JPH03132627A - 光学素子 - Google Patents

光学素子

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JPH03132627A
JPH03132627A JP27023089A JP27023089A JPH03132627A JP H03132627 A JPH03132627 A JP H03132627A JP 27023089 A JP27023089 A JP 27023089A JP 27023089 A JP27023089 A JP 27023089A JP H03132627 A JPH03132627 A JP H03132627A
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JP
Japan
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optical
glass
nonlinear
state
optical element
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JP27023089A
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English (en)
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Akira Tomaru
暁 都丸
Takashi Kurihara
隆 栗原
Toshikuni Kaino
戒能 俊邦
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Pending legal-status Critical Current

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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、電気光学効果、波長変換、光力−シャッター
、光双安定、光スイッチング等の非線形光学効果を応用
する光機能デバイスを構成する非線形光学素子に関する
〔従来の技術〕
従来、三次の非線形光学効果を利用した光学素子は半導
体、半導体ドープガラスが代表的な材料であり、種々の
光スイッチングが実現されている。この種の光スイッチ
ングでは材料の非線形光学効果が大きいため、入力パワ
ーが非常に小さくてすむ利点を有するが、光応答速度が
せいぜい数十psであり、これにより高速の光応答は望
めないという欠点を有する〔文献(1) : H。
M、ギブス(H,M、 Gibbs)ほか、アプライド
 フィジクス レターズ(Appl、Phys、 Le
tt、)! 35巻、第6号、第451頁(1979)
 ]。
これに対し、有機化合物系の非線形材料は数十fsの光
応答速度を有しており有機材料を用いることにより高速
光スイッチ等有用な光学素子が形成できる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、有機光非線形材料は三次の非線形光学定数χ(
3)が低く、入力パワーが大きくなる欠点を有する。こ
のため、有機材料を導波路化して光パワー密度を高め、
実効的に入力パワーを下げる方法等がとられている。し
かるに有機結晶材料においてはバルク単結晶、薄膜単結
晶の不完全さから低損失な導波路の実現は現状では困難
であり、いままでに報告された例では2dB/cm程度
のものしか得られていない。有機材料系の低損失な導波
路材料としては一部の高分子が報告されているのみであ
る。
また、有機材料をバルク状態で使用する際、硬度が不十
分なため、あるいは結晶ではへき開面が存在し、バルク
表面の光学研磨が非常に困難であり、光の入出力の際、
入出力界面での散乱が大きいという欠点がある。
本発明の目的は、上記に示すような従来の有機非線形材
料における低損失化、加工の困難さ等の問題を解決し、
有機材料の有する非線形光学効果における光応答速度の
早さをいかした有効な光学素子を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明を概説すれば、本発明は光学素子に関する発明で
あって、ガラス容器中、ガラス基板上、あるいは半導体
基板上に、融点以上に加熱し冷却することによってラン
ダムな状態とした、非線形感受率Tが10〜”esu以
上の有機分子が固定されてなり、しかも固定された長さ
が20mm以下であることを特徴とする。
本発明は、上記問題点を解決するため有機材料の導波路
化に当り、最も問題となる媒体の低損失性を実現した光
学素子である。低損失な光媒体の多くは非晶質材料であ
ることに注目し、本発明では有機材料の非晶質状態、言
い替えれば安定なガラス状態を3次の光非線形性の高い
有機材料で実現し、低損失かつ低入力パワーで動作可能
な光学素子を実現するものである。本発明の光学素子に
より構成される光機能デバイスとしては、光力−効果を
利用した光シャッタ、光スィッチ、光双安定素子等が挙
げられる。
いずれも光の入力に対し媒体の屈折率が変わる効果を利
用している。その場合、素子長は非線形性の大きさに関
係する。素子の小型化、軽量化等実用性の点から、少な
くとも素子長を20mm以下とするためには有機材料の
分子状態での非線形感受率については三次の定数Tが少
なくとも]、 0−3sesu以上必要であった。実際
、10−36esu程度の有機分子を本発明の光学素子
に使用した場合素子長は50++on以上必要であった
。このため本発明の光学素子においては1O−35es
u以上の非線形感受率Tを有する有機分子を利用した。
非晶質状態の実現は有機化合物を融点以上に上げその後
、過冷却状態としその状態を維持するよう急冷して実現
した。−船釣には、有機材料自体はその異方性から結晶
状態が安定なものが多い。ここでは材料の検討から以下
のような有機分子において比較的過冷却状態の安定が保
たれることがわかった。
(1)分子内に水素結合基(DH基、C0DH基、N8
2基等)を有する分子 (2)  剛直な棒状分子(分子内にC=C、C=C1
C=N 、 N=N等の結合状態が少なくとも一つ以上
あるような分子) (3)上記化合物の少なくとも2種以上の組合せによる
複合材料 更・に一方の要求条件として3次の光非線形感受率rが
10−”esu以上とするためにはπ共役部位の長さは
少なくとも6Å以上必要であり〔文献(2) : A、
f ユ!J ッ9 (A、DULIC) ホカ、ジャー
ナル 才ブ ケミカル フィジクス(J、CHBM、P
llYS、)第69巻、第3453頁(1978)]、 (4〕  π共役鎖ができるだけ長いことの条件を満足
する材料を用いた。
急冷の速度としては典型的には50〜200t/min
程度の冷却速度の条件で冷却した。また以下に述べるガ
ラス状態を示す材料を入れるガラス容器についCはいず
れの面も光学研磨面となるように加工したものを用いた
また、後記実施例では基板としてガラス基板を用いたが
、半導体基板GaAs、 Siを用いた素子についても
同様の結果を得ている。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。
実施例1 光非線形性の大きなジニトロアニリン系にC0OH基を
付与した以下の構造を有する化合物を用いた。分子の非
線系感受率Tは2 X’I O−35esu程度である
融点:179℃ まず、上記物質をガラス容器(厚さ0.5−1m[パイ
レックス製)に粉末状態で入れ、その後封管する。この
容器を電気炉中に置き、融点以上に加熱し、メルトさせ
る。完全に融けたのを確認後、冷却を開始し、2分程度
で室温まで冷やした。このような操作により上記物質は
過冷却状態となり、液体状態に近い様子を呈し、光学素
子を形成した。
この素子に用いた上記材料のχ(3〕値を第3高調波の
強度から求めたところ、5X10−138SIJ程度で
あった。第1図に用いた第3高調波の強度の測定系を示
す。1が基本波のレーザ光(波長=1.9μm)、2が
本発明の光学素子から発生した第3高調波である。3は
本実施例の光学素子、4は集光レンズ、5は光検出器、
6は基本波カットフィルタ、7は回転ステージである。
第2図に示すのは第3高調波強度の回転角度依存性を入
射角度θ(度、横軸)と第3高調波強度(任意単位、縦
軸)との関係で示したグラフである。中心部(角度=0
度)の強度を石英ガラスの強度と比較することにより、
χ131値を求めた。
この光学素子を用いて、三次の非線系光学効果(光によ
り材料の屈折率が変化する光力−効果)を利用した光力
−シャッターの実験を行った。その光学系を第3図に示
す。8は直線偏光成分をもつ信号光(波長: 0.84
μm)、9はゲート光(波長二0.7μm)、10は本
実施例における材料が封入された光学素子である。11
は偏光子、12はゲート光除去用フィルター、13は光
検出器である。9のゲート光を照射しない場合は、11
がクロスニコルに配置しであるため、8の信号光は偏光
子を通過できず、13の光検出器で検出される光強度は
Oである。しかし、9のゲート光を10のサンプルに照
射した場合は3次の非線形光学効果により上記材料の屈
折率が変化し、直線偏光であったゲート光が10のサン
プル通過の際、楕円偏光に変化し、11の偏光子を通過
できるようになり、光検出器で信号光を観測することが
可能であり、光力−シャッター動作を確認した。実際に
求めた信号光強度(任意単位、縦軸)とゲート光強度(
W、横軸)との関係を第4図にグラフとして示す。この
図から求めたχ(3〕値は7X10−13esu程度で
あり、第3高調波の強度から求めたχT31値とほぼ一
致した。スイッチング速度はnsオーダー以下を確S忍
した。
実施例2 4−ジエチルアミノ−4′−二トロスチルベン(DEA
NS) (非線形感受率r : 8 X 10−” e
su)をゲストとして、グルコース中に分散させたサン
プル〔1%(重量比)〕を作製した。まずグルコース1
gの粉末を用意し、DEANS 0.01 gを粉末状
態で混合し、次にこの粉末を154℃まで加熱し、第5
図に示すようなガラスキャピラリ中(パイレックスガラ
ス、内径10μm1外径250μm1長さ5cm)に圧
力をかけなからメルト状態の試料を封入した。その後、
冷却を開始し、10秒程度で室温まで冷やした。このよ
うな操作により上記物質は過冷却状態となり、偏光顕微
鏡の観察によれば結晶状態はとらず液体状態に近い様子
を呈した。本実施例の材料の屈折率はガラスキャピラリ
の屈折率より高く、このキャピラリ形状素子は本実施例
の材料をコアとするファイバ型の導波路となることがわ
かった。実際に波長0.63μmでの導波路損失は0.
5 dB/cm以下であった。またχ(3]値を実施例
1と同様にガラス容器(厚さ0.5−1 mmパイレッ
クス製)中の試料の第3高調波の強度から求めたところ
、I X 10 ’−’、2esu程度であった。
上記実施例1と同様に光力−シャッター実験を行ったと
ころ、ゲート光による信号光の検出が観測でき、光力−
シャッター動作を確認した。
実施例3 β−カロチン(非線形感受率γニー10−”esu)を
実施例Iと同様にガラス容器(厚さ0.5− L mm
パイレックス製)に粉末状態で入れ、その後封管した。
この容器中にはガラスキャピラリ (パイレックスガラ
ス、内径10μm、外径250μm1長さ5cm)を3
本挿入した。この容器を電気炉中に置き、融点以上(1
80℃)に加熱し、メルトさせる。完全に融けたのを確
認後、冷却を開始し、2分程度で室温まで冷やした。こ
のような操作により上記物質は毛細管現象によりガラス
キャピラリ中にも過冷却状態で入った。このガラスキャ
ピラリを上記実施例2と同様に光力−シャッター実験を
行ったところ、カーシャッター動作がMmされた。χ〔
3)値は2 X 10−” esu程度であった。
実施例4 メチルアニスアルデヒド(0,5g)とマロンニトリル
(0,2g)をメタノールに溶かし、ピペリジン(0,
5mN)を加えて、室温で30分間放置した。析出した
淡黄色粉状固体をろ取し、メタノールで再結晶した。収
量: 0.3 g 、融点+ 204.8℃、生成物の
構造と略称及び非線形感受率Tを以下に示す。
h MMCNST   r  :  4  X 1 0 ’
−”  esuMMCNSTは溶融成形や蒸着により容
易にガラス状態となる。第6図はM M CN S T
のガラス状蒸着膜の電子スペクトルを波長(nm、横軸
)と吸光度(任意単位、縦軸)との関係で示したグラフ
である。吸収端がシャープで低散乱であることがわかる
。第7図はM M CN S T粉末結晶の示差走査熱
量計<DSC)ダイヤグラムを温度(℃、横軸)とD 
S C’ (mcal/s、縦軸)との関係で示したグ
ラフであり、溶融後、結晶化せず、ガラス状態が保たれ
ていることを示す。
そこで、MMCNSTをガラス容器(厚さ0.5〜1叩
、パイレックス製)に粉末状態で入れ、封印した。これ
を電気炉中で融点以上に加熱し、MMCNSTを完全に
溶融させた。2分で室温まで冷やすことにより、ガラス
状のMMCNSTからなる光学素子を得た。波長1.9
μmでのχ(3)は、IX 10−I2esu程度であ
った。この M M CN S Tガラスを実施例1と
同様に光力−シャッター実験を行ったところ、カーシャ
ッター動作が確認された。
上記、実施例1〜4の過冷却状態の安定性であるが、い
ずれの場合も室温放置では、過冷却状態が数カ月以上安
定に存在していた。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の光学素子は、低損失でし
かも高効率な非線形光学効果を利用できる利点を有して
いる。
【図面の簡単な説明】
第1図は第3高調波の測定系の外観図、第2図は本発明
により提案した素子からのM3高調波の強度の入射角度
依存性を示すグラフ、第3図は本発明により提案した光
力−シャッタ実験の測定系の概要図、第4図は光力−シ
ャッタ実験におけるゲート光強度と信号光強度の関係を
示すグラフ、第5図は本発明に用いたガラスキャピラリ
の概要図、第6図は本発明素子に用いた材料のMMCN
STのガラス状蒸着膜の電子スペクトル図、第7図は本
発明素子に用いた材料のMMCNST粉末結晶のDSC
ダイヤグラムである。 1・・・基本波のレーザ光、2・・・試料から発生した
第3高調波、3・・・本発明の光学素子、4・ ・集光
レンズ、5・・・光検出器、6・・・基本波カットフィ
ルタ、7・・・回転ステージ、8・・・直線偏光成分を
もつ信号光、9・・・ゲート光、10・・・本発明の光
学素子、11・・・偏光子、12・・・ゲート光除去用
フィルター 13・・・光検出器 第 1 図 信号光強度(仔意単イ立) 阜 図 第 図 す炎 光 摩 (イ壬1し単イ立)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、ガラス容器中、ガラス基板上、あるいは半導体基板
    上に、融点以上に加熱し冷却することによってランダム
    な状態とした、非線形感受率γが10^−^3^5es
    u以上の有機分子が固定されてなり、しかも固定された
    長さが20mm以下であることを特徴とする光学素子。
JP27023089A 1989-10-19 1989-10-19 光学素子 Pending JPH03132627A (ja)

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JP27023089A JPH03132627A (ja) 1989-10-19 1989-10-19 光学素子

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