JP2000275693A - 光機能素子 - Google Patents
光機能素子Info
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- JP2000275693A JP2000275693A JP11116934A JP11693499A JP2000275693A JP 2000275693 A JP2000275693 A JP 2000275693A JP 11116934 A JP11116934 A JP 11116934A JP 11693499 A JP11693499 A JP 11693499A JP 2000275693 A JP2000275693 A JP 2000275693A
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3523—Non-linear absorption changing by light, e.g. bleaching
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06754—Fibre amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
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- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光通信波長帯の光信号の反転作用ならびに増
幅作用を有し、画像光信号を演算し、広い温度範囲で動
作する新しい光機能素子を提供することを課題としてい
る。 【解決手段】 希土類元素を含有した光透過媒体からな
る光機能素子であって、希土類元素が1m3当たり1×
1023個以上ドープされてなる光信号反転作用する部
分と、希土類元素が1m3当たり1×1021個以上ド
ープされ、励起光が重畳されてなる光増幅作用する部分
を有する光機能素子とする。
幅作用を有し、画像光信号を演算し、広い温度範囲で動
作する新しい光機能素子を提供することを課題としてい
る。 【解決手段】 希土類元素を含有した光透過媒体からな
る光機能素子であって、希土類元素が1m3当たり1×
1023個以上ドープされてなる光信号反転作用する部
分と、希土類元素が1m3当たり1×1021個以上ド
ープされ、励起光が重畳されてなる光増幅作用する部分
を有する光機能素子とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、光機能素
子に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発
明は、高度情報処理が可能な光通信や光画像処理や光コ
ンピュータ等の光エレクトロニクスなどに好適に用いる
ことのできる、光信号および画像光信号の論理演算およ
び光増幅作用を有し、広い温度範囲で動作される、新し
い光機能素子に関するものである。
子に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発
明は、高度情報処理が可能な光通信や光画像処理や光コ
ンピュータ等の光エレクトロニクスなどに好適に用いる
ことのできる、光信号および画像光信号の論理演算およ
び光増幅作用を有し、広い温度範囲で動作される、新し
い光機能素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】近年の光通信ではエルビウム
ドープファイバを用いて光信号の増幅を行って、長距離
を電気的な増幅器なしに光信号を伝搬して高度な情報伝
達を行っている。また、エルビウム元素の負性非線形吸
収効果を用いて光信号を反転する光素子が開発されても
いる「例えば、Applied Physics Le
tters誌、72巻、395−397頁、Yoshi
nobu Maeda著、All−optical i
nverter operating over a
temperaturerange of 15−14
00K in erbium−doped lutet
ium aluminum garnet」。
ドープファイバを用いて光信号の増幅を行って、長距離
を電気的な増幅器なしに光信号を伝搬して高度な情報伝
達を行っている。また、エルビウム元素の負性非線形吸
収効果を用いて光信号を反転する光素子が開発されても
いる「例えば、Applied Physics Le
tters誌、72巻、395−397頁、Yoshi
nobu Maeda著、All−optical i
nverter operating over a
temperaturerange of 15−14
00K in erbium−doped lutet
ium aluminum garnet」。
【0003】しかしながら、従来のエルビウムドープフ
ァイバや結晶においては光信号を演算する機能はない。
また、負性非線形吸収効果を用いた光素子には光信号の
増幅作用はない。さらに、光通信波長帯(1.5μm)
においては、画像光信号を直接画像光信号で制御し、低
温から高温まで動作する光素子はこれまで存在していな
い。
ァイバや結晶においては光信号を演算する機能はない。
また、負性非線形吸収効果を用いた光素子には光信号の
増幅作用はない。さらに、光通信波長帯(1.5μm)
においては、画像光信号を直接画像光信号で制御し、低
温から高温まで動作する光素子はこれまで存在していな
い。
【0004】そこで、この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、光通信波長帯の光信
号の反転作用ならびに増幅作用を有し、画像光信号を演
算し、広い温度範囲でも動作する新しい光機能素子を提
供することを課題としている。
事情に鑑みてなされたものであり、光通信波長帯の光信
号の反転作用ならびに増幅作用を有し、画像光信号を演
算し、広い温度範囲でも動作する新しい光機能素子を提
供することを課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第1には、希土類元素を
含有した光透過媒体からなる光機能素子であって、希土
類元素が1m3当たり1×1023個以上ドープされて
なる光信号反応作用する部分と、希土類元素が1m3当
たり1×1021個以上ドープされ、励起光を重畳され
てなる光増幅作用する部分を有することを特徴とする光
機能素子を提供する。
の課題を解決するものとして、第1には、希土類元素を
含有した光透過媒体からなる光機能素子であって、希土
類元素が1m3当たり1×1023個以上ドープされて
なる光信号反応作用する部分と、希土類元素が1m3当
たり1×1021個以上ドープされ、励起光を重畳され
てなる光増幅作用する部分を有することを特徴とする光
機能素子を提供する。
【0006】また、この出願の発明は、第2には、希土
類元素がEr(エルビウム)であり、光信号の波長が
1.5μmから1.6μmの間であり、励起光の波長が
0.98μm帯、1.48μm帯または0.8μm帯で
ある前記光機能素子を、第3には、少なくとも−100
℃から300℃の広い温度範囲で動作させる前記いずれ
かの光機能素子を提供する。
類元素がEr(エルビウム)であり、光信号の波長が
1.5μmから1.6μmの間であり、励起光の波長が
0.98μm帯、1.48μm帯または0.8μm帯で
ある前記光機能素子を、第3には、少なくとも−100
℃から300℃の広い温度範囲で動作させる前記いずれ
かの光機能素子を提供する。
【0007】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴を有するものとして、光通信波長帯の光信号の反
転作用ならびに増幅作用を有し、画像光信号を演算し、
広い温度範囲で動作する新しい光機能素子を提供するこ
とになる。以下にその実施の形態について図面ならびに
実施例に沿って説明する。
の特徴を有するものとして、光通信波長帯の光信号の反
転作用ならびに増幅作用を有し、画像光信号を演算し、
広い温度範囲で動作する新しい光機能素子を提供するこ
とになる。以下にその実施の形態について図面ならびに
実施例に沿って説明する。
【0008】この発明の光機能素子においては、まず光
信号の強度反転が重要な基本的な原理として作用する。
図1のエネルギー準位構造と光信号反転を生じさせるた
めの模式図を用いて、光信号の強度反転について説明す
ると、例えば1.53μmの波長の光が入射すると、σ
1の吸収断面積でE2準位に電子が励起され、さらにσ
2の吸収断面積でE4準位に励起される。励起された電
子はE3準位に緩和して溜められる。
信号の強度反転が重要な基本的な原理として作用する。
図1のエネルギー準位構造と光信号反転を生じさせるた
めの模式図を用いて、光信号の強度反転について説明す
ると、例えば1.53μmの波長の光が入射すると、σ
1の吸収断面積でE2準位に電子が励起され、さらにσ
2の吸収断面積でE4準位に励起される。励起された電
子はE3準位に緩和して溜められる。
【0009】その溜められた電子は主に光放出によって
E2準位に遷移する。ここで入射光強度が増加すると、
σ1およびσ2の吸収と、放出過程でE2準位の電子濃
度が増加して吸収が増加する(増速吸収現象)ために透
過光が減少する。逆に入射光強度を減少させると、上記
増速吸収が減少するために透過光が増加する。すなわ
ち、入射光が増加すると透過光が減少し、逆に入射光が
減少すると透過光が増加する光信号強度の反転が実現す
る。
E2準位に遷移する。ここで入射光強度が増加すると、
σ1およびσ2の吸収と、放出過程でE2準位の電子濃
度が増加して吸収が増加する(増速吸収現象)ために透
過光が減少する。逆に入射光強度を減少させると、上記
増速吸収が減少するために透過光が増加する。すなわ
ち、入射光が増加すると透過光が減少し、逆に入射光が
減少すると透過光が増加する光信号強度の反転が実現す
る。
【0010】以上の光信号反転作用とともに、この発明
においては、光信号増幅作用も基本的な原理として作用
することになる。つまり、前記の負性非線形吸収効果に
よって光信号反転が起こる。そして、図1に示したよう
に、光信号の発生増幅作用、すなわち、E1からE3へ
の光ポンピングによってE2からE1にレーザー発振が
生じる。
においては、光信号増幅作用も基本的な原理として作用
することになる。つまり、前記の負性非線形吸収効果に
よって光信号反転が起こる。そして、図1に示したよう
に、光信号の発生増幅作用、すなわち、E1からE3へ
の光ポンピングによってE2からE1にレーザー発振が
生じる。
【0011】この発明においては、以上のように負性の
光入出力特性と光信号の増幅特性とを組み合わせること
によって、光信号増幅作用のある光論理演算素子を構築
可能としている。このことはエレクトロニクスにおける
トランジスタと同様な機能を有する素子が光信号のみで
構築可能となることを意味する。この発明においては、
元素自身が素子としての役目を果たすことから、高密度
に光画像信号を直接光画像信号で演算する超並列光演算
も可能となる。
光入出力特性と光信号の増幅特性とを組み合わせること
によって、光信号増幅作用のある光論理演算素子を構築
可能としている。このことはエレクトロニクスにおける
トランジスタと同様な機能を有する素子が光信号のみで
構築可能となることを意味する。この発明においては、
元素自身が素子としての役目を果たすことから、高密度
に光画像信号を直接光画像信号で演算する超並列光演算
も可能となる。
【0012】そして、以上の光信号反転作用を有する部
分は、この発明においては、希土類元素が1m3当り1
×1023個以上ドープされており、また光増幅作用を
有する部分は、希土類元素が1m3当たり1×1021
個以上ドープされ、励起光が重畳される。この発明の光
機能素子は、この両者を有していることを要件としてい
るのである。希土類元素が上記のドープ量の規定を満た
さない場合には、所要の作用は期待どおりには得られな
いことになる。
分は、この発明においては、希土類元素が1m3当り1
×1023個以上ドープされており、また光増幅作用を
有する部分は、希土類元素が1m3当たり1×1021
個以上ドープされ、励起光が重畳される。この発明の光
機能素子は、この両者を有していることを要件としてい
るのである。希土類元素が上記のドープ量の規定を満た
さない場合には、所要の作用は期待どおりには得られな
いことになる。
【0013】希土類元素としては、より適当なものとし
てはEr(エルビウム)である。もちろん、他種のも
の、あるいはEr(エルビウム)等の希土類元素の2種
以上のものであってもよい。そして、この発明の光機能
素子の犬きな特徴は、少くとも−100℃から300℃
の広い温度範囲で動作可能としていることである。
てはEr(エルビウム)である。もちろん、他種のも
の、あるいはEr(エルビウム)等の希土類元素の2種
以上のものであってもよい。そして、この発明の光機能
素子の犬きな特徴は、少くとも−100℃から300℃
の広い温度範囲で動作可能としていることである。
【0014】なお、希土類元素を含有する母材として
は、イットリウムアルミニウムガーネット等の結晶や、
リン酸塩ガラス、アルミノシリケートガラス等のアモル
ファス材料、高分子材料等であってよい。そこで以下に
実施例を示す。もちろんこの発明は以下の例によって限
定されるものではない。
は、イットリウムアルミニウムガーネット等の結晶や、
リン酸塩ガラス、アルミノシリケートガラス等のアモル
ファス材料、高分子材料等であってよい。そこで以下に
実施例を示す。もちろんこの発明は以下の例によって限
定されるものではない。
【0015】
【実施例】(実施例1)図2はエルビウムイットリウム
アルミニウムガーネット(Er:YAG)結晶(直径1
0mm)で構成された光機能素子の外観図を示す。図中
のNNA部分(厚み1mm)のEr:YAGの組成はE
r1.5Y1.5Al5O12であり、OA部分(厚み
3mm)の組成はEr0.5Y2.5Al5O12であ
る。NNA部分のEr(エルビウム)のドープ量は約3
×1027個/m3であり、OA部分のドープ量は約1
×1027個/m3である。図3のように、入力信号光
(Laser1)としては波長1532nmの半導体レ
ーザー光を用い、励起光(Laser2)として148
0nmのレーザー光を重畳している。
アルミニウムガーネット(Er:YAG)結晶(直径1
0mm)で構成された光機能素子の外観図を示す。図中
のNNA部分(厚み1mm)のEr:YAGの組成はE
r1.5Y1.5Al5O12であり、OA部分(厚み
3mm)の組成はEr0.5Y2.5Al5O12であ
る。NNA部分のEr(エルビウム)のドープ量は約3
×1027個/m3であり、OA部分のドープ量は約1
×1027個/m3である。図3のように、入力信号光
(Laser1)としては波長1532nmの半導体レ
ーザー光を用い、励起光(Laser2)として148
0nmのレーザー光を重畳している。
【0016】なお、図3は、測定系の概略図を示す。P
D1およびPD2はそれぞれ入力信号光および出力信号
光をモニターする光検出器で、D.O.は光信号波形を
観測するデジタルオシロスコープである。出力信号光と
しては1532nmの光信号のみを検出している。図4
は検出された信号波形を示したものであり、(a)は励
起光を重畳した場合の出力信号光の波形、(b)は励起
光を重畳していない場合の出力信号光の波形、(c)は
入力信号光の波形をそれぞれ示している。同図よりわか
るように、(c)の入力信号光波形は(b)に示すよう
に信号強度が反転して出力され、さらに励起光を重畳す
ることによって(a)に示すように反転信号の強度が増
幅(約10倍)されている。なお、OA部分を設けない
NNA部分だけの素子構造では、光信号の反転現象は得
られるが、励起光を重畳しても信号の増幅は得られなか
った。また、OA部分のみの素子構造では、光信号の反
転現象は得られなかった。
D1およびPD2はそれぞれ入力信号光および出力信号
光をモニターする光検出器で、D.O.は光信号波形を
観測するデジタルオシロスコープである。出力信号光と
しては1532nmの光信号のみを検出している。図4
は検出された信号波形を示したものであり、(a)は励
起光を重畳した場合の出力信号光の波形、(b)は励起
光を重畳していない場合の出力信号光の波形、(c)は
入力信号光の波形をそれぞれ示している。同図よりわか
るように、(c)の入力信号光波形は(b)に示すよう
に信号強度が反転して出力され、さらに励起光を重畳す
ることによって(a)に示すように反転信号の強度が増
幅(約10倍)されている。なお、OA部分を設けない
NNA部分だけの素子構造では、光信号の反転現象は得
られるが、励起光を重畳しても信号の増幅は得られなか
った。また、OA部分のみの素子構造では、光信号の反
転現象は得られなかった。
【0017】図5は、素子の温度依存性を示したもので
ある。縦軸は各温度における反転した出力光波形の振幅
を室温での出力光波形の振幅で割り算して規格化したも
のであり、横軸は素子温度を示している。同図から判断
して、本素子は−200℃から700℃の広い温度範囲
で動作していることがわかる。 (実施例2)図6はエルビウムドープリン酸塩ガラスを
試料に用いた場合の光信号(波長:1530nm)反転
現象の温度依存性を示している。NNA部分のエルビウ
ムの濃度は約5×1027m−3であり、サイズは5×
5×5mm(光の透過する長さ:5mm)である。OA
部分は設けていない。横軸は試料温度、縦軸は各温度で
の反転信号の振幅を室温での反転信号の振幅で規格化し
た値である。同図より、−260℃から500℃までの
信号反転現象が確認されている。
ある。縦軸は各温度における反転した出力光波形の振幅
を室温での出力光波形の振幅で割り算して規格化したも
のであり、横軸は素子温度を示している。同図から判断
して、本素子は−200℃から700℃の広い温度範囲
で動作していることがわかる。 (実施例2)図6はエルビウムドープリン酸塩ガラスを
試料に用いた場合の光信号(波長:1530nm)反転
現象の温度依存性を示している。NNA部分のエルビウ
ムの濃度は約5×1027m−3であり、サイズは5×
5×5mm(光の透過する長さ:5mm)である。OA
部分は設けていない。横軸は試料温度、縦軸は各温度で
の反転信号の振幅を室温での反転信号の振幅で規格化し
た値である。同図より、−260℃から500℃までの
信号反転現象が確認されている。
【0018】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明によって、光通信に用いられている1.5μm帯の光
信号に対して論理演算を可能とし、多段接続するために
必要な信号増幅作用を有した新しい光素子が提供され
る。また、本素子機能はエルビウム元素内の内殻の光学
遷移を用いているため、広い温度範囲で動作することが
確認されており、温度の激変する宇宙環境などにおいて
非常に有効な素子である。
明によって、光通信に用いられている1.5μm帯の光
信号に対して論理演算を可能とし、多段接続するために
必要な信号増幅作用を有した新しい光素子が提供され
る。また、本素子機能はエルビウム元素内の内殻の光学
遷移を用いているため、広い温度範囲で動作することが
確認されており、温度の激変する宇宙環境などにおいて
非常に有効な素子である。
【図1】この発明の光機能素子の作用を例示した模式図
である。
である。
【図2】実施例1の光機能素子の構成を例示した外観斜
視図である。
視図である。
【図3】測定系の構成を例示した図である。
【図4】検出された信号波形を例示した図である。
【図5】素子の温度依存性を例示した図である。
【図6】光信号反転現象の温度依存性を例示した図であ
る。
る。
フロントページの続き (71)出願人 599172656 財団法人 日本宇宙フォーラム 東京都港区浜松町一丁目29番6号 (72)発明者 前田 佳伸 三重県四日市市河原田町2220番地 Fターム(参考) 2K002 AB25 AB30 CA15 DA10 HA13
Claims (3)
- 【請求項1】 希土類元素を含有した光透過媒体からな
る光機能素子であって、希土類元素が1m3当たり1×
1023個以上ドープされてなる光信号反転作用する部
分と、希土類元素が1m3当たり1×1021個以上ド
ープされ、励起光を重畳されてなる光増幅作用する部分
を有することを特徴とする光機能素子。 - 【請求項2】 希土類元素がEr(エルビウム)であ
り、光信号の波長が1.5μmから1.6μmの間であ
り、励起光の波長が0.98μm帯、1.48μm帯ま
たは0.8μm帯であることを特徴とする請求項1の光
機能素子。 - 【請求項3】 請求項1または2の光機能素子であっ
て、少なくとも−100℃から300℃の広い温度範囲
で動作させることを特徴とする光機能素子。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11116934A JP2000275693A (ja) | 1999-03-20 | 1999-03-20 | 光機能素子 |
US09/531,123 US6353498B1 (en) | 1999-03-20 | 2000-03-17 | All optical inverter/amplifier |
EP00302210A EP1039336A3 (en) | 1999-03-20 | 2000-03-17 | Optical function device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11116934A JP2000275693A (ja) | 1999-03-20 | 1999-03-20 | 光機能素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000275693A true JP2000275693A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=14699329
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11116934A Pending JP2000275693A (ja) | 1999-03-20 | 1999-03-20 | 光機能素子 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6353498B1 (ja) |
EP (1) | EP1039336A3 (ja) |
JP (1) | JP2000275693A (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7514767B2 (en) * | 2003-12-03 | 2009-04-07 | Advanced Chip Engineering Technology Inc. | Fan out type wafer level package structure and method of the same |
US7459781B2 (en) | 2003-12-03 | 2008-12-02 | Wen-Kun Yang | Fan out type wafer level package structure and method of the same |
JP4977283B2 (ja) * | 2004-07-12 | 2012-07-18 | オプトトライオード株式会社 | 光信号増幅装置 |
US7417788B2 (en) * | 2005-11-21 | 2008-08-26 | Aditya Narendra Joshi | Optical logic device |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5406420A (en) * | 1992-06-15 | 1995-04-11 | Research Development Corporation Of Japan | Optical device |
US5434701A (en) * | 1993-12-17 | 1995-07-18 | At&T Corp. | All-optical inverter |
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