JPH01500858A - 光素子 - 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】 光　素　子 〔技術分野〕 本発明は、例えば光増幅器または光スィッチきして使用される光素子に関する。

〔背景技術〕

光通信および光論理回路の分野では、信号切替、論理動作、増幅その他の機能を 得るために、単純な光部品を開発する必要性が高まっている。

〔発明の開示〕

本発明の第一の観点は光素子であり、この光素子は、屈折率が異なる光導波媒体 の組み合わせにより形成され、少なくともひとつの屈折率が非線形であり、単一 モードの光信号をその信号強度により導波または遮断する光導波路と、この光導 波路の入射端に少なくとも二つの光信号を結合する結合手段とを備える。

本発明の第二の観点は、上述の光素子を動作させる方法であり、実質的に遮断さ れる強度で第一の光信号を導波路に注入し、この第一の光信号の強度と組み合わ せることにより上記導波路を導波するに十分な強度で第二の光信号を注入する。

本発明は、非線形屈折率をもつ異種媒体の特性を利用し、総入射光強度に依存し て導波路を導波状態から遮断状態に切り替える。この自己導波特性は、多くの用 途に利用できる。

導波路は、入れ子構造の少なくとも三つの媒体を含み、内側の二つの媒体の屈折 率は、導波時に外側の媒体の屈折率よりそれぞれ大および小であり、この内側の 二つの媒体の少なくとも一方の屈折率が非線形であることが望ましい。

典型的には、導波路は、コアと、このコアを取り囲む内側クラプディングと、こ の内側クラツディングを取り囲む外側クラツディングとを含む。

例えば、典型的な光ファイバでは、コアの屈折率が外側クラツディングの屈折率 より大きく、内側クラツディングの屈折率は外側クラツディングの屈折率より小 さい。

このような光ファイバの一例は、ｒＷＪ字型断面分布を有するファイバであり、 適切に設計することにより、基本モードの遮断波長を所望の値に移動させること ができる。シリカのカー係数は自己収束性であり、自己収束に必要なパワーは約 １００ｋｌｌである。他に利用できる材料としては、不純物が添加されたシリカ や、大きな非線形性を有する有機金属を含むシリカ製Ｗ字型毛細管がある。

「非線形」とは、媒体の屈折率（ｎ、）が光強度により変化することをいう。こ れは一般に、 １１１　＝ｎｏ　＋ｎ＊　ｌ　Ｅ　ｌ　”で表される。ここで、ｎ、は媒体の線 形屈折率、ｎ２はカー係数、ＩＥＩ２は入射光強度である。

一般には、ｌＥｌ”ｎ、はｎｏより非常に小さく、シたがって、非線形効果は光 強度が大きいときにだけ現れる。本発明は、入射光の強度およびカー係数の値が 、ｎ、がｎ−ＩＥＩ”より２桁ないし３桁も大きくなることのないような導波路 に関する。

屈折率ｎ２もまた光強度により増加または減少することがあることを補足してお く。

ホモジニアスな媒体では、導波路の屈折率が非線形の場合に、光強度が小さいと 横断方向の光電界が生じ、光信号が散逸する。これに対して光強度が大きいとき には、自己収束の効果が大きくなり、光信号が中心に集中する。また、屈折率が 光強度により減少するときに自己収束非線形性が発生する媒質もある。非線形性 のタイプはカー係数の正負に依存する。インホモジニアスな媒質では、急激な自 己収束が生じる前に導波状態となるものもある。

本発明の光素子は、自己収束非線形性を有する導波路に対して以下のように動作 し、自己発散非線形性を有する導波路を用いる場合には、カッコ内の用語で表す ように動作する。基本モードの遮断周波数近傍の周波数では、光電界はうまく導 波されるわけではない。

低（高）パワーでは、入射したほとんどのパワーがクラツディングに散逸してし まう。光強度が増加すると、非線形な屈折率の効果により、遮断周波数が低（高 ）周波数に移動する。これは、動作周波数における光電界が前より多く　（少な く）導波されることを意味し、より少ない（多い）パワーがクラツディングに散 逸することを意味する。中央領域に閉じ込められたパワーを出力パワーと定義す ると、本発明の光素子は、出力パワーが入力パワーの非線形関数となる素子であ る。

すなわち、導波遮断特性は、光電界によって生じる屈折率に依存する。

すべての媒体が非線形であることが望ましい。

本発明の光素子はまた、導波路の出力端に分離手段を含むことが望ましく、この 分離手段により、出力端のコア領域から放射される光信号を他の部分から放射さ れる光信号から分離することができる。

分離手段を設けるこきにより、入力パワーに対する出力パワーの変化を利用でき る。典型的には分離手段が単一モード光ファイバを含み、光導波路が光ファイバ で構成される場合には、この光導波路にスプライスされる。このようにして、光 導波路のコアを通過した光信号の部分だけを出力信号として単一モード光ファイ バに結合する。

本発明の光素子はさらに、導波路の入力端に光バイアス信号を注入するバイアス 信号発生手段、例えばレーザを備えることが便利である。このとき、バイアス信 号の強度は、導波路が非線形領域で動作するものの、バイアス信号を遮断する程 度の値に設定する。これにより、本発明の光素子を種々の応用に利用できる。例 えばスイッチとして利用する場合には、遮断領域にバイアスし、バイアス信号に 付加して適当な切替信号を入力することにより、素子がオンまたはオフして、放 射光がそれぞれ導波または遮断される。バイアス信号と切替信号とは、位相がそ ろっていなければならない。

この素子を基本的な論理素子、例えば論理積ゲートとしても使用できる。論理積 ゲートの場合には、多数（２以上）の入力を光導波路の入力端に入射すると、総 入射強度が自己導波の発生に十分なときだけ、導波路の出力端から放射光が得ら れる。これらの応用において、光導波路には適当な長さが必要である。自己発散 非線形性の素子の場合には、基本的にＮＡＮＤゲートとして使用できる。

本発明の光素子はさらに、結合器、例えばＹ字型結合器を備え、結合器のひとつ の入力アームにはバイアス信号発生手段が結合され、他の入力アームには入力信 号が結合され、結合器の出力アームには導波路が接続されることが便利である。

本発明の光素子と、そのアセンブリを動作させる方法との例について、添付図面 を参照して説明する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図はＷ字型断面分布を有する光ファイバの直径方向の屈折率変化を示す図。

第２図は入射光の波長に対する有効屈折率の変化を示す図。

第３ａ図ないし第３ｃ図はそれぞれ初期強度が異なる三つの伝搬光信号め強度変 化を示す図。

第４図は長さがそれぞれ異なる３本の光ファイバについて、入力バーゾに対する 出力光信号のパワー変化をグラフとして示す図。

第５図はアセンブリの例を示す図。

〔発明を実施するための最良の形態〕

典型的なＷ字型断面分布を有する光ファイバは、外側クラツディングと、この外 側クラツディングより高屈折率のコアと、外側クラツディングより低屈折率の内 側クラツディングとを備える。コアは不純物ドープされたシリカにより形成され る。この光フ・アイμの屈折率変化を第１図の線１で示す。ここで、波長が異な る二つの横断方向光電界を例に考える。これらの光電界は、光ファイバの中心コ ア領域４、内側クラツディング領域５および外側クラツディング領域を異なる割 合で伝搬する。このため、それぞれの電界が受ける有効（平均）屈折率は異なる 。そこで、ひとつの電界が受ける有効屈折率（ｎａｒｒ＞を第４図の破線６で示 し、他の電界が受ける有効屈折率を破線７で示す。有効屈折率は電界が「感じる 」平均屈折率であり、波長が長くなると外側クラツディングの屈折率に近づく。

第２図は波長に対する有効屈折率の変化全体を線８で示す。比較のために、基本 モードを遮断しない光ファイバに対する同様の変化を線９で示す。第２図に示し たように、有効屈折率が外側クラツディングの屈折率と等しくなる特別の波長λ ゎが存在し、この点で、ファイバによる信号伝搬が停止する。

前述したように、ここで用いる光ファイバは非線形屈折率をもつ。

これは、入射光信号の強度変化により、第１図に示した分布の形状が変化するこ とを意味する。この結果、自己収束型のファイバでは、注入された放射光の強度 が増加することにより、第２図に示した白線８が新しい曲線１０にシフトし、遮 断波長が長波長側の値λ６′となる。したがって、第２図に線８で示した屈折率 が現れる強度で波長λ。の放射光を光ファイバに注入しても、その放射光は伝搬 されない。しかし、光強度がわずかに増加すると、屈折率が変化し、光ファイバ の有効屈折率が、最初の外側クラツディングの値からより大きな値（ｎ′）に変 化し、光信号がファイバに沿って導かれる。

これが本発明の原理である。

本発明者等は、Ｗ字型断面分布を有するファイバに沿った伝搬を理論的に解析し た。この解析のため、連続波の電界Ｅ　（ｘｙｚ）に対するスカラ波動方式、 Ｖ”　Ｅ（ｘｙｚ）　＋　（ｋ”　ｎ”（ｒ）−β２）＝Ｏｋ＝２π／λ −を解いた。ここで、２はファイバに沿った伝搬距離、Ｘおよびｙは二つの横断 方向、λは波長であり、前方進行波に対するビーム伝搬方法を用いた。屈折率ｎ （ｒ、ＩＥＩ２）は、ｎ（ｒ、　ｌ　Ｅ　ｌ　’）　＝ｎ＊　＋ｎ＊”　Ｉ　Ｅ （ｒ）ｌ”で与えられる。ここで、ｎ、（ｒ）はファイバの屈折率分布であり、 ｎ２はカー係数である。

これらの計算において、本発明者等は、高速フーリエ余弦変換を使用するために 矩形の対称性を仮定し、計算効率を高めた。また、必要な数のフーリエ・モード と、積分ステップとにより実験を行い、いくつかの形状について、この計算が正 確であることを確認した。

本発明者等はまた、円筒形の対称性における境界モードを正確に表すに十分な点 についても検査した。−辺の長さが３００ｉＩＪｎの周期的な箱の中の１９２２ 個のフーリエ・モードを用い、１．５μｓの積分ステップで３０＋ｏａ＋の距離 について計算した。ファイバの入力には、Ｗ字型ファイバの境界モードにより与 えられるビーム分布を同一の形状で入射し、コアの屈折率については、モードを 閉じ込めるに十分な大きさとした。

第３ａ図は、線形の場合、すなわちｎ、＝０の場合に、ファイバ直径を横切るビ ーム強度分布が、ファイバを伝搬するにつれてコアから緩慢に散逸するようすを 示す。第３ｂ図および第３ｃ図は入射パワーがより大きい場合の分布を示す。こ こで損失は無視し、総エネルギが保存されるものとした。しかし、中心から有限 の半径に含まれるエネルギ量は、エネルギがクラツディングに散逸することによ り減少する。半径１０μｓの領域内に閉じ込められているエネルギは、屈折率の 構造がないファイバに比較して非常に緩慢に減少する（ホモジニアスなファイバ では、約ｌｌ１ｌｌ！ｌの距離でビームが散逸する）。

本発明者等は、光信号の伝搬における非線形屈折率の効果についても検討した。

第４図は、７．５開、１５ａ＋ｍおよび３０ａ＋ｉの長さのファイバについて、 入射エネルギに対する半径１ｈｍの領域内に閉じ込められているエネルギの割合 をｎ２・Ｉ　Ｅ　（０）　Ｉ　”の関数として表す。この図から、ファイバを「 しきい素子」として使用できることがわかる。ビームの中心部を（例えば）第二 の標準型単一モードファイバに結合させた場合には、総エネルギのうちの伝搬モ ードとなる割合が、入力パワーに依存する。

Ｗ字型断面分布のファイバを用いたアセンブリの一例を第５図に示す。この例で は、Ｗ字型断面分布光ファイバ１１がＹ字型結合器１２に接続される。Ｙ字型結 合器１２の一方の入力アーム１３にはレーザ１４が結合され、Ｙ字型結合器１２ の出力アームにはファイバ１１が接続される。ファイバ１１の中心コアには、単 一モード光ファイバ１５がスプライスされる。

第５図に示したアセンブリを光スィッチまたは増幅器として使用する場合には、 レーザ１４から光ファイバ１１にバイアス光信号を供給する。バイアス信号の強 度は、（第４図に示した）伝達パワー分布の階段状部分の近傍に設定する。例え ば、３０ＩｌｌＩ１１の光ファイバについて、バイアス信号の強度を参照番号１ ６で示した部分に設定する。この部分でファイバをバイアスすることにより、Ｙ 字型結合器１２の他の入力アーム１７に沿って小さい制御信号を入力すると、総 入射強度が第４図に示したグラフの上方の位置になり、比較的大きな出力パワー が得られる。

典型的には、バイアス信号だけの横断形状は第３ａ図の形状と同等である。した がって、光ファイバ１１の出力端ではエネルギが広い範囲に拡散し、中心コア領 域内には非常にわずかの部分しか残らず、非常に少量の信号しか光ファイバ１５ に結合しない。アーム１７に沿って信号を供給すると、これがバイアス信号の強 度に加算され、線強度が例えば第４図の参照番号１８の位置に変化する。これに より、光ファイバ１１が自己導波モードに切り替わり、初期総強度の大部分が、 第３ｃ図に示すように、コア内を経由してファイバの出力端に導かれる。したが って、大強度の信号が光ファイバ１５に結合する。

他の構成（図示せず）として、光ファイバ１１を論理和回路として使用すること もできる。その場合には、アーム１３．１７に沿って二つの入力信号を供給する （レーザ１４は省く）。このとき、双方のアーム１３．１７を経由して十分な強 度の信号が供給されたときだけ、その信号により十分な強度が得られ、自己誘導 が生じ、光ファイバ１１の中心コア内に大きな出力パワーが生じる。

伝ｍ１ｌｌ：数−閉じ込められたエネルＮの割合国際調査報告 国際調査報告 ＧＢ　ｌ１１７００６３９ ＳＡ　ｌｌｉ！６９３

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．屈折率が異なる光導波媒体の組み合わせにより形成され、少なくともひとつ の屈折率が非線形であり、単一モードの光信号をその信号強度により導波または 遮断する光導波路と、この光導波路の入射端に少なくとも二つの光信号を結合す る結合手段と、 この導波路の出力端に設けられ、この出力端のコア領域から放射される光信号を 他の部分から放射される光信号から分離する分離手段と を備えた光素子。
2. ２．分離手段は単一モード光ファイバを含む請求項１記載の光素子。
3. ３．導波路は入れ子構造の少なくとも三つの媒体を含み、この三つの媒体のうち 内側の二つの媒体は、導波時における屈折率が外側の媒体の屈折率より大きい材 料と小さい材料とによりそれぞれ形成され、 上記内側の二つの媒体は、少なくとも一方が非線形屈折率の材料により形成され た 請求項１または２記載の光素子。
4. ４．導波路は、 コアと、 このコアを取り囲む内側クラッディングと、この内側クラッディングを取り囲む 外側クラッディングとを含む 請求項３記載の光素子。
5. ５．導波路は光ファイバである請求項１ないし４のいずれかに記載の光素子。
6. ６．光ファイバは、断面屈折率分布がＷ字型の導波路を含む請求項１ないし５の いずれかに記載の光素子。
7. ７．すべての媒体が非線形である請求項１ないし６のいずれかに記載の光素子。
8. ８．導波路の入力端に、導波路が非線形領域で動作し、しかもバイアス信号が遮 断される強度で光バイアス信号を注入するバイアス信号発生手段をさらに含む請 求項１ないし７のいずれかに記載の光素子。
9. ９．導波路に入力信号を結合する結合手段を含む請求項１ないし８のいずれかに 記載の光素子。
10. １０．結合手段はＹ字型結合器を含み、このＹ字型結合器は、その一方の入力ア ームにバイアス信号発生手段が結合され、他方の入力アームに入力信号が結合さ れ、出力アームに導波路が結合される構成である 請求項９記載の光素子。
11. １１．添付図面を参照して実質的に説明した光素子。
12. １２．請求項１ないし１１のいずれかに記載の光素子を備えた光スイッチ。
13. １３．請求項１ないし１１のいずれかに記載の光素子を動作させる方法において 、 信号が実質的に遮断される強度で導波路に第一光信号を注入し、この第一光信号 と和み合わせることにより上記導波路を伝搬できる強度となる第二光信号を上記 導波路に注入することを特徴とする光素子の動作方法。