JPS60500231A - 層状半導体構造に与えられる光ビ−ムの強度が該ビ−ムを制御する - Google Patents

層状半導体構造に与えられる光ビ−ムの強度が該ビ−ムを制御する

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 層状半導体構造に与えられる光ビ ームの強度が該ビームを制御する 本発明は光ビームを制御するための装置に関し、更に詳細には入力ビームを、そ のビームの強度を変化させることによって制御するための層状半導体構造を含む 装置に関する。
発明の背景 従来技術においては、ある物質に与えられる光ビームの強度によってその物質の 誘電率、屈折率及び吸収係数を制御できることは知られている。このような変化 は該物質中での光旨−ムの伝播に影響を与える。このような物質は非線型光学物 質と呼ばれる。種々の装置において、気体、液体及び固体が非線型光学物質とし て使われて来た。
非線型光学物質での反射及び屈折の理論はソヒエトフイシックス(5oviet  Physics ) JETP 45 (5)、 1977年5月においてニ ー・イー・カブラン(A、 E、 Kaplan )が述べている。訳文は、ア メリカン インステイテユートオブ フィジックス(American In5 titute of Plysics )の896−905ベージ。
装置に与えられる光ビームの強度によってその装置内での光ビームの伝播が制御 されるような、集積固体非線型光学物質の開弁が望まれている。υDEE Sp ectrum(スペクトラム)、1981年6月2’6−33ページにおいて、 ピー、ダブル、スミス(P、 W、 Sm1th )とダブル。
シエイ、トムリンソン(W、 J、 Tomlinson )は、物質中の光ビ ームの伝播がそのビームの強度によって制御され斥ような固体物質の例を記載し ている。集積固体光学装置を開発する上での問題は、従来技術における物質はど れ1つとして、室温で動作できる集積光学装置の開発には適さないということで ある。
発明の概要 この問題は、層に対して垂直な方向に極性を持つ電界成分を有する構造に与えら れる可変入力元ビームを備えた層状半導体構造を含む光学装置によって解決され る。
入力光ビームの強度によって層中に捕捉された電荷、この捕捉された電荷を含む 層の誘電率、及びこの装置内の入力光ビームの伝播が制御される。
図面の簡単な説明 本発明は添付の図面を参照して以下の詳細な記述を読むことによシ、より良く理 解されるであろう。ここで、第1図は本発明を具象化する光学装置の概略図、第 2図は第1図の装置の特性曲線、 第3図はある動作条件下で生じる2つの異なる電荷密度機能曲線と共に表わした 、層状構造の断面図、第4図は本発明を具象化する他の光学装置の概略図、第5 .6.7図は第4図の装置の動作特性曲線、第8図は本発明を具象化する、さら に他の光学装置の概略図、 第9図は本発明を具象化する、さらに別の光学装置の概略図である。
詳細な記述 第1図を参照すると、光学装置10は線型光学物質14と非線型光学物質16と の間に光学インタフェース12を含む非線型スイッチンク装置である。線型光学 物質14は半導体物質のような固体基板物質である。
Ga□−xAlx A Sは適切な線型光学物質を選択できる合金系である。線 型光学物質14の屈折率はn。である。非線型光学物質16は小エネルギー ハ ント キャップ物質の層18と大工ネルキー ハント キャップ物質の層19と を交互にした層状半導体構造である。層状物質は該基板と格子整合されている。
層状半導体物質の1例は、物質18としてGaAs 0層を、物質19としてG  a l−、AlxA sの層を含む多量子井戸型構造である。非線型光学物質 は強度に依存した屈折率n=n1+n2I を有しておシ、これによって光学的 ケル(Kerr )効果が生じる。この式において工は入力ビームの強度、nl  は0強度屈折率、そしてn2は光学的ケル効果の係数である。この物質システ ムにより、装置10は0.85マイクロメ一タ以上の波長領域で効果的に動作す ることができる。線型光学物質の屈折率noは非線型光学物質の0強度屈折率よ りもわずかな量だけ小さい。光学的ケル効果係数n2の符号は負である。
こめ構造は小エネルギー ハント キャップ物質の層18に既め定められた量の 電荷を捕捉するために設計されたものである。層18はGaAsのような不純物 半導体であって、たとえばn型キャリアをトープされており、これは該物質が外 部からエネルギーを供給されて゛いない間、既め定められた量の捕捉電荷を層1 8内に残す。層18内に捕捉された電荷の波動関数は振動サイン波形である。G a1−xAlXAS のような真性半導体が犬エネル7ギーバント キャップ物 質の層19を成すように形成され、この層19は任意の層18に捕捉された電荷 が他の全ての層18中の電荷から隔離されるように充分に厚い。層19内に広が っていくいかなる捕捉電荷もその中で指数関数的に減少して行く。捕捉電荷は層 19を10ないし20オングストロームの単位でつき抜ける。層19は捕捉電荷 のこのつき抜は距離の5ないし10倍の厚さであり、各層18は独立した方形井 戸として機能する。
第1図において、単色光から成る可変人力ビーム源20は偏光光ビーム21を生 じ、これは光学装置10に供給される。この入力光ビームは層状非線型光学物質 を介して、非線型光学物質16と線型光学物質14の間の光学インタフェース1 2に与えられる。入力光ビーム21は入射角θに位置する軸に沿って与えられる 。この入射角は低強度の光に対する臨界入射角よシも大きく高強度の光に対する 臨界入射角よシも小さい。第1図に示すように、入力光ビーム21は多量子井戸 型構造の層に対して垂直な方向に極性をもつ電界成分22を有する。
その理由を以下に示す。ビーム源20は入力光ビーム21の強度■を変化させる よう構成されている。
インタフェース12の反射は強度に依存する。光源20はある範囲にわたって変 化させることのできるある強度をもった光ビーム発生する。入力光ビーム21の 臨界強度Ic以下の強度については実効的臨界入射角は入射角θよりも大きく、 ビームは全て該インタフェースで内部反射される。反射ビーム23は該インタフ ェースで反射され層状非線型光学物質16を介して検出器28に達する。線型物 質14を介して伝播するビームはない。
入力光ビームの強度が増すと多量子井戸型構造の屈折率は減少する。層状非線型 光学物質のケル係数n2は負でちるため、インタフェース12を横切る屈折率差 は減少しそのため実効的臨界角は小さくなる。臨界入力ビーム強度Icにおいて は実効的臨界角とは入射角θに等しい。総内部反射角はインタフェース12を介 して線型光学物質14への、及び物質14を介しての入力ビームの総伝播量にほ ぼ等しくなる。臨界強度Icより大きい入力ビーム強度については、実効的臨界 角は入射角θよりも小さく、ビームは多量子井戸型構造と光学インタフェースを 横切って進む。その後、伝播した出力ビーム25は線型光学物質14を介して検 出器28から遠ざかって伝わって行く。
次に第2図を参照すると、前述の記載に従って、装置10の動作特注が示されて いる。第1図の検出器28は入力光ビームの強度が臨界強度Icよシ大きいか小 さいかを決定する。第2図において実線30で示すように、臨界強度Ic以下の 入力ビーム強度については、入力ビームからの光のほとんどを受光し高出力ビー ム強度を示す。入力ビーム強度が臨界強度Icにほぼ等しい時は、検出器に達す る出力ビームの強度は急速に減衰する。臨界強度Ic以上の入力ビーム強度につ いては、検出器に達する出力ビームの強度は低い。
第2図の点線34は、検出器が点線の検出器29で示すような他の位置に置かれ た時の、第1図の装置の動作特性を表わしている。
第3図には、第1図の層状構造16の様な層状構造35に関連する一対の電荷分 布曲線31及び32を示す。
層状構造35は、その中にマイナス記号で図示的に表わされた捕捉電荷を含んて いる。図示されるように、この電荷は小エネルギー ハント キャップ物質の層 38内に集中している。電荷の一部は大工ネルキー バンドギャップ物質の層3 9にわずかに入シこんでいる。第3図は負電荷のみを表わしているが、装置10 と同様の装置を陽捕捉電荷て動作するように作成することもできる。
第3図の層状物質が付勢されない時、例えば0強度の入力ビームがそれに加えら れた時は、層中の電荷密度は曲線31で示されるように対称的に分布している。
曲線31の頂点で示されるように、また構造35の層38中のマイナス記号の密 度で示されるように電荷のほとんどは層38内に捕捉されている。曲線31の下 の方の部分に示されるように、寸だ構造35の層39内に散乱したマイナス記号 で示されるように、わずかな部分は層39内の隣接した領域にあふれている。半 導体層39は各層18の電荷を隔離するのに充分なほどに厚い。このようにして 電荷は小エネルギー ハント キャップ物質の層38内に捕捉される。
層に垂直な方向に極性をもつ電界成分を有する、第1図のビーム21のような入 力光ビームを与えると、捕捉電荷の状態が第3図の曲線32て示すように変化す る。
層に垂直彦電界が存在すると、捕捉電荷は非対称密度の状態に変わる。各層中の 電荷は他の層38中の電荷から実効的に隔離されているので層38中の電荷の総 量は変化しない。電界による電荷分布の変化は各々別個の半導体層18に限られ る。電荷密度の状態が変化すると層状構造の誘電率が変化し、さらに前述のよう に層状構造の屈折率が変化する。結果的に増加した電荷密度は層状非線型光学物 質(第1図の16、第3図の35)の実効的屈折率n=n、+n2Iを減少させ る。
入力光ビームの強度とともに誘電率と屈折率とが変化する結果として、該光学装 置は入力ビームをほとんど全て検出器28に反射するか寸たけ光ビームのほとん どを線型物質を介して検出器から遠ざかるように伝える。このようにして、層状 半導体構造と線型物質との間のインタフェースでの入射光ビームの制御は入力ビ ーム自身の強度に依存する。
光学的非線型性に関連する計算を簡単化する目的で、0強度入力ビームについて は捕捉電荷は第1図の層18のそれぞれを横切って一様に分布していると仮定す る。
はδ=Ne3となる。そのような層18を横切る基本チュここでdl は層18 の厚さである。
基本チュー7の高分極性を考える。ラスタキ(Rustagi )とデュキュイ ンク(Ducuing ) 、オプティカル コミュニケーションズ(0pti cal Communications ) 、 N[Ll 0 。
258ページ、1974年3月によると屈折率の非線型変化は である。ここで旦は層18でのホーア半径である。GaAsの場合旦は約8オン グストロームに等しい。
層18の非線型性ばX(3)−にγとして、X(3)で表わされる。Kは単位体 積あたりの基本チューブの数である。Kはまた単位表面あたりの基本チューブの 数と単位長さあたりの層19の数との積に等しい。従って、ただし、d2 は層 19の厚さである。また、d、 +a245π6a3 e2 (1/2d+ ) ’N85/3Ne は典型的には1017から3 X 1017の範囲の値をも つ。
その範囲内で選択されたNeのある値に対して、第1図の装置10は2 X 1 0−’ esuがら8 X 1O−5esu の範囲の非線型性X(3)を有す るであろう。
動作現象は入力元ビームの強度の変化に応じた、捕捉電荷の動的移動であるから 、動作速度は可能性としては極めて太きい。
次に第4図を参照すると、本発明を具象化する他の光学装置40が示されている 。多量子井戸型構造のような層状非線型光学物質41は第1図の装置と同様線型 光学物質42との光学インタフェースを形成する。ただし、層状非線型光学物質 41の小エネルギー バント キャップ物質48の層には電荷は注入されていな い点が異なる。その代わり、光源45が電荷付勢ビーム46を形成し、このビー ムは該層状構造に当てられ、そこで層48内に電荷を創み出す、ために吸収され る。ビーム46が供給される限り、電荷は層48内に捕捉される。
第5図は電荷付勢ビーム46に応動する、層4日中の電荷密度をプロットしたも のである。電荷付勢ビーム46の強度工。と線型物質42の屈折率n。は、線型 物質42の屈折率n。が層状非線型光学物質の屈折率n=n1 + n2 Iよ シもわずかに大きくなるように選択される。
第5,6図に示されるように、電荷ビームの強度に依存して電荷密度は増加し、 層状物質の非線型屈折率n−n1+n2■は減少する。第5,6図に示される強 度工。は、動作点が選択された後一定に保たれる。
可変人力ビーム光源50は単色光ビーム51を形成し、とのビームは線型及び非 線型光学物質の間の光学インタフェースに、入射角θて供給される。θは高強度 ビームに対する実効的臨界角よシも大きく低強度ビームに対する実効的臨界角よ りも小さい。入力ビーム51の強度の低いものについては、入力ビーム51は光 学インタフェースを横切り、層状非線型光学物質41を通過して検出器53から 遠ざかるように伝わる。入力ビーム51の強度が低い1直から高い値へ変えられ ると、光学的ケル(Kerr )効果の結果、層状物質の誘電率と屈折率nは変 化する。入力ビームの臨界強度工。においては、入力ビームの実効的臨界角はみ 射角θに等しくなり、はぼ全てが内部反射されて伝わる。入力光ビームの強度の 高いものについては、実効的臨界角は入射角θよりも大きくビーム51は全て内 部反射されて径路52を通って検出器53に達する。
第7図には第4図の装置40の動作特性が示されている。第7図において、実線 71は検出器53が第4図に示される位置に置かれた時の動作関数を示している 。第7図に他に示されている点線の特性曲線72は、第4図に点線で示された別 の検出器55のように検出器が配置された場合の第4図の装置に適用できる特性 曲線を示している。
電荷ビーム源45は第4図において電荷付勢ビーム46を層状物質の上側表面に 入射させるように示されている。別の配置として、電荷ビーム源45は電荷付勢 ビームを線型物質の下側表面に入射させるように置くこともできる。ただし、ビ ームが層状物質捷で到達し所望の捕捉電荷を発生することが条件となる。前述の 物質から成るシステムにおいては、電荷付勢ビームl−10,6−0,9マイク ロメータの範囲の波長を有する。
第8,9図には層状半導体構造を用いる非線型光学装置の他の例が示されている 。
第8図には線型光学物質81と層状非線型光学物質82を含む光学装置80が示 されており、この場合、線型光学物質の屈折率n。は層状非線型物質の0強度入 力ビーム屈折率n1 よシ大きい。電荷は第1図の実施例に関して記述したよう に層84に注入される。単色光入力ビーム83は線型光学物質を介し、入射角θ で光学インタフェースに入射する。θは高強度光に対する実効的臨界入射角より も大きく低強度光に対する実効的臨界角よりも小さい。入力ビームの低強度のも のに対しては、入力ビームは層状非線型物質82を介して検出器85から遠ざか るように伝わる。入力ビームの強度が増加すらと、非線型媒体の屈折率は減少し 、実効的臨界角は減少する。
臨界強度では入力光ビーム83は全て内部反射される。
非線型物質内に在るかすかな電界のために屈折率n=n。
+n)、I の値は光が断続して反射されるような値に維持される。入力光ビー ムの強度を減少させれば該かすかな電界が減少し、非線型物質の屈折率が増加し 、従って入力元ビームは再び低強度で伝播する。
第7図の実線曲線71と同様な特性曲線が結果的に生ずる。第7図の点線の特性 曲線72ば、第8図で点線で示きれる検出器87の位置に検出器が置かれた場合 に第8図の装置80の動作に適用される。
前述したような物質から成るシステムにおいては装置80は0.85マイクロメ 一タ以上の範囲の波長に対して実効的に動作する。
第9図には線型光学物質91と層状非線型光学物質92を含む光学装置90が示 されており、線型光学物質の屈折率n。は層状非線型物質の0強度入力ビーム屈 折率n1 よシも小さい、電荷は、第4図に関して説明した装置と同様に、電荷 ビーム源93からの電荷付勢光ビームによって層状非線型光学物質92の層内に 発生する。
単色光入力ビーム94は層状非線型光学物質を介して入射角θでインタフェース に入射する。θは低強度光に対する臨界入射角よりも大きい。入力ビーム9斗は 、低強度のものについては全て内部反射されて検出器96に達する。高強度のも のについては、入力ビームは光学インタフェース七線型光学物質91を介して伝 播する。結果として生ずる特性曲線は第2図に示した実線の曲線と同様である。
第2図の点線で示した特性曲線は、第9図に点線で示したように、検出器98の 位置に検出器が置かれた時に、第9図に示した装置に適用される。
前述の議論に従って動作する装置は広範囲の波長に対して動作できる。前述のよ うに、説明した物質システムで作成された装置は0.85マイクロメータより大 きい入力ビーム波長に対し、さらに0.6 ” 0.9マイクロメータの範囲の 電荷付勢ビーム波長に対して動作できる。
第1.4..8及び9図の装置と同様の装置であるが、他の物質システム、例え ばI n l−ニー、GaxAlyAsおよびIn□−エGaxAs□−yPy  で作成された装置はそれぞれ1.3マイクロメータおよび15マイクロメータ より大きい入力ビーム波長に対して、さらに1.0−1.5マイクロメータの範 囲の付勢ビーム彼長に対して動作できる。前述した範囲内の波長に対しては、物 質は該物質システムの中から選択して良い。
説明のための実施例においては負電荷のみが示されている。しかし捕捉された陽 電荷もまた有用な装置を生み出すことに注意・されたい。この捕捉陽電荷は低エ ネルギー ハント キャップ物質の層をトープするか、寸たは電荷を光学的に付 勢することにより発生させることもで業者には明らかであろう。説明した実施例 は、これら他の実施例とともに本発明の範囲内に入るものと考えられる。
補正書の翻訳文提田舎 (特許法第184条の7第1項) 昭和59年 9月 3日 特許庁長官 志賀 学 殿 1、特許出願の表示 PCT/US83102054 3、特許出願人 住 所 アメリカ合衆国 10038 ニューヨーク。
ニューヨーク、ブロードウェー 222住所 〒io。
56補正書の提出年月日 1984年 5月11日 6、添付書類の目録 補正書の翻訳文 1通 請求の範囲←÷会÷→ 1、線型光学物質と、異なるエネルギー ハント キャップを有する物質の層を 含む層状半導体構造との間の光学的インタフェースてらって、該構造のいくつか の層は捕捉電荷を含むように形成されている光学的インタフェースと; 該インタフェースの臨界角に近い径路を通して、該層に垂直な方向に極性をもつ 電界成分を有する入力光ビームを該インタフェースに与えるように形成された手 段と;該入力光ビームを変化させて該捕捉電荷と該層状半導体構造の誘電率とを 製御し、もって該インタフェースにおける径路方向を変化させるように形成され た手段とを含む光学装置。
2、請求の範囲第1項記載の装置であって、該層状半導体構造は多量子井戸型構 造である光学装置。
3、請求の範囲第1項記載の装置であって、該制御手段は、該捕捉電荷の空間分 布を変えて該層状半導体構造の誘電率を変え、さらに該インタフェースにおける 径路方向を変えるための手段を含む光学装置。
4、請求の範囲第1項記載の装置であって、該制御手段は、該捕捉電荷の°密度 全変化させて該層状半導体構造の誘電率を変え、さらに該インタフェースにおけ る径路方向を変えるための手段を含む光学装置。
5、請求の範囲第1項記載の装置であって、該層状半導体構造は超格子構造であ る光学装置。
6、請求の範囲第1項記載の装置であって、教具なるエネルギー ハント キャ ップ物質は、大工ネル上−パント キャップ物質の層と小エネルギーハント キ ャップ物質の層を含み、 該捕捉電荷は該小エネルギー ハント キャップ物質の層に注入される光学装置 。
7 請求の範囲第1項記載の装置であって、該制御手段は、該層状半導体構造に 供給される入力光ビームの強度を変化させるための手段を含む光学装置。
8 請求の範囲第1項記載の装置であって、教具なるエネルギー ハンド キャ ップ物質は大工ネルキー ハント キャップ物質の層と小エネルギー ハント  キャップ物質の層とを含み、 さらに該装置は該小エネルギー ハント ギャップ物質の層内の捕捉電荷を光学 的に付勢するだめの手段を含む光学装置。
9、 請求の範囲第8項記載の装置であって、該層状半導体構造は多量子井戸型 構造であり、該制御手段は該層状構造に供給される入力光ビームの強度を変える ための手段を含む光学装置。
国際調査報告

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1. 異なるエネルギー ハント キャップを有する物質の層を含む層状半導体 構造であって、その構造のいくつかの層は捕捉電荷を含むように形成されている 層状半導体構造と; 該層に垂直な方向に極性をもつ電界成分を有する入力光ビームを該構造に供給す るように形成された手段と;該入力光ビームを変化させて該捕捉電荷と該捕捉電 荷を含む該層の誘電率とを制御するだめの手段とを含む光学装置。 2、 請求の範囲第1項記載の装置であって、該層状半導体構造は多量子井戸型 構造である光学装置。 3、請求の範囲第1項記載の装置であって、該制御手段は該捕捉電荷を含む層の 誘電率を変えるために該捕捉電荷の空間分布を変化させるための手段を含む光学 装置。 4、請求の範囲第1項記載の装置であって、該制御手段は該捕捉電荷を含む層の 誘電率を変えるために該捕、捉電荷の密度を変化させるだめの手段を含む光学装 置。 5、 請求の範囲第1項記載の装置であって、該層状半導体構造は超格子構造で ある光学装置。 6、請求の範囲第1項記載の装置であって、教具なるエネルギー ハント キャ ップ物質は、大工ネルキー ハント キャップ物質の層と小エネルギーハント  キャップ物質の層を含み、 該捕捉電荷は該小エネルギー ハント キャップ物質の層に注入される光学装置 。 7、請求の範囲第1項記載の装置であって、該制御手段は、該層状半導体構造に 供給される入力光ビームの強度を変化させるための手段を含む光学装置。 8、請求の範囲第1項記載の装置であって、教具なるエネルギー ハント キャ ップ物質は大工ネルキー ハント キャップ物質の層と小エネルギー バント  キャップ物質の層とを含み、 さらに該装置は該小エネルギー ハント キャップ物質の層内の捕捉電荷を光学 的に付勢するための手段を含む光学装置。 9 請求の範囲第8項記載の装置であって、該層状半導体構造は多量子井戸型構 造であり、該制御手段は該層状構造に供給される入力光ビームの強度を変えるた めの手段を含む光学装置。
JP84500712A 1983-01-03 1983-12-29 層状半導体構造に与えられる光ビ−ムの強度が該ビ−ムを制御する Granted JPS60500231A (ja)

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