JP3182426B2

JP3182426B2 - 光制御素子

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Publication number: JP3182426B2
Application number: JP10206391A
Authority: JP
Inventors: 佳伸前田
Original assignee: 佳伸前田
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH04308821A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定波長λの制御光に
よってそれと同じ波長の被制御光を制御することができ
る光制御素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】たとえば光通信、光情報処理などの光エ
レクトロニクスの分野において、被制御光を制御光によ
り制御する研究が行われている。電気的スイッチング回
路よりも高速スイッチング操作が可能であること、光の
結像性を利用して多重の並列処理が可能なことなどがあ
り、光集積回路などにおいて極めて有用性が期待できる
からである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、光制御の
ために非線形光学効果を利用した光デバイスが活発に研
究されている。この非線形光学効果は、従来、第２高調
波発生などの波長変換効果が実用上重要視されていた
が、最近では特に光の強度に依存する屈折率変化や吸収
係数変化の効果が注目され、研究されている（応用物理
５９，１５５頁乃至１６３頁：１９９０年２月発行）。
しかし、光強度によって屈折率や吸収係数が変わる効果
は３次の分極で生じるため、高次分極効果の大きな非線
形光学材料が必要である〔“Degenerate fourwave mixi
ng in semiconductor-doped glasses"J.Opt.Soc.Am.,7
3,pp.647-653(May 1983)〕。また、半導体光制御素子と
して最も有望視されている吸収飽和型双安定半導体レー
ザでは、オフ状態からオン状態へ切り換えるスイッチに
は、光入力が用いられるが、反対にオン状態からオフ状
態へ切り換えるには負の光パルスが存在しないため、同
一波長の光入力では実現されていない（応用物理５８，
１５７４頁乃至１５８３頁：１９８９年１１月発行）。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであり、その目的とするところは、所定波長λの制
御光によってそれと同一波長の被制御光をオン状態およ
びオフ状態の一方から他方へ切り換えることができる、
或いはその被制御光の強度を増減できる光制御素子を提
供することにある。

【０００５】本発明者は、以上の事情を背景として種々
の検討を重ねた結果、希土類元素の一つであるエルビウ
ム元素を石英系或いは弗化物系ガラス或いは窒化珪素な
どの絶縁物、或いは半導体などの固体光透過媒体内にド
ーピングすると、エルビウム元素イオンが基底吸収およ
び励起吸収の可能な４準位系のエネルギ準位を構成し、
その固体光透過媒体に照射する制御光をオンオフさせる
ことにより、その固体光透過媒体内を透過する被制御光
が吸収される状態と吸収されない状態とに切り換えられ
ることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて為さ
れたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の要旨
とするところは、所定波長λの被制御光と同一波長の制
御光を用いてその被制御光の強度を制御するために、被
制御光の光路に配設される光制御素子であって、固体光
透過媒体と、その固体光透過媒体にドープされ、前記所
定波長λの光に対する準安定準位Ｅ₂から励起準位Ｅ₄
への励起吸収の度合が、基底準位Ｅ₁から励起準位Ｅ₃
への基底吸収の度合よりも大きい４準位エネルギ系を有
するエルビウム元素とを備え、固体光透過媒体に照射さ
れる前記制御光の強度の増加に関連して前記被制御光の
透過率が減少する負性特性を示すことにある。

【０００７】

【作用】このようにすれば、固体光透過媒体には、制御
光に励起されることに関連して発生する励起吸収により
被制御光を吸収する４準位系のエルビウム元素がドープ
されているので、その固体光透過媒体が被制御光を透過
させる光路に位置させられた状態で、その固体光透過媒
体に制御光が入射させられると、ドープされているエル
ビウム元素では基底吸収により制御光が吸収されて基底
準位Ｅ₁から励起準位Ｅ₃への励起が発生するととも
に、この励起に関連して基底吸収よりも吸収の度合が大
きい励起吸収が発生し、この励起吸収に関連して被制御
光が吸収されて上記固体光透過媒体を透過する被制御光
の透過率が減少させられる。また、上記固体光透過媒体
に対する制御光の入射強度が減少されると、被制御光に
対する励起吸収がなくなって被制御光の透過率が高めら
れる。このように、本発明の光制御素子は、制御光の基
底吸収に関連して発生する励起吸収によりその制御光と
同一波長の被制御光をスイッチングするものであるか
ら、複可飽和吸収体による同一周波数光スイッチ（Comm
on-Frequency Optical Switches by Complex Saturable
Absorber ：ＣＯＣＡ）と言うべきものである。

【０００８】

【発明の効果】したがって、本発明の光制御素子によれ
ば、所定波長λの制御光の固体光透過媒体に対する照射
光量の変化に対応して、その固体光透過媒体を透過する
被制御光の透過光強度が変化させられる。たとえば、制
御光を固体光透過媒体に入射させる状態とさせない状態
との２制御状態に対応して、固体光透過媒体を透過する
被制御光がオフ状態とオン状態とに切り換えられる。ま
た、固体光透過媒体に対する制御光の照射光量の増減に
対応して、固体光透過媒体を透過する被制御光の透過強
度が減少および増加させられるのである。ここで、励起
吸収とは、基底準位Ｅ₁からの直接励起或いは準安定準
位Ｅ₂よりも高い励起準位Ｅ₃からの緩和によって準安
定準位Ｅ₂へ一旦励起された電子が、その準安定準位Ｅ
₂よりもさらに高い所定の準位Ｅ₄へ再び励起される際
のエネルギ吸収をいう。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図１に示す装置は、エルビウム元素Ｅｒ
³⁺を含む光ファイバ１０の光制御機能を測定するための
ものである。この光ファイバ１０は、４７０ｐｐｍ程度
の濃度のエルビウム元素Ｅｒ³⁺および５００ｐｐｍ程度
の濃度のアルミニウム元素Ａｌ³⁺が共にドープされた石
英系ガラス製のコアと、そのコアの外周において設けら
れた相対的に低い屈折率を有するクラッド層とを備えて
いる。また、この光ファイバ１０のコア径は６．５μ
ｍ、比屈折率差１．１２％、長さ１．５ｍ程度である。

【００１０】制御光の光源として機能する半導体レーザ
素子１２は、駆動制御回路１４によって駆動されること
により７８７ｎｍの中心波長のレーザ光Ｌ_Cを出力し、
ビームスプリッタ１５および集光レンズ１６を通して光
ファイバ１０の一端に入射させる。この駆動制御回路１
４は、その出力を変更することにより半導体レーザ素子
１２から出力されるレーザ光Ｌ_Cの強度を調節する。ま
た、被制御光の光源として機能する半導体レーザ素子１
８は、パルス発生回路２０からの出力信号によって駆動
されることにより、予め定められた一定の周波数、たと
えば１００Hzにパルス変調されたレーザ光Ｌ_Sを出力す
る。このレーザ光Ｌ_Sは、一定の強度のパルス光であっ
て、上記レーザ光Ｌ_Cと同一の７８７ｎｍの中心波長を
備えている。

【００１１】半導体レーザ素子１８から出力されたレー
ザ光Ｌ_Sは、ビームスプリッタ１５により反射され且つ
集光レンズ１６により集光されて光ファイバ１０の一端
に入射させられる。なお、半導体レーザ素子１２から出
力されるレーザ光Ｌ_Cの一部はビームスプリッタ１５に
より反射されて光検出素子２２により受光される。ま
た、半導体レーザ素子１８から出力されたレーザ光Ｌ_S
の一部もビームスプリッタ１５を透過することにより光
検出素子２２により受光される。この光検出素子２２
は、光ファイバ１０の一端に入射させられるレーザ光Ｌ
_CまたはＬ_Sの強度をそれぞれ検出するためのものであ
る。

【００１２】光ファイバ１０の他端から出力された光
は、光強度を検出するための光検出素子２４により受け
られ、光検出素子２４の出力信号は増幅器２６を介して
ロックイン増幅器２８に供給される。ロックイン増幅器
２８は、前記パルス発生回路２０からのタイミング信号
に対応した周波数の交流信号を選択的に増幅するもので
あり、光検出素子２４に受けられたレーザ光Ｌ_Cおよび
Ｌ_Sのうち、パルス変調されているレーザ光Ｌ_Sに対応
した信号のみを増幅して出力する。これにより、制御光
であるレーザ光Ｌ_Cの強度変化に拘わらず、被制御光で
あるレーザ光Ｌ_Sの強度変化が検出される。

【００１３】以上のように構成された装置において、半
導体レーザ素子１８から出力されるレーザ光Ｌ_Sの強度
を複数種類に設定し、各設定値毎に半導体レーザ素子１
２から出力されるレーザ光Ｌ_Cの強度を増加させると、
ロックイン増幅器２８の出力信号は、図２に示すよう
に、不連続に低下した。このように、光ファイバ１０の
コア中を透過する被制御光であるレーザ光Ｌ_Sの出力強
度は、そのコアに対するレーザ光Ｌ_Cの照射強度の増減
に応じて減少増大制御されるので、エルビウム元素Ｅｒ
³⁺がドープされた光ファイバ１０が光制御素子として機
能することが明らかである。なお、図２の横軸は、上記
レーザ光Ｌ_CおよびＬ_Sによる光ファイバ１０への入射
強度である。

【００１４】上記の装置では、被制御光であるレーザ光
Ｌ_Sと制御光であるレーザ光Ｌ_Cとが光制御素子として
機能する光ファイバ１０のコア内を同じ方向に伝播させ
られるものであったが、被制御光であるレーザ光Ｌ_Sの
伝播方向に対して制御光であるレーザ光Ｌ_Cの伝播方向
が交差する方向、好ましくは直角方向であってもよい。
図３は、被制御光の伝播方向に対して制御光が直角の方
向に伝播させられる例を示している。

【００１５】図３において、半導体レーザ素子４０の端
面には、この端面から出力されるレーザ光Ｌ_Sが透過す
るように光制御セル４２が固設されている。半導体レー
ザ素子４０は、一対のクラッド層間に挟まれた活性層で
生じた光をその端面の間で発振させるよく知られたもの
であって、たとえば７９０nmの中心波長のレーザ光Ｌを
出力する。また、上記光制御セル４２は、たとえばシリ
カガラス（ＳｉＯ₂を主成分とする石英系光学ガラス）
を母材とする固体光透過媒体にて構成されており、その
シリカガラス内にはエルビウム元素Ｅｒ³⁺が約１０²⁰cm
^-3程度ドープされている。このエルビウム元素Ｅｒ³⁺に
より、光制御セル４２内には図５に示すエネルギ準位が
構成されている。そして、上記光制御セル４２は、半導
体レーザ素子４４から出力されるレーザ光Ｌ_Cがレーザ
光Ｌ_Sに対して直交する方向から入射させられるように
配置されている。この半導体レーザ素子４４から出力さ
れるレーザ光Ｌ_Cも、上記レーザ光Ｌ_Sと同一の７９０
nmの中心波長を備えている。

【００１６】上記シリカガラスを母材とする光制御セル
４２は、被制御光としてそれを透過するレーザ光Ｌ
_Sを、制御光であるレーザ光Ｌ_Cの入射に関連して発生
する励起吸収によりレーザ光Ｌ_Sを吸収する。このた
め、図４に示すように、被制御光であるレーザ光Ｌ_Sが
透過させられている状態でレーザ光Ｌ_Cがオン状態とさ
れると、レーザ光Ｌ_Sの透過率が低下して光制御セル４
２からのレーザ光Ｌ_Sの出力がオフ状態とされる。反対
に、レーザ光Ｌ_Cがオフ状態とされると、レーザ光Ｌ_S
に対する励起吸収がなくなってそのレーザ光Ｌ_Sの透過
率が元の値に戻り、再びオン状態とされる。本実施例で
は、レーザ光Ｌ_Sの伝播方向とレーザ光Ｌ_Cの伝播方向
とが直交しているので、分離手段を用いることなく被制
御光であるレーザ光Ｌ_Sを取り出すことができる。

【００１７】次に、前記光ファイバ１０および上記光制
御セル４２において得られる励起吸収によるレーザ光Ｌ
_Sに対する制御原理を詳しく説明する。先ず、光制御セ
ル４２にドープされているエルビウム元素Ｅｒ³⁺のエネ
ルギ準位は図５に示すものである。しかし、本実施例で
は、光ファイバ１０および光制御セル４２に入射させら
れるレーザ光Ｌ_Cおよびレーザ光Ｌ_Sは同一波長である
から、理解を容易とするために、図５に示すエネルギ準
位図を図６に示すように４つの主要な準位にモデル化す
ることができる。すなわち、図６のエネルギ準位図にお
いて、図５の⁴Ｉ_15/2が第１準位（基底準位）Ｅ₁に相
当し、図５の⁴Ｉ_13/2が第２準位（準安定準位）Ｅ₂に
相当し、図５の⁴Ｉ_9/2が第３準位（励起準位）Ｅ₃に
相当し、図５の⁴Ｈ_11/2がの第４準位（励起準位）Ｅ₄
からなる４準位系から構成されている。図６中のσ₁は
第１準位Ｅ₁から第３準位Ｅ₃への基底吸収における吸
収断面積、σ₂は第２準位Ｅ₂から第４準位Ｅ₄への励
起吸収における吸収断面積である。また、図において、
Ａ₃₁は第３準位Ｅ₃から第１準位Ｅ₁への緩和率、Ａ₃₂
は第３準位Ｅ₃から第２準位Ｅ₂への緩和率、Ａ₂₁は第
２準位Ｅ₂から第１準位Ｅ₁への緩和率、Ａ₄₂は第４準
位Ｅ₄から第２準位Ｅ₂への緩和率である。なお、上記
において、Ｅ₁＜Ｅ₃、Ｅ₂＜Ｅ₄、Ｅ₂＜Ｅ₃ Ｅ₃
−Ｅ₁≒Ｅ₄−Ｅ₂である。

【００１８】ここで、図６の４準位系に示すように、光
ファイバ１０および光制御セル４２では同一波長λの光
に対して基底吸収および励起吸収の２種類の吸収が発生
するので、その複合吸収について説明する。すなわち、
数式１に示すエネルギを有する光子が光ファイバ１０或
いは光制御セル４２に入射すると、第１準位Ｅ₁に存在
する電子は基底吸収によってその光子のエネルギをσ₁
の吸収断面積で吸収して第３準位Ｅ₃へ励起される。こ
の第３準位Ｅ₃へ励起された電子は、所定の緩和率Ａ₃₁
およびＡ₃₂でそれぞれ第１準位Ｅ₁や第２準位Ｅ₂に緩
和する。一方、第２準位Ｅ₂に緩和した電子は、励起吸
収によって光子エネルギをσ₂の吸収断面積で吸収して
第４準位Ｅ₄に励起される。なお、数式１において、ｈ
はプランク定数、Ｃは光速、νは光の周波数、λは光の
波長である。

【００１９】

【数１】

【００２０】以上の複合吸収において、理論的には、光
ファイバ１０或いは光制御セル４２の緩和率が数式２お
よび数式３に示す条件を満足し、且つ初期透過率Ｔ_Oが
５０％である場合には、所定の波長λに対する励起吸収
と基底吸収との強度比σ₂₁（＝σ₂／σ₁）が１より大
きい（σ₂₁＞１）ことにより、光ファイバ１０或いは光
制御セル４２に入射する光の強度が大きくなるに従っ
て、基底状態における吸収断面積σ₁による基底吸収は
飽和するのに対して励起状態における吸収断面積σ₂に
よる励起吸収は増大し、この吸収断面積σ₂による吸収
が飽和するまでは光透過率が減少する。たとえば、前記
実施例の光ファイバ１０では、シリカガラスに４７０ｐ
ｐｍ程度のエルビウム元素Ｅｒ³⁺および５００ｐｐｍ程
度のアルミニウム元素Ａｌ³⁺がドープされているので、
波長λ＝７８７nmに対する励起吸収と基底吸収との強度
比σ₂₁は「４」程度である。この強度比σ₂₁は、母材に
共添加する元素の種類および入射光の波長に依存して変
化し、１以下から５程度の値をとることが可能であるこ
とから、１より大きい値とすることにより上記励起吸収
によるレーザ光Ｌの光透過率の制御が可能となるのであ
る。

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】ここで、数式２に示すγは、第３準位Ｅ₃
から第２準位Ｅ₂への移乗の割合を示しており、上記強
度比σ₂₁の大きさとともに励起吸収の働きを示すパラメ
ータである。また、数式３に示すζは、第３準位Ｅ₃か
らの緩和率と第４準位Ｅ₄からの緩和率との割合を示し
ており、小さい値程第２準位Ｅ₂からの励起吸収の飽和
が生じ難いことを示している。また、本実施例の光制御
セル４２では、第２準位Ｅ₂（⁴Ｉ_13/2）から第１準位
（⁴Ｉ_15/2）への緩和率Ａ₂₁は７１sec ^-1である。ま
た、第４準位Ｅ₄（⁴Ｈ_11/2）から第２準位Ｅ₂（⁴Ｉ
_13/2）への緩和過程は、その第４準位Ｅ₄（⁴Ｈ_11/2）
のすぐ下にある準位⁴Ｓ_3/2に非常に速やかに緩和した
後、その準位⁴Ｓ_3/2から第２準位Ｅ₂（⁴Ｉ_13/2）へ
１５０μsec で緩和するので、第４準位Ｅ
₄（⁴Ｈ_11/2）から第２準位Ｅ₂（⁴Ｉ_13/2）への緩和
率Ａ₄₂は６３００sec ^-1である。また、第３準位Ｅ₃（
⁴Ｉ_9/2）から第１準位（⁴Ｉ_15/2）への緩和は多フォ
ノン放出過程であり、その緩和率は遷移準位間のエネル
ギ差から求められる。すなわち、第３準位Ｅ₃（⁴Ｉ
_9/2）と準位⁴Ｉ_11/2との間のエネルギ差は２２５４cm
^-1、およびその準位⁴Ｉ_11/2と第２準位（⁴Ｉ_13/2）と
の間のエネルギ差は３６５０cm^-1であるから、第３準位
Ｅ₃（⁴Ｉ_9/2）から第２準位（⁴Ｉ_13/2）への緩和率
Ａ₃₂は８０００sec ^-1程度となる。さらに、第３準位Ｅ
₃（⁴Ｉ_9/2）から第１準位（⁴Ｉ_15/2）への緩和率Ａ
₃₁は１６００sec ^-1程度となる。したがって、前記γは
１４０程度の値となり、また、前記ζは１．５程度の値
となる。

【００２４】数式４は、前記光ファイバ１０および光制
御セル４２の特性を理論的に説明するために本発明者が
予め求めた４準位系複合吸収モデルの基本的飽和方程式
である。図７は、初期透過率Ｔ_Oを０．５と設定すると
ともに、上記のようにγ＝１４０，ζ＝１．５とした場
合において、強度比σ₂₁を０．１から６まで変化させた
場合に、上記数式４に示す基本的飽和方程式を用いてそ
れぞれ得られた透過率曲線の数値解析結果である。な
お、数式４において、Ｔは入射光強度Ｉ_inに依存する透
過率であり、Ｉ_in’は入射光強度の無次元の実効値であ
る。

【００２５】

【数４】

【００２６】図７において、σ₂₁≦１のときは入射光強
度を大きくするに従って光ファイバ１０および光制御セ
ル４２の透過率が単調に増大し、その後に吸収が完全に
飽和する。しかし、σ₂₁＞１のときは第２準位Ｅ₂から
の励起吸収の作用により、入射強度が大きくなるに伴っ
て光ファイバ１０および光制御セル４２の透過率曲線に
へこみが発生する。このように透過率が５０％を下まわ
る領域において光ファイバ１０および光制御セル４２を
透過するレーザ光Ｌ_Sを減少させたり若しくはオフ状態
としたりする制御が理論的に行われ得るのである。

【００２７】図８は、図９の透過率測定装置を用いて光
ファイバ１０の透過率のレーザ光強度依存性を実際に測
定した結果を示している。図９において、図１の装置と
共通する部分には同一の符号を用いて説明が省略されて
いる。図９の演算器３０においては、光ファイバ１０の
一端に入射させられるレーザ光Ｌ_Cと光ファイバ１０の
他端から出射させられる上記レーザ光Ｌ_Cとの強度との
差に基づいて光ファイバ１０中におけるレーザ光Ｌ_Cの
透過率が算出される。

【００２８】図７において理論的に予想したように、図
８においては、レーザ光Ｌ_Cの強度の増加に対して逆に
透過率が減少する負性領域が観測されている。また、図
８中のＡ点およびＢ点は、透過率曲線の変曲点および極
小点であり、これらの点における光強度は図２における
Ａ点およびＢ点の光強度とほぼ一致している。

【００２９】ここで、図２においてレーザ光Ｌ_SがＡ点
およびＢ点において不連続な変化を示している理由は、
透過率曲線における変曲点および極小点において一次の
相転移が生じたためであると考えられる。この一次の相
転移は、一般に、レーザ発振器の中にその発振周波数で
吸収飽和する媒質（可飽和吸収体）を挿入することによ
り生じ、これが前記した吸収飽和型双安定半導体レーザ
の動作基本原理である。すなわち、小さい光強度で低透
過率状態を示し、大きい光強度で高透過率状態を示すこ
とを利用して光入力を加えることによりオフ状態からオ
ン状態に光スイッチするのである。これに対して、本発
明で得られた透過率に負性光強度依存性を示す複可飽和
吸収体は、小さい光強度で高透過率状態を示し、大きい
光強度で低透過率状態を実現している。このことは、前
記数値解析において一般の可飽和吸収体はσ₂₁≦１の場
合に相当し、本発明で得られた可飽和吸収体はσ₂₁＞１
の場合に相当することからも理論的に理解できるのであ
る。

【００３０】上述のように、本実施例によれば、固体光
透過媒体として機能するシリカガラスには、制御光であ
るレーザ光Ｌ_Cに励起されることに関連して発生する励
起吸収により被制御光であるレーザ光Ｌ_Sを吸収するエ
ルビウム元素Ｅｒ³⁺がドープされているので、被制御光
であるレーザ光Ｌ_Sが透過させられている状態で光ファ
イバ１０或いは光制御セル４２に制御光であるレーザ光
Ｌ_Cが入射させられると、そのレーザ光Ｌ_Cを基底吸収
することによって励起が行われるともに、この基底吸収
に関連して吸収する励起吸収が発生してレーザ光Ｌ_Sの
透過率が低下し、レーザ光Ｌ_Sの出力がオフ状態とされ
る。また、上記光ファイバ１０或いは光制御セル４２に
対するレーザ光Ｌ_Cの入射が停止されると、それを透過
しているレーザ光Ｌ_Sに対する励起吸収がなくなって光
ファイバ１０或いは光制御セル４２を透過し、レーザ光
Ｌ_Sの出力が再びオン状態とされるのである。

【００３１】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。たとえば、前述の実施例では、光制御セル４２のオ
ンオフ作動について説明されていたが、その光制御セル
４２に入射させるレーザ光Ｌ_Cの光強度を連続的に変化
させる手段を設けることにより、光制御セル４２を透過
するレーザ光Ｌ_Sの出力強度を連続的に制御することが
できる。

【００３２】また、前述の実施例では、半導体レーザ素
子４４が用いられていたが、ＬＥＤ、色素レーザ素子な
どの他の種類の単色光源が用いられても差支えない。

【００３３】また、前述の実施例では、光制御セル４２
が半導体レーザ素子４０の端面に用いられていたが、光
集積回路内の光路中に設けられていてもよいのである。

【００３４】また、前述の実施例の光制御セル４２は石
英系或いは弗化物系ガラスを母材としていたが、窒化珪
素などの絶縁体や、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓなどのたとえ
ばバンドギャップが少なくとも１．６ｅＶの半導体な
ど、他の固体光透過媒体を母材として用いられてもよ
い。エルビウムなどの希土類元素ではその原子の最外殻
が電子で満たされており、その電子によるシールド効果
のために内側の非閉殻の光学遷移はあまり母材の影響を
受けないからである。

【００３５】また、前述の実施例の光ファイバ１０およ
び光制御セル４２には、エルビウム元素Ｅｒ³⁺に加えて
アルミニウム元素Ａｌ³⁺がそれぞれドープされている
が、エルビウム元素Ｅｒ³⁺だけでもよく、反対に、上記
アルミニウム元素Ａｌ³⁺に替えて或いは加えて、励起吸
収の改善のための他の元素がドープされてもよい。

【００３６】また、前述の実施例では、被制御光である
レーザ光Ｌ_Sおよび制御光であるレーザ光Ｌ_Cの波長は
７８７ｎｍが用いられていたが、７７０ｎｍ乃至８３０
ｎｍの範囲内であれば、励起吸収による被制御光の制御
が可能である。

【００３７】なお、上述したのはあくまでも本発明の一
実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲にお
いて種々変更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光制御素子の一例である光ファイバの
光制御機能を測定する装置の構成を示す図である。

【図２】図１の実施例において光ファイバに入射させる
レーザ光の強度とその光ファイバを透過するレーザ光Ｌ
_Sを検出するロックイン増幅器の出力信号との関係を示
す図である。

【図３】本発明の光制御素子の他の例である光制御セル
を含むレーザ光出力制御装置の構成を示す図である。

【図４】図３の実施例の光制御セルにおいて制御光であ
るレーザ光Ｌ_Cと被制御光であるレーザ光Ｌ_Sとの関係
を説明する図である。

【図５】図１の光ファイバおよび図３の光制御セルにド
ープされているエルビウム元素のエネルギ準位を説明す
る図である。

【図６】図５のエネルギ準位の理解を容易とするために
主要な準位から構成される４準位モデルを示す図であ
る。

【図７】図１の光ファイバおよび図３の光制御セルにお
ける励起吸収作用を説明するための図であって、４準位
系モデルにおけるレーザ光の強度と透過率との関係の数
値解析結果を、所定の波長λに対する励起吸収と基底吸
収との強度比σ₂₁をパラメータとして説明する図であ
る。

【図８】図１の実施例の光ファイバに入射させるレーザ
光Ｌ_Cの強度とその透過率との関係を示す図である。

【図９】図８に示すレーザ光Ｌ_Cとその透過光との関係
を求めるための装置を説明する図である。

【符号の説明】

１０光ファイバ（光制御素子）４２光制御セル（光制御素子）Ｌ_C レーザ光（制御光）Ｌ_S レーザ光（被制御光）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長λの被制御光と同一波長の制御
光を用いて該被制御光の強度を制御するために、被制御
光の光路に配設される光制御素子であって、固体光透過媒体と、該固体光透過媒体にドープされ、前
記所定波長λの光に対する準安定準位Ｅ₂から励起準位
Ｅ₄への励起吸収の度合が、基底準位Ｅ₁から励起準位
Ｅ₃への基底吸収の度合よりも大きい４準位エネルギ系
を有するエルビウム元素とを備え、該固体光透過媒体に
照射される前記制御光の強度の増加に関連して前記被制
御光の透過率が減少する負性特性を示すことを特徴とす
る光制御素子。
【請求項２】前記固体光透過媒体にはエルビウム元素
Ｅｒ³⁺がドープされており、該エルビウム元素Ｅｒ³⁺の
⁴Ｉ_15/2準位、⁴Ｉ_13/2準位、⁴Ｉ_9/2準位、⁴Ｈ_11/2
準位が、前記基底準位Ｅ₁、準安定準位Ｅ₂、励起準位
Ｅ₃、励起準位Ｅ₄をそれぞれ構成しているものである
請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】前記固体光透過媒体は、石英系或いは弗
化物系ガラス、窒化珪素、半導体から選択された１つの
物質である請求項１または請求項２に記載の光制御素
子。
【請求項４】前記制御光および被制御光の波長λは、
７７０〜８３０ｎｍの範囲内である請求項１乃至請求項
３のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項５】前記固体光透過媒体には、少なくともア
ルミニウム元素が更にドープされている請求項１乃至請
求項４のいずれかに記載の光制御素子。