JP2003287727A

JP2003287727A - 光可変減衰装置

Info

Publication number: JP2003287727A
Application number: JP2002092546A
Authority: JP
Inventors: Atsumi Fukuura; 篤臣福浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】低電圧で動作する光可変減衰装置を提供す
る。【解決手段】電気光学効果を有する材料からなる基体
２０に、該基体２０の内部に局部的に電界が集中するよ
うに、複数の電極を配設して成る光可変手段３を備えた
光可変減衰装置であって、前記複数の電極の少なくとも
１つが点状または線状に形成されていることを特徴とす
る光可変減衰装置とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学効果を用
いた光可変減衰装置に関するものであり、特に低電圧で
動作する光可変減衰装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信の分野において用いられる受動部
品の一つに光減衰器がある。光減衰器には、減衰量が固
定された光固定減衰器と、減衰量を変化させることがで
きる光可変減衰器とがある。このうち、光可変減衰器
は、手動で減衰量を制御するものと、電気的手段で制御
するものとに分けられる。

【０００３】電気的手段で減衰量を制御する光可変減衰
器には様々な方式が提案されている。例えば，マイクロ
マシンを用いる方式、磁気光学効果を利用した方式、熱
光学効果を利用した方式、電気光学効果を利用した方式
等がある。この中でマイクロマシンを用いる方式では機
械的可動部があるため信頼性に不安がある。そのため、
使用に際しては可動部の無い方式が好まれることが多
い。

【０００４】磁気光学効果を利用した方式では、電磁石
を用いるため小型化しにくく、また磁界を発生させるた
めに多くの電流を流す必要があり、消費電力が大きい。
熱光学効果を利用する方式では動作の高速化が困難であ
るという欠点がある。

【０００５】一方、電気光学効果を利用した光可変減衰
器は比較的小型化し易く、高速の動作が可能であるとい
う利点を有している。例えば特開２００１−２７２６３
８号に開示されているように、複屈折結晶により偏光分
離し、電気光学素子により各偏光成分を回転して、偏光
成分を複屈折結晶により再び合波する際に一部の光が結
合しないことによって光を減衰させることができ、電気
光学素子に印加する電圧を制御することで偏光回転角を
制御する。

【０００６】なお、本発明者らも特願平１３−３８５０
９８号で、電気光学材料からなる部材にプリズムによる
屈折効果を発現できる形状に電極を設け、電極に電圧を
印加することにより入射光を偏向させ、出力側の伝送路
に光を結合させないようにする原理の光可変減衰器を提
案した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、良い材
料を選択してさえ電気光学効果による屈折率変化は比較
的小さい。そのため、大きな減衰量を得るには高い電圧
をかけ電界強度を大きくするか、もしくは、電気光学効
果を有する材料からなる部材を薄く形成し電極間の距離
を小さくすることで電界強度を大きくする必要があっ
た。ところが高い電圧を使用することは、安全性および
経済性の面から好ましくない。また、後者の方法では、
少なくとも光のスポット径以上の領域に強い電界がかか
った領域を確保する必要があるため、薄い電気光学効果
を有する材料からなる部材を、電極を挟んで多数積層す
る必要があり、工数がかかる上に薄い部材を取り扱わな
ければならず工程が難しく煩雑であった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前述のよ
うな課題を解決するべく検討を行った結果、以下のよう
な構成が有効であることがわかった。即ち、本発明の光
可変減衰装置は、（１）電気光学効果を有する材料から
なる基体に、該基体の内部に局部的に電界が集中するよ
うに、複数の電極を配設して成る光可変手段を備え、前
記複数の電極の少なくとも１つが点状または線状に形成
されていることを特徴とする。

【０００９】また、（２）前記線状の電極は長さ方向が
光の進行方向（光軸）と垂直になるように配置されてい
ることを特徴とする。

【００１０】また、（３）前記点状または線状の電極
が、光の進行方向（光軸）に沿って、少なくとも２つ以
上設けられていることを特徴とする。

【００１１】また、（４）前記点状または線状の電極が
光軸を横切るように設けられていることを特徴とする。

【００１２】また、（５）前記光可変手段において、大
きなカー効果を用いることを特徴とする。

【００１３】本発明の光可変減衰装置における光入力手
段および光出力手段として、例えば、シングルモードあ
るいはマルチモードの光ファイバの先端をレンズ状に加
工したレンズ付きファイバや、光ファイバとレンズとを
組み合わせた光学系や、光ファイバとコリメータを組み
合わせた光学系、あるいは光導波路とレンズを組み合わ
せた光学系等を使用することができる。

【００１４】また、本発明の光可変減衰装置における光
可変手段に使用される電気光学効果を有する材料として
は、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、Ｂａ
ＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＳＢＮ（ニオブ酸スト
ロンチウムバリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウ
ム）等をはじめとする種々の材料からなる結晶または多
結晶体を用いることができる。ここで、ポッケルス効果
においては、印加される電圧によって発生する電界に比
例した屈折率変化が起こり、カー効果においては、電界
の強度の２乗に比例した屈折率変化が起こる。

【００１５】また、本発明の光可変減衰装置における光
可変手段には、少なくとも１つは実質的に点状または線
状の形状をしたものを含む複数の電極が設けられてお
り、これら複数の電極間に電位差を与えることによって
電界が発生する。発生する電界の強度は、点状または線
状の電極の近傍において強くなる。このことは次のよう
に理解される。

【００１６】すなわち、電極間に電圧が印加されたと
き、発生する電位差はポアソン方程式の解として得られ
るが、自由空間における３次元のポアソン方程式に対す
るグリーン関数は電荷の存在する位置からの距離Ｒの逆
数に比例し、２次元のポアソン方程式に対するグリーン
関数は電荷の存在する位置からの距離Ｒの対数（ｌｏｇ
Ｒ）に比例し、１次元のポアソン方程式に対するグリー
ン関数は電荷の存在する位置からの距離Ｒに比例する。

【００１７】対向する平板間に発生する静電ポテンシャ
ルは１次元の場合に相当し、平板間において線形に変化
するため、電界強度は場所によらず一定である。したが
って、印加する電圧を一定にしたまま電極間隔を大きく
すると、電界強度は間隔の大きさに反比例して小さくな
る。

【００１８】電極形状が線状の場合は２次元の場合に相
当し、電界強度は１／Ｒに比例するため、電極の近傍で
は大きな電界強度が発生する。

【００１９】同様に、電極形状が点状の場合は３次元の
場合に相当し、電界強度は１／Ｒ²に比例するため、電
極の近傍では大きな電界強度が発生する。

【００２０】本発明の光可変減衰装置は、このように点
状または線状の電極近傍に高い電界強度が発生するとい
う原理を利用したものであり、これらの電極近傍におけ
る大きな電界によって生じる屈折率変化により光の伝搬
に影響を与え、光出力手段との間の結合が妨げられるこ
とによって出力光が減衰されるものである。このような
所謂電界集中の効果を用いると、同じ電圧でも平行平板
の場合よりも大きな電界を発生させることが可能であ
り、したがって、より大きな屈折率変化を得ることがで
き、低電圧で動作する光可変減衰装置を実現することが
できる。

【００２１】点状の電極としては、例えば、球形や円板
あるいは四角形など、実質的に点状とみなせるようなも
のを用いることができる。というのは、電極の細かな形
状が何であっても、それを含む小さな体積の外部から見
れば、その外側に発生する電界は大きくは違わないから
であり、電極近傍に強い電界が発生することに変わりは
ないからである。

【００２２】また、同様の理由により、線状の電極とし
ては、例えば、円柱形や四角柱、あるいは短冊状のもの
など、実質的に線状とみなせるものを用いることができ
る。

【００２３】かくして、（１）の構成によって、面状に
広がった平板形状の電極を対向させた場合に発生する電
界よりも局部的に強い電界を得ることができ、従って、
この部分に光を伝搬させることで、平板形状の電極を対
向させた間に光を伝搬させる場合と同じ電圧でより高い
効果を得ることができるため、装置の動作電圧を低くす
ることができる。また、（２）の構成により、光軸に垂
直な平面内における電界の方向を一様にすることがで
き、２つの偏光状態が複雑に混ざり合うことを防止する
ことができる。

【００２４】また、（３）の構成により、同じ電圧でよ
り大きな効果を得ることができる。

【００２５】また、（４）の構成により、局部的に強い
電界が発生した領域に光を効果的に伝搬させることがで
きる。

【００２６】また、（５）の構成により、電極を通過し
た光の進行方向を入力光の進行方向と異なるようにする
ことができ、より大きな効果を実現することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光可変減衰装
置の実施形態について模式的に図示した図面に基づいて
詳細に説明する。

【００２８】図１は、長さ方向が光の進行方向（また
は、光軸）と垂直になるように配置された線状の電極
が、光の進行方向（または、光軸）に沿って２つ以上設
けられた場合の、本発明の光可変減衰装置の一例を示し
たものである。この光可変減衰装置は電気光学効果を有
する材料からなる部材（基体）２０に、この内部に局部
的に電界が集中するように、複数の電極を配設して成る
光可変手段３を備えたものであって、前記複数の電極の
少なくとも１つが点状または線状に形成されていること
を特徴とする。

【００２９】すなわち、光入力手段１および光出力手段
２の間には、光可変手段３が設けられており、光可変手
段３は電気光学効果を有する材料からなる部材（基体）
２０に形成された線状の電極１０およびこれと対向した
ベタ電極１２と、複数の電極１０を相互に電気的に接続
するための接続用の電極１１により構成されている。

【００３０】電極１０、１１、１２には、電圧印加手段
４により電位差が与えられる。光は光入力手段１から光
出力手段２に向かって伝搬し、電圧が印加されていない
場合には、減衰を受けることなく光出力手段２に結合す
る。

【００３１】光可変手段３の端面に反射防止用のコーテ
ィングを設ければ、挿入損失を低く抑えることができ
る。電圧が印加されると、線状の電極１０の近傍に比較
的強い電界が発生し、大きな屈折率変化が生じる。生じ
た屈折率変化が負である場合、入力された光ビームが、
電極１０の近傍を通ると、屈折率の勾配によって電極１
０から遠ざかる方向に屈折を受ける。屈折された光ビー
ムが光出力手段に到達すると、出力側に結合すべきモー
ド分布とは異なっているので、重なり積分が１よりも小
さくなり、出力光は減衰される。また、屈折の角度は屈
折率の勾配によって決まるが，屈折率の勾配は印加する
電圧の大きさによって制御できるので、減衰量が電圧に
より制御できることになり、光可変減衰装置が実現でき
る。

【００３２】屈折率分布の勾配は、線状の電極１０に近
づくほど大きくなるので、電極からの距離が小さい光線
ほど屈折角度が大きい。したがって、ビーム全体として
は入力直後の強度分布とは異なる分布をもって光出力手
段２に到達し、出力側に１００％の効率で結合する強度
分布との重なり積分は、単にビーム全体が一定の角度だ
け屈折した場合よりも小さくなる。すなわち、ビーム内
で屈折角度に分布があることによって光を減衰させる効
果が向上する。

【００３３】また、線状の電極１０が光の伝搬方向（ま
たは、光軸）と垂直に配置されている場合に発生する電
界は、電極１０に垂直な方向を向いているので、その方
向に偏光した成分に対して影響を与える。したがって、
他の偏光成分に対して減衰の効果を得るためには、例え
ば、同様の構成の光可変手段３を光軸に関して９０度回
転させたものを用いればよい。あるいは、光入力手段１
の後に、偏光を分離する手段を設け、２つの偏光成分に
対してそれぞれ用意された光可変手段を通過させ、光出
力手段２の手前に設置された偏光合波手段により合波し
て出力させてもよい。このようにすれば、偏光依存性の
ない光可変減衰装置を実現することができる。

【００３４】図２は、点状の電極を光の進行方向（また
は、光軸）に沿って２つ以上配置した場合の、本発明の
光可変減衰装置の一例を示したものである。光入力手段
１および光出力手段２の間には、光可変手段３が設けら
れており、光可変手段３は電気光学効果を有する材料か
らなる部材２０に形成された点状の電極１０および対向
したベタ電極１２と、複数の電極１０を相互に電気的に
接続するためのワイヤ１５および電圧印加手段と接続す
るための電極１６により構成されている。電圧が印加さ
れると、点状の電極１０の近傍に比較的強い電界が発生
し、大きな屈折率変化が生じる。入力された光ビーム
が、電極１０の近傍を通ると、屈折率の勾配によって屈
折を受ける。

【００３５】図１または図２のような構成においては、
光は電極のある所を通らず、したがって、光の強度が最
大になるビームの中心は、電極からスポットサイズと同
じ程度だけ離れている。大きな屈折率変化は、電極に近
いところに発生するので、できるだけ小さなスポットサ
イズのビームを用いることが望ましい。

【００３６】図３および図４は、線状の電極が光軸を横
切るように設けられた場合の、本発明の光可変減衰装置
における光可変手段の一例を示したものである。図３で
は、光の伝搬方向に垂直な平面による断面が描かれてお
り、光ビームのスポット３０を横切るように、線状の電
極１０が設けられている。

【００３７】図４は、光軸を含み電極１０と垂直な平面
による断面を表しており、電気光学効果としてカー効果
を用いた場合の光線の屈折する様子が矢印によって模式
的に示されている。

【００３８】このような構成を用いれば、光の強度が最
大になるビームの中心が電極の極近傍を通るようにする
ことができるので、効果的に光線を屈折させることがで
きる。またこの場合には、光が電極のある所を通るの
で、光の伝搬に対する電極の影響を小さくするために、
スポットサイズの大きいビームを用いることが望まし
い。

【００３９】図５は、電気光学効果としてポッケルス効
果を用いた場合の光線の屈折する様子を矢印によって模
式的に示したものであり、光線は屈折を受けるものの電
極から離れるに従い角度が小さくなっていき、最終的に
は元の方向とほぼ平行になるため、実質的に平行移動さ
れることになる。光可変減衰装置としては、低い電圧で
より大きな減衰量をえることが望ましいので、光線の方
向が元に戻らない、大きなカー効果をもつ材料を使用す
ることが望ましい。例えば、ＰＬＺＴ，ＰＬＮＺＴ，Ｐ
ＢＬＮ，ＢＬＮ−ＰＺＴ（＝ｘＢａ（Ｌａ，Ｎｂ）−Ｐ
ｂ（Ｚｒ（ｙ）Ｔｉ（１−ｙ）），ＳＬＮ−ＰＺＴ（＝
Ｓｒ（Ｌａ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰＺＴ），ＰＬＬＺＴ，ＫＴ
Ｎ（＝Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３），ＳＴ（＝ＳｒＴｉＯ
３），ＢＴ（＝ＢａＴｉＯ３），ＫＴ（＝ＫＴａＯ３）
等を使用する。

【００４０】また、光出力手段には、光ファイバや光導
波路の伝搬モードに結合しない不要なクラッドモードを
除去する構造を設けてもよい。例えば、出力側光ファイ
バのクラッド部分に外側から切り込みを作製し、屈折率
の大きな部材や光を吸収する部材を配したような構造が
考えられる。

【００４１】また、図６に示すように、電極１２を凹凸
を有する部材２０に形成して、部材２０内に局所的に電
界が生じさせることで上述の構成と同様な効果を得るこ
とができる。さらに、図７に示すように、点状または線
状の電極１０を角部を有するように形成することにより
同様な効果が期待される。

【００４２】以上のようにして、機械的な可動部がない
ため信頼性が高く、かつ低い電圧で動作する光可変減衰
装置を実現することができる。

【００４３】

【実施例】以下に本発明の光可変減衰装置をより具体化
した実施例について説明する。

【００４４】以下のようにして光可変減衰装置を作製し
た。まず、二本のシングルモード光ファイバの間にグレ
イデッドインデックス（ＧＩ）ファイバを融着し、基板
に接着後、ＧＩファイバの中心付近を３ｍｍの幅で切断
したものを作製し、一方を光入力手段、他方を光出力手
段とした。上記光ファイバのＧＩファイバに融着されて
いない端部にはコネクターを取り付け、評価系に接続で
きるようにしている。この光学系は、シングルモードフ
ァイバ中を伝搬する入力光を約０．１ｍｍのスポットサ
イズにコリメートすることができるように設計されてお
り、上記切断部に屈折率マッチング樹脂を充填すること
により、挿入損失１ｄＢ以下となることを確認した。ま
た、出力側のＧＩファイバの側面にはカーボン含有樹脂
を塗布して、不要光を吸収できるようにした。

【００４５】光可変手段としては、厚さ０．３ｍｍのＰ
ＬＺＴ基板上に、図１に示した形状の２０本の金電極
（幅５μｍ）を、またＰＬＺＴ基板の裏側全面に金電極
を、それぞれ厚さ０．０２μｍのＴｉ膜を形成したあ
と、蒸着により形成した。これらの金電極の厚みは０．
２μｍであった。もう１枚のＰＬＺＴ基板には片方の面
だけに金電極を同様にして作製した。これらの基板を線
状の電極が内側に来るようにして接着剤で張り合わせ、
図３および図４に示すような構成の光可変手段を作製し
た。電極の厚みが薄いので、図３および図４に示すよう
な構成でも光の伝搬を妨げない。また、光可変手段の長
さは１ｍｍとした。また、光可変手段の側面には、不要
光を吸収するためにカーボンの被膜を蒸着した。また、
光可変手段の光が通る端面を研磨し、反射防止コートを
行った。

【００４６】作製した光可変手段をファイバが固定され
ている基板上の所定の位置に搭載し、ハンダにより基板
の電極パターンと光可変手段の電極とを接続、固定し、
光可変減衰装置とした。

【００４７】このような構成で、約１５Ｖの印加電圧に
おいて、１０ｄＢ程度の減衰量を得ることができた。こ
の実施例では、電極の本数を２０としたが、電極本数を
増やせばそれに比例して屈折角度が大きくなることが期
待でき、したがって、光減衰量も大きくすることができ
る。

【００４８】また、この光可変手段を用いて、電圧０Ｖ
と１５Ｖの間を１ＭＨｚで振動するデジタル波の入力に
対する特性を観測した。その結果、本発明の光可変減衰
器が、光変調器としても十分動作することを確認した。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の光可変
減衰装置によれば、光可変手段として複数の電極を設け
た電気光学効果を有する材料からなる部材を用い、前記
複数の電極の少なくとも１つが点状または線状であるよ
うな構成とすることによって、面状に広がった平板形状
の電極を対向させた場合に発生する電界よりも局部的に
強い電界を得ることができ、従って、この部分に光を伝
搬させることで、平板形状の電極を対向させた間に光を
伝搬させる場合と同じ電圧でより高い効果を得ることが
できるため、装置の動作電圧を低くすることができる。

【００５０】また、請求項２の光可変減衰装置によれ
ば、光軸に垂直な平面内における電界の方向を一様にす
ることができ、２つの偏光状態が複雑に混ざり合うこと
を防止することができる。

【００５１】また、請求項３の光可変減衰装置によれ
ば、同じ電圧でより大きな効果を得ることができる。

【００５２】また、請求項４の光可変減衰装置によれ
ば、局部的に強い電界が発生した領域に光を効果的に伝
搬させることができる。

【００５３】また、請求項５の光可変減衰装置によれ
ば、電極を通過した光の進行方向を入力光の進行方向と
異なるようにすることができ、より大きな効果を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光可変減衰装置の実施形態を模式
的に説明する斜視図である。

【図２】本発明に係る光可変減衰装置の実施形態を模式
的に説明する斜視図である。

【図３】本発明に係る光可変減衰装置の光可変手段の実
施形態を模式的に説明する断面図である。

【図４】本発明に係る光可変減衰装置の光可変手段の実
施形態を模式的に説明する平面図である。

【図５】本発明に係る光可変減衰装置の光可変手段の実
施形態を模式的に説明する平面図である。

【図６】本発明に係る光可変減衰装置の光可変手段の実
施形態を模式的に説明する断面図である。

【図７】本発明に係る光可変減衰装置の光可変手段の実
施形態を模式的に説明する断面図である。

【符号の説明】

１：光入力手段２：光出力手段３：光可変手段４：電圧印加手段１０：点状または線状の電極１１：電極（接続用）１２：電極１５：ワイヤ１６：電極２０：電気光学効果を有する材料からなる部材３０：光ビームのスポット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する材料からなる基体
に、該基体の内部に局部的に電界が集中するように、複
数の電極を配設して成る光可変手段を備えた光可変減衰
装置であって、前記複数の電極の少なくとも１つが点状
または線状に形成されていることを特徴とする光可変減
衰装置。
【請求項２】前記線状に形成した電極は、その長さ方
向が光軸と略垂直になるように配置されていることを特
徴とする請求項１に記載の光可変減衰装置。
【請求項３】前記点状または線状に形成した電極が、
光軸に沿って複数設けられていることを特徴とする請求
項１または２に記載の光可変減衰装置。
【請求項４】前記点状または線状に形成した電極が、
光軸を横切るように設けられていることを特徴とする請
求項１乃至３に記載の光可変減衰装置。
【請求項５】前記基体は大きなカー効果を示す材料か
ら成ることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光可変
減衰装置。