(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光及び制御光が入射されるＢｉ2Ｏ3含有ガラスであってＣｅＯ2が添加されているガラスからなるスイッチ材料を備え、前記制御光による前記信号光の方向制御，位相変調又は偏光回転によりスイッチ動作を行わせる超高速光誘起スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載のＢｉ2Ｏ3含有ガラスがＢｉ2Ｏ3：１５〜７０モル％，ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋Ｂａ：０〜４０モル％，Ｂ2Ｏ3：０〜７５モル％，ＳｉＯ2：０〜６０モル％，Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ：０〜２０モル％，ＴｉＯ2：０〜２０モル％，ＣｅＯ2：０％超〜１０モル％以下の組成をもつ超高速光誘起スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超高速光情報処理に使用される光誘起スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速度情報処理やマルチメディアの進展に伴って、大容量の情報を超高速で処理する必要性が大きくなっている。そこで、従来のエレクトロニクス処理に代わる光処理技術が注目されている。光を使用した光信号処理で不可欠な光誘起スイッチを実現するため、種々の開発が行われている。
光誘起スイッチの動作原理は、光によって材料の屈折率，透過率等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る。このような観点から、三次非線形光学効果の大きい材料の探索が精力的に行われており、ＧａＡｓのような半導体単結晶，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，重金属ドープガラス等の多くの材料が光誘起スイッチとして提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
三次非線形光学効果を利用した光誘起スイッチでは、１ピコ秒〜１００ピコ秒の動作応答速度が実現されている。しかし、応答速度の早い材料を使用した光誘起スイッチは、三次非線形光学効果が小さいことから、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。たとえば、有機単結晶や石英ガラス等の非共鳴型三次非線形材料は、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するが、三次非線形光学効果が小さい。そのため、非共鳴型のガラスにおいても、三次非線形光学効果の大きな材料の探索が進められている。
石英ガラスをファイバー化して光スイッチを作製すると、５〜２０ピコ秒でのスイッチ動作が可能であるが、実用的なスイッチ動作をさせるために約１０００ｍの長さにする必要がある。一方、カルコゲンガラスとして知られているＡｓ−Ｓ系のガラスでは、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等速度のスイッチ動作可能であることが特開平３−２１９３４号公報で紹介されている。しかし、カルコゲンガラスの場合、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等から、作製プロセスが煩雑になる欠点がある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｂｉ2 Ｏ3 を含むガラス組成を使用して光スイッチ材料を作製することにより、通常のガラス製造プロセスで作製可能であり、三次非線形光学効果が大きなガラスを使用した超高速光誘起スイッチを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超高速光誘起スイッチは、その目的を達成するため、信号光及び制御光が入射されるＢｉ2Ｏ3含有ガラスであってＣｅＯ2が添加されているガラスからなるスイッチ材料を備え、前記制御光による前記信号光の方向制御，位相変調又は偏光回転によりスイッチ動作を行わせることを特徴とする。
Ｂｉ2Ｏ3含有ガラスとしては、Ｂｉ2Ｏ3：１５〜７０モル％を含むＢ2Ｏ3＋ＳｉＯ2：１５〜７０モル％の硼酸又はシリカ系ガラスが使用される。具体的には、Ｂｉ2Ｏ3：１５〜７０モル％，ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋Ｂａ：０〜４０モル％，Ｂ2Ｏ3：０〜７５モル％，ＳｉＯ2：０〜６０モル％，Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ：０〜２０モル％，ＴｉＯ2：０〜２０モル％，ＣｅＯ2：０％超〜１０モル％以下の組成をもつガラスが使用される。
【０００５】
【作用】
本発明の光誘起スイッチは、非共鳴型の三次非線形光学効果を利用している。そして、光入射時のみに発生する分極を利用し、使用するレーザのパルス幅と同等の時間応答性でスイッチ動作させている。使用するスイッチ材料は、Ｂｉ2 Ｏ3 を必須成分として含むことから、三次の非線形光学効果が高く、低パワーで効率的に光スイッチ動作する。具体的には、１ピコ秒以下のパルス幅をもつレーザ光を制御光として使用すると、１ピコ秒以下の超高速，低パワーで且つ光吸収ロスなしに光誘起スイッチ動作する光誘起スイッチが得られる。
【０００６】
以下、本発明のスイッチ材料として使用されるガラスの成分及び含有量を説明する。
Ｂｉ2 Ｏ3 ：１５〜７０モル％
Ｂｉ2 Ｏ3 に由来するＢｉイオンは、電子数が大きく、イオン半径も大きい。そのため、光電場に対する電子の相互作用、換言すれば電子分極を大きくし、三次非線形光学効果を向上させる。このようなＢｉイオンの作用・効果は、１５モル％以上のＢｉ2 Ｏ3 含有量で顕著になる。しかし、７０モル％を超える含有量では、ガラス化が困難になる。
ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋Ｂａ：０〜４０モル％
ガラス作製時の結晶化を抑制する作用を呈し、ガラス形成を容易にする。しかし、ＭｇＯ，ＺｎＯ，Ｂａの合計含有量が４０モル％を超えると、期待する三次非線形光学効果が得られない。
Ｂ2 Ｏ3 ：０〜７５モル％
ガラス作製時の結晶化を抑制する作用を呈し、ガラス形成を容易にする。しかし、７５モル％を超える含有量では、期待する三次非線形光学効果が得られない。
【０００７】
ＳｉＯ2 ：０〜６０モル％
ガラス作製時の結晶化を抑制する作用を呈し、ガラス形成を容易にする。しかし、６０モル％を超える含有量では、期待する三次非線形光学効果が得られない。
Ｌｉ2 Ｏ＋Ｎａ2 Ｏ＋Ｋ2 Ｏ：０〜２０モル％
Ｌｉ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｋ2 Ｏは、単独又は複合して配合できる、Ｌｉ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｋ2 Ｏの添加によりガラス作製時の結晶化が抑制され、ガラスの形成が容易に進行する。しかし、Ｌｉ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｋ2 Ｏの合計含有量が２０モル％を超えると、ガラスの化学的耐久性が劣化すると共に、期待する三次非線形光学効果が得られない。
ＴｉＯ2 ：０〜２０モル％
ガラス作製時の結晶化を抑制する作用を呈し、ガラス形成を容易にする。また、三次非線形光学効果を高める作用も呈する。しかし、２０モル％を超える含有量では、ガラス形成が困難になる。
【０００８】
ＣｅＯ2：０％超〜１０モル％以下
ガラス組成中のＢｉ2Ｏ3がガラス溶解中に金属Ｂｉとして析出することを抑制し、ガラスの透明度低下を防止する作用を呈する。しかし、１０モル％を超える多量のＣｅＯ2を添加すると、ガラス形成が困難になると共に、三次非線形光学効果が低下する。
これらの成分を配合した組成物は、適宜の方法でガラスに製造される。たとえば、所定の原料を混合し、白金ルツボ，石英ルツボ，イリジウムルツボ等に入れ、空気中１０００〜１３００℃で溶融し、得られた融液を所定の鋳型で鋳造することによって作製される。また、溶融法以外にゾル−ゲル法，気相蒸着法等も採用可能である。
【０００９】
【実施の形態】
本発明に従った光誘起スイッチは、光ビームの方向制御，位相変調，偏向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誘起スイッチでは、たとえば図１で示すように、Ｂｉ2 Ｏ3 を含むスイッチ材料Ｍに制御光Ｌ1 （ベクトルｋ1 ）及び制御光Ｌ2 （ベクトルｋ2 ）及び信号光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ング材料Ｍ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。このとき、二つの制御光Ｌ1 及びＬ2 の一つでも欠けると、信号光Ｌinは、そのまま方向を変えることなくスイッチ材料Ｍを透過し、透過信号光Ｌout として出射される。これにより、光ビームが方向制御され、スイッチ動作が可能になる。
三次非線形光学効果をもつ材料は、入射した光強度に応じて屈折率を変化させる。スイッチ材料Ｍを通過した光の位相は、屈折率の変化度に応じて次のように変調される。
Δφ＝（ｎ・ω／ｃ）・χ(3) ／２・ε・Ｉ・Ｌ
ただし、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) ，スイッチ材料長さＬが大きいほど、位相変調量が大きくなる。
【００１０】
位相変調を利用した光誘起スイッチは、例えば図２に示すように、光干渉計スイッチとして利用できる。この光干渉計スイッチでは、制御光Ｌ1 と共に信号光Ｌinをスイッチ材料Ｍに入射させる。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Ｍti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を透過した後、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に到達する。
このようにしてスイッチ材料Ｍを透過した信号光は、合波ミラーＭh2で他の信号光と合波される。このとき、制御光Ｌ1 で信号光Ｌinの位相が変調されているため、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 の有無によって制御できる。
【００１１】
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及び信号光Ｌinに対して４５度の方向に偏向した制御光Ｌ1 をスイッチ材料Ｍに入射させるシステムが採用される。このシステムでは、制御光Ｌ1 が入射されたとき、出射信号光Ｌout の偏光を垂直偏向に回転させることができる。他方、制御光Ｌ1 の入射がないと、信号光Ｌinは、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。
このスイッチ動作を応用することにより。図４に示す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を通過した光は、制御光Ｌ1 がないとき検光子Ａを通過せず、制御光Ｌ1 の入射によって信号光Ｌ1 が偏光回転し検光子Ａを通過する。その結果、制御光Ｌ1 のオン・オフにより、信号光Ｌinをオン・オフ制御できる。
以上の各例では、バルク状のスイッチ材料Ｍを用いて光誘起スイッチの原理的な実施形態を説明している。しかし、同様の原理に基づき、ファイバー，導波路等の形態でも実施可能なことは勿論である。
【００１２】
【実施例】
所定量のガラス原料を調合し、白金ルツボに入れて１３００℃で２時間溶融することにより、表１に示す組成をもつガラスを作製した。得られたガラスを厚さ０．７ｍｍに鏡面研磨し、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レーザの基本波（１．０６μｍ）と色素レーザ（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調査し、測定結果から三次非線形光学定数χ(3) を求めた。また、表１に掲げた各ガラスの透過率を分光光度計で測定した結果、約５００〜２０００ｎｍの波長域で吸収がなかった。
【００１３】
0003764525.tif 000002
【００１４】
表１に掲げた各ガラスを使用し、方向制御型（図１），位相変調型（図２）及び偏光回転型（図４）の光誘起スイッチを組み立て、各スイッチの動作試験を行った。
方向制御型スイッチでは、波長６００ｎｍ，パルス幅１００フェムト秒，パルスエネルギー２５ｎＪのレーザ光を制御光Ｌ1及び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２００ｎｍのレンズを用いて試料中に集光し、光動作試験を行った。また、信号光Ｌinと制御光Ｌ1，Ｌ2との間に遅延時間を与え、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験番号２〜４のガラスを用いた結果では、何れの場合も二つの制御光Ｌ1，Ｌ2が入射されたときのみ、信号光Ｌinがスイッチ光Ｌoutの方向にスイッチされた。このときの時間応答は、何れもレーザパルスの幅と同等の１００フェムト秒であった。
【００１５】
偏光回転型スイッチでは、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Ｌinに対して偏光方向が４５度のレーザ光を制御光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の厚みに研磨した試験番号１のガラスを用いて試験した結果、制御光Ｌ1を入射することにより検光子Ａから試験番号１では３０ｐＪのパルスエネルギーをもつレーザ光が透過した。制御光Ｌ1と信号光Ｌinと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、使用したレーザのパルスと等しい１５０フェムト秒であった。
【００１６】
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の厚さに研磨したカルコゲナイドガラス（Ａｓ40Ｓ57Ｓｅ3 ）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) は、１．４×１０-11 ｅｓｕであった。制御光Ｌ1 がないとき、信号光Ｌinは検出子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出子Ａから７０ｐＪのパルスエネルギーをもつレーザ光が透過した。制御光Ｌ1 と信号光Ｌinと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、レーザパルス幅より長い３００フェムト秒であった。
【００１７】
【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ピコ秒以下の極短時間でスイッチ動作を行うことができる。また、Ｂｉ2 Ｏ3 成分を含むガラス材料を使用しているので、通常のガラス製造プロセスで作製でき、導波路，光ファイバー等への加工も容易である。得られた光誘起スイッチは、高速度，高性能の光信号処理を可能とし、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】  二つの制御光を使用して光ビームを方向制御する光誘起スイッチ
【図２】  位相変調によりスイッチ動作を行わせる光誘起スイッチ
【図３】  偏光回転によりスイッチ動作を行わせる光誘起スイッチ
【図４】  偏光回転によるスイッチ動作を応用した光誘起スイッチ
【符号の説明】
Ｍ：スイッチ材料        Ｌ1 ，Ｌ2 ：制御光      Ｌin：信号光
Ｌout ：透過信号光      ＬSW：スイッチ光        Ｍh1：ハーフミラー
Ｍh2：合波ミラー        Ｐ：偏光子              Ａ：検光子
【図１】
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【図２】
0003764525.tif 000004
【図３】
0003764525.tif 000005
【図４】
0003764525.tif 000006