JP2003075789A

JP2003075789A - １８０度分極反転による光制御素子

Info

Publication number: JP2003075789A
Application number: JP2001268104A
Authority: JP
Inventors: Shiro Shichijo; 司朗七条
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、光ビームの偏光状態を高速で
正確に制御でき、かつ、光ビームを所定の強度で所定の
偏光状態に移行できる電気光学効果を用いた光制御素
子、例えば波長フィルタ、光強度変調器等を提供するこ
とにある。【構成】強誘電性基板中に所定形状に形成された周期的
１８０度分極反転ドメイン領域を有し、前期強誘電体基
板に一定電界を印加し、強誘電体基板の温度を変化させ
ることによりフィルタ特性を可変にすることを特徴とす
る光制御素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学素子に関
し、特に電気光学効果を利用して光ビームの偏光状態を
制御する光制御素子に関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、強誘電体の電気光学効果を利用した
種々の光ビームの制御が盛んに行われている。電気光学
効果は、その応答速度が高速であるため、その特性を用
いて光ビームの高速な強度変調器や偏波コントローラ、
や位相変調器などが作製されている。

【０００３】光ビームの偏光状態を制御する素子として
は、異方性結晶を用いたλ／２、λ／４等の位相板があ
る。しかし、これらの位相板により光ビームの偏光状態
を制御するためには、その位相板自体を回転させ、入射
光の偏波面に対してその結晶軸を調整しているが、これ
は機械的な動作となってしまうため、その制御速度は遅
く、また偏光状態の制御性が不十分となることがある。

【０００４】また、特定の偏光状態の光ビームを取り出
す偏光器として、偏光子と検光子とを組み合わせて構成
した装置がある。偏光子から出射される光ビームは、理
想的には、偏光状態が一定した完全偏光であることが望
ましいが、実際には他の偏光成分を含んでいるため、こ
れをカットする検光子を用いている。しかし、このよう
な偏光子と検光子との組み合わせにおいては、光ビーム
の強度（パワー）移行率が十分ではなく、またその強度
の制御も容易ではない。

【０００５】周期的分極反転結晶に電界を印可して屈折
率楕円体の主軸がわずかに回転する効果を利用して異な
る直行する偏光モード間で結合を生じさせ、偏波状態を
制御する方法が報告されている。（特開平１０−１１５
８１４）これによると、波長依存性が強く分極反転周期
に連動した一定波長のみで動作する。特に波長多重（WD
M:Wavelength Division Multiplexzer）光ファイバ通
信におけるアド度・ドロップ用波長フィルタ等の用途で
はフィルタ特性をチューニングする必要があり、使用で
きないといった不具合があった。任意の波長で動作させ
チューナブル化する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光ビ
ームの偏光状態を高速で正確に制御でき、かつ、光ビー
ムを所定の強度で所定の偏光状態に移行できる電気光学
効果を用いた光制御素子、例えば波長フィルタ、光強度
変調器等を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、強誘電性基板
中に所定形状に形成された周期的１８０度分極反転ドメ
イン領域を有し、前期強誘電体基板に一定電界を印加
し、強誘電体基板の温度を変化させることによりフィル
タ特性を可変にする光制御素子素子である。また本発明
は、強誘電性基板中に所定形状に形成された周期的１８
０度分極反転ドメイン領域を有し、前期強誘電体基板の
温度を所定の温度に制御し、所定の温度で選択された波
長の光ビームを電界印加することにより偏光状態を制御
する光制御素子である。また本発明は、強誘電性基板中
に所定形状に形成された周期的１８０度分極反転ドメイ
ン領域を有し、強誘電性基板の光ビーム出射側に、直線
偏波である入射光の偏波面方向と交差する偏波面を有す
る出射光が通過する検光子を設け、かつ、印加電圧を変
化させることにより、前記出射光の強度を変調する光制
御素子である。これらの強誘電性基板がニオブ酸カリウ
ム結晶からなることが好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本実施例による電気光学素
子において光の偏光状態を制御するときの原理について
述べる。図１に示すように、本実施例による電気光学素
子は、基本的には、強誘電体基板１０と、この基板中に
作製されかつ光の伝搬方向に沿って周期的に配置された
直方体状の分極反転ドメイン２と、基板１０の主面３、
４に垂直であって光の伝搬方向に対して平行な両側面
５、６の全面に設けられた矩形状の電極３０、３１と、
これらの電極間に電圧を印加するための図示されていな
い電気信号源とから構成されている。

【０００９】基板１０の結晶の方向（図中の上向き矢印
で示す自発分極の方向）と分極反転ドメイン２の結晶の
方向（図中の下向き矢印で示す自発分極の方向）とは、
互いに１８０度反転している。そして、ドメイン２のド
メイン壁２ａ、２ｂは強誘電体基板１の主面３、４に対
してほぼ垂直であり、光ビーム（入射光）５０はこれら
の分極反転領域１、２を繰り返し通過する。光ビーム
（入射光）５０は、素子端面７から入射し、基板１０と
ドメイン１、２とを交互に通過しながら、反対側の端面
８から出射する。

【００１０】ここで、基板１は２軸性の異方性結晶、例
えばニオブ酸カリウム（KＮｂＯ₃）で形成されている。
基板１０の光学軸方向が図２のｚ軸方向であるとする
と、ｘ軸及びｙ軸方向の屈折率はｎo （即ち、常光線の
屈折率）、ｚ軸方向の屈折率はｎe （即ち、異常光線の
屈折率）となり、異なった屈折率を有する。入射される
光ビーム５０において、ｙ軸方向に偏光している光、即
ち常光線は、ｘ軸及びｙ軸方向の屈折率ｎo を感じ、ｚ
軸方向に偏光している光、即ち異常光線は、ｚ軸方向の
屈折率ｎe を感じることとなる。即ち、両者は素子中を
伝搬する際、伝搬速度が異なり、両者に位相差が生じる
ことになる。この位相差はそのままでは後述する偏光状
態の変化を得ることはできないため、両光線の位相を合
わせること（位相整合）が必要となる。そこで、素子１
０の電極３０及び３１に電圧が印加されたとき、素子内
部にはｙ軸方向において素子全体にわたって均一に電界
Ｅy が生じる（Ｅx ＝Ｅz ＝０、Ｅy ≠０）。この電界
Ｅy により、図２及び図３に示すように、電気光学効果
により基板１０の屈折率楕円体の主軸方向がｙ−ｚ面内
で回転するようになり、この回転角θは公知の次式で与
えられる。 θ＝（１／２）tan^-1｛２×ｒ₄₂×Ｅｙ／（ｎ_e ^-2−ｎ_o ^-2）｝・・・（１）（但し、ｒ₄₂は、物質の結晶の方向によって異なる電気
光学定数である。）この主軸回転は通常わずかであるが
ニオブ酸カリウム結晶は大きな非線形光学定数r₄₂を用
いるため大きな回転角度を実現できる。即ち、印加電界
Ｅｙによって、この屈折率楕円体の主軸が回転すること
により、偏波面が直交する（即ち、ｙ軸方向とｚ軸方
向）二つの光波が結合するようになり、TE―TMモード変
換が起こるようになる。その結合係数κは近似的に以下
の式で表される。 κ＝（π／λ）×ｎ₃×ｒ₄₂×Ｅｙ・・・・・・（２）（ここで、λは伝搬光ビームの波長である。）ここで基
板１とドメイン２とでは、両者の結晶軸が反転している
ため、図３の電界印加による主軸の回転方向は互いに反
対になり、この回転による主軸のｙ軸方向成分は相加的
に結合される。偏波面が直交する両光波は、素子中の伝
搬定数（ne, no）が異なるため、両者の相互作用長が短
く、両者の結合はわずかでしかない。しかしながら、ド
メイン１と１８０度反転したドメイン２とを図1の如く
に交互に繰り返して光ビームの伝搬方向に配することに
より、その繰り返し周期Λを調整することにより位相整
合することが可能となる。このためグレーティングによ
り両偏波光は１００％の結合が可能となる。

【００１１】上記グレーティングによる両偏波光の間の
パワー移行率η（位相整合する割合）は公知の次式によ
り表される。 η＝sin²｛（｜κ｜² ＋△² ）（1/2） ×Ｌ｝／｛１＋（△² ／κ² ）｝・・・・・・（３）ここで、△＝π（ｎo −ｎe ）／λ−（π／Λ）・・・・・・（４）であり、Λはグレーティング周期である。

【００１２】式（３）、式（４）より、波長λにおいて
Δ＝０のとき、１００％のパワー移行がなされ、そのと
きの波長λｐは、 λｐ＝Λ（ｎo −ｎe ）・・・・・・（５）となる。即ち、この両偏波光の間のパワー移行は、設計
波長λｐの波長に対して、波長λｐを中心とした（３）
式で表現できる波長帯域を有し、波長λｐのときのみ１
００％のパワー移行が可能である。

【００１３】これにより、波長λｐであれば、光ビーム
が素子中を伝搬していくと、両偏波光がお互いにパワー
移行するようになり、その時の完全結合長Ｌｐは、Ｌｐ＝π／２｜κ｜・・・・・・（６）となり、この長さを伝搬すると、完全な強度（パワー）
移行（位相整合）が起こる。即ち、例えば光ビームがｚ
軸方向に偏波面を有する直線偏光（TMモード）であった
場合、入射光波長がλｐであれば（式（５）を満たして
いれば）、電界Ｅｙがないときには、そのままｚ軸方向
の直線偏波光（TMモード）が出射されるが、電界Ｅｙが
大きくなると、やがて出射光は両直交偏波光が次第に結
合するようになり、ｚ軸方向の偏波から直線偏波を保っ
たままｙ軸の方へ回転し始め、電界Ｅｙが式（６）を満
たす条件になると、出射光はｙ軸方向の偏波面を有する
直線偏光（TEモード）へと変換され、１００％結合（位
相整合）する。また、上記の入射光の偏波方向はｙ軸方
向（TEモード）としてもよく、その場合の出射光はｚ軸
方向偏波の直線偏波（TMモード）へと変換される。

【００１４】たとえば結晶長一定として設計波長λｐで
の結合効率の印加電界強度依存性を図５に示す。（設計
波長１．５９μｍ、分極反転周期１２．１９μｍ、
電極間距離３ｍｍ、結晶長４ｍｍ）図５中のA点がTMか
らTEモードへ１００％変換される電界強度であり、さら
にそれより電界を増加させるとTEからTMへのモード変換
が生じる。そのあいだの電界強度ではｚ軸とｙ軸の間の
方向の偏光を有する直線偏光の光となる。ここで設計波
長λｐはグレーテイング周期Λの関数であり、一度周期
Λを固定して作成した後は、分極反転周期Λを変化させ
ることは困難であると考えられる。

【００１５】しかしながら本発明者は（５）式のne、no
の材料定数に着目しこれらの差を変化させることにより
設計波長λｐを広範囲にチューニング可能であることを
見出した。材料の屈折率を変化させる手段として、応力
印加、温度変化、電圧印加などの手法が考えられるが、
温度変化がもっとも簡単で現実的な方法である。特にネ
オブ酸カリウム結晶は３つの結晶軸に対する屈折率をn
a、nb、ncとするとその温度変化率が大きく、dna/dT=0.
2 ×10^-4, dnb/dT= ―0.35 ×10^-4, dnc/dT=0.55×
10^-4である。特にｃ軸、ｂ軸偏光の屈折率の温度依存性
が大きいことが特徴である。しかも驚くべきことにｂ軸
偏光の屈折率の温度変化の係数の符号はマイナスである
特徴ある材料である。つまり、ｃ軸とb軸の偏光の光を
利用すれば温度変化させることにより、（５）式のne―
noを大きくチューニングすることが可能となる。結晶長
を２ｍｍとし、電界強度を0.1V/μｍ印加し、結晶の温
度を２０℃、６０℃と変化させた場合のTEからTMに変換
された光の透過スペクトルを図６，図７に示した。光通
信で必要なCバンド、Lバンドの広帯域にわたってチュー
ニングすることができる。したがって偏光子を利用する
ことによりチューナブルな光学フィルタを実現できる。

【００１６】また入射光がTM、TEのどちらかの直線偏光
で単一波長である場合、図５の０VとA点の間でスイッチ
することにより高速な光強度変調器を実現することがで
きる。

【００１７】また入射光がTM、TEのどちらかの直線偏光
で単一波長である場合、アナライザ１５を使用しない場
合を仮定する。単一波長光ビーム（例えばレーザ光）
は、印可する電圧により直線偏光面を回転するため、任
意に偏波面を回転させることができる。したがって印加
電圧に応じて電気光学効果により高速に偏波面の回転又
は制御を行う偏波コントローラ、および高速に偏波状態
をスクランブルする偏波変調器を実現することができ
る。

【００１８】なお、上述した光ビームの位相整合等の偏
光の原理は、文献：「光集積回路」（株式会社オーム
社、著者：西原浩、他、昭和６０年２月発行）のＰ６７
〜Ｐ１４３を参照できる。次に、複数の波長（波長光成
分）を有する光ビームを入射光とし、各々の波長の光の
偏波面を各々独立に制御する原理を説明する。

【００１９】このようにして、光ビームの偏光状態を高
速かつ正確に制御でき、しかも光ビームを十分な強度で
パワー移行できる電気光学素子を簡便かつ高精度に作製
できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図４に可変波長フィルタを実現し
た実施形態を示す。ここでは実験室座標軸を図４のよう
にｘ、ｙ、ｚ軸を取る。入射光は偏光子１４を通過した
後、ｚ軸方向の直線偏光が偏光子１４を通過し光軸５０
を通り素子１０を通過する。作製した素子１０は、ｃ板
ニオブ酸カリウムを基板に用いたものであって、長さ４
ｍｍ、基板厚１．０ｍｍ、幅３ｍｍ、基板の領域１と領
域２は分極方向が互いに１８０度をなす領域でその周期
は１２．１９５１μｍである。このような周期分極反転
の作成法としてｃ軸上に櫛型電極を形成し反対の主面に
は全面電極を形成し、パルス電界を印可することにより
作製することができる。素子１０のｂ軸方向が座標軸の
ｘ軸、A軸方向が座標軸のｙ軸方向に一致するように配
置する。

【００２１】素子１０の入射面７、出射面８は光学研磨
を行い波長１．５５μｍ帯に対して無反射コーテイング
を施してある。また素子１０の対向するｂ軸面８，９に
は蒸着等により電極対３０，３１を形成されている。素
子１０は温度制御素子２０の上にセットされ一定温度に
制御される。素子１０を通過した光は光軸５１２を通過
して偏光子の偏光方向と直交した検光子１５を通過す
る。

【００２２】温度を２０℃にセットし、波長１５９０ｎ
ｍのレーザ光を使用し、ｚ軸方向に偏波面を有する直線
偏波を入射光とした場合の変換効率の電圧依存性を図８
に示す。印加電圧約１８０Ｖで、ｙ軸方向に偏波面を有
する直線偏波光へほぼ１００％変換（パワー移行）する
ことができる。このとき、印加電圧０〜１８０Ｖでは、
直線偏波のまま、ｚ軸方向からｙ軸方向へと偏波面が回
転した。また、位相整合波長を有しかつｙ軸方向に偏波
面を有する直線偏波のレーザ光を入射光とした場合も同
様な条件で、ｚ軸方向の直線偏波光に変換（パワー移
行）することができる。したがって温度一定で、電圧を
０から１８０V（電界強度で0から５５ｋV/ｍ）まで変調
することにより通過する光を変調することが可能であ
る。

【００２３】入射光源を広帯域の連続スペクトルの光源
（ASE光源）とした場合、ｚ軸方向の偏波面を有する光
のみを通過する偏光子１４を入射側に設け、入射側のレ
ーザビームの偏波方向と直交する偏波面を有する光のみ
を通過させる偏光ビームスプリッタ１５を出射側に設け
場合の偏光ビームスプリッタを通過してくる一定電界強
度５５ｋV/ｍでの光５２の透過スペクトルを図９に示
す。

【００２４】基板１０の温度を２０℃、６０℃、１００
℃と変化させることにより、透過スペクトルのピーク波
長を変化させることができる。この場合８０℃の温度変
化により８０ｎｍの広い範囲にわたり透過ビークをチュ
ーニングすることができる。また結晶長４ｍｍでの半値
幅は約２ｎｍと優れた値である。さらに透過半値幅を狭
くするにはさらに結晶長を長くすればよい。

【００２５】この波長チューニング特性を利用すれば、
波長多重光ファイバ通信での可変波長フィルタを実現で
きる。たとえば図４に示すように入射側の光として波長
λ１、λ２、λ３、λ４・・・・の光を入射し、λ３の
みを５２から取り出すことが可能となる。また基板１０
の温度を変化させることによりこの選択波長をチューニ
ングすることが可能となる。したがって特定の波長のみ
を高速かつ正確に取り出せる透過型波長フィルタを構成
できる。

【００２６】第二の実施形態として単一波長での偏波コ
ントローラとしての例を説明する。実施形態１の構成に
おいて偏光子１４と検光子１５を取り除いた構成からな
る。素子１０の形態、配置はと例同様であるので重複部
の説明は省略する。入射光源としては直線縦偏光の波長
1．５９μｍのDFB−LDからの光を入射する。電極３０，
３１の間に電界を印可すると、素子１０を通過した出射
光の偏光方向が直線偏光のまま回転し、電界強度５５ｋ
V/mでほぼ水平直線偏光となって出射される。このよう
に加える電界により偏光状態を制御できる偏波コントロ
ーラが実現できる。

【００２７】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が
可能である。従来はLiNbO３結晶を用いて厚み０．２ｍ
ｍに対して電圧２００Vも要していたが、厚み１ｍｍで
電圧２０Vと極めて低電圧駆動が可能となった。これに
より電源に対する制限がなくなりより高速なスイッチン
グも可能となったのみでなく、温度変化させることによ
り高速のチューナブルな光制御素子を実現することが可
能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態の斜視図。

【図２】屈折率楕円体が傾いた状態を示す図。

【図３】屈折率楕円体が傾いた状態を示す図。

【図４】本発明の実施形態の１つである可変波長フィル
タを示す斜視図。

【図５】透過率と印加電界を示す図。

【図６】２０℃での透過スペクトル図。

【図７】６０℃での透過スペクトル図。

【図８】変換効率の印加電界依存性を示す図。

【図９】各温度での透過スペクトルを示す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電性基板中に所定形状に形成された
周期的１８０度分極反転ドメイン領域を有し、前期強誘
電体基板に一定電界を印加し、強誘電体基板の温度を変
化させることによりフィルタ特性を可変にすることを特
徴とする光制御素子。
【請求項２】強誘電性基板中に所定形状に形成された周
期的１８０度分極反転ドメイン領域を有し、前期強誘電
体基板の温度を所定の温度に制御し、所定の温度で選択
された波長の光ビームを電界印加することにより偏光状
態を制御することを特徴とする光制御素子。
【請求項３】強誘電性基板中に所定形状に形成された周
期的１８０度分極反転ドメイン領域を有し、該強誘電性
基板の光ビーム出射側に、直線偏波である入射光の偏波
面方向と交差する偏波面を有する出射光が通過する検光
子を設け、かつ、印加電圧を変化させることにより、前
記出射光の強度を変調することを特徴とする光制御素
子。
【請求項４】強誘電性基板がニオブ酸カリウム結晶か
らなることを特徴とした請求項１から3に記載の光制御
素子。