JP2007139914A - 光スイッチ及び光スイッチシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜10、11と、その誘電体多層膜10、11によって挟まれかつ前記誘電体多層膜10、11周期性から外れた1層の欠陥層12aを含んでいる光スイッチAにおいて、前記欠陥層12aはフォトリフラクティブ効果を有している材料である。
【選択図】 図1
Description
非特許文献1では、2つの異なる屈折率を有する材料によって構成される誘電体多層膜の一方をフォトリフラクティブ材料とした光スイッチが研究されている。
この光スイッチではフォトリフラクティブ材料を利用することで、スイッチングのオン−オフ比を向上させることを行っている。光スイッチのオン−オフ比を大きく取るには、オンの時の透過率を向上し、オフの時の透過率を低減するアクティブなフィルタがあると実現でき、このようなフィルタは光トランジスタなどと呼ばれる。
前述の非特許文献1では、このような効果を出すためにフォトリフラクティブ材料が使われている。確かに、実験結果から、その効果は見られる。しかし、単にフォトリフラクティブ材料と異なる屈折率の材料とをそれぞれλ/4の厚さでの積層している構成では、オン−オフ比を向上させる能力には限界がある。
特許文献1乃至3では、ファブリペロー共振器の欠陥層に電気光学材料を利用した光スイッチが開示されている。この構成でも光のスイッチは可能であるが、かかる光スイッチでは電圧を印加することによる電気光学材料の微小な屈折率変化を使用しており、オンオフ比には限界がある。これは屈折率変化量と透過スペクトルの形状に起因しており、これを原理的に解決することは難しい。
図15は従来の光スイッチを示す概略図である。図16は図15の従来の光スイッチの誘電体多層膜を示す概略図である。図15及び図16において、基板1上には誘電体多層膜2が配置され、この誘電体多層膜2は図16に示すように構成され、誘電体多層膜2は多層膜3Aと3Bとで構成されている。
誘電体多層膜2はマルチキャビティ4A、4B、4C、4Dを有しており、キャビティ4A、4Bに可変電圧源5が、キャビティ4C、4Dに可変電圧源6が接続されており、これらの可変電圧源5、6は電圧制御部7で制御される。
特許文献3による図15および図16の従来例はマルチキャビティを、それぞれ電気光学効果のある材料を利用してスイッチングを行なっている。マルチキャビティにすることによって透過スペクトルの形状が改善され、オンオフ比は取れる。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、誘電体多層膜を利用した光スイッチにおいて、オンオフ比を大きく取れる構成を有する光スイッチ及び光スイッチシステムを提供することにある。
また請求項2に記載の発明は、前記欠陥層を複数有する請求項1記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項3に記載の発明は、前記フォトリフラクティブ材料としてコバルト酸化物を利用する請求項1又は2記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項4に記載の発明は、前記複数の欠陥層の1層もしくは複数層を電気光学材料とし、他の欠陥層をフォトリフラクティブ材料とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項5に記載の発明は、入射面に無反射コートを施した請求項1乃至4のいずれか1項記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項6に記載の発明は、入射波長のピーク位置をλip、欠陥層の屈折率をnk、欠陥層の屈折率変化を△n、入射角をθ、としたときに、欠陥層dkの厚さが
但し、Nは整数、を満たす請求項1乃至5のいずれか1項記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項7に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項記載の光スイッチが、入射光の波長スペクトルの半値全幅をλi、共鳴波長の最大移動量をλm、透過スペクトルの半値全幅をλtとしたときに、λm>λi、λm>λt、λi=λt、を満たす光スイッチシステムを特徴とする
また請求項8に記載の発明は、前記光スイッチからの反射光を信号光として利用する請求項7記載の光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項9に記載の発明は、入射光を斜入射とする請求項7又は8記載の光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項10に記載の発明は、請求項1乃至請求項6に記載の光スイッチと、入射光を集光する光学素子とを備えた光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項11に記載の発明は、前記光学素子は、少なくとも入射光を集光するレンズと、入射角を偏向するプリズムとを備え、前記光スイッチの基板の側面に設けられている請求項10記載の光スイッチシステムを特徴とする。
この透過スペクトルの波長シフトにより光が透過しなくなり、オフ状態となる。これを用いれば、入射光強度と出射光強度には非線形の関係が生じ、これによりオン−オフ比を向上させることができる。
図1に示すように、誘電体多層膜10及び11の間にフォトリフラクティブ材料(欠陥層)12aを挟みこんだ構造とした。石英基板13上に誘電体多層膜10及び11として、SiO2とTiO2とを交互に積層した。入射波長λipは457nmとして、そのスペクトルでの半値全幅λiは約1nmとした。
誘電体多層膜10及び11の膜厚はSiO2、TiO2とそれぞれ、入射波長の光学膜厚の1/4として、70nm及び45nmとした。誘電体多層膜10及び11はSiO2、TiO2を6ペア(6対)とした。
欠陥層12aにはコバルト酸化物の微結晶を利用した。このコバルト酸化物はスパッタによって作製され、Co3O4の微結晶の状態になっている。
コバルト酸化物材料には非常に高いフォトリフラクティブ効果を有するものが知られている(マテリアルインテグレーション、Vol.14、No12(2001)p17)。これを利用することによって、入射強度が小さくとも、フォトリフラクティブ材料の感度が大きいため、オンオフ比を大きくすることが可能となる。
キャビティのスペーサ部にフォトリフラクティブ材料(欠陥層)を利用する構成とした。欠陥層12aは光を閉じ込める効果がある。これにより、この部分には入射光に対し、その数倍近い光強度となる。
図4は出射光強度と入射光強度に関してマルチキャビティとシングルキャビティとの相違を示す図である。
これを用いることで、入射光強度と出射光強度には図3に示すような非線形の関係が生じ、これがオンオフ比を向上させる。図5に示した構成は入射光の波長に対し、キャビティの共鳴波長が若干ずれた状態に作製している。
シングルのキャビティをマルチキャビティにすると、透過スペクトルの形状は立ち上がりが急峻なトップハット(シルクハット)の形状になる。また、マルチキャビティにすることで、屈折率が変化した時に、オフとなる部分の透過率が低い。これより、オフ時の透過光量が減少し、オンオフ比が向上する。つまり、マルチキャビティの方が、図3に示すように入射光強度/出射光強度の関係での非線形性が高まり、オンオフ比も大きくなる。
詳細は後述する、図5の構成に光を入れることで、スペーサの屈折率が変化し、或る強度の時に入射光の波長とキャビティの共鳴波長が一致し、出射光強度が高くなる。この挙動が非線形性を示し、スイッチングのオンオフを増大させる光トランジスタの役割を示す。
この作製方法により、この材料の非線型屈折率は−2.7×10-11(W/m2)であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。この膜を膜厚358nmとする。これによって、欠陥層12の厚さが以下の条件を満たす。
但し、λipは入射波長のピーク位置、nkは欠陥層の屈折率、△n欠陥層の屈折率変化、Nは整数、θは入射角とする。
この場合には整数Nは2となり、入射角θは0°とした。また、この条件で透過率のスペクトル形状はほぼ決まり、光スイッチは、以下の条件、
λm>λi、λm>λt、λi=λt
を満たす。
但し、λiは入射光の波長スペクトルの半値全幅、λmは共鳴波長の最大移動量、λtは透過スペクトルの半値全幅である。
この時の入射光強度が0.1GW/m2以上であれば、屈折率変化量は0.01を超える。これにより、図3に示すような、入射光強度と出射光強度の非線型関係を示すことになる。これをモジュール化することで、光スイッチとなる。
図7は光スイッチが条件、λm>λi、λm>λt、λi=λtを満たしていない場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図8は光スイッチが条件、λm>λi、λm>λt、λi=λtを満たしていない他の場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図9はコバルト酸化物のフォトリフラクティブ効果を示す特性図である。
上記の条件で、λi=λtは以下のスイッチング原理に基づき、原理的にほぼ同程度の半値全幅であればよいとする。
図1に示すように誘電体多層膜10、11によって欠陥層12aを挟むと、その欠陥層12aに対応した波長にピークを有する透過スペクトルが取れる(図8)。この透過スペクトルにおける半値全幅をλtとする。
ここで、半値全幅λtは透過スペクトルのピークから裾野部分までの波長長さとほぼ同等と考えられる。つまり、このλtによって、透過スペクトルおける透過率が高い位置から低い位置までの波長幅を示すことができる。
この透過スペクトルは欠陥層12aの光学的な厚さに対応しており、この光学的な厚さを変えることで、ピーク位置が移動する。この移動量をλmとした。また、入射光のスペクトルにおける半値全幅をλiとした。図6ではオンとオフとして、その欠陥層12aの光学的な厚さを変化している。
上述した条件が満たされることによって、オンとオフにおける透過スペクトルは図6に示すように、オンの時には光を出射し、オフの時には光を出さない。これによって大きな消光比を取ることができる。
そのため、オフ時においても、入射スペクトルの裾野部分に透過率のスペクトルピークが位置してしまう。従って、そこでの入射光を透過することになり、図7に示すようにオフの時にも、波長は異なるが出射光が存在する。これは消光比を大きく低減している。
また、図8に示すように、λm<λi、λm>λtの条件においては、透過スペクトルの半値全幅が広く、裾を引いてしまう。また、移動量λmが小さいため、オフ時のときにも、入射光のピーク位置λipにおいて、透過率が0とならない。このため、入射光は透過してしまい、光が出射することになる。これもまた消光比を低減している。
変調の増幅は微弱変調に同期された電気信号によって行われ、そのための電極14、15が左右に出されている。光スイッチは基板13上に欠陥層12を含む誘電体多層膜10、11からなるスイッチ部および電極14、15によって構成されている。
図5に拡大して示したように、第2実施例のスイッチはマルチキャビティ型として、それぞれの欠陥層12、12aは電気光学材料およびフォトリフラクティブ材料とした。石英基板13上に誘電体多層膜として、SiO2とTiO2とを交互に積層した。入射波長λipは457nmとして、そのスペクトルでの半値全幅λiは約1nmとした。
半値幅はSiO2、TiO2の膜厚を、それぞれ、70nm及び45nmとした。誘電体多層膜はSiO2、TiO2を6ペアとした。このペア数を制御することで、透過スペクトルの半値全幅を制御することが可能である。より狭い半値全幅にしたいときには、ペア数をより増やすことで可能である。6ペアとすることによって、透過スペクトルの半値全幅λtは約1nm程度となる。
これは入射波長を屈折率で割った波数λnのちょうどλn/4となる数値である。欠陥層12は外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶としてはLNやPLZTなどが有名である。
PLZTはその2次電気光学係数を9E-16[m2V-2]とし、10Vの電圧印加で、その屈折率変化は約0.01程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λmは約1.5nmとなる。
この移動量λmは印加電圧や欠陥層12の膜厚整数Nによっても制御することができる。欠陥層12の両端には電極14、15として透明電極を利用した。透明電極はITOとして、スパッタによって形成できる。入射光は垂直に入射し、誘電体多層膜10、11を透過して出射される。
もう一方の欠陥層12aにはフォトリフラクティブ材料としてコバルト酸化物の微結晶を利用した。コバルト酸化物はスパッタによって作製され、Co3O4の微結晶の状態になっている。スパッタによる作製方法により、コバルト酸化物の非線型屈折率は−2.7×10-11(W/m2)であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。
この欠陥層12aの膜厚は300nm程度とした。入射光強度は0.1GW/m2以上で、屈折率変化量は0.01を超えている。本実施例では、マルチキャビティ構成で、かつ1つのキャビティが電気光学材料であることから、非常に高い信号増強作用を示した。
つまり、小さなオンオフ比の光信号を大きなオンオフ比の信号へ変換することが可能である。また、電気光学材料を欠陥層12に利用した光スイッチは従来からあるが、これらに比べ、さらにフォトリフラクティブ材料からなる欠陥層12aを利用しているので、オンオフ比が非常に大きいスイッチとなる。
作製方法は、基板13を石英として、この石英基板13上に誘電体多層膜10、11を蒸着する。誘電体多層膜10、11はそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番は石英基板13の次にTiO2を成膜する。次にSiO2、その次にTiO2の順である。この実施例ではTiO2/SiO2のペアを6ペア積層した。
次に欠陥層12を成膜する。この欠陥層12にはPLZTを採用した。PLZTは一般的には燒結によって作製されたセラミックを利用して、研磨などの加工を施し平板状に成形している。平板状態のまま、先の誘電体多層膜10、11を成膜した石英基板13に接着する。接着したPLZT膜を表面から研磨する。研磨にはCMPを利用し、膜厚が10μmになるまで削る。
次に先に成膜した誘電体多層膜10、11と同様に、欠陥層12の上面にも誘電体多層膜10、11を形成する。形成方法は蒸着である。フォトリフラクティブ材料もスパッタなので、蒸着と同様に真空下での気相成長を行なう。
石英基板13の逆の面にはAR(無反射)コート16(図10)を施し、反射を低減する。入射光を入射角が0°になるように正確に設置する。スイッチの表面にARコート16を施すことで、反射は低減できる。これにより、オンの時の光強度を上昇させることができる。
この誘電体多層膜10、11によって反射された光は右側に向かって出射される。入射光は誘電体多層膜10、11とほぼ平行な方向であるが、入射する際に石英基板13に形成された傾斜角によって、入射角を変換している。
これは石英基板13に一体化された光学素子のプリズムと言う意味であり、レンズやプリズムなどの光学素子17(図11)を、光スイッチを構成する石英基板13の側面に形成することで、振動などに強い光スイッチシステムとなる。光学素子を配置する製造工程においても、側面を加工することでできることから、簡便な工法を取ることができる。
斜入射にすることで、偏光ビームスプリッタを利用することなく、入射光と反射光とを分離することができる。これにより偏光ビームスプリッタによってオン−オフ比を低下させていた要因を取り除くことが可能となる。
電気信号は電極(図示せず)に入ることによって、光スイッチが電気信号を光信号へ変換する。光スイッチは基板13に欠陥層12、12aを含む誘電体多層膜10、11および電極14、15によって構成されている。誘電体多層膜10、11、欠陥層12、12aは図12に示した構造になっている。
電極14、15は櫛歯状であり、横方向に電圧がかかる。誘電体多層膜10、11の上に電気光学材料からなる欠陥層12、その上にはフォトリフラクティブ材料からなる欠陥層12aが構成されている。フォトフィラクティブ材料の上は空気となっており、反射状態になる場合には全反射条件を満たす。
このペア数を制御することで、透過スペクトルの半値全幅を制御することが可能である。より狭い半値全幅にしたい時には、ペア数をより増やすことで可能である。6ペアとすることで、透過スペクトルの半値全幅λtは約1nm程度となる。これは入射波長を屈折率で割った波数λnのちょうどλn/4となる数値である。
欠陥層12には外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶はLNやPLZTなどが有名である。また、光に反応するものであればコバルト酸化物などのフォトリフラクティブ材料なども利用することができる。
上述のごとく、本実施例では欠陥層12にPLZTを利用し、膜厚は入射波長の1/2の整数倍Nになるようにする。これにより、入射光の波長λipと透過率スペクトルのピーク位置とが一致することになる。整数Nは5程度として、膜厚は300nm程度とした。
欠陥層12の上面には電極として金属層を配した。金属電極14、15はAu、Al、Cuなどさまざまな金属を選択することができるが、本実施例ではAuとした。Auはスパッタによって形成でき、マスクを着けることでパターニングすることが可能である。櫛歯はそのピッチを5μmとして、十分な電界が生じることができる。
PLZTはその2次電気光学係数を9E-16[m2V-2]とし、10Vの電圧印加で、その屈折率変化は約0.01程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λmは約1.0nm。この移動量λmは印加電圧や欠陥層12の膜厚整数Nによっても制御することができる。
フォトリフラクティブ材料のキャビティは片方だけの6ペアの誘電体多層膜となっているが、反射を介して、擬似的に両側に誘電体多層膜によって挟まれたキャビティとして機能している。フォトリフラクティブ材料12aとしてコバルト酸化物の微結晶を利用した。このコバルト酸化物はスパッタによって作製され、Co3O4の微結晶の状態になっている。
この作製方法により、この材料の非線型屈折率は−2.7×10-11(W/m2)であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。膜厚は300nm程度とした。入射光強度は0.1GW/m2以上で、この時の屈折率変化は0.01を超えている。石英基板13の逆の面にはAR(無反射)コートを施し、反射を低減する。入射光を入射角が適当な角度になるように微調整する。
反射光を信号光として利用すると、信号光は反射スペクトルによって規定される。オン時の出射光強度は、反射スペクトルの透過率の裾野での数値に依存する。信号光として透過光を利用した場合は、ピークの位置での透過率に依存する。信号光を透過光から反射光へ変更した場合に大きく異なる点である。
本発明の光スイッチは、一般的なバンドパスフィルタの透過スペクトルとほぼ同様であり、透過スペクトルはガウシアン型を取る。ガウシアン型であるため、入射光のスペクトルのピーク位置が少しでもずれることで、透過光の光量は低下する。また、反射率のスペクトルにおいて、そのピーク値は0%の反射率(透過率として100%)になっていない。
これは膜厚の誤差や表面の凹凸によるものであり、実際作製する際には少なからず起きる。また、マルチキャビティ(欠陥層が複数層)の場合には、トップハット型のスペクトルにすることができるが、その透過率を100%近く高めるのは不可能である。
つまり、透過光を利用する限りにおいて、100%に近い高い利用効率を実現することは難しい。それに対し、反射を利用することで、透過スペクトルの裾野の透過率を0%近くに設計することは容易である。つまりはオン時の出射光強度を上げることができ、オン−オフ比を向上することができる。
変調の増幅は微弱変調に同期された電気信号によって行われ、そのための電極14、15が左右に出されている。入射光は光学素子のレンズ18を通して、光スイッチへ入射する。この際に入射光は平行光として、レンズによって光は集光することとなる。
光スイッチはビーム径が最小になった部分で光が通過するように配置する。集光した光は入射光に対し、そのビーム径は1/10もしくはそれ以上に小さくなる。ビーム径が小さくなることで、光密度はビーム径の2乗に比例することから、光強度は100倍以上となる。
レンズ18は光スイッチを形成した後に半導体プロセスで作製する。半導体プロセスではレンズ形状をしたレジスト形状をフォトリソグラフィプロセスで形成できるため、その位置精度は非常に高い。また、別な基板で作製したマイクロレンズを、樹脂を介して貼り合わせる方法でもほぼ同様な精度を示すことができる。
この場合には、光スイッチの基板面とレンズの基板面が平面もしくはそれに準じた形状で、それぞれの面が正確に貼り合わせることができれば、非常に高い精度でレンズと光スイッチとの位置精度を実現できる。また、このように貼り合わせた場合にもレンズと光スイッチが一体化しており、振動に強い構成になる。
入射光をレンズなどの光学素子18によって集光することで、その集光したスポット位置での光密度が相対的に上昇する。スポット位置にフォトリフラクティブ材料を配置することで、小さな入射光強度の場合にでも、フォトリフラクティブ材料がある位置での光強度が上昇し、見かけ上感度が上昇したことになる。
光スイッチは基板13に欠陥層12を含む誘電体多層膜10、11及び電極14、15によって構成されている。光スイッチの拡大図は図5に示してある。本スイッチはマルチキャビティ型として、それぞれの欠陥層12、12aは電気光学材料およびフォトリフラクティブ材料とした。
石英基板13上に誘電体多層膜10、11として、SiO2とTiO2とを交互に積層した。入射波長λipは457nmとして、そのスペクトルでの半値全幅λiは約1nmとした。本実施例の光スイッチは第2実施例に関連して説明した構成と同じであるので、詳細な説明は省略する。
次に欠陥層12を成膜する。この欠陥層12にはPLZTを採用した。PLZTは一般的には燒結によって作製されたセラミックを利用して、研磨などの加工を施し平板状に成形している。平板状態のまま、先の誘電体多層膜10、11を成膜した基板13に接着する。接着したPLZT膜を表面から研磨する。研磨にはCMPを利用し、膜厚が10μmになるまで削る。
次に、先に成膜した誘電体多層膜10、11と同様に、欠陥層12の上面にも誘電体多層膜10、11を形成する。形成方法は蒸着である。フォトリフラクティブ材料もスパッタなので、蒸着と同様に真空下での気相成長を行なう。石英基板13の裏側にはマイクロレンズ18を形成する。形成方法は半導体プロセスを利用した。
半導体プロセスはレジスト塗布、フォトリソグラフィプロセスによるパターニング、ベークよるレジスト融解球面形成、ドライエッチングからなる。レンズ18とスイッチングの相対位置はフォトリソフィプロセス時のマスク位置精度によって決まるため、非常に高い位置精度を実現できる。石英基板13のマイクロレンズ表面にはARコート16を施し、反射を低減する。入射光を入射角が0°になるように正確に設置する。
Claims (11)
- 屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜と、その誘電体多層膜によって挟まれ且つ前記誘電体多層膜周期性から外れた1層の欠陥層を含んでいる光スイッチにおいて、
前記欠陥層がフォトリフラクティブ効果を有している材料であること特徴とする光スイッチ。 - 前記欠陥層を複数有することを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
- 前記フォトリフラクティブ材料としてコバルト酸化物を利用することを特徴とする請求項1又は2記載の光スイッチ。
- 前記複数の欠陥層の1層もしくは複数層を電気光学材料とし、他の欠陥層をフォトリフラクティブ材料とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の光スイッチ。
- 入射面に無反射コートを施したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の光スイッチ。
- 請求項1乃至5のいずれか1項記載の光スイッチが、入射光の波長スペクトルの半値全幅をλi、共鳴波長の最大移動量をλm、透過スペクトルの半値全幅をλtとしたときに、
λm>λi、
λm>λt、
λi=λt、
を満たすことを特徴とする光スイッチシステム。 - 前記光スイッチからの反射光を信号光として利用することを特徴とする請求項7記載の光スイッチシステム。
- 入射光を斜入射とすることを特徴とする請求項7又は8記載の光スイッチシステム。
- 請求項1乃至請求項6に記載の光スイッチと、入射光を集光する光学素子とを備えたことを特徴とする光スイッチシステム。
- 前記光学素子は、少なくとも入射光を集光するレンズと、入射角を偏向するプリズムとを備え、前記光スイッチの基板の側面に設けられていることを特徴とする請求項10記載の光スイッチシステム。
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JP4920956B2 (ja) | 2012-04-18 |
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