JPH10260434A - 非線形光学媒質および非線形光学装置 - Google Patents
非線形光学媒質および非線形光学装置Info
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- JPH10260434A JPH10260434A JP6684397A JP6684397A JPH10260434A JP H10260434 A JPH10260434 A JP H10260434A JP 6684397 A JP6684397 A JP 6684397A JP 6684397 A JP6684397 A JP 6684397A JP H10260434 A JPH10260434 A JP H10260434A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小さな光強度でも応答速度が速く、比較的大
きな非線形屈折率を有し、低損失で加工性に優れ、相互
作用長を長くできる非線形光学媒質およびそれを用いた
非線形光学装置を実現する。 【解決手段】 Ｓi 結晶、アモルファスＳi 、ポーラス
Ｓi 、Ｓi 微粒子分散材料、Ｓi 高分子の少なくとも１
つを主成分として非線形光学媒質を構成し、非共鳴領域
（光の吸収が少ない透過領域）に限って使用する。この
非共鳴領域には、バンドギャップエネルギーの１／２、
１／３の値に対応する波長や、Ｓi 高分子や微粒子系に
特徴的に見られる離散的な２光子吸収または３光子吸収
に対応する波長を含む。
きな非線形屈折率を有し、低損失で加工性に優れ、相互
作用長を長くできる非線形光学媒質およびそれを用いた
非線形光学装置を実現する。 【解決手段】 Ｓi 結晶、アモルファスＳi 、ポーラス
Ｓi 、Ｓi 微粒子分散材料、Ｓi 高分子の少なくとも１
つを主成分として非線形光学媒質を構成し、非共鳴領域
（光の吸収が少ない透過領域）に限って使用する。この
非共鳴領域には、バンドギャップエネルギーの１／２、
１／３の値に対応する波長や、Ｓi 高分子や微粒子系に
特徴的に見られる離散的な２光子吸収または３光子吸収
に対応する波長を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学効果を
有する非線形光学媒質、およびその非線形光学媒質を光
スイッチングや光信号演算処理等を行う機能素子として
用いた非線形光学装置に関する。
有する非線形光学媒質、およびその非線形光学媒質を光
スイッチングや光信号演算処理等を行う機能素子として
用いた非線形光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】非線形光学効果とは、物質中の電気分極
Ｐが、 Ｐ＝χ(1)Ｅ＋χ(2)Ｅ2 ＋χ(3)Ｅ3 ＋… …(1) に示すように、光の電界Ｅに比例するだけでなく、Ｅ2
やＥ3 に比例する高次項を含む場合に起こる効果であ
る。ただし、χ(1) は線形感受率、χ(2) ，χ(3)はそ
れぞれ２次および３次の非線形感受率と呼ばれるもので
ある。特に、第３項は３次の非線形光学効果を示し、第
３高調波を発生させたり、光強度Ｉに依存して屈折率ｎ
が ｎ＝ｎ0 ＋ｎ2Ｉ …(2) で表される変化をもたらす。なお、ｎ0 は線形屈折率で
あり、非線形屈折率ｎ2〔ｃｍ2 ／ｗ〕と、非線形感受
率χ(3)〔esu〕の関係は、
Ｐが、 Ｐ＝χ(1)Ｅ＋χ(2)Ｅ2 ＋χ(3)Ｅ3 ＋… …(1) に示すように、光の電界Ｅに比例するだけでなく、Ｅ2
やＥ3 に比例する高次項を含む場合に起こる効果であ
る。ただし、χ(1) は線形感受率、χ(2) ，χ(3)はそ
れぞれ２次および３次の非線形感受率と呼ばれるもので
ある。特に、第３項は３次の非線形光学効果を示し、第
３高調波を発生させたり、光強度Ｉに依存して屈折率ｎ
が ｎ＝ｎ0 ＋ｎ2Ｉ …(2) で表される変化をもたらす。なお、ｎ0 は線形屈折率で
あり、非線形屈折率ｎ2〔ｃｍ2 ／ｗ〕と、非線形感受
率χ(3)〔esu〕の関係は、
【０００３】
【数１】
【０００４】で表される。ただし、ｃは光速である。上
記の屈折率変化をもたらす非線形光学媒質は、偏光子、
光共振器、反射鏡等の光学素子と共に用いることによ
り、光制御が可能な光スイッチや光双安定素子、あるい
は位相共役波発生装置など、光情報処理や光通信のシス
テムにおいて将来的に用いられる重要なデバイスを実現
することができる。
記の屈折率変化をもたらす非線形光学媒質は、偏光子、
光共振器、反射鏡等の光学素子と共に用いることによ
り、光制御が可能な光スイッチや光双安定素子、あるい
は位相共役波発生装置など、光情報処理や光通信のシス
テムにおいて将来的に用いられる重要なデバイスを実現
することができる。
【０００５】図１は、非線形光学媒質を用いた光カーシ
ャッタの第１の構成例を示す。光カーシャッタは、入力
光Ｐi をゲートパルス光Ｐg でスイッチングし、ゲート
パルスの時間波形に対応する出力光を得るものである。
図において、非線形光学媒質１の入出力側に、偏光軸を
互いに直交させた偏光子２a ，２b を配置する。この構
成では、ゲートパルス光Ｐg が非線形光学媒質１に入射
している間だけ、偏光子２a を通過した入力光Ｐi の直
線偏光が、非線形光学媒質１の屈折率変化によって楕円
偏光に変わり、入力光Ｐi の一部が直交偏光子２b を通
過して出力光Ｐt となる。すなわち、入力光Ｐi はゲー
トパルス光Ｐg によって光スイッチングされる。
ャッタの第１の構成例を示す。光カーシャッタは、入力
光Ｐi をゲートパルス光Ｐg でスイッチングし、ゲート
パルスの時間波形に対応する出力光を得るものである。
図において、非線形光学媒質１の入出力側に、偏光軸を
互いに直交させた偏光子２a ，２b を配置する。この構
成では、ゲートパルス光Ｐg が非線形光学媒質１に入射
している間だけ、偏光子２a を通過した入力光Ｐi の直
線偏光が、非線形光学媒質１の屈折率変化によって楕円
偏光に変わり、入力光Ｐi の一部が直交偏光子２b を通
過して出力光Ｐt となる。すなわち、入力光Ｐi はゲー
トパルス光Ｐg によって光スイッチングされる。
【０００６】入力光Ｐi のスイッチオン時の透過率Ｔ
は、ゲートパルス光Ｐg の偏光方向と入力光Ｐi の偏光
方向が45°傾いたときに最大となる。この場合の透過率
Ｔは、 Ｔ＝ sin2(Δφ／２） …(4) Δφ＝２πｎ2 ＬＩg ／λ …(5) で表される。ただし、Ｌは媒質長であり、ｎ2 はその非
線形屈折率、λは入力光の波長、Ｉg はゲートパルス光
の強度である。なお、Δφが充分小さいときには、 Ｔ∝ (χ(3))2 Ｌ2 Ｉg2 …(6) が成立する。
は、ゲートパルス光Ｐg の偏光方向と入力光Ｐi の偏光
方向が45°傾いたときに最大となる。この場合の透過率
Ｔは、 Ｔ＝ sin2(Δφ／２） …(4) Δφ＝２πｎ2 ＬＩg ／λ …(5) で表される。ただし、Ｌは媒質長であり、ｎ2 はその非
線形屈折率、λは入力光の波長、Ｉg はゲートパルス光
の強度である。なお、Δφが充分小さいときには、 Ｔ∝ (χ(3))2 Ｌ2 Ｉg2 …(6) が成立する。
【０００７】図１の構成において、非線形光学媒質１と
してＣＳ2 を用いた場合、λ＝0.83μｍ、Ｌ＝１ｍｍ、
Ｉg ＝100 ＭＷ／ｃｍ2 で、透過率Ｔ＝ 0.3％が得られ
た。この結果と式(4),(5) から、ｎ2 ＝3.1×10-14ｃｍ
2 ／Ｗが得られた。また、このｎ2 と式(3) から、χ
(3) ＝1.6×10-12esu が算出できた。上記のＣＳ2 の非
線形屈折率ｎ2 の起源は、光電界に応じた分子の配向に
よるので、使用可能な入射光波長が可視光から近赤外光
の広い範囲にわたる利点を有する。しかし、応答時間が
分子の回転配向の緩和時間によって制限されているの
で、10-11 〜10-12 秒程度を越える高速な信号処理には
使用できない問題点があった。また、ｎ2 がさほど大き
くないため、入射光強度がかなり大きいものになってし
まう問題点もあった。
してＣＳ2 を用いた場合、λ＝0.83μｍ、Ｌ＝１ｍｍ、
Ｉg ＝100 ＭＷ／ｃｍ2 で、透過率Ｔ＝ 0.3％が得られ
た。この結果と式(4),(5) から、ｎ2 ＝3.1×10-14ｃｍ
2 ／Ｗが得られた。また、このｎ2 と式(3) から、χ
(3) ＝1.6×10-12esu が算出できた。上記のＣＳ2 の非
線形屈折率ｎ2 の起源は、光電界に応じた分子の配向に
よるので、使用可能な入射光波長が可視光から近赤外光
の広い範囲にわたる利点を有する。しかし、応答時間が
分子の回転配向の緩和時間によって制限されているの
で、10-11 〜10-12 秒程度を越える高速な信号処理には
使用できない問題点があった。また、ｎ2 がさほど大き
くないため、入射光強度がかなり大きいものになってし
まう問題点もあった。
【０００８】図２は、非線形光学媒質を用いたエタロン
型光双安定素子の構成例を示す。図において、非線形光
学媒質１の入力側および出力側に、反射率90％の誘電体
多層膜ミラー３ａ，３ｂを平行に配置し、光共振器を構
成する。この構成では、入力光Ｐi の波長、または２枚
の誘電体多層膜ミラー３ａ，３ｂの間隔を変化させて光
共振器の共振条件を調整すると、入力光強度Ｉi に対す
る出力光強度Ｉtは、図３，図４に示すような特性を示
す（Appl. Phys. Lett. 35, 451 (1976))。
型光双安定素子の構成例を示す。図において、非線形光
学媒質１の入力側および出力側に、反射率90％の誘電体
多層膜ミラー３ａ，３ｂを平行に配置し、光共振器を構
成する。この構成では、入力光Ｐi の波長、または２枚
の誘電体多層膜ミラー３ａ，３ｂの間隔を変化させて光
共振器の共振条件を調整すると、入力光強度Ｉi に対す
る出力光強度Ｉtは、図３，図４に示すような特性を示
す（Appl. Phys. Lett. 35, 451 (1976))。
【０００９】図３に示す特性はリミッタ作用、図４に示
す特性は双安定動作に対応している。このような特性を
示すエタロン型光双安定素子は、光通信や光情報システ
ムにおいて、入力光パルスの波形整形や光スイッチ、光
信号メモリや光論理演算等への応用が可能である。ま
た、このエタロン型光双安定素子の動作に要する最小入
力光強度Ｉi (min)は、解析的に Ｉi (min) ＝Ｋλ／ｎ2 Ｌ …(7) で表される。ただし、λは入力光波長、ｎ2 は非線形屈
折率、Ｌは媒質長、Ｋ（〜0.01) はミラーの反射率と共
振器長の調整で決まる係数である。
す特性は双安定動作に対応している。このような特性を
示すエタロン型光双安定素子は、光通信や光情報システ
ムにおいて、入力光パルスの波形整形や光スイッチ、光
信号メモリや光論理演算等への応用が可能である。ま
た、このエタロン型光双安定素子の動作に要する最小入
力光強度Ｉi (min)は、解析的に Ｉi (min) ＝Ｋλ／ｎ2 Ｌ …(7) で表される。ただし、λは入力光波長、ｎ2 は非線形屈
折率、Ｌは媒質長、Ｋ（〜0.01) はミラーの反射率と共
振器長の調整で決まる係数である。
【００１０】ここで用いる非線形光学媒質１としては、
ＧaＡsとＧaＡlＡs の半導体薄膜を交互に成長させて作
製した超格子結晶を用いたものが知られている。
ＧaＡsとＧaＡlＡs の半導体薄膜を交互に成長させて作
製した超格子結晶を用いたものが知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、非線形光学
媒質には、共鳴型と非共鳴型が存在する。共鳴型は非線
形性は大きいが、応答または繰り返しが遅い。非共鳴型
は、共鳴型の逆の特性を示すことが一般的に知られてい
る。半導体のバルク結晶は主に共鳴領域で用いられ、高
い非線形性を示すが、光誘起キャリヤの寿命がナノ秒オ
ーダとなるため、応答速度もこのオーダとなる。
媒質には、共鳴型と非共鳴型が存在する。共鳴型は非線
形性は大きいが、応答または繰り返しが遅い。非共鳴型
は、共鳴型の逆の特性を示すことが一般的に知られてい
る。半導体のバルク結晶は主に共鳴領域で用いられ、高
い非線形性を示すが、光誘起キャリヤの寿命がナノ秒オ
ーダとなるため、応答速度もこのオーダとなる。
【００１２】一方、上記の超格子、すなわち量子井戸構
造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を有する半導体結晶
では、井戸（ウェル）層、障壁（バリヤ）層の厚みを変
えたり（A.Tackeuchi, et al., Appl. Phys. Lett. 58,
1670 (1991))、または低温成長を行った試料にベリリウ
ム（Be）をドープしたりして（R.Takahashi, et al.,Ap
pl. Phys. Lett. 65, 1790 (1994)) 、キャリヤ寿命を
短くする試みが行われている。しかし、応答速度が高速
化するとされている試料、例えばＴＢＱ（Tunneling bi
quantum well）の応答時間は、１ピコ秒程度の速い成分
と１ナノ秒以上の遅い成分が重畳されており、それぞれ
が電子、正孔の寿命に対応すると報告されている。した
がって、この試料の応答時間は正孔の寿命で決定され
る。
造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を有する半導体結晶
では、井戸（ウェル）層、障壁（バリヤ）層の厚みを変
えたり（A.Tackeuchi, et al., Appl. Phys. Lett. 58,
1670 (1991))、または低温成長を行った試料にベリリウ
ム（Be）をドープしたりして（R.Takahashi, et al.,Ap
pl. Phys. Lett. 65, 1790 (1994)) 、キャリヤ寿命を
短くする試みが行われている。しかし、応答速度が高速
化するとされている試料、例えばＴＢＱ（Tunneling bi
quantum well）の応答時間は、１ピコ秒程度の速い成分
と１ナノ秒以上の遅い成分が重畳されており、それぞれ
が電子、正孔の寿命に対応すると報告されている。した
がって、この試料の応答時間は正孔の寿命で決定され
る。
【００１３】また、速い緩和を示すΓ−Χ散乱を用いた
タイプII型量子井戸の非線形性利用も提案され（Y. Mas
umoto, et al., Phys. Rev. B40, 8581 (1989)) 、数ピ
コ秒の応答が報告されている。しかし、この例も遅い緩
和成分が残存しており、この遅い緩和成分を制御するこ
とが重要となる。また、吸収飽和にのみ着目しており、
信号として利用できる透過光強度の変化は、高々１％オ
ーダにすぎない。
タイプII型量子井戸の非線形性利用も提案され（Y. Mas
umoto, et al., Phys. Rev. B40, 8581 (1989)) 、数ピ
コ秒の応答が報告されている。しかし、この例も遅い緩
和成分が残存しており、この遅い緩和成分を制御するこ
とが重要となる。また、吸収飽和にのみ着目しており、
信号として利用できる透過光強度の変化は、高々１％オ
ーダにすぎない。
【００１４】また、上述した低温成長の試料では、反射
を利用して効率向上を図るなどかなりの改善効果が示さ
れたが、高繰り返し周波数での動作は確かめられておら
ず、吸収飽和を利用している限り限界がある。したがっ
て、これらの材料は、ナノ秒（10-9秒）以下の高速な信
号処理や10ＧHz以上の高繰り返しに利用することができ
ない。以上のことからも、非線形光学装置の性能は、非
線形光学媒質の特性によってほぼ決定されるので、使用
可能な波長範囲が広く、３次非線形効果の効率が高く、
応答速度が速い材料の開発が切望されている。
を利用して効率向上を図るなどかなりの改善効果が示さ
れたが、高繰り返し周波数での動作は確かめられておら
ず、吸収飽和を利用している限り限界がある。したがっ
て、これらの材料は、ナノ秒（10-9秒）以下の高速な信
号処理や10ＧHz以上の高繰り返しに利用することができ
ない。以上のことからも、非線形光学装置の性能は、非
線形光学媒質の特性によってほぼ決定されるので、使用
可能な波長範囲が広く、３次非線形効果の効率が高く、
応答速度が速い材料の開発が切望されている。
【００１５】なお、３次の非線形光学材料として、ＣＳ
2 やＧaＡs／ＧaＡlＡs 超格子材料の他に、ベンゼン環
や２重あるいは３重結合などのπ電子共役系を有する有
機非線形光学材料が知られている。代表的な材料とし
て、ポリジアセチレンビスー（パラトルエンスルホネー
ト、略称ＰＴＳ）は、χ(3) が10-10 esu 、ｎ2 は２×
10-12ｃｍ2／Ｗにも及ぶ。さらに、この非線形性のメカ
ニズムが吸収や分子、結晶との相互作用によるものでは
なく、分子内π電子の分極（３次分極）に由来するもの
であるため、光信号の強度変化に追従可能な応答時間は
10-14 秒と極めて高速である。しかし、このＰＴＳの代
表であるポリジアセチレン系材料は、一般に不溶、不融
であり、加工性に大きな問題点を有する。現にＰＴＳを
光学媒質とする非線形光学装置は実現されていない。
2 やＧaＡs／ＧaＡlＡs 超格子材料の他に、ベンゼン環
や２重あるいは３重結合などのπ電子共役系を有する有
機非線形光学材料が知られている。代表的な材料とし
て、ポリジアセチレンビスー（パラトルエンスルホネー
ト、略称ＰＴＳ）は、χ(3) が10-10 esu 、ｎ2 は２×
10-12ｃｍ2／Ｗにも及ぶ。さらに、この非線形性のメカ
ニズムが吸収や分子、結晶との相互作用によるものでは
なく、分子内π電子の分極（３次分極）に由来するもの
であるため、光信号の強度変化に追従可能な応答時間は
10-14 秒と極めて高速である。しかし、このＰＴＳの代
表であるポリジアセチレン系材料は、一般に不溶、不融
であり、加工性に大きな問題点を有する。現にＰＴＳを
光学媒質とする非線形光学装置は実現されていない。
【００１６】本発明は、小さな光強度でも応答速度が速
く、比較的大きな非線形屈折率を有し、低損失で加工性
に優れ、相互作用長を長くできる非線形光学媒質および
それを用いた非線形光学装置を提供することを目的とす
る。
く、比較的大きな非線形屈折率を有し、低損失で加工性
に優れ、相互作用長を長くできる非線形光学媒質および
それを用いた非線形光学装置を提供することを目的とす
る。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の非線形光学媒質
は、Ｓi 結晶、アモルファスＳi 、ポーラスＳi 、Ｓi
微粒子分散材料、Ｓi 高分子の少なくとも１つを主成分
として構成され、従来用いられていない非共鳴領域（光
の吸収が少ない透過領域）に限って使用する。この非共
鳴領域には、バンドギャップエネルギーの１／２、１／
３の値に対応する波長や、Ｓi 高分子や微粒子系に特徴
的に見られる離散的な２光子吸収または３光子吸収に対
応する波長を含む。これらの波長とその近傍で非線形光
学媒質を使用することにより、２光子共鳴、３光子共鳴
の非線形性強調効果を利用することができる。
は、Ｓi 結晶、アモルファスＳi 、ポーラスＳi 、Ｓi
微粒子分散材料、Ｓi 高分子の少なくとも１つを主成分
として構成され、従来用いられていない非共鳴領域（光
の吸収が少ない透過領域）に限って使用する。この非共
鳴領域には、バンドギャップエネルギーの１／２、１／
３の値に対応する波長や、Ｓi 高分子や微粒子系に特徴
的に見られる離散的な２光子吸収または３光子吸収に対
応する波長を含む。これらの波長とその近傍で非線形光
学媒質を使用することにより、２光子共鳴、３光子共鳴
の非線形性強調効果を利用することができる。
【００１８】ここで、Ｓi 結晶の非線形屈折率を利用し
た光カーシャッタを図１のように構成すると、Ｓi 結晶
の非共鳴領域における非線形性を測定できる。例えばＣ
Ｓ2を用いた場合と比較すると、試料内の入射光強度、
試料の厚さが同程度と仮定すれば、Ｓi 結晶を用いた場
合、ピコ秒以下の高速応答を示す成分の信号強度は、Ｃ
Ｓ2 を用いた場合の 180倍程度、Ａs2Ｓ3 ガラスを用い
た場合の10倍程度が得られる。
た光カーシャッタを図１のように構成すると、Ｓi 結晶
の非共鳴領域における非線形性を測定できる。例えばＣ
Ｓ2を用いた場合と比較すると、試料内の入射光強度、
試料の厚さが同程度と仮定すれば、Ｓi 結晶を用いた場
合、ピコ秒以下の高速応答を示す成分の信号強度は、Ｃ
Ｓ2 を用いた場合の 180倍程度、Ａs2Ｓ3 ガラスを用い
た場合の10倍程度が得られる。
【００１９】このように、本発明の非線形光学媒質は、
Ｓi 結晶を非共鳴領域で用いると、従来の非共鳴型の非
線形光学媒質より大きな非線形性を有し、かつ測定限界
を越える高速性を有するという新しい知見に基づいてい
る。なお、従来のＳi 結晶は、吸収領域での共鳴型非線
形光学材料として注目されているものであり、本発明の
非共鳴領域での使用法とは異なるものである。
Ｓi 結晶を非共鳴領域で用いると、従来の非共鳴型の非
線形光学媒質より大きな非線形性を有し、かつ測定限界
を越える高速性を有するという新しい知見に基づいてい
る。なお、従来のＳi 結晶は、吸収領域での共鳴型非線
形光学材料として注目されているものであり、本発明の
非共鳴領域での使用法とは異なるものである。
【００２０】アモルファスＳi についてもＳi 結晶と同
様に使用することができる。ポーラスＳi は、短波長側
の発光現象からＳi 結晶やアモルファスＳi より高い非
線形性を有すると考えられており（Jian Wang, et al.,
Phys. Rev. B 48,5653 (1993))、上記光カーシャッタ
の非線形光学媒質として利用できる。なお、この文献
は、高調波発生に伴うホトルミネッセンスについてなさ
れたもので、二重共鳴強調を用いた第三高調波発生（Ｔ
ＨＧ）と呼ばれる極めて特殊な波長において観測された
現象を報告している。
様に使用することができる。ポーラスＳi は、短波長側
の発光現象からＳi 結晶やアモルファスＳi より高い非
線形性を有すると考えられており（Jian Wang, et al.,
Phys. Rev. B 48,5653 (1993))、上記光カーシャッタ
の非線形光学媒質として利用できる。なお、この文献
は、高調波発生に伴うホトルミネッセンスについてなさ
れたもので、二重共鳴強調を用いた第三高調波発生（Ｔ
ＨＧ）と呼ばれる極めて特殊な波長において観測された
現象を報告している。
【００２１】Ｓi 微粒子分散材料とポリシランで知られ
るＳi 高分子は、それぞれ天然の量子箱、量子細線とし
て知られている。Ｓi 微粒子や径やＳi 細線の太さ、す
なわちＳi のサイズそのものが小さくなると、電子や正
孔が微粒子や細線という形態を有する深いポテンシャル
に閉じ込められることになり、量子化される。したがっ
て、量子化されたエネルギー準位が形成され、急峻で離
散的な光学遷移が実現される。これが量子閉じ込め効果
による励起子吸収になる。Ｓi 高分子や微粒子系に特徴
的にみられるこの離散的な２光子吸収または３光子吸収
に対応する波長とその近傍では、前述の２光子共鳴、３
光子共鳴の非線形性強調効果が利用でき、１桁程度の非
線形性の向上が得られる。したがって、上記光カーシャ
ッタの非線形光学媒質として利用できる。
るＳi 高分子は、それぞれ天然の量子箱、量子細線とし
て知られている。Ｓi 微粒子や径やＳi 細線の太さ、す
なわちＳi のサイズそのものが小さくなると、電子や正
孔が微粒子や細線という形態を有する深いポテンシャル
に閉じ込められることになり、量子化される。したがっ
て、量子化されたエネルギー準位が形成され、急峻で離
散的な光学遷移が実現される。これが量子閉じ込め効果
による励起子吸収になる。Ｓi 高分子や微粒子系に特徴
的にみられるこの離散的な２光子吸収または３光子吸収
に対応する波長とその近傍では、前述の２光子共鳴、３
光子共鳴の非線形性強調効果が利用でき、１桁程度の非
線形性の向上が得られる。したがって、上記光カーシャ
ッタの非線形光学媒質として利用できる。
【００２２】
（第１の実施形態）図１に示す光カーシャッタの非線形
光学媒質１として、Ｓi 結晶を非共鳴領域で用い、例え
ば波長1.55μm の光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）の
出力光を光源に用いてインコヒーレント分光（T. Yanag
awa, et al., Opt. Lett. 21. 318(1996)) を行うと、
非共鳴で高速かつ高ｎ2 材料としてよく知られるＡs2Ｓ
3 の信号光（透過率）より１桁程度大きい出力光が得ら
れた。
光学媒質１として、Ｓi 結晶を非共鳴領域で用い、例え
ば波長1.55μm の光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）の
出力光を光源に用いてインコヒーレント分光（T. Yanag
awa, et al., Opt. Lett. 21. 318(1996)) を行うと、
非共鳴で高速かつ高ｎ2 材料としてよく知られるＡs2Ｓ
3 の信号光（透過率）より１桁程度大きい出力光が得ら
れた。
【００２３】このＳi 結晶を用いた光カーシャッタの応
答速度を示す信号光の減衰曲線を図５に示す。この信号
光波形から、Ｓi 結晶の非共鳴領域における応答速度
は、２ps程度以下と見積もることができる。この値は光
源の電場相関時間（パルス幅、あるいはコヒーレンス時
間）程度にほぼ相当するので、Ｓi 結晶の非共鳴領域の
応答は、この値より更に速いといえる。
答速度を示す信号光の減衰曲線を図５に示す。この信号
光波形から、Ｓi 結晶の非共鳴領域における応答速度
は、２ps程度以下と見積もることができる。この値は光
源の電場相関時間（パルス幅、あるいはコヒーレンス時
間）程度にほぼ相当するので、Ｓi 結晶の非共鳴領域の
応答は、この値より更に速いといえる。
【００２４】図６は、非線形光学媒質を用いた光カーシ
ャッタの第２の構成例を示す。図において、符号１は非
線形光学媒質、符号２ａ，２ｂは偏光子、符号４ａ，４
ｂはレンズ、符号８はダイクロイックミラー、符号９は
光学フィルタである。信号光強度（ｎ2 ）の比較は、こ
のコリニア系の光カーシャッタを用いた。ゲートパルス
光Ｐg をＯＰＯのアイドラ光とし、入力光（プローブ
光）Ｐi を1.32μｍの半導体レーザ励起ＹＬＦレーザと
して、ＯＰＯに同期させて非線形光学媒質１に入射させ
た。この結果、ゲートパルス光Ｐg のオン・オフに従っ
て、図７(a), (b)に示す信号波形が観測された。図７に
おいて、横軸は時間、縦軸は信号強度であり、入力光
（パルス幅60ｎｓ）Ｐi がゲートパルス光Ｐg のパルス
幅８ｎｓで撃ち抜かれていることがわかる。
ャッタの第２の構成例を示す。図において、符号１は非
線形光学媒質、符号２ａ，２ｂは偏光子、符号４ａ，４
ｂはレンズ、符号８はダイクロイックミラー、符号９は
光学フィルタである。信号光強度（ｎ2 ）の比較は、こ
のコリニア系の光カーシャッタを用いた。ゲートパルス
光Ｐg をＯＰＯのアイドラ光とし、入力光（プローブ
光）Ｐi を1.32μｍの半導体レーザ励起ＹＬＦレーザと
して、ＯＰＯに同期させて非線形光学媒質１に入射させ
た。この結果、ゲートパルス光Ｐg のオン・オフに従っ
て、図７(a), (b)に示す信号波形が観測された。図７に
おいて、横軸は時間、縦軸は信号強度であり、入力光
（パルス幅60ｎｓ）Ｐi がゲートパルス光Ｐg のパルス
幅８ｎｓで撃ち抜かれていることがわかる。
【００２５】図８は、図６のコリニア系の光カーシャッ
タの透過率（出力光強度）のゲート光依存性、すなわち
スイッチング効率を示す。図において、横軸はゲート光
エネルギー、縦軸は信号光透過率Ｔ／Ｔ0 を示す。Ｓi
の信号強度がＡs2Ｓ3 より10倍程度大きいことから、高
速応答成分のｎ2 はＡs2Ｓ3 より３倍以上大きく、この
波長ではｎ2 ＝３×10-18ｍ2／Ｖ2 と見積もることがで
きる。したがって、図１および図６の光カーシャッタ系
において高速かつ高効率なスイッチング特性が得られる
ことがわかる。図１は縮退系、図６は非縮退系として説
明したが、双方とも縮退系、非縮退系の構成が可能であ
る。
タの透過率（出力光強度）のゲート光依存性、すなわち
スイッチング効率を示す。図において、横軸はゲート光
エネルギー、縦軸は信号光透過率Ｔ／Ｔ0 を示す。Ｓi
の信号強度がＡs2Ｓ3 より10倍程度大きいことから、高
速応答成分のｎ2 はＡs2Ｓ3 より３倍以上大きく、この
波長ではｎ2 ＝３×10-18ｍ2／Ｖ2 と見積もることがで
きる。したがって、図１および図６の光カーシャッタ系
において高速かつ高効率なスイッチング特性が得られる
ことがわかる。図１は縮退系、図６は非縮退系として説
明したが、双方とも縮退系、非縮退系の構成が可能であ
る。
【００２６】さらに高効率化を目指すには、Ｓi の導波
路化が有効である。ＳＯＩ(Siliconon Insulator)技術
を用いればＳi の導波路化は容易である（U.Fischer,et
al., Electron. Lett. 30, 406 (1994)) 。また、光路
長を長くするには、図２のような共振器を構成し、共振
器までを含めた全体を非線形光学媒質とすればよい。Ｓ
i 結晶は単結晶、多結晶を問わないが、この他に前述の
アモルファスＳi 、ポーラスＳi 、Ｓi 微粒子分散材
料、ポリシランに代表されるＳi 高分子が、同様に非共
鳴領域での光カーシャッタに使用でき、同等の応答が得
られる。
路化が有効である。ＳＯＩ(Siliconon Insulator)技術
を用いればＳi の導波路化は容易である（U.Fischer,et
al., Electron. Lett. 30, 406 (1994)) 。また、光路
長を長くするには、図２のような共振器を構成し、共振
器までを含めた全体を非線形光学媒質とすればよい。Ｓ
i 結晶は単結晶、多結晶を問わないが、この他に前述の
アモルファスＳi 、ポーラスＳi 、Ｓi 微粒子分散材
料、ポリシランに代表されるＳi 高分子が、同様に非共
鳴領域での光カーシャッタに使用でき、同等の応答が得
られる。
【００２７】（第２の実施形態）第１の実施形態におけ
るＳi 結晶、アモルファスＳi 、ポーラスＳi 、Ｓi 微
粒子分散材料、ポリシランに代表されるＳi 高分子にお
いて、それぞれバンドギャップエネルギーＥg の１／２
に相当するエネルギーの有する波長近傍で、光カーシャ
ッタを行うと２光子強調の非線形性を利用できる。
るＳi 結晶、アモルファスＳi 、ポーラスＳi 、Ｓi 微
粒子分散材料、ポリシランに代表されるＳi 高分子にお
いて、それぞれバンドギャップエネルギーＥg の１／２
に相当するエネルギーの有する波長近傍で、光カーシャ
ッタを行うと２光子強調の非線形性を利用できる。
【００２８】また、量子閉じ込め効果を有するポリシラ
ン（量子細線）、Ｓi 微粒子やポーラスＳi （量子箱）
に関しては、急峻な励起子準位や量子準位に対する共鳴
効果が利用できる。１光子過程の遷移は共鳴効果となり
損失が大きくなるのでここでは用いない。１光子過程で
は禁制遷移であっても、電場変調スペクトルや２光子吸
収スペクトル測定を行うと、これらナノ構造を有する材
料については２光子準位が観測できる。１光子遷移がな
いために損失が小さい２光子強調の非線形性は、非線形
性自身の強さと損失との大小関係による材料の長さに固
有の最適値が存在するものの、一般の共鳴非線形効率と
は異なり、入射光の強度や材料の長さによって所望の非
線形特性を実現できる。バルクとしての利用以外に素子
形態としては、第１の実施形態でも示したように導波路
化が最適である。
ン（量子細線）、Ｓi 微粒子やポーラスＳi （量子箱）
に関しては、急峻な励起子準位や量子準位に対する共鳴
効果が利用できる。１光子過程の遷移は共鳴効果となり
損失が大きくなるのでここでは用いない。１光子過程で
は禁制遷移であっても、電場変調スペクトルや２光子吸
収スペクトル測定を行うと、これらナノ構造を有する材
料については２光子準位が観測できる。１光子遷移がな
いために損失が小さい２光子強調の非線形性は、非線形
性自身の強さと損失との大小関係による材料の長さに固
有の最適値が存在するものの、一般の共鳴非線形効率と
は異なり、入射光の強度や材料の長さによって所望の非
線形特性を実現できる。バルクとしての利用以外に素子
形態としては、第１の実施形態でも示したように導波路
化が最適である。
【００２９】（第３の実施形態）図９は、非線形光学媒
質を用いた光カーシャッタの第３の構成例を示す。ここ
では、第１および第２の実施形態で述べた材料を光導波
路（非線形光学媒質導波路１０）で構成する。符号４
ａ，４ｂ，４ｃはいずれも各光ビームを結合させるため
の光学レンズ、符号５は光ファイバ結合器であり、符号
５１ａ，５１ｂは光ファイバ結合器５の入力側アーム、
５１ｃ，５１ｄは光ファイバ結合器５の出力側アームを
指す。符号６ａ，６ｂは互いに偏光軸が直交するように
配置された光ファイバ偏光子であり、偏波面保持ファイ
バをループ状に巻いて構成される。符号９は光ファイバ
偏光子６ｂの出力側に配置され、ゲートパルス光Ｐg を
遮断し出力光Ｐt のみを取り出すための光学フィルタで
ある。
質を用いた光カーシャッタの第３の構成例を示す。ここ
では、第１および第２の実施形態で述べた材料を光導波
路（非線形光学媒質導波路１０）で構成する。符号４
ａ，４ｂ，４ｃはいずれも各光ビームを結合させるため
の光学レンズ、符号５は光ファイバ結合器であり、符号
５１ａ，５１ｂは光ファイバ結合器５の入力側アーム、
５１ｃ，５１ｄは光ファイバ結合器５の出力側アームを
指す。符号６ａ，６ｂは互いに偏光軸が直交するように
配置された光ファイバ偏光子であり、偏波面保持ファイ
バをループ状に巻いて構成される。符号９は光ファイバ
偏光子６ｂの出力側に配置され、ゲートパルス光Ｐg を
遮断し出力光Ｐt のみを取り出すための光学フィルタで
ある。
【００３０】第１の光ファイバ偏光子６ａは、光ファイ
バ結合器５の入力側アーム５１ａに接続される。非線形
光学媒質導波路１０は光ファイバ結合器５の出力側アー
ム５１ｄに接続される。第２の光ファイバ偏光子６ｂは
非線形光学媒質導波路１に接続される。入力光Ｐi およ
びゲートパルス光Ｐg は、それぞれ光学レンズ４ａ，４
ｂを介して光ファイバ偏光子６ａおよび入力側アーム５
１ｂから光ファイバ結合器５に入射される。光ファイバ
結合器５は、入力側アーム５１ａから入射した入力光Ｐ
i を１：999 の分岐比で出力側アーム５１ｃ，５１ｄに
分岐し、入力側アーム５１b から入射したゲートパルス
光Ｐg を１：999 の分岐比で出力側アーム５１ｃ，５１
ｄに分岐する機能をもっている。したがって、上記の第
１および第２の光カーシャッタと同様の機能を果たす。
バ結合器５の入力側アーム５１ａに接続される。非線形
光学媒質導波路１０は光ファイバ結合器５の出力側アー
ム５１ｄに接続される。第２の光ファイバ偏光子６ｂは
非線形光学媒質導波路１に接続される。入力光Ｐi およ
びゲートパルス光Ｐg は、それぞれ光学レンズ４ａ，４
ｂを介して光ファイバ偏光子６ａおよび入力側アーム５
１ｂから光ファイバ結合器５に入射される。光ファイバ
結合器５は、入力側アーム５１ａから入射した入力光Ｐ
i を１：999 の分岐比で出力側アーム５１ｃ，５１ｄに
分岐し、入力側アーム５１b から入射したゲートパルス
光Ｐg を１：999 の分岐比で出力側アーム５１ｃ，５１
ｄに分岐する機能をもっている。したがって、上記の第
１および第２の光カーシャッタと同様の機能を果たす。
【００３１】本構成の光カーシャッタは、光学レンズ４
ａ，４ｂ，４ｃおよび光学フィルタ９を除くすべての光
学部品がファイバ形である。したがって、端面結合を用
いて一体構成することができるので、小型、軽量、安定
性に優れている。非線形光学媒質導波路１０について
は、場合によって入射部位、出射部位に結合レンズを要
する。
ａ，４ｂ，４ｃおよび光学フィルタ９を除くすべての光
学部品がファイバ形である。したがって、端面結合を用
いて一体構成することができるので、小型、軽量、安定
性に優れている。非線形光学媒質導波路１０について
は、場合によって入射部位、出射部位に結合レンズを要
する。
【００３２】（第４の実施形態）図１０は、非線形光学
媒質を用いたループミラー干渉計型の光ゲートスイッチ
の構成例を示す。ここでは、第１および第２の実施形態
で述べた材料を光導波路（非線形光学媒質導波路１０）
で構成する。符号４ａ，４ｂ，４ｃ，５１ａ，５１ｂ，
５１ｃ，５１ｄは、第３の実施形態のものと同様であ
り、各光ビームを結合させるための光学レンズ、光ファ
イバ結合器やその一部を表している。符号５２は第２の
光ファイバ結合器であり、５２ａ，５２ｂは入力側アー
ム、５２ｃ，５２ｄは出力側アームである。入力光Ｐi
はレンズ４ａを通して入力側アーム５１ａより光ファイ
バ結合器５１に入射される。ゲート光Ｐg はレンズ４ｂ
を通して入力側アーム５１ｂより光ファイバ結合器５１
に入射される。
媒質を用いたループミラー干渉計型の光ゲートスイッチ
の構成例を示す。ここでは、第１および第２の実施形態
で述べた材料を光導波路（非線形光学媒質導波路１０）
で構成する。符号４ａ，４ｂ，４ｃ，５１ａ，５１ｂ，
５１ｃ，５１ｄは、第３の実施形態のものと同様であ
り、各光ビームを結合させるための光学レンズ、光ファ
イバ結合器やその一部を表している。符号５２は第２の
光ファイバ結合器であり、５２ａ，５２ｂは入力側アー
ム、５２ｃ，５２ｄは出力側アームである。入力光Ｐi
はレンズ４ａを通して入力側アーム５１ａより光ファイ
バ結合器５１に入射される。ゲート光Ｐg はレンズ４ｂ
を通して入力側アーム５１ｂより光ファイバ結合器５１
に入射される。
【００３３】非線形光学媒質導波路１０は、第２の光フ
ァイバ結合器５２の２つの出力側アーム５２ｃ，５２ｄ
に接続される。第１の光ファイバ結合器５１の出力側ア
ーム５１ｄは、第２の光ファイバ結合器５２の入力側ア
ーム５２ａに接続される。出力光Ｐt は第２の光ファイ
バ結合器５２のアーム５２ｂより取り出される。例え
ば、第１の光ファイバ結合器５１に、入力側アーム５１
ａから入射した入力光Ｐi を１：999 の分岐比で出力側
アーム５１ｃ，５１ｄに分岐し、他方の入力側アーム５
１ｂから入射したゲートパルス光Ｐg についても、１：
999 の分岐比で出力側アーム５１ｃ，５１ｄに分岐する
機能を持たせる。一方、第２の光ファイバ結合器５２で
は、入力側アーム５２ａから入射した入力光Ｐi を50：
50の分岐比で出力側アーム５２ｃ，５２ｄに分岐し、入
力側アーム５２ａから入射したゲートパルス光Ｐg を
１：999 の分岐比で出力側アーム５２ｃ，５２ｄに分岐
する。
ァイバ結合器５２の２つの出力側アーム５２ｃ，５２ｄ
に接続される。第１の光ファイバ結合器５１の出力側ア
ーム５１ｄは、第２の光ファイバ結合器５２の入力側ア
ーム５２ａに接続される。出力光Ｐt は第２の光ファイ
バ結合器５２のアーム５２ｂより取り出される。例え
ば、第１の光ファイバ結合器５１に、入力側アーム５１
ａから入射した入力光Ｐi を１：999 の分岐比で出力側
アーム５１ｃ，５１ｄに分岐し、他方の入力側アーム５
１ｂから入射したゲートパルス光Ｐg についても、１：
999 の分岐比で出力側アーム５１ｃ，５１ｄに分岐する
機能を持たせる。一方、第２の光ファイバ結合器５２で
は、入力側アーム５２ａから入射した入力光Ｐi を50：
50の分岐比で出力側アーム５２ｃ，５２ｄに分岐し、入
力側アーム５２ａから入射したゲートパルス光Ｐg を
１：999 の分岐比で出力側アーム５２ｃ，５２ｄに分岐
する。
【００３４】したがって、入力光Ｐi は、第２の光ファ
イバ結合器５２により50：50に分岐され、それぞれ右回
り、左回りに非線形光学媒質導波路１０を透過する。そ
れぞれの光は第２の光ファイバ結合器５２に再入射し、
再び50：50の比率に分岐されてアーム５２ａ，５２ｂに
戻る。このときアーム５２ａ，５２ｂに戻る２つの光
は、ゲートパルス光Ｐg が入射していない場合、光ファ
イバ結合器の性質によりΔφ＝πだけの位相差を生じて
いる。すなわち、Ｐg ＝０のとき、最終的にアーム５２
ａ，５２ｂに戻る光の分岐比は１：０であり、第２の光
ファイバ結合器５２の入力側アーム５２ｂから出力され
る出力光Ｐt の強度Ｉo は０である。
イバ結合器５２により50：50に分岐され、それぞれ右回
り、左回りに非線形光学媒質導波路１０を透過する。そ
れぞれの光は第２の光ファイバ結合器５２に再入射し、
再び50：50の比率に分岐されてアーム５２ａ，５２ｂに
戻る。このときアーム５２ａ，５２ｂに戻る２つの光
は、ゲートパルス光Ｐg が入射していない場合、光ファ
イバ結合器の性質によりΔφ＝πだけの位相差を生じて
いる。すなわち、Ｐg ＝０のとき、最終的にアーム５２
ａ，５２ｂに戻る光の分岐比は１：０であり、第２の光
ファイバ結合器５２の入力側アーム５２ｂから出力され
る出力光Ｐt の強度Ｉo は０である。
【００３５】一方、ゲートパルス光Ｐg が入射すると、
Ｐg はすべてアーム５２ｄから入射して左回りに非線形
光学媒質導波路１０を通過する。すなわち、ゲートパル
ス光Ｐg は、第２の光ファイバ結合器５２で分岐された
左回りの光パルスにのみ屈折率変化を与える。このとき
出力光Ｐt の光強度Ｉo は Ｉo ＝Ｉi sin2(Δφ／２） …(8) で表される。ただし、Ｉi は入力光Ｐi のパワーであ
り、Δφは非線形光学媒質導波路１０を右回りおよび左
回りしてきた光の位相差であり、式(5) で与えられる。
Ｐg はすべてアーム５２ｄから入射して左回りに非線形
光学媒質導波路１０を通過する。すなわち、ゲートパル
ス光Ｐg は、第２の光ファイバ結合器５２で分岐された
左回りの光パルスにのみ屈折率変化を与える。このとき
出力光Ｐt の光強度Ｉo は Ｉo ＝Ｉi sin2(Δφ／２） …(8) で表される。ただし、Ｉi は入力光Ｐi のパワーであ
り、Δφは非線形光学媒質導波路１０を右回りおよび左
回りしてきた光の位相差であり、式(5) で与えられる。
【００３６】（第５の実施形態）図１１は、非線形光学
媒質を用いたマッハツェンダ干渉計型の光ゲートスイッ
チの構成例を示す。ここでは、第１および第２の実施形
態で述べた材料を光導波路（非線形光学媒質導波路１
０）で構成する。符号４ａ，４ｂ，４ｃは光学レンズを
表す。符号５１，５２は光ファイバ結合器であり、ａ，
ｂは入力側アーム、ｃ，ｄは出力側アームを表す。入力
光Ｐi はレンズ４ａを通して入力側アーム５１ａから光
ファイバ結合器５１に入射される。ゲートパルス光Ｐg
はレンズ４ｂを通して入力側アーム５１ｂより光ファイ
バ結合器５１に入射される。
媒質を用いたマッハツェンダ干渉計型の光ゲートスイッ
チの構成例を示す。ここでは、第１および第２の実施形
態で述べた材料を光導波路（非線形光学媒質導波路１
０）で構成する。符号４ａ，４ｂ，４ｃは光学レンズを
表す。符号５１，５２は光ファイバ結合器であり、ａ，
ｂは入力側アーム、ｃ，ｄは出力側アームを表す。入力
光Ｐi はレンズ４ａを通して入力側アーム５１ａから光
ファイバ結合器５１に入射される。ゲートパルス光Ｐg
はレンズ４ｂを通して入力側アーム５１ｂより光ファイ
バ結合器５１に入射される。
【００３７】非線形光学媒質導波路１０およびダミー導
波路１１は、長さが等しく、それぞれ第１の光ファイバ
結合器５１の出力側アーム５１ｃと第２の光ファイバ結
合器５２の入力側アーム５２ａとの間、および第１の光
ファイバ結合器５１の出力側アーム５１ｄと第２の光フ
ァイバ結合器５２の入力側アーム５２ｂとの間に接続さ
れる。
波路１１は、長さが等しく、それぞれ第１の光ファイバ
結合器５１の出力側アーム５１ｃと第２の光ファイバ結
合器５２の入力側アーム５２ａとの間、および第１の光
ファイバ結合器５１の出力側アーム５１ｄと第２の光フ
ァイバ結合器５２の入力側アーム５２ｂとの間に接続さ
れる。
【００３８】光ファイバ結合器５１は、入力側アーム５
１ａから入射した入力光Ｐi を50：50の分岐比で出力側
アーム５１ｃ，５１ｄに分岐し、入力側アーム５１ｂか
ら入射したゲートパルス光Ｐg を 999：１の分岐比で出
力側アーム５１ｃ，５１ｄに分岐する。一方、第２の光
ファイバ結合器５２は、入力側アーム５２ａ，５２ｂか
ら入射された入力光Ｐi を50：50の分岐比で出力側アー
ム５２ｃ，５２ｄに分岐し、入力側アーム５２ａから入
射されたゲートパルス光Ｐg を 999：１の分岐比で出力
側アーム５２ｃ，５２ｄに分岐する。
１ａから入射した入力光Ｐi を50：50の分岐比で出力側
アーム５１ｃ，５１ｄに分岐し、入力側アーム５１ｂか
ら入射したゲートパルス光Ｐg を 999：１の分岐比で出
力側アーム５１ｃ，５１ｄに分岐する。一方、第２の光
ファイバ結合器５２は、入力側アーム５２ａ，５２ｂか
ら入射された入力光Ｐi を50：50の分岐比で出力側アー
ム５２ｃ，５２ｄに分岐し、入力側アーム５２ａから入
射されたゲートパルス光Ｐg を 999：１の分岐比で出力
側アーム５２ｃ，５２ｄに分岐する。
【００３９】したがって、入力光Ｐi は光ファイバ結合
器５１により50：50に分岐され、それぞれ非線形光学媒
質導波路１０およびダミー導波路１１を透過し、第２の
光ファイバ結合器５２によって合波される。この構成は
マッハ・ツェンダ干渉計と呼ばれ、出力側アーム５２
ｃ，５２ｄからそれぞれ出射される出力光Ｐt の光強度
Ｉc ，Ｉd は、 Ｉc ≒Ｉi cos2(Δφ／２） …(9) Ｉd ≒Ｉi sin2(Δφ／２） …(10) で表すことができる。ただし、Ｉi は入力光Ｐi のパワ
ー、Δφは非線形光学媒質導波路１０とダミー導波路１
１を透過してきた光の位相差であり、式(5) で与えられ
る。なお、ダミー導波路１１の非線形屈折率は無視し
た。
器５１により50：50に分岐され、それぞれ非線形光学媒
質導波路１０およびダミー導波路１１を透過し、第２の
光ファイバ結合器５２によって合波される。この構成は
マッハ・ツェンダ干渉計と呼ばれ、出力側アーム５２
ｃ，５２ｄからそれぞれ出射される出力光Ｐt の光強度
Ｉc ，Ｉd は、 Ｉc ≒Ｉi cos2(Δφ／２） …(9) Ｉd ≒Ｉi sin2(Δφ／２） …(10) で表すことができる。ただし、Ｉi は入力光Ｐi のパワ
ー、Δφは非線形光学媒質導波路１０とダミー導波路１
１を透過してきた光の位相差であり、式(5) で与えられ
る。なお、ダミー導波路１１の非線形屈折率は無視し
た。
【００４０】（第６の実施形態）図１２は、非線形光学
媒質を用いた位相共役波発生装置の構成例を示す。位相
共役発生装置は、Ｓi 系材料の非線形光学媒質１の一方
にビームスプリッタ１２ａ，１２ｂを配置し、他方に全
反射ミラー１３を配置することによって構成される。こ
の構成は、一般には図１３に示す進行波型（前方型）縮
退４光波混合、または縮退４光波混合と呼ばれており、
非線形光学媒質１にＡ1 ，Ａ2 (Ａ1と反対方向）、ＡP
（斜入射）の３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 が発生するもので
ある。なお、Ａ1, Ａ2, ＡP,ＡC は、ともに前方へ進行
する進行波となるので、図１３では波数ベクトルｋ1，
ｋ2 ，ｋ3 を用いて信号光の進行方向を明示している。
媒質を用いた位相共役波発生装置の構成例を示す。位相
共役発生装置は、Ｓi 系材料の非線形光学媒質１の一方
にビームスプリッタ１２ａ，１２ｂを配置し、他方に全
反射ミラー１３を配置することによって構成される。こ
の構成は、一般には図１３に示す進行波型（前方型）縮
退４光波混合、または縮退４光波混合と呼ばれており、
非線形光学媒質１にＡ1 ，Ａ2 (Ａ1と反対方向）、ＡP
（斜入射）の３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 が発生するもので
ある。なお、Ａ1, Ａ2, ＡP,ＡC は、ともに前方へ進行
する進行波となるので、図１３では波数ベクトルｋ1，
ｋ2 ，ｋ3 を用いて信号光の進行方向を明示している。
【００４１】図１２，図１３に示したこれら縮退４光波
混合をパルス光で構成する場合には、パルスのコヒーレ
ンス時間に応じて非線形光学媒質１にパルスが到達する
時刻（タイミング）を調整する必要性が出てくるため、
光路にタイミング調節のため遅延を要する。この遅延の
確保には、パルスステージで駆動させるミラーやプリズ
ムが用いられる。パルス光での動作には、Ａ2 にＡ1 の
反射光は利用できず、３本の光波が必要になる。１本の
光源からこの３本の光波を確保する場合には上述の縮退
系となり、ビームスプリッタで光を３分割してから光路
遅延を経て非線形光学媒質１に入射させることになる。
複数の光源を用いる場合には非縮退系になるが、ビーム
スプリッタの数が変わるだけで基本構成は変化しない。
進行波型の場合には２本の光波で実施することも可能で
ある。
混合をパルス光で構成する場合には、パルスのコヒーレ
ンス時間に応じて非線形光学媒質１にパルスが到達する
時刻（タイミング）を調整する必要性が出てくるため、
光路にタイミング調節のため遅延を要する。この遅延の
確保には、パルスステージで駆動させるミラーやプリズ
ムが用いられる。パルス光での動作には、Ａ2 にＡ1 の
反射光は利用できず、３本の光波が必要になる。１本の
光源からこの３本の光波を確保する場合には上述の縮退
系となり、ビームスプリッタで光を３分割してから光路
遅延を経て非線形光学媒質１に入射させることになる。
複数の光源を用いる場合には非縮退系になるが、ビーム
スプリッタの数が変わるだけで基本構成は変化しない。
進行波型の場合には２本の光波で実施することも可能で
ある。
【００４２】本実施形態においても、装置の高速性、高
効率化が確認され、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ーなどへの有効な手段と成り得
ることが示された。 （第７の実施形態）図２に示すエタロン型光双安定素子
の非線形光学媒質１として、実施例１，２で述べたＳi
結晶を非共鳴領域で用いる。符号３ａ，３ｂは非線形光
学媒質１の表面に直接蒸着した誘電体多層膜ミラーであ
る。動作は、図４で説明したとおりであり、入力光Ｐi
の波長を僅かに変化させて共振器の共振条件に調整すれ
ばよい。1500ｎｍ使用では最小入力光強度Ｉi(min)は約
２ＭＷ／ｃｍ2 である。本装置の応答時間は、媒質の応
答時間ｔと共振器内光子寿命ｔp の大きい方の値で決ま
る。ここで、共振器内光子寿命ｔp は、 ｔp ＝−Ｌop／ｃ・lnＲ …(11) で表される。ただし、Ｌopは共振器の光学長、ｃは光
速、Ｒは誘電体多層膜ミラー３ａ，３ｂの反射率であ
る。
効率化が確認され、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ーなどへの有効な手段と成り得
ることが示された。 （第７の実施形態）図２に示すエタロン型光双安定素子
の非線形光学媒質１として、実施例１，２で述べたＳi
結晶を非共鳴領域で用いる。符号３ａ，３ｂは非線形光
学媒質１の表面に直接蒸着した誘電体多層膜ミラーであ
る。動作は、図４で説明したとおりであり、入力光Ｐi
の波長を僅かに変化させて共振器の共振条件に調整すれ
ばよい。1500ｎｍ使用では最小入力光強度Ｉi(min)は約
２ＭＷ／ｃｍ2 である。本装置の応答時間は、媒質の応
答時間ｔと共振器内光子寿命ｔp の大きい方の値で決ま
る。ここで、共振器内光子寿命ｔp は、 ｔp ＝−Ｌop／ｃ・lnＲ …(11) で表される。ただし、Ｌopは共振器の光学長、ｃは光
速、Ｒは誘電体多層膜ミラー３ａ，３ｂの反射率であ
る。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｓi 系材料を非共鳴領域で使用することにより、従来の
非線形光学媒質では得ることができなかった高速かつ高
効率な非線形光学応答を実現できる。また、広い波長範
囲で動作させることができる。このため、高速光スイッ
チ、変調器等のデバイスとしての応用が可能である。さ
らに、光パルス圧縮、光波形整形、光ソリトンの発生、
位相共役像の発生、量子雑音レベルの抑圧、量子非破壊
測定等の各分野において、空間並列処理を含め、簡便か
つ安価に必要な材料を確保することができる。
Ｓi 系材料を非共鳴領域で使用することにより、従来の
非線形光学媒質では得ることができなかった高速かつ高
効率な非線形光学応答を実現できる。また、広い波長範
囲で動作させることができる。このため、高速光スイッ
チ、変調器等のデバイスとしての応用が可能である。さ
らに、光パルス圧縮、光波形整形、光ソリトンの発生、
位相共役像の発生、量子雑音レベルの抑圧、量子非破壊
測定等の各分野において、空間並列処理を含め、簡便か
つ安価に必要な材料を確保することができる。
【図１】非線形光学媒質を用いた光カーシャッタの第１
の構成例を示す図。
の構成例を示す図。
【図２】非線形光学媒質を用いたエタロン型光双安定素
子の構成例を示す図。
子の構成例を示す図。
【図３】光双安定素子のリミッタ動作特性を示す図。
【図４】光双安定素子の双安定動作特性を示す図。
【図５】第１の実施形態における光カーシャッタの応答
速度を示す図。
速度を示す図。
【図６】非線形光学媒質を用いた光カーシャッタの第２
の構成例を示す図。
の構成例を示す図。
【図７】第２の構成例における光カーシャッタの出力信
号波形を示す図。
号波形を示す図。
【図８】第２の構成例における光カーシャッタの透過率
のゲート光依存性を示す図。
のゲート光依存性を示す図。
【図９】非線形光学媒質を用いた光カーシャッタの第３
の構成例を示す図。
の構成例を示す図。
【図１０】非線形光学媒質を用いたループミラー干渉計
型の光ゲートスイッチの構成例を示す図。
型の光ゲートスイッチの構成例を示す図。
【図１１】非線形光学媒質を用いたマッハツェンダ干渉
計型の光ゲートスイッチの構成例を示す図。
計型の光ゲートスイッチの構成例を示す図。
【図１２】非線形光学媒質を用いた位相共役波発生装置
の構成例を示す図。
の構成例を示す図。
【図１３】進行波型（前方型）縮退４光波混合の概略構
成を示す図。
成を示す図。
１ 非線形光学媒質 ２ 偏光子 ３，１３ 全反射ミラー ４ レンズ ５，５１，５２ 光ファイバ結合器 ６ 光ファイバ偏光子 ７ 光源 ８ ダイクロイックミラー ９ 光学フィルタ １０ 非線形光学媒質導波路 １１ ダミー導波路 １２ ビームスプリッタ
Claims (3)
- 【請求項１】 シリコン（Ｓi ）結晶、アモルファスＳ
i 、ポーラスＳi 、Ｓi 微粒子分散材料、Ｓi 高分子の
少なくとも１つを主成分として構成され、非共鳴領域
（バンドギャップエネルギー（Ｅg ）以下のエネルギー
に相当する波長の領域）で使用することを特徴とする非
線形光学媒質。 - 【請求項２】 請求項１に記載の非線形光学媒質におい
て、 ２光子吸収または３光子吸収の最大値または極大値を示
す波長とその近傍の波長で使用することを特徴とする非
線形光学媒質。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の非線形
光学媒質と、前記非線形光学媒質に光を入射する少なく
とも１つの入力手段と、前記非線形光学媒質を透過した
光を出射する出力手段とを備えたことを特徴とする非線
形光学装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6684397A JPH10260434A (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 非線形光学媒質および非線形光学装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6684397A JPH10260434A (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 非線形光学媒質および非線形光学装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10260434A true JPH10260434A (ja) | 1998-09-29 |
Family
ID=13327544
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6684397A Pending JPH10260434A (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 非線形光学媒質および非線形光学装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10260434A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010250350A (ja) * | 2004-09-01 | 2010-11-04 | Fujitsu Ltd | 光スイッチおよび光スイッチを利用した光波形モニタ装置 |
| JP2011145495A (ja) * | 2010-01-15 | 2011-07-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 全光信号処理デバイス |
-
1997
- 1997-03-19 JP JP6684397A patent/JPH10260434A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010250350A (ja) * | 2004-09-01 | 2010-11-04 | Fujitsu Ltd | 光スイッチおよび光スイッチを利用した光波形モニタ装置 |
| JP2011145495A (ja) * | 2010-01-15 | 2011-07-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 全光信号処理デバイス |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040511 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040708 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20040803 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |