JP2937442B2 - WDM optical element, WDM optical system, and optical modulation method - Google Patents

WDM optical element, WDM optical system, and optical modulation method

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JP2937442B2 JP22001790A JP22001790A JP2937442B2 JP 2937442 B2 JP2937442 B2 JP 2937442B2 JP 22001790 A JP22001790 A JP 22001790A JP 22001790 A JP22001790 A JP 22001790A JP 2937442 B2 JP2937442 B2 JP 2937442B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光変調、画像処理などに用いられる波長多
重光素子に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength division multiplexing optical element used for light modulation, image processing, and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、光導波路における非線形光学効果を用いて光変
調、光周波数変換などを行う機能を有する非線形光機能
素子が提案されている。その動作特性については、例え
ば「ジャーナル オブ アプライド フィジクス、第58
巻(1985年)、第R57頁から第R78頁(J.Appl.Phys.,58
(1985)、pp.R57−R78)」において論じられている。
上記文献では、単一の波長の光を導波する条件下の光導
波路において、非線形光学効果による屈折率変化を利用
して光変調が行われ、二次の非線形光学効果による第2
高調波発生など光周波数変換が試みられている。そし
て、非線形光学効果による屈折率変化はおよそ10%であ
り、光導波路の長さは約1cmである。また、光源とし
て、出力100W程度のパルスレーザが使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a nonlinear optical function element having a function of performing optical modulation, optical frequency conversion, and the like using a nonlinear optical effect in an optical waveguide has been proposed. For its operating characteristics, see, for example, “Journal of Applied Physics, No. 58.
Volume (1985), pages R57 to R78 (J. Appl. Phys., 58
(1985), pp. R57-R78).
In the above document, in an optical waveguide under a condition that light of a single wavelength is guided, light modulation is performed by using a change in refractive index due to a nonlinear optical effect, and a second order due to a second-order nonlinear optical effect.
Optical frequency conversion such as harmonic generation has been attempted. The change in the refractive index due to the nonlinear optical effect is about 10%, and the length of the optical waveguide is about 1 cm. In addition, a pulse laser having an output of about 100 W is used as a light source.

また、非線形光学効果を用いた光変調技術は、特開平
2−124540号公報にも開示されている。
An optical modulation technique using the nonlinear optical effect is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-124540.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来技術においては、機能を実現するための素子
のサイズが大きいこと、集積度が低いこと、高出力光源
を必要とすること等の問題点があるが、高集積かつ低入
力動作の非線形光学素子を構成することは困難である。
また、上記従来技術においては、光の三原色に対して一
つの光導波路で並列的に処理することや、二つの画像を
比較して共通部分等を認識することは難しい。
In the above prior art, there are problems such as a large size of an element for realizing the function, a low integration degree, and a need for a high output light source. It is difficult to construct the device.
Further, in the above-described conventional technology, it is difficult to process three primary colors of light in parallel with one optical waveguide, or to compare two images to recognize a common portion or the like.

本発明の目的は、高集積かつ低入力動作という特性を
有し、かつ光の三原色に対して単一の光導波路で並列的
に光論理変調動作を行うことができ、もしくは天然色で
画像処理を行うことができる波長多重素子を提供するこ
とにある。
It is an object of the present invention to have a characteristic of high integration and low input operation, and to be able to perform optical logic modulation operation in parallel with a single optical waveguide for three primary colors of light, or to perform image processing with natural colors. To provide a wavelength division multiplexing device capable of performing the following.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的は、それぞれ厚みの異なる複数層(例えば三
層)の半導体薄膜を含み、その半導体薄膜は、近赤外領
域にバンドギャップを有するとともに、近紫外のバンド
ギャップを有するバリア材料で挾まれていることによ
り、各層それぞれの薄膜中に形成される電子−正孔の励
起状態のエネルギー準位の波長が所定の可視光(例えば
三層の場合、可視光の赤、緑、青)に対応しているよう
に光導波路を形成し、該光導波路の各層にそれぞれのエ
ネルギー準位に共鳴する光を入射し、他の光を変調光も
しくは参照光として照射することによって入射光の位相
もしくは屈折率を変化させ、可視光の任意の領域におけ
る光強度変調、色調変調、伝搬進路の切換えを行うよう
に波長多重光素子を構成することにより、達成される。
The above object includes a plurality of (for example, three) semiconductor thin films having different thicknesses, each of which has a band gap in a near-infrared region and is sandwiched between barrier materials having a band gap of near ultraviolet. In this case, the wavelength of the energy level of the excited state of the electron-hole formed in the thin film of each layer corresponds to a predetermined visible light (for example, in the case of three layers, the visible light red, green, and blue). The optical waveguide is formed as described above, and light that resonates at the respective energy levels is incident on each layer of the optical waveguide, and the other light is irradiated as modulated light or reference light, whereby the phase or refractive index of the incident light is increased. Is achieved, and the wavelength multiplexing optical element is configured to perform light intensity modulation, color tone modulation, and switching of a propagation path in an arbitrary region of visible light.

その具体的な構成例としては、上記光導波路の半導体
薄膜をそれぞれの電子−正孔の励起エネルギー準位の波
長が可視光の赤、緑、青に対応させて形成する。
As a specific configuration example, the semiconductor thin film of the optical waveguide is formed so that the wavelength of the excitation energy level of each electron-hole corresponds to red, green, and blue of visible light.

また、別の例としては、上記光導波路を閉回路を含め
て構成しても、電磁的結合が生じるように配置された二
本の光導波路として構成してもよい。
Further, as another example, the optical waveguide may be configured to include a closed circuit, or may be configured as two optical waveguides arranged so as to generate electromagnetic coupling.

さらに限定された局面においては、上記半導体薄膜層
はIII−V族化合物(例えば、GaAs)、上記バリア層はI
I−VI族化合物(例えば、ZnS0.15Se0.85)で形成すると
よく、バリア層の半導体薄膜に対する格子定数の不整合
は0.5%以下とするのが望ましい。別の限定された局面
においては、上記半導体薄膜層の屈折率を空気中のそれ
の10倍以上に設定し、かつ上記光導波路の幅を空気中の
赤色光の波長の5分の1以下とする。上記光導波路層
は、その半導体薄膜層を基板面に沿う方向に幅40nm以下
の細線上に加工し、かつ光導波路の幅を50nm以下に減少
させてもよく、またその端部に扇状の絞り込み部を設け
てもよい。上記変調光又は参照光を光導波路に照射する
ために、新たに光導波層を設けてもよい。
In a more limited aspect, the semiconductor thin film layer is a III-V compound (for example, GaAs), and the barrier layer is
The barrier layer is preferably formed of an I-VI group compound (for example, ZnS 0.15 Se 0.85 ), and the mismatch between the lattice constant of the barrier layer and the semiconductor thin film is desirably 0.5% or less. In another limited aspect, the refractive index of the semiconductor thin film layer is set to 10 times or more that of the air, and the width of the optical waveguide is set to 1/5 or less of the wavelength of red light in the air. I do. The optical waveguide layer may be formed by processing the semiconductor thin film layer on a fine wire having a width of 40 nm or less in the direction along the substrate surface, and reducing the width of the optical waveguide to 50 nm or less, and narrowing down the end portion in a fan shape. A part may be provided. In order to irradiate the modulated light or the reference light to the optical waveguide, a new optical waveguide layer may be provided.

本発明の波長可変光素子の応用例として、これを電磁
的結合が生じるように接近しあった二本の光導波路で構
成し、1素子を1画素に対応させて4個以上の素子を集
積する。このような構成によれば、天然色の原画を画素
に分割して上記素子にそれぞれ入射させ、その入射した
画素を参照画像の画素と比較し、原画と参照画の共通部
と非共通部とを分離・抽出し、各素子の出力光を二次元
的に配列して、共通部、非共通部の画像をそれぞれ出力
する画像処理ができる。
As an application example of the wavelength tunable optical element of the present invention, this is constituted by two optical waveguides which are close to each other so that electromagnetic coupling occurs, and one element corresponds to one pixel and four or more elements are integrated. I do. According to such a configuration, the original image of the natural color is divided into pixels and the pixels are incident on the elements, and the incident pixels are compared with the pixels of the reference image. Can be separated and extracted, the output light of each element is two-dimensionally arranged, and image processing for outputting images of the common portion and the non-common portion can be performed.

〔作用〕[Action]

上記構成において、励起子準位と共鳴する波長の光を
入射すると、励起子と光のコヒーレントな相互作用によ
って、ポラリトンが形成される。そして、ポラリトンが
存在するとき、励起子と光の相互作用は極めて強く、共
鳴波長における媒質の屈折率は、空気中の値より大幅に
増加する。特に、バリア層に半導体薄膜による量子井戸
層より遥かに大きなバンドギャップを有する材料を用い
て量子井戸構造を構成すると、量子井戸中に形成された
励起子と光の相互作用はさらに強まり、共鳴状態での屈
折率は空気中の10倍以上になる。このような状況は、例
えばZnS0.15Se0.85などのII−VI族化合物もしくはその
混晶をバリアとして用い、GaAsなどのIII−V族化合物
を量子井戸として用いることにより、実現できる。この
系では、格子不整合も0.42%と、ほとんどないといえる
ので、歪による影響は無視できる。
In the above configuration, when light having a wavelength that resonates with the exciton level is incident, polariton is formed by coherent interaction between the exciton and light. And when polaritons are present, the interaction between excitons and light is very strong, and the refractive index of the medium at the resonance wavelength increases significantly from the value in air. In particular, when a quantum well structure is formed using a material having a much larger band gap than a quantum well layer made of a semiconductor thin film for a barrier layer, the interaction between excitons formed in the quantum well and light is further strengthened, and the resonance state is increased. The refractive index at is more than 10 times that of air. Such a situation can be realized, for example, by using a II-VI group compound such as ZnS 0.15 Se 0.85 or a mixed crystal thereof as a barrier and using a III-V group compound such as GaAs as a quantum well. In this system, it can be said that the lattice mismatch is as low as 0.42%, so that the influence of distortion can be ignored.

上記の系を利用すると、共鳴領域の波長の光に対して
屈折率が10以上であるため、ナノメータサイズの幅を有
する光導波路に光を導波することが可能であり、光素子
の集積度を飛躍的に増加できる。また、バリア層のバン
ドギャップが近紫外域に、量子井戸層のバンドギャップ
が近赤外域にあるため、量子井戸の厚みを変えると、量
子井戸励起子と共鳴する光の波長が可視光全域で可変で
ある。従って、厚みの異なる量子井戸層を三層設けて、
それぞれ赤色(R)、緑色(G)、青色(B)に対応す
るポラリトンを単一の光導波路に伝搬させることができ
る。このR,G,Bは光の三原色であり、天然色を導波し、
光演算を行う素子が構成できる。
When the above system is used, since the refractive index is 10 or more with respect to the light having the wavelength in the resonance region, it is possible to guide the light to the optical waveguide having the width of the nanometer size, and the integration degree of the optical element. Can be dramatically increased. In addition, since the band gap of the barrier layer is in the near ultraviolet region and the band gap of the quantum well layer is in the near infrared region, when the thickness of the quantum well is changed, the wavelength of light that resonates with the quantum well excitons becomes visible in the entire visible light region. It is variable. Therefore, by providing three quantum well layers having different thicknesses,
Polaritons corresponding to red (R), green (G), and blue (B) can be propagated through a single optical waveguide. This R, G, B are the three primary colors of light, guide the natural color,
An element for performing an optical operation can be configured.

また、励起子散乱によってポラリトンの位相が変化す
ることを利用して、干渉型の光導波路を構成し、変調光
によって作られた電子−正孔系が入力光により形成され
たポラリトンの位相を変化させ、干渉条件を変えること
により、光の強度変調を行うことができる。この場合、
ポラリトンの励起子成分は励起子共鳴波長で最も高いた
め、変調光の波長がその波長に近いときに散乱が強くな
る。従って、変調光の波長成分を選べば、R,G,Bのうち
の任意の成分の変調を行うことができ、色調の変調や、
波長多重論理等に応用できる。なお、この効果を引き起
こすのに必要な変調光の強度は1mW程度でよく、低入力
で動作する素子を構成できるという利点を有している。
Also, utilizing the fact that the phase of polaritons changes due to exciton scattering, an interference-type optical waveguide is constructed, and the electron-hole system created by modulated light changes the phase of polaritons formed by input light. The intensity of light can be modulated by changing the interference conditions. in this case,
Since the exciton component of the polariton is the highest at the exciton resonance wavelength, scattering becomes strong when the wavelength of the modulated light is close to that wavelength. Therefore, if the wavelength component of the modulated light is selected, modulation of an arbitrary component among R, G, and B can be performed, and color tone modulation and
It can be applied to wavelength multiplexing logic and the like. Note that the intensity of the modulated light required to cause this effect may be about 1 mW, which has the advantage that an element that operates with low input can be configured.

さらに、励起子散乱は、励起子と光の相互作用を弱
め、屈折率を減少させる。そこで、上記光導波路に光を
照射し、励起子散乱を誘起することによって、光導波路
中の光の閉じ込めを弱め、光の電界の外部へのしみ出し
を増やすことにより、その成分を隣接して設けた別の光
導波路に取り出すこともできる。これは、後述の実施例
2で示すように、RGB画像処理を可能にし、参照光の波
長成分に応じて原画像と参照画像との比較を天然色で行
うことができる。この場合も、上記変調と同様に、参照
光の強度は1mW程度でよい。
In addition, exciton scattering weakens the interaction between excitons and light, reducing the refractive index. Therefore, by irradiating the optical waveguide with light and inducing exciton scattering, the confinement of light in the optical waveguide is weakened, and the amount of light leaking out of the electric field is increased, so that the components are adjacent to each other. It can also be taken out to another optical waveguide provided. This enables RGB image processing, as shown in Example 2 described later, and allows comparison between the original image and the reference image in natural colors according to the wavelength component of the reference light. Also in this case, similarly to the above modulation, the intensity of the reference light may be about 1 mW.

なお、本発明による素子は、上記のようにポラリトン
を利用した励起子と光の相互作用を用いるものである
が、この作用を十分発揮させるために、量子井戸層に光
が入射するとき、光が層の長手の方向に入射するように
構造上の配慮をすることが必要である。
The device according to the present invention uses the interaction between excitons and light using polaritons as described above.To sufficiently exhibit this effect, when light is incident on the quantum well layer, It is necessary to take structural considerations such that light is incident in the longitudinal direction of the layer.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施例1: 本実施例は、マッハ−ツェンダ−干渉計光導波路の一
部に変調光入射用の光導波路が接続され、赤(R)、緑
(G)、青(B)の光の三原色を導波し、変調を行う素
子を構成した実施例である。第1図(a)に該実施例の
マッハ−ツェンダ−干渉計の概略外観を示し、第1図
(b)にその光導波の構成(ただし横向きに図示)を示
す。
Embodiment 1 In this embodiment, an optical waveguide for inputting modulated light is connected to a part of an optical waveguide of a Mach-Zehnder interferometer, and three primary colors of red (R), green (G), and blue (B) light are used. This is an embodiment in which an element for guiding and modulating light is formed. FIG. 1 (a) shows a schematic external view of the Mach-Zehnder interferometer of this embodiment, and FIG. 1 (b) shows a configuration of the optical waveguide (shown in a horizontal direction).

まず、作製方法について述べる。第1図(b)におい
て、基板1として半絶縁性のGaAsウエハを用い、該基板
1上に、まずクラッド層4としてアンドープのGaAsを1.
0μm、バリア層8となるZnS0.15Se0.85を1.5μm、19.
8ÅのGaAs量子井戸層5、100Åのバリア層8、11.3Åの
GaAs量子井戸層6、100Åのバリア層8、8.5ÅのGaAs量
子井戸層7、1.5μmのバリア層8、さらにクラッド層
の順に分子線エピタキシ法(MBE法)によってエピタキ
シャル結晶成長させる。クラッド層4およびそれらで挾
まれた領域がコアとなる。量子井戸層5には、赤色帯ポ
ラリトンの源となる励起子準位9が生じる。液体ヘリウ
ム温度での励起子準位9のエネルギーは1.77eVで、波長
707nmとなる。また、緑色帯ポラリトンに対応する量子
井戸層6の励起子準位10では、エネルギーは2.30eV、波
長は542nmであり、青色帯ポラリトンに対応する量子井
戸層7の励起子準位11では、エネルギーは2.89eV、波長
は430nmである。
First, a manufacturing method will be described. In FIG. 1 (b), a semi-insulating GaAs wafer is used as a substrate 1, and undoped GaAs is first formed on the substrate 1 as a cladding layer 4.
0 μm, ZnS 0.15 Se 0.85 to become barrier layer 8 1.5 μm, 19.
8Å GaAs quantum well layer 5, 100Å barrier layer 8, 11.3Å
Epitaxial crystal growth is performed by a molecular beam epitaxy method (MBE method) in the order of a GaAs quantum well layer 6, a 100 ° barrier layer 8, an 8.5 ° GaAs quantum well layer 7, a 1.5 μm barrier layer 8, and a cladding layer. The cladding layer 4 and the region sandwiched between them constitute the core. In the quantum well layer 5, an exciton level 9 serving as a source of a red-band polariton is generated. The energy of exciton level 9 at liquid helium temperature is 1.77 eV and the wavelength
It becomes 707 nm. In the exciton level 10 of the quantum well layer 6 corresponding to the green band polariton, the energy is 2.30 eV and the wavelength is 542 nm. In the exciton level 11 of the quantum well layer 7 corresponding to the blue band polariton, the energy is Is 2.89 eV and the wavelength is 430 nm.

結晶成長後、コンタクトマスク露光によって、第1図
(a)に示したようなマッハ−ツェンダ−干渉計に加工
する。ここで、光導波路の幅4μmであり、また、干渉
計の長さは200μm、干渉計の両端に接続された光導波
路の長さは各々25μmであるので、干渉計光導波路2の
全長は250μmである。また、干渉計の一部に接続され
た変調光入射用光導波路3の長さは100μmである。
After the crystal is grown, it is processed into a Mach-Zehnder interferometer as shown in FIG. Here, the width of the optical waveguide is 4 μm, the length of the interferometer is 200 μm, and the length of the optical waveguides connected to both ends of the interferometer is 25 μm. Therefore, the total length of the interferometer optical waveguide 2 is 250 μm. It is. The length of the modulated light incident optical waveguide 3 connected to a part of the interferometer is 100 μm.

上記の素子を液体ヘリウムで冷却し、それぞれ波長が
707nm,542nm,430nmであるR入射光21、G入射光22、B
入射光23を干渉計光導波路2に入射する。すると、各入
射光はそれぞれ対応する量子井戸励起子と共鳴し、R
帯、G帯、B帯のポラリトンとなって伝搬する。ここ
で、変調光入射用光導波路3にそれぞれ波長が707nm,54
2nm,430nmのR,G,B光を各々変調光41,42,43として入射す
ると、共鳴する波長のポラリトンの位相が変化するため
に干渉条件が変化し、R,G,Bの出射光31,32,33の強度が
変化する。従って、変調光として入射するR,G,B成分を
選択することにより、出射光を任意の色の被変調光とし
て得られる。
The above elements were cooled with liquid helium, and each wavelength was
707 nm, 542 nm, 430 nm R incident light 21, G incident light 22, B
The incident light 23 enters the interferometer optical waveguide 2. Then, each incident light resonates with the corresponding quantum well exciton, and R
It propagates as a polariton of a band, a G band, and a B band. Here, the wavelengths of the modulated light incident optical waveguides 3 are 707 nm and 54 nm, respectively.
When the R, G, and B lights of 2 nm and 430 nm are incident as modulated lights 41, 42, and 43, respectively, the interference condition changes because the phase of the resonating polariton changes, and the outgoing light 31 of the R, G, and B light changes. , 32,33 change in intensity. Therefore, by selecting the R, G, and B components incident as modulated light, the emitted light can be obtained as modulated light of any color.

第2図は、上記光素子を含む光学系全体の構成を示し
たブロック図である。図において、50は赤(R)、緑
(G)、赤(R)の光の三原色を出す入力用光源、51は
本発明による光素子である。また、52は変調用光源で、
入力用光源50と同様な構成であるが、R,G,B成分の選択
ができるようになったものである。入力用光源50から出
た光は光ファイバ53に導かれ、光素子51に入射光として
入射する。一方、変調用光源52から出た光は光ファイバ
54に導かれ、光素子51に変調光として入射し、上述した
ような変調を行う。この光素子51からの出射光は、光フ
ァイバ55に導かれて波長分解用のプリズム56に入射し、
ここでR,G,Bの光に分けられ、それぞれR用検出器61、
G用検出器62、B用検出器63によって検出される。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the entire optical system including the optical element. In the figure, 50 is an input light source that emits three primary colors of red (R), green (G), and red (R) light, and 51 is an optical element according to the present invention. 52 is a light source for modulation,
The configuration is the same as that of the input light source 50, except that the R, G, and B components can be selected. The light emitted from the input light source 50 is guided to the optical fiber 53 and enters the optical element 51 as incident light. On the other hand, the light emitted from the light source 52 for modulation is
The light is guided to 54, enters the optical element 51 as modulated light, and performs the above-described modulation. The light emitted from the optical element 51 is guided to an optical fiber 55 and enters a wavelength resolving prism 56,
Here, the light is divided into R, G, and B lights, and the R detector 61,
It is detected by a G detector 62 and a B detector 63.

実施例2: 本実施例は、光学的に結合した二本の光導波路からな
り、R,G,B光成分のうち特定の成分を取り出して、画像
処理等を行う光素子を作製した実施例である。
Example 2: This example is an example in which two optical waveguides optically coupled to each other are extracted, and a specific component is extracted from R, G, and B light components, and an optical element that performs image processing and the like is manufactured. It is.

低温では、量子井戸中の励起子状態が安定で、熱振動
による撹乱がないため、量子井戸励起子と光との相互作
用が増し、量子井戸部分の屈折率が空気中の10倍以上に
なる。本発明において対象とする、閉じ込め効果の大き
い量子井戸励起子と光との液体ヘリウム温度における相
互作用は、まさにそのような巨大な屈折率を実現する条
件になっており、そのため、光導波路の幅を100nmと、
空気中の光の波長の5分の1以下のナノメータサイズに
減少することができる。
At low temperatures, the exciton state in the quantum well is stable and there is no disturbance due to thermal oscillations, so the interaction between the quantum well exciton and light increases, and the refractive index of the quantum well becomes more than 10 times that of air . The interaction between the quantum well exciton having a large confinement effect and light at liquid helium temperature, which is the object of the present invention, is exactly the condition for realizing such a huge refractive index, and therefore, the width of the optical waveguide is large. And 100nm,
It can be reduced to nanometer size less than one-fifth of the wavelength of light in air.

第3図(a)に、本実施例の、ナノメータサイズの幅
の光導波路を有し、画像処理等を行う光素子の外観を示
す。基板101として実施例1と同じく半絶縁性GaAsウエ
ハを用い、実施例1と全く同じ条件で結晶成長を行っ
た。次いで、電子線描画によるレジスト露光の後、ドラ
イエッチングを行い、幅100nmで二個所の湾曲部を有す
る光導波路102と、同じく幅100nmで一個所の湾曲部を有
する光導波路103を形成した。光導波路102と103は、第
2図(a)に示すように、一部で接近しており、その領
域での互いの光導波路間の間隔は50nmである。ここで、
光導波路102を入力用光導波路、光導波路103を取り出し
用光導波路と呼ぶことにする。また、参照光110を、入
力用光導波路102と取り出し用光導波路103の接近部の入
力用光導波路102側のみに照射するように、第3図
(b)に示すように、500nmのアルミニウム膜119を蒸着
後、参照光照射窓120をイオンミリングにより作製し
た。
FIG. 3A shows the appearance of an optical device having an optical waveguide having a width of nanometer size and performing image processing and the like according to the present embodiment. As in the first embodiment, a semi-insulating GaAs wafer was used as the substrate 101, and crystal growth was performed under exactly the same conditions as in the first embodiment. Next, after resist exposure by electron beam lithography, dry etching was performed to form an optical waveguide 102 having a width of 100 nm and two curved portions and an optical waveguide 103 also having a width of 100 nm and one curved portion. As shown in FIG. 2 (a), the optical waveguides 102 and 103 are partially close to each other, and the distance between the optical waveguides in that region is 50 nm. here,
The optical waveguide 102 is called an input optical waveguide, and the optical waveguide 103 is called an extraction optical waveguide. Also, as shown in FIG. 3B, a 500 nm aluminum film is applied so that the reference light 110 is irradiated only on the side of the input optical waveguide 102 near the input optical waveguide 102 and the takeout optical waveguide 103. After deposition of 119, a reference light irradiation window 120 was formed by ion milling.

以下、動作を説明する。入力用光導波路102に、先球
ファイバ104によって入力光107を入射する。まず、入力
光としてR帯励起子に共鳴する光を入力する場合を考え
る。入力光はR帯ポラリトンとなって光導波路を伝搬す
る。入力用光導波路102は屈折率が10以上であるため、
ナノメータ幅の光導波路中でも安定に伝搬する。この場
合、取り出し用光導波路103が接近している部分があっ
ても、入力用光導波路102からの電界のしみ出しが極め
て少ないため、取り出し用光導波路103へのポラリトン
の移行は生じない。従って、入力用光導波路102からの
出力光108は射出されるが、取り出し用光導波路103から
の出力光109は出射されない。しかし、両光導波路の結
合領域、すなわち接近部の入力用光導波路102に、参照
光110として入力光と同じ波長のR光を照射すると、励
起子散乱による屈折率の減少のため、入力用光導波路10
2からの電界のしみ出しが増加し、取り出し用光導波路1
03へのR帯ポラリトンの移行が生じる。この場合には、
取り出し用光導波路103からの出力光109が観測される。
Hereinafter, the operation will be described. The input light 107 is incident on the input optical waveguide 102 by the spherical fiber 104. First, consider a case where light that resonates with an R-band exciton is input as input light. The input light becomes R-band polariton and propagates through the optical waveguide. Since the input optical waveguide 102 has a refractive index of 10 or more,
It propagates stably even in an optical waveguide with a nanometer width. In this case, even if there is a portion where the extraction optical waveguide 103 is close, the exudation of the electric field from the input optical waveguide 102 is extremely small, so that the transfer of polaritons to the extraction optical waveguide 103 does not occur. Therefore, the output light 108 from the input optical waveguide 102 is emitted, but the output light 109 from the extraction optical waveguide 103 is not emitted. However, when the coupling region between the two optical waveguides, that is, the input optical waveguide 102 in the approaching portion, is irradiated with R light having the same wavelength as the input light as the reference light 110, the refractive index decreases due to exciton scattering. Wave path 10
The seepage of the electric field from 2 increases, and the optical waveguide for extraction 1
Shift of R-band polaritons to 03 occurs. In this case,
Output light 109 from the extraction optical waveguide 103 is observed.

次に、以上述べた光素子を集積したものを用いて画像
処理への利用を試みた例を説明する。まず、一基板上に
上記光素子を6個集積し、各々の光素子を上から順に1
から6まで番号付けをする。次に、6枚の基板において
同じものを作製し、各々の基板をIからVIまで番号付け
をする。そして、先球ファイバ104によって入力光107を
入射し、先球ファイバ105,106によって出力光108,109を
取り出す。また、入力光107、参照110を導くファイバに
光分波器(図示せず)を接続し、モニタ用ファイバをつ
ける。このモニタ用ファイバを基板ごと、各素子ごとに
番号で分類し、マトリクス状に配列した。これを第4図
に示す。図において、各々の円がファイバからの光スポ
ットに対応する。テストパターンとしては、各々の入力
光107には、第4図(a)の入力光パターンのように、
全基板の光素子1,2番にR光、全基板の光素子3,4番にG
光、全基板の光素子5,6番にB光を用いる。一方、参照
光のテストパターンとしては、第4図(b)のように、
基板I,II番の全光素子にR光、基板III,IV番の全光素子
にG光、基板V,VI番の全光素子にB光を用いる。このと
き、取り出し用光導波路103からの出力光109のパターン
を、先球ファイバ106からの光スポットアレイとして示
すと、第4図(c)の出力光スポットアレイ123とな
る。このとき、入力光107と参照光110の波長が一致した
ときだけ入力用光導波路102から取り出し用光導波路103
へのポラリトンの移行が生じるから、入力光パターン12
1と参照光パターン122の重なった場合のみ出力光109が
放出されることを考慮すると、出力光スポットアレイ12
3のパターンは理解できる。一方、入力用光導波路102か
らの出力光108のパターンは、第4図(d)の出力光ス
ポットアレイ124となる。ここでは、取り出し用光導波
路103へ移行したポラリトンに対応する出力光の強度が
減少し、それ以外の出力光の強度が相対的に強くなって
いる。
Next, a description will be given of an example in which utilization of the integrated optical elements described above for image processing is attempted. First, six of the above optical elements are integrated on one substrate, and each optical element is placed in order from top to bottom.
Numbered from to 6. Next, the same thing is produced in six substrates, and each substrate is numbered from I to VI. Then, the input light 107 is made incident by the spherical fiber 104, and the output lights 108 and 109 are extracted by the spherical fibers 105 and 106. Further, an optical demultiplexer (not shown) is connected to the fiber for guiding the input light 107 and the reference 110, and a monitor fiber is attached. The monitoring fibers were classified by number for each substrate and each element, and arranged in a matrix. This is shown in FIG. In the figure, each circle corresponds to a light spot from the fiber. As a test pattern, each input light 107 has a pattern similar to the input light pattern shown in FIG.
R light on optical elements 1 and 2 on all substrates, G on optical elements 3 and 4 on all substrates
B light is used for light and optical elements 5 and 6 on all substrates. On the other hand, as a test pattern of the reference light, as shown in FIG.
R light is used for the all-optical elements of the substrates I and II, G light is used for the all-optical elements of the substrates III and IV, and B light is used for the all-optical elements of the substrates V and VI. At this time, if the pattern of the output light 109 from the extraction optical waveguide 103 is shown as a light spot array from the spherical fiber 106, it becomes the output light spot array 123 in FIG. 4C. At this time, only when the wavelengths of the input light 107 and the reference light 110 match, the extraction optical waveguide 103 is extracted from the input optical waveguide 102.
The input light pattern 12
Considering that the output light 109 is emitted only when 1 and the reference light pattern 122 overlap, the output light spot array 12
The pattern of 3 is understandable. On the other hand, the pattern of the output light 108 from the input optical waveguide 102 becomes the output light spot array 124 in FIG. Here, the intensity of the output light corresponding to the polariton that has moved to the extraction optical waveguide 103 decreases, and the intensity of the other output light relatively increases.

上記の説明では、テストパターンとして、各光素子に
はR,GまたはBの単色光が入力されるとしたが、実際に
はR,G,B混合の光を入射し、入力画像が参照画像と一致
する部分と、残りの部分とを抽出することができる。ま
た、上記の説明では、素子を6個集積した場合について
述べたが、基板上の素子の集積度を増やすことによっ
て、画素数を増やすことができる。例えば、1mmの幅を
考え、そこに各素子を1μmの間隔で並べると、1000個
の素子を集積可能である。そして、1000個が集積された
基板を10枚使うと、縦×横の画素数100×100個の画像処
理ができる。
In the above description, it is assumed that monochromatic light of R, G, or B is input to each optical element as a test pattern. However, mixed light of R, G, and B is actually incident, and the input image is a reference image. And the remaining part can be extracted. In the above description, the case where six elements are integrated is described. However, the number of pixels can be increased by increasing the degree of integration of the elements on the substrate. For example, considering a width of 1 mm and arranging each element at an interval of 1 μm, 1000 elements can be integrated. Then, if ten substrates on which 1000 are integrated are used, image processing of 100 × 100 pixels in vertical and horizontal directions can be performed.

実施例3: 本発明の第3の実施例を第5図を用いて説明する。本
実施例は、ナノメータサイズの光導波路へのポラリトン
の閉じ込めをより強固にするため、実施例1における各
量子井戸層を、電子線描画とドライエッチングによる加
工で、細線状に加工し、横方向にもポラリトン閉じ込め
の増強を図ったものである。図において、131は基板、1
32は19.8ÅGaAs量子井戸細線、133は11.3ÅGaAs量子井
戸細線、134は8.5ÅGaAs量子井戸細線、135はクラッド
層である。細線の幅は40nmで、クラッドも含めた光導波
路の幅は50nmである。本実施例によれば、光素子のサイ
ズをさらに縮小することができる。単一の素子の特性を
評価したところ、実施例2で用いた素子と同等の結果を
得た。
Embodiment 3 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, in order to further confine polaritons in a nanometer-sized optical waveguide, each quantum well layer in the first embodiment is processed into a fine line shape by electron beam lithography and dry etching. It also aims to enhance the confinement of polaritons. In the figure, 131 is a substrate, 1
32 is a 19.81 GaAs quantum well thin wire, 133 is a 11.3Å GaAs quantum well thin wire, 134 is an 8.5Å GaAs quantum well thin wire, and 135 is a cladding layer. The width of the fine wire is 40 nm, and the width of the optical waveguide including the cladding is 50 nm. According to this embodiment, the size of the optical element can be further reduced. When the characteristics of a single device were evaluated, results equivalent to those of the device used in Example 2 were obtained.

実施例4: 以上述べた光素子では光導波路が細く入射端が狭いの
で、光の入射効率が10%程度しかない。そこで、本実施
例は、第6図に示すように、ナノメータ光導波路141の
端面に、扇状の絞り込み部142を設けたものである。こ
こで、絞り込み部の端面の幅は1μm、絞り込み部の長
さは10μmである。本実施例によれば、入射効率を50%
以上にすることができる。
Embodiment 4: In the optical device described above, the optical waveguide is thin and the incident end is narrow, so that the light incident efficiency is only about 10%. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a fan-shaped narrowing portion 142 is provided on the end surface of the nanometer optical waveguide 141. Here, the width of the end face of the narrowed portion is 1 μm, and the length of the narrowed portion is 10 μm. According to this embodiment, the incident efficiency is 50%
Or more.

実施例5: 本発明の第5の実施例を第7図により説明する。本実
施例は、第7図に示すように、参照光110を入射するた
めに、新たに参照光入射用光導波路151を入力用光導波
路102に接続して素子を構成したもので、それ以外は実
施例2と同じである。本実施例においても、単一の素子
の特性として、実施例2で用いた素子と同等の結果を得
た。
Embodiment 5: A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 7, in order to make the reference light 110 incident, an element is constructed by newly connecting the reference light incident optical waveguide 151 to the input optical waveguide 102. Is the same as in the second embodiment. Also in this example, as a characteristic of a single element, a result equivalent to that of the element used in Example 2 was obtained.

なお、本実施例は参照光を入射する場合であるが、変
調光を入射する場合にも、全く同様な構成で、同様な効
果を得ることができる。
In this embodiment, the reference light is incident. However, even when the modulated light is incident, the same effect can be obtained with the completely same configuration.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、光の三原色を基礎の波長成分として
単一の光導波路で並列的に光変調を行い、または自然色
で画像処理を行うことができ、しかも高集積で低入力動
作の特性を備えた波長多重光素子を得ることができる。
According to the present invention, light modulation can be performed in parallel with a single optical waveguide using three primary colors of light as basic wavelength components, or image processing can be performed with natural colors, and the characteristics of high integration and low input operation can be achieved. Can be obtained.

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

第1図は本発明の第1の実施例である光変調を行う波長
多重光素子の説明図、第2図は該実施例の光素子を含む
光学系全体の構成を示すブロック図、第3図は本発明の
第2の実施例である画像処理等を行う波長多重光素子の
説明図、第4図は該光素子による画像処理の説明図、第
5図は本発明の第3の実施例における量子細線状に加工
された半導体薄膜層を含む光導波路の断面図、第6図は
本発明の第4の実施例の説明図、第7図は本発明の第5
の実施例の説明図である。 符号の説明 1…基板 2…干渉計光導波路 3…変調光入射用光導波路 4…クラッド層 5…19.8Å GaAs量子井戸層 6…11.3Å GaAs量子井戸層 7…8.5Å GaAs量子井戸層 8…バリア層 21,22,23…入射光 31,32,33…出射光 41,42,43…変調光 50…入力用光源、51…光素子 52…変調用光源、56…プリズム 53,54,55…光ファイバ 61,62,63…検出器 101…基板、102…入力用光導波路 103…取り出し用光導波路 104,105,106…先球ファイバ 107…入力光、108,109…出力光 110…参照光、131…基板 132…19.8Å GaAs量子井戸細線 133…11.3Å GaAs量子井戸細線 134…8.5Å GaAs量子井戸細線 135…クラッド層 141…ナノメータ光導波路 142…絞り込み部 151…参照光入射用光導波路
FIG. 1 is an explanatory view of a wavelength division multiplexing optical element for performing optical modulation according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing an entire configuration of an optical system including the optical element of the embodiment, FIG. FIG. 4 is an explanatory view of a wavelength multiplexing optical element for performing image processing and the like according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is an explanatory view of image processing by the optical element. FIG. 5 is a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of an optical waveguide including a semiconductor thin film layer processed into a quantum wire in the example, FIG. 6 is an explanatory view of a fourth embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the embodiment. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... substrate 2 ... interferometer optical waveguide 3 ... modulated light incidence optical waveguide 4 ... cladding layer 5 ... 19.8Å GaAs quantum well layer 6… 11.3Å GaAs quantum well layer 7… 8.5Å GaAs quantum well layer 8… Barrier layers 21, 22, 23 ... incident light 31, 32, 33 ... outgoing light 41, 42, 43 ... modulated light 50 ... input light source, 51 ... optical element 52 ... modulation light source, 56 ... prism 53, 54, 55 ... optical fibers 61,62,63 ... detector 101 ... substrate, 102 ... input optical waveguide 103 ... extraction optical waveguides 104,105,106 ... spherical fiber 107 ... input light, 108,109 ... output light 110 ... reference light, 131 ... substrate 132 … 19.8Å GaAs quantum well thin wire 133… 11.3Å GaAs quantum well thin wire 134… 8.5Å GaAs quantum well thin wire 135… cladding layer 141… nanometer optical waveguide 142… narrowed part 151… reference light incidence optical waveguide

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】近赤外域にバンドギャップを有する半導体
からなる複数の量子井戸層と該量子井戸層のそれぞれの
両側に接合された近紫外域にバンドギャップを有する半
導体からなるバリア層とを含めて光入射部から光出射部
へ延伸してなる光導波路と、上記光入射部と上記光出射
部の間において上記光導波路に光を照射する光照射部と
を有し、 上記複数の量子井戸層の厚さは互いに異なることを特徴
とする波長多重光素子。
1. A semiconductor device comprising: a plurality of quantum well layers comprising a semiconductor having a band gap in the near infrared region; and a barrier layer comprising a semiconductor having a band gap in the near ultraviolet region joined to both sides of the quantum well layer. An optical waveguide extending from the light incident portion to the light emitting portion, and a light irradiating portion for irradiating the optical waveguide with light between the light incident portion and the light emitting portion; A wavelength-division multiplexing optical element, wherein layers have different thicknesses.
【請求項2】上記光導波路は上記光入射部と上記光出射
部の間で第1及び第2の光導波路に分岐したのち合流す
るように構成され、上記光照射部は該第1の光導波路に
光を照射するように設けられていることを特徴とする請
求項1に記載の波長多重光素子。
2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide branches into a first optical waveguide and a second optical waveguide between the light incident portion and the light emitting portion and then joins the first and second optical waveguides. The wavelength division multiplexing optical element according to claim 1, wherein the wavelength multiplexing optical element is provided so as to irradiate light to a wave path.
【請求項3】光が照射される光導波路の側方には、光照
射部が配置される位置にて該光導波路に電磁的結合が生
じるように別個の光導波路が設けられていることを特徴
とする請求項1に記載の波長多重光素子。
3. A separate optical waveguide is provided on the side of the optical waveguide to be irradiated with light so that electromagnetic coupling is generated in the optical waveguide at a position where the light irradiating section is arranged. 2. The wavelength division multiplexing optical device according to claim 1, wherein:
【請求項4】互いに厚さの異なる複数の量子井戸層のそ
れぞれを該量子井戸層よりバンドギャップの大きいバリ
ア層で挾むように積層した構造を有する光導波路と、 上記光導波路に第1の光を入射する手段と、 上記光導波路に上記第1の光を変調する第2の光を入射
する手段とを含めて構成され、 上記複数の量子井戸層の一つは上記第1の光及び上記第
2の光に含まれる波長成分に相当するエネルギーの励起
子準位を有することを特徴とする波長多重光学系。
4. An optical waveguide having a structure in which a plurality of quantum well layers having different thicknesses from each other are sandwiched by barrier layers having a band gap larger than that of the quantum well layer, and a first light is applied to the optical waveguide. Means for injecting, and means for injecting the second light for modulating the first light into the optical waveguide, wherein one of the plurality of quantum well layers includes the first light and the second light. 2. A wavelength division multiplexing optical system having an exciton level of energy corresponding to a wavelength component contained in the second light.
【請求項5】励起子準位の異なる複数の量子井戸層を積
層してなる第1の光導波層に該励起子準位のエネルギー
に対応する波長成分を含む第1の光を伝播させ、 上記励起子準位の少なくとも一つと共鳴する波長成分を
含み、上記第1の光と波長が同じである第2の光を上記
光導波層に照射することにより、上記第1の光の位相ま
たは上記量子井戸層の屈折率を変化させることを特徴と
する光変調方法。
5. A first light including a wavelength component corresponding to the energy of an exciton level is propagated through a first optical waveguide layer formed by stacking a plurality of quantum well layers having different exciton levels, By irradiating the optical waveguide layer with a second light having a wavelength component that resonates with at least one of the exciton levels and having the same wavelength as the first light, the phase of the first light or A light modulation method comprising changing a refractive index of the quantum well layer.
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