JP2674279B2 - 光スイッチング素子 - Google Patents

光スイッチング素子

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、出力光の波長が入力光の波長と異なる波長
変換型光スイッチング素子に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、光スイッチング素子としては非線形光学効果を
利用した光双安定素子が良く知られている。そしてこの
光双安定素子の中で動作に光のみが用いられるものを真
性型光双安定素子と呼ぶ。更にこの真性型光双安定素子
は動作原理により、屈折率の光強度依存を利用する分散
型と、吸収係数の光強度依存を利用する吸収型の2つに
分類される。例えば,Appl.Phys.Lett.第52巻,第1922
頁、1988年刊行に報告された真性型光双安定素子はGaAS
/AlAsの多重量子井戸構造層と高誘電体反射膜から成
り、屈折率の光強度依存をその動作原理とする光スイッ
チング素子である。しかしながら、これは一般的な光ス
イッチング素子と同じく入力光と出力光が一つであり、
また、その波長が同じであるため、多重スイッチングが
不可能である。
また、これとは異なる光による光スイッチング素子と
して光励起状態のスペクトル変化を利用したものがあ
る。例えば、第3図は新機能素子研究開発協会編、昭和
59年度新素子に関する基礎調査報告書−分子電子デバイ
ス−、第11頁、1985年刊行に報告された光スイッチング
素子の原理図である。図において(21)は分子の基底状
態、(22),(23)は各々分子の励起状態である。第3
図(a)で、周波数がνとνの2つの光を考える。
特定の化合物の基底状態(21)はνの周波数の光吸収
はないものとする。ところがこの化合物の光励起状態
(22)においてはνの光吸収を生じる。
第3図(b)において、νの周波数の光照射のない
場合はνの周波数では透明であり、光を透過する。と
ころが、νの周波数の光が照射されることにより、ν
の周波数の光において不透明となり、νの周波数の
光が遮断される。したがって、νの周波数の光により
νの周波数の光が制御されることになる。しかしなが
ら、これも上記光双安定素子を利用した光スイッチング
素子の場合と同じく入力光がν21つであり、またその波
長が同じであるため、多重スイッチングが不可能であ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の光スイッチング素子は、以上のことからわかる
様に入出力光の波長は同じであり、出力光は屈折率の変
化を利用するなど付加的に検知する必要があるため、分
子線エピタキシー法などを用い作製してきた高精度な構
造を持つ素子に対する超微細加工技術の負担は著しく増
大するという問題があると共に、製造過程が複雑になる
ことから製造価格が高くなる。そこで、簡易な製造技術
で作製できるような簡素な構造を持ち、しかも光スイッ
チング機能を向上させるためには、出力光が入力光の波
長と異なった波長であれば良く、その一例として非線形
光学材料を使った素子も考えられているが、これも波長
の変換効率が悪く、実用上数多くの問題がある。
本発明は、上記の様な問題点を解消するためになされ
たもので、多重スイッチング機能を有し簡単な構造から
なる波長変換型光多重スイッチング素子を得ることを目
的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る光スイッチング素子は、電場または磁
場を印加すると共に、少なくとも2種類以上の周波数の
光を入力とし制御光によってこれらの吸収強度、または
発光強度を選択的に変化させるものである。
〔作用〕
この発明における光スイッチング素子は、上記素子を
構成する分子のつくる複数のポテンシャルが交差してい
る系において、電場または磁場を印加することによっ
て、これらポテンシャルがそのスピン多重度に応じて分
裂し、交差しているポテンシャルを構成しているお互い
のポテンシャルのなす量子準位のエネルギーが等しくな
り、分子の電子状態がもとのポテンシャルから、交差し
ているポテンシャルに移ることを利用する。よって本光
スイッチング素子を構成する分子は光吸収があり、交差
したポテンシャルを持つ事が必要であり、上記ポテンシ
ャルやその量子準位を変化させるため、また、大きな吸
収強度と狭い吸収波長を有する等、実用上の観点から共
鳴吸収が好ましい。そしてもとのポテンシャルと基底状
態の量子準位とでなす量子準位間のエネルギーに相当す
る光が依存するので、これを入力光として共鳴吸収させ
る。更に交差しているポテンシャルのつくる複数の量子
準位間に相当する光を制御光として入射することで、こ
れら量子準位の占拠数が変化し、基底状態への複数の発
光を伴って遷移する効果を、スイッチング機能として使
用するものである。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図を用いて説明する。
第1図は、本発明の一実施例による光スイッチング素
子を示す図であり、図において(1)は光スイッチング
素子本体、(2)は入力光、(3)は出力光、(4)は
電場または磁場、(5)は制御光である。
次にこの光スイッチング素子の構造について説明す
る。
まず、光スイッチング素子本体(1)は、制御光であ
る電場または磁場の印加により原子または分子の量子準
位が分裂するものであり、その基底状態と励起状態間で
光による共鳴吸収が可能であればいかなる材料でもよ
く、その状態も気体、液体、固体のいずれでもよい。た
だし、原子または分子が気体、液体の場合にはこれを封
印するため、制御光および入出力光波長に吸収のない容
器が特に必要である。例えばナトリウム原子ガスについ
て説明すると、高真空に保ったガラス管内に金属ナトリ
ウムを封入することによって、ナトリウム原子ガスが封
入されたガラスセルを得ることができる。ただしこの時
用いるガラス管は、ナトリウム原子の共鳴吸収以外の吸
収がないことが必要であるため、パイレックスガラスが
望ましい。
入力光(2)は、基底状態と励起状態間の共鳴吸収光
であることが必要であり、また、その吸収強度または入
力光(2)に対する出力光の発光強度を精度良く検知す
る必要があるため、実用上単色性があり指向性の強い光
であるレーザー光が望ましい。
出力光(3)は、入力光(2)に対して波長の異なっ
た、基底状態と交差した励起状態間の共鳴放射光であ
り、その光強度を精度良く検知することが必要である。
上記の条件を満足する限りにおいて検出方法には特に制
限はないが、例えば波長の異なる出力光を回析格子によ
り分離し、光電変換を利用したフォトダイオードで検知
することができる。
電場(4)を用いる場合にはその印加方法には特に制
限はないが、例えば発生方法の一例としては、光スイッ
チング素子本体(1)を対向する電極ではさみ電圧をか
けることによって実現できる。
また、磁場(4)を用いる場合には、磁場(4)の発
生方法としては、従来より知られている種々の方法が適
用出来るが、これは大きく2通りに分けられる。その1
つは永久磁石を用いる方法であり、他の1つは電磁石を
用いる方法である。前者の方法を用いた場合は、強磁場
の発生は期待できないがその構造が簡便であり、また、
電力等の余分なエネルギーを必要としない。後者の方法
を用いた場合は、円筒コイルを用いる方法が一般的に良
く知られている。この方法は超電導電磁石を含めて強磁
場の発生が期待でき、量子準位を任意に大きく分裂させ
る事ができる。
制御光(5)は共鳴吸収光であるため、入力光(3)
と同じく実用上、単色性があり指向性の強い光であるレ
ーザー光が望ましい。
次に第2図は、光スイッチング素子の動作を具体的に
説明するため、一例として上記素子における光スイッチ
ング素子本体(1)にセシウム分子ガスを用い、磁場
(4)を印加した場合のセシウム分子、原子の電子状態
を示すものである。図において、(6)は磁場が印加さ
れない場合のセシウム分子の基底状態X1Σ+gを表し、
(7),(8)は磁場が印加されない場合のセシウム分
子の励起状態C1Πu、b3Σ+uを表している。この励起状
態C1Πuから基底状態X1Σ+gへの発光遷移は767nmに相
当する。そして(9),(10)は磁場が印加された場合
のセシウム分子の励起状態b3Σ+uで、ゼーマンエネルギ
ーが各々−2μB、+2μBの状態を表す。また、(1
1),(12)は、各々磁場が印加されない場合における
セシウム原子の基底状態62S1/2と励起状態62P3/2であ
り、この励起状態から基底状態への発光遷移はセシウム
原子のD2線,852nmに相当する。また、(13),(14)は
各々セシウム原子の基底状態62S1/2において、磁場が印
加された場合のスピン量子数が−1/2、+1/2の状態であ
り、(15),(16),(17),(18)は各々セシウム原
子の励起状態62P3/2において、磁場が印加された場合の
スピン量子数が、−3/2,−1/2,+1/2,+3/2の状態を表
す。(19)は基底状態X1Σ+gにおける一つの量子準位、
(20)は励起状態C1Πuにおける一つの量子準位を各々
表す。そして周波数νの光は、セシウム分子の基底状
態における量子準位(19)と励起状態における量子準位
(20)の遷移に相当する入力光であり、周波数νの光
は、セシウム原子の励起状態62P3/2において、磁場が印
加された場合の量子準位(15),(16).(17)、(1
8)から、基底状態62S1/2において、磁場が印加された
場合の量子準位(13),(14)への遷移に相当する出力
光である。また、周波数ν3の光は、各々量子準位
(16)と(17)、(15)と(18)の遷移に相当する制御
光であり、セシウム原子の場合、印加する磁場の大きさ
にもよるがマイクロ波領域の光である。
磁場が印加されない場合、波長νの光を入力光とし
て、その入力光に対する出力光は、セシウム分子の励起
状態における量子準位(20)から基底状態における量子
準位(19)への遷移に相当する入力光と同じ周波数ν
の光である。ところが磁場が印加された場合、セシウム
の分子の励起状態b3Σ+u(8)は(9),(10)の3つ
に分裂し、励起状態C1Πuにおける量子準位(20)が磁
場により分裂した励起状態b3Σ+uの(9)と交差してい
るため、その入力光に対する出力光は、波長νの光を
入力光として、セシウム原子の励起状態62P3/2が磁場に
より分裂した量子準位(13),(14)への遷移に相当す
る入力光と異なる周波数νの光である。
ここで波長νの光を入力光として、複数の出力光ν
の発光強度は、制御光ν3の光を選択的に入射し
てセシウム原子の量子準位(15),(16),(17),
(18)の占拠数を任意に変化させることにより変化す
る。上記素子において、このことは即ち制御光ν3
の光により入力光νの光が周波数を変えて複数の出力
光νとして発光し、それらの光が各々オン/オフの状
態をとりうることであり、スイッチングが可能となる。
なお、上記実施例では印加磁場の強度を一定として用
いたが、これを変化させれば入出力光ν、νの光は
(9)と(10)、(11)と(12)の量子準位間隔の変化
に伴い、異なった値をとることになり、実施例と同じ効
果が得られると同時にスイッチング多重度も更に増すこ
とが可能となる。
また、上記実施例ではスイッチング素子材料としてセ
シウム分子、原子ガスを用いたものを示したが、上述の
ようにその基底状態と励起状態間で光による共鳴吸収が
可能であり、複数の励起状態のポテンシャルが交差して
いれば、いかなる材料でもよく、例えばホトクロミック
材料や蛍光物質等であってもよく、上記実施例と同様の
効果が期待できる。
〔発明の効果〕
以上の様にこの発明によれば、光スイッチング素子の
出力光を入力光と異なった波長の光により動作する様に
構成したので、波長変換型光多重スイッチングが可能と
なり簡素でスイッチング機能の高いものが得られる効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による光スイッチング素子を
示す斜視図、第2図は上記素子の一例として光スイッチ
ング素子本体にセシウム分子ガスを用い、磁場を印加し
た場合のセシウム分子、原子の電子状態を示す説明図、
第3図(a),(b)は、光スイッチング素子の原理図
である。 図において(1)は光スイッチング素子本体、(2)は
入力光、(3)は出力光、(4)は電場または磁場、
(5)は制御光、(6)は磁場が印加されない場合のセ
シウム分子の基底状態X1Σ+g、(7),(8)は磁場が
印加されない場合のセシウム分子の励起状態C1Πu,b3Σ
+u、(9),(10)は磁場が印加された場合のセシウム
分子の励起状態b3Σ+uで、ゼーマンエネルギーが各々−
2μB、+2μBの状態、(11),(12)は各々磁場が
印加されない場合におけるセシウム原子の基底状態62S
1/2、励起状態62P3/2、(13),(14)は、各々セシウ
ム原子の基底状態62S1/2において、磁場が印加された場
合のスピン量子数が−1/2、+1/2の状態、(15),(1
6),(17),(18)は各々セシウム原子の励起状態62P
3/2において、磁場が印加された場合のスピン量子数が
−3/2,−1/2、+1/2,+3/2の状態、(19)は基底状態X1
Σ+gにおける量子準位、(20)は励起状態C1Πuにおけ
る量子準位、(21)は分子の基底状態、(22),(23)
は各々分子の励起状態を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】波長の異なる複数の出力光の発光/遮断を
    行う光スイッチング素子において、電場または磁場を印
    加することにより分子そしてその構成原子、または原子
    団の準位が分裂する材料からなるスイッチング素子本体
    と、この素子本体に電場または磁場を印加する手段と、
    上記スイッチング素子本体に電場または磁場を印加した
    状態で、上記素子本体に波長の異なる制御光を加えたと
    き、上記素子本体の分子そしてその構成原子、または原
    子団の各量子準位の占拠数が変化するような複数種類の
    制御光を発生する手段とを備え、少なくとも1種類以上
    の波長の光を入力光とし、上記制御光の波長に応じて波
    長の異なる複数の出力光を選択的に発光/遮断させるこ
    とを特徴とする光スイッチング素子。
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