JP3358770B2 - 光制御物質及び光制御方法 - Google Patents
光制御物質及び光制御方法Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
-
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-
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- G02F3/024—Optical bistable devices based on non-linear elements, e.g. non-linear Fabry-Perot cavity
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光によって光を制御す
る技術に係り、さらに詳しくは、光エレクトロニクス分
野において、光論理演算を行うために必要不可欠な光信
号反転技術として有用な光制御物質及びそれを用いた光
制御方法に関するものである。
る技術に係り、さらに詳しくは、光エレクトロニクス分
野において、光論理演算を行うために必要不可欠な光信
号反転技術として有用な光制御物質及びそれを用いた光
制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、以下に示すようなものがあった。
例えば、以下に示すようなものがあった。
【０００３】近年、光エレクトロニクス技術の進展は顕
著であって、光通信、光コンピューター等の新しい時代
を拓く基盤的技術としてその重要性はますます大きなも
のとなっている。
著であって、光通信、光コンピューター等の新しい時代
を拓く基盤的技術としてその重要性はますます大きなも
のとなっている。
【０００４】このような状況において、光利用のための
制御技術は、光エレクトロニクスのための要素技術とし
て重要、かつ、不可欠なものとなっている。
制御技術は、光エレクトロニクスのための要素技術とし
て重要、かつ、不可欠なものとなっている。
【０００５】この制御技術の一つとして、光信号によっ
てコンピューターの論理演算を行う光制御の方法が注目
され、これまでにもその高度化のための検討が進められ
ている。
てコンピューターの論理演算を行う光制御の方法が注目
され、これまでにもその高度化のための検討が進められ
ている。
【０００６】例えば、光通信、光情報処理などの光エレ
クトロニクスの分野においては、被制御光を制御光によ
り制御する研究が行われている。
クトロニクスの分野においては、被制御光を制御光によ
り制御する研究が行われている。
【０００７】この方法は、電気的スイッチング回路より
も高速スイッチング操作が可能であること、光の結像性
を利用して多重の並列処理が可能なことなどがあり、光
集積回路などにおいてその有用性が期待できる。
も高速スイッチング操作が可能であること、光の結像性
を利用して多重の並列処理が可能なことなどがあり、光
集積回路などにおいてその有用性が期待できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記した技術に対し、
光制御のために非線形光学効果を利用した光デバイスが
活発に研究されてもいる。この非線形光学効果は、従
来、第２高調波発生などの波長変換効果が実用上重視さ
れていたが、最近では特に光の強度に依存する屈折率変
化や吸収係数変化の効果が注目され、研究されている
（応用物理５９、１５５頁〜１６３頁：１９９０年２月
発行）。
光制御のために非線形光学効果を利用した光デバイスが
活発に研究されてもいる。この非線形光学効果は、従
来、第２高調波発生などの波長変換効果が実用上重視さ
れていたが、最近では特に光の強度に依存する屈折率変
化や吸収係数変化の効果が注目され、研究されている
（応用物理５９、１５５頁〜１６３頁：１９９０年２月
発行）。
【０００９】しかしながら、このような光強度によって
屈折率や吸収係数が変わる効果は３次の分極で生じるた
め、高次分極効果の大きな非線形光学材料が必要である
〔”Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ ｆｏｕｒｗａｖｅ ｍｉｘ
ｉｎｇ ｉｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｄｏｐｅ
ｄ ｇｌａｓｓｅｓ”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，７
３，ｐｐ．６４７〜６５３（Ｍａｙ １９８３）〕。
屈折率や吸収係数が変わる効果は３次の分極で生じるた
め、高次分極効果の大きな非線形光学材料が必要である
〔”Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ ｆｏｕｒｗａｖｅ ｍｉｘ
ｉｎｇ ｉｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｄｏｐｅ
ｄ ｇｌａｓｓｅｓ”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，７
３，ｐｐ．６４７〜６５３（Ｍａｙ １９８３）〕。
【００１０】また、半導体光制御素子として最も有望視
されている吸収飽和型双安定半導体レーザでは、オフ状
態からオン状態へ切り換えるスイッチには、光入力が用
いられるが、反対にオン状態からオフ状態へ切り換える
（ＮＯＴ回路）には負の光パルスが存在しないため、実
現されていない（応用物理５８，第１５７４頁〜１５８
３頁：１９８９年１１月発行）のが実情である。
されている吸収飽和型双安定半導体レーザでは、オフ状
態からオン状態へ切り換えるスイッチには、光入力が用
いられるが、反対にオン状態からオフ状態へ切り換える
（ＮＯＴ回路）には負の光パルスが存在しないため、実
現されていない（応用物理５８，第１５７４頁〜１５８
３頁：１９８９年１１月発行）のが実情である。
【００１１】本発明は、上記の実情に鑑みて成されたも
のであり、従来技術の欠点を解消し、光信号を反転させ
ることにより、光学的に反転回路を実現し、全光型論理
演算を可能とする光制御物質及び光制御方法を提供する
ことを目的としている。
のであり、従来技術の欠点を解消し、光信号を反転させ
ることにより、光学的に反転回路を実現し、全光型論理
演算を可能とする光制御物質及び光制御方法を提供する
ことを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 （１）光制御物質において、吸収物質のエネルギー準位
構造において、基底吸収である基底準位からの吸収と、
励起吸収である励起準位からの吸収を有し、前記基底吸
収および励起吸収が生じる光波長において、光入力強度
変化ΔＩｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即
ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すととも
に、ＧａＡｓ化合物半導体にドナーとしてＴｅ元素を、
アクセプタとしてＺｎ元素を添加した半導体のエネルギ
ーバンド構造からなり、かつ小型化するために端面に反
射物を装着してなり、２つ以上の光を照射して１つの光
強度を変化させることによって、他の光出力強度を制御
するようにしたものである。（２）光制御物質において、吸収物質のエネルギー準位
構造において、基底吸収である基底準位からの吸収と、
励起吸収である励起準位からの吸収を有し、前記基底吸
収および励起吸収が生じる光波長において、光入力強度
変化ΔＩｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即
ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すととも
に、ＧａＡｓとＡｌ x Ｇａ 1-x Ａｓからなる超格子構造
からなり、かつ小型化するために端面に反射物を装着し
てなり、２つ以上の光を照射して１つの光強度を変化さ
せることによって、他の光出力強度を制御するようにし
たものである。
成するために、 （１）光制御物質において、吸収物質のエネルギー準位
構造において、基底吸収である基底準位からの吸収と、
励起吸収である励起準位からの吸収を有し、前記基底吸
収および励起吸収が生じる光波長において、光入力強度
変化ΔＩｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即
ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すととも
に、ＧａＡｓ化合物半導体にドナーとしてＴｅ元素を、
アクセプタとしてＺｎ元素を添加した半導体のエネルギ
ーバンド構造からなり、かつ小型化するために端面に反
射物を装着してなり、２つ以上の光を照射して１つの光
強度を変化させることによって、他の光出力強度を制御
するようにしたものである。（２）光制御物質において、吸収物質のエネルギー準位
構造において、基底吸収である基底準位からの吸収と、
励起吸収である励起準位からの吸収を有し、前記基底吸
収および励起吸収が生じる光波長において、光入力強度
変化ΔＩｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即
ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すととも
に、ＧａＡｓとＡｌ x Ｇａ 1-x Ａｓからなる超格子構造
からなり、かつ小型化するために端面に反射物を装着し
てなり、２つ以上の光を照射して１つの光強度を変化さ
せることによって、他の光出力強度を制御するようにし
たものである。
【００１３】（３）吸収物質のエネルギー準位構造にお
いて、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収
である励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および
励起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩ
ｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏ
ｕｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓ
化合物半導体にドナーとしてＴｅ元素を、アクセプタと
してＺｎ元素を添加した半導体のエネルギーバンド構造
を用い、かつ小型化するために端面に反射物を装着して
なる光制御物質を用いて、２つ以上の光を照射して１つ
の光強度を変化させることによって、他の光出力強度を
制御することを特徴とする光制御方法。ただし、ΔＩｏ
ｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎであり、こ
こで、α1 （１＋α2 γ）＞１で、α1 は基底吸収の吸
収度、α2 は励起吸収の吸収度、γは基底吸収の上準位
にある電子が励起吸収の下準位に遷移する割合である。 （４）吸収物質のエネルギー準位構造において、基底吸
収である基底準位からの吸収と、励起吸収である励起準
位からの吸収を有し、前記基底吸収および励起吸収が生
じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉｎに対する
光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓとＡｌ x Ｇａ
1-x Ａｓからなる超格子構造を用い、かつ小型化するた
めに端面に反射物を装着してなる光制御物質を用いて、
２つ以上の光を照射して１つの光強度を変化させること
によって、他の光出力強度を制御することを特徴とする
光制御方法。 ただし、ΔＩｏｕｔ＝〔１−α 1 （１＋α
2 γ）〕ΔＩｉｎであり、ここで、α 1 （１＋α 2 γ）
＞１で、α 1 は基底吸収の吸収度、α 2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。
いて、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収
である励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および
励起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩ
ｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏ
ｕｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓ
化合物半導体にドナーとしてＴｅ元素を、アクセプタと
してＺｎ元素を添加した半導体のエネルギーバンド構造
を用い、かつ小型化するために端面に反射物を装着して
なる光制御物質を用いて、２つ以上の光を照射して１つ
の光強度を変化させることによって、他の光出力強度を
制御することを特徴とする光制御方法。ただし、ΔＩｏ
ｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎであり、こ
こで、α1 （１＋α2 γ）＞１で、α1 は基底吸収の吸
収度、α2 は励起吸収の吸収度、γは基底吸収の上準位
にある電子が励起吸収の下準位に遷移する割合である。 （４）吸収物質のエネルギー準位構造において、基底吸
収である基底準位からの吸収と、励起吸収である励起準
位からの吸収を有し、前記基底吸収および励起吸収が生
じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉｎに対する
光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓとＡｌ x Ｇａ
1-x Ａｓからなる超格子構造を用い、かつ小型化するた
めに端面に反射物を装着してなる光制御物質を用いて、
２つ以上の光を照射して１つの光強度を変化させること
によって、他の光出力強度を制御することを特徴とする
光制御方法。 ただし、ΔＩｏｕｔ＝〔１−α 1 （１＋α
2 γ）〕ΔＩｉｎであり、ここで、α 1 （１＋α 2 γ）
＞１で、α 1 は基底吸収の吸収度、α 2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。
【００１４】
【作用】本発明の光制御物質によれば、特定の光波長に
対して、基底吸収と励起吸収を有し、光入出力変化量を
負の値にすることができる。
対して、基底吸収と励起吸収を有し、光入出力変化量を
負の値にすることができる。
【００１５】即ち、光入出力変化量が負の値を示すこと
は、光入力の強度が増加すると、光出力強度が減少し、
逆に光入力強度が減少すると、光出力強度が増加する。
は、光入力の強度が増加すると、光出力強度が減少し、
逆に光入力強度が減少すると、光出力強度が増加する。
【００１６】この効果を利用すれば、光入力信号の増減
に対して光出力信号を反転させることができる。
に対して光出力信号を反転させることができる。
【００１７】ただし、通常の単純な基底吸収のみの吸収
物質の光入出力変化量の値は正となり、上記に示した様
なことは生じない。
物質の光入出力変化量の値は正となり、上記に示した様
なことは生じない。
【００１８】そこで、本発明では、励起吸収が生じる光
制御物質を用い、この励起吸収の効果により光入出力変
化量を負にすることを可能とした。
制御物質を用い、この励起吸収の効果により光入出力変
化量を負にすることを可能とした。
【００１９】上記の効果を次に示すエネルギー準位図を
用いて説明する。
用いて説明する。
【００２０】図１において、エネルギー差（Ｅ3 −
Ｅ1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギー差に
相当する光が入射した場合、α1 の吸収度によって、Ｅ
1 準位にあった電子はＥ3 準位に励起される。Ｅ3 準位
の電子は、γの割合でＥ2 準位に遷移し、α2 の吸収度
でＥ4 準位に励起される時に再び光を吸収する。
Ｅ1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギー差に
相当する光が入射した場合、α1 の吸収度によって、Ｅ
1 準位にあった電子はＥ3 準位に励起される。Ｅ3 準位
の電子は、γの割合でＥ2 準位に遷移し、α2 の吸収度
でＥ4 準位に励起される時に再び光を吸収する。
【００２１】従って、入力光強度変化がΔＩｉｎであっ
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。
【００２２】ここで、励起吸収のない単純な基底吸収の
みの場合（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1
＜１であるから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎ
の値は正となり、光入力強度の増減に比例して光出力強
度は増減することが分かる。
みの場合（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1
＜１であるから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎ
の値は正となり、光入力強度の増減に比例して光出力強
度は増減することが分かる。
【００２３】しかし、式（１）よりα1 ＜１の場合で
も、α2 γの値によっては、α1 （１＋α2 γ）＞１の
条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負となり、光入力強度の増減に対して光出力強
度が逆に減増する負性が現れることが理解できる。
も、α2 γの値によっては、α1 （１＋α2 γ）＞１の
条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負となり、光入力強度の増減に対して光出力強
度が逆に減増する負性が現れることが理解できる。
【００２４】従って、このような特徴を持つ光制御物質
を用いて光信号を反転することが可能となる。
を用いて光信号を反転することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明の実施例について図を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００２６】通常の単純な基底吸収のみの吸収物質の光
入出力変化量の値は正である。
入出力変化量の値は正である。
【００２７】本発明では、励起吸収が生じる光制御物質
を用い、この励起吸収の効果により光入出力変化量を負
にするようにしたものである。
を用い、この励起吸収の効果により光入出力変化量を負
にするようにしたものである。
【００２８】この効果を次に示すエネルギー準位図を用
いて説明する。
いて説明する。
【００２９】図１は本発明の光制御物質のエネルギー準
位図である。
位図である。
【００３０】この図において、エネルギー差（Ｅ3 −Ｅ
1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）として、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギー
差に相当する光が、この光制御物質に入射した場合、α
1 の吸収度によって、Ｅ1 にあった電子はＥ3 準位に励
起される。Ｅ3 準位の電子はγの割合でＥ2 準位に遷移
し、α2 の吸収度でＥ4 準位に励起される時に再び光を
吸収する。
1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）として、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギー
差に相当する光が、この光制御物質に入射した場合、α
1 の吸収度によって、Ｅ1 にあった電子はＥ3 準位に励
起される。Ｅ3 準位の電子はγの割合でＥ2 準位に遷移
し、α2 の吸収度でＥ4 準位に励起される時に再び光を
吸収する。
【００３１】従って、入力光強度変化がΔＩｉｎであっ
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。
【００３２】なお、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励
起吸収の吸収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励
起吸収の下準位に遷移する割合である。
起吸収の吸収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励
起吸収の下準位に遷移する割合である。
【００３３】ここで、励起吸収のない単純な吸収の場合
（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1 ＜１であ
るから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値は正
となり、光入力強度の増減にほぼ比例して光出力強度は
増減することが分かる。
（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1 ＜１であ
るから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値は正
となり、光入力強度の増減にほぼ比例して光出力強度は
増減することが分かる。
【００３４】しかし、式（１）よりα1 ＜１の場合で
も、α2 γの値によっては、α1 （１＋α2 γ）＞１の
条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負となり、光入力強度の増減に対して光出力強
度が逆に減増する負性が現れることが理解できる。すな
わち、 α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） 従って、このような特徴を持つ光制御物質を用いて光信
号を反転することが可能となる。
も、α2 γの値によっては、α1 （１＋α2 γ）＞１の
条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負となり、光入力強度の増減に対して光出力強
度が逆に減増する負性が現れることが理解できる。すな
わち、 α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） 従って、このような特徴を持つ光制御物質を用いて光信
号を反転することが可能となる。
【００３５】
【実施例】〔実施例１〕 図２は本発明の実施例を示す光制御物質のＥｒ3+のエネ
ルギー準位図を示し、光制御物質として希土類元素の一
つであるエルビウムを用いた場合である。ここでσ1 及
びσ2 は基底吸収及び励起吸収の吸収断面積である。
ルギー準位図を示し、光制御物質として希土類元素の一
つであるエルビウムを用いた場合である。ここでσ1 及
びσ2 は基底吸収及び励起吸収の吸収断面積である。
【００３６】本実施例では、イットリウム、アルミニウ
ム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％のＥｒ
を含有したφ１０ｍｍ×４ｍｍの試料を用いた。
ム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％のＥｒ
を含有したφ１０ｍｍ×４ｍｍの試料を用いた。
【００３７】なお、Ｅｒ：ＹＡＧ結晶のσ1 及びσ2 の
値はほぼ測定されており、それぞれ２及び６．３ｃｍ-1
である〔Ｙ．Ｓｈｉｍｏｎｙ ｅｔ ａｌ．Ｊｏｕｒｎ
ａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．
６８，Ｐ．２９６６（１９９０）〕。
値はほぼ測定されており、それぞれ２及び６．３ｃｍ-1
である〔Ｙ．Ｓｈｉｍｏｎｙ ｅｔ ａｌ．Ｊｏｕｒｎ
ａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．
６８，Ｐ．２９６６（１９９０）〕。
【００３８】従って、厚さ０．４ｃｍの試料を用いた場
合、その長さを吸収断面積に掛けて、基底吸収度α1 及
び励起吸収度α2 の値はそれぞれ０．８及び２．５程度
が見積もられる。
合、その長さを吸収断面積に掛けて、基底吸収度α1 及
び励起吸収度α2 の値はそれぞれ０．８及び２．５程度
が見積もられる。
【００３９】よって、式（１）において、γ＞０．１で
あれば、式（２）の条件を満足し、光入出力変化量が負
性を示すことができる。
あれば、式（２）の条件を満足し、光入出力変化量が負
性を示すことができる。
【００４０】図３は本発明の実施例を示す光入出力特性
を測定するための装置の構成図である。
を測定するための装置の構成図である。
【００４１】この図に示すように、光源として用いた半
導体レーザ素子１１は、駆動制御回路１２及び温調器１
３によって駆動させることにより、一定波長（約７８８
ｎｍ）のレーザ光を連続発振またはパルス動作させて出
力させた。
導体レーザ素子１１は、駆動制御回路１２及び温調器１
３によって駆動させることにより、一定波長（約７８８
ｎｍ）のレーザ光を連続発振またはパルス動作させて出
力させた。
【００４２】レーザ光は回転式ニュートラルデンシティ
フィルタ１４を透過させ、レーザ光をビームスプリッタ
１５で分割し、一方をＥｒ：ＹＡＧの光制御物質１０に
入射させ、その透過光を第１の光検出器１６で受光し、
光パワーメータ１７およびデジタルオシロスコープ１８
で観測した。
フィルタ１４を透過させ、レーザ光をビームスプリッタ
１５で分割し、一方をＥｒ：ＹＡＧの光制御物質１０に
入射させ、その透過光を第１の光検出器１６で受光し、
光パワーメータ１７およびデジタルオシロスコープ１８
で観測した。
【００４３】一方、ビームスプリッタで分割されたもう
一方のレーザ光は、第２の光検出器１９で受光し、光パ
ワーメータ１７およびオシロスコープ１８で観測した。
一方のレーザ光は、第２の光検出器１９で受光し、光パ
ワーメータ１７およびオシロスコープ１８で観測した。
【００４４】図４は本発明の実施例を示す回転式ニュー
トラルデンシティフィルタを自動的に回転させ、フィル
タ濃度を変化させることによって、レーザ光強度を変化
させ、光制御物質に入射させた場合について、光パワー
メータで測定した実験結果を示す図である。
トラルデンシティフィルタを自動的に回転させ、フィル
タ濃度を変化させることによって、レーザ光強度を変化
させ、光制御物質に入射させた場合について、光パワー
メータで測定した実験結果を示す図である。
【００４５】図４（ａ）は第２の光検出器１９で検出さ
れた入力光の強度変化を示し、横軸は回転式ニュートラ
ルデンシティフィルタ１４の送りステップ数であり、縦
軸はそのステップにおける入力光強度Ｉｉｎ（μＷ）を
表している。
れた入力光の強度変化を示し、横軸は回転式ニュートラ
ルデンシティフィルタ１４の送りステップ数であり、縦
軸はそのステップにおける入力光強度Ｉｉｎ（μＷ）を
表している。
【００４６】図４（ｂ）は光制御物質１０を透過した後
の第１の光検出器１６で検出された出力光の強度変化を
示し、横軸は送りステップ数であり、縦軸はそのステッ
プにおける出力光強度Ｉｏｕｔ（μＷ）を表している。
の第１の光検出器１６で検出された出力光の強度変化を
示し、横軸は送りステップ数であり、縦軸はそのステッ
プにおける出力光強度Ｉｏｕｔ（μＷ）を表している。
【００４７】図４（ｃ）は横軸に入力光強度Ｉｉｎ（μ
Ｗ）、縦軸に出力光強度Ｉｏｕｔ（μＷ）をとってプロ
ットしたものである。
Ｗ）、縦軸に出力光強度Ｉｏｕｔ（μＷ）をとってプロ
ットしたものである。
【００４８】図４（ａ）と図４（ｃ）に対しては、横軸
のパラメータが異なるために直接比較することはできな
いが、各点の横軸はほぼ対応しているため両図を重ね合
わせてみると、それぞれの変化が図４（ｂ）のグラフに
対して線対称な形をしていることがわかる。即ち、入力
光強度が増加すると、光制御物質を透過した後の出力光
変化はその変化を打ち消す様に減少し、逆に入力光強度
が減少すると、出力光変化は、その変化を打ち消す様に
増加していることがわかる。
のパラメータが異なるために直接比較することはできな
いが、各点の横軸はほぼ対応しているため両図を重ね合
わせてみると、それぞれの変化が図４（ｂ）のグラフに
対して線対称な形をしていることがわかる。即ち、入力
光強度が増加すると、光制御物質を透過した後の出力光
変化はその変化を打ち消す様に減少し、逆に入力光強度
が減少すると、出力光変化は、その変化を打ち消す様に
増加していることがわかる。
【００４９】その結果、図４（ｂ）に示した様に、光制
御物質透過後の出力光は入力光の強度変化を打ち消して
単純な増加関係のグラフとなっている。
御物質透過後の出力光は入力光の強度変化を打ち消して
単純な増加関係のグラフとなっている。
【００５０】なお、図４（ｃ）のグラフのｐの所におい
て、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの傾きが負になっていること
が理解できる。
て、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの傾きが負になっていること
が理解できる。
【００５１】図５は、本発明の実施例を示す半導体レー
ザ素子を高速パルス動作させた場合について、光制御物
質を透過させた前後の光入出力変化をオシロスコープで
測定した実験結果を示す図である。
ザ素子を高速パルス動作させた場合について、光制御物
質を透過させた前後の光入出力変化をオシロスコープで
測定した実験結果を示す図である。
【００５２】図５（ｂ）は、レーザ光が第２の光検出器
１９で検出された入力光波形を示し、図５（ａ）は光制
御物質を透過した後のレーザ光が第１の光検出器１６で
受光された光波形を示している。
１９で検出された入力光波形を示し、図５（ａ）は光制
御物質を透過した後のレーザ光が第１の光検出器１６で
受光された光波形を示している。
【００５３】図５（ａ）と図５（ｂ）を比べると、入出
力信号光強度の大きさが反転していることがわかる。
力信号光強度の大きさが反転していることがわかる。
【００５４】この原因は、先の実験で述べた理由と同じ
であり、光制御物質内で出力光は光入力強度の増加に対
しては、減少する様に働き、逆に光入力強度の減少に対
しては増加する様に働くためである。
であり、光制御物質内で出力光は光入力強度の増加に対
しては、減少する様に働き、逆に光入力強度の減少に対
しては増加する様に働くためである。
【００５５】〔実施例２〕 本発明における光制御物質は、半導体のバンド構造、不
純物準位および超格子構造を用いても可能である。
純物準位および超格子構造を用いても可能である。
【００５６】図６は本発明の実施例を示すガリウムひ素
（ＧａＡｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テル
ル）元素を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加
した場合のエネルギーバンド構造を示す図である。
（ＧａＡｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テル
ル）元素を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加
した場合のエネルギーバンド構造を示す図である。
【００５７】この構造においては、常温において、不純
物であるＴｅとＺｎがイオン化してしまうため、低温に
おいて僅かながら特性が得られる。
物であるＴｅとＺｎがイオン化してしまうため、低温に
おいて僅かながら特性が得られる。
【００５８】図７はＧａＡｓとＡｌX Ｇａ1-X Ａｓから
なる超格子構造のバンドモデルであり、この構造におい
ても特性が得られる。
なる超格子構造のバンドモデルであり、この構造におい
ても特性が得られる。
【００５９】〔実施例３〕 実施例１においては、上記述べた効果を得るために厚さ
４ｍｍの試料を用いたが、これをより薄膜にするために
試料端面に反射物を装着した。図８はその構造を示す断
面図であり、これによって０．５ｍｍの厚さの試料で実
施例１と同様な効果が得られた。
４ｍｍの試料を用いたが、これをより薄膜にするために
試料端面に反射物を装着した。図８はその構造を示す断
面図であり、これによって０．５ｍｍの厚さの試料で実
施例１と同様な効果が得られた。
【００６０】図８に示すように、イットリウム、アルミ
ニウム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％の
Ｅｒを含有した試料２１に多層膜反射物（透過率約２０
％）２２，２３を積層し、厚さ０．５ｍｍに形成してい
る。
ニウム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％の
Ｅｒを含有した試料２１に多層膜反射物（透過率約２０
％）２２，２３を積層し、厚さ０．５ｍｍに形成してい
る。
【００６１】〔実施例４〕 これまでの実施例では、レーザ光が１つの場合を示した
が、基底吸収および励起吸収の生じる光波長において
は、２つ以上のレーザ光を用いて種々の光制御をするこ
とが可能である。
が、基底吸収および励起吸収の生じる光波長において
は、２つ以上のレーザ光を用いて種々の光制御をするこ
とが可能である。
【００６２】図９は本発明の実施例を示す２つのレーザ
光を用いた光制御システムの構成図である。
光を用いた光制御システムの構成図である。
【００６３】この図において、３０は本発明の光制御物
質であり、第１のレーザ３１と第２のレーザ３２とが同
時に照射される。光制御物質３０の出力波形は第１の光
検出器３５によって検出される。
質であり、第１のレーザ３１と第２のレーザ３２とが同
時に照射される。光制御物質３０の出力波形は第１の光
検出器３５によって検出される。
【００６４】また、第２のレーザ３２の光制御物質３０
への入力光強度はビームスプリッタ３３から得られる光
強度を第２の光検出器３４によって検出することによっ
て得ることができる。
への入力光強度はビームスプリッタ３３から得られる光
強度を第２の光検出器３４によって検出することによっ
て得ることができる。
【００６５】更に、第１のレーザ３１の光強度は、ビー
ムスプリッタ３６を介して第３の光検出器３７によって
検出することができる。
ムスプリッタ３６を介して第３の光検出器３７によって
検出することができる。
【００６６】図１０は、第１のレーザを連続発振させ
て、一定強度のレーザ光を光制御物質に入射させ、第２
のレーザの強度を変調させて重畳させた場合の光検出器
による第１のレーザの出力光強度波形図〔図１０（ａ）
参照〕、第１のレーザの入力光強度波形図〔図１０
（ｂ）参照〕、第２のレーザの入力光強度波形図〔図１
０（ｃ）参照〕である。
て、一定強度のレーザ光を光制御物質に入射させ、第２
のレーザの強度を変調させて重畳させた場合の光検出器
による第１のレーザの出力光強度波形図〔図１０（ａ）
参照〕、第１のレーザの入力光強度波形図〔図１０
（ｂ）参照〕、第２のレーザの入力光強度波形図〔図１
０（ｃ）参照〕である。
【００６７】これらの図に示すように、図１０（ｂ）に
示すように、第１のレーザ３１を連続発振させて、略フ
ラットな波形の一定強度のレーザ光を光制御物質３０に
入射させるとともに、図１０（ｃ）に示すように、第２
のレーザ３２の強度を変調させて重畳させた場合、第１
のレーザ３１の出力光強度波形は、図１０（ａ）に示す
ようになる。
示すように、第１のレーザ３１を連続発振させて、略フ
ラットな波形の一定強度のレーザ光を光制御物質３０に
入射させるとともに、図１０（ｃ）に示すように、第２
のレーザ３２の強度を変調させて重畳させた場合、第１
のレーザ３１の出力光強度波形は、図１０（ａ）に示す
ようになる。
【００６８】すなわち、上記から明らかなように、第２
のレーザ３２の強度変化によって、第１のレーザ３１の
光制御物質３０からの出力光が変調されていることがわ
かる。
のレーザ３２の強度変化によって、第１のレーザ３１の
光制御物質３０からの出力光が変調されていることがわ
かる。
【００６９】したがって、第２のレーザ光によって第１
のレーザ光を制御することが可能となる。
のレーザ光を制御することが可能となる。
【００７０】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００７１】
【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
れば、特定の光波長に対して、基底吸収と励起吸収を有
し、光入出力変化量を負の値にすることができる。
れば、特定の光波長に対して、基底吸収と励起吸収を有
し、光入出力変化量を負の値にすることができる。
【００７２】即ち、光出力変化量が負の値を示すこと
は、光入力の強度が増加すると、光出力強度が減少し、
逆に光入力強度が減少すると、光出力強度が増加する。
は、光入力の強度が増加すると、光出力強度が減少し、
逆に光入力強度が減少すると、光出力強度が増加する。
【００７３】この効果を利用すれば、光入力信号の増減
に対して光出力信号を反転させることができる。
に対して光出力信号を反転させることができる。
【００７４】また、第２のレーザの強度変化によって、
第１のレーザの光制御物質からの出力光が変調されてい
る。
第１のレーザの光制御物質からの出力光が変調されてい
る。
【００７５】更に、この光制御物質の端面に反射物を装
着することにより小型化を図ることができる。
着することにより小型化を図ることができる。
【図１】本発明の実施例を示す光制御物質のエネルギー
準位図である。
準位図である。
【図２】本発明の実施例を示す光制御物質のＥｒ3+のエ
ネルギー準位図である。
ネルギー準位図である。
【図３】本発明の実施例を示す光入出力特性を測定する
ための装置の構成図である。
ための装置の構成図である。
【図４】本発明の実施例を示すレーザ光強度を変化さ
せ、光制御物質に入射させて、光パワーメータで測定し
た実験結果を示す図である。
せ、光制御物質に入射させて、光パワーメータで測定し
た実験結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す光制御物質を透過させた
前後の光入出力変化をオシロスコープで測定した実験結
果を示す図である。
前後の光入出力変化をオシロスコープで測定した実験結
果を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示すガリウムひ素（ＧａＡ
ｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テルル）元素
を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加した場合
のエネルギーバンド構造を示す図である。
ｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テルル）元素
を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加した場合
のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例を示すＧａＡｓとＡｌX Ｇａ
1-X Ａｓからなる超格子構造のバンドモデル図である。
1-X Ａｓからなる超格子構造のバンドモデル図である。
【図８】本発明の実施例を示す試料端面に反射物を装着
した光制御物質の断面図ある。
した光制御物質の断面図ある。
【図９】本発明の実施例を示す２つのレーザ光を用いた
光制御システムの構成図である。
光制御システムの構成図である。
【図１０】本発明の実施例を示す２つのレーザ光を用い
た光制御システムの各部の光強度波形図である。
た光制御システムの各部の光強度波形図である。
１０，３０ 光制御物質 １１ 半導体レーザ素子 １２ 駆動制御回路 １３ 温調器 １４ 回転式ニュートラルデンシティフィルタ １５，３３，３６ ビームスプリッタ １６，３５ 第１の光検出器 １７ 光パワーメータ １８ デジタルオシロスコープ １９，３４ 第２の光検出器 ２１ 試料 ２２，２３ 多層膜反射物 ３１ 第１のレーザ ３２ 第２のレーザ ３７ 第３の光検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−202172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−59654（ＪＰ，Ａ) Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ. 72，Ｎｏ．８（1992）ｐｐ．3835−3837 電子情報通信学会論文誌 Ｃ−ＩＩ Ｖｏｌ．Ｊ73−Ｃ−ＩＩ Ｎｏ．６ ｐ ｐ．381−386（1990) Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖ ｏｌ．31（1992）ｐｐ．1647−1651 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/35 G02F 3/00
Claims (4)
- 【請求項１】 吸収物質のエネルギー準位構造におい
て、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収で
ある励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および励
起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉ
ｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓ化
合物半導体にドナーとしてＴｅ元素を、アクセプタとし
てＺｎ元素を添加した半導体のエネルギーバンド構造か
らなり、かつ小型化するために端面に反射物を装着して
なり、２つ以上の光を照射して１つの光強度を変化させ
ることによって、他の光出力強度を制御するようにした
ことを特徴とする光制御物質。 - 【請求項２】 吸収物質のエネルギー準位構造におい
て、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収で
ある励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および励
起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉ
ｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓと
Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓからなる超格子構造からなり、かつ
小型化するために端面に反射物を装着してなり、２つ以
上の光を照射して１つの光強度を変化させることによっ
て、他の光出力強度を制御するようにしたことを特徴と
する光制御物質。 - 【請求項３】 吸収物質のエネルギー準位構造におい
て、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収で
ある励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および励
起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉ
ｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓ化
合物半導体にドナーとしてＴｅ元素を、アクセプタとし
てＺｎ元素を添加した半導体のエネルギーバンド構造を
用い、かつ小型化するために端面に反射物を装着してな
る光制御物質を用いて、２つ以上の光を照射して１つの
光強度を変化させることによって、他の光出力強度を制
御することを特徴とする光制御方法。ただし、ΔＩｏｕ
ｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎであり、ここ
で、α1 （１＋α2 γ）＞１で、α1 は基底吸収の吸収
度、α2 は励起吸収の吸収度、γは基底吸収の上準位に
ある電子が励起吸収の下準位に遷移する割合である。 - 【請求項４】 吸収物質のエネルギー準位構造におい
て、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収で
ある励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および励
起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉ
ｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すとともに、ＧａＡｓと
Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓからなる超格子構造を用い、かつ小
型化するために端面に反射物を装着してなる光制御物質
を用いて、２つ以上の光を照射して１つの光強度を変化
させることによって、他の光出力強度を制御することを
特徴とする光制御方法。 ただし、ΔＩｏｕｔ＝〔１−α
1 （１＋α 2 γ）〕ΔＩｉｎであり、ここで、α 1 （１
＋α 2 γ）＞１で、α 1 は基底吸収の吸収度、α 2 は励
起吸収の吸収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励
起吸収の下準位に遷移する割合である。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17379795A JP3358770B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 光制御物質及び光制御方法 |
| US08/663,530 US5742072A (en) | 1995-07-10 | 1996-06-13 | Light control substance and light control method using the same |
| TW085107209A TW475090B (en) | 1995-07-10 | 1996-06-15 | Light control device and light control method using the same |
| KR1019960022620A KR100266300B1 (ko) | 1995-07-10 | 1996-06-20 | 광제어물질 및 그를 사용하는 광제어방법 |
| EP96111095A EP0753789A3 (en) | 1995-07-10 | 1996-07-10 | Light control substance and light control method using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17379795A JP3358770B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 光制御物質及び光制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0926605A JPH0926605A (ja) | 1997-01-28 |
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ID=15967342
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17379795A Expired - Fee Related JP3358770B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 光制御物質及び光制御方法 |
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|---|---|
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| EP (1) | EP0753789A3 (ja) |
| JP (1) | JP3358770B2 (ja) |
| KR (1) | KR100266300B1 (ja) |
| TW (1) | TW475090B (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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