JPH05341333A - 導波路型非線形光学素子 - Google Patents

導波路型非線形光学素子

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JPH05341333A
JPH05341333A JP14704492A JP14704492A JPH05341333A JP H05341333 A JPH05341333 A JP H05341333A JP 14704492 A JP14704492 A JP 14704492A JP 14704492 A JP14704492 A JP 14704492A JP H05341333 A JPH05341333 A JP H05341333A
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JP
Japan
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layer
electrons
controlled
light
control
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JP14704492A
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English (en)
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Shigeru Nakamura
滋 中村
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】非線形光学素子において、制御光の吸収により
引き起こされるバンドフィリング効果を利用した光制御
を高速化する。 【構成】制御光パルスが制御光吸収層4で吸収され、電
子の正孔が生成される。電極10,11の間には逆バイ
アス電圧が印加されている。正孔は基板側のp+層に向
かって流れ、電子だけが被制御光導波層6を通って表面
側のn+ 層に向かって流れる。被制御光導波層6では、
電子が注入されている間だけ、バンドフィリング効果に
よって非線形屈折率変化が起こる。被制御光導波層6を
導波する被制御光は、この非線形屈折率変化によって変
調を受ける。電子だけが被制御光導波層6に注入される
ため、非線形屈折率変化の回復に要する時間は、ドリフ
ト速度の大きい電子の走行時間だけで制限される。した
がって、ドリフト速度の小さい正孔の走行時間によって
制限されない高速の光制御が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非線形光学素子に関し、
特に光ファイバ通信や光情報処理等の分野で光制御素子
として用いられる非線形光学素子に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ通信システムや光情報処理シ
ステムの高速化には、光制御を行う素子の動作の高速化
が必要不可欠である。従来、光制御素子としては、電気
信号により光制御を行う電気−光制御方式がとられてき
たが、CR時定数による制限がなく高速動作が期待され
る方式として、光信号により光制御を行う光−光制御方
式が注目されている。
【0003】例えば、特願平2−104943には、光
吸収により非線形屈折率変化を示す光導波部に静電界を
印加する構造を有する非線形光学素子が記載されてい
る。この素子では、光吸収によりキャリアを励起するこ
とによってバンドフィリング効果が引き起こされ、非線
形屈折率変化が引き起こされる。そして、この非線形屈
折率変化により、素子を透過している被制御光が位相変
調される。すなわち、バンドフィリング効果を利用する
ことで、低エネルギーでの光制御が可能になる。そし
て、被制御光の導波部に静電界を印加し励起されたキャ
リアを掃引することによって、バンドフィリング効果は
消失し、非線形屈折率変化が回復する。これにより、動
作速度がキャリアのバンド間緩和時間で制限されたい高
速の光制御が可能になる。
【0004】図3は、上記の特徴を有する非線形光学素
子の一例を示す断面図である。Siを1018cm-3ドー
ピングしたGaAs基板13上にSiを1018cm-3
ーピングした厚さ2μmのAlx Ga1-x As(x=
0.07)層14とノンドーピングで厚さ0.2μmの
Alx Ga1-x As(x=0.07)層15とで下部ク
ラッドが形成されている。その上に、ノンドーピングで
厚さ0.5μmのGaAs層16がコアとして形成され
ている。さらにその上に、ノンドーピングで厚さ0.2
μmのAlx Ga1-x As(x=0.07)層17とB
eを1018cm-3ドーピングした厚さ0.6μmのAl
x Ga1-x As(x=0.07)層18とBeを1018
cm-3ドーピングしたGaAs層19とで上部クラッド
が形成されている。上部クラッドは高さ0.9μm、幅
4μmのリブ構造となっていて、リブのない部分の厚さ
は0.1μmである。GaAs基板13とGaAs層1
9の表面にはそれぞれ電極20、21が設けられてい
る。
【0005】図3の非線形光学素子においては、制御光
パルスがコアのGaAs層16で吸収されることによっ
て非線形屈折率変化が起こり、コアのGaAs層16を
導波する被制御光の位相変調が行われる。電極20、2
1間に逆バイアス電圧を印加することによって、コアに
電界がかかり、制御光パルスの吸収によってコアに生成
された電子および正孔はそれぞれ下部クラッドまたは上
部クラッドへ流れ出る。その結果、バンドフィリング効
果による非線形屈折率変化を利用することで低エネルギ
ー制御光パルスによる動作が可能で、かつ、キャリアの
バンド間緩和時間で制限されず高速動作が可能な光制御
素子が実現できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記の非線形光学素子
においては、光吸収によってコアに生成されたキャリア
がクラッドへ流れ出すことによって非線形屈折率変化が
回復する。したがって、高速動作を制限する要因は、励
起されたキャリアがコアからクラッドへ流れ出す時間、
すなわちキャリアの走行時間である。
【0007】不純物濃度の低い室温下のGaAsの場
合、強電界下の電子のドリフト速度は、フィジクス オ
ブ セミコンダクター デバイシズ 第2版、1981
年、ジョン ウィリー アンド サンズ、46ページ
(Physics of Semiconductor
Devices)の図によれば、電界強度105 V/
cmでは7.5×106 cm/s程度、電界強度3×1
3 V/cmでピーク値をとり2×107 cm/sであ
る。一方、正孔のドリフト速度は、アプライド フィジ
クス レターズ、第50巻、第18号、1261ページ
(AppliedPhysics Letters)の
図によれば、電界強度105 V/cmでは5.5×10
6 cm/s程度である。また低電界下では、電子および
正孔のドリフト速度は電界強度に比例するが、その比例
係数すなわち移動度は、電子の場合104 cm2 /V・
s程度、正孔の場合5×102 cm2 /V・s程度であ
る(前出のフィジクス オブ セミコンダクター デバ
イシズ 29ページ)。
【0008】以上のように、不純物濃度の低い室温下の
GaAsでは、同じ電界強度の下では、電子のドリフト
速度の方が正孔のドリフト速度よりも常に大きく、電界
強度によっては1桁以上も相違のある場合もある。した
がって、図2に示した非線形光学素子では、その高速動
作はドリフト速度の小さい正孔の走行時間で制限される
ことになる。
【0009】本発明は、非線形屈折率変化の起こる被制
御光の導波部には、制御光の吸収によって生成された電
子および正孔のうち、ドリフト速度の大きなキャリアだ
けが注入されることによって、ドリフト速度の小さいキ
ャリアの走行時間によって高速動作が制限されない光制
御を可能にすることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、制御光の吸収
により被制御光の変調を行う導波路型非線線形光学素子
において、一方のコアを制御光吸収層、もう一方のコア
を被制御光導波層とする2つのコア層を有し、前記2つ
のコア層を含むノンドーピング層をp+ 層とn+ 層とで
はさんたPIN層構造でなり、さらに逆バイアス電圧を
かける電極が形成されていることを特徴とする導波路型
非線形光学素子である。
【0011】
【作用】本発明の非線形光学素子では、2つのコア層の
うちの一方の制御光吸収層において、制御光パルスの吸
収によって電子および正孔が生成され、ノンドーピング
層にかかる電界によって、それぞれn+ 層またはp+
へ向かってドリフトする。そして、電子または正孔のう
ちドリフト速度の大きいキャリアだけが非制御光を導波
させるコア層を通り抜ける。非制御光導波層ではドリフ
ト速度の大きいキャリアが注入されている間だけ非線形
屈折率変化が生ずる。非線形屈折率変化はそのキャリア
が通り抜けた後では消失するため、消失に要する時間は
ドリフト速度の大きいキャリアの走行時間だけで制限さ
れることになる。すなわち、ドリフト速度の小さいキャ
リアの走行時間によって高速動作が制限されない光制御
が可能になる。
【0012】
【実施例】図1は、本発明による非線形光学素子の一実
施例の素子構造を示す断面図である。Znを1018cm
-3ドーピングしたGaAs基板1上にBeを1018cm
-3ドーピングした厚さ2μmのAlx Ga1-x As(x
=0.07)層2ととノンドーピングで厚さ0.2μm
のAlx Ga1-x As(x=0.07)層3とでクラッ
ドが形成されている。その上に、ノンドーピングで厚さ
0.5μmのGaAs層4、ノンドーピング層で厚さ4
μmのAlx Ga1-x As(x=0.07)層5、ノン
ドーピングで厚さ0.5μmのGaAs層6が、それぞ
れ、制御光吸収層のコア、2つのコアを分離するクラッ
ド、被制御光導波層のコアとして形成されている。さら
にその上に、ノンドーピングで厚さ0.2μmのAlx
Ga1-x As(x=0.07)層7とSiを1018cm
-3ドーピングした厚さ0.6μmのAlx Ga1-x As
(x=0.07)層8とSiを1018cm-3ドーピング
したGaAs層9とで上部クラッドが形成されている。
上部クラッドは高さ0.9μm、幅4μmのリブ構造と
なっていて、リブのない部分の厚さは0.1μmであ
る。GaAs基板1とGaAs層9の表面にはそれぞれ
電極10、11が設けられている。
【0013】図1の非線形光学素子に用いる被制御光の
波長は、GaAsを透過する波長である。制御光吸収層
4と被制御光導波層6は近接しているが、素子長を十分
短くすれば、被制御光が被制御光導波層6から制御光吸
収層4に移ることはない。
【0014】制御光パルスは制御光吸収層4で吸収さ
れ、電子および正孔が生成される。電極9、10間に逆
バイアス電圧をかけることによって、ノンドーピングの
部分には電界が印加され、電子はn+ 層に向かって、正
孔はp+ 層へ向かってドリフトする。したがって、ドリ
フト速度の大きい電子だけが被制御光導波層6を通り抜
ける。被制御光導波層6では電子が注入されている間だ
け非線形屈折率変化が生じ、キャリアが通り抜けた後で
は消失する。消失に要する時間はドリフト速度の大きい
電子の走行時間だけで制限されることになる。したがっ
て、ドリフト速度の小さい正孔の走行時間によって高速
動作が制限されない光制御が可能になる。
【0015】図2は、本発明による非線形光学素子の別
の一実施例の素子構造を示す断面図である。積層構造は
図1に示した素子と同一である。リブの両端には、Zn
を拡散させたpドーピング部分12が形成されている。
この部分が図1と異る点である。
【0016】図2の非線形光学素子においては、制御光
パルスの吸収によって制御光吸収層4に生成された電子
および正孔は、n+ 層またはp+ 層へ向かってドリフト
するが、リブの両端にはpドーピング部分が形成されて
いるため、電子は層に平行な方向に拡散されることなく
リブのn+ 層に向かって走行する。したがって、制御光
吸収層4で生成された電子が、高効率で被制御光導波層
6に注入され、スイッチングエネルギーの低減を実現で
きる。
【0017】以上、GaAs−AlGaAs系材料を用
いた導波路型非線形光学素子を例にとって説明したが、
本発明は、他の半導体材料を用いた場合においても、同
様に、ドリフト速度の小さいキャリアの走行時間によっ
て高速動作が制限されない光制御が可能である。
【0018】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の非線形光
学素子によれば、ドリフト速度の小さいキャリアの走行
時間によって高速動作が制限されず、高速の光制御が可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による非線形光学素子の実施例の構造を
示す断面図である。
【図2】本発明による非線形光学素子の実施例の構造を
示す断面図である。
【図3】従来例の断面図である。
【符号の説明】
1 Znを1018cm-3ドーピングしたGaAs基板 2 Beを1018cm-3ドーピングしたAlx Ga
1-x As(x=0.07)層 3 ノンドーピングのAlx Ga1-x As(x=0.
07)層 4 ノンドーピングのGaAs層(制御光吸収層) 5 ノンドーピングのAlx Ga1-x As(x=0.
07)層 6 ノンドーピングのGaAs層(被制御光吸収層) 7 ノンドーピングのAlx Ga1-x As(x=0.
07)層 8 Siを1018cm-3ドーピングしたAlx Ga
1-x As(x=0.07)層 9 Siを1018cm-3ドーピングしたGaAs層 10 電極 11 電極 12 pドーピング部分 13 Siを1018cm-3ドーピングしたGaAs基
板 14 Siを1018cm-3ドーピングしたAlx Ga
1-x As(x=0.07)層 15 ノンドーピングのAlx Ga1-x As(x=
0.07)層 16 ノンドーピングのGaAs層 17 ノンドーピングのAlx Ga1-x As(x=
0.07)層 18 Beを1018cm-3ドーピングしたAlx Ga
1-x As(x=0.07)層 19 Beを1018cm-3ドーピングしたGaAs層 20 電極 21 電極

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御光の吸収により被制御光の変調を行
    う導波路型光学素子において、2つのコア層を有し、一
    方のコアを制御光吸収層、もう一方のコアを被制御光導
    波層とし、前記2つのコア層を含むノンドーピング層を
    + 層とn+層とではさんたPIN層構造でなり、さら
    に逆バイアス電圧をかける電極が形成されていることを
    特徴とする導波路型非線形光学素子。
JP14704492A 1992-06-08 1992-06-08 導波路型非線形光学素子 Withdrawn JPH05341333A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0687938A2 (en) * 1994-06-14 1995-12-20 Nec Corporation Semiconductor optical device utilizing nonlinear optical effect

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0687938A2 (en) * 1994-06-14 1995-12-20 Nec Corporation Semiconductor optical device utilizing nonlinear optical effect
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Legal Events

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Effective date: 19990831