JPH10288799A - Optical waveguide circuit and nonlinear optical device - Google Patents
Optical waveguide circuit and nonlinear optical deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光データ処理,情報処
理,光通信システム等の光スイッチ,光メモリ,光信号
演算処理装置等として有用な光デバイスに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device useful as an optical switch for an optical data processing, information processing, optical communication system, or the like, an optical memory, an optical signal processing unit, or the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】非線形光学効果を利用した光スイッチ等
の光デバイスとして、たとえば光カーシャッタスイッ
チ,マッハ・チェンダー型光スイッチ,方向性結合器型
光スイッチ等が種々知られている。光カーシャッタスイ
ッチ10は、図1に模式的に示すように、偏光軸を互い
に直交させたクロスニコル配置で偏光子11及び検光子
12を配置し、ガラスセル内に封入された二硫化炭素等
の非線形屈折率媒質(カー媒質)13を偏光子11と検
光子12との間に介在させている。入力光(プローブ
光)Pi はゲートパルス光Pg でゲーティングされ、ゲ
ートパルスの時間波形に対応した出力光Pt となる。こ
の構成では、ゲートパルスPg が入射している間だけ、
偏光子11を通過したプローブ光Pi の直線偏波がカー
媒質13の屈折率変化によって楕円偏波に変わる。その
ため、プローブ光Pi の一部が直交検光子12を通過で
き、ゲートパルスPg のパルスによってプローブ光Pi
が光スイッチされる。2. Description of the Related Art As optical devices such as optical switches utilizing the nonlinear optical effect, various types of optical Kerr shutter switches, Mach-Cheander type optical switches, directional coupler type optical switches and the like are known. As shown schematically in FIG. 1, an optical Kerr shutter switch 10 has a polarizer 11 and an analyzer 12 arranged in a crossed Nicols arrangement in which polarization axes are orthogonal to each other, and carbon disulfide or the like sealed in a glass cell. The nonlinear refractive index medium (Kerr medium) 13 is interposed between the polarizer 11 and the analyzer 12. Input light (probe light) P i is gated by the gate pulse light P g, the output light P t corresponding to the time waveform of the gate pulse. In this configuration, only while the gate pulse P g is incident,
The linearly polarized light of the probe light P i that has passed through the polarizer 11 changes to elliptical polarization due to a change in the refractive index of the Kerr medium 13. Therefore, a portion of the probe light P i is able to pass through an orthogonal analyzer 12, probe light P i by a pulse of the gate pulse P g
Is optically switched.
【0003】検光子12を通過するプローブ光Pi の通
過率は、ゲート光Pg とプローブ光Pi の直線偏波のな
す角度がπ/4のとき最大になる。このときのプローブ
光P i の通過率Tは、T∝ sin2(n2BLIg)で与えられ
る。ただし、n2Bはカー定数と呼ばれている非線形屈折
率,Lはカー媒質13の長さ,Ig(=4Pg/πD2)はゲ
ート光Pg のパワー密度,Dはビームのスポットサイズ
である。なお、導波路型媒質ではDをコア径と見做すこ
とができる。二硫化炭素を用いた光カーシャッタスイッ
チでは、ピコ秒程度の高速応答を示すことが確認されて
いる。しかし、高速性には優れているものの駆動パワー
が極めて高いため、高速性の長所が十分に活用されてい
ない。非線形光学装置の開発において、光導波路を非線
形媒質として用いることは、非線形光学材料自体の非線
形性が低い場合でも、それを補うことができることから
有効な手段の一つと考えられている。しかし、非線形光
学ガラス材料を用いて光導波路を作製する従来の方法で
は、多くの場合、イオン交換法や火炎加水分解法等の工
程を経ている。The probe light P passing through the analyzer 12i Through
Excess rate is gate light Pg And probe light Pi Of linear polarization
The maximum is obtained when the angle is π / 4. Probe at this time
Light P i Is T 率 sinTwo(n2BLIgGiven by
You. Where n2BIs the nonlinear refraction called the Kerr constant
Rate, L is the length of the Kerr medium 13, Ig(= 4Pg/ πDTwo) Is
Light Pg Power density, D is beam spot size
It is. In the waveguide medium, D is regarded as the core diameter.
Can be. Optical car shutter switch using carbon disulfide
Has a fast response of about picoseconds.
I have. However, although high speed is excellent, the driving power
Is extremely high, and the advantages of high speed are fully utilized.
Absent. In developing nonlinear optical devices, optical waveguide
The use of a non-linear optical material as a nonlinear medium
Even if shape is low, it can compensate for it
It is considered one of the effective means. But nonlinear light
Conventional method of fabricating optical waveguides using glass materials
In many cases, processes such as ion exchange and flame hydrolysis are used.
It has gone through the process.
【0004】イオン交換法では、たとえば金属膜のスリ
ット状開口からガラス基板表面層にAg+ イオンを熱的
に侵入させ、ガラス中のNa+ イオンとAg+ イオンを
交換する第1段のイオン交換により表面層に導波核を形
成した後、ガラス基板に均一な電界を印加して溶融塩中
のNa+ イオンをガラス表面に侵入させている。Na +
イオンは、Ag+ イオンが形成した最表面の高屈折領域
を表面下に移動させる。その結果、導波路がガラス表面
下に埋め込まれ、低伝播損失特性が確保される。この方
法で作製された光導波路のコア部は、通常、直径が10
〜200μmの半円形又はほぼ円形の断面を持ち、1%
前後の比屈折率差を示すものが多い。火炎加水分解法で
は、四塩化シリコン及び四塩化ゲルマニウムの火炎加水
分解によりシリコン基板の表面に下クラッド用及びコア
用の二層のガラス微粒子層を堆積させ、高温加熱によっ
て微粒子層を透明ガラス層に改質する。次いで、フォト
リソグラフィ及び反応性エッチングにより回路パターン
をもつコア部を形成する。この方法で作製された光導波
路は、膜厚が数μmである。In the ion exchange method, for example, a metal film
Ag to the glass substrate surface layer+ Thermal ion
Into the glass, Na in the glass+ Ion and Ag+ Ion
Waveguide nuclei are formed on the surface layer by the first-stage ion exchange.
Then, apply a uniform electric field to the glass
Na+ The ions penetrate the glass surface. Na +
The ion is Ag+ High refraction region on the outermost surface formed by ions
Is moved below the surface. As a result, the waveguide
It is embedded underneath to ensure low propagation loss characteristics. This one
The core of an optical waveguide manufactured by the method usually has a diameter of 10
With a semi-circular or nearly circular cross section of ~ 200 μm, 1%
Many show the relative refractive index difference before and after. By flame hydrolysis
Is the flame addition of silicon tetrachloride and germanium tetrachloride.
For lower cladding and core on silicon substrate surface by decomposition
Two glass fine-particle layers for
To modify the fine particle layer into a transparent glass layer. Then the photo
Circuit pattern by lithography and reactive etching
To form a core portion having Optical waveguide produced by this method
The path has a thickness of several μm.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】従来型の非線形光学装
置に用いる光導波路をイオン交換法で作製するとき、イ
オン交換によって屈折率分布が調整されるため、形成さ
れた導波路構造がガラス表面に近い部分に限られる。導
波路作製可能なガラスも、イオン交換が可能な材料に限
られる。また、イオン交換に長時間を要することから、
生産性が低いことも欠点である。更に、同一基板上に種
々の二次元的パターンをもつ光導波路を作製できても、
三次元的に組み合わされた光導波路の形成は困難であ
る。そのため、光導波路等としての使用に制約を受け、
複雑な回路構成をもつ用途に適用できない。このよう
に、ガラス材料を用いた光デバイスの構成に際し、材料
が本来もつ高い非線形光学特性等を十分に発揮できてい
ない現状である。When an optical waveguide used for a conventional nonlinear optical device is manufactured by an ion exchange method, the refractive index distribution is adjusted by ion exchange, so that the formed waveguide structure is formed on a glass surface. Limited to close parts. The glass for which a waveguide can be formed is also limited to a material that can be ion-exchanged. Also, since it takes a long time for ion exchange,
Another disadvantage is the low productivity. Furthermore, even if optical waveguides having various two-dimensional patterns can be manufactured on the same substrate,
It is difficult to form a three-dimensionally combined optical waveguide. Therefore, there is a restriction on the use as an optical waveguide, etc.,
Cannot be used for applications with complex circuit configurations. As described above, at the time of configuring an optical device using a glass material, the high nonlinear optical characteristics inherent to the material cannot be sufficiently exhibited.
【0006】他方、火炎加水分解法による場合には、導
波路の作製工程が複雑であり、使用可能な材料も石英を
主成分とするガラス組成に限られる。また、基板表面に
堆積した微粒子をガラス層に改質することから、円形の
断面をもつ光導波路の作製が困難である。更に、火炎加
水分解法でも、イオン交換法と同様に、三次元的に組み
合わされた光導波路を形成することが困難である。本発
明は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、非線形性の大きなガラス材料の内部でレーザ光の集
光点を相対的に移動させることにより、屈折率変化をも
たらす構造変化をガラス材料の内部に起こさせ、使用可
能なガラス材料の種類にほとんど制約を受けることな
く、必要形状の光導波路が簡便に形成された光導波回路
を提供することを目的とする。[0006] On the other hand, in the case of the flame hydrolysis method, the manufacturing process of the waveguide is complicated, and the usable material is limited to a glass composition containing quartz as a main component. Further, since the fine particles deposited on the substrate surface are modified into a glass layer, it is difficult to produce an optical waveguide having a circular cross section. Furthermore, even in the flame hydrolysis method, it is difficult to form a three-dimensionally combined optical waveguide similarly to the ion exchange method. The present invention has been devised to solve such a problem, and has a structure in which a focal point of a laser beam is relatively moved inside a glass material having a large nonlinearity, thereby causing a change in a refractive index. An object of the present invention is to provide an optical waveguide circuit in which a change is caused inside a glass material and an optical waveguide of a required shape is easily formed without being substantially restricted by the types of usable glass materials.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の光導波回路は、
その目的を達成するため、非線形光学効果を呈するガラ
ス材料を基体又は基体の一部とし、レーザ光の集光照射
によって屈折率を変化させた部分が光導波路として基体
内部に形成されていることを特徴とする。ガラス材料と
しては、酸化物ガラス,ハロゲン化物ガラス,硫化物ガ
ラス,カルコゲナイドガラス等が使用される。光導波路
は、たとえば二股状に分岐され、分岐した一方の光導波
路が非線形光学効果を呈するガラス材料の内部に形成さ
れている。この光導波回路は、光カーシャッタ型スイッ
チ,マッハ・チェンダー型スイッチ,方向性結合器型ス
イッチ等に組み込まれ、応答性の高い光スイッチを構成
する。An optical waveguide circuit according to the present invention comprises:
In order to achieve the object, a glass material exhibiting a non-linear optical effect is used as a base or a part of the base, and a part whose refractive index is changed by condensing irradiation of laser light is formed inside the base as an optical waveguide. Features. As the glass material, oxide glass, halide glass, sulfide glass, chalcogenide glass, or the like is used. The optical waveguide is bifurcated, for example, and one of the branched optical waveguides is formed inside a glass material exhibiting a nonlinear optical effect. This optical waveguide circuit is incorporated in an optical Kerr shutter type switch, a Mach-Cheander type switch, a directional coupler type switch, and the like, and forms an optical switch with high response.
【0008】[0008]
【実施の形態】本発明者等は、レーザ光の集光照射で作
製した光導波路の光スイッチング特性について調査検討
した結果、本発明に達した。本発明に従った光導波路
は、レーザ光の集光照射により屈折率変化がガラス材料
の内部に連続して形成されている。このように光導波路
を形成するとき、従来の複雑な工程を経る必要なく光ス
イッチ等の非線形光学装置が簡便に作製される。作製さ
れた非線形光学装置は、光カーシャッタスイッチ,マッ
ハ・チェンダー型光スイッチ,方向性結合器型光スイッ
チ等として使用可能であり、何れも三次の非線形光学効
果を利用することにより高速の光スイッチング動作が可
能である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have studied and studied the optical switching characteristics of an optical waveguide produced by converging and irradiating a laser beam, and have reached the present invention. In the optical waveguide according to the present invention, the change in the refractive index is continuously formed inside the glass material due to the irradiation of the laser beam. When forming an optical waveguide in this manner, a non-linear optical device such as an optical switch can be easily manufactured without having to go through a conventional complicated process. The fabricated nonlinear optical device can be used as an optical Kerr shutter switch, a Mach-Cheander type optical switch, a directional coupler type optical switch, etc. All of them can be used for high-speed optical switching by utilizing the third-order nonlinear optical effect. Operation is possible.
【0009】非線形光学装置用の光導波路を作製するた
めのガラス材料には、透明度の高い種々の非線形光学ガ
ラスである限り、その材質に制約を受けることがない。
たとえば、酸化物ガラス,ハロゲン化物ガラス,硫化物
ガラス,カルコゲナイドガラス等、種々の材料系が使用
可能である。三次非線形性の大きな酸化物ガラスとして
はケイ酸塩系,硼酸塩系,リン酸塩系,フッリン酸塩
系,ゲルマネイト系,テルライト系等、硫化物系ガラス
としてはGa−La−S系,Ge−S系等、ハロゲン化
物ガラスとしてはBeF2 系,ZrF4 系,InF3
系,Cd−Zn−Cl系等、カルコゲナイドガラスには
As−S系,As−Se系,Si−Te系等がある。The glass material for producing the optical waveguide for the non-linear optical device is not limited as long as it is various non-linear optical glasses having high transparency.
For example, various material systems such as oxide glass, halide glass, sulfide glass, and chalcogenide glass can be used. Examples of oxide glasses having a large third-order nonlinearity include silicate-based, borate-based, phosphate-based, fluorinate-based, germanate-based, and tellurite-based glasses, and sulfide-based glasses include Ga-La-S-based and Ge-based glasses. BeF 2 , ZrF 4 , InF 3 , etc.
And chalcogenide glasses such as As-S, As-Se, and Si-Te.
【0010】本発明に従った光導波路は、光誘起屈折率
変化を起こすエネルギー量をもつレーザ光をガラス材料
の内部に集光し、連続した屈折率変化領域がガラス材料
の内部に形成されるように、ガラス材料の内部で集光点
を相対移動させることにより製造される。具体的には、
図2で模式的に示すように、レーザ光21を集光レンズ
22等からなる集光装置で集光し、ガラス材料20の内
部に集光点23を位置させる。この集光点23をガラス
材料20の内部で相対的に移動させることにより、光導
波路24,25として働く連続した屈折率変化領域がガ
ラス材料20の内部に形成される。集光点23の相対移
動には、たとえばレーザ光21の集光点23に対してガ
ラス材料20を連続的に移動させる方式,ガラス材料2
0の内部でレーザ光21の集光点を連続的に移動させる
方式等が採用される。ガラス材料20の内部に形成され
る光導波路は、集光点23の相対移動に応じて自由に設
計される。たとえば、集光点23を一方向に相対移動さ
せると、図3に示す光導波路24が形成される。また、
集光点23を二方向に相対移動させると、図4に示す二
股状の光導波路25が形成される。An optical waveguide according to the present invention focuses a laser beam having an energy amount causing a photoinduced refractive index change inside a glass material, and a continuous refractive index change region is formed inside the glass material. As described above, it is manufactured by relatively moving the focal point inside the glass material. In particular,
As schematically shown in FIG. 2, the laser beam 21 is condensed by a condensing device including a converging lens 22 and the like, and a converging point 23 is located inside the glass material 20. By moving the converging point 23 relatively inside the glass material 20, a continuous refractive index change region serving as the optical waveguides 24 and 25 is formed inside the glass material 20. The relative movement of the focal point 23 is, for example, a method of continuously moving the glass material 20 with respect to the focal point 23 of the laser light 21;
For example, a method of continuously moving the focal point of the laser light 21 inside 0 is adopted. The optical waveguide formed inside the glass material 20 is freely designed according to the relative movement of the light converging point 23. For example, when the converging point 23 is relatively moved in one direction, the optical waveguide 24 shown in FIG. 3 is formed. Also,
When the focal point 23 is relatively moved in two directions, a forked optical waveguide 25 shown in FIG. 4 is formed.
【0011】光誘起屈折率変化は、ピークパワー強度が
高いほど促進される。しかし、過度に大きなエネルギー
量のレーザ光を得ることは実際面で困難である。この点
は、パルス幅を狭くしてピーク出力を高めたレーザ光を
使用することにより克服できる。ただし、パルス状のレ
ーザ光を使用するとき、ガラス材料の内部に形成される
光導波路を滑らかな構造にするため、パルスレーザの繰
返し周波数を10kHz以上にすることが好ましい。The change in the photo-induced refractive index is accelerated as the peak power intensity increases. However, it is practically difficult to obtain a laser beam having an excessively large energy amount. This point can be overcome by using a laser beam having a narrow pulse width and a high peak output. However, when pulsed laser light is used, the repetition frequency of the pulsed laser is preferably set to 10 kHz or more in order to make the optical waveguide formed inside the glass material smooth.
【0012】[0012]
【作用】パルスレーザの照射によって屈折率が変化する
現象は、光誘起屈折率変化と呼ばれており、P,Ce,
Ge等を添加したシリカガラスの例が知られている。こ
の現象は、紫外域に固有吸収をもつ酸素欠陥がガラス中
に存在しており、吸収波長のレーザを照射することによ
って酸素欠陥の一部が構造変化することに起因すると考
えられており、発振波長が紫外域にあるエキシマレーザ
での研究が進められている。しかし、この方法で使用さ
れるレーザ光は、10kHz未満の低い繰返し周波数で
あるため、十分なエネルギーを照射部分に与えることが
できない。そのため、屈折率変化領域の形状がスポット
的になり、連続的な屈折率変化を必要とする光導波路を
形成するまでには至らない。また、パルス幅が一定の状
態で強制的に繰返し周波数を高くすると、パルス当りの
エネルギーが低くなり、屈折率変化を誘起させること自
体が困難になる。The phenomenon in which the refractive index is changed by the irradiation of the pulse laser is called a photo-induced change in the refractive index.
Examples of silica glass to which Ge or the like is added are known. This phenomenon is thought to be due to the fact that oxygen vacancies having intrinsic absorption in the ultraviolet region exist in the glass, and part of the oxygen vacancies undergo structural change by irradiating a laser with an absorption wavelength. Research on excimer lasers whose wavelengths are in the ultraviolet region is ongoing. However, since the laser beam used in this method has a low repetition frequency of less than 10 kHz, sufficient energy cannot be given to the irradiated portion. Therefore, the shape of the refractive index change region becomes spot-like, and it is not possible to form an optical waveguide requiring a continuous change in the refractive index. Also, if the repetition frequency is forcibly increased in a state where the pulse width is constant, the energy per pulse decreases, and it becomes difficult to induce a change in the refractive index.
【0013】ところで、パルスレーザのパルス幅を狭く
すると、高いピーク出力が得られる。このようにピーク
出力を高めればガラスの固有吸収以外の波長をもつパル
スレーザ光を使用しても、10kHz以上の繰返し周波
数をもつ限りガラス組成に関係なく、レーザ光の集光部
分で屈折率が変化する現象が確認される。滑らかな導波
路構造を形成する上では、第1パルスと第2パルスが可
能な限り短い期間で照射されるように、パルス間隔を狭
く、換言すれば繰返し周波数を高くする必要がある。こ
の点でも、パルスレーザの繰返し周波数を10kHz以
上,好ましくは100kHz以上に設定する。繰返し周
波数が低いとレーザ光が離散的に照射され、導波路の形
成に必要な連続的な屈折率変化が得られない。When the pulse width of the pulse laser is reduced, a high peak output can be obtained. If the peak output is increased in this way, even if pulsed laser light having a wavelength other than the intrinsic absorption of glass is used, the refractive index at the condensed portion of the laser light will be high regardless of the glass composition as long as it has a repetition frequency of 10 kHz or more. A changing phenomenon is confirmed. In order to form a smooth waveguide structure, it is necessary to narrow the pulse interval, in other words, to increase the repetition frequency so that the first pulse and the second pulse are irradiated in a period as short as possible. Also in this regard, the repetition frequency of the pulse laser is set to 10 kHz or more, preferably 100 kHz or more. When the repetition frequency is low, laser light is radiated discretely, and a continuous change in refractive index required for forming a waveguide cannot be obtained.
【0014】繰返し周波数の上限は、無限大の限りなく
連続レーザに近いものである。しかし、繰返し周波数を
高くすると、一般的にパルス当りのエネルギーが弱くな
る。そこで、実際にはガラス材料が屈折率変化を起こす
閾値及び使用するレーザの出力によって、繰返し周波数
の上限を設定する。繰返し周波数が高い場合、レーザ又
はガラス材料を連続的に相対移動することにより、集光
部分の軌跡に連続的な屈折率変化領域が形成される。こ
の屈折率変化領域は、レーザ光照射前のガラスの屈折率
より高いことから光導波路として利用される。ガラス材
料又はレーザ光の集光点の走査速度を遅くすることによ
り、ガラス材料に対してレーザ光を連続照射できる。し
かし、第1パルス照射後に一定の時間をおいて第2パル
スが重なった状態で照射されるため、第1パルスで形成
された屈折率変化が第2パルスにより再変化し、滑らか
な導波路構造が得られない。The upper limit of the repetition frequency is not limited to infinity but is close to that of a continuous laser. However, higher repetition frequencies generally result in lower energy per pulse. Therefore, in practice, the upper limit of the repetition frequency is set based on the threshold value at which the glass material changes the refractive index and the output of the laser used. When the repetition frequency is high, by continuously moving the laser or glass material relative to each other, a continuous refractive index change region is formed on the trajectory of the converging portion. This refractive index change region is used as an optical waveguide because it has a higher refractive index than glass before laser light irradiation. By reducing the scanning speed of the glass material or the focal point of the laser light, the glass material can be continuously irradiated with the laser light. However, since irradiation is performed in a state in which the second pulse overlaps at a certain time after the irradiation of the first pulse, the change in the refractive index formed by the first pulse is changed again by the second pulse, and a smooth waveguide structure is obtained. Can not be obtained.
【0015】本発明によるとき、所望の形状を持った光
導波路が容易に得られる。しかも、従来の作製工程と異
なり、光導波路の作製に使用するレーザ光と非線形光学
装置に用いるレーザ光源とを共用できるため、作業の効
率化及び作業速度の高速化が可能となる。波長可変のレ
ーザ光源を用いた場合、光導波路作製用の波長と非線形
光学装置駆動時の波長を変えることもできる。また、本
発明による非線形光導波路は、コア部の断面が円形であ
ることから、入射したレーザ光の直線偏波の偏光保持率
が高い等の光学特性に優れている。したがって、非線形
光学素子として好適に使用され、これを用いて構成する
光スイッチを始めとする非線形光学装置は高速・高効率
で動作し、実用に十分供し得る。以下の実施例では、レ
ーザ照射によって非線形光学ガラス材料に屈折率変化
(線形屈折率の変化)を起こさせ、それにより作製した
光導波路及びそれを用いた非線形光学装置を中心として
説明する。ただし、本発明は、実施例に何ら拘束される
ものでなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能なこ
とは勿論である。According to the present invention, an optical waveguide having a desired shape can be easily obtained. Moreover, unlike the conventional manufacturing process, the laser light used for manufacturing the optical waveguide and the laser light source used for the nonlinear optical device can be shared, so that the work efficiency and the work speed can be increased. When a wavelength-variable laser light source is used, the wavelength for producing the optical waveguide and the wavelength for driving the nonlinear optical device can be changed. In addition, the nonlinear optical waveguide according to the present invention is excellent in optical characteristics such as a high polarization retention of linearly polarized light of the incident laser light since the cross section of the core portion is circular. Therefore, a nonlinear optical device such as an optical switch suitably used as a nonlinear optical element and configured using the same operates at high speed and high efficiency, and can be sufficiently used for practical use. In the following examples, a description will be given mainly of an optical waveguide produced by causing a change in refractive index (change in linear refractive index) in a nonlinear optical glass material by laser irradiation, and a nonlinear optical device using the same. However, the present invention is not limited to the embodiments at all, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
【0016】[0016]
【実施例】実施例1:光カースイッチ用光導波路の作製 PbO:10モル%,TiO2 :10モル%,TeO
2 :80モル%の組成をもつテルライトガラスから10
mm×1mm×10mmの立方体形状の試験片を切り出
した。Arレーザ励起のチタンサファイアレーザから発
振されたパルス幅150fs,繰返し周波数200kH
z,波長0.8μm,平均出力10〜50mWのパルス
レーザ光を使用し、集光レンズで集光し、試験片の内部
に集光点が位置するように調節して試験片を照射した。
照射後の試験片を観察すると、集光点の屈折率が0.0
1だけ上昇していた。屈折率の変化は、ナノ秒又はピコ
秒オーダの極く短時間で生じた。試験片又は集光点を連
続的に一方向に相対移動させることにより、試験片の内
部に直線状の高屈折率領域,すなわち直線状の光導波路
が形成された。光導波路の形成如何は、実際に通信波長
帯のレーザ光を試験片に入射し、屈折率変化を起こして
いる部分のみに光が伝播されていることを観測すること
により確認できた。また、出射側の近視野像から光導波
路の断面が直径(コア径)4μmであること、及び少な
くとも通信波長帯域においてシングルモード伝播が実現
されていることも判明した。 EXAMPLE 1 Preparation of Optical Waveguide for Optical Car Switch PbO: 10 mol%, TiO 2 : 10 mol%, TeO
2 : 10% from tellurite glass having a composition of 80 mol%
A cubic test specimen of mm × 1 mm × 10 mm was cut out. Pulse width 150 fs, repetition frequency 200 kHz oscillated from a titanium sapphire laser excited by an Ar laser
Using a pulse laser beam having z, a wavelength of 0.8 μm, and an average output of 10 to 50 mW, the light was condensed by a condensing lens, and the test piece was irradiated with adjustment so that a condensing point was located inside the test piece.
Observation of the test piece after irradiation shows that the refractive index at the focal point is 0.0
Had risen by one. The change in refractive index occurred in a very short time, on the order of nanoseconds or picoseconds. By continuously moving the test piece or the condensing point relatively in one direction, a linear high refractive index region, that is, a linear optical waveguide was formed inside the test piece. The formation of the optical waveguide was confirmed by actually irradiating the test piece with laser light in the communication wavelength band and observing that the light was propagated only to the portion where the refractive index was changed. It was also found from the near-field image on the emission side that the cross section of the optical waveguide had a diameter (core diameter) of 4 μm and that single mode propagation was realized at least in the communication wavelength band.
【0017】更に、組成が異なるテルライトガラスや、
純粋なシリカガラス,Ge等をドープしたシリカ系ガラ
ス,リン酸塩ガラス,ホウ酸塩ガラス,フッ化物ガラ
ス,塩化物ガラス,ゲルマネイト,カルコゲナイド等の
ガラスについても、同様なレーザ照射によって光導波路
が形成されることを確認した。また、以上の例では0.
8μmの波長をもつレーザ光で照射したが、他の波長、
たとえば通信波長帯の1.3μmや1.55μmの波長
をもつレーザ光を照射しても同様の屈折率変化が観測さ
れた。光導波路は、使用する集光レンズの焦点距離を変
えることによりコア径の大きさが調整可能であった。こ
のようにして形成された光導波路は、コアとクラッドと
の間に明確な界面が存在しないので界面損失が極めて少
ない。そのため、本発明は、光集積回路等における微細
な導波路形成法として活用される。Further, tellurite glass having a different composition,
An optical waveguide is formed by pure laser glass, silica-based glass doped with Ge, etc., phosphate glass, borate glass, fluoride glass, chloride glass, germanate, chalcogenide, etc. by similar laser irradiation. Confirmed that. Further, in the above example, 0.
Irradiated with laser light having a wavelength of 8 μm, other wavelengths,
For example, a similar change in the refractive index was observed when a laser beam having a wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm in the communication wavelength band was irradiated. The diameter of the core of the optical waveguide was adjustable by changing the focal length of the condensing lens used. In the optical waveguide formed in this way, there is no clear interface between the core and the clad, so that the interface loss is extremely small. Therefore, the present invention is utilized as a method for forming a fine waveguide in an optical integrated circuit or the like.
【0018】実施例2:マッハ・チェンダー型光スイッ
チ用光導波路の作製 マッハ・チェンダー型光スイッチ用光導波路は、種々の
工程で作製できる。たとえば、図5で模式的に示すよう
に、予め4つに切られた基板31〜34を用意し、その
うちの一つの基板31にのみテルライト系のような非線
形性の大きな材料を使用し、残りの3つの基板32〜3
4にはシリカガラスのように非線形性の小さな材料を使
用する。それぞれの基板31〜34をレーザ照射するこ
とにより光導波路31a〜34aを形成させた後、光学
接着剤で各基板31〜34を貼り合わせる。或いは、図
6で模式的に示すように、所定の大きさをもつ一つの基
板35を使用する。基板35は、シリカガラスのような
非線形性の小さいガラスでできており、テルライトガラ
スのような非線形性の大きい材料36をスパッタ法等で
基板35の一部表面に盛り付ける。次いで、レーザ照射
によりマッハ・チェンダー型光導波路35aが基板35
に書き込まれる。何れの場合も、基板31〜15を搭載
した微動台の操作によって、必要形状の光導波路31a
〜35aが容易に書き込まれる。 Embodiment 2: Mach-Cheander type optical switch
Fabrication of Optical Waveguide for Switch The optical waveguide for a Mach-Cheander optical switch can be fabricated by various processes. For example, as schematically shown in FIG. 5, substrates 31 to 34 cut in advance are prepared, and only one substrate 31 is made of a highly nonlinear material such as tellurite, Three substrates 32-3
For 4, a material having low nonlinearity such as silica glass is used. After the optical waveguides 31a to 34a are formed by irradiating the respective substrates 31 to 34 with laser, the substrates 31 to 34 are bonded together with an optical adhesive. Alternatively, as schematically shown in FIG. 6, one substrate 35 having a predetermined size is used. The substrate 35 is made of glass having a small nonlinearity such as silica glass, and a material 36 having a large nonlinearity such as tellurite glass is provided on a partial surface of the substrate 35 by a sputtering method or the like. Next, the Mach-Cehnder type optical waveguide 35a is
Is written to. In any case, the operation of the fine moving table on which the substrates 31 to 15 are mounted causes the required shape of the optical waveguide 31a.
~ 35a are easily written.
【0019】本実施例では、PbO:25モル%,Ti
O2 :10モル%,TeO2 :65モル%の組成をもつ
テルライトガラスを非線形性の大きな材料として、シリ
カ100%のガラスを非線形の小さな材料として使用し
た。Arレーザ励起のチタンサファイアレーザから発振
されたパルス幅150fs,繰返し周波数200kH
z,波長0.8μm,平均出力10〜50mWのパルス
レーザ光を使用し、集光レンズで集光し、試験片の内部
に集光点が位置するように調節して試験片を照射した。
集光点の屈折率は、テルライトガラスでは0.01,シ
リカガラスでは0.005だけ上昇した。作製した光導
波路の基本性能を調査するため、実際に通信波長帯のレ
ーザ光を光導波路に入射させたところ、屈折率変化を起
こしている部分のみに光の伝播が観察され、シングルモ
ード伝播が実現していることが判明した。形成された光
導波路は、出射側の近視野像から4μmのコア径をもっ
ていることが判った。光導波路の素子全体としてのサイ
ズは、10mm×1mm×20mmであった。In this embodiment, PbO: 25 mol%, Ti
Tellurite glass having a composition of O 2 : 10 mol% and TeO 2 : 65 mol% was used as a material having large nonlinearity, and glass made of 100% silica was used as a material having small nonlinearity. Pulse width 150 fs, repetition frequency 200 kHz oscillated from a titanium sapphire laser excited by an Ar laser
Using a pulse laser beam having z, a wavelength of 0.8 μm, and an average output of 10 to 50 mW, the light was condensed by a condensing lens, and the test piece was irradiated with adjustment so that a condensing point was located inside the test piece.
The refractive index at the focal point increased by 0.01 for tellurite glass and 0.005 for silica glass. In order to investigate the basic performance of the fabricated optical waveguide, when laser light in the communication wavelength band was actually incident on the optical waveguide, light propagation was observed only in the part where the refractive index change occurred, and single mode propagation was observed. It turned out to be realized. From the near-field image on the emission side, it was found that the formed optical waveguide had a core diameter of 4 μm. The size of the optical waveguide as a whole element was 10 mm × 1 mm × 20 mm.
【0020】更に、組成が異なるテルライトガラスや、
Ge等をドープしたシリカ系ガラス,リン酸塩ガラス,
ホウ酸塩ガラス,フッ化物ガラス,塩化物ガラス,硫化
物ガラス,ゲルマネイト,カルコゲナイド等のガラスに
ついても、同様なレーザ照射によって光導波路が形成さ
れることを確認した。他方、非線形性の小さな材料とし
て、純粋なシリカガラスに替えてドープ量の少ないGe
ドープシリカ系ガラス等も使用可能であった。本実施例
で得られた光導波路も、コアとクラッドとの間に明確な
界面が存在しないことから界面損失が極めて少ないこと
が確認された。Further, tellurite glass having a different composition,
Silica-based glass, phosphate glass doped with Ge or the like,
It was confirmed that an optical waveguide was formed by the same laser irradiation for glasses such as borate glass, fluoride glass, chloride glass, sulfide glass, germanate, and chalcogenide. On the other hand, as a material having a small nonlinearity, Ge with a small doping amount is used instead of pure silica glass.
A doped silica glass or the like could be used. It was confirmed that the optical waveguide obtained in the present example also had extremely low interface loss since there was no clear interface between the core and the clad.
【0021】実施例3:方向性結合器型光スイッチ用光
導波路の作製 方向性結合器型光スイッチ用光導波路も、マッハ・チェ
ンダー型と同様に種々の工程で作製できる。たとえば、
図7で模式的に示すように、予め4つに切られた基板4
1〜44を用意し、そのうちの一つの基板41にのみテ
ルライト系のような非線形性の大きな材料を使用し、残
りの3つの基板42〜44にはシリカガラスのように非
線形性の小さな材料を使用する。それぞれの基板41〜
44をレーザ照射することにより光導波路41a〜44
aを形成させた後、光学接着剤で各基板41〜44を貼
り合わせる。或いは、図6で模式的に示すように、所定
の大きさをもつ一つの基板45を使用する。基板45
は、シリカガラスのような非線形性の小さいガラスでで
きており、テルライトガラスのような非線形性の大きい
材料46をスパッタ法等で基板45の一部表面に盛り付
ける。次いで、レーザ照射により方向性結合器型光導波
路45aが基板45に書き込まれる。何れの場合も、基
板41〜45を搭載した微動台の操作によって、必要形
状の光導波路41a〜45aが容易に書き込まれる。 Embodiment 3: Light for a directional coupler type optical switch
Fabrication of Waveguide An optical waveguide for a directional coupler-type optical switch can be fabricated in various steps as in the case of the Mach-Cheander type. For example,
As schematically shown in FIG. 7, the substrate 4 previously cut into four
1 to 44, a material having a large nonlinearity such as tellurite is used for only one of the substrates 41, and a material having a small nonlinearity such as silica glass is used for the remaining three substrates 42 to 44. use. Each substrate 41-
The optical waveguides 41 a to 44 44 are irradiated with laser light.
After forming a, the substrates 41 to 44 are bonded together with an optical adhesive. Alternatively, as schematically shown in FIG. 6, one substrate 45 having a predetermined size is used. Substrate 45
Is made of glass having a small nonlinearity such as silica glass, and a material 46 having a large nonlinearity such as tellurite glass is provided on a partial surface of the substrate 45 by a sputtering method or the like. Next, the directional coupler type optical waveguide 45a is written on the substrate 45 by laser irradiation. In any case, the optical waveguides 41a to 45a having the required shapes are easily written by operating the fine movement table on which the substrates 41 to 45 are mounted.
【0022】本実施例では、PbO:20モル%,Ti
O2 :5モル%,TeO2 :75モル%の組成をもつテ
ルライトガラスを非線形性の大きな材料として、シリカ
100%のガラスを非線形の小さな材料として使用し
た。Arレーザ励起のチタンサファイアレーザから発振
されたパルス幅150fs,繰返し周波数200kH
z,波長0.8μm,平均出力10〜50mWのパルス
レーザ光を使用し、集光レンズで集光し、試験片の内部
に集光点が位置するように調節して試験片を照射した。
集光点の屈折率は、テルライトガラスでは0.01,シ
リカガラスでは0.005だけ上昇した。作製した光導
波路の基本性能を調査するため、実際に通信波長帯のレ
ーザ光を光導波路に入射させたところ、屈折率変化を起
こしている部分のみに光の伝播が観察され、シングルモ
ード伝播が実現していることが判明した。形成された光
導波路は、出射側の近視野像から4μmのコア径をもっ
ていることが判った。光導波路の素子全体としてのサイ
ズは、10mm×1mm×20mmであった。In this embodiment, PbO: 20 mol%, Ti
Tellurite glass having a composition of O 2 : 5 mol% and TeO 2 : 75 mol% was used as a material having large nonlinearity, and glass made of 100% silica was used as a material having small nonlinearity. Pulse width 150 fs, repetition frequency 200 kHz oscillated from a titanium sapphire laser excited by an Ar laser
Using a pulse laser beam having z, a wavelength of 0.8 μm, and an average output of 10 to 50 mW, the light was condensed by a condensing lens, and the test piece was irradiated with adjustment so that a condensing point was located inside the test piece.
The refractive index at the focal point increased by 0.01 for tellurite glass and 0.005 for silica glass. In order to investigate the basic performance of the fabricated optical waveguide, when laser light in the communication wavelength band was actually incident on the optical waveguide, light propagation was observed only in the part where the refractive index change occurred, and single mode propagation was observed. It turned out to be realized. From the near-field image on the emission side, it was found that the formed optical waveguide had a core diameter of 4 μm. The size of the optical waveguide as a whole element was 10 mm × 1 mm × 20 mm.
【0023】更に、組成が異なるテルライトガラスや、
Ge等をドープしたシリカ系ガラス,リン酸塩ガラス,
ホウ酸塩ガラス,フッ化物ガラス,塩化物ガラス,硫化
物ガラス,ゲルマネイト,カルコゲナイド等のガラスに
ついても、同様なレーザ照射によって光導波路が形成さ
れることを確認した。他方、非線形性の小さな材料とし
て、純粋なシリカガラスに替えてドープ量の少ないGe
ドープシリカ系ガラスやフッ化物ガラス等も使用可能で
あった。本実施例で得られた光導波路も、コアとクラッ
ドとの間に明確な界面が存在しないことから界面損失が
極めて少ないことが確認された。Further, tellurite glass having a different composition,
Silica-based glass, phosphate glass doped with Ge or the like,
It was confirmed that an optical waveguide was formed by the same laser irradiation for glasses such as borate glass, fluoride glass, chloride glass, sulfide glass, germanate, and chalcogenide. On the other hand, as a material having a small nonlinearity, Ge with a small doping amount is used instead of pure silica glass.
Doped silica glass, fluoride glass, and the like could also be used. It was confirmed that the optical waveguide obtained in the present example also had extremely low interface loss since there was no clear interface between the core and the clad.
【0024】実施例4:光カーシャッタスイッチへの適
用 実施例1で作製したコア径4μm,長さ10mmの光導
波路を用いて光カーシャッタスイッチを構成した。図9
は、光カーシャッタスイッチ50の光学系を示し、OP
A(optical parametric amplifier) を通過した波長
1.30μmのチタンサファイアレーザ光(100f
s,100Hz)をゲート光Pg として使用し、光源5
1からゲート光パルスに同期させた波長1.32μm,
パルス幅10nsの半導体レーザ光をプローブ光Pi と
して出射した。プローブ光Pi は、λ/2波長板52に
より直線偏波の偏光方向をゲート光Pg の直線偏波の偏
光方向に対してπ/4だけ傾けられ、偏光子53a,ミ
ラー54,レンズ55aを通過して光導波路56に至
る。 Embodiment 4: Suitable for optical car shutter switch
An optical Kerr shutter switch was configured using the optical waveguide having a core diameter of 4 μm and a length of 10 mm manufactured in Example 1. FIG.
Denotes an optical system of the optical car shutter switch 50, and OP
1.30 μm wavelength titanium sapphire laser light (100f) passed through A (optical parametric amplifier)
s, 100 Hz) was used as a gate light P g, and the light source 5
1, a wavelength of 1.32 μm synchronized with the gate light pulse,
A semiconductor laser beam having a pulse width 10ns emitted as the probe light P i. The probe light P i is inclined by π / 4 with respect to the polarization direction of the linearly polarized light of the gate light P g by the λ / 2 wavelength plate 52, and the polarizer 53a, the mirror 54, and the lens 55a. To reach the optical waveguide 56.
【0025】この光学系では、ミラー54によりゲート
光Pg とプローブ光Pi がコリニア系(共軸系)になっ
ているので、光導波路56をカー媒質として使用するこ
とが可能となる。プローブ光Pi は、光導波路56を通
過した後、更にレンズ55b,フィルタ57,検光子5
3bを経て検出器58に送られる。検出器58には、光
電子増倍管,InGaAs−PINフォトダイオード等
が使用される。ゲート光Pg は、フィルタ57で遮ら
れ、検出器58まで達しない。なお、フィルタ57に替
えて分光器を使用することもできる。ゲート光Pg のパ
ワーを調整しスイッチング動作を調査したところ、プロ
ーブ光Pg の通過率T値が式T∝ sin2(n2BLIg)に従
った挙動を示し、図10にみられるように正しく光シャ
ッタ動作を示していることが確認された。位相変化量π
も実現され、この結果から本実施例で使用したテルライ
トガラスのカー定数n 2Bが4.8×10-15 cm2 /W
と算出された。通信波長帯には大きな吸収がなく、二光
子吸収の影響もみられなかった。波長1.5μm帯での
同様の実験も可能であり、スイッチング動作の際のゲー
ト光照射によるコア部の線形屈折率自体の変化も検出さ
れなかった。また、スイッチングに必要なレーザパワー
は、光導波路の作製に必要なパワーと比較して3桁程度
小さいもので十分であった。In this optical system, a gate is provided by a mirror 54.
Light Pg And probe light Pi Becomes a collinear system (coaxial system)
The optical waveguide 56 is used as a Kerr medium.
It becomes possible. Probe light Pi Through the optical waveguide 56
After passing, the lens 55b, the filter 57, the analyzer 5
It is sent to the detector 58 via 3b. The detector 58 includes light
Electron multiplier, InGaAs-PIN photodiode, etc.
Is used. Gate light Pg Is blocked by the filter 57
And does not reach the detector 58. Note that, instead of the filter 57,
Alternatively, a spectroscope can be used. Gate light Pg No pa
Investigating the switching operation by adjusting the power
B light Pg The transmissivity T value of the equation T∝ sinTwo(n2BLIg)
Behavior as shown in FIG.
It was confirmed that it showed the operation of Phase change amount π
Was realized, and from this result, the tellurium used in this example was used.
Kerr constant n 2BIs 4.8 × 10-15 cmTwo / W
It was calculated. No significant absorption in communication wavelength band, two light
There was no effect of offspring absorption. At a wavelength of 1.5 μm
A similar experiment is possible, and the
The change in the linear refractive index of the core itself due to light irradiation is also detected.
Was not. The laser power required for switching
Is about three orders of magnitude compared to the power required to fabricate an optical waveguide
A small one was enough.
【0026】本実施例では、大型のチタンサファイアレ
ーザ光のOPAを経たレーザ光を光源とした。しかし、
これに拘束されることなく、小型レーザをゲート光Pg
として駆動させることも可能である。また、市販の半導
体レーザ(波長1.30μm,パルス幅10ns,繰返
し周波数150MHz)をゲート光Pg として用い、半
導体レーザによるプローブ光Pi を用いても、光カーシ
ャッタ動作が確認され、位相変化量π/9が達成され
た。このことから、光学系が大幅にコンパクト化される
ことが判る。本発明に従った光カーシャッタスイッチで
は、非線形性がより大きな材料を使用することにより、
必要なゲート光パワーを低減させることができる。たと
えば、カルコゲナイドガラス(As40S57Se3 ,n2B
=1.3×10-13 cm2 /W)を用い、レーザ光の平
均照射パワーを5mWとする外は実施例1と同様に光導
波路を作製した。この場合の屈折率変化は、0.01で
あった。この光導波路を組み込んだ光カーシャッタスイ
ッチでは、位相変化量πのためのゲート光パワーが10
0W以下に大幅に低減されることが確認された。In the present embodiment, the light source is a large titanium sapphire laser beam which has passed through the OPA. But,
Without being restricted by this, a small laser is used to gate light P g
It is also possible to drive as. Further, a commercially available semiconductor laser used (wavelength 1.30 .mu.m, pulse width 10 ns, repetition frequency 150 MHz) as a gate light P g, even with a probe light P i by the semiconductor laser, the optical Kerr shutter operation is confirmed, the phase change The quantity π / 9 was achieved. This indicates that the optical system is greatly reduced in size. In the optical car shutter switch according to the present invention, by using a material having a larger nonlinearity,
The required gate light power can be reduced. For example, chalcogenide glass (As 40 S 57 Se 3 , n 2B
= 1.3 × 10 −13 cm 2 / W), and an optical waveguide was produced in the same manner as in Example 1 except that the average irradiation power of the laser beam was 5 mW. The change in the refractive index in this case was 0.01. In the optical Kerr shutter switch incorporating this optical waveguide, the gate light power for the phase change amount π is 10
It was confirmed that the power was significantly reduced to 0 W or less.
【0027】本実施例で用いた光電子増倍管又はPIN
フォトダイオードでは、それ自体の応答速度がナノ秒で
止まってしまう。そこで、プローブ光パルスをゲート光
パルスに対して遅延を掛ける一般的な測定手法により、
光カーシャッタスイッチの応答速度を調査した。測定の
結果、スイッチング速度は、入射したゲート光のパルス
幅と同程度以下であり、高速な電子分極効果により光ス
イッチングが生じていることが確認された。また、二光
子吸収や熱効果による低速化,群遅延分散による低速化
等が排除されていた。本実施例で採用した光カーシャッ
タスイッチは、サブピコ秒以下のスイッチングスピード
をもつ。そのため、信号光に100GHz以上の変調を
かける変調機能,100GHz以上の繰返し周波数をも
つ信号光パルス列から任意の信号パルスを取り出し、低
繰返しのパルス列に変換するデマルチプレクシング機
能,幾つかの低繰返し光パルス列を100GHz以上の
光パルス列に多重化するマルチプレクシング機能等を備
えた光カーシャッタスイッチとなる。The photomultiplier tube or PIN used in this embodiment
In a photodiode, its own response speed stops in nanoseconds. Therefore, by a general measurement method that delays the probe light pulse with respect to the gate light pulse,
The response speed of the optical car shutter switch was investigated. As a result of the measurement, the switching speed was equal to or less than the pulse width of the incident gate light, and it was confirmed that optical switching occurred due to the high-speed electron polarization effect. In addition, speed reduction due to two-photon absorption or thermal effect, speed reduction due to group delay dispersion, and the like were excluded. The optical car shutter switch employed in this embodiment has a switching speed of sub-picoseconds or less. Therefore, a modulation function of modulating the signal light at 100 GHz or more, a demultiplexing function of extracting an arbitrary signal pulse from a signal light pulse train having a repetition frequency of 100 GHz or more and converting it into a low-repetition pulse train, some low repetition light An optical car shutter switch having a multiplexing function or the like for multiplexing a pulse train into an optical pulse train of 100 GHz or more.
【0028】実施例5:マッハ・チェンダー型光スイッ
チへの適用 実施例2で作製したコア径4μm,長さ10mmの光導
波路をマッハ・チェンダー型光スイッチに組み込み、光
スイッチング実験に供した。マッハ・チェンダー型光ス
イッチでは、先ず素子の一端に入射したレーザ光を分波
し、分波された一方の光波にのみ非線形媒質を通過させ
る、この光波は、非線形媒質により位相シフトが与えら
れた後、位相シフトを与えていない残りの光波と再び合
波される。合波の際に、元の出力光に変調が加わった出
力光が得られる。本実施例では、OPA (optical para
metric amplifier) を通過した波長1.35μmのチタ
ンサファイアレーザ光(100fs,100Hz)を用
い、光電子増倍管又はInGaAs−PINフォトダイ
オードを検出器として使用した。光スイッチング実験の
結果を示した図11にみられるように、当初80%であ
った出力光が三次の非線形光学効果によって変調を受け
た結果、20%まで変化しており、光スイッチング動作
が実現されていることが判る。また、通信波長帯に大き
な吸収がなく、二光子吸収等の影響もみられなかった。
更に、波長1.5μm帯でも同様な結果が得られ、スイ
ッチング動作の際にゲート光照射によるコア部の線形屈
折率自体の変化も検出されなかった。 Embodiment 5: Mach-Cheander type optical switch
Core diameter 4μm prepared in Application Example 2 of the switch, built in the optical waveguide of length 10mm the Mach Chenda type optical switch, and subjected to optical switching experiments. In a Mach-Cheander type optical switch, first, laser light incident on one end of the element is split, and only one of the split light waves passes through a nonlinear medium. This light wave is given a phase shift by the nonlinear medium. After that, it is multiplexed again with the remaining light waves that have not been given a phase shift. At the time of multiplexing, output light obtained by modulating the original output light is obtained. In this embodiment, OPA (optical para
Using a titanium sapphire laser beam (100 fs, 100 Hz) having a wavelength of 1.35 μm that passed through a metric amplifier), a photomultiplier tube or an InGaAs-PIN photodiode was used as a detector. As shown in FIG. 11, which shows the results of the optical switching experiment, the output light, which was initially 80%, has been modulated by the third-order nonlinear optical effect, and as a result, has changed to 20%. You can see that it is. Further, there was no large absorption in the communication wavelength band, and no influence such as two-photon absorption was observed.
Further, a similar result was obtained in the wavelength band of 1.5 μm, and a change in the linear refractive index itself of the core due to irradiation with the gate light was not detected during the switching operation.
【0029】本実施例のマッハ・チェンダー型光スイッ
チにおいても、非線形性のより大きな材料を使用する
と、必要なレーザ光パワーを低減化できる。たとえば、
カルコゲナイドガラス (As40S58Se2)を用い、平均
パワー5mWのレーザ光で照射する外は実施例2と同様
にして作製した光導波路を組み込んだマッハ・チェンダ
ー型光スイッチでは、必要なレーザ光パワーが50W以
下になることが確認された。なお、カルコゲナイドガラ
スは、平均パワー5mWのレーザ光で照射された際に
0.01の屈折率変化を示した。応答速度に関しても、
光カーシャッタスイッチの場合と同様に高速であった。
この場合も、二光子吸収や熱効果による低速化や群遅延
分散による低速化等が排除された純粋な電子分極効果に
よる高速応答が可能であった。In the Mach-Cheander type optical switch of the present embodiment, if a material having a higher nonlinearity is used, the required laser light power can be reduced. For example,
In a Mach-Cheander type optical switch using chalcogenide glass (As 40 S 58 Se 2 ) and incorporating an optical waveguide fabricated in the same manner as in Example 2 except that the laser beam having an average power of 5 mW is used, a required laser beam is used. It was confirmed that the power became 50 W or less. Note that the chalcogenide glass exhibited a refractive index change of 0.01 when irradiated with a laser beam having an average power of 5 mW. Regarding the response speed,
It was as fast as the optical car shutter switch.
Also in this case, a high-speed response was possible by the pure electron polarization effect, in which the slowing down due to two-photon absorption and thermal effects and the slowing down due to group delay dispersion were eliminated.
【0030】実施例6:方向性結合器型光スイッチへの
適用 実施例3で作製されたコア径4μm,長さ10mmの光
導波路を方向性結合器型光スイッチに組み込み、光スイ
ッチング実験に供した。方向性結合器型光スイッチは、
図12に示すように2本の導波路61,62を十分に近
付けたとき一方の導波路61(非線形導波路)に入射さ
れた光波モードが他方に結合し、両モード間で伝送光エ
ネルギーの移動が起こり、結果として出射端からの光エ
ネルギーがオン・オフされる現象を利用している。本実
施例では、OPA (optical parametric amplifier) を
通過した波長1.32μmのチタンサファイアレーザ光
(100fs,100Hz)を用い、光電子増倍管又は
InGaAs−PINフォトダイオードを検出器として
使用した。図13の試験結果にみられるように、非線形
導波路61の出射端における出力P 1 は当初65%であ
ったが、三次の非線形光学効果によって結合が起こった
結果、55%にまで減少した。逆に、他方の導波路62
の出射端における出力P2 は当初35%であったが、結
合によって45%に増加していた。[0030]Embodiment 6: Directional coupler type optical switch
Application Light having a core diameter of 4 μm and a length of 10 mm manufactured in Example 3
The waveguide is integrated into a directional coupler type optical switch, and the optical switch is
It was subjected to a pitching experiment. The directional coupler type optical switch is
As shown in FIG. 12, the two waveguides 61 and 62 are sufficiently close to each other.
When it is attached, it is incident on one waveguide 61 (non-linear waveguide).
Light mode is coupled to the other, and the transmitted light
Energy transfer occurs, resulting in light energy from the exit end.
It uses the phenomenon that energy is turned on and off. Real truth
In this example, OPA (optical parametric amplifier)
1.32 μm wavelength titanium sapphire laser light passed
(100 fs, 100 Hz) using a photomultiplier tube or
InGaAs-PIN photodiode as detector
used. As can be seen from the test results in FIG.
Output P at output end of waveguide 61 1 Is initially 65%
However, coupling occurred due to the third-order nonlinear optical effect
As a result, it decreased to 55%. Conversely, the other waveguide 62
Output P at the output end ofTwo Was initially 35%, but
It increased to 45% in some cases.
【0031】出力P1 ,P2 の変化から光スイッチング
動作が起こっていることが判る。この場合でも、通信波
長帯には大きな吸収がなく、二光子吸収の影響も検出さ
れなかった。波長1.5μm帯での実験でも同様な結果
が得られ、スイッチング動作の際にゲート光照射による
コア部の線形屈折率自体の変化も検出されなかった。本
実施例の方向性結合器型光スイッチにおいても、非線形
性のより大きな材料を使用すると、必要なレーザ光パワ
ーを低減化できる。たとえば、カルコゲナイドガラス
(As40S58Se2)を用い、平均パワー5mWのレーザ
光で照射する外は実施例3と同様にして作製した光導波
路を組み込んだ方向性結合器型光スイッチでは、必要な
レーザ光パワーが150W以下になることが確認され
た。なお、カルコゲナイドガラスは、平均パワー5mW
のレーザ光で照射された際に0.01の屈折率変化を示
した。応答速度に関しても、光カーシャッタスイッチの
場合と同様に高速であった。この場合も、二光子吸収や
熱効果による低速化や群遅延分散による低速化等が排除
された純粋な電子分極効果による高速応答が可能であっ
た。It can be seen from the changes in the outputs P 1 and P 2 that the optical switching operation is occurring. Even in this case, there was no large absorption in the communication wavelength band, and no effect of two-photon absorption was detected. Similar results were obtained in the experiment in the wavelength band of 1.5 μm, and no change in the linear refractive index itself of the core due to gate light irradiation was detected during the switching operation. Also in the directional coupler type optical switch of the present embodiment, if a material having higher nonlinearity is used, the required laser light power can be reduced. For example, chalcogenide glass
In the directional coupler type optical switch incorporating (As 40 S 58 Se 2 ) and incorporating an optical waveguide fabricated in the same manner as in Example 3 except that the laser beam having an average power of 5 mW is used, the required laser light power Was confirmed to be 150 W or less. The chalcogenide glass has an average power of 5 mW.
And a change in the refractive index of 0.01 when irradiated with the laser light. The response speed was also high as in the case of the optical car shutter switch. Also in this case, a high-speed response was possible by a pure electron polarization effect, in which a reduction in speed due to two-photon absorption or thermal effect and a reduction in speed due to group delay dispersion were eliminated.
【0032】[0032]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の光導波
路は、レーザ光の集光照射で光誘起屈折率変化領域を連
続的に形成した光導波路をガラス基体の内部に書き込ん
でいる。そのため、三次元的にも複雑な構造をもつ光導
波路が容易に形成される。しかも、この導波路を用いた
非線形光学装置は、高能率に動作することは勿論、良好
な光学特性等を備えていることから光情報処理や光通信
分野で重用される。また、平面型の光導波路とすると、
光ファイバ型と異なり、PLC(Planar Lightwave Cir
cuit) 等、広い展開を図ることが可能である。しかも、
本発明に従った非線形光学装置は、純粋な電子分極効果
による非線形メカニズムを利用しているので、通信波長
帯を含む広い波長範囲でサブピコ秒以下の高速動作を実
現できる。更に、本発明の光導波路及びこれを用いた非
線形光学装置は、前述したような純粋な三次非線形光学
効果を利用する光デバイスだけではなく、他の非線形光
学効果、たとえば二次のカスケード効果を用いた光スイ
ッチ等にも転用できる。As described above, in the optical waveguide of the present invention, the optical waveguide in which the light-induced refractive index change region is continuously formed by condensing irradiation of laser light is written in the glass substrate. Therefore, an optical waveguide having a three-dimensionally complicated structure is easily formed. Moreover, the nonlinear optical device using this waveguide is used in the optical information processing and optical communication fields because it operates with high efficiency and has good optical characteristics. In addition, assuming a planar optical waveguide,
Unlike optical fiber type, PLC (Planar Lightwave Cir
cuit) and so on. Moreover,
The non-linear optical device according to the present invention utilizes a non-linear mechanism due to a pure electron polarization effect, so that high-speed operation of sub-picoseconds or less can be realized in a wide wavelength range including a communication wavelength band. Further, the optical waveguide and the nonlinear optical device using the same according to the present invention use not only the optical device utilizing the pure third-order nonlinear optical effect as described above, but also other nonlinear optical effects such as the secondary cascade effect. It can be diverted to an optical switch or the like.
【図1】 光カーシャッタスイッチの模式図FIG. 1 is a schematic view of an optical car shutter switch.
【図2】 本発明に従った光導波路の作製方法を説明す
る図FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention.
【図3】 集光点の一方向相対移動により形成された光
導波路FIG. 3 is an optical waveguide formed by one-way relative movement of a condensing point.
【図4】 集光点の二方向相対移動により形成された光
導波路FIG. 4 shows an optical waveguide formed by bidirectional relative movement of a focal point.
【図5】 本発明に従ってマッハ・チェンダー型光スイ
ッチ用の光導波路を作製するプロセスの一例FIG. 5 shows an example of a process for producing an optical waveguide for a Mach-Cheander type optical switch according to the present invention.
【図6】 本発明に従ってマッハ・チェンダー型光スイ
ッチ用の光導波路を作製するプロセスの他の例FIG. 6 shows another example of a process for fabricating an optical waveguide for a Mach-Cheander optical switch according to the present invention.
【図7】 本発明に従って方向性結合器型光スイッチ用
の光導波路を作製するプロセスの一例FIG. 7 shows an example of a process for manufacturing an optical waveguide for a directional coupler type optical switch according to the present invention.
【図8】 本発明に従って方向性結合器型光スイッチ用
の光導波路を作製するプロセスの他の例FIG. 8 shows another example of a process for fabricating an optical waveguide for a directional coupler type optical switch according to the present invention.
【図9】 実施例1で作製した光導波路を組み込んだ光
カーシャッタスイッチの光学系FIG. 9 illustrates an optical system of an optical Kerr shutter switch incorporating the optical waveguide manufactured in the first embodiment.
【図10】 同光カーシャッタスイッチの特性を示すグ
ラフFIG. 10 is a graph showing characteristics of the optical car shutter switch.
【図11】 実施例2で作製した光導波路を組み込んだ
マッハ・チェンダー型光スイッチの特性を示すグラフFIG. 11 is a graph showing characteristics of a Mach-Cheander type optical switch incorporating the optical waveguide manufactured in Example 2.
【図12】 方向性結合器型光スイッチに組み込まれた
光導波路の入力と出力との関係を示す図FIG. 12 is a diagram showing a relationship between an input and an output of an optical waveguide incorporated in a directional coupler type optical switch;
【図13】 実施例6で調査した方向性結合器型光スイ
ッチの特性を示すグラフFIG. 13 is a graph showing characteristics of the directional coupler optical switch investigated in the sixth embodiment.
10:光カースイッチ 11:偏光子 12:検光
子 13:非線形屈折率媒質(カー媒質) 20:ガラス材料 21:レーザ光 22:集光レ
ンズ 23:集光点 24,25:光導波路 31〜35,41〜45:基板 31a〜35a,4
1a〜45a:光導波路 36,46:非線形性の大きな材料 50:光カーシャッタスイッチ 51:光源 5
2:λ/2波長板 53a:偏光子 53b:検光子 54:ミラー
55a,55b:レンズ 56:光導波路 5
7:フィルタ 58:検出器 61:非線形性の導波路 62:通常の導波路10: Optical Kerr Switch 11: Polarizer 12: Analyzer 13: Nonlinear Refractive Index Medium (Kerr Medium) 20: Glass Material 21: Laser Light 22: Condensing Lens 23: Condensing Point 24, 25: Optical Waveguide 31-35 , 41-45: Substrates 31a-35a, 4
1a to 45a: optical waveguides 36, 46: material having large nonlinearity 50: optical Kerr shutter switch 51: light source 5
2: λ / 2 wavelength plate 53a: polarizer 53b: analyzer 54: mirror
55a, 55b: lens 56: optical waveguide 5
7: Filter 58: Detector 61: Non-linear waveguide 62: Normal waveguide
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 清貴 奈良県奈良市朱雀1丁目13−22 (72)発明者 平尾 一之 京都府相楽郡木津町木津川台3−5−8 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kiyotaka Miura 1-13-22 Suzaku, Nara City, Nara Prefecture (72) Inventor Kazuyuki Hirao 3-5-8 Kizugawadai, Kizu-cho, Kizu-cho, Soraku-gun, Kyoto Prefecture
Claims (6)
体又は基体の一部とし、レーザ光の集光照射によって屈
折率を変化させた部分が光導波路として基体内部に形成
されている光導波回路。1. An optical waveguide circuit wherein a glass material exhibiting a non-linear optical effect is used as a base or a part of the base, and a portion whose refractive index is changed by condensing irradiation of laser light is formed inside the base as an optical waveguide.
化物ガラス又はカルコゲナイドガラスを基体とする請求
項1記載の光導波回路。2. The optical waveguide circuit according to claim 1, wherein said substrate is made of oxide glass, halide glass, sulfide glass or chalcogenide glass.
方の光導波路が非線形光学効果を呈するガラス材料の内
部に形成されている請求項1又は2記載の光導波回路。3. The optical waveguide circuit according to claim 1, wherein the optical waveguide is bifurcated, and one of the branched optical waveguides is formed inside a glass material exhibiting a nonlinear optical effect.
光導波路に入射され、光導波路を通過した入射光を検光
子を介して出射光として取り出す光カーシャッタスイッ
チにおいて、請求項1〜3の何れかに記載の光導波回路
を使用する非線形光学装置。4. An optical Kerr shutter switch, wherein gate light is incident on an optical waveguide together with incident light via a polarizer, and the incident light passing through the optical waveguide is extracted as output light via an analyzer. A nonlinear optical device using the optical waveguide circuit according to any one of the above.
からなる光導波路に分波された一方の光波を通過させて
位相シフトを与え、位相シフトを与えていない他方の光
波と合波させ、入力光に変調が加わった出力光を得るマ
ッハ・チェンダー型光スイッチにおいて、請求項1〜3
の何れかに記載の光導波回路を使用する非線形光学装
置。5. An incident laser beam is demultiplexed, one of the demultiplexed lightwaves is passed through an optical waveguide made of a non-linear medium, a phase shift is given, and the other lightwave not given a phase shift is multiplexed. And a Mach-Cheander type optical switch for obtaining output light obtained by modulating input light.
A nonlinear optical device using the optical waveguide circuit according to any one of the above.
形導波路とし、一方の導波路に入射された光波モードが
他方の導波路に入射された光波モードと結合し、両モー
ド間で起きる伝送光エネルギーの移動により出射端から
の光エネルギーをオン・オフする方向性結合器型光スイ
ッチにおいて、請求項1〜3の何れかに記載の光導波回
路を使用する非線形光学装置。6. One of the two adjacent waveguides is a non-linear waveguide, and a light wave mode incident on one of the waveguides is coupled with a light wave mode incident on the other of the waveguides. A nonlinear optical device using the optical waveguide circuit according to any one of claims 1 to 3, in a directional coupler type optical switch for turning on / off light energy from an emission end due to transfer of transmitted light energy occurring in the optical waveguide circuit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9616197A JPH10288799A (en) | 1997-04-14 | 1997-04-14 | Optical waveguide circuit and nonlinear optical device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9616197A JPH10288799A (en) | 1997-04-14 | 1997-04-14 | Optical waveguide circuit and nonlinear optical device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10288799A true JPH10288799A (en) | 1998-10-27 |
Family
ID=14157632
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9616197A Pending JPH10288799A (en) | 1997-04-14 | 1997-04-14 | Optical waveguide circuit and nonlinear optical device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10288799A (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1997-04-14 JP JP9616197A patent/JPH10288799A/en active Pending
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