光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置
【課題】耐久性に優れ、厚膜の非線形光学媒質を有する反射型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置の提供。
【解決手段】基板１０上に、高反射率の反射層１２と、無機半導体結晶層１４と、低反射率の反射層１６とをこの順に積層してなる。光スイッチングは、無機半導体結晶の３次非線形光学特性（光カー効果）を利用する。偏光子により直線偏光された信号光と、信号光に対して偏光方向が４５°傾けられた制御光とを光スイッチに照射すると、制御光が照射されている間のみ無機半導体結晶の屈折率異方性が誘起され信号光が直線偏光から楕円偏光に変換される。楕円偏光のうち、元の偏光方向に直交する成分のみが検光子を介して検出される。このようにして信号光のオン／オフを制御光により制御する。
【解決手段】基板１０上に、高反射率の反射層１２と、無機半導体結晶層１４と、低反射率の反射層１６とをこの順に積層してなる。光スイッチングは、無機半導体結晶の３次非線形光学特性（光カー効果）を利用する。偏光子により直線偏光された信号光と、信号光に対して偏光方向が４５°傾けられた制御光とを光スイッチに照射すると、制御光が照射されている間のみ無機半導体結晶の屈折率異方性が誘起され信号光が直線偏光から楕円偏光に変換される。楕円偏光のうち、元の偏光方向に直交する成分のみが検光子を介して検出される。このようにして信号光のオン／オフを制御光により制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理あるいは光通信システムに用いられる、光で制御する超高速の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置に関し、特に時空間変換に適する面型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットを初めとする情報通信の発達により、通信幹線に必要とされる容量は飛躍的に増大しつつある。増大する情報量に対応したＴｂｉｔ／ｓ（テラビット／秒）オーダーの超高速光通信網を実現するためには、１本の光ファイバーでより多くの情報を送ることのできる、時分割多重、波長多重、などの方法が検討されている。
【０００３】
時分割多重方式の光通信システムでは、送信側において、多チャンネルの信号光を時間的にシリアルな信号光に多重化して、１本の光ファイバ伝送路に送出し、受信側において、その多重化されたシリアル信号光を多チャンネルの信号光に分配する。それに対応した光多重化（光マルチプレックス）および光分配（光デマルチプレックス）の方法が研究されている。電気的にテラビット信号を制御することは困難なため、光でテラビット信号を制御する光スイッチとして、いくつかの方式が検討されている。その１つとして、制御光が照射されている間だけ信号光の透過率が増加してＯＮ状態になるような材料を用いた大面積の光分配用光スイッチが提案された（例えば、特許文献１参照。）。この光スイッチは１Ｔｂｐｓのシリアル信号を複数のパラレル信号に一括して変換できるという特徴を有する。
【０００４】
この超高速光スイッチのＯＮ／ＯＦＦ比を大きくする方法として、光カー効果を利用することができる（例えば、特許文献２参照。）。光カー効果とは、制御光パルスによって誘起された非線形光学媒質の屈折率異方性によって、信号光パルスが直線偏光から楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）に変換されることを利用しており、出力信号のＯＦＦレベルを非常に低くできることを特徴とする。しかしながら面型の光カースイッチでは信号光と制御光との相互作用距離が短いために出力信号のＯＮレベルも比較的小さく、スイッチング効率を高めることが課題となっている。
面型光カースイッチの非線形光学媒質として、スクエアリリウム化合物膜、ジベンゾフラノニルメタノラート化合物膜などが用いられている。しかし、これらの材料は信号光あるいは制御光の波長に吸収を有し、さらに膜厚の増加に伴い散乱損失が増大することから、非線形光学媒質の膜厚を一定の厚さ以上に厚くすると、信号光あるいは制御光が減衰してしまい、大きな出力信号を得ることができない。さらに、有機化合物からなる非線形光学媒質を用いると、光スイッチが光損傷を受けて素子寿命が短くなることがある。
【０００５】
一方、透過型の面型光カースイッチの非線形光学媒質として、Ｓｉ結晶、アモルファスＳｉ、ポーラスＳｉ、Ｓｉ微粒子分散材料、Ｓｉ高分子の少なくとも１つを主成分として用いた例が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１５０３１号公報 （図１）
【特許文献２】特開２００２−２５８３３３号公報
【特許文献３】特開平１０−２６０４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れ、厚膜の非線形光学媒質を有する反射型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置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】
【０００７】
即ち、本発明は、
＜１＞ 反射膜と無機半導体結晶層と反射防止膜とをこの順に備え、前記反射防止膜側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチである。
【０００８】
＜２＞ 低反射率の反射面又は反射層と、無機半導体結晶層と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に備え、前記低反射率の反射面又は反射層側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たす光スイッチである。
【０００９】
＜３＞ 前記無機半導体結晶層は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種である＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【００１０】
＜４＞ ＜１＞乃至＜３＞のいずれか１つに記載の光スイッチを用いた光分配装置である。
【００１１】
＜５＞ ＜１＞乃至＜３＞のいずれか１つに記載の光スイッチを用いた光多重化装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、耐久性に優れ、厚膜の非線形光学媒質を有する反射型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置を提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置について詳細に説明する。
＜光スイッチ＞
−第一の光スイッチ−
本発明の第一の光スイッチは、反射膜と無機半導体結晶層と反射防止膜とをこの順に備え、前記反射防止膜側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行うものである。
前記光スイッチングは、無機半導体結晶の３次非線形光学特性（光カー効果）を利用する。偏光子により直線偏光された信号光と、前記信号光に対して偏光方向が４５°傾けられた制御光とを本発明の光スイッチに照射すると、前記制御光が照射されている間のみ無機半導体結晶の屈折率異方性が誘起され信号光が直線偏光から楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）に変換される。楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）のうち、元の偏光方向に直交する成分のみが検光子を介して検出されるようになる。このようにして信号光のオン／オフを制御光により制御することができる。
【００１４】
本発明の第一の光スイッチは非線形光学媒質として無機半導体結晶を用いるため、有機化合物を非線形光学媒質として用いた光スイッチよりも耐久性に優れる。また、無機半導体結晶層の製造は半導体量子井戸（ＭＱＷ）層の製造よりも容易であるため、ＭＱＷ層を用いた光スイッチよりもコスト的に優位である。さらに、大面積、厚膜の無機半導体結晶を得ることが容易であるため、光スイッチの大面積化を実現でき、信号光及び制御光を多点又は線状に集光することができる。また、無機半導体結晶層を厚膜化することにより、相互作用長を大きくすることができ、より大きなカー回転角を得ることができる。
【００１５】
前記無機半導体結晶層を構成する材料は特に限定されるものではないが、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましく、さらに好ましくはＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ及びＩｎＰからなる群から選択される少なくとも一種であり、特にＣｄＴｅ、ＧａＡｓが好ましい。
【００１６】
前記無機半導体結晶層の厚みは、１〜２０００μｍが好ましく、１００〜１０００μｍがさらに好ましく、３００〜５００μｍが特に好ましい。前記無機半導体結晶層の厚みを３００〜５００μｍとすることにより、通信波長帯の光に対し２００〜３００μｍ程度と十分な相互作用長が確保できるとともに、より薄い結晶層に比べ作製・取り扱いが容易なため、コスト的にも有利になる。
【００１７】
前記反射膜を構成する材料については特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、金、銀及びアルミニウム等が挙げられる。これらの中でも、通信波長帯において高い反射率を示す銀または金が好ましい。
【００１８】
前記反射防止膜に用いられる材料としては、前記無機半導体結晶の屈折率の値の平方根の値を示す屈折率のものが挙げられ、前記無機半導体結晶層に用いられる半導体の種類により適宜選択される。また、前記反射防止膜の膜厚は反射を抑えたい波長λに対しλ／４の奇数倍の光学長に相当する膜厚で形成すればよい。
【００１９】
−第二の光スイッチ−
本発明の第二の光スイッチは、低反射率の反射面又は反射層と、無機半導体結晶層と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に備え、前記低反射率の反射面又は反射層側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たすものである。
本発明の第二の光スイッチは前記無機半導体結晶層の両側に低反射率の反射面又は反射層と高反射率の反射面又は反射層とを各々備え、非対称の共振器が構成される。本発明の第二の光スイッチはこのような非対称の共振器構造を有するため、本発明の第一の光スイッチの項で挙げられた効果のほかに、共振を満たす波長に対して電界強度の増大が生じ、結果として高い非線形光学特性が得られる。例えば本発明に係る共振器構造により制御光の電界強度を2倍にすることは容易であるが、このとき得られる非線形屈折率変化は、共振器構造が無い場合に比べ膜厚あたり4倍になる。さらに共振器の設計により制御光及び信号光に同時に共振させることができ、その場合は更なる性能向上が達成できる。
【００２０】
前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たす必要がある。以下に、前記無機半導体結晶層の好適な厚さについて図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第二の光スイッチの一実施形態を示す断面図である。光スイッチ１は、基板１０上に、高反射率の反射層１２と、無機半導体結晶層１４と、低反射率の反射層１６とをこの順に積層してなる。なお、無機半導体結晶層１４を構成する材料の好ましい具体例は、前述の通りである。また、基板１０、高反射率の反射層１２及び低反射率の反射層１６に用いられる具体的な材料については後述する。
光スイッチ１において、無機半導体結晶層１４の厚さをｄと、反射層１６の反射率をＲ1と、反射層１２の反射率をＲ2とする。また無機半導体結晶層１４の屈折率をｎとする。ｎは波長λにより変化し、また無機半導体結晶層１４を構成する非線形光学媒質に吸収があるときにはｎは複素数である。
【００２１】
光スイッチ１に垂直に波長λの信号光が入射した場合、膜内の電場最大値は膜厚ｄに対しておよそ周期的に変化する。
反射層１６及び反射層１２による反射における位相変化が各々φ1とφ2とであるときには、波長λと膜厚ｄとが下記式（１）に一致したとき、共振により内部電場は最大になる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
なお、式（１）においてｍは正の整数を表し、ｄ0は共振膜厚を表し、λ0は共振波長を表す。つまり、最低次（ｍ＝１）の共振は、下記式（２）で起きる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
また、高次の共振は（λ0／２ｎ）の周期で起きる。内部電場を強めるために、波長と膜厚とが式（１）又は式（２）を満たす必要がある。
式（１）は、光波が無機半導体結晶層１４内を１往復したときの位相変化δを下記式（３）として、位相整合の条件である下記式（４）から導かれたものである。
【００２６】
【数３】
【００２７】
【数４】
【００２８】
通常のファブリペロー共振器においては、透過光強度が極大となる共振点の両側で強度が極大値の半分になる幅を半値幅という（マックス・ボルン、エミル・ウォルフ著、光学の原理ＩＩ、ｐ．５１５、東海大学出版会）。空気と無機半導体結晶層との界面の反射率をＲとして、共振の次数がｍで強度が極大値の半分になる点での位相δを式（５）とする。
【００２９】
【数５】
【００３０】
この場合、位相半値幅εは、下記式（６）で表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
式（３）から位相は膜厚および波長に依存しているので、膜厚ｄ0での共振波長を式（１）のλ0とすれば、波長半値幅Δλは近似的に下記式（７）で与えられる。
【００３３】
【数７】
【００３４】
本発明の第二の光スイッチにおいては、上下の反射層の反射率が異なるので、ＲのかわりにＲ1とＲ2の幾何平均、すなわち下記式（８）を用いる。
【００３５】
【数８】
【００３６】
従って、本発明の第二の光スイッチの波長半値幅Δλは近似的に下記式（９）で与えられる。
【００３７】
【数９】
【００３８】
ただし、式（９）における下記記号は、４乗根を意味する。
【００３９】
【数１０】
【００４０】
本発明において「共振条件を満たす」とは、波長λが下記式（１０）の範囲内にあることをいう。
【００４１】
【数１１】
【００４２】
言い換えれば、本発明において「共振条件を満たす」とは、無機半導体結晶層１４の膜厚ｄが下記式（１１）の範囲にあることをいう。
【００４３】
【数１２】
【００４４】
図１の光スイッチ１において、反射層１２としては、誘電体多層膜からなる多層膜ミラー又は金属層を用いることができる。
誘電体多層膜は、たとえば高屈折率の材料としてＴｉＯ2、低屈折率の材料としてＳｉＯ2を用い、入射光波長λに対して、光学厚さλ／４のＴｉＯ2と光学厚さλ／４のＳｉＯ2とを積層して形成することができる。光学厚さは、（屈折率）×（膜厚）を波長単位で表した量である。例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を６組（１２層）積層した多層膜ミラーの反射係数はｒ＝０．９９５である。反射率は反射係数の絶対値の２乗であるから、Ｒ＝｜ｒ｜2＝０．９９０である。
【００４５】
金属層を構成する金属の具体例としては、金、銀、アルミニウムなどを用いることができる。
【００４６】
反射層１６としては、誘電体多層膜からなる多層膜ミラーを用いることもできる。例えば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2とをそれぞれ光学厚さλ／４で１層ずつ積層したものでは、反射係数はｒ＝０．７０、反射率はＲ＝０．４９である。ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を２組（４層）積層した多層膜ミラーの反射係数はｒ＝０．８７、反射率はＲ＝０．７６である。
第二の光スイッチとしては、反射層１６を設けずに無機半導体結晶層１４と空気との界面をそのまま反射面として使うことができる。
また、保護を目的として光スイッチの全体を密封し、その中を真空あるいは窒素ガスなどの不活性ガスで満たしてもよい。この場合、反射面として、無機半導体結晶層１４と真空との界面、あるいは無機半導体結晶層１４と不活性ガスとの界面を空気の場合と同様に反射面として使うことができる。
【００４７】
また、反射層１６としては、信号光の波長をλ1としたときにλ1／２の略整数倍の光学厚さを有する透明薄膜を用いることもできる。透明薄膜の具体例としては、Ａｌ2Ｏ3、ＧｅＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの酸化物、ＳｉＮxなどの窒化物、高分子膜などが用いられる。
これらの中でも、ＧｅＯが好ましい。
【００４８】
本発明の光スイッチに用いられる信号光及び制御光の波長には特に限定はないが、制御光については、光スイッチの応答速度の低下を抑えるために２光子吸収帯が制御光波長よりも高エネルギー側にあることが好ましい。
制御光に対する2光子吸収が大きい場合、膜厚方向で制御光強度が減衰する。これは光損失となりスイッチング効率を低下させる。また2光子吸収により伝導帯に励起された電子は自由電子による吸収を示し、これに由来する５次の非線形光学効果に基づく屈折率変化は光カー効果による屈折率変化と逆方向であるため、スイッチング効率を下げる方向に働く。さらに伝導帯の電子の緩和時間はナノ秒〜マイクロ秒程度であるため、素子の時間応答特性に悪影響を及ぼす。
ただし材料の非線形光学特性が十分に高いか、または十分なオンオフ比を得るために必要なカー回転角が小さい場合は、制御光強度が小さくて済むため、励起電子の影響はほとんど無視できる程度に小さくなる。そのため、制御光強度が小さくて済むような場合には２光子吸収帯が制御光波長よりも高エネルギー側でなくてもよい。
【００４９】
＜光分配装置＞
本発明の光分配装置は、本発明の光スイッチを用いるものである。図２は、本発明の光分配装置の第一の実施形態を示す構成図である。第一実施形態に係る光分配装置は、本発明の光スイッチ３２に対して信号光４２を斜めに入射させ、制御光４４を垂直に入射させるものである。また、光スイッチ３２として本発明の第二の光スイッチを用いる。
光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側から、光導波路４６中を伝送された信号光４２を、レンズを組み合わせて構成した光学系４８に入射させて光学系４８の出射光として進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた信号光パルス４２Ａ〜４２Ｆの列からなる信号光４２を得る。信号光４２に同期した制御光４４を、その進行方向を光スイッチ３２に対して垂直にして光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側から、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３２に入射させる。
【００５０】
また、本実施形態に係る光分配装置には、信号光４２が光スイッチ３２で反射した後の位置に、ライン状ないし１次元アレイ状の光素子５０を、その各画素が信号光４２の各空間位置部分４２ｐ〜４２ｕの反射光を受けるように配置される。信号光パルス４２Ａ〜４２Ｆが光スイッチ３２の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達する時点で、制御光パルス４４ａが光スイッチ３２の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように制御光４４を信号光４２に同期させる。
これにより、信号光パルス４２Ａの空間位置部分４２ｐ、信号光パルス４２Ｂの空間位置部分４２ｑ、信号光パルス４２Ｃの空間位置部分４２ｒ、信号光パルス４２Ｄの空間位置部分４２ｓ、信号光パルス４２Ｅの空間位置部分４２ｔ、信号光パルス４２Ｆの空間位置部分４２ｕが、それぞれ出力光パルス５２Ａｐ，５２Ｂｑ，５２Ｃｒ，５２Ｄｓ，５２Ｅｔ，５２Ｆｕとして切り出され、光素子５０の対応する画素で処理または検出される。
【００５１】
図３は、本発明の光分配装置の第二の実施形態を示す構成図である。第二実施形態に係る光分配装置は、本発明の光スイッチ３２に対して信号光及び制御光を共に垂直に入射させるものである。また、光スイッチ３２として本発明の第二の光スイッチを用いる。
図３において、信号光照射手段２０から出射された信号光パルス列は、偏光子２４によりｘ方向（上下方向）の直線偏光になる。制御光照射手段２２から出射された制御光パルスは、偏光子２６によりｘｙ面内でｘ軸と４５°の方向の直線偏光になる。
信号光パルス列は、光学系４８（平行化手段）により平行ビームに拡大され、さらに階段状プリズム５７により、１ｐｓずつ時間差の付いた４つの平行ビームに分割される。制御光は光学系４８’（平行化手段）により平行ビームに拡大される。
【００５２】
信号光パルス列と信号光パルスとが交差（直交）する場所に、制御光パルスを反射し信号光パルス列が透過するハーフミラー２８を制御光及び信号光の進行方向に対して所定の角度（４５°）に配置することにより、反射した制御光パルスと透過した信号光パルスとが同一方向から光スイッチ３２に垂直に入射する。制御光により光スイッチ３２の無機半導体結晶層内には屈折率異方性が誘起される。信号光が制御光と同時に光スイッチ３２に入射した場合には、誘起された屈折率異方性の作用により信号光は楕円偏光となって入射方向とは逆方向に出射される。偏光ビームスプリッタ５８により、楕円偏光のうちでｙ方向（左右方向）の直線偏光成分が９０°方向に出射され、波長フィルター３８を介して信号光のみが光検出器３６により検出される。光スイッチ３２は、無機半導体結晶層の同一の場所に信号光と制御光とが同時に入射したときに限って信号光の反射光を楕円偏光に変換し、制御光が入射しないときに入射した信号光の反射光は、直線偏光である。従って、偏光子４０（検光子）を透過して光検出器３６に信号が検出されるのは、反射光が楕円偏光の場合に限られる。時間的にシリアルな信号光パルス列が、空間的にパラレルなパルス列に変換される。
図３に記載の光分配装置では信号光及び制御光が共に光スイッチ３２に対して垂直に入射する。このとき金属等による全反射ミラーを用いた反射型光スイッチでは、ミラー面で電界強度が常にゼロになるという境界条件が課せられるため、光スイッチ内部に定在波が形成される。定在波は振幅が元の振幅の2倍で、時間的に波形が変化しない波である。透過型素子に比べると振幅が2倍になるので4倍の非線形光学効果が見込まれるが、時間積分により効果が１／２になる。その結果、最終的に得られる非線形屈折率は透過型素子の2倍になる。この理由により、反射型素子は透過型素子に比べ性能面で有利になる。
【００５３】
＜光多重化装置＞
本発明の光多重化装置は、本発明の光スイッチを用いるものである。図４は、本発明の光多重化装置の一実施形態を示す構成図である。本実施形態に係る光多重化装置は、本発明の光スイッチ３２に対して一次元のパラレルな信号光４２を斜めに入射させ、制御光４４を垂直に入射させるものである。本実施形態では、パラレルな信号光４２は６チャンネルの信号光４２Ａ〜４２Ｆからなる。また、光スイッチ３２として本発明の第二の光スイッチを用いる。
光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側からパラレルな信号光４２を所定幅Ｗに渡って入射させるとともに、パラレルな信号光４２に同期した制御光４４を、その進行方向を光スイッチ３２に対して垂直にして光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側から、所定幅Ｗに渡って入射させる。
【００５４】
また、本実施形態に係る光多重化装置には、信号光４２が光スイッチ３２で反射した後の位置に、集光光学系５４及び光導波路４６を配置する。信号光４２Ａ〜Ｆのすべてが光スイッチ３２の各信号光４２Ａ〜４２Ｆに対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達する時点で、制御光パルス４４ａが光スイッチ３２の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように制御光４４を信号光４２に同期させる。
これにより、信号光４２Ａ〜４２Ｆのそれぞれ一部が、それぞれパルス時間幅の短い出力光５６Ａ〜５６Ｆとして切り出されて、集光光学系５４及び光導波路４６により、互いの間に所定の時間差を持って集光され、光導波路４６において、信号光（出力光）５６Ａ〜５６Ｆが時間的に多重化されたシリアルな信号光５６が得られる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
無機半導体結晶のバンドギャップ（Ｅｇ）と測定波長（本光スイッチにおいては制御光波長に対応する；ｈω／２π）との比及び非線形屈折率の間には図５の関係があることが知られている｛Ｍ． Ｓｈｅｉｋ−Ｂａｈａｅ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ２７， １２９６ （１９９１）｝。これから測定波長に対し最適な非線形屈折率を示す無機半導体結晶に必要なバンドギャップが特定される。実際に今回制御光に用いた１．６２μｍ光に対し望ましいバンドギャップを有するＣｄＴｅ（バンドギャップ１．５６ｅＶ）、ＧａＡｓ（同１．４２ｅＶ）および代表的な無機半導体であるＳｉ（同３．４ｅＶ）について、バルクの無機半導体結晶を用いた光スイッチを作製し、通信波長帯である１．５５μｍ光のスイッチング性能を検証した。
【００５６】
光スイッチのカー回転角の測定は図６の光学系を用いて行った。再生増幅したチタンサファイアレーザ光（８００ｎｍ）をＯｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＯＰＡ）により波長変換して１．５５μｍおよび１．６２μｍ光とし、それぞれ信号光、制御光とした。パルス幅は共に約１００ｆｓであり、パルス繰り返しは１ｋＨｚであった。信号光と制御光とは、それぞれ偏光子２４及び偏光子２６を用いて直線偏光とした。
ハーフミラー２８を透過した信号光と、１／２波長板２７によって偏光方向を信号光に対して４５°傾け、さらにミラー２９及びハーフミラー３４で反射された制御光とは、レンズ３０により集光されて光スイッチ３２の同じ位置に垂直に入射する。
信号光は光スイッチ３２の無機半導体結晶層内で制御光による非線形相互作用を受けた後で光スイッチ３２からの反射光として出射され、ハーフミラー２８で反射して光検出器３６により測定される。反射光のうちで波長フィルター３８を用いて信号光だけを取出し、さらに入射信号光とは偏光方向が直交している偏光子４０（検光子）を透過させて、入射信号光と直交する光カー信号を検出した。偏光子２４と偏光子４０とは偏光方向が直交したクロスニコル状態にあるので、制御光をＯＦＦにして信号光だけを入射したときには出力光をほとんど０にすることが可能である。信号光と制御光とが同時に入射したときには、信号光が楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）に変換されるために出力信号が検出される。１／４波長板４２により信号光を直線偏光に再変換し、元の偏光方向からのずれをカー回転角として、その大小を光スイッチの性能評価に用いた。
【００５７】
［実施例１］
＜第一の光スイッチ＞
無機半導体結晶を用いた光スイッチには、反射膜と反射防止膜とを各々の面に設けた。反射膜としては銀を５００ｎｍ蒸着した。一方、反射防止膜としては、屈折率が無機半導体材料の屈折率の平方根である膜を、反射を抑えたい波長λに対しλ／４の光学長に相当する膜厚で形成する。今回は、ＣｄＴｅ（ｎ＝２．７）に対してはＳｉＯ2（ｎ＝１．４）、ＧａＡｓ（ｎ＝３．３）およびＳｉ（ｎ＝３．６）に対してはＧｅＯ（ｎ＝２．１）を採用した。膜厚は、１６００ｎｍ光に対し反射が最小になるよう、ＳｉＯ2：２８５ｎｍおよびＧｅＯ：１９０ｎｍとした。
例として反射防止膜の有無によるＳｉの反射率測定結果を図７に示す。Ｓｉの両面にＧｅＯ層を設けると１６００ｎｍ近辺の反射が３％程度まで減少していることがわかる。このことから反射防止膜が光スイッチの性能向上に有効であることが確認された。なお、反射率は日立分光光度計U−４１００の反射測定モジュールにより測定した。
【００５８】
バルク半導体結晶材料としてＣｄＴｅ（面方位（１１１）：０．６７ｍｍ厚）、ＧａＡｓ（同（１００）：０．６２５ｍｍ厚）、Ｓｉ（同（１００）：０．６２５ｍｍ厚）を用い、光スイッチを形成した。制御光強度３．８ｐＪ／μｍ2のとき、カー回転角はＣｄＴｅ：１３．３°、ＧａＡｓ：４．８°、Ｓｉ：２．６°となった。今回、レーザ光の集光にはＦ＝１２０ｍｍのレンズを使用したため、光と材料との相互作用長は基板厚さ全域に及ぶと予想される。これからカー回転角を材料厚さで規格化するとＣｄＴｅ／ＧａＡｓ／Ｓｉ ＝ ４．７／１．８／１となり、特にＣｄＴｅが高い性能を示すことがわかった。ＣｄＴｅのオンオフ比は、制御光強度３．８ｐＪ／μｍ2のとき、理論上３７ｄＢ以上となる。従来、我々が検討していた有機薄膜を用いた光スイッチでは、３０ｐＪ／μｍ2で２０ｄＢのオンオフ比であった｛Ｓ． Ｔａｔｓｕｕｒａ ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８５， ５４０ （２００４）｝ことから、今回の光スイッチでは５０倍以上の性能向上が達成されたことがわかる。
光スイッチの応答時間はパルス幅と同程度であり、ピコ秒以下の応答速度を有することが確認された。これは制御光強度のエネルギー（０．７６５ｅＶ）が、２光子吸収による実励起が顕著になるエネルギー帯に比べて小さいことに加え、比較的小さいカー回転角で光スイッチに十分なオンオフ比が得られるためであると考えられる。
【００５９】
［実施例２］
＜第二の光スイッチ＞
次に共振器構造を導入した光スイッチについて述べる。これまで発明者らは、色素薄膜に対し非対称な反射率を有する共振器構造を導入することで、光電界を増強し、高い非線形性と高速応答を両立する素子を提案してきた。しかし増強された光電界によって有機膜に損傷が入りやすくなり、また十分な厚さの低散乱の有機薄膜を得るのが難しいという課題があった。無機半導体結晶材料ならばこれらの点は問題にならないため、共振器構造の利点を有効に活用できる。
本素子は、信号光、制御光を狭いスポットに集光して利用する際に有効となる。焦点距離および集光スポットサイズは小さい方が素子の小型化に有利であるが、光と材料との相互作用長は［集光面積／波長］に等しくなるため、例えばスポットサイズ２０μｍ2に集光した場合、１．６２μｍ光との相互作用長は１２μｍ程度になる。このとき、同程度の膜厚で電界増強により高い非線形性が実現できる共振器構造は有効な手段となる。
【００６０】
共振器構造を有する光スイッチはＳｉを非線形光学媒質として用いることにより作製した。作製した光スイッチの断面構造を図８に示す。反射膜５０として金を５００ｎｍ蒸着したＳｉウェハ（無機半導体結晶層５２）を別のＳｉウェハ（基板５４）に接着層５６を介して貼り付け、無機半導体結晶層５２を所定の厚さまで研磨することで薄膜化した。無機半導体結晶層５２の反射膜５０の設けられた面とは反対側の面にはＴｉＯ2／ＳｉＯ2４層からなる誘電体多層膜ミラー（低反射率の反射層）を形成し反射膜５８とした。無機半導体結晶層５２の膜厚は４．１μｍとした。これは９．２λ（λ＝１．６２μｍ）の光学膜厚に相当する。また、スポットサイズは２０μｍ2としたため、１．６２μｍ光との相互作用長は結晶厚さ全体（４．１μｍ）に及ぶ。本素子について前述の方法でカー回転角を測定した。
また、０．６２５ｍｍ厚さのＳｉの各々の面に反射防止膜と全反射膜をそれぞれ設けた非共振器型の光スイッチを用い、カー回転角を測定した。このときのスポットサイズ２０μｍ2、１．６２μｍ光との相互作用長は１２μｍとなるようにした。
その結果、共振器構造を有する光スイッチは比較用光スイッチと比較してカー回転角が１．８倍になり、同じＳｉ厚さあたり４倍程度の非線形性向上が得られたことを確認した。
本素子は、無機半導体結晶層５２の厚さと反射層５２、反射層５８の反射率の最適化や、制御光、信号光への２波長同時共振構造の導入等により、更なる性能向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第二の光スイッチの一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の光分配装置の第一の実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の光分配装置の第二の実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明の光多重化装置の一実施形態を示す構成図である。
【図５】無機半導体結晶のバンドギャップと測定波長との比及び非線形屈折率の間の関係を示す図である。
【図６】光スイッチのカー回転角を測定するために用いた光学系の構成図である。
【図７】反射防止膜の有無によるＳｉの反射率測定結果を示す図である。
【図８】実施例２で作製した光スイッチの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 基板
１２ 反射層（高反射率）
１４ 無機半導体結晶層
１６ 反射層（低反射率）
２４、２６ 偏光子
２８、３４ ハーフミラー
３０ レンズ
３２ 光スイッチ
３６ 光検出器
３８ 波長フィルター
４０ 偏光子（検光子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理あるいは光通信システムに用いられる、光で制御する超高速の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置に関し、特に時空間変換に適する面型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットを初めとする情報通信の発達により、通信幹線に必要とされる容量は飛躍的に増大しつつある。増大する情報量に対応したＴｂｉｔ／ｓ（テラビット／秒）オーダーの超高速光通信網を実現するためには、１本の光ファイバーでより多くの情報を送ることのできる、時分割多重、波長多重、などの方法が検討されている。
【０００３】
時分割多重方式の光通信システムでは、送信側において、多チャンネルの信号光を時間的にシリアルな信号光に多重化して、１本の光ファイバ伝送路に送出し、受信側において、その多重化されたシリアル信号光を多チャンネルの信号光に分配する。それに対応した光多重化（光マルチプレックス）および光分配（光デマルチプレックス）の方法が研究されている。電気的にテラビット信号を制御することは困難なため、光でテラビット信号を制御する光スイッチとして、いくつかの方式が検討されている。その１つとして、制御光が照射されている間だけ信号光の透過率が増加してＯＮ状態になるような材料を用いた大面積の光分配用光スイッチが提案された（例えば、特許文献１参照。）。この光スイッチは１Ｔｂｐｓのシリアル信号を複数のパラレル信号に一括して変換できるという特徴を有する。
【０００４】
この超高速光スイッチのＯＮ／ＯＦＦ比を大きくする方法として、光カー効果を利用することができる（例えば、特許文献２参照。）。光カー効果とは、制御光パルスによって誘起された非線形光学媒質の屈折率異方性によって、信号光パルスが直線偏光から楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）に変換されることを利用しており、出力信号のＯＦＦレベルを非常に低くできることを特徴とする。しかしながら面型の光カースイッチでは信号光と制御光との相互作用距離が短いために出力信号のＯＮレベルも比較的小さく、スイッチング効率を高めることが課題となっている。
面型光カースイッチの非線形光学媒質として、スクエアリリウム化合物膜、ジベンゾフラノニルメタノラート化合物膜などが用いられている。しかし、これらの材料は信号光あるいは制御光の波長に吸収を有し、さらに膜厚の増加に伴い散乱損失が増大することから、非線形光学媒質の膜厚を一定の厚さ以上に厚くすると、信号光あるいは制御光が減衰してしまい、大きな出力信号を得ることができない。さらに、有機化合物からなる非線形光学媒質を用いると、光スイッチが光損傷を受けて素子寿命が短くなることがある。
【０００５】
一方、透過型の面型光カースイッチの非線形光学媒質として、Ｓｉ結晶、アモルファスＳｉ、ポーラスＳｉ、Ｓｉ微粒子分散材料、Ｓｉ高分子の少なくとも１つを主成分として用いた例が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１５０３１号公報 （図１）
【特許文献２】特開２００２−２５８３３３号公報
【特許文献３】特開平１０−２６０４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れ、厚膜の非線形光学媒質を有する反射型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置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】
【０００７】
即ち、本発明は、
＜１＞ 反射膜と無機半導体結晶層と反射防止膜とをこの順に備え、前記反射防止膜側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチである。
【０００８】
＜２＞ 低反射率の反射面又は反射層と、無機半導体結晶層と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に備え、前記低反射率の反射面又は反射層側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たす光スイッチである。
【０００９】
＜３＞ 前記無機半導体結晶層は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種である＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【００１０】
＜４＞ ＜１＞乃至＜３＞のいずれか１つに記載の光スイッチを用いた光分配装置である。
【００１１】
＜５＞ ＜１＞乃至＜３＞のいずれか１つに記載の光スイッチを用いた光多重化装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、耐久性に優れ、厚膜の非線形光学媒質を有する反射型の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置を提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の光スイッチ並びにそれを用いた光分配装置及び光多重化装置について詳細に説明する。
＜光スイッチ＞
−第一の光スイッチ−
本発明の第一の光スイッチは、反射膜と無機半導体結晶層と反射防止膜とをこの順に備え、前記反射防止膜側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行うものである。
前記光スイッチングは、無機半導体結晶の３次非線形光学特性（光カー効果）を利用する。偏光子により直線偏光された信号光と、前記信号光に対して偏光方向が４５°傾けられた制御光とを本発明の光スイッチに照射すると、前記制御光が照射されている間のみ無機半導体結晶の屈折率異方性が誘起され信号光が直線偏光から楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）に変換される。楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）のうち、元の偏光方向に直交する成分のみが検光子を介して検出されるようになる。このようにして信号光のオン／オフを制御光により制御することができる。
【００１４】
本発明の第一の光スイッチは非線形光学媒質として無機半導体結晶を用いるため、有機化合物を非線形光学媒質として用いた光スイッチよりも耐久性に優れる。また、無機半導体結晶層の製造は半導体量子井戸（ＭＱＷ）層の製造よりも容易であるため、ＭＱＷ層を用いた光スイッチよりもコスト的に優位である。さらに、大面積、厚膜の無機半導体結晶を得ることが容易であるため、光スイッチの大面積化を実現でき、信号光及び制御光を多点又は線状に集光することができる。また、無機半導体結晶層を厚膜化することにより、相互作用長を大きくすることができ、より大きなカー回転角を得ることができる。
【００１５】
前記無機半導体結晶層を構成する材料は特に限定されるものではないが、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましく、さらに好ましくはＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ及びＩｎＰからなる群から選択される少なくとも一種であり、特にＣｄＴｅ、ＧａＡｓが好ましい。
【００１６】
前記無機半導体結晶層の厚みは、１〜２０００μｍが好ましく、１００〜１０００μｍがさらに好ましく、３００〜５００μｍが特に好ましい。前記無機半導体結晶層の厚みを３００〜５００μｍとすることにより、通信波長帯の光に対し２００〜３００μｍ程度と十分な相互作用長が確保できるとともに、より薄い結晶層に比べ作製・取り扱いが容易なため、コスト的にも有利になる。
【００１７】
前記反射膜を構成する材料については特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、金、銀及びアルミニウム等が挙げられる。これらの中でも、通信波長帯において高い反射率を示す銀または金が好ましい。
【００１８】
前記反射防止膜に用いられる材料としては、前記無機半導体結晶の屈折率の値の平方根の値を示す屈折率のものが挙げられ、前記無機半導体結晶層に用いられる半導体の種類により適宜選択される。また、前記反射防止膜の膜厚は反射を抑えたい波長λに対しλ／４の奇数倍の光学長に相当する膜厚で形成すればよい。
【００１９】
−第二の光スイッチ−
本発明の第二の光スイッチは、低反射率の反射面又は反射層と、無機半導体結晶層と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に備え、前記低反射率の反射面又は反射層側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たすものである。
本発明の第二の光スイッチは前記無機半導体結晶層の両側に低反射率の反射面又は反射層と高反射率の反射面又は反射層とを各々備え、非対称の共振器が構成される。本発明の第二の光スイッチはこのような非対称の共振器構造を有するため、本発明の第一の光スイッチの項で挙げられた効果のほかに、共振を満たす波長に対して電界強度の増大が生じ、結果として高い非線形光学特性が得られる。例えば本発明に係る共振器構造により制御光の電界強度を2倍にすることは容易であるが、このとき得られる非線形屈折率変化は、共振器構造が無い場合に比べ膜厚あたり4倍になる。さらに共振器の設計により制御光及び信号光に同時に共振させることができ、その場合は更なる性能向上が達成できる。
【００２０】
前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たす必要がある。以下に、前記無機半導体結晶層の好適な厚さについて図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第二の光スイッチの一実施形態を示す断面図である。光スイッチ１は、基板１０上に、高反射率の反射層１２と、無機半導体結晶層１４と、低反射率の反射層１６とをこの順に積層してなる。なお、無機半導体結晶層１４を構成する材料の好ましい具体例は、前述の通りである。また、基板１０、高反射率の反射層１２及び低反射率の反射層１６に用いられる具体的な材料については後述する。
光スイッチ１において、無機半導体結晶層１４の厚さをｄと、反射層１６の反射率をＲ1と、反射層１２の反射率をＲ2とする。また無機半導体結晶層１４の屈折率をｎとする。ｎは波長λにより変化し、また無機半導体結晶層１４を構成する非線形光学媒質に吸収があるときにはｎは複素数である。
【００２１】
光スイッチ１に垂直に波長λの信号光が入射した場合、膜内の電場最大値は膜厚ｄに対しておよそ周期的に変化する。
反射層１６及び反射層１２による反射における位相変化が各々φ1とφ2とであるときには、波長λと膜厚ｄとが下記式（１）に一致したとき、共振により内部電場は最大になる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
なお、式（１）においてｍは正の整数を表し、ｄ0は共振膜厚を表し、λ0は共振波長を表す。つまり、最低次（ｍ＝１）の共振は、下記式（２）で起きる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
また、高次の共振は（λ0／２ｎ）の周期で起きる。内部電場を強めるために、波長と膜厚とが式（１）又は式（２）を満たす必要がある。
式（１）は、光波が無機半導体結晶層１４内を１往復したときの位相変化δを下記式（３）として、位相整合の条件である下記式（４）から導かれたものである。
【００２６】
【数３】
【００２７】
【数４】
【００２８】
通常のファブリペロー共振器においては、透過光強度が極大となる共振点の両側で強度が極大値の半分になる幅を半値幅という（マックス・ボルン、エミル・ウォルフ著、光学の原理ＩＩ、ｐ．５１５、東海大学出版会）。空気と無機半導体結晶層との界面の反射率をＲとして、共振の次数がｍで強度が極大値の半分になる点での位相δを式（５）とする。
【００２９】
【数５】
【００３０】
この場合、位相半値幅εは、下記式（６）で表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
式（３）から位相は膜厚および波長に依存しているので、膜厚ｄ0での共振波長を式（１）のλ0とすれば、波長半値幅Δλは近似的に下記式（７）で与えられる。
【００３３】
【数７】
【００３４】
本発明の第二の光スイッチにおいては、上下の反射層の反射率が異なるので、ＲのかわりにＲ1とＲ2の幾何平均、すなわち下記式（８）を用いる。
【００３５】
【数８】
【００３６】
従って、本発明の第二の光スイッチの波長半値幅Δλは近似的に下記式（９）で与えられる。
【００３７】
【数９】
【００３８】
ただし、式（９）における下記記号は、４乗根を意味する。
【００３９】
【数１０】
【００４０】
本発明において「共振条件を満たす」とは、波長λが下記式（１０）の範囲内にあることをいう。
【００４１】
【数１１】
【００４２】
言い換えれば、本発明において「共振条件を満たす」とは、無機半導体結晶層１４の膜厚ｄが下記式（１１）の範囲にあることをいう。
【００４３】
【数１２】
【００４４】
図１の光スイッチ１において、反射層１２としては、誘電体多層膜からなる多層膜ミラー又は金属層を用いることができる。
誘電体多層膜は、たとえば高屈折率の材料としてＴｉＯ2、低屈折率の材料としてＳｉＯ2を用い、入射光波長λに対して、光学厚さλ／４のＴｉＯ2と光学厚さλ／４のＳｉＯ2とを積層して形成することができる。光学厚さは、（屈折率）×（膜厚）を波長単位で表した量である。例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を６組（１２層）積層した多層膜ミラーの反射係数はｒ＝０．９９５である。反射率は反射係数の絶対値の２乗であるから、Ｒ＝｜ｒ｜2＝０．９９０である。
【００４５】
金属層を構成する金属の具体例としては、金、銀、アルミニウムなどを用いることができる。
【００４６】
反射層１６としては、誘電体多層膜からなる多層膜ミラーを用いることもできる。例えば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2とをそれぞれ光学厚さλ／４で１層ずつ積層したものでは、反射係数はｒ＝０．７０、反射率はＲ＝０．４９である。ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を２組（４層）積層した多層膜ミラーの反射係数はｒ＝０．８７、反射率はＲ＝０．７６である。
第二の光スイッチとしては、反射層１６を設けずに無機半導体結晶層１４と空気との界面をそのまま反射面として使うことができる。
また、保護を目的として光スイッチの全体を密封し、その中を真空あるいは窒素ガスなどの不活性ガスで満たしてもよい。この場合、反射面として、無機半導体結晶層１４と真空との界面、あるいは無機半導体結晶層１４と不活性ガスとの界面を空気の場合と同様に反射面として使うことができる。
【００４７】
また、反射層１６としては、信号光の波長をλ1としたときにλ1／２の略整数倍の光学厚さを有する透明薄膜を用いることもできる。透明薄膜の具体例としては、Ａｌ2Ｏ3、ＧｅＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの酸化物、ＳｉＮxなどの窒化物、高分子膜などが用いられる。
これらの中でも、ＧｅＯが好ましい。
【００４８】
本発明の光スイッチに用いられる信号光及び制御光の波長には特に限定はないが、制御光については、光スイッチの応答速度の低下を抑えるために２光子吸収帯が制御光波長よりも高エネルギー側にあることが好ましい。
制御光に対する2光子吸収が大きい場合、膜厚方向で制御光強度が減衰する。これは光損失となりスイッチング効率を低下させる。また2光子吸収により伝導帯に励起された電子は自由電子による吸収を示し、これに由来する５次の非線形光学効果に基づく屈折率変化は光カー効果による屈折率変化と逆方向であるため、スイッチング効率を下げる方向に働く。さらに伝導帯の電子の緩和時間はナノ秒〜マイクロ秒程度であるため、素子の時間応答特性に悪影響を及ぼす。
ただし材料の非線形光学特性が十分に高いか、または十分なオンオフ比を得るために必要なカー回転角が小さい場合は、制御光強度が小さくて済むため、励起電子の影響はほとんど無視できる程度に小さくなる。そのため、制御光強度が小さくて済むような場合には２光子吸収帯が制御光波長よりも高エネルギー側でなくてもよい。
【００４９】
＜光分配装置＞
本発明の光分配装置は、本発明の光スイッチを用いるものである。図２は、本発明の光分配装置の第一の実施形態を示す構成図である。第一実施形態に係る光分配装置は、本発明の光スイッチ３２に対して信号光４２を斜めに入射させ、制御光４４を垂直に入射させるものである。また、光スイッチ３２として本発明の第二の光スイッチを用いる。
光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側から、光導波路４６中を伝送された信号光４２を、レンズを組み合わせて構成した光学系４８に入射させて光学系４８の出射光として進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた信号光パルス４２Ａ〜４２Ｆの列からなる信号光４２を得る。信号光４２に同期した制御光４４を、その進行方向を光スイッチ３２に対して垂直にして光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側から、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３２に入射させる。
【００５０】
また、本実施形態に係る光分配装置には、信号光４２が光スイッチ３２で反射した後の位置に、ライン状ないし１次元アレイ状の光素子５０を、その各画素が信号光４２の各空間位置部分４２ｐ〜４２ｕの反射光を受けるように配置される。信号光パルス４２Ａ〜４２Ｆが光スイッチ３２の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達する時点で、制御光パルス４４ａが光スイッチ３２の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように制御光４４を信号光４２に同期させる。
これにより、信号光パルス４２Ａの空間位置部分４２ｐ、信号光パルス４２Ｂの空間位置部分４２ｑ、信号光パルス４２Ｃの空間位置部分４２ｒ、信号光パルス４２Ｄの空間位置部分４２ｓ、信号光パルス４２Ｅの空間位置部分４２ｔ、信号光パルス４２Ｆの空間位置部分４２ｕが、それぞれ出力光パルス５２Ａｐ，５２Ｂｑ，５２Ｃｒ，５２Ｄｓ，５２Ｅｔ，５２Ｆｕとして切り出され、光素子５０の対応する画素で処理または検出される。
【００５１】
図３は、本発明の光分配装置の第二の実施形態を示す構成図である。第二実施形態に係る光分配装置は、本発明の光スイッチ３２に対して信号光及び制御光を共に垂直に入射させるものである。また、光スイッチ３２として本発明の第二の光スイッチを用いる。
図３において、信号光照射手段２０から出射された信号光パルス列は、偏光子２４によりｘ方向（上下方向）の直線偏光になる。制御光照射手段２２から出射された制御光パルスは、偏光子２６によりｘｙ面内でｘ軸と４５°の方向の直線偏光になる。
信号光パルス列は、光学系４８（平行化手段）により平行ビームに拡大され、さらに階段状プリズム５７により、１ｐｓずつ時間差の付いた４つの平行ビームに分割される。制御光は光学系４８’（平行化手段）により平行ビームに拡大される。
【００５２】
信号光パルス列と信号光パルスとが交差（直交）する場所に、制御光パルスを反射し信号光パルス列が透過するハーフミラー２８を制御光及び信号光の進行方向に対して所定の角度（４５°）に配置することにより、反射した制御光パルスと透過した信号光パルスとが同一方向から光スイッチ３２に垂直に入射する。制御光により光スイッチ３２の無機半導体結晶層内には屈折率異方性が誘起される。信号光が制御光と同時に光スイッチ３２に入射した場合には、誘起された屈折率異方性の作用により信号光は楕円偏光となって入射方向とは逆方向に出射される。偏光ビームスプリッタ５８により、楕円偏光のうちでｙ方向（左右方向）の直線偏光成分が９０°方向に出射され、波長フィルター３８を介して信号光のみが光検出器３６により検出される。光スイッチ３２は、無機半導体結晶層の同一の場所に信号光と制御光とが同時に入射したときに限って信号光の反射光を楕円偏光に変換し、制御光が入射しないときに入射した信号光の反射光は、直線偏光である。従って、偏光子４０（検光子）を透過して光検出器３６に信号が検出されるのは、反射光が楕円偏光の場合に限られる。時間的にシリアルな信号光パルス列が、空間的にパラレルなパルス列に変換される。
図３に記載の光分配装置では信号光及び制御光が共に光スイッチ３２に対して垂直に入射する。このとき金属等による全反射ミラーを用いた反射型光スイッチでは、ミラー面で電界強度が常にゼロになるという境界条件が課せられるため、光スイッチ内部に定在波が形成される。定在波は振幅が元の振幅の2倍で、時間的に波形が変化しない波である。透過型素子に比べると振幅が2倍になるので4倍の非線形光学効果が見込まれるが、時間積分により効果が１／２になる。その結果、最終的に得られる非線形屈折率は透過型素子の2倍になる。この理由により、反射型素子は透過型素子に比べ性能面で有利になる。
【００５３】
＜光多重化装置＞
本発明の光多重化装置は、本発明の光スイッチを用いるものである。図４は、本発明の光多重化装置の一実施形態を示す構成図である。本実施形態に係る光多重化装置は、本発明の光スイッチ３２に対して一次元のパラレルな信号光４２を斜めに入射させ、制御光４４を垂直に入射させるものである。本実施形態では、パラレルな信号光４２は６チャンネルの信号光４２Ａ〜４２Ｆからなる。また、光スイッチ３２として本発明の第二の光スイッチを用いる。
光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側からパラレルな信号光４２を所定幅Ｗに渡って入射させるとともに、パラレルな信号光４２に同期した制御光４４を、その進行方向を光スイッチ３２に対して垂直にして光スイッチ３２の低反射率の反射層又は反射面側から、所定幅Ｗに渡って入射させる。
【００５４】
また、本実施形態に係る光多重化装置には、信号光４２が光スイッチ３２で反射した後の位置に、集光光学系５４及び光導波路４６を配置する。信号光４２Ａ〜Ｆのすべてが光スイッチ３２の各信号光４２Ａ〜４２Ｆに対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達する時点で、制御光パルス４４ａが光スイッチ３２の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように制御光４４を信号光４２に同期させる。
これにより、信号光４２Ａ〜４２Ｆのそれぞれ一部が、それぞれパルス時間幅の短い出力光５６Ａ〜５６Ｆとして切り出されて、集光光学系５４及び光導波路４６により、互いの間に所定の時間差を持って集光され、光導波路４６において、信号光（出力光）５６Ａ〜５６Ｆが時間的に多重化されたシリアルな信号光５６が得られる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
無機半導体結晶のバンドギャップ（Ｅｇ）と測定波長（本光スイッチにおいては制御光波長に対応する；ｈω／２π）との比及び非線形屈折率の間には図５の関係があることが知られている｛Ｍ． Ｓｈｅｉｋ−Ｂａｈａｅ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ２７， １２９６ （１９９１）｝。これから測定波長に対し最適な非線形屈折率を示す無機半導体結晶に必要なバンドギャップが特定される。実際に今回制御光に用いた１．６２μｍ光に対し望ましいバンドギャップを有するＣｄＴｅ（バンドギャップ１．５６ｅＶ）、ＧａＡｓ（同１．４２ｅＶ）および代表的な無機半導体であるＳｉ（同３．４ｅＶ）について、バルクの無機半導体結晶を用いた光スイッチを作製し、通信波長帯である１．５５μｍ光のスイッチング性能を検証した。
【００５６】
光スイッチのカー回転角の測定は図６の光学系を用いて行った。再生増幅したチタンサファイアレーザ光（８００ｎｍ）をＯｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＯＰＡ）により波長変換して１．５５μｍおよび１．６２μｍ光とし、それぞれ信号光、制御光とした。パルス幅は共に約１００ｆｓであり、パルス繰り返しは１ｋＨｚであった。信号光と制御光とは、それぞれ偏光子２４及び偏光子２６を用いて直線偏光とした。
ハーフミラー２８を透過した信号光と、１／２波長板２７によって偏光方向を信号光に対して４５°傾け、さらにミラー２９及びハーフミラー３４で反射された制御光とは、レンズ３０により集光されて光スイッチ３２の同じ位置に垂直に入射する。
信号光は光スイッチ３２の無機半導体結晶層内で制御光による非線形相互作用を受けた後で光スイッチ３２からの反射光として出射され、ハーフミラー２８で反射して光検出器３６により測定される。反射光のうちで波長フィルター３８を用いて信号光だけを取出し、さらに入射信号光とは偏光方向が直交している偏光子４０（検光子）を透過させて、入射信号光と直交する光カー信号を検出した。偏光子２４と偏光子４０とは偏光方向が直交したクロスニコル状態にあるので、制御光をＯＦＦにして信号光だけを入射したときには出力光をほとんど０にすることが可能である。信号光と制御光とが同時に入射したときには、信号光が楕円偏光（あるいは偏光面の回転した直線偏光）に変換されるために出力信号が検出される。１／４波長板４２により信号光を直線偏光に再変換し、元の偏光方向からのずれをカー回転角として、その大小を光スイッチの性能評価に用いた。
【００５７】
［実施例１］
＜第一の光スイッチ＞
無機半導体結晶を用いた光スイッチには、反射膜と反射防止膜とを各々の面に設けた。反射膜としては銀を５００ｎｍ蒸着した。一方、反射防止膜としては、屈折率が無機半導体材料の屈折率の平方根である膜を、反射を抑えたい波長λに対しλ／４の光学長に相当する膜厚で形成する。今回は、ＣｄＴｅ（ｎ＝２．７）に対してはＳｉＯ2（ｎ＝１．４）、ＧａＡｓ（ｎ＝３．３）およびＳｉ（ｎ＝３．６）に対してはＧｅＯ（ｎ＝２．１）を採用した。膜厚は、１６００ｎｍ光に対し反射が最小になるよう、ＳｉＯ2：２８５ｎｍおよびＧｅＯ：１９０ｎｍとした。
例として反射防止膜の有無によるＳｉの反射率測定結果を図７に示す。Ｓｉの両面にＧｅＯ層を設けると１６００ｎｍ近辺の反射が３％程度まで減少していることがわかる。このことから反射防止膜が光スイッチの性能向上に有効であることが確認された。なお、反射率は日立分光光度計U−４１００の反射測定モジュールにより測定した。
【００５８】
バルク半導体結晶材料としてＣｄＴｅ（面方位（１１１）：０．６７ｍｍ厚）、ＧａＡｓ（同（１００）：０．６２５ｍｍ厚）、Ｓｉ（同（１００）：０．６２５ｍｍ厚）を用い、光スイッチを形成した。制御光強度３．８ｐＪ／μｍ2のとき、カー回転角はＣｄＴｅ：１３．３°、ＧａＡｓ：４．８°、Ｓｉ：２．６°となった。今回、レーザ光の集光にはＦ＝１２０ｍｍのレンズを使用したため、光と材料との相互作用長は基板厚さ全域に及ぶと予想される。これからカー回転角を材料厚さで規格化するとＣｄＴｅ／ＧａＡｓ／Ｓｉ ＝ ４．７／１．８／１となり、特にＣｄＴｅが高い性能を示すことがわかった。ＣｄＴｅのオンオフ比は、制御光強度３．８ｐＪ／μｍ2のとき、理論上３７ｄＢ以上となる。従来、我々が検討していた有機薄膜を用いた光スイッチでは、３０ｐＪ／μｍ2で２０ｄＢのオンオフ比であった｛Ｓ． Ｔａｔｓｕｕｒａ ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８５， ５４０ （２００４）｝ことから、今回の光スイッチでは５０倍以上の性能向上が達成されたことがわかる。
光スイッチの応答時間はパルス幅と同程度であり、ピコ秒以下の応答速度を有することが確認された。これは制御光強度のエネルギー（０．７６５ｅＶ）が、２光子吸収による実励起が顕著になるエネルギー帯に比べて小さいことに加え、比較的小さいカー回転角で光スイッチに十分なオンオフ比が得られるためであると考えられる。
【００５９】
［実施例２］
＜第二の光スイッチ＞
次に共振器構造を導入した光スイッチについて述べる。これまで発明者らは、色素薄膜に対し非対称な反射率を有する共振器構造を導入することで、光電界を増強し、高い非線形性と高速応答を両立する素子を提案してきた。しかし増強された光電界によって有機膜に損傷が入りやすくなり、また十分な厚さの低散乱の有機薄膜を得るのが難しいという課題があった。無機半導体結晶材料ならばこれらの点は問題にならないため、共振器構造の利点を有効に活用できる。
本素子は、信号光、制御光を狭いスポットに集光して利用する際に有効となる。焦点距離および集光スポットサイズは小さい方が素子の小型化に有利であるが、光と材料との相互作用長は［集光面積／波長］に等しくなるため、例えばスポットサイズ２０μｍ2に集光した場合、１．６２μｍ光との相互作用長は１２μｍ程度になる。このとき、同程度の膜厚で電界増強により高い非線形性が実現できる共振器構造は有効な手段となる。
【００６０】
共振器構造を有する光スイッチはＳｉを非線形光学媒質として用いることにより作製した。作製した光スイッチの断面構造を図８に示す。反射膜５０として金を５００ｎｍ蒸着したＳｉウェハ（無機半導体結晶層５２）を別のＳｉウェハ（基板５４）に接着層５６を介して貼り付け、無機半導体結晶層５２を所定の厚さまで研磨することで薄膜化した。無機半導体結晶層５２の反射膜５０の設けられた面とは反対側の面にはＴｉＯ2／ＳｉＯ2４層からなる誘電体多層膜ミラー（低反射率の反射層）を形成し反射膜５８とした。無機半導体結晶層５２の膜厚は４．１μｍとした。これは９．２λ（λ＝１．６２μｍ）の光学膜厚に相当する。また、スポットサイズは２０μｍ2としたため、１．６２μｍ光との相互作用長は結晶厚さ全体（４．１μｍ）に及ぶ。本素子について前述の方法でカー回転角を測定した。
また、０．６２５ｍｍ厚さのＳｉの各々の面に反射防止膜と全反射膜をそれぞれ設けた非共振器型の光スイッチを用い、カー回転角を測定した。このときのスポットサイズ２０μｍ2、１．６２μｍ光との相互作用長は１２μｍとなるようにした。
その結果、共振器構造を有する光スイッチは比較用光スイッチと比較してカー回転角が１．８倍になり、同じＳｉ厚さあたり４倍程度の非線形性向上が得られたことを確認した。
本素子は、無機半導体結晶層５２の厚さと反射層５２、反射層５８の反射率の最適化や、制御光、信号光への２波長同時共振構造の導入等により、更なる性能向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第二の光スイッチの一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の光分配装置の第一の実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の光分配装置の第二の実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明の光多重化装置の一実施形態を示す構成図である。
【図５】無機半導体結晶のバンドギャップと測定波長との比及び非線形屈折率の間の関係を示す図である。
【図６】光スイッチのカー回転角を測定するために用いた光学系の構成図である。
【図７】反射防止膜の有無によるＳｉの反射率測定結果を示す図である。
【図８】実施例２で作製した光スイッチの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 基板
１２ 反射層（高反射率）
１４ 無機半導体結晶層
１６ 反射層（低反射率）
２４、２６ 偏光子
２８、３４ ハーフミラー
３０ レンズ
３２ 光スイッチ
３６ 光検出器
３８ 波長フィルター
４０ 偏光子（検光子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射膜と無機半導体結晶層と反射防止膜とをこの順に備え、前記反射防止膜側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチ。
【請求項２】
低反射率の反射面又は反射層と、無機半導体結晶層と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に備え、前記低反射率の反射面又は反射層側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、
前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たす光スイッチ。
【請求項３】
前記無機半導体結晶層は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種である請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチを用いた光分配装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチを用いた光多重化装置。
【請求項１】
反射膜と無機半導体結晶層と反射防止膜とをこの順に備え、前記反射防止膜側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチ。
【請求項２】
低反射率の反射面又は反射層と、無機半導体結晶層と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に備え、前記低反射率の反射面又は反射層側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、
前記無機半導体結晶層の厚さは、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たす光スイッチ。
【請求項３】
前記無機半導体結晶層は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種である請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチを用いた光分配装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチを用いた光多重化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１２６５６７（Ｐ２００６−１２６５６７Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１５７５７（Ｐ２００４−３１５７５７）
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１６年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「フェムト秒テクノロジーの研究開発」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１６年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「フェムト秒テクノロジーの研究開発」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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