(57)【要約】【課題】低消費パワー、小型、低ノイズの直接光スイッチを提供する。【解決手段】光スイッチは、チャンネル導波路を環状に接続したリング共振器１と、２本の直線導波路２，４とを備える。直線導波路２，４の４つの端部のいずれかに、リング共振器１の任意の共振ピークの近傍の波長λ１を有するパルス状のポンプ光Ｌ１を導入し、４つの端部のいずれかに共振ピークと異なる別の共振ピークの近傍の波長λ２を有する連続的なプローブ光Ｌ２を導入する。ポンプ光Ｌ１の導入によるリング共振器１の共振波長の変化によってプローブ光Ｌ２に対するリング共振器１の透過率を変化させ、直線導波路２，４の端部において、ポンプ光Ｌ１の光強度に応じて強度変調されたプローブ光Ｌ２ａ’，Ｌ２ｂ’を得る。【選択図】  図１
2006208754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が方形または台形のシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム化合物をコアとし、屈折率が前記コアより小さい物質を前記コアを覆うクラッドとしたチャンネル導波路を、環状に接続したリング共振器と、
このリング共振器の側面に近接して配置された２本の直線導波路とを備え、
この２本の直線導波路の４つの端部のいずれかに、前記リング共振器の任意の共振ピークの近傍の波長λ１を有するパルス状のポンプ光が導入され、かつ前記４つの端部のいずれかに前記共振ピークと異なる別の共振ピークの近傍の波長λ２を有する連続的なプローブ光が導入され、
前記ポンプ光の導入による前記リング共振器の共振波長の変化によって前記プローブ光に対する前記リング共振器の透過率を変化させ、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部において、前記ポンプ光の光強度に応じて強度変調されたプローブ光を得ることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記プローブ光の波長λ２が無限小入力時の前記リング共振器の共振ピークよりも短波長側に設定されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光スイッチにおいて、
前記ポンプ光の波長λ１が無限小入力時の前記リング共振器の共振ピークよりも短波長側に設定されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
さらに、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部に設置された、前記ポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを備え、
前記ポンプ光と前記プローブ光とは、同一の直線導波路の同一の端部から導入されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
さらに、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部に設置された、前記ポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを備え、
前記ポンプ光は、前記プローブ光が導入される直線導波路とは異なる直線導波路の、前記プローブ光の出力端と反対側の端部から導入されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記ポンプ光と前記プローブ光とは、同一の直線導波路の対向する端部から導入されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記ポンプ光は、前記プローブ光が導入される直線導波路とは異なる直線導波路の、前記プローブ光が出力される側の端部から導入されることを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
請求項６または７記載の光スイッチにおいて、
さらに、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部に設置された、前記ポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記クラッドは、真空、空気、酸化硅素系化合物、窒化珪素系化合物、エポキシ系ポリマー、あるいはアクリル系ポリマーのうちのいずれか１つからなることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記リング共振器のコアの断面寸法は各辺が１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記クラッドの屈折率は１．０以上２．０以下であることを特徴とする光スイッチ。
【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において、
前記リング共振器と前記直線導波路の側壁間の間隔は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする光スイッチ。
【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において、
前記ポンプ光の波長λ１の設定範囲は、前記リング共振器の任意の共振ピークの１／１０値幅内であり、前記プローブ光の波長λ２の設定範囲は、前記リング共振器の前記共振ピークと異なる別の共振ピークの１／１０値幅内であ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、光で光をスイッチする直接光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン細線光導波路は、導波路コアの断面が方形あるいは台形でその各辺が５００ｎｍ以下の微小な光導波路であり、各種光回路の小型化に寄与する。近年、このシリコン細線光導波路を使った直接光スイッチが提案され、その基本動作が確認された（例えば、非特許文献１参照）。このスイッチは、高価で生産性の低い化合物半導体ではなく、安価で生産性が高く、集積化も容易なシリコンをベースに実現されているため、集積化した直接光スイッチによる光処理の劇的な進歩が期待できる。
【０００３】
図６に、非特許文献１に開示された従来の光スイッチの構成を示す。この光スイッチは、４５０×２５０ｎｍの方形シリコンコアを持つチャンネル導波路を円環状に接続して構成したリング共振器１と、リング共振器１に近接して配置された１本の直線導波路２とから構成されている。直線導波路２の出力端には、プローブ光を通過させ、かつポンプ光の漏洩を防ぐ波長フィルタ３が設けられている。図６において、Ｌ１はポンプ光、Ｌ２はプローブ光、Ｌ１’は波長フィルタ３から漏洩したポンプ光、Ｌ２’は変調されたプローブ光である。直線導波路２の入力端に、波長λ１の光パルス（ポンプ光Ｌ１）と波長λ２の定常光（プローブ光Ｌ２）とを合成して入力する。ポンプ光の波長λ１は、無限小入力時のリング共振器１の任意の共振ピークの波長と一致するように設定されており、プローブ光の波長λ２は、この共振ピークと異なる別の波長の共振ピークと一致するように設定されている。
【０００４】
ポンプ光Ｌ１の入力がない場合、プローブ光Ｌ２は、リング共振器１に吸収され、直線導波路２の出力側には減衰した状態で出力される。一方、ポンプ光Ｌ１を導入すると、ポンプ光Ｌ１の強度に応じてリング共振器１内に２光子吸収によるキャリアが発生し、これにより共振器１を構成する物質の複素屈折率の実部が低下する。その結果、リング共振器１の共振波長は短波長側にずれ、プローブ光Ｌ２の吸収がなくなり、出力端ではプローブ光Ｌ２の強度が増加する。したがって、パルス状のポンプ光Ｌ１を入力することにより、ポンプ光と同期して強度変調されたプローブ光Ｌ２’を得ることができる。一方、プローブ光の波長λ２をリング共振器１の共振波長よりもやや短波長側にずらして設定しておくと、ポンプ光Ｌ１が入力されたときにだけ共振状態になり、プローブ光Ｌ２はリング共振器１に吸収される。これにより、ポンプ光と逆相の強度変調されたプローブ光Ｌ２’を得ることができる。
【０００５】
なお、図６に示した光スイッチでは入出力の直線導波路が１本しかないため、出口には必ずポンプ光Ｌ１を除去する波長フィルタ３が必要となる。ただし、シリコン細線導波路ベースの波長フィルタ３はまだ実用レベルに至っていない。したがって、波長フィルタ３から漏洩するポンプ光Ｌ１’の強度は、入力ポンプ光Ｌ１の強度に比べて１／３００程度（−２５ｄＢ）にしか減衰しない（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】Vilson R.Almeida et al.，「All-Optical control of light on a silicon chip」，NATURE，2004，vol.431，p.1081-1084
【非特許文献２】K.Yamada et al.，「Microphotonics Devices Based on Silicon Wire Waveguiding System」，IEICE TRANS.ELECTRON.，2004，vo1.E87-C，p.351-358
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、従来の光スイッチは入出力の直線導波路が１本しかないため、スイッチの動作はリング共振器による光の吸収によらねばならない。このような系で高い変調度を得るには吸収の大きなリング共振器が必要となるが、吸収の大きな共振器は共振ピークの幅が広くなるため、変調度が逆に低くなってしまうという問題がある。このことは、非特許文献１に記述されているリング共振器のＱ値の値が３０００程度と、シリコン細線導波路で実現可能なＱ値（例えば数万程度）に比べて相当に低いことからも分かる。そこで、非特許文献１では、十分な変調度を得るために、通常の通信用半導体レーザーの１００倍もの大きなポンプ光パワー（２．５Ｗピーク）を採用している。したがって、光スイッチの最も大きな使用対象である通信用デバイスには適用できないという問題点があった。
【０００８】
さらに、従来の光スイッチには、ポンプ光パワーが大きいために、材料吸収による温度上昇が大きくなり、温度変化に伴う屈折率の変化によりリング共振器の共振波長がずれ、スイッチが動作しなくなるという問題点があった。この問題を精密な温度調整装置で回避するにしても、発熱量が多いので、大きな冷却システムが必要となり、小型で集積化した光スイッチは実現が困難である。
【０００９】
また、前述のとおり、シリコン細線導波路ベースの波長フィルタはまだ実用レベルに至っておらず、直線導波路の出力端から漏洩するポンプ光を十分に減衰させることはできない。上述したようにポンプ光のパルス波高はプローブ光に比べて１００倍大きいので、プローブ光の１／３もの大きなノイズが発生する。この問題を避けるためには、導波路外部に高性能な波長フィルタを設ければよいが、それではシステムとして小型化や集積化が不可能になってしまう。
本発明は、前記の課題を解決し、低消費パワー、小型、低ノイズの直接光スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光スイッチは、断面が方形または台形のシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム化合物をコアとし、屈折率が前記コアより小さい物質を前記コアを覆うクラッドとしたチャンネル導波路を、環状に接続したリング共振器と、このリング共振器の側面に近接して配置された２本の直線導波路とを備え、この２本の直線導波路の４つの端部のいずれかに、前記リング共振器の任意の共振ピークの近傍の波長λ１を有するパルス状のポンプ光が導入され、かつ前記４つの端部のいずれかに前記共振ピークと異なる別の共振ピークの近傍の波長λ２を有する連続的なプローブ光が導入され、前記ポンプ光の導入による前記リング共振器の共振波長の変化によって前記プローブ光に対する前記リング共振器の透過率を変化させ、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部において、前記ポンプ光の光強度に応じて強度変調されたプローブ光を得るようにしたものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例は、前記プローブ光の波長λ２が無限小入力時の前記リング共振器の共振ピークよりも短波長側に設定されるものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例は、前記ポンプ光の波長λ１が無限小入力時の前記リング共振器の共振ピークよりも短波長側に設定されるものである。
【００１１】
また、本発明の光スイッチの１構成例は、さらに、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部に設置された、前記ポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを備え、前記ポンプ光と前記プローブ光とは、同一の直線導波路の同一の端部から導入されるものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例は、さらに、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部に設置された、前記ポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを備え、前記ポンプ光は、前記プローブ光が導入される直線導波路とは異なる直線導波路の、前記プローブ光の出力端と反対側の端部から導入されるものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記ポンプ光と前記プローブ光とは、同一の直線導波路の対向する端部から導入されるものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記ポンプ光は、前記プローブ光が導入される直線導波路とは異なる直線導波路の、前記プローブ光が出力される側の端部から導入されるものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例は、前記ポンプ光と前記プローブ光とを、同一の直線導波路の対向する端部から導入する構成、あるいは前記ポンプ光を、前記プローブ光が導入される直線導波路とは異なる直線導波路の、前記プローブ光が出力される側の端部から導入する構成において、さらに、前記プローブ光が出力される直線導波路の端部に設置された、前記ポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを備えるものである。
【００１２】
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記クラッドは、真空、空気、酸化硅素系化合物、窒化珪素系化合物、エポキシ系ポリマー、あるいはアクリル系ポリマーのうちのいずれか１つからなるものである。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記リング共振器のコアの断面寸法は各辺が１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記クラッドの屈折率は１．０以上２．０以下である。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記リング共振器と前記直線導波路の側壁間の間隔は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
また、本発明の光スイッチの１構成例において、前記ポンプ光の波長λ１の設定範囲は、前記リング共振器の任意の共振ピークの１／１０値幅内であり、前記プローブ光の波長λ２の設定範囲は、前記リング共振器の前記共振ピークと異なる別の共振ピークの１／１０値幅内である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、リング共振器と２本の直線導波路とを設け、２本の直線導波路の４つの端部のいずれかに、リング共振器の任意の共振ピークの近傍の波長λ１を有するパルス状のポンプ光を導入すると共に、４つの端部のいずれかに共振ピークと異なる別の共振ピークの近傍の波長λ２を有する連続的なプローブ光を導入し、ポンプ光の導入によるリング共振器の共振波長の変化によってプローブ光に対するリング共振器の透過率を変化させることにより、ポンプ光の光強度に応じて強度変調されたプローブ光の出力を得ることができる。本発明では、スイッチング動作にリング共振器の吸収を使う必要がないため、リング共振器の共振幅を非常に狭くできるので、ポンプ光パワーの著しい低減を実現することができ、通常の通信用半導体デバイスで光スイッチを駆動できるようになる。また、ポンプ光パワーが小さいため、材料吸収による発熱も少なく、温度調整装置が不要となり、光スイッチを小型化できる。さらに、ポンプ光パワーが小さいため、出力端の波長フィルタによるポンプ光の除去が容易となり、消光比が例えば−２５ｄＢ程度のシリコン細線型波長フィルタを用いても低いノイズレベルを達成できるので、小型の波長フィルタを使用でき、光スイッチの小型化・集積化が可能となる。その結果、本発明によれば、低消費パワー、小型、低ノイズの直接光スイッチを、安価にかつ大量に供給することができ、高度に集積化された直接光処理回路の実用的な産業利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図である。本実施の形態の光スイッチは、断面が方形あるいは台形でその各辺が１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のシリコンをコアとし、二酸化珪素のような屈折率が１．５程度の物質をクラッドとしたチャンネル導波路（シリコン細線導波路）を環状に接続した導波路型のリング共振器１と、リング共振器１の側面に対し１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の距離に近接して配置された２本の直線導波路（直線チャンネル導波路）２，４とから構成されている。
【００１５】
図１において、Ｌ１はポンプ光、Ｌ２はプローブ光、Ｌ２ａ’はポンプ光Ｌ１の強度に応じて強度変調されたプローブ光、Ｌ２ｂ’はＬ２ａ’と逆相の強度変調されたプローブ光である。直線導波路２の入力端に、リング共振器１の任意の共振波長に一致した波長λ１を有するパルス化されたポンプ光Ｌ１と、リング共振器１の別の共振波長に一致した波長λ２を有する連続的なプローブ光Ｌ２とを、図示しないカップラやアッドドロップ波長フィルタで合波して入力する。プローブ光Ｌ２ａ’，Ｌ２ｂ’が出力される直線導波路２，４の端部には、それぞれポンプ光の透過を抑制する波長フィルタ３，５が設置されている。
【００１６】
本実施の形態の構成の場合、プローブ光を一方の直線導波路２に導入してリング共振器１を通過させ、もう一方の直線導波路４へ出力することにより、スイッチング動作を行う。したがって、スイッチング動作にリング共振器１の吸収を使う必要がないため、リング共振器１の共振幅を非常に狭くできる。現在のシリコン細線導波路の伝搬損失は約３ｄＢ／ｃｍであるが、この伝搬損失をリング共振器のＱ値に換算するとＱ〜１０００００にもなり、従来技術のリング共振器に比べ３０倍も大きい。様々な要因によりＱ値が３００００程度に劣化したとしても、従来技術の１０倍のＱ値である。共振ピークの幅はＱ値に反比例するので、本実施の形態のリング共振器１の共振ピークの幅は従来技術の１／１０であり、したがって同じ変調度を得るにも従来技術の１／１０の共振波長シフトで十分である。また、共振器１内に蓄積される光パワーはＱ値に比例するため、同じ屈折率変化を発生させる場合でも、従来技術の１／１０のポンプ光パワーで十分である。これらの効果を合計すると、本実施の形態では、従来技術の１／１００のポンプ光パワーで光スイッチを実現することができる。
【００１７】
以上により、本実施の形態では、ポンプ光パワーの著しい低減を実現することができ、通常の通信用半導体デバイスで光スイッチを駆動できるようになる。また、ポンプ光パワーが小さいため、材料吸収による発熱も少なく、温度調整装置が不要となり、光スイッチを小型化できる利点もある。さらに、図６に示した構成や本実施の形態のように直線導波路の出力端にポンプ光が直接導波してくるような場合でも、ポンプ光パワーが小さくなるので、出力端の波長フィルタによるポンプ光の除去が非常に楽になる。例えば、消光比が−２５ｄＢ程度のシリコン細線型波長フィルタを用いても、プローブ光の１／３００程度の低いノイズレベルを達成でき、リング共振器スイッチと波長フィルタとを一体化し、スイッチシステムの小型化・集積化が可能となる。
【００１８】
なお、上記の説明では、通常状態ではポンプ光Ｌ１やプローブ光Ｌ２の波長λ１，λ２を無限小入力時のリング共振器１の共振波長に一致させているが、これらの入力光の波長は、共振器１を有効に動作させうる範囲において幅を持つことは当然のことである。この範囲は、通常、共振ピークの半値幅として規定されることが多いが、本発明の場合には、下記に述べる理由により、１／１０値幅が許容されるべきである。
【００１９】
まず、プローブ光Ｌ２の波長λ２を無限小入力時のリング共振器１の共振波長と一致するように設定すると、プローブ光Ｌ２は、ポンプ光Ｌ１の入力がない場合、リング共振器１を通過して直線導波路４の出力端（以下、ドロップポートと呼ぶ）にプローブ光Ｌ２ｂ’として出力され、ポンプ光Ｌ１が入力された場合は共振しなくなり、直線導波路２の出力端（以下、スルーポートと呼ぶ）にプローブ光Ｌ２ａ’として出力される。
【００２０】
これに対し、プローブ光Ｌ２の波長λ２を無限小入力時のリング共振器１の共振波長よりもやや短波長側にずらして設定しておくと、プローブ光Ｌ２は、ポンプ光Ｌ１の入力がない場合、スルーポートにプローブ光Ｌ２ａ’として出力され、ポンプ光Ｌ１が入力された場合は共振状態になり、ドロップポートにプローブ光Ｌ２ｂ’として出力される。したがって、プローブ光Ｌ２の波長λ２とリング共振器１の共振波長とを一致させる場合に比べて、ポンプ光Ｌ１の強度に対するプローブ光Ｌ２の変調動作を反転させることができる。
【００２１】
このように、本実施の形態には、プローブ光Ｌ２の波長λ２を変化させるだけで、プローブ光の変調を反転させることができるという機能がある。変調度として９０％が必要であるとすると、プローブ光Ｌ２の波長λ２は、無限小入力時の共振曲線（光の透過率と波長との関係を表す曲線）がリング共振器１の共振ピークの１／１０になる短波長側に設定されている必要がある。
【００２２】
また、本実施の形態は２光子吸収キャリアによりリング共振器１の屈折率が減少する場合に対応したものであるが、例えば熱による屈折率変化などでは、これと逆の方向性を示す。このような熱によるリング共振器１の屈折率変化を光スイッチに利用するのであれば、プローブ光Ｌ２の波長λ２は、無限小入力時の共振曲線がリング共振器１の共振ピークの１／１０になる長波側に設定されている必要がある。以上により、プローブ光Ｌ２の波長設定範囲としては、リング共振器１の共振ピークの１／１０値幅が許容されるべきである。
【００２３】
一方、ポンプ光Ｌ１の波長λ１を無限小入力時のリング共振器１の共振波長と一致するように設定すると、ポンプ光Ｌ１を励起した際に、ポンプ光自身の影響により共振波長がずれて、十分なポンプ光パワーが共振器１に入らない可能性がある。これを避けるために、ポンプ光Ｌ１の波長λ１も無限小入力時のリング共振器１の共振波長の短波長側に設定しておき、ポンプ光Ｌ１の励起時にリング共振器１の共振波長がポンプ光Ｌ１の波長λ１に接近し、十分なポンプ光パワーがリング共振器１に導入されるようにすると良い。これにより、ポンプ光が効率的にリング共振器１内に導入され、効率的なスイッチ動作が可能となる。
【００２４】
ポンプ光Ｌ１の励起時にリング共振器１の共振波長がポンプ光Ｌ１の波長λ１に接近する現象はリング共振器１の双安定現象の発生の初期過程として知られているが、過去の実験から、この双安定現象はポンプ光Ｌ１の波長λ１が無限小入力時の共振曲線がリング共振器１の共振ピークの１／１０になるところに設定されていても十分に発生することが確認されている。
【００２５】
また、本実施の形態は２光子吸収キャリアによりリング共振器１の屈折率が減少する場合に対応したものであるが、例えば熱による屈折率変化などでは、これと逆の方向性を示す。このような熱によるリング共振器１の屈折率変化を光スイッチに利用するのであれば、ポンプ光Ｌ１の波長λ１は、無限小入力時の共振曲線がリング共振器１の共振ピークの１／１０になる長波側に設定されている必要がある。以上により、ポンプ光Ｌ１の波長設定範囲としては、リング共振器１の共振ピークの１／１０値幅が許容されるべきである。
【００２６】
また、リング共振器１と入出力用の直線導波路２，４の側壁間の間隔は、リング共振器１のＱ値や透過率を決定する重要なパラメータである。この間隔は、文献「山田浩治他，“シリコン細線導波路を用いたリング共振器型波長フィルタの特性評価”，２００４年，第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集，２ｐ−ＺＣ−１５，ｐ．９２７」やこれまでの経験から、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましいことが分かっている。
【００２７】
また、非特許文献１に開示されているように、リング共振器１を構成するチャンネル導波路のコア部にシリコンを用いた場合、光スイッチ現象の緩和時間はナノ秒程度であり、この緩和時間はスイッチ速度として１ＧＨｚを与える。さらに、高速のスイッチ特性を得るためには、シリコンと同様に高い生産性をもつ半導体材料で、かつキャリアの緩和時間がシリコンよりも早いシリコン・ゲルマニウム化合物を、リング共振器１のコア部に用いればよい。
【００２８】
図２は、本実施の形態の光スイッチの実験結果を示す図であり、図２（ａ）はポンプ光Ｌ１の強度の時間変化を示す図、図２（ｂ）はスルーポートに出力されるプローブ光Ｌ２ａ’の強度の時間変化を示す図、図２（ｃ）はドロップポートに出力されるプローブ光Ｌ２ｂ’の強度の時間変化を示す図である。ここでは、光スイッチは、断面寸法が４００×２００ｎｍの方形のシリコンをコアとし、屈折率１．５程度の物質をクラッドとしたチャンネル導波路を環状に接続したリング共振器１と、リング共振器１の側面に対し３００ｎｍの距離に近接して配置された、リング共振器１と同様のコア及びクラッド構造を有する２本の直線導波路２，４とから構成されるものとする。
【００２９】
直線導波路２の入力端に、リング共振器１の任意の共振ピークの１／１０値幅内の波長であるλ１＝１５５４．６６ｎｍを有するパルス化されたポンプ光Ｌ１と、リング共振器１の別の共振ピークの１／１０幅内の波長であるλ２＝１５３６．５４ｎｍを有する連続的なプローブ光Ｌ２とを入力する。また、ポンプ光Ｌ１のパルス幅を１００ｎｓとし、パルスの周期を１２．５ｎｓとする。以上のような光スイッチによれば、スルーポートからは、図２（ｂ）に示すようにポンプ光Ｌ１の強度に応じて強度変調されたプローブ光Ｌ２ａ’が得られ、ドロップポートからは、図２（ｃ）に示すようにＬ２ａ’と逆相の強度変調されたプローブ光Ｌ２ｂ’が得られる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。図１に示した光スイッチでは、直線導波路が２本設置されているため、様々な入出力形式が採用できる。本実施の形態は、プローブ光Ｌ２が入力される直線導波路２とは異なる直線導波路４の出力端（ドロップポート）と反対側の端部からポンプ光Ｌ１を入力することを特徴とする。これにより、本実施の形態では、直線導波路２の入力端においてポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とを合波させる必要がなくなるので、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とを合波するカップラなどの手段を省略することができる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。第１、第２の実施の形態では、スルーポートとドロップポートの各々に波長フィルタ３，５を設けているが、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２の入力の位置を工夫して、両者を異なる位置から出力させることにより、波長フィルタを省略することができる。
【００３２】
本実施の形態は、そのような配置の１つの例であり、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２を同じ直線導波路２の対向する端部から入力することを特徴とする。この場合、もう１つの直線導波路４の出力端（ドロップポート）からプローブ光Ｌ２ｂ’が出力され、ドロップポートと反対側の端部からポンプ光Ｌ１が出力されるが、プローブ光Ｌ２ｂ’とポンプ光Ｌ１はそれぞれ反対方向に出力されるため、プローブ光Ｌ２ｂ’にポンプ光Ｌ１が重畳することはない。したがって、本実施の形態では、プローブ光が出力される直線導波路２，４の端部の波長フィルタが不要になる。
【００３３】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態も、第３の実施の形態と同様に、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とを分離して出力するスイッチ構造である。本実施の形態は、プローブ光Ｌ２が入力される直線導波路２とは異なる直線導波路４の出力端（ドロップポート）からポンプ光Ｌ１を入力することを特徴とする。ただし、この場合は、ポンプ光Ｌ１をドロップポートに直接入力するのではなく、ドロップポートに近接して配置されたアッドドロップ波長フィルタ６を介してポンプ光Ｌ１を入力する必要がある。図５では、ラティスフィルタ形のアッドドロップ波長フィルタを用いる例を示している。ラティスフィルタ形のアッドドロップ波長フィルタについては、例えば文献「K.Yamada et a1.，“Silicon-based ultrasmall lattice filters with wide free spectral ranges”，2003，OPTICS LETTERS，vol.28，NO.18，p.1663-1664 」に記載されているように、シリコン細線導波路で既に実現されており、小型化や集積化に適用可能である。
【００３４】
こうして、本実施の形態においても、スルーポートとドロップポートの波長フィルタを省略することができる。なお、アッドドロップ波長フィルタの代わりに、３ｄＢカップラを用いてもよい。３ｄＢカップラについては、例えば文献「山田博仁他、“Ｓｉ細線光導波路による光合分波器”，２００４年，第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集，２ｐ−ＺＣ−１４，ｐ．９２７」に記載されているように、シリコン細線導波路で既に実現されており、アッドドロップ波長フィルタと同様に、小型化や集積化に適用可能である。
【００３５】
［第５の実施の形態］
なお、第３、第４の実施の形態では、波長フィルタを省略しているが、第１の実施の形態と同様に、直線導波路２の出力端（スルーポート）と直線導波路４の出力端（ドロップポート）の各々にポンプ光の透過を抑制する波長フィルタを設けてもよいことは言うまでもない。これにより、プローブ光の出力におけるノイズをさらに低減することができる。
【００３６】
［第６の実施の形態］
第１〜第５の実施の形態において、リング共振器１を構成するチャンネル導波路のコア寸法は、ポンプ光のパワー密度を十分に高め、リング共振器１を構成する物質の屈折率を効率良く変化させるために、出来る限り小さい必要がある。そのためには、このチャンネル導波路のクラッドに、屈折率が低く、かつ光導波路によく利用される酸化珪素系化合物、窒化珪素系化合物、エポキシ系ポリマー、アクリル系ポリマー、空気、真空などを用いると良い。これらの物質をクラッドに用いると、シリコンコアの断面を小さくすることができ、それに伴う光パワー密度の増大により、効率的な光スイッチ動作が可能となる。
【００３７】
例えば波長１５５０ｎｍの通信用赤外線において単一モード条件を満たす方形または台形のシリコン製コアの最大寸法は５００ｎｍ以下となる。また、十分な光の閉じ込めを確保するためには、コアの最小寸法として１５０ｎｍ以上は必要である。このようなシリコン製チャンネル型光導波路はリブ型導波路のような従来型のシリコン導波路に比べ１／１００程度の微小断面が得られる。また、上記のクラッド物質はいずれも加工が容易で、光学特性が良く、安定性に富む。また、これらの物質の屈折率はいずれも１．０から２．０の間にある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、直接光スイッチに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光スイッチの実験結果を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態となる光スイッチの構成を示すブロック図である。
【図６】従来の光スイッチの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…リング共振器、２、４…直線導波路、３、５…波長フィルタ、６…アッドドロップ波長フィルタ、Ｌ１…ポンプ光、Ｌ２…プローブ光、Ｌ２ａ’、Ｌ２ｂ’…変調されたプローブ光。
【図１】
2006208754.tif 000003
【図２】
2006208754.tif 000004
【図３】
2006208754.tif 000005
【図４】
2006208754.tif 000006
【図５】
2006208754.tif 000007
【図６】
2006208754.tif 000008