JPH06301071A - Semiconductor superfine particle-dispersed nonlinear optical element - Google Patents

Semiconductor superfine particle-dispersed nonlinear optical element

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JPH06301071A
JPH06301071A JP8441393A JP8441393A JPH06301071A JP H06301071 A JPH06301071 A JP H06301071A JP 8441393 A JP8441393 A JP 8441393A JP 8441393 A JP8441393 A JP 8441393A JP H06301071 A JPH06301071 A JP H06301071A
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JP
Japan
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semiconductor
wavelength
light
optical
semiconductor ultrafine
Prior art date
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Application number
JP8441393A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigeru Takahara
茂 高原
Koichi Mizuma
浩一 水間
Hiroshi Yao
浩史 八尾
Toyoji Hayashi
豊治 林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
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Publication date
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Publication of JPH06301071A publication Critical patent/JPH06301071A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a nonlinear optical element reduced in optical loss and capable of being operated even at room temp. by using a highly light transparent wavelength range on the longer wavelength side than a superfine particle exciton absorption peak as the signal light wavelength anti pump light wavelength for the semiconductor superfine particle dispersing element. CONSTITUTION:The semiconductor superfine particles have an average diameter of 1-100nm, and group IV element such as silicon and germanium, the oxide semiconductor such as TiO2 and ZnO and the compd. semiconductor such as GaAs and InP are used. For example, the hydride such as gaseous hydrogen sulfide and hydrogen selenide, org. chalcogenides, etc., is added to a raw material soln. contg. the compd. of metal such as Cd and Zn and irradiated with light to form a semiconductor particle, and the particle is grown to produce the II-VI compd. semiconductor superfine particle of CdS, CdSe and ZnSe. The semiconductor superfine particles are dispersed in glass or polymer and formed into the thin film, lens, fiber, etc., which are used.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超高速の光スイッチン
グ素子やフォログラフィー素子など光−光情報伝送や光
−光情報処理、光−光画像処理などの素子に用いられる
位相共役波発生や光双安定現象、光カー効果など主に3
次の非線形光学特性を利用する非線形光学素子に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to generation of a phase conjugate wave used in devices such as ultra-high speed optical switching devices and holographic devices for optical-optical information transmission, optical-optical information processing, optical-optical image processing and the like. Optical bistability, optical Kerr effect, etc. 3
The present invention relates to a nonlinear optical element that utilizes the following nonlinear optical characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

(半導体超微粒子材料の一般的特性)半導体は電子部品
材料、光電子材料、医用材料、触媒材料、センサー材料
など薄膜や粒子などの形態で、幅広い分野で用いられて
いることはいうまでもない。さらに、半導体を超微粒子
と呼ばれている100nm以下の粒径の小さな粒子とす
ることによって、バルク体や従来の粒子の大きさではみ
られない特異的な性質が出現することが注目され、その
応用が図られている。なかでも、小さな結晶空間に起因
する電子的な特異性を応用した非線形光学特性の出現が
期待されている。このような小さな結晶空間の形態に
は、薄膜状や、棒状、ディスク状などの形態があるが、
超微粒子の場合にはこれらの形態に比べて性能出現の等
方性に優れる点がある。 (半導体超微粒子の従来の製造方法)半導体粒子や半導
体超微粒子の製造方法としては、一般的に、機械的な粉
砕による製造方法や、熱やプラズマなどを用いた蒸発を
利用した気相での製造方法や、沈澱や加水分解などを利
用した液相での製造方法などが知られている。これらの
製造方法は、例えば、「微粒子ハンドブック」(神保元
二ら編集、朝倉書店、1991年)に記載されている。
(General Characteristics of Semiconductor Ultrafine Particle Material) It goes without saying that semiconductors are used in a wide variety of fields in the form of thin films and particles such as electronic component materials, optoelectronic materials, medical materials, catalyst materials, and sensor materials. Furthermore, it has been noted that when the semiconductor is made of ultrafine particles having a small particle size of 100 nm or less, a unique property that cannot be seen in the bulk body or the size of conventional particles appears. It is being applied. Above all, the emergence of nonlinear optical properties that apply the electronic singularity due to the small crystal space is expected. The shape of such a small crystal space may be a thin film shape, a rod shape, a disk shape, or the like.
In the case of ultrafine particles, there is an advantage in that the appearance of performance is isotropic as compared with these forms. (Conventional manufacturing method of semiconductor ultrafine particles) As a manufacturing method of semiconductor particles or semiconductor ultrafine particles, generally, a manufacturing method by mechanical pulverization or a vapor phase utilizing evaporation using heat or plasma is used. Known production methods, liquid phase production methods utilizing precipitation, hydrolysis, and the like are known. These manufacturing methods are described in, for example, "Particle Handbook" (edited by Genji Jimbo et al., Asakura Shoten, 1991).

【0003】半導体超微粒子の製造やその取り扱いにつ
いては、粒子径及び粒子径分布の制御とその保存性を高
めることが、超微粒子の特異な機能を発現させるために
重要な課題となっている。
In the production and handling of semiconductor ultrafine particles, control of particle size and particle size distribution and enhancement of storage stability thereof are important issues for exhibiting a unique function of ultrafine particles.

【0004】超微粒子に関して、そのナノメートルオー
ダーの大きさの粒子径を制御する技術がいくつか提案さ
れている。例えば、液相中での製造における保護コロイ
ドを用いた粒径分布を狭くする方法や、気相中でのガス
中蒸発法での蒸発炎の所定の場所から生成粒子を採取す
る方法などがある。また、特開平4−189801に記
載されているように、溶液中に電子伝達剤と不飽和結合
を有する単量体を共存させ、光を照射しながら半導体超
微粒子の合成を行う方法が提案されている。 (半導体超微粒子材料の従来の性能と課題)一方、非線
形光学材料として半導体超微粒子材料は、ガラスマトリ
ックス中への半導体超微粒子の分散材料である色ガラス
フィルターなどで比較的大きな非線形性を示すことが報
告されている。これらの色ガラスフィルターの3次の非
線形光学感受率χ(3)は概ね10ー10〜10ー9静電単位
(esu)の範囲であり、最も大きなものでも1.3×
10ー8静電単位であることが、例えば、応用物理第59
巻第6号738〜745頁(1990年)中に記載され
ている。しかしながら、これらの非線形光学感受率χ
(3)の値は、実用に供するには小さく十分なものではな
かった。
With respect to ultrafine particles, some techniques have been proposed for controlling the particle size of the nanometer order. For example, there is a method of narrowing the particle size distribution using a protective colloid in the production in the liquid phase, and a method of collecting the produced particles from a predetermined position of the evaporation flame in the gas evaporation method in the gas phase. . Further, as described in JP-A-4-189801, a method has been proposed in which an electron transfer agent and a monomer having an unsaturated bond are allowed to coexist in a solution, and semiconductor ultrafine particles are synthesized while being irradiated with light. ing. (Conventional performance and problems of semiconductor ultrafine particle materials) On the other hand, semiconductor ultrafine particle materials as nonlinear optical materials exhibit relatively large non-linearity in colored glass filters, which are dispersion materials of semiconductor ultrafine particles in a glass matrix. Has been reported. In the range of third-order nonlinear optical susceptibility of these color glass filter chi (3) is approximately 10 @ 10 to 10 -9 electrostatic units (esu), also 1.3 × the largest of
10 it over 8 an electrostatic unit, for example, Applied Physics 59
Volume 6, pages 738-745 (1990). However, these nonlinear optical susceptibility χ
The value of (3) was small and not sufficient for practical use.

【0005】非線形光学材料の実用化を図っていくた
め、半導体レーザーを光源として応用できる素子が開発
されることが待ち望まれている。したがって、半導体レ
ーザーレベルのより小さな光強度で動作する3次の非線
形光学感受率χ(3)がより大きい材料、例えば、10ー7
静電単位以上ある材料が望まれているのである。
In order to put the nonlinear optical material into practical use, it is desired to develop an element to which a semiconductor laser can be applied as a light source. Therefore, a material having a higher third-order nonlinear optical susceptibility χ (3) operating at a light intensity lower than the semiconductor laser level, for example, 10 −7
Materials with more than electrostatic units are desired.

【0006】(図面の説明)以下、随時添付図面を参照し
ながら、従来技術および本願発明を説明する。まず、添
付図面について説明する。
(Description of the Drawings) The prior art and the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings as needed. First, the attached drawings will be described.

【0007】図1は、従来の半導体超微粒子分散体の吸
光係数α、3次の非線形性感受率χ (3)、χ(3)/αと光
波長の関係を示す説明図であり、横軸は光波長である。
FIG. 1 shows the absorption of a conventional semiconductor ultrafine particle dispersion.
Light coefficient α, third-order nonlinear susceptibility χ (3), Χ(3)/ Α and light
It is explanatory drawing which shows the relationship of wavelength, and a horizontal axis is a light wavelength.

【0008】図1において、1は半導体超微粒子分散体
の吸光係数と光波長との関係を示す実線、2は3次の非
線形性感受率χ(3)と光波長との関係を示す破線、3は
χ(3)/αと光波長との関係を示す2点鎖線、4は励起
子吸収ピークを示す1点鎖線、5は動作波長の例を示す
矢印を、それぞれ示す。
In FIG. 1, 1 is a solid line showing the relationship between the absorption coefficient of the ultrafine semiconductor particle dispersion and the light wavelength, 2 is a broken line showing the relationship between the third-order nonlinear susceptibility χ (3) and the light wavelength, 3 is a two-dot chain line showing the relationship between χ (3) / α and the light wavelength, 4 is a one-dot chain line showing an exciton absorption peak, and 5 is an arrow showing an example of the operating wavelength.

【0009】図2は、本発明の半導体超微粒子分散体の
吸光係数α、3次の非線形性感受率χ(3)、χ(3)/αと
光波長の関係の説明図であり、横軸は光波長である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the relationship between the absorption coefficient α of the semiconductor ultrafine particle dispersion of the present invention, the third-order nonlinear susceptibility χ (3) , χ (3) / α, and the light wavelength. The axis is the wavelength of light.

【0010】図2において、1は半導体超微粒子分散体
の吸光係数と光波長との関係を示す実線、2は3次の非
線形性感受率χ(3)と光波長との関係を示す破線、3は
χ(3)/αと光波長との関係を示す2点鎖線、4は励起
子吸収ピークを示す1点鎖線、5は動作波長の例を示す
矢印を、それぞれ示す。
In FIG. 2, 1 is a solid line showing the relationship between the absorption coefficient of the semiconductor ultrafine particle dispersion and the light wavelength, 2 is a broken line showing the relationship between the third-order nonlinear susceptibility χ (3) and the light wavelength, 3 is a two-dot chain line showing the relationship between χ (3) / α and the light wavelength, 4 is a one-dot chain line showing an exciton absorption peak, and 5 is an arrow showing an example of the operating wavelength.

【0011】図3は励起子吸収ピークよりも長波長の波
長領域の説明図であり、横軸は光波長である。
FIG. 3 is an explanatory view of a wavelength region having a wavelength longer than the exciton absorption peak, and the horizontal axis is the light wavelength.

【0012】図3において、1は半導体超微粒子分散体
の吸光係数と光波長との関係を示す実線、2はχ(3)
αと光波長との関係を示す破線、3' は励起子吸収ピー
クを示す1点鎖線、4' は動作波長(光パルス)の例を
示す2点鎖線を、それぞれ示す。
In FIG. 3, 1 is a solid line showing the relationship between the light absorption wavelength and the absorption coefficient of the semiconductor ultrafine particle dispersion, and 2 is χ (3) /
A broken line showing the relationship between α and the light wavelength, 3'denotes a one-dot chain line showing an exciton absorption peak, and 4'denotes a two-dot chain line showing an example of the operating wavelength (light pulse).

【0013】図4は実施例1により得られた硫化カドミ
ウム超微粒子分散フィルムの各波長におけるχ(3)/α
と吸光係数α、χ(3)のグラフである。
FIG. 4 shows χ (3) / α at each wavelength of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion film obtained in Example 1.
2 is a graph of the extinction coefficient α and χ (3) .

【0014】図4において、1は実施例1で得られた硫
化カドミウム超微粒子分散体の吸光係数αの波長に対す
るスペクトルを示す実線、2は各波長における3次の非
線形性感受率χ(3)測定結果を示す●、3は各波長にお
けるχ(3)/αの結果を示す△、4は励起子吸収ピーク
を示す1点鎖線、をそれぞれ示す。
In FIG. 4, 1 is a solid line showing the spectrum of the absorption coefficient α of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion obtained in Example 1 with respect to wavelength, and 2 is the third-order nonlinear susceptibility χ (3) at each wavelength. The measurement results are shown by ●, 3 is the result of χ (3) / α at each wavelength, and Δ is the one-dot chain line showing the exciton absorption peak.

【0015】図5は比較例1により得られた硫化カドミ
ウム超微粒子分散フィルムの各波長におけるχ(3)/α
と吸光係数α、χ(3)のグラフである。
FIG. 5 shows χ (3) / α at each wavelength of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion film obtained in Comparative Example 1.
2 is a graph of the extinction coefficient α and χ (3) .

【0016】図5において、1は実施例1で得られた硫
化カドミウム超微粒子分散体の吸光係数αの波長に対す
るスペクトルを示す実線、2は各波長における3次の非
線形性感受率χ(3)測定結果を示す●、3は各波長にお
けるχ(3)/αの結果を示す△、4は励起子吸収ピーク
を示す1点鎖線、をそれぞれ示す。 (半導体超微粒子分散素子の課題)半導体超微粒子分散
材料およびこれを用いた素子では、従来、比較的大きな
非線形性を示す光励起過程、主に励起子吸収を用いる共
鳴領域での非線形性発現現象が検討され、非線形性の発
現波長、すなわち非線形光学素子として使用される光波
長は、半導体超微粒子材料の光吸収に重なっていた。こ
の場合の、光吸収を表す吸収係数αと3次の非線形性χ
(3)及びχ(3)/αと光波長の関係、使用される波長例λ
の関係を図1に示す。
In FIG. 5, 1 is a solid line showing the spectrum of the absorption coefficient α of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion obtained in Example 1 with respect to wavelength, and 2 is the third-order nonlinear susceptibility χ (3) at each wavelength. The measurement results are shown by ●, 3 is the result of χ (3) / α at each wavelength, and Δ is the one-dot chain line showing the exciton absorption peak. (Issues of semiconductor ultrafine particle dispersion element) In the semiconductor ultrafine particle dispersion material and an element using the same, conventionally, a photoexcitation process exhibiting relatively large nonlinearity, and a nonlinearity manifestation phenomenon mainly in the resonance region using exciton absorption, The wavelength of the non-linearity which has been investigated and used as a non-linear optical element was overlapped with the light absorption of the semiconductor ultrafine particle material. In this case, the absorption coefficient α representing the light absorption and the third-order nonlinearity χ
Relationship between (3) and χ (3) / α and optical wavelength, wavelength examples used λ
The relationship is shown in FIG.

【0017】しかしながら、光−光スイッチング素子と
して非線形光学素子を構成するためには、伝搬させる光
信号の減衰をさける必要がある。したがって、半導体超
微粒子分散型の非線形光学素子においては、3次の非線
形光学感受率χ(3)を吸光係数αで割った値χ(3)/αが
性能を表す指数のひとつとして用いられ、これがより大
きい材料、例えば、10ー9静電単位・cm以上の材料の
出現が望まれているのである。これに対して、従来技術
では図1で表されるように、半導体超微粒子分散体の光
吸収と3次の非線形光学特性発現の波長が重なるため
に、このようなχ(3)/αの大きな分散体やそれを用い
た素子は得られず、小さなχ(3)/αの分散体や素子し
か得られていない。 (共鳴近接を利用する従来の技術)一方、半導体超微粒
子の分散体でも光吸収のない非共鳴領域での非線形性も
検討されている。例えば、先に引用した応用物理第59
巻第6号738〜745頁(1990年)中には、Cd
S超微粒子の3次の非共鳴線形感受率χ(3)が記載され
ている。しかしながら、その値は媒体中で10ー14静電
単位程度であり、CdS超微粒子換算値でも10ー10
電単位であることから、実用には全く不十分な大きさで
あった。
However, in order to construct a nonlinear optical element as an optical-optical switching element, it is necessary to avoid attenuation of the optical signal to be propagated. Therefore, in the semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element, the value χ (3) / α obtained by dividing the third-order non-linear optical susceptibility χ (3) by the extinction coefficient α is used as one of the indices representing the performance, The emergence of materials with larger values, such as materials with 10 −9 electrostatic units · cm or more, is desired. On the other hand, in the prior art, as shown in FIG. 1, since the optical absorption of the semiconductor ultrafine particle dispersion and the wavelength of the third-order nonlinear optical characteristic expression overlap, such χ (3) / α Large dispersions and devices using them have not been obtained, and only small χ (3) / α dispersions and devices have been obtained. On the other hand, non-resonance in a non-resonant region where light absorption is not observed even in a dispersion of semiconductor ultrafine particles has been studied. For example, the Applied Physics No. 59 cited above.
Volume 6, pages 738-745 (1990), contains Cd.
The third-order non-resonant linear susceptibility χ (3) of S ultrafine particles is described. However, the value is 10 @ 14 about electrostatic units in a medium, because it is 10 -10 electrostatic units in CdS nanoparticles converted value was quite insufficient size for practical use.

【0018】また、半導体の量子井戸構造の研究から、
光によって励起子のエネルギーの変化を生じる光シュタ
ルク効果の検討がなされている。これは、量子井戸構造
の中に閉じ込められた励起子の非共鳴光仮想励起を用い
るというものであり、例えば、パリティ別冊、8巻、7
9頁(1991年)に記載がある。この記載によれば、
GaAs/Al/GaAs量子井戸構造の素子におい
て、液体窒素温度以下の低温において、励起子の光吸収
よりも十分長いこの素子の光吸収のない波長で光パルス
を入力すると、光パルス通過に追従して光吸収スペクト
ルが変化する現象を観測している。すなわち、光信号の
減衰がない波長の光を用いて、超高速の光スイッチング
ができることを示している。
Further, from the study of the quantum well structure of semiconductors,
The optical Stark effect in which exciton energy is changed by light has been studied. This uses non-resonant optical virtual excitation of excitons confined in a quantum well structure. For example, parity appendix, vol.
It is described on page 9 (1991). According to this description,
In a GaAs / Al / GaAs quantum well structure element, when an optical pulse is input at a wavelength that is sufficiently longer than the optical absorption of excitons and has no optical absorption at the temperature below the liquid nitrogen temperature, it follows the optical pulse passage. We are observing the phenomenon that the light absorption spectrum changes. That is, it is shown that ultrafast optical switching can be performed by using light having a wavelength with no attenuation of the optical signal.

【0019】このような現象は、共鳴状態に対する屈折
率スペクトルの変化が、これから離れたエネルギーの入
射光の光子に対しても大きな値をもっており、入力され
る光エネルギーが大きくなった場合には、励起子と光の
場は独立した運動とはみなされなくなって、励起子が光
の電磁場の衣をまとった状態で運動するためであると説
明されている。
In such a phenomenon, the change in the refractive index spectrum with respect to the resonance state has a large value even for the photon of the incident light having the energy away from it, and when the input light energy becomes large, It is explained that the excitons and the light field are no longer considered to be independent motions, and the excitons move in the state of wearing the electromagnetic field of light.

【0020】しかしながら、このような光シュタルク効
果の実験的及び理論的な検討はまだ十分なものとは言い
難く、また、光スイッチを起こすための光強度は約10
メガワット/cm2以上必要といわれ、さらには動作温
度を150K以下にする必要があるなど実用化の上の重
大な問題が課せられている。また、光スイッチがおこな
われる光波長と非線形動作を起こさせるポンプ光波長
が、必ずしも同波長領域にはならないという課題もあ
る。
However, the experimental and theoretical examination of the optical Stark effect is not sufficient, and the light intensity for causing the optical switch is about 10.
It is said that a megawatt / cm 2 or more is required, and further, an operating temperature needs to be 150 K or less, which poses a serious problem in practical use. There is also a problem in that the wavelength of the light used by the optical switch and the wavelength of the pump light that causes the non-linear operation are not necessarily in the same wavelength region.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、吸光
係数αが小さく、透明性の高い光の波長領域において、
大きな3次の非線形性χ(3)有する優れた非線形光学素
子及び該素子を用いた光情報伝達方法を提供するにあ
る。
DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to obtain a light having a small extinction coefficient α and a high transparency in a wavelength region of light.
An object is to provide an excellent nonlinear optical element having a large third-order nonlinearity χ (3) and an optical information transmission method using the element.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、半導体粒
子の分散体材料を用いた非線形光学材料の開発を鋭意進
めていたところ、全く驚くべきことに、半導体超微粒子
を分散した非線形光学素子において、光吸収がある領域
だけではなく、光吸収の最も長波長側にある励起子吸収
ピークよりも長波長側の領域でも、光吸収が小さいか、
または、ほとんどないのにもかかわらず、しかも室温に
おいて、実用可能な3次の非線形性が出現することを発
見した。これにより本発明を完成させた。
The inventors of the present invention have been eagerly developing a non-linear optical material using a dispersion material of semiconductor particles, and, surprisingly, a non-linear optical material in which semiconductor ultrafine particles are dispersed. In the element, not only in the region where there is light absorption, but also in the region on the longer wavelength side than the exciton absorption peak on the longest wavelength side of the light absorption,
Or, it has been discovered that a practical third-order nonlinearity appears even at room temperature even though it is scarce. This completed the present invention.

【0023】すなわち、本発明は、半導体超微粒子分散
体からなる、半導体超微粒子励起子吸収ピークよりも長
波長側の光波長で動作させることを特徴とする半導体超
微粒子分散型非線形光学素子、であり、また、半導体超
微粒子励起子吸収ピークよりも長波長側に吸光係数あた
りの3次の非線形光学感受率のピークを有する半導体超
微粒子分散体からなり、その吸光係数あたりの3次の非
線形光学感受率のピーク付近の光波長で動作させること
を特徴とする半導体超微粒子分散型非線形光学素子、で
あり、また、これらの素子を用いて、半導体超微粒子励
起子吸収ピークよりも長波長側の光透明性の高い波長領
域を信号光波長とポンプ光波長として使い得る非線形光
学効果を利用することを特徴とする光情報伝達方法、で
ある。
That is, the present invention relates to a semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element comprising a semiconductor ultrafine particle dispersion, which is operated at a light wavelength longer than the semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak. In addition, the semiconductor ultrafine particle dispersion having a third-order nonlinear optical susceptibility peak per absorption coefficient on the longer wavelength side than the semiconductor ultrafine-particle exciton absorption peak, and the third-order nonlinear optical per absorption coefficient A semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element characterized by being operated at a light wavelength near the peak of susceptibility, and using these elements, a wavelength longer than the semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak. An optical information transmission method characterized by utilizing a non-linear optical effect in which a wavelength region having high optical transparency can be used as a signal light wavelength and a pump light wavelength.

【0024】要するに、本発明の最も特徴とするところ
は、半導体超微粒子分散体からなる半導体超微粒子励起
子吸収ピークの長波長側の光波長を用いた半導体超微粒
子分散型非線形光学素子と該素子を用いた光情報伝達方
法にあるのである。
In summary, the most characteristic feature of the present invention is that a semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element using a light wavelength on the long wavelength side of the semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak composed of the semiconductor ultrafine particle dispersion and the element. It is in the optical information transmission method using.

【0025】より具体的には、従来、図1でその関係を
明らかにしたように光吸収、主に励起子吸収と重なって
しか、大きな3次の非線形性χ(3)が得られなかったの
に対して、本発明においては、図2に表されるように、
光吸収のある共鳴領域よりも長波長側、より具体的には
励起子吸収ピークよりも長波長側の領域でも大きなχ
(3)が得られ、その結果大きなχ(3)/α、例えば10ー9
静電単位・cm以上の値を有するχ(3)/αピークが得
られた半導体超微粒子分散型非線形光学素子と該素子を
使用した光透明性の高い波長領域での非線形光学効果を
用いた光情報伝達方法が提供されるのである。
More specifically, the relationship is conventionally shown in FIG.
As revealed, light absorption, mainly overlapping with exciton absorption
However, a large third-order nonlinearity χ(3)Didn't get
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG.
Longer wavelength side than the resonance region with light absorption, more specifically
Large χ even in the region longer than the exciton absorption peak
(3)As a result, a large χ(3)/ Α, for example 10-9
Χ with a value of electrostatic unit cm or more(3)/ Α peak is obtained
Semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element and the element
The nonlinear optical effect in the wavelength range with high optical transparency used
The optical information transmission method used is provided.

【0026】以下、詳細に本発明内容について記述す
る。 (超微粒子およびその測定方法)ここで言うところの超
微粒子とは、1から100ナノメートル、さらに好まし
くは1から20ナノメートルの平均直径の粒子をいう。
The contents of the present invention will be described in detail below. (Ultrafine Particles and Measuring Method Thereof) The ultrafine particles referred to herein are particles having an average diameter of 1 to 100 nanometers, and more preferably 1 to 20 nanometers.

【0027】ごく小さな粒子である超微粒子の粒径や組
成を測る手段としては、一般的に知られている方法、例
えば、透過型電子顕微鏡による観察や解析、粉末X線回
析、光吸収スペクトル測定などを用いることができる。
Means for measuring the particle size and composition of ultrafine particles, which are very small particles, are generally known methods, for example, observation and analysis by a transmission electron microscope, powder X-ray diffraction, optical absorption spectrum. Measurement or the like can be used.

【0028】特に、超微粒子の光吸収スペクトルを測定
することにより、簡便にその粒径分布の情報を得ること
ができる。すなわち、粒子が小さくなるにしたがって、
半導体空間内の電子や正孔が閉じ込められ、量子箱的な
現象が起こるために、粒子径が小さいほど光吸収末端が
短波長側へ移動することや電子準位間の分裂が大きくな
って光吸収ピークが出現することから、粒子径や粒子径
分布を推定できるのである。 (半導体超微粒子粒径分布幅の範囲)本発明における半
導体超微粒子の粒径分布幅は狭いことが望ましい。好ま
しくは粒径分布が、平均粒径に対して±20%以内に全
粒子の90%以上があることが望ましい。粒径分布の測
定方法としては、先に記載したように、一般的に知られ
ている方法、例えば、透過型電子顕微鏡による観察や光
吸収スペクトルの測定、また溶液中では光散乱による解
析法などがあげられる。 (半導体)本発明でいう半導体とは、シリコン、ゲルマ
ニウムなどのIV族元素、あるいはTiO2やZnOなど
の酸化物半導体や、GaAsやInP、InSbなどの
III−V族化合物半導体、またはCdS、CdSe、Z
nSeやCdTeなどのII−VI族化合物半導体、さらに
はCuCl、CuBrなどのI−VII 族化合物半導体な
どをいう。 (半導体超微粒子の製造方法)このような半導体粒子
は、一般に知られた、気相での製造方法や液相での製造
方法、また気相や液相を含む固体中での製造方法によっ
て製造される。
In particular, by measuring the light absorption spectrum of ultrafine particles, it is possible to easily obtain information on the particle size distribution. That is, as the particles get smaller,
Since electrons and holes are confined in the semiconductor space, and a quantum box-like phenomenon occurs, the smaller the particle size, the more the light absorption end moves to the short wavelength side and the splitting between electron levels becomes larger, resulting in light absorption. From the appearance of the absorption peak, the particle size and particle size distribution can be estimated. (Range of Particle Size Distribution Range of Ultrafine Semiconductor Particles) The particle size distribution range of the ultrafine semiconductor particles in the present invention is preferably narrow. Preferably, the particle size distribution is within ± 20% of the average particle size and 90% or more of all particles. As a method for measuring the particle size distribution, as described above, a generally known method, for example, observation by a transmission electron microscope or measurement of a light absorption spectrum, and an analysis method by light scattering in a solution, etc. Can be given. (Semiconductor) The semiconductor in the present invention means a group IV element such as silicon or germanium, or an oxide semiconductor such as TiO 2 or ZnO, or GaAs, InP, InSb or the like.
III-V group compound semiconductor, or CdS, CdSe, Z
It refers to II-VI group compound semiconductors such as nSe and CdTe, and further I-VII group compound semiconductors such as CuCl and CuBr. (Manufacturing Method of Ultrafine Semiconductor Particles) Such semiconductor particles are manufactured by a publicly known manufacturing method in a gas phase or a liquid phase, or in a solid containing a gas phase or a liquid phase. To be done.

【0029】例えば、気相においては、ガス中蒸着法や
レーザー蒸発法などの蒸発凝縮法、プラズマCVD法、
レーザーCVD法などのCVD法など、また、液相では
共沈法や金属アルコキシド法、保護コロイド法などを用
いて、半導体超微粒子を製造することができる。
For example, in the vapor phase, an evaporation condensation method such as a vapor deposition method in a gas or a laser evaporation method, a plasma CVD method,
Ultrafine semiconductor particles can be produced by using a CVD method such as a laser CVD method, a coprecipitation method in a liquid phase, a metal alkoxide method, a protective colloid method, or the like.

【0030】反応を制御しやすい点や量産性の観点か
ら、共沈法や金属アルコキシド法、保護コロイド法、オ
ルガノゾル法などの液相中での製造方法を好ましい例と
してあげることができる。 (より好ましい半導体超微粒子の製造方法)より好まし
い半導体超微粒子の製造方法として、粒子径や粒子径分
布をより制御できる点から、本発明者らが提案してい
る、モノマー存在下、光照射しながら半導体超微粒子を
製造する方法、なかでもレーザー光を照射しながら半導
体超微粒子を製造する方法が挙げられる。 (モノマー)ここでいうモノマーとしては、重合反応を
起こすものであれば特に制限はないが、例えば、スチレ
ンやメタクリル酸メチル、アクリロニトリル、ビニルピ
ロリドンなど、あるいはこれらの混合物などの不飽和結
合を有する化合物を好ましく用いることができる。
From the viewpoint of easy control of reaction and mass productivity, production methods in liquid phase such as coprecipitation method, metal alkoxide method, protective colloid method and organosol method can be mentioned as preferable examples. (More preferable method for producing semiconductor ultrafine particles) As a more preferable method for producing semiconductor ultrafine particles, from the viewpoint that the particle size and particle size distribution can be more controlled, the inventors have proposed irradiation with light in the presence of a monomer. However, a method for producing semiconductor ultrafine particles, and particularly a method for producing semiconductor ultrafine particles while irradiating laser light can be mentioned. (Monomer) The monomer here is not particularly limited as long as it causes a polymerization reaction, and examples thereof include compounds having an unsaturated bond such as styrene, methyl methacrylate, acrylonitrile, vinylpyrrolidone, or a mixture thereof. Can be preferably used.

【0031】または、チオフェン、セレノフェン、テル
ロフェンやチオフェンビニレンなどの複素環化合物や、
アズレン、インドール、ピレン、カルバゾール、またベ
ンゼン、ベンゼンスルフィド、アントラセン、アニリン
などの芳香族化合物であってもよい。 (光源)ここでいう光源とは、水銀灯、キセノン灯、ハ
ロゲンランプなど通常用いられている光源やレーザー光
及びそれらの組合せをいう。また、これらの光をカット
フィルター、バンドパスフィルターなどを通して用いる
ことができる。 (レーザー光源)ここでいうレーザー光とは、窒素レー
ザーやアルゴンイオンレーザー、エキシマレーザーなど
のガスレーザー類やYAGレーザーなどの固体レーザー
類、半導体レーザー類、色素レーザー類、化学レーザー
類からのレーザー発振光、またはこれらを組み合わせた
光をいう。
Or a heterocyclic compound such as thiophene, selenophene, tellurophene or thiophene vinylene,
It may be an azulene, indole, pyrene, carbazole, or an aromatic compound such as benzene, benzene sulfide, anthracene or aniline. (Light source) The term "light source" as used herein refers to a commonly used light source such as a mercury lamp, a xenon lamp, a halogen lamp, a laser beam, and a combination thereof. Further, these lights can be used through a cut filter, a bandpass filter, or the like. (Laser light source) The laser light referred to here is laser oscillation from gas lasers such as nitrogen laser, argon ion laser, excimer laser, solid-state lasers such as YAG laser, semiconductor lasers, dye lasers, chemical lasers. Light or light that is a combination of these.

【0032】照射するレーザー光の波長としては、合成
中の半導体超粒子を励起できる波長を選択する。照射す
るレーザー光の波長は、対象とする半導体の種類の光吸
収スペクトルと可能なレーザーの発振線の組合せによっ
て任意に設定することができる。しかし、当然のことな
がら、選択される光の波長は、半導体のバルクの吸収波
長よりも短くなければならない。好ましくは半導体のバ
ルクの吸収末端より200nm以内の短波長の光を照射
する。
As the wavelength of the laser light to be irradiated, a wavelength that can excite the semiconductor superparticles being synthesized is selected. The wavelength of the laser light to be irradiated can be arbitrarily set depending on the combination of the optical absorption spectrum of the target semiconductor and the possible laser oscillation line. However, it should be appreciated that the wavelength of light selected must be shorter than the absorption wavelength of the bulk of the semiconductor. Irradiation with light having a short wavelength within 200 nm from the absorption end of the bulk of the semiconductor is preferable.

【0033】照射する光の強度は、より強い方が好まし
いが、あまりに光強度が強いと、光劣化等を引き起こす
ことがあるので、好ましくは0.002W/cm2〜1
0kW/cm2であることが望ましい。 (製造方法の典型的な実施の態様例)以下に、典型的な
液相中での、本発明において用いることのできる半導体
超微粒子の製造方法を述べる。本発明はこの方法に限ら
れるものではないことはいうまでもない。
The intensity of the light to be irradiated is preferably higher, but if the light intensity is too high, it may cause photodegradation and the like, so 0.002 W / cm 2 to 1 is preferable.
It is preferably 0 kW / cm 2 . (Example of Typical Embodiment of Manufacturing Method) A method for manufacturing semiconductor ultrafine particles that can be used in the present invention in a typical liquid phase will be described below. Needless to say, the present invention is not limited to this method.

【0034】まず、溶媒中に半導体原料とモノマーを溶
解させる。
First, the semiconductor raw material and the monomer are dissolved in a solvent.

【0035】使用される溶媒は、水あるいは非水溶媒、
好ましくは比較的極性の大きな非水溶媒、具体的には、
例えば、アセトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、
ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシド、クロ
ロホルム、メタノール、エタノール、ジオキサン、テト
ラヒドロフラン、メチルエチルケトンなど、或はこれら
を含有する混合溶媒が用いられる。
The solvent used is water or a non-aqueous solvent,
A non-aqueous solvent having a relatively large polarity, specifically,
For example, acetone, acetonitrile, benzonitrile,
Dimethylformamide, dimethylsulfoxide, chloroform, methanol, ethanol, dioxane, tetrahydrofuran, methyl ethyl ketone, or the like, or a mixed solvent containing these is used.

【0036】半導体原料としては、このような液相中で
の半導体粒子合成においては、用いる溶媒に可溶な金属
化合物を用いる。これらの金属化合物は、好ましくは1
モル/リットル以下、より好ましくは10ー6〜10ー1
ル/リットルの濃度の溶液にすることが望ましい。
As the semiconductor raw material, a metal compound soluble in the solvent used in the synthesis of semiconductor particles in such a liquid phase is used. These metal compounds are preferably 1
It is desirable to prepare a solution having a concentration of not more than mol / liter, more preferably 10 −6 to 10 −1 mol / liter.

【0037】金属化合物としては、例えば、酢酸塩など
の有機酸塩類、金属の硝酸塩類、過塩素酸塩類、アルコ
キシド類、アセチルアセロナート類、ハロゲン化物類な
どが用いられる。好ましくは、金属ハロゲン化物類、金
属硝酸塩類、金属過塩素酸類、金属酢酸塩類が用いられ
る。これらは結晶水を含むものであってもよい。
As the metal compound, for example, organic acid salts such as acetate, metal nitrates, perchlorates, alkoxides, acetylaceronates, halides and the like are used. Preferably, metal halides, metal nitrates, metal perchlorates, and metal acetates are used. These may contain water of crystallization.

【0038】金属種としては、III-V族化合物半導体を
生成するAl、Ga、InなどのIII 族元素、II−VI族
化合物半導体を生成するZn、Cd、HgなどのII族元
素、I−VI、VI −VII 族化合物半導体を生成するCu
などのI族元素、IV−VI族化合物半導体を生成するP
b、Ti、SnなどのIV族元素などが例としてあげられ
る。
As the metal species, a group III element such as Al, Ga and In which produces a group III-V compound semiconductor, a group II element such as Zn, Cd and Hg which produces a group II-VI compound semiconductor, and I- Cu for producing VI, VI-VII group compound semiconductors
Group I element such as P, which produces a IV-VI group compound semiconductor
Examples include group IV elements such as b, Ti, and Sn.

【0039】反応溶液中のモノマー濃度としては、好ま
しくは、使用する金属化合物の0.1から100倍のモ
ル濃度が望ましく、より好ましくは1から50倍のモル
濃度で用いられる。
The monomer concentration in the reaction solution is preferably 0.1 to 100 times the molar concentration of the metal compound used, and more preferably 1 to 50 times the molar concentration.

【0040】次に、レーザー光を半導体原料とモノマー
を溶解した溶液に照射する。照射する光は、反応溶液全
体に照射されることが望ましい。
Next, laser light is applied to the solution in which the semiconductor raw material and the monomer are dissolved. The irradiation light is desirably applied to the entire reaction solution.

【0041】反応が進んで、生成された半導体超微粒子
の濃度が大きすぎると、レーザー光が光路中でほとんど
吸収され、溶液にレーザー光が均一に照射されなくなる
こともあるので、最終生成溶液の光学濃度が吸光度で3
以下にするよう、あらかじめ原料濃度を調整したり、反
応器の光学距離を調整しておくと好適に反応をおこなう
ことができる。
If the reaction proceeds and the concentration of the generated semiconductor ultrafine particles is too high, the laser light may be almost absorbed in the optical path, and the solution may not be uniformly irradiated with the laser light. Optical density is 3 in absorbance
As described below, if the raw material concentration is adjusted or the optical distance of the reactor is adjusted in advance, the reaction can be suitably carried out.

【0042】光を照射した状態において、半導体に金属
化合物を用いた場合には、例えば、CdS、CdSe、
ZnSeやCdTeなどのII−VI族化合物半導体超微粒
子を製造する場合を例にあげると、硫化水素ガスやセレ
ン化水素ガスなどの水素化物やビストリメチルシリルイ
オウなどの有機カルコゲン化物などの適当なカルコゲン
化剤を光照射している原料溶液に加えることによって、
半導体粒子を生成、成長させ、目的の半導体超微粒子を
得ることができる。これらの試薬はヘリウムや窒素など
の不活性ガスや溶媒によって希釈し、半導体粒子の生成
反応を制御することが好ましい。反応ガス濃度として
は、体積で10%以下が好ましく、より好ましくは体積
で1%以下が望ましい。この希釈した反応ガスの流量と
しては反応を定常的に進ませるに十分な量であればよ
い。反応溶液が100ml以下の場合は、通常1ml/
分から500ml/分の流量で好ましく用いることがで
きる。この反応は、光吸収スペクトル観察などの方法に
よって、その進行を観測することができる。これらの観
測により半導体超微粒子の生成反応が飽和したところで
反応を終了とする。生成した溶液は遠心分離やカラムク
ロマトグラフなどの方法によって精製してもよい。
When a metal compound is used for the semiconductor in the state of being irradiated with light, for example, CdS, CdSe,
Taking as an example the case of producing II-VI group compound semiconductor ultrafine particles such as ZnSe and CdTe, suitable chalcogenization of hydrides such as hydrogen sulfide gas and hydrogen selenide gas and organic chalcogenides such as bistrimethylsilylsulfur. By adding the agent to the raw material solution that is irradiated with light,
The target semiconductor ultrafine particles can be obtained by generating and growing semiconductor particles. These reagents are preferably diluted with an inert gas such as helium or nitrogen or a solvent to control the reaction for producing semiconductor particles. The reaction gas concentration is preferably 10% or less by volume, more preferably 1% or less by volume. The flow rate of the diluted reaction gas may be an amount sufficient to allow the reaction to proceed steadily. When the reaction solution is 100 ml or less, usually 1 ml /
It can be preferably used at a flow rate of 5 to 500 ml / min. The progress of this reaction can be observed by a method such as observation of a light absorption spectrum. The reaction is terminated when the formation reaction of the semiconductor ultrafine particles is saturated by these observations. The produced solution may be purified by a method such as centrifugation or column chromatography.

【0043】また、得られた半導体超微粒子分散液は、
そのままポリマー成分を溶解して、所望の分散材料を形
成してもよく、また溶媒をエバポレーションや減圧蒸留
などの方法により除去し、粉末として取り出すことがで
きる。 (より好ましい製造方法の理由)このような光照射しな
がら半導体超微粒子を製造する方法が本発明により好ま
しい理由としては、完全に明らかになっていないが、製
造される半導体超微粒子の粒径分布制御の効果が実際上
大きく、粒径分布幅がより狭い半導体超微粒子分散体を
製造できるためであると考えられる。また、光照射によ
る半導体超微粒子の表面状態の改質などの効果も考えら
れる。 (半導体超微粒子分散体)本発明でいう半導体超微粒子
分散体とは、半導体超微粒子が媒体中に分散されたもの
をいう。
The obtained semiconductor ultrafine particle dispersion liquid is
The polymer component may be dissolved as it is to form a desired dispersion material, or the solvent may be removed by a method such as evaporation or vacuum distillation and taken out as a powder. (Reason for more preferable production method) The reason why such a method for producing semiconductor ultrafine particles while irradiating with light is not completely clarified as preferable according to the present invention. It is considered that this is because the control effect is practically large and a semiconductor ultrafine particle dispersion having a narrower particle size distribution width can be produced. Further, effects such as modification of the surface state of the semiconductor ultrafine particles by light irradiation can be considered. (Ultrafine semiconductor particle dispersion) The ultrafine semiconductor particle dispersion referred to in the present invention means a dispersion of ultrafine semiconductor particles in a medium.

【0044】製造した半導体超微粒子を真空中や気相中
に分散したり、液相中に分散したままでも、半導体超微
粒子の分散空間を通過する光によって、本発明に特徴的
な半導体超微粒子励起子吸収ピークよりも長波長側にお
ける光波長を用いる3次の非線形光学効果を発現させた
非線形光学素子を構成することもできるが、実用性の観
点から固体の媒体中に分散することが好ましい。
Even if the manufactured semiconductor ultrafine particles are dispersed in a vacuum or in a gas phase or remain dispersed in a liquid phase, the light passing through the dispersion space of the semiconductor ultrafine particles is characteristic of the present invention. A non-linear optical element that exhibits a third-order non-linear optical effect using a light wavelength on the longer wavelength side of the exciton absorption peak can be configured, but it is preferable to disperse it in a solid medium from the viewpoint of practicality. .

【0045】固体中に半導体超微粒子を分散する場合の
媒体としては、用いる光波長に光吸収がないことが望ま
しく、ガラスなどの無機媒体やポリマーなどの有機媒体
材料を好適に用いることができる。
As a medium for dispersing the semiconductor ultrafine particles in a solid, it is desirable that the light wavelength used does not absorb light, and an inorganic medium such as glass or an organic medium material such as a polymer can be preferably used.

【0046】半導体超微粒子の分散体からなる非線形光
学素子は、薄膜やこれらの多層膜、ブロック、レンズ、
ファイバーや導波路などの形態で用いられる。 (半導体超微粒子分散体の製造方法)半導体超微粒子の
分散体を形成する方法としては、例えば、ガラスなどの
無機媒体は、気相での半導体超微粒子製造におけるSi
Oの酸素中蒸発によるSiO 2媒体の形成や製造した半
導体超微粒子分散液の多孔質ガラスへの含浸、ゾル−ゲ
ル法によるガラス媒体の形成などの方法をとることがで
きる。
Nonlinear light composed of a dispersion of semiconductor ultrafine particles
The elements are thin films, multilayer films, blocks, lenses,
It is used in the form of fibers and waveguides. (Method for producing ultrafine semiconductor particle dispersion)
As a method of forming a dispersion, for example, glass or the like
The inorganic medium is Si in the production of semiconductor ultrafine particles in the gas phase.
SiO by evaporation of O in oxygen 2Formed and manufactured media half
Impregnation of porous glass with conductor ultrafine particle dispersion, sol-gel
Method such as forming a glass medium by the
Wear.

【0047】ポリマーなどの有機媒体を形成する方法と
しては、粉末で取り出した半導体超微粒子をポリマー成
分と混合する方法や、液相中で製造した半導体超微粒子
分散液にポリマー成分を加え、これを重合反応などによ
り硬化させたり、溶媒の除去によって固体媒体を形成す
る方法をとることができる。これらの分散材料はさらに
圧縮したり、溶融させたり、また溶液の状態でスクリー
ン印刷やディップコーティング、スピンコーティングな
どの方法や射出成形などの成形方法により所望の形態に
成形することもできる。また、形成した半導体超微粒子
の分散薄膜などを、ドライエッチングなど一般に知られ
た方法で、さらに加工して所望の形態の素子にすること
もできる。
As a method of forming an organic medium such as a polymer, a method of mixing semiconductor ultrafine particles taken out as a powder with a polymer component or a method of adding a polymer component to a semiconductor ultrafine particle dispersion prepared in a liquid phase A method of forming a solid medium by curing by a polymerization reaction or the like or removal of a solvent can be used. These dispersion materials can be further compressed, melted, or formed into a desired form by a method such as screen printing, dip coating, spin coating, or a forming method such as injection molding in a solution state. Further, the formed dispersed thin film of semiconductor ultrafine particles can be further processed by a generally known method such as dry etching to obtain an element having a desired shape.

【0048】分散材料の媒体としてポリマーを用いる場
合は、素子の用途に応じてポリマー選択すればよく、特
に制限はないが、具体的な好ましい例としては、ポリメ
チルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリ
(2−ヒドロキシエチル)メタクリレート、ポリカーボ
ネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリエチレンテ
レフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルスルホ
ン、ポリアクリロニトリル、塩化ビニルと酢酸ビニルの
共重合ポリマー、スチレンとアクリロニトリルの共重合
ポリマー、またはこれらの混合物などが挙げられる。ま
た、光硬化樹脂や熱硬化樹脂を用いることもできる。他
の成分として、界面活性剤などを混合してもよい。 (半導体超微粒子共鳴領域、励起子吸収ピークおよび観
測方法)本発明でいう半導体超微粒子共鳴領域とは、分
散体中に分散された半導体超微粒子の光吸収のある光波
長領域をいう。また、本発明でいう半導体超微粒子の励
起子ピークとは、通常共鳴領域の長波長側に出現する吸
収ピークであり励起子生成に因る吸収ピークをさす。半
導体における励起子吸収については、例えば、キッテル
固体物理学入門、岡野ら共訳 (1958年)、430
〜445頁に解説されている。この励起子吸収は半導体
の光吸収の長波長側に吸収の肩あるいは独立したピーク
として現れ、半導体超微粒子の場合には微小空間による
閉じ込め効果により、波長のシフトや離散化がおこると
される。光波長はエネルギー単位で表されることもある
が同じ意味で通常用いられる。
When a polymer is used as the medium of the dispersion material, the polymer may be selected according to the application of the device and is not particularly limited, but specific preferred examples include polymethylmethacrylate, polyethylmethacrylate and poly ( 2-hydroxyethyl) methacrylate, polycarbonate, polystyrene, polyester, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyether sulfone, polyacrylonitrile, copolymer of vinyl chloride and vinyl acetate, copolymer of styrene and acrylonitrile, or a mixture thereof. Is mentioned. Further, a photocurable resin or a thermosetting resin can also be used. As another component, a surfactant or the like may be mixed. (Semiconductor ultrafine particle resonance region, exciton absorption peak and observation method) The semiconductor ultrafine particle resonance region in the present invention means a light wavelength region in which the semiconductor ultrafine particles dispersed in the dispersion have optical absorption. The exciton peak of the semiconductor ultrafine particles in the present invention is an absorption peak that usually appears on the long wavelength side of the resonance region and refers to an absorption peak due to exciton generation. Regarding exciton absorption in semiconductors, see, for example, Kittel Solid State Physics, Okano et al. (1958), 430.
~ Page 445. This exciton absorption appears as an absorption shoulder or an independent peak on the long wavelength side of light absorption of the semiconductor, and in the case of semiconductor ultrafine particles, wavelength shift or discretization occurs due to the confinement effect by the minute space. The light wavelength may be expressed in energy units, but is usually used in the same meaning.

【0049】半導体超微粒子分散体の半導体共鳴領域や
励起子吸収ピークは、通常の分光学的方法で容易に測定
することができる。例えば、紫外−可視分光光度計やフ
ァイバー型の光スペクトル計などを用いることができ
る。励起子ピークが肩として出現する場合は、スペクト
ルの2次微分曲線をとることによりピークの値を求める
ことができる。収吸収係数αはこのようにして測定した
吸光度をマイクロメーターなどの膜厚計などによって測
定された分散体中の光路長で割って求められるのであ
る。 (励起子吸収ピークよりも長波長側の波長領域)通常半
導体の光励起においては、バンドギャップと呼ばれる最
低遷移エネルギーを持つので、半導体の構造や組成によ
り特定の光子エネルギー以上の領域に光吸収をもつ、言
い換えれば特定の波長から短波長側に光吸収を持ってい
る。励起子吸収は通常この吸収の長波長端付近に吸収ピ
ークを有する。したがって、本発明でいう半導体超微粒
子励起子吸収ピークよりも長波長側の波長領域とは、図
3に示されているように、最も長波長側にある半導体超
微粒子の励起子ピーク3’よりも長波長側の波長領域、
すなわち遷移エネルギーの最も小さな励起子吸収の低エ
ネルギー側の透明性の高い波長領域をいう。この関係を
図3に示す。 (信号光、ポンプ光)本発明でいう信号光とは、非線形
光学効果による変調を受けるために素子に入力される光
または素子によって変調された出力光をいい、位相共役
波や周波混合された光等をさす。
The semiconductor resonance region and exciton absorption peak of the semiconductor ultrafine particle dispersion can be easily measured by a usual spectroscopic method. For example, an ultraviolet-visible spectrophotometer or a fiber-type optical spectrometer can be used. When the exciton peak appears as a shoulder, the peak value can be obtained by taking the second derivative curve of the spectrum. The absorption coefficient α is obtained by dividing the absorbance thus measured by the optical path length in the dispersion measured by a film thickness meter such as a micrometer. (Wavelength region longer than the exciton absorption peak) Normally, in photoexcitation of a semiconductor, it has the lowest transition energy called a bandgap, so it has light absorption in a region above a specific photon energy depending on the structure and composition of the semiconductor. In other words, it has light absorption from a specific wavelength to the short wavelength side. Exciton absorption usually has an absorption peak near the long wavelength end of this absorption. Therefore, the wavelength region on the longer wavelength side than the exciton absorption peak of the semiconductor ultrafine particles referred to in the present invention is, as shown in FIG. 3, from the exciton peak 3 ′ of the semiconductor ultrafine particles on the longest wavelength side. Also the wavelength range on the long wavelength side,
That is, it refers to a wavelength region with high transparency on the low energy side of exciton absorption having the smallest transition energy. This relationship is shown in FIG. (Signal light, pump light) The signal light in the present invention refers to light input to the element or output light modulated by the element in order to undergo modulation by the nonlinear optical effect, and phase conjugate wave or frequency mixed It refers to light, etc.

【0050】本発明でいうポンプ光とは、主に非線形光
学効果を引き起こすために信号光の入力される素子の空
間領域に導入される光をいう。 (χ(3)の測定方法)3次の非線形光学感受率χ(3)を求
める方法としてはいくつかの方法が知られているが、例
えば、縮退4光波混合法による位相共役反射波の励起光
強度依存性から測定することができる。この方法は、例
えば、応用物理第59巻第6号785頁(1990年)
に記載されている。単位は通常、静電単位(esu)が
用いられる。得られたχ(3)をαで割って吸光係数あた
りの3次の非線形光学感受率χ(3)/αを求めることが
できる。 (χ(3)/αが大きくなる推定理由)半導体超微粒子分
散体が、その半導体超微粒子励起子吸収ピークよりも長
波長側の光波長においても、室温において大きなχ(3)
あるいはχ(3)/αを有して動作することが本発明によ
って達成されている。しかして、このような現象が起こ
る詳細な機構について十分明らかになってはいないが、
現在のところ次のように推定している。
The pump light referred to in the present invention means light introduced mainly into the spatial region of the element into which the signal light is input in order to cause the nonlinear optical effect. (Measurement method of chi (3)), but as a method of obtaining a third-order nonlinear optical susceptibility chi (3) has several methods known, for example, the excitation of the phase conjugate reflected wave by degenerate four wave mixing method It can be measured from the light intensity dependency. This method is described, for example, in Applied Physics Vol. 59, No. 6, page 785 (1990).
It is described in. The unit is usually an electrostatic unit (esu). The obtained χ (3) can be divided by α to obtain the third-order nonlinear optical susceptibility χ (3) / α per extinction coefficient. (Reason for increasing χ (3) / α) The semiconductor ultrafine particle dispersion has a large χ (3) at room temperature even at a light wavelength longer than the semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak.
Alternatively, operation with χ (3) / α has been achieved by the present invention. Although the detailed mechanism of how this phenomenon occurs is not fully understood,
Currently, we estimate as follows.

【0051】すなわち、本発明は半導体超微粒子の粒子
径分布が極めて狭くなったために、従来広い粒径分布で
は効果が極めて小さく実質的に観測できなかった現象
が、明確に現出することを初めて見いだした点に特徴を
有する。かかる新規な現象をを発見し、これを応用する
ことにより、本発明が達成されたものである。半導体超
微粒子の粒径がそろってくると、分布をもつ粒子の特性
が消えていき、いわば一種類の巨大分子として挙動する
ようになっていくと考えられる。このとき、分布のある
粒子では、非線形性発現に関与する励起準位および非線
形性発現に関与しない励起準位が多数混在しているのに
対し、非線形性発現に関与する励起準位が増える、ある
いは見えてくると考えられる。
That is, in the present invention, since the particle size distribution of the semiconductor ultrafine particles becomes extremely narrow, the effect that the conventional wide particle size distribution is extremely small and cannot be observed substantially is first revealed. It has a feature in the points found. The present invention has been achieved by discovering such a novel phenomenon and applying it. It is considered that when the semiconductor ultrafine particles have a uniform size, the characteristics of the particles having a distribution disappear, and the particles start to behave as one kind of macromolecule. At this time, in the particles having a distribution, a large number of excitation levels involved in nonlinear expression and excitation levels not involved in nonlinear expression are mixed, whereas the excitation levels involved in nonlinear expression increase. Or it will be visible.

【0052】この結果、低温で熱的な撹乱を抑えること
によって、従来到底観測できないわずかな程度にしか観
測されていなかった励起子と光電場の相互作用が、室温
においても明確に現出してきたものと推定している。本
発明は、例えば、隠れた浅い準位が関与する機構や2励
起子機構、超微粒子相互作用による協同現象等の理論や
従来いわれているような光シュタルク効果などと共通し
た機構であるかは不詳であるが、共鳴からはずれた光波
長領域を用いることからピコ秒以下の超高速の動作速度
も期待できると云う極めて画期的なものと云わざるを得
ない。
As a result, by suppressing the thermal disturbance at low temperature, the interaction between the exciton and the photoelectric field, which has been observed only to a slight extent that could not be observed in the past, has been clearly revealed even at room temperature. I presume. Is the present invention, for example, a mechanism involving a hidden shallow level, a two-exciton mechanism, a theory such as a cooperative phenomenon due to ultrafine particle interaction, and a mechanism common to the conventionally known optical Stark effect and the like? Although it is unknown, it must be said that it is a very epoch-making thing that an ultrahigh-speed operation speed of picoseconds or less can be expected because an optical wavelength region out of resonance is used.

【0053】共鳴領域からずれた光波長で、大きな3次
の非線形光学感受率χ(3)が発現し、それが粒径分布幅
が狭いことに起因していると考えられることから、同時
に出現するであろう現象とこれらを応用した画期的な半
導体超微粒子分散型非線形光学素子が予想される。 (χreal)例えば、粒子径分布が狭くなると、それぞれ
の粒子径に起因する3次の非線形光学感受率の実部成分
が相殺されずに長波長側に現出することが予想される。
このような実部成分は光の分散に現れ、光吸収が実質的
に0に近い波長領域で大きなχ(3)/αを実現すること
ができるのである。 (2倍波)また、例えば、光吸収が粒子径分布狭小化に
より急峻になって、顕著に現出する光吸収端近傍の非線
形性は、光吸収端波長の半分または3分の1の波長領域
においても顕著に現出し、強められることが予想される
のである。
At a light wavelength deviated from the resonance region, a large third-order nonlinear optical susceptibility χ (3) appears, which is considered to be due to the narrow particle size distribution width. Phenomena that will occur and epoch-making semiconductor ultrafine particle dispersion type nonlinear optical elements that apply these phenomena are expected. (Χreal) For example, when the particle size distribution becomes narrow, it is expected that the real part components of the third-order nonlinear optical susceptibility due to the respective particle sizes will appear on the long wavelength side without being offset.
Such a real part component appears in the dispersion of light, and a large χ (3) / α can be realized in the wavelength region where the light absorption is substantially close to zero. (2nd harmonic) Further, for example, the nonlinearity in the vicinity of the light absorption edge, which appears remarkably when the light absorption becomes steep due to the narrowing of the particle size distribution, is a wavelength half or one-third the wavelength of the light absorption edge. It is expected that it will be remarkably shown and strengthened in the area.

【0054】以下、実施例により本発明の実施の態様の
一例を説明する。
An example of the embodiment of the present invention will be described below with reference to examples.

【0055】[0055]

【実施例】【Example】

実施例1 過塩素酸カドミウム六水和物(Cd(ClO42・6H
2O)とスチレン(C65CHCH2)をそれぞれ2.0
×10ー3mol/l、4.0×10ー2mol/lの濃度
で溶解したアセトニトリル溶液45mlをガス導入管を
つけたパイレックスガラス製角セルにいれ、撹拌しなが
らアルゴンイオンレーザーの457.9nm発振線を照
射した。この溶液に照射される光量をパワーメーターで
測定し、0.02W/cm2となるようにした。
Example 1 cadmium perchlorate hexahydrate (Cd (ClO 4) 2 · 6H
2 O) and styrene (C 6 H 5 CHCH 2 ) 2.0 each
45 ml of an acetonitrile solution dissolved at a concentration of × 10 −3 mol / l, 4.0 × 10 −2 mol / l was placed in a Pyrex glass square cell equipped with a gas introduction tube, and while stirring, 457. Irradiation with a 9 nm oscillation line. The amount of light applied to this solution was measured with a power meter and adjusted to 0.02 W / cm 2 .

【0056】このようにレーザー光を照射しながら硫化
水素ガスを0.02体積%になるようにヘリウムガスで
希釈した混合ガスを空気換算で100ml/minの流
量で撹拌している溶液中に導入し、約30分反応させ
た。
In this way, while irradiating laser light, a mixed gas prepared by diluting hydrogen sulfide gas with helium gas to 0.02% by volume was introduced into a solution stirred at a flow rate of 100 ml / min in terms of air. And allowed to react for about 30 minutes.

【0057】次に、得られた分散液を減圧乾燥により約
3ミリリットルに濃縮した後、アクリルニトリル−スチ
レン共重合ポリマーのジメチルホルムアミド溶液(3g
/15ml)を約3mlを加え、撹拌後シャーレに滴下
した。これを再度減圧乾燥することにより溶媒を除去
し、フィルムとした。
Next, the obtained dispersion was concentrated under reduced pressure to about 3 ml, and then a solution of an acrylonitrile-styrene copolymer in dimethylformamide (3 g) was added.
/ 15 ml) was added to the petri dish after stirring. This was dried again under reduced pressure to remove the solvent and form a film.

【0058】このようにして得られた硫化カドミウム超
微粒子分散体素子の非線形光学特性を測定するために、
縮退4光波混合による位相共役反射波を、室温におい
て、各波長において測定し、3次の非線形光学係数χ
(3)を測定し、同時にこの材料の吸光係数αから、χ(3)
/αを求めた。このχ(3)/αとα、χ(3)のスペクトル
を図4中に示す。
In order to measure the non-linear optical characteristics of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion element thus obtained,
The phase conjugate reflection wave by degenerate four-wave mixing is measured at each wavelength at room temperature, and the third-order nonlinear optical coefficient χ is measured.
(3) was measured, and at the same time, from the extinction coefficient α of this material, χ (3)
/ Α was calculated. The spectra of χ (3) / α and α, χ (3) are shown in FIG.

【0059】図4から明らかなように、χ(3)/αの値
3は最大で1.4×10ー9静電単位・cmという大きな
値が得られた。また、そのピークは励起子ピーク4より
も長波長側にずれた領域にあることがわかる。 比較例1 アルゴンイオンレーザーなど光を照射しない以外は、実
施例1と同様な操作をおこない、硫化カドミウム超微粒
子分散フィルムを得た。
As is clear from FIG. 4, the maximum value of χ (3) / α value of 3 was 1.4 × 10 −9 electrostatic unit · cm. Further, it can be seen that the peak is in a region shifted to the longer wavelength side than the exciton peak 4. Comparative Example 1 A cadmium sulfide ultrafine particle dispersed film was obtained by performing the same operations as in Example 1 except that light irradiation such as an argon ion laser was not performed.

【0060】このようにして得られた硫化カドミウム超
微粒子分散体素子の非線形光学特性を測定するために、
実施例1と同様に縮退4光波混合による位相共役反射波
を各波長において測定し、3次の非線形光学係数χ(3)
を測定し、同時にこの材料の吸光係数αから、χ(3)
αを求めた。χ(3)/αとα、χ(3)のスペクトルを図5
中に示す。図5中に示されるようにαで表される光吸収
スペクトル1は実施例1に比べて、長波長側に移動して
おり、超微粒子の粒径が大きいものができていることが
わかる。したがって、粒径分布が実施例1に比べて制御
されていないことがわかる。
In order to measure the non-linear optical characteristics of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion element thus obtained,
The phase conjugate reflection wave by degenerate four-wave mixing was measured at each wavelength as in Example 1, and the third-order nonlinear optical coefficient χ (3)
And at the same time, from the extinction coefficient α of this material, χ (3) /
α was obtained. Figure 5 shows the spectra of χ (3) / α and α, χ (3)
Shown inside. As shown in FIG. 5, the light absorption spectrum 1 represented by α is shifted to the longer wavelength side as compared with Example 1, and it can be seen that ultrafine particles having a large particle size are formed. Therefore, it can be seen that the particle size distribution is not controlled as compared with Example 1.

【0061】図5中に示されるようにχ(3)/αの値3
は最大値でも4×10ー10静電単位・cmであり、実施
例1に比べ小さかった。また、励起子ピーク4よりも長
波長側には、χ(3)/αのピークは存在せず、αで表さ
れる光吸収スペクトル1と重なって仕舞うことがわか
る。
As shown in FIG. 5, the value of χ (3) / α is 3
Was 4 × 10 −10 electrostatic unit · cm even in the maximum value, which was smaller than that in Example 1. Further, it can be seen that there is no peak of χ (3) / α on the longer wavelength side than the exciton peak 4, and the peak overlaps with the light absorption spectrum 1 represented by α.

【0062】すなわち、実施例1の半導体超微粒子の分
散体は、光を照射せずに製造した比較例1の半導体超微
粒子の分散体と比べて、突出して大きな非線形光学特性
を有するだけでなく、励起子ピークよりも長波長側でχ
(3)/αのピークが現出し、大きなχ(3)/αが得られる
ことがわかる。
That is, the dispersion of semiconductor ultrafine particles of Example 1 not only has a remarkably large non-linear optical characteristic as compared with the dispersion of semiconductor ultrafine particles of Comparative Example 1 produced without irradiation with light. , Χ on the longer wavelength side than the exciton peak
It can be seen that a peak of (3) / α appears and a large χ (3) / α is obtained.

【0063】したがって、粒子径分布が制御された超微
粒子分散体を用いた非線形光学素子では、励起子吸収ピ
ークよりも長波長側の光波長を用いて良好な非線形光学
素子を提供できることがわかる。
Therefore, it can be seen that in the nonlinear optical element using the ultrafine particle dispersion in which the particle size distribution is controlled, a good nonlinear optical element can be provided by using a light wavelength longer than the exciton absorption peak.

【0064】[0064]

【発明の効果】本発明によって、光学損失が少なく、室
温でも十分作動可能な、良好な非線形光学特性を有する
非線形光学素子及び該素子を用いた光情報伝達方法がを
提供されるのである。
As described above, the present invention provides a non-linear optical element which has a small non-optical loss and can sufficiently operate even at room temperature and has good non-linear optical characteristics, and an optical information transmission method using the non-linear optical element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来の半導体超微粒子分散体の吸光係数αと3
次の非線形性感受率χ(3)、χ( 3)/αと光波長の関係の
説明図
FIG. 1 shows the extinction coefficient α and 3 of a conventional semiconductor ultrafine particle dispersion.
Illustration of the relationship between the following nonlinear susceptibility χ (3) , χ ( 3) / α and optical wavelength

【図2】本発明の半導体超微粒子分散体の吸光係数αと
3次の非線形性感受率χ(3)、χ(3)/αと光波長の関係
の説明図
FIG. 2 is an explanatory diagram of the relationship between the light absorption wavelength and the extinction coefficient α and the third-order nonlinear susceptibility χ (3) , χ (3) / α of the semiconductor ultrafine particle dispersion of the present invention.

【図3】励起子吸収ピークよりも長波長の波長領域の説
明図
FIG. 3 is an explanatory diagram of a wavelength region having a wavelength longer than an exciton absorption peak.

【図4】実施例1により得られた硫化カドミウム超微粒
子分散フィルムの各波長におけるχ(3)/αと吸光係数
α、χ(3)のグラフ
FIG. 4 is a graph of χ (3) / α and extinction coefficients α and χ (3) of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion film obtained in Example 1 at each wavelength.

【図5】比較例1により得られた硫化カドミウム超微粒
子分散フィルムの各波長におけるχ(3)/αと吸光係数
α、χ(3)のグラフ
FIG. 5 is a graph of χ (3) / α and extinction coefficients α and χ (3) at each wavelength of the cadmium sulfide ultrafine particle dispersion film obtained in Comparative Example 1.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 豊治 神奈川県横浜市栄区笠間町1190番地 三井 東圧化学株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toyoji Hayashi Mitsui Toatsu Chemical Co., Ltd. 1190 Kasama-cho, Sakae-ku, Yokohama-shi, Kanagawa

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体超微粒子分散体からなる、半導体
超微粒子励起子吸収ピークよりも長波長側の光波長で動
作させることを特徴とする半導体超微粒子分散型非線形
光学素子。
1. A semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element comprising a semiconductor ultrafine particle dispersion and operated at a light wavelength longer than a semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak.
【請求項2】 半導体超微粒子励起子吸収ピークよりも
長波長側に吸光係数あたりの3次の非線形光学感受率の
ピークを有する半導体超微粒子分散体からなり、その吸
光係数あたりの3次の非線形光学感受率のピーク付近の
光波長で動作させることを特徴とする半導体超微粒子分
散型非線形光学素子。
2. A semiconductor ultrafine particle dispersion having a third-order nonlinear optical susceptibility peak per absorption coefficient on the longer wavelength side of the semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak, and the third-order nonlinear per absorption coefficient thereof. A semiconductor ultrafine particle dispersion type non-linear optical element which is operated at a light wavelength near the peak of optical susceptibility.
【請求項3】 請求項1または請求項2記載の該素子を
用いて、半導体超微粒子励起子吸収ピークよりも長波長
側の光透明性の高い波長領域を信号光波長とポンプ光波
長として使い得る非線形光学効果を利用することを特徴
とする光情報伝達方法。
3. The device according to claim 1 or 2, wherein the wavelength region having high optical transparency on the long wavelength side of the semiconductor ultrafine particle exciton absorption peak is used as the signal light wavelength and the pump light wavelength. An optical information transmission method characterized by utilizing the obtained nonlinear optical effect.
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