JPH0786627B2 - Optical waveguide - Google Patents

Optical waveguide

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JPH0786627B2
JPH0786627B2 JP5169387A JP5169387A JPH0786627B2 JP H0786627 B2 JPH0786627 B2 JP H0786627B2 JP 5169387 A JP5169387 A JP 5169387A JP 5169387 A JP5169387 A JP 5169387A JP H0786627 B2 JPH0786627 B2 JP H0786627B2
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absorption
optical waveguide
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勉 柳川
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光の非線形現象そのものをひき起こす非線形
光学定数の実効的な改善をもたらすものであり、非線形
現象の長距離にわたる伝搬を要する分野、及び非線形現
象の相互作用長を大きくとりたい場合に特に有効となる
光ファイバや基板上に形成された薄膜状光導波路等の光
導波路に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention provides effective improvement of a nonlinear optical constant that causes an optical nonlinear phenomenon itself, and is a field requiring propagation of a nonlinear phenomenon over a long distance. And an optical waveguide such as a thin-film optical waveguide formed on an optical fiber or a substrate, which is particularly effective when it is desired to increase the interaction length of a nonlinear phenomenon.

〔従来の技術および問題点〕[Conventional technology and problems]

光ファイバ等の光導波路における光の非線形効果を実効
的に高めるためには、非線形光学定数の大きい物質を
用いる、非線形光学媒質との相互作用長を大きくす
る、光のビーム径(光と非線形光学媒質との相互作用
断面積)を小さくする、非線形光学媒質に入射する光
の強度を大きくする、等が有効である。
In order to effectively enhance the nonlinear effect of light in an optical waveguide such as an optical fiber, a substance with a large nonlinear optical constant is used, the interaction length with a nonlinear optical medium is increased, and the beam diameter of light (optical and nonlinear optical It is effective to reduce the interaction cross section with the medium), increase the intensity of light incident on the nonlinear optical medium, and the like.

従来、非線形光学媒質には、前記の非線形光学定数そ
のものが大きいGe,Si,GaAs,InSb,InAs,CdS,DdSe,HgCdT
e,CdSSe等の半導体をドープしたガラス板が、,の
例としては、コア径が小さく長距離導波が可能な通常の
単一モード光ファイバが、それぞれの大出力レーザ
(YAG,Ar,Kr,色素レーザ等)とともに用いられていた。
最近では、前記〜を同時に満たす媒質として、ファ
イバラマンレーザに代表されるような光アクティブ線路
の分野で、Nd3+,Er3+等のイオンをドープした光ファイ
バが試作されはじめている。ところが、では非線形光
学定数が大きいものの(バンドギャップエネルギー値近
傍の波長で、x(3)〜10-9MKSに及ぶものすら存在す
る)、光の損失が大きく、相互作用長を大きくすること
はできない。光ファイバについては、例えば1.5μm帯
において−0.2dB/Kmのものが実現されており、この点有
利であるが、x(3)〜1033MKSと極端に小さい非線形光学
定数を有しているにすぎない。このため前述のNd3+,Er
3+をドープすることが考案されたが、残念なことには、
これらには光ファイバの最小損失波長域(1.3μm、1.5
μm帯)におけるドープイオンのかなり大きな吸収が存
在しており、これが大きな損失となる。したがって、こ
のような光ファイバを用いて、非線形現象の相互作用
長、伝搬長を大きくすることは事実上不可能である。
Conventionally, non-linear optical media include Ge, Si, GaAs, InSb, InAs, CdS, DdSe, HgCdT, which have large non-linear optical constants.
For example, a glass plate doped with a semiconductor such as e, CdSSe is a normal single-mode optical fiber with a small core diameter and long-distance waveguiding, and each high-power laser (YAG, Ar, Kr , Dye laser, etc.).
Recently, as a medium that simultaneously satisfies the above items (1) to ( 3) , in the field of an optical active line represented by a fiber Raman laser, an optical fiber doped with ions such as Nd 3+ and Er 3+ has begun to be experimentally manufactured. However, though the nonlinear optical constant is large (even at wavelengths near the bandgap energy value, there are even x (3) to 10 -9 MKS), the optical loss is large and the interaction length cannot be increased. Can not. Regarding the optical fiber, for example, one with −0.2 dB / Km has been realized in the 1.5 μm band, which is advantageous, but it has an extremely small nonlinear optical constant of x (3) to 10 33 MKS. Nothing more. Therefore, the above-mentioned Nd 3+ , Er
It was devised to dope 3+ , but unfortunately,
These include the minimum loss wavelength range of optical fibers (1.3 μm, 1.5
There is a considerable absorption of the doped ions in the (μm band), which results in a large loss. Therefore, it is practically impossible to increase the interaction length and propagation length of a nonlinear phenomenon by using such an optical fiber.

本発明の目的は、前記従来の問題点を改善することにあ
り、損失を伴わない状態で非線形光学定数の増大を図
り、従来の非線形光学媒質と比較して、相互作用長、伝
盤長を大幅に大きくすることが可能な光ファイバ等の光
導波路を実現することである。
An object of the present invention is to improve the above-mentioned conventional problems, to increase the nonlinear optical constant in a state without loss, and to improve the interaction length and the transmission plate length as compared with the conventional nonlinear optical medium. It is to realize an optical waveguide such as an optical fiber that can be significantly enlarged.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

一般にエネルギー準位に共鳴する波長付近では、比較的
大きな非線形光学定数が得られることが知られている。
なお、ここで言うエネルギー準位とは、原子、イオンの
遷移レベルのことを指すが、半導体の場合には、バンド
ギャップに相当することになる。また、励起子準位、不
純物準位もこれに当たる。
It is generally known that a relatively large non-linear optical constant can be obtained near the wavelength that resonates with the energy level.
The energy level referred to here means the transition level of atoms and ions, but in the case of semiconductors, it corresponds to the band gap. The exciton level and the impurity level also correspond to this.

しかし、このエネルギー準位間の遷移が吸収に寄与する
場合には、光強度に対して損失として作用する。このた
め、例えば100m〜10Kmという長距離にわたる非線形効果
を観測したい場合や、相互作用長を大きくとりたい場合
には、吸収を可能な限り小さくしなければならないとい
う必然性がでてくる。
However, when the transition between the energy levels contributes to absorption, it acts as a loss on the light intensity. Therefore, when it is desired to observe a non-linear effect over a long distance of 100 m to 10 Km or to obtain a large interaction length, it is inevitable that absorption should be made as small as possible.

本発明は従来のものと異なり、使用する光の波長域で線
形吸収による損失増加を伴うことなく非線形光学定数の
増大をもたらすものである。特に光ファイバの最小損失
波長域(1.3μm,1.5μm帯)においても後述の実施例の
ように上記光ファイバが実現できる。
Unlike the conventional one, the present invention brings about an increase in the nonlinear optical constant without increasing the loss due to linear absorption in the wavelength range of the light used. In particular, even in the minimum loss wavelength region (1.3 μm, 1.5 μm band) of the optical fiber, the above optical fiber can be realized as in the embodiment described later.

第1図に1光子過程を伴わない2光子過程のダイヤグラ
ムを示す。ω1の2つの光子がωω+ωとな
るωとほぼ共鳴状態となっている場合を第1−(a)図
に、ω2ωとなっている場合を第1−(b)図にそ
れぞれ示す。半導体においてバンドギャップEgがhωに
相当する。なお、ここで言う共鳴状態とは、光子のエネ
ルギーが例えば半導体のバンドギャップエネルギーに一
致するために光が吸収される状態にあることを言う。こ
の図ではω1の1光子過程による吸収レベルが存在
しないため、ファイバ中で過剰損失を受けることなく、
2光子過程による非線形光学定数の強調が実現される。
励起子・不純物準位をこの2光子過程のレベルとして用
いる場合には、hωがこの励起子準位・不純物準位に相
当することになる。第2図に、バンドギャップ、励起子
準位の一例を示す。
FIG. 1 shows a diagram of a two-photon process without a one-photon process. omega 1, the case where two photons of omega 2 is almost resonance with omega becomes ωω 1 + ω 2 to a 1-(a) figure, if a Omega2omega 1 second 1-(b) Each is shown in the figure. In the semiconductor, the band gap Eg corresponds to hω. Note that the resonance state here means that light is absorbed because the energy of photons matches the band gap energy of a semiconductor, for example. In this figure, since there is no absorption level due to the one-photon process of ω 1 and ω 2 , there is no excess loss in the fiber,
The enhancement of the nonlinear optical constant by the two-photon process is realized.
When the exciton / impurity level is used as the level of this two-photon process, hω corresponds to this exciton / impurity level. FIG. 2 shows examples of band gaps and exciton levels.

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
The present invention is not limited to these examples.

〔実施例1〕 比較的x(3)の大きい非線形光学媒質として、半導体微粒
子を光ファイバのコアにドープする。これは1光子過程
における共鳴波長では吸収損失がかなり大きい。(この
ため、典型的な例としては、2〜3mmの長さで、60%透
過となる。)第2図に半導体および金属酸化物のバンド
ギャップと励起子準位の一例が示されている。これらは
光ファイバの低損失波長域(1.0〜1.6μm帯)において
は透過性を示すが、ωω+ωとなるωに当たる0.
5〜0.8μm帯にバンドギャップ、あるいは、励起子準位
を有している。このため、光ファイバの低損失波長域
で、1光子過程による損失としての吸収を受けることな
く2光子過程による非線形光学定数の強調が行なわれる
ことになる。
[Example 1] As a nonlinear optical medium having a relatively large x (3) , semiconductor fine particles are doped into the core of an optical fiber. This is because the absorption loss is considerably large at the resonance wavelength in the one-photon process. (For this reason, as a typical example, 60% transmission is obtained with a length of 2 to 3 mm.) FIG. 2 shows an example of band gaps and exciton levels of semiconductors and metal oxides. . These show transmissivity in the low loss wavelength range (1.0 to 1.6 μm band) of the optical fiber, but they correspond to ω which is ωω 1 + ω 2 .
It has a band gap or exciton level in the 5 to 0.8 μm band. Therefore, in the low-loss wavelength region of the optical fiber, the nonlinear optical constant is enhanced by the two-photon process without being absorbed as a loss by the one-photon process.

具体的には、CdS、CdSeの混晶であるCdSxSe1-xがあげら
れる。これは、S,Seの組成比(x)を調節することによ
りCdS,CdSeのバンドギャップの間の任意のエネルギー値
にCdSxSe1-xのバンドギャップ値を設定できる半導体で
あり、60%透過の1光子過程でx(3)は10-16〜10-17KMS
に達する。これを光ファイバにドープすると、低損失波
長域(0.8μm〜1.5μm帯)で1光子過程に起因する損
失を伴なうことなく2光子過程によるx(3)の増強が実現
できる。
Specifically, there is CdS x Se 1-x which is a mixed crystal of CdS and CdSe. This is a semiconductor in which the band gap value of CdS x Se 1-x can be set to an arbitrary energy value between the band gaps of CdS and CdSe by adjusting the composition ratio (x) of S and Se. X (3) in the one-photon process of transmission is 10 -16 to 10 -17 KMS
Reach When this is doped into an optical fiber, x (3) can be enhanced by the two-photon process in the low loss wavelength range (0.8 μm to 1.5 μm band) without the loss due to the one-photon process.

〔実施例2〕 2光子過程に用いるエネルギー準位を励起子準位、不純
物準位に設定することも可能であるが、ここでは励起子
準位の例を示す。前述のように非線形光学媒質として、
1光子過程の励起子吸収のピークにほぼ共鳴する状態で
これらを使用すると、大きい吸収損失を招く。この励起
子に対し、1光子過程で非共鳴であり、2光子過程でほ
ぼ共鳴るように光の波長を設定すると、吸収損失のない
非線形光学定数の大きい媒質が実現できる。これは2光
子過程での共鳴によりx(3)が増強されるためである。例
えば、第2図に示したように、CdS,CdSeは2.54eV、1.82
eV付近に、CdSxSe1-xはこの間の2.04〜2.09eV付近に、
それぞれ励起子吸収のピークを有している。CdSでは1.3
μmYAGレーザと0.77μmの半導体レーザというように、
2個の光子のエネルギー和が第1−(a)図のように、
この励起子吸収のピーク付近にくるように設定できるの
で、上述の条件を満たすことができる。また、CdS,CdS
e,CuCl,CuBrでは、2個の励起子が互いに束縛し合って
励起子分子を構成するので、大きな非線形光学定数が得
られる。これは、1個の光子が励起子吸収のピークと非
共鳴であっても、第1−(b)図のように、2個の光子
が、励起子分子のレベルとほぼ共鳴する状態が作り出
せ、非線形定数の増強が起こるためである。この励起子
分子には大きな電子軌道が存在するので、巨大振動子効
果が起こり、特に大きな非線形光学定数が得られる。フ
ァイバの低損失波長域で、この効果を利用するにはGaA
s,InP,CdTe,CdSe等の利用が有効である。
[Example 2] Although it is possible to set the energy level used in the two-photon process to the exciton level or the impurity level, an example of the exciton level is shown here. As mentioned above, as a nonlinear optical medium,
If these are used in a state of almost resonating with the exciton absorption peak of the one-photon process, a large absorption loss is caused. By setting the wavelength of the light so that the excitons are non-resonant in the one-photon process and are almost resonant in the two-photon process, a medium having a large nonlinear optical constant without absorption loss can be realized. This is because x (3) is enhanced by resonance in the two-photon process. For example, as shown in Fig. 2, CdS and CdSe are 2.54 eV, 1.82
near eV, CdS x Se 1-x near 2.04 to 2.09 eV,
Each has a peak of exciton absorption. 1.3 for CdS
A μm YAG laser and a 0.77 μm semiconductor laser,
The energy sum of two photons is as shown in Fig. 1- (a).
Since it can be set so as to be near the peak of this exciton absorption, the above-mentioned condition can be satisfied. Also, CdS, CdS
In e, CuCl, and CuBr, two excitons are bound to each other to form an exciton molecule, so that a large nonlinear optical constant is obtained. This means that even if one photon is non-resonant with the exciton absorption peak, it is possible to create a state in which two photons almost resonate with the level of the exciton molecule, as shown in Fig. 1- (b). , Because the non-linear constant is increased. Since a large electron orbit exists in this exciton molecule, a giant oscillator effect occurs and a particularly large nonlinear optical constant is obtained. To take advantage of this effect in the low loss wavelength region of the fiber, GaA
Use of s, InP, CdTe, CdSe, etc. is effective.

ドープする結晶の寸法が100Å程度以下(微粒子)の場
合、量子サイズ効果によって電子の束縛エネルギーが大
きくなり、室温状態でも励起子吸収のピークが観測でき
ることがわかっており、これに対しても2光子遷移の利
用により、良質な非線形光学媒質が、実現できる。さら
に、ドープ粒子の寸法を制御することにより、励起子吸
収のエネルギー値を制御することができる。
It is known that when the size of the crystal to be doped is about 100 Å or less (fine particles), the binding energy of electrons increases due to the quantum size effect, and the peak of exciton absorption can be observed even at room temperature. A high-quality nonlinear optical medium can be realized by utilizing the transition. Further, by controlling the size of the doped particles, the energy value of exciton absorption can be controlled.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明によれば、所望の光の波長
域で、特に光ファイバの最小損失波長域である1.3μm,
1.5μm帯で過剰損失がなく、非線形効果の大きい光フ
ァイバが実現できる。このため、本発明は、ソリトンレ
ーザ、ソリトン伝送、光パルス圧縮、光子数の非破壊測
定、光子数状態無歪伝送等の非線形光学現象の長距離に
わたる伝搬を要する分野、相互作用長を長くする必要の
ある分野、損失が特性劣化に大きな影響を及ぼすような
分野に大きな貢献を果たすものである。
As described above, according to the present invention, in the wavelength range of the desired light, especially 1.3 μm which is the minimum loss wavelength range of the optical fiber,
An optical fiber with a large non-linear effect can be realized without excessive loss in the 1.5 μm band. Therefore, the present invention is a field requiring propagation of long-distance non-linear optical phenomena such as soliton laser, soliton transmission, optical pulse compression, nondestructive measurement of photon number, and photon number state distortion-free transmission, and lengthening interaction length. It will make a great contribution to the necessary fields and the fields where the loss has a great influence on the deterioration of characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1−(a)図はω≠ωでωω+ωの2光子
過程のダイヤグラム、第1−(b)図はω=ωでω
2ωのダイヤグラム、第2図は半導体、金属酸化物
のバンドギャップ、及び励起子準位を示す図である。
1- (a) is a diagram of a two-photon process of ω 1 ≠ ω 2 and ω ω 1 + ω 2 , and FIG. 1- (b) is ω 1 = ω 2 and ω 1 = ω 2 .
1 diagram, FIG. 2 is a diagram showing a band gap of a semiconductor, a metal oxide, and an exciton level.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも光導波路のコアに、使用する光
の波長で1光子吸収が起こらず、2光子以上の多光子共
鳴がバンドギャップエネルギー値の近傍、あるいは励起
子吸収エネルギー値の近傍で起こるような半導体あるい
は金属酸化物の微粒子がドープされていることを特徴と
する光導波路。
1. At least in the core of an optical waveguide, one-photon absorption does not occur at the wavelength of light used, and multiphoton resonance of two or more photons occurs near the band gap energy value or near the exciton absorption energy value. An optical waveguide characterized by being doped with fine particles of such a semiconductor or metal oxide.
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