(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンから構成された第１コアより構成されて第１方向に第１光が導波される第１光導波路と、
シリコンから構成された第２コアより構成されて第２方向に第２光が導波さる第２光導波路と、
前記第１方向と前記第２方向との交差点において前記第１コアと前記第２コアとが交わる接合部に光入射側が連続して配置された出射端部と、
この出射端部の内部に分散して配置され、前記出射端部に入射された光により励起される材料から構成された微粒子と
を少なくとも備え、
前記出射端部は、
前記光入射側より入射した前記第１光の波数ベクトルの２倍から前記光入射側より入射した前記第２光の波数ベクトルを減じた波数ベクトルの方向に垂直な第１光出射端面と、
前記光入射側より入射した前記第２光の波数ベクトルの２倍から前記光入射側より入射した前記第１光の波数ベクトルを減じた波数ベクトルの方向に垂直な第２光出射端面と
を備える
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記出射端部は、前記第１光導波路及び前記第２光導波路が配置される平面に垂直な平面から構成された前記第１光出射端面及び前記第２光出射端面を備える
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記出射端部は、前記光入射側の反対側の側面が、前記第１光導波路及び前記第２光導波路が配置される平面に垂直な中心軸を持つ円柱の一部から構成されている
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１項に記載の光スイッチにおいて、
前記微粒子は、光により励起されるキャリアの波動関数が重畳する範囲の寸法に形成されている
ことを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノフォトニクス分野で用いられる、高速・高効率な光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年，シリコンナノフォトニクスは、光と電子系とが融合した新しい超高集積超高速電子光技術として興味をもたれ研究が盛んである。シリコン細線と呼ばれる断面の寸法がｎｍサイズのコアよりなる光導波路では、閉じ込められる（導波する）光のパワーは、従来の光導波路に比べ数桁大きい高密度及び高強度な状態になり、光カー効果や四光波混合現象などの大きな非線形効果が期待できる（非特許文献１参照 ）。
【０００３】
【非特許文献１】H.Sinojima, et al.,"Size dependence of optical nonlineartiy of CdSSe microcrystallites doped in glass", Appl.  Phys.  Lett., Vol.60, No.20, pp.298-300, (1992).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、シリコン自身が発現する非線形現象は、マイクロ秒程度の応答時間を有するに過ぎず、メガヘルツ程度の追随性しか持たない。このため、シリコン細線よりなる光導波路における大きな非線形効果を高速電子技術に適用する場合、シリコン細線で作られる超高密度な光パワーの状態を高効率に利用して超高速な光応答を示す光スイッチ構造の開発が重要となる。上述した非線形現象を利用した全光型光スイッチは、入射光強度及び光密度を上げるために大規模な高出力レーザが必要とするか、非線形効果を向上させるため非線形媒質と光との相互作用に大きな素子領域を必要とした。何れの場合も、素子全体としての微細化が困難である。また同時に、超高集積な光素子のためには、空間的な分離、分解能を向上することも同時に重要である。
【０００５】
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、シリコンナノフォトニクスにおいて、より高速な応答特性を備えてより微細とされた新たな全光型スイッチを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光スイッチは、シリコンから構成された第１コアより構成されて第１方向に第１光が導波される第１光導波路と、シリコンから構成された第２コアより構成されて第２方向に第２光が導波さる第２光導波路と、第１方向と第２方向との交差点において第１コアと第２コアとが交わる接合部に光入射側が連続して配置された出射端部と、この出射端部の内部に分散して配置され、前記出射端部に入射された光により励起される材料から構成された微粒子とを少なくとも備え、出射端部は、光入射側より入射した第１光の波数ベクトルの２倍から光入射側より入射した第２光の波数ベクトルを減じた波数ベクトルの方向に垂直な第１光出射端面と、光入射側より入射した第２光の波数ベクトルの２倍から光入射側より入射した第１光の波数ベクトルを減じた波数ベクトルの方向に垂直な第２光出射端面とを備えるようにしたものである。出射端部においては、入射した第１光と第２光とが交差し、縮退四光波混合により、これらと周波数が同一で、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光と、波数ベクトルが２・ｋ１−ｋ２の光とが生成される。
【０００７】
上記出射端部は、第１光導波路及び第２光導波路が配置される平面に垂直な平面から構成された第１光出射端面及び第２光出射端面を備えるようにすればよい。また、出射端部は、光入射側の反対側の側面が、第１光導波路及び第２光導波路が配置される平面に垂直な中心軸を持つ円柱の一部から構成されているようにしてもよい。また、微粒子は、例えば、光により励起されるキャリアの波動関数が重畳する範囲の寸法に形成されていれば、光により励起された状態が、ピコ秒レベルの非常に短い時間で緩和する。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明によれば、第１光導波路と第２光導波路とが交わる箇所でこれらを導波する第１光と第２光とを交差させ、この結果の四光波混合により新たに生成される異なる波数ベクトルの光を、光スイッチ動作に用いるようにしたので、シリコンナノフォトニクスにおいて、より高速な応答特性を備えてより微細とされた新たな全光型スイッチが実現できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。図１は、本発明の実施の形態における光スイッチの構成例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１に示す光スイッチは、例えば、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に、酸化シリコンからなるクラッド層１０２を備え、クラッド層１０２の上に断面寸法が２００ｎｍ角とされたシリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４を備える。シリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４は、クラッド層１０２を下部クラッドとし、側方及び上方の空間（空気）を上部クラッドとした光導波路を構成している。これらは一例であり、クラッドとなる部分は、他の構成であってもよい。シリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４は、所謂シリコン菜のフォトニクスにおいて用いられる範囲の寸法に形成されているものであり、一般には、断面の寸法が１μｍ以下程度のものである。
【００１０】
このように光導波路を構成しているシリコン細線コア１０３と、シリコン細線コア１０４とは、接合部１０５において角度θで交わる。また、シリコン細線コア１０３よりなる導波路には、波数ベクトルがｋ１の光が導波し、シリコン細線コア１０４よりなる導波路には、波数ベクトルがｋ２の光が導波する。言い換えると、波数ベクトルがｋ１（第１方向）とされた光（第１光）がシリコン細線コア１０３よりなる導波路（第１光導波路）を導波され、波数ベクトルがｋ２（第２方向）とされた光（第２光）がシリコン細線コア１０４よりなる導波路（第２光導波路）を導波される。また、図１に示す光スイッチは、接合部１０５に連続して出射端部１０６を備える。
【００１１】
出射端部１０６は、シリコン細線コア１０３，シリコン細線コア１０４と同様にシリコンから構成され、シリコン細線コア１０３の中心線とシリコン細線コア１０４の中心線とが交差する光交差部を含む領域に配置されている。従って、シリコン細線コア１０３よりなる導波路を導波した光と、シリコン細線コア１０４よりなる導波路を導波した光とは、出射端部１０６において交わる。また、出射端部１０６は、側面に、光出射端面１６１及び光出射端面１６２を備える。光出射端面１６１及び光出射端面１６２は、シリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４が配置される平面に垂直な平面から構成されている。また、光出射端面１６１は、波数ベクトルが２・ｋ１−ｋ２の光の導波方向に垂直な面（平面）から構成され、光出射端面１６２は、波数ベクトルが、２・ｋ２−ｋ１の光の導波方向に垂直な面（平面）から構成されている。従って、光出射端面１６１から、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光が出射し、光出射端面１６２から、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光が出射する。
【００１２】
加えて、出射端部１０６には、平均半径が１０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓＰからなる複数の微粒子１０７が分散されている。例えば、微粒子１０７は、バンドギャップエネルギーが０．８ｅＶ以下となるようにインジウムとガリウムとヒ素とリンとが組成された４元系の混晶からなる化合物半導体から構成されている。
【００１３】
微粒子１０７は、シリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４よりなる光導波路を導波してきた光を吸収し、光励起されるものである。また、微粒子１０７は、光励起されて発生したキャリアの寿命が、非常に短い時間となるように、ｎｍサイズに形成されている。例えば、微粒子１０７は、光により励起されるキャリアの波動関数が重畳する程度に寸法に形成されていればよい。このような微粒子１０７によれば、光励起されたキャリアが、瞬時（数ピコ秒の間）に再結合して消滅する。また、このような微粒子１０７では、表面に存在するダングリングボンドにより、光励起されたキャリアが、高速に消滅（緩和）しやすい状態となっている。
【００１４】
上述したように構成された図１に示す光スイッチにおいて、まず、シリコン細線コア１０３よりなる光導波路には、波長１．５５μｍの光（波数ベクトルがｋ１）が導波し、シリコン細線コア１０４よりなる光導波路にも、波長１．５５μｍの光（波数ベクトルがｋ２）が導波するものとする。このとき、導波している各光は、微粒子１０７が分散されている出射端部１０６において、角度θで交差する。このことにより、出射端部１０６においては、波数ベクトルがｋ２−ｋ１の方向に、入射した２つの光による干渉縞が形成され、形成された干渉縞の明部では、分散されている微粒子１０７が光励起され、この部分の屈折率が変化し、周期的に屈折率が変化した領域が形成される。この結果、干渉縞が形成された領域には、波数ベクトルがｋ２−ｋ１の方向に回折格子が形成された状態となる。
【００１５】
このようにして回折格子が形成されている状態で、出射端部１０６には、波数ベクトルがｋ１の光と波数ベクトルがｋ２の光とが入射して回折格子が形成された箇所で交差しており、縮退四光波混合によりこれらとは波数ベクトルが異なり周波数が同一な２つの新たな光が発生する。縮退四光波混合により新たに発生した一方の光は、回折格子により波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向に反射され、他方の光は、回折格子により波数ベクトルが２・ｋ１−ｋ２の方向に反射される。ここで、四光波混合について説明する。四光波混合は、光導波路における三次の非線形分極に起因し、３つの異なる波数ベクトルの光により、これらの何れの周波数とも一致しない新たな波数ベクトルの光が発生する現象である。この中で、３つの光のうち、２つの光の波数ベクトルが同一の場合、縮退四光波混合と呼ばれる。
【００１６】
上述したように縮退四光波混合により、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向に発生（反射）した光は、この方向に垂直な光出射端面１６１より出射し、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向に発生（反射）した光は、この方向に垂直な光出射端面１６２より出射する。従って、シリコン細線コア１０４よりなる導波路に波数ベクトルｋ２の光が定常的に導波している状態で、シリコン細線コア１０３よりなる導波路を波数ベクトルｋ１の光が導波したときのみに、光出射端面１６１及び光出射端面１６２より出射する光が観測される。この光の有無により、スイッチングを行うことが可能である。また、上述した光非線形効果（縮退四光波混合）は、これが発現する部位である出射端部１０６で、入射した光で５０％の吸収があるときが最大となるが、これは、分散されている微粒子１０７の密度より制御可能である。
【００１７】
また、出射端部１０６に分散されている微粒子１０７では、前述したように光励起キャリアの波動関数が重畳することや、微粒子１０７の表面にあるダングリングボンドなどの効果により、光励起されたキャリアは高速に緩和する。従って、例えば、シリコン細線コア１０３よりなる導波路を導波して波数ベクトルｋ１の光が無くなると、出射端部１０６に形成されていた上記回折格子は、瞬時に消滅し、この結果、縮退四光波混合により発生していた２つの新たな光も瞬時に消滅する。このように、導波路より出射端部１０６に入射する光の入射／未入射に対する光出射端面１６１及び光出射端面１６２からの光の時間応答については、微粒子１０７の高速な応答性により、ピコ秒レベルの時間応答が得られる。
【００１８】
なお、光出射端面１６１及び光出射端面１６２は、出射端部１０６を構成しているシリコンと、この外側の雰囲気（大気）との境界であり、ここで屈折率差が生じている。このため、光出射端面１６１及び光出射端面１６２に垂直に入射する光以外は、屈折率差と入射角度に依存した光電場成分だけ透過するに過ぎない。従って、光出射端面１６１及び光出射端面１６２によって、出射する光の選択比やＳ／Ｎ比を向上させることができ、大きな光路長を必要としなく、素子の微細化が図れ、回路の集積化が可能となる。ところで、上述では、波長１．５５μｍの光を用いるようにしたが、これに限るものではなく、波長１．３μｍの光など、他の波長の光を用いるようにしてもよい。用いる光の波長にあわせて、微粒子１０７の構成を適宜設定すればよい。なお、波長が異なれば、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向や、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向も異なり、これらにあわせて、光出射端面１６１及び光出射端面１６２も適宜設定する。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態における他の光スイッチについて説明する。図２は、本発明の実施の形態における他の光スイッチの構成例を示す平面図である。図２に示す光スイッチは、例えば、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に、酸化シリコンからなるクラッド層１０２を備え、クラッド層１０２の上に断面寸法が２００ｎｍ角とされたシリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４を備える。シリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４は、クラッド層１０２を下部クラッドとし、側方及び上方の空間（空気）を上部クラッドとした光導波路を構成している。
【００２０】
このように光導波路を構成しているシリコン細線コア１０３と、シリコン細線コア１０４とは、接合部１０５において角度θで交わる。また、シリコン細線コア１０３よりなる導波路には、波数ベクトルがｋ１の光が導波し、シリコン細線コア１０４よりなる導波路には、波数ベクトルがｋ２の光が導波する。以上のことは、図１に示した光スイッチと同様である。加えて、図２に示す光スイッチは、接合部１０５に連続して側面が曲面から構成されている出射端部２０６を備える。
【００２１】
出射端部２０６は、シリコン細線コア１０３，シリコン細線コア１０４と同様にシリコンから構成され、シリコン細線コア１０３の中心線とシリコン細線コア１０４の中心線とが交差する光交差部を含む領域に配置されている。従って、シリコン細線コア１０３よりなる導波路を導波した光と、シリコン細線コア１０４よりなる導波路を導波した光とは、出射端部２０６において交わる。また、出射端部２０６は、光交差部を通る軸（中心軸）を中心とした半径約１４１ｎｍ（２００／√２ｎｍ）の円柱の一部を切り出した形状とされている。この円柱の中心軸は、シリコン細線コア１０３及びシリコン細線コア１０４が配置されている平面（クラッド層１０２の上面）に垂直である。
【００２２】
また、出射端部２０６は、曲率半径約１４１ｎｍとされた側面に光出射端面２６１及び光出射端面２６２を備える。光交差部からみて波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光の導波方向と上記円柱の側面とが交差する箇所に、光出射端面２６１が配置され、波数ベクトルが２・ｋ１−ｋ２の光の導波方向と上記円柱の側面とが交差する箇所に、光出射端面２６２が配置されている。従って、光出射端面２６１から、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光が出射し、光出射端面２６２から、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光が出射する。
【００２３】
加えて、出射端部２０６にも、平均半径が１０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓＰからなる複数の微粒子１０７が分散されている。例えば、微粒子１０７は、バンドギャップエネルギーが０．８ｅＶ以下となるようにインジウムとガリウムとヒ素とリンとが組成された４元系の混晶からなる化合物半導体から構成されている。
【００２４】
上述したように構成された図２に示す光スイッチにおいて、まず、シリコン細線コア１０３よりなる光導波路には、波長１．５５μｍの光（波数ベクトルがｋ１）が導波し、シリコン細線コア１０４よりなる光導波路にも、波長１．５５μｍの光（波数ベクトルがｋ２）が導波するものとする。このとき、導波している各光は、微粒子１０７が分散されている出射端部２０６において、角度θで交差する。このことにより、出射端部２０６においては、波数ベクトルがｋ２−ｋ１の方向に、入射した２つの光による干渉縞が形成され、形成された干渉縞の明部では、分散されている微粒子１０７が光励起され、この部分の屈折率が変化し、周期的に屈折率が変化した領域が形成される。この結果、干渉縞が形成された領域には、波数ベクトルがｋ２−ｋ１の方向に回折格子が形成された状態となる。
【００２５】
このようにして回折格子が形成されている状態で、出射端部２０６には、波数ベクトルがｋ１の光と波数ベクトルがｋ２の光とが入射して回折格子が形成された箇所で交差しており、縮退四光波混合により、これらとは波数ベクトルが異なり周波数が同一な２つの新たな光が発生する。縮退四光波混合により新たに発生した一方の光は、回折格子により波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向に反射され、他方の光は、回折格子により波数ベクトルが２・ｋ１−ｋ２の方向に反射される。
【００２６】
上述したように縮退四光波混合により、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向に発生（反射）した光は、この方向に垂直な光出射端面２６１より出射し、波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の方向に発生（反射）した光は、この方向に垂直な光出射端面２６２より出射する。従って、シリコン細線コア１０４よりなる導波路に波数ベクトルｋ２の光が定常的に導波している状態で、シリコン細線コア１０３よりなる導波路を波数ベクトルｋ１の光が導波したときのみに、光出射端面２６１及び光出射端面２６２より出射する光が観測される。この光の有無により、スイッチングを行うことが可能である。
【００２７】
また、出射端部２０６に分散されている微粒子１０７では、前述したように光励起キャリアの波動関数が重畳することや、微粒子１０７の表面にあるダングリングボンドなどの効果により、光励起されたキャリアは高速に緩和する。従って、例えば、シリコン細線コア１０３よりなる導波路を導波して波数ベクトルｋ１の光が無くなると、出射端部２０６に形成されていた上記回折格子は、瞬時に消滅し、この結果、縮退四光波混合により発生していた２つの新たな光も瞬時に消滅する。このように、導波路より出射端部２０６に入射する光の入射／未入射に対する光出射端面２６１及び光出射端面２６２からの光の時間応答については、微粒子１０７の高速な応答性により、ピコ秒レベルの時間応答が得られる。
【００２８】
また、図２に示す光スイッチでは、出射端部２０６の光出射側の側面が曲面から構成されているため、２方向以外の複数の波数ベクトルの光を出射させることが可能であり、光を入射する導波路は、２つに限るものではない。２つの導波路に加え、他のシリコン細線コアを結合させて複数の光を入射し、波数ベクトルの異なる２つの入射光により、上述した波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光及び波数ベクトルが２・ｋ２−ｋ１の光に各々対応する出射光を、出射端部２０６の光出射側の側面から取り出すようにしてもよい。
【００２９】
なお、上述では、微粒子１０７が、平均半径が１０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓＰの微結晶から構成されているものとしたが、これに限るものではない。例えば、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＡｓＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＢＮ，ＣｄＳ，ＣｄＳＳｅ，ＣｄＴｅ，ＣｄＭｎＴｅ，ＰｂＳ，ＣｕＣｌ，Ｇｅ，及びダイヤモンドなどの半導体であってもよい。これらの中で、バンドギャップエネルギーが大きい半導体であっても、二光子吸収により、出射端部に入射した光を吸収し、光励起される状態となることが可能である。また、非線形効果が発現されるＡｕ，Ａｇ，Ｓｂ，Ｓｃなどの金属であってもよい。また、出射端部がシリコン以外の材料から構成されている場合、微粒子はシリコンから構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態における光スイッチの構成例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の実施の形態における他の光スイッチの構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１…基板、１０２…クラッド層、１０３，１０４…シリコン細線コア、１０５…接合部、１０６…出射端部、１０７…微粒子、１６１…光出射端面、１６２…光出射端面。
【図１】
0004440835.tif 000002
【図２】
0004440835.tif 000003