(57)【要約】可変強度の電磁放射線源と、少なくとも１つのフォトルミネセントカーボンナノチューブを有する非線形光学部品と、電磁放射線を検出する手段とを備えた光信号処理装置は、光信号処理のためにカーボンナノチューブのフォトルミネセンスの非線形性を利用する。本発明は、非線形光学部品にも関する。
2005531800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変強度の電磁放射線源と、少なくとも１つのフォトルミネセントカーボンナノチューブを有する非線形光学部品と、電磁放射線を検出する手段とを備えた光信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光信号処理装置において、前記非線形光学部品は、基板と多くのフォトルミネセントカーボンナノチューブを持つ層とを有することを特徴とする光信号処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光信号処理装置において、前記非線形光学部品は、更に、基板と多くのフォトルミネセントカーボンナノチューブを有する前記層との間の中間層を有することを特徴とする光信号処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光信号処理装置において、前記電磁放射線は、単色のコヒーレントレーザ光線であることを特徴とする光信号処理装置。
【請求項５】
少なくとも１つのフォトルミネセントカーボンナノチューブを有する非線形光学部品。
【請求項６】
請求項５に記載の非線形光学部品において、前記カーボンナノチューブは薄膜コーティングを有することを特徴とする非線形光学部品。
【請求項７】
請求項５に記載の非線形光学部品において、前記カーボンナノチューブは非酸化マトリックスに埋め込まれることを特徴とする非線形光学部品。
【請求項８】
請求項５に記載の非線形光学部品において、前記カーボンナノチューブは、電磁放射線に対して透明である非酸化マトリックスに埋め込まれることを特徴とする非線形光学部品。
【請求項９】
請求項５に記載の非線形光学部品において、前記カーボンナノチューブは、非酸化性の可撓性マトリックスに埋め込まれることを特徴とする非線形光学部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射線源と、非線形光学部品と、電磁放射線を検出する手段とを有し、フォトニック部品、センサ、光スイッチ、光トランジスタ、光増幅器、光メモリ及び光コンピュータのための光論理素子として用いられることができる光信号処理装置に関する。応用分野は、光情報伝送、センサシステム及び集積非線形オプティクスにある。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学部品及び非線形オプティクスは、デジタル光メモリ及び論理ゲート（ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ（インバータ））を構築するのに用いられることができる。これらは、原理上、光コンピュータを構築するのに必要な全ての機能である。従って、将来的には、従来型の電子コンピュータにおけるように電流及び電圧パルスではなく、光パルスによって機能する光コンピュータを構築することが可能になることが予想される。これらの未来のスーパーコンピュータにおいては、光パルスが情報キャリアとしての電子の役割を引き継ぐであろう。
【０００３】
従来型の光情報伝送システム、例えば光導波路システムも、光パルスで動作する。光導波路システムにおいては、電気信号は光信号に変換され、これら光信号は導波路システムを通じて受信器に到達し、該受信器においてこれら光信号は、電気信号又はユーザにとって適切な何らかの他の形式に変換される。
【０００４】
従来型の光導波路システムにおける信号処理においては、光信号は通常、受信の直後に電気光インタフェースを介して電気信号に変換され、次に、他の処理が従来型のシリコン部品によって実行される。
【０００５】
幾つかの材料、例えばＬｉＮｂＯ３の光学挙動は、非線形である、即ち、これらの材料の種々の光パラメータは互いに非線形な依存性を示す。重要な種類の非線形機能は、偏光率、吸収率及び屈折率、光強度の振幅変調、位相変調、方向変化並びに周波数変化である。
【０００６】
非線形光学部品は、このような非線形光学（ＮＬＯ）材料の特性を用い、光情報処理と電気情報処理との間の電気光学インタフェースとして用いられる。これらは、トランジスタ又はスイッチ（又は論理回路内のゲート）が光の通過を制御することができるのと同様の方法で、入射信号を増幅することができる。次世代のコンピュータにおいては、これらのフォトトランジスタが重要な役割を果たす可能性が高い。
【０００７】
非線形の純粋に光学的な部品の他の例は、パワーリミタ、発振器、光メモリ、光センサ及び光スイッチである。
【０００８】
光スイッチは、例えば国際特許出願公開第８９００７１４号において説明されている。国際特許出願公開第８９００７１４号は、光学活性層として共通の基板表面上にある光非線形（例えば双安定）素子を有するスイッチマトリックスにおいて、前記基板表面はカラムからなる微細構造の形を取り、前記光学活性層がカラムの断面でカラム自由端の端面及び／又は基板のカラムと反対側の面に設けられる、スイッチマトリックスを開示する。
【０００９】
説明される原理は、このマトリックスが比較的大きなスペースを占め、この結果、特に、このような非線形素子を備えたスイッチマトリックスの局所的な解像度が制限されるという欠点を有する。しかし、一般的な技術的傾向は、ミクロの領域からナノの領域への更なる小型化である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、電磁放射線源と、スイッチング、増幅、制限及び論理動作のための非線形光学部品と、電磁放射線を検出する手段とを有する、ナノ領域で動作する光信号処理装置を作製することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、この目的は、可変強度の電磁放射線源と、少なくとも１つのフォトルミネセントカーボンナノチューブを有する非線形光学部品と、電磁放射線を検出する手段とを備えた光信号処理装置により達成される。
【００１２】
カーボンナノチューブは、固有の機械的・電子的特性を有し、このことは、カーボンナノチューブを、例えばナノスカラーエレクトロニクスにおけるナノメカニカル及びナノエレクトロメカニカルアプリケーションに適切なものにする。しかし、これまでナノチューブの光学的な挙動についてはほとんど知られていない。現在、カーボンナノチューブは、驚くべきことに、エレクトロルミネセンスに加えて顕著なフォトルミネセンスも示すことができることが分かっている。
【００１３】
本発明は、非線形の純粋に光学的な部品におけるナノスカラーの純粋に光学的な変調器としてのカーボンナノチューブの使用を目的とする。これは、放出される光の強度が、励起のために用いられる電磁放射線の強度の非線形関数として変化する態様を用いる。
【００１４】
驚くべきことに、ルミネセント光の強度は、閾値を越えた後、励起電磁放射線の強度の約８乗に比例して増加することも分かった。
【００１５】
本発明による装置においては、伝播される電磁放射線の入力強度を変化させることにより、出力強度は、入力強度の関数として動的に制御されることができる。従って、ここでは、信号処理は、電気光学変調器ではなく非線形の純粋に光学的な部品によって実行されるため、純粋に光学的な接続が、従って純粋に光学的な論理回路もが、これらに関連した非常に高いスイッチング速度で可能である。
【００１６】
本発明の１つの実施例によれば、非線形の光学部品は、基板と多くのフォトルミネセントカーボンナノチューブを持つ層とを有する。
【００１７】
本発明の他の実施例によれば、非線形の光学部品は、基板と、多くのフォトルミネセントカーボンナノチューブを持つ層と、前記基板と多くのフォトルミネセントカーボンナノチューブを持つ前記層との間の中間層とを有する。
【００１８】
電磁放射線は、好適には、単色のコヒーレントなレーザ光線である。
【００１９】
本発明は、少なくとも１つのフォトルミネセントカーボンナノチューブを持つ非線形光学部品にも関する。
【００２０】
非線形光学部品においては、カーボンナノチューブは薄膜コーティングを有してよい。
【００２１】
非線形光学部品においては、カーボンナノチューブは非酸化マトリックスに埋め込まれてもよい。
【００２２】
非線形光学部品においては、カーボンナノチューブは、電磁放射線に対して透明な非酸化マトリックスに埋め込まれてもよい。
【００２３】
カーボンナノチューブは、更に、非酸化性の可撓性マトリックスに埋め込まれてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、更に、図示される実施例を参照して説明されるが、本発明はこれらの例に限定されない。
【００２５】
本発明による光信号処理装置は、
−電磁放射線の生成、
−非線形強度増幅、
−信号受信
の機能群を有する。
【００２６】
この装置は、光信号によるスイッチング、増幅、制限及び論理演算を実行するために用いられることができる。
【００２７】
用語「光信号」は、平均波長が紫外域、可視域又は赤外域の電磁スペクトラムを持つ電磁パルスを意味すると理解される。
【００２８】
非線形光学部品を備えた信号処理装置の動作原理を説明するために、レーザダイオード、非線形光学部品及びフォトダイオードを有する最も単純な構造を考えることが提案される。
【００２９】
しかし、本発明による装置においては、可変強度の電磁放射線源としてあらゆる他の適切な光源が用いられることができる。本発明の１つの実施例によれば、可変強度の電磁放射線源としてレーザが用いられてよい。本発明の他の実施例によれば、可変強度は２つの従来型のレーザの組合せによって発生される。本発明の他の実施例によれば、ガス放電ランプが可変強度の電磁放射線源として用いられてよい。
【００３０】
単色のコヒーレントレーザ光は、情報の伝送及び処理に最も適している。化学元素周期表のＩＩＩ族及びＶ族からの元素から成る半導体材料、例えばＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰは、可視領域でのフォトンの放出を可能にするエネルギーギャップを有する。これらの材料の１つから成るレーザーダイオードは、電流をエネルギー源として動作されることができる。フォトン照射はＬＥＤによっても発生されることができる。
【００３１】
好適には、０．１〜１５００ｍＷの強度を有するレーザ光が用いられる。
【００３２】
レーザにおいては、電気信号はフォトンストリームに変換され、このフォトンストリームは、非線形光学部品において処理され、受信器に転送され、そこで電気信号に変換し直される。
【００３３】
ビーム強度を制御するのに励起電圧を使用して、例えばビットパターンに従って情報がレーザビームに印加される。
【００３４】
非線形光学部品に入射する電磁放射線は、フォトルミネセントカーボンナノチューブによって吸収され、一般的にスペクトル移動を伴ってフォトルミネセント光を生じ（図１）、このフォトルミネセント光は、最終的には更に処理されて光電流にされる。
【００３５】
用いられる波長範囲は、用いられるナノチューブ材料及びその製造方法によって決定される。図１に示された実施例においては、これは、７００±２５０ｎｍである。
【００３６】
本発明に従って、非線形光学部品において非線形のフォトルミネセンスのカーボンナノチューブが用いられれば、これは、上述の動作に対して非線形の純粋な光学部品を与える。
【００３７】
光学非線形部品は、例えば光スイッチとして動作する。このような素子に照射するレーザビームのパワーが増加し、即ち、非線形部品の入力強度が増加して、特定の閾値を上回れば、これは、光放出の突然の増加を生じる。従って、用いられるスイッチング制御パラメータは、例えば電磁入力放射線の電気光学強度変調によって得られることができる光強度Ｐｉｎ＝σＰｏである。Ｐｉｎはフォトルミネセント光、σは増幅係数、そしてＰｏは入力光の強度である。
【００３８】
この効果は、このような光学非線形部品が純粋に光学的なデジタルデータ処理のためのスイッチ素子として用いられることを許可する。
【００３９】
本発明の範囲内で使用可能な光学非線形性の程度は注目に値する。既知の非線形性の場合には、放射される信号の強度は、例えばカー効果によって入力信号の３乗に比例して増加する。「第二高調波発生（ＳＨＧ）」の場合には、放出される信号の強度の２乗の増加が、観察され、利用されることができる。フォトルミネセントカーボンナノチューブを有する非線形光学部品は、大いに低減された開始強度でも支障がない。なぜなら、図２及び３が示すように、放出されるルミネセント光は入力光パルスの８乗で増加するからである。
【００４０】
非線形増幅の閾値は、ある程度カーボンナノチューブの製造方法に依存する。図３は、マイクロ波プラズマＣＶＤによって作製されるマルチウォールカーボンナノチューブの強度曲線を表す。
【００４１】
非線形光学部品の二次元構成は、例えば、個々のスイッチ素子が１０μｍ×１０μｍのオーダーの横方向の寸法を有しており、可能な限り近接して隣り合っているスイッチマトリックスにおいて特に関心を持たれている。
【００４２】
システムは、受信側に、光強度変調信号を受信する光受信器を含む。
【００４３】
発光ダイオード及び従来の半導体ダイオードは、両方とも、信号を受信するために用いられることができる。ＰＮダイオードに当たるフォトンビームは、伝導帯の電子を励起する。同時に、対応する数の正孔が、価電子帯において作製される。電圧が印加されると、電流が流れ、この電流の強さは、入射放射線の強度に対応し、更に増幅されることができる。
【００４４】
本発明による非線形光学部品の基本的な構造は、原理的には、単一のカーボンナノチューブを有してもよい。基板、カーボンナノチューブ層及びあらゆる中間層を有している実施例が、好ましい。これは、既知の方法によって作製されてもよく、好適には、マイクロ波プラズマによる気相からの堆積によって作製される。
【００４５】
原理上、非線形光学部品は、カーボンナノチューブをいかなるランダムな配列で有してもよい。カーボンナノチューブは、好適には、光散乱を低減するために、ショートウォールの（short-walled）規則的に堆積された層として挿入される。
【００４６】
非線形光学部品は、カーボンナノチューブを含む。用語「ナノチューブ」は、一般的に、ナノ領域の寸法を有する固体の円筒状の分離したファイバーを意味する。カーボンナノチューブは、個別に巻かれたグラファイト層から成る単一若しくは複数の壁構造を有する中空の炭素繊維又は同心に構成されたグラファイトの円柱である。グラファイト層は、全方位で互いに縮合されたカーボンの六角形の環を含み、このカーボンの六角形の環は、らせん状に構成されるようにハニカムのような円筒状形状に巻かれる。
【００４７】
層の内部では、各炭素原子は、グラファイトにおけるように、ｓｐ２結合によって３つの他の炭素原子と交差結合しており、１つの層から他の層へは弱いファンデルワールス力しか存在しない。このようなカーボンナノチューブは、金属及び半導体の両方の特性を有する。
【００４８】
本発明による非線形光学部品においては、フォトルミネセントシングルウォールカーボンナノチューブが用いられてもよい。しかし、本発明の状況においては、マルチウォールカーボンナノチューブが好適には用いられる。
【００４９】
マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）は、チューブ軸の周りに同心状に構成されたｓｐ２結合炭素から成る多くの連続的な同心の層又は殻から成るエンベロープを備えた層構造を有する。内部空隙は、程度の差はあるがはっきりとしていてもよい(more or less pronounced)。殻は、正孔、結合破壊及び入り込んだ異種原子等の欠陥を有してもよい。
【００５０】
マルチウォールナノチューブは、多層で、且つ、層の中の炭素原子がｓｐ２結合により結合されて六角形の環を形成しており、１つの層から他の層へはファンデルワールス力によって結合された構造を有する限り、マルチウォールナノチューブの正確な構造は重要ではない。
【００５１】
本発明の１つの実施例によれば、カーボンナノチューブには、光特性に影響を与えるために微量の異種元素が添加されてもよい。
【００５２】
本発明の他の実施例によれば、カーボンナノチューブは、光特性に影響を与えるために化学的に置換される。
【００５３】
好適には、カーボンナノチューブは、光散乱を低減するために、ショートウォールの規則的に堆積された層として堆積される。
【００５４】
ナノチューブを含む層の厚さは、例えば、高い精度で計画的にエッチバックすることによって調整されることができる。これにより、約５ｎｍからの厚さを持つナノチューブ層が達成されることができる。これらは一般的には、２〜３００ｎｍ、好適には２０〜５０ｎｍの厚さを有する。
【００５５】
カーボンナノチューブの製造方法は、既知である。これらは、大規模には、２つの炭素電極間のアーク放電によって最も容易に製造される。
【００５６】
他の既知の方法は、レーザ蒸発及びＣＶＤプロセス、特にプラズマベースのＣＶＤプロセスから成る。
【００５７】
本発明の状況では、好適には、マイクロ波プラズマに基づいたＣＶＤプロセスによって堆積されたカーボンナノチューブが用いられる。
【００５８】
本発明による非線形光学部品は、横方向構造（lateral structuring）を有するマトリックス中のアンサンブルとして適切に用いられ、これに従って作製される。
【００５９】
本発明との関連では、ナノチューブが基板上に直接規則的に堆積される製造方法が非線形光学部品のためには好まれる。
【００６０】
制御された方向性、直径、長さ及び形状のカーボンナノチューブの配向アレイの製造は、基板の用意のステージと、基板への触媒の堆積のステージと、触媒でコーティングされた基板への、炭化水素からの熱分離又はＣＶＤプロセスによるナノチューブの堆積のステージとを有する。
【００６１】
本発明の１つの実施例によれば、基板は透明であり、石英、ホウケイ酸塩又はソフトガラスから成る。
【００６２】
次に、触媒が加えられ、これは、炭素質の親材料からのナノチューブの形成を引き起こす。このような触媒は、例えば遷移金属を含み、特に、周期表（ＰＳＥ）の第８族からの特定の金属、例えば鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム及びプラチナを含む。ランタニド及びアクチニド系列の金属並びにモリブデンも適切である。
【００６３】
１つの適切な製造方法によれば、例えば厚さ約２ｎｍのニッケルコーティングから成る遷移金属の薄層が、シリコン又はガラス等の基板に加えられる。遷移金属は、更に、湿式化学プロセスにおいて、小さいクラスタ又は単一の原子の形で堆積されてもよい。
【００６４】
カーボンナノチューブの実際の製造のために、炭素質の親材料及び反応状態が必要とされ、これらが、触媒と共に、炭素質の特許材料からカーボンナノチューブを成長させる。
【００６５】
炭素質の親材料は、通常１〜７個の炭素を有する炭化水素、例えばアルカン、アルケン、アリール群である。メタン、エタン、エチレン、エチン、アセトン、プロパン及びプロペンは、特に適切である。
【００６６】
最も重要な反応パラメータは、温度である。必要とされる熱エネルギーは、種々の方法で供給されてよい。
【００６７】
反応温度は、１００〜１３００℃であってよく、好適には、３００〜８００℃である。
【００６８】
炭素ナノチューブが適切な基板上に既に堆積していなければ、これらは、既知の方法によって、層に形成されることができ、又はコーティングとして基板に適用されることができる。
【００６９】
可能な製造の方法は、静電沈殿又は静電援助スパッタリング等のドライコーティングプロセス及び浸漬又は噴霧等のウェットコーティングプロセスを含む。
【００７０】
非線形光学部品は、更に、例えば、規則的に構成されたナノチューブを有するポリマー樹脂の複合フィルムの形式のフラットなアンサンブルとして構成されることができる。
【００７１】
本発明に適したポリマー樹脂は、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコーンエラストマ、サーモプラスチックポリスチレン、ポリオレフィン及びポリウレタンを含む。
【００７２】
例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコーンエラストマ、サーモプラスチックポリスチレン、ポリオレフィン及びポリウレタンがＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド等の無極性溶媒に含まれる結合剤溶液中にナノチューブが縣濁した懸濁液が、適切な基板に加えられ、次に、乾燥させられて複合フィルムを形成されてよい。
【００７３】
基板と、カーボンナノチューブ層と、カーボンナノチューブを酸化から保護する薄膜コーティングとを有する他の実施例が好まれる。炭素ナノチューブを、励起光及びルミネセント光に対して十分に透明な固い又はフレキシブルな層、例えばガラス又はプラスチックに埋め込むことも可能である。これらのコンパクトな層は、カーボンナノチューブを酸化から保護することもできる。カーボンナノチューブが酸化に対する保護を持たない又は限られた保護しか持たないと、一定強度で照射される光の下で起こる構造変化は、放出されるルミネセント光の強度の時間に対する多少急速な低下に至る可能性がある（図４）。ルミネセント光の強度の時間曲線は、カーボンナノチューブの周囲の酸化媒体の分圧の関数として変化するので、これは、このような媒体の濃度の光の尺度として、例えば光センサにおいて用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】一例として、４８８ｎｍの波長を有するレーザ光源によって励起されるカーボンナノチューブの試料からのルミネセント光のスペクトル分布を示す。
【図２】カーボンナノチューブによる光の非線形強度増幅を示す。
【図３】マイクロ波プラズマＣＶＤによって発生される幾つかのマルチウォールカーボンナノチューブの強度増幅の閾値を示す。
【図４】種々の酸素分圧の下で放出されたルミネセント光の強度の減少の時間曲線を示す。
【図１】
2005531800.tif 000003
【図２】
2005531800.tif 000004
【図３】
2005531800.tif 000005
【図４】
2005531800.tif 000006
【国際調査報告】
2005531800.tif 000007
2005531800.tif 000008
2005531800.tif 000009