JPH0578014B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 層状半導体構造、 該層と平行な軸に沿つて該半導体構造の層へ、
該半導体構造の透過範囲内の波長を有しかつ一定
の強度を有する第１の光ビームを向ける手段、及
び 該層状半導体構造の吸収範囲内の波長を有しか
つ可変の強度を有する第２の光ビームで、該層状
半導体構造のいくつかの層を可変的に光励起させ
る手段からなる光デバイスであつて、 該層状半導体構造は、大きいエネルギバンドギ
ヤツプ半導体物質の層と小さいエネルギバンドギ
ヤツプ半導体物質の層とを交互に含む多重量子井
戸形構造であり、該小さいエネルギバンドギヤツ
プ物質層は捕捉電荷を含むように構成され、該小
さいエネルギバンドギヤツプ半導体は第２の光ビ
ームの強さに応動してその価電子帯から可変量の
電荷を放出し、それにより第１のビームを制御す
ることを特徴とする光デバイス。

２ 請求の範囲第１項に記載の光デバイスにおい
て、 該可変的に光励起させる手段は、捕捉電荷を選
択可能な量だけ生じさせて該多層量子井戸形構造
の可変誘電率を決定することを特徴とする光デバ
イス。

３ 請求の範囲第２項に記載の光デバイスにおい
て、 該可変的に光励起させる手段は、捕捉電荷の密
度を変化させて該多層量子井戸形構造の誘電率を
変化させることを特徴とする光デバイス。

４ 請求の範囲第１項に記載の光デバイスにおい
て、 第１の光ビームから光を受信する光検知器を更
に含み、該光検知器は該捕捉電荷の異なる量に応
動して受信した光の異なる量を示すように構成さ
れていることを特徴とする光デバイス。

５ 線形光学物質と層状半導体構造との間の光学
インタフエース、 可変強度を有し、該インタフエース及び該構造
の層の上を照射する制御光ビームであつて、該層
状半導体構造の吸収範囲内の波長を有する制御光
ビーム、及び、 高強度の該制御ビームの該インターフエースへ
の照射の臨界角よりも大きい角度の経路を通し
て、該インターフエースへ一定の強度を有する入
力光ビームであつて、層状半導体構造の透過範囲
内の波長を有する入力光ビームを印加する手段か
らなるデバイスであつて、 該層状半導体構造は、異なるエネルギバンドギ
ヤツプ物質の層を交互に含む多層量子井戸形構造
であり、該構造の交互の層は捕捉電荷を含むよう
に構成され、捕捉電荷の量は制御光ビームの強度
に応動して変化して、それにより、該インタフエ
ースにおける入力光ビームの変化を制御すること
を特徴とする光学デバイス。

６ 請求の範囲第５項に記載の光学デバイスにお
いて、 該制御ビームは選択可能な量の捕捉電荷を光励
起して多層井戸形構造の誘電率を変化させること
を特徴とする光学デバイス。

７ 線形光学物質と非線形半導体物質との間の光
学インタフエース、 該インタフエースの臨界角付近の入射の角度を
有する経路に沿つて、該非線形半導体物質の透過
範囲内の波長を有する第１の光ビームを該光学イ
ンタフエースへ向けるための手段、及び、 該非線形半導体物質の吸収範囲内の波長を有す
る第２の光ビームで、該非線形半導体物質のいく
つかの層を可変的に光励起させる手段からなる光
学デバイスであつて、 該非線形半導体物質は大きいエネルギバンドギ
ヤツプ半導体物質と小さいバンドギヤツプ半導体
物質の層を交互に含む多層量子井戸形構造であ
り、小さいエネルギバンドギヤツプ半導体物質は
捕捉電荷を含むように構成され、小さいエネルギ
バンドギヤツプ物質は第２の光ビームの強さに応
動して価電子帯から可変量の電荷を放出し、それ
により、該インタフエースにおける第１の光ビー
ムを制御することを特徴とする光学デバイス。

発明の背景 本発明は非線型光学装置に関する。この装置は
さらに詳しくは、１つの光ビームを他の光ビーム
によつて制御するための層状半導体構造を用いる
非線型光学装置として記述される。

先行技術においては光ビームの屈折は、制御さ
れる光ビームと制御する光ビームがある角度をな
して通過する相互作用媒体の屈折率を変えること
で達成される。この相互作用媒体は溶液あるいは
固溶体中にある光学的に飽和可能な染料から成
る。制御する光ビームによる光学的ポンピングの
ために相互作用媒体の屈折率が変化する。

集積光学装置において光ビームを制御するため
の固体装置を開発することが望ましい。問題は、
先行技術による装置は固体装置ではないこと、あ
るいは固体装置であつても集積回路を製造するの
に用いられる半導体物質と適合しないことであ
る。

発明の概要 この問題は異なるエネルギーバンドギヤツプ物
質の層を有する層状半導体構造を含む非線型光学
装置によつて解決される。交互の層が捕捉された
電荷を含むように形成される。入力光ビームがこ
の層に与えられる。入力光ビームの、該構造を介
しての伝播を制御するために、制御光ビームが捕
捉電荷を変える。

【図面の簡単な説明】

添付の図面を参照して以下の記載を検討すれば
本発明はより良く理解されるであろう。ここで、 第１図は本発明を具象化する光学装置の概略
図、 第２，３図及び４図は第１図の装置の、一群の
動作特性曲線を示す図、 第５図は本発明を具象化する他の光学装置の概
略図、 第６図は本発明を具象化するさらに他の光学装
置の概略斜視図、 第７図は第６図の装置に用いられる制御光ビー
ムの強度分布曲線を示す図、 第８図は第６図の装置と同様の装置の平面図、 第９，１０及び１１図は第８図の装置の、一群
の動作特性曲線を示す図、 第１２図は第６図の装置と同様の他の装置の平
面図、 第１３，１４及び１５図は第１２図の装置の、
一群の動作特性曲線を示す図である。

詳細な記述 第１図を参照すると、光学装置１０は線型光学
物質１３と非線型光学物質１４との間に光学イン
タフエース１２を含む非線型スイツチング装置で
ある。線型光学物質１３は半導体物質のような固
体基板物質である。

Ga_1-xAl_xAsは線型光学物質を選択できる合金
系である。線型光学物質１３の屈折率はn₀であ
る。非線型光学物質１４は小エネルギーバンドギ
ヤツプ物質の層１５と大エネルギーバンドギヤツ
プ物質の層１９とを交互にした層状半導体構造で
ある。層状物質は該基板とさらに各々と格子整合
されている。層状半導体物質の１例は、単結晶
GaAs及びGa_1-xAl_xAsの多層フイルムを含む多重
量子井戸型構造である。非線型光学物質は強度に
依存した屈折率ｎ＝n₁＋n₂Iを有しており、これ
によつて光学的ケル（Kerr）効果が生じる。こ
の式においてＩは媒体に与えられる光の強度、n₁
はゼロ強度屈折率、そしてn₂は光学的ケル効果の
係数である。この物質システムにより、装置１０
は0.85マイクロメートルより長い波長で効果的に
動作することができる。線型光学物質の屈折率n₀
は非線型光学物質のゼロ強度屈折率n₁よりわずか
に小さい。光学的ケル効果係数n₂の符号は負であ
る。

この構造は層１５の物質に既め定められた量の
電荷を捕捉するために設計されたものである。層
１５はGaAsのような真性半導体の層であつて小
エネルギーバンドギヤツプを有している。制御ビ
ーム源１６は装置１０に対して可変強度Ｉを有す
る制御光ビーム１７を与える。可変電流源で駆動
されるダイオードレーザあるいは可変中性フイル
タを備えたレーザによつて適切な制御ビーム源を
形成できるであろう。制御光ビームは非線型光学
物質の吸収範囲内の派長を有する。吸収された光
は層１５内でキヤリアを光励起し、これによつて
これらの層の小エネルギーバンドギヤツプ物質に
おいて価電子帯から電荷を開放する。該装置が制
御光ビーム１７によつて付勢される間、既め定め
られた量の電荷が開放されて層１５に捕捉され
る。層１５内の捕捉電荷の波動関数は振動サイン
波形である。Ga_1-xAl_xAsのような真性半導体が
大エネルギーバンドギヤツプ物質の層１９を成す
ように形成され、この層１９は任意の層１５に捕
捉された電荷が他の全ての層１５中の電荷から隔
離されるように充分に厚い。層１９内に広がつて
いくいかなる捕捉電荷もその中で指数関数的に減
少して行く。捕捉電荷は層１９を10ないし20オン
グストロームの単位でつき抜ける。層１９は捕捉
電荷のこのつき抜け距離の５ないし10倍の厚さで
あり、各層１５は独立した方形井戸として機能す
る。

第１図において、単色光から成る入力ビーム源
２０は偏光光ビーム２１を生じ、これは光学装置
１０の該層に供給される。入力光ビームの波長は
非線型光学物質の透明範囲にある。この入力光ビ
ームは線型光学物質１３を介して、線型光学物質
１３と非線型光学物質１４の間の光学インタフエ
ース１２に与えられる。入力光ビーム２１は入射
角θに位置する軸に沿つて与えられる。この入射
角は制御光ビームの高強度の値に対する臨界入射
角よりも大きい。光源２０は一定強度I₁をもつ入
力光ビーム２１を発生する。制御ビーム源１６は
制御光ビーム１７を発生し、このビームは層状構
造に与えられ、そこで吸収されて層１５内に電荷
を生み出す。ビーム１７が与えられる限り電荷は
層１５内に捕捉される。

第２図は第１図の制御光ビーム１７の強度に応
動まる、層１５内の電荷密度をプロツトしたもの
である。制御光ビーム１７即ち電荷付勢ビーム１
７の強度は、線型光学物質１３の屈折率n₀が制御
光ビームの低強度のものに対する非線型層状物質
の屈折率ｎ＝n₁＋n₂Iよりもわずかに小さく、制
御光ビームの高強度のものに対する屈折率ｎより
もわずかに大きくなるように選択される。

第２，３図に示すように、制御光ビームの強度
に依存して電荷密度は増加し、層状物質の非線型
屈折率ｎ＝n₁＋n₂Iは減少する。

インタフエース１２の反射は制御光ビーム１７
の強度Ｉに依存する。制御光ビーム１７の臨界強
度Ic以下の強度については入力光ビーム２１はイ
ンタフエース１２と層状非線型光学物質１４を介
して出力ビーム２６として光検出器２８に伝えら
れる。

制御光ビーム１７の強度が増すと多重量子井戸
型構造の屈折率ｎは減少する。このことにより、
制御ビーム強度の増加が実効的臨界角を減少させ
るという正帰還効果が生じる。制御ビームの臨界
強度においては、非線型光学物質１４の屈折率ｎ
は線型光学物質１３の屈折率n₀に等しい。インタ
フエース１２と非線型光学物質１４を介しての入
力ビームのほぼ全ての伝播はほぼ全て内部反射と
なる。臨界強度Icより大きい制御ビーム強度に対
しては、入力ビーム２１は光学インタフエース１
２で全て内部反射される。反射出力ビーム２３は
線型光学物質１３を介して検出器２８から遠ざか
るように伝わる。

次に第４図を参照すると、前述の記載に従つ
て、装置１０の動作特性が示されている。ここ
で、入力光ビームの強度I₁は一定である。第１図
の検出器２８は制御光ビームの強度が臨界強度Ic
より大きいか小さいかを決定する。第４図におい
て実線３０で示すように、臨界強度Ic以下の制御
ビーム強度により、検出器２８は第１図の出力ビ
ーム２６における高強度の光を受光する。制御ビ
ーム強度が臨界強度Icにほぼ等しい時は、検出器
に達する出力ビームの強度は第４図のように急速
に減衰する。臨界強度Ic以上の制御ビーム強度に
ついては、第１図の検出器２８に達する出力ビー
ム２６の強度は第４図のように低い。

第４図の点線３４は、検出器が点線の検出器２
９で示すような他の位置に置かれた時の、第２図
の装置の動作特性を表わしている。

制御光ビームの強度とともに屈折率ｎが変化す
る結果として、第１図の該光学装置１０は入力ビ
ームを層状非線型物質を介して検出器２８に伝え
るかまたは入力ビームをほとんど全て検出器２８
から遠ざかるように反射する。このようにして、
線型光学物質と層状非線型光学物質との間のイン
タフエース１２での入力光ビームの制御は制御光
ビームの強度に依存する。

動作現象は制御光ビームの強度の変化に応じ
た、捕捉電荷の動的移動であるから、装置１０の
ターンオン応答速度は光ビーム１７の強度の変化
と同じように速い。装置１０のターンオフ応答速
度は電荷の再結合時間に関係する。従つて動作速
度は潜在的に速い。

次に第５図を参照すると、本発明を具象化する
他の光学装置６０が示されている。多重量子井戸
型構造にような層状非線型光学物質６１は線型光
学物質６２を備えた光導波装置を形成する。非線
型光学物質６１の小エネルギーバンドギヤツプ物
質の層６８には電荷は注入されていない。制御ビ
ーム源６５が制御光ビーム６６を形成し、このビ
ームは該層状構造に当てられ、そこで吸収されて
層６８内に電荷を解放する。制御光ビーム６６が
供給される限り、解放された電荷の一部は層６８
内に捕捉される。層６８中の電荷密度は制御光ビ
ーム６６の強度に応じて変化する。低強度の制御
光ビーム６６に対しては線型物質６２の屈折率n₀
は非線型層状物質６１の屈折率ｎ＝n₁＋n₂Iより
もわずかに小さい。制御光ビームの強度が増加す
ると電荷密度は増加し、層状物質の非線型屈折率
ｎ＝n₁＋n₂Iは制御光ビームの強度に依存して減
少する。

入力光源６４は単色入力光ビーム７１を形成
し、このビームは非線型物質の層に平行な軸に沿
つて層状非線型光学物質に供給される。入力光ビ
ームの波長は非線型光学物質の透明範囲にある。
制御光ビーム６６の強度の低いものについては、
入力ビーム７１は、層状非線型光学物質６１を介
して検出器６９に導かれる。制御光ビーム６６の
強度が低い値から高い値へ変えられると、光学的
ケル（Kerr）効果の結果、層状物質の屈折率ｎ
は変化する。制御光ビームの臨界強度Icにおい
て、線型物質６２の屈折率n₀は非線型物質６１の
屈折率ｎに等しい。制御光ビームの強度の高いも
のについては、入力ビーム７１は導かれない。こ
うして入力ビーム７１は検出器６９に入射する光
の強度を減少させる線型光学物質中に広がつて行
く。

第４図の動作特性曲線３０はまたは第５図の装
置の動作も示している。入力光ビームは非線型光
学物質１６を介して検出器６９に導かれるか、ま
たは線型光学物質６２を介して広がる。低強度制
御ビーム６６に応動して入力光ビーム７１を検出
器に導くと高強度の出力ビーム７２が検出器６９
に与えられるようになる。高強度制御ビーム６６
に応動して線型光学物質を介して入力光ビーム７
１を広げると出力ビーム７２は低強度になる。

第６図には線型光学物質７７の層の間にはさま
れた層状非線型光学物質７６を含む光学装置７５
が示されている。非線型光学物質は前述のように
多重量子井戸型構造で構成しても良い。

光源７８は層に実質的に平行な軸に沿つて層状
非線型光学物質７６の端部に単色光の入力光ビー
ム７９を与える。入力光ビームの波長は非線型光
学物質７６の透明範囲にある。入力光ビームは非
線型光学物質を介して検出器８２に伝えられる。

制御ビーム源７４は非線型光学物質７６の層に
実質的に垂直な軸に沿つて可変強度制御光ビーム
８１を供給する。制御光ビーム８１はサンドイツ
チの層を横切る。制御光ビームの波長は非線型光
学物質の吸収範囲内にある。吸収された光は小エ
ネルギーバンドギヤツプ物質内に電荷を解放す
る。この電荷はそこに捕捉される。

第７図に示されるように、制御光ビームが層状
溝構造を横切る時その任意の直径から見た空間強
度分布はビームの中心軸からの距離の関数であ
る。第７図において、第１図の制御光ビーム８１
の中心線C_L1にピーク値を有するガウス分布が説
明を簡単にするために用いられている。他の分布
を使うこともできる。

第８，９，１０及び１１図には、第６図の装置
７５の動作を記述する。第８図には平面図として
表わされているが、制御光ビームは円形断面積８
３において装置７５の上面と交差する。入力光ビ
ーム７９は軸即ち中心線C_L2に沿つて層状非線型
光学物質に与えられる。このC_L2は制御光ビーム
の中心線C_L2と交差する。このように入力光ビー
ムは制御光ビームの影響範囲を対称的に横切る。

第６図の制御光ビーム８１の強度のいかなる変
化によつても装置７５の光応答が変化する。制御
光ビームの強度の変化によつて多重量子井戸型構
造の薄膜に捕捉された電荷の量が変化する。電荷
量が変化すると誘電率、吸収係数及び屈折率が変
化する。例えば制御光ビームの強度が増加すると
電荷が増加し多重量子井戸型構造の屈折率は減少
する。

第９図において、３種の電荷分布関数が制御光
ビームの中心線C_L1からの距離に対する、非線型
物質中の電荷量の変化と分布を示している。第９
図の電荷分布関数は第８図の制御光ビーム８１の
直径にわたる電荷密度を表わしている。ゼロ強度
I_C0の制御光ビームに対しては電荷は捕捉されな
い。中間強度I_C1の制御光ビームに対しては電荷
は制御光ビームの中心線C_L1にピークをもつガウ
ス分布の形で分布する。高強度I_C2の制御光ビー
ムに対してはガウス型の電荷分布のピークはより
高くなる。

第１０図にはI_C0、I_C1及びI_C2と記された３種の
屈折率が示されており、これらはそれぞれ第９図
において同様に表わされた電荷分布関数と関係し
ている。強度と電荷が増加すると関連する屈折率
は減少することに注意されたい。

第１１図に示されるように第８図の入力光ビー
ム７９の強度もまた非均一分布をしている。この
分布関数は制御光ビームの注進線C_L2からの距離
について描かれている。第１１図の強度分布をも
つ入力光ビームが第８図の制御光ビームの影響範
囲を通る時、入力光ビーム７９は制御光ビームの
強度に依存して第１１図に示される屈折率関数の
１つの影響を受ける。

ゼロ強度I_C0の制御ビーム８１に対しては、入
力光ビームの全部分が制御光ビームの影響範囲内
で均一屈折率の影響を受ける。このゼロ強度制御
ビームの状態では第８図でI_C0と記された実線で
境界されたビーム出口径路で示されるように、入
力光ビーム７９の焦点合わせは制御光ビームの影
響を受けない。

中間レベルの強度I_C1の制御光ビーム８１につ
いては入力光ビーム７９は第１０図でI_C1と記さ
れた点線の屈折関数の影響を受ける。入力光ビー
ムはこの屈折率関数に左右される。結果として出
力ビームは、第８図でI_C1と記された点線で境界
された出力ビームによつて示されるように、いく
ぶんか焦点が広がる。

高レベルの強度I_C2の制御光ビーム８１につい
ては、入力光ビーム７９は第１０図I_C2と記され
た点線で示されるような屈折率のより大きな変化
の影響を受ける。結果は、第８図でI_C2と記され
た点線で境界された出力ビームで示されるよう
に、出力ビームの焦点がさらに広がる。

こうして第８図の検出記８２は、制御光ビーム
がゼロ強度を有する時に、開口８５を介して比較
的高い強度の光を受光する。制御光ビームの強度
が増加すると出力ビームはさらに広がつて行く。
従つて制御光ビームの強度が増加するにつれ検出
器はしだいに強度の低い光を受光するようにな
る。第４図の動作特性曲線３０は他に、第８図の
検出器８２によつて受光される光の強度を表わし
ている。

第１２，１３，１４及び１５図には第６図の装
置７５の他の型の動作が示されている。第１２図
は平面図として示されているが、制御光ビーム８
１は第８図の装置と同様に、円形断面積において
装置７５の上面と交差する。しかしながら第１２
図の装置では、入力光ビーム７９は制御光ビーム
の中心から外れて交差する軸に沿つて層状非線型
光学物質に与えられる。実際、入力光ビーム７９
の全部またはほとんど全部が、第１５図の入力光
ビーム強度分布曲線で示されるように、制御光ビ
ームの中心線C_L1の片側にある。

第８図の装置と同様に、制御光ビーム８１の強
度によつて非線型光学物質中の捕捉電荷が変化す
る。結果として、誘電率、吸収係数及び屈折率が
変化する。第１３，１４図には電荷量と屈折率の
変化が制御光ビーム８１の中心線C_L1からの距離
の関数として示されている。

入力光ビームは制御光ビーム８１の中心線C_L1
から外れているので、制御光ビームの影響範囲を
通る時入力光ビームは非対称的に異なる屈折率に
さらされるであろう。ゼロ強度の制御光ビームに
ついては、入力ビームの焦点は制御光ビームの影
響を受けない。そのかわりに、第１２図に示され
るように、入力光ビームは装置７５と開口８５を
介して検出器８２に伝えられる。出力ビームは概
略I_0Cと記された実線で表わされる。制御光ビー
ムの強度が増加すると、I_C1及びI_C2と記された対
応する点線の屈折率により、出力光ビームは、第
１３図において、それぞれI_C1及びI_C2と記された
点線の出力径路で示されるように、継続して大き
く曲げられる。

制御光ビームがゼロ強度あるいは低強度の時、
検出器８２は比較的高い強度の光を受光する。制
御光ビームの強度が増加すると検出器が受光する
光の強度は減少する。第４図の出力強度特性曲線
３０は第１２図の装置において検出器８２が受光
する出力光を表わしている。

前述の議論に従つて動作する装置は広範囲の波
長に対して動作できる。前述のように、説明した
物質システムで作成された装置は制御ビームに対
して0.7−0.9マイクロメートルの範囲の波長で、
さらに入力ビームに対して、非線型物質の透明範
囲において0.85マイクロメータより大きい波長で
動作する。

他の物質システム、例えばIn_1-x-yGa_xAl_yA_Sお
よびIn_1-XGa_xAs_1-yP_yを用いて制御ビームに対し
1.3マイクロメートルないし1.5マイクロメートル
の範囲の波長、さらに入力ビームに対し1.3マイ
クロメートルより大きい波長用に装置を作成する
ことができる。これらの間にある波長に対しては
物質は該物質システムの中から選択して良い。

説明のための実施例においては負電荷のみが示
されている。しかし捕捉された陽電荷もまた有用
な装置を生み出すことに注意されたい。この捕捉
陽電荷は層状物質を光学的に付勢して電荷を解
放、捕捉することにより得ることもできる。

本発明の実施例をいくつか説明した。他の実施
例も当業者には明らかであろう。説明した実施例
は、これら他の実施例とともに本発明の範囲内に
入るものと考えられる。