JPH04251829A - 非線形光学素子用半導体 - Google Patents
非線形光学素子用半導体Info
- Publication number
- JPH04251829A JPH04251829A JP2524691A JP2524691A JPH04251829A JP H04251829 A JPH04251829 A JP H04251829A JP 2524691 A JP2524691 A JP 2524691A JP 2524691 A JP2524691 A JP 2524691A JP H04251829 A JPH04251829 A JP H04251829A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- exciton
- quantum dots
- semiconductor
- quantum
- optical element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 abstract description 62
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M copper(I) chloride Chemical class [Cu]Cl OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 229910021591 Copper(I) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Lasers (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形性の特性指数が
従来の値に比べて格段に大きく、かつ応答が極めて速い
非線形光学素子用半導体に関するものである。
従来の値に比べて格段に大きく、かつ応答が極めて速い
非線形光学素子用半導体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】これまでＧａＡｓ系超格子では、準２次
元自由励起子の光学的非線形性が盛んに調べられ、ＳＥ
ＥＤ（Ｓｅｌｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ Ｅｆｆ
ｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅ）等のデバイスが考えられている
。ところが自由励起子を動作媒体として用いる場合には
、スペクトル拡散や空間拡散により、飽和入力強度が高
くなる傾向がある。またバンドフィリング効果を用いる
ので、応答速度がナノ秒程度と遅い欠点があった。一方
、最近、半導体微粒子をガラス、ポリマー等に分散させ
た媒質が研究され、その大きな光学的非線形性と速い応
答とが関心を呼んでいる。これは量子閉じ込め効果によ
って、励起子の振動子強度がメソスコピックな増大（ｍ
ｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）を受け
、光学的非線形性が増強されたためと考えられる。この
増強は励起子のサイズ（励起子ボーア半径）が小さく励
起子遷移のスペクトル幅が狭い物質ほど大きいこと、お
よび微粒子サイズが最適な時には、バルクよりも大きな
光学的非線形性を示すことが理論的に予言されている（
高河原、日本物理学会 秋の分科会於岐阜大 １９
９０年１０月 予稿集 第二分冊ｐｐ．２３７−２
３８ ）。しかし、このような微粒子分散媒質では各微
粒子は全くランダムに配置されており、しかも粒子サイ
ズの不均一性のために多数の微粒子が関与する協同現象
は期待するべくもない。このため光学的非線形性がバル
クに比べて増強されているとは言え、その増強は現状で
はせいぜい一桁程度である。しかも光学的非線形性の特
性指数を表わす単位体積当り１個の励起子生成に伴う光
吸収係数や屈折率の変化量、またはスイッチングエネル
ギーで見ても、従来知られている非線形媒質に比べて格
段の増強になっているとは言えないのが実状である。
元自由励起子の光学的非線形性が盛んに調べられ、ＳＥ
ＥＤ（Ｓｅｌｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ Ｅｆｆ
ｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅ）等のデバイスが考えられている
。ところが自由励起子を動作媒体として用いる場合には
、スペクトル拡散や空間拡散により、飽和入力強度が高
くなる傾向がある。またバンドフィリング効果を用いる
ので、応答速度がナノ秒程度と遅い欠点があった。一方
、最近、半導体微粒子をガラス、ポリマー等に分散させ
た媒質が研究され、その大きな光学的非線形性と速い応
答とが関心を呼んでいる。これは量子閉じ込め効果によ
って、励起子の振動子強度がメソスコピックな増大（ｍ
ｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）を受け
、光学的非線形性が増強されたためと考えられる。この
増強は励起子のサイズ（励起子ボーア半径）が小さく励
起子遷移のスペクトル幅が狭い物質ほど大きいこと、お
よび微粒子サイズが最適な時には、バルクよりも大きな
光学的非線形性を示すことが理論的に予言されている（
高河原、日本物理学会 秋の分科会於岐阜大 １９
９０年１０月 予稿集 第二分冊ｐｐ．２３７−２
３８ ）。しかし、このような微粒子分散媒質では各微
粒子は全くランダムに配置されており、しかも粒子サイ
ズの不均一性のために多数の微粒子が関与する協同現象
は期待するべくもない。このため光学的非線形性がバル
クに比べて増強されているとは言え、その増強は現状で
はせいぜい一桁程度である。しかも光学的非線形性の特
性指数を表わす単位体積当り１個の励起子生成に伴う光
吸収係数や屈折率の変化量、またはスイッチングエネル
ギーで見ても、従来知られている非線形媒質に比べて格
段の増強になっているとは言えないのが実状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、一般には低
温（液体窒素温度程度）動作ではあるが、極めて大きな
光学的非線形性（特に非線形性の特性指数が従来の値に
比べて格段に大きいもの）を有し、しかもピコ秒からサ
ブピコ秒で応答する非線形光学素子を実現するための半
導体を提供することにある。
温（液体窒素温度程度）動作ではあるが、極めて大きな
光学的非線形性（特に非線形性の特性指数が従来の値に
比べて格段に大きいもの）を有し、しかもピコ秒からサ
ブピコ秒で応答する非線形光学素子を実現するための半
導体を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】量子箱構造半導体または
半導体微粒子を規則的に並べた量子ドット格子において
、それらの間を共鳴的に伝搬する励起子は、多数の量子
箱または半導体微粒子にわたってコヒーレントに広がっ
ており、振動子強度の集約が、２段階にわたって起こる
ので、巨大な振動子強度を持つ。すなわち第１段の集約
は個々の量子ドット内で起こっている量子サイズ効果に
よるが、第２段の集約は量子ドット間のコヒーレントな
トランスファーによってもたらされる。この巨大な振動
子強度を用いることにより、応答速度が極めて速く、か
つ特性指数が従来の値より格段に大きな光学的非線形媒
質を実現する。
半導体微粒子を規則的に並べた量子ドット格子において
、それらの間を共鳴的に伝搬する励起子は、多数の量子
箱または半導体微粒子にわたってコヒーレントに広がっ
ており、振動子強度の集約が、２段階にわたって起こる
ので、巨大な振動子強度を持つ。すなわち第１段の集約
は個々の量子ドット内で起こっている量子サイズ効果に
よるが、第２段の集約は量子ドット間のコヒーレントな
トランスファーによってもたらされる。この巨大な振動
子強度を用いることにより、応答速度が極めて速く、か
つ特性指数が従来の値より格段に大きな光学的非線形媒
質を実現する。
【０００５】
【作用】量子箱構造半導体または半導体微粒子を、以下
では量子ドットと呼ぶことにする。図２に示すように、
サイズの揃った量子ドットを規則的に並べた量子ドット
格子を考える。各量子ドット内の励起子は、双極子間相
互作用によって、相隣る量子ドットに共鳴的にトランス
ファーするが、このことを繰り返すことにより、多数の
量子ドット間にコヒーレントに広がったフレンケル型励
起子が形成される。これは分子性結晶におけるフレンケ
ル型励起子と類似しており、１個の量子ドットが１個の
分子に対応し、量子ドット内の励起子が分子内電子励起
に対応する。ここで重要な点は量子ドット内の励起子が
持つ振動子強度は、量子閉じ込め効果によるメソスコピ
ックな増大により、通常の分子が持つ振動子強度に比べ
て格段に大きくなっていることである。次に重要な点は
励起子が、どれ位の数の量子ドットにわたってコヒーレ
ントに広がることができるかということである。これは
励起子のトランスファーエネルギーが、量子ドットのサ
イズおよび量子ドット間の距離にどのように依存するか
ということと関係している。ここでは球型量子ドットに
ついて、２個の量子ドット間の励起子トランスファーエ
ネルギーを見積った。その結果を図２に示す。
では量子ドットと呼ぶことにする。図２に示すように、
サイズの揃った量子ドットを規則的に並べた量子ドット
格子を考える。各量子ドット内の励起子は、双極子間相
互作用によって、相隣る量子ドットに共鳴的にトランス
ファーするが、このことを繰り返すことにより、多数の
量子ドット間にコヒーレントに広がったフレンケル型励
起子が形成される。これは分子性結晶におけるフレンケ
ル型励起子と類似しており、１個の量子ドットが１個の
分子に対応し、量子ドット内の励起子が分子内電子励起
に対応する。ここで重要な点は量子ドット内の励起子が
持つ振動子強度は、量子閉じ込め効果によるメソスコピ
ックな増大により、通常の分子が持つ振動子強度に比べ
て格段に大きくなっていることである。次に重要な点は
励起子が、どれ位の数の量子ドットにわたってコヒーレ
ントに広がることができるかということである。これは
励起子のトランスファーエネルギーが、量子ドットのサ
イズおよび量子ドット間の距離にどのように依存するか
ということと関係している。ここでは球型量子ドットに
ついて、２個の量子ドット間の励起子トランスファーエ
ネルギーを見積った。その結果を図２に示す。
【０００６】図２は球型量子ドット間の励起子トランス
ファーエネルギーの（量子ドット間の距離）／（量子ド
ットの直径）に対する依存性を示す図であって、横軸は
トランスファーエネルギーＴを（ｒｃｖ／αＢ ）２Ｒ
ｙ＊ （ここでｒｃｖはバンド間遷移の遷移双極子の長
さ、αＢ は励起子ボーア半径、Ｒｙ＊ は励起子束縛
エネルギー）で規格化した値を示し、縦軸は量子ドット
間の距離Ｄと量子ドットの直径２Ｒとの比を示す。外１ は励起子の分極が量子ドットの中心を結ぶ軸に平行（垂
直）に向いている場合に対応する。
ファーエネルギーの（量子ドット間の距離）／（量子ド
ットの直径）に対する依存性を示す図であって、横軸は
トランスファーエネルギーＴを（ｒｃｖ／αＢ ）２Ｒ
ｙ＊ （ここでｒｃｖはバンド間遷移の遷移双極子の長
さ、αＢ は励起子ボーア半径、Ｒｙ＊ は励起子束縛
エネルギー）で規格化した値を示し、縦軸は量子ドット
間の距離Ｄと量子ドットの直径２Ｒとの比を示す。外１ は励起子の分極が量子ドットの中心を結ぶ軸に平行（垂
直）に向いている場合に対応する。
【０００７】量子ドット間の距離が大きくなればトラン
スファーエネルギーが小さくなること、トランスファー
エネルギーは励起子の分極方向に大きく依存することが
わかる。すなわち２個の量子ドットの中心を結ぶ方向に
分極している場合の方が、それと垂直に分極している場
合よりもトランスファーエネルギーが大きくなる。
スファーエネルギーが小さくなること、トランスファー
エネルギーは励起子の分極方向に大きく依存することが
わかる。すなわち２個の量子ドットの中心を結ぶ方向に
分極している場合の方が、それと垂直に分極している場
合よりもトランスファーエネルギーが大きくなる。
【０００８】量子ドット格子として単純立方格子をとり
、励起子トランスファーは、最近接した量子ドット間の
みで起こると仮定すると、フレンケル型励起子のバンド
構造は、トランスファーエネルギーをＴ、格子間隔をＤ
として、式１
、励起子トランスファーは、最近接した量子ドット間の
みで起こると仮定すると、フレンケル型励起子のバンド
構造は、トランスファーエネルギーをＴ、格子間隔をＤ
として、式１
【式１】
式２
【式２】
と表わされる。ここでＥは励起子の重心運動に伴う運動
エネルギー、（ｋｘ， ｋｙ ， ｋｚ ）は単純立方
格子の単位ペクトルの向きにｘ，ｙ，ｚ軸をとったとき
の励起子の波数ベクトルの各成分、ｈはプランク定数で
ある。励起子の有効質量Ｍはトランスファーエネルギー
に逆比例する、すなわちトランスファーが起こり易い系
ほど励起子の有効質量は小さくなる。励起子による光学
的非線形性の大きさを決める重要な物理量として、励起
子コヒーレンス長ｌＣ がある。これは３次元系では励
起子遷移幅Δを均一幅として式３
エネルギー、（ｋｘ， ｋｙ ， ｋｚ ）は単純立方
格子の単位ペクトルの向きにｘ，ｙ，ｚ軸をとったとき
の励起子の波数ベクトルの各成分、ｈはプランク定数で
ある。励起子の有効質量Ｍはトランスファーエネルギー
に逆比例する、すなわちトランスファーが起こり易い系
ほど励起子の有効質量は小さくなる。励起子による光学
的非線形性の大きさを決める重要な物理量として、励起
子コヒーレンス長ｌＣ がある。これは３次元系では励
起子遷移幅Δを均一幅として式３
【式３】
で与えられる。この励起子コヒーレンス長ｌｃ を用い
て励起子１個が持つ振動子強度ｆｘ 、励起子の輻射寿
命τＲ 、光吸収係数の飽和密度Ｎｓ および３次の非
線形感受率χ（３） の虚数部 （Ｉｍχ（３） ）
は、各々次のように表わせる。式４
て励起子１個が持つ振動子強度ｆｘ 、励起子の輻射寿
命τＲ 、光吸収係数の飽和密度Ｎｓ および３次の非
線形感受率χ（３） の虚数部 （Ｉｍχ（３） ）
は、各々次のように表わせる。式４
【式４】
式５
【式５】
式６
【式６】
式７
【式７】
ここでｃは光速、ｅは電子の素電荷、ｍ０ は自由電子
の質量、ε０ は誘電率、ｈω０ は励起子遷移のエネ
ルギー（ω０ は対応する角周波数）、ｆ０ はΓ点で
のバンド間遷移の振動子強度、外２
の質量、ε０ は誘電率、ｈω０ は励起子遷移のエネ
ルギー（ω０ は対応する角周波数）、ｆ０ はΓ点で
のバンド間遷移の振動子強度、外２
【外２】
は縦（横）緩和定数、ｖｄ は量子ドットの体積、Ｄは
量子ドット格子の格子間隔、Ｆ（ｒ） は電子正孔間の
相対運動を記述する包絡関係で、Ｆ（０） はその原点
（ｒ＝０）での値である。このように励起子コヒーレン
ス長ｌｃ が大きくなれば、光吸収係数の飽和密度が下
がり、同時にχ（３） は大きくなる。光学的非線形性
の特性指数と呼ばれるσは単位体積当り１個の励起子生
成に伴う光吸収係数αの変化量として定義されており、
Ｎを生成された励起子の数密度として式８
量子ドット格子の格子間隔、Ｆ（ｒ） は電子正孔間の
相対運動を記述する包絡関係で、Ｆ（０） はその原点
（ｒ＝０）での値である。このように励起子コヒーレン
ス長ｌｃ が大きくなれば、光吸収係数の飽和密度が下
がり、同時にχ（３） は大きくなる。光学的非線形性
の特性指数と呼ばれるσは単位体積当り１個の励起子生
成に伴う光吸収係数αの変化量として定義されており、
Ｎを生成された励起子の数密度として式８
【式８】
のように表わせる。ここでα０ は光強度が弱い極限で
の光吸収係数である。このσは、上記密度Ｎｓ と次の
ように関係しており、式９
の光吸収係数である。このσは、上記密度Ｎｓ と次の
ように関係しており、式９
【式９】
また光吸収係数α０ は次のように与えられる。式１０
【式１０】
ここでｃは光速である。すると式（６）と式（９）から
式１１
式１１
【式１１】
であることがわかる。さらに式（２）と式（３）よりわ
かるように式１２
かるように式１２
【式１２】
なので、トランスファーエネルギーが大きいほど励起子
のコヒーレンス長が長くなり、非線形性の特性指数σも
増大することになる。コヒーレンス長ｌｃ の大体の目
安を得るために、Δ＝２ｍｅＶ 、Ｄ＝２００ Å、Ｔ
＝５ｍｅＶ とすると、外３
のコヒーレンス長が長くなり、非線形性の特性指数σも
増大することになる。コヒーレンス長ｌｃ の大体の目
安を得るために、Δ＝２ｍｅＶ 、Ｄ＝２００ Å、Ｔ
＝５ｍｅＶ とすると、外３
【外３】
となる。後述するように、この場合にはσの値は、通常
の値外４ に比べて約一万倍から十万倍にもなる。
の値外４ に比べて約一万倍から十万倍にもなる。
【０００９】以上の議論では量子ドットのサイズが均一
であることが仮定されていたが、実際にはサイズのゆら
ぎは避けられず、そのため励起子コヒーレンス長は上記
の理論予測より小さくなることが考えられる。サイズの
ゆらぎに対する許容限度は、サイズのゆらぎに伴う励起
子遷移エネルギーのゆらぎが、励起子遷移の均一幅内に
おさまることである。球型量子ドットについては半径の
ゆらぎをΔＲとすると式１３
であることが仮定されていたが、実際にはサイズのゆら
ぎは避けられず、そのため励起子コヒーレンス長は上記
の理論予測より小さくなることが考えられる。サイズの
ゆらぎに対する許容限度は、サイズのゆらぎに伴う励起
子遷移エネルギーのゆらぎが、励起子遷移の均一幅内に
おさまることである。球型量子ドットについては半径の
ゆらぎをΔＲとすると式１３
【式１３】
と表わせる。このサイズのゆらぎに関する許容限度は物
質に大きく依存するので、以下の実施例で具体的に述べ
る。
質に大きく依存するので、以下の実施例で具体的に述べ
る。
【００１０】
【実施例】以下に本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１１】第１の実施例として、ＣｕＣｌ量子ドット
からなる量子ドット格子について説明する。ここではＣ
ｕＣｌと充填媒質との誘電率の比を４として評価を行う
。この物質の励起子ボーア半径αＢ は７Å、励起子束
縛エネルギーＲｙ＊ は２１３ｍｅＶ、バンド間遷移の
遷移双極子の長さｒｃｖは０．５ Åである。例えば半
径８０Åの量子ドットを２００ Åの間隔で規則的に並
べた量子ドット格子においては、図２よりトランスファ
ーエネルギーが約５ｍｅＶ と評価される。このとき励
起子遷移の均一幅は２ｍｅＶ 、励起子コヒーレンス長
は約１０００Åとなる。光学的非線形性の特性指数σは
４・１０−１０ｃｍ２と見積られるが、この値は通常の
１０−１５ 〜１０−１４ｃｍ２という大きさに比べる
と四桁から五桁の増強になっている。χ（３） の大き
さは７・１０−３ｅｓｕ （静電単位、具体的な次元は
ｃｍ３／ｅｒｇ ）、輻射寿命τＲ は１４０ フェ
ムト秒（１フェムト秒は１０−１５ 秒）と評価される
。ここで強調すべき点は、χ（３） そのものの大きさ
は従来知られている最大値と同程度であるが、特性指数
では一万倍ないしは十万倍もの増大になっていることで
ある。このためスイッチングエネルギーは大幅に低減さ
れる可能性がある。量子ドットのサイズのゆらぎに関す
る許容限度としては作用の項で述べたような制限があり
、今の場合、半径８０Åに対し半径のゆらぎの許容限界
は１７Åとなる。
からなる量子ドット格子について説明する。ここではＣ
ｕＣｌと充填媒質との誘電率の比を４として評価を行う
。この物質の励起子ボーア半径αＢ は７Å、励起子束
縛エネルギーＲｙ＊ は２１３ｍｅＶ、バンド間遷移の
遷移双極子の長さｒｃｖは０．５ Åである。例えば半
径８０Åの量子ドットを２００ Åの間隔で規則的に並
べた量子ドット格子においては、図２よりトランスファ
ーエネルギーが約５ｍｅＶ と評価される。このとき励
起子遷移の均一幅は２ｍｅＶ 、励起子コヒーレンス長
は約１０００Åとなる。光学的非線形性の特性指数σは
４・１０−１０ｃｍ２と見積られるが、この値は通常の
１０−１５ 〜１０−１４ｃｍ２という大きさに比べる
と四桁から五桁の増強になっている。χ（３） の大き
さは７・１０−３ｅｓｕ （静電単位、具体的な次元は
ｃｍ３／ｅｒｇ ）、輻射寿命τＲ は１４０ フェ
ムト秒（１フェムト秒は１０−１５ 秒）と評価される
。ここで強調すべき点は、χ（３） そのものの大きさ
は従来知られている最大値と同程度であるが、特性指数
では一万倍ないしは十万倍もの増大になっていることで
ある。このためスイッチングエネルギーは大幅に低減さ
れる可能性がある。量子ドットのサイズのゆらぎに関す
る許容限度としては作用の項で述べたような制限があり
、今の場合、半径８０Åに対し半径のゆらぎの許容限界
は１７Åとなる。
【００１２】第２の実施例としてＣｄＳ からなる量子
ドット格子を説明する。粒子サイズ、位置ともにランダ
ムな分布のものは、通常の色ガラスフィルタにおいて実
現されていると考えられる。この物質の励起子ボーア半
径αＢ は３０Å、励起子束縛エネルギーＲｙ＊ は３
０ｍｅＶ 、バンド間遷移の遷移双極子の長さｒｃｖは
２．８ Åである。この物質については、図２からトラ
ンスファーエネルギーは、１ｍｅＶ 程度が限界と考え
られる。しかもこの物質では励起子ボーア半径が大きい
ことを反映して均一幅が１０〜数十ｍｅＶ と大きいの
で、励起子のコヒーレンス長は２５０ Å程度となる。 例えば半径１５０ Åの量子ドットを５００ Å間隔で
並べた量子ドット格子については、外５
ドット格子を説明する。粒子サイズ、位置ともにランダ
ムな分布のものは、通常の色ガラスフィルタにおいて実
現されていると考えられる。この物質の励起子ボーア半
径αＢ は３０Å、励起子束縛エネルギーＲｙ＊ は３
０ｍｅＶ 、バンド間遷移の遷移双極子の長さｒｃｖは
２．８ Åである。この物質については、図２からトラ
ンスファーエネルギーは、１ｍｅＶ 程度が限界と考え
られる。しかもこの物質では励起子ボーア半径が大きい
ことを反映して均一幅が１０〜数十ｍｅＶ と大きいの
で、励起子のコヒーレンス長は２５０ Å程度となる。 例えば半径１５０ Åの量子ドットを５００ Å間隔で
並べた量子ドット格子については、外５
【外５】
と評価され、通常の色ガラスフィルタに比べていずれも
二桁程度の増大となっている。この時、励起子の輻射寿
命τＲ は９０ピコ秒（１ピコ秒は１０−１２ 秒）と
評価される。量子ドットのサイズのゆらぎに関する許容
限界は、均一幅が大きいことを反映して穏やかなものに
なっており、半径のゆらぎが３０Åでも、式（１１）の
条件を満たすことができる。
二桁程度の増大となっている。この時、励起子の輻射寿
命τＲ は９０ピコ秒（１ピコ秒は１０−１２ 秒）と
評価される。量子ドットのサイズのゆらぎに関する許容
限界は、均一幅が大きいことを反映して穏やかなものに
なっており、半径のゆらぎが３０Åでも、式（１１）の
条件を満たすことができる。
【００１３】第３の実施例として ＧａＡｓ からなる
量子ドット格子を説明する。この物質は現在の微細加工
技術が進展すれば、最も早く実現されると考えられる。 この物質の励起子ボーア半径αＢ は１１４ Å、励起
子束縛エネルギーＲｙ＊ は５ｍｅＶ 、バンド間遷移
の遷移双極子の長さｒｃｖは５Åである。この物質につ
いては、図２からトランスファーエネルギーは０．０５
ｍｅＶ 程度が限界と考えられる。励起子遷移の均一幅
として１ｍｅＶ をとると、励起子のコヒーレンス長は
４００Åと評価される。例えば半径２２０ Åの量子ド
ットを５００ Å間隔で並べた量子ドット格子について
は、外６
量子ドット格子を説明する。この物質は現在の微細加工
技術が進展すれば、最も早く実現されると考えられる。 この物質の励起子ボーア半径αＢ は１１４ Å、励起
子束縛エネルギーＲｙ＊ は５ｍｅＶ 、バンド間遷移
の遷移双極子の長さｒｃｖは５Åである。この物質につ
いては、図２からトランスファーエネルギーは０．０５
ｍｅＶ 程度が限界と考えられる。励起子遷移の均一幅
として１ｍｅＶ をとると、励起子のコヒーレンス長は
４００Åと評価される。例えば半径２２０ Åの量子ド
ットを５００ Å間隔で並べた量子ドット格子について
は、外６
【外６】
と評価されるが、このσの値は、ＧａＡｓ量子井戸で観
測されているものと比べて二桁の増強になっている。こ
の場合も量子ドットのサイズのゆらぎに対する制限は、
穏やかなものとなっており、半径のゆらぎが４０Åでも
、条件式（１３）を満たすことができる。
測されているものと比べて二桁の増強になっている。こ
の場合も量子ドットのサイズのゆらぎに対する制限は、
穏やかなものとなっており、半径のゆらぎが４０Åでも
、条件式（１３）を満たすことができる。
【００１４】以上で見たようにＣｕＣｌからなる量子ド
ット格子は、光学的非線形性の特性指数σを増強するう
えで最も有望な物質である。一般に励起子ボーア半径が
小さく、励起子遷移の均一幅が狭い物質、特にＩ−ＶＩ
Ｉ 族半導体が有利であると考えられる。
ット格子は、光学的非線形性の特性指数σを増強するう
えで最も有望な物質である。一般に励起子ボーア半径が
小さく、励起子遷移の均一幅が狭い物質、特にＩ−ＶＩ
Ｉ 族半導体が有利であると考えられる。
【００１５】以上では量子ドットを３次元的に規則的に
配列した量子ドット格子を暗黙のうちに仮定していたが
、上記の効果は図１に示すように平面状または線状に並
べたものでも起こり得ることなので、デバイスとして応
用する際に使い勝手のよいものを選択すればよいと考え
られる。もし導波路構造が適するのなら、図１（ｂ）の
ものを薄膜として用いればよい。この場合作用の項で述
べたように、ｓ偏光の方が励起子のトランスファーエネ
ルギーが大きく、従って励起子の振動子強度および光学
的非線形性もこの偏光を用いた方が大きくなる。
配列した量子ドット格子を暗黙のうちに仮定していたが
、上記の効果は図１に示すように平面状または線状に並
べたものでも起こり得ることなので、デバイスとして応
用する際に使い勝手のよいものを選択すればよいと考え
られる。もし導波路構造が適するのなら、図１（ｂ）の
ものを薄膜として用いればよい。この場合作用の項で述
べたように、ｓ偏光の方が励起子のトランスファーエネ
ルギーが大きく、従って励起子の振動子強度および光学
的非線形性もこの偏光を用いた方が大きくなる。
【００１６】
【発明の効果】サイズの揃った量子箱構造半導体または
半導体微粒子を規則的に並べた量子ドット格子において
、それらの間を共鳴的に伝搬する励起子は多数の量子ド
ットにわたってコヒーレントに広がっており、振動子強
度の集約が２段階にわたって起こるので、巨大な振動子
強度を持つ。この巨大な振動子強度を用いることにより
、応答速度が極めて速く、かつ特性指数が従来の値より
格段に大きい光学的非線形媒質を実現することができる
。
半導体微粒子を規則的に並べた量子ドット格子において
、それらの間を共鳴的に伝搬する励起子は多数の量子ド
ットにわたってコヒーレントに広がっており、振動子強
度の集約が２段階にわたって起こるので、巨大な振動子
強度を持つ。この巨大な振動子強度を用いることにより
、応答速度が極めて速く、かつ特性指数が従来の値より
格段に大きい光学的非線形媒質を実現することができる
。
【図１】（ａ）は、球型量子ドットを規則的に並べた３
次元的配列の量子ドット格子の概念図である。（ｂ）は
、球型量子ドットを規則的に並べた２次元的配列の量子
ドット格子の概念図である。（ｃ）は、球型量子ドット
を規則的に並べた１次元的配列の量子ドット格子の概念
図である。
次元的配列の量子ドット格子の概念図である。（ｂ）は
、球型量子ドットを規則的に並べた２次元的配列の量子
ドット格子の概念図である。（ｃ）は、球型量子ドット
を規則的に並べた１次元的配列の量子ドット格子の概念
図である。
【図２】球型量子ドット間の励起子トランスファーエネ
ルギーの（量子ドット間の距離）／（量子ドットの直径
）に対する依存性を示す図である。
ルギーの（量子ドット間の距離）／（量子ドットの直径
）に対する依存性を示す図である。
Claims (1)
- 【請求項１】 量子箱構造半導体または半導体微粒子
を充填媒質中に含む非線形光学素子用半導体において、
該量子箱構造半導体または該半導体微粒子を規則的に並
べたことを特徴とする非線形光学素子用半導体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2524691A JPH04251829A (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 非線形光学素子用半導体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2524691A JPH04251829A (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 非線形光学素子用半導体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04251829A true JPH04251829A (ja) | 1992-09-08 |
Family
ID=12160633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2524691A Pending JPH04251829A (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 非線形光学素子用半導体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04251829A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001255500A (ja) * | 2000-03-10 | 2001-09-21 | Fujitsu Ltd | 波長多重光信号処理装置および波長多重光信号の再生方法 |
| JP2006201595A (ja) * | 2005-01-21 | 2006-08-03 | Toshiba Corp | 光屈折率変化素子 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62182264A (ja) * | 1986-02-06 | 1987-08-10 | Nippon Kokan Kk <Nkk> | 溶射被膜の封孔処理方法 |
| JPH01313324A (ja) * | 1988-06-10 | 1989-12-18 | Nikkiso Co Ltd | 超伝導膜の製造方法 |
| JPH02101435A (ja) * | 1988-10-11 | 1990-04-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非線形光学材料およびその製造方法 |
| JPH0328831A (ja) * | 1989-06-26 | 1991-02-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非線形光学薄膜 |
-
1991
- 1991-01-28 JP JP2524691A patent/JPH04251829A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62182264A (ja) * | 1986-02-06 | 1987-08-10 | Nippon Kokan Kk <Nkk> | 溶射被膜の封孔処理方法 |
| JPH01313324A (ja) * | 1988-06-10 | 1989-12-18 | Nikkiso Co Ltd | 超伝導膜の製造方法 |
| JPH02101435A (ja) * | 1988-10-11 | 1990-04-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非線形光学材料およびその製造方法 |
| JPH0328831A (ja) * | 1989-06-26 | 1991-02-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非線形光学薄膜 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001255500A (ja) * | 2000-03-10 | 2001-09-21 | Fujitsu Ltd | 波長多重光信号処理装置および波長多重光信号の再生方法 |
| JP2006201595A (ja) * | 2005-01-21 | 2006-08-03 | Toshiba Corp | 光屈折率変化素子 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Salén et al. | Matter manipulation with extreme terahertz light: Progress in the enabling THz technology | |
| Schmitt-Rink et al. | Linear and nonlinear optical properties of semiconductor quantum wells | |
| Henneberger et al. | Nonlinear optics and transport in laser-excited semiconductors | |
| Banerjee et al. | Pseudo-one-dimensional magnonic crystals for high-frequency nanoscale devices | |
| Martín-Palma et al. | Nanotechnology for microelectronics and photonics | |
| Altuntas | Effects of applied external fields on the nonlinear optical rectification, second, and third harmonic generation in a quantum well with exponentially confinement potential | |
| Dakhlaoui et al. | Position-dependent-mass and laser field impact on the optical characteristics of Manning-like double quantum well | |
| Safari et al. | The control of the nonlinear optical response of semiconductor quantum dots | |
| Li et al. | Quantum‐confined Stark effect in interdiffused AlGaAs/GaAs quantum well | |
| JPH04251829A (ja) | 非線形光学素子用半導体 | |
| Wu | Tight-binding model and ab initio calculation of silicene with strong spin-orbit coupling in low-energy limit | |
| Hanamura | Exciton enhancement of optical non-linearity in low-dimensional crystals: An inivited paper | |
| Klugkist et al. | Mode softening, ferroelectric transition, and tunable photonic band structures in a point-dipole crystal | |
| Pacheco et al. | Effect of the Stark confinement on the excitonic optical spectrumof an array of coupled quantum dots | |
| Khurgin et al. | Coulomb enhancement of the third-order nonlinearities in the mesoscopic semiconductor structures | |
| La Rocca | Wannier–Mott excitons in semiconductors | |
| JPS63206726A (ja) | 非線型光学素子用半導体 | |
| JP2666966B2 (ja) | 非線形光学素子用半導体 | |
| Wang et al. | Edge effects in photorefractive thin films | |
| Peter et al. | Effects of external perturbations on light absorption by light/heavy hole excitons in a semi-parabolic quantum well | |
| Sugawara | Theoretical bases of the optical properties of semiconductor quantum nanostructures | |
| Lou et al. | Novel spatial solitons in light-induced photonic bandgap structures | |
| Schumacher et al. | Coherent propagation of polaritons in the nonlinear optical regime | |
| Svizhenko et al. | Giant dipole effect and second-harmonic generation in quantum wires biased with a magnetic field | |
| Banerjee | Nonlinear optics of coupled nanophotonic reasonators |