JP3866836B2 - 非線形光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は一般に非線形光学装置に関し、特に量子ドットを使った非線形光学装置に関する。
【０００３】
非線形光学効果は、媒体に印加される電界あるいは光により媒体の屈折率等の光学的状態が変化する現象で、光集積回路や光論理装置等の光情報処理装置における光導波路のスイッチング、空間光変調器、あるいは光変調器や光フィルタへの応用が研究されている。
【従来の技術】
【０００４】
従来の非線形光学装置では、非線形光学効果を示す媒体として、ＬｉＮｂＯ３
等の反転対称性を欠く無機結晶が使われることが多かったが、大きな非線形光学効果を示す材料として、実質的に１次元的に整列した鎖状の分子構造を有する有機ポリマ材料の使用が提案されている。例えば T. Yoshimura, Fujitsu Sci. Tech. J., 27, 1, pp.115-131, 1991を参照。かかる、実質的に１次元的に整列した鎖状の分子構造を有するポリマは２次元的にキャリアを閉じ込める量子細線を形成し、大きな非線形光学効果を示す。
【０００５】
非線形光学効果は異なった量子状態の混合により生じる。このため、異なった量子準位間における波動関数の差と重なり如何により、大きな非線形光学効果が観測される。例えば、基底状態と励起状態の二つの状態のみを考えた場合、２次非線形光学効果の感受率βは、
β∝ｆ（Ｐe−Ｐg），
で与えられる。
【０００６】
ただし
ｆ∝＜Ｅ｜ｒ｜Ｇ＞2，
Ｐe＝＜Ｅ｜ｒ｜Ｅ＞， Ｐg＝＜Ｇ｜ｒ｜Ｇ＞，
であり、Ｅは基底状態の波動関数、Ｇは励起状態の波動関数、ｆは振動子強度、Ｐe，Ｐgは双極子モーメント，ｒは位置ベクトルを示す。
【０００７】
図２１は、様々な形の波動関数ＥおよびＧに対する、項ｆ，Ｐe−Ｐg，およびβの計算例を示す。
【０００８】
図２１よりわかるように、励起状態および基底状態の波動関数ＥおよびＧが互いに等しいと、項Ｐe−Ｐgが実質的に０になり、２次非線形光学効果は現れない。一方、図２１中右端に示すように、波動関数Ｅと波動関数Ｇの差が大きすぎて波動関数ないし電子雲の重なりが全く存在しない場合、項ｆは実質的に０になり、やはり２次の非線形光学効果は現れない。これに対し、図２１中、中央部に示すように、波動関数Ｅと波動関数Ｇの差が最適である場合、２次非線形光学効果を示す項βは最大になる。
【０００９】
先にも説明したように、１次元的に連続する量子細線構造を含む有機材料を使うことにより、従来の量子構造を有さない媒体に比べて２次非線形光学効果を向上させることができる。そこで、量子構造によるキャリアの閉じ込めの程度をさらに高めた量子ドットを媒体中に形成することにより、２次非線形光学効果をさらに向上させることが可能になると考えられる。量子ドットは、有機材料中に、孤立した分子の形で形成することができる。
【００１０】
しかし、有機材料中に量子ドットを形成した場合、電子−フォノン相互作用が大きくなり、鋭いスペクトルが得られないことが知られている。これはまた、波動関数Ｇから波動関数Ｅへの電子励起共鳴による２次非線形光学効果の増大効果が十分得られないことを意味している。また、有機分子により量子ドットを形成する場合、分子の配向方向を揃えるのが困難で、得られる２次非線形光学効果が小さくなってしまう問題が生じる。
【００１１】
一方、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現する、いわゆるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長を利用することにより、基板上に相互に離間した島の形で量子ドット構造を形成できることが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ組成が０.５程度の格子定数が大きく異なるＩｎＧａＡｓ層を数分子層、ＭＢＥ法により堆積することにより、直径が３０〜４０ｎｍのＩｎＧａＡｓの島がＧａＡｓ基板上に形成されることが報告されている（Leonard, D., et al., Appl. Phys. Lett., 63, pp.3203-3205, 1993）。また、ＡＬＥ法を使って直径が１５〜２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓの島を、ＧａＡｓ基板上に、１００ｎｍ程度の間隔で形成できることが報告されている（Mukai, K., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.L1710-L1712, 1994）。さらに、ＭＯＶＰＥ法によっても、同様な量子ドットを形成できることが知られている（Oshinowo, J., et al., Appl. Phys. Lett., 65 (11), pp.1421-1423, 1994）。
【００１２】
かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造における量子ドットの形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエネルギにより支配されるため、従来の量子ドット構造に形成に比べてはるかに簡単であり、また電子ビームリソグラフィ等によるパターニングを行うわけでもないので、形成された量子ドットが製造プロセスにより損傷を受けることもない。
【００１３】
そこで、かかる半導体基板上に形成された量子ドットを使って、非線形光学装置を構成することが考えられる。かかる半導体基板上に形成された量子ドットでは、電子−フォノン相互作用も、有機分子による量子ドットの場合に比べて小さいと考えられる。
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、従来の半導体基板上に形成された量子ドットは、上記Ｓ−Ｋモードで形成されたものも含めて、一般に反転対称性を備えているため、特に２次の非線形光学効果、例えばポッケルス効果を示すことが出来なかった。周知のように、２次の非線形光学効果を示すためには、媒質は反転対称性を有していてはならない。このため、このような従来の量子ドットを使って、光導波路のスイッチや空間光変調器、光フィルタ、あるいは光変調器を形成することはできなかった。
【００１５】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な非線形光学装置を提供することを概括的課題とする。
【００１６】
本発明のより具体的な課題は、半導体基板上に形成された量子ドットを含む、非線形光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
半導体基板と、
第１の半導体材料よりなり、前記半導体基板上に形成され、光ビームが通過する層と、
前記第１の半導体材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの半導体材料よりなり、前記層中であって前記半導体基板の主面に略垂直な方向に並んで複数、積層形成された量子ドットと、
前記層上に形成され、前記複数の量子ドットに、前記半導体基板の主面に略垂直に作用する電界を印加する電極と、を備えた非線形光学装置において、
前記量子ドットの各々は実質的に一様な組成を有し、前記垂直な方向に並んで、複数積層形成された量子ドット間では組成が変化しており、前記複数の量子ドットは、全体として、前記半導体基板の主面に垂直な方向に非対称なバンド構造を形成することを特徴とする非線形光学装置により、または
請求項２に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする請求項１記載の非線形光学装置により、または
請求項３に記載したように、
前記組成の変化は、全体として、前記基板に垂直な方向に、非対称的に生じることを特徴とする請求項１記載の非線形光学装置により、または
請求項４に記載したように、
前記組成の変化は、前記基板に垂直な方向に対して階段的に生じることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置により、または
請求項５に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記基板に垂直な方向に一対のバリア層により挟持され、前記一対のバリア層は、それぞれ異なったドーピングを有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置により、または
請求項６に記載したように、
前記一対のバリア層は、互いに異なった導電型の不純物により、それぞれドーピングされていることを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置により、または
請求項７に記載したように、
前記一対のバリア層は、それぞれ異なった組成を有することを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置により、または
請求項８に記載したように、
前記バリア層は、前記複数の量子ドットに対応して、前記基板に垂直な方向に複数層形成され、前記複数層のバリア層は、前記基板に垂直な方向に、各層でドーピングを変化させることを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置により、または
請求項９に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする請求項５〜８のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置により、または
請求項１０に記載したように、
半導体基板と、
第１の半導体材料よりなり、前記半導体基板上に形成され、光ビームが通過する層と、
前記第１の半導体材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの半導体材料よりなり、前記層中であって前記半導体基板の主面に略垂直な方向に並んで複数、積層形成され、相互に量子力学的に結合して、実効的に単一の量子ドットを形成する複数の量子ドットと、
前記層上に形成され、前記量子ドットに、前記半導体基板の主面に略垂直に作用する電界を印加する電極と、を備えた非線形光学装置において、
前記複数の量子ドットの各々は、実質的に一様な組成を有し、前記垂直な方向に並んで複数、積層形成された量子ドット間では組成が変化しており、前記複数の量子ドットは、全体として、前記半導体基板の主面に垂直な方向に非対称なバンド構造を形成することを特徴とする非線形光学装置により、または
請求項１１に記載したように、
前記組成の変化は、前記垂直な方向に対して階段的に生じることを特徴とする請求項１０記載の非線形光学装置により、または
請求項１２に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする、請求項１０または１１記載の非線形光学装置により、または
請求項１３に記載したように、
前記半導体基板の主面に略垂直な方向に整列した複数の量子ドットの間には、複数のバリア層が、各量子ドット対間に一つのバリア層が存在するように介在し、前記複数のバリア層は、前記半導体基板の主面に略垂直な方向にその組成を変化させることを特徴とする請求項１０記載の非線形光学装置により、解決する。
【００１８】
［第１実施例］
図１は、本発明が適用される非線形光学装置１０の一例を示す。
【００１９】
図１を参照するに、非線形光学装置１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ等の半導体基板１上に形成され、基板１１上にエピタキシャルに形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓ等よりなる下側クラッド層１２と、前記下側クラッド層１２上にエピタキシャルに形成された、後で詳細に説明する量子ドットを含む活性層１３と、前記活性層上にエピタキシャルに形成された、ｐ型ＡｌＧａＡｓ等よりなる上側クラッド層１４とを含み、半導体層１１〜１４で構成される層状構造体の入射側端面には、入射光が前記活性層１３と光結合するように入射される。
【００２０】
前記上側クラッド層１４上には、前記入射側端面に隣接して、前記活性層１３中に入射した光ビームを平行光に変換するレンズ作用を前記活性層１３中に誘起する電極１４Ａが形成される。さらに、前記上側クラッド層１４上には、前記レンズ作用により変換された平行光ビームを屈折させるプリズム作用を前記活性層１３中に誘起するプリズム電極１４Ｂ，１４Ｃと、前記入射側端面に対向する出射側端面に隣接して形成され、前記プリズム電極１４Ｂあるいは１４Ｃによるプリズム作用により屈折された平行光ビームを集束させるレンズ作用を前記活性層１３中中に誘起する電極１４Ｄとが形成されている。
【００２１】
動作時には、前記基板１１は接地され、前記プリズム電極１４Ｂ，１４Ｃに制御電圧を印加することにより、前記出射側端面から出射する光ビームの光路がＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間で切り換えられる。
【００２２】
図２は、図１の非線形光学装置１０の一部を示す断面図である。
【００２３】
図２を参照するに、前記活性層１３は例えば非ドープＧａＡｓよりなり、多数の相互に孤立した、各々キャリアのドブロイ波長と同程度あるいはそれ以下の大きさの量子ドット１３Ｄを含む。図示の例では量子ドット１３Ｄは基板１１に略垂直な方向に整列しており、各々の量子ドット１３Ｄは、相互に異なった、より小さい量子ドット１３ａ，１３ｂ，１３ｃの集合からなっている。
【００２４】
量子ドット１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、例えば前記基板１１に対して垂直方向に組成が順次変化する半導体材料により形成され、その結果量子ドット１３Ｄ全体では反転対称性が消滅する。例えば、量子ドット１３ａ，１３ｂ，１３ｃを、それぞれＩｎＡｓ，（ＩｎＡｓ）0.5（ＧａＳｂ）0.5，ＧａＳｂより構成することにより、図３（Ａ）に示す、ｚ方向、すなわち基板１１に垂直な方向に、順次非対称に変化するバンド構造が得られる。ただし、図３（Ａ）中、ＣBは伝導帯を、またＶBは価電子帯を示す。その結果、量子ドット１３Ｄでは波動関数および電子雲も、図２１で説明したようにｚ方向に非対称になり、活性層１３は顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００２５】
また、各々の量子ドット１３Ｄにおいて、量子ドット１３ａ〜１３ｃの間での組成の変化は連続的であってもよい。この場合には、図３（Ｂ）に示す、ｚ方向に連続的に変化するバンド構造が得られる。この場合にも、各量子ドット１３Ｄにおいてバンド構造は、ｚ方向に非対称になる。
【００２６】
さらに、図３（Ｃ）に示すように、各量子ドット１３Ｄにおいて、量子ドット１３ｂを非ドープとし、量子ドット１３ａをｎ型に、また量子ドット１３ｃをｐ型にドープしてもよい。
【００２７】
図４（Ａ）は、図３の量子ドット１３Ｄを詳細に示す。
【００２８】
図４（Ａ）を参照するに、ＧａＡｓ基板１１に格子整合するＡｌＧａＡｓバッファ層１２上には、ＧａＡｓに対して歪み系を形成するＩｎＡｓ量子ドット１３ａがＭＯＶＰＥ法により、周知の歪み系におけるＳ−Ｋモードの島状成長を利用して、典型的には径が約２０ｎｍ、高さが約２０ｎｍ程度のディスク状に形成される。かかるＩｎＡｓ量子ドット１３ａは、さらにＧａＡｓ活性層１３の一部をなす薄いＧａＡｓ層で覆われ、その上に今度は組成が（ＩｎＡｓ）0.5（ＧａＳｂ）0.5のディスク状量子ドット１３ｂが、ＭＯＶＰＥ法により、同様なＳ−Ｋモードによる島状成長を利用して、量子ドット１３ａとほぼ同様な径および高さで形成される。量子ドット１３ｂも、ＧａＡｓ基板１１に対して量子ドット１３ａと同様な歪み系を形成する。
【００２９】
量子ドット１３ａを覆う薄いＧａＡｓ層は、前記量子ドット１３ａの高さと同程度あるいはそれ以下の厚さ、典型的には約３ｎｍ以下の厚さに形成されるため、結晶構造が下側の量子ドット１３ａの影響により局所的に大きく歪み、このため、かかる量子ドット１３ａを覆うＧａＡｓ層上に量子ドット１３ｂを形成した場合、量子ドット１３ｂは、かかる歪んだ位置に優先的に形成される。換言すると、量子ドット１３ｂは、下側の量子ドット１３ａに実質的に整列して形成される。Ｓ−Ｋモードにより形成した量子ドットの自発的整列については、例えば Sugiyama, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35, Part 1, No.2B， pp.365-369, February, 1996を参照。
【００３０】
さらに、量子ドット１３ｂは、量子ドット１３ａと同様に、薄いＧａＡｓ層により覆われ、その上に組成がＧａＳｂの量子ドット１３ｃが、量子ドット１３ａと同様に形成される。このような自発的に整列した量子ドット１３ａ〜１３ｃは相互に量子力学的に結合し、実効的に単一の量子ドット、すなわち量子ドット１３Ｄを形成する。ただし、量子ドット３Ｄは、通常の量子ドットと異なり、実効的に非対称な内部構造を有する。量子ドット１３ａ〜１３ｃは、例えばＭＢＥ法はＡＬＥ法、あるいはＭＯＶＰＥ法により、簡単に形成できる。
【００３１】
特に上下に整列した量子ドットの間に介在するＧａＡｓ膜の厚さを約３ｎｍ以下にした場合、下側の量子ドットと上側の量子ドットとは接触している可能性があるが、そのような場合でも上下の量子ドット、例えば量子ドット１３ａと１３ｂとが融合することはなく、量子ドット１３ａと１３ｂとは、それぞれの表面により画成されている。
【００３２】
かかる自発的な量子ドットの整列の結果、図４（Ａ）の量子ドット１３Ｄについて、図４（Ｂ）に示す非対称なバンド構造が、ｚ方向に対して得られる。その際、量子ドット１３ａ〜１３ｃは相互に量子力学的に結合しているため、図４（Ｂ）中に示すように、電子の量子準位Ｌeとホールの量子準位Ｌhとが、量子ドット１３Ｄ全体に対して形成される。ここで、量子ドット１３ａ〜１３ｃの組成を細かく変化させ、積層数を増大すれば、図３（Ｂ）に示す連続的に変化するバンド構造が得られる。ただし、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中破線ｚ−ｚ’に沿ったバンド構造プロファイルである。また、量子ドット１３ａ，１３ｃをＭＯＶＰｅ法により形成する際に、気相原料中にＳｅあるいはＺｎ等のドーパントガスを同時に導入することにより、図３（Ｃ）のバンド構造を形成することができる。また、図３（Ｂ）の連続的に変化するバンド構造は、例えば量子ドット１３ａ〜１３ｃをＩｎＧａＡｌＡｓＰＮ等の多元系材料により形成し、その組成を細かく変化させることによっても実現できる。
【００３３】
また、図４（Ａ）の構造において、前記量子ドット１３ａを形成する際に例えばＺｎ等のｐ型ドーパントを導入し、量子ドット１３ｃを形成する際にＳｉあるいはＳｅ等のｎ型ドーパントを導入して、図３（Ｃ）に示す、ドーピングがｚ方向に非対称になった量子ドット１３Ｄを形成することもできる。また、同じ種類のドーパントを、量子ドット１３ａと１３ｃとで異なった濃度導入し、量子ドット１３Ｄをｚ方向に非対称にドーピングすることも可能である。
【００３４】
［第２実施例］
図５（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による非線形光学装置２０の一部を示す。ただし、図５（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３５】
図５（Ａ）を参照するに、本実施例では量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3の組成が、前記基板１１に垂直な方向、すなわちｚ方向に変化しており、その結果、図５（Ｂ）に示すバンド構造もｚ方向に変化する。ただし、図５（Ａ）中、Ｅｇ1，Ｅｇ2，Ｅｇ3は量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3のバンドギャップをそれぞれ示すが、図示の例では、Ｅｇ1＜Ｅｇ3＜Ｅｇ2の関係が成立している。また、フェルミ準位も各量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3で変化している。すなわち、図５（Ａ）の構造では、活性層１３全体として、ｚ方向への反転対称性が意図的に解消されている。すなわち、図５（Ａ）の活性層１３は、全体として所望の顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００３６】
図５（Ａ），（Ｂ）の構造は、例えば、活性層１３をＧａＡｓ、量子ドット１３Ｄ1を（ＩｎＡｓ）0.5（ＧａＳｂ）0.5，量子ドット１３Ｄ2をＧａＳｂ，量子ドット１３Ｄ3をＩｎＡｓにより形成することにより得られる。
【００３７】
図５（Ａ）の構造では、量子ドット相互間の距離が離れているため、量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3は、量子力学的に結合した実効的に単一の量子ドットを形成することはなく、図５（Ｂ）に示すように、それぞれの量子ドットにおいて量子準位ＬeおよびＬhが形成される。しかし、このような場合でも、一の量子ドット、例えば量子ドット１３Ｄ2は、上下に隣接する量子ドット１３Ｄ1あるいは１３Ｄ3の影響を受け、波動関数、従って電子雲が、各量子ドットにおいて、ｚ方向に非対称に変形する。このように、上下に隣接する量子ドットの距離が離れている場合でも、図５（Ａ）に示すように、量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3はｚ方向に整列する。図５（Ａ）の構造は、例えば上下方向に隣接する量子ドットの距離が数ｎｍ程度離れた場合においても、本発明の目的に対して有効である。
【００３８】
［第３実施例］
図６は、本発明の第３実施例による非線形光学装置３０の構成を示す。ただし、図６中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図６を参照するに、本実施例では、図５（Ａ）の構造における量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3の間隔を減少させ、その結果図５（Ａ）の構造と図２の構造の中間的な構造を実現している。この場合、量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3は基板１１に垂直な方向に整列し、図４（Ａ），（Ｂ）に示したのと同様な、量子力学的に結合した超量子ドット構造１３０Ｄを形成する。ただし、本実施例では、一の量子ドット、例えば１３Ｄ1と隣接する量子ドットＤ2との間には、量子ドットＤ1の高さに相当する、あるいはそれ以上の厚さのＧａＡｓ層が介在する。この場合にも、超量子ドット構造１３０Ｄはｚ方向に非対称になっており、その結果活性層１３は顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００４０】
［第４実施例］
図７は、本発明の第４実施例による非線形光学装置４０の構成を示す。ただし、図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
図７を参照するに、本実施例では、下側クラッド層１２上に、ｎ型にドープされたＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓよりなる第１のバリア層１３Ｂ1を、活性層１３の最下層として形成し、前記バリア層１３Ｂ1上に、非ドープＩｎＡｓよりなる量子ドット１３Ｄを形成する。量子ドット１３Ｄ上には、非ドープＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓよりなる第２バリア層１３Ｂ3を、前記第２のバリア層１３3が前記量子ドット１３Ｄを覆うように形成し、さらにその上にｐ型にドープされたＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓよるなる第３のバリア層１３2を形成する。さらに、層１３Ｂ1〜１３Ｂ2よりなる構造を、活性層１３中に、必要に応じて繰り返し形成してもよい。
【００４２】
図７中、バリア層１３Ｂ3は量子ドット１３Ｄの間を埋めるように図示してあるが、先に説明した図４（Ａ）の構造からもわかるように、バリア層１３Ｂ3は量子ドット１３Ｄをも薄く覆う。
【００４３】
このような構造では、下側の第１のバリア層１３Ｂ1中の電子により、前記量子ドット１３Ｄは、図８に示すように、前記バリア層１３Ｂ1に面する側においてｎ型にトランスファドープされ、また前記バリア層１３Ｂ2に面する側においてｐ型にトランスファドープされる。すなわち、量子ドット１３Ｄは、上下のバリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2により、ｚ方向に非対称にドープされる。その結果、図２の実施例と同様に、活性層１３は、顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００４４】
図７の構造において、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2の組成を変化させても、図８に示す量子ドット１３Ｄのバンド構造の、ｚ−方向への非対称な変形が可能になる。
【００４５】
本実施例のその他の特徴は、先に説明した通りであり、説明を省略する。
【００４６】
［第５実施例］
図９は、本発明の第５実施例による非線形光学装置５０の構成を示す。ただし、図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図９を参照するに、非線形光学装置５０は、図７に示す非線形光学装置４０の一変形例になっており、非線形光学装置４０のバリア層１３Ｂ2とバリア層１３Ｂ3とが同一の材料により構成され、同一のバリア層１３Ｂ2’を形成する。その結果、量子ドット１３Ｄは二種類のバリア層１３Ｂ1と１３Ｂ2’とにより囲まれ、従ってバリア層１３Ｂ1および１３Ｂ2’の組成あるいはドーピングを変化させることにより、量子ドット１３Ｄ中の波動関数が非対称に変形される・
本実施例のその他の特徴は、先の非線形光学装置４０と同じであり、説明を省略する。
【００４８】
［第６実施例］
図１０は、本発明の第６実施例による非線形光学装置６０の構成を示す。ただし、図１０中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照畚符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
図１０を参照するに、非線形光学装置６０は、先に説明した非線形光学装置４０の一変形例であり、バリア層１３Ｂ3で覆われた量子ドット１３Ｄ上に、別のバリア層１３Ｂ4が形成される。
【００５０】
本実施例でも、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4の組成あるいはドーピングを変調することにより、図８に示すように量子ドット１３Ｄのバンド構造を、ｚ方向に非対称に変形することが可能になる。例えば、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4を、ＩｎＧａＡｌＡｓＮ等の多元系化合物半導体により形成し、その組成を、ＧａＡｓ基板１１に格子整合する範囲において、層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4で変化させてもよい。また、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ3を全て同一の化合物半導体、例えばＡｌＧａＡｓより形成し、その導電型あるいはドーピング濃度を層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4で変化させてもよい。
【００５１】
［第７実施例］
図１１は、本発明の第７実施例による非線形光学装置７０の構成を示す。ただし、図１１中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図１１を参照するに、非線形光学装置７０は、先に説明した非線形光学装置６０の一変形例となっており、前記バリア層１３Ｂ2の下で前記量子ドット１３Ｄを覆うバリア層１３Ｂ3を、バリア層１３Ｂ2と同一の材料より構成し、またバリア層１３Ｂ4の下で量子ドット１３Ｄを覆うバリア層１３Ｂ3を、バリア層１３Ｂ4と同一の材料により形成する。また、前記バリア層１３Ｂ4上において、量子ドット１３Ｄはバリア層１３Ｂ1により覆われる。
【００５３】
かかる構成でも、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4の組成あるいはドーピングを、ｚ方向に非対称になるように変調することにより、各々の量子ドット１３Ｄ中において、波動関数をｚ方向に非対称になるように変形することができる。
【００５４】
［第８実施例］
図１２は、本発明の第８実施例による非線形光学装置８０の構成を示す。ただし、図１２中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
図１２を参照するに、非線形光学装置８０は、図２の非線形光学装置１０に図７の非線形光学装置４０を組み合わせた構造を有し、その結果、ｚ方向に非対称な量子ドット１３Ｄの非対称性が、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2の非対称性により、さらに強調される。
【００５６】
本実施例のその他の特徴は、先の実施例の説明より明らかであり、説明を省略する。
【００５７】
［第９実施例］
図１３（Ａ）は、本発明の第９実施例による光変調器９０の構成を示す。
【００５８】
図１３（Ａ）を参照するに、光変調器９０は、先の実施例のいずれか一で説明した断面構造を有するマッハ−ツェンダ型の光導波路９１を有し、一方の光導波路分枝９２上に第１の電極９４を、他方の分枝９３上に第２の電極９５を形成する。
【００５９】
かかる構成では、先に説明した活性層１３に対応する導波路中の活性層には非対称な量子ドットが形成されているため、導波路９１は２次の光学的非線形性（ポッケルス効果）を示す。すなわち、前記電極９４および９５上に印加される制御電圧Ｖ，Ｖ’により、前記光導波路分枝９２あるいは９３中における屈折率が制御される。その結果、入射端に入射した光信号は、分枝９２および９３を通る際に位相変調を受け、出射側端において合流する際に干渉を生じる。また、光変調器９０は、光フィルタとしても使用可能である。
【００６０】
［第１０実施例］
図１３（Ｂ）は、本発明の第１０実施例による光スイッチ１００の構成を示す。
【００６１】
図１３（Ｂ）を参照するに、光スイッチ１００は、先の実施例のいずれか一で説明した断面構造を有する，Ｙ字型に分岐した光導波路１０１を有し、導波路１０１が分枝１０２および１０３に分岐する位置に、電極１０４が形成される。
【００６２】
かかる構成では、先に説明した活性層１３に対応する導波路中の活性層には非対称な量子ドットが形成されているため、導波路１０１は２次の光学的非線形性を示す。すなわち、前記電極１０４に印加される制御電圧Ｖにより、前記分岐点における光導波路の屈折率が制御される。その結果、入射端に入射した光信号は、前記制御電圧Ｖ如何により、出射端ＯＵＴ１あるいは出射端ＯＵＴ２に切り換えられる。
【００６３】
［第１１実施例］
図１３（Ｃ）は、本発明の第１１実施例による光マトリクススイッチ１１０の構成を示す。
【００６４】
図１３（Ｃ）を参照するに、光マトリクススイッチ１１０は、先の実施例のいずれか一で説明した断面構造を有する、Ｘ字型に交差する光導波路１１１，１１２を有し、前記光導波路１１１，１１２の交点に電極１１３が形成されている。
【００６５】
かかる構成では、光導波路１１１，１１２中の活性層に非対称な量子ドット１３Ｄが形成されているため、導波路１１１，１１２は２次の光学的非線形性を示す。そこで、前記電極１１３に制御電圧Ｖを印加することにより、それぞれ導波路１１１，１１２に対応する入射端ＩＮ１，ＩＮ２へ入射する光ビームの光路を、出射端ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間で切り換えることができる。
【００６６】
光マトリクススイッチ１１０は構成が簡単であり、特に多数の導波路が交差する光マトリクス構造１１５において、ノードとして使われる。また、光マトリクススイッチ１１０は、後で説明する光空間変調器としても使うことが出来る。かかる光空間変調器では、膜厚方向に通過する光ビームを、活性層の屈折率を変化させることにより変調する。
【００６７】
［第１２実施例］
以上の各実施例では、量子ドット１３Ｄは、基板１１に垂直な方向に非対称に形成され、その結果、活性層１３は２次の光学的非線形性を示した。
【００６８】
一方、量子ドット１３Ｄを、基板１１に対称に形成することにより、活性層１３に３次の光学的非線形性（光Ｋｅｒｒ効果）を生じさせることができる。内部に非対称性を有さない量子ドットは、それ自身３次の光学的非線形性を示すが、量子ドット中に、基板に垂直な方向に対称的に変化する構造を形成することにより、かかる３次の光学的非線形性を、さらに強調することが可能である。
【００６９】
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、量子ドット１３Ｄについて、かかる３次の光学的非線形を強調するバンド構造を示す。ただし、図１４（Ａ）〜（Ｄ）中、量子ドット１３Ｄの構造自体は、図４に示すものと同様であり、説明を省略する。
【００７０】
図１４（Ａ）を参照するに、量子ドット構造は、ＧａＡｓ基板１１上に、量子ドット１３ａ〜１３ｃを、組成の異なるＩｎＧａＡｓより、前記組成が、基板１１に垂直な方向に対称的に変化するように形成することで実現できる。例えば、量子ドット１３ａ，１３ｃを組成Ｉｎ0.9Ｇａ0.1Ａｓとし、量子ドット１３ｂを組成Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓとする。
【００７１】
一方、図１４（Ｂ）の構造は、前記ＧａＡｓ基板１１上に、量子ドット１３ａ〜１３ｃを、例えば量子ドット１３ａ，１３ｃの組成がＩｎＡｓとなるように、また量子ドット１３ｂの組成が（ＡｌＡｓＳｂ）0.39（ＧａＡｓＳｂ）0.61となるように形成することにより、実現できる。
【００７２】
図１５（Ａ），（Ｂ）は、図１４（Ｃ），（Ｄ）のバンド構造を実現する例をそれぞれ示す。
【００７３】
図１５（Ａ）を参照するに、量子ドット１３Ｄはこの場合、前記三つの量子ドット１３ａ〜１３ｃの積層の代わりに、ＧａＡｓ基板１１上に、五つの量子ドット１３1〜１３5を順次積層することにより形成する。すなわち、量子ドット１３1，１３5は組成（ＩｎＡｌＡｓ）0.4（ＡｌＡｓＳｂ）0.6を有し、量子ドット１３2，１３4は組成（ＩｎＡｌＡｓ）0.2（ＧａＡｓＳｂ）0.2を有し、量子ドット１３3は組成ＧａＡｓＳｂを有する。
【００７４】
一方、図１５（Ｂ）の例では、量子ドット１３Ｄは、ＧａＡｓ基板１１上に、量子ドット１３1’〜１３5を順次積層することにより形成する。この場合、量子ドット１３1’，１３5’は組成（ＡｌＡｓＳｂ）0.39（ＧａＡｓＳｂ）0.61を有し、量子ドット１３2’，１３4’は組成（ＩｎＡｌＡｓ）0.26（ＧａＡｓＳｂ）0.74を有し、量子ドット１３3’は組成ＩｎＡｌＡｓを有する。
【００７５】
図１６は、かかる３次の光学的非線形性を利用した、非線形光学装置１２０の構成を示す。ただし、図１６中、先に説明した部分に対応する部分は同一の参照符号を示し、説明を省略する。３次の光学的非線形性では、光照射により、活性層の屈折率が変調される。
【００７６】
図１６を参照するに、非線形光学装置１２０は、図１で説明した非線形光学装置１０に類似した構造を有するが、電極１４Ａ〜１４Ｄの代わりに遮光膜１５が形成され、前記遮光膜１５には、装置１０の電極１４Ａ〜１４Ｄにそれぞれ対応して、光学窓１５Ａ〜１５ｃが形成されている。また、活性層１３中には、図１４（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかのバンド構造の量子ドットが形成されている。
【００７７】
かかる構成では、光学窓１５Ａ〜１５Ｄを介して活性層１３中に制御光ビームを照射することにより、前記活性層１３中に、前記光学窓１５Ａ〜１５Ｄに対応して、屈折率変化を誘起することができ、その結果、入射端に入射する光ビームの出射光路を、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の間で切り換えることが可能になる。
【００７８】
また、同様な光路の切替えは、図１３（Ａ）〜１４（Ｄ）に示した各装置についても、活性層１３中に図１４（Ａ）〜（Ｄ）のバンド構造の量子ドットを形成し、電極の代わりに光学窓を形成することにより、可能になる。
【００７９】
［第１３実施例］
図１７は、本発明の第１３実施例による非線形光学装置１３０の構成を示す。ただし、図１７中、先に説明した部分に対応する部分は同一の参照符号で示し、説明を省略する。
【００８０】
図１７を参照するに、本実施例では、非線形光学装置１３０は、図１６の非線形光学装置１２０と同様な、光学窓を有し、制御光ビームにより制御される構成を有するが、活性層１３中に形成される量子ドットは、図１８にバンド構造を示すように、基板１１に垂直な方向、すなわちｚ方向に非対称な形状を有する。
【００８１】
本実施例では、図１７に示すように、上側クラッド層１４を介して活性層１３に波長がＷの制御光ビームが注入され、その結果、図１８に示すように、一の量子ドット、例えば量子ドット１３Ｄ1において電子が光励起される。その際、波長Ｗは、前記量子ドット１３Ｄ1において電子を量子準位Ｌｈから量子準位Ｌｅに励起できるような波長に設定する。
【００８２】
図１７の構成では、図１８よりわかるように、量子ドット１３Ｄ3における電子の量子準位Ｌｅは、前記量子ドット１３Ｄ1の量子準位Ｌｅよりも実質的に低エネルギ側に形成されており、その結果、光励起された電子は高い確率で、かかる量子ドット１３Ｄ3の量子準位Ｌｅに落ちる。その結果、量子ドット１３Ｄ1中に形成されたホールと前記量子ドット１３Ｄ3中に保持された電子との間に電界が生じ、間に介在する量子ドット１３Ｄ2に電界が印加される。
【００８３】
量子ドット１３Ｄ2は、図４に示したような、量子ドット１３ａ〜１３ｃを非対称に積層した構造を有するため、かかる電界の印加により、２次の光学的非線形性を示し、活性層１３の屈折率が変化する。
【００８４】
［第１４実施例］
図２０は、本発明の第１４実施例による光空間変調器１４０の構成を示す。
【００８５】
図２０を参照するに、光空間変調器１４０は、図１，２の非線形光学装置１０と同様な、基板１１および半導体層１２〜１４よりなる層構造を有する半導体積層体１４１より構成され、基板１１裏面に対応する積層体１４１裏面には、一面に透明電極１４２が、また積層体１４１の表面には複数の透明電極要素１４３が、行列状に形成される。また、前記透明電極要素１４３を除く積層体１４１の表面には、遮光パターン１４４が形成される。
【００８６】
各々の透明電極要素１４３は、積層体１４１上に形成された図示しない駆動線により駆動され、その結果前記透明電極要素１４３に対応して、積層体１４１中の量子ドット１３Ｄを含む活性層の屈折率が変化する。このため、前記積層体１４１の裏面にバックライト光を照射すると、前記透明電極要素１４３への駆動信号に応じて表側に通過する光ビームがオンオフされる。
【００８７】
さらに、図２に示した量子ドット１３Ｄのバンド構造は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すものに限定されるものではなく、例えば図１９に示すバンド構造であってもよい。
【００８８】
また、以上の説明では、量子ドットは、いずれも歪み系におけるＳ−Ｋモード成長を利用して形成しているが、本発明はかかる特定の量子ドットの形成方法に限定されるものではなく、例えば、量子ドットは、傾斜基板上における横方向へのエピタキシャル成長により形成してもよい。かかる傾斜基板を使った量子ドットの形成方法は、例えば米国特許５，１７５，７３９に記載されている。
【発明の効果】
請求項１〜１３記載の本発明の特徴によれば、非線形光学装置の活性層に、多数の半導体量子ドットを含む半導体量子構造を形成その際に、前記活性層に半導体量子ドットの組成あるいはドーピングを変調することにより、あるいはバリア層の組成あるいはドーピングを変調することにより、非対称性を付与する。かかる構造では、量子準位間で波動関数の形が大きく異なるため、非線形光学装置は大きな２次の光学的非線形性を示す。また、量子ドットが半導体より構成されるため、有機分子により量子ドットを形成した場合におけるような、量子構造における電子−フォノン相互作用による光学的非線形効果の低下の問題が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による非線形光学装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の装置における活性層の構成を示す断面図である。
【図３】様々な量子ドットのバンド構造を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、図２の構造に含まれる量子ドットを詳細に示す図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図７】本発明の第４実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図８】図６の構造における量子ドットのバンド構造を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第７実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第８実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第９〜第１１実施例による非線形光学装置の構成を示す平面図である。
【図１４】本発明の第１２実施例による非線形光学装置で使われる量子ドットのバンド構造を示す図である。
【図１５】図１４のバンド構造の一部を詳細に示す図である。
【図１６】図１４の非線形光学装置の全体を示す斜視図である。
【図１７】本発明の第１３実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１８】図１７の構造に含まれる量子ドットのバンド構造、および光励起に原理を示す図である。
【図１９】別のバンド構造の例を示す図である。
【図２０】本発明の第１４実施例による空間変調器の構成を示す図である。
【図２１】光学的非線形性に対する量子化の効果を説明する図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１１０，１２０，１３０ 非線形光学装置
１１ 基板
１２，１４ クラッド層
１３ 活性層
１３ａ〜１３ｃ 量子ドット
１３Ｂ1 〜１３Ｂ4 バリア層
１３Ｄ，１３Ｄ1 〜１３Ｄ5 量子ドット
１４Ａ〜１４Ｄ，９４，９５，１０４，１１３ 電極
１５Ａ〜１５Ｄ 光学窓
１４０ 空間変調器
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は一般に非線形光学装置に関し、特に量子ドットを使った非線形光学装置に関する。
【０００３】
非線形光学効果は、媒体に印加される電界あるいは光により媒体の屈折率等の光学的状態が変化する現象で、光集積回路や光論理装置等の光情報処理装置における光導波路のスイッチング、空間光変調器、あるいは光変調器や光フィルタへの応用が研究されている。
【従来の技術】
【０００４】
従来の非線形光学装置では、非線形光学効果を示す媒体として、ＬｉＮｂＯ３
等の反転対称性を欠く無機結晶が使われることが多かったが、大きな非線形光学効果を示す材料として、実質的に１次元的に整列した鎖状の分子構造を有する有機ポリマ材料の使用が提案されている。例えば T. Yoshimura, Fujitsu Sci. Tech. J., 27, 1, pp.115-131, 1991を参照。かかる、実質的に１次元的に整列した鎖状の分子構造を有するポリマは２次元的にキャリアを閉じ込める量子細線を形成し、大きな非線形光学効果を示す。
【０００５】
非線形光学効果は異なった量子状態の混合により生じる。このため、異なった量子準位間における波動関数の差と重なり如何により、大きな非線形光学効果が観測される。例えば、基底状態と励起状態の二つの状態のみを考えた場合、２次非線形光学効果の感受率βは、
β∝ｆ（Ｐe−Ｐg），
で与えられる。
【０００６】
ただし
ｆ∝＜Ｅ｜ｒ｜Ｇ＞2，
Ｐe＝＜Ｅ｜ｒ｜Ｅ＞， Ｐg＝＜Ｇ｜ｒ｜Ｇ＞，
であり、Ｅは基底状態の波動関数、Ｇは励起状態の波動関数、ｆは振動子強度、Ｐe，Ｐgは双極子モーメント，ｒは位置ベクトルを示す。
【０００７】
図２１は、様々な形の波動関数ＥおよびＧに対する、項ｆ，Ｐe−Ｐg，およびβの計算例を示す。
【０００８】
図２１よりわかるように、励起状態および基底状態の波動関数ＥおよびＧが互いに等しいと、項Ｐe−Ｐgが実質的に０になり、２次非線形光学効果は現れない。一方、図２１中右端に示すように、波動関数Ｅと波動関数Ｇの差が大きすぎて波動関数ないし電子雲の重なりが全く存在しない場合、項ｆは実質的に０になり、やはり２次の非線形光学効果は現れない。これに対し、図２１中、中央部に示すように、波動関数Ｅと波動関数Ｇの差が最適である場合、２次非線形光学効果を示す項βは最大になる。
【０００９】
先にも説明したように、１次元的に連続する量子細線構造を含む有機材料を使うことにより、従来の量子構造を有さない媒体に比べて２次非線形光学効果を向上させることができる。そこで、量子構造によるキャリアの閉じ込めの程度をさらに高めた量子ドットを媒体中に形成することにより、２次非線形光学効果をさらに向上させることが可能になると考えられる。量子ドットは、有機材料中に、孤立した分子の形で形成することができる。
【００１０】
しかし、有機材料中に量子ドットを形成した場合、電子−フォノン相互作用が大きくなり、鋭いスペクトルが得られないことが知られている。これはまた、波動関数Ｇから波動関数Ｅへの電子励起共鳴による２次非線形光学効果の増大効果が十分得られないことを意味している。また、有機分子により量子ドットを形成する場合、分子の配向方向を揃えるのが困難で、得られる２次非線形光学効果が小さくなってしまう問題が生じる。
【００１１】
一方、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現する、いわゆるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長を利用することにより、基板上に相互に離間した島の形で量子ドット構造を形成できることが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ組成が０.５程度の格子定数が大きく異なるＩｎＧａＡｓ層を数分子層、ＭＢＥ法により堆積することにより、直径が３０〜４０ｎｍのＩｎＧａＡｓの島がＧａＡｓ基板上に形成されることが報告されている（Leonard, D., et al., Appl. Phys. Lett., 63, pp.3203-3205, 1993）。また、ＡＬＥ法を使って直径が１５〜２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓの島を、ＧａＡｓ基板上に、１００ｎｍ程度の間隔で形成できることが報告されている（Mukai, K., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.L1710-L1712, 1994）。さらに、ＭＯＶＰＥ法によっても、同様な量子ドットを形成できることが知られている（Oshinowo, J., et al., Appl. Phys. Lett., 65 (11), pp.1421-1423, 1994）。
【００１２】
かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造における量子ドットの形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエネルギにより支配されるため、従来の量子ドット構造に形成に比べてはるかに簡単であり、また電子ビームリソグラフィ等によるパターニングを行うわけでもないので、形成された量子ドットが製造プロセスにより損傷を受けることもない。
【００１３】
そこで、かかる半導体基板上に形成された量子ドットを使って、非線形光学装置を構成することが考えられる。かかる半導体基板上に形成された量子ドットでは、電子−フォノン相互作用も、有機分子による量子ドットの場合に比べて小さいと考えられる。
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、従来の半導体基板上に形成された量子ドットは、上記Ｓ−Ｋモードで形成されたものも含めて、一般に反転対称性を備えているため、特に２次の非線形光学効果、例えばポッケルス効果を示すことが出来なかった。周知のように、２次の非線形光学効果を示すためには、媒質は反転対称性を有していてはならない。このため、このような従来の量子ドットを使って、光導波路のスイッチや空間光変調器、光フィルタ、あるいは光変調器を形成することはできなかった。
【００１５】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な非線形光学装置を提供することを概括的課題とする。
【００１６】
本発明のより具体的な課題は、半導体基板上に形成された量子ドットを含む、非線形光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
半導体基板と、
第１の半導体材料よりなり、前記半導体基板上に形成され、光ビームが通過する層と、
前記第１の半導体材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの半導体材料よりなり、前記層中であって前記半導体基板の主面に略垂直な方向に並んで複数、積層形成された量子ドットと、
前記層上に形成され、前記複数の量子ドットに、前記半導体基板の主面に略垂直に作用する電界を印加する電極と、を備えた非線形光学装置において、
前記量子ドットの各々は実質的に一様な組成を有し、前記垂直な方向に並んで、複数積層形成された量子ドット間では組成が変化しており、前記複数の量子ドットは、全体として、前記半導体基板の主面に垂直な方向に非対称なバンド構造を形成することを特徴とする非線形光学装置により、または
請求項２に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする請求項１記載の非線形光学装置により、または
請求項３に記載したように、
前記組成の変化は、全体として、前記基板に垂直な方向に、非対称的に生じることを特徴とする請求項１記載の非線形光学装置により、または
請求項４に記載したように、
前記組成の変化は、前記基板に垂直な方向に対して階段的に生じることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置により、または
請求項５に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記基板に垂直な方向に一対のバリア層により挟持され、前記一対のバリア層は、それぞれ異なったドーピングを有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置により、または
請求項６に記載したように、
前記一対のバリア層は、互いに異なった導電型の不純物により、それぞれドーピングされていることを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置により、または
請求項７に記載したように、
前記一対のバリア層は、それぞれ異なった組成を有することを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置により、または
請求項８に記載したように、
前記バリア層は、前記複数の量子ドットに対応して、前記基板に垂直な方向に複数層形成され、前記複数層のバリア層は、前記基板に垂直な方向に、各層でドーピングを変化させることを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置により、または
請求項９に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする請求項５〜８のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置により、または
請求項１０に記載したように、
半導体基板と、
第１の半導体材料よりなり、前記半導体基板上に形成され、光ビームが通過する層と、
前記第１の半導体材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの半導体材料よりなり、前記層中であって前記半導体基板の主面に略垂直な方向に並んで複数、積層形成され、相互に量子力学的に結合して、実効的に単一の量子ドットを形成する複数の量子ドットと、
前記層上に形成され、前記量子ドットに、前記半導体基板の主面に略垂直に作用する電界を印加する電極と、を備えた非線形光学装置において、
前記複数の量子ドットの各々は、実質的に一様な組成を有し、前記垂直な方向に並んで複数、積層形成された量子ドット間では組成が変化しており、前記複数の量子ドットは、全体として、前記半導体基板の主面に垂直な方向に非対称なバンド構造を形成することを特徴とする非線形光学装置により、または
請求項１１に記載したように、
前記組成の変化は、前記垂直な方向に対して階段的に生じることを特徴とする請求項１０記載の非線形光学装置により、または
請求項１２に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする、請求項１０または１１記載の非線形光学装置により、または
請求項１３に記載したように、
前記半導体基板の主面に略垂直な方向に整列した複数の量子ドットの間には、複数のバリア層が、各量子ドット対間に一つのバリア層が存在するように介在し、前記複数のバリア層は、前記半導体基板の主面に略垂直な方向にその組成を変化させることを特徴とする請求項１０記載の非線形光学装置により、解決する。
【００１８】
［第１実施例］
図１は、本発明が適用される非線形光学装置１０の一例を示す。
【００１９】
図１を参照するに、非線形光学装置１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ等の半導体基板１上に形成され、基板１１上にエピタキシャルに形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓ等よりなる下側クラッド層１２と、前記下側クラッド層１２上にエピタキシャルに形成された、後で詳細に説明する量子ドットを含む活性層１３と、前記活性層上にエピタキシャルに形成された、ｐ型ＡｌＧａＡｓ等よりなる上側クラッド層１４とを含み、半導体層１１〜１４で構成される層状構造体の入射側端面には、入射光が前記活性層１３と光結合するように入射される。
【００２０】
前記上側クラッド層１４上には、前記入射側端面に隣接して、前記活性層１３中に入射した光ビームを平行光に変換するレンズ作用を前記活性層１３中に誘起する電極１４Ａが形成される。さらに、前記上側クラッド層１４上には、前記レンズ作用により変換された平行光ビームを屈折させるプリズム作用を前記活性層１３中に誘起するプリズム電極１４Ｂ，１４Ｃと、前記入射側端面に対向する出射側端面に隣接して形成され、前記プリズム電極１４Ｂあるいは１４Ｃによるプリズム作用により屈折された平行光ビームを集束させるレンズ作用を前記活性層１３中中に誘起する電極１４Ｄとが形成されている。
【００２１】
動作時には、前記基板１１は接地され、前記プリズム電極１４Ｂ，１４Ｃに制御電圧を印加することにより、前記出射側端面から出射する光ビームの光路がＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間で切り換えられる。
【００２２】
図２は、図１の非線形光学装置１０の一部を示す断面図である。
【００２３】
図２を参照するに、前記活性層１３は例えば非ドープＧａＡｓよりなり、多数の相互に孤立した、各々キャリアのドブロイ波長と同程度あるいはそれ以下の大きさの量子ドット１３Ｄを含む。図示の例では量子ドット１３Ｄは基板１１に略垂直な方向に整列しており、各々の量子ドット１３Ｄは、相互に異なった、より小さい量子ドット１３ａ，１３ｂ，１３ｃの集合からなっている。
【００２４】
量子ドット１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、例えば前記基板１１に対して垂直方向に組成が順次変化する半導体材料により形成され、その結果量子ドット１３Ｄ全体では反転対称性が消滅する。例えば、量子ドット１３ａ，１３ｂ，１３ｃを、それぞれＩｎＡｓ，（ＩｎＡｓ）0.5（ＧａＳｂ）0.5，ＧａＳｂより構成することにより、図３（Ａ）に示す、ｚ方向、すなわち基板１１に垂直な方向に、順次非対称に変化するバンド構造が得られる。ただし、図３（Ａ）中、ＣBは伝導帯を、またＶBは価電子帯を示す。その結果、量子ドット１３Ｄでは波動関数および電子雲も、図２１で説明したようにｚ方向に非対称になり、活性層１３は顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００２５】
また、各々の量子ドット１３Ｄにおいて、量子ドット１３ａ〜１３ｃの間での組成の変化は連続的であってもよい。この場合には、図３（Ｂ）に示す、ｚ方向に連続的に変化するバンド構造が得られる。この場合にも、各量子ドット１３Ｄにおいてバンド構造は、ｚ方向に非対称になる。
【００２６】
さらに、図３（Ｃ）に示すように、各量子ドット１３Ｄにおいて、量子ドット１３ｂを非ドープとし、量子ドット１３ａをｎ型に、また量子ドット１３ｃをｐ型にドープしてもよい。
【００２７】
図４（Ａ）は、図３の量子ドット１３Ｄを詳細に示す。
【００２８】
図４（Ａ）を参照するに、ＧａＡｓ基板１１に格子整合するＡｌＧａＡｓバッファ層１２上には、ＧａＡｓに対して歪み系を形成するＩｎＡｓ量子ドット１３ａがＭＯＶＰＥ法により、周知の歪み系におけるＳ−Ｋモードの島状成長を利用して、典型的には径が約２０ｎｍ、高さが約２０ｎｍ程度のディスク状に形成される。かかるＩｎＡｓ量子ドット１３ａは、さらにＧａＡｓ活性層１３の一部をなす薄いＧａＡｓ層で覆われ、その上に今度は組成が（ＩｎＡｓ）0.5（ＧａＳｂ）0.5のディスク状量子ドット１３ｂが、ＭＯＶＰＥ法により、同様なＳ−Ｋモードによる島状成長を利用して、量子ドット１３ａとほぼ同様な径および高さで形成される。量子ドット１３ｂも、ＧａＡｓ基板１１に対して量子ドット１３ａと同様な歪み系を形成する。
【００２９】
量子ドット１３ａを覆う薄いＧａＡｓ層は、前記量子ドット１３ａの高さと同程度あるいはそれ以下の厚さ、典型的には約３ｎｍ以下の厚さに形成されるため、結晶構造が下側の量子ドット１３ａの影響により局所的に大きく歪み、このため、かかる量子ドット１３ａを覆うＧａＡｓ層上に量子ドット１３ｂを形成した場合、量子ドット１３ｂは、かかる歪んだ位置に優先的に形成される。換言すると、量子ドット１３ｂは、下側の量子ドット１３ａに実質的に整列して形成される。Ｓ−Ｋモードにより形成した量子ドットの自発的整列については、例えば Sugiyama, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35, Part 1, No.2B， pp.365-369, February, 1996を参照。
【００３０】
さらに、量子ドット１３ｂは、量子ドット１３ａと同様に、薄いＧａＡｓ層により覆われ、その上に組成がＧａＳｂの量子ドット１３ｃが、量子ドット１３ａと同様に形成される。このような自発的に整列した量子ドット１３ａ〜１３ｃは相互に量子力学的に結合し、実効的に単一の量子ドット、すなわち量子ドット１３Ｄを形成する。ただし、量子ドット３Ｄは、通常の量子ドットと異なり、実効的に非対称な内部構造を有する。量子ドット１３ａ〜１３ｃは、例えばＭＢＥ法はＡＬＥ法、あるいはＭＯＶＰＥ法により、簡単に形成できる。
【００３１】
特に上下に整列した量子ドットの間に介在するＧａＡｓ膜の厚さを約３ｎｍ以下にした場合、下側の量子ドットと上側の量子ドットとは接触している可能性があるが、そのような場合でも上下の量子ドット、例えば量子ドット１３ａと１３ｂとが融合することはなく、量子ドット１３ａと１３ｂとは、それぞれの表面により画成されている。
【００３２】
かかる自発的な量子ドットの整列の結果、図４（Ａ）の量子ドット１３Ｄについて、図４（Ｂ）に示す非対称なバンド構造が、ｚ方向に対して得られる。その際、量子ドット１３ａ〜１３ｃは相互に量子力学的に結合しているため、図４（Ｂ）中に示すように、電子の量子準位Ｌeとホールの量子準位Ｌhとが、量子ドット１３Ｄ全体に対して形成される。ここで、量子ドット１３ａ〜１３ｃの組成を細かく変化させ、積層数を増大すれば、図３（Ｂ）に示す連続的に変化するバンド構造が得られる。ただし、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中破線ｚ−ｚ’に沿ったバンド構造プロファイルである。また、量子ドット１３ａ，１３ｃをＭＯＶＰｅ法により形成する際に、気相原料中にＳｅあるいはＺｎ等のドーパントガスを同時に導入することにより、図３（Ｃ）のバンド構造を形成することができる。また、図３（Ｂ）の連続的に変化するバンド構造は、例えば量子ドット１３ａ〜１３ｃをＩｎＧａＡｌＡｓＰＮ等の多元系材料により形成し、その組成を細かく変化させることによっても実現できる。
【００３３】
また、図４（Ａ）の構造において、前記量子ドット１３ａを形成する際に例えばＺｎ等のｐ型ドーパントを導入し、量子ドット１３ｃを形成する際にＳｉあるいはＳｅ等のｎ型ドーパントを導入して、図３（Ｃ）に示す、ドーピングがｚ方向に非対称になった量子ドット１３Ｄを形成することもできる。また、同じ種類のドーパントを、量子ドット１３ａと１３ｃとで異なった濃度導入し、量子ドット１３Ｄをｚ方向に非対称にドーピングすることも可能である。
【００３４】
［第２実施例］
図５（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による非線形光学装置２０の一部を示す。ただし、図５（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３５】
図５（Ａ）を参照するに、本実施例では量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3の組成が、前記基板１１に垂直な方向、すなわちｚ方向に変化しており、その結果、図５（Ｂ）に示すバンド構造もｚ方向に変化する。ただし、図５（Ａ）中、Ｅｇ1，Ｅｇ2，Ｅｇ3は量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3のバンドギャップをそれぞれ示すが、図示の例では、Ｅｇ1＜Ｅｇ3＜Ｅｇ2の関係が成立している。また、フェルミ準位も各量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3で変化している。すなわち、図５（Ａ）の構造では、活性層１３全体として、ｚ方向への反転対称性が意図的に解消されている。すなわち、図５（Ａ）の活性層１３は、全体として所望の顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００３６】
図５（Ａ），（Ｂ）の構造は、例えば、活性層１３をＧａＡｓ、量子ドット１３Ｄ1を（ＩｎＡｓ）0.5（ＧａＳｂ）0.5，量子ドット１３Ｄ2をＧａＳｂ，量子ドット１３Ｄ3をＩｎＡｓにより形成することにより得られる。
【００３７】
図５（Ａ）の構造では、量子ドット相互間の距離が離れているため、量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3は、量子力学的に結合した実効的に単一の量子ドットを形成することはなく、図５（Ｂ）に示すように、それぞれの量子ドットにおいて量子準位ＬeおよびＬhが形成される。しかし、このような場合でも、一の量子ドット、例えば量子ドット１３Ｄ2は、上下に隣接する量子ドット１３Ｄ1あるいは１３Ｄ3の影響を受け、波動関数、従って電子雲が、各量子ドットにおいて、ｚ方向に非対称に変形する。このように、上下に隣接する量子ドットの距離が離れている場合でも、図５（Ａ）に示すように、量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3はｚ方向に整列する。図５（Ａ）の構造は、例えば上下方向に隣接する量子ドットの距離が数ｎｍ程度離れた場合においても、本発明の目的に対して有効である。
【００３８】
［第３実施例］
図６は、本発明の第３実施例による非線形光学装置３０の構成を示す。ただし、図６中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図６を参照するに、本実施例では、図５（Ａ）の構造における量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3の間隔を減少させ、その結果図５（Ａ）の構造と図２の構造の中間的な構造を実現している。この場合、量子ドット１３Ｄ1〜１３Ｄ3は基板１１に垂直な方向に整列し、図４（Ａ），（Ｂ）に示したのと同様な、量子力学的に結合した超量子ドット構造１３０Ｄを形成する。ただし、本実施例では、一の量子ドット、例えば１３Ｄ1と隣接する量子ドットＤ2との間には、量子ドットＤ1の高さに相当する、あるいはそれ以上の厚さのＧａＡｓ層が介在する。この場合にも、超量子ドット構造１３０Ｄはｚ方向に非対称になっており、その結果活性層１３は顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００４０】
［第４実施例］
図７は、本発明の第４実施例による非線形光学装置４０の構成を示す。ただし、図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
図７を参照するに、本実施例では、下側クラッド層１２上に、ｎ型にドープされたＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓよりなる第１のバリア層１３Ｂ1を、活性層１３の最下層として形成し、前記バリア層１３Ｂ1上に、非ドープＩｎＡｓよりなる量子ドット１３Ｄを形成する。量子ドット１３Ｄ上には、非ドープＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓよりなる第２バリア層１３Ｂ3を、前記第２のバリア層１３3が前記量子ドット１３Ｄを覆うように形成し、さらにその上にｐ型にドープされたＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓよるなる第３のバリア層１３2を形成する。さらに、層１３Ｂ1〜１３Ｂ2よりなる構造を、活性層１３中に、必要に応じて繰り返し形成してもよい。
【００４２】
図７中、バリア層１３Ｂ3は量子ドット１３Ｄの間を埋めるように図示してあるが、先に説明した図４（Ａ）の構造からもわかるように、バリア層１３Ｂ3は量子ドット１３Ｄをも薄く覆う。
【００４３】
このような構造では、下側の第１のバリア層１３Ｂ1中の電子により、前記量子ドット１３Ｄは、図８に示すように、前記バリア層１３Ｂ1に面する側においてｎ型にトランスファドープされ、また前記バリア層１３Ｂ2に面する側においてｐ型にトランスファドープされる。すなわち、量子ドット１３Ｄは、上下のバリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2により、ｚ方向に非対称にドープされる。その結果、図２の実施例と同様に、活性層１３は、顕著な２次の光学的非線形性を示す。
【００４４】
図７の構造において、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2の組成を変化させても、図８に示す量子ドット１３Ｄのバンド構造の、ｚ−方向への非対称な変形が可能になる。
【００４５】
本実施例のその他の特徴は、先に説明した通りであり、説明を省略する。
【００４６】
［第５実施例］
図９は、本発明の第５実施例による非線形光学装置５０の構成を示す。ただし、図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図９を参照するに、非線形光学装置５０は、図７に示す非線形光学装置４０の一変形例になっており、非線形光学装置４０のバリア層１３Ｂ2とバリア層１３Ｂ3とが同一の材料により構成され、同一のバリア層１３Ｂ2’を形成する。その結果、量子ドット１３Ｄは二種類のバリア層１３Ｂ1と１３Ｂ2’とにより囲まれ、従ってバリア層１３Ｂ1および１３Ｂ2’の組成あるいはドーピングを変化させることにより、量子ドット１３Ｄ中の波動関数が非対称に変形される・
本実施例のその他の特徴は、先の非線形光学装置４０と同じであり、説明を省略する。
【００４８】
［第６実施例］
図１０は、本発明の第６実施例による非線形光学装置６０の構成を示す。ただし、図１０中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照畚符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
図１０を参照するに、非線形光学装置６０は、先に説明した非線形光学装置４０の一変形例であり、バリア層１３Ｂ3で覆われた量子ドット１３Ｄ上に、別のバリア層１３Ｂ4が形成される。
【００５０】
本実施例でも、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4の組成あるいはドーピングを変調することにより、図８に示すように量子ドット１３Ｄのバンド構造を、ｚ方向に非対称に変形することが可能になる。例えば、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4を、ＩｎＧａＡｌＡｓＮ等の多元系化合物半導体により形成し、その組成を、ＧａＡｓ基板１１に格子整合する範囲において、層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4で変化させてもよい。また、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ3を全て同一の化合物半導体、例えばＡｌＧａＡｓより形成し、その導電型あるいはドーピング濃度を層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4で変化させてもよい。
【００５１】
［第７実施例］
図１１は、本発明の第７実施例による非線形光学装置７０の構成を示す。ただし、図１１中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図１１を参照するに、非線形光学装置７０は、先に説明した非線形光学装置６０の一変形例となっており、前記バリア層１３Ｂ2の下で前記量子ドット１３Ｄを覆うバリア層１３Ｂ3を、バリア層１３Ｂ2と同一の材料より構成し、またバリア層１３Ｂ4の下で量子ドット１３Ｄを覆うバリア層１３Ｂ3を、バリア層１３Ｂ4と同一の材料により形成する。また、前記バリア層１３Ｂ4上において、量子ドット１３Ｄはバリア層１３Ｂ1により覆われる。
【００５３】
かかる構成でも、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2，１３Ｂ4の組成あるいはドーピングを、ｚ方向に非対称になるように変調することにより、各々の量子ドット１３Ｄ中において、波動関数をｚ方向に非対称になるように変形することができる。
【００５４】
［第８実施例］
図１２は、本発明の第８実施例による非線形光学装置８０の構成を示す。ただし、図１２中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
図１２を参照するに、非線形光学装置８０は、図２の非線形光学装置１０に図７の非線形光学装置４０を組み合わせた構造を有し、その結果、ｚ方向に非対称な量子ドット１３Ｄの非対称性が、バリア層１３Ｂ1，１３Ｂ2の非対称性により、さらに強調される。
【００５６】
本実施例のその他の特徴は、先の実施例の説明より明らかであり、説明を省略する。
【００５７】
［第９実施例］
図１３（Ａ）は、本発明の第９実施例による光変調器９０の構成を示す。
【００５８】
図１３（Ａ）を参照するに、光変調器９０は、先の実施例のいずれか一で説明した断面構造を有するマッハ−ツェンダ型の光導波路９１を有し、一方の光導波路分枝９２上に第１の電極９４を、他方の分枝９３上に第２の電極９５を形成する。
【００５９】
かかる構成では、先に説明した活性層１３に対応する導波路中の活性層には非対称な量子ドットが形成されているため、導波路９１は２次の光学的非線形性（ポッケルス効果）を示す。すなわち、前記電極９４および９５上に印加される制御電圧Ｖ，Ｖ’により、前記光導波路分枝９２あるいは９３中における屈折率が制御される。その結果、入射端に入射した光信号は、分枝９２および９３を通る際に位相変調を受け、出射側端において合流する際に干渉を生じる。また、光変調器９０は、光フィルタとしても使用可能である。
【００６０】
［第１０実施例］
図１３（Ｂ）は、本発明の第１０実施例による光スイッチ１００の構成を示す。
【００６１】
図１３（Ｂ）を参照するに、光スイッチ１００は、先の実施例のいずれか一で説明した断面構造を有する，Ｙ字型に分岐した光導波路１０１を有し、導波路１０１が分枝１０２および１０３に分岐する位置に、電極１０４が形成される。
【００６２】
かかる構成では、先に説明した活性層１３に対応する導波路中の活性層には非対称な量子ドットが形成されているため、導波路１０１は２次の光学的非線形性を示す。すなわち、前記電極１０４に印加される制御電圧Ｖにより、前記分岐点における光導波路の屈折率が制御される。その結果、入射端に入射した光信号は、前記制御電圧Ｖ如何により、出射端ＯＵＴ１あるいは出射端ＯＵＴ２に切り換えられる。
【００６３】
［第１１実施例］
図１３（Ｃ）は、本発明の第１１実施例による光マトリクススイッチ１１０の構成を示す。
【００６４】
図１３（Ｃ）を参照するに、光マトリクススイッチ１１０は、先の実施例のいずれか一で説明した断面構造を有する、Ｘ字型に交差する光導波路１１１，１１２を有し、前記光導波路１１１，１１２の交点に電極１１３が形成されている。
【００６５】
かかる構成では、光導波路１１１，１１２中の活性層に非対称な量子ドット１３Ｄが形成されているため、導波路１１１，１１２は２次の光学的非線形性を示す。そこで、前記電極１１３に制御電圧Ｖを印加することにより、それぞれ導波路１１１，１１２に対応する入射端ＩＮ１，ＩＮ２へ入射する光ビームの光路を、出射端ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間で切り換えることができる。
【００６６】
光マトリクススイッチ１１０は構成が簡単であり、特に多数の導波路が交差する光マトリクス構造１１５において、ノードとして使われる。また、光マトリクススイッチ１１０は、後で説明する光空間変調器としても使うことが出来る。かかる光空間変調器では、膜厚方向に通過する光ビームを、活性層の屈折率を変化させることにより変調する。
【００６７】
［第１２実施例］
以上の各実施例では、量子ドット１３Ｄは、基板１１に垂直な方向に非対称に形成され、その結果、活性層１３は２次の光学的非線形性を示した。
【００６８】
一方、量子ドット１３Ｄを、基板１１に対称に形成することにより、活性層１３に３次の光学的非線形性（光Ｋｅｒｒ効果）を生じさせることができる。内部に非対称性を有さない量子ドットは、それ自身３次の光学的非線形性を示すが、量子ドット中に、基板に垂直な方向に対称的に変化する構造を形成することにより、かかる３次の光学的非線形性を、さらに強調することが可能である。
【００６９】
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、量子ドット１３Ｄについて、かかる３次の光学的非線形を強調するバンド構造を示す。ただし、図１４（Ａ）〜（Ｄ）中、量子ドット１３Ｄの構造自体は、図４に示すものと同様であり、説明を省略する。
【００７０】
図１４（Ａ）を参照するに、量子ドット構造は、ＧａＡｓ基板１１上に、量子ドット１３ａ〜１３ｃを、組成の異なるＩｎＧａＡｓより、前記組成が、基板１１に垂直な方向に対称的に変化するように形成することで実現できる。例えば、量子ドット１３ａ，１３ｃを組成Ｉｎ0.9Ｇａ0.1Ａｓとし、量子ドット１３ｂを組成Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓとする。
【００７１】
一方、図１４（Ｂ）の構造は、前記ＧａＡｓ基板１１上に、量子ドット１３ａ〜１３ｃを、例えば量子ドット１３ａ，１３ｃの組成がＩｎＡｓとなるように、また量子ドット１３ｂの組成が（ＡｌＡｓＳｂ）0.39（ＧａＡｓＳｂ）0.61となるように形成することにより、実現できる。
【００７２】
図１５（Ａ），（Ｂ）は、図１４（Ｃ），（Ｄ）のバンド構造を実現する例をそれぞれ示す。
【００７３】
図１５（Ａ）を参照するに、量子ドット１３Ｄはこの場合、前記三つの量子ドット１３ａ〜１３ｃの積層の代わりに、ＧａＡｓ基板１１上に、五つの量子ドット１３1〜１３5を順次積層することにより形成する。すなわち、量子ドット１３1，１３5は組成（ＩｎＡｌＡｓ）0.4（ＡｌＡｓＳｂ）0.6を有し、量子ドット１３2，１３4は組成（ＩｎＡｌＡｓ）0.2（ＧａＡｓＳｂ）0.2を有し、量子ドット１３3は組成ＧａＡｓＳｂを有する。
【００７４】
一方、図１５（Ｂ）の例では、量子ドット１３Ｄは、ＧａＡｓ基板１１上に、量子ドット１３1’〜１３5を順次積層することにより形成する。この場合、量子ドット１３1’，１３5’は組成（ＡｌＡｓＳｂ）0.39（ＧａＡｓＳｂ）0.61を有し、量子ドット１３2’，１３4’は組成（ＩｎＡｌＡｓ）0.26（ＧａＡｓＳｂ）0.74を有し、量子ドット１３3’は組成ＩｎＡｌＡｓを有する。
【００７５】
図１６は、かかる３次の光学的非線形性を利用した、非線形光学装置１２０の構成を示す。ただし、図１６中、先に説明した部分に対応する部分は同一の参照符号を示し、説明を省略する。３次の光学的非線形性では、光照射により、活性層の屈折率が変調される。
【００７６】
図１６を参照するに、非線形光学装置１２０は、図１で説明した非線形光学装置１０に類似した構造を有するが、電極１４Ａ〜１４Ｄの代わりに遮光膜１５が形成され、前記遮光膜１５には、装置１０の電極１４Ａ〜１４Ｄにそれぞれ対応して、光学窓１５Ａ〜１５ｃが形成されている。また、活性層１３中には、図１４（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかのバンド構造の量子ドットが形成されている。
【００７７】
かかる構成では、光学窓１５Ａ〜１５Ｄを介して活性層１３中に制御光ビームを照射することにより、前記活性層１３中に、前記光学窓１５Ａ〜１５Ｄに対応して、屈折率変化を誘起することができ、その結果、入射端に入射する光ビームの出射光路を、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の間で切り換えることが可能になる。
【００７８】
また、同様な光路の切替えは、図１３（Ａ）〜１４（Ｄ）に示した各装置についても、活性層１３中に図１４（Ａ）〜（Ｄ）のバンド構造の量子ドットを形成し、電極の代わりに光学窓を形成することにより、可能になる。
【００７９】
［第１３実施例］
図１７は、本発明の第１３実施例による非線形光学装置１３０の構成を示す。ただし、図１７中、先に説明した部分に対応する部分は同一の参照符号で示し、説明を省略する。
【００８０】
図１７を参照するに、本実施例では、非線形光学装置１３０は、図１６の非線形光学装置１２０と同様な、光学窓を有し、制御光ビームにより制御される構成を有するが、活性層１３中に形成される量子ドットは、図１８にバンド構造を示すように、基板１１に垂直な方向、すなわちｚ方向に非対称な形状を有する。
【００８１】
本実施例では、図１７に示すように、上側クラッド層１４を介して活性層１３に波長がＷの制御光ビームが注入され、その結果、図１８に示すように、一の量子ドット、例えば量子ドット１３Ｄ1において電子が光励起される。その際、波長Ｗは、前記量子ドット１３Ｄ1において電子を量子準位Ｌｈから量子準位Ｌｅに励起できるような波長に設定する。
【００８２】
図１７の構成では、図１８よりわかるように、量子ドット１３Ｄ3における電子の量子準位Ｌｅは、前記量子ドット１３Ｄ1の量子準位Ｌｅよりも実質的に低エネルギ側に形成されており、その結果、光励起された電子は高い確率で、かかる量子ドット１３Ｄ3の量子準位Ｌｅに落ちる。その結果、量子ドット１３Ｄ1中に形成されたホールと前記量子ドット１３Ｄ3中に保持された電子との間に電界が生じ、間に介在する量子ドット１３Ｄ2に電界が印加される。
【００８３】
量子ドット１３Ｄ2は、図４に示したような、量子ドット１３ａ〜１３ｃを非対称に積層した構造を有するため、かかる電界の印加により、２次の光学的非線形性を示し、活性層１３の屈折率が変化する。
【００８４】
［第１４実施例］
図２０は、本発明の第１４実施例による光空間変調器１４０の構成を示す。
【００８５】
図２０を参照するに、光空間変調器１４０は、図１，２の非線形光学装置１０と同様な、基板１１および半導体層１２〜１４よりなる層構造を有する半導体積層体１４１より構成され、基板１１裏面に対応する積層体１４１裏面には、一面に透明電極１４２が、また積層体１４１の表面には複数の透明電極要素１４３が、行列状に形成される。また、前記透明電極要素１４３を除く積層体１４１の表面には、遮光パターン１４４が形成される。
【００８６】
各々の透明電極要素１４３は、積層体１４１上に形成された図示しない駆動線により駆動され、その結果前記透明電極要素１４３に対応して、積層体１４１中の量子ドット１３Ｄを含む活性層の屈折率が変化する。このため、前記積層体１４１の裏面にバックライト光を照射すると、前記透明電極要素１４３への駆動信号に応じて表側に通過する光ビームがオンオフされる。
【００８７】
さらに、図２に示した量子ドット１３Ｄのバンド構造は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すものに限定されるものではなく、例えば図１９に示すバンド構造であってもよい。
【００８８】
また、以上の説明では、量子ドットは、いずれも歪み系におけるＳ−Ｋモード成長を利用して形成しているが、本発明はかかる特定の量子ドットの形成方法に限定されるものではなく、例えば、量子ドットは、傾斜基板上における横方向へのエピタキシャル成長により形成してもよい。かかる傾斜基板を使った量子ドットの形成方法は、例えば米国特許５，１７５，７３９に記載されている。
【発明の効果】
請求項１〜１３記載の本発明の特徴によれば、非線形光学装置の活性層に、多数の半導体量子ドットを含む半導体量子構造を形成その際に、前記活性層に半導体量子ドットの組成あるいはドーピングを変調することにより、あるいはバリア層の組成あるいはドーピングを変調することにより、非対称性を付与する。かかる構造では、量子準位間で波動関数の形が大きく異なるため、非線形光学装置は大きな２次の光学的非線形性を示す。また、量子ドットが半導体より構成されるため、有機分子により量子ドットを形成した場合におけるような、量子構造における電子−フォノン相互作用による光学的非線形効果の低下の問題が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による非線形光学装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の装置における活性層の構成を示す断面図である。
【図３】様々な量子ドットのバンド構造を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、図２の構造に含まれる量子ドットを詳細に示す図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図７】本発明の第４実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図８】図６の構造における量子ドットのバンド構造を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第７実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第８実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第９〜第１１実施例による非線形光学装置の構成を示す平面図である。
【図１４】本発明の第１２実施例による非線形光学装置で使われる量子ドットのバンド構造を示す図である。
【図１５】図１４のバンド構造の一部を詳細に示す図である。
【図１６】図１４の非線形光学装置の全体を示す斜視図である。
【図１７】本発明の第１３実施例による非線形光学装置の一部を示す断面図である。
【図１８】図１７の構造に含まれる量子ドットのバンド構造、および光励起に原理を示す図である。
【図１９】別のバンド構造の例を示す図である。
【図２０】本発明の第１４実施例による空間変調器の構成を示す図である。
【図２１】光学的非線形性に対する量子化の効果を説明する図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１１０，１２０，１３０ 非線形光学装置
１１ 基板
１２，１４ クラッド層
１３ 活性層
１３ａ〜１３ｃ 量子ドット
１３Ｂ1 〜１３Ｂ4 バリア層
１３Ｄ，１３Ｄ1 〜１３Ｄ5 量子ドット
１４Ａ〜１４Ｄ，９４，９５，１０４，１１３ 電極
１５Ａ〜１５Ｄ 光学窓
１４０ 空間変調器
Claims (13)
- 半導体基板と、
第１の半導体材料よりなり、前記半導体基板上に形成され、光ビームが通過する層と、
前記第１の半導体材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの半導体材料よりなり、前記層中であって前記半導体基板の主面に略垂直な方向に並んで複数、積層形成された量子ドットと、
前記層上に形成され、前記複数の量子ドットに、前記半導体基板の主面に略垂直に作用する電界を印加する電極と、を備えた非線形光学装置において、
前記量子ドットの各々は実質的に一様な組成を有し、前記垂直な方向に並んで、複数積層形成された量子ドット間では組成が変化しており、前記複数の量子ドットは、全体として、前記半導体基板の主面に垂直な方向に非対称なバンド構造を形成することを特徴とする非線形光学装置。 - 前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする請求項１記載の非線形光学装置。
- 前記組成の変化は、全体として、前記基板に垂直な方向に、非対称的に生じることを特徴とする請求項１記載の非線形光学装置。
- 前記組成の変化は、前記基板に垂直な方向に対して階段的に生じることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置。
- 前記複数の量子ドットの各々は、前記基板に垂直な方向に一対のバリア層により挟持され、前記一対のバリア層は、それぞれ異なったドーピングを有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置。
- 前記一対のバリア層は、互いに異なった導電型の不純物により、それぞれドーピングされていることを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置。
- 前記一対のバリア層は、それぞれ異なった組成を有することを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置。
- 前記バリア層は、前記複数の量子ドットに対応して、前記基板に垂直な方向に複数層形成され、前記複数層のバリア層は、前記基板に垂直な方向に、各層でドーピングを変化させることを特徴とする請求項５記載の非線形光学装置。
- 前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする請求項５〜８のうち、いずれか一項記載の非線形光学装置。
- 半導体基板と、
第１の半導体材料よりなり、前記半導体基板上に形成され、光ビームが通過する層と、
前記第１の半導体材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの半導体材料よりなり、前記層中であって前記半導体基板の主面に略垂直な方向に並んで複数、積層形成され、相互に量子力学的に結合して、実効的に単一の量子ドットを形成する複数の量子ドットと、
前記層上に形成され、前記量子ドットに、前記半導体基板の主面に略垂直に作用する電界を印加する電極と、を備えた非線形光学装置において、
前記複数の量子ドットの各々は、実質的に一様な組成を有し、前記垂直な方向に並んで複数、積層形成された量子ドット間では組成が変化しており、前記複数の量子ドットは、全体として、前記半導体基板の主面に垂直な方向に非対称なバンド構造を形成することを特徴とする非線形光学装置。 - 前記組成の変化は、前記垂直な方向に対して階段的に生じることを特徴とする請求項１０記載の非線形光学装置。
- 前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板に対して歪み系を形成することを特徴とする、請求項１０または１１記載の非線形光学装置。
- 前記半導体基板の主面に略垂直な方向に整列した複数の量子ドットの間には、複数のバリア層が、各量子ドット対間に一つのバリア層が存在するように介在し、前記複数のバリア層は、前記半導体基板の主面に略垂直な方向にその組成を変化させることを特徴とする請求項１０記載の非線形光学装置。
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