【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学素子に関
し、特に光ファイバ通信や光情報処理等の分野で光制御
素子として用いられる非線形光学素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonlinear optical element, and more particularly to a nonlinear optical element used as an optical control element in the fields of optical fiber communication and optical information processing.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバ通信システムや光情報処理シ
ステムの高速化には、光制御を行う素子の動作の高速化
が必要不可欠である。従来、光制御素子においては、電
気信号により光制御を行う方法（電気−光制御）がとら
れてきたが、近年、より高速の動作が期待される方法と
して、光により光制御を行う方法（光−光制御）が注目
されている。2. Description of the Related Art In order to increase the speed of an optical fiber communication system or an optical information processing system, it is necessary to increase the speed of the operation of an element for optical control. Conventionally, in a light control element, a method of performing light control by an electric signal (electric-light control) has been taken, but in recent years, as a method expected to operate at a higher speed, a method of performing light control by light ( Light-light control) is drawing attention.
【０００３】例えば、特願平４−３４１８６３号明細書
には、光吸収により非線形屈折率変化を示す光導波部に
静電界を印加する手段を有する非線形光学素子が記載さ
れている。この素子の光導波部では、制御光が吸収さ
れ、励起されたキャリアによるバンドフィリング効果に
よって非線形屈折率変化が引き起こされる。この非線形
屈折率変化により、光導波部を伝搬する信号光が位相変
調される。バンドフィリング効果による非線形屈折率変
化の場合、その発現に要する時間は非常に短い（１ｐｓ
以下）が、消失に要する時間は、励起されたキャリアの
寿命（通常１ｎｓ以上）によって定まり、素子の高速動
作を妨げる。そこで、特願平４−３４１８６３号明細書
に記載の素子では、光導波部に静電界を印加し励起され
たキャリアを光導波部外に掃引することにより、非線形
屈折率変化の回復を高速化している。また、キャリアが
掃引される際、空間的に分離された電子と正孔によって
印加静電界が多少なりともスクリーニングされ、電界強
度が低下する。しかし、素子の動作速度は、光導波部内
に励起されたキャリアが静電界によって光導波部外へ走
行するのに要する時間で律速される。したがって、印加
静電界強度の低下は、キャリアの走行速度を低下させ、
素子の高速動作を妨げる。そこで、特願平４−３４１８
６３号明細書に記載の素子では、電界印加に用いる電極
の面積を大きくし素子の電気容量を大きくすることによ
って、電界スクリーニングによる印加静電界強度の低下
を抑制している。For example, Japanese Patent Application No. 4-341863 describes a non-linear optical element having means for applying an electrostatic field to an optical waveguide section which exhibits a non-linear refractive index change due to light absorption. In the optical waveguide portion of this element, the control light is absorbed, and the nonlinear refractive index change is caused by the band-filling effect of the excited carriers. Due to this change in the nonlinear refractive index, the signal light propagating through the optical waveguide is phase-modulated. In the case of a nonlinear refractive index change due to the band-filling effect, the time required for its development is very short (1 ps
However, the time required for disappearance is determined by the lifetime of the excited carriers (usually 1 ns or more), which hinders high-speed operation of the device. Therefore, in the element described in Japanese Patent Application No. 4-341863, the recovery of the nonlinear refractive index change is speeded up by applying an electrostatic field to the optical waveguide and sweeping the excited carriers to the outside of the optical waveguide. ing. Further, when the carriers are swept, the electrostatic field to be applied is screened to some extent by the spatially separated electrons and holes, and the electric field strength is reduced. However, the operating speed of the device is limited by the time required for carriers excited inside the optical waveguide to travel outside the optical waveguide due to the electrostatic field. Therefore, the decrease in the applied electrostatic field strength reduces the carrier traveling speed,
Prevents high-speed operation of the device. Therefore, Japanese Patent Application No. 4-3418
In the device described in Japanese Patent No. 63, the area of an electrode used for applying an electric field is increased and the electric capacity of the device is increased to suppress a decrease in the applied electrostatic field strength due to electric field screening.
【０００４】図２に、上記の特徴を有する非線形光学素
子の一例を示す。Ｓｉを１０18ｃｍ-3ドーピングしたＧ
ａＡｓ基板２上に、Ｓｉを１０18ｃｍ-3ドーピングした
厚さ２μｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．０７）下部
クラッド層３、ノンドーピングで厚さ０．２μｍのＡｌ
xＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．０７）下部クラッド層４、ノ
ンドーピングで厚さ０．５μｍのＧａＡｓコア層５、ノ
ンドーピングで厚さ０．２μｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ
（ｘ＝０．０７）上部クラッド層６、Ｂｅを１０18ｃｍ
-3ドーピングした厚さ０．６μｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ
（ｘ＝０．０７）上部クラッド層７、Ｂｅを１０18ｃｍ
-3ドーピングした厚さ０．２μｍのＧａＡｓキャップ層
８が順に積層されている。さらに、エッチングプロセス
により高さ０．９μｍ、幅４μｍのストライプが形成さ
れている。素子表面にはＳｉＯ2絶縁膜９と電極１０が
積層され、電極１０はＧａＡｓキャップ層８にオーミッ
ク接触している。また、基板２の裏面にもオーミック電
極１が形成されている。FIG. 2 shows an example of a nonlinear optical element having the above characteristics. G doped with 1018 cm-3 of Si
An Alx Ga1-x As (x = 0.07) lower clad layer 3 having a thickness of 2 μm doped with 1018 cm−3 of Si on an aAs substrate 2 and an undoped Al layer having a thickness of 0.2 μm.
x Ga1-x As (x = 0.07) lower cladding layer 4, non-doped 0.5 μm thick GaAs core layer 5, non-doped 0.2 μm thick Alx Ga1-x As
(X = 0.07) Upper cladding layer 6, Be 1018 cm
-3 Doped Alx Ga1-x As with a thickness of 0.6 μm
(X = 0.07) Upper clad layer 7, Be 1018 cm
A −3 doped GaAs cap layer 8 having a thickness of 0.2 μm is sequentially stacked. Furthermore, stripes having a height of 0.9 μm and a width of 4 μm are formed by the etching process. A SiO2 insulating film 9 and an electrode 10 are laminated on the device surface, and the electrode 10 is in ohmic contact with the GaAs cap layer 8. The ohmic electrode 1 is also formed on the back surface of the substrate 2.
【０００５】図２の非線形光学素子では、制御光パルス
がＧａＡｓコア層５に吸収されることによって非線形屈
折率変化が起こる。電極１，１０間に逆バイアス電圧を
印加することによって、ＧａＡｓコア層５には静電界が
印加され、電子および正孔はそれぞれ下部クラッドと上
部クラッドへ掃引される。この結果、非線形屈折率変化
は消失する。信号光は、この非線形屈折率変化によって
位相変調される。この素子では、非線形屈折率変化の回
復時間はキャリア寿命で制限されず、高速の光制御が実
現される。In the non-linear optical element shown in FIG. 2, the non-linear refractive index change occurs due to the absorption of the control light pulse by the GaAs core layer 5. By applying a reverse bias voltage between the electrodes 1 and 10, an electrostatic field is applied to the GaAs core layer 5, and electrons and holes are swept to the lower clad and the upper clad, respectively. As a result, the nonlinear refractive index change disappears. The signal light is phase-modulated by this nonlinear refractive index change. In this element, the recovery time of the change in nonlinear refractive index is not limited by the carrier life, and high-speed optical control is realized.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】図２に示した素子で
は、上述のように、光導波部内に励起されたキャリアが
光導波部外へ走行するのに要する時間で動作速度が律速
される。そこで、動作速度の高速化のためには、電界ス
クリーニングによって生じる印加静電界強度の低下を抑
制することが必要である。In the device shown in FIG. 2, the operating speed is limited by the time required for the carriers excited in the optical waveguide to travel outside the optical waveguide, as described above. Therefore, in order to increase the operation speed, it is necessary to suppress the decrease in the applied electrostatic field strength caused by the electric field screening.
【０００７】この印加静電界強度の低下は、素子の電気
容量を大きくすることと掃引される電気量を小さくする
ことによって抑制することが可能である。その理由は、
簡単化すれば以下のように説明される。素子の電気容量
をＣ、１個の制御光パルスで生成され掃引される電気量
をΔＱ、これによる電圧低下をΔＶとすると、ΔＶ＝Δ
Ｑ／Ｃとなる。したがって、Ｃを大きくするか、または
ΔＱを小さくすることによってΔＶを小さくすることが
可能となる。This decrease in the applied electrostatic field strength can be suppressed by increasing the electric capacity of the element and decreasing the amount of electricity swept. The reason is,
If it simplifies, it will be described as follows. If the electric capacity of the device is C, the electric quantity generated and swept by one control light pulse is ΔQ, and the voltage drop due to this is ΔV, then ΔV = Δ
It becomes Q / C. Therefore, it is possible to reduce ΔV by increasing C or decreasing ΔQ.
【０００８】図２に示した素子では、電極１，１０は大
きな面積で対向しているため、電気容量も大きい。しか
し、この素子では、ストライプ装荷部以外のコア層で制
御光吸収により生じたキャリアも掃引される。すなわ
ち、信号光の位相変調に寄与しない余分なキャリアも掃
引されることになる。これは、キャリア掃引の際の印加
静電界強度の低下を抑制する上で望ましくない。In the device shown in FIG. 2, since the electrodes 1 and 10 face each other with a large area, the electric capacity is large. However, in this device, carriers generated by absorption of control light in the core layer other than the stripe loading portion are also swept. That is, extra carriers that do not contribute to the phase modulation of the signal light are also swept. This is not desirable in suppressing the decrease in the applied electrostatic field strength during the carrier sweep.
【０００９】本発明の目的は、大きな素子容量を持つだ
けでなく、制御光吸収により生成されたキャリアのうち
信号光制御に寄与する分のみを掃引する構造とすること
によって、掃引される電気量を低減し、制御光吸収によ
る印加静電界強度の低下を抑え、これによって高速に動
作する非線形光学素子を提供することにある。An object of the present invention is to have a structure in which not only a large element capacitance but also a portion of carriers generated by absorption of control light that contributes to signal light control are swept, so that the amount of electricity to be swept is swept. To suppress a decrease in applied electrostatic field intensity due to absorption of control light, thereby providing a nonlinear optical element that operates at high speed.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、光吸収により
非線形屈折率変化を生ずる半導体材料で成るコア層と、
このコア層に接合するクラッド層とで、層に垂直な方向
に光閉じ込め構造が形成され、層に平行な方向にも光閉
じ込め構造を実現する手段と、光導波路の光導波領域に
静電界を印加する手段とを有する非線形光学素子におい
て、コア層の光導波領域以外の部分に非発光中心が多数
導入された領域を有することを特徴とする。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention comprises a core layer made of a semiconductor material which causes a nonlinear refractive index change by light absorption,
A light confinement structure is formed in the direction perpendicular to the layer with the clad layer joined to this core layer, and a means for realizing the light confinement structure in the direction parallel to the layer and an electrostatic field in the optical waveguide region of the optical waveguide. A non-linear optical element having a means for applying is characterized by having a region in which a large number of non-radiative centers are introduced in a portion other than the optical waveguide region of the core layer.
【００１１】[0011]
【実施例】図１は、本発明による非線形光学素子の一実
施例の構造を示す断面図である。Ｓｉを１０18ｃｍ-3ド
ーピングしたＧａＡｓ基板２上に、Ｓｉを１０18ｃｍ-3
ドーピングした厚さ２μｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝
０．０７）下部クラッド層３、ノンドーピングで厚さ
０．２μｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．０７）下部
クラッド層４、ノンドーピングで厚さ０．５μｍのＧａ
Ａｓコア層５、ノンドーピングで厚さ０．２μｍのＡｌ
xＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．０７）上部クラッド層６、Ｂ
ｅを１０18ｃｍ-3ドーピングした厚さ０．６μｍのＡｌ
xＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．０７）上部クラッド層７、Ｂ
ｅを１０18ｃｍ-3ドーピングした厚さ０．２μｍのＧａ
Ａｓキャップ層８が順に積層されている。さらに、エッ
チングプロセスにより高さ０．９μｍ、幅４μｍのスト
ライプが形成されている。ストライプの両側には、プロ
トン注入により非発光中心が多数導入された領域１１が
形成されている。素子表面にはＳｉＯ2絶縁膜９と電極
１０が積層され、電極１０はＧａＡｓキャップ層８にオ
ーミック接触している。また、基板２の裏面にもオーミ
ック電極１が形成されている。1 is a sectional view showing the structure of an embodiment of a nonlinear optical element according to the present invention. Si on top 1018 cm-3 doped GaAs substrate 2, the Si 1018 cm-3
Doped Alx Ga1-x As (x =
0.07) Lower cladding layer 3, undoped and 0.2 μm thick Alx Ga1-x As (x = 0.07) Lower cladding layer 4, undoped and 0.5 μm thick Ga
As core layer 5, undoped and 0.2 μm thick Al
x Ga1-x As (x = 0.07) Upper cladding layer 6, B
Al with a thickness of 0.6 μm doped with 1018 cm−3 of e
x Ga1-x As (x = 0.07) Upper cladding layer 7, B
Ga having a thickness of 0.2 μm doped with 1018 cm−3 of e
The As cap layer 8 is sequentially stacked. Furthermore, stripes having a height of 0.9 μm and a width of 4 μm are formed by the etching process. Regions 11 in which a large number of non-radiative centers are introduced by proton injection are formed on both sides of the stripe. A SiO2 insulating film 9 and an electrode 10 are laminated on the device surface, and the electrode 10 is in ohmic contact with the GaAs cap layer 8. The ohmic electrode 1 is also formed on the back surface of the substrate 2.
【００１２】この素子に、ＧａＡｓコア層５を透過する
波長に設定された信号光を伝搬させる。ここで、ＧａＡ
ｓコア層５で吸収される波長に設定された制御光パルス
を入射すると、キャリアが生成される。キャリアの生成
は主にコア層のストライプ装荷部、すなわち光導波領域
で起こるが、制御光をこの領域だけに結合させることは
困難であるので、これ以外の領域でもキャリアが生成さ
れる。光導波領域では、キャリアの生成により非線形屈
折率変化が生じ、さらに、これらのキャリアが印加静電
界によって掃引されることにより非線形屈折率変化が回
復する。素子を伝搬する信号光は、この光導波領域での
高速の非線形屈折率変化により位相変調される。Signal light having a wavelength that is transmitted through the GaAs core layer 5 is propagated through this device. Where GaA
When a control light pulse set to a wavelength absorbed by the s-core layer 5 is incident, carriers are generated. The generation of carriers mainly occurs in the stripe loading portion of the core layer, that is, the optical waveguide region, but it is difficult to couple the control light only to this region, so carriers are also generated in other regions. In the optical waveguide region, the nonlinear refractive index changes due to the generation of carriers, and these carriers are swept by the applied electrostatic field to recover the nonlinear refractive index change. The signal light propagating through the element is phase-modulated by the fast nonlinear refractive index change in the optical waveguide region.
【００１３】他方、コア層の光導波部以外の領域には、
非発光中心が多数導入されており、この領域で生成され
たキャリアは大部分が非発光再結合によって消滅する。
非発光再結合の寿命は、１ｐｓのオーダーにまで短くす
ることが可能であり、キャリアが掃引されないうちに非
発光再結合によって消滅させることが可能となる。これ
によって、掃引される電気量は必要最小限まで低減さ
れ、電界スクリーニングによる印加静電界の低下が抑制
される。On the other hand, in the area other than the optical waveguide portion of the core layer,
Many non-radiative centers are introduced, and most of the carriers generated in this region disappear by non-radiative recombination.
The lifetime of non-radiative recombination can be shortened to the order of 1 ps, and carriers can be eliminated by non-radiative recombination before sweeping. As a result, the amount of electricity to be swept is reduced to the necessary minimum, and the decrease in the applied electrostatic field due to electric field screening is suppressed.
【００１４】以上、ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ系材料を用
いた非線形光学素子を例にとって説明したが、本発明
は、ＩｎＰ系材料などの他の半導体材料を用いた場合に
おいても、同様の効果が得られる。また、コアがバルク
の場合だけでなく、多重量子井戸構造とした場合におい
ても同様の効果が得られる。Although the non-linear optical element using the GaAs-AlGaAs-based material has been described above as an example, the present invention can also obtain the same effect when another semiconductor material such as the InP-based material is used. Further, the same effect can be obtained not only when the core is a bulk, but also when the core has a multiple quantum well structure.
【００１５】[0015]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の非線形光
学素子では、大きな素子容量を有するだけでなく、制御
光吸収により生成されたキャリアのうち信号光の制御に
寄与する分のみを掃引する構造としたため、掃引される
電気量が低減され、印加静電界強度の低下が抑制される
という効果がある。これによって、本発明の非線形光学
素子においては高速動作が可能となる。As described above, the nonlinear optical element of the present invention not only has a large element capacitance, but also sweeps only the carrier generated by the absorption of the control light that contributes to the control of the signal light. Since the structure is adopted, the amount of electricity to be swept is reduced, and the reduction of the applied electrostatic field strength is suppressed. As a result, the nonlinear optical element of the present invention can operate at high speed.
【図１】本発明の非線形光学素子の一実施例の構造を示
す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an example of a nonlinear optical element of the present invention.
【図２】従来の技術による非線形光学素子の一実施例の
構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an example of a conventional nonlinear optical element.
１ 電極 ２ ＳｉドープＧａＡｓ基板 ３ ＳｉドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層 ４ ノンドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層 ５ ノンドープＧａＡｓコア層 ６ ノンドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層 ７ ＢｅドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層 ８ ＢｅドープＧａＡｓキャップ層 ９ ＳｉＯ2電極 １０ 電極 １１ 非発光中心が多数導入された領域1 electrode 2 Si-doped GaAs substrate 3 Si-doped AlGaAs lower cladding layer 4 Non-doped AlGaAs lower cladding layer 5 Non-doped GaAs core layer 6 Non-doped AlGaAs upper cladding layer 7 Be-doped AlGaAs upper cladding layer 8 Be-doped GaAs cap layer 9 SiO2 electrode 10 Electrode 11 Area where many non-emissive centers are introduced
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5123693AJPH06331944A (en) | 1993-05-26 | 1993-05-26 | Nonlinear optical element |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5123693AJPH06331944A (en) | 1993-05-26 | 1993-05-26 | Nonlinear optical element |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06331944Atrue JPH06331944A (en) | 1994-12-02 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5123693APendingJPH06331944A (en) | 1993-05-26 | 1993-05-26 | Nonlinear optical element |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06331944A (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0737852A3 (en)* | 1995-04-13 | 1998-07-08 | CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni S.p.A. | Method of and device for measuring the kerr non linearity coefficient in a single mode optical fibre |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0737852A3 (en)* | 1995-04-13 | 1998-07-08 | CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni S.p.A. | Method of and device for measuring the kerr non linearity coefficient in a single mode optical fibre |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
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| JPH06331944A (en) | Nonlinear optical element | |
| JPH0951142A (en) | Semiconductor light emitting device | |
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| JPH0563301A (en) | Semiconductor optical element and optical communication system | |
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| JPH07234389A (en) | Semiconductor optical device |
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