JP4380957B2 - 集積光スイッチングデバイスおよび光をスイッチングする方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光媒体を使用する光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光データ伝送および光レーザキャビティにおいて使用される光導波路において、光は、１つの空間的方向に伝播する。これらの導波路は、光をダイレクト（direct）するために、比較的より高いおよびより低い屈折率を有する２つの媒体間の界面における全内部反射（total internal reflection）を使用する。全内部反射は、より高い屈折率を有する媒体中に光を伝播させる。
【０００３】
周期的誘電体構造が、光伝播をダイレクトするために使用され得る。周期的誘電体構造において、光伝播は、クリスタル中の電子伝播に似ている。光の波長が、格子（lattice）の寸法のオーダーである場合、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ができる。ＰＢＧは、光子が、周期的誘電体構造をとって伝播することができない波長範囲である。入射光の波長が、ＰＢＧ中にある場合、入射光は、その構造を通って伝達するのではなく、周期的誘電体構造で反射される（reflected off）。その格子長が、近赤外（near infrared）または可視光の波長のオーダである周期誘電体構造は、しばしばＰＢＧ構造と呼ばれる。ＰＢＧにおける波長を有する光は、ＰＢＧ構造中の狭いチャネルを伝播することができる。
【０００４】
光キャビティを形成するためにＰＢＧ構造を使用する提案が存在する。O. Painter等による論文“Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser”、１９９９年６月１１日発行のサイエンス（ｐ．１８以下）は、二次元（２Ｄ）の２Ｄ ＰＢＧ構造におけるレーザキャビティの形成を示す。レーザキャビティは、ＩＩＩ−Ｖ族結晶体半導体において製造され、レーザキャビティを形成するために、２Ｄ ＰＢＧ構造中のチャネルおよび欠陥（defect）を使用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、非線形光媒体を使用する改良された光デバイスを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、一次元（１Ｄ）光導波路をその中に有するプレーナ導波路（planar waveguide）を含む集積光スイッチ（integrated optical switch）に関する。１Ｄ導波路は、フィルタを形成する特定相互作用領域（specific interaction region）を有する。フィルタは、少なくとも一部において、非線形光媒体からなり、外部から導入される制御光により制御可能である。制御光の強度を変化させることで、フィルタが第１状態と第２状態との間で変化するように、非線形媒体の屈折率を変化させることにより光スイッチングを生じる。フィルタは、第１の状態において、１Ｄ導波路中を伝播する光を透過させ、第２の状態において１Ｄ導波路中を伝播する光を反射する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、１Ｄ導波路は、ＰＢＧ構造およびその中のチャネルから形成される。ＰＢＧ構造は、その中で選択された波長範囲の光が伝播する１Ｄ導波路としてチャネルを機能させる。チャネルは、非線形光媒体から形成され、欠陥を有する孔（holes）の周期的配列から形成された共振キャビティを含む。キャビティ中の媒体の屈折率を変化させ、そして、キャビティの共振周波数を変化させる制御光ビームを与えることから、スイッチングが生じる。
【０００８】
例示的なスイッチは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、例えばガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）、およびリン（Ｐ）のグループからの元素を含む半導体におけるＰＢＧ構造およびこれらの半導体中にキャリア密度を生じる制御光の波長を使用する。キャリア密度の存在は、媒体の屈折率およびその中の光キャビティの共振周波数を大きく変化させる。これらの例示的なスイッチは、約０．９ないし１．６５μｍの波長の光をスイッチすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１Ａおよび１Ｂは、集積型１×１光スイッチを形成するプレーナ構造８のそれぞれ上面図および側面図を示す。プレーナ構造８において、伝播光は、上側および下側の外側層６での全内部反射（total internal reflection）により中心層に閉じこめられる。プレーナ構造８は、非線形光媒体、例えば、Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰからなるグループからの元素を含む半導体または別のＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる１Ｄ光チャネル１２を含む。チャネル１２および境界（boundaries）１３は、光入力１４から光出力１６へ光を導く１Ｄ光導波路を形成する。
【００１０】
チャネル１２は、選択された波長範囲にあるチャネル光を透過させ、他の波長範囲にあるチャネル光を反射させる光フィルタ１８を含む。フィルタ１８の波長選択性は、制御アクセスウィンドウ１９を通してフィルタ１８に導入される制御光により制御可能である。制御アクセスウィンドウ１９は、プレーナ構造８の上表面上にある。チャネル１２は、光スイッチとしてのフィルタ１８中の制御光の強度の変化に応答する。
【００１１】
１Ｄ光導波路は、チャネル１２中の伝播媒体、およびチャネル１２の媒体中を伝播するように光を横方向に閉じこめる境界１３を含む。一実施形態において、チャネル１２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成され、横方向境界１３は、１つ以上の誘電体層で形成される。誘電体層は、チャネル１２の半導体よりも低い屈折率を有する。これにより、横方向層は、全内部反射により、チャネル１２に沿って伝播するように光を閉じこめる。いくつかの実施形態において、チャネル１２は、入力１４からの距離で変化する横方向幅を有する。
【００１２】
図１Ｃは、図１Ａ−１Ｂの構造８の一実施形態を示し、チャネル１２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体媒体であり、横方向境界１３は、同じ半導体媒体中に配置された同一散乱オブジェクト２０の周期的アレイである。境界１３は、チャネル１２によりインターラプトされたＰＢＧ構造を形成し、即ち、チャネル１２にはオブジェクト２０がない。オブジェクト２０は、半導体媒体と異なる屈折率を有する。例示的なオブジェクト２０は、プレーナ構造８を横切る円筒孔を含み、プレーナ構造８中の含有物を含む。
【００１３】
ＰＢＧ構造は、オブジェクト２０のアレイからのコヒーレント回折（diffraction）によりチャネル１２中を伝播するように光を横方向に閉じこめる。また、ＰＢＧ構造は、チャネル１２中の光伝播を、選択された波長範囲に制限する。他の波長範囲中の光は、チャネル１２中に入るのではなく、プレーナ構造８の側面で反射する。
【００１４】
図１Ａ−１Ｃにおいて、フィルタ１８は、規則的に間隔をおかれた同一のオブジェクト２４のアレイおよびアレイ中の欠陥２６を含む。オブジェクト２４は、周りの媒体の屈折率と異なる屈折率を有し、これにより、チャネル１２中を伝播する光を散乱させる。例示的なオブジェクト２４は、プレーナ構造８を横切る含有物または孔を含む。例示的な欠陥２６は、チャネル１２中の２個のシーケンシャルに隣接するオブジェクト２４間の間隔が、フィルタ１８の他のシーケンシャルに隣接するオブジェクト２４間の間隔より大きいまたは小さいことである。別の例示的な欠陥２６は、１つのオブジェクト２４が、フィルタ１８の他のオブジェクト２４よりも大きいまたは小さいことである。
【００１５】
欠陥２６は、オブジェクト２４のアレイを、チャネル１２中でシーケンシャルに隣接する２個のより小さいアレイ２２，２３に分離する。アレイ２２，２３間の例示的な分離は、チャネル１２中を伝播する光の波長の約１／４から２倍である。欠陥２６およびより小さいアレイ２２，２３は共に、チャネル１２中の光伝播のための共振光キャビティのように機能する。より小さいアレイ２２，２３は、共振キャビティのための分布型反射器（distributed reflectors）である。共振キャビティは、狭い範囲の光の波長が伝達することを許容し、これにより、バンドパスフィルタ１８として機能する。
【００１６】
図１Ｄは、図１Ａ−１Ｃに示されたフィルタ１８のスペクトル反射率（または透過率）がどのように、フィルタ１８中に導入される制御光強度に依存するかを示す。反射率は、フィルタ１８が、その屈折率がその中の光強度に依存する非線形光媒体中に形成されるので、制御光強度に依存する。
【００１７】
図１Ｄは、フィルタ１８のパスバンドに対して、制御光強度ＡおよびＢは、それぞれ中心波長λおよびλ’を生成する。強度Ａの制御光は、フィルタ１８を、チャネル１２中を伝播する波長を透過させる状態にする。強度Ｂの制御光は、元の波長λの光が、フィルタのパスバンドの外になるように、フィルタの中心波長をシフトする。これにより、強度Ｂの制御光は、フィルタ１８を、チャネル１２中を伝播する光を反射する状態にする。
【００１８】
フィルタ１８の中心波長に対するシフトのサイズ、即ち、｜λ−λ’｜は、非線形光媒体、制御光の波長、および制御光に対する強度変化に依存する。半導体媒体に対して、バンドギャップを超えるエネルギに対応する波長は電子および正孔キャリア密度を生じ、これにより、そのような媒体中に構成されたフィルタの屈折率および中心波長に比較的大きなシフトを生じる。
【００１９】
それにも関わらず、光応答性ＩＩＩ−Ｖ族半導体に対しても、制御光の強度の緩やかな変化は、屈折率に対して約１％のみのシフトを生じ、そのような媒体中に構成されたフィルタの中心波長に対して同等のシフトを生じる。屈折率の１％のシフトに対して、反射率は、フィルタ１８のシフトされたパスバンドおよびシフトされていないパスバンドが大幅にオーバラップしない場合、約１００以上のＱを必要とする。ここで、Ｑは、反射率曲線の半値幅の逆数である。
【００２０】
Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰからなる半導体媒体において１％の屈折率シフトを生じさせるために、制御光は、そのエネルギが、Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰによる半導体の電子的バンドギャップの波長に近い波長を有するように選ばれる。例えば、そのエネルギは、電子的バンドギャップのエネルギ＋約０．１および０．５エレクトロンボルト（ｅＶ）に等しい。この波長の選択は、薄いチャネル１２、即ちその厚さが約０．３ないし１．５ミクロンのチャネルの内部における制御光のほとんどの吸収を可能にする。そのようなチャネルは、約１．５５ミクロンの波長、即ち電子的バンドギャップより僅かに低いエネルギに対応する波長をスイッチする構造８における使用に適合されている。
【００２１】
光スイッチを生成するための図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８に対して、制御光により生じさせられる屈折率の変化は、チャネル１２中の光伝播の反射状態および透過状態間で、フィルタ１８をスイッチすることになる。約１％の利用可能な中心波長シフトに対して、フィルタ１８に対するそのような状態変化は、通常、フィルタ１８が高いＱを有することを必要とする。フィルタ１８は、アレイ２２，２３の両方が、チャネル１２に沿ってシリアルに間隔をおかれた３−５またはそれ以上のオブジェクト２４を有する場合、およびアレイ２２，２３中のシリアルに隣接するオブジェクト間の間隔が、フィルタの中心波長の約１／４ないし２倍である場合、高いＱを有し得る。
【００２２】
図１Ｅは、図１Ａ−１Ｃの集積光スイッチの動作方法３０を示すフローチャートである。最初の時点において、スイッチのチャネル１２を通る光透過をブロックするためのリクエストが、スイッチコントローラにより受信される（ステップ３２）。このリクエストに応答して、コントローラは、フィルタ１８中の制御光強度を調節し、フィルタ１８にチャネル１２中を伝播する光を反射させる（ステップ３４）。制御光は、プレーナ構造８の透明な制御アクセスウィンドウ１９を通してフィルタ１８に導入される。
【００２３】
制御光強度に応答して、フィルタ１８が、上述した反射状態になるように、フィルタのスペクトル応答がシフトする。同じ制御光強度を維持する間に、入力光信号が、チャネル１２の光入力１４において受信される（ステップ３６）。制御光に応答して、フィルタ１８は、入力光信号を入力１４に向かって反射して戻す（ステップ３８）。後の時点において、チャネル１２を通る光伝達を透過させるための新しいリクエストが、コントローラにより受信される（ステップ４０）。
【００２４】
新しいリクエストに応答して、コントローラは、チャネル１２中を伝播する光をフィルタ１８に透過させる新しい値に、制御光強度を再調節する（ステップ４２）。制御光の強度を維持している間に、入力光信号が、チャネル１２の光入力１４において受信される（ステップ４４）。新しい制御光強度に応答して、チャネル１２は、フィルタ１８を通してチャネル１２の出力１６へ入力光信号を伝達させる（ステップ４６）。
【００２５】
図１Ａ−１Ｃの光的に制御可能なフィルタ１８およびチャネル１２は、より複雑な光スイッチを形成するために使用され得る。
【００２６】
図２は、単一の入力光チャネル５２および一対の出力光チャネル５４，５６を含む１×２光スイッチ５０を示す。例示的なチャネル５２，５４，５６は、図示しない２Ｄ ＰＢＧ構造中にある。２Ｄ ＰＢＧ構造は、それ自体、図１Ａ−１Ｃの構造８に似たプレーナ構造５８中に配置される。ＰＢＧ構造は、その屈折率が、プレーナ構造の非線形光媒体の屈折率と異なる同一のオブジェクトの２Ｄ周期的アレイを含む。例えば、複数のオブジェクトは、プレーナ構造５８を通しての複数の孔であり得る。
【００２７】
チャネル５２，５４，５６は、ＰＢＧ構造の２Ｄアレイをインターラプトする。ＰＢＧ構造は、入力５１において受信される光をコヒーレントに回折し、これにより、入力光の波長の範囲を、チャネル５２，５４，５６に沿って伝播させる。光は、入力チャネル５２を伝播し、その後、出力チャネル５４および５６に沿って伝播するように振幅分割する。プレーナ構造５８は、全内部反射により、構造の面に垂直な方向に光伝播を制限する。
【００２８】
１×２スイッチは、出力チャネル５４，５６の両方の特定の領域中に、オブジェクトのアレイ６４，６６を含む。アレイ６４，６６は、図１Ａ−１Ｃに示されたオブジェクトのアレイ２４に似た共振光キャビティとして機能する。アレイ６４，６６は、チャネル５４および５６に関連する光伝播に対する光的に制御可能な透過性を有する光フィルタとして機能する。アレイ６４，６６は、プレーナ構造５８の上表面中の透明な制御アクセスウィンドウ６７，６８によりアレイ６４，６６に導入される制御光ビームの強度により独立に制御される。制御光ビームの強度は、アレイ６４，６６を透過状態および反射状態の間でスイッチし、入力光を出力チャネル５４，５６に選択的にスイッチする。
【００２９】
特に、媒体のバンドギャップより僅かに長い（例えば、Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰで形成されたいくつかの結晶半導体に対して１．２−１．３μｍ）における選択された制御光強度をウィンドウ６７に導入することは、アレイ６４中の屈折率を変化させる。新しい屈折率は、アレイ６４を、入力チャネル５２から受信された光をチャネル５２，５６に反射させ、チャネル５４に光が伝播することを停止させる。いくつかの実施形態は、１つ以上の光散乱オブジェクト５９、例えば孔を、チャネル５４と５６との間の交差点近くに配置し、出力チャネル５６において終了する反射光のパーセンテージを増大させる。
【００３０】
制御光は、ウィンドウ６８に導入され、入力チャネル５２から受信される光に対して、アレイ６６を反射性にさせることができる。そして、光は、チャネル５６中を伝播するのではなく、アレイ６６によりチャネル５２，５４に反射される。
【００３１】
図３は、１×Ｎ光スイッチとして機能するプレーナ構造７０の上面図である。構造７０は、１つの入力光チャネル７２およびＮ個の出力光チャネル７４１−７４Ｎを含む。各出力光チャネル７４１−７４Ｎは、独立の制御光ビームにより制御可能でありかつ図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８に類似するフィルタ７６１−７６Ｎを含む。個々の制御光ビームの強度は、関連するフィルタ７６１−７６Ｎが、関連するチャネル７４１−７４Ｎ中の光に対して透過性または反射性であるかを決定し、これにより、スイッチを通る入力チャネル７２からの光信号のルーティングを制御する。
【００３２】
例示的なスイッチは、埋込型２Ｄ ＰＢＧ構造を備えたプレーナ構造７０である。プレーナ導波路を横切るＰＢＧ構造の光散乱オブジェクト、例えば孔は、チャネル７４１−７４Ｎにはない。
【００３３】
各フィルタ７６１−７６Ｎは、図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８において使用されるアレイに似たオブジェクトのアレイから形成され得る。したがって、個々のフィルタ７６１−７６Ｎに関連する制御光ビームの存在および／または不存在は、出力チャネル７４１−７４Ｎを通る入力光の伝播を制御することになる。例えば、全ての制御光ビームが「オフ」であるとき、各チャネルのフィルタ７４１−７４Ｎは、本質的に同じ伝播特性を示し、入力光は、各出力チャネル７４１−７４Ｎに伝播することになる。
【００３４】
代替的に、Ｎ−１個の制御光ビームがアクティブ化される場合、この制御光ビームに関連づけられたＮ−１個の出力チャネル７４１−７４Ｎは、入力光に対して反射性になる。そして、これらのチャネル７４１−７４Ｎは、入力光チャネル７２および残りの出力光チャネルに沿って入力光を反射して戻す。これにより、この構成に対して、１つのみの出力チャネルが、それを通って入力光信号が伝播することを許容する。
【００３５】
構造７０の他の実施形態において、図示しない追加的な光フィルタが、他の出力チャネル７４１−７４Ｎ−１との交差点間の出力チャネル７４Ｎ上の場所に沿って配置される。追加的なフィルタは、図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８と同様のものであり、更なるルーティング制御を提供するために別個の制御光ビームにより動作される。
【００３６】
上述したスイッチにおいて、スイッチングスピードは、ターンオン時間およびターンオフ時間の和である。スイッチング時間は、バルク媒体の特性、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体の特性および制御可能な光フィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎに使用されるオブジェクトのアレイ２４および欠陥２６の形の両方に依存する。特に、制御光ビームにより誘導される電子および成功のキャリア密度は、制御可能な光フィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎにおける屈折率を決める。
【００３７】
これにより、ターンオン時間は、必要とされるキャリア密度を生じる制御光パルスを生成するために必要とされる時間によってのみ制限される。他方において、ターンオフ時間は、同じ電子および成功キャリアを再結合するために必要とされる時間により制限される。キャリア再結合レートは、バルク媒体の固有な特性および表面処理の両方に依存する。再結合レートへの表面寄与（surface contributions）は、表面積および制御可能なフィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎを形成するオブジェクト２４の表面に対する表面特性の両方に依存する。
【００３８】
フィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎ中のオブジェクト２４の数が大きくなると、再結合に対する実際の表面寄与が大きくなり、ターンオフ時間が短くなる。それにも関わらず、ターンオフ時間を短くすると、スイッチを同じ状態に維持するために光制御ビームにより供給されなければならないパワーの比例的増大を生じる。これにより、スイッチングスピードは、スイッチを特定の構成に維持するために利用可能なパワーバジェット（power budget）により制限されることになる。
【００３９】
図１Ａ−１Ｃ、２および３に示された光スイッチの様々な実施形態は、集積光増幅器を含む。この増幅器は、チャージキャリアを注入した半導体媒体を通る信号伝播により引き起こされる信号減衰を相殺する利得を提供する。例示的な増幅器は、出力チャネルの半導体媒体を跨って配置された電気コンタクトおよびこれらのコンタクトに接続された電源を含む。電源は、出力チャネル中のキャリア密度をポンプし、ポンプされたキャリア密度は、誘導放出（stimulated emission）により出力信号を増幅する。減衰を相殺するためのそのような増幅器の使用は、当業者に知られている。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非線形光媒体を使用する改良された光デバイスを提供することができる。
【００４１】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ 集積光スイッチの上面図
Ｂ 集積光スイッチの側面図
Ｃ ＰＢＧ構造に基づく図１Ａ−１Ｂのスイッチの一実施形態を示す図
Ｄ 図１Ａ−１Ｃのスイッチにおいて使用されるフィルタの反射率はどのように制御光ビームの強度に依存するかを示す図
Ｅ 図１Ａ−１Ｃの集積光スイッチの動作方法を示すフローチャート
【図２】１×２光スイッチの一実施形態の上面図
【図３】１×Ｎ光制御可能カプラの一実施形態を示す上面図
【符号の説明】
６ 外側層
８ プレーナ構造
１２ 光チャネル
１３ 境界
１４ 光入力
１６ 光出力
１８ 光フィルタ
１９ 制御アクセスウィンドウ
２０，２４ オブジェクト
２２，２３ アレイ
２６ 欠陥
５１ 入力
５２ 入力光チャネル
５４，５６ 出力光チャネル
５８ プレーナ構造
５９ オブジェクト
６４，６６ アレイ
６７，６８ 制御アクセスウィンドウ
７０ プレーナ構造
７２ 入力光チャネル
７４ 出力光チャネル
７６ フィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光媒体を使用する光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光データ伝送および光レーザキャビティにおいて使用される光導波路において、光は、１つの空間的方向に伝播する。これらの導波路は、光をダイレクト（direct）するために、比較的より高いおよびより低い屈折率を有する２つの媒体間の界面における全内部反射（total internal reflection）を使用する。全内部反射は、より高い屈折率を有する媒体中に光を伝播させる。
【０００３】
周期的誘電体構造が、光伝播をダイレクトするために使用され得る。周期的誘電体構造において、光伝播は、クリスタル中の電子伝播に似ている。光の波長が、格子（lattice）の寸法のオーダーである場合、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ができる。ＰＢＧは、光子が、周期的誘電体構造をとって伝播することができない波長範囲である。入射光の波長が、ＰＢＧ中にある場合、入射光は、その構造を通って伝達するのではなく、周期的誘電体構造で反射される（reflected off）。その格子長が、近赤外（near infrared）または可視光の波長のオーダである周期誘電体構造は、しばしばＰＢＧ構造と呼ばれる。ＰＢＧにおける波長を有する光は、ＰＢＧ構造中の狭いチャネルを伝播することができる。
【０００４】
光キャビティを形成するためにＰＢＧ構造を使用する提案が存在する。O. Painter等による論文“Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser”、１９９９年６月１１日発行のサイエンス（ｐ．１８以下）は、二次元（２Ｄ）の２Ｄ ＰＢＧ構造におけるレーザキャビティの形成を示す。レーザキャビティは、ＩＩＩ−Ｖ族結晶体半導体において製造され、レーザキャビティを形成するために、２Ｄ ＰＢＧ構造中のチャネルおよび欠陥（defect）を使用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、非線形光媒体を使用する改良された光デバイスを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、一次元（１Ｄ）光導波路をその中に有するプレーナ導波路（planar waveguide）を含む集積光スイッチ（integrated optical switch）に関する。１Ｄ導波路は、フィルタを形成する特定相互作用領域（specific interaction region）を有する。フィルタは、少なくとも一部において、非線形光媒体からなり、外部から導入される制御光により制御可能である。制御光の強度を変化させることで、フィルタが第１状態と第２状態との間で変化するように、非線形媒体の屈折率を変化させることにより光スイッチングを生じる。フィルタは、第１の状態において、１Ｄ導波路中を伝播する光を透過させ、第２の状態において１Ｄ導波路中を伝播する光を反射する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、１Ｄ導波路は、ＰＢＧ構造およびその中のチャネルから形成される。ＰＢＧ構造は、その中で選択された波長範囲の光が伝播する１Ｄ導波路としてチャネルを機能させる。チャネルは、非線形光媒体から形成され、欠陥を有する孔（holes）の周期的配列から形成された共振キャビティを含む。キャビティ中の媒体の屈折率を変化させ、そして、キャビティの共振周波数を変化させる制御光ビームを与えることから、スイッチングが生じる。
【０００８】
例示的なスイッチは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、例えばガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）、およびリン（Ｐ）のグループからの元素を含む半導体におけるＰＢＧ構造およびこれらの半導体中にキャリア密度を生じる制御光の波長を使用する。キャリア密度の存在は、媒体の屈折率およびその中の光キャビティの共振周波数を大きく変化させる。これらの例示的なスイッチは、約０．９ないし１．６５μｍの波長の光をスイッチすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１Ａおよび１Ｂは、集積型１×１光スイッチを形成するプレーナ構造８のそれぞれ上面図および側面図を示す。プレーナ構造８において、伝播光は、上側および下側の外側層６での全内部反射（total internal reflection）により中心層に閉じこめられる。プレーナ構造８は、非線形光媒体、例えば、Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰからなるグループからの元素を含む半導体または別のＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる１Ｄ光チャネル１２を含む。チャネル１２および境界（boundaries）１３は、光入力１４から光出力１６へ光を導く１Ｄ光導波路を形成する。
【００１０】
チャネル１２は、選択された波長範囲にあるチャネル光を透過させ、他の波長範囲にあるチャネル光を反射させる光フィルタ１８を含む。フィルタ１８の波長選択性は、制御アクセスウィンドウ１９を通してフィルタ１８に導入される制御光により制御可能である。制御アクセスウィンドウ１９は、プレーナ構造８の上表面上にある。チャネル１２は、光スイッチとしてのフィルタ１８中の制御光の強度の変化に応答する。
【００１１】
１Ｄ光導波路は、チャネル１２中の伝播媒体、およびチャネル１２の媒体中を伝播するように光を横方向に閉じこめる境界１３を含む。一実施形態において、チャネル１２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成され、横方向境界１３は、１つ以上の誘電体層で形成される。誘電体層は、チャネル１２の半導体よりも低い屈折率を有する。これにより、横方向層は、全内部反射により、チャネル１２に沿って伝播するように光を閉じこめる。いくつかの実施形態において、チャネル１２は、入力１４からの距離で変化する横方向幅を有する。
【００１２】
図１Ｃは、図１Ａ−１Ｂの構造８の一実施形態を示し、チャネル１２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体媒体であり、横方向境界１３は、同じ半導体媒体中に配置された同一散乱オブジェクト２０の周期的アレイである。境界１３は、チャネル１２によりインターラプトされたＰＢＧ構造を形成し、即ち、チャネル１２にはオブジェクト２０がない。オブジェクト２０は、半導体媒体と異なる屈折率を有する。例示的なオブジェクト２０は、プレーナ構造８を横切る円筒孔を含み、プレーナ構造８中の含有物を含む。
【００１３】
ＰＢＧ構造は、オブジェクト２０のアレイからのコヒーレント回折（diffraction）によりチャネル１２中を伝播するように光を横方向に閉じこめる。また、ＰＢＧ構造は、チャネル１２中の光伝播を、選択された波長範囲に制限する。他の波長範囲中の光は、チャネル１２中に入るのではなく、プレーナ構造８の側面で反射する。
【００１４】
図１Ａ−１Ｃにおいて、フィルタ１８は、規則的に間隔をおかれた同一のオブジェクト２４のアレイおよびアレイ中の欠陥２６を含む。オブジェクト２４は、周りの媒体の屈折率と異なる屈折率を有し、これにより、チャネル１２中を伝播する光を散乱させる。例示的なオブジェクト２４は、プレーナ構造８を横切る含有物または孔を含む。例示的な欠陥２６は、チャネル１２中の２個のシーケンシャルに隣接するオブジェクト２４間の間隔が、フィルタ１８の他のシーケンシャルに隣接するオブジェクト２４間の間隔より大きいまたは小さいことである。別の例示的な欠陥２６は、１つのオブジェクト２４が、フィルタ１８の他のオブジェクト２４よりも大きいまたは小さいことである。
【００１５】
欠陥２６は、オブジェクト２４のアレイを、チャネル１２中でシーケンシャルに隣接する２個のより小さいアレイ２２，２３に分離する。アレイ２２，２３間の例示的な分離は、チャネル１２中を伝播する光の波長の約１／４から２倍である。欠陥２６およびより小さいアレイ２２，２３は共に、チャネル１２中の光伝播のための共振光キャビティのように機能する。より小さいアレイ２２，２３は、共振キャビティのための分布型反射器（distributed reflectors）である。共振キャビティは、狭い範囲の光の波長が伝達することを許容し、これにより、バンドパスフィルタ１８として機能する。
【００１６】
図１Ｄは、図１Ａ−１Ｃに示されたフィルタ１８のスペクトル反射率（または透過率）がどのように、フィルタ１８中に導入される制御光強度に依存するかを示す。反射率は、フィルタ１８が、その屈折率がその中の光強度に依存する非線形光媒体中に形成されるので、制御光強度に依存する。
【００１７】
図１Ｄは、フィルタ１８のパスバンドに対して、制御光強度ＡおよびＢは、それぞれ中心波長λおよびλ’を生成する。強度Ａの制御光は、フィルタ１８を、チャネル１２中を伝播する波長を透過させる状態にする。強度Ｂの制御光は、元の波長λの光が、フィルタのパスバンドの外になるように、フィルタの中心波長をシフトする。これにより、強度Ｂの制御光は、フィルタ１８を、チャネル１２中を伝播する光を反射する状態にする。
【００１８】
フィルタ１８の中心波長に対するシフトのサイズ、即ち、｜λ−λ’｜は、非線形光媒体、制御光の波長、および制御光に対する強度変化に依存する。半導体媒体に対して、バンドギャップを超えるエネルギに対応する波長は電子および正孔キャリア密度を生じ、これにより、そのような媒体中に構成されたフィルタの屈折率および中心波長に比較的大きなシフトを生じる。
【００１９】
それにも関わらず、光応答性ＩＩＩ−Ｖ族半導体に対しても、制御光の強度の緩やかな変化は、屈折率に対して約１％のみのシフトを生じ、そのような媒体中に構成されたフィルタの中心波長に対して同等のシフトを生じる。屈折率の１％のシフトに対して、反射率は、フィルタ１８のシフトされたパスバンドおよびシフトされていないパスバンドが大幅にオーバラップしない場合、約１００以上のＱを必要とする。ここで、Ｑは、反射率曲線の半値幅の逆数である。
【００２０】
Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰからなる半導体媒体において１％の屈折率シフトを生じさせるために、制御光は、そのエネルギが、Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰによる半導体の電子的バンドギャップの波長に近い波長を有するように選ばれる。例えば、そのエネルギは、電子的バンドギャップのエネルギ＋約０．１および０．５エレクトロンボルト（ｅＶ）に等しい。この波長の選択は、薄いチャネル１２、即ちその厚さが約０．３ないし１．５ミクロンのチャネルの内部における制御光のほとんどの吸収を可能にする。そのようなチャネルは、約１．５５ミクロンの波長、即ち電子的バンドギャップより僅かに低いエネルギに対応する波長をスイッチする構造８における使用に適合されている。
【００２１】
光スイッチを生成するための図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８に対して、制御光により生じさせられる屈折率の変化は、チャネル１２中の光伝播の反射状態および透過状態間で、フィルタ１８をスイッチすることになる。約１％の利用可能な中心波長シフトに対して、フィルタ１８に対するそのような状態変化は、通常、フィルタ１８が高いＱを有することを必要とする。フィルタ１８は、アレイ２２，２３の両方が、チャネル１２に沿ってシリアルに間隔をおかれた３−５またはそれ以上のオブジェクト２４を有する場合、およびアレイ２２，２３中のシリアルに隣接するオブジェクト間の間隔が、フィルタの中心波長の約１／４ないし２倍である場合、高いＱを有し得る。
【００２２】
図１Ｅは、図１Ａ−１Ｃの集積光スイッチの動作方法３０を示すフローチャートである。最初の時点において、スイッチのチャネル１２を通る光透過をブロックするためのリクエストが、スイッチコントローラにより受信される（ステップ３２）。このリクエストに応答して、コントローラは、フィルタ１８中の制御光強度を調節し、フィルタ１８にチャネル１２中を伝播する光を反射させる（ステップ３４）。制御光は、プレーナ構造８の透明な制御アクセスウィンドウ１９を通してフィルタ１８に導入される。
【００２３】
制御光強度に応答して、フィルタ１８が、上述した反射状態になるように、フィルタのスペクトル応答がシフトする。同じ制御光強度を維持する間に、入力光信号が、チャネル１２の光入力１４において受信される（ステップ３６）。制御光に応答して、フィルタ１８は、入力光信号を入力１４に向かって反射して戻す（ステップ３８）。後の時点において、チャネル１２を通る光伝達を透過させるための新しいリクエストが、コントローラにより受信される（ステップ４０）。
【００２４】
新しいリクエストに応答して、コントローラは、チャネル１２中を伝播する光をフィルタ１８に透過させる新しい値に、制御光強度を再調節する（ステップ４２）。制御光の強度を維持している間に、入力光信号が、チャネル１２の光入力１４において受信される（ステップ４４）。新しい制御光強度に応答して、チャネル１２は、フィルタ１８を通してチャネル１２の出力１６へ入力光信号を伝達させる（ステップ４６）。
【００２５】
図１Ａ−１Ｃの光的に制御可能なフィルタ１８およびチャネル１２は、より複雑な光スイッチを形成するために使用され得る。
【００２６】
図２は、単一の入力光チャネル５２および一対の出力光チャネル５４，５６を含む１×２光スイッチ５０を示す。例示的なチャネル５２，５４，５６は、図示しない２Ｄ ＰＢＧ構造中にある。２Ｄ ＰＢＧ構造は、それ自体、図１Ａ−１Ｃの構造８に似たプレーナ構造５８中に配置される。ＰＢＧ構造は、その屈折率が、プレーナ構造の非線形光媒体の屈折率と異なる同一のオブジェクトの２Ｄ周期的アレイを含む。例えば、複数のオブジェクトは、プレーナ構造５８を通しての複数の孔であり得る。
【００２７】
チャネル５２，５４，５６は、ＰＢＧ構造の２Ｄアレイをインターラプトする。ＰＢＧ構造は、入力５１において受信される光をコヒーレントに回折し、これにより、入力光の波長の範囲を、チャネル５２，５４，５６に沿って伝播させる。光は、入力チャネル５２を伝播し、その後、出力チャネル５４および５６に沿って伝播するように振幅分割する。プレーナ構造５８は、全内部反射により、構造の面に垂直な方向に光伝播を制限する。
【００２８】
１×２スイッチは、出力チャネル５４，５６の両方の特定の領域中に、オブジェクトのアレイ６４，６６を含む。アレイ６４，６６は、図１Ａ−１Ｃに示されたオブジェクトのアレイ２４に似た共振光キャビティとして機能する。アレイ６４，６６は、チャネル５４および５６に関連する光伝播に対する光的に制御可能な透過性を有する光フィルタとして機能する。アレイ６４，６６は、プレーナ構造５８の上表面中の透明な制御アクセスウィンドウ６７，６８によりアレイ６４，６６に導入される制御光ビームの強度により独立に制御される。制御光ビームの強度は、アレイ６４，６６を透過状態および反射状態の間でスイッチし、入力光を出力チャネル５４，５６に選択的にスイッチする。
【００２９】
特に、媒体のバンドギャップより僅かに長い（例えば、Ｇａ，Ａｓ，ＩｎおよびＰで形成されたいくつかの結晶半導体に対して１．２−１．３μｍ）における選択された制御光強度をウィンドウ６７に導入することは、アレイ６４中の屈折率を変化させる。新しい屈折率は、アレイ６４を、入力チャネル５２から受信された光をチャネル５２，５６に反射させ、チャネル５４に光が伝播することを停止させる。いくつかの実施形態は、１つ以上の光散乱オブジェクト５９、例えば孔を、チャネル５４と５６との間の交差点近くに配置し、出力チャネル５６において終了する反射光のパーセンテージを増大させる。
【００３０】
制御光は、ウィンドウ６８に導入され、入力チャネル５２から受信される光に対して、アレイ６６を反射性にさせることができる。そして、光は、チャネル５６中を伝播するのではなく、アレイ６６によりチャネル５２，５４に反射される。
【００３１】
図３は、１×Ｎ光スイッチとして機能するプレーナ構造７０の上面図である。構造７０は、１つの入力光チャネル７２およびＮ個の出力光チャネル７４１−７４Ｎを含む。各出力光チャネル７４１−７４Ｎは、独立の制御光ビームにより制御可能でありかつ図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８に類似するフィルタ７６１−７６Ｎを含む。個々の制御光ビームの強度は、関連するフィルタ７６１−７６Ｎが、関連するチャネル７４１−７４Ｎ中の光に対して透過性または反射性であるかを決定し、これにより、スイッチを通る入力チャネル７２からの光信号のルーティングを制御する。
【００３２】
例示的なスイッチは、埋込型２Ｄ ＰＢＧ構造を備えたプレーナ構造７０である。プレーナ導波路を横切るＰＢＧ構造の光散乱オブジェクト、例えば孔は、チャネル７４１−７４Ｎにはない。
【００３３】
各フィルタ７６１−７６Ｎは、図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８において使用されるアレイに似たオブジェクトのアレイから形成され得る。したがって、個々のフィルタ７６１−７６Ｎに関連する制御光ビームの存在および／または不存在は、出力チャネル７４１−７４Ｎを通る入力光の伝播を制御することになる。例えば、全ての制御光ビームが「オフ」であるとき、各チャネルのフィルタ７４１−７４Ｎは、本質的に同じ伝播特性を示し、入力光は、各出力チャネル７４１−７４Ｎに伝播することになる。
【００３４】
代替的に、Ｎ−１個の制御光ビームがアクティブ化される場合、この制御光ビームに関連づけられたＮ−１個の出力チャネル７４１−７４Ｎは、入力光に対して反射性になる。そして、これらのチャネル７４１−７４Ｎは、入力光チャネル７２および残りの出力光チャネルに沿って入力光を反射して戻す。これにより、この構成に対して、１つのみの出力チャネルが、それを通って入力光信号が伝播することを許容する。
【００３５】
構造７０の他の実施形態において、図示しない追加的な光フィルタが、他の出力チャネル７４１−７４Ｎ−１との交差点間の出力チャネル７４Ｎ上の場所に沿って配置される。追加的なフィルタは、図１Ａ−１Ｃのフィルタ１８と同様のものであり、更なるルーティング制御を提供するために別個の制御光ビームにより動作される。
【００３６】
上述したスイッチにおいて、スイッチングスピードは、ターンオン時間およびターンオフ時間の和である。スイッチング時間は、バルク媒体の特性、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体の特性および制御可能な光フィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎに使用されるオブジェクトのアレイ２４および欠陥２６の形の両方に依存する。特に、制御光ビームにより誘導される電子および成功のキャリア密度は、制御可能な光フィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎにおける屈折率を決める。
【００３７】
これにより、ターンオン時間は、必要とされるキャリア密度を生じる制御光パルスを生成するために必要とされる時間によってのみ制限される。他方において、ターンオフ時間は、同じ電子および成功キャリアを再結合するために必要とされる時間により制限される。キャリア再結合レートは、バルク媒体の固有な特性および表面処理の両方に依存する。再結合レートへの表面寄与（surface contributions）は、表面積および制御可能なフィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎを形成するオブジェクト２４の表面に対する表面特性の両方に依存する。
【００３８】
フィルタ１８，６４，６６，７６１−７６Ｎ中のオブジェクト２４の数が大きくなると、再結合に対する実際の表面寄与が大きくなり、ターンオフ時間が短くなる。それにも関わらず、ターンオフ時間を短くすると、スイッチを同じ状態に維持するために光制御ビームにより供給されなければならないパワーの比例的増大を生じる。これにより、スイッチングスピードは、スイッチを特定の構成に維持するために利用可能なパワーバジェット（power budget）により制限されることになる。
【００３９】
図１Ａ−１Ｃ、２および３に示された光スイッチの様々な実施形態は、集積光増幅器を含む。この増幅器は、チャージキャリアを注入した半導体媒体を通る信号伝播により引き起こされる信号減衰を相殺する利得を提供する。例示的な増幅器は、出力チャネルの半導体媒体を跨って配置された電気コンタクトおよびこれらのコンタクトに接続された電源を含む。電源は、出力チャネル中のキャリア密度をポンプし、ポンプされたキャリア密度は、誘導放出（stimulated emission）により出力信号を増幅する。減衰を相殺するためのそのような増幅器の使用は、当業者に知られている。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非線形光媒体を使用する改良された光デバイスを提供することができる。
【００４１】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ 集積光スイッチの上面図
Ｂ 集積光スイッチの側面図
Ｃ ＰＢＧ構造に基づく図１Ａ−１Ｂのスイッチの一実施形態を示す図
Ｄ 図１Ａ−１Ｃのスイッチにおいて使用されるフィルタの反射率はどのように制御光ビームの強度に依存するかを示す図
Ｅ 図１Ａ−１Ｃの集積光スイッチの動作方法を示すフローチャート
【図２】１×２光スイッチの一実施形態の上面図
【図３】１×Ｎ光制御可能カプラの一実施形態を示す上面図
【符号の説明】
６ 外側層
８ プレーナ構造
１２ 光チャネル
１３ 境界
１４ 光入力
１６ 光出力
１８ 光フィルタ
１９ 制御アクセスウィンドウ
２０，２４ オブジェクト
２２，２３ アレイ
２６ 欠陥
５１ 入力
５２ 入力光チャネル
５４，５６ 出力光チャネル
５８ プレーナ構造
５９ オブジェクト
６４，６６ アレイ
６７，６８ 制御アクセスウィンドウ
７０ プレーナ構造
７２ 入力光チャネル
７４ 出力光チャネル
７６ フィルタ
Claims (7)
- 集積光スイッチングデバイスであって、
非線形光媒体及び上表面を有するプレーナ基板、
該基板中に配置された１次元入力導波路、
該基板中に配置された第１の１次元出力導波路であって、第１の中心チャネル及び光が該第１の中心チャネルを伝搬させるように構成された、該第１の中心チャネルと該非線形光媒体との境界を有する第１の１次元出力導波路、
該第１のチャネル中に配置された第１の共振光キャビティであって、該上表面を介して該第１の共振光キャビティに伝達された制御光の強度に応答する光スペクトル透過率を有し、オブジェクトのアレイからなり、２次元の周期的誘電体構造を有する第１の共振光キャビティ、
該基板中に配置された第２の１次元出力導波路であって、第２の中心チャネル及び光が該第２の中心チャネルを伝搬させるように構成された、該第１の中心チャネルと該非線形光媒体との境界を有する第２の１次元出力導波路、及び
該第２のチャネル中に配置された第２の共振光キャビティであって、該基板の表面を介して該第２の共振光キャビティに伝達された制御光の強度に応答するスペクトル透過性を有し、２次元の周期的誘電体構造を有する第２の共振光キャビティからなり、
両該出力導波路の入力端が該入力導波路の出力端に開口し、該共振光キャビティが該出力導波路の該入力端と該入力導波路の該出力端間の光終端結合を制御するデバイス。 - 請求項１記載のデバイスであって、該オブジェクトが孔であることを特徴とするデバイス。
- 請求項１記載のデバイスであって、該オブジェクトが該第１の出力導波路の非線形媒体の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の媒体の包含物であることを特徴とするデバイス。
- 請求項１記載のデバイスであって、該非線形媒体は第III−Ｖ族半導体からなることを特徴とするデバイス。
- 請求項１記載のデバイスであって、該第１及び第２の共振光キャビティが制御光の強度に応じて異なる透過率を有することを特徴とするデバイス。
- 非線形光媒体及び上表面を有するプレーナ基板、該基板中に配置された１次元(１Ｄ)入力導波路、該基板中に配置された第１の１次元(Ｄ１)出力導波路であって第１の中心チャネル及び光が該第１の中心チャネルを伝搬させるように構成された、該第１の中心チャネルと該非線形光媒体との境界を有する第１の１次元(Ｄ１)出力導波路、及び該基板中に配置された第２の１次元(Ｄ１)出力導波路であって第２の中心チャネル及び光が該第２の中心チャネルを伝搬させるように構成された、該第１の中心チャネルと該非線形光媒体との境界を有する第２の１次元(Ｄ１)出力導波路からなり、両該出力導波路の入力端が該入力導波路の出力端に開口している集積光スイッチングデバイスにおける、光スイッチングの方法であって、
該第１の１Ｄ出力導波路のチャネルの透過率を変化させるために所定の強度の制御光を該上表面から該第１の１Ｄ出力導波路の第１の領域に導入するステップ、
該第２の１Ｄ出力導波路のチャネルの透過率を変化させるために所定の強度の制御光を該上表面から該第２の１Ｄ出力導波路の第２の領域に導入するステップであって、該第１及び第２の領域が光強度に応答するスペクトル透過率を有している、ステップ、及び、
入力光を該１Ｄ入力導波路に伝達するステップであって、該１Ｄ入力導波路のチャネルが該第１及び第２の１Ｄ出力導波路の終端に対して開口する第１の終端を有している、ステップ
からなり、
該第１及び第２の領域が予め選択された周波数帯において２次元の周期的誘電体構造を有する共振光キャビティを形成している方法。 - 請求項６記載の方法であって、該第１及び第２の導入するステップが該プレーナ基板の上表面において異なる光アクセスウィンドウを介して光をそれぞれ該第１及び第２の１次元出力導波路に送ることを特徴とする方法。
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