JP2003270683A - 光スイッチングデバイス - Google Patents
光スイッチングデバイスInfo
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Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は、制御光の入射・非入射に応じて被制
御光の通過をオン・オフ制御するときにあって、被制御
光の波長と同一の波長を持つ制御光の使用を可能にする
光スイッチングデバイスの提供を目的とする。 【解決手段】被制御光を全反射させる屈折率を有する表
面層と、表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の
入射に応答して屈折率を変化させる内部層とを備えて、
被制御光をトンネリングさせる光デバイスで構成され、
被制御光を全反射を起こす角度で光デバイスに入射させ
るとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光
をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を全
反射させずにトンネリングさせるようにする。この構成
に従い、制御光の入射により内部層の屈折率が変化する
と、光のトンネリングを起こす被制御光の入射角度の条
件が変化し、これによりスイッチング動作を実現する。
御光の通過をオン・オフ制御するときにあって、被制御
光の波長と同一の波長を持つ制御光の使用を可能にする
光スイッチングデバイスの提供を目的とする。 【解決手段】被制御光を全反射させる屈折率を有する表
面層と、表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の
入射に応答して屈折率を変化させる内部層とを備えて、
被制御光をトンネリングさせる光デバイスで構成され、
被制御光を全反射を起こす角度で光デバイスに入射させ
るとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光
をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を全
反射させずにトンネリングさせるようにする。この構成
に従い、制御光の入射により内部層の屈折率が変化する
と、光のトンネリングを起こす被制御光の入射角度の条
件が変化し、これによりスイッチング動作を実現する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、制御光の入射・非
入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光ス
イッチングデバイスに関し、特に、被制御光の波長と同
一の波長を持つ制御光の使用を可能にしたり、集積化を
可能にするといったような様々な新機能を実現する光ス
イッチングデバイスに関する。
入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光ス
イッチングデバイスに関し、特に、被制御光の波長と同
一の波長を持つ制御光の使用を可能にしたり、集積化を
可能にするといったような様々な新機能を実現する光ス
イッチングデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムの普及などに伴って、様
々な光スイッチングデバイスが提供されつつある。その
１つとして、現在、光カプラと呼ばれる光スイッチング
デバイスが広く用いられている。 〔参考文献〕T.Takizawa et.al.,"Switching Operation
of GaInAs/InP Multiple-Quantum-Well Directional-C
oupler-Type All-Optical Switch", Jpn.J.Appl.Phys.V
ol.36(1997)pp.L110-L113 。
々な光スイッチングデバイスが提供されつつある。その
１つとして、現在、光カプラと呼ばれる光スイッチング
デバイスが広く用いられている。 〔参考文献〕T.Takizawa et.al.,"Switching Operation
of GaInAs/InP Multiple-Quantum-Well Directional-C
oupler-Type All-Optical Switch", Jpn.J.Appl.Phys.V
ol.36(1997)pp.L110-L113 。
【０００３】この参考文献に記載される光カプラは、図
１２に示すように、２つの導波路Ａ，Ｂで構成されてお
り、その片方の導波路Ｂの一端から入力光を導入する
と、２つの導波路Ａ，Ｂが結合状態にあるときには、導
波路Ｂに入力された光は導波路Ａに移ることで、output
１に出力される。
１２に示すように、２つの導波路Ａ，Ｂで構成されてお
り、その片方の導波路Ｂの一端から入力光を導入する
と、２つの導波路Ａ，Ｂが結合状態にあるときには、導
波路Ｂに入力された光は導波路Ａに移ることで、output
１に出力される。
【０００４】このとき、制御光を導波路Ａに入力する
と、導波路Ａ内での吸収により導波路Ａの屈折率が変化
し、導波路Ａ，Ｂの結合状態は崩れて、入力光は導波路
Ｂを通ることで、output２に出力される。
と、導波路Ａ内での吸収により導波路Ａの屈折率が変化
し、導波路Ａ，Ｂの結合状態は崩れて、入力光は導波路
Ｂを通ることで、output２に出力される。
【０００５】このようにして、この参考文献に記載され
る光カプラは、光スイッチとして動作することになる。
る光カプラは、光スイッチとして動作することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術に従う光スイッチは、入力光として、制御
光の波長とは異なる波長の光を用いなくてはない。
うな従来技術に従う光スイッチは、入力光として、制御
光の波長とは異なる波長の光を用いなくてはない。
【０００７】すなわち、図１２の例で説明するならば、
入力光については、導波路Ａ，Ｂを伝播する必要がある
ことから、導波路Ａ，Ｂで吸収されてはならないのに対
して、制御光については、導波路Ａ，Ｂの結合状態を崩
す必要があることから、導波路Ａで吸収されなくてはな
らない。
入力光については、導波路Ａ，Ｂを伝播する必要がある
ことから、導波路Ａ，Ｂで吸収されてはならないのに対
して、制御光については、導波路Ａ，Ｂの結合状態を崩
す必要があることから、導波路Ａで吸収されなくてはな
らない。
【０００８】従って、入力光として、制御光の波長とは
異なる波長の光を用いなくてはないのである。
異なる波長の光を用いなくてはないのである。
【０００９】これから、従来技術に従っていると、光ス
イッチを多段に接続する必要がある場合に、後段の光ス
イッチに入力する制御光を生成するために、波長変換装
置を用意しなければならないという問題がある。
イッチを多段に接続する必要がある場合に、後段の光ス
イッチに入力する制御光を生成するために、波長変換装
置を用意しなければならないという問題がある。
【００１０】すなわち、前段の光スイッチの出力する光
はあくまで入力光の波長と同じ波長を持つ光であり、後
段の光スイッチの必要とする制御光の波長とは異なるこ
とから、波長変換装置を用意しなければならないのであ
る。
はあくまで入力光の波長と同じ波長を持つ光であり、後
段の光スイッチの必要とする制御光の波長とは異なるこ
とから、波長変換装置を用意しなければならないのであ
る。
【００１１】さらに、図１２に示すような光スイッチ
は、長い導波路を必要とすることから、光スイッチの構
造が大きくなり、集積化に適さないという問題もある。
は、長い導波路を必要とすることから、光スイッチの構
造が大きくなり、集積化に適さないという問題もある。
【００１２】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、被制御光の波長と同一の波長を持つ制御光の
使用を可能にしたり、集積化を可能にするといったよう
な様々な新機能を実現する新たな光スイッチングデバイ
スの提供を目的とする。
であって、被制御光の波長と同一の波長を持つ制御光の
使用を可能にしたり、集積化を可能にするといったよう
な様々な新機能を実現する新たな光スイッチングデバイ
スの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射
・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する
ことを実現するために、被制御光を全反射させる屈折率
を有する表面層と、その表面層よりも大きな屈折率を有
して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部
層とを備えて、被制御光をトンネリングさせる光デバイ
スで構成され、被制御光を全反射を起こす角度で光デバ
イスに入射させるとともに、制御光の入射・非入射に応
じて、被制御光をトンネリングさせずに全反射させる
か、被制御光を全反射させずにトンネリングさせるよう
に構成する。
に、本発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射
・非入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する
ことを実現するために、被制御光を全反射させる屈折率
を有する表面層と、その表面層よりも大きな屈折率を有
して、制御光の入射に応答して屈折率を変化させる内部
層とを備えて、被制御光をトンネリングさせる光デバイ
スで構成され、被制御光を全反射を起こす角度で光デバ
イスに入射させるとともに、制御光の入射・非入射に応
じて、被制御光をトンネリングさせずに全反射させる
か、被制御光を全反射させずにトンネリングさせるよう
に構成する。
【００１４】このように構成される本発明の光スイッチ
ングデバイスでは、制御光が全反射を起こさない角度で
光デバイスに入射されることで、光デバイスの内部層の
屈折率が変化する。
ングデバイスでは、制御光が全反射を起こさない角度で
光デバイスに入射されることで、光デバイスの内部層の
屈折率が変化する。
【００１５】この屈折率変化に従って、光のトンネリン
グを起こす被制御光の入射角度の条件が変化することに
なる。
グを起こす被制御光の入射角度の条件が変化することに
なる。
【００１６】本発明の光スイッチングデバイスは、この
現象を使って、通常は制御光を入射しないようにする構
成を採って、（イ）制御光が入射されないときに、被制
御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が入射
されるときに、被制御光を全反射させずにトンネリング
させたり、（ロ）制御光が入射されないときに、被制御
光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入射さ
れるときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射さ
せるように動作することで、光スイッチング動作を実現
する。
現象を使って、通常は制御光を入射しないようにする構
成を採って、（イ）制御光が入射されないときに、被制
御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が入射
されるときに、被制御光を全反射させずにトンネリング
させたり、（ロ）制御光が入射されないときに、被制御
光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入射さ
れるときに、被制御光をトンネリングさせずに全反射さ
せるように動作することで、光スイッチング動作を実現
する。
【００１７】また、本発明の光スイッチングデバイス
は、この現象を使って、通常は制御光を入射するように
する構成を採って、（ハ）制御光が入射されるときに、
被制御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が
入射されないときに、被制御光を全反射させずにトンネ
リングさせたり、（ニ）制御光が入射されるときに、被
制御光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入
射されないときに、被制御光をトンネリングさせずに全
反射させるように動作することで、光スイッチング動作
を実現する。
は、この現象を使って、通常は制御光を入射するように
する構成を採って、（ハ）制御光が入射されるときに、
被制御光をトンネリングさせずに全反射させ、制御光が
入射されないときに、被制御光を全反射させずにトンネ
リングさせたり、（ニ）制御光が入射されるときに、被
制御光を全反射させずにトンネリングさせ、制御光が入
射されないときに、被制御光をトンネリングさせずに全
反射させるように動作することで、光スイッチング動作
を実現する。
【００１８】このようにして、本発明によれば、被制御
光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その表面層
よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して
屈折率を変化させる内部層とを備える光デバイスの持つ
光トンネリング現象を使って、光スイッチング動作（光
インバータ動作）を実現することから、制御光として、
被制御光の波長と同一の波長を持つ光（異なる波長を持
つ光でもよい）を用いることができるようになるととも
に、集積化に適した構造を持つことで集積化を実現でき
るようになる。
光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その表面層
よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答して
屈折率を変化させる内部層とを備える光デバイスの持つ
光トンネリング現象を使って、光スイッチング動作（光
インバータ動作）を実現することから、制御光として、
被制御光の波長と同一の波長を持つ光（異なる波長を持
つ光でもよい）を用いることができるようになるととも
に、集積化に適した構造を持つことで集積化を実現でき
るようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に従って本発明
を詳細に説明する。
を詳細に説明する。
【００２０】図１に、本発明を具備する光スイッチング
デバイスの一実施形態例を図示する。
デバイスの一実施形態例を図示する。
【００２１】この実施形態例に従う場合、本発明の光ス
イッチングデバイスは、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分
割合値ｘが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"を
持つガイド層１０と、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割
合値ｘが“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率
“3.01404"を持つバリア層１１と、Ａｌx Ｇａ(1-x )
Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で厚みが210nm で構成さ
れて、屈折率“3.69882"を持つとともに、光の入射に応
答してその屈折率を変化させるアクティブ層１２と、
Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.419"で厚み
が240nm で構成されて、屈折率“3.37692"を持つドレイ
ン層１３と、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが
“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率“3.0140
4"を持つバリア層１４と、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成
分割合値ｘが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"
を持つガイド層１５という積層構造で構成されている。
イッチングデバイスは、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分
割合値ｘが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"を
持つガイド層１０と、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割
合値ｘが“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率
“3.01404"を持つバリア層１１と、Ａｌx Ｇａ(1-x )
Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で厚みが210nm で構成さ
れて、屈折率“3.69882"を持つとともに、光の入射に応
答してその屈折率を変化させるアクティブ層１２と、
Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.419"で厚み
が240nm で構成されて、屈折率“3.37692"を持つドレイ
ン層１３と、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが
“1.000"で厚みが500nm で構成されて、屈折率“3.0140
4"を持つバリア層１４と、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成
分割合値ｘが“0.491"で構成されて、屈折率“3.32794"
を持つガイド層１５という積層構造で構成されている。
【００２２】下記の参考文献に記載されているように、
２つの低屈折率の層で高屈折率の層がはさまれる形の積
層構造を持つ図２に示すような光学素子は、エバネッセ
ント波を介した光の共鳴トンネリング現象により、光が
トンネリングすることが知られている。 〔参考文献〕林真至,"光のトンネリング−多層膜系での
共鳴トンネリング−",光学，28巻,9号,pp.496-501,(199
9)” 本発明の光スイッチングデバイスは、この参考文献に記
載されている屈折率の積層構造に加えて、アクティブ層
１２が光の入射に応答してその屈折率を変化させる材料
（非線形屈折率の大きな材料）で構成されているととも
に、バリア層１１よりも大きな屈折率を持つドレイン層
１３（光の入射に応答してその屈折率を変化させない
層）をアクティブ層１２に積層する形で備えるという構
成を採っている。
２つの低屈折率の層で高屈折率の層がはさまれる形の積
層構造を持つ図２に示すような光学素子は、エバネッセ
ント波を介した光の共鳴トンネリング現象により、光が
トンネリングすることが知られている。 〔参考文献〕林真至,"光のトンネリング−多層膜系での
共鳴トンネリング−",光学，28巻,9号,pp.496-501,(199
9)” 本発明の光スイッチングデバイスは、この参考文献に記
載されている屈折率の積層構造に加えて、アクティブ層
１２が光の入射に応答してその屈折率を変化させる材料
（非線形屈折率の大きな材料）で構成されているととも
に、バリア層１１よりも大きな屈折率を持つドレイン層
１３（光の入射に応答してその屈折率を変化させない
層）をアクティブ層１２に積層する形で備えるという構
成を採っている。
【００２３】そして、さらに、本発明の光スイッチング
デバイスは、ガイド層１０からバリア層１１に向けて臨
界角よりも大きな角度θで入射する入力光（被制御光）
と、ガイド層１０からバリア層１１に向けて垂直に入射
する制御光とを入射するという構成を採っている。
デバイスは、ガイド層１０からバリア層１１に向けて臨
界角よりも大きな角度θで入射する入力光（被制御光）
と、ガイド層１０からバリア層１１に向けて垂直に入射
する制御光とを入射するという構成を採っている。
【００２４】入力光は臨界角よりも大きな角度θで入射
することから、光のトンネリングが発生しない場合に
は、図１中のＯutput-Ａに示すように、バリア層１１と
の境界面で全反射することになる。
することから、光のトンネリングが発生しない場合に
は、図１中のＯutput-Ａに示すように、バリア層１１と
の境界面で全反射することになる。
【００２５】ここで、入力光と制御光とは同じ波長の光
であってもよいし、異なる波長の光であってもよい。ど
ちらの場合にも、アクティブ層１２の屈折率を変化させ
ることができるからである。
であってもよいし、異なる波長の光であってもよい。ど
ちらの場合にも、アクティブ層１２の屈折率を変化させ
ることができるからである。
【００２６】また、制御光については、垂直に入射する
ことが好ましいが、アクティブ層１２に到達できればよ
いので、原理的には、全反射しない入射角であれば、ど
のような角度で入射されてもよい。
ことが好ましいが、アクティブ層１２に到達できればよ
いので、原理的には、全反射しない入射角であれば、ど
のような角度で入射されてもよい。
【００２７】次に、理論解析を行うことで得られた、図
１に示す屈折率の積層構造を持つ本発明の光スイッチン
グデバイスで発生する光トンネリング現象について説明
する。
１に示す屈折率の積層構造を持つ本発明の光スイッチン
グデバイスで発生する光トンネリング現象について説明
する。
【００２８】この理論解析は、図３ないし図５に示すマ
クスウェルの電磁波方程式を解くことで行った。
クスウェルの電磁波方程式を解くことで行った。
【００２９】図６に、この理論解析の解析結果を図示す
る。
る。
【００３０】図６の解析結果において、横軸は入射角θ
であり、縦軸は反射率（図１中のＩnputに対するＯutpu
t-Ａの強度比）である。
であり、縦軸は反射率（図１中のＩnputに対するＯutpu
t-Ａの強度比）である。
【００３１】ここで、入力光の波長と制御光の波長とは
同じ波長の光とし、その波長として780nm を想定して理
論解析を行った。また、偏光としてＴＭ波を想定して理
論解析（図４の理論解析式を用いた解析）を行った。ガ
イド層１０／バリア層１１の界面での臨界角は６4.９度
である。
同じ波長の光とし、その波長として780nm を想定して理
論解析を行った。また、偏光としてＴＭ波を想定して理
論解析（図４の理論解析式を用いた解析）を行った。ガ
イド層１０／バリア層１１の界面での臨界角は６4.９度
である。
【００３２】図６の解析結果から明らかなように、臨界
角以上では、ほとんどの角度領域で反射率はほぼ１００
％であるが、図中のＡ，Ｂに示すような鋭い谷構造が計
算された。
角以上では、ほとんどの角度領域で反射率はほぼ１００
％であるが、図中のＡ，Ｂに示すような鋭い谷構造が計
算された。
【００３３】この全反射領域で発生する反射率の急激な
落ち込みは、上下２つのガイド層１０，１５の間でアク
ティブ層１２／ドレイン層１３を介して、入力光がバリ
ア層１１，１４をトンネルしたように振る舞う“共鳴フ
ォトントンネリング現象”に起因するものである。
落ち込みは、上下２つのガイド層１０，１５の間でアク
ティブ層１２／ドレイン層１３を介して、入力光がバリ
ア層１１，１４をトンネルしたように振る舞う“共鳴フ
ォトントンネリング現象”に起因するものである。
【００３４】なお、図６に示す解析結果では、光のトン
ネリング現象の発生する箇所で反射率が０まで落ちてい
ないが、これは計算の分解能の関係であって、実際には
０まで落ちているものである。
ネリング現象の発生する箇所で反射率が０まで落ちてい
ないが、これは計算の分解能の関係であって、実際には
０まで落ちているものである。
【００３５】図７に、共鳴角“75.413度（図６に示すＢ
の共鳴角）”における共鳴角近傍での透過率（図１中の
Ｉnputに対するＯutput-Ｂの強度比）の入射角依存性を
図示する。
の共鳴角）”における共鳴角近傍での透過率（図１中の
Ｉnputに対するＯutput-Ｂの強度比）の入射角依存性を
図示する。
【００３６】この図７では、アクティブ層１２の屈折率
変化Δｎが±0.011 のときの透過率スペクトルについて
も図示している。
変化Δｎが±0.011 のときの透過率スペクトルについて
も図示している。
【００３７】この図７の解析結果から分かるように、ア
クティブ層１２の屈折率変化がないとしたとき（Δｎ＝
０）に、75.413度の入射角で鋭いピークを持つ透過率が
計算されることになるが、この状態からアクティブ層１
２の屈折率が±0.011 変化すると、共鳴角が約±0.17度
だけシフトすることになる。このとき、透過率のスペク
トルのテールでわずかに違いが観測されることになる
が、ローレンツ曲線に近いスペクトル形状はほぼ保持さ
れていることが分かる。
クティブ層１２の屈折率変化がないとしたとき（Δｎ＝
０）に、75.413度の入射角で鋭いピークを持つ透過率が
計算されることになるが、この状態からアクティブ層１
２の屈折率が±0.011 変化すると、共鳴角が約±0.17度
だけシフトすることになる。このとき、透過率のスペク
トルのテールでわずかに違いが観測されることになる
が、ローレンツ曲線に近いスペクトル形状はほぼ保持さ
れていることが分かる。
【００３８】この解析結果から分かるように、図１に示
す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、入射
角を75.413度で一定とした場合、アクティブ層１２の屈
折率変化Δｎ＝0.011 に対して、約４５ｄＢという非常
に高い消光比を示すことが明らかとなった。
す構造を持つ本発明の光スイッチングデバイスは、入射
角を75.413度で一定とした場合、アクティブ層１２の屈
折率変化Δｎ＝0.011 に対して、約４５ｄＢという非常
に高い消光比を示すことが明らかとなった。
【００３９】図１に示す構造を持つ本発明の光スイッチ
ングデバイスは、この特性に従って、制御光の入射・非
入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光ス
イッチングデバイスとして動作することになる。
ングデバイスは、この特性に従って、制御光の入射・非
入射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光ス
イッチングデバイスとして動作することになる。
【００４０】すなわち、図８（ａ）に示すように、通常
は制御光を入射しないようにする構成を採って、そのと
きに、入力光の入射角θを共鳴角の近傍（共鳴角ではな
い）に設定しておいて、制御光を入射するときに、アク
ティブ層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共
鳴角となるように構成しておけば、入力光は全反射から
透過へと切り換わることになる。
は制御光を入射しないようにする構成を採って、そのと
きに、入力光の入射角θを共鳴角の近傍（共鳴角ではな
い）に設定しておいて、制御光を入射するときに、アク
ティブ層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共
鳴角となるように構成しておけば、入力光は全反射から
透過へと切り換わることになる。
【００４１】また、図８（ｂ）に示すように、通常は制
御光を入射しないようにする構成を採って、そのとき
に、入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御
光を入射するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に
伴って、この入射角θが共鳴角から外れるように構成し
ておけば、入力光は透過から全反射へと切り換わること
になる。
御光を入射しないようにする構成を採って、そのとき
に、入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御
光を入射するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に
伴って、この入射角θが共鳴角から外れるように構成し
ておけば、入力光は透過から全反射へと切り換わること
になる。
【００４２】また、図９（ａ）に示すように、通常は制
御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、
入力光の入射角θを共鳴角の近傍（共鳴角ではない）に
設定しておいて、制御光を遮断するときに、アクティブ
層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角と
なるように構成しておけば、入力光は全反射から透過へ
と切り換わることになる。
御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、
入力光の入射角θを共鳴角の近傍（共鳴角ではない）に
設定しておいて、制御光を遮断するときに、アクティブ
層１２の屈折率変化に伴って、この入射角θが共鳴角と
なるように構成しておけば、入力光は全反射から透過へ
と切り換わることになる。
【００４３】また、図９（ｂ）に示すように、通常は制
御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、
入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御光を
遮断するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に伴っ
て、この入射角θが共鳴角から外れるように構成してお
けば、入力光は透過から全反射へと切り換わることにな
る。
御光を入射するようにする構成を採って、そのときに、
入力光の入射角θを共鳴角に設定しておいて、制御光を
遮断するときに、アクティブ層１２の屈折率変化に伴っ
て、この入射角θが共鳴角から外れるように構成してお
けば、入力光は透過から全反射へと切り換わることにな
る。
【００４４】このようにして、図１に示す構造を持つ本
発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入
射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイ
ッチングデバイスとして動作することになる。
発明の光スイッチングデバイスは、制御光の入射・非入
射に応じて被制御光の通過をオン・オフ制御する光スイ
ッチングデバイスとして動作することになる。
【００４５】次に、本発明の光スイッチングデバイスで
ドレイン層１３を設けた理由について説明する。
ドレイン層１３を設けた理由について説明する。
【００４６】図１０及び図１１に、ドレイン層１３を設
けないときの理論解析の解析結果を図示する。
けないときの理論解析の解析結果を図示する。
【００４７】ここで、図１０に示す解析結果は、図１に
示す積層構造の中からドレイン層１３を省略する形の積
層構造のものを解析対象として解析を行った結果を示し
ている。従って、この解析に用いたアクティブ層１２
は、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"
で、厚みが210nm で、屈折率“3.69882"である。
示す積層構造の中からドレイン層１３を省略する形の積
層構造のものを解析対象として解析を行った結果を示し
ている。従って、この解析に用いたアクティブ層１２
は、Ａｌx Ｇａ(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"
で、厚みが210nm で、屈折率“3.69882"である。
【００４８】一方、図１１に示す解析結果は、図１に示
す積層構造の中に含まれるドレイン層１３をアクティブ
層１２の材料のものに置き換える形の積層構造のものを
解析対象として解析を行った結果を示している。従っ
て、この解析に用いたアクティブ層１２は、Ａｌx Ｇａ
(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で、厚みが450nm
で、屈折率“3.69882"である。
す積層構造の中に含まれるドレイン層１３をアクティブ
層１２の材料のものに置き換える形の積層構造のものを
解析対象として解析を行った結果を示している。従っ
て、この解析に用いたアクティブ層１２は、Ａｌx Ｇａ
(1-x) Ａｓの成分割合値ｘが“0.000"で、厚みが450nm
で、屈折率“3.69882"である。
【００４９】なお、図１１に示す解析結果では、光のト
ンネリング現象の発生する箇所で反射率が０まで落ちて
いないが、これは計算の分解能の関係であって、実際に
は０まで落ちているものである。
ンネリング現象の発生する箇所で反射率が０まで落ちて
いないが、これは計算の分解能の関係であって、実際に
は０まで落ちているものである。
【００５０】この解析結果から、アクティブ層１２の厚
みが小さいと、光のトンネリング現象が発生しないこと
が明らかとなった。
みが小さいと、光のトンネリング現象が発生しないこと
が明らかとなった。
【００５１】従って、光のトンネリング現象の発生とい
う観点からすると、アクティブ層１２の厚みは大きい程
よいことになる。
う観点からすると、アクティブ層１２の厚みは大きい程
よいことになる。
【００５２】しかしながら、アクティブ層１２の厚みが
大きくなると、アクティブ層１２の屈折率変化を起こさ
せるために、大きなパワーを持つ制御光が必要となって
実用的でない。
大きくなると、アクティブ層１２の屈折率変化を起こさ
せるために、大きなパワーを持つ制御光が必要となって
実用的でない。
【００５３】そこで、本発明の光スイッチングデバイス
では、図１に示すように、制御光を吸収しない層である
ドレイン層１３を設けるようにするという構成を採って
いる。
では、図１に示すように、制御光を吸収しない層である
ドレイン層１３を設けるようにするという構成を採って
いる。
【００５４】図６に示す解析結果と図１１に示す解析結
果とを比較すれば分かるように、ドレイン層１３を設け
るようにすると、アクティブ層１２の厚みが小さい場合
にも、光のトンネリング現象が発生することが明らかと
なった。
果とを比較すれば分かるように、ドレイン層１３を設け
るようにすると、アクティブ層１２の厚みが小さい場合
にも、光のトンネリング現象が発生することが明らかと
なった。
【００５５】このドレイン層１３は、アクティブ層１２
と異なって非線形屈折率を示さない材料を用いることが
可能である。これから、ドレイン層１３を設けるという
構成を採る本発明の光スイッチングデバイスによれば、
小さなパワーを持つ制御光を用いることが可能になる。
と異なって非線形屈折率を示さない材料を用いることが
可能である。これから、ドレイン層１３を設けるという
構成を採る本発明の光スイッチングデバイスによれば、
小さなパワーを持つ制御光を用いることが可能になる。
【００５６】ここで、ドレイン層１３として、制御光に
よる屈折率変化を起こさない材料を用いることが好まし
いが、アクティブ層１２よりも制御光による屈折率変化
の少ない材料を用いることでもよい。
よる屈折率変化を起こさない材料を用いることが好まし
いが、アクティブ層１２よりも制御光による屈折率変化
の少ない材料を用いることでもよい。
【００５７】以上に説明したように、本発明の光スイッ
チングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制
御光の通過をオン・オフ制御するように動作する。
チングデバイスは、制御光の入射・非入射に応じて被制
御光の通過をオン・オフ制御するように動作する。
【００５８】これから、光構成のＮＯＴゲートとして用
いることが可能であり、このゲートを２段重ねることで
ＡＮＤゲートを構成することもできる。
いることが可能であり、このゲートを２段重ねることで
ＡＮＤゲートを構成することもできる。
【００５９】また、本発明の光スイッチングデバイス
は、全反射する反射面を持つことを基本構成としてい
る。
は、全反射する反射面を持つことを基本構成としてい
る。
【００６０】これから、コアとクラッドとで構成されて
全反射しながら光が伝播する光ファイバに実装すること
が可能になることで、光ファイバ型の光スイッチを実現
できるようになる。
全反射しながら光が伝播する光ファイバに実装すること
が可能になることで、光ファイバ型の光スイッチを実現
できるようになる。
【００６１】図示実施形態例に従って本発明を説明した
が、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、
実施形態例では、屈折率分布が縦方向に変化した積層構
造を持つことで説明したが、基板に対してメサ型の横方
向の屈折率分布を持つ構造にして、光を基板面に水平に
導波することであってもよい。
が、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、
実施形態例では、屈折率分布が縦方向に変化した積層構
造を持つことで説明したが、基板に対してメサ型の横方
向の屈折率分布を持つ構造にして、光を基板面に水平に
導波することであってもよい。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その
表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応
答して屈折率を変化させる内部層とを備える光デバイス
の持つ光トンネリング効果を使って、光スイッチング動
作（光インバータ動作）を実現することから、制御光と
して、被制御光の波長と同一の波長を持つ光（異なる波
長を持つ光でもよい）を用いることができるようになる
とともに、集積化に適した構造を持つことで集積化を実
現できるようになる。
被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、その
表面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応
答して屈折率を変化させる内部層とを備える光デバイス
の持つ光トンネリング効果を使って、光スイッチング動
作（光インバータ動作）を実現することから、制御光と
して、被制御光の波長と同一の波長を持つ光（異なる波
長を持つ光でもよい）を用いることができるようになる
とともに、集積化に適した構造を持つことで集積化を実
現できるようになる。
【図１】本発明の一実施形態例である。
【図２】光の共鳴トンネリングを発生する光学素子の説
明図である。
明図である。
【図３】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクス
ウェルの電磁波方程式の説明図である。
ウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図４】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクス
ウェルの電磁波方程式の説明図である。
ウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図５】光トンネリング現象の理論解析に用いたマクス
ウェルの電磁波方程式の説明図である。
ウェルの電磁波方程式の説明図である。
【図６】理論解析結果の説明図である。
【図７】理論解析結果の説明図である。
【図８】本発明の光スイッチングデバイスの動作の一例
を示す図である。
を示す図である。
【図９】本発明の光スイッチングデバイスの動作の一例
を示す図である。
を示す図である。
【図１０】理論解析結果の説明図である。
【図１１】理論解析結果の説明図である。
【図１２】従来技術の説明図である。
１０ ガイド層
１１ バリア層
１２ アクティブ層
１３ ドレイン層
１４ バリア層
１５ ガイド層
Claims (6)
- 【請求項１】 制御光の入射・非入射に応じて被制御光
の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスで
あって、 被制御光をトンネリングさせる光デバイスで構成され、
被制御光を全反射を起こす角度で該光デバイスに入射さ
せるとともに、制御光の入射・非入射に応じて、被制御
光をトンネリングさせずに全反射させるか、被制御光を
全反射させずにトンネリングさせるように構成されるこ
とを、 特徴とする光スイッチングデバイス。 - 【請求項２】 制御光の入射・非入射に応じて被制御光
の通過をオン・オフ制御する光スイッチングデバイスで
あって、 被制御光を全反射させる屈折率を有する表面層と、該表
面層よりも大きな屈折率を有して、制御光の入射に応答
して屈折率を変化させる内部層とを備えて、被制御光を
トンネリングさせる光デバイスで構成され、被制御光を
全反射を起こす角度で該光デバイスに入射させるととも
に、制御光の入射・非入射に応じて、被制御光をトンネ
リングさせずに全反射させるか、被制御光を全反射させ
ずにトンネリングさせるように構成されることを、 特徴とする光スイッチングデバイス。 - 【請求項３】 請求項２の光スイッチングデバイスにお
いて、 上記内部層が、制御光の入射に応答して屈折率を変化さ
せる層と、その層よりも制御光による屈折率変化の少な
い層あるいは制御光による屈折率変化を起こさない層と
の二重層構造で構成されることを、 特徴とする光スイッチングデバイス。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項に記載
の光スイッチングデバイスにおいて、 制御光が全反射を起こさない角度で上記光デバイスに入
射されるように構成されることを、 特徴とする光スイッチングデバイス。 - 【請求項５】 請求項４記載の光スイッチングデバイス
において、 制御光が上記光デバイスに対して垂直に入射されるよう
に構成されることを、 特徴とする光スイッチングデバイス。 - 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか１項に記載
の光スイッチングデバイスにおいて、 制御光として、被制御光の波長と同一の波長を持つ光が
用いられるように構成されることを、 特徴とする光スイッチングデバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002073453A JP3811774B2 (ja) | 2002-03-18 | 2002-03-18 | 光スイッチングデバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002073453A JP3811774B2 (ja) | 2002-03-18 | 2002-03-18 | 光スイッチングデバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003270683A true JP2003270683A (ja) | 2003-09-25 |
| JP3811774B2 JP3811774B2 (ja) | 2006-08-23 |
Family
ID=29203115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002073453A Expired - Lifetime JP3811774B2 (ja) | 2002-03-18 | 2002-03-18 | 光スイッチングデバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3811774B2 (ja) |
-
2002
- 2002-03-18 JP JP2002073453A patent/JP3811774B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3811774B2 (ja) | 2006-08-23 |
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