JP4920956B2 - Optical switch and optical switch system - Google Patents
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本発明は、プリンタや光通信などの光をスイッチングする必要がある装置において、光のオンオフ比を増大させる光スイッチ、もしくはオンオフを任意に制御することができる光スイッチ及び光スイッチシステムに関するものである。 The present invention relates to an optical switch that increases an on / off ratio of light in an apparatus that needs to switch light, such as a printer or optical communication, or an optical switch and an optical switch system that can arbitrarily control on / off. .
従来から、誘電体多層膜の一方を照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料とした光スイッチ、ファブリペロー共振器の欠陥層に電気光学材料を利用した光スイッチ等は知られている（例えば、特許文献１乃至３及び非特許文献１参照）。
非特許文献１では、２つの異なる屈折率を有する材料によって構成される誘電体多層膜の一方を照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料とした光スイッチが研究されている。
この光スイッチでは照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料を利用することで、スイッチングのオン−オフ比を向上させることを行っている。光スイッチのオン−オフ比を大きく取るには、オンの時の透過率を向上し、オフの時の透過率を低減するアクティブなフィルタがあると実現でき、このようなフィルタは光トランジスタなどと呼ばれる。前述の非特許文献１では、このような効果を出すために照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料が使われている。確かに、実験結果から、その効果は見られる。しかし、単に照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料と異なる屈折率の材料とをそれぞれλ／４の厚さでの積層している構成では、オン−オフ比を向上させる能力には限界がある。
特許文献１乃至３では、ファブリペロー共振器の欠陥層に電気光学材料を利用した光スイッチが開示されている。この構成でも光のスイッチは可能であるが、かかる光スイッチでは電圧を印加することによる電気光学材料の微小な屈折率変化を使用しており、オンオフ比には限界がある。これは屈折率変化量と透過スペクトルの形状に起因しており、これを原理的に解決することは難しい。
図１５は従来の光スイッチを示す概略図である。図１６は図１５の従来の光スイッチの誘電体多層膜を示す概略図である。図１５及び図１６において、基板１上には誘電体多層膜２が配置され、この誘電体多層膜２は図１６に示すように構成され、誘電体多層膜２は多層膜３Ａと３Ｂとで構成されている。
誘電体多層膜２はマルチキャビティ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを有しており、キャビティ４Ａ、４Ｂに可変電圧源５が、キャビティ４Ｃ、４Ｄに可変電圧源６が接続されており、これらの可変電圧源５、６は電圧制御部７で制御される。
特許文献３による図１５および図１６の従来例はマルチキャビティを、それぞれ電気光学効果のある材料を利用してスイッチングを行なっている。マルチキャビティにすることによって透過スペクトルの形状が改善され、オンオフ比は取れる。
In
In this optical switch, the on / off ratio of switching is improved by using a material whose refractive index changes depending on the power of irradiated light . In order to increase the on-off ratio of an optical switch, it can be realized with an active filter that improves the transmittance when turned on and reduces the transmittance when turned off. be called. In the aforementioned
FIG. 15 is a schematic view showing a conventional optical switch. FIG. 16 is a schematic view showing a dielectric multilayer film of the conventional optical switch of FIG. 15 and 16, a
The
In the conventional example shown in FIGS. 15 and 16 according to
しかしながら、特許文献３の方法では、それぞれのキャビティに電気光学材料が必要である。電気光学材料は薄膜化が難しく、かつ電極をそれぞれの電気光学材料に作製することは、製造上、非常に困難である。
で、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、誘電体多層膜を利用した光スイッチにおいて、オンオフ比を大きく取れる構成を有する光スイッチ及び光スイッチシステムを提供することにある。
However, the method of
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical switch and an optical switch system having a configuration in which a large on / off ratio can be obtained in an optical switch using a dielectric multilayer film in consideration of the above situation.
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜と、その誘電体多層膜によって挟まれ且つ前記誘電体多層膜周期性から外れた複数の欠陥層と、複数の電極とを含んでいる光スイッチにおいて、 前記欠陥層の１層もしくは複数層を電気光学材料とし、他の欠陥層を照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料とし、前記電気光学材料は、前記複数の電極によって挟まれており、前記複数の電極に電圧を印加することによって、前記電気光学材料に入射した入射光を出射光として出すタイミング、又は出射光として出さないタイミングを、入射光のオンオフのタイミングに同期させることを特徴とすることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料としてコバルト酸化物を利用する請求項１記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、入射面に無反射コートを施した請求項１又は２記載の光スイッチを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の光スイッチが、入射光の波長スペクトルの半値全幅をλｉ、共鳴波長の最大移動量をλｍ、透過スペクトルの半値全幅をλtとしたときに、λｍ＞λｉ、λｍ＞λｔ、λｉ＝λt、を満たす光スイッチシステムを特徴とする
また請求項５に記載の発明は、前記光スイッチからの反射光を信号光として利用する請求項４記載の光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、入射光を斜入射とする請求項４又は５記載の光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載の光スイッチと、入射光を照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料の欠陥層に集光する光学素子とを備えた光スイッチシステムを特徴とする。
また請求項８載の発明は、前記光学素子は、少なくとも入射光を集光するレンズと、入射角を偏向するプリズムとを備え、前記光スイッチの基板の側面に設けられている請求項７載の光スイッチシステムを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in
A dielectric multilayer film formed by periodically laminating a plurality of dielectrics having different refractive indexes, a plurality of defect layers sandwiched between the dielectric multilayer films and deviating from the dielectric multilayer film periodicity, and a plurality of electrodes an optical switch comprising the door, the one layer or more layers of the defect layer as an electro-optical material, a material whose refractive index changes by the power of light irradiated to another defect layer, the electro-optical material, wherein It is sandwiched between a plurality of electrodes, and by applying a voltage to the plurality of electrodes, the timing at which incident light incident on the electro-optic material is emitted as emitted light or the timing at which it is not emitted as emitted light is turned on / off. It is characterized in that it is synchronized with the timing.
According to a second aspect of the present invention, there is provided the optical switch according to the first aspect, wherein cobalt oxide is used as a material whose refractive index changes depending on the power of the irradiated light.
According to a third aspect of the present invention, the optical switch according to the first or second aspect is characterized in that a non-reflective coating is applied to the incident surface.
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical switch according to any one of the first to third aspects, the full width at half maximum of the wavelength spectrum of incident light is λi, the maximum displacement of the resonance wavelength is λm, and the half value of the transmission spectrum is An optical switch system that satisfies λm> λi, λm> λt, and λi = λt when the total width is λt. The invention according to
According to a sixth aspect of the invention, the optical switch system according to the fourth or fifth aspect is characterized in that incident light is obliquely incident.
A seventh aspect of the invention includes the optical switch according to the first to third aspects and an optical element that focuses light on a defect layer of a material whose refractive index changes depending on the power of the light irradiated with incident light. Features an optical switch system.
The invention of the mounting claims 8, wherein the optical element includes a lens for condensing at least incident light, and a prism for deflecting the incident angle, according to
本発明によれば、光スイッチにおいて、光を閉じ込める効果がある欠陥層がキャビティのスペーサ部に配置されると、この部分は入射光に対しその数倍近い光強度となる。この欠陥層として照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料を利用することで、弱い入射光強度でも効率的に屈折率が変化する。キャビティにおける欠陥層の光学厚さは透過スペクトルの透過波長を決めており、屈折率が変化することで、透過波長も変化する。
この透過スペクトルの波長シフトにより光が透過しなくなり、オフ状態となる。これを用いれば、入射光強度と出射光強度には非線形の関係が生じ、これによりオン−オフ比を向上させることができる。
また、欠陥層に電気光学材料を利用することで、任意に光のオン−オフを制御できる。
前記複数の電極に電圧を印加することによって、前記電気光学材料に入射した入射光を出射光として出すタイミング、又は出射光として出さないタイミングを、入射光のオン−オフのタイミングに同期することで、さらに大きなオンオフ比が取れる。
つまり、小さなオンオフ比の光信号を大きなオンオフ比の信号へ変換することが可能である。
According to the present invention, in the optical switch, when a defect layer having an effect of confining light is disposed in the spacer portion of the cavity, this portion has a light intensity close to several times that of the incident light. By using a material whose refractive index changes depending on the power of the irradiated light as the defect layer, the refractive index efficiently changes even with a weak incident light intensity. The optical thickness of the defect layer in the cavity determines the transmission wavelength of the transmission spectrum, and the transmission wavelength also changes as the refractive index changes.
Due to the wavelength shift of the transmission spectrum, light is not transmitted and the light enters an off state. If this is used, a nonlinear relationship is generated between the incident light intensity and the emitted light intensity, thereby improving the on-off ratio.
Moreover, by using an electro-optic material for the defect layer, light on / off can be arbitrarily controlled.
By applying a voltage to the plurality of electrodes, the timing at which incident light incident on the electro-optic material is emitted as emitted light or the timing at which it is not emitted as emitted light is synchronized with the on-off timing of incident light. A larger on / off ratio can be obtained.
That is, an optical signal having a small on / off ratio can be converted into a signal having a large on / off ratio.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態及び参考実施形態を詳細に説明する。図１は光スイッチの参考実施例の概要を示す簡略図である。図１では、誘電体多層膜１０及び１１の間に照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料（欠陥層）１２ａを挟みこんだ構造としている。
１に示すように、誘電体多層膜１０及び１１の間に、照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料（欠陥層）１２ａを挟みこんだ構造とした。石英基板１３上に誘電体多層膜１０及び１１として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。
誘電体多層膜１０及び１１の膜厚はＳｉＯ2、ＴｉＯ2とそれぞれ、入射波長の光学膜厚の１／４として、７０ｎｍ及び４５ｎｍとした。誘電体多層膜１０及び１１はＳｉＯ2、ＴｉＯ2を６ペア（６対）とした。
欠陥層１２ａにはコバルト酸化物の微結晶を利用した。このコバルト酸化物はスパッタによって作製され、Ｃｏ3Ｏ4の微結晶の状態になっている。
コバルト酸化物材料には非常に高い、照射した光のパワーによって屈折率が変化する効果を有するものが知られている（マテリアルインテグレーション、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ１２（２００１）ｐ１７）。これを利用することによって、入射強度が小さくとも、照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料の感度が大きいため、オンオフ比を大きくすることが可能となる。
キャビティのスペーサ部に、照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料（欠陥層）を利用する構成とした。欠陥層１２ａは光を閉じ込める効果がある。これにより、この部分には入射光に対し、その数倍近い光強度となる。
Embodiments and reference embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a simplified diagram showing an outline of a reference embodiment of an optical switch. In FIG. 1, the
As shown in FIG. 1, the
The film thicknesses of the
Cobalt oxide microcrystals were used for the
Cobalt oxide materials that have a very high effect of changing the refractive index depending on the power of irradiated light are known (Material Integration, Vol. 14, No. 12 (2001) p17). By utilizing this, even if the incident intensity is small, the sensitivity of the material whose refractive index changes depending on the power of the irradiated light is large, so that the on / off ratio can be increased.
A material (defect layer) whose refractive index changes depending on the power of irradiated light is used for the spacer portion of the cavity. The
図２はＦＤＴＤによる数値計算を行なった結果の屈折率分布と電界強度を示す図である。図３は入射光強度と出射光強度の非線形の関係を示す図である。図２には、欠陥層１２ａの光閉じ込め効果をＦＤＴＤによる数値計算を行なった結果で示している。この部分に、照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料を利用することで、弱い入射光強度でも効率的に屈折率が変化する。
図４は出射光強度と入射光強度に関してマルチキャビティとシングルキャビティとの相違を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a refractive index distribution and electric field strength as a result of numerical calculation by FDTD. FIG. 3 is a diagram showing a nonlinear relationship between incident light intensity and outgoing light intensity. FIG. 2 shows the optical confinement effect of the
FIG. 4 is a diagram showing the difference between the multicavity and the single cavity with respect to the emitted light intensity and the incident light intensity.
図５は本発明の第１の実施例である複数の欠陥層を有する光スイッチを示す概略図である。キャビティにおける欠陥層１２の光学厚さは透過スペクトルの透過波長を決めており、屈折率が変化することで、透過波長も変化する。この透過スペクトルの波長シフトにより、光が透過しなくなり、オフ状態となる。
これを用いることで、入射光強度と出射光強度には図３に示すような非線形の関係が生じ、これがオンオフ比を向上させる。図５に示した構成は入射光の波長に対し、キャビティの共鳴波長が若干ずれた状態に作製している。
シングルのキャビティをマルチキャビティにすると、透過スペクトルの形状は立ち上がりが急峻なトップハット（シルクハット）の形状になる。また、マルチキャビティにすることで、屈折率が変化した時に、オフとなる部分の透過率が低い。これより、オフ時の透過光量が減少し、オンオフ比が向上する。つまり、マルチキャビティの方が、図３に示すように入射光強度／出射光強度の関係での非線形性が高まり、オンオフ比も大きくなる。
詳細は後述する、図５の構成に光を入れることで、スペーサの屈折率が変化し、或る強度の時に入射光の波長とキャビティの共鳴波長が一致し、出射光強度が高くなる。この挙動が非線形性を示し、スイッチングのオンオフを増大させる光トランジスタの役割を示す。
この作製方法により、この材料の非線型屈折率は−２．７×１０-11（ｍ 2 ／Ｗ）であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。この膜を膜厚３５８ｎｍとする。
光スイッチは、以下の条件、
λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λt
を満たす。
但し、λiは入射光の波長スペクトルの半値全幅、λｍは共鳴波長の最大移動量、λtは透過スペクトルの半値全幅である。
この時の入射光強度が０．１ＧＷ／ｍ2以上であれば、屈折率変化量は０．０１を超える。これにより、図３に示すような、入射光強度と出射光強度の非線型関係を示すことになる。これをモジュール化することで、光スイッチとなる。
FIG. 5 is a schematic view showing an optical switch having a plurality of defect layers according to the first embodiment of the present invention. The optical thickness of the
By using this, there is a non-linear relationship as shown in FIG. 3 between the incident light intensity and the emitted light intensity, which improves the on / off ratio. The structure shown in FIG. 5 is manufactured in a state where the resonance wavelength of the cavity is slightly shifted from the wavelength of the incident light.
When a single cavity is a multi-cavity, the shape of the transmission spectrum is a top hat (silk hat) with a sharp rise. Further, by using a multicavity, the transmittance of the portion that is turned off when the refractive index changes is low. As a result, the amount of transmitted light at the time of OFF decreases, and the ON / OFF ratio improves. That is, in the multicavity, as shown in FIG. 3, non-linearity in the relationship of incident light intensity / emitted light intensity is increased, and the on / off ratio is also increased.
The light is introduced into the configuration shown in FIG. 5, which will be described later in detail, so that the refractive index of the spacer changes, the wavelength of the incident light coincides with the resonance wavelength of the cavity at a certain intensity, and the emitted light intensity increases. This behavior shows non-linearity and shows the role of the phototransistor to increase switching on / off.
By this manufacturing method, the nonlinear refractive index of this material is −2.7 × 10 −11 ( m 2 / W ), which is a very high value for liquid crystals and organic materials. You this film with a thickness of 358nm.
The optical switch has the following conditions:
λm> λi, λm> λt, λi = λt
Meet.
Here, λi is the full width at half maximum of the wavelength spectrum of the incident light, λm is the maximum movement amount of the resonance wavelength, and λt is the full width at half maximum of the transmission spectrum.
If the incident light intensity at this time is 0.1 GW / m 2 or more, the amount of change in the refractive index exceeds 0.01. As a result, the nonlinear relationship between the incident light intensity and the emitted light intensity as shown in FIG. 3 is shown. By modularizing this, an optical switch is obtained.
図６は光スイッチが条件、λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λtを満たした場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図７は光スイッチが条件、λｍ＞λi、λｍ＞λｔ、λｉ＝λtを満たしていない場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図８は光スイッチが条件、λｍ＞λｉ、λｍ＞λｔ、λｉ＝λｔを満たしていない他の場合のスイッチング動作を示す特性図である。
図９はコバルト酸化物の、照射した光のパワーによって屈折率が変化する効果を示す特性図である。
上記の条件で、λｉ＝λｔは以下のスイッチング原理に基づき、原理的にほぼ同程度の半値全幅であればよいとする。
図１に示すように誘電体多層膜１０、１１によって欠陥層１２ａを挟むと、その欠陥層１２ａに対応した波長にピークを有する透過スペクトルが取れる（図８）。この透過スペクトルにおける半値全幅をλtとする。
ここで、半値全幅λtは透過スペクトルのピークから裾野部分までの波長長さとほぼ同等と考えられる。つまり、このλtによって、透過スペクトルおける透過率が高い位置から低い位置までの波長幅を示すことができる。
この透過スペクトルは欠陥層１２ａの光学的な厚さに対応しており、この光学的な厚さを変えることで、ピーク位置が移動する。この移動量をλｍとした。また、入射光のスペクトルにおける半値全幅をλｉとした。図６ではオンとオフとして、その欠陥層１２ａの光学的な厚さを変化している。
上述した条件が満たされることによって、オンとオフにおける透過スペクトルは図６に示すように、オンの時には光を出射し、オフの時には光を出さない。これによって大きな消光比を取ることができる。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the switching operation when the optical switch satisfies the conditions, λm> λi, λm> λt, and λi = λt.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the switching operation when the optical switch does not satisfy the conditions, λm> λi, λm> λt, and λi = λt.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the switching operation in other cases where the optical switch does not satisfy the conditions, λm> λi, λm> λt, and λi = λt.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the effect of changing the refractive index of cobalt oxide depending on the power of irradiated light .
Under the above conditions, it is assumed that λi = λt may be a full width at half maximum of approximately the same level in principle based on the following switching principle.
As shown in FIG. 1, when the
Here, it is considered that the full width at half maximum λt is substantially equal to the wavelength length from the peak of the transmission spectrum to the bottom portion. That is, this λt can indicate the wavelength width from a position where the transmittance in the transmission spectrum is high to a position where the transmittance is low.
This transmission spectrum corresponds to the optical thickness of the
When the above-described conditions are satisfied, the transmission spectrum in the on state and the off state emits light when on, and does not emit light when off, as shown in FIG. As a result, a large extinction ratio can be obtained.
この条件を満たさない場合を図７と図８に示す。図７に示している条件は、λｍ＜λｉ、λｍ＞λｔである。この場合には、入射光のスペクトル幅に対し、透過率のピーク移動量λｍが小さい。
そのため、オフ時においても、入射スペクトルの裾野部分に透過率のスペクトルピークが位置してしまう。従って、そこでの入射光を透過することになり、図７に示すようにオフの時にも、波長は異なるが出射光が存在する。これは消光比を大きく低減している。
また、図８に示すように、λｍ＜λｉ、λｍ＞λｔの条件においては、透過スペクトルの半値全幅が広く、裾を引いてしまう。また、移動量λｍが小さいため、オフ時のときにも、入射光のピーク位置λｉｐにおいて、透過率が０とならない。このため、入射光は透過してしまい、光が出射することになる。これもまた消光比を低減している。
A case where this condition is not satisfied is shown in FIGS. The conditions shown in FIG. 7 are λm <λi and λm> λt. In this case, the peak movement amount λm of the transmittance is small with respect to the spectrum width of the incident light.
Therefore, the spectral peak of transmittance is located at the base of the incident spectrum even at the off time. Therefore, the incident light therethrough is transmitted, and even when it is turned off as shown in FIG. This greatly reduces the extinction ratio.
Further, as shown in FIG. 8, under the conditions of λm <λi, λm> λt, the full width at half maximum of the transmission spectrum is wide and the tail is drawn. Further, since the movement amount λm is small, the transmittance does not become zero at the peak position λip of the incident light even when the light is off. For this reason, incident light is transmitted and light is emitted. This also reduces the extinction ratio.
図１０は本発明による光スイッチの第１実施例を含んでいる光スイッチシステムの全体構成を示す概略図である。図５及び図１０を参照して、下方より固体レーザ（図示せず）を微弱に変調した信号光が入射しており、本光スイッチによって変調を増強された光が出射光として上方に出る。
変調の増幅は微弱変調に同期された電気信号によって行われ、そのための電極１４、１５が左右に出されている。光スイッチは基板１３上に欠陥層１２を含む誘電体多層膜１０、１１からなるスイッチ部および電極１４、１５によって構成されている。
図５に拡大して示したように、第１実施例のスイッチはマルチキャビティ型として、それぞれの欠陥層１２、１２ａは電気光学材料および照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料とした。石英基板１３上に誘電体多層膜として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。
半値幅はＳｉＯ2、ＴｉＯ2の膜厚を、それぞれ、７０ｎｍ及び４５ｎｍとした。誘電体多層膜はＳｉＯ2、ＴｉＯ2を６ペアとした。このペア数を制御することで、透過スペクトルの半値全幅を制御することが可能である。より狭い半値全幅にしたいときには、ペア数をより増やすことで可能である。６ペアとすることによって、透過スペクトルの半値全幅λｔは約１ｎｍ程度となる。
これは入射波長を屈折率で割った波数λｎのちょうどλｎ／４となる数値である。欠陥層１２は外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶としてはＬＮやＰＬＺＴなどが有名である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the overall configuration of an optical switch system including a first embodiment of an optical switch according to the present invention. Referring to FIGS. 5 and 10, signal light obtained by weakly modulating a solid-state laser (not shown) is incident from below, and light whose modulation is enhanced by this optical switch is emitted upward as outgoing light.
The amplification of the modulation is performed by an electric signal synchronized with the weak modulation, and the
As shown in an enlarged view in FIG. 5, the switch of the first embodiment is a multi-cavity type, and the defect layers 12 and 12a are made of an electro-optic material and a material whose refractive index changes depending on the power of irradiated light . SiO 2 and TiO 2 were alternately stacked on the
As for the half width, the film thicknesses of SiO 2 and TiO 2 were 70 nm and 45 nm, respectively. The dielectric multilayer film was composed of 6 pairs of SiO 2 and TiO 2 . By controlling the number of pairs, the full width at half maximum of the transmission spectrum can be controlled. If you want a narrower full width at half maximum, you can increase the number of pairs. By using six pairs, the full width at half maximum λt of the transmission spectrum is about 1 nm.
This is a numerical value that is exactly λn / 4 of the wave number λn obtained by dividing the incident wavelength by the refractive index. The
本実施例では欠陥層１２にＰＬＺＴを利用し、膜厚は入射波長の１／４の整数倍Ｎになるようにする。これにより、入射光の波長λｉｐと透過率スペクトルのピーク位置とが一致することになる。整数Ｎは４０程度として、膜厚は１０μｍ程度とした。
ＰＬＺＴはその２次電気光学係数を９Ｅ-16［ｍ2Ｖ-2］とし、１０Ｖの電圧印加で、その屈折率変化は約０．０１程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λｍは約１．５ｎｍとなる。
この移動量λｍは印加電圧や欠陥層１２の膜厚整数Ｎによっても制御することができる。欠陥層１２の両端には電極１４、１５として透明電極を利用した。透明電極はＩＴＯとして、スパッタによって形成できる。入射光は垂直に入射し、誘電体多層膜１０、１１を透過して出射される。
もう一方の欠陥層１２ａには照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料としてコバルト酸化物の微結晶を利用した。コバルト酸化物はスパッタによって作製され、Ｃｏ3Ｏ4の微結晶の状態になっている。スパッタによる作製方法により、コバルト酸化物の非線型屈折率は−２．７×１０-11（ｍ 2 ／Ｗ）であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。
この欠陥層１２ａの膜厚は３００ｎｍ程度とした。入射光強度は０．１ＧＷ／ｍ2以上で、屈折率変化量は０．０１を超えている。本実施例では、マルチキャビティ構成で、かつ１つのキャビティが電気光学材料であることから、非常に高い信号増強作用を示した。
In this embodiment, PLZT is used for the
PLZT has a secondary electro-optic coefficient of 9E -16 [m 2 V -2 ], and its refractive index change is about 0.01 when a voltage of 10 V is applied. With this change in refractive index, the amount of movement λm at the peak position of the transmittance is about 1.5 nm.
This amount of movement λm can also be controlled by the applied voltage or the film thickness integer N of the
Cobalt oxide microcrystals were used for the
The film thickness of this
図５に示すように欠陥層１２に電気光学材料を利用することで、任意に光のオン−オフを制御できる。このオンオフのタイミングを入射光のオン−オフのタイミングに同期することで、さらに大きなオンオフ比が取れる。
つまり、小さなオンオフ比の光信号を大きなオンオフ比の信号へ変換することが可能である。また、電気光学材料を欠陥層１２に利用した光スイッチは従来からあるが、これらに比べ、さらに照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料からなる欠陥層１２ａを利用しているので、オンオフ比が非常に大きいスイッチとなる。
作製方法は、基板１３を石英として、この石英基板１３上に誘電体多層膜１０、１１を蒸着する。誘電体多層膜１０、１１はそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番は石英基板１３の次にＴｉＯ2を成膜する。次にＳｉＯ2、その次にＴｉＯ2の順である。この実施例ではＴｉＯ2／ＳｉＯ2のペアを６ペア積層した。
次に欠陥層１２を成膜する。この欠陥層１２にはＰＬＺＴを採用した。ＰＬＺＴは一般的には燒結によって作製されたセラミックを利用して、研磨などの加工を施し平板状に成形している。平板状態のまま、先の誘電体多層膜１０、１１を成膜した石英基板１３に接着する。接着したＰＬＺＴ膜を表面から研磨する。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が１０μｍになるまで削る。
次に先に成膜した誘電体多層膜１０、１１と同様に、欠陥層１２の上面にも誘電体多層膜１０、１１を形成する。形成方法は蒸着である。照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料もスパッタなので、蒸着と同様に真空下での気相成長を行なう。
石英基板１３の逆の面にはＡＲ（無反射）コート１６（図１０）を施し、反射を低減する。入射光を入射角が０°になるように正確に設置する。スイッチの表面にＡＲコート１６を施すことで、反射は低減できる。これにより、オンの時の光強度を上昇させることができる。
As shown in FIG. 5, by using an electro-optic material for the
That is, an optical signal having a small on / off ratio can be converted into a signal having a large on / off ratio. In addition, optical switches using an electro-optic material for the
In the manufacturing method, the
Next, the
Next, the
An AR (non-reflective) coating 16 (FIG. 10) is applied to the opposite surface of the
図１１は本発明による光スイッチの第２実施例を含んでいる光スイッチシステム示す概要図である。図１２は図１１の第２実施例のスイッチ部を示す概略図である。図１１及び図１２を参照して、入射光は左から右に通過する。その際に誘電体多層膜（図１１のスイッチ部）に入射角約４２°で入射する。この角度は誘電多層膜１０、１１と欠陥層１２、１２ａによって決定される全反射角である。
この誘電体多層膜１０、１１によって反射された光は右側に向かって出射される。入射光は誘電体多層膜１０、１１とほぼ平行な方向であるが、入射する際に石英基板１３に形成された傾斜角によって、入射角を変換している。
これは石英基板１３に一体化された光学素子のプリズムと言う意味であり、レンズやプリズムなどの光学素子１７（図１１）を、光スイッチを構成する石英基板１３の側面に形成することで、振動などに強い光スイッチシステムとなる。光学素子を配置する製造工程においても、側面を加工することでできることから、簡便な工法を取ることができる。
斜入射にすることで、偏光ビームスプリッタを利用することなく、入射光と反射光とを分離することができる。これにより偏光ビームスプリッタによってオン−オフ比を低下させていた要因を取り除くことが可能となる。
電気信号は電極（図示せず）に入ることによって、光スイッチが電気信号を光信号へ変換する。光スイッチは基板１３に欠陥層１２、１２ａを含む誘電体多層膜１０、１１および電極１４、１５によって構成されている。誘電体多層膜１０、１１、欠陥層１２、１２ａは図１２に示した構造になっている。
電極１４、１５は櫛歯状であり、横方向に電圧がかかる。誘電体多層膜１０、１１の上に電気光学材料からなる欠陥層１２、その上には照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料からなる欠陥層１２ａが構成されている。フォトフィラクティブ材料の上は空気となっており、反射状態になる場合には全反射条件を満たす。
FIG. 11 is a schematic diagram showing an optical switch system including a second embodiment of the optical switch according to the present invention. FIG. 12 is a schematic view showing a switch unit of the second embodiment of FIG. Referring to FIGS. 11 and 12, incident light passes from left to right. At that time, the light enters the dielectric multilayer film (switch part in FIG. 11) at an incident angle of about 42 °. This angle is a total reflection angle determined by the
The light reflected by the
This means a prism of an optical element integrated with the
By using oblique incidence, incident light and reflected light can be separated without using a polarizing beam splitter. As a result, it is possible to remove the factor that has lowered the on-off ratio by the polarization beam splitter.
As the electrical signal enters an electrode (not shown), the optical switch converts the electrical signal into an optical signal. The optical switch is composed of
The
石英基板１３上に誘電体多層膜１０、１１として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。反値幅はＳｉＯ2、ＴｉＯ2と膜厚はそれぞれ、７０ｎｍ、４５ｎｍとした。誘電体多層膜１０、１１はＳｉＯ2、ＴｉＯ2を６ペアとした。
このペア数を制御することで、透過スペクトルの半値全幅を制御することが可能である。より狭い半値全幅にしたい時には、ペア数をより増やすことで可能である。６ペアとすることで、透過スペクトルの半値全幅λｔは約１ｎｍ程度となる。これは入射波長を屈折率で割った波数λｎのちょうどλｎ／４となる数値である。
欠陥層１２には外場によって屈折率の変わるものであればよく、液晶や熱光学材料などが考えられるが、本実施例では反応スピード面から非線形結晶を利用した。非線形結晶はＬＮやＰＬＺＴなどが有名である。また、光に反応するものであればコバルト酸化物などの照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料なども利用することができる。
上述のごとく、本実施例では欠陥層１２にＰＬＺＴを利用し、膜厚は入射波長の１／２の整数倍Ｎになるようにする。これにより、入射光の波長λｉｐと透過率スペクトルのピーク位置とが一致することになる。整数Ｎは５程度として、膜厚は３００ｎｍ程度とした。
SiO 2 and TiO 2 were alternately laminated on the
By controlling the number of pairs, the full width at half maximum of the transmission spectrum can be controlled. If you want a narrower full width at half maximum, you can increase the number of pairs. By using 6 pairs, the full width at half maximum λt of the transmission spectrum is about 1 nm. This is a numerical value that is exactly λn / 4 of the wave number λn obtained by dividing the incident wavelength by the refractive index.
The
As described above, in this embodiment, PLZT is used for the
ＰＬＺＴはゲル状の溶液をスピンコートし、その膜を燒結することで結晶化する。スピンコートで成膜した膜は膜厚が不均一であるため、研磨することで表面性を高める。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が３００ｎｍになるまで削る。
欠陥層１２の上面には電極として金属層を配した。金属電極１４、１５はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどさまざまな金属を選択することができるが、本実施例ではＡｕとした。Ａｕはスパッタによって形成でき、マスクを着けることでパターニングすることが可能である。櫛歯はそのピッチを５μｍとして、十分な電界が生じることができる。
ＰＬＺＴはその２次電気光学係数を９Ｅ-16［ｍ2Ｖ-2］とし、１０Ｖの電圧印加で、その屈折率変化は約０．０１程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λｍは約１．０ｎｍ。この移動量λｍは印加電圧や欠陥層１２の膜厚整数Ｎによっても制御することができる。
照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料のキャビティは片方だけの６ペアの誘電体多層膜となっているが、反射を介して、擬似的に両側に誘電体多層膜によって挟まれたキャビティとして機能している。照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料１２ａとしてコバルト酸化物の微結晶を利用した。このコバルト酸化物はスパッタによって作製され、Ｃｏ3Ｏ4の微結晶の状態になっている。
この作製方法により、この材料の非線型屈折率は−２．７×１０-11（ｍ 2 ／Ｗ）であり、液晶や有機材料に対し、非常に高い数値を示している。膜厚は３００ｎｍ程度とした。入射光強度は０．１ＧＷ／ｍ2以上で、この時の屈折率変化は０．０１を超えている。石英基板１３の逆の面にはＡＲ（無反射）コートを施し、反射を低減する。入射光を入射角が適当な角度になるように微調整する。
PLZT is crystallized by spin-coating a gel-like solution and sintering the film. Since the film formed by spin coating has a non-uniform film thickness, the surface property is improved by polishing. Polishing is performed using CMP until the film thickness reaches 300 nm.
A metal layer was disposed on the upper surface of the
PLZT has a secondary electro-optic coefficient of 9E -16 [m 2 V -2 ], and its refractive index change is about 0.01 when a voltage of 10 V is applied. With this change in refractive index, the amount of movement λm at the peak position of the transmittance is about 1.0 nm. This amount of movement λm can also be controlled by the applied voltage or the film thickness integer N of the
The cavity of the material whose refractive index changes depending on the power of the irradiated light is a 6-layer dielectric multilayer film on one side, but the cavity is sandwiched between the dielectric multilayer films on both sides in a pseudo manner through reflection. Is functioning as Cobalt oxide microcrystals were used as the
By this manufacturing method, the nonlinear refractive index of this material is −2.7 × 10 −11 ( m 2 / W ), which is a very high value for liquid crystals and organic materials. The film thickness was about 300 nm. The incident light intensity is 0.1 GW / m 2 or more, and the refractive index change at this time exceeds 0.01. An AR (non-reflective) coating is applied to the opposite surface of the
次に第２実施例の動作を説明する。入射光には固体レーザから出射された連続波（ＣＷ）光を利用している。本実施例では信号変調を本スイッチで行ない、増幅作用だけを行なうものではない。信号は電気信号で電気光学材料に送られ、そこで光信号に変換され、照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料で増強される。本発明ではマルチキャビティ構造であることから高い増強作用を示した。また、本発明ではＣＷ（連続波）光に任意の信号を付加することができた。
反射光を信号光として利用すると、信号光は反射スペクトルによって規定される。オン時の出射光強度は、反射スペクトルの透過率の裾野での数値に依存する。信号光として透過光を利用した場合は、ピークの位置での透過率に依存する。信号光を透過光から反射光へ変更した場合に大きく異なる点である。
本発明の光スイッチは、一般的なバンドパスフィルタの透過スペクトルとほぼ同様であり、透過スペクトルはガウシアン型を取る。ガウシアン型であるため、入射光のスペクトルのピーク位置が少しでもずれることで、透過光の光量は低下する。また、反射率のスペクトルにおいて、そのピーク値は０％の反射率（透過率として１００％）になっていない。これは膜厚の誤差や表面の凹凸によるものであり、実際作製する際には少なからず起きる。また、マルチキャビティ（欠陥層が複数層）の場合には、トップハット型のスペクトルにすることができるが、その透過率を１００％近く高めるのは不可能である。
つまり、透過光を利用する限りにおいて、１００％に近い高い利用効率を実現することは難しい。それに対し、反射を利用することで、透過スペクトルの裾野の透過率を０％近くに設計することは容易である。つまりはオン時の出射光強度を上げることができ、オン−オフ比を向上することができる。
Next, the operation of the second embodiment will be described. As incident light, continuous wave (CW) light emitted from a solid-state laser is used. In this embodiment, signal modulation is performed by this switch, and not only amplification. The signal is transmitted as an electrical signal to the electro-optic material, where it is converted to an optical signal, and is enhanced with a material whose refractive index changes with the power of the irradiated light . In the present invention, since it has a multi-cavity structure, a high enhancing action is shown. In the present invention, an arbitrary signal can be added to CW (continuous wave) light.
When reflected light is used as signal light, the signal light is defined by the reflection spectrum. The output light intensity at the time of ON depends on the numerical value at the base of the transmittance of the reflection spectrum. When transmitted light is used as signal light, it depends on the transmittance at the peak position. This is a significant difference when the signal light is changed from transmitted light to reflected light.
The optical switch of the present invention is almost the same as the transmission spectrum of a general bandpass filter, and the transmission spectrum takes a Gaussian type. Since it is a Gaussian type, the amount of transmitted light decreases when the peak position of the spectrum of incident light is shifted even a little. In the reflectance spectrum, the peak value is not 0% reflectance (transmittance is 100%). This is due to an error in film thickness and unevenness on the surface, and it occurs not a little during actual production. In the case of a multi-cavity (having a plurality of defect layers), a top-hat type spectrum can be obtained, but the transmittance cannot be increased by nearly 100%.
That is, as long as the transmitted light is used, it is difficult to achieve a high utilization efficiency close to 100%. On the other hand, it is easy to design the transmittance at the base of the transmission spectrum to be close to 0% by using reflection. That is, it is possible to increase the intensity of emitted light at the time of turning on, and to improve the on-off ratio.
図１３は第３実施例の構成を示す概要図である。図１４は光スイッチの基板に直接形成されたレンズを示す概略図である。図１３及び図１４を参照して、下方より固体レーザを微弱に変調した信号光が入射しており、本光スイッチによって変調を増強された光が出射光として上方に出る。
変調の増幅は微弱変調に同期された電気信号によって行われ、そのための電極１４、１５が左右に出されている。入射光は光学素子のレンズ１８を通して、光スイッチへ入射する。この際に入射光は平行光として、レンズによって光は集光することとなる。
光スイッチはビーム径が最小になった部分で光が通過するように配置する。集光した光は入射光に対し、そのビーム径は１／１０もしくはそれ以上に小さくなる。ビーム径が小さくなることで、光密度はビーム径の２乗に比例することから、光強度は１００倍以上となる。
FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of the third embodiment. FIG. 14 is a schematic view showing a lens directly formed on the substrate of the optical switch. Referring to FIGS. 13 and 14, signal light obtained by weakly modulating a solid-state laser is incident from below, and light whose modulation is enhanced by the present optical switch exits upward as emitted light.
The amplification of the modulation is performed by an electric signal synchronized with the weak modulation, and the
The optical switch is arranged so that light passes through the portion where the beam diameter is minimized. The beam diameter of the collected light is 1/10 or more smaller than the incident light. As the beam diameter becomes smaller, the light density is proportional to the square of the beam diameter, so that the light intensity becomes 100 times or more.
本実施例では図１４に示すように、レンズ（光学素子）１８を光スイッチの基板１３に直接形成する。光スイッチの基板１３は石英基板からなり、その表面形状をレンズ形状にすることで平行光を集光するレンズの役割を担う。レンズ１８を基板１３に直接形成することによってレンズ１８と光スイッチとの相対位置精度は飛躍的に上がり、振動などにも強い構成となる。
レンズ１８は光スイッチを形成した後に半導体プロセスで作製する。半導体プロセスではレンズ形状をしたレジスト形状をフォトリソグラフィプロセスで形成できるため、その位置精度は非常に高い。また、別な基板で作製したマイクロレンズを、樹脂を介して貼り合わせる方法でもほぼ同様な精度を示すことができる。
この場合には、光スイッチの基板面とレンズの基板面が平面もしくはそれに準じた形状で、それぞれの面が正確に貼り合わせることができれば、非常に高い精度でレンズと光スイッチとの位置精度を実現できる。また、このように貼り合わせた場合にもレンズと光スイッチが一体化しており、振動に強い構成になる。
入射光をレンズなどの光学素子１８によって集光することで、その集光したスポット位置での光密度が相対的に上昇する。スポット位置に照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料を配置することで、小さな入射光強度の場合にでも、照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料がある位置での光強度が上昇し、見かけ上感度が上昇したことになる。
光スイッチは基板１３に欠陥層１２を含む誘電体多層膜１０、１１及び電極１４、１５によって構成されている。光スイッチの拡大図は図５に示してある。本スイッチはマルチキャビティ型として、それぞれの欠陥層１２、１２ａは電気光学材料および照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料とした。
石英基板１３上に誘電体多層膜１０、１１として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2とを交互に積層した。入射波長λｉｐは４５７ｎｍとして、そのスペクトルでの半値全幅λｉは約１ｎｍとした。本実施例の光スイッチは第１実施例に関連して説明した構成と同じであるので、詳細な説明は省略する。
In this embodiment, as shown in FIG. 14, a lens (optical element) 18 is formed directly on the
The
In this case, if the substrate surface of the optical switch and the substrate surface of the lens are flat or similar in shape, and the respective surfaces can be bonded together accurately, the positional accuracy between the lens and the optical switch can be increased with very high accuracy. realizable. In addition, the lens and the optical switch are integrated even when bonded in this way, and the structure is strong against vibration.
By condensing incident light by the
The optical switch is composed of
SiO 2 and TiO 2 were alternately laminated on the
次に、第３実施例の作製方法を説明する。基板１３を石英として、この基板１３上に誘電体多層膜１０、１１を蒸着する。誘電体多層膜１０、１１はそれぞれ膜厚をモニターしながら成膜する。成膜する順番は石英基板１３の次にＴｉＯ2を成膜する。次にＳｉＯ2、その次にＴｉＯ2の順である。本実施例ではＴｉＯ2／ＳｉＯ2のペアを６ペア積層した。次に欠陥層１２を成膜する。この欠陥層１２にはＰＬＺＴを採用した。ＰＬＺＴは一般的には燒結によって作製されたセラミックを利用して、研磨などの加工を施し平板状に成形している。平板状態のまま、先の誘電体多層膜１０、１１を成膜した基板１３に接着する。接着したＰＬＺＴ膜を表面から研磨する。研磨にはＣＭＰを利用し、膜厚が１０μｍになるまで削る。
次に、先に成膜した誘電体多層膜１０、１１と同様に、欠陥層１２の上面にも誘電体多層膜１０、１１を形成する。形成方法は蒸着である。照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料もスパッタなので、蒸着と同様に真空下での気相成長を行なう。石英基板１３の裏側にはマイクロレンズ１８を形成する。形成方法は半導体プロセスを利用した。
半導体プロセスはレジスト塗布、フォトリソグラフィプロセスによるパターニング、ベークよるレジスト融解球面形成、ドライエッチングからなる。レンズ１８とスイッチングの相対位置はフォトリソフィプロセス時のマスク位置精度によって決まるため、非常に高い位置精度を実現できる。石英基板１３のマイクロレンズ表面にはＡＲコート１６を施し、反射を低減する。入射光を入射角が０°になるように正確に設置する。
Next, a manufacturing method of the third embodiment will be described. The
Next, the
The semiconductor process includes resist coating, patterning by a photolithography process, formation of a resist melting sphere by baking, and dry etching. Since the relative position of the
Ａ 光スイッチ、１０ 誘電体多層膜（ＳｉＯ2、ＴｉＯ2）、１１ 誘電体多層膜（ＳｉＯ2、ＴｉＯ2）、１２ 欠陥層（電気光学材料、ＰＬＺＴ）、１２ａ 欠陥層（照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料、Ｃｏ3Ｏ4）、１３ 石英基板、１４ 電極、１５ 電極、１６ 無反射（ＡＲ）コート、１７ 光学素子、１８ 光学素子（レンズ） A Optical switch, 10 Dielectric multilayer (SiO 2 , TiO 2 ), 11 Dielectric multilayer (SiO 2 , TiO 2 ), 12 Defect layer (electro-optic material, PLZT), 12a Defect layer ( Power of irradiated light The material whose refractive index changes depending on the material, Co 3 O 4 ), 13 quartz substrate, 14 electrodes, 15 electrodes, 16 non-reflective (AR) coat, 17 optical element, 18 optical element (lens)
Claims (8)
前記欠陥層の１層もしくは複数層を電気光学材料とし、他の欠陥層を照射した光のパワーによって屈折率が変化する材料とし、
前記電気光学材料は、前記複数の電極によって挟まれており、前記複数の電極に電圧を印加することによって、前記電気光学材料に入射した入射光を出射光として出すタイミング、又は出射光として出さないタイミングを、入射光のオンオフのタイミングに同期させることを特徴とする光スイッチ。 A dielectric multilayer film formed by periodically laminating a plurality of dielectrics having different refractive indexes, a plurality of defect layers sandwiched between the dielectric multilayer films and deviating from the dielectric multilayer film periodicity, and a plurality of electrodes In an optical switch containing
One or more of the defect layers is an electro-optic material, and a material whose refractive index is changed by the power of light irradiated on the other defect layers,
The electro-optic material is sandwiched between the plurality of electrodes, and by applying a voltage to the plurality of electrodes, the incident light incident on the electro-optic material is emitted as emitted light or is not emitted as emitted light. An optical switch characterized in that timing is synchronized with on / off timing of incident light.
λｍ＞λｉ、
λｍ＞λｔ、
λｉ＝λt、
を満たすことを特徴とする光スイッチシステム。 The optical switch according to any one of claims 1 to 3, wherein the full width at half maximum of the wavelength spectrum of the incident light is λi, the maximum movement of the resonance wavelength is λm, and the full width at half maximum of the transmission spectrum is λt,
λm> λi,
λm> λt,
λi = λt,
An optical switch system characterized by satisfying
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