新しい原理に基づくサブピコ秒光―光スイッチングデバイスの開発

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本年度はポンプ・プローブ法を用いて、前年度に作製されたスイッチングデバイスの特性を測定し、そのサブピコ秒動作を実証した。またモンテカルロシミュレーションによる緩和過程の理論解析を行い、よりデバイス特性を改善し得る構造を検討した。(1)前年度の準備をもと、AlGaAs/GaAs量子井戸からなるデバイスに超短ポンプ光パルスを照射して伝導帯第1-第2順位間の電子励起を行い、ある遅延時間後にデバイスに白色超短プローブ光パルスを透過させる測定系を構築した。光路長を変化させて遅延時間を走引しつつ、価電子帯第2-伝導帯第2順位間に対応するプローブ光の強度変化を100fs程度の高い時間分解能で観測した。その結果、ポンプ光の照射に伴ってプローブ光強度が増加する現象が観測され、確かに提案の方式が光-光スイッチングへと応用できることが分かった。また、そのスイッチング時間は300-400fs秒と非常に高速であり、同時に観測した価電子帯第1-伝導帯第1順位間に対応する従来の光-光スイッチング方式の緩和時間(7〜9ピコ秒)と比較して、かなりの高速化が実現できたといえる。(2)モンテカルロ法等を用いてサブバンド間励起電子の緩和過程の計算機シミュレーションを行い、実験で得られた緩和過程の詳細なデータと比較検討した。その結果、伝導帯第2順位に励起された電子は、まず状態密度の大きいL谷順位へと散乱され、その後、Γ谷の第1順位へ緩和することが分かった。この結果を基に、様々な構造に対して理論計算を行い、井戸層に20%程度のInを加えた量子井戸構造を用いることで、L谷順位への散乱を抑制して伝導帯第2順位から第1順位へと電子を直接緩和させることで、スイッチングに必要な光ポンプ強度を3分の1以下に低減でき、かつスイッチングの繰り返し速度を3〜4ピコ秒間隔程度まで改善できることが分かった。