JPH01934A - 光スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光路の切換えや光強度の変調を行う光スイッチ
に関する。

〔従来の技術〕

近年、光ファイバを用いた光通信システムが実用性の段
階も抑え、基本的な構成部品即ち光源、伝送路、及び受
光器から成る光システムの開発が進んでいる。前記の基
本的構成部品に次いで光スイッチ、光変調素子等の開発
はより高度の光システムの実現のために強く望まれてい
る。

光スイッチは光伝送路や受発光素子の障害時の切換えや
将来の光交換に用いられ、（１）機械式。

（２）電気光学式、（３）音響光学式、（４）磁気光学
式、（５）熱光学式、（６）分子配向利用方式、等に分
けられる。

光スイッチとしてはＰＬＺＴ導波層内にいくつかのポー
トを設け、電圧印加によるＰＬＺＴの屈折率変化を利用
して光路を切換えるものが考えられている。この種の光
スイッチとして１例えば電子通信学会技術研究報告、オ
ー・キュー・イー・８４−１６．（１９８４年）第５７
頁〜に記載されているものがある。

光変調素子としてはＬｉＮｂ０ａ導波路を用いる進行波
型のものが各種研究されている。この種の光変調素子と
して、例えば電子通信学会誌６９巻（１９８６年）第１
４１頁〜に記載されているものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記したこれらの従来技術は電気光学効果に伴う物質の
屈折率変化を利用している。この屈折率変化は１％以内
と小さいため、例えば導波路内を伝搬する光の光路切換
え等しかできなかった。

本発明の目的は、導波路を用いなくとも動作する簡素な
構成の光スイッチを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では超伝導体を用いてその超伝導一常伝導間の状
態変化に伴う光との相互作用の変化を利用して光スイッ
チを構成することにより、上記目的を達成する。

〔作用〕

超伝導状態の物質に光を照射するとマイスナー効果によ
って光は反射される１次に、温度、電流、及び磁界等に
よって物質を常伝導状態に転移させるとマイスナー効果
は消失して反射光量が減少する。このとき超伝導物質の
膜厚を適当に選ぶことによって超伝導状態と常伝導状態
の反射率あるいは透過率の変化を任意に設定することが
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を用いて説明する０図
中、１０は透明な基板２０上に形成された超伝導体の薄
膜を示す、超伝導体とは臨界温度Ｔｃ以下に冷却すると
完全導電性及び完全反磁性を示す物質で、磁気的性質に
応じて第１種及び第２種に分けられる。第２図（ａ）に
示す第１種超伝導体では、磁界Ｈを印加すると臨界値）
Ｉｃで完全反磁性の状態（マイスナー状態）が壊れ、常
伝導状態への転移が生じる。このようなものにはＰｂ、
Ｉｎ、Ｓｎ等の単元素金属が多い、また第２図（ｂ）に
示す第２種超伝導体では磁界を印加したとき下部臨界磁
界ＨＣ１で超伝導体内に束線ｖｏｒｔｅｘが侵入し、混
合状態となる。さらに磁界を強めていくと上部臨界磁界
Ｈｃｚで常伝導状態へ転移する。このようなものにはＮ
　ｂ　Ｔ　ｚ　＊ＮｂａＳｎ　等の合金、化合物材料が
多い、マイスナー状態においては、完全導体における電
磁波の反射ごとく超伝導体表面で光は反射される。

第３図を用いて本発明の光スイッチの動作を説明する。

第３図（ａ）は超伝導状態の光スイッチに光を入射した
場合を示す、入射光１００は超伝導体１０のマイスナー
効果により反射され、１１０はその反射光を表す、これ
をｏｆｆ状態とする。

第３図（ｂ）は常伝導状態の光スイッチの動作を示す。

マイスナー効果がないために入射光１００は光スイッチ
を透過する。これをｏｎ状態とする。

ｏｎ状態とｏｆｆ状態の間の反射率や透過率の変化は超
伝導体の膜厚によって変えることができる。透過光量を
例として以下にこれを説明する。

超伝導体の磁界侵入深さλＢは λｇ＝　（ｍ／ｅ”ｕｏｎｓ）ｉ／ｚ　　　　　（１）
で表わされる。このときｍは電子の質量、−ｅは電子の
電荷、μ０は真空中の透磁率、ｎｓ／ｚは超伝導電子対
の密度をそれぞれ表す、光は電磁波であるため、光の侵
入深さλＢはλｓ二λＢである。

今、超伝導体の膜厚をｄとし、ｏｆｆ状態の透過光量Ｔ
ｏｗｎについて考える。ｄ＞λＢのときＴ。１゜；０で
ある。ｄを次第に小さくしていくとｄ二λＳのとき透過
光が現れ始めＴｏｊｆ＞Ｏとなる。

さらにｄを小さくするとｄ（λＢのときＴｏｚｚ二１と
なる＊Ｔｏｔｘとｄの関係を第４図（ａ）に示す。

ｏｎ状態では超伝導体は常伝導状態にあるので、マイス
ナー効果を生じないため、光の侵入深さλ、〉λＢとな
る。膜厚ｄと透過光量Ｔｏｌｌの関係は第４図（ｂ）の
ようになる、このとき消光比（Ｔｅｌｌ／　Ｔａｎｇ　
）は第４図（ｃ）のような特性となり、ｄ　＝　ｄ　ｏ
において最大値をとる。光スイッチとしては一般に消光
比の大きなものが望まれるので超伝導体の膜厚はｄＯが
好ましい。また用途によって消光比を設定したい場合に
は超伝導体の膜厚を変えて対応することができる。その
際、Ｏ＜　ｄ　＜　ｄ　ｏとすればｄ　ｏ　＜　ｄに比
べてＴｏｎが大きいので光源のパワーが小さくてすむ。

ここでは透過光を利用する場合を示したが、測射光を利
用することも可能である。その際、入射角度を変えるこ
とによって、入射光と反射光の光軸を分離すれば、透過
光と反射光の両方を利用し。

かつ各光が干渉し合ない光スイッチを実現することがで
きる。

実用の光スイッチでは、第１図や第３図で示した膜構成
の他に、導波層や保護層を組合せて用いることが多い０
本発明の要点は超伝導体を用い、その超伝導一常伝導間
の状態変化（マイスナー効果の有無）を光スイッチに利
用する点、及び超伝導体の膜厚を（１）式で表わされる
磁界侵入深さλＢ（二λｓ＜λｎ）程度として、膜厚を
変えて消光比を変える点にある。また導波路を用いなく
ても小型の素子を実現できるため、波長の異なる光のス
イッチングが可能である。さらに、ジョセフソン素子に
代表されるように超伝導体を用いた素子の動作の高速な
ので、本発明の光スイッチも高速動作が可能である。

超伝導体を超伝導一常伝導間で転移させて、光スイッチ
を動作する手段について説明する６第５図に示すように
超伝導体は臨界条件（臨界温度Ｔ　ｃ。

臨界磁場Ｈｃ、臨界電流ＩＣ）内で超伝導状態にある。

これらの条件の１つ、あるいは任意の組合せによって超
伝導体を常伝導状態に転移させることができる。

第６図は本発明の光スイッチを磁場によって動作させる
方法の実施例を示す。図中、１０は超伝導体、２０．は
基板、３０は磁界発生部、３１は磁界発生用の電源、３
２はスイッチ、１００は入射光をそれぞれ表す。スイッ
チ３２を閉じると、磁界Ｈ（Ｈ＞Ｈｃ　）が発生し、超
伝導体１０は常伝導状態となり入射光１００を透過する
ようになる。

スイッチ３２を開くとＨ＜　Ｈｃとなり超伝導体１０は
超伝導状態に戻り、入射光１００を反射するようになる
。

第７図は本発明の光スイッチを温度制御によって動作さ
せる方法の実施例を示す０図中、１０は超伝導体、２０
は基板、４０は加熱部、４１は加熱用の電源、４２はス
イッチ、１００は入射光をそれぞれ表す、スイッチ４２
を閉じると加熱部４０が発熱し、熱伝導によって超伝導
体１０の温度Ｔが上昇する。　Ｔ　＞　Ｔ　ｃとなると
超伝導体１０は常伝導状態となり入射光１００を透過す
ることができる０次にスイッチ４２を開くと超伝導体１
０の温度Ｔが下降し、Ｔ　＜　Ｔ　ｃとなると超伝導体
１０は超伝導状態に戻り入射光１００を反射するように
なる。

第８図は本発明の光スイッチを超伝導電流によって動作
させる方法の実施例を示す０図中、１０は超伝導体、２
０は基板、５０は超伝導体と電線との接合部、５１は電
流供給用の電源、５２はスイッチをそれぞれ表す、スイ
ッチ５２を閉じると超伝導体１０にはＩ　＞　Ｉ　ｃな
る電流が流れて常伝導状態にすることができる。スイッ
チ５２を開くとＩ　＜　Ｉ　ｃとなり熱伝導状態に戻る
。これによって光スイッチを動作することができる。

実際の光スイッチでは磁界、温度、電流の制御をスイッ
チによるｏ　ｎ　／　ｏ　ｆ　ｆ制御でなく、可変抵抗
等によって連続的に変えたり、磁界、温度、電流単独で
なくそれらの組合せによって制御することも可能である
０本発明の要点は、磁界、温度、電流を制御して超伝導
体を転移させ、光スイッチを動作する点にある。

第９図は光を熱源として本発明の光スイッチを動作させ
る方法の実施例を示す０図中、１ｏは超伝導体、２０は
基板、２１は光吸収膜、１００は入射光、２００はスイ
ッチを動作させるための制御光をそれぞれ表す、光吸収
膜２１は入射光１００を吸収せず、制御光２００を吸収
することができる。具体的手段としては、（１）入射光
１００に比較して制御光２００の強度を十分強くする。

（２）２つの光の波長を変える、等がある。このような
構成において、制御光２００の強度を変えると光の吸収
量が変わり光吸収膜２１の温度が変化し、熱伝導によっ
て超伝導体１０の温度が制御できる。

これを臨界温度Ｔｃの付近で行なえば光スイッチを動作
することが可能となる。

第１０図は光が電磁波であることを利用して本発明の光
スイッチを動作させる方法の実施例を示す。図中、１０
は超伝導体、２０は基板、２２は導波層１００は入射光
、２００は制御光をそれぞれ表す、光は電磁波であるか
ら磁界ＨがＨ＞　Ｈｃとなるものを用いれば光スイッチ
を動作することができる。第１０図（ａ）は制御光２０
０の光軸を入射光１００と変えて斜め入射させた場合を
示す。制御光２００の強度を変調して光スイッチを動作
することができる。第１０図（ｂ）は制御光を直接超伝
導体に入射しない構成の実施例を示す。

制御光２００は超伝導体１０に隣接して設けられた導波
層２２中を通る。このとき制御光２００の電磁界は ｙ　＝　ｋ　ｏ　！　　　　　　（２）で表わされる侵
入深さγ程度だけ超伝導体１０内に浸み込む、ここでｋ
ｏは制御光２００の真空中の波数、Ｎは導波Ｍ２２の等
偏屈折率、ｎは超伝導体１ｏの屈折率をそれぞれ表す。

γを超伝導体１０の膜厚より大きくすれば、制御光２０
０の電磁界によって本発明の光スイッチを動作すること
ができる。この構成により広い面積を一様にスイッチン
グすることが可能となる。また導波層中の制御光が定在
波となるようなモードで使用すると、磁界強度が面内に
正弦波状に分布し、　Ｈ＞　Ｈｅの領域は常伝導状態、
Ｈ＞　Ｈｃの領域は超伝導状態となる。これを表面弾性
波による音響光学効果と同様に、回折格子として利用す
れば、入射光１００を曲げることも可能である。

第９図及び第１０図に示した実施例を実際に光スイッチ
として用いる場合には、光源、制御系等が必要となる。

また第１０図（ｂ）の実施例においては、導波層２２と
超伝導体１０の間にバッファ層を用いて導波モードを変
えることも可能である０本発明の要点は、光を熱源とし
て、あるいはその電磁界を利用して超伝導体を転移させ
て、光スイッチを動作することにある。

第１１図は本発明の光スイッチを導波路型の光路切換器
に応用した実施例を示す１図中、１０は超伝導体、２０
は基板、２２は導波層、２３〜２６は各ポートを表して
いる。Ａポート２３から光スイッチに入射した光は超伝
導体１０が超伝導状態のときは反射されてＢポート２４
に進み、常伝導状態のときは透過してＣボート２５に進
む。

このようにして導波路型の光路切換器が実現できる。

本発明を実施するのに好適な超伝導材料は（１）室温で
超伝導性を示すもの、（２）光との相互作用の強さが転
移によって大きく変化するもの、等が望ましい、従来知
られている材料系として、ＮｂＴｉ。

ＮｂａＳｎ　等の合金系はＴｃが低く（≦３０Ｋ）、常
伝導状態でも電気伝導性があるので、光との相互作用の
強さの変化があまり大きくない。これらに比べ、Ｌａ−
Ｂａ−Ｃｕ−０，Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−〇系に代表される酸
化物系の超伝導物質はＴｃが高＜　（＞７７Ｋ）、常伝
導状態では絶縁体なので、転移に伴なう光との相互作用
の変化が大きい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超伝導一常伝導間の状態変化を利用す
るので屈接率変化（光と物質の相互作用の大きさの変化
）が大きく、簡素な構成の光スイッチが実現できる。ま
た、ジョセフソン素子に代表されるように超伝導一常伝
導間のスイッチングは高速なので、ｉｎｓ以下の動作速
度を実現することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光スイッチの断面図、第２
図は超伝導体のＢ−Ｈ特性を示す線図、第３図は光スイ
ッチの動作を示す模式図、第４図は光スイッチの消光比
と超伝導体の膜厚の関係を示す模式図、第５図は超伝導
状態の条件を示す模式図、第６図は磁界によって光スイ
ッチを制御する一実施例を示す構成図、第７図は温度に
よって光スイッチを制御する一実施例を示す構成図、第
８図は電流によって光スイッチを制御する−実施例を示
す構成図、第９図は光を熱源として利用する光スイッチ
の一実施例を示す構成図、第１０図は光の電磁場を利用
して光スイッチを制御する一実施例を示す構成図、第１
１図は本発明を応用した導波路型の光路切換器の斜視図
である。 １０・・・超伝導体、２０・・・基板、２１・・・光吸
収膜、２２・・・導波層、２３・・・Ａポート、２４・
・・Ｂボート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光路の切換えや光の強度変調を行う光スイッチであ
   って、超伝導一常伝導間で状態変化する超伝導体を用い
   ることを特徴とする光スイッチ。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、超伝導一常伝
   導の状態変化を超伝導体の温度、超伝導体に流れる電流
   、及び超伝導体に印加する磁場の１つあるいは任意の組
   合せによつて超こさせ、スイッチ動作させる手段を有す
   ることを特徴とする光スイッチ。 ３、特許請求の範囲第２項記載において、スイッチング
   される第１の光の他に、第２の光を光スイッチに導く構
   成とし、第２の光を熱源、あるいはその電磁界を利用し
   て動作することを特徴とする光スイッチ。 ４、特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載におい
   て、少なくとも基板と超伝導体の薄膜から成ることを特
   徴とする光スイッチ。 ５、特許請求の範囲第４項記載において透明な基板を用
   いることを特徴とする光スイッチ。