JP3287158B2

JP3287158B2 - 非線形光学装置

Info

Publication number: JP3287158B2
Application number: JP522495A
Authority: JP
Inventors: 至横浜; 雅生遊部; 篤横尾; 弘樹伊藤; 俊邦戒能
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-01-17
Filing date: 1995-01-17
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JPH08194238A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光伝送、光情報処理等の
分野で使用される光スイッチおよび光変調器において、
高速な動作を実現し得る非線形光学装置に関するもので
ある。特に２次の非線形光学効果を用いた、小型で低動
作パワーであるような非線形光学装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光伝送、光情報処理等の分野で使用され
る高速の光スイッチおよび光変調器に関しては、電流に
より半導体中のキャリア密度の変化に伴う吸収および屈
折率の変化を利用するものや、電界を印加し結晶の持つ
電気光学効果による屈折率変化を利用するものが検討さ
れている。

【０００３】上述の電流や電界を印加して動作させる光
スイッチおよび光変調器は、それぞれキャリア移動速度
や浮遊容量による動作速度の限界があり、速い場合でも
５０ＧＨｚ程度が限度となっている。

【０００４】電流や電界を印加しないで、光により動作
するものとしては、３次の非線形光学効果によるものが
ある。３次の非線形効果は、光密度によって媒質の屈折
率を変えるもので、

【０００５】

【数１】ｎ_t ＝ｎ＋ｎ_NLＩ_p (1) （ここで、ｎ_t は全体の屈折率、ｎは非線形屈折率、ｎ
_NLは非線形屈折率、Ｉ_pは加えられる光密度である）と
表される。３次の非線形光学効果による光スイッチや光
変調器では、図８の（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示す
ような干渉計構成が検討されている。図８（ａ）はカー
シャッタ構成であり、３次非線形媒質７１に、制御光７
２と、制御光の偏光と４５°回転した偏光の入射信号光
７３が入射され、制御光７２による３次非線形媒質中の
複屈折率の変化により、出射信号光７４の偏光方向を回
転させ、偏光子または偏光ビームスプリッタ機能を有す
る素子７５を通すことにより、制御光７２によって制御
された信号光を得ることができる。また、制御光はフィ
ルタ７１７によりカットされている。この構成におい
て、信号光の入射時の偏波面は制御光の偏波面から４５
°回転しているため、光導波路内の信号光は制御光と同
じ偏波面をもつＰ₁ と制御光の偏波面と垂直な偏波面を
もつＰ₂ に分かれて伝搬する。Ｐ₁ とＰ₂ のうち主にＰ
₁ が制御光との相互作用により位相の変化を受ける。そ
のためＰ₁ とＰ₂ の合波光である信号光の偏波面が回転
する。図８（ｂ）はマッハツェンダ干渉計構成であり、
信号光７６は分波器７７により２つの経路に分岐され、
１つの経路には第１の合波器７８により制御光７９が合
波され、３次非線形媒質７１０を透過し、２つの経路を
通過した信号光７６は第２の合波器７１１により合波さ
れる。この構成では、制御光７９によって３次非線形媒
質７１０の屈折率変化によって、第１の経路を通る信号
光と第２の経路を通る信号光の間に位相変化が生じ、そ
の位相変化に応じて、第２の合波器の出射側の２つの分
岐からの信号光出力が変化する。結果として、信号光出
力は制御光７９により制御されることになる。図８
（ｃ）はループミラー干渉計構成であり、信号光７１２
は分波器７１３により２つの経路に分岐され、１つの経
路には合波器７１４により制御光７１５が合波され、３
次非線形媒質７１６に接続され、他の経路も反対側から
３次非線形媒質７１６に接続されている。この構成で
は、制御光７１５によって３次非線形媒質７１６の屈折
率変化によって、右回りの信号光と左回り信号光の間に
位相変化が生じ、その位相変化に応じて、分波器の出射
側の２つの分岐からの信号光出力が変化する。結果とし
て、信号光出力は制御光７１５により制御されることに
なる。以上３つの構成とも基本的に干渉計構成であり、
１つの信号光を、２つの偏光または経路に分離し、再び
合波させている。合波後の出力の一方の偏光または一方
の経路からの出力は、いずれも

【０００６】

【数２】 P_out＝0.5[(P₁ ^0.5−P₂ ^0.5)² ＋2(P₁P₂)^0.5(1−cos(φ))] (2) （ここで、Ｐ₁ ，Ｐ₂ は、合波前の第１経路（または第
１の偏光）および第２経路（または第２の偏光）の信号
光の光強度、φは合波前の第１経路（または第１の偏
光）と第２経路（または第２の偏光）の信号光の位相差
である。）と表すことができる。動作原理は、３次非線
形効果は信号光の光強度を変化させないので、分離され
た信号光の光強度Ｐ₁ ，Ｐ₂ を変化させることなく、３
次非線形効果により屈折率変化によって、片方の信号光
の位相のみを変化せしめ、結果として位相差φのみを変
化させ、式（２）のＰ_out を変化させることになる。制
御光のない時の初期位相差を０とすると、位相差φは制
御光の光密度Ｉ_p により

【０００７】

【数３】 φ＝ 2πn_NLI_pL／λ (3) （ここで、Ｌは３次非線形媒質の素子長、λは信号光の
波長）と表され、式（２），（３）により合波後の出力
の一方の偏光または一方の経路からの出力は、

【０００８】

【数４】 P_out＝2P₁ × sin²(πn_NLI_pL／λ) (4) となる。

【０００９】スイッチングのためには、制御光により約
πの位相変化を信号光に生じさせなければならないが、
３次の非線形光学定数が一般に極めて小さいため、１０
０ＧＨｚ以上の高速動作ではあるものの、低パワー光で
の動作が行えず実用的素子には至っていない。例えば、
ｎ_NL＝１０^-18 （ｍ² ／Ｗ）と比較的大きな３次の非線
形屈折率を有する材料であるカルゴゲナイドガラスファ
イバを使用したカーシャッタでは、ファイバ長２ｍで動
作パワーとして３Ｗ以上の制御光が必要であり、小型化
が難しいこともあり実用的には使用できなかった。

【００１０】また、３次非線形光学効果以外の非線形光
学効果として、２次非線形光学効果があるが、周知のよ
うに２次非線形光学効果は、基本的に第２高調波発生、
和周波発生、差周波発生などの波長変換の効果であり、
中心対称性のくずれた物質に強く現れる効果である。第
２高調波発生は、角周波数ωの基本光を２次非線形媒質
に入射して、角周波数２ωの第２高調波光に変換するも
ので、変換効率を高めるためには、β₂ −２β₁ ＝０
（ここで、β₁ ，β₂ は、基本光および第２高調波光の
２次非線形媒質中での伝搬定数）なる位相整合条件、ま
たは２次非線形媒質が周期Ｔの周期的分極構造を有する
場合においては、β₂ −２β₁ −２πｍ／Ｔ＝０（ここ
でｍは奇整数）なる疑似位相整合条件を満たさなければ
ならない。また、和周波発生は、角周波数ω₁ の光と角
周波数ω₂ の光を入射して、角周波数ω₃ （＝ω₁ ＋ω
₂ ）の和周波光に変換するもので、変換効率を高めるた
めには、β₃ −β₂ −β₁ ＝０（ここで、β₁ ，β₂
は、角周波数ω₁ およびω₂ の光の２次非線形媒質中で
の伝搬定数、β₃ は和周波光の２次非線形媒質中での伝
搬定数）なる位相整合条件、または２次非線形媒質が周
期Ｔの周期的分極構造を有する場合においては、β₃ −
β₂ −β₁ −２πｍ／Ｔ＝０（ここでｍは奇整数）なる
疑似位相整合条件を満たさなければならない。また、差
周波発生は、角周波数ω₃ の光と角周波数ω₂ の光を入
射して、角周波数ω₁ （＝ω₃ −ω₂ ）の差周波光に変
換するもので、変換効率を高めるためには、β₃ −β₂
−β₁ ＝０（ここで、β₁ ，β₂ ，β₃ は、角周波数ω
₁ ，ω₂ またはω₃ の光の２次非線形媒質中での伝搬定
数）なる位相整合条件、または２次非線形媒質が周期Ｔ
の周期的分極構造を有する場合においては、β₃ −β₂
−β₁ −２πｍ／Ｔ＝０（ここでｍは奇整数）なる疑似
位相整合条件を満たさなければならない。従来、２次非
線形光学効果である第２高調波発生、和周波発生、差周
波発生においては、位相整合条件および疑似位相整合条
件において、波長変換に関与する光に変換に伴う強度変
化は生ずるが、位相変化は生じないと考えれていたた
め、３次非線形光学効果の適用が検討されている位相変
化を利用して、入力と出力の信号光の波長を変えずにス
イッチ動作を行うスイッチへの検討はほとんどなされて
いなかった。

【００１１】ただし、近年、２次非線形効果を用い、第
２高調波発生で位相整合条件をはずすことにより位相変
化を生じさせるカスケード効果が提案されている（参考
文献：Ｇ．Ｉ．Ｓｔｅｇｅｍａｎ他ＯｐｔｉｃｓＬ
ｅｔｔｅｓｖｏｌ．１８，１９９３，Ｎｏ．１，ｐ１
３−１５））。カスケード効果では、位相変化だけでは
なく、強度変化も同時に生じ、図７のような干渉計構成
に適用した場合、干渉計の完全スイッチング条件を位
相、強度ともに満たすことが一般に難しいことが難点と
なる。ただ、特殊な条件で前記難点を回避する構造も提
案されている（参考文献：Ｃ．Ｎ．Ｉｒｏｎｓｉｄｅ他
ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１０，
１９９３，ｐ２６５０−２６５４）。図９にその構造を
示す。マッハツェンダ干渉計構成の２つの経路にそれぞ
れ周期的分極構造を有する２次非線形媒質が配置されて
おり、基本光の伝搬定数をβ₁ 、第２高調波光の伝搬定
数をβ₂ 、素子長をＬとした時、片方の経路の分極周期
が、β₂ −２β₁ −２πｍ／Ｔ＝２πとなるように、も
う片方の経路の分極周期が、β₂ −２β₁ −２πｍ／Ｔ
＝−２πとなるように設定されている。この構成では、
片方の経路の位相変化がπ／２となる時、強度変化がな
い状態となり、同時にもう片方の経路における位相変化
が−π／２、強度変化がない状態となり、結果として完
全スイッチングが実現される。計算上の試算では、素子
長１ｃｍの分極反転構造のニオブ酸リチウム導波路を使
用した場合、動作パワーは約６Ｗ必要となっており、素
子構造が複雑な上、動作パワーの低パワー化が十分なさ
れない構造といえる。これは、位相整合条件をはずして
いるため、２次非線形効果を十分活用していないためで
あり、以上のように十分な低パワー動作が実現されてい
ない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】３次の非線形光学効果
を用いた光スイッチなどの非線形光学装置においては、
３次の非線形屈折率が一般に非常に小さいため、大きな
素子長と大きな制御光パワーが必要であった。そのた
め、素子の小型化および低動作パワー化が行えないとい
う欠点があった。

【００１３】２次の非線形光学効果を用いた第２高調波
発生、和周波発生および差周波発生においては、（１）
波長変換が目的であること、（２）位相整合の条件下に
おける上記現象においては、それぞれの単独過程におけ
る入射光の位相変化は起らないこと等の理由により、光
スイッチへの適用は行われていなかった。

【００１４】同じく２次の非線形光学効果を用いた第２
高調波発生において、位相整合条件を外すことによっ
て、入射光の位相変化を起す試みが行われているが、こ
の場合素子長は１ｃｍと小型化されるものの制御光パワ
ーは６Ｗと依然として高い。また位相整合条件を外して
いるため、位相変化とそれに伴い発生する強度変化が同
期せず、特殊な素子構成をとらないと完全なスイッチ動
作をしないという欠点があった。

【００１５】本発明は、上述のような欠点を解決するた
めに提案されたものであり、３次の非線形光学効果より
の効率の高い２次の非線形光学効果を利用し、さらに
（１）完全なスイッチ動作が可能で、かつ（２）小型で
低動作パワーの光スイッチ動作が可能な非線形光学装置
を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の非線形光学装置は、２次の非線形光学効果
を有する物質からなる光導波路と、角周波数ω_１の信号
光を入射する手段と、該信号光とは異なる角周波数ω_２
の制御光を入射する手段とを備えた非線形光学装置にお
いて、該光導波路は、該信号光と該制御光の和周波光で
ある角周波数ω_３の光の伝搬定数と、該信号光の伝搬定
数および制御光の伝搬定数との間に位相整合あるいは擬
似位相整合条件を満足しており、かつ、該光導波路にお
ける和周波光発生に関する実効的２次非線形定数をｄ
_ｅｆｆ、該制御光の屈折率をｎ_２、該制御光の光密度を
Ｉ_２、該和周波光の屈折率をｎ_３、該光導波路の長さを
Ｌ、真空中の光速と誘電率をそれぞれｃおよびεとした
とき、 0.5π＜(d_ｅｆｆ/n_２)×(2I_２ω_２ω_３/(n_３εc^３))^０．５×L＜1.5π であることを特徴とする。

【００１７】好ましくは、上記制御光を入射する手段
は、上記制御光を上記光導波路において上記信号光との
和周波光を最大効率で発生させる偏光方向で入射する機
能を有し、上記信号光を入射する手段は、上記信号光を
上記光導波路において上記制御光との和周波光を最大効
率で発生させる偏光方向から４５°回転した偏光方向で
入射する機能を有する。

【００１８】好ましくは、上記信号光を入射する手段
は、上記信号光を第１の経路と第２の経路に２分した
後、該第１の経路を上記光導波路に接続する機能を有
し、上記第１の経路と上記光導波路を順次通過した信号
光と、上記第２の経路を通過した信号光とを合波する合
波手段をさらに具備している。さらに好ましくは、信号
光を入射する手段と、上記制御光を入射する手段が同一
の合分波器からなる。

【００１９】好ましくは、上記信号光を入射する手段
は、上記信号光を第１の経路と第２の経路に２分した
後、該第１の経路を上記光導波路の一方の端面に接続
し、第２の経路を上記光導波路の他方の端面に接続する
機能を有する。

【００２０】好ましくは、上記信号光を入射する手段
と、上記制御光を入射する手段が同一の合分波器からな
る。

【００２１】

【作用】２次の非線形光学効果は３次の非線形光学効果
に比べ効率が高いので、素子長を短くかつ制御光パワー
を低くできるため、従来に比べ小型で低動作パワーな非
線形光学装置を提供することができる。後述するよう
に、一例として本発明の構成では、素子長２ｃｍ以下動
作パワー３０ｍＷ以下が可能であり、素子長２ｍ以上動
作パワー３Ｗ以上必要な従来の３次の非線形光学効果を
用いた構成に比べ、大幅な素子の小型化および低動作パ
ワー化が達成される。

【００２２】位相整合条件あるいは疑似位相整合条件を
満足する２次の非線形光学効果を用いる本発明の構成で
は、和周波発生過程からそれに引き続く差周波発生過程
に移るときに信号光の位相がπだけ変化し、この効果が
光スイッチに適用できることを、発明者が初めて発見し
た。これは位相整合条件下で初めて達成されるものであ
る。すなわち、信号光の位相変化は、２次の非線形光学
効果を有する物質からなる光導波路における和周波光発
生に関する実効的２次非線形定数をｄ_eff 、制御光の屈
折率をｎ₂ 、制御光の光密度をＩ₂ 、和周波光の屈折率
をｎ₃ 、光導波路の長さをＬ、真空中の光速と誘電率を
それぞれｃおよびεとしたとき、 (2n+0.5)π＜(d_eff/n₂) ×(2I₂ω₂ ω₃ /(n₃εc³))^0.5
× L＜(2n+1.5)π n＝0,1,2,3,… であれば起る。本発明においては、小型で低消費電力な
非線形光学装置を提供する目的に鑑み、ｎ＝０を選択し
ている。

【００２３】従来の２次の非線形光学効果を用いた和周
波発生においては、 0＜(d_eff/n²) ×(2I₂ω₂ ω₃ /(n₃εc³))^0.5 × L＜0.5
π の条件で行っていた。後述するように、このような条件
では信号光の位相変化は起らない。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２５】（実施例１）図１は、本発明にもとづく非
線形光学装置の一例を模式的に表した図である。信号光
（角周波数ω₁ ）と制御光（角周波数ω₂ ）はそれぞれ
異なる方向から入射機構１内に入力される。この際、信
号光および制御光は、それぞれ半波長板２，３により偏
光状態を以下のように変える。すなわち、制御光は２次
非線形光導波路５において信号光との和周波光が最大効
率で発生する偏光方向で入射するように、また信号光は
２次非線形光導波路において制御光との和周波光が最大
効率で発生する偏光方向から４５°回転した偏光方向で
入射するように調整される。また、半波長板２，３を通
過した信号光および制御光は、合波ミラー４により合波
され、２次非線形光導波路５に入射される。

【００２６】２次非線形光導波路５からの出射光は、フ
ィルタ６を透過する。このフィルタ６で信号光のみが選
択され、偏光ビームスプリッタ７により特定偏光成分の
信号光すなわちスイッチングされた信号光８と、直交す
る偏光成分の信号光すなわちスイッチングされない信号
光９とに分離される。２次非線形導波路５内では、制御
光は、入射偏光方向のまま伝搬する。一方、信号光は、
４５°回転した偏光で入射されるため、図１のｙ方向偏
光成分とｚ方向偏光成分に分かれて伝搬する。出射側偏
光子７を信号光の入射偏光方向と直交した成分を透過す
るように設定すると、出力信号光の光強度（Ｐ_out ）は

【００２７】

【数５】 P_out＝0.5[(P_y ^0.5−P_z ^0.5)² ＋2(P_yP_z)^0.5(1−cos(φ))] (5) （ここで、Ｐ_y ，Ｐ_z は、２次非線形導波路後の信号光
の光強度のｙ偏光成分およびｚ偏光成分、φは２次非線
形導波路透過後の信号光のｙ偏光成分とｚ偏光成分の位
相差である。）式（５）より、ｙまたはｚのいずれかの偏光成分の光強
度または位相を変動させれば、Ｐ_out の変化となって表
れることがわかる。例えば信号光のｙ方向偏光成分とｚ
方向偏光成分の位相差が２ｍπ（ｍ：整数）で、かつ各
偏光成分の光強度が同一であれば、Ｐ_out ＝０であり、
位相差が（２ｍ＋１）π（ｍ：整数）で、かつ各偏光成
分の光強度が同一であれば、Ｐ_out ＝Ｐ_y ＋Ｐ_z とな
る。従って、制御光によりｙ方向偏光成分の光強度また
は位相を変化させることができれば、出射信号光の光強
度を制御できることになる。

【００２８】ここで、和周波発生に伴う信号光の光強度
および位相変化について理論的考察を加える。和周波に
関する波長変換の関係は、

【００２９】

【数６】 dE₁ ^*/dx ＝-iω_id/(n₁c)×E₃ ^*E₂ × exp(iΔkx) (6) dE₂ ^*/dx ＝-iω₂d/(n₂c)×E₃ ^*E₁ × exp(iΔkx) (7) dE₃/dx＝ iω₃d/(n₃c)×E₁E₂× exp(iΔkx) (8) と表すことができる。ここで、光の伝搬距離をｘ、信号
光、制御光、和周波光の角周波数をそれぞれ、ω₁ ，ω
₂ ，ω₃ 、信号光、制御光、和周波光の電界をそれぞれ
Ｅ₁ ，Ｅ₂ ，Ｅ₃ 、その電界の複素共役をＥ₁ ^*，Ｅ₂ ^*，
Ｅ₃ ^*、和周波に寄与する実効的２次非線形定数をｄ
_eff 、信号光の角周波数における屈折率をｎ₁、制御光
の角周波数における屈折率をｎ₂ 、和周波光の角周波数
における屈折率をｎ₃ 、真空中の光速と誘電率をそれぞ
れｃおよびεとしている。また、Δｋは位相整合条件か
らのずれを表しており、信号光、制御光、和周波光の２
次非線形物質中での伝搬定数をそれぞれβ₁ ，β₂ ，β
₃ としたとき、通常の場合

【００３０】

【数７】 Δk ＝β₃ −β₁ −β₂ (9) で与えられ、２次非線形媒質が周期Ｔの周期的分極構造
を有する場合は

【００３１】

【数８】 Δk ＝β₃ −β₁ −β₂ − 2πm/T （m:奇整数） (10) で与えられる。

【００３２】位相整合条件すなわちΔｋ＝０のとき、和
周波発生の効率は最大となり、この場合、式（１）〜
（３）は、

【００３３】

【数９】 dE₁ ^*/dx ＝-iω₁d/(n₁c)× E₃ ^*E₂ (11) dE₂ ^*/dx ＝-iω₂d/(n₂c)× E₃ ^*E₁ (12) dE₃/dx＝ iω₃d/(n₃c)× E₁E₂ (13) となる。式（６）〜（８）を、制御光の初期光密度が信
号光の初期光密度より大きいという近似で解くと、信号
光の光密度Ｉ₁ の制御光の光密度Ｉ₂ および素子長Ｌ依
存性は、

【００３４】

【数１０】 I₁＝ I*cos²(ΓL) (14) （ここで、Γ＝（ｄ_eff ／ｎ₂ ）×（２Ｉ₂ ω₂ ω₃ ／
（ｎ₃ εｃ³ ））^0.5 ）となる。

【００３５】図２は本実施例の非線形光学装置の特性を
示すもので、（ａ）は信号光ｙ偏光成分光密度、（ｂ）
は信号光ｙ偏光成分位相、および（ｃ）は信号光出力の
ΓＬ依存性を示す。ΔｋＬ＝０すなわち位相整合が満た
されている場合、光密度はΓＬの増加に伴い初期値より
減少し、ΓＬ＝０．５πで０となる。その後増加に転
じ、ΓＬ＝πで極大となり、再び減少し、ΓＬ＝１．５
πで０となり、以後周期的に増減を繰り返す。一方、信
号光の位相は、０＜ΓＬ＜０．５πで０であるが、０．
５π／ΓＬ＜１．５πでπとなる。また、出力信号光強
度は、緩やかに増加し、０．５π＜ΓＬ＜１．０πで急
激に増加し、ΓＬ＝１．０πでピークとなる。また、
１．０π＜ΓＬ＜１．５πで急激に減少する。従って、
本実施例の構成では、０．５π＜ΓＬ＜１．５πで、良
好なスイッチング特性が得られることがわかる。

【００３６】ここで、位相変化について説明する。前述
したように、位相整合条件または疑似位相整合条件下で
は、和周波発生および差周波発生において、関与する光
に位相変化は生じないとされてきた。これは、和周波発
生および差周波発生それぞれ単独では正しい。本構成に
おいても、０＜ΓＬ＜０．５πでは和周波発生の過程で
あり、位相変化は生じない。しかしながら、ΓＬ＝０．
５πにおいて、信号光の強度は０となり、０．５π＜Γ
Ｌ＜１．０πでは、実効的に和周波光と制御光による差
周波発生過程となり、和周波発生過程から差周波発生過
程へ切り替わる際に、πの位相変化が生じる。従来はこ
の点が注目されておらず、本発明ではこの点に着目して
いる。

【００３７】また、ΔｋＬ≠０である場合と、ΔｋＬ＝
０の場合を比べると、ΔｋＬ＝０では、ΓＬ＝πで完全
なスイッチングがなされているのに対し、ΔｋＬ≠０で
は完全なスイッチングが難しいことがわかる。このこと
は、近年、提案されているカスケード効果、すなわちΔ
ｋＬ≠０による位相変化に比べて、本発明の位相整合条
件での和周波発生を用いたスイッチ構成の方が、スイッ
チ素子として適当であることを示している。

【００３８】本発明の構成と前述した図８に示すような
３次非線形効果を用いた光スイッチの動作原理を比較す
る。本発明の構成では、干渉計構成において分離された
信号光のうちの一つの信号光（第１実施例ではｙ偏光信
号光）の光強度と位相がともに変化して、完全なスイッ
チングとなる光強度が同一で位相がπ変化する状態に向
かう。それに対し、従来の３次非線形効果を用いた光ス
イッチでは、前述したように分離された信号光のうちの
一つの信号光の光強度が変化せずに位相のみが変化して
完全スイッチングとなる条件に向かうことになり、動作
原理が本発明のものと全く異なる。この点を説明する図
として図３を示す。図３は、分離された信号光のうちの
一つの信号光の光振幅と位相を複素平面で表したもの
で、光振幅の２乗が光強度に比例する。信号光の制御光
のない状態の位相をθとすると、制御光のない状態の信
号光の複素平面内での座標は（｜Ｅ₁ ｜ｃｏｓθ、｜Ｅ
₁ ｜ｓｉｎθ）となる。したがって、完全スイッチング
となる光強度が同一で位相がπ変化する状態の座標は
（−｜Ｅ₁ ｜ｃｏｓθ、−｜Ｅ₁ ｜ｓｉｎθ）となる。
従来の３次非線形効果を用いた光スイッチでは、前述し
たように分離された信号光のうちの一つの信号光の光強
度が変化せずに位相のみが変化するため、制御光密度の
増加に従い図３におけるルート１に示すような円弧を描
くルートをたどる。一方、本発明の構成では、信号光は
制御光密度の増加に従い、当初位相は変化せずに光強度
のみが減少し、光強度が０になった後、位相がπずれた
状態で光強度が増加していくため、図３におけるルート
２に示すような直線を描くルートを描いて、信号光が変
化する。この点からも動作原理が異なるものであること
は明らかである。さらに、従来の３次非線形効果を用い
た光スイッチと本発明になる非線形光学装置とは、出力
信号光強度の制御光密度（Ｉ_p ）依存性も異なってお
り、従来の３次非線形効果を用いた光スイッチの場合、
式（４）に示すように、出力信号光強度は、制御光密度
が１次の次数で入った正弦関数の２乗に比例するのに対
し、本発明では、

【００３９】

【数１１】 P_out＝2P₁ × sin⁴((Ld_eff/2n₂) × (2I₂ ω₂ ω₃ /(n₃εc³))^0.5) (15) となり、出力信号光強度は制御光密度が０．５次の次数
で入った正弦関数の４乗に比例する。

【００４０】本実施例では、具体的には、２次非線形導
波路５として、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフ
ェニル）ピラゾール（ＤＭＮＰ）結晶のガラスキャピラ
リファイバを用いている。コア径は１．５μｍ、ファイ
バ長５ｍｍである。ＤＭＮＰは、２次非線形定数ｄ₃₂が
９０ｐｍ／Ｖと大きく、本実施例のようにファイバの長
手方向が結晶のＸ軸方向となっている構成では、ｙ軸方
向に偏光した入射光に対して実効的２次非線形定数ｄ
_eff ＝ｄ₃₂として和周波発生に寄与する。本実施例にお
ける信号光は角周波数ω₁ ＝１．９６×１０¹⁵（波長
０．９６μｍ）で幅１ｐｓのパルスが１００ＧＨｚで繰
り返されており、パルスピークパワーは０．２ｍＷであ
る。また、制御光は角周波数ω₂ ＝２．０５×１０
¹⁵（波長０．９２μｍ）で幅１ｐｓのパルスが５０ＧＨ
ｚで繰り返されている。図４は、入射信号光、入射制御
光、スイッチングされた出射信号光８の波形を示してお
り、出射信号光は制御光が入射した時のみあらわされて
おり、波形のみだれもないことから、スイッチとしての
応答速度が十分速いことがわかる。なお、スイッチング
されない信号光は、偏光ビームスプリッタ７により分離
され、図１のスイッチングされない信号光９として出射
される。また、図５は、出力信号光パルスピークパワー
の２次非線形導波路に入射された制御光パルスピークパ
ワー依存性を示す。制御光パルスピークパワー７．５ｍ
で、完全なスイッチングがなされている。実験値は、計
算値とほぼ一致しており、良好なスイッチング特性すな
わち信号光出力が２５％以上であるためには、少なくと
も制御光パルスピークパワーが２ｍＷ以上１７ｍＷ以下
である必要がある。この値は、０．５π＜ΓＬ＜０．５
πと一致する。この値を従来の３次非線形効果を用いた
光スイッチと比較すると、動作に必要な制御光パルスピ
ークパワーが百分の１以下であり、従来素子に比べ、極
めて効率のよい光・光スイッチが実現されている。

【００４１】（実施例２）図６は、本発明の第２の実施
例の構成を模式的に表した図である。角周波数ω₁ の信
号光は分波器５１により第１経路５２と第２経路５３に
分岐され、第１経路５２には第１の合波器５４により角
周波数ω₂ を揺する制御光が合波されている。また、第
１経路５２には、周期的分極構造を有する２次非線形導
波路５５が含まれている。また、第２の合波器５６によ
り、分岐された２つの経路が合波され、第１出射経路５
７と第２出射経路５８に出射される。第１出射経路５７
からの出力信号光の光強度（Ｐ_out ）は、式（５）と同
様に

【００４２】

【数１２】 P_out＝0.5[(P₁ ^0.5−P₂ ^0.5)² ＋2(P₁P₂)^0.5(1−cos(φ))] (16) （ここで、Ｐ₁ ，Ｐ₂ は、第１経路および第２経路透過
後の信号光の光強度、φは信号光の第１経路透過後と第
２経路透過後の位相差である。）式（１６）により、第１経路、第２経路のいずれかの光
強度または位相を変動させれば、Ｐ_out の変化となって
表れることがわかる。例えば信号光の第１経路と第２経
路の位相差が２ｍπ（ｍ：整数）で、かつ各経路の光強
度が同一であれば、Ｐ_out ＝０であり、位相差が（２ｍ
＋１）π（ｍ：整数）で、かつ各経路の光強度が同一で
あれば、Ｐ_out ＝Ｐ₁ ＋Ｐ₂ となる。従って、制御光に
より第１経路５２の光強度または位相を変化させること
ができれば、出射信号光の光強度を制御できることにな
る。

【００４３】本実施例では、２次非線形光導波路とし
て、周期的分極構造を有する光導波路を使用しており、
信号光と制御光の和周波光である角周波数ω₃ の光の伝
搬定数と信号光の伝搬定数と制御光の伝搬定数との間に
疑似位相整合の位相整合条件、

【００４４】

【数１３】 β₃ −β₁ −β₂ −２πｍ／Ｔ＝０ (17) （ｍ：奇整数、Ｔ：分極周期）が満たされている。２次非線形導波路５５透過後の第１
経路の信号光の光密度および位相および第１出射経路か
らの信号光出力、すなわちスイッチングされた信号光５
９は、第１の実施例と同様に、図２に表され、第１の実
施例と同様に、０．５π＜ΓＬ＜１．５πで、良好なス
イッチング特性が得られることがわかる。なお、スイッ
チングされない信号光５１０は、第２出射経路５８より
出射される。

【００４５】本実施例では、具体的には、２次非線形導
波路５５として、ニオブ酸リチウム分極反転導波路を用
いている。ニオブ酸リチウム分極反転導波路の有効２次
非線形定数ｄ_eff は２５ｐｍ／Ｖで、素子長は２ｃｍで
ある。本実施例における信号光は角周波数ω₁ ＝１．２
２×１０¹⁵（波長１．５５μｍ）で幅１ｐｓのパルスが
１００ＧＨｚで繰り返されており、パルスピークパワー
は０．２ｍＷである。また、制御光は角周波数ω₂ ＝
１．２３×１０¹⁵（波長１．５３μｍ）で幅１ｐｓのパ
ルスが５０ＧＨｚで繰り返されている。本実施例では完
全スイッチングは２７ｍＷで得られ、第１の実施例と同
様に０．５π＜ΓＬ＜１．５πで良好なスイッチングと
なる。また、出力信号光波形も図４と同様なものが得ら
れ、高速動作が実現された。

【００４６】本実施例では、信号光を２つに分岐する分
波器と、制御光を第１経路に合流させる合波器の機能
を、図６の５１，５４のようにそれぞれ別個の分波器と
合波器で行ったが、図６の構成において、分波器５１
に、信号光を２つの経路に分岐する機能と制御光を第１
経路にのみ合波させる機能を合わせもたせ、第１の合波
器５４を無くす構成も可能である。その場合も、第２の
実施例と同様の機能をもつことができる。

【００４７】（実施例３）図７は、本発明の第３の実施
例の構成を模式的に表した図である。第３経路６１から
入射された角周波数ω₁ を有する信号光は、分波器６４
により第１経路６２と第２経路６３の２つの経路に分岐
され、第１経路６２には合波器６５により信号光とは異
なる角周波数ω₂ を有する制御光が合波される。第１経
路６２と第２経路６３は、互いに相反する方向から２次
非線形光導波路６６に接続している。第１経路６２に入
射された信号光は、制御光と合波し、２次非線形導波路
６６を透過後、第２経路６３に入り、分波器６４に入る
右回り光となる。一方、第２経路６３に入射された信号
光は、２次非線形導波路６６を透過後、第１経路６２に
入り、分波器６４に入る左回り光となる。分波器６４よ
り第４経路６７へ出射される出射信号光の光強度（Ｐ
_out ）は、式（５）と同様に

【００４８】

【数１４】 P_out＝0.5[(P₁ ^0.5−P₂ ^0.5)² ＋2(P₁P₂)^0.5(1−cos(φ))] (18) （ここで、Ｐ₁ ，Ｐ₂ は、右回りおよび左回りの信号光
の一周後の光強度、φは右回りおよび左回りの信号光の
一周後の位相差である。）式（１８）より、右回り、左回りのいずれかの信号光の
光強度または位相を変動させれば、Ｐ_out の変化となっ
て表れることがわかる。例えば信号光の右回りと左回り
の位相差が２ｍπ（ｍ：整数）で、かつ各経路の光強度
が同一であれば、Ｐ_out ＝０であり、位相差が（２ｍ＋
１）π（ｍ：整数）で、かつ各経路の光強度が同一であ
れば、Ｐ_out ＝Ｐ₁ ＋Ｐ₂ となる。従って、制御光によ
り右回り信号光の光強度または位相を変化させることが
できれば、出射信号光の光強度を制御できることにな
る。

【００４９】本実施例では、２次非線形光導波路とし
て、第１の実施例と同様の光導波路を使用しており、信
号光と制御光の和周波光である角周波数ω₃ の光の伝搬
定数と信号光の伝搬定数と制御光の伝搬定数との間に位
相整合条件、

【００５０】

【数１５】 β₃ −β₁ −β₂ ＝０ (19) が満たされている。本構成では、制御光と同方向に伝搬
する右回り信号光のみが和周波発生に伴う光密度変化お
よび位相変化を受ける。２次非線形導波路６６透過後の
右回り信号光の光強度および位相および第４経路６７か
らの信号光出力、すなわちスイッチングされた信号光６
８は、第１の実施例と同様に、図２で表され、第１の実
施例と同様に、０．５π＜ΓＬ＜０．５πで、良好なス
イッチング特性が得られることがわかる。なお、スイッ
チングされない信号光６９は第１経路６２へ出射され
る。

【００５１】本実施例では、具体的には、２次非線形導
波路５として、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフ
ェニル）ピラゾール（ＤＭＮＰ）結晶のガラスキャピラ
リファイバを用いている。コア径は１．５μｍである。
実効的２次非線形定数はｄ_eff ＝９０ｐｍ／Ｖとなる。
本実施例における信号光は角周波数ω₁ ＝１．９６×１
０¹⁵（波長０．９６μｍ）で幅１ｐｓのパルスが１００
ＧＨｚで繰り返されており、パルスピークパワーは０．
２ｍＷである。また、制御光は角周波数ω₂ ＝２．０５
×１０¹⁵（波長０．９２μｍ）で幅１ｐｓのパルスが５
０ＧＨｚで繰り返されている。本実施例では完全スイッ
チングは７．５ｍＷで得られ、第１の実施例と同様に
０．５π＜Γｘ＜１．５πで良好なスイッチングとな
る。また、出力信号光波形も図４と同様なものが得ら
れ、高速動作が実現された。

【００５２】本実施例では、信号光を２つに分岐する分
波器と、制御光を第１経路に合流させる合波器の機能
を、図７の６４，６５のようにそれぞれ別個の分波器と
合波器で行ったが、図７の構成において、分波器６４
に、信号光を２つの経路に分岐する機能と制御光を第１
経路にのみ合波させる機能を合わせもたせ、合波器６５
を無くす構成も可能である。その場合も、第３の実施例
と同様の機能をもたすことができる。

【００５３】第１および第３の実施例では、通常の位相
整合条件を満たす２次非線形導波路を、第２の実施例で
は、疑似位相整合条件を満たす２次非線形導波路を、そ
れぞれ本発明構成中の２次非線形光学効果を有する物質
からなる光導波路として用いているが、いずれの構成で
も、通常の位相整合条件を満たす２次非線形導波路また
は疑似位相整合条件を満たす２次非線形導波路を使用で
きることはもちろんである。

【００５４】また、実施例の説明では、光スイッチング
動作を中心に述べたが、出力信号光のパワーは、図３に
示すように、制御光パワーに依存して変化するため、本
発明の構成で、光・光変調動作を行うこともできる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非線形光
学装置は、３次の非線形光学効果に比して効率の高い位
相整合条件下の２次の非線形光学効果を、カーシャッタ
構成またはマッハツェンダ干渉計構成またはループミラ
ー干渉計構成に適用することにより、光・光スイッチン
グ動作または光・光変調動作を実現している。カーシャ
ッタ構成またはマッハツェンダ干渉計構成またはループ
ミラー干渉計構成中に非線形物質を入れる点は、従来の
３次非線形効果を用いた光・光スイッチと構成上類似す
るものであるが、位相変化のみによる動作である従来の
３次非線形効果を用いた光・光スイッチに対し、本発明
は、２次非線形効果を用い、信号光の強度変化と位相変
化を共に利用して動作するものであり、動作原理が異な
るものである。加えて、素子性能においても、従来の３
次非線形効果を用いた光・光スイッチに比べて、本発明
は約１００分の１以下の制御光パワーで動作することに
なり、かつ素子長も従来の３次非線形光学効果を利用し
た構成では２ｍ以上必要なのに対し、本構成では素子長
２ｃｍ以下で済み、性能の差は明らかである。また、近
年提唱されている２次非線形効果を位相整合条件から外
した条件で使用し、位相変化を生じさせるカスケード効
果と比較しても、カスケード効果を使用した場合、完全
スイッチングが難しく、必要な制御光パワーも大きくな
るのに対し、本発明は、必要な制御光パワーが小さく、
かつ完全スイッチングが容易に実現できるという有用な
特長を有する。加えて、本発明による光スイッチは、干
渉計構成を用いているため、単なるＯＮ，ＯＦＦスイッ
チではなく、２つの出射経路にスイッチングされた信号
光とスイッチングされない信号光を分離して出射でき
る。このため、スイッチングされない信号光も捨て去る
ことなく利用できる上、例えば本発明の光スイッチの出
射経路に、別に本発明の光スイッチを接続し、一段目の
本発明の光スイッチでスイッチングされた信号光または
スイッチングされない信号光を、さらに選択して分離す
るなど、多段接続が容易にできるという有用性を有する
ものである。以上のように、本発明により、低パワー光
動作および高速動作という２つの特長を持つ光スイッ
チ、光変調器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を模式的に表した
図である。

【図２】信号光のｙ偏光成分の光密度と位相の変化およ
び図１の構成の出力信号光強度のΓｘ依存性を示す図
で、（ａ）は信号光のｙ偏光成分光密度、（ｂ）はｙ偏
光成分位相、そして（ｃ）は信号光出力を示す。

【図３】本発明の第１の実施例の入射信号光波形を説明
するための図である。

【図４】本発明の第１の実施例の入射信号光、入射制御
光、および出射信号を示す図である。

【図５】本発明の第１の実施例の出力信号光パルスピー
クパワーの制御光パルスピークパワー依存性を示す図で
ある。

【図６】第２の実施例の構成を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施例の構成を示す図である。

【図８】従来の３次の非線形光学効果による光スイッチ
の構成を示す図で、（ａ）はカーシャッタ構成、（ｂ）
はマッハツェンダ干渉計、そして（ｃ）はループミラー
干渉計構成である。

【図９】従来提案されているカスケード効果を利用した
光スイッチの構成を示す図である。

【符号の説明】

１入射機構２，３反波長板４合波ミラー５２次非線形導波路６フィルタ７偏光子８，５９，６８スイッチングされた信号光９，６９，５１０スイッチングされない信号光５１分波器５２第１経路５３第３経路５４第１の合波器５５２次非線形導波路５６第２の合波器５７第１出射経路５８第２出射経路６１第３経路６２第１経路６３第２経路６４分波器６５合波器６６２次非線形導波路６７第４経路７１，７１０，７１６３次非線形物質７２，７９，７１５制御光７３，７６，７１２信号光７４出射信号光７５偏光子７７，７１３分波器７８第１の合波器７１１第２の合波器７１４合波器７１７フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤弘樹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 (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６−315009（ＪＰ，Ａ) 特開平７−43763（ＪＰ，Ａ) 特開平６−313908（ＪＰ，Ａ) 特開平６−118467（ＪＰ，Ａ) 特開平５−100257（ＪＰ，Ａ) 特開平５−66441（ＪＰ，Ａ) 特開平５−303121（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/39 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２次の非線形光学効果を有する物質から
なる光導波路と、角周波数ω_１の信号光を入射する手段
と、該信号光とは異なる角周波数ω_２の制御光を入射す
る手段とを備えた非線形光学装置において、該光導波路は、該信号光と該制御光の和周波光である角
周波数ω_３の光の伝搬定数と、該信号光の伝搬定数およ
び制御光の伝搬定数との間に位相整合あるいは擬似位相
整合条件を満足しており、かつ、該光導波路における和周波光発生に関する実効的
２次非線形定数をｄ_ｅｆｆ、該制御光の屈折率をｎ_２、
該制御光の光密度をＩ_２、該和周波光の屈折率をｎ_３、
該光導波路の長さをＬ、真空中の光速と誘電率をそれぞ
れｃおよびεとしたとき、 0.5π＜(d_ｅｆｆ/n_２)×(2I_２ω_２ω_３/(n_３εc^３))^０．５×L＜1.5π であることを特徴とする非線形光学装置。
【請求項２】請求項１記載の非線形光学装置におい
て、前記制御光を入射する手段は、前記制御光を前記光
導波路において前記信号光との和周波光を最大効率で発
生させる偏光方向で入射する機能を有し、前記信号光を
入射する手段は、前記信号光を前記光導波路において前
記制御光との和周波光を最大効率で発生させる偏光方向
から４５°回転した偏光方向で入射する機能を有するこ
とを特徴とする非線形光学装置。
【請求項３】請求項１記載の非線形光学装置におい
て、前記信号光を入射する手段は、前記信号光を第１の
経路と第２の経路に２分した後、該第１の経路を前記光
導波路に接続する機能を有し、前記第１の経路と前記光
導波路を順次通過した信号光と、前記第２の経路を通過
した信号光とを合波する合波手段をさらに具備したこと
を特徴とする非線形光学装置。
【請求項４】請求項３記載の非線形光学装置におい
て、前記信号光を入射する手段と、前記制御光を入射す
る手段が同一の合分波器からなることを特徴とする非線
形光学装置。
【請求項５】請求項１記載の非線形光学装置におい
て、前記信号光を入射する手段は、前記信号光を第１の
経路と第２の経路に２分した後、該第１の経路を前記光
導波路の一方の端面に接続し、第２の経路を前記光導波
路の他方の端面に接続する機能を有することを特徴とす
る非線形光学装置。
【請求項６】請求項５記載の非線形光学装置におい
て、前記信号光を入射する手段と、前記制御光を入射す
る手段が同一の合分波器からなることを特徴とする非線
形光学装置。