JP5013431B2 - 光路切替素子及び光路切替方法 - Google Patents
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Description
Proceedings of the 19th Symposium on Phase Change Optical Information Storage (PCOS) 2007, pp.39-42.
(1)基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、加熱により該相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替素子。
(2)上記加熱は、電気による加熱であることを特徴とする(1)に記載の光路切替素子。
(3)上記電気による加熱は、グレーティング状に配置した相変化材料のそれぞれに対して順番に行うことを特徴とする(2)に記載の光路切替素子。
(4)上記加熱は、光による加熱であることを特徴とする(1)に記載の光路切替素子。
(5)上記光による加熱は、パルス光を用いて、グレーティング状に配置した相変化材料の全てを相変化させることを特徴とする(4)に記載の光路切替素子。
(6)上記基板は、光の波長に対し、基板材料の屈折率の実部を1.2以上3.5以下、虚部を0.1以下とすることを特徴とする(1)に記載の光路切替素子。
(7)上記基板の表面粗さは、使用光の波長以下であることを特徴とする(1)に記載の光路切替素子。
(8)上記相変化材料は、アンチモンとテリルウムの合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか1種又は2種以上が添加されていることを特徴とする(1)に記載の光路切替素子。
(9)上記相変化材料は、セレンとヒ素の合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか1種又は2種以上が添加されていることを特徴とする(1)に記載の光路切替素子。
(10)基板上に、加熱により結晶とアモルファス状態に変化する相変化材料からなるグレーティングを備えたことを特徴とする、照射される光の反射方向を変化させる光路切替素子。
(11)基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替方法。
さらに構造が簡単なため、従来の光路切替素子に比べ安価な素子として提供可能であり、また、状態保持のためのエネルギーを必要としないため、低コストな運転が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施形態1に係わる光路切替素子の概略的な側部断面図である。この構成は、光を導入するための円柱プリズム又は三角プリズムと、表面に相変化材料グレーティングを加工してある透明基板を用い、クレッチマン配置とした。
プリズムと基板の間に、反射を避けるためのマッチング・オイルが介在している。入射光は必要に応じて絞りレンズを通して、設計した角度でプリズムに入射し、グレーティングが付着している基板表面に到着する。ここでグレーティングの回折効果を受ける。グレーティングの相変化材料の状態により、回折効果が変化するので、光の進行ルートも変わる。
グレーティングは厚さ50nm、周期300nmのライン・アンド・スペースで、相変化材料(Ge2Sb2Te5:GST)で石英基板上に形成したものである。グレーティングの面積は、光スポット・サイズと同程度で十分である。この構造では、一次以上の回折光が発生しないことは計算で確認した。
なお基板として石英基板を例示しているが、基板としては、光の波長に対し、基板材料の屈折率の実部が1.2〜3.5、虚部が0.1以下のものであればよい。特に屈折率の虚部が大きいと入射した光が吸収されてしまうため、小さいものほどよい。
一方、相変化材料が結晶状態になる場合、図2(b)のように、一次回折光はほとんど消失し、主に正反射光が観測される。ただし、結晶状態GSTの光損失が大きいため、正反射光強度はアモルファス状態の回折光と比べると劣る。
また、図5の右図には、入射角度が55°近辺で変化する場合、72°と−55°のところで測定した光検出器の電圧変化を示した。グレーティングなしの場合の波形と比べると分かるように、55°で入射した光の大部分が一次回折光になって72°の角度で出射いることが直接に確認できた。
図6に本発明の実施形態2を示す。図6に示すように、実施形態1の円柱プリズムの代わりに、三角プリズムとすることも可能である。
図7に本発明の実施形態3を示す。実施形態1の空間型素子の変形として、実施形態3はファイバで光の入力・出力を行う。
光を絞るためのレンズの代わりに、先球ファイバを使うことも可能である。
また、一次回折光の角度を入射角度と同じ値に設定することで、光の入射方向と全く同じ方向へ出射させることも可能である。この場合、出射光と入射光はひとつのファイバとひとつのレンズを共有可能となり、光学系を簡素化できる。その代わりに、出力と入力を分離するためのサーキュレータが必要である(図8参照)。
図9に本発明の実施形態4を示す。これは同じ原理を平面型導波路への応用である。この場合、光を導入するためのプリズムを省略できる。入射導波路17から伝搬してきた光が、導波路の端面に製作してある相変化材料グレーティングにより回折効果を受ける。
相変化材料の状態により、反射光として19の出力導波路2に、又は一次回折光として18の出力導波路1に導かれる。また、出力導波路1を省略し、同じ入射導波路に回折光が戻ってくるようにも設計できる。
図10は、本発明の実施形態1に係る光学素子の結晶−アモルファス転移を行うための電気加熱回路の一例である。
多数のグレーティングを一度に同時に転移させることは、非常に困難である。一つのグレーティングが先に結晶に転移すると、そこの電気抵抗が低下するため、今度は集中的に電気が流れることになり、他のグレーティングに電気が流れなくなり、加熱できなくなってしまう。
例えば相変化材料としてGSTを例示したが、相変化材料として、GST以外のアンチモンとテリルウムの合金を母材とし、銀、シリコン、インジウムのいずれか1種又は2種以上が添加されているもの、あるいはセレンとヒ素の合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか1種又は2種以上が添加されているものでもよい。
2 レンズ
3 相変化材料グレーティング
4 透明基板
5 反射光
6 光検出器
7 円柱プリズム
8 一次回折光
9 石英基板
10 GSTグレーティング
11 正反射光
12 三角プリズム
13 入射ファイバ
14 出力ファイバ1
15 出力ファイバ2
16 サーキュレータ
17 入射導波路
18 出力導波路1
19 出力導波路2
23 通電用回路
24 スイッチ素子(MOSトランジスタ)
25 MOS選択線(アドレス線)
26 電源
27 アース
Claims (11)
- 基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、加熱により該相変化材料の結晶状態とアモルファス状態の転移を行うことにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替素子。
- 上記加熱は、電気による加熱であることを特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
- 上記電気による加熱は、グレーティング状に配置した相変化材料のそれぞれに対して順番に行うことを特徴とする請求項2に記載の光路切替素子。
- 上記加熱は、光による加熱であることを特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
- 上記光による加熱は、パルス光を用いて、グレーティング状に配置した相変化材料の全てを相変化させることを特徴とする請求項4に記載の光路切替素子。
- 上記基板は、光の波長に対し、基板材料の屈折率の実部を1.2以上3.5以下、虚部を0.1以下とすることを特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
- 上記基板の表面粗さは、使用光の波長以下であることを特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
- 上記相変化材料は、アンチモンとテリルウムの合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか1種又は2種以上が添加されていることを特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
- 上記相変化材料は、セレンとヒ素の合金を母材とし、ゲルマニウム、銀、シリコン、インジウムのいずれか1種又は2種以上が添加されていることを特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
- 基板上に、加熱により結晶とアモルファス状態に変化する相変化材料からなるグレーティングを備えたことを特徴とする、照射される光の反射方向を変化させる光路切替素子。
- 基板上に相変化材料をグレーティング状に配置し、相変化材料を結晶とアモルファス状態に転移させることにより、照射される光の反射方向を変化させることを特徴とする光路切替方法。
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