JPH0926605A - 光制御物質及びその光制御方法 - Google Patents
光制御物質及びその光制御方法Info
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
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- G02F3/024—Optical bistable devices based on non-linear elements, e.g. non-linear Fabry-Perot cavity
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 光入力変化に対して光出力変化が負性を示す
光制御物質を用いて、光学的に光信号が反転する素子を
実現する。 【構成】 吸収物質のエネルギー準位構造において、基
底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収である励
起準位からの吸収を有し、特定の光波長において、光入
力強度変化ΔＩｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ
が、以下の関係式を満足し、光入出力変化量（ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎ）が負の値を示すようにしたものである。 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ
…（１） α1 （１＋α2 γ）＞１
…（２） ここで、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。
光制御物質を用いて、光学的に光信号が反転する素子を
実現する。 【構成】 吸収物質のエネルギー準位構造において、基
底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収である励
起準位からの吸収を有し、特定の光波長において、光入
力強度変化ΔＩｉｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ
が、以下の関係式を満足し、光入出力変化量（ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎ）が負の値を示すようにしたものである。 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ
…（１） α1 （１＋α2 γ）＞１
…（２） ここで、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光によって光を制御す
る技術に係り、さらに詳しくは、光エレクトロニクス分
野において、光論理演算を行うために必要不可欠な光信
号反転技術として有用な光制御物質及びそれを用いた光
制御方法に関するものである。
る技術に係り、さらに詳しくは、光エレクトロニクス分
野において、光論理演算を行うために必要不可欠な光信
号反転技術として有用な光制御物質及びそれを用いた光
制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、以下に示すようなものがあった。近年、光エレ
クトロニクス技術の進展は顕著であって、光通信、光コ
ンピューター等の新しい時代を拓く基盤的技術としてそ
の重要性はますます大きなものとなっている。
例えば、以下に示すようなものがあった。近年、光エレ
クトロニクス技術の進展は顕著であって、光通信、光コ
ンピューター等の新しい時代を拓く基盤的技術としてそ
の重要性はますます大きなものとなっている。
【０００３】このような状況において、光利用のための
制御技術は、光エレクトロニクスのための要素技術とし
て重要、かつ、不可欠なものとなっている。この制御技
術の一つとして、光信号によってコンピューターの論理
演算を行う光制御の方法が注目され、これまでにもその
高度化のための検討が進められている。
制御技術は、光エレクトロニクスのための要素技術とし
て重要、かつ、不可欠なものとなっている。この制御技
術の一つとして、光信号によってコンピューターの論理
演算を行う光制御の方法が注目され、これまでにもその
高度化のための検討が進められている。
【０００４】例えば、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は、被制御光を制御光によ
り制御する研究が行われている。この方法は、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その有用性が
期待できる。
クトロニクスの分野においては、被制御光を制御光によ
り制御する研究が行われている。この方法は、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その有用性が
期待できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記した技術に対し、
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
活発に研究されてもいる。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５９、１５５頁〜１６３頁：１９９０年２月
発行）。
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
活発に研究されてもいる。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５９、１５５頁〜１６３頁：１９９０年２月
発行）。
【０００６】しかしながら、このような光強度によって
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 ｆｏｕｒｗａｖｅ ｍｉｘ
ｉｎｇ ｉｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｄｏｐｅ
ｄ ｇｌａｓｓｅｓ”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，７
３，ｐｐ．６４７〜６５３（Ｍａｙ １９８３）〕。
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 ｆｏｕｒｗａｖｅ ｍｉｘ
ｉｎｇ ｉｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｄｏｐｅ
ｄ ｇｌａｓｓｅｓ”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，７
３，ｐｐ．６４７〜６５３（Ｍａｙ １９８３）〕。
【０００７】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
（ＮＯＴ回路）には負の光パルスが存在しないため、実
現されていない（応用物理５８，第１５７４頁〜１５８
３頁：１９８９年１１月発行）のが実情である。
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
（ＮＯＴ回路）には負の光パルスが存在しないため、実
現されていない（応用物理５８，第１５７４頁〜１５８
３頁：１９８９年１１月発行）のが実情である。
【０００８】本発明は、上記の実情に鑑みて成されたも
のであり、従来技術の欠点を解消し、光信号を反転させ
ることにより、光学的に反転回路を実現し、全光型論理
演算を可能とする光制御物質及び光制御方法を提供する
ことを目的としている。
のであり、従来技術の欠点を解消し、光信号を反転させ
ることにより、光学的に反転回路を実現し、全光型論理
演算を可能とする光制御物質及び光制御方法を提供する
ことを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 （１）吸収物質のエネルギー準位構造において、基底吸
収である基底準位からの吸収と、励起吸収である励起準
位からの吸収を有し、前記基底吸収および励起吸収が生
じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉｎに対する
光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負の値を示すようにしたものである。
成するために、 （１）吸収物質のエネルギー準位構造において、基底吸
収である基底準位からの吸収と、励起吸収である励起準
位からの吸収を有し、前記基底吸収および励起吸収が生
じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉｎに対する
光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの値が負の値を示すようにしたものである。
【００１０】（２）上記（１）記載の光制御物質におい
て、以下の関係式を満足することを特徴とする光制御物
質。 ΔＩｏｕｔ＝（１−α1 （１＋α2 γ））ΔＩｉｎ …（１） α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） ここで、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。
て、以下の関係式を満足することを特徴とする光制御物
質。 ΔＩｏｕｔ＝（１−α1 （１＋α2 γ））ΔＩｉｎ …（１） α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） ここで、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。
【００１１】（３）上記（１）又は（２）記載の光制御
物質において、絶縁体、半導体、ガラス及びセラミック
スの群から選択された物質中に、少なくとも１種の遷移
金属元素または、希土類元素を含有させるようにしたも
のである。 （４）上記（３）記載の光制御物質において、希土類元
素のエルビウムを含有させるようにしたものである。
物質において、絶縁体、半導体、ガラス及びセラミック
スの群から選択された物質中に、少なくとも１種の遷移
金属元素または、希土類元素を含有させるようにしたも
のである。 （４）上記（３）記載の光制御物質において、希土類元
素のエルビウムを含有させるようにしたものである。
【００１２】（５）上記（４）の光制御物質において、
希土類元素のエルビウム（Ｅｒ3+）のエネルギー準位構
造において、基底吸収として 4Ｉ9/2 − 4Ｉ15/2準位、
励起吸収として 2Ｈ11/2− 4Ｉ13/2準位を用いるように
したものである。 （６）上記（１）又は（２）の光制御物質において、半
導体のバンド構造、不純物準位及び超格子構造を用いる
ようにしたものである。
希土類元素のエルビウム（Ｅｒ3+）のエネルギー準位構
造において、基底吸収として 4Ｉ9/2 − 4Ｉ15/2準位、
励起吸収として 2Ｈ11/2− 4Ｉ13/2準位を用いるように
したものである。 （６）上記（１）又は（２）の光制御物質において、半
導体のバンド構造、不純物準位及び超格子構造を用いる
ようにしたものである。
【００１３】（７）上記（１）、（２）、（３）、
（４）、（５）又は（６）記載の光制御物質において、
小型化するために端面に反射物を装着するようにしたも
のである。 （８）上記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、
（６）又は（７）記載の光制御物質に、２つ以上の光を
照射して１つの強度を変化させることによって、他の強
度を制御するようにしたものである。
（４）、（５）又は（６）記載の光制御物質において、
小型化するために端面に反射物を装着するようにしたも
のである。 （８）上記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、
（６）又は（７）記載の光制御物質に、２つ以上の光を
照射して１つの強度を変化させることによって、他の強
度を制御するようにしたものである。
【００１４】
【作用】本発明の光制御物質によれば、特定の光波長に
対して、基底吸収と励起吸収を有し、光入出力変化量を
負の値にすることができる。即ち、光入出力変化量が負
の値を示すことは、光入力の強度が増加すると、光出力
強度が減少し、逆に光入力強度が減少すると、光出力強
度が増加する。
対して、基底吸収と励起吸収を有し、光入出力変化量を
負の値にすることができる。即ち、光入出力変化量が負
の値を示すことは、光入力の強度が増加すると、光出力
強度が減少し、逆に光入力強度が減少すると、光出力強
度が増加する。
【００１５】この効果を利用すれば、光入力信号の増減
に対して光出力信号を反転させることができる。ただ
し、通常の単純な基底吸収のみの吸収物質の光入出力変
化量の値は正となり、上記に示した様なことは生じな
い。そこで、本発明では、励起吸収が生じる光制御物質
を用い、この励起吸収の効果により光入出力変化量を負
にすることを可能とした。
に対して光出力信号を反転させることができる。ただ
し、通常の単純な基底吸収のみの吸収物質の光入出力変
化量の値は正となり、上記に示した様なことは生じな
い。そこで、本発明では、励起吸収が生じる光制御物質
を用い、この励起吸収の効果により光入出力変化量を負
にすることを可能とした。
【００１６】上記の効果を次に示すエネルギー準位図を
用いて説明する。図１において、エネルギー差（Ｅ3 −
Ｅ1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギー差に
相当する光が入射した場合、α1 の吸収度によって、Ｅ
1 準位にあった電子はＥ3 準位に励起される。Ｅ3 準位
の電子は、γの割合でＥ2 準位に遷移し、α2 の吸収度
でＥ4 準位に励起される時に再び光を吸収する。
用いて説明する。図１において、エネルギー差（Ｅ3 −
Ｅ1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギー差に
相当する光が入射した場合、α1 の吸収度によって、Ｅ
1 準位にあった電子はＥ3 準位に励起される。Ｅ3 準位
の電子は、γの割合でＥ2 準位に遷移し、α2 の吸収度
でＥ4 準位に励起される時に再び光を吸収する。
【００１７】従って、入力光強度変化がΔＩｉｎであっ
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。ここで、励起吸収のない単純な基底吸収のみの
場合（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1 ＜１
であるから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値
は正となり、光入力強度の増減に比例して光出力強度は
増減することが分かる。
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。ここで、励起吸収のない単純な基底吸収のみの
場合（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1 ＜１
であるから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値
は正となり、光入力強度の増減に比例して光出力強度は
増減することが分かる。
【００１８】しかし、式（１）よりα1 ＜１の場合で
も、α2 γの値によっては、α1 （１＋α2 γ）＞１の
条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏｕｔ／Ｉｉｎ
の値が負となり、光入力強度の増減に対して光出力強度
が逆に減増する負性が現れることが理解できる。従っ
て、このような特徴を持つ光制御物質を用いて光信号を
反転することが可能となる。
も、α2 γの値によっては、α1 （１＋α2 γ）＞１の
条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏｕｔ／Ｉｉｎ
の値が負となり、光入力強度の増減に対して光出力強度
が逆に減増する負性が現れることが理解できる。従っ
て、このような特徴を持つ光制御物質を用いて光信号を
反転することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の実施例について図を参照
しながら説明する。通常の単純な基底吸収のみの吸収物
質の光入出力変化量の値は正である。本発明では、励起
吸収が生じる光制御物質を用い、この励起吸収の効果に
より光入出力変化量を負にするようにしたものである。
しながら説明する。通常の単純な基底吸収のみの吸収物
質の光入出力変化量の値は正である。本発明では、励起
吸収が生じる光制御物質を用い、この励起吸収の効果に
より光入出力変化量を負にするようにしたものである。
【００２０】この効果を次に示すエネルギー準位図を用
いて説明する。図１は本発明の光制御物質のエネルギー
準位図である。この図において、エネルギー差（Ｅ3 −
Ｅ1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）として、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギ
ー差に相当する光が、この光制御物質に入射した場合、
α1 の吸収度によって、Ｅ1 にあった電子はＥ3 準位に
励起される。Ｅ3 準位の電子はγの割合でＥ2 準位に遷
移し、α2 の吸収度でＥ4 準位に励起される時に再び光
を吸収する。
いて説明する。図１は本発明の光制御物質のエネルギー
準位図である。この図において、エネルギー差（Ｅ3 −
Ｅ1 ）≒（Ｅ4 −Ｅ2 ）として、Ｅ3 −Ｅ1 のエネルギ
ー差に相当する光が、この光制御物質に入射した場合、
α1 の吸収度によって、Ｅ1 にあった電子はＥ3 準位に
励起される。Ｅ3 準位の電子はγの割合でＥ2 準位に遷
移し、α2 の吸収度でＥ4 準位に励起される時に再び光
を吸収する。
【００２１】従って、入力光強度変化がΔＩｉｎであっ
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。なお、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸
収の吸収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸
収の下準位に遷移する割合である。
た場合、光制御物質を透過した後の出力光強度変化ΔＩ
ｏｕｔは、 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） となる。なお、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸
収の吸収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸
収の下準位に遷移する割合である。
【００２２】ここで、励起吸収のない単純な吸収の場合
（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1 ＜１であ
るから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値は正
となり、光入力強度の増減にほぼ比例して光出力強度は
増減することが分かる。しかし、式（１）よりα1 ＜１
の場合でも、α2 γの値によっては、α1 （１＋α
2 γ）＞１の条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏ
ｕｔ／Ｉｉｎの値が負となり、光入力強度の増減に対し
て光出力強度が逆に減増する負性が現れることが理解で
きる。すなわち、 α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） 従って、このような特徴を持つ光制御物質を用いて光信
号を反転することが可能となる。
（α2 ＝０）は、実際の光透過物質では、α1 ＜１であ
るから、光入出力変化量ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉｎの値は正
となり、光入力強度の増減にほぼ比例して光出力強度は
増減することが分かる。しかし、式（１）よりα1 ＜１
の場合でも、α2 γの値によっては、α1 （１＋α
2 γ）＞１の条件を満足する場合がある。即ち、ΔＩｏ
ｕｔ／Ｉｉｎの値が負となり、光入力強度の増減に対し
て光出力強度が逆に減増する負性が現れることが理解で
きる。すなわち、 α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） 従って、このような特徴を持つ光制御物質を用いて光信
号を反転することが可能となる。
【００２３】
〔実施例１〕図２は本発明の実施例を示す光制御物質の
Ｅｒ3+のエネルギー準位図を示し、光制御物質として希
土類元素の一つであるエルビウムを用いた場合である。
ここでσ1 及びσ2 は基底吸収及び励起吸収の吸収断面
積である。
Ｅｒ3+のエネルギー準位図を示し、光制御物質として希
土類元素の一つであるエルビウムを用いた場合である。
ここでσ1 及びσ2 は基底吸収及び励起吸収の吸収断面
積である。
【００２４】本実例では、イットリウム、アルミニウ
ム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％のＥｒ
を含有したφ１０ｍｍ×４ｍｍの試料を用いた。なお、
Ｅｒ：ＹＡＧ結晶のσ1 及びσ2 の値はほぼ測定されて
おり、それぞれ２及び６．３ｃｍ-1である〔Ｙ．Ｓｈｉ
ｍｏｎｙ ｃｔ ａｌ．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．６８，Ｐ．２９６６
（１９９０）〕。
ム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％のＥｒ
を含有したφ１０ｍｍ×４ｍｍの試料を用いた。なお、
Ｅｒ：ＹＡＧ結晶のσ1 及びσ2 の値はほぼ測定されて
おり、それぞれ２及び６．３ｃｍ-1である〔Ｙ．Ｓｈｉ
ｍｏｎｙ ｃｔ ａｌ．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．６８，Ｐ．２９６６
（１９９０）〕。
【００２５】従って、厚さ０．４ｃｍの試料を用いた場
合、その長さを吸収断面積に掛けて、基底吸収度α1 及
び励起吸収度α2 の値はそれぞれ０．８及び２．５程度
が見積もられる。よって、式（１）において、γ＞０．
１であれば、式（２）の条件を満足し、光入出力変化量
が負性を示すことができる。
合、その長さを吸収断面積に掛けて、基底吸収度α1 及
び励起吸収度α2 の値はそれぞれ０．８及び２．５程度
が見積もられる。よって、式（１）において、γ＞０．
１であれば、式（２）の条件を満足し、光入出力変化量
が負性を示すことができる。
【００２６】図３は本発明の実施例を示す光入出力特性
を測定するための装置の構成図である。この図に示すよ
うに、光源として用いた半導体レーザ素子１１は、駆動
制御回路１２及び温調器１３によって駆動させることに
より、一定波長（約７８８ｎｍ）のレーザ光を連続発振
またはパルス動作させて出力させた。
を測定するための装置の構成図である。この図に示すよ
うに、光源として用いた半導体レーザ素子１１は、駆動
制御回路１２及び温調器１３によって駆動させることに
より、一定波長（約７８８ｎｍ）のレーザ光を連続発振
またはパルス動作させて出力させた。
【００２７】レーザ光は回転式ニュートラルデンシティ
フィルタ１４を透過させ、レーザ光をビームスプリッタ
１５で分割し、一方をＥｒ：ＹＡＧの光制御物質１０に
入射させ、その透過光を第１の光検出器１６で受光し、
光パワーメータ１７およびデジタルオシロスコープ１８
で観測した。一方、ビームスプリッタで分割されたもう
一方のレーザ光は、第２の光検出器１９で受光し、光パ
ワーメータ１７およびオシロスコープ１８で観測した。
フィルタ１４を透過させ、レーザ光をビームスプリッタ
１５で分割し、一方をＥｒ：ＹＡＧの光制御物質１０に
入射させ、その透過光を第１の光検出器１６で受光し、
光パワーメータ１７およびデジタルオシロスコープ１８
で観測した。一方、ビームスプリッタで分割されたもう
一方のレーザ光は、第２の光検出器１９で受光し、光パ
ワーメータ１７およびオシロスコープ１８で観測した。
【００２８】図４は本発明の実施例を示す回転式ニュー
トラルデンシティフィルタを自動的に回転させ、フィル
タ濃度を変化させることによって、レーザ光強度を変化
させ、光制御物質に入射させた場合について、光パワー
メータで測定した実験結果を示す図である。図４（ａ）
は第２の光検出器１９で検出された入力光の強度変化を
示し、横軸は回転式ニュートラルデンシティフィルタの
送りステップ数であり、縦軸はそのステップにおける入
力強度Ｉｉｎ（μＷ）を表している。
トラルデンシティフィルタを自動的に回転させ、フィル
タ濃度を変化させることによって、レーザ光強度を変化
させ、光制御物質に入射させた場合について、光パワー
メータで測定した実験結果を示す図である。図４（ａ）
は第２の光検出器１９で検出された入力光の強度変化を
示し、横軸は回転式ニュートラルデンシティフィルタの
送りステップ数であり、縦軸はそのステップにおける入
力強度Ｉｉｎ（μＷ）を表している。
【００２９】図４（ｂ）は光制御物質１０を透過した後
の第１の光検出器１６で検出された出力光の強度変化を
示し、横軸は送りステップ数であり、縦軸はそのステッ
プにおける出力強度Ｉｏｕｔ（μＷ）を表している。図
４（ｃ）は横軸に入力光強度Ｉｉｎ（μＷ）、縦軸に出
力光強度Ｉｏｕｔ（μＷ）をとってプロットしたもので
ある。
の第１の光検出器１６で検出された出力光の強度変化を
示し、横軸は送りステップ数であり、縦軸はそのステッ
プにおける出力強度Ｉｏｕｔ（μＷ）を表している。図
４（ｃ）は横軸に入力光強度Ｉｉｎ（μＷ）、縦軸に出
力光強度Ｉｏｕｔ（μＷ）をとってプロットしたもので
ある。
【００３０】図４（ａ）と図４（ｃ）に対しては、横軸
のパラメータが異なるために直接比較することはできな
いが、各点の横軸はほぼ対応しているため両図を重ね合
わせてみると、それぞれの変化が図４（ｂ）のグラフに
対して線対称な形をしていることがわかる。即ち、入力
光強度が増加すると、光制御物質を透過した後の出力光
変化はその変化を打ち消す様に減少し、逆に入力光強度
が減少すると、出力光変化は、その変化を打ち消す様に
増加していることがわかる。
のパラメータが異なるために直接比較することはできな
いが、各点の横軸はほぼ対応しているため両図を重ね合
わせてみると、それぞれの変化が図４（ｂ）のグラフに
対して線対称な形をしていることがわかる。即ち、入力
光強度が増加すると、光制御物質を透過した後の出力光
変化はその変化を打ち消す様に減少し、逆に入力光強度
が減少すると、出力光変化は、その変化を打ち消す様に
増加していることがわかる。
【００３１】その結果、図４（ｂ）に示した様に、光制
御物質透過後の出力光は入力光の強度変化を打ち消して
単純な増加関係のグラフとなっている。なお、図４
（ｃ）のグラフのｐの所において、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの傾きが負になっていることが理解できる。図５は、
本発明の実施例を示す半導体レーザ素子を高速パルス動
作させた場合について、光制御物質を透過させた前後の
光入出力変化をオシロスコープで測定した実験結果を示
す図である。
御物質透過後の出力光は入力光の強度変化を打ち消して
単純な増加関係のグラフとなっている。なお、図４
（ｃ）のグラフのｐの所において、ΔＩｏｕｔ／ΔＩｉ
ｎの傾きが負になっていることが理解できる。図５は、
本発明の実施例を示す半導体レーザ素子を高速パルス動
作させた場合について、光制御物質を透過させた前後の
光入出力変化をオシロスコープで測定した実験結果を示
す図である。
【００３２】図５（ｂ）は、レーザ光が第２の光検出器
１９で検出された入力光波形を示し、図５（ａ）は光制
御物質を透過した後のレーザ光が第１の光検出器１６で
受光された光波形を示している。図５（ａ）と図５
（ｂ）を比べると、入出力信号光強度の大きさが反転し
ていることがわかる。
１９で検出された入力光波形を示し、図５（ａ）は光制
御物質を透過した後のレーザ光が第１の光検出器１６で
受光された光波形を示している。図５（ａ）と図５
（ｂ）を比べると、入出力信号光強度の大きさが反転し
ていることがわかる。
【００３３】この原因は、先の実験で述べた理由と同じ
であり、光制御物質内で光入力強度の増加に対しては、
減少する様に働き、逆に光入力強度の減少に対しては増
加する様に働くためである。 〔実施例２〕本発明における光制御物質は、半導体のバ
ンド構造、不純物準位および超格子構造を用いても可能
である。
であり、光制御物質内で光入力強度の増加に対しては、
減少する様に働き、逆に光入力強度の減少に対しては増
加する様に働くためである。 〔実施例２〕本発明における光制御物質は、半導体のバ
ンド構造、不純物準位および超格子構造を用いても可能
である。
【００３４】図６は本発明の実施例を示すガリウムひ素
（ＧａＡｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テル
ル）元素を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加
した場合のエネルギーバンド構造を示す図である。この
構造においては、常温において、不純物であるＴｅとＺ
ｎがイオン化してしまうため、低温において僅かながら
特性が得られる。
（ＧａＡｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テル
ル）元素を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加
した場合のエネルギーバンド構造を示す図である。この
構造においては、常温において、不純物であるＴｅとＺ
ｎがイオン化してしまうため、低温において僅かながら
特性が得られる。
【００３５】図７はＧａＡｓとＡｌX Ｇａ1-X Ａｓから
なる超格子構造のバンドモデルであり、この構造におい
ても特性が得られる。 〔実施例３〕実施例１においては、上記述べた効果を得
るために厚さ４ｍｍの試料を用いたが、これをより薄膜
にするために試料端面に反射物を装着した。図８はその
構造を示す断面図であり、これによって０．５ｍｍの厚
さの試料で実施例１と同様な効果が得られた。
なる超格子構造のバンドモデルであり、この構造におい
ても特性が得られる。 〔実施例３〕実施例１においては、上記述べた効果を得
るために厚さ４ｍｍの試料を用いたが、これをより薄膜
にするために試料端面に反射物を装着した。図８はその
構造を示す断面図であり、これによって０．５ｍｍの厚
さの試料で実施例１と同様な効果が得られた。
【００３６】図８に示すように、イットリウム、アルミ
ニウム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％の
Ｅｒを含有した試料２１に多層膜反射物（透過率約２０
％）２２，２３を積層し、厚さ０．５ｍｍに形成してい
る。 〔実施例４〕これまでの実施例では、レーザ光が１つの
場合を示したが、基底吸収および励起吸収の生じる光波
長においては、２つ以上のレーザ光を用いて種々の光制
御をすることが可能である。
ニウム、ガーネット（ＹＡＧ）結晶中に５０ａｔ．％の
Ｅｒを含有した試料２１に多層膜反射物（透過率約２０
％）２２，２３を積層し、厚さ０．５ｍｍに形成してい
る。 〔実施例４〕これまでの実施例では、レーザ光が１つの
場合を示したが、基底吸収および励起吸収の生じる光波
長においては、２つ以上のレーザ光を用いて種々の光制
御をすることが可能である。
【００３７】図９は本発明の実施例を示す２つのレーザ
光を用いた光制御システムの構成図である。この図にお
いて、３０は本発明の光制御物質であり、第１のレーザ
３１と第２のレーザ３２とが同時に照射される。光制御
物質３０の出力波形は第１の光検出器３５によって検出
される。
光を用いた光制御システムの構成図である。この図にお
いて、３０は本発明の光制御物質であり、第１のレーザ
３１と第２のレーザ３２とが同時に照射される。光制御
物質３０の出力波形は第１の光検出器３５によって検出
される。
【００３８】また、第２のレーザ３２の光制御物質３０
への入力光強度はビームスプリッタ３３から得られる光
強度を第２の光検出器３４によって検出することによっ
て得ることができる。更に、第２のレーザ３２の光強度
は、ビームスプリッタ３６を介して第３の光検出器３７
によって検出することができる。
への入力光強度はビームスプリッタ３３から得られる光
強度を第２の光検出器３４によって検出することによっ
て得ることができる。更に、第２のレーザ３２の光強度
は、ビームスプリッタ３６を介して第３の光検出器３７
によって検出することができる。
【００３９】図１０は、第１のレーザを連続発振させ
て、一定強度のレーザ光を光制御物質に入射させ、第２
のレーザの強度を変調させて重畳させた場合の光検出器
による第１のレーザの出力光強度波形図〔図１０（ａ）
参照〕、第１のレーザの入力光強度波形図〔図１０
（ｂ）参照〕、第２のレーザの入力光強度波形図〔図１
０（ｃ）参照〕である。
て、一定強度のレーザ光を光制御物質に入射させ、第２
のレーザの強度を変調させて重畳させた場合の光検出器
による第１のレーザの出力光強度波形図〔図１０（ａ）
参照〕、第１のレーザの入力光強度波形図〔図１０
（ｂ）参照〕、第２のレーザの入力光強度波形図〔図１
０（ｃ）参照〕である。
【００４０】これらの図に示すように、図１０（ｂ）に
示すように、第１のレーザ３１を連続発振させて、略フ
ラットな波形を一定強度のレーザ光を光制御物質３０に
入射させるとともに、図１０（ｃ）に示すように、第２
のレーザ３２の強度を変調させて重畳させた場合、第１
のレーザ３１の出力光強度波形は、図１０（ａ）に示す
ようになる。
示すように、第１のレーザ３１を連続発振させて、略フ
ラットな波形を一定強度のレーザ光を光制御物質３０に
入射させるとともに、図１０（ｃ）に示すように、第２
のレーザ３２の強度を変調させて重畳させた場合、第１
のレーザ３１の出力光強度波形は、図１０（ａ）に示す
ようになる。
【００４１】すなわち、上記から明らかなように、第２
のレーザ３２の強度変化によって、第１のレーザ３１の
光制御物質３０からの出力光が変調されていることがわ
かる。したがって、第２のレーザ光によって第１のレー
ザ光を制御することが可能となる。
のレーザ３２の強度変化によって、第１のレーザ３１の
光制御物質３０からの出力光が変調されていることがわ
かる。したがって、第２のレーザ光によって第１のレー
ザ光を制御することが可能となる。
【００４２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００４３】
【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
れば、特定の光波長に対して、基底吸収と励起吸収を有
し、光入出力変化量を負の値にすることができる。即
ち、光入出力変化量が負の値を示すことは、光入力の強
度が増加すると、光出力強度が減少し、逆に光入力強度
が減少すると、光出力強度が増加する。
れば、特定の光波長に対して、基底吸収と励起吸収を有
し、光入出力変化量を負の値にすることができる。即
ち、光入出力変化量が負の値を示すことは、光入力の強
度が増加すると、光出力強度が減少し、逆に光入力強度
が減少すると、光出力強度が増加する。
【００４４】この効果を利用すれば、光入力信号の増減
に対して光出力信号を反転させることができる。また、
第２のレーザの強度変化によって、第１のレーザの光制
御物質からの出力光が変調されている。
に対して光出力信号を反転させることができる。また、
第２のレーザの強度変化によって、第１のレーザの光制
御物質からの出力光が変調されている。
【図１】本発明の実施例を示す光制御物質のエネルギー
準位図である。
準位図である。
【図２】本発明の実施例を示す光制御物質のＥｒ3+のエ
ネルギー準位図である。
ネルギー準位図である。
【図３】本発明の実施例を示す光入出力特性を測定する
ための装置の構成図である。
ための装置の構成図である。
【図４】本発明の実施例を示すレーザ光強度を変化さ
せ、光制御物質に入射させて、光パワーメータで測定し
た実験結果を示す図である。
せ、光制御物質に入射させて、光パワーメータで測定し
た実験結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す光制御物質を透過させた
前後の光入出力変化をオシロスコープで測定した実験結
果を示す図である。
前後の光入出力変化をオシロスコープで測定した実験結
果を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示すガリウムひ素（ＧａＡ
ｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テルル）元素
を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加した場合
のエネルギーバンド構造を示す図である。
ｓ）化合物半導体にドナーとしてＴｅ（テルル）元素
を、アクセプタとしてＺｎ（亜鉛）元素を添加した場合
のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例を示すＧａＡｓとＡｌX Ｇａ
1-X Ａｓからなる超格子構造のバンドモデル図である。
1-X Ａｓからなる超格子構造のバンドモデル図である。
【図８】本発明の実施例を示す試料端面に反射物を装着
した光制御物質の断面図ある。
した光制御物質の断面図ある。
【図９】本発明の実施例を示す２つのレーザ光を用いた
光制御システムの構成図である。
光制御システムの構成図である。
【図１０】本発明の実施例を示す２つのレーザ光を用い
た光制御システムの各部の波形図である。
た光制御システムの各部の波形図である。
１０，３０ 光制御物質 １１ 半導体レーザ素子 １２ 駆動制御回路 １３ 温調器 １４ 回転式ニュートラルデンシティフィルタ １５，３３，３６ ビームスプリッタ １６，３５ 第１の光検出器 １７ 光パワーメータ １８ デジタルオシロスコープ １９，３４ 第２の光検出器 ２１ 試料 ２２，２３ 多層膜反射物 ３１ 第１のレーザ ３２ 第２のレーザ ３７ 第３の光検出器
Claims (8)
- 【請求項１】 吸収物質のエネルギー準位構造におい
て、基底吸収である基底準位からの吸収と、励起吸収で
ある励起準位からの吸収を有し、前記基底吸収および励
起吸収が生じる光波長において、光入力強度変化ΔＩｉ
ｎに対する光出力強度変化ΔＩｏｕｔ、即ち、ΔＩｏｕ
ｔ／ΔＩｉｎの値が負の値を示すようにしたことを特徴
とする光制御物質。 - 【請求項２】 請求項１記載の光制御物質において、以
下の関係式を満足することを特徴とする光制御物質。 ΔＩｏｕｔ＝〔１−α1 （１＋α2 γ）〕ΔＩｉｎ …（１） α1 （１＋α2 γ）＞１ …（２） ここで、α1 は基底吸収の吸収度、α2 は励起吸収の吸
収度、γは基底吸収の上準位にある電子が励起吸収の下
準位に遷移する割合である。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の光制御物質におい
て、絶縁体、半導体、ガラス及びセラミックスの群から
選択された物質中に、少なくとも１種の遷移金属元素ま
たは、希土類元素を含有させてなる光制御物質。 - 【請求項４】 請求項３記載の光制御物質において、希
土類元素のエルビウムを含有させてなる光制御物質。 - 【請求項５】 請求項４の光制御物質において、希土類
元素のエルビウム（Ｅｒ3+）のエネルギー準位構造にお
いて、基底吸収として 4Ｉ9/2 − 4Ｉ15/2準位、励起吸
収として 2Ｈ11/2− 4Ｉ13/2準位を用いてなる光制御物
質。 - 【請求項６】 請求項１又は２の光制御物質において、
半導体のバンド構造、不純物準位及び超格子構造を用い
てなる光制御物質。 - 【請求項７】 請求項１、２、３、４、５又は６記載の
光制御物質において、小型化するために端面に反射物を
装着してなる光制御物質。 - 【請求項８】 請求項１、２、３、４、５、６又は７記
載の光制御物質に、２つ以上の光を照射して１つの光強
度を変化させることによって、他の光出力強度を制御す
ることを特徴とする光制御方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17379795A JP3358770B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 光制御物質及び光制御方法 |
| US08/663,530 US5742072A (en) | 1995-07-10 | 1996-06-13 | Light control substance and light control method using the same |
| TW085107209A TW475090B (en) | 1995-07-10 | 1996-06-15 | Light control device and light control method using the same |
| KR1019960022620A KR100266300B1 (ko) | 1995-07-10 | 1996-06-20 | 광제어물질 및 그를 사용하는 광제어방법 |
| EP96111095A EP0753789A3 (en) | 1995-07-10 | 1996-07-10 | Light control substance and light control method using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17379795A JP3358770B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 光制御物質及び光制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0926605A true JPH0926605A (ja) | 1997-01-28 |
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Family
ID=15967342
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17379795A Expired - Fee Related JP3358770B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 光制御物質及び光制御方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5742072A (ja) |
| EP (1) | EP0753789A3 (ja) |
| JP (1) | JP3358770B2 (ja) |
| KR (1) | KR100266300B1 (ja) |
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| CN104575326A (zh) * | 2013-10-22 | 2015-04-29 | 宝星电器（上海）有限公司 | 一种全嵌装的消防逃生指示灯 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US4881979A (en) * | 1984-08-29 | 1989-11-21 | Varian Associates, Inc. | Junctions for monolithic cascade solar cells and methods |
| US5423798A (en) * | 1988-04-20 | 1995-06-13 | Crow; Lowell M. | Ophthalmic surgical laser apparatus |
| US5170407A (en) * | 1991-10-11 | 1992-12-08 | At&T Bell Laboratories | Elimination of heterojunction band discontinuities |
| FR2712743B1 (fr) * | 1993-11-15 | 1995-12-15 | Commissariat Energie Atomique | Cavité laser à déclenchement passif par absorbant saturable et laser incorporant cette cavité. |
| US5528612A (en) * | 1993-11-19 | 1996-06-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Laser with multiple gain elements |
| US5557624A (en) * | 1995-01-20 | 1996-09-17 | Hughes Aircraft Company | Laser system using U-doped crystal Q-switch |
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- 1996-06-13 US US08/663,530 patent/US5742072A/en not_active Expired - Lifetime
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