JP2004012816A - 光信号処理装置および光信号処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ディジタル光信号処理では光変調強度が大きくかつビットエラーレートが小さい、または、アナログ光信号処理では光変調強度が大きくかつＳＮ比が大きい、光信号処理装置を提供する。
【解決手段】光信号処理装置としての光変調器は、板状の磁性体を含む。磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体である。磁性体には、マイクロストリップラインが形成される。マイクロストリップラインにマイクロ波またはミリ波を印加することによって、磁性体を透過する光が変調される。
【選択図】 なし
【解決手段】光信号処理装置としての光変調器は、板状の磁性体を含む。磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体である。磁性体には、マイクロストリップラインが形成される。マイクロストリップラインにマイクロ波またはミリ波を印加することによって、磁性体を透過する光が変調される。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光信号処理装置および光信号処理方法に関し、特にたとえば光ビームのスキャニング装置、光強度変調器、サージ電流を検出するためのサージ電流センサーなどとしての電磁界センサーなどに用いられる光信号処理装置および光信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などのフェライトに代表される磁性体中に光を透過させ、これにマイクロストリップラインや細線アンテナトランスデューサーなどのマイクロ波回路を伝送路としてマイクロ波やミリ波を印加することで、マイクロ波やミリ波によって光強度を変調する光変調器が考えられてきた（特開平１１−２５８５６１号）。このような光変調器の構成の一例を図１に示す。
【０００３】
図１はこの発明の背景となりかつこの発明が適用される従来の光変調器の一例を示す図解図である。図１に示す光変調器１０は、磁性体１２としてたとえば薄板状のイットリウム鉄ガーネット単結晶が用いられる。磁性体１２の１つの主面の中央には、マイクロ波を印加するためのマイクロ波回路１４が設けられる。マイクロ波回路１４としてたとえばマイクロストリップラインや細線アンテナトランスデューサーなどが用いられ、図１ではマイクロストリップラインとなっている。
マイクロ波回路１４の一端には、マイクロ波（またはミリ波）信号発生器１６の出力端がマイクロ波（またはミリ波）増幅アンプ１８を介して接続される。マイクロ波回路１４の他端は、終端抵抗器２０に接続される。
また、磁性体１２の一方の側面の外側には、レーザー光源２２、偏光子２４および第１のレンズ２６が、この順に磁性体１２に近づくように設けられる。レーザー光源２２は、レーザー光を発生するためのものである。偏光子２４は、レーザー光源２２で発生したレーザー光を特定方向の直線偏光とするためのものである。第１のレンズ２６は、レーザー光源２２で発生したレーザー光を磁性体１２中に集中するためのものである。
さらに、磁性体１２の他方の側面の外側には、第２のレンズ２８、検光子３０、第３のレンズ３２および光ファイバー３４が、この順に磁性体１２から離れるように設けられる。第２のレンズ２８は、磁性体１２を透過したレーザー光を平行光線にするためのものである。検光子３０は、レーザー光の特定方向の直線偏光を透過するためのものである。検光子３０の方位は、検光子３０の透過光量が最小になる方位（消光位）からさらに４０度ないし５０度、典型的には４５度回転させた方位に設定することが、光変調信号の振幅を大きくするためには望ましいことが知られている（特開２００１−２０１７２６号公報、知久真一郎ら：第６０回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１，１ｐ−ＺＥ−１５，ｐ．１２７）。第３のレンズ３２は、検光子３０を透過したレーザー光を集光するためのものである。光ファイバー３４は、光信号を遠方まで伝送するためのものである。
光ファイバー３４の他端にはフォトディテクター３６が設置されており光信号を電気信号に変換する。変換された電気信号はフォトディテクター３６に接続された電気回路３８によって信号処理される。フォトディテクター３６とこれに接続された信号処理用の電気回路３８とを合せて「受光系」と呼ぶことにする。
磁性体１２の近傍には、永久磁石または電磁石（図示せず）が設けられることもある。この永久磁石または電磁石が設けられないか、また設けられてもそれらが発生する磁場が十分弱いときには、マイクロ波回路１４が磁性体１２中に放射するマイクロ波またはミリ波は、電磁波のまま伝搬する。また、磁性体１２がイットリウム鉄ガーネット単結晶などの材料であって永久磁石または電磁石の発生する磁場が十分強いときには、マイクロ波回路１４が磁性体１２中に放射するマイクロ波またはミリ波によって磁性体１２中に静磁波が励起されることもある。
【０００４】
図１に示す光変調器１０では、その光学系（磁性体１２および図１でその左右に置かれた構成）は、ファラデー効果などの透過型の光磁気効果の測定光学系とほぼ同じである。すなわち、磁性体１２に形成されたマイクロ波回路１４にマイクロ波またはミリ波、あるいはこれらによって励起された静磁波を伝搬させることによって、磁性体１２中で光とマイクロ波、ミリ波または静磁波とを結合させ、光の偏光状態をマイクロ波、ミリ波または静磁波によって変調する。これをファラデー光学系によって強度の変化に変えて検出するものである。
【０００５】
図２は図１に示す光変調器１０においてマイクロ波またはミリ波をマイクロ波回路１４に印加していないときに検出される光信号出力の波形を示す図解図であり、図３は図１に示す光変調器１０においてマイクロ波またはミリ波を印加しているときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。マイクロ波またはミリ波を印加していないときには、図２に示すように磁性体１２の透過光も直流のままであり、検出される光出力は一定である。それに対して、マイクロ波を印加しているときには、図３に示すように変調された交流成分が直流成分に重畳する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、磁性体を用いたマイクロ波、ミリ波または静磁波による光の変調では、大きな変調が得られていなかった。そのため、図１に示す構成を持った従来の光信号処理装置やこれらの構成による光信号処理方法では、検出される光変調が大きくなりにくく、広帯域ディジタル光信号処理ではビットエラーレートが大きかったり、狭帯域アナログ光信号処理ＳＮ比が小さいという問題があった。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ディジタル光信号処理では光変調強度が大きくかつビットエラーレートが小さい、または、アナログ光信号処理では光変調強度が大きくかつＳＮ比が大きい、光信号処理装置および光信号処理方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光信号処理装置は、光を透過する磁性体と、磁性体に形成され、磁性体を透過する光を変調するためにマイクロ波またはミリ波帯域の信号が印加されるマイクロ波回路とを備える光信号処理装置において、磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体であることを特徴とする、光信号処理装置である。
この発明にかかる光信号処理方法は、磁性体に形成したマイクロ波回路にマイクロ波またはミリ波帯域の信号を印加することにより、磁性体を透過する光を変調する光信号処理方法において、磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体であることを特徴とする、光信号処理方法である。
【０００９】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などの磁性体中においてマイクロ波、ミリ波または静磁波によって光信号処理が可能なのは、磁性体中でマイクロ波、ミリ波または静磁波の磁場によって磁気光学効果（ファラデー効果やコットン−ムートン効果、磁気カー効果であるが、イットリウム鉄ガーネットにおいてはファラデー効果が用いられる場合が多い）が変調されるためであると推測される。さらに、磁性体の透過光を検光子に透過させることで磁気光学効果の変調が光強度の変調に変換されると推測される。したがって、大きな光変調を得るためには、大きな磁気光学効果を有する材料を本発明にかかる光信号処理装置または光信号処理方法の磁性体に使用することが必要である。
【００１１】
さらに、発明者が鋭意研究をおこなった結果、本発明にかかる光信号処理装置または光信号処理方法に用いる材料は、単に磁気光学効果が大きいのみでは不適当であることがわかった。すなわち、マイクロ波やミリ波、またはこれらによって励起される静磁波を材料中に伝搬させなければならず、そのためには、マイクロ波またはミリ波特性が優れていなければならないのである。マイクロ波またはミリ波特性の指標となるのが強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）であり、強磁性共鳴半値幅が小さいものほどマイクロ波またはミリ波の減衰が少なくマイクロ波またはミリ波特性に優れている。
【００１２】
本発明の光信号処理装置または光信号処理方法では、ファラデー回転能（単位長さあたりのファラデー回転角）θｆ≧２００°／ｃｍかつΔＨ≦２４０Ａ／ｍであれば良好な特性を示すことが判明した。一方、θｆ＜２００°／ｃｍまたはΔＨ＞２４０Ａ／ｍであると、信号処理において実用上十分な大きさの磁気光学効果がマイクロ波、ミリ波または静磁波によっても生じないことも判明した。
【００１３】
特にビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）は、光アイソレーターのファラデー媒質として用いられることが多いことからもわかるように、単位長さあたりのファラデー回転角が大きい。また、純粋なイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）の元素の一部または全部を他元素で置換するとΔＨが増加することが多いが、イットリウムの一部または全部をビスマスで置換する場合にはΔＨはわずかな増加に抑えられることがわかった。したがって、ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）は光信号処理装置または光信号処理方法に用いる磁性体として優れた性質を有するものである。
【００１４】
ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）の作製方法として、液相エピタクシー（ＬＰＥ）法やフローティングゾーン（ＦＺ）法の単結晶育成方法がある。また、スパッタ法や化学気相成長（ＣＶＤ）法、分子線エピタクシー（ＭＢＥ）の薄膜育成方法がある。このうちのいずれを用いてもよいが、特にＬＰＥ法やＦＺ法では光吸収係数が小さくかつ厚い形状のものを得やすいので有利である。
【００１５】
なお、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムをビスマスで置換するほかに、θｆ≧２００°／ｃｍかつΔＨ≦２４０Ａ／ｍの条件を満たす範囲で他の元素を添加してイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムや鉄を置換してもよい。これらの元素として、ガリウム、アルミニウム、ランタン、インジウムなどがある。
【００１６】
磁性体に外部磁場を印加しないか、または印加した磁場が十分弱いときには、マイクロ波回路から磁性体中に印加されるマイクロ波またはミリ波は、電磁波の形態のまま伝搬する。また、磁性体としてイットリウム鉄ガーネットなどを用いたときに外部磁場が十分強ければ、マイクロ波回路から放射されるマイクロ波またはミリ波によって、イットリウム鉄ガーネットなどの磁性体中に静磁波が励起される場合もある。図１では磁性体中での光の進行方向とマイクロストリップライン（マイクロ波回路１４）とが直交する配置となっているが、このような配置でもよいし、それらが平行となる配置でもよい。
【００１７】
（実施例）
まず、光信号処理装置に用いる磁性体として、ＬＰＥ法によりＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）基板上に育成されたイットリウム鉄ガーネットまたはイットリウム鉄ガーネットの組成の一部を置換したもの（次の▲１▼〜▲９▼）を用意した。
【００１８】
▲１▼ イットリウム鉄ガーネットＹ３Ｆｅ６Ｏ１２
▲２▼ ガリウム・インジウム置換イットリウム鉄ガーネットＹ３Ｆｅ４．２８Ｇａ０．５７Ｉｎ０．１５Ｏ１２
▲３▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．１Ｙ２．９Ｆｅ５Ｏ１２
▲４▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．３Ｙ２．７Ｆｅ５Ｏ１２
▲５▼ ビスマス・ガリウム置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．３Ｙ２．７Ｆｅ４．９Ｇａ０．１Ｏ１２
▲６▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．４Ｙ２．６Ｆｅ５Ｏ１２
▲７▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．５Ｙ２．５Ｆｅ５Ｏ１２
▲８▼ ガドリニウム置換イットリウム鉄ガーネットＧｄ０．３Ｙ２．７Ｆｅ５Ｏ１２
▲９▼ ネオジム置換イットリウム鉄ガーネットＮｄ０．３Ｙ２．７Ｆｅ５Ｏ１２
【００１９】
▲１▼〜▲９▼のいずれの磁性体も膜厚は１００μｍであり、５ｍｍ×５ｍｍの大きさに切り出した。ＧＧＧ基板の両側にイットリウム鉄ガーネット単結晶膜（またはその組成の一部を置換したもの）が成長するので、そのうちの片側の単結晶膜を研磨により除去した。光が入射または出射する端面は鏡面研磨した。
【００２０】
電子スピン共鳴測定装置（ＥＳＲ）を用いてこれらの試料（▲１▼〜▲９▼）の強磁性共鳴半値幅を測定し、また４５°法またはクロスニコル法によりこれらの試料の波長１．５５μｍにおけるファラデー回転能の大きさを測定した。それらの測定結果を以下に示す。
【００２１】
▲１▼は６５Ａ／ｍおよび１７０°／ｃｍ、▲２▼は２００Ａ／ｍおよび４９°／ｃｍ、▲３▼は２００Ａ／ｍおよび０°／ｃｍ、▲４▼は２２０Ａ／ｍおよび２２５°／ｃｍ、▲５▼は１８０Ａ／ｍおよび２０２°／ｃｍ、▲６▼は２４０Ａ／ｍおよび３１３°／ｃｍ、▲７▼は３２０Ａ／ｍおよび４４９°／ｃｍ、▲８▼は４２０Ａ／ｍおよび８８°／ｃｍ、▲９▼は８０００Ａ／ｍおよび１６０°／ｃｍであった。
【００２２】
なお、単結晶膜の組成が同じであっても、単結晶膜の育成温度や基板回転速度、基板種類（膜と基板との格子ミスマッチ量）など育成条件によって強磁性共鳴半値幅は異なることがある。
【００２３】
次に、上記磁性体を用いて光信号の変調を行い、振幅強度を求めた。
すなわち、いずれの磁性体にも波長１．５５μｍの半導体レーザーを光源とし、５ｍｍ×１００μｍの端面の１つから結晶中に入射させた。入射光の振動方向は、板状結晶の板面の法線方向に一致するように固定した。結晶の５ｍｍ×５ｍｍの面には、特性インピーダンスが５０Ωとなるようなマイクロストリップラインを設置した。マイクロストリップラインには、周波数１．９２ＧＨｚのマイクロ波を印加した。マイクロストリップラインの方向と光の進行方向とは直交するようにした。外部磁場は印加していない。検光子の方位は、マイクロ波を印加しないときの磁性体の透過光の振動方向の方位から４５°傾いた方位とした。
【００２４】
測定の結果、▲１▼の磁性体に用いた光信号処理装置では光信号の変調の振幅は約０．１３ｍＡとなった。▲２▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．０９ｍＡとなった。▲３▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調はノイズレベル以下であり観察されなかった。▲４▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．６６ｍＡとなった。▲５▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．３９ｍＡとなった。▲６▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．７１ｍＡとなった。▲７▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の大きさは約０．０１ｍＡとなった。▲８▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の大きさは約０．０３ｍＡとなった。▲９▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調はノイズレベル以下であり観察されなかった。
以上の結果から明らかなように、磁性体として、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であって、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下であり、ファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体を用いることにより、光信号の変調振幅が０．３９ｍＡ以上と大きい値が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、従来の技術でははなはだしい場合には光信号処理において光変調信号を得ることができないこともあるのに対して、ディジタル光信号処理では光変調強度が大きくかつビットエラーレートが小さい、また、アナログ光信号処理では光変調強度が大きくかつＳＮ比が大きい、光信号処理装置および光信号処理方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の背景となりかつこの発明が適用される従来の光変調器の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示す光変調器においてマイクロ波またはミリ波をマイクロ波回路に印加していないときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。
【図３】図１に示す光変調器においてマイクロ波またはミリ波を印加しているときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。
【符号の説明】
１０ 光変調器
１２ 磁性体
１４ マイクロ波回路
１６ マイクロ波（またはミリ波）信号発生器
１８ マイクロ波（またはミリ波）増幅アンプ
２０ 終端抵抗器
２２ レーザー光源
２４ 偏光子
２６ 第１のレンズ
２８ 第２のレンズ
３０ 検光子
３２ 第３のレンズ
３４ 光ファイバー
３６ フォトディテクター
３８ 信号処理用の電気回路
【発明の属する技術分野】
この発明は光信号処理装置および光信号処理方法に関し、特にたとえば光ビームのスキャニング装置、光強度変調器、サージ電流を検出するためのサージ電流センサーなどとしての電磁界センサーなどに用いられる光信号処理装置および光信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などのフェライトに代表される磁性体中に光を透過させ、これにマイクロストリップラインや細線アンテナトランスデューサーなどのマイクロ波回路を伝送路としてマイクロ波やミリ波を印加することで、マイクロ波やミリ波によって光強度を変調する光変調器が考えられてきた（特開平１１−２５８５６１号）。このような光変調器の構成の一例を図１に示す。
【０００３】
図１はこの発明の背景となりかつこの発明が適用される従来の光変調器の一例を示す図解図である。図１に示す光変調器１０は、磁性体１２としてたとえば薄板状のイットリウム鉄ガーネット単結晶が用いられる。磁性体１２の１つの主面の中央には、マイクロ波を印加するためのマイクロ波回路１４が設けられる。マイクロ波回路１４としてたとえばマイクロストリップラインや細線アンテナトランスデューサーなどが用いられ、図１ではマイクロストリップラインとなっている。
マイクロ波回路１４の一端には、マイクロ波（またはミリ波）信号発生器１６の出力端がマイクロ波（またはミリ波）増幅アンプ１８を介して接続される。マイクロ波回路１４の他端は、終端抵抗器２０に接続される。
また、磁性体１２の一方の側面の外側には、レーザー光源２２、偏光子２４および第１のレンズ２６が、この順に磁性体１２に近づくように設けられる。レーザー光源２２は、レーザー光を発生するためのものである。偏光子２４は、レーザー光源２２で発生したレーザー光を特定方向の直線偏光とするためのものである。第１のレンズ２６は、レーザー光源２２で発生したレーザー光を磁性体１２中に集中するためのものである。
さらに、磁性体１２の他方の側面の外側には、第２のレンズ２８、検光子３０、第３のレンズ３２および光ファイバー３４が、この順に磁性体１２から離れるように設けられる。第２のレンズ２８は、磁性体１２を透過したレーザー光を平行光線にするためのものである。検光子３０は、レーザー光の特定方向の直線偏光を透過するためのものである。検光子３０の方位は、検光子３０の透過光量が最小になる方位（消光位）からさらに４０度ないし５０度、典型的には４５度回転させた方位に設定することが、光変調信号の振幅を大きくするためには望ましいことが知られている（特開２００１−２０１７２６号公報、知久真一郎ら：第６０回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１，１ｐ−ＺＥ−１５，ｐ．１２７）。第３のレンズ３２は、検光子３０を透過したレーザー光を集光するためのものである。光ファイバー３４は、光信号を遠方まで伝送するためのものである。
光ファイバー３４の他端にはフォトディテクター３６が設置されており光信号を電気信号に変換する。変換された電気信号はフォトディテクター３６に接続された電気回路３８によって信号処理される。フォトディテクター３６とこれに接続された信号処理用の電気回路３８とを合せて「受光系」と呼ぶことにする。
磁性体１２の近傍には、永久磁石または電磁石（図示せず）が設けられることもある。この永久磁石または電磁石が設けられないか、また設けられてもそれらが発生する磁場が十分弱いときには、マイクロ波回路１４が磁性体１２中に放射するマイクロ波またはミリ波は、電磁波のまま伝搬する。また、磁性体１２がイットリウム鉄ガーネット単結晶などの材料であって永久磁石または電磁石の発生する磁場が十分強いときには、マイクロ波回路１４が磁性体１２中に放射するマイクロ波またはミリ波によって磁性体１２中に静磁波が励起されることもある。
【０００４】
図１に示す光変調器１０では、その光学系（磁性体１２および図１でその左右に置かれた構成）は、ファラデー効果などの透過型の光磁気効果の測定光学系とほぼ同じである。すなわち、磁性体１２に形成されたマイクロ波回路１４にマイクロ波またはミリ波、あるいはこれらによって励起された静磁波を伝搬させることによって、磁性体１２中で光とマイクロ波、ミリ波または静磁波とを結合させ、光の偏光状態をマイクロ波、ミリ波または静磁波によって変調する。これをファラデー光学系によって強度の変化に変えて検出するものである。
【０００５】
図２は図１に示す光変調器１０においてマイクロ波またはミリ波をマイクロ波回路１４に印加していないときに検出される光信号出力の波形を示す図解図であり、図３は図１に示す光変調器１０においてマイクロ波またはミリ波を印加しているときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。マイクロ波またはミリ波を印加していないときには、図２に示すように磁性体１２の透過光も直流のままであり、検出される光出力は一定である。それに対して、マイクロ波を印加しているときには、図３に示すように変調された交流成分が直流成分に重畳する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、磁性体を用いたマイクロ波、ミリ波または静磁波による光の変調では、大きな変調が得られていなかった。そのため、図１に示す構成を持った従来の光信号処理装置やこれらの構成による光信号処理方法では、検出される光変調が大きくなりにくく、広帯域ディジタル光信号処理ではビットエラーレートが大きかったり、狭帯域アナログ光信号処理ＳＮ比が小さいという問題があった。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ディジタル光信号処理では光変調強度が大きくかつビットエラーレートが小さい、または、アナログ光信号処理では光変調強度が大きくかつＳＮ比が大きい、光信号処理装置および光信号処理方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光信号処理装置は、光を透過する磁性体と、磁性体に形成され、磁性体を透過する光を変調するためにマイクロ波またはミリ波帯域の信号が印加されるマイクロ波回路とを備える光信号処理装置において、磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体であることを特徴とする、光信号処理装置である。
この発明にかかる光信号処理方法は、磁性体に形成したマイクロ波回路にマイクロ波またはミリ波帯域の信号を印加することにより、磁性体を透過する光を変調する光信号処理方法において、磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体であることを特徴とする、光信号処理方法である。
【０００９】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などの磁性体中においてマイクロ波、ミリ波または静磁波によって光信号処理が可能なのは、磁性体中でマイクロ波、ミリ波または静磁波の磁場によって磁気光学効果（ファラデー効果やコットン−ムートン効果、磁気カー効果であるが、イットリウム鉄ガーネットにおいてはファラデー効果が用いられる場合が多い）が変調されるためであると推測される。さらに、磁性体の透過光を検光子に透過させることで磁気光学効果の変調が光強度の変調に変換されると推測される。したがって、大きな光変調を得るためには、大きな磁気光学効果を有する材料を本発明にかかる光信号処理装置または光信号処理方法の磁性体に使用することが必要である。
【００１１】
さらに、発明者が鋭意研究をおこなった結果、本発明にかかる光信号処理装置または光信号処理方法に用いる材料は、単に磁気光学効果が大きいのみでは不適当であることがわかった。すなわち、マイクロ波やミリ波、またはこれらによって励起される静磁波を材料中に伝搬させなければならず、そのためには、マイクロ波またはミリ波特性が優れていなければならないのである。マイクロ波またはミリ波特性の指標となるのが強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）であり、強磁性共鳴半値幅が小さいものほどマイクロ波またはミリ波の減衰が少なくマイクロ波またはミリ波特性に優れている。
【００１２】
本発明の光信号処理装置または光信号処理方法では、ファラデー回転能（単位長さあたりのファラデー回転角）θｆ≧２００°／ｃｍかつΔＨ≦２４０Ａ／ｍであれば良好な特性を示すことが判明した。一方、θｆ＜２００°／ｃｍまたはΔＨ＞２４０Ａ／ｍであると、信号処理において実用上十分な大きさの磁気光学効果がマイクロ波、ミリ波または静磁波によっても生じないことも判明した。
【００１３】
特にビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）は、光アイソレーターのファラデー媒質として用いられることが多いことからもわかるように、単位長さあたりのファラデー回転角が大きい。また、純粋なイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）の元素の一部または全部を他元素で置換するとΔＨが増加することが多いが、イットリウムの一部または全部をビスマスで置換する場合にはΔＨはわずかな増加に抑えられることがわかった。したがって、ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）は光信号処理装置または光信号処理方法に用いる磁性体として優れた性質を有するものである。
【００１４】
ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）の作製方法として、液相エピタクシー（ＬＰＥ）法やフローティングゾーン（ＦＺ）法の単結晶育成方法がある。また、スパッタ法や化学気相成長（ＣＶＤ）法、分子線エピタクシー（ＭＢＥ）の薄膜育成方法がある。このうちのいずれを用いてもよいが、特にＬＰＥ法やＦＺ法では光吸収係数が小さくかつ厚い形状のものを得やすいので有利である。
【００１５】
なお、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムをビスマスで置換するほかに、θｆ≧２００°／ｃｍかつΔＨ≦２４０Ａ／ｍの条件を満たす範囲で他の元素を添加してイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムや鉄を置換してもよい。これらの元素として、ガリウム、アルミニウム、ランタン、インジウムなどがある。
【００１６】
磁性体に外部磁場を印加しないか、または印加した磁場が十分弱いときには、マイクロ波回路から磁性体中に印加されるマイクロ波またはミリ波は、電磁波の形態のまま伝搬する。また、磁性体としてイットリウム鉄ガーネットなどを用いたときに外部磁場が十分強ければ、マイクロ波回路から放射されるマイクロ波またはミリ波によって、イットリウム鉄ガーネットなどの磁性体中に静磁波が励起される場合もある。図１では磁性体中での光の進行方向とマイクロストリップライン（マイクロ波回路１４）とが直交する配置となっているが、このような配置でもよいし、それらが平行となる配置でもよい。
【００１７】
（実施例）
まず、光信号処理装置に用いる磁性体として、ＬＰＥ法によりＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）基板上に育成されたイットリウム鉄ガーネットまたはイットリウム鉄ガーネットの組成の一部を置換したもの（次の▲１▼〜▲９▼）を用意した。
【００１８】
▲１▼ イットリウム鉄ガーネットＹ３Ｆｅ６Ｏ１２
▲２▼ ガリウム・インジウム置換イットリウム鉄ガーネットＹ３Ｆｅ４．２８Ｇａ０．５７Ｉｎ０．１５Ｏ１２
▲３▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．１Ｙ２．９Ｆｅ５Ｏ１２
▲４▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．３Ｙ２．７Ｆｅ５Ｏ１２
▲５▼ ビスマス・ガリウム置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．３Ｙ２．７Ｆｅ４．９Ｇａ０．１Ｏ１２
▲６▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．４Ｙ２．６Ｆｅ５Ｏ１２
▲７▼ ビスマス置換イットリウム鉄ガーネットＢｉ０．５Ｙ２．５Ｆｅ５Ｏ１２
▲８▼ ガドリニウム置換イットリウム鉄ガーネットＧｄ０．３Ｙ２．７Ｆｅ５Ｏ１２
▲９▼ ネオジム置換イットリウム鉄ガーネットＮｄ０．３Ｙ２．７Ｆｅ５Ｏ１２
【００１９】
▲１▼〜▲９▼のいずれの磁性体も膜厚は１００μｍであり、５ｍｍ×５ｍｍの大きさに切り出した。ＧＧＧ基板の両側にイットリウム鉄ガーネット単結晶膜（またはその組成の一部を置換したもの）が成長するので、そのうちの片側の単結晶膜を研磨により除去した。光が入射または出射する端面は鏡面研磨した。
【００２０】
電子スピン共鳴測定装置（ＥＳＲ）を用いてこれらの試料（▲１▼〜▲９▼）の強磁性共鳴半値幅を測定し、また４５°法またはクロスニコル法によりこれらの試料の波長１．５５μｍにおけるファラデー回転能の大きさを測定した。それらの測定結果を以下に示す。
【００２１】
▲１▼は６５Ａ／ｍおよび１７０°／ｃｍ、▲２▼は２００Ａ／ｍおよび４９°／ｃｍ、▲３▼は２００Ａ／ｍおよび０°／ｃｍ、▲４▼は２２０Ａ／ｍおよび２２５°／ｃｍ、▲５▼は１８０Ａ／ｍおよび２０２°／ｃｍ、▲６▼は２４０Ａ／ｍおよび３１３°／ｃｍ、▲７▼は３２０Ａ／ｍおよび４４９°／ｃｍ、▲８▼は４２０Ａ／ｍおよび８８°／ｃｍ、▲９▼は８０００Ａ／ｍおよび１６０°／ｃｍであった。
【００２２】
なお、単結晶膜の組成が同じであっても、単結晶膜の育成温度や基板回転速度、基板種類（膜と基板との格子ミスマッチ量）など育成条件によって強磁性共鳴半値幅は異なることがある。
【００２３】
次に、上記磁性体を用いて光信号の変調を行い、振幅強度を求めた。
すなわち、いずれの磁性体にも波長１．５５μｍの半導体レーザーを光源とし、５ｍｍ×１００μｍの端面の１つから結晶中に入射させた。入射光の振動方向は、板状結晶の板面の法線方向に一致するように固定した。結晶の５ｍｍ×５ｍｍの面には、特性インピーダンスが５０Ωとなるようなマイクロストリップラインを設置した。マイクロストリップラインには、周波数１．９２ＧＨｚのマイクロ波を印加した。マイクロストリップラインの方向と光の進行方向とは直交するようにした。外部磁場は印加していない。検光子の方位は、マイクロ波を印加しないときの磁性体の透過光の振動方向の方位から４５°傾いた方位とした。
【００２４】
測定の結果、▲１▼の磁性体に用いた光信号処理装置では光信号の変調の振幅は約０．１３ｍＡとなった。▲２▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．０９ｍＡとなった。▲３▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調はノイズレベル以下であり観察されなかった。▲４▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．６６ｍＡとなった。▲５▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．３９ｍＡとなった。▲６▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の振幅は約０．７１ｍＡとなった。▲７▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の大きさは約０．０１ｍＡとなった。▲８▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調の大きさは約０．０３ｍＡとなった。▲９▼の磁性体を用いたものでは光信号の変調はノイズレベル以下であり観察されなかった。
以上の結果から明らかなように、磁性体として、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であって、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下であり、ファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体を用いることにより、光信号の変調振幅が０．３９ｍＡ以上と大きい値が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、従来の技術でははなはだしい場合には光信号処理において光変調信号を得ることができないこともあるのに対して、ディジタル光信号処理では光変調強度が大きくかつビットエラーレートが小さい、また、アナログ光信号処理では光変調強度が大きくかつＳＮ比が大きい、光信号処理装置および光信号処理方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の背景となりかつこの発明が適用される従来の光変調器の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示す光変調器においてマイクロ波またはミリ波をマイクロ波回路に印加していないときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。
【図３】図１に示す光変調器においてマイクロ波またはミリ波を印加しているときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。
【符号の説明】
１０ 光変調器
１２ 磁性体
１４ マイクロ波回路
１６ マイクロ波（またはミリ波）信号発生器
１８ マイクロ波（またはミリ波）増幅アンプ
２０ 終端抵抗器
２２ レーザー光源
２４ 偏光子
２６ 第１のレンズ
２８ 第２のレンズ
３０ 検光子
３２ 第３のレンズ
３４ 光ファイバー
３６ フォトディテクター
３８ 信号処理用の電気回路
Claims (2)
- 光を透過する磁性体、および
前記磁性体に形成され、前記磁性体を透過する光を変調するためにマイクロ波またはミリ波帯域の信号が印加されるマイクロ波回路を備える光信号処理装置において、
前記磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体であることを特徴とする、光信号処理装置。 - 磁性体に形成したマイクロ波回路にマイクロ波またはミリ波帯域の信号を印加することにより、前記磁性体を透過する光を変調する光信号処理方法において、
前記磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体であることを特徴とする、光信号処理方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002166243A JP2004012816A (ja) | 2002-06-06 | 2002-06-06 | 光信号処理装置および光信号処理方法 |
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|---|---|
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ID=30433876
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|---|---|
| JP (1) | JP2004012816A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103197118A (zh) * | 2013-03-26 | 2013-07-10 | 上海理工大学 | 石榴石型电流传感装置以及石榴石模块的制备方法 |
-
2002
- 2002-06-06 JP JP2002166243A patent/JP2004012816A/ja active Pending
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