(57)【要約】【課題】光スイッチのサイズを、光の回折限界を超えて小型化できるようにする。【解決手段】プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部１２１、および誘電体から構成されて第１伝播部１２１と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部１２２を有する伝播制御部１０２を備える。第１伝播部１２１は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、第２伝播部１２２は、ＳｉＯ2から構成されている。また、第１伝播部１２１に接して設けられて第１伝播部１２１に電圧を印加する電極１２３，電極１２４を備える。これら電極１２３，１２４に電圧を印加することで、第１伝播部１２１をモット転移させることができる。【選択図】  図１Ａ
2010145521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光導波路および第２光導波路と、
前記第１光導波路と前記第２光導波路との間に配置され、前記第１光導波路を導波する光を導入し、プラズモンが生成可能な材料から構成されて前記光の伝播方向に延在する第１伝播部、および誘電体から構成されて前記第１伝播部と接して前記光の伝播方向に延在する第２伝播部を有する伝播制御部と、
前記第１伝播部の前記第２伝播部側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部および前記第２伝播部を各々有する２組の前記伝播制御部を備え、
２組の前記伝播制御部は、各々の前記第１伝播部が対向して配置され、
前記制御手段は、各々の前記伝播制御部の前記第１伝播部の前記第２伝播部の側の表面に生成されるプラズモンの状態を個別に制御し、
各々の前記伝播制御部の入力側に前記第１光導波路が接続され、
一方の前記伝播制御部の出力側に前記第２光導波路が接続され、
他方の前記伝播制御部の出力側に接続する第３光導波路を備える
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部の伝播方向に延在する第１側面に前記第２伝播部が接して配置され、
前記第１伝播部および前記第２伝播部を有する前記伝播制御部を第１伝播制御部とし、
誘電体から構成されて前記第１伝播部の前記第１側面に直交して伝播方向に延在する第２側面に接して前記光の伝播方向に延在する第３伝播部を有する第２伝播制御部を備え、
前記第１伝播制御部および第２伝播制御部の一方に前記第１光導波路が接続され、
前記第１伝播制御部の他方に前記第２光導波路が接続され、
前記第２伝播制御部の他方に接続する第３光導波路を備える
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部は、モット転移する材料から構成され、
前記制御手段は、少なくとも前記第１伝播部に接して設けられて前記第１伝播部に電圧を印加する電極を少なくとも含む
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部は、シリコンもしくはゲルマニウムから構成され、
前記制御手段は、前記第１伝播部に光を導入する光導入部を少なくとも含む
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部は、前記第２伝播部の周囲を覆うように形成されている
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、
前記第１伝播部および第２伝播部は、断面円形に形成されている
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記第１光導波路および前記第２光導波路は、第１部分とこの第１部分に接触して積層された第２部分とから構成され、前記第１部分と前記第２部分との界面は、前記第１伝播部と前記第２伝播部との界面に接続するように配置されて前記光の伝播方向に延在する回折格子を備え、
前記第１部分は、金属もしくは半導体から構成され、
前記第２部分は、誘電体から構成されている
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項９】
請求項３記載の光スイッチにおいて、
前記第１光導波路，前記第２光導波路，および前記第３光導波路は、第１部分とこの第１部分に接触して積層された第２部分とから構成され、
前記第１光導波路および前記第２光導波路の前記第１部分と前記第２部分との界面は、前記第１伝播部と前記第２伝播部との界面に接続するように配置されて前記光の伝播方向に延在する回折格子を備え、
前記第３光導波路の前記第１部分と前記第２部分との界面は、前記第１伝播部と前記第２伝播部との界面に接続するように配置されて前記光の伝播方向に延在する回折格子を備え、
前記第１部分は、金属もしくは半導体から構成され、
前記第２部分は、誘電体から構成されている
ことを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通通信用デバイスに適用され、光の回折限界を超えた高集積回路の作製を可能とする、微小な光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野においては、例えば、通信容量の増大に対応するため、多チャンネル化が提案されており、この中でも、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式が有望視されている。この中で、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御や、スイッチングを行うなどのチャンネル毎の機能的な制御を、光電変換せずに実現するために、チャンネル数に応じた数の光素子が必要とされている。また、多チャンネル化をより高い効率で実現するために、高密度に集積することが要求され、より微細で高密度集積が可能で高速に動作する微小な光スイッチを、光素子で実現する必要性が高まっている。
【０００３】
【非特許文献１】J.J.Burke and G.I.Stegeman, "Surface-polariton-like waves guided by thin,lossy metal films", Physical Review B, Vol.33, No.8, pp.5186-5201. 1986.
【非特許文献２】塚田  捷、「表面の電子励起」、丸善株式会社、ｐｐ．４６−４９，１９９６年。
【非特許文献３】T.W.Ebbesen, et al. , "Extraordinary optical transmission through sub-waveguide hole arrays", Nature, Vol.391, pp.667-669, 1998.
【非特許文献４】篠島  弘幸、他、「曲がり金属導波線路における伝播損失の評価」、第４９回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、２８ｐ−ＺＳ−２０、２００２年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光素子は、電子デバイスに比較して高速性においては優位な立場にあるが、光の回折限界の制約があり、波長以下の寸法領域では光は伝播できない。このため、光素子を波長以下の寸法に小型化することは、原理的に困難である。光素子は、使用する光の波長で大きさが制限され、波長以下のサイズの光素子は動作しない。このように、現状の光素子では、波長以下のサイズのより微細な光スイッチを実現することができないという問題があった。
【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、光スイッチのサイズを、光の回折限界を超えて小型化でき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、第１光導波路および第２光導波路と、  第１光導波路と第２光導波路との間に配置され、第１光導波路を導波する光を導入し、プラズモンが生成可能な材料から構成されて上記光の伝播方向に延在する第１伝播部、および誘電体から構成されて第１伝播部と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部を有する伝播制御部と、伝播制御部の一方に接続して伝播制御部に光を導入する第１光導波路と、伝播制御部の他方に接続する第２光導波路と、第１伝播部の第２伝播部側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段とを少なくとも備える。
【０００７】
上記光スイッチにおいて、第１伝播部および第２伝播部を各々有する２組の伝播制御部を備え、２組の伝播制御部は、各々の第１伝播部が対向して配置され、制御手段は、各々の伝播制御部の第１伝播部の第２伝播部の側の表面に生成されるプラズモンの状態を個別に制御し、各々の伝播制御部の入力側に第１光導波路が接続され、一方の伝播制御部の出力側に第２光導波路が接続され、他方の伝播制御部の出力側に接続する第３光導波路を備えるようにしてもよい。
【０００８】
また、上記光スイッチにおいて、第１伝播部の伝播方向に延在する第１側面に第２伝播部が接して配置され、第１伝播部および第２伝播部を有する伝播制御部を第１伝播制御部とし、誘電体から構成されて第１伝播部の第１側面に直交して伝播方向に延在する第２側面に接して光の伝播方向に延在する第３伝播部を有する第２伝播制御部を備え、第１伝播制御部および第２伝播制御部の一方に第１光導波路が接続され、第１伝播制御部の他方に第２光導波路が接続され、第２伝播制御部の他方に接続する第３光導波路を備えるようにしてもよい。
【０００９】
上記光スイッチにおいて、第１伝播部は、モット転移する材料から構成され、制御手段は、少なくとも第１伝播部に接して設けられて第１伝播部に電圧を印加する電極を少なくとも含むようにすればよい。また、第１伝播部は、シリコンもしくはゲルマニウムから構成され、制御手段は、第１伝播部に光を導入する光導入部を少なくとも含むようにしてもよい。
【００１０】
上記光スイッチにおいて、第１伝播部は、第２伝播部の周囲を覆うように形成されていてもよい。また、この場合、第１伝播部および第２伝播部は、断面円形に形成されていてもよい。
【００１１】
また、上記光スイッチにおいて、第１光導波路および第２光導波路は、第１部分とこの第１部分に接触して積層された第２部分とから構成され、第１部分と第２部分との界面は、第１伝播部と第２伝播部との界面に接続するように配置されて光の伝播方向に延在する回折格子を備え、第１部分は、金属もしくは半導体から構成され、第２部分は、誘電体から構成されているようにしてもよい。
【００１２】
また、上記光スイッチにおいて、第１光導波路，第２光導波路，および第３光導波路は、第１部分とこの第１部分に接触して積層された第２部分とから構成され、第１光導波路および第２光導波路の第１部分と第２部分との界面は、第１伝播部と第２伝播部との界面に接続するように配置されて光の伝播方向に延在する回折格子を備え、第３光導波路の第１部分と第２部分との界面は、第１伝播部と第２伝播部との界面に接続するように配置されて光の伝播方向に延在する回折格子を備え、第１部分は、金属もしくは半導体から構成され、第２部分は、誘電体から構成されているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部、および誘電体から構成されて第１伝播部と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部を有する伝播制御部を備えるようにしたので、光スイッチのサイズを、光の回折限界を超えて小型化できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図１Ａの平面図に示すように、入力光導波路（第１光導波路）１０１と出力光導波路（第２光導波路）１０３と、入力光導波路１０１と出力光導波路１０３との間に配置され、入力光導波路１０１を導波する光を導入する伝播制御部１０２を備える。
【００１６】
伝播制御部１０２は、プラズモンが生成可能な材料から構成されて上記光の伝播方向に延在する第１伝播部１２１、および誘電体から構成されて第１伝播部１２１と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部１２２を備える。第１伝播部１２１は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、第２伝播部１２２は、ＳｉＯ2から構成されている。
【００１７】
また、入力光導波路１０１は、例えば、図１Ｂの断面図に示すような、単結晶シリコンからなる断面視４００×２００ｎｍのシリコン細線コア１１１より構成されている。これは、出力光導波路１０３に関しても同様であり、出力光導波路１０３も、シリコン細線コア１３１より構成されている。これらは、例えば酸化シリコンなどよりお構成されたクラッドを備えるようにしてもよい。また、空気層をクラッドとしてもよい。なお、入力光導波路１０１および出力光導波路１０３は、シリコン細線による導波路に限るものではなく、径が５０μｍ×５０μｍ程度の酸化シリコンからなるコアを用いた光ファイバーであってもよい。
【００１８】
また、本実施の形態における光スイッチは、第１伝播部１２１に接して設けられて第１伝播部１２１に電圧を印加する電極１２３，電極１２４を備える。これら電極１２３，１２４に電圧を印加することで、第１伝播部１２１をモット転移させることができる。第１伝播部１２１を構成しているＢｉＴｉＯ3は、数ボルト程度の電圧印加により電気抵抗が大きく変化し、金属的な状態と絶縁体の状態との２つの状態を持つことが知られている。例えば、図示しない電圧印加制御部と電極１２３，電極１２４とにより、第１伝播部１２１をモット転移させ、後述するような、第１伝播部１２１の第２伝播部１２２側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段が構成できる。
【００１９】
また、伝播制御部１０２は、図１Ｃの断面図に示すように、断面矩形の第２伝播部１２２の周囲を覆うように、第１伝播部１２１が形成されている。また、第１伝播部１２１の外形も、断面視矩形に形成され、この対向する側面に、電極１２３および電極１２４が接して設けられている。第２伝播部１２２は、断面の寸法を、例えば、５０ｎｍ×５０ｎｍ程度とする。また、第１伝播部１２１の外形寸法は、２００ｎｍ×１００ｎｍ程度とする。これらの寸法は、入力光導波路１０１および出力光導波路１０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。
【００２０】
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。前述したように、ＢｉＴｉＯ3から構成されている第１伝播部１２１は、電極１２３および電極１２４による数ボルト程度の電圧印加により電気抵抗が大きく変化し、金属的な状態から絶縁体に変化し、新たに電圧が印加されるまでは、これら２つの状態を保持する。ここで、第１伝播部１２１（ＢｉＴｉＯ3）が金属的な状態であれば、第１伝播部１２１の第２伝播部１２２側の表面（第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との界面）に、表面プラズモンポラリトンが励起する。
【００２１】
ここでは、表面プラズモンポラリトンは、エンド−ファイアー（end-fire）法により励起する（非特許文献１参照）。この表面プラズモンポラリトンの励起により、入力光導波路１０１を導波してきた光は、第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との境界を伝播することができるようになる（非特許文献２，３参照）。このとき励起されるプラズモンエネルギーは、エンド−ファイアー法によるエネルギー分散関係により決定され、伝播可能となる光の波長が選択される。励起されるプラズモンエネルギーは、モードによって複数あり、伝播させることができる光の波長も複数選択することができる。選択できる光の波長は、１〜１０μｍ程度である。
【００２２】
光は波長以下の寸法領域を伝播することができない。しかしながら、固体内にある自由電子の集団運動であるプラズモンと、誘電体内にある光とが、適当な分散関係を満たす条件で結合すると、表面プラズモンポラリトンという複合的な集団運動となる。表面プラズモンポラリトンは、固体内での電子の集団運動であるプラズモンと光とが結合した素励起である。これは、伝播する光の波長に適合した適当なエネルギー分散関係のもとに結合する。光導波路における光の閉じ込めは、屈折率差によってもたらされることによるが、表面プラズモンポラリトンの導波（伝播）では、電子密度の疎密および固体中プラズモンに結合できる光の伝播モードの有無という２つの制限によって、光は強く閉じ込められる。
【００２３】
このため、表面プラズモンポラリトンは、単純な光が導波できない領域まで電子によって導かれ、局所的に存在して光の回折限界を超えて伝播することができる。また、強い閉じ込めにより、曲率半径で２００μｍ程度と急峻な曲げを可能とする（非特許文献３，４参照）。
【００２４】
ところで、プラズモンは、電子の集団運動であり、電子密度が大きく、電子が自由電子の場合、もしくは電子の移動速度が速く、周囲のイオンから見て自由電子的であるような場合に存在する。これに対し、電子密度が減じ、また、固体中電子の移動速度が遅くなり、自由電子的でなくなった場合には、プラズモンは消失する。このとき、表面プラズモンポラリトンは、伝播モードではなくなり、放射、消失する。従って、固体中のプラズモンを制御することで、表面プラズモンポラリトンで結合している光の伝播状態を制御できる。
【００２５】
本実施の形態においては、前述したように、第１伝播部１２１を金属的な状態することで、プラズモンが存在する状態とし、表面プラズモンポラリトンを励起させて伝播する状態としている。この表面プラズモンポラリトンを用いることで、光の回折限界を超えたより小さな寸法とされている伝播制御部１０２に、光を伝播させることができるようになる。
【００２６】
以上の表面プラズモンポラリトン伝播状態に対し、第１伝播部１２１に電圧を印加して絶縁体の状態とすると、プラズモンが消失することになり、表面プラズモンポラリトンは消失する。ここで、伝播制御部１０２は、各寸法を光の伝播モードが存在しない範囲とされている。これらの結果、表面プラズモンポラリトンに結合することで伝播していた光は、伝播制御部１０２を伝播できない状態となる。
【００２７】
このように、本実施の形態における光スイッチによれば、第１伝播部１２１における金属的な状態と絶縁体の状態とを制御することで、入力光導波路１０１と出力光導波路１０３との間の光の透過を制御するようにした。例えば、第１伝播部１２１を金属的な状態に制御すれば、第１伝播部１２１の第２伝播部１２２側の表面にプラズモンが生成され、エンド−ファイアー法のエネルギー分散関係で決定される表面プラズモンポラリトンが励起される。この表面プラズモンポラリトンの励起により、入力光導波路１０１より入射する光を出力光導波路１０３に伝播（透過）することができるようになる。また、第１伝播部１２１を絶縁体の状態に制御すれば、表面プラズモンポラリトンは励起せず、入力光導波路１０１より入射する光は、出力光導波路１０３に伝播（透過）することができなくなる。
【００２８】
なお、伝播制御部１０２における第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との境界を伝播する表面プラズモンポラリトンの偏光方向は、ＴＭ偏光となる。また、伝播制御部１０２に入射する光の磁場が、第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との境界に平行な場合に、表面プラズモンポラリトンが励起される。従って、入力光導波路１０１を導波してきた光が無偏光状態であっても、第１伝播部１２１における表面プラズモンポラリトンの励起により、ＴＭ偏光が選択されることになる。
【００２９】
上述した本実施の形態では、入力光導波路１０１を構成している入力光導波路１０１が、断面形状が２００ｎｍ×４００ｎｍであり、等方的でない扁平な形状と、導波してくる光は、ＴＭ偏光が多く通るような構造としている。
【００３０】
また、第１伝播部１２１の伝播方向の長さは、表面プラズモンポラリトンの伝播（導波）の際の損失を減じるため、第１伝播部１２１が金属的な状態を維持できる範囲で、短くした方がよい。ただし、第１伝播部１２１には、電圧印加のために電極１２３，電極１２４を接触させる必要がある。このことより、第１伝播部１２１の伝播方向の長さは、５００ｎｍ程度とすればよい。
【００３１】
ところで、前述したように、プラズモンは電子の集団運動であり、電子密度が大きく、電子が自由電子の場合、もしくは電子の移動速度が速く、周囲のイオンから見て自由電子的であるような場合に存在する。一方で、電子密度が減じ、また、固体中電子の移動速度が遅くなり、自由電子的でなくなった場合には、プラズモンは消失する。
【００３２】
上記電子密度は、金属−絶縁体間での相転移であるモット転移、もしくは、巨大抵抗変化により変化させることが可能である。このような２つの状態を持つ材料としては、ビスマス，銅，チタン，およびニッケルなどのペロブスカイト型酸化物、あるいは、これに、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、イットリウム（Ｙ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）などの希土類を添加したペロブスカイト型希土類添加酸化物がある。これらの材料は、金属状態と絶縁体の状態との間の相転移であるモット転移、もしくは、巨大抵抗変化現象を発現する。
【００３３】
また、シリコン、ゲルマニウムなどのＩＶ族元素にある荷電子も、移動速度が速いために自由電子的な振る舞いをしてプラズモンを励起する。これらは、上記同様に、電場，磁場，電流，光照射などによる電子密度の変化により、生成および消滅の制御が可能である。従って、第１伝播部１２１は、上述したモット絶縁体に限らず、シリコンやゲルマニウムから構成することもできる。
【００３４】
［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。本実施の形態における光スイッチは、図２Ａの平面図に示すように、入力光導波路（第１光導波路）２０１と出力光導波路（第２光導波路）２０３と、入力光導波路２０１と出力光導波路２０３との間に配置され、入力光導波路２０１を導波する光を導入する伝播制御部２０２を備える。伝播制御部２０２は、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部２２１、および誘電体から構成されて第１伝播部と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部２２２を備える。第１伝播部２２１は、例えば、シリコンから構成され、第２伝播部２２２は、ＳｉＯ2から構成されている。
【００３５】
また、入力光導波路２０１は、例えば、図２Ｂの断面図に示すような、単結晶シリコンからなる断面円形のシリコンコア２１１より構成されている。これは、出力光導波路２０３に関しても同様であり、出力光導波路２０３も、シリコンコア２３１より構成されている。
【００３６】
また、本実施の形態における光スイッチは、第１伝播部２２１に光を導入する光導入部２２３，２２４を備える。光導入部２２３，２２４は、例えば、入力光導波路２０１および出力光導波路２０３と同様の導波路形状とすればよい。これら光導入部２２３，２２４により第１伝播部２２１に光を導入することで、第１伝播部２２１におけるプラズモンを制御する。例えば、図示しない光源と光導入部２２３，光導入部２２４とにより、第１伝播部２２１の第２伝播部２２２側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段が構成できる。
【００３７】
また、伝播制御部２０２は、図２Ｃの断面図に示すように、断面円形の第２伝播部２２２の周囲を覆うように、第１伝播部２２１が形成されている。また、第１伝播部２２１の外形も、断面円形に形成されている。従って、第１伝播部２２１は、筒状に形成されていることになる。このように形成された、第１伝播部２２１の対向する側面に、光導入部２２３および光導入部２２４が接して設けられている。また、これらの寸法は、入力光導波路２０１および出力光導波路２０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。なお、第２伝播部２２２は、円柱形状としたが、これに限るものではない。例えば、第２伝播部２２２も、中空の円筒状としてもよい。
【００３８】
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。シリコンは、通常の電子密度でプラズモンを励起できる。シリコンは、価電子の動きが速いため、１００ｍｅＶ程度のプラズモンを励起することができる。従って、第１伝播部２２１の第２伝播部２２２の側の表面には、表面プラズモンポラリトンを励起することができ、前述した実施の形態１と同様に、伝播制御部２０２に光を伝播させることができる。
【００３９】
一方、シリコンに光照射すると、よく知られているように、二光子吸収などによりシリコン中に励起キャリアが生じる。このように生じたキャリアは、シリコン中に励起しているプラズモンの電子に関与し、プラズモンの状態を変化させ、分散関係も大きく変化させ、プラズモンが維持できない状態とする。このように、光照射によって電子−正孔対が多くなると、シリコンにおけるプラズモンは消失する。従って、光導入部２２３，２２４により、第１伝播部２２１に光を導入して電子密度を変化させることで、第１伝播部２２１におけるプラズモンを消滅させることができる。これにより、第１伝播部２２１の第２伝播部２２２の側の表面には、表面プラズモンポラリトンが励起できなくなり、伝播制御部２０２に光が伝播できなくなる。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、光導入部２２３，２２４による第１伝播部２２１に対する光導入を制御することで、第１伝播部２２１における入力光導波路２０１と出力光導波路２０３との間の光の透過を制御する。また、本実施の形態では、第１伝播部２２１および第２伝播部２２２とが断面円形で同軸としている。このため、第１伝播部２２１および第２伝播部２２２の境界（界面）には方向性がなく、光の偏光に依存せずに、入力光導波路２０１と出力光導波路２０３との間で光を透過させることができる。
【００４１】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図３Ａの平面図および図３Ｂの断面図に示すように、まず、入力光導波路（第１光導波路）３０１と出力領域３０３と、入力光導波路３０１と出力領域３０３との間に配置され、入力光導波路３０１を導波する光を導入する伝播制御領域３０２を備える。伝播制御領域３０２は、上部第１伝播部３２１および上部第２伝播部３２２を有する上部伝播制御部と、下部第１伝播部３２５および下部第２伝播部３２６を有する下部伝播制御部とを備える。
【００４２】
上部伝播制御部と下部伝播制御部とは、上部第１伝播部３２１と下部第１伝播部３２５とが対向して配置されている。上部第１伝播部３２１および下部第１伝播部３２５は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、上部第２伝播部３２２および下部第２伝播部３２６は、例えばＳｉＯ2から構成されている。
【００４３】
また、伝播制御領域３０２の出力側の出力領域３０３においては、上部伝播制御部の出力側に接続する出力光導波路（第２光導波路）３０３ａと、下部伝播制御部の出力側に接続する出力光導波路（第３光導波路）３０３ｂとを備える。
【００４４】
入力光導波路３０１は、前述した実施の形態１の入力光導波路１０１と同様に、単結晶シリコンからなるシリコン細線コア３１１より構成されている。また、出力光導波路３０３ａ，出力光導波路３０３ｂも同様に、シリコン細線コア３３１，３３２より構成されている。本実施の形態においては、上部第２伝播部３２２および下部第２伝播部３２６は、伝播方向に延在するシリコン細線コア３１１の中心線の延長線を境に、入力光導波路３０１との接続端より、各々異なる方向に屈曲している。このように屈曲して異なる領域に出力端を配置し、各々出力光導波路３０３ａおよび出力光導波路３０３ｂに接続している。なお、本実施の形態においても、各伝播部の寸法は、入力光導波路３０１および出力光導波路３０３ａ，３０３ｂを導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。
【００４５】
また、上部伝播制御部においては、上部第１伝播部３２１および一部の上部第２伝播部３２２に接する電極３２３および電極３２４を備える。電極３２３および電極３２４は、伝播方向に平行な上部第１伝播部３２１の側部に設けられている。同様に、下部伝播制御部においては、下部第１伝播部３２５および一部の下部第２伝播部３２６に接する電極３２７および電極３２８を備える。電極３２７および電極３２８は、伝播方向に平行な下部第１伝播部３２５の側部に設けられている。
【００４６】
また、本実施の形態における光スイッチ上部伝播制御部と下部伝播制御部とを絶縁分離するための絶縁層３２９を備える。このようにすることで、電極３２３，電極３２４の組と、電極３２７，電極３２８の組とにより、各々の伝播制御部の第１伝播部の第２伝播部の側の表面に生成されるプラズモンの状態を個別に制御することを可能としている。なお、便宜上、一方を上部とし、他方を下部としているが、これらを入れ替えても全く同じであることは、いうまでもない。
【００４７】
上述したように構成した本実施の形態における光スイッチにおいては、上部伝播制御部および下部伝播制御部において、前述した実施の形態１と同様に、上部第１伝播部３２１および下部第１伝播部３２５に電圧を印加し、各々における金属的な状態と絶縁体の状態とを切り替える。この切り替えにより、上部伝播制御部および下部伝播制御部において、表面プラズモンポラリトンが、励起される状態と励起されない状態とを切り替え、光が透過する状態と透過しない状態とを切り替える。
【００４８】
また、本実施の形態における光スイッチにおいては、上部伝播制御部と下部伝播制御部とを個別に制御できるため、例えば、上部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起されて光が透過する状態とし、下部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起せずに光が透過しない状態とすることができる。このような状態に制御することで、入力光導波路３０１を導波してきた光が、出力光導波路３０３ａには透過するが、出力光導波路３０３ｂには透過しない状態にできる。
【００４９】
また、上部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起せずに光が透過しない状態とし、下部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起して光が透過する状態とすることができる。このような状態に制御することで、入力光導波路３０１を導波してきた光が、出力光導波路３０３ａには透過しないが、出力光導波路３０３ｂには透過する状態にできる。
【００５０】
以上に例示したように、本実施の形態によれば、光の分岐先を偏光する光スイッチが実現できる。
【００５１】
また、上述では、上部第１伝播部３２１および下部第１伝播部３２５を同じ材料から構成し、また、上部第２伝播部３２２および下部第２伝播部３２６を同じ材料から構成したが、これに限るものではない。例えば、これらを、各々異なる材料で構成し、上部第１伝播部３２１に励起される表面プラズモンポラリトンと下部第１伝播部３２５に励起される表面プラズモンポラリトンとの励起モードが異なるものとしてもよい。このように構成することで、上部伝播制御部と下部伝播制御部とで、透過可能な光の波長を異なるものとすることができ、波長選択的な分岐光スイッチが実現できる。
【００５２】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図４Ａの平面図および図４Ｂの断面図に示すように、まず、入力光導波路４０１と出力領域４０３と、入力光導波路４０１と出力領域４０３との間に配置され、入力光導波路４０１を導波する光を導入する第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂを備える。第１伝播制御部４０２ａは、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部４２１と、第１伝播部４２１の電波方向に延在する第１側面に接して配置された誘電体からなる第２伝播部４２２とを備える。また、第２伝播制御部４０２ｂは、第１伝播部４２１と、第１伝播部４２１の第１側面に直交して電波方向に延在する第２側面に接して光の伝播方向に延在し、第２伝播部４２２と同様の誘電体からなる第３伝播部とを備える。
【００５３】
本実施の形態では、第１伝播制御部４０２ａと第２伝播制御部４０２ｂとは、第１伝播部４２１を共通としている。また、第１側面および第２側面は、伝播方向に延在している第１伝播部４２１の側面である。なお、第１伝播部４２１は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、第２伝播部４２２および第３伝播部４２３は、例えばＳｉＯ2から構成されている。
【００５４】
また、出力側の出力領域４０３においては、第１伝播制御部４０２ａの出力側に接続する出力光導波路（第２光導波路）４０３ａを備える。また、出力領域４０３において、第２伝播制御部４０２ｂの出力側に接続する出力光導波路（第３光導波路）４０３ｂを備える。
【００５５】
入力光導波路４０１は、前述した実施の形態１および実施の形態３と同様に、単結晶シリコンからなるシリコン細線コア４１１より構成されている。また、出力光導波路４０３ａ，出力光導波路４０３ｂも同様に、シリコン細線コア４３１，４３２より構成されている。本実施の形態においては、第２伝播部４２２は、入力側から出力側にかけて、第３伝播部４２３が形成されている側より離れるように屈曲している。このように屈曲することで、第２伝播部４２２より構成される第１伝播制御部４０２ａの出力端と、第３伝播部４２３より構成される第２伝播制御部４０２ｂの出力端とを、異なる領域に配置し、各々出力光導波路４０３ａおよび出力光導波路４０３ｂに接続している。
【００５６】
また、上述した第２側面に対向し、第１側面に接している第１伝播部４２１の第３側面に接して配置された電極４２４を備える。また、第１伝播部４２１の第２側面には、電極４２５が形成されている。言い換えると、電極４２４と電極４２５とは、第１伝播部４２１を挟むように形成されている。なお、本実施の形態においても、各伝播部の寸法は、入力光導波路４０１および出力光導波路４０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。
【００５７】
上述した本実施の形態の光スイッチでは、前述した実施の形態１と同様に、電極４２４と電極４２５とにより第１伝播部４２１に電圧を印加し、金属的な状態と絶縁体の状態とを切り替えることで、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂの両方で、表面プラズモンポラリトンが、励起される状態と励起されない状態とを切り替えることができる。これにより、本実施の形態では、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂの両方で、光が透過する状態と透過しない状態とを切り替えることができる。
【００５８】
また、本実施の形態においては、第１伝播制御部４０２ａと第２伝播制御部４０２ｂとでは、表面プラズモンポラリトンが励起される面が、互いに垂直な関係となっている。このため、例えば、第１伝播制御部４０２ａは、ＴＭ偏光が透過可能であり、第２伝播制御部４０２ｂは、ＴＥ偏光が透過可能となる。前述したように、励起できる表面プラズモンポラリトンは、第１伝播部４２１の励起される面に平行な光磁場の光に限られる。このため、第１伝播制御部４０２ａで励起可能な表面プラズモンポラリトンと、第２伝播制御部４０２ｂで励起可能な表面プラズモンポラリトンとでは、入射光の光磁場が互いに直交する関係となる。
【００５９】
このように、本実施の形態によれば、入力光導波路４０１を導波してきた光の偏光状態に依存し、出力光導波路４０３ａおよび出力光導波路４０３ｂのいずれかに分岐する光スイッチが実現できる。
【００６０】
例えば、第１伝播部４２１を構成するペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3が金属状態の場合、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との重ね合わせ状態の偏光を持つ光、もしくは無偏光状態の光が、入力導波路４０１より入射すると、各々の偏光状態に従って、第１伝播部４２１と第２伝播部４２２との境界、もしくは第１伝播部４２１と第３伝播部４２３との境界を、表面プラズモンポラリトンにより伝播する。
【００６１】
一方、第１伝播部４２１を構成するペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3が絶縁体の状態では、上述したいずれの境界においても表面プラズモンポラリトンは励起せず、いずれの偏光状態の光も、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂを伝播することができない。
【００６２】
以上に説明したように、入力光導波路４０１より入力（入射）したＴＥ偏光，ＴＭ偏光の光は、第１伝播部４２１がプラズモンが生成可能な状態（ＢｉＴｉＯ3が金属的な状態）であれば、各々の偏光状態に対応し、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂを透過し、出力光導波路４０３ａおよび出力光導波路４０３ｂに分岐する。本実施の形態においては、電極４２４と電極４２５との間に数ボルト程度の電圧を印加し、ＢｉＴｉＯ3を金属的な状態と絶縁体の状態とに変化させることで、偏光に依存した光スイッチ動作が可能となる。また、第２伝播部４２２と第３伝播部４２３とを異なる誘電体から構成することで、各々における表面プラズモンポラリトンの励起モードを変えることができ、波長選択的な分岐光スイッチが実現できる。
【００６３】
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図５Ａの平面図および図５ｂの平面図に示すように、まず、入力光導波路（第１光導波路）５０１と出力光導波路（第２光導波路）５０３と、入力光導波路５０１と出力光導波路５０３との間に配置され、入力光導波路５０１を導波する光を導入する伝播制御部５０２を備える。伝播制御部５０２は、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部５２１、および誘電体から構成されて第１伝播部５２１と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部５２２を備える。第１伝播部５２１は、例えば、シリコンから構成され、第２伝播部５２２は、ＳｉＯ2から構成されている。
【００６４】
また、入力光導波路５０１は、図５Ｂの断面図に示すように、第１伝播部５２１の側に配置された第１部分５１１と、第１部分５１１に接触して積層された第２部分５１２とから構成されている。また、第１部分５１１と第２部分５１２との界面には、光の伝播方向に延在する回折格子を備える。また、この回折格子が形成されている界面は、第１伝播部５２１と第２伝播部５２２との界面に接続するように配置されている。これは、出力光導波路５０３においても同様であり、出力光導波路５０３も、第１部分５３１と第２部分５３２との積層構造とされている。
【００６５】
このように構成された入力光導波路５０１において、第１部分５１１は、金属もしくは半導体から構成されている。第１部分５１１は、例えばシリコンから構成されている。また、第２部分５１２は、誘電体から構成され、例えば、酸化シリコンから構成されている。これらのことは、出力光導波路５０３の第１部分５３１および第２部分５３２も同様である。なお、本実施の形態においても、各伝播部の寸法は、入力光導波路５０１および出力光導波路５０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。
【００６６】
また、本実施の形態における光スイッチは、図５Ｃの断面図に示すように、第１伝播部５２１に光を導入する光導入部５２３，５２４を備える。光導入部５２３，５２４は、例えば、シリコンコアとクラッドとによる光導波路であればよい。光導入部５２３，５２４により第１伝播部５２１に光を導入することで、第１伝播部５２１におけるプラズモンを制御する。例えば、図示しない光源と光導入部５２３，光導入部５２４とにより、第１伝播部５２１の第２伝播部５２２側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段が構成できる。
【００６７】
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。本実施の形態では、入力光導波路５０１および出力光導波路５０３に、回折格子を備えるところに特徴がある。前述したように、表面プラズモンポラリトンを励起する方法には、エンド−ファイアー法の他に、回折格子やプリズムを用いた方法がある（非特許文献２参照）。
【００６８】
この方法は、入力光導波路５０１（第１部分５１１）を伝播する光に対し、回折格子の格子間隔で決定される運動量変化を与え、固体（第１伝播部５２１）中のプラズモンと光のエネルギー分散関係を満たすようにすることで、第１伝播部５２１の第２伝播部５２２側の表面に、表面プラズモンポラリトンを励起する。この励起方法では、回折格子の格子間隔を変えると、励起する表面プラズモンポラリトンの伝播モードが変化し、伝播制御部５０２を伝播させることができる光の波長が選択されるようになる。ここで、選択できる光の波長は、１〜１０μｍ程度である。
【００６９】
また、本実施の形態においては、伝播制御部５０２の第１伝播部５２１と第２伝播部５２２との境界を伝播する表面プラズモンポラリトンの偏光方向は、ＴＭ偏光となる。従って、入力光導波路５０１を伝播してきた光の偏光状態が無偏光状態であっても、伝播制御部５０２における表面プラズモンポラリトンの励起により、ＴＭ偏光だけが選択されるようになる。また、前述したように、伝播制御部５０２の寸法は、導波する光の伝播モードが存在しない範囲としているので、伝播制御部５０２を通常光が導波することはない。
【００７０】
また、本実施の形態では、前述した実施の形態２と同様に、光導入部５２３，５２４により第１伝播部５２１に光照射することで、第１伝播部５２１における表面プラズモンポラリトンの励起を停止させるなどの制御を行うことができる。このような第１伝播部５２１における電子密度の制御により、本実施の形態における光スイッチにおいても、伝播制御部５０２における光の伝播（透過）が制御できる。なお、シリコンからなる第１伝播部５２１における電子密度の制御は、上述したような光照射に限るものではない。例えば、ＳｉＯ2からなる第２伝播部５２２の第１伝播部５２１の反対側にゲート電極を設け、ゲート電極に印加する電圧による電界効果で、第１伝播部５２１の電子密度を制御することもできる。
【００７１】
なお、上述した各実施の形態において、第２伝播部をＳｉＯ2から構成するようにしたが、これに限るものではなく、他の誘電体から構成してもよい。例えば、第２伝播部は、空気の層から構成してもよい。
【００７２】
また、上述した各実施の形態の各々において、第１伝播部は、モット絶縁体もしくはシリコンのいずれかで構成するものに置き換えてもよい。また、シリコンの代わりにゲルマニウムを用いるようにしてもよい。ただし、第１伝播部にモット絶縁体を用いる場合は、電極など電圧が印加できるように制御手段を構成すればよい。また、第１伝播部にシリコンやゲルマニウムを用いる場合は、光源および光導波路など光が照射できるように制御手段を構成すればよい。また、実施の形態１〜４においても、実施の形態５と同様に、回折格子を用いた入力光導波路および出力光導波路を適用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１Ａ】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平面図である。
【図１Ｂ】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り、図１ＡのＢＢ断面である。
【図１Ｃ】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り、図１ＡのＣＣ断面である。
【図２Ａ】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平面図である。
【図２Ｂ】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り、図２ＡのＢＢ断面である。
【図２Ｃ】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り、図２ＡのＣＣ断面である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態３における光スイッチの構成を示す平面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態３における光スイッチの構成を示す断面図であり、図３ＡのＢＢ断面である。
【図４Ａ】本発明の実施の形態４における光スイッチの構成を示す平面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施の形態４における光スイッチの構成を示す断面図であり、図４ＡのＢＢ断面である。
【図５Ａ】本発明の実施の形態５における光スイッチの構成を示す平面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施の形態５における光スイッチの構成を示す断面図であり、図５ＡのＢＢ断面である。
【図５Ｃ】本発明の実施の形態５における光スイッチの構成を示す断面図であり、図５ＡのＣＣ断面である。
【符号の説明】
【００７４】
１０１…入力光導波路（第１光導波路）、１０２…伝播制御部、１０３…出力光導波路（第２光導波路）、１１１…シリコン細線コア、１２１…第１伝播部、１２２…第２伝播部、１２３，１２４…電極、１３１…シリコン細線コア。
【図１Ａ】
2010145521.tif 000003
【図１Ｂ】
2010145521.tif 000004
【図１Ｃ】
2010145521.tif 000005
【図２Ａ】
2010145521.tif 000006
【図２Ｂ】
2010145521.tif 000007
【図２Ｃ】
2010145521.tif 000008
【図３Ａ】
2010145521.tif 000009
【図３Ｂ】
2010145521.tif 000010
【図４Ａ】
2010145521.tif 000011
【図４Ｂ】
2010145521.tif 000012
【図５Ａ】
2010145521.tif 000013
【図５Ｂ】
2010145521.tif 000014
【図５Ｃ】
2010145521.tif 000015