JPH11337988A - 光スイッチ - Google Patents
光スイッチInfo
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- JPH11337988A JPH11337988A JP14334398A JP14334398A JPH11337988A JP H11337988 A JPH11337988 A JP H11337988A JP 14334398 A JP14334398 A JP 14334398A JP 14334398 A JP14334398 A JP 14334398A JP H11337988 A JPH11337988 A JP H11337988A
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- switch
- light
- optical
- control light
- nonlinear
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Abstract
(57)【要約】
【課題】デバイス長が短く、低パワーで動作し、高速ス
イッチ可能な全光スイッチを得る。 【解決手段】偏光子、検光子、およびそれらの間に配置
された非線形光学装置を有し、制御光を非線形光学素子
に入射することによりより信号光の透過・非透過を制御
する光スイッチにおいて、非線形光学装置は２つの三次
非線形光学素子からなり、それぞれの素子は２つの異な
る制御光で制御されていることを特徴とする。
イッチ可能な全光スイッチを得る。 【解決手段】偏光子、検光子、およびそれらの間に配置
された非線形光学装置を有し、制御光を非線形光学素子
に入射することによりより信号光の透過・非透過を制御
する光スイッチにおいて、非線形光学装置は２つの三次
非線形光学素子からなり、それぞれの素子は２つの異な
る制御光で制御されていることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超高速光情報処理
等に用いられる光スイッチに関する。
等に用いられる光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】高度情報処理社会やマルチメディアの実
現のためには、大容量の情報を超高速に処理する必要が
あり、そのためには従来のエレクトロニクス処理に代わ
る光処理技術が不可欠である。光を使って光信号を処理
する、すなわち全光スイッチを実現するために、種々の
開発が行われている。この全光スイッチの動作原理とし
て、光によって材料の屈折率や透過率などの光学特性を
変化させることができる三次非線形光学効果を利用する
ことが提案されている。この場合、入射させる光のパワ
ー密度をＩ（Ｗ／ｃｍ2 ）により、屈折率ｎ、吸収係数
α（ｃｍ-1）は次のような関係で変化する。
現のためには、大容量の情報を超高速に処理する必要が
あり、そのためには従来のエレクトロニクス処理に代わ
る光処理技術が不可欠である。光を使って光信号を処理
する、すなわち全光スイッチを実現するために、種々の
開発が行われている。この全光スイッチの動作原理とし
て、光によって材料の屈折率や透過率などの光学特性を
変化させることができる三次非線形光学効果を利用する
ことが提案されている。この場合、入射させる光のパワ
ー密度をＩ（Ｗ／ｃｍ2 ）により、屈折率ｎ、吸収係数
α（ｃｍ-1）は次のような関係で変化する。
【０００３】 ｎ＝ｎ0 ＋ｎ2 ・Ｉ α＝α0 ＋α2 ・Ｉ ここで ｎ0 は光のパワー密度の弱い極限での屈折率
（線形屈折率ともいう）、α0 は吸収係数（線形吸収係
数ともいう）で、ｎ2 、α2 はそれぞれ非線形屈折率、
非線形吸収係数と呼ばれる。
（線形屈折率ともいう）、α0 は吸収係数（線形吸収係
数ともいう）で、ｎ2 、α2 はそれぞれ非線形屈折率、
非線形吸収係数と呼ばれる。
【０００４】このような観点から、三次非線形光学効果
の大きい材料探索が精力的に行われ、ＧａＡｓのような
半導体単結晶やポリジアセチレンのような有機単結晶、
量子サイズ効果を利用した半導体微粒子分散ガラス、半
導体量子井戸構造、石英ガラスなど多くの材料が全光ス
イッチとして提案されている。
の大きい材料探索が精力的に行われ、ＧａＡｓのような
半導体単結晶やポリジアセチレンのような有機単結晶、
量子サイズ効果を利用した半導体微粒子分散ガラス、半
導体量子井戸構造、石英ガラスなど多くの材料が全光ス
イッチとして提案されている。
【０００５】なかでも光カー効果と呼ばれる、高強度の
直線偏光した光を入射した際に誘起される非線形屈折率
により生じる複屈折現象を利用した偏光回転型光スイッ
チ（光カースイッチ）は、素子構成も単純で高Ｓ／Ｎが
得られやすいものとして知られている。
直線偏光した光を入射した際に誘起される非線形屈折率
により生じる複屈折現象を利用した偏光回転型光スイッ
チ（光カースイッチ）は、素子構成も単純で高Ｓ／Ｎが
得られやすいものとして知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これらの材料のなか
で、有機単結晶や石英ガラスなどの非共鳴型三次非線形
光学材料は、光吸収を伴わないため数ピコ秒以下での高
速な非線形応答を示すことが知られているが、三次非線
形光学効果が小さいため光スイッチとして実現するため
には、デバイス長を大きくしたり動作パワーを大きくす
る必要があった。例えば、石英ガラスをファイバー化し
て光スイッチを作製した場合、５〜２０ピコ秒でのスイ
ッチ動作は可能なものの、スイッチ動作をさせるために
は、約１０００ｍの長さにする必要があった。そのた
め、非共鳴型のガラスにおいて、三次非線形光学効果が
大きな材料の探索が精力的に行われている。たとえば、
カルコゲンガラスとして知られているＡｓ−Ｓ系のガラ
スにおいては、非線形光学効果が大きいため、約１／１
０００の長さのファイバーで同様の速度でのスイッチ動
作が可能であることが特開平３−２１９３４に示されて
いる。しかしながら、カルコゲンガラスの場合は、それ
でもなお１ｍの長さが必要であり、制御光のエネルギー
密度も１ＧＷ／ｃｍ2 以上必要であった。また、ガラス
作製時の雰囲気を制御する必要があること、有害元素を
含有することなどから、ガラスを作製するプロセスが煩
雑であるという問題点があった。
で、有機単結晶や石英ガラスなどの非共鳴型三次非線形
光学材料は、光吸収を伴わないため数ピコ秒以下での高
速な非線形応答を示すことが知られているが、三次非線
形光学効果が小さいため光スイッチとして実現するため
には、デバイス長を大きくしたり動作パワーを大きくす
る必要があった。例えば、石英ガラスをファイバー化し
て光スイッチを作製した場合、５〜２０ピコ秒でのスイ
ッチ動作は可能なものの、スイッチ動作をさせるために
は、約１０００ｍの長さにする必要があった。そのた
め、非共鳴型のガラスにおいて、三次非線形光学効果が
大きな材料の探索が精力的に行われている。たとえば、
カルコゲンガラスとして知られているＡｓ−Ｓ系のガラ
スにおいては、非線形光学効果が大きいため、約１／１
０００の長さのファイバーで同様の速度でのスイッチ動
作が可能であることが特開平３−２１９３４に示されて
いる。しかしながら、カルコゲンガラスの場合は、それ
でもなお１ｍの長さが必要であり、制御光のエネルギー
密度も１ＧＷ／ｃｍ2 以上必要であった。また、ガラス
作製時の雰囲気を制御する必要があること、有害元素を
含有することなどから、ガラスを作製するプロセスが煩
雑であるという問題点があった。
【０００７】一方、共鳴型三次非線形光学材料において
は、非常に大きな三次非線形光学効果が得られるため、
デバイス長が短く、低パワーで動作する全光スイッチを
構成することが可能である。しかしながら、非線形光学
特性の緩和時間が長いので、スイッチオフ時間が長くな
り、高速動作が困難であるという問題があった。
は、非常に大きな三次非線形光学効果が得られるため、
デバイス長が短く、低パワーで動作する全光スイッチを
構成することが可能である。しかしながら、非線形光学
特性の緩和時間が長いので、スイッチオフ時間が長くな
り、高速動作が困難であるという問題があった。
【０００８】図６にこのような三次非線形光学材料を用
いた従来の光カースイッチを示す。光カースイッチは図
６に示すように、偏光子Ｐ、三次非線形光学材料からな
るスイッチ材料Ｍ、検光子Ａにより構成される。水平偏
光の信号光Ｌinとそれに対して４５゜の方向に偏向した
制御光Ｌ1 をスイッチ材料Ｍに入射する場合、制御光Ｌ
1 によりスイッチ材料Ｍに非線形屈折率が誘起され、そ
れにより生じる複屈折現象により、信号光の偏光面を回
転させることができる。このときの偏光面の回転角は非
線形屈折率、入射光のパワー密度、デバイス長の積に比
例する。非線形屈折率の正負により偏光の回転方向は逆
になる。スイッチ材料Ｍの後方に垂直偏光のみを通過す
る検光子Ａを配置しておくと、光カー効果により信号光
の偏光が回転したときのみ出力を得ることができる。制
御光Ｌ1 が存在しない場合は、信号光Ｌinの偏光が回転
することなく、そのままの水平偏光で出射されるため、
信号光は検光子Ａを通過することができない。
いた従来の光カースイッチを示す。光カースイッチは図
６に示すように、偏光子Ｐ、三次非線形光学材料からな
るスイッチ材料Ｍ、検光子Ａにより構成される。水平偏
光の信号光Ｌinとそれに対して４５゜の方向に偏向した
制御光Ｌ1 をスイッチ材料Ｍに入射する場合、制御光Ｌ
1 によりスイッチ材料Ｍに非線形屈折率が誘起され、そ
れにより生じる複屈折現象により、信号光の偏光面を回
転させることができる。このときの偏光面の回転角は非
線形屈折率、入射光のパワー密度、デバイス長の積に比
例する。非線形屈折率の正負により偏光の回転方向は逆
になる。スイッチ材料Ｍの後方に垂直偏光のみを通過す
る検光子Ａを配置しておくと、光カー効果により信号光
の偏光が回転したときのみ出力を得ることができる。制
御光Ｌ1 が存在しない場合は、信号光Ｌinの偏光が回転
することなく、そのままの水平偏光で出射されるため、
信号光は検光子Ａを通過することができない。
【０００９】図７は図６の全光スイッチにおいての信号
光、制御光、出射信号光の変化を、横軸を時間として模
式的に表したものである。信号光は簡単のため図７に示
したような一定強度のものとする。三次非線形光学材料
として半導体系の材料（ＧａＡｓなどの半導体、半導体
微粒子分散ガラス、半導体量子井戸構造）を用いると、
大きな三次非線形効果のために、低パワーで動作する全
光スイッチを作製可能である。しかしながら、半導体系
の材料の場合、非線形屈折率の回復時間は一般にピコ秒
〜ナノ秒オーダーであるため、この回復時間よりも短い
時間間隔で信号光をスイッチングさせることは非常に困
難である。そのため、短パルスの励起光を用いているに
もかかわらず、出射信号光のスイッチング波形は図７に
見られるように長い尾を引いたものになる。
光、制御光、出射信号光の変化を、横軸を時間として模
式的に表したものである。信号光は簡単のため図７に示
したような一定強度のものとする。三次非線形光学材料
として半導体系の材料（ＧａＡｓなどの半導体、半導体
微粒子分散ガラス、半導体量子井戸構造）を用いると、
大きな三次非線形効果のために、低パワーで動作する全
光スイッチを作製可能である。しかしながら、半導体系
の材料の場合、非線形屈折率の回復時間は一般にピコ秒
〜ナノ秒オーダーであるため、この回復時間よりも短い
時間間隔で信号光をスイッチングさせることは非常に困
難である。そのため、短パルスの励起光を用いているに
もかかわらず、出射信号光のスイッチング波形は図７に
見られるように長い尾を引いたものになる。
【００１０】本発明は、以上のような全光スイッチにお
ける従来の課題を解消し、デバイス長が短く、低パワー
で動作し、しかもスイッチオフ時間が非線形効果の緩和
時間に依存しない全光スイッチを新規に提供することを
目的とする。
ける従来の課題を解消し、デバイス長が短く、低パワー
で動作し、しかもスイッチオフ時間が非線形効果の緩和
時間に依存しない全光スイッチを新規に提供することを
目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、偏光子、検光子、およ
びそれらの間に配置された非線形光学装置を有し、制御
光を非線形光学装置に入射することにより信号光の透過
・非透過を制御する光スイッチにおいて、非線形光学装
置は２つの三次非線形光学素子からなり、それぞれの素
子は２つの異なる制御光で制御されていることを特徴と
する光スイッチを提供する。
解決すべくなされたものであり、偏光子、検光子、およ
びそれらの間に配置された非線形光学装置を有し、制御
光を非線形光学装置に入射することにより信号光の透過
・非透過を制御する光スイッチにおいて、非線形光学装
置は２つの三次非線形光学素子からなり、それぞれの素
子は２つの異なる制御光で制御されていることを特徴と
する光スイッチを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明のスイッチ構成を図１に示
す。この光誘起スイッチでは、２つのスイッチ材料Ｍ
1 、Ｍ2 （それぞれが三次非線形光学素子であり、この
２つのスイッチ材料で非線形光学装置を構成する）の入
側に偏光子Ｐを、出側に検光子Ａを配置している。偏光
子Ｐと検光子Ａの偏光面は直交している。波長λS の信
号光Ｌin、波長λ1 の制御光Ｌ1 、波長λ2 の制御光Ｌ
2 はいずれも直線偏光であり、２つの制御光の偏光面は
同じで、信号光の偏光面に対して４５°傾いている。制
御光Ｌ1 は信号光と同時刻にスイッチ材料Ｍ1 に入射
し、制御光Ｌ2 は信号光がスイッチ材料Ｍ2 に入射して
からスイッチングを行う時間だけ時間差をおいてスイッ
チ材料Ｍ2 に入射する。
す。この光誘起スイッチでは、２つのスイッチ材料Ｍ
1 、Ｍ2 （それぞれが三次非線形光学素子であり、この
２つのスイッチ材料で非線形光学装置を構成する）の入
側に偏光子Ｐを、出側に検光子Ａを配置している。偏光
子Ｐと検光子Ａの偏光面は直交している。波長λS の信
号光Ｌin、波長λ1 の制御光Ｌ1 、波長λ2 の制御光Ｌ
2 はいずれも直線偏光であり、２つの制御光の偏光面は
同じで、信号光の偏光面に対して４５°傾いている。制
御光Ｌ1 は信号光と同時刻にスイッチ材料Ｍ1 に入射
し、制御光Ｌ2 は信号光がスイッチ材料Ｍ2 に入射して
からスイッチングを行う時間だけ時間差をおいてスイッ
チ材料Ｍ2 に入射する。
【００１３】制御光Ｌ1 、Ｌ2 は同波長でもよく、また
スイッチ材料Ｍ1 、Ｍ2 が同一の材料でもよい。しかし
ながら、制御光が同一波長ならスイッチ材料は別材料
を、またスイッチ材料が同一なら制御光は別波長にする
ことが好ましい。
スイッチ材料Ｍ1 、Ｍ2 が同一の材料でもよい。しかし
ながら、制御光が同一波長ならスイッチ材料は別材料
を、またスイッチ材料が同一なら制御光は別波長にする
ことが好ましい。
【００１４】偏光子Ｐを通った信号光は、制御光Ｌ1 、
Ｌ2 が存在しないと検光子Ａを通過しない。制御光Ｌ1
の入射により非線形屈折率が誘起され信号光Ｌinの偏光
が回転する。しかしながら、スイッチ材料Ｍ1 のみでは
非線形屈折率の回復に時間を要するため、高速にスイッ
チングを行うことができない。ここで、信号光Ｌinがス
イッチ材料Ｍ2 に入射後、スイッチングを行う時間だけ
経過した後に制御光Ｌ2 をスイッチ材料Ｍ2 に入射させ
ると、これにより、スイッチ材料Ｍ2 には、制御光Ｌ1
によるものと別の非線形屈折率が誘起される。偏光の回
転角は非線形屈折率、制御光のパワー密度、デバイス長
の積に比例するため、制御光Ｌ2 の強度を適当に調節す
ることにより、制御光Ｌ1 による信号光Ｌinの偏光回転
を元に戻すことができる。結局、検光子Ａを通過できる
信号光は制御光Ｌ1 入射と同時にスイッチ材料Ｍ1 に入
射し、制御光Ｌ2 が入射される以前にスイッチ材料Ｍ2
を通過した信号光のみであり、それ以外の信号光は完全
に遮断される。その結果、制御光Ｌ1 、Ｌ2 入のオン・
オフによって信号光Ｌinを高速にオン・オフ制御でき
る。図２は図１の全光スイッチにおいての信号光、制御
光、出射信号光の変化を、横軸を時間として模式的に表
したものである。信号光は簡単のため、図７と同様に、
図２に示したような一定強度のものとする。このよう
に、２つの制御光を用いることで、材料の非線形屈折率
の回復の遅さにもかかわらず高速の全光スイッチングを
行うことができる。
Ｌ2 が存在しないと検光子Ａを通過しない。制御光Ｌ1
の入射により非線形屈折率が誘起され信号光Ｌinの偏光
が回転する。しかしながら、スイッチ材料Ｍ1 のみでは
非線形屈折率の回復に時間を要するため、高速にスイッ
チングを行うことができない。ここで、信号光Ｌinがス
イッチ材料Ｍ2 に入射後、スイッチングを行う時間だけ
経過した後に制御光Ｌ2 をスイッチ材料Ｍ2 に入射させ
ると、これにより、スイッチ材料Ｍ2 には、制御光Ｌ1
によるものと別の非線形屈折率が誘起される。偏光の回
転角は非線形屈折率、制御光のパワー密度、デバイス長
の積に比例するため、制御光Ｌ2 の強度を適当に調節す
ることにより、制御光Ｌ1 による信号光Ｌinの偏光回転
を元に戻すことができる。結局、検光子Ａを通過できる
信号光は制御光Ｌ1 入射と同時にスイッチ材料Ｍ1 に入
射し、制御光Ｌ2 が入射される以前にスイッチ材料Ｍ2
を通過した信号光のみであり、それ以外の信号光は完全
に遮断される。その結果、制御光Ｌ1 、Ｌ2 入のオン・
オフによって信号光Ｌinを高速にオン・オフ制御でき
る。図２は図１の全光スイッチにおいての信号光、制御
光、出射信号光の変化を、横軸を時間として模式的に表
したものである。信号光は簡単のため、図７と同様に、
図２に示したような一定強度のものとする。このよう
に、２つの制御光を用いることで、材料の非線形屈折率
の回復の遅さにもかかわらず高速の全光スイッチングを
行うことができる。
【００１５】以上説明した光スイッチはバルク状のスイ
ッチ材料を用いた原理的な実施形態を示したものである
が、ファイバーや導波路の形態でも同様の原理を用いて
実施できる。また、連続するパルス列からの特定パルス
の抜き取りや、長い時間幅を持つパルスの切り出し、ま
たパルスの整形にも利用可能である。
ッチ材料を用いた原理的な実施形態を示したものである
が、ファイバーや導波路の形態でも同様の原理を用いて
実施できる。また、連続するパルス列からの特定パルス
の抜き取りや、長い時間幅を持つパルスの切り出し、ま
たパルスの整形にも利用可能である。
【００１６】本光スイッチでは、波長λ1 の制御光Ｌ1
によって、信号光の波長λS に対して非線形屈折率が誘
起されるスイッチ材料Ｍ1 、および波長λ2 の制御光Ｌ
2 によってスイッチ材料Ｍ1 と逆符号の非線形屈折率が
信号光の波長λS に対して誘起されるスイッチ材料Ｍ2
の組が使用されることが好ましい。すなわち、２つの三
次非線形光学素子のうち、一方の素子がその制御光によ
り信号光の波長に対して非線形屈折率ｎ2 (1)を示し、か
つ他方の素子がその制御光により信号光の波長に対して
非線形屈折率ｎ2 (2)を示すとしたときに、ｎ2 (1)・ｎ2
(2)＜０となる。
によって、信号光の波長λS に対して非線形屈折率が誘
起されるスイッチ材料Ｍ1 、および波長λ2 の制御光Ｌ
2 によってスイッチ材料Ｍ1 と逆符号の非線形屈折率が
信号光の波長λS に対して誘起されるスイッチ材料Ｍ2
の組が使用されることが好ましい。すなわち、２つの三
次非線形光学素子のうち、一方の素子がその制御光によ
り信号光の波長に対して非線形屈折率ｎ2 (1)を示し、か
つ他方の素子がその制御光により信号光の波長に対して
非線形屈折率ｎ2 (2)を示すとしたときに、ｎ2 (1)・ｎ2
(2)＜０となる。
【００１７】このような特性を満たす材料としては半導
体系材料が挙げられる。なかでもＣｕＣｌ、ＣｕＢｒお
よびそれらの固溶体からなる群より選ばれた少なくとも
１種の微粒子の分散するガラスは、非線形屈折率ｎ2 が
１０-9ｃｍ2 ／Ｗ以上の材料が容易に得られ、しかも制
御光の波長、微粒子の粒径または微粒子種を変えること
で非線形光学特性を容易に変えることが可能であるため
特に好ましい。
体系材料が挙げられる。なかでもＣｕＣｌ、ＣｕＢｒお
よびそれらの固溶体からなる群より選ばれた少なくとも
１種の微粒子の分散するガラスは、非線形屈折率ｎ2 が
１０-9ｃｍ2 ／Ｗ以上の材料が容易に得られ、しかも制
御光の波長、微粒子の粒径または微粒子種を変えること
で非線形光学特性を容易に変えることが可能であるため
特に好ましい。
【００１８】ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒおよびそれらの固溶体
からなる群より選ばれた少なくとも１種の微粒子の分散
するガラスでは、励起子による吸収波長付近で共鳴効果
により大きな非線形光学特性を示すことが知られてい
る。また、励起子吸収のピーク波長は微粒子粒径が大き
くなるに従い、長波長側にシフトするため、ピーク波長
が微粒子粒径を反映する。このガラスにおいては上記微
粒子がサイズ分布を伴うため、励起子吸収のピークがサ
イズ分布を反映して不均一幅を持っている。ある特定の
大きさの微粒子による吸収幅は非常に狭いので、前記微
粒子分散ガラスについては吸収幅の広がりは微粒子のサ
イズ分布によるものとみなすことができる。ここで、制
御光波長を励起子吸収のピーク波長としたときの、粒径
分布の比較的小さい前記微粒子分散ガラスの線形吸収、
非線形屈折率の波長依存性を模式的に示すと図３のよう
になる。このように、制御光の波長を励起子吸収のピー
ク波長近傍にすると、非線形屈折率は励起子吸収のピー
ク波長の前後で値の正負が変わる。また、このとき、制
御光の波長が励起子吸収のピーク波長から離れると、一
般に非線形屈折率の値は急速に小さくなる。
からなる群より選ばれた少なくとも１種の微粒子の分散
するガラスでは、励起子による吸収波長付近で共鳴効果
により大きな非線形光学特性を示すことが知られてい
る。また、励起子吸収のピーク波長は微粒子粒径が大き
くなるに従い、長波長側にシフトするため、ピーク波長
が微粒子粒径を反映する。このガラスにおいては上記微
粒子がサイズ分布を伴うため、励起子吸収のピークがサ
イズ分布を反映して不均一幅を持っている。ある特定の
大きさの微粒子による吸収幅は非常に狭いので、前記微
粒子分散ガラスについては吸収幅の広がりは微粒子のサ
イズ分布によるものとみなすことができる。ここで、制
御光波長を励起子吸収のピーク波長としたときの、粒径
分布の比較的小さい前記微粒子分散ガラスの線形吸収、
非線形屈折率の波長依存性を模式的に示すと図３のよう
になる。このように、制御光の波長を励起子吸収のピー
ク波長近傍にすると、非線形屈折率は励起子吸収のピー
ク波長の前後で値の正負が変わる。また、このとき、制
御光の波長が励起子吸収のピーク波長から離れると、一
般に非線形屈折率の値は急速に小さくなる。
【００１９】図４は粒径の異なる２つのスイッチ材料Ｍ
1 、Ｍ2 ついて、それぞれについて図に示す波長の異な
る制御光Ｌ1 、Ｌ2 を入射した場合の線形吸収、非線形
屈折率を模式的に示したものである。ここで信号光を図
に示す波長とすれば、制御光Ｌ1 により負の非線形屈折
率もつ材料、制御光Ｌ2 により正の非線形屈折率をもつ
材料の組が実現される。
1 、Ｍ2 ついて、それぞれについて図に示す波長の異な
る制御光Ｌ1 、Ｌ2 を入射した場合の線形吸収、非線形
屈折率を模式的に示したものである。ここで信号光を図
に示す波長とすれば、制御光Ｌ1 により負の非線形屈折
率もつ材料、制御光Ｌ2 により正の非線形屈折率をもつ
材料の組が実現される。
【００２０】図５はサイズ分布の大きい前記微粒子分散
ガラスの材料Ｍを２つ用意し、それぞれについて図に示
す波長の異なる制御光Ｌ1 、Ｌ2 を入射した場合の線形
吸収、非線形屈折率を示したものである。制御光の波長
の近傍に励起子吸収のピーク波長を持つ微粒子以外は非
線形屈折率にほとんど寄与しないので、制御光の波長の
前後で非線形屈折率の値の正負が変わることになる。こ
こで信号光を図に示す波長とすれば、制御光Ｌ1 により
負の非線形屈折率もつ材料、制御光Ｌ2 により正の非線
形屈折率をもつ材料の組が実現される。
ガラスの材料Ｍを２つ用意し、それぞれについて図に示
す波長の異なる制御光Ｌ1 、Ｌ2 を入射した場合の線形
吸収、非線形屈折率を示したものである。制御光の波長
の近傍に励起子吸収のピーク波長を持つ微粒子以外は非
線形屈折率にほとんど寄与しないので、制御光の波長の
前後で非線形屈折率の値の正負が変わることになる。こ
こで信号光を図に示す波長とすれば、制御光Ｌ1 により
負の非線形屈折率もつ材料、制御光Ｌ2 により正の非線
形屈折率をもつ材料の組が実現される。
【００２１】ガラス中に分散させる微粒子粒径は１〜１
００ｎｍ、特には１〜３０ｎｍであることが望ましい。
微粒子の大きさが１００ｎｍを超えると、光が微粒子の
散乱により失われ、光スイッチングを有効に行えなくな
るおそれがある。また微粒子の大きさが１ｎｍ未満であ
ると、量子閉じ込めが起こらず、大きな三次非線形光学
特性が発現しないおそれがある。
００ｎｍ、特には１〜３０ｎｍであることが望ましい。
微粒子の大きさが１００ｎｍを超えると、光が微粒子の
散乱により失われ、光スイッチングを有効に行えなくな
るおそれがある。また微粒子の大きさが１ｎｍ未満であ
ると、量子閉じ込めが起こらず、大きな三次非線形光学
特性が発現しないおそれがある。
【００２２】ガラスマトリックスについては、微粒子を
安定して担持可能ならば特には制限されない。例えばソ
ーダライムガラスやホウケイ酸ガラス、リン酸系ガラ
ス、鉛ガラスなどがある。なかでもホウケイ酸ガラス
は、ガラス作製も容易で透明性に優れ、またＣｕＣｌ、
ＣｕＢｒおよびそれらの固溶体からなる群より選ばれた
少なくとも１種の微粒子の粒径制御も容易に行えるた
め、特に好ましい。
安定して担持可能ならば特には制限されない。例えばソ
ーダライムガラスやホウケイ酸ガラス、リン酸系ガラ
ス、鉛ガラスなどがある。なかでもホウケイ酸ガラス
は、ガラス作製も容易で透明性に優れ、またＣｕＣｌ、
ＣｕＢｒおよびそれらの固溶体からなる群より選ばれた
少なくとも１種の微粒子の粒径制御も容易に行えるた
め、特に好ましい。
【００２３】ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒおよびそれらの固溶体
からなる群より選ばれた少なくとも１種の微粒子を分散
させる方法も特には制限されない。分散方法としては例
えば、溶融析出法、スパッタリング法、イオン注入法、
イオン交換法などがある。
からなる群より選ばれた少なくとも１種の微粒子を分散
させる方法も特には制限されない。分散方法としては例
えば、溶融析出法、スパッタリング法、イオン注入法、
イオン交換法などがある。
【００２４】
【作用】本発明は、共鳴型の高い三次非線形光学効果を
利用するため、低パワーで効率的に光スイッチ動作させ
ることができる。また、スイッチオフ時間が光入射によ
り発現した非線形性の緩和時間に左右されないため、高
速なスイッチング動作が可能である。
利用するため、低パワーで効率的に光スイッチ動作させ
ることができる。また、スイッチオフ時間が光入射によ
り発現した非線形性の緩和時間に左右されないため、高
速なスイッチング動作が可能である。
【００２５】
【実施例】表１に示す組成のガラスが４００ｇになるよ
うに所定量の原料を調合し、これらを白金ルツボに入れ
１３００℃で１時間溶融した後、カーボンプレート上に
流し出して板状の母ガラスを成形した。表２の母ガラス
番号の欄に示す母ガラスについて、表２の熱処理温度、
熱処理時間の欄に記載する温度、時間で熱処理すること
によってＣｕＣｌ、ＣｕＢｒおよびそれらの固溶体から
なる群より選ばれる少なくとも１種の微粒子を析出させ
た。なお、表２の平均粒径の欄は透過型電子顕微鏡によ
って求めた微粒子の平均粒径を示している。得られたガ
ラスは厚さ０．２ｍｍに鏡面研磨した。
うに所定量の原料を調合し、これらを白金ルツボに入れ
１３００℃で１時間溶融した後、カーボンプレート上に
流し出して板状の母ガラスを成形した。表２の母ガラス
番号の欄に示す母ガラスについて、表２の熱処理温度、
熱処理時間の欄に記載する温度、時間で熱処理すること
によってＣｕＣｌ、ＣｕＢｒおよびそれらの固溶体から
なる群より選ばれる少なくとも１種の微粒子を析出させ
た。なお、表２の平均粒径の欄は透過型電子顕微鏡によ
って求めた微粒子の平均粒径を示している。得られたガ
ラスは厚さ０．２ｍｍに鏡面研磨した。
【００２６】これらのガラスを用いて図１に示す偏光回
転型光スイッチの動作試験を、スイッチ材料温度を７７
Ｋにして行った。スイッチング効率、およびスイッチン
グ時間の測定においては、モードロックチタンサファイ
アレーザーの第二高調波を光源として用いた。レーザー
のパルス幅は１．５ｐｓであった。測定波長は、三次非
線型光学効果の大きくなる波長域である、ＣｕＣｌ、Ｃ
ｕＢｒ、およびそれらの固溶体からなる群より選ばれる
少なくとも１種の微粒子の励起子吸収波長付近とした。
転型光スイッチの動作試験を、スイッチ材料温度を７７
Ｋにして行った。スイッチング効率、およびスイッチン
グ時間の測定においては、モードロックチタンサファイ
アレーザーの第二高調波を光源として用いた。レーザー
のパルス幅は１．５ｐｓであった。測定波長は、三次非
線型光学効果の大きくなる波長域である、ＣｕＣｌ、Ｃ
ｕＢｒ、およびそれらの固溶体からなる群より選ばれる
少なくとも１種の微粒子の励起子吸収波長付近とした。
【００２７】表３の欄に示す試料番号の欄に示すガラス
を１種または２種、スイッチ材料Ｍ1 、Ｍ2 として用い
た。信号光Ｌinに対して偏光方向が４５°で、表３の制
御光Ｌ1 、Ｌ2 の欄に記載する波長、パルスエネルギー
であるレーザー光を制御光Ｌ1 、Ｌ2 として使用した。
信号光Ｌinには、表３の信号光の欄に記載する波長、パ
ルスエネルギーである水平偏光のレーザー光を使用し
た。各制御光による各材料の信号光波長に対する非線形
屈折率の値はファブリー・ペロー共振器を用いて測定
し、表３の信号光波長での非線形屈折率の欄に示した。
制御光Ｌ1 は信号光と同時刻で材料Ｍ1 に入射し、制御
光Ｌ2 は材料Ｍ2 への信号光の入射から時間遅延をもた
せた。遅延時間は表３の時間遅延の欄に示した。このと
きの制御光Ｌ1 、Ｌ2 の試料位置でのパワー密度を表３
のパワー密度の欄に記載した。試験した結果、制御光Ｌ
1 、Ｌ2 がない場合は、信号光Ｌinは検光子Ａから全く
透過しなかった。制御光Ｌ1 を、または制御光Ｌ1 とＬ
2 を入射することによって検光子Ａからレーザー光が透
過した。このときの出射信号光Ｌout の強度は、図１の
スイッチの配置において、検光子Ａを偏光子Ｐの偏光面
と平行にして、かつ制御光Ｌ1 、Ｌ2 のないときの出射
信号光Ｌout の強度に対する割合として、表３の出射信
号光のスイッチング効率の欄に示した。制御光Ｌ1 と信
号光Ｌinの間に時間遅延を与えて測定したスイッチング
時間を表３のスイッチ動作時間の欄に示す。表３に示す
ように、ＭＷ／ｃｍ2 級の制御光のパワー密度で高効率
にしかも高速にスイッチングしていることがわかる。
を１種または２種、スイッチ材料Ｍ1 、Ｍ2 として用い
た。信号光Ｌinに対して偏光方向が４５°で、表３の制
御光Ｌ1 、Ｌ2 の欄に記載する波長、パルスエネルギー
であるレーザー光を制御光Ｌ1 、Ｌ2 として使用した。
信号光Ｌinには、表３の信号光の欄に記載する波長、パ
ルスエネルギーである水平偏光のレーザー光を使用し
た。各制御光による各材料の信号光波長に対する非線形
屈折率の値はファブリー・ペロー共振器を用いて測定
し、表３の信号光波長での非線形屈折率の欄に示した。
制御光Ｌ1 は信号光と同時刻で材料Ｍ1 に入射し、制御
光Ｌ2 は材料Ｍ2 への信号光の入射から時間遅延をもた
せた。遅延時間は表３の時間遅延の欄に示した。このと
きの制御光Ｌ1 、Ｌ2 の試料位置でのパワー密度を表３
のパワー密度の欄に記載した。試験した結果、制御光Ｌ
1 、Ｌ2 がない場合は、信号光Ｌinは検光子Ａから全く
透過しなかった。制御光Ｌ1 を、または制御光Ｌ1 とＬ
2 を入射することによって検光子Ａからレーザー光が透
過した。このときの出射信号光Ｌout の強度は、図１の
スイッチの配置において、検光子Ａを偏光子Ｐの偏光面
と平行にして、かつ制御光Ｌ1 、Ｌ2 のないときの出射
信号光Ｌout の強度に対する割合として、表３の出射信
号光のスイッチング効率の欄に示した。制御光Ｌ1 と信
号光Ｌinの間に時間遅延を与えて測定したスイッチング
時間を表３のスイッチ動作時間の欄に示す。表３に示す
ように、ＭＷ／ｃｍ2 級の制御光のパワー密度で高効率
にしかも高速にスイッチングしていることがわかる。
【００２８】実施例１に示す光スイッチについて、制御
光Ｌ2 を入射しない場合について、制御光Ｌ1 と信号光
Ｌinの間に時間遅延を与えて、スイッチ動作時間を測定
したところ、５０ピコ秒であった。このように、制御光
Ｌ2 の入射により、スイッチング速度が大幅に向上して
いる。
光Ｌ2 を入射しない場合について、制御光Ｌ1 と信号光
Ｌinの間に時間遅延を与えて、スイッチ動作時間を測定
したところ、５０ピコ秒であった。このように、制御光
Ｌ2 の入射により、スイッチング速度が大幅に向上して
いる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】
【表３】
【００３２】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の光誘起
スイッチは、非常に大きな共鳴型三次非線形光学効果を
利用して偏光回転を行うことにより、非常に短い素子
長、および非常に小さなパワー密度で、しかも１ピコ秒
という極めて短い応答時間でスイッチ動作を行うことが
できる。そのため、スイッチング素子を集積して複雑な
信号処理に用いることも可能である。さらに、本光スイ
ッチには、酸化物成分からなるガラス材料を選択可能で
あるため、通常のガラス作製プロセスでの作製が可能で
あり、導波路やファイバーなどの形状への加工も容易で
ある。そのため、本光スイッチを用いることで超高速、
高性能の光信号処理が可能となり、大容量の情報を超高
速で処理することが要求される情報処理機器に有用なス
イッチとして使用することができる。
スイッチは、非常に大きな共鳴型三次非線形光学効果を
利用して偏光回転を行うことにより、非常に短い素子
長、および非常に小さなパワー密度で、しかも１ピコ秒
という極めて短い応答時間でスイッチ動作を行うことが
できる。そのため、スイッチング素子を集積して複雑な
信号処理に用いることも可能である。さらに、本光スイ
ッチには、酸化物成分からなるガラス材料を選択可能で
あるため、通常のガラス作製プロセスでの作製が可能で
あり、導波路やファイバーなどの形状への加工も容易で
ある。そのため、本光スイッチを用いることで超高速、
高性能の光信号処理が可能となり、大容量の情報を超高
速で処理することが要求される情報処理機器に有用なス
イッチとして使用することができる。
【図１】本発明の光カースイッチを示す概念図
【図２】本発明の光カースイッチにおける入射信号光、
制御光、出射信号光の変化を示したグラフ
制御光、出射信号光の変化を示したグラフ
【図３】微粒子分散ガラスの線形吸収および非線形屈折
率の波長依存性を示すグラフ
率の波長依存性を示すグラフ
【図４】粒径の異なる２つの微粒子分散ガラスの線形吸
収および非線形屈折率の波長依存性を示すグラフ
収および非線形屈折率の波長依存性を示すグラフ
【図５】粒径のサイズ分布の大きい２つの微粒子分散ガ
ラスに波長の異なる制御光を入射した時の線形吸収およ
び非線形屈折率の波長依存性を示すグラフ
ラスに波長の異なる制御光を入射した時の線形吸収およ
び非線形屈折率の波長依存性を示すグラフ
【図６】従来の光カースイッチを示す概念図
【図７】従来の光カースイッチにおける入射信号光、制
御光、出射信号光の変化を示したグラフ
御光、出射信号光の変化を示したグラフ
Claims (4)
- 【請求項１】偏光子、検光子、およびそれらの間に配置
された非線形光学装置を有し、制御光を非線形光学装置
に入射することにより信号光の透過・非透過を制御する
光スイッチにおいて、非線形光学装置は２つの三次非線
形光学素子からなり、それぞれの素子は２つの異なる制
御光で制御されていることを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項２】三次非線形光学装置は信号光の入射側から
第１の三次非線形素子と第２の三次非線形素子とを備
え、第２の三次非線形素子には、第２の三次非線形素子
に信号光が入射してから時間差をおいて制御光が入射さ
れることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。 - 【請求項３】２つの三次非線形光学素子のうち、一方の
素子がその制御光により信号光の波長に対して非線形屈
折率ｎ2 (1)を示し、かつ他方の素子がその制御光により
信号光の波長に対して非線形屈折率ｎ2 (2)を示すとした
ときに、ｎ2 (1)・ｎ2 (2)＜０であることを特徴とする請
求項１または２記載の光スイッチ。 - 【請求項４】三次非線形光学素子は、粒径１〜１００ｎ
ｍのＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、およびそれらの固溶体からな
る群より選ばれた少なくとも１種の微粒子を含有したガ
ラスからなることを特徴とする請求項１、２または３記
載の光スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14334398A JPH11337988A (ja) | 1998-05-25 | 1998-05-25 | 光スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14334398A JPH11337988A (ja) | 1998-05-25 | 1998-05-25 | 光スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11337988A true JPH11337988A (ja) | 1999-12-10 |
Family
ID=15336590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14334398A Pending JPH11337988A (ja) | 1998-05-25 | 1998-05-25 | 光スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11337988A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1326133A2 (en) | 2001-12-28 | 2003-07-09 | Hitachi, Ltd. | Nonlinear optical thin film, optical recording medium using nonlinear optical film and optical switch |
| US6792167B2 (en) | 2002-02-01 | 2004-09-14 | Hitachi, Ltd. | Optical switch |
| JP2009537862A (ja) * | 2006-05-13 | 2009-10-29 | アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド | メタマテリアルを用いる非線形光デバイス |
| JP2010175550A (ja) * | 2001-11-27 | 2010-08-12 | Trimble Germany Gmbh | 立体物形状検出方法及びその装置 |
| JP2010176008A (ja) * | 2009-01-30 | 2010-08-12 | Interenergy Co Ltd | 光路切替型光信号送受信装置および光信号の光路切替方法 |
-
1998
- 1998-05-25 JP JP14334398A patent/JPH11337988A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010175550A (ja) * | 2001-11-27 | 2010-08-12 | Trimble Germany Gmbh | 立体物形状検出方法及びその装置 |
| EP1326133A2 (en) | 2001-12-28 | 2003-07-09 | Hitachi, Ltd. | Nonlinear optical thin film, optical recording medium using nonlinear optical film and optical switch |
| US7163729B2 (en) | 2001-12-28 | 2007-01-16 | Hitachi, Ltd. | Nonlinear optical thin film, optical recording medium using nonlinear optical film and optical switch |
| US6792167B2 (en) | 2002-02-01 | 2004-09-14 | Hitachi, Ltd. | Optical switch |
| JP2009537862A (ja) * | 2006-05-13 | 2009-10-29 | アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド | メタマテリアルを用いる非線形光デバイス |
| JP2010176008A (ja) * | 2009-01-30 | 2010-08-12 | Interenergy Co Ltd | 光路切替型光信号送受信装置および光信号の光路切替方法 |
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