JP3063115B2 - Nonlinear optical material - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 非線形光学材料に関し、 大きな非線形光学材料を示す材料を提供することを目
的とし、 伝導帯と価電子帯の井戸幅が異なる量子井戸構造をも
つか、伝導帯と価電子帯に二個以上の量子井戸をもって
構成されており、それぞれの量子井戸において、価電子
帯の井戸の深さが浅いときは、対応する伝導帯の井戸の
深さが深く、また、価電子帯の井戸の深さが深いとき
は、対応する伝導帯の井戸の深さが浅く構成されてお
り、特に三個以上の量子井戸をもつ場合、中央部の井戸
の深さが隣接する井戸に較べて浅くまたは深く構成する
か、伝導帯の井戸の位置と価電子帯の井戸の位置とが互
いにずれて構成されていることを特徴として非線形光学
材料を構成する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] With regard to nonlinear optical materials, an object of the present invention is to provide a material exhibiting a large nonlinear optical material. And two or more quantum wells in the valence band, and in each quantum well, when the depth of the valence band well is shallow, the depth of the corresponding conduction band well is deep, and When the depth of the valence band well is deep, the depth of the corresponding conduction band well is configured to be shallow, especially when there are three or more quantum wells, the depth of the central well is adjacent. The nonlinear optical material is characterized by being formed shallower or deeper than the well, or being formed such that the position of the conduction band well and the position of the valence band well are shifted from each other.
本発明は大きな非線形光学特性を示す非線形光学材料
に関する。The present invention relates to a nonlinear optical material exhibiting large nonlinear optical characteristics.
大量の情報を迅速に処理する必要から光通信が実用化
されているが、これに使用する光偏向器,光スイッチ,
変調器などの光学部品にはニオブ酸リチウム(LiNbO3)
やタンタル酸リチウム(LiTaO3)のような非線形光学材
料を示す材料が使用されている。Optical communication has been put into practical use because of the need to process a large amount of information quickly, but the optical deflector, optical switch,
Lithium niobate (LiNbO 3 ) for optical components such as modulators
And materials showing a nonlinear optical material such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) are used.
然し、光通信の高速化を進めるには、現在使用されて
いる方向性結合器や光変調器の印加電圧を現在よりも下
げるか、或いは電極の大きさを小さく構成することが必
要であり、そのためには二次の非線形光学特性がLiNbO3
などよりも大きな材料を用いて光学素子を構成する必要
がある。However, in order to increase the speed of optical communication, it is necessary to lower the applied voltage of the directional coupler or the optical modulator currently used or to reduce the size of the electrode, For this purpose, the second-order nonlinear optical characteristic is LiNbO 3
It is necessary to configure the optical element using a material larger than the above.
また、光通信の高速化を実現するには従来のように電
界に比例して材料の屈折率が変化する電気光学効果(ポ
ッケルス効果)を利用するのではなく、入力光の強度に
比例して屈折率が変化する光カー効果を利用して光通信
素子を開発する必要がある。In addition, in order to realize high-speed optical communication, instead of using the electro-optic effect (Pockels effect) in which the refractive index of a material changes in proportion to an electric field as in the related art, it is proportional to the intensity of input light. It is necessary to develop an optical communication device using the optical Kerr effect in which the refractive index changes.
先に記したように、LiNbO3やLiTaO3などの無機材料は
非線形光学特性を示すことから各種の光学素子の構成材
として使用されているが、一方では学問的見地から量子
井戸構造が大きな非線形光学特性を示すことが知られて
いる〔例えば、花村栄一,応用物理,Vol.56,No.10(198
7),1348〕 然し、量子井戸の構造が最適化されていないために光
学素子としては実用化されたものはない。As mentioned earlier, inorganic materials such as LiNbO 3 and LiTaO 3 have been used as constituents of various optical elements because of their non-linear optical properties. It is known to exhibit optical characteristics [eg, Eiichi Hanamura, Applied Physics, Vol. 56, No. 10 (198
7), 1348] However, no optical element has been practically used because the structure of the quantum well has not been optimized.
量子井戸構造が大きな非線形光学特性を示すことが知
られているが、実用的な量子井戸構造が提案されていな
いことから、光学素子として実用化されていない。It is known that a quantum well structure exhibits a large nonlinear optical characteristic, but since a practical quantum well structure has not been proposed, it has not been put to practical use as an optical element.
そこで、本発明は量子井戸の中に更に量子井戸を形成
するなどの方法により波動関数の適正化を行い、非線形
光学効果を増大させることが課題である。Therefore, an object of the present invention is to optimize the wave function by a method such as forming a quantum well in a quantum well, and to increase the nonlinear optical effect.
上記の課題を解決するための第一の構成は、伝導帯と
価電子帯の井戸幅が異なる量子井戸構造をもつことを特
徴として構成し、及び、 第二の構成は、第一及び第二の量子井戸と、該第一及
び該第二の量子井戸の間に設けられた第三の量子井戸と
を有し、該第三の量子井戸の伝導帯の井戸の深さが該第
一及び該第二の量子井戸の伝導帯の井戸の深さより浅い
場合は、該第三の量子井戸の価電子帯の井戸の深さを該
第一及び該第二の量子井戸の価電子帯の井戸の深さより
深くし、該第三の量子井戸の伝導帯の井戸の深さが該第
一及び該第二の量子井戸の伝導帯の井戸の深さより深い
場合は、該第三の量子井戸の価電子帯の井戸の深さを該
第一及び該第二の量子井戸の価電子帯の井戸の深さより
浅くしたことを特徴として構成し、及び、 第一の構成の非線形光学材料において、伝導帯及び価
電子帯にそれぞれ複数の量子井戸が形成され、該伝導帯
に形成された少なくとも一つの該量子井戸の端の位置
が、該価電子帯に形成された量子井戸の端の位置からず
れていることを特徴として構成し、及び、 第四の構成は、第一〜第三の構成の量子井戸構造が周期
的に繰り返されて量子線を形成していることを特徴とし
て構成する。A first configuration for solving the above problem is characterized by having a quantum well structure in which the well widths of the conduction band and the valence band are different, and a second configuration includes the first and second configurations. And a third quantum well provided between the first and second quantum wells, the conduction band of the third quantum well having a depth of the first and second quantum wells. When the depth of the valence band of the third quantum well is smaller than the depth of the well of the conduction band of the second quantum well, the depth of the valence band of the third quantum well is changed to the depth of the valence band of the first and second quantum wells. And the depth of the conduction band well of the third quantum well is deeper than the depth of the conduction band wells of the first and second quantum wells. A depth of a valence band well is smaller than a depth of a valence band well of the first and second quantum wells; and In the nonlinear optical material, a plurality of quantum wells are respectively formed in the conduction band and the valence band, and the position of the end of at least one of the quantum wells formed in the conduction band is determined by the quantum well formed in the valence band. The fourth configuration is characterized in that the quantum well structure of the first to third configurations is periodically repeated to form a quantum line. Is configured as a feature.
光学材料の分極の大きさは次の(1)および(2)式
で表すことができる。The magnitude of polarization of the optical material can be expressed by the following equations (1) and (2).
こゝで、βとχ2は電気光学効果(ポッケルス効果)
や周波数逓倍機能である第2高調波の発生を支配する係
数である。 Here, β and χ 2 are the electro-optic effect (Pockels effect)
And a coefficient that governs the generation of the second harmonic, which is a frequency multiplication function.
また、γとχ3は光カー効果を支配する係数である。Also, gamma and chi 3 are coefficients governing the optical Kerr effect.
さて、二次の非線形分子分極率βは、 遷移双極子モーメントをμge 伝導帯(励起状態)にある電子位置の期待値である双
極子モーメントをμe 価電子帯(基底状態)にある電子位置の期待値である
双極子モーメントをμg で示すと、 で表されることから、βの値を大きくするには、価電子
帯と伝導帯との波動関数のオーバーラップを大きくし、
また価電子帯と伝導帯との隔たりを逆方向に大きくする
ことが必要であり、両者は相反の関係があることから、
第1図に示すように波動関数のオーバーラップと偏りと
を同時に考慮し最適化する必要がある。By the way, the second-order nonlinear molecular polarizability β is expressed as follows: The transition dipole moment is the expected value of the electron position in the μ ge conduction band (excited state), and the dipole moment in the μ e valence band (ground state) is the expected value of the electron position. When indicating the dipole moment is the expected value of the position in mu g, Therefore, to increase the value of β, the overlap of the wave function between the valence band and the conduction band is increased,
In addition, it is necessary to increase the distance between the valence band and the conduction band in the opposite direction, and since both have a reciprocal relationship,
As shown in FIG. 1, it is necessary to simultaneously consider and optimize the overlap and deviation of the wave functions.
次に、三次の非線形分子分極率γを大きくするには、
伝導帯と価電子帯との波動関数のオーバーラップを大き
くして遷移双極子モーメントを大きくし、且つ伝導帯と
価電子帯との波動関数の差を大きくすることである。Next, to increase the third-order nonlinear molecular polarizability γ,
The purpose is to increase the overlap between the wave functions of the conduction band and the valence band to increase the transition dipole moment, and to increase the difference between the wave functions of the conduction band and the valence band.
本発明において使用する材料はガリウム・砒素(GaA
s),インジウム燐(InP)のようなIII−V族,カドミ
ウムテルル(CdTe)のようなII−VI族半導体の混晶のよ
うな無機材料やポリジアセチレンにドナー基とアクセプ
タ基を付加した有機材料が使用できる。The material used in the present invention is gallium arsenide (GaA).
s), inorganic materials such as mixed crystals of III-V group semiconductors such as indium phosphide (InP) and II-VI group semiconductors such as cadmium telluride (CdTe), and organic materials in which donor groups and acceptor groups are added to polydiacetylene. Materials can be used.
実施例1;(伝導帯に較べ価電子帯の井戸幅が狭い場合) 第2図において、同図(A)は伝導帯に較べ価電子帯
の井戸幅が狭い場合のエネルギー準位を、また同図
(B)はこの場合の伝導帯と価電子帯の波動関数を模式
的に示している。Example 1; (When the well width of the valence band is narrower than the conduction band) In FIG. 2, FIG. 2A shows the energy level when the well width of the valence band is narrower than the conduction band. FIG. 7B schematically shows the wave functions of the conduction band and the valence band in this case.
また、第3図は価電子帯の井戸幅をWとし、導電帯の
井戸幅をMLとした場合、MLの値を300,600および800に固
定し、Wの値を変えた場合のγ(二次の非線形分子分極
率)の値を計算したもので、ML(導電帯の井戸幅)が大
きいほどγの値は大きくなるが、途中に極大値が存在
し、MLの値とWの値が等しくなるとγの値が0となるこ
とを示している。FIG. 3 shows that when the well width of the valence band is W and the well width of the conduction band is ML, the value of ML is fixed at 300, 600 and 800, and the γ (secondary) when the value of W is changed is shown in FIG. The value of γ increases as the ML (well width of the conduction band) increases, but a local maximum exists in the middle, and the value of ML is equal to the value of W. Then, the value of γ becomes 0.
実施例2;(量子井戸の中に三つの量子井戸が存在する場
合) 第4図は量子井戸の中に三つの量子井戸が存在する場
合のエネルギー準位を、また第5図(A),(B)はこ
の場合の伝導帯と価電子帯の波動関数を模式的に示した
もので、中央の井戸は伝導帯の井戸の深さが浅く、一
方、価電子帯の井戸の深さは深くなっている。Embodiment 2; (When Three Quantum Wells Exist in Quantum Well) FIG. 4 shows the energy levels when three quantum wells exist in the quantum well, and FIGS. (B) schematically shows the wave functions of the conduction band and the valence band in this case. In the center well, the depth of the conduction band well is small, while the depth of the valence band well is Deepening.
この状態は、例えば AlGaAs層の間に厚さが10〜50分
子層で組成を変えたIII−V族化合物の層を三種類積層
してエピタキシャル成長させることにより実現すること
ができる。This state can be realized, for example, by epitaxially growing three types of III-V compound layers having different compositions in the thickness of 10 to 50 molecular layers between AlGaAs layers.
第6図は第5図の伝導帯において中央と左右の井戸の
波動関数の比(図ではA/B)と価電子帯における中央と
左右の波動関数の比(図ではC/D)との値が等しくRで
あると仮定し、一方、個々の井戸の幅が等しくWの値を
示すとし、井戸幅Wが190,150 および50と三つの場合に
ついて、Wを固定し、Rを変えた場合のγの値を計算し
たものである。Fig. 6 shows the ratio between the wave functions of the center and the left and right wells in the conduction band of Fig. 5 (A / B in the figure) and the ratio of the center and left and right wave functions in the valence band (C / D in the figure). Assuming that the values are equal and R, while the widths of the individual wells are equal and indicate a value of W, when W is fixed and R is changed for three cases where the well widths W are 190, 150 and 50, respectively. It is the value of γ calculated.
同図から、R≒2の付近にγの最大値があり、値が大
きくなるに従って低下することゝ、井戸幅Wが小さいほ
どのγの値が大きいことが判る。From the figure, it can be seen that there is a maximum value of γ near R ≒ 2, which decreases as the value increases, and that the value of γ increases as the well width W decreases.
実施例3: 第7図は量子井戸の中に更に二つの量子井戸を設け、
伝導帯の井戸が深く、価電子帯の井戸が浅い場合を示し
ている。Example 3: FIG. 7 shows that two more quantum wells are provided in the quantum well,
The case where the well of the conduction band is deep and the well of the valence band is shallow is shown.
この状態は化合物半導体でも可能であるし、またドナ
ーとアクセプターを付加したポリジアセチレンにおいて
も可能である。This state is possible in a compound semiconductor, and also in polydiacetylene to which a donor and an acceptor are added.
実施例4: III−V族,II−VI族の材料の種類と組成を変えながら
分子ビームエピタキシーを行って10〜50分子層からなる
層成長を繰り返すことにより、、第2図または第3図の
エネルギー準位を示す量子井戸を繰り返し作り、次に、
これを線状にエッチングすることにより、量子井戸が一
次元系の中に形成されている量子線を作ることができ
る。Example 4 FIG. 2 or FIG. 3 was obtained by repeating molecular layer epitaxy and repeating the growth of 10 to 50 molecular layers while changing the type and composition of the III-V and II-VI group materials. Quantum wells with energy levels of
By etching this linearly, a quantum line in which a quantum well is formed in a one-dimensional system can be produced.
本発明の実施により、無機材料あるいは有機材料から
なり、大きな非線形光学特性を備えた材料を作ることが
でき、この材料の使用により光通信の高性能化が可能と
なる。By implementing the present invention, a material made of an inorganic material or an organic material and having a large nonlinear optical characteristic can be produced, and the use of this material makes it possible to improve the performance of optical communication.
第1図は本発明に係る非線形性材料のエネルギー準位
図、 第2図は本発明に係る別の非線形性材料のエネルギー準
位図と波動関数、 第3図は実施例における井戸幅とγの関係図、 第4図は本発明に係る別の非線形性材料のエネルギー準
位図、 第5図は第4図のエネルギー準位図に対応する波動関
数、 第6図は別の実施例におけるRとγの関係図、 第7図は本発明に係る別の非線形性材料のエネルギー準
位図と波動関数、 である。1 is an energy level diagram of a non-linear material according to the present invention, FIG. 2 is an energy level diagram and a wave function of another non-linear material according to the present invention, and FIG. FIG. 4 is an energy level diagram of another nonlinear material according to the present invention, FIG. 5 is a wave function corresponding to the energy level diagram of FIG. 4, and FIG. FIG. 7 is an energy level diagram and a wave function of another nonlinear material according to the present invention.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−96720(JP,A) 特開 昭63−225236(JP,A) 特開 平2−87125(JP,A) Physical Review B vol.38,No.6,p.p.4056 −4066 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/355 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-A-2-96720 (JP, A) JP-A-63-225236 (JP, A) JP-A-2-87125 (JP, A) Physical Review B vol. 38, No. 6, p. p. 4056 -4066 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G02F 1/355 JICST file (JOIS)
Claims (4)
戸構造をもつことを特徴とする非線形光学材料。1. A nonlinear optical material having a quantum well structure in which the conduction band and the valence band have different quantum well structures.
第二の量子井戸の間に設けられた第三の量子井戸とを有
し、 該第三の量子井戸の伝導帯の井戸の深さが該第一及び該
第二の量子井戸の伝導帯の井戸の深さより浅い場合は、
該第三の量子井戸の価電子帯の井戸の深さを該第一及び
該第二の量子井戸の価電子帯の井戸の深さより深くし、 該第三の量子井戸の伝導帯の井戸の深さが該第一及び該
第二の量子井戸の伝導帯の井戸の深さより深い場合は、
該第三の量子井戸の価電子帯の井戸の深さを該第一及び
該第二の量子井戸の価電子帯の井戸の深さより浅くした
ことを特徴とする非線形光学材料。2. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a first quantum well, a third quantum well provided between said first quantum well, and a conduction band of said third quantum well. If the depth of the wells is shallower than the depth of the conduction band wells of the first and second quantum wells,
The depth of the valence band well of the third quantum well is greater than the depth of the valence band well of the first and second quantum wells; If the depth is greater than the depth of the conduction band wells of the first and second quantum wells,
A non-linear optical material, wherein a depth of a valence band well of the third quantum well is smaller than a depth of a valence band well of the first and second quantum wells.
れ、 該伝導帯に形成された少なくとも一つの該量子井戸の端
の位置が、該価電子帯に形成された量子井戸の端の位置
からずれていることを特徴とする非線形光学材料。3. The nonlinear optical material according to claim 1, wherein a plurality of quantum wells are formed in the conduction band and the valence band, respectively, and at least one of the ends of the quantum well formed in the conduction band is A nonlinear optical material, which is shifted from a position of an edge of a quantum well formed in the valence band.
り返されて量子線を形成していることを特徴とする非線
形光学材料。4. A nonlinear optical material, wherein the quantum well structure according to claim 1 is periodically repeated to form a quantum line.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2158214A JP3063115B2 (en) | 1990-06-15 | 1990-06-15 | Nonlinear optical material |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2158214A JP3063115B2 (en) | 1990-06-15 | 1990-06-15 | Nonlinear optical material |
Publications (2)
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---|---|
JPH0450928A JPH0450928A (en) | 1992-02-19 |
JP3063115B2 true JP3063115B2 (en) | 2000-07-12 |
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ID=15666776
Family Applications (1)
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JP (1) | JP3063115B2 (en) |
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1990
- 1990-06-15 JP JP2158214A patent/JP3063115B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Physical Review B vol.38,No.6,p.p.4056−4066 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0450928A (en) | 1992-02-19 |
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