(57)【要約】【課題】  耐光性に優れ、超高速・高効率であるとともに低コストな光スイッチ及びその製造方法の提供、並びに、光スイッチを用いた光分配装置及び光多重化装置の提供。【解決手段】  光スイッチ１は、基板１０上に、低反射率ミラー１２と、非線形光学材料を含有する活性膜１４と、高反射率ミラー１６と、を、この順で有する。活性膜１４の膜厚は、信号光及び制御光の少なくとも一方、又は、信号光の波長をλ1とし、制御光の波長をλ2としたときに、（λ1＋λ2）／２〜λ2の間の波長に対して共振条件を満たす。基板１０の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、１０％以下である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、低反射率の反射面又は反射層と、非線形光学材料を含有する活性膜と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に有し、前記基板側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、
前記活性膜の膜厚は、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たし、
前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、１０％以下である光スイッチ。
【請求項２】
基板上に、低反射率の反射面又は反射層と、非線形光学材料を含有する活性膜と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に有し、前記基板側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、
前記活性膜の膜厚は、前記信号光の波長をλ1とし、前記制御光の波長をλ2としたときに、（λ1＋λ2）／２〜λ2の間の波長に対して共振条件を満たし、
前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、１０％以下である光スイッチ。
【請求項３】
前記活性膜の、前記低反射率の反射面又は反射層と接する面とは反対側の面に金属層を有し、前記高反射率の反射面は、前記活性膜と前記金属層との界面である請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記低反射率の反射層は、誘電体多層膜である請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記非線形光学材料は、有機分子である請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記有機分子は、スクエアリリウム化合物である請求項５に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記有機分子は、ジベンゾフラノニルメタノラート化合物である請求項５に記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記光スイッチングは、前記非線形光学材料の光カー効果を利用して行われる請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項９】
前記基板の前記活性膜を有する面とは反対側の面に、光軸に垂直な平面を有するレンズの平面部を当接するように設け、前記基板の厚さを前記レンズの焦点距離と等しくした請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
基板上に、誘電体多層膜と、非線形光学材料を含有する活性膜と、金属層と、をこの順に設ける光スイッチの製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光スイッチを用いた光分配装置。
【請求項１２】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光スイッチを用いた光多重化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信または光情報処理において必要とされる、信号光を制御光により超高速でスイッチングする光スイッチ及びその製造方法、並びに光スイッチを用いた光分配装置及び光多重化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の大容量光通信や超高速光情報処理に用いられる光スイッチには、従来の電気信号で光信号を制御する方式でなく、光信号で光信号を制御する方式が動作速度や機器の簡略化の点で有利である。本発明者等はこれまで、光通信波長領域で動作する超高速光スイッチを提供することを主たる目的に、有機非線形光学薄膜を用いた検討を進めてきた。その結果、大面積化が容易で生産性に優れた超高速光−光スイッチの開発に成功した（例えば、特許文献１参照。）。
当該光スイッチは、活性膜である有機非線形光学薄膜に、吸収近傍の制御光により屈折率変化を生じさせ、光カー効果を利用した光学配置により、高い効率で信号光のオン・オフを行うものである。
【特許文献１】特開２００３−３１５８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
加えて最近、本発明者等は、共振器構造を光スイッチに導入することでその性能を大幅に向上できることを見出した。当該発明の構成は、非線形光学材料薄膜を活性膜とし、前記活性膜の一方の面に高反射率の反射面（層）を設け、他方の面に低反射率の反射面（層）を設けてなるものである。その具体的構成の一形態を図１０に示す。図１０に係る光スイッチ１’は、基板１０上に、高反射率ミラー１６と、活性膜１４と、低反射率ミラー１２と、保護層１８とをこの順に積層されてなるものである。この光スイッチは、（ａ）低コスト性、（ｂ）大面積性、（ｃ）高速応答性、（ｄ）低駆動エネルギーなどの特徴を有する。
【０００４】
上記構成の光スイッチにおいては、以下の点を改良することにより、さらに優れた光スイッチとすることができる。
（１）  活性膜１４の上に形成する低反射率ミラー１２としては誘電体多層膜が適しているが、誘電体多層膜の形成時に基板１０の温度が上昇するため、活性膜１４に主として用いられる有機材料が劣化することがある。
（２）  光スイッチ動作に伴う活性層１４への損傷を軽減するには、保護層１８の形成が有効であるが、入射光が保護層１８を通過する構成とした場合、使用可能な保護層の材質、膜厚等に制約が生じる。
（３）  レンズ等を用いて入射光を活性膜１４に集光する場合、基板１０を可動台座等に固定してレンズ−活性膜間の距離および煽り角度を精密に調整する必要があり、実用に際して利便性が低い。
【０００５】
本発明は共振器構造を有する光スイッチの構成を変えることで、上記（ａ）〜（ｄ）の特徴を維持しながら（１）〜（３）の問題点を解決した光スイッチ及びその製造方法を提供するものである。さらに本発明は、当該光スイッチを用いた光分配装置及び光多重化装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、本発明は、
＜１＞  基板上に、低反射率の反射面又は反射層と、非線形光学材料を含有する活性膜と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に有し、前記基板側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記活性膜の膜厚は、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方に対して共振条件を満たし、前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、１０％以下である光スイッチである。
【０００７】
＜２＞  基板上に、低反射率の反射面又は反射層と、非線形光学材料を含有する活性膜と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に有し、前記基板側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記活性膜の膜厚は、前記信号光の波長をλ1とし、前記制御光の波長をλ2としたときに、（λ1＋λ2）／２〜λ2の間の波長に対して共振条件を満たし、前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、１０％以下である光スイッチである。
【０００８】
＜３＞  前記活性膜の、前記低反射率の反射面又は反射層と接する面とは反対側の面に金属層を有し、前記高反射率の反射面は、前記活性膜と前記金属層との界面である＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【０００９】
＜４＞  前記低反射率の反射層は、誘電体多層膜である＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【００１０】
＜５＞  前記非線形光学材料は、有機分子である＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【００１１】
＜６＞  前記有機分子は、スクエアリリウム化合物である＜５＞に記載の光スイッチである。
【００１２】
＜７＞  前記有機分子は、ジベンゾフラノニルメタノラート化合物である＜５＞に記載の光スイッチである。
【００１３】
＜８＞  前記光スイッチングは、前記非線形光学材料の光カー効果を利用して行われる＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【００１４】
＜９＞  前記基板の前記活性膜を有する面とは反対側の面に、光軸に垂直な平面を有するレンズの平面部を当接するように設け、前記基板の厚さを前記レンズの焦点距離と等しくした＜１＞又は＜２＞に記載の光スイッチである。
【００１５】
＜１０＞  基板上に、誘電体多層膜と、非線形光学材料を含有する活性膜と、金属層と、をこの順に設ける光スイッチの製造方法である。
【００１６】
＜１１＞  ＜１＞乃至＜９＞のいずれか１つに記載の光スイッチを用いた光分配装置である。
【００１７】
＜１２＞  ＜１＞乃至＜９＞のいずれか１つに記載の光スイッチを用いた光多重化装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、耐光性に優れた超高速・高効率光スイッチを低コストで提供可能である。また、モジュール性能を高め、同時に作製プロセスを簡易化できるなど、超高速光スイッチングシステム形成において寄与するところが極めて大きい。
さらに、本発明の光分配装置及び光多重化装置は、本発明の光スイッチを用いるため、超高速動作が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の光スイッチ及びその製造方法、並びに光スイッチを用いた光分配装置及び光多重化装置について詳細に説明する。
＜光スイッチ＞
本発明の光スイッチは、基板上に、低反射率の反射面又は反射層と、非線形光学材料を含有する活性膜と、高反射率の反射面又は反射層と、をこの順に有し、前記基板側から信号光と制御光とを照射して光スイッチングを行う光スイッチであって、前記活性膜の膜厚は、前記信号光及び前記制御光の少なくとも一方、又は、前記信号光の波長をλ1とし、前記制御光の波長をλ2としたときに、（λ1＋λ2）／２〜λ2の間の波長に対して共振条件を満たし、前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、１０％以下のものである。
本発明の光スイッチにおいては、低反射率の反射面又は反射層と、非線形光学材料を含有する活性膜と、高反射率の反射面又は反射層とで非対称な共振器が構成される。この非対称の共振器により、高いスイッチング効率と短い応答時間を兼ね備えた光スイッチが実現できる。
【００２０】
本発明において、前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、下記方法により測定された値をいう。
所望の波長における透過率（T）および反射率（R）を測定し、反射分を補正した透過率T'＝T/(1-R)より損失（1−T'）を決定する。
前記基板の吸収による前記信号光及び前記制御光の損失は、５％以下が好ましく、１％以下がさらに好ましい。
【００２１】
３次の非線形光学効果の一種である光カー効果の場合、出力信号の振幅Ｆは、活性膜内の入力信号光の電場振幅Ｅ1および活性膜の厚さｄに比例し、さらに活性膜内の制御光の電場振幅Ｅ2の２乗に比例する。すなわちＦは下記式（１）で表される。
【００２２】
【数１】
2006023334.tif 000003
【００２３】
式（１）において、χ(3)は活性膜の３次非線形感受率を表す。
また、出力信号の強度ＩはＦ2に比例するので、出力信号強度はＥ12およびＥ24に比例する。比例係数をＣとすると、出力信号強度は下記式（２）で表される。
【００２４】
【数２】
2006023334.tif 000004
【００２５】
従って、制御光および信号光を共に共振させてＥ1とＥ2とを入射光の振幅に対して増大させることによって、大きな出力信号を得ることができる。たとえば、Ｅ1およびＥ2をそれぞれ２倍にすることができれば、出力信号は６４倍になる。
【００２６】
次に、本発明の光スイッチの作用について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の光スイッチの第一実施形態を示す断面図である。光スイッチ１は、基板１０上に、低反射率の反射層である低反射率ミラー１２と、活性膜１４と、高反射率の反射層である高反射率ミラー１６と、保護層１８と、をこの順に積層してなる。なお、基板１０、低反射率ミラー１２、活性膜１４、高反射率ミラー１６及び保護層１８に用いられる具体的な材料については後述する。
光スイッチ１において、活性膜１４の厚さをｄと、低反射率ミラー１２の反射率をＲ1と、高反射率ミラー１６の反射率をＲ2とする。また活性膜１４の屈折率をｎとする。ｎは波長λにより変化し、また活性膜１４を構成する非線形光学材料に吸収があるときにはｎは複素数である。
【００２７】
光スイッチ１に垂直に波長λの信号光が入射した場合、膜厚ｄにより膜内の電場最大値はおよそ図２のように周期的に変化する。図２は、活性膜１４の膜厚ｄの変化に対する電場振幅の変化を表す。波長λA及び波長λBは、各々１５５０ｎｍ及び１６３０ｎｍである。
低反射率ミラー１２及び高反射率ミラー１６による反射における位相変化が各々φ1とφ2とであるときには、波長λと膜厚ｄとが下記式（３）に一致したとき、共振により内部電場は最大になる。
【００２８】
【数３】
2006023334.tif 000005
【００２９】
なお、式（３）においてｍは正の整数を表し、d0は共振膜厚を表し、λ0は共振波長を表す。つまり、最低次（ｍ＝１）の共振は、下記式（４）で起きる。
【００３０】
【数４】
2006023334.tif 000006
【００３１】
また、高次の共振は（λ0／２ｎ）の周期で起きる。内部電場を強めるために、波長と膜厚とが式（３）又は式（４）を満たす必要がある。
式（３）は、光波が活性膜１４内を１往復したときの位相変化δを下記式（５）として、位相整合の条件である下記式（６）から導かれたものである。
【００３２】
【数５】
2006023334.tif 000007
【００３３】
【数６】
2006023334.tif 000008
【００３４】
通常のファブリペロー共振器においては、透過光強度が極大となる共振点の両側で強度が極大値の半分になる幅を半値幅という（マックス・ボルン、エミル・ウォルフ著、光学の原理ＩＩ、ｐ．５１５、東海大学出版会）。空気と活性膜との界面の反射率をＲとして、共振の次数がｍで強度が極大値の半分になる点での位相δを式（７）とする。
【００３５】
【数７】
2006023334.tif 000009
【００３６】
この場合、位相半値幅εは、下記式（８）で表される。
【００３７】
【数８】
2006023334.tif 000010
【００３８】
式（５）から位相は膜厚および波長に依存しているので、膜厚ｄ0での共振波長を式（３）のλ0とすれば、波長半値幅Δλは近似的に下記式（９）で与えられる。
【００３９】
【数９】
2006023334.tif 000011
【００４０】
本発明の光スイッチにおいては、上下のミラーの反射率が異なるので、ＲのかわりにＲ1とＲ2との幾何平均、すなわち下記式（１０）を用いる。
【００４１】
【数１０】
2006023334.tif 000012
【００４２】
従って、本発明の光スイッチの波長半値幅Δλは近似的に下記式（１１）で与えられる。
【００４３】
【数１１】
2006023334.tif 000013
【００４４】
ただし、式（１１）における下記記号は、４乗根を意味する。
【００４５】
【数１２】
2006023334.tif 000014
【００４６】
本発明において「共振条件を満たす」とは、波長λが下記式（１２）の範囲内にあることをいう。
【００４７】
【数１３】
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【００４８】
言い換えれば、本発明において「共振条件を満たす」とは、活性膜の膜厚ｄが下記式（１２’）の範囲にあることをいう。
【００４９】
【数１４】
2006023334.tif 000016
【００５０】
簡単のために低反射率ミラー１２では位相変化が生じないものとしてφ1＝０と仮定し、高反射率ミラー１６は理想的な金属ミラーとして位相変化はφ2＝π、反射率はＲ2＝１と仮定した場合には、波長半値幅Δλは、下記式（１３）となる。
【００５１】
【数１５】
2006023334.tif 000017
【００５２】
式（１３）は、反射の次数が高いほど、また反射率が１００％に近付くほど、波長半値幅が小さくなることを示している。
【００５３】
共振条件の膜厚での電場は、反射面又は反射層の反射率が大きいほど大きくなる。しかしながら、反射面又は反射層の反射率を大きくすると、内部電場が定常値に達するまでの時間が長くなる。そこで、光スイッチに光パルスが入射したときに光スイッチ内部に生じる光電場がどのように時間的に変化するかを図３を用いて以下に説明する。なお、図３は、図１における光スイッチ１の要部（活性膜１４）のみを示すものである。
【００５４】
時刻ｔ＝０に振幅Ａの矩形の光パルスが下方から光スイッチ１に入射する場合を考える。入射光の一部が低反射率ミラー１２を透過して、活性膜１４に入る。この透過光の振幅をＢ1とする。透過光は活性膜１４内部を伝播して時刻ｔ＝Ｔに高反射率ミラー１６に達し、一部は反射し一部は透過する。反射光の振幅をＣ1とする。反射光は活性膜１４内部を下向きに伝播して、時刻ｔ＝２Ｔに低反射率ミラー１２に達し、一部は反射し一部は透過する。反射光の振幅をＢ2とする。以下同様にして、時刻３Ｔには高反射率ミラー１６に達して上向き反射光Ｃ2が発生し、ｔ＝４Ｔには低反射率ミラー１２に達して下向き反射光Ｂ3が発生する。
活性膜１４内部で低反射率ミラー１２直上の場所の光電場は、ｔ＜０では０，ｔ＝０からｔ＝２ＴまではＢ1，ｔ＝２Ｔからｔ＝４ＴまではＢ1＋Ｃ1＋Ｂ2，ｔ＝４Ｔからｔ＝６ＴまではＢ1＋Ｃ1＋Ｂ2＋Ｃ2＋Ｂ3、と時間発展する。つまり光が活性膜１４内部を１往復する毎に光電場が変化し、往復回数が大きくなると電場は定常値に近づく。
【００５５】
ここで、（１）低反射率ミラー１２及び高反射率ミラー１６の両方が反射率Ｒ＝９９％（高反射率）の場合、（２）低反射率ミラー１２及び高反射率ミラー１６の両方が反射率Ｒ＝６０％（低反射率）の場合、（３）低反射率ミラー１２が反射率Ｒ＝６０％（低反射率）であり、高反射率ミラー１６が反射率Ｒ＝９９％（高反射率）の場合について、入射光の電場振幅を１として、往復回数と活性膜１４内部の光電場の関係を図４に示す。活性膜１４の膜厚は共振条件を満たしているものとし、また活性膜１４の入射光波長での吸収は無いものとした。
活性膜１４内部の光電場が定常状態の値Ｅ0の９０％に達するまでの往復回数をｑとし、時定数τを定常値Ｅ0の９０％に達するまでの時間と定義する。１往復にかかる時間は２Ｔなので、τ＝２ｑＴである。Ｔは活性膜１４の厚さｄに比例する。したがってｄが小さくなるほどＴは短くなり、時定数τも短くなる。ｄ＝λ／２ｎの場合には、Ｔ＝λ／２ｃ＝２．５ｆｓである。（ただし、λ＝１．５μｍ、ｃ＝３×１０8ｍ／ｓとした。）
【００５６】
図４において、（１）の場合には、Ｅ0は大きいもののτが長い。Ｅ0＝１２．８である。電場が定常値の９０％に達するまでの往復回数は約２３０回である（ｑ＝２３０）。従って、時定数は、τ＝２ｑＴ＝１．１５ｐｓである。定常値は入射光の１２．８倍に達する。
（２）の場合には、τは短いが、Ｅ0が小さい。Ｅ0＝１．８である。電場が定常値の９０％に達するまでの往復回数は約４回である（ｑ＝４）。Ｔ＝２．５ｆｓの場合には、τ＝１０ｆｓである。定常値は入射光の１．８倍である。
（３）の場合には、τは（１）よりも短く、Ｅ0は（２）よりも大きくなる。Ｅ0＝３．５である。電場が定常値の９０％に達するまでの往復回数は約９回である（ｑ＝９）。Ｔ＝２．５ｆｓと仮定すると、τ＝２２．５ｆｓである。定常値は入射光の３．５倍である。
【００５７】
内部電場を大きく、かつ時定数を短くするためには、上記（３）のように一方の反射面又は反射層の反射率を低くし、他方の反射面又は反射層の反射率を高くし、かつ活性膜の膜厚が共振条件を満たすようにするのがよいことがわかった。
なお、本発明の光スイッチにおいて、信号光及び制御光は、低反射率の反射面又は反射層の側から入射する。出力信号光もまた、低反射率の反射面又は反射層の側から取り出す。
【００５８】
本発明の光スイッチにおいて、高反射率の反射面又は反射層における反射率は、９０％以上であることが好ましく、１００％に近い程よい。また、低反射率の反射面又は反射層における反射率は、光パルスの時間幅、光パルス列の時間間隔、信号光及び制御光の波長などを勘案して最適化を図ることができるが、具体的には。低反射率ミラーの反射率は、１０％以上９０％以下であることが好ましく、４０％以上８０％以下であることがさらに好ましく、特に、６０％以上７０％以下であることが好ましい。
【００５９】
次に、非対称な反射層を有する光スイッチである前記（３）（低反射率ミラー１２が反射率Ｒ＝６０％であり、高反射率ミラー１６が反射率Ｒ＝９９％の場合）の特性を、対称な反射層を有する光スイッチで時定数τが同等な値となるもの（４）、および定常状態の値Ｅ0が同等な値となるもの（５）と比較した。結果は以下の通りである。
【００６０】
（３）反射率が６０％と９９％の反射層             Ｅ0＝３．５，ｑ＝９
（４）両側の反射層が反射率７７％の場合           Ｅ0＝２．５，ｑ＝９
（５）両側の反射層が反射率８７．５％の場合              Ｅ0＝３．５，ｑ＝１７
【００６１】
（４）のｑは（３）と同等だが、Ｅ0は（３）よりも小さくて劣っていた。
（５）のＥ0は（３）と同等だが、ｑは（３）よりも大きくて劣っていた。
上記結果からも、非対称な反射層を有する光スイッチは対称な反射層を有する光スイッチよりも特性が優れていることは明らかである。
【００６２】
一般的には、信号光の波長λ1と制御光の波長λ2とは異なっている。従って信号光の共振条件と制御光の共振条件とは異なる。本発明では片側のミラーの反射率が低いために共振条件を満たす波長半値幅が広く、λ1とλ2とが１０％程度異なっている場合には両方とも共振条件を満たすことができる。本発明においては、活性膜の膜厚を、（λ1＋λ2）／２〜λ2の間の波長に対する共振条件に一致させるようにしてもよい。式（２）より、λ1、λ2の組合せによっては、共振波長をλ1、λ2の中間の最適値に設定し、両波長に中程度の共振効果を与えることで、共振波長をλ1、λ2の一方に一致させるよりもＥ12、Ｅ24を大きくすることができる。また、式（２）によれば出力信号強度はＥ12およびＥ24に比例するから、上記の場合に特に大きな出力信号強度を得ることができる。
また低反射率の反射層を、信号光及び制御光の内のどちらか一方の波長には低反射率ミラーとして働き、他方の波長には無反射膜として働くようにすれば、一方の波長だけに対して共振条件を満たし、他方の波長に対しては非共振状態にすることができる。一方の波長のみに共振効果が作用するときは、もう一方の波長については無反射とすることで、信号光の減衰を抑えたり、制御光の利用効率を高めたりすることができる。
【００６３】
活性膜に吸収がある場合には、活性膜の屈折率は複素数になる。波長をλ、複素屈折率の虚数部をｋとすると、吸収係数αは、α＝（４π／λ）ｋである。吸収係数αの媒質中を進む光の強度は下記式（１４）で表される。
【００６４】
【数１６】
2006023334.tif 000018
【００６５】
ｘは、入射光が活性膜中を進んだ距離であり、Ｉ0はｘ＝０の位置での強度を表す。強度がＩ0／ｅ＝０．３６Ｉ0になる距離を、侵入深さδと定義する。δ＝１／α＝（λ／４πｋ）と表すことができる。活性膜の厚さｄがｄ＝δの場合には、活性膜内を１往復した光の強度は１／ｅ2＝０．１３となり、活性膜の厚さが侵入深さ以上の場合（ｄ≧δ）には共振効果はほとんど起きない。すなわち、信号光又は制御光が活性膜を１回透過するときの透過率は、３７％（１／ｅ）以上であることが好ましい。
【００６６】
なお、上側反射面の反射率と下側反射面の反射率とが異なる非対称ファブリ−ペロー共振器を用いた光スイッチは、半導体材料の吸収飽和を利用した光スイッチについて報告があるが（特開平０７−３２５２７５）、これは吸収飽和型の光スイッチにおいて上下のミラーの反射率を調整して反射信号のＯＦＦレベルを０にするためのもので、本発明のように光電場と時定数の調整をはかる場合とは目的が異なるものである。
【００６７】
光スイッチ１において、高反射率ミラー１６としては、誘電体多層膜からなる多層膜ミラー又は金属層を用いることができる。高反射率ミラー１６が金属層である場合、本発明の光スイッチに係る高反射率の反射面は、活性膜と金属層との界面となる。
誘電体多層膜は、たとえば高屈折率の材料としてＴｉＯ2、低屈折率の材料としてＳｉＯ2を用い、入射光波長λに対して、光学厚さλ／４のＴｉＯ2と光学厚さλ／４のＳｉＯ2を積層して作ることができる。光学厚さは、（屈折率）×（膜厚）を波長単位で表した量である。ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を６組（１２層）積層した多層膜ミラーの反射係数はｒ＝０．９９５である。
誘電体多層膜の場合には、誘電体多層膜を構成する各層の厚さや積層構造により反射の際の位相変化が異なる。入射光波長にマッチングした誘電体多層膜では、位相変化は０である。低反射率ミラー１２での位相シフトも０とすれば、共振条件はｎｄ＝ｍ（λ／２）であり、光学厚さがλ／２の整数倍の時に電場振幅が大きくなる。
【００６８】
高反射率ミラー１６が金属層の場合には、前記金属層を構成する金属の具体例としては、金、銀及びアルミニウム等が挙げられる。これらの中でも、通信波長帯において高い反射率を示す銀または金が好ましい。
高反射率ミラー１６が金属層の場合には、反射の際に光波の位相がほぼ反転する。すなわち、約１８０°の位相シフトが反射の度に発生する。活性膜と金属との界面での反射係数は、活性膜の屈折率をｎ2、金属の屈折率をｎ3とすると、ｒ＝（ｎ2−ｎ3）／（ｎ2＋ｎ3）である。
１例として活性膜の複素屈折率をｎ2＝２．４２６１０＋０．０３３８１ｉ  、金属として銀の複素屈折率をｎ3＝０．３２２０５＋１０．９９３５０ｉとすると、ｒ＝−０．８９１−０．４１３ｉ  ＝０．９８２ｅｘｐ（３．５７５ｉ）  と計算される。すなわち、φ＝３．５７５ラジアン＝２０４．８°の位相変化が生じる。
【００６９】
高反射率ミラー１６としては、成膜時の基板の温度上昇を低く抑えることができることから金属層であることが好ましい。
【００７０】
光スイッチ１において、低反射率ミラー１２としては、誘電体多層膜からなる多層膜ミラーを用いることができる。例えば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2とをそれぞれ光学厚さλ／４で１層ずつ積層したものでは、反射係数はｒ＝０．７０である。ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を２組（４層）積層した多層膜ミラーの反射係数はｒ＝０．８７である。
【００７１】
光スイッチ１において、活性膜１４は、非線形光学材料を含有するものである。前記非線形光学材料は特に限定されるものではなく、その具体例としては、有機分子、LiNbO3などの非線形光学結晶、金属微粒子分散ガラスなどの無機材料等があげられる。これらの中でも非線形光学材料としては、低コスト性、大面積加工性、非線形光学特性に優れる等の理由から有機分子であることが好ましい。
また、前記有機分子の中でも、下記一般式（１）で表されるジベンゾフラノニルメタノラート化合物又は下記一般式（２）で表されるスクエアリリウム化合物がさらに好ましい。
【００７２】
【化１】
2006023334.tif 000019
【００７３】
一般式（１）中、Ｒ1〜Ｒ4は同じでも異なっていてもよく、それぞれ、直鎖アルキル基または分岐化したアルキル基を示し、炭素数１〜７の直鎖アルキル基または分岐化した炭素数３〜７のアルキル基が好ましい。具体的には、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基、イソプロピル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基またはｔｅｒｔ−ブチル基がより好ましく、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基、イソプロピル基、イソブチル基またはｓｅｃ−ブチル基が特に好ましい。
【００７４】
一般式（１）で表される化合物は、１．１μｍ付近に極大吸収を示し、従来の長波長吸収色素のように共役系を過剰に延長することなしに、大きくその吸収波長を長波長化することができる。また、高い熱安定性、アセトンやクロロホルム等の有機溶剤に対する良好な溶解性および成膜性を有し、さらに昇華性等の点でも優れている。
【００７５】
また、本発明における一般式（１）で示される化合物は、下記一般式（１’）で示されるような構造をとりうる。
この構造式で示される化合物は、一般式（１）で示される化合物の持つ前述のごとき特性と、同じ特性を有する
【００７６】
【化２】
2006023334.tif 000020
【００７７】
【化３】
2006023334.tif 000021
【００７８】
一般式（２）中、Ｒ1〜Ｒ4は同じであっても、異なっていてもよく、それぞれアルキル基を示し、炭素数２〜７の低級アルキル基が好ましく、ｎ−プロピル基、ｉｓｏ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉｓｏ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、２−メチルブチル基、１−メチルブチル基、２，２−ジメチルプロピル基、１，２−ジメチルプロピル基、１，１−ジメチルプロピル基または１−エチルプロピル基がより好ましく、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉｓｏ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基が特に好ましい。
また、一般式（２）中、Ｘ1〜Ｘ8は同じであっても、異なっていてもよく、それぞれ、Ｈ、Ｃｌ、ＯＨ、ＣＨ3、Ｃ2Ｈ5またはＯＣＨ3を示すが、Ｘ2、Ｘ4、Ｘ5およびＸ7からなる群より選ばれる１又は２以上がＯＨ基である。また、Ｘ1、Ｘ3、Ｘ6およびＸ8からなる群から選ばれる１または２以上がＣｌである場合には、分子に双極子モーメントを与えることができ、二次の非線形光学効果を発現させることができるので好ましい。
【００７９】
一般式（２）で表される色素はＪ−会合体、即ち、その吸収帯が色素分子単体の吸収帯に比べ長波長側にシフトして先鋭化し、ストークスシフトの小さな蛍光を発し、吸収ピーク付近の波長の光に対して極めて大きな相互作用を持ち、しかも３次の非線形光学効果である吸収飽和の回復が非常に早いという性質を有する会合体を形成する。
【００８０】
有機分子からなる活性膜は、有機分子を適当な溶媒に溶解させて塗布液を調整し、この塗布液を、基板上にバーコート法、スピンコート法、キャストコート法、ディップコート法等を用いて塗布し、塗布液を乾燥させることにより得られる。また、有機分子以外のその他の非線形光学材料からなる活性膜は、用いられる非線形光学材料に適した公知の方法を用いることにより得られる。
【００８１】
本発明の光スイッチによる光スイッチングは、前記非線形光学材料の光カー効果を利用して行われることが好ましい。光スイッチングを光カー効果を利用して行うことにより、材料の透明領域を使うので信号光の損失が少ない。電子の実励起を伴わないので高速動作が可能になる。さらに、用いる波長が共鳴領域に限定されないので、広い波長域のスイッチングに対応可能である
光カー効果を生じさせることのできる非線形光学材料の具体例としては、上述したジベンゾフラノニルメタノラート化合物及びスクエアリリウム化合物等が挙げられる
【００８２】
光スイッチ１において、保護層１８は、活性膜１４に損傷を与えない範囲でなら材質、膜厚共に何の制限もなく、任意の保護層を設けることが可能である。一例としては金属膜や市販の封止材料等が考えられ、これら保護層の最適化により光スイッチ１の耐光性を大幅に向上させることができる。また、ヒートシンク等により膜の温度上昇を抑制する場合も、膜面に直接ヒートシンク等を接触させることができるため効果が大きい。
図１０に係る光スイッチ１’の構成では、信号光及び制御光が入射する面に保護層１８を形成する。そのため、保護層１８は制御光、信号光に対して透明である必要があった。また保護層１８を反射防止膜にする場合や、図１１に示すように共振器内（低反射率ミラー１２と高反射率ミラー１６との間）に保護層１８を形成する場合は、保護層１８の屈折率や膜厚が共振条件を満たすよう、これらを厳密に制御する必要があった。例えば、共振器内に保護層１８を形成する場合、保護層１８の厚さは、共振に係る波長の整数倍の厚さとしなければならない。これに対し、本発明の光スイッチの構成では、保護層１８は高反射率ミラー１６の外部に形成されるため、このような制限はない。
【００８３】
光スイッチ１において、基板１０の吸収による信号光及び制御光の損失は、１０％以下であることが必要である。基板１０が信号光及び制御光に対し10％よりも大きい損失をもたらすとすると、信号光については基板を２回透過することに対して、制御光についてはKerr効果の寄与に対してそれぞれ2乗で効くため、結果的に損失０の場合に比べ６６％未満の信号強度しか得られない。これは２dBよりも大きい損失に相当し、素子の駆動効率に対し無視できない大きさとなる。そのため基板１０による損失は１０％以下であることが必要である。このような条件を満たす基板としては、信号光及び制御光が通信波長帯の場合、溶融石英やＢＫ７等の光学ガラスおよびシリコンウェハを用いることができる。また、基板１０における信号光及び制御光が入射する面には、反射防止層を設けることができ、これによって基板表面の反射に由来する素子性能の低下を最小限に抑えることができる。
【００８４】
図５は、本発明の光スイッチの第二実施形態を示す断面図である。第二実施形態に係る光スイッチ２は、基板１０の活性膜１４を有する面とは反対側の面に、光軸に垂直な平面を有するレンズ２０の平面部を基板１０と当接するように設け、基板１０の厚さをレンズ２０の焦点距離と等しくしたものである。
レンズ２０としては、光軸に垂直な平面を有するものであれば特に限定はされず、例えば、屈折率分布型レンズ、レンズアレイ等が挙げられる。
レンズ２０のような、表面が平坦なレンズを使用し、レンズ２０の焦点距離に基板１０の厚さを一致させることで、レンズ−活性膜間の距離に関する調整を不要にすることができる。光の射出面であるレンズ表面に基板を直接密着させるだけで済むので、光スイッチの作製工程が大幅に簡略化され、実用上のメリットが大きい。また、煽り角度は光の射出端面と基板の平坦性で決まるので、自由空間で調節する場合に比べ、高い精度が容易に実現できる。
【００８５】
また、本発明者等は、光スイッチをモジュール化することで、小型・高性能化した素子を開発した（特開２００３−１４９６９３号公報。）。当該素子に本発明の光スイッチを適用すれば、レンズの焦点距離及び煽り角度を容易に調整することができるため、実用的に大きな効果が期待される。
【００８６】
＜光スイッチの製造方法＞
本発明の光スイッチの製造方法は、基板上に、誘電体多層膜と、非線形光学材料を含有する活性膜と、金属層とをこの順に設けるものである。この方法は、基板上に、誘電体多層膜と、非線形光学材料として有機分子を含有する活性膜と、金属層とをこの順に有する光スイッチの製造に用いられる。
本発明の光スイッチの製造方法によれば、有機分子を含有する活性膜は、低反射率ミラーである誘電体多層膜の形成後に製膜されるため、同ミラー形成時に生じる活性膜の性能劣化の危険がない。誘電体多層膜は、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法により形成されるが、この場合、基板温度は２００℃を越えることがある。誘電体多層膜よりも先に活性膜を基板上に成膜した場合、活性膜中の有機分子が損傷する危険があるが、本発明ではその危険はない。一方、基板として通常用いられるガラス基板等では、この程度の温度は問題にならない。
また、金属層は通常の真空蒸着法により形成できるため、金属層形成時の基板／活性膜温度の上昇を４０〜５０℃程度に抑えることができる。その結果として、光スイッチの製造における活性膜へのダメージを最小限にとどめることができる。
【００８７】
＜光分配装置＞
本発明の光分配装置は、本発明の光スイッチを用いるものである。図６は、本発明の光分配装置の一実施形態を示す。本実施形態に係る光分配装置は、本発明の光スイッチ１に対して信号光４２を斜めに入射させ、制御光４４を垂直に入射させるものである。
光スイッチ１の基板側から、光導波路４６中を伝送された信号光４２を、レンズを組み合わせて構成した光学系４８に入射させて光学系４８の出射光として進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた信号光パルス４２Ａ〜４２Ｆの列からなる信号光４２を得る。信号光４２に同期した制御光４４を、その進行方向を光スイッチ１に対して垂直にして光スイッチ１の基板側から、所定幅Ｗに渡って光スイッチ１に入射させる。
【００８８】
また、本実施形態に係る光分配装置には、信号光４２が光スイッチ１で反射した後の位置に、ライン状ないし１次元アレイ状の光素子５０を、その各画素が信号光４２の各空間位置部分４２ｐ〜４２ｕの反射光を受けるように配置される。信号光パルス４２Ａ〜４２Ｆが光スイッチ１の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達する時点で、制御光パルス４４ａが光スイッチ１の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように制御光４４を信号光４２に同期させる。
これにより、信号光パルス４２Ａの空間位置部分４２ｐ、信号光パルス４２Ｂの空間位置部分４２ｑ、信号光パルス４２Ｃの空間位置部分４２ｒ、信号光パルス４２Ｄの空間位置部分４２ｓ、信号光パルス４２Ｅの空間位置部分４２ｔ、信号光パルス４２Ｆの空間位置部分４２ｕが、それぞれ出力光パルス５２Ａｐ，５２Ｂｑ，５２Ｃｒ，５２Ｄｓ，５２Ｅｔ，５２Ｆｕとして切り出され、光素子５０の対応する画素で処理または検出される。
【００８９】
＜光多重化装置＞
本発明の光多重化装置は、本発明の光スイッチを用いるものである。図７は、本発明の光多重化装置の一実施形態を示す。本実施形態に係る光多重化装置は、本発明の光スイッチ１に対して一次元のパラレルな信号光４２を斜めに入射させ、制御光４４を垂直に入射させるものである。本実施形態では、パラレルな信号光４２は６チャンネルの信号光４２Ａ〜４２Ｆからなる。
光スイッチ１の基板側からパラレルな信号光４２を所定幅Ｗに渡って入射させるとともに、パラレルな信号光４２に同期した制御光４４を、その進行方向を光スイッチ１に対して垂直にして光スイッチ１の基板側から、所定幅Ｗに渡って光スイッチ１に入射させる。
【００９０】
また、本実施形態に係る光多重化装置には、信号光４２が光スイッチ１で反射した後の位置に、集光光学系５４及び光導波路４６を配置する。信号光４２Ａ〜４２Ｆのすべてが光スイッチ１の各信号光４２Ａ〜４２Ｆに対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達する時点で、制御光パルス４４ａが光スイッチ１の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように制御光４４を信号光４２に同期させる。
これにより、信号光４２Ａ〜４２Ｆのそれぞれ一部が、それぞれパルス時間幅の短い出力光５６Ａ〜５６Ｆとして切り出されて、集光光学系５４及び光導波路４６により、互いの間に所定の時間差を持って集光され、光導波路４６において、信号光（出力光）５６Ａ〜５６Ｆが時間的に多重化されたシリアルな信号光５６が得られる。
【実施例】
【００９１】
以下、本発明を、実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
下記実施例においては、数百フェムト秒（ｆｓ＝１０-15秒）のパルス幅を持つレーザを信号光および制御光に用い、ジベンゾフラノニルメタノラート誘導体薄膜およびスクエアリリウム誘導体薄膜を光制御部とし、本発明にかかる構造の共振器構造光スイッチを作製し、通信波長帯の１．５５(ｍ光および近赤外領域の９００ｎｍ光について光スイッチングを行った。
【００９２】
［実施例１］
活性膜にジベンゾフラノニルメタノラート誘導体薄膜を用い、図１の構成の光スイッチを形成した。低反射率ミラーには、電子ビーム蒸着法によりＴｉＯ2とＳｉＯ2をそれぞれ１／４波長の光学膜厚ずつガラス基板（吸収による損失は、ほぼ０％）上に計４層製膜した誘電体多層膜を用いた。当該誘電体多層膜ミラーの反射率は６０％であった。ジベンゾフラノニルメタノラート誘導体には、下記分子構造の誘導体を用いた。
【００９３】
【化４】
2006023334.tif 000022
【００９４】
当該分子をテトラヒドロフラン溶媒に２質量％の濃度で溶解し、約１６０ｎｍの膜厚になるようスピンコート法により製膜した。高反射率ミラーには銀を５００ｎｍ真空蒸着したものを用いた。さらに保護層として酸化ゲルマニウムまたはアルミニウム蒸着膜を任意の厚さで形成した。作製した光スイッチの反射スペクトルを紫外可視分光装置（日立U-4100）で測定した。その結果を図８に示す。
図８から、１６００ｎｍ付近に共振による反射率の低下が観測され、共振器構造が形成されていることが確認された。この光スイッチについて、下記方法により、繰り返し周期１ｋＨｚ、パルス幅１５０ｆｓの信号光（１５５０ｎｍ）、制御光（１６４０ｎｍ）により光スイッチング実験を行った。
光スイッチング実験は標準的なKerr配置光学系により行った。信号光に対し光スイッチを挟んで偏光子と検光子とをクロスニコル状態で配置する。制御光がない状態では信号光は検光子を透過することができない。次に信号光の偏光方向に対し45°の偏光方向を持つ制御光を、信号光と同期させて光スイッチに入射する。制御光により光スイッチに誘起された複屈折により信号光が楕円偏光となり、一部が検光子を透過する。この透過光をスイッチング出力として観測する。その結果、良好なスイッチング特性が得られ、光スイッチの性能を示す光カー回転角は、制御光強度が５．３ｐＪ／μｍ2のとき２．２°と高い値を示した。
【００９５】
［実施例２］
活性膜にスクエアリリウム誘導体薄膜を用い、実施例１と同様の構成の光スイッチを形成した。スクエアリリウム誘導体には、下記分子構造の誘導体を用いた。
【００９６】
【化５】
2006023334.tif 000023
【００９７】
当該分子をプロピルアミン溶媒に１質量％の濃度で溶解し、約６０ｎｍの膜厚になるようスピンコート法により製膜した。ミラーの種類および形成方法に関しては実施例１と同様である。実施例１と同様の方法により作製した光スイッチの反射スペクトルを測定した。その結果を図９に示す。８５０ｎｍ付近に共振による反射率の低下が観測され、共振器構造が形成されていることが確認された。
この光スイッチについて、実施例１と同様の方法で繰り返し周期８０ＭＨｚ、パルス幅１５０ｆｓの信号光（９００ｎｍ）、制御光（８５０ｎｍ）により光スイッチング実験を行った。その結果、良好なスイッチング特性が得られ、共振器構造を導入しない場合に比べ、膜厚あたりのカー回転角は１０倍以上になることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の光スイッチの第一実施形態を示す断面図である。
【図２】活性膜の膜厚の変化に対する電場振幅の変化を表す図である。
【図３】光スイッチ内部に生ずる光電場の時間的変化を説明するための図である。
【図４】入射光の往復回数と活性膜内部の光電場との関係を示す図である。
【図５】本発明の光スイッチの第二実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の光分配装置の一実施形態を示す図である。
【図７】本発明の光多重化装置の一実施形態を示す図である。
【図８】実施例１で作製した光スイッチの反射スペクトルを示す図である。
【図９】実施例２で作製した光スイッチの反射スペクトルを示す図である。
【図１０】共振器構造を導入した光スイッチを示す断面図である。
【図１１】共振器内に保護層を形成した光スイッチを示す断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１  光スイッチ
１０  基板
１２  低反射率ミラー
１４  活性膜
１６  高反射率ミラー
１８  保護層
２０  レンズ
【図１】
2006023334.tif 000024
【図２】
2006023334.tif 000025
【図３】
2006023334.tif 000026
【図４】
2006023334.tif 000027
【図５】
2006023334.tif 000028
【図６】
2006023334.tif 000029
【図７】
2006023334.tif 000030
【図８】
2006023334.tif 000031
【図９】
2006023334.tif 000032
【図１０】
2006023334.tif 000033
【図１１】
2006023334.tif 000034