JP3467467B2 - Light control element - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本願発明は、フォトニック結
晶を用いた光制御素子に関するものである。本願発明
は、特に超高速時分割多重光通信システムに用いる広帯
域光制御素子に好適なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light control element using a photonic crystal. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is particularly suitable for a broadband optical control element used in an ultrahigh-speed time division multiplexing optical communication system.
【０００２】[0002]
【従来の技術】これまで、超高速時分割多重光通信シス
テムへの適用をめざした全光・光制御素子に関する報告
がなされている。これらの素子では、光信号の情報を別
の光を用いて制御する。素子内の非線形媒質の光学特性
を制御光により変化させる３次の非線形光学効果を基本
原理としている。それらは、キャリアの実励起を伴わな
い仮想励起型（非共鳴型）とキャリアの励起を伴う実励
起型（共鳴型）に分類される。前者では、高速性には優
れるが、非線形光学効果は小さい。また。後者では、非
線形光学効果は比較的大きいものの、高速応答が難しい
ことが知られている。こうした例は、例えば、「超高速
光デバイス」（共立出版）、１５７-１５８頁に見られ
る。2. Description of the Related Art Up to now, there have been reports on an all-optical / optical control element aiming at application to an ultrahigh-speed time division multiplex optical communication system. In these elements, information of an optical signal is controlled by using another light. The basic principle is the third-order nonlinear optical effect that changes the optical characteristics of the nonlinear medium in the element by the control light. They are classified into a virtual excitation type (non-resonant type) without actual carrier excitation and a real excitation type (resonant type) with carrier excitation. In the former case, the high speed property is excellent, but the nonlinear optical effect is small. Also. In the latter case, it is known that high-speed response is difficult although the nonlinear optical effect is relatively large. Such an example can be found in, for example, “Ultra High-speed Optical Device” (Kyoritsu Shuppan), pages 157-158.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】本願発明の目的は、上
記共鳴励起型の全光・光制御素子の性能を実用化レベル
まで向上させることである。共鳴型の全光・光制御素子
を超高速通信システムへ適用するためには、非線形光学
効果の増大、および応答の高速化が必須である。非線形
光学効果の大きさは、信号光を制御光により制御する場
合の制御光の入力電力（即ち、消費電力）に直接関係す
る。共鳴型の全光・光制御素子では非共鳴型に比べ大き
な非線形光学効果が得られるものの、実用レベルでのス
イッチ動作を行うためにはさらに大きな非線形光学効果
が必要である。例えば、田島らはＧａＡｓ系バルクを非
線形導波路に用いたマッハツェンダ型光スイッチにおい
て、全光スイッチ動作を報告している。入力電力６ｐＪ
の制御光によりスイッチ動作に必要なπ位相シフトを実
現している。こうした例は、ジャパニーズ・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジクス１９９４年第３号、１
４４−１５０頁（Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙ
ｓ． Ｖｏｌ．３３、(１９９４)、ｐｐ．１４４−１５
０）に見られる。この結果は、高速の繰り返し、例え
ば、１００ＧＨｚの繰り返しでは、素子内部での消費電
力は０.６Ｗとなる。素子と光ファイバとの結合を１０
ｄＢとすると、必要な入力電力は数Ｗとなり、これは実
用レベルとは言えない大きな値である。上記課題を解決
するため、本願発明では、全光スイッチ実用化に向け
た、制御光の消費電力の低減した光制御素子を提供す
る。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the performance of the resonance excitation type all-optical / optical control element to a practical level. In order to apply a resonance type all-optical / optical control element to an ultrahigh-speed communication system, it is essential to increase the nonlinear optical effect and speed up the response. The magnitude of the nonlinear optical effect is directly related to the input power (that is, power consumption) of the control light when the signal light is controlled by the control light. Although a resonance type all-optical / optical control element can obtain a larger nonlinear optical effect than a non-resonant type, a larger nonlinear optical effect is required to perform a switching operation at a practical level. For example, Tajima et al. Reported an all-optical switch operation in a Mach-Zehnder type optical switch using a GaAs-based bulk as a nonlinear waveguide. Input power 6pJ
This control light realizes the π phase shift necessary for the switch operation. An example of this is the Japanese Journal of Applied Physics No. 3, 1994, 1.
Pp. 44-150 (Jpn. J. Appl. Phy
s. Vol. 33, (1994), pp. 144-15
0). As a result, at high speed repetition, for example, 100 GHz repetition, the power consumption inside the element is 0.6 W. 10 elements and optical fiber coupling
If dB, the required input power is several W, which is a large value that cannot be said to be a practical level. In order to solve the above problems, the present invention provides an optical control element with reduced power consumption of control light, for practical use of an all-optical switch.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】本願発明は、フォトニッ
ク部材の一方の端面に、光信号光と、これとは別の波長
を有する制御光とを入射する入射面と、前記フォトニッ
ク部材の他方の端面に射出面とを有し、前記フォトニッ
ク部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニック
結晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、且
つ前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及び
フォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号光
の波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定して
なることを特徴とする光制御素子を提供する。この構造
により、共鳴型の全光・光制御素子の非線形光学効果の
増大を実現することが出来る。According to the present invention, an incident surface on which an optical signal light and a control light having a wavelength different from the incident light are incident on one end surface of the photonic member, and the photonic member is provided. The other end face has an emission surface, the photonic member has a photonic crystal region and a region in which quantum dots are arranged in a high dielectric portion of the photonic crystal, and in the wavelength range of the control light. There is provided an optical control element characterized by setting an energy level of a quantum dot and a dielectric band of a photonic crystal, and setting an air band of the photonic crystal in a wavelength range of the signal light. With this structure, it is possible to increase the nonlinear optical effect of the resonance-type all-light / light-control element.
【０００５】フォトニック結晶は誘電率の異なる物質を
周期的に配置された結晶のことを称している。この誘電
率の異なる物質が周期的に配置されるため、光に対して
バンド構造を構成する。本願発明に係わる前記「フォト
ニック部材」は、こうしたフォトニック結晶の領域、及
びこうしたフォトニック結晶において高い誘電率を有す
る高誘電体部に量子ドットを配した領域を有するもので
ある。従って、本願発明に係わる前記「フォトニック部
材」は、所望のフォトニック結晶における低い誘電率を
有する結晶領域と、量子ドットを含有する高い誘電率を
有する結晶領域とが、周期的に配置されることとなる。The photonic crystal refers to a crystal in which substances having different dielectric constants are periodically arranged. Since the substances having different dielectric constants are periodically arranged, they form a band structure for light. The "photonic member" according to the invention of the present application has a region of such a photonic crystal and a region in which quantum dots are arranged in a high dielectric portion having a high dielectric constant in such a photonic crystal. Therefore, in the "photonic member" according to the present invention, a crystal region having a low dielectric constant in a desired photonic crystal and a crystal region having a high dielectric constant containing quantum dots are periodically arranged. It will be.
【０００６】一般に、フォトニック結晶では、バンドギ
ャップを挟んだ上下のバンドでは、光の電場の分布が異
なっている。下側のバンドでは、フォトニック結晶のよ
り高い誘電率の領域に集中し、上側のバンドでは、フォ
トニック結晶の中よりより低い領域に光の電界が集中す
る。これらのバンドを、それぞれ、誘電体バンド及びエ
アーバンドと称する。フォトニック結晶は、その原理か
ら明らかなように、前記高誘電率領域と低誘電率領域の
各構成材料の誘電率の差をより大きくすることによっ
て、その特性をより顕著にすることが出来る。この為、
前記周期的に配列される誘電率の異なる材料として、誘
電率εが約１０程度の半導体材料、及び誘電率εが約１
の空気が多用される。尚、前記光電界の局在化の程度
は、一番エネルギーの低いバンドギャップ（これを第１
バンドギャップと称する）で顕著である。Generally, in a photonic crystal, the distribution of the electric field of light is different in the upper and lower bands with the band gap sandwiched. In the lower band, the light electric field concentrates in a region having a higher dielectric constant of the photonic crystal, and in the upper band, the electric field of light concentrates in a region lower than that in the photonic crystal. These bands are called a dielectric band and an air band, respectively. As is clear from the principle of the photonic crystal, the characteristics can be made more remarkable by increasing the difference in dielectric constant between the constituent materials in the high dielectric constant region and the low dielectric constant region. Therefore,
As the periodically arranged materials having different dielectric constants, a semiconductor material having a dielectric constant ε of about 10 and a dielectric constant ε of about 1 are used.
The air is often used. The degree of localization of the optical field depends on the band gap with the lowest energy (this is
(It is called a band gap).
【０００７】本発明の原理を図１を用いて説明する。図
１は３つの側面を合わせて説明している。図１の（ａ）
領域はフォトニック結晶の分散と誘電体部の誘電率の変
化を示し、（ｂ）領域は、フォトニック結晶における光
電界強度分布を示す図、（ｃ）領域は量子ドットの吸収
特性と非線形係数変化を示す図である。各々の図に対し
て図１の（ａ）領域のＡ及びＢに相当するエネルギーレ
ベルが（ｂ）及び（ｃ）の各図において対応させて描か
れている。The principle of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 illustrates the three sides together. Figure 1 (a)
The region shows the dispersion of the photonic crystal and the change of the dielectric constant of the dielectric part, the region (b) shows the optical field intensity distribution in the photonic crystal, and the region (c) shows the absorption characteristics and the nonlinear coefficient of the quantum dot. It is a figure which shows change. The energy levels corresponding to A and B in the region (a) of FIG. 1 are drawn corresponding to each of the diagrams in each of the diagrams (b) and (c).
【０００８】図１の（ａ）領域は、空気（この場合、誘
電率ε＝１である）と誘電体で構成した２次元３角配置
エアロッド・フォトニック結晶の分散と誘電体部の誘電
率の変化の例を示す。当該フォトニック部材は、図１の
（ｂ）に見られるように、誘電体層領域２６とエアー領
域（具体的には、例えば孔領域）２５が周期的に配列さ
れている。そして、本願発明のフォトニック部材では、
前記誘電体領域２６に量子ドット２６が埋め込まれてい
る。The region (a) of FIG. 1 shows the dispersion of a two-dimensional triangular air rod photonic crystal composed of air (in this case, permittivity ε = 1) and a dielectric and the permittivity of the dielectric part. An example of the change of is shown. In the photonic member, as shown in FIG. 1B, dielectric layer regions 26 and air regions (specifically, hole regions) 25 are periodically arranged. And in the photonic member of the present invention,
Quantum dots 26 are embedded in the dielectric region 26.
【０００９】図１の（ａ）のグラフでは、横軸は波数ベ
クトル、縦軸は周波数を示す。曲線２１及び２２がエア
ーバンドでの特性、曲線２３、２４が誘電体バンドでの
特性である。図中、実線及び破線は、誘電体部の誘電率
が異なる場合の分散である。そして、その実線は誘電率
がεの場合、点線は誘電率が変化してε−△となった場
合の特性を示す。この例では、誘電率の変化に伴って、
波数ベクトルが△ｋの変化を生じたことを示している。In the graph of FIG. 1A, the horizontal axis represents the wave number vector and the vertical axis represents the frequency. Curves 21 and 22 are characteristics in the air band, and curves 23 and 24 are characteristics in the dielectric band. In the figure, the solid line and the broken line are dispersions when the dielectric constants of the dielectric parts are different. The solid line shows the characteristic when the permittivity is ε, and the dotted line shows the characteristic when the permittivity changes to ε-Δ. In this example, as the dielectric constant changes,
It shows that the wave vector caused a change of Δk.
【００１０】また、図１の（ｂ）領域に、図１の（ａ）
領域の○で示したＡ、Ｂでのフォトニック部材内部の電
力分布を、各々矢印で示した個所に示す。上段がエアー
バンドでの特性、下段は誘電体バンドでの特性である。
その太い実線の特性曲線２９が光電界の強度分布を示し
ている。縦軸は光電界強度である。図１の（ｂ）領域の
ハッチング部は、フォトニック結晶誘電体部２６を示
し、その中の小さな楕円は、前述した通り本願発明の特
徴であるフォトニック結晶誘電体部に埋め込まれた量子
ドット２６を示す。また、本願発明では、その主旨に従
い、制御光、信号光の波長が、それぞれ誘電体バンド、
エアーバンドに設定されるようにフォトニック結晶の構
造を設定する。Further, in the area (b) of FIG. 1, (a) of FIG.
The electric power distribution inside the photonic member in A and B shown by ◯ in the region is shown in the portions shown by arrows. The upper row shows the characteristics of the air band, and the lower row shows the characteristics of the dielectric band.
The thick solid line characteristic curve 29 shows the intensity distribution of the optical electric field. The vertical axis represents the optical field intensity. The hatched portion in the region (b) of FIG. 1 indicates the photonic crystal dielectric portion 26, and the small ellipse therein is the quantum dot embedded in the photonic crystal dielectric portion, which is the feature of the present invention as described above. 26 is shown. Further, in the invention of the present application, in accordance with the gist thereof, the wavelengths of the control light and the signal light are respectively a dielectric band,
Set the structure of the photonic crystal as set in the air band.
【００１１】図１の（ｃ）に、量子ドットの吸収と、３
次の非線形感受率の実数部の変化を示す。図１の（ｃ）
の左側の点線の特性は、信号光の吸収特性を示す。即
ち、誘電体バンドの上部のレベルで吸収のピークが発生
する。図１の（ｃ）の左側の実線の特性は、誘電率や屈
折率に対する係数の変化に相当する非線形感受率を示し
ている。０の位置を中心にプラス、マイナスの非線形変
化に相当している。本願発明では、非線形変化を用いよ
うとするものである。即ち、同図の非線形変化特性にお
けるエアーバンドに寄与がある変化を用いるのである。
この尚、量子ドットの吸収の波長域は、本発明の主旨に
従い、制御光の波長域、すなわち図１の（ａ）中のＡ
（誘電体バンド）に量子ドットのエネルギ準位が一致す
るように設定されている。通例、量子ドットの不均一な
広がりを含めた吸収ピークと制御光に間隔は、１０ｍｅ
Ｖ以下が多用される。FIG. 1 (c) shows absorption of quantum dots and 3
The following shows the change of the real part of the nonlinear susceptibility. Figure 1 (c)
The dotted line characteristic on the left side of indicates the signal light absorption characteristic. That is, an absorption peak occurs at the level above the dielectric band. The solid line characteristic on the left side of FIG. 1C shows the nonlinear susceptibility corresponding to the change of the coefficient with respect to the dielectric constant or the refractive index. This corresponds to a plus or minus nonlinear change centered on the position of 0. In the present invention, a non-linear change is used. That is, the change that contributes to the air band in the nonlinear change characteristic of FIG.
The wavelength range of absorption of the quantum dots is the wavelength range of control light, that is, A in FIG.
The energy level of the quantum dot is set to match the (dielectric band). Generally, the absorption peak including the non-uniform spread of the quantum dots and the control light are spaced by 10 me
V or less is often used.
【００１２】図１の構成に従がい要約すれば、本願発明
の光制御動作は以下のように行われる。図１の（ｃ）に
示すように、量子ドットのエネルギ準位は制御光のエネ
ルギ（図１の（ａ）のＢとして指示されている）と一致
するように設定されている。この為、所定の制御光によ
り量子ドットは共鳴励起される。その結果、図１の
（ｃ）に例示するように、量子ドットの非線形感受率が
変化を受ける。こうして、フォトニック結晶の量子ドッ
トを含む誘電体部の誘電率が変化する。図１の（ａ）に
示した実線と破線は、この変化を模式的に示したもので
ある。即ち、実線の特性は点線のそれに変化したのであ
る。図中のΔｋは、この誘電率の変化に対応する規格化
した位相変化である。この位相変化により、信号光（こ
の信号光は、図１の（ａ）のＡに示される）を制御する
ことができる。In summary according to the configuration of FIG. 1, the optical control operation of the present invention is performed as follows. As shown in (c) of FIG. 1, the energy level of the quantum dot is set to match the energy of the control light (designated as B in (a) of FIG. 1). Therefore, the quantum dots are resonantly excited by the predetermined control light. As a result, as illustrated in FIG. 1C, the nonlinear susceptibility of the quantum dot is changed. In this way, the dielectric constant of the dielectric portion including the quantum dots of the photonic crystal changes. A solid line and a broken line shown in FIG. 1A schematically show this change. That is, the characteristics of the solid line have changed to those of the dotted line. Δk in the figure is a normalized phase change corresponding to this change in the dielectric constant. This phase change makes it possible to control the signal light (this signal light is indicated by A in FIG. 1A).
【００１３】本願発明では、以下の理由により非線形材
料として量子ドットを用いた。一般に、フォトニック結
晶のバンドギャップを挟む２つのバンドにおいて、高エ
ネルギ側のバンドはエアーバンド的な性質を、低エネル
ギ側のバンドは誘電体バンド的な性質を持つ。本願発明
では、誘電体バンドに波長が設定された制御光の共鳴励
起を用いてエアーバンドの分散を変化させる。従って、
非線形材料としてバルク結晶、量子井戸等を用いると、
誘電体バンドより高エネルギ側のエアバンドは大きな吸
収を持つことになる。従って、信号光は大きな吸収損失
を受ける。In the present invention, quantum dots are used as the nonlinear material for the following reasons. In general, of the two bands sandwiching the band gap of the photonic crystal, the band on the high energy side has an air band-like property and the band on the low energy side has a dielectric band-like property. In the present invention, the resonance excitation of the control light whose wavelength is set in the dielectric band is used to change the dispersion of the air band. Therefore,
If bulk crystal, quantum well, etc. are used as the nonlinear material,
The air band on the higher energy side than the dielectric band has large absorption. Therefore, the signal light undergoes a large absorption loss.
【００１４】一方、図１の（ｃ）に見られるように、量
子ドットは、デルタ関数状の状態密度を持つ。そのた
め、信号光は、量子ドットのエネルギ準位に設定した制
御光よりさらに高エネルギ側に設定されるにもかかわら
ず、量子ドットによる吸収を受けることなく伝搬するこ
とが可能になる。この例が、本願発明の基本構成に係わ
るものである。On the other hand, as shown in FIG. 1C, the quantum dots have a delta function-like density of states. Therefore, the signal light can propagate without being absorbed by the quantum dots, even though the signal light is set to a higher energy side than the control light set to the energy level of the quantum dots. This example relates to the basic configuration of the present invention.
【００１５】本願発明の別な代表的な形態は、フォトニ
ック部材の一方の端面に光信号光、及びこれとは別の波
長を有する制御光とを入射する入力面と、前記フォトニ
ック部材の他方の端面に前記光信号光及び前記制御光の
出力面とを有し、前記フォトニック部材の入力面に光学
的に接続された光導波路を有し、且つ前記フォトニック
部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニック結
晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、且つ
前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及びフ
ォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号光の
波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定したこ
とを特徴とする光制御素子である。本願発明に係わるフ
ォトニック部材に更に、光学的に接続された光導波路を
有することで、各種応用が容易となる。例えば、後述さ
れるマッハツエンダ素子はその例である。Another typical form of the present invention is that an input surface on which an optical signal light and a control light having a wavelength different from this are incident on one end surface of the photonic member, and the photonic member. The other end surface has an output surface of the optical signal light and the control light, an optical waveguide optically connected to the input surface of the photonic member, and the photonic member is a photonic crystal. A region and a region in which the quantum dots are arranged in the high dielectric portion of the photonic crystal, and the energy level of the quantum dots and the dielectric band of the photonic crystal are set in the wavelength region of the control light, and the signal An optical control element is characterized in that an air band of a photonic crystal is set in the wavelength range of light. By further providing the photonic member according to the present invention with an optical waveguide that is optically connected, various applications are facilitated. For example, a Mach-Zender element described later is an example.
【００１６】本願発明の更に別な形態は、前記フォトニ
ック部材の光の進行方向に平行な少なくとも一対の側面
を実効的な屈折率の異なる他の材料で囲み光導波構造と
したことを特徴とする光制御素子である。更には、前記
フォトニック部材の、当該光制御素子の基板の表面に交
差し、且つ光の進行方向に平行な少なくとも一対の側面
を実効的な屈折率の異なる他の材料で囲み光導波構造が
有用である。当該制御光及び信号光がこの光導波構造に
よって効率的に導波される。Still another embodiment of the present invention is characterized in that at least a pair of side surfaces of the photonic member parallel to the light traveling direction are surrounded by another material having a different effective refractive index to form an optical waveguide structure. It is a light control element. Furthermore, an optical waveguide structure is formed by surrounding at least a pair of side surfaces of the photonic member, which intersect the surface of the substrate of the light control element and are parallel to the traveling direction of light, with another material having a different effective refractive index. It is useful. The control light and the signal light are efficiently guided by this optical waveguide structure.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】本願発明のより具体的な実施の諸
形態、適用形態などを説明するに、先だって、本願発明
の諸形態に係わる詳細を列挙し説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In order to describe more concrete embodiments and application forms of the present invention, details relating to the embodiments of the present invention will be listed and explained in advance.
【００１８】先ず、本願発明に係わるフォトニック結晶
は、通例のフォトニック結晶を用いて十分である。フォ
トニック結晶には、結晶構造的に、一次元、ニ次元、及
び三次元のものがある。一次元結晶は、例えば、誘電体
薄膜を多層に積層したものが代表例である。こうして、
積層方向に誘電率の周期的構造が構成されるい。ニ次元
結晶は、例えば、半導体結晶に周期的な孔を開孔するも
のが代表例である。面内に誘電率の周期的構造が構成さ
れる。半導体結晶として、シリコン、化合物半導体材
料、例えばＧａＡｓ、あるいはＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体材料を用いることが出来る。更に、三次
元結晶は、例えば、面内周期構造を周期的にずらして積
層する例が知られている。この例は、例えば、オートク
ローニングと称されるものである。この構造では、全方
位に誘電率の周期構造が可能である。First, as the photonic crystal according to the present invention, it is sufficient to use a usual photonic crystal. Photonic crystals include one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional crystal structures. A typical example of the one-dimensional crystal is one in which dielectric thin films are laminated in multiple layers. Thus
A periodic structure with a dielectric constant is formed in the stacking direction. A typical example of the two-dimensional crystal is one in which periodic holes are opened in a semiconductor crystal. A periodic structure of permittivity is formed in the plane. As a semiconductor crystal, silicon, a compound semiconductor material such as GaAs, or III-V such as InP
Group compound semiconductor materials can be used. Furthermore, as for the three-dimensional crystal, for example, it is known that the in-plane periodic structure is periodically shifted and laminated. This example is, for example, what is called autocloning. In this structure, a periodic structure having a dielectric constant in all directions is possible.
【００１９】又、量子ドット自体は通例のものを用いる
ことが出来る。これは、例えば、自己組織化成長法の一
つであるストランスキ−クラスタノウ（Ｓｔｒａｎｓｋ
ｉ−Ｋｒａｎｓｔａｎｏｗ）法、ヴォルマー・ウエバー
（Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ）法などを用いて作成する
ことが出来る。その大きさも、通例のもので十分であ
る。例えば、ＧａＡｓ上にＩｎＡｓを、例えば２モノレ
ーヤ程度供給することにより、高さ３ｎｍ−１０ｎｍ、
密度１０9−１０11／ｃｍ2程度の量子ドットの制作可能
である。As the quantum dots themselves, usual ones can be used. For example, this is one of the self-organized growth methods.
It can be created using an i-Kranstanow method, a Volmer-Weber method, or the like. The size thereof is also the usual one. For example, by supplying InAs on GaAs, for example, about 2 monolayers, a height of 3 nm-10 nm,
Quantum dots having a density of about 10 9 -10 11 / cm 2 can be produced.
【００２０】本願発明のフォトニック部材に係わる諸特
性の設定は、ロッド周期の調整、エアロッド／誘電体ロ
ッドの選択、伝搬方向の選択、偏光の選択、フォトニッ
ク結晶格子の選択、及びこれらの組み合わせることによ
り実現可能であるこうして、制御光、信号光の波長域と
該フォトニック結晶のバンド構造との設定を行うことが
可能となる。即ち、周期的な孔のピッチ、大きさなどを
変化させることで、バンドギャップの位置や大きさを調
整することが出来る。更に、例えば、正方格子、六法格
子、蜂の巣型等の選択によっても、やはりバンドギャッ
プの位置や大きさを調整することが出来る。本願発明の
光制御素子に要請される特性に応じて前記各種特性を設
定、調整、あるいは選択する。Various properties relating to the photonic member of the present invention can be set by adjusting the rod period, air rod / dielectric rod selection, propagation direction selection, polarization selection, photonic crystal lattice selection, and combinations thereof. In this way, it is possible to set the wavelength range of the control light and the signal light and the band structure of the photonic crystal. That is, the position and size of the band gap can be adjusted by changing the pitch and size of the periodic holes. Furthermore, the position and size of the band gap can also be adjusted by selecting, for example, a square lattice, a hexagonal lattice, or a honeycomb type. The various characteristics are set, adjusted, or selected according to the characteristics required for the light control element of the present invention.
【００２１】また、図１の例では、当該光制御素子にお
いて、信号光、制御光の波長域にフォトニックバンドの
ブリリアンゾーン端部を設定している。更に、合わせ
て、当該光制御素子において、信号光、制御光の波長域
にフォトニックバンドの群速度の小さい領域を設定する
のが好ましい。こうしたフォトニックバンドのブリリア
ンゾーン端部の調整は、前記の周期的な孔のピッチ、大
きさなどを変化させることで、バンドギャップの位置や
ブリリアンゾーン端部を調整することが出来る。一般
に、ブリリアンゾーン端部では群速度は小さい。本願発
明において、群速度はバルク結晶での特性より小さい領
域が良い。例えば、本願発明の代表的な適用例である。
マッハツエンダ型光スイッチなどの主特性である位相変
化は、光の群速度に逆比例する。従って、この目的に、
この群速度は小さい程好ましい。バルク結晶では群速度
の調整は不可能であるが、本願発明のフォトニック部材
では、このように調整が可能である。Further, in the example of FIG. 1, the brilliant zone end of the photonic band is set in the wavelength range of the signal light and the control light in the light control element. Further, in addition, it is preferable that, in the light control element, a region where the group velocity of the photonic band is small is set in the wavelength region of the signal light and the control light. The adjustment of the brilliant zone end of the photonic band can adjust the position of the band gap and the brilliant zone end by changing the pitch and size of the periodic holes. Generally, the group velocity is small at the edge of the Brilliant zone. In the present invention, the group velocity is preferably in a region smaller than the characteristic of the bulk crystal. For example, it is a typical application example of the present invention.
The phase change, which is the main characteristic of Mach-Zehnder type optical switches and the like, is inversely proportional to the group velocity of light. Therefore, for this purpose,
The smaller this group velocity, the more preferable. The group velocity cannot be adjusted with a bulk crystal, but the photonic member of the present invention can be adjusted in this way.
【００２２】本願発明を適用する場合、以下（ａ）より
（ｈ）の諸構成に基づく諸効果を用いて、信号光を極め
て効率的に制御することが可能となる。以下、その仔細
を説明する。尚、信号光の当該フォトニック部材への入
射系、及び制御光の制御系は、これまでの光・光制御素
子におけるそれらを用いて良い。
（ａ）初めに、量子ドットを用いたことによる効果であ
る。量子ドットは、状態密度の集中により大きな光非線
形性を持つので、本願発明の目的である位相変化の増大
効果を高めることができる。
（ｂ）量子ドットは、デルタ関数状の状態密度を持つ。
このため、信号光の伝搬損失を一定レベルに押さえる場
合、信号光と制御光の離調幅を小さくすることができ
る。量子ドットのもたらす非線形光学効果は、離調幅の
低減とともに増大するため（図１の（ｃ））、信号光の
受ける非線形光学効果を増大できる。When the present invention is applied, it is possible to control the signal light extremely efficiently by using the effects based on the configurations (a) to (h) below. The details will be described below. Incidentally, the incident system of the signal light to the photonic member and the control system of the control light may be those of the conventional light / light control element. (A) First, it is the effect of using the quantum dots. Since the quantum dots have a large optical nonlinearity due to the concentration of the density of states, the effect of increasing the phase change, which is the object of the present invention, can be enhanced. (B) Quantum dots have a delta function-like density of states.
Therefore, when the propagation loss of the signal light is suppressed to a constant level, the detuning width between the signal light and the control light can be reduced. The non-linear optical effect brought about by the quantum dots increases as the detuning width decreases ((c) in FIG. 1), so that the non-linear optical effect received by the signal light can be increased.
【００２３】次に、フォトニック結晶によりもたらされ
る光非線形効果の増大について説明する。図２、図３及
び、図４にそれぞれ、フォトニック結晶の波数分散、群
速度分散、およびフォトニック結晶誘電体部の屈折率変
化により誘起される位相変化の計算値を例示した。いず
れの図も横軸はエネルギー（Ｅ）、縦軸がそれぞれの特
性値を示している。Next, the increase in the optical nonlinear effect caused by the photonic crystal will be described. FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 4 exemplify calculated values of the wave number dispersion of the photonic crystal, the group velocity dispersion, and the phase change induced by the refractive index change of the photonic crystal dielectric portion, respectively. In each figure, the horizontal axis represents energy (E) and the vertical axis represents the respective characteristic values.
【００２４】ここではフォトニック結晶として空気（誘
電率ε＝１）と誘電体で構成した２次元３角配置エアロ
ッドを示した。波数ベクトルの方向（光の伝搬方向）は
Γ−Ｘ方向であり、エアロッドの周期は０.２７μｍで
ある。また、比較のためバルク構造の場合も合わせて示
した。バルク構造の場合の特性は、図２、図３及び、図
４に点線で示し、ｈｏｍｏと表示した。Here, a two-dimensional triangular air rod composed of air (dielectric constant ε = 1) and a dielectric is shown as a photonic crystal. The direction of the wave vector (light propagation direction) is the Γ-X direction, and the period of the air rod is 0.27 μm. For comparison, the case of a bulk structure is also shown. The characteristics in the case of the bulk structure are shown by dotted lines in FIGS. 2, 3 and 4 and are indicated by “homo”.
【００２５】図４を参酌することで、誘電率の変化によ
って、信号光の波数の変化が大きく確保されることが理
解される。
（ｃ）更に、本願発明では、信号光、制御光のに群速度
の小さな領域あるいは、ブリリアンゾーン端部を用いる
ことが好ましい。このことは図４の特性から容易に理解
されるであろう。図４に示すように、フォトニック結晶
誘電体部の屈折率変化により誘起される位相変化を、増
大させることができる。バルク構造の場合と比較して２
倍以上の増大が可能である。
（ｄ）更に、信号光に群速度の小さな領域を用いること
により、信号光とフォトニック結晶との相互作用を大き
くすることができる。
（ｅ）また、制御光を誘電体バンドに設定することによ
り、量子ドットを含むフォトニック結晶誘電体部に制御
光の電界を集中することが可能になり、その結果、量子
ドットを効率的に励起することができる（図１の
（ｂ））。
（ｆ）また、信号光をエアーバンドに設定することによ
り、量子ドットを含むフォトニック結晶誘電体部での信
号光の電界を低減することが可能になり、その結果、信
号光の量子ドットによる吸収損失を低減できる（図１の
（ｂ））。そのため、一定の信号光を確保する場合、信
号光と制御光の離調幅を低減することができる。量子ド
ットのもたらす非線形光学効果は、離調幅の低減ととも
に増大するため（図１の（ｃ））、信号光の受ける非線
形光学効果を増大できる。
（ｇ）本願発明では、信号光をさらに効率的に制御する
ため、当該光制御素子において、信号光と制御光の偏光
を異ならしめることも可能である。By referring to FIG. 4, it will be understood that the change in the wave number of the signal light is largely secured by the change in the dielectric constant. (C) Further, in the present invention, it is preferable to use a region having a small group velocity or a brilliant zone end for signal light and control light. This will be easily understood from the characteristic of FIG. As shown in FIG. 4, the phase change induced by the change in the refractive index of the photonic crystal dielectric part can be increased. 2 compared to the case of bulk structure
It is possible to increase more than double. (D) Furthermore, by using a region having a small group velocity for the signal light, the interaction between the signal light and the photonic crystal can be increased. (E) Further, by setting the control light in the dielectric band, it becomes possible to concentrate the electric field of the control light in the photonic crystal dielectric portion including the quantum dots, and as a result, the quantum dots can be efficiently used. It can be excited ((b) of FIG. 1). (F) Further, by setting the signal light in the air band, it becomes possible to reduce the electric field of the signal light in the photonic crystal dielectric portion including the quantum dots. The absorption loss can be reduced ((b) of FIG. 1). Therefore, when securing a constant signal light, the detuning width of the signal light and the control light can be reduced. The non-linear optical effect brought about by the quantum dots increases as the detuning width decreases ((c) in FIG. 1), so that the non-linear optical effect received by the signal light can be increased. (G) In the present invention, in order to control the signal light more efficiently, the polarization of the signal light and the control light can be made different in the light control element.
【００２６】この原理を図５の波数・周波数分散の特性
を用いて説明する。同図の例は、２次元３角配置エアロ
ッドフォトニック結晶の直行する２つの偏光モードＴ
Ｅ、ＴＭに対する分散である。横軸は波数、縦軸は周波
数を示す。実線はＴＥ偏光、点線はＴＭ偏光の場合の特
性を示す。This principle will be described using the wave number / frequency dispersion characteristics of FIG. The example in the figure shows two orthogonal polarization modes T of a two-dimensional triangular array air rod photonic crystal.
It is the dispersion for E and TM. The horizontal axis represents the wave number and the vertical axis represents the frequency. The solid line shows the characteristics for TE polarization and the dotted line shows the characteristics for TM polarization.
【００２７】本願発明の適用に際し、異なる偏光を用い
ない場合、図５の点線で示したＴＭモードの誘電体バン
ドの白点○の領域、エアーバンドの黒点●の領域をそれ
ぞれ制御光、信号光に使用することに相当する。図５
に、この場合を制御光：ＴＭ／信号光：ＴＭと表示し
た。In the application of the present invention, when different polarizations are not used, the white dot area of the TM mode dielectric band and the black dot area of the air band indicated by the dotted line in FIG. 5 are the control light and the signal light, respectively. Equivalent to using. Figure 5
In this case, the control light: TM / signal light: TM is indicated.
【００２８】一方、異なる偏光を用いる場合、制御光と
してＴＥモード、誘電体バンドの白点○の領域を使用
し、信号光としてＴＭモードエアーバンドの黒点●の領
域を使用する。これにより、制御光、信号光の離調幅を
小さくすることができるため、上述の理由で信号光に対
する非線形効果を増大できる。
（ｈ）また、フォトニック結晶誘電体部への電界の集中
の程度は、バンドギャップが大きい程大きくなる傾向が
ある。従って、ＴＥモード誘電体バンドを用いることに
より、量子ドットをより効率的に励起することができ
る。このように、異なる偏光を用いることにより、設計
の自由度が増し、非線形効果を増大効果をより効果的に
高めることができる。On the other hand, when different polarizations are used, the TE mode and the white dot area of the dielectric band are used as the control light, and the black dot area of the TM mode air band is used as the signal light. As a result, the detuning width of the control light and the signal light can be reduced, so that the non-linear effect on the signal light can be increased for the above reason. (H) Further, the degree of concentration of the electric field on the photonic crystal dielectric portion tends to increase as the band gap increases. Therefore, the quantum dots can be excited more efficiently by using the TE mode dielectric band. As described above, by using different polarized light, the degree of freedom in design is increased, and the nonlinear effect can be enhanced more effectively.
【００２９】次に、量子ドットを用いる利点を別の側面
から示す。
（ｉ）量子ドットを使用することにより、非線形性誘起
部の品質を向上できる。フォトニック結晶の周期構造の
繰り返し間隔はサブミクロンである。本願発明では、フ
ォトニック結晶の高誘電体部に制御光による共鳴励起に
よりフォトキャリアを発生させる。高誘電体部と低誘電
体部（低誘電体部として空気の場合を含む）の界面は、
通常多くの欠陥を持つため、この誘電体部がバルク結晶
や量子井戸で構成される場合には、フォトキャリアの再
結合中心になる。そのため、生成したフォトキャリアは
上記界面で消滅してしまい、十分な非線形効果を得るこ
とができない。一方、量子ドットは、フォトニック結晶
の周期構造の繰り返し間隔に比べ十分小さく、量子ドッ
ト内部に生成したフォトキャリアは量子ドットの閉じ込
め効果のため、上記界面には到達しない。従って、制御
光により生成したフォトキャリアは、有効に信号光を制
御することに寄与する。
（ｊ）また、本願発明では、光制御素子において、量子
ドットの高次エネルギ準位を制御光の波長に設定するこ
とが好ましい。Next, the advantage of using quantum dots will be shown from another aspect. (I) By using the quantum dots, the quality of the nonlinearity inducing portion can be improved. The repeating interval of the periodic structure of the photonic crystal is submicron. In the present invention, photocarriers are generated in the high dielectric portion of the photonic crystal by resonance excitation with control light. The interface between the high-dielectric part and the low-dielectric part (including the case of air as the low-dielectric part) is
Since it usually has many defects, it becomes a recombination center of photocarriers when this dielectric portion is composed of a bulk crystal or a quantum well. Therefore, the generated photocarriers disappear at the interface, and a sufficient nonlinear effect cannot be obtained. On the other hand, the quantum dots are sufficiently smaller than the repeating interval of the periodic structure of the photonic crystal, and the photocarriers generated inside the quantum dots do not reach the interface due to the confinement effect of the quantum dots. Therefore, the photo carrier generated by the control light contributes to effectively control the signal light. (J) Further, in the present invention, in the light control element, it is preferable to set the high-order energy level of the quantum dot to the wavelength of the control light.
【００３０】量子ドット内のキャリアの緩和速度は、第
１励起凖位に比べ、高次エネルギ準位では高速になる。
これは、第１励起凖位でのキャリア緩和は発光再結合が
主な過程であるのに対して、高次励起凖位では発光再結
合過程に加え、より高速なバンド内無輻射緩和過程が支
配的になるためである。通例、量子ドットの不均一な広
がりを含めた吸収ピークと制御光に間隔は、１０ｍｅＶ
以下が多用される。The relaxation rate of the carriers in the quantum dot is higher in the higher energy levels than in the first excitation level.
This is because radiative recombination is the main process in the carrier relaxation at the first excitation level, but in the higher-order excitation level, in addition to the radiative recombination process, there is a faster intra-band radiationless relaxation process. Because it becomes dominant. Usually, the absorption peak including the non-uniform spread of the quantum dot and the control light are spaced by 10 meV.
The following are often used:
【００３１】本願発明の別な形態は、導波路型光制御素
子を提供することが出来る。即ち、この形態は、信号
光、制御光用の入力端、及び信号光、制御光を導波させ
る光導波路構造、及び信号光、制御光用の出力端を有す
ることを特徴とする光制御素子である。Another mode of the present invention can provide a waveguide type optical control element. That is, this mode has an input end for signal light and control light, an optical waveguide structure for guiding the signal light and control light, and an output end for signal light and control light. Is.
【００３２】さらに、上記導波路型光制御素子の性能の
向上のため、前記信号光、制御光の群速度をほぼ一致せ
しめるようにフォトニック結晶のフォトニックバンドを
設定するのが好ましい。フォトニック結晶内部では、光
の群速度は図２に示したようにバンドの種類、エネルギ
により異なる。広帯域の信号を重畳した信号光を導波路
中で制御光により制御するためには、信号光と制御光の
群速度を一致させることが必要である。Further, in order to improve the performance of the above-mentioned waveguide type light control element, it is preferable to set the photonic band of the photonic crystal so that the group velocities of the signal light and the control light are substantially matched. Inside the photonic crystal, the group velocity of light differs depending on the band type and energy as shown in FIG. In order to control the signal light on which the broadband signal is superimposed in the waveguide by the control light, it is necessary to make the group velocities of the signal light and the control light match.
【００３３】信号光パルス列の中のある特定のパルスを
スイッチする為には、制御光パルスは、その特定の信号
光パルスにのみ作用しなければならない。信号光パルス
列も制御光パルスも非線形導波路内を伝播する。従っ
て、両者の伝播速度によりもたらされる両者の遅延時間
が、信号光の一パルス以内であることが必要となる。In order to switch a particular pulse in the signal light pulse train, the control light pulse must act only on that particular signal light pulse. Both the signal light pulse train and the control light pulse propagate in the nonlinear waveguide. Therefore, it is necessary that the delay time of both caused by the propagation speeds of both is within one pulse of the signal light.
【００３４】このように、信号光と制御光の群速度を一
致させる為に、制御光、信号光、ドットエネルギー、フ
ォトニック結晶構造の構成をいかに行うか、その基本的
な例を以下に説明する。制御光と信号光の波長を設定す
る。
（２）制御光の波長に、１０ｍｅＶ以内で、量子ドット
の吸収ピークが一致するように量子ドットの材料、寸法
などを設計する。
（３）フォトニック部材の誘電体バンド、エアーバンド
のバンド端付近が、前記（２）の項目で設定した制御
光、信号光と１０ｍｅＶ以内で一致するように、フォト
ニック部材を設計する。又、誘電体バンド、エアーバン
ドのバンド端のエネルギーは、フォトニック部材の孔の
ピッチ、孔の大きさ、ロッド周期の調整、エアロッド／
誘電体ロッドの選択、伝搬方向の選択、偏光の選択、フ
ォトニック結晶格子（正方格子、六法格子等）の選択、
及びこれらを組み合わせることにより調整、設定を行う
ことが出来る。
（４）前記（３）の項目で調整された領域の中から、必
要許容度以内で、信号光、及び制御光の群速度が一致す
る領域を設定する。図３にこうした群速度の分散の例を
例示した。
（５）更に、当該光制御素子の特性の要請に応じて、前
記（３）より（４）の手順を繰り返し、より適正な構造
を設定することが出来る。A basic example of how to construct the control light, the signal light, the dot energy, and the photonic crystal structure in order to match the group velocities of the signal light and the control light in this way will be described below. To do. Set the wavelengths of control light and signal light. (2) The material, size, etc. of the quantum dot are designed so that the absorption peak of the quantum dot coincides with the wavelength of the control light within 10 meV. (3) The photonic member is designed so that the dielectric band of the photonic member and the vicinity of the band end of the air band match the control light and the signal light set in the item (2) within 10 meV. Further, the energy at the band ends of the dielectric band and the air band is adjusted by adjusting the pitch of the holes of the photonic member, the size of the holes, the rod cycle, the air rod /
Dielectric rod selection, propagation direction selection, polarization selection, photonic crystal lattice (square lattice, hexagonal lattice, etc.) selection,
And by combining these, adjustment and setting can be performed. (4) From the areas adjusted in the item (3), an area in which the group velocities of the signal light and the control light match is set within the required tolerance. FIG. 3 illustrates an example of such group velocity dispersion. (5) Furthermore, in accordance with the request for the characteristics of the light control element, the steps (3) to (4) can be repeated to set a more appropriate structure.
【００３５】また、本願発明の光導波路構造として、図
６に例示するような屈折率ガイド型の光導波路構造が好
ましい。この構造は、フォトニック部材６１を、これと
実効的な屈折率の異なる他の材料６２、いわゆるクラッ
ド層が囲んでいる構造である。入射光６３はフォトニッ
ク部材６１に入射する。本構造は、導波路型光制御素子
を提供することが出来る。即ち、この形態は、フォトニ
ック部材の一方の端面に、光信号光と、これとは別の波
長を有する制御光とを入射する入射面と、前記フォトニ
ック部材の他方の端面に射出面とを有し、前記フォトニ
ック部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニッ
ク結晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、
且つ前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及
びフォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号
光の波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定
し、且つ信号光、制御光用の入力端、及び信号光、制御
光を導波させる光導波路構造、及び信号光、制御光用の
出力端を有し、且つ、フォトニック部材を実効的な屈折
率の異なる他の材料で囲むことにより光導波構造とした
ことである。Further, as the optical waveguide structure of the present invention, a refractive index guide type optical waveguide structure as illustrated in FIG. 6 is preferable. This structure is a structure in which the photonic member 61 is surrounded by another material 62 whose effective refractive index is different from that of the photonic member 61, that is, a so-called cladding layer. Incident light 63 enters the photonic member 61. This structure can provide a waveguide type optical control element. That is, in this embodiment, one end surface of the photonic member has an incident surface on which the optical signal light and control light having a wavelength different from this are incident, and the other end surface of the photonic member has an emission surface. And the photonic member has a photonic crystal region and a region in which quantum dots are arranged in a high dielectric portion of the photonic crystal,
And the energy level of the quantum dot and the dielectric band of the photonic crystal are set in the wavelength range of the control light, and the air band of the photonic crystal is set in the wavelength range of the signal light, and for the signal light and the control light. Has an input end and an optical waveguide structure for guiding signal light and control light, and an output end for signal light and control light, and surrounds the photonic member with another material having a different effective refractive index. Therefore, it is an optical waveguide structure.
【００３６】また、本願発明に用いる量子ドットには自
己組織化量子ドットを用いることが好ましい。即ち、こ
の形態は、フォトニック部材の一方の端面に、光信号光
と、これとは別の波長を有する制御光とを入射する入射
面と、前記フォトニック部材の他方の端面に射出面とを
有し、前記フォトニック部材は、フォトニック結晶領域
及びこのフォトニック結晶の高誘電体部に量子ドットを
配した領域を有し、且つ前記制御光の波長域に量子ドッ
トのエネルギ準位及びフォトニック結晶の誘電体バンド
を設定し、前記信号光の波長域にフォトニック結晶のエ
アーバンドを設定し、且つ前記量子ドットが自己組織化
量子ドットなることを特徴とするものである。It is preferable to use self-assembled quantum dots as the quantum dots used in the present invention. That is, in this embodiment, one end surface of the photonic member has an incident surface on which the optical signal light and control light having a wavelength different from this are incident, and the other end surface of the photonic member has an emission surface. And the photonic member has a photonic crystal region and a region in which quantum dots are arranged in the high dielectric portion of the photonic crystal, and the energy level of the quantum dots in the wavelength range of the control light and The dielectric band of the photonic crystal is set, the air band of the photonic crystal is set in the wavelength range of the signal light, and the quantum dots are self-assembled quantum dots.
【００３７】本願諸発明に用いるフォトニック結晶、量
子ドットの材料として、フォトニック結晶誘電体部、量
子ドットに化合物半導体を用いることが有用である。As a material for the photonic crystal and quantum dots used in the inventions of the present application, it is useful to use a compound semiconductor in the photonic crystal dielectric portion and quantum dots.
【００３８】また、上記説明からも明らかなように、本
願発明の光制御素子は、制御光による信号光の位相変調
に大きな効果をもたらす。従って、上記本願諸発明の光
制御素子において、制御光により信号光の位相を変調す
ることを基本動作とすることが好ましく、極めて有用で
ある。Further, as is apparent from the above description, the light control element of the present invention has a great effect on the phase modulation of the signal light by the control light. Therefore, in the light control elements of the inventions of the present application, it is preferable and extremely useful that the basic operation is to modulate the phase of the signal light by the control light.
【００３９】次に、本願発明の光制御素子を、マッハツ
ェンダ型全光スイッチに適用した例を説明する。図７に
マッハツェンダ型全光スイッチの上部から見た概観図を
示す。図８、図９に各々、入力用導波路部、非線形導波
路部の拡大した斜視図、図１０、図１１に各々図８での
ａ−ｂ断面、及び図９でのｃ−ｄ断面を示す断面図を示
す。Next, an example in which the light control element of the present invention is applied to a Mach-Zehnder type all-optical switch will be described. FIG. 7 shows an overview of the Mach-Zehnder type all-optical switch seen from above. 8 and 9 are enlarged perspective views of the input waveguide section and the non-linear waveguide section, respectively, and FIGS. 10 and 11 are ab section in FIG. 8 and a cd section in FIG. 9, respectively. The sectional view shown is shown.
【００４０】先ず、本発明素子の構成の概要を説明す
る。本例の素子は、図７に見られるように、２つの非線
形導波路７１、７２を持つ非線形導波路部を素子中央に
配し、その両側に３つの光入力端７３、７４、７５と３
ｄＢ結合器導波路構造８０を持つ入力用導波路部７８、
２つの出力端７６、７７と３ｄＢ結合器導波路構造８１
を持つ出力用導波路部７９より構成されるマッハツェン
ダ干渉計構造である。First, the outline of the structure of the device of the present invention will be described. In the device of this example, as shown in FIG. 7, a nonlinear waveguide part having two nonlinear waveguides 71 and 72 is arranged at the center of the device, and three optical input ends 73, 74, 75 and 3 are provided on both sides of the nonlinear waveguide part.
an input waveguide section 78 having a dB coupler waveguide structure 80,
Two output ends 76, 77 and 3 dB coupler waveguide structure 81
Is a Mach-Zehnder interferometer structure including an output waveguide section 79 having
【００４１】次に、本素子の動作原理を説明する。入力
用導波路部の信号入力端７４より入射した光は、入力用
導波路部の３ｄＢ結合器８０で分波され、それぞれ別の
非線形導波路７２を通過した後、出力用導波路部の３ｄ
Ｂ結合器８１で合波される。制御光入力端７３から制御
光の入力がない場合には、合波される２つの光の位相は
一致しているため、合波された光は出力用導波路部の２
つの出力端７６、７７のうちの上側のポートより出射さ
れる。Next, the operating principle of this device will be described. The light incident from the signal input end 74 of the input waveguide section is demultiplexed by the 3 dB coupler 80 of the input waveguide section, passes through different nonlinear waveguides 72, respectively, and then enters the 3d section of the output waveguide section.
The signals are multiplexed by the B coupler 81. When there is no control light input from the control light input terminal 73, the phases of the two lights to be combined are the same, so that the combined light is equivalent to the light of the output waveguide section 2.
The light is emitted from the upper port of the two output terminals 76 and 77.
【００４２】一方、制御光入力端７３から制御光の入力
がある場合、制御光は上側の非線形導波路７１を通過す
るため、上側の非線形導波路７１の屈折率を変化させ
る。この状態で信号光を入射すると、出力用導波路部の
３ｄＢ結合器８１で合波される２つの光の位相には違い
が生じる。両者の位相差がπになると、合波された信号
光は、出力用導波路部の２つの出力端のうちの下側のポ
ート７７より出射される。このようにして、制御光によ
り信号光の出力端を切り替えるスイッチ動作を行うこと
ができる。On the other hand, when the control light is input from the control light input end 73, the control light passes through the upper nonlinear waveguide 71, so that the refractive index of the upper nonlinear waveguide 71 is changed. When the signal light is made incident in this state, a difference occurs in the phases of the two lights multiplexed by the 3 dB coupler 81 in the output waveguide section. When the phase difference between the two becomes π, the multiplexed signal light is emitted from the lower port 77 of the two output ends of the output waveguide section. In this way, the switch operation for switching the output end of the signal light by the control light can be performed.
【００４３】次に、本例の素子の詳細な構成を述べる。
ここでの素子構造設計の指針は、（１）フォトニック結
晶の分散と量子ドットのエネルギ準位の整合、及び
（２）伝搬モードの単一モード化である。なお、出力用
導波路部７９の基本は入力用導波路部７８の構造と同様
である。前述したように、図８、図９に入力用導波路
部、非線形導波路部の拡大した斜視図、図１０、図１１
に各々図８でのａ−ｂ断面、及び図９でのｃ−ｄ断面を
示す断面図を示す。これらの図を参酌して説明する。Next, the detailed structure of the device of this example will be described.
The guidelines for the device structure design here are (1) the dispersion of the photonic crystal and the matching of the energy levels of the quantum dots, and (2) the single propagation mode. The basic structure of the output waveguide section 79 is similar to that of the input waveguide section 78. As described above, FIGS. 8 and 9 are enlarged perspective views of the input waveguide portion and the non-linear waveguide portion, and FIGS.
8A and 8B are cross-sectional views showing an ab cross section in FIG. 8 and a cd cross section in FIG. 9, respectively. Description will be given with reference to these figures.
【００４４】図８及び図９の両図でバッチングを付けた
領域１は、膜厚３μｍ、幅１μｍ、長さ１０ｍｍの光導
波路部（伝搬部）であり、非線形導波路部では周期的に
エアホールを作製したフォトニック結晶構造になってい
る。このフォトニック結晶は空気（誘電率ε＝１）と誘
電体で構成した２次元３角配置エアロッドである。光導
波路の伝搬の方向はΓ−Ｘ方向であり、エアロッドの周
期は０.２７μｍ、フォトニック結晶中の空気の占める
割合（エアフィリングファクタ）は５８％である。この
フォトニック結晶のΓ−Ｘ方向のＴＭモードの分散は、
図２に相当する。光導波路部は、膜厚１μｍのＧａＡｌ
Ａｓ下部クラッド（ＧａＡｓ混晶比＝０.８）２、アン
ドープＧａＡｓ基板３の上に形成され、光導波路部の両
側にはポリイミドクラッド４が形成されている。In both FIGS. 8 and 9, the region 1 to which batching is applied is an optical waveguide portion (propagation portion) having a film thickness of 3 μm, a width of 1 μm, and a length of 10 mm. It has a photonic crystal structure with holes formed. This photonic crystal is a two-dimensional triangular array air rod composed of air (dielectric constant ε = 1) and a dielectric. The propagation direction of the optical waveguide is in the Γ-X direction, the period of the air rod is 0.27 μm, and the ratio of air in the photonic crystal (air filling factor) is 58%. The dispersion of TM mode in the Γ-X direction of this photonic crystal is
It corresponds to FIG. The optical waveguide is made of GaAl with a thickness of 1 μm.
An As lower clad (GaAs mixed crystal ratio = 0.8) 2 is formed on the undoped GaAs substrate 3, and a polyimide clad 4 is formed on both sides of the optical waveguide portion.
【００４５】光導波路部の詳細を図１０の断面図に示し
た。光導波路部は、膜厚１μｍのＧａＡｌＡｓ上部クラ
ッド（ＧａＡｓ混晶比＝０.８５）６、膜厚１μｍのＧ
ａＡｓ光導波路７、及び膜厚１μｍのＧａＡｌＡｓ下部
クラッド（ＧａＡｓ混晶比＝０.８５）８より構成され
る。こうした光導波路の構造は通例のものを用いて十分
である。上記構造により入出力用導波路部、非線形導波
路部ともに導波路を伝搬する光の横モードが、垂直方
向、水平方向ともに単一モードとなる。The details of the optical waveguide portion are shown in the sectional view of FIG. The optical waveguide is composed of a GaAlAs upper clad (GaAs mixed crystal ratio = 0.85) 6 with a film thickness of 1 μm and a G with a film thickness of 1 μm.
It is composed of an aAs optical waveguide 7 and a GaAlAs lower clad (GaAs mixed crystal ratio = 0.85) 8 having a film thickness of 1 μm. It is sufficient to use a customary structure for such an optical waveguide. With the above structure, the transverse mode of light propagating through the waveguide in both the input / output waveguide section and the nonlinear waveguide section becomes a single mode in both the vertical and horizontal directions.
【００４６】伝搬光は、垂直方向ではＧａＡｓ光導波路
７に約８０％閉じ込められ、水平方向ではＧａＡｓ光導
波路７に約９０％閉じ込められる。ここで、非線形導波
路部には、本発明の特徴であるフォトニック結晶の高誘
電体部にＩｎＡｓになる量子ドット９を配している。こ
こでは面密度１×１０10ｃｍ― 2の量子ドットを１００
ｎｍ間隔で３０層積層した。量子ドットの吸収ピーク波
長は１.２５μｍとした。また、本素子の特性を比較評
価するために、非線形導波路をフォトニック結晶、量子
ドットとも持たない試料、すなわち非線形導波路部に入
出力用導波路部の光導波路と同一な構造の光導波路を持
つ比較試料を作製した。The propagating light is confined in the GaAs optical waveguide 7 by about 80% in the vertical direction and by about 90% in the GaAs optical waveguide 7 in the horizontal direction. Here, in the nonlinear waveguide portion, the quantum dots 9 made of InAs in the high dielectric portion of the photonic crystal, which is a feature of the present invention, are arranged. Here areal density 1 × 10 10 cm - 2 100 quantum dots
Thirty layers were laminated at an interval of nm. The absorption peak wavelength of the quantum dots was 1.25 μm. In order to compare and evaluate the characteristics of this device, a sample without a photonic crystal or quantum dot as a nonlinear waveguide, that is, an optical waveguide having the same structure as the optical waveguide of the input / output waveguide in the nonlinear waveguide A comparative sample with was prepared.
【００４７】次に本素子の作製手順を述べる。ここで
は、入出力用導波路部、非線形導波路部を個別に作製し
てハイブリッド実装した。勿論、これらをモノリシック
に製造しても良い。Next, a procedure for manufacturing this device will be described. Here, the input / output waveguide section and the nonlinear waveguide section are individually manufactured and hybrid-mounted. Of course, these may be manufactured monolithically.
【００４８】先ず、入出力用導波路部、及び比較試料の
非線形導波路部の作製方法を述べる。結晶成長にはＭＢ
Ｅ結晶成長法を用いた。First, a method of manufacturing the input / output waveguide section and the non-linear waveguide section of the comparative sample will be described. MB for crystal growth
The E crystal growth method was used.
【００４９】半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上にＧａＡｌＡ
ｓ下部クラッド（ＧａＡｓ混晶比＝０.８、膜厚１μ
ｍ）２、ＧａＡｌＡｓ下部クラッド（ＧａＡｓ混晶比＝
０.１、膜厚１μｍ）８、ＧａＡｓ光導波路（膜厚１μ
ｍ）７、ＧａＡｌＡｓ上部クラッド（ＧａＡｓ混晶比＝
０.１、膜厚１μｍ）（６）を順次成長した。成長温
度、砒素圧力は５６０℃、１×１０-5Ｔｏｒｒとした。
光導波路の形状形成には硫酸系の溶液による湿式エッチ
ングを用いた。回転塗布法によりポリイミド膜を塗布し
た後、ウエハの裏面を膜厚１５０μｍまで研摩した。そ
の後所望の大きさに劈開して、入出力用導波路部、及び
比較試料の非線形導波路部を作製した。GaAlA is formed on the semi-insulating GaAs substrate 3.
s Lower cladding (GaAs mixed crystal ratio = 0.8, film thickness 1μ
m) 2, GaAlAs lower clad (GaAs mixed crystal ratio =
0.1, film thickness 1 μm 8, GaAs optical waveguide (film thickness 1 μm
m) 7, GaAlAs upper cladding (GaAs mixed crystal ratio =
(6) having a thickness of 0.1 μm and a thickness of 1 μm were sequentially grown. The growth temperature and arsenic pressure were 560 ° C. and 1 × 10 −5 Torr.
Wet etching with a sulfuric acid-based solution was used for forming the shape of the optical waveguide. After applying the polyimide film by the spin coating method, the back surface of the wafer was polished to a film thickness of 150 μm. After that, it was cleaved to a desired size to prepare an input / output waveguide section and a non-linear waveguide section of a comparative sample.
【００５０】次に、本発明の非線形導波路部の形成法を
述べる。これについては、入出力用導波路部の形成方法
との違いを軸に以下に示すこととする。通例の導波路は
通例の方法に従って良い。Next, a method of forming the nonlinear waveguide portion of the present invention will be described. The difference from the method of forming the input / output waveguide section will be shown below. Customary waveguides may follow customary methods.
【００５１】結晶成長では、ＧａＡｌＡｓ下部クラッド
（ＧａＡｓ混晶比＝０.８、膜厚１μｍ）２を成長後、
ＩｎＡｓによる量子ドットを含む光導波路部１を形成し
た。ＩｎＡｓ量子ドットを成長温度４８０℃、Ｉｎ供給
量２.０ＭＬで成長して、ＧａＡｌＡｓ（上下部クラッ
ド）及びＧａＡｓ（光導波路）１００ｎｍで埋め込ん
だ。そして、この行程を３０回繰り返した。導波路形状
形成後、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりフ
ォトニック結晶構造を形成した。ドライエッチングのパ
タン形成用のマスクには、Ｎｉと電子線レジストの２層
膜を用い、主なドライエッチング条件は、基板温度５０
℃、加速電圧５００Ｖ、ガス圧力１×１０ -5Ｔｏｒｒと
した。In the crystal growth, the GaAlAs lower cladding is used.
(GaAs mixed crystal ratio = 0.8, film thickness 1 μm) 2 was grown,
The optical waveguide part 1 including the quantum dots made of InAs is formed.
It was InAs quantum dots with growth temperature of 480 ℃
It grows up to a volume of 2.0 ML and grows in GaAlAs (upper and lower
Embedded) and GaAs (optical waveguide) 100 nm
It is. Then, this process was repeated 30 times. Waveguide shape
After formation, dry etching using chlorine-based gas
A photonic crystal structure was formed. Dry etching pattern
The mask for forming the tongue has two layers of Ni and electron beam resist.
The film is used and the main dry etching conditions are a substrate temperature of 50.
℃, acceleration voltage 500V, gas pressure 1 × 10 -FiveWith Torr
did.
【００５２】次に、光学特性を測定する為の光学測定方
法、および測定結果を述べる。測定は図７に示す素子の
制御光入力端より、パルス幅１ｐｓの制御光、及び信号
光入力端より連続光を入射する。そして、信号光出力端
からの出力を、シンクロ・スキャンストリーク・カメラ
で観測した。この観測に基づき、出力の変調度が極大と
なる制御光入力をスイッチング光電力（πシフト）とし
た。光源には、本実験のフォトニック結晶、量子ドット
を含む試料の測定には、ＣＷ及びモードロックしたチタ
ン・サファイヤ・レーザの出力光を、光パラメトリック
発振器により変換した波長１.１μｍ−１.４μｍの光を
用いた。また、フォトニック結晶、量子ドットを含まな
い比較用試料の光源には、ＣＷ及びモードロックしたチ
タン・サファイヤ・レーザを用いた。尚、このレーザの
波長は８８０ｎｍ-９２０ｎｍを用いた。Next, the optical measurement method for measuring the optical characteristics and the measurement results will be described. For the measurement, control light having a pulse width of 1 ps is input from the control light input end of the device shown in FIG. 7, and continuous light is input from the signal light input end. Then, the output from the signal light output end was observed with a synchro scan streak camera. Based on this observation, the switching light power (π shift) was defined as the control light input that maximizes the output modulation. As the light source, the photonic crystal of this experiment, and for the measurement of the sample containing the quantum dots, the output light of the CW and mode-locked titanium sapphire laser was converted by an optical parametric oscillator to a wavelength of 1.1 μm-1.4 μm. Light was used. A CW and mode-locked titanium sapphire laser was used as the light source of the comparative sample containing no photonic crystal or quantum dot. The wavelength of this laser was 880 nm-920 nm.
【００５３】本願発明のマッハツェンダ素子では、波長
が１.２５μｍ、且つＴＭ偏光の制御光、波長が１.１５
μｍ、且つＴＭ偏光の信号光を用いた場合、πシフト制
御光に関する電力が１２００ｆＪ、スイッチ速度が１ｎ
ｓの特性を得た。なお、ここで示した光電力は、光導波
路の結合効率、素子入射端、接続端での反射を別途測定
して、それらを差し引いた実質的なスイッチ電力であ
る。また、波長が１.２１μｍ、且つＴＥ偏光の制御
光、波長が１.１５μｍ、且つＴＭ偏光の信号光を用い
た場合、πシフト制御光に関する電力が２００ｆＪ、ス
イッチ速度が１ｎsの特性を得た。この制御光の消費電
力の改善は、前述の図５を用いて説明した効果、及び量
子ドットの光吸収における異方性によるものと考えられ
る。In the Mach-Zehnder device of the present invention, the control light of TM polarization is 1.25 μm, and the wavelength is 1.15.
When signal light of μm and TM polarization is used, the power for the π shift control light is 1200 fJ and the switch speed is 1 n.
s characteristics were obtained. The optical power shown here is a substantial switch power obtained by separately measuring the coupling efficiency of the optical waveguide, the reflection at the element incident end, and the reflection at the connection end, and subtracting them. Further, when the control light having the wavelength of 1.21 μm and the TE polarization, and the signal light having the wavelength of 1.15 μm and the TM polarization are used, the power of the π shift control light is 200 fJ and the switching speed is 1 ns. . It is considered that the improvement in the power consumption of the control light is due to the effect described with reference to FIG. 5 and the anisotropy in the light absorption of the quantum dots.
【００５４】また、比較用素子では、波長が０.８８μ
ｍ、且つＴＥ偏光の制御光、波長が０.９２μｍ、且つ
ＴＥ偏光の信号光を用いた場合、πシフト制御光に関す
る電力が６２００ｆＪ、スイッチ速度が１ｎｓの特性を
得た。In the comparative element, the wavelength is 0.88 μm.
When m, TE-polarized control light, and wavelength of 0.92 μm and TE-polarized signal light were used, the characteristics of the π shift control light were 6200 fJ and the switch speed was 1 ns.
【００５５】以上の３種類の測定結果より、ファトニッ
ク結晶と量子ドットを組み合わせた本願発明の構造によ
り、大幅な制御光電力の削減が可能であることが十分理
解されるであろう。From the above three types of measurement results, it will be fully understood that the control light power can be significantly reduced by the structure of the present invention in which the fatonic crystal and the quantum dots are combined.
【００５６】また、量子ドットの高次エネルギ準位を励
起することによる応答速度改善の効果を、以下のとおり
検討した。素子構造、作製方法は、基本的に上述の試料
と同等である。ここでは、量子ドットのエネルギ準位を
小さくするため、ＭＢＥ成長後、７８０℃で３０分の熱
処理を行った。その結果、量子ドットの最低励起エネル
ギ準位は１.２５μｍから１.３０μｍに変化して、第２
励起準位がほぼ１.２５μｍとなった。The effect of improving the response speed by exciting the higher-order energy levels of the quantum dots was examined as follows. The element structure and the manufacturing method are basically the same as those of the above-described sample. Here, in order to reduce the energy level of the quantum dots, heat treatment was performed at 780 ° C. for 30 minutes after MBE growth. As a result, the lowest excitation energy level of the quantum dots changed from 1.25 μm to 1.30 μm,
The excitation level became almost 1.25 μm.
【００５７】この素子を用いて前述と同様な光学評価を
行った。本素子は、波長が１.２４μｍ、且つＴＥ偏光
の制御光、波長が１.２０μｍ、且つＴＭ偏光の信号光
の場合、πシフト制御光電力が４００ｆＪ、スイッチ速
度が２０ｐｓの極めて高速な応答を確認できた。Using this device, the same optical evaluation as described above was performed. This device has an extremely high-speed response with a π-shift control optical power of 400 fJ and a switch speed of 20 ps for TE-polarized control light with a wavelength of 1.24 μm and TM-polarized signal light with a wavelength of 1.20 μm. It could be confirmed.
【００５８】ここでは、マッハツェンダ干渉計による全
光スイッチによる実施例を示した。本願発明は、光によ
り誘起される位相の変化を効率的に増大することができ
る。従って、本願発明は、他の位相変化を利用した素
子、例えば方向性結合器型光変調器、あるいはエタロン
を利用した光制御素子等への応用が可能であることは言
うまでもない。In this example, an all-optical switch using a Mach-Zehnder interferometer is shown. The present invention can efficiently increase the phase change induced by light. Therefore, it is needless to say that the present invention can be applied to an element using another phase change, such as a directional coupler type optical modulator, or an optical control element using an etalon.
【００５９】[0059]
【発明の効果】本願発明は、全光・光制御素子におい
て、信号光を制御するために用いられる制御光の電力を
実用化可能なレベルに低減できる。INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can reduce the electric power of the control light used for controlling the signal light in the all-optical / optical control element to a practical level.
【図１】図１は発明の原理を説明する為の説明図であ
る。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the principle of the invention.
【図２】図２はフォトニック結晶での、光のエネルギー
と波数分散との関係の例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a relationship between light energy and wave number dispersion in a photonic crystal.
【図３】図３はフォトニック結晶での、光のエネルギー
と群速度分散との関係の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a relationship between light energy and group velocity dispersion in a photonic crystal.
【図４】図４はフォトニック結晶での、光のエネルギー
と誘電率の変化によって誘起された波数変化との関係の
例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a relationship between light energy and a change in wave number induced by a change in dielectric constant in a photonic crystal.
【図５】図５は異なる偏光を用いた光・光制御の例を示
す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of light / light control using different polarizations.
【図６】図６はフォトニック結晶を用いた屈折率ガイド
型光導波路の例を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing an example of a refractive index guide type optical waveguide using a photonic crystal.
【図７】図７はマッハツェンダ型全光スイッチの例を示
す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing an example of a Mach-Zehnder type all-optical switch.
【図８】図８はマッハツェンダ型全光スイッチの例の入
出力部の斜視図である。FIG. 8 is a perspective view of an input / output unit of an example of a Mach-Zehnder type all-optical switch.
【図９】図９はマッハツェンダ型全光スイッチの例の非
線形導波路部の斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of a nonlinear waveguide section of an example of a Mach-Zehnder type all-optical switch.
【図１０】図１０はマッハツェンダ型全光スイッチの例
の入出力部を示す図８のａ−ｂ断面図である。10 is a cross-sectional view taken along line ab of FIG. 8 showing an input / output unit of an example of a Mach-Zehnder type all-optical switch.
【図１１】図９はマッハツェンダ型全光スイッチの例の
非線形導波路部を示す図９のｃ−ｄ断面図である。11 is a sectional view taken along line cd of FIG. 9 showing a non-linear waveguide portion of an example of a Mach-Zehnder type all-optical switch.
１：光導波路部、２：下部クラッド、３：基板、４：ク
ラッド、５：フォトニック結晶エアホール、６：上部ク
ラッド、７：光導波路、８：下部クラッド、９：量子ド
ット、２５：空気、２６：誘電体、２７：エアーバン
ド、２８：誘電体バンド、２９：光電界強度の分布曲
線、６１：フォトニック結晶、６２：クラッド領域、６
３：入射光、７１、７２：非線形導波路、７３：制御光
入力端、７４：信号光入力端、７５：光入力端、７６、
７７：信号光出力端、７８：入力用導波路部、７９：出
力用導波路部、８０、８１：３ｄＢ結合器。1: optical waveguide part, 2: lower clad, 3: substrate, 4: clad, 5: photonic crystal air hole, 6: upper clad, 7: optical waveguide, 8: lower clad, 9: quantum dot, 25: air , 26: Dielectric, 27: Air band, 28: Dielectric band, 29: Distribution curve of optical electric field intensity, 61: Photonic crystal, 62: Cladding region, 6
3: incident light, 71, 72: non-linear waveguide, 73: control light input end, 74: signal light input end, 75: light input end, 76,
Reference numeral 77: signal light output end, 78: input waveguide portion, 79: output waveguide portion, 80, 81: 3 dB coupler.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河本 滋 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 浅川 潔 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 ニクラス カールソン 茨城県つくば市東光台５丁目５番地 技 術研究組合フェムト秒テクノロジー研究 機構内 (56)参考文献 特開 平10−90634（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/29 - 7/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shigeru Kawamoto 5-7-1, Shiba, Minato-ku, Tokyo NEC Corporation (72) Inventor Kiyoshi Asakawa 5-7-1, Shiba, Minato-ku, Tokyo NEC Incorporated (72) Inventor Niclas Carlson, 5-5 Tokodai, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture Technical Research Association, Femtosecond Technology Research Organization (56) Reference JP 10-90634 (JP, A) (58) Survey Areas (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/29-7/00
Claims (5)
光、及びこれとは別の波長を有する制御光とを入射する
入力面と、前記フォトニック部材の他方の端面に前記光
信号光の出力面とを有し、且つ前記フォトニック部材
は、フォトニック結晶領域及びこのフォトニック結晶の
高誘電体部に量子ドットを配した領域を有し、且つ前記
制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準位及びフォト
ニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記信号光の波長
域にフォトニック結晶のエアーバンドを設定してなるこ
とを特徴とする光制御素子。1. An input surface on which optical signal light and control light having a wavelength different from this are incident on one end surface of the photonic member, and the optical signal light on the other end surface of the photonic member. The photonic member has an output surface, and the photonic member has a photonic crystal region and a region in which quantum dots are arranged in a high-dielectric part of the photonic crystal, and the photonic member has a quantum dot in the wavelength range of the control light. An optical control element characterized in that an energy level and a dielectric band of a photonic crystal are set, and an air band of the photonic crystal is set in a wavelength range of the signal light.
光、及びこれとは別の波長を有する制御光とを入射する
入力面と、前記フォトニック部材の他方の端面に前記光
信号光の出力面とを有し、前記フォトニック部材の入力
面に光学的に接続された光導波路を有し、且つ前記フォ
トニック部材は、フォトニック結晶領域及びこのフォト
ニック結晶の高誘電体部に量子ドットを配した領域を有
し、且つ前記制御光の波長域に量子ドットのエネルギ準
位及びフォトニック結晶の誘電体バンドを設定し、前記
信号光の波長域にフォトニック結晶のエアーバンドを設
定したことを特徴とする光制御素子。2. An input surface on which an optical signal light and a control light having a wavelength different from this are incident on one end surface of the photonic member, and the optical signal light on the other end surface of the photonic member. An output surface, and an optical waveguide optically connected to the input surface of the photonic member, wherein the photonic member includes a photonic crystal region and a high dielectric portion of the photonic crystal. It has a region where dots are arranged, and sets the energy level of the quantum dot and the dielectric band of the photonic crystal in the wavelength range of the control light, and sets the air band of the photonic crystal in the wavelength range of the signal light. A light control element characterized by the above.
行な少なくとも一対の側面を実効的な屈折率の異なる他
の材料で囲み光導波構造としたことを特徴とする請求項
１又は請求項２に記載の光制御素子。3. The optical waveguide structure according to claim 1, wherein at least a pair of side surfaces of the photonic member parallel to the light traveling direction are surrounded by another material having a different effective refractive index to form an optical waveguide structure. 2. The light control element according to 2.
に異ならしめることを特徴とする請求項１より請求項３
のいずれかに記載の光制御素子。4. The polarization according to claim 1, wherein the polarization of the signal light and the polarization of the control light are different from each other.
The light control element according to any one of 1.
を、前記信号光、前記制御光が前記フォトニック部材を
通過する場合の両者の遅延時間が、信号光の１パルス以
内に一致せしめるように、フォトニック部材のフォトニ
ックバンドを設定したことを特徴とする請求項１より請
求項４のいずれかに記載の光制御素子。5. The respective group velocities of the signal light and the control light are equal to each other in delay time within 1 pulse of the signal light when the signal light and the control light pass through the photonic member. The photonic band of the photonic member is set so that the light control element according to any one of claims 1 to 4.
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