JPS6126279A - 半導体光双安定素子 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、高速光プンビュータに用いる光論理素子、光
通信用全光中継器に用いる光識別増幅器などに応用する
ことができる半導体光双安定素子に関するものである。

〔従来技術〕

光双安定素子の基本的構成は光学分野に広く利用されて
いるファブリ・ベロー干渉計におるＯファプリ・ベロー
干渉計とは第１図に示すように２゛枚の半透鏡（）・−
７ミラー）１１と１２とを所定の距離だけ離間させて平
行に向い合わせて配置した装置である０ここで、半透鏡
１１と１２との間は共振器（キャビティ）１３と呼び、
ここには、対象となる光を通す物質を置く。光双安定性
を実現するためには共振器１３の中の物質を非線形な屈
折率を持つ物質にしなければならない。

このような非線形屈折物質にレーザー光を集光すると、
レーザー光の強度によってその物質の屈折率が変わる０
共振器１３内の物質の屈折率ｄ（変わることにより共振
波長が変化し、したがって光の位相関係を変化させるこ
とができる０透過率もこれに従って変化するのは当然で
ある。一方の半透鏡１１を通じて外部よシ入射光１４が
共振器１３内に入射され、その一部は反射光１５として
共振器１３に入ることなく反射され、共振器１３内の光
の一部が半透鏡１２から透過光１６として射出される。

第２図は共振器１３内の物質の長さとその屈折率の積で
与えられる光路長と、干渉計の透過率との関係を示す０
第１図の場合には、共振器１３は固定長だから、これは
屈折率と透過率との関係とみてよい。Ｎを正の整数、ス
を波長とするときに、光路長が入射光１４の半波長の整
数倍に等しいとき、すなわちＮ（Ａ）、（Ｎ＋１）（）
などのときに最も強め合う干渉になシ、透過光１６は最
大になる。第２図において、ピークとピークとの間では
透過率は小さくほとんど変化していない。光路長が半波
長の整数倍に近づくにつれ、透過率はある光路長まで徐
々にしか増加し表いが、それを過ぎると急激に増える０ 共振器１３内の物質は非線形屈折物質であるから、入射
レーザー光強度の変化により屈折率、つまυ光路長を変
化させることができる０そとでまず入射光１４の強度を
、物質の屈折率が第２図のピークからはずれた領域の光
路長になるように選ぶ。この状態では透過率は低い０ζ
こで入射光強度が徐々に増加すると、屈折率と光路長は
徐々に変化し、透過率はわずかに増加する。

入射光１４がある光強度に達すると、物質の屈折率と共
振器１３内の光強度は互いに増大させ合う正のフィード
バック（帰還）状態になシ、屈折率の変化により内部の
干渉の強め合いの度合いが増加し、さらに光強度が増加
するので屈折率がますます変化する０入射光強度がある
値になると、屈折率変化と内部光強度増加との相互の強
め合いは非常に強くな）、第２図において透過率が急激
に増加するピーク領域に入る０このピークでは透過率が
１になる。

次に入射光強度を減少させていくｏまずピークの状態で
は入射光１４がいくらか弱くなっても、透過率はすぐに
低い状態にならない０これは共振器１３内部の光強度が
最大透過率に対応する屈折率と光路長を維持するのに十
分な強度だからである。入射光強度をさらに減少させて
いっても透過率ははんのわずか減少するだけである０し
かしある光強度になると屈折率と共振器１３内の光強度
り相互に減少させ合う。つｔ、ｂ入射光強度をわずかに
減少しただけで屈折率の変化が共振器１３内の光強度を
減少させ、その強度変化が屈折率を変化させるため透過
率は急激に減少する０以上の現象を入射光１４の強度と
透過光１６の強度との関係で示すと、第３図のように、
４つの部分１７〜２０から成るループになっている。こ
めような形のグラフはヒステリシス・ループと呼けれる
。まず、安定領域（オフ状態）１７においては、入射光
１４０強度を微小な値から増加、していくと、最初は透
過光１６の強度はわずかじか増加しない。しかし、入射
光１４の強度がある値に達すると、曲線は急激に立ち上
が夛、透過光はきわめて大きくなる。この立ち上がり部
分がスイッチオン動作領域１８である０次に、この状態
から逆に光強度を減少させていった場合、曲線は異なっ
た経路をたどる。初めははんの少しずつ下へ傾斜するグ
ラフで、入射晃が減少しても透過光は大きいままである
。この領域が安定領域（オン状態）１９である。

しかし、入射光が減少しである値に達すると、曲線は急
激に下を向き、入射光がわずかに弱くなっただけでも透
過光拡大きく低下する。この立ち下がシはスイッチオフ
動作領域２０である０また、第１図の構成によって、双
安定特性だけでなく、微分利得をも得ることができる。

入射光０の極限での共振器を１回通過する時の光の位相
の変化量をφ。とすると、φ。を変化させるとともに、
光の入力パワｐｌと出力パワーＰＯとの入出力特性は第
４図（４）、ω’）１　（０）ｊ　＠ｔ　＠）？（７）
の順に変化してゆく。ｔこで、第４図（ｐ）、佃）、（
至）は双安定特性を示し、第４図（６）〜（０）は微分
特性を示し、特に第４図（Ｇ）は顕著な微分利得を示し
ている。

光双安定性は気体レーザ、固体レーザを用いて実現する
ことはできるが、光計算機、光通信装置への応用を考え
ると、小形化、集積化が容易な半導体レーザを基本要素
とする素子で実現するのが望ましい。

第５図は、Ｎａｋａｉ　ｅｔ　ａｌが’　０ｐｔｉｃａ
ｌ　Ｂ１５ｔａｂｉ−１ｉｔｙ　ｉｎ　Ｓｅｍ１ｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ　Ｌａ５ｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　’　
１００　Ｏ’’８３　、３０　、　Ｂ１−２　（Ｊｕｎ
ｅ　、　’ｒｏ）ｃｙｏ　）　　において、既に発表し
ている半導体光双安定素子の構造例を示す。

この半導体光双安定素子２０においては、半導体層２１
と２２との間に光双安定素子の活性層（発成しておシ、
その接合と直角な両端のへき開面はび２２の屈折率よシ
高くなるように定めておく。

バイアス回路２６からは安定化コイル２７を介して直流
電流が光双安定素子２０に注入され、その電流レベルは
光双安定素子２０のレーザー発振し舊い値以下になるよ
うに制御されている。なお、光双安定素子２０への注入
電流がレーザー発振しきい値に比べて、十分大きいとき
には活性層２３においてレーザー発振が得られる。

第１図との対応を説明すると、入射面２４紘半透過鏡１
１と１２に対応し、出射面２５は半透過鏡１２に対応し
、活性層２３はキャビティ１３に対応する。ここで、入
射光ビーム１４の波長は無人力状態の光双安定素子２０
の共振波長よシ長い。

入射光ビーム１４のビーム径は集光レンズ（コリメート
レンズ）ｉ８によって絞られ、入射面２４側の活性層２
３に結合し、活性層２３内を伝搬する。活性層２３に入
射した光が増大するにつれ、活性層２３内の注入キャリ
ア密度は下がシ、その結果、活性層２３の屈折率が上昇
し、光双安定素子２０の共振波長が長波長側へずれる。

このようにして、光双安定素子２０の共振波長が入射光
ビーム１４０波長に近づくと、出射面２５側の活性層２
３から外部に放射される出力光１６の光強度は、第３図
に示したように、突然オフ状態１７からスイッチオン動
作領域１８を通シ、オン状態１９に遷移する。その出力
光は集光レンズ２９にょシ平行出力光ビーム１６とされ
て取シ出される。

オン状態１９においては、入射光１４のパワーが増大し
ても、光双安定素子２ｏの増幅率が下がるため、出力光
１６のパワーレベルははぼ一定となる。

理論式を用いると、入射光ビーム１４のパワーＶへｋ　
Ｐｉ　ト、出射光ビーム１６のパワーレベルＰＯとの間
には近似的に次式（１）〜（５）で表現される関係が成
シ立つ。

Ｇ　＝　ｅｘｐ（（ｇ−α）・ｊ、：］　　　　　　　
　（２）ここで、ｒｌは入射面２４０反射率、ｒｏは出
射面２５の反射率、ｇ拡飽和利得係数、αは活性層２３
の吸収係数、！、拡活性層２３の長さ、ｇ。

拡小信号入力利得、Ｐｓ　ｎ飽和出力パワー、φ社活性
層２３を１回通過する時の光波の位相シストである。φ
。は共振状態からの位相ずれの初期値であって、無人力
光状態の光双安定素子２０の共振波長と入射光ビーム１
４の波長で決まる。ｎ。

は無人力光状態の活性層２３の屈折率である。ｂは非導
波率で屈折率実数部の減少分と屈折率虚数部の増大分と
の比である。また、ここで、入射光ビーム１４紘活性層
２３に１００チ結合すると仮定した。

第６図は、第５図示の従来の構造によるＧａＡノ１８光
双安定素子にお秒る入射光パワーｐｉと出射光パワーＰ
。との関係を示す図でア夛、これらパワーＰ・およびＰ
ｏは、上述したレーザを増幅器として動作させたときの
光出力の飽和値Ｐｓで正規化して示しである。このよう
な関係は、Ｋ・Ｏｔ　５ｕＫａ　ａｎｄ　Ｓ　、　Ｋｏ
ｂａｙａｓｈｉにより″０ｐｔｉｃａｌ　Ｂ１５ｔａｂ
ｉ−ｕｔｙ　ａｎｄ　Ｎｏｎ１ｉｎｅａｒ　Ｒｅ５ｏｎ
ａｎｃｅ　ｉｎ　ａ　Ｒｅ５ｏｎａｎｔ−ｔ’／ｐｅ　
Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａ５ｅｒ　Ａｍｐｌｉ
ｆｉｅｒ”。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　３１　ｓｔ
　Ｍａｒｃｈ　１９８３　Ｖｏｌ、１９陀７　　ｐｐ、
２６２−２６３において既に発表されている。

その場合に、（１）〜（５）式中のｂ”　３　ｓ　　ｇ
□＝　４８ｍ　’。

ｃｌ＝２０ｃＩｎ、　　！、＝３００μｍ、Ｒ１＝Ｒｏ
＝０．３　である。ここで、φ。を変化させると、光入
出力特性が変化し、φ＝−π＋Ｎπ　またはφ。＝−百
π＋Ｎπでは、双安定特性が得られ、他方、φ。−Ｎπ
では微分利得が得られることが第６図かられかる。ここ
で、Ｎは正の整数である。

以上の構成では、入射光の波長λを変えればφ。

紘変わるが、任意の波長λの入射光に対してφ。

を制御するととはできず、双安定特性や微分利得の選択
あるいは制御を行うことができ表いという欠点があった
。

〔目　的〕

本発明の目的は、これらの欠点を除去し、任意の波長の
入射光に対して、微分利得や双安定特性を自由に選択し
、かつ制御する仁とができる半導体光双安定素子を提供
することＫある。

〔発明の構成〕

かかる目的を達成するために、本発明では、７アブリ、
ベロー共振器の内部に、活性層および該活性層と光結合
した導波路層を配設し、前記活性層および前記導波路層
にそれぞれ独立に電流を注入できるようになし、前記活
性層にはレーザー発振しきい値以下のレベルの電流を流
入し、前記導波路層の屈折率をその注入電流により変化
させるようになしたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第７図に本発明の一実施例を示し、ここで、第５図と対
応する部分には同一符号を付すことにする。バイアス回
路２６からは安定化コイル２７を介して直流電流が光双
安定素子２０に注入され、その電流レベルは光双安定素
子２０のレーザー発振しきい値以下に制御されている。

本発明においては、半導体層３１と３２との間に導波路
層３３を配置し、その導波路層３３を活性層２３に光学
的に結合させる。ここで、導波路層３３を入射光ビーム
１４に対して低損失な半導体で形成し、導波路層３３に
活性層２３とは独立に電流を注入できるように半導体層
３１および３２を構成する。

ここで、活性層２３と導波路層３３とを同一基板上に半
導体多層構造として集積し、光集積回路の形態で光双安
定素子を形成するのが好適である。

第７図において、バイアス回路３４から安定化コイル３
５を介して導波路層３３へ直流電流を注入する。その直
流電流をバイアス回路３４により制御することにより、
導波路層３３の屈折率を制御できるようにし、この導波
路層３３の活性層２３との結合面３６では入射光１４に
対してはほとんど反射のない高効率な結合を行わせてい
る。活性層２３と導波路層３３とを集積した光双安定素
子２１は半導体多層構造を有する。ここで、導波路層３
３に注入する電流を変化させると導波路層３３の屈折率
ｎ、が変化するのはプラズマ効果によるためである。

上述した構成の素子の具体的な構成の一例においては、
活性層２３をｐ形のＡｆ□、０５　Ｇａ　００９５　Ａ
ｓで形成し、この活性層２３から発生する光の波長より
も、短い吸収端波長を有するＡＬｏ、３５　ａｓ　ｏ、
ａｓＡｓによって導波路層３３を構成する。これによっ
て、活性層２３で発生した光を導波路層３３ではあまり
吸収されることなく導波することができる。

さらに、半導体層２１と３１とを一体に形成し、半導体
＃２２と３２とを一体に形成し、前者を活性層２３およ
び導波路層３３よりも屈折率の低いｐ形のＡｉ　６．５
　Ｇａ　ｏ、５　Ａｓ　　層で構成し、後者をｎ形のＡ
ｉ６，６　Ｇａ　０．５　Ａｓ　　層で構成し、これら
両層によって活性層２３および導波路層３３を紘さむこ
とによって、活性層２３と導波路層３３に光を閉じ込め
ることができ、さらに活性層２３に注入された電子をか
かるヘテロ障壁によって活性層２３に閉じ込めることが
できる。

活性層２３と導波路層３３とは結合部３６において直接
結合させる。活性層２３と導波路層３３０等価屈折率お
よび電界分布の整合が取れるように、活性層２３および
導波路層３３の各層厚を適切な厚さとする。このように
することによって、接合部３６での反射を少なくし、９
８％程度の高効率な結合を行わせることができる。

なお、活性層２３および導波路層３３に対する半導体層
２１と２２および３１と３２に個別に電極を設けること
によって、これら活性層２３および導波路層３３に対し
て、それぞれ独立に電流を注入することができる。

本発明による上述した構成の光双安定素子の実施例にお
ける光入出力特性は、先に述べた式（１）。

（２）ｌ　（３）および（４）と次の式（６）で近似的
に表現できる。

φ。＝２π（ｎ、！、＋ｎ、！２）／λ　　　　　　（
６）とこで、ｎ２拡導波路３３の屈折率、！、は導波路
層３３の長さである。活性層２３と導波路層３３とはＺ
ｏｏ　％結合するものと仮定し、導波路層３３の損失は
ないものと仮定した。

本発明によれば、導波路層３３に注入する電流を変化さ
せることによって、導波路層３３の屈折率ｎ２が変化゛
するので、式（６）かられかるように、φ。を変化させ
ることができ、その結果、双安定特性や微分利得の選択
および制御が可能になる０φ。の増分Δφ。と導波路層
３３の屈折率ｎ２の増分Δｎ２　とは次式の関係にある
０ Δφ。＝２πＪ・Δｎ、　　　　　　　　　　　（７）
λ 第８図はこのようなΔφ０とΔｎ２　　との関係を示す
。ここで、７２　＝　２００　ｐｍ　＋　　λ＝　０．
８４μｍである。

φ。が変化すれば、第６図に示したように、φ。

の値に対応して双安定特性や微分利得が得られる０また
、入射光の波長λが変化してもφ。は変化するが、ｎ２
　　を制御することにょ多自由にφ。の値を選ぶことが
できるので、双安定特性や微分利得の選択や制御が可能
になる。

例えば、入射光の波長や温度の条件によって、導波路層
３３に電流を流さないときの光入出力特性が第９図の特
性■で双安定特性となっていた場合、導波路層３３に電
流を注入して、導波路層田の屈折率ｎ２を８．４Ｘ１０
’だけ小さくすると、光入出力特性は第９図の特性■に
々シ、微分利得を示す。さらに導波路層３３に電流を注
入して、屈折率ｎ２を電流を注入しない時に比べて１．
６８Ｘ１０　　　だけ小さくすると、光入出力特性は第
９図の特性■になシ、′双安定特性を示す。

また、入射光の波長や温度の条件によって、導波路層３
３に電流を注入しないときの光入出力特性が第９図の特
性■を示し、微分利得となっていた場合、導波路層３３
に電流を注入して導波路層３３の屈折率ｎ２を８．４　
Ｘ　１０−’だけ小さくすると、光入出力特性は第９図
の特性■になシ、双安定特性となる。

ここで、ノ２　＝　２００　ｐｍ　ｐ　　λ＝０．８４
ｐｍ、　ｂ＝３　。

ｇｏ＝４８備　、　α＝２０ｏｎ　　　、　　！、＝３
００μｍ。

Ｒ１＝Ｒｏ＝０．３　とした。

〔効　果〕

以上説明したように、本発明では導波路層を設け、この
導波路層に注入する電流を制御することにより、任意の
波長の入射光に対して、双安定特性や微分利得の選択お
よび制御を行うことができる小形な半導体光双安定素子
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は７アプリ・ぺｐ−干渉計の概念を示す線図、 第２図はそのファプリ・ペロー干渉計の透過率と光路長
との関係を示す図、 第３図は光双安定素子のヒステリシス特性図、第４図（
４）〜（ト）は入射光０の極限での共振器を一回通過す
る時の光の位相の変化量φ。を６通シに変化させた場合
の各光入出力特性を示す図、第５図は従来の半導体光双
安定素子の構成例を示す線図、 第６図はＧａ　ＡＪ　Ａｓ半導体光双安定素子を想楚し
てφ。を変化させた場合の光入出力特性を示す図、第７
図線本発明の一実施例を示す線図、第８図はφ。の増分
Δφ。とｎ２の増分Δｎ２の関係を示す図、 第９図は本発明の実施例における光入出力特性を示す図
である。 １４・・・入射光ビーム、 １６・・・出射光ビーム、 ２０・・・半導体光双安定素子、 ２１．２２・・・半導・体層、 ２３・・・活性層、 ２４・・・入射端面、 ２５・・・出射端面、 ２６・・・バイアス回路、 ２７・・・安定化コイル、 ２８・・・集光レンズ、 ２９・・−出射用コリメートレンズ処 ３１．３２・・・半導体層、 ３３・・・導波路層、 ３４・・・バイアス回路、 ３５・・・安定化コイル、 ３６・・・活性層２３と導波路層３３との結合部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ファブリ・ペロー共振器の内部に、活性層および該活性
   層と光結合した導波路層を配設し、前記活性層および前
   記導波路層にそれぞれ独立に電流を注入できるようにな
   し、前記活性層にはレーザー発振しきい値以下のレベル
   の電流を流入し、前記導波路層の屈折率をその注入電流
   により変化させるようになしたことを特徴とする半導体
   光双安定素子。