JPH08320458A - 光学的遷移制御方法および装置 - Google Patents
光学的遷移制御方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】光学的感応媒体における高速な逆励起を提供す
る。 【解決手段】光学的スイッチのような光学的感応媒体内
に光学的に生成される電荷キャリアは、光学的放射の第
１のパルス（Ｐ1）に応答して生成され、光学的放射の
第２のパルス（Ｐ2）を当該媒体中へ入射することによ
り逆励起する。第２のパルスは、第１のパルスにより生
じた励起がコヒーレントである間に発生し、第１および
第２のパルスの相対的な位相は、第２のパルスが第１の
パルスにより生じた励起に対して破壊的に解消するよう
に選定される。本装置は、光学的スイッチまたは光検出
器として用いることができる。
る。 【解決手段】光学的スイッチのような光学的感応媒体内
に光学的に生成される電荷キャリアは、光学的放射の第
１のパルス（Ｐ1）に応答して生成され、光学的放射の
第２のパルス（Ｐ2）を当該媒体中へ入射することによ
り逆励起する。第２のパルスは、第１のパルスにより生
じた励起がコヒーレントである間に発生し、第１および
第２のパルスの相対的な位相は、第２のパルスが第１の
パルスにより生じた励起に対して破壊的に解消するよう
に選定される。本装置は、光学的スイッチまたは光検出
器として用いることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学的遷移を制御
する方法および装置に係り、特に多量子井戸（ＭＱＷ：
Multiple Quantum Well）において電荷キャリアを光学
的に生成させる共鳴励起を起こすことにより行う光学ス
イッチングおよび光検出への応用（但し、他への応用を
排除する意味ではない）に関する。
する方法および装置に係り、特に多量子井戸（ＭＱＷ：
Multiple Quantum Well）において電荷キャリアを光学
的に生成させる共鳴励起を起こすことにより行う光学ス
イッチングおよび光検出への応用（但し、他への応用を
排除する意味ではない）に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＱＷを用いた光学スイッチングおよび
光検出は、計算機のための超高速スイッチングおよび超
高速光検出の可能性を有するため、多大な関心を集めて
いる。例えば、光検出のためのＧａＡｓ金属−半導体−
金属（ＭＳＭ）フォトコンダクタを開示した我々の同時
係属出願ＥＰ−Ａ−０ ６５１ ４４８を参照されたい。
また、ＧａＡｓエタロン（ｅｔａｌｏｎ）のスイッチン
グ可能な光学的双安定について論じた、H.M.Gibbs等に
よるAppl.Phys.Lett.41,221(1982)も参照されたい。
光検出は、計算機のための超高速スイッチングおよび超
高速光検出の可能性を有するため、多大な関心を集めて
いる。例えば、光検出のためのＧａＡｓ金属−半導体−
金属（ＭＳＭ）フォトコンダクタを開示した我々の同時
係属出願ＥＰ−Ａ−０ ６５１ ４４８を参照されたい。
また、ＧａＡｓエタロン（ｅｔａｌｏｎ）のスイッチン
グ可能な光学的双安定について論じた、H.M.Gibbs等に
よるAppl.Phys.Lett.41,221(1982)も参照されたい。
【０００３】なお、本発明の関連技術は、Quantum Elec
tronics and Laser Science Conference (QELS), 1991-
QELS'91のTechnical Digest, Paper QWD21のpp.144-145
に記載のKobayashi等による"Coherent Push-pull trans
ition for Ultrafast Optical Switching"、および、Ja
panese Journal of Applied Physics-Extended Abstrac
ts of The 1991 International Conference on Solid S
tate Devices and Materialsのpp.378-380に記載のKoma
yasi等による"Ultrafast Optoelectronic devices"、お
よび、国際出願公開公報WO-A-84 03363にも開示されて
いる。
tronics and Laser Science Conference (QELS), 1991-
QELS'91のTechnical Digest, Paper QWD21のpp.144-145
に記載のKobayashi等による"Coherent Push-pull trans
ition for Ultrafast Optical Switching"、および、Ja
panese Journal of Applied Physics-Extended Abstrac
ts of The 1991 International Conference on Solid S
tate Devices and Materialsのpp.378-380に記載のKoma
yasi等による"Ultrafast Optoelectronic devices"、お
よび、国際出願公開公報WO-A-84 03363にも開示されて
いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述のようなデバイス
において、入力光パルスすなわち第１の光パルスは光学
感応媒体内に励起を発生させ、その結果、当該媒体の光
学的または電気的特性が変化する。前述した半導体デバ
イスにおいて、パルスは電荷キャリアを励起状態に上
げ、電子・正孔対すなわち励起子(excitons)を生成す
る。このようなデバイスの動作速度は、デバイス中の光
学的に生成されたキャリアの滞留時間(dwell time)によ
り制限される。高速デバイスを得るためには、光学的励
起の直後にこれらのキャリアを取り除く高速メカニズム
が必要となる。
において、入力光パルスすなわち第１の光パルスは光学
感応媒体内に励起を発生させ、その結果、当該媒体の光
学的または電気的特性が変化する。前述した半導体デバ
イスにおいて、パルスは電荷キャリアを励起状態に上
げ、電子・正孔対すなわち励起子(excitons)を生成す
る。このようなデバイスの動作速度は、デバイス中の光
学的に生成されたキャリアの滞留時間(dwell time)によ
り制限される。高速デバイスを得るためには、光学的励
起の直後にこれらのキャリアを取り除く高速メカニズム
が必要となる。
【０００５】幾つかの先行技術が提案されている。高速
キャリア捕捉のための短キャリア寿命を有する材料、例
えば、低基板温度で成長したＧａＡｓを用いることが提
案されている。例えば、Y.Chen等によるAppl.Phys.Let
t.59,1984(1991)には、光学的に活性な材料の高欠陥密
度により短キャリア寿命が得られることが開示されてい
る。特に、Ｃｈｅｎ等は、２００゜Ｃの基板温度で分子
ビームエピタキシーにより成長させたＬＴ−ＧａＡｓに
より、ＭＳＭ−光検出器について０．５ｐｓ未満のキャ
リア寿命が得られることを示している。ＬＴ−ＧａＡｓ
材料の使用に関連した問題は、光学的応答層の質が低下
し、長キャリア寿命を必要とする他のデバイスとともに
集積化する際にデバイスパラメータを最適化することが
より困難となることである。M.Lambsdorff等によるApp
l.Phys.Lett.58、1881-1883(1991)をも参照されたい。
キャリア捕捉のための短キャリア寿命を有する材料、例
えば、低基板温度で成長したＧａＡｓを用いることが提
案されている。例えば、Y.Chen等によるAppl.Phys.Let
t.59,1984(1991)には、光学的に活性な材料の高欠陥密
度により短キャリア寿命が得られることが開示されてい
る。特に、Ｃｈｅｎ等は、２００゜Ｃの基板温度で分子
ビームエピタキシーにより成長させたＬＴ−ＧａＡｓに
より、ＭＳＭ−光検出器について０．５ｐｓ未満のキャ
リア寿命が得られることを示している。ＬＴ−ＧａＡｓ
材料の使用に関連した問題は、光学的応答層の質が低下
し、長キャリア寿命を必要とする他のデバイスとともに
集積化する際にデバイスパラメータを最適化することが
より困難となることである。M.Lambsdorff等によるApp
l.Phys.Lett.58、1881-1883(1991)をも参照されたい。
【０００６】他のアプローチは、光学的感応媒体から急
速に電荷キャリアを一掃(sweep)することである。これ
については、M.Klingenstein等によるAppl.Phys.Lett.5
8,2503(1991)を参照されたい。この技術は、例えば、Ｐ
−Ｉ−ＮフォトダイオードおよびＭＳＭ光検出器に用い
られ、その最高速応答時間は典型的には１０ｐｓのオー
ダーである。
速に電荷キャリアを一掃(sweep)することである。これ
については、M.Klingenstein等によるAppl.Phys.Lett.5
8,2503(1991)を参照されたい。この技術は、例えば、Ｐ
−Ｉ−ＮフォトダイオードおよびＭＳＭ光検出器に用い
られ、その最高速応答時間は典型的には１０ｐｓのオー
ダーである。
【０００７】更に他の技術は、光学的感応媒体に形成さ
れた量子井戸からのトンネリングに関する。これについ
ては、M.Tsuchiya等によるPhys.Rev.Lett.59,2356(198
7)およびA.Tackeuchi等によるAppl.Phys.Lett.61、1892
(1992)を参照されたい。この技術は、高速な光学的スイ
ッチのために提案されたものである。使用時には、光学
的に生成された電荷キャリアがＭＱＷから外部へ共鳴的
にトンネリングするが、内部散乱（internal scatterin
g)によりその応答時間は２ｐｓにまで低下する。さら
に、実際には、励起されたキャリアはデバイスから完全
には排除されず、そのため不都合な蓄積効果を生じる。
れた量子井戸からのトンネリングに関する。これについ
ては、M.Tsuchiya等によるPhys.Rev.Lett.59,2356(198
7)およびA.Tackeuchi等によるAppl.Phys.Lett.61、1892
(1992)を参照されたい。この技術は、高速な光学的スイ
ッチのために提案されたものである。使用時には、光学
的に生成された電荷キャリアがＭＱＷから外部へ共鳴的
にトンネリングするが、内部散乱（internal scatterin
g)によりその応答時間は２ｐｓにまで低下する。さら
に、実際には、励起されたキャリアはデバイスから完全
には排除されず、そのため不都合な蓄積効果を生じる。
【０００８】本発明は、上述のような欠点なく、光学的
感応媒体における高速な下方遷移（すなわち逆励起：de
-excitation)を提供しようとするものである。
感応媒体における高速な下方遷移（すなわち逆励起：de
-excitation)を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による装置は、第
２のパルスの光学的放射を媒体中に入射する手段により
特徴づけられ、第１および第２のパルスの相対的なタイ
ミングと相対的位相は、第２のパルスが第１のパルスに
より生成された共鳴励起を逆励起するように選定され
る。
２のパルスの光学的放射を媒体中に入射する手段により
特徴づけられ、第１および第２のパルスの相対的なタイ
ミングと相対的位相は、第２のパルスが第１のパルスに
より生成された共鳴励起を逆励起するように選定され
る。
【００１０】本発明による装置は、光学的スイッチとし
て用いることができる。この光学的スイッチは、光学的
ビームを媒体内を通して出力経路へ通過させる手段を有
し、当該媒体内の入力ビームの通過は第１および第２の
パルスによりスイッチされる。
て用いることができる。この光学的スイッチは、光学的
ビームを媒体内を通して出力経路へ通過させる手段を有
し、当該媒体内の入力ビームの通過は第１および第２の
パルスによりスイッチされる。
【００１１】本発明による装置は光検出器としても使用
できる。ここに光学的感応媒体は、第１のパルスにより
生成された共鳴励起に応答して、その電気的特性を変化
させる。第２のパルスは、次に、他の入力光パルスを検
出するための準備として逆励起を生じさせる。
できる。ここに光学的感応媒体は、第１のパルスにより
生成された共鳴励起に応答して、その電気的特性を変化
させる。第２のパルスは、次に、他の入力光パルスを検
出するための準備として逆励起を生じさせる。
【００１２】本発明は、光学的感応媒体における光学的
遷移を制御する方法にも拡張される。この方法は、第１
および第２のパルスの光学的放射を媒体中に入射し、第
１および第２のパルスの相対的なタイミングとその放射
の相対的位相は、第２のパルスが第１のパルスにより生
成された共鳴励起を逆励起するように選定される。
遷移を制御する方法にも拡張される。この方法は、第１
および第２のパルスの光学的放射を媒体中に入射し、第
１および第２のパルスの相対的なタイミングとその放射
の相対的位相は、第２のパルスが第１のパルスにより生
成された共鳴励起を逆励起するように選定される。
【００１３】光学的感応媒体は、価電子帯および伝導帯
を有する半導体から構成することができ、共鳴励起によ
り両帯間で電荷キャリアの遷移を引き起こす。
を有する半導体から構成することができ、共鳴励起によ
り両帯間で電荷キャリアの遷移を引き起こす。
【００１４】本発明は、当該媒体中の光励起されたキャ
リアを超高速に逆励起することができるという利点を有
する。本発明により達成される最高速時間分解能は、第
１および第２の光パルスの時間幅により決定され、光感
応媒体の内部材料特性により制限されない。したがっ
て、応答速度は他のパラメータとは別個に最適化するこ
とができる。
リアを超高速に逆励起することができるという利点を有
する。本発明により達成される最高速時間分解能は、第
１および第２の光パルスの時間幅により決定され、光感
応媒体の内部材料特性により制限されない。したがっ
て、応答速度は他のパラメータとは別個に最適化するこ
とができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明をより十分に理解するため
に、以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
に、以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
【００１６】図１を参照するに、フェムト秒レーザ光源
１は、光ファイバ通信のための、典型的には８００ｎ
ｍ、１．３μｍまたは１．５μｍの波長で、例えば１０
０ｆｓ未満の時間幅を有する短時間幅パルスを生成す
る。これらのパルスは、後に詳述するように、干渉計(i
nterferometer)２を通して、飽和可能なアブソーバとし
ての光学的感応媒体３へ供給される。この実施例におい
て、飽和可能なアブソーバは半導体である。通常、アブ
ソーバは光学的に不透明であるが、レーザからのパルス
Ｐに応答して透明状態に切り替えられる。これは、入力
経路５に沿ってアブソーバ３へ通過する光源４からの入
力光ビームをスイッチングするために用いられる。この
ビームは、レーザ１からのパルスＰによりアブソーバが
透明状態に切り替えられたとき、アブソーバを通過して
出力経路６へ射出する。光源４からのビームは、感応媒
体の屈折率ｎの変化により変調されうる。
１は、光ファイバ通信のための、典型的には８００ｎ
ｍ、１．３μｍまたは１．５μｍの波長で、例えば１０
０ｆｓ未満の時間幅を有する短時間幅パルスを生成す
る。これらのパルスは、後に詳述するように、干渉計(i
nterferometer)２を通して、飽和可能なアブソーバとし
ての光学的感応媒体３へ供給される。この実施例におい
て、飽和可能なアブソーバは半導体である。通常、アブ
ソーバは光学的に不透明であるが、レーザからのパルス
Ｐに応答して透明状態に切り替えられる。これは、入力
経路５に沿ってアブソーバ３へ通過する光源４からの入
力光ビームをスイッチングするために用いられる。この
ビームは、レーザ１からのパルスＰによりアブソーバが
透明状態に切り替えられたとき、アブソーバを通過して
出力経路６へ射出する。光源４からのビームは、感応媒
体の屈折率ｎの変化により変調されうる。
【００１７】当業界に周知のように、パルスＰの効果
は、アブソーバの価電子帯内の電子を伝導帯へまで励起
するものであり、その結果、励起子として知られる、電
子・正孔対の生成により、アブソーバは光学的な不透明
状態から光学的な透明状態に変化する。その後、この共
鳴的な遷移は減衰して非励起状態に戻る。レーザ１から
の短パルスにより共鳴的に励起されたこの光学的な遷移
は、時間Ｔ2（＝ｈ／πΓ）の間、光パルスＰを形成す
る放射に対してコヒーレント性を維持する。ここに、Γ
は遷移の均一幅(homogeneous linewidth)であり、ｈは
ハイゼンベルグ定数である。コヒーレント性は、時間と
ともに指数関数的に減衰する。
は、アブソーバの価電子帯内の電子を伝導帯へまで励起
するものであり、その結果、励起子として知られる、電
子・正孔対の生成により、アブソーバは光学的な不透明
状態から光学的な透明状態に変化する。その後、この共
鳴的な遷移は減衰して非励起状態に戻る。レーザ１から
の短パルスにより共鳴的に励起されたこの光学的な遷移
は、時間Ｔ2（＝ｈ／πΓ）の間、光パルスＰを形成す
る放射に対してコヒーレント性を維持する。ここに、Γ
は遷移の均一幅(homogeneous linewidth)であり、ｈは
ハイゼンベルグ定数である。コヒーレント性は、時間と
ともに指数関数的に減衰する。
【００１８】本発明によれば、次のことが理解される。
すなわち、第１のパルスＰ1による励起後、第１のパル
スから短時間ΔＴ後に第２のパルスがアブソーバに供給
されるならば、この第２のパルスＰ2により当該光学的
遷移を逆励起することができる。時間ΔＴの間、第１の
パルスにより生成された励起はコヒーレント性を維持
し、遷移波長λ2で第１のパルスに対して第２のパルス
が１８０゜位相のずれたままである。その結果、第２の
パルスＰ2は、Ｐ1を打ち消すように干渉して逆励起を引
き起こす。
すなわち、第１のパルスＰ1による励起後、第１のパル
スから短時間ΔＴ後に第２のパルスがアブソーバに供給
されるならば、この第２のパルスＰ2により当該光学的
遷移を逆励起することができる。時間ΔＴの間、第１の
パルスにより生成された励起はコヒーレント性を維持
し、遷移波長λ2で第１のパルスに対して第２のパルス
が１８０゜位相のずれたままである。その結果、第２の
パルスＰ2は、Ｐ1を打ち消すように干渉して逆励起を引
き起こす。
【００１９】このように、位相が１８０゜ずれた第１お
よび第２のパルスの光学的放射についてΔＴ＜＜Ｔ2な
らば、この技術により、極めて短い、十分に確定的な時
間に光学的励起をオンオフ切り換えすることが可能とな
る。この技術の時間分解能は、印加するパルスＰの幅に
より制限され、その値は現在の技術では６ｆｓのオーダ
ーである。
よび第２のパルスの光学的放射についてΔＴ＜＜Ｔ2な
らば、この技術により、極めて短い、十分に確定的な時
間に光学的励起をオンオフ切り換えすることが可能とな
る。この技術の時間分解能は、印加するパルスＰの幅に
より制限され、その値は現在の技術では６ｆｓのオーダ
ーである。
【００２０】第１および第２のパルスを生成するために
は、レーザ１からのパルスＰは、干渉計２へ供給され
る。この干渉計２は、典型的にはマイケルソン型の干渉
計であり、短時間間隔ΔＴだけ時間的に離れた２つのパ
ルスＰ1，Ｐ2を生成する。レーザ１からのパルスＰは、
飽和可能なアブソーバ３の狭い吸収線に対応する中心波
長λ2を有する。パルスＰ1，Ｐ2の位相が１８０゜ずれ
ていることを保証するには、すなわち弱め合う干渉を保
証するには、干渉計２は以下のようなパルス間の時間的
な分離をもたらすように構成される。
は、レーザ１からのパルスＰは、干渉計２へ供給され
る。この干渉計２は、典型的にはマイケルソン型の干渉
計であり、短時間間隔ΔＴだけ時間的に離れた２つのパ
ルスＰ1，Ｐ2を生成する。レーザ１からのパルスＰは、
飽和可能なアブソーバ３の狭い吸収線に対応する中心波
長λ2を有する。パルスＰ1，Ｐ2の位相が１８０゜ずれ
ていることを保証するには、すなわち弱め合う干渉を保
証するには、干渉計２は以下のようなパルス間の時間的
な分離をもたらすように構成される。
【００２１】ΔＴ＝（ｎ＋１／２）λ2／ｃ ここに、ｎは整数であり、ｃは光速である。
【００２２】干渉計２は、パルスＰ1，Ｐ2間の必要なパ
ルス遅延をもたらすような値に整数ｎを設定するよう構
成される。
ルス遅延をもたらすような値に整数ｎを設定するよう構
成される。
【００２３】図２は、光学的スイッチの動作を説明する
ためのものである。図２（Ａ）は、第１のパルスＰ1お
よび第２のパルスＰ2のタイミングを示している。第１
のパルスＰ1は、飽和可能なアブソーバ内に励起を生じ
させ、その結果、その透過特性が図２（Ｂ）に示すよう
に変化する。パルスＰ2がない場合には、結果として得
られる共鳴励起状態は図２（Ｂ）にギザギザ線７で示し
たように比較的緩慢に減衰していく。しかし、パルスＰ
2は、図２（Ｂ）の曲線８に示すように、共鳴状態を急
速に切り替えて逆励起する。パルスＰ1による共鳴励起
状態が未だコヒーレントである時間ΔＴの間にパルスＰ
2が発生するので、かつ、パルスＰ2がパルスＰ1と逆相
であるため、共鳴状態の急速な逆励起が生じるのであ
る。
ためのものである。図２（Ａ）は、第１のパルスＰ1お
よび第２のパルスＰ2のタイミングを示している。第１
のパルスＰ1は、飽和可能なアブソーバ内に励起を生じ
させ、その結果、その透過特性が図２（Ｂ）に示すよう
に変化する。パルスＰ2がない場合には、結果として得
られる共鳴励起状態は図２（Ｂ）にギザギザ線７で示し
たように比較的緩慢に減衰していく。しかし、パルスＰ
2は、図２（Ｂ）の曲線８に示すように、共鳴状態を急
速に切り替えて逆励起する。パルスＰ1による共鳴励起
状態が未だコヒーレントである時間ΔＴの間にパルスＰ
2が発生するので、かつ、パルスＰ2がパルスＰ1と逆相
であるため、共鳴状態の急速な逆励起が生じるのであ
る。
【００２４】この点について図３によって、より詳細に
説明する。図３（Ａ）において、パルスＰ1は共鳴励起
を生じさせ、これにより電子ｅが価電子帯Ｖのエネルギ
ーレベル１０から伝導帯Ｃのエネルギーレベル１１まで
共鳴的に駆動される。逆相のパルスＰ2は、伝導帯のレ
ベル１１から価電子帯Ｖに戻るよう電子を正方向に駆動
することにより、コヒーレントな干渉の弱め合いによる
逆励起を生じさせる。
説明する。図３（Ａ）において、パルスＰ1は共鳴励起
を生じさせ、これにより電子ｅが価電子帯Ｖのエネルギ
ーレベル１０から伝導帯Ｃのエネルギーレベル１１まで
共鳴的に駆動される。逆相のパルスＰ2は、伝導帯のレ
ベル１１から価電子帯Ｖに戻るよう電子を正方向に駆動
することにより、コヒーレントな干渉の弱め合いによる
逆励起を生じさせる。
【００２５】飽和可能なアブソーバ３の第１の例は、図
４に示すものであり、それ自体は周知の方法でヘテロ接
合を構成するＡｌxＧａ1-xＡｓのバリア層１３間のＧａ
Ａｓ材料の層により構成された一群の量子井戸１２から
なる。これらの交互の層は、典型的には従来の分子ビー
ムエピタキシー（ＭＢＥ）により形成される。より詳細
な製法については、E.H.C.Parker編、"The Technology
and Physics of Molecular Beam Epitaxy", Plenum, Ne
w York 1985を参照されたい。
４に示すものであり、それ自体は周知の方法でヘテロ接
合を構成するＡｌxＧａ1-xＡｓのバリア層１３間のＧａ
Ａｓ材料の層により構成された一群の量子井戸１２から
なる。これらの交互の層は、典型的には従来の分子ビー
ムエピタキシー（ＭＢＥ）により形成される。より詳細
な製法については、E.H.C.Parker編、"The Technology
and Physics of Molecular Beam Epitaxy", Plenum, Ne
w York 1985を参照されたい。
【００２６】別の構成を図５および図６に示す。図５に
おいて、典型的にはＭＢＥおよび電子ビームリソグラフ
ィーによりＧａＡｓ材料から構成される量子ワイヤ１４
の一連の層が、典型的にはＡｌxＧａ1-xＡｓのバリア層
１５を挟んで互いに積層して形成されている。これらの
種々の層は、それ自体公知の方法により１つの層に他の
層を被覆しながら成長される。量子ワイヤの典型的な寸
法は、２０ｎｍである。典型的な層厚は、１０ｎｍであ
る。
おいて、典型的にはＭＢＥおよび電子ビームリソグラフ
ィーによりＧａＡｓ材料から構成される量子ワイヤ１４
の一連の層が、典型的にはＡｌxＧａ1-xＡｓのバリア層
１５を挟んで互いに積層して形成されている。これらの
種々の層は、それ自体公知の方法により１つの層に他の
層を被覆しながら成長される。量子ワイヤの典型的な寸
法は、２０ｎｍである。典型的な層厚は、１０ｎｍであ
る。
【００２７】図６に、量子ドット１６の積層構造を示
す。量子ドットは、典型的にはＧａＡｓ材料から成り、
ＡｌxＧａ1-xＡｓのバリア層１７により分離される。量
子ドットおよびワイヤの製法の詳細については、Claude
Weissbuch, Borge Vinterによる"Quantum Semiconduct
or Structures", Academic Press, Boston 1991および
J.-Y.Marzin等によるPhs.Rev.Lett.73, 716-719(1994)
を参照されたい。
す。量子ドットは、典型的にはＧａＡｓ材料から成り、
ＡｌxＧａ1-xＡｓのバリア層１７により分離される。量
子ドットおよびワイヤの製法の詳細については、Claude
Weissbuch, Borge Vinterによる"Quantum Semiconduct
or Structures", Academic Press, Boston 1991および
J.-Y.Marzin等によるPhs.Rev.Lett.73, 716-719(1994)
を参照されたい。
【００２８】次に図７を参照するに、飽和可能なアブソ
ーバ３は、図４〜図６の任意の図を参照して説明した層
にほぼ平行に拡がる透明支持層１８、１９の間に挟持さ
れる。入力ビーム５は、図７に示した種々の層を横切っ
て通過する。変形例として、層１９を反射性として、ビ
ームが反射して再び能動層２を通過して、入力ビームと
同じ側から射出するようにすることができる。さらに、
層１８、１９を半反射性とし、光学的非線形性を増大さ
せるための、能動層３を有するエタロン(etalon)を形成
することもできる。
ーバ３は、図４〜図６の任意の図を参照して説明した層
にほぼ平行に拡がる透明支持層１８、１９の間に挟持さ
れる。入力ビーム５は、図７に示した種々の層を横切っ
て通過する。変形例として、層１９を反射性として、ビ
ームが反射して再び能動層２を通過して、入力ビームと
同じ側から射出するようにすることができる。さらに、
層１８、１９を半反射性とし、光学的非線形性を増大さ
せるための、能動層３を有するエタロン(etalon)を形成
することもできる。
【００２９】図８を参照するに、入出力ビーム５、６
を、層にほぼ平行に通過させることもできる。これは、
層１８、１９を光ガイドとして用いることができ、アブ
ソーバを基板上に形成された他のデバイス構造内に容易
に集積化することができる、という利点を有する。層１
８、１９は、典型的にはＡｌＡｓにより形成することが
できる。レーザフォトンエネルギーは層１８、１９の帯
ギャップエネルギーよりも小さく、両層が透明であるこ
とを保証する。
を、層にほぼ平行に通過させることもできる。これは、
層１８、１９を光ガイドとして用いることができ、アブ
ソーバを基板上に形成された他のデバイス構造内に容易
に集積化することができる、という利点を有する。層１
８、１９は、典型的にはＡｌＡｓにより形成することが
できる。レーザフォトンエネルギーは層１８、１９の帯
ギャップエネルギーよりも小さく、両層が透明であるこ
とを保証する。
【００３０】次に、図１に示した干渉計２の一例につい
て、図９を参照してより詳細に説明する。典型的にはＧ
ａＡｓ材料から成る基板２０の上に、比較的高い屈折率
を有する材料の層２３を挟んで、比較的低い屈折率を有
する材料の層２１、２２が設けられる。好適な材料の典
型的な例は、高屈折率材料についてはＡｌ0.3Ｇａ0.6Ａ
ｓであり、低屈折率材料についてはＡｌＡｓである。異
なる帯ギャップを有する多くの半導体対（半導体層の組
合せ）が好適である。通常、帯ギャップが大きいほど屈
折率は小さいからである。従来の光学的または電子ビー
ムリソグラフィー技術を用いて、種々の層により、図９
に示したようなウェイブガイド（導波路）を形成し、レ
ーザ１（図１）からのパルスＰの入力ウェイブガイド２
４を設ける。入力経路２４には、異なる長さの第１およ
び第２の分岐経路２５、２６がつながる。経路２６は経
路２５より長い。両分岐経路２５、２６は出力経路２７
につながる。使用時、入力パルスＰのエネルギーは両分
岐経路２５、２６に分割され、経路２５の方が経路２６
より短いので、２つの近接離間したパルスＰ1，Ｐ2が発
生する。パルスＰ1，Ｐ2は同一の波長特性を有するが、
分岐経路２５、２６の相対的な経路長に起因したΔＴだ
け時間的に離れていることが判る。図９に示した種々の
経路の幾何および光学的特性を適切に選定することによ
り、所望の時間間隔を有し、かつ１８０゜位相のずれた
パルスを得ることができる。
て、図９を参照してより詳細に説明する。典型的にはＧ
ａＡｓ材料から成る基板２０の上に、比較的高い屈折率
を有する材料の層２３を挟んで、比較的低い屈折率を有
する材料の層２１、２２が設けられる。好適な材料の典
型的な例は、高屈折率材料についてはＡｌ0.3Ｇａ0.6Ａ
ｓであり、低屈折率材料についてはＡｌＡｓである。異
なる帯ギャップを有する多くの半導体対（半導体層の組
合せ）が好適である。通常、帯ギャップが大きいほど屈
折率は小さいからである。従来の光学的または電子ビー
ムリソグラフィー技術を用いて、種々の層により、図９
に示したようなウェイブガイド（導波路）を形成し、レ
ーザ１（図１）からのパルスＰの入力ウェイブガイド２
４を設ける。入力経路２４には、異なる長さの第１およ
び第２の分岐経路２５、２６がつながる。経路２６は経
路２５より長い。両分岐経路２５、２６は出力経路２７
につながる。使用時、入力パルスＰのエネルギーは両分
岐経路２５、２６に分割され、経路２５の方が経路２６
より短いので、２つの近接離間したパルスＰ1，Ｐ2が発
生する。パルスＰ1，Ｐ2は同一の波長特性を有するが、
分岐経路２５、２６の相対的な経路長に起因したΔＴだ
け時間的に離れていることが判る。図９に示した種々の
経路の幾何および光学的特性を適切に選定することによ
り、所望の時間間隔を有し、かつ１８０゜位相のずれた
パルスを得ることができる。
【００３１】実際上、良好なコントラスト比を得るため
には、図１に示した光源４のエネルギー線幅は、共鳴遷
移の線幅Γに限定されるべきである。図１０に、このよ
うな制限を課さないエネルギーレベル図を示す。光学的
遷移Ｅ1−Ｅ3およびＥ2−Ｅ3は、レベルＥ3を共有して
いる。したがって、Ｅ2−Ｅ3を飽和させると、Ｅ1−Ｅ3
も飽和させることになる。実際、異なる散乱、または不
均質性に起因する線幅拡大は、Ｅ1、Ｅ2に対してかなり
異なったレベルになり得る。もし、Ｅ2−Ｅ3の線幅がＥ
1−Ｅ3の線幅より充分小さいならば、Ｅ2−Ｅ3に向けら
れた光パルスはコヒーレントな弱め合い(coherent dest
ruction)により、前述した手法でＥ2−Ｅ3およびＥ1−
Ｅ3の両方の飽和をオンオフ切り替えすることができ、
これにより、入力ビーム５に関してΓの線幅限定を行う
ことなく、エネルギーＥ1−Ｅ3のビームのスイッチング
を可能とする。この方式は、Ｅ2−Ｅ3が最低レベルの重
い正孔の励起子遷移(lowest heavy-hole exciton trans
ition)であり、Ｅ1−Ｅ3が最低レベルの軽い正孔の励起
子遷移(lowest light-hole exciton transition)である
半導体量子構造に採用することができる。
には、図１に示した光源４のエネルギー線幅は、共鳴遷
移の線幅Γに限定されるべきである。図１０に、このよ
うな制限を課さないエネルギーレベル図を示す。光学的
遷移Ｅ1−Ｅ3およびＥ2−Ｅ3は、レベルＥ3を共有して
いる。したがって、Ｅ2−Ｅ3を飽和させると、Ｅ1−Ｅ3
も飽和させることになる。実際、異なる散乱、または不
均質性に起因する線幅拡大は、Ｅ1、Ｅ2に対してかなり
異なったレベルになり得る。もし、Ｅ2−Ｅ3の線幅がＥ
1−Ｅ3の線幅より充分小さいならば、Ｅ2−Ｅ3に向けら
れた光パルスはコヒーレントな弱め合い(coherent dest
ruction)により、前述した手法でＥ2−Ｅ3およびＥ1−
Ｅ3の両方の飽和をオンオフ切り替えすることができ、
これにより、入力ビーム５に関してΓの線幅限定を行う
ことなく、エネルギーＥ1−Ｅ3のビームのスイッチング
を可能とする。この方式は、Ｅ2−Ｅ3が最低レベルの重
い正孔の励起子遷移(lowest heavy-hole exciton trans
ition)であり、Ｅ1−Ｅ3が最低レベルの軽い正孔の励起
子遷移(lowest light-hole exciton transition)である
半導体量子構造に採用することができる。
【００３２】以上、光学的スイッチに関連して本発明を
説明してきたが、光学的感応媒体から励起共鳴状態を能
動的に除去する他の状況への用途も存在する。例えば、
本発明は超高速光検出器へも応用できる。すなわち、本
技術は、あらゆる光ビームに関する遷移の高速検出に適
用することができる。Γが大きく、かつ光パルスＰ1，
Ｐ2間の遅延が小さく（〜１０ｆｓ）設定された場合に
は、超高速の光電流を分離することができる。
説明してきたが、光学的感応媒体から励起共鳴状態を能
動的に除去する他の状況への用途も存在する。例えば、
本発明は超高速光検出器へも応用できる。すなわち、本
技術は、あらゆる光ビームに関する遷移の高速検出に適
用することができる。Γが大きく、かつ光パルスＰ1，
Ｐ2間の遅延が小さく（〜１０ｆｓ）設定された場合に
は、超高速の光電流を分離することができる。
【００３３】また、上記実施例では、半導体材料内で共
鳴励起が生じるものとした。すなわち、価電子帯の基底
状態にある電子が励起されて伝導帯へ遷移するものとし
た。しかし、第２のパルスＰ2により生じるコヒーレン
ト逆励起は、半導体電荷キャリア遷移に必ずしも関係し
ない材料における遷移に対しても利用しうることを理解
されたい。概していえば、本発明は、十分に狭い光学的
遷移を示す任意の材料、たとえその遷移が電荷キャリア
に直接関与しないもの、例えばポリ（フェニルフェニレ
ンビニレン）のような有機材料に対しても作用する。
鳴励起が生じるものとした。すなわち、価電子帯の基底
状態にある電子が励起されて伝導帯へ遷移するものとし
た。しかし、第２のパルスＰ2により生じるコヒーレン
ト逆励起は、半導体電荷キャリア遷移に必ずしも関係し
ない材料における遷移に対しても利用しうることを理解
されたい。概していえば、本発明は、十分に狭い光学的
遷移を示す任意の材料、たとえその遷移が電荷キャリア
に直接関与しないもの、例えばポリ（フェニルフェニレ
ンビニレン）のような有機材料に対しても作用する。
【００３４】本明細書において用いた用語「光学的放射
(optical radiation)」は、可視放射および非可視放射
の両方を含み、さらに赤外放射および紫外放射をも含む
ものとする。
(optical radiation)」は、可視放射および非可視放射
の両方を含み、さらに赤外放射および紫外放射をも含む
ものとする。
【図１】本発明による光学的スイッチの模式的ブロック
図である。
図である。
【図２】時間軸上の連続パルスＰ1，Ｐ2の強度と、対応
する半導体アブソーバの光学的透過特性の変化を示すグ
ラフである。
する半導体アブソーバの光学的透過特性の変化を示すグ
ラフである。
【図３】連続したパルスＰ1，Ｐ2に応答した、図１に示
したアブソーバ内の電荷キャリアの励起および逆励起を
示す。
したアブソーバ内の電荷キャリアの励起および逆励起を
示す。
【図４】多量子井戸から成るアブソーバの一形態の模式
図である。
図である。
【図５】量子ワイヤの複数層を用いるアブソーバの他の
形態を示す。
形態を示す。
【図６】量子ドットを有するアブソーバの他の形態を示
す。
す。
【図７】アブソーバにより切り替えられるべき入力光学
的ビームのための第１の構成を示し、このビームはアブ
ソーバの主面に直交配置される。
的ビームのための第１の構成を示し、このビームはアブ
ソーバの主面に直交配置される。
【図８】入力ビームがアブソーバの主面にほぼ平行な方
向にアブソーバを通過する他の構成を示す。
向にアブソーバを通過する他の構成を示す。
【図９】図１に示した干渉計の一形態を示す模式図であ
る。
る。
【図１０】大きい線幅を有する光学的スイッチを提供す
るエネルギー帯図である。
るエネルギー帯図である。
１…レーザ、２…干渉計、３…アブソーバ、４…光源、
５…入力経路、６…出力経路。
５…入力経路、６…出力経路。
フロントページの続き (72)発明者 ジェレミー バーンバーグ イギリス国、ケンブリッジ シー・ビー・ ３ ０エイチ・イー、マディングレー ロ ード（番地なし）、キャベンディッシュ ラボラトリー、ヒタチ ケンブリッジ ラ ボラトリー、ヒタチ ヨーロッパ リミテ ッド内
Claims (17)
- 【請求項１】光学的遷移を制御する装置であって、 光学的感応媒体（３）と、 与えられた波長特性の光学的放射の第１のパルス（Ｐ
1）を前記媒体へ入射して共鳴励起を生じさせることに
より前記媒体の特性を変化させる手段（１）と、光学的
放射の第２のパルス（Ｐ2）を前記媒体へ入射する手段
（１，２）とを備え、第１および第２のパルスの相対的
なタイミングおよびそれらの放射の相対的な位相は、第
１のパルスにより生じた共鳴励起を第２のパルスが逆励
起するように選定され、前記光学的感応媒体は比較的狭
い線幅の共鳴遷移をもたらす第１および第２のエネルギ
ーレベル（Ｅ3，Ｅ2）、および第３のエネルギーレベル
（Ｅ1）を呈し、第１および第３のエネルギーレベル間
の遷移は比較的広い線幅を有し、両遷移は第１および第
２のパルスにより同時に励起および逆励起されることを
特徴とする光学的遷移制御装置。 - 【請求項２】請求項１に記載の装置において、第１のパ
ルスに対する第２のパルスのタイミング（ΔＴ）は、第
１のパルス（Ｐ1）により生じた励起が第１のパルスの
発生中に生じた共鳴励起に対してコヒーレント性を保っ
ている間に第２のパルスが発生するよう選定され、第１
および第２のパルスの放射の相対的な位相は、第２のパ
ルスが第１のパルスにより生じた共鳴励起と破壊的に干
渉するよう選定されたことを特徴とする装置。 - 【請求項３】請求項１または２記載の装置において、光
学的感応媒体（３）は前記共鳴励起に応答してその光学
的特性を変化させることを特徴とする装置。 - 【請求項４】請求項３記載の装置であって、入力光ビー
ム（５）を前記媒体を介して出力経路（６）へ導通させ
る手段（４）を有し、当該媒体（３）に対する入力ビー
ムの透過は前記第１および第２のパルス（Ｐ1，Ｐ2）に
より切り替えられることを特徴とする、光学的スイッチ
として動作する装置。 - 【請求項５】先行する請求項のいずれかに記載の装置に
おいて、光学的感応媒体（３）は、第１のパルス（Ｐ
1）に応答して前記共鳴励起を発生させる複数のナノス
ケールの要素（１２，１３，１６）により構成されるこ
とを特徴とする装置。 - 【請求項６】光学的遷移を制御する装置であって、光学
的感応媒体（３）と、与えられた波長特性の光学的放射
の第１のパルス（Ｐ1）を前記媒体に入射して当該媒体
内に共鳴励起を発生させることにより当該媒体の特性を
変化させる手段（１）と、光学的放射の第２のパルス
（Ｐ2）を前記媒体に入射する手段（１，２）とを備
え、第１および第２のパルスの相対的タイミングおよび
その放射の相対的位相は、第１のパルスにより生じた共
鳴励起を第２のパルスが逆励起するよう選定され、前記
光学的感応媒体（３）は、第１のパルス（Ｐ1）に応答
して前記共鳴励起を発生させる複数のナノスケールの要
素（１２，１３，１６）により構成されることを特徴と
する装置。 - 【請求項７】請求項５または６記載の装置において、前
記ナノスケールの要素（１２，１３，１６）は、被覆層
により形成されることを特徴とする装置。 - 【請求項８】請求項５または６記載の装置において、前
記ナノスケールの要素は、多量子井戸構造（１２．１
３）、または複数の量子ワイヤ（１４）、または複数の
量子ドット（１６）により構成されることを特徴とする
装置。 - 【請求項９】請求項５、６、７または８記載の装置にお
いて、前記ナノスケールの要素は、支持層（１８．１
９）の間に配置されることを特徴とする装置。 - 【請求項１０】請求項９記載の装置において、前記支持
層（１８、１９）はいずれも透明であり、または、少な
くともその一方は半屈折性を有し、または、その一方は
入力光ビームに対する反射性を有することを特徴とする
装置。 - 【請求項１１】請求項１０記載の装置において、前記入
力光ビーム（５）は前記支持層に平行な方向に前記要素
（１２，１４，１６）入射されることを特徴とする装
置。 - 【請求項１２】先行するいずれかの請求項に記載の装置
において、前記第１および第２のパルスは干渉計（２）
により生成されることを特徴とする装置。 - 【請求項１３】請求項１２記載の装置において、前記干
渉計（２）は、光学的経路（Ｐ）のための入力光学的経
路（２４）を定める手段と、前記第１および第２のパル
スを生成するための異なる光学長を有する第１および第
２の分岐経路（２５，２６）および前記第１および第２
のパルスのための出力経路（２７）を定める手段とを有
することを特徴とする装置。 - 【請求項１４】先行するいずれかの請求項に記載の装置
において、前記光学的感応媒体は、前記共鳴励起に応じ
てその電気的特性を変化させることを特徴とする装置。 - 【請求項１５】請求項１４記載の装置において、光検出
器として動作することを特徴とする装置。 - 【請求項１６】先行するいずれかの請求項に記載の装置
において、前記光学的遷移は、前記光学的感応媒体内の
電荷キャリアの共鳴励起により生成されることを特徴と
する装置。 - 【請求項１７】請求項１６記載の装置において、前記光
学的感応媒体（３）は、価電子帯および伝導帯を有する
半導体により構成され、前記共鳴励起により両帯間で電
荷キャリア遷移が生じることを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| GB95303550.8 | 1995-05-25 | ||
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|---|---|
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ID=8221209
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