JP2571406B2

JP2571406B2 - 定在波形ｓａｗ光変調装置

Info

Publication number: JP2571406B2
Application number: JP62289894A
Authority: JP
Inventors: 良文高橋; 幸一郎宮城
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPH01131531A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、光の位相を超音波を使用して変調する光
変調装置に係り、特に、固体基板表面を伝搬する表面弾
性波（SAW:Surface Acoustic Wave）を回折格子として
利用し、かつ、該SAWの発生面を入射光の光軸方向にほ
ぼ平行間隔で積層するように配置し、さらにまた、SAW
を発生させる複数の音響波発生装置をSAWの進行方向が
互いに逆向きになるように配置して、光軸方向から見透
すとあたかもSAWの定在波が発生、消滅を繰り返してい
るような効果を発生させ、これらの結果、高効率で点滅
する変調光を得ることができる定在波形SAW光変調装置
に関する。

〔従来の技術〕

光の位相面を、空間的に変調する光変調装置には、光
学的反射格子のように光の反射点の幾何学的空間位置を
設定し、それらの位置のずれから各々の反射光に光路差
を発生させて所望の位相遅れ（位相変調）を生じさせる
ものと、光学レンズのように光の透過する部分の材質の
厚さや、屈折率を変化させて光の速さを遅らせ、その結
果、位相遅れを生ぜしめるものとがある。光を透過させ
る媒質の屈折率を変化する方式の位相変調装置では、光
透過媒質に異方性結晶などを用い、電界や磁界を加える
ことによって容易に、しかも高速に位相遅れを生じさせ
ることが可能であり、圧電結晶基板上の光導波路などに
電界を加えて位相変調を行う変調素子や、さらに２つの
素子の変調光を干渉させて光の点滅を行う光スイッチな
ど多くの実用的な光学素子が開発されてきた。

また、電界、磁界等の変化では顕著な屈折率変化の生
じない物質に、あるいは、光の透過する部分の面積が広
く、その部分全体に、例えば、正弦波格子状の位相変化
分布を発生させたいような場合には、光透過媒質中に超
音波を放射し、超音波による媒質の密度変化によって屈
折率変化を生じさせる音響光学的な手法がとられてき
た。

この音響光学的な位相変調の方法は、大別すると、媒
質の内部を進行するバルク波を使用するものと、媒質の
表層にエネルギーの大部分が集中している表面弾性波
（SAW）を利用する方法とに分けられる。

バルク波を用いるものは、超音波の中を長い距離にわ
たって光を進行させることが可能であり、この結果、超
音波と光の相互干渉の時間（距離）を長くとることがで
き、位相変化量が大きい（変調効率が高い）特徴がある
が、しかし、光透過部分の面積を広くし難く、また、超
音波の発生帯域が構造上狭い等の作製面での問題と、バ
ルク波により生じた立体的な格子状の屈折率変化領域に
対する光の入射角度がBragg（ブラッグ）の条件によっ
て制限され、入射光の波長もしくは超音波の波長が変化
するとそれに従って入射角度も調整する必要があった。
しかしながら、固定周波数の光変調装置としては、小
形、高効率であり、最も実用化されているものの１つで
ある。

一方、SAWを利用する光変調装置は、SAWの発生機構が
高周波、広帯域に向くものであって、かつ、前記Brag
（ブラッグ）の条件に適したようにSAWの発射方向を変
化させる方法も開発されてきたため、高周波、広帯域の
光変調装置として用いられてきた。

SAWと光との組み合わせ方法には、光をSAWの発生して
いる基板表面に薄膜状に導いてSAWの中を長時間（長い
距離）伝搬させて変調効率を高める方法と、SAWの発生
面に垂直に光を透過させて短時間（短距離）で位相変調
させる方法とがある。SAW発生面に光を導波する方法
は、主に薄膜光ICの位相変調素子として多用され利用価
値が高い。一方、SAW発生面に垂直に光を入射する方法
は、幅の広い光束全体に位相変調をかけることが可能
で、一般的な空間伝搬形の光学系において位相回折格子
のように使用されることが多い。この場合、同一出願
人、一部同一の発明者による「定在波形表面弾性波光変
調装置」（特願昭62−77894号）にあるように、SAWによ
る光の変調効率を高めるため、SAWの発生面を入射光の
光軸方向にほぼ平行な間隔で積層する方法が採られてい
た。これらの光を入射する方法は、SAWの周波数を変化
させて格子定数を変化させることが可能で可変格子間隔
を有する位相回折格子として注目を集めている。ここで
言う変調効率とは、位相変調後の光を結像させ、位相変
化で生じた回折光の強度を測定して、入射光の何％が回
折したかを求めたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、SAWの発生面を入射光の光軸方向にほ
ぼ平行間隔で積層する方法には、SAWのエネルギーが変
換して生じた熱が、積層構造であるがゆえに蓄積され易
く、基材の劣化あるいはSAW速度の変化による動作変動
の原因となっていた。

この発明の目的は、上記問題点を解決し、変調効率が
高く、かつ、動作が安定しており、寿命の長い光変調装
置を実現することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この解決の手段として、光を透過し、かつ、SAWが伝
搬する光学平面を表裏にもつ複数個の基材を、各々の表
裏面が互いにほぼ平行な間隔をもちながら対向するよう
に配置し、それら基材の間隙に音響振動を発生させるた
めの音響波発生装置を介在させ、これら音響波発生装置
で発生した音響振動が、これら発生装置を挟む２つの光
学平面に、同一周波数で同一位相のSAWとなって同一方
向に伝搬するようにし、かつ、個々の基材のSAW伝搬方
向の両端にSAWを吸収して熱に変換する吸音材と、この
吸音材で変換した熱を放出する放熱器とを備えた構成と
した。

また、複数個の基材にはそれぞれ同一の音響特性を有
し、かつ、入射光の透過性が十分良好な材質のものを用
いた。さらにまた、複数個の前記音響波発生装置をほぼ
半数ずつの２つのグループに分けて、各々のグループで
は、SAWは同一方向に同一周波数、同一速度で進行し、
かつ、各SAWを光軸方向より見透した場合に同相で重な
るよう前記複数の発生装置のSAW発生機能（特性）並び
に配置場所を設定した。さらに、この２つのグループ間
でのSAWは、周波数、進行速度は等しく、かつ、位相面
は空間的に平行に揃うようにし、進行方向のみ逆方向と
してSAW伝搬基材上の光透過領域にて空間的に交差する
よう、前記各グループの音響発生装置の位置を設定し
た。

〔作用〕 SAWの発生面が入射光の光軸方向に積層されているの
で、光の変調効率が高くなり、しかも、各基材を伝搬す
るSAWは吸音材で吸収され、熱に変換されて、放熱器に
よって外部に放出される。

〔実施例〕

第１図に本発明の進行波を用いた定在波形SAW光変調
装置の一実施例における構成を示す。

本実施例は、SAWを伝搬する基材1a・基材1b・基材1c
と、基材1a及び基材1bの間に挟まれ、基材1aと基材1bの
対向する両面にSAWを発生する第１の音響波発生装置2a
と、基材1b及び基材1cの間に挟まれ基材1bと基材1cが対
向する両面にSAWを発生する第２の音響波発生装置2b
と、基材1a及び基材1bの第１の音響波発生装置2aが設け
られた側のそれぞれの表面にSAWが伝搬するように空間
を創り出すために設けられたスペーサ3aと、同様に基材
1b及び基材1cの第２の音響波発生装置2bが設けられた側
のそれぞれの表面にSAWが伝搬するように空間を創り出
すために設けられたスペーサ3bと、基材1a、基材1b、基
材1cをそれぞれ伝搬するSAWを吸収して熱に変換する吸
音材4a及び吸音材4bと、吸音材4a及び吸音材4bで変換さ
れた熱を外部に放出する放熱器5a及び放熱器5bより構成
される。スペーサ3aとスペーサ3bはSAWの発生する面が
互いにほぼ平行となるような厚さとしている。

基材表面にSAWを発生させ伝搬させるには、光透過性
を有する基材に圧電性基板を使用し、その基板表面に音
響波発生装置として交差指形電極を金属の蒸着薄膜で形
成する方法がある。この場合、交差指形電極は発生した
SAWが吸音材に吸収されたとき発生する熱による影響を
防ぐため、吸音材からできるだけ離れた位置に設ける。

また、交差指形電極を形成するには金属薄膜の蒸着技
術及び半導体微細加工技術を用いることができる。この
ような圧電性基板と交差指形電極を用いる方法は、SAW
発生面に垂直入射する光を広い面積で位相変調する素子
としては最も簡単な構造である。

交差指形電極を基材の間に形成する方法は２つある。
１つは基材1bの両面にSAWを発生する第１の音響波発生
装置2a及び第２の音響波発生装置2bを形成し、その後、
この両面を基材1a及び基材1cで挟む方法である。もう１
つの方法は、基材1a、基材1b、基材1cの内２つの基材の
表面に第１の音響波発生装置2aと第２の音響波発生装置
2bを形成し、３枚の基板を重ねる方法である。

スペーサ3a及びスペーサ3bは、前記第１の音響波発生
装置2aと第２の音響波発生装置2bと同様に金属薄膜の蒸
着技術及び半導体微細加工技術を用いて製作することが
できる。

吸音材4a及び吸音材4bは、３枚の基材の両端に設け個
々の基材を伝搬するSAWを吸収しSAWの反射を防ぎ，か
つ,SAWを熱に変換する。スペーサ3a及びスペーサ3bは、
それぞれ吸音材4aと吸音材4bで採り囲みSAWを反射しな
いようにする。

放熱器5a及び放熱器5bは、それぞれ吸音材4aと吸音材
4bの近くに設け接着剤で基材1a,基材1b,基材1cに固定す
る。固定した放熱器5a及び放熱器5bには熱の放散を良く
するため前記吸音材4aと吸音材4bを接着する。この場
合、吸音材が接着剤を兼ねるようにしてもよい。

次に、第２図を用い、SAWの伝搬の状態と、光の入射
及び位相変調について説明する。

第２図は、本実施例の入射光の光軸を含む平面での断
面図である。

第１図に示したように、本実施例では、３つの基材と
２つの音響波発生装置によって基材の４つの光学平面に
SAWが発生する。

これら４面のSAWに、第２図に示すように、SAW1,SAW
1′,SAW2,SAW2′と名前を付ける。前記SAW1とSAW1′は
同一の第１の音響波発生装置2aから発射されたSAWであ
るから完全に空間的な同位相を保っている。また同様に
SAW2,SAW2′についても空間的な同位相であることは明
白である。ゆえに、第１の音響波発生装置2a及び第２の
音響波発生装置2bについて、その発射する音響波（SA
W）が、空間的に逆方向を向いて進行し、基材のほぼ中
央に位置する光透過領域で、光軸方向から見透した場合
に位相面の方向（格子方向）が同一方向に揃った状態で
交差するように配置調整する必要がある。

位相調整の方法はいくつか考えられるが、最も簡単で
確実な方法は、各音響波発生装置2a、2bの発生機構であ
る交差指形電極の配置を調整し、SAWの位相面を合わせ
ることである。すなわち、実施例のような交差指形電極
では、各電極のSAW伝搬方向の位置をSAW波長の数〜数10
分の１の精度で調整できれば良く、実際に必要な精度は
数μｍである。この程度の精度内での位置決めは現在の
半導体素子製造用のマスクアライナーで十分実現できる
ものである。

本発明のように、SAWによる基材の密度変化で屈折率
変化を生じさせる形の光変調装置では、使用される基材
の屈折率が大きくなることが多く、これに空気中で光入
射を行う場合には、表面あるいは内部反射率が数10％と
いった高率になる可能性が高い。よって、積層構成によ
る光の多重反射を防止する意味において光学平面の光学
的反射防止膜の形成（光学コーティング）が必要であ
る。

第３図に、本発明の簡単な応用例として、光の偏向装
置に用いた例を示す。

周波数f₀の正弦波の電気信号によって基材1a、基材1b
の向い合った面及び基材1b、基材1cの向い合った面に発
生した２組のSAWは、格子定数にあたる空間周期ｄを有
し、速度ｖで矢印の方向に互いに交差するように進行す
る。同図、左の方向から入射光６が、これらの基材1a,
基材1b,基材1cを通過すると、この入射光６はSAWによる
基材表面の凹凸と基材表面直下の屈折率変化によって位
相変調を受ける。

この位相変調は空間周期ｄの繰返しによる周期的なも
のであるから、この光は通常の正弦波位相格子を透過し
た光と同じく、レンズ７でレンズの焦点面８に結像させ
ると回折像を生ずる。

ここで、入射光が波長λの単色光であれば、該回折像
は前記格子定数ｄで位置の定まる±１次の回折輝点とな
る。

この回折輝点の発生位置は、焦点面８上の光軸より距
離αだけ離れた位置となり、方向はSAWの伝搬方向と等
しい。αの値はレンズ７の焦点距離をＦとすれば α＝Ｆλ/d＝f₀Fλ/v ……（１）で表わされる。

ここで、正弦波電気信号の周波数がf₀を中心に±Δf/
2変化するものとすれば、焦点面８上での±１次の回折
輝点の変位量Δαは Δα＝ΔfFλ/v ……（２）となる。

上記（２）式で明らかなように、SAWの伝搬速度ｖが
小さく、レンズの焦点距離Ｆが長く、光の波長λが長い
ほど変位量Δαは大きく、かつ、電気信号の周波数と直
線的な関係で変化する。

また、交差して進行する２組のSAWは、見かけ上、光
軸方向からは波長ｄの定在波として考えることができ、
この定在波は全体的にSAWの２倍の周波数で発生、消滅
を繰り返しているものである。よって、前記回折輝点も
この定在波の発生周期と同じ周期で点滅を繰り返すもの
である。

本発明の装置では、熱による障害を取り除いて、安定
した動作で、交差するSAWによって発生、消滅を周期的
に繰り返す定在波状の位相格子を形成することができる
ので、この位相格子で空間的及び時間的に変調のかけら
れた平面波光を、たとえば、レンズ等で回折像に変換す
れば、SAWの２倍の周波数（数百MHz〜数GHz）で高速点
滅を繰り返す回折輝点が得られ、この点滅周期はSAWの
周期と同期しているため、光情報処理系では、高速光チ
ョッパとしての利用が考えられる。

また、本発明の装置では広い面積を有する光（光束）
を取扱えることが特徴で、SAWの周波数可変性と併用し
て可変格子定数の位相格子としても利用できる。

さらにまた、光偏向装置として用いたり、高速点滅を
繰り返えす回折光をストロボ光源として活用する方法も
考えられる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、２つ以上の音響
波発生装置を光透過性を有する基在の間にそれぞれ挟み
込む形とし、１つの音響波発生装置で２つの基在の対向
する面に所定の進行方向に所定波長、所定位相のSAWを
発生させ、かつ、２つの音響波発生装置を光透過領域を
挟んで対向した位置に配置し、それらより発生するSAW
が、光透過領域で空間的に同じ位相面（格子方向）をも
って交差、すなわち、すれ違うようにし、しかも、基材
の両端にはSAWを吸収し熱に変換する吸音材と、この吸
音材により変換された熱を放出する放熱器を備えるよう
にしたから、交差するSAWによって発生、消滅を周期的
に繰り返す定在波状の位相格子を形成されるようになっ
ており、高効率の光位相変調をしつつも、基材の温度上
昇は低く抑えられる。

その結果、SAWの伝搬速度は安定し、また、基材が受
ける熱による歪みも軽減されて、変調効率が高く、か
つ、動作が安定しており、寿命の長い光変調装置が得ら
れた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の定在波形SAW光変調装置の実施例を示
す。第２図は第１図の実施例における積層された基材と
複数のSAW及び入射光との位置関係を示す。第３図は本
発明を光の偏向に応用した場合の偏向状態を示す。図において、1aと1b及び1cは基材、2aは第１の音響波発
生装置、2bは第２の音響波発生装置、3aと3bはスペー
サ、4aと4bは吸音材、5aと5bは放熱器、６は入射光、７
はレンズ、８は焦点面をそれぞれ示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性を有し、かつ同一の音響特性を備
え、表裏にそれぞれ光学平面を持ち、互いに光学平面を
対向させながら積層された複数の基在（1a,1b,1c）と、
該複数の基材の対向する光学平面間の少なくとも１つに
介在し、かつ、所定の進行方向に所定波長及び所定位相
をもつ第１の表面弾性波を光学平面に発生させる第１の
音響波発生装置（2a）と、前記複数の基材の対向する光
学平面間の他の少なくとも１つに介在し、かつ、前記所
定の進行方向と逆方向に前記所定波長と同一波長をも
つ、１つの又は互いに同位相の２つ以上の第２の表面弾
性波を光学平面に発生させる第２の音響波発生装置（2
b）と、前記第１の音響波発生装置と前記第２の音響波
発生装置とにより発生された表面弾性波を吸収し、熱に
変換する吸音材（4a,4b）と、該吸音材により変換され
た熱を放出するための放熱器（5a,5b）とを備え、前記
第１及び第２の表面弾性波から作られる格子により透過
する光を変調させる定在波形SAW光変調装置。