(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる薄膜からなる入力部と出力部とを備え、
上記入力部の一部は、光路上に配置されて光照射によって近接場光を発生する結合部を含み、
上記出力部の一部は、光路上に配置されて上記入力部から近接場光の結合距離以内の距離を空けて配置された結合部を含み、
上記入力部の結合部と当該結合部に積層された上記出力部の結合部との間における光路上に中間部が設けられていることを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
上記距離が１０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
【請求項３】
上記入力部あるいは結合部が、金属微粒子を含むか、あるいは光または熱によって金属微粒子が生成する材料を含んで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光制御素子。
【請求項４】
上記入力部が、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んで形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項５】
上記結合部が、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んで形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項６】
上記入力部または結合部には、白金が混入されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項７】
上記中間部が、入力部の材料より屈折率の低い誘電体を用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項８】
上記出力部が、金属微粒子を含むかあるいは光または熱によって金属微粒子が生成する材料を含んで形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、光信号の量を制御したり、あるいはスイッチングするための光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号のスイッチや増幅が可能であって、電子回路におけるトランジスタに相当する光制御素子あるいは光増幅素子の研究が、従来から盛んに行われてきた。光制御素子は、たとえば、図７に示すように、入力光ａａを、制御電圧または制御電流ａｂに応じて増幅あるいはスイッチして、出力光ａｃとして出力する。
【０００３】
上記の光制御素子の例として、特開昭63-223614 号公報には、図８に示すように、導波路２２・２５からなるＶ字型導波路を備え、このＶ字型導波路の交差部において一方の導波路からの光を全反射する機能性の薄膜（反射層２６、銀薄膜２７）が形成されている光制御素子２１が開示されている。また、上記交差部には量子井戸導波路２３が設けられ、この量子井戸導波路２３の周囲には電極２４が形成されている。量子井戸導波路２３は、ｐｉｎ構造となっており、ｎ型半導体とｐ型半導体と、ｉ層とからなっている。
【０００４】
ここで光制御素子２１の動作について説明すれば以下の通りである。まず入力光ａａが導波路２２に入力される。この入力光ａａは、導波路２２を通って反射層２６で反射される。この反射光が導波路２５を通って出力光ａｃとして出力される。このとき、電極２４には、制御電流ａｂにより変調信号が印加され、量子井戸導波路２３における屈折率が制御される。これにより反射層２６との屈折率の差が生じ、入力光ａａは反射するようになっている。また、制御電流ａｂを変化させた場合には、量子井戸導波路２３の屈折率が変化し、反射層２６と光学的に結合し、入力光ａａが銀薄膜２７に達する。これにより、銀薄膜２７において、プラズモン共鳴が励起され、入力光ａａが吸収されて、反射が減少するため、出力光ａｃの強度が制御されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記光制御素子２１では量子井戸導波路２３、電極２４等が用いられ、また量子井戸導波路２３では半導体が用いられている。そのため、上記光制御素子２１では、構造が複雑である。したがって、光制御素子の小型化、低コスト化を実現することが困難であった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、構造を簡単にすることにより、小型化や低コスト化を実現することができる光制御素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の光制御素子は、光照射によって近接場光を発生する結合部を含む入力部と、上記入力部から近接場光の結合距離以内の距離を空けて配置された出力部と、上記入力部と出力部との間に設けられた中間部とを備えていることを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、光を照射することにより近接場光が発生し、この近接場光により入力部と出力部とが光学的に結合される。これにより、入力光が入力されることにより、近接場光の散乱光が出力光として出力される。このとき、近接場光の強度は、光照射の強度および入力光の強度により変化する。従って、入力部からの入力光を、変調またはスイッチングして、出力部から出力光を出力することができる光制御素子を提供することができる。また、構成が非常に簡単であるので、小型化や低コスト化した光制御素子を提供することができる。
【０００９】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記距離が１０〜２００ｎｍであることが好ましい。
【００１０】
上記の構成によれば、入力部と出力部とを光学的に結合することができる。
【００１１】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記入力部あるいは結合部が、金属微粒子を含むか、あるいは光または熱によって金属微粒子が生成する材料を含んで形成されていることが好ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、金属微粒子が入力部あるいは結合部において形成されるので、近接場光を発生させることができる。
【００１３】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記入力部が、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んで形成されていることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、入力部において、光の照射によって上記の材料が分解し、金属微粒子を形成することにより近接場光を発生させることができる。
【００１５】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記結合部が、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んで形成されていてもよい。
【００１６】
上記の構成によれば、結合部においてのみで、光の照射によって分解が生じ、金属微粒子を形成することにより近接場光を発生させることができる。
【００１７】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記入力部あるいは結合部には、不純物が混入されていてもよい。
【００１８】
上記の構成によれば、上記材料の分解後の金属微粒子の形成がより一層促され、プラズモン励起による近接場光の強度を向上させることができる。
【００１９】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記中間部が、誘電体を用いて形成されていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、入力部と出力部とを、光学的に隔離することができる。これにより、入力部と出力部との光のクロストークを抑えることができる。
【００２１】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記出力部が金属微粒子を含むかあるいは光または熱によって金属微粒子が生成する材料を含んで形成されていることを特徴としている。
【００２２】
上記の構成によれば、出力部においても、近接場光がより容易に発生するため、近接場相互作用を増大させることができる。従って、入力部と出力部とを容易に光学的に結合することができ、出力光の強度が増すことによってＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図１〜３に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２４】
本実施の形態にかかる光制御素子は、図１（ａ）に示すように、基板１上に、クラッド層２を備えている。このクラッド層２には、入力光が入力されて導波する入力部３であるコア層、出力光が導波されて出力される出力部４であるコア層が形成されている。これらクラッド層２、入力部３および出力部４は、例えば薄膜であり、積層されることによって形成されている。そして、光制御素子は、さらに面発光レーザ（光照射装置）５をクラッド層２上に例えば積層あるいは接着することにより備えている。本実施の形態では、基板１側から出力部４、入力部３が形成されている構成を示したが、この構成に限定されることはなく、例えば出力部４と入力部３とが逆の構成でもよい。また、入力部３および出力部４の一部は、面発光レーザ５から照射されるレーザビームにより、光学的に結合する結合部３ａ・４ａとなる。本実施の形態において結合部３ａ・４ａは、面発光レーザ５から照射されるレーザビームの光路上にあるように配置されている。また、結合部３ａと結合部４ａとは、互いに発生する、後述する近接場光の結合距離以内の距離を空けて配置されている。ここで、クラッド層２における入力部３と出力部４との間の部分を中間部２ａと呼ぶこととする。さらに、図１（ｂ）に示すように、入力部３および出力部４の幅は、クラッド層２中に収まるように形成されている。
【００２５】
上記基板１の材料には、例えばシリコン、プラスチックあるいはガラスが用いられる。
【００２６】
クラッド層２の材料には、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）またはＺｎＳ−ＳｉＯ2 のような比較的屈折率が低い物質（例えば誘電体）（例えば屈折率２）が用いられる。ここで、「窒化シリコンまたはＺｎＳ−ＳｉＯ2 のような比較的屈折率が低い物質が用いられる」とは、窒化シリコンまたはＺｎＳ−ＳｉＯ2 のような比較的屈折率の低い材料が含まれていることをいう。
【００２７】
入力部３および出力部４には、光照射により金属微粒子が生成され、近接場光を発生する、例えば酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀のような材料が用いられる。ここで、「光照射により金属微粒子が生成され、近接場光を発生する、例えば酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀のような材料が用いられる」とは、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀等の光照射により分解し、近接場光を発生する材料から選ばれる少なくとも１種の材料が含まれていることをいう。また、上記材料は、入力光の強度が弱い場合に金属微粒子の生成が抑えられ、光導波路として機能するため、入力光および出力光を入出力することができる。これらの材料は、クラッド層２より屈折率の高い物質である。ただし、この場合、結合部３ａの材料には、上記金属微粒子が生成され、近接場光を発生する材料を用いる必要がある。ここで、「近接場光を発生する材料を用いる」とは、少なくとも１種の近接場光を発生する材料が含まれていることをいう。また、上記の構成によれば、クラッド層２より屈折率の高い物質を用いているので入力光および出力光を全反射して入出力することができる。
【００２８】
また、上記光制御素子における各部位の寸法は、以下の通りである。
【００２９】
面発光レーザ５と入力部３との間では厚みが数μｍから数百μｍ、中間部２ａでは厚みが１０〜２００ｎｍ、出力部４と基板１との間では厚みが数μｍから数百μｍである。また、入力部３および出力部４は、厚みが１０ｎｍ〜１μｍであり、例えば比較的屈折率が高い（例えば屈折率２．６）酸化銀薄膜からなる。また、入力部３および出力部４の幅はそれぞれ数μｍである。
【００３０】
次に、上記光制御素子の動作について、図２および図３に基づいて説明すれば以下の通りである。尚、説明の便宜上、面発光レーザ５は図中では省略している。
【００３１】
面発光レーザ５からのレーザビームがオフされている場合について、図２に基づいて説明する。図２に示すように、入力光ａが、入力部３から入力される。このとき、クラッド層２（中間部２ａ）が入力部３の材料より屈折率の低い物質（例えば誘電体）で形成されているため、入力光ａは、入力部３とクラッド層２（中間部２ａ）との界面で全反射する。したがって、入力光ａは、出力部４に漏れ出ることはほとんどなく、入力部３と出力部４とは光学的に隔離されているため、光学的にはほとんど結合していない。このため、出力部４からは、出力光が全く出力されないか、または微弱な出力光が出力されるだけである。このように、上記光制御素子によれば、光のクロストークを抑えることができる。
【００３２】
次に、面発光レーザ５からのレーザビームｂがオンされている場合について、図３（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。ここでは、入力部３および出力部４が酸化銀からなる場合について説明する。図３（ａ）に示すように、強いレーザビームｂが、クラッド層２を通って、レーザビームｂの光路上にある結合部３ａ・４ａに照射される。これにより、この部分の酸化銀は、酸素と銀に分解され、銀の微粒子が生成される。分解して生じた銀の粒子は、レーザビームｂによりプラズモン励起が生じる。これにより、強い電場を伴った、より強い近接場光ｃおよびｄが発生する。上記結合部３ａ・４ａは、レーザビームｂの光路上にて接近している（結合距離以内にある）ため、近接場光ｃおよびｄは、近接場相互作用によって光学的に結合する。ここで、「近接場相互作用」とは、近接場光同士の相互作用のことをいい、「結合距離」とは、近接場相互作用が発生する距離のことをいう。
【００３３】
この状態で図３（ｂ）に示すように、入力光ａが入力部３から入力されると、酸化銀の分解がさらに促され、銀の粒子が生じるため、近接場光ｃの強度が増す。
【００３４】
さらに、図３（ｃ）に示すように、近接場相互作用が増大し、近接場光ｄの強度が増強される。この近接場光ｃ・ｄの散乱光が、出力光ｅとして出力される。上記出力光ｅは、強度が増すことによってＳ／Ｎ比が向上した光として出力することができる。尚、説明の便宜上、近接場光ｃとｄとを分けて説明したが、実際は相互作用であるため分離することは不可能である。
【００３５】
上記の光制御素子によれば、クラッド層２に入力部３および出力部４を形成しているだけという非常に簡単な構造である。従って、従来の光制御素子に比べて、小型化および低コスト化した光制御素子を提供することができる。
【００３６】
上記近接場相互作用の強度は、レーザビームｂの強度および入力光ａの強度に依存する。したがって、レーザビームｂの強度を制御手段による制御信号等によって変調することにより、入力光ａをスイッチングあるいは変調した出力光ｅを得ることができる。また、入力光ａの強度あるいは波長を、例えば、別の光制御素子を設けて、面発光レーザを照射することにより変調することにより、入力光ａをスイッチングあるいは変調した出力光ｅを得ることができる。
【００３７】
尚、上記光制御素子では、入力部３および出力部４を酸化銀で形成しているが、入力部３のみを酸化銀とし、出力部４を酸化銀と同程度の屈折率を有する物質（例えば誘電体）で形成しても良い。このような物質としては、例えば、窒素の含有量を減らしたスパッタによって作製した窒化珪素が挙げられる。この窒化珪素の屈折率は、２．５〜２．６である。ただし、この場合には、入力部３でのみ酸化銀が分解されて生じた銀粒子による近接場光の効果しか得られないので、出力光ｅの強度は下がる。
【００３８】
また、結合部３ａ・４ａのみを酸化銀で形成し、入力部３と出力部４のそれ以外の部分を酸化銀と同程度の屈折率を有する物質（例えば誘電体）を用いて形成しても良い。
【００３９】
さらに、上記酸化銀に代えて酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀等の光照射により分解し、近接場光を発生する物質を用いても良い。上記物質は、レーザビームの照射によって分解され、金属微粒子が生成するため、酸化銀と同様の効果を得ることができる。また、これら酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀等に白金等の不純物を混入させてもよい。これにより、分解後の金属微粒子の形成が促され、プラズモン励起による近接場光の強度が向上する。従って、より容易に入力光をスイッチングあるいは変調した出力光を得ることができる。また、上記酸化銀に代えて、予め銀等の金属微粒子を含有した材料に置き換えても、同様の効果を得ることができる。さらに、上記酸化銀を、熱によって金属微粒子を生成する物質に置き換え、レーザビームの照射による温度の上昇（熱）によって金属微粒子を生成させることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００４０】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の他の形態について、図４〜６に基づいて説明すれば、以下の通りである。尚、説明の便宜上、前記実施の形態１の図面に示した部材（構成）と同一の機能を有する部材（構成）には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態にかかる光制御素子は、図４（ａ）に示すように、実施の形態１の光制御素子において、入力部３および出力部４が直線上に並び、面発光レーザ５から照射されるレーザビームｂの光路を挟んで配置されている。また、結合部３ａと結合部４ａとは、互いに発生する近接場光の結合距離以内の距離を空けて配置されている。また、図４（ｂ）に示すように、実施の形態１と同様に入力部３および出力部４の幅はクラッド層２中に収まるように形成されている。
【００４２】
上記の構成によれば、光制御素子における層数が減り、作製プロセス数が低減されるので、コストダウンを図ることができる。
【００４３】
各部材の材料は、実施の形態１と同様である。
【００４４】
また、上記光制御素子における各部位の寸法は、以下の通りである。
【００４５】
面発光レーザ５と入力部３および出力部４との間では厚みが数μｍ〜数百μｍ、中間部２ａの幅が１０〜２００ｎｍ、入力部３および出力部４と基板１との間では厚みが数μｍから数百μｍである。その他は、実施例１と同様である。
【００４６】
次に、上記光制御素子の動作について、図５および図６に基づいて説明すれば以下の通りである。尚、説明の便宜上、面発光レーザ５は図中では省略している。
【００４７】
まず、面発光レーザ５からのレーザビームがオフされている場合について説明する。図５に示すように、入力光ａは、入力部３から入力される。このとき、入力部３と出力部４とは、中間部２ａで光学的に隔離されているため、光学的にはほとんど結合していない。このため、出力部４からは、出力光が全く出力されないか、または微弱な出力光が出力されるのみである。このように、上記光制御素子によれば、光のクロストークを抑えることができる。しかしながら、このときの入力部３と出力部４との光学的な結合度は、その構造のため、実施の形態１の光制御素子に比べて強い。従って、実施の形態１の光制御素子のほうが光のクロストークをより抑えることができる。
【００４８】
次に、面発光レーザ５からのレーザビームｂがオンされている場合について、図６（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。ここでは、入力部３および出力部４に酸化銀を用いた場合について説明する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、強いレーザビームｂがクラッド層２を通って、入力部３と出力部４との間に照射される。これにより、結合部３ａ・４ａの酸化銀は、酸素と銀に分解される。分解して生じた銀の粒子は、レーザビームｂによりプラズモン励起を生じる。これにより、強い電場を伴った、近接場光ｃ・ｄが発生する。結合部４ａは、結合部３ａの近接場光ｃの結合距離以内に形成されているので、近接場光ｃ・ｄは、近接場相互作用によって光学的に結合する。この状態で、図６（ｂ）に示すように、入力光ａが入力部３から入力されると、酸化銀の分解がさらに促され、近接場光ｃの強度が増大する。さらに、図６（ｃ）に示すように、近接場相互作用が増大することにより、近接場光ｄが増大し、その散乱光が出力光ｅとして出力される。尚、説明の便宜上、近接場光ｃとｄとを分けて説明したが、実際は相互作用のため分離することが不可能である。
【００５０】
上記近接場相互作用の強度は、レーザビームｂの強度および入力光ａの強度に依存する。したがって、レーザビームｂの強度を制御手段による制御信号によって変調することにより、入力光ａをスイッチングあるいは変調した出力光ｅを得ることができる。また、入力光ａの強度あるいは波長を、例えば、例えば、別の光制御素子を設けて、面発光レーザを照射することにより変調することにより、入力光ａをスイッチングあるいは変調した出力光ｅを得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光制御素子は、光照射によって近接場光を発生する結合部を含む入力部と、上記入力部から近接場光の結合距離以内の距離を空けて配置された出力部と、上記入力部と出力部との間に設けられた中間部とを備えている構成である。
【００５２】
上記の構成によれば、光を照射することにより近接場光が発生し、この近接場光により入力部と出力部とが光学的に結合される。これにより、入力光が入力されることにより、近接場光の散乱光が出力光として出力される。このとき、近接場光の強度は、光照射の強度および入力光の強度により変化する。従って、入力部からの入力光を、変調またはスイッチングして、出力部から出力光を出力することができる光制御素子を提供することができるという効果を奏する。また、構成が非常に簡単であるので、小型化や低コスト化した光制御素子を提供することができるという効果を併せて奏する。
【００５３】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記距離が１０〜２００ｎｍであることが好ましい。
【００５４】
上記の構成によれば、入力部と出力部とを光学的に結合することができるという効果を奏する。
【００５５】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記入力部あるいは結合部が、金属微粒子を含むか、あるいは光または熱によって金属微粒子が生成する材料を含んで形成されていることが好ましい。
【００５６】
上記の構成によれば、金属微粒子が入力部あるいは結合部において形成されるので、近接場光を発生させることができるという効果を奏する。
【００５７】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記入力部が、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んで形成されていることが好ましい。
【００５８】
上記の構成によれば、入力部において、光の照射によって上記の材料が分解し、金属微粒子を形成することにより近接場光を発生させることができるという効果を奏する。
【００５９】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記結合部が、酸化銀、酸化テルル、酸化タングステンまたはヨウ化銀からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んで形成されていてもよい。
【００６０】
上記の構成によれば、結合部において、光の照射によって分解が生じるので、金属微粒子を形成することにより近接場光を発生させることができるという効果を奏する。
【００６１】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記入力部あるいは結合部には、不純物が混入されていてもよい。
【００６２】
上記の構成によれば、上記材料の分解後の金属微粒子の形成がより一層促され、プラズモン励起による近接場光の強度を向上させることができるという効果を奏する。
【００６３】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記中間部が、誘電体を用いて形成されていることが好ましい。
【００６４】
上記の構成によれば、入力部と出力部とを、より光学的に隔離することができる。これにより、入力部と出力部との光のクロストークを抑えることができるという効果を奏する。
【００６５】
本発明の光制御素子は、上記の構成に加えて、上記出力部が、金属微粒子を含むかあるいは光または熱によって金属微粒子が生成する材料を含んで形成されている構成である。
【００６６】
上記の構成によれば、出力部においても、近接場光がより容易に発生するため、近接場相互作用を増大させることができる。従って、入力部と出力部とを容易に光学的に結合することができ、出力光の強度が増すことによってＳ／Ｎ比を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の一形態における光制御素子の断面図および上面図である。
【図２】本発明の実施の一形態における光制御素子のオフ動作の説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の一形態における光制御素子のオン動作の説明図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の他の形態における光制御素子の断面図および上面図である。
【図５】本発明の実施の他の形態における光制御素子のオフ動作の説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の他の形態における光制御素子のオン動作の説明図である。
【図７】従来の光制御素子のブロック図である。
【図８】従来の光制御素子の断面図である。
【符号の説明】
１    基板
２    クラッド層
２ａ  中間部
３    入力部
３ａ  結合部
４    出力部
４ａ  結合部
５    面発光レーザ（光照射装置）
ａ    入力光
ｂ    レーザビーム
ｃ    近接場光
ｄ    近接場光
ｅ    出力光
【図１】
0004729696.tif 000002
【図２】
0004729696.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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