JP2592908B2 - Nonlinear optical device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光情報処理や光通信システムにおいて、将
来的に用いられる光スイッチや光メモリ、あるいは光信
号演算処理装置などの非線形光学装置に関するものであ
る。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-linear optical device such as an optical switch or an optical memory or an optical signal processing device used in the future in optical information processing and optical communication systems. It is.

〔従来の技術および課題〕 非線形光学効果とは、物質に光が入射したときに、物
質の電気分極Ｐが、一般式Ｐ＝χ⁽¹⁾E＋χ⁽²⁾E²＋χ⁽³⁾
E³＋…（II）で書けるのに対し、第２項以降の項により
発現する効果を言うものである（χ⁽ⁱ⁾はｉ次の電気感
受率,Eは光の電界強度である。）。特に、第２項による
第２高調波発生（SHG）や第３項による第３高調波発生
（THG）は波長変換効果としてよく知られているが、第
３項はまた、光強度に応じた光学定数の変化、例えば非
線形屈折率効果や非線形吸収効果を与えるものとして重
要である。例えば、非線形屈折率効果は物質の屈折率ｎ
が入射光強度に比例して変化するものであり、ｎ＝n₀＋
n₂Iで記述される（n₀は定数、n₂は非線形屈折率係数で
ある。）。この効果を示す媒質と、光共振器や偏光子あ
るいは反射鏡など他の光学素子とを組合わせると、光双
安定素子や光スイッチあるいは位相共役波発生器などの
光情報処理や光通信システムにおいて将来的に用いられ
る重要なデバイスの実現が可能である。[Prior art and problems] The nonlinear optical effect means that when light is incident on a substance, the electric polarization P of the substance is expressed by the general formula P = χ ⁽¹⁾ E + χ ⁽²⁾ E ² + χ ⁽³⁾
E ³ + ... whereas written in (II), in which means the effect of expressing the terms of the second and subsequent terms (chi ⁽ⁱ⁾ is i-th order electrical susceptibility, E is an electric field strength of light. ). In particular, the second harmonic generation (SHG) according to the second term and the third harmonic generation (THG) according to the third term are well known as wavelength conversion effects, but the third term also depends on the light intensity. It is important to give a change in optical constants, for example, a nonlinear refractive index effect or a nonlinear absorption effect. For example, the nonlinear refractive index effect is the refractive index n of the substance.
Changes in proportion to the incident light intensity, and n = n ₀ +
It is described by n ₂ I (n ₀ is a constant, n ₂ is a nonlinear refractive index coefficient). When a medium exhibiting this effect is combined with another optical element such as an optical resonator, a polarizer, or a reflecting mirror, it can be used in optical information processing and optical communication systems such as optical bistable elements, optical switches, and phase conjugate wave generators. Important devices for future use are possible.

このような非線形屈折率効果を示す媒質を用いた非線
形光学装置の従来例として、光双安定素子の実例を第５
図を参照しながら以下に示す。As a conventional example of a nonlinear optical device using a medium exhibiting such a nonlinear refractive index effect, an actual example of an optical bistable element is described as follows.
This is shown below with reference to the drawings.

第５図の符号１は非線形屈折率を有する光学材質（非
線形屈折率媒質）、2aおよび2bは非線形屈折率媒質１の
両面にコートされた反射率約90％の誘電体蒸着ミラーで
ある。この構成においては、入力光の波長を僅かに変化
させて共振条件を満足すると、入力光強度Piに対して出
力光Ptが第１図（ｃ）（ｄ）に示した様な特性を持つ
（動作原理については文献アプライド フィジックスレ
ター（Appl.Phys.Lett.）vol35,451（1976）に詳し
い）。これらはそれぞれリミッタ動作および双安定動作
に対応しており、光通信や光情報処理システムにおいて
入力光パルスの波形整形、光スイッチ、あるいは光信号
メモリ、光論理演算動作などへの応用が可能なものであ
る。In FIG. 5, reference numeral 1 denotes an optical material having a nonlinear refractive index (non-linear refractive index medium), and reference numerals 2a and 2b denote dielectric deposition mirrors coated on both surfaces of the nonlinear refractive index medium 1 with a reflectivity of about 90%. In this configuration, if the resonance condition is satisfied by slightly changing the wavelength of the input light, the output light Pt has characteristics as shown in FIGS. 1C and 1D with respect to the input light intensity Pi ( The principle of operation is described in Applied Physics Letter (Appl. Phys. Lett.) Vol. 35, 451 (1976). These correspond to limiter operation and bistable operation, respectively, and can be applied to optical communication and optical information processing systems, such as waveform shaping of input optical pulses, optical switches, optical signal memory, and optical logic operation. It is.

ところで、この種の非線形光学装置においては、特性
として、使用可能な入力光波長ならびに入力光強度、さ
らに光信号の強度変化に対して追随可能な応答時間の３
つの値が重要である。例えば第５図中の非線形光学媒質
１としてGaAsとGaAlAsの半導体薄膜を交互に繰返し成長
させて作製した超格子結晶を用いた例においては、結晶
内で励起子が光吸収に伴って励起されることによって屈
折率が光強度依存性を示すこと（吸収非線形効果）を動
作原理としているため、前記一般式（II）の第３項の係
数が大きく（即ち３次非線形の効率が高く）、動作に必
要な入力光強度は５×10⁴W/cm²程度と小さくて済む点で
は優れているが、使用可能な入力光波長が励起子吸収ス
ペクトル近傍の極めて狭い範囲に限られてしまうこと、
および応答時間が励起子寿命により決定され、３×10^-8
secより高速の光信号処理には使えないという問題点が
あった。By the way, in this kind of nonlinear optical device, there are three characteristics of usable input light wavelength, input light intensity, and response time that can follow a change in the intensity of an optical signal.
One value is important. For example, in the case where a superlattice crystal produced by alternately and repeatedly growing GaAs and GaAlAs semiconductor thin films as the nonlinear optical medium 1 in FIG. 5 is used, excitons are excited in the crystal with light absorption. Because the operating principle is that the refractive index shows light intensity dependence (absorption nonlinear effect), the coefficient of the third term of the general formula (II) is large (that is, the efficiency of the third-order nonlinearity is high), and The input light intensity required for is excellent in that it can be as small as 5 × 10 ⁴ W / cm ^2, but the usable input light wavelength is limited to an extremely narrow range near the exciton absorption spectrum.
And the response time is determined by the exciton lifetime and is 3 × 10 ⁻⁸
There was a problem that it could not be used for optical signal processing faster than sec.

また、非線形光学媒質として非線形光学液体である二
硫化炭素（CS₂）を満したガラスセルを用い、前記誘導
体蒸着ミラー2a,2bの代わりに、外部ミラーを用いた別
の従来例においては、光電界に応じた分子の回転配列に
より屈折率が光強度依存性を示すこと（分子回転非線形
効果）を動作原料としているため、使用可能な入力光波
長が可視から近赤外域の広い範囲にわたるという点では
優れているものの、３次非線形の効率がそれ程高くな
く、動作に必要な入力光波長が10⁸W/cm²程度と大きくな
ること、および応答時間が分子の回転緩和時間により決
定され、10^-11〜10^-12secより高速の光信号処理には使
えないという問題点があった。In another conventional example using a glass cell filled with carbon disulfide (CS ₂ ), which is a nonlinear optical liquid, as a nonlinear optical medium, and using external mirrors instead of the derivative-deposited mirrors 2a and 2b, a conventional photoelectric conversion device is used. Since the active material is based on the fact that the refractive index shows light intensity dependence due to the rotational arrangement of molecules according to the field (molecular rotation nonlinear effect), the usable input light wavelength ranges from the visible to the near infrared. Although it is excellent, the efficiency of the third-order nonlinearity is not so high, the input light wavelength required for operation becomes as large as about 10 ⁸ W / cm ² , and the response time is determined by the rotation relaxation time of the molecule. There is a problem that it cannot be used for optical signal processing faster than ^-11 to 10 ^-12 sec.

以上のことから明らかなように、非線形光学装置の性
能は、非線形光学材料の特性によって殆ど決定される。
従って、使用可能な波長範囲が広く、３次非線形の効率
が高く、動作に必要な入力光強度が小さく、応答時間が
短い材料の開発が熱望され、それに向けて活発な研究が
行われているのが現状である。As is clear from the above, the performance of the nonlinear optical device is almost determined by the characteristics of the nonlinear optical material.
Therefore, there is an aspiration for the development of a material having a wide usable wavelength range, a high third-order nonlinear efficiency, a small input light intensity required for operation, and a short response time, and active research is being conducted toward it. is the current situation.

３次非線形効果を示す材料のうちでも、ベンゼン環や
２重あるいは３重結合などのπ電子共役をもつ有機非線
形光学材料が最近特に注目されている。例えば、ポリジ
アセチレンビス−（パラトルエンスルホネート）（略称
PTS）では、３次効果の定数χ⁽³⁾はχ⁽³⁾＝１×10^-10es
u（非線形屈折率係数に換算すると、n₂＝２×10^-12（W/
cm²）^-1となる。）の値をもち、上記のCS₂液体より２桁
大きい。さらに、この非線形効果のメカニズムが吸収に
よるものでなく、かつ分子や結晶格子との相互作用によ
るのでもなく、純粋に電子分極に由来するものであるた
めに、光信号の強度変化に追随可能な応答時間が10^-14s
ecと極めて高速であり、かつ使用可能な入力光波長も0.
65μｍ付近から2.0μｍ以上の広い範囲にわたっている
という優れた特性を持っている。Among materials exhibiting the third-order nonlinear effect, an organic nonlinear optical material having a π-electron conjugation such as a benzene ring or a double or triple bond has recently received particular attention. For example, polydiacetylenebis- (paratoluenesulfonate) (abbreviation)
In PTS), the constant of the third-order effect χ ⁽³⁾ is χ ⁽³⁾ = 1 × 10 ^-10 es
u (converted to the nonlinear refractive index coefficient, n ₂ = 2 × 10 ^-12 (W /
cm ² ) ^-1 . ), Which is two orders of magnitude greater than the CS ₂ liquid described above. Furthermore, since the mechanism of this nonlinear effect is not due to absorption and interaction with molecules or crystal lattices, but is purely derived from electronic polarization, it can follow changes in the intensity of optical signals. Response time ^10-14s
It is extremely fast with ec, and the usable input light wavelength is also 0.
It has an excellent characteristic that it covers a wide range from about 65 μm to 2.0 μm or more.

しかしながら、上記PTSなどのポリジアセチレンは、
一般に結晶性高分子であるために、光学装置の媒質とし
て用いる場合には媒質全体が単結晶となっていることが
必要である。もし、媒質の一部に非晶質部が存在した
り、全体が多結晶状態になっていて微小な単結晶の集合
体であったりすると、とたんに入射光の散乱損失が増大
してしまい、使いものにならない。従って、ポリジアセ
チレンを用いた光学装置を製造するにあたっては、目的
に応じた大型結晶の育成あるいは薄膜結晶化などの技術
が不可欠であり、さらに、これらの結晶が得られた場合
でも、結晶を切断したり表面を研磨したりする加工技術
を確立することが必要である。ポリジアセチレンに関す
るこれらの周辺技術は今のところまだ解決されていな
い。従って、ポリジアセチレンを用いた非線形光学装置
はまだ実用に供せられるものは一つも実現していない。However, polydiacetylene such as the above PTS,
In general, since it is a crystalline polymer, when it is used as a medium of an optical device, it is necessary that the entire medium is a single crystal. If an amorphous part exists in a part of the medium, or if the whole is in a polycrystalline state and is an aggregate of minute single crystals, the scattering loss of incident light will increase immediately. ,Useless. Therefore, in manufacturing an optical device using polydiacetylene, techniques such as growing large crystals or thin-film crystallization according to the purpose are indispensable, and even when these crystals are obtained, the crystals are cut. It is necessary to establish a processing technique for polishing and polishing the surface. These peripheral technologies for polydiacetylene have not yet been solved. Therefore, none of the non-linear optical devices using polydiacetylene has been realized yet.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来の
光双安定素子を始めとする、光スイッチ、位相共役波発
生装置などの非線形屈折率を利用した非線形光学装置に
おける問題点、すなわち前記したような使用波長制限、
低速応答性、高動作入力光強度、あるいは所望の光学媒
質を容易に入手できないこと、などの欠点を除去するこ
とを課題とするものであり、使用波長範囲が広く、高速
応答性を有し、かつ動作入力光強度が小さい実用に供し
得る高性能非線形光学装置を提供することを課題として
いる。The present invention has been made in view of the above circumstances, including a conventional optical bistable element, an optical switch, a problem in a nonlinear optical device using a nonlinear refractive index such as a phase conjugate wave generator, that is, Wavelength limit,
Low-speed response, high operation input light intensity, or that the desired optical medium can not be easily obtained, it is an object to remove the disadvantages, such as a wide wavelength range used, has a high-speed response, It is another object of the present invention to provide a high-performance nonlinear optical device which can be used for practical use and has a small operation input light intensity.

〔課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するために本発明は下記の構成からな
る。すなわち、本発明は、 非線形屈折率を有する光学媒質と、光共振器や偏光
子、あるいは反射鏡などの光学素子とで構成される非線
形光学装置において、非線形光学媒質として、下記式
（Ｉ）で示されるポリ−（2,5−チェニレンビニレン）
を用いることを特徴とするものである。[Means for Solving the Problems] To solve the above problems, the present invention has the following configurations. That is, the present invention relates to a nonlinear optical device including an optical medium having a nonlinear refractive index and an optical element such as an optical resonator, a polarizer, or a reflecting mirror. Poly- (2,5-Chenylenevinylene) shown
Is used.

前記ポリ−（2,5−チェニレンビニレン）（略称PTV）
は、アモルファス構造をもつ導電性ポリマ材料として既
に知られている。合成法も公知であり、後で述べるよう
に、可溶性のポリマ中間体を経由する方法で合成するこ
とができるため、成形性に優れ、取扱いやすく、かつ、
化学的に安定である。このPTVの３次非線形効果が極め
て大きな値をもつことを本発明者らは、はじめて明らか
にすることができた。また、その大きな３次効果故に非
線形屈折率係数が大きな値となることを確認し、この材
料を非線形光学媒体として光双安定素子、光スイッチ、
位相共役波発生器などの非線形光学装置を構成し、それ
らが実用に供し得るとしたのは、本発明の最も強調すべ
き点である。 Poly- (2,5-Chenylenevinylene) (PTV)
Is already known as a conductive polymer material having an amorphous structure. Synthetic methods are also known and, as described later, can be synthesized by a method via a soluble polymer intermediate, so that they have excellent moldability, are easy to handle, and
It is chemically stable. The present inventors were able to clarify, for the first time, that the third-order nonlinear effect of the PTV has a very large value. In addition, it was confirmed that the nonlinear refractive index coefficient became a large value due to the large tertiary effect, and this material was used as a nonlinear optical medium for an optical bistable element, an optical switch,
It is an emphasis of the present invention that nonlinear optical devices such as a phase conjugate wave generator are constructed and can be put to practical use.

第４図（ａ）（ｂ）はPTVの３次効果の効率を評価す
べく行った実験の測定データを示したものである。有機
材料の３次効果は、一般に第３高調波光（THG光）の強
度を測定することによって評価される。図４（ａ）は厚
さの均一なPTVフィルム（この場合の厚さは0.17μｍ）
に、波長2.0μｍ程度のレーザパルス光を入射し、サン
プルをレーザ光の入射方向と垂直な軸の回りに回転させ
ながら、出てくるTHG光強度を測定した結果である。こ
のパターンはメーカフリンジと呼ばれるものであり、す
でに効率が既知の材料（ここでは石英ガラスを用いた）
を同一の観測系で測定して、THGのピーク強度と比較す
れば、３次効果の効率を測定することができる（測定原
理については、文献エレクトロニクス レターズ（Elec
tron.Lett.）vol23,No.11,595（1987）に詳しい）。図
４（ｂ）は得られた結果を３次の電気感受率χ⁽³⁾で表
わし、入射光波長に対してプロットした結果である。χ
⁽³⁾の値は３×10^-11esu前後であり、前述のPTSと比べる
と、約1/3の値であることが確かめられた。なお、この
測定値から非線形屈折率はn₂＝５×10^-13（W/cm²）^-1前
後と算出される。FIGS. 4 (a) and 4 (b) show measurement data of an experiment conducted to evaluate the efficiency of the third-order effect of the PTV. The third-order effect of an organic material is generally evaluated by measuring the intensity of third harmonic light (THG light). Fig. 4 (a) shows a PTV film with a uniform thickness (the thickness in this case is 0.17 µm)
This is a result of measuring the intensity of the emitted THG light while injecting a laser pulse light having a wavelength of about 2.0 μm into the sample and rotating the sample around an axis perpendicular to the incident direction of the laser light. This pattern is called a maker fringe, and a material whose efficiency is already known (here, quartz glass is used)
Can be measured with the same observation system and compared with the peak intensity of THG to measure the efficiency of the tertiary effect.
tron. Lett.) vol23, No. 11,595 (1987)). FIG. 4B shows the obtained result as a third-order electric susceptibility χ ⁽³⁾ and is a result plotted against the wavelength of the incident light. χ
The value of ⁽³⁾ was about 3 × 10 ^-11 esu, and it was confirmed that the value was about 1/3 as compared with the PTS described above. In addition, the nonlinear refractive index is calculated to be about n ₂ = 5 × 10 ⁻¹³ (W / cm ² ) ⁻¹ from this measured value.

また、PTVの吸収スペクトルは、厚さ20μｍ程度のPTV
フィルムを用いて分光光度計で測定した。その結果、無
吸収波長域は0.75〜2.2μｍと極めて広いことが判っ
た。すなわち、この材料は使用可能波長域が前述のPTS
よりさらに広く優れている。なお、波長域0.75μｍ〜1.
8μｍにおけるPTVの３次効果効率については未測定では
あるが、非線形効果のメカニズムがPTSと同じに純粋の
電子分極によることを考えると、これらの波長域におい
ても、PTVのχ⁽³⁾またはn₂は第４図（ｂ）の値とほぼ同
等の値をもつことが容易に推察される。In addition, the absorption spectrum of PTV has a thickness of about 20 μm.
The film was measured with a spectrophotometer. As a result, it was found that the non-absorption wavelength range was extremely wide, 0.75 to 2.2 μm. In other words, this material has a usable wavelength range of PTS
Even better and better. Note that the wavelength range is 0.75 μm to 1.
Although the tertiary effect efficiency of PTV at 8 μm has not been measured, considering that the mechanism of the nonlinear effect is due to pure electronic polarization as in PTS, the PTV χ ⁽³⁾ or n It is easily presumed that ₂ has a value substantially equal to the value in FIG. 4 (b).

さらに同様な考察から、本材料の応答時間はPTSと同
様に10^-14sec程度と推測され、充分な高速性を備えてい
る。Further, from similar considerations, the response time of this material is estimated to be about 10 ^-14 sec, similar to that of PTS, and the material has a sufficiently high speed.

以下、実施例を用いて本発明に係るポリ−（2,5−チ
ェニレンビニレン）を用いた非線形光学装置の特徴を詳
しく説明する。Hereinafter, the characteristics of the nonlinear optical device using poly- (2,5-phenylenevinylene) according to the present invention will be described in detail with reference to examples.

〔実施例１〕 第１図（ａ）は本発明の非線形光学装置の実施例を説
明する図であって、本発明で用いる非線形屈折率媒質１
は下記に述べる方法により作製したPTVフィルムであ
り、本発明装置においては、入力光を約90％反射し、残
りを透過させる誘電体多層膜ミラー3a,3bを対向させて
配置した外部光共振器である。Embodiment 1 FIG. 1 (a) is a view for explaining an embodiment of the nonlinear optical device of the present invention, and shows a nonlinear refractive index medium 1 used in the present invention.
Is a PTV film produced by the method described below. In the device of the present invention, an external optical resonator in which dielectric multilayer mirrors 3a and 3b that reflect about 90% of input light and transmit the rest are opposed to each other. It is.

前記PTVフィルムの作製法について述べる。まず、2,5
−チェニレンビス（ジメチルスルホニウム）ジクロライ
ドを０℃条件下でアルカリ水溶液で処理したのち、メタ
ノール−水混合溶液中で0.3モルのテトラメチル水酸化
アンモニウムを加え、−30℃条件下で攪拌しポリマ化し
た。得られた黄色の沈澱物を採取し、ジクロロメタンに
溶解させたのち、これをスピンコーティング法により石
英ガラス板上にフィルム化し、風乾した。最後にこれを
200〜250℃,5時間、10^-2トールの真空下で加熱すること
により光学品質に優れたPTVフィルムが得られた。最後
の加熱処理の過程での反応スキームを第１図（ｂ）に示
した。この様にして10×10×1mm³程度の大きさのフィル
ム状の光学媒質を得た。A method for producing the PTV film will be described. First, 2,5
After treating phenylene bis (dimethylsulfonium) dichloride with an aqueous alkali solution at 0 ° C, 0.3 mol of tetramethylammonium hydroxide was added in a mixed solution of methanol and water, followed by stirring at -30 ° C to polymerize. The obtained yellow precipitate was collected, dissolved in dichloromethane, and then formed into a film on a quartz glass plate by spin coating, and air-dried. Finally this
A PTV film with excellent optical quality was obtained by heating at 200-250 ° C for 5 hours under a vacuum of 10 ^-2 torr. FIG. 1B shows a reaction scheme in the last heat treatment process. Thus, a film-shaped optical medium having a size of about 10 × 10 × 1 mm ³ was obtained.

第１図（ａ）に示した装置を動作させるには、前記従
来例第５図と同様、入力光波長を僅か変化させるか、あ
るいは共振器長（ミラー間隔）を僅か変化させて共振条
件を調整すれば良い。本実施例の場合にはNd³⁺−YAGレ
ーザからの1.064μｍの光を使用したので、調整は共振
器長を変化させる方法に依った。入力光強度Piと出力光
強度Ptとの間には第１図（ｃ）（ｄ）で示したようなリ
ミッタ動作および双安定動作が得られた。In order to operate the device shown in FIG. 1 (a), the resonance condition is changed by slightly changing the input light wavelength or by slightly changing the resonator length (mirror interval) as in the case of FIG. Adjust it. In the case of the present embodiment, since the light of 1.064 μm from the Nd ³⁺ -YAG laser was used, the adjustment depended on the method of changing the resonator length. Between the input light intensity Pi and the output light intensity Pt, the limiter operation and the bistable operation as shown in FIGS. 1C and 1D were obtained.

動作に必要な最小入力光強度（Pi^min）は解析的に Pi^min＝（Ｋλ）／（n₂l） （但し、λは光の波長、ｌは光学媒質長、Ｋ（〜0.00
1）は鏡の反射率と共振器長調整で決まる係数）で与え
られるが、本実施例ではλ＝1.064μm,l＝1mmであるか
ら、Pi^min＝２×10⁶W/cm²と求まる。The minimum input light intensity (Pi ^min ) necessary for the operation is analytically Pi ^min = (Kλ) / (n ₂ l) (where λ is the light wavelength, 1 is the optical medium length, and K (〜0.00)
1) is given by the coefficient determined by the reflectance of the mirror and the adjustment of the resonator length). In this embodiment, since λ = 1.064 μm and l = 1 mm, Pi ^min = 2 × 10 ⁶ W / cm ² is obtained. .

実効出力300mW（パルス発振）、発振波長0.83μｍの
半導体レーザを光源とする場合、ビーム径を３μｍまで
絞り込むと、光強度は4.2×10⁶W/cm²と計算され、この
波長における上記非線形光学装置のPi^minの値より充分
大きい。実際、本非線形光学装置は半導体レーザを光源
とした場合にも動作可能であった。When a semiconductor laser with an effective output of 300 mW (pulse oscillation) and an oscillation wavelength of 0.83 μm is used as the light source, when the beam diameter is reduced to 3 μm, the light intensity is calculated to be 4.2 × 10 ⁶ W / cm ^2. It is much larger than the Pi ^min value of the device. In fact, this nonlinear optical device was operable even when a semiconductor laser was used as a light source.

本材料（PTV）の応答時間τは10^-14sec程度と推測さ
れることについてはすでに述べた。但し、装置としての
反応時間は、この媒質応答時間τと共振器内光子寿命tp
との大きい方の値で決まるが、 tp＝−l op/（C ln R） （但し、l opは共振器の光学長,Cは光速,Rはミラーの反
射率）から計算されるtpが６×10^-11secと得られ、tp＞
τなので、この値が装置の応答時間となる。本実施例に
おいては、応答時間は10^-10secより短いことが確認され
た。It has already been described that the response time τ of the material (PTV) is estimated to be about 10 ^-14 sec. However, the reaction time of the device is determined by the medium response time τ and the photon lifetime tp in the resonator.
Tp = -l op / (C ln R) (where l op is the optical length of the resonator, C is the speed of light, and R is the reflectance of the mirror) 6 × 10 ^-11 sec, tp>
Since τ, this value becomes the response time of the device. In this example, it was confirmed that the response time was shorter than 10 ⁻¹⁰ sec.

〔実施例２〕 第２図は、光制御光スイッチの実施例を説明する図で
ある。図中、符号4aと4bは互いに偏光軸が直交するよう
配置された２枚の偏光子からなる直交偏光子系であり、
１は前記実施例１にて得られた媒質結晶である。この構
成においては、ゲートパルスPgが入射している間だけ直
交偏光子4aを通過した直線偏光が、非線形屈折率媒質１
の屈折率変化によって偏光角の回転を受け、直交偏光子
4bを通過する。すなわち入射光はゲート光によって光ス
イッチされる。Embodiment 2 FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a light control optical switch. In the figure, reference numerals 4a and 4b denote orthogonal polarizer systems including two polarizers arranged so that the polarization axes are orthogonal to each other,
Reference numeral 1 denotes a medium crystal obtained in the first embodiment. In this configuration, the linearly polarized light that has passed through the orthogonal polarizer 4a only while the gate pulse Pg is incident is converted into the nonlinear refractive index medium 1
Polarization is rotated by the change in the refractive index of the polarizer.
Go through 4b. That is, the incident light is optically switched by the gate light.

本装置においても、使用可能波長範囲、応答時間、お
よび動作入力光強度（ゲートパルス光）の値は重要であ
るが、使用可能波長範囲および応答時間について極めて
優れていることは実施例１より明らかであって更めて説
明するまでもない。Also in this apparatus, the usable wavelength range, the response time, and the value of the operation input light intensity (gate pulse light) are important, but it is clear from Example 1 that the usable wavelength range and the response time are extremely excellent. It is not necessary to explain again.

必要なゲートパルス光強度（Ｐπ/2）は解析的に Ｐπ/2＝λ／（２・n₂l） で与えられ、本実施例ではλ＝1.064μm,l＝1mmである
から、Ｐπ/2＝１×10⁹W/cm²と求められた。実際には、
これより低いゲートパルス光強度においても、透過率Ｔ
が、 Ｔ＝sin²｛（Pi/Pπ/2）×π/2｝ の式に従うので、ビーム径を絞り込んだ半導体レーザ光
によっても動作可能であることがわかった。The required gate pulse light intensity (Pπ / 2) is analytically given by Pπ / 2 = λ / (2 · n ₂ l). In the present embodiment, λ = 1.064 μm and l = 1 mm, so that Pπ / 2 = 1 × 10 ⁹ W / cm ² was obtained. actually,
Even at a lower gate pulse light intensity, the transmittance T
However, since it follows the equation of T = sin ² {(Pi / Pπ / 2) × π / 2}, it was found that operation was possible even with a semiconductor laser beam with a narrowed beam diameter.

〔実施例３〕 第３図は、位相共役波発生装置の実施例を説明する図
である。図中符号5aと5bは半透過膜、６は全反射鏡、１
は実施例１にて得られた光学媒質である。この構成は縮
退４光波混合と呼ばれる光学配置であって、非線形屈折
率をもつ媒質に、A₁,A₂（A₁と反対方向）、Ap（傾入
射）の３つの光波が入射すると、Apに対して空間位相項
のみが共役である第４の光波（Ac）が発生する。この位
相共役波は画像情報処理技術における像修正や、実時間
ホログラフィなどの有効な手段として注目されている
（応用については、文献オ プラス イ（O plus E）３
月号,p.73（1982）参照）。Third Embodiment FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment of a phase conjugate wave generator. In the figure, reference numerals 5a and 5b denote semi-transmissive films, 6 denotes a total reflection mirror, 1
Is the optical medium obtained in Example 1. This configuration is an optical configuration called degenerate four-wave mixing. When three light waves A ₁ , A ₂ (in the opposite direction to A ₁ ) and Ap (oblique incidence) enter a medium having a nonlinear refractive index, Ap , A fourth light wave (Ac) in which only the spatial phase term is conjugate is generated. This phase conjugate wave is attracting attention as an effective means such as image correction in image information processing technology and real-time holography (for the application, see Oplus E3
Monthly, p. 73 (1982)).

本実施例においても装置の高速応答性、および低動作
入力光強度が確認できた。Also in this example, high-speed response and low operation input light intensity of the device were confirmed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、光双安定素子、光スイッチ、あるい
は位相共役波発生装置など将来の光情報処理あるいは光
通信分野で重要な非線形光学装置を、極めて応答速度が
大きく、かつ大きな非線形屈折率を持ち、可視域から近
赤外領域の広い波長範囲で透光性であるポリ−（2,5−
チェニレンビニレン）のフィルムを非線形屈折率媒質と
して構成するものであるので、従来の非線形光学液体や
半導体超格子結晶を用いたものと比較して波長依存性、
応答速度、動作に必要な入力光強度の点で格段に優れた
ものとすることが出来、現存の半導体レーザを光源とし
て移動させ得るという実用的価値のあるものとすること
が出来る。According to the present invention, a nonlinear optical device which is important in the future optical information processing or optical communication field, such as an optical bistable element, an optical switch, or a phase conjugate wave generator, has an extremely high response speed and a large nonlinear refractive index. Poly- (2,5-) which has light transmittance in a wide wavelength range from the visible region to the near infrared region
(Chenylene vinylene) film is composed as a nonlinear refractive index medium, so that the wavelength dependence and the wavelength dependence are higher than those using a conventional nonlinear optical liquid or semiconductor superlattice crystal.
The response speed and the input light intensity required for the operation can be remarkably improved, and the existing semiconductor laser can be moved as a light source and has practical value.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施例を示すも
ので、（ａ）は光双安定素子の構成図、（ｂ）は非線形
光学媒質ポリ−（2,5−チェニレンビニレン）を合成す
るときの反応スキーム、（ｃ）（ｄ）は動作特性を示す
もので、（ｃ）はリミッタ動作を示し、（ｄ）は双安定
動作を示し、図中の矢印はPiの増加時、および減少時の
Ptの特性を現わす経路を示す。 第２図は本発明の第２の実施例を示すもので、光制御光
スイッチの構成図である。 第３図は本発明の第３の実施例を示すもので、位相共役
波発生装置の構成図である。 第４図（ａ）は本発明に使用するポリ−（2,5−チェニ
レンビニレン）のTHG強度パターンを示す図、第４図
（ｂ）は同ポリ−（2,5−チェニレンビニレン）のχ
（３）値のスペクトルを示す図である。 第５図は従来の非線形光学装置（光双安定素子）の一例
を示す構成図である。 １……非線形屈折率媒質、 2a,2b……誘電体蒸着ミラー（反射率約90％）、 3a,3b……（外部）誘電体多層蒸着膜ミラー、 Pi……入力光、 Pt……出力光、 4a,4b……偏光子（直交偏光子系を構成している）、 Pg……ゲートパルス光、 5a,5b……半透過鏡、 ６……全反射鏡。1 (a) to 1 (d) show a first embodiment of the present invention, in which (a) is a configuration diagram of an optical bistable element, and (b) is a nonlinear optical medium poly- (2,5-). (C) and (d) show the operation characteristics, (c) shows the limiter operation, (d) shows the bistable operation, and the arrows in the figure indicate the reaction scheme when synthesizing (chenylene vinylene). When Pi increases and decreases
This shows a path that shows the characteristics of Pt. FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention and is a configuration diagram of an optical control optical switch. FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention and is a configuration diagram of a phase conjugate wave generator. FIG. 4 (a) shows the THG intensity pattern of poly- (2,5-phenylene vinylene) used in the present invention, and FIG. 4 (b) shows the poly- (2,5-phenylene vinylene). No
It is a figure which shows the spectrum of (3) value. FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a conventional nonlinear optical device (optical bistable element). 1 ... Non-linear refractive index medium, 2a, 2b ... Dielectric deposited mirror (reflectance about 90%), 3a, 3b ... (External) dielectric multilayer deposited film mirror, Pi ... Input light, Pt ... Output Light, 4a, 4b: Polarizer (constituting orthogonal polarizer system), Pg: Gate pulse light, 5a, 5b: Semi-transmissive mirror, 6: Total reflection mirror.

フロントページの続き (72)発明者 栗原 隆 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 小林 秀紀 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 斎藤 省吾 福岡県福岡市中央区薬院４丁目１番18号 (72)発明者 筒井 哲夫 福岡県春日市紅葉ケ丘東８丁目66番地 (72)発明者 時任 静士 福岡県大野城市白木原１丁目１番20号 コーポ浜田202号Continued on the front page (72) Inventor Takashi Kurihara 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Hideki Kobayashi 1-16-1 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Stock In-house (72) Inventor Shogo Saito 4-1-118 Yakuin, Chuo-ku, Fukuoka, Fukuoka (72) Inventor Tetsuo Tsutsui 8-66, Momijigaoka, Kasuga-shi, Fukuoka (72) Inventor Shizuto Tokito Onojo, Fukuoka 1-1-20 Shirakihara Corp. Hamada 202

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】非線形屈折率を有する光学媒質と、光共振
器や偏光子、あるいは反射鏡などの光学素子とで構成さ
れる非線形光学装置において、 非線形屈折率を有する光学媒質として、下記式（Ｉ）で
示されるポリ−（2,5−チェニレンビニレン）を用いる
ことを特徴とする非線形光学装置。 1. A nonlinear optical device comprising an optical medium having a non-linear refractive index and an optical element such as an optical resonator, a polarizer, or a reflecting mirror. A non-linear optical device characterized by using the poly- (2,5-phenylenevinylene) represented by I).