JPH02130537A - 非線形光学装置 - 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
演算処理装置などの非線形光学装置に関する。

〔従来の技術〕

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　＝　ｘ（１）Ｆ。

＋Ｘ（１）Ｂ２　＋　ｘ（１）Ｂ３　＋、　、　、　　
（ＩＩ）で書けるのに対し、第２項以降の項により発現
する効果を言うものである（　、（１）は１次の電気感
受率、Ｅは光の電界強度でめる〕。特に、第２項による
第２高調波発生（８ＨＧ）や第５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５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
率ｎが入射光強度（Ｉ）に比例して変化するものであシ
、ｎ＝　ｎＯ＋　ｎ！Ｉで記述される（　ｎ６　　は定
数、ｎ鴬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
能でめる。

このような非線形屈折率効果を示す媒質を用応た非線形
光学装置の従来例として、光双安定素子の実例を第４図
を参照しながら以下に示す。

第４−１図の符号１は非線形屈折率を有する光学媒質（
非線形屈折率媒質）、２ａ及び２ｂは非線形屈折率媒質
１の両面にコートされた反射率約９０優の誘電体蒸着ミ
ラーである。この構成においては、入力光の波長をわず
かに変化させて共振条件を満足すると、入力光強度Ｐ１
に対して出力光ｐｔ　が第一２図及び第４−３図に示し
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　レタース（ＡｐｐＬ　Ｐｈｙｓ、　
Ｌｅｔｔ、）第３５巻、第４５１頁（１９７６）に詳し
い〕。すなわち、第４−２図はリミッタ動作を示し、第
４−３図は双安定動作を示し、図中の矢印はＰｌ　　の
増加時、及び減少時のｐｔ　の特性を現す経路を示す。

これらはそれぞれリミッタ動作及び双安定動作に対応し
てお〕、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並びに入力光強度、更に光
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４−１図中の非線形屈折率媒質
１としてＧａＡｓとＧａＡｌＡｓの半導体薄膜を交互に
繰返し成長させて作製し九超格子結晶を用い九例におい
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（吸収依存性
効果）を動作原理としているため、前記一般式（Ｉｔ）
の第３項の係数が大きく（すなわち５次非線形の効率が
高く）、動作に必要な入力光強度は５　ｘ　１０’　Ｗ
／ｉｎ”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りこと、及び応答時間が励起子
寿命により決定され、３Ｘ１０″″’　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める二硫
化炭素（Ｃａｘ　）　　を満たしたガラスセルを用い、
前記誘電体蒸着ミラー２ａ、２ｂの代わシに、外部ミ２
−を用いた別の従来例においては、光電界に応じた分子
の回転配列によル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次非線形の効果がそ
れ程高くなく、動作に必要な入力光強度が１０”Ｗ／ｃ
ｍ”程度と大きくなること、及び応答時間が分子の回転
緩和時間により決定され、１０′″１１〜１０”　ｓｅ
ｃよシ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ほとんど決定される
。したがって、使用可能な波長範囲が広く、３次非線形
の効率が高く、動作に必要な入力光強度が小さく、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、べ／ゼン環や２
重あるいは５１結合などの露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いる。例えば、ポリジア
セチレンビス−（バラトルエンスルホネート）（略称Ｐ
Ｔ８．）では、３次効果の定数Ｘ（１）はｘ”）＝　Ｉ
　Ｘ　１０−”ｅｓｕ〔非線形屈折率係数に換算すると
、Ｊ＝　２ｘ１０”　（ｗ／ｃｙｎ”　）−’　トナル
〕Ｏ値ヲモチ、上記ノＣ８，液体より２桁大きい、更に
、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めるために１光信号
の強度変化に追随可能な応答時間が１０”　ｓｅｃと極
めて高速であυ、かつ使用可能な入力光波長も１６５μ
ｍ付近から２．０μｍ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ＦＴ３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夛
、全体が多結晶状態になっていて微小な単結晶の集合体
であったシすると、途端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。したがって、ポリジアセ
チレンを用いた光学装置全製造するに当っては、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６）、更に、これらの結晶が得られた場合でも
、結晶を切断したシ表面を研磨したシする加工技術を確
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。し
たがって、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１つも実現していない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記事情にかんがみてなされたもので、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、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、などの欠点を除去することを課題とするものでめシ
、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
を提供することを目的としている。

〔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その他の
光学素子とで構成される非線形光学装置において、該非
線形屈折率媒質として、分子内に陽イオンを有するに電
子共役系化合物がイオン性ポリマー中に分散されて成る
有機材料を用いることを特徴とするものである。前記の
陽イオン性π電子共役系化合物とイオン性ポリマーから
成る有機材料は、シアニン色素・スチルバゾリクム色素
・キサンチン色素・アズレニウム系色素など分子内に陽
イオンを有するπ電子共役系化合物と、ポリスチレンス
ルホン酸ナトリウム、ポリスチレンスルホン酸、ポリメ
タクリル酸ナトリウム、ポリメタクリル酸などのイオン
性ポリマーとを、双方を良く溶解させる溶媒中でイオン
コンプレックスとし、これをキャスティング若しくはス
ピンコーティングによシ薄膜化したものである。この方
法を用いると、大きな非線形光学効果を有する陽イオン
性π電子共役系化合物を、極めて容易に高濃度分散する
ことができる。しかも出来上がったフィルムは、透明性
・成形性に優れ、取扱いやすく化学的に安定である。

本発明の非線形光学装置において、非線形屈折率を有す
る光学媒質の例としては、下記一般式■あるいは■： ｚ”−（ｃＲ＝ｃａ）ｎ−ｃａ＝ｚ−ｘ−−−−ＣＩ［
）（Ｚは環内に少なくとも一個の窒素原子を有する複素
環を示すが、この各環内の窒素のうち少なくとも一個に
は一個の有機基が結合している。

ｎは２又は３である。各Ｒは同−又は異なシ、水素、ハ
ロゲン又は有機基を表す。Ｘ−は無機又は有機の陰イオ
ンである） （Ｒｘ、ｌ’ｈはアルキル基を表し、互いに等しくても
異なっていてもよい。Ｘ−は無機又は有機の陰イオンで
らる。ｎは０〜５の整数である）で表される陽イオン性
π電子共役系化合物をイオン性ポリマー中に分散した有
機材料が挙けられる。既に、本発明者らは、この陽イオ
ン性ｆｔ子共役系化合物とイオン性ポリマーから成る有
機材料のｘ（１）の値が、励起波長：ｔ９μｍで１０”
”ｅθＵ　レベルにるることを明らかにしている（％願
昭６５−４１９６７号、同６５−４１９６８号、同６５
−１５５４１８号）。この値から、非線形屈折率：ｎｔ
が１０″″Ｉｓ　（ｗ／、、！　）″１のオーダーの大
きな値となることを算出した。

更に、非線形光学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、本材料の応答時間
はＰＴＥＩと同様に１０−”　５ｅｅ−程度と推測され
、充分な高速性を備えている。

この材料を非線形屈折率媒体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。

〔実施例〕

以下、実施例を用いて本発明に係わる陽イオン注ぎ電子
共役系化合物とイオン性ポリマーから成る有機材料を用
いた非線形光学装置の特徴を詳しく説明するが、本発明
はこれらに限定されない。

実施例１ 第１図は本発明の非線形光学装置の実施例を説明する構
成図であって、本発男で用いる非線形屈折率媒質１は下
記に述べる方法により作製した非線形光学フィルムであ
り、本発明装置においては、入力光を約９０チ反射し、
張力を透過させる（外部）誘電体多層蒸着膜ミラー５　
ａ。

５ｂを対向させて配置した外部光共振器である。

（フィルムの作製法） 下記構造のシアニン色素２ｆとポリスチレンスルホン酸
ナトリウム２ｆを酢酸５５−と水１〇−に加熱溶解させ
た後、これをスピンコーティング法により石英ガラス板
上にフィルム化した。

風乾後、減圧乾燥し、光学品質に優れた陽イオン性π電
子共役系化合物分散イオン性ポリマーフィルムが得られ
た。この様にして非線形光学装置用の１０　Ｘ　１０　
Ｘ　１ｍ”程度の大きさのフィルム状の光学媒質を得た
。

第１図に示した装置を動作させるには、前記従来例第４
−１図と同様、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−為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”−Ｙ　Ａ　Ｇレーザからの２
０６４４ｍの光を使用したので、調整は共振器長を変化
させる方法によった。

入力元強度Ｐ１と出力光強度ｐｔとの間には第４−２図
及び第４−５図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。

動作に必要な最小入力光強度（Ｐｌ）は解析的に Ｐｌｏｉｎ　＝＝　（ｘλ）／（ｎｚｔ）〔但し、λは
光の波長、ｔは光学媒質長、Ｋ（〜α００１）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、ｔ＝１雪であるか
ら、ｐ　ＩＤ１ｎ＝　Ｉ　Ｘ　１０’　Ｗ／傭”と求ま
る。実効出力３００ｍＷ（パルス発振）、発振波長［Ｌ
８３μｍの半導体レーザを光源とする場合、ビーム径を
１μｍまで絞夛込むと、光強度は五Ｂ×１０γＷ／ｃｍ
”と計算され、この波長における上記非線形光学装置の
ｐ　１ｍ１ｎ　Ｎ　の値よシ充分大きい。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。

本材料の応答時間ｔ　＃′ｉ１０−’　ｓｅｃ程度と推
測されることについては既に述べた。但し、装置とし、
ての反応時間は、この媒質応答時間ｔと共振器内光子寿
命ｔｐ　との大きい方の値で決まるが、ｔｐ　＝−１ｏ
ｐ／　（Ｃｌｎ　Ｒ） （但し、１ｏｐ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×Ｉ　ＣＩ−”　
ｓｅｔと得られ、ｔｐ＞ｔなｏで、コ（７）　（Ｋ　カ
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−ＩＱ　ｓｅｃよシ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構成図
である。図中、符号４ａと４ｂ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
らシ、１は前記実施例１にて得られた媒質である。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４ａを通過した直線偏光が、非線形屈折
率媒質１の屈折率変化によって偏光角の回転を受け、直
交偏光子４ｂを通過する。すなわち入射光はゲート光に
よって元スイッチされる。

本装置においても、使用可能波長範囲、応答時間、及び
動作入力光強度（ゲートパルス光）の値は重要であるが
、使用可能波長範囲及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（Ｐ、、、　）　　は解析的
に Ｐｔ７Ｍ　＝λ／（２ｘ　ｎ！ｔ） で与えられ、本実施例ではλ＝１．０６４μｍ１ｔ＝１
鱈であるから、Ｐオ、＝５Ｘ１０’Ｗ／−と求められた
。実際には、これよ勺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　ｚ７２　）　
ｘ　ｗ／２　）の式に従りので、ビーム径を絞）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つ
た。

実施例５ 第５図は、位相共役波発生装置の実施例を説明する構成
図である。図中符号５ａとｓｂは中透過鏡、６は全反射
鏡、１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Ａ１％　Ａｘ　（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　オー　プラス　イー（Ｏ
ｐｌｕｓ　Ｅ　）　５月号、第７３頁（１９８２）参照
〕。

本実施例におりても装置の高速応答性、及び低動作入力
光強度が確認できた。

実施例４〜９ 実施例Ｉにおいて第１図の非線形光学装置の動作例を説
明したが、以下の実施例４〜９では、非線形屈折率媒質
１、すなわち陽イオン性奮電子共役系化合物分散イオン
性ポリマー材料の各構成成分を変化させて、動作実験を
行い、本発明における材料の多様性を示した。結果を衆
１にまとめた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光双安定素子、光スィッチ、あるいは
位相共役波発生装置など将来の元情報処理あるいは九通
僅分野で重要な非線形光学装置を、極めて応答速度が大
きく、かつ大きな非線形屈折″４を持つ陽イオン性を電
子共役系化合物とイオン性ポリマーから成る有機材料の
フィルムを非線形屈折率媒質として構成するものである
ので、従来の非線形光学液体や半導体超格子結晶を用い
たものと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九ものとすることができ、
現存の半導体レーザを光源として移動させ得るという実
用的価値のあるものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す光双安定素子の構
成図、第２図は本発明の第２の実施例を示すもので、光
制御光スィッチの構成図、第３図線本発明の第３の実施
例を示すもので、位相共役波発生装置の構成図、第４−
１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、第４−２図及び第４−３図は動作特性図で
ある。 １・・・・・・−・・−・・・・非線形屈折率媒質、２
ａ、２ｂ−・透電体蒸着ミラー ５ａ、５ｂ−（外部）誘電体多層蒸着膜ミラＰ１　・・
・−・−一人力光、 ｐｔ　−−一・−出力光、 ４ａ、４ｂ−−−偏光子、 Ｐｇ−・−一・−・ゲートパルス光、 ５ａ、５ｂ−半透過鏡、 ６−・・・・・・・・・・・−全反射鏡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、非線形屈折率を有する光学媒質と、その他の光学素
   子とで構成される非線形光学装置において、該非線形屈
   折率を有する光学媒質として、分子内に陽イオンを有す
   るπ電子共役系化合物がイオン性ポリマー中に分散され
   て成る有機材料を用いることを特徴とする非線形光学装
   置。