JPH0279030A - 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） 本発明は低損失にして動作速度の速い非線形光学装置に
関するものである。

（従来の技術） 従来、光変調器としては、第５図に示すようなニオブ酸
リチウムの電気光学効果を利用した光変調器が作製され
ている。第５図において、５１はニオブ酸リチウム基板
５２にチタンを熱拡散して作製したコア、５３は電極で
ある。ニオブ酸リチウムは電気光学効果を有する光学結
晶であって、電界をかけることにより、その屈折率を変
化させることができる。このため、第５図に示すような
マツハ・ツエンダ形の干渉計を構成すれば、電界による
屈折率変化により生じるコア中を伝搬する光の伝週定数
の変化により、二つの分岐された光を合波する際、二つ
の光の間に位相差が生じる。この結果、干渉により位相
差に応じて出力される光強度が変化する。従って、電極
に加える電位を変化させることにより、光強度変調をか
けることができる。

このように電気光学効果を用いる光変調器は、変調周波
数が高くなると、電気回路的な浮遊容量等により対応が
難しくなり、約１０ＧＨｚ程度が限界となっていた。

またこのよな動作速度の限界は、光スィッチ等、その他
の光学装置にも現れていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、動作速度に限界のある電気・光相互作用によ
る光学装置ではなく、低損失かつより動作速度の速い光
・光相互作用による光学装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の非線形光学装置は、非線形屈折率を有する有機
化合物を分散させた液体状または固体状の物質と、２本
の光ファイバの長手方向の一部を互いに融着し、融着部
を延伸した融着延伸形光ファイバカップラとにより構成
し、該融着延伸形光ファイバカップラの該融着延伸部の
少なくとも一部に、前記非線形屈折率を有する有機化合
物を分散させた液体状または固体状の物質が接触してお
り、かつ前記融着延伸形光ファイバカップラのクラッド
の屈折率をｎ　ｃｌａｄ、前記非線形屈折率を有する有
機化合物を分散させた液体状または固体状の物質の非線
形屈折率を含まない微弱光に対する屈折率を　ｎ　ｅｘ
ｔとしたとき、ｎ　ｅｘｔ　＜　ｎ　ｃＬａａとし、光
ファイバから光を空中に−たん取り出して処理するので
はなく、光ファイバに光を伝搬させた状態で、非線形光
学効果を作用させる。

本発明は光・光相互による光学装置であり、光ファイバ
に光を伝搬させた状態で光を制御する光ファイバ形光学
装置である点で、従来の電気・光学効果を用いた光季装
置とは、本質的構成を異にするものである。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の構成図であって、１は融着
延伸形光ファイバカップラ、２は外部媒質、３は分波器
である。外部媒質２は、非線形屈折率を有する有機化合
物としてスチレン誘導体である４−（Ｎ、Ｎ−ジエチル
アミノ）〜β−ニトロスチレンを用い、これをジメチル
ホルムアミド−溶液中に２０重量％溶かしたものを外部
媒質２として使用した。

この実施例では波長１．３μｍの光を励起光として用い
、波長１，５２μｍの光を信号光として用いた。

励起光は１．３μｍ用半導体サーザを直接変調し、１０
Ｇ）Ｉｚ　、ピーク尖頭値１００ｔＷの光を用いた。信
号光は１．５２μｍ用半導体レーザから１０ｍＷ連続光
を用いた。

上記の信号光と励起光は、融着延伸形光ファイバカップ
ラ１の入力側の二つのアームからそれぞれ入射される。

この実施例で用いた融着延伸形光ファイバカップラの延
伸領域の長さは１５ｍｍ、延伸部の最小外径は２０μ醜
である。外部媒質２は第１図に示すように、融着延伸形
光ファイバカップラ１の融着延伸部の長さ方向１０閣に
わたって融着延伸部を覆っている。４−ＣＮ、Ｎ−ジエ
チルアミノ）−β−ニトロスチレンは、３次非線形光学
効果により非線形屈折率を有する。従って、４−（Ｎ、
Ｎ−ジエチルアミノ）−β−ニトロスチレンを溶かした
ジメチルホルムアミド溶液、すなわち外部媒質２の屈折
率ｎ。

は、 ｎ　３　＝　ｎ　ｅｘｔ　＋　ｎ　２　１　　　　　　
−（１）と表わすことができる。

ここで、ｎ１□は外部媒質２の非線形屈折率を含まない
微弱光に対する屈折率、ｎ２は非線形屈折率、■は光強
度である。式（１）から外部媒質２の屈折率ｎ、は、外
部媒質中の光強度に依存し、光強度が大きい場合にｎ、
は大き（なり、光強度が小さい場合に、ｎ、はｎ　ｅｘ
ｔに近い値となる。

第２図に融着延伸形光ファイバカップラ１および外部媒
質２の断面を示す。第２図において、２１はコア、２２
はクラッドである。融着延伸部では、コアおよびクラ・
シトの外径の減少により、コア中を伝搬していた光がク
ラッドにしみ出してきて、コア２１とクラッド２２の全
体を一つのコア、外部媒質２をクラッドとする先導波路
となる。

このため、融着延延部を伝搬する光の伝搬定数は、外部
媒質２の屈折率に依存することになる。

そして外部媒質２の屈折率ｎ、は外部媒質２にしみ出し
た励起光の光強度により変化する。

融着延伸形光ファイバカップラの分岐特性は、対称モー
ドと反対称モードの位相差に依存し、その位相差は対称
モードと反対称モードの伝搬定数差によって定まる。こ
のため、融着延伸形光ファイバカップラの分岐比は、外
部媒質の屈折率変化により変化することになる。

デバイス動作の解析として、最も簡単な近似として、融
着延伸形光ファイバカップラの断面を矩形で近似すると
、直径路へ分岐される規格化光パワー１１、交経路へ分
岐される規格化光パワーＩ２は、 １　、　＝　ｃｏｓ”　（ＣＬ）　　　　　　　　　　
（２）Ｔ　ｔ　＝　ｓｉｎ”　（ＣＬ）　　　　　　　
　　　（３）ここでＬは融着延伸部の長さである。

ここでλは波長、ａは外径である。

である。

例えば外径ａが２０μｍ、融着延伸部の長りさが１０閣
の光フアイバカップラで、クラッドと外部媒％、０．２
８％の時の波長１．３μｍに対するＩｔ、Ｉｇはそれぞ
れ ■比屈折率差０．５％の場合 １、　＝　０．０２　　、　　１．　＝　０．９８■比
屈折率差０．２８％の場合 １、　＝　０．９９　　、　　１．　＝　０．０１とな
り、外部屈折率の変化により、分岐比が変化することが
理論的にも示される。

この実施例では励起光を入射しない状態で、■。

”Ｏ，Ｔｚ　＝１となるように、クラッドと外部媒質の
比屈折率差を約０．５％にした。励起光を入射し、その
パルスの尖頭値に対する分岐比（１，／１、＋Ｉｚ　）
の依存性の測定結果を第３図に示す。

励起光尖頭値１００１で分岐比１となり、励起光として
尖頭値パワー１００ｍＷのパルスを用いれば、信号光は
ほぼ１００％の変調を受けることがわかる。

この実施例では、光フアイバカップラにおける分岐比の
波長依存性を利用した分波器３を接続し、励起光を分離
して信号光のみを取り出した。

入射した励起光のパルス波形と出射信号光の変調波形を
第４図に示す。式（１）〜（５）に示した関係により、
励起光のパルス波形と出射信号光の波形は異なっている
が、繰り返し周波数１０ＧＨ２に十分追随している。

４−（Ｎ、Ｎ−ジエチルアミノ）−β−ニトロスチレン
の非線形屈折率は、非線形分極により生じており、その
応答速度はｉｏ−”秒以下と考えられている。

このためこの実施例の光学装置は、実施例で示した１０
ＧＨｚよりも励起光の周波数次第で２けた以上高い周波
数に対応でき、従来の電気・光相互作用を用いた光変調
器よりも極めて高い周波数の光変調が得られる。また光
ファイバから光を空間中に取り出すことなく変調を加え
る構成であるので、励起光のパワーが１００ｍＷの時の
信号光の透過損失は０．１　ｄＢと極めて低い損失が得
られている。

またこの実施例は、信号光の透過、非透過を制御する光
スィッチとして使用できることはもち論であり、第１図
の融着延伸形光ファイバ１の二つの出射側アームに、そ
れぞれ信号光と励起光を分離する分波器を取り付けると
、信号光の出射アームを切り換える光スィッチとしても
使用できる。

この実施例では非線形屈折率を有する有機化合物として
スチレン誘導体である４−（Ｎ、Ｎ−ジエチルアミノ）
−β−ニトロスチレンを使用したが、このほかにも４−
　（Ｎ、　Ｎ−ジメチルアミノ）−β−ニトロスチレン
などのスチレン誘導体のほかπ電子共役系からなる非線
形有機材料であるポリジアセチレン誘導体ポリ（パラフ
ェニレンビニレン）、ポリ（２，５−チエニレンビ°ニ
レン）に代表されるボリアロルティックビニレンなどの
導電性ポリマー系材料、４−（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ
）−４′　ニトロスチルベン、４−（Ｎ、Ｎ−ジエチル
アミノ）−４′　ニトロスチルベンなどのスチルベン誘
導体、４−（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ）−４′ニトロア
ゾベンゼン、４−　（Ｎ、　Ｎ−ジエチルアミノ）−４
′ニトロアゾベンゼンなどのアゾベンゼン誘導体、４−
（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ）ベンジリデン−４′ニトロ
アニリン、４−（Ｎ、Ｎ−ジエチルアミノ）ベンジリデ
ン−４′ニトロアニリン、４−ニトロベンジリデン−４
′（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ）アニリン、４−ニトロベ
ンジリデン−４’　（Ｎ、Ｎ−ジエチルアミノ）アニリ
ンなどのベンジリデンアニリン誘導体、パラ−ニトロア
ニリン、パラ−（Ｎ、Ｎ−ジエチルアミノ）ニトロベン
ゼンなどのベンゼン誘導体なども大きい非線形屈折率を
有することから、同様の効果を得ることができる。

また、この実施例では、非線形屈折率を有する有機化合
物を分散させる媒質としてジメチルホル１、アミドを使
用したが、非線形屈折率を含まない微弱光に対する屈折
率が延伸光ファイバのクラッドの屈折率より小さい媒質
であれば同様に使用できる。好ましくは、有機化合物を
非線形屈折率が延伸光ファイバのクラッドの屈折率より
小さい範囲内で高濃度に均一分散させうる媒質が望まし
い。

また、この実施例では、非線形屈折率を有する有機化合
物を液体状の媒質に溶かして使用したが、非線形屈折率
を有する有機化合物の微粒子を含有した液体状媒質、非
線形屈折率を有する有機化合物を添加した固体状媒質、
非線形屈折率を有する有機化合物の微粒子を含有した固
体状媒質等、非線形屈折率の大きな有機化合物を含有し
、非線形屈折率を含まない微弱光に対する屈折率が、延
伸光ファイバのクラッドの屈折率より小さい物質は、同
様に外部媒質として使用できる。非線形屈折率を有する
有機化合物を添加した固体状媒質９、または非線形屈折
率を有する有機化合物の微粒子を含有した固体状媒質に
ついては、非線形有機材料の屈折率の点から、有機化合
物を添加もしくは含有する固体状媒質として、フッ素を
含む高分子材料との組合せが効果的な場合が多い。例え
ばフルオロアルキルメタクリレート重合体では、屈折率
が１．４０前後のものを容易に得ることができるので、
非線形有機材料と組み合わせ、非線形屈折率を含まない
微弱光に対する屈折率が、延伸光ファイバのクラッドの
屈折率より小さい物質を得ることが容易である。フッ素
を含む高分子材料としては、このほかフッ化ビニリデン
、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、ヘ
キサフルオロプロスピレン等の重合体、これらの共重合
体、これらの重合体、共重合体の混合物など多用な組合
せのフッ素系高分子を用いることが可能である。

（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、応答
速度の速い有機化合物の非線形屈折率を利用゛した光・
光相互作用による光学装置であり、光フアイバ中に光を
伝搬させた状態で非線形光学効果を作用させる光ファイ
バ形光学装置であるから、速い動作速度を得ることがで
きるほか、光の伝搬損失、光ファイバとの結合損失を少
なくできるという利点がある。

また本発明の非線形光学装置によれば、ＩＱ−１０〜１
０−１４秒の動作速度を確保できるので、光の持つ高い
周波数（２００〜３００７Ｈｚ）を有効に利用できる利
点が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図、第２図は融
着延伸形光ファイバカップラおよび外部媒質の断面を゛
示す図、 第３図は励起光パルス尖頭値に対する分岐比の依存性を
示す図、 第４図は入射励起光パルス波形と信号光の変調波形を示
す図、 第５図は従来のニオブ酸リチウム光変調器の構造を示す
図である。 １・・・融着延伸形光ファイバカップラ２・・・外部媒
質　　　　　３・・・分波器２１コア　　　　　　　　
２２・・・クラッド５１・・・コア ５２・・・ニオブ酸リチウム基板 ５３・・・電極 信号光強度　励起九強痕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非線形屈折率を有する有機化合物を分散させた液体
   状または固体状の物質と、２本の光ファイバの長手方向
   の一部を互いに融着し、融着部を延伸した融着延伸形光
   ファイバカップラから成り、該融着延伸形光ファイバカ
   ップラの融着延伸部の少なくとも一部に、前記非線形屈
   折率を有する有機化合物を分散させた液体状または固体
   状の物質が接触しており、かつ前記融着延伸形光ファイ
   バカップのクラッドの屈折率をｎ＿ｃ＿ｌ＿ａ＿ｄ、前
   記非線形屈折率を有する有機化合物を分散させた液体状
   または固体状の物質の非線形屈折率を含まない微弱光に
   対する屈折率をｎ＿ｅ＿ｘ＿ｔとしたとき、ｎ＿ｅ＿ｘ
   ＿ｔ＜ｎ＿ｃ＿ｌ＿ａ＿ｄ であることを特徴とする非線形光学装置。