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

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。