(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モル％表示で、
Ｂｉ２Ｏ３                    ５０〜８０％、
Ｌｉ２Ｏ＋ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｎＯ２   ２〜３０％、
Ｂ２Ｏ３                      １５〜４８％、
ＣｅＯ２                  ０．０１〜１０％、
なる成分のガラスであってＳｉＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＺｎＯ、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３を含有する場合それらの含有量の合計が２モル％以下であるガラスからなるスイッチ材料を備え、制御光によって信号光のスイッチ動作を行わせる超高速光スイッチ。
【請求項２】
前記ガラスにおけるＢ２Ｏ３が１７モル％以上である請求項１の超高速スイッチ。
【請求項３】
前記ガラスにおけるＣｅＯ２が３モル％以下である請求項１または２の超高速スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速光情報処理に用いられる超高速光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報処理社会やマルチメディアの実現のためには、大容量の情報を超高速に処理する必要があり、そのためには従来のエレクトロニクス処理にかわる光処理技術が不可欠である。光を使って光信号を処理する、すなわち光スイッチを実現するために、種々の開発が行われている。
【０００３】
この光スイッチの動作原理として、光によって材料の屈折率や透過率などの光学特性を変化させることができる三次非線形光学効果を利用していた。このような観点から、三次非線形光学効果の大きい材料探索が精力的に行われ、ＧａＡｓのような半導体単結晶やポリジアセチレンのような有機単結晶、量子サイズ効果を利用した半導体微粒子分散ガラス、半導体量子井戸構造、石英ガラスなど多くの材料が光スイッチとして提案されている。これらの材料のなかで、有機単結晶や石英ガラスなどの非共鳴型三次非線形光学材料は、光吸収を伴わないため数ピコ秒以下での高速な非線形応答を示すことが知られているが、三次非線形光学効果が小さいため光スイッチとして実現するためには、デバイス長を大きくしたり動作パワーを大きくする必要があった。そのため、非共鳴型のガラスにおいて三次非線形光学効果が大きな材料の探索が精力的に行われている。
【０００４】
例えば、石英ガラスをファイバー化して光スイッチを作製した場合、５〜２０ピコ秒でのスイッチ動作は可能なものの、スイッチ動作をさせるためには、約１０００ｍの長さにする必要があった。一方、カルコゲンガラスとして知られているＡｓ−Ｓ系のガラスにおいては、非線形光学効果が大きいため、約１／１０００の長さのファイバーで同様の速度でのスイッチ動作が可能であることが特開平３−２１９３４に示されている。しかしながら、カルコゲンガラスの場合は、ガラス作製時の雰囲気を制御する必要があること、有害元素を含有することなどから、ガラスを作製するプロセスが煩雑であるという問題点があった。一方、Ｂｉ2 Ｏ3 を含有する非共鳴型の非線形光学ガラスが、Optics letters 21(1996)p.1637 に示されている。しかし、これらのガラスの三次非線形光学効果はカルコゲンガラスに比べて小さかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、通常のガラス作製プロセスで作製可能な、三次非線形光学効果が大きいガラスを用いた超高速光スイッチを新規に提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の超高速光スイッチは、その目的を達成するため、モル％表示で、
Ｂｉ2 Ｏ3                     ５０〜８０％、
Ｌｉ2 Ｏ＋ＴｉＯ2 ＋ＺｒＯ2 ＋ＳｎＯ2   ２〜３０％、
Ｂ2 Ｏ3                       １５〜４８％、
ＣｅＯ2                   ０．０１〜１０％、
なる成分のガラスからなるスイッチ材料を備え、制御光によって信号光のスイッチ動作を行わせる超高速光スイッチを提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
Ｂｉ2 Ｏ3 の含有量が５０モル％未満では、期待する三次非線形光学効果が得られない。好ましくは６０モル％以上である。逆に、８０モル％超ではガラス化が困難になる傾向がある。好ましくは７５モル％以下である。
【０００８】
Ｌｉ2 Ｏ、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＳｎＯ2 は少なくともいずれか１種が必須である。これらは添加することによって、ガラス作製時の結晶化を抑止することが可能となり、Ｂｉ2 Ｏ3 成分を高濃度に含有することが可能になるとともに、その成分自身の効果によって三次非線形光学効果を高めることができる。これらの合計量が２モル％未満では、ガラス化が困難になるとともに、期待される三次非線形光学効果が得られず、逆に、３０モル％超の場合は期待する三次非線形光学効果が得られないおそれがある。好ましくは２０モル％以下である。
【０００９】
Ｂ2 Ｏ3 は添加することによって、ガラス作製時の結晶化を抑止することが可能となりガラス形成が容易になるが、含有量が１５モル％未満では、ガラス化が困難になるおそれがある。好ましくは１６モル％以上である。逆に、含有量が４８モル％超では期待する三次非線形光学効果が得られないおそれがある。好ましくは４７．５モル％以下、特に好ましくは４０モル％以下である。
【００１０】
ＣｅＯ2 は、添加することによりガラス組成中のＢｉ2 Ｏ3 がガラス融解中に金属ビスマスとして析出することを抑制し、ガラスの透明性の低下を抑止できる。含有量が０．０１モル％未満では、その効果が不十分となるおそれがある。好ましくは０．０５モル％以上である。逆に、含有量が１０モル％超ではガラス形成が困難になるとともに、三次非線形光学効果が低下するおそれがある。好ましくは１モル％以下である。
【００１１】
本発明のガラスには、ＳｉＯ2 、Ｎａ2 Ｏ、Ｋ2 Ｏ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 などを２モル％以下、本発明の効果を損しない範囲で添加できる。
【００１２】
これらのガラスの作製法については特に制限はなく、所定の原料を混合し、白金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、８００〜１３００℃で空気中で溶融し、得られた融液を所定のモールドにキャストすることによって作製することができる。また、ゾルゲル法や気相蒸着法などの溶融法以外の方法で作製してもよい。
【００１３】
本発明は、非共鳴型の三次非線形光学効果を利用しているため、光が入射されたときのみに生ずる分極を利用し、使用するレーザーのパルス幅と同等の時間応答性でスイッチ動作させることができる。また、三次の非線形光学効果が高いため、低パワーで効率的に光スイッチ動作させることができる。すなわち、１ピコ秒以下のパルス幅をもつレーザー光を制御光として使用するとき、１ピコ秒以下の超高速、低パワーでかつ光吸収ロスなしに光スイッチ動作する光スイッチが得られる。
【００１４】
本発明に従った光スイッチは、光ビームの方向制御、位相変調、偏光回転の少なくとも一つによりスイッチ動作を行わせている。
光ビームを方向制御する光スイッチは、例えば図１で示すように、本発明のガラス材料Ｍに制御光Ｌ1 （ベクトルｋ1 ）および制御光Ｌ2 （ベクトルｋ2 ）、信号光Ｌin（ベクトルｋs ）を入射すると、三次非線形光学効果によりスイッチ材料内でｋsw＝−ｋ1 ＋ｋ2 ＋ｋs の光混合が生じ、ｋswの方向にスイッチ光Ｌswが発生する。この場合、二つの制御光Ｌ1 、Ｌ2 のうち一つでも欠けた場合、信号光Ｌinは、そのまま方向を変えずにスイッチ材料Ｍを透過し、透過信号光Ｌout として出射される。すなわち、光ビームの方向制御によるスイッチ動作が可能になる。
【００１５】
三次非線形光学効果を有する材料は、入射した光強度に応じて屈折率が変化する。屈折率が変化することによって、スイッチ材料を通過した光の位相が次のように変調される。
【００１６】
Δφ＝（ｎ・ω／ｃ）・χ(3) ／２・ε・Ｉ・Ｌ
Δφは変調された位相、ｎは材料の屈折率、ωは光の周波数、ｃは光速、χ(3) は三次非線形光学定数、εは誘電率、Ｉは制御光強度、Ｌはスイッチ材料の長さを示す。したがって、制御光強度Ｉ、三次非線形光学定数χ(3) 、スイッチ材料長Ｌが大きいほど、位相変調量は大きくなる。
【００１７】
位相変調を利用した光誘起スイッチは、例えば図２で示すように、光干渉計スイッチとして利用することができる。この光干渉計スイッチでは、制御光Ｌ1 とともに信号光Ｌinをスイッチ材料Ｍに入射する。信号光Ｌinの一部は、ハーフミラーＭh1で反射された後、全反射ミラーＭt1で反射され、合波ミラーＭh2に到達する。残りの信号光Ｌinは、ハーフミラーＭh1を透過してスイッチ材料Ｍに入射され、全反射ミラーＭt2で反射され、合波ミラーＭh2に到達し、前述の信号光の一部と合波される。
【００１８】
このとき、制御光Ｌ1 によって信号光Ｌinの位相が変調されるため、ハーフミラーＭh1で二つに分波された信号光Ｌinが合波ミラーＭh2で合波されて出射される方向を、制御光Ｌ1 の有無により制御することが可能となる。
【００１９】
偏光回転を利用して光誘起スイッチ動作を行わせることもできる。たとえば、図３に示すように、水平偏光の信号光Ｌinとそれに対して４５°の方向に偏向した制御光Ｌ1 をスイッチ材料Ｍに入射する場合、制御光Ｌ1 が入射されたとき、出射信号光Ｌout の偏光を垂直偏光に回転させることができる。この場合、制御光Ｌ1 が存在しないと、信号光Ｌinの偏光が回転することなく、そのままの水平偏光で出射される。
【００２０】
このスイッチ動作を応用することにより、図４に示すような光誘起スイッチが作られる。この光誘起スイッチでは、スイッチ材料Ｍの入側に偏光子Ｐを、出側に検光子Ａを配置している。偏光子Ｐを通った光は、制御光Ｌ1 が存在しないと検光子Ａを通過せず、制御光Ｌ1 の入射により信号光Ｌinの偏光が回転し、検光子Ａを通過する。その結果、制御光Ｌ1 のオン・オフによって信号光Ｌinをオン・オフ制御できる。
【００２１】
以上述べた光誘起スイッチはバルク状のスイッチ材料を用いた原理的な実施形態を示したものであるが、ファイバーや導波路の形態でも同様の原理を用いて実施できる。
【００２２】
【実施例】
表１に示す組成のガラスを所定量の原料を調合し、白金ルツボに入れ１１００℃で２時間溶融することによって作製した。得られたガラスを厚さ０．７ｍｍに鏡面研磨して、三次非線形光学特性を測定した。三次非線形光学特性は、ＹＡＧレーザーの基本波（１．０６μｍ）と色素レーザー（約０．７μｍ）を非線形結晶中でミキシングして得られた１．９μｍのレーザー光を試料に入射し、発生した第三高調波（０．６３μｍ）の強さを測定することにより行い、三次非線形光学定数χ(3) を求めた。また、これらのガラスの透過率を分光光度計を用いて測定した結果、約５００ｎｍから２０００ｎｍの波長域で吸収がなかった。これらのガラスを用いて図１に示す配置の方向制御型、図２に示す配置の位相変調型および図４に示す偏光回転型光スイッチの動作試験を行った。
【００２３】
方向制御型スイッチの場合、波長６００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒、パルスエネルギー２５ｎＪのレーザー光を制御光Ｌ1 、Ｌ2 として使用し、波長６００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒、パルスエネルギー５ｎＪのレーザー光を信号光Ｌinとして使用した。これらの光ビームを２００ｍｍの焦点距離のレンズを用いて試料中に集光して光スイッチ動作試験を行った。また、信号光Ｌinと制御光Ｌ1 、Ｌ2 の間に時間遅延を与えてスイッチ動作の時間応答を測定した。スイッチ材料として試料番号２、３、４、７のガラスを用いた結果、いずれのガラスの場合も二つの制御光Ｌ1 、Ｌ2 が入射されたときにのみ、信号光Ｌinがスイッチ光Ｌswの方向にスイッチされた。時間応答はいずれも、レーザーパルス幅と同等の１００フェムト秒であった。
【００２４】
位相変調型スイッチの場合、波長１３００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒、パルスエネルギー１００ｐＪのレーザー光を制御光Ｌ1 として使用し、波長１３１０ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒、パルスエネルギー１０ｐＪのレーザー光を信号光Ｌinとして使用した。スイッチ材料として、試料番号５のガラスをコア径１０μｍ、長さ５０ｃｍのファイバー状に加工したものを用いた。その結果、制御光Ｌ1 のオン・オフにより合波ミラーＭh2からの出射方向が制御できた。制御光Ｌ1 と信号光Ｌinの間に時間遅延を与えて、スイッチ動作の時間応答を測定したところ１００フェムト秒であった。
【００２５】
偏光回転型スイッチの場合、波長１５００ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、パルスエネルギー２０ｎＪ、信号光に対して偏光方向が４５°のレーザー光を制御光Ｌ1 として使用し、波長１５００ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、パルスエネルギー１００ｐＪ、水平偏光のレーザー光を信号光Ｌinとして使用した。これらの光ビームを焦点距離２００ｍｍのレンズを用いて試料中に集光した。５ｍｍの厚さに研磨した試料番号１および６のガラスを用いて試験した結果、制御光Ｌ1 がない場合は、信号光Ｌinは検光子Ａから全く透過しなかったが、制御光Ｌ1 を入射することによって検光子Ａから試料番号１の場合は７０ｐＪ、試料番号２の場合は８０ｐＪのパルスエネルギーのレーザー光が透過した。制御光Ｌ1 と信号光Ｌinの間に時間遅延を与えて、スイッチ動作時間を測定したところ、レーザーパルス幅と等しい１５０フェムト秒であった。
【００２６】
（比較例）
実施例の偏光回転型スイッチと同様の測定系で、５ｍｍの厚さに研磨した４２．５Ｂｉ2 Ｏ3 ・２８．４Ｂ2 Ｏ3 ・２８．４ＳｉＯ2 ・０．７ＣｅＯ2 （モル％）の組成のガラスのスイッチ特性を測定した。このガラスの三次非線形光学定数χ(3) を測定した結果、０．９×１０-11 ｅｓｕであった。制御光Ｌ1 がない場合は、信号光Ｌinは検光子Ａから全く透過しなかった。また、制御光Ｌ1 を入射しても、検光子Ａから３０ｐＪのパルスエネルギーのレーザー光しか透過しなかった。制御光Ｌ1 と信号光Ｌinの間に時間遅延を与えて、スイッチ動作時間を測定したところ、レーザーパルス幅と等しい１５０フェムト秒であった。
【００２７】
【表１】
0003948079.tif 000002
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光誘起スイッチは、非共鳴型三次非線形光学効果を利用して光ビームの方向制御、位相変調、偏光回転等を行うことにより、入射される光のパルス幅に等しい極めて短い時間、具体的には１ピコ秒以下の超短時間でスイッチ動作を行うことができる。さらに、本光スイッチには、酸化物成分からなるガラス材料を用いているため、通常のガラス作製プロセスでの作製が可能であり、導波路やファイバーなどの形状への加工も容易である。そのため、本光スイッチを用いて、超高速、高性能の光信号処理が可能となり、大容量の情報を超高速で処理することが要求される情報処理機器に有用なスイッチとして使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超高速スイッチの説明図
【図２】本発明の超高速スイッチの１態様を示す概念図
【図３】本発明の超高速スイッチの説明図
【図４】本発明の超高速スイッチの１態様を示す斜視図
【符号の説明】
Ｌ1 、Ｌ2 ：制御光
Ｌsw：スイッチ光
Ｌout ：透過信号光
Ｍh1、Ｍh2：ハーフミラー
Ｍt1、Ｍt2：全反射ミラー
Ｍ：スイッチ材料
Ｐ：偏光子
Ａ：検光子
【図１】
0003948079.tif 000003
【図２】
0003948079.tif 000004
【図３】
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【図４】
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