JP2015215581A - 光アッテネータおよび多チャンネル光アッテネータ - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧駆動が可能で優れた光減衰特性を備えた光アッテネータをより安価に提供する。
【解決手段】前方から光軸５０に沿って順に、偏光子１０ａ、電圧が印加されていない状態で所定の残留位相差を有して前方からの直線偏光に上下方向の電圧に応じた所定の位相差を与えて後方から出射する電気光学素子２０、検光子１０ｂが光軸を法線方向として配置された基本構成に、検光子と電気光学素子との間に配置される１／４波長板３０が追加された光アッテネータ１００であって、偏光子と１／４波長板は光学軸（１１ａ、３１）が上下方向に対して所定の方向に４５°傾き、１／４波長板から出射される直線偏光の振動方向と、検光子の光学軸１１ｂの方向との交差角度を変化させる偏光方位回転手段を備え、遮光状態時の減衰量が、基本構成において偏光子と検光子の光学軸が左右方向に対して４５°傾いているときよりも大きい。
【選択図】図４

Description

この発明は、物質の電気光学効果を利用して入射光の透過と遮断を制御したり、入射した光の減衰量を可変制御したりするための光アッテネータに関する。

光アッテネータとしては、例えば、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）などの電気光学効果を有する物質（以下、電気光学物質あるいはＥＯ物質と言う）を用いたものがある。このＥＯ物質を用いた光アッテネータは、一般に、対向配置された一対のコリメータと、平板状のＥＯ物質を互いに対面する二つの電極で狭持した構成の電気光学素子（以下、ＥＯ素子とも言う）、偏光子、検光子、および電極間に電界を印加するための駆動回路から構成され、光が入力される側の一方のコリメータから光が出力される側の他方のコリメータに向かって、偏光子、ＥＯ素子、検光子がこの順に光路に沿って配置された構造となっている。偏光子と検光子は、光学軸が互いに直交あるいは平行となるように対面して配置されている。また、ＥＯ物質を狭持する二つの電極間にできる電界の方向は、偏光子の光学軸に対して４５゜傾いている。

そして、電極間に電界を印加していないときは、偏光子を透過してきた直線偏光がその振動方向を維持したまま検光子に入射する。このとき、検光子の光学軸が偏光子の光学軸に対して直交しているときは光が遮断され、平行であるときは光が透過する。一方、駆動回路により電極間に電界を印加すると、ＥＯ物質を透過する光に位相差（リタデーション）が生じ、入射した直線偏光の振動方向が最大で９０゜回転する。その結果、入射光が検光子を透過、あるいは遮断される。また、電界強度に応じて振動方向の傾きを制御することで検光子を透過する光の強度減衰量を変化させることができる。

なお、上述したＥＯ物質を用いた光アッテネータでは、原理的にＥＯ物質内の電界強度を極めて高くする必要がある。すなわち、電極間の電圧を高くする必要がある。そこで、電極間の電圧（駆動電圧）を低くするために、ＥＯ物質を電極で挟持した構造を積層させた多層構造を採用し、７０Ｖ程度の電圧でも有効に動作する光アッテネータが実用化された。そして、この光アッテネータは実際に市販品として提供されている（例えば、フルウチ化学株式会社製「ＰＬＺＴ高速光シャッター」：非特許文献１参照）。

しかし、上記市販の「ＰＬＺＴ高速光シャッター」では、多層構造の層間を光路としているため、回折、あるいは電極による光散乱や反射が生じ、透過損失が大きくなる、という問題があることから、以下の特許文献１では、ＥＯ物質を薄膜化しつつ、集光レンズを用いて、その焦点近傍にＥＯ物質を配置することで、電極間距離を小さくして１５Ｖ程度の低電圧での駆動を実現しつつ、上述の多層構造に由来する光学的な各種問題を解決している。

特開２０１１−１１８４３８号公報

フルウチ科学株式会社、"PLZT高速光シャッター"、[online]、[平成２６年４月４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.furuchi.co.jp/measurement/shutter.html＞

光アッテネータとしては、ＥＯ物質の電気光学効果に基づくリタデーションを利用した形態に限らず、種々の原理や物質を利用した形態が存在する。例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ファラデー素子、液晶などの光学素子を用いたものである。ここで、光アッテネータの主要な利用分野である光通信での用途を考えると、ＭＥＭＳや液晶を光学素子として用いた方式では応答速度が遅く、採用し難い。ファラデー素子を用いた方式では、磁界を印加するための構造が複雑であり、素子以外の周辺構成を含めると小型化が難しくなる。また、磁界を可変制御するために電磁石を用いており、その電磁石を駆動するために比較的大きな電流が必要となり省電力化が難しい。

一方、ＥＯ物質によるリタデーションを利用した光アッテネータでは、高速応答性に優れ、電界を印加するだけで駆動できるため、小型化し易く、また、電界強度によって制御するため、電流がほとんど流れず、省電力でもある。したがって、ＥＯ物質を光学素子として用いた光アッテネータは他の素子を用いた光アッテネータよりも省電力化と小型化に有利であると言える。

その一方で、上述した市販の光アッテネータではそれ以前の光アッテネータよりは低電圧で駆動できるものの、それでも７０Ｖの高電圧で駆動する必要がある。上記特許文献１に記載の光アッテネータでは、駆動電圧を１５Ｖまで下げるために、電極間の距離を極めて狭くしている。また、集光レンズも必要としている。そのため、ＥＯ物質の加工が難しく、部品点数もさらに多くなり製造コストが増加する。

そこで近年、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、以下、ＫＴＮ）に代表される一般式Ｋ_１-ｙＭ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（但し、Ｍは１価の金属、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される強誘電体をＥＯ物質としたＥＯ素子に注目が集まっている。このＥＯ物質は、室温近辺に相転移点を有して巨大な誘電率を有して優れたＥＯ効果を発現する。そのため簡素な構造でも低電圧駆動が可能となる。

しかしながら、上記の強誘電体ではＥＯ素子に一度でも電界を印加してしまうと、電荷が残留して弱い電界が印加されたときと同じ状態となり、電界を印加していない初期状態でも複屈折効果による位相差が生じた状態になってしまう。また、十分に電界を印加した場合でも初期状態における複屈折の影響が残留し、入射した直線偏光が楕円偏光として出射される。そのため、暗状態が不完全となり、光減衰率を大きくすることができないという問題を有している。

そこで本発明は、ＥＯ素子に初期状態で複屈折効果を有するＥＯ物質を用いた光アッテネータの光減衰特性を向上させることを主な目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、前後方向に延長する光軸に沿って前後に光の入出射面を有する複数の光学素子が配置されて、前方から入射された光の強度を減衰させて後方から出射する光アッテネータであって、
前記光軸に直交し、かつ互いに直交する２方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、
前方から前記光軸に沿って、前記光学素子として、偏光子、電気光学素子、および検光子がこの順に配置されてなる基本構成に、前記偏光子と前記電気光学素子との間、あるいは前記電気光学素子と前記検光子との間のいずれかに配置された１／４波長板が光学素子として追加された構成を有し、
前記電気光学素子は、電気光学効果を有するとともに電気光学物質が上下方向で対面する電極によって挟持されて、外部の駆動回路により当該対面する電極間に電圧が印加されると前記電気光学物質に複屈折効果が発現し、前方から入射した直線偏光に前記電圧に応じた所定の位相差を与えて後方から出射し、
前記偏光子は、後方から前方を見たときに光学軸が左右方向に対して所定の方向に４５°傾いており、
前記電気光学物質は、前記電気光学素子の前記対面する電極間に電圧が印加されていない状態において、所定の残留位相差による複屈折効果を有し、
前記１／４波長板は、前後方向から見たときに光学軸が左右方向に対して４５゜傾いており、前記検光子に直線偏光が入射されるように前記電気光学素子における前記残留位相差を補償し、
前後方向から見たときに、前記検光子に入射される直線偏光の振動方向と、前記検光子の光学軸の方向との交差角度を変化させる偏光方位回転手段を備え、
前記偏光方位回転手段は、前記基本構成において前記偏光子と検光子のそれぞれの光学軸の方向が前記左右方向に対して所定の方向に４５°傾いているときよりも、光強度が最も小さくなるオフ状態での前記減衰量を大きくするとともに、光強度が最も大きくなるオン状態での前記減衰量を小さくする、
ことを特徴とする光アッテネータとしている。

前記偏光方位回転手段は、前後方向から見たときに、光学軸が前記偏光子の光学軸の方向と一致あるいは９０°傾いた方向から角度αで前記光軸回りに回転させた方向に傾いている検光子で構成されていることを特徴とする光アッテネータとすることができる。さらに、前後方向から見たときに、前記１／４波長板から出射する前記直線偏光は、左右方向から４５゜傾いた方向から前記角度αだけ傾いた方向に振動していることを特徴としている特徴とする光アッテネータとしてもよい。

前記１／４波長板と前記検光子との間に前記偏光方位回転手段を構成する光学素子として１／２波長板が配置され、
前後方向から見たときに、前記検光子の光学軸が前記偏光子の光学軸の方向と一致あるいは９０゜傾いているとともに、前記１／２波長板の光学軸の方位に対して前記１／４波長板から出射する前記直線偏光の方位と前記検光子の光学軸の方位とが対称である、
ことを特徴とする光アッテネータとすることができる。

より好適には、前記光アッテネータにおいて、前記電気光学物質は一般式Ｋ_１-ｙＭ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（但し、Ｍは１価の金属、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される物質であることである。

上記いずれかの光アッテネータにおいて、
前記偏光子の前方に配置された第１のコリメートレンズと、当該コリメートレンズの前方に配置されるとともに後端が開口する第１の光ファイバと、前記検光子の後方に配置された第２のコリメートレンズと、当該第２のコリメートレンズの後方に配置されるとともに前端が開口する第２の光ファイバとを備え、
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバの開口同士を結ぶ線を前記光軸として、 前記第１のコリメートレンズは、前記第１の光ファイバが後方に向けて出射した光を光軸に沿う平行光として後方に出射し、
前記第２のコリメートレンズは、前方から前記光軸に沿って入射した平行光を前記第２の光ファイバに結合させる、
ことを特徴とする光アッテネータとすることもできる。

さらに前記偏光子と前記検光子は、複屈折素子からなり、前方から無偏光状態の一つの平行光が入射されると常光と異常光に分離するとともに、後方から見たときの前記光学軸の方向に沿って離間する二つの平行光として後方に出射するように構成されているウォークオフプリズムであることを特徴とする光アッテネータとすることもできる。

前記光アッテネータを１チャンネル分の光アッテネータとして、当該１チャンネル分の左右に複数チャンネル分並べたものに相当する構成を一体的に備えたことを特徴とする多チャンネル光アッテネータも本発明の範囲としている。

上記の多チャンネル光アッテネータにおいて、前記複数チャンネル分の光アッテネータを構成する複数個の前記第１のコリメートレンズおよび複数個の第２のコリメートレンズは、マイクロレンズアレイとして左右に並べて配置された状態で一体化されている多チャンネル光アッテネータとすることもできる。

上記いずれかの多チャンネル光アッテネータにおいて、前記偏光子、前記電気光学素子、前記１／４波長板、前記検光子の少なくとも一つが、前記複数チャンネル分の光アッテネータによって形成される複数チャンネル分の光路を横断するように左右に延長して形成されていてもよい。

本発明の光アッテネータによれば、低電圧駆動が可能で減衰特性に優れている。また、製造の容易性を確保しつつ小型化が可能であり、安価に提供することも期待できる。

本発明の比較例に係る光アッテネータの構成を示す図である。 上記比較例の消光比特性を示す図である。 上記比較例の光減衰量特性を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。 上記第１の実施例に係る光アッテネータを構成する電気光学素子の残留位相差をパラメータとして、当該光アッテネータを構成する検光子の光軸周りの回転角度と光損失特性との関係を示す図である。 上記第１の実施例において、上記検光子の回転角度および上記残留位相差をパラメータとして、当該光アッテネータを構成する１／４波長板の光学軸方位と損失との関係を示す図である。 多チャンネル光アッテネータの要部を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る光アッテネータを構成する光ファイバコリメータの光学特性を示す図である。 上記第２の実施例に係る光アッテネータの構造と概略動作を示す図である。 上記第２の実施例に係る光アッテネータを構成する偏光子と１／４波長板と検光子のそれぞれの光学軸方位を示す図である。 上記第２に係る光アッテネータの光損失特性を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る光アッテネータの概念を説明するための図である。 上記第３の実施例に係る光アッテネータの光損失特性を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。 上記第４の実施例に係る光アッテネータを構成する１／２波長板の光学軸の方位の一例を示す図である。 上記第４の実施例に係る光アッテネータの概略動作を示す図である。 上記第４の実施例に係る光アッテネータを構成する上記１／２波長板を透過する光の状態変化を示す図である。 実用に供される一般的な光アッテネータに形成される光路の一例を示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。

＝＝＝光アッテネータの動作原理＝＝＝
本発明の実施例に係る光アッテネータは、まず、高速応答性、省電力化、小型化などの要求に応えるため、ＥＯ物質の電気光学効果に基づく位相差を動作原理として採用した。さらに簡素な構造で低電圧駆動を可能とするために、ＫＴＮなどの初期状態において複屈折効果に起因する位相差（以下、残留位相差とも言う）が発生してしまうＥＯ物質を敢えて利用することとした。そして、残留位相差を相殺するための構成について鋭意研究を重ねることで本発明に想到した。

＝＝＝残留位相差の相殺原理＝＝＝
以下に、本発明の実施例に係る光アッテネータによる残留位相差の相殺原理について説明する。

＜従来の光アッテネータの構造と特性＞
まず、残留位相差の相殺原理を説明する前に、従来の光アッテネータの構造と動作、および問題点について詳しく説明する。図１は従来の光アッテネータ（以下、比較例とも言う）１の構造を示す図である。図１（Ａ）は比較例１の構成を示す図であり、図１（Ｂ）は当該構成に含まれる偏光子１０ａと検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、１１ｂ）の方向を示す図である。

図１（Ａ）に示したように、比較例１には、前方から後方に向かって光Ｂ１が入射することとし、比較例１は、この前後方向に延長する光軸５０に沿って偏光子１０ａ、ＥＯ素子２０、検光子１０ｂがこの順に配置された構造となっている。ＥＯ素子２０は、光軸５０を法線方向とした前後の面を光の入出射面としたＥＯ物質２１を互いに対面する二つの電極（２２−２２）で挟持した構造である。二つの電極（２２−２２）は光に直交する方向に電界Ｅを印加するように配置されている。ここで、便宜的に電界Ｅの印加方向を上下方向とし、電界Ｅは上方から下方に印加されるものとして上と下の各方向を規定する。また、前後方向から見て上下方向と直交する方向を左右方向とし、後方から前方を見たときの方向によって左と右の各方向を規定することとする。

偏光子１０ａと検光子１０ｂは、光学軸（１１ａ、１１ｂ）を光の透過軸として、当該光学軸（１１ａ、１１ｂ）が図１（Ｂ）に示したように、ＥＯ素子２０に印加される電界Ｅ方向に対して４５゜傾いている。偏光子１０ａと検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、１１ｂ）は互いに直交あるいは平行であり、ここでは直交している場合を示している。すなわち、図示した比較例１は、ＥＯ素子２０に電界Ｅを印加していない状態（以下、初期状態とも言う）で暗状態となる、所謂ノーマリオフ型となっている。互いに平行である場合では、初期状態で明状態となり、ノーマリオン型となる。

ＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）に駆動回路６０により電圧が印加されると、ＥＯ物質２１内に電界Ｅが発生する。ＥＯ物質２１は、この電界Ｅにもとづく複屈折効果により、入射した直線偏光Ｂ２を電界Ｅ方向に平行な方向に振動する光（以下、ＴＥ光）Ｂ_ＴＥと電界方向に垂直な方向に振動する光（以下、ＴＭ光）Ｂ_ＴＭに分離し、ＴＥ光Ｂ_ＴＥとＴＭ光Ｂ_ＴＭとの間には印加した電界Ｅに応じた位相差が生じ、その位相差に応じた楕円偏光Ｂ３を後方に向けて出射する。ＴＥ光Ｂ_ＴＥとＴＭ光Ｂ_ＴＭとの間でπ（ｒａｄ）＝１８０°の位相差が生じれば、入射した直線偏光Ｂ２が光軸５０周りに９０°回転した光Ｂ３として後方に出射することになる。

検光子１０ｂは、ＥＯ素子２０から光Ｂ３が入射されると、その光Ｂ３において、自身の光学軸１１ｂと直交する方向の成分を遮断し、光学軸１１ｂの方向と一致する成分の直線偏光Ｂ４を後方に出力する。それによって偏光子１０ａに入射した光Ｂ１の強度が減衰されてこの光アッテネータ１から出射される。

また、ＥＯ素子２０のＥＯ物質２１に電界Ｅが印加されて１８０゜の位相差が生じた際には、入射した直線偏光Ｂ２が光軸５０周りに９０゜回転した直線偏光が検光子１０ｂに入射される。ノーマリオフ型であればこの直線偏光が検光子１０ｂの光学軸１１ｂと一致して光透過率が最大となるオン状態となる。ノーマリオン型であれば光が遮断されてオフ状態となる。

ところで、図１に示した比較例１において、ＥＯ素子２０を構成するＥＯ物質２１が残留位相差を有している場合、例えば、ノーマリオフ型であれば初期状態における暗状態における遮光が不完全であり、十分な光減衰量が得られない。ノーマリオン型であれば１８０゜に相当する位相差が発生するのに十分な電界Ｅを印加しても、残留位相差によりＥＯ素子２０から出射する光が直線偏光にならず、やはり不完全な遮光状態となる。

図２にＥＯ素子２０に直線偏光を入射したときの消光比特性を示した。この図には、ＥＯ物質２１に残留位相差がある場合の消光比特性が示されており、初期状態（Ｅ＝０）において、ＥＯ素子２０に入射する直線偏光の回転角度と、そのＥＯ素子２０から出射する光の消光比との関係を示している。直線偏光の回転角度は上下方向に対する角度としている。なお、ＥＯ素子２０は、図１に示した前後長Ｌｅｏが２．５５ｍｍ、上下方向の厚さｄが９４μｍのＫＴＮをＥＯ物質２１として用いている。

図２に示したように、入射した直線偏光の回転角度が上下方向、すなわち電界Ｅの印加方向と平行にあるとき、あるいは左右方向（電界Ｅと直交する）にあるときに消光比が最大となり、４５°傾いているときに最小となる。しかし、残留位相差が存在するため消光比の最小値が約６ｄＢとなり、ＥＯ素子２０から出射する光Ｂ３は、必ず互いに直交する２成分を有する楕円偏光となる。したがって、図１に示した比較例１では十分に遮光することができない。

図３はＥＯ素子２０に残留位相差がある場合における比較例１の光減衰特性を示している。この図３では、先に図１に示した比較例１において、ＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）に印加する電圧と入射光Ｂ１に対する出射光Ｂ４の減衰量との関係を示しており、偏光子１０ａと検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、１１ｂ）がノーマリオン型の場合と、ノーマリオフ型の場合のそれぞれについて示している。ここでもＥＯ素子２０は、ＥＯ物質２１として、前後長Ｌｅｏ＝２．５５ｍｍ、厚さｄ＝９４μｍのＫＴＮを用いた。

ところで、光通信用途では−３０ｄＢ程度の減衰量（３０ｄＢの損失）が必要とされるが、図３に示したように、ＥＯ素子２０のＥＯ物質２１に電界Ｅをどのように印加しても十分な減衰量が得られない。とくにノーマリオン型では、電圧を印加したときに十分な減衰量が得られず、光減衰特性が大きく劣化している。また、ノーマリオフ型では、初期状態（０Ｖ）から電圧が増加するのに伴って減衰量が減少したのち極大値に向かって増加に転じており、所望の減衰量に制御するのが難しい。ノーマリオフ型でも、減衰量が横ばいから若干増加したのち、極小値に向かって減少に転じている。すなわち、比較例では、減衰量を精度よく制御することが難しい。光アッテネータには、優れた光減衰特性とともに、初期状態（０Ｖ）において、ノーマリオン型では最大減衰量となり、ノーマリオフ型では最小減衰量となるような特性であることが望まれる。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の第１の実施例として、ＥＯ素子２０における残留位相差を相殺するための必要最小限の構成を備えた光アッテネータ挙げる。図４に第１の実施例に係る光アッテネータ（以下、第１実施例）１００の概略構造を示した。図４（Ａ）は当該第１実施例１００を構成する各種光学素子（１０ａ、２０、３０、１０ｂ）の配置を示す図であり、この図に示したように、第１実施例１００は、図１に示した比較例１と同様の構成、すなわち偏光子１０ａと検光子１０ｂの間にＥＯ素子２０を配置した基本的な構成に対し、ＥＯ素子２０と検光子１０ｂとの間に１／４波長板（以下、λ／４板とも言う）３０が挿入されている点が異なっている。

図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、ＥＯ素子２０以外の各光学素子（１０ａ、３０、１０ｂ）における光学軸（１１ａ、３１、１１ｂ）を後方から見たときの方位を示しており、ここでは、便宜的に、方位の基準となる軸を左右方向とするとともに、後方から見て右方を０°とした回転角度（以下、方位角）で示している。また基準となる軸に対して反時計回りとなる方向を正の回転方向としている。第１実施例１００は、図４（Ｂ）と図４（Ｃ）に示したように、後方から見たときの偏光子１０ａと検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、１１ｂ）の方位角（θ、φ）は、互いに直交あるいは平行の関係になく、検光子１０ｂの光学軸１１ｂは、偏光子１０ａの光学軸１１ａと直交あるいは平行となる状態から光軸５０回りに角度αだけ回転させた方位となっている。ここでは、直交する状態に対して後方から見て時計回りに角度αだけ回転させている。そして、その回転角αはＥＯ素子２０における残留位相差に応じて調整されている。なお、偏光子１０ａの光学軸１１ａは比較例１と同様にＥＯ素子２０における電界Ｅの印加方向に対して４５゜傾いている（θ＝４５°）。したがって、検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φは、φ＝θ±９０°−αとなっている。また、λ／４板３０の光学軸３１は、当該電界Ｅの方向に対して４５゜傾いており、図４に示した例では、その方位角ωは偏光子１０ａの光学軸１１ａと同じω＝４５°である。

図５は、第１実施例１００がＥＯ素子２０に電界Ｅを印加していない初期状態にあるときの検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φと光損失（ｄＢ）との関係を示している。そして、残留位相差δ（ｄｅｇ）をパラメータとしている。この図５に示したように、残留位相差δがどのような値であっても検光子１０ｂを光軸５０周りに適宜に回転させることで、損失が０ｄＢから３０ｄＢよりも十分に大きな値まで可変する。これは、初期状態において、ノーマリオン型で損失０ｄＢ、ノーマリオフ型で実用上十分な損失３０ｄＢ以上となる方位角φが存在することを意味する。以上より、第１実施例１００では残留位相差が相殺されていることが確認された。

次に、λ／４板３０の光学軸３１の方位角ωと光損失との関係を調べた。図６に当該関係を示した。図６（Ａ）は残留位相差δ＝５０゜のときに、検光子１０ｂにおける光学軸１１ｂの方位角φをパラメータとしたときの関係であり、図６（Ｂ）は残留位相差δをパラメータとしたときの関係である。図６（Ａ）、（Ｂ）に示したように、λ／４板３０の光学軸３１の方位角ωが４５゜であるとき以外では、残留位相差δが０゜を含むどのような値であっても、そして検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φ（検光子１０ｂの回転角度α）をどのように調整しても、実用的な遮光状態（損失３０ｄＢ以上）や結合損失がない状態（損失０ｄＢ）を実現することができない。

以上から、上記第１実施例１００では、ＥＯ素子２０が残留位相差δに基づく楕円偏光を後方に出射したとしても、λ／４板３０がその残留位相差δを相殺して楕円偏光の長軸方向を回転させるとともに入射した楕円偏光の消光比を増大させて直線偏光を出射しているように動作していると考えることができる。すなわち、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されていないとき、あるいは電界Ｅを十分に印加して電気光学効果による位相差が１８０゜であるときにλ／４板３０から後方に出射する光は、ＥＯ素子２０における残留位相差δによって４５°方向から角度αだけ傾いている直線偏光として考えることができる。

そして検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φは、４５゜あるいは−４５゜から角度αだけ回転させた角度に設定されているため、検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φがλ／４板３０から出射された消光比の大きな楕円偏光の長軸方向に対して平行あるいは直交となる角度に一致し、光損失特性が劇的に改善されるのである。もちろんλ／４板３０の光学軸３１はＥＯ素子２０における電界Ｅの方向に対して４５°傾いていればよく、その光学軸３１の方位角ωは±４５°とすることができる。いずれにしても、λ／４板３０の光学軸３１の方位角ω（＝±４５°）から角度αだけ傾いた直線偏光に対して直交あるいは平行となるように検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φを設定すれば残留位相差δを相殺することができる。なお偏光子１０ａと検光子１０ｂのそれぞれの光学軸（１１ａ、１１ｂ）の方位角（θ、φ）と残留位相差δとの関係は、ＥＯ素子２０においてＴＭ光の位相がＴＥ光よりも進む場合を「＋」とした場合、ノーマリオン型であれば、
φ＝δ／２＋θ、（ω＝＋４５°のとき）
φ＝−δ／２−θ、（ω＝−４５°のとき）
となる。ノーマリオフ型であれば、上記式の左辺と右辺がクロスニコルの関係となるように左辺あるいは右辺に９０°を加算すればよい。そして、図５や図６に示した測定結果は、上記式にほぼ一致している。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
上述したように、第１実施例に係る光アッテネータ１００は、巨大な誘電率を有するＫＴＮをＥＯ素子２０に用いて低電圧駆動を可能としつつ、残留位相差δを確実に相殺して優れた光損失特性を有している。しかも、偏光子１０ａ、ＥＯ素子２０、λ／４板３０、および検光子１０ｂを光路上に配置するだけの簡素な構造であり、コストアップを招くことがない。

しかし、上記第１実施例１００は、残留位相差δを相殺するための原理を確認するための構成のみを備えたものであった。そこで、つぎに、この第１実施例１００と同じ動作原理を採用しつつ、実際に光通信網内に配置することを想定した光アッテネータを第２の実施例として挙げる。

第２の実施例に係る光アッテネータ（以下、第２実施例）は、光通信網のノードに設置されて、複数本の光ファイバからなる複数チャンネル分の光通信経路を伝搬する光信号を一括して減衰させる多チャンネル光アッテネータに適用することを想定したものである。多チャンネル光アッテネータは、例えば、前端と後端で対向配置される光ファイバコリメータの組を、例えば左右方向に複数組並べて配置するとともに、前後一組の光ファイバコリメータ間に図３に示した光アッテネータの構成を並べて配置したものと同様の構成を一体的に備えたものである。

＜第２実施例の構成＞
第２実施例では、左右方向に並ぶ複数の光ファイバコリメータを個別のコリメータで構成せず、図７に示したように、左右方向に並べられる複数本の光ファイバＦのそれぞれに対応して複数個の微小なレンズＣを左右方向にピッチＰで並べて配置したマイクロレンズアレイＭＬＡを用いた多チャンネル光アッテネータを想定している。具体的には、左右の幅が２ｃｍで、８個のレンズＣがピッチ１２７μｍで左右に並んだマイクロレンアレイＭＬＡを用いた８チャンネル光アッテネータを想定し、第２実施例では、その８チャンネルの内の１チャンネル分に相当する構成を備えている。

図８は、第２実施例を構成する光ファイバコリメータの光学特性を示す図である。ここでは、第２実施例における光ファイバとコリメートレンズ（Ｃａ、Ｃｂ）のみを真空中に配置したときの位置関係やコリメート光の特性を示している。なお、実際に作製した第２実施例は、多チャンネル光アッテネータを構成する１チャンネル分の光アッテネータであり、図８に示した前後で対向する一対の光ファイバコリメータ間（４０ａ―４０ｂ）に、屈折率ｎが1よりも大きな各種光学素子（図３、符号１０ａ、１０ｂ、２０、３０）を配置した構成となる。

図８に示したように、第２実施例を構成する光ファイバ（Ｆａ、Ｆｂ）は、モードフィールド径Ｗ０＝５μｍであり、コリメートレンズ（Ｃａ、Ｃｂ）の光学特性やサイズなどは、図７に示したマイクロレンズアレイＭＬＡを構成する個々のレンズＣと同じものである。この例では、コリメートレンズ（Ｃａ、Ｃｂ）は、焦点距離ｆ＝０．３５ｍｍであり、前方のコリメータ（以下、入射側コリメータ）４０ａの光ファイバ（以下、入射側光ファイバ）Ｆａから波長λ＝１５５０ｎｍのレーザー光がある開口角βで後方に向かって出射されると、ビーム径Ｗ_１＝３５μｍのコリメート光Ｂｃを後方に向かって出射する。

なお、真空中では、前方のコリメートレンズ（以下、入射側レンズ）Ｃａから出射したコリメート光Ｂｃは、レーリー距離Ｚｒ_０の位置で最も収束し、以降は後方に向かって拡径していく。この例において、ビームが最も収束するビームウエストＢｗの位置でのビーム径（ビームウエスト径）Ｗ_２は２４μｍである。もちろん、第２実施例では、入射側レンズＣａと後方のコリメータ（以下、出射側コリメータ）４０ｂのコリメートレンズ（以下、出射側レンズ）Ｃｂとの間に真空中の屈折率ｎ＝１よりも大きな各種光学素子（１０ａ、１０ｂ、２０、３０）が配置されることになり、入射側と出射側のレンズ間（Ｃａ−Ｃｂ）は、図８に示した前後のコリメートレンズ間（Ｃａ−Ｃｂ）の距離Ｌｃ_０よりも長くなる。

図９に第２実施例１０１の構成、およびオン状態とオフ状態のそれぞれにおける光路や光路の途上における光の偏光状態を示した。また図１０に、第２実施例１０１を構成する各光学素子（１０ａ、２０、３０、１０ｂ）の後面での光路の位置と各光路における光の偏向状態とを示した。図１０（Ａ）は偏光子１０ａの後面における光路（Ｂ２１、Ｂ２２）の位置と偏向状態を示しており、（Ｂ）（Ｃ）、および（Ｄ）はオン状態におけるＥＯ素子２０、λ／４板３０、および検光子１０ｂの後面での光路の位置と偏向状態を示している。図１０（Ｅ）（Ｆ）、および（Ｇ）はオフ状態におけるＥＯ素子２０、λ／４板３０、および検光子１０ｂの後面での光路の位置と偏向状態を示している。また図１０（Ａ）、（Ｃ）〜（Ｆ）では後方から見たときの偏光子１０ａ、λ／４板３０、検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、３１、１１ｂ）の方位も示した。なお図１０（Ｄ）、（Ｇ）は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）、図１０（Ｅ）、図１０（Ｆ）によりも拡大して示している。そして図９、図１０では、図１や図３と同様に前後上下左右の各方向を規定するとともに、上下方向にｙ軸、前後方向にｚ軸、左右方向にｘ軸を設定することとする。さらに入出射側コリメータ間（４０ａ−４０ｂ）を通る直線を光軸５０とし、この光軸５０をｚ軸としている。以下では、まず、第２実施例１０１の具体的な構成を図９と図１０に基づいて説明し、その上で、当該第２実施例１０１の動作について説明する。

図９に示したように、第２実施例１０１は、先に図７に示したマイクロレンズアレイＭＬＡを構成する一つのレンズＣと同じレンズをコリメータレンズ（Ｃａ、Ｃｂ）として用いた入射側コリメータ４０ａと出射側コリメータ４０ｂとの間に、前方から後方に向かって、偏光子１０ａ、ＥＯ素子２０、λ／４板３０、検光子１０ｂがこの順で配置された構成を有している。

また、図１０（Ａ）（Ｃ）（Ｆ）に示したように、偏光子１０ａとλ／４板３０の光学軸（１１ａ、３１）の方位角（θ、ω）は、 ｘ軸方向を基準として４５゜に設定されている。検光子１０ｂの光学軸１１ｂは、ＥＯ素子２０における残留位相差δをλ／４板３０との組み合わせによって相殺するために、ノーマリオン型あるいはノーマリオフ型のそれぞれに対して偏光子１０ａと同じφ＝４５゜あるいはφ＝−４５゜の方向とした状態から、ＥＯ素子２０における残留位相差δに応じて設定される角度αだけｚ軸周りに回転させている。なお、ここでは検光子１０ｂの光学軸１１ｂがノーマリオン型に対応した方位から後方から見て時計回りに角度α（≦４５゜）だけ回転させることとしている。

第２実施例１０１における偏光子１０ａと検光子１０ｂは、偏光板ではなく、光軸５０を法線とした光の入出射面を有するルチル(以下、平板ルチル複屈折結晶）からなる複屈折素子である。そして偏光子１０ａは、前方から入射した光Ｂ１を光学軸１１ａと直交方向に振動する直線偏光（常光）ｏと、光学軸１１ａと平行方向に振動する直線偏光（異常光)ｅとに分離する、所謂「ウォークオフプリズム」として機能する。なお、偏光子１０ａと検光子１０ｂは実質的に同じものである。

偏光子１０ａと検光子１０ｂを構成する複屈折結晶は、屈折率ｎ＝２．５６９で、光学軸（１１ａ、１１ｂ）の前後方向への方位角（前後方位角）が所定の角度γとなるように切り出されている。ここでは、後方から見て４５゜となる光学軸１１ａの方向に沿って異常光ｅが常光ｏに対して分離しつつ、この異常光ｅと常光ｏが最も離間した位置から出射するように、前後方位角γ＝４７゜で切り出されている。検光子１０ｂは、偏光子１０ａに対して前後対称に配置されたのち、ｚ軸周りに所定の角度αだけ回転させた状態で配置されている。

偏光子１０ａから出射した常光ｏ１と異常光ｅ１のそれぞれに対応する二つの光路間（Ｂ２１−Ｂ２２）の距離（以下、ウォークオフシフト量）Ｗｆは、先に図８に示したように、入射側レンズＣａからのコリメート光Ｂ１のビームウエスト径Ｗ２が２４μｍであること、および図７に示したマイクロレンズアレイＭＬＡのピッチＰが１２７μｍであることなどを考慮して設定されている。ここでは、上記ビームウエスト径Ｗ２＝２４μｍと同じビーム径を有する二つの光路間でのクロストークが３０ｄＢ以上となるようにウォークオフシフト量Ｗｆが設定されており、Ｗｆ＝６４μｍとしている。そして、このウォークオフシフト量Ｗｆ＝６４μｍのｘ軸方向へ投影距離は約４５μｍであり、マイクロレンズアレイＭＬＡのピッチＰ＝１２７μｍに対して十分に短い。したがって、第２実施例１０１の構成を左右に１２７μｍのピッチで配置したとしても隣接するチャンネル間で光路が交錯することがない。なお、ウォークオフシフト量Ｗｆを６４μｍに設定するためには、当該ウォークシフト量Ｗｆが光学軸１１ａの方位（γ＝４７°、θ＝４５°）と、偏光子１０ａおよび検光子１０ｂの前後長Ｌｐとによって決まることから、ここでは当該前後長Ｌｐを０．６４ｍｍにしている。

ＥＯ素子２０は、強誘電体であるＫＴＮをＥＯ物質２１とし、そのＥＯ物質２１の上面と下面に白金（Ｐｔ）からなる薄膜電極２２が形成されてなる。電極間（２２−２２）の距離（ＫＴＮの上下方向の厚さ）ｄは、ＥＯ素子２０をビームウエストＢｗの位置に配置することとして、ビームウエスト径Ｗ２（＝２４μｍ）やウォークシフト量Ｗｆ（＝６４μｍ）を考慮してｄ＝９４μｍに設定されている。具体的には、ビームウエスト径Ｗ２＝２４μｍの２本のビーム（Ｂ２ｏ、Ｂ２ｅ）が４５゜の方向にウォークシフト量Ｗｆ＝６４μｍで離間してＥＯ物質２１を前後に透過する際に、ＥＯ物質２１の前後の面でケラレが生じないように電極間距離ｄを設定している。そしてその電極間距離ｄは９４μｍであった。

ＥＯ素子２０の前後長Ｌｅｏについては、コリメートレンズ間（Ｃａ−Ｃｂ）に挿入される偏光子１０ａ、ＥＯ素子２０におけるＥＯ物質２１、λ／４板３０、検光子１０ｂのそれぞれの屈折率ｎと、偏光子１０ａと検光子１０ｂの前後長Ｌｐ、およびλ／４板３０の前後長Ｌλとに基づいて設定することができ、ここでは、Ｌｅｏ＝２．５５ｍｍとなった。なお、ＥＯ物質２１は屈折率ｎ＝２．１８５であり、λ／４板３０は屈折率ｎ＝１．５で前後長０．１ｍｍである。偏光子１０ａと検光子１０ｂは屈折率ｎ＝２．５６９で前後長Ｌｐ＝０．６４ｍｍである。そして、前後長Ｌｅｏ＝２．５５ｍｍのＥＯ素子２０における残留位相差δは５０゜であった。なおＥＯ物質２１として用いたＫＴＮは、比誘電率εｒ＝２００００、電気光学係数ｇ１１＝０．０８０９ｍ４／ｃ２である。

＜第２実施例の動作＞
次に、第２実施例１０１の動作について説明する。まず、入射側コリメータ４０ａから偏光子１０ａに入射した無偏光状態の光Ｂ１は、当該偏光子１０ａ内で振動方向が光学軸１１ａと直交する常光ｏおよび平行となる異常光ｅとに分離し、図１０（Ａ）に示したようにそれぞれの光（ｏ、ｅ）の出射光（ｏ１、ｅ１）が自身の振動方向を維持して光路Ｂ２１および光路Ｂ２２を通ってＥＯ素子２０に入射する。

ＥＯ素子２０のＥＯ物質２１は残留位相差δを有し、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されていないときは、図１０（Ｂ）に示したように、ＥＯ素子２０に入射した常光ｏ１および異常光ｅ１のそれぞれが自身の振動方向を長軸としつつ残留位相差δに応じた消光比の楕円偏光（ｏ２１、およびｅ２１）として、光路Ｂ３１およびＢ３２上に出射される。ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されると、図１０（Ｅ）に示したように、常光ｏ１および異常光ｅ１は、電界Ｅに応じた電気光学効果によりＴＥ光とＴＭ光との位相差に応じた楕円偏光（ｏ２２、およびｅ２２）として光路Ｂ３１およびＢ３２上に出射される。そして電気光学効果に基づく位相差が１８０゜であるときは、図１０（Ｅ）に示したように、電界Ｅが印加されていないときに出射される楕円偏光（ｏ２１、ｅ２１）に対してｚ軸周りに９０゜回転した楕円偏光（ｏ２２、ｅ２２）が出射される。

λ／４板３０は、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されていない場合光路Ｂ３１を通る楕円偏光ｏ２１と光路Ｂ３２を通る楕円偏光ｅ２１が入射されて、図１０（Ｃ）に示したように、それぞれの楕円偏光（ｏ２１およびｅ２１）の消光比に応じた長軸方向と短軸方向の合成ベクトル方向に振動する直線偏光（ｏ３１およびｅ３１）を光路Ｂ４１および光路Ｂ４２上に出射する。そしてこの直線偏光（ｏ３１およびｅ３１）のｘｙ面での振動方向は、偏光子１０ａが出射した直線偏光（ｏ１、ｅ１）に対して角度αだけ傾いている。図示した例では、時計回りに角度αだけ傾いている。

ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されているときは、光路Ｂ３１を通る楕円偏光ｏ２２と光路Ｂ３２を通る楕円偏光ｅ２２が入射されて、それぞれの楕円偏光の消光比に応じた長軸方向と短軸方向の合成ベクトル方向に振動する直線偏光（ｏ３２およびｅ３２）を光路Ｂ４１および光路Ｂ４２上に出射する。ＥＯ素子２０における電気光学効果に基づく位相差が１８０゜であるときは、図１０（Ｃ）に示した二つの直線偏光（ｏ３１、ｏ３１）をそれぞれｚ軸周りに９０゜回転させた方向に振動する二つの直線偏光（ｏ３２、ｅ３２）を出射する（図１０（Ｆ）参照）。

検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φは、後方から見たときに４５゜方向に対して時計回りに角度αだけ傾いた角度となっている。そして、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されていなければ、検光子１０ｂには光路Ｂ４１を通りつつ自身の光学軸１１ｂと平行な方向に振動する直線偏光ｏ３１と、光路Ｂ４２を通り光学軸１１ｂと直交する方向に振動する直線偏光ｅ３１が入射する。そして図１０（Ｄ）に示したように、光路Ｂ４１を通る直線偏光ｏ３１はそのまま直進しｚ軸上の光路Ｂ５ｏに沿って後方に出射する。一方、光路Ｂ４２を通る直線偏光ｅ３１は光学軸１１ｂの方向に屈折し、ｚ軸上にほぼ一致する位置から出射する。より詳しくは、ｘｙ面における光路Ｂ４２の位置から光軸１１ｂと平行に延長する線１１ｃ上でｚ軸に最も近接する位置からｚ軸と平行な光路Ｂ５ｅに沿って出射し、ｚ軸を含む狭小な領域Ｂ５から振動方向が互いに直交する光（ｏ４、ｅ４）が出射し、それらの光が出射側光ファイバＦｂに結合する。

ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されているときは、検光子１０ｂに、光路Ｂ４１を通りつつ自身の光学軸１１ｂと直交する方向に振動する直線偏光ｏ３２と、光路Ｂ４２を通り光学軸１１ｂと平行な方向に振動する直線偏光ｅ３２が入射することになる。そして図１０（Ｇ）に示したように、光路４２を通る直線偏光ｅ３２は検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φと直交する方向に振動しているため、検光子１０ｂ中では常光として振る舞い、そのまま直進しｚ軸と平行となるように離間する光路Ｂ５２上に出射する。一方、ｚ軸上の光路Ｂ４１を辿って検光子１０ｂに入射した直線偏光ｏ３２は検光子１０ｂ内では異常光として振る舞い、他方の入射光ｅ３２に対してさらに離間するように屈折し、ｚ軸に対して光路Ｂ５２と対称となる光路Ｂ５１上に出射する。したがって、出射側光ファイバＦｂに光が結合せず遮光状態となる。

＜第２実施例の光減衰特性＞
上述した構成と構造を備えた第２実施例１０１の光損失特性を評価するために、入射側光ファイバＦａの前端側から光通信に用いられる波長λ＝１５５０ｎｍのレーザー光からなる光信号を入力するとともに、ＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）の電圧を変化させて出射側光ファイバＦｂの後端から出力させて、入出力の前後での光信号強度を測定した。図１１は第２実施例１０１の光損失特性を示す図であり、ＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）に印加する電圧と、光信号の入出力前後での強度から計算される損失との関係を示している。

図１１では、図９に示したノーマリオン型に加え、ノーマリオフ型となるように検光子１０ｂにおける光学軸１１ｂの方位角φを設定したときの光減衰特性も示している。この図１１に示したように、ノーマリオン型、ノーマリオフ型の双方で光通信の用途において十分と言われる３０ｄＢを遙かに超える４０ｄＢ以上の損失を得た。そして、ノーマリオン型では、検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φをφ＝１８゜としたときに１２．６Ｖで損失が最大となるオン状態になり、０Ｖで損失が０ｄＢで結合損失の発生もなかった。ノーマリオフ型では、φ＝１０８゜（＝−７２゜）としたときに電界を印加していない初期状態（０Ｖ）で損失が約４０ｄｂ以上となり、１２．６Ｖで結合損失が生じることなくオン状態となった。

＝＝＝第３の実施例＝＝＝
上記第１および第２の実施例にかかる光アッテネータ（１００、１０１）では、λ／４板３０を用いつつ、検光子１０ｂの角度αを調整することで、巨大な誘電率を有するＫＴＮをＥＯ素子２０に用いて低電圧駆動を達成しつつ、ＫＴＮの残留位相差δを相殺することにも成功している。しかし、実用上問題がなければ、オン状態での特性をある程度犠牲にする代わりに、さらに低い電圧で駆動させたい，という要望がある。また、第１および第２実施例では、例えば、図１１に示したように、ノーマリオン型では、ＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）に印加する電圧がある程度大きくならないと損失が変化しない。ノーマリオフ型においても、２Ｖ以下の電圧で実質的に十分な遮光状態が達成されている。すなわち、ＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）に印加する電圧値の変化に対して損失が過敏に変化する。そのため、電圧に対して損失が緩やかに変化するような特性、いわゆる「よりリニアな特性」にすることで、所望の損失を得るための駆動制御をより簡便にしたい、という要望もある。そこで、本発明の第３の実施例（以下、第３実施例）として、実用上問題のない光損失特性を有しつつ、より低電圧での駆動を達成し、さらには電圧と損失との関係（以下、電圧／損失特性とも言う）をよりリニアな特性にできる光アッテネータを挙げる。

上述したように、第３の実施例に係る光アッテネータでは、残留位相差を相殺させて結合損失を無くすのではなく、多少の結合損失を許した上で、低電圧駆動を可能にしたり、電圧と損失との関係をよりリニアな特性にしたりすることを目的としている。そこでまず、図９に示した構成の光アッテネータ１０１において、検光子１０ｂの回転角度αを変えたときの電圧／損失特性について検討してみた。

図１２（Ａ）、（Ｂ）に検光子１０ｂにおける方位角φをパラメータとしたときの電圧／損失特性を示した。ここでは、残留位相差δ＝５０゜とし、ノーマリオン型における特性を示した。なお図１２（Ａ）、（Ｂ）は、ともに横軸を電圧、縦軸を損失としたグラフであるが、図１２（Ｂ）は、低電圧側での特性を拡大したグラフであり、縦軸を対数目盛にしている。

この図１２に示したように、検光子１０ｂを後方から見て時計回りに回転させて、方位角φを第２実施例１０１とほぼ同じ角度（この例では、φ≒２０゜）に設定すると、２Ｖ程度の電圧よりも低いときは損失が０．０１ｄＢ以下で結合損失がほとんどなくなく、徐々に電圧を上げていくと、損失が増大していく。この例では、約１３Ｖでオフ状態となっている。そして、φ＝＋５゜にすると、電圧を印加していないときに結合損失が０．２〜０．３ｄＢ程度生じるものの、１２Ｖ以下の電圧でオフ状態となった。また、電圧を０Ｖから徐々に上げていき、損失が最大となるオフ状態に至る過程では、その損失の増減傾向が反転することなく、電圧の上昇とともに徐々に損失が増大してオフ状態に至る。そして、φ＝−７゜にすると、１ｄＢの結合損失が生じるものの、約１０Ｖでオフ状態となった。また損失の特性が反転することもなかった。すなわち、電圧を印加していない状態での結合損失を許容するならば、検光子１０ｂの方位角φを適切に設定することでよりリニアな電圧／損失特性が得られる。

つぎに、図９に示した第２実施例１０１の構成を採用しつつ、検光子１０ｂの方位角φのみをφ＝−７゜に設定した光アッテネータを第３実施例として作製し、その第３実施例の電圧／損失特性を測定した。図１３に第３実施例の電圧／損失特性を示した。ノーマリオン型およびノーマリオフ型の双方で３０ｄＢ以上の損失が得られ、十分な遮光特性が得られることが確認できた。また、結合損失は１ｄＢであった。そして、ノーマリオン型におけるオフ状態、ノーマリオフ型におけるオン状態となる電圧は、ともに第２実施例１０１の１２．６Ｖに対して２Ｖ以上も低い１０．５Ｖであった。従って第３実施例では、実用的な性能を備えつつ、より低電圧での駆動が可能となっている。

＝＝＝第４の実施例＝＝＝
第１〜第３実施例では、検光子１０ｂを回転させることで優れた損失特性を得ていた。この検光子１０ｂを回転させるという構成は、λ／４板３０が残留位相差δに起因する楕円偏光を直線偏光に変換するとともに、その直線偏光の振動方向を回転させるという効果（以下、便宜的に旋光効果とも言う）を利用して残留位相差δを補償するものである。例えば、第１および第２実施例では、λ／４板３０の旋光効果による直線偏光の振動方向に一致あるいは直交するように検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角を設定することで残留位相差を相殺している。

しかしながら、第１および第２実施例では、偏光子１０ａと検光子１０ｂとの光軸５０周りの相対的な回転角度を精密に調整する必要がある。とくに偏光子１０ａと検光子１０ｂに上述した平板ルチル複屈折結晶からなるウォークオフプリズムを用いる場合では、偏光子１０ａと検光子１０ｂが直方体形状の立体的な形状を有し、その立体的な形状の検光子１０ｂを偏光子１０ａに対して光軸５０周りに回転させた状態で保持する必要がある。そのため、検光子１０ｂを含めた各種光学素子を収納する筐体の構造が複雑となる。また検光子１０ｂを偏光子１０ａに対して回転させることで、検光子１０ｂの上下および左右方向のサイズが偏光子１０ａに対して実質的に大きくなる。これは、光アッテネータの小型化を阻む要因となる。もちろん、光学軸１１ｂが上記αだけ傾くように複屈折結晶を切り出して検光子１０ｂを作製することも考えられるが、使用するＥＯ素子２０の残留位相差δに個体差があれば、その個体差に応じた検光子１０ｂを用意しなくてはならない。また偏光子と検光子の光学軸が互いに平行あるいは直交する以外の角度で配置されると、図９，図１０に示したように、オン状態において、検光子１０ｂの後端で常光と異常光とが完全に一致した位置から出射せず、原理的に結合損失が生じることになる。所謂偏光依存損失（ＰＤＬ）と同じ現象が生じる。第１および第２の実施例では実用上問題はなかったが、入射光の強度が極めて大きな場合やオン状態での結合損失を極めて小さくしようとする場合では問題となる可能性がある。

そこで本発明の第４の実施例として、偏光子１０ａと検光子１０ｂに、形状と光学軸（１１ａ、１１ｂ）方向が同じ平板ルチル複屈折結晶を用いつつ、かつ偏光子１０ａと検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、１１ｂ）が前後方向からみたときに互いに直交あるいは平行となるように配置しても、確実にＥＯ素子２０の残留位相差δを相殺してより優れた光減衰特性を有する光アッテネータを挙げる。

＜第４の実施例の構成＞
図１４に第４の実施例に係る光アッテネータ（以下、第４実施例１０２とも言う）の概略構造を示した。図１４（Ａ）は当該第４実施例１０２を構成する各種光学素子（１０ａ、２０、３０、７０、１０ｂ）の配置を示す図であり、第４実施例１０２は、図９に示した第２実施例１０１の構成に対し、λ／４板３０と検光子１０ｂとの間に１／２波長板（以下、λ／２板７０とも言う）が挿入されている点が異なっている。

図１４（Ｂ）〜（Ｅ）は、それぞれ、後方から見たときの偏光子１０ａ、λ／４板３０、λ／２板７０、検光子１０ｂの光学軸（１１ａ、３１、７１、１１ｂ）の方位を示している。そして、この例では、同一の複屈折素子からなる偏光子１０ａと検光子１０ｂを用いつつ、双方の光学軸（１１ａ、１１ｂ）を互いに直交させている。すなわち、検光子１０ｂを光軸周りにαの角度で回転させていない。

周知のごとく、λ／２板７０は、入射した直線偏光の振動方向を自身の光学軸７１に対称となる方位となるように回転させて出射するため、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されていないとき、あるいはＥＯ素子２０に電界Ｅを印加して電気光学効果による位相差が１８０°になっているときに、λ／４板３０から出射した直線偏光の振動方向と検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位とが直交あるいは平行となるようにλ／２板７０の光学軸７１の方位を設定すれば実質的に検光子１０ｂを光軸５０周りにαの角度で回転させたことと同じになる。

具体的には、図１４（Ｄ）に示したように、λ／４板からは偏光子１０ａにて分離された常光と異常光に対応する互いに直交して方位角が±４５゜となる二つの直線偏光を角度αだけ傾けた二つの直線偏光Ｐが出射する。この例では、二つの直線偏光Ｐは±４５°の方位に対して時計回りに角度αだけ傾いている。すなわち二つの直線偏光Ｐの方位は、±４５°−αとなっている。したがって、この二つの直線偏光Ｐと検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φあるいは当該方位角φと直交する方位角との等角二等分線上にλ／２板７０の光学軸７１の方位を一致させればよい。図１４に示した構成では、λ／２板７０の光学軸７１の方位角ω_２をω_２＝４５゜−α／２に設定した例を示している。もちろん、図１５に示したようにω_２＝−４５゜−α／２に設定してもよい。

＜第４実施例の動作＞
図１６に第４実施例１０２の動作を示した。ここでは、第２実施例１０１と同様に前後で対向する一対の光ファイバコリメータ間（４０ａ−４０ｂ）に各種光学素子（１０ａ、２０、３０、７０、１０ｂ）を配置した構成を示した。当該構成では、入射側コリメータ４０ａから偏光子１０ａに入射した無偏光状態の光Ｂ１が偏光子１０ａ、ＥＯ素子２０、およびλ／４板３０を経て後方に出射するまでの光路（Ｂ１→Ｂ２１→Ｂ３１→Ｂ４１、Ｂ１→Ｂ２２→Ｂ３２→Ｂ４２）や各光路（Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ３１、Ｂ３２、Ｂ４１、Ｂ４２）のそれぞれにおける光（ｏ１、ｅ１、ｏ２１またはｏ２２、ｅ２１またはｅ２２、ｏ３１またはｏ３２、ｅ３１またはｅ３２）の偏光状態については図９に示した第２実施例１０１と同様である。そして第４実施例１０２では、λ／２板７０が入射した直線偏光の振動方向の方位を自身の光学軸７１に対称となる方位にまで回転させて出射する。すなわち、λ／２板７０が、第２実施例１０１において検光子１０ｂを光軸５０周りに傾けることに相当する機能を担っている。

図１７にλ／２板７０を透過する光の状態変化を示した。図１７（Ａ）は後方から前方を見たときに、λ／２板７０の前面に入射する光（ｏ３１またはｏ３２、ｅ３１またはｅ３２）の位置と偏光状態を示しており、図１７（Ｂ）はλ／２板７０の後面における光（ｏ４１またはｏ４２、ｅ４１またはｅ４２）の位置と偏光状態を示している。以下、第４実施例１０２の動作を図１６と図１７を参照しながら説明する。

図１６、図１７（Ａ）に示したように、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されていないときは、λ／２板７０は、光路Ｂ４１を通る直線偏光ｏ３１と光路Ｂ４２を通る直線偏光ｅ３１が入射される。これらの直線偏光（ｏ３１、ｅ３１）の方位はそれぞれ−４５°−α、４５°−αである。そして図１７（Ｂ）に示したように、それぞれの直線偏光（ｏ３１、ｅ３１）の振動方向は、λ／２板７０の光学軸７１の方向を等角二等分線とした方位となるように回転する。すなわち、入射した直線偏光（ｏ３１およびｅ３１）のそれぞれの振動方向が方位角−４５°および４５°となるように回転して出射する。そして、この±４５°の方位角は検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角と一致あるいは直交する角度となる。図１６に示した例では、検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φは＋４５°であるので、この光学軸１１ｂの方位に一致する光ｅ４１が検光子１０ｂ内で異常光として振る舞い、光学軸１１ｂ方向に屈折する。その結果、検光子１０ｂに入射した二つの直線偏光（ｏ４１、ｅ４１）は検光子１０ｂの後端で光軸５０の位置（ｚ軸上）から光路Ｂ１６０に沿って出射する。それによって出射側コリメータ４０ｂの光ファイバＦｂに結合し、オン状態となる。

一方、ＥＯ素子２０に電界Ｅが印加されて電気光学効果による位相差が１８０°である場合には、電界Ｅが印加されていないときの直線偏光（ｏ３１、ｅ３１）対して振動方向が９０°回転した直線偏光（ｏ３２、ｅ３２）がλ／２板７０に入射され、それぞれの直線偏光（ｏ３２およびｅ３２）が−４５°方向および＋４５°方向を振動方向とした直線偏光（ｏ４２、ｅ４２）として出射する。この場合、光路１５２を通る直線偏光ｅ４２が検光子１０ｂの光学軸１１ｂの方位角φと直交する方向に振動しているため、当該直線偏光ｅ４２は検光子１０ｂ中では常光として振る舞い、そのまま直進してｚ軸と離間する光路Ｂ１６２上に出射する。一方、光路Ｂ１５１を通る直線偏光ｏ４２は検光子１０ｂ内では異常光として振る舞い、他方の入射光ｅ４２に対してさらに離間するように屈折し、ｚ軸に対して光路Ｂ１６２と対称となる光路Ｂ１６１上に出射する。したがって、出射側光ファイバＦｂに光が結合せず遮光状態（オフ状態）となる。

このように第４実施例１０２では、オン状態において、偏光子１０ａにて分離した光が検光子１０ｂの後面の同じ位置から出射する光路が形成されるため、高強度の光を入射する場合にも対応して、低損失でその高強度の光を透過させることができる。また偏光子１０ａと検光子１０ｂをそれぞれの光学軸（１１ａ、１１ｂ）の方位が一致あるいは直交するように配置することができ、第２実施例１０１のように検光子１０ａを光軸５０回りに回転させる必要がない。平板状のλ／２板７０であれば、ｚ軸方向を法線としてこのｚ軸周りに周りにλ／２板７０を回転させるだけで容易に光学軸の方向を調整することができる。

そして偏光子１０ａと検光子１０ｂを立体的な形状を有する複屈折素子で構成する場合には、双方の光学軸（１１ａ、１１ｂ）の相対的な方位を厳密に調整する必要がなくなる。偏光子１０ａと検光子１０ｂを実質的に同じ光学素子で構成することもでき部品の種類を少なくすることもできる。また光アッテネータの組み立ても容易になり、光学素子を保持する筐体の構造も簡素にすることができる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記各実施例では、λ／４板３０をＥＯ素子２０の後方に配置していたが、λ／４板３０はＥＯ素子２０にて発生した残留位相差δを相殺するための光学素子である。そこで、ＥＯ素子２０の前方にλ／４板３０を配置しても同様に４５゜の方位からαだけ傾いて直線偏光が検光子１０ｂに入射させる構成に変更できると考えられる。すなわちＥＯ素子２０に４５゜の方位に振動する直線偏光が入射される前にその直線偏光のＴＥ成分、あるいはＴＭ成分に相当する上下あるいは左右方向の振動成分にあらかじめ位相差を与えて楕円偏光にしておき、その楕円偏光をＥＯ素子２０にて発生する残留位相差δによって相殺させて直線偏光に戻すのである。

第３の実施例では、検光子１０ｂの回転角度を調整することで、実用上問題のない光損失特性を確保しつつより低電圧での駆動を可能にしたり、電圧／損失特性がよりリニアな特性となるようにしたりしていた。その一方で、より大きな損失とよりリニアな電圧／損失特性をともに得たいという要望もある。そこで、損失が最大となる電圧よりも低い電圧領域ではＥＯ素子２０の電極間（２２−２２）にバイアス電圧を印加するようにしてもよい。例えば図１２（Ａ）に示したφ＝＋２０゜の特性曲線では、約５Ｖの電圧で実質的にオン状態になっているが、５Ｖ程度のバイアス電圧をかければ電圧／損失特性がリニアな特性となる。もちろん、バイアス電圧は一定でなくてもよい。バイアス電圧を制御することで任意の電圧／特性に調整することが可能となる。

上記第２実施例１０１および第４実施例１０２では、多チャンネル光アッテネータの１チャンネル分を１組のコリメータ間（４０ａ−４０ｂ）に各種光学素子（１０ａ、２０、３０、１０ｂまたは１０ａ、２０、３０、７０、１０ｂ）を配置することで再現していた。実際に多チャンネル光アッテネータを構成する場合には、複数本の光ファイバが並んだ状態で保持されているテープ心線とマイクロレンズアレイを用いることで実質的に複数個のコリメータと同じ構成とすることができる。また、偏光子、ＥＯ素子、λ／４板、検光子からなる光学素子群、あるいは光子、ＥＯ素子、λ／４板、λ／２板、検光子からなる光学素子群は、チャンネルと同じ数だけ左右に並べてもよいし、少なくとも一つの光学素子が複数チャンネル分の光路間に亘って介在するように、左右方向に延長する一体的な形状であってもよい。もちろん、光学素子の全てが複数チャンネル分の光路間に亘って介在する形状に形成されていてもよい。

光通信網内では、光アッテネータは、室内など温度変化が少ない場所に設置されることが多いため、上記第２、第４実施例では、周囲の温度変化を考慮した構成を備えていなかった。しかし、ＥＯ素子における残留位相差は、周囲の温度によって変化する可能性があることから、光アッテネータに温度調整機構を付加してもよい。あるいはＥＯ素子の電極間にあらかじめバイアス電圧を印加しておき、ＥＯ物質に所定のリタデーションを発生させ、そのリタデーションを維持するようにしてもよい。

いずれにしても、λ／４板から後方に向けて出射する直線偏光の方位を実質的に回転させて、ＥＯ素子素子を偏光子と検光子で挟持した基本構成に係る光アッテネータに対して、より低電圧でより優れた光損失特性が得られるようにすればよい。そしてλ／４からの直線偏光を実質的に回転させるための構成が構成が第１〜第３実施例のように、検光子の光学軸の方位角を調整することであったり、第４実施例のようにλ／４板と検光子との間に挿入されるλ／２板であったりする。

なお、前後で対向する光ファイバコリメータ間に各種光学素子を配置した構成の光アッテネータでは、光ファイバに戻り光が入射するのを防止するために、普通、光ファイバの端面が一方向に研磨されている。すなわち端面が光軸に対して傾いている。したがって、実用に供する光アッテネータでは、前後で対向する光ファイバの端面同士を結ぶ線を光軸として設定したとき、入射側ファイバコリメータからの出射光は、光軸に対してわずかに傾いている。そこで一般的には、光路が前後対称となるようにＥＯ素子の前後両面を光軸に対して傾くように研磨している。図１８に、光ファイバ（Ｆａ、Ｆｂ）の端面が研磨されているときの光アッテネータの構造を示した。なお、この図では、説明に不要な光学素子を省略し、光ファイバ（Ｆａ、Ｆｂ）における端面の研磨方向と、ＥＯ素子２０における光の入出射面の傾斜方向、および光ファイバ間（Ｆａ−Ｆｂ）の光路のみを模式的に示した。図１８に示したように、対向する光ファイバ（Ｆａ、Ｆｂ）は、端面の研磨方向が互いに反対方向である。そしてＥＯ素子２０は左右方向から見ると台形状に形成されて、光の入出射面とそれに対向する光ファイバ（Ｆａ、Ｆｂ）の端面が互いに反対方向に傾斜している。この図では、入射側光ファイバから光軸５０に対して斜め上方に光が出射している。そしてこの光がＥＯ素子内では光軸５０と平行な光路を辿るように屈折し、ＥＯ素子から出射した光は斜め下方に向かう光路を経て後方の光ファイバに至る。したがって、光アッテネータ内にはＥＯ素子に対して前後対称の光路が形成される。

１，１００，１０１,１０２ 光アッテネータ、１０ａ 偏光子、１０ｂ 検光子、
１１ａ、１１ｂ、３１、７１ 光学軸、２０ 電気光学素子（ＥＯ素子）、
２１ 電気光学物質（ＥＯ物質、ＫＴＮ）、２２ 電極（Ｐｔ薄膜電極）、
３０ １／４波長板（λ／４板）、４０ａ，４０ｂ 光ファイバコリメータ、
５０ 光軸、７０ １／２波長板（λ／２板）、Ｃ レンズ、
Ｃａ，Ｃｂ コリメートレンズ、
Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ 光ファイバ（シングルモード光ファイバ）、
ＭＬＡ マイクロレンズアレイ

Claims (10)

1. 前後方向に延長する光軸に沿って前後に光の入出射面を有する複数の光学素子が配置されて、前方から入射された光の強度を減衰させて後方から出射する光アッテネータであって、
   前記光軸に直交し、かつ互いに直交する２方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、
   前方から前記光軸に沿って、前記光学素子として、偏光子、電気光学素子、および検光子がこの順に配置されてなる基本構成に、前記偏光子と前記電気光学素子との間、あるいは前記電気光学素子と前記検光子との間のいずれかに配置された１／４波長板が光学素子として追加された構成を有し、
   前記電気光学素子は、電気光学効果を有するとともに電気光学物質が上下方向で対面する電極によって挟持されて、外部の駆動回路により当該対面する電極間に電圧が印加されると前記電気光学物質に複屈折効果が発現し、前方から入射した直線偏光に前記電圧に応じた所定の位相差を与えて後方から出射し、
   前記偏光子は、後方から前方を見たときに光学軸が左右方向に対して所定の方向に４５°傾いており、
   前記電気光学物質は、前記電気光学素子の前記対面する電極間に電圧が印加されていない状態において、所定の残留位相差による複屈折効果を有し、
   前記１／４波長板は、前後方向から見たときに光学軸が左右方向に対して４５゜傾いており、前記検光子に直線偏光が入射されるように前記電気光学素子における前記残留位相差を補償し、
   前後方向から見たときに、前記検光子に入射される直線偏光の振動方向と、前記検光子の光学軸の方向との交差角度を変化させる偏光方位回転手段を備え、
   前記偏光方位回転手段は、前記基本構成において前記偏光子と検光子のそれぞれの光学軸の方向が前記左右方向に対して所定の方向に４５°傾いているときよりも、光強度が最も小さくなるオフ状態での前記減衰量を大きくするとともに、光強度が最も大きくなるオン状態での前記減衰量を小さくする、
   ことを特徴とする光アッテネータ。
   
2. 請求項１において、前記偏光方位回転手段は、前後方向から見たときに、光学軸が前記偏光子の光学軸の方向と一致あるいは９０°傾いた方向から角度αで前記光軸回りに回転させた方向に傾いている検光子で構成されていることを特徴とする光アッテネータ。
3. 請求項２において、前後方向から見たときに、前記１／４波長板から出射する前記直線偏光は、左右方向から４５゜傾いた方向から前記角度αだけ傾いた方向に振動していることを特徴としている特徴とする光アッテネータ。
4. 請求項１において、
   前記１／４波長板と前記検光子との間に前記偏光方位回転手段を構成する光学素子として１／２波長板が配置され、
   前後方向から見たときに、前記検光子の光学軸が前記偏光子の光学軸の方向と一致あるいは９０゜傾いているとともに、前記１／２波長板の光学軸の方位に対して前記１／４波長板から出射する前記直線偏光の方位と前記検光子の光学軸の方位とが対称である、
   ことを特徴とする光アッテネータ。
5. 請求項１〜４に記載の前記光アッテネータにおいて、前記電気光学物質は一般式Ｋ_１-ｙＭ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（但し、Ｍは１価の金属、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される物質であることを特徴とする光アッテネータ。
6. 請求項１〜５に記載の前記光アッテネータにおいて、
   前記偏光子の前方に配置された第１のコリメートレンズと、当該コリメートレンズの前方に配置されるとともに後端が開口する第１の光ファイバと、前記検光子の後方に配置された第２のコリメートレンズと、当該第２のコリメートレンズの後方に配置されるとともに前端が開口する第２の光ファイバとを備え、
   前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバの開口同士を結ぶ線を前記光軸として、 前記第１のコリメートレンズは、前記第１の光ファイバが後方に向けて出射した光を光軸に沿う平行光として後方に出射し、
   前記第２のコリメートレンズは、前方から前記光軸に沿って入射した平行光を前記第２の光ファイバに結合させる、
   ことを特徴とする光アッテネータ。
7. 請求項6に記載の前記光アッテネータおいて、前記偏光子と前記検光子は、複屈折素子からなり、前方から無偏光状態の一つの平行光が入射されると常光と異常光に分離するとともに、後方から見たときの前記光学軸の方向に沿って離間する二つの平行光として後方に出射するように構成されているウォークオフプリズムであることを特徴とする光アッテネータ。
8. 請求項７に記載の前記光アッテネータを１チャンネル分の光アッテネータとして、当該１チャンネル分の左右に複数チャンネル分並べたものに相当する構成を一体的に備えたことを特徴とする多チャンネル光アッテネータ。
9. 請求項８に記載の前記多チャンネル光アッテネータにおいて、
   前記複数チャンネル分の光アッテネータを構成する複数個の前記第１のコリメートレンズおよび複数個の第２のコリメートレンズは、マイクロレンズアレイとして左右に並べて配置された状態で一体化されていることを特徴とする多チャンネル光アッテネータ。
10. 請求項８または請求項９に記載の前記多チャンネル光アッテネータにおいて、前記第１および第２のコリメータ間に配置される光学素子の少なくとも一つが、前記複数チャンネル分の光アッテネータによって形成される複数チャンネル分の光路を横断するように左右に延長して形成されていることを特徴とする多チャンネル光アッテネータ。

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