(57)【要約】【課題】信号強度を得るために特別な素子構造や加工が不要で、励起子の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提供する。【解決手段】本超高速光スイッチ１は、離散的エネルギー準位を形成し得る所定膜厚ｄの直接遷移型半導体素子２と、半導体素子２に信号光４ａおよび制御光５ａを照射する手段（４，５）と、半導体素子２から出射される所定の高次励起子エネルギー準位の応答のみを取り出す波長フィルタ３とを備える。所定の励起子エネルギー準位の応答を、波長フィルタ３を用いて最後に取り出すことから、出力光の強度が強く、また応答速度は所定の励起子の生成時間と緩和時間の比率で決定される。また光スイッチ１自体に導波路構造が不要となる。更に面内の光学異方性のない光スイッチ１のデバイスを簡単に作製できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
離散的エネルギー準位を形成し得る所定膜厚の直接遷移型半導体単結晶と、
前記半導体単結晶に信号光および制御光を照射する手段と、
前記半導体単結晶から出射される所定の高次励起子エネルギー準位の応答のみを取り出す波長フィルタと、を備えたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記膜厚は、軽い正孔の励起子と重い正孔の励起子の運動量が合致するエネルギー準位が存在する膜厚であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記波長フィルタは、ノッチフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記直接遷移型半導体単結晶は、ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＣｄＴｅから選択された化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記直接遷移型半導体単結晶は、導波路構造を有しないものであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記膜厚は、前記直接遷移型半導体単結晶のボーア半径の１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光情報処理に使用される光スイッチの技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速度情報処理やマルチメディアの進展に伴って、大容量の情報を超高速で処理する要求が高まり、光処理技術が注目され、光信号処理で不可欠な光スイッチの開発が行われている。光スイッチは、光によって材料の屈折率や透過率などの光学特性を変化させることができる非線形光学効果を利用する。かかる観点から、非線形光学効果の大きい材料の探索が行われており、ＧａＡｓのような半導体単結晶や重金属ドープガラスなどの様々な材料が光スイッチとして研究されている。
【０００３】
ＧａＡｓのような半導体単結晶にバンドギャップエネルギーに近いエネルギーをもつ光を照射すると、価電子帯から伝導帯に励起された電子と、価電子帯に残された正孔がクーロン力でペア（励起子）を形成し、この励起子が所定条件下で大きな非線形光学効果を生じることが知られている。
【０００４】
従来提案されてきた光スイッチは、サブバンド間遷移やラマン散乱などを利用したものであり、これらは励起子の緩和時間により応答速度が決定される。
しかしながら、励起子に固有な応答速度は比較的遅く、高速な光スイッチへの応用の障害となっている。すなわち、透過率の時間特性を見ると、光を吸収し吸収率が低下する時には、ピコ秒程度の十分高速な応答を見せるが、光強度が弱くなり吸収率が元の値まで回復する時に要する時間は励起子の寿命時間程度の時間を要してしまう。
【０００５】
現在のところ、励起子の寿命時間を短くする方法として、不純物や欠陥などを光の吸収層に導入する方法や、逆バイアスを印加し励起子を引き抜く方法、光吸収領域で生じた励起子をトンネル現象により引き抜く方法などの手法が提案されているものの、ピコ秒程度の光パルスに十分応答できるような高速な光スイッチは見当たらない。
【０００６】
また、従来提案されてきた光スイッチは、上述の如く励起子の緩和時間により応答速度が決定されることに加え、強い信号強度を得るために複雑な素子構造・加工が必要であった。すなわち、従来のサブバンド間遷移型の光スイッチでは、光スイッチ自体が導波路構造を有することが必要であり、光スイッチを簡単に作製することは困難であった。
【０００７】
既に、本発明者らは、半導体単結晶のＧａＡｓ中の励起子系において、複数の励起子エネルギー準位を同時に励起して生じる励起子エネルギー準位間の干渉効果によって、１００フェムト秒（＝０．１ｐｓ）程度の超高速応答成分が得られることの知見を得ている。かかる超高速応答成分は、高い光学非線形性が得られる条件下でも得られ、励起子本来の寿命には制限されないものである。
【０００８】
本発明者らは、励起子の非線形光学応答の観測において、複数の励起子エネルギー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を見出した。すなわち、複数の励起子エネルギー準位が形成され、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。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。この干渉により、光信号に振動構造が重畳することになる。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ことになる。
本発明者らは、かかる物理現象の効果を用いて、既に超高速応答が可能な光スイッチを開発している（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２６９９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された光スイッチにおいては、照射するパルス幅に相当する超高速非線形光学応答が得られるものの、かかる応答自体は励起子のエネルギー緩和時間よりも高速であるため、次のパルスを極短時間以内に入射した場合に、信号強度が低下する問題が予想される。
【００１１】
上記状況に鑑みて、本発明は、信号強度を得るために特別な素子構造や加工が不要で、励起子の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提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく、本発明の光スイッチは、離散的エネルギー準位を形成し得る所定膜厚の直接遷移型半導体単結晶と、半導体単結晶に信号光および制御光を照射する手段と、半導体単結晶から出射される所定の高次励起子エネルギー準位の応答のみを取り出す波長フィルタと、を備えた構成とされる。
ここで、離散的エネルギー準位を形成し得る所定膜厚の直接遷移型半導体単結晶とは、例えば、ＧａＡｓとＡｌ（Ｇａ）Ａｓの少なくとも２種類のバンドギャップエネルギーが異なる半導体を積層し、バンドギャップエネルギーの低いＧａＡｓをバンドギャップエネルギーの高いＡｌ（Ｇａ）Ａｓで挟んだ構造を有するものである。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ることができる。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が、励起子を半導体に閉じ込めるとは、このボーア半径の数倍程度以下の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。上記の離散的エネルギー準位を形成し得る所定膜厚は、量子閉じ込め効果により励起子エネルギーの離散化が生じる膜厚以下である。
また、直接遷移型の半導体を用いるのは、光学遷移により励起子が生成される確率が高いためである。
【００１３】
かかる構成によれば、特別な素子構造や加工が不要で、励起子の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が得られる。すなわち、本発明の光スイッチは、所定の励起子エネルギー準位の応答を、波長フィルタを用いて最後に取り出すことから、出力光の強度が強く、応答速度は所定の励起子の生成時間と緩和時間の比率で決定されることになる。また、従来のサブバンド間遷移型の光スイッチで使われた導波路構造が不要となる。更に、面内の光学異方性のないデバイスを簡単に作製することが可能となる。
【００１４】
ここで、本発明の光スイッチにおける膜厚は、軽い正孔（light−hole）の励起子と重い正孔（Heavy−hole）の励起子の運動量が合致するエネルギー準位が存在する膜厚であることが好ましい。軽い正孔（light−hole）と重い正孔（Heavy−hole）は、質量の異なる２種類の正孔である。重い正孔と軽い正孔は、光学遷移点で縮退している。軽い正孔（light−hole）と重い正孔（Heavy−hole）は、励起子の閉じ込め効果により、光学遷移点での縮退が解消し、それぞれの正孔に対する励起子エネルギー準位が分離して存在するようになる。
ここで、軽い正孔（light−hole）の励起子と重い正孔（Heavy−hole）の励起子の運動量が合致するエネルギー準位が存在するということについて説明する。一般に、それぞれの正孔のある励起子エネルギー準位で生成された励起子は、運動量の放出により、該正孔の他の励起子エネルギー準位へ緩和することができる。ここで、運動量がほとんど一致する軽い正孔（light−hole）の励起エネルギー準位との励起子と重い正孔（Heavy−hole）の励起子エネルギー準位が存在する場合は、それぞれの正孔で分離して存在する励起子エネルギー準位間で、熱エネルギーによる励起や、フォノン等との相互作用が不要な緩和が可能となる。
なお、ここで、運動量が合致するエネルギー準位とは、完全に合致せずとも、略同等程度のエネルギー準位でかまわない意図である。
【００１５】
また、本発明の光スイッチにおける波長フィルタは、ノッチフィルタであることが好ましい。ノッチフィルタとは、特定の狭い帯域だけを非常に低いレベルに減衰させるフィルタ回路である。ノッチフィルタを用いることにより、特定の励起子エネルギー準位の応答のみを抽出することができるので、他の励起子エネルギー準位の応答の影響を受けないといった利点がある。
【００１６】
また、本発明の光スイッチにおける直接遷移型半導体単結晶は、ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＣｄＴｅから選択された化合物半導体である。
さらに、本発明の光スイッチにおける直接遷移型半導体単結晶は、導波路構造を有しないものである。本発明の光スイッチは、半導体単結晶から出射される所定の高次励起子エネルギー準位の応答のみを取り出す波長フィルタを出射光の光路に設けるだけであり、半導体単結晶に特別な素子構造や加工が不要である。
【００１７】
ここで、膜厚は、直接遷移型半導体単結晶のボーア半径の１０倍以下であることが好ましい。膜厚がボーア半径の１０倍以下の場合に、有意な励起子エネルギー準位が生じるからである。膜厚がボーア半径の１０倍より大きい場合では、出射光の強度の減衰が大きくなる。
なお、量子閉じ込め効果は、特定の膜厚のみ発生するのではなく、連続的にすべての膜厚で生じる。閉じ込めが生じると、閉じ込め量子数（ｎ）に応じて波動関数の形が変化する。光と結合しやすい（反応が起こりやすい）波動関数の形が膜厚によって異なり、例えば、膜厚が１１０ｎｍの場合はｎ＝２がメインの励起子となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超高速光スイッチによれば、スペクトル幅が広い二つのパルス光（パルス幅２００フェムト秒程度以下）を同時に照射した場合、制御パルスの入射により信号パルスの強度などが変化し、かかる信号光の変化によりスイッチのオン・オフを判定するのであるが、高次の励起子エネルギー準位の応答のみを取り出せる波長フィルタを設けることにより、基礎遷移では実現できないような高速な屈折率変化を得ることができ、励起子の緩和時間に制限されない超高速応答を得ることができる。
また、本発明の超高速光スイッチによれば、直接遷移型半導体単結晶と波長フィルタを設けるだけで特別な素子構造や加工を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の光スイッチの模式構成図
【図２】実施例１の光スイッチの半導体素子の構造図
【図３】励起子分散を示すグラフ
【図４】閉じ込め励起子のポラリトン分散の説明図
【図５】超短パルスレーザーに対する実施例１の光スイッチの非線形応答強度を示したグラフ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１の光スイッチの模式構成図を示している。
光スイッチ１は、励起子を閉じ込め離散的エネルギー準位を形成し得るダブルへテロ構造の半導体素子２と波長フィルタ３から構成される。
半導体素子２は、バンド端または励起子近くのエネルギーの光が入射した場合、入射光強度が増加すると透過率（吸収率）が非線形的に変化する性質がある。これは吸収により発生した励起子がバンド内の状態占有率を上昇させ、吸収端が高エネルギー側にシフトすることによって生ずるものである。従って、半導体素子２に対して、信号光照射器４ａから出射された信号光４と制御光照射器５ａから出射された光パルスの制御光５を照射すると、半導体素子２で励起子エネルギー準位が励起され、吸収率（透過率）が非線形的に変化する。
【００２２】
制御光照射器５ａは、複数の高次励起子エネルギー準位を励起可能な制御光５を半導体素子２に照射して、波長フィルタ３によって所定の励起子エネルギー準位の波長の光のみ取り出す。所定の励起子エネルギー準位の波長の光は、緩和時間に制限されず、その励起子応答を格段に高速化できるものである。複数の高次励起子エネルギー準位を同時に励起する制御光５と信号光４とにより非線形光学応答効果を得て、その非線形光学応答効果の応答信号光のうち、波長フィルタ３を用いて所定の励起子エネルギー準位の波長の光（選択波長光７）だけを半導体素子２からの出力光６として取り出し、それを検出器１０で検出して、超高速光スイッチを実現するのである。
【００２３】
本発明の励起子は弱閉じ込め励起子であり、光スイッチの構造は、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構造にして、励起子を半導体に閉じ込める。図１に示した光スイッチの半導体素子２の具体例について図２を参照して説明する。図２は、実施例１の光スイッチの半導体素子の構成図である。直接遷移型の半導体の１つのＧａＡｓを、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーの高いＡｌＧａＡｓで挟んだ構造である。ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの２種類の半導体結晶薄膜を積層した場合に、２種類の半導体結晶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結晶において量子閉じ込め効果が生じて、複数の励起子エネルギー準位が形成される。図２で示す構成の場合、ＧａＡｓの方がよりバンドギャップエネルギーが小さいことから、真ん中のＧａＡｓ層に量子閉じ込め効果による励起子エネルギー準位が形成されることになる。
【００２４】
図３は、上記の閉じ込めの場合の励起子分散を示している。横軸Ｌは膜厚であり、縦軸Ｅｎは励起子のエネルギーを示している。また、励起子の閉じ込めエネルギー準位は、下記数式１の級数により表すことができる。ここで、ｈ：プランク定数、Ｍ：励起子の有効質量、Ｌ：膜厚、ｎ：正の整数で与えられる次数である。
【００２５】
【数１】
2012002962.tif 000003
【００２６】
上記の式１から、膜厚（図１に示すｄ）を決定することで、形成される励起子エネルギーが決定される。すなわち、上記の式１は、複数の励起子エネルギー準位が存在することを示している。ｎが２以上の場合の励起子エネルギー準位が、高次の励起子エネルギー準位となる。
図４に、閉じ込め励起子のポラリトン分散の説明図を示す。高次の励起子も軽い正孔と重い正孔のエネルギー準位がある。高次励起子エネルギー準位は離散的である。図４に示すｎ１〜ｎ４は高次励起子エネルギー準位を示している。
【００２７】
図４に示されるｎ１及びｎ２に生成された閉じ込め励起子は、本来、フォノン（格子振動）との相互作用により、Ｋ＝０
まで運動量を放出しながら緩和しなければ消滅しないことから、応答速度は励起子の緩和時間に制限されて遅くなる。一方、図４に示されるｎ３やｎ４に生成された閉じ込め励起子は、Ｋ＝０まで運動量を放出しなくても消滅する場合があることを実験により見出したのである。ｎ３で生成された励起子は、運動量の放出により、ｎ１準位へ高速に緩和することが可能である。状態密度が高いｎ３とｎ１という量子化された閉じ込め準位が存在することで、ｎ３で効率よく光を吸収し、ｎ１へ緩和することが可能となる。ｎ１からはＫ＝０へフォノン等との相互作用により緩和して、消滅する。量子化されたｎ１準位が存在することで、多くの励起子を受け入れることが可能となる。
また、ｎ４に関しては、運動量Ｋがほとんど一致するｎ１準位が存在することで、ｎ１の励起子が熱エネルギーによりｎ４準位に励起することも可能となる。また、ｎ４で生成された励起子は、前記と同様のメカニズムによりｎ２の準位へ緩和する一方、運動量が一致する（Ｋがほとんど同じである）ｎ１準位が存在することで、フォノン等との相互作用が不要な緩和が可能となる。
【００２８】
図５は、超短パルスレーザーに対する実施例１の光スイッチの非線形応答強度を示したグラフである。図５において、軽い正孔の励起子エネルギー準位の応答をＬＨ，重い正孔の励起子エネルギー準位の応答をＨＨと表記することとし、上記の４種類の離散的な高次励起子エネルギー準位ｎ１〜ｎ４を、２ＨＨ，２ＬＨ，４ＨＨ，４ＬＨと表記している。
なお、実験条件は以下の通りである。光スイッチの試料としては、分子線エピキタシー法を用いて作製した活性層ＧａＡｓ（膜厚１１０ｎｍ）と障壁層Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ（膜厚５ｎｍ）のダブルへテロ構造を３周期（３層）のものを用いた。
測定条件は、制御光（ポンプ光）のスペクトル幅
約２０ｍｅＶ、強度１２ｎＪ／ｃｍ２、信号光（プローブ光）のスペクトル幅 約２ｍｅＶ、強度１．２ｎＪ／ｃｍ２である。
【００２９】
図５のグラフでは、ｎ＝４ＨＨの励起子エネルギー準位の応答が、立ち上がりと立ち下がりが略対象であり、本来の励起子の緩和時間に制限されない超高速な応答性（数ピコ秒）を有していることが示されている。波形もはっきりと読み取れることがわかる。
従って、この場合、波長フィルタ３を用いてｎ＝４ＨＨの励起子エネルギー準位の波長の光だけを半導体素子からの出力光として取り出すことにより、超高速光スイッチを実現できることが理解できる。
【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、光通信や光情報処理分野における超高速光スイッチに適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  光スイッチ
２  半導体素子
３  波長フィルタ
４  信号光照射器
４ａ  信号光
５  制御光照射器
５ａ  制御光
６  出力光
７  選択波長光
１０  検出器
【図１】
2012002962.tif 000004
【図２】
2012002962.tif 000005
【図３】
2012002962.tif 000006
【図４】
2012002962.tif 000007
【図５】
2012002962.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月4日(2011.4.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−７２４８７号公報
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図１は、実施例１の光スイッチの模式構成図を示している。
光スイッチ１は、励起子を閉じ込め離散的エネルギー準位を形成し得るダブルへテロ構造の半導体素子２と波長フィルタ３から構成される。
半導体素子２は、バンド端または励起子近くのエネルギーの光が入射した場合、入射光強度が増加すると透過率（吸収率）が非線形的に変化する性質がある。これは吸収により発生した励起子がバンド内の状態占有率を上昇させ、吸収端が高エネルギー側にシフトすることによって生ずるものである。従って、半導体素子２に対して、信号光照射器４から出射された信号光４ａと制御光照射器５から出射された光パルスの制御光５ａを照射すると、半導体素子２で励起子エネルギー準位が励起され、吸収率（透過率）が非線形的に変化する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
制御光照射器５は、複数の高次励起子エネルギー準位を励起可能な制御光５ａを半導体素子２に照射して、波長フィルタ３によって所定の励起子エネルギー準位の波長の光のみ取り出す。所定の励起子エネルギー準位の波長の光は、緩和時間に制限されず、その励起子応答を格段に高速化できるものである。複数の高次励起子エネルギー準位を同時に励起する制御光５ａと信号光４ａとにより非線形光学応答効果を得て、その非線形光学応答効果の応答信号光のうち、波長フィルタ３を用いて所定の励起子エネルギー準位の波長の光（選択波長光７）だけを半導体素子２からの出力光６として取り出し、それを検出器１０で検出して、超高速光スイッチを実現するのである。