JP4742382B2 - Optical switching device - Google Patents

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Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子及び光磁気スイッチング素子に関し、特にこれらの素子の応答速度、応答感度の制御技術に関する。   The present invention relates to an optical switching element and a magneto-optical switching element using carbon nanotubes, and more particularly to a control technique for response speed and response sensitivity of these elements.

本格的なブロードバンド、デジタル家電の時代の到来とともに、大容量、高速通信のための要素技術の開発が望まれていた。テラビット/秒のデータ転送速度に対応するためには、光ファイバーを用いた通信が不可欠であり、その使用波長帯(1.5μm)で用いることができる光デバイス材料の探索は重要である。   With the advent of the era of full-fledged broadband and digital home appliances, the development of elemental technologies for high-capacity and high-speed communication has been desired. In order to cope with a data transfer rate of terabit / second, communication using an optical fiber is indispensable, and it is important to search for an optical device material that can be used in the used wavelength band (1.5 μm).

単層カーボンナノチューブは、その一次元性を反映して光学応答が増大し、大きな非線形光学特性を示すことが知られている。その時間応答は1psのオーダーであり、高速な光スイッチング特性を示す。半導体ナノチューブの遷移は光通信で用いられる波長(1.5μm)に対応しており、その波長で大きな非線形性を示すことは、光スイッチング素子として大きなアドバンテージとなっている。また、磁場による光の吸収に関する変調を行うことにより、光スイッチング素子としてだけでなく、記憶素子などの様々な分野への応用が可能になる。   Single-walled carbon nanotubes are known to exhibit large nonlinear optical characteristics with an increased optical response reflecting their one-dimensionality. The time response is on the order of 1 ps and shows high-speed optical switching characteristics. The transition of the semiconductor nanotube corresponds to a wavelength (1.5 μm) used in optical communication, and showing a large nonlinearity at that wavelength is a great advantage as an optical switching element. Further, by performing modulation related to light absorption by a magnetic field, application to various fields such as a memory element as well as an optical switching element becomes possible.

カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子において、応答時間を早くすることが重要である。また、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子において、磁場に基づく吸収係数は、カーボンナノチューブの断面を貫く磁束の大きさに依存して変化する。一定の磁場(磁束密度)においては、カーボンナノチューブの径を大きくすることにより、カーボンナノチューブの断面積大きくなるため、磁場による吸収の変化が大きくなる。ところが、カーボンナノチューブの径を変化させると吸収波長が変化するためスイッチング素子として使用する波長帯からはずれてしまうという問題がある。   In an optical switching element using carbon nanotubes, it is important to increase the response time. In the optical switching element using carbon nanotubes, the absorption coefficient based on the magnetic field changes depending on the magnitude of the magnetic flux penetrating the cross section of the carbon nanotubes. In a constant magnetic field (magnetic flux density), increasing the diameter of the carbon nanotubes increases the cross-sectional area of the carbon nanotubes, so that the change in absorption due to the magnetic field increases. However, when the diameter of the carbon nanotube is changed, the absorption wavelength is changed, so that there is a problem that the wavelength is deviated from the wavelength band used as the switching element.

本発明の目的は、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子の応答速度を高速にすることである。本発明の他の目的は、カーボンナノチューブを用いた光磁気素子において、使用波長帯域を変更せずに磁場に対する吸収係数の変調を増大させるように調整する技術を提供することである。   An object of the present invention is to increase the response speed of an optical switching element using carbon nanotubes. Another object of the present invention is to provide a technique for adjusting a modulation of an absorption coefficient with respect to a magnetic field in a magneto-optical element using carbon nanotubes without changing the wavelength band used.

カーボンナノチューブの光吸収に関しては、半導体的な性質を持つカーボンナノチューブによるフォトンエネルギーの低い(波長の長い)第1ピーク及び第2ピークと、金属的なカーボンナノチューブによるフォトンエネルギーの高い(波長の短い)第3ピークとが観測される。カーボンナノチューブの径を大きくすると、すべての吸収ピークは低エネルギー側(長波長側)にシフトし、目的とする波長領域から低エネルギー側の波長領域に向けてずれていく。   Regarding light absorption of carbon nanotubes, the first and second peaks with low photon energy (long wavelength) due to carbon nanotubes having semiconducting properties, and high photon energy (short wavelength) due to metallic carbon nanotubes. A third peak is observed. When the diameter of the carbon nanotube is increased, all absorption peaks shift to the low energy side (long wavelength side) and shift from the target wavelength region toward the low energy side wavelength region.

ここで、光吸収に基づく光スイッチング素子について、以下の手段により課題を解決することが可能である。
1)カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子において、高次側(短波長側)のピークの吸収ピークを用いることにより、応答時間を早くすることができる。高次側のピークを用いたことによる吸収波長のずれを、カーボンナノチューブの径を大きくすることにより調整する。
Here, with respect to the optical switching element based on light absorption, the problem can be solved by the following means.
1) In an optical switching element using carbon nanotubes, the response time can be shortened by using the absorption peak of the higher order side (short wavelength side) peak. The shift in the absorption wavelength due to the use of the higher-order peak is adjusted by increasing the diameter of the carbon nanotube.

2)光磁気スイッチング素子について。
a)カーボンナノチューブの径が小さい場合には、断面積が小さいためにカーボンナノチューブを貫く磁束が少なくなり、磁場による光吸収の変調の度合いが小さくなる。そこで、カーボンナノチューブの径を大きくすると変化させると、断面積の増加により磁場による光吸収の変調の度合いを変化させることができる。
b)カーボンナノチューブの径を大きくすると、第1ピークは低エネルギー側にシフトし、目的とする波長領域から低エネルギー側の波長領域に向けてずれていく。そこで、径を変化させるとともに、第1のピークの変わりに第2又は第3のピークにおける光磁場応答特性を利用する。
2) Regarding the magneto-optical switching element.
a) When the diameter of the carbon nanotube is small, since the cross-sectional area is small, the magnetic flux penetrating the carbon nanotube is reduced, and the degree of modulation of light absorption by the magnetic field is reduced. Therefore, when the diameter of the carbon nanotube is increased, the degree of modulation of light absorption by the magnetic field can be changed by increasing the cross-sectional area.
b) When the diameter of the carbon nanotube is increased, the first peak shifts to the low energy side and shifts from the target wavelength region toward the low energy side wavelength region. Therefore, while changing the diameter, the optical magnetic field response characteristic at the second or third peak is used instead of the first peak.

上記の技術を用いると、光スイッチングにおける応答速度を上げることができる。この際変化する吸収波長を、第1次ピークのみでなく高次側ピークを用いることにより調整することが可能となる。   When the above technique is used, the response speed in optical switching can be increased. The absorption wavelength changing at this time can be adjusted by using not only the primary peak but also the higher order peak.

また、光磁気素子において、光磁気応答の感度を向上させるためにカーボンナノチューブの径を大きくする。この際に、吸収のピークが長波長側にずれる。そこで、高次側に吸収のピークを用いることにより吸収波長帯を所望の波長に調整することができる。このとき同時に光スイッチングによる高速応答も可能となる。   In the magneto-optical element, the diameter of the carbon nanotube is increased in order to improve the sensitivity of the magneto-optical response. At this time, the absorption peak shifts to the long wavelength side. Therefore, the absorption wavelength band can be adjusted to a desired wavelength by using the absorption peak on the higher order side. At the same time, high-speed response by optical switching is possible.

単層カーボンナノチューブ(以下、「SWCNT」と称する。)の電子構造の特徴は、その構造(カイラリティー)に依存して、金属にも半導体にもなること、構造の一次元性を反映した1次元電子構造が実現していること、にある。このような電子構造は光学遷移に強く反映され、例えば、光吸収の大きさを表す吸収係数α(E)の光子エネルギー依存性、すなわち光吸収スペクトルとして観測することができる。   The characteristics of the electronic structure of single-walled carbon nanotubes (hereinafter referred to as “SWCNT”) reflect either the metal or the semiconductor depending on the structure (chirality), reflecting the one-dimensional nature of the structure. The dimensional electronic structure is realized. Such an electronic structure is strongly reflected in the optical transition, and can be observed, for example, as a photon energy dependency of an absorption coefficient α (E) representing the magnitude of light absorption, that is, a light absorption spectrum.

図1(a)はSWCNTの模式図でありチューブ軸方向にy軸をとっている。SWCNTをグラファイトの2次元シート(グラフェン)を丸めた円筒であると仮定すると、電子はこの円筒表面上を運動する。したがって、SWCNTでは、グラファイトの2次元並進運動のうち、1つの方向の運動はチューブ円周方向に局在した状態となる。もう1つの方向の運動は、チューブ軸方向(y方向)への自由な運動として残り、これが、ナノチューブの1次元電子状態を実現している。図1(b)は半導体ナノチューブの、(c)は金属ナノチューブのバンド構造と状態密度とを示す図である。運動の1次元性を反映して状態密度にはvan Hove特異性と呼ばれる発散が見られる。始状態、終状態のパリティ(π軌道かπ軌道か、および角運動量量子数)と光電場の方向を考慮すれば、図1(b)および(c)中の矢印A,B、Cで示されるものが許容遷移となる。これらの遷移はSWCNTの擬一次元性による状態密度の発散に起因して、大きな遷移強度をもつ。金属及び半導体チューブが混在する通常のSWCNT試料の吸収スペクトルには、符号Aと符号Bとで示される半導体的なSWCNTの光学遷移と、符号Cで表される金属的なSWCNTの光学遷移とが観測される。 FIG. 1A is a schematic diagram of SWCNT, in which the y axis is taken in the tube axis direction. Assuming that SWCNT is a cylinder obtained by rolling a two-dimensional graphite sheet (graphene), electrons move on the surface of the cylinder. Therefore, in SWCNT, the movement in one direction out of the two-dimensional translational motion of graphite is localized in the tube circumferential direction. The movement in the other direction remains as a free movement in the tube axis direction (y direction), which realizes the one-dimensional electronic state of the nanotube. FIG. 1B shows the band structure and density of states of the semiconductor nanotube, and FIG. 1C shows the band structure of the metal nanotube. Reflecting the one-dimensional nature of motion, the state density has a divergence called van Hove singularity. Considering the parity of the initial state and the final state (π orbital or π * orbital and angular momentum quantum number) and the direction of the photoelectric field, arrows A, B, and C in FIGS. What is shown is an acceptable transition. These transitions have a large transition intensity due to the divergence of the state density due to the quasi-one-dimensional nature of SWCNT. In the absorption spectrum of a normal SWCNT sample in which a metal and a semiconductor tube are mixed, an optical transition of a semiconducting SWCNT indicated by a symbol A and a symbol B and an optical transition of a metallic SWCNT indicated by a symbol C are included. Observed.

次に、SWCNTの生成方法について簡単に説明する。アーク放電法やレーザーアブレーション法で生成されたカーボンナノチューブには、触媒金属やフラーレン、アモルファスカーボンなどが含まれているため、酸化などにより精製する。ラマンスペクトルの測定では、このような試料をそのまま使うことができるが、吸収スペクトルを測定するためには、薄膜の作成が必要となる。例えば、有機溶媒に分散させて、それを基板へ吹き付け溶媒を蒸発させることにより多数のSWCNTが含まれる薄膜を作成する。あるいは、ポリマー中に分散させてそれを引き延ばすことにより、SWCNTの方向が揃った配向試料を得ることもできる。   Next, a method for generating SWCNT will be briefly described. Carbon nanotubes produced by the arc discharge method or laser ablation method contain catalytic metals, fullerenes, amorphous carbon, and the like, and are therefore purified by oxidation or the like. In the measurement of Raman spectrum, such a sample can be used as it is, but in order to measure the absorption spectrum, it is necessary to prepare a thin film. For example, a thin film containing a large number of SWCNTs is prepared by dispersing in an organic solvent and spraying it on a substrate to evaporate the solvent. Alternatively, it is possible to obtain an oriented sample in which the directions of SWCNTs are aligned by dispersing the polymer in a polymer and stretching it.

図2は、多数のSWCNTが含まれる薄膜試料に関して吸収スペクトルおよびポンプ光による光励起で誘起される吸収変化を測定する方法(ポンプ・プローブ分光法)の概略構成を示す図である。図2に示すポンプ・プローブ分光法では、SWCNTからなる薄膜試料1に対して、SWCNTに対して照射されるポンプ光3と、光パルスによるプローブ光5と、が異なる方向から照射される。プローブ光5と検出器7とで光吸収を測定する。光パルスによるポンプ光3を試料1に照射することにより、試料1の光吸収が変化し、プローブ光5に対する吸収係数が変調される。プローブ光5の出射光強度の変化を測定することで、吸収スペクトルの変化を得ることができる。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a method (pump / probe spectroscopy) for measuring an absorption spectrum and an absorption change induced by optical excitation by pump light with respect to a thin film sample containing a large number of SWCNTs. In the pump-probe spectroscopy shown in FIG. 2, the pump light 3 irradiated to the SWCNT and the probe light 5 by the light pulse are irradiated from different directions on the thin film sample 1 made of SWCNT. Light absorption is measured by the probe light 5 and the detector 7. By irradiating the sample 1 with the pump light 3 by the light pulse, the light absorption of the sample 1 changes, and the absorption coefficient for the probe light 5 is modulated. By measuring the change in the emitted light intensity of the probe light 5, the change in the absorption spectrum can be obtained.

図3(a)は、SWCNTの平均的な直径が1.22nmである場合における4.2Kで測定した吸収スペクトルである。図に示すように、SWCNT薄膜試料の吸収には、半導体的なSWCNTによる吸収ピークが光子エネルギー0.7eV付近(ピークA)と、1.4eV付近(ピークB)に現れ、金属的なSWCNTによる吸収ピークが2.0eV付近(ピークC)に観測される。これらの吸収ピークは、図1(b)、(c)中に矢印A,B,Cで示される光学遷移に対応する。   FIG. 3A shows an absorption spectrum measured at 4.2 K when the average diameter of SWCNT is 1.22 nm. As shown in the figure, in the absorption of the SWCNT thin film sample, absorption peaks due to semiconducting SWCNT appear near photon energy 0.7 eV (peak A) and 1.4 eV (peak B), and due to metallic SWCNT. An absorption peak is observed around 2.0 eV (peak C). These absorption peaks correspond to optical transitions indicated by arrows A, B, and C in FIGS.

図3(b)は、ポンプ光が入射された直後にプローブ光により測定された吸収スペクトルの変化分である。ポンプ光により吸収ピークA,B,Cの吸収が減少していることがわかる。   FIG. 3B shows a change in the absorption spectrum measured by the probe light immediately after the pump light is incident. It can be seen that the absorption peaks A, B and C are reduced by the pump light.

以下、上記光吸収特性を利用した本発明の第1の実施の形態による光スイッチング素子について図面を参照しつつ説明を行う。図3に示す光スイッチング素子において、SWCNTの高次側のピーク位置における波長を有する信号光を用いることを思いついた。   Hereinafter, the optical switching element according to the first embodiment of the present invention using the light absorption characteristics will be described with reference to the drawings. In the optical switching element shown in FIG. 3, the inventors have come up with the use of signal light having a wavelength at the peak position on the higher order side of SWCNT.

図4は、上記ピークA,B,Cのそれぞれの吸収帯における吸収の変化ΔAが時間的に回復していく様子をあらわす図である。光子エネルギー0.79eV付近での半導体的チューブの吸収Aの変化は1ps程度の緩和時定数で回復していることがわかる。一方、金属的チューブの吸収Cでは、約0.2psの緩和時間を有している。このように、高次側、たとえば、金属的なチューブのピークCを用いて光スイッチングを行うことにより、スイッチング速度を高速化することができることがわかる。   FIG. 4 is a diagram showing how the absorption change ΔA in the respective absorption bands of the peaks A, B, and C recovers with time. It can be seen that the change in the absorption A of the semiconducting tube around the photon energy of 0.79 eV is recovered with a relaxation time constant of about 1 ps. On the other hand, the absorption C of the metallic tube has a relaxation time of about 0.2 ps. Thus, it can be seen that the switching speed can be increased by performing optical switching using the higher-order side, for example, the peak C of the metallic tube.

次に、本実施の形態の変形例について説明する。図9(A)は、室温において測定した吸収スペクトルのSWCNTのチューブ直径依存性を示す図であり、SWCNTのチューブ直径を0.95nm、1.20nm、1.30nm、1.40nmと変化させた場合の光子エネルギー0.5eVから2.5eVまでの吸収スペクトルを示す図である。平均的なチューブ直径の増大に伴い、第1のピークA、第2のピークB、および第3のピークCのそれぞれが、高低エネルギー側(長波長側)にシフトすることがわかる。この直径の変化に対する吸収ピーク位置の変化を計算した例を図9(B)に示す。例えば、使用したい波長が光ファイバ通信で用いられる1.55μm、すなわち、0.8eVのエネルギーであるとすると、半導体チューブによるピークAを使用するためには、チューブの直径はおよそ1nmが対応するのに対して、ピークBでは2.1nm、ピークCでは3.1nm程度の直径のチューブが対応する。すなわち、直径の大きなチューブを用いることにより、使用する信号光の波長を替えることなく、より高速に応答する高次側の吸収ピークを使用した光スイッチを作製することができる。   Next, a modification of the present embodiment will be described. FIG. 9A is a graph showing the SWCNT tube diameter dependence of the absorption spectrum measured at room temperature, and the SWCNT tube diameter was changed to 0.95 nm, 1.20 nm, 1.30 nm, and 1.40 nm. It is a figure which shows the absorption spectrum from photon energy 0.5eV to 2.5eV in the case. It can be seen that as the average tube diameter increases, each of the first peak A, the second peak B, and the third peak C shifts to a high and low energy side (long wavelength side). FIG. 9B shows an example in which the change in the absorption peak position with respect to the change in diameter is calculated. For example, if the wavelength to be used is 1.55 μm used in optical fiber communication, that is, the energy of 0.8 eV, the tube diameter corresponds to about 1 nm in order to use the peak A due to the semiconductor tube. On the other hand, the peak B corresponds to a tube having a diameter of about 2.1 nm and the peak C corresponds to a diameter of about 3.1 nm. That is, by using a tube having a large diameter, an optical switch using a higher-order absorption peak that responds more quickly can be produced without changing the wavelength of the signal light to be used.

次に、光磁気スイッチング素子への応用について説明を行う。磁場中における吸収スペクトルを測定した際の条件は、磁場が10Tであり、図示しない偏光吸収スペクトル測定装置によって磁気応答の測定を行った。   Next, application to a magneto-optical switching element will be described. The conditions for measuring the absorption spectrum in the magnetic field were a magnetic field of 10T, and the magnetic response was measured with a polarization absorption spectrum measuring apparatus (not shown).

以下、本発明の第2の実施の形態による光磁気スイッチング素子について図面を参照しつつ説明を行う。図5及び図7は、SWCNTに対して信号光hνをSWCNTの延在方向に垂直な方向(SWCNTに平行な偏光E)に照射し、図5ではSWCNTの延在方向に平行な方向に磁場Bを、図7ではSWCNTの延在方向と垂直な方向に磁場Bを印加した光磁気スイッチング素子の簡略化された構成例を示す図である。図6は図5の配置における光吸収の磁気応答特性例を示す図である。図6(A)は、図5における配置において磁場を印加しない場合(0T)と磁場を印加した場合(10T)との光エネルギー0.6〜1.2eVにおける吸収スペクトル(Absorbance)を示す。磁場により吸収スペクトルは変化している。この時の変化をわかりやすくするために、磁場による変化分を差スペクトル(ΔA=A(10T)−A(0T))として図6(B)に示す。図6(B)に示すように、吸収ピーク位置では吸収が大きく減少している。   The magneto-optical switching element according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 5 and 7 irradiate the SWCNT with the signal light hν in a direction perpendicular to the extending direction of the SWCNT (polarized light E parallel to the SWCNT), and in FIG. 5, the magnetic field in a direction parallel to the extending direction of the SWCNT. 7 is a diagram illustrating a simplified configuration example of a magneto-optical switching element in which a magnetic field B is applied in a direction perpendicular to the extending direction of SWCNTs in FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example of magnetic response characteristics of light absorption in the arrangement of FIG. FIG. 6A shows an absorption spectrum (absorbance) at an optical energy of 0.6 to 1.2 eV when no magnetic field is applied (0T) and when a magnetic field is applied (10T) in the arrangement shown in FIG. The absorption spectrum is changed by the magnetic field. In order to make the change at this time easy to understand, the change due to the magnetic field is shown as a difference spectrum (ΔA = A (10T) −A (0T)) in FIG. 6B. As shown in FIG. 6B, the absorption is greatly reduced at the absorption peak position.

一方、図8(A)は、図7における配置において、磁場を印加しない場合(0T)と磁場を印加した場合(10T)との光エネルギー0.6〜1.2eVにおける吸収スペクトル(Absorbance)、(B)は磁場による変位(ΔA=A(10T)−A(0T))を示す図である。図8に示すように、この配置では10Tまで磁場を印加しても吸収の変化はほとんど無いことがわかる。すなわち、図5の配置では磁場により光吸収が変化し、SWCNTを透過する光が変調されることがわかる。この磁場による光吸収の変化は、SWCNT中における電子構造の磁場による変化に基づくものと予想される。このように、SWCNTにおける磁場に基づく吸収変化により、信号光に関して磁場を制御手段としたスイッチングを行うことができる。   On the other hand, FIG. 8A shows an absorption spectrum (Absorbance) at an optical energy of 0.6 to 1.2 eV when no magnetic field is applied (0T) and when a magnetic field is applied (10T) in the arrangement shown in FIG. (B) is a figure which shows the displacement ((DELTA) A = A (10T) -A (0T)) by a magnetic field. As shown in FIG. 8, it can be seen that in this arrangement, there is almost no change in absorption even when a magnetic field is applied up to 10T. That is, in the arrangement of FIG. 5, it can be seen that the light absorption is changed by the magnetic field, and the light transmitted through the SWCNT is modulated. This change in light absorption due to the magnetic field is expected to be based on the change in the electronic structure in SWCNT due to the magnetic field. In this way, switching using the magnetic field as the control means for the signal light can be performed by the absorption change based on the magnetic field in the SWCNT.

次に、本発明の第3の実施の形態による光磁気スイッチング素子について図面を参照しつつ説明を行う。理論的予測によれば、磁場による吸収変化はSWCNTの断面を貫く磁束の大きさ(磁場×断面積)に比例している。したがって、磁場による吸収の変化量を大きくするためには、まず、SWCNTの直径を大きくすることが効果的である。すなわち、カーボンナノチューブの径が小さい場合には、断面積が小さいためにカーボンナノチューブを貫く磁束が少なくなり、磁場による光吸収の変調の度合いが小さくなる。そこで、カーボンナノチューブの径を大きくすると変化させると、断面積の増加により磁場による光吸収の変調の度合いを大きくさせることができる。この点については、吸収波長を一定に保持するという観点から図10から図13までを参照して後述する。   Next, a magneto-optical switching element according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. According to theoretical prediction, the absorption change due to the magnetic field is proportional to the magnitude of the magnetic flux penetrating the SWCNT cross section (magnetic field × cross-sectional area). Therefore, in order to increase the amount of change in absorption due to a magnetic field, it is effective to first increase the diameter of SWCNT. That is, when the diameter of the carbon nanotube is small, since the cross-sectional area is small, the magnetic flux penetrating the carbon nanotube is reduced, and the degree of modulation of light absorption by the magnetic field is reduced. Therefore, when the diameter of the carbon nanotube is increased, the degree of modulation of light absorption by the magnetic field can be increased by increasing the cross-sectional area. This point will be described later with reference to FIGS. 10 to 13 from the viewpoint of keeping the absorption wavelength constant.

ところで、図9は、室温において測定した吸収スペクトルのSWCNTのチューブ直径依存性を示す図であり、SWCNTのチューブ直径を0.95nm、1.20nm、1.30nm、1.40nmと変化させた場合の光子エネルギー0.5eVから2.5eVまでの吸収スペクトルを示す図である。平均的なチューブ直径の増大に伴い、第1のピークAと、第2のピークBと、第3のピークCと、のそれぞれが、吸収帯が低エネルギー側(長波長側)にシフトすることがわかる。SWCNTの径の変化(増大)に基づくシフトに対応するためには、光磁気スイッチング素子における信号光の波長を径の変化に応じてピーク位置と合うように調整することができる。   FIG. 9 is a graph showing the SWCNT tube diameter dependence of the absorption spectrum measured at room temperature, when the SWCNT tube diameter is changed to 0.95 nm, 1.20 nm, 1.30 nm, and 1.40 nm. It is a figure which shows the absorption spectrum from the photon energy of 0.5 eV to 2.5 eV. As the average tube diameter increases, each of the first peak A, the second peak B, and the third peak C shifts the absorption band to the low energy side (long wavelength side). I understand. In order to cope with a shift based on a change (increase) in the diameter of SWCNT, the wavelength of the signal light in the magneto-optical switching element can be adjusted to match the peak position according to the change in diameter.

但し、一般的には信号光の波長を調整するよりはむしろ、信号光の波長を一定にするのが好ましい。このような観点から、発明者は、SWCNTの径を大きくした場合には、磁気応答感度の向上と高速応答が得られるが、それに応じてピーク位置は長波長側へシフトするため、例えばそれまで用いていた第1のピークAの代わりに、より高次にピーク、すなわち第2のピークB又は第3のピークCを用いることを思いついた。図8(B)によれば、たとえば、使用したい波長が光ファイバ通信で用いられる1.55μm、すなわち、0.8eVであるとすると、チューブの直径がおよそ1nmの場合、ピークAが共鳴するのに対して、2.1nmのチューブではピークBが、3.1nm程度の直径のチューブではピークCが対応する。すなわち、直径の大きなチューブを用いることにより、使用する信号光の波長を替えることなく、より高感度に磁場に反応する吸収ピークを使用した光磁気スイッチング素子を作製することができる。この様子を実際に計算した結果を図10から図13に示す。   However, it is generally preferable to keep the wavelength of the signal light constant rather than adjusting the wavelength of the signal light. From this point of view, when the diameter of the SWCNT is increased, the inventor can improve the magnetic response sensitivity and obtain a high-speed response, but the peak position shifts to the longer wavelength side accordingly. Instead of the first peak A that was used, it came up to use the higher order peak, ie the second peak B or the third peak C. According to FIG. 8B, for example, if the wavelength to be used is 1.55 μm used in optical fiber communication, that is, 0.8 eV, the peak A resonates when the tube diameter is about 1 nm. On the other hand, peak B corresponds to a 2.1 nm tube, and peak C corresponds to a tube having a diameter of about 3.1 nm. That is, by using a tube having a large diameter, a magneto-optical switching element using an absorption peak that reacts to a magnetic field with higher sensitivity can be produced without changing the wavelength of the signal light to be used. The results of actual calculation of this state are shown in FIGS.

図10から図12までは、SWCNTの径を1.04nm、2.10nm、3.12nmとした場合における磁場を印加しない場合(B=0T)と、磁場を印加した場合(B=10T)との吸収のピークを示す図である。これらの図を見るとわかるように、磁場を印加することによりピークが2つに分裂し、もとのピークが有った波長では吸収が減少することがわかる。例えば図10においては、吸収強度が650程度から100程度に減少していることがわかる。図11、図12に関しても同様の傾向のピーク変動が観測された。また、直径が大きなチューブほど、ピークが分裂するエネルギーΔEが大きくなっている。この分裂エネルギーが大きいほど、実際の素子では吸収変化が大きくなる。図13は、これらの様子をまとめて示す図である。Aバンドでは、10Tの磁場を印加した場合の波長0.8eV程度における吸収ピークの変動ΔEは、4.7meVであり、Bバンドでは10.5meVであり、Cバンドでは14.5meVである。このように、直径を大きくして、0.8eVに来るピークをAバンドからBバンド、そしてCバンドへと変えることにより、一定の磁場を加えた時のピークエネルギーの変化ΔEを大幅に大きくすることができ、磁場による吸収変化を大きくすることができる。これは、SWCNTの径が小さい場合には、断面積が小さいためにSWCNTを貫く磁束が少なくなり、磁場による光吸収の変調の度合いが小さくなるのに対して、カーボンナノチューブの径を大きくすることにより断面積が増加し磁場による光吸収の変調の度合いを変化させることができるためである。   10 to 12, when the magnetic field is not applied (B = 0T) when the SWCNT diameter is 1.04 nm, 2.10 nm, and 3.12 nm, and when the magnetic field is applied (B = 10T). It is a figure which shows the peak of absorption. As can be seen from these figures, the peak is split into two when a magnetic field is applied, and the absorption decreases at the wavelength at which the original peak was present. For example, in FIG. 10, it can be seen that the absorption intensity is reduced from about 650 to about 100. Similar peak fluctuations were observed for FIGS. 11 and 12. Further, the larger the diameter of the tube, the larger the energy ΔE at which the peak is split. The larger the splitting energy, the larger the absorption change in an actual device. FIG. 13 is a diagram collectively showing these states. In the A band, the absorption peak fluctuation ΔE at a wavelength of about 0.8 eV when a 10 T magnetic field is applied is 4.7 meV, the B band is 10.5 meV, and the C band is 14.5 meV. In this way, by increasing the diameter and changing the peak at 0.8 eV from the A band to the B band and then the C band, the change in peak energy ΔE when a constant magnetic field is applied is greatly increased. It is possible to increase the absorption change due to the magnetic field. This is because when the SWCNT diameter is small, the magnetic flux penetrating the SWCNT is reduced because the cross-sectional area is small, and the degree of modulation of light absorption by the magnetic field is reduced, whereas the diameter of the carbon nanotube is increased. This is because the cross-sectional area increases and the degree of modulation of light absorption by the magnetic field can be changed.

以上に説明したように、本実施の形態による光磁気スイッチング素子によれば、SWCNTの径を大きくすることにより吸収の磁気応答感度を向上させることができる。さらに、径を大きくすることにより変化した吸収ピークのエネルギー(波長)を、より高次側のバンドを用いることにより、一定になるように調整することができる。さらに、高次側のピークを用いることにより、光スイッチング応答速度も高めることができる。   As described above, according to the magneto-optical switching element according to the present embodiment, the magnetic response sensitivity of absorption can be improved by increasing the diameter of SWCNT. Furthermore, the energy (wavelength) of the absorption peak changed by increasing the diameter can be adjusted to be constant by using a higher-order band. Furthermore, the optical switching response speed can be increased by using the higher-order peak.

以上に説明した通り、上記の技術を用いると、光スイッチングの応答が高速になるため、高速光スイッチング素子を実現可能である。また、所望の波長帯における光磁気応答特性を向上させることができるため、カーボンナノチューブを用いた高感度な光磁気素子を実現できる。   As described above, when the above-described technique is used, a high-speed optical switching element can be realized because an optical switching response becomes fast. Further, since the magneto-optical response characteristics in a desired wavelength band can be improved, a highly sensitive magneto-optical element using carbon nanotubes can be realized.

本発明は、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子及び光磁気スイッチング素子に適用できる。   The present invention can be applied to an optical switching element and a magneto-optical switching element using carbon nanotubes.

図1(a)はSWCNTの模式図でありチューブ軸方向にy軸をとっている。図1(b)は半導体ナノチューブの、図1(c)は金属ナノチューブのバンド構造と状態密度とを示す図である。FIG. 1A is a schematic diagram of SWCNT, in which the y axis is taken in the tube axis direction. FIG. 1B shows the band structure and density of states of the semiconductor nanotube, and FIG. 1C shows the band structure of the metal nanotube. 試料に関して吸収スペクトルおよびポンプ光による光励起で誘起される吸収変化を測定する方法(ポンプ・プローブ分光法)の測定系の概略構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a measurement system of a method (pump / probe spectroscopy) for measuring an absorption spectrum and absorption change induced by optical excitation by pump light with respect to a sample. 図3(a)は、SWCNTの平均的な径が1.22nmである場合における4.2Kで測定した吸収のエネルギー依存性を示すスペクトル図である。図3(b)は、ポンプ光が入射された直後にプローブ光により測定された吸収スペクトルの変化分を示す図である。FIG. 3A is a spectrum diagram showing the energy dependence of absorption measured at 4.2 K when the average diameter of SWCNT is 1.22 nm. FIG. 3B is a diagram illustrating a change in the absorption spectrum measured by the probe light immediately after the pump light is incident. ピークAおよびCのそれぞれの吸収帯における吸収の変化ΔAが時間的に回復していく様子をあらわす図である。It is a figure showing a mode that the change ΔA of absorption in each absorption band of peaks A and C recovers in time. SWCNTに対して信号光hνをSWCNTの延在方向に垂直な方向に照射し、磁場をSWCNTの延在方向と平行な方向に磁場を印加した光磁気スイッチング素子の簡略化された構成例を示す図である。A simplified configuration example of a magneto-optical switching element in which signal light hν is irradiated to SWCNT in a direction perpendicular to the extending direction of SWCNT and a magnetic field is applied in a direction parallel to the extending direction of SWCNT is shown. FIG. 図5の配置において、磁場を印加しない場合(0T)と磁場を印加した場合(10T)との光エネルギー0.6〜1.2eVにおける吸収スペクトル(Absorbance)と磁場による吸収の変化(ΔA=A(10T)−A(0T))を示す図である。In the arrangement of FIG. 5, the absorption spectrum (Absorbance) at a light energy of 0.6 to 1.2 eV and the change in absorption due to the magnetic field (ΔA = A) when no magnetic field is applied (0T) and when a magnetic field is applied (10T). It is a figure which shows (10T) -A (0T)). SWCNTの延在方向と垂直な方向に磁場を印加した光磁気スイッチング素子の簡略化された構成例を示す図である。It is a figure which shows the simplified structural example of the magneto-optical switching element which applied the magnetic field to the direction perpendicular | vertical to the extension direction of SWCNT. 図7における配置において、磁場を印加しない場合(0T)と磁場を印加した場合(10T)との光エネルギー0.6〜1.2eVにおける吸収スペクトル(Absorbance)と磁場による吸収の変化(ΔA=A(10T)−A(0T))を示す図である。In the arrangement in FIG. 7, the absorption spectrum (Absorbance) at a light energy of 0.6 to 1.2 eV and the change in absorption due to the magnetic field (ΔA = A) when no magnetic field is applied (0T) and when a magnetic field is applied (10T). It is a figure which shows (10T) -A (0T)). 図9(A)は、室温において測定した吸収スペクトルのSWCNTのチューブ直径依存性を示す図であり、SWCNTのチューブ直径を0.95nm、1.20nm、1.30nm、1.40nmと変化させた場合の光子エネルギー0.5eVから2.5eVまでの吸収スペクトルを示す図である。図9(B)は、吸収ピーク位置とチューブ直径の関係を計算したものである。FIG. 9A is a graph showing the SWCNT tube diameter dependence of the absorption spectrum measured at room temperature, and the SWCNT tube diameter was changed to 0.95 nm, 1.20 nm, 1.30 nm, and 1.40 nm. It is a figure which shows the absorption spectrum from photon energy 0.5eV to 2.5eV in the case. FIG. 9B shows the calculated relationship between the absorption peak position and the tube diameter. SWCNTの径を1.04nmとした場合における磁場を印加しない場合(B=0T)と、磁場を印加した場合(B=10T)との吸収のピークを示す図である。It is a figure which shows the peak of absorption when a magnetic field is not applied when the diameter of SWCNT is 1.04 nm (B = 0T) and when a magnetic field is applied (B = 10T). SWCNTの径を2.10nmとした場合における磁場を印加しない場合(B=0T)と、磁場を印加した場合(B=10T)との吸収のピークを示す図である。It is a figure which shows the absorption peak when not applying a magnetic field when the diameter of SWCNT is 2.10 nm (B = 0T) and when applying a magnetic field (B = 10T). SWCNTの径を3.12nmとした場合における磁場を印加しない場合(B=0T)と、磁場を印加した場合(B=10T)との吸収のピークを示す図である。It is a figure which shows the peak of absorption when a magnetic field is not applied when the diameter of SWCNT is 3.12 nm (B = 0T) and when a magnetic field is applied (B = 10T). SWCNTの直径と磁場に基づく吸収の変化との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the change of absorption based on the diameter of SWCNT, and a magnetic field.

符号の説明Explanation of symbols

1…SWCNTからなる薄膜試料、3…ポンプ光、5…プローブ光、7…検出器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thin film sample which consists of SWCNT, 3 ... Pump light, 5 ... Probe light, 7 ... Detector.

Claims (3)

非線形光学特性を有するカーボンナノチューブからなる光学素子と、該光学素子に対して信号光を照射する第1の光源と、前記光学素子に対して制御光を照射する第2の光源と、を有する光スイッチング装置であって、
前記光学素子に前記制御光を照射した際の光学吸収による前記透過信号光の変化を利用した光吸収応答検出においてカーボンナノチューブで観測される吸収波長の複数のピークであって、半導体的性質を有する第1のピークと、該第1のピークとはピーク位置が異なり半導体的性質を有する第2ピークと、前記第1及び第2のピークとはピーク位置の異なる金属的性質を有する第3ピークとのうち、前記第3のピークの吸収波長のピーク位置が、使用する信号光の波長に対応するように、前記カーボンナノチューブの径を設定したことを特徴とする光スイッチング装置。
Light having an optical element composed of carbon nanotubes having nonlinear optical characteristics, a first light source that irradiates the optical element with signal light, and a second light source that irradiates the optical element with control light A switching device,
A plurality of peak absorption wavelength observed at the carbon nanotube in the detection of light absorption responses using the change in the transmitted signal light by the optical absorption when irradiated with the control light to the optical element, the semiconductor properties A first peak having a second peak having a semiconductor position different from the first peak, and a third peak having a metallic characteristic having a peak position different from that of the first and second peaks. The diameter of the carbon nanotube is set so that the peak position of the absorption wavelength of the third peak corresponds to the wavelength of the signal light to be used .
前記光学素子は、カーボンナノチューブを有機溶媒に分散させ、それを基板へ吹き付け溶媒を蒸発させることにより形成された多数のSWCNTが含まれる薄膜からなることを特徴とする請求項に記載の光スイッチング装置。 2. The optical switching according to claim 1 , wherein the optical element is formed of a thin film including a large number of SWCNTs formed by dispersing carbon nanotubes in an organic solvent, spraying the carbon nanotubes on a substrate, and evaporating the solvent. apparatus. 前記光学素子は、カーボンナノチューブを、ポリマー中に分散させてそれを引き延ばすことにより、SWCNTの方向が揃った配向試料からなることを特徴とする請求項に記載の光スイッチング装置。 2. The optical switching device according to claim 1 , wherein the optical element is composed of an alignment sample in which the directions of SWCNTs are aligned by dispersing carbon nanotubes in a polymer and stretching the carbon nanotubes.
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