JPH0578015B2 - - Google Patents

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JPH0578015B2
JPH0578015B2 JP84500712A JP50071284A JPH0578015B2 JP H0578015 B2 JPH0578015 B2 JP H0578015B2 JP 84500712 A JP84500712 A JP 84500712A JP 50071284 A JP50071284 A JP 50071284A JP H0578015 B2 JPH0578015 B2 JP H0578015B2
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intensity
charge
layer
optical
layered
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JP84500712A
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Danieru Shimon Chemura
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AT&T Corp
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AT&T Technologies Inc
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Publication date
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Publication of JPH0578015B2 publication Critical patent/JPH0578015B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3511—Self-focusing or self-trapping of light; Light-induced birefringence; Induced optical Kerr-effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01716—Optically controlled superlattice or quantum well devices

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  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

請求の範囲 １ 線形光学物質と異なるエネルギーバンドギヤ
ツプを有する物質の層を含む層状半導体構造との
間の光学的インタフエースであつて、該構造のい
くつかの層は捕捉電荷を含むように構成されてい
る光学的インタフエースと、 該インタフエースの臨界角に近い経路を通し
て、該層に垂直な方向に極性を与える電界成分を
有する入力光ビームを該インタフエースに与える
ように形成された手段と、 電界成分に応動して捕捉電荷の空間的な分布を
制御して該層状半導体構造の誘電率を変化させ、
それにより、該インタフエースにおける経路方向
を変更させるように入力光ビームを変化させるべ
く構成された手段を含む光学装置。
２ 請求の範囲第１項に記載の装置であつて、 該層状半導体構造は多量子井戸形構造である光
学装置。
３ 請求の範囲第１項に記載の装置であつて、 該半導体構造は超格子構造である光学装置。
４ 請求の範囲第１項に記載の装置であつて、 該異なるエネルギーバンドギヤツプ物質は、大
エネルギーバンドギヤツプ物質の層と小エネルギ
ーバンドギヤツプ物質の層とを含み、 該捕捉電荷が該小エネルギーバンドギヤツプ物
質の層へ注入される光学装置。
５ 請求の範囲第１項に記載の装置において、 該制御手段は、該層状半導体構造に供給される
入力光ビームの強度を変化させるための手段を含
む光学装置。
６ 請求の範囲第１項に記載の装置において、 該異なるエネルギーバンドギヤツプ物質は電荷
注入深さの少なくとも５倍の厚さを有する大エネ
ルギーバンドギヤツプ物質の層と、小エネルギー
バンドギヤツプ物質の層とを有し、更に、 該小エネルギーバンドギヤツプ物質の層中の捕
捉された電荷を光学的に付勢するための手段を含
む光学装置。
７ 請求の範囲第６項に記載の装置において、 該層状半導体構造は多量子井戸形構造であり、 該制御手段は、該層状構造に供給される入力光
ビームの強さを変化して、それにより、該小エネ
ルギーバンドギヤツプ物資の層の厚さ方向の密度
分布を変えて、層状半導体構造の誘電率と該イン
タフエースにおける経路方向とを変化させるため
の手段を含む光学装置。
明細書 本発明は光ビームを制御するするための装置に
関し、更に詳細には入力ビームを、そのビームの
強度を変化させることによつて制御するための層
状半導体構造を含む装置に関する。
発明の背景 従来技術においては、ある物質に与えられる光
ビームの強度によつてその物質の誘電率、屈折率
及び吸収係数を制御できることは知られている。
このような変化は該物質中での光ビームの伝播に
影響を与える。このような物質は非線型光学物質
と呼ばれる。種々の装置において、気体、液体及
び固体が非線型光学物質として使われて来た。
非線型光学物質での反射及び屈折の理論はソビ
エトフイジツクス（Soviet Physics）JETP 45
(5)、1977年５月においてエー・イー・カプラン
（A.E.Kaplan）が述べている。訳文は、アメリカ
ン インステイテユート オブ フイジツクス
（American Institute of Plysics）の896−905ペ
ージ。
装置に与えられる光ビームの強度によつてその
装置内での光ビームの伝播が制御されるように
な、集積固体非線型光学物質の開発が望まれてい
る。IEEE Specrum（スペクトラム）、1981年６月
26−33ページにおいて、ピー．ダブル．スミス
（P.W.Smith）とダブル．ジエイ．トムリンソン
（W.J.Tomlinson）は、物質中の光ビームの伝播
がそのビームの強度によつて制御されるような固
体物質の例を記載している。集積固体光学装置を
開発する上での問題は、従来技術における物質は
どれ１つして、室温で動作できる集積光学装置の
開発には適さないということである。
発明の概要 この問題は、層に対して垂直な方向に極性を持
つ電界成分を有する構造に与えられる可変入力光
ビームを備えた層状半導体構造を含む光学装置に
よつて解決される。入力光ビームの強度によつて
層中に捕捉された電荷、この捕捉された電荷を含
む層の誘電率、及びこの装置内の入力光ビームの
伝播が制御される。
【図面の簡単な説明】
本発明は添付の図面を参照して以下の詳細な記
述を読むことにより、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図は第１図の装置の特性曲線、 第３図はある動作条件下で生じる２つの異なる
電荷密度機能曲線と共に表わした、層状構造の断
面図、 第４図は本発明を具象化する他の光学装置の概
略図、 第５，６，７図は第４図の装置の動作特性曲
線、 第８図は本発明を具象化する、さらに他の光学
装置の概略図、 第９図は本発明を具象化する、さらに別の光学
装置の概略図である。
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１４と非線型光学物質１６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１４は半導体物質のような固
体基板物質である。
Ga1-XAlXAsは適切な線型光学物質を選択できる
合金系である。線型光学物質１４の屈折率はn0で
ある。非線型光学物質１６は小エネルギーバンド
ギヤツプ物質の層１８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格子整合されてい
る。層状半導体物質の１例は、物質１８として
GaAsの層を、物質１９としてGa1-XAlXAsの層
を含む多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は入力ビームの強度、n1
は０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マイクロメータ以上の波長領域で効果的に動
作することができる。線型学装物質の屈折率n0は
非線型光学物質の０強度屈折率よりもわずかな量
だけ小さい。光学的ケル効果係数n2は符号は負で
ある。
この構造はエネルギーバンドギヤツプ物質の層
１８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１８はGaAsのような
不純物半導体であつて、たとえばｎ型キヤリアを
ドープされており、これは該物質が外部からエネ
ルギーを供給されていない間、既め定められた量
の捕捉電荷を層１８内に残す。層１８内に捕捉さ
れた電荷の波動関数は振動サイン波形である。
Ga1-XAlXAs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１８に捕捉された電荷
が他の全ての層１８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１
８は独立した方形井戸として機能する。
第１図において、単色光から成る可変入力ビー
ム源２０は偏光光ビーム２１を生じ、これは光学
装置１０に供給される。この入力光ビームは層状
非線型光学物を介して、非線型光学物質１６と線
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。この入射角は低強度
の光に対する臨界入射角よりも大きく高強度の光
に対する臨界入射角よりも小さい。第１図に示す
ように、入力光ビーム２１は多量子井戸型構造の
層に対して垂直な方向に極性をもつ電界成分２２
を有する。その理由を以下に示す。ビーム源２０
は入力光ビーム２１の強度Ｉを変化させるように
構成されている。
インタフエース１２の反射は強度に依存する。
光源２０はある範囲にわたつて変化させることの
できるある強度をもつた光ビーム発生する。入力
光ビーム２１の臨界強度Ic以下の強度については
実効的臨界入射角は入射角θよりも大きく、ビー
ムは全て該インタフエースで内部反射される。反
射ビーム２３は該インタフエースで反射され層状
非線型光学物質１６を介して検出器２８に達す
る。線型物質１４を介して伝播するビームはな
い。
入力光ビームの強度が増すと多量子井戸型構造
の屈折率は減少する。層状非線型光学物質のケル
係数はn2は負であるため、インタフエース１２を
横切る屈折率差は減少しそのため実効的臨界角は
小さくなる。臨界入力ビーム強度Icにおいては実
効的臨界角ｎは入射角θに等しい。総内部反射角
はインタフエース１２を介して線型光学物質１４
への、及び物質１４を介しての入力ビームの総伝
播量にほぼ等しくなる。臨界強度Icより大きい入
力ビーム強度については、実効的臨界角は入射角
θよりも小さく、ビームは多量子井戸型構造と光
学インタフエースを横切つて進む。その後、伝播
した出力ビーム２５は線型光学物質１４を介して
検出器２８から遠ざかつて伝わつて行く。
次に第２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。第１図
の検出器２８は入力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２図におい
て実線３０で示すように、臨界強度Ic以下の入力
ビーム強度については、入力ビームからの光のほ
とんどを受光し高出力ビーム強度を示す。入力ビ
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急速に減衰する。臨
界強度Ic以上の入力ビーム強度については、検出
器に達する出力ビームの強度は低い。
第２図の点線３４は、検出器が点線の検出器２
９で示すような位置に置かれた時の、第１図の装
置の動作特性を表わしている。
第３図には、第１図の層状構造１６の様な層状
構造３５に関連する一対の電荷分布曲線３１及び
３２を示す。層状構造３５は、その中にマイナス
記号で図示的に表わされた捕捉電荷を含んでい
る。図示されるように、この電荷は小エネルギー
バンドギヤツプ物質の層３８内に集中している。
電荷の一部は大エネルギーバンドギヤツプ物質の
層３９にわずかに入りこんでいる。第３図は負電
荷のみを表わしているが、装置１０と同様の装置
を陽捕捉電荷で動作するように作成することもで
きる。
第３図の層状物質が付勢されない時、例えば０
強度の入力ビームがそれに加えられた時は、層中
の電荷密度は曲線３１で示されるように対称的に
分布している。曲線３１の頂点で示されるよう
に、また構造３５の層３８中のマイナス記号の密
度で示されるように電荷のほとんどは層３８内に
捕捉されている。曲線３１の下の方の部分に示さ
れるように、また構造３５の層３９内に散乱した
マイナス記号で示されるように、わずかな部分は
層３９内の隣接した領域にあふれている。半導体
層３９は各層１８の電荷を隔離するよに充分なほ
どに厚い。このようにして電荷は小エネルギーバ
ンドギヤツプ物質の層３８内に捕捉される。
層に垂直な方向に極性をもつ電界成分を有す
る、第１図のビーム２１のような入力光ビームを
与えると、捕捉電荷の状態が第３図の曲線３２で
示すように変化する。層に垂直な電界が存在する
と、捕捉電荷は非対称密度の状態に変わる。各層
中の電荷は他の層３８中の電荷から実効的に隔離
されているので層３８中の電荷の総量は変化しな
い。電界による電荷分布の変化は各々受別個の半
導体層１８に限られる。電荷密度の状態が変化す
ると層状構造の誘電率が変化し、さらに前述のよ
うに層状構造の屈折率が変化する。結果的に増加
した電荷密度は層状非線型光学物質（第１図の１
６、第３図の３５）の実効的屈折率ｎ＝n1＋n2I
を減少させる。
入力光ビームの強度とともに誘電率と屈折率ｎ
が変化する結果として、該光学装置は入力ビーム
をほとんど全て検出器２８に反射するかまたは光
ビームのほとんどを線型物質を介して検出器から
遠ざかるように伝える。このようにして、層状半
導体構造と線型物質との間のインタフエースでの
入射光ビームの制御は入力ビーム自身の強度に依
存する。
光学的非線型性に関連する計算を簡単化する目
的で、０強度入力ビームについては捕捉電荷は第
１図の層１８のそれぞれを横切つて一様に分布し
ていると仮定する。このように仮定した結果、各
層を横切る電荷の線型密度はδ＝Ne1/3となる。
そのような層１８を横切る基本チユーブ（tube）
内の電子の数はＮ＝dd1＝Ne1/3d1である。ここで
d1は層１８の厚さである。
基本チユーブの高分極性を考える。ラスタギ
（Rustagi）とデユキユイング（Ducuing）、オプ
テイカル コミユニケーシヨンズ（Optical
Communications）、No.10、258ページ、1974年３
月によると屈折率の非線型変化は γ＝256／45π6・１／a3e2・（１／2d1）10／
（１／2N）5 である。ここでａは層１８でのボーア半径であ
る。GaAsの場合ａは約８オングストロームに等
しい。
層１８の非線型性はX(3)＝KγとしてX(3)で表わ
される。Ｋ単位体積あたりの基板チユーブの数で
ある。Ｋはまた単位表面あたりの基本チユーブの
数と単位長さあたりの層１９数との積に等しい。
従つて、 Ｋ＝（Ne）2/3／（d1＋d2）となる。
ただし、d2は層１９の厚さである。また、 X(3)＝Kγ＝Ne 2/3／（d1＋d2）・256／45π6・１／a3
e2・（１／2d1）10／（１／2d1）5Ne 5/3＝256／45π6・
１／a3e2・（１／2d1）5／（d1＋d2）Ne Neは典型的には1017から３×1017の範囲の値を
もつ。その範囲内で選択されたNeのある値に対
して、第１図の装置１０は２×10-4esuから８×
10-5esuの範囲の非線型性X(3)を有するであろう。
動作現象は入力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、動作速度は
可能性としては極めて大きい。
次に第４図を参照すると、本発明を具象化する
他の光学装置４０が示されている。多量子井戸型
構造のような層状非線型光学物質４１は第１図の
同様線型光学物質４２との光学インタフエースを
形成する。ただし、層状非線型光学物質４１の小
エネルギーバンドギヤツプ物質４８の層には電荷
は注入されていない点が異なる。その代わり、光
源４５が電荷付勢ビーム４６を形成し、このビー
ムは該層状構造に当てられ、そこで層４８内に電
荷を創み出すために吸収される。ビーム４６が供
給される限り、電荷は層４８内に捕捉される。
第５図は電荷付勢ビーム４６に応動する、層４
８中の電荷密度をプロツトしたものである。電荷
付勢ビーム４６の強度IEと線型物質４２の屈折率
n0は、線型物質４２の屈折率n0が層状非線型光学
物質の屈折率ｎ＝n1＋n2Iよりもわずかに大きく
なるように選択される。
第５，６図に示されるように、電荷ビームの強
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。第５，６図に
示される強度IEは、動作点が選択された後一定に
保たれる。
可変入力ビーム光源５０は単色光ビーム５１を
形成し、このビームは線型及び非線型光学物質の
間の光学インタフエースに、入射角θで供給され
る。θは高強度ビームに対する実効的臨界角より
も大きく低強度ビームに対する実効的臨界角より
も小さい。入力ビーム５１の強度の低いものにつ
いては、入力ビーム５１は光学インタフエースを
横切り、層状非線型光学物質４１を通過して検出
器５３から遠ざかるように伝わる。入力ビーム５
１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、層状物質の誘電
率と屈折率ｎは変化する。入力ビームの臨界強度
ICにおいては、入力ビームの実効的臨界角は入射
角θに等しくなり、ほぼ全てが内部反射されて伝
わる。入力光ビームの強度の高いものについて
は、実効的臨界角は入射角θよりも大きくビーム
５１は全て内部反射されて経路５２を通つて検出
器５３に達する。
第７図には第４図の装置４０の動作特性が示さ
れている。第７図において、実線７１は検出器５
３が第４図に示される位置に置かれた時の動作関
数を示している。第７図に他に示されている点線
の特性曲線７２は、第４図に点線で示された別の
検出器５５のように検出器が配置された場合の第
４図の装置に適用できる特性曲線を示している。
電気ビーム源４５は第４図においえ電荷付勢ビ
ーム４６を層状物質の上側表面に入射させるよう
に示されている。別の配置として、電荷ビーム源
４５は電荷付勢ビームを線型物質の下側表面に入
射させるように置くこともできる。ただし、ビー
ムが層状物質まで到達し所望の捕捉電荷を発生す
ることが条件となる。前述の物質から成るシステ
ムにおいては、電荷付勢ビームは0.6−0.9マイク
ロメータの範囲の波長を有する。
第８，９図には層状半導体構造を用いる非線型
光学装置の他の例が示されている。
第８図には線型光学物質８１と層状非線型光学
物質８２を含む光学装置８０が示されており、こ
の場合、線型光学物質の屈折率n0は層状非線型物
質の０強度入力ビーム屈折率n1より大きい。電荷
は第１図の実施例に関して記述したように層８４
に注入される。単色光入力ビーム８３は線型光学
物質を介し、入射角θで光学インタフエースに入
射する。θは高強度光に対する実効的臨界入射角
よりも大きく低強度光に対する実効的臨界角より
も小さい。入力ビームの低強度のものに対して
は、入力ビームは層状非線型物質８２を介して検
出器８５から遠ざかるように伝わる。入力ビーム
の強度が増加すると、非線型媒体の屈折率は減少
し、実効的臨界角は減少する。臨界強度では入力
光ビーム８３は全て内部反射される。非線型物質
内に在るかすかな電界のために屈折率ｎ＝n1＋
n2Iの値は光が断続して反射されるような値に維
持される。入力光ビームの強度を減少させれば該
かすかな電界が減少し、非線型物質の屈折率が増
加し、従つて入力光ビームは再び低強度で伝播す
る。
第７図の実線曲線７１と同様の特性曲線が結果
的に生ずる。第８図の点線の特性曲線７２は、第
８図で点線で示される検出器８７の位置に検出器
が置かれた場合に第８図の装置８０の動作に適用
される。
前述したような物質から成るシステムにおいて
は装置８０は0.85マイクロメータ以上の範囲の波
長に対して実効的に動作する。
第９図には線型光学物質９１と層状非線型光学
物質９２を含む光学装置９０が示されており、線
型光学物質の屈折率n0は層状非線型物質の０強度
入力ビーム屈折率n1よりも小さい、電荷は、第４
図に関して説明した装置と同様に、電荷ビーム源
９３からの電荷付勢光ビームによつて層状非線型
光学物質９２の層内に発生する。単色光入力ビー
ム９４は層状非線型光学物質を介して入射角θで
インタフエースに入射する。θは低強度光に対す
る臨界入射角よりも大きい。入力ビーム９４は、
低強度のものについては全て内部反射されて検出
器９６に達する。高強度のものについては、入力
ビームは光学インタフエースと線型光学物質９１
を介して伝播する。結果として生ずる特性曲線は
第２図に示した実線の曲線と同様である。第２図
の点線で示した特性曲線は、第９図に点線で示し
たように、検出器９８の位置に検出器が置かれた
時に、第９図に示した装置に適用される。
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0.85マイクロメ
ータより大きい入力ビーム波長に対し、さらに
0.6−0.9マイクロメータの範囲の電荷付勢ビーム
波長に対して動作できる。
第１，４，８及び９図の装置と同様の装置であ
るが、他の物質システム、例えばIn1-x-yGaxAly
AsおよびIn1-xGaxAs1-yPyで作成された装置はそ
れぞれ1.3マイクロメータおよび1.5マイクロメー
タより大きい入力ビーム波長に対して、さらに
1.0−1.5マイクロメータの範囲の付勢ビーム波長
に対して動作できる。前述した範囲内の波長に対
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
陽電荷は低エネルギーバンドギヤツプ物質の層を
ドープするか、または電荷を光学的に付勢するこ
とにより発生させるこもできる。
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。
JP84500712A 1983-01-03 1983-12-29 層状半導体構造に与えられる光ビ−ムの強度が該ビ−ムを制御する Granted JPS60500231A (ja)

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US06/455,461 US4549788A (en) 1983-01-03 1983-01-03 Intensity of a light beam applied to a layered semiconductor structure controls the beam
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