JPH11271828A - 光制御装置 - Google Patents

光制御装置

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JPH11271828A
JPH11271828A JP7412498A JP7412498A JPH11271828A JP H11271828 A JPH11271828 A JP H11271828A JP 7412498 A JP7412498 A JP 7412498A JP 7412498 A JP7412498 A JP 7412498A JP H11271828 A JPH11271828 A JP H11271828A
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JP
Japan
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light
range
angular frequency
semiconductor
incident
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Application number
JP7412498A
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English (en)
Inventor
Yoshihiko Mizushima
宜彦 水島
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication of JPH11271828A publication Critical patent/JPH11271828A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 通常の半導体を用いて、光の入射角を考慮せ
ずに、電力消費無しで、光で光を制御する光制御装置を
提供すること。 【解決手段】 半導体1に磁界2を印加し、かつ、磁界
2の印加方向と直交する方向に光3を入射せしめるよう
になされた配置構成において定まるプラズマ角周波数
(ωp)とサイクロトロン角周波数(ωc)により規定さ
れる角周波数(ω)の範囲、(ωp 2+ωc 21/2>ω>
{(4ωp 2+ωc 21/2−ωc}/2を第1の範囲とし、
(ωp 2+ωc 21/2<ω<{(4ωp 2+ωc 21/2
ωc}/2を第2の範囲とし、半導体1に入射する光3
は複数であって、光の角周波数が第1の範囲及び第2の
範囲内に選ばれており、複数の光の相互作用によって光
の波長がシフトすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光で光を制御する
光制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体に磁界を加え、これを高周波電磁
界のもとに置くと、磁気プラズマ共鳴が発生する。この
効果を利用して光の増幅を行う公知例としては、本発明
者が提案した特許2680369号及びこの理論を紹介
したJ.Appl.Phys.75,No.5,p23
4(1994)などがあり、これらは電流と光との相互
作用を利用したものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記公知例は、本発明
を理解するための基礎となるが、あくまで電流と光との
相互作用を利用したものである。本発明者は、上記公知
例と異なり、光で光を制御する装置に着目した。従来か
ら、光で光を制御する装置に関する発明は知られておら
ず、他に先行技術のないものである。
【0004】尚、光が物質に入射して性質を変える現象
としては、電気光学効果が知られているが、圧電結晶な
ど特殊な結晶を用い、特定の方向から光を入射させる等
の技術を必要とする。
【0005】本発明は、かかる事象に鑑みなされたもの
であり、通常の半導体を用いて、光の入射角を考慮せず
に、光で光を制御する光制御装置を提供することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光制御装置は、半導体に磁界を印加し、か
つ、当該磁界の印加方向と直交する方向に光を入射せし
めるようになされた配置構成において、プラズマ角周波
数(ωp)とサイクロトロン角周波数(ωc)により規定
される角周波数(ω)の範囲
【数3】 を第1の範囲とし、
【数4】 を第2の範囲とし、半導体に入射する光は複数であっ
て、当該光の角周波数が第1の範囲及び第2の範囲内に
選ばれており、複数の光の相互作用によって光の波長が
シフトすることを特徴とする。
【0007】本発明によれば、半導体に入射する光の角
周波数が、
【数5】 である第1の範囲と、
【数6】 である第2の範囲に選ばれているため、光は半導体を透
過する。半導体に入射した光の成分は、磁気プラズマ共
鳴のもとでは縦方向(進行方向)にも成分を有する縦波
モードとなって伝播する。縦波は、電子の空間電荷を惹
起し、これが複数の波の間で結合して相互作用が発生す
る。光の相互作用が発生すると、結合モードが発生し、
光の波長がシフトする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の光制御装置の好適
な実施形態について詳細に説明する。図1は、本実施形
態に係る光制御装置の基本形態を示す斜視図である。こ
の図において、半導体1の含有する自由キャリア(電
子)密度をn、その(有効)質量をm、誘電率をε、単
位電子電荷をqとすれば、プラズマ角周波数(ωp
は、(q2n/εm)1/2で与えられる。また、半導体1
に磁界2を印加し、その磁束密度をBとすれば、キャリ
アのサイクロトロン角周波数(ωc)は、qB/mで与
えられる。さらに、磁界2と直交する方向から半導体1
へ光を入射させる手段を設け、複数の光3を入射させる
と、半導体1の他端から出射ビーム4が図に示す方向に
出射される。
【0009】以上のような磁界と光が直交する配置はV
oigt配置と呼ばれる公知の構成である。このような
場合、磁気プラズマ共鳴によって、半導体1に入射する
光3は影響を受ける。光の角周波数(ω)によって、図
2のように透過と全反射が起こる。即ち、電子散乱によ
る緩和時定数をτ、エネルギーギャップ相当角周波数を
【数7】 とすると、以下の通りである。
【0010】
【数8】 これらの磁気プラズマ分散関係式は、波数(k)及び光
速(c)を用いて、
【数9】 で規定される。この領域を角周波数に対して表示したも
のが、上述した図2に相当し、透過域と反射域とが交互
に出現する。尚、これらの図2の領域の両端には、電子
散乱による緩和限界であるA領域とエネルギーギャップ
限界であるF領域とが存在する。
【0011】図2のA領域は、電子散乱による緩和時定
数(τ)が支配しており、ωτ<1が成立する領域で、
光は吸収される。B領域では、プラズマ全反射が起こ
り、光は透過することができない。C領域では、磁気プ
ラズマ共鳴により、光は透過する。D領域では、磁気プ
ラズマ反共鳴により、光は透過できない。E領域では、
プラズマ効果のため、再び光透過域となる。F領域で
は、エネルギーギャップにより、光は吸収される。本実
施形態で使用する領域は、C領域及びE領域であり、図
2において太線で示した。
【0012】次に、理解の便のために、角周波数ではな
く、真空中波長(λ)で例示する。使用する半導体とし
ては、GaAsまたはInSbのN型結晶を規定する。
半導体の含有する自由キャリア(電子)密度nが1018
cm-3のとき、ωp相当の波長では30μm程度であ
り、自由キャリア(電子)密度nが1019cm-3のと
き、ωp相当の波長では3μm程度となり、自由キャリ
ア(電子)密度nを選定することで目的とする領域を設
定することができる。B=1Tとすると、ωcは1012
-1程度であり、一般にωp>ωcが成立する。そのた
め、本実施形態の適用領域は主としてωpで定まり、当
該実用領域は近赤外領域であることがわかる。この場
合、近似的に、
【数10】 となる。
【0013】1/τは、室温で1012-1程度であり、
電子の緩和現象は本実施形態の範囲に影響を及ぼさな
い。一方、エネルギーギャップは別の適用限界を規定す
るので、GaAsならば0.8μmよりも長波長側、I
nSbなら10μmよりも長波長側の赤外領域が適用領
域であり、これらの範囲は別途半導体材料によって色々
選択することができる。
【0014】このような赤外領域では、前記電気光学効
果は弱く、実質上有効な光制御装置は今まで知られてい
なかった。
【0015】上述した透過域内に複数の光の波長(また
は角周波数)を設定し、この光ビームを重ねて半導体に
入射させる。光の成分は磁気プラズマ共鳴のもとでは縦
方向(進行方向)にも成分を有する縦波モードとなって
伝播する。縦波は、電子の空間電荷を惹起し、これが複
数の波の間で結合して相互作用を発生させる。このこと
は、本発明者の検討の結果、初めて見い出されたことで
あり、本発明の基礎をなしている。
【0016】光は、通常、横波なので相互作用をするも
のではないが、このような場合は結合モードを発生し、
その周波数(波長)がずれる。例えば、角周波数がω1
とω2の光が入射し、相互作用を生ずると、結合モード
は両者の中間に発生する。発生する新しい角周波数は、
(ω1 2+ω2 21/2 となる。この発生周波数は、ほとん
どの場合、上記透過域内であることが示されるので、出
力も透過できるから、ω1とω2による周波数(波長)変
換器となることがわかる。もし、角周波数ω1とω2の光
の強度が等しい場合には、最も単純になり、ω1とω2
消失して、全てが新しい角周波数に移行する。
【0017】角周波数ω1とω2の光が相互作用を起こす
ためには、位相同期(速度同期)が必要である。これに
ついても、例えば、ω1をC領域、ω2をE領域にあるも
のとすれば、分散関係式から両者の位相速度が等しい関
係を選ぶことが可能であることが示される。即ち、角周
波数ω1の光とω2の光とは、同じ位相速度で進行するの
で、空間電荷の相互作用の結果、新しいモードに変換さ
れるのである。角周波数ω1とω2の二つの入射光の周波
数差が小さいときは、前記CまたはEの単独の領域内で
も位相速度の差が小さいので、相互作用を起こすことが
できる。
【0018】本実施形態では、光と光との相互作用のみ
により、自動的に予定された量だけの周波数シフトを起
こすもので、外部電源を必要としない。
【0019】本実施形態の光制御装置は、電気光学結晶
のような特殊な材料を使用せず、通常の半導体に光を入
射させるだけで波長変換を起こすので、特定の高価な結
晶、特定の結晶面異方性、入射面の偏波面を考慮する必
要がない。電気光学効果は、格子の束縛電子の運動を媒
介とするので格子共鳴振動数の制限を受けるが、本実施
形態では、光速で動作するので、高周波帯域の制限がな
い。
【0020】続いて、本実施形態の応用例を説明する。
本実施形態の応用として、制御光によって、被変調光に
負荷をかけることなく周波数変調を行うことができる。
即ち、制御光の振幅または周波数変調によって、被変調
光が周波数変調を受ける。被変調光の出力に分光器のよ
うな波長選択装置を組み合わせることで、出力光のオン
・オフを得る光スイッチとすることができる。この動作
は、光によるパラメトリック作用であり、従来から考え
られていた光パラメトリック現象を本装置で実現するこ
とができる。
【0021】制御光波長を時間的に、また、長さに関し
て走査することで、被制御光の別の波長の光も、これと
同期して走査することができるので、波長変換しながら
走査することができる。
【0022】また、次のような光論理ゲート作用も有用
である。即ち、角周波数ω1とω2の光の入力に対して、
出力をω1またはω2の角周波数において監視検出するよ
うになされた場合には、二入力に対して出力が消失する
のでNAND作用を、波長シフトされた出力光を監視検
出するときには出力が新規に発生するのでAND作用
を、また、ω1およびω2の入力の両角周波数において出
力を監視検出するときには、二入力のときのみ出力が消
失するのでXORの作用を示す。
【0023】この形式の光論理ゲートは未だ知られてい
ない。特に、電気を全く使用せず純粋な光のみにて動作
するので、パワーを全く消費しない演算であること、光
の走行時間で演算が終了するので、極めて速い演算であ
り、このように優れた演算装置は他に類例を見ない。
【0024】本装置の構成において、例えば、外部磁界
を加えてサイクロトロン周波数(ωc)を変えると、前
記透過範囲を変えて、その効果をオン・オフすることが
できる。また、半導体キャリヤを注入または抽出するよ
うな公知の手段、例えば、PN接合や光照射等の手段を
付設することで、前記透過範囲を変えて、その効果をオ
ン・オフすることもできる。
【0025】上記の実施形態に基づいて種々説明したよ
うに、超高速、無電力消費、特殊な結晶を使用しない等
の特徴を持つ光制御装置は、従来存在しなかった新規な
発明であり、従来無かった新しい効果をもたらすもので
あるので、その産業上の効果も大きなものがある。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光制御装
置によれば、通常の半導体を用いて、光の入射角を考慮
せず、しかも、電力を消費せずに、光で光を制御するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る光制御装置の基本形態を示す
斜視図である。
【図2】光の角周波数と反射域・吸収域・透過域の関係
を示すグラフである。
【符号の説明】
1…半導体、2…磁界、3…入射光、4…出射ビーム。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体に磁界を印加し、かつ、当該磁界
    の印加方向と直交する方向に光を入射せしめるようにな
    された配置構成において、プラズマ角周波数(ωp)と
    サイクロトロン角周波数(ωc)により規定される角周
    波数(ω)の範囲 【数1】 を第1の範囲とし、 【数2】 を第2の範囲とし、 半導体に入射する前記光は複数であって、当該光の角周
    波数が前記第1の範囲及び第2の範囲内に選ばれてお
    り、 前記複数の入射光の相互作用によって光の波長がシフト
    することを特徴とする光制御装置。
  2. 【請求項2】 半導体内キャリヤ密度または外部磁界を
    変化させることにより、該動作角周波数領域範囲をシフ
    トさせる手段を付設することを特徴とする請求項1記載
    の光制御装置。
  3. 【請求項3】 複数の入射光手段と、出射光手段とを具
    備し、規定された角周波数の出射光を検出することによ
    り光演算ゲート作用を行うことを特徴とする光制御装
    置。
JP7412498A 1998-03-23 1998-03-23 光制御装置 Pending JPH11271828A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006270012A (ja) * 2005-02-22 2006-10-05 Yoshihiko Mizushima 光増幅装置
CN113406839A (zh) * 2021-05-07 2021-09-17 华南师范大学 一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法

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