JP2016045312A - Optical modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光変調器に関し、より詳細には、電気光学効果を有する光学材料を用いて光の位相または強度を制御する電気光学素子に関する。 The present invention relates to an optical modulator, and more particularly, to an electro-optic element that controls the phase or intensity of light using an optical material having an electro-optic effect.
結晶に対して外部から電界を印加すると、印加電界に応じてこの結晶の屈折率が変化することがあり、この現象を電気光学効果と呼んでいる。そして、この効果を発現する結晶などの物質は、電気光学材料と呼んでいる。 When an electric field is applied to the crystal from the outside, the refractive index of the crystal may change according to the applied electric field, and this phenomenon is called an electro-optic effect. A substance such as a crystal that exhibits this effect is called an electro-optic material.
電気光学材料に光を入射して透過させるとき、電界を印加すると、屈折率が変化するため、出射する光の位相が変化する。この現象を利用して、光の位相を電気的に制御する素子や、さらに応用して光の強度を電気的に制御する素子が作製されている(特許文献1)。電気光学効果がポッケルス効果と呼ばれることがあることから、これらの素子をポッケルスセルと呼ぶことがある。 When light is incident on and transmitted through the electro-optic material, the phase of the emitted light changes because the refractive index changes when an electric field is applied. By utilizing this phenomenon, an element that electrically controls the phase of light and an element that electrically controls the intensity of light by further application have been manufactured (Patent Document 1). Since the electro-optic effect is sometimes called a Pockels effect, these elements are sometimes called a Pockels cell.
従来、実用的に十分な変調を行うためには、1000V前後の高い電圧を印加する必要があった。しかしながら、変調のための電源の負荷を減らすためには、低電圧で駆動させることが望ましい。 Conventionally, it has been necessary to apply a high voltage of about 1000 V in order to perform practically sufficient modulation. However, in order to reduce the load on the power supply for modulation, it is desirable to drive at a low voltage.
本発明は、このような問題に対処するためになされた光変調器を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical modulator designed to address such problems.
上記の課題を解決するための本発明は、電気光学効果を有する単結晶ファイバである電気光学結晶と、単結晶ファイバ表面上に形成され、正極と負極とからなる一対の電極膜とを含む。 The present invention for solving the above-described problems includes an electro-optic crystal which is a single crystal fiber having an electro-optic effect, and a pair of electrode films formed on the surface of the single crystal fiber and comprising a positive electrode and a negative electrode.
ここで、単結晶ファイバは、円柱状に形成するようにしてもよい。 Here, the single crystal fiber may be formed in a cylindrical shape.
一対の電極膜は、正極と負極とが対向して配置するようにしてもよい。 The pair of electrode films may be arranged so that the positive electrode and the negative electrode face each other.
本発明によれば、低電圧で光変調を行うことができる。 According to the present invention, light modulation can be performed at a low voltage.
以下、本発明の実施形態である光変調器について説明する。図1は、本実施形態の光変調器10の構成例を示す概略図である。
Hereinafter, an optical modulator according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of an
[光変調器の構成] [Configuration of optical modulator]
図1に示すように、光変調器10は、電気光学効果を有する単結晶ファイバ1と、単結晶ファイバ1表面上に形成され、正極2と負極3とからなる一対の電極膜とを備える。単結晶ファイバ1は、電気光学効果を有する電気光学結晶である。図1の例では、単結晶ファイバ1は、円柱状の細長い形状となっている。
As shown in FIG. 1, the
電極膜2,3は、単結晶ファイバ1の表面上において互いに対向するように配置されている。
The
なお、単結晶ファイバ1の直径は、100μmから2.5mm程度で、100μmから1mm程度とするのが好ましい。単結晶ファイバ1の材料としては、LiNbO3などの電気光学材料が用いられる。
The diameter of the
通常、電気光学効果は、ポッケルス効果を意味する。ポッケルス効果による屈折率の変化Δnは、電界に比例した屈折率変化を意味し、下記式(1)で表される。 Usually, the electro-optic effect means the Pockels effect. The refractive index change Δn due to the Pockels effect means a refractive index change proportional to the electric field, and is represented by the following formula (1).
式(1)において、n0は電界印加前の屈折率、Eは電界、rは電気光学係数、を示す。 In Expression (1), n 0 represents a refractive index before application of an electric field, E represents an electric field, and r represents an electro-optic coefficient.
しかし、電気光学効果には、上述したポッケルス効果以外に、カー効果もある。ポッケルス効果は1次の効果であり、カー効果は2次の効果である。カー効果による屈折率の変化Δnは、電界の2乗に比例し、下記式(2)で表される。 However, the electro-optic effect has a Kerr effect in addition to the Pockels effect described above. The Pockels effect is a primary effect, and the Kerr effect is a secondary effect. The refractive index change Δn due to the Kerr effect is proportional to the square of the electric field and is represented by the following formula (2).
図2は、電気光学効果を利用した光変調器のうち、光強度変調器としてよく用いられるものを示している。 FIG. 2 shows one that is often used as a light intensity modulator among light modulators that utilize the electro-optic effect.
図2において、電気光学材料からなる電気光学結晶11は、直方体状に構成されており、結晶11の上下面に電極膜12,13を備える。図2では、電気光学結晶11の長さはL、厚さはdで与えられている。
In FIG. 2, an electro-
検光子20は、x軸に対して45°傾いた偏光を透過させるように設置されている。
The
電気光学結晶11に入射する光R1は、x軸方向の振動電界を有するx偏光と、y軸方向の振動電界を有するy偏光との双方を含む。x偏光とy偏光は位相が合っている。
The light R1 incident on the electro-
x偏光およびy偏光は、電気光学結晶11内において互いに干渉せず、それぞれが独立して異なる速度で進む。速度が異なるのは、x偏光とy偏光とで屈折率が異なるからである。これを複屈折と呼ぶ。このため、光が電気光学結晶11を透過すると、x偏光とy偏光との間で位相差Δφが生じる。
The x-polarized light and the y-polarized light do not interfere with each other in the electro-
x偏光の屈折率nxとy偏光の屈折率nyは、それぞれ下記式(3)で表される。 refractive index n y in the refractive indices n x and y polarization in the x-polarized light is respectively represented by the following formula (3).
式(1)における屈折率n0および電気光学係数rはともに、偏光方向によって異なるので、式(3)においては、x、yの添え字で区別して表記している。これらはまた、電気光学材料の種類や結晶方位によっても異なる。この観点を踏まえると、位相差Δφは下記式(4)で表される。 Since both the refractive index n 0 and the electro-optic coefficient r in the equation (1) differ depending on the polarization direction, in the equation (3), they are distinguished by the subscripts x and y. These also differ depending on the type and crystal orientation of the electro-optic material. Considering this viewpoint, the phase difference Δφ is expressed by the following formula (4).
式(4)において、Lは電気光学結晶11の長さ、λは光の波長、を示す。式(4)では、式(3)中の電界Eは、電圧Vと電気光学結晶11の厚さdとを用いて表記している。
In Expression (4), L represents the length of the electro-
電気光学結晶11を透過した光R2は、検光子20を透過して光R3が出射する。光R2が検光子20を透過するとき、x,yのどちらの偏光からも、x軸に対して45°傾いた偏光成分が抽出され、同じ偏光同士で干渉が起こる。位相差Δφがゼロの時は位相が合っていて、2つの光成分は強め合い、光強度は最大になる。
The light R2 that has passed through the electro-
一方、位相差Δφがπの時は、2つの光成分は弱め合い、光強度は最小になる。 On the other hand, when the phase difference Δφ is π, the two light components are weakened and the light intensity is minimized.
上記式(4)の第一項は、電圧がゼロのときでも一定の位相差が生じることになることを示している。この一定の位相差を原点とし、そこから位相をπだけずらすのに要する電圧は、半波長電圧Vπと呼ばれる。半波長電圧Vπは、下記式(5)で表される。 The first term of the above formula (4) indicates that a constant phase difference is generated even when the voltage is zero. The voltage required to shift the phase by π from this constant phase difference as the origin is called a half-wave voltage V π . The half-wave voltage Vπ is represented by the following formula (5).
式(5)において、半波長電圧Vπはポッケルス効果によるものであるが、カー効果によるものも、式(5)と同様に求めることができる。カー効果による半波長電圧Vπは、下記式(6)で表される。 In Equation (5), the half-wave voltage Vπ is due to the Pockels effect, but the one due to the Kerr effect can also be obtained in the same manner as Equation (5). The half-wave voltage Vπ due to the Kerr effect is expressed by the following formula (6).
式(6)において、半波長電圧Vπは、光出力を最小から最大まで制御するのに必要な電圧であるため、この電圧が低いほど、低電圧での制御が可能な変調器であることが分かる。 In Equation (6), the half-wave voltage V π is a voltage necessary for controlling the optical output from the minimum to the maximum, so that the lower the voltage, the more the modulator can be controlled at a lower voltage. I understand.
ここで、電気光学材料として、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いる場合、電気光学効果はポッケルス効果となり、例えば、屈折率は2.22、実効電気光学係数rcは20pm/Vとなる。この場合の半波長電圧Vπは、下記式(7)で与えられる。 Here, as an electro-optical material, when using a lithium niobate (LiNbO 3), electro-optical effect becomes Pockels effect, for example, the refractive index 2.22, the effective electro-optic coefficient r c becomes 20 pm/V. The half-wave voltage Vπ in this case is given by the following formula (7).
式(7)において、波長λとして1μmを与えると、半波長電圧Vπは、下記式(8)で与えられる。 In the equation (7), when 1 μm is given as the wavelength λ, the half-wave voltage V π is given by the following equation (8).
式(8)において、電気光学結晶11の厚みdの値が小さく、そのdの値に比べて電気光学結晶11の長さLが大きくなるほど、半波長電圧Vπが小さくなることとなるが、例えば一般的なレーザのビーム径を意識して、dとLとをともに1mmとすると、半波長電圧Vπは4600Vの大きな値になる。たとえば、Lを、dの5倍の5mmにした場合には、1000Vを下回る半波長電圧Vπが得られる。
In equation (8), the value of the thickness d of the electro-
上記の観点から、本実施形態の光変調器10では、電気光学材料結晶として、図1に示した単結晶ファイバ1を用いている。この単結晶ファイバ1の作製方法は、後述する図3において、単結晶成長方法を示してある。この単結晶成長方法によって、結晶の形成時点で、すでに細長い形状に成長した単結晶が得られる。
From the above viewpoint, in the
[単結晶ファイバの成長技術]
図3は、単結晶ファイバ1の成長技術の一例を説明するための図である。この成長技術は、レーザ溶融ペデスタル法と呼ぶ。
[Single crystal fiber growth technology]
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the growth technique of the
レーザ溶融ペデスタル法では、細長い原料棒11を下方から上方へ供給しつつ、原料棒11の先端部分をレーザ光を用いて加熱融解する。そして、その溶融部12から単結晶ファイバ1を引き上げて成長させる。以下、光学系についても説明する。
In the laser melting pedestal method, the tip portion of the
レーザ光は最初、円錐面鏡20に照射される。照射されたレーザ光は、円錐面鏡20の円錐面で反射される。そして、レーザ光は、円錐面鏡20の円錐の軸と直交する方向に沿って、放射状に進行する。
First, the
放射状のレーザ光は、円錐面鏡30で再度反射される。円錐面鏡30は、円錐面の外側が光を反射させる円錐面鏡20とは異なり、円錐面の内側で光を反射させるので、円錐面鏡30に反射したレーザ光は、ビーム断面がドーナツ状となり、管状のビームとなる。
The radial laser beam is reflected again by the
管状のビームは、図3の紙面左方向へ進行してミラー40で反射される。ミラー40は45°に傾いているので、管状のビームは鉛直上方に反射する。なお、ミラー40の中央部は穴部を有しており、その穴部には光が通過しないため、ミラー40で反射されるビームも管状になる。
The tubular beam travels leftward in FIG. 3 and is reflected by the
次に、ミラー40で反射された管状のビームは、凹面鏡50に入射して凹面鏡50で反射されたのち、凹面鏡50の焦点に集光される。
Next, the tubular beam reflected by the
原料棒11は、ミラー40の穴部を介して下方から供給され、原料棒11の先端部が凹面鏡50の焦点で融解される。
The
種結晶13は、凹面鏡50の穴部を介して、凹面鏡50の上部から入れられ、凹面鏡50の焦点である溶融部12と接触させる。そして、その接触点から種結晶13を上方へ引き上げると、熱が奪われ、種結晶13の先端部に結晶が成長する。
The
以降も継続して種結晶13を引き上げると、ファイバ状の単結晶が継続して成長することになるが、それと同時に、原料棒11を上方へ送り続けることにより、原料が溶融部12へ継続的に供給されることになる。
If the
図3において、まず、LiNbO3の粉末を合成した。そして、その粉末をボールミルで粒径を調整したのち、圧力印加してペレット状に成型して焼成し、焼結体を作製した。この焼結体より、直径3mmの棒を削り出して、原料棒11とした。次に、この原料棒11を図3に示した装置にセットし、前述の手順に従って単結晶ファイバ1を作製した。レーザは、炭酸ガスレーザを用いた。
In FIG. 3, LiNbO 3 powder was first synthesized. Then, after adjusting the particle diameter of the powder with a ball mill, pressure was applied to form a pellet and fired to produce a sintered body. From this sintered body, a rod having a diameter of 3 mm was cut out to obtain a
作製した単結晶ファイバ1の直径は0.5mmであった。単結晶ファイバ1の長さは50cmになるように切断し、その断面を光学研磨した。さらに蒸着によって、この成型済みの単結晶ファイバ1に一対の電極膜2,3(図1)を堆積し、光変調器10を構成した。電極2,3の材料は例えば金である。
The diameter of the produced
この光変調器10に、電極による電界の方向とは45°をなす直線偏光で、ヘリウムネオンレーザのビームを入射した。続けて出射された光を偏光子に透過させた。偏光子の偏光方向は、入射光の偏光方向と90°をなすように設置した。
A helium neon laser beam was incident on the
電圧を電極2,3間に印加することにより、出力側の偏光子からの出射光R3の強度を変化させることができた。このときの半波長電圧は、約3Vであった。
By applying a voltage between the
なお、成長した細長い単結晶は、単結晶ファイバと呼ばれるが、光通信に用いられる光ファイバと同程度の直径というわけではなく、細くても直径が100μm前後、太いものは直径1mm前後のものもある。 The elongated single crystal that has grown is called a single crystal fiber, but it is not the same diameter as an optical fiber used for optical communication. Even if it is thin, it has a diameter of about 100 μm, and a thick one has a diameter of about 1 mm. is there.
このような成長法は、フローティングゾーン(Floating zone)法と類似しているが、非常に細い単結晶の成長をさせるのに特化しており、レーザ光を用いて、数mmオーダ以下の溶融部を集中して加熱するため、温度勾配が非常に大きくなる。そのため、超高速での単結晶の引き上げが実現できるという特徴がある。 Such a growth method is similar to the floating zone method, but specializes in growing very thin single crystals. Since the heat is concentrated, the temperature gradient becomes very large. For this reason, the single crystal can be pulled at an ultra-high speed.
一般的な単結晶成長法では、数10cm長の単結晶を成長するのに数日を要することになるが、図3に示したレーザ溶融ペデスタル法では、1時間から数時間で同程度の長さの単結晶ファイバ1を作製することができる。
In a general single crystal growth method, it takes several days to grow a single crystal having a length of several tens of centimeters. However, in the laser melting pedestal method shown in FIG. The
この単結晶ファイバ1を用いて光変調器10(図1)を構成することによって、従来のものよりも半波長電圧を低くすることができる。例えば、直径が500μm、長さが50cmの単結晶ファイバ1を用いる場合、図2に示した厚さdが0.5mm、長さLが500mmとなるので、半波長電圧は上記式(8)に従って計算すると4.6Vとなる。これは、電子機器で一般的なTTL(Transistor-Transistor Logic)規格で容易に制御が可能であり、特別の高圧アンプを必要としないことを示している。
By configuring the optical modulator 10 (FIG. 1) using the
なお、単結晶ファイバ1の成長方法は、上述した例に限られない。例えば図4は、マイクロ引下げ法で成長するようにした単結晶ファイバ1の作製態様を例示している。図4では、単結晶成長法としての一般的な回転引上げ法と同様に、るつぼ60で原料を融解する。
In addition, the growth method of the
るつぼ60の底部には、微小な穴が設けられており、この穴から、融解原料61がわずかずつ浸み出す。そして、融解原料61が種結晶13で受け止められ、種結晶13の上部に結晶が成長する。
A minute hole is provided at the bottom of the
継続して結晶を引き下げることにより、単結晶ファイバ1を成長する。るつぼ60を加熱することによって、原料61が融解されることになるが、るつぼ60の過熱は、高周波誘導によるものでもよいし、抵抗発熱体を用いることによってもよい。
The
図4において、まず、KTa1-xNbxO3の粉末を合成した。そして、合成した粉末に、炭酸カリウムを5%の割合で添加し、るつぼ60に装填した。融解した原料からは、前述の手順に従ってKTa1-xNbxO3の単結晶ファイバ1を作製することができた。るつぼ60を加熱するために抵抗発熱体を用いた。
In FIG. 4, first, a powder of KTa 1-x Nb x O 3 was synthesized. Then, potassium carbonate was added to the synthesized powder at a ratio of 5%, and the
作製した単結晶ファイバ1は、直径が0.5mmであった。単結晶ファイバ1の長さは50cmになるように切断し、その断面を光学研磨した。さらに蒸着によって、この成型済みの単結晶ファイバ1に一対の電極膜2,3(図1)を堆積し、光変調器10を構成した。電極2,3の材料は例えば金である。
The produced
この光変調器10に、電極による電界の方向とは45°をなす直線偏光で、ヘリウムネオンレーザのビームを入射した。続けて出射された光を偏光子に透過させた。偏光子の偏光方向は、入射光の偏光方向と90°をなすように設置した。KTa1-xNbxO3の単結晶ファイバ1の温度を変えると、誘電率が変化するので、比誘電率が20000になるように温度を制御した。
A helium neon laser beam was incident on the
電圧を電極2,3間に印加することにより、出力側の偏光子からの出射光R3の強度を変化させることができた。このときの半波長電圧は、2.3Vであった。
By applying a voltage between the
以上説明したとおり、本実施形態の光変調器10は、単結晶ファイバ1を用いているので、半波長電圧を従来の光変調器に比べて低くすることができる。
As described above, since the
また、単結晶ファイバ1の成長技術は、通常の単結晶を成長させるものよりも、非常に高速に長尺の結晶を成長させることが可能である。このため、単結晶ファイバの量産化が容易となり、結果として安価な光変調器を提供することができる。
Further, the growth technique of the
図5は、本実施形態の光変調器10の好適な使用例としての波長可変光源を示している。この波長可変光源は、光増幅器73を2つのミラー71,72で挟んだファブリペロ共振器構造を有する。光変調器10は光路上に配置されている。この光変調器10によって、低電圧で光路長を大きく変化させることができる。すなわち、この波長可変光源は、低電圧で光波長を変化させることができる。
FIG. 5 shows a wavelength tunable light source as a preferred usage example of the
以上、本実施形態について詳述してきたが、光変調器1の構成を変更することもできる。例えば、単結晶ファイバ1は、直径が100μmから1mm程度のものが好適に用いられるが、さらに細い単結晶ファイバも作製可能である。このとき、単結晶ファイバの外側に、薄膜成長法を用いて、クラッド層を堆積することにより、伝搬モードを制限するなど、モード制御を行ってもよい。
Although the present embodiment has been described in detail above, the configuration of the
また、単結晶ファイバ1の外形は、組成の均一性が優れるため、図2に一例を示したような円柱形であるのが好ましいが、他の外形にしてもよい。例えば、単結晶ファイバ1の成長技術、成長条件または材料によっては、単結晶ファイバの外形は四角柱形状などになる場合もある。この場合も、一対の電極膜は、単結晶ファイバ表面上で対向するように形成される。
Further, the outer shape of the
単結晶ファイバ1の材料として、LiNbO3と類似する材料であるLiTaO3も好適である。あるいは、タングステンブロンズ型の結晶構造を有する電気光学材料も単結晶ファイバ1の材料に好適である。例えば、Sr1-xBaxNb2O6は、LiNbO3よりも非常に大きい電気光学係数を有するため、半波長電圧をより低下させることが可能である。他にも、ぺロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶、代表例としてBaTiO3がある。BaTiO3は、Sr1-xBaxNb2O6には及ばないものの、LiNbO3と比較すると、非常に大きな電気光学係数を有する。
As a material for the
また、ぺロブスカイト型の単結晶材料であるKTa1-xNbxO3は、反転対称性を有する組成材料であり、ポッケルス効果ではなく優れたカー効果を発現し、好適である。 In addition, KTa 1-x Nb x O 3, which is a perovskite single crystal material, is a composition material having inversion symmetry, and exhibits an excellent Kerr effect instead of the Pockels effect, which is preferable.
1 単結晶ファイバ
2,3 電極
10 光変調器
1
Claims (3)
電気光学効果を有する単結晶ファイバである電気光学結晶と、
前記単結晶ファイバ表面上に形成され、正極と負極とからなる一対の電極膜と
を含むことを特徴とする光変調器。 An optical modulator,
An electro-optic crystal which is a single crystal fiber having an electro-optic effect;
A light modulator comprising: a pair of electrode films formed on a surface of the single crystal fiber and including a positive electrode and a negative electrode.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11874535B2 (en) | 2021-07-26 | 2024-01-16 | Concept Laser Gmbh | Modulating a working beam of an additive manufacturing machine with a solid-state optical modulator |
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2014
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US11874535B2 (en) | 2021-07-26 | 2024-01-16 | Concept Laser Gmbh | Modulating a working beam of an additive manufacturing machine with a solid-state optical modulator |
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