JPS62270926A - Total reflection type optical modulation element - Google Patents

Total reflection type optical modulation element

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Publication number
JPS62270926A
JPS62270926A JP11545386A JP11545386A JPS62270926A JP S62270926 A JPS62270926 A JP S62270926A JP 11545386 A JP11545386 A JP 11545386A JP 11545386 A JP11545386 A JP 11545386A JP S62270926 A JPS62270926 A JP S62270926A
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JP
Japan
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light
reflection type
modulation element
total reflection
nonlinear optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP11545386A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsuzo Yoshimura
徹三 吉村
Koichi Hiranaka
弘一 平中
Tadahisa Yamaguchi
山口 忠久
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPS62270926A publication Critical patent/JPS62270926A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/315Digital deflection, i.e. optical switching based on the use of controlled internal reflection

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain an optical modulation element of a high speed and a high contrast by using a non-linear optical substance layer having a non-linear optical effect, bringing an incident light to this layer to transmission or total reflection, based on a voltage impression or a light irradiation, and obtaining modulated light beams. CONSTITUTION:The titled optical modulation element is constituted by making a non-linear optical substance layer 2 having a refractive index nII, and other layer (adjacent layer) 1 having a refractive index nI(>=nII) adhere closely to each other. In this case, the refractive index nI is roughly constant without being influenced by a light beam, but the refractive index nII shows such as variation as an expression nII=n0-n2I in accordance with an intensity I of a radiated light beam. In this regard, n0 denotes a refractive index in case when light beams are not radiated, and n2 denotes a coefficient for determining a ratio of a variation of the refractive index corresponding to a light radiation, and n0 and n2 are different by a kind of the non-linear optical substance layer 2. In this constitution, as for a modulation of a light beam Iin which has been made incident on the non-linear optical substance layer 2 through the adjacent layer 1, the incident light beam Iin is brought to transmission or total reflection, and a modulated light Iout is obtained, by radiating suitably a control light Iout having a prescribed intensity to its incident surface.

Description

【発明の詳細な説明】 3、発明の詳細な説明 〔概  要〕 本発明は、非線形光学効果による屈折率変化を利用した
全反射型の光変調素子であって、上記非線形光学効果を
持つ非線形光学物fJfflを使用し、この層への入射
光を電圧印加もしくは光照射に基づいて透過もしくは全
反射させ、変調光を得るようにしたことにより、高速か
つ高コントラストの光変調素子を実現したものである。
[Detailed Description of the Invention] 3. Detailed Description of the Invention [Summary] The present invention is a total reflection type light modulation element that utilizes a change in refractive index due to a nonlinear optical effect, and is a total reflection type optical modulation element that utilizes a change in refractive index due to a nonlinear optical effect. A high-speed, high-contrast light modulation element is realized by using the optical material fJffl and transmitting or totally reflecting the light incident on this layer based on voltage application or light irradiation to obtain modulated light. It is.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、非線形光学効果による屈折率変化を利用し、
入射光を透過もしくは全反射させることによって変調す
る全反射型光変調素子に関する。
The present invention utilizes refractive index changes due to nonlinear optical effects,
The present invention relates to a total reflection type light modulation element that modulates incident light by transmitting or totally reflecting it.

現在、光通信および光情報処理技術の進展に伴い、現状
の光変調器では変調速度が追いつかなくなりつつあり、
10GHz以上の光変調器が望まれている。また一方で
は、光変調器の2次元アレイ化したものである空間光変
調器(5patial lightmodulator
 )や、光を光でコントロールする光−光制御素子等は
、将来の光システムに不可欠なデバイスであるため、現
在勢力的に研究されている。
Currently, with the advancement of optical communication and optical information processing technology, the modulation speed of current optical modulators is becoming unable to keep up.
Optical modulators with a frequency of 10 GHz or higher are desired. On the other hand, a spatial light modulator is a two-dimensional array of light modulators.
) and light-light control elements that control light with light are currently being actively researched because they are essential devices for future optical systems.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、高速の光変調器には、2種類のm−v化合物を周
期的に積層していなる多重量子井戸を用い、そのフラン
ツ−ケルディツシュ効果による光吸収の差を利用して光
変調を行うようにしたものが知られている。
Conventionally, high-speed optical modulators use multiple quantum wells, which are made by periodically stacking two types of m-v compounds, and perform optical modulation by utilizing the difference in light absorption due to the Franz-Kelditssch effect. It is known what has been done.

また、空間光変調器としては、液晶を用い、その電圧印
加による相変化を利用して光の進路を切換えるようにし
たものがある。
Furthermore, as a spatial light modulator, there is one that uses liquid crystal and switches the path of light by utilizing the phase change caused by voltage application.

光−光制御素子については、実用化できるような有望な
素子はまだ現れていない。
Regarding light-light control elements, no promising elements that can be put into practical use have yet appeared.

〔作  用〕[For production]

上記非線形光学物質層の表面(もしくは、その層とその
隣接層との界面付近)に対して全反射の臨界角未満で入
射した光は、その面ではほとんど反射されずに、そのま
ま透過する。そこで、上記非線形光学物質層に対して所
定の電圧印加(もしくは光照射)を行えば、その屈折率
が非線形的に変化し、それに応じて臨界角が小さくなる
。すると、入射角が臨界角よりも大きくなってしまうた
め、今まで透過状態にあった光が急に全反射状態に切り
換わる。逆に、全反射状態において上記電圧印加(もし
くは光照射)を停止すれば、透過状態に切換ねる。この
ようにして透過と全反射とを適宜切換えることにより、
変調光を得ることができる。
Light that is incident on the surface of the nonlinear optical material layer (or near the interface between that layer and its adjacent layer) at an angle less than the critical angle for total reflection is hardly reflected by that surface and is transmitted as it is. Therefore, if a predetermined voltage is applied (or light is irradiated) to the nonlinear optical material layer, its refractive index changes nonlinearly, and the critical angle decreases accordingly. Then, since the incident angle becomes larger than the critical angle, the light that has been in the transmitted state suddenly switches to the totally reflected state. Conversely, if the voltage application (or light irradiation) is stopped in the total reflection state, the state is switched to the transmission state. By appropriately switching between transmission and total reflection in this way,
Modulated light can be obtained.

よって、本発明では、光の進行方向が透過光と全反射光
とで大きく切換わるので、十分なオン/オフ比(数10
%)が得られ、すなわちコントラストが高くなる。また
、電圧印加や光照射によって直接的に屈折率を変化させ
るために、変調速度も速い(電圧印加によるものは1o
ops〜lns、光照射によるものは10ps程度)。
Therefore, in the present invention, since the traveling direction of light is largely switched between transmitted light and totally reflected light, a sufficient on/off ratio (several 10
%) is obtained, that is, the contrast is increased. In addition, since the refractive index is directly changed by voltage application or light irradiation, the modulation speed is fast (1o
ops~lns, about 10 ps for light irradiation).

〔実 施 例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図(alは、本発明の第1の実施例を示す概略構成
図である。本実施例は、屈折率nliの非線形光学物質
層2と、屈折率nI(≧nII )の他の層(以下、隣
接層と称す)1とを密着させて構成したものである。こ
こで、屈折率nzは、光の影響を受けずほぼ一定である
が、屈折率nlは、照射される光の強度■に応じて、以
下の式fl)のような変化を示す。
FIG. 1 (al is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention. This embodiment consists of a nonlinear optical material layer 2 with a refractive index nli and another layer with a refractive index nI (≧nII). (hereinafter referred to as an adjacent layer) 1 are in close contact with each other.Here, the refractive index nz is almost constant without being affected by light, but the refractive index nl is the same as the irradiated light. Depending on the intensity ■, the following equation fl) shows a change.

nH=i10−n、  I・・・・・11)式(11中
、noは光を照射しないときの屈折率であり、n2は光
照射に応じた屈折率変化の割合を決定する係数である。
nH=i10-n, I...11) Equation (11), no is the refractive index when no light is irradiated, and n2 is a coefficient that determines the rate of change in the refractive index in response to light irradiation. .

n01nZは、非線形光学物質層2の種類によって異な
る。
n01nZ differs depending on the type of nonlinear optical material layer 2.

上記構成において、隣接層1を介して非線形光学物質層
2に入射した光1 inの変調は、その入射面に所定強
度の制御光I contを適宜照射することにより、上
記入射光I inを透過もしくは全反射させて、変調光
■。。、(透過光IL、反射光1.)を得るようにして
いる。この変調について、以下に具体的に説明する。
In the above configuration, the modulation of the light 1 in that has entered the nonlinear optical material layer 2 via the adjacent layer 1 is achieved by appropriately irradiating the incident surface with control light I cont of a predetermined intensity, so that the incident light I in is transmitted. Or, by total reflection, modulated light■. . , (transmitted light IL, reflected light 1.). This modulation will be specifically explained below.

まず、第1図(blに示すように非線形光学物質層2と
隣接層1との界面に対する上記入射光I inの入射角
をαとし、上記界面における全反射の臨界角をα6とす
れば、この臨界角α。は上記屈折率を用いて以下の式(
2)のように表される。
First, as shown in FIG. 1 (bl), if the angle of incidence of the incident light I in on the interface between the nonlinear optical material layer 2 and the adjacent layer 1 is α, and the critical angle of total reflection at the interface is α6, then This critical angle α is determined by the following formula (
2) is expressed as follows.

ここで、屈折率nエ をno  (即ち、光を照射しな
い時のnTi)と等しくし、また光強度Iは入射光■、
、、と制御光I contとの和であるので、I=I 
rn ” I co++tと置き換えれば、式(3)が
得られる。
Here, the refractive index n is equal to no (that is, nTi when no light is irradiated), and the light intensity I is the incident light
, , and the control light I cont, so I=I
If rn ” I co++t is replaced, equation (3) is obtained.

上記式(3)より、臨界角α。は、入射光1,7と制御
光1 cant、との和に応じて変化し、この和(■、
7+Icarat)が小さくなるに従って大きくなって
いく。よって、入射光1.、、の入射角αを一定にした
まま、l1fi+Ic0.、Lを小さくすることにより
臨界角α。を大きくしていけば、第1図(C)に示すよ
うになる。すなわち、反射光1.、はα、〈αのときに
全反射によって非常に強く現れるが、α0〉αとなると
急に低下し、逆に透過光■、が大きくなる。臨界角α。
From the above formula (3), the critical angle α. changes depending on the sum of the incident lights 1 and 7 and the control light 1 cant, and this sum (■,
7+Icarat) becomes smaller. Therefore, the incident light 1. , while keeping the incident angle α of l1fi+Ic0. , L by decreasing the critical angle α. If you increase , it will become as shown in FIG. 1(C). That is, reflected light 1. , appears very strongly due to total reflection when α, <α, but suddenly decreases when α0>α, and conversely, the transmitted light , becomes large. Critical angle α.

を逆に小さくしていけば、上記と逆の現象が生じる。On the other hand, if you make it smaller, the opposite phenomenon to the above will occur.

従って、臨界角α。を入射角αの近傍で適宜変化させる
ことにより、透過光Itもしくは反射光■、をオン、オ
フすることができる。例えば、臨界角α。が入射角α(
=一定)より小さくなるためのI ir+ ” I c
entの閾値を1thとすれば、式(3)でα。=αと
置くことにより、 図(dlに示すように、入射光1 rnを上記闇値IL
hよりも若干小さく一定に設定しておき、この状態でI
Lh〈■、、、(一定) +I eoltLとなるよう
な制御光■、。1を上記入射光1 inに重複させる。
Therefore, the critical angle α. By appropriately changing the angle of incidence near the incident angle α, the transmitted light It or the reflected light I can be turned on or off. For example, the critical angle α. is the angle of incidence α(
= constant) to become smaller than I ir+ ” I c
If the threshold value of ent is 1th, then α in equation (3). By setting = α, as shown in the figure (dl), the incident light 1 rn can be expressed as the darkness value IL
Set it to a constant value slightly smaller than h, and in this state I
Control light ■ such that Lh〈■,,, (constant) +I eoltL. 1 to overlap the above incident light 1 in.

すると、このときの臨界角α。は、入射角αよりも小さ
くなるので、入射光! inが全反射されて、第1図[
C)に示したように、反射光I、、が急激に増加し、一
方透過光ILは急激に低下する。すなわち、第1図<d
iに示すように、上記制御光1 contを入射光1i
、(=一定)に加えて閾値■いを越えさすことにより、
反射光I、をオンし、透過光rtをオフすることができ
、また制御光■。。fi、をゼロに戻せば、反射光11
をオフし、透過光I、をオンすることができる。このよ
うに制御光1 co□を変化させるだけで、反射光1r
、透過光!、を自由にオン、オフさせることができるよ
うになる。
Then, the critical angle α at this time. is smaller than the angle of incidence α, so the incident light! In is totally reflected, and as shown in Fig. 1 [
As shown in C), the reflected light I,... increases rapidly, while the transmitted light IL rapidly decreases. That is, Fig. 1<d
As shown in i, the above control light 1 cont is converted into incident light 1i
, (= constant) and by exceeding the threshold
The reflected light I can be turned on and the transmitted light rt can be turned off, and the control light ■. . If fi, is returned to zero, the reflected light 11
can be turned off and transmitted light I can be turned on. In this way, by simply changing the control light 1co□, the reflected light 1r
,Transmitted light! , can be turned on and off freely.

−例として、非線形光学物質層2がGa As(厚さ 
102人)とGao、 ?A f! o、3 As(厚
さ207人)とを周期的に積層してなる多重量子井戸(
全膜厚は約2.4.17 l11)である場合には、n
z = 2 Xl0−’cm2/Wであり、I in+
 I coat= 9mW/(10μm)”のときにα
c#70°となる。従って、入射光1.11(< 9 
mW/ (10μm)2)を入射角α=70’で一定に
人射せさておき、これに制御光■。ontを適宜重畳さ
せて、夏in+I cant< 9mW/(10μm 
) 2 とすることにより反射光11をオフ(透過光■
、をオン)し、一方I in ” I cor+t >
 9 mW/ (10μm)2 とすることにより反射
光1.をオン(透過光1.、をオフ)することができる
- As an example, the nonlinear optical material layer 2 may be made of GaAs (thickness
102 people) and Gao, ? A f! A multiple quantum well (
If the total film thickness is approximately 2.4.17 l11), then n
z = 2 Xl0-'cm2/W, and I in+
α when I coat=9mW/(10μm)
c# becomes 70°. Therefore, the incident light is 1.11 (< 9
mW/ (10 μm) 2) is irradiated at a constant angle of incidence α = 70', and a control light ■ is applied to this. By superimposing ont appropriately, summer in+I cant<9mW/(10μm
) 2 to turn off the reflected light 11 (transmitted light ■
, on), while I in ” I cor+t >
9 mW/(10 μm)2, the reflected light 1. can be turned on (transmitted light 1., turned off).

次に第2図は、本発明の第2の実施例を示す概略構成図
である。本実施例は、非線形光学物質層12と隣接層1
1とを密着させて構成し、その膜厚方向に例えばTi、
Snug % Au等でできた半透明の電極13.14
を対向させて設けたものである。なお、上記非線形光学
物質層12は、膜厚方向の電圧印加によって屈折率が大
きく変化するような物質である。
Next, FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, a nonlinear optical material layer 12 and an adjacent layer 1
1 in close contact with Ti, for example, in the film thickness direction.
Snug % Translucent electrode made of Au etc. 13.14
are placed facing each other. Note that the nonlinear optical material layer 12 is a material whose refractive index changes greatly by applying a voltage in the film thickness direction.

第1図に示した実施例では、入射光1 inを制御光■
。。nLに従って変調させるようにしたが、本実施例で
は、上記電極13.14間への電圧■の印加に従って、
非線形光学物質層12の屈折率を変化させることにより
、変調光I。uL (反射光I、、。
In the embodiment shown in FIG. 1, 1 inch of incident light is converted into control light
. . However, in this embodiment, according to the application of the voltage between the electrodes 13 and 14,
By changing the refractive index of the nonlinear optical material layer 12, the modulated light I. uL (Reflected light I,...

透過光+1)を得るようにしている。すなわち、上記電
圧印加による屈折率変化によって臨界角α。
Transmitted light +1) is obtained. That is, the critical angle α is determined by the refractive index change due to the voltage application.

を変化させ、これにより第1図fcl、(d)に示した
ように反射光1.もしくは透過光■、をオン、オフさせ
ることができる。
As a result, as shown in FIG. 1 fcl, (d), the reflected light 1. Alternatively, the transmitted light (■) can be turned on or off.

第3図は、本発明の第3の実施例を示す概略構成図であ
る。本実施例は、面内方向の電圧印加によって屈折率が
大きく変化する非線形光学物質層12を用い、これと隣
接層21とを密着させて構成し、そのいずれかの表面に
一対の電極23.24を配置したものである。同図では
、第2図に示した実施例と同様に、上記電極23.24
間に電圧Vを印加して屈折率変化を生じさせ、これによ
って臨界角α。を変化させて、反射光!、もしくは透過
光■、をオン、オフさせることができる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of the present invention. In this embodiment, a nonlinear optical material layer 12 whose refractive index changes greatly when a voltage is applied in the in-plane direction is used, and an adjacent layer 21 is brought into close contact with the nonlinear optical material layer 12, and a pair of electrodes 23. 24 are arranged. In the figure, the electrodes 23, 24 are similar to the embodiment shown in FIG.
A voltage V is applied between them to cause a change in the refractive index, thereby reducing the critical angle α. Change the reflected light! , or the transmitted light ■ can be turned on or off.

以上のように上記各実施例では、入射光1 inを他の
光照射(第1図)もしくは電圧印加(第2図、第3図)
に従って、透過もしくは全反射させて、変調光■。、を
得ている。よって、光の進行方向が透過光1.と反射光
!、とで大きく切換ねるので、十分なオン/オフ比(数
10%程度)が得られ、すなわち、コントラストが非常
に高くなる。また、電圧印加や光照射によって直接的に
屈折率を変化させるために、変調速度も速い(電圧印加
によるものは100ps〜1nss光照射によるものは
約10ps)。
As described above, in each of the above embodiments, 1 inch of incident light is irradiated with other light (Figure 1) or voltage is applied (Figures 2 and 3).
Accordingly, it is transmitted or totally reflected to produce modulated light■. , are obtained. Therefore, the traveling direction of light is transmitted light 1. And reflected light! , and therefore a sufficient on/off ratio (on the order of several tens of percent) is obtained, that is, the contrast is extremely high. Furthermore, since the refractive index is directly changed by voltage application or light irradiation, the modulation speed is fast (100 ps for voltage application to about 10 ps for 1 nss light irradiation).

なお、第1図に示した実施例において、入射光I8..
および制御光■。。、、、をマトリクス化または画像化
することにより、また第2図もしくは第3図に示した実
施例において電極13.14もしくは23.24を多数
用いてアレイ化またはマトリクス化することにより、空
間光変調器を構成することができる。ここで、上記アレ
イまたはマトリクスの各画像をTFTを用いてオン、オ
フしてもよく、このようにすれば駆動を簡略化すること
ができる。よって、本発明は、光情報処理システムや光
交換機等に幅広く応用できる。
Note that in the embodiment shown in FIG. 1, the incident light I8. ..
and control light■. . , . A modulator can be configured. Here, each image of the array or matrix may be turned on and off using a TFT, and in this way, driving can be simplified. Therefore, the present invention can be widely applied to optical information processing systems, optical switching equipment, and the like.

また、上述した非線形光学物質層2.12.22には、
■−■または、II−VI化合物の多重量子井戸や、或
いはM N A 、M N M A SD A N 、
 PNP、メロシアニン色素、S tyry 1−py
tidiniumcyanine dye−、ジアセチ
レン、ポリジアセチレン等を含む有機物の単結晶、多結
晶もしくは、ポリマーを使用できる。上記多重量子井戸
は、例えば基板温度500〜800℃でM B E (
?Iorecular BeamEtching)によ
り形成することができる。又、上記有機結晶は、例えば
ブリッジマン法、ゾーンメルト法、気相成長法、イオン
ブレーティング法等で作製できる。シアニン系色素やジ
アセチレン系の材料については、ラングミュア−プロジ
ェット法を用いることもできる。
In addition, the above-mentioned nonlinear optical material layer 2.12.22 includes:
■-■ Or multiple quantum well of II-VI compound, or MNA, MNMSDAN,
PNP, merocyanine pigment, S tyry 1-py
Single crystals, polycrystals, or polymers of organic substances including tidinium cyanine dye, diacetylene, polydiacetylene, etc. can be used. The above-mentioned multiple quantum well has, for example, M B E (
? It can be formed by Iorecular Beam Etching). Further, the above-mentioned organic crystal can be produced by, for example, the Bridgman method, the zone melt method, the vapor phase growth method, the ion blating method, or the like. For cyanine dyes and diacetylene materials, the Langmuir-Prodgett method can also be used.

更に、上記非線形光学物質層2.12.22として、第
4図fa)に示すような、絶縁体もしくは半導体ででき
た薄層31と、金属もしくは電気伝導度の高い半導体で
できた他の薄層32とを周期的に積層してなる非線形光
学薄膜30を用いてもよい。従来、例えばポリジアセチ
レン等の有機結晶では、π電子の広がりを大きくするに
つれて、非線形光学効果が大きくなることが知られてい
る。
Further, as the nonlinear optical material layer 2.12.22, a thin layer 31 made of an insulator or a semiconductor and another thin layer made of a metal or a semiconductor with high electrical conductivity, as shown in FIG. A nonlinear optical thin film 30 formed by periodically laminating layers 32 may also be used. Conventionally, it has been known that in organic crystals such as polydiacetylene, the nonlinear optical effect increases as the spread of π electrons increases.

このことから類推すると、無機物においても、非局在性
の高い電子雲を周期的につくれば、高い非線形性が得ら
れることになる。そこで、上記第4図に示したような構
成にすれば、広がりの大きな電気雲が膜内に周期的に配
置されるため、上記有機結晶同様の大きな非線形光学効
果が得られる。
By analogy with this, even in inorganic materials, if highly nonlocalized electron clouds are created periodically, high nonlinearity can be obtained. Therefore, if the configuration shown in FIG. 4 is adopted, wide-spread electric clouds are periodically arranged within the film, and a large nonlinear optical effect similar to that of the organic crystal described above can be obtained.

上記薄1iif31には、a −3i: H、a −S
iNx: Hla −SiOx: H、a −SiCx
: H等の半導体や、もしくはW○×、MoOx、Ir
ox、VOx、TaOx、N b OX %M n O
x等の遷移金属酸化物を用いることができる。
The above thin 1iif31 has a-3i: H, a-S
iNx: Hla-SiOx: H,a-SiCx
: Semiconductor such as H, or W○×, MoOx, Ir
ox, VOx, TaOx, NbOX%MnO
Transition metal oxides such as x can be used.

また、薄膜32には、一般の金属の他に、電気伝導度の
高い半導体、例えば上記a −3i: Hla −Si
Nx: H等の半導体に高濃度ドープをしたもの、上記
WOχ、MooX等の酸化物中の酸素の空格子点(Va
cancy)を高濃度にしたもの(例えばx<2.7)
、あるいは上記酸化物にH,に、Na等をドープしたも
の(例えばタングステンブロンズ)等を用いることがで
きる。
In addition to general metals, the thin film 32 also includes semiconductors with high electrical conductivity, such as the above a-3i: Hla-Si
Nx: Highly doped semiconductors such as H, oxygen vacancies (Va
cancy) at a high concentration (e.g. x<2.7)
Alternatively, the above oxide doped with H, Na, etc. (for example, tungsten bronze) can be used.

ここで、薄層31にa −SiNx: HXFJ膜32
にW(タングステン)を用いた場合の製膜方法の一例を
述べる。各層はプラズマCVDで成長させていく。この
とき、a−5iNx、Hは、水素希釈の20%SiH4
ガスおよびNH3ガスを用い、流量比(NNn、/N5
=H,)  2、ガス圧0.2Torr 、 RFパワ
ー100W、基板温度250’Cの条件下で作製する。
Here, the thin layer 31 is a-SiNx: HXFJ film 32
An example of a film forming method using W (tungsten) will be described. Each layer is grown by plasma CVD. At this time, a-5iNx, H is 20% SiH4 diluted with hydrogen.
Using gas and NH3 gas, the flow rate ratio (NNn, /N5
=H, ) 2. Produced under the conditions of gas pressure 0.2 Torr, RF power 100 W, and substrate temperature 250'C.

Wはチャンバー内にWF6ガスを導入し、プラズマ分解
して成長させる。積層膜は、これらのガスを交互に切換
えて成長させる。各層の厚さは数人〜数100人、全膜
厚は数1000人〜数μmであることか望ましい。
W is grown by introducing WF6 gas into the chamber and subjecting it to plasma decomposition. The laminated film is grown by alternately switching these gases. It is desirable that the thickness of each layer is from several to several hundred, and the total thickness is from several thousand to several μm.

また、第4図(b)に示すように、上記薄膜32と同様
な材料でできた縞状の薄膜42を上記薄膜31と同様な
薄膜41で両方向から挟んだ構成としてもよい。このよ
うな構成の非線形光学薄膜40では、面内方向に電子雲
が閉込められるので、電子雲の広がりを幅広い範囲で制
御することができる。
Alternatively, as shown in FIG. 4(b), a striped thin film 42 made of the same material as the thin film 32 may be sandwiched between two thin films 41 similar to the thin film 31 from both directions. In the nonlinear optical thin film 40 having such a configuration, the electron cloud is confined in the in-plane direction, so that the spread of the electron cloud can be controlled over a wide range.

更にまた、第4図(C)に示すように、上記薄膜32と
同様な材料でできた薄膜52を、上記薄膜31と同様な
材料であって互いに異なる種類の材料でできた薄膜51
a、51bで挟んだ構成としてもよい。例えば、薄膜5
1aには電子供与性のa −SiNx: Hを用い、も
う一方の薄膜51bには電子受容性のa −SiOx:
 Hを用いることができる。このような構成の非線形光
学薄膜50では、大きな非線形光学効果が得られるとと
もに、膜構造の反転対称性が崩れるため、2次の非線形
性を生じるようになる。なお、第4図(C)中の薄膜5
2を縞状に形成することにより、第4図(diに示すよ
うに縞状薄膜62をそれぞれ異なる種類の薄膜61a、
61bで挟んだ構成としてもよい。このようにすれば、
上述したようにして2次の非線形性が得られるとともに
、第4図(blと同様に電子雲の広がりを広範囲で制御
することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 4(C), a thin film 52 made of the same material as the thin film 32 is replaced with a thin film 51 made of the same material as the thin film 31 but different from each other.
It may be configured such that it is sandwiched between a and 51b. For example, thin film 5
Electron-donating a-SiNx:H is used for 1a, and electron-accepting a-SiOx: is used for the other thin film 51b.
H can be used. In the nonlinear optical thin film 50 having such a configuration, a large nonlinear optical effect is obtained, and since the inversion symmetry of the film structure is destroyed, second-order nonlinearity occurs. Note that the thin film 5 in FIG. 4(C)
2 in a striped shape, the striped thin film 62 is formed into different types of thin films 61a, 61a,
It is also possible to have a configuration sandwiched between 61b. If you do this,
As described above, second-order nonlinearity can be obtained, and the spread of the electron cloud can be controlled over a wide range as in FIG. 4 (bl).

最後に、第1図〜第3図中に示した隣接層1.11.2
1としては、例えば屈折率が1.2〜3.3まで可変な
a −5iNxOy: H等を用いることができる。
Finally, the adjacent layers 1.11.2 shown in FIGS.
As the material 1, for example, a-5iNxOy:H having a variable refractive index from 1.2 to 3.3 can be used.

この膜は、プラズマCVD法により基板温度200〜3
00℃で形成することができる。
This film was formed by plasma CVD at a substrate temperature of 200 to 300℃.
It can be formed at 00°C.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、非線形光学物質層
を用いた全反射型の光変調素子としたことにより、変調
速度およびコントラストがいずれも高く、かつ光変調器
、空間光変調器および光−光制御素子等にも容易に適用
できる光変調素子を実現することができる。
As explained above, according to the present invention, by using a total reflection type light modulation element using a nonlinear optical material layer, both the modulation speed and contrast are high, and the light modulator, spatial light modulator, and light - It is possible to realize a light modulation element that can be easily applied to a light control element and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図(alは、本発明の第1の実施例を示す概略構成
図、 第1図fblは、同実施例に係る入射光1 in、制御
光■。o7い変調光■。、の状態を示す図、第1図(C
1は、同実施例に係る反射光11および透過光Itと臨
界角α。との関係を示す図、第1図fd)は、上記反射
光I、および透過光1tと光強度(1:n+lco□)
との関係を示す図、第2図は、本発明の第2の実施例を
示す概略構成図、 第3図は、本発明の第3の実施例を示す概略構成図、 第4図(a)〜(dlは、それぞれ上記各実施例に係る
非線形光学物質層として使用可能な非線形光学薄膜の一
例を示す概略断面図である。 1.1121・・・隣接層、 2.12.22・・・非線形光学物質層、13.14.
23.24・・・電極、 30.40.50.60・・・非線形光学薄膜、I i
n・・・入射光、 I cont・・・制御光、 I out  ・・・変調光、 ■、・・・反射光、 ■L ・・・透過光。
Fig. 1 (al is a schematic configuration diagram showing the first embodiment of the present invention, Fig. 1 fbl is the state of the incident light 1 inch, control light ■, o7 modulated light ■, according to the same embodiment) Figure 1 (C
1 is the reflected light 11 and the transmitted light It and the critical angle α according to the same example. A diagram showing the relationship between the above reflected light I and transmitted light 1t and the light intensity (1:n+lco□)
2 is a schematic configuration diagram showing the second embodiment of the present invention, FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing the third embodiment of the present invention, and FIG. 4 (a ) to (dl are schematic cross-sectional views showing examples of nonlinear optical thin films that can be used as nonlinear optical material layers according to each of the above embodiments. 1.1121...adjacent layer, 2.12.22... - Nonlinear optical material layer, 13.14.
23.24... Electrode, 30.40.50.60... Nonlinear optical thin film, I i
n...incident light, Icont...control light, Iout...modulated light, ■,...reflected light, ■L...transmitted light.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)電圧印加もしくは光照射によって屈折率が非線形に
変化する非線形光学物質層(2、12、22)、または
該非線形光学物質層および該非線形光学物質層に接触す
る他の層(1、11、21)からなり、前記非線形光学
物質層への入射光を前記電圧印加もしくは前記光照射に
従って透過もしくは全反射させ、変調光を得るようにし
た全反射型光変調素子。 2)前記全反射型光変調素子の両表面にそれぞれ電極(
13、14)を設け、該電極間に前記電圧印加を行うこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の全反射型光
変調素子。 3)前記非線形光学物質層の一表面にスリット状の対に
なった電極(23、24)を設け、該電極間に前記電圧
印加を行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の全反射型光変調素子。 4)前記非線形光学物質層に接触する前記他の層の表面
にスリット状の対になった電極を設け、該電極間に前記
電圧印加を行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の全反射型光変調素子。 5)前記電極をアレイ状に配置したことを特徴とする特
許請求の範囲第2項乃至第4項のいずれか1つに記載の
全反射型光変調素子。 6)前記電極をマトリクス状に配置したことを特徴とす
る特許請求の範囲第2項乃至第4項のいずれか1つに記
載の全反射型光変調素子。 7)前記各電極に対する電圧印加をTFTを用いて制御
することを特徴とする特許請求の範囲第5項または第6
項記載の全反射型光変調素子。 8)前記光照射を前記入射光の他に外部からの制御光に
よって行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の全反射型光変調素子。 9)前記非線形光学物質層はIII−V化合物もしくはII
−VI化合物の多重量子井戸であることを特徴とする特許
請求の範囲第1項乃至第8項のいずれか1つに記載の全
反射型光変調素子。 10)前記非線形光学物質層はMNA、MNMA、DA
N、PNP、メロシアニン色素、S tyry1−py
ridinium cyanine dye、ジアセチ
レン、ポリジアセチレンの中のいずれかを含む単結晶、
多結晶またはポリマーであることを特徴とする特許請求
の範囲第1項乃至第8項のいずれか1つに記載の全反射
型光変調素子。 11)前記非線形光学物質層は、絶縁体もしくは半導体
でできた薄層と、金属もしくは電気伝導度の高い半導体
でできた他の薄層とを、周期的に積層してなる非線形光
学薄膜(30、40、50、60)であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項乃至第8項のいずれか1つに
記載の全反射型光変調素子。 12)前記絶縁体もしくは半導体でできた薄層は、a−
Si:H、a−SiNx:H、a−SiOx:H、a−
SiCx:Hの中の少なくとも1つでできていることを
特徴とする特許請求の範囲第11項記載の全反射型光変
調素子。 13)前記絶縁体もしくは半導体でできた薄層は、WO
x、MoOx、IrOx、VOx、TaOx、NbOx
、MnOxの中の少なくとも1つでできていることを特
徴とする特許請求の範囲第11項記載の全反射型光変調
素子。 14)前記電気伝導度の高い半導体は、 a−Si:H、a−SiNx:H、a−SiOx:H、
a−SiCx:Hの中の少なくとも1つの半導体に高濃
度ドープをしたものであることを特徴とする特許請求の
範囲第11項乃至第13項のいずれか1つに記載の全反
射型光変調素子。 15)前記電気伝導度の高い半導体は、WOx、MoO
x、IrOx、VOx、TaOx、NbOx、MnOx
の中の少なくとも1つの酸化物中の酸素の空格子点を高
濃度にしたものであることを特徴とする特許請求の範囲
第11項乃至第13項のいずれか1つに記載の全反射型
光変調素子。 16)前記電気伝導度の高い半導体は、WOx、MoO
x、IrOx、VOx、TaOx、NbOx、MnOx
、の中の少なくとも1つの酸化物にH、Li、K、Na
、OHの中の少なくとも1つをドープしたものであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第11項乃至第13項の
いずれか1つに記載の全反射型光変調素子。
[Claims] 1) A nonlinear optical material layer (2, 12, 22) whose refractive index changes nonlinearly by voltage application or light irradiation, or the nonlinear optical material layer and other materials in contact with the nonlinear optical material layer. A total reflection type light modulation element consisting of layers (1, 11, 21), which transmits or totally reflects light incident on the nonlinear optical material layer according to the voltage application or the light irradiation to obtain modulated light. 2) Electrodes (
13, 14), and the voltage is applied between the electrodes, the total reflection type light modulation element according to claim 1. 3) A pair of slit-shaped electrodes (23, 24) are provided on one surface of the nonlinear optical material layer, and the voltage is applied between the electrodes. Total reflection type light modulation element. 4) A pair of slit-shaped electrodes are provided on the surface of the other layer that is in contact with the nonlinear optical material layer, and the voltage is applied between the electrodes. Total reflection type light modulation element. 5) The total reflection type light modulation element according to any one of claims 2 to 4, wherein the electrodes are arranged in an array. 6) The total reflection type light modulation element according to any one of claims 2 to 4, wherein the electrodes are arranged in a matrix. 7) Claim 5 or 6, characterized in that voltage application to each electrode is controlled using a TFT.
Total internal reflection type light modulation element as described in 2. 8) The total reflection type light modulation element according to claim 1, wherein the light irradiation is performed using external control light in addition to the incident light. 9) The nonlinear optical material layer is a III-V compound or II
-VI compound multi-quantum well, the total internal reflection type light modulation device according to any one of claims 1 to 8. 10) The nonlinear optical material layer is MNA, MNMA, DA.
N, PNP, merocyanine pigment, Styry1-py
a single crystal containing any one of ridinium cyanine dye, diacetylene, and polydiacetylene;
9. The total reflection type light modulation element according to any one of claims 1 to 8, which is made of polycrystal or polymer. 11) The nonlinear optical material layer is a nonlinear optical thin film (30 , 40, 50, 60), the total reflection type optical modulation element according to any one of claims 1 to 8. 12) The thin layer made of an insulator or semiconductor is a-
Si:H, a-SiNx:H, a-SiOx:H, a-
12. The total reflection type light modulation element according to claim 11, characterized in that it is made of at least one of SiCx:H. 13) The thin layer made of an insulator or semiconductor is WO
x, MoOx, IrOx, VOx, TaOx, NbOx
, MnOx. 14) The semiconductor with high electrical conductivity is a-Si:H, a-SiNx:H, a-SiOx:H,
The total internal reflection type optical modulation according to any one of claims 11 to 13, characterized in that at least one semiconductor of a-SiCx:H is highly doped. element. 15) The semiconductor with high electrical conductivity is WOx, MoO
x, IrOx, VOx, TaOx, NbOx, MnOx
The total reflection type according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the oxygen vacancies in at least one of the oxides are highly concentrated. Light modulation element. 16) The semiconductor with high electrical conductivity is WOx, MoO
x, IrOx, VOx, TaOx, NbOx, MnOx
H, Li, K, Na in at least one oxide of
, OH, and doped with at least one of OH.
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