(57)【要約】      （修正有）【課題】高い切替効率と動作安定性が得られる光スイッチとその素子及びスイッチング方法を提供する。【解決手段】非線形光学薄膜１に信号光３と制御光４とを集光して入射させる集光手段を有し、制御光の照射による非線形光学薄膜の屈折率の変化によって信号光を透過光６又は反射光７に変化させて出力信号として取り出す。【選択図】  図１
2004177899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学薄膜に信号光と制御光とを集光して入射させる集光手段を有し、前記制御光の照射による前記非線形光学薄膜の屈折率の変化によって前記信号光を透過光及び反射光に変化させていずれか一方を出力信号として取り出すことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１において、該集光手段は前記非線形光学薄膜上で前記信号光が前記制御光によって覆われるように集光することを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記集光手段は、前記非線形光学薄膜表面で前記信号光スポットサイズが前記制御光スポットサイズのそれより小さく設定されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記信号光と制御光との合波光を同一光軸で前記非線形光学薄膜に入射し、前記制御光波長における屈折率より前記信号光波長における屈折率が大きい前記集光素子を前記非線形光学薄膜の手前に設け、前記制御光の焦点を前記非線形光学薄膜の入射側表面より後方で結ばせる設定としたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記信号光と制御光との合波光を同一光軸で前記非線形光学薄膜に入射し、前記制御光波長における屈折率より前記信号光波長における屈折率が小さい前記集光素子を前記非線形光学薄膜の手前に設け、前記制御光の焦点を前記非線形光学薄膜表面より前方で結ばせる設定としたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記信号光と制御光とを光ファイバーを経て前記集光手段を介して前記非線形光学薄膜に入射し、前記制御光を入力するファイバーのコア径が前記信号光を入力するファイバーのコア径より大きいことを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記信号光と制御光を異なる光軸で前記集光手段を介して前記非線形光学薄膜に斜入射させ、前記集光手段は、前記非線形光学薄膜の法線に対し前記制御光を前記信号光より大きな角度で入射するように配置したことを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記非線形光学薄膜の法線に対し前記制御光を前記集光手段を介して前記信号光より小さな角度で入射させ、前記非線形光学薄膜の膜厚を前記非線形光学薄膜表面上の前記制御光スポットの長軸径より小さくしたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、データを取り出す頻度が大きい出力先を前記透過光とすることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、前記非線形光学薄膜は、高屈折率透明材料間に設けられていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１１】
請求項１０において、前記信号光と制御光との合波光を同一光軸で前記集光手段を介して前記非線形光学薄膜に入射させ、前記集光手段が前記非線形光学薄膜に向かって次第に小径化する前記高屈折率透明材料内に設けられた導波路からなることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかにおいて、前記非線形光学薄膜の温度を検出する温度検出手段と、前記非線形光学薄膜を冷却する冷却手段とを有することを特徴とする光スイッチ。
【請求項１３】
非線形光学薄膜と、該非線形光学薄膜を挟んで両側に設けられた高屈折率透明材料と、該高屈折率透明材料の一方に設けられ前記非線形光学薄膜に信号光と制御光とを入射する入射口と、前記高屈折率透明材料の他方に設けられ前記制御光の照射により前記非線形光学薄膜の屈折率の変化によって前記信号光を透過光及び反射光による出力信号として取り出す出力口とを有することを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項１４】
請求項１３において、前記入射口は前記信号光と制御光とが前記高屈折率透明材料の入射面に対して垂直に入射させる集光手段を有し、前記反射光を出力する前記出力口が前記高屈折率透明材料の入射面側に設けられ、前記透過光を出力する前記出力口が前記高屈折率透明材料の他方側に設けられ、いずれの出力口も出力面に対して垂直に設けられ、平行光線で出力することを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項１５】
請求項１３又は１４において、前記入射口は、前記信号光と制御光とを前記非線形光学薄膜に斜入射させる位置に設けられていることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれかにおいて、前記高屈折率透明材料は、前記信号光と制御光とを異なる光軸で前記非線形光学薄膜に斜入射させる前記集光手段を有し、該集光手段を通して前記制御光が前記信号光より前記非線形光学薄膜の法線に対し大きな角度で入射させることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項１７】
請求項１３〜１５において、前記高屈折率透明材料は、前記非線形光学薄膜の法線に対し前記制御光を前記信号光より小さな角度で入射させる前記集光手段を有し、前記非線形光学薄膜の膜厚を前記制御光の非線形光学薄膜表面上のスポットの長軸径より小さくすることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項１８】
請求項１３〜１７のいずれかにおいて、前記高屈折率透明材料の一方に前記信号光と制御光とを前記非線形光学薄膜に入射させる光ファイバーが接続され、前記制御光を入力する光ファイバーのコア径が前記信号光を入力する光ファイバーのコア径より大きいことを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項１９】
非線形光学薄膜と、該非線形光学薄膜を挟んで両側に設けられた光学基板透明材料と、該光学基板透明材料の一方に設けられ前記非線形光学薄膜に信号光と制御光とを入射する入射口と、前記光学基板透明材料の他方に設けられ前記制御光の照射により前記非線形光学薄膜の屈折率の変化によって前記信号光を透過光及び反射光による出力信号として取り出す出力口とを有し、前記光学基板透明材料は、その一方に前記信号光と制御光との合波光を前記非線形光学薄膜に向かって次第に小径化する導波路と前記反射光を出力する導波路とが設けられ、その他方に前記透過光を出力する導波路が設けられていることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項２０】
請求項１３〜１９において、温度検出手段と、冷却手段とが前記高屈折率透明材料又は光学基板透明材料の積層面側の少なくとも一方側、又は、前記入射側及び出力側を除く側面に有することを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項２１】
非線形光学薄膜に信号光と制御光とを入射させ、前記制御光の入射による前記非線形光学薄膜の屈折率の変化により前記信号光の透過光及び反射光を出力として取出すことを特徴とする光スイッチング方法。
【請求項２２】
請求項２１において、前記非線形光学薄膜は、高屈折率透明材料間又は光学基板透明材料間に設けられ、前記信号光と制御光とを前記高屈折率透明材料又は光学基板透明材料の一方に入射させ、前記信号光の透過光を前記高屈折率透明材料又は光学基板透明材料の他方より出力として取出し、前記信号光の反射光を前記高屈折率透明材料又は光学基板透明材料の一方より出力として取出すことを特徴とする光スイッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子情報を含む信号光を制御光による非線型光学薄膜の励起現象を利用して、高速に光路を切り替え、光信号の切り替えを行う新規な光スイッチとその素子及び光スイッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス、２００１年８月１３日号
【特許文献１】特公平３−２４６５０号公報
【特許文献２】特開平８−８２８１１号公報
【特許文献３】特開２０００−３１４９０１号公報
【０００３】
情報化社会の発展により、大量の電子情報が光ファイバーネットワーク上で伝達され、相互接続されたネットワーク間で光信号をさばく「交差点」の働きをするスイッチング素子の高速応答化が求められている。従来は光信号を一旦電気信号に変換し、伝送先のネットワーク網に再び光信号に変換して送出する光−電気−光タイプのスイッチング素子が一般的であった。ただし、情報の処理量の増大ととも光電変換に要する部品コストや消費電力が大きくなることから、電気信号への変換を行わず、直接光信号の経路切替を行うことのできる光スイッチが注目されている。こうした光スイッチでは光学的機構による切替のためデータ伝送速度には依存しないため、電気スイッチでは応答が難しい１０Ｇビット／秒以上の伝送速度にも対応が容易になる。
【０００４】
光スイッチとしては、微小ミラーと静電アクチュエータを用いた機械式のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈ）光スイッチや平面導波路型のスイッチが非特許文献１に記載されている。これらのスイッチング速度としてミリ秒オーダーのものが開発されている。
【０００５】
一方、光学的効果を用いて超高速なスイッチングを行うものとして特許文献１にニオブ酸リチウム等の電気光学結晶上に導波路を設け電場印加による屈折率変化によりスイッチングを行う光スイッチが記載されている。これは電場印加により電気光学結晶の屈折率を変化させ、電気光学結晶へ斜入射した信号光が全反射条件と非全反射条件となるよう周囲の材料の屈折率を調整することにより、光路を切り替える物である。また、電気信号ではなく制御光により生じた非線形光学効果によりフェムト秒オーダーの超高速スイッチングを行う光スイッチについて特許文献２及び特許文献３に知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
超高速にスイッチング可能な光スイッチの実現にはピコ秒オーダーの高速応答を示す電子励起に起因する非線形光学効果で生じる屈折率変化を利用することが有望である。非線形光学効果による屈折率変化量は制御光４（励起光）のエネルギー密度増大と共に大きくなるため、十分かつ安定したスイッチング動作を得るために制御光４のエネルギー密度を高めることが必要である。その手段としては制御光４の光源出力を高くする手段と、制御光４を集光する手段が考えられる。
【０００７】
前者の手段を用いれば投入する絶対的なエネルギー量が大きくなり、素子の省エネルギー性は損なわれる。さらに励起後のエネルギー緩和の過程で一部が熱に変換されて蓄熱され、放冷が追い付かなくなれば素子の温度上昇を招く可能性がある。温度上昇によっても非線形光学薄膜の光学特性は変化するため、スイッチング動作の安定性を損なう恐れがある。
【０００８】
この様に省エネルギー性、動作安定性を考慮すると後者の制御光４を集光する手段が有望である。ナノ秒オーダーからピコ秒オーダーのパルス励起の場合には、充分な非線型光学効果を得るために平方メートルあたりＧＷ級のエネルギー密度が必要である。制御光４源として手頃なｍＷクラスの出力のレーザーを用いる場合、μｍサイズに集光することによりこのエネルギー密度が実現される。非線型光学特性を示す金属酸化物薄膜のフェムト秒レーザーのパルス制御光４による信号光３波長域での屈折率変化を検討したところ、電子励起・緩和現象に起因すると見られるピコ秒オーダーの応答に加えて、ナノ秒オーダーの減衰変化が観察された。
【０００９】
後者のナノ秒オーダーの減衰変化は熱的な緩和による現象と考えられ、この現象に関しては照射部位の周辺にも伝熱による影響が及ぶ。一方、屈折率の変化量がより大きい前者の電子励起・緩和の効果が及ぶ領域は制御光４が照射されている局部的なスポットに限られることから、制御光４スポットと信号光３のスポットとの重なりが悪いと信号の切り替え効率が顕著に低下する事が実験から判明した。即ち制御光４スポットから外れた信号光３は励起前と同じ挙動を取り、励起の有無に関わらないバックグラウンドとして出力されることから切替えのコントラスト比が低下する。
【００１０】
本発明の目的は、ビームの焦点位置を調整することによって、制御光の光源出力を高めることなく高い切替効率と動作安定性が得られる光スイッチとその素子及びスイッチング方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非線形光学薄膜に信号光と制御光とを集光して入射させる集光手段を有し、前記制御光の照射による前記非線形光学薄膜の屈折率の変化によって前記信号光を透過光及び反射光に変化させいずれか一方を出力信号として取り出すことを特徴とする光スイッチにある。
【００１２】
該集光手段は前記非線形光学薄膜上で前記信号光が前記制御光によって覆われるように集光するもので、非線型光学薄膜に信号光と制御光を入射する光スイッチにおいて、非線型光学薄膜上の制御光スポットが所定の屈折率変化を誘起するために必要なエネルギー密度に達するように制御光光束を絞るための集光光学系を備え、非線型光学薄膜上の信号光スポットが上記制御光スポットと同一又はそれより小さいサイズで制御光スポット内に完全に収まる形で集光光学系を組むものである。
【００１３】
光スイッチに用いる非線型光学薄膜は、信号光の波長における吸収が小さい事が望ましい。一方、制御光は薄膜を励起するため相互作用が必要であり、ある程度の吸収強度を有する必要がある。光子吸収による励起の場合には信号光照射時の励起光吸収強度が増す。信号光と制御光では非線型光学定数との相互作用が異なる必要があり、波長が異なることから使用する光学素子の屈折率も信号光と制御光で異なる。
【００１４】
又、信号光と制御光とを合波し、非線型光学薄膜上に同軸で照射する光学系とした場合、合波した光を非線型光学薄膜上に集光する素子の制御光波長での屈折率が信号光波長での屈折率より大きければ信号光の方が制御光より手前で焦点を結ぶが、制御光の焦点位置が非線型光学薄膜の入射面より奥に配置するように光学設計することにより、信号光の全体を制御光によって覆うことができる。
【００１５】
また、逆に集光する素子の制御光波長での屈折率が信号光波長での屈折率より小さければ制御光の方が信号光より手前で焦点を結ぶが、その制御光の焦点位置が非線型光学薄膜の入射面より手前に配置するように光学設計することにより、上述と同様に行うことができる。
【００１６】
さらに、信号光と制御光を合波したのち、同一光軸で非線形光学薄膜に入射する構成の光スイッチにおいて、非線形光学薄膜に向かって次第に小径化する導波路を配置することにより、非線型光学薄膜上の信号光スポットが制御光スポットと同一サイズで一致させる事が可能になる。
【００１７】
また、信号光と制御光を異なる光軸で非線形光学薄膜に斜入射する構成の光スイッチにおいて、制御光の方が信号光より非線形光学薄膜法線に対し大きな角度で入射する配置とすることにより、信号光の全体を制御光によって覆うことができる。
【００１８】
さらに、非線形光学薄膜法線に対し制御光を信号光より小さな角度で入射する構成の光スイッチにおいて、非線形光学薄膜の膜厚が制御光の非線形光学薄膜表面上のスポットの長軸径より小さくすることが望ましい。これは膜厚が厚いと斜入射した信号光が制御光の照射領域から外れる事を避けるためである。
【００１９】
また、制御光と信号光を合波するにせよ別の光路を用いて非線型光学薄膜に導くにせよ光ファイバーで接続する場合、信号光を導くファイバーのコア径が制御光を導くファイバーのコア径より小さい事が望ましい。
【００２０】
また、透過光と反射光の両方の出力を取り出して用いる光スイッチにおいて、データを取り出す頻度が小さい出力先に制御光を入射しないときの出力先である透過光の出力性を割り当てる用法を指定することにより、省エネルギー化と蓄熱の回避ならびに安定動作が実現される。
【００２１】
さらに感熱センサをスイッチに設置し、所定の温度以上を検知している期間において素子を冷却する機構を設けることにより蓄熱の回避と安定動作が実現される。
【００２２】
本発明は、非線形光学薄膜を挟んで両側に設けられた高屈折率透明材料と、該高屈折率透明材料の一方に設けられ前記非線形光学薄膜に信号光と制御光とを入射する入射口と、前記高屈折率透明材料の他方に設けられ前記制御光の照射により前記非線形光学薄膜の屈折率の変化によって前記信号光を透過光と反射光とに出力信号として取り出す出力口とを有することを特徴とする光スイッチ素子にある。
【００２３】
前記入射口は前記信号光と制御光とが前記高屈折率透明材料の入射面に対して垂直に入射させる集光手段を有し、前記反射光を出力する前記出力口が前記高屈折率透明材料の入射面側に設けられ、前記透過光を出力する前記出力口が前記高屈折率透明材料の他方側に設けられ、いずれの出力口も出力面に対して垂直に設けられ、平行光線で出力することが好ましい。
【００２４】
前記入射口は、前記信号光と制御光とを前記非線形光学薄膜に斜入射させる位置に設けられていること、前記高屈折率透明材料は前記信号光と制御光とを異なる光軸で前記非線形光学薄膜に斜入射させる前記集光手段を有し、該集光手段を通して前記制御光が前記信号光より前記非線形光学薄膜の法線に対し大きな角度で入射させることが好ましい。
【００２５】
前記高屈折率透明材料は、前記非線形光学薄膜の法線に対し前記制御光を前記信号光より小さな角度で入射させる前記集光手段を有し、前記非線形光学薄膜の膜厚を前記制御光の非線形光学薄膜表面上のスポットの長軸径より小さくすることが好ましい。
【００２６】
前記高屈折率透明材料の一方に前記信号光と制御光とを前記非線形光学薄膜に入射させる光ファイバーが接続され、前記制御光を入力する光ファイバーのコア径が前記信号光を入力する光ファイバーのコア径より大きいことが好ましい。
【００２７】
本発明は、非線形光学薄膜と、該非線形光学薄膜を挟んで両側に設けられた光学基板透明材料と、該光学基板透明材料の一方に設けられ前記非線形光学薄膜に信号光と制御光とを入射する入射口と、前記光学基板透明材料の他方に設けられ前記制御光の照射により前記非線形光学薄膜の屈折率の変化によって前記信号光を透過光及び反射光により出力信号として取り出す出力口とを有し、前記光学基板透明材料は、その一方に前記信号光と制御光との合波光を前記非線形光学薄膜に向かって次第に小径化する導波路と前記反射光を出力する導波路とが設けられ、その他方に前記透過光を出力する導波路が設けられていることを特徴とする光スイッチ素子にある。
【００２８】
本発明の素子は、温度検出手段と、冷却手段とが前記高屈折率透明材料又は光学基板透明材料の積層面側の少なくとも一方側、又は、前記入射側及び出力側を除く側面に有することが好ましい。
【００２９】
又、本発明は、非線形光学薄膜に信号光と制御光とを入射させ、前記制御光の入射による前記非線形光学薄膜の屈折率の変化により前記信号光の透過光及び反射光を前記高屈折率透明材料の他方より出力として取り出すことを特徴とする光スイッチング方法にあり、非線形光学薄膜は、高屈折率透明材料間に設けられ、前記信号光と制御光とを前記高屈折率透明材料の一方に入射させ、前記信号光の透過光又は反射光を前記高屈折率透明材料の他方より出力として取り出すことが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。本実施例は、非線型光学薄膜１を高屈折率透明材料２で挟み、信号光３と制御光（励起光）４を合波した後、集光光学素子５を用いて高光屈折率材料２を経て非線型光学薄膜１に集光して斜入射する。信号光３と制御光４を合波する手段としては光ファイバーを用いる場合にはカプラーを用いることができる。またバイプリズムを用いて光軸を合わせても良い。ここで集光光学素子５の信号光３の波長での屈折率が制御光４の波長での屈折率より小さい場合には図１のように信号光３の方が制御光４より手前で焦点を結ぶ。このとき、制御光４が非線型光学薄膜１の後方で焦点を結ぶ様に集光光学素子５のｆ値と位置を設計する。
【００３１】
集光光学素子５は高屈折率透明材料２に直接形成されること、その近傍に設けることのいずれでも良い。信号光３と制御光４はいずれも高屈折率透明材料２に対してその入射面の中心に対して垂直に入射するように形成されている。又、透過光６と反射光７の手前には集光光学素子５が高屈折率透明材料２に直接形成されること、その近傍に設けることのいずれでも良い。反射光と透過光はいずれも高屈折率透明材料２に対してその入射面の中心に対して垂直に入射するように形成されている。
【００３２】
信号光３には光通信で一般的な１５５０ｎｍを用いる。制御光４には非線型光学薄膜１を効率的に励起できる波長を選択する。ここで、信号光３の波長において、高屈折率透明材料２の屈折率ｎ１と励起前の非線型光学薄膜１の屈折率ｎ２との関係がｎ１≦ｎ２となる様、非線型光学薄膜１と高屈折率透明材料２を選択する。非線型光学薄膜１にはコバルトや鉄の酸化物のナノ結晶を分散した薄膜を用いることができる。
【００３３】
高屈折率透明材料２としては鉛を含有した高屈折率ガラス、窒化シリコン、ＩＴＯなどが挙げられ、片方の厚さ約１ｍｍである。高屈折率透明材料２から非線型光学薄膜１への信号光３ならびに制御光４の入射角は、励起後の非線型光学薄膜１の屈折率ｎ２’と、
ｓｉｎθｃ＝ｎ２’／ｎ１（ｎ１＞ｎ２’）
の式から求められる臨界角θｃより大きな角度とする。ここで、ｎ２’がｎ１の７１％まで低下するのであればθｃ＝４５°、ｎ２’がｎ１の８７％まで低下するのであればθｃ＝６０°、ｎ２’がｎ１の９４％まで低下するのであればθｃ＝７０°、ｎ２’がｎ１の９７％まで低下するのであればθｃ＝７７°である。このように入射角を小さくするためには大きな非線型光学効果が必要である。なお、透過光６と反射光７の手前には信号光３波長のみを透過するバンドパスフィルター８を設け、制御光４と蛍光をカットする。
【００３４】
非線型光学薄膜１は１例としてガラス中に鉄酸化物のナノ結晶を分散させた薄膜（屈折率２．１）であり、信号光３に対して透過する透明な材料であり、制御光４に対して吸収されるもので、その制御光４の照射を受けて励起され、屈折率が高屈折率透明材料２より小さくなるものを用いる。この薄膜は酸化鉄のターゲットを用いてスパッタ装置を用いて厚さ数μｍの膜をレーザー光の入射側に製膜した。高屈折率透明材料２にシリコン窒化膜（屈折率２．０５）を用い、入射角７０°で信号光３を入射した時、制御光４を乗せない条件では反射光強度と透過高強度の比は大体５：９５で、大半が透過した。ここで７８０ｎｍの波長の制御光４を２ＧＷ／ｍ２のエネルギー密度で信号光３に重ねて照射したとき、非線型光学効果により信号光３での屈折率は１．８まで低下した。この時、高屈折率透明材料２と非線型光学薄膜１の界面で全反射が生じ、反射光強度と透過高強度の比は１００：０となり、励起前と強度比が逆転し、スイッチング動作が確認された。
【００３５】
一方、信号光３での屈折率が制御光４での屈折率より小さい集光光学素子５を用い、制御光４が非線型光学薄膜１の前方で焦点を結ぶ様、集光光学素子５の焦点深度と位置を設定したところ、励起前の反射光強度と透過高強度の比は５：９５と同じであったが、励起後の反射光強度と透過高強度の比は５２．５：４７．５とコントラストが低下した。この原因として５０％の信号光３のスポット面積が制御光４のスポット面積からはみ出ていたため、その分は励起前と同じ光学挙動を取ったためと考えられる。
【００３６】
透過光６と反射光７では、同じく集光光学素子５が高屈折率透明材料２に直接形成されること、その近傍に設けることのいずれでも良く、反射光と透過光はいずれも高屈折率透明材料２に対してその入射面の中心に対して垂直に出射するように形成され、平行光線となって出射する。
【００３７】
以上のように、集光光学素子５の信号光３の波長での屈折率が制御光４の波長での屈折率より小さい場合、制御光４が非線型光学薄膜１の後方で焦点を結ぶ様に集光光学素子５のｆ値と位置を設計することにより、信号光３の通過する部位を全て制御光４が照射（＝屈折率が変化）することが可能になり、コントラスト比の高い光信号の切替が可能となった。
【００３８】
本実施例によれば、制御光の光源出力を高めることなく、ビームを絞ってエネルギー密度を高める事により、省エネルギー化・蓄熱による非線型光学薄膜温度の上昇の抑制が図られ、更に省エネルギー化・蓄熱による非線型光学薄膜の温度上昇の抑制を図り、高い動作安定性が得られる。又、本実施例によれば、信号光の通過する部位を全て制御光によって照射することができるため高い切替効率を確保できるものである。
【００３９】
（実施例２）
図２は、本発明の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。実施例１と同じ構成で信号光３での屈折率が制御光４での屈折率より大きい集光光学素子５を用いた場合である。図２に示すように、信号光３の方が制御光４より後方で焦点を結ぶ。そこで、制御光４が非線型光学薄膜１の手前での焦点を結ぶ様に、集光光学素子５の焦点深度と位置を設定し、かつ非線型光学薄膜１上での信号光３のスポットが制御光４のスポットより小さくなるようにすることにより、実施例１と同様と同様の効果を有し、更に、信号光３の通過する部位に対しては全て制御光４で覆われて照射（＝屈折率が変化）され、信号光３全体が制御光４のオン・オフの影響を受け応答するため、コントラスト比の高い切替が可能になる。又、本実施例においても実施例１と同様の効果が得られる。
【００４０】
（実施例３）
図３は、本発明の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。図３に示したように信号光３、制御光４を光ファイバーによって導入し、カプラー９により合波し、その出力光を光ファイバーを通して光学基板透明材料１０中に形成した導波路１１に導く。光学基板透明材料１０より高屈折率である導波路１１は光学基板透明材料１０にフェムト秒レーザを照射し、照射部を変質させ高密度化する加工法により形成される。特に入射光側の導波路１１については径を非線型光学薄膜１に近づくにつれて小径化させる形状で形成し、非線型光学薄膜１上のビームスポットをμｍオーダーに絞る形状とすることにより、集光光学素子５を不要にすることができる。これにより、非線型光学薄膜１上でＧＷ／ｍ２オーダーの制御光４のエネルギー密度が得られ、かつ信号光３と制御光４の非線型光学薄膜１上のスポットサイズと位置を一致させる事が可能となった。光学基板透明材料１０は高屈折率材料と同じでも良い。
【００４１】
これにより信号光３の通過する部位には全て制御光４を照射（＝屈折率が変化）させることが可能になり、信号光３全体が制御光４のオン・オフの影響を受け、応答するため、コントラスト比の高い切替が可能になる。反射光７及び透過光６に対する導波路１１は、図３に示すように出力側にやや広がった形状を有し、光学基板透明材料１０から出る直前ではほぼ平行な光線となるように形成され、光学基板透明材料１０には透明な材料が用いられ、特定のレーザー光の照射によって形成することができる。導波路１１の屈折率はレーザー光の照射によって光学基板透明材料１０の屈折率より高くなるように形成される材料が用いられる。入射口及び出力口のいずれも入射面及び出力面に対して垂直になるように形成される。又、本実施例においても実施例１と同様の効果が得られる。
【００４２】
（実施例４）
図４は、本発明の他の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。実施例１〜３では信号光３と制御光４を合波し、同じ光軸で非線型光学薄膜１に入射する方式を示したが、別の光軸で入射し、非線型光学薄膜１上で交差させても良い。従来は全反射条件を用いるために大きな入射角で信号光３を入射する場合、制御光４はそれより小さな入射角で入射する光学系が用いられるが、図４に示す様に制御光４を信号光３より大きな入射角で入射する。信号光３、制御光４は共に集光光学素子５により非線型光学薄膜１上に集光される。
【００４３】
集光光学素子５の信号光３の波長での屈折率が制御光４の波長での屈折率より小さい場合には制御光４が非線型光学薄膜１の後方で焦点を結ぶ様に集光光学素子５のｆ値と位置を設計する。逆に集光光学素子５の信号光３の波長での屈折率が制御光４の波長での屈折率より大きい場合には制御光４が非線型光学薄膜１の手前で焦点を結ぶ様に集光光学素子５のｆ値と位置を設計する。
【００４４】
さらに制御光４を信号光３より大きな入射角で入射することにより非線型光学薄膜１上の信号光３のスポットサイズが制御光４のスポットサイズの中に収まり、信号光３の通過する全ての部位に制御光４を照射（＝屈折率が変化）することが可能になり、信号光３全体が制御光４のオン・オフの影響を受け、応答するため、コントラスト比の高い切替が可能になる。
【００４５】
なお、制御光４と信号光３の光軸が異なることから、透過光６、反射光７には制御光４をカットするバンドパスフィルターは省略できる場合がある。ただし、蛍光が障害となる場合や制御光４と信号光３の出力先での距離が小さく、信号光３のみを受光する事が困難な場合には実施例１、実施例２同様、バンドパスフィルターを設ける必要がある。又、本実施例においても実施例１と同様の効果が得られる。
【００４６】
（実施例５）
実施例３の信号光３の光ファイバーのコアの内径を制御光４の光ファイバーのコアの内径より小さくしておくことにより、非線型光学薄膜１上の信号光３のスポットサイズが制御光４のスポットサイズより小さくなり、信号光３の通過する部位は全て制御光４が照射（＝屈折率が変化）することが可能になり、コントラスト比の高い切替を確保することができた。また、この手法は実施例１〜２の信号光３と制御光４を合波する方式においても、実施例４の個別に入射し、非線型光学薄膜１上で交差する方式のいずれにおいても有効である。
【００４７】
（実施例６）
図５は、本発明の他の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。図５のように、制御光４を小さな入射角で非線型光学薄膜１に入射する場合には、膜厚が厚いと試料が斜入射した信号光３が制御光４速からはみ出し、効率が低下する。非線型光学薄膜１の膜厚を非線型光学薄膜１上の制御光４のスポット径の長軸径より小さくすることにより高い切替効率を確保できた。又、本実施例においても実施例１と同様の効果が得られる。
【００４８】
（実施例７）
実施例１〜６の構成の光スイッチ素子では制御光４入射により反射光の出力から信号が取出せ、透過光側から出力を取り出す場合には制御光４入力は不要であることから、光スイッチの使用法として使用頻度の高い切替先を透過光側に設定することにより省エネルギーで、かつ蓄熱の影響の小さい条件で安定した動作を得ることが可能になる。当該光スイッチの取扱い説明書にこの旨を明記しておくと有効である。
【００４９】
（実施例８）
実施例１〜７の光スイッチにおいて制御光４の継続照射による蓄熱、設置環境により素子の温度が上がり、動作が不安定になる恐れがある。本実施例においては、図１〜５に示す光スイッチの下部の高屈折率透明材料２又は光学基板１０に温度センサと冷却用ペルチェ素子ならびに空冷ファンを設置しておき、許容温度（例えば８０℃）を超えた時にペルチェ冷却する。これにより、切替動作のための照射により温度上昇しても温度センサの検知に連動した冷却機構の運転により安定動作が得ることができる。冷却用ペルチェ素子は各図面の紙面に対して表又は裏面となる光スイッチの側面に設けることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、制御光の光源出力を高めることなく、ビームを絞ってエネルギー密度を高める事により、省エネルギー化・蓄熱による非線型光学薄膜温度の上昇の抑制が図られ、高い切り替え効率を実現でき、動作安定性の高い光スイッチとその素子及び図りスイッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。
【図２】本発明の他の例の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。
【図３】本発明の他の例の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。
【図４】本発明の他の例の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。
【図５】本発明の他の例の光スイッチの断面図とその光学経路を示す断面図である。
【符号の説明】
１…非線型光学薄膜、２…高屈折率透明材料、３…信号光、４…制御光（励起光）、５…集光光学素子、６…透過光、７…反射光、８…制御光カットフィルタ、９…カプラー、１０…光学基板透明材料、１１…導波路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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