光スイッチ
【課題】より高速な応答特性を備えて、多波長処理ができる広帯域動作が可能なより小型な光スイッチ素子が得られるようにする。
【解決手段】この光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄが分散している母体１０１から構成された光素子１００と、光素子１００に制御光１１１を照射する制御光照射部１０３とを少なくとも備える。また、母体１０１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。また、複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光１１１の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光１１１の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされている。
【解決手段】この光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄが分散している母体１０１から構成された光素子１００と、光素子１００に制御光１１１を照射する制御光照射部１０３とを少なくとも備える。また、母体１０１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。また、複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光１１１の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光１１１の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号をオン・オフする光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンフォトニクスの技術を基本とした光通信用光ネットワーク，光通信，光制御用光回路，および光機能素子においては、ＧＨｚ以上の高速動作が必要とされている。これは、時間領域で言うとピコ秒領域での高速動作となる。また、将来の波長多重の情報処理に向けた同時多波長処理（広帯域動作）の光素子が必要であり、加えて、省エネルギーの要求もあり、このためには素子の小型化が重要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H.Shinojima, "Optical Nonlinearity in CdSSe Microcrystallites Embedded in Glasses", IEICE TRANS. ELECTRON, vol.E90-C, no.1,pp.127-134, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、シリコンフォトニクスにおける光通信用光ネットワーク，光通信，光制御用光回路に用いられる光機能素子である光スイッチにおいても、同様の要求があり、将来の波長多重の情報処理に向けた同時多波長処理（広帯域動作）およびピコ秒オーダーでの時間応答を備え、加えて、μｍオーダーの寸法に小型化することが重要となる。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より高速な応答特性を備えて、多波長処理ができる広帯域動作が可能なより小型な光スイッチ素子が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶が分散している母体から構成された光素子と、光素子に制御光を照射する制御光照射手段とを少なくとも備え、母体は、半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成され、複数の微結晶は、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされ、制御光の導入側より最も離れた箇所の光素子に分布する複数の微結晶の粒子径は、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【０００７】
上記光スイッチにおいて、母体は、制御光の導入方向に延在する円筒形状に形成されててもよい。また、微結晶は、水素もしくは酸素により終端されたダングリングボンドを備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明によれば、複数の微結晶は、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされ、制御光の導入側より最も離れた箇所の光素子に分布する複数の微結晶の粒子径は、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされているようにしたので、より高速な応答特性を備えて、多波長処理ができる広帯域動作が可能なより小型な光スイッチ素子が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、ガラスの母体にＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88の微結晶が分散した光学材料を試料として用いた縮退四光波混合の実験結果である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１１】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃ，図１Ｄは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す斜視図および断面図である。
【００１２】
この光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄが分散している母体１０１から構成された光素子１００と、光素子１００に制御光１１１を照射する制御光照射部１０３とを少なくとも備える。また、母体１０１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。なお、本実施の形態では、１例として、母体１０１の形状を直方体としているが、母体１０１の形状は、立方体としてもよい。また、制御光１１１の導入方向に平行な面が正方形とされた直方体としてもよい。
【００１３】
また、複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光１１１の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光１１１の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされている。
【００１４】
例えば、制御光１１１が導入される側より、微結晶１０２ａが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布し、微結晶１０２ｂが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布し、微結晶１０２ｃが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布し、微結晶１０２ｄが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布している。また、微結晶１０２ｂは微結晶１０２ａより大きく、微結晶１０２ｃは微結晶１０２ｂより大きく、微結晶１０２ｄは微結晶１０２ｃより大きい。
【００１５】
従って、微結晶１０２ｄを通るｘｚ面に平行な断面では、図１Ｂの断面図に示すように、微結晶１０２ｄが分布している。また、ｚｙ面に平行な断面では、図１Ｃの断面図に示すように、ｚ方向には、粒子径が均一であり、ｙ方向には、粒子径が徐々に小さくなっている。また、ｘｙ面に平行な断面では、図１Ｄの断面図に示すように、ｘ方向には、粒子径が均一であり、ｙ方向には、粒子径が徐々に小さくなっている。
【００１６】
加えて、最も大きい微結晶１０２ｄの分布においては、粒子径（平均値）が、微結晶１０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【００１７】
例えば、母体１０１は、ソーダガラスなどのガラスより構成されていればよい。また、微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88から構成されていればよい。また、微結晶１０２ｄの粒子径が、１ｎｍ程度とされていればよい。微結晶１０２ｄの粒径が１ｎｍ程度であれば、微結晶１０２ｄの内部の原子数に対する微結晶１０２ｄの表面の原子数の割合が、１より大きくなる。
【００１８】
このような光学材料は、母体を構成する材料および微結晶の材料を混合した混合原料を、全ての成分が溶解する温度に加熱して溶解させ、融液において各成分を均一な状態にしてから、所定の停止温度まで徐冷し、停止温度の状態を所定時間（停止時間）維持し、この後、室温にまで徐冷することで形成することができる。
【００１９】
例えば、ガラスを構成する成分およびＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88を混合した混合材料を用意し、この混合材料を１０００℃以上に加熱して溶解する。次いで、溶解した状態を所定の時間維持し、また、融液を撹拌することなどにより、融液における各成分を均一にする。次に、融液を８００℃程度にまで徐々に冷却（徐冷）する。この停止温度としての８００℃の状態を所定の停止時間維持した後、室温にまで徐冷すればよい。停止温度および停止時間を制御することで、微結晶の平均粒径を制御することができる。停止温度を高くし、また、停止時間を長くするほど、微結晶の平均粒径が大きくなる。従って、部分的に停止温度および停止時間を適宜に変更することで、上述したような微結晶１０２ａ〜１０２ｄのような制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光１１１の導入側ほど粒子径が小さくなる構成とすることができる。
【００２０】
また、上述した混合原料における微結晶の材料の組成比を制御することで、光学材料における微結晶の密度（分布）を制御することができる。当然ながら、混合原料における微結晶の材料の組成を多くすることで、光学材料における微結晶の密度を高くすることができる。また、光学材料における微結晶に密度は、光学材料の所望とする特性が得られるように、適宜に設定すればよい。
【００２１】
なお、母体１０１のバンドギャップエネルギーが微結晶１０２ａ〜１０２ｄより大きくないと、例えば光励起により生成した電子・正孔の再結合など光による応答を、選択的に微結晶１０２ａ〜１０２ｄにおいて起こさせることができなくなる。従って、母体１０１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成する。
【００２２】
次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。まず、スイッチの対象となる信号光１１２は、ｘ軸方向に入射させる。ｚ軸およびｙ軸方向に空間的な広がりを持つ信号光１１２は、例えば、光素子１００の｛（Ｌｘ，０，Ｌｚ）、（Ｌｘ，０，０）、（Ｌｘ，Ｌｙ，０）、（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）｝の面より入射し、｛（０，０，Ｌｚ）、（０，０，０）、（０，Ｌｙ，０）、（０，Ｌｙ，Ｌｚ）｝の面より出射する。
【００２３】
ここで、半導体からなる微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、粒子径によって決定される、半導体のバンドギャップに応じた吸収端を持つ（非特許文献１参照）。例えば、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径１ｎｍの微結晶１０２ｄは、吸収する光の中で最も長い波長が６００ｎｍとなる。また、例えば、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径０．５ｎｍの微結晶１０２ａは、吸収する光の中で最も長い波長が５５０ｎｍとなる。
【００２４】
従って、光スイッチ（光素子１００）に入射した白色光である信号光１１２は、ｘ軸方向を伝播していくに従い、微結晶１０２ａ〜１０２ｄの粒子径に依存した波長の光が吸収される。例えば、ｘ軸方向に透過した信号光１１２の中で、ｘｚ面に平行な面内で微結晶１０２ｄが分布している領域では、微結晶１０２ｄの粒子径による吸収端からエネルギーの高い波長の光（波長６００ｎｍより短い波長の成分）が吸収される。また、ｘｚ面に平行な面内で微結晶１０２ａが分布している領域では、信号光１１２の中で波長５５０ｎｍより短い波長に成分が吸収される。
【００２５】
一方、波長６００ｎｍの制御光１１１を光素子１００に入射させると、この波長の制御光１１１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｃでは吸収されず、微結晶１０２ｄで吸収される。なお、制御光１１１の光強度は、微結晶１０２ｄの分布領域において全て吸収される程度に制御する。この結果、微結晶１０２ｄにおいては、キャリアが光励起される。このようにキャリアが光励起されている状態では、微結晶１０２ｄでは吸収飽和状態となり、新たな光の吸収が起こらない。
【００２６】
このように波長６００ｎｍの制御光１１１の導入により微結晶１０２ｄを吸収飽和状態とした状態で、信号光１１２が光素子１００に入射すると、微結晶１０２ｄでは、これ以上の光吸収が起こらないため、微結晶１０２ｄが分布している領域を通過した信号光１１２は、吸収がされることなく透過する。この状態は、例えば、パルス状に制御光１１１を導入した場合、微結晶１０２ｄで励起されたキャリアが緩和して下の準位に戻るまで維持される。言い換えると、制御光１１１の導入が停止され、励起されたキャリアが緩和して下の準位に戻った時点で、微結晶１０２ｄが分布している領域を通過した信号光１１２の波長６００ｎｍより短い波長の成分の吸収が始まる。
【００２７】
従って、制御光１１１の有無に依存して光素子１００における信号光１１２の透過率に差が発生するので、これを利用することで、光素子１００を光スイッチとして機能させることができる。また、制御光１１１の波長を変更することで、光素子１００における透過率の差を発生させる光の波長を変更することができる。例えば、制御光１１１の波長を５５０ｎｍとすること、微結晶１０２ａで上述同様の現象が起こり、信号光１１２の波長５５０ｎｍより短い波長の成分の減衰を制御（オン・オフ）することができる。なお、信号光１１２は、ｘｙ面に平行な面に入射させるようにしても同様である。
【００２８】
このように、本実施の形態によれば、制御光１１１の波長を、母体１０１において、制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に分布させた微結晶１０２ａ〜１０２ｄの粒子径に対応する波長とすることで、多波長同時（広帯域）のスイッチング動作が可能である。なお、光素子１００は、例えば、信号光１１２が導波されている光導波路の途中に配置して用いればよい。
【００２９】
また、本実施の形態では、最も径の大きい微結晶１０２ｄの粒子径を、微結晶１０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値としているので、上述したオン・オフのスイッチ動作速度をサブピコ秒からピコ秒程度と高速にすることができる。
【００３０】
この粒子径と高速動作の関係について説明する。半導体の微結晶におけるキャリア寿命で、キャリアの緩和時間（応答速度）が決まる。まず、ガラスより母体を構成し、この母体中にＣｄＳＳｅ微結晶を分散させた光学材料を試料とした縮退四光波混合の実験の結果について示す（非特許文献１参照）。図２は、ガラスの母体にＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88の微結晶が分散した光学材料を試料として用いた縮退四光波混合の実験結果である。この図２は、母体（ガラス）中のＣｄＳＳｅ微結晶の縮退四光波混合過程におけるエネルギー緩和の時間変化（エネルギー緩和曲線）の、微結晶粒径依存性を示している。
【００３１】
図２において、Ｒavは、母体中に分散しているＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88微結晶の粒径分布の平均値を示している。この実験では、Ｒavとして、１ｎｍ，３ｎｍ，５ｎｍ，および１０．８ｎｍを試料としている。なお、各粒径は、透過型電子顕微鏡による試料の観察で得られた値である。また、例えば、Ｒavが１ｎｍの試料では、透過型電子顕微鏡の観察の結果、微結晶の分布（微粒子密度）が、１０15個／ｃｍ3であった。
【００３２】
図２に示されているように、Ｒav＝３ｎｍ，５ｎｍ，および１０．８ｎｍでは、エネルギー緩和の時間変化の曲線に２つの傾き成分が見られ、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和の時間変化が、２成分から構成されていることがわかる。また、図２より、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和曲線を構成する２つの緩和成分を特徴付ける緩和時間は、微結晶の粒径（平均粒径）が小さいほど短縮される（高速になる）ことがわかる。加えて、平均粒径が１ｎｍの条件では、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和曲線が、１つの緩和成分から構成されるものとなり、長い緩和時間をもつ緩和成分が全く観測されなくなることがわかる。
【００３３】
この実験結果は、平均粒径が１ｎｍの条件では、微結晶粒の表面における励起キャリアの再結合過程が顕著になり、これが、微結晶粒内部での励起キャリアの再結合過程を確率の上で上回っていることを示している。ここで、粒径が１ｎｍの条件は、半導体微結晶表面にある原子数の微結晶内部にある原子数に対する割合が、おおよそ１より大きくなる状態である。
【００３４】
従って、半導体からなる複数の微結晶の粒径分布の平均値が、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされていれば、バルク半導体の遅い光応答特性より、微粒子化により発現した励起キャリアの表面再結合過程に起因した高速光応答が支配的になり、サブピコ秒からピコ秒の光応答速度が得られるようになる。
【００３５】
また、本実施の形態では、１ｎｍ以下の粒子径とした微結晶１０２ａ〜１０２ｄを用いており、光素子１００を数ｎｍから数μｍの大きさまで小型化できる。また、本実施の形態によれば、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど小さくしている微粒子の粒子径の分布を設計することで、設計した粒子径の分布位置に対応して吸収波長が設計できる。したがって、分光器を用いる必要がなく、この点でも、小型化が可能となる。
【００３６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す斜視図および断面図である。
【００３７】
この光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶３０２ａ〜３０２ｄが分散している母体３０１から構成された光素子３００と、光素子３００に制御光３１１を照射する制御光照射部３０３とを少なくとも備える。また、母体３０１は、微結晶３０２ａ〜３０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。
【００３８】
また、複数の微結晶３０２ａ〜３０２ｄは、制御光３１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光３１１の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光３１１の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされている。
【００３９】
また、最も大きい微結晶３０２ｄの分布においては、粒子径（平均値）が、微結晶３０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【００４０】
加えて、本実施の形態では、母体３０１が、制御光３１１の導入方向に延在する円筒形状（円柱）に形成されている。本実施の形態では、微結晶３０２ｄを通るｘｚ面に平行な断面では、図３Ｂの断面図に示すように、微結晶３０２ｄが分布している。また、微結晶３０２ａを通るｘｚ面に平行な断面では、図３Ｃの断面図に示すように、微結晶３０２ａが分布している。また、ｚｙ面に平行な断面では、図３Ｄの断面図に示すように、ｚ方向には、粒子径が均一であり、ｙ方向には、粒子径が徐々に小さくなっている。これは、ｘｙ面に平行な断面でも同様である。本実施の形態では、母体３０１が、制御光３１１の導入方向に延在する円筒形であるので、上面および底面の中心を通る中心線を中心に、ほぼ回転対称に微結晶３０２ａ〜３０２ｄが分布しているものともいえる。
【００４１】
例えば、母体３０１は、ソーダガラスなどのガラスより構成されていればよい。また、微結晶３０２ａ〜３０２ｄは、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88から構成されていればよい。また、微結晶３０２ｄの粒子径が、１ｎｍ程度とされていればよい。微結晶３０２ｄの粒径が１ｎｍ程度であれば、微結晶３０２ｄの内部の原子数に対する微結晶３０２ｄの表面の原子数の割合が、１より大きくなる。
【００４２】
次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。まず、本実施の形態では、スイッチの対象となる信号光は、制御光３１１の導入方向（ｙ軸方向）に対して垂直な方向から入射させればよい。母体３０１が円柱であるので、ｙ軸に対して垂直となっている方向であれば、信号光は、どの方向から入射しても前述した実施の形態１と同様である。
【００４３】
ここで、本実施の形態においても、例えば、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径１ｎｍの微結晶３０２ｄは、吸収する光の中で最も長い波長が６００ｎｍであり。また、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径０．５ｎｍの微結晶３０２ａは、吸収する光の中で最も長い波長が５５０ｎｍである。
【００４４】
従って、光スイッチ（光素子３００）に入射した白色光である信号光は、入射方向に伝播していくに従い、微結晶３０２ａ〜３０２ｄの粒子径に依存した波長の光が吸収される。例えば、ｘ軸方向に透過した信号光の中で、ｘｚ面に平行な面内で微結晶３０２ｄが分布している領域では、微結晶３０２ｄの粒子径による吸収端からエネルギーの高い波長の光（波長６００ｎｍより短い波長の成分）が吸収される。また、ｘｚ面に平行な面内で微結晶３０２ａが分布している領域では、信号光の中で波長５５０ｎｍより短い波長に成分が吸収される。
【００４５】
一方、波長６００ｎｍの制御光３１１を光素子３００に入射させると、前述した実施の形態１と同様に、この波長の制御光３１１は、微結晶３０２ａ〜３０２ｃでは吸収されず、微結晶３０２ｄで吸収される。この結果、微結晶３０２ｄにおいては、キャリアが光励起される。このようにキャリアが光励起されている状態では、微結晶３０２ｄでは吸収飽和状態となり、新たな光の吸収が起こらない。
【００４６】
このように波長６００ｎｍの制御光３１１の導入により微結晶３０２ｄを吸収飽和状態とした状態で、信号光が光素子３００に入射すると、微結晶３０２ｄでは、これ以上の光吸収が起こらないため、微結晶３０２ｄが分布している領域を通過した信号光は、吸収がされることなく透過する。
【００４７】
従って、制御光３１１の有無に依存して光素子３００における信号光の透過率に差が発生するので、これを利用することで、光素子３００を光スイッチとして機能させることができる。また、制御光３１１の波長を変更することで、光素子３００における透過率の差を発生させる光の波長を変更することができる。例えば、制御光３１１の波長を５５０ｎｍとすること、微結晶３０２ａで上述同様の現象が起こり、信号光の波長５５０ｎｍより短い波長の成分の減衰を制御（オン・オフ）することができる。
【００４８】
このように、本実施の形態においても、制御光３１１の波長を、母体３０１において、制御光３１１の導入方向（ｙ軸方向）に分布させた微結晶３０２ａ〜３０２ｄの粒子径に対応する波長とすることで、多波長同時（広帯域）のスイッチング動作が可能である。
【００４９】
また、本実施の形態でも、最も径の大きい微結晶３０２ｄの粒子径を、微結晶３０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値としているので、上述したオン・オフのスイッチ動作速度をサブピコ秒からピコ秒程度と高速にすることができる。
【００５０】
また、本実施の形態でも、１ｎｍ以下の粒子径とした微結晶３０２ａ〜３０２ｄを用いており、光素子３００を数ｎｍから数μｍの大きさまで小型化できる。また、本実施の形態においても、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど小さくしている微粒子の粒子径の分布を設計することで、設計した粒子径の分布位置に対応して吸収波長が設計できる。したがって、分光器を用いる必要がなく、この点でも、小型化が可能となる。
【００５１】
また、本実施の形態では、ｙ軸に対して垂直となっている方向であれば、信号光はどの方向から入射してもよいので、信号光の入射方向の自由度をより高くすることができる。このため、光３次元スイッチが実現可能となる。
【００５２】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、制御光の導入方向に沿って粒子径の大きさを４段階に変化させる例を示したが、これに限るものではない。オン・オフ対象の波長の数に対応させて、粒子径を各々異なる大きさに分割すればよい。例えば、制御光の導入方向に沿って粒子径の大きさを３段階に変化させてもよく、制御光の導入方向に沿って粒子径の大きさを５段階に変化させてもよい。
【００５３】
また例えば、母体として用いるガラスは、ソーダガラスに限るものではなく、石英ガラスなどの他のガラスでもよい。また、母体は、ＺｎＯ，ＧａＮ，およびＢＮから構成することもできる。これら材料を用いる場合においても、母体はアモルファスなど非晶質状態の材料から構成するとよい。
【００５４】
また、微結晶は、ＣｄＳＳｅに限らず、亜鉛，カドミウム，硫黄，セレン，テルル，およびマンガンの中より選択された元素の化合物からなる半導体であればよい。また、微結晶は、インジウム，ガリウム，窒素，砒素，およびリンの中より選択された化合物からなる半導体で構成してもよい。
【００５５】
また、微結晶の表面におけるキャリアの再結合の状態は、微結晶表面のダングリングボンドの状態（数）によって影響を受ける。従って、微結晶表面のダングリングボンドの状態を制御することで、光素子（母体）における光学特性を制御することができる。例えば、微結晶の表面にあるダングリングボンドを水素あるいは酸素で終端することで、微結晶の表面状態を制御すればよい。終端したダングリングボンドの割合により、光学特性を制御することができる。この終端は、例えば、微結晶が形成されている母体（光素子）を水素雰囲気中で加熱すればよい。
【符号の説明】
【００５６】
１００…光素子、１０１…母体、１０２ａ〜１０２ｄ…微結晶、１０３…制御光照射部、１１１…制御光、１１２…信号光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号をオン・オフする光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンフォトニクスの技術を基本とした光通信用光ネットワーク，光通信，光制御用光回路，および光機能素子においては、ＧＨｚ以上の高速動作が必要とされている。これは、時間領域で言うとピコ秒領域での高速動作となる。また、将来の波長多重の情報処理に向けた同時多波長処理（広帯域動作）の光素子が必要であり、加えて、省エネルギーの要求もあり、このためには素子の小型化が重要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H.Shinojima, "Optical Nonlinearity in CdSSe Microcrystallites Embedded in Glasses", IEICE TRANS. ELECTRON, vol.E90-C, no.1,pp.127-134, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、シリコンフォトニクスにおける光通信用光ネットワーク，光通信，光制御用光回路に用いられる光機能素子である光スイッチにおいても、同様の要求があり、将来の波長多重の情報処理に向けた同時多波長処理（広帯域動作）およびピコ秒オーダーでの時間応答を備え、加えて、μｍオーダーの寸法に小型化することが重要となる。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より高速な応答特性を備えて、多波長処理ができる広帯域動作が可能なより小型な光スイッチ素子が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶が分散している母体から構成された光素子と、光素子に制御光を照射する制御光照射手段とを少なくとも備え、母体は、半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成され、複数の微結晶は、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされ、制御光の導入側より最も離れた箇所の光素子に分布する複数の微結晶の粒子径は、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【０００７】
上記光スイッチにおいて、母体は、制御光の導入方向に延在する円筒形状に形成されててもよい。また、微結晶は、水素もしくは酸素により終端されたダングリングボンドを備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明によれば、複数の微結晶は、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされ、制御光の導入側より最も離れた箇所の光素子に分布する複数の微結晶の粒子径は、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされているようにしたので、より高速な応答特性を備えて、多波長処理ができる広帯域動作が可能なより小型な光スイッチ素子が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、ガラスの母体にＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88の微結晶が分散した光学材料を試料として用いた縮退四光波混合の実験結果である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１１】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃ，図１Ｄは、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す斜視図および断面図である。
【００１２】
この光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄが分散している母体１０１から構成された光素子１００と、光素子１００に制御光１１１を照射する制御光照射部１０３とを少なくとも備える。また、母体１０１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。なお、本実施の形態では、１例として、母体１０１の形状を直方体としているが、母体１０１の形状は、立方体としてもよい。また、制御光１１１の導入方向に平行な面が正方形とされた直方体としてもよい。
【００１３】
また、複数の微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光１１１の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光１１１の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされている。
【００１４】
例えば、制御光１１１が導入される側より、微結晶１０２ａが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布し、微結晶１０２ｂが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布し、微結晶１０２ｃが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布し、微結晶１０２ｄが制御光１１１の導入方向に垂直な面内に分布している。また、微結晶１０２ｂは微結晶１０２ａより大きく、微結晶１０２ｃは微結晶１０２ｂより大きく、微結晶１０２ｄは微結晶１０２ｃより大きい。
【００１５】
従って、微結晶１０２ｄを通るｘｚ面に平行な断面では、図１Ｂの断面図に示すように、微結晶１０２ｄが分布している。また、ｚｙ面に平行な断面では、図１Ｃの断面図に示すように、ｚ方向には、粒子径が均一であり、ｙ方向には、粒子径が徐々に小さくなっている。また、ｘｙ面に平行な断面では、図１Ｄの断面図に示すように、ｘ方向には、粒子径が均一であり、ｙ方向には、粒子径が徐々に小さくなっている。
【００１６】
加えて、最も大きい微結晶１０２ｄの分布においては、粒子径（平均値）が、微結晶１０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【００１７】
例えば、母体１０１は、ソーダガラスなどのガラスより構成されていればよい。また、微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88から構成されていればよい。また、微結晶１０２ｄの粒子径が、１ｎｍ程度とされていればよい。微結晶１０２ｄの粒径が１ｎｍ程度であれば、微結晶１０２ｄの内部の原子数に対する微結晶１０２ｄの表面の原子数の割合が、１より大きくなる。
【００１８】
このような光学材料は、母体を構成する材料および微結晶の材料を混合した混合原料を、全ての成分が溶解する温度に加熱して溶解させ、融液において各成分を均一な状態にしてから、所定の停止温度まで徐冷し、停止温度の状態を所定時間（停止時間）維持し、この後、室温にまで徐冷することで形成することができる。
【００１９】
例えば、ガラスを構成する成分およびＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88を混合した混合材料を用意し、この混合材料を１０００℃以上に加熱して溶解する。次いで、溶解した状態を所定の時間維持し、また、融液を撹拌することなどにより、融液における各成分を均一にする。次に、融液を８００℃程度にまで徐々に冷却（徐冷）する。この停止温度としての８００℃の状態を所定の停止時間維持した後、室温にまで徐冷すればよい。停止温度および停止時間を制御することで、微結晶の平均粒径を制御することができる。停止温度を高くし、また、停止時間を長くするほど、微結晶の平均粒径が大きくなる。従って、部分的に停止温度および停止時間を適宜に変更することで、上述したような微結晶１０２ａ〜１０２ｄのような制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光１１１の導入側ほど粒子径が小さくなる構成とすることができる。
【００２０】
また、上述した混合原料における微結晶の材料の組成比を制御することで、光学材料における微結晶の密度（分布）を制御することができる。当然ながら、混合原料における微結晶の材料の組成を多くすることで、光学材料における微結晶の密度を高くすることができる。また、光学材料における微結晶に密度は、光学材料の所望とする特性が得られるように、適宜に設定すればよい。
【００２１】
なお、母体１０１のバンドギャップエネルギーが微結晶１０２ａ〜１０２ｄより大きくないと、例えば光励起により生成した電子・正孔の再結合など光による応答を、選択的に微結晶１０２ａ〜１０２ｄにおいて起こさせることができなくなる。従って、母体１０１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成する。
【００２２】
次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。まず、スイッチの対象となる信号光１１２は、ｘ軸方向に入射させる。ｚ軸およびｙ軸方向に空間的な広がりを持つ信号光１１２は、例えば、光素子１００の｛（Ｌｘ，０，Ｌｚ）、（Ｌｘ，０，０）、（Ｌｘ，Ｌｙ，０）、（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）｝の面より入射し、｛（０，０，Ｌｚ）、（０，０，０）、（０，Ｌｙ，０）、（０，Ｌｙ，Ｌｚ）｝の面より出射する。
【００２３】
ここで、半導体からなる微結晶１０２ａ〜１０２ｄは、粒子径によって決定される、半導体のバンドギャップに応じた吸収端を持つ（非特許文献１参照）。例えば、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径１ｎｍの微結晶１０２ｄは、吸収する光の中で最も長い波長が６００ｎｍとなる。また、例えば、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径０．５ｎｍの微結晶１０２ａは、吸収する光の中で最も長い波長が５５０ｎｍとなる。
【００２４】
従って、光スイッチ（光素子１００）に入射した白色光である信号光１１２は、ｘ軸方向を伝播していくに従い、微結晶１０２ａ〜１０２ｄの粒子径に依存した波長の光が吸収される。例えば、ｘ軸方向に透過した信号光１１２の中で、ｘｚ面に平行な面内で微結晶１０２ｄが分布している領域では、微結晶１０２ｄの粒子径による吸収端からエネルギーの高い波長の光（波長６００ｎｍより短い波長の成分）が吸収される。また、ｘｚ面に平行な面内で微結晶１０２ａが分布している領域では、信号光１１２の中で波長５５０ｎｍより短い波長に成分が吸収される。
【００２５】
一方、波長６００ｎｍの制御光１１１を光素子１００に入射させると、この波長の制御光１１１は、微結晶１０２ａ〜１０２ｃでは吸収されず、微結晶１０２ｄで吸収される。なお、制御光１１１の光強度は、微結晶１０２ｄの分布領域において全て吸収される程度に制御する。この結果、微結晶１０２ｄにおいては、キャリアが光励起される。このようにキャリアが光励起されている状態では、微結晶１０２ｄでは吸収飽和状態となり、新たな光の吸収が起こらない。
【００２６】
このように波長６００ｎｍの制御光１１１の導入により微結晶１０２ｄを吸収飽和状態とした状態で、信号光１１２が光素子１００に入射すると、微結晶１０２ｄでは、これ以上の光吸収が起こらないため、微結晶１０２ｄが分布している領域を通過した信号光１１２は、吸収がされることなく透過する。この状態は、例えば、パルス状に制御光１１１を導入した場合、微結晶１０２ｄで励起されたキャリアが緩和して下の準位に戻るまで維持される。言い換えると、制御光１１１の導入が停止され、励起されたキャリアが緩和して下の準位に戻った時点で、微結晶１０２ｄが分布している領域を通過した信号光１１２の波長６００ｎｍより短い波長の成分の吸収が始まる。
【００２７】
従って、制御光１１１の有無に依存して光素子１００における信号光１１２の透過率に差が発生するので、これを利用することで、光素子１００を光スイッチとして機能させることができる。また、制御光１１１の波長を変更することで、光素子１００における透過率の差を発生させる光の波長を変更することができる。例えば、制御光１１１の波長を５５０ｎｍとすること、微結晶１０２ａで上述同様の現象が起こり、信号光１１２の波長５５０ｎｍより短い波長の成分の減衰を制御（オン・オフ）することができる。なお、信号光１１２は、ｘｙ面に平行な面に入射させるようにしても同様である。
【００２８】
このように、本実施の形態によれば、制御光１１１の波長を、母体１０１において、制御光１１１の導入方向（ｙ軸方向）に分布させた微結晶１０２ａ〜１０２ｄの粒子径に対応する波長とすることで、多波長同時（広帯域）のスイッチング動作が可能である。なお、光素子１００は、例えば、信号光１１２が導波されている光導波路の途中に配置して用いればよい。
【００２９】
また、本実施の形態では、最も径の大きい微結晶１０２ｄの粒子径を、微結晶１０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値としているので、上述したオン・オフのスイッチ動作速度をサブピコ秒からピコ秒程度と高速にすることができる。
【００３０】
この粒子径と高速動作の関係について説明する。半導体の微結晶におけるキャリア寿命で、キャリアの緩和時間（応答速度）が決まる。まず、ガラスより母体を構成し、この母体中にＣｄＳＳｅ微結晶を分散させた光学材料を試料とした縮退四光波混合の実験の結果について示す（非特許文献１参照）。図２は、ガラスの母体にＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88の微結晶が分散した光学材料を試料として用いた縮退四光波混合の実験結果である。この図２は、母体（ガラス）中のＣｄＳＳｅ微結晶の縮退四光波混合過程におけるエネルギー緩和の時間変化（エネルギー緩和曲線）の、微結晶粒径依存性を示している。
【００３１】
図２において、Ｒavは、母体中に分散しているＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88微結晶の粒径分布の平均値を示している。この実験では、Ｒavとして、１ｎｍ，３ｎｍ，５ｎｍ，および１０．８ｎｍを試料としている。なお、各粒径は、透過型電子顕微鏡による試料の観察で得られた値である。また、例えば、Ｒavが１ｎｍの試料では、透過型電子顕微鏡の観察の結果、微結晶の分布（微粒子密度）が、１０15個／ｃｍ3であった。
【００３２】
図２に示されているように、Ｒav＝３ｎｍ，５ｎｍ，および１０．８ｎｍでは、エネルギー緩和の時間変化の曲線に２つの傾き成分が見られ、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和の時間変化が、２成分から構成されていることがわかる。また、図２より、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和曲線を構成する２つの緩和成分を特徴付ける緩和時間は、微結晶の粒径（平均粒径）が小さいほど短縮される（高速になる）ことがわかる。加えて、平均粒径が１ｎｍの条件では、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和曲線が、１つの緩和成分から構成されるものとなり、長い緩和時間をもつ緩和成分が全く観測されなくなることがわかる。
【００３３】
この実験結果は、平均粒径が１ｎｍの条件では、微結晶粒の表面における励起キャリアの再結合過程が顕著になり、これが、微結晶粒内部での励起キャリアの再結合過程を確率の上で上回っていることを示している。ここで、粒径が１ｎｍの条件は、半導体微結晶表面にある原子数の微結晶内部にある原子数に対する割合が、おおよそ１より大きくなる状態である。
【００３４】
従って、半導体からなる複数の微結晶の粒径分布の平均値が、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされていれば、バルク半導体の遅い光応答特性より、微粒子化により発現した励起キャリアの表面再結合過程に起因した高速光応答が支配的になり、サブピコ秒からピコ秒の光応答速度が得られるようになる。
【００３５】
また、本実施の形態では、１ｎｍ以下の粒子径とした微結晶１０２ａ〜１０２ｄを用いており、光素子１００を数ｎｍから数μｍの大きさまで小型化できる。また、本実施の形態によれば、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど小さくしている微粒子の粒子径の分布を設計することで、設計した粒子径の分布位置に対応して吸収波長が設計できる。したがって、分光器を用いる必要がなく、この点でも、小型化が可能となる。
【００３６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄは、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す斜視図および断面図である。
【００３７】
この光スイッチは、半導体からなる複数の微結晶３０２ａ〜３０２ｄが分散している母体３０１から構成された光素子３００と、光素子３００に制御光３１１を照射する制御光照射部３０３とを少なくとも備える。また、母体３０１は、微結晶３０２ａ〜３０２ｄを構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。
【００３８】
また、複数の微結晶３０２ａ〜３０２ｄは、制御光３１１の導入方向（ｙ軸方向）に沿って制御光３１１の導入側ほど粒子径が小さくされ、制御光３１１の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされている。
【００３９】
また、最も大きい微結晶３０２ｄの分布においては、粒子径（平均値）が、微結晶３０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【００４０】
加えて、本実施の形態では、母体３０１が、制御光３１１の導入方向に延在する円筒形状（円柱）に形成されている。本実施の形態では、微結晶３０２ｄを通るｘｚ面に平行な断面では、図３Ｂの断面図に示すように、微結晶３０２ｄが分布している。また、微結晶３０２ａを通るｘｚ面に平行な断面では、図３Ｃの断面図に示すように、微結晶３０２ａが分布している。また、ｚｙ面に平行な断面では、図３Ｄの断面図に示すように、ｚ方向には、粒子径が均一であり、ｙ方向には、粒子径が徐々に小さくなっている。これは、ｘｙ面に平行な断面でも同様である。本実施の形態では、母体３０１が、制御光３１１の導入方向に延在する円筒形であるので、上面および底面の中心を通る中心線を中心に、ほぼ回転対称に微結晶３０２ａ〜３０２ｄが分布しているものともいえる。
【００４１】
例えば、母体３０１は、ソーダガラスなどのガラスより構成されていればよい。また、微結晶３０２ａ〜３０２ｄは、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88から構成されていればよい。また、微結晶３０２ｄの粒子径が、１ｎｍ程度とされていればよい。微結晶３０２ｄの粒径が１ｎｍ程度であれば、微結晶３０２ｄの内部の原子数に対する微結晶３０２ｄの表面の原子数の割合が、１より大きくなる。
【００４２】
次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。まず、本実施の形態では、スイッチの対象となる信号光は、制御光３１１の導入方向（ｙ軸方向）に対して垂直な方向から入射させればよい。母体３０１が円柱であるので、ｙ軸に対して垂直となっている方向であれば、信号光は、どの方向から入射しても前述した実施の形態１と同様である。
【００４３】
ここで、本実施の形態においても、例えば、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径１ｎｍの微結晶３０２ｄは、吸収する光の中で最も長い波長が６００ｎｍであり。また、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88からなる粒子径０．５ｎｍの微結晶３０２ａは、吸収する光の中で最も長い波長が５５０ｎｍである。
【００４４】
従って、光スイッチ（光素子３００）に入射した白色光である信号光は、入射方向に伝播していくに従い、微結晶３０２ａ〜３０２ｄの粒子径に依存した波長の光が吸収される。例えば、ｘ軸方向に透過した信号光の中で、ｘｚ面に平行な面内で微結晶３０２ｄが分布している領域では、微結晶３０２ｄの粒子径による吸収端からエネルギーの高い波長の光（波長６００ｎｍより短い波長の成分）が吸収される。また、ｘｚ面に平行な面内で微結晶３０２ａが分布している領域では、信号光の中で波長５５０ｎｍより短い波長に成分が吸収される。
【００４５】
一方、波長６００ｎｍの制御光３１１を光素子３００に入射させると、前述した実施の形態１と同様に、この波長の制御光３１１は、微結晶３０２ａ〜３０２ｃでは吸収されず、微結晶３０２ｄで吸収される。この結果、微結晶３０２ｄにおいては、キャリアが光励起される。このようにキャリアが光励起されている状態では、微結晶３０２ｄでは吸収飽和状態となり、新たな光の吸収が起こらない。
【００４６】
このように波長６００ｎｍの制御光３１１の導入により微結晶３０２ｄを吸収飽和状態とした状態で、信号光が光素子３００に入射すると、微結晶３０２ｄでは、これ以上の光吸収が起こらないため、微結晶３０２ｄが分布している領域を通過した信号光は、吸収がされることなく透過する。
【００４７】
従って、制御光３１１の有無に依存して光素子３００における信号光の透過率に差が発生するので、これを利用することで、光素子３００を光スイッチとして機能させることができる。また、制御光３１１の波長を変更することで、光素子３００における透過率の差を発生させる光の波長を変更することができる。例えば、制御光３１１の波長を５５０ｎｍとすること、微結晶３０２ａで上述同様の現象が起こり、信号光の波長５５０ｎｍより短い波長の成分の減衰を制御（オン・オフ）することができる。
【００４８】
このように、本実施の形態においても、制御光３１１の波長を、母体３０１において、制御光３１１の導入方向（ｙ軸方向）に分布させた微結晶３０２ａ〜３０２ｄの粒子径に対応する波長とすることで、多波長同時（広帯域）のスイッチング動作が可能である。
【００４９】
また、本実施の形態でも、最も径の大きい微結晶３０２ｄの粒子径を、微結晶３０２ｄの内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値としているので、上述したオン・オフのスイッチ動作速度をサブピコ秒からピコ秒程度と高速にすることができる。
【００５０】
また、本実施の形態でも、１ｎｍ以下の粒子径とした微結晶３０２ａ〜３０２ｄを用いており、光素子３００を数ｎｍから数μｍの大きさまで小型化できる。また、本実施の形態においても、制御光の導入方向に沿って制御光の導入側ほど小さくしている微粒子の粒子径の分布を設計することで、設計した粒子径の分布位置に対応して吸収波長が設計できる。したがって、分光器を用いる必要がなく、この点でも、小型化が可能となる。
【００５１】
また、本実施の形態では、ｙ軸に対して垂直となっている方向であれば、信号光はどの方向から入射してもよいので、信号光の入射方向の自由度をより高くすることができる。このため、光３次元スイッチが実現可能となる。
【００５２】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、制御光の導入方向に沿って粒子径の大きさを４段階に変化させる例を示したが、これに限るものではない。オン・オフ対象の波長の数に対応させて、粒子径を各々異なる大きさに分割すればよい。例えば、制御光の導入方向に沿って粒子径の大きさを３段階に変化させてもよく、制御光の導入方向に沿って粒子径の大きさを５段階に変化させてもよい。
【００５３】
また例えば、母体として用いるガラスは、ソーダガラスに限るものではなく、石英ガラスなどの他のガラスでもよい。また、母体は、ＺｎＯ，ＧａＮ，およびＢＮから構成することもできる。これら材料を用いる場合においても、母体はアモルファスなど非晶質状態の材料から構成するとよい。
【００５４】
また、微結晶は、ＣｄＳＳｅに限らず、亜鉛，カドミウム，硫黄，セレン，テルル，およびマンガンの中より選択された元素の化合物からなる半導体であればよい。また、微結晶は、インジウム，ガリウム，窒素，砒素，およびリンの中より選択された化合物からなる半導体で構成してもよい。
【００５５】
また、微結晶の表面におけるキャリアの再結合の状態は、微結晶表面のダングリングボンドの状態（数）によって影響を受ける。従って、微結晶表面のダングリングボンドの状態を制御することで、光素子（母体）における光学特性を制御することができる。例えば、微結晶の表面にあるダングリングボンドを水素あるいは酸素で終端することで、微結晶の表面状態を制御すればよい。終端したダングリングボンドの割合により、光学特性を制御することができる。この終端は、例えば、微結晶が形成されている母体（光素子）を水素雰囲気中で加熱すればよい。
【符号の説明】
【００５６】
１００…光素子、１０１…母体、１０２ａ〜１０２ｄ…微結晶、１０３…制御光照射部、１１１…制御光、１１２…信号光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる複数の微結晶が分散している母体から構成された光素子と、
前記光素子に制御光を照射する制御光照射手段と
を少なくとも備え、
前記母体は、前記半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成され、
複数の前記微結晶は、前記制御光の導入方向に沿って前記制御光の導入側ほど粒子径が小さくされ、前記制御光の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされ、
前記制御光の導入側より最も離れた箇所の前記光素子に分布する複数の前記微結晶の粒子径は、前記微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記母体は、前記制御光の導入方向に延在する円筒形状に形成されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光スイッチにおいて、
前記微結晶は、水素もしくは酸素により終端されたダングリングボンドを備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１】
半導体からなる複数の微結晶が分散している母体から構成された光素子と、
前記光素子に制御光を照射する制御光照射手段と
を少なくとも備え、
前記母体は、前記半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成され、
複数の前記微結晶は、前記制御光の導入方向に沿って前記制御光の導入側ほど粒子径が小さくされ、前記制御光の導入方向に垂直な面内では粒子径が均一な状態とされ、
前記制御光の導入側より最も離れた箇所の前記光素子に分布する複数の前記微結晶の粒子径は、前記微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記母体は、前記制御光の導入方向に延在する円筒形状に形成されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光スイッチにおいて、
前記微結晶は、水素もしくは酸素により終端されたダングリングボンドを備えることを特徴とする光スイッチ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【公開番号】特開２０１１−２５７５８２（Ｐ２０１１−２５７５８２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３１７６５（Ｐ２０１０−１３１７６５）
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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