JPH10270808A - 一方向性光増幅器 - Google Patents
一方向性光増幅器Info
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- JPH10270808A JPH10270808A JP9071147A JP7114797A JPH10270808A JP H10270808 A JPH10270808 A JP H10270808A JP 9071147 A JP9071147 A JP 9071147A JP 7114797 A JP7114797 A JP 7114797A JP H10270808 A JPH10270808 A JP H10270808A
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
Abstract
(57)【要約】
【課題】 戻り光に影響されずに光増幅を行う一方向性
光増幅器を実現する。 【解決手段】 光入力端４から入力される光を光出力端
５に導く高屈折率の誘電体光導波路１７および電子ビー
ム走行方向に延在する直線状の電子ビーム走行部１６か
ら成り、フェルミレベルより十分高いエネルギー準位を
利用して光を一方向に増幅する増幅部１と、電子ビーム
走行部１６に電子ビームを放射する電子放射部２と、電
子ビーム走行部１６から出射する電子ビームを吸収する
電子吸収部３とを具え、増幅部１における電子の有効質
量が小さくなるように電子ビーム走行部１６を構成する
とともに、増幅部１における光の波数を大きくし、かつ
電子ビーム走行方向に光の電界成分が生ずるように誘電
体光導波路１７および電子ビーム走行部１６を配置して
一方向性光増幅器を構成する。
光増幅器を実現する。 【解決手段】 光入力端４から入力される光を光出力端
５に導く高屈折率の誘電体光導波路１７および電子ビー
ム走行方向に延在する直線状の電子ビーム走行部１６か
ら成り、フェルミレベルより十分高いエネルギー準位を
利用して光を一方向に増幅する増幅部１と、電子ビーム
走行部１６に電子ビームを放射する電子放射部２と、電
子ビーム走行部１６から出射する電子ビームを吸収する
電子吸収部３とを具え、増幅部１における電子の有効質
量が小さくなるように電子ビーム走行部１６を構成する
とともに、増幅部１における光の波数を大きくし、かつ
電子ビーム走行方向に光の電界成分が生ずるように誘電
体光導波路１７および電子ビーム走行部１６を配置して
一方向性光増幅器を構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子工学、情報工
学、光エレクトロニクス等の多くの分野に適用可能な、
光を一方向のみに増幅する一方向性光増幅器に関するも
のである。
学、光エレクトロニクス等の多くの分野に適用可能な、
光を一方向のみに増幅する一方向性光増幅器に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】光増幅を行う従来技術としては、レー
ザ、進行波管、バンド間電子遷移による光の進行波増幅
等があり、これらを用いて光の一方向性増幅を実現しよ
うとする種々の試みがなされてきた。
ザ、進行波管、バンド間電子遷移による光の進行波増幅
等があり、これらを用いて光の一方向性増幅を実現しよ
うとする種々の試みがなされてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】レーザは、光を発生さ
せたり、光を増幅する代表的な光エレクトロニクス素子
あるいは光エレクトロニクス装置であるが、増幅される
光の方向は可逆であり、前進波および後進波の両方が増
幅される。したがって、出射した光がレンズや光ファイ
バあるいは光ディスク等の表面で反射されて戻り、レー
ザ内に再入射すると、この戻り光も増幅してしまう。そ
のため、レーザの発振特性や増幅特性が劣化するととも
に、過剰な雑音を発生してしまう。
せたり、光を増幅する代表的な光エレクトロニクス素子
あるいは光エレクトロニクス装置であるが、増幅される
光の方向は可逆であり、前進波および後進波の両方が増
幅される。したがって、出射した光がレンズや光ファイ
バあるいは光ディスク等の表面で反射されて戻り、レー
ザ内に再入射すると、この戻り光も増幅してしまう。そ
のため、レーザの発振特性や増幅特性が劣化するととも
に、過剰な雑音を発生してしまう。
【０００４】現在までに提案されている上記不具合の対
策としては、光を一方向に通過させるアイソレータをレ
ーザの出射側に設けることにより戻り光の再入射を防止
する手法が一般的である。しかし、光アイソレータは磁
性材料を主材としてバルク形状で作製することしかでき
ず、また、その価格が高価であるため、利用範囲が制限
されることになる。このため、光学分野での基礎的研究
や大容量の光ファイバ通信システムには光アイソレータ
を利用することができるが、光ディスク技術のように小
型でかつ安価なことを要求される用途には光アイソレー
タを利用することができず、上記戻り光による特性劣化
や雑音発生がレーザを採用する際の技術的な障害とな
る。
策としては、光を一方向に通過させるアイソレータをレ
ーザの出射側に設けることにより戻り光の再入射を防止
する手法が一般的である。しかし、光アイソレータは磁
性材料を主材としてバルク形状で作製することしかでき
ず、また、その価格が高価であるため、利用範囲が制限
されることになる。このため、光学分野での基礎的研究
や大容量の光ファイバ通信システムには光アイソレータ
を利用することができるが、光ディスク技術のように小
型でかつ安価なことを要求される用途には光アイソレー
タを利用することができず、上記戻り光による特性劣化
や雑音発生がレーザを採用する際の技術的な障害とな
る。
【０００５】また、レーザを利用した光の発生部、増幅
部あるいは変調部等を光集積回路として一体化し、光に
よる高速の情報処理を行う方式も提案されているが、こ
の方式では、次段部から前段部へ光が戻るため、複合的
な機能を有する光回路としての合成ができないという問
題がある。
部あるいは変調部等を光集積回路として一体化し、光に
よる高速の情報処理を行う方式も提案されているが、こ
の方式では、次段部から前段部へ光が戻るため、複合的
な機能を有する光回路としての合成ができないという問
題がある。
【０００６】また、進行波管は、一方向性の機能電子素
子である通常の電子管やトランジスタの動作可能周波数
の上限値（１００ＭＨｚ程度）を上回る、最も高い動作
可能周波数を有する一方向性の電子管であるが、この進
行波管は、金属による遅延伝送路を用いて電磁波を伝搬
させ、この電磁波に電子銃から放射された電子ビームが
エネルギーを与えるものであり、電子ビームの速度およ
び電磁波の伝搬速度が一致したときに電磁波が増幅され
るため、逆方向に伝搬される電磁波は増幅されない。し
かし、波長は高周波になるほど短くなり、進行波管の使
用周波数の上限値は伝送路の金属加工技術により決定さ
れるため、進行波管は数十ＧＨｚ以上の周波数（波長；
数ｃｍ以下）では使用できない。したがって、波長が１
μｍ以下となる光に適用し得る進行波管を作製すること
は、現在の金属加工技術の限界を遥かに越えることにな
り、現時点では不可能である。
子である通常の電子管やトランジスタの動作可能周波数
の上限値（１００ＭＨｚ程度）を上回る、最も高い動作
可能周波数を有する一方向性の電子管であるが、この進
行波管は、金属による遅延伝送路を用いて電磁波を伝搬
させ、この電磁波に電子銃から放射された電子ビームが
エネルギーを与えるものであり、電子ビームの速度およ
び電磁波の伝搬速度が一致したときに電磁波が増幅され
るため、逆方向に伝搬される電磁波は増幅されない。し
かし、波長は高周波になるほど短くなり、進行波管の使
用周波数の上限値は伝送路の金属加工技術により決定さ
れるため、進行波管は数十ＧＨｚ以上の周波数（波長；
数ｃｍ以下）では使用できない。したがって、波長が１
μｍ以下となる光に適用し得る進行波管を作製すること
は、現在の金属加工技術の限界を遥かに越えることにな
り、現時点では不可能である。
【０００７】また、バンド間電子遷移による光の進行波
増幅の従来技術としては、半導体中で伝導帯から価電子
帯への電子遷移により光の発生や増幅を行う半導体レー
ザを用いて、通常は値が小さいため無視される光の運動
量ｈβ／２π（ただし、ｈはプランク定数、βは光の波
数）の大きさを考慮することにより光の一方向性増幅を
試みたものがあるが、この場合、電子の散乱が極めて大
きいため、明確な単一向性増幅作用は確認されていな
い。
増幅の従来技術としては、半導体中で伝導帯から価電子
帯への電子遷移により光の発生や増幅を行う半導体レー
ザを用いて、通常は値が小さいため無視される光の運動
量ｈβ／２π（ただし、ｈはプランク定数、βは光の波
数）の大きさを考慮することにより光の一方向性増幅を
試みたものがあるが、この場合、電子の散乱が極めて大
きいため、明確な単一向性増幅作用は確認されていな
い。
【０００８】本発明は、戻り光に影響されない光増幅を
実現する一方向性光増幅器を提供することを目的とす
る。
実現する一方向性光増幅器を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
の請求項１の構成は、光入力端から入力される光を光出
力端に導く高屈折率の誘電体光導波路および電子ビーム
走行方向に延在する直線状の電子ビーム走行部から成
り、フェルミレベルより十分高いエネルギー準位を利用
して光を一方向に増幅する増幅部と、前記電子ビーム走
行部に電子ビームを放射する電子放射部と、前記電子ビ
ーム走行部から出射する電子ビームを吸収する電子吸収
部とを具える一方向性光増幅器であって、前記増幅部に
おける電子の有効質量が小さくなるように前記電子ビー
ム走行部を構成するとともに、前記増幅部における光の
波数を大きくしかつ電子ビーム走行方向に光の電界成分
が生ずるように前記誘電体光導波路および前記電子ビー
ム走行部を配置して成ることを特徴とするものである。
の請求項１の構成は、光入力端から入力される光を光出
力端に導く高屈折率の誘電体光導波路および電子ビーム
走行方向に延在する直線状の電子ビーム走行部から成
り、フェルミレベルより十分高いエネルギー準位を利用
して光を一方向に増幅する増幅部と、前記電子ビーム走
行部に電子ビームを放射する電子放射部と、前記電子ビ
ーム走行部から出射する電子ビームを吸収する電子吸収
部とを具える一方向性光増幅器であって、前記増幅部に
おける電子の有効質量が小さくなるように前記電子ビー
ム走行部を構成するとともに、前記増幅部における光の
波数を大きくしかつ電子ビーム走行方向に光の電界成分
が生ずるように前記誘電体光導波路および前記電子ビー
ム走行部を配置して成ることを特徴とするものである。
【００１０】本発明の請求項１においては、フェルミレ
ベルより十分高いエネルギー準位を利用して光を一方向
に増幅する増幅部の、電子ビーム走行部は電子の有効質
量が小さくなるような材料で構成され、前記増幅部の誘
電体光導波路および電子ビーム走行部は、該増幅部にお
ける光の波数を大きくしかつ電子ビーム走行方向へ光の
電界成分が生ずるように配置されている。
ベルより十分高いエネルギー準位を利用して光を一方向
に増幅する増幅部の、電子ビーム走行部は電子の有効質
量が小さくなるような材料で構成され、前記増幅部の誘
電体光導波路および電子ビーム走行部は、該増幅部にお
ける光の波数を大きくしかつ電子ビーム走行方向へ光の
電界成分が生ずるように配置されている。
【００１１】本発明の請求項１によれば、前記増幅部に
おける電子の有効質量を小さくするとともに、光の波数
を大きくする（つまり電子走行方向への光の伝搬速度を
小さくする）ようにしたため、戻り光に影響されない光
増幅を実現する一方向性光増幅器を提供することができ
る。
おける電子の有効質量を小さくするとともに、光の波数
を大きくする（つまり電子走行方向への光の伝搬速度を
小さくする）ようにしたため、戻り光に影響されない光
増幅を実現する一方向性光増幅器を提供することができ
る。
【００１２】本発明の請求項２の構成は、前記増幅部
は、前記電子ビーム走行部の周囲に前記誘電体光導波路
を螺旋状に巻き付けるように配置して成ることを特徴と
するものである。
は、前記電子ビーム走行部の周囲に前記誘電体光導波路
を螺旋状に巻き付けるように配置して成ることを特徴と
するものである。
【００１３】本発明の請求項２においては、前記増幅部
を構成する前記電子ビーム走行部の周囲には、前記誘電
体光導波路が螺旋状に巻き付くように配置されている。
を構成する前記電子ビーム走行部の周囲には、前記誘電
体光導波路が螺旋状に巻き付くように配置されている。
【００１４】本発明の請求項２によれば、前記電子ビー
ム走行部の周囲に前記誘電体光導波路が螺旋状に巻き付
くように配置したため、この構成および前記誘電体光導
波路の高屈折率化により前記増幅部における光の波数を
大きくし、かつ電子ビーム走行方向へ光の電界成分を生
じさせることができる。
ム走行部の周囲に前記誘電体光導波路が螺旋状に巻き付
くように配置したため、この構成および前記誘電体光導
波路の高屈折率化により前記増幅部における光の波数を
大きくし、かつ電子ビーム走行方向へ光の電界成分を生
じさせることができる。
【００１５】本発明の請求項３の構成は、前記増幅部
は、前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走行部を
複数の部位で互に直交するように配置して成ることを特
徴とするものである。
は、前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走行部を
複数の部位で互に直交するように配置して成ることを特
徴とするものである。
【００１６】本発明の請求項３においては、前記増幅部
を構成する前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走
行部は、複数の部位で互に直交するように配置されてい
る。
を構成する前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走
行部は、複数の部位で互に直交するように配置されてい
る。
【００１７】本発明の請求項３によれば、前記誘電体光
導波路および前記電子ビーム走行部が複数の部位で互に
直交するように配置したため、この構成および前記誘電
体光導波路の高屈折率化により前記増幅部における光の
波数を大きくし、かつ電子ビーム走行方向へ光の電界成
分を生じさせることができる。
導波路および前記電子ビーム走行部が複数の部位で互に
直交するように配置したため、この構成および前記誘電
体光導波路の高屈折率化により前記増幅部における光の
波数を大きくし、かつ電子ビーム走行方向へ光の電界成
分を生じさせることができる。
【００１８】本発明の請求項４の構成は、前記増幅部
は、前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走行部を
複数の部位で互に同一設定角度で交差するように配置し
て成ることを特徴とするものである。
は、前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走行部を
複数の部位で互に同一設定角度で交差するように配置し
て成ることを特徴とするものである。
【００１９】本発明の請求項４においては、前記増幅部
を構成する前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走
行部は、複数の部位で互に同一設定角度で交差するよう
に配置されている。
を構成する前記誘電体光導波路および前記電子ビーム走
行部は、複数の部位で互に同一設定角度で交差するよう
に配置されている。
【００２０】本発明の請求項４によれば、前記誘電体光
導波路および前記電子ビーム走行部が複数の部位で互に
同一設定角度で交差するように配置したため、この構成
および前記誘電体光導波路の高屈折率化により前記増幅
部における光の波数を大きくし、かつ電子ビーム走行方
向へ光の電界成分を生じさせることができる。
導波路および前記電子ビーム走行部が複数の部位で互に
同一設定角度で交差するように配置したため、この構成
および前記誘電体光導波路の高屈折率化により前記増幅
部における光の波数を大きくし、かつ電子ビーム走行方
向へ光の電界成分を生じさせることができる。
【００２１】本発明の請求項５の構成は、前記増幅部
は、前記誘電体光導波路の中央部を前記電子ビーム走行
部が貫通するように、前記誘電体光導波路を前記電子ビ
ーム走行部に対し平行配置して成ることを特徴とするも
のである。
は、前記誘電体光導波路の中央部を前記電子ビーム走行
部が貫通するように、前記誘電体光導波路を前記電子ビ
ーム走行部に対し平行配置して成ることを特徴とするも
のである。
【００２２】本発明の請求項５においては、前記誘電体
光導波路は、その中央部を前記電子ビーム走行部が貫通
するように、前記電子ビームに対し平行配置されてい
る。
光導波路は、その中央部を前記電子ビーム走行部が貫通
するように、前記電子ビームに対し平行配置されてい
る。
【００２３】本発明の請求項５によれば、前記誘電体光
導波路の中央部を前記電子ビーム走行部が貫通するよう
に前記誘電体光導波路を前記電子ビーム走行部に対し平
行配置したため、前記誘電体光導波路の高屈折率化によ
り前記増幅部における光の波数を大きくし、かつ電子ビ
ーム走行方向へ光の電界成分を生じさせることができ
る。
導波路の中央部を前記電子ビーム走行部が貫通するよう
に前記誘電体光導波路を前記電子ビーム走行部に対し平
行配置したため、前記誘電体光導波路の高屈折率化によ
り前記増幅部における光の波数を大きくし、かつ電子ビ
ーム走行方向へ光の電界成分を生じさせることができ
る。
【００２４】本発明の請求項６の構成は、前記電子ビー
ム走行部は、近赤外領域から可視光領域に用いる場合に
はZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこれ
らの混晶等のII-VI 族半導体もしくはCaF2, SrF2, BaF2
等の絶縁材料により成り、赤外領域に用いる場合にはIn
P, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等
のIII-VI族半導体より成ることを特徴とするものであ
る。
ム走行部は、近赤外領域から可視光領域に用いる場合に
はZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこれ
らの混晶等のII-VI 族半導体もしくはCaF2, SrF2, BaF2
等の絶縁材料により成り、赤外領域に用いる場合にはIn
P, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等
のIII-VI族半導体より成ることを特徴とするものであ
る。
【００２５】本発明の請求項６においては、前記電子ビ
ーム走行部は、近赤外領域から可視光領域の光を対象と
する場合にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CcSe, CdTe, CdS
およびこれらの混晶等のII-VI 族半導体もしくはCaF2,
SrF2, BaF2等の絶縁材料より構成され、赤外領域の光を
対象とする場合にはInP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs
およびこれらの混晶等のIII-V 族半導体により構成され
る。
ーム走行部は、近赤外領域から可視光領域の光を対象と
する場合にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CcSe, CdTe, CdS
およびこれらの混晶等のII-VI 族半導体もしくはCaF2,
SrF2, BaF2等の絶縁材料より構成され、赤外領域の光を
対象とする場合にはInP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs
およびこれらの混晶等のIII-V 族半導体により構成され
る。
【００２６】本発明の請求項６によれば、前記電子ビー
ム走行部を上記材料の何れかにより構成したため、近赤
外領域から可視光領域の光を対象とする場合も赤外領域
の光を対象とする場合も、前記増幅部における電子の有
効質量を小さくすることができる。
ム走行部を上記材料の何れかにより構成したため、近赤
外領域から可視光領域の光を対象とする場合も赤外領域
の光を対象とする場合も、前記増幅部における電子の有
効質量を小さくすることができる。
【００２７】本発明の請求項７の構成は、前記誘電体光
導波路は、近赤外領域から可視光領域に用いる場合には
ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこれら
の混晶等のII-VI 族半導体もしくはGaN, GaP, AlAsおよ
びこれらの混晶等のIII-V 族半導体より成り、赤外領域
に用いる場合にはInP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAsお
よびこれらの混晶等のIII-V 族半導体またはSi、Ge等の
IV族半導体より成ることを特徴とするものである。
導波路は、近赤外領域から可視光領域に用いる場合には
ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこれら
の混晶等のII-VI 族半導体もしくはGaN, GaP, AlAsおよ
びこれらの混晶等のIII-V 族半導体より成り、赤外領域
に用いる場合にはInP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAsお
よびこれらの混晶等のIII-V 族半導体またはSi、Ge等の
IV族半導体より成ることを特徴とするものである。
【００２８】本発明の請求項７においては、前記誘電体
光導波路は、近赤外領域から可視光領域の光を対象とす
る場合にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS お
よびこれらの混晶等のII-VI 族半導体もしくはGaN, Ga
P, AlAsおよびこれらの混晶等のIII-V 族半導体により
構成され、赤外領域の光を対象とする場合にはInP, InS
b, InAs, GaP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等のIII-
V 族半導体またはSi, Ge等のIV族半導体により構成され
る。
光導波路は、近赤外領域から可視光領域の光を対象とす
る場合にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS お
よびこれらの混晶等のII-VI 族半導体もしくはGaN, Ga
P, AlAsおよびこれらの混晶等のIII-V 族半導体により
構成され、赤外領域の光を対象とする場合にはInP, InS
b, InAs, GaP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等のIII-
V 族半導体またはSi, Ge等のIV族半導体により構成され
る。
【００２９】本発明の請求項７によれば、前記誘電体光
導波路を上記材料の何れかにより構成したため、近赤外
領域から可視光領域の光を対象とする場合も赤外領域の
光を対象とする場合も、前記増幅部における光の波数を
大きくすることができる。
導波路を上記材料の何れかにより構成したため、近赤外
領域から可視光領域の光を対象とする場合も赤外領域の
光を対象とする場合も、前記増幅部における光の波数を
大きくすることができる。
【００３０】本発明の請求項８の構成は、前記請求項１
〜７の何れか１項記載の一方向性光増幅器を複数個縦続
接続して多段構造としたことを特徴とするものである。
〜７の何れか１項記載の一方向性光増幅器を複数個縦続
接続して多段構造としたことを特徴とするものである。
【００３１】本発明の請求項８においては、前記請求項
１〜７の何れか１項記載の一方向性光増幅器を複数個縦
続接続することにより、多段構造の一方向性光増幅器が
構成される。
１〜７の何れか１項記載の一方向性光増幅器を複数個縦
続接続することにより、多段構造の一方向性光増幅器が
構成される。
【００３２】本発明の請求項８によれば、前記請求項１
〜７の何れかの一方向性光増幅器を複数個縦続接続して
多段構造の一方向性光増幅器を構成したため、実際の使
用に適した増幅度を達成することができる。
〜７の何れかの一方向性光増幅器を複数個縦続接続して
多段構造の一方向性光増幅器を構成したため、実際の使
用に適した増幅度を達成することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態
の一方向性光増幅器の基本構造を示す原理図である。本
実施形態の一方向性光増幅器は、図１に示すように、増
幅部１と、増幅部１の左端部に結合される電子放射部２
と、電子ビーム走行方向（図示ｚ軸方向）において電子
放射部２と同軸関係になるよう増幅部１の右端部に結合
される電子吸収部３とを具備し、増幅部１の左下端部に
は光入力端４が形成され、増幅部１の右下端部には光出
力端５が形成されている。
に基づき詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態
の一方向性光増幅器の基本構造を示す原理図である。本
実施形態の一方向性光増幅器は、図１に示すように、増
幅部１と、増幅部１の左端部に結合される電子放射部２
と、電子ビーム走行方向（図示ｚ軸方向）において電子
放射部２と同軸関係になるよう増幅部１の右端部に結合
される電子吸収部３とを具備し、増幅部１の左下端部に
は光入力端４が形成され、増幅部１の右下端部には光出
力端５が形成されている。
【００３４】図２〜図４は夫々、第１実施形態の一方向
性光増幅器全体の構成例の動作を説明するための図であ
り、図中の横軸は図１のｚ軸を示し、縦軸は電子エネル
ギー値を示す。図２の構成例では、電子放射部２は、ｚ
軸方向に電子障壁７ｂ、放射電極６、電子障壁７ａを順
次配置して成る。この電子放射部２の放射電極６はAu,
Ag, Al, CoSi2 等の金属より成り、電子障壁７ａ，７ｂ
はSiO2, AlO3, CaF2等の絶縁材料より成る。なお、増幅
部１および電子吸収部３は、後述する半導体材料より成
る。
性光増幅器全体の構成例の動作を説明するための図であ
り、図中の横軸は図１のｚ軸を示し、縦軸は電子エネル
ギー値を示す。図２の構成例では、電子放射部２は、ｚ
軸方向に電子障壁７ｂ、放射電極６、電子障壁７ａを順
次配置して成る。この電子放射部２の放射電極６はAu,
Ag, Al, CoSi2 等の金属より成り、電子障壁７ａ，７ｂ
はSiO2, AlO3, CaF2等の絶縁材料より成る。なお、増幅
部１および電子吸収部３は、後述する半導体材料より成
る。
【００３５】図２において、増幅部１から電子放射部２
に負電圧８を印加すると、電子放射部２の電位が上昇す
るため電子障壁７ａは薄くなる。このため、トンネル効
果により電子放射部２から増幅部１へ向かって、エネル
ギーＷb 、運動量ｈ・Ｋb ／２π（ｈ；プランク定数）
の電子ビーム９が放射される。この電子ビームの電子
は、次式 Ｗb −Ｗa ＝ｈ・ω／２π −（１） Ｋb −Ｋa ＝β −（２） の関係を満たすような角周波数ωで波数βの光１１へエ
ネルギーを与えた後、減衰してエネルギーＷa 、運動量
ｈ・Ｋa ／２πの電子ビーム１０となる。この減衰した
電子ビーム１０は、電子吸収部３で吸収される。
に負電圧８を印加すると、電子放射部２の電位が上昇す
るため電子障壁７ａは薄くなる。このため、トンネル効
果により電子放射部２から増幅部１へ向かって、エネル
ギーＷb 、運動量ｈ・Ｋb ／２π（ｈ；プランク定数）
の電子ビーム９が放射される。この電子ビームの電子
は、次式 Ｗb −Ｗa ＝ｈ・ω／２π −（１） Ｋb −Ｋa ＝β −（２） の関係を満たすような角周波数ωで波数βの光１１へエ
ネルギーを与えた後、減衰してエネルギーＷa 、運動量
ｈ・Ｋa ／２πの電子ビーム１０となる。この減衰した
電子ビーム１０は、電子吸収部３で吸収される。
【００３６】図３の構成例では、電子放射部２は、ｚ軸
方向に電子障壁７ｂ、放射電極６、電子障壁７ａ、電位
保持電極１２を順次配置して成り、電子吸収部３は金属
より成り、電子吸収用電極１９が形成されている。上記
電位保持電極１２は放射電極６および増幅部１間に負電
圧８を印加するために設けられている。この電子放射部
２の放射電極６および電位保持電極１２、ならびに電子
吸収部３はAu, Ag, Al, CoSi2 等の金属より成り、電子
障壁７ａ，７ｂはSiO2, AlO3, CaF2等の絶縁材料より成
る。なお、増幅部１は後述する絶縁材料および半導体材
料より成る。
方向に電子障壁７ｂ、放射電極６、電子障壁７ａ、電位
保持電極１２を順次配置して成り、電子吸収部３は金属
より成り、電子吸収用電極１９が形成されている。上記
電位保持電極１２は放射電極６および増幅部１間に負電
圧８を印加するために設けられている。この電子放射部
２の放射電極６および電位保持電極１２、ならびに電子
吸収部３はAu, Ag, Al, CoSi2 等の金属より成り、電子
障壁７ａ，７ｂはSiO2, AlO3, CaF2等の絶縁材料より成
る。なお、増幅部１は後述する絶縁材料および半導体材
料より成る。
【００３７】この図３の構成例における、電子放射部２
からの電子放射作用および増幅部１における光増幅の原
理は図２の構成例と同一である。ただし、図３の構成例
では、減衰した電子ビーム１０は、電子吸収部３の電子
吸収電極１９で吸収され、電子保持電極１２に帰還され
る点が図２とは相違する。
からの電子放射作用および増幅部１における光増幅の原
理は図２の構成例と同一である。ただし、図３の構成例
では、減衰した電子ビーム１０は、電子吸収部３の電子
吸収電極１９で吸収され、電子保持電極１２に帰還され
る点が図２とは相違する。
【００３８】図４の構成例では、電子放射部２は、ｚ軸
方向にｎ型半導体１３およびｐ型半導体１８より成る半
導体接合を配置して成り、増幅部１および電子吸収部３
はｉ型半導体材料より成る。この構成例においては、増
幅部１からｐ型半導体１８へ負電圧８が印加され、さら
にｐ型半導体１８からｎ型半導体１３へ負電圧１４が印
加され、図中一点鎖線がフェルミレベルの分布状態を示
している。ｎ型半導体１３からｐ型半導体１８へ電子が
注入され、その電子が増幅部１へ電子ビーム９として放
射され、図２と同様にして光１１を増幅した後に減衰
し、電子ビーム１０となって電子吸収部３で吸収され
る。
方向にｎ型半導体１３およびｐ型半導体１８より成る半
導体接合を配置して成り、増幅部１および電子吸収部３
はｉ型半導体材料より成る。この構成例においては、増
幅部１からｐ型半導体１８へ負電圧８が印加され、さら
にｐ型半導体１８からｎ型半導体１３へ負電圧１４が印
加され、図中一点鎖線がフェルミレベルの分布状態を示
している。ｎ型半導体１３からｐ型半導体１８へ電子が
注入され、その電子が増幅部１へ電子ビーム９として放
射され、図２と同様にして光１１を増幅した後に減衰
し、電子ビーム１０となって電子吸収部３で吸収され
る。
【００３９】上述した増幅部１での光増幅作用は、量子
力学の解析手法の１つである密度行列法を図２〜図４の
モデルに適用して理論解析され、光の利得定数ｇは、次
式で表わされる。
力学の解析手法の１つである密度行列法を図２〜図４の
モデルに適用して理論解析され、光の利得定数ｇは、次
式で表わされる。
【数１】 ここで、ξは光の全分布の中で電子ビームと交差してい
る部分の比率、μ0 は真空中の透磁率、ε0 は真空中の
誘電率、ｅは電子の電荷、λは光の波長、ｃは真空中の
光速、＜Ｎb ＞は放射された電子ビームのエネルギー広
がり幅、ｎeff は等価的な屈折率である。
る部分の比率、μ0 は真空中の透磁率、ε0 は真空中の
誘電率、ｅは電子の電荷、λは光の波長、ｃは真空中の
光速、＜Ｎb ＞は放射された電子ビームのエネルギー広
がり幅、ｎeff は等価的な屈折率である。
【００４０】また、増幅部１での電子の有効質量をｍと
し、電子の電荷を−ｅとすると、増幅に必要な印加電圧
８は、次式で表わされる。
し、電子の電荷を−ｅとすると、増幅に必要な印加電圧
８は、次式で表わされる。
【数２】 また、増幅部１の長さＬは、電子のエネルギー緩和時間
τにより制限され、次式で表わされる。 Ｌ≦τｃ／ｎeff −（５） したがって、増幅器の増幅率Ａは、次式となる。 Ａ＝ exp(gL) −（６）
τにより制限され、次式で表わされる。 Ｌ≦τｃ／ｎeff −（５） したがって、増幅器の増幅率Ａは、次式となる。 Ａ＝ exp(gL) −（６）
【００４１】上述した関係式（１），（２）を満たしな
がら光増幅を実現するためには、増幅部１における電子
の有効質量ｍを小さくするとともに、誘電体光導波路の
高屈折率化や増幅部１の構成によって光の波数β＝ｎ
eff ω／ｃを大きくすること、つまり電子走行方向であ
るｚ方向への光の伝搬速度ｃ／ｎeff を小さくする必要
がある（電子の有効質量ｍが大きくなる場合には、等価
屈折率ｎeff を大きくしない限り関係式（１），（２）
が満足できないため、式（５）における増幅部１の長さ
Ｌが短くなり、結果的に式（６）の増幅率が小さくな
る）。また、電子走行方向であるｚ方向に光の電界成分
が生ずるようにする必要があり、ｚ方向に光の電界成分
が無いと光は増幅されない。逆方向の光は波数が−βと
なり式（２）を満足しないので増幅されない。以下、光
の速度を低下させるとともにｚ方向の電界成分を得るよ
うにした増幅部１の構成例を図５〜図８に基づいて説明
する。
がら光増幅を実現するためには、増幅部１における電子
の有効質量ｍを小さくするとともに、誘電体光導波路の
高屈折率化や増幅部１の構成によって光の波数β＝ｎ
eff ω／ｃを大きくすること、つまり電子走行方向であ
るｚ方向への光の伝搬速度ｃ／ｎeff を小さくする必要
がある（電子の有効質量ｍが大きくなる場合には、等価
屈折率ｎeff を大きくしない限り関係式（１），（２）
が満足できないため、式（５）における増幅部１の長さ
Ｌが短くなり、結果的に式（６）の増幅率が小さくな
る）。また、電子走行方向であるｚ方向に光の電界成分
が生ずるようにする必要があり、ｚ方向に光の電界成分
が無いと光は増幅されない。逆方向の光は波数が−βと
なり式（２）を満足しないので増幅されない。以下、光
の速度を低下させるとともにｚ方向の電界成分を得るよ
うにした増幅部１の構成例を図５〜図８に基づいて説明
する。
【００４２】図５の構成例では、増幅部１は、電子ビー
ム走行部１６の周囲に高屈折率の誘電体光導波路１７を
螺旋状に巻き付けるように配置して構成する。誘電体光
導波路は、一般に、導波路の中心に光が集まるように分
布して導波されるが、光が導波路中に完全に閉じこめら
れることはなく、光が導波路の外部にしみ出すこととな
る。よって、この構成例の場合、光の電界Ｅは図中の模
式図に併記したように誘電体光導波路１７からしみ出し
て分布し、電子ビームと斜めに交差するためｚ方向の電
界成分が生じ、電子ビームからエネルギーを得て増幅さ
れる。
ム走行部１６の周囲に高屈折率の誘電体光導波路１７を
螺旋状に巻き付けるように配置して構成する。誘電体光
導波路は、一般に、導波路の中心に光が集まるように分
布して導波されるが、光が導波路中に完全に閉じこめら
れることはなく、光が導波路の外部にしみ出すこととな
る。よって、この構成例の場合、光の電界Ｅは図中の模
式図に併記したように誘電体光導波路１７からしみ出し
て分布し、電子ビームと斜めに交差するためｚ方向の電
界成分が生じ、電子ビームからエネルギーを得て増幅さ
れる。
【００４３】図６（ａ）、（ｂ）の構成例では、増幅部
１は、図６（ａ）に示すように、高屈折率の誘電体光導
波路１７を電子ビーム走行部１６と複数の部位で互に直
交するように配置して構成する。電子ビーム走行部１６
は、図６（ｂ）のｙ方向断面図に示すように、誘電体光
導波路１７が挟むように配置されている。この構成例の
場合、誘電体光導波路１７により光が蛇行しながら伝搬
するため、ｚ方向への光の伝搬速度は低下し、ｚ方向の
電界成分も生じる。また、電子ビーム走行部１６を光の
波長に比べて十分薄くすることにより、光の電界Ｅの分
布は図６（ｂ）中の模式図のように電子ビーム走行部１
６で強くなるため、十分に増幅することができる。
１は、図６（ａ）に示すように、高屈折率の誘電体光導
波路１７を電子ビーム走行部１６と複数の部位で互に直
交するように配置して構成する。電子ビーム走行部１６
は、図６（ｂ）のｙ方向断面図に示すように、誘電体光
導波路１７が挟むように配置されている。この構成例の
場合、誘電体光導波路１７により光が蛇行しながら伝搬
するため、ｚ方向への光の伝搬速度は低下し、ｚ方向の
電界成分も生じる。また、電子ビーム走行部１６を光の
波長に比べて十分薄くすることにより、光の電界Ｅの分
布は図６（ｂ）中の模式図のように電子ビーム走行部１
６で強くなるため、十分に増幅することができる。
【００４４】図７（ａ）、（ｂ）の構成例では、増幅部
１は、誘電体光導波路１７を図７（ａ）に示すようにジ
グザグ状断面にすることにより、誘電体光導波路１７を
電子ビーム走行部１６と複数の部位で互に同一設定角度
で交差するように配置して構成する。ｚ方向に延在する
電子ビーム走行部１６に対する誘電体光導波路１７の最
適交差角度は、誘電体光導波路１７の屈折率および幅、
電子ビーム走行部１６の幅、および印加電圧８の大きさ
等に基づいて決定される。この構成例の場合、誘電体光
導波路１６の折り返し部分を上記図６（ａ）、（ｂ）の
構成例よりも減少させたため、折り返し部分での不必要
な光反射や散乱損失を減少させることができる。
１は、誘電体光導波路１７を図７（ａ）に示すようにジ
グザグ状断面にすることにより、誘電体光導波路１７を
電子ビーム走行部１６と複数の部位で互に同一設定角度
で交差するように配置して構成する。ｚ方向に延在する
電子ビーム走行部１６に対する誘電体光導波路１７の最
適交差角度は、誘電体光導波路１７の屈折率および幅、
電子ビーム走行部１６の幅、および印加電圧８の大きさ
等に基づいて決定される。この構成例の場合、誘電体光
導波路１６の折り返し部分を上記図６（ａ）、（ｂ）の
構成例よりも減少させたため、折り返し部分での不必要
な光反射や散乱損失を減少させることができる。
【００４５】図８（ａ）、（ｂ）の構成例では、増幅部
１は、誘電体光導波路１７を図８（ａ）に示すように電
子ビーム走行部１６よりも幅広に構成するとともに、図
８（ｂ）に示すように、誘電体光導波路１７の中央部を
電子ビーム走行部１６が貫通するように誘電体光導波路
１７を電子ビーム走行部１６に対し平行配置して構成す
る。この構成例の場合、誘電体光導波路１７の側面での
反射（その軌跡を図８（ａ）に矢印で示す）により光を
蛇行させるようにしている。
１は、誘電体光導波路１７を図８（ａ）に示すように電
子ビーム走行部１６よりも幅広に構成するとともに、図
８（ｂ）に示すように、誘電体光導波路１７の中央部を
電子ビーム走行部１６が貫通するように誘電体光導波路
１７を電子ビーム走行部１６に対し平行配置して構成す
る。この構成例の場合、誘電体光導波路１７の側面での
反射（その軌跡を図８（ａ）に矢印で示す）により光を
蛇行させるようにしている。
【００４６】以上の各構成例において、電子ビーム走行
部１６の材料としては、（１）電子の有効質量が小さ
い、（２）伝導帯の上部準位まで放物線関数状のエネル
ギーとなっている、（３）光の損失が少ない、の３つの
条件を満たす必要がある。これらの条件を考慮すると、
近赤外領域から可視光領域に用いる場合にはZnSe, ZnT
e, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこれらの混晶等
のII-VI 族半導体もしくはCaF2, SrF2, BaF2等の絶縁材
料を用いるのが好ましく、赤外領域に用いる場合にはIn
P, InSb, InAs, GaP, GnSb, GnAsおよびこれら混晶等の
III-V 族半導体を用いるのが好ましい。なお、電子吸収
部３の材料としても上記材料を用いる。
部１６の材料としては、（１）電子の有効質量が小さ
い、（２）伝導帯の上部準位まで放物線関数状のエネル
ギーとなっている、（３）光の損失が少ない、の３つの
条件を満たす必要がある。これらの条件を考慮すると、
近赤外領域から可視光領域に用いる場合にはZnSe, ZnT
e, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこれらの混晶等
のII-VI 族半導体もしくはCaF2, SrF2, BaF2等の絶縁材
料を用いるのが好ましく、赤外領域に用いる場合にはIn
P, InSb, InAs, GaP, GnSb, GnAsおよびこれら混晶等の
III-V 族半導体を用いるのが好ましい。なお、電子吸収
部３の材料としても上記材料を用いる。
【００４７】また、誘電体光導波路１７の材料として
は、無損失の高屈折率材料である必要があり、この条件
を考慮すると、近赤外領域から可視光領域に用いる場合
にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこ
れらの混晶等のII-VI 族半導体もしくはGaN, GaP, AlAs
およびこれらの混晶等のIII-V 族半導体を用いるのが好
ましく、赤外領域に用いる場合にはInP, InSb, InAs, G
aP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等のIII-V 族半導体
またはSi、Ge等のIV族半導体を用いるのが好ましい。
は、無損失の高屈折率材料である必要があり、この条件
を考慮すると、近赤外領域から可視光領域に用いる場合
にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS およびこ
れらの混晶等のII-VI 族半導体もしくはGaN, GaP, AlAs
およびこれらの混晶等のIII-V 族半導体を用いるのが好
ましく、赤外領域に用いる場合にはInP, InSb, InAs, G
aP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等のIII-V 族半導体
またはSi、Ge等のIV族半導体を用いるのが好ましい。
【００４８】本実施形態の光増幅器の性能に最も大きく
影響を与えるものは、電子ビーム走行部１６の材料選定
であり、より大きな増幅率を得るためには、電子の有効
質量がより小さく、伝導帯のより上部まで放物線関数状
のエネルギー準位となっている材料である必要がある。
ところが、既存の材料はこれらの要求を完全には満たし
ていないため、１段のみの光増幅器では一定の増幅率し
か得られない。
影響を与えるものは、電子ビーム走行部１６の材料選定
であり、より大きな増幅率を得るためには、電子の有効
質量がより小さく、伝導帯のより上部まで放物線関数状
のエネルギー準位となっている材料である必要がある。
ところが、既存の材料はこれらの要求を完全には満たし
ていないため、１段のみの光増幅器では一定の増幅率し
か得られない。
【００４９】そこで、大きい増幅率を得るためには、図
９に示すように、複数個の光増幅器を縦続接続して多段
構造の一方向性光増幅器とする。この場合、増幅部１、
電子放射部２、電子吸収部３の構成としては、図２〜図
４の何れか１つと、図５〜図８の何れか１つとを組み合
わせるものとする。この図８の多段構造の一方向性光増
幅器では、図示左端の光入力端４から光を入射させると
図示右端の光出力端５から光が出力される。Ｎ段（Ｎは
自然数）の光増幅器を縦続接続した場合の全増幅率Ａ
は、次式で表わされる。 Ａ＝ｅｘｐ（ＮｇＬ） −（７）
９に示すように、複数個の光増幅器を縦続接続して多段
構造の一方向性光増幅器とする。この場合、増幅部１、
電子放射部２、電子吸収部３の構成としては、図２〜図
４の何れか１つと、図５〜図８の何れか１つとを組み合
わせるものとする。この図８の多段構造の一方向性光増
幅器では、図示左端の光入力端４から光を入射させると
図示右端の光出力端５から光が出力される。Ｎ段（Ｎは
自然数）の光増幅器を縦続接続した場合の全増幅率Ａ
は、次式で表わされる。 Ａ＝ｅｘｐ（ＮｇＬ） −（７）
【００５０】次に、本実施形態の作用を説明する。図１
に示す一方向性光増幅器の増幅部１および電子放射部２
間に負電圧８（図２〜図４参照）を印加し、光入力端４
より光を入射させると、増幅された光が光り出力端５よ
り得られる。この場合、コヒーレント光、インコヒーレ
ント光の何れの光も増幅することができる。また、上述
したような各種材料の中から所定の材料を選定するとと
もに、図２〜図４の何れか１つと図５〜図８の何れか１
つとを組み合わせて増幅部１、電子放射部２および電子
吸収部３を構成することにより、種々の波長での光の一
方向性増幅が可能になる。なお、その際、増幅すべき光
の波長は電子ビーム走行部の材料のバンドギャップや伝
導帯中でのエネルギー準位構造等により決定される。
に示す一方向性光増幅器の増幅部１および電子放射部２
間に負電圧８（図２〜図４参照）を印加し、光入力端４
より光を入射させると、増幅された光が光り出力端５よ
り得られる。この場合、コヒーレント光、インコヒーレ
ント光の何れの光も増幅することができる。また、上述
したような各種材料の中から所定の材料を選定するとと
もに、図２〜図４の何れか１つと図５〜図８の何れか１
つとを組み合わせて増幅部１、電子放射部２および電子
吸収部３を構成することにより、種々の波長での光の一
方向性増幅が可能になる。なお、その際、増幅すべき光
の波長は電子ビーム走行部の材料のバンドギャップや伝
導帯中でのエネルギー準位構造等により決定される。
【００５１】上記光の一方向性増幅を実現する本実施形
態の一方向性光増幅器は、以下の点で従来技術と相違し
ている。第１に、本実施形態は光を一方向にのみ増幅す
る素子または装置であり、双方向への可逆増幅を行う従
来技術である「レーザ」とは本質的に異なる機能を有し
ている。第２に、本実施形態における光増幅作用は、発
明者による新たな理論解析により予見される現象であ
り、この理論解析により、発明者は従来技術や他の構想
とは基本的に異なる動作原理を提案している。
態の一方向性光増幅器は、以下の点で従来技術と相違し
ている。第１に、本実施形態は光を一方向にのみ増幅す
る素子または装置であり、双方向への可逆増幅を行う従
来技術である「レーザ」とは本質的に異なる機能を有し
ている。第２に、本実施形態における光増幅作用は、発
明者による新たな理論解析により予見される現象であ
り、この理論解析により、発明者は従来技術や他の構想
とは基本的に異なる動作原理を提案している。
【００５２】第３に、本実施形態の増幅部１は固体中の
電子を用いており、熱平衡時のフェルミレベルよりも十
分高く励起されたエネルギー準位を利用して光を一方向
に増幅するものであり、従来技術である「進行波管」が
真空中の電子を利用しているのとは大きく異なる。ま
た、基礎研究として試みられた従来技術である「バンド
間遷移による光の進行波増幅」がフェルミレベル付近の
電子を使用し、かつ、伝導帯から価電子帯へのバンド間
遷移であることとも原理的に異なる。
電子を用いており、熱平衡時のフェルミレベルよりも十
分高く励起されたエネルギー準位を利用して光を一方向
に増幅するものであり、従来技術である「進行波管」が
真空中の電子を利用しているのとは大きく異なる。ま
た、基礎研究として試みられた従来技術である「バンド
間遷移による光の進行波増幅」がフェルミレベル付近の
電子を使用し、かつ、伝導帯から価電子帯へのバンド間
遷移であることとも原理的に異なる。
【００５３】第４に、本実施形態はフェルミレベルより
も十分に高く励起されたエネルギー準位を利用して光の
一方向増幅を行うため、電子位相への散乱現象による妨
害を受けにくくなり、光増幅が可能になる。これは、上
記「バンド間遷移による光の進行波増幅」が電子位相散
乱による障害のために実現できなかったことと大きく異
なる。また、現在、各種の「電子波干渉」を利用した機
能素子の実現が学問的に検討されているが、これらの素
子は電子位相散乱により妨害されやすいため、電子位相
散乱が生じない範囲でしか電子と電磁界との相互作用が
生じない。これに対し、本実施形態の光の一方向増幅器
は、こららの機能素子とは異なり、エネルギー緩和時間
により特性が定まるため、電子と電磁界との相互作用が
生じる範囲を拡大することができる。
も十分に高く励起されたエネルギー準位を利用して光の
一方向増幅を行うため、電子位相への散乱現象による妨
害を受けにくくなり、光増幅が可能になる。これは、上
記「バンド間遷移による光の進行波増幅」が電子位相散
乱による障害のために実現できなかったことと大きく異
なる。また、現在、各種の「電子波干渉」を利用した機
能素子の実現が学問的に検討されているが、これらの素
子は電子位相散乱により妨害されやすいため、電子位相
散乱が生じない範囲でしか電子と電磁界との相互作用が
生じない。これに対し、本実施形態の光の一方向増幅器
は、こららの機能素子とは異なり、エネルギー緩和時間
により特性が定まるため、電子と電磁界との相互作用が
生じる範囲を拡大することができる。
【００５４】第５に、本実施形態は、光（電磁波）の伝
送に誘電体伝送路を用いており、上記「進行波管」が金
属伝送路による電磁波伝搬を必要とし、「金属伝送路に
誘起された電流によって電磁波が増幅される」ことを理
論的な裏付けとしていることと大きく異なる。本実施形
態では、金属伝送路が無くても電子ビームによって光が
直接的に増幅されることを量子力学に基づいて理論的に
示しており、金属伝送路を原理的に必要としない。
送に誘電体伝送路を用いており、上記「進行波管」が金
属伝送路による電磁波伝搬を必要とし、「金属伝送路に
誘起された電流によって電磁波が増幅される」ことを理
論的な裏付けとしていることと大きく異なる。本実施形
態では、金属伝送路が無くても電子ビームによって光が
直接的に増幅されることを量子力学に基づいて理論的に
示しており、金属伝送路を原理的に必要としない。
【００５５】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、現在までに実現されていない単一方向性の光増幅を
実現することができる。本実施形態の一方向性光増幅器
は、いわば光周波数領域におけるトランジスタに相当す
るようなものであり、一方向性光増幅器が出現した場
合、現状の光通信技術、光計測技術、光記録技術の継続
的な発展の他に、光エレクトロニクスの分野の発展は勿
論、電子工学、情報工学の分野の飛躍的な発展が期待で
きる。
ば、現在までに実現されていない単一方向性の光増幅を
実現することができる。本実施形態の一方向性光増幅器
は、いわば光周波数領域におけるトランジスタに相当す
るようなものであり、一方向性光増幅器が出現した場
合、現状の光通信技術、光計測技術、光記録技術の継続
的な発展の他に、光エレクトロニクスの分野の発展は勿
論、電子工学、情報工学の分野の飛躍的な発展が期待で
きる。
【００５６】例えば、光ファイバ通信用の光源に適用し
たり、各種光計測器に適用した場合、光アイソレータを
用いなくても、反射戻り光の障害が生じなくなる。ま
た、光ディスクにおける光ピックアップに適用した場
合、反射戻り光の影響はなくなり、高品位の光信号を維
持することができる。また、増幅条件を適宜変更するこ
とにより、光変調器や光スイッチの構成になる等、幾多
の光機能素子への応用が可能である。
たり、各種光計測器に適用した場合、光アイソレータを
用いなくても、反射戻り光の障害が生じなくなる。ま
た、光ディスクにおける光ピックアップに適用した場
合、反射戻り光の影響はなくなり、高品位の光信号を維
持することができる。また、増幅条件を適宜変更するこ
とにより、光変調器や光スイッチの構成になる等、幾多
の光機能素子への応用が可能である。
【００５７】上記単一方向性光増幅の実現による最大の
利点は、光信号を用いた回路合成が可能になることであ
り、これにより、光発振器、光増幅器、光変調器、光ス
イッチ、光メモリ等の各種の光機能素子を光集積回路と
して一体構成することができる。なお、光集積回路を実
現しようとする構想は以前からあったが、次段から前段
に光が戻るため各素子の機能分離ができないという問題
を解決できなかったため、進展していなかった。この問
題は、本実施形態の一方向性光増幅器を挿入することに
より解決され、各素子の機能分離が可能になる。
利点は、光信号を用いた回路合成が可能になることであ
り、これにより、光発振器、光増幅器、光変調器、光ス
イッチ、光メモリ等の各種の光機能素子を光集積回路と
して一体構成することができる。なお、光集積回路を実
現しようとする構想は以前からあったが、次段から前段
に光が戻るため各素子の機能分離ができないという問題
を解決できなかったため、進展していなかった。この問
題は、本実施形態の一方向性光増幅器を挿入することに
より解決され、各素子の機能分離が可能になる。
【００５８】さらに、光集積回路の実現により、電子回
路よりも大容量の情報を扱う本格的な光情報処理や光演
算が可能になり、既存の電子式コンピュータよりも一万
倍以上高速な処理速度を有する本格的な光コンピュータ
の実現が期待できる。
路よりも大容量の情報を扱う本格的な光情報処理や光演
算が可能になり、既存の電子式コンピュータよりも一万
倍以上高速な処理速度を有する本格的な光コンピュータ
の実現が期待できる。
【００５９】
【実施例】図１の構成において、増幅部１、電子放射部
２、電子吸収部３を図２および図６に示すように構成
し、電子ビーム走行部１６にZnSeを用いるとともに誘電
体光導波路１７にGaAsを用いる。この構成において、理
論解析を行うと、波長λ＝１μｍの光で、印加電圧（Ｖ
e ）８をＶe ＝２．５Ｖとした場合、増幅部１の素子長
ＬがＬ＝２．３μｍでは光の利得定数ｇがｇ≧５４０ｃ
ｍ-1となり、１段当たりの増幅率Ａは、上記（６）式よ
り１．１３以上となり、１．１３倍以上の光増幅が実現
される。さらに、上記図１の一方向性光増幅器を２０個
用いて図９に示す多段化構造の一方向性光増幅器を構成
した場合、２０段の一方向性光増幅器の増幅率Ａは、上
記（７）式より１１以上となり、１１倍以上の光増幅が
実現される。
２、電子吸収部３を図２および図６に示すように構成
し、電子ビーム走行部１６にZnSeを用いるとともに誘電
体光導波路１７にGaAsを用いる。この構成において、理
論解析を行うと、波長λ＝１μｍの光で、印加電圧（Ｖ
e ）８をＶe ＝２．５Ｖとした場合、増幅部１の素子長
ＬがＬ＝２．３μｍでは光の利得定数ｇがｇ≧５４０ｃ
ｍ-1となり、１段当たりの増幅率Ａは、上記（６）式よ
り１．１３以上となり、１．１３倍以上の光増幅が実現
される。さらに、上記図１の一方向性光増幅器を２０個
用いて図９に示す多段化構造の一方向性光増幅器を構成
した場合、２０段の一方向性光増幅器の増幅率Ａは、上
記（７）式より１１以上となり、１１倍以上の光増幅が
実現される。
【図１】本発明の第１実施形態の一方向性光増幅器の基
本構造を示す原理図である。
本構造を示す原理図である。
【図２】第１実施形態の一方向性光増幅器全体の構成例
の動作を説明するための図である。
の動作を説明するための図である。
【図３】第１実施形態の一方向性光増幅器全体の他の構
成例の動作を説明するための図である。
成例の動作を説明するための図である。
【図４】第１実施形態の一方向性光増幅器全体の他の構
成例の動作を説明するための図である。
成例の動作を説明するための図である。
【図５】第１実施形態の一方向性光増幅器の増幅部の構
成例を示す断面図である。
成例を示す断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、第１実施形態の一方向性光
増幅器の増幅部の他の構成例を示す断面図である。
増幅器の増幅部の他の構成例を示す断面図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、第１実施形態の一方向性光
増幅器の増幅部の他の構成例を示す断面図である。
増幅器の増幅部の他の構成例を示す断面図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、第１実施形態の一方向性光
増幅器の増幅部の他の構成例を示す断面図である。
増幅器の増幅部の他の構成例を示す断面図である。
【図９】第１実施形態の一方向性光増幅器を複数個縦続
接続して構成した多段構造の一方向性光増幅器を示す図
である。
接続して構成した多段構造の一方向性光増幅器を示す図
である。
１ 増幅部 ２ 電子放射部 ３ 電子吸収部 ４ 光入力端 ５ 光出力端 ６ 放射電極 ７ａ，７ｂ 電子障壁 １２ 電位保持電極 １３ ｎ型半導体 １６ 電子ビーム走行部 １７ 誘電体光導波路 １８ ｐ型半導体 １９ 電位吸収用電極
Claims (8)
- 【請求項１】 光入力端から入力される光を光出力端に
導く高屈折率の誘電体光導波路および電子ビーム走行方
向に延在する直線状の電子ビーム走行部から成り、フェ
ルミレベルより十分高いエネルギー準位を利用して光を
一方向に増幅する増幅部と、前記電子ビーム走行部に電
子ビームを放射する電子放射部と、前記電子ビーム走行
部から出射する電子ビームを吸収する電子吸収部とを具
える一方向性光増幅器であって、 前記増幅部における電子の有効質量が小さくなるように
前記電子ビーム走行部を構成するとともに、前記増幅部
における光の波数を大きくしかつ電子ビーム走行方向に
光の電界成分が生ずるように前記誘電体光導波路および
前記電子ビーム走行部を配置して成ることを特徴とする
一方向性光増幅器。 - 【請求項２】 前記増幅部は、前記電子ビーム走行部の
周囲に前記誘電体光導波路を螺旋状に巻き付けるように
配置して成ることを特徴とする請求項１記載の一方向性
光増幅器。 - 【請求項３】 前記増幅部は、前記誘電体光導波路およ
び前記電子ビーム走行部を複数の部位で互に直交するよ
うに配置して成ることを特徴とする請求項１記載の一方
向性光増幅器。 - 【請求項４】 前記増幅部は、前記誘電体光導波路およ
び前記電子ビーム走行部を複数の部位で互に同一設定角
度で交差するように配置して成ることを特徴とする請求
項１記載の一方向性光増幅器。 - 【請求項５】 前記増幅部は、前記誘電体光導波路の中
央部を前記電子ビーム走行部が貫通するように、前記誘
電体光導波路を前記電子ビーム走行部に対し平行配置し
て成ることを特徴とする請求項１記載の一方向性光増幅
器。 - 【請求項６】 前記電子ビーム走行部は、近赤外領域か
ら可視光領域に用いる場合にはZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS,
CdSe, CdTe, CdS およびこれらの混晶等のII-VI 族半導
体もしくはCaF2, SrF2，BaF2等の絶縁材料より成り、赤
外領域に用いる場合にはInP, InSb, InAs, GaP, GaSb,
GaAsおよびこれらの混晶等のIII-V 族半導体より成るこ
とを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の一方向
性光増幅器。 - 【請求項７】 前記誘電体光導波路は、近赤外領域から
可視光領域に用いる場合にはZnSe，ZnTe, ZnO, ZnS, Cd
Se, CdTe, CdS およびこれらの混晶等のII-VI 族半導体
もしくはGaN, GaP, AlAsおよびこれらの混晶等のIII-V
族半導体より成り、赤外領域に用いる場合にはInP, InS
b, InAs, GaP, GaSb, GaAsおよびこれらの混晶等のIII-
V 族半導体またはSi, Ge等のIV族半導体より成ることを
特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の一方向性光
増幅器。 - 【請求項８】 前記請求項１〜７の何れか１項記載の一
方向性光増幅器を複数個縦続接続して多段構造としたこ
とを特徴とする一方向性光増幅器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9071147A JP3072363B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 一方向性光増幅器 |
| US09/046,508 US6219175B1 (en) | 1997-03-25 | 1998-03-24 | Unidirectional optical amplifier |
| EP98302257A EP0867987B1 (en) | 1997-03-25 | 1998-03-25 | Unidirectional optical amplifier |
| DE69823729T DE69823729T2 (de) | 1997-03-25 | 1998-03-25 | Unidirektionaler optischer Verstärker |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9071147A JP3072363B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 一方向性光増幅器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10270808A true JPH10270808A (ja) | 1998-10-09 |
| JP3072363B2 JP3072363B2 (ja) | 2000-07-31 |
Family
ID=13452208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9071147A Expired - Lifetime JP3072363B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 一方向性光増幅器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6219175B1 (ja) |
| EP (1) | EP0867987B1 (ja) |
| JP (1) | JP3072363B2 (ja) |
| DE (1) | DE69823729T2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6195199B1 (en) * | 1997-10-27 | 2001-02-27 | Kanazawa University | Electron tube type unidirectional optical amplifier |
| US6219175B1 (en) * | 1997-03-25 | 2001-04-17 | Kanazawa University | Unidirectional optical amplifier |
| US6301041B1 (en) * | 1998-08-18 | 2001-10-09 | Kanazawa University | Unidirectional optical amplifier |
| US6448850B1 (en) | 1999-05-20 | 2002-09-10 | Kanazawa University | Electromagnetic wave amplifier and electromagnetic wave generator |
| US10366935B2 (en) | 2013-04-09 | 2019-07-30 | Otis Elevator Company | Architecture of drive unit employing gallium nitride switches |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7787176B2 (en) * | 2001-09-04 | 2010-08-31 | Massachusetts Institute Of Technology | On-chip optical amplifier |
| US7339724B2 (en) * | 2005-06-28 | 2008-03-04 | California Institute Of Technology | Bremsstrahlung laser (“blaser”) |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3822410A (en) * | 1972-05-08 | 1974-07-02 | J Madey | Stimulated emission of radiation in periodically deflected electron beam |
| US4122372A (en) | 1977-10-11 | 1978-10-24 | Dartmouth College | Dielectrically loaded waveguide for producing high power coherent microwave radiation |
| IL62609A (en) * | 1981-04-08 | 1984-12-31 | Technion Res & Dev Foundation | Electromagnetic wave amplifiers and generators |
| US4506229A (en) * | 1982-01-26 | 1985-03-19 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | Free electron laser designs for laser amplification |
| US4511850A (en) * | 1982-01-26 | 1985-04-16 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Short pulse free electron laser amplifier |
| US4529942A (en) * | 1982-01-29 | 1985-07-16 | At&T Bell Laboratories | Free-electron amplifier device with electromagnetic radiation delay element |
| US5268693A (en) | 1990-08-31 | 1993-12-07 | Trustees Of Dartmouth College | Semiconductor film free electron laser |
| JP3072363B2 (ja) * | 1997-03-25 | 2000-07-31 | 金沢大学長 | 一方向性光増幅器 |
| JP2981543B2 (ja) * | 1997-10-27 | 1999-11-22 | 金沢大学長 | 電子管型一方向性光増幅器 |
-
1997
- 1997-03-25 JP JP9071147A patent/JP3072363B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1998
- 1998-03-24 US US09/046,508 patent/US6219175B1/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-03-25 EP EP98302257A patent/EP0867987B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1998-03-25 DE DE69823729T patent/DE69823729T2/de not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6219175B1 (en) * | 1997-03-25 | 2001-04-17 | Kanazawa University | Unidirectional optical amplifier |
| US6195199B1 (en) * | 1997-10-27 | 2001-02-27 | Kanazawa University | Electron tube type unidirectional optical amplifier |
| US6301041B1 (en) * | 1998-08-18 | 2001-10-09 | Kanazawa University | Unidirectional optical amplifier |
| US6448850B1 (en) | 1999-05-20 | 2002-09-10 | Kanazawa University | Electromagnetic wave amplifier and electromagnetic wave generator |
| US10366935B2 (en) | 2013-04-09 | 2019-07-30 | Otis Elevator Company | Architecture of drive unit employing gallium nitride switches |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3072363B2 (ja) | 2000-07-31 |
| US6219175B1 (en) | 2001-04-17 |
| EP0867987A3 (en) | 2000-01-26 |
| DE69823729T2 (de) | 2005-04-28 |
| EP0867987B1 (en) | 2004-05-12 |
| DE69823729D1 (de) | 2004-06-17 |
| EP0867987A2 (en) | 1998-09-30 |
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