JP4576629B2

JP4576629B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP4576629B2
Application number: JP2005219891A
Authority: JP
Inventors: 好紀十倉; 孝尚有馬; 直人永長; 徳明貴田; 桂澤田; 良夫金子
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2007034093A

Description

本発明は、光学装置に係り、特に電気磁気効果である光学的電気磁気効果（ｏｐｔｉｃａｌｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ）、方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）を利用して、光通信に用いられる光学装置として光分波装置だけでなく、光スイッチや分散補償装置、光アクセスシステムのための光端末、光集積回路のプラットフォームなどに用いる技術分野に関する。

近年、光通信技術において光分波技術、光オン−オフスイッチ技術は重要な技術的課題である。前者は光回折格子を使った技術が一般的であり、その使用例を図５に示した。
図５において、３０１は光ファイバー装置であり、光の出射口の角度は回折格子面に対して垂直に近い角度で配置される。３０２は波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nの入射光、３０３はプラス側の一次回折光で、それぞれの波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nはθ₁，θ₂，θ₃，・・・θ_nの回折角をもつ。３０４はマイナス側の一次回折光で、それぞれの波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nは−θ₁，−θ₂，−θ₃，・・・−θ_nの回折角をもつ。３０５は回折格子である。

この図に示すように、従来、λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nの波長を持った光の回折格子からの回折角度が波長により異なることを光分波に利用する。すなわち、波長がλ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nの一次回折光は、それぞれの波長ごとに回折角度が異なる。
そこで、この一次回折光の方向にスリットなどを設置し、光検知装置を配置すれば、各波長に分波した光を検知することができる。

また、光スイッチ技術として、光音響光学効果（下記特許文献１）や電気磁気光学効果（下記特許文献２）等を使った光スイッチ技術の開発が盛んである。その典型例である音響光学効果を用いた光スイッチの例を図６に示す。
図６において、４００は超音波、４０１は超音波吸収体、４０２は入射光、４０３は０次光、４０４は一次回折光、４０５は石英ガラス基板、４０６はトランスデューサである。

この光スイッチでは、音響波による機械的歪により起こる屈折率変化を利用する。すなわち、トランスデューサ４０６で発生した超音波４００を石英ガラス基板４０５に伝播させると屈折率の周期的な構造ができる。これはガラス基板４０５中に回折格子を作ったのと同様の働きをする。ここに入射光４０２を入射すると、一次回折光４０４が生じる。そこで、超音波４００をオン、オフすることにより、１次回折光４０４をオン、オフすることが可能となる。
特開平９−２８１５３０号公報特開２００５−５５７４０号公報

本発明の課題は、各種の機能性光学装置において、λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nの波長を持った光を、ある時間間隙Ｔｎの間、それぞれの波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nにしたがって回折角θ₁，θ₂，θ₃，・・・θ_nに分波した光をプラス一次側に出射し、次の時間間隙Ｔｎ＋１の間、その回折した光の出射方向をたとえば、マイナス一次側に制御することを可能とすることにある。すなわち、ある時間間隙の間、波長分波した光を異なる通信回線に制御することを可能とする。

一般に、異なる波長を同時に扱う多重光通信において、光の波長分波や光の波長別のスイッチは見受けられる。この光分波と光スイッチを同じ装置にて高速に制御することが可能になれば、単位時間当たりの光信号伝播量拡大に多大な効果を与える。光分波は、図５に示したように回折格子を持った装置が使われる。λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nの波長を持った光を回折格子に入射することにより、その回折角度が波長により異なることを利用する。この場合に、この一次回折角をθ_nとすると、−θ_nの方向にも一次回折光が発生するが、この光強度は＋の一次回折光と同じ強度であって異なることはない。このように、波長を選別できるが、光のスイッチには適さない。

また、光スイッチは、図６に示したように超音波の印加により発生する屈折率の周期的な変化による回折効果を利用する。すなわち、超音波のオン、オフにより回折光のオン、オフを実現する。しかし、超音波制御によるオン、オフは高速にはできない。したがって、高速スイッチには適さないといった問題がある。
本発明は、上記状況に鑑み、光分波機能と光スイッチ機能を同時に実現し、高速で制御できる光学装置を提供することを目的とする。

本願発明者らは、光分波装置の構成要素である回折格子を構成する固体材料に電気磁気効果である光学的電気磁気効果（ｏｐｔｉｃａｌｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ）、方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）をもたせる固体材料からなり、この固体材料表面に回折格子を備え、この回折格子に照射される光の分波を行なうとともに、前記固体材料の結晶の容易磁化軸に沿った外部から印加される磁場を正負に反転させることにより、前記回折格子からの一次回折光の光スイッチ制御を行なうようにした（請求項１）。この光学装置において、前記固体材料として容易磁化軸と電気分極軸とが直交する固体材料を用い、前記容易磁化軸とは直交し、前記電気分極軸とは平行である光を前記回折格子に入射させるように配置した（請求項２）。さらに、前記固体材料として酸化鉄化合物を用いたことを特徴とする（請求項３）。さらに、前記酸化鉄化合物としてＧａ_2-xＦｅ_xＯ₃〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕で斜方晶の結晶構造をもった磁性材料を用いたことを特徴とする（請求項４）。さらに、その回折格子が、複数の凸部分を備え、その凸部分の幅と間隙がサブμｍから１０μｍであることを特徴とする（請求項５）。さらに、その回折格子は凸部が平行なスリット状に並んだ形状であることを特徴とする（請求項６）。さらに、その回折格子はドット状に凸部が並んだ形状であることを特徴とする（請求項７）を実現するようにしている。

本発明によれば、光分波機能に光スイッチ機能を付加した光学装置を構成することにより、光分波装置に光スイッチ装置を別に設ける必要がなくなり、大幅なコストダウンを図ることができる。また、光分波機能とスイッチ機能を同じ光学装置で実現できることにより高速に波長分波された光信号を分配できるので、信号処理を格段に高速化することができる。

光分波装置の構成要素である回折格子を構成する固体材料に電気磁気効果である光学的電気磁気効果（ｏｐｔｉｃａｌｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ）、方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）をもった材料を用いる。回折格子を固体材料の表面に形成し、格子のスリットを鉛直に配置する。固体材料の容易磁化軸は回折格子のスリットと平行になるように配置する。また、固体材料の電気分極軸は回折格子面に垂直になるように固体材料を配置する。多重波長からなる光ファイバーからの光を回折格子を形成した面にほぼ垂直に入射する。特定の波長λ_nの回折光は特定の角度θ_nで発生する。回折格子の配置から一次回折光（＋），一次回折光（−）が水平面内で、＋θ_n，−θ_nの回折角で得られる。磁場を容易磁化方向（ここでは下から上）に印加すると一次回折光（＋）が一次回折光（−）に対して強度が強くなり光は一次回折光（＋）側にオンする。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明にかかる光スイッチ機能付き光分波装置の基本構成を示す模式図である。
この図において、１０１は光ファイバー装置であり、光の出射口の角度は回折格子１０５面に対して垂直に近い角度で配置される。１０２は波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nの入射光、１０３はプラス側の一次回折光で、それぞれの波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nはθ₁，θ₂，θ₃，・・・θ_nの回折角をもつ。１０４はマイナス側の一次回折光で、それぞれの波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・λ_nは−θ₁，−θ₂，−θ₃，・・・−θ_nの回折角をもつ。１０５は回折格子、１０６は外部から印加した磁場Ｈである。１０７は回折格子１０５を作り上げている固体材料である光学的電気磁気効果を示す酸化ガリウム鉄の結晶方位の配置を示している。

一次回折格子を構成する、光学的電気磁気効果を示す酸化ガリウム鉄の結晶方位１０７は、電気分極軸（ｂ軸）は光ファイバー装置１０１の出射口とほぼ平行になるように配置する。また、結晶の容易磁化軸（ｃ軸）方向をｂ軸に対して垂直に配置する。ここで、ｂ軸、ｃ軸に垂直な軸をａ軸とする。回折格子１０５はａｃ面内に形成し、複数の平行な格子スリットはｂ軸方向に形成する。

酸化ガリウム鉄は電気分極軸（ｂ軸）をもつ焦電性固体材料である。特に重要なことはこの固体材料は強磁性（正しくはフェリ磁性）特性をも有することである。容易磁化軸（ｃ軸）であり、電気分極軸（ｂ軸）と直交する。分極が発生しているということは空間反転対称性の破れが発生していることと等価である。この非空間反転対称性と同時にスピンが一方向に揃った強磁性状態では時間反転対称性がまた破れている（非時間反転対称性が存在しているという) 。これらの二つの非反転対称性；非空間反転対称性と非時間反転対称性が同時に起こる材料は、光学的電気磁気効果（ｏｐｔｉｃａｌｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ）を示す特性を有する。この光学的電気磁気効果は、電気磁気効果である方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）とも呼ばれる。

光学的電気磁気効果を示す固体材料では、スピンの方向（ベクトル量：Ｍ）と分極の方向（ベクトル量：Ｐ）両者に垂直な方向にトルク（ベクトル量：Ｔ）が働く。
Ｔ＝Ｐ×Ｍ（×は外積である。ＴはＰとＭとに垂直である。向きは図１に示した方向で、プラス方向である）
Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₃〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕の強磁性転移温度Ｔｃは鉄濃度に依存する。ｘ＝１の場合はＴｃ＝２１０Ｋである。今回の実施例では鉄濃度ｘ＝１を用いた。

通常、回折格子は回折格子が形成された面と光が照射している水平面の交差する方向に波数ベクトルＫを発生させることにより光の回折を発生させる。この結果、一次回折光（一般にはｎ次回折光を発生させるが、ここでは一次光しか使わない）を発生させる。この場合、一次回折光は水平面内のプラスとマイナス両方向に発生するがその強度は等しい。しかし、上記のようなトルクＴが存在する場合、その回折強度は方向依存性を示す。すなわち、一次回折光のプラスとマイナス方向の二つの回折強度に方向依存性を発生させる。トルクＴの方向（プラス方向) に散乱する回折光強度は強くなる。これが光学的電気磁気効果である。特に、回折格子を用いるのは多重散乱光の重ね合わせ効果を利用することから、この光学的電気磁気効果が強調されて、すなわちプラス、マイナスの強度差が大きくなることを利用しようとするものである。

図１に示したような本発明にかかる光学装置からの回折光の光学的電気磁気効果の確認実験装置の配置を図２に示す。図２（ａ）はその全体模式図、図２（ｂ）はその確認実験装置における回折格子（酸化ガリウム鉄）の部分拡大斜視図、図２（ｃ）はその回折格子（酸化ガリウム鉄）の結晶軸の配置を示す図である。
この図において、２０１は光源（レーザー光）、２０２は回折格子（酸化ガリウム鉄）、２０３は一次回折光、２０４は光検知器、２０５は外部から印加した磁場である。

回折格子（酸化ガリウム鉄）２０２は、図２に示すように、ライン＆スペース状の回折格子２０２となっている。
ここで、光源（レーザー光：波長７８５ｎｍ）２０１からのレーザー光を酸化ガリウム鉄からなる回折格子２０２に照射する。レーザー光の偏光方向は垂直軸から角度Φ傾いている。酸化ガリウム鉄の結晶軸の配置を、図２（ｃ）に示した。図２（ｂ），（ｃ）から分かるように、酸化ガリウム鉄結晶のａｃ面に回折格子２０２を形成した。

この回折格子２０２は、図２（ｂ）に示すように、ライン＆スペース形状を有し、そのラインである凸部分２０２Ａの幅Ｌ₁は２μｍ、スペースである溝２０２Ｂの幅Ｌ₂は２μｍ、その溝２０２Ｂの深さＬ₃は０．５μｍである。
その実験装置による測定結果を図３に示す。
外部磁場５００エルステッド、温度７０Ｋの場合の、ΔＩ＝Ｉ（プラス側の一次回折光強度）−Ｉ（マイナス側の一次回折光強度）である。縦軸はパーセント表示である。すなわちプラス側の一次回折光とマイナス側の一次回折光強度の平均値でΔＩを割ったものをパーセント表示してある。いま、レーザーの偏光角度０度の場合に得られた値はプラスに２％程度の大きさである。すなわちプラス（ｃ軸方向）に外部磁場をかけた場合、プラス側の一次回折光とのマイナス側の一次回折光の強度差が２％程度発生していることを示している。この磁場を反転させるとマイナス２％程度の強度差を発生させていることが分かる。すなわち、磁場を正負に反転させることをスイッチ制御として用いれば一次回折光の方向を制御することができることを示している。上向きの磁場を印加すれば、プラス側の一次回折光を強く、下向きの磁場を印加すれば、マイナス側の一次回折光を強くすることができる。この実施例の場合、磁場の反転による一次回折光の強度差分は２％程度の強度差であるが、この強度差をさらに大きくすることは可能である。このためには回折格子間隔を小さくすればよい。もしくは用いる光レーザー光の波長を長くすればよい。実際、光通信に用いられる光の波長は実験に使われた光の波長より長いので、この差分は大きくなっていることが期待できる。また現在の微細加工技術を用いれば、格子のライン＆スペースを一桁以上小さくすることは大変簡単である。したがって、この差分を一桁以上大きくすることは技術的にそう困難なことではない。

図３に示したデータは入射光の偏光角度（度）に依存していないことが分かる。これはこの一次回折光の散乱強度差分の変化が通常のファラデー効果などの磁気電気効果でないことを示している。その場合、入射光の偏光角度依存性を示すからである。
また、図３の測定温度は７０Ｋの温度の場合である。一次回折光の散乱強度差分の温度変化を示した測定結果を図４に示した。この差分は酸化ガリウム鉄の磁化の温度曲線とほぼ一致する。これはこの散乱強度差分が酸化ガリウム鉄の磁化特性と一致することを示しており、これもこの効果が光学的電気磁気効果であることを示している。室温以上でこの効果を発生させるには、酸化ガリウム鉄結晶において鉄濃度ｘを増加させればよい。

上記実施例ではスリット状の回折格子について説明したが、凸部がドット状の回折格子にすれば、一次回折光として左右のみならず上下にも散乱光を発生させることができる。この光スイッチつき光分波装置を二次元マトリックスに利用できることからさらに効果的であることは明らかである。
このように、本発明は、光分波器に光スイッチ機能を付加することが可能であることを特徴とする。この結果、光学装置の二つの重要な構成要素を一つの装置で実現できることから、光学装置の低コスト化が実現できるばかりでなく、光の高速制御が可能となり、光の伝達情報量の拡大に寄与することが大である。

本発明によれば、この光学的電気磁気効果をもった光学装置は、分散補償装置、光アクセスシステムのための光端末、光集積回路のプラットフォームなどの技術分野にも応用展開可能である。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の光学装置は光スイッチ機能を付加した光分波器に適している。

本発明の実施例を示す光スイッチ機能と光分波機能を有する光学装置の基本構成を示す模式図である。本発明にかかる光スイッチ機能と光分波機能を有する光学装置の光学的電気磁気効果確認実験装置の模式図である。図２に示す確認実験装置による測定結果を示す図である。図２に示す確認実験装置による一次回折光の散乱強度差分の温度変化を示した測定結果を示す図である。従来の光分波のために光回折格子を用いた例を示す模式図である。従来の光スイッチのために超音波の発生による屈折率の周期的な変化による回折効果を使用した例を示す模式図である。

１０１光ファイバー装置
１０２入射光
１０３プラス側の一次回折光
１０４マイナス側の一次回折光
１０５回折格子（ライン＆スペース状）
１０６外部から印加した磁場Ｈ
１０７酸化ガリウム鉄の結晶方位
２０１光源（レーザー光）
２０２回折格子（酸化ガリウム鉄）
２０３一次回折光
２０４光検知器
２０５外部から印加した磁場

Claims

電気磁気効果である光学的電気磁気効果（ｏｐｔｉｃａｌｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ）、方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）を示す固体材料からなり、該固体材料表面に回折格子を備え、該回折格子に照射される光の分波を行なうとともに、前記固体材料の結晶の容易磁化軸に沿った外部から印加される磁場を正負に反転させることにより、前記回折格子からの一次回折光の光スイッチ制御を行なうようにしたことを特徴とする光学装置。
請求項１記載の光学装置において、前記固体材料として容易磁化軸と電気分極軸とが直交する固体材料を用い、前記容易磁化軸とは直交し、前記電気分極軸とは平行である光を前記回折格子に入射させるように配置したことを特徴とする光学装置。
請求項２記載の光学装置において、前記固体材料として酸化鉄化合物を用いたことを特徴とする光学装置。
請求項３記載の光学装置において、前記酸化鉄化合物としてＧａ_2-xＦｅ_xＯ₃〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕で斜方晶の結晶構造をもった磁性材料を用いたことを特徴とする光学装置。
請求項１記載の光学装置において、前記回折格子が、複数の凸部分を備え、該凸部分の幅と間隙がサブμｍから１０μｍであることを特徴とする光学装置。
請求項５記載の光学装置において、前記回折格子は凸部分が平行なスリット状に並んだ形状であることを特徴とする光学装置。
請求項５記載の光学装置において、前記回折格子は凸部分がドット状に並んだ形状であることを特徴とする光学装置。