(57)【要約】  【課題】  半導体光制御素子の消費電力の増大を抑制しつつ、遅延時間を制御することが可能となるとともに、コンパクト化を図れるようにする。  【解決手段】  量子ドット１２および制御用光源１３を半導体光制御素子に設け、制御用光源１３は、励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光Ｌ１２を量子ドット１２に照射するように構成され、信号光Ｌ１１の波長は、量子ドット１２に閉じ込められる励起子のエネルギーに対応するように設定し、励起子と励起子分子との干渉効果によって、信号光Ｌ１１の吸収スペクトルの微分を変化させることにより、光入力パルスＬ１１ａを遅延させた光出力パルスＬ１１ｂを出射させる。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起子を閉じ込める量子ドットと、
前記励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光を前記量子ドットに照射する制御用光源とを備えることを特徴とする半導体光制御素子。
【請求項２】
前記励起子のエネルギーに対応した波長の信号光が前記量子ドットに入射され、前記励起子のエネルギーに対応した準位と前記励起子分子のエネルギーに対応した準位によって１準位を共通とする３準位系が構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体光制御素子。
【請求項３】
前記制御用光源から出射される制御光のパワーを前記信号光の遅延時間に対応して制御するトリガー回路をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の半導体光制御素子。
【請求項４】
前記量子ドットの幅及び長さがボーア半径の２から１０倍の範囲、前記量子ドットの高さがボーア半径の０．１から１倍の範囲にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体光制御素子。
【請求項５】
前記量子ドットは、第１半導体層が、前記第１半導体よりもバンドギャップの大きな第２半導体層で完全に取り囲まれた構造を持つことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の半導体光制御素子。
【請求項６】
前記制御用光源は、ファブリーペロー型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードであり、
前記制御用光源と前記量子ドットが設けられた活性領域とが同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の半導体光制御素子。
【請求項７】
前記制御用光源の活性層は、前記量子ドットと同一の構造を持つことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の半導体光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光制御素子に関し、特に、励起子と励起子分子との干渉効果により光遅延動作を実現させる方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットなどの進展に伴う情報通信の高速化に対応して、光ファイバを用いた光通信が普及してきている（非特許文献１、２）。この光通信では、情報の伝達手段として光パルスが用いられ、情報内容に応じて光パルスの時間的密度や大きさを変化させる手法が採られている。この光パルスの操作は、光源の直接変調動作によっても実現できる。あるいは、光源から一定周期で光パルスを放出させた後、別の素子を用いて光パルスを遅延させることでも実現できる。この別の素子を用いて光パルスを遅延させる方法は、光源を安定して動作させることができるという利点があり、広く用いられている。
【０００３】
この光パルスの遅延処理は、送信と受信が１対１で行われる通信のみならず、送信と受信が多対多で行われる通信で極めて重要である。すなわち、多対多の通信では、送信者が指定した受信者に正確に情報を送る必要がある。通常、多数の送信者からの信号は１箇所に集められた後、多数の受信者に配信される。この場合、送信者からの信号が集められる箇所では、異なる送信者からの信号が同時に届くことがある。現在の技術では、多数の送信者から同時に届いた光パルスを異なる受信者に同時に配信することは困難である。このため、多数の送信者から同時に届いたいずれかの光パルスを光遅延素子にて遅延させながら、多数の送信者から同時に届いた光パルスを順番に配信することが行われている。
【０００４】
図１９は、従来の光遅延素子の一例を示す図である。
図１９において、光遅延素子には、信号光Ｌ６１の経路を変化させる光スイッチ６１と光ファイバ６２が設けられている。ここで、光スイッチ６１には、トリガー電圧ＴＧ４が入力される。そして、光スイッチ６１は、トリガー電圧ＴＧ４がオンになると、信号光Ｌ６１の経路を光ファイバ６２側に切り替え、トリガー電圧ＴＧ４がオフになると、信号光Ｌ６１をそのまま通過させることができる。
【０００５】
図２０は、図１９の光遅延素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
図２０において、信号光Ｌ６１として光入力パルスＬ６１ａが光スイッチ６１に入力されたものとする。ここで、トリガー電圧ＴＧ４がオフの場合、光入力パルスＬ６１ａは光スイッチ６１をそのまま通過し、光出力パルスＬ６１ｂの遅延は発生しない。一方、トリガー電圧ＴＧ４がオンすると、光スイッチ６１に入力された光入力パルスＬ６１ａは光ファイバ６２に導入される。このため、光スイッチ６１から出射される光出力パルスＬ６１ｂは、光ファイバ６２の長さ分に対応した遅延が発生し、光入力パルスＬ６１ａごとに遅延時間Ｄ１１、Ｄ１２だけ遅延される。
なお、この光遅延素子では、信号光Ｌ６１が光スイッチ６１および光ファイバ６２を通過する時に光吸収による減衰が発生するが、その減衰量は、通常の光通信では無視することができる。
【０００６】
図２１は、従来の光遅延素子のその他の例を示す図である。
図２１において、光遅延素子には、信号光Ｌ７１を電気信号に変換するフォトディテクタ７１、電気信号を蓄えるバッファメモリ７３および電気信号を信号光Ｌ７１´に変換するレーザ光源７２が設けられている。また、光遅延素子には、レーザ光源７２に電気信号を供給するトリガー回路７４が設けられている。ここで、トリガー回路７４には、トリガー電圧ＴＧ５が入力される。そして、トリガー回路７４は、トリガー電圧ＴＧ５がオンした時にのみバッファメモリ７３に蓄えられた電気信号をレーザ光源７２に供給することができる。
【０００７】
図２２は図２１の光遅延素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
図２２において、信号光Ｌ７１として光入力パルスＬ７１ａがフォトディテクタ７１に入力されると、その光入力パルスＬ７１ａは電気信号に変換され、バッファメモリ７３に蓄えられる。そして、トリガー電圧ＴＧ５がオンすると、バッファメモリ７３に蓄えられた電気信号はレーザ光源７２に供給され、光入力パルスＬ７１ａに対応した光出力パルスＬ７１ｂがレーザ光源７２から出射される。ここで、光出力パルスＬ７１ｂはトリガー電圧ＴＧ５に入力タイミングに従って出射されるため、トリガー電圧ＴＧ５の入力タイミングを制御することにより、光出力パルスＬ７１ｂの遅延時間Ｄ２１、Ｄ２２を個別に変化させることができ、光出力パルスＬ７１ｂの遅延時間Ｄ２１、Ｄ２２を光入力パルスＬ７１ａごとに異ならせることもできる。
【０００８】
なお、図２１の光遅延素子では、フォトディテクタ７１、バッファメモリ７３およびレーザ光源７２とも１ｍｍ四方の大きさで構成することができ、光遅延素子全体としての大きさも数ｍｍ四方あれば十分なため、コンパクト化が可能である。
【非特許文献１】山下、「光ファイバ通信のしくみがわかる本」、技術評論社、ｐｐ．１６２−１６３、ｐｐ２２６−２２７
【非特許文献２】末松、伊賀、「光ファイバ通信入門」、オーム社、ｐｐ．１４８−１４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１９の光遅延素子では、光入力パルスＬ６１ａの遅延時間Ｄ１１、Ｄ１２は光ファイバ６２の長さによって決定され、光ファイバ６２の長さを制御することは困難である。このため、光入力パルスＬ６１ａの遅延時間Ｄ１１、Ｄ１２は同一になり、光入力パルスＬ６１ａの遅延時間を光入力パルスＬ６１ａごとに制御することができないという問題があった。
また、図１９の光スイッチ６１は、１ｍｍ四方の大きさで構成することができるが、必要な遅延量を得るには光ファイバ６２の長さは数ｃｍから数十ｃｍ程度だけ必要となることから、光遅延素子全体としては現在の光通信で使われている素子の中で最も大きくなるという問題があった。
【００１０】
また、図２１の光遅延素子では、フォトディテクタ７１での光から電気への変換効率は、高くても数１０％であるため、変換された電気信号のみでレーザ光源７２を駆動することは困難である。このため、レーザ光源７２を駆動するために外部電源が必要となり、消費電力が増大するという問題があった。また、フォトディテクタ７１では、光パルスを電気信号に変換した際に、光パルスの位相情報が完全に失われることから、光の位相に情報を書き込むことで通信を行うことができなくなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、消費電力の増大を抑制しつつ、遅延時間を制御することが可能となるとともに、コンパクト化を図ることが可能な半導体光制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の半導体光制御素子によれば、励起子を閉じ込める量子ドットと、前記励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光を前記量子ドットに照射する制御用光源とを備えることを特徴とする。
これにより、量子ドットに制御光を照射することで、励起子分子のエネルギーに対応した準位を振動させることが可能となる。このため、励起子分子を構成する励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させた上で、吸収スペクトルの微分を変化させることが可能となり、屈折率を変化させることができる。この結果、励起子のエネルギーに対応した波長の信号光を量子ドットに入射することで、信号光の吸収損失を抑制しつつ、信号光を遅延させることが可能となり、信号光を電気信号に変換する必要がなくなることから、光遅延素子の消費電力を低減することが可能となるとともに、信号光を遅延させるために光ファイバを用いる必要がなくなり、光遅延素子のコンパクト化を図ることが可能となる。
また、信号光を遅延させるために信号光を電気信号に変換する必要がなくなることから、信号光の位相情報を保存することができ、伝達される情報量を増大させることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の半導体光制御素子によれば、前記励起子のエネルギーに対応した波長の信号光が前記量子ドットに入射され、前記励起子のエネルギーに対応した準位と前記励起子分子のエネルギーに対応した準位によって１準位を共通とする３準位系が構成されることを特徴とする。
これにより、励起子分子のエネルギーに対応した準位を振動させることで、励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させた上で、吸収スペクトルの微分を変化させることが可能となる。このため、起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光を量子ドットに照射することで、信号光の吸収損失を抑制しつつ、信号光を遅延させることが可能となり、光遅延素子の消費電力化およびコンパクト化を実現することが可能となる。
【００１３】
また、請求項３記載の半導体光制御素子によれば、前記制御用光源から出射される制御光のパワーを前記信号光の遅延時間に対応して制御するトリガー回路をさらに備えることを特徴とする。
これにより、制御光のパワーを変化させることで、励起子分子のエネルギーに対応した準位間の結合状態に起因する光応答特性を制御することが可能となり、励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させたままで、吸収スペクトルの微分を制御することが可能となる。このため、信号光を電気信号に変換することなく、信号光の遅延時間を制御することが可能となり、光遅延素子の消費電力を低減することが可能となるとともに、信号光を遅延させるために光ファイバを用いる必要がなくなり、光遅延素子のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００１４】
また、請求項４記載の半導体光制御素子によれば、前記量子ドットの幅及び長さがボーア半径の２から１０倍の範囲、前記量子ドットの高さがボーア半径の０．１から１倍の範囲にあることを特徴とする。
これにより、励起子を量子ドットに安定して存在させることが可能となるとともに、半導体光制御素子の使用環境での温度エネルギーよりも励起子分子エネルギーを大きくすることができ、励起子分子も量子ドットに安定して存在させることが可能となる。このため、励起子および励起子分子の双方を量子ドットに安定して存在させることが可能となり、半導体光制御素子を安定して動作させることができる。
【００１５】
また、請求項５記載の半導体光制御素子によれば、前記量子ドットは、第１半導体層が、前記第１半導体よりもバンドギャップの大きな第２半導体層で完全に取り囲まれた構造を持つことを特徴とする。
これにより、半導体製造プロセスを用いることで量子ドットを形成することができ、量子ドットを精度よく形成することが可能となるとともに、半導体光制御素子を容易に量産化することができる。
【００１６】
また、請求項６記載の半導体光制御素子によれば、前記制御用光源は、ファブリーペロー型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードであり、前記制御用光源と前記量子ドットが設けられた活性領域とが同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
これにより、制御用光源と量子ドットが設けられた活性領域とを同一半導体基板上に集積化することができ、半導体光制御素子のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、半導体製造プロセス上で制御用光源と量子ドットとの位置合わせを行うことができ、半導体光制御素子の組み立て作業を簡略化することができる。
【００１７】
また、請求項７記載の半導体光制御素子によれば、前記制御用光源の活性層は、前記量子ドットと同一の構造を持つことを特徴とする。
これにより、制御用光源の消費電力を低減することが可能となり、制御用光源を半導体光制御素子に組み込んだ場合においても、半導体光制御素子全体の消費電力を低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、励起子と励起子分子との干渉効果によって光遅延動作を実現することが可能となり、遅延時間を制御することを可能とした上で、光遅延素子の消費電力化およびコンパクト化を実現することが可能となるとともに、信号光の位相情報を保存することができ、伝達される情報量を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る半導体光制御素子について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す斜視図である。
図１において、半導体光制御素子には、量子ドット１２および制御用光源１３が設けられている。ここで、量子ドット１２は、光吸収および屈折を生じさせる活性領域を構成することできる。そして、量子ドット１２は、信号光Ｌ１１によって生成された励起子を量子ドット１２に閉じ込めるためのエネルギー障壁層１１にて周囲を完全に取り囲まれた構造を持つことができる。また、制御用光源１３は、励起子が結合した励起子分子のエネルギーに対応した波長の制御光Ｌ１２を量子ドット１２に照射することができる。また、信号光Ｌ１１の波長は、量子ドット１２に閉じ込められる励起子のエネルギーに対応するように設定することができる。
【００２０】
なお、エネルギー障壁層１１および量子ドット１２の材質としては半導体を用いることができ、エネルギー障壁層１１を構成する半導体層は量子ドット１２を構成する半導体層よりもバンドギャップが大きくなるように選択することができる。また、量子ドット１２は、励起子のエネルギーに対応した準位と励起子分子のエネルギーに対応した準位によって１準位を共通とする３準位系を構成することができる。また、量子ドット１２の幅ｒ１及び長さｒ２をボーア半径の２から１０倍の範囲、量子ドット１２の高さｒ３をボーア半径の０．１から１倍の範囲に設定することが好ましい。
【００２１】
そして、光入力パルスＬ１１ａが信号光Ｌ１１として量子ドット１２に入射すると、信号光Ｌ１１のエネルギーに対応した励起子が量子ドット１２に生成される。そして、量子ドット１２に励起子が生成された状態で、制御光Ｌ１２が量子ドット１２に入射すると、制御光Ｌ１２のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット１２に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって、励起子および励起子分子のエネルギーに対応した準位がドレズド状態に移行する。このため、励起子のエネルギーに対応した準位間における光吸収をほぼ消失させた上で、信号光Ｌ１１の吸収スペクトルの微分を変化させることが可能となり、信号光Ｌ１１の吸収損失を抑制しつつ、光入力パルスＬ１１ａを遅延させた光出力パルスＬ１１ｂを出射させることが可能となる。
【００２２】
図２は、周波数νpの光が入射した時の２準位系における光励起状態を示す図である。
図２において、準位１、２で構成される２準位系にエネルギーｈνpの信号光Ｌ１１が入射したもとする。ここで、信号光Ｌ１１のエネルギーｈνpを準位１、２のエネルギー差に対応させると、この２準位系には信号光Ｌ１１のエネルギーｈνpに対応した励起子を発生させることができる。なお、ｈはプランク定数、νpは信号光Ｌ１１の周波数である。
【００２３】
図３は、図２の２準位系における光応答特性を示す図である。
図３において、図２の２準位系では、吸収係数は、準位１、２のエネルギー差Ｄ１２に対応するエネルギーｈνpでピークを持つことが判る。なお、吸収係数は、２準位による光の吸収量を表す。また、屈折率は、光の遅延時間に比例する量であり、吸収係数の微分に近似的に比例する。
ここで、屈折率をｎ（ｈν）とすれば、２準位系での光の速度ｖgは、光エネルギー（ｈν）の関数として以下の（１）式で表すことができる。
ｖg＝ｃ／（ｎ（ｈν）＋ｈν（∂ｎ（ｈν）／∂（ｈν）））      ・・・（１）
ただし、ｃは真空中の光速である。従って、屈折率ｎ（ｈν）または屈折率の微分∂ｎ（ｈν）／∂（ｈν）が大きくなると、光の速度ｖgは遅くなり、光を遅延させることができる。
【００２４】
図４は、周波数νp、νcの２種類の波長の光が入射した時の３準位系における光励起状態を示す図である。
図４において、図２の２準位系に準位３が追加された３準位系に対して、エネルギーｈνpの信号光Ｌ１１およびエネルギーｈνcの制御光Ｌ１２が入射されたものとする。ここで、信号光Ｌ１１のエネルギーｈνpを準位１、２のエネルギー差に対応させるとともに、制御光Ｌ１２のエネルギーｈνcを準位２、３のエネルギー差に対応させると、この３準位系には、信号光Ｌ１１のエネルギーｈνpに対応した励起子を発生させた上で、制御光Ｌ１２のエネルギーｈνcに対応した励起子分子を発生させることができる。なお、ｈはプランク定数、νpは信号光Ｌ１１の周波数、νcは制御光Ｌ１２の周波数である。また、エネルギーｈνcの制御光Ｌ１２の光パワーは、例えば、エネルギーｈνpの信号光Ｌ１１の光パワーの１０倍程度強くすることができる。
【００２５】
そして、制御光Ｌ１２のエネルギーｈνcに対応した励起子分子が生成されると、準位２、３間においてエネルギーｈνcの制御光Ｌ１２が準位２、３と強く結合し、準位２、３にラビ振動が発生する。そして、準位２、３にラビ振動が発生すると、準位２、３が光の衣をまとった準位２Ｄ、３Ｄに変化し、ドレスド状態に移行する。そして、準位２、３が準位２Ｄ、３Ｄに変化すると、準位１、２間のエネルギー対応した状態が消失し、信号光Ｌ１１のエネルギーｈνpに対応した準位１、２間における光吸収をほぼ消失させることができる。このため、図４の３準位系では、準位１、２のエネルギー差Ｄ１２に対応する周波数νpにおいて、吸収係数に極小値を持たせることができる。
【００２６】
図５は、図４の３準位系における光応答特性を示す図である。
図５において、図４の３準位系では、吸収係数は、準位１、２のエネルギー差Ｄ１２に対応するエネルギーｈνpの付近でほぼ０になることが判る。また、エネルギーｈνpの付近では、屈折率の正の勾配が著しく大きくなっていることが判る。これは、準位１、２間の光吸収過程と、準位１から準位２、３を経て再び準位２に戻ってくる光吸収過程とが干渉した効果であると解釈することもできる。
【００２７】
従って、準位１、２のエネルギー差Ｄ１２に対応するエネルギーｈνpの付近では、（１）式の屈折率の微分∂ｎ（ｈν）／∂（ｈν）が大きくなり、光の速度ｖgは遅くなる。このため、１準位を共通に持つ３準位系を形成できれば、光遅延動作を実現することができる。また、３準位系の光応答特性は、エネルギーｈνcの制御光Ｌ１２の光パワーに依存する。このため、エネルギーｈνcの制御光Ｌ１２の光パワーを制御することで、屈折率を変化させることができ、エネルギーｈνpの信号光Ｌ１１の遅延時間を制御することができる。
【００２８】
図６は、本発明の一実施形態に係る屈折率の変化分と周波数νcの光パワーとの関係を示す図である。なお、図６は、信号光Ｌ１１のエネルギーｈνpが準位１、２のエネルギー差Ｄ１２に等しくなる領域付近の屈折率の微分を、エネルギーｈνcの制御光Ｌ１２の光パワーに対してプロットしたものである。
図６において、エネルギーｈνcの制御光Ｌ１２の光パワーを増加させると、屈折率の微分が小さくなることが判る。このため、エネルギーｈνcの制御光Ｌ１２の光パワーを増加させると、光の速度ｖgを速くすることができ、エネルギーｈνpの信号光Ｌ１１の遅延時間を短くすることができる。従って、光の屈折率を変化させることで遅延時間を制御すること可能となり、信号光Ｌ１１を電気信号に変換させる必要がなくなることから、信号光Ｌ１１を電気信号に変換する際の損失をなくすことが可能となるとともに、信号光Ｌ１１の位相情報を保存することができ、伝達される情報量を増大させることができる。
【００２９】
図７は、本発明の作用を実証するために用いた試料構造を模式的に示す図である。
図７において、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板２０上には、ＡｌＧａＡｓ障壁層２１が形成され、ＡｌＧａＡｓ障壁層２１には、ＩｎＧａＡｓ量子ドット２２が埋め込まれている。なお、ＩｎＧａＡｓ量子ドット２２のサイズは、高さが３ｎｍ、幅が３０ｎｍとした。また、量子ドット２２に入射される信号光Ｌ２１を生成するための波長可変レーザ２４が設けられるとともに、量子ドット２２の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する制御用光源２３が設けられている。さらに、量子ドット２２を通過した信号光Ｌ２１を検出する光検出器２５が設けられている。
【００３０】
そして、波長可変レーザ２４にて発生された信号光Ｌ２１を量子ドット２２に入射させると、図８の励起子Ｋ１が生成され、図２の２準位状態に対応する励起子状態が生成される。そして、制御用光源２３にて発生された制御光Ｌ２２を量子ドット２２に入射させ、制御光Ｌ２２の波長を励起子Ｋ１同士が結合した励起子分子Ｋ２のエネルギーに対応させると、図４の３準位状態に対応する励起子分子状態が生成される。
【００３１】
図９は、励起子状態における光吸収スペクトルを示す図である。
図９において、波長可変レーザ２４にて発生された信号光Ｌ２１を量子ドット２２に入射させると、複数の鋭い吸収ピークＸ１〜Ｘ４が出現する。この吸収ピークＸ１〜Ｘ４は、図８の励起子Ｋ１の最低次から４次までの高次状態に対応し、それぞれの励起子状態は図２の２準位状態を形成する。そして、この量子ドット２２において、光照射パワーを上昇させると、この量子ドット２２中にもう一つの励起子Ｋ１が形成され、励起子Ｋ１同士が結合した励起子分子状態が生成される。
【００３２】
図１０は、励起子状態および励起子分子状態における光吸収スペクトルを示す図である。
図１０において、励起子状態が生成された後に、励起子分子状態が生成されると、励起子Ｋ１の吸収ピークＸ１〜Ｘ４に対応して、励起子分子の吸収ピークＸＸ１〜ＸＸ４が生成される。ここで、励起子分子の吸収ピークＸＸ１〜ＸＸ４は、励起子Ｋ１の吸収ピークＸ１〜Ｘ４に対して、励起子分子結合エネルギーＥｋ分だけ低エネルギー側にシフトする。また、励起子Ｋ１が形成された後に励起子分子Ｋ２が形成されるので、励起子分子状態が生成された時のエネルギー状態は、例えば、励起子Ｋ１の吸収ピークＸ１のエネルギーと励起子分子の吸収ピークＸＸ１のエネルギーに対しては３準位状系となる。
【００３３】
図１１は、励起子状態および励起子分子状態にて生成された３準位系の状態を示す図である。
図１１において、励起子Ｋ１の吸収ピークＸ１に対応した準位Ｘ１を持つ２準位系に対して、エネルギーｈνXの信号光Ｌ２１が量子ドット２２に入射されたものとする。ここで、信号光Ｌ２１のエネルギーｈνXを準位１、Ｘ１間のエネルギー差に対応させると、このエネルギー差に対応した励起子Ｋ１が生成される。そして、励起子Ｋ１が生成された状態で、エネルギーｈνXXの制御光Ｌ２２が量子ドット２２に入射されたものとする。ここで、制御光Ｌ２２のエネルギーｈνXXを準位Ｘ１、ＸＸ１間のエネルギー差に対応させると、このエネルギー差に対応した励起子分子Ｋ２が生成される。このため、このエネルギー差に対応した励起子分子Ｋ２の吸収ピークＸＸ１が出現するとともに、準位Ｘ１、ＸＸ１に対しては３準位系となる。
【００３４】
また、励起子分子−励起子エネルギーは、励起子−基底状態エネルギーに比べて励起子分子結合エネルギーＥｋ分だけ小さい。このため、制御光Ｌ２２のエネルギーｈνXXを励起子分子−励起子エネルギーに一致させることにより、図１２の光応答特性を得ることができ、吸収係数に極小値を持たせた上で、光遅延動作を実現することができる。
ここで、（１）式の分母が大きいほど光遅延効果が大きくなることから、光遅延因子Ｓを以下の（２）式で定義することができる。
Ｓ＝ｎ（ｈν）＋ｈν（∂ｎ（ｈν）／∂（ｈν））                ・・・（２）
【００３５】
図１３は、本発明の一実施形態に係る遅れ因子と周波数νXXの光入力パワーとの測定結果を示す図である。
図１３において、エネルギーｈνXXの制御光Ｌ２２の光入力パワーを変化させることにより、遅れ因子Ｓを制御できることが判る。また、制御光Ｌ２２の光入力パワーを適切に選べば、光の速度ｖgを１０万分の１以下にすることもできる。
なお、励起子分子結合エネルギーＥｋは励起子分子Ｋ２の安定性を決定するため、半導体光制御素子の遅延動作を安定して行わせるためには、半導体光制御素子の使用環境での温度エネルギーよりも励起子分子結合エネルギーＥｋを大きくすることが好ましい。
【００３６】
図１４は、本発明の一実施形態に係る量子ドットの横方向の大きさと励起子分子結合エネルギーとの関係を示す図である。
図１４において、励起子分子結合エネルギーＥｋは、図１の量子ドット１２の幅ｒ１及び長さｒ２にて変化することが判る。ここで、励起子分子結合エネルギーＥｋは、量子ドット１２の幅ｒ１及び長さｒ２がボーア半径の３倍程度で最大になり、ボーア半径の２から１０倍の範囲で温度エネルギーＥｎより大きくなることが判る。また、励起子分子Ｋ２だけでなく、励起子Ｋ１も安定に存在させるには、量子ドット１２の高さｒ３を０．１から１倍の範囲に設定する必要がある。
【００３７】
図１５は、本発明の第２実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
図１５において、半導体基板３０上には、エネルギー障壁層３１が形成され、エネルギー障壁層３１には、量子ドット３２が埋め込まれている。なお、量子ドット３２のサイズは、例えば、高さが３ｎｍ（ボーア半径の０．３倍）、幅が３０ｎｍ（ボーア半径の３倍）となるように設定することができる。また、量子ドット３２の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する半導体レーザ３３が設けられている。さらに、半導体レーザ３３には、半導体レーザ３３を発光させるためのトリガー電圧ＴＧ１を印加するトリガー回路３４が接続されている。なお、半導体基板３０としては、例えば、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板の他、ＧａＡｓ（１００）基板やＩｎＰ基板を用いるようにしてもよい。また、量子ドット３２およびエネルギー障壁層３１を構成する半導体としては、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の他、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。また、半導体レーザ３３としては、ファブリーペロー型半導体レーザの他、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどを用いるようにしてもよい。
【００３８】
図１６は、図１５の半導体光制御素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
図１６において、光入力パルスＬ３１ａが信号光Ｌ３１として量子ドット３２に入射すると、信号光Ｌ３１のエネルギーに対応した励起子が量子ドット３２に生成される。そして、量子ドット３２に励起子が生成された状態で、トリガー回路３４からトリガー電圧ＴＧ１を半導体レーザ３３に印加することにより、制御光Ｌ３２を量子ドット３２に入射させる。そして、制御光Ｌ３２が量子ドット３２に入射されると、制御光Ｌ３２のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット３２に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって屈折率が変化する。このため、光入力パルスＬ３１ａが遅延された光出力パルスＬ３１ｂが量子ドット３２から出力される。
【００３９】
ここで、制御光Ｌ３２の光パワーに依存して量子ドット３２の屈折率の微分が変化するため、半導体レーザ３３に印加されるトリガー電圧ＴＧ１の大きさと入力タイミングを制御することにより、光出力パルスＬ３１ｂの遅延時間Ｄ１、Ｄ２を個別に変化させることができ、光出力パルスＬ３１ｂの遅延時間Ｄ１、Ｄ２を光入力パルスＬ３１ａごとに異ならせることができる。すなわち、制御光Ｌ３２の光パワーを増加させると、光の速度ｖgを速くすることができ、信号光Ｌ３１の遅延時間を短くすることができる。このため、半導体レーザ３３に印加されるトリガー電圧ＴＧ１を大きくすると、光出力パルスＬ３１ｂの遅延時間Ｄ１を小さくすることができ、半導体レーザ３３に印加されるトリガー電圧ＴＧ１を小さくすると、光出力パルスＬ３１ｂの遅延時間Ｄ２を大きくすることができる。
なお、半導体レーザ３３の活性層には量子ドット３２と同一の構造を持たせるようにしてもよい。これにより、半導体レーザ３３の消費電力を低減することが可能となり、量子ドット３２が形成された半導体光制御素子に半導体レーザ３３を組み込んだ場合においても、半導体光制御素子全体の消費電力を低減することができる。
【００４０】
図１７は、本発明の第３実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
図１７において、半導体基板４０上の一部の領域には、エネルギー障壁層４１が形成され、エネルギー障壁層４１には、量子ドット４２が埋め込まれている。また、半導体基板４０上の他の領域には、下部クラッド層４３、活性層４４および上部クラッド層４５が順次積層され、量子ドット４２の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する半導体レーザ４８が構成されている。さらに、半導体基板４０と上部クラッド層４５との間には半導体レーザ４８に電圧を印加するための直流バイアス電源４６が接続されるとともに、直流バイアス電源４６には、半導体レーザ４８を発光させるためのトリガー電圧ＴＧ２を印加するトリガー回路４７が接続されている。なお、半導体基板４０としては、例えば、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板の他、ＧａＡｓ（１００）基板やＩｎＰ基板を用いるようにしてもよい。また、量子ドット４２、エネルギー障壁層４１、下部クラッド層４３、活性層４４および上部クラッド層４５を構成する半導体としては、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の他、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。また、半導体レーザ４３としては、ファブリーペロー型半導体レーザの他、面発光型半導体レーザ、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどを用いるようにしてもよい。
【００４１】
そして、光入力パルスＬ４１ａが信号光Ｌ４１として量子ドット４２に入射すると、信号光Ｌ４１のエネルギーに対応した励起子が量子ドット４２に生成される。そして、量子ドット４２に励起子が生成された状態で、トリガー電圧ＴＧ２を供給することにより、制御光Ｌ４２を量子ドット４２に入射させる。そして、制御光Ｌ４２が量子ドット４２に入射されると、制御光Ｌ４２のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット４２に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって屈折率が変化する。このため、光入力パルスＬ４１ａが遅延された光出力パルスＬ４１ｂが量子ドット４２から出力される。
ここで、制御光Ｌ４２の光パワーに依存して量子ドット４２の屈折率の微分が変化するため、トリガー電圧ＴＧ２の大きさと入力タイミングを制御することにより、光出力パルスＬ４１ｂの遅延時間を変化させることができ、信号光Ｌ４１を電気信号に変換させることなく、遅延時間を制御することができる。
【００４２】
図１８は、本発明の第４実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
図１８において、半導体基板５０上の一部の領域には、エネルギー障壁層５１が形成され、エネルギー障壁層５１には、量子ドット５２が埋め込まれている。また、エネルギー障壁層５１上には、ブラッグ分布反射層５３、活性層５４、ブラッグ分布反射層５５および電圧印加層５６が順次積層され、量子ドット５２の光吸収および屈折率を変化させることを可能とする波長で発光する面発光レーザ６０が構成されている。ここで、ブラッグ分布反射層５３の一部は、活性層４４、ブラッグ分布反射層５５および電圧印加層５６から露出され、この露出されたブラッグ分布反射層５３上には、電圧印加層５７が形成されている。さらに、電圧印加層５６、５７間には面発光レーザ６０に電圧を印加するための直流バイアス電源５８が接続されるとともに、直流バイアス電源５８には、面発光レーザ６０を発光させるためのトリガー電圧ＴＧ３を印加するトリガー回路５９が接続されている。なお、半導体基板５０としては、例えば、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板の他、ＧａＡｓ（１００）基板やＩｎＰ基板を用いるようにしてもよい。また、ブラッグ分布反射層５３、活性層５４、ブラッグ分布反射層５５、量子ドット５２およびエネルギー障壁層５１を構成する半導体としては、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の他、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。また、面発光型半導体レーザの他、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどを用いるようにしてもよい。
【００４３】
そして、光入力パルスＬ５１ａが信号光Ｌ５１として量子ドット５２に入射すると、信号光Ｌ５１のエネルギーに対応した励起子が量子ドット５２に生成される。そして、量子ドット５２に励起子が生成された状態で、トリガー電圧ＴＧ３を供給することにより、面発光レーザ６０を発光させ、面発光レーザ６０から出射された制御光を量子ドット５２に入射させる。そして、制御光が量子ドット５２に入射されると、制御光のエネルギーに対応した励起子分子が量子ドット５２に生成され、励起子と励起子分子との干渉効果によって屈折率が変化する。このため、光入力パルスＬ５１ａが遅延された光出力パルスＬ５１ｂが量子ドット５２から出力される。
【００４４】
ここで、面発光レーザ６０から出射された制御光の光パワーに依存して量子ドット５２の屈折率の微分が変化するため、トリガー電圧ＴＧ３の大きさと入力タイミングを制御することにより、光出力パルスＬ５１ｂの遅延時間を変化させることができ、信号光Ｌ５１を電気信号に変換させることなく、遅延時間を制御することができる。
【００４５】
なお、ブラッグ分布反射層５３、活性層４４、ブラッグ分布反射層５５および電圧印加層５６を形成する方法としては、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。また、量子ドット５２が埋め込まれたエネルギー障壁層５１を形成する方法としては、量子ドット５２を構成する半導体層をエピタキシャル成長にて成膜した後、リソグラフィー技術で形成したレジストパターンをマスクとしてこの半導体層を量子ドット５２に形状にエッチングし、さらに、エピタキシャル成長にてエネルギー障壁層５１を量子ドット５２上に成膜させることにより、量子ドット５２をエネルギー障壁層５１に埋め込むことができる。
また、図１８の実施形態では、量子ドット５２が埋め込まれたエネルギー障壁層５１上に面発光型半導体レーザ６０を積層させる方法について説明したが、量子ドット５２が埋め込まれたエネルギー障壁層５１を面発光型半導体レーザ６０上に積層させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、遅延時間を制御することを可能とした上で、消費電力化およびコンパクト化が可能な光遅延素子を実現することができ、光通信などの分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】周波数νpの光が入射した時の２準位系における光励起状態を示す図である。
【図３】図２の２準位系における光応答特性を示す図である。
【図４】周波数νp、νcの２種類の波長の光が入射した時の３準位系における光励起状態を示す図である。
【図５】図４の３準位系における光応答特性を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る屈折率の変化分と周波数νcの光パワーとの関係を示す図である。
【図７】本発明の作用を実証するために用いた試料構造を模式的に示す図である。
【図８】量子ドットに生成された励起子分子状態を示す図である。
【図９】励起子状態における光吸収スペクトルを示す図である。
【図１０】励起子状態および励起子分子状態における光吸収スペクトルを示す図である。
【図１１】励起子状態および励起子分子状態にて生成された３準位系の状態を示す図である。
【図１２】図１１の３準位系における光応答特性を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る遅れ因子と周波数νXXの光入力パワーとの測定結果を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る量子ドットの横方向の大きさと励起子分子結合エネルギーとの関係を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
【図１６】図１５の半導体光制御素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
【図１７】本発明の第３実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係る半導体光制御素子の概略構成を示す断面図である。
【図１９】従来の光遅延素子の一例を示す図である。
【図２０】図１９の光遅延素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
【図２１】従来の光遅延素子のその他の例を示す図である。
【図２２】図２１の光遅延素子における光遅延動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１１、３１、４１、５１  エネルギー障壁層
１２、３２、４２、５２  量子ドット
１３、２３  制御用光源
Ｌ１１、Ｌ２１、Ｌ３１、Ｌ４１、Ｌ５１  信号光
Ｌ１１ａ、Ｌ３１ａ、Ｌ４１ａ、Ｌ５１ａ  光入力パルス
Ｌ１１ｂ、Ｌ３１ｂ、Ｌ４１ｂ、Ｌ５１ｂ  光出力パルス
Ｌ１２、Ｌ２２、Ｌ３２、Ｌ４２  制御光
２０  ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板
２１  ＡｌＧａＡｓ障壁層
２２  ＩｎＧａＡｓ量子ドット
２４  波長可変レーザ
２５  光検出器
Ｋ１  励起子
Ｋ２  励起子分子
３０、４０、５０  半導体基板
３３、４８  半導体レーザ
ＴＧ１〜ＴＧ３  トリガー電圧
４３  下部クラッド層
４５  上部クラッド層
４４、５４  活性層
４６、５８  直流バイアス電源
３４、４７、５９  トリガー回路
５３、５５  ブラッグ分布反射層
５６、５７  電圧印加層
７０  面発光レーザ
【図１】
2006267888.tif 000003
【図２】
2006267888.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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