(57)【要約】【課題】光スイッチ及び光スイッチを使用した論理ゲートを提供すること。【解決手段】光スイッチは、可変断面積を有する光通路と、光通路に関連付けられた活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答して形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と、該圧電素子に動作的に結合された、活性化光応答型性を改善するための導電素子とを備えており、活性化光応答型圧電素子は光通路に結合され、活性化光応答型圧電素子は、圧電素子の形状が変化すると光通路の可変断面積が十分に変化し、それにより光通路に沿う光の通過が制御されるように動作する。また、光スイッチを使用した論理ゲート及び論理機能が記述される。【選択図】図１Ａ
2015118380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変断面積を有する光通路と、
前記光通路に関連付けられた活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と、
前記圧電素子に動作的に関連付けられ、前記活性化光応答型圧電素子の活性化光応答性を改善するための導電素子と
を備え、前記活性化光応答型圧電素子が前記光通路関連付けられ、前記活性化光応答型圧電素子が、該圧電素子の形状の変化により前記光通路の前記可変断面積を十分に変化させ、前記光通路に沿った光の通過を制御するように動作する光スイッチ。
【請求項２】
前記光通路、前記圧電素子及び前記導電素子が、第１の範囲の閾値レベル内の活性化光が前記圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の前記光通路の通過が阻止され、前記第１の範囲の閾値レベルの範囲外である第２の範囲の閾値レベル内の活性化光が前記圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の前記光通路の通過が許容されるように構成されて動作する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記導電素子が、前記圧電素子の表面に沿って広がる導電材料の層を備える、請求項１又は請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備える、請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の光スイッチ。
【請求項５】
圧電材料の前記少なくとも２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記導電素子が前記圧電素子の２つの層の間に配置される、請求項４又は５に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記活性化光及び信号光を前記光通路に導くように動作する光結合器を更に備え、前記活性化光の少なくとも１つの特性が、前記信号光に前記通路を通過させるかどうかを制御する、請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の光スイッチ。
【請求項８】
可変断面積を有する光通路と、
前記光通路に関連付けられた活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と
を備え、前記活性化光応答型圧電素子が、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備え、前記圧電素子が前記光通路に関連付けられ、前記圧電素子が、該圧電素子の形状の変化により前記光通路の前記可変断面積を十分に変化させ、前記光通路に沿った光の通過を制御するように動作する光スイッチ。
【請求項９】
前記光通路及び前記圧電素子が、第１の範囲の閾値レベル内の活性化光が前記圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の前記光通路の通過が阻止され、前記第１の範囲の閾値レベルの範囲外である第２の範囲の閾値レベル内の活性化光が前記圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の前記光通路の通過が許容されるように構成されて動作する、請求項８に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
圧電材料の前記少なくとも２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項８又は９に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
前記圧電素子の前記少なくとも２つの層のうちの少なくとも２つが、互いに直角の結晶配向を有する、請求項８〜１０のうちのいずれか１つに記載の光スイッチ。
【請求項１２】
前記活性化光及び信号光を前記光通路に導くように動作する光結合器を更に備え、前記活性化光の少なくとも１つの特性が、前記信号光に前記通路を通過させるかどうかを制御する、請求項８〜１１のうちのいずれか１つに記載の光スイッチ。
【請求項１３】
光によって駆動される少なくとも１つの光スイッチを備え、ノット機能、アンド機能、オア機能、ナンド機能及びノア機能のうちの少なくとも１つを有する、少なくとも１つのゲートを備えた論理ゲートであって、
前記少なくとも１つの光スイッチが、
可変断面積を有する信号光通路と、
前記光通路に関連付けられた活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と
を備え、前記活性化光応答型圧電素子が前記光通路に関連付けられ、前記活性化光応答型圧電素子が、前記圧電素子の形状の変化により、前記光の前記可変断面積を十分に変化させて前記光通路に沿った信号光の通過を制御するように動作する論理ゲート。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの光スイッチに前記活性化光を供給する光通路を更に備え、前記光通路が、前記少なくとも１つの光スイッチにディジタル情報を伝達し、前記少なくとも１つの光スイッチからディジタル情報を伝達する信号光を運ぶ、請求項１３に記載の論理ゲート。
【請求項１５】
前記信号光が前記活性化光の波長よりも長い波長を有する、請求項１４に記載の論理ゲート。
【請求項１６】
前記信号光が前記活性化光の波長の約２倍の波長を有する、請求項１４に記載の論理ゲート。
【請求項１７】
前記信号光が１５００ｎｍの波長を有し、前記活性化光が約７５０ｎｍの波長を有する、請求項１５に記載の論理ゲート。
【請求項１８】
ノット機能を提供し、前記少なくとも１つの光スイッチが単一の光スイッチを備え、前記信号光が前記活性化光の波長の約２倍の波長を有する、請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の論理ゲート。
【請求項１９】
アンド機能を提供し、前記少なくとも１つの光スイッチが単一の光スイッチを備え、前記信号光が前記活性化光の波長よりも長い波長を有する、請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の論理ゲートであって、更に、
信号光を受け取る第１及び第２の論理入力と、
前記第１の論理入力で受け取った前記信号光の第１の部分を受け取る第１の光通路と、
前記第１の論理入力で受け取った前記信号光の第２の部分を受け取る第２の光通路と、
前記第２の論理入力で受け取った前記信号光の第１の部分を受け取る第３の光通路と、
前記第２の論理入力で受け取った前記信号光の第２の部分を受け取る第４の光通路と、
前記第２の光通路に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
前記第４の光通路に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
前記第２の光通路に沿った前記光の位相を前記活性化光の位相に整合させるように動作する第１の位相整合器と、
前記第４の光通路に沿った前記光の位相を前記活性化光に整合させる第２の位相整合器と、
前記第２の光通路に沿って波長が短くされ位相整合された光と前記第４の光通路に沿って波長が短くされ位相整合された光とを互いに１８０度だけ位相外れにするよう動作する光移相器と、
を備え、前記第１の光通路及び前記第３の光通路に沿った光が、前記光スイッチへの信号光入力として印加され、前記第２の光通路及び前記第４の光通路に沿って波長が短くされ位相整合された光が、追加の活性化光と共に、活性化光として前記光スイッチに供給される論理ゲート。
【請求項２０】
ナンド機能を提供し、前記第１の光スイッチが第１の光スイッチ及び第２の光スイッチを備え、前記信号光が前記活性化光の波長より長い波長を有する、請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の論理ゲートであって、更に、
信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、
前記第１の入力の信号光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
前記第２の入力の信号光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
前記第１の光スイッチからの信号光の波長を短くするように動作する第３の波長修正器と、
前記第１の波長修正器からの前記光の一部を第１の光吸収器に供給する第１の光通路と、
前記第１の波長修正器からの前記光の一部を前記第１の光スイッチに供給する第２の光通路と、
前記第２の波長修正器からの前記光の一部を第２の光吸収器に供給する第３の光通路と、
前記第２の波長修正器からの前記光の一部を前記第１の光スイッチに供給する第４の光通路と、
前記第１の光スイッチからの信号光を前記第３の波長修正器に供給する第５の光通路と、
前記第３の波長修正器からの光波長修正された光を活性化光として前記第２の光スイッチに供給する第６の光通路と
を備えた論理ゲート。
【請求項２１】
オア機能を提供し、前記少なくとも１つの光スイッチが単一の光スイッチを備え、前記信号光が前記活性化光の波長よりも長い波長を有する、請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の論理ゲートであって、更に、
信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、
前記第１の光入力に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
前記第２の光入力に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
前記第１の波長修正器からの波長修正された光の位相を活性化光の位相に整合させるように動作する第１の位相整合器と、
前記第２の波長修正器からの光の位相を前記活性化光の位相に整合させるように動作する第２の位相整合器と、
前記第１の位相整合器からの前記光の一部を第１の光吸収器に供給する第１の光通路と、
前記第２の位相整合器からの前記光の一部を第２の光吸収器に供給する第２の光通路と、
第１の光移相器と、
第２の光移相器と、
前記第１の位相整合器からの前記光の一部を前記第１の光移相器に供給し、それにより前記第１の位相整合器からの光を前記活性化光に対して位相外れにする第３の光通路と、
前記第２の位相整合器からの前記光の一部を第２の光移相器に供給し、それにより前記第１の位相整合器からの光を前記供給活性化光に対して位相外れにする第４の光通路と、
前記第１の光移相器からの光を前記光スイッチに供給する第５の光通路と、
前記第２の光移相器からの光を前記光スイッチに供給する第６の光通路と
を備え、前記光スイッチが、前記第５及び第６の光通路から前記活性化光及び信号光を受け取る論理ゲート。
【請求項２２】
オア機能を提供し、前記少なくとも１つの光スイッチが第１及び第２の光スイッチを備え、前記信号光が前記活性化光の波長よりも長い波長を有する、請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の論理ゲートであって、更に、
信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、
前記第１の光入力に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
前記第２の光入力に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
前記第１及び第２の波長修正器からの波長修正された光を供給する第１及び第２の光通路と、
前記第１の波長修正器及び第２の波長修正器から前記それぞれの第１及び第２の光通路を介して光を受け取る光出力制限器であって、前記第１の波長修正器及び第２の波長修正器からの光出力を所定の光出力レベルに維持するように動作する光出力制限器と、
前記光出力制限器からの光出力制限された光を前記第１の光スイッチに供給する第３の光通路と、
前記第１の光スイッチから信号光を受け取る第３の波長修正器であって、受け取った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第３の波長修正器と、
前記第３の波長修正器からの光を前記第２の光スイッチに供給する第４の光通路と
を備えた論理ゲート。
【請求項２３】
オア機能を提供し、前記少なくとも１つの光スイッチが単一の光スイッチを備え、前記信号光が前記活性化光の波長よりも長い波長を有する、請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の論理ゲートであって、更に、
信号光を受け取る第１及び第２の論理入力と、
前記第１の論理入力で受け取った前記信号光の第１の部分を受け取る第１の光通路と、
前記第１の論理入力で受け取った前記信号光の第２の部分を受け取る第２の光通路と、
前記第２の論理入力で受け取った前記信号光の第１の部分を受け取る第３の光通路と、
前記第２の論理入力で受け取った前記信号光の第２の部分を受け取る第４の光通路と、
前記第２の光通路に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
前記第４の光通路に沿った光の波長を前記活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
前記第１の波長修正器からの波長修正された光を前記第２の波長修正器からの前記光に対して１８０度だけ位相外れにするように動作する光移相器と
を備え、前記光スイッチが、前記第１及び第３の光通路、前記第２の波長修正器及び前記光移相器から光を受け取る論理ゲート。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの光スイッチが、請求項１〜１３のうちのいずれか１つに従って構成される、請求項１４〜２３のうちのいずれか１つに記載の論理ゲート。
【請求項２５】
請求項１４〜２４のうちのいずれか１つに記載の論理ゲートを備えた論理機能。
【請求項２６】
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
前記信号チャネルに隣接する圧電素子と、
前記圧電素子に隣接する導電層と
を備えた光スイッチであって、
前記圧電素子に活性化光を印加することによって前記信号チャネルを通る前記信号光の通過が制御され、前記圧電素子に印加される電界が前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる光スイッチ。
【請求項２７】
前記導電層が前記圧電素子の表面に付着される、請求項２６に記載の光スイッチ。
【請求項２８】
前記圧電素子に前記活性化光を印加することによって、前記信号光が前記信号チャネルを通過することができないように前記圧電素子の形状を変化させる、請求項２６又は２７に記載の光スイッチ。
【請求項２９】
前記信号チャネルが、圧縮性材料が充填されたチャンバを備える、請求項２６に記載の光スイッチ。
【請求項３０】
前記圧電素子が前記チャンバの一部を形成する、請求項２９に記載の光スイッチ。
【請求項３１】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの層を備える、請求項２６に記載の光スイッチ。
【請求項３２】
前記圧電素子の２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項２６に記載の光スイッチ。
【請求項３３】
前記導電層が前記圧電素子の２つの層の間に付着される、請求項２６に記載の光スイッチ。
【請求項３４】
光スイッチを動作させるための方法であって、
圧電素子と該圧電素子に隣接する少なくとも１つの導電層とを備える光スイッチに信号光を印加するステップと、
前記圧電素子に活性化光を印加して前記光スイッチの状態を変化させるステップと
を含み、前記圧電素子に印加される電界が、印加される前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる方法。
【請求項３５】
前記導電層が前記圧電素子の表面に付着される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記圧電素子に前記活性化光を印加するステップによって、前記信号光が前記光スイッチを通過できないように前記圧電素子の形状を変化させる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記活性化光を印加するステップが、互いに位相が外れた２つの光信号を前記圧電素子に印加するステップと、前記光信号のうちの一方を除去し、他方の前記光信号を前記活性化光として残すステップとを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの層を備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記圧電素子の２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記導電層が前記圧電素子の２つの層の間に付着される、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
光スイッチを動作させるための方法であって、
少なくとも１つの導電層に隣接する圧電素子に隣接する信号チャネルに信号光を印加するステップと、
前記圧電素子に活性化光を印加して、前記信号光の前記信号チャネルの通過が阻止されるように前記圧電素子の形状を変化させるステップと
を含み、前記圧電素子に印加される電界が、印加される前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる方法。
【請求項４２】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの層を備える、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記導電層が、前記圧電素子の２つの層の間に付着される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
前記信号チャネルに隣接する圧電素子と、
前記圧電素子に隣接する導電層と、
前記信号光の前記信号チャネルの通過が阻止されるように、前記圧電素子に活性化光を印加して前記圧電素子の形状を変化させる手段と
を備え、前記圧電素子に印加される電界が、印加される前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる光スイッチ。
【請求項４５】
前記信号光及び前記活性化光を前記信号チャネルに結合するための手段を更に備える、
請求項４４に記載の光スイッチ。
【請求項４６】
活性化光を印加するための前記手段が活性化光源を備える、請求項４４に記載の光スイッチ。
【請求項４７】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの層を備える、請求項４４に記載の光スイッチ。
【請求項４８】
前記導電層が、前記圧電素子の２つの層の間に付着される、請求項４７に記載の光スイッチ。
【請求項４９】
光スイッチを動作させるための方法であって、
異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えた圧電素子を有する光スイッチに信号光を印加するステップと、
前記圧電素子に活性化光を印加して前記光スイッチの状態を変化させるステップと
を含む方法。
【請求項５０】
前記信号光が前記光スイッチを通過することができないよう、前記圧電素子に前記活性化光を印加して前記圧電素子の形状を変化させる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記圧電素子の形状の変化によって、前記光スイッチの信号チャネルの寸法を変化させる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記活性化光を印加するステップが、互いに位相が外れた２つの光信号を前記圧電素子に印加するステップと、前記光信号のうちの一方を除去し、他方の前記光信号を前記活性化光として残すステップとを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
前記光スイッチが、前記圧電素子に隣接する導電層を更に備え、前記圧電素子に印加される電界が、印加される前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５４】
前記圧電素子の２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項４９に記載の方法。
【請求項５５】
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
前記信号チャネルに隣接する圧電素子であって、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えた圧電素子と
を備え、前記圧電素子に活性化光を印加することによって、前記信号チャネルを通る前記信号光の通過を制御する光スイッチ。
【請求項５６】
前記圧電素子の２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項５５に記載の光スイッチ。
【請求項５７】
前記圧電素子の前記２つの層が、直交する結晶配向を有する、請求項５６に記載の光スイッチ。
【請求項５８】
前記圧電素子に隣接する導電層を更に備え、前記圧電素子に印加される電界が、前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる、請求項５５に記載の光スイッチ。
【請求項５９】
前記導電層が、前記圧電素子の表面に付着される、請求項５８に記載の光スイッチ。
【請求項６０】
前記導電層が、前記圧電素子の２つの層の間に付着される、請求項５８に記載の光スイッチ。
【請求項６１】
前記圧電素子に前記活性化光を印加して、前記信号光が前記光スイッチを通過することができないように前記圧電素子の形状を変化させる、請求項５５に記載の光スイッチ。
【請求項６２】
前記信号チャネルが、圧縮性材料が充填されたチャンバを備える、請求項５５に記載の光スイッチ。
【請求項６３】
前記圧電素子が、前記チャンバの一部を形成する、請求項６２に記載の光スイッチ。
【請求項６４】
光スイッチを動作させるための方法であって、
信号チャネルに信号光を印加するステップであって、前記信号チャネルが、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を有する圧電素子に隣接するステップと、
前記圧電素子に活性化光を印加して、前記信号光の前記信号チャネルの通過が阻止されるように前記圧電素子の形状を変化させるステップと
を含む方法。
【請求項６５】
前記光スイッチが前記圧電素子に隣接する導電層を備え、前記圧電素子に印加される電界が、印加される前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
前記信号チャネルに隣接する圧電素子であって、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの異なる層を備えた圧電素子と、
前記圧電素子に活性化光を印加して、前記信号光の前記信号チャネルの通過が阻止されるように前記圧電素子の形状を変化させる手段と
を備えた光スイッチ。
【請求項６７】
前記圧電素子の２つの層が、異なる結晶配向を有する、請求項６６に記載の光スイッチ。
【請求項６８】
前記信号光及び前記活性化光を前記信号チャネルに結合するための手段を更に備える、請求項６６に記載の光スイッチ。
【請求項６９】
活性化光を印加するための前記手段が活性化光源を備える、請求項６６に記載の光スイッチ。
【請求項７０】
前記圧電素子に隣接する導電層を更に備え、前記圧電素子に印加される電界が、印加される前記活性化光に応答して前記導電層によって強められる、請求項６６に記載の光スイッチ。
【請求項７１】
前記導電層が前記圧電素子の主表面に付着される、請求項７０に記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
以下の関連出願が参照されており、それらの開示はすべて参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
２００７年４月１２日出願の「ＬＩＧＨＴ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＷＩＴＣＨ  ＴＨＡＴ  ＩＮＣＬＵＤＥＳ  Ａ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＥＬＥＭＥＮＴ  ＷＩＴＨ  ＬＡＹＥＲＳ  ＯＦ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＨＡＶＩＮＧ  ＤＩＦＦＥＲＥＮＴ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ（異なる圧電特性を有する圧電材料の層を備えた圧電素子を備えた光活性化光スイッチ）」という名称の米国特許出願第１１／７３４７４７号、
２００７年４月１２日出願の「ＬＩＧＨＴ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＷＩＴＣＨ  ＴＨＡＴ  ＩＮＣＬＵＤＥＳ  Ａ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＥＬＥＭＥＮＴ  ＡＮＤ  Ａ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥ  ＬＡＹＥＲ（圧電素子及び導電層を備えた光活性化光スイッチ）」という名称の米国特許出願第１１／７３４７５０号、
２００７年４月１２日出願の「ＬＯＧＩＣ  ＧＡＴＥＳ  ＦＯＲ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＩＧＮＡＬＳ（光信号のための論理ゲート）」という名称の米国仮特許出願第６０／９１１４６９号、及び
米国特許第７２８３６９８号の継続出願である２００７年１０月１５日出願の米国特許出願第１１／９７４４８３号。
【０００３】
以下の出願の優先権が、ここに、３７ＣＦＲ１．７８（ａ）（１）、（ａ）（４）及び（５）（ｉ）の下に主張されている。
【０００４】
２００７年４月１２日出願の「ＬＩＧＨＴ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＷＩＴＣＨ  ＴＨＡＴ  ＩＮＣＬＵＤＥＳ  Ａ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＥＬＥＭＥＮＴ  ＷＩＴＨ  ＬＡＹＥＲＳ  ＯＦ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＨＡＶＩＮＧ  ＤＩＦＦＥＲＥＮＴ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ（異なる圧電特性を有する圧電材料の層を備えた圧電素子を備えた光活性化光スイッチ）」という名称の米国特許出願第１１／７３４７４７号、
２００７年４月１２日出願の「ＬＩＧＨＴ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＷＩＴＣＨ  ＴＨＡＴ  ＩＮＣＬＵＤＥＳ  Ａ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＥＬＥＭＥＮＴ  ＡＮＤ  Ａ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥ  ＬＡＹＥＲ（圧電素子及び導電層を備えた光活性化光スイッチ）」という名称の米国特許出願第１１／７３４７５０号、及び
２００７年４月１２日出願の「ＬＯＧＩＣ  ＧＡＴＥＳ  ＦＯＲ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＩＧＮＡＬＳ（光信号のための論理ゲート）」という名称の米国仮特許出願第６０／９１１４６９号。
【０００５】
本発明は一般に光活性化スイッチ及び論理ゲートに関する。
【背景技術】
【０００６】
本発明の発明者ギャリ・ニール・プーベイ（Ｇａｒｙ  Ｎｅａｌ  Ｐｏｏｖｅｙ）博士の米国特許であって参照によりその開示が本明細書に組み込まれる米国特許第７０７２５３６号及び７２８３６９８号は、以下に列記されている、同じく参照によりその開示が本明細書に組み込まれる公報と共に、現時点における最新技術、即ち、
米国特許第６，５９４，４１１号、同第４，９６１，６１８号、同第５，４１４，７８９号、同第２，９３６，３８０号、同第３，６８０，０８０号、同第３，９６５，３８８号、同第３，９９５，３１１号、同第４，０２３，８８７号、同第４，１２８，３００号、同第４，２６２，９９２号、同第４，６８９，７９３号、同第４，７６４，８８９号、同第４，９７８，８４２号、同第５，０７８，４６４号、同第５，１０９，１５６号、同第５，１４６，０７８号、同第５，１６８，３８２号、同第６，００５，７９１号、同第６，６０９，８４０号、同第７，２６３，２６２号、同第３，９８７，３１０号、同第４，０５３，７９４号、同第６，７５７，４５９号、同第６，８０４，４２７号、同第６，３２０，９９４号、同第６，４８７，３３３号、同第６，１７８，０３３号、同第５，４２５，１１５号、同第６，０７５，５１２号、同第６，６９７，５４８号、同第６，５９４，４１１号、同第５，７０３，９７５号、同第６，３２０，９９４号、同第５，１３４，９４６号、同第７，２８３，６９５号、同第５，４１４，７８９号、同第４，９６１，６１８号、同第２，９３６，３８０号、同第３，６８０，０８０号、同第３，９６５，３８８号、同第３，９９５，３１１号、同第４，０２３，８８７号、同第４，１２８，３００号、同第３，９９５，３１１号、同第４，０２３，８８７号、同第４，１２８，３００号、同第４，２６２，９９２号、同第４，６８９，７９３号、同第４，７６４，８８９号、同第４，９６１，６１８号、同第４，９７８，８４２号、同第５，０７８，４６４号、同第５，１０９，１５６号、同第５，１４６，０７８号、同第５，１６８，３８２号、同第６，００５，７９１号、同第６，６０９，８４０号、同第７，２６３，２６２号、同第６，１５１，４２８号、同第５，９９９，２８４号、同第５，３１５，４２２号、同第５，１４４，３７５号、同第５，１０１，４５６号、同第４，９３２，７３９号、同第４，７０１，０３０号、同第４，６３０，８９８号、同第３，９８７，３１０及び４，０５３，７９４号、及び
米国特許出願公告第２００５／０１２９３５１号、同第２００６／００４５４０７号、同第２００４／００９１２０１号及び同第２００４／００３７７０８号、及び
Ａｌｅｘｅｉ  Ｇｒｉｇｏｒｉｅｖらの「Ｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｘ−ｒａｙ  ｓｗｉｔｃｈ（サブナノ秒圧電ｘ−線スイッチ）」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ８９、０２１１０９、２００６年）
を表しているものと思われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、改良型光スイッチ、論理ゲート及び論理機能を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、
可変断面積を有する光通路と、
光通路に結合された活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と、
圧電素子に動作結合された、圧電素子の活性化光応答性を改善するための導電素子と
を備えた光スイッチであって、活性化光応答型圧電素子が光通路に結合され、活性化光応答型圧電素子が、圧電素子の形状の変化により光通路の可変断面積を十分に変化させ、光通路に沿った光の通過を制御するように動作する光スイッチが提供される。
【０００９】
光通路、圧電素子及び導電素子は、第１の範囲の閾値レベル内の活性化光が圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の光通路の通過が阻止され、第１の範囲の閾値レベルの範囲外である第２の範囲の閾値レベル内の活性化光が圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の光通路の通過が許容されるように構成されて動作することが好ましい。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、導電素子は、圧電素子の表面に沿って広がる導電材料の層を備えている。
【００１１】
圧電素子は、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えていることが好ましい。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、圧電材料の少なくとも２つの層は、異なる結晶配向を有する。
【００１３】
導電素子は、圧電素子の２つの層の間に配置されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、活性化光及び信号光を光通路に導くように動作する光結合器が提供され、活性化光の少なくとも１つの特性が、信号光に通路を通過させるかどうかを制御する。
【００１５】
更に、本発明の好ましい実施形態によれば、
可変断面積を有する光通路と、
光通路に結合された活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と
を備える光スイッチであって、活性化光応答型圧電素子が、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備え、圧電素子が光通路に関連付けられ、圧電素子の形状の変化によって光通路の可変断面積を十分に変化させ、光通路に沿った光の通過が制御されるように動作する光スイッチが提供される。
【００１６】
光通路及び圧電素子は、第１の範囲の閾値レベル内の活性化光が圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の光通路の通過が阻止され、第１の範囲の閾値レベルの範囲外である第２の範囲の閾値レベル内の活性化光が圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の光通路の通過が許容されるように構成されて動作することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、光によって駆動される少なくとも１つの光スイッチを備えたノット機能、アンド機能、オア機能、ナンド機能及びノア機能のうちの少なくとも１つを有する、少なくとも１つのゲートを備えた論理ゲートが提供され、少なくとも１つの光スイッチは、
可変断面積を有する信号光通路と、
光通路に結合された活性化光応答型圧電素子であって、影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と
を備えており、活性化光応答型圧電素子は光通路に関連付けられ、活性化光応答型圧電素子は、圧電素子の形状の変化によって光の可変断面積を十分に変化させ、光通路に沿った信号光の通過が制御されるように動作する。
【００１８】
また、論理ゲートは、少なくとも１つの光スイッチに活性化光を供給する光通路であって、少なくとも１つの光スイッチにディジタル情報を伝達し、少なくとも１つの光スイッチからディジタル情報を伝達する信号光を運ぶ光通路を備えることが好ましい。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、信号光は、活性化光の波長よりも長い波長を有している。
【００２０】
信号光は、活性化光の波長の約２倍の波長を有することが好ましい。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態によれば、信号光は１５００ｎｍの波長を有し、活性化光は約７５０ｎｍの波長を有する。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、ノット機能を提供する論理ゲートが提供され、少なくとも１つの光スイッチは単一の光スイッチを備えており、信号光は活性化光の波長の約２倍の波長を有している。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、アンド機能を提供する論理ゲートが提供され、少なくとも１つの光スイッチは単一の光スイッチを備えており、信号光は活性化光の波長よりも長い波長を有しており、論理ゲートは、更に、
信号光を受け取る第１及び第２の論理入力と、
第１の論理入力で受け取った信号光の第１の部分を受け取る第１の光通路と、
第１の論理入力で受け取った信号光の第２の部分を受け取る第２の光通路と、
第２の論理入力で受け取った信号光の第１の部分を受け取る第３の光通路と、
第２の論理入力で受け取った信号光の第２の部分を受け取る第４の光通路と、
第２の光通路に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
第４の光通路に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
第２の光通路に沿った光の位相を活性化光の位相に整合させるように動作する第１の位相整合器と、
第４の光通路に沿った光の位相を活性化光に整合させる第２の位相整合器と、
第２の光通路に沿って波長が短くされ位相整合された光と第４の光通路に沿って波長が短くされ位相整合された光とを互いに１８０度だけ位相外れにするように動作する光移相器と、
を備え、第１及び第３の光通路に沿った光が、光スイッチへの信号光入力として供給され、
第２及び第４の光通路に沿って波長が短くされ位相整合された光が、追加の活性化光と共に活性化光として光スイッチに供給される。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、ナンド機能を提供する論理ゲートが提供され、第１の光スイッチは、第１の光スイッチ及び第２の光スイッチを備えており、信号光は活性化光の波長よりも長い波長を有しており、論理ゲートは、更に、
信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、
第１の入力の信号光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
第２の入力の信号光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
第１の光スイッチからの信号光の波長を短くするように動作する第３の波長修正器と、
第１の波長修正器からの光の一部を第１の光吸収器に供給する第１の光通路と、
第１の波長修正器からの光の一部を第１の光スイッチに供給する第２の光通路と、
第２の波長修正器からの光の一部を第２の光吸収器に供給する第３の光通路と、
第２の波長修正器からの光の一部を第１の光スイッチに供給する第４の光通路と、
第１の光スイッチからの信号光を第３の波長修正器に供給する第５の光通路と、
第３の波長修正器からの光波長修正光を活性化光として第２の光スイッチに供給する第６の光通路と
を備えている。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、オア機能を提供する論理ゲートが提供され、少なくとも１つの光スイッチは単一の光スイッチを備えており、信号光は活性化光の波長よりも長い波長を有しており、論理ゲートは、更に、
信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、
第１の光入力に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
第２の光入力に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
第１の波長修正器からの波長修正光の位相を駆動光の位相に整合させるように動作する第１の位相整合器と、
第２の波長修正器からの光の位相を駆動光の位相に整合させるように動作する第２の位相整合器と、
第１の位相整合器からの光の一部を第１の光吸収器に供給する第１の光通路と、
第２の位相整合器からの光の一部を第２の光吸収器に供給する第２の光通路と、
第１の光移相器と、
第２の光移相器と、
第１の位相整合器からの光の一部を第１の光移相器に供給し、それにより第１の位相整合器からの光を活性化光に対して位相外れにする第３の光通路と、
第２の位相整合器からの光の一部を第２の光移相器に供給し、それにより第１の位相整合器からの光を供給活性化光に対して位相外れにする第４の光通路と、
第１の光移相器からの光を光スイッチに供給する第５の光通路と、
第２の光移相器からの光を光スイッチに供給する第６の光通路と
を備え、光スイッチは、第５及び第６の光通路から活性化光及び信号光を受け取る。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、オア機能を提供する論理ゲートが提供され、少なくとも１つの光スイッチは第１及び第２の光スイッチを備えており、信号光は活性化光の波長よりも長い波長を有しており、論理ゲートは、更に、
信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、
第１の光入力に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
第２の光入力に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
第１及び第２の波長修正器からの波長修正光を供給する第１及び第２の光通路と、
第１の波長修正器及び第２の波長修正器からそれぞれ第１及び第２の光通路を介して光を受け取る光出力制限器であって、第１の波長修正器及び第２の波長修正器からの光出力を所定の光出力レベルに維持するように動作する光出力制限器と、
光出力制限器からの光出力制限光を第１の光スイッチに供給する第３の光通路と、
第１の光スイッチから信号光を受け取る第３の波長修正器であって、光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第３の波長修正器と、
第３の波長修正器からの光を第２の光スイッチに供給する第４の光通路と
を備える。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、オア機能を提供する論理ゲートが提供され、少なくとも１つの光スイッチは単一の光スイッチを備えており、信号光は活性化光の波長よりも長い波長を有しており、論理ゲートは、更に、
信号光を受け取る第１及び第２の論理入力と、
第１の論理入力で受け取った信号光の第１の部分を受け取る第１の光通路と、
第１の論理入力で受け取った信号光の第２の部分を受け取る第２の光通路と、
第２の論理入力で受け取った信号光の第１の部分を受け取る第３の光通路と、
第２の論理入力で受け取った信号光の第２の部分を受け取る第４の光通路と、
第２の光通路に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、
第４の光通路に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、
第１の波長修正器からの波長修正光を第２の波長修正器からの光に対して１８０度だけ位相外れにするように動作する光移相器と
を備えており、光スイッチは、第１及び第３の光通路、第２の波長修正器及び光移相器から光を受け取る。
【００２８】
更に、少なくとも１つの光スイッチが上で説明したように構成され、論理機能が上で説明した１つ又は複数の論理ゲートを使用する論理ゲートが提供される。
【００２９】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
信号チャネルに隣接する圧電素子と、
圧電素子に隣接する導電層と
を備え、圧電素子に活性化光を印加することによって信号チャネルを通る信号光の通過が制御され、圧電素子に印加される電界が活性化光に応答して導電層によって強められる光スイッチが提供される。
【００３０】
導電層は、圧電素子の表面に付着されることが好ましい。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態によれば、圧電素子に活性化光を印加し、信号光が信号チャネルを通過することができないように圧電素子の形状を変化させる。
【００３２】
信号チャネルは、圧縮性材料が充填されたチャンバを備えていることが好ましい。
【００３３】
圧電素子はチャンバの一部を形成していることが好ましい。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態によれば、圧電素子は、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの層を備えている。
【００３５】
導電層は、圧電素子の２つの層の間に付着されることが好ましい。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、光スイッチを動作させるための方法であって、
圧電素子及び圧電素子に隣接する少なくとも１つの導電層を備えた光スイッチに信号光を印加するステップと、
光スイッチの状態を変化させるために圧電素子に活性化光を印加するステップと
を含み、圧電素子に印加される電界が、印加される活性化光に応答して導電層によって強められる方法が提供される。
【００３７】
圧電素子に活性化光を印加するステップによって、信号光が光スイッチを通過することができないように圧電素子の形状を変化させることが好ましい。
【００３８】
活性化光を印加するステップには、互いに位相が外れた２つの光信号を圧電素子に印加するステップと、これらの光信号のうちの一方を除去し、他方の光信号を活性化光として残すステップが含まれていることが好ましい。
【００３９】
更に、光スイッチを動作させるための方法であって、
少なくとも１つの導電層に隣接する圧電素子に隣接する信号チャネルに信号光を印加するステップと、
圧電素子に活性化光を印加して、信号光の信号チャネルの通過を阻止するように圧電素子の形状を変化させるステップと
を含み、圧電素子に印加される電界が、印加される活性化光に応答して導電層によって強められる方法が提供される。
【００４０】
更に、
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
信号チャネルに隣接する圧電素子と、
圧電素子に隣接する導電層と、
圧電素子に活性化光を印加し、信号光の信号チャネルの通過が阻止されるように圧電素子の形状を変化させる手段と
を備え、圧電素子に印加される電界が、印加される活性化光に応答して導電層によって強められる光スイッチが提供される。
【００４１】
更に、光スイッチを動作させるための方法であって、
圧電素子を備えた光スイッチに信号光を印加するステップであって、圧電素子が、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えるステップと、
光スイッチの状態を変化させるように圧電素子に活性化光を印加するステップと
を含む方法が提供される。
【００４２】
圧電素子に活性化光を印加するステップによって、信号光が光スイッチを通過することができないように圧電素子の形状を変化させることが好ましい。
【００４３】
圧電素子の形状を変化させることによって光スイッチの信号チャネルの寸法を変化させることが好ましい。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態によれば、活性化光を印加するステップには、互いに位相が外れた２つの光信号を圧電素子に印加するステップと、これらの光信号のうちの一方を除去し、他方の光信号を活性化光として残すステップが含まれている。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態によれば、圧電素子に印加される電界が、印加される活性化光に応答して、圧電素子に隣接している導電層によって強められる。
【００４６】
また、
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
信号チャネルに隣接する圧電素子であって、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えた圧電素子と
を備え、圧電素子に活性化光を印加することによって信号チャネルを通る信号光の通過が制御される光スイッチが提供される。
【００４７】
圧電素子に活性化光を印加することによって、信号光が信号チャネルを通過することができないように圧電素子の形状を変化させることが好ましい。
【００４８】
また、光スイッチを動作させるための方法であって、
信号チャネルに信号光を印加するステップであって、信号チャネルが、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を有する圧電素子に隣接するステップと、
圧電素子に活性化光を印加して、信号光の信号チャネルの通過が阻止されるように圧電素子の形状を変化させるステップと
を含む方法が提供される。
【００４９】
更に、
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
信号チャネルに隣接する圧電素子であって、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの異なる層を備えた圧電素子と、
圧電素子に活性化光を印加して、信号光の信号チャネルの通過が阻止されるように圧電素子の形状を変化させる手段と
を備えた光スイッチが提供される。
【００５０】
本発明については、図面を参照して行う以下の詳細な説明からより完全に理解され、且つ、認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】信号チャネル及び圧電素子を備えた、活性化光によって制御される光スイッチを示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの圧電素子であって、圧電素子に活性化光を印加することによって得られる活性状態の圧電素子を示す図である。
【図２Ａ】図１Ａの線ＩＩＡ−ＩＩＡに沿って取った、圧電素子が非活性状態にある場合の図１Ａの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図２Ｂ】図１Ｂの線ＩＩＢ−ＩＩＢに沿って取った、圧電素子が活性状態にある場合の図１Ｂの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図３】信号減衰対信号チャネルの寸法を示すグラフである。
【図４Ａ】信号光の波長より短い波長を有する活性化光を印加するステップを含む、光スイッチの状態を変化させるための技法を示す図である。
【図４Ｂ】信号光の波長より短い波長を有する活性化光を印加するステップを含む、光スイッチの状態を変化させるための技法を示す図である。
【図５Ａ】圧電素子に活性化光を印加することが、互いに位相が外れた２つの光信号を提供し、次いでこれらの光信号のうちの一方を除去し、他方の光信号を活性化光として残すことを含む、光スイッチの状態を変化させるための技法を示す図である。
【図５Ｂ】圧電素子に活性化光を印加することが、互いに位相が外れた２つの光信号を提供し、次いでこれらの光信号のうちの一方を除去し、他方の光信号を活性化光として残すことを含む、光スイッチの状態を変化させるための技法を示す図である。
【図６Ａ】信号チャネル、圧電素子及び圧電素子に隣接する導電層を備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの圧電素子であって、圧電素子に活性化光を印加することによって得られる活性状態にある圧電素子を示す図である。
【図７】導電層の電子に対する光の電界の作用を示す図である。
【図８】図１Ａ〜図７を参照して上で説明した光活性型光スイッチを備えた光スイッチシステムを示す図である。
【図９】光スイッチ並びに信号光及び活性化光を同じ信号チャネルに結合するために使用される光結合器の一つの実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】異なる圧電特性を備えた圧電材料の３つ以上の層を有する圧電素子の一つの実施形態を示す図である。
【図１０Ｂ】圧電素子の２つの層の間に挟まれた導電層を備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１０Ｃ】多層圧電素子の間に挟まれた複数の導電層を備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１０Ｄ】信号チャネルの２つの異なる面に多層圧電素子及び導電層を備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１０Ｅ】信号チャネルの２つの面の各々に多層圧電素子及び導電層を備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１１Ａ】信号チャネル及び圧電素子を備え、信号チャネルの一部が圧縮性材料が充填されたチャンバを備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１１Ｂ】圧電素子に活性化光を印加することによって得られる活性状態にある、図１１Ａの圧電素子を示す図である。
【図１２Ａ】信号チャネル、圧電素子及び圧電素子に隣接する導電層を備え、信号チャネルが光ファイバであり、圧電素子及び導電層が該光ファイバの円周の周り全体に帯状に形成された光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１２Ｂ】圧電素子に活性化光を印加することによって得られる活性状態にある、図１２Ａの圧電素子を示す図である。
【図１３Ａ】信号チャネル、透明な圧電素子及び圧電素子に隣接する導電層を備え、信号チャネルが透明な圧電素子を備えた光活性型光スイッチの一つの実施形態を示す図である。
【図１３Ｂ】圧電素子に活性化光を印加することによって得られる活性状態にある、図１３Ａの圧電素子を示す図である。
【図１４Ａ】本発明の他の好ましい実施形態による光スイッチの簡易図である。
【図１４Ｂ】本発明の他の好ましい実施形態による光スイッチの簡易図である。
【図１５Ａ】図１４Ａの線ＸＶＡ−ＸＶＡに沿って取った図１４Ａの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図１５Ｂ】図１４Ｂの線ＸＶＢ−ＸＶＢに沿って取った図１４Ｂの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図１６Ａ】本発明の更に他の好ましい実施形態による光スイッチの簡易図である。
【図１６Ｂ】本発明の更に他の好ましい実施形態による光スイッチの簡易図である。
【図１７Ａ】図１６Ａの線ＸＶＩＩＡ−ＸＶＩＩＡに沿って取った図１６Ａの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図１７Ｂ】図１６Ｂの線ＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢに沿って取った図１６Ｂの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図１８Ａ】本発明の更に他の好ましい実施形態による光スイッチの簡易図である。
【図１８Ｂ】本発明の更に他の好ましい実施形態による光スイッチの簡易図である。
【図１９Ａ】図１８Ａの線ＸＩＸＡ−ＸＩＸＡに沿って取った図１８Ａの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図１９Ｂ】図１８Ｂの線ＸＩＸＢ−ＸＩＸＢに沿って取った図１８Ｂの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。
【図２０】論理ノットゲートの略図である。
【図２１】光スイッチを使用した論理アンドゲートの概略図である。
【図２２】光スイッチを使用した論理アンドゲートの第２の概略図である。
【図２３】光スイッチ及び位相整合デバイスを使用した論理オアゲートの概略図である。
【図２４】光スイッチ及び光出力制限器を使用した論理オアゲートの概略図である。
【図２５】光スイッチを使用した論理オアゲートの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
光駆動型光スイッチは、アンド論理ゲート、オア論理ゲート及びノア論理ゲートを構築するために使用される。これらの論理ゲートに入力される光信号は、これらの論理ゲートの出力が個々の種類のゲートに必要な仕様に合致するように処理される。光信号は、すべて、これらの論理ゲートを動作させるために使用され、光駆動型光スイッチを使用するので外部電池は不要であり、したがって、これらの論理ゲートは半導体論理設計寸法に合致する寸法を有することができる。
【００５３】
コンピュータを、電気信号に代わって光信号で機能するように作ることができる。トランジスタをベースとする論理ゲートのトランジスタは、１０Ｅ−９秒でスイッチし、これは、トランジスタをベースとする論理ゲートの速度を制限している。光は、１０Ｅ−１４秒で３ミクロン移動することができる。光駆動スイッチに基づく論理ゲートは、トランジスタをベースとする論理ゲートよりはるかに速い。
【００５４】
光スイッチは、信号チャネル及び信号チャネルに隣接する圧電素子を備えている。圧電素子は、活性化光に応答してその形状が変化し、したがって圧電素子は、その形状が変化することによって信号チャネルの寸法が変化するように信号チャネルに対して構成される。例えば、圧電素子の形状が変化すると、信号チャネルの寸法が十分に短くなり、したがって信号光はもはや信号チャネルを通過することができなくなる。この現象を使用して、圧電素子に印加される活性化光を制御することによって光スイッチの状態が制御される。一つの実施形態では、光スイッチは、活性化光が圧電素子に印加されていない場合に信号光の信号チャネルの通過を許容し、活性化光が圧電素子に印加されると、信号光の信号チャネルの通過が阻止される。圧電素子の形状によって光が信号チャネルを通過するかどうかが決まるため、光スイッチの機能は、圧電素子がその形状を変える能力に依存する。
【００５５】
本発明の一つの実施形態によれば、圧電素子は、圧電材料の少なくとも２つの層を有しており、個々の層は、それぞれ異なる圧電特性を有する。これらの層の圧電特性は、圧電素子の性能が改善されるように、また、最終的には光スイッチの性能が改善されるように選択される。一つの実施形態では、これらの層の圧電特性は、活性化光に応答してその形状が十分に変化し、それにより信号光の信号チャネルの通過を阻止する圧電素子が生成されるように選択される。
【００５６】
図１Ａは、信号チャネル１０２及び圧電素子１０４を備えた、活性化光によって制御される光スイッチ１００を示している。信号チャネルは、規定された経路に沿う制限された領域内における光の伝達を誘導する。信号チャネルは、光誘導構造によって、或いは、規定された経路に沿う制限された領域内で光を誘導することができる複数の光誘導構造の組合せによって形成されている。信号チャネルを形成することができる構造は、例えば、光ファイバ、ニオブ酸リチウムなどの基板、或いは、信号チャネル、光導波路及び圧縮性材料を保持するためのチャンバを備えた他の透明な圧電材料を含む。図１Ａの実施形態では、信号チャネルは、モノリシック光誘導エレメントによって形成される。
【００５７】
圧電素子１０４は圧電材料で形成される。圧電素子を形成するために使用することができる圧電材料の例には、石英（ＳｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）及びジルコン酸チタン酸鉛などの結晶性圧電材料がある。磁界中で配向されることができる圧電材料の例は、ジルコン酸鉛及びチタン酸鉛又はジルコン酸チタン酸鉛である。石英及びニオブ酸リチウムは透明な圧電材料の例である。
【００５８】
圧電素子１０４は、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層１０６及び１０８を有する。異なる層の異なる圧電特性は、例えば、１）同じ電界に応答する異なる度合の膨張及び／又は収縮、２）同じ電界に対する異なる応答（例えば、複数の層のうちの１つが第１の配向を有する電界に応答して膨張し、他の層が第１の配向に対して直角の第２の配向を有する電界に応答して膨張する）、３）異なる極性、４）異なる歪み、５）異なるヒステリシス、６）異なるキャパシタンス、７）異なるインピーダンス、８）異なる抵抗率、９）異なる熱履歴及び１０）異なる電磁履歴を含むことができる。
【００５９】
圧電材料の圧電特性は、例えば、１）圧電材料の型式、２）圧電材料の結晶配向、３）圧電材料中のドーピングレベル、４）圧電材料の密度、５）圧電材料のボイド（ｖｏｉｄ）密度、６）圧電材料の化学組成、７）圧電材料の熱履歴及び８）圧電材料の電磁履歴の関数である。圧電材料の個々の層の所望の圧電特性は、例えば、上に挙げたパラメータのうちの１つ又は複数を操作することによって達成されることができる。
【００６０】
一つの実施形態では、活性化光に応答して圧電素子の形状を変化させ、或いは湾曲させるよう、同じ電界に応答して膨張及び／又は収縮する度合が異なる圧電材料の層を圧電素子に一体化する。例えば、互いに付着されて１つのモノリシック素子を形成する圧電素子の２つの隣接する層が、同じ活性化光に応答して異なる量だけ膨張すると、その圧電素子は湾曲する。一つの実施形態では、圧電素子は、モノリシック素子として形成された、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えている。例えば、圧電素子は、半導体処理技法、例えば結晶成長、蒸着、スパッタリング、イオン注入等々を使用して圧電材料の層を互いに積み重ねることによって形成される。一つの実施形態では、圧電素子の層は異なる結晶配向を有しており、したがって２つの層は、同じ電界に対して別様に応答する。例えば、２つの層は互いに直角の結晶配向を有している。他の実施形態では、圧電素子の複数の層のうちの少なくとも１つは有機材料でできている。
【００６１】
異なる圧電特性を有する圧電材料の層を備えた圧電素子を使用することにより、オン／オフのスイッチングを最適化するように圧電素子の応答を選択することができる。例えば、層の圧電特性は、１）活性化光に応答した圧電素子の形状変化を最大化する、２）ヒステリシスを最小化する、３）圧電素子の形状を変化させるために必要な電力量を低減する、及び４）スイッチング技法によって生成される熱の量を低減するように選択されることができる。
【００６２】
次に、図１Ａに示されている光スイッチ１００の動作について、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは非活性状態の圧電素子１０４を示している。非活性状態では、圧電素子の形状はその通常の状態から変化しない。圧電素子の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１Ａの実施形態の場合、圧電素子は、非活性状態では基本的に平らである。圧電素子のこの平らな形状は、信号チャネルに入る信号光及び信号チャネルから出る信号光によって示されるように、信号光１１０の信号チャネル１０４の通過を許容する。
【００６３】
図１Ｂには、圧電素子に活性化光１１２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子１０４が示されている。図１Ｂの実施形態の場合、活性化光を信号光１１０と平行に信号チャネル１０２に導くことによって、活性化光は圧電素子に印加される。この活性化光によって、圧電材料に影響を及ぼす電界が供給される。活性状態では、圧電素子の形状が十分に変化し、信号光の信号チャネルの通過が阻止される。信号光の遮断は、信号チャネルから出射する信号光が無いことによって示されている。活性化光が信号チャネルから除去されると、圧電素子はその通常の形状に復帰し、信号光は再び信号チャネルを通過することができる。
【００６４】
上で説明したように、活性化光１１２に応答して圧電素子１０４が活性化することによって圧電素子の形状が変化し、それにより信号チャネル１０２の少なくとも１つの寸法が変化する。図２Ａは、圧電素子が非活性状態にある場合の図１Ａの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。図２Ｂは、圧電素子が活性状態にある場合の図１Ｂの信号チャネル及び圧電素子の横断面図である。活性状態では、圧電素子は信号チャネル内へ入り込み、信号チャネルの少なくとも１つの寸法を低減させる。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、信号チャネルの断面積は、非活性状態にある場合（図２Ａ）よりも活性状態にある場合（図２Ｂ）の方が小さい。
【００６５】
図１Ａ〜図２Ｂの実施形態から分かるように、圧電素子１０４がたとえ活性状態にあっても、信号チャネル１０２には依然として開口が存在している。圧電素子がたとえ活性状態にあっても信号チャネルには依然として開口が存在しているが、信号チャネル内の開口は十分に小さく、したがって信号光１１０は信号チャネルの通過が阻止される。信号光が信号チャネルを通過する能力は、信号チャネルの寸法及び信号光の波長の関数である。通常、短い波長を有する光は、長い波長を有する光よりも、短い寸法を有する信号チャネルを通過することができる。
【００６６】
図３は、光信号の減衰と信号チャネルの寸法との関係のグラフを示している。図３に示すように、光信号の減衰は、信号チャネルの寸法が本明細書においては遮断寸法として参照されている特定の寸法に到達すると、急激に変化する。例えば、遮断寸法（例えば約５オングストローム）より短い寸法では、減衰は急激に大きくなり、また、遮断寸法より長い寸法では減衰は急激に小さくなる。図３に示すように、遮断寸法の近辺における信号チャネルの寸法の変化に対するこの急峻な応答のため、信号チャネルの寸法が遮断寸法より長い寸法と遮断寸法より短い寸法との間で切り換わるように活性化光を切り替えることによって、高速なオン／オフ切り替えが可能となる。
【００６７】
上で説明したように、光スイッチ１００の状態は、圧電素子１０４に活性化光１１２を印加することによって活性化される。活性化光は、様々な技法を使用して圧電素子に印加されることができる。圧電素子に活性化光を印加するための幾つかの例示的技法について、図４Ａ〜図５Ｂを参照して説明する。
【００６８】
図４Ａ及び図４Ｂは、光スイッチ１００の状態を変化させるための技法を示しており、信号光１１０の波長よりも短い波長を有する活性化光１１２を印加することを含んでいる。図４Ａを参照すると、光スイッチ１００は、圧電素子１０４に活性化光が印加されていないオン状態にあり、したがって信号光１１０は信号チャネル１０２を通過する。図４Ｂに示すように、圧電素子１０４に活性化光１１２が印加され、光スイッチ１００の状態はオンからオフに変化している。オフ状態では、活性化光１１２によって圧電素子１０４の形状が変化し、信号光１１０の信号チャネル１０２の通過が阻止される。この実施形態の場合、活性化光１１２は、信号光１１０の波長よりも短い波長を有する。詳細には、活性化光１１２の波長は十分に短く、したがって光スイッチ１００がオフ状態であっても、活性化光１１２は依然として信号チャネルを通過することができる。図４Ｂは、光スイッチ１００がオフ状態にあっても、信号光１１０の波長よりも短い波長を有する活性化光１１２が信号チャネル１０２を通過することができる場合を示している。
【００６９】
図５Ａ及び図５Ｂは、光スイッチ１００の状態を変化させるための技法を示しており、活性化光を印加することは、互いに位相が外れた２つの光信号１１２Ａ及び１１２Ｂを圧電素子１０４に提供すること、次いで、これらの光信号のうちの一方の光信号、つまり図に示されている実施形態では光信号１１２Ａを除去し、他方の光信号、つまり図に示されている実施形態では光信号１１２Ｂを活性化光として残すことを含んでいる。この実施形態の場合、これらの２つの信号１１２Ａ及び１１２Ｂは、それらの電界が事実上互いに相殺しあうように互いに位相が外れている（例えば、１８０度位相が外れている）。位相が外れたこれらの２つの信号は、同時に圧電素子１０４に印加されながら、互いに相殺しあうので、圧電素子１０４は活性化されない。これらの光信号のうちの一方が除去されると、他方の光信号の電界は相殺されないので、その光信号によって圧電素子が活性化される。図５Ａは、信号光１１０と、信号チャネル１０２を通過する位相が外れた光信号１１２Ａ及び１１２Ｂの成分とを示している。上で説明したように、この場合、位相が外れたこれらの２つの光信号は互いに相殺しあうため、圧電素子１０４は活性化されない。図５Ｂでは、位相が外れたこれらの光信号のうちの一方である１１２Ａが除去され、他方の光信号１１２Ｂが活性化光として残される。この活性化光によって圧電素子１０４が活性化され、信号光１１０（と、この場合には活性化光と）の信号チャネルの通過が阻止される。他の実施形態では、これらの２つの光信号のうちの一方の光出力を他方の光信号の光出力より大きくすることができ、それにより相殺効果を克服して活性化光を提供することができる。
【００７０】
光活性型光スイッチの性能を最適化するための他の技法は、活性化光に応答して圧電素子に印加される電界を強めることである。本発明の一つの実施形態によれば、活性化光に応答して圧電素子に印加される電界を強めるために、光活性型光スイッチの圧電素子に隣接して、少なくとも１つの導電層が配置される。この導電層は、圧電素子に活性化光が印加されると、圧電素子に隣接する表面へ引き寄せられて集められる自由電子又は正孔を有している。圧電素子の近傍に自由電子を集めることにより、活性化光に応答して、圧電素子に印加される電界が強められる。強められた電界を使用することによって圧電素子の性能を改善することができ、光スイッチの性能を改善することができる。例えば、隣接する導電層が寄与して強められた電界によって、より小さい光出力で圧電素子を活性化させることができ、及び／又は、圧電素子に隣接する導電層が存在しない場合よりも速く圧電素子を活性化させることができる。
【００７１】
導電層がないと、活性化光の電界のみが圧電素子を活性化する。導電層を使用する場合、この導電層によって、活性化光の電界によって収集される又は分散される電荷が供給される。収集された電荷の電界によって、活性化光の電界が強められる。この場合、活性化光の電界及び収集された電荷の電界が圧電素子に作用する。分散された電荷の場合、正電荷と負電荷からなるので、一方が分散されると他方が現れる。この場合、出現した電荷の電界によって活性化光の電界が強められ、圧電素子に対する効果が改善される。電子は金属導体の中を移動するが、正孔は半導体の中を移動することができる。
【００７２】
図６Ａは、信号チャネル１２２と圧電素子１２４と圧電素子１２４に隣接する導電層１２６とを備えた光活性型光スイッチ１２０の一つの実施形態を示している。信号チャネル１２２及び圧電素子１２４は、上で説明した信号チャネル及び圧電素子に類似しているが、圧電素子１２４は、異なる圧電特性を有する圧電材料の異なる層を備える必要は必ずしもない。導電層１２６は、鉛、タングステン、他の金属、ホウ素がドープされたケイ素、ヒ素がドープされたケイ素、ドープされたヒ化ガリウム、及び／又は他の半導体材料などの、高度に導電性の材料である。一つの実施形態では、導電層１２６は圧電素子１２４の表面に付着される。例えば、導電層１２６は、金属蒸着技法を使用して圧電素子１２４の主表面に蒸着される。代替の実施形態では、導電層１２６は、負電荷だけではなくて正電荷又は負電荷が移動する半導体材料で形成される。
【００７３】
次に、図６Ａに示されている光スイッチ１２０の動作について、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。図６Ａは非活性状態の圧電素子１２４を示している。非活性状態では、圧電素子１２４の形状はその通常の状態から変化しない。圧電素子１２４の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図６Ａの実施形態の場合、圧電素子１２４は、非活性状態では基本的に平らである。圧電素子のこの平らな形状は、信号チャネル１２２に入り信号チャネル１２２から出る信号光１２８によって示されているように、信号光１２８の信号チャネル１２２の通過を許容する。
【００７４】
図６Ｂは、圧電素子１２４に活性化光１２９を印加することによって得られる活性状態の圧電素子１２４を示している。図６Ｂの実施形態の場合、活性化光１２９は、活性化光１２９を信号光１２８と平行に信号チャネル１２２に導くことによって、圧電素子１２４に最も近い導電層１２６の表面に引き寄せられる。活性状態では、圧電素子１２４の形状が十分に変化し、信号光１２８の信号チャネル１２２の通過が阻止される。信号光１２８の遮断は、信号チャネル１２２から出射する信号光１２８が無いことによって示されている。導電層１２６に結合されている圧電材料の近傍の追加の電子によって、圧電素子１２４の圧電材料に印加される電界が強められる。導電層１２６と関連する電界の増加により、例えば、圧電素子１２４の形状が変化する大きさが大きくなること、圧電素子１２４の形状の変化速度が速くなること、所望の形状変化を達成するために必要な活性化光の量が減少することを含む利点が提供される。
【００７５】
図７は、図６Ａ及び図６Ｂの導電層１２６の電子に対する活性化光１２９の電界１３０の作用を示している。図７では、表面１３２は、活性化光１２９に最も近い導電層１２６の表面であり、また、表面１３４は、活性化光１２９から最も遠い導電層１２６の表面である。図７の櫛歯構造は、導電層１２６の影響下における電界を表している。櫛歯構造の個々の歯１３６は電界の一部を表しており、これらの歯の幾つかは、それらの末端部分に広い拡張部分１３８を有している。これらの広い拡張部分１３８は、圧電素子１２４に隣接している導電層１２６の中を移動する電荷によってもたらされる強い電界を表している。ダッシュ線１４０は、活性化光１２９の電界に応答して移動する電荷を表す。電界が負である場合、導電層１２６中の電荷は、導電層の表面１３２の近くから遠ざかる方向に駆動され、したがって負電界が強められる。電界が正である場合、導電層中の電荷は導電層の表面１３２の近くへ移動し、したがって電界が強められる。圧電材料は導体ではなく、誘電材料であるため、導電層１２６が存在しない場合、電荷は移動しない。図７を参照すると、導電層１２６が除去され、圧電素子（図示せず）のみが残された場合、櫛歯構造の歯１３６はそれらの上に拡張部分１３８を有しない。
【００７６】
図８は、図１Ａ〜図７を参照して上で説明した光活性型光スイッチ１５２を備えた光スイッチシステム１５０を示している。図８の光スイッチシステム１５０は、更に、活性化光源１５６及び活性化光コントローラ１５８を備えた活性化光システム１５４を備えている。光スイッチシステム１５０は、信号光１６１を受け取るように信号光源１６０に光接続される。図８の実施形態では、信号光１６１は、信号光経路１６２を介して光スイッチ１５２に提供され、活性化光１６３は、活性化光経路１６４及び信号光経路１６２を介して光スイッチ１５２に提供される。信号光１６１及び活性化光１６３は結合器１６６で結合される。光スイッチ１５２の出力は出力経路１６８を介して出射される。
【００７７】
活性化光システム１５４は、光スイッチ１５２の圧電素子（図示せず）への活性化光１６３の印加を制御する。図８の実施形態では、活性化光源１５６は、所望の特性、例えば所望の波長、強度、信号チャネルにおける他の光との関係での活性化光の位相及び偏光を有する活性化光を生成する、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザなどの光源であり、活性化光コントローラ１５８は活性化光システムからの活性化光１６３の伝送を制御する。一つの実施形態では、光スイッチ１５２の圧電素子の形状を十分に変化させるためには、活性化光１６３の強度を十分に大きくしなければならず、また、一つの実施形態では、活性化光１６３の強度は信号光１６１の強度より大きい。活性化光１６３の波長は、信号光１６１の波長よりも短くしても、長くしてもよい。上で説明したように、活性化光１６３の波長が十分に短い場合、圧電素子が活性化されても、活性化光１６３は信号チャネルを通過することができ、信号光１６３は阻止される。
【００７８】
活性化光システム１５４は、多くの異なる方法で光スイッチ１５２に活性化光１６３を提供するように構成することができる。例えば、一つの実施形態では、第２の光活性型光スイッチによって活性化光１６３がスイッチオン及びスイッチオフされ、他の実施形態では、鏡の角度を変化させることによって活性化光１６３が提供され、他の実施形態では、ＬＥＤ又はレーザがターンオン／オフされ、また、他の実施形態では、他のスイッチを使用して活性化光１６３を制御することができる。信号光源１６０は、光スイッチ１５２によってスイッチオン及びスイッチオフされる（つまり、光スイッチ１５２の通過が許容され、また、光スイッチ１５２の通過が阻止される）信号光１６１を生成する。一つの実施形態では、信号光源１６０は、光信号を変調することによって（例えば周波数変調又は振幅変調によって）ディジタルデータを送信する光送信器である。一つの実施形態では、信号光源１６０によって出力される信号光１６１は、幾つかの方法（例えば振幅変調又は周波数変調、論理、等々）でディジタルデータを通信する光信号であり、一方、活性化光源１５６によって出力される活性化光１６３はディジタルデータを通信しない。例えば、信号光１６１は変調光フォーマットでディジタルデータを運び、活性化光１６３は変調されてディジタルデータを運ぶことはない。
【００７９】
動作において、信号光源１６０を介して光スイッチ１５２に信号光１６１が提供され、活性化光システム１５４によって光スイッチ１５２の圧電素子への活性化光１６３の印加が制御される。一つの実施形態では、活性化光システム１５４が光スイッチ１５２に活性化光１６３を提供していない場合に信号光１６１は光スイッチ１５２を通過し、活性化光システム１５４が光スイッチ１５２に活性化光１６３を提供している場合には、光スイッチ１５２の通過が阻止される。
【００８０】
図１Ａ〜図６Ｂを参照して説明した光スイッチの場合、信号光及び活性化光は、同じ信号チャネルで伝送される。様々な技法を使用して、信号光及び活性化光を同じ信号チャネルに結合することができる。図９は、光スイッチ１５２並びに信号光１６１及び活性化光１６３を同じ信号チャネル１２２の中に結合するために使用される光結合器１６６の一つの実施形態を示している。図９の実施形態では、信号光１６１は信号ファイバなどの信号光経路１６２の中を移動し、活性化光１６３は活性化ファイバなどの活性化光経路１６４の中を移動する。信号光１６１及び活性化光１６３は、光結合器１６６によって信号チャネル１２２に結合される。図９に示す実施形態の場合、光結合器が図示されているが、信号光１６１及び活性化光１６３を同じ信号チャネル１２２に結合するための他の適切な技法を使用することも可能であることが理解されよう。
【００８１】
図１０Ａ〜図１０Ｅは、図１Ａ〜図９を参照して上で説明した光活性型光スイッチの異なる実施形態を示している。図１０Ａは、光活性型光スイッチ１７０の一つの実施形態を示しており、圧電素子１７２は、異なる圧電特性を備えた圧電材料の３つ以上の層１７４を有している。図１０に示されている実施形態では、圧電素子１７２は圧電材料の４つの層１７４を有している。一つの実施形態では、圧電材料の異なる層１７４は、それぞれ異なる圧電特性を有しており、他の実施形態では、圧電材料の異なる層は、交番する圧電特性を有している。圧電層１７４の数及び配列は多くの異なる変形形態を含むことができることを理解されたい。
【００８２】
図１０Ｂは、光活性型光スイッチ１７６の一つの実施形態を示しており、圧電素子１８２の２つの層１８０の間に導電層１７８が挟まれている。この実施形態は、導電層１７８の上に電荷を配置することによって圧電素子１８２を配向することができ、圧電層１８０が導電層１７８に近接しているので圧電素子１８２の個々の層１８０の形状に変化を生じさせる。
【００８３】
図１０Ｃは、光活性型光スイッチ１８４の一つの実施形態を示しており、圧電素子１８７の複数の異なる層１８６の間に複数の導電層１８５が挟まれている。この実施例では、導電層１８５は、圧電素子１８７の異なる層１８６の間に交互に付着されている。圧電層１８６の間の導電材料の複数の層１８５は、導電層１８５に電荷を印加することによって、圧電材料の個々の層１８６を異なる配向へ個々に分極させることができる。これにより、互いに作用し合う圧電層１８６の作用は、圧電素子１８７の形状の変化を一層大きくすることができる。
【００８４】
一般に、これらの複数の導電層は、圧電素子のヒステリシスの管理を可能にする。これらの複数の導電層は、圧電材料の配向を変化させるためには圧電素子において上昇されるはずである温度を低下させることができる。これらの複数の導電層は、圧電素子の形状の変化を大きくすることができる。これらの複数の導電層は、光スイッチをより容易に構成し、維持し、使用することができるように管理される光スイッチの多くの機械的、電気的、熱的及び他の物理的な特性の管理を可能にする。一つの実施形態では、圧電材料の異なる層及び導電層は、モノリシックスタック構造で形成される。モノリシックスタック構造は、例えば、公知の半導体処理技法を使用して形成されることができ、例えば結晶成長、金属蒸着、スパッタリング、イオン注入等々を使用して形成されることができる。
【００８５】
場合によっては、圧電素子のヒステリシスは、圧電素子を使用して構成される光活性型光スイッチの状態を或る状態から他の状態へ変化させることができる速度を制限することができる。一つの実施形態では、厚さ３０００オングストロームのジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の層が基板の上に蒸着される。ＰＺＴの層は、所与の割合の鉛及び所与の割合のジルコニウム及びチタンを有している。次いで、第１の層の上に、３０００オングストロームのＰＺＴの層が蒸着される。この層は、より多くの鉛及びジルコニウムを有しているが、この層の頂部のチタンの割合が減少している。これらの層を使用することにより、同様の層を備えていない圧電素子と比較すると、結果として得られる圧電素子が示すヒステリシスが小さくなる。より多くの交互の層を蒸着して圧電素子を構成することにより、応答の速い圧電素子を製造することができる。これらの全ての層を導電層の上に蒸着させるならば、活性化光の電界が強められ、更に応答が速い光活性型光スイッチが構成されることになる。
【００８６】
図１０Ｄは、信号チャネル１９０の一方の面に多層圧電素子１８９を備え、信号チャネル１９０の両面に導電層１９１を備えた光活性型光スイッチ１８８の一つの実施形態を示している。多数の導電層１９１によってスイッチの応答が改善される。
【００８７】
図１０Ｅは、信号チャネル１９８の両面に多層圧電素子１９４及び導電層１９６を備えた光活性型光スイッチ１９２の一つの実施形態を示している。一つの実施形態では、図１０Ｅは、光ファイバの横断面図を示しており、圧電素子及び導電層が光ファイバの周り全体に帯状に形成されている。この実施形態ではファイバは圧縮性材料である。
【００８８】
図１１Ａは、信号チャネル２０２、圧電素子２０４及び導電層２０６を備えた光活性型光スイッチ２００の一つの実施形態を示しており、信号チャネルの一部は、圧縮性材料が充填されたチャンバ２０８を備えている。圧縮性材料は、例えば、アルゴン又は窒素などのガスであっても、或いは石油留出物又はシリコンゴムなどの材料であってもよい。圧縮性材料が充填されたチャンバ２０８は、活性化光によって活性化された場合に圧電素子２０４がチャンバ２０８の中に膨張することができるように、圧電素子２０４に隣接している。一つの実施形態では、圧電素子２０４はチャンバ２０８の一部を形成する。一つの実施形態では、チャンバ２０４の少なくとも一部は透明な材料で形成される。
【００８９】
次に、図１１Ａに示されている光スイッチ２００の動作について、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。図１１Ａは非活性状態の圧電素子２０４を示している。非活性状態では、圧電素子２０４の形状はその通常の状態から変化しない。圧電素子２０４の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１１Ａの実施形態の場合、圧電素子２０４は、非活性状態では基本的に平らであり、チャンバ２０８の中へ突出していない。圧電素子２０４のこの平らな形状は、信号チャネル２０２に入り信号チャネル２０２から出る信号光２１０によって示すように、信号光２１０の信号チャネル２０２（チャンバ２０８を含む）の通過を許容する。
【００９０】
図１１Ｂは、圧電素子２０４に活性化光２１２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子２０４を示している。図１１Ｂの実施形態の場合、活性化光２１２は、活性化光２１２を信号光２１０と平行に信号チャネル２０２に導くことによって圧電素子２０４に印加される。活性化光２１２が圧電素子２０４に印加されると、圧電素子２０４がチャンバ２０８の中に突出し、それによりチャンバ内の圧縮性材料が圧縮される。活性状態では、圧電素子２０４の形状が十分に変化し、信号光２１０の信号チャネル２０２の通過が阻止される。信号光２１０の遮断は、信号チャネル２０２から出射する信号光２１０が無いことによって示されている。活性化光２１２が信号チャネル２０２から除去されると、圧電素子２０４はその通常の形状に復帰し、信号光２１０の通過を許容する。活性化光２１２が存在しない場合、チャンバ２０８内の圧縮された材料の圧力によって、通常の状態への圧電素子２０４の復帰が促進される。
【００９１】
図１２Ａは、信号チャネル２２２、圧電素子２２４及び圧電素子に隣接する導電層２２６を備えた光活性型光スイッチ２２０の一つの実施形態を示したもので、信号チャネル２２２は光ファイバであり、圧電素子２２４及び導電層２２６は、該光ファイバの円周の周り全体に帯状に形成されている。図１２Ａは、非活性状態の圧電素子２２４を示している。非活性状態では、圧電素子２２４の形状は、その通常の状態から変化していない。圧電素子２２４の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１２Ａの実施形態の場合、圧電素子２２４は、非活性状態では基本的に平らである。圧電素子２２４のこの平らな形状は、信号チャネル２２２に入り信号チャネル２２２から出る信号光２３０によって示すように、信号光２３０の信号チャネル２２２の通過を許容する。図１２Ｂには、圧電素子２２４に活性化光２３２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子２２４が示されている。図１２Ｂの実施形態では、活性化光２３２は、活性化光２３２を信号光２３０と平行に信号チャネル２２２に導くことによって圧電素子２２４に印加される。活性状態では、圧電素子２２４の形状が十分に変化し、信号光２３０の信号チャネル２２２の通過が阻止される。例えば、圧電素子２２４の形状の変化は、光ファイバをベルトのように絞って信号光２３０の通過を阻止する効果を有する。信号光２３０の遮断は、信号チャネル２２２から出射する信号光２３０が無いことよって示されている。活性化光２３２が信号チャネル２２２から除去されると、圧電素子２２４はその通常の形状に復帰し、信号光２３０は再び信号チャネル２２２を通過することができる。
【００９２】
図１３Ａは、信号チャネル２４２、圧電素子２４４及び圧電素子２４４に隣接する導電層２４６を備えた光活性型光スイッチ２４０の一つの実施形態を示しており、圧電素子２４４は透明な材料でできていて信号チャネル２４２の少なくとも一部を形成する。図１３Ａは、非活性状態の圧電素子２４４を示している。非活性状態では、圧電素子２４４の形状は、その通常の状態から変化していない。圧電素子２４４の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１３Ａの実施形態の場合、圧電素子２４４は、非活性状態では基本的に平らである。圧電素子２４４のこの平らな形状は、信号チャネル２４２に入り信号チャネル２４２から出る信号光２５０によって示すように、信号光２５０の信号チャネル２４２の通過を許容する。図１３Ｂには、圧電素子に活性化光２５２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子２４４が示されている。図１３Ｂの実施形態では、活性化光２５２は、活性化光２５２を信号光２５０と平行に信号チャネル２４２に導くことによって圧電素子２４４に印加される。活性状態では、圧電素子２４４の形状が十分に変化し、信号光２５０の信号チャネル２４２の通過が阻止される。例えば、圧電素子２４４の形状の変化は、信号チャネル２４２をベルトのように絞って信号光２５０の通過を阻止する効果を有する。信号光２５０の遮断は、信号チャネル２４２から出射する信号光２５０が無いことによって示されている。活性化光２５２が信号チャネル２４２から除去されると、圧電素子２４４はその通常の形状に復帰し、信号光２５０は再び信号チャネル２４２を通過することができる。
【００９３】
一つの実施形態では、圧電素子及び信号チャネルは、活性化光を印加することによって光スイッチの状態がオン（光が信号チャネルを通過する）からオフ（光が阻止される）への変化ではなく、オフからオンへ変化するように、互いに対して構成される。
【００９４】
幾つかの圧電材料は、その形状変化をもたらす電界と整列しなければならない結晶配向を有する。他の圧電材料は、印加される電界に対して所望の方向に応答するように、磁界中で加熱されて配向されることができる。光活性型光スイッチを構成する場合、信号チャネル内の信号光の方向に対して９０度（つまり直角）の方向に最大形状変化を有するように、結晶の配向又は圧電材料の磁気配向を向けなければならない。一つの実施形態では、スイッチングをトリガする電界は、光チャネル内の光の経路に対して９０度（つまり直角）である。
【００９５】
以下、所望の相互作用について説明する。チャネル内の光の出力（単位はワット）を使用して、光活性型光スイッチを活性化させるために必要な電界（単位はボルト）が計算される。この計算は、Ｅ＝（２μ０ｃＰ）１／２で表されるポインティングベクトル式を使用して実施される。μ０は４πｘ１０Ｅ−７ウェーバ／アンペア−メートル、ｃは３ｘ１０Ｅ＋８メートル／秒、Ｅはボルトを単位とする電界、Ｐはワットを単位とする出力である。この関係を使用すると、１５０ミリワットの信号によって１／４ミクロンのチャネルに展開される電圧は１０ボルトであることが分かる。一つの実施形態では、この電圧を使用して光トリガ光スイッチが活性化され、それによりスイッチがターンオン又はターンオフされる（例えば信号光の信号チャネルの通過が許容され、或いは信号光の信号チャネルの通過が阻止される）。この１０ボルトがもたらすことができるサイズ変化の一例は以下の通りである。高さが２０６５オングストロームのチャネルの場合、ジルコン酸チタン酸鉛が使用されると、１０ボルトによって、そのサイズは４０オングストロームだけ変化する。ジルコン酸チタン酸鉛は、１０Ｅ−１０メートル／ボルトの３．９０倍の圧電歪み係数を有している。光ファイバのために広く使用されている８１８ｎｍ（８１８０オングストローム）の光は、２０４５オングストロームよりほんの少し長いチャネルを移動することができ、それより短いチャネルを移動することはできない。２０６５オングストロームのチャネルが２０１４オングストロームまで変化すると、信号光は阻止される。波長が８０５６オングストローム以下の光は、依然として信号チャネルを通過することができる。光活性型光スイッチは、１０Ｅ−１１秒以下の速度でオン又はオフさせることができる。それには、光の電界及び磁界が光が移動する媒体に対して有する効果が利用される。導波路内の信号の減衰（Ａ）のための、信号が１，６０９．３ｍ（１マイル）を移動する毎の減衰をデシベルの単位で与える式は、
【００９６】
【数１】
2015118380.tif 000003
【００９７】
である。
【００９８】
Ｋは、チャネルの壁を構成している材料に対する定数であり、Ｋの値は、鉛の場合、８２１．３である。一つの実施形態では、光スイッチの１つの壁だけがほぼ鉛でできているので、光スイッチは正確に図３のグラフに従うことはできないが、このグラフは説明を目的として示されているにすぎない。それより小さい場合、式の中の「ａ」は導波路の辺の長さである。考察中の信号の周波数（ｆ）は、チャネル内の遮断周波数（ｆ０）に対する比率で表される。この式は、ＴＥ０、１モードの波の伝搬に対するものである。一つの実施形態では、導波路のサイズは、このＴＥ０、１モードが唯一の可能モードであるように選択される。この関係は、所与の信号に対して導波路寸法を収縮させるように研究されているため、減衰は信号チャネルのサイズが収縮するにつれて大きくなり、遮断周波数に近づくにつれて無限に向かって進行する。この式は、１９４３年にＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｙ社が出版した、フレデリック・ターマン著「無線技術者ハンドブック」の２６３頁に記載されている。
【００９９】
次に図１４Ａを参照すると、信号チャネル３０２及び複数の圧電素子を備えた光スイッチ３００が示されている。複数の圧電素子は、信号チャネル３０２の長さに沿って一様でない間隔を隔てていることが好ましい。図示されている実施形態では、３つの概ね長方形の圧電素子３０４、３０５、３０６が、信号チャネル３０２の長さに沿って、一様でない間隔で分散配置されている。圧電素子３０４、３０５、３０６の形状は活性化光によって制御される。信号チャネル３０２は、規定された経路に沿う制限された領域内における光の伝達を誘導する。信号チャネル３０２は、光誘導構造によって、又は規定された経路に沿う制限された領域内で光を誘導することができる複数の構造の組合せによって形成される。信号チャネルを形成することができる構造には、例えば、光ファイバ、ニオブ酸リチウムなどの基板があり、或いは信号チャネル、光導波路、及び圧縮性材料を保持するためのチャンバを備えた他の透明な圧電材料がある。図１４Ａの実施形態の場合、信号チャネル３０２は、モノリシック光誘導素子によって形成されることが好ましい。
【０１００】
圧電素子３０４、３０５、３０６は圧電材料で形成されることが好ましい。圧電素子を形成するために使用することができる圧電材料の例には、石英（ＳｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）及びジルコン酸チタン酸鉛などの結晶性圧電材料がある。磁界中で配向されることができる圧電材料の例は、ジルコン酸鉛及びチタン酸鉛又はジルコン酸チタン酸鉛である。石英及びニオブ酸リチウムは透明な圧電材料の例である。
【０１０１】
圧電素子３０４、３０５、３０６は、それぞれ、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層３０７、３０８を備えていることが好ましい。異なる層３０７、３０８の異なる圧電特性には、例えば、１）同じ電界に応答する異なる度合の膨張及び／又は収縮、２）同じ電界に対する異なる応答（例えば、複数の層のうちの１つが第１の配向を有する電界に応答して膨張し、他の層が第１の配向に対して直角の第２の配向を有する電界に応答して膨張する）、３）異なる極性、４）異なる歪み、５）異なるヒステリシス、６）異なるキャパシタンス、７）異なるインピーダンス、８）異なる抵抗率、９）異なる熱履歴、及び１０）異なる電磁履歴を含むことができる。
【０１０２】
次に、図１４Ａに示す光スイッチ３００の動作について、更に図１４Ｂを参照して説明する。図１４Ａには非活性状態の圧電素子３０４、３０５、３０６が示されている。非活性状態では、圧電素子３０４、３０５、３０６の形状はその通常の状態から変化していない。圧電素子３０４、３０５、３０６の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１４Ａの実施形態の場合、圧電素子３０４、３０５、３０６は非活性状態では基本的に平らである。圧電素子３０４、３０５、３０６のこの平らな形状は、信号チャネル３０２に入る信号光３１０及び信号チャネル３０２から出る信号光３１０によって示すように、信号光３１０の信号チャネル３０２の通過を許容する。
【０１０３】
図１４Ｂには、圧電素子３０４、３０５、３０６に活性化光３１２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子３０４、３０５、３０６が示されている。図１４Ｂの実施形態の場合、活性化光３１２は、活性化光３１２を信号光３１０と平行に信号チャネル３０２に導くことによって圧電素子３０４、３０５、３０６に印加される。活性化光３１２によって圧電材料に影響を及ぼす電界が供給される。活性状態では、圧電素子３０４、３０５、３０６の形状が十分に変化し、信号光３１０の信号チャネル３０２の通過が阻止される。信号光３１０の遮断は、信号チャネル３０２から出射する信号光３１０が無いことによって示されている。活性化光３１２が信号チャネル３０２から除去されると、圧電素子３０４、３０５、３０６は通常の形状に復帰し、信号光３１０は再び信号チャネル３０２を通過することができる。
【０１０４】
上で説明したように、活性化光３１２に応答して圧電素子３０４、３０５、３０６が活性化されることによって圧電素子３０４、３０５、３０６の形状が変化し、それにより信号チャネル３０２の少なくとも１つの寸法が変化する。図１５Ａは、圧電素子３０５が非活性状態にある場合の図１４Ａの信号チャネル３０２及び圧電素子３０５の横断面図である。図１５Ｂは、圧電素子３０５が活性状態にある場合の図１４Ｂの信号チャネル３０２及び圧電素子３０５の横断面図である。活性状態では、圧電素子３０５は信号チャネル３０２の中へ伸長し、信号チャネル３０２の少なくとも１つの寸法が短くなる。図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、信号チャネル３０２の断面積は、非活性状態にある場合（図１５Ａ）よりも活性状態にある場合（図１５Ｂ）の方が小さい。
【０１０５】
図１４Ａ〜図１５Ｂの実施形態から分かるように、圧電素子３０４、３０５、３０６が活性状態にあっても、信号チャネル３０２には依然として開口が存在する。圧電素子３０４、３０５、３０６が活性状態にあっても信号チャネル３０２には依然として開口が存在しているが、信号チャネル３０２内の開口は十分に小さく、したがって信号光３１０は信号チャネル３０２の通過が阻止される。信号光３１０が信号チャネル３０２を通過する能力は、信号チャネル３０２の寸法及び信号光３１０の波長の関数である。通常、長い波長を有する光よりも短い波長を有する光の方が、短い寸法を有する信号チャネル３０２を通過することができる。
【０１０６】
次に図１６Ａを参照すると、信号チャネル４０２及び複数の圧電素子を備えた光スイッチ４００が示されている。複数の圧電素子は、信号チャネル４０２の長さに沿って一様でない間隔を隔てていることが好ましい。図示されている実施形態では、４つの概ね円柱状の圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７が、信号チャネル４０２の長さに沿って、一様でない間隔で分散配置される。圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７の形状は活性化光によって制御される。信号チャネル４０２は、規定された経路に沿う制限された領域内における光の伝達を誘導する。信号チャネルは、光誘導構造によって、又は規定された経路に沿う制限された領域内で光を誘導することができる複数の構造の組合せによって形成される。信号チャネルを形成することができる構造には、例えば、光ファイバ、ニオブ酸リチウムなどの基板があり、或いは信号チャネル、光導波路、及び圧縮性材料を保持するためのチャンバを備えた他の透明な圧電材料がある。図１６Ａの実施形態の場合、信号チャネル４０２は、モノリシック光誘導素子によって形成されることが好ましい。
【０１０７】
圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７は圧電材料で形成されることが好ましい。圧電素子を形成するために使用することができる圧電材料の例には、石英（ＳｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）及びジルコン酸チタン酸鉛などの結晶性圧電材料がある。磁界中で配向されることができる圧電材料の例は、ジルコン酸鉛及びチタン酸鉛又はジルコン酸チタン酸鉛である。石英及びニオブ酸リチウムは透明な圧電材料の例である。
【０１０８】
圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７は、それぞれ、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層４０８、４０９を備えていることが好ましい。異なる層の異なる圧電特性には、例えば、１）同じ電界に応答する異なる度合の膨張及び／又は収縮、２）同じ電界に対する異なる応答（例えば、複数の層のうちの１つが第１の配向を有する電界に応答して膨張し、他の層が第１の配向に対して直角の第２の配向を有する電界に応答して膨張する）、３）異なる極性、４）異なる歪み、５）異なるヒステリシス、６）異なるキャパシタンス、７）異なるインピーダンス、８）異なる抵抗率、９）異なる熱履歴及び１０）異なる電磁履歴を含むことができる。
【０１０９】
次に、図１６Ａに示されている光スイッチ４００の動作について、更に図１６Ｂを参照して説明する。図１６Ａには非活性状態の圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７が示されている。非活性状態では、圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７の形状はその通常の状態から変化していない。圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１６Ａの実施形態の場合、圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７は、非活性状態では基本的に平らである。圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７のこの平らな形状は、信号チャネル４０２に入る信号光４１０及び信号チャネル４０２から出る信号光４１０によって示すように、信号光４１０の信号チャネル４０２の通過を許容する。
【０１１０】
図１６Ｂは、圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７に活性化光４１２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７を示している。図１６Ｂの実施形態の場合、活性化光４１２は、活性化光４１２を信号光４１０と平行に信号チャネル４０２に導くことによって圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７に印加される。活性化光４１２によって、圧電材料に影響を及ぼす電界が供給される。活性状態では、圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７の形状が十分に変化し、信号光４１０の信号チャネル４０２の通過が阻止される。信号光４１０の遮断は、信号チャネル４０２から出射する信号光４１０が無いことによって示されている。活性化光４１２が信号チャネル４０２から除去されると、圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７は通常の形状に復帰し、信号光４１０は再び信号チャネル４０２を通過することができる。
【０１１１】
上で説明したように、活性化光４１２に応答して圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７が活性化することによって圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７の形状が変化し、それにより信号チャネル４０２の少なくとも１つの寸法が変化する。図１７Ａは、圧電素子４０６が非活性状態にある場合の図１６Ａの信号チャネル４０２及び圧電素子４０６の横断面図である。図１７Ｂは、圧電素子４０６が活性状態にある場合の図１６Ｂの信号チャネル４０２及び圧電素子４０６の横断面図である。活性状態では、圧電素子４０６は信号チャネル４０２の中へ伸長し、信号チャネル４０２の少なくとも１つの寸法が短くなる。図１７Ａ及び１７Ｂに示すように、信号チャネル４０２の断面積は、非活性状態にある場合（図１７Ａ）よりも活性状態にある場合（図１７Ｂ）の方が小さい。
【０１１２】
図１６Ａ〜図１７Ｂの実施形態から分かるように、圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７が活性状態にあっても、信号チャネル４０２には依然として開口が存在する。圧電素子４０４、４０５、４０６、４０７が活性状態にあっても信号チャネル４０２には依然として開口が存在しているが、信号チャネル４０２内の隙間は十分に小さいので、信号光４１０は信号チャネル４０２の通過が阻止される。信号光４１０が信号チャネル４０２を通過する能力は、信号チャネル４０２の寸法及び信号光４１０の波長の関数である。通常、長い波長を有する光よりも短い波長を有する光の方が、短い寸法を有する信号チャネルを通過することができる。
【０１１３】
次に図１８Ａを参照すると、信号チャネル５０２及び複数の圧電素子を備えた光スイッチ５００が示されている。複数の圧電素子は、信号チャネル５０２の長さに沿って一様でない間隔を隔てていることが好ましい。図示されている実施形態では、３つの概ね楕円柱状の圧電素子５０４、５０５、５０６が、信号チャネル５０２の長さに沿って、一様でない間隔で分散配置されている。圧電素子５０４、５０５、５０６の形状は活性化光によって制御される。信号チャネル５０２は、規定された経路に沿う制限された領域内における光の伝達を誘導する。信号チャネル５０２は、光誘導構造によって、又は規定された経路に沿う制限された領域内で光を誘導することができる複数の構造の組合せによって形成される。信号チャネルを形成することができる構造には、例えば、光ファイバ、ニオブ酸リチウムなどの基板があり、或いは信号チャネル、光導波路、及び圧縮性材料を保持するためのチャンバを備えた他の透明な圧電材料がある。図１８Ａの実施形態の場合、信号チャネル５０２は、モノリシック光誘導素子によって形成されることが好ましい。
【０１１４】
圧電素子５０４、５０５、５０６は圧電材料で形成されることが好ましい。圧電素子を形成するために使用することができる圧電材料の例には、石英（ＳｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）及びジルコン酸チタン酸鉛などの結晶性圧電材料がある。磁界中で配向されることができる圧電材料の例は、ジルコン酸鉛及びチタン酸鉛又はジルコン酸チタン酸鉛である。石英及びニオブ酸リチウムは透明な圧電材料の例である。
【０１１５】
圧電素子５０４、５０５、５０６は、それぞれ、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層５０７、５０８を備えることが好ましい。異なる層５０７、５０８の異なる圧電特性には、例えば、１）同じ電界に応答する異なる度合の膨張及び／又は収縮、２）同じ電界に対する異なる応答（例えば、複数の層のうちの１つが第１の配向を有する電界に応答して膨張し、他の層が第１の配向に対して直角の第２の配向を有する電界に応答して膨張する）、３）異なる極性、４）異なる歪み、５）異なるヒステリシス、６）異なるキャパシタンス、７）異なるインピーダンス、８）異なる抵抗率、９）異なる熱履歴及び１０）異なる電磁履歴を含むことができる。
【０１１６】
圧電材料の圧電特性は、例えば、１）圧電材料の型式、２）圧電材料の結晶配向、３）圧電材料中のドーピングレベル、４）圧電材料の密度、５）圧電材料のボイド密度、６）圧電材料の化学組成、７）圧電材料の熱履歴及び８）圧電材料の電磁履歴の関数である。圧電材料の個々の層の所望の圧電特性は、例えば、上に挙げたパラメータのうちの１つ又は複数を操作することによって達成することができる。
【０１１７】
同じ電界に応答して膨張及び／又は収縮する度合が異なる圧電材料の層が圧電素子に一体化され、それにより活性化光に応答して圧電素子の形状を変化させ又は湾曲させることが好ましい。例えば、互いに付着されて１つのモノリシック素子を形成している圧電素子の２つの隣接する層が、同じ活性化光に応答して異なる量だけ膨張すると、その圧電素子は湾曲することになる。一つの実施形態では、圧電素子は、モノリシック素子として形成された、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備えている。例えば、圧電素子は、半導体処理技法、例えば結晶成長、蒸着、スパッタリング、イオン注入等々を使用して圧電材料の層を互いに積み重ねることによって形成される。一つの実施形態では、圧電素子の層は異なる結晶配向を有しており、したがって２つの層は、同じ電界に対して別様に応答する。例えば２つの層は互いに直角の結晶配向を有する。他の実施形態では、圧電素子の複数の層のうちの少なくとも１つは有機材料でできている。
【０１１８】
異なる圧電特性を有する圧電材料の層を備えた圧電素子を使用することにより、オン／オフのスイッチングを最適化するように圧電素子の応答を選択することができる。例えば、層の圧電特性は、１）活性化光に応答した圧電素子の形状変化が最大化されるように、２）ヒステリシスが最小化されるように、３）圧電素子の形状を変化させるために必要な電力量が低減されるように、及び４）スイッチング技法によって生成される熱量が低減されるように選択されることができる。
【０１１９】
次に、図１８Ａに示す光スイッチ５００の動作について、更に図１８Ｂを参照して説明する。図１８Ａには非活性状態の圧電素子５０４、５０５、５０６が示されている。非活性状態では、圧電素子５０４、５０５、５０６の形状はその通常の状態から変化していない。圧電素子５０４、５０５、５０６の通常の状態とは、活性化光が存在していない場合の圧電素子の状態のことである。図１８Ａの実施形態の場合、圧電素子５０４、５０５、５０６は、非活性状態では基本的に平らである。圧電素子５０４、５０５、５０６のこの平らな形状は、信号チャネル５０２に入る信号光５１０及び信号チャネル５０２から出る信号光５１０によって示すように、信号光５１０の信号チャネル５０２の通過を許容する。
【０１２０】
図１８Ｂには、圧電素子５０４、５０５、５０６に活性化光５１２を印加することによって得られる活性状態の圧電素子５０４、５０５、５０６が示されている。図１８Ｂの実施形態の場合、活性化光５１２は、活性化光５１２を信号光５１０と平行に信号チャネル５０２に導くことによって圧電素子５０４、５０５、５０６に印加される。この活性化光５１２によって、圧電材料に影響を及ぼす電界が供給される。活性状態では、圧電素子５０４、５０５、５０６の形状が十分に変化し、信号光５１０の信号チャネル５０２の通過が阻止される。信号光５１０の遮断は、信号チャネル５０２から出射する信号光５１０を欠くことによって示されている。活性化光５１２が信号チャネル５０２から除去されると、圧電素子５０４、５０５、５０６は通常の形状に復帰し、信号光５１０は再び信号チャネル５０２を通過することができる。
【０１２１】
上で説明したように、活性化光５１２に応答して圧電素子５０４、５０５、５０６が活性化することによって、圧電素子５０４、５０５、５０６の形状が変化し、それにより信号チャネル５０２の少なくとも１つの寸法が変化する。図１９Ａは、圧電素子５０５が非活性状態にある場合の図１８Ａの信号チャネル５０２及び圧電素子５０５の横断面図である。図１９Ｂは、圧電素子５０５が活性状態にある場合の図１８Ｂの信号チャネル５０２及び圧電素子５０５の横断面図である。活性状態では、圧電素子５０５は信号チャネル５０２の中へ伸長し、信号チャネル５０２の少なくとも１つの寸法が短くなる。図１９Ａ及び１９Ｂに示すように、信号チャネル５０２の断面積は、非活性状態にある場合（図１９Ａ）よりも活性状態にある場合（図１９Ｂ）の方が小さい。
【０１２２】
図１８Ａ〜図１９Ｂの実施形態から分かるように、圧電素子５０４、５０５、５０６が活性状態にあっても、信号チャネル５０２には依然として開口が存在する。圧電素子５０４、５０５、５０６が活性状態にあっても信号チャネル５０２には依然として開口が存在するが、信号チャネル５０２内の開口は十分に小さいので、信号光５１０は信号チャネル５０２の通過が阻止される。信号光５１０が信号チャネル５０２を通過する能力は、信号チャネル５０２の寸法及び信号光５１０の波長の関数である。通常、長い波長を有する光よりも短い波長を有する光の方が、短い寸法を有する信号チャネルを通過することができる。
【０１２３】
理解されるように、３つの論理ゲートを使用して全てのコンピュータ論理を実行することができる。これらの論理ゲートは、アンド論理ゲート、オア論理ゲート及びノア論理ゲートである。これらの論理ゲートは、真理値表を使用して説明されている特定の方法でディジタル信号を処理する。真理値表は、特定の信号がゲートに入力された場合にゲートから出力される信号を与える。
【０１２４】
【表１】
2015118380.tif 000004
【０１２５】
表１は、論理アンドゲートのための真理値表である。Ａ入力列及びＢ入力列の１は、ディジタル信号パルスがゲートに入力されることを表している。これらの入力は、Ａ入力又はＢ入力に入力することができる。Ａ入力及びＢ入力の両方に入力信号が出現した場合にのみ、アンドゲートの結果としてパルスが出力される。
【０１２６】
【表２】
2015118380.tif 000005
【０１２７】
表２は、論理オアゲートのための真理値表である。Ａ入力及びＢ入力のいずれか一方又は両方に入力信号が出現した場合に、オアゲートの結果としてパルスが出力される。
【０１２８】
【表３】
2015118380.tif 000006
【０１２９】
表３は、論理ノアゲートのための真理値表である。Ａ入力及びＢ入力のいずれの入力にも入力信号が出現しない場合にのみ、ノアゲートの結果としてパルスが出力される。ノアゲートはノットゲートをその出力部に備えたオアゲートとして説明されることが多い。論理ノットゲートは、信号を受け取って、受け取った信号を反転信号に変換する。入力信号が存在している場合は信号は出力されず、入力信号が存在していない場合に信号が出力される。
【０１３０】
現在のコンピュータ回路では、３つのトランジスタを使用して電気ディジタル信号のための論理アンドゲート又は論理オアゲートを構成することができる。また、現在のコンピュータ回路では、４つのトランジスタを使用して論理ノアゲートを構築することも可能である。トランジスタは、１０Ｅ−９秒でスイッチングする。これは、コンピュータを機能させることができる速度を決定する。現在のコンピュータは、光信号の流れではなく、電子ディジタル信号の流れの上で機能する。光信号は、光信号又はフォトニック信号とも呼ばれる。
【０１３１】
本発明は、電気信号即ちトランジスタ回路によって駆動されるのではなく、光によって駆動される、ファイバ光スイッチに基づくアンド論理ゲート、オア論理ゲート及びノア論理ゲートを備える。これらのゲートは電池を必要とせず、適切なスイッチを選択することにより、ゲートのサイズを半導体サイズの制約に見合うだけの十分に小さいサイズにすることができる。参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７０７２５３６号に、光活性型光スイッチの一例が開示されている。光活性型光スイッチの一例が挙げられているが、論理ゲートは、他のタイプの光駆動型光スイッチを使用して形成することができる。
【０１３２】
本発明の一つの実施形態では、論理のためのディジタル情報を運んでいる光は、現在の光ファイバチャネルに広く使用されている１５００ｎｍ波長信号である。この信号は、入力信号の周波数を２倍にすることができる周期分極型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶を使用して７５０ｎｍの信号に変化させることができる。周波数を２倍にすることによって信号の波長が元の波長の半分になる。このＰＰＬＮの場合のような半分の波長への変化は単なる一例にすぎない。他の波長及び手段を使用することも可能である。
【０１３３】
また、異なる構成のＰＰＬＮ結晶を使用して、７５０ｎｍの光から１５００ｎｍ波長の光を生成することも可能である。通常、ＰＰＬＮ素子は、特定の波長に対してのみ機能し、他の周波数と同時には機能しない。これらの変換の間に光出力が失われるが、光増幅器を使用して信号をブーストし、必要なレベルまで戻すことができる。本開示の場合、必要な光出力ブーストは、周波数２倍化機能の中に含まれている。
【０１３４】
光は、１８０度位相が外れた光と共に光ファイバチャネル内に存在することができ、したがって、光の電界は出現しない。光に対して１８０度位相が外れた光は、その光の光出力を相殺する。
【０１３５】
次に、光ファイバシステムのための論理ノットゲート６００の概略図である図２０を参照する。図２０では、光ファイバなどの光チャネル６０１は、論理ゲート６００に必要な１５００ｎｍの信号を提供する。光ファイバなどの光チャネル６０３は、論理ノットゲート６００によって変化させることができる１５００ｎｍの信号を提供する。波長低減器６０５は、入力信号の周波数を２倍にし、したがって入力信号を７５０ｎｍの信号に変換することができる。波長低減器６０５には、周波数変換が達成された後の信号を有用なものにするための準備に必要なあらゆる光増幅機能が組み込まれている。光チャネル６０１は、波長低減器６０５の出力に結合され、光スイッチ６０７に入る。光スイッチ６０７は、上で説明した光活性型光スイッチである。光スイッチ６０７は、７５０ｎｍの信号が波長低減器６０５から出力されるまでの間、１５００ｎｍの信号を出力することができる。７５０ｎｍの信号が波長低減器６０５から出力されると、光スイッチ６０７から信号は出力されない。光チャネル６０９は、論理ノットゲート６００からの出力信号を提供する。出力信号が提供されるのは、光チャネル６０３上に信号が入力されていない場合のみであり、したがって論理ノットゲートが提供される。
【０１３６】
次に、論理アンドゲート６１０の概略図である図２１を参照する。光ファイバなどの光チャネル６１１は、スイッチ６１２を駆動するために、周波数が高い波長信号を光スイッチ６１２に供給する。光チャネル６１１は他の光ファイバチャネルに結合され、光チャネル６１１内の光の位相が、位相整合器６１６によって、光チャネル６１４に沿って論理アンドゲート６１０に提供される第１の論理入力に入る光に整合された後、光スイッチ６１２に入る。光チャネル６１４は分割され、光の半分が、光スイッチ６１２への入力を提供するよう波長低減器６１８に入り、次に位相整合器６１６に入った後、他の光チャネルに結合される。光チャネル６１４内の光の残りの半分は、光スイッチ６１２に直接入力される。
【０１３７】
第２の論理入力は、光チャネル６２０に沿って論理アンドゲート６１０に提供される。光チャネル６２０は分割され、光の半分が、光スイッチ６１２への入力を提供するよう波長低減器６２２に入り、次に位相整合器６２４に入った後、他の光チャネルに結合される。光チャネル６１４内の光の残りの半分は、光スイッチ６１２に直接入力される。
【０１３８】
光チャネル６２６は他の光ファイバチャネルに結合され、光チャネル６２６内の光の位相が位相整合器６２４によって光チャネル６２０上の第２の論理入力の光に整合された後、光スイッチ６１２に入力を提供する。論理アンドゲート６１０の出力は光チャネル６２８に沿って提供され、表１に示すアンド機能が提供される。
【０１３９】
光移相器６２９は、光チャネル６１４、６２０からの入力を互いに１８０度だけ位相外れにするように設けられる。したがって光が光チャネル６１４、６２０に沿って入力されている場合、光スイッチ６１２は開であり、出力信号が提供される。また、チャネル６１４、６２０のうちの一方にのみ光が入力されている場合、光スイッチ６１２は閉であり、出力信号は提供されない。チャネル６１４、６２０のいずれにも光入力が存在していない場合、出力信号は提供されないことは理解されるとおりである。
【０１４０】
こうして、本発明は、第１及び第２のデータ入力に入るディジタル信号光が２つのチャネルに分割され、そのうちの一方のチャネルでは波長が短縮され、位相がスイッチ活性化信号に整合される論理アンドゲートを提供する。更に、短縮された波長信号に位相整合された活性化光が光スイッチに入り、両方の入力にデータ信号を受け取った場合にのみ開いてゲートからデータ信号を出力し、それによって論理アンドゲートの要件を満足する論理アンドゲートが提供される。
【０１４１】
次に、ディジタル光信号データを処理するために２つの光活性型光スイッチ６３２、６３４を使用した論理アンドゲート６３０の概略図である図２２を参照する。１５００ｎｍの光である第１の論理入力信号が光チャネル６３６に沿って論理アンドゲート６３０に提供され、１５００ｎｍの光である第２の論理入力信号が光チャネル６３８に沿って論理アンドゲート６３０に提供される。光ファイバなどの第１の光チャネル６４０は、１５００ｎｍの光の駆動信号を光スイッチ６３２に供給し、また、第２の光チャネル６４２は、１５００ｎｍの光の駆動信号を光スイッチ６３４に供給する。
【０１４２】
第１及び第２の波長低減器６４２、６４６は、１５００ｎｍの光が７５０ｎｍの光になるよう、１５００ｎｍの光の周波数を２倍にする。周波数が２倍にされた後、光活性型光スイッチを活性化させるために必要なレベルまで光出力がブーストされる。光スイッチは、１５０ミリワットの活性化光出力で活性化されるように設計される。波長低減器６４２、６４６によって光チャネル６４７に沿って出力されるディジタル光信号の半分は、光吸収器６４８に提供される。波長低減器６４２、６４６から出力される光信号の残りの半分は、論理アンドゲート６３０を動作させるために必要な光チャネル６４０上の光信号入力に結合される。光スイッチ６３２は、光スイッチ６３２を閉じるだけの十分な強さの７５０ｎｍの信号が光チャネル６５０に入力されるまでの間、光チャネル６４０上の１５００ｎｍの信号を通過させることができる。これは、１５００ｎｍの信号が光チャネル６３６、６３８上のゲートに入ると生じる。光チャネル６５２は、スイッチ６３２の出力信号を波長低減器６５４に提供する。波長低減器６５４は、光スイッチ６３２によって出力される光チャネル６５２に沿った１５００ｎｍの信号の周波数を２倍にする。
【０１４３】
光チャネル６４２は、１５００ｎｍの信号を論理アンドゲート６３０に提供し、その１５００ｎｍの信号を波長低減器６５４の出力に結合する。光スイッチ６３４は、光スイッチ６３２から波長低減器６５４を介して信号が出力されていない限り、光チャネル６４２からの１５００ｎｍの信号をスイッチから出射させることができる。
【０１４４】
光チャネル６３６、６３８のうちのいずれか一方に入る信号しか存在しない場合、光スイッチ６３２に入力される７５０ｎｍの信号は、スイッチ６３２を閉じて光チャネル６４０からの１５００ｎｍの光の流れを遮断するには十分ではない。光チャネル６３６、６３８に信号が提供されると、信号は、光チャネル６４０からの１５００ｎｍの信号をオターンフするには十分である。光チャネル６４０からの信号がスイッチ６３２から出力されている限り、光スイッチ６３４から提供される信号は存在しない。
【０１４５】
光チャネル６３６、６３８に１５００ｎｍの信号が提供されている場合にのみ、光チャネル６４０からのソース光が光スイッチ６３２によってターンオフされ、また、その場合にのみ、光チャネル６４２によって提供される入力がスイッチ６３４から出力されるので、論理アンドゲートが提供され、１５００ｎｍの信号が光チャネル６３６、６３８に提供されている場合にのみ、１５００ｎｍの光が出力される。この論理アンドゲートは、表１に示すように動作する。
【０１４６】
半分の波長への変化は、単に一例として示したものにすぎないことは理解されよう。他の波長及び手段を使用することも可能である。
【０１４７】
したがって、本発明は、光スイッチを活性化させるための光を提供するために、２つの入力信号の波長が直ちに短縮されて分割される論理アンドゲートを提供する。また、第２の光スイッチに供給されるデータ波長信号を送信するゲートの両方の入力にデータ信号が入力されると、波長が短縮された光によってスイッチが駆動される論理アンドゲートが提供される。出力信号の波長は、２つの入力がゲートの２つのデータポートに入った場合にのみ論理アンドゲートからデータ信号が出力されることを保証し、それによって論理アンドゲートの要件を満足する、第２の光スイッチのための駆動信号になるように増大される。
【０１４８】
次に、論理オアゲート７００の概略図である図２３を参照する。１５００ｎｍの光である第１の論理入力信号が光チャネル７０２に沿って論理オアゲート７００に提供され、１５００ｎｍの光である第２の論理入力信号が光チャネル７０４に沿って論理アンドゲート７００に提供される。光チャネル７０６は、光スイッチ７０８に供給される７５０ｎｍの光を提供する。光スイッチ７０８は閉じた状態を維持することができ、光チャネル７０６からの７５０ｎｍの信号が相殺されない限りは、１５００ｎｍの出力信号は提供されない。
【０１４９】
第１及び第２の波長低減器７１０、７１２は、光チャネル７０２、７０４に沿って提供される１５００ｎｍの信号が７５０ｎｍの信号になるよう、それらの信号の周波数を２倍にする。周波数の変化によって失われる光出力は、デバイスの中に統合されている光増幅器によってブーストされ、再び有用なレベルになる。
【０１５０】
光チャネル７１４は、波長低減器７１０から出力される７５０ｎｍの信号を位相整合器７１６へ運ぶ。位相整合器７１６は、光チャネル７１４に沿う７５０ｎｍの信号の位相を光チャネル７０６に沿う７５０ｎｍの光のソース信号の位相と同相にする。
【０１５１】
光チャネル７１８は、波長低減器７１２からの出力を位相整合器７２０に提供する。位相整合器７２０は、光チャネル７１８に沿う信号の位相を光チャネル７０６に沿う７５０ｎｍの光のソース信号の位相と同相にする。
【０１５２】
光チャネル７２２、７２４は、位相整合器部１６、７２０からの光のうちの半分をそれぞれ光吸収器７２６、７２８に提供する。光移相器７３０は、光チャネル７０２、７０４からの信号を特別に位相整合された光チャネル７０６に沿う光に対して１８０度位相外れにする１／２波長経路である。これらの光が光チャネル７０６に沿う光と混合されると、その半分が相殺されることになる。
【０１５３】
光チャネル７３２は、位相整合器７２０からの７５０ｎｍのソース光を運び、それを光移相器７３０及び光チャネル７４０からの信号に結合する。光チャネル７４０は、光チャネル７０６から入る十分な光出力の信号がスイッチ７０８を遮断するまでの間、スイッチ７０８から流出する１５００ｎｍの光のソースである。信号は、スイッチ７０８から光チャネル７４２に沿って出力され、したがって論理オアゲートが提供される。
【０１５４】
光チャネル７０６からの７５０ｎｍの光のソースがスイッチ７０８に供給されている限り、光チャネル７４０からの１５００ｎｍの光のソースからの信号が論理オアゲートから出射することはないが、光チャネル７０２、７０４のうちのいずれかに信号が入ると、光チャネル７０６からの光はその光出力が半分に相殺され、１５００ｎｍの信号が論理オアゲートから現れる。
【０１５５】
更に、光チャネル７０２、７０４に信号が提供されると、一体となって十分な光出力になり、光チャネル７０６からの７５０ｎｍの光のソースを全面的に相殺し、その結果、論理オアゲート７００によって出力信号が提供される。
【０１５６】
最後のパラグラフは、本明細書において開示されている論理オアゲートがいかにして表２に示されている論理オアゲート真理値表の要件を満足しているかを説明している。信号が光チャネル７０２、７０４の一方又は両方に沿って提供されると、論理オアゲート７００から１５００ｎｍの信号が出現する。
【０１５７】
図２３で説明した論理オアゲートの出力部に図２０で説明した論理ノットゲートを提供することにより、表３に示す真理値表として機能する論理ノアゲートが構成される。
【０１５８】
次に、代替の論理オアゲート８００の概略図である図２４を参照する。伝送路８０２、８０４は、ゲートに入る光ディジタル信号Ａ及びＢを提供する光チャネル即ちファイバである。これらの信号は１５００ｎｍの光信号である。伝送路８０６、８０７は、論理オアゲートの機能のための１５００ｎｍの光のソースである。
【０１５９】
波長低減器８０８、８１０は周波数２倍器であるが、周波数を２倍にしているだけでなく、その後に、光活性型光スイッチを活性化させることができるレベルまで光の光出力をブーストする。伝送路８１２は、波長低減器８０８、８１０から信号Ａ、Ｂを運び、伝送路８０６からの信号と結合し、これらのすべてを光出力制限器８１４に運ぶ光チャネルすなわちファイバのネットワークである。
【０１６０】
光出力制限器８１４は、特定の最大レベル未満の光出力レベルの通過を許容する。８１８の番号が振られた伝送路は、光出力制限器８１４からスイッチ８１６へ、また、スイッチ８１６から波長低減器８２０へ信号を運ぶ光チャネル即ちファイバである。スイッチ８１６は光活性型光スイッチである。波長低減器８２０は、スイッチ８１６から出現する信号の周波数を２倍にする。
【０１６１】
スイッチ８３０は光活性型光スイッチである。伝送路８０７は、波長低減器８２０の出力と結合するための１５００ｎｍの信号を提供してスイッチ８３０に運ぶ光チャネル即ちファイバである。波長低減器８２０からの信号が存在している限り、スイッチ８３０から信号は出現しない。
【０１６２】
伝送路８０２から１５００ｎｍの信号（Ａ信号）が入ると、その信号は低減器８０８の中で７５０ｎｍの光に変換され、そのままの状態で光出力制限器８１４を通過し、スイッチ８１６内で伝送路８０６からの１５００ｎｍの信号をターンオフする。したがって伝送路８０７からの信号をターンオフする信号が存在しないため、オアゲートは信号を出力する。伝送路８０４から信号（Ｂ信号）が入力され、低減器８１０（周波数を２倍にする）及び光出力制限器８１４を通過してスイッチ８１６に到達すると、スイッチ８３０をターンオフするための８０６からの信号は存在しない。したがって伝送路８０７からの信号は、スイッチ８３０を通ってゲートから出ることができる。
【０１６３】
伝送路８０２、８０４から信号が入力されると、伝送路８０６からの信号をスイッチ８１６において遮断するための適切な信号にするために、低減器８０８、８１０の二つの出力が制限器８１４によって制限される。したがって伝送路８０７からの信号は、論理オアゲートから出ることができる。信号がＡとＢのいずれか又は両方に入力されると、論理オアゲートから１５００ｎｍの信号が出現する。これは、論理オアゲートの機能を記述する表２に示す真理値表として機能する。
【０１６４】
オア機能を提供する論理ゲートであって、少なくとも１つの光スイッチが第１及び第２の光スイッチを備え、信号光が活性化光の波長より長い波長を有する論理ゲートは、信号光入力を受け取る第１及び第２の論理入力と、第１の光入力に沿う光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、第２の光入力に沿う光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、第１及び第２の波長修正器からの波長修正された光を供給する第１及び第２の光通路と、第１の波長修正器及び第２の波長修正器から対応する第１及び第２の光通路を介して光を受け取って第１及び第２の光通路からの光出力を所定の光出力レベルに維持するように動作する光出力制限器と、光出力制限器からの光出力制限された光を第１の光スイッチに供給する第３の光通路と、第１の光スイッチから信号光を受け取り、受け取った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第３の波長修正器と、第３の波長修正器からの光を第２の光スイッチに供給する第４の光通路とを備える。
【０１６５】
次にと、論理オアゲート９００の概略図である図２５を参照する。光チャネル９０２は、論理ゲート９００に第１の入力を提供する。光チャネルは、論理ゲートに光信号を運ぶ光ファイバチャネルであり、論理ゲートで半分に分割される。光のうちの半分は、９０５の番号が振られた周波数増大デバイスに入力される。この光は、周波数増大デバイス９０５から、９０６の番号が振られた１／２波長経路へ引き渡され、９０５からの光は周波数増大デバイス９０８からの光に対して位相外れにされ、周波数増大デバイス９０８からの光と出会う。１／２波長経路９０６からの光は、次に、論理ゲートの光と結合されて光スイッチ９１０に入る。論理入力Ａである伝送路９０２からの光の残りの半分は、論理ゲートの他の光に結合されて光スイッチ９１０に入る。伝送路９０４は論理ゲートへの入力Ｂである。伝送路９０４は、論理ゲートに光信号を運ぶ光ファイバチャネルであり、論理ゲートで半分に分割される。光のうちの半分は、９０８の番号が振られた周波数増大デバイスに入力される。９０８の番号が振られた周波数増大デバイスからの光は、次に、論理ゲート内の他の光と結合され、９１０の番号が振られた光スイッチに入る。伝送路９０４からの光の残りの半分は、論理デバイスの他の光に結合されて光スイッチ９１０に入る。伝送路９１２は論理オアデバイスの出力である。
【０１６６】
オア機能を提供する論理ゲートであって、少なくとも１つの光スイッチが単一の光スイッチを備え、信号光が活性化光の波長より長い波長を有する論理ゲートは、信号光を受け取る第１及び第２の論理入力と、第１の論理入力で受け取った信号光の第１の部分を受け取る第１の光通路と、第１の論理入力で受け取った信号光の第２の部分を受け取る第２の光通路と、第２の論理入力で受け取った信号光の第１の部分を受け取る第３の光通路と、第２の論理入力で受け取った信号光の第２の部分を受け取る第４の光通路と、第２の光通路に沿った光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第１の波長修正器と、第４の光通路に沿う光の波長を活性化光の波長まで短くするように動作する第２の波長修正器と、第１の波長修正器からの波長修正光を第２の波長修正器からの光に対して１８０度だけ位相外れにするように動作する光移相器とを備えており、光スイッチは、第１及び第３の光通路、第２の波長修正器及び光移相器から光を受け取る。
【０１６７】
表３に示す真理値表として機能する論理ノアゲートは、図２４又は図２５の論理オアゲートの出力に図２０の論理ノットゲートを配置することによって構築される。光活性型光スイッチを利用した論理ゲートの幾つかの実施例を説明しているが、光活性型光スイッチを使用して、アンド論理ゲート、オア論理ゲート、ノア論理ゲート及びノット論理ゲートの他の実施形態を作ることも可能である。
【０１６８】
当業者には理解されるところであるが、本発明は、図に示し上で説明した内容に限定されない。本発明は、上で説明した様々な特徴や、以上の説明を読むことによって当業者に可能な、従来技術には存在しない変更態様のコンビネーション及びサブコンビネーションを包含する。
【図１Ａ】
2015118380.tif 000007
【図１Ｂ】
2015118380.tif 000008
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2015118380.tif 000013
【図５Ａ】
2015118380.tif 000014
【図５Ｂ】
2015118380.tif 000015
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
2015118380.tif 000018
【図８】
2015118380.tif 000019
【図９】
2015118380.tif 000020
【図１０Ａ】
2015118380.tif 000021
【図１０Ｂ】
2015118380.tif 000022
【図１０Ｃ】
2015118380.tif 000023
【図１０Ｄ】
2015118380.tif 000024
【図１０Ｅ】
2015118380.tif 000025
【図１１Ａ】
2015118380.tif 000026
【図１１Ｂ】
2015118380.tif 000027
【図１２Ａ】
2015118380.tif 000028
【図１２Ｂ】
2015118380.tif 000029
【図１３Ａ】
2015118380.tif 000030
【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
2015118380.tif 000032
【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
2015118380.tif 000034
【図１５Ｂ】
2015118380.tif 000035
【図１６Ａ】
2015118380.tif 000036
【図１６Ｂ】
2015118380.tif 000037
【図１７Ａ】
2015118380.tif 000038
【図１７Ｂ】
2015118380.tif 000039
【図１８Ａ】
2015118380.tif 000040
【図１８Ｂ】
2015118380.tif 000041
【図１９Ａ】
2015118380.tif 000042
【図１９Ｂ】
2015118380.tif 000043
【図２０】
2015118380.tif 000044
【図２１】
2015118380.tif 000045
【図２２】
2015118380.tif 000046
【図２３】
2015118380.tif 000047
【図２４】
2015118380.tif 000048
【図２５】
2015118380.tif 000049
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月19日(2015.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変断面積を有する光通路と、
前記光通路に隣接する活性化光応答型圧電素子であって、前記光通路に入力されることで前記活性化光応答型圧電素子に影響を与える活性化光に応答してその形状が変化するように動作する活性化光応答型圧電素子と、
前記圧電素子の表面に設けられた、前記光通路を通過する光の電界の方向に垂直な導電層と
を備え、前記活性化光応答型圧電素子が前記光通路に関連付けられ、前記活性化光応答型圧電素子が、該圧電素子の形状の変化により前記光通路の前記可変断面積を十分に変化させ、前記光通路に沿った光の通過を制御するように動作する光スイッチ。
【請求項２】
前記光通路、前記圧電素子及び前記導電層が、第１の範囲の閾値レベル内の活性化光が前記圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の前記光通路の通過が阻止され、前記第１の範囲の閾値レベルの範囲外である第２の範囲の閾値レベル内の活性化光が前記圧電素子に影響を与えると、第１の範囲の波長の光の前記光通路の通過が許容されるように構成されて動作する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する圧電材料の少なくとも２つの層を備える、請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
信号光を誘導するように構成された信号チャネルと、
前記信号チャネルに隣接する圧電素子と、
前記圧電素子の表面に設けられた、前記信号チャネルを通過する光の電界の方向に垂直な導電層と
を備えた光スイッチであって、
前記信号チャネルに活性化光を入力することで前記圧電素子に活性化光を印加することによって前記信号チャネルを通る前記信号光の通過が制御される光スイッチ。
【請求項５】
前記圧電素子に前記活性化光を印加することによって、前記信号光が前記信号チャネルを通過することができないように前記圧電素子の形状を変化させる、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記信号チャネルが、圧縮性材料が充填されたチャンバを備える、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項７】
光スイッチを動作させるための方法であって、
光通路と、前記光通路に隣接した圧電素子と、該圧電素子の表面に設けられた、前記光通路を通過する光の電界の方向に垂直な少なくとも１つの導電層とを備える光スイッチに信号光を印加するステップと、
前記光通路に活性化光を入力することで前記圧電素子に活性化光を印加して前記光スイッチの状態を変化させるステップと
を含む方法。
【請求項８】
前記圧電素子に前記活性化光を印加するステップによって、前記信号光が前記光スイッチを通過できないように前記圧電素子の形状を変化させる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
光スイッチを動作させるための方法であって、
少なくとも１つの導電層が表面に設けられた圧電素子に隣接する信号チャネルに信号光を印加するステップであって、前記少なくとも１つの導電層は、前記信号チャネルを通過する光の電界の方向に垂直である、ステップと、
前記信号チャネルに活性化光を入力することで前記圧電素子に活性化光を印加して、前記信号光の前記信号チャネルの通過が阻止されるように前記圧電素子の形状を変化させるステップと
を含む方法。
【請求項１０】
前記圧電素子が、異なる圧電特性を有する少なくとも２つの層を備える、請求項９に記載の方法。
【外国語明細書】
2015118380000001.pdf