JPH04308821A

JPH04308821A - 光制御素子

Info

Publication number: JPH04308821A
Application number: JP10206391A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Maeda; 佳伸前田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1992-10-30
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JP3182426B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定波長λの制御光に
よってそれと同じ波長の被制御光を制御することができ
る光制御素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】たとえば光通信、光情報処理などの光エ
レクトロニクスの分野において、被制御光を制御光によ
り制御する研究が行われている。電気的スイッチング回
路よりも高速スイッチング操作が可能であること、光の
結像性を利用して多重の並列処理が可能なことなどがあ
り、光集積回路などにおいて極めて有用性が期待できる
からである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、光制御の
ために非線形光学効果を利用した光デバイスが活発に研
究されている。この非線形光学効果は、従来、第２高調
波発生などの波長変換効果が実用上重要視されていたが
、最近では特に光の強度に依存する屈折率変化や吸収係
数変化の効果が注目され、研究されている（応用物理５
９，１５５頁乃至１６３頁：１９９０年２月発行）。しかし、光強度によって屈折率や吸収係数が変わる効果
は３次の分極で生じるため、高次分極効果の大きな非線
形光学材料が必要である〔“Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ　ｆ
ｏｕｒｗａｖｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｉｎ　ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ−ｄｏｐｅｄ　ｇｌａｓｓｅｓ”Ｊ．Ｏｐ
ｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，７３，ｐｐ．６４７−６５３（Ｍ
ａｙ　１９８３）〕。また、半導体光制御素子として最
も有望視されている吸収飽和型双安定半導体レーザでは
、オフ状態からオン状態へ切り換えるスイッチには、光
入力が用いられるが、反対にオン状態からオフ状態へ切
り換えるには負の光パルスが存在しないため、同一波長
の光入力では実現されていない（応用物理５８，１５７
４頁乃至１５８３頁：１９８９年１１月発行）。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであり、その目的とするところは、所定波長λの制
御光によってそれと同一波長の被制御光をオン状態およ
びオフ状態の一方から他方へ切り換えることができる、
或いはその被制御光の強度を増減できる光制御素子を提
供することにある。

【０００５】本発明者は、以上の事情を背景として種々
の検討を重ねた結果、希土類元素の一つであるエルビウ
ム元素を石英系或いは弗化物系ガラス或いは窒化珪素な
どの絶縁物、或いは半導体などの固体光透過媒体内にド
ーピングすると、エルビウム元素イオンが基底吸収およ
び励起吸収の可能な４準位系のエネルギ準位を構成し、
その固体光透過媒体に照射する制御光をオンオフさせる
ことにより、その固体光透過媒体内を透過する被制御光
が吸収される状態と吸収されない状態とに切り換えられ
ることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて為さ
れたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の要旨
とするところは、所定波長λの被制御光と同一波長の制
御光を用いてその被制御光の強度を制御するために、被
制御光の光路に配設される光制御素子であって、固体光
透過媒体と、その固体光透過媒体にドープされ、前記所
定波長λの光に対する準安定準位Ｅ２から励起準位Ｅ４
　への励起吸収の度合が、基底準位Ｅ１　から励起準位
Ｅ３　への基底吸収の度合よりも大きい４準位エネルギ
系を有する元素とを備え、固体光透過媒体に照射される
前記制御光の強度の増加に関連して前記被制御光の透過
率が減少する負性特性を示すことにある。

【０００７】

【作用】このようにすれば、固体光透過媒体には、制御
光に励起されることに関連して発生する励起吸収により
被制御光を吸収する４準位系の元素がドープされている
ので、その固体光透過媒体が被制御光を透過させる光路
に位置させられた状態で、その固体光透過媒体に制御光
が入射させられると、ドープされている元素では基底吸
収により制御光が吸収されて基底準位Ｅ１　から励起準
位Ｅ３　への励起が発生するとともに、この励起に関連
して基底吸収よりも吸収の度合が大きい励起吸収が発生
し、この励起吸収に関連して被制御光が吸収されて上記
固体光透過媒体を透過する被制御光の透過率が減少させ
られる。また、上記固体光透過媒体に対する制御光の入
射強度が減少されると、被制御光に対する励起吸収がな
くなって被制御光の透過率が高められる。このように、
本発明の光制御素子は、制御光の基底吸収に関連して発
生する励起吸収によりその制御光と同一波長の被制御光
をスイッチングするものであるから、複可飽和吸収体に
よる同一周波数光スイッチ（Ｃｏｍｍｏｎ−Ｆｒｅｑｕ
ｅｎｃｙ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ｂｙ　
Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｓａｔｕｒａｂｌｅ　Ａｂｓｏｒｂｅ
ｒ　：ＣＯＣＡ）と言うべきものである。

【０００８】

【発明の効果】したがって、本発明の光制御素子によれ
ば、所定波長λの制御光の固体光透過媒体に対する照射
光量の変化に対応して、その固体光透過媒体を透過する
被制御光の透過光強度が変化させられる。たとえば、制
御光を固体光透過媒体に入射させる状態とさせない状態
との２制御状態に対応して、固体光透過媒体を透過する
被制御光がオフ状態とオン状態とに切り換えられる。ま
た、固体光透過媒体に対する制御光の照射光量の増減に
対応して、固体光透過媒体を透過する被制御光の透過強
度が減少および増加させられるのである。ここで、励起
吸収とは、基底準位Ｅ１　からの直接励起或いは準安定
準位Ｅ２　よりも高い励起準位Ｅ３　からの緩和によっ
て準安定準位Ｅ２　へ一旦励起された電子が、その準安
定準位Ｅ２　よりもさらに高い所定の準位Ｅ４　へ再び
励起される際のエネルギ吸収をいう。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図１に示す装置は、エルビウム元素Ｅｒ
３＋を含む光ファイバ１０の光制御機能を測定するため
のものである。この光ファイバ１０は、４７０ｐｐｍ程
度の濃度のエルビウム元素Ｅｒ３＋および５００ｐｐｍ
程度の濃度のアルミニウム元素Ａｌ３＋が共にドープさ
れた石英系ガラス製のコアと、そのコアの外周において
設けられた相対的に低い屈折率を有するクラッド層とを
備えている。また、この光ファイバ１０のコア径は６．
５μｍ、比屈折率差１．１２％、長さ１．５ｍ程度であ
る。

【００１０】制御光の光源として機能する半導体レーザ
素子１２は、駆動制御回路１４によって駆動されること
により７８７ｎｍの中心波長のレーザ光ＬＣを出力し、
ビームスプリッタ１５および集光レンズ１６を通して光
ファイバ１０の一端に入射させる。この駆動制御回路１
４は、その出力を変更することにより半導体レーザ素子
１２から出力されるレーザ光ＬＣ　の強度を調節する。また、被制御光の光源として機能する半導体レーザ素子
１８は、パルス発生回路２０からの出力信号によって駆
動されることにより、予め定められた一定の周波数、た
とえば１００Ｈｚにパルス変調されたレーザ光ＬＳ　を
出力する。このレーザ光ＬＳ　は、一定の強度のパルス
光であって、上記レーザ光ＬＣ　と同一の７８７ｎｍの
中心波長を備えている。

【００１１】半導体レーザ素子１８から出力されたレー
ザ光ＬＳ　は、ビームスプリッタ１５により反射され且
つ集光レンズ１６により集光されて光ファイバ１０の一
端に入射させられる。なお、半導体レーザ素子１２から
出力されるレーザ光ＬＣ　の一部はビームスプリッタ１
５により反射されて光検出素子２２により受光される。また、半導体レーザ素子１８から出力されたレーザ光Ｌ
Ｓ　の一部もビームスプリッタ１５を透過することによ
り光検出素子２２により受光される。この光検出素子２
２は、光ファイバ１０の一端に入射させられるレーザ光
ＬＣ　またはＬＳ　の強度をそれぞれ検出するためのも
のである。

【００１２】光ファイバ１０の他端から出力された光は
、光強度を検出するための光検出素子２４により受けら
れ、光検出素子２４の出力信号は増幅器２６を介してロ
ックイン増幅器２８に供給される。ロックイン増幅器２
８は、前記パルス発生回路２０からのタイミング信号に
対応した周波数の交流信号を選択的に増幅するものであ
り、光検出素子２４に受けられたレーザ光ＬＣ　および
ＬＳ　のうち、パルス変調されているレーザ光ＬＳ　に
対応した信号のみを増幅して出力する。これにより、制
御光であるレーザ光ＬＣ　の強度変化に拘わらず、被制
御光であるレーザ光ＬＳ　の強度変化が検出される。

【００１３】以上のように構成された装置において、半
導体レーザ素子１８から出力されるレーザ光ＬＳ　の強
度を複数種類に設定し、各設定値毎に半導体レーザ素子
１２から出力されるレーザ光ＬＣ　の強度を増加させる
と、ロックイン増幅器２８の出力信号は、図２に示すよ
うに、不連続に低下した。このように、光ファイバ１０
のコア中を透過する被制御光であるレーザ光ＬＳ　の出
力強度は、そのコアに対するレーザ光ＬＣ　の照射強度
の増減に応じて減少増大制御されるので、エルビウム元
素Ｅｒ３＋がドープされた光ファイバ１０が光制御素子
として機能することが明らかである。なお、図２の横軸
は、上記レーザ光ＬＣ　およびＬＳ　による光ファイバ
１０への入射強度である。

【００１４】上記の装置では、被制御光であるレーザ光
ＬＳ　と制御光であるレーザ光ＬＣ　とが光制御素子と
して機能する光ファイバ１０のコア内を同じ方向に伝播
させられるものであったが、被制御光であるレーザ光Ｌ
Ｓ　の伝播方向に対して制御光であるレーザ光ＬＣ　の
伝播方向が交差する方向、好ましくは直角方向であって
もよい。図３は、被制御光の伝播方向に対して制御光が直角の方
向に伝播させられる例を示している。

【００１５】図３において、半導体レーザ素子４０の端
面には、この端面から出力されるレーザ光ＬＳ　が透過
するように光制御セル４２が固設されている。半導体レ
ーザ素子４０は、一対のクラッド層間に挟まれた活性層
で生じた光をその端面の間で発振させるよく知られたも
のであって、たとえば７９０ｎｍの中心波長のレーザ光
Ｌを出力する。また、上記光制御セル４２は、たとえば
シリカガラス（ＳｉＯ２　を主成分とする石英系光学ガ
ラス）を母材とする固体光透過媒体にて構成されており
、そのシリカガラス内にはエルビウム元素Ｅｒ３＋が約
１０２０ｃｍ−３程度ドープされている。このエルビウ
ム元素Ｅｒ３＋により、光制御セル４２内には図５に示
すエネルギ準位が構成されている。そして、上記光制御
セル４２は、半導体レーザ素子４４から出力されるレー
ザ光ＬＣ　がレーザ光ＬＳに対して直交する方向から入
射させられるように配置されている。この半導体レーザ
素子４４から出力されるレーザ光ＬＣ　も、上記レーザ
光ＬＳ　と同一の７９０ｎｍの中心波長を備えている。

【００１６】上記シリカガラスを母材とする光制御セル
４２は、被制御光としてそれを透過するレーザ光ＬＳ　
を、制御光であるレーザ光ＬＣ　の入射に関連して発生
する励起吸収によりレーザ光ＬＳ　を吸収する。このた
め、図４に示すように、被制御光であるレーザ光ＬＳ　
が透過させられている状態でレーザ光ＬＣ　がオン状態
とされると、レーザ光ＬＳ　の透過率が低下して光制御
セル４２からのレーザ光ＬＳ　の出力がオフ状態とされ
る。反対に、レーザ光ＬＣ　がオフ状態とされると、レ
ーザ光ＬＳ　に対する励起吸収がなくなってそのレーザ
光ＬＳ　の透過率が元の値に戻り、再びオン状態とされ
る。本実施例では、レーザ光ＬＳ　の伝播方向とレーザ
光ＬＣ　の伝播方向とが直交しているので、分離手段を
用いることなく被制御光であるレーザ光ＬＳ　を取り出
すことができる。

【００１７】次に、前記光ファイバ１０および上記光制
御セル４２において得られる励起吸収によるレーザ光Ｌ
Ｓ　に対する制御原理を詳しく説明する。先ず、光制御
セル４２にドープされているエルビウム元素Ｅｒ３＋の
エネルギ準位は図５に示すものである。しかし、本実施
例では、光ファイバ１０および光制御セル４２に入射さ
せられるレーザ光ＬＣ　およびレーザ光ＬＳ　は同一波
長であるから、理解を容易とするために、図５に示すエ
ネルギ準位図を図６に示すように４つの主要な準位にモ
デル化することができる。すなわち、図６のエネルギ準
位図において、図５の　４Ｉ１５／２が第１準位（基底
準位）Ｅ１　に相当し、図５の　４Ｉ１３／２が第２準
位（準安定準位）Ｅ２　に相当し、図５の　４Ｉ９／２
　が第３準位（励起準位）Ｅ３　に相当し、図５の　４
Ｈ１１／２がの第４準位（励起準位）Ｅ４　からなる４
準位系から構成されている。図６中のσ１　は第１準位
Ｅ１　から第３準位Ｅ３　への基底吸収における吸収断
面積、σ２　は第２準位Ｅ２　から第４準位Ｅ４　への
励起吸収における吸収断面積である。また、図において
、Ａ３１は第３準位Ｅ３　から第１準位Ｅ１　への緩和
率、Ａ３２は第３準位Ｅ３　から第２準位Ｅ２　への緩
和率、Ａ２１は第２準位Ｅ２　から第１準位Ｅ１　への
緩和率、Ａ４２は第４準位Ｅ４　から第２準位Ｅ２　へ
の緩和率である。なお、上記において、Ｅ１　＜Ｅ３　
、Ｅ２　＜Ｅ４　、Ｅ２　＜Ｅ３　　　Ｅ３　−Ｅ１　
≒Ｅ４　−Ｅ２　である。

【００１８】ここで、図６の４準位系に示すように、光
ファイバ１０および光制御セル４２では同一波長λの光
に対して基底吸収および励起吸収の２種類の吸収が発生
するので、その複合吸収について説明する。すなわち、
数式１に示すエネルギを有する光子が光ファイバ１０或
いは光制御セル４２に入射すると、第１準位Ｅ１　に存
在する電子は基底吸収によってその光子のエネルギをσ
１　の吸収断面積で吸収して第３準位Ｅ３　へ励起され
る。この第３準位Ｅ３　へ励起された電子は、所定の緩
和率Ａ３１およびＡ３２でそれぞれ第１準位Ｅ１　や第
２準位Ｅ２　に緩和する。一方、第２準位Ｅ２　に緩和
した電子は、励起吸収によって光子エネルギをσ２　の
吸収断面積で吸収して第４準位Ｅ４　に励起される。な
お、数式１において、ｈはプランク定数、Ｃは光速、ν
は光の周波数、λは光の波長である。

【００１９】

【数１】

【００２０】以上の複合吸収において、理論的には、光
ファイバ１０或いは光制御セル４２の緩和率が数式２お
よび数式３に示す条件を満足し、且つ初期透過率ＴＯ　
が５０％である場合には、所定の波長λに対する励起吸
収と基底吸収との強度比σ２１（＝σ２　／σ１　）が
１より大きい（σ２１＞１）ことにより、光ファイバ１
０或いは光制御セル４２に入射する光の強度が大きくな
るに従って、基底状態における吸収断面積σ１　による
基底吸収は飽和するのに対して励起状態における吸収断
面積σ２　による励起吸収は増大し、この吸収断面積σ
２　による吸収が飽和するまでは光透過率が減少する。たとえば、前記実施例の光ファイバ１０では、シリカガ
ラスに４７０ｐｐｍ程度のエルビウム元素Ｅｒ３＋およ
び５００ｐｐｍ程度のアルミニウム元素Ａｌ３＋がドー
プされているので、波長λ＝７８７ｎｍに対する励起吸
収と基底吸収との強度比σ２１は「４」程度である。こ
の強度比σ２１は、母材に共添加する元素の種類および
入射光の波長に依存して変化し、１以下から５程度の値
をとることが可能であることから、１より大きい値とす
ることにより上記励起吸収によるレーザ光Ｌの光透過率
の制御が可能となるのである。

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】ここで、数式２に示すγは、第３準位Ｅ３
　から第２準位Ｅ２　への移乗の割合を示しており、上
記強度比σ２１の大きさとともに励起吸収の働きを示す
パラメータである。また、数式３に示すζは、第３準位
Ｅ３　からの緩和率と第４準位Ｅ４　からの緩和率との
割合を示しており、小さい値程第２準位Ｅ２　からの励
起吸収の飽和が生じ難いことを示している。また、本実
施例の光制御セル４２では、第２準位Ｅ２　（　４Ｉ１
３／２）から第１準位（　４Ｉ１５／２）への緩和率Ａ
２１は７１ｓｅｃ　−１である。また、第４準位Ｅ４　
（　４Ｈ１１／２）から第２準位Ｅ２　（　４Ｉ１３／
２）への緩和過程は、その第４準位Ｅ４　（　４Ｈ１１
／２）のすぐ下にある準位　４Ｓ３／２　に非常に速や
かに緩和した後、その準位　４Ｓ３／２　から第２準位
Ｅ２　（　４Ｉ１３／２）へ１５０μｓｅｃ　で緩和す
るので、第４準位Ｅ４　（　４Ｈ１１／２）から第２準
位Ｅ２　（　４Ｉ１３／２）への緩和率Ａ４２は６３０
０ｓｅｃ　−１である。また、第３準位Ｅ３　（　４Ｉ
９／２　）から第１準位（　４Ｉ１５／２）への緩和は
多フォノン放出過程であり、その緩和率は遷移準位間の
エネルギ差から求められる。すなわち、第３準位Ｅ３　
（　４Ｉ９／２　）と準位４Ｉ１１／２との間のエネル
ギ差は２２５４ｃｍ−１、およびその準位　４Ｉ１１／
２と第２準位（　４Ｉ１３／２）との間のエネルギ差は
３６５０ｃｍ−１であるから、第３準位Ｅ３　（４Ｉ９
／２　）から第２準位（　４Ｉ１３／２）への緩和率Ａ
３２は８０００ｓｅｃ　−１程度となる。さらに、第３
準位Ｅ３　（　４Ｉ９／２　）から第１準位（　４Ｉ１
５／２）への緩和率Ａ３１は１６００ｓｅｃ　−１程度
となる。したがって、前記γは１４０程度の値となり、
また、前記ζは１．５程度の値となる。

【００２４】数式４は、前記光ファイバ１０および光制
御セル４２の特性を理論的に説明するために本発明者が
予め求めた４準位系複合吸収モデルの基本的飽和方程式
である。図７は、初期透過率ＴＯ　を０．５と設定する
とともに、上記のようにγ＝１４０，ζ＝１．５とした
場合において、強度比σ２１を０．１から６まで変化さ
せた場合に、上記数式４に示す基本的飽和方程式を用い
てそれぞれ得られた透過率曲線の数値解析結果である。なお、数式４において、Ｔは入射光強度Ｉｉｎに依存す
る透過率であり、Ｉｉｎ’は入射光強度の無次元の実効
値である。

【００２５】

【数４】

【００２６】図７において、σ２１≦１のときは入射光
強度を大きくするに従って光ファイバ１０および光制御
セル４２の透過率が単調に増大し、その後に吸収が完全
に飽和する。しかし、σ２１＞１のときは第２準位Ｅ２
　からの励起吸収の作用により、入射強度が大きくなる
に伴って光ファイバ１０および光制御セル４２の透過率
曲線にへこみが発生する。このように透過率が５０％を
下まわる領域において光ファイバ１０および光制御セル
４２を透過するレーザ光ＬＳ　を減少させたり若しくは
オフ状態としたりする制御が理論的に行われ得るのであ
る。

【００２７】図８は、図９の透過率測定装置を用いて光
ファイバ１０の透過率のレーザ光強度依存性を実際に測
定した結果を示している。図９において、図１の装置と
共通する部分には同一の符号を用いて説明が省略されて
いる。図９の演算器３０においては、光ファイバ１０の
一端に入射させられるレーザ光ＬＣ　と光ファイバ１０
の他端から出射させられる上記レーザ光ＬＣ　との強度
との差に基づいて光ファイバ１０中におけるレーザ光Ｌ
Ｃ　の透過率が算出される。

【００２８】図７において理論的に予想したように、図
８においては、レーザ光ＬＣ　の強度の増加に対して逆
に透過率が減少する負性領域が観測されている。また、
図８中のＡ点およびＢ点は、透過率曲線の変曲点および
極小点であり、これらの点における光強度は図２におけ
るＡ点およびＢ点の光強度とほぼ一致している。

【００２９】ここで、図２においてレーザ光ＬＳ　がＡ
点およびＢ点において不連続な変化を示している理由は
、透過率曲線における変曲点および極小点において一次
の相転移が生じたためであると考えられる。この一次の
相転移は、一般に、レーザ発振器の中にその発振周波数
で吸収飽和する媒質（可飽和吸収体）を挿入することに
より生じ、これが前記した吸収飽和型双安定半導体レー
ザの動作基本原理である。すなわち、小さい光強度で低
透過率状態を示し、大きい光強度で高透過率状態を示す
ことを利用して光入力を加えることによりオフ状態から
オン状態に光スイッチするのである。これに対して、本
発明で得られた透過率に負性光強度依存性を示す複可飽
和吸収体は、小さい光強度で高透過率状態を示し、大き
い光強度で低透過率状態を実現している。このことは、
前記数値解析において一般の可飽和吸収体はσ２１≦１
の場合に相当し、本発明で得られた可飽和吸収体はσ２
１＞１の場合に相当することからも理論的に理解できる
のである。

【００３０】上述のように、本実施例によれば、固体光
透過媒体として機能するシリカガラスには、制御光であ
るレーザ光ＬＣ　に励起されることに関連して発生する
励起吸収により被制御光であるレーザ光ＬＳ　を吸収す
るエルビウム元素Ｅｒ３＋がドープされているので、被
制御光であるレーザ光ＬＳ　が透過させられている状態
で光ファイバ１０或いは光制御セル４２に制御光である
レーザ光ＬＣ　が入射させられると、そのレーザ光ＬＣ
　を基底吸収することによって励起が行われるともに、
この基底吸収に関連して吸収する励起吸収が発生してレ
ーザ光ＬＳ　の透過率が低下し、レーザ光ＬＳ　の出力
がオフ状態とされる。また、上記光ファイバ１０或いは
光制御セル４２に対するレーザ光ＬＣ　の入射が停止さ
れると、それを透過しているレーザ光ＬＳ　に対する励
起吸収がなくなって光ファイバ１０或いは光制御セル４
２を透過し、レーザ光ＬＳ　の出力が再びオン状態とさ
れるのである。

【００３１】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。たとえば、前述の実施例では、光制御セル４２のオ
ンオフ作動について説明されていたが、その光制御セル
４２に入射させるレーザ光ＬＣ　の光強度を連続的に変
化させる手段を設けることにより、光制御セル４２を透
過するレーザ光ＬＳ　の出力強度を連続的に制御するこ
とができる。

【００３２】また、前述の実施例では、半導体レーザ素
子４４が用いられていたが、ＬＥＤ、色素レーザ素子な
どの他の種類の単色光源が用いられても差支えない。

【００３３】また、前述の実施例では、光制御セル４２
が半導体レーザ素子４０の端面に用いられていたが、光
集積回路内の光路中に設けられていてもよいのである。

【００３４】また、前述の実施例の光制御セル４２は石
英系或いは弗化物系ガラスを母材としていたが、窒化珪
素などの絶縁体や、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓなどのたとえ
ばバンドギャップが少なくとも１．６ｅＶの半導体など
、他の固体光透過媒体を母材として用いられてもよい。エルビウムなどの希土類元素ではその原子の最外殻が電
子で満たされており、その電子によるシールド効果のた
めに内側の非閉殻の光学遷移はあまり母材の影響を受け
ないからである。

【００３５】また、前述の実施例の光ファイバ１０およ
び光制御セル４２には、エルビウム元素Ｅｒ３＋に加え
てアルミニウム元素Ａｌ３＋がそれぞれドープされてい
るが、エルビウム元素Ｅｒ３＋だけでもよく、反対に、
上記アルミニウム元素Ａｌ３＋に替えて或いは加えて、
励起吸収の改善のための他の元素がドープされてもよい
。また、前述の実施例の光ファイバ１０および光制御セ
ル４２では、シリカガラスなどの固体光透過媒体におい
てエルビウム元素Ｅｒ３＋がドープされることにより４
準位系が構成されていたが、エルビウム元素Ｅｒ３＋に
代わる他の元素、たとえば希土類元素がドープされるこ
とにより４準位系が基本的に構成されていても差支えな
い。

【００３６】また、前述の実施例では、被制御光である
レーザ光ＬＳ　および制御光であるレーザ光ＬＣ　の波
長は７８７ｎｍが用いられていたが、７７０ｎｍ乃至８
３０ｎｍの範囲内であれば、励起吸収による被制御光の
制御が可能である。

【００３７】なお、上述したのはあくまでも本発明の一
実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲にお
いて種々変更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光制御素子の一例である光ファイバの
光制御機能を測定する装置の構成を示す図である。

【図２】図１の実施例において光ファイバに入射させる
レーザ光の強度とその光ファイバを透過するレーザ光Ｌ
Ｓ　を検出するロックイン増幅器の出力信号との関係を
示す図である。

【図３】本発明の光制御素子の他の例である光制御セル
を含むレーザ光出力制御装置の構成を示す図である。

【図４】図３の実施例の光制御セルにおいて制御光であ
るレーザ光ＬＣ　と被制御光であるレーザ光ＬＳ　との
関係を説明する図である。

【図５】図１の光ファイバおよび図３の光制御セルにド
ープされているエルビウム元素のエネルギ準位を説明す
る図である。

【図６】図５のエネルギ準位の理解を容易とするために
主要な準位から構成される４準位モデルを示す図である
。

【図７】図１の光ファイバおよび図３の光制御セルにお
ける励起吸収作用を説明するための図であって、４準位
系モデルにおけるレーザ光の強度と透過率との関係の数
値解析結果を、所定の波長λに対する励起吸収と基底吸
収との強度比σ２１をパラメータとして説明する図であ
る。

【図８】図１の実施例の光ファイバに入射させるレーザ
光ＬＣ　の強度とその透過率との関係を示す図である。

【図９】図８に示すレーザ光ＬＣ　とその透過光との関
係を求めるための装置を説明する図である。

【符号の説明】

１０　　光ファイバ（光制御素子）４２　　光制御セル（光制御素子）ＬＣ　　　レーザ光（制御光）ＬＳ　　　レーザ光（被制御光）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　所定波長λの被制御光と同一波長の制
御光を用いて該被制御光の強度を制御するために、被制
御光の光路に配設される光制御素子であって、固体光透
過媒体と、該固体光透過媒体にドープされ、前記所定波
長λの光に対する準安定準位Ｅ２　から励起準位Ｅ４　
への励起吸収の度合が、基底準位Ｅ１　から励起準位Ｅ
３　への基底吸収の度合よりも大きい４準位エネルギ系
を有する元素とを備え、該固体光透過媒体に照射される
前記制御光の強度の増加に関連して前記被制御光の透過
率が減少する負性特性を示すことを特徴とする光制御素
子。
【請求項２】　　前記固体光透過媒体にはエルビウム元
素Ｅｒ３＋がドープされており、該エルビウム元素Ｅｒ
３＋の　４Ｉ１５／２準位、　４Ｉ１３／２準位、　４
Ｉ９／２　準位、　４Ｈ１１／２準位が、前記基底準位
Ｅ１　、準安定準位Ｅ２　、励起準位Ｅ３　、励起準位
Ｅ４　をそれぞれ構成しているものである請求項１に記
載の光制御素子。
【請求項３】　　前記固体光透過媒体は、石英系或いは
弗化物系ガラス、窒化珪素、半導体から選択された１つ
の物質である請求項１または請求項２に記載の光制御素
子。
【請求項４】　　前記制御光および被制御光の波長λは
、７７０〜８３０ｎｍの範囲内である請求項１乃至請求
項３のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項５】　　前記固体光透過媒体には、少なくとも
アルミニウム元素が更にドープされている請求項１乃至
請求項４のいずれかに記載の光制御素子。