JP2902530B2 - Optical function element - Google Patents

Optical function element

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JP2902530B2
JP2902530B2 JP4321035A JP32103592A JP2902530B2 JP 2902530 B2 JP2902530 B2 JP 2902530B2 JP 4321035 A JP4321035 A JP 4321035A JP 32103592 A JP32103592 A JP 32103592A JP 2902530 B2 JP2902530 B2 JP 2902530B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【産業上の利用分野】この発明は、光機能素子に関する
ものである。さらに詳しくは、この発明は、光エレクト
ロニクス分野において、光論理演算および光コンピュー
ティングを行うために必要な光メモリ等として有用な新
しい光機能素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical functional device. More specifically, the present invention relates to a new optical functional element useful as an optical memory or the like necessary for performing optical logic operation and optical computing in the field of optoelectronics.

【従来の技術とその課題】近年、光エレクトロニクス技
術の進展は顕著であって、光通信、光コンピュータ等の
新しい時代を拓く基盤的技術としてその重要性はますま
す大きなものとなっている。このような状況において、
光機能素子の一つとして、光信号情報を記憶する光メモ
リが必要不可欠であり、その方法や材料の検討が進めら
れている。この光メモリとは、情報の書き込み、読出し
の双方に光を用いるメモリをいうが、広義にはそのいず
れかに光を用いるものも含まれる。このような光メモリ
については、その重要性は認識されているが、残念なが
ら、現在実用化されているのは、アナログ画像メモリぐ
らいであり、他の多くは研究段階である。そのうち現在
有望視されているものにホログラフィック・メモリ、光
磁気メモリ、ガラス半導体メモリがある。ホログラフィ
ック・メモリは、レーザ光によって得られる光の干渉の
写真である。しかしながら、このメモリは、読出しは高
速であるが書込み現像の処理を必要とする欠点がある。
また、光磁気メモリは、MnBiのような強磁性体にレ
ーザ・ビームを照射して情報を書き込み、磁化の状態に
よって透過光に偏光を生ずるファラデー効果を利用して
情報を読出するようにしたメモリであるが、光と磁気を
並用する欠点がある。さらにまた、ガラス半導体メモリ
は、ガラス半導体に適当な強さのレーザ光をあてること
により、多結晶と非晶質の間を可逆的に相転移させ、透
過率が変化する現象を利用して、情報の書込みおよび読
出しを行うメモリであるが、相転移のスイッチング速度
が遅いなどの欠点がある。一方、双安定半導体レーザを
用いて光メモリを構成しようという研究がなされてい
る。ここで言うところの光双安定というのは一つの入力
光強度に対して、出力強度が二つの安定状態をとる現象
である。しかしながら、双安定半導体レーザでは、オフ
状態からのオン状態へ切り換えるスイッチには、光入力
が用いられるが、反対にオン状態からオフ状態へ切り換
えるには、負の光パルスが存在しないために実現されて
いない(応用物理58、1574頁乃至1583頁:1
989年11月発行)のが実情である。また、一般に半
導体レーザを高速パルス動作させると発振光強度に緩和
振動が生じる。この緩和振動現象は半導体レーザ以外に
もほとんどの種類のレーザにおいて観測されており、こ
の現象の基本的な物理的機構は共振器内振動電磁界と原
子の反転分布との相関作用である。場の強度の増大は誘
導放出率の増大を通じて反転分布密度の減少を招く。そ
れはまた利得の減少を引き起こし、ついで場の強度の減
少を引き起こし、場の強度の減少をもたらす。従って、
半導体レーザは立ち上がりの速い駆動電流をうけて瞬時
に立ち上がるが、その後緩和振動によって光強度が通常
1nsec程度変動し、一定値に達する。このためパル
ス応答速度が最速1nsec程度に抑えられていること
から、この緩和振動を制御する方法が検討されている。
たとえば外部光注入法は、直接変調を行う半導体レーザ
に連動して動作している別のレーザの発振光を注入する
方法で、緩和振動を抑制することができる(R.Lang and
K.Kobayashi : Suppression of the relaxation oscill
ation in the modulated output of semiconductor las
ers, IEEE J.Quantum Electron., QE-12, 3, PP194〜19
9(1976).) 。しかしながら、この場合には、2台のレー
ザを必要とし、なおかつ、その発振軸モードを一致させ
なければならないという難点がある。この発明は以上の
通りの実情に鑑みてなされたものであり、従来技術の欠
点を解消し、電気入力または光入力によって、光信号の
情報を記憶する新しい光機能素子を提供することを目的
としている。
2. Description of the Related Art In recent years, the progress of optoelectronic technology has been remarkable, and its importance as a fundamental technology that opens up a new era of optical communication, optical computers, and the like has been increasing. In such a situation,
As one of the optical functional elements, an optical memory for storing optical signal information is indispensable, and methods and materials are being studied. The optical memory refers to a memory that uses light for both writing and reading of information, and in a broad sense, includes a memory that uses light for either of them. Although the importance of such optical memories is recognized, unfortunately, only analog image memories are currently in practical use, and many others are in the research stage. Among them, holographic memories, magneto-optical memories, and glass semiconductor memories are currently promising. Holographic memory is a picture of the interference of light obtained by laser light. However, this memory has the drawback that although reading is fast, writing and developing processes are required.
A magneto-optical memory is a memory in which a ferromagnetic material such as MnBi is irradiated with a laser beam to write information, and the information is read out by utilizing the Faraday effect in which polarized light is generated in transmitted light depending on the state of magnetization. However, there is a disadvantage that light and magnetism are used together. Furthermore, a glass semiconductor memory uses a phenomenon in which a glass semiconductor is irradiated with a laser beam of an appropriate intensity to cause a reversible phase transition between polycrystal and amorphous, and a change in transmittance. A memory for writing and reading information has disadvantages such as a slow switching speed of phase transition. On the other hand, studies have been made to construct an optical memory using a bistable semiconductor laser. The term “optical bistable” as used herein refers to a phenomenon in which the output intensity takes two stable states with respect to one input light intensity. However, in a bistable semiconductor laser, an optical input is used as a switch for switching from an off state to an on state. On the other hand, switching from the on state to the off state is realized because there is no negative light pulse. Not applicable (Applied Physics 58, pp. 1574 to 1583: 1
(November, 989). In general, when a semiconductor laser is operated at a high-speed pulse, a relaxation oscillation is generated in the oscillation light intensity. This relaxation oscillation phenomenon is observed in almost all types of lasers other than the semiconductor laser, and the basic physical mechanism of this phenomenon is a correlation between the oscillating electromagnetic field in the resonator and the population inversion of atoms. Increasing the field strength leads to a decrease in population inversion density through an increase in the stimulated emission rate. It also causes a decrease in gain, which in turn causes a decrease in field strength, resulting in a decrease in field strength. Therefore,
The semiconductor laser rises instantaneously upon receiving a drive current with a fast rise, but the light intensity usually fluctuates by about 1 nsec due to relaxation oscillation and reaches a constant value. For this reason, the pulse response speed is suppressed to a maximum of about 1 nsec, and a method of controlling the relaxation oscillation is being studied.
For example, the external light injection method is a method of injecting oscillation light of another laser operating in conjunction with a semiconductor laser that directly modulates, and can suppress relaxation oscillation (R. Lang and
K.Kobayashi: Suppression of the relaxation oscill
ation in the modulated output of semiconductor las
ers, IEEE J. Quantum Electron., QE-12, 3, PP194-19
9 (1976).). However, in this case, there are disadvantages that two lasers are required and their oscillation axis modes must be matched. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to solve the drawbacks of the prior art and to provide a new optical functional element that stores information of an optical signal by an electric input or an optical input. I have.

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、光透過媒体と光発生素子とを有
する光機能素子であって、光透過媒体は、特定の光波長
λ1 で低透過率を示し、その周囲の光波長λ2 ,λ
3 (λ2 <λ1 <λ3 )では高透過率を示し、光発生素
子は電流注入量または光照射量によって光波長λ1 ,λ
2 ,λ3 の光を発生し、その波長変化は電流注入量また
は光照射量に対してヒステリシスを生ずるものからな
り、光発生素子からの前記光波長λ1 ,λ2 ,λ3 の光
を光透過媒体に照射し、前記波長変化にヒステリシスが
あることから光透過媒体を透過する光強度が低強度また
は高強度状態を保持するメモリ機能を有することを特徴
とする光機能素子を提供する。すなわち、前記の光発生
素子は、外部から電気的もしくは光学的に制御入力を加
えられることにより光波長λ1 ,λ2 ,またはλ3 のい
ずれかの光を発生する。この制御入力の変化に沿って光
発生素子の発生光の波長を制御し、この制御された光に
よって前記光透過媒体の透過率を制御すること、またそ
の波長変化が制御入力に対してヒステリシスを有するこ
とから、光透過媒体を透過する光強度が低強度または高
強度状態を保持するメモリ機能有することをこの発明は
特徴としている。このための手段の一つとして、この発
明では、光透過媒体の光特性を制御することとし、たと
えば透明性セラミックス、ガラス、半導体、絶縁物等の
適宜なものに、特有の元素、たとえば希土類元素をそれ
らに含有させる。なお、希土類元素の光学遷移は内殻遷
移であるため、含有する母材の影響を受けにくい特徴が
ある。そして、この発明の光制御素子においては、光透
過媒体は、光波長λ1 に対しては低透過率を示し、光波
長λ2 およびλ3 に対しては高透過率を示すようにす
る。従って、この光透過媒体に光波長λ1 の光が入力さ
れるとこの光は吸収されてOFF状態となり、逆に光波
長λ2 およびλ3 の光が入力されるとこれを透過してO
N状態になる。また、λ2 からλ1 およびλ1 からλ3
の波長変化は制御入力に対してヒステリシスを持つか
ら、OFF状態およびON状態を保持する。このような
光機能素子における前記光発生素子は、外部から電気的
もしくは光学的に制御入力を印加されると、その光発生
波長がλ2 からλ1 に、またはλ1 からλ3 に変化す
る。すなわち、たとえば光発生素子として半導体レーザ
を用いた場合、電流の注入量の増加に従って発振波長が
長波長測に不連続に変化し、逆に高電流注入時から注入
量を減少させるとヒステリシスを伴って発振波長が短波
長測に不連続に変化することが一般に知られている(M.
Nakamura, “Single mode operation of semiconductor
injection lasers ”IEEE Trons. Circuits and Syste
ms, CAS−26,1055(1979))。そこで、
半導体レーザを用いて、電流を低注入状態から高注入状
態に増加させて発振波長をλ2 からλ1 に変化させ、再
び低注入状態に戻すと、発振波長が注入電流に対してヒ
ステリシスがあることから、低注入状態に戻してもλ1
の発振波長を保持し、低透過率状態(すなわちOFF状
態)を保持することになる。また低注入状態および高注
入状態にそれぞれ発振波長λ1 およびλ3 を発生する場
合は同様の原理によって、再び低注入時に戻してもλ3
の発振波長を保持し、高透過率状態(すなわちON状
態)を保持しメモリ機能を果たすことになる。さらに、
この発明のメモリ機能を利用すると、半導体レーザのパ
ルス駆動スイッチング速度の劣化の原因となっている緩
和振動の影響を取り除くことができ、高速スイッチング
動作を可能とする。すなわち、たとえば、半導体レーザ
の電流をOまたは低注入状態から高注入状態にして発振
波長をλ1 に変化させると、多少電流注入量が変化(緩
和振動)しても、ヒステリシス効果によりλ1 の発振波
長を維持する。従って、光強度的には緩和振動を生じて
いても、前記光透過媒質を透過させるとその緩和振動に
よる強度変化を取り除くことができる。つまり、この光
機能素子のスイッチング時間は半導体レーザの立ち上が
り時間のみに律則され、高速スイッチング動作が実現さ
れる。さらにこの発明の光機能素子を小型化するため
に、光透過媒体を半導体レーザ光発生素子の共振器内に
形成する。このようにすれば、レーザ光が共振器内に何
度も反射され、その度に光透過媒体で吸収されるため
に、実効的な光透過媒体長を長くすることができ、光透
過媒体の薄膜化が可能となり、光機能素子を小型化する
ことができる。また、この発明の光機能素子を多段接続
する1つの方法としては、ホトトランジスタまたはホト
ダイオードなどの受光素子を光機能素子に併設する。こ
のようにすれば、前段からの光信号を受光素子で受け、
その出力電流を光発生素子の注入電流にすることにより
多段接続することができる。このように、この発明の光
機能素子の場合には、光非線形吸収における反転と半導
体レーザの長波長化(赤シフト)による光機能素子(
pticaldevices by ed−sift
of diode laser andnvers
ion in ptical onlineara
bsorption:ORION)と言うべきものであ
る。以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明につい
て説明する。
According to the present invention, there is provided an optical functional device having a light transmitting medium and a light generating element, wherein the light transmitting medium has a specific light wavelength λ 1. Shows a low transmittance, and the surrounding light wavelengths λ 2 and λ
3213 ), a high transmittance is exhibited, and the light-generating element has light wavelengths λ 1 , λ
2 and λ 3 , and a change in the wavelength thereof produces hysteresis with respect to the current injection amount or the light irradiation amount, and the light of the light wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 from the light generating element is There is provided an optical functional element having a memory function of irradiating a light transmitting medium and maintaining a low intensity or a high intensity state of light transmitted through the light transmitting medium because the wavelength change has hysteresis. That is, the light generating element generates any of the light wavelengths λ 1 , λ 2 , or λ 3 when a control input is externally applied electrically or optically. Controlling the wavelength of the light generated by the light generating element in accordance with the change of the control input, controlling the transmittance of the light transmitting medium by the controlled light, and the change in the wavelength causes a hysteresis with respect to the control input. Therefore, the present invention is characterized by having a memory function of maintaining a low intensity or a high intensity state of light transmitted through the light transmitting medium. As one of the means for this, in the present invention, the optical characteristics of the light transmitting medium are controlled, and for example, a proper element such as a transparent ceramic, glass, semiconductor, or insulator, a specific element such as a rare earth element Are contained in them. In addition, since the optical transition of the rare earth element is an inner shell transition, it has a characteristic that it is hardly affected by the contained base material. Then, in the optical control device of the present invention, the light transmission medium for light wavelengths lambda 1 shows a low transmittance, so that indicates a high transmittance with respect to light wavelength lambda 2 and lambda 3. Therefore, when the light transmitting medium to the light wavelength lambda 1 of light is input the light is absorbed becomes OFF state, and transmitted therethrough when the light of the light wavelength lambda 2 and lambda 3 are input to the inverse O
It becomes N state. Also, λ 2 to λ 1 and λ 1 to λ 3
Since the wavelength change has hysteresis with respect to the control input, the OFF state and the ON state are maintained. The light generating device in such an optical functional element, when applying an electrical or optical control input from the outside, that the light generation wavelength lambda 2 to lambda 1, or changes from lambda 1 to lambda 3 . That is, for example, when a semiconductor laser is used as a light generating element, the oscillation wavelength changes discontinuously in a long wavelength measurement as the amount of injected current increases, and conversely, if the amount of injection is reduced from the time of high current injection, hysteresis occurs. It is generally known that the oscillation wavelength changes discontinuously in the short wavelength measurement (M.
Nakamura, “Single mode operation of semiconductor
injection lasers ”IEEE Trons. Circuits and Syste
ms, CAS-26,1055 (1979)). Therefore,
Using a semiconductor laser, increase the current from the low injection state to the high injection state, change the oscillation wavelength from λ 2 to λ 1 , and return to the low injection state again, the oscillation wavelength has hysteresis with respect to the injection current Therefore, λ 1
, And a low transmittance state (that is, an OFF state) is maintained. Further, when the oscillation wavelengths λ 1 and λ 3 are generated in the low injection state and the high injection state, respectively, the same principle is applied, and even if the oscillation wavelength is returned to the low injection state again, the λ 3
And maintains a high transmittance state (that is, an ON state) to perform a memory function. further,
When the memory function of the present invention is used, the influence of the relaxation oscillation which causes the deterioration of the pulse drive switching speed of the semiconductor laser can be eliminated, and the high-speed switching operation can be performed. That is, for example, when the current of the semiconductor laser is changed from O or a low injection state to a high injection state and the oscillation wavelength is changed to λ 1 , even if the current injection amount slightly changes (relaxation oscillation), the λ 1 is reduced by the hysteresis effect. Maintain the oscillation wavelength. Therefore, even if relaxation oscillation occurs in light intensity, a change in intensity due to the relaxation oscillation can be eliminated by transmitting the light transmitting medium. That is, the switching time of the optical function element is determined only by the rise time of the semiconductor laser, and a high-speed switching operation is realized. Further, in order to reduce the size of the optical functional device of the present invention, a light transmitting medium is formed in the resonator of the semiconductor laser light generating device. In this way, the laser light is reflected many times into the resonator and is absorbed by the light transmitting medium each time, so that the effective light transmitting medium length can be increased, and the light transmitting medium It is possible to make the optical function element thinner, and the optical function element can be downsized. Further, as one method of connecting the optical functional elements of the present invention in multiple stages, a light receiving element such as a phototransistor or a photodiode is provided in addition to the optical functional element. By doing so, the light signal from the preceding stage is received by the light receiving element,
Multistage connection can be achieved by using the output current as the injection current of the light generating element. As described above, in the case of the optical functional device of the present invention, the optical functional device ( O ) due to the inversion in the optical nonlinear absorption and the longer wavelength (red shift) of the semiconductor laser is used.
pticaldevices by r ed-sift
of diode laser and i nvers
ion in o optical n onlineara
bsorption: ORION). Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【実施例】実施例1 図1は、この発明の光機能素子とその機能を測定するた
めの装置構成を例示したものである。ここで光透過媒体
(10)は、希土類元素としてエルビウム:Er3+を含
有するイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)
からなるφ3mm×3mmのロッドを用い、Erの濃度
は50at%{すなわち(Er0.5 0. 5 3 Al5
12}としている。光発生素子として機能する半導体レー
ザ素子(11)は、駆動制御回路(12)および温調器
(13)によって駆動させることにより一定波長のレー
ザ光を出力し、ビームスプリッタ(14)を通してE
r:YAGからなる光透過媒体(10)にレーザ光を入
射させるようにしている。光透過媒体(10)を透過し
た光出力を光検出素子(15)で受光し、デジタイジン
グオシロスコープ(16)および光スペクトロアナライ
ザ(17)で観測する。このような構成において、図2
(a)は半導体レーザ素子(11)に注入した電流変化
を示し、図2(b)はその時のレーザ出力をデジタイジ
ングオシロスコープ(16)で観測した光強度変化を示
したものである。また、図2(c)はEr:YAGの光
透過媒体(10)を透過させた後の光強度変化を示した
ものである。なお、温調器を調節してレーザヘッドの温
度は33℃一定とした。図2(b)と図2(c)を比べ
ると、図2(b)に示した半導体レーザ素子(11)の
出力の光強度変化が、図2(c)に示したように、光透
過媒体(10)の透過後において反転(低光強度状態)
し、その低光強度状態を保持するメモリ機能を果たして
いることがわかる。この現象は図3および図4によって
も確認される。図3(a)は、半導体レーザ素子(1
1)に注入する電流を54mAから3mAずつ99mA
まで増加させていった場合、図1の光スペクトロアナラ
イザで検出した光波長と強度の関係を示したものであ
り、図3(b)は光透過媒体(10)の透過後の光スペ
クトロアナライザの検出結果である。また、図4(a)
は、半導体レーザ素子(11)に注入する電流を99m
Aから3mAずつ54mAまで減少させた場合、光スペ
クトロアナライザで検出した光波長と強度の関係を示し
たものであり、図4(b)は光透過媒体を透過した後の
検出結果である。図3(a)より、注入電流を増加して
いくと78mAのところで光波長が786.1nmから
787.5nmに不連続に変化しているのがわかる。図
4(a)より、逆に注入電流を減少していくと60mA
のところで光波長が787.5nmから786.1nm
に不連続に変化しているのがわかる。図3(a)と図4
(a)より、光波長変化には注入電流に対してヒステリ
シスがあることがわかる。また、図3(b)と図4
(b)より光透過媒体を透過した後のレーザ光は、78
7.5nmの光波長の光は光透過媒体で吸収されること
がわかる。さらに、また、図3(b)および図4(b)
において注入電流75mAの場合をそれぞれ比較する
と、図3(b)においては強い光強度が観測されるが図
4(b)においては光強度はほとんど0に近い値であ
る。従って、図2(a)に示した様に、注入電流75m
A(低キャリア注入時)と99mA(高キャリア注入
時)の制御入力を半導体レーザに入力し、その光出力
(図2(b))を光透過媒体に照射し、その透過光を観
測すると図2(c)の様なメモリ機能を有する光強度出
力が得られる。つまり、注入電流に対して光波長変化に
ヒステリシスが存在するために、低キャリア注入状態か
ら一度高キャリア注入して光波長を変化させると、再び
低キャリア注入状態に戻しても光波長は高キャリア注入
状態を保持し、このレーザ光を光透過媒体を通過させる
と、低強度状態を保持するメモリ機能を発揮する。図5
は、光透過媒体(Er:YAG)の光吸収スペクトルで
ある。この図5より、787.3nmが吸収ピークであ
り、これはEr:YAGにおいてEr3+の励起吸収(2
11/2 4 13/2)に相当している。実施例2 実施例1と同一の半導体レーザを用いて、レーザヘッド
の温度を43℃一定にした場合、この43℃の温度にお
いて、注入電流75mAと99mAを半導体レーザに加
えると、それぞれ、787.5nmと789.6nmの
発振波長が観測された。図1と同様な構成において、図
6(a)はレーザ素子に注入した電流変化を示し、図6
(b)はその光出力強度、図6(c)はEr:YAGを
透過した後の光強度変化を示したものである。図6
(b)と図6(c)を比べると、図6(b)に示した光
強度が図6(c)において高光強度状態を保持するメモ
リ機能していることがわかる。図7および図8は光スペ
クトロアナライザの測定結果である。図7(a)は注入
電流を54mAから3mAずつ99mAまで増加した結
果であり、図7(b)は光透過媒体を透過後の結果であ
る。図8(a)は注入電流を逆に99mAから3mAず
つ54mAまで減少させた結果であり、図8(b)は光
透過媒体を透過後の結果である。図7(a)より、注入
電流を増加していくと81mAのところで光波長が78
7.5nmから789.6nmに不連続に変化している
のがわかる。図8(a)より、逆に注入電流を減少して
いくと69mAのところで光波長が不連続に変化してい
るのがわかる。図7(a)と図8(a)より、光波長変
化には注入電流に対してヒステリシスがあることがわか
る。また、図7(b)と図8(b)より光透過媒体を透
過した後のレーザ光は、787.5nmの光波長の光は
光透過媒体で吸収され、789.6nmの光は透過する
ことがわかった。従って、図6(a)に示した様に、注
入電流75mA(低キャリア注入時)と99mA(高キ
ャリア注入時)の制御入力を半導体レーザに入力し、そ
の光出力(図6(b))を光透過媒体に照射し、その透
過光を観測すると図6(c)の様な、高強度状態を保持
するメモリ機能を発揮する。以上の結果より明らかなよ
うに、図2および図6において光出力がEr:YAG光
透過媒体を透過させることによってそれぞれ低光強度お
よび高光強度状態を保持するメモリ機能が容易に実現さ
れる。実施例3 図9のAは注入電流99mAに対して発振波長が約78
7.5nmになるように設定し、99mAの単形パルス
を形成した場合のその入力波形である。レーザ特有の緩
和振動が観測される。図9のBは、Er:YAG透過後
の光波形である。ここで注目すべき点は図9のBにおい
て緩和振動の2番目以降のピークが抑制されていること
である。これは最初の立ち上がりで発振波長が一定光波
長、たとえばλ1 (787.5nm)に達すると緩和振
動によって強度変化しても、ヒステリシス効果によりλ
1 の光波長を保持し、前記透過媒体を透過すると吸収さ
れる。従って、緩和振動が抑制され、ほぼ立上り時間の
みのスイッチング時間で高速動作可能となる。ちなみ
に、本実験ではこのスイッチング時間は約100psで
ある。なお、参照の為、図10のAはレーザヘッドの温
度を調節して786nm(λ 1 でない)の光波長に設定
した場合の99mAの単形パルス入力波形であり、図1
0Bは光透過媒体を透過後の出力波形である。この図1
0のBより、図10のAの入力光はほとんどそのまま透
過し、緩和振動の影響がでていることがわかる。もちろ
ん、以上の例においては光透過媒体に含有する希土類元
素としてはEr +3を用いたが、これに限定されることは
ない。光の波長、光透過媒体の種類等に応じて適宜に選
択される。
【Example】Example 1 FIG. 1 shows an optical functional device of the present invention and its function.
1 is a diagram illustrating an example of a device configuration. Where the light transmitting medium
(10) is erbium: Er as a rare earth element3+Including
Yttrium Aluminum Garnet (YAG)
Using a rod of φ3 mm x 3 mm consisting of
Is 50 at% {, that is, (Er0.5Y0. Five)ThreeAlFiveO
12} Semiconductor laser functioning as light generating element
The element (11) includes a drive control circuit (12) and a temperature controller.
By driving by (13), the laser of a certain wavelength
The light is output, and E is output through the beam splitter (14).
r: Inject laser light into light transmitting medium (10) made of YAG
I try to shoot. Through the light transmitting medium (10)
The optical output is received by the photodetector (15) and digitized.
Guoscilloscope (16) and Optical Spectroanalyse
Observed at the (17). In such a configuration, FIG.
(A) is a change in current injected into the semiconductor laser element (11).
FIG. 2 (b) shows the laser output at that time digitized.
This shows the change in light intensity observed with the oscilloscope (16).
It was done. FIG. 2C shows the light of Er: YAG.
The change in light intensity after transmission through the transmission medium (10) was shown.
Things. Adjust the temperature controller to adjust the temperature of the laser head.
The temperature was kept constant at 33 ° C. Compare FIG. 2 (b) and FIG. 2 (c)
Then, the semiconductor laser device (11) shown in FIG.
As shown in FIG. 2 (c), the change in output light intensity
Inversion after transmission through excess medium (10) (low light intensity state)
And perform its memory function to keep its low light intensity state
You can see that there is. This phenomenon is shown in FIGS. 3 and 4.
Is also confirmed. FIG. 3A shows a semiconductor laser device (1).
The current to be injected in 1) is increased from 54 mA to 3 mA by 99 mA.
The optical spectroanalyzer shown in Fig. 1
This shows the relationship between the light wavelength detected by the
FIG. 3B shows an optical spectrum after transmission through the light transmitting medium (10).
It is a detection result of a Kuro analyzer. FIG. 4 (a)
Means that the current injected into the semiconductor laser element (11) is 99 m
When the current is reduced from A to 54 mA in 3 mA steps,
It shows the relationship between the light wavelength detected by the Kuro analyzer and the intensity.
FIG. 4B shows the state after transmission through the light transmitting medium.
It is a detection result. As shown in FIG.
The light wavelength from 786.1 nm at 78 mA
It can be seen that it changes discontinuously to 787.5 nm. Figure
4 (a), conversely, when the injection current is reduced, 60 mA
At a light wavelength of 787.5 nm to 786.1 nm
It can be seen that it changes discontinuously in FIG. FIGS. 3A and 4
From (a), it can be seen that the change in optical wavelength
It turns out that there is cis. 3 (b) and FIG.
(B) The laser light after transmitting through the light transmitting medium is 78
Light having a wavelength of 7.5 nm is absorbed by a light transmitting medium.
I understand. 3 (b) and 4 (b)
In the case of 75 mA injection current
And a strong light intensity is observed in FIG.
In 4 (b), the light intensity is almost zero.
You. Therefore, as shown in FIG.
A (at low carrier injection) and 99 mA (high carrier injection)
) Control input to the semiconductor laser and its optical output
(FIG. 2B) is irradiated on the light transmitting medium, and the transmitted light is observed.
When measured, a light intensity output having a memory function as shown in FIG.
Power is gained. In other words, the change in light wavelength with respect to the injection current
Due to the existence of hysteresis,
Once the carrier wavelength is changed by injecting high carriers once,
The optical wavelength remains high even after returning to the low carrier injection state.
Hold the state and let this laser light pass through the light transmitting medium
Thus, a memory function for maintaining a low strength state is exhibited. FIG.
Is the light absorption spectrum of the light transmitting medium (Er: YAG)
is there. According to FIG. 5, 787.3 nm is the absorption peak.
This is the Er: YAG3+Excitation absorption (TwoH
11/2FourI13/2).Example 2 Laser head using the same semiconductor laser as in the first embodiment
If the temperature is kept constant at 43 ° C,
Injection currents of 75 mA and 99 mA are applied to the semiconductor laser.
, The 787.5 nm and 789.6 nm, respectively,
An oscillation wavelength was observed. In a configuration similar to FIG.
6 (a) shows a change in current injected into the laser element, and FIG.
6B shows the light output intensity, and FIG. 6C shows Er: YAG.
It shows a change in light intensity after transmission. FIG.
6B and FIG. 6C, the light shown in FIG.
Note that the intensity maintains the high light intensity state in FIG.
You can see that it works. FIG. 7 and FIG.
It is a measurement result of a Kuro analyzer. FIG. 7A shows injection.
The current was increased from 54 mA to 99 mA in 3 mA increments.
FIG. 7B shows the result after passing through the light transmitting medium.
You. FIG. 8 (a) shows that the injection current is reversed from 99 mA to 3 mA.
FIG. 8 (b) shows the result of reducing the
This is the result after transmission through the transmission medium. As shown in FIG.
As the current increases, the light wavelength becomes 78 at 81 mA.
It changes discontinuously from 7.5 nm to 789.6 nm
I understand. From FIG. 8A, conversely, the injection current is reduced.
The light wavelength changes discontinuously at 69 mA
You can see that FIG. 7A and FIG.
That there is hysteresis for injection current
You. 7B and FIG. 8B, the light transmitting medium is transparent.
The laser light after passing, the light of the light wavelength of 787.5 nm is
Absorbed by the light transmitting medium, and the light of 789.6 nm is transmitted.
I understand. Therefore, as shown in FIG.
Input current 75 mA (at low carrier injection) and 99 mA (high
Control input during carrier injection) is input to the semiconductor laser.
The light output of FIG. 6 (b) is applied to the light transmitting medium,
Observation of over-light keeps high intensity state as shown in Fig. 6 (c)
Exercise memory function. It is clear from the above results
2 and 6, the light output is Er: YAG light.
By transmitting the light through the transmission medium, low light intensity and
Memory function to maintain high light intensity state
It is.Example 3 FIG. 9A shows that the oscillation wavelength is about 78 for an injection current of 99 mA.
Set to 7.5 nm, 99 mA monomorphic pulse
Is the input waveform in the case where is formed. Laser-specific relaxation
A sum oscillation is observed. FIG. 9B shows the result after passing through Er: YAG.
FIG. The point to note here is in FIG.
That the second and subsequent peaks of the relaxation oscillation are suppressed
It is. This is a light wave whose oscillation wavelength is constant at the first rise.
Length, for example λ1(787.5 nm)
Even if the intensity changes due to movement, λ
1Light wavelength and is absorbed when transmitted through the transmission medium.
It is. Therefore, the relaxation oscillation is suppressed, and the rise time is almost
High-speed operation is possible with only switching time. By the way
In this experiment, the switching time was about 100ps.
is there. For reference, FIG. 10A shows the temperature of the laser head.
Adjust the degree to 786 nm (λ 1Set to light wavelength
FIG. 1 shows a single-pulse input waveform of 99 mA.
0B is an output waveform after transmission through the light transmission medium. This figure 1
10B, the input light of FIG.
It can be seen that the influence of the relaxation oscillation appears. Rice cake
In the above example, the rare earth element contained in the light transmitting medium
The element is Er +3, But is not limited to this.
Absent. Appropriate selection according to the wavelength of light, the type of light transmitting medium, etc.
Selected.

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明の光
機能素子により、光メモリが構成可能となり、この光メ
モリは光波長の選定の仕方で、制御入力に対してスイッ
チ・オフ型(低光強度状態)およびスイッチ・オン型
(高光強度状態)のいずれの型のメモリも構成できる。
また、この光機能素子のスイッチング時には緩和振動の
影響がなく高速動作が可能である。
As described in detail above, an optical memory can be constituted by the optical functional device of the present invention. This optical memory is switch-off type (low light intensity state) with respect to a control input by selecting an optical wavelength. ) And the switch-on type (high light intensity state).
Further, at the time of switching of this optical function element, high-speed operation is possible without being affected by relaxation oscillation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の光機能素子とその機能測定のための
装置構成を例示した構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an optical functional device of the present invention and a device configuration for measuring its function.

【図2】(a)(b)(c)は、各々、実施例としての
半導体レーザ素子への注入電流、その出力光および光透
過媒体透過後の光の強度変化図である。
FIGS. 2A, 2B and 2C are diagrams respectively showing an injection current to a semiconductor laser device as an example, an output light thereof and an intensity change of light after passing through a light transmitting medium.

【図3】(a)(b)は、実施例としての注入電流増加
時の光波長と強度の相関図である。
FIGS. 3A and 3B are correlation diagrams of light wavelength and intensity when an injection current is increased as an example.

【図4】(a)(b)は、実施例としての、注入電流減
少時の光波長と強度との相関図である。
FIGS. 4A and 4B are correlation diagrams between an optical wavelength and an intensity when an injection current is reduced, as an example.

【図5】実施例としての光透過媒体の光吸収スペクトル
図である。
FIG. 5 is a light absorption spectrum diagram of a light transmitting medium as an example.

【図6】(a)(b)(c)は、実施例としての、半導
体レーザ素子への注入電流、その出力光、および光透過
媒体透過後の光の強度変化図である。
FIGS. 6A, 6B, and 6C are diagrams showing the change in the intensity of the current injected into the semiconductor laser element, the output light thereof, and the light transmitted through the light transmitting medium, as examples.

【図7】(a)(b)は、実施例としての、注入電流増
加時の光波長と強度との相関図である。
FIGS. 7A and 7B are correlation diagrams of light wavelength and intensity when an injection current is increased, as an example.

【図8】(a)(b)は、実施例としての、注入電流の
減少時の光波長と強度との相関図である。
FIGS. 8 (a) and (b) are correlation diagrams between the light wavelength and the intensity when the injection current is reduced, as an example.

【図9】単形パルスの出力波形図である。FIG. 9 is an output waveform diagram of a single pulse.

【図10】単形パルスの出力波形図である。FIG. 10 is an output waveform diagram of a single pulse.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 光透過媒体 11 半導体レーザ素子 12 駆動制御回路 13 温調器 14 ビームスプリッタ 15 光検出素子 16 デジタイジングオシロスコープ 17 光スペクトロアナライザ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light transmission medium 11 Semiconductor laser element 12 Drive control circuit 13 Temperature controller 14 Beam splitter 15 Photodetector 16 Digitizing oscilloscope 17 Optical spectroanalyzer

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光透過媒体と光発生素子とを有する光機
能素子であって、光透過媒体は、特定の光波長λ1 で低
透過率を示し、その周囲の光波長λ2 ,λ3(λ2 <λ
1 <λ3 )では高透過率を示し、光発生素子は電流注入
量または光照射量によって光波長λ1 ,λ2 ,λ3 の光
を発生し、その波長変化は電流注入量または光照射量に
対してヒステリシスを生ずるものからなり、光発生素子
からの前記光波長λ1 ,λ2 ,λ3 の光を光透過媒体に
照射し、前記波長変化にヒステリシスがあることから光
透過媒体を透過する光強度が低強度または高強度状態を
保持するメモリ機能を有することを特徴とする光機能素
子。
1. An optical functional element having a light transmitting medium and a light generating element, wherein the light transmitting medium has a low transmittance at a specific light wavelength λ 1 and surrounding light wavelengths λ 2 and λ 3.2
13 ), a high transmittance is exhibited, and the light generating element generates light of light wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 depending on the amount of current injection or light irradiation, and the wavelength change is based on the amount of current injection or light irradiation. Light from the light generating element is irradiated with the light having the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 from the light generating element, and the light transmitting medium is subjected to the hysteresis in the wavelength change. An optical function element having a memory function of maintaining a low or high intensity state of transmitted light.
【請求項2】 光発生素子を半導体レーザとし、この半
導体レーザは電流または光照射によってキャリアを活性
領域に注入でき、低キャリア注入時から高キャリア注入
時にすると光波長がλ2 からλ1 に変化し、再び低キャ
リア注入時にもどしてもλ1 の光波長を保持し、前記光
透過媒体を透過する光強度を低強度状態に保持する、ま
たは低キャリア注入時から高キャリア注入時にすると光
波長がλ1 からλ3 に変化し、再び低キャリア注入時に
もどしてもλ3 の光波長を保持し、前記光透過体を透過
する光強度を高強度状態に保持する請求項1の光機能素
子。
2. A semiconductor laser is used as a light generating element. This semiconductor laser can inject carriers into an active region by current or light irradiation, and the light wavelength changes from λ 2 to λ 1 when a low carrier is injected to a high carrier. However, when returning to the low carrier injection mode, the light wavelength of λ 1 is maintained, and the light intensity transmitted through the light transmitting medium is maintained in a low intensity state, or when the low carrier injection is performed and the high carrier injection is performed, the light wavelength is changed. lambda 1 changes to lambda 3 from holding the third light wavelengths lambda and returned again in the low carrier injection, an optical functional device according to claim 1 for holding the light intensity transmitted through the light transmitting member to a high strength state.
【請求項3】 光透過媒体が、透明性セラミックス、ガ
ラス、半導体および絶縁物の群から選択された物質中
に、少なくとも1種の希土類元素を含有させたものであ
る請求項1または2の光機能素子。
3. The light according to claim 1, wherein the light transmitting medium is a material selected from the group consisting of transparent ceramics, glass, semiconductors and insulators, containing at least one rare earth element. Functional element.
【請求項4】 光透過媒体が、希土類元素のエルビウム
Er3+を含有したものであり、低透過率の光波長λ1
エルビウム元素Er3+の励起吸収(2 11/2
4 13/2)の吸収ピーク近辺としてなる請求項1、2ま
たは3の光機能素子。
4. A light transmitting medium containing a rare earth element erbium Er 3+ , wherein the light wavelength λ 1 of low transmittance is reduced by excitation absorption ( 2 H 11/2 −) of the erbium element Er 3+.
4. The optical functional device according to claim 1, which is near an absorption peak of 4 I 13/2 ).
【請求項5】 光透過媒体が、透明性セラミックスのY
AG(イットリウムアルミニウムガーネット)中に希土
類元素のエルビウムEr3+を含有したものである請求項
1、2、3または4の光機能素子。
5. The light transmitting medium is a transparent ceramic Y.
5. The optical functional device according to claim 1, wherein the rare earth element erbium Er 3+ is contained in AG (yttrium aluminum garnet).
【請求項6】 請求項1、2、3、4または5に記載さ
れた光透過媒体または光発生素子を用いてレーザ発振時
に生じる緩和振動による光強度変動を抑制し、高速動作
することを特徴とする光機能素子。
6. A light-transmitting medium or a light-generating element according to claim 1, wherein light-intensity fluctuation due to relaxation oscillation generated during laser oscillation is suppressed, and high-speed operation is performed. An optical functional element.
【請求項7】 請求項1、2、3、4、5または6に記
載された光機能素子を小型化および多段接続するために
前記光透過媒体を前記半導体レーザ光発生素子の共振器
内に形成し、ホトトランジスタまたはホトダイオードな
どの受光素子を前記光機能素子に併設することを特徴と
する光機能素子。
7. The optical transmission element according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, wherein the light transmitting medium is provided in a resonator of the semiconductor laser light generating element in order to reduce the size and connect the optical function element in multiple stages. An optical functional element, wherein a light receiving element such as a phototransistor or a photodiode is formed in addition to the optical functional element.
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