光フィルター、光スイッチ、光フィルタリング方法および光スイッチング方法
【課題】分子一個であっても動作可能で、同時多波長処理および広帯域動作が可能な小型の高速光フィルターを提供する。
【解決手段】光フィルターは、入射する光に共鳴する２準位を有する半導体１１と、制御光である第１光パルス３および第２光パルス４を半導体１１に照射して、半導体１１の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置１と、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する信号光発生装置２を備える。制御光発生装置１と信号光発生装置２とは、第３光パルスが半導体１１に入射する時間において、ブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと、第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系半導体１１の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、第１、第２、第３光パルスを制御する。
【解決手段】光フィルターは、入射する光に共鳴する２準位を有する半導体１１と、制御光である第１光パルス３および第２光パルス４を半導体１１に照射して、半導体１１の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置１と、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する信号光発生装置２を備える。制御光発生装置１と信号光発生装置２とは、第３光パルスが半導体１１に入射する時間において、ブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと、第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系半導体１１の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、第１、第２、第３光パルスを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用光ネットワーク、光通信用回路、光制御用光回路、生体センサー、あるいは生体光信号処理のための光素子に給する、フェムト秒の時間領域で高速動作が可能な高効率、低電力の光フィルターおよび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を念頭に置いた光通信用光ネットワーク、光通信用回路、光制御用光回路のための光機能素子においては、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、周波数でＧＨｚ以上、時間領域でピコ秒領域での高速動作が必要とされる（特許文献１参照）。また、将来の大容量なデータ転送に向け駆動電力を低減させることが極めて重要である。
【０００３】
光励起したキャリアは、キャリア間の衝突や自然放出などの過程により消失する。キャリアの生成から消失までの時間をキャリア寿命と呼び、従来の光吸収による誘起キャリアによる光スイッチの動作時間は、一般にキャリア寿命で制限され、その高速化には限界があった。またキャリアの再結合は、キャリア間の衝突や熱放出などのエネルギー放出を伴う熱力学的な寄与も生じ、これらの素過程が寄与するキャリア寿命を制御できれば、熱効率の良く発熱量の小さな低電力な光素子が実現できる。またサイズ効果を念頭においた、素子の小型化による省電力化も期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された従来のシリコンフォトニクスの光フィルターでは、将来の波長多重の情報処理に向けた同時多波長処理および広帯域動作を実現することが困難であるという問題点があった。また、従来の光フィルターでは、フェムト秒オーダーでの時間応答を実現することが困難であるという問題点があった。さらに、従来の光フィルターでは、分子一個レベルで動作するナノメーターサイズへ素子を小型化することが困難であるという問題点があった。
特許文献１に開示されているデバイスは光フィルターであるが、光フィルターと同様の問題は光スイッチにおいても発生する。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、分子一個であっても動作可能で、同時多波長処理および広帯域動作が可能な小型の高速光フィルターを提供することを目的とする。
また、本発明は、分子一個であっても動作可能で、同時多波長処理および広帯域動作が可能な小型の高速光スイッチ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】
本発明の光フィルターは、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とするものである。
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記２準位系物質は、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素のいずれかを含む半導体であり、前記第３光パルスの波長は、前記半導体の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とするものである。
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記２準位系物質は、酸化シリコンおよびシリコンで構成された光導波路中に分散して存在するナノメーターサイズの半導体微結晶であり、前記第３光パルスの波長は、前記半導体微結晶の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体微結晶の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とするものである。
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記制御光発生装置は、波長が異なる複数の前記第１光パルスおよび波長が異なる複数の前記第２光パルスを前記物質に同時に照射し、前記信号光発生装置は、波長が異なる複数の前記第３光パルスを前記物質に同時に照射することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の光スイッチは、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、スイッチオンの場合に前記条件を満たすように、あるいはスイッチオフの場合に前記条件を満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の光フィルタリング方法は、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の光スイッチング方法は、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第３光パルスが物質に入射する時間において、ブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと、第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、第１、第２、第３光パルスを制御することにより、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスにより信号光である第３光パルスの物質への透過特性を制御することができ、信号光に含まれるノイズ成分を低減したり、信号光を選択的に透過／遮断したりする光フィルターを実現することができる。本発明では、将来の波長多重の情報処理に適した同時多波長処理および広帯域動作が可能である。また、本発明では、フェムト秒のパルス幅の光パルスを第１光パルスおよび第２光パルスとして使用すれば、光フィルターのフェムト秒オーダーの時間応答を実現することができる。さらに、本発明では、光フィルターの使用波長に対応した共鳴吸収がある２準位を有する分子であれば、分子一個であってもフィルター動作を実現できるので、光フィルターを小型化することができる。
【００１３】
また、本発明では、波長が異なる複数の第１光パルスおよび波長が異なる複数の第２光パルスを物質に同時に照射し、波長が異なる複数の第３光パルスを物質に同時に照射することにより、多波長の信号光を同時にフィルタリング処理することが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、第３光パルスが物質に入射する時間において、ブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと、第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、第１、第２、第３光パルスを制御し、第３光パルスが物質に入射する時間において、トルクベクトルとブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、第１、第２、第３光パルスを制御することにより、光スイッチを実現することができる。本発明では、将来の波長多重の情報処理に適した同時多波長処理および広帯域動作が可能である。また、本発明では、フェムト秒のパルス幅の光パルスを第１光パルスおよび第２光パルスとして使用すれば、自然放出やキャリア間の衝突に因るキャリア寿命には制限されないフェムト秒オーダーの時間応答を実現することができる。さらに、本発明では、光スイッチの使用波長に対応した共鳴吸収がある２準位を有する分子であれば、分子一個であっても光スイッチ動作を実現できるので、高効率で低電力の小型の光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２準位系の量子状態の時間発展を説明する図である。
【図２】１つの光パルスによる２準位系のブロッホベクトルの時間変化を説明する図である。
【図３】物質に入射させる第１光パルスと第２光パルスの位相相関を説明する図である。
【図４】物質に入射させる第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスの位相相関を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係る光スイッチの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［発明の原理］
２準位系を励起するパルスとして共鳴的なＣＥＰ（Carrier-Envelope Phase）パルスを用い、これらのパルスの位相を適当に制御することで、ブロッホ球上において、トルクベクトルとブロッホベクトルを平行にできる。その結果、媒質の光伝播においてポピュレーション変化がなくなり、あたかも２準位系が透明媒質であるかのように光パルスが伝播することが理論的に知られている（参考文献「篠島弘幸，矢野隆治，中川一夫，“光パルス制御された２準位系における光パルス伝播現象”，日本物理学会２０１０秋季大会関係論文予稿集，２４ａＲＦ１０，２０１０」参照）。
【００１７】
本発明の光フィルターおよび光スイッチは、物質のエネルギー準位における２準位を３個の光パルスを用いて共鳴選択的に励起する。３個の光パルスは互いに、そのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とが制御されていて、その光との相互作用で２準位系に生じる分極の時間変化を制御する。２準位系に生じる分極の時間変化を制御することで、物質の量子状態の時間変化を制御する。具体的には、３本の光パルスのパルス面積と光強度と位相と時間間隔とを制御することにより、２準位系物質の量子状態を制御することができ、光パルス伝播において吸収のない物質の状態を作ることで、光パルスの透明な伝播を実現することができる。
【００１８】
この光フィルターおよび光スイッチの動作の応答時間は、入力光パルスの時間間隔で制限される。したがって、フェムト秒のパルス幅の光パルスを２準位系物質の励起パルスとして使用すれば、光フィルターおよび光スイッチの時間応答を光パルスのパルス幅まで高速化できる。また、光フィルターおよび光スイッチで用いる物質は、共鳴励起できる２準位を有するものであればよく、光フィルターおよび光スイッチを分子一個で実現することもできる。即ち、光フィルターおよび光スイッチに使用する波長に対応した共鳴吸収がある２準位を有する分子であれば、分子一個であっても光フィルター操作または光スイッチ操作を実現できる。以上の理論は上記の参考文献に既に開示されているので、以下、本発明の基となる理論について簡単に説明する。
【００１９】
２準位系の量子状態の時間発展は、シュレーディンガー（Shrodinger）方程式で記述される。図１のように２準位系に光が入射し、この光が２準位系に生じる分極と相互作用する場合、シュレーディンガー方程式は式（１）のようになる。ここで、Ψは２準位系の波動関数、Ｅ＝Ｅ0ｅ-ωtは入射光パルスの電場、Ｐ（＝ｅｒ）は入射光パルスの電場によって２準位系に生じる分極、Ω＝ε2−ε1は共鳴エネルギー（上準位と下準位のエネルギー差）、Ｔ1はエネルギー緩和時間、Ｔ2は位相緩和時間である。
【００２０】
【数１】
【００２１】
式（１）におけるｍは粒子の質量、∇2はラプラス演算子、バーｈはｈ／（２π）、ｈωｎ／（２π）は２準位系の各準位の固有エネルギーである（ｈはプランク定数、ｎ＝１、２）。式（１）を、上記の係数ｃ１，ｃ２で定義された式（２）のブロッホベクトルρと、式（２）の時間発展である式（３）のブロッホ方程式に書き換える。２準位系の状態の時間発展は、ブロッホベクトルという位相空間上の点の変化に書き換わる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
【数３】
【００２４】
式（２）におけるｃ1*，ｃ2*はそれぞれｃ1，ｃ2の共役複素数を表す。通常の１光パルスによるブロッホ方程式は以下のとおりである。ここでは、緩和項を無視している。Ｒはトルクベクトルである。
【００２５】
【数４】
【００２６】
通常の１光パルスによる共鳴励起の場合、トルクベクトルＲは１軸方向にしか成分がないので、ブロッホベクトルの時間変化は図２の矢印２０で示す１軸周りの回転として記述される。
【００２７】
一方で、図３に示すように、第１光パルス３０と第２光パルス３１の位相に、パルス時間間隔に比例するような位相相関φ21を持たせて、物質に入射させるとする。この場合のブロッホ方程式は式（５）のようになり、単純に２本の光パルスを系に入射させた場合に比べ、φ21による変調項が付加される。
【００２８】
【数５】
【００２９】
式（５）を解くと、ブロッホベクトルの時間発展は、以下のように３つの軸回り回転行列の積で記述される。
【００３０】
【数６】
【００３１】
式（６）におけるθ2は、第２光パルス３１のパルス面積である。一方、２準位系媒質の中においては、以下の式（７）のマクスウェル−ブロッホ（Maxwell-Bloch）の方程式に従って光パルスは伝播する。即ち、２準位系物質の量子状態は式（５）のブロッホ方程式で決まり、その２準位系物質中を伝播する光は式（７）のマクスウェル−ブロッホの方程式に従う。
【００３２】
【数７】
【００３３】
ここで、図４に示すように、第３光パルス３２の位相を第１光パルス３０と相関させる。第１光パルス３０と第３光パルス３２との位相相関をφ31とする。このとき、物質を伝播する信号光である第３光パルス３２の電場振幅を平面波とすると、マクスウェル−ブロッホの方程式は式（８）のようになる。
【００３４】
【数８】
【００３５】
式（８）では、均一拡がりの２準位系を対象としており、第３光パルス３２の光電場の電波振幅をＥ30（ｔ31，ｔ）としている。式（８）における（７）は、式（７）を表している。
式（８）を積分して解くと、式（９）となる。
【００３６】
【数９】
【００３７】
式（９）の第１項は電磁波のエネルギーを表し、第２項は２準位系が吸収または放出するエネルギーを表している。第２項が０ならば、光パルスにとって２準位系物質は透明な媒質となる。
式（９）の第２項を０にすることは、以下のようにブロッホベクトルとトルクベクトルＲが平行の時に実現できる。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
したがって、第１光パルス、第２光パルス、第３光パルスを、式（１０）の条件が満たされるように位相を制御して物質に入射させれば良い。
例えば、半導体の吸収端よりも短波長側の、物質の吸収が連続的となる波長領域を考える。この連続的な吸収の波長領域にある２準位間を共鳴励起できる３つの光パルスを考える。信号光である第三パルスが物質を透明に伝播するためには、式（１０）の条件を作れば良い。
【００４０】
制御するパラメターを、第１光パルスと第２光パルスの位相関係φ21、第１光パルスと第３光パルスの位相関係φ31、第２光パルスのパルス面積θとする。パルス面積がπ／２である第１光パルスで、２準位系物質のブロッホ状態を（０，０，−１）から（０，０，１）と変える。このブロッホ状態の変更は、第１光パルスのパルス面積がπ／２であれば常に可能である。
【００４１】
その後、２準位系物質のブロッホベクトルを３軸回りにθだけ回転させて、ブロッホベクトルをブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと平行（ベクトルの向きが同一方向の状態）または反平行（ベクトルの向きが逆方向の状態）にさせることを考える。２準位系物質のブロッホベクトルが第３光パルスのトルクベクトルと平行または反平行となるようにするためには、第２光パルス、第３光パルスについて以下の式（１１）の条件を満たすようにすればよい。
【００４２】
【数１１】
【００４３】
式（１１）では、第３光パルスのトルクベクトルＲ3を｜１’＞方向としている。式（１１）を満たすように位相関係φ21−φ31＝π／２±ｎπ（ｎは整数）を設定すれば、物質を伝播する第３光パルスは透明になる。このときの時間応答は、入射する光パルスの時間幅で決まり、フェムト秒領域での時間応答が可能である。エネルギー準位構造は例え連続的であっても、選択的に２準位が励起できればよく、物質の大きさは分子一個であってよい。
【００４４】
また、本発明の本質は、式（１０）の条件が成立、即ち、第３光パルスのトルクベクトルと２準位系物質のブロッホベクトルとが平行または反平行であれば、第３光パルスは物質を透明に伝播する。式（１１）の条件はその一つの方法を示したに過ぎない。以上のことから、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）の条件を満たすように、パルス面積と光強度と位相とパルス時間間隔とを制御することで、超高速、超小型の光フィルターおよび光スイッチを実現することができる。
【００４５】
ここでは、エネルギー緩和時間、位相緩和時間を無視したが、以上の議論は、これらの緩和過程を考慮しても変わらない。すなわち、パルス面積と光強度と位相とパルス時間間隔とを制御してφ21−φ31＝π／２±ｎπを満たした３個の光パルスを位相緩和時間、エネルギー緩和時間内に２準位系物質に入射させれば、位相緩和時間、エネルギー緩和時間に依存せず、第３光パルスは物質を透明に伝播する。エネルギー緩和時間は、キャリア寿命の２倍であり、従ってこのことは、本発明の光フィルターおよび光スイッチがキャリア寿命で制限されず、高速な動作が可能であることを示す。
【００４６】
また、位相緩和、エネルギー緩和の両緩和過程は、キャリア間の衝突や自然放出によって生じる熱放出を伴う緩和過程である。本発明の光フィルターおよび光スイッチは、位相緩和、エネルギー緩和によい系が緩和する前に動作完了させるため、熱放出を伴うエネルギー損失が少なく、高効率で低電力の光フィルターおよび光スイッチを実現することができる。例えば、キャリア寿命が１００ｐｓｅｃ（１０ＧＨｚ）であるとする。本発明の光フィルターおよび光スイッチに１００ｆｓｅｃのパルス幅の光パルスを使うとすると、その時間応答は１００ｆｓｅｃ程度であり、エネルギー緩和時間の１／２０００の時間で動作を完了する。エネルギー緩和過程おける熱損失が時間に比例するとすれば、本発明の光フィルターおよび光スイッチのエネルギー緩和過程おける熱損失は概ね１／２０００程度である。パルス幅の短い光パルスを用いることで、動作電力におけるこの熱効率はさらに向上が期待できる。
【００４７】
光信号は、非破壊な信号伝達の手段であり、生物生体領域では高速で広帯域なセンサーや信号処理で期待されている。本発明の光フィルターおよび光スイッチは、分子レベルで動作することから、生体系での光信号処理も可能であり、将来の生体領域における光信号処理に向けた光フィルターおよび光スイッチである。
【００４８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図５は本発明の第１の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。光フィルターは、２準位系物質である半導体１１と、制御光である第１光パルス３および第２光パルス４を半導体１１に照射する制御光発生装置１と、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する信号光発生装置２とから構成される。
【００４９】
半導体１１としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素などがある。図５におけるＬｘ，Ｌｙ，Ｌｚはそれぞれｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の半導体１１の大きさである。
【００５０】
伝播する信号光である第３光パルス５の波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとし、第３光パルス５の波長に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。また、図５に示すように、信号光である第３光パルス５に混じって、ノイズ光６が導波しているとする。
【００５１】
制御光発生装置１は、パルス面積がπ／２の第１光パルス３と、第２光パルス４とを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３と第２光パルス４との位相関係はφ21、第１光パルス３と第３光パルス５との位相関係はφ31であり、かつ第１光パルス３と第２光パルス４とは式（１１）を満たす。半導体１１の吸収領域は、連続準位であるが、選択的に励起することで２準位系として扱うことができる。
【００５２】
信号光発生装置２は、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する。半導体１１の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス以外のノイズ光６は、式（１１）を満たさないので、全て半導体１１に吸収され、半導体１１を透過しない。一方、半導体１１は、第１光パルス３と第２光パルス４によって量子状態制御され、第３光パルス５にとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５は、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００５３】
こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１と信号光発生装置２とを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御することで、信号光中のノイズ成分を低減する効果を奏する。
【００５４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。本実施の形態の光フィルターは、２準位系物質である半導体１１と、制御光発生装置１ａと、信号光発生装置２ａとから構成される。第１の実施の形態と同様に、伝播する信号光である第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとする。また、第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長λ１，λ２，λ３に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。
【００５５】
制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ａと、第２光パルス４ａとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとの位相関係はφ21、第１光パルス３ａと第３光パルス５ａとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとは、式（１１）を満たす。
【００５６】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ａを半導体１１に照射する。第３光パルス５ａは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００５７】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｂと、第２光パルス４ｂとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｂと第３光パルス５ｂとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとは、式（１１）を満たさない。
【００５８】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｂを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｂは、式（１１）を満たさない条件で半導体１１に入射するので、半導体１１に吸収され、半導体１１を透過しない。
【００５９】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｃと、第２光パルス４ｃとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｃと第３光パルス５ｃとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとは、式（１１）を満たす。
【００６０】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｃを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｃは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００６１】
以上のように、透明化の条件にあった波長λ１，λ３の第３光パルス５ａ，５ｃだけが半導体１１を透過する。こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１ａと信号光発生装置２ａとを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御したり、条件を満たさないように制御したりすることで、信号光である第３光パルスをフィルタリングする機能を実現することができる。
【００６２】
なお、上記の説明では光フィルターの動作を分かり易くするために、波長λ１，λ２，λ３の処理を別々に行っているが、本実施の形態の光フィルターでは、波長λ１，λ２，λ３の制御光および信号光を同時に照射して、複数の波長の信号光を同時にフィルタリング処理することが可能である。波長λ１，λ２，λ３の光を同時に照射する代わりに、これらの波長λ１，λ２，λ３を含む白色光を用いてもよい。
【００６３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。本実施の形態の光フィルターは、光導波路２１と、光導波路２１中に分散配置された２準位系物質である半導体微結晶２２と、制御光発生装置１ｂ，１ｃと、信号光発生装置２ｂ，２ｃとから構成される。
【００６４】
光導波路２１は、例えば、酸化シリコン、シリコンからなる。半導体微結晶２２は、ナノメーターサイズの結晶であり、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素などからなる。半導体微結晶２２のエネルギー構造は、微結晶サイズの二乗に反比例してその準位間隔が拡がり、ナノメーターサイズの微結晶では、選択するエネルギー準位を適宜選択することで、２準位系同様に扱ってよい。半導体微結晶２２の光吸収端は、伝播する信号光である光の波長よりも低エネルギー領域にある。したがって、信号光は、半導体微結晶２２で通常吸収される。
【００６５】
これに対して、本実施の形態の制御光発生装置１ｂは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｄと、第２光パルス４ｄとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｄと第３光パルス５ｄとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとは、式（１１）を満たす。
【００６６】
信号光発生装置２ｂは、信号光である第３光パルス５ｄを、第１光パルス３ｄおよび第２光パルス４ｄによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。半導体微結晶２２の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス以外のノイズ光６は、式（１１）を満たさないので、すべて半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。一方、半導体微結晶２２は、第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄによって量子状態制御され、第３光パルス５ｄにとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５ｄは、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００６７】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｅと、第２光パルス４ｅとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｅと第３光パルス５ｅとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとは、式（１１）を満たす。
【００６８】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ｅを、第１光パルス３ｅおよび第２光パルス４ｅによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｅは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００６９】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｆと、第２光パルス４ｆとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｆと第３光パルス５ｆとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとは、式（１１）を満たさない。
【００７０】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｆを、第１光パルス３ｆおよび第２光パルス４ｆによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｆは、式（１１）を満たさない条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。
【００７１】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｇと、第２光パルス４ｇとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｇと第３光パルス５ｇとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとは、式（１１）を満たす。
【００７２】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｇを、第１光パルス３ｇおよび第２光パルス４ｇによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｇは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００７３】
以上のように、透明化の条件にあった第３光パルス５ｄ，５ｅ，５ｇだけが半導体微結晶２２を透過する。こうして、本実施の形態では、信号光中のノイズ成分を低減することができる。
【００７４】
第２の実施の形態で説明したとおり、波長λ１，λ２，λ３の制御光および信号光を同時に照射してフィルタリング処理することも可能である。波長λ１，λ２，λ３の光を同時に照射する代わりに、波長λ１，λ２，λ３を含む白色光を用いてもよい。
【００７５】
半導体微結晶２２は、個々の大きさが異なった微結晶で、光導波路２１内に分布をもって分散して存在する。入射光パルスのビーム径が半導体微結晶２２のサイズより大きくても、ビーム径の中にある半導体微結晶２２で、励起条件に共鳴する準位構造を有する半導体微結晶２２だけが選択的に励起され、光フィルターが機能する。光導波路２１中に様々なサイズの半導体微結晶２２を分散させることで、励起条件に合う適当な微結晶を探して選択的に光パルス照射をする必要がなくなる。また、半導体微結晶２２によって異なった光フィルター機能を持たせることも可能であり、それぞれの半導体微結晶２２によって異なる処理を同時に実行することが可能である。
【００７６】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は光スイッチに関するものである。本実施の形態の光スイッチの構成は、第１の実施の形態の光フィルターの構成と同様であるので、図５を用いて説明する。
第１の実施の形態と同様に、伝播する信号光である第３光パルス５の波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとし、第３光パルス５の波長に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。
【００７７】
制御光発生装置１は、パルス面積がπ／２の第１光パルス３と、第２光パルス４とを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３と第２光パルス４との位相関係はφ21、第１光パルス３と第３光パルス５との位相関係はφ31であり、かつ第１光パルス３と第２光パルス４とは式（１１）を満たす。半導体１１の吸収領域は、連続準位であるが、選択的に励起することで２準位系として扱うことができる。
【００７８】
信号光発生装置２は、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する。半導体１１は、第１光パルス３と第２光パルス４によって量子状態制御され、第３光パルス５にとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５は、半導体１１の吸収領域にあっても、吸収されず、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００７９】
次に、制御光発生装置１が第１光パルス３と第２光パルス４の時間間隔を変化させると、φ21−φ31＝π／２±ｎπの条件を満たさなくなり、半導体１１の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス５は、吸収されながら半導体１１中を伝播するので、半導体１１を透過しない。吸収されずに半導体１１を透過する場合と透過しない場合とでは、第３光パルス５の強度に大きな差がでるので、本実施の形態は光スイッチとして動作していることになる。
【００８０】
こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１と信号光発生装置２とを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御したり、条件を満たさないように制御したりすることで、光スイッチ動作を実現することができる。本実施の形態では、エネルギー緩和時間およびキャリア寿命より短いパルス幅の光パルスを用いることで、高速で高効率な光スイッチを実現することができる。
【００８１】
なお、第１、第４の実施の形態においては、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスと信号光である第３光パルスとが同軸ではないが、制御光と信号光とは同軸であっても良い。
【００８２】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態の光スイッチの構成は、第２の実施の形態の光フィルターの構成と同様であるので、図６を用いて説明する。
第１の実施の形態と同様に、伝播する信号光である第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとする。また、第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長λ１，λ２，λ３に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。
【００８３】
制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ａと、第２光パルス４ａとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとの位相関係はφ21、第１光パルス３ａと第３光パルス５ａとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとは、式（１１）を満たす。
【００８４】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ａを半導体１１に照射する。第３光パルス５ａは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００８５】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｂと、第２光パルス４ｂとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｂと第３光パルス５ｂとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとは、式（１１）を満たさない。
【００８６】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｂを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｂは、式（１１）を満たさない条件で半導体１１に入射するので、半導体１１に吸収され、半導体１１を透過しない。
【００８７】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｃと、第２光パルス４ｃとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｃと第３光パルス５ｃとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとは、式（１１）を満たす。
【００８８】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｃを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｃは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００８９】
以上のように、透過させたい波長について、選択的に、３個の光パルスを式（１０）、式（１１）の条件を満たすように半導体１１に入射させれば良い。図６の例では、透明化の条件にあった波長λ１，λ３の第３光パルス５ａ，５ｃだけが半導体１１を透過する。こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１ａと信号光発生装置２ａとを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御したり、条件を満たさないように制御したりすることで、高速な波長多重スイッチ動作を実現することができる。
【００９０】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図８は本発明の第６の実施の形態に係る光スイッチの構成を示す図である。本実施の形態の光スイッチの構成は、第３の実施の形態の光フィルターの構成と同様であるので、図７の符号を用いて説明する。
光導波路２１は、例えば、酸化シリコン、シリコンからなる。半導体微結晶２２は、ナノメーターサイズの結晶である。半導体微結晶２２のエネルギー構造は、微結晶サイズの二乗に反比例してその準位間隔が拡がり、ナノメーターサイズの微結晶では、選択するエネルギー準位を適宜選択することで、２準位系同様に扱ってよい。半導体微結晶２２の光吸収端は、伝播する信号光である光の波長よりも低エネルギー領域にある。したがって、信号光は、半導体微結晶２２で通常吸収される。
【００９１】
制御光発生装置１ｂは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｄと、第２光パルス４ｄとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｄと第３光パルス５ｄとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとは、式（１１）を満たす。
【００９２】
信号光発生装置２ｂは、信号光である第３光パルス５ｄを、第１光パルス３ｄおよび第２光パルス４ｄによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。半導体微結晶２２は、第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄによって量子状態制御され、第３光パルス５ｄにとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５ｄは、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００９３】
制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｅと、第２光パルス４ｅとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｅと第３光パルス５ｅとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとは、式（１１）を満たす。
【００９４】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ｅを、第１光パルス３ｅおよび第２光パルス４ｅによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｅは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００９５】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｆと、第２光パルス４ｆとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｆと第３光パルス５ｆとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとは、式（１１）を満たさない。
【００９６】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｆを、第１光パルス３ｆおよび第２光パルス４ｆによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｆは、式（１１）を満たさない条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。
【００９７】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｇと、第２光パルス４ｇとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｇと第３光パルス５ｇとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとは、式（１１）を満たす。
【００９８】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｇを、第１光パルス３ｇおよび第２光パルス４ｇによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｇは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００９９】
以上のように、透明化の条件にあった第３光パルス５ｄ，５ｅ，５ｇだけが半導体微結晶２２を透過する。半導体微結晶２２の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス以外の光は、式（１１）を満たさないので、すべて半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。ここで、真の信号光に併せて近傍に偽の光パルスを伝播させることを考える。図８の例では、信号光発生装置２ｂは、真の信号光である第３光パルス５ｄを半導体微結晶２２に照射すると共に、第３光パルス５ｄの近傍のタイミングで偽の光パルス７を半導体微結晶２２に照射する。
【０１００】
上記のとおり、式（１１）の条件を満たす真の信号光である第３光パルス５ｄは、第１光パルス３ｄおよび第２光パルス４ｄによって共鳴励起された半導体微結晶２２を透過する。一方、偽の光パルス７は、式（１１）の条件を満たさないので、半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。式（１１）の条件はブロッホベクトルとトルクベクトルとを平行か反平行にする条件の一例であり、この条件を秘匿すれば、真偽併せて並んだ複数の光パルスの中での真偽を秘匿することができ、望む信号だけを透過させる光スイッチを実現することができる。
【０１０１】
第３の実施の形態で説明したとおり、波長λ１，λ２，λ３の制御光および信号光を同時に照射してスイッチング処理することも可能である。波長λ１，λ２，λ３の光を同時に照射する代わりに、波長λ１，λ２，λ３を含む白色光を用いてもよい。
【０１０２】
半導体微結晶２２は、個々の大きさが異なった微結晶で、光導波路２１内に分布をもって分散して存在する。入射光パルスのビーム径が半導体微結晶２２のサイズより大きくても、ビーム径の中にある半導体微結晶２２で、励起条件に共鳴する準位構造を有する半導体微結晶２２だけが選択的に励起され、光スイッチが機能する。光導波路２１中に様々なサイズの半導体微結晶２２を分散させることで、上で述べた光スイッチ動作を、期待する波長において行うことができる。
【０１０３】
なお、第１〜第３の実施の形態の光フィルターおよび第４〜第６の実施の形態の光スイッチにおいて、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システィン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、ブロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリンのアミノ酸、オリゴ糖、デオキシ糖、ウロン酸、アミノ糖、糖アルコール、ラクトン、でんぷん、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、ペクチン、グルコマンナンの糖類からなる物質の光吸収領域の波長帯を前記光パルスの波長として用いてもよく、光導波路の材料として用いてもよい。
【０１０４】
光導波路に吸収特性の異なった２準位系物質としてアラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システィン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、ブロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリンのアミノ酸、オリゴ糖、デオキシ糖、ウロン酸、アミノ糖、糖アルコール、ラクトン、でんぷん、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、ペクチン、グルコマンナンの糖類からなる物質を分散させてもよい。
【０１０５】
また、第１〜第６の実施の形態では、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスの波長について詳細に説明していないが、第１光パルスおよび第２光パルスの波長を特に規定する必要はない。すなわち、第１光パルスおよび第２光パルスの波長は、信号光である第３光パルスの波長と同じでもよいし、異なっていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、光通信用光ネットワーク、光通信用回路、光制御用光回路、生体センサー、あるいは生体光信号処理のための光フィルターあるいは光スイッチに適用することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１，１ａ〜１ｃ…制御光発生装置、２，２ａ〜２ｃ…信号光発生装置、３，３ａ〜３ｇ…第１光パルス、４，４ａ〜４ｇ…第２光パルス、５，５ａ〜５ｇ…第３光パルス、２１…光導波路、２２…半導体微結晶。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用光ネットワーク、光通信用回路、光制御用光回路、生体センサー、あるいは生体光信号処理のための光素子に給する、フェムト秒の時間領域で高速動作が可能な高効率、低電力の光フィルターおよび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を念頭に置いた光通信用光ネットワーク、光通信用回路、光制御用光回路のための光機能素子においては、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、周波数でＧＨｚ以上、時間領域でピコ秒領域での高速動作が必要とされる（特許文献１参照）。また、将来の大容量なデータ転送に向け駆動電力を低減させることが極めて重要である。
【０００３】
光励起したキャリアは、キャリア間の衝突や自然放出などの過程により消失する。キャリアの生成から消失までの時間をキャリア寿命と呼び、従来の光吸収による誘起キャリアによる光スイッチの動作時間は、一般にキャリア寿命で制限され、その高速化には限界があった。またキャリアの再結合は、キャリア間の衝突や熱放出などのエネルギー放出を伴う熱力学的な寄与も生じ、これらの素過程が寄与するキャリア寿命を制御できれば、熱効率の良く発熱量の小さな低電力な光素子が実現できる。またサイズ効果を念頭においた、素子の小型化による省電力化も期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された従来のシリコンフォトニクスの光フィルターでは、将来の波長多重の情報処理に向けた同時多波長処理および広帯域動作を実現することが困難であるという問題点があった。また、従来の光フィルターでは、フェムト秒オーダーでの時間応答を実現することが困難であるという問題点があった。さらに、従来の光フィルターでは、分子一個レベルで動作するナノメーターサイズへ素子を小型化することが困難であるという問題点があった。
特許文献１に開示されているデバイスは光フィルターであるが、光フィルターと同様の問題は光スイッチにおいても発生する。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、分子一個であっても動作可能で、同時多波長処理および広帯域動作が可能な小型の高速光フィルターを提供することを目的とする。
また、本発明は、分子一個であっても動作可能で、同時多波長処理および広帯域動作が可能な小型の高速光スイッチ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】
本発明の光フィルターは、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とするものである。
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記２準位系物質は、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素のいずれかを含む半導体であり、前記第３光パルスの波長は、前記半導体の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とするものである。
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記２準位系物質は、酸化シリコンおよびシリコンで構成された光導波路中に分散して存在するナノメーターサイズの半導体微結晶であり、前記第３光パルスの波長は、前記半導体微結晶の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体微結晶の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とするものである。
また、本発明の光フィルターの１構成例において、前記制御光発生装置は、波長が異なる複数の前記第１光パルスおよび波長が異なる複数の前記第２光パルスを前記物質に同時に照射し、前記信号光発生装置は、波長が異なる複数の前記第３光パルスを前記物質に同時に照射することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の光スイッチは、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、スイッチオンの場合に前記条件を満たすように、あるいはスイッチオフの場合に前記条件を満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の光フィルタリング方法は、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の光スイッチング方法は、入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第３光パルスが物質に入射する時間において、ブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと、第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、第１、第２、第３光パルスを制御することにより、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスにより信号光である第３光パルスの物質への透過特性を制御することができ、信号光に含まれるノイズ成分を低減したり、信号光を選択的に透過／遮断したりする光フィルターを実現することができる。本発明では、将来の波長多重の情報処理に適した同時多波長処理および広帯域動作が可能である。また、本発明では、フェムト秒のパルス幅の光パルスを第１光パルスおよび第２光パルスとして使用すれば、光フィルターのフェムト秒オーダーの時間応答を実現することができる。さらに、本発明では、光フィルターの使用波長に対応した共鳴吸収がある２準位を有する分子であれば、分子一個であってもフィルター動作を実現できるので、光フィルターを小型化することができる。
【００１３】
また、本発明では、波長が異なる複数の第１光パルスおよび波長が異なる複数の第２光パルスを物質に同時に照射し、波長が異なる複数の第３光パルスを物質に同時に照射することにより、多波長の信号光を同時にフィルタリング処理することが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、第３光パルスが物質に入射する時間において、ブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと、第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、第１、第２、第３光パルスを制御し、第３光パルスが物質に入射する時間において、トルクベクトルとブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、第１、第２、第３光パルスを制御することにより、光スイッチを実現することができる。本発明では、将来の波長多重の情報処理に適した同時多波長処理および広帯域動作が可能である。また、本発明では、フェムト秒のパルス幅の光パルスを第１光パルスおよび第２光パルスとして使用すれば、自然放出やキャリア間の衝突に因るキャリア寿命には制限されないフェムト秒オーダーの時間応答を実現することができる。さらに、本発明では、光スイッチの使用波長に対応した共鳴吸収がある２準位を有する分子であれば、分子一個であっても光スイッチ動作を実現できるので、高効率で低電力の小型の光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２準位系の量子状態の時間発展を説明する図である。
【図２】１つの光パルスによる２準位系のブロッホベクトルの時間変化を説明する図である。
【図３】物質に入射させる第１光パルスと第２光パルスの位相相関を説明する図である。
【図４】物質に入射させる第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスの位相相関を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係る光スイッチの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［発明の原理］
２準位系を励起するパルスとして共鳴的なＣＥＰ（Carrier-Envelope Phase）パルスを用い、これらのパルスの位相を適当に制御することで、ブロッホ球上において、トルクベクトルとブロッホベクトルを平行にできる。その結果、媒質の光伝播においてポピュレーション変化がなくなり、あたかも２準位系が透明媒質であるかのように光パルスが伝播することが理論的に知られている（参考文献「篠島弘幸，矢野隆治，中川一夫，“光パルス制御された２準位系における光パルス伝播現象”，日本物理学会２０１０秋季大会関係論文予稿集，２４ａＲＦ１０，２０１０」参照）。
【００１７】
本発明の光フィルターおよび光スイッチは、物質のエネルギー準位における２準位を３個の光パルスを用いて共鳴選択的に励起する。３個の光パルスは互いに、そのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とが制御されていて、その光との相互作用で２準位系に生じる分極の時間変化を制御する。２準位系に生じる分極の時間変化を制御することで、物質の量子状態の時間変化を制御する。具体的には、３本の光パルスのパルス面積と光強度と位相と時間間隔とを制御することにより、２準位系物質の量子状態を制御することができ、光パルス伝播において吸収のない物質の状態を作ることで、光パルスの透明な伝播を実現することができる。
【００１８】
この光フィルターおよび光スイッチの動作の応答時間は、入力光パルスの時間間隔で制限される。したがって、フェムト秒のパルス幅の光パルスを２準位系物質の励起パルスとして使用すれば、光フィルターおよび光スイッチの時間応答を光パルスのパルス幅まで高速化できる。また、光フィルターおよび光スイッチで用いる物質は、共鳴励起できる２準位を有するものであればよく、光フィルターおよび光スイッチを分子一個で実現することもできる。即ち、光フィルターおよび光スイッチに使用する波長に対応した共鳴吸収がある２準位を有する分子であれば、分子一個であっても光フィルター操作または光スイッチ操作を実現できる。以上の理論は上記の参考文献に既に開示されているので、以下、本発明の基となる理論について簡単に説明する。
【００１９】
２準位系の量子状態の時間発展は、シュレーディンガー（Shrodinger）方程式で記述される。図１のように２準位系に光が入射し、この光が２準位系に生じる分極と相互作用する場合、シュレーディンガー方程式は式（１）のようになる。ここで、Ψは２準位系の波動関数、Ｅ＝Ｅ0ｅ-ωtは入射光パルスの電場、Ｐ（＝ｅｒ）は入射光パルスの電場によって２準位系に生じる分極、Ω＝ε2−ε1は共鳴エネルギー（上準位と下準位のエネルギー差）、Ｔ1はエネルギー緩和時間、Ｔ2は位相緩和時間である。
【００２０】
【数１】
【００２１】
式（１）におけるｍは粒子の質量、∇2はラプラス演算子、バーｈはｈ／（２π）、ｈωｎ／（２π）は２準位系の各準位の固有エネルギーである（ｈはプランク定数、ｎ＝１、２）。式（１）を、上記の係数ｃ１，ｃ２で定義された式（２）のブロッホベクトルρと、式（２）の時間発展である式（３）のブロッホ方程式に書き換える。２準位系の状態の時間発展は、ブロッホベクトルという位相空間上の点の変化に書き換わる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
【数３】
【００２４】
式（２）におけるｃ1*，ｃ2*はそれぞれｃ1，ｃ2の共役複素数を表す。通常の１光パルスによるブロッホ方程式は以下のとおりである。ここでは、緩和項を無視している。Ｒはトルクベクトルである。
【００２５】
【数４】
【００２６】
通常の１光パルスによる共鳴励起の場合、トルクベクトルＲは１軸方向にしか成分がないので、ブロッホベクトルの時間変化は図２の矢印２０で示す１軸周りの回転として記述される。
【００２７】
一方で、図３に示すように、第１光パルス３０と第２光パルス３１の位相に、パルス時間間隔に比例するような位相相関φ21を持たせて、物質に入射させるとする。この場合のブロッホ方程式は式（５）のようになり、単純に２本の光パルスを系に入射させた場合に比べ、φ21による変調項が付加される。
【００２８】
【数５】
【００２９】
式（５）を解くと、ブロッホベクトルの時間発展は、以下のように３つの軸回り回転行列の積で記述される。
【００３０】
【数６】
【００３１】
式（６）におけるθ2は、第２光パルス３１のパルス面積である。一方、２準位系媒質の中においては、以下の式（７）のマクスウェル−ブロッホ（Maxwell-Bloch）の方程式に従って光パルスは伝播する。即ち、２準位系物質の量子状態は式（５）のブロッホ方程式で決まり、その２準位系物質中を伝播する光は式（７）のマクスウェル−ブロッホの方程式に従う。
【００３２】
【数７】
【００３３】
ここで、図４に示すように、第３光パルス３２の位相を第１光パルス３０と相関させる。第１光パルス３０と第３光パルス３２との位相相関をφ31とする。このとき、物質を伝播する信号光である第３光パルス３２の電場振幅を平面波とすると、マクスウェル−ブロッホの方程式は式（８）のようになる。
【００３４】
【数８】
【００３５】
式（８）では、均一拡がりの２準位系を対象としており、第３光パルス３２の光電場の電波振幅をＥ30（ｔ31，ｔ）としている。式（８）における（７）は、式（７）を表している。
式（８）を積分して解くと、式（９）となる。
【００３６】
【数９】
【００３７】
式（９）の第１項は電磁波のエネルギーを表し、第２項は２準位系が吸収または放出するエネルギーを表している。第２項が０ならば、光パルスにとって２準位系物質は透明な媒質となる。
式（９）の第２項を０にすることは、以下のようにブロッホベクトルとトルクベクトルＲが平行の時に実現できる。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
したがって、第１光パルス、第２光パルス、第３光パルスを、式（１０）の条件が満たされるように位相を制御して物質に入射させれば良い。
例えば、半導体の吸収端よりも短波長側の、物質の吸収が連続的となる波長領域を考える。この連続的な吸収の波長領域にある２準位間を共鳴励起できる３つの光パルスを考える。信号光である第三パルスが物質を透明に伝播するためには、式（１０）の条件を作れば良い。
【００４０】
制御するパラメターを、第１光パルスと第２光パルスの位相関係φ21、第１光パルスと第３光パルスの位相関係φ31、第２光パルスのパルス面積θとする。パルス面積がπ／２である第１光パルスで、２準位系物質のブロッホ状態を（０，０，−１）から（０，０，１）と変える。このブロッホ状態の変更は、第１光パルスのパルス面積がπ／２であれば常に可能である。
【００４１】
その後、２準位系物質のブロッホベクトルを３軸回りにθだけ回転させて、ブロッホベクトルをブロッホ空間における第３光パルスのトルクベクトルと平行（ベクトルの向きが同一方向の状態）または反平行（ベクトルの向きが逆方向の状態）にさせることを考える。２準位系物質のブロッホベクトルが第３光パルスのトルクベクトルと平行または反平行となるようにするためには、第２光パルス、第３光パルスについて以下の式（１１）の条件を満たすようにすればよい。
【００４２】
【数１１】
【００４３】
式（１１）では、第３光パルスのトルクベクトルＲ3を｜１’＞方向としている。式（１１）を満たすように位相関係φ21−φ31＝π／２±ｎπ（ｎは整数）を設定すれば、物質を伝播する第３光パルスは透明になる。このときの時間応答は、入射する光パルスの時間幅で決まり、フェムト秒領域での時間応答が可能である。エネルギー準位構造は例え連続的であっても、選択的に２準位が励起できればよく、物質の大きさは分子一個であってよい。
【００４４】
また、本発明の本質は、式（１０）の条件が成立、即ち、第３光パルスのトルクベクトルと２準位系物質のブロッホベクトルとが平行または反平行であれば、第３光パルスは物質を透明に伝播する。式（１１）の条件はその一つの方法を示したに過ぎない。以上のことから、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）の条件を満たすように、パルス面積と光強度と位相とパルス時間間隔とを制御することで、超高速、超小型の光フィルターおよび光スイッチを実現することができる。
【００４５】
ここでは、エネルギー緩和時間、位相緩和時間を無視したが、以上の議論は、これらの緩和過程を考慮しても変わらない。すなわち、パルス面積と光強度と位相とパルス時間間隔とを制御してφ21−φ31＝π／２±ｎπを満たした３個の光パルスを位相緩和時間、エネルギー緩和時間内に２準位系物質に入射させれば、位相緩和時間、エネルギー緩和時間に依存せず、第３光パルスは物質を透明に伝播する。エネルギー緩和時間は、キャリア寿命の２倍であり、従ってこのことは、本発明の光フィルターおよび光スイッチがキャリア寿命で制限されず、高速な動作が可能であることを示す。
【００４６】
また、位相緩和、エネルギー緩和の両緩和過程は、キャリア間の衝突や自然放出によって生じる熱放出を伴う緩和過程である。本発明の光フィルターおよび光スイッチは、位相緩和、エネルギー緩和によい系が緩和する前に動作完了させるため、熱放出を伴うエネルギー損失が少なく、高効率で低電力の光フィルターおよび光スイッチを実現することができる。例えば、キャリア寿命が１００ｐｓｅｃ（１０ＧＨｚ）であるとする。本発明の光フィルターおよび光スイッチに１００ｆｓｅｃのパルス幅の光パルスを使うとすると、その時間応答は１００ｆｓｅｃ程度であり、エネルギー緩和時間の１／２０００の時間で動作を完了する。エネルギー緩和過程おける熱損失が時間に比例するとすれば、本発明の光フィルターおよび光スイッチのエネルギー緩和過程おける熱損失は概ね１／２０００程度である。パルス幅の短い光パルスを用いることで、動作電力におけるこの熱効率はさらに向上が期待できる。
【００４７】
光信号は、非破壊な信号伝達の手段であり、生物生体領域では高速で広帯域なセンサーや信号処理で期待されている。本発明の光フィルターおよび光スイッチは、分子レベルで動作することから、生体系での光信号処理も可能であり、将来の生体領域における光信号処理に向けた光フィルターおよび光スイッチである。
【００４８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図５は本発明の第１の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。光フィルターは、２準位系物質である半導体１１と、制御光である第１光パルス３および第２光パルス４を半導体１１に照射する制御光発生装置１と、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する信号光発生装置２とから構成される。
【００４９】
半導体１１としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素などがある。図５におけるＬｘ，Ｌｙ，Ｌｚはそれぞれｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の半導体１１の大きさである。
【００５０】
伝播する信号光である第３光パルス５の波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとし、第３光パルス５の波長に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。また、図５に示すように、信号光である第３光パルス５に混じって、ノイズ光６が導波しているとする。
【００５１】
制御光発生装置１は、パルス面積がπ／２の第１光パルス３と、第２光パルス４とを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３と第２光パルス４との位相関係はφ21、第１光パルス３と第３光パルス５との位相関係はφ31であり、かつ第１光パルス３と第２光パルス４とは式（１１）を満たす。半導体１１の吸収領域は、連続準位であるが、選択的に励起することで２準位系として扱うことができる。
【００５２】
信号光発生装置２は、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する。半導体１１の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス以外のノイズ光６は、式（１１）を満たさないので、全て半導体１１に吸収され、半導体１１を透過しない。一方、半導体１１は、第１光パルス３と第２光パルス４によって量子状態制御され、第３光パルス５にとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５は、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００５３】
こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１と信号光発生装置２とを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御することで、信号光中のノイズ成分を低減する効果を奏する。
【００５４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。本実施の形態の光フィルターは、２準位系物質である半導体１１と、制御光発生装置１ａと、信号光発生装置２ａとから構成される。第１の実施の形態と同様に、伝播する信号光である第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとする。また、第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長λ１，λ２，λ３に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。
【００５５】
制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ａと、第２光パルス４ａとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとの位相関係はφ21、第１光パルス３ａと第３光パルス５ａとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとは、式（１１）を満たす。
【００５６】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ａを半導体１１に照射する。第３光パルス５ａは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００５７】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｂと、第２光パルス４ｂとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｂと第３光パルス５ｂとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとは、式（１１）を満たさない。
【００５８】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｂを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｂは、式（１１）を満たさない条件で半導体１１に入射するので、半導体１１に吸収され、半導体１１を透過しない。
【００５９】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｃと、第２光パルス４ｃとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｃと第３光パルス５ｃとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとは、式（１１）を満たす。
【００６０】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｃを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｃは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００６１】
以上のように、透明化の条件にあった波長λ１，λ３の第３光パルス５ａ，５ｃだけが半導体１１を透過する。こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１ａと信号光発生装置２ａとを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御したり、条件を満たさないように制御したりすることで、信号光である第３光パルスをフィルタリングする機能を実現することができる。
【００６２】
なお、上記の説明では光フィルターの動作を分かり易くするために、波長λ１，λ２，λ３の処理を別々に行っているが、本実施の形態の光フィルターでは、波長λ１，λ２，λ３の制御光および信号光を同時に照射して、複数の波長の信号光を同時にフィルタリング処理することが可能である。波長λ１，λ２，λ３の光を同時に照射する代わりに、これらの波長λ１，λ２，λ３を含む白色光を用いてもよい。
【００６３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係る光フィルターの構成を示す図である。本実施の形態の光フィルターは、光導波路２１と、光導波路２１中に分散配置された２準位系物質である半導体微結晶２２と、制御光発生装置１ｂ，１ｃと、信号光発生装置２ｂ，２ｃとから構成される。
【００６４】
光導波路２１は、例えば、酸化シリコン、シリコンからなる。半導体微結晶２２は、ナノメーターサイズの結晶であり、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素などからなる。半導体微結晶２２のエネルギー構造は、微結晶サイズの二乗に反比例してその準位間隔が拡がり、ナノメーターサイズの微結晶では、選択するエネルギー準位を適宜選択することで、２準位系同様に扱ってよい。半導体微結晶２２の光吸収端は、伝播する信号光である光の波長よりも低エネルギー領域にある。したがって、信号光は、半導体微結晶２２で通常吸収される。
【００６５】
これに対して、本実施の形態の制御光発生装置１ｂは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｄと、第２光パルス４ｄとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｄと第３光パルス５ｄとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとは、式（１１）を満たす。
【００６６】
信号光発生装置２ｂは、信号光である第３光パルス５ｄを、第１光パルス３ｄおよび第２光パルス４ｄによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。半導体微結晶２２の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス以外のノイズ光６は、式（１１）を満たさないので、すべて半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。一方、半導体微結晶２２は、第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄによって量子状態制御され、第３光パルス５ｄにとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５ｄは、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００６７】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｅと、第２光パルス４ｅとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｅと第３光パルス５ｅとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとは、式（１１）を満たす。
【００６８】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ｅを、第１光パルス３ｅおよび第２光パルス４ｅによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｅは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００６９】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｆと、第２光パルス４ｆとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｆと第３光パルス５ｆとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとは、式（１１）を満たさない。
【００７０】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｆを、第１光パルス３ｆおよび第２光パルス４ｆによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｆは、式（１１）を満たさない条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。
【００７１】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｇと、第２光パルス４ｇとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｇと第３光パルス５ｇとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとは、式（１１）を満たす。
【００７２】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｇを、第１光パルス３ｇおよび第２光パルス４ｇによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｇは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００７３】
以上のように、透明化の条件にあった第３光パルス５ｄ，５ｅ，５ｇだけが半導体微結晶２２を透過する。こうして、本実施の形態では、信号光中のノイズ成分を低減することができる。
【００７４】
第２の実施の形態で説明したとおり、波長λ１，λ２，λ３の制御光および信号光を同時に照射してフィルタリング処理することも可能である。波長λ１，λ２，λ３の光を同時に照射する代わりに、波長λ１，λ２，λ３を含む白色光を用いてもよい。
【００７５】
半導体微結晶２２は、個々の大きさが異なった微結晶で、光導波路２１内に分布をもって分散して存在する。入射光パルスのビーム径が半導体微結晶２２のサイズより大きくても、ビーム径の中にある半導体微結晶２２で、励起条件に共鳴する準位構造を有する半導体微結晶２２だけが選択的に励起され、光フィルターが機能する。光導波路２１中に様々なサイズの半導体微結晶２２を分散させることで、励起条件に合う適当な微結晶を探して選択的に光パルス照射をする必要がなくなる。また、半導体微結晶２２によって異なった光フィルター機能を持たせることも可能であり、それぞれの半導体微結晶２２によって異なる処理を同時に実行することが可能である。
【００７６】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は光スイッチに関するものである。本実施の形態の光スイッチの構成は、第１の実施の形態の光フィルターの構成と同様であるので、図５を用いて説明する。
第１の実施の形態と同様に、伝播する信号光である第３光パルス５の波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとし、第３光パルス５の波長に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。
【００７７】
制御光発生装置１は、パルス面積がπ／２の第１光パルス３と、第２光パルス４とを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３と第２光パルス４との位相関係はφ21、第１光パルス３と第３光パルス５との位相関係はφ31であり、かつ第１光パルス３と第２光パルス４とは式（１１）を満たす。半導体１１の吸収領域は、連続準位であるが、選択的に励起することで２準位系として扱うことができる。
【００７８】
信号光発生装置２は、信号光である第３光パルス５を半導体１１に照射する。半導体１１は、第１光パルス３と第２光パルス４によって量子状態制御され、第３光パルス５にとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５は、半導体１１の吸収領域にあっても、吸収されず、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００７９】
次に、制御光発生装置１が第１光パルス３と第２光パルス４の時間間隔を変化させると、φ21−φ31＝π／２±ｎπの条件を満たさなくなり、半導体１１の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス５は、吸収されながら半導体１１中を伝播するので、半導体１１を透過しない。吸収されずに半導体１１を透過する場合と透過しない場合とでは、第３光パルス５の強度に大きな差がでるので、本実施の形態は光スイッチとして動作していることになる。
【００８０】
こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１と信号光発生装置２とを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御したり、条件を満たさないように制御したりすることで、光スイッチ動作を実現することができる。本実施の形態では、エネルギー緩和時間およびキャリア寿命より短いパルス幅の光パルスを用いることで、高速で高効率な光スイッチを実現することができる。
【００８１】
なお、第１、第４の実施の形態においては、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスと信号光である第３光パルスとが同軸ではないが、制御光と信号光とは同軸であっても良い。
【００８２】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態の光スイッチの構成は、第２の実施の形態の光フィルターの構成と同様であるので、図６を用いて説明する。
第１の実施の形態と同様に、伝播する信号光である第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長は、半導体１１の吸収端よりも高エネルギーにあるとする。また、第３光パルス５ａ，５ｂ，５ｃの波長λ１，λ２，λ３に共鳴する励起準位が半導体１１の吸収領域にあるとする。
【００８３】
制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ａと、第２光パルス４ａとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとの位相関係はφ21、第１光パルス３ａと第３光パルス５ａとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ａと第２光パルス４ａとは、式（１１）を満たす。
【００８４】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ａを半導体１１に照射する。第３光パルス５ａは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００８５】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｂと、第２光パルス４ｂとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｂと第３光パルス５ｂとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｂと第２光パルス４ｂとは、式（１１）を満たさない。
【００８６】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｂを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｂは、式（１１）を満たさない条件で半導体１１に入射するので、半導体１１に吸収され、半導体１１を透過しない。
【００８７】
次に、制御光発生装置１ａは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｃと、第２光パルス４ｃとを半導体１１に照射することで、半導体１１の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｃと第３光パルス５ｃとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｃと第２光パルス４ｃとは、式（１１）を満たす。
【００８８】
信号光発生装置２ａは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｃを半導体１１に照射する。第３光パルス５ｃは、式（１１）を満たす条件で半導体１１に入射するので、半導体１１中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００８９】
以上のように、透過させたい波長について、選択的に、３個の光パルスを式（１０）、式（１１）の条件を満たすように半導体１１に入射させれば良い。図６の例では、透明化の条件にあった波長λ１，λ３の第３光パルス５ａ，５ｃだけが半導体１１を透過する。こうして、本実施の形態では、制御光発生装置１ａと信号光発生装置２ａとを用いて、第１光パルスと第２光パルスと第３光パルスとが式（１０）、式（１１）の条件を満たすように制御したり、条件を満たさないように制御したりすることで、高速な波長多重スイッチ動作を実現することができる。
【００９０】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図８は本発明の第６の実施の形態に係る光スイッチの構成を示す図である。本実施の形態の光スイッチの構成は、第３の実施の形態の光フィルターの構成と同様であるので、図７の符号を用いて説明する。
光導波路２１は、例えば、酸化シリコン、シリコンからなる。半導体微結晶２２は、ナノメーターサイズの結晶である。半導体微結晶２２のエネルギー構造は、微結晶サイズの二乗に反比例してその準位間隔が拡がり、ナノメーターサイズの微結晶では、選択するエネルギー準位を適宜選択することで、２準位系同様に扱ってよい。半導体微結晶２２の光吸収端は、伝播する信号光である光の波長よりも低エネルギー領域にある。したがって、信号光は、半導体微結晶２２で通常吸収される。
【００９１】
制御光発生装置１ｂは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｄと、第２光パルス４ｄとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｄと第３光パルス５ｄとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄとは、式（１１）を満たす。
【００９２】
信号光発生装置２ｂは、信号光である第３光パルス５ｄを、第１光パルス３ｄおよび第２光パルス４ｄによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。半導体微結晶２２は、第１光パルス３ｄと第２光パルス４ｄによって量子状態制御され、第３光パルス５ｄにとっては透明媒質であるかのような状態になっている。したがって、式（１１）を満たす第３光パルス５ｄは、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００９３】
制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｅと、第２光パルス４ｅとを１個の半導体微結晶２２に照射することで、この半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。このとき、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅの波長は共にλ１であり、第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｅと第３光パルス５ｅとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｅと第２光パルス４ｅとは、式（１１）を満たす。
【００９４】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ１の第３光パルス５ｅを、第１光パルス３ｅおよび第２光パルス４ｅによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｅは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００９５】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｆと、第２光パルス４ｆとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆの波長は共にλ２であり、第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとの位相関係はφ’21、第１光パルス３ｆと第３光パルス５ｆとの位相関係はφ’31である。第１光パルス３ｆと第２光パルス４ｆとは、式（１１）を満たさない。
【００９６】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ２の第３光パルス５ｆを、第１光パルス３ｆおよび第２光パルス４ｆによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｆは、式（１１）を満たさない条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。
【００９７】
次に、制御光発生装置１ｃは、パルス面積がπ／２の第１光パルス３ｇと、第２光パルス４ｇとを半導体微結晶２２に照射することで、半導体微結晶２２の励起準位を選択的に共鳴励起する。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇの波長は共にλ３であり、第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとの位相関係はφ21、第１光パルス３ｇと第３光パルス５ｇとの位相関係はφ31である。第１光パルス３ｇと第２光パルス４ｇとは、式（１１）を満たす。
【００９８】
信号光発生装置２ｃは、信号光である波長λ３の第３光パルス５ｇを、第１光パルス３ｇおよび第２光パルス４ｇによって共鳴励起された半導体微結晶２２に照射する。第３光パルス５ｇは、式（１１）を満たす条件で半導体微結晶２２に入射するので、半導体微結晶２２中をパルス変形することなく透過して出射する。
【００９９】
以上のように、透明化の条件にあった第３光パルス５ｄ，５ｅ，５ｇだけが半導体微結晶２２を透過する。半導体微結晶２２の吸収領域で吸収される波長域にある第３光パルス以外の光は、式（１１）を満たさないので、すべて半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。ここで、真の信号光に併せて近傍に偽の光パルスを伝播させることを考える。図８の例では、信号光発生装置２ｂは、真の信号光である第３光パルス５ｄを半導体微結晶２２に照射すると共に、第３光パルス５ｄの近傍のタイミングで偽の光パルス７を半導体微結晶２２に照射する。
【０１００】
上記のとおり、式（１１）の条件を満たす真の信号光である第３光パルス５ｄは、第１光パルス３ｄおよび第２光パルス４ｄによって共鳴励起された半導体微結晶２２を透過する。一方、偽の光パルス７は、式（１１）の条件を満たさないので、半導体微結晶２２に吸収され、半導体微結晶２２を透過しない。式（１１）の条件はブロッホベクトルとトルクベクトルとを平行か反平行にする条件の一例であり、この条件を秘匿すれば、真偽併せて並んだ複数の光パルスの中での真偽を秘匿することができ、望む信号だけを透過させる光スイッチを実現することができる。
【０１０１】
第３の実施の形態で説明したとおり、波長λ１，λ２，λ３の制御光および信号光を同時に照射してスイッチング処理することも可能である。波長λ１，λ２，λ３の光を同時に照射する代わりに、波長λ１，λ２，λ３を含む白色光を用いてもよい。
【０１０２】
半導体微結晶２２は、個々の大きさが異なった微結晶で、光導波路２１内に分布をもって分散して存在する。入射光パルスのビーム径が半導体微結晶２２のサイズより大きくても、ビーム径の中にある半導体微結晶２２で、励起条件に共鳴する準位構造を有する半導体微結晶２２だけが選択的に励起され、光スイッチが機能する。光導波路２１中に様々なサイズの半導体微結晶２２を分散させることで、上で述べた光スイッチ動作を、期待する波長において行うことができる。
【０１０３】
なお、第１〜第３の実施の形態の光フィルターおよび第４〜第６の実施の形態の光スイッチにおいて、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システィン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、ブロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリンのアミノ酸、オリゴ糖、デオキシ糖、ウロン酸、アミノ糖、糖アルコール、ラクトン、でんぷん、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、ペクチン、グルコマンナンの糖類からなる物質の光吸収領域の波長帯を前記光パルスの波長として用いてもよく、光導波路の材料として用いてもよい。
【０１０４】
光導波路に吸収特性の異なった２準位系物質としてアラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システィン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、ブロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリンのアミノ酸、オリゴ糖、デオキシ糖、ウロン酸、アミノ糖、糖アルコール、ラクトン、でんぷん、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、ペクチン、グルコマンナンの糖類からなる物質を分散させてもよい。
【０１０５】
また、第１〜第６の実施の形態では、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスの波長について詳細に説明していないが、第１光パルスおよび第２光パルスの波長を特に規定する必要はない。すなわち、第１光パルスおよび第２光パルスの波長は、信号光である第３光パルスの波長と同じでもよいし、異なっていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、光通信用光ネットワーク、光通信用回路、光制御用光回路、生体センサー、あるいは生体光信号処理のための光フィルターあるいは光スイッチに適用することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１，１ａ〜１ｃ…制御光発生装置、２，２ａ〜２ｃ…信号光発生装置、３，３ａ〜３ｇ…第１光パルス、４，４ａ〜４ｇ…第２光パルス、５，５ａ〜５ｇ…第３光パルス、２１…光導波路、２２…半導体微結晶。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、
制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光フィルター。
【請求項２】
請求項１記載の光フィルターにおいて、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光フィルター。
【請求項３】
請求項１または２記載の光フィルターにおいて、
前記２準位系物質は、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素のいずれかを含む半導体であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルター。
【請求項４】
請求項１または２記載の光フィルターにおいて、
前記２準位系物質は、酸化シリコンおよびシリコンで構成された光導波路中に分散して存在するナノメーターサイズの半導体微結晶であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体微結晶の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体微結晶の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルター。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光フィルターにおいて、
前記制御光発生装置は、波長が異なる複数の前記第１光パルスおよび波長が異なる複数の前記第２光パルスを前記物質に同時に照射し、
前記信号光発生装置は、波長が異なる複数の前記第３光パルスを前記物質に同時に照射することを特徴とする光フィルター。
【請求項６】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、
制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項６記載の光スイッチにおいて、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、スイッチオンの場合に前記条件を満たすように、あるいはスイッチオフの場合に前記条件を満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項９】
請求項８記載の光フィルタリング方法において、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の光フィルタリング方法において、
前記２準位系物質は、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素のいずれかを含む半導体であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１１】
請求項８または９記載の光フィルタリング方法において、
前記２準位系物質は、酸化シリコンおよびシリコンで構成された光導波路中に分散して存在するナノメーターサイズの半導体微結晶であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体微結晶の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体微結晶の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の光フィルタリング方法において、
前記制御光照射ステップは、波長が異なる複数の前記第１光パルスおよび波長が異なる複数の前記第２光パルスを前記物質に同時に照射し、
前記信号光照射ステップは、波長が異なる複数の前記第３光パルスを前記物質に同時に照射することを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１３】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光スイッチング方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の光スイッチング方法において、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、スイッチオンの場合に前記条件を満たすように、あるいはスイッチオフの場合に前記条件を満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光スイッチング方法。
【請求項１】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、
制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光フィルター。
【請求項２】
請求項１記載の光フィルターにおいて、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光フィルター。
【請求項３】
請求項１または２記載の光フィルターにおいて、
前記２準位系物質は、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素のいずれかを含む半導体であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルター。
【請求項４】
請求項１または２記載の光フィルターにおいて、
前記２準位系物質は、酸化シリコンおよびシリコンで構成された光導波路中に分散して存在するナノメーターサイズの半導体微結晶であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体微結晶の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体微結晶の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルター。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光フィルターにおいて、
前記制御光発生装置は、波長が異なる複数の前記第１光パルスおよび波長が異なる複数の前記第２光パルスを前記物質に同時に照射し、
前記信号光発生装置は、波長が異なる複数の前記第３光パルスを前記物質に同時に照射することを特徴とする光フィルター。
【請求項６】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質と、
制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを前記物質に照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光発生装置と、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光発生装置とを備え、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項６記載の光スイッチにおいて、
前記制御光発生装置と前記信号光発生装置とは、スイッチオンの場合に前記条件を満たすように、あるいはスイッチオフの場合に前記条件を満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項９】
請求項８記載の光フィルタリング方法において、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記条件を満たすように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の光フィルタリング方法において、
前記２準位系物質は、シリコン、ゲルマニウム、カドミウム、セレン、テルル、マンガン、ガリウム、砒素、インジウム、リン、炭素、ホウ素、窒素のいずれかを含む半導体であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１１】
請求項８または９記載の光フィルタリング方法において、
前記２準位系物質は、酸化シリコンおよびシリコンで構成された光導波路中に分散して存在するナノメーターサイズの半導体微結晶であり、
前記第３光パルスの波長は、前記半導体微結晶の光吸収端よりも高エネルギーであり、前記半導体微結晶の光吸収領域にある励起準位が共鳴する波長であることを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の光フィルタリング方法において、
前記制御光照射ステップは、波長が異なる複数の前記第１光パルスおよび波長が異なる複数の前記第２光パルスを前記物質に同時に照射し、
前記信号光照射ステップは、波長が異なる複数の前記第３光パルスを前記物質に同時に照射することを特徴とする光フィルタリング方法。
【請求項１３】
入射する光に共鳴する２準位を有する２準位系物質に、制御光である第１光パルスおよび第２光パルスを照射して、この物質の２準位を選択的に共鳴励起する制御光照射ステップと、
信号光である第３光パルスを前記物質に照射する信号光照射ステップとを備え、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、ブロッホ空間における前記第３光パルスのトルクベクトルと、前記第１光パルスおよび第２光パルスによって共鳴励起された２準位系物質の量子状態を表すブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオンの場合に満たすように、前記第１、第２、第３光パルスを制御し、前記第３光パルスが前記物質に入射する時間において、前記トルクベクトルと前記ブロッホベクトルとが、平行か反平行である状態となる条件をスイッチオフの場合に満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスを制御することを特徴とする光スイッチング方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の光スイッチング方法において、
前記制御光照射ステップと前記信号光照射ステップとは、スイッチオンの場合に前記条件を満たすように、あるいはスイッチオフの場合に前記条件を満たさないように、前記第１、第２、第３光パルスのパルス面積と光強度と位相とパルスの時間間隔とを制御することを特徴とする光スイッチング方法。
【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２０１２−１３３３０９（Ｐ２０１２−１３３３０９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５３９８（Ｐ２０１１−１２５３９８）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【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２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【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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