JP3249208B2 - 非線形光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非線形光学装置、更に詳
細には光データ・情報処理や光通信システムにおいて将
来的に用いられる光スイッチや光メモリ、あるいは光信
号演算処理装置などの非線形光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学効果とは、物質中の電気分極
Ｐが、下記式（数１）のように光の電界強度Ｅに比例す
る項以外にＥ² 、Ｅ³ の高次項を持つために起こる効果
がある。

【０００３】

【数１】 Ｐ＝χ⁽¹⁾ Ｅ＋χ⁽²⁾ Ｅ² ＋χ⁽³⁾ Ｅ³ ＋・・・・・

【０００４】特に第３項は、３次の非線形効果としてよ
く知られている第３高調波発生（周波数ωの入射光に対
して３ωの光を放出する現象）を示すと共に、下記（数
２）で示される光の強度に依存した屈折率ｎの変化をも
たらす。

【０００５】

【数２】ｎ＝ｎ₀ ＋ｎ₂ Ｉ ｎ₂ は式（数１）の３次非線形感受率χ⁽³⁾ に対して、
下記式（数３）で表される非線形屈折率である：

【０００６】

【数３】ｎ₂ ＝（６π² ／ｃｎ₀ ² ）χ⁽³⁾ ×１０⁷

【０００７】但し、ｎ₀ は線形の屈折率、ｃは光速であ
る。単位は、ｎ₂ をcm² ／Ｗ、χ⁽³⁾を cgs−esu とし
た。

【０００８】この３次の非線形光学効果を有する光学媒
質と、光共振器、偏光子、あるいは反射鏡などの他の光
学素子とを組合せると光双安定素子、光制御光スイッ
チ、光変調器、あるいは位相共役波発生装置など、光情
報処理や光通信システムにおいて将来的に用いられる重
要なデバイスを構築し得る。

【０００９】以下、３次非線形光学効果（非線形屈折率
変化）を応用した非線形光学装置の中から、光制御光ス
イッチである光カーシャッタスイッチについて、その従
来例を説明する。

【００１０】光カーシャッタスイッチとは、図２に示し
たように、入力光をゲートパルス光でゲーティングし、
ゲートパルスの時間波形に対応した出力光を得ようとす
るものである。図２中、１２ａと１２ｂは互いに偏光軸
が直交するよう配置された２枚の偏光子からなる直交偏
光子系であり、１１は長さ１mmのガラスセル内に封入さ
れたＣＳ₂ （二硫化炭素）液体である。この構成におい
ては、ゲートパルス光Ｐｇが入射している間だけ、偏光
子１２ａを通過した入力光の直線偏波が、非線形屈折率
媒質１１の屈折率変化によって楕円偏波に変わり、その
ために光の一部が直交偏光子１２ｂを通過することがで
きる。すなわち入力光はゲート光のパルスによって光ス
イッチされる。

【００１１】入力光の瞬間透過率Ｔ及び位相変化量Δφ
はゲート光の偏光方向と入力光の偏光方向が４５°傾い
た時に最大となる。この場合、Ｔ、Δφ、ｎ₂ ．eff は
下記式（数４）、（数５）、（数６）：

【００１２】

【数４】Ｔ＝ sin² （Δφ／２）

【００１３】

【数５】Δφ＝（４πｎ_2.eff ＬＩｇ）／λ

【００１４】

【数６】ｎ_2.eff ＝ｎ_2// −ｎ₂ ⊥

【００１５】で表される。但し、Ｌは光学媒質長、λは
入力光波長、Ｉｇはゲート光パワー密度、ｎ_2// 及びｎ
₂ ⊥はゲート光の偏光方向と平行及び垂直方向での媒質
の非線形屈折率である。なお、式（数４）から、Δφが
十分小さいときには、下記式（数７）：

【００１６】

【数７】Ｔ ∝ ｛χ⁽³⁾ ｝² ・Ｌ² ・｛Ｉｇ｝²

【００１７】であることが分かる。

【００１８】本発明者らが従来型のＣＳ₂ 光カーシャッ
タを追試した結果では、λ＝０．８３μｍ、Ｌ＝１mm、
Ｉｇ＝１０kWとしたときに、瞬間プローブ光透過率Ｔ＝
０．３％が得られた。このＣＳ₂ 光カーシャッタの応答
速度はピコ秒程度の高速応答を示すことが確認されてお
り、したがって瞬間写真撮影や高速分光などの測定系に
盛んに用いられている。しかしながら、従来のカー媒質
は、非線形効率は必ずしも大きくなく、したがって極め
て大きなゲート光強度が必要とされるという欠点があっ
た。そこで、３次の非線形光学効果が大きく、加工性に
富み、しかも使用可能な波長範囲が広い材料の開発が熱
望されており、現在活発な材料開発研究が行われてい
る。

【００１９】３次の非線形光学効果を有する材料のうち
では、芳香環や２重、３重結合などのπ電子共役系をも
つ有機材料が、最近特に注目されている。例えば、ポリ
（２，４−ヘキサジイン−１，６−ジオール ビス（ｐ
−トルエンスルホネート）（略称ＰＴＳ）は、３次非線
形感受率χ⁽³⁾ の値として、χ⁽³⁾ ＝１×１０^-10 esu
という大きな値（前記ＣＳ₂ より２桁大きな値）を持
つ。更に、この非線形光学効果のメカニズムが、吸収や
分子、結晶との相互作用によるものではなく、純粋な分
子内π電子分極に由来するものであるため、光信号の強
度変化に追随可能な応答速度は１０^-14 sec 程度以下と
極めて高速であり、しかも使用可能な波長範囲が広いと
いう長所を有する〔文献：フィジカル レビュー レタ
ーズ (Phys. Rev. Let.)、第３６巻、第９５６頁（１９
７６）〕。

【００２０】したがって、π電子共役系をもつ有機材料
が、光非線形光学装置の実現のための多くの候補材料の
なかで最も有望な材料系と考えられている。しかしなが
ら、これらのπ電子共役有機高分子材料の多くは、不溶
不融で加工性に乏しく、所望の形状、表面平滑性、高光
透過率などを有する光学媒質を得ることは非常に困難で
あるという欠点を有している。実際、ＰＴＳを光学媒質
とする非線形光学装置はいまだに実現されていない。

【００２１】一方、π電子共役有機高分子以外で、大き
な非線形光学効果を有する有機材料としては、ドナー・
アクセプター型（ＤＡ型）π共役分子がある。ジエチル
アミノニトロスチルベン（ＤＥＡＮＳ）やジエチルアミ
ノニトロスチレン（ＤＥＡＮＳＴ）がその例である〔ケ
ミカル フィジクス レターズ（Chem. Phys. Let.)、
第１６５巻、第１７１頁（１９９０）、米国特許第４９
９７５９５号明細書（１９９１），栗原、戒能「新規有
機非線形光学材料ＤＥＡＮＳＴ」第５０回応用物理学会
学術講演会２８ｐ−ＺＰ−１（１９８９）、及び、神
原、小林、久保寺、栗原、戒能「新規有機非線形光学材
料ＤＥＡＮＳＴを用いた光Ｋｅｒｒシャッタ動作」同講
演会２８ｐ−ＺＰ−２、神原ほか「非線形光ファイバ及
び非線形光学装置」特願平３−４５４４９号明細書に詳
しい〕。これらの分子は、有機溶媒やポリメタクリル酸
メチル（ＰＭＭＡ）などに分散・含有させることによっ
て、著しく加工性・光透過性の向上した光学素子を提供
することができた〔神原浩久（Ｈ．Kanbara)ほか、ＯＥ
Ｃ ^'９２、１６Ｂ１−５（１９９２）〕。しかしなが
ら、π電子共役高分子と比べると、χ⁽³⁾ 値が１桁以上
小さいという問題点があった。

【００２２】ところが、最近、本発明者らは、下記一般
式（化１）：

【００２３】

【化１】

【００２４】〔Ｒ₁ 、Ｒ₂ は、炭素数２以上６以下の直
鎖状あるいは分岐鎖状の炭化水素基、Ｒ₃ は、Ｃ_w Ｈ_2w
（ｗは、４以上１２以下の整数）、（ＣＨ₂ ）_q ＯＣＯ
ＮＨ（ＣＨ₂ ）_p ＮＨＣＯＯ（ＣＨ₂ ）_q 、あるいは
（ＣＨ₂ ）_q ＯＣＯ（ＣＨ₂ ）_pＣＯＯ（ＣＨ₂ ）
_q （ｐ、ｑは、２以上６以下の整数）、で表される置換
基、πはジスアゾ、トリスアゾ、テトラキスアゾ、ある
いはペンタキスアゾ系のπ共役系である〕で表される非
線形高分子化合物を開発し、この化合物が、光学媒質と
して求められる、π電子共役高分子の利点である高χ
⁽³⁾ 値と、ＤＡ型低分子の分散・含有材料の利点である
易加工性・高光透過性とを兼ね備えたものであることを
示した。すなわち、この化合物を適用すれば、高効率・
高速で、高い光透過性を示し、しかも使用可能な波長範
囲が広い非線形光学装置を実現することができることを
示した。しかし、いまだ、実際に非線形光学装置へ適用
した例は示しておらず、また、薄膜の厚みも高々数μｍ
であり、高効率な非線形光学装置を構成するには必ずし
も十分と言えるものではなかった。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、高いχ⁽³⁾ 値と、易加工性・高光透過性と
を両立させた膜媒質を簡便に作製し、これを用いた高効
率な非線形光学装置を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明は非線形光学装置に関する発明であって、非線形屈
折率を有する光学媒質と、光学素子とで構成される非線
形光学装置において、非線形屈折率を有する光学媒質と
して、下記一般式（化１）：

【００２７】

【化１】

【００２８】〔式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ は、炭素数２以上６以
下の直鎖状あるいは分岐鎖状の炭化水素基、Ｒ₃ は、Ｃ
_w Ｈ_2w（ｗは、４以上１２以下の整数）、（ＣＨ₂ ）_q
ＯＣＯＮＨ（ＣＨ₂ ）_p ＮＨＣＯＯ（ＣＨ₂ ）_q 、ある
いは（ＣＨ₂ ）_q ＯＣＯ（ＣＨ₂ ）_p ＣＯＯ（ＣＨ₂ ）
_q （ｐ、ｑは、２以上６以下の整数）、で表される置換
基、πはジスアゾ、トリスアゾ、テトラキスアゾ、ある
いはペンタキスアゾ系のπ共役系である〕で表される非
線形高分子化合物より作製された非線形薄膜を用いるこ
とを特徴とする。

【００２９】本発明は、前記課題を解決するために、非
線形屈折率を有する光学媒質と、偏光子や光共振器、あ
るいは反射鏡などの光学素子とで構成される非線形光学
装置において、非線形屈折率を有する光学媒質として、
一般式（化１）で表される非線形高分子化合物におけ
る、該一般式（化１）の水素がフッ素若しくは重水素で
置換された非線形高分子化合物、又は、一般式（化２）
の非線形高分子化合物：

【００３０】

【化２】

【００３１】〔式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 及びπは式（化
１）と同義、Ｒ₅ はＲ₃ と同義、Ｒ₄はＣ_w Ｈ_2W（ｗ
は、４以上１２以下の整数）、アリーレン環、若しく
は、アリーレン環を含むＣ_w Ｈ_2W（ｗは、４以上１２以
下の整数）で表される置換基である〕、又は、一般式
（化２）の水素がフッ素若しくは重水素で置換された非
線形高分子化合物、又は、これら３種の非線形高分子化
合物を、高分子化合物、例えばポリウレタンやポリメチ
ルメタクリレート（略称ＰＭＭＡ）に分散させたもの、
又は、３種の非線形高分子化合物を分散させる高分子化
合物の水素をフッ素若しくは重水素で置換したものを適
用した。

【００３２】本発明によれば、スピンコーティング法や
キャスティング法により、光学特性を良好に保ったま
ま、簡便な方法で十分な厚さに形成できるので、非線形
光学装置も高効率に動作させることができる。一般式
（化２）のような形、あるいは、ポリウレタンやＰＭＭ
Ａ等の高分子化合物に分散させた形とすることは、厚膜
化（すなわち装置の高効率化）及び高光透過性獲得に有
効であるという利点を有する。

【００３３】また、本発明によれば、水素をフッ素ある
いは重水素で置換することにより、材料の赤外領域（特
に通信波長帯）での吸収を下げることができ、特に長い
媒質を用いる場合に、水素をそのまま用いる場合に比べ
て、非線形光学装置の使用範囲を拡大させることができ
る。

【００３４】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明に係わる非線
形光学装置の特長を、一般式（化１）で表される非線形
高分子化合物の中から、下記一般式（化３）で表される
化合物（以下、ＰＵ−ＳＴＡＤという）等を用いて詳細
に説明する。なお、本発明は、このＰＵ−ＳＴＡＤ以外
の化合物、すなわち、下記一般式（化４）、（化５）等
を用いても、ほぼ同様の結果が得られた。なお、本発明
は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言
うまでもない。

【００３５】

【化３】

【００３６】

【化４】

【００３７】

【化５】

【００３８】実施例１（参考例） 本実施例は、図３に示す有機薄膜製造装置（スピンコー
ティング法による）を用い、ＰＵ−ＳＴＡＤ膜を作製し
た。図３中、２１はスピンコート装置、２２は回転数・
回転時間制御部、２３は赤外線ランプ、２４は温度制御
部、２５は熱電対、２６は赤外線照射タイミング制御部
を示す。この装置は、スピンコーティング装置に赤外線
加熱装置を連動させ、加熱温度・加熱のタイミングとそ
の時間・回転数を任意に組合せることができるように設
計されている。ＰＵ−ＳＴＡＤ膜は、以下に示すよう
に、加熱温度・加熱のタイミングとその時間・回転数を
設定して作製した。すなわち、あらかじめ、６０℃に赤
外線加熱したガラス基板に、５μｍ径のテフロンフィル
タでろ過したＰＵ−ＳＴＡＤの３０wt％ジメチルアセト
アミド（ＤＭＡｃ）溶液を滴下し、赤外線加熱を一時停
止し、毎分１０００回転で１００秒間、次に赤外線加熱
（６０℃）を再開し、毎分１５００回転で２５０秒間、
回転させ、厚さ１１．６μｍの薄膜を得た。

【００３９】得られた膜の光学特性を調べたところ、後
に述べる非線形光学装置構成に不可欠な光学的均一・平
坦性を備えており、レーザ光の直線偏波の薄膜通過時の
偏光保持率は、５０ｄＢ以上と極めて良好であった。高
パワーのレーザを照射した場合も、膜の耐性は以下の実
施例に示す実験を行うのに十分であった〔なお、保護膜
として、ＣａＦ₂ を適宜真空蒸着することにより（厚み
３μｍ）、更に耐性を上げることも行った〕。

【００４０】図４にＰＵ−ＳＴＡＤ膜の透過率スペクト
ルを示すが、波長が０．８μｍ以上では、吸収がほとん
どなく、媒質長が１mm程度までは、素子構成に何の障害
にならないことが分かった。図４において、縦軸は透過
率、横軸は波長（nm）を示す。

【００４１】本実施例では、６０℃加熱を行う際に、赤
外線を用いたが、遠赤外線等、同様の原理に基づいて基
板を加熱できるものを利用すれば、薄膜作製には同等の
効果があることが確認された。また、本実施例では、Ｐ
Ｕ−ＳＴＡＤを溶解させる溶媒にＤＭＡｃを使用した
が、この他、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキ
シド、Ｎ−メチルピロリドン等の極性溶媒を用いても同
様の結果が得られた。なお、本実施例の最大のポイント
は、スピンコート法により、１０μｍを超える厚さを有
する薄膜が、均一かつ平坦に作製できたことである。図
３の装置を用いないで作製した、他の多くの高χ⁽³⁾ 有
機薄膜は、均一性や平坦性を優先させると、膜厚が高々
１μｍ程度であり、高効率な光学装置構成には不十分で
あったことを考えると本発明の利点が良く分かる。

【００４２】実施例２ ＰＵ−ＳＴＡＤは、一般式（化２）の形にすることによ
って（以下、共重合型ＰＵ−ＳＴＡＤという）、より高
効率な光学媒質を作製することができた。本実施例で
は、下記各式（化６）：（化７）：（化８）＝２：５：
７として共重合型ＰＵ−ＳＴＡＤを合成した。

【００４３】

【化６】

【００４４】

【化７】ＨＯ（ＣＨ₂ ）₆ ＯＨ

【００４５】

【化８】ＯＣＮＣＨ₂ （ＣＨ₂ ）₄ ＣＨ₂ ＮＣＯ

【００４６】この場合、（化６）の濃度は４０wt％（Ｐ
Ｕ−ＳＴＡＤの半分位）と小さくなるが、実施例１と同
様の方法で膜を作製したところ、ＰＵ−ＳＴＡＤの場合
よりも数倍以上厚い膜が得られたので、結局、膜全体の
χ⁽³⁾ 値を２倍以上に向上させることができた（厚膜化
効果）。光透過率も数倍以上に向上した。

【００４７】実施例３ ＰＵ−ＳＴＡＤの水素をフッ素化したもの〔以下、ＰＵ
−ＳＴＡＤ（Ｆ８）という〕も、（化６）：（化７）：
（化９）＝４：１１：１５として共重合型ＰＵ−ＳＴＡ
Ｄ（Ｆ８）を合成したが、（化６）の濃度は２８wt％と
なるものの、膜を作製したところ、実施例２と同様に、
膜全体のχ⁽³⁾ 値は２倍以上に向上した。

【００４８】

【化９】ＯＣＮＣＨ₂ （ＣＦ₂ ）₄ ＣＨ₂ ＮＣＯ

【００４９】ＰＵ−ＳＴＡＤの水素を重水素化したもの
〔以下、ＰＵ−ＳＴＡＤ（Ｄ８）という〕も、、上記の
（化６）の濃度が減少するものの、厚膜化効果により、
膜全体のχ⁽³⁾ 値が２倍以上に向上した。なお、上述し
た様に、厚膜化効果により光透過率が向上するが、それ
だけでは、１．３μｍや１．５５μｍのような通信波長
帯での吸収を低減させるのは十分ではなく、ここに示し
たフッ素化及び重水素化が有効である（実施例６で説明
する）。

【００５０】実施例４ 前記実施例２及び実施例３で示した厚膜化効果は、ＰＵ
−ＳＴＡＤや共重合型ＰＵ−ＳＴＡＤをポリウレタンに
分散させた高分子化合物等にも認められ、膜自体のχ
⁽³⁾ 値が向上した。本実施例で、共重合型ＰＵ−ＳＴＡ
Ｄ（Ｆ８）をポリウレタンと２０：１７の重量比で混ぜ
てコンポジットを作製したところ、（化５）の重量比は
１５wt％と小さくなったが、これを用いて作製した膜
は、厚膜化効果により膜全体のχ⁽³⁾値が１．５倍以上
に向上した。光透過率も数倍以上に向上した。共重合さ
せていないＰＵ−ＳＴＡＤ、ＰＵ−ＳＴＡＤ（Ｆ８）、
ＰＵ−ＳＴＡＤ（Ｄ８）、共重合ＰＵ−ＳＴＡＤなどに
おいても、厚膜化効果が認められ、膜全体のχ⁽³⁾ 値
が、１．５倍以上に向上し、光透過率も数倍以上に向上
した。なお、得られた膜の光学特性を実施例１と同様に
調べたところ、後に述べる非線形光学装置構成に不可欠
な光学的均一・平坦性を備えており、レーザ光の直線偏
波の薄膜通過時の偏光保持率は、５０ｄＢ以上と極めて
良好であった。、高パワーのレーザを照射した場合も、
膜の耐性は以下の実施例に示す実験を行うのに十分であ
った（実施例２及び実施例３も同様に良好であった）。

【００５１】実施例５（参考例） 本実施例では、より厚いＰＵ−ＳＴＡＤ膜をキャスティ
ング法により作製した結果を示す。キャスティング膜
は、ＰＵ−ＳＴＡＤ粉末をペレット状に固め、これを２
枚の表面疎水処理（シランカップリング処理）したガラ
ス（スペーサ：１mm）に挟んでプレスし、１２０℃で１
０分間加熱することにより作製した。ガラスに挟まれた
膜は、後に容易に取り出すことが可能である。本実施例
においても、得られた膜の光学特性を調べたところ、後
に述べる光学装置構成に不可欠な光学的均一・平坦性を
備えており、レーザ光の直線偏波の薄膜通過時の偏光保
持率は、５０ｄＢ以上と極めて良好であった。なお、本
実施例の方法でも、実施例２から実施例４のいずれかで
合成した共重合型ＰＵ−ＳＴＡＤ、コンポジットしたＰ
Ｕ−ＳＴＡＤ等を用いて膜を作製する場合、共重合させ
ていないＰＵ−ＳＴＡＤや、コンポジットしていないＰ
Ｕ−ＳＴＡＤ等の場合よりも厚い膜が得られ、膜全体の
χ⁽³⁾ が１．５倍以上に向上した（スペーサの間隔を数
倍に拡大した）。

【００５２】実施例６ 実施例１において、波長０．８μｍ以上では、媒質長１
mm程度までは、吸収の問題がないことを示した。しかし
ながら、それ以上の素子を作製する場合には、特に通信
波長帯において、分子の水素に基づく吸収が無視できな
くなる場合がある。そこで、本実施例において、ＰＵ−
ＳＴＡＤの水素をフッ素化及び重水素化したところ、吸
収を大幅に低減させた。実施例３で作製したＰＵ−ＳＴ
ＡＤ膜を用い、波長１．５５μｍでの吸収損失を測定し
たところ、３．１ｄＢ／cmであったが、フッ素化を行う
と、吸収損失が１ｄＢ／cm以下に低減された。ＰＵ−Ｓ
ＴＡＤ、共重合型ＰＵ−ＳＴＡＤ、コンポジットしたＰ
Ｕ−ＳＴＡＤ（この場合は、ＰＵ−ＳＴＡＤとＰＵ−Ｓ
ＴＡＤを分散させる高分子化合物の片方又は両方）にお
いても、フッ素化により吸収損失が数分の１になり、１
ｄＢ／cm以下に低減された。重水素化においても、同様
の効果が認められ、吸収損失が数分の１になり、１ｄＢ
／cm以下に低減されることが、通信波長帯（１．３μｍ
等）で確認された。なお、χ⁽³⁾ 値は、フッ素化や重水
素化によっては減少しなかった。また、本方法によれ
ば、群遅延分散をも低減させることができた。

【００５３】実施例７ 本実施例では、本発明の実施例１及び実施例２で作製し
たＰＵ−ＳＴＡＤ膜を用いて光カーシャッタスイッチ動
作を観測した結果を示す。図１は、本発明の光カーシャ
ッタスイッチ装置４０の特性を測定する実験系である。
プローブ光４１としては、波長０．９８μｍの半導体レ
ーザ光、ゲート光４２としては、波長１．０６４μｍの
Ｎｄ³⁺−ＹＡＧレーザ光（６nsec、１０Hz）を用いた。
検出器４３としては、応答速度２nsecの光電子倍増管を
用いた。実施例１で作製したＰＵ−ＳＴＡＤ膜を用いて
光カーシャッタを構成したところ、図５に示す様に、ス
イッチングしているのが確認され、プローブ光透過率Ｔ
値は式（数７）に従い、ゲート光パワーの２乗（すなわ
ち、Ｉｇの２乗）に比例して増大していることが分かっ
た。

【００５４】さて、式（数７）によれば、より小さいゲ
ートパワーでスイッチングさせるには、光学媒質の長さ
を長くすればよいが、実施例２で作製したＰＵ−ＳＴＡ
Ｄ膜（媒質長１mm）を用いたところ、必要なゲート光パ
ワーが２桁低減され、位相変化量πが実現できた。この
時のゲート光パワーは、４．５kWであった。この結果か
ら、ＰＵ−ＳＴＡＤのχ⁽³⁾ の値として５×１０^-11 es
u であることが見積られた。なお、本発明の非線形光学
装置は、通信波長帯でも同様に動作すること（フッ素化
及び重水素化した媒質を適用）、及び、半導体レーザを
用いてもスイッチングすることが確かめられ、装置の大
幅なコンパクト化が可能であった。

【００５５】応答速度に関しては、ゲート光をピコ秒
（１０Hz）Ｄｙｅレーザ、検出器をストリークカメラ
（検出限界２psec）を用いて調べたが、ＰＵ−ＳＴＡＤ
膜は、検出限界以下で応答していることが分かった。有
機固体材料の応答速度は、一般に、前述のように、１０
^-14 sec 程度と極めて高速であることが知られている
が、本実施例で用いたＰＵ−ＳＴＡＤ膜の応答速度も同
様であると考えられる。なお、この光カーシャッタスイ
ッチは、ピコ秒以下のスイッチングスピードを有するた
め、信号光に１００GHz 以上の変調をかける変調機能、
１００GHz 以上の繰返し周波数をもつ信号光パルス列か
ら任意の信号パルスを取り出し、低繰返しのパルス列に
変換するデマルチプレクシング機能、いくつかの低繰返
し光パルス例を１００GHz 以上の光パルス列に多重化す
るマルチプレクシング機能等を実現することができる。

【００５６】実施例８ 図６は、本発明の非線形光学装置の１実施例である光双
安定装置を説明する図であって、本発明で用いる非線形
屈折率媒質６１は、実施例２で作製したＰＵ−ＳＴＡＤ
薄膜であり、本発明装置においては、入力光を約９０％
反射し、残りを透過させる誘電体多層蒸着膜ミラー６２
ａ、６２ｂを対向させて配置した外部光共振器である。
ＰＵ−ＳＴＡＤ薄膜は、実施例２により作製し、大きさ
を１０×１０×１mm³ とした。なお、６３は入力光、６
４は出力光を意味する。図７は該装置のリミッタ動作特
性を示す図、図８は双安定動作特性を示す図である。図
６に示した装置を動作させるには、入力光波長をわずか
変化させるか、あるいは共振器長（ミラー間隔）をわず
か変化させて共振条件を調整すれば良い。本実施例の場
合には、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザ光を使用し
たので、調整は共振器長を変化させる方法によった。入
力光強度Ｐｉと出力光強度Ｐｔとの間には図７及び図８
で示したようなリミッタ動作及び双安定動作が得られ
た。各図中の矢印はＰｉの増加時、及び減少時のＰｔの
特性を現す経路を示す。

【００５７】動作に必要な最小入力光強度（Ｐｉ^min ）
は解析的に、下記式（数８）で与えられる。

【００５８】

【数８】Ｐｉ^min ＝（Ｋλ）／（ｎ₂ Ｌ）

【００５９】〔但し、λは光の波長、Ｌは光学媒質長、
Ｋ（≒０．００１）は鏡の反射率と共振器長調整で決ま
る係数〕

【００６０】本実施例では、λ＝１．０６４μｍ、Ｌ＝
１mm、ｎ₂ ＝１×１０^-12 cm² ／Ｗであるから、Ｐｉ
^min ≒１×１０⁶ Ｗ／cm² と求まる。この値は、本実施
例の装置が、半導体レーザを用いても十分動作可能であ
ることを示しているが、実際、実施例３と同様にそれが
確認された〔フッ素化及び重水素化した媒質を適用して
通信波長帯での動作も確認した）。なお、装置の反応速
度は、光学媒質の応答時間τ（＜１０^-14 sec)と共振器
光子寿命ｔ_p との大きい方で決まるが、式（数９）：

【００６１】

【数９】ｔ_p ＝−Ｌ_op／（ＣｌｎＲ）

【００６２】（但し、Ｌ_opは共振器の光学長、Ｃは光
速、Ｒはミラーの反射率）から計算されるｔ_p が、６×
１０^-11 sec であり、ｔ_p ＞τであるから、この値が装
置の応答速度となる。しかしながら、実施例１で作製し
た膜（厚さ１０μｍ）を用いた場合は、ｔ_p が６×１０
^-13 sec と低減し、装置の高速化に有利である。そこ
で、装置の高速化の目的には、実施例１で作製した膜を
用いることとした。装置の応答速度を調べたところ、１
０^-12 sec 以下であることが確かめられた。

【００６３】実施例９ 図９は、位相共役波発生装置の実施例を説明する図であ
る。図中符号７２ａと７２ｂは半透過鏡、７３は全反射
鏡、７１は、実施例２で作製したＰＵ−ＳＴＡＤ膜から
なる非線形屈折率媒質である。この構成は縮退４光波混
合と呼ばれる光学装置であって、非線形屈折率を有する
媒質に、Ａ１，Ａ２（Ａｌと反対方向），Ａｐ（傾入
射）の３つの光波が入射すると、Ａｐに対して空間位相
項のみが共役である第４の光波（Ａｃ）が発生する。本
実施例においても、装置の高速安定性、及び低パワー動
作が確認され、画像情報処理技術における像修正や、実
時間ホログラフィなどへの有効な手段となり得ることが
示された。

【００６４】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、光スイッチ、光双安定素子、あるいは位相共役波発
生装置など将来の光情報処理あるいは光通信分野で重要
な位置を占める非線形光学装置を、通信波長帯を含む広
い波長範囲で、高速・高効率に動作させ、実用に供する
ことができる。本発明は、一般式（化１）で表される非
線形高分子化合物が、導波路構造にしなくても十分な高
効率非線形光学装置を構成できるため、光学媒質の作製
が、スピンコーティング法、あるいはガラスに挟んでの
キャスティング法のみによって、簡便に行えるという特
長を有している。また、導波路構造にしなくてもよいこ
とは、導波路に特有の、結合損の低減化、シングルモー
ド化等の問題が全くないという特長をも有している。た
だし、本発明によれば、スピンコート法により、３イン
チＳｉ（表面熱処理）ウェハ等に、容易に大面積の薄膜
が作製できるので、導波路を作製することは可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光カーシャッタスイッチの構成図であ
る。

【図２】従来の光カーシャッタスイッチの構成図であ
る。

【図３】本発明で用いた有機薄膜の製造装置の１例の構
成図である。

【図４】ＰＵ−ＳＴＡＤ膜の透過スペクトルを示すグラ
フである。

【図５】ＰＵ−ＳＴＡＤ膜を用いた光カーシャッタにお
けるプローブ光透過率のゲート光パワー依存性を示す図
である。

【図６】本発明の光双安定装置の構成図である。

【図７】図６の光双安定装置のリミッタ動作特性を示す
図である。

【図８】図６の光双安定装置の双安定動作特性を示す図
である。

【図９】本発明の位相共役波発生装置の構成図である。

【符号の説明】

１１：非線形屈折率媒質、１２ａ、１２ｂ：偏光子、２
１：スピンコート装置、２２：回転数・回転時間制御
部、２３：赤外線ランプ、２４：温度制御部、２５：熱
電対、２６：赤外線照射タイミング制御部、４０：光カ
ーシャッタスイッチ装置、４１：プローブ光、４２：Ｙ
ＡＧレーザ、４３：検出器、６１：非線形屈折率媒質、
６２ａ、６２ｂ：誘電体多層蒸着膜ミラー、６３：入力
光Ｐｉ、６４：出力光Ｐｔ、７１：非線形屈折率媒質、
７２ａ、７２ｂ：半透過鏡、７３：全反射鏡

フロントページの続き (72)発明者 戒能 俊邦 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−305631（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．, 1992年10月19日，ｖｏｌ．61 Ｎｏ. 16，ｐ．1901−1903 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/29 - 1/39 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形屈折率を有する光学媒質と、光学
   素子とで構成される非線形光学装置において、非線形屈
   折率を有する光学媒質として、下記一般式（化１）： 【化１】 〔式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ は、炭素数２以上６以下の直鎖状あ
   るいは分岐鎖状の炭化水素基、Ｒ₃ は、Ｃ_w Ｈ_2w（ｗ
   は、４以上１２以下の整数）、（ＣＨ₂ ）_q ＯＣＯＮＨ
   （ＣＨ₂ ）_p ＮＨＣＯＯ（ＣＨ₂ ）_q 、あるいは（ＣＨ
   ₂ ）_q ＯＣＯ（ＣＨ₂ ）_p ＣＯＯ（ＣＨ₂ ）_q （ｐ、ｑ
   は、２以上６以下の整数）、で表される置換基、πはジ
   スアゾ、トリスアゾ、テトラキスアゾ、あるいはペンタ
   キスアゾ系のπ共役系である〕で表される非線形高分子
   化合物における、該一般式（化１）の水素が、フッ素あ
   るいは重水素で置換された非線形高分子化合物から作製
   した非線形薄膜を用いることを特徴とする非線形光学装
   置。
2. 【請求項２】 非線形屈折率を有する光学媒質と、光学
   素子とで構成される非線形光学装置において、非線形屈
   折率を有する光学媒質として、下記一般式（化２）： 【化２】 〔式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ は、炭素数２以上６以下の直鎖状あ
   るいは分岐鎖状の炭化水素基、Ｒ₃ とＲ₅ は、Ｃ_w Ｈ_2w
   （ｗは、４以上１２以下の整数）、（ＣＨ₂ ）_qＯＣＯ
   ＮＨ（ＣＨ₂ ）_p ＮＨＣＯＯ（ＣＨ₂ ）_q 、あるいは
   （ＣＨ₂ ）_q ＯＣＯ（ＣＨ₂ ）_p ＣＯＯ（ＣＨ₂ ）
   _q （ｐ、ｑは、２以上６以下の整数）で表される置換
   基、Ｒ₄ は、Ｃ_w Ｈ_2w（ｗは、４以上１２以下の整
   数）、アリーレン環、あるいは、アリーレン環を含むＣ
   _w Ｈ_2w（ｗは、４以上１２以下の整数）で表される置換
   基、πはジスアゾ、トリスアゾ、テトラキスアゾ、ある
   いはペンタキスアゾ系のπ共役系である〕で表される非
   線形高分子化合物より作製した非線形薄膜を用いること
   を特徴とする非線形光学装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の非線形光学装置におい
   て、非線形屈折率を有する光学媒質として、該一般式
   （化２）で表される非線形高分子化合物の水素が、フッ
   素あるいは重水素で置換された非線形高分子化合物を用
   いることを特徴とする非線形光学装置。
4. 【請求項４】 非線形屈折率を有する光学媒質と、光学
   素子とで構成される非線形光学装置において、非線形屈
   折率を有する光学媒質として、高分子化合物に請求項１
   〜請求項３のいずれか１項に記載の該非線形高分子化合
   物を分散させた非線形薄膜を用いることを特徴とする非
   線形光学装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の非線形光学装置におい
   て、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の該非線
   形高分子化合物を分散させる該高分子化合物の水素がフ
   ッ素あるいは重水素で置換されていることを特徴とする
   非線形光学装置。