(57)【要約】【課題】微細なシリコン細線による光回路にも対応可能な光ヒューズを提供する。【解決手段】光ヒューズは、対象とする光に対し、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコア１０１と、クラッド１０２とからなる光導波路より構成されたものである。例えば、コア１０１は、シリコンから構成され、クラッド１０２は、酸化シリコンから構成されている。このように構成された光ヒューズによれば、光ヒューズを透過できる光強度が制限できるようになる。光ヒューズの長さをＬとし、コア１０１における２光子吸収における吸収係数をβとすると、光ヒューズを透過できる光強度は、１／（βＬ）より大きくなることはない。従って、対象とする光の波長に適合するように、光ヒューズの長さを設定すれば、光ヒューズを透過できる光強度を、所望の状態に制限できるようになる。【選択図】  図１
2011002543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象とする光に対し、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコアと、クラッドとからなる光導波路より構成されたことを特徴とする光ヒューズ。
【請求項２】
請求項１記載の光ヒューズにおいて、
コアにおける２光子吸収における吸収係数をβとし、許容する最大透過光強度をＩとしたとき、
前記光導波路の長さは、１／（β・Ｉ）とされていることを特徴とする光ヒューズ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光ヒューズにおいて、
前記コアは、シリコンから構成されていることを特徴とする光ヒューズ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ヒューズにおいて、
前記コアは、金，銀，ゲルマニウム，銅，リチウム，ナトリウム，カリウム，ストロンチウム，マグネシウム，アルミニウム，およびチタンより選択される金属原子が、対象とする光の波長に対する前記コアの２光子吸収係数に対応して添加されている
ことを特徴とする光ヒューズ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ヒューズにおいて、
前記コアは、前記光導波路の入射側から出射側にかけて、径が縮小してることを特徴とする光ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過する光の強度を制限する光ヒューズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信は、電線や電波による無線通信に比較し、電磁誘導ノイズの影響を受けずに安定した通信が可能であり、また、より大容量かつ高速な通信が可能であるなどの特徴を有している。このため、大容量光通信を実現するＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing：狭帯域波長分割多重）システム、ＥＤＦＡ（Er Doped Fiber Amplifier）を利用した光増幅器、および変光減衰器など、様々な光機能素子や、光通信用光ネットワーク、光制御用光回路の技術が開発されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H.Fukuda, et al. ,"Four-wave mixing in silicon wire waveguides", OPTICS EXPRESS, Vol.13, No.12, pp.4629-4637, 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、現在の光通信用光ネットワーク、光通信、光制御用光回路、光機能素子においては、許容を超える高強度の光（例えば１Ｗ程度）が入射した場合の、保護回路，保護素子，電気回路におけるヒューズに相当する光機能素子がない。このため、現状の光通信用光ネットワーク、光通信、光制御用光回路、光機能素子においては、予め高強度な光に対応できる高強度な仕様とするか、対策を講じることなく無防備なままとされており、問題となっている。
【０００５】
特に、電子の集積回路作成におけるシリコンプロセスと高い整合性を備える、シリコン細線による微細な光導波路回路においては、これらの構成に対応可能であり、１Ｗ程度の光強度の入射光にも対応できる効率を有したヒューズに相当する光機能素子が重要となる。しかしながら、このようなヒューズ機能を備える光機能素子が提案されていない。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、微細なシリコン細線による光回路にも対応可能な光ヒューズの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光ヒューズは、対象とする光に対し、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコアと、クラッドとからなる光導波路より構成されたものである。
【０００８】
上記光ヒューズにおいて、コアにおける２光子吸収における吸収係数をβとし、許容する最大透過光強度をＩとしたとき、光導波路の長さは、１／（β・Ｉ）とされているとよい。
【０００９】
上記光ヒューズにおいて、コアは、シリコンから構成されていればよい。また、コアは、金，銀，ゲルマニウム，銅，リチウム，ナトリウム，カリウム，ストロンチウム，マグネシウム，アルミニウム，およびチタンより選択される金属原子が、対象とする光の波長に対するコアの２光子吸収係数に対応して添加されているようにしてもよい。
【００１０】
上記光ヒューズにおいて、コアは、光導波路の入射側から出射側にかけて径が縮小してるとよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、対象とする光に対し、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコアより構成したので、微細なシリコン細線による光回路にも対応可能な光ヒューズが提供できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における光ヒューズの一部構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における光ヒューズの構成を示す構成図である。
【図３】本実施の形態１における光ヒューズにおける、入射光強度Ｉ0に対する出力強度Ｉの変化を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態２における光ヒューズの構成を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３における光ヒューズの一部構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態４における光ヒューズの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光ヒューズの一部構成を模式的に示す断面図である。図１では、光導波方向に水平な断面を示している。この光ヒューズは、対象とする光に対し、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコア１０１と、クラッド１０２とからなる光導波路より構成されたものである。例えば、コア１０１は、シリコンから構成され、クラッド１０２は、酸化シリコンから構成されている。
【００１５】
このように構成された光ヒューズによれば、光ヒューズを透過できる光強度が制限できるようになる。後述するように、光ヒューズの長さをＬとし、コア１０１における２光子吸収における吸収係数をβとすると、光ヒューズを透過できる光強度は、１／（βＬ）より大きくなることはない。従って、対象とする光の波長に適合するように、光ヒューズの長さを設定すれば、光ヒューズを透過できる光強度を、所望の状態に制限できるようになる。なお、光ヒューズは、この入射側および出射側に、光導波路が接続されて用いられる。
【００１６】
ここで、本発明の光ヒューズの原理について、詳細に説明する。
【００１７】
対象とする光の波長域で、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収量の方が大きな材料を用いれば、光ヒューズの動作の特性は実現可能である。例えば、光通信に用いられる波長帯で使用することを考える。まず、図２に示すように、シリコンをコアの材料として選択した光導波路より光ヒューズ２０１を構成する。なお、光ヒューズ２０１の入射端には、入射側光導波路２０２が接続し、光ヒューズ２０１の出射端には出射側光導波路２０３が接続している。
【００１８】
シリコンは、通信波長帯の光に対しては、線形吸収はほとんどなく、２光子吸収の吸収係数は、０．８ｃｍ／ＧＷ程度である。また、高屈折率を有するシリコン（屈折率３．４７８）をコアに用いることで、高効率な閉じ込め効果が実現可能であり、高い光パワー密度を光ヒューズ２０１の領域で実現できる。シリコンコアよりなる光導波路の形状やサイズを変えることで、光ヒューズ２０１における光パワー密度を制御することが可能となる。さらに、偏光についても光ヒューズ機能を発現させることができる。
【００１９】
原理は以下の通りである。
【００２０】
図２に示すように、入射側光導波路２０２および出射側光導波路２０３におけるコア中心部を通る導波方向にＸ軸にとって、光ヒューズ２０１に入射する位置をｘ＝０、光ヒューズ２０１における光強度をＩ（ｘ）、光ヒューズ２０１に入射するｘ＝０における光強度をＩ0とする。線形の吸収係数をαとし、２光子吸収における吸収係数をβとすると、光ヒューズ２０１における光強度は、次の（１）式で示すことができる。
【００２１】
【数１】
2011002543.tif 000003
【００２２】
この（１）式を解くと、Ｉ（ｘ）は以下の（２）式で示されるようになる。
【００２３】
【数２】
2011002543.tif 000004
【００２４】
Ｉ0が十分大きい場合は、（２）式は以下の（３）式となる。
【００２５】
【数３】
2011002543.tif 000005
【００２６】
線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収量の方が大きな材料を用いれば、α／β≒０として、（３）式は以下の（４）式となる。
【００２７】
【数４】
2011002543.tif 000006
【００２８】
（４）式から光ヒューズ２０１の光伝播する長さをｘ＝Ｌとすると、Ｉ（Ｌ）は、以下の（５）式で示される。
【００２９】
【数５】
2011002543.tif 000007
【００３０】
（５）式は即ち、どれほど大きな光強度の光がその系に入射しても、光ヒューズ２０１を出る（通過できる）光強度は、１／（βＬ）より大きくはならないことを示す。このとき出力強度は、（３）式から、以下の（６）式で示される。
【００３１】
【数６】
2011002543.tif 000008
【００３２】
（６）式より、ｘ＝Ｌとして光ヒューズ２０１の長さを決めれば、光ヒューズ２０１に入射する光強度Ｉ0に依存し、出力強度も変化する。Ｉ0に対する出力強度Ｉの変化の一例を図３に示す。
【００３３】
例えば、対象とする光は、波長１．５５μｍとし、シリコンコアより光ヒューズを構成し、光ヒューズを透過可能な光強度の上限を１ｍＷと設計する場合を考える。（５）式におけるＩ（Ｌ）は、光波長１．５５μｍにおけるシリコンのβ＝０．８ｃｍ／ＧＷを代入すると、１．２５／Ｌ（ＧＷ／ｃｍ2）と求められる。一方、光ヒューズのシリコンコアの断面積を０．０４μｍ2とすれば、１ｍＷは、２．５ＧＷ／ｃｍ2に相当する。従って、「１．２５／Ｌ＝２．５」となり、本例では、光ヒューズの長さＬは、Ｌ＝０．５ｃｍ程度となる。
【００３４】
上述したように、本発明は、光ヒューズを構成するコアが、対象とする光の波長において、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されていることが特徴である。また、コアをシリコンから構成した場合、光ヒューズは、所望とする許容する最大透過光強度＝１／（βＬ）を満たす長さＬとなっていればよい。
【００３５】
また、コアに、金，銀，ゲルマニウム，銅，リチウム，ナトリウム，カリウム，ストロンチウム，マグネシウム，アルミニウム，およびチタンなどの金属原子を添加することで、対象とする光の波長に対するコアの２光子吸収係数を変化させることができる。添加する物質と添加量とにより、光ヒューズの対象とする光の波長と透過特性とを制御することができる。言い換えると、上述した金属原子が、対象とする光の波長に対するコアの２光子吸収係数に対応してコアに添加されていればよい。
【００３６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における光ヒューズの構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態における光ヒューズは、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコア４０１と、クラッド４０２とからなる光導波路より構成されている。また、コア４０１は、光導波路の入射側４１１から出射側４１２にかけて、径が縮小してる。
【００３７】
この光ヒューズによれば、光導波路を光が伝播して行くに従って光パワー密度が変化し、コアにおける２光子吸収の係数を変えたことに等しい効果が得られる。この結果、本実施の形態における光ヒューズによれば、光導波路長をより短くすることができる。例えば、コア４０１をシリコンから構成し、クラッド４０２を酸化シリコンから構成した場合、コア４０１の断面積を、入射側４１１に対して出射側４１２を１／（１０）1/2とすれば、光導波路長を１／１０程度に小さくすることができる。
【００３８】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図５は、本実施の形態における光ヒューズのコア部分を示した斜視図である。この光ヒューズは、コア５０１の断面が、例えば、縦横比が１：１００と扁平な形状とされている。このような扁平のコア５０１による本実施の形態における光ヒューズの透過特性には、シリコン細線同様、極めて強い偏光依存性がある。このため、本実施の形態における光ヒューズは、コア５０１よりなる光導波路を導波する偏光に対して光ヒューズとして機能する。
【００３９】
光通信用光ネットワーク、光通信、光制御用光回路、光機能素子に外部から大きな強度の光が入射する場合、入射する偏光状態は決定されてはいない。これに対し、本実施の形態における偏波依存性の強い光ヒューズは、これを通常使用する偏光状態の光が透過するように配置すれば、この偏光に直交する方向の偏光は、保護対象の系に入射させないリミッターとして機能する。さらに、透過対象となる偏光状態である光に対しては、光ヒューズとして機能する。
【００４０】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態について説明する。図６は、本実施の形態４における光ヒューズの一部構成を示す断面図である。図６では、光導波方向に垂直な断面を示している。本実施の形態における光ヒューズは、線形吸収の光吸収量より２光子吸収による光吸収の方が大きい材料から構成されたコア６０１と、クラッド６０２とからなる光導波路より構成されている。コア６０１は、例えばＳｉから構成され、クラッド６０２は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、コア６０１は、断面が円形に形成されている。
【００４１】
このように、本実施の形態では、コア６０１の断面が点対称な図形であり、導波可能な光の偏光状態を規定しない。従って、本実施の形態によれば、全ての偏光状態の入力光に対し、光ヒューズにおける透過特性を制御することができる。
【００４２】
なお、上述では、コア材料としてシリコンを例に説明したが、これに限るものではなく、例えば、間接遷移型の半導体であるゲルマニウムなど、他の材料を用いることも可能である。また、コアにシリコンを用いた場合、クラッドは、酸化シリコンに限るものではなく、例えば、酸窒化シリコンから構成してもよい。また、コアに、ガラス系の材料を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１…コア、１０２…クラッド。
【図１】
2011002543.tif 000009
【図２】
2011002543.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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