(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスであって、
被制御光を全反射させる屈折率を有する上下の表面層と、該表面層の間に形成され、該表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層との積層構造を持ち、かつ、その内部層が、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる層と、その層よりも制御光による屈折率変化の少ない層あるいは制御光による屈折率変化を起こさない層との二重層構造で構成されることで、被制御光をトンネリングさせる機能を有する光デバイスで構成され、
被制御光を全反射を起こす角度で上記光デバイスに入射させるとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を全反射させずにトンネリングさせるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチングデバイスにおいて、
制御光が全反射を起こさない角度で上記光デバイスに入射されるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の光スイッチングデバイスにおいて、
制御光が上記光デバイスに対して垂直に入射されるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光スイッチングデバイスにおいて、
制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光が用いられるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスに関し、特に、被制御光の波長と同一の波長を持つ制御光の使用を可能にしたり、集積化を可能にするといったような様々な新機能を実現する光スイッチングデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの普及などに伴って、様々な光スイッチングデバイスが提供されつつある。その１つとして、現在、光カプラと呼ばれる光スイッチングデバイスが広く用いられている。
〔参考文献〕T.Takizawa et.al.,"Switching Operation of GaInAs/InP Multiple-Quantum-Well Directional-Coupler-Type All-Optical Switch", Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L110-L113 。
【０００３】
この参考文献に記載される光カプラは、図１２に示すように、２つの導波路Ａ，Ｂで構成されており、その片方の導波路Ｂの一端から入力光を導入すると、２つの導波路Ａ，Ｂが結合状態にあるときには、導波路Ｂに入力された光は導波路Ａに移ることで、output１に出力される。
【０００４】
このとき、制御光を導波路Ａに入力すると、導波路Ａ内での吸収により導波路Ａの屈折率が変化し、導波路Ａ，Ｂの結合状態は崩れて、入力光は導波路Ｂを通ることで、output２に出力される。
【０００５】
このようにして、この参考文献に記載される光カプラは、光スイッチとして動作することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術に従う光スイッチは、入力光として、制御光の波長とは異なる波長の光を用いなくてはない。
【０００７】
すなわち、図１２の例で説明するならば、入力光については、導波路Ａ，Ｂを伝播する必要があることから、導波路Ａ，Ｂで吸収されてはならないのに対して、制御光については、導波路Ａ，Ｂの結合状態を崩す必要があることから、導波路Ａで吸収されなくてはならない。
【０００８】
従って、入力光として、制御光の波長とは異なる波長の光を用いなくてはならないのである。
【０００９】
これから、従来技術に従っていると、光スイッチを多段に接続する必要がある場合に、後段の光スイッチに入力する制御光を生成するために、波長変換装置を用意しなければならないという問題がある。
【００１０】
すなわち、前段の光スイッチの出力する光はあくまで入力光の波長と同じ波長を持つ光であり、後段の光スイッチの必要とする制御光の波長とは異なることから、波長変換装置を用意しなければならないのである。
【００１１】
さらに、図１２に示すような光スイッチは、長い導波路を必要とすることから、光スイッチの構造が大きくなり、集積化に適さないという問題もある。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、被制御光の波長と同一の波長を持つ制御光の使用を可能にしたり、集積化を可能にするといったような様々な新機能を実現する新たな光スイッチングデバイスの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御することを実現するために、被制御光を全反射させる屈折率を有する上下の表面層と、それらの表面層の間に形成され、それらの表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層との積層構造を持ち、かつ、その内部層が、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる層と、その層よりも制御光による屈折率変化の少ない層あるいは制御光による屈折率変化を起こさない層との二重層構造で構成されることで、被制御光をトンネリングさせる機能を有する光デバイスで構成され、被制御光を全反射を起こす角度で光デバイスに入射させるとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を全反射させずにトンネリングさせるように構成する。
【００１４】
このように構成される本発明の光スイッチングデバイスでは、制御光が全反射を起こさない角度で光デバイスに入射されることで、光デバイスの内部層の屈折率が変化する。
【００１５】
この屈折率変化に従って、光のトンネリングを起こす被制御光の入射角度の条件が変化することになる。
【００１６】
本発明の光スイッチングデバイスは、この現象を使って、通常は制御光を入射しないようにする構成を採って、（イ）制御光が入射されないときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が入射されるときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせたり、（ロ）制御光が入射されないときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入射されるときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるように動作することで、光スイッチング動作を実現する。
【００１７】
また、本発明の光スイッチングデバイスは、この現象を使って、通常は制御光を入射するようにする構成を採って、（ハ）制御光が入射されるときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が入射されないときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせたり、（ニ）制御光が入射されるときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入射されないときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるように動作することで、光スイッチング動作を実現する。
【００１８】
このようにして、本発明によれば、被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層とを備えることを基本構造とする光デバイスの持つ光トンネリング現象を使って、光スイッチング動作（光インバータ動作）を実現することから、制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光（異なる波長を持つ光でもよい）を用いることができるようになるとともに、集積化に適した構造を持つことで集積化を実現できるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１に、本発明を具備する光スイッチングデバイスの一実施形態例を図示する。
【００２１】
この実施形態例に従う場合、本発明の光スイッチングデバイスは、▲１▼Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"を持つガイド層１０と、▲２▼Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率“3.01404"を持つバリア層１１と、▲３▼Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で厚みが210nm で構成されて、屈折率“3.69882"を持つとともに、光の入射に応答してその屈折率を変化させるアクティブ層１２と、▲４▼Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.419"で厚みが240nm で構成されて、屈折率“3.37692"を持つドレイン層１３と、▲５▼Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率“3.01404"を持つバリア層１４と、▲６▼Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"を持つガイド層１５という積層構造で構成されている。
【００２２】
下記の参考文献に記載されているように、２つの低屈折率の層で高屈折率の層がはさまれる形の積層構造を持つ図２に示すような光学素子は、エバネッセント波を介した光の共鳴トンネリング現象により、光がトンネリングすることが知られている。
〔参考文献〕林真至,"光のトンネリング−多層膜系での共鳴トンネリング−",光学，28巻,9号,pp.496-501,(1999)”
本発明の光スイッチングデバイスは、この参考文献に記載されている屈折率の積層構造に加えて、アクティブ層１２が光の入射に応答してその屈折率を変化させる材料（非線形屈折率の大きな材料）で構成されているとともに、バリア層１１よりも大きな屈折率を持つドレイン層１３（光の入射に応答してその屈折率を変化させない層）をアクティブ層１２に積層する形で備えるという構成を採っている。
【００２３】
そして、さらに、本発明の光スイッチングデバイスは、ガイド層１０からバリア層１１に向けて臨界角よりも大きな角度θで入射する入力光（被制御光）と、ガイド層１０からバリア層１１に向けて垂直に入射する制御光とを入射するという構成を採っている。
【００２４】
入力光は臨界角よりも大きな角度θで入射することから、光のトンネリングが発生しない場合には、図１中のＯutput-Ａに示すように、バリア層１１との境界面で全反射することになる。
【００２５】
ここで、入力光と制御光とは同じ波長の光であってもよいし、異なる波長の光であってもよい。どちらの場合にも、アクティブ層１２の屈折率を変化させることができるからである。
【００２６】
また、制御光については、垂直に入射することが好ましいが、アクティブ層１２に到達できればよいので、原理的には、全反射しない入射角であれば、どのような角度で入射されてもよい。
【００２７】
次に、理論解析を行うことで得られた、図１に示す屈折率の積層構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスで発生する光トンネリング現象について説明する。
【００２８】
この理論解析は、図３ないし図５に示すマクスウェルの電磁波方程式を解くことで行った。
【００２９】
図６に、この理論解析の解析結果を図示する。
【００３０】
図６の解析結果において、横軸は入射角θであり、縦軸は反射率（図１中のＩnputに対するＯutput-Ａの強度比）である。
【００３１】
ここで、入力光の波長と制御光の波長とは同じ波長の光とし、その波長として780nm を想定して理論解析を行った。また、偏光としてＴＭ波を想定して理論解析（図４の理論解析式を用いた解析）を行った。ガイド層１０／バリア層１１の界面での臨界角は６4.９度である。
【００３２】
図６の解析結果から明らかなように、臨界角以上では、ほとんどの角度領域で反射率はほぼ１００％であるが、図中のＡ，Ｂに示すような鋭い谷構造が計算された。
【００３３】
この全反射領域で発生する反射率の急激な落ち込みは、上下２つのガイド層１０，１５の間でアクティブ層１２／ドレイン層１３を介して、入力光がバリア層１１，１４をトンネルしたように振る舞う“共鳴フォトントンネリング現象”に起因するものである。
【００３４】
なお、図６に示す解析結果では、光のトンネリング現象の発生する箇所で反射率が０まで落ちていないが、これは計算の分解能の関係であって、実際には０まで落ちているものである。
【００３５】
図７に、共鳴角“75.413度（図６に示すＢの共鳴角）”における共鳴角近傍での透過率（図１中のＩnputに対するＯutput-Ｂの強度比）の入射角依存性を図示する。
【００３６】
この図７では、アクティブ層１２の屈折率変化Δｎが±0.011 のときの透過率スペクトルについても図示している。
【００３７】
この図７の解析結果から分かるように、アクティブ層１２の屈折率変化がないとしたとき（Δｎ＝０）に、75.413度の入射角で鋭いピークを持つ透過率が計算されることになるが、この状態からアクティブ層１２の屈折率が±0.011 変化すると、共鳴角が約±0.17度だけシフトすることになる。このとき、透過率のスペクトルのテールでわずかに違いが観測されることになるが、ローレンツ曲線に近いスペクトル形状はほぼ保持されていることが分かる。
【００３８】
この解析結果から分かるように、図１に示す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、入射角を75.413度で一定とした場合、アクティブ層１２の屈折率変化Δｎ＝0.011 に対して、約４５ｄＢという非常に高い消光比を示すことが明らかとなった。
【００３９】
図１に示す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、この特性に従って、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスとして動作することになる。
【００４０】
すなわち、図８（ａ）に示すように、通常は制御光を入射しないようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角の近傍（共鳴角ではない）に設定しておいて、制御光を入射するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角となるように構成しておけば、入力光は全反射から透過へと切り換わることになる。
【００４１】
また、図８（ｂ）に示すように、通常は制御光を入射しないようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御光を入射するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角から外れるように構成しておけば、入力光は透過から全反射へと切り換わることになる。
【００４２】
また、図９（ａ）に示すように、通常は制御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角の近傍（共鳴角ではない）に設定しておいて、制御光を遮断するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角となるように構成しておけば、入力光は全反射から透過へと切り換わることになる。
【００４３】
また、図９（ｂ）に示すように、通常は制御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御光を遮断するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角から外れるように構成しておけば、入力光は透過から全反射へと切り換わることになる。
【００４４】
このようにして、図１に示す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスとして動作することになる。
【００４５】
次に、本発明の光スイッチングデバイスでドレイン層１３を設けた理由について説明する。
【００４６】
図１０及び図１１に、ドレイン層１３を設けないときの理論解析の解析結果を図示する。
【００４７】
ここで、図１０に示す解析結果は、図１に示す積層構造の中からドレイン層１３を省略する形の積層構造のものを解析対象として解析を行った結果を示している。従って、この解析に用いたアクティブ層１２は、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で、厚みが210nm で、屈折率“3.69882"である。
【００４８】
一方、図１１に示す解析結果は、図１に示す積層構造の中に含まれるドレイン層１３をアクティブ層１２の材料のものに置き換える形の積層構造のものを解析対象として解析を行った結果を示している。従って、この解析に用いたアクティブ層１２は、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で、厚みが450nm で、屈折率“3.69882"である。
【００４９】
なお、図１１に示す解析結果では、光のトンネリング現象の発生する箇所で反射率が０まで落ちていないが、これは計算の分解能の関係であって、実際には０まで落ちているものである。
【００５０】
この解析結果から、アクティブ層１２の厚みが小さいと、光のトンネリング現象が発生しないことが明らかとなった。
【００５１】
従って、光のトンネリング現象の発生という観点からすると、アクティブ層１２の厚みは大きい程よいことになる。
【００５２】
しかしながら、アクティブ層１２の厚みが大きくなると、アクティブ層１２の屈折率変化を起こさせるために、大きなパワーを持つ制御光が必要となって実用的でない。
【００５３】
そこで、本発明の光スイッチングデバイスでは、図１に示すように、制御光を吸収しない層であるドレイン層１３を設けるようにするという構成を採っている。
【００５４】
図６に示す解析結果と図１１に示す解析結果とを比較すれば分かるように、ドレイン層１３を設けるようにすると、アクティブ層１２の厚みが小さい場合にも、光のトンネリング現象が発生することが明らかとなった。
【００５５】
このドレイン層１３は、アクティブ層１２と異なって非線形屈折率を示さない材料を用いることが可能である。これから、ドレイン層１３を設けるという構成を採る本発明の光スイッチングデバイスによれば、小さなパワーを持つ制御光を用いることが可能になる。
【００５６】
ここで、ドレイン層１３として、制御光による屈折率変化を起こさない材料を用いることが好ましいが、アクティブ層１２よりも制御光による屈折率変化の少ない材料を用いることでもよい。
【００５７】
以上に説明したように、本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御するように動作する。
【００５８】
これから、光構成のＮＯＴゲートとして用いることが可能であり、このゲートを２段重ねることでＡＮＤゲートを構成することもできる。
【００５９】
また、本発明の光スイッチングデバイスは、全反射する反射面を持つことを基本構成としている。
【００６０】
これから、コアとクラッドとで構成されて全反射しながら光が伝播する光ファイバに実装することが可能になることで、光ファイバ型の光スイッチを実現できるようになる。
【００６１】
図示実施形態例に従って本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態例では、屈折率分布が縦方向に変化した積層構造を持つことで説明したが、基板に対してメサ型の横方向の屈折率分布を持つ構造にして、光を基板面に水平に導波することであってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層とを備えることを基本構造とする光デバイスの持つ光トンネリング効果を使って、光スイッチング動作（光インバータ動作）を実現することから、制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光（異なる波長を持つ光でもよい）を用いることができるようになるとともに、集積化に適した構造を持つことで集積化を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例である。
【図２】光の共鳴トンネリングを発生する光学素子の説明図である。
【図３】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクスウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図４】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクスウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図５】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクスウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図６】理論解析結果の説明図である。
【図７】理論解析結果の説明図である。
【図８】本発明の光スイッチングデバイスの動作の一例を示す図である。
【図９】本発明の光スイッチングデバイスの動作の一例を示す図である。
【図１０】理論解析結果の説明図である。
【図１１】理論解析結果の説明図である。
【図１２】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１０  ガイド層
１１  バリア層
１２  アクティブ層
１３  ドレイン層
１４  バリア層
１５  ガイド層
【図１】
0003811774.tif 000002
【図２】
0003811774.tif 000003
【図３】
0003811774.tif 000004
【図４】
0003811774.tif 000005
【図５】
0003811774.tif 000006
【図６】
0003811774.tif 000007
【図７】
0003811774.tif 000008
【図８】
0003811774.tif 000009
【図９】
0003811774.tif 000010
【図１０】
0003811774.tif 000011
【図１１】
0003811774.tif 000012
【図１２】
0003811774.tif 000013