JPH01200234A - 非線形光学装置用光学媒質 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光情報処理や光通信システムにおいて、将来
的に用いられる光スィッチや光メモリ、あるいは光信号
演算処理装置などに適用できる非線形光学媒質に関する
ものである。

〔従来の技術および問題点〕

非線形光学効果とは、物質に光が入射したときに、物質
の電気分極Ｐが、一般式Ｐ＝χ（ｌｌＥ＋χ（２）　Ｅ
２　＋χ（Ｉ１Ｅ３　＋・・・（ＩＩ）で書けるのに対
し、第２項以降の項により発現する効果を言う（χ（′
）　はｉ次の電気感受率、Ｅは光の電界強度である。）
。特に、第２項による第２高調波発生（ＳＨＧ）や第３
項による第３高調波発生（ＴＨＧ）は波長変換効果とし
てよく知られているが、第３項はまた、光強度に応じた
光学定数の変化、例えば非線形屈折率効果や非線形吸収
効果を与えるものとして重要である。例えば、非線形屈
折率効果は物質の屈折ｉｎが入射光強度に比例して変化
するものであり、ｎ＝ｎ０＋ｎ２１で記述される（ｎｏ
は定数、ｎ２は非線形屈折率係数である。）。

この効果を示す媒質と、光共振器や偏光子あるいは反射
鏡など他の光学素子とを組合わせると、光双安定素子や
光スィッチあるいは位相共役波発生器などの光情報処理
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
バイスの実現が可能である。

このような非線形屈折率効果を示す媒質を用いた非線形
光学装置の従来例として、光双安定素子の実例を第５図
を参照しながら以下に示す。

第５図の符号１１は非線形屈折率を有する光学材質（非
線形屈折率媒質）、５２および５２′は非線形屈折率媒
質１１の両面にコートされた反射率約９０％の誘電体蒸
着ミラーである。この構成においては、人力光の波長を
僅かに変化させて共振条件を満足すると、入力光強度Ｐ
ｉに対して出力光ｐｔが第１図（Ｃ）　（ｄ）に示した
様な特性を持つ（動作原理については文献　アプライド
　フィジックス　レター（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、Ｌｅ
ｔｔ、　）　ｖｏｌ、３５＋４５１　　（Ｉ９７６）に
詳しい）。これらはそれぞれリミッタ動作および双安定
動作に対応しており、光通信や光情報処理システムにお
いて入力光パルスの波形整形、光スィッチ、あるいは光
信号メモリ、光論理演算動作などへの応用が可能なもの
である。

ところで、この種の非線形光学装置においては、特性と
して、使用可能な入力光波長ならびに入力光強度、さら
に光信号の強度変化に対して追随可能な応答時間の３つ
の値が重要である。例えば第５図中の非線形光学媒質１
１としてＧａＡｓとＧａＡｊ２Ａｓの半辱体薄膜を交互
に繰返し成長させし作製した超格子結晶を用いた例にお
いては、結晶内で励起子が光吸収に伴って励起されるこ
とによって屈折率が光強度依存性を示すこと（吸収非線
形効果）を動作原理としているため、前記第（ｎ）式の
第３項の係数が大きく　（即ち３次非線形の効率が高＜
）、動作に必要な入力光強度は５Ｘ１０’Ｗ／ｃｒＡ程
度と小さくて済む点では優れているが、使用可能な入力
光波長が励起子吸収スペクトル近傍の極めて狭い範囲に
限られてしまうこと、および応答時間が励起子寿命によ
り決定され、３　Ｘ　１０−”　ｓｅｃより高速の光信
号処理には使えないという問題点があった。

また、非線形光学媒質として非線形光学液体である二硫
化炭素（Ｃ３２）を満たしガラスセルを用い、前記誘電
体蒸着ミラー５２．５２’の代わりに、外部ミラーを用
いた別の従来例においては、光電界に応じた分子の回転
配列により屈折率が光強度依存性を示すこと（分子回転
非線形効果）を動作原理としているため、使用可能な入
力光波長が可視から近赤外域の広い範囲にわたるという
点では優れているものの、３次非線形の効率がそれ程高
くなく、動作に必要な入力光強度が１０”Ｗ／　ｃｎｆ
程度と大きくなること、および応答時間が分子の回転緩
和時間により決定され、１０−”〜１０−”　ｓｅｃよ
り高速の光信号処理には使えないという問題点があった
。

以上のことから明らかなように、非線形光学装置の性能
は、非線形光学材料の特性によって殆ど決定される。従
って、使用可能な波長範囲が広く、３次非線形の効率が
高く、動作に必要なに人力光強度が小さく、応答時間が
短い材料の開発が熱望され、それに向けて活発な研究が
行われているのが現状である。

３次非線形効果を示す材料のうちでも、ベンゼン環や２
重あるいは３重結合などのπ電子共役をもつ有機非線形
光学材料が最近特に注目されてる。

例えば、ポリジアセチレンビス−（パラトルエンスルホ
ネート）（略称ＰＴＳ）では、３次効果の定数χ（３）
　はχ（：１１　　＝　Ｉ　Ｘ　１０−”　ｅｓｕ　　
（非線形屈折率係数に換算すると、ｎｚ　＝２Ｘ１０−
”（Ｗ／ｃＪ）−’となる。）の値をもち、上記のＣ８
２液体より２桁大きい。さらに、この非線形効果のメカ
ニズムが吸収によるものでなく、かつ分子や結晶格子と
の相互作用によるものでもなく、純粋に電子分極に由来
するものであるために、光信号の強度変化に追随可能な
応答時間が１０−１４ｓｅｃと極めて高速であり、かつ
使用可能な入力光波長も０，６５μｍ付近から２．０μ
ｍ以上の広い範囲にわたっているという優れた特性を持
っている。

しかしながら、上記ＰＴＳなどのポリジアセチレンは、
一般に結晶性高分子であるために、光学装置の媒質とし
て用いる場合には媒質全体が単結晶となっていることが
必要である。もし、媒質の一部に非晶質部が存在したり
、全体が多結晶状態になっていて微小な単結晶の集合体
であったりすると、とたんに入射光の散乱損失が増大し
てしまい、使いものにならない。従って、ポリジアセチ
レンを用いた光学装置を製造するにあたっては、目的に
応じた大型結晶の育成あるいは薄膜結晶化などの技術が
不可欠であり、さらに、これらの結晶が得られた場合で
も、結晶を切断したり表面を研磨したりする加工技術を
確立することが必要である。ポリジアセチレンに関する
これらの周辺技術は今のところまだ解決されていない。

従って、ポリジアセチレンを用いた非線形光学装置はま
だ実用に供せられるものは一つも実現していない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
は、従来の光双安定素子を始めとする、光スィッチ、位
相共役波発生装置などの非線形屈折率を利用した非線形
光学装置における問題点、すなわち前記したような使用
波長制限、低速応答性、高動作入力光強度、あるいは所
望の光学媒質を容易に入手できないこと、などの欠点を
除去しようとするものであり、使用波長範囲が広く、高
速応答性を有し、かつ動作入力光強度が小さい実用に供
し得る高性能非線形光学装置に適用できる非線形光学媒
質を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は下記の構成からなる
。すなわち、本発明は、 非線形屈折率を有する光学媒質と、光共振器や偏光子、
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、非線形光学媒質として、下記式（Ｉ）
で示されるポリ−（パラフェニレンビニレン）を用いる
ことを特徴とするものである。

ポリ−（パラフェニレンビニレン（略称ＰＰＶ）は、ア
モルファス構造をもつ導電性ポリマ材料である。後で述
べるように、可溶性のポリマ中間体を経由する方法で合
成することができるため、成形性に優れ、取扱いやすく
、かつ、化学的に安定である。このＰＰＶの３次非線形
効果が極めて大きな値をもつことを本発明者らは、はじ
めて明らかにすることができた。また、その大きな３次
効果故に非線形屈折率係数が大きな値となることを確認
し、この材料を非線形光学媒質として光双安定素子、光
スィッチ、位相共役波発生器などの非線形光学装置を構
成し、それらが実用に供し得るとしたのは、本発明の最
も強調すべき点である。

第４図（ａ）　（ｂ）はＰＰＶの３次効果の効率を評価
すべく行った実験の測定データを示したものである。

有機材料の３次効果は、一般に第３高調波光（ＴＨＧ光
）の強度を測定することによって評価される。第４図（
ａｌは厚さの均一なＰＰＶフィルム（この場合の厚さは
０．６９μｍ）に、波長２．０μｍ程度のレーザパルス
光を入射し、サンプルをレーザ光の入射方向と垂直な軸
の回りに回転させながら、出てくるＴＨＧ光強度を測定
した結果である。このパターンはメーカフリンジと呼ば
れるものであり、すでに効率が既知の材料（ここでは石
英ガラスを用いた）を同一の観測系で測定して、ＴＩ（
Ｇのピーク強度と比較すれば、３次効果の効率を測定す
ることができる（測定原理については、文献　エレクト
ロニクス　レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ。

Ｌｅｔｔ、）　　ｖｏｆ２３．１１ｋ１１１．５９５　
　（Ｉ９８７）に詳しい）。第４図（ｂ）は得られた結
果を３次の電気感受率χ（３）　で表わし、入射光波長
に対してプロットした結果である。χ（３）　の値は５
〜８×１０−”　ｅｓｕであり、前述のＰＴＳと比べる
と、約１指手さい値であることが確かめられた。なお、
この測定値から非線形屈折率はｎ２＝１〜１．５ｘ　ｌ
　Ｑ−”　　（Ｗ／ｃｆＡ）　−’と算定される。

また、ＰＰＶの吸収スペクトルは、厚さ２０μｍ程度の
ＰＰＶフィルムを用いて分光光度計で測定した。その結
果、無吸収波長域は０．５７〜２．２μｍと極めて広い
ことが判った。すなわち、この材料は使用可能波長域が
前述のＰＴＳよりさらに広く優れている。なお、波長域
０．５７μｍ〜１．８μｍにおけるＰＰＶの３次効果効
率については未測定ではあるが、非線形効果のメカニズ
ムがＰＴＳと同じに純粋の電子分極によることを考える
と、これらの波長域においても、ＰＰＶのχ３３）　ま
たはｎ２は第４図（ｂ）の値とほぼ同等の値をもつこと
が容易に推察される。

さらに同様な考案から、本材料の応答時間はＰＴＳと同
様に１０−Ｉ４ｓｅｃ程度と推測され、充分な高速性を
備えている。

以下、実施例を用いて本発明に係るポリ−（パラフェニ
レンビニレン）を用いた非線形光学装置の特徴を詳しく
説明する。

〔実施例１〕 第１図（ａ）は本発明の非線形光学装置の実施例を説明
する図であって、本発明で用いる非線形屈折率媒質１１
は下記に述べる方法により作製したＰＰ■フィルムであ
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膜ミラー１２．１２’を対
向させて配置した外部光共振器である。

前記ＰＰＶフィルムの作製法について述べる。

まず、バラキシレンビス（ジエチル　スルフオニウム　
ブロマイド）を水に溶かし、アルカリ溶液として１０％
アルコールに苛性ソーダを溶かしたものを加えて攪拌し
、ポリマ化した。次にこれをキャスティング法により石
英ガラス板上にフィルム化し、風乾した。最後にこれを
３００℃、２時間、不活性ガス中で加熱することにより
光学品質に優れたＰＰＶフィルムが得られた。最後の加
熱処理の過程での反応スキームを第１図（ｂ）に示した
。

この様にしてｌ０ＸＩＯＸＩ１１３程度の大きさのフィ
ルム状の光学媒質を得た。

第１図ｆａ）に示した装置を動作させるには、前記従来
例第５図と同様、入力光波長を僅か変化させるか、ある
いは共振器長（ミラー間隔）を僅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Ｎｄ”−ＹＡＧ
レーザからの１．０６４μｍの光を使用したので、調整
は共振器長を変化させる方法に依った。入力光強度Ｐｉ
と出力光強度ｐｔとの間には第１図（Ｃ）　（ｄｌで示
したようなリミッタ動作および双安定動作が得られた。

動作に必要な最小入力光強度（ｐｉｍ・・）は解析的に Ｐｉ″’ｔ”　　（Ｋλ”）／　（ｎ２　Ｊ）（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）で与えられる
が、本実施例ではλ＝１．０６４μｍ、ｊ？＝ｌ＋＋ｎ
であるから、ＰｉＩ１１ｉｎ＝Ｉ　Ｘ　１０？Ｗ／ｃｎ
！と求まる。。

実効出力３００ｍＷ（パルス発振）、発振波長０．８３
μｍの半導体レーザを光源とする場合、ビーム径を１μ
ｍまで絞り込むと、光強度は３．８Ｘ１０’Ｗ／ｃｎ！
と計算され、この波長における上記非線形光学装置のＰ
ｉ’″ｉｎの値より充分大きい。

実際、本非線形光学装置は半導体レーザを光源とした場
合にも動作可能であった。

本材料（Ｐ　Ｐ　Ｖ）の応答時間τは１０−”　ｓｅｃ
程度と推測されることについてはすでに述べた。

但し、装置としての反応時間は、この媒質応答時間でと
共振器内光子寿命ｔｐとの大きい方の値で決まるが、 ｊ　ｌ）　＝−１ｏｐ／　（Ｃｊ２　ｎ　Ｒ）（但し、
ｌｏｐ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ｔｐが６×１０−”　ｓｅｃと得ら
れ、ｔｐ＞ｔなので、この値が装置の応答時間となる。

本実施例においては、応答時間は１０−１０ｓｅｃより
短いことが確認された。

〔実施例２〕 第２図は、光制御光スィッチの実施例を説明する図であ
る。図中、符号２１と２１’は互いに偏光軸が直光する
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は前記実施例１にて得られた媒質結晶である。

この構成においては、ゲートパルスＰｇが入射している
間だけ直交偏光子２１を通過した直線偏光が、非線形屈
折率媒質１１の屈折率変化によって偏光角の回転を受け
、直交偏光子２１′を通過する。すなわち入射光はゲー
ト光によって光スィッチされる。

本装置においても、使用可能波長範囲、応答時間、およ
び動作入力光強度（ゲートパルス光）の値は重要である
が、使用可能波長範囲および応答時間について極めて優
れていることは実施例１より明らかであって改めて説明
するまでもない。

必要なゲートパルス光強度（Ｐπ／２）は解析的に Ｐπ／Ｚ”λ／（２・ｎＺ／） で与えられ、本実施例ではλ−１．０６４μｍ、！＝１
龍であるから、Ｐπ７□＝５Ｘ１０９Ｗ／ｃｎｌと求め
られた。実際には、これより低いゲートパルス光強度に
おいても、透過率Ｔが、 Ｔ　＝ｓｉｎ”　（（Ｐ　ｉ　／　Ｐ　π／ｚ）　Ｘπ
／２）の式に従うので、ビーム径を絞り込んだ半導体レ
ーザ光によっても動作可能であることがわかった。

〔実施例３〕 第３図は、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３１と３１′は半透過鏡、３２は全反射
鏡、１１は実施例１にて得られた光学媒質である。この
構成は縮退４光波混合と呼ばれる光学配置であって、非
線形屈折率をもつ媒質に、ＡＩ　、ＡＺ　　（ＡＩ　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。この位相共役波は画像情報処理技
術における像修正や、実時間ホログラフィなどの有効な
手段として注目されている（応用については、文献　オ
　プラス　イ　（Ｏｐｌｕｓ　　Ｅ）　３月号。

ｐ、　　７３　　（Ｉ９８２）参照）。

本実施例においても装置の高速応答性、および低動作入
力光強度が確認できた。

〔発明の効果〕

本発明に係るポリ−（パラフェニレンビニレン）は、極
めて応答速度が大きく、かつ大きな非線形屈折率を持つ
という特徴を有している。従って、ポリ−（パラフェニ
レンビニレン）のフィルムを光双安定素子、光反インチ
、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非線形光学装置の媒質として
適用できる。これにより、従来の非線形光学液体や半導
体超格子結晶を用いた装置に比較して波長依存性、応答
速度、動作に必要な入力光強度の点で格段に優れたもの
とすることが出来、現在の半導体レーザを光源として移
動させ得るという実用的価値を存するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄｌは本発明に係る光学媒質を用いた
非線形光学装置の第１の実施例を示すもので、（ａ）−
は光双安定素子の構成図、（ｂ）は非線形光学媒質ポリ
−（パラフェニレンビニレン）を合成するときの反応ス
キーム、（Ｃ１（ｄｌは動作特性を示すもので、（Ｃ）
はリミッタ動作を示し、（ｄ）は双安定動作を示し、図
中の矢印はＰｉの増加時、および減少時のＰｔの特性を
現わす経路を示す。 第２図は本発明に係る光学媒質を用いた非線形光学装置
の第２の実施例を示すもので、光制御光スィッチの構成
図である。 第３図は本発明に係る光学媒質を用いた非線形光学装置
の第３の実施例を示すもので、位相共役波発生装置の構
成図である。 第４図（ａ）は本発明に係るポリ−（パラフェニレンビ
ニレン）のＴＨＧ強度パターンを示す図、第４図（ｂ）
は同ポリ−（パラフェニレンビニレン）のχ（３）　値
のスペクトルを示す図である。 第５図は従来の非線形光学装置（光双安定素子）の−例
を示す構成図である。 １１・・・非線形屈折率媒質、１２．１２’・・・（外
部）誘電体多層蒸着膜ミラー、Ｐｉ・・・入力光、Ｐｔ
・・・出力光、２１．２１’・・・偏光子（直交偏光子
系を構成している）、Ｐｇ・・・ゲートパルス光、３１
．３１’・・・半透過鏡、３２・・・全反射鏡、５２．
５２’・・・誘電体蒸着ミラー（反射率約９０％）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　下記式（ I ）で示されるポリ−（パラフェニレンビ
   ニレン）であることを特徴とする非線形光学装置用光学
   媒質。 ▲数式、化学式、表等があります▼（ I ）