JPH02259732A - 非線形光方向性結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、非線形光学効果を発現させることにより、光
スィッチとして機能する非線形光方向性結合器の構造に
関するものである。

（従来の技術） 従来、この種の非線形光方向性結合器としては、例えば
、ジャンセン（Ｓ、Ｍ、ＪＡＮＳＥＮ）が提案し、ジャ
ーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス誌（ＩＥＥ
Ｅ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ＥＬＥＣ
ＴＲＯＮＩＣ３ＶＯｌ、ＱＢ−１ｌｌ、Ｎ（１１０，ｐ
ｐ、１５８０−１５８３）に掲載されたものが知られて
いる。

光方向性結合器は、原理的には第２図に示すように、光
が伝播され、低屈折率のクラッド（図示せず）に被覆さ
れた２本のコア１，２を有し、これらコア１．２が所定
長に亘り平行に近接して光結合部３（実線は、クラッド
を含む）を形成しており、コア１．２の一端が光の入射
端１ａ、２ａｓ他端が出射端１ｂ、２ｂとなっている。

非線形光方向性結合器は、第２図の光方向性結合器の２
本のコア１，２の媒質として、３次の非線形光学効果（
光力−効果等）を有する媒質、例えば石英系ガラス等を
用いたものであり、コア１またはコア２に入射する光量
に応じてコア１，２の屈折率が変化する。光方向性結合
器の結合係数は、コア１またはコア２を伝播する光の界
分布に依存しているために、結果としてコアの屈折率が
変化する非線形光方向性結合器では、入射光量に依存し
て二つの出射端１ｂ、２ｂにおける出射光量が変化する
。

第３図は、このような非線形光方向性結合器の特性を示
した図である。第３図において、縦軸は、媒質の非線形
定数と、先方向性結合器の形状で決定される線形の結合
係数との比により与えられる臨界光量を基準に、出射光
量を規格化した値を表している。一方、横軸は、一方の
コア、例えばコア１に入射した光パワーが他方のコア２
に完全に移行するのに必要な最小の長さである１００％
結合長を基準として、光結合部３の長さ、即ち、カップ
ラ基を規格化した値を表している。なお、上記出射光量
は、入射端１ａから入射した光のうち、出射端１ｂ（第
２図）から出射する光量のΔＰＩ定値である。

次に、第３図に基づいて、非線形光方向性結合器の動作
を説明する。

■　入射光量（第３図においては、カップラ基が零での
値で表示されている）が臨界光量より小さいときは、第
３図中、曲線群ａで示すように、はぼ通常の線形光方向
性結合器と同様に、出射光量はカップラ基に対して周期
的に変化する。

■　入射光量が臨界光量より大きい場合では、第３図中
、曲線すで示すように、出射光量は入射光量の５０％の
値に漸近する。

■　入射光量が臨界光量より大きい場合では、非線形光
学効果による屈折率変化が大きいため、第３図中、曲線
群Ｃで示すように、出射光量はもはや零になることはな
く、どのような結合長においても１００％結合は生じな
い。

従って、線形動作領域（低光量）において１００％カッ
プラとなる非線形光方向性結合器では、入射光量が臨界
光量前後で使用することにより、光スィッチとしての動
作が実現される。

実際に、非線形光方向性結合器を作製した例としては、
石英ガラスの非共鳴領域での非線形分極を利用した、い
わゆる石英系デュアル・コア光ファイバを使用したファ
イバ型のものや、エキシトン吸収の飽和あるいはバンド
フィリング効果を利用したＧａＡｓ−ＭＱＷ（Ｍｕｌｔ
ｌｐｌｔ：　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）を使用した非
線形光導路型のもの等が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、石英系デュアル拳コア光ファイバを使用
した非線形光方向性結合器では、石英ガラスの非線形屈
折率が小さいため（３ｘ１０−２０ｒｒｒ／ｗ）、臨界
光量が８５０Ｗと大きく、実用上問題が大きいという欠
点がある。

また、ＧａＡｓ−ＭＱＷを使用した非線形光方向性結合
器では、いわゆる応力誘起型導波路で構成しており、臨
界光量が５００μＷと低パワーで動作するものの、光通
信の適用を考えた場合、光ファイバと整合性良く結合す
ることは困難であり、損失増を招くという問題点がある
。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、低損失で、しかも低い臨界光量を有し、低パ
ワ・−で動作し得る実用的な非線形光方向性結合器を提
供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、部が所定
長に亘り所定間隔で近接して光結合部を形成した２本の
コア領域と、これらコア領域を被覆した、前記コア領域
より低屈折率のクラッド領域とからなる非線形光方向性
結合器において、前記光結合部の２本のコア領域または
クラッド領域のいずれかの領域に希土類元素を添加した
。

また、請求項（２）では、出射端に波長弁別フィルタを
配置した。

また、請求項（３）では、添加希土類元素としてエルビ
ウム（Ｅｒ）またはイッテルビウム（Ｙｂ）またはネオ
ジム（Ｎ　ｄ）を用い、これら添加する希土類元素に応
じて当該非線形光方向性結合器への入射光の波長λが、 Ｅｒの場合　０．７μｍ≦λ≦０．９μｍ。

Ｌ４μｍ≦λ≦１．８μｍ。

Ｙｂの場合　０．９μｍ≦λ≦１．２μｍ。

Ｎ　ｄの場合　０．８μｍ≦λ≦０．９５μｍ。

１．０μｍ≦λ≦１．１５μｍ なる関係を満足するようにした。

（作　用） 請求項（１）によれば、光結合部のコア領域またはクラ
ッド領域に添加された希土類元素によって、入射光の波
長帯の蛍光のエネルギー緩和が低速で行なわれる。例え
ば、希土類元素を添加した石英４１　　準位間遷移）の
エネルギー緩和時間は１３／２ １４　ｒＡｓｅｃ程度である。このように、低速でエネ
ルギーが緩和されるために、容品に吸収が飽和される。

ここで、強励起により吸収を飽和させた場合、実効的な
吸収係数は低下し、その結果クラマース・クローニッヒ
の関係により、実効的に媒質の屈折率が変化する。この
ように希土類元素添加物の過飽和吸収に基づく非線形光
学効果が発現されて、比較的低パワーで光スイツチング
動作が行なわれる。

また、請求項（２）によれば、例えば信号光がポンプ光
を用いてオン／オフされ、光結合部における光スイツチ
ング動作により光路が決定された信号光のみが波長弁別
フィルタを透過して当該非線形光方向性結合器から出射
される。

また、請求項（３）によれば、添加した希土類元素に応
じて、所望の光源が選択される。

（実施例１） 第１図は、本発明に係る非線形光方向性結合器の第１の
実施例を示す構成図で、第１図の（ａ）は外観図、第１
図の（ｂ）は同図の（ａ）におけるＩ−１線矢視方向の
拡大断面図である。

第１図において、１０はファイバ型非線形先方同性結合
器、１１．１２はカットオフ波長１，３μｍ、比屈折率
差０．３％の石英系光ファイバで、添加２約１４００ｐ
ｐｍでエルビウムが添加されたコア１１１．１２１と、
コア１１１，１２１を被覆した、コア１１１，１２１よ
り低い屈折率を有するクラッド１．１２，１２２とから
それぞれ構成されＣいる。

これら光ファイバ１］と１２の長手方向の一部を所定長
亘り融着延伸し、はぼ平行に近接させたコア１１１．．
１２１と、これらコア１．１１１２１の外周を被覆した
クラッド領域１３１からなる光結合部１３が形成されて
、ファイバ型非線形光方向性結合器１０が構成されてい
る。また、この非線形光方向性結合器１０においては、
光ファイバ１．１．１２の一端が光の入射端１１ａ、１
２ａ、他端が出射端１１ｂ、１２ｂとなっている。

次に、このファイバ型非線形光方向性結合器の作製方法
について説明する。

まず、ＶＡＤ法によりコア用多孔質母材を合成し、次い
で、多孔質体を塩化エルビウム蒸気を含む雰囲気中で透
明にガラス化する。次に、透明化したコアの外側にクラ
ッド層を外付は等により合成した後、これを電気炉で線
引きしてファイバ化することにより、エルビウム添加石
英系光ファイバ１１及び１２を作製する（特願昭［１１
−１９２７９６号参照）。

次に、上記のように作製した光ファイバ１１及び１２の
長手方向の一部を、マイクロバーナにより加熱して互い
に融着させ、例えば、入射端１１ａより１．５μｍの半
導体レーザ光を入射し、出射端１１ｂ及び１２ｂでの出
射光量を同時にモニタして、波長１，５μｍで１００％
カップラとなるように延伸量（光結合部１３の長さ及び
太さ等ンを調整することにより、ファイバ型非線形光方
向性結合器１０の作製が完了する。

第４図は、上記のようにして作製したファイバ型非線形
光方向性結合器１０の特性を評価するための測定系の構
成図である。第４図において、２０はモードロック動作
ＹＡＧレーザ、２１は励起Ｆセンタレーザ、２２ａ、２
２ｂ、２２ｃは対物レンズ、２３ａ、２３ｂは光検出器
である。

この測定系は、モードロック動作ＹＡＧレーザ２０によ
り励起された励起Ｆセンタレーザ２１によるレーザ光（
光パルス）を、対物レンズ２２ａを介して入射端１１ｇ
に入射させて、出射端１１ｂ及び１２ｂから出射される
光パルスを対物レンズ２２ｂ、２２ｃを介して光検出器
２３ａ、２３ｂでそれぞれ検出するように構成されてい
る。

第５図は、第４図の測定系により、第１図のファイバ型
非線形光方向性結合器１０の特性を測定した結果を示す
図で、入射端１１ａより入射した励起Ｆセンタレーザ２
１による光パルスピークパワーと、出射端１２ｂにおけ
る透過光量の光パルスピークパワーとの関係を示してい
る。なお、第５図において、縦軸は出射光ピークパワー
を、横軸は入射光ピークパワーを表している。

第５図から分かるように、第１図のファイバ型非線形光
方向性結合１０は、１００％カップラであるために低入
射光量における動作では、入射光量と出射光量は比例し
ているのに対して、臨界光量（第５図においては、約２
．ｌＷ）で出射光強度が零に急激に変化しており、光ス
イツチング特性を有していることが確認できた。

以上のように、第１の実施例によれば、臨界光量は、従
来のデュアル・コア光ファイバを使用したファイバ型非
線形光方向性結合器の８５０Ｗに比較して大幅に低減で
き、低パワーにて動作し得る非線形光方向性結合器を実
現している。また、エルビウム添加石英系光ファイバ１
１．１２を主構成要素としているため、光フアイバ通信
系への適用も容易となっている。

（実施例２） 第６図は、本発明に係る非線形光方向性結合器の第２の
実施例を示す構成図である。水弟２の実施例と前記第１
の実施例の異なる点は、ファイバ方ではなく、導波路型
非線形光方向性結合器を構成したことにある。

第５図において、３０は導波路型非線形光方向性結合器
、３１はシリコン基板、３２．３３は基板３１上に形成
した石英系ガラスよりなる先導波路で、エルビウムが添
加（添加濃度は、第１の実施例と同等）されたコア３２
１，３３１と、これらを矩形状に被覆したクラッド３２
２，３３２とから構成されている。３４は光結合部で、
先導波路３２と３３のコア３２１，３３１をクラッド領
域３４１を介してほぼ平行に近接して形成されている。

また、この非線形光方向性結合器３０においては、光導
波路の一端が光の入射端３２ａ、３３　ａ　％他端が出
射端３２ｂ、３３ｂとなっている。

次に、導波路型非線形光方向性結合器３０の作製方法に
ついて、簡単に説明する。なお、光導波路は、火炎堆積
法及び液浸法の組合せにより作製される（特願昭６３−
４４５５８号）。

まず、シリコン基板３１上にガラス微粒子からなる多孔
質ガラス薄膜を堆積し、次いで、多孔質ガラス薄膜を含
むシリコン基板３１全体を電気炉中で加熱し、多孔質膜
の焼結度を高くする。次に、塩化エルビウムのエチルア
ルコール溶液中にシリコン基板３１を浸漬させた後、乾
燥する。続いて、シリコン基板３１全体を電気炉中で加
熱し、多孔質ガラス膜全体を透明化する。

なお、導波路パターンは、ホト・リソグラフィーによる
マスク形成した後、リアクティブ・イオンエツチングに
より形成する。また結合量は、マスク形成時のコア間距
離により調整し、１００％カップラとなるようにする。

このように作製した導波路型非線形光方向性結合器３０
を前記第１の実施例と同様に、第４図のΔ１１定系を用
いて、励起Ｆセンタレーザ２１による１ノーザ光を入射
端３２ａに入射させ、出射端３３ｂでの出射光量を測定
し、特性の評価を行なった。

その結果、第６図の導波路型非線形光方向性結合器３０
は、前記ファイバ型非線形光方向性結合器１０（第１図
）と同様に、第５図に示すものと同様の特性を有してい
ることが確認できた。なお、臨界光量は、入射光のピー
クパワーで評価して約３Ｗであった。

以上のように、第２の実施例によれば、前記第１の実施
例と同様に、比較的低パワーにて動作でき、かつ、導波
路型であっても、光導波路３２及び３３は、光ファイバ
と同様の石英系ガラスを用いて形成しているため、光フ
アイバ通信系に適用しても、光ファイバの接続が容易で
、接続損失をきたすことのない非線形光方向性結合器を
実現している。

（実施例３） 第７図は、本発明に係る非線形光方向性結合器の第３の
実施例を示す構成図である。本節３の実施例と前記第１
の実施例の異なる点は、第１図のファイバ型非線形先方
向性結合器１０の二つの出射端１１ｂ及び１２ｂの各々
に、誘電体多層膜からなる波長弁別フィルタ１４及び１
５を、真空蒸着により形成したことにある。なお、これ
ら波長弁別フィルタ１４及び１５の波長特性のうち、発
振波長１，５２μｍのレーザ光に対する透過率はほぼ零
であり、発振波長１．５μｍのレーザ光に対する透過率
は７０％程度に設定されている。

第８図は、このような構成によるファイバ型非線形光方
向性結合器ｔＯａの特性を評価するための測定系の構成
図であって、前述した第４図の測定系と同一構成部分は
同一符号をもって表しである。即ち、２０はモードロッ
ク動作ＹＡＧレーザ、２１は発振波長ｌ、５２μｍでポ
ンプ光を出射する励起Ｆセンタレーザ、２２　ａ、　　
２２　ｂ、　　２２　ｄは対物レンズ、２３ａは光検出
器、２４は発振波長１．５μｍの信号光を出射するＤＦ
Ｂ−ＬＤ　（半導体レーザ）、２５はモードロック参パ
ルス列の包絡線強度が矩形波となるように変調するＡＯ
光変調器、２６はダイクロイックミラーである。

このｎ１定系は、ＡＯ光変調器２５で矩形波になるよう
に変調されたポンプ光と、ＤＦＢ−ＬＤ２４による信号
光をダイクロイックミラー２６で合波し、この合波光を
対物レンズ２２ａと介して入射端１１ａに入射させて、
出射端１１ｂから出射し、波長弁別フィルタ１４を透過
する信号光を対物レンズ２２ｂを介して光検出器２３ａ
で検出するように構成されている。なお、ファイバ入射
端１１ａでの信号光強度は充分低く、信号光による非線
形光学効果は、ポンプ光による非線形光学効果に比べて
、無視し得るようになっている。

第９図は、第８図のｎ１定系により、第７図のファイバ
型非線形光方向性結合器１０ａの特性をｎ１定した結果
を示す図である。第９図において、縦軸は光強度を、横
軸は時間を表しており、図中のＢで示す矩形波は、ポン
プ光の光強度の包絡線を示し、Ｃで示す矩形波は、信号
光の出射側での光強度を示している。

第９図から、ポンプ光のオン／オフにより信号光がオン
／オフされていることが確認できる。なお、信号光の制
御に必要なポンプ光強度は、必要とされる信号光のオン
／オフ強度比にもよるが、本節３の実施例の場合、ピー
クパワーで約３Ｗであった。

以上のように、第３の実施例によれば、本発明に係る非
線形光方向性結合器が光スィッチとして充分機能できる
ことが明確となった。また、第３の実施例においても、
前記第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

（実施例４） 本実施例では、第６図に示す構造を有する前記第２の実
施例による導波路型非線形光方向性結合器３０において
、エルビウムをコア３２１．３３１に添加する代わりに
、光結合部３４のクラッド領域３４１（第６図）に添加
した構成とした。なお、エルビウムの添加濃度は実施例
２と同じ値とした。

このような構成において、前記第２の実施例と同様な手
法により、臨界光量を評価した結果、約３．５Ｗであり
、非線形光方向性結合器として動作でき、前記第２の実
施例と同様の効果を得ることができた。

なお、上記した実施例１乃至４においては、測定系の光
源として、モードロック動作ＹＡＧレーザ２０及び励起
Ｆセンタレーザ２１を用いたが、これに限定されるもの
ではなく、導波路の比屈折率差を高めて光のコア領域へ
の閉じ込めを強くする等により、半導体レーザでも充分
適用可能であることはいうまでもない。

また、コア領域あるいはクラッド領域に添加する希土類
元素としてエルビウム（Ｅｒ）を例にとり説明したが、
イッテルビウム（Ｙｂ）やネオジム（Ｎｄ）等、他の希
土類元素においても、本発明に適用できることはいうま
でもない。

本発明において、添加する希土類元素として、Ｅ「また
はＹｂまたはＮｄを用いた場合、Ｅ「の吸収波長λ１は
、 ０．７μｍ≦λ１≦０．９μｍ。

１．４ｕｍ≦λｌ≦１．Ｂｕｍｓ Ｙｂの吸収波長λ２は、 ０．９μｍ≦λ２≦１．２μｍ１ Ｎｄの吸収波長λ３は、 ０．８μｍ≦λ３≦０．９５μｍ。

１．０μｍ≦λ３≦１．１．５μｍ なる関係を満足する。これらの波長は、既存のレーザ光
源によるレーザ光の波長を含むため、光源として従来よ
りあるレーザ光源等を適用でき、かつ、添加希土類元素
に応じて、入射光の波長を上記したように選択すること
により、非線形光学効果を効率良く発現させることがで
きる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば一部が所定
長に亘り所定間隔で近接して光結合部を形成した２本の
コア領域と、これらコア領域を被覆した、前記コア領域
より低屈折率のクラ・ノド領域とからなる非線形光方向
性結合器において、前記光結合部の２本のコア領域また
はクラッド領域のいずれかの領域に希土類元素を添加し
たので、希土類元素の過飽和吸収に基づく非線形光学効
果を利用でき、低パワーで動作し得る実用的な非線形光
方向性結合器を提供できる利点がある。

従って、低速動作ではあるが低パワーで動作し得る純光
学型光論理素子を実現できる。加えて、例えば、ファイ
バ型非線形光方向性結合器を複数個用いることにより、
２次元並列型光論理素子も実現可能である。

また、請求項（２）によれば、請求項（１）の効果に加
えて、信号光をポンプ光を用いてオン／オフする光スイ
ツチング動作が可能となる。

また、請求項（３）によれば、請求項（１）または請求
項（２〉の効果に加えて、添加希土類元素に応じて、入
射光の波長を選択することにより、非線形光学効果を効
率良く発現できる。また、従来から使用されているレー
ザ光源等を使用できるので、汎用性に優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る非線形光方向性結合器の第１の実
施例を示す構成図、第２図は光方向性結合器の模式図、
第３図は従来の非線形光方向性結合器のカップラ長に対
する出射光量の特性図、第４図は第１図のファイバ型非
線形光方向性結合器の特性を評価するための測定系の構
成図、第５図は第１図のファイバ型非線形光方向性結合
器の特性のｉｌＰ＋定結果を示す図、第６図は本発明に
係る非線形光方向性結合器の第２の実施例を示す構成図
、第７図は本発明に係る非線形光方向性結合器の第３の
実施例を示す構成図、第８図は第７図のファイバ型非線
形光方向性結合器の特性を評価するための測定系の構成
図、第９図は第７図の）′アイバ型非線形光方向性結合
器の特性の測定結果を示す図である。 図中、１０．１０ａ・・・ファイバ型非線形光方向性結
合器、１１．１２・・・エルビウム添加光ファイバ、１
１１，１２１，３２１，３３１・・・コア、１１２．１
２２，３２２，３３２・・・クラッド、１１ａ、１２ａ
、３２ａ、３３ａ・・・入射端、１１ｂ、１２ｂ、３２
ｂ、３３ｂ・・・出射端、１３゜３４・・・光結合部、
１３１．、　＋’　３．４１・・・クラッド領域、１４
．１５・・・波長弁別フィルタ、２０・・・モードロッ
ク動作ＹＡＧレーザ、２１・・・励起Ｆセンタレーザ、
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｃｍ・・対物レンズ、２
３ａ、２３ｂ−・・光検出器、２４−Ｄ　Ｆ　Ｂ　−Ｌ
’Ｄ、２５・・・ＡＯ光変調器、２６・・・ダイクロイ
ックミラー　３０・・・導波路型非線形先方向性結合器
、３１・・・シリコン基板。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝第 図 （力、プラ長）／（１００Ｘ結合長） カップラ長に対する出射光量の特性図 画 １、−１ ２２ｃ　２３ｂ 第 図 入射光パルスのビークツク−（ｗｌ 第１ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一部が所定長に亘り所定間隔で近接して光結合部
   を形成した２本のコア領域と、これらコア領域を被覆し
   た、前記コア領域より低屈折率のクラッド領域とからな
   る非線形光方向性結合器において、 前記光結合部の２本のコア領域またはクラッド領域のい
   ずれかの領域に希土類元素を添加したことを特徴とする
   非線形光方向性結合器。 （２）出射端に波長弁別フィルタを配置した請求項（１
   ）記載の非線形光方向性結合器。 （３）前記希土類元素がエルビウム（Ｅｒ）またはイッ
   テルビウム（Ｙｂ）またはネオジム（Ｎｄ）であり、こ
   れら添加する希土類元素に応じて当該非線形光方向性結
   合器への入射光の波長λが、Ｅｒの場合０．７μｍ≦λ
   ≦０．９μｍ、 １．４μｍ≦λ≦１．８μｍ、 Ｙｂの場合０．９μｍ≦λ≦１．２μｍ、 Ｎｄの場合０．８μｍ≦λ≦０．９５μｍ、１．０μｍ
   ≦λ≦１．１５μｍ なる関係を満足する請求項（１）または請求項（２）記
   載の非線形光方向性結合器。