JP4590645B2 - Optical-optical switching method, optical-optical switching element, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング方法、二光子吸収スイッチング素子、すなわち二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a light-light switching method using two-photon absorption characteristics, a two-photon absorption switching element, that is, a light-light switching element using two-photon absorption characteristics, and a method for manufacturing the same.
近年の情報化社会において情報量の増大化が顕著であり、それに対応すべく光を用いた光通信及び光情報処理システムの構築が期待されている。特に光通信及び光情報処理システムにおいては、光交換器、光中継器などが期待され、これを実現するには光を用いるスイッチング素子やこれらを用いた論理回路などが必要である。光を用いるスイッチング素子やこれらを用いた論理回路においては、広い波長領域において高速に応答することが求められている。 In recent years, there has been a remarkable increase in the amount of information in the information-oriented society, and it is expected to construct optical communication and optical information processing systems using light to cope with this. In particular, in optical communication and optical information processing systems, an optical switch, an optical repeater, and the like are expected. To realize this, a switching element using light, a logic circuit using these, and the like are required. A switching element using light and a logic circuit using these elements are required to respond at high speed in a wide wavelength region.
制御光により信号光のオン/オフを制御する光−光スイッチが、特許文献1、特許文献2、特許文献3に開示されている。
An optical-optical switch that controls on / off of signal light with control light is disclosed in
特許文献1、特許文献2記載の光−光スイッチは一光子吸収特性を有する半導体を利用しており、特許文献3の光−光スイッチは二光子吸収特性を有する擬一次元遷移金属化合物を利用している。
The optical-optical switch described in
図1(A)は一光子吸収特性を示す概念図である。 FIG. 1A is a conceptual diagram showing one-photon absorption characteristics.
一光子吸収特性は、図1(A)の上部の伝導帯と下部の価電子帯との間のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光が当たれば、一個の光子を吸収して価電子帯から伝導帯に電子が遷移するという特性である。 The one-photon absorption characteristic is that when light having an energy equal to or higher than the band gap between the upper conduction band and the lower valence band in FIG. The characteristic is that electrons transition from the electron band to the conduction band.
特許文献1記載の光−光スイッチは、一光子吸収特性を利用しており、半導体薄膜のバンドギャップエネルギーがその制御光や信号光などの光の波長に対応するフォトンエネルギーよりも80meV以上小さくなるようにしたものである。この光−光スイッチは、高速応答性を得るために,バンド端波長(基礎吸収端)ではなく、それよりも短い波長(バンド内部波長)を利用しており、そのために低温成長の試料を用いる必要がないことを特徴としている。
The optical-optical switch described in
ここで、一光子吸収を利用した可飽和吸収特性は、強い光励起密度によって発生した高密度キャリアが状態密度を占有するために生じるバンドフィリング効果、あるいは高密度キャリアによって生じる多体効果であるバンドギャップのリノーマリゼーション効果、更にはワニエ励起子に基づく位相空間フィリング効果などによって生じるものである。そのため、価電子帯から伝導帯に励起された電子が元に戻るためには再結合過程を経なければならない。 Here, the saturable absorption characteristic utilizing one-photon absorption is a band gap that is a band filling effect caused by high density carriers generated by strong photoexcitation density occupying the density of states, or a many-body effect caused by high density carriers. This is caused by the renormalization effect of the above, and the phase space filling effect based on the Wannier exciton. Therefore, a recombination process must be performed in order for the electrons excited from the valence band to the conduction band to return to the original state.
しかしながら、特許文献1の光−光スイッチでは、結局、励起キャリアのバンド端での再結合過程を高速化しているわけではないため、励起されたキャリア(電子,ホール)がバンド端にたまってしまい、連続使用すると特性が劣化していく「パターン効果」が発生するという問題がある。
However, since the optical-optical switch of
特許文献2記載の光−光スイッチは、一光子吸収特性を利用しており、半導体基板上に製作したIII −V族化合物半導体からなる半導体薄膜結晶において、該薄膜結晶は成長温度が150℃〜450℃の範囲であり、V族元素とIII 族元素のビーム強度比V/III が2〜200の範囲であり、Be又はCのドーパントがドープされているという条件で成長されており、該薄膜結晶がそのバンド端波長で吸収飽和の過渡特性において1ps程度の時定数を持つ急峻な応答だけを示し、その他の緩慢応答は無視できる程度に小さくするものである。つまり、広波長帯域性・超高速性を得るために、Be又はCドーピングと低温成長をした半導体材料を用いて緩慢応答成分を除去することを特徴としている。
The optical-optical switch described in
しかしながら、特許文献2記載の意図的に薄膜中に結晶欠陥を導入する手法では各半導体材料に応じて成長温度やドーパント量などを個々に調節しなければならず、また再結合速度は有限であるために連続パルス照射時にはキャリアの蓄積が生じる「パターン効果」が生じやすいという問題がある。
However, in the method of intentionally introducing crystal defects in the thin film described in
特許文献1、特許文献2記載の一光子吸収特性を利用した光−光スイッチは、光通信波長として極めて有用な1200nm〜1700nmの範囲の様々な波長に対する高速応答が実現されていないという問題もある。
The optical-optical switch using the one-photon absorption characteristics described in
さらには、一光子吸収を利用した光非線形材料の中には同時に起こる二光子吸収に阻害されて使いにくい恐れがあるものがあり問題である。 Furthermore, some optical nonlinear materials using one-photon absorption may be difficult to use because they are hindered by simultaneous two-photon absorption.
一方、材料の二光子吸収特性とは、光強度の高い光を当てると二つの光子を用いた遷移確率(二光子吸収)が上がり、材料の光の吸収係数が増加する特性である。図1(B)は二光子吸収特性を示す概念図である。図1(B)で示すように光強度の高い光を当てると二個の光子を吸収して価電子帯から伝導帯に電子が遷移するという特性である。 On the other hand, the two-photon absorption characteristic of a material is a characteristic in which, when light with high light intensity is applied, the transition probability (two-photon absorption) using two photons increases, and the light absorption coefficient of the material increases. FIG. 1B is a conceptual diagram showing two-photon absorption characteristics. As shown in FIG. 1B, when light with high light intensity is applied, two photons are absorbed and an electron transits from a valence band to a conduction band.
なお、InPにおける二光子吸収特性が下記非特許文献1に記載されており、GaAsとInPにおける二光子吸収特性の検討が下記非特許文献2に記載されているが、ともに光−光スイッチへの応用は、記載も示唆もされていない。また、GaAsは二光子吸収特性を実質的に有するとは言えず、光−光スイッチングへ応用は困難である。
The two-photon absorption characteristics in InP are described in the following
特許文献3記載の光−光スイッチは、光で別の光をオンオフする光−光スイッチにおいて、非線形光学材料として擬1次元遷移金属酸化物を使用し、ポンプ光(制御光)とプローブ光(信号光)のフォトンエネルギーの和を、二光子吸収のピークの近傍に設定したことを特徴としている。特許文献3記載の光−光スイッチは、二光子の各々のエネルギー(波長)を変え、二光子吸収の効率のよい二光子のエネルギー和を検討している。そして、その二光子のエネルギー和値における二光子吸収の時間応答を検討している。
The optical-optical switch described in
特許文献3記載の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチ、すなわち光−光スイッチング素子は、非線形光学材料がSr2CuO3又はSrCuO2であり、組成を変化させることができないため、物性(波長依存性や2光子吸収特性など)の最適化ができないという問題、基板上に成長できないため光導波路を作製し難いという問題、デバイスの集積化に向かないという問題がある。The optical-optical switch using the two-photon absorption characteristics described in
光−光スイッチにおける信号光の波長は、通常の光通信波長域(1200nm−1700nm)にあることが好ましく、特には最もよく使用される1550nm(=0.8eV)近傍であることが好ましい。しかしながら、特許文献3では、信号光の波長が1550nm(=0.8eV)である場合の二光子吸収特性である透過率変化の測定結果は無く、信号光の波長が光通信波長域(1300nm−1600nm)の範囲であったとしても、1.38μm、すなわち1380nm(=0.9eV)での二光子吸収特性である透過率変化の測定結果はτ=1.8psという遅い応答成分が大きく、この遅い成分があるために次の信号光の透過率が影響されてしまうという問題がある。
The wavelength of the signal light in the optical-optical switch is preferably in the normal optical communication wavelength range (1200 nm-1700 nm), and particularly preferably in the vicinity of the most frequently used 1550 nm (= 0.8 eV). However, in
そこで、本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、光通信波長域において広波長帯域性を有し、高速応答の光−光スイッチングが可能である光−光スイッチング方法;連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、材料設計上の尤度が高く、すなわち材料組成を変化させることにより光学物性(波長依存性や二光子吸収特性)の最適化が容易であり、作製条件の制限がゆるく、すなわちドーパント、量子準位等の条件設定が不要であり、基板上での作製が容易であり、デバイスの集積化が可能である光−光スイッチング素子、および前記光−光スイッチング素子を効率よく簡易に製造することができる光−光スイッチング素子の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and even when continuously used, a “pattern effect” is unlikely to occur, has a wide wavelength band in the optical communication wavelength region, and has a high-speed response. Light-to-light switching method capable of optical switching; “pattern effect” is less likely to occur even when continuously used, and the likelihood of material design is high. In other words, optical properties (wavelength dependence and Photon absorption characteristics) are easy to optimize, and there are no restrictions on fabrication conditions, that is, there is no need to set conditions such as dopants and quantum levels, so fabrication on the substrate is easy, and device integration is possible. It is an object of the present invention to provide an optical-optical switching element and a method for manufacturing the optical-optical switching element that can efficiently and easily manufacture the optical-optical switching element.
上記目的は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング方法、光−光スイッチング素子およびその製造方法により達成される。 The above-described object is achieved by a light-light switching method, a light-light switching element, and a manufacturing method thereof using the following two-photon absorption characteristics.
本願第1群の発明は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング方法に関する。 The invention of the first group of the present application relates to a light-light switching method using the following two-photon absorption characteristics.
[1]制御光で信号光をオン/オフする光−光スイッチング方法において、二光子吸収特性を有する半導体に、光強度の低い信号光を照射しつつ、光強度の高い制御光を間欠的に照射し、該制御光の照射時には発生した二光子吸収により該信号光の通過を遮断し、該制御光の非照射時には該信号光を通過させることを特徴とする光−光スイッチング方法。
[2]前記信号光と前記制御光は、式[hc/λsignal+hc/λcontrol ≧ hc/λgap (式中、h:プランク定数、c:光の速度、λsignal:信号光の波長、λcontrol:制御光の波長、λgap:前記半導体の基礎吸収端の波長)]の関係を満たすことを特徴とする[1]記載の光−光スイッチング方法。
[3]前記半導体は、その基礎吸収端の波長が1700nm以下であり、1200nm〜1700nmの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で、二光子吸収特性を有することを特徴とする[1]または[2]記載の光−光スイッチング方法。
[4]前記半導体がIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体であることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の光−光スイッチング方法。
[5]前記III族元素がIn,Ga,Alの少なくとも1種であり、前記V族元素がAs,P,Nの少なくとも1種である(但し、GaAsを除く)ことを特徴とする[4]記載の光−光スイッチング方法。
[6]前記化合物半導体がInP,InxGa1−xAs(xは0より大きく0.8以下)、InyAl1−yAs(yは0以上0.82以下)、InzGa1−zN(zは0以上1以下)およびIn(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Nc(a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする[5]記載の光−光スイッチング方法。
[7]前記化合物半導体がInP,InxGa1−xAs(xは0より大きく0.53以下)、InyAl1−yAs(yは0以上0.69以下)、InzGa1−zN(zは0以上0.75以下)およびIn(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Nc(a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする[5]記載の光−光スイッチング方法。
[8]前記半導体が単結晶であることを特徴とする[4]〜[7]のいずれかに記載の光−光スイッチング方法。[1] In a light-light switching method in which signal light is turned on / off with control light, a semiconductor having two-photon absorption characteristics is irradiated with signal light having low light intensity, and control light having high light intensity is intermittently emitted. A light-light switching method comprising: irradiating, blocking the passage of the signal light by two-photon absorption generated when the control light is irradiated, and allowing the signal light to pass when the control light is not irradiated.
[2] The signal light and the control light are expressed by the equation [hc / λ signal + hc / λ control ≧ hc / λ gap (where h: Planck constant, c: speed of light, λ signal : wavelength of signal light, λ control : wavelength of control light, λ gap : wavelength of fundamental absorption edge of the semiconductor)].
[3] The semiconductor has a two-photon absorption characteristic in which the wavelength of the fundamental absorption edge is 1700 nm or less, is in the range of 1200 nm to 1700 nm, and is greater than or equal to the wavelength of the fundamental absorption edge. ] Or the optical-optical switching method according to [2].
[4] The light-light switching method according to any one of [1] to [3], wherein the semiconductor is a compound semiconductor composed of a group III element and a group V element.
[5] The group III element is at least one of In, Ga, and Al, and the group V element is at least one of As, P, and N (except GaAs) [4] ] The light-light switching method of description.
[6] The compound semiconductor is InP, In x Ga 1-x As (x is larger than 0 and 0.8 or smaller), In y Al 1-y As (y is 0 or larger and 0.82 or smaller), In z Ga 1 -Z N (z is 0 or more and 1 or less) and In (1-ab) Ga a Al b As (1-c) N c (a, b, a + b are 0 or more and 1 or less, c is greater than 0 and 1 Or a, b, a + b is greater than 0 and less than 1, and c is 0 or more and 1 or less (except for the case where both compositions overlap). ] The light-light switching method of description.
[7] The compound semiconductor is InP, In x Ga 1-x As (x is larger than 0 and 0.53 or smaller), In y Al 1-y As (y is 0 or larger and 0.69 or smaller), In z Ga 1 -Z N (z is 0 or more and 0.75 or less) and In (1-ab) Ga a Al b As (1-c) N c (a, b, a + b are 0 or more and 1 or less, c is 0 Largely less than 1, or a, b, a + b is larger than 0 and smaller than 1, and c is 0 or more and 1 or less (except when both compositions overlap). [5] The light-light switching method according to [5].
[8] The light-light switching method according to any one of [4] to [7], wherein the semiconductor is a single crystal.
本願第2群の発明は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子に関する。 The invention of the second group of the present application relates to an optical-optical switching element utilizing the following two-photon absorption characteristics, that is, a two-photon absorption switching element.
[9]二光子吸収特性を有する半導体、該半導体へ入力する制御光と信号光の伝播手段および該半導体を透過した信号光の伝播手段とからなることを特徴とする光−光スイッチング素子。
[10]制御光と信号光の伝播手段が導波路であり、前記半導体へ連結していることを特徴とする[9]記載の光−光スイッチング素子。
[11]信号光と制御光の入力用導波路と、信号光出力用導波路とが、前記半導体を挟んで対向位置にあることを特徴とする[10]記載の光−光スイッチング素子。
[12]信号光入力用導波路と信号光出力用導波路とが、前記半導体を挟んで対向位置にあり、制御光入力用導波路が、信号光入力用導波路と信号光出力用導波路を結ぶ直線に交叉するように前記半導体に連結していることを特徴とする[10]記載の光−光スイッチング素子。
[13]前記半導体がそれよりも屈折率が小さいクラッドで挟持または包囲されていることを特徴とする[11]または[12]記載の光−光スイッチング素子。
[14]各導波路と前記半導体とが基板上に形成されていることを特徴とする[11]または[12]記載の光−光スイッチング素子。
[15]前記半導体がそれよりも屈折率が小さいクラッドで挟持または包囲されていることを特徴とする[14]記載の光−光スイッチング素子。
[16]前記半導体、前記クラッド、前記導波路ともに層状であり、前記半導体、前記クラッドは、下部クラッド層、半導体層、上部クラッド層の順に、および前記導波路は、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層の順に、基板上に形成されていることを特徴とする[15]記載の光−光スイッチング素子。
[17]前記半導体が平面視にて正方形または長方形であることを特徴とする[11]または[12]記載の光−光スイッチング素子。
[18]前記半導体が平面視にて略T字形であり、信号光入力用導波路と信号光出力用導波路が、略T字の横線部分を挟んで対向位置に連結しており、制御用導波路が略T字の縦線の下端に連結していることを特徴とする[10]記載の光−光スイッチング素子。
[19]基礎吸収端の波長が、1700nm以下であり、1200nm〜1700nmの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で、二光子吸収特性を有することを特徴とする[9]記載の光−光スイッチング素子。
[20]前記二光子吸収特性を有する半導体がIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体であることを特徴とする[9]または[19]記載の光−光スイッチング素子。
[21]前記III族元素がIn,Ga,Alの少なくとも1種であり、前記V族元素がAs,P,Nの少なくとも1種である(但し、GaAsを除く)ことを特徴とする[20]記載の光−光スイッチング素子。
[22]前記化合物半導体がInP,InxGa1−xAs(xは0より大きく0.8以下)、InyAl1−yAs(yは0以上0.82以下)、InzGa1−zN(zは0以上1以下)およびIn(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Nc(a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする[21]記載の光−光スイッチング素子。
[23]前記化合物半導体がInP,InxGa1−xAs(xは0より大きく0.53以下)、InyAl1−yAs(yは0以上0.69以下)、InzGa1−zN(zは0以上0.75以下)およびIn(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Nc(a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)の少なくともいずれかの組成からなることを特徴とする[21]記載の光−光スイッチング素子。
[24]前記一対の導波路間の距離は、100nm〜500μmの範囲内にあることを特徴とする[11]または[12]記載の二光子吸収スイッチング素子。
[25]前記半導体が単結晶であることを特徴とする[20]〜[23]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子。[9] An optical-optical switching element comprising a semiconductor having two-photon absorption characteristics, control light input to the semiconductor, signal light propagation means, and signal light propagation means transmitted through the semiconductor.
[10] The optical-optical switching element according to [9], wherein the propagation means for the control light and the signal light is a waveguide and is connected to the semiconductor.
[11] The optical-optical switching element according to [10], wherein the signal light and control light input waveguide and the signal light output waveguide are in opposite positions across the semiconductor.
[12] The signal light input waveguide and the signal light output waveguide are in opposing positions with the semiconductor interposed therebetween, and the control light input waveguide is the signal light input waveguide and the signal light output waveguide. The optical-optical switching element according to [10], wherein the optical-optical switching element is connected to the semiconductor so as to cross a straight line connecting the two.
[13] The optical-optical switching element according to [11] or [12], wherein the semiconductor is sandwiched or surrounded by a clad having a lower refractive index.
[14] The optical-optical switching element according to [11] or [12], wherein each waveguide and the semiconductor are formed on a substrate.
[15] The optical-optical switching element according to [14], wherein the semiconductor is sandwiched or surrounded by a clad having a lower refractive index.
[16] The semiconductor, the cladding, and the waveguide are both layered, and the semiconductor, the cladding is a lower cladding layer, a semiconductor layer, and an upper cladding layer, and the waveguide is a lower cladding layer, a core layer, The optical-optical switching element according to [15], which is formed on the substrate in the order of the upper cladding layer.
[17] The optical-optical switching element according to [11] or [12], wherein the semiconductor is square or rectangular in plan view.
[18] The semiconductor is substantially T-shaped in a plan view, and the signal light input waveguide and the signal light output waveguide are connected to opposite positions with a substantially T-shaped horizontal line portion interposed therebetween, for control purposes. The optical-optical switching element according to [10], wherein the waveguide is connected to a lower end of a substantially T-shaped vertical line.
[19] The light according to [9], wherein the wavelength of the fundamental absorption edge is not more than 1700 nm, has a two-photon absorption characteristic in the range of 1200 nm to 1700 nm and not less than the wavelength of the fundamental absorption edge. An optical switching element;
[20] The optical-optical switching element according to [9] or [19], wherein the semiconductor having the two-photon absorption characteristics is a compound semiconductor composed of a group III element and a group V element.
[21] The group III element is at least one of In, Ga, and Al, and the group V element is at least one of As, P, and N (except GaAs) [20] ] The optical-optical switching element of description.
[22] The compound semiconductor is InP, In x Ga 1-x As (x is larger than 0 and 0.8 or smaller), In y Al 1-y As (y is 0 or larger and 0.82 or smaller), In z Ga 1 -Z N (z is 0 or more and 1 or less) and In (1-ab) Ga a Al b As (1-c) N c (a, b, a + b are 0 or more and 1 or less, c is greater than 0 and 1 Or a, b, a + b is greater than 0 and less than 1, and c is 0 or more and 1 or less (except when both compositions overlap). ] The optical-optical switching element of description.
[23] The compound semiconductor is InP, In x Ga 1-x As (x is larger than 0 and 0.53 or smaller), In y Al 1-y As (y is 0 or larger and 0.69 or smaller), In z Ga 1 -Z N (z is 0 or more and 0.75 or less) and In (1-ab) Ga a Al b As (1-c) N c (a, b, a + b are 0 or more and 1 or less, c is 0 Largely less than 1, or a, b, a + b is larger than 0 and smaller than 1, and c is 0 or more and 1 or less (except when both compositions overlap). [21] The light-optical switching element according to [21].
[24] The two-photon absorption switching element according to [11] or [12], wherein a distance between the pair of waveguides is in a range of 100 nm to 500 μm.
[25] The optical-optical switching element according to any one of [20] to [23], wherein the semiconductor is a single crystal.
前記[17]では、「前記半導体が平面視にて正方形または長方形であることを特徴とする[13]〜[16]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記[18]では、「前記半導体が平面視にて略T字形であり、信号光入力用導波路と信号光出力用導波路が、略T字の横線部分を挟んで対向位置に連結しており、制御用導波路が略T字の縦線の下端に連結していることを特徴とする[13]〜[16]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記[19]では、「基礎吸収端の波長が、1700nm以下であり、1200nm〜1700nmの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で、二光子吸収特性を有することを特徴とする[10]〜[18]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記[20]では、「前記二光子吸収特性を有する半導体がIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体であることを特徴とする[10]〜[18]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子」であってもよい。
前記[24]では、「前記一対の導波路間の距離は、100nm〜500μmの範囲内にあることを特徴とする[13]〜[18]のいずれかに記載の二光子吸収スイッチング素子」であってもよい。[17] may be “the optical-optical switching element according to any one of [13] to [16], wherein the semiconductor is square or rectangular in a plan view”.
In the above [18], “the semiconductor is substantially T-shaped in a plan view, and the signal light input waveguide and the signal light output waveguide are connected to opposite positions across a substantially T-shaped horizontal line portion. In addition, the light-optical switching element according to any one of [13] to [16], wherein the control waveguide is connected to a lower end of a substantially T-shaped vertical line.
In the above [19], “the wavelength of the fundamental absorption edge is 1700 nm or less, has a two-photon absorption characteristic in the range of 1200 nm to 1700 nm and above the wavelength of the fundamental absorption edge [10 ] To the optical-optical switching element according to any one of [18].
In the above [20], the light according to any one of [10] to [18], wherein the semiconductor having the two-photon absorption property is a compound semiconductor composed of a group III element and a group V element. It may be an “optical switching element”.
In the above [24], “the two-photon absorption switching element according to any one of [13] to [18], wherein the distance between the pair of waveguides is in a range of 100 nm to 500 μm”. There may be.
本願第3群の発明は、以下の二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子の製造方法に関する。 The invention of the third group of the present application relates to a light-optical switching element utilizing the following two-photon absorption characteristics, that is, a method for manufacturing a two-photon absorption switching element.
[26]基板上に二光子吸収特性を有する半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする[14]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[27]基板上に、下部クラッド層、半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなる[16]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[28]二光子吸収特性を有する半導体結晶ウェーハ上に、エピタキシー成長法を用いて半導体層を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする[26]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[29]前記二光子吸収特性を有する半導体層を形成する工程は、分子線エピタキシー法又は有機金属化学堆積法のいずれかを用いることを特徴とする[28]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[30](1)基板上に二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層を形成する工程、(2)前記上部クラッド層上(但し、平面視にて略T字形状の導波路形成予定領域を除く)にレジスト層を形成する工程、(3)導波路形成予定領域の前記上部クラッド層、前記コア層および前記下部クラッド層をエッチングして除去する工程、(4)前記レジスト層上と導波路形成予定領域の基板上に導波路用下部クラッド層を形成し、該導波路用下部クラッド層上に導波路用コア層を形成し、ついで該導波路用コア層上に導波路用上部クラッド層を形成する工程、(5)前記レジスト層およびその上層部をリフトオフする工程、(6)平面視にて略T字形状の導波路領域および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層上にレジスト層を形成する工程、(7)前記レジスト層で被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層および二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする、[12]を引用した[17]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。[26] The method for manufacturing an optical-optical switching element according to [14], comprising a step of forming a semiconductor having a two-photon absorption characteristic on a substrate and a step of forming a waveguide.
[27] The light according to [16], comprising a step of laminating a lower clad layer, a semiconductor layer, and then an upper clad layer on a substrate, and a step of laminating a lower clad layer for a waveguide, a core layer, and then an upper clad layer. -Manufacturing method of an optical switching element.
[28] The light-optical switching according to [26], comprising a step of forming a semiconductor layer and a step of forming a waveguide on a semiconductor crystal wafer having two-photon absorption characteristics using an epitaxy growth method. Device manufacturing method.
[29] The manufacturing of the optical-optical switching element according to [28], wherein the step of forming the semiconductor layer having the two-photon absorption characteristics uses either a molecular beam epitaxy method or a metal organic chemical deposition method. Method.
[30] (1) A semiconductor lower cladding layer having a two-photon absorption characteristic is formed on a substrate, and a semiconductor core layer having a refractive index larger than that of the cladding layer and having a two-photon absorption characteristic is formed on the lower cladding layer. Next, a step of forming an upper clad layer for a semiconductor having two-photon absorption characteristics on the core layer, (2) on the upper clad layer (however, except for a region where a substantially T-shaped waveguide is to be formed in plan view) ) Forming a resist layer; (3) etching and removing the upper clad layer, the core layer and the lower clad layer in a region where a waveguide is to be formed; and (4) forming a waveguide on the resist layer. A waveguide lower cladding layer is formed on a substrate in a predetermined region, a waveguide core layer is formed on the waveguide lower cladding layer, and then the waveguide upper cladding layer is formed on the waveguide core layer. Forming (5) the resist (6) a step of forming a resist layer on a substantially T-shaped waveguide region and an upper clad layer for a semiconductor having two-photon absorption characteristics in plan view; Etching and removing a semiconductor upper clad layer having a two-photon absorption characteristic, a semiconductor core layer having a two-photon absorption characteristic, and a semiconductor lower clad layer having a two-photon absorption characteristic, which are not covered with a resist layer, 8) The method for producing an optical-optical switching element according to [17], wherein [12] is cited, the method comprising a step of removing the resist layer.
前記[26]では、「基板上に二光子吸収特性を有する半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする[15]〜[25]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子の製造方法」であってもよい。
前記[27]では、「基板上に、下部クラッド層、半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなる[17]〜[25]のいずれかに記載の光−光スイッチング素子の製造方法」であってもよい。In the above [26], “the light according to any one of [15] to [25], comprising a step of forming a semiconductor having a two-photon absorption characteristic on a substrate and a step of forming a waveguide”. The manufacturing method of an optical switching element "may be sufficient.
In the above [27], “consisting of a step of laminating a lower clad layer, a semiconductor layer and then an upper clad layer on a substrate and a step of laminating a lower clad layer for a waveguide, a core layer and then an upper clad layer [17] ]-[25] The manufacturing method of the optical-optical switching element in any one of [25].
光−光スイッチング素子の製造方法は、以下の通りでもよい。
[31](1)基板上に二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層を形成する工程、(2)前記上部クラッド層上(但し、平面視にて略T字の縦線である導波路形成予定領域を除く)にレジスト層を形成する工程、(3)導波路形成予定領域の前記上部クラッド層、前記コア層および前記下部クラッド層をエッチングして除去する工程、(4)前記レジスト層上と導波路形成予定領域の基板上に導波路用下部クラッド層を形成し、該導波路用下部クラッド層上に導波路用コア層を形成し、ついで該導波路用コア層上に導波路用上部クラッド層を形成する工程、(5)前記レジスト層およびその上層部をリフトオフする工程、(6) 導波路用上部クラッド層および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層上(但し、平面視にて略T字の横線)にレジスト層を形成する工程、(7)前記レジスト層で被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層および二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする、[12]を引用した[17]記載(但し、平面視にて長方形のもの)の光−光スイッチング素子の製造方法。
[32](1)基板上に二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体コア層を形成し、ついで該コア層上に二光子吸収特性を有する半導体上部クラッド層を形成する工程、(2) 前記上部クラッド層上に平面視にて略T字形状のレジストを形成する工程、(3)前記レジスト層で被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層および二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層をエッチングして除去する工程、ついで(4)前記レジスト層を除去する工程からなることを特徴とする[18]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。The manufacturing method of the optical-optical switching element may be as follows.
[31] (1) A semiconductor lower cladding layer having a two-photon absorption characteristic is formed on a substrate, and a semiconductor core layer having a refractive index larger than that of the cladding layer and having a two-photon absorption characteristic is formed on the lower cladding layer. Next, a step of forming a semiconductor upper clad layer having a two-photon absorption characteristic on the core layer, (2) on the upper clad layer (however, a waveguide that is a substantially T-shaped vertical line in plan view) A step of forming a resist layer in a region excluding the region), (3) a step of etching and removing the upper clad layer, the core layer, and the lower clad layer in the region where the waveguide is to be formed, and (4) on the resist layer A waveguide lower cladding layer is formed on a substrate in a waveguide formation region, a waveguide core layer is formed on the waveguide lower cladding layer, and then the waveguide upper layer is formed on the waveguide core layer. A step of forming a cladding layer, (5) (6) A resist layer is formed on the upper clad layer for the waveguide and the upper clad layer for the semiconductor having the two-photon absorption characteristics (however, it is a substantially T-shaped horizontal line in plan view). (7) etching a semiconductor upper cladding layer having a two-photon absorption characteristic, a semiconductor core layer having a two-photon absorption characteristic, and a semiconductor lower cladding layer having a two-photon absorption characteristic that are not covered with the resist layer. And (8) the light-light described in [17] (however, rectangular in plan view), characterized by comprising (8) a step of removing the resist layer. A method for manufacturing a switching element.
[32] (1) A semiconductor lower cladding layer having a two-photon absorption characteristic is formed on a substrate, and a semiconductor core layer having a refractive index larger than that of the cladding layer and having a two-photon absorption characteristic is formed on the lower cladding layer. Then, forming a semiconductor upper cladding layer having a two-photon absorption characteristic on the core layer, (2) forming a substantially T-shaped resist in plan view on the upper cladding layer, (3) Etching and removing a semiconductor upper clad layer having a two-photon absorption characteristic, a semiconductor core layer having a two-photon absorption characteristic, and a semiconductor lower clad layer having a two-photon absorption characteristic, which are not covered with a resist layer, 4) The method for producing an optical-optical switching element according to [18], comprising a step of removing the resist layer.
本願第1群の発明の光−光スイッチング方法によると、連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、通常の光通信波長域において広波長帯域性を有し、高速応答の光−光スイッチングが可能となる。本願第2群の発明の光−光スイッチング素子は、連続使用しても「パターン効果」が生じにくく、通常の光通信波長における高速応答が可能であり、材料設計上の尤度が高く、すなわち材料組成を変化させることにより光学物性(波長依存性や二光子吸収特性)の最適化が容易であり、作製条件の制限がゆるく、すなわちドーパント、量子準位等の条件設定が不要であり、基板上での作製が容易であり、デバイスの集積化が可能である。また、本願第3群の発明の光−光スイッチング素子の製造方法により、前記光−光スイッチング素子を効率よく簡易に製造することができる。 According to the optical-optical switching method of the invention of the first group of the present application, “pattern effect” hardly occurs even when continuously used, and has a wide wavelength band property in a normal optical communication wavelength range, and high-speed response optical-optical switching. Is possible. The optical-optical switching elements of the invention of the second group of the present application are less likely to produce a “pattern effect” even when continuously used, can respond at high speeds at normal optical communication wavelengths, and have a high likelihood of material design. By changing the material composition, it is easy to optimize the optical properties (wavelength dependence and two-photon absorption characteristics), and the manufacturing conditions are less restrictive. In other words, it is not necessary to set conditions such as dopants and quantum levels. The above fabrication is easy, and device integration is possible. In addition, the light-optical switching element can be efficiently and easily manufactured by the method for manufacturing a light-optical switching element according to the third group of the present invention.
A…二光子吸収スイッチング素子、B…二光子吸収スイッチング素子、C…二光子吸収スイッチング素子、D…二光子吸収スイッチング素子、E…二光子吸収スイッチング素子、F…二光子吸収スイッチング素子、G…二光子吸収スイッチング素子、
PC…導波路形成予定領域、PD…導波路形成予定領域、QC…二光子吸収特性を有する半導体形成予定領域、QD…二光子吸収特性を有する半導体形成予定領域、QE…二光子吸収特性を有する半導体形成予定領域、
1A…二光子吸収特性を有する半導体、20A…入力用導波路、20LA…入力用導波路の下部クラッド層、20MA…入力用導波路のコア層、20HA…入力用導波路の上部クラッド層、21A…出力用導波路、21LA…出力用導波路の下部クラッド層、21MA…出力用導波路のコア層、21HA…出力用導波路の上部クラッド層、3A…構造基板、
1B…二光子吸収特性を有する半導体、20B…入力用導波路、20LB…入力用導波路の下部クラッド層、20MB…入力用導波路のコア層、20HB…入力用導波路の上部クラッド層、21B…出力用導波路、21LB…出力用導波路の下部クラッド層、21MB…出力用導波路のコア層、21HB…出力用導波路の上部クラッド層、22B…制御光入力用導波路、22LB…制御光入力用導波路の下部クラッド層、22MB…制御光入力用導波路のコア層、22HB…制御光入力用導波路の上部クラッド層、
1C…二光子吸収特性を有する半導体、1LC…二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層、1MC…二光子吸収特性を有する半導体コア層、1HC…二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、20C…入力用導波路、20LC…入力用導波路の下部クラッド層、20MC…入力用導波路のコア層、20HC…入力用導波路の上部クラッド層、21C…出力用導波路、21LC…出力用導波路の下部クラッド層、21MC…出力用導波路のコア層、21HC…出力用導波路の上部クラッド層、22C…制御光入力用導波路、22LC…制御光入力用導波路の下部クラッド層、22MC…制御光入力用導波路のコア層、22HC…制御光入力用導波路の上部クラッド層、2C…導波路、2LC…導波路の下部クラッド層、2MC…導波路のコア層、2HC…導波路の上部クラッド層、3C…構造基板、
1D…二光子吸収特性を有する半導体、1LD…二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層、1MD…二光子吸収特性を有する半導体コア層、1HD…二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、22D…制御光入力用導波路、22LD…制御光入力用導波路の下部クラッド層、22MD…制御光入力用導波路のコア層、22HD…制御光入力用導波路の上部クラッド層、2D…導波路、2LD…導波路の下部クラッド層、2MD…導波路のコア層、2HD…導波路の上部クラッド層、3D…構造基板、
1E…二光子吸収特性を有する半導体、1LE…二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層、1ME…二光子吸収特性を有する半導体コア層、1HE…二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層、3E…構造基板、
1F…二光子吸収特性を有する半導体、20F…入力用導波路、21F…出力用導波路、22F…制御光入力用導波路、3F…構造基板、4F…分波器
1G…二光子吸収特性を有する半導体、20G…入力用導波路、21G…出力用導波路、3F…構造基板、4G…分波器、5G…レンズ
6C…レジスト層、7C…レジスト層、6D…レジスト層、7D…レジスト層、6E…レジスト層、7E…レジスト層A ... Two-photon absorption switching element, B ... Two-photon absorption switching element, C ... Two-photon absorption switching element, D ... Two-photon absorption switching element, E ... Two-photon absorption switching element, F ... Two-photon absorption switching element, G ... Two-photon absorption switching element,
PC: Planned waveguide formation region, PD: Waveguide formation planned region, QC: Semiconductor formation planned region having two-photon absorption characteristics, QD: Semiconductor formation planned region having two-photon absorption characteristics, QE: Two-photon absorption characteristics Semiconductor formation planned area,
DESCRIPTION OF
1B: Semiconductor having two-photon absorption characteristics, 20B: Input waveguide, 20LB: Lower cladding layer of input waveguide, 20MB: Core layer of input waveguide, 20HB: Upper cladding layer of input waveguide, 21B ... output waveguide, 21LB ... lower clad layer of output waveguide, 21MB ... core layer of output waveguide, 21HB ... upper clad layer of output waveguide, 22B ... waveguide for control light input, 22LB ... control Lower clad layer of optical input waveguide, 22 MB: Core layer of control light input waveguide, 22 HB: Upper clad layer of control light input waveguide,
1C: a semiconductor having a two-photon absorption characteristic, 1LC: a semiconductor lower cladding layer having a two-photon absorption characteristic, 1MC: a semiconductor core layer having a two-photon absorption characteristic, 1HC: an upper cladding layer for a semiconductor having a two-photon absorption characteristic, 20C: input waveguide, 20LC: lower cladding layer of input waveguide, 20MC: core layer of input waveguide, 20HC: upper cladding layer of input waveguide, 21C: output waveguide, 21LC: output Lower clad layer of waveguide, 21MC ... Core layer of output waveguide, 21HC ... Upper clad layer of output waveguide, 22C ... Waveguide for control light input, 22LC ... Lower clad layer of waveguide for control light, 22MC: Control light input waveguide core layer, 22HC: Control light input waveguide upper clad layer, 2C: Waveguide, 2LC: Waveguide lower clad layer, 2MC The core layer of the waveguide, the upper cladding layer of 2HC ... waveguide, 3C ... structural substrate,
1D: a semiconductor having a two-photon absorption characteristic, 1LD: a lower cladding layer for a semiconductor having a two-photon absorption characteristic, 1MD: a semiconductor core layer having a two-photon absorption characteristic, 1HD: an upper cladding layer for a semiconductor having a two-photon absorption characteristic, 22D: Control light input waveguide, 22LD: Lower clad layer of control light input waveguide, 22MD: Core layer of control light input waveguide, 22HD: Upper clad layer of control light input waveguide, 2D: Conduction Waveguide, 2LD ... lower clad layer of waveguide, 2MD ... core layer of waveguide, 2HD ... upper clad layer of waveguide, 3D ... structural substrate,
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1F ... Semiconductor with two-photon absorption characteristics, 20F ... Input waveguide, 21F ... Output waveguide, 22F ... Control light input waveguide, 3F ... Structural substrate, 4F ... Splitter 1G ... Two-photon absorption characteristics Semiconductors, 20G ... input waveguides, 21G ... output waveguides, 3F ... structure substrate, 4G ... branch filter, 5G ...
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本願第1群の発明である光−光スイッチング方法は、二光子吸収特性を有する半導体材料に対し、二光子吸収を生じさせない光強度が低い光のみを照射した場合は光子を吸収しないため、半導体材料を透過することができるが、光強度の低い光と同時にほぼ同一の場所に光強度の高い光を照射した場合は、二光子吸収が起こり、光強度の低い光も透過させなくなる、という現象に着目して発明したものである。この光−光スイッチング方法は、制御光で信号光をオン/オフする光−光スイッチング方法において、二光子吸収特性を有する半導体に、光強度の低い信号光を照射しつつ、光強度の高い制御光を間欠的に照射し、該制御光の照射時には発生した二光子吸収により該信号光の通過を遮断し、該制御光の非照射時には該信号光を通過させることを特徴とする。この際、該信号光と制御光は、式[hc/λsignal+hc/λcontrol ≧ hc/λgap (式中、h:プランク定数、c:光の速度、λsignal:信号光の波長、λcontrol:制御光の波長、λgap:前記半導体の基礎吸収端の波長)]の関係を満たすことが望ましい。The light-light switching method according to the invention of the first group of the present application does not absorb a photon when a semiconductor material having a two-photon absorption characteristic is irradiated with only light having low light intensity that does not cause two-photon absorption. Phenomenon that light can be transmitted through the material, but when light with high light intensity is irradiated at the same place as light with low light intensity, two-photon absorption occurs and light with low light intensity cannot be transmitted. Invented with a focus on. This light-light switching method is a light-light switching method in which signal light is turned on / off with control light, and a semiconductor having two-photon absorption characteristics is irradiated with signal light having low light intensity, and control with high light intensity is performed. It is characterized in that light is intermittently irradiated, the passage of the signal light is blocked by two-photon absorption generated when the control light is irradiated, and the signal light is allowed to pass when the control light is not irradiated. At this time, the signal light and the control light are expressed by the equation [hc / λ signal + hc / λ control ≧ hc / λ gap (where h: Planck constant, c: speed of light, λ signal : wavelength of signal light, λ It is desirable to satisfy the relationship: control : wavelength of control light, λ gap : wavelength of the fundamental absorption edge of the semiconductor).
本願第1群の発明である光−光スイッチング方法の原理は、図2に示す通りであり、光強度の低い光であるパルス列の信号光(図中(a))と光強度の高い光であるパルス列の制御光(図中(b))を半導体の同一場所に照射したとき、制御光と時間的に重ならない信号光だけが出力光(図中(c))として現れ、制御光と重なる信号光は半導体に吸収される。なお、前記信号光は間欠的、連続的でもよく特に限定されない。また前記制御光は間欠的、例えばパルス列であることが望ましい。そこでは、時間変化が急峻であると同時に、この動作を実現するために必要な制御光の強度ができるだけ小さいことが望ましい。ここで、信号光の光強度Isは好ましくは、10nJ/cm2 < Is < 1μJ/cm2であり、制御光の光強度Icは好ましくは1μJ/cm2 ≦ Ic < 10J/cm2であり、より好ましくは、10μJ/cm2 < Ic < 100mJ/cm2である。なお、信号光の光強度の下限値は光通信において誤り率ε<10−11を満たす程度の光強度である。使用する信号光と制御光の波長は、使用する半導体の基礎吸収端の波長以上であり、該半導体の二光子吸収特性を有する波長の範囲内である。また、制御光、信号光は光強度の点および光パルスの時間幅の点でレーザー光であることが好ましい。The principle of the light-to-light switching method according to the invention of the first group of the present application is as shown in FIG. When the control light of a certain pulse train ((b) in the figure) is irradiated to the same location on the semiconductor, only the signal light that does not overlap in time with the control light appears as output light ((c) in the figure) and overlaps the control light. The signal light is absorbed by the semiconductor. The signal light may be intermittent or continuous and is not particularly limited. The control light is desirably intermittent, for example, a pulse train. In this case, it is desirable that the time change is steep and at the same time the intensity of the control light necessary to realize this operation is as small as possible. Here, the light intensity Is of the signal light is preferably 10 nJ / cm 2 <Is <1 μJ / cm 2 , and the light intensity Ic of the control light is preferably 1 μJ / cm 2 ≦ Ic <10 J / cm 2 , More preferably, 10 μJ / cm 2 <Ic <100 mJ / cm 2 . The lower limit of the light intensity of the signal light is a light intensity that satisfies the error rate ε <10 −11 in optical communication. The wavelengths of the signal light and the control light to be used are equal to or greater than the wavelength of the basic absorption edge of the semiconductor to be used, and are within the wavelength range having the two-photon absorption characteristics of the semiconductor. The control light and signal light are preferably laser light in terms of light intensity and time width of the light pulse.
制御光の照射時間や制御光がパルス光である場合のパルス幅は、特に限定されないが、二光子吸収特性を有する半導体が壊れない範囲である。制御光は光強度が強いために、同じ強度でも照射時間(パルス時間幅)が長くなると半導体が破壊・加工されてしまう。この細かい条件は、試料やレーザーの繰り返し周期などいろいろな要素で変わってくる。[0036]に記載した制御光強度(1μJ/cm2≦Ic<10J/cm2)の範囲で、レーザーアブレーション(半導体をレーザーで加熱したときに構成元素の一部もしくは全てを蒸発すること。)が起きないようにしなければならない。そこで、1μJ/cm2≦Ic<100μJ/cm2の場合は、パルス幅は100ps以上でも構わないが、100μJ/cm2≦Ic<1mJ/cm2の場合はパルス幅を100ps以下〜10ps以下(100μJ/cm2の場合は100ps以下であり、1mJ/cm2の場合は10ps以下であり、100μJ/cm2と1mJ/cm2の間では100psと10psの中間値(制御光強度とパルス幅は反比例関係であり、その関係から得られる)以下という意味である。)に、1mJ/cm2≦Ic<10mJ/cm2の場合はパルス幅を10ps以下〜1ps以下に、10mJ/cm2≦Ic<100mJ/cm2の場合はパルス幅を1ps以下〜0.1ps以下に、100mJ/cm2≦Ic<10J/cm2の場合はパルス幅を0.1ps以下にすることが望ましい。The irradiation time of the control light and the pulse width when the control light is pulsed light are not particularly limited, but are within a range where the semiconductor having the two-photon absorption characteristics is not broken. Since the control light has a high light intensity, the semiconductor is destroyed and processed when the irradiation time (pulse time width) becomes long even at the same intensity. This fine condition varies depending on various factors such as the sample and the repetition period of the laser. Laser ablation in the range of the control light intensity (1 μJ / cm 2 ≦ Ic <10 J / cm 2 ) described in [0036] (Evaporation of some or all of the constituent elements when the semiconductor is heated with a laser) Should not happen. Therefore, when 1 μJ / cm 2 ≦ Ic <100 μJ / cm 2 , the pulse width may be 100 ps or more, but when 100 μJ / cm 2 ≦ Ic <1 mJ / cm 2 , the pulse width is 100 ps or less to 10 ps or less ( In the case of 100 μJ / cm 2 , it is 100 ps or less, in the case of 1 mJ / cm 2 , it is 10 ps or less, and between 100 μJ / cm 2 and 1 mJ / cm 2 , the intermediate value between 100 ps and 10 ps (the control light intensity and the pulse width are In the case of 1 mJ / cm 2 ≦ Ic <10 mJ / cm 2 , the pulse width is set to 10 ps or less to 1 ps or less, and 10 mJ / cm 2 ≦ Ic. <pulse width in the case of 100 mJ / cm 2 to 1ps below ~0.1ps following field 100mJ / cm 2 ≦ Ic <10J /
通常の光通信で使用される光の波長は1200nm〜1700nmの範囲内であるため、前記二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端の波長は1200nmより小さく、該半導体は1200nm〜1700nmにおいて二光子吸収特性を有することが最も望ましい。このような半導体であると、1200nm〜1700nmという極めて広い範囲内の波長の信号光と制御光を光−光スイッチングに利用することができる。また、前記二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端の波長が1200nm〜1700nmの中間にある場合、例えば二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端が1500nmである場合でも、1500nm〜1700nmで二光子吸収特性を有すれば、1500nm〜1700nmの範囲内の波長の信号光と制御光を光−光スイッチングに利用することができる。なお、将来、光通信で使用される光の波長の下限が1200nm未満、例えば1000nmに移行した場合でも、前記二光子吸収特性を有する半導体の基礎吸収端が1000nmであり、1000nm〜1700nmで二光子吸収特性を有すれば、1000nm〜1700nmの範囲内の波長の信号光と制御光を光−光スイッチングに利用することができる。 Since the wavelength of light used in normal optical communication is in the range of 1200 nm to 1700 nm, the wavelength of the fundamental absorption edge of the semiconductor having the two-photon absorption characteristics is smaller than 1200 nm, and the semiconductor has a two-photon range from 1200 nm to 1700 nm. It is most desirable to have absorption properties. With such a semiconductor, signal light and control light having a wavelength within an extremely wide range of 1200 nm to 1700 nm can be used for optical-optical switching. In addition, when the wavelength of the fundamental absorption edge of the semiconductor having the two-photon absorption characteristic is in the middle of 1200 nm to 1700 nm, for example, even when the basic absorption edge of the semiconductor having the two-photon absorption characteristic is 1500 nm, the wavelength is 1500 nm to 1700 nm. If it has photon absorption characteristics, signal light and control light having a wavelength in the range of 1500 nm to 1700 nm can be used for light-light switching. In the future, even when the lower limit of the wavelength of light used in optical communication is shifted to less than 1200 nm, for example, 1000 nm, the basic absorption edge of the semiconductor having the two-photon absorption characteristics is 1000 nm, and the two-photon is 1000 nm to 1700 nm. If it has absorption characteristics, signal light and control light having a wavelength in the range of 1000 nm to 1700 nm can be used for light-light switching.
前記二光子吸収特性を有する半導体は、好ましくはIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体である。前記III族元素は好ましくはIn,Ga,Alの少なくとも1種であり、前記V族元素は好ましくはAs,P,Nの少なくとも1種である。ここで、III族元素とV族元素は1:1の比であることが好ましい。なお、GaAsは実質的に二光子吸収特性を有しないので、二光子吸収特性を有する半導体にも、化合物半導体にも含まれない。 The semiconductor having the two-photon absorption characteristic is preferably a compound semiconductor composed of a group III element and a group V element. The group III element is preferably at least one of In, Ga, and Al, and the group V element is preferably at least one of As, P, and N. Here, the group III element and the group V element are preferably in a ratio of 1: 1. Since GaAs does not substantially have a two-photon absorption characteristic, it is not included in a semiconductor having a two-photon absorption characteristic or a compound semiconductor.
In,Ga,Alの少なくとも1種とは、In,Ga,Alのうちの1種でもよく、In,Ga,Alのうちの2種の併用でもよく、In,Ga,Alの3種の併用でもよい。As,P,Nの少なくとも1種とは、As,P,Nのうちの1種でもよく、As,P,Nのうちの2種の併用でもよく、As,P,Nの3種の併用でもよい。 At least one of In, Ga, and Al may be one of In, Ga, and Al, or may be a combination of two of In, Ga, and Al, or a combination of three of In, Ga, and Al. But you can. At least one of As, P, and N may be one of As, P, and N, may be a combination of two of As, P, and N, and may be a combination of three of As, P, and N But you can.
ここで、化合物半導体が、InP、InxGa1−xAs、InyAl1−yAs、InzGa1−zN、およびIn(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Ncのいずれかであっても、一光子吸収が起こらない望ましい二光子吸収特性を得ることができるためには、各元素の割合が所定の範囲内であることが極めて望ましい。Wherein the compound semiconductor is, InP, In x Ga 1- x As, In y Al 1-y As, In z Ga 1-z N, and In (1-a-b) Ga a Al b As (1- c) In order to obtain a desirable two-photon absorption characteristic in which one-photon absorption does not occur even with any of Nc , it is extremely desirable that the ratio of each element is within a predetermined range.
InPの場合はInとPとの比が1:1であることが極めて望ましく、InyAl1−yAsの場合はyが0以上0.69以下の範囲内にあることが望ましく、InzGa1−zNの場合はzが0以上0.75以下の範囲内にあることが望ましく、0.4以上0.75以下の範囲内にあることが望ましい。また、InxGa1−xAsの場合はxが0より大きく0.53以下の範囲内にあることが望ましく、0.05以上0.53以下の範囲内にあることがより望ましい。ただし、基礎吸収端の波長はその半導体層の成長温度に依存するため、半導体の成長温度により望ましい範囲が左右される可能性がある。特に、InxGa1−xAsの結晶を半導体層として用いる場合は結晶成長温度(Tg)が380℃である場合は0より大きく0.27以下の範囲内にあることが望ましい。もちろん、xが0.27より大きい0.53であっても、基礎吸収端が1700nmとなり、1700nmで光−光スイッチングが可能となる。結晶成長温度(Tg)が100℃である場合は0より大きく0.53以下の範囲内にあることが望ましい。もちろん、xが0.53より大きい0.8であっても、基礎吸収端が1700nmとなり、1700nmで光−光スイッチングが可能となる。In the case of InP, it is highly desirable that the ratio of In to P is 1: 1, and in the case of In y Al 1-y As, y is preferably in the range of 0 to 0.69, and In z In the case of Ga 1-z N, z is preferably in the range of 0 to 0.75, and preferably in the range of 0.4 to 0.75. In the case of In x Ga 1-x As, x is preferably in the range of more than 0 and not more than 0.53, and more preferably in the range of not less than 0.05 and not more than 0.53. However, since the wavelength of the fundamental absorption edge depends on the growth temperature of the semiconductor layer, the desired range may be affected by the growth temperature of the semiconductor. In particular, in the case where an In x Ga 1-x As crystal is used as the semiconductor layer, when the crystal growth temperature (Tg) is 380 ° C., it is preferably in the range of more than 0 and 0.27 or less. Of course, even if x is 0.53 which is larger than 0.27, the fundamental absorption edge becomes 1700 nm, and light-light switching is possible at 1700 nm. When the crystal growth temperature (Tg) is 100 ° C., it is desirable that the crystal growth temperature (Tg) is in the range of more than 0 and 0.53 or less. Of course, even if x is 0.8, which is larger than 0.53, the fundamental absorption edge is 1700 nm, and light-light switching is possible at 1700 nm.
基礎吸収端の波長が1700nm以下であり、1200nm〜1700nmの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で二光子吸収特性を有する化合物半導体は、具体的には、InP,InxGa1−xAs(成長温度380℃であり、xは0より大きく0.53以下)、InxGa1−xAs(成長温度100℃であり、xは0より大きく0.8以下)、InyAl1−yAs(yは0以上0.82以下)またはInzGa1−zN(zは0以上1以下)、In(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Nc(a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)の少なくともいずれかの組成からなる化合物半導体である。そして、1200nm〜1700nmの全域で二光子吸収特性を有することが望ましいので、基礎吸収端が1200nm以下であり、1200nm〜1700nmの範囲内、且つ、該基礎吸収端の波長以上で二光子吸収特性を有する化合物半導体が望ましい。具体的には、InP,InxGa1−xAs(成長温度380℃であり、xは0より大きく0.27以下)、InxGa1−xAs(成長温度100℃であり、xは0より大きく0.53弱以下)、InyAl1−yAs(yは0以上0.69以下)またはInzGa1−zN(zは0以上0.75以下)、In(1−a−b)GaaAlbAs(1−c)Nc(a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)の少なくともいずれかの組成からなる化合物半導体である。Specifically, a compound semiconductor having a two-photon absorption characteristic at a wavelength of the fundamental absorption edge of 1700 nm or less, within a range of 1200 nm to 1700 nm and above the wavelength of the fundamental absorption edge, is InP, In x Ga 1− x As (growth temperature 380 ° C., x is greater than 0 and less than or equal to 0.53), In x Ga 1-x As (
上記化合物半導体の組成では、III族(In, Ga, Al)の和とV族(As, P, N)の和の比は、いずれの場合も1:1であるが、その誤差範囲は、III族(In, Ga, Al)の和とV族(As, P, N)の和の比で表すと、III族:V族 =49.9:50.1〜50.1:49.9であればよく、より望ましくはIII族:V族 = 49.99:50.01〜50.01:49.99である。なお、化合物半導体材料と基礎吸収端の関係について下記の表1と図3に記載する。なお、図3は、成長温度毎のInGaAs組成比と基礎吸収端波長との関係を示す。 In the composition of the compound semiconductor, the ratio of the sum of group III (In, Ga, Al) and the sum of group V (As, P, N) is 1: 1 in each case, but the error range is In terms of the ratio of the sum of Group III (In, Ga, Al) and the sum of Group V (As, P, N), Group III: Group V = 49.9: 50.1-50.1: 59.9 More preferably, it is III group: V group = 49.99: 50.01-50.01: 49.99 more desirably. In addition, it describes in the following Table 1 and FIG. 3 about the relationship between a compound semiconductor material and a fundamental absorption edge. FIG. 3 shows the relationship between the InGaAs composition ratio and the fundamental absorption edge wavelength for each growth temperature.
前記化合物半導体は、Be、Fe、Crなどのドーパントが含まれていても良いし含まれていなくても良い。二光子吸収特性にドーパントの影響が殆ど見られないためである。但し、ドーパントを導入すると、半導体層における一光子吸収特性が阻害されてくるため、二光子吸収特性のみをより強調するためにはドーパントを含ませることが好ましい。その場合、不純物濃度で概ね1016〜1020cm−3程度含有させることが好ましい。III族元素とV族元素とからなる化合物半導体、特には、前記III族元素がIn,Ga,Alの少なくとも1種であり、前記V族元素がAs,P,Nの少なくとも1種であるIII族元素とV族元素とからなる化合物半導体は、ドーパントの厳密な調整が不必要となるため、材料設計の尤度を確保することができる。The compound semiconductor may or may not contain a dopant such as Be, Fe, or Cr. This is because the influence of the dopant is hardly seen in the two-photon absorption characteristics. However, when a dopant is introduced, the one-photon absorption characteristic in the semiconductor layer is hindered. Therefore, in order to emphasize only the two-photon absorption characteristic, it is preferable to include the dopant. In that case, it is preferable to contain about 10 16 to 10 20 cm −3 in terms of impurity concentration. A compound semiconductor composed of a group III element and a group V element, in particular, the group III element is at least one of In, Ga, and Al, and the group V element is at least one of As, P, and N. III Since compound semiconductors composed of group elements and group V elements do not require precise adjustment of the dopant, the likelihood of material design can be ensured.
前記化合物半導体は、以下の点で作製条件の制限がゆるい。
(1)量子準位の形成が不要である
1光子吸収による吸収飽和を利用した光−光スイッチには、量子準位や励起子を利用したものが多く、このためには量子井戸を作製しなければならない。量子井戸の作製には、量子井戸の作製条件(井戸層の組成・幅,障壁層の組成・幅)を厳密に設定し、それらの成長中の揺らぎも押さえなくてはならず、この4つのパラメータのうち1つでもずれると量子準位もずれてしまう。しかしながら、前記化合物半導体ではそれらが不要なため作製が容易であり、工業的には歩留まりがよくなる。
(2)成長中の組成揺らぎが問題にならない
化合物半導体の組成は[0039]〜[0044]に記載した条件さえ満たせばよい。そのため、成長中に複数の元素間の組成比が多少揺らいでも(通常、成長中のxの揺らぎは±0.05以下に押さえられる)問題ない。
(3)成長温度を厳密に調節する必要がない
図3に示されているように、通常の成長温度(500℃〜600℃)の半分以下の温度である250℃でも、基礎吸収端の波長はさほど変化していないことから分かる。成長温度は、一光子吸収が起きない範囲でありさえすればよい。
(4)不純物濃度(普通はドーピング濃度と同意義であるが、意図していない不純物の濃度を含む場合にはその濃度との合計濃度)やキャリア濃度に依存しない。したがって、不純物濃度を制御する必要がなく、作製が簡便である。また成長温度(成長温度が変わるとキャリア濃度が変化する場合が多い)については、上述の通りである。
なお、前記化合物半導体は、III族元素とV族元素との組合せ、元素比、あるいは成長温度を変えることにより、半導体の基礎吸収端波長と二光子吸収特性を示す波長範囲を制御できるので、光−光スイッチング素子を調製するのに至便である。The compound semiconductor is loosely limited in manufacturing conditions in the following points.
(1) No need to form quantum levels
Many optical-optical switches using absorption saturation due to one-photon absorption use quantum levels or excitons, and for this purpose, quantum wells must be fabricated. In order to fabricate quantum wells, the fabrication conditions for quantum wells (well layer composition / width, barrier layer composition / width) must be set strictly, and fluctuations during their growth must be suppressed. If even one of the parameters is shifted, the quantum level is also shifted. However, the compound semiconductors are not necessary because they are unnecessary, and the yield is improved industrially.
(2) The composition of the compound semiconductor in which the composition fluctuation during the growth does not become a problem only needs to satisfy the conditions described in [0039] to [0044]. Therefore, there is no problem even if the composition ratio between a plurality of elements fluctuates somewhat during growth (usually, fluctuation of x during growth is suppressed to ± 0.05 or less).
(3) As shown in FIG. 3, it is not necessary to adjust the growth temperature strictly. As shown in FIG. 3, even at 250 ° C., which is half the normal growth temperature (500 ° C. to 600 ° C.), the wavelength of the fundamental absorption edge It can be seen from the fact that it has not changed much. The growth temperature only needs to be in a range where no one-photon absorption occurs.
(4) It does not depend on the impurity concentration (usually the same as the doping concentration, but if it includes an unintended impurity concentration, the total concentration with the concentration) and the carrier concentration. Therefore, it is not necessary to control the impurity concentration, and the production is simple. The growth temperature (the carrier concentration often changes as the growth temperature changes) is as described above.
The compound semiconductor can control the fundamental absorption edge wavelength of the semiconductor and the wavelength range showing the two-photon absorption characteristics by changing the combination of the group III element and the group V element, the element ratio, or the growth temperature. -Convenient for preparing optical switching elements.
前記半導体は、単結晶、多結晶及びアモルファスのいずれでも良いが、好ましくは単結晶である。多結晶やアモルファスであると、基礎吸収端の急峻さが失われ基礎吸収端の波長が短くなるが、二光子吸収に使用する二つの波長のうち一方を短くしてやれば多結晶やアモルファスでも二光子吸収を生じさせることができるようになるためである。 The semiconductor may be single crystal, polycrystalline, or amorphous, but is preferably single crystal. If it is polycrystalline or amorphous, the steepness of the fundamental absorption edge is lost and the wavelength of the fundamental absorption edge is shortened. However, if one of the two wavelengths used for two-photon absorption is shortened, two-photons can be obtained even if polycrystalline or amorphous. This is because absorption can be caused.
本願第2群の発明である二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子は、二光子吸収特性を有する半導体、該半導体へ入力する制御光と信号光の伝播手段および該半導体を透過した信号光の伝播手段とからなる。該半導体は前記通りである。該半導体の形状は特に限定されず、基板上の薄膜状、基板上に成長した層状、薄片状、テープ状、紐状、チップ状が例示される。光の進行方向に対して垂直な面の半導体の高さと幅は、光の拡散抑制の観点で共に200μm以下が望ましく、100μm以下がより望ましく、10μm以下がさらに望ましい。高さ、幅共に1μm前後のものが最良である。光の進行方向の半導体の長さは、100nm〜500μmの範囲内が望ましい。制御光と信号光の伝播手段は、光源から発した制御光と信号光を該半導体に伝播でき、該半導体を透過した信号光を伝播できるものであればよく、導波路(例えば、石英ガラス製)、光ファイバー(例えば、石英ガラス製)、光ファイバーアレイ、レンズアレイ、レンズが例示される。二光子吸収特性を有する半導体を導波路形にすれば、すなわち該半導体をコアとし、それよりも屈折率が小さいクラッド(例えば、コアの化合物半導体より屈折率が小さい化合物半導体)で挟持もしくは包囲すれば、信号光の伝播手段ともすることができ、あるいは信号光の伝播手段および制御光の伝播手段ともすることができる。 The light-optical switching element using the two-photon absorption characteristic according to the invention of the second group of the present application, that is, the two-photon absorption switching element is a semiconductor having a two-photon absorption characteristic, and means for propagating control light and signal light input to the semiconductor And means for propagating signal light transmitted through the semiconductor. The semiconductor is as described above. The shape of the semiconductor is not particularly limited, and examples thereof include a thin film shape on a substrate, a layer shape grown on the substrate, a flake shape, a tape shape, a string shape, and a chip shape. The height and width of the semiconductor in the plane perpendicular to the light traveling direction are both preferably 200 μm or less, more preferably 100 μm or less, and even more preferably 10 μm or less from the viewpoint of suppressing light diffusion. The best height and width are around 1 μm. The length of the semiconductor in the light traveling direction is preferably in the range of 100 nm to 500 μm. The propagation means for the control light and the signal light may be any means as long as it can propagate the control light and the signal light emitted from the light source to the semiconductor, and can propagate the signal light transmitted through the semiconductor. ), An optical fiber (for example, made of quartz glass), an optical fiber array, a lens array, and a lens. If a semiconductor having a two-photon absorption characteristic is formed into a waveguide shape, that is, the semiconductor is used as a core and is sandwiched or surrounded by a clad having a lower refractive index (for example, a compound semiconductor having a lower refractive index than the core compound semiconductor). For example, it can be a signal light propagation means, or it can be a signal light propagation means and a control light propagation means.
基板上に半導体層を形成させる場合は、上記の半導体単層を形成することも可能であるし、これら半導体からなる薄膜を複数積層することも可能である。 In the case of forming a semiconductor layer on a substrate, it is possible to form the above-mentioned single semiconductor layer, or to stack a plurality of thin films made of these semiconductors.
基板としては、平坦であれば特段に制限は無く様々なものを使用することができるが、好ましくは構造基板(例えば、サファイア板、石英板)であり、より好ましくは上に二光子吸収特性を有する半導体層を成長させることができる構造基板である。例えば後述の分子線エピタキシー法(MBE法)を用いる場合や有機金属化学堆積法(MOCVD法)等の結晶成長法を用いる場合、その結晶成長に用いる半導体基板をそのまま基板として用いることができる。基板は、特に限定されないが、成長させる半導体と格子定数が一致もしくは出来るだけ近いこと、また結晶構造が同じであることが望ましい。したがって、化合物半導体が望ましく、より望ましくは二光子吸収特性を有する半導体の元素をベースとした化合物半導体である。 The substrate is not particularly limited as long as it is flat, and various substrates can be used. However, a structural substrate (for example, a sapphire plate or a quartz plate) is preferable, and two-photon absorption characteristics are more preferable. A structure substrate on which a semiconductor layer can be grown. For example, when a molecular beam epitaxy method (MBE method) described later or a crystal growth method such as a metal organic chemical deposition method (MOCVD method) is used, the semiconductor substrate used for the crystal growth can be used as it is. The substrate is not particularly limited, but it is desirable that the lattice constant matches or is as close as possible to that of the semiconductor to be grown and has the same crystal structure. Accordingly, a compound semiconductor is desirable, and more desirably a compound semiconductor based on a semiconductor element having two-photon absorption characteristics.
本願第2群の発明の好ましい実施形態に係る二光子吸収スイッチング素子Aは、構造基板3A上に形成された二光子吸収特性を有する半導体層1Aと、この半導体層1Aに対して制御光と信号光を導入する入力用光導波路20A及びこの半導体層を挟んで入力用光導波路と対向して配置される出力用光導波路21Aとから構成されている(図4参照)。なお、図示していないが、信号光と制御光とは半導体1Aの手前で合流している(例えば、図9のように、並行して配置された信号光用導波路と制御光用導波路が半導体1Aの手前で合流している場合、各導波路を近接させる方向性結合器を用いる場合である)。この二光子吸収特性を有する半導体層1A、入力用導波路20A及び出力用導波路21Aを有する限り、二光子吸収スイッチング素子として機能するが、機械的安定性や製作性等の観点から、二光子吸収スイッチング素子は構造基板3A上に形成され固着していることが極めて望ましい(図4参照)。
A two-photon absorption switching element A according to a preferred embodiment of the invention of the second group of the present application includes a
二光子吸収特性を有する半導体1Aを挟んで対向して配置される入力用導波路20Aの先端と出力用導波路21Aの先端の間の距離は、100nm〜500μmの範囲内にあることが望ましい。このような範囲を採用すると、光通信波長として極めて有用な1200nm〜1700nmの範囲を基礎吸収端よりも長くして使用する範囲とすることができる。加えて二光子吸収は高速性にも優れているので、かかる二光子吸収特性を有する半導体を用いて作製される光‐光スイッチング素子などの光非線型デバイスや光制御デバイスは広波長域にて高速動作することが可能となる。
It is desirable that the distance between the tip of the
入力用導波路20Aおよび出力用導波路21Aは、所望の波長の光が伝播可能なものであれば、特段限定されず、好ましくはコア層20MA(21MA)と、このコア層20MA(21MA)よりは屈折率が小さい一対のクラッド層20LAおよび20HA(21LAおよび21HA)で挟持あるいは包囲した構成からなる(図4参照)。なお、図4の光−光スイッチング素子は、入力用導波路20Aから光強度の高い制御光と光強度の低い信号光の双方を同時に伝播させる構成を採用している。この構成の光−光スイッチング素子は、光強度の低い信号光のみを入力用導波路20Aから半導体層1Aへと伝播させることにより信号光を透過させて出力光を生じさせ、光強度の低い信号光と光強度の高い制御光を入力用導波路20Aから半導体層1Aへと伝播させることにより二光子吸収を生じさせて信号光を遮断することによってスイッチング機能を発揮させている。
The
図5の光−光スイッチング素子Bは、光強度の低い信号光を伝播する入力用導波路20Bと、光強度の高い制御光を伝播する二光子吸収特性制御用の入力用導波路22Bとを別々に設ける態様を採用しており、制御光の入力用導波路22Bは、信号光入力用導波路20Bと信号光出力用導波路21Bを結ぶ直線に直交するように、半導体層1Bに連結している。なお、該入力用導波路22Bは、該直線に対し例えば、45°〜90°未満の角度で、斜めに交叉するようにしてもよい。 The optical-optical switching element B of FIG. 5 includes an input waveguide 20B that propagates signal light with low light intensity and an input waveguide 22B for control of two-photon absorption characteristics that propagates control light with high light intensity. The control light input waveguide 22B is connected to the semiconductor layer 1B so as to be orthogonal to a straight line connecting the signal light input waveguide 20B and the signal light output waveguide 21B. ing. The input waveguide 22B may cross at an angle with respect to the straight line at an angle of 45 ° to less than 90 °, for example.
出力用導波路21Bは、信号光が入力用導波路20Bとの間に配置された半導体層1Bを透過した場合に出力光を伝播させるためのものであるため、入力用導波路20Bと対向して一対に形成されていることが重要である。この入力用導波路20Bと出力用導波路21Bの間には二光子吸収特性を有する半導体層1Bが配されているが、光の損失の関係から、入力用導波路20Bと半導体層1B、出力用導波路21Bと半導体層1Bは、それぞれ空気層を介することなく直結していることが好ましく、一体成形されていることがより好ましい。一体成形されていない場合は、光路結合用接着剤,光導波路形成樹脂等により密着させることが好ましい。また、これらの対向する導波路間の距離は、光の伝達を行うことができる限り特段に制限されないが、遷移確率が高い状態において、十分に光を遮断することができる範囲および光の損失を許容できる範囲を考慮して100nm〜500μmの範囲にあることが望ましく、より望ましくは100nm〜100μmの範囲内である。これらは、図4に示すタイプの光−光スイッチング素子においても同様である。 Since the output waveguide 21B is for propagating the output light when the signal light is transmitted through the semiconductor layer 1B disposed between it and the input waveguide 20B, it faces the input waveguide 20B. It is important that they are formed in pairs. A semiconductor layer 1B having two-photon absorption characteristics is disposed between the input waveguide 20B and the output waveguide 21B. From the relationship of light loss, the input waveguide 20B, the semiconductor layer 1B, and the output The waveguide 21B and the semiconductor layer 1B are preferably directly connected without interposing an air layer, and more preferably integrally formed. When not integrally molded, it is preferable that the optical path coupling adhesive, the optical waveguide forming resin, and the like are used for close contact. In addition, the distance between these opposing waveguides is not particularly limited as long as light can be transmitted. However, the range in which light can be sufficiently blocked and the loss of light in a state where the transition probability is high. In consideration of an allowable range, the thickness is desirably in the range of 100 nm to 500 μm, and more desirably in the range of 100 nm to 100 μm. The same applies to the optical-optical switching element of the type shown in FIG.
図6の光−光スイッチング素子Cは、構造基板3C上に、下部クラッド層1LC、該下部クラッド層1LC上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体層1MC、該半導体層1MC上に上部クラッド層1HCの順に積層されてなる積層体1Cが形成され、信号光入力用導波路20Cと信号光出力用導波路21Cとが該積層体1Cを挟んで対向する位置に形成され、制御光入力用導波路22Cが該一対の信号光用導波路を結ぶ直線に略直角に交叉するように前記積層体1Cに連結しており、請求項17記載(但し、平面視にて正方形のもの)の光−光スイッチング素子の好ましい実施形態である。信号光と制御光が積層体1C中の半導体層1MCで交叉するので、半導体1MCがスイッチング部となる。
6 includes a lower clad layer 1LC on a
図7の光−光スイッチング素子Dは、構造基板3D上に、下部クラッド層1LD、該下部クラッド層1LD上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体層1MD、該半導体層1MD上に上部クラッド1HD層の順に積層されてなる積層体1Dが形成され、該積層体1Dは平面視にてT字の横線を形成しており、制御光入力用導波路22Dが平面視にてT字の縦線を形成するように該積層体1Dに連結しており、請求項17記載(但し、平面視にて長方形のもの)の長方形の光−光スイッチング素子の好ましい実施形態である。この光−光スイッチング素子では、図示していない導波路を伝播してきた信号光を略T字の横線に相当する部分(即ち、1MDの左端)に入力し、制御光を略T字の縦線に相当する部分(即ち、22MDの上端)に入力する。積層体1D中の信号光と制御光との交叉部分がスイッチング部となる。
7 includes a lower clad layer 1LD on a
図8の光−光スイッチング素子Eは、構造基板3E上に下部クラッド層1LEが積層され、該下部クラッド層1LE上にクラッド層より屈折率が大きくかつ二光子吸収特性を有する半導体層1MEが積層され、該半導体層1ME上に上部クラッド層1HEが積層され、該積層体1Eは平面視にてT字形であり、請求項18記載の光−光スイッチング素子の好ましい実施形態である。この光−光スイッチング素子では、図示していない導波路を伝播してきた信号光をT字の横線に相当する部分(即ち、1MEの左端)に入力し、図示していない導波路を伝播してきた制御光をT字の縦線に相当する部分(即ち、1ME′の上端)に入力する。積層体1E中の信号光と制御光との交叉部分がスイッチング部となる。
In the optical-optical switching element E of FIG. 8, a lower cladding layer 1LE is stacked on a
図9に係る光−光スイッチング素子Fは、構造基板3Fと、この構造基板3F上に形成される二光子吸収特性を有する半導体層1Fと、入力用導波路20Fと、この入力導波路20Fと半導体層1Fを挟んで反対例に配置される複数の出力用導波路21Fと、出力用導波路21Fと半導体層1Fとの間に配置され、上記各出力用導波路21Fに入力用導波路20Fからの光が伝播してきた場合に波長に応じて分岐する分波器4Fとから構成されている。なお入力用導波路20Fは、半導体層1Fの手前側において、強い光を伝播させる二光子吸収特性制御用の導波路22Fと接合されており、同じ導波路で半導体層1Fに信号光と制御光を伝播する構成となっている。このような構成とすれば、例えば、入力用導波路3Fから複数の波長の光を伝播させて半導体層1Fに入射すると同時に透過させ、分波器4Fで波長に応じて分岐させて所望の波長範囲の光のみを取り出すことが可能となる。この二光子吸収スイッチング素子を用いると、制御用の強い光は一種類ですみ、極めて簡便な構成で複数の波長の制御を行うことができるという利点がある。また、他の具体例として、入力用導波路20Fと制御用導波路22Fが接合されておらず、入力用導波路と制御用導波路を近接して形成した方向性結合器のような態様もある。また、波長分岐機能のない分波器を使用した場合、各出力用導波路の途中にバンドパスフィルタなどを配置する態様や、二光子吸収特性制御用の導波路22Fの代わりに、レンズ5Gを介して光強度の高い制御光を半導体層1Gへ照射することにより光−光スイッチングを可能とする態様がある(図9、図10参照)。
The optical-optical switching element F according to FIG. 9 includes a
本願第3群の発明である二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子の製造方法は、
[24]基板上に二光子吸収特性を有する半導体を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする[13]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[25]基板上に、下部クラッド層、半導体層、ついで上部クラッド層を積層する工程および導波路用の下部クラッド層、コア層、ついで上部クラッド層を積層する工程からなる[15]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[26]二光子吸収特性を有する半導体結晶ウェーハ上に、エピタキシー成長法を用いて半導体層を形成する工程および導波路を形成する工程からなることを特徴とする[25]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
[27]前記二光子吸収特性を有する半導体層を形成する工程は、分子線エピタキシー法又は有機金属化学堆積法のいずれかを用いることを特徴とする[26]記載の光−光スイッチング素子の製造方法。
であるが、その具体例は以下の通りである。なお、該半導体は前記通りである。The manufacturing method of the light-light switching element using the two-photon absorption characteristic which is the invention of the third group of the present application, ie, the two-photon absorption switching element
[24] The method for producing an optical-optical switching element according to [13], comprising a step of forming a semiconductor having a two-photon absorption characteristic on a substrate and a step of forming a waveguide.
[25] The light according to [15], comprising a step of laminating a lower clad layer, a semiconductor layer, and then an upper clad layer on a substrate, and a step of laminating a lower clad layer for a waveguide, a core layer, and then an upper clad layer. -Manufacturing method of an optical switching element.
[26] The light-optical switching according to [25], comprising a step of forming a semiconductor layer and a waveguide by using an epitaxy growth method on a semiconductor crystal wafer having two-photon absorption characteristics. Device manufacturing method.
[27] The process for forming a semiconductor layer having two-photon absorption characteristics uses either a molecular beam epitaxy method or a metal organic chemical deposition method. Method.
However, specific examples thereof are as follows. The semiconductor is as described above.
以下、図6の光−光スイッチング素子の製造方法について、図11により説明する。図11中の中央列(1′)、(8′)は平面図を示し、左列(1)〜(8)は、平面図のY−Y′線断面を示し、右列(1″)〜(8″)は、平面図のX−X′線断面を示す。 Hereinafter, a method for manufacturing the optical-optical switching element of FIG. 6 will be described with reference to FIG. In FIG. 11, center columns (1 ′) and (8 ′) show plan views, and left columns (1) to (8) show YY ′ line cross sections of the plan views, and right columns (1 ″). ˜ (8 ″) represents a cross section taken along line XX ′ of the plan view.
この製造方法は、
(1) GaAsからなる構造基板上3Cに、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlpGa1−pAsからなる(二光子吸収特性を有する半導体用)下部クラッド層1LCを形成し、該下部クラッド層1LC上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってInxGa1−xAs(xは0より大きく0.53以下)からなる二光子吸収特性を有する半導体コア層1MCを形成し、ついで該コア層1MC上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlpGa1−pAsからなる(二光子吸収特性を有する半導体用)上部クラッド層1HCを形成する工程、(2)前記上部クラッド層1HC上(但し、平面視にて略T字形状の導波路形成予定領域PCを除く)に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層6Cを形成する工程、(3)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、導波路形成予定領域PCの前記上部クラッド層1HC、前記コア層1MCおよび前記下部クラッド層1LCをエッチングして除去する工程、(4)前記レジストパターン層6C上と導波路形成予定領域PCの基板1上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlqGa1−qAsからなる導波路用下部クラッド層2LCを形成し、該導波路用下部クラッド層2LC上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlpGa1−pAsからなる導波路用コア層2MCを形成し、ついで該導波路用コア層2MC上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlqGa1−qAsからなる導波路用上部クラッド層2HCを形成する工程(但し、0≦p<q≦1である)、(5)前記レジストパターン層6Cおよびその上層部2Cをリフトオフする工程、(6)導波路用上部クラッド層2HD(導波路形成予定領域PC)上および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層1HC上に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層7Cを形成する工程、(7)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、前記レジストパターン層7Cで被覆されていない(二光子吸収特性を有する半導体用)上部クラッド層1HC、二光子吸収特性を有する半導体コア層1MCおよび(二光子吸収特性を有する半導体用)下部クラッド層1HCをエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジストパターン層7Cを除去する工程からなる。This manufacturing method is
(1) A lower clad layer 1LC made of Al p Ga 1-p As (for a semiconductor having two-photon absorption characteristics) is formed on 3C on a structural substrate made of GaAs by, for example, chemical vapor deposition (CVD), On the lower cladding layer 1LC, a semiconductor core layer 1MC having a two-photon absorption characteristic made of In x Ga 1-x As (x is larger than 0 and 0.53 or smaller) is formed by, for example, chemical vapor deposition (CVD). Forming an upper clad layer 1HC (for a semiconductor having a two-photon absorption characteristic) made of Al p Ga 1-p As, for example, by chemical vapor deposition (CVD), for example, on the core layer 1MC; (2) A photoresist is applied on the upper clad layer 1HC (except for a substantially T-shaped waveguide formation planned area PC in a plan view) by, for example, a photolithography method, exposed, Developing to form a resist
図7の光−光スイッチング素子の製造方法について、図12により説明する。図12中の中央列(1′)、(8′)は平面図を示し、左列(1)〜(8)は、平面図のY−Y′線断面を示し、右列(1″)〜(8″)は、平面図のX−X′線断面を示す。
この製造方法は、
(1) GaAsからなる構造基板3D上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlpGa1−pAsからなる(二光子吸収特性を有する半導体用)下部クラッド層1LDを形成し、該下部クラッド層1LD上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってInxGa1−xAs(xは0より大きく0.53以下)からなる二光子吸収特性を有する半導体コア層1MDを形成し、ついで該コア層1MD上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlpGa1−pAsからなる(二光子吸収特性を有する半導体用)上部クラッド層1HDを形成する工程、(2)前記上部クラッド層1HD上(但し、平面視にて略T字の縦線である導波路形成予定領域PDを除く)に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層6Dを形成する工程、(3)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、導波路形成予定領域PDの前記上部クラッド層1HD、前記コア層1MDおよび前記下部クラッド層1LDをエッチングして除去する工程、(4)前記レジストパターン層6D上と導波路形成予定領域PDの基板上3Dに、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlqGa1−qAsからなる導波路用下部クラッド層2LDを形成し、該導波路用下部クラッド層2LD上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlpGa1−pAsからなる導波路用コア層2MDを形成し、ついで該導波路用コア層2MD上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってAlqGa1−qAsからなる導波路用上部クラッド層2HDを形成する工程、(5)前記レジストパターン層6Dおよびその上層部2Dをリフトオフする工程、(6)導波路用上部クラッド層2HD(導波路形成予定領域PD)上および二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層1HD上(但し、平面視にて略T字の横線)に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、レジストパターン層7Dを形成する工程、(7)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、前記レジストパターン層7Dで被覆されていない(二光子吸収特性を有する半導体用)上部クラッド層1HD、二光子吸収特性を有する半導体コア層1MDおよび(二光子吸収特性を有する半導体用)下部クラッド層1LDをエッチングして除去する工程、ついで(8)前記レジストパターン層7Dを除去する工程からなる。A method for manufacturing the optical-optical switching element of FIG. 7 will be described with reference to FIG. In FIG. 12, center columns (1 ′) and (8 ′) show plan views, and left columns (1) to (8) show YY ′ line cross sections of the plan view, and right columns (1 ″). ˜ (8 ″) represents a cross section taken along line XX ′ of the plan view.
This manufacturing method is
(1) On the
図8の光−光スイッチング素子の製造方法について、図13により説明する。図13中の中央列(1′)、(4′)は平面図を示し、左列(1)〜(4)は、平面図のY−Y′線断面を示し、右列(1″)〜(4″)は、平面図のX−X′線断面を示す。
この製造方法は、
(1)InPからなる構造基板上3Eに、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってInyAl1−yAs(0≦y≦0.69、但しy=0.52が望ましい)からなる(二光子吸収特性を有する半導体用)下部クラッド層1LEを形成し、該下部クラッド層1LE上に、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってInxGa1−xAs(xは0より大きく0.53以下)からなる二光子吸収特性を有する半導体コア層1MEを形成し、ついで該コア層上1MEに、例えば化学気相堆積法(CVD法)によってInyAl1−yAs(0≦y≦0.69、但しy=0.52が望ましい)からなる(二光子吸収特性を有する半導体用)上部クラッド層1HEを形成する工程、(2)前記上部クラッド層1HE上に、例えばフォトリソグラフィ法でフォトレジストを塗布、露光、現像して、平面視にて略T字形状のレジストパターン層6Eを形成する工程、(3)ドライエッチング法、ウェットエッチング法等のエッチング法で、前記レジストパターン層6Eで被覆されていない二光子吸収特性を有する半導体用上部クラッド層1HE、二光子吸収特性を有する半導体コア層1MEおよび二光子吸収特性を有する半導体用下部クラッド層1LEをエッチングして除去する工程、ついで(4)前記レジストパターン層6Eを除去する工程からなる。A method for manufacturing the optical-optical switching element of FIG. 8 will be described with reference to FIG. In FIG. 13, the central columns (1 ′) and (4 ′) are plan views, and the left columns (1) to (4) are cross-sectional views taken along line YY ′ of the plan view, and the right columns (1 ″). ˜ (4 ″) represents a cross section taken along line XX ′ of the plan view.
This manufacturing method is
(1) On a
上記各製造方法では、前記二光子吸収特性を有する半導体用各クラッド層、二光子吸収特性を有する半導体コア層、前記導波路用各クラッド層とコア層は、化合物半導体薄膜であり、具体的には化合物半導体薄膜結晶エピタキシャル膜である。その形成方法としては、化学気相堆積法(CVD法)の他に、分子線エピタキシー法(MBE法)、有機金属化学堆積法(MOCVD法)、有機金属気相成長法(MOVPE法)、その他のエピタキシャル結晶成長法等の常法が例示される。 In each of the above manufacturing methods, each of the cladding layers for a semiconductor having the two-photon absorption characteristics, the semiconductor core layer having the two-photon absorption characteristics, each of the cladding layers for the waveguide and the core layer are compound semiconductor thin films. Is a compound semiconductor thin film crystal epitaxial film. The chemical vapor deposition method (CVD method), molecular beam epitaxy method (MBE method), metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method), etc. The conventional method such as the epitaxial crystal growth method is exemplified.
以下、本願第2群の発明の実施形態に係る二光子吸収特性を利用した光−光スイッチング素子、すなわち二光子吸収スイッチング素子の性能を確かめるべく、実際に化合物半導体層を形成し、その特性を測定した。以下具体的に説明する。 Hereinafter, in order to confirm the performance of the light-light switching element using the two-photon absorption characteristics according to the second embodiment of the present invention, that is, the two-photon absorption switching element, a compound semiconductor layer is actually formed, and the characteristics are It was measured. This will be specifically described below.
本実施例では、固体ソース分子線エピタキシャル法を用いて構造基板上に化合物半導体層を形成した。
より具体的には、下記表2における条件に基づき化合物半導体層を形成した。いずれも成長速度は1μm/hとし、成長中の真空度は2×10−6Torrとした。In this example, a compound semiconductor layer was formed on a structural substrate using a solid source molecular beam epitaxial method.
More specifically, a compound semiconductor layer was formed based on the conditions in Table 2 below. In both cases, the growth rate was 1 μm / h, and the degree of vacuum during growth was 2 × 10 −6 Torr.
以上作成した各化合物半導体層について、まず、光透過率変化の励起強度密度依存性を測定した。図14に本測定系を示す。 For each compound semiconductor layer created above, first, the excitation intensity density dependence of the light transmittance change was measured. FIG. 14 shows this measurement system.
本測定系では、レーザー光パルスを可変ND及びガラス板、対物レンズを介してシングルモード光ファイバーを介して試料(化合物半導体層)に導入し、その出力光を光パワーメーターで測定している。なお、リファレンスとしてガラス板からの反射光を光パワーメーターで測定している。 In this measurement system, a laser light pulse is introduced into a sample (compound semiconductor layer) through a variable ND, a glass plate, and an objective lens through a single mode optical fiber, and the output light is measured with an optical power meter. In addition, the reflected light from a glass plate is measured with the optical power meter as a reference.
また同様に、上記各半導体層について、二光子吸収の応答速度を常法であるポンプ・プローブ法により求めた。図15にこの測定系を示す。 Similarly, the response speed of two-photon absorption was determined for each of the semiconductor layers by the pump / probe method, which is a conventional method. FIG. 15 shows this measurement system.
これら測定系による測定結果を、図16乃至図19に示す。なお、以下に記載のΔαLでは、一般的にαが光吸収係数であるが、L(試料の厚さ)が同じであれば、相対的な意味においてαLは光吸収係数と言えるため、光吸収係数の変化と称している。 The measurement results by these measurement systems are shown in FIGS. In the following ΔαL, α is generally a light absorption coefficient. However, if L (the thickness of the sample) is the same, αL can be said to be a light absorption coefficient in a relative sense. This is called a change in coefficient.
まず、図16(A)は、上記試料番号1(InP)を半導体層2として用いて測定した場合であって、励起光強度密度を変化させた場合の光吸収係数の変化ΔαLを示している。横軸は励起光強度密度(μJ/cm2)を示し、縦軸は光吸収係数の変化ΔαLを示している。ΔαLは、励起光強度密度をI0、透過光強度密度をIとしたときに、ΔαL=−ln(I/I0)にて計算されるものである。この結果、InPからなる化合物半導体層の場合、励起光強度密度が増加するに従い、ΔαLが増加することが、1630nmから1700nmにおいて確かめられており、一般的に使用される光通信波長域において、光−光スイッチング素子として十分使用できることがわかる。図16(B)は、上記試料番号1(InP)を半導体層2として用いて測定した場合であって、遅延時間を変化させた場合の透過率変化ΔT/Tを示している。横軸は遅延時間(ps)を示し、縦軸は透過率変化ΔT/Tを示している。なお、信号光の光強度は0.9μJ/cm2であり、制御光の光強度は190μJ/cm2である。図16(A)では1630nm〜1700nmにおけるデータのみであるが、図16(B)では1390〜1650nmの範囲での応答速度を示している。応答速度の半値幅は0.25psであり、非常に速い応答特性である。したがって、通常の光通信波長域である1390〜1700nmの範囲で、光−光スイッチング素子として十分な二光子吸収特性が現れていることが良く分かる。First, FIG. 16A shows a change ΔαL of the light absorption coefficient when the sample number 1 (InP) is measured as the
図16(B)では、時間原点(遅延時間0ps;信号光と制御光とが時間的に完全に重なっている時刻)を中心に、遅延時間が負(信号光が制御光よりも先に試料に入射している場合)の時間領域と遅延時間が正(信号光が制御光よりも後に試料に入射している場合)の時間領域での波形が対称である。遅延時間が正の時間領域には、特許文献3のような遅い応答成分はない。一般的に、パターン効果がある系や元に戻る速度が遅い系でも遅延時間が負の波形はレーザー波形と同じ高速な応答波形を示すが、それらは遅延時間が正の領域では遅い応答成分が波形に現れ、時間原点について対称とならない。以上により、本実施例においてパターン効果が無いことが分かる。
In FIG. 16B, the delay time is negative (the signal light is ahead of the control light and the sample is before the control light) around the time origin (delay
次に、図17(A)は、上記試料番号3のIn0.53Ga0.47Asを半導体層2として用いて測定した場合であって、励起光強度密度を変化させた場合の吸収係数の変化ΔαLを示す。化合物半導体材料以外についてはほぼ図15Aとほぼ同様である。Next, FIG. 17A shows the case where measurement is performed using In 0.53 Ga 0.47 As of the
図17(A)によると、前記InPと同様に、1630nm〜1700nmにおいて励起光強度密度の増大に伴うΔαLの増大が確認でき、In0.53Ga0.47Asが二光子吸収特性に優れていることが確認できた。According to FIG. 17A, like InP, an increase in ΔαL accompanying an increase in excitation light intensity density can be confirmed at 1630 nm to 1700 nm, and In 0.53 Ga 0.47 As has excellent two-photon absorption characteristics. It was confirmed that
図17(B)は、上記試料番号3(In0.53Ga0.47As)を半導体層2として用いて測定した場合であって、遅延時間を変化させた場合の透過率変化ΔT/Tを示す。横軸は遅延時間(ps)を示し、縦軸は透過率変化ΔT/Tを示している。なお、信号光の光強度は0.9μJ/cm2であり、制御光強度は190μJ/cm2である。図17(B)によると、応答のピークにおける半値幅が0.25psであり、高速応答が実現できることが確かめられた。もちろん、図16(A)及び(B)と同様、図17(A)及び(B)により、1390nm〜1700nmにおいて二光子吸収特性が良く現れていることが分かり、通常の光通信波長域である1390nm〜1700nmの範囲で、光−光スイッチング素子として好適に使用できることが分かった。FIG. 17B shows a case where the sample number 3 (In 0.53 Ga 0.47 As) is measured as the
図17(B)は時間原点では、(遅延時間0ps;信号光と制御光とが時間的に完全に重なっている時刻)を中心に、遅延時間が負(信号光が制御光よりも先に試料に入射している場合)の時間領域と遅延時間が正(信号光が制御光よりも後に試料に入射している場合)の時間領域での波形が対称である。遅延時間が正の時間領域には、特許文献3のような遅い応答成分はない。一般的に、パターン効果がある系や元に戻る速度が遅い系でも遅延時間が負の波形はレーザー波形と同じ高速な応答波形を示すが、それらは遅延時間が正の領域では遅い応答成分が波形に現れ、時間原点について対称とならない。以上により、本実施例においてパターン効果が無いことが分かる。
In FIG. 17B, at the time origin, the delay time is negative (the signal light is earlier than the control light), centering on (delay
そこで、InxGa1−xAsにおける望ましいxの範囲を確かめるべく、xの数値を0〜0.53の範囲で様々に変えた化合物半導体について励起光強度密度を変化させた場合の吸収係数の変化ΔαLを調べた。この結果を図18に示す。xの数値を様々に変えた化合物半導体材料は、上記表1における試料番号2乃至6に相当する。なお、励起光の波長は1700nmである。Therefore, in order to confirm the desirable range of x in In x Ga 1-x As, the absorption coefficient when the excitation light intensity density is changed for a compound semiconductor in which the value of x is variously changed in the range of 0 to 0.53. The change ΔαL was examined. The result is shown in FIG. The compound semiconductor materials with various values of x correspond to sample
図18によると、GaAs以外はほぼ全て、励起光強度密度が増加するとΔαLが増加しているものの、GaAsでは増加を示しておらず、むしろ減少する傾向を示している。これは、GaAsだと強い光を当てた場合であっても、光の遮断を行っていないことを示し、二光子吸収特性を有する半導体層として機能できないことを示している。従って、二光子吸収スイッチング素子として機能させる場合、InxGa1−xAsのxは、0より大きく0.53よりも小さい範囲で二光子吸収特性を示していることが確認できた。これは上述した基礎吸収端とほぼ同じ望ましい範囲を示している。ここで、xの下限値は0.05であることが好ましい。According to FIG. 18, almost all except GaAs show that ΔαL increases as the excitation light intensity density increases, but GaAs does not show an increase but rather tends to decrease. This indicates that even when strong light is applied to GaAs, light is not blocked, indicating that the semiconductor layer cannot function as a two-photon absorption characteristic. Therefore, when functioning as a two-photon absorption switching element, it was confirmed that x of In x Ga 1-x As exhibited a two-photon absorption characteristic in a range larger than 0 and smaller than 0.53. This shows the same desired range as the basic absorption edge described above. Here, the lower limit of x is preferably 0.05.
次に、ドーパントをドープした化合物半導体について、励起光強度密度を変化させた場合の吸収係数の変化ΔαLを測定した。試料としては表2に示す試料番号1乃至3を用いた。その測定結果を図19に示す。なお、図19中では、InGaAsバルク的薄膜と表示されているが、BeドープIn0.53Ga0.47Asバルク的薄膜のことである。Next, the change ΔαL of the absorption coefficient when the excitation light intensity density was changed was measured for the compound semiconductor doped with the dopant.
この測定結果によると、図18と同様に、CrドープGaAs基板では励起光強度密度が増加してもΔαLが殆ど増加していないのに対し、FeドープInP基板やBeドープIn0.53Ga0.47Asバルク的薄膜では、二光子吸収特性を十分に示していることが確認できた。According to this measurement result, as in FIG. 18, in the Cr-doped GaAs substrate, ΔαL hardly increases even when the excitation light intensity density increases, whereas the Fe-doped InP substrate or Be-doped In 0.53 Ga 0. It was confirmed that the .47 As bulk thin film sufficiently showed the two-photon absorption characteristics.
以上、二光子吸収特性を有する半導体、特には前記化合物半導体を光−光スイッチング素子のスイッチ部として利用することにより、光通信波長域にてサブピコ秒の動作速度を得ることが可能であることが分かった。 As described above, it is possible to obtain a sub-picosecond operating speed in the optical communication wavelength region by using a semiconductor having two-photon absorption characteristics, particularly the compound semiconductor, as a switch part of an optical-optical switching element. I understood.
本願発明の光−光スイッチング方法および光−光スイッチング素子は、光ゲート,光変調器,波長変換器,光サンプリングオシロスコープ,ルーター等に有用である。さらには、この二光子吸収スイッチング素子1つのみでも、光通信の波長分割多重(WDM)方式のスイッチング素子として利用でき、必要なチャネル数だけ並列にて使用すれば、光時分割多重(OTDM)方式のスイッチング素子として利用できるため、OTDM−WDM通信のスイッチング素子として利用可能である。
The optical-optical switching method and optical-optical switching element of the present invention are useful for optical gates, optical modulators, wavelength converters, optical sampling oscilloscopes, routers, and the like. Furthermore, even this single two-photon absorption switching element can be used as a wavelength-division multiplexing (WDM) switching element for optical communication. If the required number of channels are used in parallel, optical time-division multiplexing (OTDM) Since it can be used as a switching element of the system, it can be used as a switching element for OTDM-WDM communication.
Claims (24)
In x Ga 1−x As(xは0より大きく0.8以下)、In y Al 1 −y As(yは0以上0.82以下)、In z Ga 1−z N(zは0.4以上1以下)およびIn (1−a−b) Ga a Al b As (1−c) N c (a、b、a+bは0以上1以下、cは0より大きく1未満、又は、a、b、a+bは0より大きく1未満、cは0以上1以下。但し、両組成が重複する場合を除く。)のいずれかの組成からなる二光子吸収特性を有する化合物半導体(ただし、量子井戸、量子細線、量子ドットのような量子効果のある構造および半導体周期構造を有しない)に、光強度の低い信号光を照射しつつ、光強度の高い制御光を間欠的に照射し、該制御光の照射時には発生した二光子吸収により該信号光の通過を遮断し、該制御光の非照射時には該信号光を通過させることを特徴とする、光−光スイッチング方法。In a light-light switching method in which signal light is turned on / off with control light,
In x Ga 1-x As ( x is 0.8 or less larger than 0), In y Al 1 -y As (y is 0 or 0.82 or less), In z Ga 1-z N (z 0.4 1 or more) and In (1-ab) Ga a Al b As (1-c) N c (a, b, a + b is 0 or more and 1 or less, c is greater than 0 and less than 1, or a, b , A + b is greater than 0 and less than 1, and c is 0 or more and 1 or less, except for the case where both compositions overlap each other, and a compound semiconductor having a two-photon absorption characteristic (however, quantum well, quantum A thin wire, a quantum effect structure such as a quantum dot and a semiconductor periodic structure are not irradiated with signal light with low light intensity, and control light with high light intensity is irradiated intermittently. The two-photon absorption generated during irradiation blocks the signal light from passing through, and the control light And wherein the passing the signal light at the time of non-irradiation, light - optical switching method.
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|---|---|---|---|---|
| JPH04194825A (en) * | 1990-06-20 | 1992-07-14 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | Photo semiconductor device |
| JPH0621918A (en) * | 1992-06-30 | 1994-01-28 | Canon Inc | Device for reproduction of optical pulse signal and method thereof |
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