JPH10170967A - 光パラメトリック増幅素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チャープが少なく、パルス時間幅が数１０ピ
コ秒以下で大振幅の光パルス列を発生することができる
光パラメトリック増幅素子を提供すること。 【解決手段】 光パラメトリック媒体(光パラメトリッ
ク発振効果を示す媒体)１、３、５、７、９、１１と、
光学媒体(光パラメトリック発振効果を示さない光透過
性の媒体)２、４、６、８、１０とを交互に基板１２上
に配置して、光パルスの入射端１３から光パルスの出射
端１４に至る光路を形成し、光パルスの入射端１３か
ら、信号光パルス列とポンプ光パルス列とを入射し、光
パルスの出射端１４から増幅された信号光パルス列を得
るようにしたもの。 【効果】 同期性のとれていない信号光パルスを、その
到達時刻を別途計測することなく、低ノイズにて増幅す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光パラメトリック
発振効果を利用した光パラメトリック増幅素子に係り、
特にチャープ(波長幅の変化)が少なく、パルス幅とパル
ス間隔の狭い大容量の光パルスの増幅が可能な光パラメ
トリック増幅素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の実用化は目覚ましく、例
えば、電話システムでは、複数の家庭やオフィス等の情
報発信源から電話回線を介して長距離通信用の中継局に
集められた電気信号を、光信号に変換した上で光ファイ
バを介して数百ｋｍ離れた別の中継局に送り、そこで再
び電気信号に変換してから目的の情報受信源に送られる
ようにしている。

【０００３】しかして、近年のマルチメディア社会の急
速な発展に伴い、より多くの情報伝送可能にする大容量
高速光通信への要求は高まる一方であり、例えば、上記
した電話システムでも、近年は、情報発信源の数の増加
だけでなく、伝送すべき情報として、単純な音声に加え
て、コンピュータのデータファイルや画像のように、さ
らに大容量化され、しかも、その伝送のより高速化が強
く要求されるようになってきている。

【０００４】そして、このためには、例えば、情報発信
源側で直ちに光信号化して伝送する方式も提案されてい
るが、さらに、この対応策としては、よりパルス幅の短
い光パルスを用いることにより、単位時間当りの信号量
の増加が得られるようにする方法も注目されされてい
る。

【０００５】ところで、このような光信号伝送用として
は、主としてシリカガラス製の光ファイバが用いられる
ので、このシリカガラス製のファイバでの光伝送損失が
最小になる１．３μｍ、又は１．５μｍの波長の光が信
号光として用いられている。

【０００６】そして、この波長での光伝送損失は０．５
ｄＢ／ｋｍ程度であるが、しかし、僅かでも波長が異な
ると、すぐに伝送損失は１ｄＢ／ｋｍを越えてしまう。

【０００７】従って、光通信用の光源としては、光ファ
イバの特性に合わせた単色性の良いレーザを用い、それ
から発生されるレーザ光を光変調器に入射させ、情報と
なる電気信号に応じて変調を掛けることにより、その強
度を変化させ、光パルス列を発生させて光信号を形成す
るようにしている。

【０００８】ところで、このような光パルスを用いた光
通信においても、数百ｋｍにわたり光パルスを伝送する
と光信号が減衰するので、途中に中継器を設置し、光パ
ルスを増幅する方途が採られている。そして、現在、用
いられている中継器は、到達した光信号を光検出器によ
り一旦電気信号に変換し、電気的に増幅、再生、リタイ
ミング等の復調処理を行ってから、その電気信号により
レーザ光を変調し、再び光信号にして次の受信基地まで
送信する方式になっている。

【０００９】しかしながら、より高速の動作を可能にす
るという見地からすると、このような、いわば電気信号
方式の中継器ではなくて、光信号のままで直接、中継に
必要な増幅などの処理が行える装置が望ましい。現在、
このような光信号の直接増幅が可能な装置、すなわち光
増幅装置としては、エルビウム(Ｅr)をドープした光フ
ァイバによる光ファイバ増幅装置や、半導体レーザの再
発振による装置などが検討されている。

【００１０】これらの内、まず光ファイバ増幅装置で
は、Ｅr をドープした数百ｍ以上の長さの石英ファイバ
を用い、このファイバの一端から、波長１．０６μｍの
光のＹＡＧレーザ光と、波長１．５μｍの増幅すべき信
号光とを、時間を調整して入射させると、まずＹＡＧレ
ーザ光によりファイバ中のＥr イオンが励起され、後か
ら到達する信号光が引き金となって誘導放出を起こし、
信号光にその放出光が加算されることにより増幅機能が
得られるものである。

【００１１】次に、半導体レーザの再発振を用いた装置
では、増幅すべき信号光と同じ発振波長を有する半導体
レーザを用い、電荷の注入により励起された半導体レー
ザのレーザ媒体に、外部から信号光を導入すると、その
信号光が引き金となって誘導放出を起こし、信号光にそ
の放出光が加算されることにより増幅機能が得られるも
のである。

【００１２】これ以外の光増幅方式には、非線形光学材
料を用いたものが知られているが、この非線形光学素子
は、２次、３次の光高調波発生、光混合、または光パラ
メトリック発振を利用した波長変換素子、光スイッチと
しての光双安定素子等、将来実現すると予想される光コ
ンピュータの基本素子としても注目を集めているもので
ある。

【００１３】ところで、この非線形光学材料としては、
ニオブ酸リチウム(Ｌi Ｎb Ｏ₃)、砒素化ガリウム(Ｇ_a
Ａ_s)等の無機材料が従来から検討されているが、近年、
それらの材料に比べ、非線形光学性能が格段に大きく
(１０〜１００倍)、また光双安定素子等で重要になる光
応答速度が極めて大きい、有機非線形光学材料が研究さ
れるようになった。

【００１４】この有機非線形光学材料としては、ＭＮＡ
と略称されている尿素、２メチル、４ニトロアニリン
や、ＮＰＰと略称されているＮ(４ニトロフェニル)Ｌプ
ロリノールなどがあり、前者については、特開昭５５−
５００９６０号公報に提案があり、後者については、特
開昭５９−２１６６５号公報に提案がある。そして、こ
れらＭＮＡやＮＰＰは、無機材料の１００倍以上の２次
の非線形光学効果を有することが知られている。

【００１５】ところで、この光増幅の方式にもいくつか
の方式があるが、近年、着目されているのが、２次の非
線形光学効果を用いた光パラメトリック発振方式であ
る。ここで、光パラメトリック発振とは、ある振動数ω
_p を持つ光が２次の非線形光学媒体を通過すると、それ
より低い振動数ω_i 、ω_s の２種の光を発生する現象で
あり、振動数ω_i の光をアイドラ光と呼び、振動数ω_s
の光をシグナル光と呼ぶ。

【００１６】なお、この光パラメトリック発振の詳細に
ついては、次の刊行物に開示されている。 A.Yariv著「Quantum Electronics」第３版 John Wiley&Sons出版 1998年

【００１７】次に、この光パラメトリック発振によれ
ば、どのような２種の光が発生し得るかについて考察す
ると、以下の通りである。まず、エネルギ保存則から、
次式、すなわち、 ω_p＝ω_i＋ω_s が成立し、次に、運動量保存則から、位相整合条件によ
り、次式、すなわち、 ω_p×ｎ(ω_p)＝ω_i×ｎ(ω_p)＋ω_s×ｎ(ω_p) が成立する。ここで、ｎ(ω_p)、ｎ(ω_p)、ｎ(ω_p)は、
それぞれ振動数ω_p 、ω_p 、ω_p における非線形光学媒
体の屈折率を表わす。

【００１８】このような条件は、等方性媒体では成立し
得ず、異方性媒体を用い、ポンプ光の入射角を変化させ
ることにより、この条件を満たす方位を決定している。
この効果は、波長可変のレーザとして用いられ、目的の
波長の光を強い強度で取り出すことができる。

【００１９】例えば、振動数ω_i のアイドラ光を用いた
いと希望するときには、その振動数の光を選択的に閉じ
込めることができる共振器鏡を用い、これで非線形光学
媒体を挾むという技法を用いるのである。

【００２０】なお、この技法については、下記の刊行物
に記載がある。 宇加地 孝志著“新有機非線形光学材料ＩＩ”第１版、
１９９１年、シーエムシー出版「β−ＢａＢ２０４結晶
を用いた光パラメトリック発振」

【００２１】このようなエネルギ保存則と位相整合条件
を満たす方位から非線形光学媒体にポンプ光を導入する
と、アイドラ光とシグナル光が発生し、このとき、アイ
ドラ光又はシグナル光と同じ波長の信号光をポンプ光と
同時に入射すると、信号光の強度が加算され、増幅効果
を示す。これが光パラメトリック増幅の原理である。

【００２２】なお、このような光パラメトリック増幅器
のうち、化合物半導体を用いた光パラメトリック増幅器
については、特開昭５６−１６４５８８号公報や特開昭
６１−１７２３９２号公報、それに特開平６−７５２６
２号公報に開示があり、有機化合物を用いた光パラメト
リック増幅器については、特開平６−５０３８９２号公
報が、そして、半導体の反転分極構造を用いた光パラメ
トリック増幅器については、特開平７−２５４７５２号
公報が、それぞれ開示している。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、パル
ス幅とパルス間隔が狭い光信号の増幅についての配慮が
されているとは言えず、大容量光通信への適用に問題が
あった。上記したように、長距離光通信には、伝送損失
を回復するための光増幅器が必要であり、このとき、単
位時間当り、より多くの光パルスを伝送する大容量光通
信においては、より短い光パルスを短い時間間隔で送り
続ける必要がある。しかるに、以下に説明するように、
上記従来技術では、この要求を満たすことができず、従
って、大容量光通信への適用に問題が生じてしまうので
ある。

【００２４】まず、従来技術のなかで、光信号を一旦電
気信号に戻し、電気的に増幅後、光パルスに戻す方式の
装置では、数１０ＧＨｚ以上の極めて短い時間間隔の光
パルス列に追随できない。

【００２５】このため、光のままで効率的な増幅が得ら
れるようにした光増幅が必要であるが、従来の光ファイ
バ増幅装置や半導体レーザの再発振等によるレーザ媒質
の誘導放出を利用する方式の装置では、レーザ媒体を励
起するための時間を要するため、レーザ発振特性以上の
高繰り返しで到達する光パルスを増幅することができな
かった。

【００２６】特に、Ｅr ドープファイバを用いた光増幅
方式では、ファイバ中の群速度分散のためにチャープ
(波長幅の変化)が生じ、ｆｓ(＝１０^-15 秒)台の超高速
光パルスには適用できなかった。

【００２７】また、このような数１０ＧＨｚ以上の極め
て短い時間間隔の光パルス列をそのまま増幅するため
に、光パラメトリック効果を用いた光増幅を用いた場合
には、信号光パルスとポンプ光とを同時に光パラメトリ
ック媒体に導入させる必要があるため、短い光パルス列
になる程、両者のタイミングを同調させるのが困難にな
り、所期の性能が得られないという問題があった。

【００２８】これまでのところ、提案されている光パラ
メトリック効果を用いた方式としては、例えば、特開平
１−２３１０３３号公報に記載のものがあるが、この方
式では、このために信号光パルスを電気的に検出し、そ
れによってポンプ光との同調をとるようにしており、こ
の結果、電気的制御系で得られる時間精度と時定数の範
囲でしか同調させることができなかった。

【００２９】このため、従来の光パラメトリック増幅器
では、常時ポンプ光を入射させておく必要があり、ポン
プ光の損失や、ポンプ光自身による自発的パラメトリッ
ク光発生等によるノイズの問題があった。

【００３０】本発明の目的は、チャープが少なく、パル
ス時間幅が数１０ピコ秒以下で大振幅の光パルス列を発
生することができる光パラメトリック増幅素子を提供す
ることにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】前記目的は、まず、光パ
ラメトリック効果を示す媒体からなる光路の一方の端部
から信号光とポンプ光を一緒に入射し、他方の端部から
増幅された信号光が得られるようにした光パラメトリッ
ク増幅素子において、光パラメトリック効果を示す媒体
が、前記光路内で、光の通過方向に沿って所定の長さに
分割されており、前記信号光の波長をλ₁ 、前記ポンプ
光の波長をλ₂ としたとき、波長λ₁ の１／２倍が波長
λ₂に 等しくなるようにして達成される。

【００３２】前記目的は、さらに、前記信号光とポンプ
光がパルス時間幅ｔ₁ で、かつ時間間隔Ｔ₁ の光パルス
列であり、前記光パラメトリック効果を示す媒体の間隔
が、該媒体中での光の伝播速度と前記パルス時間幅ｔ₁
の積以下の値に設定されるようにしても達成される。

【００３３】前記目的は、ざらに、光パラメトリック効
果を示す媒体の長さが、該媒体が波長λ₁ 、λ₂ におい
て示す屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ としたとき、λ₁ ／
２（ｎ₁−ｎ₂）に等しい値に設定されるようにして達成
される。前記目的は、さらに、前記光パラメトリック効
果を示す媒体が、その長さを単位とした周期構造に作ら
れているようにしても達成される。

【００３４】前記目的は、さらに、前記光パラメトリッ
ク効果を示す媒体の間が、該媒体とは異なる別の媒体で
充填されているようにしても達成される。前記目的は、
さらに、前記光パラメトリック効果を示す媒体の間が、
該媒体とは異なる方位の媒体で充填されているようにし
ても達成される。前記目的は、さらに、前記光パラメト
リック効果を示す媒体に電場を印加する電極が設けられ
ているようにしても達成される。

【００３５】前記目的は、前記光パラメトリック効果を
示す媒体が、高分子有機材料中に低分子有機材料を分散
させた有機材料で構成されているようにしても達成され
る。前記目的は、前記波長λ₁ 値が１．２μｍから１．
７μｍの範囲にあるようにしても達成される。

【００３６】λの周期幅を持つ非線形光学媒体にλ／２
の光を導入すると、この波長の光が媒質中に蓄えられ、
ここにλの光を信号光を入れると、パラメトリック発振
効果により、λ／２の光のエネルギがλの光に移る。本
発明では、この構成を基本単位として、多数連結するこ
とにより、信号光をチャープなしに増幅することができ
る。

【００３７】特に、このとき、光パルスの時間幅によっ
て設定される配置を取ることで、信号光とポンプ光の同
期信号を電気的に計測する必要がなくなり、高速に信号
光を増幅することができる。このような光パラメトリッ
ク増幅素子は、パラメトリック効果を示す媒体のコヒー
レンス長より光パルス時間幅の間に光が進行する時間が
等しいか、もしくは短いようなピコ秒以下の極短光パル
スを用いた光通信用の光信号増幅素子として特に有効に
用いることができる。

【００３８】本発明によれば、光／電気変換、電気的増
幅、電気／光変換の一連の操作を必要とせず、全く光学
的に光信号中継器を実現できる。又、本発明によれば、
半導体やファイバアンプ等の手法に比して、より高速、
かつ高繰り返しの大容量光通信に使用可能な光増幅器が
実現できる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による光パラメトリ
ック増幅素子について、図示の実施形態例により詳細に
説明する。まず、最初に本発明による光パラメトリック
増幅素子の基本構造について、図１により説明する。

【００４０】この図１において、１、３、５、７、９、
１１は光パラメトリック媒体(光パラメトリック発振効
果を示す媒体)、２、４、６、８、１０は光学媒体(光パ
ラメトリック発振効果を示さない光透過性の媒体)、そ
して１２は基板、１３は光パルスの入射端、そして１４
は光パルスの出射端である。

【００４１】光パラメトリック媒体１〜１１と光学媒体
２〜１０は、平面状の基板１２の一方の表面に、図示の
ように、入射端１３から出射端１４に向かう光パルスの
伝播方向に沿って、一列に並んで交互に配置されてお
り、これにより、入射端１３から出射端１４に至るまで
の光路を形成している。

【００４２】ここで、まず、前提条件として、光パラメ
トリック増幅を行う信号光パルスの波長をλ₁ 、パルス
時間幅をｔ₁ 、パルス間隔をＴ₁ とする。そして、この
信号光パルスを、同じパルス時間幅ｔ₁ 、パルス間隔Ｔ
₁ ではあるが、波長がλ₂ のポンプ光パルス列により増
幅するものとする。このとき、λ₁ ＞λ₂ とする。

【００４３】次に、光パラメトリック媒体１〜１１のそ
れぞれが、波長λ₁ 、λ₂ において示す屈折率をそれぞ
れｎ₁ 、ｎ₂ とする。そこで、まず、これら光パラメト
リック媒体１〜１１のそれぞれの光路方向の長さ、つま
り光パラメトリック長さＬ₁ は、次の式で与えられる光
パラメトリック発振のコヒーレンス長に等しくしてあ
る。

【００４４】Ｌ₁＝λ₁／２(ｎ₁−ｎ₂) 次に、光学媒体２〜１０の光路方向の長さＬ₂ は、次の
式を満たすように選択されている。

【００４５】ｃ₁＝ｃ₀／ｎ₁ Ｌ₅＝ｃ₁×ｔ₁ ｃ₃＝ｃ₀／ｎ₃ ｔ₃＝Ｌ₂／ｃ₃ Ｎ ＝Ｔ₁／ｔ₃ ここで、ｃ₀ は真空中での光の速さ、ｃ₁ は光パラメト
リック媒体１〜１１内での屈折率ｎ₁ のときの光の速
さ、Ｌ₅ は時間幅ｔ₁ の間に速さｃ₁ の光が進む距離、
ｎ₃ は光学媒体２〜１０の屈折率(波長λ１、λ２の時
の屈折率のうち最小のものとする)、ｃ₃ は光学媒体２
〜１０内での光の速さ、ｔ₃ は光学媒体２〜１０内を光
が進む時間である。

【００４６】ここで、Ｎは光パラメトリック媒体とそれ
に続く光学媒体を一組としたときに信号光が通過する組
数を表す。例えば、図１の場合には、このようなパルス
の重なり度を示す係数で、１より大きい整数であり、図
１の場合は、光パラメトリック媒体と光学媒体の組が５
組続いているため、Ｎ＝５となる。

【００４７】本発明の場合には、多くの光パラメトリッ
ク媒体を通過すればする程、光の増幅が得られるため、
このＮを大きくするにつれて増幅率も大きく得られるこ
とになる。

【００４８】次に、図１において、寸法Ｌ₃ は、光パラ
メトリック媒体１〜１１と光学媒体２〜１０の高さ(基
板１２の表面に垂直な方向の寸法)で、寸法Ｌ₄ は、同
じく幅(基板１２の表面と平行な方向の寸法)であり、光
路の断面寸法となる。

【００４９】このとき、光パラメトリック媒体１〜１１
と光学媒体２〜１０とは、同じ断面寸法にしてあり、こ
れにより光路の整合が保たれるようにしてある。

【００５０】ここで、これらの寸法Ｌ₃ 、Ｌ₄ について
は、特に制限はないが、光通信において伝送される信号
光パルスの増幅においては、より効率よく信号光を増幅
するために、光導波路中に光を閉じ込めて伝送されるた
め、これらの寸法Ｌ₃ 、Ｌ₄により定まる光路の断面の
大きさについても、それと同様の大きさにすることが望
ましい。

【００５１】また、このとき、信号光パルスとポンプ光
パルスの偏光方向は、光パラメトリック媒体１〜１１に
使用される光パラメトリック媒質の種類によって異な
り、例えば擬似位相整合型の光パラメトリック媒質で
は、媒体の２次の非線形光学定数ｄ３３を与える方向
に、信号光とポンプ光の２種の光パルスの偏光方向を平
行に取ることが望ましい。

【００５２】次に、このような光パラメトリック増幅素
子において、本発明による光パラメトリック増幅素子
と、従来技術による光パラメトリック増幅素子の、ポン
プ光によるノイズ発生の違いについて、図２を用いて説
明する。なお、この図２では、説明を容易にするため、
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３個の光パラメトリック媒体が連な
っている擬似位相整合の場合について比較する。

【００５３】図２(a)に示す従来技術の場合には、第１
の光パラメトリック媒体Ｐ１の長さ(ｘ１−ｘ０)と、第
２の光パラメトリック媒体Ｐ２の長さ(ｘ３−ｘ２)、そ
れに第３の光パラメトリック媒体Ｐ２の長さ(ｘ５−ｘ
４)を、それぞれ最も効率的な擬似位相整合型光パラメ
トリック増幅素子として働く長さであるコヒーレンス長
にしてあり、さらに、これら光パラメトリック媒体Ｐ
１、Ｐ２の間の間隔(ｘ２−ｘ１)と、光パラメトリック
媒体Ｐ２、Ｐ３の間の間隔(ｘ４−ｘ３)も同じ長さに
し、これにより光増幅が得られるように構成してある。

【００５４】これは、位相整合型以外の光パラメトリッ
ク媒体では、パラメトリック媒体中を進行した距離によ
り信号光の増幅が起こるが、それも第１番目のコヒーレ
ンス長(ここでは、ｘ２−ｘ１)までで、それ以上に光パ
ラメトリック媒体が続くと、次の第２のコヒーレント長
までは光が減衰されてしまう。

【００５５】以下、同様に、次の第３番目のコヒーレン
ス長までは光増幅、続く第４番目のコヒーレンス長まで
は光減衰と周期的に光信号の増幅減衰を繰り返す。そこ
で、疑似位相整合型では、この光減衰が生じる偶数番目
の光学媒体を、光パラメトリック媒体から通常の光学媒
体に変えることにより信号の減衰が生じないようにし、
奇数番目の光パラメトリック媒体だけを残すことによ
り、増幅機能だけが起こるようにしたものである。

【００５６】そこで、この従来技術による光パラメトリ
ック増幅素子に、図示のように、ポンプ光パルス列が入
射されると、この入射されたポンプ光パルス列が光パラ
メトリック増幅素子を通過するとき、外部から来る信号
光以外に、このポンプ光パルス列により、パラメトリッ
ク発振可能なすべての光が微弱ながら発生する。

【００５７】そうすると、この光の中の、素子の構造に
よって選択的に増幅するように設定してある波長成分
が、その素子の中で増幅され、図示の自発的パラメトリ
ックパルスとして発生されてしまう。この光は、ポンプ
光パルス列単独で、信号光とは無関係に発生されてしま
うため、増幅素子のノイズとなる。

【００５８】そこで、本発明による光パラメトリック増
幅素子では、図１の構成を採用し、これにより、図２
(b)に示すように、隣接する光パラメトリック媒体の間
隔がコヒーレンス長よりも短くなるようにしたものであ
り、この結果、図示のように、ポンプ光パルス列により
発生した自発的パラメトリックパルスについて、光パラ
メトリック増幅が連続して起こらないようにでき、ポン
プ光単独でのノイズ光の発生を抑え、ノイズの抑制が得
られるようにしたものである。

【００５９】次に、本発明の光パラメトリック増幅素子
による信号光パルスの増幅方式について、図３により説
明する。なお、説明を簡単にするため、ここでは、光パ
ラメトリック媒体が２個連なっている擬似位相整合の場
合について説明する。

【００６０】まず、図３(a)に示す動作原理１による増
幅方式について説明すると、この方式では、信号光パル
ス列と同じ繰り返し時間を有する光パルス列をポンプ光
パルス列Ａとして用い、これを、本発明の光パラメトリ
ック増幅素子を構成する光パラメトリック媒体Ｐ１、Ｐ
２に入射する。

【００６１】そして、これにより、ポンプ光パルスＡ
が、光パラメトリック媒体Ｐ１、Ｐ２からなる光パラメ
トリック素子中を一定の繰り返し時間で通過している状
態にした上で、ここに信号光パルス列が入射されるよう
にするのであるが、このとき、ポンプ光パルス列Ａと到
達時間が同期されている信号光パルス列Ｃが入射された
場合と、同期されていない信号光パルス列Ｄが到達した
場合とを想定する。

【００６２】信号光パルス列Ｃのとき、つまり同期され
ている場合は、ポンプ光パルス列Ａと信号光パルス列Ｃ
とは、ほぼ同時に光パラメトリック媒体Ｐ１、Ｐ２を通
過するため、ポンプ光パルスのエネルギが信号光パルス
に伝搬され、パラメトリック増幅が生じる。

【００６３】しかして、信号光パルス列Ｄのとき、つま
り同期されていない場合は、ポンプ光パルス列Ａと信号
光パルス列Ｄとは部分的にしか重なり合わなくなって、
図示のように、一部だけが増幅された歪んだ光パルスと
なり、不完全な増幅しか得られなくなったり、或いは到
達時間が丁度２分の１周期ずれた場合は、図示してない
が、全く重ならないため、増幅作用が全く得られなくな
ってしまう。従って、この図３(a)の方式を採用した場
合、このままでは、信号光パルスの到達時間を別に測定
し、ポンプ光パルスの同期を取る必要がある。

【００６４】そこで、次に、同期が取られていない場合
でも、信号光パルス列Ｄについて均等に増幅が得られる
ようした増幅方式について、図３(b)により説明する。
この図３(b)に示す、動作原理２による増幅方式では、
ポンプ光パルス列Ａを用いる点は、動作原理１の場合と
同じであるが、さらに、このポンプ光パルス列Ａと繰り
返し時間が半分の時間ずれたポンプ光パルス列Ｂを別の
光学系により生成させ、このポンプ光パルス列Ｂを、ポ
ンプ光パルス列Ａと一緒に本発明の光パラメトリック増
幅素子を構成する光パラメトリック媒体Ｐ１、Ｐ２に入
射するのである。

【００６５】そうすると、図示のように、図３(a)に示
す信号光パルス列Ｄがポンプ光パルス列Ａとずれている
部分は、ポンプ光パルス列Ｂと重なることになり、この
結果これを同様に本発明の光パラメトリック増幅素子に
導入すると、ポンプ光パルス列Ａにより部分的にしか増
幅されなかった信号光パルス列Ｄの残りの部分は、ポン
プ光パルス列Ｂにより増幅されることになり、信号光パ
ルス列Ｅとして示すように、常に完全な増幅を得ること
ができる。

【００６６】なお、これは、連続したポンプ光を用い
て、同様に同期されていない信号を増幅できるようにし
た従来技術と類似しているように見えるが、全く異なる
ものである。

【００６７】なぜなら、従来技術のように、連続光を入
射した場合には、１個の光パラメトリック媒体内部で、
ポンプ光だけによるノイズ光が常時発生させ続けられて
しまうことになると共に、それの増幅が引き起こされて
しまうため、ノイズの増加が著しくなってしまうが、こ
の図３(b)の動作原理２の場合には、それぞれのポンプ
光パルス列Ａとポンプ光パルス列Ｂについて、図２(b)
に示した自発的パラメトリックパルスの抑制動作が得ら
れるので、ノイズの虞れはほとんどないからである。

【００６８】次に、本発明の一実施形態として、本発明
による光パラメトリック増幅素子を用いた、光通信中継
器用の光増幅器について、図４により説明する。この図
４において、１５は高繰り返しレーザ光源、１６、２０
は光混合素子、１７、２１は第１と第２の光パラメトリ
ック増幅素子、１８、２２は波長分割素子、１９は光遅
延素子、２３は光吸収体、２４は光入力端子、２５は光
出力端子であり、これらの間には、光ファイバやミラー
などにより、図に太い黒線で示した光路が形成されてい
る。

【００６９】第１と第２の光パラメトリック増幅素子１
７、２１は、図１に示した本発明による光パラメトリッ
ク増幅素子である。光入力端２４は、光ファイバなどで
伝達された増幅すべき信号光パルス列の入射口で、ここ
に供給される信号光パルス列の波長は、上記したよう
に、λ₁ である。高繰り返しレーザ光源１５は、ポンプ
光パルス列を発生し、これを光混合素子１６の一方の入
力に供給する働きをする。このポンプ光パルス列の波長
は、上記したように、λ₂ である。

【００７０】光混合素子１６、２０は、一方の入力に供
給された波長λ₁ の光と、他方の入力に供給された波長
λ₂ の光と混合して出力する働きをする。波長分割素子
１８、２２は、入力された波長λ₁ と波長λ₂ の光を分
割して、一方の出力には波長λ₁ の光だけを、そして、
他方の出力には波長λ₂ の光だけをそれぞれ取り出す働
きをする。

【００７１】光遅延素子１９は、波長λ₂ の光を所定時
間遅延する働きをする。なお、この所定の遅延時間につ
いては、後述する。光吸収体２３は、主として波長λ₂
の光を効率良く吸収する働きをする。

【００７２】光出力端子１５は、増幅された信号光パル
ス列の出射口で、光ファイバ伝送路などに接合され、増
幅された信号光パルス列を送出する働きをする。

【００７３】次に、この図４の実施形態の動作について
説明する。まず、レーザ光源１５から出力されるポンプ
光パルス列を、図３(a)に示すポンプ光パルス列Ａとす
る。ここで、このレーザ光源１５は、図示のように、光
入力端子２４から入射される信号光パルス列とは無関係
に単独で動作しているので、これから出力されているポ
ンプ光パルス列Ａは、光入力端子２４から入射される信
号光パルス列とは同期性がなく、従って、同じく図３
(a)に示す信号光パルス列Ｃ、又はＤとなる。

【００７４】そこで、まず、これらポンプ光パルス列Ａ
と、信号光パルス列Ｃ、又はＤは、光混合素子１６によ
り混合されて第１の光パラメトリック増幅素子１７に導
入され、ここで図３(a)で説明したように、部分的に増
幅されてから出力される。

【００７５】次に、この第１の光パラメトリック増幅素
子１７から出力された光は波長分割素子１８に入力さ
れ、ここで一旦、波長λ₁ の光パルス列、つまり部分的
に増幅された信号光パルス列Ｃ、又はＤと、波長λ₂ の
光パルス列、つまりポンプ光パルス列Ａとに分割され
る。

【００７６】そして、このうち部分的に増幅された信号
光パルス列Ｃ、又はＤは、そのまま光混合素子２０に供
給されるが、波長λ₂ のポンプ光パルス列Ａは、まず光
遅延素子１９に入力され、ここでパルス列の半周期分だ
け光学的に遅延された後、光混合素子２０に供給され
る。

【００７７】そこで、この光遅延素子１９から出力され
るポンプ光パルス列について見てみるとは、これは、ポ
ンプ光パルス列Ａをパルス列の半周期分だけ光学的に遅
延させたものであるから、ポンプ光パルス列Ａと信号光
パルス列Ｃ、又はＤとの位相関係では、図３(b)に示す
ポンプ光パルス列Ｂと同じになっている。

【００７８】そして、これらが光混合素子２０で再び合
成され、第２の光パラメトリック増幅素子２１に導入さ
れるので、ここでは、図３(b)に示すポンプ光パルス列
Ｂによる増幅作用が得られ、この結果、信号光パルス列
Ｄの第１の光パラメトリック増幅素子１７で増幅されな
かった部分が増幅され、全体的に増幅された信号光パル
ス列Ｅが、この第２の光パラメトリック増幅素子２１か
ら出力されることになる。

【００７９】この第２の光パラメトリック増幅素子２１
から出力された光パルス列は波長分割素子２２に入力さ
れ、ここで再び波長λ₁ の光パルス列と、波長λ₂ の光
パルス列に分割されたあと、波長λ₂ の光パルス列、つ
まりポンプ光パルス列Ｂは光吸収素子２３に導かれて除
かれ、波長λ₁ の光パルス列、つまり信号光パルス列だ
けが光出力端子２５に伝達されることになり、この結
果、増幅された信号光パルス列を光出力端子２５から得
ることができる。

【００８０】従って、この図４の実施形態によれば、光
入力端子２４から信号光パルス列を入射することによ
り、光出力端子２５から光増幅された信号光パルス列を
得ることができ、光ファイバ伝送路に設置することにと
より、光通信用の中継器として動作する光増幅器を得る
ことができる。

【００８１】そして、この図４の実施形態によれば、信
号光パルス列とポンプ光パルス列の同期性を取ることな
く、まず到達した光をそのまま増幅し、後に波形整形や
信号分割等の処理を行うことができるので、読み取り誤
差なく、光信号を処理することができる。

【００８２】次に、本発明による光パラメトリック増幅
素子の一実施形態の作製手順について説明する。但し、
対象となる材料や作製手順は、この実施形態に示すもの
に限定されるものではない。

【００８３】まず、以下の実施形態では、信号光の波長
λ₁ として、波長１．６μｍの光を増幅する素子、つま
り波長λ₁ ＝１．６μｍの光パラメトリック増幅素子の
構成について、図５により説明するまず、面積１ｃｍ平
方、厚さ１ｍｍ、表面を２０分の１ラムダ(λ)の精度に
光学研磨した溶融石英の板材からなる基板２６を用意す
る(図５(Ａ))。次に、この基板２６の片側表面に、スパ
ッタ法により厚さ１０ｎｍのＩＴＯ透明電極２７を蒸着
する（図５(Ｂ))。

【００８４】次に、この透明電極２７の上面にフォトレ
ジストをスピンコートし、フォトマスクを用いてパター
ン形成光重合、未重合レジスト除去、エッチング、硬化
レジスト除去の一連の処理手順により、表面上に、図６
に示すような電極幅６μｍ、電極間５０μｍの櫛型パタ
ーンを有する透明電極２７’に成形する(図５(Ｃ))。次
に、全体を、４−(Ｎ、Ｎ−ジメチル)アミノ−４−ニト
ロトラン((Ｈ₃Ｃ)₂−Ｎ−Ｃ₆Ｈ₄−Ｃ≡Ｃ−Ｃ₆Ｈ₄−Ｎ
Ｏ₂)を１重量パーセント混合したポリメタクリル酸メチ
ルのクロロホルム溶液を浸漬、引き上げし、これを緩や
かに溶媒蒸発させて、厚さ１．６μｍの高分子層２８を
透明電極２７’の上に形成する(図５(Ｄ))。

【００８５】次に、この高分子層２８の上に、真空蒸着
により金を約２０ｎｍ蒸着し、金電極２９を形成する
(図５(Ｅ))。次に、この試料をポーリング処理する(図
５(Ｆ))。すなわち、この試料を９５℃に保持しつつ、
ＩＴＯ透明電極２７と金電極２９の間に直流電圧を印加
し、電界強度(１０Ｖ／μｍ)に保つ。この状態で３時間
保持した後、電圧を印加したまま、１時間に１０℃の割
合で温度を降下させ、試料を室温にし、ポーリングされ
た高分子層２８’を形成する。

【００８６】最後に、マスクパターンにより、酸素ラジ
カルの反応性イオンエッチングを行い、金電極２９とポ
ーリングされた高分子層２８’の一部を、幅１．６μ
ｍ、長さ１ｃｍ残して、光導波路構造を形成し、光パラ
メトリック増幅素子を得た(図５(Ｇ))。

【００８７】こうして得た光パラメトリック増幅素子に
おいて、基板２６が、図１の実施形態における基板１２
を構成し、ポーリングされた高分子層２８’の金電極２
９が存在している部分が、図１の実施形態における１、
３、……を構成し、金電極２９が存在していない部分
が、図１の実施形態における２、４、……を構成してい
ることになる。

【００８８】ここで、ポーリング処理について説明する
と、一般に、光パラメトリック機能のような２次の非線
形光学効果を発現させるためには、媒体を構成する原
子、分子の配列が非中心対称性になっていること、つま
り等方性で無いことを要する。

【００８９】そこで、塗布した直後の高分子膜は、光パ
ラメトリック機能を果たす分子(ここでは、４−(Ｎ、Ｎ
−ジメチル)アミノ−４−ニトロトラン)がランダムに配
列しているので、ポーリングにより電場方向に分子を揃
えて非中心対称性が得られるようにしているのである。

【００９０】なお、本発明による光パラメトリック増幅
素子の実施形態は、上記した図５のも以外にも、ニオブ
酸リチウム単結晶に微細加工を施して形成することもで
き、従って、本発明の実施形態としては、光パラメトリ
ック媒体の大きさと配置が図１の実施形態と同じ条件を
満たすように加工できるならば、その素材や作成方法に
限定されない。

【００９１】次に、比較のため、同様の処理手順で、図
５の(Ｆ)に示したポーリング処理を省略することによ
り、光パラメトリック効果を示さない光導波路構造の素
子を並行して作成し、これを用いて、図５の処理手順で
作成した光パラメトリック増幅素子による光パルス列の
増幅効果の確認結果について、図７の効果確認実験シス
テムにより説明する。

【００９２】最初に、信号光パルス列とポンプ光パルス
列の発生系について説明する。まずアルゴンガスレーザ
励起のチタンサファイアレーザ３０を用い、これによ
り、パルス時間幅８０ｆｓ、繰り返し周波数８２ＭＨ
ｚ、発振波長０．８μｍ、１パルス当りのエネルギ１ｐ
Ｊ(１０^-12 ジュール)の光パルスを発生させ、これを再
生増幅器３１により、パルス時間幅８０ｆｓ、繰り返し
周波数１ｋＨｚ、発振波長０．８μｍ、１パルス当りの
エネルギ３０ｎＪ(１０^-9 ジュール)の光パルスに変換
する。

【００９３】この変換された光パルスは、まず分波器３
３でポンプ光用と信号光パルス用の２系統に分けられ、
ポンプ光用の光パルスは分波器３４に導入され、信号光
パルス用の光パルスは、波長変換器３２に入射される。

【００９４】まず、分波器３４に入射された波長０．８
μｍ(＝λ₂)のポンプ光用の光パルスは、ここでさらに
２分割され、一方は光学遅延路４４を経由させ、他方そ
のまま送られ、合波器３５で再度、同一経路に合わせら
れ、この時点で、光学遅延路４４により到達時間の異な
る２種のポンプ光パルス列に変換されていることにな
る。

【００９５】同様の処理を、分波器３６、光学遅延路４
５、合波器３７により行い、２種のポンプ光パルス列が
４種のポンプ光パルス列に変換され、更に同様の処理
を、分波器３８、光学遅延路４６、合波器３９により行
い、４種のポンプ光パルス列が８種のポンプ光パルス列
に変換される。

【００９６】このシステムでは、各ポンプ光パルス列間
に、それぞれ２．５ｐｓ(１０^-12秒)の時間差がつくよ
うに、各光学遅延路４４、４５、４６が設定してあり、
このようにして生成された８種類の時間差を有する波長
ポンプ光パルス列が合波器４０に送られるように構成さ
れている。

【００９７】なお、これは、信号光とポンプ光の同期信
号を別途電気的手段により測定しなくても増幅効果が得
られるようにするため、ポンプ光列とパラメトリック媒
体の配列との間に一定の関係が成立するようにした結果
である。すなわち、前述の式からパルス間隔Ｔ₁ を求め
ると、次式の通りであり、 Ｔ₁＝Ｌ₂×(ｎ₃／ｃ₀)×Ｎ これにＬ₂ ＝５０μｍ、ｎ₃ ＝１．５、ｃ₀ ＝１０⁸ ｍ
／ｓ、Ｎ＝１０００を代入すると、Ｔ₁＝２．５ｐｓが
得られるからである。

【００９８】次に、波長変換器３２に入射された信号光
用のパルス列は、ここでパルス時間幅１００ｆｓ、繰り
返し周波数１ｋＨｚ、発振波長１．６μｍ、１パルス当
りのエネルギ０．６ｎＪの光パルスに変換される。

【００９９】この波長変換器３２から出力された波長
１．６μｍ(＝λ₁)の信号光パルス列は、次いで分波器
４３に導入され、ここで２分割される。そして、まず一
方の光パルス列は光量計５６に導かれ、ここで電気信号
に変換された上で測定システム制御用のコンピュータ６
０に供給され、信号光パルス列検出用のトリガ信号とし
て使用される。

【０１００】次に他方の光パルス列は、光学遅延路４７
と鏡４９を経由して分波器４１に導入され、ここで、更
に２系統に分岐される。そして、分岐された一方の光パ
ルス列は、参照光として用いるため、鏡５０とレンズ５
３を経由して第２高調波発生結晶５８に導かれ、他方の
光パルス列は、信号光パルス列として用いるため、鏡４
８を経由して合波器４０に導かれる。

【０１０１】次に、こうして生成した波長λ₂ (＝０．
８μｍ)のポンプ光パルス列と、波長λ₁ (＝１．６μ
ｍ)の信号光パルス列を、本発明による光パラメトリッ
ク増幅素子に導入し、その増幅効果を測定するための光
学系について説明する。

【０１０２】上記したように、ポンプ光パルス列と信号
光パルス列は合波器４０で同一の光学経路に合わされ、
レンズ５１を介して光パラメトリック増幅素子５４に入
射される。この光パラメトリック増幅素子５４は、図５
により説明した方法で作成されたものである。

【０１０３】光パラメトリック増幅素子５４を透過し、
出力されたポンプ光パルス列と信号光パルス列は、レン
ズ５２を介して取りだされた後、波長分割型の分波器４
２に入射され、ここで、まずポンプ光パルス列と信号光
パルス列に分割され、これにより、波長λ₂ のポンプ光
パルス列は光吸収媒体５５に導びかれて吸収され、波長
λ₁ の信号光パルス列だけがレンズ５３を介して第２高
調波発生結晶５８に導かれるようにする。

【０１０４】第２高調波発生結晶５８には、分波器４３
で分岐された参照光パルス列が入射されているので、こ
こで、信号光パルス列と参照光パルス列とが一緒にされ
る。このとき、これら２種のパルス列については、到達
時間が同じになるように光学遅延路４７を調整してお
く。

【０１０５】この結果、第２高調波発生結晶５８中で信
号光パルス列と参照光パルス列の双方の第２高調波が発
生し、これが赤外線フィルタ５９を介して光量計５７に
入射され、これらの光量を表わす電気信号が発生し、コ
ンピュータ６０に供給され、これにより、コンピュータ
６０は、この光量計５７からの電気信号により信号光強
度計測値を計算し、出力するようになっている。

【０１０６】次に、測定処理について説明する。光パラ
メトリック増幅素子５４には、上記したように、ポンプ
光パルス列と信号光パルス列がそれぞれ導入されている
が、このとき、ポンプ光パルス列の経路にはシャッタ６
１が、そして、信号光パルス列の経路には光学シャッタ
６２がそれぞれ設けてあり、これにより、光パラメトリ
ック増幅素子５４に対するポンプ光パルス列と信号光パ
ルス列の入射と遮断が任意に制御できるようにしてあ
る。

【０１０７】そこで、まず、この光パラメトリック増幅
素子５４では、自発的パラメトリック発振が起こるか否
かを確認するため、シャッタ６１を閉じ、シャッタ６２
を開いて、ポンプ光パルス列だけが光パラメトリック増
幅素子５４に導入されている状態にしたところ、表１に
示すように、このときの信号光強度は０でり、従って自
発的パラメトリック発振は起きないことが確認された。

【０１０８】次に、反対に、シャッタ６１を開き、シャ
ッタ６２を閉じて、光パラメトリック増幅素子５４に信
号光パルス列だけを導入したところ、信号光が検知され
たので、このときの強度計測値を、表１に示すように、
１．０とする。そこで、最後に、シャッタ６１、６２の
双方を開いて測定を行ったところ、このときの信号光強
度は、表１に示すように、４．２となった。

【０１０９】

【表１】

【０１１０】従って、図５により説明した方法で、図１
で説明した本発明の実施形態による光パラメトリック増
幅素子によれば、自発的パラメトリック発振によるノイ
ズを充分に抑えながら、確実に信号光の増幅が得られる
ことが判った。

【０１１１】一方、比較のため製作したポーリング処理
を施してない素子を、図５の光学系中に配置し、同様の
評価を行った結果は以下の通りである。すなわち、ま
ず、シャッタ６１を開き、シャッタ６２を閉じて信号光
パルス列だけを導入したところ、信号光だけが検出さ
れ、この計測値を１．０とした。

【０１１２】次に、シャッタ６１、６２の双方を開い
て、同じく測定したところ、計測値は１．０であり、従
って、この場合には、全く光増幅されないことが確認で
きた。

【０１１３】次に、本発明の実施に必要な各種の要件に
ついて説明する。まず、本発明の実施形態に用いる光パ
ラメトリック効果を示す媒体としては、ニオブ酸リチウ
ム(Ｌi Ｎb Ｏ₃)又はヨウ素酸リチウム(Ｌi Ｉ Ｏ₃)な
どの無機結晶、砒素化ガリウム(Ｇa Ａs)又は砒素化ガ
リウム(Ｇa Ａs)或いは窒化ガリウム(Ｇa Ｎ)、セレン
化亜鉛(Ｚn Ｓe)などの化合物半導体のバルク及び低次
元結晶、２−メチル−４−ニトロアニリン(Ｈ₂Ｎ−Ｃ₆
Ｈ₃(−ＣＨ₃)−ＮＯ₂)又は４−メチル−４−トラン(Ｈ₃
Ｃ−Ｃ₆Ｈ₄−Ｃ≡Ｃ−Ｃ₆Ｈ₄−ＣＮ)などの有機化合
物、又はそれらを分散或いは結合させた高分子化合物、
などの各種２次の非線形光学材料を用いることができ
る。

【０１１４】これら光パラメトリック効果を示す媒体
は、単体のときは結晶又は非結晶の状態で、塊状、平板
状、繊維状、粉末状、薄膜状に形成して用いることがで
きる。また、これらの形状において、異種材料、或いは
本発明の構造の異なる他の材料と共存、混在させて用い
ることができる。特に、これらの具体的応用例として
は、通信用の光導波路、光ケーブル、光集積回路、２次
元論理素子等が挙げられる。

【０１１５】本発明の実施形態において、光パラメトリ
ック効果を示す媒体を結晶状態で用いる場合、その結晶
形成法としては、例えば、ブリッジマン法、温度降下
法、溶媒蒸発法、溶剤組成変化法など、各種の公知の方
法がある。また、非結晶状態で用いる場合には、ポリメ
タクリル酸メチル、ポリイミド等の高分子材料に分散さ
せることができる。

【０１１６】また、これらの媒体に、光パラメトリック
効果発現のための電場又は磁場によるポーリング処理を
施すことができる。或いは部分的イオン交換法により位
相反転分布構造を取らせることもできる。さらに各種薄
膜形成技術、例えばスピンコート法、スパッタ法、真空
蒸着法、分子線蒸着法、液相エピタキシャル法、原子層
エピタキシャル法、などを用いることもできる。

【０１１７】次に、本発明による光パラメトリック増幅
素子を形成するためには、必要とされる光パルスの特性
に応じて、各種の精密加工技術を用いることができる。
例えば、精密ダイヤモンド切断加工、レーザ加工、エッ
チング加工、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチ
ング、集束イオンビームエッチング、などが挙げられ
る。また、予め加工された光パラメトリック効果を示す
媒体を多層化、もしくは一定の間隔で配置、またはその
状態で封止することができる。

【０１１８】次に、共存、混在することができる他の材
料としては、無機物質と有機物質がある。まず、無機物
質としては、例えばガラス、水晶、ダイヤモンド、二酸
化ケイ素、雲母、大理石、方解石、単結晶シリコン、非
晶質シリコン、ＧａＰ、ＣｄＳ、二水素リン酸カリウ
ム、三水素リン酸カリウム、臭化カリウム、ロッシェル
塩、硫酸銅、フッ化カルシウム、グラファイト、二酸化
錫、チタン酸バリウム、赤血塩、陶磁器、セラミック
ス、ベントナイト、セメント等や金属または合金を用い
ることができる。

【０１１９】また、有機物質としては、例えばポリカー
ボネート、ポリスルフォン、ポリアリレート、ポリエス
テル、ポリアミド、ホリイミド、ポリシロキサン、ポリ
エチレンテレフタレート、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、ポリブタジェン、
ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、石油樹脂、メラ
ミン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、イソプレン
ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ノルボネン樹脂、シ
アノアクリレート樹脂、スチレン樹脂、及びこれらの樹
脂の共重合体、もしくは、セルロース、澱粉、キチン、
寒天、絹糸、ナイロン糸、アルブミン、グロブリン、そ
の他蛋白質、木質、骨粉等が挙げられ、低分子の有機物
質としてナフタレン、アントラセン等の縮合芳香族化合
物、染料、顔料、尿素、酒石酸、光学活性アミノ酸等が
挙げられる。

【０１２０】本発明の光パラメトリック増幅素子は、製
品の形成後に、外観、特性の向上や長寿命化のための処
理を行ってもよい。こうした後処理としては熱アニーリ
ング、放射線照射、電子線照射、光照射、電波照射、磁
力線照射、超音波照射等が挙げられる。さらにその素子
を各種複合化、例えば接着、融着、電着、蒸着、圧着、
染着、溶融成形、混練、プレス成形、塗工等、その用途
又は目的に応じた手段を用いて複合化させることができ
る。

【０１２１】本発明による光パラメトリック増幅素子で
は、特に、クラッド層に囲まれたコアとなるべき空間に
光パラメトリック効果を示す媒体を充填することによ
り、より少ない入射光強度でも効果的に光増幅効果を引
き出すことができる。

【０１２２】また、特に波長１．３μｍから１．５μｍ
帯の光通信用の信号光パルスを対象とする光パラメトリ
ック増幅素子として、本発明による光パラメトリック増
幅素子を適用する場合は、波長０．６５μｍから０．８
μｍのＧａＡＩＡｓ半導体レーザやチタンドープサファ
イア固体レーザなどを、ポンプ光パルスの光源としてに
用いることができる。さらに、このとき、これらレーザ
を、光導波路や光ファイバを組み込んだ一体型の素子と
することも可能である。

【０１２３】本発明による光パラメトリック増幅素子、
又はそれを組み込んだ各種素子は、例えば光波長変換素
子、光変調器、光スイッチ、光メモリ、光混合器、光位
相分別器、光位相共役鏡、画像表示素子、画像印刷素子
などの各種の光機能素子に応用することができる。

【０１２４】特に、ポンプ光パルスに対して、他の外部
信号情報、例えば可視域の画像情報等を重畳することに
より、通信波長域の光パルス列に対して、信号を書き込
み伝送する素子としても用いることが可能である。

【０１２５】

【発明の効果】本発明によれば、信号光パルスとポンプ
光パルスに同期性をもたせなくても、ポンプ光によるノ
イズ光の発生を充分に抑制できるので、長距離光通信の
中継器のように、必ずしも同期性のとれていない信号光
パルスを、その到達時刻を別途計測することなく、増幅
することができ、この結果、本発明にれば、特に電気的
信号処理が高速に行えないテラビツト以上の超高速光通
信において極めて有効な光信号中継器を容易に実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光パラメトリック増幅素子の一実
施形態の基本構造を示す説明図である。

【図２】本発明による光パラメトリック増幅素子の動作
を従来技術と比較して示した説明図である。

【図３】本発明による光パラメトリック増幅素子の動作
を示す説明図である。

【図４】本発明による光パラメトリック増幅素子を用い
た光中継器の一実施形態を示すブロック図である。

【図５】本発明による光パラメトリック増幅素子の作成
手順の一実施形態を示す説明図である。

【図６】本発明による光パラメトリック増幅素子の一実
施形態における電極パターン図である。

【図７】本発明による光パラメトリック増幅素子のを対
象とした光パラメトリック増幅効果を確認するための光
学系の構成図である。

【符号の説明】

１、３、５、７、９、１１ 光パラメトリック媒体(光
パラメトリック発振効果を示す媒体) ２、４、６、８、１０ 光学媒体(光パラメトリック発
振効果を示さない光透過性の媒体) １２ 基板 １３ 光パルスの入射端 １４ 光パルスの出射端 １５ ポンプ光用高繰り返しレーザ １６、２０ 光混合素子 １７ 第１の光パラメトリック増幅素子 １８、２２ 波長分割素子 １９ 光学遅延素子 ２１ 第２の光パラメトリック増幅素子 ２３ 光吸収体 ２４ 光入力端子 ２５ 光出力端子 ２６ 基板 ２７ 透明電極 ２７’ パターン形成された透明電極 ２８ 非線形光学分子を分散させた高分子層 ２８’ ポーリング処理後の非線形光学分子を分散させ
た高分子層 ２９ 金電極 ３０ アルゴンガスレーザ励起のチタンサファイアレー
ザ ３１ 再生増幅器 ３２ 波長変換器 ３３、３４、３６、３８、４１、４２、４３ 光分波器 ３５、３７、３９、４０ 光合波器 ４４、４５、４６、４７ 光遅延路 ４８、４９、５０ 鏡 ５１、５２、５３ レンズ ５４ 本発明による光パラメトリック増幅素子 ５５ 光吸収媒体 ５６、５７ 光量計 ５８ 赤外線フィルタ ６０ 測定系制御用コンピュータ ６１、６２ シャッタ Ｌ１ 光パラメトリック媒体の光パルス進行方向の長さ Ｌ２ 光学媒体の光パルス進行方向の長さ Ｌ３ 光パルスが通る光導波路の高さ Ｌ４ 光パルスが通る光導波路の幅 Ｐ１ 第１の光パラメトリック媒体 Ｐ２ 第２の光パラメトリック媒体 Ｐ３ 第３の光パラメトリック媒体 ｘ０ 光導波路中の光パルス進行方向の第１の光パラメ
トリック媒体の入射位置 ｘ１ 光導波路中の光パルス進行方向の第１の光パラメ
トリック媒体の出射位置 ｘ２ 光導波路中の光パルス進行方向の第１の光パラメ
トリック媒体の入射位置 ｘ３ 光導波路中の光パルス進行方向の第１の光パラメ
トリック媒体の出射位置 ｘ４ 光導波路中の光パルス進行方向の第１の光パラメ
トリック媒体の入射位置 ｘ５ 光導波路中の光パルス進行方向の第１の光パラメ
トリック媒体の出射位置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光パラメトリック効果を示す媒体からな
   る光路の一方の端部から信号光とポンプ光を一緒に入射
   し、他方の端部から増幅された信号光が得られるように
   した光パラメトリック増幅素子において、 前記光パラメトリック効果を示す媒体が、前記光路内
   で、光の通過方向に沿って所定の長さに分割されてお
   り、 前記信号光の波長をλ₁ 、前記ポンプ光の波長をλ₂ と
   したとき、波長λ₁ の１／２倍が波長λ₂ に等しくなる
   ように構成したことを特徴とする光パラメトリック増幅
   素子。
2. 【請求項２】 請求項１の発明において、 前記信号光とポンプ光が、パルス時間幅ｔ₁ で、かつ時
   間間隔Ｔ₁ の光パルス列であり、 前記光パラメトリック効果を示す媒体の間隔が、該媒体
   中での光の伝播速度と前記パルス時間幅ｔ₁ の積以下の
   値に設定されていることを特徴とする光パラメトリック
   増幅素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２の発明において、 前記光パラメトリック効果を示す媒体の長さが、該媒体
   が波長λ₁ 、λ₂ において示す屈折率をそれぞれｎ₁ 、
   ｎ₂ としたとき、λ₁ ／２（ｎ₁−ｎ₂）に等しい値に設
   定されていることを特徴とする光パラメトリック増幅素
   子。
4. 【請求項４】 請求項３の発明において、 前記光パラメトリック効果を示す媒体が、その長さを単
   位とした周期構造に作られていることを特徴とする光パ
   ラメトリック増幅素子。
5. 【請求項５】 請求項４の発明において、 前記光パラメトリック効果を示す媒体の間が、該媒体と
   は異なる別の媒体で充填されていることを特徴とする光
   パラメトリック増幅素子。
6. 【請求項６】 請求項４の発明において、 前記光パラメトリック効果を示す媒体の間が、該媒体と
   は異なる方位の媒体で充填されていることを特徴とする
   光パラメトリック増幅素子。
7. 【請求項７】 請求項１〜請求項６の何れかの発明にお
   いて、 前記光パラメトリック効果を示す媒体に電場を印加する
   電極が設けられていることを特徴とする光パラメトリッ
   ク増幅素子。
8. 【請求項８】 請求項１〜請求項７の何れかの発明にお
   いて、 前記光パラメトリック効果を示す媒体が、高分子有機材
   料中に低分子有機材料を分散させた有機材料で構成され
   ていることを特徴とする光パラメトリック増幅素子。
9. 【請求項９】 請求項１〜請求項８の何れかの発明にお
   いて、 前記波長λ₁ 値が１．２μｍから１．７μｍの範囲にあ
   ることを特徴とする光パラメトリック増幅素子。