JPH03109528A - 光導波路およびそれを用いた光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信あるいは光情報処理分野に用いられる
光素子、特に光導波路およびそれを用いた光装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、量子井戸中の励起子と光がコヒーレントに結合し
た分極達成波の一種であるポラリトンを用いた光変調素
子、光論理素子、光ゲート回路等を提案されている（特
願昭５９−１５９３４６　、特願昭６１−２５５６４９
）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記ポラリトンを利用した光素子は、光スィッチ等を超
高速で行なうことが出来るメリットがあるが、温度が上
昇するとフォノンの散乱を受けてポラリトンが生成しに
くくなるという欠点があった。

本発明は、このような温度に対する分極達成波の不安定
性を解消することを目的としてなされた令 もである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、ポラリトンを構成する励起子の代わりに、
人工的に安定な分極を形成することにより達成される。

このような安定な分極としては、種々の検討の結果、変
調ドープした量子井戸を用いて発生させることが最も優
れていることが明らかとなった。

また、この分極と光とを結合させて分極連成波を形成さ
せ、通常のポラリトンと同様の効果をもたせるためには
、分極が光の進行方向に自由に動き得ることが必須であ
る。

このために考案した具体的な光導波路の構造は以下の通
りである。まず第１図に変調ドープした量子井戸を示す
。図に示したように、中心部に井戸層２を配し、それを
上下に、バリア層１ではさみこんだ構造により１分極生
成が可能である。ここでバリア層１には変調ドープを施
す必要がある。

重要なことは、ドーピングの符号が上下にバリア層で同
一であるということである。この場合のバンド・ダイア
グラムを第２図に示す。変調ドープによりバンドが曲が
り、井戸層２に電子層、バリア層１に正電荷が生ずる。

第２図に示すようにこれに光を入射する（光の電気ベク
トルの方向を井戸層２に垂直にする）と、光の電場によ
って電荷が平衡の位置からずれ、分極３が生じる。この
分極は、図から容易に分かるように井戸層に沿って移動
可能であり、このため分極と光との達成波が生成する。

この分極は、その２次元性のために光との結合が強く、
したがってフォノンの影響を受けにくい、このため、本
方法による達成波は、高温でも安定に存在する。注意す
べきことは、井戸層は一層に限定されないということで
あり、多重量子井戸でもよい。

ここで、本発明において本質的なことは、上述したよう
に光を導波する導波路が分極することであり、かつその
分極が光の導波する方向に移動可能であることである。

このような光導波路により、種々の光変調器、光論理素
子、光ゲート回路、マツハ・ツエンダー型光導波路等が
従来と同様の方法で作製でき、またこのような素子を用
いた磁場測定器、光変調装置、光演算装置を構成するこ
とができる。

〔作用〕

本発明の光導波路は、上述したように、光導波路に分極
が生成し、かつ分極が光の導波路に沿って移動するもの
である。これを実現するために考案された変調ドープ量
子井戸光導波路は、第１図および第２図に示すように、
中心部に井戸層２を配置し、それを上下にバリア層１で
はさみ込んだ構造で、にリア層１に変調ドープを施す。

分極は、この変調ドープした層に電界が加わり、電荷が
平衡の位置からずれることによって生ずる。

すなわち、変調ドープしたバリア層１は、分極を生じさ
せる作用を有する６分極の大きさＰは、井戸層に誘起さ
れた電子の電荷数をＮ、光導波路に印加される光の電場
をＥとし、電子の電荷をｅ、電子の平衡の位置からのず
れをΔγとすると、Ｐ＝ｅＮＥΔγ　　　　　　　　　
　・・・（１）となる。

以上示したように、分極の大きさは電子の数と印加電界
の大きさと電子の平衡の位置からのずれに比例して作用
する。

〔実施例〕

以下５本発明の詳細な説明する。

実施例１゜ 第３図に示すように、中心部に厚さ７０人のＧ　ａ　Ａ
　ｓ井戸層１、その周囲に厚さ２μｍのＳｉを１０”ａ
ｎ−３ドープしたＡ　Ｑ　ｏ、ｓＧ　ａ　０．７Ａ　８
３９７層２を設けた構造を分子線蒸着法で作製した。

この井戸層２に垂直方向に偏波した光４を井戸層に平行
に伝搬させたところ、波長８１．０　ｎ　ｍの同一光エ
ネルギーで２つの群速度をもつ連成波が室温で形成され
た。

実施例２゜ 第４図に示すように、ＧａＡｓ基板６上に量子井戸層７
をもつ光導波路８を形成した。この光導波路は上部に遮
光層９を有し、その一部に光を透過させる窓１ｏを設け
ている。

光導波路８は、実施例１に示した構造とした。

この状態で、層に垂直方向に偏光したＬｏｐｓのパルス
光（波長８１０ｎｍ）を入射したところ、室温で２つの
群速度をもつ達成波に分裂した。この２つの分裂した光
パルスのうち遅い方の光パルスに同期して窓１ｏから波
長８００ｎｍの強い光を入射したところ、速く進んだ光
の強度が遅延時間１．　ｐ　ｓ以下で５０％減少した。

この結果、この構造が室温動作の光デート回路として働
くことを確認した。

実施例３゜ 分極の光との速成波の分散曲線は第５図のようになる。

図で下側の曲線は下枝の連成波（ＬＢＰ）、上側の曲線
は上枝の速成波（ＵＢＰ）である。半導体中にはこれら
の速成波以外に励起子分子が存在し、この分散曲線は第
５図の上側に示したものになる。

ここで、３種類の波長の光を用いると光の論理演算が可
能となる。第５図に示すように、光のエネルギーがｈω
２の光を入射すると、ＵＢＰ。

ＬＢＰの２つの状態が生成する。この状態で先のエネル
ギーがｈωＩＵの光をさらに入射すると、ＵＢＰが励起
子分子に励起されてＵＢＰの数が減少する。ＵＢＰとＬ
ＢＰとは量子力学的に同一の状態とみなせる。このため
、ＬＢＰの数も同時に減少する。このとき、光のエネル
ギーがｈωＩＬの光を入射しておけばｈωＩＬの光を入
射している間、その光は吸収されなくなる。つまり光の
強度変調を受ける。この変調速度は、ＵＢＰとＬＢＰと
が同一の量子状態であることから、非常に速く１ｐｓ以
下である。光の論理演算は、上記３種類の波長の光の有
無によって可能となる。

第１表にｈω１．　ｈω１υの光の有無を組み合わせに
よってｈωｌしの光がどのように変調されるかを示した
。

第　　１　　表 この光の有無と０，１とを対応づけることによって第２
表、第３表に示すように、ＯＲ演算やＡＮＤ演算ができ
る。

第　　２　表 ｈω１の光有　　　Ｏ ｈω２の光有　　　１ ｈω３の光透過−１ ｈ 第　　３　　表 ωｌの光有　　　１ ω２の光有□０ ω８の光透過−〇 第６図は上記論理演算を回連ならしめるデバイス構造を
示したものである。導波路Ａ、ＢおよびＣに光のエネル
ギーがｈω、ｈω１しおよびｈωｌυの光を導波させる
。このデバイスは、ＧａＡｓ基板６上に量子井戸層７を
もつ光導波路８を形成したもので、光導波路は、実施例
１に記載された構造のものをそのまま用いた。その結果
、いずれの光導波路の場合でも光のＯＮ、ＯＦＦの比が
１０ｄＢ程度の良好な論理演算が室温で達成された。

実施例４゜ 実施例１に記載された構造の光導波路を用いて第７図に
示したマツハ・ツエンダー形の光素子を形成した。この
光導波路の一端に光を入射し、マツハ・ツエンダー導波
路の中心部をつらぬく磁場を用意し、その磁場の大きさ
を変えると室温で周期ｈａ／ｅ（ｈニブランク定数、Ｃ
：光速、ｅ：電子の電荷）で出射光の光が変調した。こ
の結果、超高感度の磁場測定器が形成された。

〔発明の効果〕

以上示したように１本発明によれば、非常に高速な光ゲ
ート回路、光変調素子および光論理素子が作製可能であ
り、光通信・光情報処理の分野で高速処理が可能なデバ
イスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は変調ドープした量子井戸を用いた速成波を発生
させる導波路構造を示す斜視図、第２図は変調ドープし
た量子井戸のバンド構造図、第３図は変調ドープした量
子井戸構造の実施例を示す断面図。 第４図は本発明の実施例の達成波を用いた光ゲート回路
を示す斜視図、 第５図は達成波の 明の実施例の升凸雲霊高感度の磁場測定装置の平面図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を導波する導波路が、少なくともその一部におい
   て分極することを特徴とする光導波路。 ２、上記分極が光の導波される方向に移動可能であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の光導波路。 ３、上記分極が変調ドープした量子井戸から発生するこ
   とを特徴とする請求項１記載の光導波路。 ４、変調ドープした量子井戸を有する光導波路において
   、導波路の厚さが２μｍ以上で、その中に１層の井戸層
   のみを有することを特徴とする光導波路。 ５、上記変調ドープした量子井戸を有する光導波路が、
   同一符号のドーピング層のみを有する光導波路であるこ
   とを特徴とする請求項４記載の光導波路。 ６、上記変調ドープした量子井戸を有する光導波路にお
   いて、光の進行方向が量子井戸と平行であり、かつ光の
   電界の方向が上記分極と平行であることを特徴とする請
   求項３記載の光導波路。 ７、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を用
   いたことを特徴とする光変調器。８、請求項１ないし６
   のいずれかに記載の光導波路を用いたことを特徴とする
   光論理素子。 ９、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を用
   いたことを特徴とする光ゲート回路。 １０、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を
   用いたことを特徴とするマツハ・ツエンダー型光導波路
   。 １１、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を
   用い、導波路の途中に窓を設け、上記窓部分から変調さ
   せるべき光を入射可能としたことを特徴とする光変調器
   。 １２、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を
   用いたことを特徴とする磁場測定器。 １３、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を
   用いたことを特徴とする光変調装置。 １４、請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路を
   用いたことを特徴とする光演算装置。