JPH0632328B2 - Semiconductor optical bistable device - Google Patents
Semiconductor optical bistable deviceInfo
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- JPH0632328B2 JPH0632328B2 JP59146042A JP14604284A JPH0632328B2 JP H0632328 B2 JPH0632328 B2 JP H0632328B2 JP 59146042 A JP59146042 A JP 59146042A JP 14604284 A JP14604284 A JP 14604284A JP H0632328 B2 JPH0632328 B2 JP H0632328B2
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- optical
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Description
【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、高速光コンピユータに用いる光論理素子、光
通信用全光中継器に用いる光識別増幅器などに応用する
ことができる半導体光双安定素子に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor optical bistable device that can be applied to an optical logic device used in a high-speed optical computer, an optical discrimination amplifier used in an all-optical repeater for optical communication, and the like. Is.
光双安定素子の基本的構成は光学分野に広く利用されて
いるフアブリ・ペロー干渉計にある。フアブリ・ペロー
干渉計とは第1図に示すように2枚の半透鏡(ハーフミ
ラー)11と12とを所定の距離だけ離間させて平行に
向い合わせて配置した装置である。ここで、半透鏡11
と12との間は共振器(キヤビテイ)13と呼び、ここ
には、対象となる光を通す物質を置く。光双安定性を実
現するためには共振器13の中の物質を非線形な屈折率
を持つ物質にしなければならない。The basic structure of the optical bistable element is the Fabry-Perot interferometer widely used in the optical field. The Fabry-Perot interferometer is a device in which, as shown in FIG. 1, two semi-transparent mirrors (half mirrors) 11 and 12 are arranged parallel to each other with a predetermined distance therebetween. Here, the semi-transparent mirror 11
A space between the first and the second portions is called a cavity 13, and a substance that allows light to pass through is placed therein. In order to realize optical bistability, the substance in the resonator 13 must be a substance having a nonlinear refractive index.
このような非線形屈折物質にレーザー光を集光すると、
レーザー光の強度によつてその物質の屈折率が変わる。
共振器13内の物質の屈折率が変わることにより共振波
長が変化し、したがつて光の位相関係を変化させること
ができる。透過率もこれに従つて変化するのは当然であ
る。一方の半透鏡11を通じて外部より入射光14が共
振器13内に入射され、その一部は反射光15として共振
器13に入ることなく反射され、共振器13内の光の一
部が半透鏡12から透過光16として射出される。When laser light is focused on such a non-linear refraction material,
The refractive index of the substance changes depending on the intensity of laser light.
By changing the refractive index of the substance in the resonator 13, the resonance wavelength changes, and thus the phase relationship of light can be changed. Naturally, the transmittance also changes accordingly. Incident light 14 is incident on the resonator 13 from the outside through one of the semi-transparent mirrors 11, and a part of the light is reflected as reflected light 15 without entering the resonator 13, and a part of the light in the resonator 13 is a semi-transparent mirror. It is emitted from 12 as transmitted light 16.
第2図は共振器13内の物質の長さとその屈折率の積で
与えられる光路長と、干渉計の透過率との関係を示す。
第1図の場合には、共振器13は固定長だから、これは
屈折率と透過率との関係とみてよい。Nを正の整数、λ
を波長とするときに、光路長が入射光14の半波長の整
数倍に等しいとき、すなわち などのときに最も強め合う干渉になり、透過光16は最
大になる。第2図において、ピークとピークとの間では
透過率は小さくほとんど変化していない。光路長が半波
長の整数倍に近づくにつれ、透過率はある光路長まで徐
々にしか増加しないが、それを過ぎると急激に増える。FIG. 2 shows the relationship between the optical path length given by the product of the length of the substance in the resonator 13 and its refractive index, and the transmittance of the interferometer.
In the case of FIG. 1, since the resonator 13 has a fixed length, this can be regarded as the relationship between the refractive index and the transmittance. N is a positive integer, λ
Is a wavelength, and the optical path length is equal to an integral multiple of a half wavelength of the incident light 14, that is, In such cases, the interference is most constructive, and the transmitted light 16 becomes maximum. In FIG. 2, the transmittance is small between the peaks and hardly changes. As the optical path length approaches an integral multiple of a half wavelength, the transmittance gradually increases up to a certain optical path length, but increases sharply beyond that.
共振器13内の物質は非線形屈折物質であるから、入射
レーザー光強度の変化により屈折率、つまり光路長を変
化させることができる。そこでまず入射光14の強度
を、物質の屈折率が第2図のピークからはずれた領域の
光路長になるように選ぶ。この状態では透過率は低い。
ここで入射光強度が徐々に増加すると、屈折率と光路長
は徐々に変化し、透過率はわずかに増加する。Since the substance in the resonator 13 is a non-linear refractive substance, the refractive index, that is, the optical path length can be changed by changing the intensity of the incident laser light. Therefore, first, the intensity of the incident light 14 is selected so that the refractive index of the substance has an optical path length in a region deviating from the peak in FIG. In this state, the transmittance is low.
Here, when the incident light intensity gradually increases, the refractive index and the optical path length gradually change, and the transmittance slightly increases.
入射光14がある光強度に達すると、物質の屈折率と共
振器13内の光強度は互いに増大させ合う正のフイード
バツク(帰還)状態になり、屈折率の変化により内部の
干渉の強め合いの度合いが増加し、さらに光強度が増加
するので屈折率がますます変化する。入射光強度がある
値になると、屈折率変化と内部光強度増加との相互の強
め合いは非常に強くなり、第2図において透過率が急激
に増加するピーク領域に入る。このピークでは透過率が
1になる。When the incident light 14 reaches a certain light intensity, the refractive index of the substance and the light intensity in the resonator 13 become a positive feedback (returning) state in which they increase each other, and the internal interference is strengthened by the change in the refractive index. As the degree increases and the light intensity further increases, the refractive index changes more and more. When the incident light intensity reaches a certain value, the mutual strengthening between the change in the refractive index and the increase in the internal light intensity becomes very strong, and enters the peak region where the transmittance sharply increases in FIG. The transmittance is 1 at this peak.
次に入射光強度を減少させていく。まずピークの状態で
は入射光14がいくらか弱くなつても、透過率はすぐに
近い状態にならない。これは共振器13内部の光強度が
最大透過率に対応する屈折率と光路長を維持するのに十
分な強度だからである。入射光強度をさらに減少させて
いつても透過率はほんのわずか減少するだけである。し
かしある光強度になると屈折率と共振器13内の光強度
は相互に減少させ合う。つまり入射光強度をわずかに減
少しただけで屈折率の変化が共振器13内の光強度を減
少させ、その強度変化が屈折率を変化させるため透過率
は急激に減少する。Next, the incident light intensity is reduced. First, in the peak state, even if the incident light 14 is weakened to some extent, the transmittance is not immediately close. This is because the light intensity inside the resonator 13 is sufficient to maintain the refractive index and the optical path length corresponding to the maximum transmittance. Even further reduction of the incident light intensity results in only a slight decrease in transmittance. However, when the light intensity reaches a certain value, the refractive index and the light intensity in the resonator 13 mutually decrease. That is, a slight decrease in the incident light intensity causes a change in the refractive index to decrease the light intensity in the resonator 13, and a change in the intensity changes the refractive index, so that the transmittance sharply decreases.
以上の現象を入射光14の強度と透過光16の強度との
関係で示すと、第3図のように、4つの部分17〜20
から成るループになつている。このような形のグラフは
ヒステリシス・ループと呼ばれる。まず、安定領域(オ
フ状態)17においては、入射光14の強度を微小な値
から増加していくと、最初は透過光16の強度はわずか
しか増加しない。しかし、入射光14の強度がある値に
達すると、曲線は急激に立ち上がり、透過光はきわめて
大きくなる。この立ち上がり部分がスイツチオン動作領
域18である。次に、この状態から逆に光強度を減少さ
せていつた場合、曲線は異なつた経路をたどる。初めは
ほんの少しずつ下へ傾斜するグラフで、入射光が減少し
ても透過光は大きいままである。この領域が安定領域
(オン状態)19である。The above phenomenon is shown by the relationship between the intensity of the incident light 14 and the intensity of the transmitted light 16, as shown in FIG.
It is a loop consisting of. A graph of this type is called a hysteresis loop. First, in the stable region (OFF state) 17, when the intensity of the incident light 14 is increased from a small value, the intensity of the transmitted light 16 initially increases only slightly. However, when the intensity of the incident light 14 reaches a certain value, the curve sharply rises and the transmitted light becomes extremely large. This rising portion is the switch-on operation area 18. Next, when the light intensity is decreased from this state, the curve follows a different path. At the beginning, it is a graph in which the transmitted light remains large even when the incident light is reduced. This region is the stable region (ON state) 19.
しかし、入射光が減少してある値に達すると、曲線は急
激に下を向き、入射光がわずかに弱くなつただけでも透
過光は大きく低下する。この立ち下がりはスイツチオフ
動作領域20である。However, when the incident light decreases to a certain value, the curve sharply moves downward, and the transmitted light is greatly reduced even if the incident light is slightly weakened. This fall is the switch-off operation area 20.
また、第1図の構成によつて、双安定特性だけでなく、
微分利得をも得ることができる。入射光0の極限での共
振器を1回通過する時の光の位相の変化料をφ0とする
と、φ0を変化させるとともに、光の入力パワPiと出
力パワーPoとの入出力特性は第4図(A),(B),(C),
(D),(E),(F)の順に変化してゆく。ここで、第4図
(D),(E),(F)は双安定特性を示し、第4図(A)〜(C)は
微分特性を示し、時に第4図(C)は顕著な微分利得を示
している。Further, according to the configuration of FIG. 1, not only the bistable characteristic but also the
The differential gain can also be obtained. Assuming that the phase change of light when passing through the resonator once in the limit of incident light 0 is φ 0 , φ 0 is changed and the input / output characteristics of the light input power Pi and the output power Po are Figure 4 (A), (B), (C),
It changes in the order of (D), (E), and (F). Here, Fig. 4
(D), (E), and (F) show bistable characteristics, FIGS. 4 (A) to (C) show differential characteristics, and sometimes FIG. 4 (C) shows remarkable differential gain. .
光双安定性は気体レーザ、固体レーザを用いて実現する
ことはできるが、光計算機、光通信装置への応用を考え
ると、小形化、集積化が容易な半導体レーザを基本要素
とする素子で実現するのが望ましい。Optical bistability can be achieved by using gas lasers and solid-state lasers, but considering the application to optical computers and optical communication devices, it is a device based on a semiconductor laser that is easy to miniaturize and integrate. It is desirable to realize it.
第5図は、Nakai et alが“Optical Bistabi-lity in S
emiconductor Laser Amplifier”IOOC'83,30,B1-2(Jun
e,Tokyo)において、既に発表している半導体光双安定
素子の構造例を示す。この半導体光双安定素子20にお
いては、半導体層21と22との間に光双安定素子の活
性層(発光領域)23が形成されている。活性層23の
両側では組成の異なる半導体層21,22の接合を形成
しており、その接合と直角な両端のへき開面は入射面2
4および出射面25を構成する。ここで、活性層23の
屈折率はその両側の半導体層21および22の屈折率よ
り高くなるように定めておく。バイアス回路26からは
安定化コイル27を介して直流電流が光双安定素子20
に注入され、その電流レベルは光双安定素子20のレー
ザ発振しきい値以下になるように制御されている。な
お、光双安定素子20への注入電流がレーザー発振しき
い値に比べて、十分大きいときには活性層23において
レーザー発振が得られる。Figure 5 shows Nakai et al. "Optical Bistabi-lity in S
emiconductor Laser Amplifier ”IOOC'83,30, B1-2 (Jun
(e, Tokyo) presents a structural example of a semiconductor optical bistable device that has already been announced. In this semiconductor optical bistable element 20, an active layer (light emitting region) 23 of the optical bistable element is formed between semiconductor layers 21 and 22. Junctions of the semiconductor layers 21 and 22 having different compositions are formed on both sides of the active layer 23, and the cleavage planes at both ends perpendicular to the junction are incident surfaces 2.
4 and the exit surface 25. Here, the refractive index of the active layer 23 is set to be higher than the refractive indexes of the semiconductor layers 21 and 22 on both sides thereof. From the bias circuit 26, a direct current is transmitted via the stabilizing coil 27 to the optical bistable element 20.
And the current level thereof is controlled to be equal to or lower than the laser oscillation threshold of the optical bistable element 20. When the injection current into the optical bistable element 20 is sufficiently larger than the laser oscillation threshold value, laser oscillation is obtained in the active layer 23.
第1図との対応を説明すると、入射面24は半透過鏡1
1と12に対応し、出射面25は半透過鏡12に対応
し、活性層23はキヤビテイ13に対応する。ここで、
入射光ビーム14の波長は無入力状態の光双安定素子2
0の共振波長より長い。入射光ビーム14のビーム径は
集光レンズ(コリメートレンズ)28によつて絞られ、
入射面24側の活性層23に結合し、活性層23内を伝
搬する。活性層23に入射した光が増大するにつれ、活
性層23内の注入キヤリア密度は下がり、その結果、活
性層23の屈折率が上昇し、光双安定素子20の共振波
長が長波長側へずれる。このようにして、光双安定素子
20の共振波長が入射光ビーム14の波長に近づくと、
出射面25側の活性層23から外部に放射される出力光
16の光強度は、第3図に示したように、突然オフ状態
17からスイツチオン動作領域18を通り、オン状態19
に遷移する。その出力光は集光レンズ29により平行出
力光ビーム16とされて取り出される。Explaining the correspondence with FIG. 1, the incident surface 24 is a semi-transmissive mirror 1.
The emission surface 25 corresponds to the semi-transmissive mirror 12, and the active layer 23 corresponds to the cavity 13. here,
The wavelength of the incident light beam 14 is the optical bistable element 2 with no input.
Longer than 0 resonance wavelength. The beam diameter of the incident light beam 14 is narrowed down by a condenser lens (collimator lens) 28,
It couples to the active layer 23 on the incident surface 24 side and propagates in the active layer 23. As the light incident on the active layer 23 increases, the injection carrier density in the active layer 23 decreases, as a result, the refractive index of the active layer 23 increases, and the resonant wavelength of the optical bistable element 20 shifts to the long wavelength side. . In this way, when the resonant wavelength of the optical bistable element 20 approaches the wavelength of the incident light beam 14,
As shown in FIG. 3, the light intensity of the output light 16 radiated to the outside from the active layer 23 on the emission surface 25 side suddenly passes from the OFF state 17 to the switch ON operation region 18 and then to the ON state 19 thereof.
Transition to. The output light is taken out as a parallel output light beam 16 by the condenser lens 29.
オン状態19においては、入射光14のパワーが増大し
ても、光双安定素子20の増幅率が下がるため、出力光
16のパワーレベルはほぼ一定となる。In the ON state 19, even if the power of the incident light 14 is increased, the amplification factor of the optical bistable element 20 is lowered, so that the power level of the output light 16 is almost constant.
理論式を用いると、入射光ビーム14のパワーレベルP
iと、出射光ビーム16のパワーレベルPoとの間には
近似的に次式(1)〜(5)で表現される関係が成り立つ。Using the theoretical formula, the power level P of the incident light beam 14
The relationship expressed by the following equations (1) to (5) is approximately established between i and the power level Po of the emitted light beam 16.
G=exp〔(g-α)・l1〕 (2) φo=2πn1l1/λ (5) ここで、riは入射面24の反射率、roは出射面25
の反射率、gは飽和利得係数、αは活性層23の吸収係
数、l1は活性層23の長さ、goは小信号入力利得、
Psは飽和出力パワー、φは活性層23を1回通過する
時の光波の位相シストである。φoは共振状態からの位
相ずれの初期値であつて、無入力光状態の光双安定素子
20の共振波長と入射光ビーム14の波長で決まる。n
1は無入力光状態の活性層23の屈折率である。bは非
導波率で屈折率実数部の減少分と屈折率虚数部の増大分
との比である。また、ここで、入射光ビーム14は活性
層23に100%結合すると仮定した。 G = exp [(g-α) · l 1 ] (2) φ o = 2πn 1 l 1 / λ (5) where r i is the reflectance of the incident surface 24 and r o is the exit surface 25.
Reflectance, g is saturated gain factor, alpha is the absorption coefficient of the active layer 23, l 1 is the length of the active layer 23, g o is the small signal input gain,
P s is the saturated output power, and φ is the phase cyst of the light wave when it passes through the active layer 23 once. φ o is an initial value of the phase shift from the resonance state, and is determined by the resonance wavelength of the optical bistable element 20 in the non-input light state and the wavelength of the incident light beam 14. n
1 is the refractive index of the active layer 23 in the non-input light state. b is the non-waveguide ratio, which is the ratio of the decrease in the real part of the refractive index to the increase in the imaginary part of the refractive index. It is also assumed here that the incident light beam 14 is 100% coupled to the active layer 23.
第6図は、第5図示の従来の構造によるGaAlAs光双安定
素子における入射光パワーPiと出射光パワーPoとの
関係を示す図であり、これらパワーPiおよびPoは、
上述したレーザを増幅器として動作させたときの光出力
の飽和値Psで正規化してして示してある。このような
関係は、K.Otsu Ka and S.Kobayashiにより“Optical B
istability and Nonlinear Resonance in a Resonant-t
ype Semiconductor Laser Amplifier”,Electronics L
etters 31 st March 1983 Vol.19 NO.7 PP.262-263 に
おいて既に発表されている。その場合に、(1)〜(5)式中
のb=3,go=48cm-1,d=20cm-1,l1=300μm,Ri
=Ro=0.3 である。ここで、φoを変化させると、光入
出力特性が変化し、 または では、双安定特性が得られ、他方、φo=Nx では微分
利得が得られることが第6図からわかる。ここで、Nは
正の整数である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the incident light power P i and the outgoing light power P o in the GaAlAs optical bistable device according to the conventional structure shown in FIG. 5, and these powers P i and P o are
It is shown normalized by the saturation value Ps of the optical output when the above laser is operated as an amplifier. This relationship is described by K. Otsu Ka and S. Kobayashi in “Optical B
istability and Nonlinear Resonance in a Resonant-t
ype Semiconductor Laser Amplifier ”, Electronics L
Already announced in etters 31 st March 1983 Vol.19 NO.7 PP.262-263. In that case, (1) to (5) in equation b = 3, g o = 48cm -1, d = 20cm -1, l 1 = 300μm, R i
= R o = 0.3. Here, when φ o is changed, the optical input / output characteristics change, Or It can be seen from FIG. 6 that the bistable characteristic is obtained, while the differential gain is obtained when φ o = N x . Here, N is a positive integer.
以上の構成では、入射光の波長λを変えればφoは変わ
るが、任意の波長λの入射光に対してφoを制御するこ
とができず、双安定特性や微分利得の選択あるいは制御
を行うことができないという欠点があつた。In the above configuration, φ o changes if the wavelength λ of the incident light is changed, but φ o cannot be controlled for the incident light of an arbitrary wavelength λ, and the selection or control of the bistable characteristic or the differential gain cannot be performed. The drawback was that it could not be done.
本発明の目的は、これらの欠点を除去し、任意の波長の
入射光に対して、微分利得や双安定特性を自由に選択
し、かつ制御することができる半導体光双安定素子を提
供することにある。An object of the present invention is to eliminate these drawbacks and to provide a semiconductor optical bistable device capable of freely selecting and controlling a differential gain and a bistable characteristic with respect to incident light of an arbitrary wavelength. It is in.
かかる目的を達成するために、本発明では、活性層およ
びこの活性層と光結合しこの活性層より短い吸収端波長
を有する導波路層を配設し、活性層および導波路にそれ
ぞれ独立に電流を注入できるようになし、活性層にはレ
ーザー発振いき値以下のレベルの電流を流入し、導波路
層の屈折率をその注入電流の変化によりプラズマ効果で
変化させるようになし、ファブリ・ペロー共振器に信号
光を入力し、この信号光を光電気返還することなく当該
ファブリ・ペロー共振器から信号光を出力するようにな
したことを特徴とする。In order to achieve such an object, in the present invention, an active layer and a waveguide layer that is optically coupled to the active layer and has an absorption edge wavelength shorter than that of the active layer are provided, and the active layer and the waveguide are independently provided with a current. Is injected into the active layer, a current below the laser oscillation threshold is flown into the active layer, and the refractive index of the waveguide layer is changed by the plasma effect by changing the injection current. The signal light is input to the resonator, and the signal light is output from the Fabry-Perot resonator without photoelectrically returning the signal light.
以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第7図に本発明の一実施例を示し、ここで、第5図と対
応する部分には同一符号を付すことにする。バイアス回
路26からは安定化コイル27を介して直流電流が光双
安定素子20に注入され、その電流レベルは光双安定素
子20のレーザー発振しきい値以下に制御されている。FIG. 7 shows an embodiment of the present invention, in which parts corresponding to those in FIG. 5 are designated by the same reference numerals. A direct current is injected from the bias circuit 26 into the optical bistable element 20 through the stabilizing coil 27, and the current level thereof is controlled to be equal to or lower than the laser oscillation threshold of the optical bistable element 20.
本発明においては、半導体層31と32との間に導波路
層33を配置し、その導波路層33を活性層23に光学
的に結合させる。ここで、導波路層33を入射光ビーム
14に対して低損失な半導体で形成し、導波路層33に
活性層23とは独立に電流を注入できるように半導体層
31および32を構成する。In the present invention, the waveguide layer 33 is arranged between the semiconductor layers 31 and 32, and the waveguide layer 33 is optically coupled to the active layer 23. Here, the waveguide layer 33 is formed of a semiconductor having low loss with respect to the incident light beam 14, and the semiconductor layers 31 and 32 are configured so that current can be injected into the waveguide layer 33 independently of the active layer 23.
ここで、活性層23と導波路層33とを同一基板上に半
導体多層構造として集積し、光集積回路の形態で光双安
定素子を形成するのが好適である。Here, it is preferable that the active layer 23 and the waveguide layer 33 are integrated on the same substrate as a semiconductor multilayer structure to form an optical bistable element in the form of an optical integrated circuit.
第7図において、バイアス回路34から安定化コイル3
5を介して導波路層33へ直流電流を注入する。その直
流電流をバイアス回路34により制御することにより、
導波路層33の屈折率を制御できるようにし、この導波
路層33の活性層23との結合面36では入射光14に対
してはほとんど反射のない高効率な結合を行わせてい
る。活性層23と導波路層33とを集積した光双安定素
子21は半導体多層構造を有する。ここで、導波路層3
3に注入する電流を変化させると導波路層33の屈折率n
2が変化するのはプラズマ効果によるためである。In FIG. 7, the bias circuit 34 is connected to the stabilizing coil 3
A direct current is injected into the waveguide layer 33 via 5. By controlling the direct current by the bias circuit 34,
The refractive index of the waveguide layer 33 is controllable, and the coupling surface 36 of the waveguide layer 33 with the active layer 23 allows highly efficient coupling with almost no reflection of the incident light 14. The optical bistable device 21 in which the active layer 23 and the waveguide layer 33 are integrated has a semiconductor multilayer structure. Here, the waveguide layer 3
3 is changed, the refractive index n of the waveguide layer 33 is changed.
The change of 2 is due to the plasma effect.
ここでプラズマ効果とは、半導体に電流(キャリア)を
注入することによって異常分散を越こし屈折率が変化す
ることを意味し、この屈折率変化は一般に下記の式
(6)によって表される。Here, the plasma effect means that the refractive index changes over anomalous dispersion by injecting a current (carrier) into the semiconductor, and this refractive index change is generally represented by the following formula (6).
式中、Nはキャリア数、nは屈折率、εは誘電率、mc
は電子の有効質量、そしてωは入射光の角周波数であ
る。 In the formula, N is the number of carriers, n is the refractive index, ε is the dielectric constant, and m c
Is the effective mass of the electron, and ω is the angular frequency of the incident light.
上述した構成の素子の具体的な構成の一例においては、
活性層23をp形のAl0.05 Ga0.05 As で形成し、こ
の活性層23から発生する光の波長よりも、短い吸収端
波長を有するAl0.35Ga0.65 As によつて導波路層33を
構成する。これによつて活性層23で発生した光を導波
路層33ではあまり吸収されることなく導波することが
できる。In an example of a specific configuration of the element having the above configuration,
The active layer 23 is formed of p-type Al 0.05 Ga 0.05 As, and the waveguide layer 33 is constituted by Al 0.35 Ga 0.65 As having an absorption edge wavelength shorter than the wavelength of light generated from this active layer 23. . As a result, the light generated in the active layer 23 can be guided without being absorbed much in the waveguide layer 33.
さらに、半導体層21と31とを一体に形成し、半導体
層22と32とを一体に形成し、前者を活性層23およ
び導波路層33よりも屈折率の低いp形のAl0.5Ga0.5As
層で構成し、後者をn形のAl0.5Ga0.5As 層で構成し、
これら両層によつて活性層23および導波路層33をは
さむことによつて、活性層23と導波路層33に光を閉
じ込めることができ、さらに活性層23に注入された電
子をかかるヘテロ障壁によつて活性層23を閉じ込める
ことができる。Further, the semiconductor layers 21 and 31 are integrally formed, the semiconductor layers 22 and 32 are integrally formed, and the former is p-type Al 0.5 Ga 0.5 As having a lower refractive index than the active layer 23 and the waveguide layer 33.
Layer, the latter of which is an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer,
By sandwiching the active layer 23 and the waveguide layer 33 by these two layers, light can be confined in the active layer 23 and the waveguide layer 33, and further, the electrons injected into the active layer 23 can prevent such a hetero barrier. Therefore, the active layer 23 can be confined.
活性層23と導波路層33とは結合部36において直接
結合させる。活性層23と導波路層33の透過屈折率お
よび電解分布の整合が取れるように、活性層23および
導波路層33の各層厚を適切な厚さとする。このように
することによつて、接合部36での反射を少なくし、9
8%程度の高効率な結合を行わせることができる。The active layer 23 and the waveguide layer 33 are directly coupled at the coupling portion 36. Each thickness of the active layer 23 and the waveguide layer 33 is set to an appropriate thickness so that the transmission refractive index and the electrolytic distribution of the active layer 23 and the waveguide layer 33 can be matched. By doing so, the reflection at the joint 36 is reduced, and
A highly efficient coupling of about 8% can be performed.
なお、活性層23および導波路層33に対する半導体層
21と22および31と32に個別に電極を設けること
によつて、これら活性層23および導波路層33に対し
て、それぞれ独立に電流を注入することができる。In addition, by separately providing electrodes to the semiconductor layers 21 and 22 and 31 and 32 for the active layer 23 and the waveguide layer 33, currents can be independently injected into the active layer 23 and the waveguide layer 33, respectively. can do.
本発明による上述した構成の光双安定素子の実施例にお
ける光入出力特性は、先に述べた式(1),(2),(3)およ
び(4)と次に式(7)で近似的に表現できる。The light input / output characteristics in the embodiment of the optical bistable device having the above-described structure according to the present invention are approximated by the above-mentioned formulas (1), (2), (3) and (4) and then formula (7). Can be expressed as
φo=2π(n1l1+n2l2)/λ (7) ここで、n2は導波路33の屈折率、l2は導波路層3
3の長さである。活性層23と導波路層33とは100%
結合するものと仮定し、導波路層33の損失はないもの
と仮定した。φ o = 2π (n 1 l 1 + n 2 l 2 ) / λ (7) where n 2 is the refractive index of the waveguide 33 and l 2 is the waveguide layer 3
3 in length. Active layer 23 and waveguide layer 33 are 100%
It is assumed that they are coupled and that there is no loss in the waveguide layer 33.
本発明によれば、導波路層33に注入する電流を変化さ
せることによつて、導波路層33の屈折率n2が変化す
るので、式(7)からわかるように、φoを変化させるこ
とができ、その結果、双安定特性や微分利得の選択およ
び制御が可能になる。According to the present invention, since the refractive index n 2 of the waveguide layer 33 is changed by changing the current injected into the waveguide layer 33, φ o is changed as can be seen from the equation (7). As a result, it becomes possible to select and control the bistable characteristic and the differential gain.
φoの増分Δφoと導波路層33の屈折率n2の増分Δ
n2とは次式の関係にある。The increment Δφ o of φ o and the increment Δ of the refractive index n 2 of the waveguide layer 33.
n 2 has the following relationship.
第8図はこのようなΔφoとΔn2との関係を示す。こ
こで、l2=200μm,λ=0.84μmである。Δφoが変
化すれば、第6図に示したように、φoの値に対応して
双安定特性や微分利得が得られる。また、入射光の波長
λが変化してもφoは変化するが、n2を制御すること
により自由にφoの値を選ぶことができるので、双安定
特性や微分利得の選択や制御が可能になる。 FIG. 8 shows such a relationship between Δφ o and Δn 2 . Here, l 2 = 200 μm and λ = 0.84 μm. When Δφ o changes, as shown in FIG. 6, a bistable characteristic and a differential gain can be obtained corresponding to the value of φ o . Further, φ o changes even if the wavelength λ of the incident light changes, but since the value of φ o can be freely selected by controlling n 2 , the selection and control of the bistable characteristic and the differential gain can be performed. It will be possible.
例えば、入射光の波長や温度の条件によつて、導波路層
33に電流を流さないときの光入出力特性が第9図の特
性Iで双安定特性となつていた場合、導波路層33に電
流を注入して、導波路層33の屈折率n2を8.4×10-4
だけ小さくすると、光入出力特性は第9図の特性IIIに
なり、微分利得を示す。さらに導波路層33に電流を注
入して、屈折率n2を電流に注入しない時に比べて1.68
×10-3だけ小さくすると、光入出力特性は第9図の特性
IIになり、双安定特性を示す。For example, when the optical input / output characteristic when no current is applied to the waveguide layer 33 is the bistable characteristic as the characteristic I in FIG. 9 depending on the wavelength and temperature conditions of the incident light, the waveguide layer 33 Current is injected into the waveguide layer 33 to change the refractive index n 2 of the waveguide layer 33 to 8.4 × 10 −4.
When it is made smaller, the light input / output characteristic becomes the characteristic III in FIG. 9, showing a differential gain. Further, a current is injected into the waveguide layer 33, which is 1.68 as compared with the case where the refractive index n 2 is not injected into the current.
If it is reduced by × 10 -3 , the optical input / output characteristics are those shown in Fig. 9.
II, showing bistable characteristics.
また、入射光の波長や温度の条件によつて、導波路層3
3に電流を注入しないときの光入出力特性が第9図の特
性IIIを示し、微分利得となつていた場合、導波路層3
3に電流を注入して導波路層33の屈折率n2を8.4
×10-4だけ小さくすると、光入出力特性は第9図の特性
IIになり、双安定特性となる。Also, depending on the wavelength of incident light and the temperature conditions, the waveguide layer 3
The optical input / output characteristic when current is not injected into 3 shows the characteristic III in FIG. 9, and when the differential gain is obtained, the waveguide layer 3
3 is injected to set the refractive index n 2 of the waveguide layer 33 to 8.4.
If it is reduced by × 10 -4 , the optical input / output characteristics are those shown in Fig. 9.
It becomes II and becomes a bistable characteristic.
ここで、l2=200μm,λ=0.84μm,b=3,go=48c
m-1,α=20cm-1,l1=300μm,Ri=Ro=0.3とし
た。 Here, l 2 = 200μm, λ = 0.84μm, b = 3, g o = 48c
m -1 , α = 20 cm -1 , l 1 = 300 µm, R i = R o = 0.3.
〔効 果〕 以上説明したように、本発明では導波路層を設け、この
導波路層に注入する電流を制御することにより、任意の
波長の入射光に対して、双安定特性や微分利得の選択お
よび制御を行うことができる小形な半導体光双安定素子
を実現できる。[Effect] As described above, in the present invention, by providing the waveguide layer and controlling the current injected into the waveguide layer, the bistable characteristic and the differential gain of the incident light of an arbitrary wavelength are controlled. It is possible to realize a small semiconductor optical bistable device that can be selected and controlled.
第1図はフアブリ・ペロー干渉計の概念を示す線図、 第2図はそのフアブリ・ペロー干渉計の透過率と光路長
との関係を示す図、 第3図は光双安定素子のヒステリシス特性図、 第4図(A)〜(F)は入射光0の極限での共振器を一回通過
する時の光の位相の変化量φoを6通りに変化させた場
合の各光入出力特性を示す図、 第5図は従来の半導体光双安定素子の構成例を示す線
図、 第6図はGaAlAs半導体光双安定素子を想定してφoを変
化させた場合の光入出力特性を示す図、 第7図は本発明の一実施例を示す線図、 第8図はφoの増分Δφoとn2の増分Δn2の関係を示
す図、 第9図は本発明の実施例における光入出力特性を示す図
である。 14……入射光ビーム、 16……出射光ビーム、 20……半導体光双安定素子、 21,22……半導体層、 23……活性層、 24……入射端面、 25……出射端面、 26……バイアス回路、 27……安定化コイル、 28……集光レンズ、 29……出射用コリメートレンズ、 31,32……半導体層、 33……導波路層、 34……バイアス回路、 35……安定化コイル、 36……活性層23と導波路層33との結合部。1 is a diagram showing the concept of the Fabry-Perot interferometer, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the transmittance and the optical path length of the Fabry-Perot interferometer, and FIG. 3 is the hysteresis characteristic of the optical bistable element. Figures 4 (A) to 4 (F) show each optical input / output when the amount of phase change φ o of the light when passing through the resonator once at the limit of incident light 0 is changed in 6 ways. Fig. 5 is a diagram showing the characteristics, Fig. 5 is a diagram showing a configuration example of a conventional semiconductor optical bistable element, and Fig. 6 is an optical input / output characteristic when φ o is changed assuming a GaAlAs semiconductor optical bistable element. shows a seventh figure diagram showing an embodiment of the present invention, Figure 8 shows the increment [Delta] [phi o of the n 2 increment [Delta] n 2 relationship phi o figure 9 Figure practice of the present invention It is a figure which shows the optical input / output characteristic in an example. 14 ... Incident light beam, 16 ... Outgoing light beam, 20 ... Semiconductor optical bistable element, 21, 22 ... Semiconductor layer, 23 ... Active layer, 24 ... Incident end face, 25 ... Outgoing end face, 26 ...... Bias circuit, 27 …… Stabilizing coil, 28 …… Condenser lens, 29 …… Outgoing collimator lens, 31, 32 …… Semiconductor layer, 33 …… Waveguide layer, 34 …… Bias circuit, 35…. ... Stabilizing coil, 36 ... A coupling portion between the active layer 23 and the waveguide layer 33.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−12421(JP,A) 特開 昭60−124982(JP,A) 特開 昭60−229387(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP 59-12421 (JP, A) JP 60-124982 (JP, A) JP 60-229387 (JP, A)
Claims (1)
および該活性層と光結合しこの活性層より短い吸収端波
長を有する導波路層を配設し、前記活性層および前記導
波路にそれぞれ独立に電流を注入できるようになし、前
記活性層にはレーザー発振いき値以下のレベルの電流を
流入し、前記導波層の屈折率をその注入電流の変化によ
りプラズマ効果で変化させるようになし、ファブリ・ペ
ロー共振器に信号光を入力し、該信号光を光電気返還す
ることなく当該ファブリ・ペロー共振器から信号光を出
力するようになしたことを特徴とする半導体光双安定素
子。1. An active layer and a waveguide layer which is optically coupled with the active layer and has an absorption edge wavelength shorter than that of the active layer are provided inside the Fabry-Perot resonator, and the active layer and the waveguide are provided in the active layer and the waveguide. Currents can be injected independently of each other, and a current of a level below the laser oscillation threshold value is flown into the active layer, and the refractive index of the waveguide layer is changed by the plasma effect by changing the injection current. None, a semiconductor optical bistable device characterized in that a signal light is input to the Fabry-Perot resonator, and the signal light is output from the Fabry-Perot resonator without photoelectrically returning the signal light. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59146042A JPH0632328B2 (en) | 1984-07-16 | 1984-07-16 | Semiconductor optical bistable device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59146042A JPH0632328B2 (en) | 1984-07-16 | 1984-07-16 | Semiconductor optical bistable device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6126279A JPS6126279A (en) | 1986-02-05 |
| JPH0632328B2 true JPH0632328B2 (en) | 1994-04-27 |
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ID=15398786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59146042A Expired - Lifetime JPH0632328B2 (en) | 1984-07-16 | 1984-07-16 | Semiconductor optical bistable device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0632328B2 (en) |
Families Citing this family (1)
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Family Cites Families (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH0245171B2 (en) * | 1982-07-13 | 1990-10-08 | Nippon Denki Kk | HISENKEIHIKARISOANTEISOSHI |
| JPS60124982A (en) * | 1983-12-12 | 1985-07-04 | Nec Corp | Bi-stable laser |
| JPS60229387A (en) * | 1984-04-27 | 1985-11-14 | Nec Corp | Optical information memory circuit |
-
1984
- 1984-07-16 JP JP59146042A patent/JPH0632328B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6126279A (en) | 1986-02-05 |
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