JP4742382B2

JP4742382B2 - 光スイッチング装置

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Publication number: JP4742382B2
Application number: JP2004188379A
Authority: JP
Inventors: 正夫市田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: JP2006011063A

Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子及び光磁気スイッチング素子に関し、特にこれらの素子の応答速度、応答感度の制御技術に関する。

本格的なブロードバンド、デジタル家電の時代の到来とともに、大容量、高速通信のための要素技術の開発が望まれていた。テラビット／秒のデータ転送速度に対応するためには、光ファイバーを用いた通信が不可欠であり、その使用波長帯（１．５μｍ）で用いることができる光デバイス材料の探索は重要である。

単層カーボンナノチューブは、その一次元性を反映して光学応答が増大し、大きな非線形光学特性を示すことが知られている。その時間応答は１ｐｓのオーダーであり、高速な光スイッチング特性を示す。半導体ナノチューブの遷移は光通信で用いられる波長（１．５μｍ）に対応しており、その波長で大きな非線形性を示すことは、光スイッチング素子として大きなアドバンテージとなっている。また、磁場による光の吸収に関する変調を行うことにより、光スイッチング素子としてだけでなく、記憶素子などの様々な分野への応用が可能になる。

カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子において、応答時間を早くすることが重要である。また、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子において、磁場に基づく吸収係数は、カーボンナノチューブの断面を貫く磁束の大きさに依存して変化する。一定の磁場(磁束密度)においては、カーボンナノチューブの径を大きくすることにより、カーボンナノチューブの断面積大きくなるため、磁場による吸収の変化が大きくなる。ところが、カーボンナノチューブの径を変化させると吸収波長が変化するためスイッチング素子として使用する波長帯からはずれてしまうという問題がある。

本発明の目的は、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子の応答速度を高速にすることである。本発明の他の目的は、カーボンナノチューブを用いた光磁気素子において、使用波長帯域を変更せずに磁場に対する吸収係数の変調を増大させるように調整する技術を提供することである。

カーボンナノチューブの光吸収に関しては、半導体的な性質を持つカーボンナノチューブによるフォトンエネルギーの低い(波長の長い)第１ピーク及び第２ピークと、金属的なカーボンナノチューブによるフォトンエネルギーの高い(波長の短い)第３ピークとが観測される。カーボンナノチューブの径を大きくすると、すべての吸収ピークは低エネルギー側(長波長側)にシフトし、目的とする波長領域から低エネルギー側の波長領域に向けてずれていく。

ここで、光吸収に基づく光スイッチング素子について、以下の手段により課題を解決することが可能である。
１）カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子において、高次側（短波長側）のピークの吸収ピークを用いることにより、応答時間を早くすることができる。高次側のピークを用いたことによる吸収波長のずれを、カーボンナノチューブの径を大きくすることにより調整する。

２）光磁気スイッチング素子について。
ａ）カーボンナノチューブの径が小さい場合には、断面積が小さいためにカーボンナノチューブを貫く磁束が少なくなり、磁場による光吸収の変調の度合いが小さくなる。そこで、カーボンナノチューブの径を大きくすると変化させると、断面積の増加により磁場による光吸収の変調の度合いを変化させることができる。
ｂ）カーボンナノチューブの径を大きくすると、第１ピークは低エネルギー側にシフトし、目的とする波長領域から低エネルギー側の波長領域に向けてずれていく。そこで、径を変化させるとともに、第１のピークの変わりに第２又は第３のピークにおける光磁場応答特性を利用する。

上記の技術を用いると、光スイッチングにおける応答速度を上げることができる。この際変化する吸収波長を、第１次ピークのみでなく高次側ピークを用いることにより調整することが可能となる。

また、光磁気素子において、光磁気応答の感度を向上させるためにカーボンナノチューブの径を大きくする。この際に、吸収のピークが長波長側にずれる。そこで、高次側に吸収のピークを用いることにより吸収波長帯を所望の波長に調整することができる。このとき同時に光スイッチングによる高速応答も可能となる。

単層カーボンナノチューブ（以下、「ＳＷＣＮＴ」と称する。）の電子構造の特徴は、その構造（カイラリティー）に依存して、金属にも半導体にもなること、構造の一次元性を反映した１次元電子構造が実現していること、にある。このような電子構造は光学遷移に強く反映され、例えば、光吸収の大きさを表す吸収係数α（Ｅ）の光子エネルギー依存性、すなわち光吸収スペクトルとして観測することができる。

図１（a）はＳＷＣＮＴの模式図でありチューブ軸方向にｙ軸をとっている。ＳＷＣＮＴをグラファイトの２次元シート（グラフェン）を丸めた円筒であると仮定すると、電子はこの円筒表面上を運動する。したがって、ＳＷＣＮＴでは、グラファイトの２次元並進運動のうち、１つの方向の運動はチューブ円周方向に局在した状態となる。もう１つの方向の運動は、チューブ軸方向(y方向)への自由な運動として残り、これが、ナノチューブの１次元電子状態を実現している。図１（b）は半導体ナノチューブの、(c)は金属ナノチューブのバンド構造と状態密度とを示す図である。運動の1次元性を反映して状態密度にはvan Hove特異性と呼ばれる発散が見られる。始状態、終状態のパリティ（π軌道かπ^＊軌道か、および角運動量量子数）と光電場の方向を考慮すれば、図１（ｂ）および（ｃ）中の矢印Ａ，Ｂ、Ｃで示されるものが許容遷移となる。これらの遷移はＳＷＣＮＴの擬一次元性による状態密度の発散に起因して、大きな遷移強度をもつ。金属及び半導体チューブが混在する通常のＳＷＣＮＴ試料の吸収スペクトルには、符号Ａと符号Ｂとで示される半導体的なＳＷＣＮＴの光学遷移と、符号Ｃで表される金属的なＳＷＣＮＴの光学遷移とが観測される。

次に、ＳＷＣＮＴの生成方法について簡単に説明する。アーク放電法やレーザーアブレーション法で生成されたカーボンナノチューブには、触媒金属やフラーレン、アモルファスカーボンなどが含まれているため、酸化などにより精製する。ラマンスペクトルの測定では、このような試料をそのまま使うことができるが、吸収スペクトルを測定するためには、薄膜の作成が必要となる。例えば、有機溶媒に分散させて、それを基板へ吹き付け溶媒を蒸発させることにより多数のＳＷＣＮＴが含まれる薄膜を作成する。あるいは、ポリマー中に分散させてそれを引き延ばすことにより、ＳＷＣＮＴの方向が揃った配向試料を得ることもできる。

図２は、多数のＳＷＣＮＴが含まれる薄膜試料に関して吸収スペクトルおよびポンプ光による光励起で誘起される吸収変化を測定する方法(ポンプ・プローブ分光法)の概略構成を示す図である。図２に示すポンプ・プローブ分光法では、ＳＷＣＮＴからなる薄膜試料１に対して、ＳＷＣＮＴに対して照射されるポンプ光３と、光パルスによるプローブ光５と、が異なる方向から照射される。プローブ光５と検出器７とで光吸収を測定する。光パルスによるポンプ光３を試料１に照射することにより、試料１の光吸収が変化し、プローブ光５に対する吸収係数が変調される。プローブ光５の出射光強度の変化を測定することで、吸収スペクトルの変化を得ることができる。

図３（ａ）は、ＳＷＣＮＴの平均的な直径が１．２２ｎｍである場合における４．２Ｋで測定した吸収スペクトルである。図に示すように、ＳＷＣＮＴ薄膜試料の吸収には、半導体的なＳＷＣＮＴによる吸収ピークが光子エネルギー０．７ｅＶ付近（ピークＡ）と、１．４ｅＶ付近（ピークＢ）に現れ、金属的なＳＷＣＮＴによる吸収ピークが２．０ｅＶ付近（ピークＣ）に観測される。これらの吸収ピークは、図１（ｂ）、（ｃ）中に矢印Ａ，Ｂ，Ｃで示される光学遷移に対応する。

図３（ｂ）は、ポンプ光が入射された直後にプローブ光により測定された吸収スペクトルの変化分である。ポンプ光により吸収ピークＡ，Ｂ，Ｃの吸収が減少していることがわかる。

以下、上記光吸収特性を利用した本発明の第１の実施の形態による光スイッチング素子について図面を参照しつつ説明を行う。図３に示す光スイッチング素子において、ＳＷＣＮＴの高次側のピーク位置における波長を有する信号光を用いることを思いついた。

図４は、上記ピークＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれの吸収帯における吸収の変化ΔＡが時間的に回復していく様子をあらわす図である。光子エネルギー０．７９ｅＶ付近での半導体的チューブの吸収Ａの変化は１ｐｓ程度の緩和時定数で回復していることがわかる。一方、金属的チューブの吸収Ｃでは、約０.２ｐｓの緩和時間を有している。このように、高次側、たとえば、金属的なチューブのピークＣを用いて光スイッチングを行うことにより、スイッチング速度を高速化することができることがわかる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。図９（Ａ）は、室温において測定した吸収スペクトルのＳＷＣＮＴのチューブ直径依存性を示す図であり、ＳＷＣＮＴのチューブ直径を０．９５ｎｍ、１．２０ｎｍ、１．３０ｎｍ、１．４０ｎｍと変化させた場合の光子エネルギー０．５ｅＶから２．５ｅＶまでの吸収スペクトルを示す図である。平均的なチューブ直径の増大に伴い、第１のピークＡ、第２のピークＢ、および第３のピークＣのそれぞれが、高低エネルギー側（長波長側）にシフトすることがわかる。この直径の変化に対する吸収ピーク位置の変化を計算した例を図９（Ｂ）に示す。例えば、使用したい波長が光ファイバ通信で用いられる１．５５μｍ、すなわち、０．８ｅＶのエネルギーであるとすると、半導体チューブによるピークＡを使用するためには、チューブの直径はおよそ１ｎｍが対応するのに対して、ピークＢでは２．１ｎｍ、ピークＣでは３．１ｎｍ程度の直径のチューブが対応する。すなわち、直径の大きなチューブを用いることにより、使用する信号光の波長を替えることなく、より高速に応答する高次側の吸収ピークを使用した光スイッチを作製することができる。

次に、光磁気スイッチング素子への応用について説明を行う。磁場中における吸収スペクトルを測定した際の条件は、磁場が１０Ｔであり、図示しない偏光吸収スペクトル測定装置によって磁気応答の測定を行った。

以下、本発明の第２の実施の形態による光磁気スイッチング素子について図面を参照しつつ説明を行う。図５及び図７は、ＳＷＣＮＴに対して信号光ｈνをＳＷＣＮＴの延在方向に垂直な方向(ＳＷＣＮＴに平行な偏光Ｅ)に照射し、図５ではＳＷＣＮＴの延在方向に平行な方向に磁場Ｂを、図７ではＳＷＣＮＴの延在方向と垂直な方向に磁場Ｂを印加した光磁気スイッチング素子の簡略化された構成例を示す図である。図６は図５の配置における光吸収の磁気応答特性例を示す図である。図６（Ａ）は、図５における配置において磁場を印加しない場合（０Ｔ）と磁場を印加した場合（１０Ｔ）との光エネルギー０．６〜１．２ｅＶにおける吸収スペクトル（Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ）を示す。磁場により吸収スペクトルは変化している。この時の変化をわかりやすくするために、磁場による変化分を差スペクトル（ΔＡ＝Ａ（１０Ｔ）−Ａ（０Ｔ））として図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示すように、吸収ピーク位置では吸収が大きく減少している。

一方、図８（Ａ）は、図７における配置において、磁場を印加しない場合（０Ｔ）と磁場を印加した場合（１０Ｔ）との光エネルギー０．６〜１．２ｅＶにおける吸収スペクトル（Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ）、（Ｂ）は磁場による変位（ΔＡ＝Ａ（１０Ｔ）−Ａ（０Ｔ））を示す図である。図８に示すように、この配置では１０Ｔまで磁場を印加しても吸収の変化はほとんど無いことがわかる。すなわち、図５の配置では磁場により光吸収が変化し、ＳＷＣＮＴを透過する光が変調されることがわかる。この磁場による光吸収の変化は、ＳＷＣＮＴ中における電子構造の磁場による変化に基づくものと予想される。このように、ＳＷＣＮＴにおける磁場に基づく吸収変化により、信号光に関して磁場を制御手段としたスイッチングを行うことができる。

次に、本発明の第３の実施の形態による光磁気スイッチング素子について図面を参照しつつ説明を行う。理論的予測によれば、磁場による吸収変化はＳＷＣＮＴの断面を貫く磁束の大きさ（磁場×断面積）に比例している。したがって、磁場による吸収の変化量を大きくするためには、まず、ＳＷＣＮＴの直径を大きくすることが効果的である。すなわち、カーボンナノチューブの径が小さい場合には、断面積が小さいためにカーボンナノチューブを貫く磁束が少なくなり、磁場による光吸収の変調の度合いが小さくなる。そこで、カーボンナノチューブの径を大きくすると変化させると、断面積の増加により磁場による光吸収の変調の度合いを大きくさせることができる。この点については、吸収波長を一定に保持するという観点から図１０から図１３までを参照して後述する。

ところで、図９は、室温において測定した吸収スペクトルのＳＷＣＮＴのチューブ直径依存性を示す図であり、ＳＷＣＮＴのチューブ直径を０．９５ｎｍ、１．２０ｎｍ、１．３０ｎｍ、１．４０ｎｍと変化させた場合の光子エネルギー０．５ｅＶから２．５ｅＶまでの吸収スペクトルを示す図である。平均的なチューブ直径の増大に伴い、第１のピークＡと、第２のピークＢと、第３のピークＣと、のそれぞれが、吸収帯が低エネルギー側（長波長側）にシフトすることがわかる。ＳＷＣＮＴの径の変化（増大）に基づくシフトに対応するためには、光磁気スイッチング素子における信号光の波長を径の変化に応じてピーク位置と合うように調整することができる。

但し、一般的には信号光の波長を調整するよりはむしろ、信号光の波長を一定にするのが好ましい。このような観点から、発明者は、ＳＷＣＮＴの径を大きくした場合には、磁気応答感度の向上と高速応答が得られるが、それに応じてピーク位置は長波長側へシフトするため、例えばそれまで用いていた第１のピークＡの代わりに、より高次にピーク、すなわち第２のピークＢ又は第３のピークＣを用いることを思いついた。図８（Ｂ）によれば、たとえば、使用したい波長が光ファイバ通信で用いられる１．５５μｍ、すなわち、０．８ｅＶであるとすると、チューブの直径がおよそ１ｎｍの場合、ピークＡが共鳴するのに対して、２．１ｎｍのチューブではピークＢが、３．１ｎｍ程度の直径のチューブではピークＣが対応する。すなわち、直径の大きなチューブを用いることにより、使用する信号光の波長を替えることなく、より高感度に磁場に反応する吸収ピークを使用した光磁気スイッチング素子を作製することができる。この様子を実際に計算した結果を図１０から図１３に示す。

図１０から図１２までは、ＳＷＣＮＴの径を１．０４ｎｍ、２．１０ｎｍ、３．１２ｎｍとした場合における磁場を印加しない場合（Ｂ＝０Ｔ）と、磁場を印加した場合（Ｂ＝１０Ｔ）との吸収のピークを示す図である。これらの図を見るとわかるように、磁場を印加することによりピークが２つに分裂し、もとのピークが有った波長では吸収が減少することがわかる。例えば図１０においては、吸収強度が６５０程度から１００程度に減少していることがわかる。図１１、図１２に関しても同様の傾向のピーク変動が観測された。また、直径が大きなチューブほど、ピークが分裂するエネルギーΔＥが大きくなっている。この分裂エネルギーが大きいほど、実際の素子では吸収変化が大きくなる。図１３は、これらの様子をまとめて示す図である。Ａバンドでは、１０Ｔの磁場を印加した場合の波長０．８ｅＶ程度における吸収ピークの変動ΔＥは、４．７ｍｅＶであり、Ｂバンドでは１０．５ｍｅＶであり、Ｃバンドでは１４．５ｍｅＶである。このように、直径を大きくして、０．８ｅＶに来るピークをＡバンドからＢバンド、そしてＣバンドへと変えることにより、一定の磁場を加えた時のピークエネルギーの変化ΔＥを大幅に大きくすることができ、磁場による吸収変化を大きくすることができる。これは、ＳＷＣＮＴの径が小さい場合には、断面積が小さいためにＳＷＣＮＴを貫く磁束が少なくなり、磁場による光吸収の変調の度合いが小さくなるのに対して、カーボンナノチューブの径を大きくすることにより断面積が増加し磁場による光吸収の変調の度合いを変化させることができるためである。

以上に説明したように、本実施の形態による光磁気スイッチング素子によれば、ＳＷＣＮＴの径を大きくすることにより吸収の磁気応答感度を向上させることができる。さらに、径を大きくすることにより変化した吸収ピークのエネルギー（波長）を、より高次側のバンドを用いることにより、一定になるように調整することができる。さらに、高次側のピークを用いることにより、光スイッチング応答速度も高めることができる。

以上に説明した通り、上記の技術を用いると、光スイッチングの応答が高速になるため、高速光スイッチング素子を実現可能である。また、所望の波長帯における光磁気応答特性を向上させることができるため、カーボンナノチューブを用いた高感度な光磁気素子を実現できる。

本発明は、カーボンナノチューブを用いた光スイッチング素子及び光磁気スイッチング素子に適用できる。

図１（a）はＳＷＣＮＴの模式図でありチューブ軸方向にｙ軸をとっている。図１（b）は半導体ナノチューブの、図１(c)は金属ナノチューブのバンド構造と状態密度とを示す図である。試料に関して吸収スペクトルおよびポンプ光による光励起で誘起される吸収変化を測定する方法(ポンプ・プローブ分光法)の測定系の概略構成を示す図である。図３（ａ）は、ＳＷＣＮＴの平均的な径が１．２２ｎｍである場合における４．２Ｋで測定した吸収のエネルギー依存性を示すスペクトル図である。図３（ｂ）は、ポンプ光が入射された直後にプローブ光により測定された吸収スペクトルの変化分を示す図である。ピークＡおよびＣのそれぞれの吸収帯における吸収の変化ΔＡが時間的に回復していく様子をあらわす図である。ＳＷＣＮＴに対して信号光ｈνをＳＷＣＮＴの延在方向に垂直な方向に照射し、磁場をＳＷＣＮＴの延在方向と平行な方向に磁場を印加した光磁気スイッチング素子の簡略化された構成例を示す図である。図５の配置において、磁場を印加しない場合（０Ｔ）と磁場を印加した場合（１０Ｔ）との光エネルギー０．６〜１．２ｅＶにおける吸収スペクトル（Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ）と磁場による吸収の変化（ΔＡ＝Ａ（１０Ｔ）−Ａ（０Ｔ））を示す図である。ＳＷＣＮＴの延在方向と垂直な方向に磁場を印加した光磁気スイッチング素子の簡略化された構成例を示す図である。図７における配置において、磁場を印加しない場合（０Ｔ）と磁場を印加した場合（１０Ｔ）との光エネルギー０．６〜１．２ｅＶにおける吸収スペクトル（Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ）と磁場による吸収の変化（ΔＡ＝Ａ（１０Ｔ）−Ａ（０Ｔ））を示す図である。図９（Ａ）は、室温において測定した吸収スペクトルのＳＷＣＮＴのチューブ直径依存性を示す図であり、ＳＷＣＮＴのチューブ直径を０．９５ｎｍ、１．２０ｎｍ、１．３０ｎｍ、１．４０ｎｍと変化させた場合の光子エネルギー０．５ｅＶから２．５ｅＶまでの吸収スペクトルを示す図である。図９（Ｂ）は、吸収ピーク位置とチューブ直径の関係を計算したものである。ＳＷＣＮＴの径を１．０４ｎｍとした場合における磁場を印加しない場合（Ｂ＝０Ｔ）と、磁場を印加した場合（Ｂ＝１０Ｔ）との吸収のピークを示す図である。ＳＷＣＮＴの径を２．１０ｎｍとした場合における磁場を印加しない場合（Ｂ＝０Ｔ）と、磁場を印加した場合（Ｂ＝１０Ｔ）との吸収のピークを示す図である。ＳＷＣＮＴの径を３．１２ｎｍとした場合における磁場を印加しない場合（Ｂ＝０Ｔ）と、磁場を印加した場合（Ｂ＝１０Ｔ）との吸収のピークを示す図である。ＳＷＣＮＴの直径と磁場に基づく吸収の変化との関係を示す図である。

符号の説明

１…ＳＷＣＮＴからなる薄膜試料、３…ポンプ光、５…プローブ光、７…検出器。

Claims

非線形光学特性を有するカーボンナノチューブからなる光学素子と、該光学素子に対して信号光を照射する第１の光源と、前記光学素子に対して制御光を照射する第２の光源と、を有する光スイッチング装置であって、
前記光学素子に前記制御光を照射した際の光学吸収による前記透過信号光の変化を利用した光吸収応答の検出においてカーボンナノチューブで観測される吸収波長の複数のピークであって、半導体的性質を有する第１のピークと、該第１のピークとはピーク位置が異なり半導体的性質を有する第２ピークと、前記第１及び第２のピークとはピーク位置の異なる金属的性質を有する第３ピークとのうち、前記第３のピークの吸収波長のピーク位置が、使用する信号光の波長に対応するように、前記カーボンナノチューブの径を設定したことを特徴とする光スイッチング装置。
前記光学素子は、カーボンナノチューブを有機溶媒に分散させ、それを基板へ吹き付け溶媒を蒸発させることにより形成された多数のＳＷＣＮＴが含まれる薄膜からなることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
前記光学素子は、カーボンナノチューブを、ポリマー中に分散させてそれを引き延ばすことにより、ＳＷＣＮＴの方向が揃った配向試料からなることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。