JP2002296627A - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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JP2002296627A
JP2002296627A JP2001097954A JP2001097954A JP2002296627A JP 2002296627 A JP2002296627 A JP 2002296627A JP 2001097954 A JP2001097954 A JP 2001097954A JP 2001097954 A JP2001097954 A JP 2001097954A JP 2002296627 A JP2002296627 A JP 2002296627A
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JP
Japan
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light
optical
thin film
optical switch
nonlinear optical
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Application number
JP2001097954A
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Japanese (ja)
Inventor
Hirotaka Yamamoto
浩貴 山本
Mitsutoshi Honda
光利 本田
Takashi Naito
内藤  孝
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an optical switch which is small, consumes low power, supports multichannel and is excellent in a quickly responding property. SOLUTION: The optical switch has two or more adjacent nonlinear optical elements with different transmittances. The transmittances of the nonlinear optical elements increase or decrease in response to intensity of an external field applied to the nonlinear optical elements. A position of a signal light radiated from the optical switch changes.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチに関
し、特に小型,低消費電力で、マルチチャンネルに対応
し、高速応答性に優れた光スイッチに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switch, and more particularly to an optical switch which is small in size, has low power consumption, supports multiple channels, and has excellent high-speed response.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の光通信を用いた情報化社会の発展
により、大容量の情報を高速で通信できる通信システム
の構築が必要となっている。現在では、波長多重通信
(WDM)が展開され、ネットワークの高速化が急速に進
んでいる。
2. Description of the Related Art With the development of the information society using optical communication in recent years, it is necessary to construct a communication system capable of communicating a large amount of information at a high speed. Currently, WDM
(WDM) has been developed, and the speeding up of networks has been rapidly progressing.

【0003】この光システムネットワークをより高速に
行うために必要不可欠であるのが、光スイッチである。
これまでの光情報のスイッチングは中継点において一度
光情報を電気情報に変換するのに光電変換が必要であっ
た。しかし、中継点の増加による消費電力の増加,スイ
ッチング速度の高速化といった問題を解決するために
は、光によるスイッチングを行うことが好ましい。この
ため、これまでの光スイッチでは、メカニカル型光スイ
ッチ,平面光導波路型光スイッチ,ミラー型光スイッ
チ,バブル型スイッチ等が検討されている。(日経エレ
クトロニクスNo.8,2000年1月29日号に記載) しかし、上記のような光スイッチでは、スイッチング時
間が数ミリ秒程度であるため、今後の光通信の大容量高
速化に対応するのが難しい。また、上記のような方法に
よるスイッチングでは、スイッチングに要する電気的な
駆動力が大きく、エネルギー消費量が依然大きいという
問題を有する。そこで、特開平11−337988号公
報に記載のように、非線形光学材料を用いた光による高
速応答性を有する全光スイッチが提案されている。
[0003] An optical switch is indispensable for performing this optical system network at a higher speed.
Up to now, switching of optical information has required photoelectric conversion to convert optical information into electrical information once at a relay point. However, in order to solve problems such as an increase in power consumption and an increase in switching speed due to an increase in relay points, it is preferable to perform switching by light. For this reason, in the conventional optical switches, a mechanical optical switch, a planar optical waveguide optical switch, a mirror optical switch, a bubble type switch, and the like have been studied. (Nikkei Electronics No. 8, described in the January 29, 2000 issue.) However, in the above-described optical switch, since the switching time is about several milliseconds, it will correspond to the future large capacity and high speed of optical communication. Difficult. Further, the switching by the above-described method has a problem that an electric driving force required for the switching is large and energy consumption is still large. Therefore, as described in JP-A-11-337988, an all-optical switch having a high-speed response by light using a nonlinear optical material has been proposed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平11−
337988号公報に記載の光スイッチでは、非線形光
学材料を二つ配し、二つの異なる制御光で制御するため
装置全体が大きくなり、小型でかつマルチチャンネルの
切換え用の光スイッチに用いることは難しい。また上記
の屈折率変化を誘起するために必要なレーザーパワーは
5〜50MW/cm2 程度と大きく、装置全体の消費電力
も大きくなると懸念される。
However, Japanese Patent Application Laid-Open No.
In the optical switch described in Japanese Patent No. 337988, two nonlinear optical materials are arranged and controlled by two different control lights, so that the entire device becomes large, and it is difficult to use the optical switch for miniaturization and multi-channel switching. . Further, the laser power required to induce the above-mentioned change in the refractive index is as large as about 5 to 50 MW / cm 2, and there is a concern that the power consumption of the entire apparatus will also increase.

【0005】本発明の目的は、小型化,マルチチャンネ
ル化に対応するため、消費電力が少なく、高速応答性に
優れた光スイッチを提供することにある。
An object of the present invention is to provide an optical switch which consumes less power and is excellent in high-speed response in order to cope with miniaturization and multi-channel.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の光スイッチは、隣接した二つ以上の透過率
及び/又は反射率の異なる非線形光学部を有する光スイ
ッチであって、これらの非線形光学部に印加される外部
場の強度に応じてこれらの素子の透過率及び/又は反射
率が増減し、この光スイッチから出射される信号光の位
置が変化する。
In order to solve the above problems, an optical switch according to the present invention is an optical switch having two or more adjacent non-linear optical portions having different transmittances and / or reflectances, The transmittance and / or reflectance of these elements increase or decrease according to the intensity of the external field applied to these nonlinear optical parts, and the position of the signal light emitted from this optical switch changes.

【0007】上記二つ以上の透過率の異なる非線形光学
素子は同一の非線形光学材料から構成され、上記信号光
のこの素子中における光路長が異なる。
The two or more nonlinear optical elements having different transmittances are made of the same nonlinear optical material, and have different optical path lengths of the signal light in the element.

【0008】また、本発明の光スイッチは、一つ以上の
信号光の入射光路と、この入射光路と同一平面内に設け
られた二つ以上の信号光の出射光路と、これらの入射光
路の出射光部と出射光路の入射光部の間に設けられ、か
つ薄膜材料から構成される非線形光学素子と、この非線
形光学素子を支持する基板材料とから構成され、上記薄
膜材料の膜面が上記入射光路上に配置され、かつこの薄
膜の信号光の光路上において二つ以上の膜厚が異なる近
接した部分を有し、この膜厚が異なる部分に印加される
外部場によって光の透過率及び/又は反射率が変化し、
外部場の大きさに応じて信号光が異なる出射光路を通過
する。
Further, the optical switch according to the present invention comprises: an incident optical path for at least one signal light; an output optical path for two or more signal lights provided on the same plane as the incident optical path; A non-linear optical element provided between the outgoing light section and the incident light section of the outgoing optical path, and formed of a thin film material; and a substrate material supporting the non-linear optical element. Is disposed on the incident optical path, and has two or more adjacent portions having different film thicknesses on the optical path of the signal light of the thin film, and light is transmitted by an external field applied to the portions having different film thicknesses. The rate and / or reflectivity change,
The signal light passes through different output light paths according to the size of the external field.

【0009】以上の光スイッチにおいて、上記非線形光
学素子は上記外部場の強度に応じて屈折率が変化するこ
とによって透過率及び/又は反射率が変化する薄膜材料
から構成される。また上記外部場はレーザー光であり、
このレーザー光の強度が0.5MW/cm2 以下である。ま
た、上記薄膜材料の上面、及び/又は下面に透過率調整
層が設けられる。
In the above optical switch, the non-linear optical element is made of a thin film material whose transmittance and / or reflectance changes by changing the refractive index according to the intensity of the external field. The external field is a laser beam,
The intensity of the laser light is 0.5 MW / cm 2 or less. Further, a transmittance adjusting layer is provided on the upper surface and / or the lower surface of the thin film material.

【0010】また以上の光スイッチにおいて、上記非線
形光学素子がCo,Fe,Cr,Ni,Vから選ばれる
第一の金属酸化物とSi,Ti,Na,Ca,Al,T
eから選ばれる第二の金属酸化物とを含有し、上記第一
の金属酸化物を結晶相とする結晶粒子と上記第一及び第
二の金属酸化物を含有する非晶質の粒界相から構成され
る薄膜を含む。また、上記第一の金属酸化物の結晶層は
Co34である。
In the above optical switch, the nonlinear optical element is composed of a first metal oxide selected from Co, Fe, Cr, Ni, V and Si, Ti, Na, Ca, Al, T.
e, a crystal grain containing the first metal oxide as a crystal phase, and an amorphous grain boundary phase containing the first and second metal oxides. Including a thin film composed of The crystal layer of the first metal oxide is Co 3 O 4 .

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。 (実施例1)まず、非線形薄膜材料の光スイッチへの適
用の基礎検討のため、まず、非線形薄膜材料単層の試験
片を作製し、励起光による屈折率変化を検討した。図1
に、本検討の単層薄膜の断面図を示す。図1において1
は非線形光学薄膜、2はこの膜を支持する基板である。
また10は屈折率を変化させる励起光であり、11は信
号光である。12は信号光の光源、13は信号光の受光
機、14,15は散乱した光を平行にするためのコリメ
ーションレンズ、16は偏光子、17は検光子、18,
19は集光レンズである。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail. (Example 1) First, for the basic study of the application of a nonlinear thin film material to an optical switch, first, a test piece of a single layer of a nonlinear thin film material was prepared, and a change in refractive index due to excitation light was examined. Figure 1
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the single-layer thin film of this study. In FIG. 1, 1
Is a nonlinear optical thin film, and 2 is a substrate supporting this film.
Reference numeral 10 denotes excitation light for changing the refractive index, and reference numeral 11 denotes signal light. 12, a signal light source; 13, a signal light receiver; 14, 15, collimation lenses for collimating scattered light; 16, a polarizer; 17, an analyzer;
19 is a condenser lens.

【0012】本実験では、1の非線形光学薄膜としてコ
バルト酸化物とガラス成分からなる単層薄膜を用いた。
また2の基板には、SiO2 ガラス基板を用いた。Si
2ガラス基板のサイズは10mm角×1mmtとし、1の
非線形光学薄膜の膜厚は50nmとした。
In this experiment, a single-layer thin film composed of a cobalt oxide and a glass component was used as one nonlinear optical thin film.
Further, an SiO 2 glass substrate was used as the substrate 2 . Si
The size of the O 2 glass substrate was 10 mm × 1 mm, and the thickness of the 1 nonlinear optical thin film was 50 nm.

【0013】1の非線形光学薄膜の形成は、rfスパッ
タリング法を用いて行った。ターゲットにはCo34
SiO2・TiO2を重量比で95:5に混合して焼結し
た6″φターゲットを用いた。成膜はArガスを用いて
約5mTorrのガス圧、パワー1kWで行った。
The formation of the non-linear optical thin film 1 was performed using the rf sputtering method. A 6 ″ φ target obtained by mixing and sintering Co 3 O 4 and SiO 2 .TiO 2 at a weight ratio of 95: 5 was used as the target. The film was formed using Ar gas at a gas pressure of about 5 mTorr and power. Performed at 1 kW.

【0014】この薄膜の波長300nm〜2000nm
の分光透過率曲線を図2に示す。基板の透過率はバック
グラウンドとして差し引いた。この薄膜は波長が短くな
るほど透過率が低下する傾向を有しており、通信波長に
使われている1550nmでは90%以上の透過率を有
しているが、800nmの可視光域から徐々に低下し、
650nmでは80%、400nmでは50%程度に低
下していた。
The wavelength of the thin film is 300 nm to 2000 nm.
2 is shown in FIG. Substrate transmittance was subtracted as background. This thin film has a tendency that the transmittance decreases as the wavelength becomes shorter, and has a transmittance of 90% or more at 1550 nm used for the communication wavelength, but gradually decreases from the visible light range of 800 nm. And
It decreased to about 80% at 650 nm and about 50% at 400 nm.

【0015】次にこの薄膜の非線形性を評価するため、
レーザー光照射による屈折率変化を測定した。図1に示
す試験用試料の膜面に垂直方向から励起光10を照射し
た。励起光は100ナノ秒のパルス形状とし、照射領域
のレーザーパワーは0.05MW/cm2〜0.5MW/cm2
とした。その励起パルス光が照射されている間の屈折
率を、試料膜面に対して45°の方向から入射する信号
光11によって測定した。励起されている領域のみの屈
折率を正確に測定するため、励起光10のレーザー照射
領域を1.5μmφ、測定光照射領域を1.0μmφと
し、両者を高精度に位置合わせして測定した。信号光1
1は試料に対してs偏光,p偏光とし、非線形光学薄膜
1によるp偏光とs偏光の反射率の違いから屈折率を測
定する、いわゆるエリプソメトリーの光学系を用いた。
Next, in order to evaluate the nonlinearity of the thin film,
The change in refractive index due to laser light irradiation was measured. Excitation light 10 was irradiated on the film surface of the test sample shown in FIG. The excitation light has a pulse shape of 100 nanoseconds, and the laser power in the irradiation area is 0.05 MW / cm 2 to 0.5 MW / cm 2.
And The refractive index during irradiation with the excitation pulse light was measured by the signal light 11 incident from a direction of 45 ° on the sample film surface. In order to accurately measure the refractive index of only the excited area, the laser irradiation area of the excitation light 10 was set to 1.5 μmφ, and the measurement light irradiation area was set to 1.0 μmφ. Signal light 1
Reference numeral 1 designates an s-polarized light and a p-polarized light with respect to the sample, and a so-called ellipsometric optical system for measuring a refractive index based on a difference in reflectance between the p-polarized light and the s-polarized light by the nonlinear optical thin film 1 was used.

【0016】励起光,測定光の波長は任意に変更可能で
あるが、本測定では励起光源として発振の駆動制御の容
易な650nmの半導体レーザーを用いた。この半導体
レーザーの最大出力は20mWであった。また測定波長
には通信で使われている1550nmのレーザーと、励起光
と同じ波長を有する半導体レーザーを用いた。この測定
光によって試料が励起されないように、励起光強度に対
して十分弱いレーザーパワーで測定した。
Although the wavelengths of the excitation light and the measurement light can be arbitrarily changed, in this measurement, a semiconductor laser of 650 nm whose oscillation drive control is easy was used as the excitation light source. The maximum output of this semiconductor laser was 20 mW. The measurement wavelength used was a 1550 nm laser used in communication and a semiconductor laser having the same wavelength as the excitation light. The measurement was performed with a laser power sufficiently weak to the excitation light intensity so that the sample was not excited by the measurement light.

【0017】図3に、励起レーザー光の入射に対する測
定光の屈折率の時間変化を示す。図3において横軸は時
間であり、0秒から励起レーザーのパルスが立ち上がり
始め、ほぼ10ナノ秒後に所望のパワーに達している。
この励起レーザーパワーの立ち上がりに追随して屈折率
の低下が観測され、励起レーザー光が飽和したのち、ほ
ぼ1ナノ秒経過したところで屈折率の変化が飽和した。
FIG. 3 shows the change over time of the refractive index of the measurement light with respect to the incidence of the excitation laser light. In FIG. 3, the horizontal axis is time, and the pulse of the excitation laser starts rising from 0 seconds, and reaches a desired power after approximately 10 nanoseconds.
A decrease in the refractive index was observed following the rise of the excitation laser power, and the change in the refractive index was saturated approximately one nanosecond after the excitation laser light was saturated.

【0018】この励起レーザーパワーを徐々に増加させ
ると、飽和する屈折率が徐々に低下していた。このこと
から、パルス光パワー飽和から10ナノ秒後の屈折率を
測定し、励起光パワー依存性を測定した。図4に、この
非線形光学薄膜に励起光を照射したときの屈折率変化の
模式図を示す。励起光を照射しない状態での屈折率は、
測定波長が1550μmのとき2.8、650nmのと
き2.5であったが、いずれの波長においても励起光の
強度変化に応じて屈折率が低下していき、0.5MW/c
m2 の強度を有する光をこの膜に照射すると測定波長が
1550nmでは2.5、650nmでは2.2と低下し
ていた。
When the pump laser power was gradually increased, the saturated refractive index was gradually decreased. From this, the refractive index 10 nanoseconds after the saturation of the pulse light power was measured, and the pump light power dependency was measured. FIG. 4 is a schematic diagram showing a change in the refractive index when the nonlinear optical thin film is irradiated with excitation light. The refractive index without irradiation with excitation light is
The wavelength was 2.8 when the measurement wavelength was 1550 μm, and was 2.5 when it was 650 nm. However, at any wavelength, the refractive index decreased according to the change in the intensity of the excitation light, and 0.5 MW / c.
When this film was irradiated with light having an intensity of m 2, the measured wavelength was reduced to 2.5 at 1550 nm and 2.2 at 650 nm.

【0019】図4では示していないが、さらに励起光レ
ーザーパワーを強くしていったところ、さらなる屈折率
の低下が見られ、励起光パワーが3MW/cm2 のとき光
を測定波長が650nmで屈折率2.0、1550nm
では1.9と低下した。しかし励起光パワーが3MW/c
m2 を超えるとレーザーによって膜が変質し、好ましく
なかった。
Although not shown in FIG. 4, when the excitation light laser power was further increased, a further decrease in the refractive index was observed. When the excitation light power was 3 MW / cm 2 , light was emitted at a measurement wavelength of 650 nm. Refractive index 2.0, 1550 nm
Then it fell to 1.9. However, the pump light power is 3MW / c
When it exceeds m 2 , the film was deteriorated by the laser, which was not preferable.

【0020】以上より、この薄膜は650nmの励起光
を照射することによって、いろいろな波長に対する屈折
率が変化することが分かった。特に1550nmの通信
波長帯では透過率も高く、この薄膜を通過した後の光の
ロスが少なく、有効である。またレーザー強度が3MW
/cm2 以下であれば膜の変質なく、大きな屈折率変化が
得られた。さらに、励起光レーザーパワーを0.5MW
/cm2以下とすると、光スイッチシステム全体の消費電
力が低くでき、なおかつ高い屈折率変化によるスイッチ
ングが可能なためより好ましかった。
From the above, it was found that the refractive index for various wavelengths changes when this thin film is irradiated with 650 nm excitation light. In particular, the transmittance is high in the communication wavelength band of 1550 nm, and the loss of light after passing through this thin film is small, which is effective. The laser intensity is 3MW
/ Cm 2 or less, a large change in the refractive index was obtained without deterioration of the film. Further, the pump light laser power is set to 0.5 MW.
When the value is / cm 2 or less, the power consumption of the entire optical switch system can be reduced, and switching can be performed by a high refractive index change, which is more preferable.

【0021】次に、この薄膜の上記の屈折率変化を利用
して、透過率を変化させるための検討を行った。図5に
この薄膜を用いた薄膜の積層体の断面の模式図を示す。
図5において、1は非線形光学薄膜、3は透過率調整
膜、2はそれらを支持する基板である。3の透過率調整
膜として、SiO2 を用いて形成した。このSiO2
膜は1の非線形光学薄膜と同様に、rfスパッタリング
を用いて行った。ターゲットサイズ,成膜条件なども1
の非線形光学薄膜と同様とした。
Next, a study was made to change the transmittance by utilizing the above change in the refractive index of the thin film. FIG. 5 shows a schematic diagram of a cross section of a thin film laminate using this thin film.
In FIG. 5, 1 is a nonlinear optical thin film, 3 is a transmittance adjusting film, and 2 is a substrate that supports them. The transmittance adjusting film No. 3 was formed using SiO 2 . This SiO 2 thin film was formed by using rf sputtering as in the case of the first nonlinear optical thin film. Target size, deposition conditions, etc. are also 1
And the same as the nonlinear optical thin film.

【0022】透過率の測定は、図5に示す積層体の膜面
から45°の方向から励起光レーザー10を照射し、そ
の励起光レーザーが照射された部分に垂直に信号光11
を入射してその信号光11の入射光強度I0 に対する出
射光強度Iを測定し、その比I/I0 を用いて透過率と
した。励起光レーザーは図1の検討と同様の650nm
の半導体レーザーを用いた。試料への照射領域は1.5
μmφ とした。パワー密度は0.05〜0.5MW/cm2
とした。また測定光波長は1550nmとし、励起光
が照射されている領域内に1.0μmφ の光を透過させ
た。ここで、非線形光学薄膜1と透過率調整膜3の合計
の膜厚が、光の光路長となる。
The transmittance is measured by irradiating the excitation light laser 10 from a direction of 45 ° from the film surface of the laminate shown in FIG.
And the intensity I of the outgoing light with respect to the intensity I 0 of the incident light of the signal light 11 was measured, and the transmittance was determined using the ratio I / I 0 . The excitation light laser is 650 nm, which is the same as the study in FIG.
Semiconductor laser was used. The irradiation area on the sample is 1.5
μmφ. The power density is 0.05 to 0.5 MW / cm 2
And The wavelength of the measurement light was 1550 nm, and light having a diameter of 1.0 μmφ was transmitted in a region irradiated with the excitation light. Here, the total thickness of the nonlinear optical thin film 1 and the transmittance adjusting film 3 is the optical path length of light.

【0023】図6に励起光強度を変化させたときの信号
光の透過率変化を示す。非線形光学薄膜の膜厚を50n
mとし、さらに透過率調整膜の膜厚を100nmとした
場合(試料(A))、励起光を照射しないときの透過率
は80%と大きかったが、励起光照射強度を上昇させる
にしたがって透過率は減少し、0.5MW/cm2のときほ
ぼ5%程度と小さくなっていた。これは、励起光照射に
より1の非線形光学薄膜の屈折率が変化し、透過率調整
膜との干渉により透過率が低下したものと考えられる。
FIG. 6 shows the change in the transmittance of the signal light when the excitation light intensity is changed. The thickness of the nonlinear optical thin film is 50n
m, and when the thickness of the transmittance adjusting film was 100 nm (sample (A)), the transmittance when the excitation light was not irradiated was as large as 80%, but the transmittance was increased as the excitation light irradiation intensity was increased. The rate decreased, and when it was 0.5 MW / cm 2 , it was as small as about 5%. This is considered to be because the refractive index of the one nonlinear optical thin film was changed by the irradiation of the excitation light, and the transmittance was lowered by interference with the transmittance adjusting film.

【0024】一方、非線形光学薄膜の膜厚を50nmと
し、透過率調整膜の膜厚を50nmとした場合(試料
(B))、試料(A)の場合と異なり、励起光を照射し
ない場合には透過率がほぼ0%であり、励起光強度の上
昇に伴って透過光量が上昇した。そして0.5MW/cm2
のとき80%程度と大きな透過率を有していた。
On the other hand, when the thickness of the non-linear optical thin film is 50 nm and the thickness of the transmittance adjusting film is 50 nm (sample (B)), unlike the case of sample (A), when the excitation light is not irradiated, The transmittance was almost 0%, and the amount of transmitted light increased as the intensity of the excitation light increased. And 0.5 MW / cm 2
At that time, it had a large transmittance of about 80%.

【0025】これは、試料Bでは、励起光照射が無いと
きの屈折率のとき、積層膜中で干渉が生じて透過率が低
かったが、励起光照射により屈折率が低下したために干
渉条件から外れ、光の透過率が向上したものと考えられ
る。
In the sample B, when the refractive index was not irradiated with the excitation light, interference occurred in the laminated film and the transmittance was low. However, since the refractive index was reduced by the irradiation of the excitation light, the interference condition was reduced. It is considered that the light transmittance was improved.

【0026】以上のように、非線形光学薄膜の膜厚が同
じ場合でも、透過率調整膜の膜厚を変化させることで各
非線形光学薄膜の屈折率に応じて透過率を調整すること
が可能であった。このことから、励起光のON,OFF
により信号光の入り切りが可能である。以上より、図5
に示すような膜構成を有する積層体を作製することによ
り、光の入り切りを制御する光スイッチとすることがで
きる。
As described above, even when the thickness of the nonlinear optical thin film is the same, the transmittance can be adjusted according to the refractive index of each nonlinear optical thin film by changing the thickness of the transmittance adjusting film. there were. This indicates that the excitation light is ON or OFF.
Allows the signal light to be turned on and off. From the above, FIG.
By manufacturing a laminate having a film configuration as shown in (1), an optical switch for controlling the on / off of light can be obtained.

【0027】さらに、この原理を利用して光の出射位置
を変化させることが可能な光スイッチを作製した。図7
及び図8に、本発明で検討した光スイッチの平面図及び
立面図を示す。これらの図において、1は非線形光学薄
膜、2は1の非線形光学薄膜を支持する基板、3は透過
率調整膜、4は入射光路、5,5′は出射光路、6は
4,5の周りに形成されるクラッド層であり、7は全体
の光スイッチを支持する台である。また10は外部から
印加される励起用レーザー光、11は4の入射光路を通
して入射される信号光であり、5の出射光路を通して外
部へ出力される。
Further, an optical switch capable of changing the light emission position using this principle was manufactured. FIG.
8 and FIG. 8 show a plan view and an elevation view of the optical switch studied in the present invention. In these figures, 1 is a nonlinear optical thin film, 2 is a substrate supporting the nonlinear optical thin film, 3 is a transmittance adjusting film, 4 is an incident light path, 5, 5 'is an outgoing light path, and 6 is a 4,5 A cladding layer 7 is formed on the periphery, and 7 is a base for supporting the entire optical switch. Reference numeral 10 denotes an excitation laser light applied from the outside, and reference numeral 11 denotes a signal light that enters through an incident light path 4 and is output to the outside through an emission light path 5.

【0028】図7において、1,2,3で構成される部
分を総称して非線形光学素子8と呼ぶ。本実施例では、
非線形光学素子は入射光路に対して二つの面から構成さ
れ、この二つの面により入射コア部の出射光部を覆って
いる。膜厚の厚い方の面をA面、薄い方の面をB面と呼
ぶ。また、この二つのそれぞれの面における非線形光学
薄膜の膜厚は等しく、透過率調整膜の膜厚が異なってい
る。
In FIG. 7, the portions composed of 1, 2, 3 are collectively called a nonlinear optical element 8. In this embodiment,
The nonlinear optical element has two surfaces with respect to the incident light path, and the two surfaces cover the outgoing light portion of the incident core portion. The thicker surface is called surface A, and the thinner surface is called surface B. The thickness of the nonlinear optical thin film on each of these two surfaces is equal, and the thickness of the transmittance adjusting film is different.

【0029】本実施例では、図5の実施例と同様、1の
非線形光学薄膜にはCo34とSiO2・TiO2 を重
量比で95:5の割合に混合した薄膜を用いた。また3
の透過率調整膜にはSiO2を用いた。また、2には屈
折率が1.52のガラス基板を用いた。基板サイズは厚
さ1mm,高さ4mm,幅10mmとした。非線形光学薄膜の
膜厚は50nmとし、透過率調整膜の膜厚は、A面では
100nm、B面では50nmと、図5に示す実施例と
同様の膜厚になるように設定した。
In this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 5, a thin film in which Co 3 O 4 and SiO 2 .TiO 2 are mixed at a weight ratio of 95: 5 is used as one nonlinear optical thin film. 3
SiO 2 was used for the transmittance adjusting film. For 2, a glass substrate having a refractive index of 1.52 was used. The substrate size was 1 mm thick, 4 mm high, and 10 mm wide. The thickness of the non-linear optical thin film was set to 50 nm, and the thickness of the transmittance adjusting film was set to 100 nm on the side A and 50 nm on the side B so as to be the same as the embodiment shown in FIG.

【0030】本実施例では、入射光路4,出射光路5と
して、光ファイバーを用いた。また光スイッチの支持台
7として、ガラス基板を用いた。
In this embodiment, an optical fiber is used as the input optical path 4 and the output optical path 5. A glass substrate was used as the support 7 for the optical switch.

【0031】図9〜図12に、この素子の作製方法を示
す。まず、入射光路4と出射光路5をガイドするための
V溝をダイヤモンドダイサーによって加工した(図
9)。溝の深さdは1mmとした。次に、非線形光学素子
(1,2,3)を挿入する溝9を加工した(図10)。
この溝の深さdを2mm、幅tを1.01mmとした。4,
5,9の溝加工のため、ダイサーの形状をそれぞれの溝
の形状に合わせた形状とした。
FIGS. 9 to 12 show a method of manufacturing this device. First, V-grooves for guiding the incident light path 4 and the output light path 5 were processed by a diamond dicer (FIG. 9). The depth d of the groove was 1 mm. Next, a groove 9 for inserting the nonlinear optical element (1, 2, 3) was processed (FIG. 10).
The groove had a depth d of 2 mm and a width t of 1.01 mm. 4,
For the groove processing of 5, 9, the shape of the dicer was made to match the shape of each groove.

【0032】次に、非線形光学薄膜1を形成する基板2
の中心に深さd:0.3mm ,幅t:1.2mm のV溝を形
成した(図11)。溝の表面が光学研磨となるように加
工した。この溝付の基板2を洗浄後、スパッタリング装
置内に挿入した。スパッタリング室内には、Co34
SiO2・TiO2ターゲットとSiO2 ターゲットを2
枚挿入した。
Next, the substrate 2 on which the nonlinear optical thin film 1 is formed
A V-groove having a depth d: 0.3 mm and a width t: 1.2 mm was formed at the center of FIG. The surface of the groove was processed so as to be optically polished. After cleaning the grooved substrate 2, it was inserted into a sputtering apparatus. In the sputtering chamber, Co 3 O 4
Two SiO 2 and TiO 2 targets and two SiO 2 targets
Inserted.

【0033】図12に、各薄膜をスパッタリング法で成
膜する場合のターゲットと基板の配置図を示す。図12
において、2は基板、21はターゲットである。
FIG. 12 shows a layout of a target and a substrate when each thin film is formed by a sputtering method. FIG.
In the figure, 2 is a substrate and 21 is a target.

【0034】基板挿入時、ターゲットに対して基板表面
が平行になるように配置し、先程述べた方法でまず非線
形光学薄膜を50nm成膜した(図12(A))。その
後、真空チャンバー中で、ターゲット表面に対する基板
表面の角度θが60°となるように基板を傾けた(図1
2(B))。そして、ターゲットをSiO2 に切り替
え、A部で100nmとなるように成膜を行った。この
ようにして成膜すると、B部上の透過率調整層の膜厚は
50nmにすることができた。
At the time of substrate insertion, the substrate was arranged so that the substrate surface was parallel to the target, and a nonlinear optical thin film was first formed to a thickness of 50 nm by the method described above (FIG. 12A). Thereafter, the substrate was tilted in a vacuum chamber so that the angle θ of the substrate surface to the target surface was 60 ° (FIG. 1).
2 (B)). Then, the target was switched to SiO 2 , and a film was formed so as to have a thickness of 100 nm in the portion A. By forming the film in this manner, the thickness of the transmittance adjusting layer on the portion B could be reduced to 50 nm.

【0035】このようにして成膜した非線形光学素子8
を、図10で作製した支持台7にセットした。図12の
基板2上のV字溝の中央と、支持台7に形成した入射光
路4側のV溝の中心を高精度に位置合わせした。その
後、直径1mmの入射光路ファイバー4と出射光路用ファ
イバー5,5′をセットし、図7に示す構造の光スイッ
チを作製した。以上の突き合わせ部を室温で硬化する樹
脂で埋めて、一対二の光スイッチ構造を作製した。この
時、非線形光学素子8の上部は樹脂に埋まらないように
した。
The nonlinear optical element 8 thus formed is formed.
Was set on the support 7 prepared in FIG. The center of the V-shaped groove on the substrate 2 in FIG. 12 and the center of the V-shaped groove on the incident light path 4 formed on the support 7 were aligned with high precision. Thereafter, the incident light path fiber 4 having a diameter of 1 mm and the outgoing light path fibers 5, 5 'were set to produce an optical switch having the structure shown in FIG. The butted portion was filled with a resin that hardened at room temperature to prepare a one-to-two optical switch structure. At this time, the upper portion of the nonlinear optical element 8 was not buried in the resin.

【0036】このA,B部の双方に、一つの励起光10
を照射した。本実施例の場合、励起光10を図7におけ
る上部から、すなわち、図8に示す断面図のように照射
した。信号光11は、図5で示した実施例と同様の波長
650nmの半導体レーザーを用いた。また入射光路4
から波長1550nmの信号光を入射し、出射光路5,
5′から出力される出射光強度を測定した。
In both the A and B sections, one excitation light 10
Was irradiated. In the case of the present embodiment, the excitation light 10 was irradiated from above in FIG. 7, that is, as shown in the sectional view of FIG. As the signal light 11, a semiconductor laser having a wavelength of 650 nm similar to that of the embodiment shown in FIG. 5 was used. Incident light path 4
Signal light having a wavelength of 1550 nm from the
The output light intensity output from 5 'was measured.

【0037】励起光10をOFFとしたところ、非線形
光学素子8の面Aに近い光路である5の出射光光路の光
の強度が強く観測され、面Bに近い光路である5′の出
射光光路からはほとんど光が観測されなかった。この事
から、励起光を照射しない場合には、A部では光が透過
するが、B部では光が干渉のため出射されず、出射光路
5のみから光が観測されたと判断できた。また、0.5
MW/cm2の励起光10を照射したところ、逆にA部か
らはほとんど透過光が観測されず、B部から強い信号光
が検出された。
When the excitation light 10 is turned off, the intensity of light in the outgoing light path 5 near the surface A of the nonlinear optical element 8 is strongly observed, and the outgoing light 5 ′ in the light path close to the surface B is observed. Almost no light was observed from the optical path. From this, it can be determined that, when the excitation light is not irradiated, light is transmitted in the portion A, but light is not emitted in the portion B due to interference, and light was observed only from the emission optical path 5. Also, 0.5
On irradiation with the excitation light 10 of MW / cm 2 , on the contrary, almost no transmitted light was observed from part A, and strong signal light was detected from part B.

【0038】以上の結果より、非線形光学素子8の設置
により、信号光11を励起光10によりスイッチング可
能であることが分かった。また、励起光ON,OFFに
よる応答速度を検出したところ、図3に示したように1
ナノ秒以下の応答速度でON,OFF動作していること
が確認された。 (実施例2)次に、上記実施例を更に発展させ、マルチ
チャンネルの光スイッチを作製した。図13に、本実施
例で作製したマルチチャンネルの光スイッチの上面図を
示す。図13において、1は非線形光学薄膜、2は1の
非線形光学薄膜を支持する基板、3は透過率調整膜、4
は入射信号光の光路、5は出射信号光の光路である。図
14に、図13の詳細図を示す。信号光11は素子の左
側から入射され、右側に出射される。励起光10は非線
形光学素子と光路の各交点に照射される。
From the above results, it was found that the signal light 11 can be switched by the pumping light 10 by installing the nonlinear optical element 8. Further, when the response speed due to the excitation light ON and OFF was detected, as shown in FIG.
It was confirmed that ON and OFF operations were performed at a response speed of nanosecond or less. (Embodiment 2) Next, the above embodiment was further developed to produce a multi-channel optical switch. FIG. 13 shows a top view of the multi-channel optical switch manufactured in this embodiment. In FIG. 13, 1 is a nonlinear optical thin film, 2 is a substrate supporting the nonlinear optical thin film, 3 is a transmittance adjusting film, 4
Is an optical path of the incident signal light, and 5 is an optical path of the output signal light. FIG. 14 shows a detailed view of FIG. The signal light 11 enters from the left side of the element and exits to the right side. The excitation light 10 is applied to each intersection between the nonlinear optical element and the optical path.

【0039】この励起光10を各点に照射するため、面
発光レーザーを用いて光照射を行った。図15に、面発
光レーザーによる励起光の照射方法を示す。図15にお
いて、22が面発光レーザーである。各信号光の分岐点
に面発光レーザーから出射された光が照射される。光が
分岐されるべき方向に進むように面発光レーザーが発光
する。面発光レーザーの発光タイミングは信号光の中に
書き込まれた切り替え情報に基づいて行った。
In order to irradiate each point with the excitation light 10, light irradiation was performed using a surface emitting laser. FIG. 15 shows a method of irradiating excitation light with a surface emitting laser. In FIG. 15, reference numeral 22 denotes a surface emitting laser. The light emitted from the surface emitting laser is applied to the branch point of each signal light. The surface emitting laser emits light so that the light travels in the direction to be branched. The emission timing of the surface emitting laser was determined based on the switching information written in the signal light.

【0040】このマルチチャンネル型光スイッチ作製の
ため、基板2としてガラス基板を用い、V溝を多数形成
し、溝中を鏡面研磨した。成膜は図12に示した方法と
同一の方法で行った。このマルチチャンネル型光スイッ
チでは一つ一つの光スイッチ間に光路を設ける必要があ
るため、図7のようなファイバー形状の光路では作製が
難しい。そこで、光導波路型光路を作製した。
In order to manufacture this multi-channel optical switch, a glass substrate was used as the substrate 2, a large number of V grooves were formed, and the grooves were mirror-polished. The film was formed by the same method as that shown in FIG. In this multi-channel optical switch, it is necessary to provide an optical path between each optical switch, and it is difficult to fabricate the optical path with a fiber-shaped optical path as shown in FIG. Therefore, an optical waveguide type optical path was manufactured.

【0041】このデバイスは以下のように作製した。基
板2に火炎堆積法を用いてSiO2とGeO2 を混合し
たコア材を成膜した。これを加熱処理し、緻密なSiO
2 とGeO2 からなるガラス膜を形成した。次にこのガ
ラス膜上に図13のような光路となるマスキングを施
し、リソグラフィーとエッチングによりマスクされてい
ない部分をエッチングで取り除いた。次にマスク材料を
除去し、図13の光路と同形状の導波路を形成した。導
波路の幅tも5μmとした。また導波路のインターバル
は2.6mm とし、そのインターバルの中央に位置する部
分に出射用の導波路を形成した。最後に、また火炎堆積
法を用いてSiO2 のクラッド層6を形成し、加熱処理
を行って緻密なガラス層を形成した。
This device was manufactured as follows. A core material in which SiO 2 and GeO 2 were mixed was formed on the substrate 2 by a flame deposition method. This is heat-treated to obtain a dense SiO
A glass film made of 2 and GeO 2 was formed. Next, masking was performed on the glass film to provide an optical path as shown in FIG. 13, and portions not masked by lithography and etching were removed by etching. Next, the mask material was removed to form a waveguide having the same shape as the optical path in FIG. The width t of the waveguide was also 5 μm. The interval between the waveguides was set to 2.6 mm, and a waveguide for emission was formed at the center of the interval. Finally, the cladding layer 6 of SiO 2 was formed by the flame deposition method, and a heat treatment was performed to form a dense glass layer.

【0042】さらに、各導波路の境界部分をダイサーで
除去した。溝深さは図7の素子と同様の2mmとした。こ
こに、非線形光学素子8を挿入した。素子8に刻まれた
溝が導波路のコア部の中央と一致するように厳密に位置
合わせを行った。
Further, the boundary between the waveguides was removed by a dicer. The groove depth was 2 mm, which was the same as that of the device of FIG. Here, the nonlinear optical element 8 was inserted. Strict alignment was performed so that the groove formed in the element 8 coincided with the center of the core of the waveguide.

【0043】以上のようにして図13に示すマルチチャ
ンネル型光スイッチを作製した。図13では、入力,出
力光路を各4列とし、非線形光学素子8を3列挿入した
場合のマルチチャンネル光スイッチを示している。この
光スイッチを用いて、励起光と出力光の位置関係を調べ
た。この素子にまず励起光を照射せずに信号光を挿入し
たところ、aから入射した場合にはb′から出射光が観
測された。またbから入射した光はc′から観測され
た。またc−1に示した部分に励起光を照射して、cか
ら光を入射すると、やはりc′から出射光が観測され
た。c−1とb−2に励起光を照射すると、b′から出
射光が観測された。
As described above, the multi-channel optical switch shown in FIG. 13 was manufactured. FIG. 13 shows a multi-channel optical switch in which the input and output optical paths are four rows each and three rows of nonlinear optical elements 8 are inserted. Using this optical switch, the positional relationship between the excitation light and the output light was examined. When a signal light was first inserted into the device without irradiating the excitation light, when the light was incident from a, the emitted light was observed from b '. Light incident from b was observed from c '. Further, when the portion indicated by c-1 was irradiated with excitation light and light was incident from c, emission light was also observed from c '. When c-1 and b-2 were irradiated with excitation light, emission light was observed from b '.

【0044】以上のように、本発明のマルチチャンネル
の光スイッチに励起光を照射することにより、光のチャ
ンネルを高精度に選択可能であった。
As described above, by irradiating the multi-channel optical switch of the present invention with the excitation light, the optical channel can be selected with high accuracy.

【0045】これまでは励起レーザー光における屈折率
変化についての実施例について述べてきたが、外部から
熱を加えて光スイッチ部を加熱することによっても同様
の屈折率変化を起こすことができ、光のスイッチングが
可能であった。また磁場や電場の印加によっても同様の
屈折率変化による透過光量の変化がみとめられた。
Although the embodiments of the present invention have been described with respect to the change in the refractive index of the excitation laser beam, the same change in the refractive index can be caused by heating the optical switch section by applying heat from the outside. Switching was possible. A change in the amount of transmitted light due to a change in the refractive index was also observed when a magnetic field or an electric field was applied.

【0046】以上のような外部場の印加により屈折率を
変化させることにより、光のスイッチングが可能であっ
た。
Light switching was possible by changing the refractive index by applying an external field as described above.

【0047】さらに、本実施例では透過率調整層を非線
形光学材料の上面に形成した場合のみの実施例について
述べてきたが、基板と非線形光学材料の間に形成した場
合、あるいは上面下面のいずれにも成膜した場合にも同
様の光のスイッチングが可能であった。
Further, in this embodiment, the embodiment in which only the transmittance adjusting layer is formed on the upper surface of the nonlinear optical material has been described. The same light switching was possible in both cases.

【0048】また、以上の実施例では信号光が非線形光
学薄膜を透過する構成の実施例について述べてきたが、
図1に示すように、励起光を膜に透過させ、その部分に
反射光として信号光を入射する反射型の光スイッチを作
製した場合も、良好なスイッチング特性が得られた。こ
の反射型光スイッチの場合、非線形光学薄膜の屈折率変
化により反射光量が変化するため、完全に信号光を遮断
することが可能であった。 (実施例3)次にこれまで述べてきた非線形光学薄膜1
の組成について詳細に検討を行った。膜構成は図1に示
した単層膜とし、図1に示す方法で励起光照射による屈
折率の変化量を測定した。
In the above embodiment, the signal light is transmitted through the nonlinear optical thin film.
As shown in FIG. 1, good switching characteristics were also obtained when a reflection type optical switch in which excitation light was transmitted through the film and signal light was incident as reflected light on the film was produced. In the case of this reflection type optical switch, since the amount of reflected light changes due to a change in the refractive index of the nonlinear optical thin film, it was possible to completely block the signal light. (Embodiment 3) Next, the nonlinear optical thin film 1 described so far.
The composition of was studied in detail. The film configuration was the single-layer film shown in FIG. 1, and the amount of change in the refractive index due to excitation light irradiation was measured by the method shown in FIG.

【0049】表1〜表3に、本発明で検討した膜組成と
スパッタリング条件、及び励起レーザー光を照射しない
で測定した1550nmにおける屈折率(n0 )と、6
50nmの励起レーザー光を照射して測定した同波長に
よる屈折率(n1 )、及び屈折率変化量(Δn)を示
す。Δnの絶対値が15%以上の場合を◎、10%以上
15%未満のとき○、1%以上10%未満のとき△、1
%未満のとき×とした。
Tables 1 to 3 show the film composition and sputtering conditions studied in the present invention, the refractive index (n 0 ) at 1550 nm measured without irradiation with an excitation laser beam, and 6
The refractive index (n 1 ) and the change in refractive index (Δn) at the same wavelength measured by irradiating an excitation laser beam of 50 nm are shown. The case where the absolute value of Δn is 15% or more is と き when the absolute value of Δn is 10% or more and less than 15%.
% When less than%.

【0050】[0050]

【表1】 [Table 1]

【0051】[0051]

【表2】 [Table 2]

【0052】[0052]

【表3】 [Table 3]

【0053】これらの表で、組成はターゲット組成を示
している。また析出相はX線回折により同定した。
In these tables, the composition indicates the target composition. The precipitated phase was identified by X-ray diffraction.

【0054】試料No.1〜6は遷移金属酸化物原料とし
てCo34ターゲットを用い、ガラス系酸化物としてS
iO2 とTiO2 の混合物を用いた非線形光学薄膜であ
る。スパッタガス種をArとし、スパッタガス圧を3.
5mTorr から7mTorrとした場合(試料No.1〜
3)、析出相はCo34となり、10%以上の屈折率変
化量が得られ、良好であった。
Samples Nos. 1 to 6 used a Co 3 O 4 target as a transition metal oxide raw material and S
It is a nonlinear optical thin film using a mixture of iO 2 and TiO 2 . The sputtering gas type was Ar, and the sputtering gas pressure was 3.
When the pressure is changed from 5 mTorr to 7 mTorr (Sample Nos. 1 to
3) The precipitated phase was Co 3 O 4 , and a change in refractive index of 10% or more was obtained, which was favorable.

【0055】一方、スパッタガスに酸素を導入して成膜
した試料では、No.4のように酸素ガス量が1%程度で
はArで成膜した場合と同等であったが、No.5,No.
6のように酸素ガス量を5%以上とすると、Δnが15
%を超え、非常に大きな屈折率変化量が得られた。
On the other hand, in the sample formed by introducing oxygen into the sputter gas, the oxygen gas amount was about 1% like No. No.
Assuming that the oxygen gas amount is 5% or more as shown in FIG.
%, A very large change in refractive index was obtained.

【0056】また遷移金属酸化物の原料としてCoOを
用いたところ、Arで成膜した試料No.7〜9では屈折
率変化量は1%未満であり、良好とは言えなかった。ま
た酸素を1%含有した試料No.10においても、屈折率
変化量は小さかった。これらの試料では析出相がCoO
であり、このため屈折率変化量が小さかったと思われ
る。一方、酸素濃度が5%以上であると、試料No.5,
6と同様、非常に大きな屈折率変化量を得ることができ
た。
When CoO was used as a raw material of the transition metal oxide, the change in the refractive index was less than 1% in Samples Nos. 7 to 9 formed of Ar, which was not good. Also in Sample No. 10 containing 1% of oxygen, the change in refractive index was small. In these samples, the precipitated phase was CoO
Therefore, it is considered that the amount of change in the refractive index was small. On the other hand, when the oxygen concentration is 5% or more, the sample No. 5,
As in the case of 6, a very large change in the refractive index could be obtained.

【0057】試料No.7〜12は、ガラス系酸化物とし
てSiO2−Na2O−CaO系ガラスを用いた例である
が、試料No.1〜6と同様、Co34が析出し、大きな
屈折率変化を得ることができた。特に試料No.17,1
8のように5%以上酸素を含有させると特に大きな屈折
率変化量を得ることができた。
Samples Nos. 7 to 12 are examples in which SiO 2 —Na 2 O—CaO glass was used as the glass-based oxide, but Co 3 O 4 was deposited as in Samples Nos. 1 to 6. , A large change in the refractive index could be obtained. In particular, sample Nos. 17 and 1
When oxygen is contained at 5% or more as in 8, a particularly large change in refractive index can be obtained.

【0058】試料No.19〜21はガラス系酸化物とし
てTeO2,Al23,SiO2を用いた例であるが、い
ずれの場合も5%酸素を含有させたスパッタガスで成膜
することにより大きな屈折率変化の生じる薄膜を得るこ
とができた。
Samples Nos. 19 to 21 are examples in which TeO 2 , Al 2 O 3 , and SiO 2 were used as glass-based oxides. In each case, a film was formed with a sputtering gas containing 5% oxygen. As a result, a thin film in which a large change in the refractive index occurred could be obtained.

【0059】以上より、スパッタガスに酸素を導入し、
析出相をCo34とすることにより大きな屈折率変化が
生じる非線形光学薄膜を得ることが可能である。また、
ターゲット材としてもCoOを用いるのではなく、Co
34を用いることが好ましい。CoOを用いた場合でも
酸素ガスの導入によって非線形効果の大きい薄膜を得る
ことができる。
As described above, oxygen is introduced into the sputtering gas,
By using Co 3 O 4 as the precipitated phase, it is possible to obtain a nonlinear optical thin film in which a large change in the refractive index occurs. Also,
Instead of using CoO as a target material,
It is preferable to use 3 O 4 . Even when CoO is used, a thin film having a large nonlinear effect can be obtained by introducing oxygen gas.

【0060】またガラス成分としてはSiO2,SiO2
とTiO2の混合物、SiO2−Na2O−CaO 系ガラ
ス,TeO2,Al23などの酸化物で非線形の屈折率
変化が生じることが分かった。
As the glass component, SiO 2 , SiO 2
It has been found that a mixture of TiO 2 and TiO 2 , an oxide such as SiO 2 —Na 2 O—CaO-based glass, TeO 2 , and Al 2 O 3 cause a nonlinear refractive index change.

【0061】表2は、遷移金属酸化物をCo34とし、
ガラス成分としてSiO2とTiO2の混合物を用い、か
つそれらとCo34の組成比を変化させて成膜した試料
の屈折率変化量を評価したものである。Co34含有量
を減少させていくと、線形屈折率も徐々に低下していく
が、励起時の屈折率も低下していった。
Table 2 shows that the transition metal oxide is Co 3 O 4 ,
In this example, a mixture of SiO 2 and TiO 2 was used as a glass component, and the refractive index change of a sample formed by changing the composition ratio of Co 2 and Co 3 O 4 was evaluated. As the content of Co 3 O 4 was decreased, the linear refractive index was gradually decreased, but the refractive index at the time of excitation was also decreased.

【0062】表2から得られるCo34組成に対するΔ
nを図16に示す。Co34含有量が30重量%以上で
は、屈折率変化量が1%以上となり、光スイッチが可能
な屈折率変化量を得ることができた。さらに、Co34
含有量が65重量%以上95重量%以下では、屈折率変
化量が10%以上となり、優れた特性を得ることができ
た。さらに、Co34含有量が80重量%以上かつ9
3.5 重量%以下のとき、屈折率変化量が15%以上と
なり、良好な特性を得ることができた。
Δ for Co 3 O 4 composition obtained from Table 2
n is shown in FIG. When the Co 3 O 4 content was 30% by weight or more, the change in refractive index was 1% or more, and a change in refractive index that could be used for an optical switch could be obtained. Further, Co 3 O 4
When the content was 65% by weight or more and 95% by weight or less, the amount of change in the refractive index became 10% or more, and excellent characteristics could be obtained. Further, when the Co 3 O 4 content is 80% by weight or more and 9% by weight or more.
When the content was 3.5% by weight or less, the amount of change in the refractive index was 15% or more, and good characteristics could be obtained.

【0063】以上より、Co34含有量が30重量%以
上であれば光スイッチ作製可能な非線形光学薄膜が得ら
れる。好ましくは65重量%以上95重量%以下であれ
ばより大きな屈折率変化を得ることができ、さらに好ま
しくはCo34含有量を80重量%以上かつ93.5 重
量%以下とすると、さらに大きな屈折率変化量が得られ
る。
As described above, when the content of Co 3 O 4 is 30% by weight or more, a nonlinear optical thin film in which an optical switch can be manufactured can be obtained. And preferably may obtain a larger refractive index change not more than 95 wt% 65 wt% or more, more preferably Co 3 O 4 to 80 wt% or more content and a 93.5 wt% or less, a larger The amount of change in the refractive index is obtained.

【0064】表3に示す実施例では、遷移金属酸化物の
種類について検討した。遷移金属をCr,Fe,Ni,
Vとし、ガラス系酸化物としてSiO2とTiO2の混合
物とした。組成はいずれも遷移金属酸化物を91重量%
とし、ガラス系酸化物を9重量%とした。いずれの薄膜
においてもコバルトと同様の屈折率変化を得ることがで
きた。屈折率変化量は10%に近い値となり、良好であ
った。
In Examples shown in Table 3, types of transition metal oxides were examined. The transition metals are Cr, Fe, Ni,
V and a mixture of SiO 2 and TiO 2 as a glass-based oxide. Composition: 91% by weight of transition metal oxide
And the glass-based oxide was 9% by weight. In each of the thin films, a change in the refractive index similar to that of cobalt could be obtained. The change in the refractive index was close to 10%, which was good.

【0065】以上表1〜3に示した組成の非線形光学薄
膜を用いて実施例1,2に示した光スイッチ構造とする
ことにより、スイッチング特性が良好な光スイッチを形
成することが可能であった。
By using the nonlinear optical thin films having the compositions shown in Tables 1 to 3 to form the optical switch structures shown in Embodiments 1 and 2, it is possible to form optical switches having good switching characteristics. Was.

【0066】また、以上の非線形光学薄膜の透過型電子
顕微鏡観察を行った結果、いずれの薄膜もX線回折で同
定された結晶の微粒子と、それを取り囲む非晶質の粒界
相から構成されていた。非晶質の粒界相の組成をエネル
ギー分散型蛍光X線分光法を用いて評価したところ、こ
の結晶を構成している成分と、ガラス成分として添加し
たSiO2,TiO2等が観測された。結晶粒子の粒径
は、いずれの薄膜においても10nm程度の大きさであ
った。
As a result of observation of the above nonlinear optical thin film by transmission electron microscopy, each thin film was composed of fine crystal grains identified by X-ray diffraction and an amorphous grain boundary phase surrounding the fine crystal grains. I was When the composition of the amorphous grain boundary phase was evaluated using energy dispersive X-ray fluorescence spectroscopy, the components constituting this crystal and SiO 2 , TiO 2, etc. added as glass components were observed. . The crystal grains had a size of about 10 nm in each of the thin films.

【0067】尚、図7においてはV字状に非線形光学部
が形成されているが、本発明はV字状には限定されな
い。例えば、A面とB面の間にさらに非線形光学部が形
成されてもよく、またはスイッチ作成が可能ではない部
位が形成されてもよい。つまり、3つ以上の非線形光学
部が形成されていてもよく、非線形光学部は隣接してい
なくてもよい。
Although the nonlinear optical section is formed in a V-shape in FIG. 7, the present invention is not limited to the V-shape. For example, a non-linear optical portion may be further formed between the A surface and the B surface, or a portion where a switch cannot be formed may be formed. That is, three or more nonlinear optical units may be formed, and the nonlinear optical units may not be adjacent to each other.

【0068】また、上記隣接した2つ以上の透過率の異
なる非線形光学部を有する光スイッチに関する実施例
は、非線形光学薄膜の膜厚の違いによる透過率の違いを
利用しているが、2つ以上の非線形光学部に違う材質の
薄膜を形成することにより透過率をかえてもよい。
In the above-described embodiment relating to an optical switch having two or more adjacent nonlinear optical portions having different transmittances, the difference in transmittance due to the difference in the thickness of the nonlinear optical thin film is used. The transmittance may be changed by forming a thin film of a different material on the above-described nonlinear optical portion.

【0069】また、これまでに透過率の異なる非線形光
学部を有する光スイッチ、または反射率の異なる非線型
光学部を有する光スイッチについて記載したが、透過率
及び反射率の異なる非線形光学部を有する光スイッチ
は、透過型,反射型両方の光スイッチに適用可能である
ため有用である。
Also, an optical switch having a non-linear optical section having a different transmittance or an optical switch having a non-linear optical section having a different reflectance has been described above. The optical switch is useful because it can be applied to both transmission type and reflection type optical switches.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上より、本発明の光スイッチは非線形
光学薄膜を用いた薄膜構造であり、励起光のレーザーパ
ワーが0.5MW/cm2と小さいため、光スイッチの高度
の集積化が可能である。また本発明の光スイッチは成膜
方法が容易なため、低コストで作製可能である。
As described above, the optical switch of the present invention has a thin film structure using a nonlinear optical thin film, and the laser power of the excitation light is as small as 0.5 MW / cm 2 , so that the optical switch can be highly integrated. It is. Further, the optical switch of the present invention can be manufactured at low cost because the film formation method is easy.

【0071】また本発明の光スイッチは高速応答性に優
れているため、大容量情報のスイッチング特性に優れて
いる。
Further, the optical switch of the present invention has excellent high-speed response, and thus has excellent switching characteristics for large-capacity information.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の非線形光学薄膜の光学的特性評価法を
示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a method for evaluating optical characteristics of a nonlinear optical thin film of the present invention.

【図2】本発明の非線形光学薄膜の透過率特性を示す
図。
FIG. 2 is a diagram showing transmittance characteristics of the nonlinear optical thin film of the present invention.

【図3】本発明の非線形光学薄膜のパルスレーザー照射
による屈折率変化を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a change in the refractive index of the nonlinear optical thin film of the present invention caused by pulsed laser irradiation.

【図4】レーザーパワーに対する屈折率の変化を示す
図。
FIG. 4 is a diagram showing a change in a refractive index with respect to a laser power.

【図5】本発明の非線形光学薄膜による透過率変化試験
法を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a transmittance change test method using the nonlinear optical thin film of the present invention.

【図6】膜厚の異なる透過率調整膜に対するレーザーパ
ワーに対する透過率の変化を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a change in transmittance with respect to laser power for transmittance adjusting films having different film thicknesses.

【図7】本発明の光スイッチの上面図。FIG. 7 is a top view of the optical switch of the present invention.

【図8】本発明の光スイッチの側面図。FIG. 8 is a side view of the optical switch of the present invention.

【図9】本発明の光スイッチの作製法を示す図。FIG. 9 illustrates a method for manufacturing an optical switch of the present invention.

【図10】本発明の光スイッチの作製法を示す図。FIG. 10 illustrates a method for manufacturing an optical switch of the present invention.

【図11】本発明の光スイッチの作製法を示す図。FIG. 11 illustrates a method for manufacturing an optical switch of the present invention.

【図12】スパッタチャンバー内における非線形光学薄
膜,透過率調整膜の成膜方法の概略図。
FIG. 12 is a schematic view of a method for forming a nonlinear optical thin film and a transmittance adjusting film in a sputtering chamber.

【図13】本発明のマルチチャンネル光スイッチの上面
図。
FIG. 13 is a top view of the multi-channel optical switch of the present invention.

【図14】図13の光スイッチの詳細図。FIG. 14 is a detailed view of the optical switch of FIG. 13;

【図15】図13の光スイッチに対する励起光照射法の
概略図。
FIG. 15 is a schematic diagram of an excitation light irradiation method for the optical switch of FIG. 13;

【図16】Co34組成を変化させたときの屈折率変化
量を示す図。
FIG. 16 is a graph showing the amount of change in the refractive index when the composition of Co 3 O 4 is changed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…非線形光学薄膜、2…基板、3…透過率調整膜、4
…信号光の入射光路、5…信号光の出射光路、6…クラ
ッド部、7…光スイッチの支持台、8…非線形光学素
子、9…非線形光学素子の挿入溝、10…励起光、11
…信号光、12…信号光の光源、13…信号光の受光
機、14,15…コリメーションレンズ、16…偏光
子、17…検光子、18,19…集光レンズ、21…ス
パッタターゲット、22…面発光レーザー。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nonlinear optical thin film, 2 ... Substrate, 3 ... Transmittance adjustment film, 4
... Incoming optical path of signal light, 5 ... Outgoing optical path of signal light, 6 ... Clad part, 7 ... Support for optical switch, 8 ... Nonlinear optical element, 9 ... Insertion groove of nonlinear optical element, 10 ... Excitation light, 11
... Signal light, 12 ... Light source of signal light, 13 ... Receiver of signal light, 14, 15 ... Collimation lens, 16 ... Polarizer, 17 ... Analyzer, 18, 19 ... Condenser lens, 21 ... Sputter target, 22 ... surface emitting laser.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内藤 孝 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 2K002 AA02 AB05 BA01 BA06 BA11 BA13 CA02 DA06 DA10 EA04 FA07 HA13  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Takashi Naito 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture F-term in Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. 2K002 AA02 AB05 BA01 BA06 BA11 BA13 CA02 DA06 DA10 EA04 FA07 HA13

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】隣接した二つ以上の透過率及び/又は反射
率の異なる非線形光学部を有する光スイッチであって、
これらの非線形光学部に印加される外部場の強度に応じ
てこれらの素子の透過率及び/又は反射率が増減し、こ
の光スイッチから出射される信号光の位置が変化するこ
とを特徴とする光スイッチ。
An optical switch having two or more adjacent non-linear optical portions having different transmittances and / or reflectances,
The transmittance and / or the reflectance of these elements increase or decrease according to the intensity of an external field applied to these nonlinear optical parts, and the position of the signal light emitted from the optical switch changes. Light switch.
【請求項2】上記二つ以上の透過率の異なる非線形光学
部は同一の非線形光学材料から構成され、上記信号光の
この素子中における光路長が異なることを特徴とする請
求項1に記載の光スイッチ。
2. The device according to claim 1, wherein the two or more nonlinear optical portions having different transmittances are formed of the same nonlinear optical material, and have different optical path lengths of the signal light in the element. Light switch.
【請求項3】一つ以上の信号光の入射光路と、この入射
光路と同一平面内に設けられた二つ以上の信号光の出射
光路と、これらの入射光路の出射光部と出射光路の入射
光部の間に設けられ、かつ薄膜材料から構成される非線
形光学素子と、この非線形光学素子を支持する基板材料
とから構成され、上記薄膜材料の膜面が上記入射光路上
に配置され、かつこの薄膜の信号光の光路上において二
つ以上の膜厚が異なる近接した部分を有し、この膜厚が
異なる部分に印加される外部場によって光の透過率及び
/又は反射率が変化し、外部場の大きさに応じて信号光
が異なる出射光路を通過することを特徴とする光スイッ
チ。
3. An incident optical path for one or more signal lights, an output optical path for two or more signal lights provided on the same plane as the incident optical path, an output light part and an output light of these incident optical paths. A nonlinear optical element provided between the incident light portions of the path and made of a thin film material, and a substrate material supporting the nonlinear optical element, wherein the film surface of the thin film material is arranged on the incident light path. The thin film has an adjacent portion having two or more different thicknesses on the optical path of the signal light, and the light transmittance and / or the reflectance are changed by an external field applied to the portions having different thicknesses. An optical switch, wherein the signal light changes and the signal light passes through different output light paths according to the magnitude of the external field.
【請求項4】上記非線形光学素子は上記外部場の強度に
応じて屈折率が変化することによって透過率及び/又は
反射率が変化する薄膜材料から構成されることを特徴と
する請求項1ないし3のいずれか一つに記載の光スイッ
チ。
4. The optical element according to claim 1, wherein said nonlinear optical element is made of a thin film material whose transmittance and / or reflectivity change by changing its refractive index according to the intensity of said external field. 3. The optical switch according to any one of 3.
【請求項5】上記外部場がレーザー光であることを特徴
とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の光スイ
ッチ。
5. The optical switch according to claim 1, wherein said external field is a laser beam.
【請求項6】上記レーザー光の強度が0.5MW/cm2
下であることを特徴とする請求項5に記載の光スイッ
チ。
6. The optical switch according to claim 5, wherein the intensity of said laser beam is 0.5 MW / cm 2 or less.
【請求項7】上記薄膜材料の上面、及び/又は下面に透
過率調整層が設けられることを特徴とする請求項1ない
し4のいずれか一つに記載の光スイッチ。
7. The optical switch according to claim 1, wherein a transmittance adjusting layer is provided on an upper surface and / or a lower surface of the thin film material.
【請求項8】上記非線形光学素子がCo,Fe,Cr,
Ni,Vから選ばれる第一の金属酸化物とSi,Ti,
Na,Ca,Al,Teから選ばれる第二の金属酸化物
とを含有し、上記第一の金属酸化物を結晶相とする結晶
粒子と上記第一及び第二の金属酸化物を含有する非晶質
の粒界相から構成される薄膜を含むことを特徴とする請
求項1,2,3,4,7のいずれか一つに記載の光スイ
ッチ。
8. The method according to claim 1, wherein the nonlinear optical element is Co, Fe, Cr,
A first metal oxide selected from Ni, V and Si, Ti,
A second metal oxide selected from the group consisting of Na, Ca, Al, and Te; a crystal particle having the first metal oxide as a crystal phase; and a non-crystal containing the first and second metal oxides. The optical switch according to any one of claims 1, 2, 3, 4, and 7, further comprising a thin film composed of a crystalline grain boundary phase.
【請求項9】上記第一の金属酸化物の結晶層がCo34
であることを特徴とする請求項8に記載の光スイッチ。
9. The method according to claim 1, wherein the crystal layer of the first metal oxide is Co 3 O 4
The optical switch according to claim 8, wherein
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