JP3022730B2 - Optical structure - Google Patents

Optical structure

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JP3022730B2
JP3022730B2 JP6191489A JP19148994A JP3022730B2 JP 3022730 B2 JP3022730 B2 JP 3022730B2 JP 6191489 A JP6191489 A JP 6191489A JP 19148994 A JP19148994 A JP 19148994A JP 3022730 B2 JP3022730 B2 JP 3022730B2
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、光エレクトロニクス
の分野において用いられる、信号媒体としての光を加工
制御できる光信号処理素子や、あるいはこれら素子の素
材、または半導体レーザーや光増幅器の戻り光を遮断す
るための素材等として有用な非相反的な光学効果を持つ
光学構造体に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal processing element used in the field of optoelectronics, which can process and control light as a signal medium, or a material of these elements, or a return light of a semiconductor laser or an optical amplifier. The present invention relates to an optical structure having a non-reciprocal optical effect useful as a material for blocking light and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、通信技術や計算機技術等におい
て、大容量かつ超高速の信号処理を可能にするために信
号媒体を従来の電気信号から一部あるいは全部を光信号
に置き換える光エレクトロニクス技術が急速に発達して
きている。そしてこのような光エレクトロニクス技術の
発展にともなって、電気信号を用いる従来のエレクトロ
ニクスの場合にそうであったように、光信号の流れを自
由に制御加工できることが必要になっている。すなわ
ち、光交換、光変調など、光の経路を切り替えたり、波
長を変換したりなどの技術が必要である。
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of communication technology and computer technology, in order to enable large-capacity and ultra-high-speed signal processing, optoelectronic technology for replacing a part or all of a signal medium from a conventional electric signal to an optical signal has been developed. It is developing rapidly. With the development of such optoelectronic technology, it is necessary to be able to freely control and process the flow of optical signals as in the case of conventional electronics using electric signals. That is, there is a need for techniques such as switching light paths and converting wavelengths, such as light exchange and light modulation.

【0003】一般に光は一定以下の強度の場合には真空
中は言うまでもなく物質中であっても互いに相互作用せ
ず、出力強度が入力強度に比例するという線形な振る舞
いしか示さない。このような光の応答を線形応答と呼ぶ
が、この線形応答しか起こらない状況においては光を加
工制御することはできない。しかし、一定の強度を越え
る光の場合は、この光による物質の状態変化の影響がこ
の光自身に返ってきたり、あるいは物質の変化が異なる
他の光との相互作用を引き起こしたりすることによって
非線形な入出力特性が得られる。このような応答を非線
形応答と呼ぶ。また物質に電磁場などの物理的量を印加
することによって光の入出力特性を変化させることもで
きる。この現象も広義には非線形応答と呼ぶことができ
る。
[0003] In general, when the light intensity is less than a certain value, the light does not interact with each other even in a substance as well as in a vacuum, and exhibits only a linear behavior that the output intensity is proportional to the input intensity. Such a response of light is called a linear response, but in a situation where only this linear response occurs, the light cannot be processed and controlled. However, in the case of light exceeding a certain intensity, the effect of a change in the state of a substance due to this light returns to the light itself, or a change in the substance causes an interaction with another light that is different, thereby causing a nonlinear effect. Input / output characteristics. Such a response is called a non-linear response. In addition, light input / output characteristics can be changed by applying a physical quantity such as an electromagnetic field to a substance. This phenomenon can also be broadly called a nonlinear response.

【0004】この非線形な性質を利用した非線形光学素
子が、光交換、光変調などの機能を持つものとしてこれ
までにも種々提案されている。また光信号の制御におい
ては、一方向からの光だけを透過させ、逆方向の光を遮
断させることが必要になる場合があるが、このような機
能を持った素子を、ファラデー効果等の物質の磁気的性
質を用いて実現させたりしている。
Various types of non-linear optical elements utilizing this non-linear property have been proposed so far as having functions such as light exchange and light modulation. In the control of an optical signal, it may be necessary to transmit only light from one direction and block light in the opposite direction.However, an element having such a function is required to be a material such as the Faraday effect. Or by using the magnetic properties.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前記の通り、光エレク
トロニクス技術では、光信号を自由に加工制御するため
の素子が必要になるが、そのような素子の機能の一つと
して一方向からの光だけを透過させ、逆方向の光を遮断
するという光に対して整流器的性質を持つ素子が必要に
なる場合がある。この素子は半導体レーザーの発振モー
ドや光増幅器の動作を安定させるために戻り光の遮断に
使われたり、あるいは光信号と電気信号を混在させた集
積回路、いわゆるOEICの中で光を整流したりするた
めに有用なものである。しかしながら、これまでの技術
では、次のような問題があった。
As described above, in the optoelectronics technology, an element for freely processing and controlling an optical signal is required. One of the functions of such an element is that an optical signal from one direction is required. There is a case where an element having a rectifier property to light that transmits only light and blocks light in the opposite direction is required. This element is used to block return light in order to stabilize the oscillation mode of a semiconductor laser or the operation of an optical amplifier, or to rectify light in an integrated circuit that mixes optical and electrical signals, so-called OEIC. Is useful for However, the conventional techniques have the following problems.

【0006】すなわち、物質が全く磁気的性質を持たな
い場合には、光の透過率は、線形応答の範囲では物質の
表裏どちらの側から入射した場合であっても同じになる
という、いわゆる相反性の原理が存在する。従って、こ
の原理に反する非相反的な応答を示す非相反素子を実現
するためには、原理的には、何等かの非線形効果を用い
るか、あるいは磁気的性質を持つ物質を用いることが考
えられる。ところが、前者に関して言えば、現時点では
非線形効果を用いた効果的な非相反素子の作製法はいま
だ知られていない。また、後者に関しては、磁気的効果
の一つであるファラデー効果を用いて光の偏光回転を起
し、非相反効果を実現した光アイソレータが存在する
が、物質の性質上、高集積された回路の中で用いるよう
な微細なものが作れず、また半導体レーザーの光アイソ
レーターとしてモノリシックに作り付けることもできな
い状況にある。すなわち、これまでのところ、高集積化
電子素子に取って代わるべき光学素子のとしての非相反
素子については、これを作製する方法が知られていない
のが実情である。
That is, when a substance has no magnetic properties at all, the light transmittance is the same regardless of whether the light enters from the front or back of the substance within the range of linear response, which is a so-called reciprocity. There is a principle of sex. Therefore, in order to realize a non-reciprocal element exhibiting a non-reciprocal response contrary to this principle, in principle, it is conceivable to use some kind of non-linear effect or use a substance having magnetic properties. . However, regarding the former, at present, no effective method for producing a non-reciprocal element using the nonlinear effect has been known. As for the latter, there are optical isolators that use the Faraday effect, which is one of the magnetic effects, to rotate the polarization of light and realize a nonreciprocal effect. In such a situation, it is impossible to produce a fine device as used in a semiconductor laser, and it cannot be monolithically fabricated as an optical isolator of a semiconductor laser. That is, as for the non-reciprocal element as an optical element to be replaced with a highly integrated electronic element, a method of manufacturing the non-reciprocal element has not been known so far.

【0007】そこでこの発明は、以上の通りの従来技術
の限界を克服し、新しい原理的考察に基づく構成とし
て、新規な非相反的光学素子を実現し、OEIC技術な
どの光エレクトロニクス技術の中で用いることのできる
光整流素子や光アイソレーター等を可能とすることを目
的としている。
Accordingly, the present invention overcomes the limitations of the above-described conventional techniques, realizes a novel non-reciprocal optical element as a configuration based on a new theoretical consideration, and realizes a novel optical element such as OEIC. It is an object to enable an optical rectifier, an optical isolator, and the like that can be used.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明においては、上
記の課題を解決するものとして、誘電体あるいは半導体
等の物質からなる非線形光学特性を持つ光学活性部を有
する薄膜において、薄膜の膜面に垂直な軸方向に対して
非対称となる位置に、面欠陥あるいは光学活性部を構成
する物質とは異なる物質層、もしくはデルタドーピング
層が単一もしくは複数、さらには混在状態で挿入され
た、非相反的な光学特性を持つ光学構造体(請求項1〜
2)を提供する。
In Means for Solving the Problems] The present invention, as to solve the above problems, in the thin film having an optically active portion having a non-linear optical properties comprising a substance such as a dielectric or semiconductor, the film surface of the thin-film A material layer different from the material constituting the surface defect or the optically active portion, or a single or plural delta doping layer, or even a mixed state is inserted at a position that is asymmetric with respect to the vertical axis direction. An optical structure having non-reciprocal optical characteristics (claims 1 to 3).
2) is provided.

【0009】また、この発明は、上記の薄膜において、
光学活性部の表裏の非対称位置に、電子、正孔、あるい
はこれらの複合粒子である励起子などの運動に対するポ
テンシャル壁が単一または複数設けられている非相反的
な光学特性を持つ光学構造体(請求項3〜4)を提供す
る。さらにまた、この発明では、上記薄膜において、薄
膜の軸方向の構造が非対称にされて、膜内に入射した光
による内部光電場の薄膜の軸方向の空間分布が、光が表
から入射した場合と裏から入射した場合とで異なり、非
相反的な光学特性を持つ光学構造体(請求項5)を提供
する。
Further, the present invention provides the above thin film,
An optical structure with non-reciprocal optical characteristics in which one or more potential walls are provided for the movement of electrons, holes, or excitons, which are composite particles of these, at asymmetric positions on the front and back of the optically active part. (Claims 3 and 4) are provided. Still further, according to the present invention, in the thin film, the axial structure of the thin film is asymmetrical, and the spatial distribution of the internal photoelectric field due to the light incident into the film in the axial direction of the thin film is such that light is incident from the front. And an optical structure having non-reciprocal optical characteristics (claim 5).

【0010】すなわち、この発明では、上記の構造体と
して、裏からの入射と表からの入射で内部光電場の振幅
と空間分布が著しく異なる様な構造と、効率的な非線形
性を利用した著しい非相反光学効果を有する超微細な素
子を提供することによって上記課題を解決している。
That is, in the present invention, as the above-mentioned structure, a structure in which the amplitude and spatial distribution of the internal photoelectric field are significantly different depending on the incidence from the back and the incidence from the front, and a remarkable structure utilizing an efficient nonlinearity The object has been achieved by providing an ultrafine element having a nonreciprocal optical effect.

【0011】[0011]

【作用】最初に、非相反光学効果を有する光学構造体を
実現させるための原理について説明する。一般に光の運
動は次のMaxwell 方程式によって決まる。
First, the principle for realizing an optical structure having a nonreciprocal optical effect will be described. Generally, the motion of light is determined by the following Maxwell equation.

【0012】[0012]

【数1】 (Equation 1)

【0013】ただし、関数 χは外場に対して分極がど
の程度誘起されるかを表す感受率でありχ(1)
χ(2) 、χ(3) はそれぞれ1次、2次、3次の感受率で
ある。通常2次以上の感受率は非線形感受率と呼ぶ。ま
たω、ωi 、ωj 、ωk は、異なる種類の入射光の振動
数である。ここで、光の強度が一定以下の強度であれば
右辺第一項までしか実質的な寄与はなく、高次の項は無
視してよい。この場合、誘起分極は光電場に比例してお
り上で説明した線形な応答のみが起こる。一方、光の強
度が強くなれば第2項目以降の寄与が生じ非線形応答が
起こる。これら第2項目以降の項を非線形分極と呼ぶ
が、非線形効果の大きさはこの非線形分極が大きさによ
って決まる。ただし、通常の反転対称性のある物質では
第2項目はこの対称性によってゼロとなり、最大の非線
形効果は3次から始まる。
Here, the function 感 is a susceptibility indicating how much polarization is induced with respect to the external field, χ (1) ,
χ (2) and χ (3) are the primary, secondary and tertiary susceptibilities, respectively. Normally, a susceptibility of second order or higher is called a non-linear susceptibility. Ω, ω i , ω j , ω k are the frequencies of the different types of incident light. Here, if the light intensity is equal to or less than a certain value, there is a substantial contribution only up to the first term on the right side, and higher-order terms may be ignored. In this case, the induced polarization is proportional to the optical field and only the linear response described above occurs. On the other hand, if the light intensity increases, contributions from the second item onward occur, and a non-linear response occurs. The terms after the second item are called nonlinear polarization, and the magnitude of the nonlinear effect is determined by the magnitude of the nonlinear polarization. However, in a substance having ordinary inversion symmetry, the second item becomes zero due to this symmetry, and the maximum nonlinear effect starts from the third order.

【0014】上記の非線形分極の大きさは、式(2)か
ら、非線形感受率と内部光電場の大きさによって決まる
ことがわかる。前者の非線形感受率の大きさとエネルギ
ースペクトルは外部からの摂動が無い場合の物質固有の
電子状態だけで決まるが、大きな非線形性を得るために
は電子系の励起エネルギーに対する共鳴近傍のエネルギ
ーを利用する必要がある。ただしこの感受率の大きさは
光がどのように入射するかには因らない。一方、内部光
電場は、後で説明するように、物質がその裏表の反転に
関して非対称になるような内部構造を持っている場合に
は光が裏側から入射するか表から入射するかによって、
その振幅や空間分布が一般には異なる。従って、非線形
感受率が大きくなる共鳴近傍のエネルギー領域の光によ
る内部光電場が裏表の入射に関して著しい非対称性を有
するような構造を持つ物質は、非線形効果によって著し
い非相反性を示すことになる。この発明ではこの事実を
積極的に利用して前記の通りの従来技術の課題の解決を
図る。
Equation (2) shows that the magnitude of the nonlinear polarization is determined by the nonlinear susceptibility and the magnitude of the internal photoelectric field. The magnitude of the former nonlinear susceptibility and the energy spectrum are determined only by the electronic state inherent to the substance without external perturbation. To obtain a large nonlinearity, use the energy near resonance to the excitation energy of the electronic system. There is a need. However, the magnitude of the susceptibility does not depend on how light enters. On the other hand, as will be described later, the internal electric field depends on whether light is incident from the back side or from the front side when the material has an internal structure that is asymmetric with respect to the inversion of its front and back.
Their amplitude and spatial distribution are generally different. Therefore, a substance having a structure in which the internal photoelectric field due to light in the energy region near the resonance at which the nonlinear susceptibility becomes large has a significant asymmetry with respect to the incidence of the front and back will exhibit significant nonreciprocity due to the nonlinear effect. In the present invention, this fact is positively utilized to solve the problems of the prior art as described above.

【0015】裏表からの入射に関する内部光電場の著し
い非対称を示す構造については、従来非相反素子を実現
するという着想そのものが無かったこともあり、これま
でその作製のための方法も知られていない。そこで、こ
の発明では裏表からの入射に関する内部光電場の著しい
非対称を有し、かつ超高集積回路の中で用いることので
きる超微細なサイズの構造を作製するための全く新たな
構造とそのための方法を提供する。
Regarding a structure showing a remarkable asymmetry of the internal photoelectric field with respect to incidence from the front and back, there has been no idea of realizing a non-reciprocal element in the past, and no method has been known so far. . Therefore, in the present invention, a completely new structure for producing an ultra-fine size structure which has a remarkable asymmetry of the internal optical electric field with respect to incidence from the front and back and which can be used in an ultra-high-integrated circuit is provided. Provide a way.

【0016】すなわち、まず、文献(Phys. Rev. B48
(1993) 7960 H. Ishihara & K. Cho)に述べられている
ように、一般に誘電体や半導体等の原子密度の高い凝集
物質においては光によって励起されたエネルギーは、原
子(分子)間の相互作用によって媒質中を伝播する。従
ってある一点での誘起分極はその点での光電場だけでは
決まらず他の全ての点の光電場の影響も受ける。これを
式に書けば、たとえば線形応答の範囲での点rでの誘起
分極は式(2)右辺第1項のように、点rの誘起分極が
座標r 及びr′の関数である感受率を通して他の全ての
点r′の光電場の影響を受ける様な形になる。このよう
な内部光電場と誘起分極の関係を非局所的な関係と呼
び、このような物質を非局所媒質、またこのような物質
で起きる応答を非局所応答と呼ぶ。このような非局所媒
質中では誘起分極と内部光電場は互いに非局所的な関係
で結ばれているため、それぞれは互いにつじつまの合っ
た運動をすることになる。この運動の結果として、媒質
内部では純粋な光と分極波が連成した波が存在すること
になる。このような分極波と光の連成波をポラリトンと
呼ぶ。Maxwell 方程式に現われる内部光電場Eは、非局
所媒質中の場合ポラリトンによる内部光電場である。
That is, first, a reference (Phys. Rev. B48)
As described in (1993) 7960 H. Ishihara & K. Cho), in general, in a cohesive substance having a high atomic density such as a dielectric or a semiconductor, the energy excited by light causes the mutual energy between atoms (molecules) to change. It propagates through the medium by action. Therefore, the induced polarization at one point is not determined only by the optical field at that point, but is also affected by the optical fields at all other points. If this is written into the equation, for example, the induced polarization at the point r in the range of the linear response is the susceptibility where the induced polarization at the point r is a function of the coordinates r and r 'as shown in the first term on the right side of the equation (2). Through which the shape is affected by the photoelectric field at all other points r '. Such a relationship between the internal photoelectric field and the induced polarization is called a non-local relationship, such a substance is called a non-local medium, and a response occurring in such a substance is called a non-local response. In such a non-local medium, the induced polarization and the internal optical electric field are connected to each other in a non-local relationship, so that each of them performs a consistent motion with each other. As a result of this movement, a wave in which pure light and a polarized wave are coupled exists inside the medium. Such a coupled wave of polarized waves and light is called polaritons. The internal electric field E appearing in the Maxwell equation is an internal electric field due to polaritons in a nonlocal medium.

【0017】物質内部での電子系の波動関数が可干渉性
を保つ程度に小さい、超微小な系、たとえば数十から数
千オングストロームの膜厚を持つ超薄膜を考えると、非
摂動系の分極波の、膜面に垂直方向の運動は量子閉じ込
めを受けて、その波動関数はミクロな空間分布を持つこ
とになる。一方、内部光電場は誘起分極とつじつまの合
った運動を行なうために、この空間分布も同様にミクロ
なスケールになる。このように、電子系の励起エネルギ
ーに共鳴するエネルギーを持つ入射光の内部光電場、す
なわちポラリトンの内部光電場は、通常数千オングスト
ロームからミクロンのオーダーの真空中の光の波長とは
著しく異なる短い波長を持つ。このため、超薄膜中にお
いてもポラリトンはファブリ・ペロー型の干渉を起こ
す。
Considering an ultra-small system in which the wave function of the electron system inside the material is small enough to maintain coherence, for example, an ultra-thin film having a thickness of several tens to several thousand angstroms, The motion of the polarized wave in the direction perpendicular to the film surface is subjected to quantum confinement, and its wave function has a microscopic spatial distribution. On the other hand, since the internal electric field performs a motion consistent with the induced polarization, this spatial distribution also has a micro-scale. Thus, the internal optical electric field of incident light having energy that resonates with the excitation energy of the electronic system, i.e., the internal optical electric field of polaritons, is short, which is significantly different from the wavelength of light in a vacuum, usually on the order of thousands angstroms to microns. Has a wavelength. For this reason, even in an ultra-thin film, polaritons cause Fabry-Perot interference.

【0018】以上の通り、ポラリトンは分極波と光の連
成波であることを説明したが、薄膜中に電子系の膜に垂
直方向の運動エネルギー、すなわち分極波の運動エネル
ギーに対してポテンシャルの壁となるような構造を面欠
陥や異種物質の単原子層膜などの挿入によって作り付け
ると、ポラリトンにおける分極波成分が壁で反射される
ため、ポラリトンそのものが一部反射されることにな
る。すなわちこのような系ではポラリトンは薄膜の膜面
での反射だけでなく内部の面欠陥や単原子層膜等での反
射も含めた多重散乱による複雑な干渉効果を示すことに
なる。もしこの面欠陥や単原子層膜等を薄膜の中央とは
異なる位置に作り付けたとすると、裏から入射した場合
と表から入射した場合とで干渉の仕方が異なり、内部光
電場の振幅や空間分布が異なったものになる。このよう
な場合でも、線形応答しか起こらないような入射光強度
であれば、相反性の原理より非相反的な効果は現われな
いが、非線形効果が現われるような強度の場合は、前述
したように非線形応答の大きさが内部光電場の大きさや
空間分布によっているために、裏からの入射と表からの
入射で透過率が異なるという非相反効果が現われる。特
に、物質の電子系の励起エネルギーに共鳴するエネルギ
ーを持つ入射光の場合は元々、非線形感受率が共鳴的に
増大して大きな非線形効果が現われるため、以上の例で
説明したような非対称な構造を持つ膜を、内部電場の大
きさと空間分布が裏と表からの入射で著しく異なるよう
にすれば、大きな非相反効果を持ち、かつ超高集積回路
で用いることのできるような、あるいは半導体レーザー
等の素子にモノリシック作り付けることができるような
微細な構造を持った光学素子が実現され、上記課題が解
決される。
As described above, polaritons have been described as being coupled waves of polarized waves and light. However, the kinetic energy of a polariton in the direction perpendicular to the electron-based film, that is, the kinetic energy of polarized waves, When a structure that becomes a wall is formed by inserting a surface defect or a monoatomic layer film of a different material, the polarization wave component of the polariton is reflected by the wall, and the polariton itself is partially reflected. That is, in such a system, the polaritons exhibit a complex interference effect due to multiple scattering including not only reflection on the film surface of the thin film but also internal surface defects and reflection on a monoatomic layer film. If this surface defect or monoatomic layer film is formed at a position different from the center of the thin film, the way of interference differs between the case where light enters from the back and the case where light enters from the front, and the amplitude and spatial distribution of the internal photoelectric field Will be different. Even in such a case, if the incident light intensity is such that only a linear response occurs, the nonreciprocal effect does not appear due to the principle of reciprocity, but if the intensity is such that the nonlinear effect appears, as described above, Since the magnitude of the nonlinear response depends on the magnitude and the spatial distribution of the internal photoelectric field, a non-reciprocal effect appears in which the transmittance differs between incident from the back and incident from the front. In particular, in the case of incident light having energy that resonates with the excitation energy of the electron system of the substance, the nonlinear susceptibility originally increases resonantly and a large nonlinear effect appears, so that the asymmetric structure described in the above example is used. By making the film with a large difference in the magnitude and spatial distribution of the internal electric field between the front and the back, it has a large nonreciprocal effect and can be used in ultra-high integrated circuits, or a semiconductor laser Thus, an optical element having a fine structure that can be monolithically formed on such an element is realized, and the above-mentioned problem is solved.

【0019】この発明における非相反的光学構造体は、
以上の通りの、この発明者が新しく見出した原理を用い
ることにより、非相反的な光学効果が、微細な構造にお
いて発現されるように構成されているために、光整流機
能を持つ素子を超高集積光電子回路で用いたり、あるい
は半導体によるレーザーや光増幅器などに、光アイソレ
ーターを集積化を妨げないようにモノリシックに作り付
けることができるようになる。
The non-reciprocal optical structure according to the present invention comprises:
As described above, by using the principle newly discovered by the present inventor, since a non-reciprocal optical effect is configured to be exhibited in a fine structure, an element having an optical rectification function is superposed. An optical isolator can be monolithically used in a highly integrated optoelectronic circuit or in a semiconductor laser or optical amplifier so as not to hinder integration.

【0020】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【0021】[0021]

【実施例】実施例1 図1はこの発明の第一の実施例による非相反的光学素子
を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからなる
光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。表から入射する、信号を担う入射光(2)、信号を
担う入射光(2)が透過した出力光(3)とともに、裏
から入射する、信号をになう入射光(4)が図1に示さ
れている。面欠陥(5)、あるいは異種物質の単原子層
膜もしくはデルタドーピング等が、電子系の、膜面と垂
直な方向の運動に対してポテンシャル壁になるように、
薄膜の中央ではない位置に配設されている。図中のdは
薄膜(1)の厚さで数10オングストロームから数10
00オングストローム程度の値、cは薄膜(1)の表面
から面欠陥(5)等までの距離である。この薄膜(1)
の表からの入射光(2)は透過するが、裏からの入射光
(4)は透過しない様にdとc並びに面欠陥(5)等の
種類が設定されている。以下これらがどのように設定さ
れるかを励起子系の光学応答を例として説明する。
EXAMPLE 1 FIG. 1 is a perspective schematic view showing a non-reciprocal optical device according to the first embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 1 shows the incident light (2) carrying the signal, the incident light (2) carrying the signal, and the output light (3) passing through the incident light (2) carrying the signal, as well as the incident light (4) coming from behind and conforming to the signal. Is shown in A surface defect (5) or a monoatomic layer film or a delta doping of a different material becomes a potential wall for the movement of the electron system in a direction perpendicular to the film surface.
It is disposed at a position other than the center of the thin film. D in the figure is the thickness of the thin film (1) from several tens angstroms to several tens
A value of about 00 angstroms, and c is the distance from the surface of the thin film (1) to the surface defect (5). This thin film (1)
Are set such that the incident light (2) from the table (1) is transmitted but the incident light (4) from the back is not transmitted. Hereinafter, how these are set will be described using the optical response of the exciton system as an example.

【0022】まず線形応答の理論によって内部光電場を
計算する。その理論計算のモデルは以下のようなもので
ある。すなわち、薄膜は離散格子でできているとし、各
格子点に励起準位を一つ持った原子が存在するとする。
各原子間には相互作用がある。また各原子で励起した電
子はその原子内にとどまるとし、原子間の相互作用は双
極子相互作用を通して起こるとする。このような離散格
子よって薄膜ができているとし、膜に垂直な方向に向け
て、膜面に平行な原子層に表面から順番に第0層、第1
層、第2層、...第N+1層、と名前を付ける。光学
活性な膜自体は第1層目から第N層目までとし、第0番
目と第N+1番目の層で分極波の振幅がゼロとなるよう
な境界条件を仮定する。また、第1層目から第N層目の
中の一層だけが、原子の励起エネルギーが異なるように
設定する。このようなモデルを用いて内部光電場と線形
及び非線形の応答スペクトルを計算するが、ミクロなモ
デルであるため量子力学的な計算が必要なので次のよう
なハミルトニアンを出発点とする。
First, the internal photoelectric field is calculated according to the linear response theory. The model of the theoretical calculation is as follows. That is, it is assumed that the thin film is made of a discrete lattice, and that each lattice point has an atom having one excitation level.
There is an interaction between each atom. It is also assumed that the electrons excited by each atom remain within that atom, and that the interaction between atoms occurs through dipole interaction. Assuming that a thin film is formed by such a discrete lattice, the 0th layer and the 1st layer are arranged in the atomic layer parallel to the film surface in order from the surface in the direction perpendicular to the film.
Layer, second layer,. . . Name it as the (N + 1) th layer. The optically active film itself is from the first layer to the Nth layer, and a boundary condition is assumed such that the amplitude of the polarization wave is zero in the 0th and (N + 1) th layers. Further, it is set so that only one of the first to Nth layers has a different atomic excitation energy. Although the internal photoelectric field and the linear and nonlinear response spectra are calculated using such a model, the following Hamiltonian is used as a starting point because quantum mechanical calculation is required because the model is a micro model.

【0023】[0023]

【数2】 (Equation 2)

【0024】ただし、ε0 は各原子での励起エネルギ
ー、t は原子間の相互作用のエネルギー、b+ l はl番
目の層に励起を作る量子力学的演算子、bl はl番目の
層で励起を消す量子力学的演算子、δはc番目の原子層
の原子の励起エネルギーのずれである。このモデルは電
子と正孔の複合粒子である励起子に基づいており、また
励起子の中でも内部自由度を持たないFrenkel 励起子に
基づくモデルである。しかし、このモデルによってここ
で展開する議論はこのモデルの特殊性にはよらない議論
であり、他の種類の励起子の場合でも適用されるもので
ある。上記式(3)右辺の第3項に表される、励起エネ
ルギーが他の層とδだけ異なる層(c番目の層)が分極
波(このモデルでは励起子)の膜に垂直方向の運動に対
してポテンシャル壁の役割をするものであるが、その起
源は、面欠陥、面状に挿入された異種の物質、あるいは
デルタドーピングされた層など種々のものを考えること
ができる。
[0024] However, ε 0 is the excitation energy, t is the energy of the interaction between atoms in each atom, b + l is the quantum-mechanical operator to make the excitation to the l th layer, b l is the l-th layer Is the quantum mechanical operator that extinguishes the excitation, and δ is the shift in the excitation energy of the atoms in the c-th atomic layer. This model is based on excitons, which are composite particles of electrons and holes, and is based on Frenkel excitons, which have no internal degree of freedom among excitons. However, the arguments developed here by this model are independent of the particularity of this model, and apply to other types of excitons. The layer (c-th layer) whose excitation energy is different from the other layers by δ, represented by the third term on the right side of the above equation (3), causes the polarization wave (exciton in this model) to move in the direction perpendicular to the film. On the other hand, it serves as a potential wall, and its origin can be various things such as a plane defect, a heterogeneous substance inserted in a plane, or a delta-doped layer.

【0025】計算すべき量は内部光電場であるが、これ
は前記の式(1)、(2)で表されるような非局所的な
Maxwell 方程式を解くことによって得られる。ただし、
式(1)、(2)は連続体モデルに基づく式なので、こ
こでは離散格子の式に書き換えたものを用いる。その式
に現れる感受率を上記モデルに基づいて具体的に計算す
るにはこのモデルの基底状態と励起状態の固有エネルギ
ー及び、固有関数を求めなければならないが、その方法
と具体的な結果については(Wannier 励起子に基づくモ
デルによってはいるが)文献(J. Phys. Soc. Jpn Vol.
60 (1991) 3920H. Ishihara & K. Cho )に詳しいので
ここでは省略する。次に得られた基底状態と励起状態の
固有エネルギー及び固有関数から感受率を計算し非局所
的なMaxwell 方程式を解く方法であるが、これについて
は異なる励起エネルギーを持った層を持たない単純な薄
膜の場合のモデルによったものであるが、文献(J. Phy
s.Soc. Jpn. 55 (1986)4113 .K. Cho)に詳しく述べら
れており、計算はその方法に基づいて行われる。この計
算の結果として薄膜内の内部光電場の具体的表式が得ら
れる。
The quantity to be calculated is the internal optical field, which is a non-local field as expressed by the above equations (1) and (2).
Obtained by solving the Maxwell equation. However,
Expressions (1) and (2) are expressions based on a continuum model, and therefore, here, those rewritten as discrete lattice expressions are used. In order to specifically calculate the susceptibility appearing in the equation based on the above model, the eigen energies and eigenfunctions of the ground state and excited state of this model must be obtained. (Depending on the model based on the Wannier exciton) (J. Phys. Soc. Jpn Vol.
60 (1991) 3920H. Ishihara & K. Cho). Next, it is a method of calculating the susceptibility from the obtained eigen energy and eigen function of the ground state and the excited state and solving the nonlocal Maxwell equation, but this is a simple method without a layer having different excitation energies. This is based on the model for thin films, but is described in the literature (J. Phy
s. Soc. Jpn. 55 (1986) 4113. K. Cho), and the calculation is performed based on that method. As a result of this calculation, a specific expression of the internal photoelectric field in the thin film is obtained.

【0026】この結果に基づき数値計算によって薄膜内
の内部光電場Ej の強度Ij の薄膜内での空間分布を表
したものが図2(a)(b)(c)である。ここで、図
中の(a)(b)(c)の横軸は薄膜の表から裏に向け
て番号を付けた離散格子による各層の番号であり、縦軸
は入射光強度をlとしたときの各層での内部電場光強度
である。図中では、内部光電場強度の値を表す曲線
(1)、分極波の運動に対するポテンシャル壁の位置
(2)、すなわち、図1のcの位置が表わされている。
また、表面第0層の位置(3)、裏面第71層の位置
(4)も表わされている。物質としては、70分子層の
膜厚(約378オングストローム)のCuClを想定し
たパラメーターを用い、cは50とした。またポテンシ
ャルの大きさは100meVとした。実際このポテンシ
ャルの大きさは異種物質層を挿入する場合のその物質の
種類や層数、またデルタドーピングのドープする物質の
種類、あるいは面欠陥を選ぶかなどによって様々に設定
することができる。
FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c) show the spatial distribution in the thin film of the intensity I j of the internal photoelectric field E j in the thin film by numerical calculation based on this result. Here, the horizontal axis of (a), (b) and (c) in the figure is the number of each layer by a discrete lattice numbered from the front to the back of the thin film, and the vertical axis is 1 for the incident light intensity. The internal electric field light intensity in each layer at the time. In the figure, a curve (1) representing the value of the intensity of the internal photoelectric field and a position (2) of the potential wall with respect to the movement of the polarization wave, that is, a position of c in FIG. 1 are shown.
Also, the position (3) of the front 0th layer and the position (4) of the back 71st layer are shown. As the substance, a parameter was used assuming CuCl having a thickness of about 70 molecular layers (about 378 angstroms), and c was set to 50. The magnitude of the potential was 100 meV. In fact, the magnitude of this potential can be set variously depending on the kind and number of layers of a different material layer to be inserted, the kind of the substance to be doped by delta doping, or the selection of a plane defect.

【0027】また100meVと言う量はこのようにし
て実現されるポテンシャルの大きさとして常識的な範囲
のものである。図2(a)はポテンシャル壁の無い場合
である。これに比べ、ポテンシャル壁を導入した場合の
図2(b)、図2(c)に見られるように内部光電場が
著しく変調されるのが分かる。図2(b)(c)はそれ
ぞれ表から光が入射した場合と、裏から入射した場合の
内部光電場強度の空間分布を表している。図2(b)の
裏面での入射光(4)による内部光電場強度の値と、図
2(c)の表面での出射光(3)によるそれの値は等し
く、線形応答における相反性の原理で両者の透過率は等
しくなっていることが分かるが、一方、内部光電場のそ
れぞれの場合での場所依存性と振幅は図2(b)(c)
で著しく異なっていることがわかる。これは前記のよう
に励起子ポラリトンの干渉の仕方が二通りの場合で異な
っているからである。
The amount of 100 meV is within the range of common sense as the magnitude of the potential realized in this way. FIG. 2A shows a case where there is no potential wall. In contrast, it can be seen that the internal photoelectric field is significantly modulated as shown in FIGS. 2B and 2C when the potential wall is introduced. FIGS. 2B and 2C respectively show the spatial distribution of the internal photoelectric field intensity when light is incident from the front and when light is incident from the back. The value of the internal photoelectric field strength due to the incident light (4) on the back surface of FIG. 2B is equal to that of the outgoing light (3) at the front surface of FIG. It can be seen from the principle that the transmittances of the two are equal, but on the other hand, the location dependence and the amplitude in each case of the internal photoelectric field are shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c).
It can be seen that they are significantly different. This is because, as described above, the manner of interference of the exciton polaritons differs between the two cases.

【0028】このように、ポテンシャル壁のポテンシャ
ルの大きさと位置を最適に設定することによって裏から
の光の入射と表からの光の入射で内部光電場の振幅と空
間分布を著しく異なったものにすることができる。次
に、裏からの光の入射と表からの光の入射で内部光電場
の振幅と空間分布が著しく異なる状況であるときに、非
線形効果によって、透過率が両者の場合で異なったもの
になることをさらに説明する。
As described above, by optimally setting the magnitude and position of the potential of the potential wall, the amplitude and spatial distribution of the internal photoelectric field are significantly different between the incidence of light from behind and the incidence of light from the front. can do. Next, when the amplitude and spatial distribution of the internal electric field are significantly different due to the incidence of light from the back and the incidence of light from the front, the transmittance becomes different in both cases due to the nonlinear effect. This will be further described.

【0029】ポテンシャルの大きさが100meVを越
えれば励起子ポラリトンのスペクトルに現われる干渉の
効果は、ほぼ無限大のポテンシャルの場合と同じになる
ので、今度はポテンシャル壁として無限大のポテンシャ
ルを想定し、上の線形応答の場合とほぼ同様のモデルに
基づき前記式(1)、(2)を離散格子モデルの物に書
き直した非局所的な非線形Maxwell 方程式を解く。ポテ
ンシャルが無限大なのでモデルとしては単一の薄膜が2
枚並んでおり、境目で電子の波動関数がゼロになってい
る状況と同じものを考え、それぞれの膜内でMaxwell 方
程式を解き、その解をMaxwell の境界条件で接続すれば
よい。単一の膜の場合での非局所的なMaxwell 方程式を
解く非線形応答の計算方法については文献(Phys. Rev.
B48 (1993) 7960.H. Ishihara and K. Cho )(Solid
State Commun. 89 837 (1994).H. Ishihara and K. Ch
o )に詳しく述べられており、ここでも同様の計算方法
とモデルを適用する。
If the magnitude of the potential exceeds 100 meV, the effect of interference appearing in the spectrum of the exciton polariton becomes the same as in the case of an almost infinite potential. A non-local nonlinear Maxwell equation in which the equations (1) and (2) are rewritten into a discrete lattice model based on a model substantially similar to the above linear response is solved. Since the potential is infinite, a single thin film is 2
Considering the same situation where the electron wave function is zero at the boundary, the Maxwell equation is solved in each film, and the solution may be connected under the Maxwell boundary condition. The method of calculating the nonlinear response to solve the nonlocal Maxwell equation in the case of a single film is described in Phys. Rev.
B48 (1993) 7960.H. Ishihara and K. Cho (Solid)
State Commun. 89 837 (1994) .H. Ishihara and K. Ch.
o), and apply the same calculation method and model here.

【0030】得られた結果を示したものが図3(a)
(b)である。この図3(a)(b)は非線形効果が入
った場合の透過率スペクトルであり、図3(a)は表か
ら入射した場合、図3(b)は裏から入射した場合であ
る。横軸は入射光エネルギーを表し縦軸は透過率を表し
ている。入射光強度は430kW/cm2 とした。物質
のパラメーターは図2の場合と同じである。
FIG. 3 (a) shows the results obtained.
(B). 3 (a) and 3 (b) are transmittance spectra when a nonlinear effect is included. FIG. 3 (a) shows a case where light enters from the front, and FIG. 3 (b) shows a case where light enters from the back. The horizontal axis represents incident light energy and the vertical axis represents transmittance. The incident light intensity was 430 kW / cm 2 . Material parameters are the same as in FIG.

【0031】図3(a)(b)を見てみると、裏からの
入射の場合、内部光電場の振幅が大きいため、非線形効
果が表からの入射に比べて大きくなっており、両者の透
過率が異なって著しい非相反性が現われていることがわ
かる。このために、たとえば3.2029eVあたりの
エネルギー(図中矢印)では前者の場合は透過するが後
者の場合は非線形効果のために透過率が小さくなってし
まい透過しないということが起こっている。
Referring to FIGS. 3A and 3B, in the case of incidence from the back, since the amplitude of the internal photoelectric field is large, the nonlinear effect is greater than that of incidence from the front. It can be seen that remarkable non-reciprocity appears due to different transmittance. For this reason, for example, in the case of energy around 3.2029 eV (arrow in the figure), the former case is transmitted, but in the latter case, the transmittance is reduced due to the non-linear effect and the light is not transmitted.

【0032】以上の結果から明らかなように、面欠陥や
異種物質の面状の挿入などによって分極波の運動に対し
てポテンシャル壁になる構造を薄膜中の、裏表に関して
非対称な位置に配設し、そのポテンシャルの大きさと位
置を適当に設定すれば数100オングストロームという
極めて微小な膜厚を持つ薄膜で著しい非相反効果が得ら
れることがわかる。この実施例は、このような原理に基
づいて、表から入射した光は透過するが、裏から入射し
た光は透過しない非相反的光学素子を例示している。実施例2 図4はこの発明の第2の実施例による非相反的光学素子
を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからなる
光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。そして、この図4には、表から入射する、信号を担
う入射光(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出
力光(3)、裏から入射する、信号をになう入射光
(4)とともに、複数の、面欠陥、あるいは異種物質の
単原子層膜、もしくはデルタドーピング等で、電子系
の、膜面と垂直な方向の運動に対してポテンシャル壁に
なるようにした構造(5)が示されており、これによっ
て、薄膜全体は表裏に関して非対称な構造になってい
る。図中のdは薄膜1の厚さで数10オングストローム
から数1000オングストローム程度の値、c1からc
nは薄膜1の表面から各構造(5)までの距離である。
この薄膜の表からの入射光(2)は透過するが、裏から
の入射光(4)は透過しないようにd及び構造(5)の
種類とc1からcnは設定されている。
As is apparent from the above results, a structure that becomes a potential wall against the motion of the polarization wave due to a plane defect or a planar insertion of a foreign substance is disposed in the thin film at an asymmetric position with respect to the front and the back. It can be seen that a remarkable non-reciprocal effect can be obtained with a thin film having an extremely small thickness of several hundred angstroms if the magnitude and position of the potential are appropriately set. This embodiment exemplifies a non-reciprocal optical element which transmits light incident from the front but does not transmit light incident from the back based on such a principle. Embodiment 2 FIG. 4 is a schematic perspective view showing a non-reciprocal optical element according to a second embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 4 shows an incident light (2) carrying a signal, an output light (3) through which the incident light (2) carrying a signal has passed, and an incident light coming from the back and having a signal incident from the front. A structure in which a plurality of surface defects or monoatomic layer films of different materials, or delta doping, etc., together with light (4), become potential walls for the movement of the electron system in the direction perpendicular to the film surface. (5) is shown, whereby the entire thin film has an asymmetric structure on both sides. In the figure, d is the thickness of the thin film 1 and is a value from several tens of angstroms to several thousand angstroms, and c1 to c
n is the distance from the surface of the thin film 1 to each structure (5).
The d and the type of the structure (5) and c1 to cn are set so that the incident light (2) from the front of the thin film is transmitted but the incident light (4) from the back is not transmitted.

【0033】この実施例では、実施例1で説明した非対
称なポラリトンの多重干渉を複数のポテンシャル壁によ
って起こるようにし、単一のポテンシャル壁の場合より
も表から入射した場合と、裏から入射した場合との内部
光電場の振幅の差が著しくなるようにしている。このこ
とによって、表から入射した光については、実施例1の
単一のポテンシャル壁の場合に比べ、その透過光強度の
減少が、より押さえられ、逆に、裏から入射した光につ
いては実施例1の単一のポテンシャル壁の場合よりもさ
らに良く遮断できるようになる。実施例3 図5はこの発明の第3の実施例による非相反的光学素子
を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからなる
光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。そしてこの図5には、表から入射する、信号を担う
入射光(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出力
光(3)、裏から入射する、信号をになう入射光
(4)、信号を担う入射光(4)が透過した出力光
(6)とともに、面欠陥、あるいは異種物質の単原子層
膜、もしくはデルタドーピング等で、電子系の、膜面と
垂直な方向の運動に対してポテンシャル壁になるように
薄膜の中央ではない位置に配設した構造(5)が示され
ている。図中のdは薄膜1の厚さで数10オングストロ
ームから数1000オングストローム程度の値、cは薄
膜1の表面から構造5までの距離である。この膜の表か
らの入射光(2)の透過光(3)の強度は入射強度の増
加と共に非線形に増加し、かつ光双安定特性を持つが、
裏からの入射光(4)の透過光(6)の強度は入射光強
度に対して単に比例するだけであるようにd及び構造
(5)の種類とcは設定されている。
In this embodiment, the multiple interference of the asymmetric polariton described in the first embodiment is caused by a plurality of potential walls, and the light is incident from the front and from the back rather than from a single potential wall. The difference between the amplitude of the internal photoelectric field and the case is made remarkable. As a result, with respect to the light incident from the front, the decrease in the transmitted light intensity is more suppressed as compared with the case of the single potential wall of the first embodiment. It becomes possible to cut off even better than in the case of one single potential wall. Embodiment 3 FIG. 5 is a schematic perspective view showing a non-reciprocal optical element according to a third embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 5 shows an incident light (2) carrying a signal, an output light (3) transmitted through the incident light (2) carrying a signal, and an incident light coming from the back and conforming to a signal. (4) The direction perpendicular to the film surface of the electron system due to surface defects, monoatomic layer film of different materials, or delta doping, etc., together with the output light (6) transmitted by the incident light (4) carrying the signal. Structure (5) is shown, which is disposed at a position other than the center of the thin film so as to become a potential wall for the movement of the thin film. In the figure, d is the thickness of the thin film 1 and is a value from several tens angstroms to several thousand angstroms, and c is the distance from the surface of the thin film 1 to the structure 5. The intensity of the transmitted light (3) of the incident light (2) from the surface of this film increases non-linearly with the increase of the incident intensity and has optical bistable characteristics.
The type d and the type of the structure (5) and c are set so that the intensity of the transmitted light (6) of the incident light (4) from the back is simply proportional to the intensity of the incident light.

【0034】この実施例による素子の機能を詳しく説明
すると、まず、光双安定機能とその機能が非相反的に現
れることが指摘される。一般に、非線形媒質によるファ
ブリー・ペロー型の共振器中の光は膜面で反射され媒質
中を何回か往復することによって多重干渉を起こす。図
6はこのファブリー・ペロー型の共振器の概念図であ
る。図中には、光学活性な薄膜状媒質(1)が非線形効
果を有することとともに、入射光(2)、反射光
(3)、透過光(4)、内部光(5)が示されている。
またdは共振器の長さを表わしている。媒質内に入った
光は図のように共振器内で多重反射し、その結果反射光
や透過光には多重反射の結果帰ってきた物も含まれ、多
重干渉効果が起こる。
The function of the device according to this embodiment will be described in detail. First, it is pointed out that the optical bistable function and its function appear nonreciprocally. In general, light in a Fabry-Perot resonator due to a non-linear medium is reflected by a film surface and causes multiple interference by reciprocating in the medium several times. FIG. 6 is a conceptual diagram of the Fabry-Perot resonator. In the drawing, incident light (2), reflected light (3), transmitted light (4), and internal light (5) are shown while the optically active thin film medium (1) has a nonlinear effect. .
D represents the length of the resonator. Light that has entered the medium is multiple-reflected in the resonator as shown in the figure. As a result, reflected light and transmitted light include those returned as a result of multiple reflection, and the multiple interference effect occurs.

【0035】このような共振器においては、入射光強度
をだんだん強くしていくと非線形効果によって屈折率が
変化し、多重干渉による内部電場の増大をさらに強める
ように変化していく波長領域が、共振器長に応じて存在
する。内部電場が強まればさらに非線形効果が大きくな
り、一層内部電場の増大を強めるように屈折率が変化し
ていく。このようにフィードバック機構が働き、ある入
射光強度の領域で、出力光強度が2種類の値を取ること
ができるようになる。図7はこの場合の入出力特性の概
念図である。図中横軸は入力光強度、縦軸は出力光強度
である。矢印は入力光強度を変化させていくときの向き
を示しており、特に、図中A,Bの間では出力光強度
は、低入力光強度から強度を大きくしていったときは低
出力、また高入力光強度から強度を小さくしていったと
きは高出力の二通りの値を示す。言うまでもなく、低出
力の時は低透過であり、高出力の時は高透過である。す
なわち、双安定領域では、低強度からだんだん強度を強
くしてきた場合にはあまり透過しないが、高強度からだ
んだん強度を弱くしてきた場合には良く光が透過すると
言った現象が起こる。このような光双安定現象は従来か
らよく知られており、光メモリーなど光エレクトロニク
ス技術において多彩な応用が考えられている。
In such a resonator, as the incident light intensity is gradually increased, the refractive index changes due to the non-linear effect, and the wavelength region that changes so as to further increase the internal electric field due to multiple interference is It exists depending on the resonator length. As the internal electric field increases, the nonlinear effect further increases, and the refractive index changes so as to further increase the internal electric field. In this way, the feedback mechanism works, and the output light intensity can take two values in a certain incident light intensity region. FIG. 7 is a conceptual diagram of the input / output characteristics in this case. In the figure, the horizontal axis is the input light intensity, and the vertical axis is the output light intensity. The arrow indicates the direction when the input light intensity is changed. In particular, the output light intensity between A and B in the figure shows a low output when the intensity is increased from the low input light intensity. Further, when the intensity is reduced from the high input light intensity, two values of high output are shown. Needless to say, when the output is low, the transmission is low, and when the output is high, the transmission is high. That is, in the bistable region, when the intensity is gradually increased from a low intensity, the light does not transmit much, but when the intensity is gradually decreased from the high intensity, a phenomenon that light is transmitted well occurs. Such an optical bistable phenomenon has been well known in the past, and various applications have been considered in optoelectronic technologies such as an optical memory.

【0036】光双安定現象は共振器中で光が多重干渉を
起こすことが重要な要素であるので、一般にはこの共振
器は、光が干渉を起こすことができるように、光の波長
の数倍の長さが必要であると考えられている。従って通
常の数千オングストローム以上の波長の光を考える場合
には、数ミクロンオーダーの長さ以上の共振器が必要で
あることになる。ところが実施例1で説明したように非
局所媒質の電子系の共鳴エネルギー近傍のエネルギーを
持った光を用いた場合には内部光電場はポラリトンであ
り、ずっと短い波長を持つことになる。たとえばその波
長は、CuClの最低励起子準位のエネルギーの場合で
500オングストローム以下程度である。従って実施例
1の素子のようなきわめて薄い薄膜中でも内部光は干渉
を起こす。実際、実施例1の説明で用いた計算例によ
る、内部光電場の空間分布を見ても、その波長の短いこ
とが分かる。従ってこの実施例の場合には、超薄膜であ
るが双安定特性が現れる。
Since the optical bistability phenomenon is an important factor that causes multiple interference of light in a resonator, this resonator generally has a number of light wavelengths so that the light can cause interference. It is believed that double the length is required. Therefore, when considering light having a wavelength of several thousand angstroms or more, a resonator having a length of several microns or more is required. However, when light having energy near the resonance energy of the electron system of the non-local medium is used as described in the first embodiment, the internal photoelectric field is polaritons, and has a much shorter wavelength. For example, the wavelength is about 500 angstroms or less in the case of the energy of the lowest exciton level of CuCl. Therefore, even in an extremely thin thin film like the device of the first embodiment, the internal light causes interference. In fact, the spatial distribution of the internal photoelectric field according to the calculation example used in the description of the first embodiment shows that the wavelength is short. Therefore, in the case of this embodiment, although it is an ultra-thin film, a bistable characteristic appears.

【0037】さらにこの実施例では、d及び構造(5)
の種類とcを適切に設定することによって、表から入射
した光の強度が、表側の膜面と5との間の干渉効果によ
って、強度の増加と共にフィードバックがかかり、双安
定が起きるようになっているが、裏からの入射について
は内部電場が大きくならないようにd及び構造(5)の
種類とcが設定されているので入射光強度を増加させて
も非線形効果は現れず、従って双安定特性も現れない。
すなわち、この実施例では非相反的に光双安定特性が現
れる。実施例4 図8はこの発明の第4の実施例による非相反的光学素子
を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからなる
光学活性な薄膜(1)は非線形光学効果を有している。
また、図8は、表から入射する、信号を担う入射光
(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出力光
(3)、裏から入射する、信号をになう入射光(4)、
信号を担う入射光(4)が透過した出力光(6)ととも
に、複数の、面欠陥、あるいは異種物質の単原子層膜、
もしくはデルタドーピング等で、電子系の、膜面と垂直
な方向の運動に対してポテンシャル壁になるようにした
構造(5)を示しており、これによって、薄膜全体は表
裏に関して非対称な構造になっている。図中のdは薄膜
1の厚さで数10オングストロームから数1000オン
グストローム程度の値、c1からcnは薄膜1の表面か
ら各構造5までの距離である。この膜の表からの入射光
(3)の透過光強度は入射強度の増加と共に非線形に増
加し、かつ光双安定特性を持つが、裏からの入射光
(6)の透過光強度は入射光強度に対して単に比例する
だけであるようにd及び構造(5)の種類とc1からc
nが設定されている。
Further, in this embodiment, d and the structure (5)
By appropriately setting the type of light and c, the intensity of the light incident from the table is fed back along with the increase in the intensity due to the interference effect between the film surface on the front side and 5, and bistable occurs. However, for incident from the back, since the type of d and the type of the structure (5) and c are set so that the internal electric field does not increase, no nonlinear effect appears even if the incident light intensity is increased, and therefore, bistable. No characteristics appear.
That is, in this embodiment, the optical bistability appears non-reciprocally. Embodiment 4 FIG. 8 is a schematic perspective view showing a non-reciprocal optical element according to a fourth embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect.
FIG. 8 shows the incident light (2) carrying a signal, the output light (3) transmitted through the incident light (2) carrying the signal, and the incident light (3) coming from the back and conforming to the signal. 4),
Along with the output light (6) transmitted by the incident light (4) carrying the signal, a plurality of surface defects or monoatomic layer films of different materials,
Alternatively, there is shown a structure (5) in which the potential of the electron system in the direction perpendicular to the film surface becomes a potential wall by delta doping or the like, whereby the entire thin film has an asymmetric structure with respect to the front and back surfaces. ing. In the figure, d is the thickness of the thin film 1 and is a value of about several tens of angstroms to several thousand angstroms, and c1 to cn are the distances from the surface of the thin film 1 to each structure 5. The transmitted light intensity of the incident light (3) from the front of this film increases non-linearly with an increase in the incident intensity and has optical bistable characteristics, but the transmitted light intensity of the incident light (6) from the back is the incident light. D and the type of structure (5) and c1 to c so that they are only proportional to the strength
n is set.

【0038】この実施例では実施例1で説明した非対称
なポラリトンの多重干渉を複数のポテンシャル壁によっ
て起こるようにし、単一のポテンシャル壁の場合より
も、表から入射した場合と、裏から入射した場合との内
部電場の振幅の差が著しくなるようにしている。このこ
とによって表から入射した光の透過光については、実施
例3の単一のポテンシャル壁の場合に比べ、より少ない
入射光強度で光双安定特性が現れるようになる。実施例5 図9はこの発明の第5の実施例による非相反的光学素子
を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからなる
光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。また、図8には、表から入射する、信号を担う入射
光(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出力光
(3)、裏から入射する、信号をになう入射光(4)、
信号を担う入射光(4)が透過した出力光(6)ととも
に、面欠陥、あるいは異種物質の単原子層膜、もしくは
デルタドーピング等で、電子系の、膜面と垂直な方向の
運動に対してポテンシャル壁になるよう薄膜の中央では
ない位置に配設した構造(5)が示されている。図中の
dは薄膜1の厚さで数10オングストロームから数10
00オングストローム程度の値、cは薄膜1の表面から
構造5までの距離である。この膜の表からの入射光
(2)の透過光(3)の強度は入射光強度の増加と共に
非線形に減少し、かつ光双安定特性を持つが、裏からの
入射光(4)の透過光(6)の強度は入射光強度に対し
て単に比例するだけであるようにd及び構造(5)の種
類とcは設定されている。
In this embodiment, the multiple interference of the asymmetric polariton described in the first embodiment is caused by a plurality of potential walls, and the light is incident from the front and from the back rather than the single potential wall. The difference between the case and the amplitude of the internal electric field is set to be remarkable. As a result, with respect to the transmitted light of the light incident from the table, the optical bistability characteristic appears with a smaller incident light intensity as compared with the case of the single potential wall of the third embodiment. Embodiment 5 FIG. 9 is a conceptual perspective view showing a non-reciprocal optical element according to a fifth embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 8 shows the incident light (2) carrying a signal, the output light (3) transmitted through the incident light (2) carrying the signal, and the incident light coming from the back and conforming to the signal. (4),
The incident light (4), which carries the signal, together with the output light (6) that has passed through, is affected by surface defects, monoatomic layer film of different material, or delta doping, etc., and the movement of the electron system in the direction perpendicular to the film surface. Structure (5) is shown, which is disposed at a position other than the center of the thin film so as to become a potential wall. D in the figure is the thickness of the thin film 1 from several tens of angstroms to several tens
A value on the order of 00 angstroms, and c is the distance from the surface of the thin film 1 to the structure 5. The intensity of the transmitted light (3) of the incident light (2) from the front of the film decreases non-linearly with the increase of the incident light intensity, and has optical bistable characteristics. The d and the type of the structure (5) and c are set so that the intensity of the light (6) is simply proportional to the intensity of the incident light.

【0039】この実施例による素子の機能を詳しく説明
すると、まず、入射光強度の増加と共に透過光強度が減
少するタイプの光双安定機能と、その機能が非相反的に
現れることが指摘される。実施例3においては入射光強
度の増加と共に透過光強度が増加するタイプの光双安定
機能について説明したが、この実施例におけるような超
薄膜においては特異的に透過光強度が減少するタイプの
光双安定特性が現れる。このことは次のようなメカニズ
ムによる。すなわち、電子の励起状態に共鳴するエネル
ギーをもつ光が非局所媒質に入射した場合、内部光電場
の空間分布は誘起分極に対応したものになるが、このた
めに、適当に薄い膜厚の場合には、各エネルギーに応じ
てそこに閉じ込めを受けた分極波の固有モードの波動関
数に対応した内部光電場の成分が選択的に共鳴増大す
る。図10は内部光電場強度の成分のエネルギースペク
トルである。ただし内部光電場の成分とは場所 jの内
部光電場Ej を薄膜内の完全系で
The function of the device according to this embodiment will be described in detail. First, it is pointed out that an optical bistable function of a type in which the intensity of transmitted light decreases as the intensity of incident light increases and that the function appears nonreciprocally. . In the third embodiment, the optical bistable function in which the transmitted light intensity increases as the incident light intensity increases has been described. However, in the ultrathin film as in this embodiment, the type of light in which the transmitted light intensity decreases specifically Bistable characteristics appear. This is due to the following mechanism. In other words, when light having energy that resonates with the excited state of electrons is incident on a nonlocal medium, the spatial distribution of the internal optical electric field corresponds to the induced polarization. In accordance with each energy, the component of the internal photoelectric field corresponding to the wave function of the eigenmode of the polarized wave confined therein is selectively increased according to each energy. FIG. 10 is an energy spectrum of the component of the internal photoelectric field intensity. Where the component of the internal photoelectric field is the internal photoelectric field E j at location j

【0040】[0040]

【数3】 (Equation 3)

【0041】のように展開したときの各成分のことであ
る。式(4)において、n は各成分(各モード)の指標
たる番号である。図中横軸は入射光エネルギー、縦軸は
内部光電場の展開係数の大きさ|Fn 2 である。|F
1 2 は最低モード、すなわちノードが0の空間パター
ンの分布値の絶対値の2乗、|F2 2 は2番目のモー
ド即ちノードが1の空間パターンの分布値の絶対値の2
乗である。パラメーターは42分子層の膜厚を持つCuC
l薄膜の物を用いた。さて、図中矢印で示したエネルギ
ー付近では最低モードと2番目のモードが適当に混じっ
ていることがわかる。このような状況で入射光強度を大
きくしていくと|F1 2 と|F2 2 の比が変化して
いき、最初は|F1 2 が支配的であるが、徐々に|F
2 2 の割合が増えてくる場合がある。最低モードは薄
膜中でほぼ対称な空間分布を持っているが、2番目のモ
ードは反対称な空間分布を持っているため2番目のモー
ドの割合が増えてくると内部光電場の空間分布自体が非
対称になってくる。図11は入射光強度の変化と共に内
部光電場の空間分布がどのように変化するか、実施例1
で説明したモデルによって実際に計算した結果を示して
いる。図中横軸は薄膜中の層の番号j 、縦軸は各層での
電場強度である。
Each component when expanded as shown in FIG. In Expression (4), n is a number that is an index of each component (each mode). In the figure, the horizontal axis is the incident light energy, and the vertical axis is the magnitude | F n | 2 of the expansion coefficient of the internal photoelectric field. | F
1 | 2 is the lowest mode, that is, the square of the absolute value of the distribution value of the spatial pattern whose node is 0, and | F 2 | 2 is the second mode, that is, 2 of the absolute value of the distribution value of the spatial pattern whose node is 1.
It is a power. The parameter is CuC with a thickness of 42 molecular layers.
1 A thin film was used. Now, it can be seen that the lowest mode and the second mode are appropriately mixed around the energy indicated by the arrow in the figure. In such a situation, when the incident light intensity is increased, the ratio between | F 1 | 2 and | F 2 | 2 changes, and | F 1 | 2 is dominant at first, but gradually | F
2 | The ratio of 2 may increase. The lowest mode has an almost symmetrical spatial distribution in the thin film, but the second mode has an antisymmetrical spatial distribution, so if the proportion of the second mode increases, the spatial distribution of the internal optical electric field itself will increase. Becomes asymmetric. FIG. 11 shows how the spatial distribution of the internal optical electric field changes with the change in the intensity of the incident light.
Shows the result of actual calculation by the model described in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the layer number j in the thin film, and the vertical axis represents the electric field intensity in each layer.

【0042】<1><2><3>は順に入射光強度が大
きくなっていく場合に対応していることを示している。
パラメーターは図10と同じである。この図を見ると分
かるように、特定のモードの割合が入射光強度の変化と
共に変わっていくような状況では、入射光強度の増加と
共に入射面とは逆の裏面での振幅が減少してゆき、透過
光強度が減少していくという現象が起こる。実際、図中
<3>の一番入射光強度が大きい場合の、裏面での電場
強度が、膜内で平均的には内部光電場そのものは大きく
なっているのにも関わらず、最も小さくなっている。こ
のような現象は分極場が量子力学的な閉じ込めを受け、
内部光電場の特定の成分が共鳴増大するような超薄膜の
場合に特異的に起こる。このような現象が起こる条件で
の入出力特性を実際に実施例1の説明での場合と同じモ
デルで計算した結果が図12である。パラメーターは図
11と同じである。図7の模式図にあるのとは逆に入射
光強度の増加と共に出力光強度が減少するタイプの光双
安定現象の起こっていることがわかる。
<1><2><3> indicate that the case corresponds to a case where the incident light intensity increases in order.
The parameters are the same as in FIG. As can be seen from this figure, in the situation where the ratio of a specific mode changes with the change in the incident light intensity, the amplitude on the back surface opposite to the incident surface decreases as the incident light intensity increases. A phenomenon occurs in which the transmitted light intensity decreases. Actually, the electric field intensity on the back surface when the incident light intensity of <3> in the figure is the largest is the smallest, despite the fact that the internal photoelectric field itself is on average in the film. ing. This phenomenon is due to the fact that the polarization field is subject to quantum mechanical confinement,
It occurs specifically in the case of an ultrathin film in which a specific component of the internal photoelectric field increases in resonance. FIG. 12 shows the result of actually calculating the input / output characteristics under the conditions where such a phenomenon occurs, using the same model as that in the description of the first embodiment. The parameters are the same as in FIG. It can be seen that, contrary to the schematic diagram of FIG. 7, an optical bistable phenomenon occurs in which the output light intensity decreases as the incident light intensity increases.

【0043】実施例3の場合と全く同様にして、入射光
エネルギーとd及び構造(5)の種類とcを適当に設定
すれば、上記入射光強度の増加と共に出力光強度が減少
するタイプの光双安定現象が、表からの入射の場合には
起こるが、裏からの入射の場合には起こらないと言う非
相反的な状況を作り出すことができる。この実施例はそ
のように作製された素子を例示している。実施例6 図13はこの発明の第6の実施例による非相反的光学素
子を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからな
る光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。また、図13は、表から入射する、信号を担う入射
光(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出力光
(3)、裏から入射する、信号をになう入射光(4)、
信号を担う入射光(4)が透過した出力光(6)ととも
に、複数の、面欠陥、あるいは異種物質の単原子層膜、
もしくはデルタドーピング等で、電子系の、膜面と垂直
な方向の運動に対してポテンシャル壁になるようにした
構造(5)を示しており、これによって、薄膜全体は表
裏に関して非対称な構造になっている。図中のdは薄膜
1の厚さで数10オングストロームから数1000オン
グストローム程度の値、c1からcnは薄膜1の表面か
ら各構造(5)までの距離である。この膜の表からの入
射光(2)の透過光(3)の強度は入射強度の増加と共
に非線形に減少し、かつ光双安定特性を持つが、裏から
の入射光(4)の透過光(6)の強度は入射光強度に対
して単に比例するだけであるようにd及び構造(5)の
種類とc1からcnが設定されている。
By setting the incident light energy and d and the type of the structure (5) and c appropriately in the same manner as in the case of the third embodiment, the output light intensity decreases as the incident light intensity increases. A non-reciprocal situation can be created where optical bistable phenomena occur for front-side incidence but not for back-side incidence. This example illustrates an element so fabricated. Embodiment 6 FIG. 13 is a conceptual perspective view showing a non-reciprocal optical element according to a sixth embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 13 shows the incident light (2) carrying a signal, the output light (3) transmitted through the incident light (2) carrying the signal, and the incident light (3) coming from the back and conforming to the signal. 4),
Along with the output light (6) transmitted by the incident light (4) carrying the signal, a plurality of surface defects or monoatomic layer films of different materials,
Alternatively, there is shown a structure (5) in which the potential of the electron system in the direction perpendicular to the film surface becomes a potential wall by delta doping or the like, whereby the entire thin film has an asymmetric structure with respect to the front and back surfaces. ing. In the figure, d is the thickness of the thin film 1 and is a value of about several tens of angstroms to several thousand angstroms, and c1 to cn are the distances from the surface of the thin film 1 to each structure (5). The intensity of the transmitted light (3) of the incident light (2) from the front of the film decreases non-linearly with the increase of the incident intensity and has optical bistable characteristics, but the transmitted light of the incident light (4) from the back. The d, the type of the structure (5), and c1 to cn are set so that the intensity of (6) is simply proportional to the intensity of the incident light.

【0044】この実施例では実施例1で説明した非対称
なポラリトンの多重干渉を複数のポテンシャル壁によっ
て起こるようにし、単一のポテンシャル壁の場合よりも
表から入射した場合と、裏から入射した場合との内部光
電場の振幅の差が著しくなるようにしている。このこと
によって表から入射した光の透過光については、実施例
5の単一のポテンシャル壁の場合に比べ、より少ない入
射光強度で光双安定特性が現れるようになる。実施例7 図14はこの発明の第7の実施例による非相反的光学素
子を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからな
る光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。また、図14は、表から入射する、信号を担う入射
光(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出力光
(3)、裏から入射する、信号をになう入射光(4)、
信号を担う入射光(4)が透過した出力光(6)、信号
光を制御するための、表から入射する制御光(7)、信
号光を制御するための、裏から入射する制御光(8)と
ともに、面欠陥、あるいは異種物質の単原子層膜、もし
くはデルタドーピング等で、電子系の、膜面と垂直な方
向の運動に対してポテンシャル壁になるように、薄膜の
中央ではない位置に配設した構造(5)を示している。
図中のdは薄膜1の厚さで数10オングストロームから
数1000オングストローム程度の値、cは薄膜1の表
面から構造(5)までの距離である。この実施例による
素子は、表から入射した制御光(7)はその内部光電場
の振幅が大きくなり、裏から入射した制御光(8)は振
幅が大きくならないようにd及び構造(5)の種類とc
は設定されている。このことにより、この実施例による
素子は表から入射した制御光(7)は信号光(3)を非
線形に制御できるが、裏から入射した制御光(8)は信
号光(4)を制御しない。
In this embodiment, the multiple interference of the asymmetric polariton described in the first embodiment is caused by a plurality of potential walls, and the case where light is incident from the front and the case where light is incident from the back rather than the case of a single potential wall. And the difference between the amplitudes of the internal photoelectric fields is remarkable. As a result, with respect to the transmitted light of the light incident from the table, the optical bistability characteristic appears with a smaller incident light intensity as compared with the case of the single potential wall of the fifth embodiment. Embodiment 7 FIG. 14 is a schematic perspective view showing a non-reciprocal optical element according to a seventh embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 14 shows the incident light (2) carrying a signal, the output light (3) transmitted through the incident light (2) carrying the signal, and the incident light (3) coming from the back and conforming to the signal. 4),
The output light (6) through which the incident light (4) carrying the signal has passed, the control light (7) incident from the front for controlling the signal light, and the control light (7) incident from the back to control the signal light ( Along with 8), a position other than the center of the thin film so that it becomes a potential wall for the movement of the electron system in a direction perpendicular to the film surface due to a plane defect, a monoatomic layer film of a different material, or delta doping. 5 shows a structure (5) provided in the first embodiment.
In the figure, d is the thickness of the thin film 1 and is a value of about several tens angstroms to several thousand angstroms, and c is the distance from the surface of the thin film 1 to the structure (5). In the device according to this embodiment, the control light (7) incident from the front increases the amplitude of the internal optical electric field, and the control light (8) incident from the back does not increase the amplitude of d and the structure (5). Type and c
Is set. Thus, in the device according to this embodiment, the control light (7) incident from the front can nonlinearly control the signal light (3), but the control light (8) incident from the back does not control the signal light (4). .

【0045】強い光を制御光にして、弱い光である信号
光を、非線形媒質内でのこれらの相互作用によって制御
することはこれまで多数提案されている。ここで言う制
御とは、たとえば制御光の入射によって、これまで透過
していた信号光を透過しないようにするとか、あるいは
逆に透過しなかった信号光を制御光の入射によって透過
するようにするなど信号光の入出力特性を非線形に変化
させることである。非局所媒質内での強い光の入射によ
って弱い光の入出力特性の変化する現象については、文
献(Phys. Rev. B48 (1993) 7960.H. Ishihara and K.
Cho )(SolidState Commun.89(1994)837 .H. Ishihara
and K. Cho )に詳しい例が示されている。強い光であ
る制御光(7)の非線形効果の大きさは実施例1で説明
したようにやはりその内部光電場の大きさによってお
り、また弱い入射光(2)との相互作用の大きさは、制
御光(7)の内部光電場が大きいほど大きくなる。すな
わち制御光(7)の内部光電場が大きいほど信号光
(3)を良く制御できる。この実施例では実施例1で説
明したのと同様の方法で制御光の内部光電場の大きさに
ついて、表からの入射した制御光(7)と裏から入射し
た制御光(8)の間で著しい非対称が生じるようにして
ある。そのことによってこの実施例による素子は表から
制御光(7)が入射した場合には制御光は信号光の入出
力特性を変化させるが、裏から制御光(8)が入射した
場合には信号光の入出力特性を変化させない。実施例8 図15は本発明の第8の実施例による非相反的光学素子
を示す斜視概念図である。半導体や誘電体などからなる
光学活性な薄膜(1)は、非線形光学効果を有してい
る。そして、図15は、表から入射する、信号を担う入
射光(2)、信号を担う入射光(2)が透過した出力光
(3)、裏から入射する、信号をになう入射光(4)、
信号を担う入射光(4)が透過した出力光(6)、信号
光を制御するための、表から入射する制御光(7)、信
号光を制御するための、裏から入射する制御光(8)、
並びに複数の、面欠陥、もしくは異種物質の単原子層
膜、あるいはデルタドーピング等で、電子系の、膜面と
垂直な方向の運動に対してポテンシャル壁になるように
した構造(5)を示し、これによって、薄膜全体は表裏
に関して非対称な構造になっている。図中のdは薄膜1
の厚さで数10オングストロームから数1000オング
ストローム程度の値、c1からcnは薄膜(1)の表面
から各構造(5)までの距離である。この実施例による
素子は、表から入射した制御光(7)はその内部光電場
の振幅が大きくなり、裏から入射した制御光(8)は振
幅が大きくならないようにd及び構造(5)の種類とc
1からcnは設定されている。このことにより、この実
施例による素子は、表から入射した制御光(7)は信号
光(3)を非線形に制御できるが、裏から入射した制御
光(8)は信号光(4)を制御しない。
A number of proposals have been made to use weak light as control light and control weak signal light by their interaction in a nonlinear medium. Here, the control means, for example, that the signal light that has been transmitted so far is not transmitted by the input of the control light, or the signal light that has not been transmitted is transmitted by the input of the control light. That is, the input / output characteristics of the signal light are changed nonlinearly. For the phenomenon that the input and output characteristics of weak light change due to the incidence of strong light in a nonlocal medium, see Phys. Rev. B48 (1993) 7960.H. Ishihara and K.
Cho) (SolidState Commun. 89 (1994) 837 .H. Ishihara
and K. Cho) for a detailed example. The magnitude of the nonlinear effect of the strong control light (7) also depends on the magnitude of its internal photoelectric field as described in the first embodiment, and the magnitude of the interaction with the weak incident light (2) is , The greater the internal photoelectric field of the control light (7), the greater the magnitude. That is, the signal light (3) can be better controlled as the internal photoelectric field of the control light (7) is larger. In this embodiment, the magnitude of the internal photoelectric field of the control light is determined between the control light (7) incident from the table and the control light (8) incident from the back in the same manner as described in the first embodiment. Significant asymmetry is provided. Accordingly, in the device according to this embodiment, when the control light (7) is incident from the front, the control light changes the input / output characteristics of the signal light, but when the control light (8) is incident from the back, the signal is changed. Does not change the light input / output characteristics. Embodiment 8 FIG. 15 is a schematic perspective view showing a non-reciprocal optical element according to an eighth embodiment of the present invention. An optically active thin film (1) made of a semiconductor, a dielectric, or the like has a nonlinear optical effect. FIG. 15 shows the incident light (2) carrying the signal, the output light (3) transmitted through the incident light (2) carrying the signal, and the incident light (3) coming from the back and conforming to the signal. 4),
The output light (6) through which the incident light (4) carrying the signal has passed, the control light (7) incident from the front for controlling the signal light, and the control light (7) incident from the back to control the signal light ( 8),
In addition, a structure (5) is shown in which a plurality of surface defects or monoatomic layer films of different kinds of materials, or a delta doping or the like, are used as potential walls for the movement of the electron system in a direction perpendicular to the film surface. As a result, the entire thin film has an asymmetric structure with respect to the front and back sides. D in the figure is thin film 1
Is a value of about several tens angstroms to several thousand angstroms, and c1 to cn are distances from the surface of the thin film (1) to each structure (5). In the device according to this embodiment, the control light (7) incident from the front increases the amplitude of the internal photoelectric field, and the control light (8) incident from the back does not increase the amplitude of d and the structure (5). Type and c
1 to cn are set. Thus, in the device according to this embodiment, the control light (7) incident from the front can control the signal light (3) nonlinearly, but the control light (8) incident from the back controls the signal light (4). do not do.

【0046】この実施例では実施例1で説明した非対称
なポラリトンの多重干渉を複数のポテンシャル壁によっ
て起こるようにし、単一のポテンシャル壁の場合よりも
表から入射した場合と、裏から入射した場合との内部光
電場の振幅の差が著しくなるようにしている。このこと
によって表から入射した制御光の効果と裏から入射した
制御光の効果についての非相反性の度合いが実施例7の
場合よりも大きくなっている。実施例9 図16は本発明の第9の実施例による非相反的光学用構
造体による光アイソレーターを作り付けた半導体レーザ
ーを示す斜視概念図である。半導体レーザー(1)、ク
ラッド層(2)、活性層(3)、MBEによる選択成長
によって配設した表面コート層(4)、同じくMBEに
よる選択成長で配設した実施例1から6で述べられた非
相反的光学構造体(5)が示されている。この非相反的
光学用構造体はレーザーの内部、即ち活性層側からの光
は透過させるが、発振エネルギーと同じか、又はあまり
離れていないエネルギーを持った、外側、即ち空気中側
からの光は透過させない。半導体レーザーをこの様な構
造にすることによって、戻り光や、他の光源からの光の
半導体レーザー中への入射を妨ぐことができ、この半導
体レーザーの特性の劣化を防止する。
In this embodiment, the multiple interference of the asymmetric polariton described in the first embodiment is caused by a plurality of potential walls. And the difference between the amplitudes of the internal photoelectric fields is remarkable. As a result, the degree of non-reciprocity between the effect of the control light incident from the front and the effect of the control light incident from the back is greater than in the case of the seventh embodiment. Embodiment 9 FIG. 16 is a schematic perspective view showing a semiconductor laser in which an optical isolator using a non-reciprocal optical structure according to a ninth embodiment of the present invention is provided. The semiconductor laser (1), the clad layer (2), the active layer (3), the surface coat layer (4) provided by selective growth by MBE, and the examples 1 to 6 also provided by selective growth by MBE. A non-reciprocal optical structure (5) is shown. The non-reciprocal optical structure transmits light from the inside of the laser, that is, the light from the active layer side, but has the same energy as the oscillation energy or has energy that is not so far away from the outside, that is, light from the air side. Is not transmitted. With such a structure of the semiconductor laser, return light or light from another light source can be prevented from being incident on the semiconductor laser, and deterioration of characteristics of the semiconductor laser can be prevented.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、効果
的な非相反的入出力特性を示す光学構造体を実現するこ
とができる。高集積化光エレクトロニクス回路における
光整流器、あるいは半導体レーザーや光増幅器の特性劣
化を防ぐためのモノリシックに配設することのできる光
アイソレーター等として用いることができる。
As described above, according to the present invention, an optical structure exhibiting effective non-reciprocal input / output characteristics can be realized. It can be used as an optical rectifier in a highly integrated optoelectronic circuit, or as an optical isolator that can be monolithically disposed to prevent deterioration of characteristics of a semiconductor laser or an optical amplifier.

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

【図1】第1の実施例としての斜視概念図である。FIG. 1 is a conceptual perspective view of a first embodiment.

【図2】CuCl薄膜の内部光電場の空間分布図であ
る。
FIG. 2 is a spatial distribution diagram of an internal electric field of a CuCl thin film.

【図3】CuCl薄膜の表裏それぞれから入射した場合
の非線形透過率図である。
FIG. 3 is a non-linear transmittance diagram when light is incident from both the front and back of a CuCl thin film.

【図4】第2の実施例としての斜視概念図である。FIG. 4 is a perspective conceptual view as a second embodiment.

【図5】第3の実施例としての斜視概念図である。FIG. 5 is a conceptual perspective view of a third embodiment.

【図6】ファブリ・ペロー型光共振器の概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram of a Fabry-Perot optical resonator.

【図7】光双安定入出力特性の概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram of optical bistable input / output characteristics.

【図8】第4の実施例としての斜視概念図である。FIG. 8 is a conceptual perspective view of a fourth embodiment.

【図9】第5の実施例としての斜視概念図である。FIG. 9 is a conceptual perspective view of a fifth embodiment.

【図10】内部光電場の展開系数F の強度のエネルギー
スペクトル図である。
FIG. 10 is an energy spectrum diagram of the intensity of the expansion coefficient F of the internal photoelectric field.

【図11】CuCl薄膜中の内部光電場強度の空間分布
の入射光強度依存性相関図である。
FIG. 11 is an incident light intensity dependence correlation diagram of the spatial distribution of the internal photoelectric field intensity in the CuCl thin film.

【図12】CuCl薄膜の光双安定入出力特性図であ
る。
FIG. 12 is an optical bistable input / output characteristic diagram of a CuCl thin film.

【図13】第6の実施例としての斜視概念図である。FIG. 13 is a perspective conceptual view as a sixth embodiment.

【図14】第7の実施例としての斜視概念図である。FIG. 14 is a perspective conceptual view as a seventh embodiment.

【図15】第8の実施例としての斜視概念図である。FIG. 15 is a conceptual perspective view of an eighth embodiment.

【図16】第9の実施例としての斜視概念図である。FIG. 16 is a conceptual perspective view of a ninth embodiment.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Optical Engineeri ng,Vol.31 No.2 pp. 328−334(February 1992) J.Phys.Soc.Jpn,Vo l.60 p.3920(1991) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/35 - 3/02 G02B 27/28 H01S 5/50 - 5/50 630 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References Optical Engineering, Vol. 31 No. Pp. 328-334 (February 1992). Phys. Soc. Jpn, Vol. 60 p. 3920 (1991) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G02F 1/35-3/02 G02B 27/28 H01S 5/50-5/50 630 JICST file (JOIS)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 非線形光学特性を持つ光学活性部を有す
る薄膜において、薄膜の膜面に垂直な軸方向に対して
対称となる位置に、面欠陥あるいは光学活性部を構成す
る物質とは異なる物質層、もしくはデルタドーピング層
が挿入され、非相反的な光学特性を持つことを特徴とす
る光学構造体。
1. A thin film having an optically active portion having non-linear optical characteristics, wherein a surface defect or an optically active portion is formed at a position which is asymmetric with respect to an axial direction perpendicular to the film surface of the thin film. An optical structure having a non-reciprocal optical characteristic in which a material layer different from a material or a delta doping layer is inserted.
【請求項2】 複数の面欠陥あるいは光学活性部を構成
する物質とは異なる物質層、もしくはデルタドーピング
層が単独で、あるいは混在されて挿入された請求項1の
光学構造体。
2. The optical structure according to claim 1, wherein a material layer different from a material constituting a plurality of surface defects or optically active portions, or a delta doping layer is inserted alone or in a mixture.
【請求項3】 非線形光学特性を持つ光学活性部を有す
る薄膜において、薄膜の膜面に垂直な軸方向に対して
対称となる位置に、電子、正孔あるいはこれらの複合粒
子である励起子などの運動に対するポテンシャル壁が設
けられ、非相反的な光学特性を持つことを特徴とする光
学構造体。
3. A thin film having an optically active portion having non-linear optical characteristics , wherein electrons, holes or composite particles thereof are located at positions which are not symmetric with respect to an axial direction perpendicular to the film surface of the thin film. An optical structure characterized by having a potential wall for the movement of excitons and the like, and having non-reciprocal optical characteristics.
【請求項4】 薄膜の複数箇所に電子、正孔あるいはこ
れらの複合粒子である励起子の運動に対するポテンシャ
ル壁が設けられた請求項3の光学構造体。
4. The optical structure according to claim 3, wherein a potential wall is provided at a plurality of positions of the thin film for the movement of electrons, holes or excitons which are composite particles thereof.
【請求項5】 非線形光学特性を持つ光学活性部を有す
る薄膜の軸方向の構造が非対称にされて、膜内に入射し
た光による内部光電場の薄膜の軸方向の空間分布が、光
が表から入射し場合と裏から入射した場合とで異なり、
非相反的な光学特性を持つことを特徴とする光学構造
体。
5. The thin film having an optically active portion having non-linear optical characteristics has an asymmetric structure in the axial direction, and the spatial distribution in the axial direction of the thin film of the internal photoelectric field due to light incident on the film is expressed by It differs between when incident from the rear and when incident from the back,
An optical structure having non-reciprocal optical characteristics.
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかの光学構造
体であって、表面、あるいは裏面のうちどちらか一方向
からの入射光に対してのみ光双安定特性を持つことを特
徴とする光学構造体。
6. The optical structure according to claim 1, wherein the optical structure has optical bistable characteristics only for incident light from one of the front surface and the back surface. Optical structure.
【請求項7】 請求項1ないし5のいずれかの光学構造
体であって、表面、あるいは裏面のうちどちらか一方向
からの入射光に対してのみ、入射光強度が大きくなるの
に対し、非線形に透過光強度が増大することを特徴とす
る光学構造体。
7. The optical structure according to claim 1, wherein the intensity of incident light is increased only for incident light from one of the front surface and the back surface. An optical structure characterized in that the intensity of transmitted light increases nonlinearly.
【請求項8】 請求項1ないし5のいずれかの光学構造
体であって、表面、あるいは裏面のうちどちらか一方向
からの入射光に対してのみ、入射光強度が大きくなるの
に対し、非線形に透過光強度が減少することを特徴とす
る光学構造体。
8. The optical structure according to claim 1, wherein the intensity of incident light is increased only for incident light from one of the front surface and the back surface. An optical structure characterized in that transmitted light intensity decreases nonlinearly.
【請求項9】 請求項1ないし8のいずれかの光学構造
体であって、2種の光が入射した場合に、一方の光の入
射が、表面、あるいは裏面のうちどちらか一方の場合で
のみ、他方の光の入出力特性を制御する非相反的な光学
特性を持つことを特徴とする光学構造体。
9. The optical structure according to claim 1, wherein when two types of light are incident, one of the light is incident on one of the front surface and the back surface. An optical structure having non-reciprocal optical characteristics for controlling the input / output characteristics of the other light.
【請求項10】 請求項1ないし8のいずれかの光学構
造体を有する光アイソレーター。
10. An optical isolator having the optical structure according to claim 1.
【請求項11】 外部からの光の、レーザー内への入射
を遮断する請求項10の光アイソレーターを端面に作り
付けたことを特徴とする半導体レーザー素子。
11. A semiconductor laser device according to claim 10, wherein the optical isolator for blocking external light from entering the laser is provided on an end face.
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