JP2785468B2 - 非線形光学素子及び光信号処理装置 - Google Patents

非線形光学素子及び光信号処理装置

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、オプトエレクトロニクス、光情報処理、光
通信等の分野において用いられる非線形光学素子及び光
信号処理装置に関する。
(従来技術およびその問題点) 非線形光学材料は、レーザー光の強電界下、二次以上
の非線形応答を示す材料であって、周波数変換、発振、
スイッチング等の光信号処理において重要な素材であ
る。
特に、三次非線形光学材料は、光が有する高速性、並
列性という優れた特性を十分に発揮させた次世代の光通
信、情報処理における基幹素材として注目されている。
この非線形光学材料のうち、有機非線形光学材料は、
従来の無機非線形光学材料に比べて高速応答性で非線形
光学定数の大きいものが存在するため、特に重要であ
る。
三次の非線形光学効果の発現機構は、未だ解明されて
いないが、例えば、大きな非局在化π電子系を有するも
のが、三次の非線形特性を示すことが知られている。
非局在化π電子系を有するものとして、芳香環を直鎖
状に繋げた芳香族化合物が知られている。しかしなが
ら、このような芳香族化合物は、芳香環が多くなると熱
的に不安定になってしまい、また、光の吸収波長が長波
長側にシフトしてしまうという問題があった。
一方、三次非線形光学材料を用いた非線形光学素子
は、光の照射に対して屈折率が変化することを利用しよ
うとするものである。
この屈折率変化を読み取る方法として、例えば、Fabr
y−Perrot共振器を用いて微小な屈折率変化を増幅する
方法が提案されているが、この方法では光源の僅かな不
安定性が敏感に共振安定性に影響するので、システム全
体が極めてデリケートなものとなり、これを安定に作動
させるための高度な寸法品質精度がコスト、量産面での
障害となっている。また、屈折率変化を増大させるため
に極めて高いエネルギーを注入せざるを得ず、材料の耐
熱性、熱の壁、サーマル効果、高い注入エネルギーに情
報を載せるための技術的障壁などの問題があった。
これを改善する方法として、弱いプローブ光の楕円偏
光測定により、極めて高い感度で検出する方法が提案さ
れている。
この方法は、強い励起光により物質に光学的異方性を
誘起して直線偏光信号光に偏光の変化を発生させるもの
である。
この方法では、光誘起された光学的異方性を利用する
ために励起光を円偏光としたり、励起光の偏光方向を信
号光の偏光方向から傾ける等の工夫が必要であるため、
信号処理方法に制限があった。
(問題点を解決するための技術的手段) 本発明の目的は、前記問題点を解決し、大きな三次非
線形性を示し、かつレーザーによる熱的、光学的損傷が
ない三次非線形光学材料を用いて、屈折率変化を読み取
るために種々の信号処理方法を適用できる非線形光学素
子及び光信号処理装置を提供することである。
本発明は、三次非線形性を有するキラル化合物からな
る非線形光学要素を具えてなり、1本の直線偏光又は偏
光方向が同一である2本以上の直線偏光を入力信号と
し、直線偏光の偏光面の回転角の変化及び/又は直線偏
光の楕円化の変化を出力信号とすることを特徴とする非
線形光学素子、及びレーザー光源、前記非線形光学素子
及び光検出器から構成されてなる光信号処理装置に関す
る。
本発明におけるキラル化合物は、かつ非局在化π電子
系を有するもので、かつ、大きな旋光性を有するものが
望ましい。
このようなキラル化合物としては、縮合芳香環を有す
るキラル化合物が好適であり、例えば、光学活性ヘリセ
ン類が挙げられる。
光学活性ヘリセン類としては、カルボヘリセン及びヘ
テロヘリセンが挙げられる。
カルボヘリセンは、芳香環が5個以上、好ましくは6
個〜20個繋がった螺旋状構造を有する化合物である。
また、ヘテロヘリセンは、ベンゼンとチオフェン、フ
ラン、ピリジン、ピロール等のヘテロ環との共縮合環か
らなる化合物である。
さらに、カルボヘリセン又はヘテロヘリセンは、その
芳香環又は複素環に種々の置換基が付いたものでもよ
い。
このようなカルボヘリセン及びヘテロヘリセンは、例
えば、Top.Curr.Chem.125(Stereochemistry),63−130
(1984)に記載されている。
カルボヘリセン及びヘテロヘリセンの合成方法として
は、特に制限はないが、例えば、Wittig反応やSiegrist
反応により合成した1,2−diarylethy lenes、bis(aryl
vinyl)arenes等を光環化することにより得られる。
このヘリセン類は、大きな非局在化π電子系を有する
ので、大きな三次非線形性を示し、かつレーザーによる
熱的、光学的損傷がないため、三次非線形光学材料とし
て優れている。
本発明の非線形光学素子は、三次非線形性を有するキ
ラル化合物からなる非線形光学要素を具えてなる。
三次非線形性を有するキラル化合物からなる非線形光
学要素の形態としては、例えば、キラル化合物の溶液、
結晶、薄膜、あるいは樹脂等にドープしても良い。
本発明における三次非線形性を有するキラル化合物
は、直線偏光に対し光の強度に依存して偏光面を回転さ
せる特性を有する。このキラル非線形効果を利用するこ
とにより、種々の光信号処理が可能となる。
以下に、直線偏光に対して偏光面が回転する発現原理
を説明する。
三次非線形性を有するキラル化合物である(+)−ヘ
キサヘリセンのCDスペクトルを第1図に、ORDスペクト
ルを第2図に示す。
CDスペクトルにおいて、330nm付近に正のピークが見
られ、左回り円偏光(L)の強い吸収があり、240nm付
近に負のピークが見られ、右回り円偏光(R)の強い吸
収がある。また、ORDスペクトルではこれらの波長付近
で符号が反転している。
このことから、キラル化合物を極めて単純化したモデ
ルで表すと、第3図に示すようにL偏光とR偏光に対し
て異なったエネルギー準位を持つと考えられる。
この場合、吸収スペクトル及び屈折率分散は第4図
(a)、(b)(実線)に示すようにL偏光とR偏光に
対して周波数のずれを生じる。L偏光に対する屈折率を
nL、R偏光に対する屈折率をnRとすると、旋光性は第4
図(c)(実線)に示すように(nL−nR)によって引き
起こされ、偏光回転角は、サンプル長をl、波長をλと
して πl/λ(nL−nR) となる。
次に、強い直線偏光励起により非線形な屈折率変化が
引き起こされる場合、直線偏光は左右の円偏光の合成と
考えられるので、nL、nRの両方に作用して、屈折率は第
4図(b)(点線)に示すように変化する。
この非線形な屈折率変化をΔnL、ΔnRとすると、非線
形効果による偏光回転角は、 πl/λ〔(nL−nR)− {(nL+ΔnL)−(nR+ΔnR)}〕 =πl/λ(ΔnL−ΔnR) となる。即ち、L偏光とR偏光に対する非線形な屈折率
変化の差に応じた偏光回転が起こると考えられる。ま
た、この効果は、旋光性が大きいほど大きくなると期待
される。
したがって、三次非線形性を有するキラル化合物に直
線偏光を照射する場合に、光の強度を変化させることに
より、偏光面の回転角の変化として検出することができ
る。
この特性を利用することにより、前述の楕円偏光解析
の手法を用いれば、励起光として偏光に工夫を凝らすこ
となく、信号と同一方向の直線偏光でも同様の測定が行
えるので、より複雑な光信号処理が可能になる。
また、励起光と信号光を一本の直線偏光とし、光の強
度による自己回転により信号波形の制御が可能である。
さらに、高繰り返しパルス光源を用いることにより、
高周波偏光変調素子と組み合わせてより高い感度と精度
が確保できる。
本発明においては、この三次非線形性を有するキラル
化合物からなる非線形光学要素を具えてなる非線形光学
素子をレーザー光源及び光検出器と組合せることによ
り、種々の光信号処理が可能な光信号処理装置が構成さ
れる。
この光信号処理装置は、前記非線形光学素子を使用す
ることにより、信号変換、光演算、光増巾等の信号処理
が、偏光に円偏光や偏光角をずらす等の特別の処理を行
なわなくとも簡単に行うことができ、光情報素子とし
て、光通信、光情報処理等に好適に使用できる。
なお、本発明について、キラル非線形光学材料の屈折
率変化の実成分変化に従って説明したきたが、屈折率変
化の虚成分に対しても、旋光が偏光の楕円化に変わるだ
けで同様の効果が得られることはいうまでもない。
(実施例) 以下に、実施例を示して本発明を具体的に説明する。
実施例1 第5図に信号光の強度を偏光角に変換する光信号処理
装置を示す。
11は光源のレーザー、12は直線偏光とするための偏光
子、13は、レーザー光を分けるためのビームスプリッタ
ー、14はミラー、15は光強度変調器、16は本発明の非線
形光学素子である。
レーザー11を出射した光は偏光子12により直線偏光と
される。なお、レーザー11の出射光が十分な直線偏光に
なっている場合は、偏光子12はなくても良い。直線偏光
はビームスプリッター13により、2本の光線に分けられ
る。ビームスプリッター13を透過した光は光強度変調器
15により強度変調された励起光21となり、非線形光学素
子16に入射する。
一方、ビームスプリッター13で反射され、ミラー14で
光路を変向した信号光22は、非線形光学素子16に入射す
る。この時、信号光22は、励起光に対して強度が十分弱
いことが望ましい。信号光22は非線形光学素子16の作用
により励起光21の信号強度に従って、偏光方向の回転し
た光23となって取り出すことができる。
実施例2 第6図に論理積の演算処理を行う光信号処理装置を示
す。
信号光A31、信号光B32及び参照光33は、すべて同一偏
光方向の直線偏光であり信号光A及び信号光Bはデジタ
ル的に変化する。
40は、非線形光学素子、41は検光子で信号光A及び信
号光Bが無い状態で参照光33を消光する方向にセットし
てある。
出力光34は検光子41を通過した光で、信号光A及び信
号光Bが0の場合にほぼ0と考えて良い。出力光34の強
度をIout、信号光Aの強度をIA、信号光Bの強度をIB
参照光の強度をIPとすると Iout∝sin2(IA+IB)・IP となり消光角の近くでは Iout∝(IA+IB・IP となる。
従って、A・BともONの時の出力光は一方だけONの時
の4倍となる。
このように、IA、IBともに1の時に極めて大きいIout
が得られ適切なスレッシュホールド値を設定することに
より論理積の演算が可能になる。
更に、第7図に示す自己回転効果を利用した波形制御
装置と組み合わせることにより更にデジタル信号を明確
化することも可能である。
実施例3 第7図に波形を制御する光信号処理装置を示す。
51は、レーザー光源、52はこれを直線偏光とするため
の偏光子であり、レーザー光源51が十分な直線偏光にな
っている場合は不要である。53は非線形光学素子であ
り、54は入射光61が十分に弱い時に消光となるようにセ
ットされた検光子である。
レーザー51を出た光は、偏光子52により、直線偏光入
射光61となり、非線形光学素子53に入射する。これを透
過した光は、入射光の強度Iinに比例した偏光回転を起
こす。従って、検光子54を透過後に検出され出力光63の
強度Ioutは、 Iout∝Iin・sin2Θ(正し、Θは偏光回転角で光強度
に比例する。) 消光角の近くでは、 Iout∝Iin・Iin 2=Iin 3 となり、微小な変化を大きな変化として検出することが
でき、波形を制御することが可能である。
例えば、正弦波sin2ωt(ω≪ω、ω0:光の角周波
数)の信号を入れれば、出力光はsin6ωtに比例した信
号となり極めて急な立上りを示す。
また、実施例2の演算処理装置と組合せることにより
デジタル演算を更に明確なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】 第1図及び第2図は、それぞれ、(+)−ヘキサヘリセ
ンのCDスペクトル及びORDスペクトルを示す図であり、
第3図は、キラル化合物の単純化モデルのL偏光とR偏
光に対するエネルギー準位を示す図であり、第4図は、
キラル化合物の左右円偏光に対する吸収スペクトル、屈
折率分散、旋光、非線形な偏光回転を表す図であり、第
5図は、信号光の強度を偏光角に変換する光信号処理装
置の概略図であり、第6図は、論理積の演算処理を行う
光信号処理装置の概略図であり、第7図は、波形を制御
する光信号処理装置の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 JICST

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】三次非線形性を有するキラル化合物からな
    る非線形光学要素を具えてなり、1本の直線偏光又は偏
    光方向が同一である2本以上の直線偏光を入力信号と
    し、直線偏光の偏光面の回転角の変化及び/又は直線偏
    光の楕円化の変化を出力信号とすることを特徴とする非
    線形光学素子。
  2. 【請求項2】レーザー光源、請求項1に記載の非線形光
    学素子及び光検出器から構成されてなる光信号処理装
    置。
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