(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号とフィードバックされた光信号を入射する、エルビウム元素を含有し、励起光により光増幅作用を発揮する前段光透過媒体と、
前記前段光透過媒体により光増幅された光信号のみを入射する、エルビウム元素を含有し光反転作用を発揮する後段光透過媒体と、
前記後段光透過媒体により光反転された光信号の一部を前記前段光透過媒体にフィードバックするフィードバック光路と、
を備え、
前記後段光透過媒体の透過光の残部を出力光とすることを特徴とする光演算増幅素子。
【請求項２】
請求項１において、当該光演算増幅素子への入射光は、複数の光信号であることを特徴とする光演算増幅素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光演算増幅素子、詳しくは、高度情報処理が可能な光通信、光画像処理、光コンピュータ、光計測等の光エレクトロニクスに好適な光演算増幅素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光エレクトロニクスにおいて、光通信分野では、ＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバアンプ）を用いて光通信波長帯（１．５μｍ帯）の光信号の増幅を行い、長距離を電気的な増幅器なしに光信号を伝播させて高度な情報伝達を行っている。
【０００３】
一方、結晶、ガラス、溶液といった透明母材に希土類元素のＥｒ（エルビウム）を含有した試料で、負性非線形吸収効果（Negative Nonliner Absorption（ＮＮＡ）effect；i.e.,Maeda effect ）が見出された（例えば、Applied Physics Letters 誌、７２巻、３９５〜３９７頁、Yoshinobu Maeda 著、All-optical inverter operating over a temperature range of 15-1400K in erbium-doped  lutetium aluminum garnet ）。この負性非線形吸収効果は、入射光強度の増加及び減少に対して、透過光強度が逆に減少及び増加する現象、換言すると、光入出力特性が負性を示す現象であり、この負性非線形吸収効果による光反転作用により、ＮＯＴ論理動作（インバータ動作）を得ることができる。なお、この現象は、Ｅｒ3+のエネルギー準位構造における多準位系の励起吸収によるもので、入射光波長０．８μｍ帯及び１．５μｍ帯においてその発現が確認されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のようなエルビウム元素を含有し光増幅作用を発揮する光素子又は半導体レーザーと、同じくエルビウム元素を含有し光反転作用を発揮する光素子とを結合させ、光信号の演算及び増幅をする光演算増幅素子を提供することを主な目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による光演算増幅素子は、光信号とフィードバックされた光信号を入射する、エルビウム元素を含有し、励起光により光増幅作用を発揮する前段光透過媒体と、前記前段光透過媒体により光増幅された光信号のみを入射する、エルビウム元素を含有し光反転作用を発揮する後段光透過媒体と、前記後段光透過媒体により光反転された光信号の一部を前記前段光透過媒体にフィードバックするフィードバック光路と、を備え、前記後段光透過媒体の透過光の残部を出力光とすることを特徴とする。
【０００７】
また、当該光演算増幅素子への入射光は、複数の光信号とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態を示す光演算増幅素子に対する実験装置の概略構成図を示す。
【００１０】
図１において、実験装置は、光信号発生部１と光演算増幅素子２と測定部３とを備えている。
【００１１】
光信号発生部１は、光源として波長可変半導体レーザー４を用い、シグナルジェネレーター５と光変調器６による強度変調によって、波長１．５μｍ帯の矩形波を得るよう構成した。ここで、変調度は約４０％とした。
【００１２】
光演算増幅素子２は、光信号発生部１の出力側に配され、波長１．５μｍ帯の光信号の光路７上に、光増幅作用を発揮するＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバアンプ）８と、波長可変フィルタ９と、光反転作用を発揮するＥｒ：ＹＡＧ結晶（Ｅｒx Ｙ1-x ）3 Ａｌ5 Ｏ12，ｘ：Ｅｒ組成比）１０と、光学系レンズ１１、１２とを配し、Ｅｒ：ＹＡＧ結晶１０の透過光の一部を光カプラ１３、フィードバック光路１４及び光カプラ１５を順に介してＥＤＦＡ８の入射光側にフィードバックするように構成した。ここで、波長可変フィルタ９は半値幅１ｎｍのものを用いた。また、透過光のフィードバック量は約１０％とした。
【００１３】
測定部３は、光演算増幅素子２の入射光と透過光の各強度を電気的に測定するものであり、入射光に対しては、光信号発生部１の強度変調光を光カプラ１６によって二分し、その一方をフォトダイオード１７で検出してオシロスコープ１８で観測できるようにし、また、透過光に対しては、光演算増幅素子２の透過光をフォトダイオード１９で検出してオシロスコープ１８で観測できるよう構成した。
【００１４】
図２は、測定結果の一例を示す。なお、入射光及び透過光の変調度Ｍ及びＭ’は、Ｍ（Ｍ’）＝｛（Ｅ1 −Ｅ2 ）／（Ｅ1 ＋Ｅ2 ）｝×１００（％）と定義した。
【００１５】
図３は、Ｅｒ：ＹＡＧ結晶１０のＥｒドープ量（Ｅｒ：ＹＡＧ結晶１０の長さ（ｍｍ) ×Ｅｒ組成比）を変化させて光演算増幅素子２の透過光変調度を測定した結果を示し、図３（ａ）は、図１に示したようなフィードバックをかけた場合の測定結果、図３（ｂ）は、フィードバックをかけなかった場合の測定結果である。なお、透過光変調度が負の値となっている部分は、ＮＮＡ効果によって波形が反転していることを示している。
【００１６】
図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すると明らかなように、フィードバックをかけたことによってＥｒドープ量の小さいＥｒ：ＹＡＧ結晶１０においても、ＮＮＡ効果の発現を確認でき、さらに、フィードバックをかけない場合よりも大きな透過光変調度が得られることが分かる。
【００１７】
図４は、長さ０．５ｍｍ、Ｅｒ組成比ｘ＝０．５のＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を用いた場合のＮＮＡ効果の入射光波長依存性を示す。
【００１８】
図４から明らかなように、フィードバックをかけた場合、広い範囲の入射光波長において反転波形が生じることが分かる。一方、フィードバックをかけない場合、波長１５３２．５ｎｍ以外では、反転波形が生じないことが分かる。
【００１９】
図５は、長さ０．２５ｍｍ、Ｅｒ組成比ｘ＝０．５のＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を用いた場合のＮＮＡ効果のＥＤＦＡ８利得依存性を示す。
【００２０】
図５から明らかなように、フィードバックをかけた場合、ＥＤＦＡ利得が２５ｄＢを越えたあたりから急激に透過光変調度が増加し、約２７ｄＢで最大となり、それ以降は減少することが分かる。一方、フィードバックをかけない場合、フィードバックをかけた場合と同様約２７ｄＢあたりから透過光変調度が減少する傾向があるが、フィードバックをかけた場合のような急激な変化はなく、ほぼ一定の値を示すことが分かる。
【００２１】
以上の実験結果から、フィードバックをかけることによって、フィードバックをかけない場合よりも変調度の高い光演算増幅素子２を得ることが判明した。なお、このような結果は、フィードバックによって光が何回もＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を透過することによる増強効果によるものであると推察される。また、Ｅｒドープ量の小さいＥｒ：ＹＡＧ結晶１０であっても、ＮＮＡ効果が発現することが判明した。また、図５における約２７ｄＢ以降の透過光強度の減少は、増速吸収（ＮＮＡ効果）の飽和により生じると考えられる。
【００２２】
図６は、図１に示す光演算増幅素子２の入射光（入力）を、二つの同期のとれた周波数の異なる光を合波させた光に設定した場合の実験装置の概略構成図を示す。
【００２３】
図６に示す光信号発生部１おいて、波長可変半導体レーザー４Ａと光変調器６Ａは、二つの周波数のうちの一方の周波数の光（入力１）を発生させる部分であり、他の波長可変半導体レーザー４Ｂと光変調器６Ｂは、他方の周波数の光（入力２）を発生する部分であり、光カプラ１６は、これら二つの光を合波（入力１＋２）して光演算増幅素子２に入射させる。
【００２４】
図７（ａ）は、周波数１００Ｈｚと５００Ｈｚの光を用い、かつ、長さ０．２５ｍｍ、Ｅｒ組成比ｘ＝０．５のＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を用いた場合の光スイッチング特性、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す電気的結果を光強度へ換算した結果を示す。
【００２５】
図７（ａ）から明らかなように、光演算増幅素子２は、入力１、入力２がともにローレベルであるときのみ出力がハイレベルになり、ＮＯＲ論理動作をすることが分かる。また、図７（ｂ）から、入力光強度に対する出力光強度が２桁ほど増幅されていることが分かる。
【００２６】
図７に示した実験結果から、波長１．５μｍ帯の光信号の演算（ＮＯＲ論理）及び増幅作用（約２０ｄＢ）を有する光演算増幅素子（光オペアンプ）が実現する。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態による光演算増幅素子２は、信号光路７上に、エルビウム元素を含有し光増幅作用及び光反転作用を発揮する光透過媒体８、１０を配するとともに、光透過媒体８、１０の透過光の一部を入射光側にフィードバックするフィードバック光路１４を設けており、これにより、光信号を演算及び増幅する光演算増幅素子を得ることができる。
【００２８】
また、光透過媒体８、１０への入射光を、複数の同期のとれた周波数の異なる光を合波させた光に設定すると、光演算増幅素子２は、演算（ＮＯＲ論理）及び増幅作用をするようになる。
【００２９】
図８は、図１の光透過媒体１０のＥｒ：ＹＡＧ結晶の代わりに、５３００ｐｐｍのＥｒドープファイバを用いた場合の入射光波長依存性の実験結果を示す。なお、入射光の変調度は約１０％を用いた。
【００３０】
図８より、１５２５ｎｍから１５５０ｎｍの広い波長範囲で光反転作用が発揮されていることが分かる。これは、ガラス母材の方が結晶よりもＥｒの吸収スペクトルが広くなる効果である。また、ファイバを用いた場合、光演算増幅素子が全てファイバで構成可能となる。
【００３１】
図９は、光増幅作用及び光反転作用を発揮する光透過媒体として半導体レーザー２１及びＥｒドープガラス２２を用い、フィードバック光路を共振器ミラー２３、２４で構成した光演算増幅素子の概略構成図を示す。
【００３２】
半導体レーザー２１は、波長を１５３３ｎｍに固定したＧａＩｎＡｓＰ系半導体のＤＦＢレーザーであり、Ｅｒドープガラス２２は、１０ｍｏｌ％Ｅｒ含有ほう珪酸ガラス（厚さ０．２ｍｍ）を用い、共振器ミラーは一方（２３）を１００％反射、他方の出力を取り出す方（２４）を９０％反射する構成とした。
【００３３】
図１０は、その実験結果の一例を示す。図１０において、（ａ）は透過光波形、（ｂ）は入射光波形を示し、透過光が入射光に対して反転して約５倍の信号増幅が得られた。
【００３４】
なお、上述した実施形態では、光演算増幅素子の入射光を光信号としたが、画像信号でも同様に適用できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によると、光信号を演算及び増幅する光演算増幅素子を得ることができ、また、光透過媒体への入射光を、複数の異なる光を合波させた光に設定することにより、演算（ＮＯＲ論理）及び増幅作用をすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す光演算増幅素子に対する実験装置の概略構成図である。
【図２】測定結果の一例を示す図である。
【図３】Ｅｒ：ＹＡＧ結晶１０のＥｒドープ量（Ｅｒ：ＹＡＧ結晶１０の長さ（ｍｍ) ×Ｅｒ組成比）を変化させて光演算増幅素子２の透過光変調度を測定した結果を示す図である。
【図４】長さ０．５ｍｍ、Ｅｒ組成比ｘ＝０．５のＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を用いた場合の光演算増幅素子２の透過光変調度の入射光波長依存性を示す図である。
【図５】長さ０．２５ｍｍ、Ｅｒ組成比ｘ＝０．５のＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を用いた場合の光演算増幅素子２のＥＤＦＡ利得依存性を示す図である。
【図６】図１に示す光演算増幅素子２の入射光（入力）を、二つの同期のとれた周波数の異なる光を合波させた光に設定した場合の実験装置の概略構成図である。
【図７】図７（ａ）は、周波数１００Ｈｚと５００Ｈｚの光信号を用い、かつ、長さ０．２５ｍｍ、Ｅｒ組成比ｘ＝０．５のＥｒ：ＹＡＧ結晶１０を用いた場合の光スイッチング特性、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す電気的測定結果を光強度へ換算した結果を示す図である。
【図８】光演算増幅素子の他の実施形態による実験結果を示す図である。
【図９】光演算増幅素子のさらに他の実施形態の概略構成図である。
【図１０】その実験結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
２    光演算増幅素子
７    信号光路
８    ＥＤＦＡ（励起光により光増幅作用を発揮する前段光透過媒体）
１０    Ｅｒ：ＹＡＧ結晶、Ｅｒドープファイバ（光反転作用を発揮する後段光透過媒体）
１４    フィードバック光路
２１    半導体レーザー
２２    Ｅｒドープガラス（光反転作用を発揮する光透過媒体）
２３、２４    共振器ミラー（光共振器）
【図１】
0003806800.tif 000002
【図２】
0003806800.tif 000003
【図３】
0003806800.tif 000004
【図４】
0003806800.tif 000005
【図５】
0003806800.tif 000006
【図６】
0003806800.tif 000007
【図７】
0003806800.tif 000008
【図８】
0003806800.tif 000009
【図９】
0003806800.tif 000010
【図１０】
0003806800.tif 000011