JPH04104130A - Wavelength multiplexing optical element and image processing method using same - Google Patents

Wavelength multiplexing optical element and image processing method using same

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JPH04104130A
JPH04104130A JP22001790A JP22001790A JPH04104130A JP H04104130 A JPH04104130 A JP H04104130A JP 22001790 A JP22001790 A JP 22001790A JP 22001790 A JP22001790 A JP 22001790A JP H04104130 A JPH04104130 A JP H04104130A
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Abstract

PURPOSE:To realize high integration and low-input operation characteristics and to impose parallel optical logical modulation on the three primary colors of light by a single optical waveguide by varying the phase or refractive index of incident light by using specific plural layers of semiconductor thin films which differ in thickness, and performing light-intensity modulation, hue modulation, or the switching of a propagation path. CONSTITUTION:The layers (e.g. three layers) of semiconductor thin films which differ in layer thickness are included, and the respective semiconductor thin films have band gaps in the near infrared range and are sandwiched between barrier materials which has band gap outside the near ultraviolet range, thereby forming an optical waveguide 2 so that wavelengths of energy potentials in an electron-positive hole excitation state formed in the respective thin films of the layers correspond to specific visible light (red, green, and blue of visible light when the three layers are formed). Light beams which resonate with the respective energy potentials are made incident on the respective layers of this optical waveguide 2 and other light is used as modulating light or reference light to vary the phase or refractive index of the incident light, thereby constituting the wavelength multiplexing optical element so that the light intensity modulation, hue modulation, or the switching of the propagation path in an optional range of the visible light is performed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光変調、画像処理などに用いられる波長多重
光素子に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a wavelength multiplexing optical device used for light modulation, image processing, etc.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、光導波路における非線形光学効果を用いて光変調
、光周波数変換などを行う機能を有する非線形光機能素
子が提案されている。その動作特性については、例えば
「ジャーナルオブアプライドフィジクス、第58巻(1
985年)、第R57頁から第R78頁(J、APρ1
. Phys、。
Conventionally, nonlinear optical functional elements have been proposed that have functions of performing optical modulation, optical frequency conversion, etc. using nonlinear optical effects in optical waveguides. Regarding its operating characteristics, for example, "Journal of Applied Physics, Vol. 58 (1)
985), pages R57 to R78 (J, APρ1
.. Phys.

58 (L985)、pp、R57−R78)Jにおい
て論じられている。上記文献では、単一の波長の光を導
波する条件下の光導波路において、非線形光学効果によ
る屈折率変化を利用して光変調が行われ、二次の非線形
光学効果による第2高調波発生など光周波数変換が試み
られている。そして、非線形光学効果による屈折率変化
はおよそ10%であり、光導波路の長さは約1cmであ
る。また、光源として、出力100W程度のパルスレー
ザが使用されている。
58 (L985), pp, R57-R78)J. In the above literature, in an optical waveguide under the condition that light of a single wavelength is guided, optical modulation is performed using a change in refractive index due to a nonlinear optical effect, and second harmonic generation is generated due to a second-order nonlinear optical effect. Optical frequency conversion has been attempted. The refractive index change due to the nonlinear optical effect is about 10%, and the length of the optical waveguide is about 1 cm. Further, a pulse laser with an output of about 100 W is used as a light source.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記従来技術においては、機能を実現するための素子の
サイズが大きいこと、集積度が低いこと、高出力光源を
必要とすること等の問題点があるが、高集積かつ低入力
動作の非線形光学素子を構成することは困難である。ま
た、上記従来技術においては、光の三原色に対して一つ
の光導波路で並列的に処理することや、二つの画像を比
較して共通部分等を認識することは離しい。
The above-mentioned conventional technology has problems such as the large size of the element to realize the function, the low degree of integration, and the need for a high-output light source. It is difficult to construct the device. Further, in the above-mentioned conventional technology, it is difficult to process the three primary colors of light in parallel using one optical waveguide, or to compare two images to recognize common parts.

本発明の目的は、高集積かつ低入力動作という特性を有
し、かつ光の三原色に対して単一の光導波路で並列的に
光論理変調動作を行うことができ、もしくは天然色で画
像処理を行うことができる波長多重光素子を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to have the characteristics of high integration and low input operation, and to be able to perform optical logic modulation operations in parallel with a single optical waveguide for the three primary colors of light, or to perform image processing using natural colors. An object of the present invention is to provide a wavelength multiplexing optical device capable of performing the following steps.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的は、それぞれ厚みの異なる複数層(例えば三層
)の半導体薄膜を含み、その半導体薄膜は、近赤外領域
にバンドギャップを有するとともに、近紫外のバンドギ
ャップを有するバリア材料で挟まれていることにより、
各層それぞれの薄膜中に形成される電子−正孔の励起状
態のエネルギー準位の波長が所定の可視光(例えば三層
の場合。
The above object includes a semiconductor thin film of multiple layers (for example, three layers) each having a different thickness, and the semiconductor thin film is sandwiched between barrier materials having a band gap in the near-infrared region and a band gap in the near-ultraviolet region. By being
The energy level of the excited state of electrons and holes formed in the thin film of each layer has a wavelength of visible light (for example, in the case of three layers).

可視光の赤、緑、青)に対応しているように光導波路を
形成し、該光導波路の各層にそれぞれのエネルギー準位
に共鳴する光を入射し、他の光を変調光もしくは参照光
として照射することによって入射光の位相もしくは屈折
率を変化させ、可視光の任意の領域における光強度変調
、色調変調、伝搬進路の切換えを行うように波長多重光
素子を構成することにより、達成される。
An optical waveguide is formed to correspond to visible light (red, green, blue), and light that resonates with each energy level is input to each layer of the optical waveguide, and other light is used as modulated light or reference light. This is achieved by configuring a wavelength multiplexing optical element to change the phase or refractive index of the incident light by irradiating it as Ru.

〔作用〕[Effect]

上記構成において、励起子準位と共鳴する波長の光を入
射すると、励起子と光のコヒーレントな相互作用によっ
て、ポラリトンが形成される。そして、ポラリトンが存
在するとき、励起子と光の相互作用は極めて強く、共鳴
波長における媒質の屈折率は、空気中の値より大幅に増
加する。特に、バリア層に半導体薄膜による量子井戸層
より遥かに大きなバンドギャップを有する材料を用いて
量子井戸構造を構成すると、量子井戸中に形成された励
起子と光の相互作用はさらに強まり、共鳴状態での屈折
率は空気中の10倍以上になる。このような状況は、例
えばZ nSD、、、 S’e、1.sなどの■−■族
化合物もしくはその混晶をバリアとして用い、GaAs
などの■−■族化合物を量子井戸として用いることによ
り、実現できる。この系では、格子不整合も0.42%
と、はとんどないといえるので、歪による影響は無視で
きる。
In the above configuration, when light having a wavelength that resonates with the exciton level is incident, polaritons are formed by coherent interaction between the exciton and the light. When polaritons are present, the interaction between excitons and light is extremely strong, and the refractive index of the medium at the resonant wavelength increases significantly compared to the value in air. In particular, when a quantum well structure is constructed using a material with a much larger bandgap than a semiconductor thin film quantum well layer for the barrier layer, the interaction between excitons formed in the quantum well and light becomes even stronger, leading to a resonance state. The refractive index in the atmosphere is more than 10 times that in air. Such a situation is, for example, Z nSD, , S'e, 1. GaAs
This can be realized by using a ■-■ group compound such as the following as a quantum well. In this system, the lattice mismatch is also 0.42%
It can be said that there is no such thing as , so the influence of distortion can be ignored.

上記の系を利用すると、共鳴領域の波長の光に対して屈
折率が10以上であるため、ナノメータサイズの幅を有
する光導波路に光を導波することが可能であり、光素子
の集積度を飛躍的に増加できる。また、バリア層のバン
ドギャップが近紫外域に、量子井戸層のバンドギャップ
が近赤外域にあるため、量子井戸の厚みを変えると、量
子井戸励起子と共鳴する光の波長が可視光全域で可変で
ある。従って、厚みの異なる量子井戸層を三層設けて、
それぞれ赤色(R)、緑色(G)、青色(B)に対応す
るポラリトンを単一の光導波路に伝搬させることができ
る。このR,G、Bは光の三原色であり、天然色を導波
し、光演算を行う素子が構成できる。
When using the above system, since the refractive index is 10 or more for light with a wavelength in the resonance region, it is possible to guide light into an optical waveguide with a width of nanometer size, and the integration of optical devices can be improved. can be dramatically increased. In addition, since the band gap of the barrier layer is in the near-ultraviolet region and the band gap of the quantum well layer is in the near-infrared region, changing the thickness of the quantum well causes the wavelength of light that resonates with the quantum well excitons to change over the entire visible light range. It is variable. Therefore, by providing three quantum well layers with different thicknesses,
Polaritons corresponding to red (R), green (G), and blue (B), respectively, can be propagated through a single optical waveguide. These R, G, and B are the three primary colors of light, and an element that guides natural colors and performs optical calculations can be constructed.

また、励起子散乱によってポラリトンの位相が変化する
ことを利用して、干渉型の光導波路を構成し、変調光に
よって作られた電子−正孔系が入力光により形成された
ポラリトンの位相を変化させ、干渉条件を変えることに
より、光の強度変調を行うことができる。この場合、ポ
ラリトンの励起子成分は励起子共鳴波長で最も高いため
、変調光の波長がその波長に近いときに散乱が強くなる
In addition, by utilizing the fact that the phase of polariton changes due to exciton scattering, an interference type optical waveguide is constructed, and the electron-hole system created by modulated light changes the phase of polariton formed by input light. By changing the interference conditions, the intensity of light can be modulated. In this case, since the exciton component of the polariton is highest at the exciton resonance wavelength, scattering becomes stronger when the wavelength of the modulated light is close to that wavelength.

従って、変調光の波長成分を選べば、R,G、Bのうち
の任意の成分の変調を行うことができ、色調の変調や、
波長多重論理等に応用できる。なお、この効果を引き起
こすのに必要な変調光の強度は1mW程度でよく、低入
力で動作する素子を構成できるという利点を有している
Therefore, by selecting the wavelength component of the modulated light, it is possible to modulate any component among R, G, and B, and it is possible to modulate the color tone,
It can be applied to wavelength multiplexing logic, etc. Note that the intensity of the modulated light necessary to produce this effect is only about 1 mW, and this has the advantage that it is possible to configure an element that operates with low input.

さらに、励起子散乱は、励起子と光の相互作用を弱め、
屈折率を減少させる。そこで、上記光導波路に光を照射
し、励起子散乱を誘起することによって、光導波路中の
光の閉じ込めを弱め、光の電界の外部へのしみ出しを増
やすことにより、その成分を隣接して設けた別の光導波
路に取り出すこともできる。これは、後述の実施例2で
示すように、RGB画像処理を可能にし、参照光の波長
成分に応じて原画像と参照画像との比較を天然色で行う
ことができる。この場合も、上記変調と同様に、参照光
の強度は1mW程度でよい。
Furthermore, exciton scattering weakens the interaction between excitons and light,
Decrease the refractive index. Therefore, by irradiating the optical waveguide with light and inducing exciton scattering, the confinement of light in the optical waveguide is weakened, and by increasing the leakage of the electric field of light to the outside, its components are It can also be taken out to another optical waveguide provided. This enables RGB image processing, as shown in Example 2 below, and allows comparison between the original image and the reference image in natural colors according to the wavelength components of the reference light. In this case, as in the above modulation, the intensity of the reference light may be about 1 mW.

なお、本発明による素子は、上記のようにポラリトンを
利用した励起子と光の相互作用を用いるものであるが、
この作用を十分発揮させるために、量子井戸層に光が入
射するとき、光が層の長手の方向に入射するように構造
上の配慮をすることが必要である。
Note that the device according to the present invention uses interaction between excitons and light using polaritons as described above;
In order to fully exhibit this effect, it is necessary to take structural consideration so that when light is incident on the quantum well layer, the light is incident in the longitudinal direction of the layer.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図面な用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施例1: 本実施例は、マツハーツエンダー干渉計光導波路の一部
に変調光入射用の光導波路が接続され、赤(R)、緑(
G)、青(B)の光の三原色を導波し、変調を行う素子
を構成した実施例である。第1図(a)に該実施例のマ
ツハーツエンダー干渉計の概略外観を示し、第1図(b
)にその光導波の構成(ただし横向きに図示)を示す。
Example 1: In this example, an optical waveguide for inputting modulated light is connected to a part of the Matsuharzender interferometer optical waveguide, and red (R), green (
This is an example in which an element is configured to waveguide and modulate the three primary colors of light, G) and blue (B). FIG. 1(a) shows a schematic appearance of the Matsuharzender interferometer of this example, and FIG. 1(b)
) shows the configuration of the optical waveguide (illustrated horizontally).

まず、作製方法について述べる。第1図(b)において
、基板1として半絶縁性のGaAsウエハを用い、該基
板1上に、まずクラッド層4としてアンドープのG a
 A sを1.0μm、バリア層8となるZ n S 
11*1s S eo @86を1.5μm、19.8
人のGaAs量子井戸層5,100人のバリア層8.1
1.3人のGaAs量子井戸層6,100人のバリア層
8.8.5人のGaAs量子井戸層7.1.5μmのバ
リア層8、さらにクラッド層の順に分子線エピタキシ法
(MBE法)によってエピタキシャル結晶成長させる。
First, the manufacturing method will be described. In FIG. 1(b), a semi-insulating GaAs wafer is used as a substrate 1, and an undoped GaAs wafer is first formed on the substrate 1 as a cladding layer 4.
A s is 1.0 μm, and Z n S becomes the barrier layer 8.
11*1s S eo @86 to 1.5μm, 19.8
GaAs quantum well layer 5,100 barrier layer 8.1
1.3 GaAs quantum well layer 6,100 barrier layer 8.8.5 GaAs quantum well layer 7.1.5 μm barrier layer 8 and then cladding layer using molecular beam epitaxy (MBE method) Epitaxial crystal growth is performed by

クラッド層4およびそれらで挟まれた領域がコアとなる
。量子井戸層5には、赤色帯ポラリトンの源となる励起
子準位9が生じる。液体ヘリウム温度での励起子準位9
のエネルギーは1.77eVで、波長707nmとなる
。また、緑色帯ポラリトンに対応する量子井戸層6の励
起子準位10では、エネルギーは2.30eV、波長は
542nmであり、青色帯ポラリトンに対応する量子井
戸層7の励起子準位11では、エネルギーは2.89e
V、波長は430nmである。
The cladding layer 4 and the region sandwiched therebetween serve as the core. In the quantum well layer 5, an exciton level 9 is generated which becomes a source of red-band polaritons. Exciton level 9 at liquid helium temperature
The energy is 1.77 eV and the wavelength is 707 nm. Furthermore, the exciton level 10 of the quantum well layer 6 corresponding to the green band polariton has an energy of 2.30 eV and the wavelength of 542 nm, and the exciton level 11 of the quantum well layer 7 corresponding to the blue band polariton: Energy is 2.89e
V, the wavelength is 430 nm.

結晶成長後、コンタクトマスク露光によって、第1図(
a)に示したようなマツハーツエンダー干渉計に加工す
る。ここで、光導波路の輻4μmであり、また、干渉計
の長さは200μm、干渉計の両端に接続された光導波
路の長さは各々25μmであるので、干渉計光導波路2
の全長は250μmである。また、干渉計の一部に接続
された変調光入射用光導波路3の長さは100μmであ
る。
After crystal growth, contact mask exposure is performed to produce the image shown in Figure 1 (
Process it into a Matsuharzender interferometer as shown in a). Here, the convergence of the optical waveguide is 4 μm, the length of the interferometer is 200 μm, and the lengths of the optical waveguides connected to both ends of the interferometer are each 25 μm, so the interferometer optical waveguide 2
The total length of is 250 μm. Further, the length of the modulated light input optical waveguide 3 connected to a part of the interferometer is 100 μm.

上記の素子を液体ヘリウムで冷却し、それぞれ波長が7
07nm、542nm、430nmであるR入射光21
、G入射光22、B入射光23を干渉計光導波路2に入
射する。すると、各入射光はそれぞれ対応する量子井戸
励起子と共鳴し、R帯、G帯、B帯のポラリトンとなっ
て伝搬する。ここで、変調光入射用光導波路3にそれぞ
れ波長が707nm、542nm、430nmのR,G
、B光を各々変調光41,42.43として入射すると
、共鳴する波長のポラリトンの位相が変化するために干
渉条件が変化し、R,G、Bの出射光31.32.33
の強度が変化する。従って、変調光として入射するR、
G、B成分を選択することにより、出射光を任意の色の
被変調光として得られる。
The above elements are cooled with liquid helium, and each wavelength is 7.
R incident light 21 with wavelengths of 07 nm, 542 nm, and 430 nm
, G incident light 22 and B incident light 23 are input to the interferometer optical waveguide 2. Then, each incident light resonates with the corresponding quantum well exciton, and propagates as R-band, G-band, and B-band polaritons. Here, R, G with wavelengths of 707 nm, 542 nm, and 430 nm are provided in the optical waveguide 3 for modulated light incidence.
, and B light as modulated light 41, 42.43, the interference conditions change because the phase of the polariton of the resonant wavelength changes, and the R, G, and B outgoing lights 31, 32, 33
The intensity of changes. Therefore, R incident as modulated light,
By selecting the G and B components, output light can be obtained as modulated light of any color.

第2図は、上記光素子を含む光学系全体の構成を示した
ブロック図である。図において、50は赤(R)、緑(
G)、赤(R)の光の三原色を出す入力用光源、51は
本発明による光素子である。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the entire optical system including the optical element. In the figure, 50 is red (R), green (
G), an input light source that emits the three primary colors of red (R) light, and 51 is an optical element according to the present invention.

また、52は変調用光源で、入力用光源50と同様な構
成であるが、R,G、B成分の選択ができるようになっ
たものである。入力用光源50から出た光は光ファイバ
53に導かれ、光素子51に入射光として入射する。一
方、変調用光[52から出た光は光ファイバ54に導か
れ、光素子51に変調光として入射し、上述したような
変調を行う、この光素子51からの出射光は、光ファイ
バ55に導かれて波長分解用のプリズム56に入射し、
ここでR,G、Bの光に分けられ、それぞれR相検出器
61、G用検出器62、B用検畠器63によって検出さ
れる。
Further, 52 is a modulation light source, which has the same configuration as the input light source 50, but can now select R, G, and B components. Light emitted from the input light source 50 is guided to the optical fiber 53 and enters the optical element 51 as incident light. On the other hand, the light emitted from the modulating light [52] is guided to the optical fiber 54, enters the optical element 51 as modulated light, and is modulated as described above. and enters the prism 56 for wavelength decomposition,
Here, the light is divided into R, G, and B light and detected by an R phase detector 61, a G detector 62, and a B field detector 63, respectively.

実施例2: 本実施例は、光学的1こ結合した二本の光導波路からな
り、R,G、B光成分のうち特定の成分を取り出して、
画像処理等を行う光素子を作製した実施例である。
Example 2: This example consists of two optical waveguides that are optically coupled together, and a specific component among the R, G, and B light components is taken out.
This is an example in which an optical element that performs image processing and the like was manufactured.

低温では、量子井戸中の励起子状態が安定で、熱振動に
よる撹乱がないため、量子井戸励起子と光との相互作用
が増し、量子井戸部分の屈折率が空気中の10倍以上に
なる。本発明において対象とする。閉じ込め効果の大き
い量子井戸励起子と光との液体ヘリウム温度における相
互作用は、まさにそのような巨大な屈折率を実現する条
件になっており、そのため、光導波路の幅を100nm
と、空気中の光の波長の5分の1以下のナノメータサイ
ズに減少することができる。
At low temperatures, the exciton state in the quantum well is stable and undisturbed by thermal vibrations, so the interaction between the quantum well exciton and light increases, and the refractive index of the quantum well becomes more than 10 times that of air. . This is the object of the present invention. The interaction between quantum well excitons, which have a large confinement effect, and light at the liquid helium temperature is exactly the condition for achieving such a huge refractive index.
It can be reduced to a nanometer size, which is less than one-fifth of the wavelength of light in air.

第3図(a)に、本実施例の、ナノメータサイズの幅の
光導波路を有し、画像処理等を行う光素子の外観を示す
。基板101として実施例1と同じく半絶縁性GaAs
ウェハを用い、実施例1と全く同じ条件で結晶成長を行
った。次いで、電子線描画によるレジスト露光の後、ド
ライエツチングを行い、幅1100nで二個所の湾曲部
を有する光導波路102と、同じく輻1100nで一個
所の湾曲部を有する光導波路103を形成した。光導波
路102と103は、第2図(a)に示すように、一部
で接近しており、その領域での互いの光導波路間の間隔
は50nmである。ここで、光導波路102を入力用光
導波路、光導波路103を取り出し用光導波路と呼ぶこ
とにする。また、参照光110を、入力用光導波路10
2と取り出し用光導波路103の接近部の入力用光導波
路102側のみに照射するように、第3図(b)に示す
ように、500nmのアルミニウム膜119を蒸着後、
参照光照射窓120をイオンミリングにより作製した。
FIG. 3(a) shows the appearance of an optical element according to this embodiment, which has an optical waveguide with a width of nanometer size and performs image processing and the like. The substrate 101 is made of semi-insulating GaAs as in Example 1.
Crystal growth was performed using the wafer under exactly the same conditions as in Example 1. Next, after exposing the resist by electron beam writing, dry etching was performed to form an optical waveguide 102 having a width of 1100n and having two curved portions, and an optical waveguide 103 having a width of 1100n and one curved portion. As shown in FIG. 2(a), the optical waveguides 102 and 103 are close to each other in a part, and the distance between the optical waveguides in that area is 50 nm. Here, the optical waveguide 102 will be referred to as an input optical waveguide, and the optical waveguide 103 will be referred to as an extraction optical waveguide. Further, the reference light 110 is connected to the input optical waveguide 10.
After depositing a 500 nm aluminum film 119, as shown in FIG.
The reference light irradiation window 120 was produced by ion milling.

以下、動作を説明する。入力用光導波路102に、先球
ファイバ104によって入力光107を入射する。まず
、入力光としてR帯励起子に共鳴する光を入力する場合
を考える。入力光はR帯ポラリトンとなって光導波路を
伝搬する。入力用光導波路102は屈折率が10以上で
あるため、ナノメータ輻の光導波路中でも安定に伝搬す
る。この場合、取り出し用光導波路103が接近してい
る部分があっても、入力用光導波路102からの電界の
しみ出しが極めて少ないため、取り出し用光導波路10
3へのポラリトンの移行は生じない。
The operation will be explained below. Input light 107 is input into the input optical waveguide 102 through the spherical fiber 104 . First, consider the case where light that resonates with R-band excitons is input as input light. The input light becomes an R-band polariton and propagates through the optical waveguide. Since the input optical waveguide 102 has a refractive index of 10 or more, the light propagates stably even in an optical waveguide with nanometer radiation. In this case, even if there is a portion where the extraction optical waveguide 103 is close to the extraction optical waveguide 103, the electric field seepage from the input optical waveguide 102 is extremely small.
No transition of polariton to 3 occurs.

従って、入力用光導波路102からの出力光108は出
射されるが、取り出し用光導波路103からの出力光1
09は出射されない。しかし1両光導波路の結合領域、
すなわち接近部の入力用光導波路102に、参照光11
0として入力光と同じ波長のR光を照射すると、励起子
散乱による屈折率の減少のため、入力用光導波路102
からの電界のしみ出しが増加し、取り出し用光導波路1
03へのR帯ポラリトンの移行が生じる。
Therefore, the output light 108 from the input optical waveguide 102 is emitted, but the output light 108 from the extraction optical waveguide 103 is emitted.
09 is not emitted. However, the coupling region of both optical waveguides,
In other words, the reference light 11 is connected to the input optical waveguide 102 in the approach section.
When R light of the same wavelength as the input light is irradiated with the input light set to 0, the input optical waveguide 102
The electric field seepage from the extraction optical waveguide 1 increases.
A transition of the R-band polariton to 03 occurs.

この場合には、取り出し用光導波路103からの出力光
109が観測される。
In this case, output light 109 from the extraction optical waveguide 103 is observed.

次に1以上述べた光素子を集積したものを用いて画像処
理への利用を試みた例を説明する。まず、一基板上に上
記光素子を6個集積し、各々の光素子を上から順に1か
ら6まで番号付けをする。次に、6枚の基板において同
じものを作製し、各々の基板を1から■まで番号付けを
する。そして、先球ファイバ104によって入力光10
7を入射し、先球ファイバ105,106によって出力
光108.109を取り出す。また、入力光107、参
照110を導くファイバに光分波器(図示せず)を接続
し、モニタ用ファイバをつける。このモニタ用ファイバ
を基板ごと、各素子ごとに番号で分類し、マトリクス状
に配列した。これを第4図に示す。図において、各々の
円がファイバからの光スポットに対応する。テストパタ
ーンとしては、各々の入力光107には、第4図(a)
の入力光パターンのように、全基板の光素子1,2番に
R光、全基板の光素子3,4番にG光、全基板の光素子
5.64−にB光を用いる。一方、参照光のテストパタ
ーンとしては、第4図(b)のように。
Next, an example will be described in which one or more of the above-mentioned optical elements are integrated and used for image processing. First, six of the above optical elements are integrated on one substrate, and each optical element is numbered from 1 to 6 in order from the top. Next, six identical substrates are manufactured, and each substrate is numbered from 1 to ■. The input light 10 is then transmitted through the spherical fiber 104.
7 is input, and output lights 108 and 109 are taken out by the tipped fibers 105 and 106. Further, an optical demultiplexer (not shown) is connected to the fiber that guides the input light 107 and the reference 110, and a monitoring fiber is attached. The monitoring fibers were classified by number for each substrate and each element, and arranged in a matrix. This is shown in FIG. In the figure, each circle corresponds to a light spot from the fiber. As a test pattern, each input light beam 107 is shown in FIG. 4(a).
As shown in the input light pattern, R light is used for optical elements 1 and 2 on all boards, G light is used for optical elements 3 and 4 on all boards, and B light is used for optical elements 5 and 64- on all boards. On the other hand, the test pattern of the reference light is as shown in FIG. 4(b).

基板1,11番の全光素子にR光、基板I[1,IV番
の全光素子にG光、基板V、VI番の全光素子にB光を
用いる。このとき、取り出し用光導波路103からの出
力光109のパターンを、先球ファイバ106からの光
スポツトアレイとして示すと、第4図(c)の出力光ス
ポットアレイ123となる。
R light is used for all optical elements on substrates 1 and 11, G light is used for all optical elements on substrates I [1 and IV, and B light is used for all optical elements on substrates V and VI. At this time, if the pattern of the output light 109 from the extraction optical waveguide 103 is shown as a light spot array from the bulbous fiber 106, it becomes the output light spot array 123 shown in FIG. 4(c).

このとき、入力光107と参照光110の波長が一致し
たときだけ入力用光導波路102から取り出し用光導波
路103へのポラリトンの移行が生じるから、入力光パ
ターン121と参照光パターン122の重なった場合の
み出力光109が放出されることを考慮すると、出力光
スポットアレイ123のパターンは理解できる。一方、
入力用光導波路102からの出力光10Bのパターンは
、第4図(d)の出力光スポットアレイ124となる。
At this time, polariton transfer from the input optical waveguide 102 to the extraction optical waveguide 103 occurs only when the wavelengths of the input light 107 and the reference light 110 match, so if the input light pattern 121 and the reference light pattern 122 overlap The pattern of the output light spot array 123 can be understood by considering that only the output light 109 is emitted. on the other hand,
The pattern of the output light 10B from the input optical waveguide 102 becomes the output light spot array 124 shown in FIG. 4(d).

ここでは、取り出し用光導波路103へ移行したポラリ
トンに対応する出方光の強度が減少し、それ以外の出力
光の強度が相対的に強くなっている。
Here, the intensity of the output light corresponding to the polariton that has migrated to the extraction optical waveguide 103 decreases, and the intensity of the other output light becomes relatively strong.

上記の説明では、テストパターンとして、各光素子には
R,GまたはBの単色光が入力されるとしたが、実際に
はR,G、B混合の光を入射し、入力画像が参照画像と
一致する部分と、残りの部分とを抽出することができる
。また、上記の説明では、素子を6個集積した場合につ
いて述べたが、基板上の素子の集積度を増やすことによ
って、画素数を増やすことができる。例えば、トIの幅
を考え、そこに各素子を1μmの間隔で並べると、10
00個の素子を集積可能である。そして、1000個が
集積された基板を10枚使うと、縦×横の画素数100
X100個の画像処理ができる。
In the above explanation, it is assumed that R, G, or B monochromatic light is input to each optical element as a test pattern, but in reality, a mixture of R, G, and B light is input, and the input image is the reference image. The matching part and the remaining part can be extracted. Further, in the above description, the case where six elements are integrated is described, but the number of pixels can be increased by increasing the degree of integration of the elements on the substrate. For example, if we consider the width of I and arrange each element there at an interval of 1 μm, then 10
00 elements can be integrated. If you use 10 boards with 1000 integrated elements, the number of vertical x horizontal pixels will be 100.
Can process 100 images.

実施例3; 本発明の第3の実施例を第5図を用いて説明する0本実
施例は、ナノメータサイズの光導波路へのポラリトンの
閉じ込めをより強固にするため、実施例1におけ4各量
子井戸層を、電子線描画とドライエツチングによる加工
で、細線状に加工し、横方向にもポラリトン閉じ込めの
増強を図ったものである。図において、131は基板、
132は19.8人GaAs量子井戸細線、133は1
1.3人G a A s量子井戸細線、134は8.5
人GaAs量子井戸細線、135はクラッド層である。
Example 3: The third example of the present invention will be explained using FIG. Each quantum well layer is processed into a fine wire shape using electron beam lithography and dry etching to enhance polariton confinement in the lateral direction as well. In the figure, 131 is a substrate;
132 is 19.8 person GaAs quantum well thin wire, 133 is 1
1.3 person Ga As quantum well thin wire, 134 is 8.5
The GaAs quantum well thin wire 135 is a cladding layer.

細線の幅は40nmで、クラッドも含めた光導波路の幅
は50nmである。本実施例によれば、光素子のサイズ
をさらに縮小することができる。単一の素子の特性を評
価したところ、実施例2で用いた素子と同等の結果を得
た。
The width of the thin wire is 40 nm, and the width of the optical waveguide including the cladding is 50 nm. According to this embodiment, the size of the optical element can be further reduced. When the characteristics of a single element were evaluated, results equivalent to those of the element used in Example 2 were obtained.

実施例4: 以上述べた光素子では光導波路が細く入射端が狭いので
、光の入射効率が10%程度しかない。
Embodiment 4: In the optical device described above, the optical waveguide is thin and the incident end is narrow, so the light incident efficiency is only about 10%.

そこで、本実施例は、第6図に示すように、ナノメータ
光導波路141の端面に、扇状の絞り込み部142を設
けたものである。ここで、絞り込み部の端面の幅は1μ
m、絞り込み部の長さは10μmである。本実施例によ
れば、入射効率を50%以上にすることができる。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a fan-shaped narrowing portion 142 is provided on the end face of the nanometer optical waveguide 141. Here, the width of the end face of the narrowing part is 1μ
m, the length of the narrowing part is 10 μm. According to this embodiment, the incidence efficiency can be increased to 50% or more.

実施例5: 本発明の第5の実施例を第7図により説明する。Example 5: A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施例は、第7図に示すように、参照光110を入射
するために、新たに参照光入射用光導波路151を入力
用光導波路102に接続して素子を構成したもので、そ
れ以外は実施例2と同じである。本実施例においても、
単一の素子の特性として、実施例2で用いた素子と同等
の結果を得た。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the element is constructed by newly connecting a reference light input optical waveguide 151 to an input optical waveguide 102 in order to input the reference light 110. is the same as in Example 2. Also in this example,
As for the characteristics of a single element, results equivalent to those of the element used in Example 2 were obtained.

なお、本実施例は参照光を入射する場合であるが、変調
光を入射する場合にも、全く同様な構成で、同様な効果
を得ることができる。
Although this embodiment deals with the case where the reference light is incident, the same effect can be obtained with a completely similar configuration also in the case where the modulated light is incident.

(発明の効果〕 本発明によれば、光の三原色を基礎の波長成分として単
一の光導波路で並列的に光変調を行い、または自然色で
画像処理を行うことができ、しかも高集積で低入力動作
の特性を備えた波長多重光素子を得ることができる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, it is possible to perform parallel optical modulation in a single optical waveguide using the three primary colors of light as basic wavelength components, or to perform image processing using natural colors, and moreover, with high integration. A wavelength multiplexing optical device having characteristics of low input operation can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第1の実施例である光変調を行う波長
多重光素子の説明図、第2図は該実施例の光素子を含む
光学系全体の構成を示すブロック図、第3図は本発明の
第2の実施例である画像処理等を行う波長多重光素子の
説明図、第4図は該光素子による画像処理の説明図、第
5図は本発明の第3の実施例における量子細線状に加工
された半導体薄膜層を含む光導波路の断面図、第6図は
本発明の第4の実施例の説明図、第7図は本発明の第5
の実施例の説明図である。 符号の説明 1・・・基板 2・・・干渉計光導波路 3・・・変調光入射用光導波路 4・・・クラッド層 5・・・19.8人 G a A s量子井戸層6・・
・11.3人 GaAs量子井戸層7・・・8.5人G
aAs量子井戸層 8・・・バリア層 21.22.23・・・入射光 31.32,33・・・出射光 41.42,43・・・変調光 50・・・入力用光源  51・・・光素子52・・・
変調用光源  56・・・プリズム53.54,55・
・・光ファイバ 61.62,63・・・検出器 101・・・基板    102・・・入力用光導波路
103・・・取り出し用光導波路 104.105,106・・・先球ファイバ107・・
・入力光   108,109・・・出力光110・・
・参照光   131・・・基板132−19.8人G
aAs量子井戸細線133・ 11.3人GaAs量子
井戸細線134・・・8.5人G a A s量子井戸
細線135・・・クラッド層 141・・・ナノメータ光導波路 142・・・絞り込み部 151・・・参照光入射用光導波路 代理人弁理士  中 村 純之助 (b) 第1図 RGB (c )        (d ) 第4図
FIG. 1 is an explanatory diagram of a wavelength multiplexing optical device that performs optical modulation according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the entire optical system including the optical device of the embodiment, and FIG. The figure is an explanatory diagram of a wavelength multiplexing optical device that performs image processing, etc., which is a second embodiment of the present invention, FIG. 4 is an explanatory diagram of image processing by the optical device, and FIG. 5 is a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is an explanatory diagram of the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view of an optical waveguide including a semiconductor thin film layer processed into a quantum wire shape.
It is an explanatory view of an example of. Explanation of symbols 1... Substrate 2... Interferometer optical waveguide 3... Optical waveguide for modulated light incidence 4... Clad layer 5... 19.8 people Ga As quantum well layer 6...
・11.3 people GaAs quantum well layer 7...8.5 people G
aAs quantum well layer 8...Barrier layer 21.22.23...Incoming light 31.32, 33...Outgoing light 41.42, 43...Modulated light 50...Input light source 51...・Optical element 52...
Modulation light source 56...prism 53, 54, 55...
...Optical fibers 61, 62, 63...Detector 101...Substrate 102...Input optical waveguide 103...Output optical waveguide 104, 105, 106...Top fiber 107...
・Input light 108, 109...Output light 110...
・Reference light 131... Board 132-19.8 people G
aAs quantum well wire 133, 11.3-person GaAs quantum well wire 134, 8.5-person GaAs quantum well wire 135, cladding layer 141, nanometer optical waveguide 142, narrowing section 151, ...Reference light input optical waveguide attorney Junnosuke Nakamura (b) Figure 1 RGB (c) (d) Figure 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、それぞれ厚みの異なる複数層の半導体薄膜を含み、
その半導体薄膜が、近赤外領域にバンドギャップを有す
るとともに、近紫外のバンドギャップを有するバリア材
料で挟まれていることにより、各層それぞれの薄膜中に
形成される電子−正孔の励起状態のエネルギー準位の波
長が所定の可視光に対応しているように形成された光導
波路により構成され、該光導波路の各層にそれぞれのエ
ネルギー準位に共鳴する光を入射し、他の光を変調光ま
たは参照光として照射することによって入射光の位相ま
たは屈折率を変化させ、可視光の任意の領域における光
強度変調、色調変調または伝搬進路の切替えを行うよう
にしたことを特徴とする波長多重光素子。 2、請求項1に記載の波長多重光素子において、光導波
路が、それぞれ厚みの異なる三層の半導体薄膜を含み、
三層それぞれの薄膜中に形成される電子−正孔の励起状
態のエネルギー準位の波長が可視光の赤、緑、青に対応
しているように形成された光導波路であることを特徴と
する波長多重光素子。 3、請求項1または2に記載の波長多重光素子において
、光導波路によって構成される閉回路を含むことを特徴
とする波長多重光素子。 4、請求項1または2に記載の波長多重光素子において
、二本の光導波路を含み、該二本の光導波路は、それら
の光導波路の間に電磁的結合が生じるような接近し合っ
た部分を有することを特徴とする波長多重光素子。 5、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の波長多重
光素子において、半導体薄膜層がIII−V族化合物、バ
リアがII−VI族化合物またはその混晶からなり、かつ前
記バリアの前記半導体薄膜層に対する格子定数の不整合
が0.5%以下であることを特徴とする波長多重光素子
。 6、請求項5に記載の波長多重光素子において、半導体
薄膜層を形成するIII−V族化合物としてGaAsを用
い、バリアを形成するII−VI族化合物またはその混晶と
してZnS_0_._1_5Se_0_._8_5を用
いたことを特徴とする波長多重光素子。 7、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の波長多重
光素子において、半導体薄膜層は屈折率が空気中の屈折
率の10倍以上になり、かつ光導波路の幅が空気中の赤
色光の波長の5分の1以下であることを特徴とする波長
多重光素子。 8、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の波長多重
光素子において、半導体薄膜層が基板面に沿う方向に幅
40nm以下の細線状に加工され、光導波路の幅が50
nm以下に減小されたことを特徴とする波長多重光素子
。 9、請求項1ないし8のいずれか1項に記載の波長多重
光素子において、光導波路の端部に扇状絞り込み部を設
けたことを特徴とする波長多重光素子。 10、請求項1に記載の波長多重光素子において、変調
光または参照光を照射するための光導波路を設けたこと
を特徴とする波長多重光素子。 11、請求項4に記載の光導波路の間に電磁的結合が生
じるように互いに接近し合った部分を有する二本の光導
波路からなる素子を、1素子を1画素に対応させて、4
個以上の素子を集積したものを用い、天然色の原画を画
素に分割して、前記素子にそれぞれ入射し、各素子にお
いて、その入射した画素を参照画像の画素と比較し、原
画と参照画の共通部と非共通部とを分離・抽出し、各素
子の出力光を二次元的に配列して、共通部、非共通部の
画像をそれぞれ出力することを特徴とする画像処理方法
[Claims] 1. Including a plurality of semiconductor thin films each having a different thickness,
The semiconductor thin film has a band gap in the near-infrared region and is sandwiched between barrier materials that have a band gap in the near-ultraviolet region, so that the excited states of electrons and holes formed in the thin film of each layer are It consists of an optical waveguide formed such that the wavelength of the energy level corresponds to a predetermined visible light, and light that resonates with each energy level is input to each layer of the optical waveguide to modulate other light. Wavelength multiplexing characterized in that the phase or refractive index of incident light is changed by irradiating it as light or reference light, and light intensity modulation, color tone modulation, or propagation path switching is performed in any region of visible light. optical element. 2. In the wavelength multiplexing optical device according to claim 1, the optical waveguide includes three layers of semiconductor thin films each having a different thickness,
The optical waveguide is formed so that the wavelengths of the energy levels of the excited states of electrons and holes formed in each of the three thin films correspond to red, green, and blue visible light. wavelength multiplexing optical element. 3. The wavelength multiplexing optical device according to claim 1 or 2, comprising a closed circuit constituted by an optical waveguide. 4. The wavelength multiplexing optical device according to claim 1 or 2, comprising two optical waveguides, the two optical waveguides being close to each other such that electromagnetic coupling occurs between the optical waveguides. A wavelength multiplexing optical device characterized by having a portion. 5. The wavelength multiplexing optical device according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor thin film layer is made of a III-V group compound, the barrier is made of a II-VI group compound or a mixed crystal thereof, and A wavelength multiplexing optical device characterized in that a lattice constant mismatch with respect to a semiconductor thin film layer is 0.5% or less. 6. In the wavelength multiplexing optical device according to claim 5, GaAs is used as the III-V group compound forming the semiconductor thin film layer, and ZnS_0_. _1_5Se_0_. A wavelength multiplexing optical device characterized by using _8_5. 7. In the wavelength multiplexing optical device according to any one of claims 1 to 6, the semiconductor thin film layer has a refractive index that is 10 times or more the refractive index of the air, and the width of the optical waveguide is the red color of the air. A wavelength multiplexing optical element characterized in that the wavelength is one-fifth or less of the wavelength of light. 8. In the wavelength multiplexing optical device according to any one of claims 1 to 7, the semiconductor thin film layer is processed into a thin line shape with a width of 40 nm or less in the direction along the substrate surface, and the width of the optical waveguide is 50 nm or less.
A wavelength multiplexing optical device characterized in that the wavelength is reduced to below nm. 9. The wavelength multiplexing optical device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a fan-shaped constriction portion is provided at an end of the optical waveguide. 10. The wavelength multiplexing optical device according to claim 1, further comprising an optical waveguide for irradiating modulated light or reference light. 11. An element consisting of two optical waveguides having portions that are close to each other so that electromagnetic coupling occurs between the optical waveguides according to claim 4, one element corresponding to one pixel,
The original image of natural color is divided into pixels, which are incident on each of the elements, and each element compares the incident pixel with the pixel of the reference image. An image processing method characterized by separating and extracting a common part and a non-common part, arranging the output light of each element two-dimensionally, and outputting images of the common part and the non-common part, respectively.
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