JP5123155B2 - Light switch - Google Patents

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Description

本発明は、光通通信用デバイスに適用され、光の回折限界を超えた高集積回路の作製を可能とする、微小な光スイッチに関するものである。   The present invention relates to a miniaturized optical switch that is applied to a device for optical communication and enables the fabrication of a highly integrated circuit exceeding the diffraction limit of light.

光通信分野においては、例えば、通信容量の増大に対応するため、多チャンネル化が提案されており、この中でも、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式が有望視されている。この中で、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御や、スイッチングを行うなどのチャンネル毎の機能的な制御を、光電変換せずに実現するために、チャンネル数に応じた数の光素子が必要とされている。また、多チャンネル化をより高い効率で実現するために、高密度に集積することが要求され、より微細で高密度集積が可能で高速に動作する微小な光スイッチを、光素子で実現する必要性が高まっている。   In the optical communication field, for example, in order to cope with an increase in communication capacity, multi-channeling has been proposed, and among these, a wavelength division multiplexing (WDM) communication method is promising. In order to realize functional control for each channel such as switching the power of each channel to be constant and switching, for example, without photoelectric conversion, the number of optical elements corresponding to the number of channels is increased. is necessary. In addition, in order to realize multi-channels with higher efficiency, it is required to be integrated at high density, and it is necessary to realize a fine optical switch that can be integrated more finely and densely and operates at high speed with an optical element. The nature is increasing.

J.J.Burke and G.I.Stegeman, "Surface-polariton-like waves guided by thin,lossy metal films", Physical Review B, Vol.33, No.8, pp.5186-5201. 1986.J.J.Burke and G.I.Stegeman, "Surface-polariton-like waves guided by thin, lossy metal films", Physical Review B, Vol.33, No.8, pp.5186-5201.1986. 塚田 捷、「表面の電子励起」、丸善株式会社、ｐｐ．４６−４９，１９９６年。Satoshi Tsukada, “Electron excitation on the surface”, Maruzen Co., pp. 46-49, 1996. T.W.Ebbesen, et al. , "Extraordinary optical transmission through sub-waveguide hole arrays", Nature, Vol.391, pp.667-669, 1998.T.W.Ebbesen, et al., "Extraordinary optical transmission through sub-waveguide hole arrays", Nature, Vol.391, pp.667-669, 1998. 篠島 弘幸、他、「曲がり金属導波線路における伝播損失の評価」、第４９回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、２８ｐ−ＺＳ−２０、２００２年。Hiroyuki Shinoshima, et al., "Evaluation of propagation loss in bent metal waveguides", 49th Applied Physics Related Lecture Proceedings, 28p-ZS-20, 2002.

しかしながら、光素子は、電子デバイスに比較して高速性においては優位な立場にあるが、光の回折限界の制約があり、波長以下の寸法領域では光は伝播できない。このため、光素子を波長以下の寸法に小型化することは、原理的に困難である。光素子は、使用する光の波長で大きさが制限され、波長以下のサイズの光素子は動作しない。このように、現状の光素子では、波長以下のサイズのより微細な光スイッチを実現することができないという問題があった。   However, optical elements are superior in terms of high speed as compared with electronic devices, but there are restrictions on the diffraction limit of light, and light cannot propagate in a size region below the wavelength. For this reason, it is theoretically difficult to reduce the size of the optical element to a dimension equal to or smaller than the wavelength. The size of the optical element is limited by the wavelength of light used, and an optical element having a size equal to or smaller than the wavelength does not operate. As described above, the current optical device has a problem that a finer optical switch having a size equal to or smaller than the wavelength cannot be realized.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光スイッチのサイズを、光の回折限界を超えて小型化できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to reduce the size of the optical switch beyond the diffraction limit of light.

本発明に係る光スイッチは、入力側に接続する第１光導波路を導波する光を導入し、プラズモンが生成可能なモット転移する材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部、および誘電体から構成されて第１伝播部と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部を各々有して光を伝播する伝播制御部および他の伝播制御部と、伝播制御部の出力側に接続する第２光導波路と、他の伝播制御部の出力側に接続する第３光導波路と、第１伝播部と第２伝播部側との界面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段とを少なくとも備える。 The optical switch according to the present invention introduces light guided through the first optical waveguide connected to the input side, and is composed of a Mott-transition material capable of generating plasmons and extends in the light propagation direction. parts, and a propagation control unit and other propagation control section for propagating each perforated to light a second propagation portion in contact with the first propagation section is composed of a dielectric material extending in the direction of light propagation, propagation control a second optical waveguide connected to the output side of the section, and a third optical waveguide connected to the output side of the other propagation control unit, plasmon generated at the interface between the first propagation section and the second propagation portion side state And at least control means for controlling.

加えて、伝播制御部および他の伝播制御部は、各々の第１伝播部が対向して配置され、制御手段は、各々の伝播制御部および他の伝播制御部の第１伝播部と第２伝播部との界面に生成されるプラズモンの状態を個別に制御し、制御手段は、少なくとも第１伝播部に接して設けられて第１伝播部に電圧を印加する電極を少なくとも含む。 In addition, the propagation control unit and the other propagation control units are arranged so that the respective first propagation units face each other, and the control means includes the first propagation unit and the second propagation unit of each of the propagation control units and the other propagation control units . The state of the plasmon generated at the interface with the propagation part is individually controlled, and the control means includes at least an electrode that is provided in contact with the first propagation part and applies a voltage to the first propagation part .

加えて、第１伝播部は、モット転移する材料から構成され、制御手段は、少なくとも第１伝播部に接して設けられて第１伝播部に電圧を印加する電極を少なくとも含む。 In addition, the first propagation section is composed of a material that Mott transition, control means, at least including an electrode for applying a voltage to the first propagation portion provided in contact with at least a first propagation section.

上記光スイッチにおいて、第１伝播部は、第２伝播部の周囲を覆うように形成されていてもよい。また、この場合、第１伝播部および第２伝播部は、断面円形に形成されていてもよい。   In the optical switch, the first propagation part may be formed so as to cover the periphery of the second propagation part. In this case, the first propagation part and the second propagation part may be formed in a circular cross section.

また、上記光スイッチにおいて、第１光導波路および第２光導波路は、第１部分とこの第１部分に接触して積層された第２部分とから構成され、第１部分と第２部分との界面は、第１伝播部と第２伝播部との界面に接続するように配置されて光の伝播方向に延在する回折格子を備え、第１部分は、金属もしくは半導体から構成され、第２部分は、誘電体から構成されているようにしてもよい。   In the above optical switch, the first optical waveguide and the second optical waveguide are composed of a first portion and a second portion laminated in contact with the first portion, and the first portion and the second portion The interface includes a diffraction grating arranged to connect to the interface between the first propagation part and the second propagation part and extending in the light propagation direction, and the first part is made of metal or semiconductor, and the second part The portion may be made of a dielectric material.

以上説明したように、本発明によれば、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部、および誘電体から構成されて第１伝播部と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部を有する伝播制御部を備えるようにしたので、光スイッチのサイズを、光の回折限界を超えて小型化できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the first propagation part made of a material capable of generating plasmons and extending in the light propagation direction, and the dielectric made of light in contact with the first propagation part. Since the propagation control unit having the second propagation unit extending in the propagation direction is provided, an excellent effect that the size of the optical switch can be reduced beyond the diffraction limit of light can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図１Ａの平面図に示すように、入力光導波路（第１光導波路）１０１と出力光導波路（第２光導波路）１０３と、入力光導波路１０１と出力光導波路１０３との間に配置され、入力光導波路１０１を導波する光を導入する伝播制御部１０２を備える。 [Embodiment 1]
First, the first embodiment of the present invention will be described. As shown in the plan view of FIG. 1A, the optical switch according to the present embodiment includes an input optical waveguide (first optical waveguide) 101, an output optical waveguide (second optical waveguide) 103, an input optical waveguide 101, and an output optical waveguide. And a propagation control unit 102 for introducing light guided through the input optical waveguide 101.

伝播制御部１０２は、プラズモンが生成可能な材料から構成されて上記光の伝播方向に延在する第１伝播部１２１、および誘電体から構成されて第１伝播部１２１と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部１２２を備える。第１伝播部１２１は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、第２伝播部１２２は、ＳｉＯ2から構成されている。 The propagation control unit 102 is made of a material capable of generating plasmons and extends in the light propagation direction, and the propagation control unit 102 is made of a dielectric and is in contact with the first propagation unit 121 to transmit light. The 2nd propagation part 122 extended to is provided. For example, the first propagation part 121 is made of a material that undergoes Mott transition such as BiTiO 3 having a perovskite structure, and the second propagation part 122 is made of SiO 2 .

また、入力光導波路１０１は、例えば、図１Ｂの断面図に示すような、単結晶シリコンからなる断面視４００×２００ｎｍのシリコン細線コア１１１より構成されている。これは、出力光導波路１０３に関しても同様であり、出力光導波路１０３も、シリコン細線コア１３１より構成されている。これらは、例えば酸化シリコンなどよりお構成されたクラッドを備えるようにしてもよい。また、空気層をクラッドとしてもよい。なお、入力光導波路１０１および出力光導波路１０３は、シリコン細線による導波路に限るものではなく、径が５０μｍ×５０μｍ程度の酸化シリコンからなるコアを用いた光ファイバーであってもよい。   The input optical waveguide 101 is composed of a silicon thin wire core 111 having a cross section of 400 × 200 nm made of single crystal silicon as shown in the cross-sectional view of FIG. 1B, for example. The same applies to the output optical waveguide 103, and the output optical waveguide 103 is also composed of a silicon thin wire core 131. These may include a clad made of, for example, silicon oxide. The air layer may be a clad. The input optical waveguide 101 and the output optical waveguide 103 are not limited to waveguides made of silicon thin wires, but may be optical fibers using cores made of silicon oxide having a diameter of about 50 μm × 50 μm.

また、本実施の形態における光スイッチは、第１伝播部１２１に接して設けられて第１伝播部１２１に電圧を印加する電極１２３，電極１２４を備える。これら電極１２３，１２４に電圧を印加することで、第１伝播部１２１をモット転移させることができる。第１伝播部１２１を構成しているＢｉＴｉＯ3は、数ボルト程度の電圧印加により電気抵抗が大きく変化し、金属的な状態と絶縁体の状態との２つの状態を持つことが知られている。例えば、図示しない電圧印加制御部と電極１２３，電極１２４とにより、第１伝播部１２１をモット転移させ、後述するような、第１伝播部１２１の第２伝播部１２２側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段が構成できる。 In addition, the optical switch in the present embodiment includes an electrode 123 and an electrode 124 that are provided in contact with the first propagation part 121 and apply a voltage to the first propagation part 121. By applying a voltage to these electrodes 123 and 124, the first propagation part 121 can be Mott-transferred. It is known that BiTiO 3 constituting the first propagation part 121 has two states, a metallic state and an insulator state, in which the electrical resistance greatly changes when a voltage of about several volts is applied. . For example, the first propagation part 121 is Mott-transferred by a voltage application control part (not shown), the electrode 123, and the electrode 124, and is generated on the surface of the first propagation part 121 on the second propagation part 122 side as described later. Control means for controlling the state of the plasmon can be configured.

また、伝播制御部１０２は、図１Ｃの断面図に示すように、断面矩形の第２伝播部１２２の周囲を覆うように、第１伝播部１２１が形成されている。また、第１伝播部１２１の外形も、断面視矩形に形成され、この対向する側面に、電極１２３および電極１２４が接して設けられている。第２伝播部１２２は、断面の寸法を、例えば、５０ｎｍ×５０ｎｍ程度とする。また、第１伝播部１２１の外形寸法は、２００ｎｍ×１００ｎｍ程度とする。これらの寸法は、入力光導波路１０１および出力光導波路１０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。   In addition, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1C, the propagation control unit 102 includes a first propagation unit 121 that covers the periphery of the second propagation unit 122 having a rectangular cross section. The outer shape of the first propagation part 121 is also formed in a rectangular shape in cross section, and the electrode 123 and the electrode 124 are provided in contact with the opposing side surfaces. The second propagation part 122 has a cross-sectional dimension of, for example, about 50 nm × 50 nm. The outer dimension of the first propagation part 121 is about 200 nm × 100 nm. These dimensions are in a range where there is no propagation mode of light guided through the input optical waveguide 101 and the output optical waveguide 103.

次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。前述したように、ＢｉＴｉＯ3から構成されている第１伝播部１２１は、電極１２３および電極１２４による数ボルト程度の電圧印加により電気抵抗が大きく変化し、金属的な状態から絶縁体に変化し、新たに電圧が印加されるまでは、これら２つの状態を保持する。ここで、第１伝播部１２１（ＢｉＴｉＯ3）が金属的な状態であれば、第１伝播部１２１の第２伝播部１２２側の表面（第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との界面）に、表面プラズモンポラリトンが励起する。 Next, the operation of the optical switch in the present embodiment will be described. As described above, in the first propagation part 121 made of BiTiO 3 , the electrical resistance greatly changes when a voltage of about several volts is applied by the electrodes 123 and 124, and changes from a metallic state to an insulator, These two states are maintained until a new voltage is applied. Here, if the first propagation part 121 (BiTiO 3 ) is in a metallic state, the surface on the second propagation part 122 side of the first propagation part 121 (the interface between the first propagation part 121 and the second propagation part 122). ), Surface plasmon polaritons are excited.

ここでは、表面プラズモンポラリトンは、エンド−ファイアー（end-fire）法により励起する（非特許文献１参照）。この表面プラズモンポラリトンの励起により、入力光導波路１０１を導波してきた光は、第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との境界を伝播することができるようになる（非特許文献２，３参照）。このとき励起されるプラズモンエネルギーは、エンド−ファイアー法によるエネルギー分散関係により決定され、伝播可能となる光の波長が選択される。励起されるプラズモンエネルギーは、モードによって複数あり、伝播させることができる光の波長も複数選択することができる。選択できる光の波長は、１〜１０μｍ程度である。   Here, the surface plasmon polariton is excited by an end-fire method (see Non-Patent Document 1). By the excitation of the surface plasmon polariton, the light guided through the input optical waveguide 101 can propagate through the boundary between the first propagation unit 121 and the second propagation unit 122 (Non-patent Documents 2 and 3). reference). The plasmon energy excited at this time is determined by the energy dispersion relationship by the end-fire method, and the wavelength of light that can be propagated is selected. There are a plurality of excited plasmon energies depending on the mode, and a plurality of wavelengths of light that can be propagated can be selected. The wavelength of light that can be selected is about 1 to 10 μm.

光は波長以下の寸法領域を伝播することができない。しかしながら、固体内にある自由電子の集団運動であるプラズモンと、誘電体内にある光とが、適当な分散関係を満たす条件で結合すると、表面プラズモンポラリトンという複合的な集団運動となる。表面プラズモンポラリトンは、固体内での電子の集団運動であるプラズモンと光とが結合した素励起である。これは、伝播する光の波長に適合した適当なエネルギー分散関係のもとに結合する。光導波路における光の閉じ込めは、屈折率差によってもたらされることによるが、表面プラズモンポラリトンの導波（伝播）では、電子密度の疎密および固体中プラズモンに結合できる光の伝播モードの有無という２つの制限によって、光は強く閉じ込められる。   Light cannot propagate in sub-wavelength dimensions. However, when plasmons, which are collective motions of free electrons in a solid, and light in a dielectric body are combined under conditions that satisfy an appropriate dispersion relationship, a composite collective motion called surface plasmon polaritons is obtained. Surface plasmon polaritons are elementary excitations in which plasmons, which are collective motions of electrons in a solid, are combined with light. This couples under an appropriate energy dispersion relationship that matches the wavelength of the propagating light. The confinement of light in the optical waveguide is caused by the difference in refractive index. However, in the surface plasmon polariton waveguiding (propagation), there are two limitations: the density of the electron density and the presence or absence of light propagation modes that can be coupled to plasmons in solids. By this, the light is strongly confined.

このため、表面プラズモンポラリトンは、単純な光が導波できない領域まで電子によって導かれ、局所的に存在して光の回折限界を超えて伝播することができる。また、強い閉じ込めにより、曲率半径で２００μｍ程度と急峻な曲げを可能とする（非特許文献３，４参照）。   For this reason, the surface plasmon polariton is guided by electrons to a region where simple light cannot be guided, and can exist locally and propagate beyond the diffraction limit of light. In addition, due to strong confinement, a sharp bend of about 200 μm in radius of curvature is possible (see Non-Patent Documents 3 and 4).

ところで、プラズモンは、電子の集団運動であり、電子密度が大きく、電子が自由電子の場合、もしくは電子の移動速度が速く、周囲のイオンから見て自由電子的であるような場合に存在する。これに対し、電子密度が減じ、また、固体中電子の移動速度が遅くなり、自由電子的でなくなった場合には、プラズモンは消失する。このとき、表面プラズモンポラリトンは、伝播モードではなくなり、放射、消失する。従って、固体中のプラズモンを制御することで、表面プラズモンポラリトンで結合している光の伝播状態を制御できる。   By the way, plasmon is a collective motion of electrons and exists when the electron density is large and the electrons are free electrons, or when the moving speed of the electrons is high and the electrons are free electrons as viewed from surrounding ions. On the other hand, the plasmon disappears when the electron density is reduced, the moving speed of the electrons in the solid is decreased, and the electrons become non-free electrons. At this time, the surface plasmon polariton is not in the propagation mode, and is emitted and disappears. Therefore, by controlling the plasmons in the solid, it is possible to control the propagation state of the light coupled by the surface plasmon polaritons.

本実施の形態においては、前述したように、第１伝播部１２１を金属的な状態することで、プラズモンが存在する状態とし、表面プラズモンポラリトンを励起させて伝播する状態としている。この表面プラズモンポラリトンを用いることで、光の回折限界を超えたより小さな寸法とされている伝播制御部１０２に、光を伝播させることができるようになる。   In the present embodiment, as described above, the first propagation part 121 is in a metallic state, whereby plasmons are present, and the surface plasmon polaritons are excited and propagated. By using this surface plasmon polariton, it becomes possible to propagate light to the propagation control unit 102 having a smaller size exceeding the diffraction limit of light.

以上の表面プラズモンポラリトン伝播状態に対し、第１伝播部１２１に電圧を印加して絶縁体の状態とすると、プラズモンが消失することになり、表面プラズモンポラリトンは消失する。ここで、伝播制御部１０２は、各寸法を光の伝播モードが存在しない範囲とされている。これらの結果、表面プラズモンポラリトンに結合することで伝播していた光は、伝播制御部１０２を伝播できない状態となる。   In contrast to the above-described surface plasmon polariton propagation state, when a voltage is applied to the first propagation part 121 to form an insulator, the plasmon disappears and the surface plasmon polariton disappears. Here, the propagation control unit 102 sets each dimension to a range where no light propagation mode exists. As a result, the light that has been propagated by being coupled to the surface plasmon polariton cannot be propagated through the propagation control unit 102.

このように、本実施の形態における光スイッチによれば、第１伝播部１２１における金属的な状態と絶縁体の状態とを制御することで、入力光導波路１０１と出力光導波路１０３との間の光の透過を制御するようにした。例えば、第１伝播部１２１を金属的な状態に制御すれば、第１伝播部１２１の第２伝播部１２２側の表面にプラズモンが生成され、エンド−ファイアー法のエネルギー分散関係で決定される表面プラズモンポラリトンが励起される。この表面プラズモンポラリトンの励起により、入力光導波路１０１より入射する光を出力光導波路１０３に伝播（透過）することができるようになる。また、第１伝播部１２１を絶縁体の状態に制御すれば、表面プラズモンポラリトンは励起せず、入力光導波路１０１より入射する光は、出力光導波路１０３に伝播（透過）することができなくなる。   Thus, according to the optical switch in the present embodiment, by controlling the metallic state and the state of the insulator in the first propagation part 121, the input optical waveguide 101 and the output optical waveguide 103 can be controlled. The transmission of light was controlled. For example, if the first propagation part 121 is controlled in a metallic state, plasmons are generated on the surface of the first propagation part 121 on the second propagation part 122 side, and the surface is determined by the energy dispersion relationship of the end-fire method. Plasmon polaritons are excited. Due to the excitation of the surface plasmon polariton, light incident from the input optical waveguide 101 can be propagated (transmitted) to the output optical waveguide 103. Further, if the first propagation part 121 is controlled to be in an insulator state, the surface plasmon polariton is not excited, and light incident from the input optical waveguide 101 cannot propagate (transmit) to the output optical waveguide 103.

なお、伝播制御部１０２における第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との境界を伝播する表面プラズモンポラリトンの偏光方向は、ＴＭ偏光となる。また、伝播制御部１０２に入射する光の磁場が、第１伝播部１２１と第２伝播部１２２との境界に平行な場合に、表面プラズモンポラリトンが励起される。従って、入力光導波路１０１を導波してきた光が無偏光状態であっても、第１伝播部１２１における表面プラズモンポラリトンの励起により、ＴＭ偏光が選択されることになる。   Note that the polarization direction of the surface plasmon polariton propagating on the boundary between the first propagation unit 121 and the second propagation unit 122 in the propagation control unit 102 is TM polarization. Further, when the magnetic field of the light incident on the propagation control unit 102 is parallel to the boundary between the first propagation unit 121 and the second propagation unit 122, the surface plasmon polariton is excited. Therefore, even if the light guided through the input optical waveguide 101 is in an unpolarized state, TM polarized light is selected by excitation of the surface plasmon polariton in the first propagation part 121.

上述した本実施の形態では、入力光導波路１０１を構成している入力光導波路１０１が、断面形状が２００ｎｍ×４００ｎｍであり、等方的でない扁平な形状と、導波してくる光は、ＴＭ偏光が多く通るような構造としている。   In the present embodiment described above, the input optical waveguide 101 constituting the input optical waveguide 101 has a cross-sectional shape of 200 nm × 400 nm, a flat shape that is not isotropic, and the guided light is TM The structure is such that a large amount of polarized light passes.

また、第１伝播部１２１の伝播方向の長さは、表面プラズモンポラリトンの伝播（導波）の際の損失を減じるため、第１伝播部１２１が金属的な状態を維持できる範囲で、短くした方がよい。ただし、第１伝播部１２１には、電圧印加のために電極１２３，電極１２４を接触させる必要がある。このことより、第１伝播部１２１の伝播方向の長さは、５００ｎｍ程度とすればよい。   Further, the length of the first propagation part 121 in the propagation direction is shortened within a range in which the first propagation part 121 can maintain a metallic state in order to reduce a loss in propagation (waveguide) of the surface plasmon polariton. Better. However, the first propagation part 121 needs to contact the electrode 123 and the electrode 124 for voltage application. From this, the length of the first propagation part 121 in the propagation direction may be about 500 nm.

ところで、前述したように、プラズモンは電子の集団運動であり、電子密度が大きく、電子が自由電子の場合、もしくは電子の移動速度が速く、周囲のイオンから見て自由電子的であるような場合に存在する。一方で、電子密度が減じ、また、固体中電子の移動速度が遅くなり、自由電子的でなくなった場合には、プラズモンは消失する。   By the way, as described above, plasmon is a collective motion of electrons, where the electron density is large and the electrons are free electrons, or when the electrons move at a high speed and are free electrons as viewed from surrounding ions. Exists. On the other hand, the plasmon disappears when the electron density is reduced and the movement speed of electrons in the solid is slowed down to become free electrons.

上記電子密度は、金属−絶縁体間での相転移であるモット転移、もしくは、巨大抵抗変化により変化させることが可能である。このような２つの状態を持つ材料としては、ビスマス，銅，チタン，およびニッケルなどのペロブスカイト型酸化物、あるいは、これに、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、イットリウム（Ｙ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）などの希土類を添加したペロブスカイト型希土類添加酸化物がある。これらの材料は、金属状態と絶縁体の状態との間の相転移であるモット転移、もしくは、巨大抵抗変化現象を発現する。   The electron density can be changed by a Mott transition which is a phase transition between a metal and an insulator, or a giant resistance change. Examples of materials having such two states include perovskite oxides such as bismuth, copper, titanium, and nickel, or neodymium (Nd), samarium (Sm), yttrium (Y), and europium (Eu). ), Ytterbium (Yb), erbium (Er), praseodymium (Pr), and other perovskite-type rare earth doped oxides. These materials exhibit a Mott transition, which is a phase transition between a metal state and an insulator state, or a giant resistance change phenomenon.

また、シリコン、ゲルマニウムなどのＩＶ族元素にある荷電子も、移動速度が速いために自由電子的な振る舞いをしてプラズモンを励起する。これらは、上記同様に、電場，磁場，電流，光照射などによる電子密度の変化により、生成および消滅の制御が可能である。従って、第１伝播部１２１は、上述したモット絶縁体に限らず、シリコンやゲルマニウムから構成することもできる。   Also, valence electrons in group IV elements such as silicon and germanium excite plasmons by acting like free electrons because of their high moving speed. As described above, these can be controlled for generation and annihilation by changes in electron density due to electric field, magnetic field, current, light irradiation, and the like. Therefore, the first propagation part 121 is not limited to the above-described Mott insulator, but can be composed of silicon or germanium.

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図２Ａの平面図に示すように、入力光導波路（第１光導波路）２０１と出力光導波路（第２光導波路）２０３と、入力光導波路２０１と出力光導波路２０３との間に配置され、入力光導波路２０１を導波する光を導入する伝播制御部２０２を備える。伝播制御部２０２は、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部２２１、および誘電体から構成されて第１伝播部と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部２２２を備える。第１伝播部２２１は、例えば、シリコンから構成され、第２伝播部２２２は、ＳｉＯ2から構成されている。 [Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in the plan view of FIG. 2A, the optical switch in this embodiment includes an input optical waveguide (first optical waveguide) 201, an output optical waveguide (second optical waveguide) 203, an input optical waveguide 201, and an output optical waveguide. And a propagation control unit 202 that introduces light guided through the input optical waveguide 201. The propagation control unit 202 includes a first propagation unit 221 made of a material capable of generating plasmons and extending in the light propagation direction, and a dielectric made of a material that contacts the first propagation unit and extends in the light propagation direction. A second propagation unit 222 is provided. The first propagation part 221 is made of, for example, silicon, and the second propagation part 222 is made of SiO 2 .

また、入力光導波路２０１は、例えば、図２Ｂの断面図に示すような、単結晶シリコンからなる断面円形のシリコンコア２１１より構成されている。これは、出力光導波路２０３に関しても同様であり、出力光導波路２０３も、シリコンコア２３１より構成されている。   Further, the input optical waveguide 201 is composed of a silicon core 211 having a circular cross section made of single crystal silicon, for example, as shown in the cross sectional view of FIG. 2B. The same applies to the output optical waveguide 203, and the output optical waveguide 203 is also composed of a silicon core 231.

また、本実施の形態における光スイッチは、第１伝播部２２１に光を導入する光導入部２２３，２２４を備える。光導入部２２３，２２４は、例えば、入力光導波路２０１および出力光導波路２０３と同様の導波路形状とすればよい。これら光導入部２２３，２２４により第１伝播部２２１に光を導入することで、第１伝播部２２１におけるプラズモンを制御する。例えば、図示しない光源と光導入部２２３，光導入部２２４とにより、第１伝播部２２１の第２伝播部２２２側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段が構成できる。   The optical switch according to the present embodiment includes light introducing units 223 and 224 that introduce light into the first propagation unit 221. The light introducing portions 223 and 224 may have a waveguide shape similar to that of the input optical waveguide 201 and the output optical waveguide 203, for example. By introducing light into the first propagation unit 221 by the light introduction units 223 and 224, plasmons in the first propagation unit 221 are controlled. For example, a control unit that controls the state of plasmons generated on the surface of the first propagation unit 221 on the second propagation unit 222 side can be configured by a light source (not shown) and the light introduction unit 223 and the light introduction unit 224.

また、伝播制御部２０２は、図２Ｃの断面図に示すように、断面円形の第２伝播部２２２の周囲を覆うように、第１伝播部２２１が形成されている。また、第１伝播部２２１の外形も、断面円形に形成されている。従って、第１伝播部２２１は、筒状に形成されていることになる。このように形成された、第１伝播部２２１の対向する側面に、光導入部２２３および光導入部２２４が接して設けられている。また、これらの寸法は、入力光導波路２０１および出力光導波路２０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。なお、第２伝播部２２２は、円柱形状としたが、これに限るものではない。例えば、第２伝播部２２２も、中空の円筒状としてもよい。   Further, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2C, the propagation control unit 202 has a first propagation part 221 formed so as to cover the periphery of the second propagation part 222 having a circular cross section. Moreover, the external shape of the 1st propagation part 221 is also formed in the cross-sectional circle shape. Therefore, the 1st propagation part 221 is formed in the cylinder shape. The light introduction part 223 and the light introduction part 224 are provided in contact with the opposite side surfaces of the first propagation part 221 formed in this way. These dimensions are within a range where there is no propagation mode of light guided through the input optical waveguide 201 and the output optical waveguide 203. In addition, although the 2nd propagation part 222 was made into the column shape, it does not restrict to this. For example, the second propagation part 222 may also have a hollow cylindrical shape.

次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。シリコンは、通常の電子密度でプラズモンを励起できる。シリコンは、価電子の動きが速いため、１００ｍｅＶ程度のプラズモンを励起することができる。従って、第１伝播部２２１の第２伝播部２２２の側の表面には、表面プラズモンポラリトンを励起することができ、前述した実施の形態１と同様に、伝播制御部２０２に光を伝播させることができる。   Next, the operation of the optical switch in the present embodiment will be described. Silicon can excite plasmons with normal electron density. Silicon can excite plasmons of about 100 meV because valence electrons move quickly. Therefore, surface plasmon polariton can be excited on the surface of the first propagation unit 221 on the second propagation unit 222 side, and light can be propagated to the propagation control unit 202 as in the first embodiment. Can do.

一方、シリコンに光照射すると、よく知られているように、二光子吸収などによりシリコン中に励起キャリアが生じる。このように生じたキャリアは、シリコン中に励起しているプラズモンの電子に関与し、プラズモンの状態を変化させ、分散関係も大きく変化させ、プラズモンが維持できない状態とする。このように、光照射によって電子−正孔対が多くなると、シリコンにおけるプラズモンは消失する。従って、光導入部２２３，２２４により、第１伝播部２２１に光を導入して電子密度を変化させることで、第１伝播部２２１におけるプラズモンを消滅させることができる。これにより、第１伝播部２２１の第２伝播部２２２の側の表面には、表面プラズモンポラリトンが励起できなくなり、伝播制御部２０２に光が伝播できなくなる。   On the other hand, when light is irradiated onto silicon, as is well known, excited carriers are generated in silicon due to two-photon absorption. The carriers generated in this way are involved in plasmon electrons excited in the silicon, change the plasmon state, greatly change the dispersion relationship, and make the plasmon unsustainable. Thus, when the number of electron-hole pairs is increased by light irradiation, plasmons in silicon disappear. Therefore, the plasmons in the first propagation part 221 can be extinguished by introducing light into the first propagation part 221 and changing the electron density by the light introduction parts 223 and 224. As a result, surface plasmon polariton cannot be excited on the surface of the first propagation unit 221 on the second propagation unit 222 side, and light cannot propagate to the propagation control unit 202.

このように、本実施の形態によれば、光導入部２２３，２２４による第１伝播部２２１に対する光導入を制御することで、第１伝播部２２１における入力光導波路２０１と出力光導波路２０３との間の光の透過を制御する。また、本実施の形態では、第１伝播部２２１および第２伝播部２２２とが断面円形で同軸としている。このため、第１伝播部２２１および第２伝播部２２２の境界（界面）には方向性がなく、光の偏光に依存せずに、入力光導波路２０１と出力光導波路２０３との間で光を透過させることができる。   As described above, according to the present embodiment, by controlling the light introduction to the first propagation part 221 by the light introduction parts 223 and 224, the input optical waveguide 201 and the output optical waveguide 203 in the first propagation part 221 are controlled. Control light transmission between. In the present embodiment, the first propagation part 221 and the second propagation part 222 have a circular cross section and are coaxial. For this reason, the boundary (interface) between the first propagation unit 221 and the second propagation unit 222 has no directionality, and light is not transmitted between the input optical waveguide 201 and the output optical waveguide 203 without depending on the polarization of light. Can be transmitted.

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図３Ａの平面図および図３Ｂの断面図に示すように、まず、入力光導波路（第１光導波路）３０１と出力領域３０３と、入力光導波路３０１と出力領域３０３との間に配置され、入力光導波路３０１を導波する光を導入する伝播制御領域３０２を備える。伝播制御領域３０２は、上部第１伝播部３２１および上部第２伝播部３２２を有する上部伝播制御部と、下部第１伝播部３２５および下部第２伝播部３２６を有する下部伝播制御部とを備える。 [Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. As shown in the plan view of FIG. 3A and the cross-sectional view of FIG. 3B, the optical switch in the present embodiment first includes an input optical waveguide (first optical waveguide) 301, an output region 303, an input optical waveguide 301, and an output region. And a propagation control region 302 for introducing light guided through the input optical waveguide 301. The propagation control region 302 includes an upper propagation control unit having an upper first propagation unit 321 and an upper second propagation unit 322, and a lower propagation control unit having a lower first propagation unit 325 and a lower second propagation unit 326.

上部伝播制御部と下部伝播制御部とは、上部第１伝播部３２１と下部第１伝播部３２５とが対向して配置されている。上部第１伝播部３２１および下部第１伝播部３２５は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、上部第２伝播部３２２および下部第２伝播部３２６は、例えばＳｉＯ2から構成されている。 The upper propagation control unit and the lower propagation control unit are arranged such that the upper first propagation unit 321 and the lower first propagation unit 325 are opposed to each other. The upper first propagation part 321 and the lower first propagation part 325 are made of, for example, a material that undergoes Mott transition such as BiTiO 3 having a perovskite structure, and the upper second propagation part 322 and the lower second propagation part 326 are made of, for example, SiO 2. It is composed of

また、伝播制御領域３０２の出力側の出力領域３０３においては、上部伝播制御部の出力側に接続する出力光導波路（第２光導波路）３０３ａと、下部伝播制御部の出力側に接続する出力光導波路（第３光導波路）３０３ｂとを備える。   In the output region 303 on the output side of the propagation control region 302, an output optical waveguide (second optical waveguide) 303a connected to the output side of the upper propagation control unit and an output light beam connected to the output side of the lower propagation control unit And a waveguide (third optical waveguide) 303b.

入力光導波路３０１は、前述した実施の形態１の入力光導波路１０１と同様に、単結晶シリコンからなるシリコン細線コア３１１より構成されている。また、出力光導波路３０３ａ，出力光導波路３０３ｂも同様に、シリコン細線コア３３１，３３２より構成されている。本実施の形態においては、上部第２伝播部３２２および下部第２伝播部３２６は、伝播方向に延在するシリコン細線コア３１１の中心線の延長線を境に、入力光導波路３０１との接続端より、各々異なる方向に屈曲している。このように屈曲して異なる領域に出力端を配置し、各々出力光導波路３０３ａおよび出力光導波路３０３ｂに接続している。なお、本実施の形態においても、各伝播部の寸法は、入力光導波路３０１および出力光導波路３０３ａ，３０３ｂを導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。   Similar to the input optical waveguide 101 of the first embodiment described above, the input optical waveguide 301 includes a silicon thin wire core 311 made of single crystal silicon. Similarly, the output optical waveguide 303a and the output optical waveguide 303b are composed of silicon thin wire cores 331 and 332, respectively. In the present embodiment, the upper second propagation part 322 and the lower second propagation part 326 are connected to the input optical waveguide 301 at the extension line of the center line of the silicon fine wire core 311 extending in the propagation direction. Therefore, each is bent in a different direction. The output ends are arranged in different regions by bending in this manner, and are connected to the output optical waveguide 303a and the output optical waveguide 303b, respectively. Also in this embodiment, the dimension of each propagation portion is set to a range in which there is no propagation mode of light guided through the input optical waveguide 301 and the output optical waveguides 303a and 303b.

また、上部伝播制御部においては、上部第１伝播部３２１および一部の上部第２伝播部３２２に接する電極３２３および電極３２４を備える。電極３２３および電極３２４は、伝播方向に平行な上部第１伝播部３２１の側部に設けられている。同様に、下部伝播制御部においては、下部第１伝播部３２５および一部の下部第２伝播部３２６に接する電極３２７および電極３２８を備える。電極３２７および電極３２８は、伝播方向に平行な下部第１伝播部３２５の側部に設けられている。   Further, the upper propagation control unit includes an electrode 323 and an electrode 324 that are in contact with the upper first propagation unit 321 and a part of the upper second propagation unit 322. The electrode 323 and the electrode 324 are provided on the side of the upper first propagation part 321 parallel to the propagation direction. Similarly, the lower propagation control unit includes an electrode 327 and an electrode 328 that are in contact with the lower first propagation unit 325 and a part of the lower second propagation unit 326. The electrode 327 and the electrode 328 are provided on the side of the lower first propagation part 325 parallel to the propagation direction.

また、本実施の形態における光スイッチ上部伝播制御部と下部伝播制御部とを絶縁分離するための絶縁層３２９を備える。このようにすることで、電極３２３，電極３２４の組と、電極３２７，電極３２８の組とにより、各々の伝播制御部の第１伝播部の第２伝播部の側の表面に生成されるプラズモンの状態を個別に制御することを可能としている。なお、便宜上、一方を上部とし、他方を下部としているが、これらを入れ替えても全く同じであることは、いうまでもない。   In addition, an insulating layer 329 is provided for insulating and separating the optical switch upper propagation control unit and the lower propagation control unit in the present embodiment. By doing in this way, the plasmon produced | generated on the surface by the side of the 2nd propagation part of the 1st propagation part of each propagation control part by the set of the electrode 323, the electrode 324, and the pair of the electrode 327, the electrode 328 It is possible to control the state of each individually. For convenience, one is the upper part and the other is the lower part, but it goes without saying that the two are interchangeable.

上述したように構成した本実施の形態における光スイッチにおいては、上部伝播制御部および下部伝播制御部において、前述した実施の形態１と同様に、上部第１伝播部３２１および下部第１伝播部３２５に電圧を印加し、各々における金属的な状態と絶縁体の状態とを切り替える。この切り替えにより、上部伝播制御部および下部伝播制御部において、表面プラズモンポラリトンが、励起される状態と励起されない状態とを切り替え、光が透過する状態と透過しない状態とを切り替える。   In the optical switch according to the present embodiment configured as described above, the upper first propagation unit 321 and the lower first propagation unit 325 are the same in the upper propagation control unit and the lower propagation control unit as in the first embodiment. A voltage is applied to each to switch between a metallic state and an insulator state. By this switching, in the upper propagation control unit and the lower propagation control unit, the surface plasmon polariton switches between the excited state and the unexcited state, and switches between the light transmitting state and the non-transmitting state.

また、本実施の形態における光スイッチにおいては、上部伝播制御部と下部伝播制御部とを個別に制御できるため、例えば、上部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起されて光が透過する状態とし、下部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起せずに光が透過しない状態とすることができる。このような状態に制御することで、入力光導波路３０１を導波してきた光が、出力光導波路３０３ａには透過するが、出力光導波路３０３ｂには透過しない状態にできる。   In the optical switch according to the present embodiment, the upper propagation control unit and the lower propagation control unit can be individually controlled. For example, in the upper propagation control unit, the surface plasmon polariton is excited and light is transmitted. In the lower propagation control unit, the surface plasmon polariton is not excited and light is not transmitted. By controlling in such a state, the light guided through the input optical waveguide 301 can be transmitted through the output optical waveguide 303a but not transmitted through the output optical waveguide 303b.

また、上部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起せずに光が透過しない状態とし、下部伝播制御部においては、表面プラズモンポラリトンが励起して光が透過する状態とすることができる。このような状態に制御することで、入力光導波路３０１を導波してきた光が、出力光導波路３０３ａには透過しないが、出力光導波路３０３ｂには透過する状態にできる。   In the upper propagation control unit, the surface plasmon polariton is not excited and light is not transmitted, and in the lower propagation control unit, the surface plasmon polariton is excited and light is transmitted. By controlling in such a state, the light guided through the input optical waveguide 301 is not transmitted through the output optical waveguide 303a but can be transmitted through the output optical waveguide 303b.

以上に例示したように、本実施の形態によれば、光の分岐先を偏光する光スイッチが実現できる。   As illustrated above, according to the present embodiment, an optical switch that polarizes the light branch destination can be realized.

また、上述では、上部第１伝播部３２１および下部第１伝播部３２５を同じ材料から構成し、また、上部第２伝播部３２２および下部第２伝播部３２６を同じ材料から構成したが、これに限るものではない。例えば、これらを、各々異なる材料で構成し、上部第１伝播部３２１に励起される表面プラズモンポラリトンと下部第１伝播部３２５に励起される表面プラズモンポラリトンとの励起モードが異なるものとしてもよい。このように構成することで、上部伝播制御部と下部伝播制御部とで、透過可能な光の波長を異なるものとすることができ、波長選択的な分岐光スイッチが実現できる。   In the above description, the upper first propagation part 321 and the lower first propagation part 325 are made of the same material, and the upper second propagation part 322 and the lower second propagation part 326 are made of the same material. It is not limited. For example, they may be made of different materials, and the excitation modes of the surface plasmon polariton excited by the upper first propagation part 321 and the surface plasmon polariton excited by the lower first propagation part 325 may be different. With this configuration, the wavelength of light that can be transmitted can be made different between the upper propagation control unit and the lower propagation control unit, and a wavelength selective branching optical switch can be realized.

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図４Ａの平面図および図４Ｂの断面図に示すように、まず、入力光導波路４０１と出力領域４０３と、入力光導波路４０１と出力領域４０３との間に配置され、入力光導波路４０１を導波する光を導入する第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂを備える。第１伝播制御部４０２ａは、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部４２１と、第１伝播部４２１の電波方向に延在する第１側面に接して配置された誘電体からなる第２伝播部４２２とを備える。また、第２伝播制御部４０２ｂは、第１伝播部４２１と、第１伝播部４２１の第１側面に直交して電波方向に延在する第２側面に接して光の伝播方向に延在し、第２伝播部４２２と同様の誘電体からなる第３伝播部とを備える。 [Embodiment 4]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. As shown in the plan view of FIG. 4A and the cross-sectional view of FIG. 4B, the optical switch in the present embodiment is first disposed between the input optical waveguide 401 and the output region 403, and between the input optical waveguide 401 and the output region 403. The first propagation control unit 402a and the second propagation control unit 402b for introducing light guided through the input optical waveguide 401 are provided. The first propagation control unit 402a is made of a material capable of generating plasmons and is in contact with the first propagation unit 421 extending in the light propagation direction and the first side surface extending in the radio wave direction of the first propagation unit 421. And a second propagation part 422 made of a dielectric material. The second propagation control unit 402b extends in the light propagation direction in contact with the first propagation unit 421 and the second side surface extending in the radio wave direction perpendicular to the first side surface of the first propagation unit 421. And a third propagation part made of the same dielectric material as the second propagation part 422.

本実施の形態では、第１伝播制御部４０２ａと第２伝播制御部４０２ｂとは、第１伝播部４２１を共通としている。また、第１側面および第２側面は、伝播方向に延在している第１伝播部４２１の側面である。なお、第１伝播部４２１は、例えば、ペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3などのモット転移する材料から構成され、第２伝播部４２２および第３伝播部４２３は、例えばＳｉＯ2から構成されている。 In the present embodiment, the first propagation control unit 402a and the second propagation control unit 402b share the first propagation unit 421. The first side surface and the second side surface are side surfaces of the first propagation part 421 extending in the propagation direction. The first propagation part 421 is made of, for example, a material that undergoes Mott transition such as BiTiO 3 having a perovskite structure, and the second propagation part 422 and the third propagation part 423 are made of, for example, SiO 2 .

また、出力側の出力領域４０３においては、第１伝播制御部４０２ａの出力側に接続する出力光導波路（第２光導波路）４０３ａを備える。また、出力領域４０３において、第２伝播制御部４０２ｂの出力側に接続する出力光導波路（第３光導波路）４０３ｂを備える。   The output region 403 on the output side includes an output optical waveguide (second optical waveguide) 403a connected to the output side of the first propagation control unit 402a. Further, the output region 403 includes an output optical waveguide (third optical waveguide) 403b connected to the output side of the second propagation control unit 402b.

入力光導波路４０１は、前述した実施の形態１および実施の形態３と同様に、単結晶シリコンからなるシリコン細線コア４１１より構成されている。また、出力光導波路４０３ａ，出力光導波路４０３ｂも同様に、シリコン細線コア４３１，４３２より構成されている。本実施の形態においては、第２伝播部４２２は、入力側から出力側にかけて、第３伝播部４２３が形成されている側より離れるように屈曲している。このように屈曲することで、第２伝播部４２２より構成される第１伝播制御部４０２ａの出力端と、第３伝播部４２３より構成される第２伝播制御部４０２ｂの出力端とを、異なる領域に配置し、各々出力光導波路４０３ａおよび出力光導波路４０３ｂに接続している。   The input optical waveguide 401 is composed of a silicon fine wire core 411 made of single crystal silicon, as in the first and third embodiments. Similarly, the output optical waveguide 403a and the output optical waveguide 403b are composed of silicon thin wire cores 431 and 432, respectively. In the present embodiment, the second propagation part 422 is bent from the input side to the output side so as to be separated from the side where the third propagation part 423 is formed. By bending in this way, the output end of the first propagation control unit 402a configured by the second propagation unit 422 is different from the output end of the second propagation control unit 402b configured by the third propagation unit 423. They are arranged in the region and connected to the output optical waveguide 403a and the output optical waveguide 403b, respectively.

また、上述した第２側面に対向し、第１側面に接している第１伝播部４２１の第３側面に接して配置された電極４２４を備える。また、第１伝播部４２１の第２側面には、電極４２５が形成されている。言い換えると、電極４２４と電極４２５とは、第１伝播部４２１を挟むように形成されている。なお、本実施の形態においても、各伝播部の寸法は、入力光導波路４０１および出力光導波路４０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。   Moreover, the electrode 424 arrange | positioned in contact with the 3rd side surface of the 1st propagation part 421 which opposes the 2nd side surface mentioned above and is in contact with the 1st side surface is provided. An electrode 425 is formed on the second side surface of the first propagation part 421. In other words, the electrode 424 and the electrode 425 are formed so as to sandwich the first propagation part 421. Also in this embodiment, the dimension of each propagation part is set to a range where there is no propagation mode of light guided through the input optical waveguide 401 and the output optical waveguide 403.

上述した本実施の形態の光スイッチでは、前述した実施の形態１と同様に、電極４２４と電極４２５とにより第１伝播部４２１に電圧を印加し、金属的な状態と絶縁体の状態とを切り替えることで、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂの両方で、表面プラズモンポラリトンが、励起される状態と励起されない状態とを切り替えることができる。これにより、本実施の形態では、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂの両方で、光が透過する状態と透過しない状態とを切り替えることができる。   In the optical switch of the present embodiment described above, a voltage is applied to the first propagation part 421 by the electrode 424 and the electrode 425 in the same manner as in the first embodiment described above, so that the metallic state and the state of the insulator are changed. By switching, the surface plasmon polariton can be switched between the excited state and the non-excited state in both the first propagation control unit 402a and the second propagation control unit 402b. Thereby, in this Embodiment, the state which light permeate | transmits can be switched in both the 1st propagation control part 402a and the 2nd propagation control part 402b.

また、本実施の形態においては、第１伝播制御部４０２ａと第２伝播制御部４０２ｂとでは、表面プラズモンポラリトンが励起される面が、互いに垂直な関係となっている。このため、例えば、第１伝播制御部４０２ａは、ＴＭ偏光が透過可能であり、第２伝播制御部４０２ｂは、ＴＥ偏光が透過可能となる。前述したように、励起できる表面プラズモンポラリトンは、第１伝播部４２１の励起される面に平行な光磁場の光に限られる。このため、第１伝播制御部４０２ａで励起可能な表面プラズモンポラリトンと、第２伝播制御部４０２ｂで励起可能な表面プラズモンポラリトンとでは、入射光の光磁場が互いに直交する関係となる。   In the present embodiment, in the first propagation control unit 402a and the second propagation control unit 402b, the surfaces on which the surface plasmon polaritons are excited are in a relationship perpendicular to each other. Therefore, for example, the first propagation control unit 402a can transmit TM polarized light, and the second propagation control unit 402b can transmit TE polarized light. As described above, the surface plasmon polariton that can be excited is limited to the light of the optical magnetic field parallel to the surface to be excited of the first propagation part 421. For this reason, the surface plasmon polariton that can be excited by the first propagation control unit 402a and the surface plasmon polariton that can be excited by the second propagation control unit 402b have a relationship in which the optical magnetic fields of incident light are orthogonal to each other.

このように、本実施の形態によれば、入力光導波路４０１を導波してきた光の偏光状態に依存し、出力光導波路４０３ａおよび出力光導波路４０３ｂのいずれかに分岐する光スイッチが実現できる。   Thus, according to the present embodiment, an optical switch that branches to either the output optical waveguide 403a or the output optical waveguide 403b depending on the polarization state of the light guided through the input optical waveguide 401 can be realized.

例えば、第１伝播部４２１を構成するペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3が金属状態の場合、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との重ね合わせ状態の偏光を持つ光、もしくは無偏光状態の光が、入力導波路４０１より入射すると、各々の偏光状態に従って、第１伝播部４２１と第２伝播部４２２との境界、もしくは第１伝播部４２１と第３伝播部４２３との境界を、表面プラズモンポラリトンにより伝播する。 For example, when BiTiO 3 having a perovskite structure constituting the first propagation unit 421 is in a metal state, light having a polarization state of superposition of TE polarization and TM polarization or light in a non-polarization state is input from the input waveguide 401. When incident, according to each polarization state, the boundary between the first propagation part 421 and the second propagation part 422 or the boundary between the first propagation part 421 and the third propagation part 423 is propagated by the surface plasmon polariton.

一方、第１伝播部４２１を構成するペロブスカイト構造のＢｉＴｉＯ3が絶縁体の状態では、上述したいずれの境界においても表面プラズモンポラリトンは励起せず、いずれの偏光状態の光も、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂを伝播することができない。 On the other hand, when BiTiO 3 having a perovskite structure constituting the first propagation part 421 is in an insulator state, the surface plasmon polariton is not excited at any of the above-described boundaries, and light in any polarization state is not transmitted to the first propagation control part. 402a and the second propagation control unit 402b cannot be propagated.

以上に説明したように、入力光導波路４０１より入力（入射）したＴＥ偏光，ＴＭ偏光の光は、第１伝播部４２１がプラズモンが生成可能な状態（ＢｉＴｉＯ3が金属的な状態）であれば、各々の偏光状態に対応し、第１伝播制御部４０２ａおよび第２伝播制御部４０２ｂを透過し、出力光導波路４０３ａおよび出力光導波路４０３ｂに分岐する。本実施の形態においては、電極４２４と電極４２５との間に数ボルト程度の電圧を印加し、ＢｉＴｉＯ3を金属的な状態と絶縁体の状態とに変化させることで、偏光に依存した光スイッチ動作が可能となる。また、第２伝播部４２２と第３伝播部４２３とを異なる誘電体から構成することで、各々における表面プラズモンポラリトンの励起モードを変えることができ、波長選択的な分岐光スイッチが実現できる。 As described above, the TE-polarized light and TM-polarized light input (incident) from the input optical waveguide 401 are in a state where the first propagation unit 421 can generate plasmons (BiTiO 3 is in a metallic state). Corresponding to each polarization state, the light passes through the first propagation control unit 402a and the second propagation control unit 402b, and branches to the output optical waveguide 403a and the output optical waveguide 403b. In the present embodiment, a voltage of about several volts is applied between the electrode 424 and the electrode 425, and BiTiO 3 is changed between a metallic state and an insulating state, whereby an optical switch depending on polarization. Operation is possible. Further, by configuring the second propagation unit 422 and the third propagation unit 423 from different dielectrics, the excitation mode of the surface plasmon polariton in each can be changed, and a wavelength selective branching optical switch can be realized.

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態における光スイッチは、図５Ａの平面図および図５ｂの平面図に示すように、まず、入力光導波路（第１光導波路）５０１と出力光導波路（第２光導波路）５０３と、入力光導波路５０１と出力光導波路５０３との間に配置され、入力光導波路５０１を導波する光を導入する伝播制御部５０２を備える。伝播制御部５０２は、プラズモンが生成可能な材料から構成されて光の伝播方向に延在する第１伝播部５２１、および誘電体から構成されて第１伝播部５２１と接して光の伝播方向に延在する第２伝播部５２２を備える。第１伝播部５２１は、例えば、シリコンから構成され、第２伝播部５２２は、ＳｉＯ2から構成されている。 [Embodiment 5]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. As shown in the plan view of FIG. 5A and the plan view of FIG. 5b, the optical switch in the present embodiment first includes an input optical waveguide (first optical waveguide) 501 and an output optical waveguide (second optical waveguide) 503. A propagation control unit 502 is disposed between the input optical waveguide 501 and the output optical waveguide 503 and introduces light guided through the input optical waveguide 501. The propagation control unit 502 is made of a material capable of generating plasmons and extends in the light propagation direction. The propagation control unit 502 is made of a dielectric and contacts the first propagation unit 521 in the light propagation direction. An extended second propagation part 522 is provided. The first propagation part 521 is made of, for example, silicon, and the second propagation part 522 is made of SiO 2 .

また、入力光導波路５０１は、図５Ｂの断面図に示すように、第１伝播部５２１の側に配置された第１部分５１１と、第１部分５１１に接触して積層された第２部分５１２とから構成されている。また、第１部分５１１と第２部分５１２との界面には、光の伝播方向に延在する回折格子を備える。また、この回折格子が形成されている界面は、第１伝播部５２１と第２伝播部５２２との界面に接続するように配置されている。これは、出力光導波路５０３においても同様であり、出力光導波路５０３も、第１部分５３１と第２部分５３２との積層構造とされている。   Further, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5B, the input optical waveguide 501 includes a first portion 511 disposed on the first propagation part 521 side and a second portion 512 stacked in contact with the first portion 511. It consists of and. In addition, a diffraction grating extending in the light propagation direction is provided at the interface between the first portion 511 and the second portion 512. In addition, the interface where the diffraction grating is formed is disposed so as to connect to the interface between the first propagation part 521 and the second propagation part 522. The same applies to the output optical waveguide 503, and the output optical waveguide 503 has a laminated structure of the first portion 531 and the second portion 532.

このように構成された入力光導波路５０１において、第１部分５１１は、金属もしくは半導体から構成されている。第１部分５１１は、例えばシリコンから構成されている。また、第２部分５１２は、誘電体から構成され、例えば、酸化シリコンから構成されている。これらのことは、出力光導波路５０３の第１部分５３１および第２部分５３２も同様である。なお、本実施の形態においても、各伝播部の寸法は、入力光導波路５０１および出力光導波路５０３を導波する光の伝播モードが存在しない範囲とする。   In the input optical waveguide 501 configured as described above, the first portion 511 is made of metal or semiconductor. The first portion 511 is made of, for example, silicon. The second portion 512 is made of a dielectric material, for example, silicon oxide. The same applies to the first portion 531 and the second portion 532 of the output optical waveguide 503. Also in this embodiment, the dimension of each propagation portion is set to a range in which there is no propagation mode of light guided through the input optical waveguide 501 and the output optical waveguide 503.

また、本実施の形態における光スイッチは、図５Ｃの断面図に示すように、第１伝播部５２１に光を導入する光導入部５２３，５２４を備える。光導入部５２３，５２４は、例えば、シリコンコアとクラッドとによる光導波路であればよい。光導入部５２３，５２４により第１伝播部５２１に光を導入することで、第１伝播部５２１におけるプラズモンを制御する。例えば、図示しない光源と光導入部５２３，光導入部５２４とにより、第１伝播部５２１の第２伝播部５２２側の表面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段が構成できる。   In addition, the optical switch according to the present embodiment includes light introducing sections 523 and 524 that introduce light into the first propagation section 521 as shown in the cross-sectional view of FIG. 5C. The light introducing portions 523 and 524 may be, for example, an optical waveguide having a silicon core and a clad. The plasmon in the first propagation part 521 is controlled by introducing light into the first propagation part 521 by the light introduction parts 523 and 524. For example, a control unit that controls the state of plasmons generated on the surface of the first propagation unit 521 on the second propagation unit 522 side can be configured by a light source (not shown) and the light introduction unit 523 and the light introduction unit 524.

次に、本実施の形態における光スイッチの動作について説明する。本実施の形態では、入力光導波路５０１および出力光導波路５０３に、回折格子を備えるところに特徴がある。前述したように、表面プラズモンポラリトンを励起する方法には、エンド−ファイアー法の他に、回折格子やプリズムを用いた方法がある（非特許文献２参照）。   Next, the operation of the optical switch in the present embodiment will be described. The present embodiment is characterized in that the input optical waveguide 501 and the output optical waveguide 503 are provided with diffraction gratings. As described above, the method for exciting the surface plasmon polariton includes a method using a diffraction grating and a prism in addition to the end-fire method (see Non-Patent Document 2).

この方法は、入力光導波路５０１（第１部分５１１）を伝播する光に対し、回折格子の格子間隔で決定される運動量変化を与え、固体（第１伝播部５２１）中のプラズモンと光のエネルギー分散関係を満たすようにすることで、第１伝播部５２１の第２伝播部５２２側の表面に、表面プラズモンポラリトンを励起する。この励起方法では、回折格子の格子間隔を変えると、励起する表面プラズモンポラリトンの伝播モードが変化し、伝播制御部５０２を伝播させることができる光の波長が選択されるようになる。ここで、選択できる光の波長は、１〜１０μｍ程度である。   This method gives a momentum change determined by the grating spacing of the diffraction grating to the light propagating through the input optical waveguide 501 (first portion 511), and the plasmon and light energy in the solid (first propagation unit 521). By satisfying the dispersion relationship, surface plasmon polaritons are excited on the surface of the first propagation unit 521 on the second propagation unit 522 side. In this excitation method, when the grating interval of the diffraction grating is changed, the propagation mode of the surface plasmon polariton to be excited changes, and the wavelength of light that can be propagated through the propagation control unit 502 is selected. Here, the wavelength of light that can be selected is about 1 to 10 μm.

また、本実施の形態においては、伝播制御部５０２の第１伝播部５２１と第２伝播部５２２との境界を伝播する表面プラズモンポラリトンの偏光方向は、ＴＭ偏光となる。従って、入力光導波路５０１を伝播してきた光の偏光状態が無偏光状態であっても、伝播制御部５０２における表面プラズモンポラリトンの励起により、ＴＭ偏光だけが選択されるようになる。また、前述したように、伝播制御部５０２の寸法は、導波する光の伝播モードが存在しない範囲としているので、伝播制御部５０２を通常光が導波することはない。   In the present embodiment, the polarization direction of the surface plasmon polariton propagating on the boundary between the first propagation unit 521 and the second propagation unit 522 of the propagation control unit 502 is TM polarized light. Therefore, even if the polarization state of the light propagating through the input optical waveguide 501 is a non-polarization state, only the TM polarization is selected by the excitation of the surface plasmon polariton in the propagation control unit 502. Further, as described above, since the size of the propagation control unit 502 is set in a range in which there is no propagation mode of guided light, normal light is not guided through the propagation control unit 502.

また、本実施の形態では、前述した実施の形態２と同様に、光導入部５２３，５２４により第１伝播部５２１に光照射することで、第１伝播部５２１における表面プラズモンポラリトンの励起を停止させるなどの制御を行うことができる。このような第１伝播部５２１における電子密度の制御により、本実施の形態における光スイッチにおいても、伝播制御部５０２における光の伝播（透過）が制御できる。なお、シリコンからなる第１伝播部５２１における電子密度の制御は、上述したような光照射に限るものではない。例えば、ＳｉＯ2からなる第２伝播部５２２の第１伝播部５２１の反対側にゲート電極を設け、ゲート電極に印加する電圧による電界効果で、第１伝播部５２１の電子密度を制御することもできる。 Further, in the present embodiment, similarly to the second embodiment described above, excitation of surface plasmon polariton in the first propagation part 521 is stopped by irradiating the first propagation part 521 with the light introduction parts 523 and 524. Control can be performed. By controlling the electron density in the first propagation unit 521, the propagation (transmission) of light in the propagation control unit 502 can be controlled also in the optical switch in the present embodiment. Note that the control of the electron density in the first propagation part 521 made of silicon is not limited to the light irradiation as described above. For example, a gate electrode may be provided on the opposite side of the second propagation part 522 made of SiO 2 to the first propagation part 521, and the electron density of the first propagation part 521 may be controlled by a field effect due to a voltage applied to the gate electrode. it can.

なお、上述した各実施の形態において、第２伝播部をＳｉＯ2から構成するようにしたが、これに限るものではなく、他の誘電体から構成してもよい。例えば、第２伝播部は、空気の層から構成してもよい。 In each of the above-described embodiments, the second propagation part is made of SiO 2 , but is not limited to this, and may be made of another dielectric. For example, the second propagation part may be composed of an air layer.

また、上述した各実施の形態の各々において、第１伝播部は、モット絶縁体もしくはシリコンのいずれかで構成するものに置き換えてもよい。また、シリコンの代わりにゲルマニウムを用いるようにしてもよい。ただし、第１伝播部にモット絶縁体を用いる場合は、電極など電圧が印加できるように制御手段を構成すればよい。また、第１伝播部にシリコンやゲルマニウムを用いる場合は、光源および光導波路など光が照射できるように制御手段を構成すればよい。また、実施の形態１〜４においても、実施の形態５と同様に、回折格子を用いた入力光導波路および出力光導波路を適用させることができる。   Further, in each of the above-described embodiments, the first propagation part may be replaced with one constituted by either a Mott insulator or silicon. Further, germanium may be used instead of silicon. However, when a Mott insulator is used for the first propagation part, the control means may be configured so that a voltage such as an electrode can be applied. Further, when silicon or germanium is used for the first propagation part, the control means may be configured so that light such as a light source and an optical waveguide can be irradiated. In the first to fourth embodiments, as in the fifth embodiment, an input optical waveguide and an output optical waveguide using a diffraction grating can be applied.

本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical switch in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図であり、図１ＡのＢＢ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 1 of this invention, and is BB cross section of FIG. 1A. 本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す断面図であり、図１ＡのＣＣ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 1 of this invention, and is CC cross section of FIG. 1A. 本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical switch in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図であり、図２ＡのＢＢ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 2 of this invention, and is BB cross section of FIG. 2A. 本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す断面図であり、図２ＡのＣＣ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 2 of this invention, and is CC cross section of FIG. 2A. 本発明の実施の形態３における光スイッチの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical switch in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態３における光スイッチの構成を示す断面図であり、図３ＡのＢＢ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 3 of this invention, and is BB cross section of FIG. 3A. 本発明の実施の形態４における光スイッチの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical switch in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態４における光スイッチの構成を示す断面図であり、図４ＡのＢＢ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 4 of this invention, and is BB cross section of FIG. 4A. 本発明の実施の形態５における光スイッチの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical switch in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態５における光スイッチの構成を示す断面図であり、図５ＡのＢＢ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 5 of this invention, and is BB cross section of FIG. 5A. 本発明の実施の形態５における光スイッチの構成を示す断面図であり、図５ＡのＣＣ断面である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch in Embodiment 5 of this invention, and is CC cross section of FIG. 5A.

符号の説明Explanation of symbols

１０１…入力光導波路（第１光導波路）、１０２…伝播制御部、１０３…出力光導波路（第２光導波路）、１１１…シリコン細線コア、１２１…第１伝播部、１２２…第２伝播部、１２３，１２４…電極、１３１…シリコン細線コア。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Input optical waveguide (1st optical waveguide), 102 ... Propagation control part, 103 ... Output optical waveguide (2nd optical waveguide), 111 ... Silicon wire core, 121 ... 1st propagation part, 122 ... 2nd propagation part, 123, 124 ... electrodes, 131 ... silicon fine wire core.

Claims (4)

入力側に接続する第１光導波路を導波する光を導入し、プラズモンが生成可能なモット転移する材料から構成されて前記光の伝播方向に延在する第１伝播部、および誘電体から構成されて前記第１伝播部と接して前記光の伝播方向に延在する第２伝播部を各々有して前記光を伝播する伝播制御部および他の伝播制御部と、
前記伝播制御部の出力側に接続する第２光導波路と、
前記他の伝播制御部の出力側に接続する第３光導波路と、
前記第１伝播部と前記第２伝播部側との界面に生成されるプラズモンの状態を制御する制御手段と
を少なくとも備え、
前記伝播制御部および他の伝播制御部は、各々の前記第１伝播部が対向して配置され、
前記制御手段は、各々の前記伝播制御部および他の伝播制御部の前記第１伝播部と前記第２伝播部との界面に生成されるプラズモンの状態を個別に制御し、
前記制御手段は、少なくとも前記第１伝播部に接して設けられて前記第１伝播部に電圧を印加する電極を少なくとも含むことを特徴とする光スイッチ。 Introduced light guided through a first optical waveguide connected to the input side, composed of a Mott transition material capable of generating plasmons, and composed of a first propagation part extending in the light propagation direction, and a dielectric and propagating the control unit and other propagation control section for propagating each chromatic to the light a second propagation portion extending in the direction of propagation of the light in contact with the first propagation section is,
A second optical waveguide connected to the output side of the propagation control unit;
A third optical waveguide connected to the output side of the other propagation control unit;
Comprising at least a control means for controlling the state of the plasmon generated at the interface between the second propagation portion side to the first propagation section,
The propagation control unit and other propagation control units are arranged so that the first propagation units face each other,
The control means individually controls the state of plasmons generated at the interface between the first propagation unit and the second propagation unit of each of the propagation control units and other propagation control units,
The optical switch includes at least an electrode that is provided in contact with at least the first propagation part and applies a voltage to the first propagation part . 請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部は、前記第２伝播部の周囲を覆うように形成されている
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to claim 1, wherein
The first propagation part is formed so as to cover the periphery of the second propagation part. 請求項２記載の光スイッチにおいて、
前記第１伝播部および第２伝播部は、断面円形に形成されている
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to claim 2 , wherein
The optical switch, wherein the first propagation part and the second propagation part are formed in a circular cross section. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
前記第１光導波路および前記第２光導波路は、第１部分とこの第１部分に接触して積層された第２部分とから構成され、前記第１部分と前記第２部分との界面は、前記第１伝播部と前記第２伝播部との界面に接続するように配置されて前記光の伝播方向に延在する回折格子を備え、
前記第１部分は、金属もしくは半導体から構成され、
前記第２部分は、誘電体から構成されている
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to any one of claims 1 to 3 ,
The first optical waveguide and the second optical waveguide are composed of a first portion and a second portion laminated in contact with the first portion, and an interface between the first portion and the second portion is: A diffraction grating arranged to connect to an interface between the first propagation part and the second propagation part and extending in the light propagation direction;
The first part is made of metal or semiconductor,
The optical switch is characterized in that the second portion is made of a dielectric.
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