(57)【要約】【課題】緩和時間に制限されない超高速応答が得られる超高速光スイッチを実現する。【解決手段】超高速光スイッチ１は、光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位と、複数の高次励起子エネルギー準位とを有する励起子２と、励起子エネルギー準位と高次励起子エネルギー準位とを励起可能な入力光３を励起子２に照射する入力光照射器４と、励起子エネルギー準位と高次励起子エネルギー準位とを励起可能な制御光５を励起子２に照射して、複数の励起子エネルギー準位が励起されたことによって生じる振動構造を利用し、励起子２からの応答信号光７の出射を制御する制御光照射器６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位と、複数の高次励起子エネルギー準位とを有する励起子と、
前記励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な入力光を前記励起子に照射する入力光照射手段と、
前記励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な制御光を前記励起子に照射して、複数の励起子エネルギー準位が励起されたことによって生じる振動構造を利用し、前記励起子からの応答信号光の出射を制御する制御光照射手段とを備えたことを特徴とする超高速光スイッチ。
【請求項２】
前記励起子は、前記入力光と前記制御光との少なくとも一方が、複数の励起子エネルギー準位を励起した際に、量子干渉により励起子状態の振動構造が生じる材料によって構成されている請求項１記載の超高速光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力光と制御光とを励起子に照射して励起子からの応答信号光の出射を制御する超高速光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的な信号処理においては、数百Ｇｂｐｓが信号処理速度の限界と考えられるが、光信号により１Ｔｂｐｓを超える超高速の情報処理を実現するため、光によって光を制御する超高速光スイッチが開発されている。光によって光を制御する超高速光スイッチは、非線形応答を利用するため、非線形応答の緩和時間により光スイッチの応答速度が制限されると考えられる。
【特許文献１】特許第3022730号明細書(平成8年4月23日公開)
【特許文献２】特許第3154438号明細書（平成6年4月8日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、非線形光学応答を用いた超高速光スイッチは、励起光による励起状態の緩和時間により制限され、非線形性の大きさと速度とを両立させるために、さまざまな取り組みが行われてきた。
【０００４】
半導体の弱閉じ込め励起子では、その非局所応答のために、特定の構造においてエネルギー・サイズ二重共鳴が生じ、非線形光学応答が極めて増大し、同時に輻射緩和も増大することが理論的に予測され、巨大な超高速非線形光学応答が得られることが提案された。
【０００５】
しかしながら、非線形光学応答は、制御光によって励起した励起エネルギー準位の幅によって決まるため、励起エネルギー準位の輻射緩和と位相緩和とによって応答速度が制限されているという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、緩和時間に制限されない超高速応答が得られる超高速光スイッチを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る超高速光スイッチは、光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位と、複数の高次励起子エネルギー準位とを有する励起子と、前記励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な入力光を前記励起子に照射する入力光照射手段と、前記励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な制御光を前記励起子に照射して、複数の励起子エネルギー準位が励起されたことによって生じる振動構造を利用し、前記励起子からの応答信号光の出射を制御する制御光照射手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
この特徴により、前記励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な入力光と、前記励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な制御光とが励起子に照射され、複数の励起子エネルギー準位が励起されたことによって生じる振動構造を利用し、前記励起子からの応答信号光の出射を制御するので、緩和時間に制限されない超高速応答が得られる超高速光スイッチを得ることができる。
【０００９】
本発明に係る超高速光スイッチでは、前記励起子は、前記入力光と前記制御光との少なくとも一方が、複数の励起子エネルギー準位を励起した際に、量子干渉により励起子状態の振動構造が生じる材料によって構成されていることが好ましい。
【００１０】
上記構成により、複数の励起子エネルギー準位を励起した際に量子干渉により励起子状態の振動構造が生じ、より超高速応答が得られる超高速光スイッチを得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る超高速光スイッチは、励起子エネルギー準位と前記高次励起子エネルギー準位とを励起可能な制御光を励起子に照射して、複数の励起子エネルギー準位が励起されたことによって生じる振動構造を利用し、励起子からの応答信号光の出射を制御するので、緩和時間に制限されない超高速応答が得られる超高速光スイッチを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、実施の形態に係る光スイッチの構成を模式的に示す図である。
【００１３】
光スイッチ１は、励起子２を備えている。励起子２は、光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位と、複数の高次励起子エネルギー準位とを有している。励起子２は、弱閉じ込め励起子であり得る。励起子は、電子と正孔とにより構成される。励起子は、球体と考えることができ、その大きさは、ボーア半径により定義される。弱閉じ込めとは、このボーア半径の数倍大きい厚さを有する薄膜内に励起子が閉じ込められた状態をいう。励起子２は、半導体光学構造体であり得る。半導体光学構造体は、半導体を、よりバンドギャップエネルギーの大きい他の半導体で挟んだ状態にすることにより、励起子を半導体に閉じ込めた構造を有する。
【００１４】
励起子２は、入力光３と制御光５との少なくとも一方が、複数の励起子エネルギー準位を励起した際に、量子干渉により励起子状態の振動構造が生じる材料によって構成されている。
【００１５】
このような励起子２の材料の具体例としては、図２に示すように半導体の一つであるＧａＡｓを、それよりもバンドギャップエネルギーの高いＡｌＧａＡｓで挟んだ構造が考えられる。図２に示すように、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの２種類の半導体を積層した場合、２種類の半導体材料のバンドギャップエネルギーが異なっていれば、バンドギャップエネルギーの小さい方の半導体材料において量子閉じ込め効果が生じて、複数の励起子準位が形成される。図２に示す例では、ＧａＡｓの方がバンドギャップエネルギーが小さいため、ＧａＡｓ層に、量子閉じ込め効果による量子化されたエネルギー準位が形成される。
【００１６】
２種類の半導体のバンドギャップエネルギーの大きさがわずかに異なる場合は、この２種類の半導体のバンドギャップエネルギーが比較的近いエネルギー範囲に存在することになる。例えば、ＧａＡｓに対して、ＡｌやＩｎをわずかに（例えば、数％）混入させると、混入比に応じてバンドギャップエネルギーが変化する。例えば、Ａｌの場合は高エネルギー側に変化し、Ｉｎの場合は低エネルギー側に変化する。このような方法でも複数の励起子準位を有する材料を構成することができる。
【００１７】
励起子２のエネルギー準位は、上記した閉じ込めの場合は、最も簡単に記述すると、下記の式１の級数により表現することができる。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
ここで、
ｈ：プランク定数、
Ｍ：励起子の有効質量、
Ｌ：薄膜の長さ、
ｎ：正の整数で与えられる次数、
である。
【００２０】
上記式１から、膜厚を決定することで、形成される励起子エネルギが決定される。つまり、上記式１は、複数の励起子準位が存在することを説明する式である。実際には、この式１を、有限の量子井戸構造に対して境界条件を考慮して変形し、さらに、光との結合を考慮しなければならない。
したがって、最も数が小さいｎ＝１の場合が、光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位である。そして、ｎが２以上の場合の励起子エネルギー準位が、高次励起子エネルギー準位である。ただし、弱閉じ込め条件の下では、薄膜の膜厚によっては、ｎ＝２の場合が、最低次となり、この場合が光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位となり、ｎが３以上の場合が、高次励起子エネルギー準位となる。
【００２１】
光スイッチ１には、入力光照射器４が設けられている。入力光照射器４は、励起子エネルギー準位と複数の高次励起子エネルギー準位とを励起可能な入力光３を励起子２に照射する。光スイッチ１は、制御光照射器６を備えている。制御光照射器６は、励起子エネルギー準位と複数の高次励起子エネルギー準位とを励起可能な制御光５を励起子２に照射して、複数の励起子エネルギー準位が励起されたことによって生じる振動構造を利用し、励起子２からの応答信号光７の出射を制御する。
【００２２】
励起子の非線形光学応答の観測から、複数準位の応答の干渉効果により、緩和時間に制限されない超高速応答が得られる物理現象があることを本発明者らは見出した。この物理現象の効果を用いることにより、超高速応答が可能な光スイッチを開発することができる。本実施の形態は、弱閉じ込め励起子のエネルギー準位間の干渉効果を利用することによって、緩和時間に制限されず、その励起子応答を格段に高速化させるものである。すなわち、複数の励起子エネルギー準位を同時に励起する制御光と入力光とにより非線形光学応答効果を得、その非線形光学応答効果の応答信号光を出力光として光スイッチを構成する。
【００２３】
量子閉じ込め効果により、複数の励起子エネルギー準位が形成される。各励起子エネルギー準位が同時に励起された場合、その励起された励起子エネルギー準位のエネルギーに相当する波長で光が出力される。このように励起子エネルギー準位のエネルギーに相当する波長で出力された光が複数あると、その複数の光が干渉してうねり（ビート）が生じる。そして、この干渉により、光信号に振動構造が重畳する。この振動構造の２サイクル目以降が急激に減衰する場合、１サイクル目だけが残るようになり、緩和時間よりも速い超高速応答が生じると考えられる。
【００２４】
入力光と制御光とは、励起子エネルギー準位を励起する必要があることから、どちらの光も、応答に関与する励起子のエネルギーを含む幅広いエネルギー幅を有する光であることが必要である。
【００２５】
入力光３と制御光５とは、ともに、励起子エネルギー準位と複数の高次励起子エネルギー準位とを励起可能であり、両者は、同一のスペクトルを有し得る。光スイッチは、入力光をなんらかの形（例えば、オン／オフの形）に変化させる。この光スイッチは、その制御信号を光によって与える。したがって、この光スイッチの動作時を考慮すると、入力光と制御光とは、異なる光源からの光となる構成が一般的である。
【００２６】
入力光は、例えば、伝送に適したパルス形状を有する一定間隔の光であり、制御光は、例えば、伝送すべき情報の信号列として変調された光であるとしたとき、出力光は、伝送に適したパルス形状を有して、かつ、伝送情報の信号を有する光となる。
【００２７】
本実施の形態は、弱閉じ込め系に限らず、励起レーザパルスのスペクトル領域内に複数の励起子エネルギー準位が存在する系すべてに適用することができる。したがって、本実施の形態は、材料系にとらわれず、様々な波長帯に展開することができる。様々な波長帯に展開することができるということは、現在の光通信波長帯である１．５５μｍ帯及び１．３μｍ帯への展開が可能であることを示唆しており、既存の光通信ネットワークの超高速化に寄与することができる。
【００２８】
本実施の形態に係る光スイッチは、エネルギー・サイズ二重共鳴が生じる半導体光学構造体に対して、光との相互作用が最も大きくなる励起子エネルギー準位と、それ以外の少なくとも２つ以上の高次の励起子エネルギー準位とを共に励起可能なスペクトル幅を有する光パルスを、制御光及び入力光として用い、それらの光パルスによって生じる四光波混合信号を出力光とするように構成することができる。
【００２９】
以上のように本実施の形態によれば、超高速応答が可能な光スイッチを開発することができる。そして、同時に励起される励起子準位間隔が、４．１３ｍｅＶ（ミリ電子ボルト）以上離れていることにより、１Ｔｂｐｓを超える超高速の情報処理を実現することができる。
【００３０】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、入力光と制御光とを励起子に照射して励起子からの応答信号光の出射を制御する超高速光スイッチに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態に係る光スイッチの構成を模式的に示す図である。
【図２】上記光スイッチの材料の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    光スイッチ（超高速光スイッチ）
２    励起子
３    入力光
４    入力光照射器
５    制御光
６    制御光照射器
７    応答信号光
【図１】
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【図２】
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