JP3718523B2 - 光導波路の非線形性の強化 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、特殊な非線形光学効果を利用するために用いられる、光の波長およびそれに近い波長のための導波路に関するものである。
本出願は、１９９３年８月１３日に出願されたスウェーデン特許出願第９３０２６３４−２号による優先権を主張するものである。
発明の背景
光ガラスファイバは非線形光学に応用するために活用することができる廉価な導波路媒体である。しかしながら、溶融石英は半導体のような材料と比較して小さい非線形係数を有する。これは光スイッチングのような用途におけるファイバの使用をかなり制限している。その理由は、制御信号の光パワーが、ファイバの特性のかなりの変化をひき起こすために高くなければならないからである。「光学および量子エレクトロニックス２２（１９９０）」の９５〜１２２頁に掲載されたＧ．Ｉ．ステゲマンおよびＥ．Ｍ．ライト著の論文「全光導波路スイッチング」を参照されたい。このために、LiNbＯ₃、ＧａＡｓおよびその他の材料に基づく別個の成分を使用するようになった。「ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー６（１９８８）」の８４７〜８６１頁に掲載されたＬ．タイレン著の論文「LiNbO₃における集積光学、遠距離通信用の装置の最近の開発」、１９９１年３月発行の「量子エレクトロニックスのＩＥＥＥジャーナル」２７巻に掲載されたＥ．Ｖ．トム、Ｐ．Ｐ．バン・デール、Ｒ．Ｇ．バエットおよびＰ．Ｅ．レガッセ著の論文「非線形光重合体に基づく集積光学装置」および議事録ＳＰＩＥ１３６２（１９９０）に掲載された論文「新規の光エレクトロニックスデバイス応用ＩＩのための物質の概念」および論文「デバイスの物理および応用」を参照されたい。そして、ドーピングされた半導体ガラスにより達成されるより高い非線形性を有する光ファイバの探索については、議事録ＣＬＥＯ９１、ＣＴｕＥ７の９２頁に掲載されたＤ．コッター、Ｂ．Ｊ．アインスリー、Ｍ．Ｇ．バート、Ｓ．Ｔ．ダベイ、Ｒ．Ｊ．マンニング著の論文「ドーピングされた半導体ガラスファイバの光の非線形性および応用」および論文「光学および量子エレクトロニックス２２（１９９０）」の１８７〜２１２頁に掲載されたエス・スドウおよびエッチ・イトウ著「効率的な非線形光ファイバおよびそれらの応用」を参照されたい。しかし、それらを製造することは困難である。他方、光通信の開発に伴って、簡単なファイバを基材とした光で制御される結合器が必要になってきた。このような装置により伝送回路網の一つまたはいくつかのチャネルにファイバ内で伝送される信号の調節可能な部分を誘導することが可能になるだろう。ファイバを基材とした非線形光結合器もまた弱い信号がより高いパワーの信号のスイッチングを制御する論理ゲートおよび光トランジスタにおける重要な用途になるだろう。
最近の技術的な開発により非円筒形の形状を有するガラスファイバ、そして特にいわゆるＤ形のファイバが製造されるようになった。１９８６年３月発行の「エレクトロニックス・レター２２」に掲載された論文「正確に制御されるコア／平坦距離の範囲を有するＤ形ファイバの製造および特性の付与」を参照されたい。この場合には、光が慣用のファイバの内部と同様に導かれるが、ガラス・空気界面の全てにわたって電磁場が広がっている。これによりエバネッセント電磁場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ：光を消失し易い電磁場）を通して、Ｄ形ファイバの平坦な表面上に付着されたいかなる物質とも相互に作用させるための独特の機会が得られる。この相互作用はファイバの長手方向に沿って発生するので、これは非線形光学において活用することができる特に好ましい形状である。
ダイオットの米国特許第４５５７５５１号明細書においては、中央構造の両側に平行に配置された楕円形横断面の２つの偏光（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）維持光ファイバを有する非線形光ファイバ結合器が開示されている。この中央構造は２つの対向して配置された弓形部分により形成されたレンズ形横断面を有している。この中央組織の中央部の厚さはファイバの直径の数倍であり、かつファイバのコアの直径の多数倍である。また、支持構造がファイバを所望の形状に維持するために使用されている。この中央構造は中心に関して非対称の結晶組織を有する電気光学材料の単結晶である。上記の材料は電気絶縁体である有機型の材料である。利用される物理的な作用は電気光学効果に基づいており、この材料の屈折率は入射する光波、すなわち、ポンプ光波の電場との相互作用により変更される。
レランド・スタンフォード短大の理事委員会に発行されたヨーロッパ特許出願ＥＰ−Ａ２−０１６４２１２号明細書においては、ファイバオプティック飽和性吸収体が開示されている。光ファイバのクラッドの一部分が平面に沿った僅かに湾曲したファイバを研磨することにより除去される。非線形光吸収特性を有する光吸収材料、特に色素がファイバ内を伝播する光を制御された方法で吸収させるために研磨された表面に適用される。
米国特許第４９２７２２３号明細書に開示された光ファイバ相関器においては、周波数を２倍にするために、Ｄ形ファイバが中心に関して非対称である材料とその偏平化された表面において接触させるために使用されている。ファイバの向かい合った端部には、レーザダイオードが接続され、Ｄ形ファイバに同じ波長の光を入射させる。前記層によって放出された光はレーザダイオードからの信号との相関を求めるために収集される。
ヨーロッパ特許出願ＥＰ−Ａ１−０２５４５０９号明細書に開示された光学装置においては、Ｄ形光ファイバは平坦面上に層を備えることができ、この層は光の強さに応じて変化する屈折率を有する材料である。この層の自由表面はコヒーレント光ビームにより照らされて、この層内に変調した屈折率の定常波を形成し、その結果変調した屈折率の回折格子が得られる。
発明の要約
本出願人は、半導体材料の高い非線形性を光ファイバの導波特性と組み合わせた装置をこの明細書に開示する。この装置は、比較的弱い光信号により制御されるファイバを基材とする非線形光結合器として使用することができる。この装置はレーザとして使用することができ、かつその他のいくつかの用途に使用することができる。
したがって、広義の概念で言えば、本発明はコアを有し、かつ均一な厚さを有するとともに該コアに平行にかつコアから均一な距離に配置された層が配置された導波路を有する光学装置に関する。この距離は、導波路に沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記層中に広がるように設定されている。光波に影響を与えるために、この層材料は非線形光学特性を有するように選択されている。この導波路は、一つの波長のみを有する光、すなわち単一モード光を伝播させるための寸法に形成されることが好ましい。
前記層材料は、光学的に均質でありまたは中心に関して対称であることが好ましい。前記層材料は考慮対象である波長を有しかつ導波路に沿って伝播するために好適な第１の種類の光に対する屈折率を有することができ、この屈折率の値は特に第１の種類の光の波長に近い波長に対して、前記層材料と相互に作用するように配置されかつ第１の種類の光の波長と異なる波長を有する第２の種類の光に依存し、すなわち、前記層材料の屈折率は第２の種類の光が変化するときに第１の種類の光の波長に近い波長に対してかなり変化する。特に、この屈折率の値は第２の種類の光の強さに依存することができる。
前記層材料は、好ましい一実施例においてはバンドギャップを有する半導体である。その場合には、前述したように、第１の光を導波路に沿って伝播させることができ、そして第２の光を前記層の半導体材料と相互に作用するように配置することができる。その場合には、第２の光の光子が材料に吸収されて電子・正孔対が発生するように第２の光の波長がバンドギャップを十分に超えるエネルギレベルに相当することができる。その場合には、第１の光の波長はバンドギャップのエネルギレベルよりもかなり低いエネルギレベルに相当する値を有するように選択され、その結果第１の光の吸収により、実質的には電子・正孔対が発生しない。
この光学装置の寸法については、エバネッセント電磁場が前記層中に広がる条件を満たすために、導波路の前記層からコアまでの距離をコアの直径よりも小さくすることができることを述べることができる。前記層の厚さは、導波路への良好な接着を可能にするために一般的に小さく、そして特に導波路のコアの直径の何分の１かの値とすることができ、特にコアの直径の１／８〜１／８０の範囲内とすることができ、コアの直径の１／１６〜１／８０とすることが最も好ましい。
一実施例においては、導波路は慣行のように円筒形、通常、本質的には半円筒形の表面の一部分に相当する湾曲した表面と平坦な表面とを有するＤ形の第１光ファイバを備えている。その場合には、平坦な表面はＤ形ファイバのコアに平行にかつコアから小さい距離に配置されるべきであり、かつ層は平坦面上に配置されるべきである。
干渉装置においては、慣行のように第１の側における平行な第１ポートおよび第２ポートと第２の側における第１ポートおよび第２ポートとを有する光結合器を配置することができる。一方の側における２つのポートは導波路により連結することができ、かつ第１光源は他方の側におけるポートに信号光を提供する。その場合には、前記層は信号光を制御するために連結導波路の一部分に配置されるべきである。そのために、制御光を供給して該制御光を前記層の材料と相互に作用するように導く第２制御光源を配置することができる。第２光源は第１代替例においては制御光を前記層の自由表面に直接に導くために配置されている。第２代替例においては、第２光源はそのかわりに制御光を結合器の他方の側における一つのポートに供給するために配置されている。その場合には、位相遅延装置が連結導波路内に有利に配置され、そして位相遅延装置は制御光をオン・オフ動作させ、制御光を結合器の他方の側におけるポートのいずれか一方のポートに送るように制御するために制御光から誘導された光を遅延させる。コーテイングされたＤ形ファイバで構成された装置はある用途のために例えば第１Ｄ形ファイバと同じ種類の同様に本質的に半円筒形の表面と平坦な表面とを有するＤ形の第２光ファイバにより完成することができる。その場合には、Ｄ形第１ファイバの平坦な表面は前記層の自由表面と対向し、すなわち、Ｄ形の第１ファイバに向かい合う表面と対向している。
このような二重のＤ形ファイバ装置は結合の目的のために使用することができる。その場合には、信号光を供給する第１光源が設けられ、この第１光源は信号光をＤ形ファイバの第１端部に供給するために配置されている。第２光源が制御光を供給し、それにより制御光がＤ形の第２ファイバの第１端部に供給される。Ｄ形ファイバの第１端部は信号光および制御光がＤ形ファイバのコアに沿って相互に平行にかつ同じ方向に伝播させることを可能にする二つの端部であるように規定されることが好ましいが、しかし信号光および制御光が反対の方向に伝播するように第１端部を規定することもまた可能である。Ｄ形ファイバの第２端部は勿論第１端部の反対の端部である。その場合には、第２端部が信号光受信手段および／または伝送手段に取り付けられる。代替的に、制御光をＤ形第１ファイバの第１端部、すなわち、信号光と同じ側に供給することができる。
並置された２つのＤ形ファイバを備えた構成は基本的な導波路が最初に述べたコアに加えて最初に述べたコアに平行に延びる別の１つのコアを備えていることを広義の特徴とすることができる。その場合には、前記層は２つのコアから同じ均一の距離に配置されるべきであり、それによって２つのコアに沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記層中に広がる。
本発明の有利な特定の実施例においては、相互にかつ平坦な表面に平行に延びかつ平坦な表面から同じ距離に配置された２つのコアを有するＤ形第１ファイバが設けられ、これらのコアはＤ形ファイバ内に対称に配置されている。別の一実施例においては、この装置は平面状の構造体を備え、２つのコアが支持体の平坦な表面内に配置されている。この平坦な表面は支持体と実質的に同じ屈折率を有する層により被覆されている。前記層の表面はまた上記のような非線形光学特性を有する材料の層で被覆されている。
これらの二連コア装置は二重のＤ形ファイバとして結合するために使用することができる。
上記の一般的な装置はレーザとして使用するためにポンプ光を供給する光源を備えることができる。この光源はポンプ光を導波路の第１端部に入射させて、その光をコアに沿って前記層がコアの近くに配置された領域の中に伝播させるように配置されている。このポンプ光は層の材料内に光の誘導放出をひき起こすような波長および強さを有するように選択される。その後、誘導放出により発生した光はその第１端部の反対側の導波路の第２端部からその他の装置に導くことができる。
この場合には、前記層の寸法については、特にレーザ領域に閉じこめるために、前記層は導波路コアの長手方向に対して横方向の寸法でありかつ導波路の表面に平行な幅を有している。前記層の幅はコアの直径の数倍にすぎない値に相当し、特に最大値はコアの直径の３倍であり、少なくともコアの直径に相当する。その場合には、前記層を導波路の平坦な表面上に配置することができ、または前記層を導波路の材料の溝内に配置することができる。この溝は導波路のコアに平行に延びている。
干渉装置もまた第１組および第２組の光連絡ポートを有する結合手段を備え、一方の組のポートにおいて受け入れられた光パルス信号が他方の組の各々のポートの中に実質的に同等に結合されるように構成されていると説明することができる。この干渉装置はさらに第２の１対のポートを一緒に光学的に結合する光導波路を備えている。この光導波路は導波路内を伝播する光が非線形屈折率を検出する一部分を含み、この部分はコアと代表的には上記の「層」である材料片とを有する導波路を備え、前記の材料片はこの導波路およびそのコアに沿って伝播する光のエバネッセント電磁場がこの材料中に広がるように前記コアから所定距離に配置されている。その場合には、この材料は非線形光学特性を示すべきである。
その場合には、前記の材料片、すなわち、「層」は該材料と相互に作用するための自由表面を有することができ、この自由表面は光源が該自由表面に制御光を供給するように配置されている。別の態様として、光源が第１組の一方のポートに制御光を供給するために配置されている。
結合の目的のために使用される光学装置はコアの各々に沿って光波を導くための２つのコアを有する導波路を備え、材料片がコアから所定距離に配置され、それにより各々の導波路のコアに沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記材料片の中に延びるようになっている。前述したように、この材料は非線形光学特性を有するべきである。
このような２つのコア装置を含む光により制御される結合システム、すなわち、スイッチングシステムまたは変調システムは第１組および第２組の光連絡ポートを有する結合手段を一般に備えるものとして説明することができる。この結合システムはさらに第１組のポートのうちの第１ポートに信号光を供給する第１光源と、第１組のポートのうちの第１ポートまたは第２ポートに制御光を供給する第２光源とを備えている。第２組のポートの各々は前述したように別個の信号光受信手段および／または伝送手段に取り付けられている。この結合手段は光波をコアの各々および材料片、すなわち、上記の「層」に沿って導くための２つのコアを有する導波路を備え、上記層はコアから所定距離に配置され、それにより各々の導波路のコアに沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記材料片の中に広がるようになっている。この材料は前述したように非線形光学特性を有するべきである。
その場合には、光で励起されるレーザ構造体は、前述したように、コアを有する導波路を一般に備えている。このレーザ構造体はさらにコアから所定距離に配置された材料片、すなわち、層を備え、それにより導波路に沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記材料片、すなわち、層内に広がるようになっている。その場合には、前記材料は非線形光学特性を有するべきである。導波路の一端部は光源からポンプ光を受け入れ、そしてその他端部は前記材料片において誘導放出により得られた光を出射するようになっている。
また、この場合には、導波路は光波が２つのコアの各々に沿って伝播することができるように第２コアを有することができる。その場合には、前記材料片は導波路のコアの各々に沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記の材料片中に広がるようにコアから所定距離に配置されている。
前記の材料片、すなわち、層はレーザ構造体において光源からポンプ光を受け入れるようになった自由表面を有することができる。
【図面の簡単な説明】
さて、本発明を添付図面を参照していくつかの非限定実施例を説明する。添付図面において、
第１図は部分的に被覆されたＤ形ファイバを示す。
第２図は干渉装置内に使用されているような第１図のファイバを示す。
第３ａ図は間にフィルムを備えている二重のＤ形のファイバ構造を示す。
第３ｂ図は光結合器に使用されているような第３ａ図の構造を略図で示す。
第４ａ図は二連コア型の被覆されたＤ形ファイバ構造を示す。
第４ｂ図は非線形光学材料の層を有する平面状の導波路構造を示す。
第５ａ図はレーザとして使用するための部分的に被覆されたＤ形ファイバを示す。
第５ｂ図および第５ｃ図はレーザとして使用するために好適である代替被覆の構成を示す。
第６図は被覆されたＤ形ファイバを利用したレーザ装置を略図で示す。
第７図は２つの導波路コアを有する構造体を利用したレーザ装置を略図で示す。
詳細な説明
単一のＤ形ファイバ
第１図には、コア３とクラッド５とを含むＤ形ファイバ１を有するとともに、該ファイバのある長さにわたるその平坦な表面上に高度に非線形の材料（例えば、半導体）のフィルム（薄い層）７が被覆された装置を例示してある。ファイバの長手方向の被覆の長さは例示したようにＤ形ファイバのほぼ外径に相当することができ、そして被覆は横方向におけるファイバの平坦な表面全体を被覆することができる。しかしながら、この被覆の長さは特定の使用分野および以下に述べる所望の効果を得るために使用される材料に適合させることができる。Ｄ形ファイバ１は、例えば、通常の単一モード連絡ファイバに適合した寸法を有することができ、例えば、外側クラッド径：ほぼ１２５μｍ、および、コア径：８〜１０μｍを有することができ、理想的には関係する波長において単一モードとすべきである。
Ｄ形ファイバ１のコア３から平坦な表面までの距離ｄはファイバ１を通って伝播する光のエバネッセント電磁場がフィルム７と相互に作用することができるように設定されるべきであり、これはコアと平坦な表面との間の距離ｄがコア径の小さい部分にすぎないことを意味している。実際の場合には、使用すべきＤ形ファイバは、数マイクロメートルまたはそれよりも小さいコア・エア間距離ｄを有するべきであり、すなわち、ファイバ１の平坦な表面までのコア３のこの距離ｄは例えば２μｍ程度の大きさにすることができる。
被覆フィルム７の厚さは均一であり、通常、コアの直径よりもはるかに小さい。この厚さは、代表的には１μｍ以下（例えば、０．１〜０．５μｍ）にすることができる。より厚いフィルムは、膨脹係数が異なるためにＤ形ファイバの平坦面に永久的に接着しないので、使用することができない。
被覆フィルム７の材質については、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰおよびその他のＩＩＩ−Ｖ半導体、珪素およびゲルマニウムを基材とする材料、例えば、アモルファス珪素、アモルファス・ゲルマニウム、炭化珪素、多孔質珪素等、ＩＩ−ＶＩ半導体、例えば、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅおよび複合材料ならびに、例えば、ＬｉＦ、ＮａＦ，ＮａＣｌおよびその他のハロゲン化アルカライド（ａｌｋａｌｉｄｅｓ）のような材料とすることができる。多数の装置のフィルムのための好ましい一実施例はアモルファス珪素とすることができる。この材料はある通常の方法、例えば、あるＣＶＤ技術により付着させることができ、一般に現場で材料を成長させる必要がない。この材料はまたイオンまたはｅビーム衝撃または紫外線照射によりさらに加工することができる。この装置の製造は、材料の特性、例えば、電荷キャリヤーの再結合時間を変更するために付着した材料が加熱され、その後周囲温度まで冷却される焼鈍（アニール）工程を含む。薄い多重フィルム、例えば、ＩＩＩ−Ｖ半導体またはその他の半導体の単量ウェル構造および多重量ウェル構造（ａ ｓｉｎｇｌｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）を含む構造をファイバ１の平坦面に付着させることができ、そして高度に非線形媒体として作用する。付着材料は非晶質または結晶性とすることができる。関係するその他の材料、例えば、希土類金属のフィルムを使用することができる。本出願人は以下の説明においてフィルム７を半導体材料で製造されるものとして説明しているが、上記のすべてのその他の材料は本発明の精神、すなわち、範囲内にある。本出願人は、この装置を半導体が被覆されたファイバ（ＳＣＦ）と呼ぶことにする。
物理的な工程
半導体、金属または誘電体材料７がＤ形のファイバ１の平坦な表面上に付着せしめられるときに、ファイバ１の長手方向に伝播する光波の場（範囲）が材料７の中に拡がるようにすることができる。この場合には、伝播する光の横モードはフィルム７の材料の線形および非線形の感受率の実部分および虚部分に依存する。この材料の特性はファイバのパラメータ、例えば、コア３およびクラッド５の屈折率、コア３の半径およびコア・平坦面間の距離ｄと一緒にファイバ内を伝播する光がうける有効屈折率、色分散、吸収、利得、偏光特性および非線形効果、例えば、光のための位相変調および周波数変換を決定する。
信号および制御光
本明細書に開示した装置のいくつかの応用においては、「信号」光および「制御」光（第１光および第２光という用語に相当する）と呼ばれる二つの異なる波長の光が使用される。信号光は一般に（しかし必然的ではないが）電子を原子価（低い移動度）から伝導（高い移動度）帯まで促進するために必要なエネルギに近いかまたはそれよりも低い光子エネルギを有しており、すなわち、付着した材料は信号光に対して「透過性」を有する。他方、制御光については、光子エネルギがこの材料のエネルギバンドギャップを超える。一例として、０．８５μｍの波長の光をＩｎＧａＡｓ（バンドギャップが、例えば代表的に１．３〜１．５５μｍである）のフィルムのための制御光として使用することができる。この場合には、制御光の光子の吸収が材料内に移動性の電子を発生して、その特性に一時的に影響をおよぼす。その結果、屈折率を強く変更し、そしてシュタルク効果によりバンドギャップを移動する。熱を介しての移動性電子の発生すらも屈折率の変化をひき起こす。
したがって、材料が制御光とある方法で、例えば、前述したように、光子を吸収して電子・正孔対を発生し、材料内に発生した熱を吸収してその温度を高めることにより相互に作用するときに特定の波長に対する光学特性が変更され、すなわち、信号光の光学特性が変更される材料が一般的に使用される。好ましい材料は容易にかつ安価で製造することができる構造体を生ずる光学的に均質な例えばアモルファスである。
干渉計
被覆材料の屈折率の変化はなかんずくレーザのスイッチング、変調およびモード調整のために利用することができる。例えば、米国特許第４９７３１２２号および米国特許第４９６２９８７号明細書に開示されているような干渉計装置を利用すると有利である。制御光が結合器のポートのうちの一方のポートに送られ、かつ２つの平行なポートがループにより連結された交差結合された光学干渉計が開示されている。入射光は制御光の存在により異なる位相転移を受けて二つの部分（一般に同じパワーの）に分割される。これらの二つの部分が再結合されるときに、制御光の僅かな影響すらも発生する信号光の振幅に大きい影響をおよぼすことがある。
使用可能な装置の一例を第２図に例示してある。第２図においては、いわゆる非線形ループミラー構造が使用されている。結合器９は一方の側における２つの平行なポートＡ、Ｄと、他方の側における２つの平行なポートＢおよびＣとを有している。信号光Ｐ_Sが結合器９のポートＡの中に結合され、結合部９が信号光Ｐ_Sをほぼ等しいパワーを有する二つの成分に分割し、結合器９の他方の側におけるポートＢ、Ｃに送る。第１図に例示した種類の装置１１の一端部がこれらのポートのうちの符号Ｂで示した一方のポートと接続されている。装置１１の他端部は同じ側における他方の平行なポートＣと結合されている。このようであって、結合器９から出る信号光の半分が第１ポートを通り、装置１１を通ってポートＣに達する。他方の半分の信号光は先ずポートＣを通り、その後装置１１を通ってポートＢに戻る。その後、光の成分の両方が結合器９において再結合される。例えば、ＢＴ＆Ｄという会社により製造された手動偏光制御器のような１組のファイバストレーナ１３を例えば装置１１をポートＣと結合する通路に例示したように通路の一方に設けることができる。
制御光が存在しない場合には、すべての信号光が結合器９において再結合され、そして入力ポートＡを通って戻るように調節することができる。この状態では、ポートＡに平行でありかつ結合器９の同じ側のポートであるポートＤから信号光が出ない。しかしながら、制御光Ｐ_Cが存在しない場合には、例えば、レーザ１３およびレンズシステム１５を備えかつ装置１１を照明する光源から得られるように、装置１１の被覆フィルムに付着した材料の屈折率が変更される。所定のパワーを有する制御光については、制御光成分の間に導入された相対位相のずれによりすべての信号光が結合器９において再結合され、ポートＤに導かれる。ポートＢおよびＣを結合するループ内の装置１１の正確な位置は特にもしも制御光が連続し、かつパルス光でなければ、重要である。
また、制御光をポートＡ、Ｄにより入射させ、装置１１の被覆の屈折率の同じ変化をひき起こすことができる。
非線形結合器／変調器
上記の装置は単一のＳＣＦを利用している。第３ａ図に示すように２つのＤ形ファイバ１を平坦な表面が背中合わせになるように配置して半導体フィルム７を２つのコア３の間に配置することができる。本出願人は、これを二重構造のＳＣＦと呼んでいる。ファイバを例示したように２つのコアが相互に平行にかつ最小の距離に配置するために、２つの固定装置を使用し、各々を１つのファイバ上に配置することができる。これらの固定装置はガラスよりも柔軟な材料、例えば、プラスチック材料または柔軟な金属で製造することができる。固定装置を製造するための一つの可能な方法は固定装置の液相溶液のための成形型としてＤ形ファイバを使用することである。溶液を凝固させた後、固定装置が二重の構造体ＳＣＦに使用される１つのＤ形ファイバを収容する準備が完了する。第３ａ図に例示したようにコア３が平行になるようにファイバが一旦配置されると、固定装置を一緒に接着することができる。
この場合には、半導体フィルム７の非線形性は制御された結合器１７として使用される第３ａ図に例示したようなデバイスの入力制御ポートＤを通して適切な波長の制御光Ｐ_Cを送ることにより活用することができる。一端部においてポートＡおよびＤを有しかつ他端部においてポートＢ、Ｃを有する第３ｂ図を比較参照されたい。上記の制御光Ｐ_Cに平行にポートＡに入る信号光Ｐ_SはポートＡに入る制御光Ｐ_Cにより影響をうけることができる。制御光Ｐ_Cが存在しない場合には、信号光Ｐ_Sは慣用の結合器の場合のようにデバイス１７からポートＢおよびＣにおいて去る。１９８３年にロンドンで発行された「チャップマン・アンド・ホール」の３８７〜３９９頁および５６８〜５７４頁に記載されたＡ．Ｗ．シンダー、Ｊ．Ｄ．ラブ著の論文「光学導波路の理論」を参照されたい。制御光Ｐ_Cが存在する場合には、ポートＢおよびＣから出る光の一部分を制御することができる。弱い信号Ｐ_Cですらも結合器の伝送機能を実質的に変更することができ、それゆえにトランジスタの場合のように弱い信号Ｐ_Cにより強い信号Ｐ_Cを制御することができる。
上記の非線形結合器はまた高速光学変調器としても使用することができる。この装置のポートＡの中に結合された連続波信号（信号光）Ｐ_SはポートＤの中に結合された制御信号パルスＰ_CによりポートＢ、Ｃにおいてオンにしかつオフにすることができる。変調の深さが十分に大きいときには、この装置はスイッチとして作用する。この装置の感度が制御光Ｐ_Cの波長に対して比較的に低いので、ポートＡの中に結合されたスペクトルが純粋な信号Ｐ_Sを制御するために著しくチャ−プ変調した（ｃｈｉｒｐｅｄ）光パルスさえ使用することができる。この装置の高速は毎秒数Ｇビットのビット速度を達成するように制御光パルスの吸収により装置１７のフィルム７の半導体内の光の作用に感応した自由なキャリヤーを迅速に緩和することができるという事実に基づいている。それゆえに、この装置をポートＢ、Ｃを経て去る光信号は狭い帯域幅と高速変調とを有している。
二連コア集積構造
上記の特定の形状が多くの用途のために便利であるけれども、同じ精神にしたがってその他の構成をも使用することができる。例えば、二連コアＤ形ファイバは第４ａ図に例示したように半導体フィルムの活性化により制御される結合特性を有することができる。このＤ形ファイバ１９は該ファイバの円筒形の外面の中心線に近くかつ前述したように平坦面に近く中央部に対称に平行に配置された２つのコア３′および３′′を有している。この場合にもまた、ファイバコア３′３′′の一方のコア内を伝播する制御光のエバネッセント電磁場が平坦面上に被覆された半導体フィルム７を透過し、その特性を変更し、したがって、他方のコア内を移動する信号光の伝播特性を変更する。第４ａ図の二連コア構造は、第３ａ図の二重のＤ形ファイバのように、例えば、第３ｂ図に例示したように結合器内に使用することができる。
平面状構造
埋設された導波路を備えたガラス支持体に基づく不連続部品であっても、制御された結合、スイッチングおよび変調のために使用することができる。第４ｂ図に例示したように、イオン注入または熱内部拡散（ｉｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）によって、ガラス支持体２３に１対の導波路２１を取り付けることができる。さらに珪素酸化物ＳｉＯ／ＳｉＯ₂の層２５を蒸着させて、ガラスマトリックス内に埋設された導波路２１を残すことが望ましいかもしれない。その後、導波路２１内の、光のエバネッセント電磁場が半導体材料中に広がるように、半導体材料から成るフィルム７が、埋設された導波路２１の頂面に付着される。一つのチャネルから種々のチャネルへのスイッチングが可能であるべきであり、そしてスイッチされた信号の一部分を導波路に沿って進行しまたは外側から装置に（例えば、垂直に）入射する光により制御することができる。第４ｂ図の埋設された導波路構造は第３ａ図の二重のＤ形ファイバのように使用することができる。
同様な概念がカワチにより「光学および量子エレクトロニックス２２（１９９０）」の３９１〜４１６頁に掲載された論文「珪素およびそれらの集積光学成分への応用に関するシリカ導波路」に指摘されている。しかしながら、その場合には、導波路は半導体材料、例えば、珪素の頂部上に製造されている。
レーザ
上記のＳＣＦを備えている装置は従来材料の減衰および屈折率を効果的に変更する制御光入力を利用している。他方、半導体はレーザ材料として広く使用されている。レーザポンピングは一般に電気であるが、しかしレーザ構造をポンピングするために光もまた使用されている。このポンプ光はフィルムにより吸収されて、励起状態で過剰の電子を発生し、そしてより低いエネルギ帯において過剰の正孔を発生するために十分な光子エネルギを有するべきである。放射再結合するときに、半導体が発光する。ポンプ光の輝度が十分に強ければ、半導体フィルム内に誘導放出をひき起こし、したがって、レーザ作用をひき起こす。半導体材料の高い屈折率は半導体フィルムの平面における光の案内に好都合である。デバイスがレーザ閾値を超えて動作することを保証するために利得の案内がしばしば十分である。ポンプ場が、ファイバのコアと隣接する領域においてのみ半導体フィルムに重なり合うので、レーザ作用が発生するフィルムの幅はほぼ１０μｍよりも小さい値に制限される。第１図に示した構造と類似の構造を第５ａ図に例示したように使用することができる。
ポンプ場をファイバのコアと隣接したポンピングされた領域（ｐｕｍｐｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）にさらに閉じ込めるために、第５ｂ図に例示したように、半導体の非ポンピング領域（ｕｎｐｕｍｐｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）をリトグラフィー・プロセスにより除去することができる。したがって、Ｄ形のファイバ１の平坦面上には、ファイバコア３に平行に中央部に延びる半導体材料の狭いバンド、すなわち、ストリップ７′のみが存在している。代替的に、Ｄ形ファイバは第５ｃ図に示したように変更された横断面輪郭を有することができる。Ｄ形ファイバ１′の平坦面上には、ファイバコア３に近くかつ平行に浅い溝２７が形成され、かつ溝２７内には半導体フィルム７が付着されている。これにより、半導体材料の狭いストリップ７′または７′′のみが光を案内することが保証される。
第５ｂ図、第５ｃ図の構造はもしも利得が十分であれば端部ミラーが設けられていない場合ですらもレーザ作用を発揮することができる。さもなければ、端部ミラーを被覆され、または被覆されていないファイバ端面を使用することにより、またはブラッグ反射により提供することができる。レーザの有効長はコーテイング７（第５ａ図）の長手方向の長さに相当する数センチメートルの長さとすることができる。使用可能な代表的な材料は発光のための高い量子効率を有する材料である。三成分化合物と共に、例えば、ＭＯＶＣＤまたはＭＢＥ技術により付着するＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ半導体を使用することができる。レーザを動作させるための波長は材料のバンドギャップと関連した値（例えば、ＧａＡｓに対して０．８５μｍ）になろう。関係するその他の材料は色中心、例えば、ＬｉＦまたはＬｉＩのｆ中心を有するハロゲン化アルカライドである。このような材料は可視赤外光および近赤外光においていくつかの発光ピークを有している。このようなレーザにおいて発生する光はフィルムに沿って案内されるが、ファイバのコアが近くに存在するために、光をコア内で案内することができる。
レーザ装置を第６図に略図で例示してある。符号３３で例示したレンズ系により集束された好適な光源からのポンプ光２９がＤ形ファイバ１の一端部に入射せしめられる。成分およびパラメータを適切に選択することにより、レーザ光３５がＤ形ファイバの他端部から放出され、符号３７で示したレンズ系により平行にすることができる。
第３ａ図および第３ｂ図に例示しかつ第４ａ図および第４ｂ図に例示したような２つの平行な導波路コアを有する形状をレーザ出力が出力ポートＢ、Ｃに沿って収集されるレーザ装置として使用することができる。ポンプ光がポートＡに沿って入射される第７図を比較参照されたい。ポンプ光Ｐ_Pが結合器１７′の半導体フィルム７により吸収されるときに、前述したように、パラメータおよび物質を適切に選択することにより励起状態のバンドにおいて過剰の電子を発生させかつより低いエネルギバンドにおいて過剰の正孔を発生させることができる。放射再結合するときに、半導体材料が発光する。
上記の構成が実用的な装置の観点から便利であるけれども、第１図および第２図を参照して説明した種類の単一構造の半導体がコーテイングされたファイバを外側からポンピングするようなその他のポンピング形状をも考慮することができる。

Claims (15)

1. 一定の第１の波長を有する光（Ｐｓ）、および、一定の第２の波長を有する光（Ｐｃ）と相互作用するようになされた内部導波路を含む光学装置であり、
   前記第１の波長を有する光（Ｐｓ）が、前記内部導波路に光学的に結合された第１光源によって発せられ、
   前記第２の波長を有する光（Ｐｃ）が、前記内部導波路に光学的に結合された第２光源によって発せられ、
   前記内部導波路は、円筒形の第１コア（３、３′、２１）を有し、前記第１光源から出る光を受け、
   均一厚さを有する光学的に非線形の層（７）が、前記第１コアに対して平行に、かつ、前記第１コアから均一な距離（ｄ）に配置されており、
   前記内部導波路に沿って伝播する前記第１の波長を有する光のエバネッセント電磁場が前記層（７）中に広がるようになっている前記光学装置において、
   前記層（７）が、非線形光学特性を有するとともにバンドギャップを有する半導体材料を含み、
   前記層（７）中の前記半導体材料は、前記第２光源から出る光と相互作用することを企図して配設されており、
   また、（ｉ）前記第２の波長が前記バンドギャップを十分に超えるエネルギー値に相当し、該エネルギー値によれば、前記層（７）と相互作用する前記第２の波長を有する光の光子が前記半導体材料に吸収されて電子・正孔対を作り、かつ、（ii）前記第１の波長が前記バンドギャップを十分に下回るエネルギー値に相当し、該エネルギー値によれば、前記層（７）と交差する前記第１の波長を有する光によって実質的に電子・正孔対が作られないように、前記半導体材料が選択されることを特徴とする光学装置。
2. 前記内部導波路が、単一波長の光を伝えるように構成された単一モードであることを特徴とする請求項１に記載された光学装置。
3. 前記層（７）の厚さが、前記内部導波路の前記第１コア（３、３′、２１）の直径に対して小さな比率であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された光学装置。
4. 前記層（７）の厚さが、前記内部導波路の前記第１コア（３、３′、２１）の直径に対して１／８〜１／８０の大きさ、好ましくは１／１６〜１／８０の大きさであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された光学装置。
5. 前記層（７）が、前記第２光源から出る光を受けるように企図され、かつ、配設された自由表面を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された光学装置。
6. 第１の側における第１および第２ポート（Ａ，Ｄ）と、第２の側における第１および第２ポート（Ｂ，Ｃ）とを有する光結合器を具備し、
   前記第２の側における前記第１および第２ポート（Ｂ，Ｃ）が連結導波路によって連結され、
   前記第１の側における前記第１および第２ポート（Ａ，Ｄ）のうちの一方（Ａ）が、前記第１光源から出る光（Ｐｓ）を受けるように企図され、かつ、配設されており、
   前記内部導波路が、その一部としての前記連結導波路の層（７）で連結されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された光学装置。
7. 前記第１の側における前記第１および第２ポート（Ａ，Ｄ）のうちの少なくとも一方（Ａ，Ｄ）が、前記第２光源から出る光（Ｐｃ）を受けるように企図され、かつ、配設されていることを特徴とする請求項６に記載された光学装置。
8. 前記連結導波路に連結された位相遅延装置（１３）を具備し、該位相遅延装置が、前記第１光源から出て前記連結導波路に沿って伝播する光（Ｐｃ）を受けるように企図され、かつ、配設されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載された光学装置。
9. 前記内部導波路が、実質的に半円筒形であって、平坦な表面を有する第１のＤ形の光ファイバ（１）を含み、前記平坦な表面が、前記第１のＤ形の光ファイバ（１）のコア（３）と平行であって、該コア（３）から僅かな距離だけ離れた位置にあり、
   前記層（７）が、前記平坦な表面上に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された光学装置。
10. 実質的に半円筒形であって、平坦な表面を有する第２のＤ形の光ファイバ（１）を含み、前記平坦な表面が、前記層（７）の表面に配設され、
    前記第２のＤ形の光ファイバ（１）が、前記第１のＤ形の光ファイバ（１）とは反対側にあることを特徴とする請求項９に記載された光学装置。
11. 前記第１のＤ形の光ファイバ（１）の第１端部（Ａ）が、前記第１光源から来る光（Ｐｓ）を受けるように企図され、かつ、配設されており、
    前記第１のＤ形の光ファイバの第１端部、および／または、前記第２のＤ形の光ファイバの第１端部（Ｄ）が、前記第２光源から来る光（Ｐｃ）を受けるように企図され、かつ、配設されており、
    前記各第１端部とは反対側にある、前記第１および第２のＤ形の光ファイバの第２端部（Ｂ，Ｃ）が、前記第１の波長の光を受け、および／または、前記第１の波長の光を伝播するための手段に連結されていることを特徴とする請求項１０に記載された光学装置。
12. 前記第１のＤ形の光ファイバが、互いに平行に且つ前記平坦な表面に平行に延在する２つのコア（３′、３″）を有し、かつ、該２つのコアが、前記平坦な表面から同一距離で、前記第１のＤ形の光ファイバ中で対称的に配置されていることを特徴とする請求項９に記載された光学装置。
13. 前記内部導波路が、前記第１コア（３′、２１）と平行に延在する第２コア（３″、２１）を更に含み、かつ
    前記第１の波長を有し、前記第１および第２のコアに沿って伝播する光のエバネッセント電磁場が前記層（７）中に広がるように、前記第１および第２のコアから均等距離で前記層（７）が配設されていることを特徴とする請求項１に記載された光学装置。
14. 前記光学装置が平面状の構造を有し、
    前記第１および第２のコア（２１）が、支持体（２３）の平坦な表面に配設され、また
    前記平坦な表面がカバー層（２５）によって覆われ、前記カバー層（２５）が、前記支持体の屈折率と実質的に同じ屈折率を有し、かつ、半導体材料から成る前記層（７）で覆われていることを特徴とする請求項１３に記載された光学装置。
15. 前記内部導波路が、前記第１コア（３′、２１）の第１端部で、前記第１光源から来る光（Ｐｃ）を受けて、この光を前記第１端部から前記第１コアに沿って伝播させるように企図され、かつ、配設され、さらに
    前記内部導波路が、前記第１コア（３′、２１）の前記第１端部、および／または、前記第２コア（３″、２１）の第１端部で、前記第２光源から来る光（Ｐｃ）を受けて、この光を前記各第１端部から前記第１および／または第２コアに沿って伝播させるように企図され、かつ、配設されており、
    前記両コアの第２端部が、前記両第１端部と反対側にあって、前記両第１端部は、前記第１の波長を有する光を受け、および／または、前記第１の波長の光を伝播させるための手段に取り付けられていることを特徴とする請求項１２から請求項１４までのいずれか一項に記載された光学装置。

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