JP2003302662A - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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JP2003302662A
JP2003302662A JP2002108686A JP2002108686A JP2003302662A JP 2003302662 A JP2003302662 A JP 2003302662A JP 2002108686 A JP2002108686 A JP 2002108686A JP 2002108686 A JP2002108686 A JP 2002108686A JP 2003302662 A JP2003302662 A JP 2003302662A
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JP
Japan
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optical
optical switch
thin film
switch according
light
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JP2002108686A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsutoshi Honda
光利 本田
Yuichi Sawai
裕一 沢井
Takao Ishikawa
敬郎 石川
Takashi Naito
内藤  孝
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a small-size optical switch with low power consumption, responding to a multichannel system and excellent in low loss property. <P>SOLUTION: A low-loss type optical switch having three-dimensionally crossed optical paths is used for the optical switch which has a nonlinear optical thin film at the branch point of an optical path and which switches optical paths at the branch point by applying an excitation field on the branch point to reversibly change the refractive index of the nonlinear optical thin film. A high-speed optical switch with low loss and low power consumption and advantageous for minimizing can be obtained by this invention. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、低損失で高速応答
の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 with low loss and high speed response.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報化社会がより一層発展するために
は、大容量の情報を高速伝送できる光通信システムの構
築が必要となっている。現在では、波長多重通信(WD
M)システムが開発され、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 In order to further develop the information society, it is necessary to construct an optical communication system capable of transmitting a large amount of information at high speed. Currently, wavelength division multiplexing (WD)
M) Systems have been developed, and network speeds are rapidly increasing.

【0003】より高速な光通信に必要不可欠な部品は、
光情報のスイッチング手段である。従来の光情報のスイ
ッチングには、中継点において、一度光情報を電気情報
に変換するに光電変換手段と電気情報を光情報に逆変換
する電光変換手段とが必要であった。
The essential parts for higher speed optical communication are:
It is a switching means of optical information. In the conventional switching of optical information, a photoelectric conversion unit for converting optical information into electrical information and an electro-optical conversion unit for inversely converting electrical information into optical information are required at a relay point.

【0004】中継点の数が増加するにつれ、光電変換手
段および電光変換手段の総消費電力が増加し、スイッチ
ング速度が低下するので、より高速な光通信システムを
構築するためには、光情報を直接スイッチングする光ス
イッチを使用することが好ましい。
As the number of relay points increases, the total power consumption of the photoelectric conversion means and the electro-optical conversion means increases, and the switching speed decreases. Therefore, in order to construct a higher speed optical communication system, optical information is transmitted. It is preferable to use optical switches that switch directly.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のような原理に基
づいたn×n型光スイッチで光路を切り替える際、入力
された光信号は基本的に1×2のスイッチ素子をn回通
ることになるため、各スイッチ素子における損失がn倍
化されて出力される。光スイッチの市場動向によればn
数は増加する一方であり、1000×1000型のスイ
ッチの需要も生じると考えられるが、その際には1×2
型基本スイッチ素子の損失が大きく増幅されて出力され
るという問題が生じる。
When the optical path is switched by the n × n type optical switch based on the above principle, the input optical signal basically passes through the 1 × 2 switch element n times. Therefore, the loss in each switch element is multiplied by n before being output. According to the market trend of optical switches,
The number is increasing, and it is expected that there will be a demand for 1000 × 1000 type switches.
There is a problem that the loss of the basic switch element is greatly amplified and output.

【0006】また各1×2基本スイッチ素子のスイッチ
ングに要する電気的な駆動力は一般に大きいため、n数
の増大に伴いエネルギー消費量も大きくなるという問題
も有する。
Further, since the electric driving force required for switching each 1 × 2 basic switch element is generally large, there is also a problem that the energy consumption increases as the number of n increases.

【0007】本発明の目的は、低損失,低消費電力であ
り、小型化にも有利な光ネットワークシステム用交差接
続可能な光スイッチを提供することである。
An object of the present invention is to provide a cross-connectable optical switch for an optical network system, which has low loss and low power consumption and is advantageous for miniaturization.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するに
は、n×n型光スイッチにて光路を切り替える際、入力
された光信号が基本的に1×2のスイッチ素子を1回通
れば済むような構造の光スイッチを用いればよい。具体
的には光路の分岐点に1×2型光スイッチを有するマト
リックス型光スイッチにおいて、光路が立体的に交差す
ることを特徴とする低損失型光スイッチを用いることに
より解決される。このようなスイッチの構造例を図1に
示す。図に示す例では、入力用の光路2本と出力用の光
路3本が立体的に交差しており、その間に光スイッチが
6個存在する。光路1より入力された光信号は2に出力
される。ここで光スイッチAを動作させれば1から入力
された光信号は3に出力され、光スイッチA,Bを動作
させれば光信号は4に出力される。他の光路に光信号を
入力した場合も同様である。このような構造のマトリッ
クススイッチを用いれば、複数の出力先を選択する際、
光信号が通過する光スイッチは1個となり、低損失化が
図れる。図1は2×3の光スイッチ構造例であるが、本
発明の構造原理による光スイッチを2×3型に限定する
ものではない。
In order to solve the above-mentioned problems, when the optical path is switched by an n × n type optical switch, an input optical signal basically passes through a 1 × 2 switch element once. It suffices to use an optical switch having such a structure. Specifically, in a matrix type optical switch having a 1 × 2 type optical switch at a branch point of an optical path, it is solved by using a low loss type optical switch characterized in that optical paths intersect three-dimensionally. An example of the structure of such a switch is shown in FIG. In the example shown in the figure, two optical paths for input and three optical paths for output intersect three-dimensionally, and there are six optical switches between them. The optical signal input from the optical path 1 is output to 2. Here, when the optical switch A is operated, the optical signal input from 1 is output to 3, and when the optical switches A and B are operated, the optical signal is output to 4. The same applies when an optical signal is input to another optical path. By using the matrix switch with such a structure, when selecting multiple output destinations,
There is only one optical switch through which the optical signal passes, and loss can be reduced. Although FIG. 1 shows a 2 × 3 optical switch structure example, the optical switch according to the structural principle of the present invention is not limited to the 2 × 3 type optical switch.

【0009】低損失型光スイッチの小型化,低消費電力
化を図るためには、光路の分岐点に非線形光学薄膜を有
し、分岐点に励起用外場を印加することにより非線形光
学薄膜の屈折率を可逆的に変化させ、分岐点での光路を
切り替える光スイッチにおいて、光路が立体的に交差す
ることを特徴とする低損失型光スイッチを用いればよ
い。または同光スイッチにおいて、分岐の形態が円弧状
または多角形状であることを特徴とする低損失型光スイ
ッチを用いればよい。ここで非線形光学薄膜は外場によ
る励起により屈折率が大きくなるものであり、非励起状
態における屈折率は導波路または導波ファイバ材料の屈
折率よりも小さく、また励起状態における屈折率が導波
路または導波ファイバ材料の屈折率と同一とする。いず
れの場合も光路分岐点には非線形光学薄膜を有し、分岐
点に励起用外場を印加する機構を有する低損失型光スイ
ッチである。ここで外場は光でも電界でもよい。また光
路分岐点の非線形光学材料薄膜は、少なくともCo,F
e,Cr,Ni,V,Zn,Cuから選ばれる金属酸化
物を含有している薄膜とし酸化珪素,酸化チタン,酸化
アルミニウムより選ばれる酸化物を含有することを特徴
とするとなおよい。さらに希土類酸化物を含有すると良
好な特性が得られる。またその構造は、平均粒径が15
nm以下であることを特徴とする。
In order to reduce the size and power consumption of the low-loss optical switch, a nonlinear optical thin film is provided at the branch point of the optical path, and an external field for excitation is applied to the branch point of the nonlinear optical thin film. In the optical switch that reversibly changes the refractive index and switches the optical path at the branch point, a low-loss optical switch characterized in that the optical paths intersect three-dimensionally may be used. Alternatively, in the same optical switch, a low loss type optical switch characterized in that the branching shape is an arc shape or a polygonal shape may be used. Here, the nonlinear optical thin film has a high refractive index due to excitation by an external field, the refractive index in the non-excited state is smaller than that of the waveguide or the waveguide fiber material, and the refractive index in the excited state is Alternatively, it is the same as the refractive index of the waveguide fiber material. In any case, the low-loss optical switch has a nonlinear optical thin film at the branch point of the optical path and has a mechanism for applying an excitation external field to the branch point. Here, the external field may be light or electric field. The nonlinear optical material thin film at the branch point of the optical path is at least Co, F
It is more preferable that the thin film contains a metal oxide selected from e, Cr, Ni, V, Zn, and Cu and contains an oxide selected from silicon oxide, titanium oxide, and aluminum oxide. Further, when a rare earth oxide is contained, good characteristics can be obtained. The structure has an average particle size of 15
It is characterized by being below nm.

【0010】ここでは非線形光学薄膜の屈折率変化を利
用して光スイッチングの基本動作を行っているが、スイ
ッチングの動作原理は薄膜の屈折率変化に限る必要はな
く、例えば泡移動型のスイッチでもMEMS型のスイッ
チでもよい。基本的に1×2の光スイッチ素子で本発明
の構造を形成することにより、低損失のマトリックス型
光スイッチを得ることができる。
Here, the basic operation of optical switching is performed by utilizing the change in the refractive index of the nonlinear optical thin film, but the principle of switching does not have to be limited to the change in the refractive index of the thin film. A MEMS type switch may be used. Basically, by forming the structure of the present invention with 1 × 2 optical switch elements, a low loss matrix type optical switch can be obtained.

【0011】このような原理に基づく光スイッチにてn
×n型の光スイッチを作製する場合、原理的にn数に制
限がないため、その場合は時間分割型光情報システムに
適した高速応答光スイッチが得られる。
In the optical switch based on such a principle,
When a × n type optical switch is manufactured, the number of n is not limited in principle, and in that case, a high-speed response optical switch suitable for a time division type optical information system can be obtained.

【0012】[0012]

【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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described in detail.

【0013】(実施例1)図2には本発明による光スイ
ッチの製造方法を示す。まず石英ガラス系ガラス基板9
の上にフォトレジスト20を塗布する(a)。フォトリ
ソグラフィで導波路パターンを形成する(b)。次にC
VD法により通信光に対して透明な材料、例えばSiO
2 系薄膜を堆積した後、レジストを除去することにより
SiO2 系導波路を形成し、下部の導波路8とする
(c)。その後CVD法によりSiO2膜21を堆積
し、エッチング処理を施すことにより図2(d)の状態
にする。
(Embodiment 1) FIG. 2 shows a method of manufacturing an optical switch according to the present invention. First, the quartz glass-based glass substrate 9
A photoresist 20 is applied on the surface (a). A waveguide pattern is formed by photolithography (b). Then C
A material transparent to communication light by the VD method, for example, SiO
After depositing the 2 type thin film, the resist is removed to form a SiO 2 type waveguide, which is used as the lower waveguide 8 (c). After that, a SiO 2 film 21 is deposited by the CVD method and an etching process is performed to obtain the state of FIG.

【0014】この状態の基板にスパッタリング法により
Co34−非線形光学薄膜6を付ける(e)。スパッタ
リングガスはアルゴン+20%酸素混合ガス,ガス圧
0.67Pa、基板温度300℃とし、ターゲットには
CoO、ガラス成分としてはSiO2−TiO2 を用いた。
スパッタリングの際、光スイッチの励起スポットとなる
位置に直径50μmの穴をあけたマスクを載せ、励起ス
ポットにCo34系薄膜がスパッタされるようにした。
A Co 3 O 4 -nonlinear optical thin film 6 is attached to the substrate in this state by the sputtering method (e). The sputtering gas was argon + 20% oxygen mixed gas, the gas pressure was 0.67 Pa, the substrate temperature was 300 ° C., CoO was used as the target, and SiO 2 —TiO 2 was used as the glass component.
At the time of sputtering, a mask having a hole with a diameter of 50 μm was placed at a position to be an excitation spot of the optical switch so that a Co 3 O 4 thin film was sputtered on the excitation spot.

【0015】Co34系薄膜を付けた基板に更にフォト
レジストを塗布し(f)、下部導波路8と15度の角度
をなすようにフォトリソグラフィで導波路パターンを形
成する。以下同様の手法にて上部導波路7を形成し
(g)、最後にCVD法によりSiO2 膜を堆積して光
スイッチを得る(h)。
A photoresist is further applied to the substrate provided with the Co 3 O 4 type thin film (f), and a waveguide pattern is formed by photolithography so as to form an angle of 15 ° with the lower waveguide 8. Thereafter, the upper waveguide 7 is formed by the same method (g), and finally the SiO 2 film is deposited by the CVD method to obtain an optical switch (h).

【0016】図4は上記の手法により作製した2×2光
スイッチの概略構成を示している。導波路及び非線形光
学薄膜の位置関係を明確に示すため、石英基板及びSi
2層は図示していない。1は入力端子、3,4及び5
は出力端子である。それぞれの導波路の交差界面にはC
34系薄膜がスパッタリングされており、これらを外
場による励起スポットとする。本実施例では、外場とし
て波長775nmの面発光レーザを用いた。
FIG. 4 shows a schematic structure of a 2 × 2 optical switch manufactured by the above method. In order to clearly show the positional relationship between the waveguide and the nonlinear optical thin film, a quartz substrate and Si
The O 2 layer is not shown. 1 is an input terminal, 3, 4 and 5
Is an output terminal. C at the crossing interface of each waveguide
O 3 O 4 system thin films are sputtered, and these are used as excitation spots by an external field. In this example, a surface emitting laser having a wavelength of 775 nm was used as the external field.

【0017】図3に、面発光レーザによる励起光の照射
方法を示す。図3において、22が面発光レーザであ
る。各信号光の分岐点に面発光レーザから出射された光
23が照射される。積層体の光信号が通過する面に対し
て垂直の位置、つまり、積層体の非線形光学層の所定の
位置にレーザ光が照射できる位置に面発光レーザを装着
した。面発光レーザの発光タイミングは光信号の中に書
き込まれた切り替え情報に基づいて行った。
FIG. 3 shows a method of irradiating the excitation light with the surface emitting laser. In FIG. 3, 22 is a surface emitting laser. The light 23 emitted from the surface emitting laser is applied to the branch point of each signal light. The surface emitting laser was mounted at a position perpendicular to the surface of the laminated body through which the optical signal passes, that is, at a position where laser light could be irradiated to a predetermined position of the nonlinear optical layer of the laminated body. The light emission timing of the surface emitting laser was determined based on the switching information written in the optical signal.

【0018】上記方法により作製した光スイッチに対し
て、入力光を1から投入した。入力光の波長は通信光波
長である1550nmとした。照射しない場合は3から
出力された。ここで、図4のA地点に面発光レーザを
0.3MW/cm2の強度で照射すると、出力光が3から4
地点に変化し、スイッチングが出来ている事が確認され
た。さらに、この時の応答速度を測定すると11nsと
非常に高速であった。
Input light was applied from 1 to the optical switch manufactured by the above method. The wavelength of the input light was 1550 nm, which is the wavelength of the communication light. When not irradiating, it was output from 3. Here, when the surface emitting laser is irradiated to the point A in FIG. 4 at an intensity of 0.3 MW / cm 2 , the output light is 3 to 4
It was confirmed that the location was changed and switching was possible. Furthermore, when the response speed at this time was measured, it was a very high speed of 11 ns.

【0019】さらに、面発光レーザの強度を0.5MW
/cm2まで増加させると、スイッチング現象は同様に観
測されたが、その応答速度が1.2ps と非常に高速と
なっているのが確認された。この現象は励起光の強度に
より、屈折率変化が増加したために起こったものと考え
られる。
Furthermore, the intensity of the surface emitting laser is set to 0.5 MW.
When it was increased to / cm 2 , the switching phenomenon was also observed, but it was confirmed that the response speed was as fast as 1.2 ps. This phenomenon is considered to have occurred because the refractive index change increased due to the intensity of the excitation light.

【0020】次に、面発光レーザをあてる場所をA地点
とB地点の2点とした。この結果、出力光が3地点から
5地点へと変化した。このときの応答速度も先程と同
様、1.1ps と非常に高速であった。このことから照
射位置を増やすことで異なる方向にスイッチングできる
ことが示せた。
Next, the spots to which the surface-emitting laser is applied are set to two points A and B. As a result, the output light changed from 3 points to 5 points. At this time, the response speed was 1.1 ps, which was very high as before. From this, it was shown that the switching can be performed in different directions by increasing the irradiation position.

【0021】ここで用いたガラス基板及び導波路材質は
屈折率1.5 のSiO2 であったが、この組成にTiO
2 を加えて屈折率を1.5から1.7まで変化させた。そ
の結果を図5に示す。この図において、左からTiO2
の含有量、支持基板の屈折率,出力光強度を示す。Ti
2 の含有量が30%(重量比)を超えると、出力光強
度が急激に減少し10%以下となっていたことが分かっ
た。この現象は、支持基板の屈折率が1.6 を超えたた
め光が周辺にもれて出力光強度が減少したためであると
考えられる。
The material of the glass substrate and the waveguide used here was SiO 2 having a refractive index of 1.5.
2 was added to change the refractive index from 1.5 to 1.7. The result is shown in FIG. In this figure, from the left, TiO 2
Shows the content of, the refractive index of the supporting substrate, and the output light intensity. Ti
It was found that when the O 2 content exceeded 30% (weight ratio), the output light intensity drastically decreased to 10% or less. This phenomenon is considered to be because the refractive index of the supporting substrate exceeded 1.6 and the light leaked to the periphery to reduce the output light intensity.

【0022】非線形光学薄膜の物質を変化させた場合の
特性変化について調べた。測定系を図6に示す。この場
合、まずそれぞれの物質の屈折率とその応答性を調べる
ため、ガラス基板9に非線形光学薄膜6のみを成膜した
試料を用意した。測定光11は、試料に対してs偏光,
p偏光とし、非線形光学薄膜3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エリプソメトリすな
わち楕円偏光法の光学系を用いた。励起光10および測
定光11の波長は、任意に変更可能である。
The change in characteristics when the material of the nonlinear optical thin film was changed was examined. The measurement system is shown in FIG. In this case, first, in order to examine the refractive index of each substance and its response, a sample in which only the nonlinear optical thin film 6 was formed on the glass substrate 9 was prepared. The measurement light 11 is s-polarized with respect to the sample,
As the p-polarized light, an ellipsometry optical system for measuring the refractive index based on the difference in reflectance between the p-polarized light and the s-polarized light by the nonlinear optical thin film 3, that is, an ellipsoidal polarization method was used. The wavelengths of the excitation light 10 and the measurement light 11 can be changed arbitrarily.

【0023】本測定では、励起光10の光源として発振
駆動制御が容易な波長775nmのフェムト秒レーザを
用いた。この半導体レーザの最大出力は、8mWであっ
た。また、測定光11には、通信で使われている155
0nmのフェムト秒レーザを用いた。励起光,測定光、
いずれも周波数は1kHzとし、1周期あたりのレーザ
照射時間は0.2ps とした。応答時間の測定は両者の
周波数間隔を変化させることにより算出した。また、こ
の測定光11によって試料が励起されてしまわないよう
に、励起光10の強度に対して十分弱いレーザパワーで
測定した。尚、ここで、12は信号光の光源、13は信
号光の受光器、14,15はコリメータレンズ、16は
偏光子、17は検光子、18,19は集光レンズであ
る。図7は、非線形光学薄膜6に励起光10を照射した
ときの屈折率変化の一例を示す図である。レーザが照射
されてから(レーザパワーの変化にともない)薄膜の屈
折率が変化し、その後2段階で元に戻っていることが分
かった。
In this measurement, a femtosecond laser having a wavelength of 775 nm, which is easy to control the oscillation drive, was used as the light source of the excitation light 10. The maximum output of this semiconductor laser was 8 mW. In addition, the measuring light 11 is used for communication 155.
A 0 nm femtosecond laser was used. Excitation light, measurement light,
In both cases, the frequency was 1 kHz and the laser irradiation time per cycle was 0.2 ps. The response time was calculated by changing the frequency interval between the two. Further, the measurement was performed with a laser power that was sufficiently weak with respect to the intensity of the excitation light 10 so that the sample was not excited by the measurement light 11. Here, 12 is a signal light source, 13 is a signal light receiver, 14 and 15 are collimator lenses, 16 is a polarizer, 17 is an analyzer, and 18 and 19 are condenser lenses. FIG. 7 is a diagram showing an example of a change in the refractive index when the excitation light 10 is irradiated on the nonlinear optical thin film 6. It was found that the refractive index of the thin film changed after the laser irradiation (with the change of the laser power), and then returned to the original value in two steps.

【0024】そこで、パルス光パワー飽和から1.2p
s(ピコ秒)後の屈折率を測定し、励起光10のパワー
に対する屈折率の依存性を測定した。図8にその結果を
示す。励起光10を照射しない状態での屈折率は、測定
波長が1550nmでは3.2であった。励起光10の
強度変化に応じて、屈折率が減少していき、0.3MW
/cm2 の強度では3.13,0.5MW/cm2 の強度では
3.1 に変化していた。先程の実験で励起光強度により
応答速度が変化したのは屈折率が2段階で転移し、その
動向がパワーによって変化したためと考えられる。
Therefore, 1.2p from the pulsed light power saturation
The refractive index after s (picosecond) was measured, and the dependence of the refractive index on the power of the excitation light 10 was measured. The result is shown in FIG. The refractive index without irradiation of the excitation light 10 was 3.2 at the measurement wavelength of 1550 nm. The refractive index decreases as the intensity of the excitation light 10 changes to 0.3 MW.
/ The strength of cm 2 in the strength of the 3.13,0.5MW / cm 2 was changed to 3.1. It is considered that the reason why the response speed changed with the excitation light intensity in the previous experiment is that the refractive index changed in two steps and the trend changed with the power.

【0025】図9に、上記方法により調べた非線形光学
薄膜の屈折率,屈折率変化(励起光パワー0.5MW/c
m2の場合)、スイッチング特性,応答時間を示す。この
図において、スイッチング特性の欄では、スイッチング
出来た場合を◎、出来なかった場合を×で示している。
その結果、CoO,ZnOを除いては、同様の効果が得
られ、良好なスイッチング特性を確認した。
FIG. 9 shows the changes in the refractive index and the refractive index of the nonlinear optical thin film (excitation light power 0.5 MW / c) investigated by the above method.
m 2 ), switching characteristics and response time. In the figure, in the column of switching characteristics, the case where switching is possible is indicated by ⊚, and the case where switching is not possible is indicated by ×.
As a result, the same effect was obtained except for CoO and ZnO, and good switching characteristics were confirmed.

【0026】CoOの屈折率変化が0.05% で、その
他の物質の屈折率変化が2%以上であることから、2%
以上で特性が検出されることが分かった。さらに、Co
34薄膜,Fe34薄膜を用いると、屈折率変化が3%
以上と非常に大きいため、1.2ps と非常に速い速度
でスイッチングした。これは先程示した2段階の転移を
反映した結果と考えられる。
Since the change in the refractive index of CoO is 0.05% and the change in the refractive index of other substances is 2% or more, it is 2%.
It has been found that the characteristics are detected by the above. Furthermore, Co
When 3 O 4 thin film and Fe 3 O 4 thin film are used, the change in refractive index is 3%.
Since it is very large as above, it switched at a very fast speed of 1.2 ps. This is considered to be a result of reflecting the two-stage transition described above.

【0027】この例を結晶系の構造から見ると、スピネ
ル構造をとるCo34,Fe34を用いたものの屈折率
変化が3%以上で、その変化がps(ピコ秒)オーダと
特に顕著な変化を有していた。このことから、スピネル
構造を有する酸化物が本スイッチに特に好ましいことが
分かった。
When this example is seen from the structure of the crystal system, the refractive index change of Co 3 O 4 and Fe 3 O 4 having a spinel structure is 3% or more, and the change is on the order of ps (picosecond). It had a particularly noticeable change. From this, it was found that an oxide having a spinel structure is particularly preferable for this switch.

【0028】さらに、希土類酸化物を40%混入した薄
膜(Er4Fe614,Nd4Fe614)は屈折率が1.
9になっていることが分かった。そこで、これらの酸化
物薄膜に対して、積層用の基板として、SiO2 にTi
2 を重量比40%混入させた屈折率が1.9 のガラス
基板を用いた。その結果、先程と同様のスイッチング特
性が得られた。さらに、出力光強度を調べたところ、先
程の場合が70%であったのに対し、ガラス基板を使用
した場合は95%と非常に効率がいいことが分かった。
Further, the thin film (Er 4 Fe 6 O 14 , Nd 4 Fe 6 O 14 ) mixed with 40% of rare earth oxide has a refractive index of 1.
It turned out to be 9. Therefore, for these oxide thin films, SiO 2 and Ti were used as a substrate for lamination.
A glass substrate having a refractive index of 1.9 containing 40% by weight of O 2 was used. As a result, the same switching characteristics as the previous one were obtained. Further, when the intensity of output light was examined, it was found that the efficiency was 70% in the previous case, but it was 95% when the glass substrate was used, which was very efficient.

【0029】以上で非線形光学薄膜中の物質を色々と変
化させた場合について示したが、さらに、スイッチング
特性において、ZnOでは変化せず、Fe34では変化
していたことに注目して、この間の組成検討を行った。
図10にこの結果を示す。図10において、左から、組
成比,平均粒径,屈折率変化,スイッチング特性であ
る。
The case where the substances in the nonlinear optical thin film are changed variously has been described above. Further, in the switching characteristics, ZnO does not change, and Fe 3 O 4 changes. The composition was examined during this period.
This result is shown in FIG. In FIG. 10, the composition ratio, the average particle size, the refractive index change, and the switching characteristics are shown from the left.

【0030】まず、ZnO組成と平均粒径の関係を見る
と、ZnOを混入させていくに従い、平均粒径が大きく
なっていたことが分かった。さらに、Co34にZnO
を40%以上入れた場合は、屈折率変化が小さくなり、
スイッチングが出来ていなかった。これは、平均粒径が
15nmを超えたためであると推測できる。この結果、
平均粒径は15nm以下であるとスイッチングに望まし
いことが示された。
First, looking at the relationship between the ZnO composition and the average grain size, it was found that the average grain size increased as ZnO was mixed. Furthermore, ZnO is added to Co 3 O 4 .
When 40% or more is added, the change in refractive index becomes small,
I couldn't switch. It can be inferred that this is because the average particle size exceeds 15 nm. As a result,
It has been shown that an average particle size of 15 nm or less is desirable for switching.

【0031】なお、この実施例では、薄膜をガラス基板
に成膜したが、Si或いはガラスと同様の組成の薄膜を
基板の厚みだけ薄膜上面に成膜して積層構造としても同
様の結果が得られた。
In this embodiment, the thin film is formed on the glass substrate, but a thin film having the same composition as Si or glass is formed on the upper surface of the thin film by the thickness of the substrate to obtain a similar result. Was given.

【0032】以上の本実施例の結果により、図1の立体
構造を用いることにより、応答時間が1.2ps 〜11
nsと非常に高速のマトリックス光スイッチが簡便に作
製できることが示した。さらに、薄膜組成,支持基板に
より、スイッチ特性が大きく左右されることが分かっ
た。
From the above results of this embodiment, by using the three-dimensional structure of FIG. 1, the response time is 1.2 ps to 11 ps.
It was shown that a matrix optical switch of ns and very high speed can be easily manufactured. Furthermore, it was found that the switch characteristics are greatly influenced by the thin film composition and the supporting substrate.

【0033】(実施例2)本実施例2は、実施例1で外
場としてレーザ光(励起光)を用いたものに対して、電
界を用いるための構成である。図11にその時の模式図
を示す。この図において、24はCr配線、25はCr
配線が引かれている厚さ0.1mm のガラス板である。こ
の図に示すように、非線形光学薄膜の上下面にCrの配
線を引き、この間に電圧がかかることで非線形光学薄膜
に電圧を印加させた。
(Embodiment 2) The present embodiment 2 is a structure for using an electric field in contrast to the embodiment 1 which uses laser light (excitation light) as an external field. FIG. 11 shows a schematic diagram at that time. In this figure, 24 is Cr wiring and 25 is Cr
It is a glass plate with a thickness of 0.1 mm with wiring drawn. As shown in this figure, Cr wiring was drawn on the upper and lower surfaces of the nonlinear optical thin film, and a voltage was applied between them to apply a voltage to the nonlinear optical thin film.

【0034】上部電極と下部電極を介して、非線形光学
薄膜3に40Vの電圧を印加すると、励起光を照射する
実施形態1と同様に、出射光の光路がコアbからコアc
に変わることを観測できた。
When a voltage of 40 V is applied to the nonlinear optical thin film 3 via the upper electrode and the lower electrode, the optical path of the emitted light is changed from the core b to the core c as in the first embodiment in which the excitation light is irradiated.
I was able to observe that it changed to.

【0035】しかし、印加電圧パルスに対する応答は1
000ns(ナノ秒)オーダと実施例1に比べると速度
が遅いことが分かった。本実施例2によれば、電圧駆動
型の光スイッチを製造できることが判明したが、外場に
励起光を用いた方がより高速のスイッチの作製が可能で
あることが分かった。
However, the response to the applied voltage pulse is 1
It was found that the speed was slower than that of Example 1, which was on the order of 000 ns (nanosecond). According to the second embodiment, it has been found that a voltage-driven optical switch can be manufactured, but it has been found that it is possible to manufacture a faster switch by using pumping light in the external field.

【0036】(実施例3)電圧によって蛍光膜ZnSを
発光させ、その発光により非線形光学薄膜の屈折率変化
を生じさせる実験をした。
(Example 3) An experiment was carried out in which the fluorescent film ZnS was caused to emit light by a voltage and the change in the refractive index of the nonlinear optical thin film was caused by the light emission.

【0037】図12にその実験に用いた素子構造を示
す。この図では簡単なため、1×2のスイッチの模式図
を示した。図12において、26は蛍光体として取り付
けたZnSであり、電極間に電圧がかかると発光するよ
うに配置した。スイッチの検証実験の前に、40Vで電
圧を印加するとZnS薄膜が発光することを確認した。
FIG. 12 shows the device structure used in the experiment. For simplicity, this figure shows a schematic diagram of a 1 × 2 switch. In FIG. 12, reference numeral 26 is ZnS attached as a phosphor, and is arranged so as to emit light when a voltage is applied between the electrodes. Before the switch verification experiment, it was confirmed that the ZnS thin film emits light when a voltage of 40 V is applied.

【0038】この蛍光を利用して非線形光学薄膜の屈折
率を変化させると、実施例2と同様の速度でスイッチン
グする現象を確認した。この結果から電場によって印加
させた蛍光によってもスイッチング出来ることが分かっ
た。
It was confirmed that when the refractive index of the nonlinear optical thin film was changed by utilizing this fluorescence, switching was performed at the same speed as in Example 2. From this result, it was found that the switching can be performed by the fluorescence applied by the electric field.

【0039】本形態によれば、非線形光学薄膜を用いた
積層構造を備えることにより、高速応答性に優れ、大容
量情報のスイッチングに好適な小型マトリックスの光ス
イッチが得られる。
According to this embodiment, by providing the laminated structure using the non-linear optical thin film, it is possible to obtain a small matrix optical switch which is excellent in high-speed response and suitable for switching a large amount of information.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明により、低損失,低消費電力であ
り、小型化にも有利な高速光スイッチが得られる。
According to the present invention, it is possible to obtain a high-speed optical switch which has low loss and low power consumption and is advantageous for miniaturization.

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

【図1】本発明による光スイッチの構造を模式的に示す
図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of an optical switch according to the present invention.

【図2】図1の光スイッチの製造工程を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switch of FIG.

【図3】面発光レーザを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing a surface emitting laser.

【図4】本発明による光スイッチの構造を模式的に示す
図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of an optical switch according to the present invention.

【図5】本発明による光スイッチの光学特性を計測する
ための測定光学系の構成および配置を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration and arrangement of a measurement optical system for measuring the optical characteristics of the optical switch according to the present invention.

【図6】非線形光学薄膜2に励起光10を照射したとき
の屈折率変化の一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a change in the refractive index when the nonlinear optical thin film 2 is irradiated with the excitation light 10.

【図7】非線形光学薄膜2に励起光10を照射したとき
の屈折率変化の一例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a change in the refractive index when the nonlinear optical thin film 2 is irradiated with the excitation light 10.

【図8】実施形態1の光スイッチに最適な非線形光学材
料を検討した結果を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a result of examining a nonlinear optical material most suitable for the optical switch of the first embodiment.

【図9】実施形態1の光スイッチに最適な非線形光学材
料を検討した結果を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a result of examining a non-linear optical material most suitable for the optical switch of the first embodiment.

【図10】実施形態1の光スイッチに最適な非線形光学
材料を検討した結果を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a result of examining a nonlinear optical material most suitable for the optical switch of the first embodiment.

【図11】実施形態2の光スイッチの構造を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a structure of an optical switch according to a second embodiment.

【図12】実施形態3の光スイッチの構造を示す図であ
る。
FIG. 12 is a diagram showing a structure of an optical switch according to a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…入力端子、3,4,5…出力端子、6…非線形光学
薄膜、7,8…導波路、9…石英ガラス系ガラス基板、
10,23…励起光、11…測定光、12…信号光の光
源、13…信号光の受光器、14,15…コリメータレ
ンズ、16…偏光子、17…検光子、18,19…集光
レンズ、20…フォトレジスト、21…SiO2 膜、2
2…面発光レーザ、24…Cr配線、25…ガラス板、
26…ZnS蛍光体。
1 ... Input terminal, 3, 4, 5 ... Output terminal, 6 ... Non-linear optical thin film, 7, 8 ... Waveguide, 9 ... Quartz glass type glass substrate,
10, 23 ... Excitation light, 11 ... Measuring light, 12 ... Signal light source, 13 ... Signal light receiver, 14, 15 ... Collimator lens, 16 ... Polarizer, 17 ... Analyzer, 18, 19 ... Collecting light Lens, 20 ... Photoresist, 21 ... SiO 2 film, 2
2 ... surface emitting laser, 24 ... Cr wiring, 25 ... glass plate,
26 ... ZnS phosphor.

フロントページの続き (72)発明者 石川 敬郎 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 (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 AB04 BA01 BA06 CA02 EA00 EB01 HA15 HA16 Continued front page    (72) Inventor Keiro Ishikawa             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Takashi Naito             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. F-term (reference) 2K002 AA02 AB04 BA01 BA06 CA02                       EA00 EB01 HA15 HA16

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光路の分岐点に非線形光学薄膜を有し、前
記分岐点に励起用外場を印加することにより非線形光学
薄膜の屈折率を可逆的に変化させ、前記分岐点での光路
を切り替える光スイッチにおいて、前記光路が立体的に
交差することを特徴とする光スイッチ。
1. A non-linear optical thin film is provided at a branch point of an optical path, and a refractive index of the non-linear optical thin film is reversibly changed by applying an excitation external field to the branch point so that the optical path at the branch point is changed. An optical switch for switching, wherein the optical paths intersect three-dimensionally.
【請求項2】前記励起用外場が電界であることを特徴す
る請求項1記載の光スイッチ。
2. The optical switch according to claim 1, wherein the excitation external field is an electric field.
【請求項3】前記励起用外場が光であることを特徴する
請求項1記載の光スイッチ。
3. The optical switch according to claim 1, wherein the excitation external field is light.
【請求項4】前記非線形光学薄膜上に前記光を照射する
ための面発光レーザを有することを特徴とする請求項4
に記載の光スイッチ。
4. A surface emitting laser for irradiating the light on the nonlinear optical thin film.
Optical switch described in.
【請求項5】前記面発光レーザの波長が700nm〜9
00nmであることを特徴とする請求項4記載の光スイ
ッチ。
5. The wavelength of the surface emitting laser is 700 nm to 9 nm.
The optical switch according to claim 4, wherein the optical switch has a thickness of 00 nm.
【請求項6】前記非線形光学薄膜上に前記電界を加える
ための電圧印加用電極または配線を有していることを特
徴とする請求項2に記載の光スイッチ。
6. The optical switch according to claim 2, further comprising a voltage application electrode or wiring for applying the electric field on the nonlinear optical thin film.
【請求項7】前記光スイッチの応答速度が1μs以下で
あることを特徴する請求項1記載の光スイッチ。
7. The optical switch according to claim 1, wherein the response speed of the optical switch is 1 μs or less.
【請求項8】前記スイッチの応答速度が12ns以下で
あることを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
8. The optical switch according to claim 1, wherein the response speed of the switch is 12 ns or less.
【請求項9】前記スイッチの応答速度が1.2ps 以下
であることを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
9. The optical switch according to claim 1, wherein the response speed of the switch is 1.2 ps or less.
【請求項10】前記非線形光学薄膜は、少なくともC
o,Fe,Cr,Ni,V,Zn,Cu,Mnから選ば
れた金属酸化物または前記金属酸化物を含む複合酸化物
からなることを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
10. The non-linear optical thin film comprises at least C
The optical switch according to claim 1, wherein the optical switch comprises a metal oxide selected from o, Fe, Cr, Ni, V, Zn, Cu, and Mn, or a composite oxide containing the metal oxide.
【請求項11】前記非線形光学薄膜は、少なくとも、酸
化珪素,酸化チタン,酸化アルミニウムより選ばれる酸
化物を含有することを特徴とする請求項10記載の光ス
イッチ。
11. The optical switch according to claim 10, wherein the nonlinear optical thin film contains at least an oxide selected from silicon oxide, titanium oxide and aluminum oxide.
【請求項12】前記非線形光学薄膜は、希土類酸化物を
含有することを特徴とする請求項11記載の光スイッ
チ。
12. The optical switch according to claim 11, wherein the nonlinear optical thin film contains a rare earth oxide.
【請求項13】前記非線形光学薄膜が、粒子の集合体か
ら構成され、その平均粒径が15nm以下であることを
特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
13. The optical switch according to claim 1, wherein the nonlinear optical thin film is composed of an aggregate of particles and has an average particle diameter of 15 nm or less.
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