JP2000252569A

JP2000252569A - 光制御素子および光制御複合素子

Info

Publication number: JP2000252569A
Application number: JP11050617A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Maeda; 佳伸前田; Hirotoshi Nagata; 裕俊永田
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバー通信用波長域（波長１．５μｍ
帯）の入射光の強度を、その入射光自体の強度に応じて
安定的に負性制御できる光制御素子を提供する。【解決手段】光制御素子は、波長１．５μｍ帯の入射光
を入射させ、出射光を出射させるための光路であって、
少なくともエルビウムを含有する光透過性媒体からなる
光路と、光路に電圧を印加する電圧印加手段とを備え
る。出射光の強度を光透過性媒体内において入射光の強
度に応じて特定の応答波長領域で負性制御するのに際し
て、光路に印加される電圧によって光透過性媒体の応答
波長領域を制御する。また、光制御複合素子は、直列接
続された複数の光制御素子を備えており、各光制御素子
がそれぞれ前記光路を備えており、各光制御素子におけ
る各光透過性媒体の応答波長領域が相異なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバーー通
信用波長域（波長１．５μｍ帯）の入射光の強度を、そ
の入射光自体の強度に応じて負性制御する素子に関する
ものである。本光制御素子は、例えば、非常に低損失の
光信号伝送を実現できる、光ファイバーを用いたシステ
ムを利用した光情報処理などに利用できる。

【０００２】

【従来の技術】光情報処理、光通信などの光エレクトロ
ニクス分野において、電気的回路よりも高速応答が可能
となる、光−光スイッチ、つまり光により光を制御する
素子（光制御素子）が必要とされている。信号光の強度
を制御する光制御素子としては、非線形光学効果を利用
したものが数多く提案されている。具体的には、信号光
の強度によって非線形光学媒体の屈折率が変わることを
利用したものがある。このような素子を実現するには、
非常に大きな非線形光学定数を持つ媒体が必要となる。
しかし、既存物質では、光制御素子としての応用可能レ
ベルに比べて、１桁から２桁、非線形光学定数の値が小
さい。

【０００３】一方、特開平4-308821号公報および特開平
9-26605 号公報に開示されている技術においては、信号
光と同じ波長の制御光によって信号光の強度を制御して
いる。即ち、所定波長の信号光を、例えばエルビウムが
ドープされた固体光透過性媒体に入射させる。エルビウ
ムは、所定波長の信号光に対する準安定準位からその励
起準位への励起吸収の度合いが、基底準位から励起準位
への基底吸収の度合いよりも大きいという特徴を有して
いる。この結果、光透過性媒体中を伝搬する信号光の強
度が増加すると、この強度の増加に応じて、光透過率が
減少する。この現象は、非線形光学効果とは異なるメカ
ニズムの負性吸収現象である。この効果を利用し、光透
過性媒体中に信号光を入射させた状態で、信号光と同じ
波長の制御光をも信号光の光路中へと入射させると、信
号光の光透過率が減少し、透過光の強度が低下してオフ
状態になる。この現象は、例えばエルビウムをドープし
た固体光透過性媒体において、波長７７０ｎｍ−８３０
ｎｍの範囲で発現するとされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光制御素子の応用分野
を拡大するには、信号光として使用できる波長範囲を拡
大する必要があり、特に光ファイバー通信分野での利用
価値の高い、波長１．５μｍ帯の光を信号光として作用
する光制御素子を実現する意義は大きい。また、全光型
の光論理回路の構成部品として不可欠な光信号反転器
（光インバーター）に対しては、２端子型の光制御素子
が必要である。従って、信号光の強度を、その信号光の
強度情報によって制御する、二端子素子的な機能を有す
る光制御素子も要望される。

【０００５】しかし、従来の非線形光学効果を用いた光
制御素子では、多くの物質において、非線形光学特性が
効率的に発揮される波長域が、短波長、つまり物質の電
子系と相互作用し易い高いエネルギーをもつ範囲に限ら
れている。長波長側、例えば光ファイバー通信で頻繁に
用いられるような１．５μｍ帯の光に対しては、大きな
非線形光学効果を期待できない。

【０００６】一方、特開平4-308821号公報および特開平
9-26605 号公報に開示されているような、負性吸収を利
用した光制御素子においては、前述のように、信号光波
長が７７０−８３０ｎｍに限定されており、波長１．５
μｍ帯の信号光に対しては負性制御の安定した発現は確
認されていない。

【０００７】本発明の課題は、光ファイバー通信用波長
域（波長１．５μｍ帯）の入射光の強度を、その入射光
自体の強度に応じて安定的に負性制御できる光制御素子
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、波長１．５μ
ｍ帯の入射光を入射させ、出射光を出射させるための光
路であって少なくともエルビウムを含有する光透過性媒
体からなる光路を備えており、光透過性媒体内において
出射光の強度を入射光の強度に応じて特定の応答波長領
域で負性制御する光制御素子において、光制御素子が光
路に電圧を印加する電圧印加手段を備えており、光路に
印加される電圧によって光透過性媒体の応答波長領域を
制御することを特徴とする光制御素子に係るものであ
る。

【０００９】また、本発明は、波長１．５μｍ帯用の光
制御素子を複数個備えている光制御複合素子であって、
複数の光制御素子が直列に接続されており、各光制御素
子が、それぞれ、波長１．５μｍ帯の入射光を入射さ
せ、出射光を出射させるための光路であって少なくとも
エルビウムを含有する光透過性媒体からなる光路を備え
ており、光透過性媒体内において出射光の強度を入射光
の強度に応じて特定の応答波長領域で負性制御してお
り、かつ各光制御素子における各光透過性媒体の応答波
長領域が相異なることを特徴とする。

【００１０】本発明者は、上記の課題を解決するため、
Ｅｒ³⁺イオンを含有する光透過性媒体と、波長１．５μ
ｍ帯の入射光との相互作用を詳細に検討した。この結
果、Ｅｒ³⁺イオンのエネルギー上の制約から、１．５μ
ｍ帯の入射光のみに応答して負性吸収現象（入射光の強
度変化に対応して出射光の強度が負性に変化する現象。
特開平4-308821号公報および特開平9-26605 号公報を参
照）の発現に実質的に寄与し得るエネルギー準位が非常
に限られており、この結果、１．５μｍ帯の入射光のう
ち、極めて狭い波長範囲でしか負性吸収現象が生じない
ことが分かった。また、このような負性吸収現象を生ず
る入射光の波長範囲が極めて狭い結果として、これまで
１．５μｍ帯の入射光に対して、安定的な負性吸収現象
が確認されてこなかったものと考えた。

【００１１】本発明者の上記の技術的貢献について、更
に説明する。本発明者は、エルビウムを３％添加したニ
オブ酸リチウム単結晶からなる光制御素子用光透過性媒
体（長さ１４ｍｍ）について、波長１．５５μｍ付近で
室温で光透過スペクトルを測定し、図１に示した。図１
から明らかなように、波長１．５３０μｍ付近に鋭い吸
収ピークが現れた。

【００１２】図２は、Ｅｒ³⁺のエネルギー準位図であ
る。Ｅｒ³⁺は、基底準位⁴Ｉ_15/2から励起準位²Ｈ_9/2
まで、幾つかの励起準位を有している（図２には一部の
準位のみを図示）。図１に示した波長１．５３０μｍ付
近の吸収は、図２に示したＥｒ ³⁺イオンのエネルギー準
位のうち、Ｅ０（⁴Ｉ_15/2）−Ｅ１（⁴Ｉ_13/2）準位間
遷移σ₁、およびＥ１（⁴Ｉ_13/2）−Ｅ２（⁴Ｉ_9/2）
準位間の遷移σ₂によるものである。つまり、波長１．
５μｍ帯の単独の入射光のみでは、前記の２つの遷移が
誘発されるのみであって、更に上位の各準位間の遷移⁴
Ｉ_9/2−⁴Ｓ_3/2、⁴Ｓ_3/2−²Ｈ_9/2（図２には図示
していない）は誘発されないために、入射光の吸収が起
こる波長の範囲が非常に狭くなる。

【００１３】本発明者は、エネルギー遷移が容易に起こ
る準位が存在しないと、負性吸収現象が発現しないため
に、上記光透過性媒体における波長１．５μｍ帯での負
性吸収現象は、波長１．５３０μｍ付近の波長に限定さ
れることを予測した。更に、負性吸収現象は、Ｅ１（⁴
Ｉ_13/2）−Ｅ２（⁴Ｉ_9/2）準位間の遷移σ₂によって
引き起こされる現象であるから、波長選択性がより一層
強まるものと考えた。なぜなら、通常の吸収過程によっ
て、Ｅ０（⁴Ｉ_15/2）−Ｅ１（⁴Ｉ_13/2）準位間の遷移
σ₁、およびＥ１（⁴Ｉ_13/2）−Ｅ２（⁴Ｉ_9/2）準位
間の遷移σ₂を経て、Ｅ２（⁴Ｉ_9/2）準位にたたき上
げられた電子が、緩和Ａ₄₃、Ｂ₃₂により、Ｅ１（⁴Ｉ
_13/2）準位に落ち、Ｅ１準位の電子数が増える。この結
果、Ｅ１（ ⁴Ｉ_13/2）−Ｅ２（⁴Ｉ_9/2）準位間の遷移
σ₂が増強され、Ｅ１準位の電子がくみ上げられ、その
結果、入射光の吸収量が増大し、負性吸収現象となって
現れる。

【００１４】周波数１ｋＨｚで強度変調した波長１．５
２８μｍから１．５３３μｍの各入射光を、上記の光透
過性媒体に入射させ、出射光の強度の変調状態の変化を
測定し、図３の各グラフに示す。図３の最下段には、入
射光の変調状態、即ち、強度の時間変化を示す。図３の
上から順に、波長１．５２８、１．５２９、１．５３
０、１．５３１、１．５３２、１．５３３μｍの各波長
について、出射光の強度の時間変化を示す。

【００１５】波長１．５２８μｍと１．５３３μｍの各
波長の入射光に対しては、出射光強度の変調状態は、入
射光強度の変調状態とまったく同相であり、負性吸収現
象は生じていない。波長１．５２９、１．５３１、１．
５３２μｍの各波長では、ある程度の負性吸収現象が生
じているが、入射光の強度変調に対して逆相となるまで
は至っていない。波長１．５３０μｍの波長の入射光に
対しては、出射光強度の変調状態が、入射光強度の変調
状態に対してほぼ完全に逆相となっていた。即ち、波長
１．５３０μｍという極めて限られた波長でしか、完全
な負性吸収現象は生じないことが分かった。

【００１６】本発明者は、以上の知見に鑑み、光透過性
媒体内において出射光の強度を入射光の強度に応じて特
定の応答波長領域で負性制御するのに際して、光路に印
加される電圧によって光透過性媒体の応答波長領域を制
御することを想到した。即ち、光路に印加される電圧の
大きさによって、Ｅｒ³⁺の遷移σ₁、遷移σ₂に対応す
る各エネルギー準位間隔を微調整し、負性吸収現象が生
ずる波長をシフトさせることによって、所望の特定波長
の入射光を負性制御できるようになった。

【００１７】なお、本発明において、負性制御とは、前
述した負性吸収現象を通して出射光の強度を制御するこ
とを言う。また、入射光とは、光制御素子の光路に対し
て入射する光のことを言う。従って、信号光を単独で光
路に入射させる場合には、信号光の強度を変調すること
によって、出射光の強度が負性制御されるので、二端子
型の光制御素子が得られる。または、入射光として、信
号光に加えて、制御光を同時に光路へと入射させること
ができる。この場合には、三端子型の光制御素子を実現
できる。この素子を利用する際には、例えば、信号光の
強度が一定の場合、同時に制御光を入射させないときに
は出射光の強度は一定であるのに対して、制御光を同時
に入射させるときには出射光の強度が小さくなる。

【００１８】電圧の印加方法には、特別の制約はない。
例えば、図４（ａ）に示す光制御素子５Ａにおいては、
光透過性媒体からなる平板形状のバルク体１が、光路を
形成する。バルク体１の一対の主面１ｃ、１ｄ上に、相
対向する一対の制御電極２Ａ、２Ｂを形成する。バルク
体１の入射面１ａから矢印３のように入射光を入射させ
ると、光がバルク体の内部を伝搬し、出射面１ｂから矢
印４のように出射される。図４（ｂ）の光制御素子５Ｂ
においては、光導波路基板１０の一方の主面１０ａ側に
光導波路１１が設けられており，光導波路１１の両側
に、一対の制御電極１２Ａ、１２Ｂが設けられている。
入射光は、矢印３のように光導波路１１に入射し、光導
波路１１内を伝搬し、矢印４のように出射する。図４
（ｂ）においては、少なくとも光導波路１１中にＥｒ³⁺
を含有させることが必要である。

【００１９】また、複数の光制御素子を直列に接続し、
この際、各光制御素子における各光透過性媒体の応答波
長領域を互いに異ならせることによって、光制御複合素
子全体として、負性制御可能な応答波長領域を拡大する
ことができる。各光制御素子における応答波長領域を互
いに異ならせるためには、前述したように、各光制御素
子において光路への印加電圧を互いに異ならせることが
有効である。図４（ｃ）は、この発明の実施形態に係る
光制御複合素子１５を示す斜視図である。

【００２０】図４（ｃ）では、光透過性媒体からなる平
板形状のバルク体１が、光路を形成する。バルク体１の
一対の主面１ｃ、１ｄ上に、相対向する三対の制御電極
２Ａと２Ｂ、２Ｃと２Ｄ、２Ｅと２Ｆが形成されてい
る。各対の対向制御電極は、バルク体１内における光の
伝搬方向に沿って配列されている。この結果、バルク体
１内の光の伝搬方向に沿って、光制御素子５Ｃ、５Ｄ、
５Ｅが配列される。各光制御素子における印加電圧を互
いに異ならせることによって、各素子の応答波長領域を
変化させる。

【００２１】例えば、厚さ１ｍｍのエルビウムを含有す
るニオブ酸リチウムを光透過性媒体として使用したもの
とすると、図５に示すように、光路に対して電圧を印加
しない状態では、前述したように１．５３０μｍ近傍で
負性吸収現象が生ずる（図５の応答波長領域２０Ａ）。
ここで、光路である光透過性媒体の制御電極に、例えば
１００−５００ボルトの電圧を印加することによって、
応答波長領域を図５の２０Ｂ、２０Ｃに示すように、
１．５３１−１．５３２μｍ近傍にシフトさせることが
できる。

【００２２】図４（ｃ）において、素子５Ｃ、５Ｄ、５
Ｅの各応答波長領域を、それぞれ、２０Ａ、２０Ｂ、２
０Ｃに示すようにシフトさせる。そして、光制御複合素
子に対して、例えば１．５３２μｍの波長を有する入射
光を入射させると、この光は、素子５Ｃ、５Ｄでは負性
吸収現象を生ずることなく伝搬し、素子５Ｅ中では負性
吸収現象を生ずる。従って、本光制御複合素子は、１．
５３０−１．５３２μｍの範囲の波長の入射光を負性制
御できる。

【００２３】光透過性媒体の母材は、例えば、ガラス、
誘電体、有機化合物、有機高分子化合物、液状物質であ
ってよい。しかし、光路に電圧を印加する場合には、電
圧を効率的に印加できるようにするために、母材を誘電
体とすることが好ましく、強誘電体とすることが一層好
ましい。誘電体としては、希土類ガーネット類（特にイ
ットリウムアルミニウムガーネット、ルテチウムアルミ
ニウムガーネット）が好ましい。強誘電体としては、ニ
オブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウ
ム−タンタル酸リチウム固溶体が好ましい。特に、母材
が強誘電体である場合には、ピエゾ効果により、結晶格
子長が変化し、Ｅｒ³⁺のエネルギー準位の間隔が変化し
易い。

【００２４】また、光透過性媒体の母材が変化すると、
ドープされたＥｒ³⁺の電子状態と、その周囲の母材の原
子（イオン）の電子状態との相互作用が変化するので、
図２における各エネルギー準位間の間隔と、それに対応
する各吸収波長が変化する。従って、光制御複合素子を
構成する各光制御素子の母材を変化させることによっ
て、各光制御素子における応答波長領域をシフトさせる
ことができる。即ち、本発明の光制御複合素子の１実施
形態においては、各光制御素子の各光路を形成する各光
透過性媒体が、エルビウムと、互いに相異なる母材とか
らなる。

【００２５】母材の種類は、多くの場合、エルビウムの
含有量が多くなると、応答波長領域が長波長側にシフト
する傾向にあるので、希土類ガーネット類のように、エ
ルビウムを多く取り込める構造の母材を用いると波長調
整幅が広がる。

【００２６】各光制御素子ごとに、母材が相異なる場合
にも、各光透過性媒体を互いに接合することによって、
図４（ａ）に示すような一体のバルク体を作製でき、あ
るいは図４（ｂ）に示すような一体の光導波路基板を作
製できる。しかし、各光制御素子を別体としてもよい。

【００２７】また、各光制御素子において、印加電圧
と、光透過性媒体の母材との双方を変化させることがで
き、これによって各光制御素子ごとにおける応答波長領
域の差を大きくし、光制御複合素子全体としての応答波
長領域を一層拡大できる。

【００２８】光制御素子に対して入射光を導入する手段
は、入射光が伝搬される光ファイバーでもよく、あるい
は、レンズを介した空間結合方式でもよい。

【００２９】本発明の光制御素子および光制御複合素子
は、例えば、非常に低損失の光信号伝送を実現できる、
光ファイバーを用いたシステムを利用した光情報処理等
に活用することができる。また、光スイッチング素子と
して、例えば、光論理回路素子といった応用分野に用い
ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
ファイバー通信用波長域（波長１．５μｍ帯）の入射光
の強度を、その入射光自体の強度に応じて安定的に負性
制御できる光制御素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エルビウムを３％添加したニオブ酸リチウム
単結晶からなる光制御素子用光透過性媒体について、波
長１．５５μｍ付近での光透過スペクトルを示すグラフ
である。

【図２】Ｅｒ³⁺のエネルギー準位図である。

【図３】周波数１ｋＨｚで強度変調した波長１．５２
８μｍから１．５３３μｍの各入射光を、前記光透過性
媒体に入射させたときの、出射光の強度の変調状態の変
化を示すグラフである。

【図４】（ａ）は、光制御素子５Ａを概略的に示す斜
視図であり、（ｂ）は、光制御素子５Ｂを概略的に示す
斜視図であり、（ｃ）は、光制御複合素子１５を概略的
に示す斜視図である。

【図５】前記光制御複合素子への印加電圧と応答波長
領域との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１光路を形成するバルク体，２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２
Ｄ、２Ｅ、２Ｆ制御電極，３入射光，４出射光，
５Ａ、５Ｂ光制御素子，５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ光制御複
合素子１５を構成する複数の光制御素子，１０光導波
路基板，１１光路を形成する光導波路，１２Ａ、１２
Ｂ光導波路１１の制御電極，１５光制御複合素子，
Ｅ０ ⁴Ｉ_15/2準位，Ｅ１ ⁴Ｉ_13/2準位，Ｅ２ ⁴
Ｉ_9/2準位，σ₁ Ｅ０−Ｅ１準位間遷移，σ₂ Ｅ１
−Ｅ２間準位間遷移，Ａ₄₃、Ｂ₃₂Ｅ２（⁴Ｉ_9/2）から
Ｅ１（⁴Ｉ_13/2）への緩和

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長１．５μｍ帯の入射光を入射させ、
出射光を出射させるための光路であって少なくともエル
ビウムを含有する光透過性媒体からなる光路を備えてお
り、光透過性媒体内において出射光の強度を入射光の強
度に応じて特定の応答波長領域で負性制御する光制御素
子において、前記光制御素子が光路に電圧を印加する電
圧印加手段を備えており、光路に印加される電圧によっ
て光透過性媒体の応答波長領域を制御することを特徴と
する、波長１．５μｍ帯用の光制御素子。
【請求項２】前記電圧印加手段が複数設けられている
ことを特徴とする、請求項１記載の光制御素子。
【請求項３】前記光透過性媒体の母材が誘電体材料で
あることを特徴とする、請求項１記載の光制御素子。
【請求項４】前記誘電体材料が強誘電体材料であるこ
とを特徴とする、請求項３記載の光制御素子。
【請求項５】波長１．５μｍ帯用の光制御素子を複数
個備えている光制御複合素子であって、複数の光制御素子が直列に接続されており、各光制御素
子が、それぞれ、波長１．５μｍ帯の入射光を入射さ
せ、出射光を出射させるための光路であって少なくとも
エルビウムを含有する光透過性媒体からなる光路を備え
ており、光透過性媒体内において出射光の強度を入射光
の強度に応じて特定の応答波長領域で負性制御してお
り、かつ各光制御素子における各光透過性媒体の応答波
長領域が相異なることを特徴とする、光制御複合素子。
【請求項６】少なくとも一つの光制御素子が、前記光
路に電圧を印加する電圧印加手段を備えており、光路に
印加される電圧によって前記光透過性媒体の応答波長領
域がシフトしていることを特徴とする、請求項５記載の
光制御複合素子。
【請求項７】前記光路が前記光透過性媒体からなるバ
ルク体であり、このバルク体の光伝搬方向に沿って複数
の電圧印加手段が設けられており、これによってバルク
体に複数の光制御素子が設けられていることを特徴とす
る、請求項６記載の光制御複合素子。
【請求項８】前記光制御複合素子が光導波路基板を備
えており、前記光路がこの光導波路基板に形成されてい
る光導波路からなり、この光導波路の光伝搬方向に沿っ
て複数の電圧印加手段が設けられており、これによって
複数の光制御素子が直列に設けられていることを特徴と
する、請求項６記載の光制御複合素子。
【請求項９】前記各光制御素子の各光路を形成する各
光透過性媒体が、エルビウムと、互いに相異なる母材と
からなることを特徴とする、請求項５記載の光制御複合
素子。