JPH0922033A

JPH0922033A - 非線形光デバイス

Info

Publication number: JPH0922033A
Application number: JP7170613A
Authority: JP
Inventors: Keiji Tsunetomo; 啓司常友; Tadashi Koyama; 正小山
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1995-07-06
Filing date: 1995-07-06
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】光入射による非線形光学材料の屈折率変化や
光吸収係数の変化を利用して、光スイッチング動作ある
いは光双安定動作を実現している非線形光デバイスにお
いて、光吸収のある非線形光学材料の性能を十分に利用
することのできる非線形光デバイスを提供する。【構成】２枚のミラーと、光吸収作用を有する光非線
形材料とからなる共振器型の非線形光デバイスにおい
て、前記光非線形材料の光軸方向の厚さｔは、ｔ＝λ／
（２×ｎ）であり、かつ前記ミラーの反射率が一定であ
る場合には、前記共振器に共鳴した光波長における光透
過率が０．５〜０．８である、または、前記非線形光学
材料の光学定数が一定である場合に、前記共振器に共鳴
した光波長における光透過率が、０．１〜０．４である
非線形光デバイスである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超高速光スイッチなど
に利用される共振器構造を有する非線形光デバイスに関
し、さらに詳しくは、光吸収作用を有する非線形光学材
料を共振器型の非線形光デバイスに用いて、前記非線形
光学材料の光学非線形性を最も有効に利用することので
きる非線形光デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光デバイスは、超高速光スイッ
チ、光メモリー、光変調器、光リミッター、光論理素子
などに利用されている（例えば、神谷武志編「光情報材
料」丸善（１９８８）第６章、ｐｐ．１５３〜１８２、
および第８章、ｐｐ．２０９〜２４６）。特に、光で光
のスイッチングを行う素子は全光型光スイッチと呼ば
れ、電気回路のようなＣＲ時定数による帯域の制限がな
く高速化が可能なことや、電気回路では行えない３次元
空間を利用した並列処理が行えることから、光通信や光
情報処理の分野での活用が期待されている。

【０００３】非線形光デバイスの形態を大きく分ける
と、導波路型、光ファイバー型および面型に分けること
ができる。いずれの場合も、光の強度に依存する非線形
光学材料の屈折率変化や光吸収係数の変化の効果を利用
してスイッチングを行う。

【０００４】例えば、導波路型では、非線形光学材料を
用いて図５に示すような光結合器を作製し、入力側のポ
ート５１ａから入力する光の強度により、光結合部５３
（２本の光導波路が接近している部分）での、導波路あ
るいは導波路間の媒質の屈折率を変化させることによっ
て、出力先のポートが切り替わることを利用して光スイ
ッチングを行っている。

【０００５】また、光ファイバー型の非線形光デバイス
では、通常石英ガラスファイバーの光非線形性が利用さ
れている。例えば図６に示すように、光カプラ６１ａを
用いて光ループを形成し、そのループの途中から入力さ
れる制御光により光ファイバーの屈折率を変化させて、
入力ポート６２から入力した光が、左右に分かれてルー
プを一周するときの位相差が変化することを利用して、
出力ポート６３から出力される光のスイッチングを行う
ことができる。

【０００６】面型の非線形光デバイスは、例えば図２の
ように、デバイスの膜面に対してある角度を持って光が
入射するデバイスである。その最も一般的な構造として
は、非線形光学材料を２枚のミラーで挟んだ、いわゆる
光共振器構造が使用されている。面型の非線形光デバイ
スは、導波路型やファイバー型と比べて、空間的並列化
が容易であるので、二次元情報処理用の空間変調器等に
利用されている（以下、面型の非線形光デバイスのう
ち、光共振器構造を有するものを、共振器型の非線形光
デバイスと呼ぶこととする）。

【０００７】非線形光デバイスは、非線形光学材料（光
によりその材料の屈折率や光吸収係数が変化する材料）
と、それ以外の部分からなっている。非線形光学材料と
して、例えば、・光ファイバー、・３族と５族の元素からなる半導体超格子、・ＢＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）などの強誘電体結晶、・液晶，色素，ＭＮＡ（メチルニトロアニリン）などの
π電子共役系有機化合物、・ＰＤＡ（ポリジアセチレン）などのポリマー、・硫化亜鉛（ＺｎＳ）や硫化セレン（ＺｎＳｅ）などの
半導体結晶、・硫化カドミウム（ＣｄＳ）や硫化セレン（ＣｄＳｅ）
からなるカルコゲナイドガラス、など様々な材料が使用される。

【０００８】半導体超微粒子や金属超微粒子をガラス中
に分散させた材料も、非線形光学材料の一種である。こ
こで言う超微粒子とは、その粒径が１００ｎｍ以下の粒
子である（以下、この材料を単に超微粒子分散ガラスと
呼ぶこととする）。

【０００９】これらの非線形光学材料を用いて非線形光
デバイスを構成するときは、個々の材料の特性を考慮し
てデバイス形状が決定される。特に、材料の光非線形性
の大きさと、光損失の大きさが重要な要因である。例え
ば、光ファイバーでは、光非線形性は小さいが、光の損
失が非常に小さいので、場合によっては数ｋｍ以上の長
さのファイバー中に光を伝搬させて、光スイッチングな
どを行うことができる。

【００１０】半導体超格子では、光非線形性も光損失も
前記光ファイバーに比べて、非常に大きくなっている。
したがって、光路長の短い面型のデバイス構成で使用さ
れる場合と、使用する光の波長を材料の光学吸収端より
もわずかに長波長側に設定し、導波路型のデバイス構成
で使用される場合の２つの場合がある。

【００１１】図２、図３および図４は、光吸収作用を有
する材料を使用した共振器型の非線形光デバイスとし
て、従来用いられている構成例である。

【００１２】図２は、超微粒子分散ガラスを用いた例で
あり、誘電体多層膜ミラー２１ａおよび２１ｂの間に半
導体超微粒子分散ガラス２２が設置されいる（参考文
献、Ｊ．Ｙｕｍｏｔｏ、Ｓ．Ｆｕｋｕｓｈｉｍａ、ａｎ
ｄＫ．Ｋｕｂｏｄｅｒａ、ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅ
ｒｓＶｏｌ．１２、１９８７年、ｐ．８３２）。半導
体超微粒子分散ガラス２２の厚さは３００μｍで、その
両面に無反射コーティング２３ａおよび２３ｂが施され
ている。それぞれのミラーの反射率は９０％で、ミラー
間隔を６００μｍとしている。

【００１３】図３は、ＺｎＳｅおよびＴｈＦ₄ を用いた
例であり、ＺｎＳｅ（３１）とＴｈＦ₄ （３２）の交互
多層膜でミラーを構成し、共振器構造を実現している
（参考文献、Ｓ．Ｄ．Ｓｍｉｔｈ他、ＯＰＴＩＣＡＬ
ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．２６、１９８７年、
ｐｐ．４５〜５１）。この非線形光デバイスでは、光の
入射による温度変化に起因する材料の屈折率変化を利用
している。

【００１４】図４は、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系の超格
子を用いた例であり、基板を除去した超格子４１の両面
に、誘電体ミラー４２を蒸着して共振器構造を実現して
いる（参考文献、Ｈ．Ｍ．Ｇｉｂｂｓ他、Ａｐｐｌｉｅ
ｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．４１、
１９８２年、ｐ．２２１）。このときのミラー間隔は約
４．５μｍであり、使用する光の波長の数倍の厚さがあ
る。

【００１５】これらの従来の非線形光デバイスの構成例
では、いずれの場合も光入射による非線形光学材料の屈
折率変化や光吸収係数の変化を利用し、光スイッチング
動作あるいは光双安定動作を実現している。

【００１６】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、これ
ら従来の非線形光デバイスには、以下のような問題点が
あり、光吸収のある非線形光学材料の性能を十分に利用
しているとは言いがたい。

【００１７】まず、図２の例では、非線形光学材料の厚
さが光波長の数百倍もあるので、光が入射側のミラー２
１ａから、出力側のミラー２１ｂまで進む間に減衰して
しまい、共振器内部での光の電場振幅の増大（いわゆる
光の共振器内への閉じこめ効果）が十分に得られていな
い。また、ミラー２１と非線形光学材料表面に形成され
た無反射コーティング膜２３ｂとの間に空間があるの
で、その空間とミラー２１ｂあるいは無反射コーティン
グ膜２３ｂとの界面で、光が散乱され効率が悪くなって
いる。さらに、２つのミラー２１ａ、２１ｂの平行度や
間隔の精密な制御が必要なことも問題となっている。

【００１８】図３の例では、ミラー間隔が最初から固定
されているので、使用時のミラー間隔の制御を行う必要
はない。しかし、非線形光デバイスの特性への寄与が小
さいミラーにおいても光吸収作用を有する材料を使用し
ているので、その部分での光吸収損失が発生してしま
う。

【００１９】図４の例では、ミラー間隔が最初から固定
されているので、使用時のミラー間隔の制御は必要な
く、ミラーにも光吸収作用を有さない材料を使用してい
る。しかし、非線形光学材料の厚さが光波長の数倍もあ
るので、光が入射側のミラー４２ａから、出力側のミラ
ー４２ｂまで進む間に減衰してしまい、共振器内部での
光の電場振幅の増大効果（いわゆる光の共振器内への閉
じこめ効果）が、十分に得られていないことになる。

【００２０】これらの問題点は、光吸収作用を有する非
線形光学材料を、共振器型の非線形光デバイスとして使
用する際に必要な最適条件を満たしていないことに起因
する。

【００２１】この最適条件を求める際に、非線形光学材
料の種類（材料の屈折率や光吸収係数）によらない条件
を設定しておくことが、デバイス設計を容易にする上で
必要不可欠である。

【００２２】これまでにも、光吸収作用を有する材料を
用いた光共振器の最適化に関する研究はいくつかある
（例えば、Ｄ．Ａ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ、ＩＥＥＥＪ．
ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．Ｑ
Ｅ−１７、１９８１年、ｐ．３０６）。しかしながら、
前記研究の中では理論計算を簡単に行うために、共振器
内部の光電場として平均値を使用しており、共振器内部
での光電場の分布は考慮されていない。

【００２３】光吸収作用を有する材料では、非線形光学
材料の光軸方向の厚さを、λ／（２×ｎ）にしたとき
に、共振器の性能がもっとも引き出されるが、このとき
には、共振器内部の電場分布まで考慮する必要があるの
で、光電場の平均値を用いた上記の理論計算は、前提条
件からして、λ／（２×ｎ）のミラー間隔を持つ共振器
に適用できるかどうか疑問が持たれるところである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、２枚のミラー
と、前記２枚のミラーの間に位置し光吸収作用を有する
光非線形材料とからなる共振器型の非線形光デバイスに
おいて、前記光非線形材料の光軸方向の厚さｔは、使用
する光の波長をλ、該光非線形性を有する材料の屈折率
をｎとしたとき、ｔ＝λ／（２×ｎ）であり、かつ前記
ミラーの反射率が一定である場合に、前記共振器に共鳴
した光波長における光透過率が、０．５〜０．８である
非線形光デバイスである。

【００２５】また、２枚のミラーと、前記２枚のミラー
の間に位置し光吸収作用を有する光非線形材料とからな
る共振器型の非線形光デバイスにおいて、前記光非線形
材料の光軸方向の厚さｔは、使用する光の波長をλ、該
光非線形性を有する材料の屈折率をｎとしたとき、ｔ＝
λ／（２×ｎ）であり、かつ前記非線形光学材料の光学
定数が一定である場合に、前記共振器に共鳴した光波長
における光透過率が、０．１〜０．４である非線形光デ
バイスである。

【００２６】さらに、上述のの非線形光デバイスにおい
て、前記ミラーは誘電体多層膜ミラーであり、かつ前記
２枚のミラーと前記光学非線形材料が順次積層した構造
を有する非線形光デバイスである。

【００２７】

【作用】まず上述したように、前提条件として非線形光
学材料の光軸方向の厚さを λ／（２×ｎ）となるように設定することで、このデバイス内に入射し
た光の共振器内での電場振幅が、２枚のミラーの中央部
のみで、あるいは２枚のミラーと非線形光学材料の２つ
の界面の２カ所で最大となるようにすることができる。

【００２８】そこで、本発明の非線形光デバイスで、前
記ミラーの反射率が固定されている場合には、前記共振
器に共鳴した光波長における光透過率を０．５〜０．
８、より好ましくは０．６〜０．７、とすることで、最
も有効に該非線形光学材料の特性を利用することができ
る。

【００２９】一方、前記非線形光学材料の光学定数が固
定されている場合は、前記共振器に共鳴した光波長にお
ける光透過率を０．１〜０．４、より好ましくは０．２
〜０．３とすることで、最も有効に該非線形光学材料の
特性を利用することができる。

【００３０】上記の非線形光デバイスにおいて、前記ミ
ラーとして、誘電体多層膜ミラーを使用することで、ミ
ラーでの光損失をさらに低減させることができる。

【００３１】さらに本発明は、前記誘電体多層膜ミラー
と前記光学非線形性を有する材料との間に間隙を設けな
い、すなわち同一基板上に第一の誘電体多層膜ミラーと
前記非線形光学材料と第二の誘電体多層膜が順次積層し
た構造を有している。このことで、前記第一の誘電体多
層膜ミラーと前記非線形光学材料、および前記第二の誘
電体多層膜ミラーと前記非線形光学材料の界面での、光
損失を低減させることができる。

【００３２】以上のように、本発明の非線形光デバイス
では、光吸収作用を有する非線形光学材料の性能を十分
に発揮させることができる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１に、本発明の非線形光デバイスの概略図を示
す。基板上に、第一の誘電体多層膜ミラー１ａが形成さ
れ、そのミラー上に直接非線形光学材料２が形成され、
さらにその上に直接第二の誘電体多層膜ミラー１ｂが形
成されている。

【００３４】基板としては、非線形光デバイスの透過光
を利用する場合には、例えばガラス等の透明な材料が使
用される。一方、非線形光デバイスの反射光を利用する
場合には、光吸収があっても良いので、例えばシリコン
基板等も使用できる。

【００３５】誘電体多層膜ミラー１ａおよび１ｂの構造
としては、異なる屈折率を有する２種類の誘電体の光学
膜厚（誘電体の屈折率と物理的な膜厚の積）を、使用す
る光の波長をλとするとき、それぞれλ／４（ただし、
λは使用する光の波長）となるようにし、それぞれを交
互に積層したものを基本とする。しかし場合によって
は、ガラス基板と誘電体多層膜ミラーの界面、あるいは
第二の誘電体多層膜ミラーと空気との界面に、λ／８程
度の光学膜厚を有する誘電体を付加する場合もある。ま
た、２種類以上の誘電体を含む誘電体多層膜ミラーも、
本発明にある非線形光デバイスに使用できる。

【００３６】第一および第二の誘電体多層膜ミラー１ａ
および１ｂの反射率は、必ずしも等しくする必要はな
い。例えば、前記デバイスの反射光を利用するデバイス
では、光が入射しない側のミラーの反射率を上げること
で、さらなる性能の向上を図ることもできる。

【００３７】非線形光学材料２の光学膜厚は、λ／２と
なるように制御されている。次に、本発明の非線形光デ
バイスにおいて、共振器の共鳴した波長での光透過率
（以下では単に透過率と呼ぶこととする）を制御する方
法について説明する。

【００３８】共振器型の非線形光デバイスの透過率を変
化させる方法としては、非線形光学材料２の光吸収係数
を変化させる方法と、誘電体多層膜ミラー１ａおよび１
ｂの反射率を変化させる方法とがある。これらの二つの
方法のうちどちらの方法を使用するかは、非線形光学材
料の種類や、ミラーの種類あるいはミラーの精度（例え
ば製造時の膜厚の制御性）などにより異なる。

【００３９】例えば、本実施例で使用したような誘電体
多層膜ミラーでは、成膜時の膜厚の制御性により、ある
値以上にミラーの反射率を上げることができないという
状況がたびたび起こりうる。このようなときには、ミラ
ーの反射率をある値一定であるとして、非線形光学材料
の光吸収係数を変化させて、所望の透過率に制御すると
よい。

【００４０】また、一般に、非線形光学材料には、光学
定数の制御が可能なものと、不可能なものがあるので、
もともと光学定数が変更できない非線形光学材料では、
第二の方法すなわちミラーの反射率を変化させる方法
で、所望の透過率に制御するとよい。

【００４１】光学定数が変更できない材料としては、半
導体材料や結晶材料があり、光学定数が可変な材料とし
ては、超微粒子分散ガラスや、有機ポリマー中の色素な
どがある。これらの材料では、超微粒子や色素の濃度を
制御することで、材料の屈折率や光吸収係数をコントロ
ールすることができる。

【００４２】誘電体多層膜ミラーの反射率を変化させる
ためには、よく知られているように、誘電体の層数を変
更すればよいことになる。ただし、この方法では、誘電
体多層膜の反射率を連続的に変化させることができない
ので、非線形光デバイスの透過率も不連続的に変化して
しまうことになる。そのため、本発明の非線形光デバイ
スを実現することが不可能な場合もあり得る。

【００４３】このような場合は、本発明の非線形光デバ
イスとは異なるが、非線形媒質の光学膜厚を、λ／２の
整数倍とすることで、透過率を制御すれば擬似的に最適
なデバイス構成を実現することができる。ただし、この
場合は、共振器中の光の電場強度は本発明の非線形光デ
バイスに比べて小さくなってしまう。

【００４４】以上述べてきた２つの透過率制御法、すな
わち非線形光学材料の光吸収係数を変化させる方法と、
ミラーの反射率を変化させる方法の両方が可能な場合も
あるが、このときは、両者の制御性の良さで、どちらの
方法を採用するかを決定するとよい。望ましくは、試料
の光吸収係数をできるだけ小さくして、ミラーの層数を
変えて透過率を制御するのが望ましい。

【００４５】どちらの方法を使用するかで、非線形光学
材料の性能を最も有効に利用するための条件が異なる
が、これについては実験結果をもとに後で説明する。

【００４６】（具体例１）次に、実際の非線形光デバイ
スの作製法を説明する。まず、基板３としては、ＢＫ７
ガラスを使用した。第一の誘電体多層膜ミラー１ａは、
電子ビーム蒸着法により作製した。まず２種類の誘電体
（ＳｉＯ₂（屈折率１．４６）およびＴｉＯ₂（屈折率
２．３５））を交互に、膜厚をモニターしながら基板上
に堆積させた。このときの基板温度は３９０℃とした。

【００４７】つぎにその上に、超微粒子分散ガラス２を
堆積させた。本具体例１では、ＣｄＴｅ超微粒子分散ガ
ラスを使用した。ＣｄＴｅ超微粒子をガス中レーザー加
熱蒸発法により作製し、その超微粒子を分散させるマト
リックスガラスはテトラメトキシシランを原料ガスとす
るプラズマＣＶＤ法（プラズマを利用した化学的気相合
成法）により作製した。

【００４８】ＣｄＴｅ超微粒子とマトリックスガラス
は、超微粒子分散ガラスの光学膜厚が、λ／２になるま
で交互にミラー上に堆積させた。超微粒子濃度の制御
は、マトリックスガラスを堆積させる時間、すなわちプ
ラズマＣＶＤの放電時間を変化させることで行うことが
できる。

【００４９】つぎにその上に、第２の誘電体多層膜ミラ
ー１ｂを第一の誘電体多層膜ミラーと同様な作製手順で
堆積させる。

【００５０】本具体例１で用いた超微粒子分散ガラスの
作製法は、一般的な方法ではないので作製法を詳しく説
明しておく。真空容器内に、超微粒子原料であるＣｄＴ
ｅターゲット、プラズマ発生用の電極、基板ホルダーな
どが設置されたものを作製装置として使用した。この真
空容器には、ガラス原料であるテトラメトキシシランの
供給装置、アルゴンガス供給系、およびプラズマ発生用
の高周波電源等が接続されている。

【００５１】レーザー加熱蒸発用のターゲットとして、
直径５ｃｍ厚さ０．５ｃｍのディスク状の多結晶ＣｄＴ
ｅを使用した。レーザー光源として、Ｎｄ：ＹＡＧパル
スレーザーの第２高調波を使用した。このときのレーザ
ー光波長は５３２ｎｍ、パルス幅は１０ｎｓｅｃであ
り、ターゲット表面でのレーザー光強度は２５Ｊ／ｃｍ
² であった。

【００５２】この条件で、ＣｄＴｅターゲットにレーザ
ーを照射すると、そのターゲットの正面に設置された基
板上には、直径が３〜１０ｎｍ程度の球形のＣｄＴｅ微
粒子が付着する。超微粒子の密度や大きさは、超微粒子
を作製する際に導入する不活性ガスの圧力や、照射する
レーザー光強度、照射するレーザー光パルスの数、ター
ゲットから基板ホルダーの距離、および基板の温度等に
依存している。

【００５３】マトリクスガラスは、テトラメトキシシラ
ンと酸素の混合ガスを真空容器に導入し、ガス流量コン
トローラでガス流量を制御し、真空容器内の圧力を０．
０５Ｔｏｒｒに制御した状態で、電極に高周波電圧を印
加して、プラズマを発生させ、このプラズマによりＴＭ
ＯＳガスを分解、重合させることにより作製した。この
ときのガラス膜厚は、印加する電力や導入した反応ガス
のガス圧、テトラメトキシシランガスと酸素ガスの混合
比、電極形状、電極と基板ホルダーの距離などに依存し
ている。

【００５４】本具体例１で採用したマトリックス作製条
件は、ＴＭＯＳ流量２００ｓｃｃｍ、酸素流量１０ｓｃ
ｃｍ、真空容器圧力０．０５Ｔｏｒｒ、印加電力５０
Ｗ、電極と基板ホルダーの距離２ｃｍである。このとき
の基板ホルダー上でのガラス膜堆積速度は、０．５ｎｍ
／秒であった。また、使用した高周波電源の周波数は１
３．５６ＭＨｚである。

【００５５】以上の２つの工程、すなわち、超微粒子を
基板上に堆積させる工程と、化学的気相堆積法によりマ
トリックスを作製する工程とを、交互に繰り返すことに
より、超微粒子分散ガラスを作製することができる。

【００５６】本具体例１では、ＣｄＴｅ超微粒子分散ガ
ラスを非線形光学材料として使用する場合について述べ
るが、これに限られることなく、薄膜として作製される
様々な非線形光学材料を用いて、本発明の非線形光デバ
イスを作製することができる。そのような非線形光学材
料として、例えば、ゾルゲル法で作製した超微粒子分散
ガラス、スパッタ法で作製した超微粒子分散ガラス、半
導体超格子材料などが使用できる。

【００５７】図７は、第一および第二の誘電体多層膜ミ
ラーの層数を９層とし、非線形光学材料（本具体例で
は、ＣｄＴｅ超微粒子分散ガラス）の光学定数を変化さ
せたときの、非線形光デバイスの動作特性の実測結果で
ある。上述した作製法により非線形光デバイスを作製
し、その非線形光デバイスから出射する位相共役光の強
度を比較したものである。ただし、共振器の共鳴波長は
６００ｎｍとなるように、膜構成を制御した。

【００５８】すなわち、誘電体多層膜ミラーの一層の光
学膜厚は１５０ｎｍ、非線形光学材料の光学膜厚は３０
０ｎｍとした。位相共役光は、２本のポンプ光を同時に
試料の同じ面から入射させ、そのポンプ光の１本が自己
回折して、非線形光デバイスの反対側の面から出射して
くる光の強度として測定した。

【００５９】図７の横軸は、非線形光学材料の消衰係数
ｋである。この消衰係数は当然ながら非線形光学材料の
光吸収係数に比例する。図中の実線は共振器の共鳴波長
（６００ｎｍ）での透過率であり、波線はその波長のレ
ーザー光を用いて測定した位相共役光の強度である。た
だし、位相共役光の強度は、ポンプ光強度に依存するの
で、これを規格化するために、第一のポンプ光の強度を
Ｉ₁ 、第二のポンプ光の強度をＩ₂、観測された位相共
役光の強度をＩ_Sとして次の補正を行っている。Ｉ＝Ｉ_S／（Ｉ₁ ²Ｉ₂）このＩが図７の右縦軸である。

【００６０】位相共役光の強度は、非線形光デバイスの
共鳴波長での光透過率が、０．６から０．７のとき最大
となっていることがわかる。ただし、その範囲の前後す
なわち光透過率が０．５から０．８でも、最大値の５０
％以上の位相共役光が発生しており、この範囲でも十分
に非線形光デバイスとして使用することができる。

【００６１】以上の結果、本発明の非線形光デバイスを
用いれば、前記非線形光学材料の性能を最も有効に利用
できることが確かめられた。

【００６２】（具体例２）上述の作製法により、非線形
光学材料が同一の光学特性を有しミラー層数が異なる非
線形光デバイスを作製し、その非線形光デバイスから出
射する位相共役光の強度を比較したものである。ただ
し、第一および第二の誘電体多層膜ミラーの層数は同じ
とし、共振器の共鳴波長が６００ｎｍとなるように、膜
構成を制御した。

【００６３】すなわち、誘電体多層膜ミラーの一層の光
学膜厚は１５０ｎｍ、非線形光学材料の光学膜厚は３０
０ｎｍとした。位相共役光は、２本のポンプ光を共に試
料の同じ面から入射させ、そのポンプ光の１本が自己回
折して、非線形光デバイスの反対側の面から出射してく
る光の強度として測定した。

【００６４】図８は、本具体例の非線形光デバイスの動
作特性の実測結果である。図８の横軸は、第一あるいは
第二の誘電体ミラーの層数である。図中の実線は共振器
の共鳴波長（６００ｎｍ）での透過率であり、波線はそ
の波長のレーザー光を用いて測定した位相共役光の強度
である。ただし、位相共役光の強度は、具体例１と同様
の補正を行っている。

【００６５】図８から、位相共役光は非線形光デバイス
の光透過率が、０．２から０．３のとき最も強度が大き
くなることがわかる。ただし、その範囲の前後すなわち
光透過率が０．１から０．４でも、最大値の５０％以上
の位相共役光が発生しており、この範囲でも十分に非線
形光デバイスとして使用することができる。

【００６６】以上の結果、本発明の非線形光デバイスを
用いれば、前記非線形光学材料の性能を最も有効に利用
することができることが確かめられた。

【００６７】（具体例３）次に、共振器型の非線形光デ
バイスにおいて、ミラーとして誘電体多層膜ミラーを使
用し、かつ、前記２枚のミラーと光学非線形性を有する
材料との間に間隙がない構造を有している。すなわち、
同一基板上に第一の誘電体多層膜ミラーと前記非線形光
学材料と第二の誘電体多層膜が順次積層した構造であ
り、それぞれの誘電体間はもとより、前記第一の誘電体
多層膜と前記非線形光学材料および前記第二の誘電体多
層膜と前記非線形光学材料も密着した構造を有してい
る。このような構造を有する非線形光デバイスにおい
て、前記非線形光学材料の性能が、さらに有効に利用発
揮されることを確かめた例について説明する。

【００６８】異なる構成の３種類の非線形光デバイスに
ついて、発生する位相共役光の強度を比較する。その３
種類の非線形光デバイスは、それぞれ以下の構成を持っ
ている。

【００６９】第一および第二のミラーとして、誘電体
多層膜ミラーを使用し、かつ、前記２枚のミラーと前記
光学非線形性を有する材料との間に間隙がない、すなわ
ち同一基板上に第一の誘電体多層膜ミラーと前記非線形
光学材料と第二の誘電体多層膜が順次積層した構造を有
し、それぞれの誘電体間はもとより、前記第一の誘電体
多層膜と前記非線形光学材料および前記第二の誘電体多
層膜と前記非線形光学材料も密着した構造を有する非線
形光デバイス。

【００７０】非線形光学材料および第二の誘電体多層
膜ミラーの各々はと同様な構成であるが、非線形光学
材料と第二の誘電体多層膜ミラーの間に空気層があり、
さらに第二の誘電体多層膜ミラーの外側にＢＫ７基板が
ある非線形光デバイス。

【００７１】非線形光学材料はと同様な構成である
が、誘電体多層膜ミラーの代わりに金属蒸着により作製
したミラーを使用した非線形光デバイス。

【００７２】

【表１】

【００７３】表１において比較されているとおり、の
非線形光デバイスにおいて、使用した非線形光学材料の
性能が最も発揮されていることがわかる。これは、の
試料では非線形光学材料と空気層の界面での光散乱が、
の試料では、金属ミラー部における光吸収が損失とな
り、非線形光デバイスの性能を低下させているためであ
る。

【００７４】

【発明の効果】本発明の非線形光デバイスでは、超高速
光スイッチ、光メモリー、光変調器、光リミッター、光
論理素子などに利用する際に、非線形光学材料の性能を
十分に利用することができるが、それ以外にも以下のよ
うな効果も有している。

【００７５】・非線形光学材料の厚さは必要最低限の厚
さでよいので、これを製造するのに要する時間が短かく
てすむ。・非線形光デバイスとして使用するのではなく、物質の
光非線形性を評価するために使用する場合も、非常に薄
い非線形光学材料からの信号光を検出できることにな
る。したがって、例えば、ラングミュア−ブロジェット
法により作製した単分子薄膜のように、非常に薄い材料
の光非線形性が測定できるようになる。このとき、本発
明の非線形光デバイスと同様に、透過率を制御すること
でもっとも高感度な測定が実現できる。・誘電体多層膜ミラーと非線形光学材料を順次積層し
て、非線形光デバイスを構成することにより、ミラー間
隔を制御する必要がなくなる。従来の技術でも説明した
とおり、ミラーと非線形光学材料の間に空間があると、
これが光散乱の原因となるだけでなく、ミラーの間隔や
平行度の微妙な制御が必要となる。本発明の非線形光デ
バイスでは、製造段階でミラー間隔が制御・固定される
ので、後のミラー調整が全く不要である。

【００７６】非線形光デバイスの性能は、位相共役光の
発生効率だけではなく、光スイッチングに必要なエネル
ギーの最低値や、双安定動作を行う際の低透過状態と高
透過状態の透過率の差などでも定義される。

【００７７】図９は、本発明の非線形光デバイス（透過
率が０．２５のもの）と、本発明以外の非線形光デバイ
ス（透過率が０．０５のもの）の双安定動作を比較した
例である。本発明の非線形光デバイスでは、低い入射光
強度で大きなオン−オフ比が得られている。すなわち、
本発明の非線形光デバイスにより、同じ非線形光学材料
を使用するという条件のもとでは、その材料の光非線形
性を最も有効に利用することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非線形光デバイスの構成を示す模式図
である。

【図２】従来の非線形光デバイスの構成の例を示す模式
図である。

【図３】従来の非線形光デバイスの構成の例を示す模式
図である。

【図４】従来の非線形光デバイスの構成の例を示す模式
図である。

【図５】従来の非線形光デバイス（導波路型）の構成例
を示す模式図である。

【図６】従来の非線形光デバイス（光ファイバー型）の
構成例を示す模式図である。

【図７】具体例１で示した本発明の非線形光デバイスの
非線形光デバイスの動作を確認した例である。

【図８】具体例２で示した本発明の非線形光デバイスの
非線形光デバイスの動作を確認した例である。

【図９】発明の効果の欄で示した本発明による非線形光
デバイスの双安定動作を確認したことを示す図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ：誘電体多層膜ミラー、２：非線形光学材料（ＣｄＴｅ超微粒子分散ガラス）、３：ガラス基板（ＢＫ７）、２１：ミラー、２２：非線形光学材料（半導体超微粒子分散ガラス）、２３：無反射コーティング膜、３１：ＺｎＳｅ、３２：ＴｈＦ₄、３３：ガラス基板、４１：ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ超格子、４２：誘電体多層膜ミラー、４３：ＧａＡｓ基板、５１：入力ポート、５２：出力ポート、５３：光結合部、５４：光導波路、５５：基板、６１：光カプラ、６２：入力ポート、６３：出力ポート、６４：光ファイバー、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚のミラーと、前記２枚のミラーの間に
位置し光吸収作用を有する光非線形材料とからなる共振
器型の非線形光デバイスにおいて、前記光非線形材料の光軸方向の厚さｔは、使用する光の
波長をλ、該光非線形性を有する材料の屈折率をｎとし
たときｔ＝λ／（２×ｎ）であり、かつ前記ミラーの反射率が一定である場合に、
前記共振器に共鳴した光波長における光透過率が、０．
５〜０．８であることを特徴とする非線形光デバイス。
【請求項２】請求項１に記載の非線形光デバイスにおい
て、前記光透過率が、０．６〜０．７である非線形光デ
バイス。
【請求項３】２枚のミラーと、前記２枚のミラーの間に
位置し光吸収作用を有する光非線形材料とからなる共振
器型の非線形光デバイスにおいて、前記光非線形材料の光軸方向の厚さｔは、使用する光の
波長をλ、該光非線形性を有する材料の屈折率をｎとし
たときｔ＝λ／（２×ｎ）であり、かつ前記非線形光学材料の光学定数が一定であ
る場合に、前記共振器に共鳴した光波長における光透過
率が、０．１〜０．４であることを特徴とする非線形光
デバイス。
【請求項４】請求項３に記載の非線形光デバイスにおい
て、前記光透過率が、０．２〜０．３である非線形光デ
バイス。
【請求項５】請求項１から４に記載の非線形光デバイス
において、前記ミラーは誘電体多層膜ミラーであり、か
つ前記２枚のミラーと前記光学非線形材料が順次積層し
た構造を有する非線形光デバイス。