(57)【要約】【課題】本発明の課題は、光路の切替時間が短く、切替後の状態保持において何らからのエネルギーを必要とせず、かつ安価な光路切替素子及び光路切替方法を提供することである。【解決手段】基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料の結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替素子及び光路切替方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替素子。
【請求項２】
結晶状態とアモルファス状態の転移を加熱によって行うことを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
【請求項３】
上記加熱は、電気による加熱であることを特徴とする請求項２に記載の光路切替素子。
【請求項４】
上記電気による加熱は、グレーティング状に配置した相変化材料のそれぞれに対して順番に行うことを特徴とする請求項３に記載の光路切替素子。
【請求項５】
上記加熱は、光による加熱であることを特徴とする請求項２に記載の光路切替素子。
【請求項６】
上記光による加熱は、パルス光を用いて、グレーティング状に配置した相変化材料の全てを相変化させることを特徴とする請求項５に記載の光路切替素子。
【請求項７】
上記基板は、光の波長に対し、基板材料の屈折率の実部を１．２以上３．５以下、虚部を０．１以下とすることを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
【請求項８】
上記基板の表面粗さは、使用光の波長以下であることを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
【請求項９】
上記相変化材料は、アンチモンとテリルウムの合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか１種又は２種以上が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
【請求項１０】
上記相変化材料は、セレンとヒ素の合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか１種又は２種以上が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
【請求項１１】
基板上に結晶とアモルファス状態に変化する相変化材料からなるグレーティングを備えた光路切替素子。
【請求項１２】
基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化材料を用いた光路切替素子及び光路切替方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光技術の発展に伴い、通信を電気信号ではなく、光を用いて行うことが一般となっている。電気による通信に比べ、大量の情報を早く送ることができるという特徴を持つ。光通信のためには、様々な光学素子が用いられている。例えば、光路切替素子である。現状では、この切り替え動作は、いったん光信号を電気信号に変えて、また光信号に変換している。この方法では、変換の際にエネルギーのロスが生じ、また、電気回路が必要になるなど、素子自体が複雑となる。光の信号は、光のまま切り替えるという方法が望ましく、現在は、マイクロマシン技術による微小ミラーや加熱により光路長を変化させる加熱型切替素子等が提案されている。
【０００３】
しかしながら、その二つの方法は大きな欠点を有する。微小ミラーの方法では、機械的にミラーを動かすために、動作速度が遅く、また多数の加工過程によって作製されるため、非常に高価となってしまう。加熱型の場合は、精密な温度制御が必要であるが、その精密な温度制御をするため、熱設計に苦心する必要がある。また素子全体を均一な温度に保つ必要が生じるため、断熱などのため素子全体が大きくなる欠点がある。また設計がうまくいったとしても、加熱による切り替え速度はミリ秒程度のレベルにとどまる。また２つの方法とも、切り替え後の状態を保持するためには、何かしらのエネルギーが必要であり、微小ミラーを支えるための電力、温度保持のための電力を常に供給する必要がある。
【０００４】
光通信の分野ではなく、光学実験においても光路の切替は重要である。連続したレーザー光を、時間的に切り替え、試料に照射する光のオン・オフを実行する実験方法は、実験技術として広く利用されている。この光路切替に用いられる光路切替素子として、一般に音響光学素子（Acousto-Optic Modulator：ＡＯＭ）が用いられる。これはある光学素子上に高周波によりグレーティングを作り出し、その回折現象で光路を切り替えるという光学素子である。これはモリブデン酸鉛といった特殊な結晶に高周波の電圧を印加し、疎密波を作り出すことによりグレーティングとし、光の切り替えを行う素子である。従って、高周波の周波数により切替速度をある程度決めることが可能である。
【０００５】
しかしながら、上記ＡＯＭは、高周波の周波数を限りなく高くしても切替可能かというとそうとはならず、上限が存在する。これは使用している結晶の高周波に対する応答限界があるからである。例えば、現存のＡＯＭの切替速度は最大サブマイクロ秒が限度となっている。これは光学素子材料の高周波に対する応答速度で決定されるため、技術的に早くすることは不可能である。また、特殊な材料を用いているため素子自体が非常に高額なものとなる欠点がある。さらに、高周波の電圧を印加する必要があるため、電源を切り電圧印加を止めると初期の状態に戻ってしまうという揮発性の素子である。
【０００６】
以上より、光路切替素子は、光通信や光学実験では欠かせない方法であり、かつ時間的に素早く切り替えをする必要がある。また特に光通信分野において、切り替え後はエネルギーを必要とせず、切り替えた状態を保持する必要が省エネの面からも渇望されている。
【０００７】
上記の問題を解決するため、相変化材料を用いた光路切替素子が提案されている。（非特許文献１）これは、相変化材料の結晶−アモルファス状態の屈折率の差異を利用し、ファイバ光路の切り替えを行う素子である。現時点では、まだ計算の段階であるが、切り替えが可能であると結論づけている。しかしながら、この素子においては、光のロスが大きいという欠点が存在する。相変化材料を光が通過するため、相変化材料の光吸収により、２dB弱光強度（光通信の信号強度）が、弱くなってしまう。
【０００８】
光通信の場合、光路切替素子はいくつも必要であり、素子を通るたびに弱くなってしまうため、どこかで増幅をする必要が生じる。また、光通信では使用可能であるが、研究開発でＡＯＭの変わりに使用することは非常に困難である。これは、光路切替素子とファイバ（平面導波路）を同じ平面基板に作製しなくてはならず、平面基板に作製されたファイバに光を導入するように素子を作製することが非常に難しいからである。従って、研究開発上の実験で光路切替素子としてＡＯＭの代わりとして使われることは考えられない。
【非特許文献１】Proceedings of the 19th Symposium on Phase Change Optical Information Storage (PCOS) 2007, pp.39-42.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明の課題は、光路の切替時間が短く、切替後の状態保持において何らからのエネルギーを必要とせず、かつ安価な光路切替素子及び光路切替方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替素子。
（２）結晶状態とアモルファス状態の転移を加熱によって行うことを特徴とする（１）に記載の光路切替素子。
（３）上記加熱は、電気による加熱であることを特徴とする（２）に記載の光路切替素子。
（４）上記電気による加熱は、グレーティング状に配置した相変化材料のそれぞれに対して順番に行うことを特徴とする（３）に記載の光路切替素子。
（５）上記加熱は、光による加熱であることを特徴とする（２）に記載の光路切替素子。
（６）上記光による加熱は、パルス光を用いて、グレーティング状に配置した相変化材料の全てを相変化させることを特徴とする（５）に記載の光路切替素子。
（７）上記基板は、光の波長に対し、基板材料の屈折率の実部を１．２以上３．５以下、虚部を０．１以下とすることを特徴とする（１）に記載の光路切替素子。
（８）上記基板の表面粗さは、使用光の波長以下であることを特徴とする（１）に記載の光路切替素子。
（９）上記相変化材料は、アンチモンとテリルウムの合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか１種又は２種以上が添加されていることを特徴とする（１）に記載の光路切替素子。
（１０）上記相変化材料は、セレンとヒ素の合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか１種又は２種以上が添加されていることを特徴とする（１）に記載の光路切替素子。
（１１）基板上に結晶とアモルファス状態に変化する相変化材料からなるグレーティングを備えた光路切替素子。
（１２）基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、結晶とアモルファスの屈折率の差異を利用して光路を切り替えることが可能である。また、二つの状態を電気的加熱又は光照射加熱で切り替えることにより、構造が簡単で、かつその切替時間はナノ秒レベルと非常に早くできる。
さらに構造が簡単なため、従来の光路切替素子に比べ安価な素子として提供可能であり、また、状態保持のためのエネルギーを必要としないため、低コストな運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る光路切替素子は、基本的に基板上にグレーティング状に作製された相変化材料で構成される。相変化材料は、結晶とアモルファスの状態を加熱することにより、変化可能な材料であり、その二つの状態間の屈折率が大きく変わる材料である。この材料は、書き換え可能な光ディスクの材料として実際に市販されている。
【００１３】
本発明の光路切替素子は、相変化材料のグレーティング形状において、結晶とアモルファスの状態の転移を電気的な加熱、または光照射の加熱により制御することを特徴とする。結晶とアモルファス状態は、外部からのエネルギー注入がない限り、その状態を保持するため、切り替え後の保持に何らのエネルギーを必要としない。またその切替時間は、非常に早くグレーティングのサイズにも依存するが、ナノ秒レベルであり、非常に高速である。
【００１４】
また、光照射による加熱は、光通信にとっては非常に有利である。なぜならば、通常の光通信とは別のパルス的な加熱光（光強度は通常の５、６倍）を光信号と同じ光路に導入するだけで、相変化材料の結晶−アモルファス状態を切替可能であるため、切替を行うための装置や電気回路等を必要としない。
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。
【００１５】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係わる光路切替素子の概略的な側部断面図である。この構成は、光を導入するための円柱プリズム又は三角プリズムと、表面に相変化材料グレーティングを加工してある透明基板を用い、クレッチマン配置とした。
プリズムと基板の間に、反射を避けるためのマッチング・オイルが介在している。入射光は必要に応じて絞りレンズを通して、設計した角度でプリズムに入射し、グレーティングが付着している基板表面に到着する。ここでグレーティングの回折効果を受ける。グレーティングの相変化材料の状態により、回折効果が変化するので、光の進行ルートも変わる。
【００１６】
次に、実施形態１に係わる光路切替素子の光路切替動作を、図２に示したシミュレーション結果図を用いて説明する。すべての結果は1.55μｍ波長のＳ偏波に対するものである。
グレーティングは厚さ５０nm、周期３００nmのライン・アンド・スペースで、相変化材料（Ge2Sb2Te5:ＧＳＴ）で石英基板上に形成したものである。グレーティングの面積は、光スポット・サイズと同程度で十分である。この構造では、一次以上の回折光が発生しないことは計算で確認した。
なお基板として石英基板を例示しているが、基板としては、光の波長に対し、基板材料の屈折率の実部が１．２〜３．５、虚部が０．１以下のものであればよい。特に屈折率の虚部が大きいと入射した光が吸収されてしまうため、小さいものほどよい。
【００１７】
図２（ａ）に、相変化材料がアモルファス状態である時の入射角度と正反射強度及び一次回折光強度の関係を示す。入射角度が全反射角度４０°より大きくなると、透過する光が消失し、正反射光が増える。入射角度がさらに大きくなると（５０°以上）、正反射光が消え、光パワーはほぼ全部一次回折光になる。
一方、相変化材料が結晶状態になる場合、図２（ｂ）のように、一次回折光はほとんど消失し、主に正反射光が観測される。ただし、結晶状態ＧＳＴの光損失が大きいため、正反射光強度はアモルファス状態の回折光と比べると劣る。
【００１８】
図３は、入射角度と一次回折光角度の関係を示すものである。入射角度の変化に伴って、一次回折光の角度が一定範囲内で調整できることが分かる。特に、両角度を同一にすることも可能である。この場合、一次回折光が入射光と同じ光路に戻ってくることになる。
【００１９】
図２と図３を踏まえて、光路切替素子の動作条件が決められる。例えば、光の入力角度を７２°に、二つの出力をそれぞれ５５°と−７２°に固定すると、グレーティング材料の相変化状態を制御することで、図４のような入射光に対するオン・オフ動作や光路の切替動作などが実現できる。
【００２０】
以上のシミュレーション結果を実証するために、実際に電子線リソグラフィー法で透明ガラス基板の上にＧＳＴグレーティングを作製し、アモルファス状態のグレーティングに対して測定を行った。
【００２１】
図５の左図は入射角度が変化する時、正反射の光パワーを測った結果である（参考のため、グレーティングなしの場合の結果も点線で表してある）。図２（a）の右図と比べると、ほぼ計算通りの正反射曲線が得られたことが分かる。５０°以上の正反射減少は、光パワーが一次回折光に移ったためである。
また、図５の右図には、入射角度が５５°近辺で変化する場合、７２°と−５５°のところで測定した光検出器の電圧変化を示した。グレーティングなしの場合の波形と比べると分かるように、５５°で入射した光の大部分が一次回折光になって７２°の角度で出射いることが直接に確認できた。
【００２２】
なお実施形態１で実施された、数値はそれらに限定されるものではない。グレーティングの厚さ、幅、グレーティング間のスペースは、上記数値に限定されるものではなく、厚さは10nmから1000nm、幅は100nmから1000nm、グレーティング間のスペースは100nmから1000nmの範囲で設計が可能である。また、光の波長、入射角度、反射角度も限定されるものではなく、グレーティングの形状、基板の種類等に基づいて適宜選定される。
【００２３】
（実施形態２）
図６に本発明の実施形態２を示す。図６に示すように、実施形態１の円柱プリズムの代わりに、三角プリズムとすることも可能である。
【００２４】
（実施形態３）
図７に本発明の実施形態３を示す。実施形態１の空間型素子の変形として、実施形態３はファイバで光の入力・出力を行う。
光を絞るためのレンズの代わりに、先球ファイバを使うことも可能である。
また、一次回折光の角度を入射角度と同じ値に設定することで、光の入射方向と全く同じ方向へ出射させることも可能である。この場合、出射光と入射光はひとつのファイバとひとつのレンズを共有可能となり、光学系を簡素化できる。その代わりに、出力と入力を分離するためのサーキュレータが必要である（図８参照）。
【００２５】
（実施形態４）
図９に本発明の実施形態４を示す。これは同じ原理を平面型導波路への応用である。この場合、光を導入するためのプリズムを省略できる。入射導波路１７から伝搬してきた光が、導波路の端面に製作してある相変化材料グレーティングにより回折効果を受ける。
相変化材料の状態により、反射光として１９の出力導波路２に、又は一次回折光として１８の出力導波路１に導かれる。また、出力導波路１を省略し、同じ入射導波路に回折光が戻ってくるようにも設計できる。
【００２６】
（実施形態５）
図１０は、本発明の実施形態１に係る光学素子の結晶−アモルファス転移を行うための電気加熱回路の一例である。
多数のグレーティングを一度に同時に転移させることは、非常に困難である。一つのグレーティングが先に結晶に転移すると、そこの電気抵抗が低下するため、今度は集中的に電気が流れることになり、他のグレーティングに電気が流れなくなり、加熱できなくなってしまう。
【００２７】
これを防止するために、一つ一つのグレーティングに順番に電気を流して、加熱を行う必要がある。グレーティングの一方の端は、アースに接続されておりこれは全てのグレーティンブに共通である。もう一方の端は、それぞれＭＯＳ（metal-oxide-semiconductor)トランジスタのドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタのソースは、電源に接続されている。
【００２８】
また、そのゲートはアドレス線の接続されている。アドレス線は一つ一つが選択され、一つのＭＯＳトランジスタのゲートを開ける。そうすることにより、ソースとドレインが接続されるため、一つのグレーティングに電流を流すことが可能となる。時間的に順番にアドレス線を選択していけば、グレーティングを順番に転移させることが可能となる。このような動作は、一般的な半導体メモリーで行われている動作なので、問題はない。ここでは、ＭＯＳトランジスタを一例として取り上げたが、順番に転移させるという目的においては、他のスイッチ素子でも同様な動作をさせることが可能である。
【００２９】
なお、上記の実施形態１〜５は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、この実施形態１〜５に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。
例えば相変化材料としてＧＳＴを例示したが、相変化材料として、ＧＳＴ以外のアンチモンとテリルウムの合金を母材とし、銀、シリコン、インジウムのいずれか１種又は２種以上が添加されているもの、あるいはセレンとヒ素の合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか１種又は２種以上が添加されているものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態１に係る光路切替素子の構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る光路切替素子の原理を示す計算結果図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る光路切替素子の入射・出射角度関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る光路切替素子の動作を示す波形図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る光路切替素子の動作実証の実験結果図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る光路切替素子の構成図である。
【図７】本発明の実施形態３に係る光路切替素子の構成図である。
【図８】本発明の実施形態３に係る光路切替素子の他の構成図である。
【図９】本発明の実施形態４に係る光路切替素子の構成図である。
【図１０】本発明の実施形態５に係る光路切替素子の構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  入射光
２  レンズ
３  相変化材料グレーティング
４  透明基板
５  反射光
６  光検出器
７  円柱プリズム
８  一次回折光
９  石英基板
１０  ＧＳＴグレーティング
１１  正反射光
１２  三角プリズム
１３  入射ファイバ
１４  出力ファイバ１
１５  出力ファイバ２
１６  サーキュレータ
１７  入射導波路
１８  出力導波路１
１９  出力導波路２
２３  通電用回路
２４  スイッチ素子（ＭＯＳトランジスタ）
２５  ＭＯＳ選択線（アドレス線）
２６  電源
２７  アース
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１】
2010044232.tif 000009
【図６】
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【図７】
2010044232.tif 000011
【図８】
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