(57)【要約】【課題】  相互作用長を長尺化し、雑音光と信号光の吸収率の差分を増大させ、十分な非線形応答特性を引き出すこと、また、低パワーでも光可飽和吸収機能を利用できるようにした光波形整形器を提供する。【解決手段】  中空フォトニック結晶ファイバ（１０１）の光が伝搬する中空部（１０３）に、光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末（例えば、ＳＷＮＴまたはＣＮＴ）、又はその光学結晶粉末を含む材料（１０５）と、それら材料を溶け込んだ液体（例えば、ＳＤＳ水溶液）（１０７）が挿入されている。中空フォトニック結晶ファイバが、中空部（１０３）に光を閉じ込めるフォトニックバンドギャップ構造を有することは好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光可飽和吸収特性を有する媒質を利用した光波形整形器であって、
中空部を光が伝搬する中空ファイバの該中空部に、光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末、又は該光学結晶粉末を含む材料が挿入されていることを特徴とする光波形整形器。
【請求項２】
前記光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末、又は該光学結晶粉末を含む材料がそれぞれ液体に溶かされ、前記光学結晶粉末又は該光学結晶粉末を含む材料を溶け込んだ該液体が、前記中空部に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の光波形整形器。
【請求項３】
前記光学結晶粉末又は該光学結晶粉末を含む材料を溶かす前記液体が、ドデシル硫酸水溶液であることを特徴とする請求項２に記載の光波形整形器。
【請求項４】
前記光学結晶粉末又は該光学結晶粉末を含む材料を溶かす前記液体が、屈折率マッチング溶媒であることを特徴とする請求項２に記載の光波形整形器。
【請求項５】
前記中空部に光を閉じ込めるフォトニックバンドギャップ構造をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光波形整形器。
【請求項６】
光可飽和吸収特性を有する媒質を利用した光波形整形器であって、
２次元フォトニックバンドギャップ構造によって中空部に光を閉じ込めて伝搬する中空平面導波路を有し、
前記中空平面導波路の前記中空部に、光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末、又は該光学結晶粉末を含む材料と、該光学結晶粉末を内部に閉じ込めて固化する材料とが挿入され、該固化する材料により前記光学結晶粉末、又は該光学結晶粉末を含む材料が固化されていることを特徴とする光波形整形器。
【請求項７】
前記中空部へ入力される入力光信号の光パワーを調整する光パワー調整部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光波形整形器。
【請求項８】
前記光学結晶粉末が、光可飽和吸収特性を有する有機光学結晶粉末、カーボンナノチューブ、またはフラーレンのいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光波形整形器。
【請求項９】
光パラメトリック材料を利用した波長変換器と、
前記光パラメトリック材料から出力される波長変換光を入力光信号として入力する請求項１から８のいずれかに記載の光波形整形器と
を有し、光波長変換機能を備えたことを特徴とする光デバイス。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の光波形整形器と、
前記光波形整形器から出力される光信号を入力する光パラメトリック材料を利用した波長変換器と
を有し、光波長変換機能を備えたことを特徴とする光デバイス。
【請求項１１】
光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する請求項１から７のいずれかに記載の光波形整形器と、
第１の入力光を２つの光路に分波する光分波器と、
前記光分波器から出力される出力光の一方と新たな第２の入力光を合波し、両光を前記光波形整形器に入力する第１の光合波器と、
前記光波形整形器から出力される出力光と前記光分波器から出力される出力光の他方とを合波する第２の光合波器と
を有し、前記第２の入力光によって前記第１の入力光をスイッチする光―光スイッチ機能を備えたことを特徴とする光デバイス。
【請求項１２】
入力ポートから入力される第１の入力光を２つに分波して第１と第２の干渉計ポートに出力し、かつ該第１と第２の干渉計ポートから入力された光を合波して前記入力ポート若しくは出力ポートに出力する光合分波器と、
前記光合分波器の第１の干渉計ポートから出力される光と第２の入力光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの出力光を片端に入力し前記光合分波器の第２の干渉計ポートからの出力光を他端に入力し、これら光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する請求項１から７のいずれかに記載の光波形整形器と
を有し、前記第２の入力光によって前記第１の入力光をスイッチする光―光スイッチ機能を備えたことを特徴とする光デバイス。
【請求項１３】
入力光を２つの光路に分波する光分波器と、
前記光分波器からの一方の出力光を入力し、該光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する請求項１から７のいずれかに記載の光波形整形器と、
前記光波形整形器から出力された出力光と前記光分波器から出力された他方の出力光を合波する光合波器と
を有し、これらにより２つの光路を有する光干渉計を構成し、光波形整形機能を備えたことを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ネットワークにおけるノード等において利用され、光信号波形整形を行なう技術に関し、特に伝送損失補償用の光増幅器などにより雑音が付加された光信号を、電気信号に変換することなく光のまま整形する光波形整形器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信では、光信号が長距離伝搬すると、伝搬損失補償用の光増幅器などによって雑音が光信号に付加され、それにより信号光のスペースレベル／マークレベルの光パワー／位相揺らぎが増大し、信号品質を劣化させ、伝送距離を制限する。現状では、光増幅器などによって雑音が付加された光信号を一旦電気信号に変換して、その電気信号に対し電気回路を用いて信号品質を改善した後に、光信号に再び変換して光伝送する方法が採用されている。しかし、光信号が、ビットレートに無依存な特性や、光位相情報を保持し、光変調方式に無依存な特性や、多波長一括処理が可能な特性など、トランスペアレントな特性を有する観点から、光信号を電気信号に変換することなく、光のまま信号品質改善のための処理をする方法が従来から研究されている。
【０００３】
光のまま処理する方法として、光可飽和吸収特性を利用した光信号の雑音除去が試みられている。光可飽和吸収特性を有する材料は、入力光パワーが小さい領域では、吸収率が高い特性を示すため、雑音光成分の透過率に比較して信号光成分の透過率が高い。従って、光可飽和吸収特性を有する材料は、入力光パワーが低い領域では、出力光が小さく留まるような入出力特性となり、スペースレベルの雑音除去が可能である。従来では、このような雑音除去のために、光半導体増幅器の光非線形性を利用する方法が一般的であった。しかし、一般的な半導体増幅器の光非線形応答速度は高々数十ｐｓオーダーにとどまり、高速な信号には利用できないという点があった。また、半導体では複数の波長を入力すると、互いにクロストークが発生し、多波長信号には利用できないという点があった。
【０００４】
近年、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの有機光学結晶は、光可飽和吸収特性や光非線形特性などを有し、その高速応答性やインホモジニアスな特性から、光信号処理材料として注目を集めている。例えば、カーボンナノチューブの光可飽和吸収特性の応答速度は、２００ｆｓ（フェムト秒）と非常に高速であることが知られており（非特許文献１）、パルス幅１ｐｓ（ピコ秒）以下の光パルスを発生するモードロックレーザなどにも応用されている（非特許文献２）。また、そのような有機光学結晶の高速に応答する光処理機能を光ファイバ通信に応用しようとする試みがある（非特許文献３）。
【０００５】
【非特許文献１】A. Hagen, et al. “Electronic structure and dynamics of optically excited single-wall carbon nanotubes,”  Appl. Phys. A 78, p.1137-1145  2004.
【非特許文献２】S. Y. Set, et al. “Mode-locked fiber laser based on a saturable absorber incorporating carbon nanotubes,” OFC2003, PD44-1 -  PD44-3.
【非特許文献３】Y. Sakakibara, et al. “Carbon nanotube-polymer composite saturable absorber for ASE noise suppression in optical amplifiers,” ECOC2003, PD. p.52-53.
【非特許文献４】B.J.Mangan, “Low loss (1.7dB/Km) hollow core photonic bandgap fiber,” OFC2004, PDP24.
【非特許文献５】“Macroscopic Fibers and Ribbons of oriented Carbon Nanotube,”  Science 290(2000), p.1331
【非特許文献６】C.Stanciu, “Experimental and theoretical study of third-order harmonic generation in carbon nanotubes,” Appl, Phys. Lett, Vol.81, No.21, p.4064, 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、単層カーボンナノチューブを薄膜状に堆積させたデバイスの光可飽和吸収特性を利用して、光雑音を除去した従来例では、十分な非線形応答特性が得られず、信号光成分と雑音光成分の透過率比が１〜２ｄＢに留まっている。また、その従来例では、光可飽和吸収機能を発現させるためにＷ（ワット）級のピーク光パワーを必要としており、そのため、その従来例を信号光パワー数十ｍＷ以下の特性の現在の光通信系に適用するのが困難である。その１つの原因として、有機光学結晶は粉末状であるため、有機光学結晶の粉末と光信号との相互作用長を長くとることが出来なかったことが挙げられる。カーボンナノチューブ粉末を層状に固めたバルク材料も提案されているが、相互作用長は高々１ｍｍ以下であった。
【０００７】
本発明は、以上述べたように過飽和吸収特性や光非線形特性を有するカーボンナノチューブ等を光信号処理材料とした場合に、従来は十分な雑音除去ができなかった点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、相互作用長を長尺化し、雑音光と信号光の吸収率の差分を増大させ、十分な非線形応答特性を引き出すこと、また、低パワーでも光可飽和吸収機能を利用できるようにした光波形整形器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の光可飽和吸収特性を有する媒質を利用した光波形整形器の第１の態様は、中空部を光が伝搬する中空ファイバのその中空部に、光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末、又はその光学結晶粉末を含む材料が挿入されていることを特徴とする。
【０００９】
ここで、好ましくは、上記光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末、又はその光学結晶粉末を含む材料がそれぞれ液体に溶かされ、その光学結晶粉末又はその光学結晶粉末を含む材料を溶け込んだその液体が、上記中空部に挿入されている、とすることができる。
【００１０】
また、好ましくは、上記光学結晶粉末又はその光学結晶粉末を含む材料を溶かす上記液体が、ドデシル硫酸水溶液である、とすることができる。
【００１１】
また、好ましくは、上記光学結晶粉末又はその光学結晶粉末を含む材料を溶かす上記液体が、屈折率マッチング溶媒である、とすることができる。
【００１２】
また、好ましくは、上記中空部に光を閉じ込めるフォトニックバンドギャップ構造をさらに有する、とすることができる。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の光可飽和吸収特性を有する媒質を利用した光波形整形器の第２の態様は、２次元フォトニックバンドギャップ構造によって中空部に光を閉じ込めて伝搬する中空平面導波路を有し、その中空平面導波路の上記中空部に、光可飽和吸収特性を有する光学結晶粉末、又はその光学結晶粉末を含む材料と、その光学結晶粉末を内部に閉じ込めて固化する材料とが挿入され、その固化する材料により光学結晶粉末、又はその光学結晶粉末を含む材料が固化されていることを特徴とする。
【００１４】
ここで、好ましくは、上記中空部へ入力される入力光信号の光パワーを調整する光パワー調整部をさらに備えた、とすることができる。
【００１５】
また、好ましくは、上記光学結晶粉末が、光可飽和吸収特性を有する有機光学結晶粉末、カーボンナノチューブ、またはフラーレンのいずれかである、とすることができる。
また、本発明は、光パラメトリック材料を利用した波長変換器と、その光パラメトリック材料から出力される波長変換光を入力光信号として入力する上記の光波形整形器とを有し、光波長変換機能を備えた光デバイスを特徴とすることができる。
【００１６】
また、本発明は、上記の光波形整形器と、その光波形整形器から出力される光信号を入力する光パラメトリック材料を利用した波長変換器とを有し、光波長変換機能を備えたことを特徴とする光デバイスとすることができる。
【００１７】
また、本発明は、光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する上記の光波形整形器と、第１の入力光を２つの光路に分波する光分波器と、その光分波器から出力される出力光の一方と新たな第２の入力光を合波し、両光を上記の光波形整形器に入力する第１の光合波器と、上記の光波形整形器から出力される出力光と上記の光分波器から出力される出力光の他方とを合波する第２の光合波器とを有し、第２の入力光によって第１の入力光をスイッチする光―光スイッチ機能を備えたことを特徴とする光デバイスとすることができる。
【００１８】
また、本発明は、入力ポートから入力される第１の入力光を２つに分波して第１と第２の干渉計ポートに出力し、かつ第１と第２の干渉計ポートから入力された光を合波して入力ポート若しくは出力ポートに出力する光合分波器と、光合分波器の第１の干渉計ポートから出力される光と第２の入力光とを合波する光合波器と、光合波器からの出力光を片端に入力し光合分波器の第２の干渉計ポートからの出力光を他端に入力し、これら光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する上記の光波形整形器とを有し、第２入力光によって第１の入力光をスイッチする光―光スイッチ機能を備えたことを特徴とする光デバイスとすることができる。
【００１９】
また、本発明は、入力光を２つの光路に分波する光分波器と、光分波器からの一方の出力光を入力し、光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する上記の光波形整形器と、光波形整形器から出力された出力光と光分波器から出力された他方の出力光を合波する光合波器とを有し、これらにより２つの光路を有する光干渉計を構成し、光波形整形機能を備えたことを特徴とする光デバイスとすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
上記構成により、本発明によれば、カーボンナノチューブやフラーレンなどの微細な結晶粉末と信号光の相互作用長を長尺化し、それらが有する光可飽和吸収特性や光非線形特性を高めることができ、波形整形効果を高めることが可能になる。また、本発明によれば、光密度を高めることもでき、動作パワーの低減も可能となる利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
信号光成分と雑音光成分の透過率比を増大させるためには、カーボンナノチューブやフラーレンなどの光可飽和吸収結晶の粉末と信号光の相互作用長を長尺化する方法が挙げられる。しかし、カーボンナノチューブやフラーレンを導波路状に形成することは不可能であった。近年、フォトニックバンドギャップ構造を利用することで、中空部に光を閉じ込めることが可能になり、光が中空部分を導波する中空フォトニック結晶ファイバが開発されている（非特許文献４）。本発明の第１の実施形態では、この中空フォトニック結晶ファイバを利用することで、光の集光度を保持したまま相互作用長を長尺化でき、信号光成分と雑音光成分の透過率比を増大することができる光波形整形器を実現している。
【００２２】
すなわち、図１に示すように、本実施形態の光波形整形器は、中空フォトニック結晶ファイバ１０１の中空部１０３に、光可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブ、フラーレンなどの粉末状の有機光学結晶１０５を挿入し、その挿入した粉末状の有機光学結晶１０５に光信号を導波させる。この構成により、本光波形整形器によれば、任意の相互作用長が得られる。ただし、このとき、カーボンナノチューブなどの有機光学結晶の粉末１０５の粒子サイズが、光の波長オーダーよりも大きい場合には、その粉末による光散乱が原因となり、信号光の導波損失が大きくなる。相互作用長をより長尺化するためにはこの点を解決する必要があり、粉末粒子サイズを信号光の波長オーダー以下にする必要がある。このため本実施形態では、溶剤としてドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）水溶液１０７を用いている。
【００２３】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は放電などで作製されるが、放電などで得られるＣＮＴは複数のＣＮＴが絡まったコロイド状態にあり、そのままでは粒子サイズが大きく光散乱損失が大きい。複数の絡まったＣＮＴをばらばらに分離し、単体に近い状態のＣＮＴにするために、適当な濃度のドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）水溶液１０７に単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）１０５を溶かし、これに超音波を当てる。このようにすると、ＳＤＳ１０７が表面活性剤として働き、ＳＷＮＴ１０５を単体に近い状態に分離させることができる（非特許文献５）。また、ＳＤＳ水溶液１０７では長時間に渡り、安定にＳＷＮＴ１０５が単体に近い状態を保持できる。図１に示すように、このように処理したＳＷＮＴのＳＤＳ水溶液を中空ファイバの中空部１０３に満たすことで、ＳＷＮＴ粒子による光散乱損失を低減した光可飽和吸収ファイバ１０１が実現できる。
【００２４】
ＳＤＳ水溶液以外の溶液でも、粘性の低い溶液であればＣＮＴ溶液１０７として中空フォトニック結晶ファイバの中空部１０３に挿入できる。例えば、g-butyrolactone（ｇ−ブチロラクトン）溶液にＣＮＴを浮游させて、超音波で束になったＣＮＴを分離し、さらに、その得られら液体とポリイミド樹脂のg-butyrolactone溶液とを混合した液体を、ファイバの中空部１０３に注入すれば、上記と同様な作用効果が得られる。
【００２５】
また、ＣＮＴの分子構造を溶液に溶けやすい構造にし、そのＣＮＴ溶液を中空ファイバの中空部１０３に挿入する方法もある。例えば、ＣＮＴを、poly(N-vinylcarbazole：N-ビニールカルバゾール)−多層ＣＮＴや、polybutadiene（ポリブタジエン）-多層ＣＮＴといった構造に合成すれば、これらは、それぞれtetrahydrofuran （テロラヒドロフラン）やodichlorobenzene（オーディクロロベンゼン）に溶解され、ＣＮＴ溶液が得られる。これらの合成ＣＮＴの光応答が、光可飽和吸収特性などの光非線形特性を保持することも実験により確認されている。
【００２６】
また、中空フォトニック結晶ファイバ１０１の中空部１０３へ上記のようなＣＮＴ溶液を注入後に、徐々に不要な溶液を蒸発させる方法も、本実施形態として採用できる。
【００２７】
また、図２に示すように、複数のＣＮＴが纏まって粒子サイズが波長オーダーのＳＷＮＴ粉末２０５を直接用いる場合には、このＳＷＮＴ粉末２０５をＣＮＴと屈折率が近い屈折率マッチング溶媒２０７に溶かし、そのＣＮＴを含む溶媒を中空ファイバ１０１の中空部１０３に満たすことで、光散乱損失を低減することができる。
【００２８】
さらに、中空フォトニック結晶ファイバのコアに溶媒を挿入するため、図２に示すように、溶媒の屈折率を考慮した中空フォトニック結晶ファイバのクラッド構造（フォトニックバンドギャップ構造）２０１を設計すると好ましい。ただし、液体の屈折率がクラッド材料の屈折率よりも高い場合には、フォトニック結晶構造によって光を閉じ込める必要がない場合もあり、フォトニック結晶構造を有しないような中空ファイバを利用してもよい。
【００２９】
本実施形態によれば、上記のように、中空ファイバ１０１を用いて信号光とＳＷＮＴ１０５（または２０５）との相互作用長を長くすることで、信号光成分と雑音光成分の透過率比を増大させることができ、より効率的に雑音光を除去できるようになる。以下にその相互作用長の長尺化による信号光成分と雑音光成分の透過率比改善効果を見積もる。
【００３０】
まず、図３の（ａ）に示すような信号光のビーム断面３０１、およびカーボンナノチューブの実効的な吸収断面３０３を仮定するモデルを用いる。ここで、カーボンナノチューブの実効吸収断面３０３の断面積は、光伝搬方向全体に渡る各カーボンナノチューブによる吸収率ビーム断面積に対する面積比で表現したものであり、その断面を透過する信号光はカーボンナノチューブによって吸収される。従来例のように、厚さ１μｍのカーボンナノチューブ堆積膜では、入力パワーが小さい場合の透過率Ｔ０＝７０％から、吸収断面３０３の断面積は光ビーム断面積３０１の１−Ｔ０＝３０％程度と推定される。光強度が低い場合の透過率は上記のようにＴ０＝７０％であるが、光強度を増大していった極限の透過率はＴ∞＝１００％に漸近する。従って、このモデルから導かれる透過率の入力光パワー依存性は、図４のモデルＡの曲線に表されるような特性になる。
【００３１】
一方、中空ファイバ１０１により相互作用長を長尺化した場合には、図３の（ｂ）に示すようなモデルとなり、適当な相互作用長を設定することで低パワー領域では吸収率が１００％、つまり、透過率０％に近づけることができる。この場合も、光強度を増大していった極限では吸収率０％に漸近するので、透過率の信号光パワー依存性は図４のモデルＢの曲線に表されるような特性になる。
【００３２】
図４の２つの曲線Ａ，Ｂを比較すると、本発明に係わる曲線Ｂの方が、信号光成分と雑音光成分の透過率比が大きく改善し、導波路長が１０ｍｍでは低パワーの透過率Ｔ０＝１％となることが分かる。従って、本発明により、信号光パワーが十分大きい領域では、信号光成分と雑音光成分の透過率比ＴＲ＝１．５ｄＢ程度からＴＲ＝２０ｄＢ程度まで７０倍程度改善する。ここで、中空ファイバ中のＣＮＴ体積密度は、ＣＮＴ堆積膜のそれと比較して１０００分の１と仮定した。
【００３３】
また、光可飽和吸収現象が発現する光パワーを低減するためには、コア径の非常に小さい中空ファイバを利用して光強度密度を増大させればよい。１μｍ程度のコア径の中空ファイバを利用した場合には、信号光の光ピークパワーは、８０Ｗから０．８Ｗ程度まで低減可能である。
【００３４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、図５に示すように、上述の本発明の第１実施形態で得られた図１または図２に示したようなＳＷＮＴ１０５（または２０５）が挿入された中空ファイバ（以下、ＳＷＮＴファイバと称する）１０１を、パラメトリック波長変換器５０１と組み合わせて利用する場合の構成を例示する。パラメトリック波長変換器５０１には、光ファイバを利用するものがあるが、更に、近年開発が進んでいる擬似位相整合ニオブ酸リチウム導波路を用いるものなどがある。パラメトリック波長変換は、光可飽和吸収体と同様に、信号光ビットレートに無依存な特性、光位相情報を保持し、信号光変調方式に無依存な特性、多波長信号光の一括処理が可能な特性などのトランスペアレントな特性を有する。従って、光可飽和吸収体とパラメトリック波長変換の両者を組み合わせて利用する場合にもトランスペアレントな特性を保持する。
【００３５】
さらに、パラメトリック波長変換は、入力信号光のパワーレベルの増大に伴い、変換効率が低下するため、図６に示すような、入力−出力特性を示す。従って、パラメトリック波長変換は、波長変換機能に加え、信号光のマークレベルの雑音成分を除去する機能も有する。ＳＷＮＴなどの光可飽和吸収材料１０５はスペースレベルの雑音光を除去する機能を有するため、ＳＷＮＴファイバ１０１とパラトメリック波長変換器５０１とを、図５に示すように組み合わせることで、スペースレベル／マークレベルの両方の雑音を除去できる。
【００３６】
更に、パラトメリック波長変換器５０１からの出力光をＳＷＮＴファイバ１０１への入力光パワーとして適当な値にするために、図５に示すような光増幅器、もしくは、光減衰器５０３が必要になるが、そのパラトメリック波長変換器５０１が出力光の光パワー調整機能を持つ場合には、光増幅器／光減衰器などの光パワー調整部は不要となる。
【００３７】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、前述の本発明の第１の実施形態で示した有機結晶を中空ファイバに挿入した光導波路を、光カー効果を利用した光ゲート、あるいは四光波混合を利用した波長変換などに利用する場合の構成を例示する。ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）は３次光非線形応答特性を有することが発見されており（非特許文献６）、このような応用が可能である。
【００３８】
図７は、本発明によるＳＷＮＴファイバ１０１の光カー効果を利用した光ゲート（光−光スイッチ）の構成図である。同図に示すように、５０：５０光カプラ（光合分波器）７０１が設けられている。この光カプラ７０１は、入力ポートから入力される連続光（第１の入力光）を２つに分波して２つの第１と第２の干渉計ポートに出力し、かつ２つの第１と第２の干渉計ポートから入力された光を合波して入力ポート若しくは出力ポートに出力する。ＳＷＮＴファイバ１０１に両側から５０：５０光カプラ（光合分波器）７０１を介して連続光が入射され、さらに、一方側からは別の光カプラ（光合波器）７０３を介して信号光（第２の入力光）も入力される。その連続光は、ＳＷＮＴファイバ１０１を透過して、再び５０：５０光カプラ７０１に入射されるが、信号光が入射されない状況では、５０：５０光カプラ７０１で合波された光は連続光入力側７０５に出射されるように光ループ７０９の光路長（光ループ長）を調節してある。
【００３９】
以上の構成で、信号光がＳＷＮＴファイバ１０１に入力されると、ＳＷＮＴファイバ１０１の３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化する。右回りの連続光はその屈折率の変化の影響により位相の変化を受けるが、左回りの連続光は影響を受けないため、両者の光位相関係が変化し、５０：５０カプラ７０１で合波された際に、連続光が出力ポート７０７に出力される。従って、信号光が入力された時のみ、連続光が出力ポート７０７に出力されるため、図７の構成の光学装置は、光−光スイッチとして動作する。
【００４０】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、光可飽和特性を有する光学結晶粉末、例えばＳＷＮＴ（単層カーボンナノチューブ）を用いて平面導波路を形成する場合の構成を例示する。図８に示すように、面の横方向（水平方向）には２次元フォトニックバンドギャップ構造８０１によって光閉じ込め効果が得られ、面の縦方向（垂直方向）には屈折率差によって光閉じ込め効果が得られる２次元フォトニック結晶導波路８０３を作成しておき、その２次元フォトニック結晶導波路８０３内に、ＳＷＮＴやフラーレンといった有機光学結晶粉末８０５と、紫外線硬化樹脂、あるいは熱硬化樹脂などの固化剤８０７を注入し、次いでこれらを紫外線照射や加熱などにより固化させて、ＳＷＮＴを含む平面導波路８００を形成する。このような工程により作製された平面導波路８００の信号光成分と雑音光成分の透過率比は、前述の第１の実施形態の中空ファイバ型光波形整形器と同等程度改善する。
【００４１】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態として、前述の第１〜第４の実施形態において用いたＳＷＮＴを多層カーボンナノチューブやフラーレンなどの有機光学結晶で置き換えることができる。多層カーボンナノチューブやフラーレンも光可飽和吸収特性や光非線形性を有することが指摘されており、第１〜第４の実施形態と同様な効果が得られる。
【００４２】
（第６の実施形態）
図５で示した第２の実施形態では、光パラメトリック材料を利用した波長変換器の出力側に光波形整形器が接続されているが、本発明の第６の実施形態として、光波形整形器の出力側に光パラメトリック材料を利用した波長変換器を接続させた構成でも同様な光変調効果が得られる。  
【００４３】
（第７の実施形態）
図９は本発明の第７の実施形態の構成を示すが、図７で示した第３の実施形態の構成の変形例の一つを示す。この光デバイスは、ＳＷＮＴファイバ１０１の光カー効果を利用した光―光スイッチとして機能し、上記と同様に光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生し、その屈折率が変化するＳＷＮＴファイバ１０１と、第１の入力光（連続光）を２つの光路に分波する光分波器９０１と、その光分波器９０１から出力される出力光の一方と新たな第２の入力光（信号光）を合波し、両光をＳＷＮＴファイバ１０１に入力する第１の光合波器７０３と、ＳＷＮＴファイバ１０１から出力される出力光と光分波器７０３から出力される出力光の他方とを合波する第２の光合波器９０３とを有する構成をしている。
【００４４】
図７の第３の実施形態では、光ループ型の干渉計であったが、本実施形態では標準的なマイケルソン型の構成である。ＳＷＮＴファイバ１０１が含まれる光路では、第２の入力光の有無によって光カー効果を介した屈折率変化が生じるが、ＳＷＮＴファイバ１０１のない光路では発生しない。従って、第１の入力光の両光路の位相関係が変化し、出力光をスイッチでき、光―光スイッチとして動作する。
【００４５】
（第８の実施形態）
図１０は本発明の第８の実施形態の構成を示すが、図７で示した第３の実施形態の構成の他の変形例を示す。この光デバイスは、ＳＷＮＴファイバ１０１の光カー効果を利用して、入力光の光波形整形を実現する構成例であり、入力光を２つの光路に分波する光分波器９０１と、光分波器９０１からの一方の出力光を入力し、光が入力されると３次光非線形効果による光カー効果が発生しその屈折率が変化するＳＷＮＴファイバ１０１と、ＳＷＮＴファイバ１０１から出力された出力光と光分波器９０３から出力された他方の出力光を合波する光合波器９０３とを有し、これらにより２つの光路を有する光干渉計を構成する。
【００４６】
さらに、上記の第３の実施形態と同じく、本実施形態でも、入力光が非常に小さい場合には出力ポートに光が透過しないように干渉計の２つの光路の位相差を調節しておく。入力光がＳＷＮＴファイバ１０１に入力されると、光カー効果によりその屈折率が変化し、２つの光路の位相差が変化し、出力ポートへ出力される。つまり、光が小さい場合には透過率が低く、光が大きい場合には透過率が高くなる特性を有する回路となっている。これは、雑音光はカットされ、信号光のみ透過する光回路として機能するので、この光デバイスは光波形整形器として動作する。
【００４７】
（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、それらの実施形態の組み合わせは勿論のこと、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態における光波形整形器の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における光波形整形器の構成の変形例を示す模式的斜視図である。
【図３】（ａ）は比較のため従来例の厚さ１μｍのカーボンナノチューブ堆積膜による相互作用長が短いモデルＡの信号光ビーム断面に対する実効吸収断面の割合を示す模式的断面図であり、（ｂ）は本発明の中空ファイバにより相互作用長を長尺化したモデルＢの信号光ビーム断面に対する実効吸収断面の割合を示す模式的断面図である。
【図４】図３のモデルＡとモデルＢの入力光パワーに対する透過率の関係を示す特性グラフ図である。
【図５】本発明の第２の実施形態おける本発明の光波形整形器を用いた波長変換装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態おけるパラメトリック波長変換による入力信号光パワーに対する出力光パワーの関係を示す特性グラフ図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における本発明のＳＷＮＴファイバの光カー効果を利用した光ゲートの構成を示す回路図である。
【図８】本発明の第４の実施形態における、光可飽和特性を有する光学結晶粉を用いて平面導波路を形成する場合の構成を示す模式的斜視図である。
【図９】本発明の第７の実施形態における本発明のＳＷＮＴファイバの光カー効果を利用した光―光スイッチの構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態における本発明のＳＷＮＴファイバの光カー効果を利用した光デバイスの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０１  中空フォトニック結晶ファイバ（光波長整形器）
１０３  中空部
１０５  光可飽和吸収特性を有する粉末状の有機光学結晶（例えば、ＳＷＮＴ）
１０７  液体（例えば、ドデシル硫酸ナトリウム水溶液）
２０１  フォトニックバンドギャップ構造
２０５  カーボンナノチューブ粉末
２０７  屈折率マッチング溶媒
３０１  信号光のビーム断面積
３０３  吸収断面積
５０１  パラメトリック波長変換器
５０３  光増幅器／光減衰器（光パワー調整部）
７０１  ５０：５０光カプラ
７０３  光カプラ
７０５  入力ポート
７０７  出力ポート
７０９  光ループ
８００  固化した有機光学結晶粉末を含む平面導波路（光波長整形器）
８０１  ２次元フォトニックバンドギャップ構造
８０３  ２次元フォトニック結晶導波路（中空部）
８０５  ＳＷＮＴやフラーレンといった有機光学結晶粉末
８０７  紫外線硬化樹脂、あるいは熱硬化樹脂などの固化剤
９０１  光分波器
９０３  光合波器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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