(57)【要約】  複数のナノ粒子を含む微小共振器を備える光スイッチを提供する。微小共振器は、ある信号波長を有する信号光を受取り、かつある励起波長を有する励起パルスを受取るように構成される。当該信号波長において屈折率変化を経ることによって、微小共振器の少なくとも一部分が励起パルスに応答する。
2009509198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のナノ粒子を含む微小共振器を備え、前記微小共振器は、ある信号波長を有する光信号を受取り、かつある励起波長を有する励起パルスを受取るように構成され、当該信号波長において屈折率変化を経ることによって微小共振器の少なくとも一部分が励起パルスに応答する、光スイッチ。
【請求項２】
微小共振器に光結合され、かつ励起源および信号源に光結合するように構成された光カプラーをさらに備え、光カプラーは、励起源から微小共振器に励起パルスを伝送し、信号源から微小共振器に信号光を伝送する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
光カプラーは、基板上に形成された光導波路を含む、請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
光カプラーは光ファイバを含み、光ファイバは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部および第２の端部の間にあり、かつ微小共振器に光結合されたテーパ部分とを有する、請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項５】
第１の端部は励起源に光結合するように構成され、第２の端部は信号源に光結合するように構成される、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項６】
光カプラーはプリズムを含む、請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項７】
微小共振器はさらに、微小空洞、微小球、微小リング、マイクロディスク、マイクロトロイド、半導体チップ上の導波路共振器、または半導体チップ上のプレーナ型微小共振器を含む、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項８】
微小共振器は、シリカガラス、ドーピングされたシリカ系ガラス、ホウケイ酸ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、有機材料、および半導体チップ上のパターニングされたオキシナイトライド膜からなるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項９】
ドーピングされたシリカ系ガラスは、ゲルマニウムでドーピングされている、請求項８に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
有機材料はポリメチルメタクリレートを含む、請求項８に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
ナノ粒子は結晶質である、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
ナノ粒子は半導体材料を含む、請求項１１に記載の光スイッチ。
【請求項１３】
半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料、またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１２に記載の光スイッチ。
【請求項１４】
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料は、ＣｄＴｅ、ＣｄＳおよびＣｄＳｅからなるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１３に記載の光スイッチ。
【請求項１５】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料はＧａＡｓを含む、請求項１３に記載の光スイッチ。
【請求項１６】
ナノ粒子は金属材料を含む、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項１７】
金属材料は、金、銀、銅、アルミニウムまたは貴金属からなるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１６に記載の光スイッチ。
【請求項１８】
ナノ粒子は、励起波長において強い吸収性を有し、信号波長において無視可能な吸収性を有する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項１９】
微小共振器は、複数のナノ粒子を含有するシリカ層でコーティングしたシリカ微小球を含み、ナノ粒子はシリコンを含む、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項２０】
シリカ層はシリコンリッチシリコン酸化物を含み、シリコンナノ粒子は結晶質である、請求項１９に記載の光スイッチ。
【請求項２１】
励起パルスに応答して、微小共振器の部分が温度上昇とそれに伴う屈折率変化とを経る、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項２２】
光スイッチであって、
複数のナノ粒子を含む微小共振器と、
微小共振器に光結合された光カプラーとを備え、光カプラーは、信号源から信号を受取るように構成された第１の部分と、第１の部分に光結合され、かつ微小共振器に光結合するように構成された第２の部分と、第２の部分に光結合され、かつ第２の部分から受取った信号を伝送するように構成された第３の部分とを有し、光スイッチは、所定のしきい値出力よりも信号出力が大きい信号を第１の部分から第３の部分に伝送し、所定のしきい値出力よりも信号出力が小さい信号は第１の部分から第３の部分に伝送しない、光スイッチ。
【請求項２３】
シリコンナノ結晶でコーティングした微小球を含む光スイッチを製造する方法であって、前記方法は、
シリカ光ファイバを設けるステップと、
ファイバの少なくとも一部分を溶融して、少なくとも１個のシリカ微小球を形成するステップと、
微小球をシリカ層でコーティングするステップと、
微小球をアニーリングすることによって、シリカ層内にシリコンナノ結晶を析出させるステップと、
水素含有雰囲気において微小球をアニーリングすることによって、ナノ結晶を不動態化するステップとを備える、方法。
【請求項２４】
微小球の直径は約１５０マイクロメートルである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
シリカ層はシリコンリッチシリコン酸化物を含み、ＡｒプラズマによるＳｉＨ4およびＯ2の誘導結合プラズマ促進化学気相成長法を用いて形成される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
シリカ層を形成しながら微小球が回転される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ナノ結晶を析出させるステップは、微小球を６０分間１１００℃にてアニーリングするステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
ナノ結晶を不動態化するステップは、形成ガスにおいて６０分間６５０℃までナノ結晶を熱するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
テーパ部分を有する光ファイバを含む光カプラーを設け、テーパ部分を微小球に光結合するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
マルチプレクサをテーパ部分に光結合するステップをさらに備え、マルチプレクサは、励起源に光結合するように構成された第１の部分と、信号源に光結合するように構成された第２の部分と、テーパ部分に光結合された第３の部分とを有する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
光スイッチングの方法であって、前記方法は、
光カプラーと、光カプラーに光結合され、かつ複数のナノ粒子を有する微小共振器とを含む光スイッチを設けるステップと、
光スイッチによって光パルスを受取るステップとを備え、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときに微小共振器の少なくとも一部分が温度上昇とそれに伴う屈折率変化とを経るように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器のナノ粒子によって吸収される、方法。
【請求項３２】
光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光パルスが光スイッチから伝送され、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光パルスは光スイッチから伝送されない、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光パルスは光スイッチから伝送されず、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光パルスが光スイッチから伝送される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
光スイッチによって光パルスを受取るステップをさらに備え、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光信号が光スイッチから伝送され、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光信号は光スイッチから伝送されない、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
光スイッチによって光信号を受取るステップをさらに備え、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光信号は光スイッチから伝送されず、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光信号が光スイッチから伝送される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
光スイッチングの方法であって、前記方法は、
光カプラーおよび、光カプラーに光結合され、かつ複数のナノ粒子を有する微小共振器を含む光スイッチを設けるステップと、
光スイッチによって光パルスを受取るステップとを備え、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには複数の光スイッチの少なくとも一部分が自由搬送波数の増加とそれに伴う屈折率変化とを経るように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器のナノ粒子によって吸収される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本発明は、２００５年９月１６日出願の米国仮特許出願番号６０／７１７，６３７号の優先権を主張し、その全体をここに引用によって援用する。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本発明は、概して光変調器および光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
全光ファイバ変調器およびスイッチは、長年にわたって研究されてきた重要な装置である。これは主に、光通信およびファイバセンサシステムにおいて、低損失、低パワーで、ファイバ接続された、光学的にアドレス指定可能なスイッチングデバイスが求められているためである。これらのシステムは、限定はしないが、周期的自己回復通信ネットワーク、再構成可能な光信号処理、ローカルエリアネットワークのためのパケットスイッチング、ビットスイッチング、曳航式センサアレイ、およびファイバリンクのテストを含む。
【０００４】
あいにく、スイッチングを誘起するためにシリカファイバの屈折率を変えるのに利用可能な物理的メカニズムは非常に少ない。広く研究されているカー効果は応答時間が極めて速い（たとえば数フェムト秒）が、周知のとおり弱い。カーに基づくファイバスイッチは、典型的に、１０メートルのファイバにおいて１．５５マイクロメートルでのフルスイッチングのために２０ワットのオーダの出力を使用する（たとえば、N.J. Halas, D. KrokelおよびD. Grischkowskyによる“Ultrafast light-controlled optical-fiber modulator,”Applied Physics Letters, 第50巻，第14号, 886-888ページ, 1987年4月；ならびにS.R. Friberg, A.M. Weiner, Y. Silberberg, B.G. Sfez,およびP.S. Smithによる“Femtosecond switching in a dual-core-fiber nonlinear coupler,”Optics Letters, 第13巻,
No. 10, 904-906ページ, 1988年10月参照）、または約２００ワット×メートルのスイッチング出力と長さとの積ＰＬを使用する。Ｅｒ3+などの希土酸化物でドーピングしたファイバにおいて共振の点で向上した非線形はかなり強い（ＰＬは１０-2ワット×メートルにおよそ等しい）が、非常に遅い（たとえば応答時間は約１０ミリ秒；たとえば、R.A. Betts, T. Tjugiarto, Y.L. Xue,およびP.L. Chuによる“Nonlinear refractive index in erbium doped optical fiber: theory and experiment,”IEEE Journal of Quantum Electronics, 第27巻, 第4号, 908-913ページ, 1991年4月；ならびにR.H. Pantell, R.W. Sadowski, M.J.F. Digonnet,およびH.J. Shawによる“Laser-diode-pumped nonlinear switch
in erbium-doped fiber,”Optics Letters, 第17巻, 第4号, 1026-1028ページ, 1992年7月参照）。スイッチングは、吸収材でドーピングしたファイバにおいて熱誘起もされてきた。たとえば、Ｃｏ2+でドーピングした２．５５センチメートルのファイバスイッチは、１．８キロワットのスイッチングピーク出力を要し（ＰＬは５ワット×メートルにおよそ等しい）、その応答時間は約２５ナノ秒であった（たとえば、M.K. Davis,およびM.J.F. Digonnetによる“Nanosecond thermal fiber switch using a Sagnac interferometer,”IEEE Photonics Technology Letters, 第11巻, 第10号, 1256-1258ページ, 1999年10月参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ごく最近では、Tapalian他(H.C. Tapalian, J.-P. Laine,およびP.A. Laneによる“The
rmooptical switches using coated microsphere resonators,”IEEE Photonics Technology Letters, 第14巻, 1118-1120ページ, 2002年8月)が、吸収ポリマーでコーティングした微小球において、４０５ナノメートルの励起ビームを微小球の表面に照射することによるスイッチングを実証した。励起によりポリマーおよび微小球が熱せられ、微小球の共振波長が熱的に変動し、１．５５マイクロメートルの信号がスイッチングされた。共振器の使用により、スイッチング出力は大幅に減少する。共振を約１０００線幅だけ変動させるには、約０．５秒間わずか４．９ミリワットの励起露光を行なえば十分であった。フルスイッチングは約１線幅の変動を必要とするため，スイッチング出力はわずか４．９マイクロワット、スイッチングエネルギは約２．５マイクロジュールであった。しかし、スイッチの応答時間は非常に長かった（たとえば０．１６５秒）。このようなスイッチの特徴的な寸法を微小球の直径（この例では２５０マイクロメートル）と考えると、この装置のＰＬ積は約１．２×１０-9ワット×メートルであり、非常に小さい。カー効果に基づくウィスパリングギャラリーモード（Whispering gallery mode）微小球共振器も、以前から研究されている（たとえば、M. Haraguchi, M. Fukui, Y. Tamaki,およびT. Okamotoによる“Optical switching due to whispering gallery modes in dielectric microspheres coated by a Kerr moterial,”Journal of Microscopy, 第210巻, 第3部, 229-233ページ,
2003年6月; A. Chiba, H. Fujiwara, J. Hotta, S. Takeuchi,およびK.Sasakiによる“Resonant frequency control of a microspherical cavity by temperature adjustment,”Japanese Journal of Applied Physics, 第43巻, 第9A号, 6138-6141ページ, 2004年参照）。他の全光ファイバスイッチと比べて、微小球を用いた光スイッチは、極めて寸法が小さく（たとえば、微小球の直径は典型的にわずか５０〜５００マイクロメートル）、かつスイッチングエネルギが非常に低いという固有の利点を示す。その理由は，共振器の共振が非常に急激であるため、フルスイッチングを誘起するには微小球の率をわずかに変化させるだけで十分だからである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
一部の実施形態において、光スイッチは、複数のナノ粒子を含む微小共振器を備える。微小共振器は、ある信号波長を有する信号光を受取り、かつある励起波長を有する励起パルスを受取るように構成される。当該信号波長において屈折率変化を経ることによって、微小共振器の少なくとも一部分が励起パルスに応答する。
【０００７】
一部の実施形態において、光スイッチは、複数のナノ粒子を含む微小共振器を備える。光スイッチはさらに、微小共振器に光結合された光カプラーを備える。光カプラーは、信号源から信号を受取るよう構成された第１の部分と、第１の部分に光結合され、かつ微小共振器に光結合するように構成された第２の部分と、第２の部分に光結合され、かつ第２の部分から受取った信号を伝送するように構成された第３の部分とを有する。光スイッチは、所定のしきい値出力よりも信号出力が大きい信号を第１の部分から第３の部分に伝送し、所定のしきい値出力よりも信号出力が小さい信号は、第１の部分から第３の部分に伝送しない。
【０００８】
一部の実施形態の方法は、シリコンナノ結晶でコーティングした微小球を含む光スイッチを製造する。当該方法は、シリカ光ファイバを設けるステップを備える。当該方法はさらに、ファイバの少なくとも一部分を溶融して、少なくとも１個のシリカ微小球を形成するステップを備える。当該方法はさらに、微小球をシリカ層でコーティングするステップを備える。当該方法はさらに、微小球をアニーリングすることによって、シリカ層内にシリコンナノ結晶を析出させるステップを備える。当該方法はさらに、水素含有雰囲気において微小球をアニーリングすることによって、ナノ結晶を不動態化するステップを備える。
【０００９】
一部の実施形態において、光スイッチングの方法は、光カプラーと、光カプラーに光結合され、かつ複数のナノ粒子を有する微小共振器とを含む光スイッチを設けるステップを備える。当該方法はさらに、光スイッチによって光パルスを受取るステップを備える。光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときに微小共振器の少なくとも一部分が温度上昇およびそれに伴う屈折率変化を経るように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器のナノ粒子によって吸収される。
【００１０】
一部の実施形態において、光スイッチングの方法は、光カプラーと、光カプラーに光結合され、かつ複数のナノ粒子を有する微小共振器とを含む光スイッチを設けるステップを備える。当該方法はさらに、光スイッチによって光パルスを受取るステップを備える。光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときに光スイッチの少なくとも一部分がその内部の自由搬送波数の増加およびそれに伴う屈折率変化を経るように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器のナノ粒子によって吸収される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
詳細な説明
図１は、ここに記載する一部の実施形態に係る光スイッチ１０を概略的に示す。光スイッチ１０は、複数のナノ粒子を含む微小共振器２０を備える。微小共振器２０は、ある信号波長を有する信号光３０を受取り、かつある励起波長を有する励起パルス４０を受取るように構成される。当該信号波長において屈折率変化を経ることによって、微小共振器２０の少なくとも一部分が励起パルス４０に応答する。
【００１２】
図１に概略的に示すように、一部の実施形態では、光スイッチ１０はさらに、微小共振器２０に光結合され、かつ信号源３５および励起源４５に光結合するように構成された光カプラー５０を備える。光カプラー５０は、励起源４５から微小共振器２０に励起パルス４０を伝送し、信号源３５から微小共振器２０に信号光３０を伝送する。
【００１３】
一部の実施形態では、微小共振器２０は、微小空洞、微小球、微小リング、マイクロディスク、マイクロトロイド、チップ上の導波路共振器、または高Ｑ値微小共振器（たとえばシリコンチップ上のプレーナ型微小共振器）を含む。一部の実施形態では、微小共振器２０は、シリカ（ＳｉＯ2）ガラス、ドーピングしたシリカ系ガラス（たとえばゲルマニウムでドーピングされる）、ホウケイ酸ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、有機材料（たとえばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））、またはシリコンチップ上のパターニングされたオキシナイトライド膜を含む。微小共振器２０は、さまざまな技術およびさまざまな標準的な半導体微細加工ツールを用いて製造することができる（たとえば、D.K. Armani, T.J. Kippenberg, S.M. Spillane,およびK.J. Vahalaによる“Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip,”Nature, 2003年2月27日, 第421巻, 925-928ページ；F. Lissillour,
D. Messager, G. Stephan, およびP. Feronによる“Whispering-gallery mode laser at
1.56μm excited by a fiber laser,”Optics Letters, 2001年7月15日, 第26巻, 第14号, 1051-1053ページ参照）。微小リング共振器およびマイクロディスク共振器は、限定はしないが、ＳｉＨ4およびＮ2Ｏを採用した化学気相成長（ＣＶＤ）法を含むさまざまな堆積技術を用いて製造することもできる。このようなオンチップ共振器は、ＣＶＤまたは他の堆積技術を用いてナノ粒子層でコーティングすることもできる。
【００１４】
一部の実施形態では、微小共振器２０は、複数のナノ粒子で構成される層２２を含む。層２２は、微小共振器２０の最も外側の層の少なくとも一部分、または微小共振器２０の外側面下の微小共振器２０の内側層の少なくとも一部分であり得る。ここで用いる「層」という用語は、最も広い通常の意味で用いられる。たとえば、厚さが概ね均一な単一の材料で構成され得る、または各々が異なる材料を有する複数の副層で構成され得る。一部の実施形態では、層２２は、第２の材料内に均一または非均一に分布した第１の材料（たと
えば複数のナノ粒子）で構成される。一部の実施形態では、層２２は、第２の材料内に均一または非均一に分布した２種類以上のナノ粒子で構成される。層２２は、微小共振器２０の周りに完全にもしくはほぼ完全に延在し得る、または微小共振器２０の周りに部分的にのみ延在し得る。層２２は概ね連続的であり得る、または互いに隣接しない２つ以上の区域もしくは領域を含み得る。
【００１５】
一部の実施形態ではナノ粒子は結晶質であるが、別の実施形態ではナノ粒子は非晶質である。一部の実施形態では、ナノ粒子は、限定はしないがシリコン、ゲルマニウム、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（たとえばＣｄＴｅ、ＣｄＳまたはＣｄＳｅ）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（たとえばＧａＡｓ）、または表面プラズモン共振によって特定の波長域において強い共振吸収性を有する金属材料（たとえば貴金属、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ）を含む半導体材料で構成される。上記のさまざまな種類の微小共振器２０は、これらのうち１つ以上の種類のナノ粒子の層で容易にコーティングすることができる。一部の実施形態のナノ粒子は、以下により詳細に記載するように、励起波長において強い吸収性を有し、信号波長において無視できる吸収性を有する。
【００１６】
ここに記載する一部の実施形態において、新規の低エネルギ全光ファイバスイッチ１０は、シリコンナノ粒子を有するシリカ層２２によってコーティングしたシリカ微小球共振器２０を備える。一部の実施形態において、以下により詳細に述べるように、スイッチ１０は、シリコン（Ｓｉ）のナノ結晶が析出されているシリコンリッチシリコン酸化物（ＳＲＳＯ）の薄い層によってコーティングした高Ｑ値シリカ微小球を備える。
【００１７】
一部の実施形態において、信号源３５は、電磁スペクトルの赤外線領域においてある信号波長（たとえば１４５０ナノメートル）を有する信号光３０を生成する可変波長レーザを含む。一部の実施形態において、信号源３５は狭帯域可変波長源であるが、別の実施形態では、信号源３５は広帯域可変波長源である。一部の実施形態の信号波長は、（ｉ）ウィスパリングギャラリーモードまたは微小球共振器２０の共振と一致するように、かつ（ii）信号がナノ粒子によって吸収されないようナノ粒子の吸収帯域の外側にあるように、選択される。たとえば、シリコンナノ粒子を含有するシリカ層２２によってコーティングしたシリカ微小球を微小共振器２０が含む一部の実施形態では、シリコンの吸収帯域の概ね外側にあることから、１４５０ナノメートルの信号波長が用いられる。一部の実施形態の信号波長は５００ナノメートルから２０００ナノメートルの範囲、１３００ナノメートルから１６００ナノメートルの範囲、または１３００ナノメートルから１５００ナノメートルの範囲にあるが、他の信号波長もここに記載するさまざまな実施形態に適合する。
【００１８】
一部の実施形態において、励起源４５は、電磁スペクトルの可視領域または赤外線領域においてある励起波長（たとえば４８８ナノメートル）を有する光を生成するレーザ４６（たとえばアルゴンイオンレーザ）を含む。一部の実施形態において、レーザ４６は狭帯域可変波長源であるが、別の実施形態では、レーザ４６は広帯域可変波長源である。一部の実施形態の励起源４５は、レーザ４６からの光を低周波数（たとえば１０Ｈｚ）にて調整可能な幅を有する短いパルスに変調する変調器４７（たとえば機械的なチョッパホイール、音響光学変調器、または電子光学変調器）を含む。半導体励起レーザの場合における直接変調のように、他の種類の変調器を用いて、励起を適切な幅のパルスに変調することができる。一部の実施形態では、励起波長は信号波長よりも短い。一部の実施形態では、励起パルス４０は複数の励起波長を有し、励起パルス４０がナノ粒子によって有意に吸収されるように、１つ以上の励起波長がナノ粒子（たとえばシリコンリッチシリコン酸化物コーティング内のシリコンナノ結晶）の吸収帯域内に収まるよう選択される。したがって励起パルスは、たとえ共振したとしても不十分である。一部の実施形態の励起波長は３００ナノメートルから１５００ナノメートルの範囲であるが、他の励起波長（たとえば８２０ナノメートル、９８０ナノメートル、１０６０ナノメートル、および１４８０ナノメー
トル）もここに記載するさまざまな実施形態に適合する。
【００１９】
光カプラー５０は、少なくとも１つの励起パルス４０を励起源４５から微小共振器２０に伝送し、信号光３０を信号源３５から微小共振器２０に伝送する。図１に概略的に示したように、光カプラー５０は光ファイバ５２（たとえば単一モードファイバ）を含む。一部の実施形態では、光カプラー５０は、基板（たとえばシリコンウェハなどの半導体基板）上に形成された光導波路を含む。一部の実施形態において、光カプラー５０は、励起源４５および信号源３５に光結合するように構成された１つ以上の第１の部分５３と、微小共振器２０に光結合された第２の部分５４とを含む。光カプラー５０はさらに、（たとえば光検出器６０およびオシロスコープ７０を有する）光システムに光結合するように構成された出力部分５５を含む。一部の実施形態では、光カプラー５０の第１の部分５３および第３の部分５５は互いに同一である。
【００２０】
一部の実施形態では、図１に概略的に示したように、光カプラー５０はマルチプレクサ５６（たとえば波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）ファイバカプラー）を含み、信号３０と励起パルス４０とを、複テーパ単一モード光ファイバ５２の入力第１部分５３に多重送信する。光ファイバ５２は、微小共振器２０に光結合された複テーパ第２部分５４と、光システム（たとえば検出器６０およびオシロスコープ７０）に光結合された出力部分５５とを有する。一部の実施形態における光ファイバ５２の複テーパ第２部分５４のネックの直径は数マイクロメートルである。
【００２１】
他の一部の実施形態において、光カプラー５０は、図２に概略的に示すように、２個のマルチプレクサ５６（たとえばファイバ、マイクロ、もしくはバルク光）または２個のファイバサーキュレータ５７を有する。このような一部の実施形態では、励起パルス４０および信号３０は、図２に概略的に示すように、異なる第１の部分５３（たとえば光ファイバ５２の異なる端部）に、各第１の部分５３においてマルチプレクサ５６またはサーキュレータ５７を介して結合されるが、他のこのような一部の実施形態では、励起パルス４０および信号３０は、図１に概略的に示したように、マルチプレクサ５６を介して同じ第１の部分５３（たとえば光ファイバ５２の同じ端部）に結合される。一部の実施形態では、光カプラー５０は、信号出力のほぼすべてをテーパ第２部分５４に伝送することによって、信号損失を有利に最小化する。一部の実施形態において、光カプラー５０は、励起出力のほぼすべてをテーパ第２部分５４に伝送することによって、励起出力損失を有利に最小化する。一部の実施形態では、信号３０は（たとえば検出器６０ａおよびオシロスコープ７０ａを有する）光システムに出力され、励起パルス４０は（たとえば光検出器６０ｂおよびオシロスコープ７０ｂを有する）光システムによって監視される。
【００２２】
一部の実施形態では、光カプラー５０は、図３に概略的に示すようにプリズム５８を含む。プリズム５８は、励起パルス４０および信号３０の波長が異なる一部の実施形態において、励起パルス４０および信号３０を異なる角度で微小共振器２０に結合させる。一部の実施形態では、励起パルス４０および信号３０は、図３に概略的に示すようにプリズム５８の反対側から発信される。代替的に、他の一部の実施例では、励起パルス４０および信号３０は、プリズム５８の同じ側から発信される。一部の実施形態では、信号３０は（たとえば検出器６０ａおよびオシロスコープ７０ａを有する）光システムに出力され、励起パルス４０は（たとえば光検出器６０ｂおよびオシロスコープ７０ｂを有する）光システムによって監視される。
【００２３】
一部の実施形態では、励起パルス４０に応答して、微小共振器２０の少なくとも一部分が温度上昇およびそれに伴う屈折率の変化を経る。一部の実施形態では、励起パルス４０が微小共振器２０に発信されると、励起パルス４０がナノ粒子によって吸収され、これにより微小共振器２０が熱せられ、その屈折率が変化し、その共振を変動させることによっ
て信号３０をスイッチングする。たとえば、シリコンナノ結晶を含有するシリカ層を有する微小球を微小共振器２０が含む一部の実施形態では、温度を上昇させることにより、それに伴って微小共振器２０が信号波長において屈折率変化を経るように、シリカ層が励起パルス４０に応答する。一部の実施形態において、励起パルス４０の吸収によって微小共振器２０が高温にあるときには、微小共振器２０は信号３０を伝送し、微小共振器２０の温度がより低いときには、微小共振器２０は信号３０を伝送しない。他の一部の実施形態において、励起パルス４０の吸収によって微小共振器２０が高温にあるときには、微小共振器２０は信号３０を伝送せず、微小共振器２０の温度が低いときには信号３０を伝送する。
【００２４】
図４は、ここに記載する一部の実施形態に係る別の例の光スイッチ１０を概略的に示す。光スイッチ１０は、複数のナノ粒子を含む微小共振器２０を備える。一部の実施形態では、ナノ粒子は微小共振器２０の層２２内にある。光スイッチ１０はさらに、微小共振器２０に光結合された光カプラー５０を備える。光カプラー５０は、信号源３５から信号３０を受取るように構成された第１の部分５３と、第１の部分５３に光結合され、かつ微小共振器２０に光結合するように構成された第２の部分５４と、第２の部分５４に光結合され、かつ第２の部分５４から受取った信号３０を（たとえば光検出器６０およびオシロスコープ７０を有する）光システムに伝送するように構成された第３の部分５５とを有する。光スイッチ１０は、所定のしきい値出力よりも信号出力が大きい信号３０を第１の部分５３から第３の部分５５に伝送する。光スイッチ１０は、所定のしきい値出力よりも信号出力が小さい信号３０を第１の部分５３から第３の部分５５に伝送しない。
【００２５】
このような一部の実施形態において、光スイッチ１０は、微小共振器２０において自己スイッチングを用いる「自己スイッチ」として使用することができ、信号３０が自身をスイッチングし、マルチプレクサも励起パルスも使用されない。このような一部の実施形態における信号３０の信号波長は、微小共振器２０の共振波長の１つ（たとえばウィスパリングギャラリーモード）と一致する。信号３０の信号出力が小さく、かつ微小共振器２０に発信されると、微小共振器２０によって吸収される信号出力の量は十分小さいため、微小共振器２０の温度は信号３０によって本質的に変化しない。したがって、低レベル信号が微小共振器２０内で共振し、光カプラー５０の第３の部分５５には本質的に出力は伝送されない。
【００２６】
信号出力が増大すると、微小共振器２０によって吸収される信号出力の量が増大し、信号出力がモード体積において熱の形態で放散され、それによって微小共振器２０の温度が上昇し、微小共振器２０の共振波長を変動させることによって共振状態が変わる。信号出力が所定のしきい値出力よりも大きいときには、微小共振器２０の共振波長は十分に変動するため、高レベル信号３０は微小共振器２０と共振せず、信号出力の大部分が光カプラー５０の第３の部分５５に伝送される。高レベル信号３０はこのように自身をスイッチングする。
【００２７】
一部の実施形態では、光スイッチ１０は双安定挙動を示す。たとえば、微小共振器２０に結合された光カプラー５０の入力部分５３に送り込まれた連続波（ｃｗ）信号３０について、信号出力を増大させると、それに伴って微小共振器２０が熱せられ、したがって信号３０は共振しなくなる。信号出力によって生成された熱によって共振波長が十分に変動されると、信号３０は微小共振器２０と共振しなくなるため、信号３０が光カプラー５０の出力部分５５に伝送され、微小共振器２０は冷却される。微小共振器２０は、信号３０との共振状態に達し、信号３０が微小共振器２０と再び共振するまで冷却され、信号３０は光カプラー５０の出力部分５５には伝送されなくなる。このとき微小共振器２０は再び熱せられる、等。一部の実施形態において、この双安定挙動は、微小共振器２０の熱応答時間よりも短い信号パルスを用いることによって有利に回避される。たとえば一部の実施
形態において、信号源３５は、レーザ３６と、信号パルスの周期を決定する変調器３７とを有する。このような一部の実施形態では、信号パルスが光スイッチ１０によって受取られ微小共振器２０を熱するが、微小共振器２０の熱せられた体積から熱が流出するのにかかった時間までに終了するため、信号パルスは微小共振器２０のその後の冷却を経験しない。同様に、次の信号パルスは有利に、先の信号パルスの後すぐには光スイッチ１０に受取られない。これは、次の信号パルスが到達するときに微小共振器２０が周囲温度にある（たとえば先の信号パルスによって熱せられていない）ことが有利なためである。一部の実施形態では、この振動系の力学によって、有利に（たとえばマイクロ秒のタイムスケールでの）速いスイッチング処理が可能になる。
【００２８】
したがって一部の実施形態では、信号３０が光カプラー５０の第３の部分５５に伝送されるか否かは、信号出力レベルによって制御される（たとえば低いレベルの信号の場合、信号出力はゼロであり、高いレベルの信号の場合、信号出力は最大である）。このような自己スイッチングの実施形態は、データのストリームにおいて「０」と「１」とを選別するのに用いることができる。他の一部の実施形態において、このような自己スイッチは信号を再生成するのに用いることができる。たとえば、０（低レベルパルス）および１（高レベルパルス）の信号パルス列が光伝送線を介して伝送される場合、伝送線の増幅器におけるノイズによって０が真の０ではなくなり、出力を少し伝える可能性がある。この信号パルス列を自己スイッチング光スイッチ１０を介して送ることによって、これらの低レベルの０を真の０に回復させることができる。これは、０が自身を切換えるにはレベルが低すぎて、微小共振器の周りで共振し、そこですべてのパワーを失って真の０となるためである。
【００２９】
図５は、ここに記載する一部の実施形態に係る、シリコンナノ結晶によってコーティングした微小球を含む光スイッチ１０を製造する一例の方法１００のフローチャートである。方法１００は、動作ブロック１１０において、シリカ光ファイバ（たとえばコーニング社製ＳＭＦ−２８Ｅ光ファイバ）を設けるステップを備える。方法１００はさらに、動作ブロック１２０において、ファイバの少なくとも一部分（たとえば一端）を溶融させ、少なくとも１個のシリカ微小球を形成するステップを備える。一部の実施形態では、１２５ワット１０．６マイクロメートルＣＯ2レーザからの約３ワットの出力を用いて単一モードシリカファイバの先端を溶融させ、かつ表面張力を利用して、原子の表面が平滑な球状の液滴を形成することによって、直径約１５０マイクロメートルの微小球が製造される（たとえば、準備においてはJ.-Y. Sung, J.H. Shin, A. Tewary,およびM.L. Brongersmaによる"Cavity Q measurements of silica microspheres with nanocrystal silicon active layer"参照）。およそ１４５０ナノメートルでのこのような微小球の典型的なＱ因子は、約５×１０７であると測定された。
【００３０】
方法１００はさらに、動作ブロック１３０において、微小球を（たとえば１４０ナノメートル厚さの）シリカ層でコーティングするステップを備える。一部の実施形態では、均一なコーティングを促すために微小球を回転させながら、ＡｒプラズマによるＳｉＨ4およびＯ2の誘導結合プラズマ促進化学気相成長法を用いて、微小球がシリコンリッチシリコン酸化物（たとえばＳｉＯx、ｘ＜２）（ＳＲＳＯ）の層によってコーティングされる。
【００３１】
方法１００はさらに、動作ブロック１４０において、微小球をアニーリングすることによって、シリカ層内にシリコンナノ結晶を析出させるステップを備える。方法１００はさらに、動作ブロック１５０において、水素含有雰囲気において微小球をアニーリングすることによって、ナノ結晶を不動態化するステップを備える。一部の実施形態では、微小球をまず６０分間１１００℃にてアニーリングしてシリコンナノ結晶を析出させ、その後６５０℃にて形成ガスにおいて６０分間アニーリングして、ナノ結晶中のダングリングボン
ドを水素により不動態化する。透過型電子顕微鏡技術（ＴＥＭ）によって、選択された試料においてナノ結晶の存在が確認された。参照試料はＳＲＳＯではなくシリカによってコーティングし、同様のアニーリング後処理を行なった。予期されるように、これらの参照試料においてナノ結晶は検出されなかった。信号は（約１４５０ナノメートルにおいて）Ｓｉナノ結晶の吸収帯域外にあるため、無視できる程度にコーティングによって吸収され、コーティングした微小球は、信号波長において依然として高いＱ値（たとえば１４５０ナノメートルにおいて約３×１０5）を有する。
【００３２】
一部の実施形態では、方法１００はさらに、テーパ部分５４を有する光ファイバ５２を有する光カプラー５０を設け、テーパ部分５４を微小球に光結合するステップを備える。一部の実施形態では、方法１００はさらに、マルチプレクサ５６をテーパ光ファイバ５２に光結合するステップを備え、マルチプレクサ５６は、励起源４５に光結合するように構成された第１の部分と、信号源３５に光結合するように構成された第２の部分と、テーパ光ファイバ５２に光結合された第３の部分とを有する。マルチプレクサ５６は、励起源４５からマルチプレクサの第１の部分に伝送された１つ以上の励起パルス４０が、テーパ光ファイバ５２に伝送されるように構成される。マルチプレクサ５６はさらに、信号源３５からの１つ以上の信号３０がテーパ光ファイバ５２に対してマルチプレクサ５６の第２の部分に伝送されるように構成される。
【００３３】
図６は、ここに記載する一部の実施形態に係る光スイッチングの一例の方法２００のフローチャートである。方法２００は、動作ブロック２１０において、光カプラーと、光カプラーに光結合され、かつ複数のナノ粒子を有する微小共振器とを含む光スイッチを設けるステップを備える。方法２００はさらに、動作ブロック２２０において、光スイッチによって光パルスを受取るステップを備える。光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには微小球の少なくとも一部分が温度上昇およびそれに伴う屈折率変化を経るように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器のナノ粒子によって吸収される。
【００３４】
一部の実施形態では、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光パルスが光スイッチから伝送され、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光パルスは光スイッチから伝送されない。他の一部の実施例では、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光パルスは光スイッチから伝送されず、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光パルスが光スイッチから伝送される。
【００３５】
一部の実施形態では、方法２００はさらに、光スイッチによって光信号を受取るステップを備える。このような一部の実施形態では、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光信号が光スイッチから伝送され、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光信号は光スイッチから伝送されない。このような他の一部の実施形態では、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときには光信号は光スイッチから伝送されず、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも小さいときには光信号が光スイッチから伝送される。
【００３６】
一部の実施形態では、光カプラーは、第１の部分、第２の部分、ならびに第１の部分および第２の部分の間にあり、かつ微小共振器に光結合されたテーパ部分を有する光ファイバと、光ファイバに光結合されたマルチプレクサとを含む。方法２００はさらに、マルチプレクサから光ファイバのテーパ部分に光パルスを送るステップを備える。一部の実施形態では、微小共振器の温度が上昇するように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器によって吸収される。微小共振器の温度が上昇しつつ光信号がテーパ部分を伝播すると、光信号は光ファイバの第１の部分から第２の部分に伝播する。微小共振器の温度が上昇せずに光信号がテーパ部分を伝播すると、光信号は微小共振器と共振し、光ファイバの第２
の部分には伝播しない。一部の実施形態では、光パルスが自己スイッチングするように、光パルスと光信号とが同一である。一部の実施形態では、微小共振器は、シリコンナノ結晶を含有するシリカ層によってコーティングしたシリカ微小球を含む。
【００３７】
微小球を用いた実施形態の性能
ここに記載する一部の実施形態において、新規な低エネルギ全光ファイバスイッチ１０は、シリコン（Ｓｉ）のナノ結晶が析出しているシリコンリッチシリコン酸化物（ＳＲＳＯ）の薄い層によってコーティングした高Ｑ値シリカ微小球共振器２０を備える。このような一部の実施形態では、Tapalian他によって用いられているように、ポリマーの代わりにＳｉナノ結晶を吸収材として有利に使用する。これは、（１）Ｓｉナノ結晶は標準的な微細製造技術に適合し、かつ（２）Ｓｉナノ結晶が赤外線（ＩＲ）付近に延在する広い吸収帯域を有するためであり、したがってこのスイッチ１０は、（たとえば８０８ナノメートルにおいて）標準的なレーザダイオードで有利に励起することができる。一部の実施形態では、光スイッチ１０は、標準的な多重送信方式を用いて、同一の複テーパファイバを介して励起と信号とを微小球に結合する。このような一部の実施形態では、励起エネルギをより効率的に有利に利用できる。
【００３８】
一部の実施形態では、励起パルスが微小球に発信されると、ナノ結晶層によって吸収され、微小球が熱せられてその屈折率が変化し、したがってその共振を変動させることによって信号がスイッチングされる。信号を完全にスイッチングするのに十分な５ピコメートルの共振波長変動が、３．４マイクロワットの励起パルス出力および２５ミリ秒の励起パルス幅、またはわずか８５ナノジュールの励起パルスエネルギによって観察された。この結果は、以下に記載する単純な熱モデルの予測とよく一致する。スイッチの立上がり時間は約２５ミリ秒（励起ピーク出力によって得られる値）であり、その立下り時間は約３０ミリ秒（微小球の熱時定数によって得られる値）であると測定された。この値は以前に報告されている（たとえば、Tapalian, et al.参照）よりも約５倍速く、予測（たとえばV.S. Il'chenkoおよびM.L. Gorodetskiiによる"Thermal nonlinear effects in optical whispering gallery microresonators," Laser Physics, 第２巻, 1004-1009ページ, 1992年参照）と一致する。３．４マイクロワットのスイッチングピーク出力と装置の特徴的な寸法（直径１５０マイクロメートル）との積は５．１×１０-10ワット×メートルであり、全光スイッチについて報告されている最も低い値のうちの１つである。
【００３９】
励起パルスがない状態では信号が微小球と共振し、信号が微小球の周りで共振する際、主として散乱によって信号の出力が激減する。したがって、微小球が励起パルスによって励振されないときには、信号はテーパファイバの出力部分から出力されない。
【００４０】
テーパ光ファイバに発信された後、励起パルスのエネルギはナノ結晶によって吸収され、したがってナノ結晶のバンドギャップより高く励振される。ナノ結晶が基底状態に緩和される際、熱が生成されて、微小球の少なくとも一部分（たとえばモード体積）に伝達され、微小球の熱せられた部分の温度が上昇する。この温度上昇により、微小球の屈折率および微小球の寸法が変化する。微小球によって励起パルスが吸収されることで、その共振波長が変動する。波長の変動が十分大きくなると、信号パルスの波長は、当初一致していた共振に対応しなくなり、すべての信号出力がテーパ光ファイバの出力部分から出力される。こうして信号がスイッチングされる。
【００４１】
励起パルスが通過した後、微小球はその初期温度に冷却される（たとえば周囲の媒体、典型的には空気への自然または強制対流によるが、他の流体も有利に用いることができる）。微小球の共振波長はしたがって初期値に戻り、信号パルスは微小球と再び共振するようになり、信号出力はテーパ光ファイバの出力部分から出力されない。
【００４２】
一部の実施形態では、ナノ結晶が、励起散乱損失率に比べて励起吸収率を上昇させる。一般に散乱は微小球の加熱には寄与しないため、励起散乱損失率に比べて励起吸収率を上昇させることにより、励起エネルギの熱に変わる部分がナノ結晶の存在によって増大する。したがって、ナノ結晶は、スイッチングに必要な励起エネルギを有利に低下させる。しかし、シリカ微小球がシリコンナノ結晶を含まない一部の実施形態では、励起パルスは微小球のシリカ材料（ナノ結晶がドーピングされたシリカよりも散乱損失に対する吸収損失率が低い）によって吸収され、励起パルスについてより大きいスイッチング出力が必要となる。
【００４３】
一部の実施形態のスイッチングエネルギは、単純な熱モデルで評価することができる。微小球が熱せられると、その屈折率はシリカの指数熱係数∂ｎ／∂Ｔによって変化し、その直径はシリカの熱膨張によって変化する。熱膨張の影響は率変化よりも約２桁弱いため、熱膨張は好都合に無視することができる。したがってスイッチングエネルギは、信号共振を（信号を完全にスイッチングするのに十分である）１線幅だけ変動させる率変化を算出し、次にこの量だけ微小球の率を変化させるのに必要な熱を算出することによって得ることができる。微小球の共振状態およびシリカの∂ｎ／∂Ｔ（約１０-5℃-1）から算出された、およそ１４５０ナノメートルでの微小球の共振波長の、温度による変化は約１０ピコメートル／℃である。わずかな温度上昇に関しては（たとえばδＴ＜１℃）、光ファイバについてのアナロジー（たとえばM.K. Davis, M.J.F. Digonnet,およびR.H. Pantellによる"Thermal effects in doped fibers," Journal of Lightwave Technologies, 第１６巻, 第6号, 1013-1023ページ, 1998年６月参照）によれば、定常状態（たとえば、微小球の緩和時間よりも励起が長くオン状態にあった後）での微小球の温度は一定に近い。
【００４４】
エネルギの保存は、温度δＴでの定常状態温度を周囲の空気の温度より高く保つために単位時間当たりに球に注入される熱は式（１）によって得られると規定している：
Ｈ＝ｈＡδＴ         （１）
ここでｈは自然対流による空気中のシリカの熱伝達係数であり、Ａは微小球の面積である。Ｐａｂｓが微小球によって吸収される励起出力である場合、Ｐａｂｓ＝Ｈであるとき、定常状態スイッチングが一部の実施形態において実現される。上で引用した例（スイッチングエネルギが８５ナノジュール）では、微小球の直径は１５０マイクロメートルであり、Ｑ値は３×１０5におよそ等しい。共振線幅はおよそ１４５０ナノメートルであり、したがってフルスイッチングのための波長変動は約４．８ピコメートル、または温度変化δＴ≒４．８／１０＝０．５℃である。シリカ微小球のｈ係数がシリカ円柱についてと同様であるとすると（ｈ＝８１Ｗ／ｍ2／℃）、スイッチングのために吸収された励起出力が約２．９マイクロワットであることを示すのに式（１）が用いられる。
【００４５】
スイッチングの度合いは、一部の実施形態において、共振に対して信号波長を連続的に走査してデジタル化オシロスコープに共振の降下を記録することによって、実験的に監視することができる。この測定は励起レーザがオンの状態で繰返して、定常状態での共振における変動を記録することができる。
【００４６】
励起波長でのテーパ損失がかなり大きい一部の実施形態では、励起波長でのテーパ損失が測定され、微小球に結合される励起出力が決まる。テーパ損失を測定するための一方法は、微小球がテーパファイバに結合されるときに、テーパファイバに結合されテーパファイバから出る励起出力を測定し、その後テーパファイバから微小球を分離したときにこの測定を繰返す方法である。テーパファイバのポートを逆にした後（すなわち励起を出力ポートに結合するとき）この測定が繰返される。この測定の組によって、２つのテーパファイバ部分（ネックへの入力および出力へのネック）の伝送損失と、微小球に吸収される励起出力とが明白に生じる。他の微小共振器（たとえばトロイダル微小共振器）についても同様の測定を用いることができる。
【００４７】
図７は、スイッチングを例示するために、励起がある場合とない場合とで測定された一例の微小球スイッチの伝送スペクトルのグラフである。図７の共振（励起はオンまたはオフ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）は４．８ピコメートルである。Ｑ因子は定義上、λｓが中心信号波長であるΔλ＝λｓ／Ｑによって共振線幅Δλに関連するため、この測定は、測定されたＱ値が（０．００４８／１４５０）にほぼ等しい、または約３×１０5であることを示す。図７における測定された共振波長の変動は、微小球によって吸収された約３．４マイクロワットの励起出力に対して約５ピコメートルである。励起出力が増大するにつれてこの変動が増大するものと観察される。したがって、図７における共振の変動は信号の１線幅におよそ等しく、光スイッチの「オフ」状態と「オン」状態との間で完全にスイッチングさせるのに十分である。
【００４８】
このスイッチング出力は、理論によって先に予測された２．９マイクロワットという値によく一致する。この測定値および微小球の長さ（１５０マイクロメートル）から、例示的なスイッチについて算出されたＰＬ積は５．１×１０-10ワット×メートル、または以前より報告されている観察（たとえば、Tapalian他参照）から算出された値よりも係数３だけ低い。Ｓｉナノ結晶を含有しないシリカコーティングを有する参照微小球においては、励起パルスによって誘起された変動は図７に示したものよりも係数約３．３だけ小さいと測定された。したがって、ナノ結晶を含まない微小球を用いて図７に匹敵する波長変動を誘起するのに必要な励起出力は、ナノ結晶を含む微小球に関する励起出力よりも係数約３．３だけ高い。この結果により、例示的なスイッチのナノ結晶が励起の吸収性を上昇させ、したがってスイッチングエネルギ要件を大幅に低下させることが確認された。
【００４９】
図８は、図７の例示的なスイッチの時間的な応答のグラフである。時間的な応答は、信号を共振に合わせ、臨界結合のためにテーパファイバと微小球との間の間隔を調整することによって測定された（たとえばゼロ伝送信号出力）。次に励起パルスをオンにし（１５０ミリ秒幅、５０％デューティサイクル、１ミリ秒に満たない立上がり時間および立下り時間）、テーパファイバによって伝送される信号出力を時間の関数として記録した。
【００５０】
一部の実施形態では、ピーク出力がより小さい、より長い励起パルスを用いて微小球を励起する。比較的長い励起パルス（たとえば１００ミリ秒のオーダ）によって蓄積される熱は、モード体積内にのみ留まるのではなく、励起パルスの終了までに微小球全体を移動する時間を有する。ここで用いる「モード体積」という用語は、微小共振器と共振している信号エネルギの大部分（たとえば９５％）が微小共振器に位置する（たとえばウィスパリングギャラリーモード）微小共振器（たとえば微小球）の体積を指す。励起パルスによって微小球内に蓄積された熱の量は、モード体積のみが熱せられた場合よりも大きく、したがってスイッチングエネルギはより高い。励起パルスが微小球を通過した後、より大量の熱が微小球から周囲の媒体（たとえば空気）に移動するのに（たとえば、モード寸法に対する微小球寸法の割合に対応して係数約１００だけ）相当長い時間がかかる。言い換えると、微小球は冷却するのにより時間がかかり、したがって、励起パルスが短い場合に比べて、スイッチの立下り時間はそれに応じてより長くなる。このような一部の実施形態は、光スイッチがより長い時間「オフ」状態に維持される用途において有利に用いることができる。
【００５１】
一部の実施形態では、図８に概略的に示すように、スイッチングされたパルスの立下がり端縁および立上がり端縁は、基本的な物理学から予期されるように、およそ指数関数的である。指数を２つの端縁に当てはめると、立上がり時間定数は２５±５ミリ秒であり、立下り時間定数は３０±５ミリ秒となる。後者の結果は、例示的な微小球の寸法についてV.S. Il'chenko他によって算出された値とよく一致する。より短い励起パルスを用いる一部の他の実施形態では、以下により詳細に述べるように、立下り時間がかなり短くなる（
たとえば数マイクロ秒）。立下り時間は、励起パルスがオフにされた後に微小球の温度が周囲の媒体と平衡に達するのに要する時間によって少なくとも部分的に決まる。微小球の代わりにマイクロトロイドを用いる一部の実施形態では、マイクロトロイドの熱量が微小球よりも小さいため、立下り時間はより速い（たとえばD.K. Armani, B. Min, A. Martin, K.J. Vahalaによる“Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators,”Applied Physics Letters, 第85巻, 第22号, 5439-5441ページ, 2004年11月参照）。
【００５２】
光スイッチの立上がり時間は、（たとえば一定の励起エネルギに対する励起出力によって）熱が微小球に蓄積される率によって少なくとも部分的に決まる。このような一部の実施形態では、励起出力が増大するにつれて立上がり時間が長くなる。図８のような一部の実施形態では、測定された立上がりおよび立下り時間定数が同等であるのは単に偶然である。図７および図８に対応する装置について測定された立上がり時間および測定された吸収励起出力から、フルスイッチングに必要な総エネルギ（すなわち共振波長を１線幅だけ変動させるためのエネルギ）は３．４マイクロワット×２５ミリ秒、または約８５ナノジュールであると推定される。この結果は、先に報告されている（Tapalian他参照）よりも係数として約３０低い。以下により詳細に記載する他の一部の実施形態では、スイッチングエネルギは数百ピコジュール以下のオーダである。
【００５３】
熱応答の時間的な特徴
一部の実施形態では、共振ウィスパリングギャラリーモードを励振することによって光励起される微小共振器（たとえば微小球またはマイクロトロイド）は、モード体積における（または非常に近くでの）励起光子の吸収によって熱せられる。蓄積された熱によりモード体積の温度が上昇し、屈折率が変化し（かつより小さな規模で微小共振器の寸法が変化し）、したがってすべての共振波長が変化する。上記したように、この効果は、微小共振器の共振の１つに合わせられた固定波長を有する光信号の振幅をスイッチングするまたは変調するために、一部の実施形態で用いられる。励起がオフのときに微小共振器に光結合されたナノワイヤ（たとえばテーパ光ファイバ）を伝播する際、光信号は微小共振器と共振し、光信号の、あるとしてもわずかな部分のみがナノワイヤの出力部分から外に伝播する（たとえばナノワイヤを介するゼロ伝送）。励起がオンのときにナノワイヤを伝播する際、光信号は共振から外れており、光信号の大部分がナノワイヤの出力部分から伝送される（たとえばナノワイヤを介する１００％伝送）。励起がパルスに変調されるときには、励起パルスが送られるたびにモード体積の温度が上下し、これにより択一的に信号がオンオフされる。
【００５４】
熱励振に対する微小空洞の時間的な応答は、これらの微小空洞の光特性を考慮すると無視することはできない（たとえばT.Carmon, L. Yang,およびK.J. Vahalaによる“Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities,”Optics Express, 第12巻, 第20号, 4742-4750ページ, 2004年10月参照）。微小共振器の時間的な応答、したがってスイッチングされた信号の時間的な形状、ならびに励起パルスの幅および間隔への依存について、微小共振器が微小球を含む一部の実施形態に関して以下に定性的に論じる。同様の挙動は、他の実施形態によって他の種類の微小共振器（たとえばマイクロトロイド）で示される。
【００５５】
先に引用したV.S. Il'chenkoおよびM.L. Gorodetskiiに記載されているように、微小球の時間的な応答は２つの熱時定数によって求められる：（ｉ）モード体積の速い時定数τ1（数マイクロ秒のオーダ）、および（ii）微小球全体のより遅い時定数τ2（数十ミリ秒のオーダ）。極めて短い励起パルスがモード体積に発信された場合、モード体積は瞬時に熱せられ、励起パルスがオンの間、モード体積に溜まっている熱はモード体積の外に放散される時間がない。励起パルスが通過した後に、モード体積から熱が流出する。温度上昇
が適度であれば，この熱の流れは熱伝導によって主に微小球へ生じ、たとえば自然な熱対流によって周囲の媒体（たとえば空気）へも同様に生じる。τ1はどれだけ速く熱が流出するか、換言するとどれだけ速くモード体積の温度が低下するか、またはスイッチングされた信号がどれだけ速くスイッチングされていない（オフ）状態に戻るかを特徴付ける時定数である。温度が指数関数的に低下する場合、時間ｔ＝τ1の後、信号出力はスイッチングされた出力から１／ｅだけ減少し、２τ1の後には１／ｅ2だけ減少する、等。一部の実施形態では、スイッチングされた信号は、目下の用途において用いられている信号消光比に依存して、３τ1−１０τ1の後にスイッチングされていない状態に戻ると考えられる。
【００５６】
同様にτ2は、熱源がオフになった後に、熱せられた微小球が（モード体積と対照的に）（たとえば室温Ｔ0に）冷却されるのにかかる時間を特徴付ける。一部の実施形態では、自然対流によって周囲の空気に移るのが、唯一の熱損失メカニズムである。微小球に蓄えられた熱の大部分が放出され、微小球の温度が本質的に室温に戻るまでに、典型的にτ2の数倍の時間がかかり得る。
【００５７】
このような光スイッチによって生成された、スイッチングされた信号パルスのシーケンスの時間的な形状が、さまざまな実施形態においてこれら２つの時定数に相対して励起パルスの期間および反復率にどのように依存するかを例示するために、３つの異なる励起パルスシーケンスについて以下に論じる。
【００５８】
低反復率の短い励起パルスシーケンス
一部の実施形態において、励起パルスシーケンスは２つの特徴を有する：（１）各励起パルスは、励起パルスがオンの間に励起パルスによって生成される熱がモード体積から流出する時間がない程度に十分短い期間τpを有し、かつ（２）次の励起パルスが到達するまでに（たとえば自然対流によって）１励起パルスによって生成される熱のすべてが微小球から放出される時間がある程度に十分低い（パルス間間隔Ｔpに対応する）反復率を有する。図７に示すように、各励起パルスは微小球にデルタ関数的なインパルスの熱を注入し、モード体積の温度が急激に上昇し、信号が急速にスイッチング状態に移動し、その後励起パルスがオフになった後でスイッチングされていない状態に迅速に戻り、次の励起パルスが到達する前に、完全にスイッチングされていない状態にある。この励起パルスシーケンス構成により、反復率が低いにもかかわらず、スイッチングされた信号パルスについて立上がり時間および立下り時間が可能な限り短くなる。このような励起パルスシーケンス構成を一部の実施形態で用いて、短い時定数τ1の存在および値を実験的に検証する。
【００５９】
上述の特徴（１）によれば、励起パルス期間はτ1よりも短くなる。しかし、励起波長λpが共振に合わせられ、かつλpにおける微小球のＱ値が高過ぎる場合、励起パルスが完全に吸収されるのにかかる時間はτ1を超過し得る。この場合、単純にこの条件を満たすことができない。一例として、直径Ｄ＝１５０マイクロメートルであり、かつ励起波長における品質因子がＱp＝１０7であるシリカ微小球（屈折率ｎ＝１．４４）を考える。励起パルスが微小球を一巡りするのにかかる時間はｔ0≒２．３ピコ秒であり、励起パルスの励起エネルギのすべてが吸収されるのにかかる時間は、微小球の時定数Ｑpｔ0≒２３マイクロ秒のオーダである。十分に共振し、かつ十分に吸収させるため、励起パルスは有利に微小球の時定数と同じオーダの期間を有する。したがって、期間τp＝２３マイクロ秒の励起パルスが微小球に送り込まれる場合、τpはτ1に比べて大きい（典型的に数マイクロ秒）ため、励起パルスによって生成される熱は、励起パルスがオフになる十分前にモード体積から外に移動し始める。このような一部の実施形態では、スイッチングされた信号がスイッチングされていない状態に戻るまでにかかる時間がずっと長いため、スイッチは遅い。一部の実施形態では、この状態を避けるべく十分低くなるようにＱpが選択される。たとえば、Ｑpがわずか１０5であれば、励起エネルギのすべてが吸収される時間は約０．
２３マイクロ秒に短縮される。期間τp＝０．２３マイクロ秒の励起パルスについては、τpはτ1に対して十分小さく、したがって励起パルスによって生成される熱は、励起パルスがオンの間モード体積に有利に留まる。一部の実施形態では、微小球の表面にＳｉナノ粒子が存在する結果Ｑpの値が小さくなり（たとえば１０3未満または１０未満）、たとえ（直径１５０マイクロメートルの球体について２．３ピコ秒もの短さの）極めて短いパルスが用いられたとしても、特徴（１）が満たされる。
【００６０】
上述の特徴（２）により、連続する励起パルス間の時間Ｔpはτ2よりもずっと長いことになる。実際に特徴（２）を満たすためには、τ2の数倍以上のオーダの値Ｔpが適当である。
【００６１】
図９を参照し、スイッチングされたパルスの立上がり時間は、複雑な方法で励起エネルギの吸収率に依存する。ここで用いるＥ1は、信号の共振波長を、Δλとして上で規定した１半共振半幅（ＨＷＨＭ）線幅だけ変動させるためにモード体積に蓄積される励起エネルギを指す。ここで用いる限りにおいて、このエネルギ量をスイッチングエネルギＥsと称する。他の実施形態では、高い消光比で信号を完全にスイッチングするには、共振を２線幅以上変動させることが必要になり得ることに注意されたい（たとえば、線形および所望の消光度に依存して３〜１０線幅のオーダ）。このような一部の実施形態では、信号を完全にスイッチングするのに必要なエネルギは３Ｅ1−１０Ｅ1のオーダである。以下の記載では、フルスイッチングには１線幅の変動を要すると仮定する（すなわちＥs＝Ｅ1）。
【００６２】
所与の励起パルスエネルギＥpおよび期間τpについて、吸収された励起エネルギがＥsに達すると、信号が完全にスイッチングされる。ＥpがＥsより小さい場合、フルスイッチングのためのこの条件に達せず、したがって信号は、励起パルスの終わりに部分的にのみスイッチングされる。スイッチングされた信号の立上がり時間ｔr（信号が最小またはスイッチングされていない値から最大値にスイッチングされるのにかかる時間として定義される）は、単純にτpに等しい。ＥpがＥsより大きい場合は、パルスエネルギの部分Ｅsが吸収されると、信号は完全にスイッチングされた状態に達する。パルスエネルギＥpの部分Ｅsがモード体積によって吸収される時間量は、微小球の時定数Ｑpｔ0と比較してτpの値に依存する。ここでｔ0は励起光子が微小球を一巡りするのにかかる時間である。τp＞Ｑpｔ0の場合、励起パルスが共振し、パルスを吸収するための時間は（Ｅs／Ｅp）τpである。τp＜Ｑpｔ0の場合、励起パルスは完全に共振するほど十分長くは続かず、したがって完全には吸収されない。したがって、励起パルスが極めて短くない限り、Ｅp≧Ｅsのとき、スイッチングされたパルスの立上がり時間はｔr≒（Ｅs／Ｅp）τpである。
【００６３】
一部の実施形態では、ＥpはＥsよりも若干大きく選択される。ｔ＝ｔrの後、残りの励起エネルギ（Ｅp−Ｅs）が吸収され続け、モード体積の温度は上昇し続け、共振波長は変動し続ける。しかし、信号がすでに完全にスイッチングされているため、ｔr後に生じる追加的な変動はスイッチングされた信号には影響を及ぼさず、残りの励起エネルギは浪費されるだけである。したがってエネルギ効率の観点からすると、一部の実施形態については、スイッチングエネルギに等しい励起エネルギＥp＝Ｅsを選択するのが最良である。スイッチングされた信号パルスの立上がり時間はｔr＝τpとなる。
【００６４】
一部の実施形態では、励起パルス期間はτ1より短く、Ｑpｔ0より長い。Ｄ＝１５０マイクロメートルであり、かつＱpが小さい例示的な微小球については、Ｑpｔ0≒１０ピコ秒、τ1≒３マイクロ秒、かつτpは約１０ピコ秒から数マイクロ秒の間である。このような一部の実施形態における立上がり時間はτpのオーダである。
【００６５】
一部の実施形態では、スイッチングされるパルスの大きさは、エネルギ（またはピーク出力）と励起パルスの期間との組合せによって制御される。図１０Ａは、ピーク出力は同
じであるが３つの異なる幅、すなわちτp／３、２τp／３、およびτpを有する３つの励起パルスの例を示し、すべてτ1よりもずっと短い。ピーク出力Ｐpは、３つの幅の最大値についてパルスエネルギＥp＝Ｐpτpが３Ｅ1に等しくなるように選択される。
【００６６】
一部の実施形態では、微小共振器はローレンツ共振を有する：
【００６７】
【数１】
2009509198.tif 000003
【００６８】
ここでλ0は、スイッチングされていない信号の中心波長である。この定義は、ΔλがＨＷＨＭであるという上記の記載に対応する。３つの幅のうちの最大値（τp）については、Ｅ1（Ｅp＝３Ｅ1）の定義によって、励起パルス（時間ｔ＝τp）の終わりには、信号共振は３Δλだけ変動している。したがって式（２）を用いると、スイッチング状態のピークにおける信号伝送は、図１０Ｂに示すようにｙ（λ）＝１−１／（１＋３2）＝０．９である。信号伝送を１に近付くように上昇させるため、一部の実施形態はパルスのピーク出力を増大させるか、またはパルス期間を増大させる。励起パルス幅が２τp／３に減少すると、スイッチングされたパルスは、τpではなく２τp／３で終了すること以外は同じ立上がり端縁を有する。このような実施形態における共振波長の変動は２Δλに過ぎないため、スイッチングされた信号の最大振幅は、図１０Ｂに示すように１−１／（１＋２2）＝０．８に減少する。同様に、３つの励起パルスのうち最短のもの（幅τp／３）については、最大スイッチング信号振幅はより一層小さく、図１０Ｂに示すように１−１／（１＋１2）＝０．５にまで減少する。
【００６９】
一部の実施形態において、共振関数の形状は、スイッチングされたパルスの立上がり端縁の形状に影響する（たとえばｔが０からτpに増加する際のスイッチングパルスの漸進的な均一化）。共振がローレンツではなくガウスである場合、線形関数は：
【００７０】
【数２】
2009509198.tif 000004
【００７１】
であり、係数ｌｎ（２）によって、ΔλをＨＷＨＭ幅とする定義にｙ（λ）が確実に一致するようになる。励起パルス幅τpについては、スイッチングされた信号の最大振幅は、図１０Ｃに示すように、式（３）によって１−ｅｘｐ（−ｌｎ（２）×３2）＝０．９９８となる。この振幅は、図１０Ｂに示すように、同じ励起パルス幅でローレンツ共振から得られる振幅よりもずっと１に近い。なぜなら、ガウスの末端はローレンツのものよりも浅いためである。図１０Ｃに示すように、スイッチングされた信号は、ローレンツ共振よりもガウス共振についての方がずっと急峻である。
【００７２】
図１０Ｄに示すように、ＨＷＨＭがΔλである仮定的に矩形の共振線形については、スイッチングされた信号は、ガウスまたはローレンツ共振のいずれよりも、より一層急峻に最大振幅に到達する。実際には、共振がわずかΔλだけ変動したときにこの最大値に達する。矩形の共振線形については、最大振幅を実現するための変動は３ΔλではなくΔλであるため、スイッチングエネルギは係数３だけ減少し、Ｅp＝Ｅ1となる。
【００７３】
一部の実施形態では、スイッチングされたパルスの立下り時間は、対流によってモード体積から熱が放出されるのにかかる時間によってのみ求められる。したがって、このような一部の実施形態では、立下り時間は熱時定数τ1に単純に等しい。この立下り時間を測定することによって、τ1の値を直接求めることができる。
【００７４】
低反復率の長い励起パルス
一部の実施形態において、励起パルスはτ1よりもずっと長く、τ2（たとえば数十ミリ秒以下）よりもずっと長い時間Ｔp（約２００ミリ秒）離間される。Ｔpは十分長いため、励起パルス間に微小球が室温まで完全に冷却される時間が十分にある。経時による微小球の最終的な熱上昇がないため、以下の記載は１つの励起パルス中の効果に着目する。
【００７５】
このような一部の実施形態では、励起パルスは時間ｔ＝０において開始され、ｔ＝０からｔ≒τ1まで熱がモード体積に蓄積し、モード体積からあまり遠く離れて移動する時間はない。熱はτ1当たり約１モード体積特徴幅ｗ（たとえば典型的な微小球については１または２ミクロン）の速度で流れるため、ｔ＝０からｔ＝τ1の間、熱は約ｗ流れる。しかし、ｔ＝τpにおける励起パルスの終わりまでに、モード体積において生成された熱は微小球の大部分に放散される時間がある（たとえばｔ＝２τ1では熱は約２ｗ流れており、このとき熱せられた体積はモード体積よりも著しく大きい）。モード体積からの熱の放散と同時に、より多くの熱がモード体積に注入され、微小球全体の温度が徐々に上昇する。微小球の温度が上昇するにつれて、第２の冷却メカニズムすなわち微小球の表面から空気への自然対流がより効果的になる。微小球の表面の平均温度が高いほど、この第２のメカニズムがより優勢になる。所与の共振線形については、スイッチングされた信号の形状は、励起パルスのエネルギに再び依存する。
【００７６】
一例として、図１１Ａに概略的に示すように、ローレンツ共振と、幅がτp＝５０τ1であり、かつＥp＝Ｐpτp＝２００Ｅ1となるようなピーク出力を有する励起パルスとを考える。スイッチングされた信号の立上がり端縁の始めは、ｔ≒τ1になるまでは図１０Ｂと同じ形状を維持する。ｔ＝τ1において、モード体積に蓄積した熱の量は４Ｅ1であるため、共振波長は４Δλだけ変動している。ローレンツ共振線形については、信号は９４％にてスイッチングされる。当該パルスの間に時間が経つにつれて、励起パルスによって蓄積された熱が、モード体積から微小球の中心に向かって、および周囲の空気に流れる。モード体積の温度は上昇し続けるが、一層ゆっくりとなるため、共振波長は同じく一層ゆっくりλ0から変動し続ける。単に微小球の温度は無限に上昇することができないため、波長の変動は無限に続くことに注意されたい。微小球の表面温度が上昇するにつれて、表面と微小球を取巻く空気との間の温度差に比例する対流によって、単位時間当たりに表面から流出する熱の量も増大する。対流による単位時間当たりの熱の流出が励起パルスからの単位時間当たりの熱の入力に等しい定常状態値Ｔssに表面温度が達すると、微小球は加熱を停止する。
【００７７】
この例示的な実施形態では、スイッチングを誘起するのに有用なパルスエネルギの唯一の部分は約（τ1／τp）Ｅpである。したがって、このような一部の実施形態において信号をできるだけ速くオンオフするために、ほぼτ1の後に励起パルスが有利にオフされる。励起パルスエネルギの残りは、信号をスイッチング状態に維持するのに役立ち、これは一部の用途において有用な特徴である。
【００７８】
上記の一部の実施形態では、大きな共振変動（たとえば２００線幅のオーダの変動）が誘起されると微小共振器の共振が十分遠く離れると仮定されており、信号は、当該信号をスイッチング状態に維持するような信号波長に移動した他の共振と共振しないことに注意されたい。この仮定が当てはまらない場合、十分大きい変動（たとえば数線幅を上回る変動）の後、信号波長は次の共振波長を通過し、またはその付近に存在し、テーパファイバ
の出力における信号出力は再び減少する。一部の実施形態において光スイッチは、標準的な周知のインターフェロメトリ公式を用いて設計し、微小共振器の共振の中心波長および幅をモデル化して、光スイッチによって許容できる波長変動域を決定することができる。しかし、これらの中心波長および幅は、限定はしないが形状、寸法、屈折率、および（不均質な場合が多い）屈折率の空間分布を含む、微小共振器構造の一般に測定不可能な物理的細部についての典型的に重要な関数である。これらのパラメータを所要の精度でもって理論的に予測して微小共振器の共振をモデル化することは、非常に困難なおそれがある。このような場合、周知かつ直接的な手法を用いる測定によって微小共振器の共振に関するデータにアクセスする方がより簡単である。
【００７９】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示した実施形態と、図１０Ａおよび図１０Ｂに示した実施形態との主な違いは、図１１Ａの励起パルスは図１０Ａのものよりもずっと長いことから、モード体積だけではなく微小球も励起パルスの終わりまでに熱せられる点である。励起パルス（ｔ＞τp）後、この熱が微小球から放出されるには、（モード体積のみを熱する）短い励起パルスよりずっと長い時間がかかる。したがって、図１１Ｂに示すように立下り時間はずっと長い。立下り時間の定性的な推定は、微小球からの熱流出についての本格的な計算式を用いて行なうことができる。しかしこのような計算を行なわなくても、励起パルス幅が微小球時定数τ2の数倍に等しい、またはそれより長い実施形態において立下り時間が最も長いことは明白である。このような一部の実施形態では、微小球は、このピーク励起出力について最大可能温度に達する。これは、蓄えられた熱が最大化され、この熱が微小球から完全に放散される時間も最大化されるためである。このような一部の実施形態では、立下り時間がτ1からτ2の間となるように、立下り時間がτ2に近づく。励起パルスが約２００ミリ秒（τ2の数倍）間オンである一部の実施形態では、立下り時間はτ2に非常に近い。この記載は上記の３０±５ミリ秒という測定された立下り時間を説明するものであり、上記で引用したV.S. Il'chenkoおよびM.L. Gordetskiの理論に基づいてこの微小球に関して予測された値τ2に近い。
【００８０】
図１２Ａは、τ2よりもずっと短いパルス間間隔Ｔpを有する一例の励起パルスシーケンスを示す。上記の実施形態とは違い、Ｔp＜＜τ2であるため、この実施形態の微小球はパルス間に完全に室温に冷却する十分な時間がなく、時間とともに微小球に熱が蓄積する。その結果、微小球の平均温度が徐々に上昇し、図１２Ｂの一点鎖線曲線に定性的に示すように、モード体積の平均温度も上昇する。図１２Ｂのぎざぎざの曲線は、モード体積の瞬間的な温度上昇を示す。τ2の数倍のオーダの時間の後、微小球の表面温度は定常状態値Ｔssに達する。この値に関して、空気への対流（または他のいかなる形態の外側コーティングが供給されたとしても、たとえば強制対流、液体中の伝導等）によるパルス間隔Ｔp当たりの微小球からの熱の流出は、各励起パルスからの熱の入力に等しい。このような状況において微小球は加熱を停止し、その温度は図１２Ｂに示すように安定する。つまり、一点鎖線曲線は漸近的に点線に近づき、微小球の表面の定常状態温度を表わす。
【００８１】
図１２Ｂによって示される注目すべき特徴の１つは、ぎざぎざの曲線における連続した個々の温度スパイクの形状である。図１２Ｂをよく考察すると、励起パルス列の開始（ｔ＝０）から微小球の温度がＴssに達するときの時間まで、この形状が発達していることがわかる。高さおよび立上がり時間は、すべての温度スパイクについてほぼ一定であるが、定常状態に近づくにつれて立下り時間は短くなる。最初のいくつかのパルスでは、微小球の温度は室温からあまりかけ離れて高くなく、図１２Ｂの一点鎖線曲線の高いスロープによって示すように、微小球とモード体積との両方が相当迅速に熱せられるよう対流は無視できる役割を果たす。時間が経つにつれてモード体積の温度が上昇し、対流による冷却がより効率的になり、励起パルスシーケンスの開始時よりも、連続する励起パルス間にモード体積を一層冷却することができることを意味する。したがって、図１２Ｂの連続する温度スパイクの立下り時間は、連続する各励起パルスごとにますます短くなる。最終的に、
次の励起パルスが到達する時間までにモード体積の温度が先の励起パルスの開始時の値に戻るような立下り時間となる。この時点で、立下り時間がその定常状態値に維持され、モード体積の温度が各励起パルスの開始時と同じであるような熱定常状態にシステムが達している。
【００８２】
一部の実施形態では、時間に対する共振波長のグラフは、図１２Ｂの瞬間的な温度曲線とほぼ同一である。共振波長は、励起パルスがオンのときだけでなく、パルス同士の間においても変動する。最終的に定常状態に達し、各励起パルスによって信号波長は同じ極値間で前後に変動する。
【００８３】
一部の実施形態では、この温度（および共振波長）形状は、非常に有用なスイッチングされた信号パターンには一般的には変換されない。ｔ＝０の時間に波長λ0にて信号が共振している場合は、モード体積のベースライン温度が上昇するにつれて平均共振波長がλ0から変動する。微小球の平均温度上昇が十分大きければ、定常状態の共振波長がλ0から遠く離れるため、信号は常にスイッチングされた状態となる。一部の実施形態では、この効果は、信号をオン状態またはオフ状態に維持するのに当然用いることができる。一部の実施形態では、モード体積が温度Ｔ＝Ｔssにあるとき信号波長を微小球の共振波長に合わせることによって、周期的なスイッチングされた信号パルスを発生させるのに用いることもできる。このような一部の実施形態では、信号波長が周囲温度Ｔ0において微小球の共振に合わせられた場合、ずっと高い反復率（パルス間隔Ｔpはより小さい）にてスイッチを動作させることができる。
【００８４】
一部の実施形態において、光スイッチは光ファイバ付きであるため、有利に光ファイバ部材および光ファイバシステムと容易に接続される。一部の実施形態では、光スイッチは極めて小さい（たとえば、直径がわずか５０〜２００ミクロンの微小球を有する）。一部の実施形態において光スイッチは、非常に小さい励起エネルギを用いて「オフ」状態から「オン」状態に駆動される。一部の実施形態の微小共振器は、信号波長において高いＱ値（たとえば１０5以上のオーダ）を有するため、共振は極めて急激である。１共振線幅以上狭帯域信号波長から離れるように共振を変動させるには、単に屈折率を少し変化させれば十分であることが共振の急激さに寄与する。また、モードが進行するシリカの体積（すなわちモード体積）が非常に小さいため、モード体積の温度とその屈折率とを変化させるのに少量の熱だけで十分であることも、共振の急激さに寄与する。
【００８５】
一部の実施形態では、励起パルスが一旦終了すると、熱がモード体積から放散されるのに少ししか時間がかからないように、モード体積が十分に小さい（たとえば、横寸法が信号の波長におよそ等しい）とき、スイッチの立下り時間が有利に速い。一部の実施形態の立上がり時間は、励起パルスの立上がり時間を（たとえば１ナノ秒以下に）短縮することによって短縮され、立下り時間はわずか数マイクロ秒である。一部の実施形態では、微小球は（たとえば冷却空気を微小球の表面に強制的に当てることによって）能動的に冷却され、立下り時間を短くする。一部の実施形態では、スイッチング出力は極めて小さい（たとえば１００ナノワット以下のオーダ）。したがって、一部の実施形態のスイッチングエネルギは、１０-13ジュールのオーダである。
【００８６】
立下り時間および／またはスイッチングエネルギの低減
微小共振器の体積の大部分がパルスの終わりまでに熱せられるようにスイッチが十分長いパルスで励起されるとき、微小共振器スイッチの立下り時間を短縮するために、さまざまな手法がここに記載する実施形態に適合可能である。これらの手法のうちいくつかは、微小共振器の体積を減少させ、したがって熱せられる体積を減少させ、それによって微小共振器の立下り時間を短縮するために、微小共振器（たとえば微小球）の形状を変更することに依拠する。一部の実施形態において、この変更は、光信号をスイッチングするため
に必要な励起出力の量を減少させるという重要な付加的な利点を有する。
【００８７】
一部の実施形態では、微小共振器の質量が有利に減少し、それによって微小共振器が冷却するための時間と光スイッチの立下り時間とが短縮される。このような一部の実施形態では、微小共振器はモード体積（たとえばコア）から離れた、微小球の少なくとも一部分が除去された微小球を含む。微小共振器の材料、ならびに除去された部分の寸法および形状に依存して、限定はしないが、反応性イオンエッチング、化学的エッチング、およびレーザアブレーションを含むさまざまな従来からの手法を用いて除去を行なうことができる。
【００８８】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、ここに記載する一部の実施形態に係る、複テーパ光ファイバ３１０と、光ファイバ３１０に光結合された微小共振器３２０とを有する光スイッチ３００の一例の構成の、それぞれ側面図および上面図である。図１３Ａおよび図１３Ｂに示す構成は、微小球３２０の頂部を貫通して形成された（たとえば、エッチングまたは穿孔された）孔３３０を備え、頂部３５０は、微小球３２０が取付けられているファイバ支柱３６０とは反対側の微小球３２０の端部として定義される。孔３３０は微小球３２０の全体は貫通せず、微小球３２０内のある深さで止まる。孔３３０の深さおよび直径は、除去された材料の体積を決定し、スイッチの立下り時間およびスイッチングエネルギを決定する。孔３３０の深さは微小球３２０の機械的強度に影響するため、この深さは、微小球の構造的な完全性を損なわないように有利に選択される。孔３３０は、限定はしないが、反応性イオンエッチング、従来のマスク技術と組合せた化学的エッチング、機械的穿孔等を含む複数の標準的な技術によって製造することができる。孔３３０は、製造しやすい他の形状、またはより優れた機械的強度をもたらしつつほぼ同じ体積の除去を可能にするいずれかの形状（たとえば円錐形の孔）を有し得る。一部の実施形態では、２つ以上の孔３３０を、異なる位置に、異なる配向および形状で微小球３２０に穿孔することができる。このような一部の実施形態では、孔３３０の存在によって信号も励起損失も上昇しないように、孔３３０は有利に、モード体積に近付き過ぎることはない（いくつかの信号波長内にある）。
【００８９】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、ここに記載する一部の実施形態に係る、複テーパ光ファイバ４１０と、光ファイバ４１０に光結合された微小共振器４２０とを備える光スイッチ４００の別の構成例を概略的に示す。図１４Ａおよび図１４Ｂに示す構成は、微小球４２０の頂部を除去し、それによって先端が切られた、または頂部が平らな微小球４２０を作成することを含む。図１４Ａおよび１４Ｂの微小球４２０は、図１３Ａおよび図１３Ｂの微小球について上述したのと同じ技術、ならびに研削および随意に研磨することによって製造することができる。一部の実施形態では、励起および信号の損失に影響しないように、頂部４５０の幅はあまり大きくない。したがってこのような一部の実施形態では、平らな頂部４５０は、モード体積の端から約数波長のところよりも離れている。頂部４５０の幅は、スイッチの立下り時間およびスイッチングエネルギを決定する。他の一部の実施形態では、頂部４５０は平坦ではない（たとえば湾曲している）。図１４Ａおよび図１４Ｂのように頂部４５０が微小球４２０の赤道に近い一部の実施形態では、微小球の体積の本質的に半分が除去されている。したがってこのような一部の実施形態では、立下り時間およびスイッチングエネルギの両方がおよそ係数２だけ低減されている。一部の実施形態では、立下り時間およびスイッチングエネルギの低減は、ファイバ支柱４６０の存在によっても影響を受ける。ファイバ支柱４６０は、熱を微小球４２０から放出させ、それによって立下り時間が短縮されるが、スイッチングエネルギは上昇する。
【００９０】
一部の実施形態では、直径がより小さいファイバで形成した微小球で微小共振器を製造することによって、および／または、たとえば化学的エッチングによってファイバを保持する支柱の直径を縮小することによって、微小共振器のスイッチングエネルギを低下させ
る。このような一部の実施形態は、励起されている間に微小球から流出する損失熱の量を有利に減少させる。同様の理由で、このような一部の実施形態は、スイッチの立下り時間を有利に増大させる。これは、冷却中に微小球から外に移動する熱の経路の１つがあまり効率的でなくなっているためである。支柱の直径の選択には、立下り時間とスイッチングエネルギとの間で折り合いをつけることが必要である。
【００９１】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、ここに記載する一部の実施形態に係る、複テーパ光ファイバ５１０と、光ファイバ５１０に光結合された微小共振器５２０とを備えるさらに別の例の光スイッチ５００の、それぞれ側面図および上面図である。一部の実施形態では、図１５Ａおよび図１５Ｂに概略的に示すように、たとえば研削または化学的エッチングによって支柱が完全に除去され、接触面を最小化する他の機械的手段（たとえばボンディング）によって支持物上に微小共振器が保持される。このような一部の実施形態では、接合基板は良好な断熱体（たとえばポリマー）を含み、それによって（立下り時間はより短くなるものの）スイッチングエネルギが低下する。他の一部の実施形態では、接合基板は良好な伝熱材（たとえば金属）を含み、それによって（スイッチングエネルギはより大きくなるものの）立下り時間が短くなる。支柱の除去後、頂部の除去に関して上述したように、微小共振器５２０の底部（支柱側）を除去することができ、それによって基板に、または直径が小さい支柱を介して基板に再接合することができる薄いディスクを残す。このような一部の実施形態では、図１５Ａおよび図１５Ｂに概略的に示すように、微小共振器５２０はマイクロトロイドに似ており、当初の微小球材料の大部分が除去されている。一部の実施形態では、立下り時間およびスイッチングエネルギの両方が、ディスクの厚さに依存して、劇的にたとえば係数１０〜１００以上だけ低減される。一部の実施形態では、ディスクを伝熱材に密接（たとえば接合）させることができ、スイッチングエネルギを犠牲にして、立下り時間をさらに短縮する。
【００９２】
一部の実施形態では、直径がより小さい微小球を微小共振器として用いることによって、スイッチングエネルギおよび立下り時間の両方を低減する。先に引用したV.S. Il'chenkoおよびM.L. Gorodetskiiに記載のように、立下り時間は微小球の体積におおよそ比例する。同様に、スイッチングエネルギは微小球の体積におおよそ比例する。たとえば、１５０マイクロメートルではなく直径５０マイクロメートルの微小球を用いると、立下り時間はおおよそ約３０ミリ秒から約３．３ミリ秒に短縮され、スイッチングエネルギは約８５ナノジュールから約１０ナノジュール未満に低下する。
【００９３】
自由搬送波誘起スイッチングメカニズム
一部の実施形態では、光スイッチングの方法は、光カプラーと、光カプラーに光結合され、かつ複数のナノ粒子を有する微小共振器とを含む光スイッチを設けるステップを備える。当該方法はさらに、光スイッチによって光パルスを受取るステップを備え、光パルスの光出力が所定のしきい値レベルよりも大きいときに光スイッチの少なくとも一部分が自由搬送波数の増加とそれに伴う屈折率変化とを経るように、光パルスの少なくとも一部分が微小共振器のナノ粒子によって吸収される。
【００９４】
上述のように、一部の実施形態では、微小共振器は、熱誘起された屈折率変化によって光信号に関する周波数または波長が変動する光共振を有する。他の一部の実施形態では、微小共振器の屈折率は、ナノ粒子内に自由搬送波を生成することによって変更される。R.
SorefおよびB.R. Bennetによる“Electrooptical Effects in Silicon,”IEEE J. Quantum Electron., QE-23, 123-129ページ(1987年)に記載の経験的な関係によれば、１．５ミクロン付近のバルクＳｉ中の自由搬送波によって、屈折率（Δｎ）および減衰係数（Δα）において観察される変化が定量化される。
【００９５】
【数３】
2009509198.tif 000005
【００９６】
相対的に適度な自由搬送波濃度は、共振を著しく変動させることができる。したがって一部の実施形態では、自由搬送波誘起吸収によって光スイッチングを行なうことができ、これにはシリコンおよび他の半導体ナノ粒子がよく適する。
【００９７】
Ｓｉナノ粒子がドーピングされた微小球を有する一例の実施形態として、Ｓｉナノ粒子は、（周波数υ＝６．１×１０14Ｈｚに対応する）４８８ナノメートルの励起波長λにおいて、σA＝１０-16ｃｍ2（１０-20ｃｍ2）という典型的な吸収断面積を有する。得ることができる典型的なナノ結晶密度はおよそＮSi＝１０19ｃｍ-3（１０25ｍ-3）であり、蛍光寿命はおよそτ＝１０マイクロ秒である。（たとえば、F. Priolo他によるMat. Sci. Eng. B, 第81巻, 9ページ(2001年)参照。）したがって吸収深度は小さい（たとえばｄ１/e＝ＮSiσA＝１０ミクロン）と予期され、励起の共振の向上は期待されない。
【００９８】
単純な準２準位レート方程式モデルを用いると、励振される電子−正孔対の数ＮExは次から得られる：
【００９９】
【数４】
2009509198.tif 000006
【０１００】
ここでφは光子磁束であり、モード面積ＡMod（およそλ2≒０．５μｍ2＝０．２５×１０-12ｍ2）および光子エネルギｈυで除算した使用出力Ｐ＝３．４μＷに等しい。
【０１０１】
励振された電子−正孔対の濃度について解くと：
【０１０２】
【数５】
2009509198.tif 000007
【０１０３】
一部の実施形態では、屈折率変化Δｎは、熱効果による率変化よりも大きさが２桁大き
い。減衰係数の変化Δαは、以下を用いてＱ値に変換することができる：
【０１０４】
【数６】
2009509198.tif 000008
【０１０５】
この結果は、自由搬送波の存在によってＱが３×１０5から４７６に減少し、かつ信号をスイッチングさせることも可能であることを意味する。
【０１０６】
異なる半導体ナノ粒子は、吸収断面積と励振される搬送波の寿命とが異なる。たとえば、スイッチをより速くするために、直接バンドギャップ半導体ナノ粒子を用いることができ。一部の実施形態では、熱メカニズムおよび自由搬送波メカニズムの両方が、励起パルスと微小共振器のナノ粒子との相互作用に起因する屈折率の変化に寄与する。
【０１０７】
本発明のさまざまな実施形態を上に記載した。これらの特定の実施形態を参照して本発明を記載したが、記載は発明を例示するためのものであり、限定するものではない。当業者には、添付の請求項に規定した発明の精神および範囲から逸脱することなくさまざまな変更および用途が思い浮かぶであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】励起パルスおよび信号がテーパファイバの一端に入力されているテーパファイバを備える、ここに記載した一部の実施形態に適合する一例の光スイッチを概略的に示す図である。
【図２】励起パルスおよび信号がテーパファイバの両端に入力されているテーパファイバを備える、ここに記載した一部の実施形態に適合する別の例の光スイッチを概略的に示す図である。
【図３】励起パルスおよび信号を微小共振器に結合するプリズムを備える、ここに記載した一部の実施形態に適合する別の例の光スイッチを概略的に示す図である。
【図４】ここに記載した一部の実施形態に係る、自己スイッチングのための別の例の光スイッチを概略的に示す図である。
【図５】ここに記載した一部の実施形態に係る、シリコンナノ結晶でコーティングした微小球を備える光スイッチを製造する一例の方法を示すフローチャートである。
【図６】ここに記載した一部の実施形態に係る、光スイッチングのための方法の一例のフローチャートである。
【図７】励起パルスがある場合とない場合との、ここに記載した一部の実施形態に適合する一例の光スイッチの出力について測定された伝送スペクトルのグラフであり、３．４マイクロワットのピーク結合出力にて励起がオンであるときの共振波長における変動を示す図である。
【図８】図３の例の光スイッチの時間的な応答のグラフである。
【図９】ここに記載した一部の実施形態に係る、一例の励起パルスシーケンスとその結果得られるスイッチングされた信号パルスとのグラフである。
【図１０】図１０Ａはピーク出力は同じであるが幅が異なり、各々の幅がτ1よりずっと短い３つの短い励起パルスのグラフである。図１０Ｂはローレンツである共振線形について図１０Ａに対応して得られるスイッチングされた信号パルスのグラフである。図１０Ｃはガウスである共振線形について図１０Ａに対応して得られるスイッチングされた信号パルスのグラフである。図１０Ｄは矩形である共振線形について図１０Ａに対応して得られるスイッチングされた信号パルスのグラフである。
【図１１】ローレンツ共振線形について、モード体積の緩和時間（τp＝５０τ1）と比較して幅が長い励起パルスとその結果得られるスイッチングされた信号パルスとを示すグラフである。
【図１２】図１２Ａは反復率が高い（Ｔp＜＜τ2）励起パルスシーケンスのグラフである。図１２Ｂは一点鎖線がモード体積のベースライン温度の発達を表わす、図１２Ａに対応して得られるスイッチングされた信号パルスシーケンスのグラフである。
【図１３Ａ】ここに記載した一部の実施形態に適合する微小共振器を備える一例の光スイッチを概略的に示す側面図である。
【図１３Ｂ】ここに記載した一部の実施形態に適合する微小共振器を備える一例の光スイッチを概略的に示す上面図である。
【図１４Ａ】ここに記載した一部の実施形態に適合する微小共振器を備える別の例の光スイッチを概略的に示す側面図である。
【図１４Ｂ】ここに記載した一部の実施形態に適合する微小共振器を備える別の例の光スイッチを概略的に示す上面図である。
【図１５Ａ】ここに記載した一部の実施形態に適合する微小共振器を備えるさらに別の例の光スイッチを概略的に示す側面図である。
【図１５Ｂ】ここに記載した一部の実施形態に適合する微小共振器を備えるさらに別の例の光スイッチを概略的に示す上面図である。
【図１】
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【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６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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