JP3811774B2 - Optical switching device - Google Patents

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JP3811774B2
JP3811774B2 JP2002073453A JP2002073453A JP3811774B2 JP 3811774 B2 JP3811774 B2 JP 3811774B2 JP 2002073453 A JP2002073453 A JP 2002073453A JP 2002073453 A JP2002073453 A JP 2002073453A JP 3811774 B2 JP3811774 B2 JP 3811774B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスに関し、特に、被制御光の波長と同一の波長を持つ制御光の使用を可能にしたり、集積化を可能にするといったような様々な新機能を実現する光スイッチングデバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信システムの普及などに伴って、様々な光スイッチングデバイスが提供されつつある。その1つとして、現在、光カプラと呼ばれる光スイッチングデバイスが広く用いられている。
〔参考文献〕T.Takizawa et.al.,"Switching Operation of GaInAs/InP Multiple-Quantum-Well Directional-Coupler-Type All-Optical Switch", Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L110-L113 。
【0003】
この参考文献に記載される光カプラは、図12に示すように、2つの導波路A,Bで構成されており、その片方の導波路Bの一端から入力光を導入すると、2つの導波路A,Bが結合状態にあるときには、導波路Bに入力された光は導波路Aに移ることで、output1に出力される。
【0004】
このとき、制御光を導波路Aに入力すると、導波路A内での吸収により導波路Aの屈折率が変化し、導波路A,Bの結合状態は崩れて、入力光は導波路Bを通ることで、output2に出力される。
【0005】
このようにして、この参考文献に記載される光カプラは、光スイッチとして動作することになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術に従う光スイッチは、入力光として、制御光の波長とは異なる波長の光を用いなくてはない。
【0007】
すなわち、図12の例で説明するならば、入力光については、導波路A,Bを伝播する必要があることから、導波路A,Bで吸収されてはならないのに対して、制御光については、導波路A,Bの結合状態を崩す必要があることから、導波路Aで吸収されなくてはならない。
【0008】
従って、入力光として、制御光の波長とは異なる波長の光を用いなくてはならないのである。
【0009】
これから、従来技術に従っていると、光スイッチを多段に接続する必要がある場合に、後段の光スイッチに入力する制御光を生成するために、波長変換装置を用意しなければならないという問題がある。
【0010】
すなわち、前段の光スイッチの出力する光はあくまで入力光の波長と同じ波長を持つ光であり、後段の光スイッチの必要とする制御光の波長とは異なることから、波長変換装置を用意しなければならないのである。
【0011】
さらに、図12に示すような光スイッチは、長い導波路を必要とすることから、光スイッチの構造が大きくなり、集積化に適さないという問題もある。
【0012】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、被制御光の波長と同一の波長を持つ制御光の使用を可能にしたり、集積化を可能にするといったような様々な新機能を実現する新たな光スイッチングデバイスの提供を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御することを実現するために、被制御光を全反射させる屈折率を有する上下の表面層と、それらの表面層の間に形成され、それらの表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層との積層構造を持ち、かつ、その内部層が、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる層と、その層よりも制御光による屈折率変化の少ない層あるいは制御光による屈折率変化を起こさない層との二重層構造で構成されることで、被制御光をトンネリングさせる機能を有する光デバイスで構成され、被制御光を全反射を起こす角度で光デバイスに入射させるとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を全反射させずにトンネリングさせるように構成する。
【0014】
このように構成される本発明の光スイッチングデバイスでは、制御光が全反射を起こさない角度で光デバイスに入射されることで、光デバイスの内部層の屈折率が変化する。
【0015】
この屈折率変化に従って、光のトンネリングを起こす被制御光の入射角度の条件が変化することになる。
【0016】
本発明の光スイッチングデバイスは、この現象を使って、通常は制御光を入射しないようにする構成を採って、(イ)制御光が入射されないときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が入射されるときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせたり、(ロ)制御光が入射されないときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入射されるときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるように動作することで、光スイッチング動作を実現する。
【0017】
また、本発明の光スイッチングデバイスは、この現象を使って、通常は制御光を入射するようにする構成を採って、(ハ)制御光が入射されるときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が入射されないときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせたり、(ニ)制御光が入射されるときに、被制御光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入射されないときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるように動作することで、光スイッチング動作を実現する。
【0018】
このようにして、本発明によれば、被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層とを備えることを基本構造とする光デバイスの持つ光トンネリング現象を使って、光スイッチング動作(光インバータ動作)を実現することから、制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光(異なる波長を持つ光でもよい)を用いることができるようになるとともに、集積化に適した構造を持つことで集積化を実現できるようになる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。
【0020】
図1に、本発明を具備する光スイッチングデバイスの一実施形態例を図示する。
【0021】
この実施形態例に従う場合、本発明の光スイッチングデバイスは、▲1▼Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"を持つガイド層10と、▲2▼Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率“3.01404"を持つバリア層11と、▲3▼Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“0.000"で厚みが210nm で構成されて、屈折率“3.69882"を持つとともに、光の入射に応答してその屈折率を変化させるアクティブ層12と、▲4▼Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“0.419"で厚みが240nm で構成されて、屈折率“3.37692"を持つドレイン層13と、▲5▼Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率“3.01404"を持つバリア層14と、▲6▼Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"を持つガイド層15という積層構造で構成されている。
【0022】
下記の参考文献に記載されているように、2つの低屈折率の層で高屈折率の層がはさまれる形の積層構造を持つ図2に示すような光学素子は、エバネッセント波を介した光の共鳴トンネリング現象により、光がトンネリングすることが知られている。
〔参考文献〕林真至,"光のトンネリング−多層膜系での共鳴トンネリング−",光学,28巻,9号,pp.496-501,(1999)”
本発明の光スイッチングデバイスは、この参考文献に記載されている屈折率の積層構造に加えて、アクティブ層12が光の入射に応答してその屈折率を変化させる材料(非線形屈折率の大きな材料)で構成されているとともに、バリア層11よりも大きな屈折率を持つドレイン層13(光の入射に応答してその屈折率を変化させない層)をアクティブ層12に積層する形で備えるという構成を採っている。
【0023】
そして、さらに、本発明の光スイッチングデバイスは、ガイド層10からバリア層11に向けて臨界角よりも大きな角度θで入射する入力光(被制御光)と、ガイド層10からバリア層11に向けて垂直に入射する制御光とを入射するという構成を採っている。
【0024】
入力光は臨界角よりも大きな角度θで入射することから、光のトンネリングが発生しない場合には、図1中のOutput-Aに示すように、バリア層11との境界面で全反射することになる。
【0025】
ここで、入力光と制御光とは同じ波長の光であってもよいし、異なる波長の光であってもよい。どちらの場合にも、アクティブ層12の屈折率を変化させることができるからである。
【0026】
また、制御光については、垂直に入射することが好ましいが、アクティブ層12に到達できればよいので、原理的には、全反射しない入射角であれば、どのような角度で入射されてもよい。
【0027】
次に、理論解析を行うことで得られた、図1に示す屈折率の積層構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスで発生する光トンネリング現象について説明する。
【0028】
この理論解析は、図3ないし図5に示すマクスウェルの電磁波方程式を解くことで行った。
【0029】
図6に、この理論解析の解析結果を図示する。
【0030】
図6の解析結果において、横軸は入射角θであり、縦軸は反射率(図1中のInputに対するOutput-Aの強度比)である。
【0031】
ここで、入力光の波長と制御光の波長とは同じ波長の光とし、その波長として780nm を想定して理論解析を行った。また、偏光としてTM波を想定して理論解析(図4の理論解析式を用いた解析)を行った。ガイド層10/バリア層11の界面での臨界角は64.9度である。
【0032】
図6の解析結果から明らかなように、臨界角以上では、ほとんどの角度領域で反射率はほぼ100%であるが、図中のA,Bに示すような鋭い谷構造が計算された。
【0033】
この全反射領域で発生する反射率の急激な落ち込みは、上下2つのガイド層10,15の間でアクティブ層12/ドレイン層13を介して、入力光がバリア層11,14をトンネルしたように振る舞う“共鳴フォトントンネリング現象”に起因するものである。
【0034】
なお、図6に示す解析結果では、光のトンネリング現象の発生する箇所で反射率が0まで落ちていないが、これは計算の分解能の関係であって、実際には0まで落ちているものである。
【0035】
図7に、共鳴角“75.413度(図6に示すBの共鳴角)”における共鳴角近傍での透過率(図1中のInputに対するOutput-Bの強度比)の入射角依存性を図示する。
【0036】
この図7では、アクティブ層12の屈折率変化Δnが±0.011 のときの透過率スペクトルについても図示している。
【0037】
この図7の解析結果から分かるように、アクティブ層12の屈折率変化がないとしたとき(Δn=0)に、75.413度の入射角で鋭いピークを持つ透過率が計算されることになるが、この状態からアクティブ層12の屈折率が±0.011 変化すると、共鳴角が約±0.17度だけシフトすることになる。このとき、透過率のスペクトルのテールでわずかに違いが観測されることになるが、ローレンツ曲線に近いスペクトル形状はほぼ保持されていることが分かる。
【0038】
この解析結果から分かるように、図1に示す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、入射角を75.413度で一定とした場合、アクティブ層12の屈折率変化Δn=0.011 に対して、約45dBという非常に高い消光比を示すことが明らかとなった。
【0039】
図1に示す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、この特性に従って、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスとして動作することになる。
【0040】
すなわち、図8(a)に示すように、通常は制御光を入射しないようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角の近傍(共鳴角ではない)に設定しておいて、制御光を入射するときに、アクティブ層12の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角となるように構成しておけば、入力光は全反射から透過へと切り換わることになる。
【0041】
また、図8(b)に示すように、通常は制御光を入射しないようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御光を入射するときに、アクティブ層12の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角から外れるように構成しておけば、入力光は透過から全反射へと切り換わることになる。
【0042】
また、図9(a)に示すように、通常は制御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角の近傍(共鳴角ではない)に設定しておいて、制御光を遮断するときに、アクティブ層12の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角となるように構成しておけば、入力光は全反射から透過へと切り換わることになる。
【0043】
また、図9(b)に示すように、通常は制御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御光を遮断するときに、アクティブ層12の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角から外れるように構成しておけば、入力光は透過から全反射へと切り換わることになる。
【0044】
このようにして、図1に示す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスとして動作することになる。
【0045】
次に、本発明の光スイッチングデバイスでドレイン層13を設けた理由について説明する。
【0046】
図10及び図11に、ドレイン層13を設けないときの理論解析の解析結果を図示する。
【0047】
ここで、図10に示す解析結果は、図1に示す積層構造の中からドレイン層13を省略する形の積層構造のものを解析対象として解析を行った結果を示している。従って、この解析に用いたアクティブ層12は、Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“0.000"で、厚みが210nm で、屈折率“3.69882"である。
【0048】
一方、図11に示す解析結果は、図1に示す積層構造の中に含まれるドレイン層13をアクティブ層12の材料のものに置き換える形の積層構造のものを解析対象として解析を行った結果を示している。従って、この解析に用いたアクティブ層12は、Alx Ga(1-x) Asの成分割合値xが“0.000"で、厚みが450nm で、屈折率“3.69882"である。
【0049】
なお、図11に示す解析結果では、光のトンネリング現象の発生する箇所で反射率が0まで落ちていないが、これは計算の分解能の関係であって、実際には0まで落ちているものである。
【0050】
この解析結果から、アクティブ層12の厚みが小さいと、光のトンネリング現象が発生しないことが明らかとなった。
【0051】
従って、光のトンネリング現象の発生という観点からすると、アクティブ層12の厚みは大きい程よいことになる。
【0052】
しかしながら、アクティブ層12の厚みが大きくなると、アクティブ層12の屈折率変化を起こさせるために、大きなパワーを持つ制御光が必要となって実用的でない。
【0053】
そこで、本発明の光スイッチングデバイスでは、図1に示すように、制御光を吸収しない層であるドレイン層13を設けるようにするという構成を採っている。
【0054】
図6に示す解析結果と図11に示す解析結果とを比較すれば分かるように、ドレイン層13を設けるようにすると、アクティブ層12の厚みが小さい場合にも、光のトンネリング現象が発生することが明らかとなった。
【0055】
このドレイン層13は、アクティブ層12と異なって非線形屈折率を示さない材料を用いることが可能である。これから、ドレイン層13を設けるという構成を採る本発明の光スイッチングデバイスによれば、小さなパワーを持つ制御光を用いることが可能になる。
【0056】
ここで、ドレイン層13として、制御光による屈折率変化を起こさない材料を用いることが好ましいが、アクティブ層12よりも制御光による屈折率変化の少ない材料を用いることでもよい。
【0057】
以上に説明したように、本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御するように動作する。
【0058】
これから、光構成のNOTゲートとして用いることが可能であり、このゲートを2段重ねることでANDゲートを構成することもできる。
【0059】
また、本発明の光スイッチングデバイスは、全反射する反射面を持つことを基本構成としている。
【0060】
これから、コアとクラッドとで構成されて全反射しながら光が伝播する光ファイバに実装することが可能になることで、光ファイバ型の光スイッチを実現できるようになる。
【0061】
図示実施形態例に従って本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態例では、屈折率分布が縦方向に変化した積層構造を持つことで説明したが、基板に対してメサ型の横方向の屈折率分布を持つ構造にして、光を基板面に水平に導波することであってもよい。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層とを備えることを基本構造とする光デバイスの持つ光トンネリング効果を使って、光スイッチング動作(光インバータ動作)を実現することから、制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光(異なる波長を持つ光でもよい)を用いることができるようになるとともに、集積化に適した構造を持つことで集積化を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態例である。
【図2】光の共鳴トンネリングを発生する光学素子の説明図である。
【図3】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクスウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図4】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクスウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図5】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクスウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図6】理論解析結果の説明図である。
【図7】理論解析結果の説明図である。
【図8】本発明の光スイッチングデバイスの動作の一例を示す図である。
【図9】本発明の光スイッチングデバイスの動作の一例を示す図である。
【図10】理論解析結果の説明図である。
【図11】理論解析結果の説明図である。
【図12】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
10 ガイド層
11 バリア層
12 アクティブ層
13 ドレイン層
14 バリア層
15 ガイド層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switching device that controls on / off of controlled light according to whether control light is incident or not, and in particular, enables the use of control light having the same wavelength as that of the controlled light. In addition, the present invention relates to an optical switching device that realizes various new functions such as integration.
[0002]
[Prior art]
With the spread of optical communication systems, various optical switching devices are being provided. As one of them, an optical switching device called an optical coupler is widely used at present.
[References] T. Takizawa et.al., "Switching Operation of GaInAs / InP Multiple-Quantum-Well Directional-Coupler-Type All-Optical Switch", Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (1997) pp .L110-L113.
[0003]
The optical coupler described in this reference is composed of two waveguides A and B as shown in FIG. 12. When input light is introduced from one end of one of the waveguides B, two waveguides are provided. When A and B are in a coupled state, the light input to the waveguide B moves to the waveguide A and is output to output1.
[0004]
At this time, when the control light is input to the waveguide A, the refractive index of the waveguide A changes due to absorption in the waveguide A, the coupling state of the waveguides A and B collapses, and the input light passes through the waveguide B. By passing, it is output to output2.
[0005]
In this way, the optical coupler described in this reference operates as an optical switch.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, such an optical switch according to the prior art must use light having a wavelength different from that of the control light as input light.
[0007]
That is, in the example of FIG. 12, since the input light needs to propagate through the waveguides A and B, it must not be absorbed by the waveguides A and B. Needs to be absorbed by the waveguide A because it is necessary to break the coupling state of the waveguides A and B.
[0008]
Accordingly, as the input light is Ino Rana name without using light of a wavelength different from the wavelength of the control light.
[0009]
From this point of view, according to the prior art, when it is necessary to connect optical switches in multiple stages, there is a problem that a wavelength converter must be prepared in order to generate control light to be input to the subsequent optical switch.
[0010]
In other words, the light output from the optical switch at the front stage is light having the same wavelength as that of the input light, and is different from the wavelength of the control light required by the optical switch at the rear stage. It must be done.
[0011]
Furthermore, since the optical switch as shown in FIG. 12 requires a long waveguide, the structure of the optical switch becomes large and there is a problem that it is not suitable for integration.
[0012]
The present invention has been made in view of such circumstances, and realizes various new functions such as enabling the use of control light having the same wavelength as that of the controlled light and enabling integration. An object of the present invention is to provide a new optical switching device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the optical switching device of the present invention totally reflects the controlled light in order to realize on / off control of the passage of the controlled light according to whether the control light is incident or not. Upper and lower surface layers having a refractive index to be formed, and an inner layer formed between the surface layers and having a refractive index larger than those surface layers and changing the refractive index in response to incidence of control light And the inner layer of which changes the refractive index in response to the incidence of control light, and the layer whose refractive index changes less by the control light than the layer or the refractive index change by the control light It is composed of an optical device that has a function of tunneling controlled light, and is made incident on the optical device at an angle that causes total reflection and control light. Incident / non-incident In response, either by total reflection without tunneling the controlled light and configured to tunnel without totally reflecting the controlled light.
[0014]
In the optical switching device of the present invention configured as described above, the control light is incident on the optical device at an angle that does not cause total reflection, so that the refractive index of the inner layer of the optical device changes.
[0015]
According to this change in refractive index, the condition of the incident angle of the controlled light that causes light tunneling changes.
[0016]
The optical switching device of the present invention employs this phenomenon to prevent the control light from being normally incident. (A) When the control light is not incident, the total light is reflected without tunneling the controlled light. When the control light is incident, the control light is tunneled without being totally reflected. (B) When the control light is not incident, the control light is tunneled without being totally reflected. An optical switching operation is realized by operating so that the controlled light is totally reflected without being tunneled when incident.
[0017]
In addition, the optical switching device of the present invention employs a structure in which control light is normally incident using this phenomenon. (C) When control light is incident, the controlled light is not tunneled. When the control light is not incident, the control light is tunneled without total reflection, or (d) when the control light is incident, the control light is tunneled without total reflection. When the control light is not incident, the optical switching operation is realized by operating so that the controlled light is totally reflected without being tunneled.
[0018]
Thus, according to the present invention, a surface layer having a refractive index that totally reflects the controlled light, and a refractive index larger than that surface layer, the refractive index is adjusted in response to the incidence of the control light. Because the optical switching operation (optical inverter operation) is realized by using the optical tunneling phenomenon of the optical device having the basic structure including the inner layer to be changed, the control light has the same wavelength as the controlled light. Light having a wavelength (light having different wavelengths may be used) can be used, and integration can be realized by having a structure suitable for integration.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail according to embodiments.
[0020]
FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of an optical switching device comprising the present invention.
[0021]
According to this embodiment example, the optical switching device of the present invention is the guide layer having the refractive index “3.32794” in which the component ratio value x of (1) Al x Ga (1-x) As is “0.491”. 10 and {circle around ( 2)} Al x Ga (1-x) As component ratio value x of “1.000”, a thickness of 500 nm, a barrier layer 11 having a refractive index of “3.01404”, and {circle around (3)} Al x Ga (1-x) component ratio value x of As is constituted thickness at 210nm with "0.000", with has a refractive index "3.69882" active to change its refractive index in response to incident light layer 12 And ( 4 ) the drain layer 13 having an Al x Ga (1-x) As component ratio value x of “0.419” and a thickness of 240 nm and having a refractive index of “3.37692”, and (5) Al x Ga. (1-x) component ratio value x of as is constituted with 500nm thickness by "1.000", a barrier layer 14 having a refractive index "3.01404", ▲ 6 ▼ Al x Ga (1-x) a The s component ratio value x is “0.491”, and the guide layer 15 has a laminated structure having a refractive index “3.32794”.
[0022]
As described in the following reference, an optical element as shown in FIG. 2 having a laminated structure in which a high refractive index layer is sandwiched between two low refractive index layers is mediated by an evanescent wave. It is known that light tunnels due to the resonant tunneling phenomenon of light.
[References] Masato Hayashi, "Light Tunneling-Resonant Tunneling in Multilayer Systems", Optics, 28, 9, pp.496-501, (1999)
The optical switching device of the present invention includes a material in which the active layer 12 changes its refractive index in response to the incidence of light (a material having a large nonlinear refractive index) in addition to the laminated structure of the refractive index described in this reference. ), And a drain layer 13 (a layer that does not change its refractive index in response to the incidence of light) having a refractive index larger than that of the barrier layer 11 is stacked on the active layer 12. Adopted.
[0023]
Further, the optical switching device of the present invention is directed to the input light (controlled light) incident from the guide layer 10 toward the barrier layer 11 at an angle θ larger than the critical angle, and from the guide layer 10 toward the barrier layer 11. Thus, a configuration is adopted in which the control light incident perpendicularly is incident.
[0024]
Since the input light is incident at an angle θ larger than the critical angle, if light tunneling does not occur, it is totally reflected at the boundary surface with the barrier layer 11 as shown by Output-A in FIG. become.
[0025]
Here, the input light and the control light may be light having the same wavelength, or may be light having different wavelengths. This is because in either case, the refractive index of the active layer 12 can be changed.
[0026]
Further, it is preferable that the control light is incident vertically, but it is only necessary to be able to reach the active layer 12, and in principle, the incident light may be incident at any angle as long as it is not totally reflected.
[0027]
Next, an optical tunneling phenomenon that occurs in the optical switching device of the present invention having the refractive index laminated structure shown in FIG. 1 obtained by theoretical analysis will be described.
[0028]
This theoretical analysis was performed by solving Maxwell's electromagnetic wave equations shown in FIGS.
[0029]
FIG. 6 illustrates the results of this theoretical analysis.
[0030]
In the analysis result of FIG. 6, the horizontal axis represents the incident angle θ, and the vertical axis represents the reflectance (intensity ratio of Output-A to Input in FIG. 1).
[0031]
Here, the wavelength of the input light and the wavelength of the control light are assumed to be the same wavelength, and the theoretical analysis was performed assuming that the wavelength is 780 nm. Further, theoretical analysis (analysis using the theoretical analysis formula of FIG. 4) was performed assuming TM waves as polarized light. The critical angle at the interface of the guide layer 10 / barrier layer 11 is 64.9 degrees.
[0032]
As is apparent from the analysis results of FIG. 6, the reflectance is almost 100% in most angle regions above the critical angle, but a sharp valley structure as shown in A and B in the figure was calculated.
[0033]
The sudden drop in reflectivity occurring in the total reflection region is as if input light tunneled through the barrier layers 11 and 14 between the upper and lower guide layers 10 and 15 via the active layer 12 / drain layer 13. This is due to the “resonant photon tunneling phenomenon” that behaves.
[0034]
In the analysis result shown in FIG. 6, the reflectance does not drop to 0 at the location where the light tunneling phenomenon occurs, but this is due to the resolution of the calculation and actually falls to 0. is there.
[0035]
FIG. 7 shows the incident angle dependence of the transmittance (intensity ratio of Output-B to Input in FIG. 1) near the resonance angle at the resonance angle “75.413 degrees (B resonance angle shown in FIG. 6)”. .
[0036]
FIG. 7 also shows the transmittance spectrum when the refractive index change Δn of the active layer 12 is ± 0.011.
[0037]
As can be seen from the analysis result of FIG. 7, when there is no change in the refractive index of the active layer 12 (Δn = 0), the transmittance having a sharp peak at an incident angle of 75.413 degrees is calculated. If the refractive index of the active layer 12 changes ± 0.011 from this state, the resonance angle is shifted by about ± 0.17 degrees. At this time, a slight difference is observed in the tail of the transmittance spectrum, but it can be seen that the spectrum shape close to the Lorentz curve is almost retained.
[0038]
As can be seen from this analysis result, in the optical switching device of the present invention having the structure shown in FIG. 1, when the incident angle is constant at 75.413 degrees, the refractive index change Δn = 0.011 of the active layer 12 is about 45 dB. It was revealed that the extinction ratio was extremely high.
[0039]
The optical switching device of the present invention having the structure shown in FIG. 1 operates as an optical switching device that performs on / off control of the passage of controlled light according to the incidence / non-incidence of control light according to this characteristic.
[0040]
That is, as shown in FIG. 8A, a configuration in which the control light is not normally incident is adopted, and at that time, the incident angle θ of the input light is set near the resonance angle (not the resonance angle). When the control light is incident, if the incident angle θ is made to be the resonance angle in accordance with the change in the refractive index of the active layer 12, the input light is changed from total reflection to transmission. It will be switched.
[0041]
Also, as shown in FIG. 8 (b), the control light is not normally incident, and at that time, the incident angle θ of the input light is set to the resonance angle, and the control light is transmitted. If the incident angle θ is configured to deviate from the resonance angle in accordance with the change in the refractive index of the active layer 12 when incident, the input light is switched from transmission to total reflection.
[0042]
Further, as shown in FIG. 9A, a configuration is adopted in which the control light is normally incident, and at that time, the incident angle θ of the input light is set near the resonance angle (not the resonance angle). When the control light is blocked, if the incident angle θ is configured to be a resonance angle in accordance with the change in the refractive index of the active layer 12, the input light is changed from total reflection to transmission. It will be switched.
[0043]
Further, as shown in FIG. 9 (b), a configuration is adopted in which the control light is normally incident. At that time, the incident angle θ of the input light is set to the resonance angle, and the control light is supplied. If the incident angle θ deviates from the resonance angle in accordance with the change in the refractive index of the active layer 12 when blocking, the input light is switched from transmission to total reflection.
[0044]
In this manner, the optical switching device of the present invention having the structure shown in FIG. 1 operates as an optical switching device that controls on / off of the passage of the controlled light according to whether the control light is incident or not. .
[0045]
Next, the reason why the drain layer 13 is provided in the optical switching device of the present invention will be described.
[0046]
10 and 11 show the results of theoretical analysis when the drain layer 13 is not provided.
[0047]
Here, the analysis result shown in FIG. 10 shows the result of the analysis with the stacked structure in which the drain layer 13 is omitted from the stacked structure shown in FIG. Therefore, the active layer 12 used in this analysis has an Al x Ga (1-x) As component ratio value x of “0.000”, a thickness of 210 nm, and a refractive index of “3.69882”.
[0048]
On the other hand, the analysis results shown in FIG. 11 are obtained by analyzing the analysis results for a layered structure in which the drain layer 13 included in the layered structure shown in FIG. 1 is replaced with the material of the active layer 12. Show. Therefore, the active layer 12 used in this analysis has an Al x Ga (1-x) As component ratio value x of “0.000”, a thickness of 450 nm, and a refractive index of “3.69882”.
[0049]
In the analysis results shown in FIG. 11, the reflectance does not drop to 0 at the location where the light tunneling phenomenon occurs, but this is due to the resolution of the calculation and actually falls to 0. is there.
[0050]
From this analysis result, it is clear that the light tunneling phenomenon does not occur when the thickness of the active layer 12 is small.
[0051]
Therefore, from the viewpoint of occurrence of the light tunneling phenomenon, the thicker the active layer 12 is, the better.
[0052]
However, if the thickness of the active layer 12 is increased, control light having a large power is required to cause a change in the refractive index of the active layer 12, which is not practical.
[0053]
Therefore, the optical switching device of the present invention employs a configuration in which a drain layer 13 that is a layer that does not absorb control light is provided as shown in FIG.
[0054]
As can be seen from a comparison between the analysis result shown in FIG. 6 and the analysis result shown in FIG. 11, when the drain layer 13 is provided, the light tunneling phenomenon occurs even when the thickness of the active layer 12 is small. Became clear.
[0055]
Unlike the active layer 12, the drain layer 13 can be made of a material that does not exhibit a nonlinear refractive index. From this, according to the optical switching device of the present invention adopting the configuration in which the drain layer 13 is provided, it becomes possible to use control light having a small power.
[0056]
Here, as the drain layer 13, it is preferable to use a material that does not cause a change in refractive index due to the control light, but a material that causes a change in refractive index due to the control light as compared with the active layer 12 may be used.
[0057]
As described above, the optical switching device of the present invention operates so as to control on / off of the passage of controlled light according to whether the control light is incident or not.
[0058]
From this, it can be used as a NOT gate having an optical configuration, and an AND gate can be configured by overlapping two stages of this gate.
[0059]
Further, the optical switching device of the present invention is basically configured to have a reflection surface that totally reflects.
[0060]
From this, it becomes possible to implement an optical fiber type optical switch because it can be mounted on an optical fiber that is composed of a core and a clad and propagates light while being totally reflected.
[0061]
Although the present invention has been described according to the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this. For example, in the embodiment, the description has been given of the laminated structure in which the refractive index distribution is changed in the vertical direction. It may be guided horizontally.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a surface layer having a refractive index that totally reflects the controlled light, and a refractive index that is higher than the surface layer and responds to the incidence of the control light. The optical switching operation (optical inverter operation) is realized by using the optical tunneling effect of the optical device with the basic structure including an inner layer that changes the wavelength, so that the control light has the same wavelength as the controlled light It is possible to use light having a wavelength of (which may be light having a different wavelength) and to achieve integration by having a structure suitable for integration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an optical element that generates resonant tunneling of light.
FIG. 3 is an explanatory diagram of Maxwell's electromagnetic wave equation used in the theoretical analysis of the optical tunneling phenomenon.
FIG. 4 is an explanatory diagram of Maxwell's electromagnetic wave equation used in the theoretical analysis of the optical tunneling phenomenon.
FIG. 5 is an explanatory diagram of Maxwell's electromagnetic wave equation used in the theoretical analysis of the optical tunneling phenomenon.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a theoretical analysis result.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a theoretical analysis result.
FIG. 8 is a diagram showing an example of the operation of the optical switching device of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing an example of the operation of the optical switching device of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a theoretical analysis result.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a theoretical analysis result.
FIG. 12 is an explanatory diagram of the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Guide layer 11 Barrier layer 12 Active layer 13 Drain layer 14 Barrier layer 15 Guide layer

Claims (4)

制御光の入射・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスであって、
被制御光を全反射させる屈折率を有する上下の表面層と、該表面層の間に形成され、該表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部層との積層構造を持ち、かつ、その内部層が、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる層と、その層よりも制御光による屈折率変化の少ない層あるいは制御光による屈折率変化を起こさない層との二重層構造で構成されることで、被制御光をトンネリングさせる機能を有する光デバイスで構成され、
被制御光を全反射を起こす角度で上記光デバイスに入射させるとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を全反射させずにトンネリングさせるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
An optical switching device that controls on / off of controlled light according to whether control light is incident or not,
Upper and lower surface layers having a refractive index for totally reflecting the controlled light, are formed between the surface layer, has a greater refractive index than the surface layer, the refractive index in response to incidence of the control light A layer that has a laminated structure with an inner layer to be changed , and that inner layer changes the refractive index in response to the incidence of control light, and a layer with less refractive index change due to control light or control light than that layer It is composed of an optical device having a function of tunneling controlled light by being composed of a double layer structure with a layer that does not cause a refractive index change due to
Together to be incident on the optical device to be controlled light at an angle causing total reflection, in accordance with the incident and non-incident control light, either totally reflects without tunneling the controlled light, without totally reflecting the controlled light To be configured to tunnel to
Features an optical switching device.
請求項1に記載の光スイッチングデバイスにおいて、
制御光が全反射を起こさない角度で上記光デバイスに入射されるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
The optical switching device according to claim 1 .
The control light is configured to be incident on the optical device at an angle that does not cause total reflection.
Features an optical switching device.
請求項2に記載の光スイッチングデバイスにおいて、
制御光が上記光デバイスに対して垂直に入射されるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
The optical switching device according to claim 2, wherein
That the control light is configured to be incident perpendicular to the optical device;
Features an optical switching device.
請求項1ないしのいずれか1項に記載の光スイッチングデバイスにおいて、
制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光が用いられるように構成されることを、
特徴とする光スイッチングデバイス。
The optical switching device according to any one of claims 1 to 3 ,
It is configured that light having the same wavelength as the controlled light is used as the control light.
Features an optical switching device.
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