(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極率の大きな物質、又は、分極率の大きな物質と透明体を、吸収帯を有する共振器モードが存在するように規則的に配置した光−光スイッチ用微小共振器を有する光−光スイッチにおいて、
前記微小共振器の入射光面に直角に入射するように配置された信号光用光源と、前記微小共振器の前記信号光の入射面に前記微小共振器の入射光面と所定角度で入射するように配置された制御光用光源とを有し、
前記吸収帯の複数の吸収ディップのうち、信号光と制御光の各吸収ディップの間を制御光のスペクトル幅以上とし、
前記吸収帯の複数の吸収ディップのうち、制御光の吸収ディップを逆ラマン共鳴が発生する光子エネルギーレベルとなるように制御光の入射角または共振器の周期を設定することを特徴とする光−光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光エレクトロニクス等の分野で用いられる光一光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光一光スイッチでは、従来、屈折率による変調を用いた手法が圧倒的に多く使われていた。例えば、特開平１１−２４１１５号公報、特開平１０−１９７９０９号公報に示されている。この手法では、高速性は保つことも可能であるが、スイッチを動作させるのに高パワーの光が必要である点が短所である。
ー方、従来、使われかたは少ないが、吸収率による変調を用いた光一光スイッチでは、動作パワーは低くできるが、応答時間が長く、通常ナノ秒領域か、特性のよい材料を用いてもピコ秒を割るのは困難であった。
即ち、高速高パワー動作とするか、低速低パワー動作とするかという問題点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、動作光を低パワー化し、応答時間を高速化した光ー光スイッチ用微小共振器および光一光スイッチを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、
（１）分極率の大きな物質、又は、分極率の大きな物質と透明体を、吸収帯を有する共振器モードが存在するように規則的に配置した光−光スイッチ用微小共振器を有する光−光スイッチにおいて、
前記微小共振器の入射光面に直角に入射するように配置された信号光用光源と、前記微小共振器の前記信号光の入射面に前記微小共振器の入射光面と所定角度で入射するように配置された制御光用光源とを有し、
前記吸収帯の複数の吸収ディップのうち、信号光と制御光の各吸収ディップの間を制御光のスペクトル幅以上とし、
前記吸収帯の複数の吸収ディップのうち、制御光の吸収ディップを逆ラマン共鳴が発生する光子エネルギーレベルとなるように制御光の入射角または共振器の周期を設定することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下説明する。
本発明の共振器は、Ｊ会合体、高分子ポリマーなどの室温でも十分に安定な吸収バンドを持つ物質を、空間的に規則性を持たせて配列した微小共振器構造とする。
空間的に制御された構造、即ち、微小共振器構造中に、J会合体などの分極率の大きな物質を埋め込み、なおかつ、高速化、熱効果の低減の為に、逆ラマン共鳴という、制御光が吸収帯の低エネルギー側にあり、かつ、光非線形効果が大きなコヒーレント過渡現象を用いる。更なる熱効果の低減の為に、制御光を導波モードとして、スイッチング後に、光スイッチ部分から逃がすことにより、高繰り返し動作に対しても、安定化が可能である。これらにより、光一光スイッチの性能の向上即ち、低パワー動作性、フェムト秒域の高速性、及び熱効果の低減と、それによる高繰り返し動作が可能になる。
【０００６】
図１は本発明に係る光一光スイッチの概念図である。
擬イソシアニン等のＪ会合体、ＰＰＶ（ポリパラフェレンビニレン）等の高分子ポリマー、ペロブスカイト型有機無機半導体などの室温でも十分に安定な吸収バンド（例えば図３に示す）を持つ物質を、空間的に規則性を持たせて配置して微小共振器を構成する。
この空間構造により変調を受ける光の周波数と、前記Ｊ会合体等の物質の大きな分極率との相互作用を用いて、光−光スイッチの性能の向上、即ち、低パワー動作性、フェムト秒域の高速性、熱効果の低減を行う。
【０００７】
以下、本発明をＪ会合体を用いた実施の形態について説明する。本発明の基本的な動作形態は以下のようになる。
図１（ａ）に示す、信号光の入射時、同時に制御光の入射がない場合には、信号光だけではそのエネルギーレベルが共振器の透過閾値レベル以下であるため、透過しない。
【０００８】
図１（ｂ）に示す、信号光の入射時、同時に制御光が入力されると、信号光は制御光により励起され、そのエネルギーレベルが共振器の透過閾値レベル以上になるため、透過する。このとき、制御光は、共振器の信号モードまたは導波モード（吸収バンドを含む）などの特定のモードを励起し、動作の低パワー化を可能とする。この特定のモードを吸収帯の十分低エネルギー側に設定することにより、フェムト秒域の高速化と熱効果の低減ができる。さらに、このモードをJ会合体などの逆ラマン共鳴波長に設定することにより、さらなる効率化が可能である。
図１（ｃ）に示す、スイッチング後、制御光は光スイッチ内を信号光の透過方向と異なる方向へ伝播して外部に取り出されるので、熱効果はさらに低減できる。
【０００９】
【実施例】
本発明の実施例を図に基づいて以下説明する。
図２は本発明に係るＪ会合体が埋め込まれた微小共振器の構造を示す図である。図２（ａ）はこの微小共振器の側面図で、図２（ｂ）、図２（ｃ）に、それぞれ、１次元、２次元の周期構造を持つ微小共振器の平面概略図を示す。
図２（ａ）には、基板部上に、Ｊ会合体のみ又はＪ会合体と透明体からなる斜線部と透明体からなるそれ以外の長方形とが空間距離Λｘで交互に配置される。すなわち、斜線部と長方形部が一体で共振器を構成している。
【００１０】
図２（ｂ）の１次元構造の光一光スイッチでは、信号光は図の左右いずれかの方向に透過する。
図２（ｃ）に示す２次元構造に、多層コーティングすることにより、３次元構造の微小共振器も可能である。以下、前記１次元構造を本発明の実施の形態として、本発明の光一光スイッチについて説明する。２、３次元構造の微小共振器でも、同様である。
図３は本発明に係る１次元微小共振器中のＪ会合体の透過スペクトルを示す図である。
【００１１】
微小共振器の周期は、上記図２（ａ）図における空間距離Λｘであり、その空間距離Λｘを３９０ｎｍとしたとき、光の入射角度を０度〜６度まで変えて測定したものである。図中２．１９４eV付近の透過ディップが、J会合体のJバンドと呼ばれる吸収帯である。このバンドの低エネルギー側の吸収ディップが分布帰還型共振器ポラリトンと呼ばれるもので、入射角度が０度の時には定在波で、入射角度が０度でない時には、伝播波になることが知られている。
【００１２】
図３の特性図について説明する。横軸は光子エネルギー（ｅＶ）、縦軸は透過率（Ｔ）を表す。
入射角θ＝０の特性曲線は、Ｂ波形部が信号モードの吸収バンドを表し、Ａ波形部が導波モードの吸収バンドを表す。
入射角θ＝４の特性曲線は、Ｆ波形部が信号モードの高エネルギー側吸収バンドを表し、Ｅ波形部が信号モードの低エネルギー側吸収バンドを表し、Ｄ波形部が導波モードの高エネルギー側吸収バンドを表し、Ｃ波形部が導波モードの低エネルギー側吸収バンドを表す。
入射角θ＝６の特性曲線は、Ｈ波形部が信号モードの低エネルギー側吸収バンドを表し、Ｇ波形部が導波モードの低エネルギー側吸収バンドを表す。
ここで分極率とは、入射光の透過率が複数の光子エネルギーレベルにおいて落ち込む（吸収バンド）特性におけるその落ち込み（吸収バンド）間隔の広狭を意味し、分極率が大きいとは前記落ち込み間隔が所定基準より広いことを意味する。
【００１３】
制御光の入射角をリニヤーに増加または減少させたときの、信号モードまたは導波モードの吸収バンドの光子エネルギーの移動幅は、共振器の材料の選択に基づく。前記Ｆ波形部とＤ波形部との間隔は分極率に比例する。導波モードの吸収バンドと信号モードの吸収バンドの間隔は、図２の空間距離Λｘに比例し、空間距離を短くすれば上記両バンド幅も短くなる傾向を有する。
この図３の特性図において、信号光と制御光は、周波数が基本的に異なり、また、干渉しないように相互に光子エネルギーレベルが離間している必要がある。このためには、例えば、図３の特性を有する共振器について検討すると、信号モードの吸収バンドと導波モードの吸収バンドの間隔を必要程度設けるための入射角の値をいくつにするかがまず問題となる。
【００１４】
以下、この入射角度が６度近傍のときの光ー光スイッチ動作について説明する。
図４はＪ会合体の逆ラマン共鳴を示す図である。
図４は、透過光特性を表し、用いているＰＩＣ（ｐｓｅｕｄｏｉｓｏｃｙａｎｉｎｅ）−Ｊ会合体の逆ラマン共鳴を示す。ここに示すのは、共振器のないＪ会合体における、制御光によるＪバンドピークでの透過率変化の実測値を表す。横軸（ＰＵＭＰ  ＤＥＴＵＮＩＮＧ（ｅＶ））の原点０は、２．０００ｅＶに設定してあり、縦軸は信号分の変化分である。この原点近傍のエネルギーが、ＰＩＣ−Ｊ会合体の逆ラマン共鳴であることがわかる。制御光をこのエネルギーに設定することにより信号光の変調度が数倍向上することがわかる。
この２．０００ｅＶを図３についてみると、入射角θ＝６の透過特性曲線のＧ波形部が該当する。
【００１５】
図３には入射角７度の透過特性曲線は示していないが、θ＝０〜θ＝６の透過特性曲線の傾向を有し、導波モードの吸収バンドは約２．０００ｅＶとなっている。
これにより、入射角6−7度近傍の時には、共振器モードの1つがちょうど２．０００ｅＶくらいになり、共振器の導波モードとJ会合体の逆ラマン共鳴が一致し、光一光スイッチに用いる信号光の透過率変化の増大が見込める。
図５は本発明に係る１次元微小共振器中のＪ会合体の透過スペクトルと透過率変化スペクトルを示す図である。
【００１６】
図5の下図に、制御光２．０００ｅＶにしたときの、上記J会合体が埋め込まれた微小共振器の透過率変化を示す。制御光の入射光光子数はおよそ平方センチメートルあたり３×１０１３個である。
図中、実線が微小共振器上での透過率変化、破線が、共振器のないところでの透過率変化である。この図から、共振器上では、およそ1桁の光非線形性の増大があり、光一光スイッチとしての高効率化が可能であることがわかる。
【００１７】
このときの光−光スイッチの時間応答を図６に示す。
図６は前記図５における透過率変化の最大値を、制御信号と信号光との時間差に対してプロットしたグラフである。
横軸はＴＩＭＥ  ＤＥＬＡＹ（時間遅れ）（ｐｓ）、縦軸は透過率変化を表す。
制御光のパルス幅は、スペクトル幅を狭めるためにおよそ０．５ピコ秒の時間幅に設定してある。これは、図３に示されている導波モードのスペクトル幅よりもほんの少し狭いスペクトル幅になっている。従って、応答時間もパルス時間幅をほぼ反映して、０．５ピコ秒程度になっている。
一方、より高速応答を得るために、よりスペクトル幅が広く、時間幅が短い制御光を使っても、導波モードのスペクトル幅で応答時間が決まっているため、応答は速くならない。しかも、導波モードのスペクトル幅から外れた制御光の成分は、共振器内を導波しないので、光スイッチの性能効率向上にもほとんど寄与しない。
【００１８】
従って、１ピコ秒より速い応答を得るために、モード幅が４ｍｅＶ必要であることは、例えば、０．５ピコ秒より速い応答を得るためには、モード幅が８ｍｅＶ必要であることに対応する。
以上のことから、フェムト秒域の高速性を保つためには、制御光として数ｍｅＶのスペクトル幅を必要とする。この制御光をスペクトル的に分離するために、信号光および制御光用の共振器モード、即ち、図３における信号モード（例えば、Ｈ波形部）部および導波モード（例えば、Ｇ波形部）部がこのエネルギー幅以上に離れていることが必要となる。
微小共振器に入射した制御光は、透過、反射、回折光以外に、共振器中を伝播する成分があり、これが光非線形性の増大に寄与している。この伝播光は、共振器の境界付近で散乱していることが目視でも確認され、これをうまく外部に逃がすことにより、熱効果のさらなる低減も可能である。図5中で、低エネルギー側の吸収ディップは共振器ポラリトンのもう1つのモードで、このモード自身の透過率も、制御光により変調を受けていることがわかる。このことから、２、３次元の分布帰還型共振器ポラリトンで、複数のモードがたつように共振器を設計すれば、制御光のみならず、信号光も吸収帯から離れたところでの、高効率の光一光スイッチが実現でき、さらなる熱効果の低減も可能である。
【００１９】
［発明の効果］
以上説明したように、本発明の光一光スイッチ用微小共振器は、微小共振器を構成する安定な吸収バンドを持つ物質、即ち、Ｊ会合体等の分極率の大きな物質の空間配置構造により、光を変調することにより、低パワー動作性、フェムト秒域の高速性、熱効果の低減を可能とする。
本発明にかかる光一光スイッチの効果は以下のように要約できる。
制御光が共振器の特定のモードを励起することで、動作の低パワー化が可能となる。この特定のモードを吸収帯の十分低エネルギー側に設定することにより、フェムト秒域の高速化と熱効果の低減ができる。さらに、このモードをJ会合体などの逆ラマン共鳴波長に設定することにより、さらなる効率化が可能である。スイッチング後、制御光は光スイッチ部から伝播して外部に取り出されるので、熱効果はさらに低減できる。これらの特長により、光一光スイッチの性能の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光スイッチの概念図である。
【図２】本発明に係るＪ会合体等が埋め込まれた微小共振器の構造図である。
【図３】本発明に係る１次元微小共振器中のＪ会合体の透過スペクトルを示す図である。
【図４】Ｊ会合体の逆ラマン共鳴を表す図である。
【図５】本発明に係る１次元微小共振器中のＪ会合体の透過スペクトルと透過率変化スペクトルを示す図である。
【図６】図５における透過率変化の最大値を、制御信号と信号光との時間差に対してプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【図１】
0003646160.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003646160.tif 000006
【図６】
0003646160.tif 000007