JP2938447B1 - Nonlinear optical semiconductor device - Google Patents

Nonlinear optical semiconductor device

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JP2938447B1 JP26002398A JP26002398A JP2938447B1 JP 2938447 B1 JP2938447 B1 JP 2938447B1 JP 26002398 A JP26002398 A JP 26002398A JP 26002398 A JP26002398 A JP 26002398A JP 2938447 B1 JP2938447 B1 JP 2938447B1
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Abstract

【要約】 【課題】 サブバンド間遷移を利用した光制御型の非線
形光半導体素子において、吸収帯域の拡大と吸収係数の
平坦化、波長分散値の低減と高次分散の抑制をはかる。 【解決手段】 半導体量子井戸層のサブバンド間吸収に
基づく非線形光学応答を利用した非線形半導体素子であ
って、複数の量子井戸層21が障壁層22を介して積層
され各井戸層21間がトンネル結合している第1及び第
2の結合多重量子井戸構造23,24を基板上に積層し
てなり、全体の吸収スペクトルを平坦にするために、第
1の結合多重量子井戸構造23における吸収スペクトル
の長波長側の裾と第2の結合多重量子井戸構造24にお
ける吸収スペクトルの短波長側の裾が重なるように、各
々の量子井戸構造23,24を設計する。
Abstract: PROBLEM TO BE SOLVED: To expand an absorption band, flatten an absorption coefficient, reduce a chromatic dispersion value, and suppress a higher-order dispersion in an optically controlled nonlinear optical semiconductor device using transition between subbands. SOLUTION: This is a nonlinear semiconductor device utilizing nonlinear optical response based on intersubband absorption of a semiconductor quantum well layer, wherein a plurality of quantum well layers 21 are stacked via a barrier layer 22 and a tunnel is formed between each well layer 21. The first and second coupled multiple quantum well structures 23 and 24 are stacked on a substrate, and the absorption spectrum in the first coupled multiple quantum well structure 23 is used to flatten the overall absorption spectrum. The quantum well structures 23 and 24 are designed such that the long-wavelength skirt overlaps the short-wavelength skirt of the absorption spectrum in the second coupled multiple quantum well structure 24.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、サブピコ秒の超短
光パルスに応答する、光制御型半導体光変調器,光制御
型半導体光ゲートスイッチ,光制御型半導体光ルーティ
ングスイッチ,波長変換素子,モード同期レーザ,可変
分散補償素子などの非線形光半導体素子に係わり、特に
サブバンド間遷移に基づく非線形光学応答を利用した非
線形光半導体素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optically controlled semiconductor optical modulator, an optically controlled semiconductor optical gate switch, an optically controlled semiconductor optical routing switch, a wavelength conversion element, The present invention relates to a nonlinear optical semiconductor device such as a mode-locked laser and a tunable dispersion compensator, and more particularly to a nonlinear optical semiconductor device using a nonlinear optical response based on an intersubband transition.

【0002】[0002]

【従来の技術】来るべきマルチメディア時代の基幹伝送
系においては、毎秒数百ギガ〜数テラビットの大量の情
報が光ファイバーを飛び交うことになる。このような情
報を自由に処理できる光ノードの実現には、光超短パル
スで制御される超高速光スイッチが必要である。目的が
周期的な光デマルチプレクシングであれば、デマルチプ
レクシングの周期で内部状態が元の状態に復帰する物理
現象を利用できる。しかし、信号光をビット単位でスイ
ッチングするためには、信号1スロット分の時間内に元
の状態に復帰していなければならない。
2. Description of the Related Art In a backbone transmission system in the coming multimedia era, a large amount of information of several hundred gigabits to several terabits per second flows through an optical fiber. To realize an optical node that can freely process such information, an ultra-high-speed optical switch controlled by ultra-short optical pulses is required. If the purpose is periodic optical demultiplexing, a physical phenomenon in which the internal state returns to the original state in the cycle of demultiplexing can be used. However, in order to switch the signal light on a bit basis, it is necessary to return to the original state within the time corresponding to one slot of the signal.

【0003】このようなビットモード動作可能な超高速
光スイッチの原理として、窒化物半導体量子井戸中のサ
ブバンド間遷移の利用が考えられている(例えば、特願
平6−248451号、特願平7−42014号、特願
平7−102198号、特願平8−31534号、或い
は、N.Suzuki and N.Iizuka,Japanese Journal of Appl
ied Physics,vol.36,pp.L1006-L1008,1997年)。
As a principle of such an ultra-high-speed optical switch capable of operating in a bit mode, use of transition between subbands in a nitride semiconductor quantum well is considered (for example, Japanese Patent Application No. 6-248451, Japanese Patent Application No. No. 7-42014, Japanese Patent Application No. 7-102198, Japanese Patent Application No. 8-31534, or N. Suzuki and N. Iizuka, Japanese Journal of Appl
ied Physics, vol. 36, pp. L1006-L1008, 1997).

【0004】サブバンド間の緩和時間はバンド間の緩和
時間と比べて3桁程度高速である。特に、窒化物半導体
の量子井戸を用いれば、光通信で重要な近赤外域でのサ
ブバンド間遷移を実現できるうえ、LOフォノンと電子
の相互作用が大きいのでサブバンド間緩和時間をGaA
s系と比べて1桁以上速くできる。
The relaxation time between subbands is about three orders of magnitude faster than the relaxation time between bands. In particular, if a quantum well of a nitride semiconductor is used, transition between subbands in the near infrared region, which is important in optical communication, can be realized. In addition, since the interaction between LO phonons and electrons is large, the relaxation time between subbands can be reduced by GaAs.
It can be one order of magnitude faster than the s system.

【0005】GaN系量子井戸におけるサブバンド間緩
和時間は遷移波長1.55μm、室温で約100fsと
短いので、そのサブバンド間吸収の飽和を利用すれば、
1Tb/s程度の超高速繰り返しのビット・モード光ス
イッチング動作も可能となると考えられる。また、半導
体を利用しているので、小型,軽量,安定な光スイッチ
を実現でき、量産化が可能なことは言うまでもない。さ
らに、窒化物半導体は特に強靱な半導体材料であり、温
度上昇に対しても強い。
The relaxation time between subbands in a GaN-based quantum well is as short as about 100 fs at a transition wavelength of 1.55 μm and room temperature.
It is considered that a bit mode optical switching operation with a very high repetition rate of about 1 Tb / s can be performed. In addition, since a semiconductor is used, a small, light, and stable optical switch can be realized, and it goes without saying that mass production is possible. Furthermore, nitride semiconductors are particularly tough semiconductor materials and are resistant to temperature rise.

【0006】このように、窒化物半導体量子井戸中のサ
ブバンド間遷移は、超高速光スイッチの実現に極めて魅
力的なデバイス原理である。しかし、サブバンド間吸収
のスペクトルの半値全幅は、通常百nmオーダーであ
る。また、屈折率はサブバンド吸収ピークの長波長側で
大きく、短波長側で小さくなっており、この吸収波長帯
付近では大きな波長分散を生じている。
As described above, the intersubband transition in the nitride semiconductor quantum well is a very attractive device principle for realizing an ultrahigh-speed optical switch. However, the full width at half maximum of the spectrum of the intersubband absorption is usually on the order of 100 nm. Further, the refractive index is large on the long wavelength side of the sub-band absorption peak and is small on the short wavelength side, and large chromatic dispersion occurs near this absorption wavelength band.

【0007】一方、サブピコ秒光パルスは不確定性原理
のためスペクトル幅が広い。例えば中心波長1.55μ
m、半値幅100fsのフーリエ変換制限ガウス型光パ
ルスのスペクトル半値幅は約36nmある。光スイッチ
では、制御光と信号光の分離を計りやすくするため波長
をずらすことが多いが、スペクトルの裾の重なりも避け
るためには両者の波長を80〜100nm以上ずらす必
要がある。
On the other hand, the subpicosecond optical pulse has a wide spectral width due to the principle of uncertainty. For example, center wavelength 1.55μ
m, the spectral half-width of a Fourier transform limited Gaussian light pulse having a half-width of 100 fs is about 36 nm. In an optical switch, the wavelengths are often shifted in order to easily separate the control light and the signal light, but in order to avoid overlapping of the spectrum tails, it is necessary to shift both wavelengths by 80 to 100 nm or more.

【0008】制御光と信号光の波長差が大きいと、群速
度分散によるウォークオフのため、同時に入れた制御光
パルスと信号光パルスのタイミングが素子内部で徐々に
ずれてしまうので、効率が低下する。また、それぞれの
パルスについても、群速度分散のためパルス幅が広がっ
てしまう。このとき、高次の分散(波長に比例しない分
散)があると、逆の群速度分散を有する媒質による分散
補償も困難である。
If the wavelength difference between the control light and the signal light is large, the timing of the simultaneously input control light pulse and signal light pulse gradually shifts inside the device due to the walk-off due to the group velocity dispersion, resulting in lower efficiency. I do. Also, the pulse width of each pulse is widened due to group velocity dispersion. At this time, if there is a higher-order dispersion (dispersion that is not proportional to the wavelength), it is difficult to compensate for the dispersion by a medium having the opposite group velocity dispersion.

【0009】また、信号光と制御光の波長差が大きい
と、両者をサブバンド吸収スペクトルの中心付近に配置
できないので、パルススペクトルの長波長成分と短波長
成分で吸収係数が異なることになる。このように波長依
存の強度変調を受けた光パルスは、スペクトルが狭まっ
てパルス幅が広がったりするため、分散補償しても波形
が歪んでしまい、元の波形に復元できない。
If the wavelength difference between the signal light and the control light is large, the two cannot be arranged near the center of the sub-band absorption spectrum, so that the absorption coefficient differs between the long wavelength component and the short wavelength component of the pulse spectrum. Since the spectrum of the light pulse subjected to the wavelength-dependent intensity modulation narrows and the pulse width increases, the waveform is distorted even if dispersion compensation is performed, and the original waveform cannot be restored.

【0010】さらに、可吸収飽和媒質や非線形屈折率媒
質を透過した超短光パルスは、波長チャープによりスペ
クトル幅も広がる。線形チャープした光パルスなら、プ
リズム対,回折格子対,アレイ導波路回折格子,共振
器,干渉計等を用いてチャープ補償することにより、最
初のパルスよりも幅の狭いフーリエ変換制限パルス(ス
ペクトルは広がっている)にパルス圧縮することが可能
である。しかし、サブバンド間吸収のスペクトルが十分
に広くないと、三次の非線形感受率が波長に対して複雑
に変化するので、きれいな線形チャープがかからない。
従って、チャープ補償してもフーリエ変換制限の超短パ
ルスを得ることができない。
Further, an ultrashort light pulse transmitted through an absorbable saturated medium or a non-linear refractive index medium has a wider spectral width due to wavelength chirp. For a linearly chirped optical pulse, chirp compensation is performed using a prism pair, a diffraction grating pair, an arrayed waveguide diffraction grating, a resonator, an interferometer, etc., so that a Fourier transform limited pulse (spectrum is narrower than the first pulse) is obtained. Pulse compression is possible. However, if the spectrum of the intersubband absorption is not sufficiently wide, the third-order nonlinear susceptibility varies in a complicated manner with respect to the wavelength, so that a clean linear chirp is not applied.
Therefore, even if chirp compensation is performed, it is not possible to obtain an ultrashort pulse limited by Fourier transform.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】このように、サブバン
ド間遷移に基づく非線形性を利用した非線形光半導体素
子では、超短光パルスのスペクトルに対して吸収帯域が
十分広くないために、光パルスのスペクトルや波形が複
雑に変形してしまい、分散補償やチャープ補償を行って
も多段に接続して使用することができないという課題が
あった。また、大きな波長分散によるウォークオフがあ
ると、効率が上げられないという課題もあった。
As described above, in the nonlinear optical semiconductor device utilizing the nonlinearity based on the transition between sub-bands, since the absorption band is not sufficiently wide for the spectrum of the ultrashort optical pulse, the optical pulse There is a problem that the spectrum and waveform are complicatedly deformed and cannot be used in multiple stages even if dispersion compensation or chirp compensation is performed. Also, there is a problem that efficiency cannot be increased if there is a walk-off due to large wavelength dispersion.

【0012】本発明は上記の課題を鑑みて考案されたも
ので、その目的とするところは、サブバンド間遷移を利
用した光制御型の非線形光半導体素子において、吸収帯
域の拡大と吸収係数の平坦化、波長分散値の低減と高次
分散の抑制を計ることができ、超短光パルスのパルス形
状やスペクトルの変化を補償可能な範囲に止め、ひいて
は多段接続を可能にすることにある。さらには、波長の
異なる光パルスのウォークオフも低減して、非線形光素
子としての効率を向上させることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optically controlled nonlinear optical semiconductor device utilizing transition between subbands, in which the absorption band is expanded and the absorption coefficient is increased. An object of the present invention is to achieve flattening, reduction of chromatic dispersion value and suppression of higher-order dispersion, to keep the pulse shape and spectrum change of ultrashort optical pulses within a compensable range, and to enable multistage connection. Another object of the present invention is to reduce the walk-off of light pulses having different wavelengths and to improve the efficiency as a nonlinear optical element.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】(構成)上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。即
ち本発明は、半導体量子井戸層のサブバンド間吸収に基
づく非線形光学応答を利用した非線形半導体素子であっ
て、複数の量子井戸層が障壁層を介して積層され各井戸
層間がトンネル結合している第1及び第2の結合多重量
子井戸構造(ないしは超格子構造)を積層してなり、第
1の結合多重量子井戸構造における吸収スペクトルの長
波長側の裾と第2の結合多重量子井戸構造における吸収
スペクトルの短波長側の裾が重なるように(即ち、全体
の吸収スペクトルが平坦になるように)、各々の量子井
戸構造が設計されていることを特徴とする。以下、特に
断らなくても、多重量子井戸構造という場合には超格子
構造も含むものとする。
(Structure) In order to solve the above problem, the present invention employs the following structure. That is, the present invention relates to a nonlinear semiconductor device utilizing nonlinear optical response based on intersubband absorption of a semiconductor quantum well layer, in which a plurality of quantum well layers are stacked via a barrier layer and each well layer is tunnel-coupled. The first and second coupled multiple quantum well structures (or superlattice structures) are laminated, and the long wavelength side of the absorption spectrum in the first coupled multiple quantum well structure and the second coupled multiple quantum well structure Are characterized in that each quantum well structure is designed such that the bottoms on the short wavelength side of the absorption spectrum in (1) overlap (that is, the entire absorption spectrum becomes flat). Hereinafter, even if not otherwise specified, a multi-quantum well structure includes a superlattice structure.

【0014】この構造を言い換えれば、所定波長域にお
いてサブバンド間吸収に伴って屈折率が増大している第
1の結合多重量子井戸構造と、該所定波長域においてサ
ブバンド間吸収に伴って屈折率が減少している第2の結
合多重量子井戸構造とが、積層されてなることを特徴と
するものである。第1の結合多重量子井戸構造と第2の
結合多重量子井戸構造では、井戸層の厚さ,井戸層の組
成,障壁層の厚さ,障壁層の組成のうち少なくとも一つ
を変えることで、吸収中心波長や波長帯域幅をずらすこ
とができる。2つの結合多重量子井戸構造の吸収スペク
トルの重なり具合は、上記パラメータのうち2つ以上を
変えることで精密に調整することができる。また、2つ
の結合多重量子井戸構造の相対的な吸収の大きさは、井
戸層の数や、光導波構造中における結合多重量子井戸構
造の配置等で調整することができる。
In other words, in this structure, the first coupled multiple quantum well structure in which the refractive index increases with the inter-subband absorption in a predetermined wavelength region, the refraction in the predetermined wavelength region with the inter-subband absorption increases And a second coupled multiple quantum well structure having a reduced rate. In the first coupled multiple quantum well structure and the second coupled multiple quantum well structure, by changing at least one of the thickness of the well layer, the composition of the well layer, the thickness of the barrier layer, and the composition of the barrier layer, The absorption center wavelength and wavelength bandwidth can be shifted. The degree of overlap of the absorption spectra of the two coupled multiple quantum well structures can be precisely adjusted by changing two or more of the above parameters. Further, the relative magnitude of absorption of the two coupled multiple quantum well structures can be adjusted by the number of well layers, the arrangement of the coupled multiple quantum well structures in the optical waveguide structure, and the like.

【0015】なお、実際の量子井戸を構成する層の厚さ
や組成には、通常、ある程度の揺らぎが存在する。ここ
でいう「厚さ」と「組成」は、平均的な厚さと組成を指
すものとする。また、意図的に隣接井戸層間や隣接障壁
層間で微妙に厚さや組成をずらしたり、層厚方向で井戸
層や障壁層の組成が変化しているような構造(変形井戸
層,変形障壁層)も考えられる。これらの構造パラメー
タを変えることも、実効的に厚さや組成を変化させてい
るということができる。
Incidentally, there is usually some fluctuation in the thickness and composition of the layers constituting the actual quantum well. Here, “thickness” and “composition” indicate an average thickness and composition. In addition, a structure in which the thickness or composition is deliberately delicately shifted between adjacent well layers or adjacent barrier layers, or the composition of the well layer or barrier layer changes in the thickness direction (deformed well layer, deformed barrier layer) Is also conceivable. Changing these structural parameters can also be said to be effectively changing the thickness and composition.

【0016】ここで、本発明の好ましい実施態様として
は、第1の結合多重量子井戸構造と第二の結合多重量子
井戸構造は、それぞれ5層以上の井戸層が薄い障壁層を
介してトンネル結合しているものであることである。さ
らに、第1の結合多重量子井戸構造と第2の結合多重量
子井戸構造は、それぞれ複数、交互に積層されているこ
とが好ましい。
Here, as a preferred embodiment of the present invention, the first coupled multiple quantum well structure and the second coupled multiple quantum well structure each include five or more well layers each having a tunnel coupling through a thin barrier layer. That is what you are doing. Further, it is preferable that a plurality of the first coupled multiple quantum well structures and a plurality of the second coupled multiple quantum well structures are alternately stacked.

【0017】本発明の別の好ましい実施態様は、使用す
る光の波長が全て、第2の結合多重量子井戸構造のサブ
バンド間吸収波長帯域内、即ちサブバンド間吸収に伴っ
て屈折率が増大している波長帯に設定されているもので
ある。
In another preferred embodiment of the present invention, the wavelength of the light used is all within the intersubband absorption wavelength band of the second coupled multiple quantum well structure, that is, the refractive index increases with the intersubband absorption. The wavelength band is set in the wavelength band that is set.

【0018】また、第1の結合多重量子井戸構造と第2
の結合多重量子井戸構造に加えて、第2の結合多重量子
井戸構造のサブバンド間吸収に伴って屈折率が増大して
いる波長域において屈折率が低下する第3の結合多重量
子井戸構造を積層してもよい。同様にして、4つ以上の
多数の結合多重量子井戸構造を積層してもよい。
Also, the first coupled multiple quantum well structure and the second
In addition to the third coupled multiple quantum well structure in which the refractive index decreases in the wavelength region where the refractive index increases with the intersubband absorption of the second coupled multiple quantum well structure. They may be stacked. Similarly, a large number of four or more coupled multiple quantum well structures may be stacked.

【0019】さらには、第1の結合多重量子井戸構造と
第2の結合多重量子井戸構造の間にこれらの中間の吸収
中心波長を有する第4の結合多重量子井戸構造、第2の
結合多重量子井戸構造と第3の多重量子井戸層の間にこ
れらの中間の吸収中心波長を有する第5の結合多重量子
井戸構造を設け、第1の結合多重量子井戸構造と第4の
結合多重量子井戸構造、第4の結合多重量子井戸構造と
第2の結合多重量子井戸構造、第2の結合多重量子井戸
構造と第5の結合多重量子井戸構造、及び第5の結合多
重量子井戸構造と第3の結合多重量子井戸構造のそれぞ
れは、薄い障壁層を介してトンネル結合していることが
好ましい。
Further, a fourth coupled multiple quantum well structure having an absorption center wavelength intermediate between the first coupled multiple quantum well structure and the second coupled multiple quantum well structure, and a second coupled multiple quantum well structure. A fifth coupled multiple quantum well structure having an absorption center wavelength between those is provided between the well structure and the third multiple quantum well layer, and the first coupled fourth quantum well structure and the fourth coupled multiple quantum well structure are provided. A fourth coupled multiple quantum well structure, a second coupled multiple quantum well structure, a second coupled multiple quantum well structure and a fifth coupled multiple quantum well structure, and a fifth coupled multiple quantum well structure and a third coupled multiple quantum well structure. Preferably, each of the coupled multiple quantum well structures is tunnel-coupled via a thin barrier layer.

【0020】サブバンド間吸収を持つ非線形光媒質とし
ては、窒化物半導体からなる結合多重量子井戸が用いら
れていることが好ましい。また、結合多重量子井戸構造
を構成する井戸層と障壁層のそれぞれの平均の厚さは、
4〜7モノレーヤの範囲にあることが好ましい。さら
に、上記窒化物半導体からなる量子井戸層は、他の半導
体基板の上に形成された窒化物半導体以外の材料系から
なる積層構造と一体化された光導波路の一構成要素であ
ってもよい。
As the nonlinear optical medium having intersubband absorption, a coupled multiple quantum well made of a nitride semiconductor is preferably used. The average thickness of each of the well layer and the barrier layer constituting the coupled multiple quantum well structure is as follows:
Preferably it is in the range of 4 to 7 monolayers. Furthermore, the quantum well layer made of the nitride semiconductor may be one component of an optical waveguide integrated with a laminated structure made of a material other than the nitride semiconductor formed on another semiconductor substrate. .

【0021】本発明は、制御光により信号光の出力パワ
ー又は位相等が変化する光制御素子(光ゲートスイッ
チ,光強度変調器,光位相変調器等)、制御光パルスに
より信号光の出力先が変化する光ルーティング素子(デ
ジタル光非線形スイッチ,干渉計型光スイッチ,方向性
結合器型光スイッチ等)、信号光パルスと励起光パルス
とが入力されたときに信号光とも励起光とも異なる波長
の光パルスが出力される波長変換素子、モード同期レー
ザの可飽和吸収部、制御光パワーにより信号光に対する
波長分散の大きさが変化する可変波長分散補償素子等の
非線形光半導体素子に適用できる。
The present invention relates to an optical control element (optical gate switch, optical intensity modulator, optical phase modulator, etc.) in which the output power or phase of signal light is changed by control light, and the output destination of signal light by control light pulses. Optical routing elements (digital optical nonlinear switch, interferometer type optical switch, directional coupler type optical switch, etc.) whose wavelength changes, when signal light pulse and pump light pulse are input, wavelength different from signal light and pump light The present invention can be applied to a nonlinear optical semiconductor device such as a wavelength conversion device that outputs an optical pulse, a saturable absorber of a mode-locked laser, and a tunable chromatic dispersion compensating device in which the magnitude of chromatic dispersion with respect to signal light changes according to control light power.

【0022】(作用)結合多重量子井戸構造では、井戸
層間のトンネル結合によりサブバンド・エネルギーが分
裂するので、各井戸層に結合がない多重量子井戸構造と
比べると、吸収スペクトルが広がる。個々の準位に係わ
るサブバンド間吸収の均一なスペクトル広がり幅が広い
ので、5つ以上の井戸層がトンネル結合している結合多
重量子井戸構造であれば、サブバンド間吸収スペクトル
は中心波長付近でほぼ平坦化できる。さらに井戸数が多
い超格子構造では、分裂したサブバンド・エネルギーが
ミニバンドを構成するが、障壁層を薄くしすぎない限
り、スペクトル平坦化の観点からは5つ程度の井戸を結
合させるだけで十分である。
(Function) In the coupled multiple quantum well structure, the subband energy is split by tunnel coupling between the well layers, so that the absorption spectrum is broadened as compared with the multiple quantum well structure in which there is no coupling in each well layer. The uniform inter-subband absorption spectrum of each level has a wide spectral width. Therefore, if the structure is a coupled multiple quantum well structure in which five or more well layers are tunnel-coupled, the inter-subband absorption spectrum is close to the center wavelength. Can be almost flattened. In a superlattice structure with a large number of wells, the split sub-band energy forms a mini-band. However, as long as the barrier layer is not too thin, only about five wells are combined from the viewpoint of spectral flattening. It is enough.

【0023】なお、障壁層が非常に薄く、井戸間の強い
結合でエネルギーの分裂が大きいときには、さらに結合
する井戸数を増やす必要がある。また、ここでは説明の
便宜上、吸収スペクトル形状が平坦であることを前提
に、結合する井戸数が超格子と呼ぶには少なすぎる場合
も含めて、分裂した基底サブバンド全体と分裂した励起
サブバンド全体をそれぞれ基底ミニバンド、励起ミニバ
ンドと呼ぶことにする。
When the barrier layer is very thin and the energy splitting is large due to strong coupling between the wells, it is necessary to further increase the number of wells to be coupled. Also, for convenience of explanation, here, assuming that the absorption spectrum shape is flat, the entire split base subband and the split excitation subband are included, including the case where the number of wells to be coupled is too small to be called a superlattice. The whole is called a base mini-band and an excitation mini-band, respectively.

【0024】結合多重量子井戸構造や超格子構造のミニ
バンド間吸収は、不均一なスペクトル広がりを有する。
しかし、スペクトル・ホールバーニングの時定数(1つ
のミニバンドを構成している準位間の電子−電子散乱時
間)は数十〜数百フェムト秒と短いので、これより十分
に広い幅の光パルスに対しては、吸収スペクトル全体の
飽和が生じ(非線形吸収スペクトルが平坦化されること
を意味するものではない。)、屈折率についても吸収帯
域幅全体に変化を生じることになる。
The absorption between the mini-bands of the coupled multiple quantum well structure or the superlattice structure has a non-uniform spectrum spread.
However, since the time constant of spectrum hole burning (electron-electron scattering time between levels constituting one mini-band) is as short as several tens to several hundreds of femtoseconds, a sufficiently wide light pulse , Saturation of the entire absorption spectrum occurs (this does not mean that the nonlinear absorption spectrum is flattened), and the refractive index also changes over the entire absorption bandwidth.

【0025】平坦な吸収スペクトルを有する2つの結合
多重量子井戸構造を、吸収波長の裾がうまくオーバーラ
ップするように積層することにより、さらに広い吸収ス
ペクトルを実現することができる。結合多重量子井戸構
造の吸収スペクトルは、井戸層の平均厚さ,井戸層の平
均組成,障壁層の平均厚さ,障壁層の平均組成のうち少
なくとも一つを変えることにより、制御可能である。前
述のような、変形井戸層や変形障壁層を用いても良い。
井戸間の結合の程度は、障壁層の組成と厚さにより制御
可能である。また、同様にして、3つ以上の多数の結合
多重量子井戸構造を積層すれば、さらに広い帯域を実現
できる。
By laminating two coupled multiple quantum well structures having a flat absorption spectrum so that the tails of the absorption wavelengths overlap well, a wider absorption spectrum can be realized. The absorption spectrum of the coupled multiple quantum well structure can be controlled by changing at least one of the average thickness of the well layer, the average composition of the well layer, the average thickness of the barrier layer, and the average composition of the barrier layer. As described above, a modified well layer or a modified barrier layer may be used.
The degree of coupling between the wells can be controlled by the composition and thickness of the barrier layer. Similarly, by laminating three or more coupled multiple quantum well structures, a wider band can be realized.

【0026】なお、従来の多重量子井戸構造では、吸収
ピーク付近における波長に対する屈折率変化率(dn/
dλ)が吸収スペクトルの裾付近のそれに比べて大き
い。言い換えれば、屈折率スペクトルは、極大点や極小
点の両側で対称性が悪い。従って、仮にサブバンド間吸
収に伴って屈折率が増大している第1の多重量子井戸層
と、該所定波長域においてサブバンド間吸収に伴って屈
折率が減少している第2の多重量子井戸層を組み合わせ
たとしても、屈折率スペクトル形状の対称性が悪く、光
導波路全体の群速度分散(d2 n/dλ2 に比例)小さ
くできないし、高次の分散も生じてしまう。
In the conventional multiple quantum well structure, the refractive index change rate (dn / d
dλ) is larger than that near the tail of the absorption spectrum. In other words, the refractive index spectrum has poor symmetry on both sides of the maximum point and the minimum point. Therefore, the first multiple quantum well layer whose refractive index increases with intersubband absorption and the second multiple quantum well whose refractive index decreases with intersubband absorption in the predetermined wavelength region. Even if well layers are combined, the symmetry of the refractive index spectrum shape is poor, so that the group velocity dispersion (proportional to d 2 n / dλ 2 ) of the entire optical waveguide cannot be reduced, and higher-order dispersion also occurs.

【0027】これに対して、5層以上の井戸層がトンネ
ル結合している結合多重量子井戸構造では、吸収平坦波
長域の位相速度の異常分散が小さくなっており、屈折率
スペクトルの極大点や極小点の両側での屈折率スペクト
ルの対称性は改善される。従って、所定波長域における
第1の結合多重量子井戸構造と第2の結合多重量子井戸
構造の屈折率変化をある程度相殺して、光導波路全体と
しての群速度分散を小さくすることができ、全体として
高次の分散も抑制することができる。
On the other hand, in the coupled multiple quantum well structure in which five or more well layers are tunnel-coupled, the anomalous dispersion of the phase velocity in the absorption flat wavelength region is small, and the maximum point of the refractive index spectrum and The symmetry of the refractive index spectrum on both sides of the minimum is improved. Accordingly, the change in the refractive index of the first coupled multiple quantum well structure and the change in the refractive index of the second coupled multiple quantum well structure in a predetermined wavelength range can be offset to some extent, so that the group velocity dispersion of the entire optical waveguide can be reduced, and as a whole, Higher order dispersion can also be suppressed.

【0028】所定波長において屈折率が大きい第1の結
合多重量子井戸構造と屈折率が小さい第2の結合多重量
子井戸構造がそれぞれ複数、交互に積層されていること
により、非線形光吸収の影響があっても、光導波路全体
としての横モード形状の変化を小さく保つことができ
る。さらに、2種の結合多重量子井戸構造のミニバンド
間にトンネル結合がある場合、比較的井戸数の少ない2
種の結合多重量子井戸構造を交互に多周期積層した方
が、合計膜厚が厚い2種の超格子層を積層するよりもキ
ャリアの分布を均一化することができ、結合量子井戸層
間の電子緩和時間も高速化できる。
Since a plurality of first coupling multiple quantum well structures having a large refractive index and a plurality of second coupling multiple quantum well structures having a small refractive index are alternately stacked at a predetermined wavelength, the influence of nonlinear light absorption is reduced. Even so, the change in the transverse mode shape of the entire optical waveguide can be kept small. Further, when there is a tunnel coupling between the minibands of the two types of coupled multiple quantum well structures, the number of wells is relatively small.
By alternately stacking multiple types of coupled multiple quantum well structures in a multi-period manner, the carrier distribution can be made more uniform than by stacking two types of superlattice layers having a large total film thickness. The relaxation time can also be shortened.

【0029】本発明の構成で結合多重量子井戸構造間の
結合が弱い場合、各結合多重量子井戸構造の吸収飽和は
独立になり、それぞれの吸収波長帯をまたがる非線形吸
収は殆ど生じない。このような場合は、一方の結合多重
量子井戸構造の吸収帯域内でのみ使用することが好まし
い。本発明の量子井戸構造全体の屈折率は、第1の結合
多重量子井戸構造の吸収波長帯で低く、第2の結合多重
量子井戸構造の吸収波長帯では高くなっている。従っ
て、第2の結合多重量子井戸構造の吸収波長帯内で使用
すれば、第1の結合多重量子井戸構造の吸収波長帯で使
用するよりも、結合多重量子井戸構造と導波モードの重
なりを大きくすることができ、効率が高い。なお、この
ように非線形感受率の広帯域化が計れない場合でも、線
形応答(吸収や波長分散)についての本発明の効果は損
なわれるものではない。
When the coupling between the coupled multiple quantum well structures is weak in the configuration of the present invention, the absorption saturation of each coupled multiple quantum well structure becomes independent, and nonlinear absorption over each absorption wavelength band hardly occurs. In such a case, it is preferable to use only in the absorption band of one coupled multiple quantum well structure. The refractive index of the entire quantum well structure of the present invention is low in the absorption wavelength band of the first coupled multiple quantum well structure and is high in the absorption wavelength band of the second coupled multiple quantum well structure. Therefore, when used within the absorption wavelength band of the second coupled multiple quantum well structure, the overlap between the coupled multiple quantum well structure and the waveguide mode is more pronounced than when used within the absorption wavelength band of the first coupled multiple quantum well structure. Can be large, high efficiency. Even when the broadening of the nonlinear susceptibility cannot be achieved, the effect of the present invention on the linear response (absorption and chromatic dispersion) is not impaired.

【0030】非線形光応答についても広帯域化を計りた
い場合には、結合多重量子井戸構造相互の間のトンネル
結合を強くしなければならない。基底ミニバンドと励起
ミニバンドの両者に対して2つの結合多重量子井戸構造
間の結合を強めるためには、第1の結合多重量子井戸構
造と第2の結合多重量子井戸構造の間に中間の吸収中心
波長を有する第4の結合多重量子井戸構造を設け、隣接
する結合多重量子井戸構造の対応するミニバンドのエネ
ルギーのオーバーラップを大きくすることが好ましい。
If it is desired to increase the bandwidth of the nonlinear optical response, the tunnel coupling between the coupled multiple quantum well structures must be strengthened. To enhance the coupling between the two coupled multiple quantum well structures for both the base and excitation minibands, an intermediate between the first coupled multiple quantum well structure and the second coupled multiple quantum well structure is provided. Preferably, a fourth coupled multiple quantum well structure having an absorption center wavelength is provided to increase the energy overlap of the corresponding miniband of an adjacent coupled multiple quantum well structure.

【0031】このように結合多重量子井戸構造間で結合
がある場合、例えば第1の結合多重量子井戸構造の吸収
飽和が起こった場合、第4の結合多重量子井戸構造を介
したトンネリングにより、第2の結合多重量子井戸構造
の基底ミニバンドから第1の結合多重量子井戸構造の基
底ミニバンドへ、また第1の結合多重量子井戸の励起ミ
ニバンドから第1の結合多重量子井戸構造の励起ミニバ
ンドへと電子が移動し、スペクトル幅全体に渡る吸収飽
和を実現することができる。障壁層が十分に薄ければ、
トンネリングの時定数を短くでき、広帯域動作を実現す
ることができる。なお、励起光は吸収帯域内の短波長側
に設定した方が、長波長側に設定した場合よりも、キャ
リアを速く均一に緩和させることができる。
As described above, when there is coupling between the coupled multiple quantum well structures, for example, when the absorption saturation of the first coupled multiple quantum well structure occurs, the tunneling through the fourth coupled multiple quantum well structure causes 2 from the base miniband of the coupled multiple quantum well structure to the base miniband of the first coupled multiple quantum well structure, and from the excitation miniband of the first coupled multiple quantum well structure to the excitation miniband of the first coupled multiple quantum well structure. Electrons move to the band, and absorption saturation over the entire spectrum width can be realized. If the barrier layer is thin enough,
The time constant of tunneling can be shortened, and a wide band operation can be realized. Note that setting the excitation light on the short wavelength side in the absorption band can make the carrier relax more quickly and uniformly than setting it on the long wavelength side.

【0032】但し、この場合は、第4の結合多重量子井
戸構造の分散が他と打ち消し合わない。そこで、先述の
第3の結合多重量子井戸構造を有する構造で、第2の結
合多重量子井戸構造と第3の結合多重量子井戸構造の間
に、これらの中間の吸収中心波長を有する第5の結合多
重量子井戸構造を設け、これらをトンネル結合させれ
ば、第4の結合多重量子井戸構造と第5の結合多重量子
井戸構造の波長分散をある程度相殺することができ、全
体の吸収スペクトルの中心近傍の分散の低減と高次分散
の抑制が計れる。また、吸収スペクトルや三次の非線形
感受率の虚部も平坦化できる。
However, in this case, the dispersion of the fourth coupled multiple quantum well structure does not cancel out the others. Accordingly, in the structure having the third coupled multiple quantum well structure described above, the fifth coupled intermediate quantum well structure having the absorption center wavelength between the second coupled multiple quantum well structure and the third coupled multiple quantum well structure. If a coupled multiple quantum well structure is provided and tunnel-coupled to each other, the wavelength dispersion of the fourth coupled multiple quantum well structure and the fifth coupled multiple quantum well structure can be offset to some extent, and the center of the entire absorption spectrum can be reduced. The dispersion in the vicinity can be reduced and the higher-order dispersion can be suppressed. Also, the imaginary part of the absorption spectrum and the third-order nonlinear susceptibility can be flattened.

【0033】結合多重量子井戸構造に窒化物半導体を利
用することで、光通信で使われる近赤外域(波長1.5
5μm帯,1.3μm帯など)のサブバンド間遷移が容
易に実現される。また、窒化物半導体におけるサブバン
ド間緩和時間は約100fs、サブバンド内緩和時間や
ミニバンド内緩和時間は数十fsと短いので、超高速の
非線形光応答が可能となる。また、サブバンド内緩和時
間が短いのに対応して、元々の均一な吸収波長帯域幅も
広くとれる。
By using a nitride semiconductor for the coupled multiple quantum well structure, the near infrared region (wavelength 1.5) used in optical communication can be used.
A transition between sub-bands such as a 5 μm band and a 1.3 μm band is easily realized. Further, since the relaxation time between sub-bands in the nitride semiconductor is as short as about 100 fs, and the relaxation time in the sub-band and the mini-band is as short as several tens of fs, an ultra-high-speed nonlinear optical response is possible. In addition, the originally uniform absorption wavelength bandwidth can be widened in response to the short intra-subband relaxation time.

【0034】結合多重量子井戸構造を構成する井戸層や
障壁層の平均の厚さが4〜7モノレーヤの範囲にある
と、光通信で用いられる波長域をカバーでき、また、吸
収スペクトルの適度な広がりと平坦性が達成される。
When the average thickness of the well layers and barrier layers constituting the coupled multiple quantum well structure is in the range of 4 to 7 monolayers, the wavelength range used in optical communication can be covered, and the absorption spectrum can be appropriately adjusted. Spread and flatness are achieved.

【0035】窒化物半導体からなる結合多重量子井戸構
造を他の半導体基板、例えばInP基板上に形成された
InGaAsP等の他の材料系からなる積層構造と一体
化することにより、受動光導波路,光増幅器や半導体レ
ーザ等の他の光半導体素子等と集積化することができ、
超高速パルスに対しても安定な様々な機能を実現するこ
とができる。
By integrating a coupled multiple quantum well structure made of a nitride semiconductor with a laminated structure made of another material such as InGaAsP formed on another semiconductor substrate, for example, an InP substrate, a passive optical waveguide and an optical waveguide can be obtained. It can be integrated with other optical semiconductor elements such as amplifiers and semiconductor lasers,
Various stable functions can be realized even for ultrafast pulses.

【0036】かくして本発明の非線形光半導体素子によ
れば、吸収スペクトルの広帯域化と平坦化、波長分散の
低減と高次分散の抑制、及び非線形感受率の広帯域化が
計れ、分散補償やチャープ補償を併用することで、出力
パルスを幅の狭いフーリエ変換制限パルスに保つことが
でき、多段接続が可能となる。また、異なる波長の光パ
ルスのウォークオフも低減でき、高効率化を計ることが
できる。さらに、波長多重された信号光に対して一括し
てスイッチングを行うことも可能になる。
Thus, according to the nonlinear optical semiconductor device of the present invention, broadening and flattening of the absorption spectrum, reduction of chromatic dispersion and suppression of higher-order dispersion, and broadening of the nonlinear susceptibility can be achieved, and dispersion compensation and chirp compensation can be achieved. In addition, the output pulse can be kept as a narrow Fourier-transform limited pulse, and multistage connection is possible. Further, the walk-off of light pulses of different wavelengths can be reduced, and high efficiency can be achieved. Further, it becomes possible to perform switching on the wavelength-multiplexed signal light at a time.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる非線形光半導体素子(デジタル光ルーティングス
イッチ)の構成を模式的に示す図、図2と図3はそれぞ
れ図1のX−X′断面とY−Y′断面の構造を示す図で
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (First Embodiment) FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a nonlinear optical semiconductor device (digital optical routing switch) according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. It is a figure which shows the structure of XX 'cross section and YY' cross section.

【0038】この光スイッチは、InP基板10上に形
成された、Y分岐部2,入力光導波路3,出力光導波路
4(41 ,42 )を主たる構成要素としてなる、フォ
トニック集積回路1の形で提供される。光導波路を構成
するメサ2,3,4の両側は溝6になっているが、基板
1の両端部には台地部5が形成されている。また、この
台地部5の一部とY分岐部2の上部には、GaN下地層
18とAlN/GaN量子井戸構造部17からなる窒化
物半導体積層体7が、直接接着されている。メサ導波路
3,41 ,42 の端面には、光ファイバ8が突き合わせ
接続されている。
This optical switch is a photonic integrated circuit 1 having, as main components, a Y branch portion 2, an input optical waveguide 3, and an output optical waveguide 4 (4 1 , 4 2 ) formed on an InP substrate 10. Provided in the form of Although grooves 6 are formed on both sides of the mesas 2, 3 and 4 constituting the optical waveguide, plateaus 5 are formed on both ends of the substrate 1. Further, a nitride semiconductor laminate 7 including a GaN underlayer 18 and an AlN / GaN quantum well structure 17 is directly bonded to a part of the plateau portion 5 and the upper part of the Y branch portion 2. The end face of the mesa waveguide 3,4 1, 4 2, the optical fiber 8 are butt connected.

【0039】図2と図3に示すように、メサ2,3,
4,5は、InGaAsPエッチングストップ層11、
アンドープInPクラッド層12、アンドープInGa
AsPバルク光ガイド層13、アンドープInPクラッ
ド層14、InGaAsPエッチングストップ層15、
アンドープInPクラッド層16からなる。窒化物半導
体積層体7が被せられている部分においては、最上部の
InPクラッド層16とエッチングストップ層15がエ
ッチングにより除かれ、InPクラッド層14の上に窒
化物半導体積層体7が直接接着されている。エッチング
ストップ層11,15は加工の都合上設けられているも
のであり、本発明の動作に必須なものではない。
As shown in FIGS. 2 and 3, the mesas 2, 3,
4 and 5 are InGaAsP etching stop layers 11,
Undoped InP cladding layer 12, undoped InGa
AsP bulk light guide layer 13, undoped InP cladding layer 14, InGaAsP etching stop layer 15,
It consists of an undoped InP cladding layer 16. In the portion where the nitride semiconductor laminate 7 is covered, the uppermost InP cladding layer 16 and the etching stop layer 15 are removed by etching, and the nitride semiconductor laminate 7 is directly bonded on the InP cladding layer 14. ing. The etching stop layers 11 and 15 are provided for convenience of processing and are not essential for the operation of the present invention.

【0040】窒化物半導体積層体7が接着されていない
部位のメサ導波路3,4において、光は光ガイド層13
を中心として、上下のクラッド層12,14,16に広
がって伝搬する。窒化物半導体積層体7が接着されてい
るY分岐部2では、光はInPクラッド層14とAlN
/GaN量子井戸構造部17の界面で全反射されるの
で、大部分はInP側に閉じ込められた形で伝搬する
が、一部は減衰波の形でAlN/GaN量子井戸構造部
17にしみ出している。このため、AlN/GaN量子
井戸構造部17のサブバンド間吸収の影響を受けること
となる。
In the mesa waveguides 3 and 4 where the nitride semiconductor laminate 7 is not bonded, light is transmitted to the light guide layer 13.
, And propagates to the upper and lower cladding layers 12, 14, 16. In the Y branch 2 to which the nitride semiconductor laminate 7 is bonded, light is emitted from the InP cladding layer 14 and the AlN
Since the light is totally reflected at the interface of the / GaN quantum well structure 17, most of the light propagates in a form confined to the InP side, but a part of the light leaks into the AlN / GaN quantum well structure 17 in the form of an attenuated wave. ing. For this reason, the AlN / GaN quantum well structure 17 is affected by intersubband absorption.

【0041】メサ導波路3,4には、光ファイバ8を介
して光サーキュレータ9(91 ,92 ,93 )が接続さ
れている。入力信号光は光サーキュレータ93 と光ファ
イバ8と入力光導波路3を介して図の左側からY分岐部
2に入力される。一方、制御光は、光サーキュレータ9
1 又は92 、光ファイバ8、光導波路41 又は42 を介
して、図の右側からY分岐部2に入力される。制御光と
信号光の出力は、光サーキュレータ91 ,92 ,93
より分離される。いずれの光も、基板に垂直な偏波(T
Mモード)で入射するように設定されている。
Optical circulators 9 (9 1 , 9 2 , 9 3 ) are connected to the mesa waveguides 3 and 4 via an optical fiber 8. Input signal light is inputted from the left side of FIG via the optical circulator 9 3 and the optical fiber 8 and the input optical waveguide 3 in the Y branch portion 2. On the other hand, the control light is transmitted through the optical circulator 9.
1 or 9 2, optical fiber 8 through the waveguide 4 1 or 4 2, is input from the right side of the figure Y branch portion 2. The outputs of the control light and the signal light are separated by the optical circulators 9 1 , 9 2 , 9 3 . Both lights are polarized perpendicular to the substrate (T
(M mode).

【0042】制御光がない場合、信号光はY分岐部2に
おいてAlN/GaN量子井戸構造部17のサブバンド
間吸収で吸収されるため、出力光導波路41 ,42 には
出力されない。光サーキュレータ91 から強い制御光が
入力された場合は、Y分岐部2の光導波路41 に接続さ
れた分岐の吸収飽和が起こり、信号光は光導波路41
出力される。逆に、光サーキュレータ92 から制御光が
入力された場合は、光導波路42 の分岐から信号光が出
力される。
[0042] If there is no control light, since the signal light is absorbed by intersubband absorption of AlN / GaN quantum well structure portion 17 in the Y branch portion 2, the output optical waveguide 4 1, 4 2 not output. If a strong control light from the optical circulator 9 1 is input, occurs absorption saturation of the connected branches to the optical waveguide 4 1 Y-branch portion 2, the signal light is outputted to the optical waveguide 4 1. Conversely, the control light from the optical circulator 9 2 when it is input, the signal light is output from the branching of the light guide 4 2.

【0043】図4は、AlN/GaN量子井戸構造部1
7の一部分の伝導帯バンド構造を模式的に示す図であ
る。この量子井戸構造部17は、厚さ4モノレーヤのA
lN障壁層221 を挟んで厚さ6モノレーヤのGaN井
戸層211 を6層積層してなる第1の結合多重量子井戸
構造23と、該構造23の両側に配置された厚さ4モノ
レーヤのAlN障壁層222 と、厚さ4モノレーヤのA
lN障壁層221 を挟んで厚さ6.7モノレーヤのGa
N井戸層212 を5層積層してなる第2の結合多重量子
井戸構造24と、該構造24の両側に配置された厚さ4
モノレーヤのAlN障壁層222 と、からなる単位積層
構造を5周期積層してなる。
FIG. 4 shows an AlN / GaN quantum well structure 1
7 is a view schematically showing a conduction band structure of a part of FIG. The quantum well structure 17 has a monolayer thickness of 4
a first coupled multiple quantum well structure 23 having six monolayers of GaN well layers 21 1 stacked with a 1N barrier layer 22 1 interposed therebetween; and a four monolayer thick four layer monolayer arranged on both sides of the structure 23. and AlN barrier layer 22 2, a thickness of 4 - monolayer a
across the lN barrier layer 22 1 thickness 6.7 - monolayer of Ga
A second coupling multiple quantum well structure 24 in which the N-well layer 21 2 formed by laminating five layers, thickness 4 arranged on both sides of the structure 24
And AlN barrier layer 22 2 - monolayer, formed by stacking five cycles the unit laminate structure consisting of.

【0044】なお、結合多重量子井戸構造23,24間
に配置されるAlN障壁層222 は、各々の量子井戸構
造で共有されることになり、従って障壁層222 は全て
4モノレーヤの厚さとなっている。また、実際には結晶
成長上の問題で各層厚には若干の揺らぎを生じている
が、平均的にほぼ上記の厚さになっていればよい。井戸
層211 ,212 には、n型不純物であるSiを約1×
1019cm-3ドープしてある。ここで、障壁層221
222 にドープしても構わない。この場合、障壁層22
1 ,222 から生じた電子も井戸層211 ,212 に蓄
積される。
[0044] Incidentally, coupled multi-quantum well structure 23, 24 AlN barrier layer 22 2 disposed between the would be shared by each of the quantum well structure, thus the barrier layer 22 2 is the thickness of all four - monolayer Has become. In practice, the thickness of each layer slightly fluctuates due to the problem of crystal growth. For the well layers 21 1 and 21 2 , about 1 × Si, which is an n-type impurity, is added.
10 19 cm -3 doped. Here, the barrier layers 22 1 ,
22 2 may also be doped. In this case, the barrier layer 22
Electrons generated from 1 and 22 2 are also accumulated in the well layers 21 1 and 21 2 .

【0045】障壁層の厚さが薄くなると、井戸間のトン
ネル結合により、サブバンドエネルギーの分裂が起こ
る。AlN/GaN量子井戸の場合、この効果は障壁層
が5モノレーヤ以下で顕著になる。この結果、結合多重
量子井戸構造23,24においては、エネルギーが少し
ずつ異なる井戸数と同数のサブバンドからなる一種のミ
ニバンドに似た状態が形成される(以下、これを便宜上
ミニバンドと呼ぶ)。ミニバンドのエネルギー幅は、A
lN障壁層が薄くなるほど広くなる。
When the thickness of the barrier layer is reduced, subband energy splitting occurs due to tunnel coupling between wells. In the case of an AlN / GaN quantum well, this effect becomes significant when the barrier layer is 5 monolayers or less. As a result, in the coupled multiple quantum well structures 23 and 24, a state similar to a kind of mini-band composed of the same number of sub-bands as the number of wells having slightly different energies is formed (hereinafter referred to as a mini-band for convenience). ). The energy width of the mini band is A
It becomes wider as the 1N barrier layer becomes thinner.

【0046】上記構造の量子井戸構造部17の中には、
基底ミニバンド25と励起ミニバンド26の2つのミニ
バンドが形成されており、第2の結合多重量子井戸構造
24の井戸上端付近には第2の励起ミニバンド27も形
成されている。通常、高エネルギー側のミニバンドの方
が、エネルギー幅が広い。第1の結合多重量子井戸構造
23の励起ミニバンド261 では、エネルギーの最も低
いサブバンドと最も高いサブバンドのエネルギー差は約
98meVであり、この値はGaN中のLOフォノンの
エネルギー(88meV)より大きい。
In the quantum well structure 17 having the above structure,
Two minibands, a base miniband 25 and an excitation miniband 26, are formed, and a second excitation miniband 27 is also formed near the upper end of the well of the second coupled multiple quantum well structure 24. Usually, the energy band of the mini band on the high energy side is wider. In the excitation miniband 26 1 of the first coupled multiple quantum well structure 23, the energy difference between the lowest energy subband and the highest energy subband is about 98 meV, which is the energy of LO phonon in GaN (88 meV). Greater than.

【0047】光の入力が無い状態では、電子は殆ど全て
が基底ミニバンド25に分布している。2種の結合多重
量子井戸構造23と24の間にあるAlN障壁層222
が薄いので、2種の結合多重量子井戸構造23と24の
基底ミニバンド25は結合し、内部電界のため量子井戸
構造部17全体にわたって平坦に近いエネルギー分布に
なっている。但し、第1の結合多重量子井戸構造23の
方がミニバンド幅が広く、平均エネルギーも若干高くな
っている。
When there is no light input, almost all of the electrons are distributed in the base miniband 25. AlN barrier layer 22 2 between two types of coupled multiple quantum well structures 23 and 24
Is thin, the base minibands 25 of the two types of coupled multiple quantum well structures 23 and 24 are coupled, and the energy distribution is almost flat over the entire quantum well structure 17 due to the internal electric field. However, the first coupled multiple quantum well structure 23 has a wider mini-bandwidth and a slightly higher average energy.

【0048】励起ミニバンド26については、エネルギ
ーの高い準位261 は第1の結合多重量子井戸構造23
に、エネルギーの低い準位262 は第2の結合多重量子
井戸構造24に局在する傾向があるが、エネルギー的に
若干のオーバラップがあるので、2つの結合多重量子井
戸構造23,24の励起ミニバンド261 と262 の間
での電子のトンネリングは可能である。
For the excitation miniband 26, the high energy level 26 1 is the first coupled multiple quantum well structure 23.
In addition, although the low energy level 26 2 tends to be localized in the second coupled multiple quantum well structure 24, there is a slight overlap in energy, so that the two coupled multiple quantum well structures 23 and 24 Tunneling of electrons between the excitation minibands 26 1 and 26 2 is possible.

【0049】図5に、この量子井戸構造部17のcw光
に対する(a)吸収スペクトルαと(b)屈折率nの波
長分散を示す。破線は、各々の結合多重量子井戸構造2
3,24のスペクトル、実線は量子井戸構造部17全体
のスペクトルである。吸収ピークは波長1.561μm
付近にある。吸収係数は、1.412μmから1.65
0μmの間の238nmに渡ってピーク値の90%以上
の値を保っており、広帯域で平坦な吸収スペクトルが実
現されている。比較のため、従来の量子井戸のみのスペ
クトルの例を点線で示す。
FIG. 5 shows (a) the absorption spectrum α and (b) the wavelength dispersion of the refractive index n for the cw light of the quantum well structure 17. The dashed line indicates each coupled multiple quantum well structure 2
The spectra of 3, 24 and the solid line are the spectra of the entire quantum well structure 17. Absorption peak is wavelength 1.561 μm
Nearby. The absorption coefficient is from 1.412 μm to 1.65.
The value of 90% or more of the peak value is maintained over 238 nm between 0 μm, and a flat broadband absorption spectrum is realized. For comparison, a dotted line shows an example of the spectrum of the conventional quantum well only.

【0050】また本実施形態では、第1の結合多重量子
井戸構造23における屈折率の極大波長と第2の結合多
重量子井戸構造24における屈折率の極小波長がほぼ一
致するように設定(1.52μm付近)されている。こ
の結果、全体としては、屈折率の極小値(1.32μm
付近)と極大値(1.70μm付近)の間の約380n
mに渡って位相速度の異常分散が単独の結合多重量子井
戸の半分程度に抑制されており、群速度分散(d2 n/
dλ2 に比例)も小さな値に抑制される。
In this embodiment, the maximum wavelength of the refractive index in the first coupled multiple quantum well structure 23 and the minimum wavelength of the refractive index in the second coupled multiple quantum well structure 24 are set so as to substantially match (1. (Around 52 μm). As a result, as a whole, the minimum value of the refractive index (1.32 μm
380n between the maximum value (around 1.70 μm)
m, the anomalous dispersion of the phase velocity is suppressed to about half that of the single coupled multiple quantum well, and the group velocity dispersion (d 2 n /
2 ) is also suppressed to a small value.

【0051】制御光も信号光も半値全幅200fsのフ
ーリエ変換制限ガウス型光パルスを仮定すると、スペク
トル半値全幅は2.2THzとなる。理想的なフーリエ
変換制限パルスからのずれやスペクトルの裾まで考慮す
るとそれぞれこの5倍の帯域が必要であり、中心波長を
80〜100nm程度ずらす必要がある。ここでは、制
御光波長を1.55μm、信号光波長を1.65μmに
設定するものとする。
Assuming a Fourier transform limited Gaussian light pulse having a full width at half maximum of 200 fs for both the control light and the signal light, the full width at half maximum of the spectrum is 2.2 THz. Taking into account the deviation from the ideal Fourier transform limited pulse and the bottom of the spectrum, a band five times as large as this is required, and the center wavelength needs to be shifted by about 80 to 100 nm. Here, the control light wavelength is set to 1.55 μm, and the signal light wavelength is set to 1.65 μm.

【0052】ミニバンド間遷移エネルギーに共鳴した強
い超短光パルスが入射すると、基底ミニバンド25にあ
った多数の電子が、瞬間的に励起ミニバンド26に励起
される。スペクトル幅が広いので、吸収はミニバンドを
構成する複数のサブバンドで同時に生じる。このとき、
制御光波長が第2の結合多重量子井戸構造24の吸収帯
の短波長側によっているため、基底ミニバンド25の低
エネルギー側のサブバンドから、励起ミニバンド262
の高エネルギー側のサブバンドへの吸収が主として生じ
る。この結果、どちらのミニバンド25,262 でも、
高エネルギー側のサブバンドを占める電子が低エネルギ
ー側のサブバンドを占める電子より多くなる。
When a strong ultrashort light pulse resonating with the transition energy between the mini-bands is incident, a large number of electrons in the base mini-band 25 are instantaneously excited by the excitation mini-band 26. Due to the broad spectral width, absorption occurs simultaneously in multiple subbands that make up the miniband. At this time,
Since the control light wavelength depends on the shorter wavelength side of the absorption band of the second coupled multiple quantum well structure 24, the excitation miniband 26 2 starts from the lower energy side subband of the base miniband 25.
Is mainly absorbed in the high-energy sub-band. As a result, both of the mini-band 25 and 26 2,
There are more electrons occupying the high energy subband than the electrons occupying the low energy subband.

【0053】吸収飽和は、百数十fs程度の時定数(L
Oフォノン散乱による励起ミニバンド262 から基底ミ
ニバンド25への緩和時間)で回復する。通常、ミニバ
ンド内の緩和時間は主として電子−電子散乱(熱化過
程)とLOフォノン散乱に支配されている。1個の電子
の電子−電子散乱の平均時間間隔は、エネルギーや電子
の分布にも依存するが、この系では10〜50fs程度
である。一方、LOフォノン散乱によるミニバンド内緩
和の時定数は、10〜30fsである。
The absorption saturation has a time constant (L
(The relaxation time from the excitation mini-band 26 2 to the basal mini-band 25 by O-phonon scattering). Usually, the relaxation time in the miniband is mainly governed by electron-electron scattering (thermalization process) and LO phonon scattering. The average time interval of electron-electron scattering of one electron depends on energy and electron distribution, but is about 10 to 50 fs in this system. On the other hand, the time constant of relaxation in the mini-band due to LO phonon scattering is 10 to 30 fs.

【0054】従って、ミニバンド内緩和時間はミニバン
ド間緩和時間の1/10程度になり、吸収飽和にはホー
ルバーニング成分に加えて、第2の結合多重量子井戸構
造24の吸収スペクトル全体に及ぶ成分が顕著に現れ
る。この結果、中心波長1.65μmの信号光について
も、吸収係数が減少する。但し、吸収スペクトル全体に
及ぶ成分には、ミニバンド内緩和に要する時間程度(十
数fs)の応答遅延が伴う。
Therefore, the relaxation time in the mini-band is about 1/10 of the relaxation time between the mini-bands, and the absorption saturation covers the entire absorption spectrum of the second coupled multiple quantum well structure 24 in addition to the hole burning component. The components appear prominently. As a result, the absorption coefficient of the signal light having the center wavelength of 1.65 μm also decreases. However, the components extending over the entire absorption spectrum are accompanied by a response delay of about the time required for relaxation within the mini-band (several ten fs).

【0055】また、結合多重量子井戸構造23と24の
間に結合があるため、第2の結合多重量子井戸構造24
でも吸収飽和が起こる。但し、この効果は、同一結合多
重量子井戸内の応答より小さく、応答遅延も大きい。波
長1.65μmの信号光に対して、第2の結合多重量子
井戸構造24の吸収飽和の及ぼす影響は小さい。ミニバ
ンド間緩和の時定数は光パルスの半値幅より短いので、
吸収は制御光パルスがなくなると、速やかに回復する。
Since there is coupling between the coupled multiple quantum well structures 23 and 24, the second coupled multiple quantum well structure 24
But absorption saturation occurs. However, this effect is smaller than the response in the same coupling multiple quantum well, and the response delay is large. The influence of the absorption saturation of the second coupled multiple quantum well structure 24 on the signal light having the wavelength of 1.65 μm is small. Since the time constant of relaxation between mini-bands is shorter than the half width of the light pulse,
Absorption recovers quickly when the control light pulse disappears.

【0056】制御光パルスにより吸収飽和が生じている
間、信号光パルスは所定のポートから出力される。信号
光は伝搬に伴って線形な群速度分散の影響を受けるが、
信号光パルスのスペクトル(1.62μm〜1.68μ
m)全体にわたって吸収係数の波長依存性や群速度分散
が小さく保たれているので、外部で容易に分散補償する
ことができる。従って、信号光パルス波形を大きく歪ま
せることなく、本実施形態の光スイッチを多段接続して
使用することが可能になる。
During absorption saturation caused by the control light pulse, the signal light pulse is output from a predetermined port. Signal light is affected by linear group velocity dispersion with propagation,
Spectrum of signal light pulse (1.62 μm to 1.68 μm)
m) Since the wavelength dependence of the absorption coefficient and the group velocity dispersion are kept small over the entirety, the dispersion can be easily compensated externally. Therefore, the optical switches of the present embodiment can be connected in multiple stages and used without significantly distorting the signal light pulse waveform.

【0057】また、第1の結合多重量子井戸構造23が
ない場合と比べて群速度分散が小さいので、制御パルス
と信号光パルスのウォークオフも小さくでき、非線形光
学応答の高効率化が達成できる。分散値が小さいことに
は、分散補償部を短くできるという利点もある。なお、
本実施形態のように、両者の波長を第2の結合多重量子
井戸構造24の吸収帯域内に配置すると、量子井戸層の
屈折率を高くできるので、導波光モードとの重なりを大
きくできる点で有利である。
Since the group velocity dispersion is smaller than that in the case where the first coupled multiple quantum well structure 23 is not provided, the walk-off between the control pulse and the signal light pulse can be reduced, and the efficiency of the nonlinear optical response can be increased. . The small dispersion value also has the advantage that the dispersion compensator can be shortened. In addition,
When both wavelengths are arranged in the absorption band of the second coupled multiple quantum well structure 24 as in this embodiment, the refractive index of the quantum well layer can be increased, and the overlap with the guided light mode can be increased. It is advantageous.

【0058】(第2の実施形態)図6は、本発明の第2
の実施形態に係わる非線形光半導体素子(光ゲートスイ
ッチアレイ)の構成を模式的に示す図である。
(Second Embodiment) FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.
It is a figure which shows typically the structure of the nonlinear optical semiconductor element (optical gate switch array) which concerns on embodiment.

【0059】本実施形態の光ゲートスイッチアレイは、
サファイア基板101上に形成され窒化物半導体非線形
光導波路102と、その入出力に接続された受動光導波
路103のアレイから構成されている。図では便宜上2
組の光導波路のみ記したが、もっと多数の光導波路を集
積しても構わない。
The optical gate switch array of this embodiment is
It comprises a nitride semiconductor nonlinear optical waveguide 102 formed on a sapphire substrate 101 and an array of passive optical waveguides 103 connected to its input and output. In the figure, for convenience 2
Although only a set of optical waveguides is described, a larger number of optical waveguides may be integrated.

【0060】この光ゲートスイッチを構成する光導波路
の入力側には、光ファイバ104を介して、信号光を分
岐するための光分岐器105、信号光と制御光を合波す
るための光合波器106が接続されている。光パルス半
値全幅は500fs、制御光波長は1.48μm、信号
光は1.52μmから1.68μmの波長範囲で5波長
多重化されている。いずれの光パルスも、光導波路10
2,103をTMモードで伝搬するように偏波制御され
ている。
An optical splitter 105 for splitting a signal light via an optical fiber 104 is provided on an input side of an optical waveguide constituting the optical gate switch, and an optical multiplexing device for multiplexing the signal light and the control light. The vessel 106 is connected. The full width at half maximum of the light pulse is 500 fs, the control light wavelength is 1.48 μm, and the signal light is multiplexed into five wavelengths in the wavelength range from 1.52 μm to 1.68 μm. Each light pulse is applied to the optical waveguide 10.
Polarization control is performed so that 2,103 propagates in the TM mode.

【0061】強い制御光パルスが入射していない状態で
は、信号光は非線形光導波路102のサブバンド間吸収
により吸収される。強い制御光パルスが入射されたポー
トでは、非線形光導波路102の吸収飽和により、出力
光導波路に波長多重された信号光パルスが現れる。非線
形光導波路102で吸収しきれなかった制御光は、光フ
ァイバ104を介して接続された波長フィルタ107に
より除かれる。図にはないが、必要に応じて信号光パル
スの分散補償器を接続する。
When no strong control light pulse is incident, the signal light is absorbed by the intersubband absorption of the nonlinear optical waveguide 102. At the port where the strong control light pulse is incident, a signal light pulse wavelength-multiplexed appears on the output optical waveguide due to absorption saturation of the nonlinear optical waveguide 102. The control light that cannot be absorbed by the nonlinear optical waveguide 102 is removed by a wavelength filter 107 connected via an optical fiber 104. Although not shown, a signal light pulse dispersion compensator is connected as needed.

【0062】図7は、この光ゲートスイッチの非線形光
導波路102を含む断面を模式的に示す断面図である。
非線形光導波路102は、サファイア基板101上に、
GaN下地層111を介して、アンドープAl0.8 Ga
0.2 N(7モノレーヤ)/GaN(7モノレーヤ)超
格子下部クラッド層112、アンドープGaN/In
0.2 Ga0.8 N量子井戸光導波層113、SiドープA
0.8 Ga0.2 N/GaN量子井戸構構造部114(キ
ャリア密度〜1×1019cm-3)、アンドープAl0.8
Ga0.2 N(7モノレーヤ)/GaN(7モノレーヤ)
超格子上部クラッド層115が順次積層された構造を有
しており、上部クラッド層115はメサ状に加工されて
いる。受動光導波路103は、非線形光導波路102の
層構造からSiドープAl0.8 Ga0.2 N/GaN量子
井戸層114を除去した層構造を有している。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a cross section including the nonlinear optical waveguide 102 of the optical gate switch.
The nonlinear optical waveguide 102 is provided on the sapphire substrate 101,
Undoped Al 0.8 Ga through the GaN underlayer 111
0.2 N (7 monolayer) / GaN (7 monolayer) superlattice lower cladding layer 112, undoped GaN / In
0.2 Ga 0.8 N quantum well optical waveguide layer 113, Si-doped A
l 0.8 Ga 0.2 N / GaN quantum well structure 114 (carrier density〜1 × 10 19 cm −3 ), undoped Al 0.8
Ga 0.2 N (7 monolayer) / GaN (7 monolayer)
It has a structure in which the superlattice upper cladding layer 115 is sequentially laminated, and the upper cladding layer 115 is processed into a mesa shape. The passive optical waveguide 103 has a layer structure obtained by removing the Si-doped Al 0.8 Ga 0.2 N / GaN quantum well layer 114 from the layer structure of the nonlinear optical waveguide 102.

【0063】図8は、Al0.8 Ga0.2 N/GaN量子
井戸構造部114の一部(後述の基本単位)の伝導帯バ
ンド構造を模式的に示す図である。Al0.8 Ga0.2
/GaN量子井戸構造部114は、第1の結合多重量子
井戸構造121、第4の結合多重量子井戸構造124、
第2の結合多重量子井戸構造122、第5の結合多重量
子井戸構造125、第3の結合多重量子井戸構造123
が、それぞれの間に5モノレーヤのAl0.8 Ga0.2
障壁層126を挟んで順次積層された構造を基本単位と
し、さらにこの基本単位を厚さ10モノレーヤのAl
0.8 Ga0.2 N障壁層127を挟んで2周期繰り返した
構造を有している。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a conduction band structure of a part (a basic unit described later) of the Al 0.8 Ga 0.2 N / GaN quantum well structure 114. Al 0.8 Ga 0.2 N
/ GaN quantum well structure 114 includes a first coupled multiple quantum well structure 121, a fourth coupled multiple quantum well structure 124,
Second coupled multiple quantum well structure 122, fifth coupled multiple quantum well structure 125, third coupled multiple quantum well structure 123
Have 5 monolayers of Al 0.8 Ga 0.2 N between each
A basic unit is a structure sequentially laminated with the barrier layer 126 interposed therebetween.
It has a structure in which two periods are repeated with the 0.8 Ga 0.2 N barrier layer 127 interposed therebetween.

【0064】それぞれの結合多重量子井戸構造は、Ga
N井戸層128と厚さ5モノレーヤのAl0.8 Ga0.2
N障壁層129とからなる。井戸層の厚さと井戸層数
は、第1の結合多重量子井戸構造121で5モノレー
ヤ,7井戸、第4の結合多重量子井戸構造124で5.
5モノレーヤ,6井戸、第2の結合多重量子井戸構造1
22で6モノレーヤ,6井戸、第5の結合多重量子井戸
構造125で6.5モノレーヤ,5井戸、第3の結合多
重量子井戸構造123で7モノレーヤ,5井戸である。
Each coupled multiple quantum well structure has a Ga
N well layer 128 and Al 0.8 Ga 0.2 of 5 monolayer thickness
And N barrier layer 129. The thickness of the well layer and the number of the well layers are set to 5 monolayers and 7 wells in the first coupled multiple quantum well structure 121, and set to 5 in the fourth coupled multiple quantum well structure 124.
5 monolayer, 6 well, second coupled multiple quantum well structure 1
Reference numeral 22 designates 6 monolayers and 6 wells, fifth coupled multiple quantum well structure 125 includes 6.5 monolayers and 5 wells, and third coupled multiple quantum well structure 123 includes 7 monolayers and 5 wells.

【0065】各結合多重量子井戸構造121,122,
123,124,125の基底ミニバンド130は、ト
ンネリングにより全体にほぼ平坦に広がっている。励起
ミニバンド131は、結合多重量子井戸構造毎にエネル
ギーが少しずつ異なるが、隣接する結合多重量子井戸構
造とはオーバーラップがあるので、電子はトンネリング
により相互に移動することができる。
Each coupled multiple quantum well structure 121, 122,
The base mini-bands 130 of 123, 124 and 125 are almost flatly spread over the whole by tunneling. The energy of the excitation mini-band 131 is slightly different for each coupling multiple quantum well structure, but since there is an overlap with the adjacent coupling multiple quantum well structure, electrons can move with each other by tunneling.

【0066】図9に、このAl0.8 Ga0.2 N/GaN
量子井戸構造部114の吸収スペクトルαと屈折率変化
Δn/nの波長依存性を示す。破線は個々の結合多重量
子井戸構造121,122,123,124,125の
スペクトル、実線は量子井戸構造部114全体のスペク
トルを表す。多少の凹凸はあるが、波長1.45μmか
ら1.8μmの範囲で比較的平坦な吸収係数が得られ、
位相速度の異常分散波長域は1.4μm付近から1.9
5μm付近まで伸びている。
FIG. 9 shows this Al 0.8 Ga 0.2 N / GaN
7 shows the wavelength dependence of the absorption spectrum α of the quantum well structure 114 and the refractive index change Δn / n. The broken line represents the spectrum of each of the coupled multiple quantum well structures 121, 122, 123, 124, and 125, and the solid line represents the spectrum of the entire quantum well structure 114. Although there are some irregularities, a relatively flat absorption coefficient can be obtained in the wavelength range of 1.45 μm to 1.8 μm,
The phase dispersion anomalous dispersion wavelength range is from around 1.4 μm to 1.9.
It extends to around 5 μm.

【0067】なお、この例ではどの結合多重量子井戸構
造も同じ障壁層厚としたが、短波長側のミニバンド内サ
ブバンド間隔が広がって凹凸が大きくなる傾向が現れて
いる。この凹凸を小さく抑えるためには、井戸の薄い第
1の結合多重量子井戸構造121と第4の結合多重量子
井戸構造124の障壁層厚をもう1モノレーヤ厚めにす
るか、結合多重量子井戸構造を構成する井戸数をもっと
増やすかすればよい。
In this example, all the coupled multiple quantum well structures have the same barrier layer thickness. However, there is a tendency that the subband interval in the miniband on the short wavelength side is widened and concavities and convexities are increased. In order to reduce this unevenness, the barrier layers of the first and fourth coupled multiple quantum well structures 121 and 124 having thinner wells are made to be monolayer thicker, or the coupled multiple quantum well structure is reduced. The number of wells can be increased.

【0068】このような構成において、サブバンド間吸
収による光非線形性とその緩和の基本的な動作原理は第
1の実施形態とほぼ同じであり、分散補償を併用するこ
とにより、多段接続して使用することが可能になる。さ
らに、第1の実施形態よりも隣接する結合多重量子井戸
構造同士の結合が強く、また各結合多重量子井戸構造が
カバーする波長領域のオーバーラップが大きくなってい
るため、吸収飽和の影響(非線形光学応答)は、第1の
実施例の場合よりも広い波長領域に及ぶ。このため、波
長1.48μmの制御光パルスの入射により、1.52
μmから1.68μmの範囲で波長多重化された5チャ
ンネルの信号光に対して、一括して高速にゲートの開閉
ができる。
In such a configuration, the optical non-linearity due to the intersubband absorption and the basic operation principle of the mitigation are substantially the same as those of the first embodiment. It can be used. Further, since the coupling between adjacent coupled multiple quantum well structures is stronger than in the first embodiment, and the overlap of the wavelength region covered by each coupled multiple quantum well structure is larger, the influence of absorption saturation (non-linearity) The optical response extends over a wider wavelength range than in the first embodiment. Therefore, when the control light pulse having the wavelength of 1.48 μm is incident, 1.52 μm
The gate can be opened and closed at a high speed in a lump with respect to the signal light of five channels multiplexed in the wavelength range from μm to 1.68 μm.

【0069】また、群速度分散値が小さいので、広い波
長範囲に分布する波長多重化された超短光パルスのウォ
ークオフを小さくでき、効率向上を計ることができる。
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるもので
はない。第1及び第2の結合多重量子井戸構造における
井戸層の厚さや数及び障壁層の厚さ等の条件は、井戸層
間がトンネル結合して結合量子井戸となる範囲で適宜変
更可能である。さらに、各々の結合多重量子井戸構造の
積層数も、仕様に応じて適宜変更可能である。
Since the group velocity dispersion value is small, the walk-off of wavelength-multiplexed ultrashort optical pulses distributed over a wide wavelength range can be reduced, and the efficiency can be improved.
Note that the present invention is not limited to the above embodiments. Conditions such as the thickness and number of the well layers and the thickness of the barrier layers in the first and second coupled multiple quantum well structures can be appropriately changed as long as the well layers are tunnel-coupled to form a coupled quantum well. Further, the number of layers of each coupled multiple quantum well structure can be appropriately changed according to specifications.

【0070】また、井戸構造,光導波構造,デバイス形
態,波長配置,微調整用電極の付加,集積化等、本実施
形態は種々の変形が可能である。材料系も窒化物系半導
体に限定されるものではないが、AlAs/InGaA
s系,AlAsSb/InGaAs系など、窒化物系半
導体より有効質量が小さな材料を用いる場合は、実施形
態よりも障壁層を厚めに設定する必要がある。障壁層が
最適値より薄い場合は、吸収スペクトルのアンジュレー
ションが大きくなるので、より多数の井戸を結合させる
必要が生じる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
The present embodiment can be variously modified, such as a well structure, an optical waveguide structure, a device configuration, a wavelength arrangement, addition of fine adjustment electrodes, integration, and the like. The material system is not limited to nitride semiconductors, but AlAs / InGaAs.
When a material having a smaller effective mass than a nitride-based semiconductor, such as an s-based or AlAsSb / InGaAs-based material, is used, it is necessary to set the barrier layer to be thicker than in the embodiment. If the barrier layer is thinner than the optimum value, the undulation of the absorption spectrum becomes large, so that it becomes necessary to couple a larger number of wells. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、サ
ブバンド吸収に基づく非線形光学応答を利用した超高速
非線形光半導体素子において、第1の結合多重量子井戸
構造における吸収スペクトルの長波長側の裾と第2の結
合多重量子井戸構造における吸収スペクトルの短波長側
の裾が重なるように、第1及び第2の結合多重量子井戸
構造を積層することにより、吸収帯域の拡大と吸収係数
の平坦化、波長分散値の低減と高次分散の抑制を計るこ
とができる。そして、超短光パルスのパルス形状やスペ
クトルの変化を補償可能な範囲に止めることができ、ひ
いては多段接続することが可能となる。また、波長の異
なる光パルスのウォークオフも低減して、非線形光素子
としての効率を向上させることが可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, in an ultrafast nonlinear optical semiconductor device utilizing nonlinear optical response based on subband absorption, a long wavelength absorption spectrum in the first coupled multiple quantum well structure is obtained. By stacking the first and second coupled multiple quantum well structures such that the bottom of the first and second coupled multiple quantum well structures overlap the shorter wavelength of the absorption spectrum in the second coupled multiple quantum well structure, the absorption band can be expanded and the absorption coefficient can be increased. , The chromatic dispersion value can be reduced, and the higher-order dispersion can be suppressed. Then, the change of the pulse shape or spectrum of the ultrashort light pulse can be kept within a range where it can be compensated, so that multi-stage connection becomes possible. Further, it is possible to reduce the walk-off of optical pulses having different wavelengths, and to improve the efficiency as a nonlinear optical element.

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

【図1】第1の実施形態に係わる非線形光半導体素子の
概略構成を模式的に示す図。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a nonlinear optical semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】図1の非線形光半導体素子のX−X′断面構造
を示す図。
FIG. 2 is a view showing a cross-sectional structure taken along the line XX ′ of the nonlinear optical semiconductor device of FIG. 1;

【図3】図1の非線形光半導体素子のY−Y′断面構造
を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure taken along the line YY ′ of the nonlinear optical semiconductor device of FIG. 1;

【図4】第1の実施形態におけるAlN/GaN量子井
戸構造部の一部の伝導帯バンド構造を模式的に示す図。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a conduction band structure of a part of the AlN / GaN quantum well structure according to the first embodiment.

【図5】第1の実施形態におけるAlN/GaN量子井
戸構造の吸収スペクトルと屈折率分散を説明するための
図。
FIG. 5 is a diagram for explaining the absorption spectrum and the refractive index dispersion of the AlN / GaN quantum well structure according to the first embodiment.

【図6】第2の実施形態に係わる非線形光半導体素子の
概略構成を模式的に示す図。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a nonlinear optical semiconductor device according to a second embodiment.

【図7】図6の非線形光半導体素子の非線形光導波路部
の断面構造を示す図。
FIG. 7 is a view showing a cross-sectional structure of a nonlinear optical waveguide section of the nonlinear optical semiconductor device of FIG. 6;

【図8】第2の実施形態におけるAlGaN/GaN量
子井戸構造部の一部の伝導帯バンド構造を模式的に示す
図。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a conduction band structure of a part of the AlGaN / GaN quantum well structure according to the second embodiment.

【図9】第2の実施形態におけるAlGaN/GaN量
子井戸構造部の吸収スペクトルと屈折率分散を説明する
ための図。
FIG. 9 is a diagram for explaining an absorption spectrum and a refractive index dispersion of an AlGaN / GaN quantum well structure according to the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1‥‥InP光集積回路 2‥‥Y分岐部 3,4,103‥‥受動光導波路 5‥‥台地部 6‥‥溝部 7‥‥窒化物半導体 8,104‥‥光ファイバ 9‥‥光サーキュレータ 10‥‥InP基板 11,15‥‥InGaAsPエッチングストップ層 12,14,16‥‥InPクラッド層 13‥‥InGaAsP光ガイド層 17,114‥‥Al(Ga)N/GaN量子井戸構造
部 18,111‥‥GaN層 21,128‥‥GaN井戸層 22,126,127,129‥‥Al(Ga)N障壁
層 23,121‥‥第1の結合多重量子井戸構造 24,122‥‥第2の結合多重量子井戸構造 25,130‥‥基底ミニバンド 26,131‥‥励起ミニバンド 101‥‥サファイア基板 102‥‥非線形光導波路 105‥‥光分岐器 106‥‥光合波器 107‥‥波長フィルタ 112,115‥‥AlGaNクラッド層 113‥‥InGaN光ガイド層 123‥‥第3の結合多重量子井戸構造 124‥‥第4の結合多重量子井戸構造 125‥‥第5の結合多重量子井戸構造
1 InP optical integrated circuit 2 Y branch 3, 4, 103 passive optical waveguide 5 plateau 6 groove 7 nitride semiconductor 8, 104 optical fiber 9 optical circulator 10 ‥‥ InP substrate 11,15 ‥‥ InGaAsP etching stop layer 12,14,16 ク ラ ッ ド InP cladding layer 13 ‥‥ InGaAsP optical guide layer 17,114 ‥‥ Al (Ga) N / GaN quantum well structure 18,111 {GaN layer 21, 128} GaN well layer 22, 126, 127, 129 {Al (Ga) N barrier layer 23, 121} first coupled multiple quantum well structure 24, 122} second coupling Multiple quantum well structure 25,130 {base mini-band 26,131} excitation mini-band 101 {sapphire substrate 102} nonlinear optical waveguide 105} optical splitter 106 {optical multiplexer 107} wavelength filter 112, 115 {AlGaN cladding layer 113} InGaN optical guide layer 123} third coupled multiple quantum well structure 124 {fourth coupled multiple quantum well structure 125} 5Fifth coupled multiple quantum well structure

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体量子井戸層のサブバンド間吸収に基
づく非線形光学応答を利用した非線形光半導体素子であ
って、 複数の量子井戸層が障壁層を介して積層され各井戸層間
がトンネル結合している第1及び第2の結合多重量子井
戸構造を積層してなり、第1の結合多重量子井戸構造に
おける吸収スペクトルの長波長側の裾と第2の結合多重
量子井戸構造における吸収スペクトルの短波長側の裾が
重なるように、各々の量子井戸構造が設計されているこ
とを特徴とする非線形光半導体素子。
1. A nonlinear optical semiconductor device utilizing a nonlinear optical response based on intersubband absorption of a semiconductor quantum well layer, wherein a plurality of quantum well layers are stacked via a barrier layer, and each well layer is tunnel-coupled. The first and second coupled multiple quantum well structures are stacked, and the longer wavelength side of the absorption spectrum of the first coupled multiple quantum well structure and the shorter absorption spectrum of the second coupled multiple quantum well structure. A nonlinear optical semiconductor device, wherein each quantum well structure is designed such that the skirts on the wavelength side overlap.
【請求項2】第1及び第2の結合多重量子井戸構造は、
それぞれ5層以上の量子井戸層を有することを特徴とす
る請求項1記載の非線形光半導体素子。
2. The first and second coupled multiple quantum well structures include:
2. The nonlinear optical semiconductor device according to claim 1, wherein each of the nonlinear optical semiconductor devices has five or more quantum well layers.
【請求項3】第1及び第2の結合多重量子井戸構造は、
それぞれ窒化物半導体からなることを特徴とする請求項
1記載の非線形光半導体素子。
3. The first and second coupled multiple quantum well structures include:
2. The nonlinear optical semiconductor device according to claim 1, wherein each of the nonlinear optical semiconductor devices is made of a nitride semiconductor.
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