JP2000206576A

JP2000206576A - 光スイッチ用素子および光スイッチ

Info

Publication number: JP2000206576A
Application number: JP11002859A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sakaguchi; 茂樹坂口; Naoto Sugimoto; 直登杉本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】可動部がなく、安価で高性能の光スイッチを提
供すること。【解決手段】課題を解決するために、磁気光学材料と誘
電体材料とからなる周期的繰り返しによって積層された
構造を有する多層膜ファラデー回転子３と、屈折率分布
型ロッドレンズ４ａ、４ｂと、入出力用ファイバ７ａ、
７ｂ、７ｃ、７ｄと、ファラデー回転子３に磁界を負荷
するための電磁石５とを具備し、ファラデー回転子３に
磁界が負荷されている時にはファイバ７ａからの入力光
をファイバ７ｂに出力し、磁界が負荷されていない時に
はファイバ７ａからの入力光をファイバ７ｄに出力する
機能を有する光スイッチを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気光学材料と誘
電体材料とからなる周期的繰り返し構造を有する多層膜
ファラデー回転子であって、これに外部から磁界を付加
することによって、これに入射する光を透過または反射
せしめるスイッチング動作をする光スイッチ用素子、お
よび光スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の大容量光通信システム開発の過程
において、光波ネットワークの開発が指向されている。
光波ネットワークでは、信号搬送波である光波は電気信
号に変換されることなく増幅や光路切り替えされて伝達
される。光増幅器とともに光スイッチは光波ネットワー
ク構成に欠かせないデバイスとなっている。

【０００３】これまで開発され実用化段階を迎えている
光スイッチの主なものには、光の干渉作用に基づき加熱
等の熱光学効果の利用により実効光路長を制御して光路
を切り替えるものや、光路を機械的に切り替えるもの等
がある。前者では、例えば、平面光回路（ＰＬＣ）内に
方向性結合器を用いてマッハツェンダー干渉計を構成
し、片方の光路に薄膜ヒータを設置して加熱することに
より実効光路長を変化させて干渉条件を調節することに
より光路を切り替えるものが代表的なものである（例え
ば、M. Kawachi, Optical and Quantum Electronics, v
ol. 22, pp. 391-416, 1990 参照）。後者では、光ファ
イバを用いてこれを電磁石等によって光ファイバの光軸
を直接機械的に切り替えるものが代表的である（例え
ば、S. Naga-oka, IEICE Trans. Electron., vol. E80-
C, no. 2, pp. 280-284, 1997 参照）。これらは熱光学
作用や機械的動作によるものなのでスイッチング速度は
ミリ秒程度であり、回線切り替え等に多くの需要があ
る。信号パケットの交換に対応する超高速光スイッチで
は、光カー効果等の物質の非線形性を利用し、プローブ
光の高い電界強度により光路の実効屈折率を変化させて
スイッチする方法があるが、現時点ではまだ実用的では
ない。これらについては神谷、荒川共編「超高速光スイ
ッチング技術」（培風館、1993 年）に詳しい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】干渉効果を利用したＰ
ＬＣ型の光スイッチは、干渉計を構成する二つの方向性
結合器の間において分岐比が高い精度で一致している必
要があり、そのためには導波路の屈折率をはじめ結合長
やギヤップの調整を高精度で行わなければならない。し
たがって、この整合性の再現性等において現状では歩留
まりが低い。また、半導体製造技術に基づいて製造され
るため、量産化には向くものの高度な製造装置を要する
ことから設備のコストも多大なこととも相俟って、必ず
しも価格は安いものではない。機械的スイッチでは、比
較的容易に製造可能であるものの可動部があることから
耐久性が高いとは言えず、本質的に経時劣化を引き起こ
すという問題があった。このように従来のスイッチで
は、価格や経時特性において必ずしも十分なものではな
かった。

【０００５】本発明の目的は、従来の光スイッチに関す
る上記の問題を解決し、安価で高性能の光スイッチを提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明においては、磁気光学材料と誘電体材料と
からなる多層膜ファラデー回転子を磁界駆動光スイッチ
ング素子として用いて光スイッチを構成する。

【０００７】すなわち、本発明は、請求項１に記載のよ
うに、磁気光学材料と誘電体材料とからなる周期的繰り
返しによって積層された構造を有する多層膜ファラデー
回転子からなる光スイッチ用素子であって、これに外部
から負荷された磁界に応じて光を透過或いは反射するス
イッチング動作をすることを特徴とする光スイッチ用素
子を構成する。

【０００８】また、本発明は、請求項２に記載のよう
に、磁気光学材料と誘電体材料とからなる周期的繰り返
しによって積層された構造を有する多層膜ファラデー回
転子からなる光スイッチ用素子であって、これに外部か
ら負荷された磁界に応じて光を透過或いは反射するスイ
ッチング動作をすることを特徴とする光スイッチ用素
子、ならびに、該光スイッチ用素子に磁界を負荷せしめ
る手段を具備したことを特徴とする光スイッチを構成す
る。

【０００９】最近、磁気光学材料と誘電体材料とからな
る多層膜構造において、極めて大きなファラデー回転角
が得られることが見出された（井上、藤井、日本応用磁
気学会誌、２１巻（１９９７）、１８７−１９２参
照）。このような多層膜ファラデー回転子は、磁気光学
材料と誘電体材料とからなる周期的繰り返し構造を有し
ている。この周期性のために、大きなファラデー回転効
果が得られるものである。この効果に対して、本発明者
らは、積層構造と透過特性との関係を詳細に調べた結
果、後に詳しく述べるように、外部から負荷する磁界に
応じて透過率が大きく変化することを見出した。この効
果を利用することにより、このような多層膜が磁界によ
り駆動するスイッチング動作をすることを見出した。従
来、この種のスイッチは存在せず、機械的可動部のない
安価なスイッチが製造できることから本発明の出願に至
ったものである。

【００１０】さらに、多層膜は１０ミクロン以下の厚さ
で作製できるため、ＰＬＣの導波路内に挿入した場合、
導波路の回折損失を低減でき、また、光軸調整が不要で
あることとも相俟って、ハイブリッド高密度集積化は極
めて容易となる。従って、作製コストが３分の１以下の
大幅な低減が可能となる利点があり、極めて有用性が高
い。

【００１１】本発明においては、磁気光学材料と誘電体
材料とからなる周期的繰り返し構造を有する多層膜であ
って、繰り返し周期が膜の中心を対称の中心とする構造
を有する多層膜において、外部から負荷する磁界によっ
て透過率を変化させた多層膜、また、このような多層膜
を用いて光スイッチを構成することをもっとも主要な特
徴とする。従来技術においては、このような磁界によっ
て駆動する光スイッチはなかった。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、多層膜ファラデー回転子の
動作原理を説明する。

【００１３】図２は多層膜ファラデー回転子の構造を示
すものである。１は磁気光学材料であり、以後Ｍと称す
る。２は誘電体材料であり、以後Ｇと称する。図に示す
多層膜の構造は、ＭとＧを用いて［ＭＧ]ⁿ[２Ｍ][ＧＭ]
ⁿ（ｎは繰り返し数）と表すことが出来る。ここに、[２
Ｍ] は２倍の厚さの磁気光学材料と同じものである。

【００１４】光は図の左から右方向に進むものとする。
また、図中の矢印で示すように光の進行方向と平行に磁
界をかけるとＭ層は光学活性となり、この層を進む光の
偏光面はファラデー効果により回転することになる。詳
しい理論的扱いは前述の井上らの文献に述べてあるが、
このような多層膜の光の透過特性は、Ｍ層とＧ層の遷移
マトリックスＦ_M およびＦ_G によって表される。図に示
す構造の多層膜は、Ｆ＝[Ｆ_M・Ｆ_G]ⁿ・[Ｆ_M・Ｆ_M]・[Ｆ_G・Ｆ_M]ⁿ （１）と表わされるが、ここでＦは多層膜の遷移マトリックス
（４×４複素マトリックス）である。Ｍ層が、等方性で
光の吸収が無視できるとすると、磁界のない時の主誘電
率 e1 と磁界をかけた時の磁気誘起誘電率 e2 を用い
て、右・左の円偏光に対する誘電率はそれぞれ ep (= e
1 + e2)、en (= e1 - e2) となる。ファラデー回転は、
磁気誘起誘電率 e2 の効果により発現し、多層膜の透過
特性、即ち、ファラデー回転および透過率は、入射面お
よび出射面での光の状態を遷移マトリックスＦを用いて
比較することによって評価できることになる。

【００１５】（実施例１）図３は、図２に示した構造
[ＭＧ]ⁿ[２Ｍ][ＧＭ]ⁿ を有する多層膜回転子につい
て、繰り返し数（ｎ、横軸）と透過率（縦軸）との関係
を、磁界負荷した場合（on）と負荷しない場合（off）
に対して示したものである。

【００１６】多層膜は、Ｍ層を希土類鉄ガーネットの一
種であるビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（以下
Ｂｉ：ＹＩＧと称する）、Ｇ層をＳｉＯ₂ として構成さ
れている。本実施例では、Ｂｉ：ＹＩＧとして最も汎用
的なＢｉ₁Ｙ₂Ｆｅ₅Ｏ₁₂ を用いている。光の波長が光通
信波長帯の１．５５μｍにおいては、Ｍ層の e1 は5.3
となり、e2 は 0.002（ファラデー回転角は約 0.1度/μ
ｍ）となり、Ｇ層の誘電率は 2.3 となる。さらに、各
層の厚さを光路長（屈折率×厚さ）が光の波長の４分の
１となるようにしている。

【００１７】図３から明らかなように、外部磁界を負荷
した時、ｎが大きくなると光の透過率は急激に減少す
る。例えば、ｎ＝１２の時、透過率は０．１％以下にな
る。従って、ｎ＝１２かそれ以上の多層膜を用いると磁
界を負荷した時、光は反射される。これに対して磁界が
ない場合は、この多層膜は光を透過する。即ち、磁界を
負荷した時と取り除いた時に対応して、この多層膜は光
を、反射したり、また、透過したりすることになる。こ
のように、本発明による光スイッチ用素子は、磁界によ
って駆動するスイッチング動作を行うことが出来る。ｎ
＝１２では、消光比が２５ｄＢとなるが、消光比を高め
るには単にｎ数を増すだけで良い。

【００１８】このように、磁気光学層と誘電体層により
構成された多層膜ファラデー回転子は、図２に示すよう
に、繰り返しの周期構造が膜の中心を対称中心として対
称となった積層構造を有している。この対称周期の積層
構造のために、一定の外部磁界が負荷された場合（通常
は飽和磁界）、周期の繰り返し数に応じて、透過率やフ
ァラデー回転角が変化するものである。即ち、この効果
は、多層膜の周期性による光の局在化と左右の円偏光に
対する伝搬定数の差が周期性と整合する時に発現するも
のである。一方、外部からの磁界を取り去ると、Ｍ層内
での磁気ヒステリシスがない材料では、磁気誘起誘電率
e2 は零になり、ファラデー効果は生じない。その結
果、この多層膜は通常の誘電体多層膜と同じことにな
り、光を透過する。

【００１９】本実施例で用いたＢｉ：ＹＩＧは、１．５
μｍ帯では吸収のない、ファラデー効果の大きな材料で
ある。また、この材料はフェリ磁性体であるが、磁気ヒ
ステリシスの効果は実効的に無視できるほどに小さい。
そのため、ここで示した磁界駆動のスイッチング動作が
可能になるのである。

【００２０】（実施例２）上記実施例１に基づき、[Ｍ
Ｇ]ⁿ[２Ｍ][ＧＭ]ⁿで示した構造の多層膜において繰り
返し数ｎ＝１２となる多層膜を作製した。基板は１．５
インチの石英ガラス（厚さ１ｍｍ）で、Ｍ層にＢｉ：Ｙ
ＩＧ、Ｇ層にＳｉＯ₂ を用いた。２元のスパッタ装置を
用い、装置内にＭ層、Ｇ層用の各ターゲットを設置し
た。膜厚計で厚さをモニターしながら、Ｍ層は 0.1683
μｍ、Ｇ層は 0.2555μｍとなるように全層数５０層、
厚さ 10.508μｍとなるように堆積した。

【００２１】得られた多層膜について、磁界がある時と
ない時の透過率を光スペクトルアナライザーを用いて測
定した。多層膜に垂直に光を入射した時、波長１．５５
μｍにおいて、磁界がない場合は透過率が９７％、磁界
がある場合（この測定では１．５ｋＧ）は透過率が０．
１３％となった。これらの値は、図３に示す見積もりに
比べるとやや低い値であるがほぼ近い。これは多層膜の
堆積条件が必ずしも最適化されている訳ではないことに
よる。

【００２２】（実施例３）図１は、実施例２で作製した
多層膜を用いて構成した光スイッチの例の断面図を示し
たものである。この例において、３は多層膜、４ａ、４
ｂは屈折率分布型ロッドレンズ（ＧＲＩＮロッドレン
ズ）、５は電磁石、６ａ、６ｂはスペーサ、７ａ、７
ｂ、７ｃ、７ｄは入出力用ファイバである。７ａのファ
イバを入射ポートとする。５の電磁石により４のＧＲＩ
Ｎロッドレンズの光軸方向に磁界をかけることが出来
る。

【００２３】７ａのポートから入射したした光は、図中
の１点鎖線で示すように、磁界をかけない時、３の多層
膜は光を透過させるため、７ｄのポートに出力する。ま
た、磁界をかけると入射光は３の多層膜によって反射さ
れ、７ｂのポートに出力する。このように磁界をオン、
オフすることによって光路を切り替えることが出来る。

【００２４】実施例２に示した測定によって、磁界をオ
ンした時の７ａから７ｄへの透過率は、９３％であっ
た。また、磁界をオフした時の７ａから７ｂへの透過率
は９４％であった。それぞれの光路において接続による
損失が０．３％程度見込まれるから、実施例２で測定し
た多層膜の透過特性を反映したものとなっている。ま
た、この特性は、７ａを入カポートとした場合について
述べているが、入カポートを７ｃも含め、どのポートか
ら入力しても同様の作用をすることは言うまでもない。

【００２５】このスイッチを１秒間に１０回の割合で磁
界のオン、オフを１００万回繰り返した後、上記と同様
に透過特性を調べたところ、まったく変化は認められな
かった。これは、従来のスイッチにみられるような機械
的可動部がないことで、信頼性が著しく高いことを実証
するものである。さらに、オン、オフの繰返し速度を早
めていくと、１秒間に１万回程度まで動作することが確
認できた。その動作制限は磁界を駆動するための電磁石
の応答速度の制限によるものであり、材料そのものの磁
化応答はそれよりもはるかに速いものである。

【００２６】（実施例４）上に述べた実施例３では、外
部から負荷する磁界は、Ｍ層が飽和磁化に対応する磁界
とした。この実施例では、実施例３において電磁石を調
節してＭ層の磁化が不飽和の状態となる磁界をかけた。
Ｍ層の相対磁化（＝磁化／飽和磁化）が０．０５となる
ような０．０１４ｋＧの極めて弱い磁界をかけた時、７
ａから７ｄへの透過率は７４％となった。そして７ａか
ら７ｂへ１９％の光量が出力した。このように、磁界を
調節することで光の一部を取り出すタップ動作が可能で
あることを確認した。

【００２７】これらの実施例では、磁気光学材料として
Ｂｉ：ＹＩＧを用い、波長１．５５μｍについて述べて
いる。同時に、繰り返し数ｎと基本構造の組み合わせを
適当に行うことにより他の磁気光学材料、例えば、Ｃｅ
置換イットリウム鉄ガーネット等の他の希土類鉄ガーネ
ット、ＨｇＭｎＴｅ等の希薄磁性半導体、ファラデー回
転ガラス等のガラス材料を用いた場合についても、この
磁界駆動スイッチイング動作が可能であるという本発明
の効果を確認している。同様に、実施例では、誘電体材
料としてＳｉＯ₂ を用いたが、繰り返し数ｎと基本構造
の組み合わせを適当に行うことにより光吸収が無視でき
る他の誘電体材料として、Ａ１₂Ｏ₃ 等の結晶材料、Ｃ
ｄＴｅ等の半導体材料、ふっ化物ガラス等のガラス材料
を用いても多層膜回転子の磁界駆動スイッチイング動作
という本発明の効果を確認している。これら磁気光学材
料と誘電体材料の種類と共に、繰り返し数ｎと基本構造
の組み合わせを本発明の範囲で適当に選ぶことによって
１．５５μｍの他の波長領域においても多層膜回転子の
磁界駆動スイッチイング動作という本発明の効果を確認
していることはいうまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、磁気光学材料と誘
電体材料とからなる多層膜で中心対称の繰り返し周期構
造を有する多層膜ファラデー回転子に対して、外部から
磁界を負荷した場合と取り除いた場合に応じて光を反射
または透過させるスイッチング動作をさせることが出来
る。この光スイッチ用素子を用いて光スイッチを構成す
ると磁界駆動の光スイッチを作製できる。このスイッチ
は機械的可動部がないので経時変化のない安価な光スイ
ッチを作製することができ、その実用的効果はきわめて
大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光スイッチの構造と動作を説明す
図である。

【図２】本発明に係る光スイッチ用素子の構造を説明す
る図である。

【図３】本発明に係る光スイッチ用素子の動作特性を示
す図である。

【符号の説明】１…磁気光学材料、２…誘電体材料、３…多層膜、４
ａ、４ｂ…屈折率分布型ロッドレンズ（ＧＲＩＮロッド
レンズ）、５…電磁石、６ａ、６ｂ…スペーサ、７ａ、
７ｂ、７ｃ、７ｄ…入出力用ファイバ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気光学材料と誘電体材料とからなる周期
的繰り返しによって積層された構造を有する多層膜ファ
ラデー回転子からなる光スイッチ用素子であって、これ
に外部から負荷された磁界に応じて光を透過或いは反射
するスイッチング動作をすることを特徴とする光スイッ
チ用素子。
【請求項２】磁気光学材料と誘電体材料とからなる周期
的繰り返しによって積層された構造を有する多層膜ファ
ラデー回転子からなる光スイッチ用素子であって、これ
に外部から負荷された磁界に応じて光を透過或いは反射
するスイッチング動作をする光スイッチ用素子と該光ス
イッチ用素子に磁界を負荷せしめる手段とを具備したこ
とを特徴とする光スイッチ。