の目的は、上述のような導波路型光
素子の欠点を除去し、より高性能な導波路型光素子を提
供することである。
/αは、材料によりあまり変わらないため、制御光と被
制御光の波長を異なる値に設定することが、非線形エタ
ロンを用いた光素子で試みられた（J.L.ジェウエル他、
パプライドフィジックスレターズ誌、第44巻、第２号、
第172−174ページ、1984年）。しかしながら、光導波路
を利用する光素子では材料と光の相互作用長を大きくと
れるため、非線形性の上では有利なものの、光損失特性
では極めて不利となるにもかかわらず、上記の様な検討
は行なわれていなかった。そのため、光導波路型光素子
で現在までに得られた最良の結果は、スイッチに必要な
パワーが数ワットで、出力光強度が入力光強度の10％以
下と低いものである（R.ジン他、量子エレクトロニクス
国際会議、ポストデッドラインペーパーPD−31、1988
年、東京）。本発明の目的は、上述のような導波路型光
素子の欠点を除去し、より高性能な導波路型光素子を提
供することである。
また一般に制御光と被制御光の波長が異なる光素子の
縦続接続は困難である。これは、ある素子で吸収されな
い信号光は、次段の素子では吸収されなければならない
からである。従って、半導体材料の様に、バンド構造を
有する材料を用いる場合、縦続接続は不可能である。そ
こで、低温状態にある半導体や、半導体井戸構造の光吸
収端に観測される、エキシトンによる吸収ピークを利用
することが従来提案されている。しかし、エキシトンピ
ークの長波長側では良好な特性が得られるが、短波長側
は同時に伝導体の大きな吸収があるため、特に導波路型
光素子には利用できない。本発明の第２の目的は、上記
の様な従来技術の欠点を除去し、縦続接続が可能な高性
能光素子を提供することである。
縦続接続は困難である。これは、ある素子で吸収されな
い信号光は、次段の素子では吸収されなければならない
からである。従って、半導体材料の様に、バンド構造を
有する材料を用いる場合、縦続接続は不可能である。そ
こで、低温状態にある半導体や、半導体井戸構造の光吸
収端に観測される、エキシトンによる吸収ピークを利用
することが従来提案されている。しかし、エキシトンピ
ークの長波長側では良好な特性が得られるが、短波長側
は同時に伝導体の大きな吸収があるため、特に導波路型
光素子には利用できない。本発明の第２の目的は、上記
の様な従来技術の欠点を除去し、縦続接続が可能な高性
能光素子を提供することである。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、複数の信号光を入射させる入射端と、その
入射端から入射された信号光により非線形屈折率変化が
誘起される光学的非線形性を有する材料を用いて一部ま
たは全部を形成した光導波路と、前記信号光の変化に対
応する出力光の変化を得る出射端とからなる光素子にお
いて、前記複数の信号光のうち少なくとも１つの信号光
の周波数が、他の信号光の周波数よりも、前記材料の光
吸収波長もしくは光吸収波長帯から、非共鳴側に離れた
周波数になるように前記材料の光吸収波長もしくは光吸
収波長帯が設定されているとともに、前記他の信号光の
波長における前記光学的非線形性を有する材料の光吸収
係数が、光学的非線形性を有する材料と光の相互作用長
の逆数程度であることを特徴とする光素子である。
入射端から入射された信号光により非線形屈折率変化が
誘起される光学的非線形性を有する材料を用いて一部ま
たは全部を形成した光導波路と、前記信号光の変化に対
応する出力光の変化を得る出射端とからなる光素子にお
いて、前記複数の信号光のうち少なくとも１つの信号光
の周波数が、他の信号光の周波数よりも、前記材料の光
吸収波長もしくは光吸収波長帯から、非共鳴側に離れた
周波数になるように前記材料の光吸収波長もしくは光吸
収波長帯が設定されているとともに、前記他の信号光の
波長における前記光学的非線形性を有する材料の光吸収
係数が、光学的非線形性を有する材料と光の相互作用長
の逆数程度であることを特徴とする光素子である。
（作用） 半導体を含む、多くの物質の線形及び非線形屈折率
は、簡単な２準位系をモデルとしてよく表わされる。２
準位系の屈折率は（Y.R.シェン、プリンシプルズオブノ
ンリニアオプティックス、ジョンウイリーアンドサン
ズ、1984年、第２章及び16章） で与えられる。ここでＮは電子密度、 はプランク定数、ｅは電子の電荷、erngは２準位系の準
位間の双極子モーメント、 は２準位間のエネルギー差、ωｓは被制御光の周波数、
Γ２は準位の線幅、Δｐは被制御光よりも２準位系の共
振波長に近い制御光で励起された時の２準位間の電子の
存在確率差で（Y.R.シェン、プリンシプルズオブノンリ
ニアオプティックス、ジョンウイリーアンドサンズ、19
84年、第13章）弱い吸収飽和を仮定すると で与えられる。ここで、ωｐは制御光の周波数、Ｅ（ω
ｐ）は制御光の電界強度、T1は電子の緩和時間である。
ここで、非線形屈折率は で表わされる。ここでn0は線形屈折率、Reは実数部を表
わす。X(3)はX(1)のうち制御光強度に依存する部分に相
当するから（４）と（５）より、 を得る。ここでT2＝Γ2 -1で、Reは実数部を表わす。
は、簡単な２準位系をモデルとしてよく表わされる。２
準位系の屈折率は（Y.R.シェン、プリンシプルズオブノ
ンリニアオプティックス、ジョンウイリーアンドサン
ズ、1984年、第２章及び16章） で与えられる。ここでＮは電子密度、 はプランク定数、ｅは電子の電荷、erngは２準位系の準
位間の双極子モーメント、 は２準位間のエネルギー差、ωｓは被制御光の周波数、
Γ２は準位の線幅、Δｐは被制御光よりも２準位系の共
振波長に近い制御光で励起された時の２準位間の電子の
存在確率差で（Y.R.シェン、プリンシプルズオブノンリ
ニアオプティックス、ジョンウイリーアンドサンズ、19
84年、第13章）弱い吸収飽和を仮定すると で与えられる。ここで、ωｐは制御光の周波数、Ｅ（ω
ｐ）は制御光の電界強度、T1は電子の緩和時間である。
ここで、非線形屈折率は で表わされる。ここでn0は線形屈折率、Reは実数部を表
わす。X(3)はX(1)のうち制御光強度に依存する部分に相
当するから（４）と（５）より、 を得る。ここでT2＝Γ2 -1で、Reは実数部を表わす。
一方光吸収係数は である。ここでｃは真空中の光速、ｉ＝ｓは被制御光の
場合、ｉ＝ｐは制御光の場合を表わす。
場合、ｉ＝ｐは制御光の場合を表わす。
Im［X(1)］は、弱い吸収飽和を無視すると（４）より を得る。ここで被線形屈折率を利用する光素子の適性
（フィギュアオブメリット）はn2/αで与えられるが、
（R.フィッシャー編、オプチカルフェイズコンジュゲイ
ション、アカデキミックプレス、1983年、第10章）それ
は（６）と（８）より明らかなようにRe［X(3)］/Im［X
(1)］と同等である。そこでここでは適性（FM）をこの
ように定めると、（７）と（９）から、 が得られる。これは制御光の波長が共振波長に近づくほ
ど光素子の特性が改善されることを意味しているが、実
は（８）及び（９）より明らかなようにこの時制御光の
吸収係数が極めて大きくなる。この事は、光と非線形材
料の相互作用長が大きくとれる（つまり、動作に必要な
光パワーが小さくできる）導波路型光素子で特に重要で
ある。もし、制御光の波長が共鳴に近すぎると、制御光
は非線形材料に強く吸収されるため、導波路型素子本来
の長い相互作用長が生かされない。他方、制御光の波長
が共振より離れすぎると、制御光が相互作用長内では十
分に吸収されず、エネルギー無駄になる。従って、
（９）と（10）が制御光波長に対し同じ依存性を有する
ことも考慮すると、制御光の波長は、相互作用長内で制
御光の大半が吸収される程度に設定することが、効率上
最良と言える。そこで、制御光が有限の光損失を有する
非線形材料でできた光導波路中を伝搬する時、同時に同
方向に伝搬する被制御光に与える位相シフトを考える
と、それは の関係を示す。［A.R.クラペルビー、ジャーナルオブラ
イトウエブテクノロジー誌、LT−２巻、１号、６−10ペ
ージ、1984年］ここで、Ipは制御光パワー、Ｌは相互作
用長、そして は有効相互作用長である。ΔΦｓ＝IIで素子のスイッチ
ングが起きるので、小さなIpでΔΦｓを達成することが
重要である。Leff最大値は1/αｓであるが、これは相互
作用長を十分長くしても有効相互作用長は1/αｓ程度で
あることを意味する。従って実際の相互作用長は1/αｓ
程度で十分なため、 を満足するように制御光の波長を決めればよい。
（フィギュアオブメリット）はn2/αで与えられるが、
（R.フィッシャー編、オプチカルフェイズコンジュゲイ
ション、アカデキミックプレス、1983年、第10章）それ
は（６）と（８）より明らかなようにRe［X(3)］/Im［X
(1)］と同等である。そこでここでは適性（FM）をこの
ように定めると、（７）と（９）から、 が得られる。これは制御光の波長が共振波長に近づくほ
ど光素子の特性が改善されることを意味しているが、実
は（８）及び（９）より明らかなようにこの時制御光の
吸収係数が極めて大きくなる。この事は、光と非線形材
料の相互作用長が大きくとれる（つまり、動作に必要な
光パワーが小さくできる）導波路型光素子で特に重要で
ある。もし、制御光の波長が共鳴に近すぎると、制御光
は非線形材料に強く吸収されるため、導波路型素子本来
の長い相互作用長が生かされない。他方、制御光の波長
が共振より離れすぎると、制御光が相互作用長内では十
分に吸収されず、エネルギー無駄になる。従って、
（９）と（10）が制御光波長に対し同じ依存性を有する
ことも考慮すると、制御光の波長は、相互作用長内で制
御光の大半が吸収される程度に設定することが、効率上
最良と言える。そこで、制御光が有限の光損失を有する
非線形材料でできた光導波路中を伝搬する時、同時に同
方向に伝搬する被制御光に与える位相シフトを考える
と、それは の関係を示す。［A.R.クラペルビー、ジャーナルオブラ
イトウエブテクノロジー誌、LT−２巻、１号、６−10ペ
ージ、1984年］ここで、Ipは制御光パワー、Ｌは相互作
用長、そして は有効相互作用長である。ΔΦｓ＝IIで素子のスイッチ
ングが起きるので、小さなIpでΔΦｓを達成することが
重要である。Leff最大値は1/αｓであるが、これは相互
作用長を十分長くしても有効相互作用長は1/αｓ程度で
あることを意味する。従って実際の相互作用長は1/αｓ
程度で十分なため、 を満足するように制御光の波長を決めればよい。
さて、従来の技術の項で説明したように、制御項と被
制御光の波長が異なる２波長光素子を縦続接続させる
時、前段の吸収波長と後段の吸収波長を逆の関係にしな
ければならない。（づらさなければならない。）このた
め、この様な光素子は、前記２準位系のような、孤立し
た吸収線を持っていなければならないが（疑似２準位
系）、これは次の様なヘテロ構造半導体により得られ
る。
制御光の波長が異なる２波長光素子を縦続接続させる
時、前段の吸収波長と後段の吸収波長を逆の関係にしな
ければならない。（づらさなければならない。）このた
め、この様な光素子は、前記２準位系のような、孤立し
た吸収線を持っていなければならないが（疑似２準位
系）、これは次の様なヘテロ構造半導体により得られ
る。
今半導体Ａ中の、各辺の長さがLx,Ly,Lzの部分が、よ
りバンドギャップの狭い半導体Ｂにおき換えられている
半導体ヘテロ構造を考える。この様な構造では、Lx,Ly,
Lzの箱（量子箱）内の電子の準位が量子化される。いま
伝導帯を考えると、その量子化された状態密度は で与えられる。（Y.アラカワら、アプライドフィジック
スレターズ誌、第40巻11号、939−941ページ、1982年）
ここでｊ＝l,m,nは準位の量子数、ｍ＊ ｃは電子の有効
質量である。つまり、伝導帯の量子化されたエネルギ値
は、伝導帯の底を基準として、 にある。ここでｌ＝ｍ＝ｎとしたが、これは今考慮して
いる価電子帯から伝導体への光励起による電子の遷移が
全て同じ量子数間でのみ許容されているためである。つ
まり、ｌ＝1,m＝2,n＝１等への遷移は、パリティー（今
の場合、波動関数の対称性）により禁止されているから
である。ここで、この量子箱中の最低次のエネルギーレ
ベルは、その準位が形成される半導体Ｂの導電帯の底
と、回りの半導体Ａの導電帯の底の間にある時のみ孤立
した準位となる。したがって を満足しなければならない。ここでΔEcは、半導体Ａと
半導体Ｂの伝導帯の底のエネルギー差である。また、量
子箱が大きすぎると、（15）においてｎ＝１とｎ＝２以
上の準位が十分には分離されず、孤立した準位とはなら
ない。そこで、ｎ＝１と２の準位間のエネルギーを、準
位の線幅よりも大きくする必要がある。これは以下の関
数を要求する。
りバンドギャップの狭い半導体Ｂにおき換えられている
半導体ヘテロ構造を考える。この様な構造では、Lx,Ly,
Lzの箱（量子箱）内の電子の準位が量子化される。いま
伝導帯を考えると、その量子化された状態密度は で与えられる。（Y.アラカワら、アプライドフィジック
スレターズ誌、第40巻11号、939−941ページ、1982年）
ここでｊ＝l,m,nは準位の量子数、ｍ＊ ｃは電子の有効
質量である。つまり、伝導帯の量子化されたエネルギ値
は、伝導帯の底を基準として、 にある。ここでｌ＝ｍ＝ｎとしたが、これは今考慮して
いる価電子帯から伝導体への光励起による電子の遷移が
全て同じ量子数間でのみ許容されているためである。つ
まり、ｌ＝1,m＝2,n＝１等への遷移は、パリティー（今
の場合、波動関数の対称性）により禁止されているから
である。ここで、この量子箱中の最低次のエネルギーレ
ベルは、その準位が形成される半導体Ｂの導電帯の底
と、回りの半導体Ａの導電帯の底の間にある時のみ孤立
した準位となる。したがって を満足しなければならない。ここでΔEcは、半導体Ａと
半導体Ｂの伝導帯の底のエネルギー差である。また、量
子箱が大きすぎると、（15）においてｎ＝１とｎ＝２以
上の準位が十分には分離されず、孤立した準位とはなら
ない。そこで、ｎ＝１と２の準位間のエネルギーを、準
位の線幅よりも大きくする必要がある。これは以下の関
数を要求する。
ここでT2は、準位の線幅の逆数である。（16）と（1
7）を組み合せると、特許請求の範囲の項の（１）が求
まる。また価電子帯の準位に関しても同様に考えられる
が、まず価電子帯の上限に近い軽い正孔について考える
と（２）が求まる。しかし、価電子帯の電子構造は、半
導体の核に近いため、その影響を強く受けている結果、
他の準位が形成される。従って、上記軽い正孔と次の重
い正孔の形成する準位が十分に離れている必要がある。
ここで、これらの準位の位置は、（15）においてｍ＊ ｃ
をその準位の有効質量におき換えればよいので、 が得られるが、これは（３）と同じものである。
7）を組み合せると、特許請求の範囲の項の（１）が求
まる。また価電子帯の準位に関しても同様に考えられる
が、まず価電子帯の上限に近い軽い正孔について考える
と（２）が求まる。しかし、価電子帯の電子構造は、半
導体の核に近いため、その影響を強く受けている結果、
他の準位が形成される。従って、上記軽い正孔と次の重
い正孔の形成する準位が十分に離れている必要がある。
ここで、これらの準位の位置は、（15）においてｍ＊ ｃ
をその準位の有効質量におき換えればよいので、 が得られるが、これは（３）と同じものである。
以上の条件下で、半導体Ａ中の半導体Ｂでできた量子
箱は、伝導帯と価電子帯に孤立した準位を有する疑似２
準位系となるが、その効果の強さはその箱の密度（半導
体Ａ中にどれくらいは量子箱があるか）に比例する。と
ころが、密度を上げすぎると、箱と箱の間に相互作用が
働き、前記準位をサブバンドへ変えてしまう。これを防
ぐためには、量子箱間の間隔を半導体Ａ中の電子のドブ
ロイ波長（〜数百Å）以上に保たなければならない。
箱は、伝導帯と価電子帯に孤立した準位を有する疑似２
準位系となるが、その効果の強さはその箱の密度（半導
体Ａ中にどれくらいは量子箱があるか）に比例する。と
ころが、密度を上げすぎると、箱と箱の間に相互作用が
働き、前記準位をサブバンドへ変えてしまう。これを防
ぐためには、量子箱間の間隔を半導体Ａ中の電子のドブ
ロイ波長（〜数百Å）以上に保たなければならない。
（実施例） 次に図面を用いて、本発明の光素子について詳細に説
明する。
明する。
第１図は、本発明の実施例の構成図である。同図にお
いて、１はGaAsの基板、２は厚さ３μｍのGa0.4Al0.6As
のバッファ層、３は厚さ２μｍのGa0.1Al0.9Asのクラッ
ド層、４は厚さ0.5μｍのGa0.7Al0.3Asの光導波路であ
る。図より明らかなように、同図は本実施例の光素子の
一部を示しており、示された範囲に，及びの３つ
の個別の素子が示されている。このうち素子との導
波路の一部は５のGa0.75Al0.25As/GaAsのヘテロ構造部
を有し、の素子は６のGa0.75Al0.25As/GaAsのヘテ
ロ構造部を有している。ヘテロ構造部に関しては、後
で詳細に説明する。
いて、１はGaAsの基板、２は厚さ３μｍのGa0.4Al0.6As
のバッファ層、３は厚さ２μｍのGa0.1Al0.9Asのクラッ
ド層、４は厚さ0.5μｍのGa0.7Al0.3Asの光導波路であ
る。図より明らかなように、同図は本実施例の光素子の
一部を示しており、示された範囲に，及びの３つ
の個別の素子が示されている。このうち素子との導
波路の一部は５のGa0.75Al0.25As/GaAsのヘテロ構造部
を有し、の素子は６のGa0.75Al0.25As/GaAsのヘテ
ロ構造部を有している。ヘテロ構造部に関しては、後
で詳細に説明する。
ここで、個々の素子の動作に関して説明するが、基本
的には図中の〜全ての素子は同じであるため、ここ
ではについて説明する。素子に関して、信号光７は
11の分岐部で２つの導波路に分岐され、12の合波部で再
び一つの光線に合波される。つまり、この部分は、マッ
ハツェンダ干渉系をなす。このマッハツェンダ干渉系の
両アームの実効光路長差は信号光７の波長λ２の半波長
分だけ異なるので、光は12の合波部で放射モードに変換
されるため出力はない。しかし、13の方向性結合部（波
長選択カプラー）を介して、８の信号光が同時に入射さ
れると、作用の項で詳しく説明したように、５のヘテロ
構造がλ１の信号光を吸収することにより、この屈折率
を変化させるため、素子の出力が可能となる。つま
り、素子の出力は入力７及び８の論理和である。
的には図中の〜全ての素子は同じであるため、ここ
ではについて説明する。素子に関して、信号光７は
11の分岐部で２つの導波路に分岐され、12の合波部で再
び一つの光線に合波される。つまり、この部分は、マッ
ハツェンダ干渉系をなす。このマッハツェンダ干渉系の
両アームの実効光路長差は信号光７の波長λ２の半波長
分だけ異なるので、光は12の合波部で放射モードに変換
されるため出力はない。しかし、13の方向性結合部（波
長選択カプラー）を介して、８の信号光が同時に入射さ
れると、作用の項で詳しく説明したように、５のヘテロ
構造がλ１の信号光を吸収することにより、この屈折率
を変化させるため、素子の出力が可能となる。つま
り、素子の出力は入力７及び８の論理和である。
以上の説明で明らかなように、５のヘテロ構造部は波
長λ１の光のみ吸収するが、第２図にその詳細を示す。
図から分かるように、５のヘテロ構造はAl0.25Ga0.75As
の結晶の一部を、結晶の連続性を確保したまでGaAsに置
きかえたものである。ここでサイコロ状のGaAs部のサイ
ズはLx＝LyLz＝100Åで間隔は150Åである。したがっ
て、式（15）及びその後の説明から明らかなように、５
のヘテロ構造部はGaAsの伝導帯の底から170meV上に１つ
の準位及び価電子帯の上限から18.5meV下に他の準位を
持つ疑似２準位系をなす。またGaAsのバンドギャップが
1.425eVであるため、この疑似２準位系の励磁エネルギ
ーは1.614eVでこれは約0.77μｍの光に相当する。この
様子を第３図に示す。図においては501は量子化された
伝導帯の準位の位置を示し、502は量子化された価電子
帯の準位の位置を示す。図から明らかなようにGaAsとAl
GaAsの価伝子帯の差、つまりΔEvは0.3eV、また伝導帯
の差、ΔEc、は1.3V程度であるため、より高い量子数の
準位及び重い正孔に関わる準位は、AlGaAsのバンドに吸
収されて表われない。つまり、このヘテロ構造は、エネ
ルギーが3eVより少ない光に対しては、疑似的に２準位
系と見なすことができる。
長λ１の光のみ吸収するが、第２図にその詳細を示す。
図から分かるように、５のヘテロ構造はAl0.25Ga0.75As
の結晶の一部を、結晶の連続性を確保したまでGaAsに置
きかえたものである。ここでサイコロ状のGaAs部のサイ
ズはLx＝LyLz＝100Åで間隔は150Åである。したがっ
て、式（15）及びその後の説明から明らかなように、５
のヘテロ構造部はGaAsの伝導帯の底から170meV上に１つ
の準位及び価電子帯の上限から18.5meV下に他の準位を
持つ疑似２準位系をなす。またGaAsのバンドギャップが
1.425eVであるため、この疑似２準位系の励磁エネルギ
ーは1.614eVでこれは約0.77μｍの光に相当する。この
様子を第３図に示す。図においては501は量子化された
伝導帯の準位の位置を示し、502は量子化された価電子
帯の準位の位置を示す。図から明らかなようにGaAsとAl
GaAsの価伝子帯の差、つまりΔEvは0.3eV、また伝導帯
の差、ΔEc、は1.3V程度であるため、より高い量子数の
準位及び重い正孔に関わる準位は、AlGaAsのバンドに吸
収されて表われない。つまり、このヘテロ構造は、エネ
ルギーが3eVより少ない光に対しては、疑似的に２準位
系と見なすことができる。
第１図の素子はとほぼ同じであるが、６のGaAlAs
/GaAsヘテロ構造部を持つ。これは素子のヘテロ構造
部５に近いが、第２図を用いて説明すると、LxLyが異な
っている。つまり６のヘテロ構造部では、Lzは以前と同
じ100Åであるが、Lx＝Ly＝120Åとなっている。このた
め、この疑似２準位系の励起波長は多少異なり、それは
1.575eVもしくは0.79μｍである。つまり、励起波長が
第１図の素子とでは異なり、同図から分かるよう
に、素子への信号光7,8,9,10の波長の関係が逆転してい
る。この状態を第４図に示す。同図から分かるように、
第１図の素子及び有する５のヘテロ構造（Lx＝Ly＝
Lz＝100Å）は、第４図（ａ）のように波長0.77μｍに
孤立した吸収線を有し、波長λ１の光を吸収して素子を
励起状態にし、波長λ２の光をほとんど吸収せずに制御
する。これに対し、素子は６のヘテロ構造（Lz＝100
Å、Ly＝Lz＝120Å）を有するため、吸収線が0.79μｍ
にあり、λ２の光で励起され、λ１の光をほとんど吸収
せずに制御する。従って第１図に示すように及びの
素子の出力で素子を駆動することが可能となり、また
さらに多段の接続も可能である。これはヘテロ構造の孤
立した吸収特性によるものであり、もし通常の半導体や
量子井戸構造を用いると、その吸収特性は広いバンド構
造となるため、多段接続は不可能となる。
/GaAsヘテロ構造部を持つ。これは素子のヘテロ構造
部５に近いが、第２図を用いて説明すると、LxLyが異な
っている。つまり６のヘテロ構造部では、Lzは以前と同
じ100Åであるが、Lx＝Ly＝120Åとなっている。このた
め、この疑似２準位系の励起波長は多少異なり、それは
1.575eVもしくは0.79μｍである。つまり、励起波長が
第１図の素子とでは異なり、同図から分かるよう
に、素子への信号光7,8,9,10の波長の関係が逆転してい
る。この状態を第４図に示す。同図から分かるように、
第１図の素子及び有する５のヘテロ構造（Lx＝Ly＝
Lz＝100Å）は、第４図（ａ）のように波長0.77μｍに
孤立した吸収線を有し、波長λ１の光を吸収して素子を
励起状態にし、波長λ２の光をほとんど吸収せずに制御
する。これに対し、素子は６のヘテロ構造（Lz＝100
Å、Ly＝Lz＝120Å）を有するため、吸収線が0.79μｍ
にあり、λ２の光で励起され、λ１の光をほとんど吸収
せずに制御する。従って第１図に示すように及びの
素子の出力で素子を駆動することが可能となり、また
さらに多段の接続も可能である。これはヘテロ構造の孤
立した吸収特性によるものであり、もし通常の半導体や
量子井戸構造を用いると、その吸収特性は広いバンド構
造となるため、多段接続は不可能となる。
また、第４図においてλ１＝0.777μｍ、λ２＝0.783
程度に選ぶと、例えば同図（ａ）において、λ２の吸収
はほとんどないがλ１の吸収係数は200cm-1程度であ
る。これは光導波路の曲げ損失等により、第１図の５及
び６のヘテロ構造部の実現的に可能な最も短い値が50μ
ｍ程度であるため、その長さ中でほとんどの励起光（制
御光）が吸収されるため、最大の効率を得られる値であ
る。この時、スイッチングに要する光パワーは（λ１、
λ２双方とも同じ）、0.1mV程度で、これは実効的にRe
［X(3)］10-5esu程度に相当する。
程度に選ぶと、例えば同図（ａ）において、λ２の吸収
はほとんどないがλ１の吸収係数は200cm-1程度であ
る。これは光導波路の曲げ損失等により、第１図の５及
び６のヘテロ構造部の実現的に可能な最も短い値が50μ
ｍ程度であるため、その長さ中でほとんどの励起光（制
御光）が吸収されるため、最大の効率を得られる値であ
る。この時、スイッチングに要する光パワーは（λ１、
λ２双方とも同じ）、0.1mV程度で、これは実効的にRe
［X(3)］10-5esu程度に相当する。
以上、本発明の光素子を実施例を用いて説明したが、
本発明は本実施例に限定されることなく、いくつかの変
形が考えられる。本実施例では、論理和をとる素子を用
いたが、これはマッハツェンダの光路長の差及び入力の
組み合せにより、否定や他の論理演算も可能である。ま
た本実施例では、その非線形材料として、GaAs/AlGaAs
の半導体ヘテロ構造を用いたが、これは、ガラスやポリ
マー等のホスト材料中に半導体の超微粒子をドープした
材料を用いても同様の効果が得られる。また、基板部や
他の導波路部も、ガラスやポリマーで構築可能である。
さらに導波路に光ファイバ、非線形材料として半導体超
微粒子をドープした光ファイバ、そして光合波、分岐、
そして方向性結合器にファイバカプラを用いる全ファイ
バ型素子も可能である。
本発明は本実施例に限定されることなく、いくつかの変
形が考えられる。本実施例では、論理和をとる素子を用
いたが、これはマッハツェンダの光路長の差及び入力の
組み合せにより、否定や他の論理演算も可能である。ま
た本実施例では、その非線形材料として、GaAs/AlGaAs
の半導体ヘテロ構造を用いたが、これは、ガラスやポリ
マー等のホスト材料中に半導体の超微粒子をドープした
材料を用いても同様の効果が得られる。また、基板部や
他の導波路部も、ガラスやポリマーで構築可能である。
さらに導波路に光ファイバ、非線形材料として半導体超
微粒子をドープした光ファイバ、そして光合波、分岐、
そして方向性結合器にファイバカプラを用いる全ファイ
バ型素子も可能である。
（発明の効果） 以上のように、本発明の光素子は、制御光の吸収を最
適化することにより、光導波路構造の特質である効率の
良さを十分発揮できるため、低光パワーで動作し、また
加工しやすく大きな非線形性を有する半導体を３次元ヘ
テロ構造にすることにより、縦続特性を確保するという
優れた効果がある。
適化することにより、光導波路構造の特質である効率の
良さを十分発揮できるため、低光パワーで動作し、また
加工しやすく大きな非線形性を有する半導体を３次元ヘ
テロ構造にすることにより、縦続特性を確保するという
優れた効果がある。
第１図は、本発明の一実施例である。同図において 1:GaAs基板、2:GaAlAsバッファ層、 3:GaAlAsクラッド層、4:GaAlAs導波路、 5:GaAlAs/GaAsヘテロ構造部、 6:GaAlAs/GaAsヘテロ構造部、 7,8,9,10:信号光、11:分岐部、12:合波部、 13:方向性結合部 である。 第２図は、第１図の５のGaAlAs/GaAsヘテロ構造部の
模式図である。同図において 51:GaAlAs、52:GaAs である。 第３図は第２図のGaAlAs/GaAsへテロ構造部のバンド
端と量子化された準位の位置を示す図である。同図にお
いて、 501:量子化された伝導帯の準位の位置 502:量子化された価電子帯の準位の位置 である。 第４図は、第１図の５及び６のGaAlAs/GaAsヘテロ構造
の光吸収特性と、7,8,9,10の信号光の波長の関係を示
す。同図において ａ）第１図の、５のGaAs/AlGaAsヘテロ構造吸収特性
と信号光の波長の関係 ｂ）第１図の６のGaAs/AlGaAsヘテロ構造の吸収特性
と信号光の波長の関係 である。
模式図である。同図において 51:GaAlAs、52:GaAs である。 第３図は第２図のGaAlAs/GaAsへテロ構造部のバンド
端と量子化された準位の位置を示す図である。同図にお
いて、 501:量子化された伝導帯の準位の位置 502:量子化された価電子帯の準位の位置 である。 第４図は、第１図の５及び６のGaAlAs/GaAsヘテロ構造
の光吸収特性と、7,8,9,10の信号光の波長の関係を示
す。同図において ａ）第１図の、５のGaAs/AlGaAsヘテロ構造吸収特性
と信号光の波長の関係 ｂ）第１図の６のGaAs/AlGaAsヘテロ構造の吸収特性
と信号光の波長の関係 である。
Claims (1)
- 【請求項１】複数の信号光を入射させる入射端と、その
入射端から入射された信号光により非線形屈折率変化が
誘起される光学的非線形性を有する材料を用いて一部ま
たは全部を形成した光導波路と、前記信号光の変化に対
応する出力光の変化を得る出射端とからなる光素子にお
いて、前記複数の信号光のうち少なくとも１つの信号光
の周波数が、他の信号光の周波数よりも、前記材料の光
吸収波長もしくは光吸収波長帯から、非共鳴側に離れた
周波数になるように前記材料の光吸収波長もしくは光吸
収波長帯が設定されているとともに、前記他の信号光の
波長における前記光学的非線形性を有する材料の光吸収
係数が、光学的非線形性を有する材料と光の相互作用長
の逆数程度であることを特徴とする光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63281908A JP2762490B2 (ja) | 1988-11-07 | 1988-11-07 | 光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63281908A JP2762490B2 (ja) | 1988-11-07 | 1988-11-07 | 光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02127623A JPH02127623A (ja) | 1990-05-16 |
| JP2762490B2 true JP2762490B2 (ja) | 1998-06-04 |
Family
ID=17645632
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63281908A Expired - Fee Related JP2762490B2 (ja) | 1988-11-07 | 1988-11-07 | 光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2762490B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4021293A1 (de) * | 1990-07-04 | 1992-01-16 | Deutsche Forsch Luft Raumfahrt | Bistabiler optischer schalter |
| US5353273A (en) * | 1992-08-04 | 1994-10-04 | International Business Machines Corporation | Multi-channel optical head and data storage system |
| JP2531443B2 (ja) * | 1993-07-02 | 1996-09-04 | 日本電気株式会社 | 全光素子 |
| CN104956260B (zh) * | 2013-12-20 | 2019-04-12 | 华为技术有限公司 | 一种全光逻辑门 |
| CN112558223B (zh) * | 2021-01-06 | 2021-12-14 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 混合模式转换器及其制备方法 |
-
1988
- 1988-11-07 JP JP63281908A patent/JP2762490B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02127623A (ja) | 1990-05-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |