JP2751914B2 - 光導波路素子 - Google Patents
光導波路素子Info
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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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- G02F1/125—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves in an optical waveguide structure
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光導波路素子に関
し、光学材料に音波を定在波として伝搬させて屈折率変
化を誘起し、屈折率の高い部分に光を導波させることを
特徴とする。
し、光学材料に音波を定在波として伝搬させて屈折率変
化を誘起し、屈折率の高い部分に光を導波させることを
特徴とする。
【０００２】
【従来の技術】光導波路を形成するためには、導波路中
に光を閉じ込めるため光学材料の屈折率の高い部分と低
い部分を形成する必要がある。図１に光ファイバーの模
式図を示す。光ファイバー１では屈折率の高い（ｎ1 ）
コア材料２の周りを屈折率の低い（ｎ2 ）クラッド材料
３で囲み、コア中に光を伝搬させている。例えばコアに
は石英ガラス、クラッドには多成分ガラスを用いてい
る。
に光を閉じ込めるため光学材料の屈折率の高い部分と低
い部分を形成する必要がある。図１に光ファイバーの模
式図を示す。光ファイバー１では屈折率の高い（ｎ1 ）
コア材料２の周りを屈折率の低い（ｎ2 ）クラッド材料
３で囲み、コア中に光を伝搬させている。例えばコアに
は石英ガラス、クラッドには多成分ガラスを用いてい
る。
【０００３】また単結晶を用いた光導波路は、結晶組成
の一部を他の元素に置換して屈折率を高くしてその部分
に光を導波させている。例えば図２の示すように光スイ
ッチ等に応用されているＬＮ（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶４
はＬｉ+ サイトをＨ+ やＴｉ3+で置換し、屈折率を高く
して導波路５を形成している。
の一部を他の元素に置換して屈折率を高くしてその部分
に光を導波させている。例えば図２の示すように光スイ
ッチ等に応用されているＬＮ（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶４
はＬｉ+ サイトをＨ+ やＴｉ3+で置換し、屈折率を高く
して導波路５を形成している。
【０００４】またレーザ材料では薄膜積層型の平面導波
路をＬＰＥ（液層エピタキシャル成長）を用いて形成
し、励起光や発振光のエネルギー密度を大きくして発振
しきい値やスロープ効率（入出力特性）を向上させるこ
とが行われている。例えば図３のようにＹｂ：ＹＡＧレ
ーザ基板６にＡｌ3+サイトの一部をＧａ3+で置き換えて
エピタキシャル成長させ、さらにその上をＹＡＧの組成
でサンドイッチすることで平面導波路７を形成している
（オプティクスコミュニケーションズ、１１５巻、１９
９５年４９１〜４９７ページ）。
路をＬＰＥ（液層エピタキシャル成長）を用いて形成
し、励起光や発振光のエネルギー密度を大きくして発振
しきい値やスロープ効率（入出力特性）を向上させるこ
とが行われている。例えば図３のようにＹｂ：ＹＡＧレ
ーザ基板６にＡｌ3+サイトの一部をＧａ3+で置き換えて
エピタキシャル成長させ、さらにその上をＹＡＧの組成
でサンドイッチすることで平面導波路７を形成している
（オプティクスコミュニケーションズ、１１５巻、１９
９５年４９１〜４９７ページ）。
【０００５】光学材料と音波の相互作用である音響光学
効果を利用した素子として図４に示す光偏光器が実用化
されている。光学材料８に入射されたレーザ光は通常透
過するが、トランスデューサー９を駆動させると超音波
束によりレーザ光はブラッグ反射される。トランスデュ
ーサーの周波数を変えることで回折光は偏向する。
効果を利用した素子として図４に示す光偏光器が実用化
されている。光学材料８に入射されたレーザ光は通常透
過するが、トランスデューサー９を駆動させると超音波
束によりレーザ光はブラッグ反射される。トランスデュ
ーサーの周波数を変えることで回折光は偏向する。
【０００６】また図５の表面波を利用した波長フィルタ
ーも実用化されており、光学材料８の表面に光導波路１
１を形成し、その上にくし形のトランスデューサー９を
設置する。周波数が混在した光は超音波束１０の間隔を
変化させることで特定の周波数の光だけが回折する。ま
た導波型音響光学素子（例えば特開昭５０−１４３５４
７号公報）や導波型光偏向器（例えば特開昭６２−２５
７１３３号公報）が提案されている。
ーも実用化されており、光学材料８の表面に光導波路１
１を形成し、その上にくし形のトランスデューサー９を
設置する。周波数が混在した光は超音波束１０の間隔を
変化させることで特定の周波数の光だけが回折する。ま
た導波型音響光学素子（例えば特開昭５０−１４３５４
７号公報）や導波型光偏向器（例えば特開昭６２−２５
７１３３号公報）が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したような従
来の光導波路を形成するための素子は以下のような問題
点がある。
来の光導波路を形成するための素子は以下のような問題
点がある。
【０００８】第１の問題点は例えば図１〜図３で示した
ような従来の方法で光学材料に光導波路を形成するには
非常に工数を要することである。その理由は屈折率を変
化させるため違う物質を構造的に接着したり光学材料の
元素の一部を拡散や置換で変化させたり、ヘテロエピタ
キシャル成長で屈折率の高い部分を成長させなければな
らないためである。また導波路を材料の一部に選択的に
行うためには非常に手間のかかるプロセス技術、例えば
マスキングやリソグラフ等の行程が必要となり、加えて
作製工程においてスパッタ装置や薄膜作成装置、エッチ
ング装置、洗浄装置、アニール装置等多くの装置が必要
となるため、コスト面でも問題がある。
ような従来の方法で光学材料に光導波路を形成するには
非常に工数を要することである。その理由は屈折率を変
化させるため違う物質を構造的に接着したり光学材料の
元素の一部を拡散や置換で変化させたり、ヘテロエピタ
キシャル成長で屈折率の高い部分を成長させなければな
らないためである。また導波路を材料の一部に選択的に
行うためには非常に手間のかかるプロセス技術、例えば
マスキングやリソグラフ等の行程が必要となり、加えて
作製工程においてスパッタ装置や薄膜作成装置、エッチ
ング装置、洗浄装置、アニール装置等多くの装置が必要
となるため、コスト面でも問題がある。
【０００９】第２の問題点は導波路形成の再現性が悪い
ことである。その理由は化学反応で材料の一部を多元素
に置換する場合、化学反応のパラメータが多く同じ性能
の導波路を再現良く形成することが非常に困難となる。
ことである。その理由は化学反応で材料の一部を多元素
に置換する場合、化学反応のパラメータが多く同じ性能
の導波路を再現良く形成することが非常に困難となる。
【００１０】第３の問題点は光学材料によっては導波路
化が難しいものがあることである。その理由は光学材料
の組成の一部を変えても屈折率があまり変化しなかった
り、結晶の場合構造が崩れて導波路を形成できなかった
りすることがあげられる。
化が難しいものがあることである。その理由は光学材料
の組成の一部を変えても屈折率があまり変化しなかった
り、結晶の場合構造が崩れて導波路を形成できなかった
りすることがあげられる。
【００１１】また、実用化されている導波路型の音響光
学素子である光偏向素子や表面波素子等は導波路中の光
と音波の回折を利用したものであり、素子には光導波路
の形成が必要であったため、前記のような問題点を解決
することは不可能である。
学素子である光偏向素子や表面波素子等は導波路中の光
と音波の回折を利用したものであり、素子には光導波路
の形成が必要であったため、前記のような問題点を解決
することは不可能である。
【００１２】以上のように光学材料に光導波路を作製す
るには課題が非常に多い。光導波路は光を光学材料中に
分散させずに伝搬することができるため応用範囲は広
く、容易に光導波路を作製して有用な導波路型素子を実
現することが望まれていた。
るには課題が非常に多い。光導波路は光を光学材料中に
分散させずに伝搬することができるため応用範囲は広
く、容易に光導波路を作製して有用な導波路型素子を実
現することが望まれていた。
【００１３】本発明の目的は、新しい光導波路を形成す
る方法を用いることで、導波路材料選択の拡大、プロセ
スの簡略化、信頼性の向上、作成コストの削減を行い、
また作成困難だった光導波路素子を実現することであ
る。
る方法を用いることで、導波路材料選択の拡大、プロセ
スの簡略化、信頼性の向上、作成コストの削減を行い、
また作成困難だった光導波路素子を実現することであ
る。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の光導波路は光学
材料中に音波を定在波として伝搬させることにより材料
中に屈折率の分布を安定して誘起することができ、屈折
率の高い部分に光を伝搬させることで光導波路を実現す
ることが出来る。
材料中に音波を定在波として伝搬させることにより材料
中に屈折率の分布を安定して誘起することができ、屈折
率の高い部分に光を伝搬させることで光導波路を実現す
ることが出来る。
【００１５】光学材料は音波を伝搬させることにより材
料中に屈折率の分布が誘起される。これは音響光学効果
と呼ばれ、どんな光学材料でも生じる効果である。音響
光学効果による屈折率の変化の大きさは式１で表され、
性能指数Ｍが式２で定義されている。この性能指数は例
えば光エレクトロニクスの基礎（丸善、多田、神谷共
著）ｐ３３０、結晶物理工学（裳華房、小川智哉著）ｐ
２３８に示されている。 △ｎ2 ＝１／２・Ｐ2 ｎ6 ／ρυ3 ・ｐ・・・１ Ｍ＝Ｐ2 ｎ6 ／ρυ3 ・・・・・・・・・２ （Ｐ：歪光学係数、ｎ：屈折率、ρ：密度、υ：音速、
ｐ：音波のエネルギー） 図６に示すように光学材料８の側面の一方にトランスデ
ューサー９を接着し、その面に対面する面までの素子長
を音波の波長の定数倍にすることにより音波はその面間
の材料中で定在波となる。この音波に誘起された屈折率
変化も光学材料８中に常に同じ位置に定在させることが
出来る。屈折率の高い部分１２は平面状に存在するた
め、この部分を平面導波路として使用できる。この部分
に入射した光は上下の屈折率の低い部分１３で反射され
て平面導波路中を伝搬することになる。この屈折率の高
い部分１２と低い部分１３の差△ｎの２乗は式１より材
料の性能指数Ｍと伝搬させる音波の強度ｐに比例するた
め、Ｍが大きな材料ほど大きな屈折率差が得られる。ま
たＭが小さくても導波路として用いるために必要な屈折
率差である△ｎ＝１０-3程度を得るためには音波の入力
パワーを大きくすれば良いことになる。たとえば光スイ
ッチや波長変換素子等に用いられるリチウムナイオベー
ト（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶の場合、性能指数は７．０
（１０-15 ｓ3 ／ｇ）、１ＫＷの音波を１mm2 の面積に
導入した場合、音波のエネルギー密度は１×１０9 Ｗ／
m2＝１×１０12ｇ／ｓ3 となり、これらを式１に代入す
ると △ｎ2 ＝１／２・７．０×１０-18 ・１×１０12、△ｎ
＝１．８×１０-3 となり、導波路として必要な屈折率差を得ることができ
る。また光偏光器に応用されているモリブデン酸鉛（Ｐ
ｂＭｏＯ4 ）やＴｅＯ2 は性能指数Ｍが７３、７９３と
大きく、上記の条件でリチウムナイオベートと同じ屈折
率差を得るのに必要な音波のパワーは、それぞれ１００
Ｗ、１０Ｗとなる。
料中に屈折率の分布が誘起される。これは音響光学効果
と呼ばれ、どんな光学材料でも生じる効果である。音響
光学効果による屈折率の変化の大きさは式１で表され、
性能指数Ｍが式２で定義されている。この性能指数は例
えば光エレクトロニクスの基礎（丸善、多田、神谷共
著）ｐ３３０、結晶物理工学（裳華房、小川智哉著）ｐ
２３８に示されている。 △ｎ2 ＝１／２・Ｐ2 ｎ6 ／ρυ3 ・ｐ・・・１ Ｍ＝Ｐ2 ｎ6 ／ρυ3 ・・・・・・・・・２ （Ｐ：歪光学係数、ｎ：屈折率、ρ：密度、υ：音速、
ｐ：音波のエネルギー） 図６に示すように光学材料８の側面の一方にトランスデ
ューサー９を接着し、その面に対面する面までの素子長
を音波の波長の定数倍にすることにより音波はその面間
の材料中で定在波となる。この音波に誘起された屈折率
変化も光学材料８中に常に同じ位置に定在させることが
出来る。屈折率の高い部分１２は平面状に存在するた
め、この部分を平面導波路として使用できる。この部分
に入射した光は上下の屈折率の低い部分１３で反射され
て平面導波路中を伝搬することになる。この屈折率の高
い部分１２と低い部分１３の差△ｎの２乗は式１より材
料の性能指数Ｍと伝搬させる音波の強度ｐに比例するた
め、Ｍが大きな材料ほど大きな屈折率差が得られる。ま
たＭが小さくても導波路として用いるために必要な屈折
率差である△ｎ＝１０-3程度を得るためには音波の入力
パワーを大きくすれば良いことになる。たとえば光スイ
ッチや波長変換素子等に用いられるリチウムナイオベー
ト（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶の場合、性能指数は７．０
（１０-15 ｓ3 ／ｇ）、１ＫＷの音波を１mm2 の面積に
導入した場合、音波のエネルギー密度は１×１０9 Ｗ／
m2＝１×１０12ｇ／ｓ3 となり、これらを式１に代入す
ると △ｎ2 ＝１／２・７．０×１０-18 ・１×１０12、△ｎ
＝１．８×１０-3 となり、導波路として必要な屈折率差を得ることができ
る。また光偏光器に応用されているモリブデン酸鉛（Ｐ
ｂＭｏＯ4 ）やＴｅＯ2 は性能指数Ｍが７３、７９３と
大きく、上記の条件でリチウムナイオベートと同じ屈折
率差を得るのに必要な音波のパワーは、それぞれ１００
Ｗ、１０Ｗとなる。
【００１６】光学材料８に側面２方向からトランスデュ
ーサー９より音波を定在波として伝搬させれば高屈折率
部分１２と低屈折率部分１３は図７のようになり、高屈
折率部分に光を入射すれば材料中で光は分散することな
く一次元的に導波し、出射されることになる。
ーサー９より音波を定在波として伝搬させれば高屈折率
部分１２と低屈折率部分１３は図７のようになり、高屈
折率部分に光を入射すれば材料中で光は分散することな
く一次元的に導波し、出射されることになる。
【００１７】なお、図４の光偏光器はフォトンと結晶中
の音波によるフォノンの相互作用であり、音波は進行波
でないと光の回折強度は著しく減少してしまうため、常
に進行波として用いていることが必要である。一方本発
明は屈折率の高い部分に光を閉じ込めて導波させるため
に素子長を音波の波長の定数倍にして音波を定在波と
し、屈折率の分布を定在させているため、図４の光偏光
器とは異なる。
の音波によるフォノンの相互作用であり、音波は進行波
でないと光の回折強度は著しく減少してしまうため、常
に進行波として用いていることが必要である。一方本発
明は屈折率の高い部分に光を閉じ込めて導波させるため
に素子長を音波の波長の定数倍にして音波を定在波と
し、屈折率の分布を定在させているため、図４の光偏光
器とは異なる。
【００１８】つまり光学材料に導波路を形成するために
屈折率を大きくするための手段として音響光学効果を用
いることにより、材料に特別なプロセスを行う必要がな
く簡単に導波路を形成することができる。
屈折率を大きくするための手段として音響光学効果を用
いることにより、材料に特別なプロセスを行う必要がな
く簡単に導波路を形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の光導波路素子を
用いた光偏向素子、光波長フィルター、非線形光学材
料、レーザ結晶、光マトリックススイッチについてそれ
ぞれ説明する。
用いた光偏向素子、光波長フィルター、非線形光学材
料、レーザ結晶、光マトリックススイッチについてそれ
ぞれ説明する。
【００２０】（第１の実施形態）第１の実施形態として
光偏向素子について説明する。
光偏向素子について説明する。
【００２１】音響光学効果を利用して導波路型の光偏向
素子を作成する場合、表面に何らかの方法で導波路を形
成した後その材料に超音波を導入し、超音波束による光
のブラッグ反射を利用し、超音波の周波数を変化させる
ことで回折ビームを偏向させることができる。
素子を作成する場合、表面に何らかの方法で導波路を形
成した後その材料に超音波を導入し、超音波束による光
のブラッグ反射を利用し、超音波の周波数を変化させる
ことで回折ビームを偏向させることができる。
【００２２】本発明では図８（ａ）のようにまず光学材
料８に縦方向へトランスデューサー９を用いて音波を定
在波として導入して平面導波路を形成する。その後、横
方向にトランスデューサー９で音波を進行波として導入
することにより、横方向には導波路を作成することな
く、導波路型の光偏向素子が容易に作成できる。図８
（ｂ）は図８（ａ）の上面から見た図であり、音波によ
り誘起された平面導波路中に入射した光が側面から導入
する進行波により回折される模式図である。
料８に縦方向へトランスデューサー９を用いて音波を定
在波として導入して平面導波路を形成する。その後、横
方向にトランスデューサー９で音波を進行波として導入
することにより、横方向には導波路を作成することな
く、導波路型の光偏向素子が容易に作成できる。図８
（ｂ）は図８（ａ）の上面から見た図であり、音波によ
り誘起された平面導波路中に入射した光が側面から導入
する進行波により回折される模式図である。
【００２３】
（実施例１）モリブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ4 ）の音速は
３km／ｓである。図８上部面から３０ＭＨｚの超音波を
導入し、素子長を１００μm の整数倍とすることで１０
０μm 間隔で屈折率の分布ができる。側面から進行波と
して音波を導入し、図８のように入射光を屈折率の高い
平面導波路部分に結合することで光はブラッグ条件をみ
たした場合回折されて偏向する。進行波の周波数を変化
させることで偏向角を変化させることが出来る。側面か
ら入射する音波が無い場合は光は直進する。
３km／ｓである。図８上部面から３０ＭＨｚの超音波を
導入し、素子長を１００μm の整数倍とすることで１０
０μm 間隔で屈折率の分布ができる。側面から進行波と
して音波を導入し、図８のように入射光を屈折率の高い
平面導波路部分に結合することで光はブラッグ条件をみ
たした場合回折されて偏向する。進行波の周波数を変化
させることで偏向角を変化させることが出来る。側面か
ら入射する音波が無い場合は光は直進する。
【００２４】（第２の実施形態）第２の実施形態とし
て、光波長フィルターについて説明する。
て、光波長フィルターについて説明する。
【００２５】音響光学効果を利用した導波路型周波数フ
ィルターは、図５と同じ構成であり、入射する光の波長
が混在する場合、表面波として導入する超音波の周波数
を変化させて特定の波長の光だけをブラッグ反射の条件
で取り出すものである。本発明によれば、周波数が混在
する光を図８と同じ構成で作製された導波路に入射し、
側面から導入する超音波の周波数を調整することで特定
の波長だけをブラック反射させることができる。
ィルターは、図５と同じ構成であり、入射する光の波長
が混在する場合、表面波として導入する超音波の周波数
を変化させて特定の波長の光だけをブラッグ反射の条件
で取り出すものである。本発明によれば、周波数が混在
する光を図８と同じ構成で作製された導波路に入射し、
側面から導入する超音波の周波数を調整することで特定
の波長だけをブラック反射させることができる。
【００２６】（実施例２）実施例１と同じ構成でＭｏＰ
ｂＯ4 結晶を利用して素子を作成し、屈折率の高い平面
導波路部分１２に波長が混在する光を結合する。側面か
ら導入する音波の周波数１０を変化させることで、図９
のようにブラッグ条件を満たした波長の光だけが回折
し、他の波長は透過する。１０の周波数を変化させるこ
とで回折する光の波長を選択することができる。
ｂＯ4 結晶を利用して素子を作成し、屈折率の高い平面
導波路部分１２に波長が混在する光を結合する。側面か
ら導入する音波の周波数１０を変化させることで、図９
のようにブラッグ条件を満たした波長の光だけが回折
し、他の波長は透過する。１０の周波数を変化させるこ
とで回折する光の波長を選択することができる。
【００２７】（第３の実施形態）第３の実施形態とし
て、非線形光学材料について説明する。
て、非線形光学材料について説明する。
【００２８】非線形光学材料でレーザ光の波長変換を行
う場合、入射するレーザ光のエネルギー密度を高くする
ほど変換効率が高くなるためレンズ等で絞って素子に入
射する。しかしこの場合、実際にエネルギー密度の高い
部分１５は図１０のように非線形光学素子１４の一部だ
けであり、素子長を有効に利用出来ていない。また角度
位相整合方法を用いている場合、入射する光に角度θが
生じると基本波と高調波の位相が揃わない角度不整合す
る光成分が多くなる。そのため入射するレーザ光は素子
中を平行光として伝搬させた方が望ましい。
う場合、入射するレーザ光のエネルギー密度を高くする
ほど変換効率が高くなるためレンズ等で絞って素子に入
射する。しかしこの場合、実際にエネルギー密度の高い
部分１５は図１０のように非線形光学素子１４の一部だ
けであり、素子長を有効に利用出来ていない。また角度
位相整合方法を用いている場合、入射する光に角度θが
生じると基本波と高調波の位相が揃わない角度不整合す
る光成分が多くなる。そのため入射するレーザ光は素子
中を平行光として伝搬させた方が望ましい。
【００２９】本発明によれば、図１１に示すように角度
位相整合でカットした非線形光学素子の２つの側面から
超音波を伝搬させて一次元導波路を素子中に形成し、レ
ンズで絞った基本波をこの導波路端面に入射すればレー
ザビームは素子入射後広がらずに導波路中を平行光に近
い形で伝搬し、高いエネルギー密度を保ったまま相互作
用長を長くとることが出来るため変換効率が向上する。
位相整合でカットした非線形光学素子の２つの側面から
超音波を伝搬させて一次元導波路を素子中に形成し、レ
ンズで絞った基本波をこの導波路端面に入射すればレー
ザビームは素子入射後広がらずに導波路中を平行光に近
い形で伝搬し、高いエネルギー密度を保ったまま相互作
用長を長くとることが出来るため変換効率が向上する。
【００３０】（実施例３）非線形光学材料ＬＢＯ（Ｌｉ
2 Ｂ4 Ｏ7 ）は紫外域まで波長変換可能な素子である。
この素子を用いてＹＡＧレーザの第２高調波である５３
２nmを２６６nmのＦＨＧ光に変換する場合、位相整合を
取るためθ＝４５゜の方位に結晶をカットして素子を作
成する。通常ワンパスで波長変換を行う場合はｆ＝１０
０mm程度のレンズでレーザ光を絞って入射するが、焦点
におけるビーム径は約５０μm 程度であり、エネルギー
密度の高い部分１５は図１０に示したようにごく一部で
ある。そこで本発明によれば高いエネルギー密度を保っ
たまま素子長全体を伝搬させることができる。ＬＢＯ結
晶中の音速は約５０００m ／ｓであり、素子に１００μ
m 間隔で屈折率の変化を誘起するためには超音波の周波
数を５０００m ／ｓ／１００μm ＝５ＭＨｚにする必要
がある。ＬＢＯ素子の両側面に５ＭＨｚを発振するトラ
ンスデューサーを張り付け（もしくはスパッタ等で膜を
付け）、素子形状を１００μm の整数倍に加工する。約
１ＫＷの音波を導入することで△ｎ＝１０−３程度の導
波路が１００μm 間隔で形成される。図１１に示したよ
うに高屈折率部分１２のひとつのセグメントにレンズで
絞った光を結合することで光は高エネルギー密度を保っ
たまま素子を導波するため高調波への変換効率が向上す
る。ワンパスで通常の波長変換を行った場合、素子長１
５mmで１０Ｈｚ、１０ｎｓのパルス光で平均８ｍＷの５
３２nm光を入射した場合約１００μＷの出力が得られた
が、図１１の素子を用いた場合、同条件で約１ｍＷの出
力が得られ、約１０倍の変換効率が得られた。
2 Ｂ4 Ｏ7 ）は紫外域まで波長変換可能な素子である。
この素子を用いてＹＡＧレーザの第２高調波である５３
２nmを２６６nmのＦＨＧ光に変換する場合、位相整合を
取るためθ＝４５゜の方位に結晶をカットして素子を作
成する。通常ワンパスで波長変換を行う場合はｆ＝１０
０mm程度のレンズでレーザ光を絞って入射するが、焦点
におけるビーム径は約５０μm 程度であり、エネルギー
密度の高い部分１５は図１０に示したようにごく一部で
ある。そこで本発明によれば高いエネルギー密度を保っ
たまま素子長全体を伝搬させることができる。ＬＢＯ結
晶中の音速は約５０００m ／ｓであり、素子に１００μ
m 間隔で屈折率の変化を誘起するためには超音波の周波
数を５０００m ／ｓ／１００μm ＝５ＭＨｚにする必要
がある。ＬＢＯ素子の両側面に５ＭＨｚを発振するトラ
ンスデューサーを張り付け（もしくはスパッタ等で膜を
付け）、素子形状を１００μm の整数倍に加工する。約
１ＫＷの音波を導入することで△ｎ＝１０−３程度の導
波路が１００μm 間隔で形成される。図１１に示したよ
うに高屈折率部分１２のひとつのセグメントにレンズで
絞った光を結合することで光は高エネルギー密度を保っ
たまま素子を導波するため高調波への変換効率が向上す
る。ワンパスで通常の波長変換を行った場合、素子長１
５mmで１０Ｈｚ、１０ｎｓのパルス光で平均８ｍＷの５
３２nm光を入射した場合約１００μＷの出力が得られた
が、図１１の素子を用いた場合、同条件で約１ｍＷの出
力が得られ、約１０倍の変換効率が得られた。
【００３１】この他の非線形光学材料でも同様の効果が
得られることも確認された。
得られることも確認された。
【００３２】（第４の実施形態）第４の実施形態とし
て、レーザ結晶について説明する。
て、レーザ結晶について説明する。
【００３３】レーザダイオード励起で固体レーザを発振
させる場合、励起光および発振光のエネルギー密度を共
振器内で大きくすると、発振しきい値が下がり、またス
ロープ効率が向上する。とくに通常発振が難しい２準位
レーザの場合にこの効果は大きい。図１２に示すように
レーザ結晶１６の上面からトランスデューサー９で超音
波を導入して屈折率分布を結晶中に誘起しこの高屈折率
部分１２に励起光を結合してやれば、励起光および発振
光は導波路中に閉じこめられるためエネルギー密度を大
きくすることができ、励起光の吸収効率、発光効率がよ
くなる。そのた発振しきい値が下がり、スロープ効率も
上昇する。
させる場合、励起光および発振光のエネルギー密度を共
振器内で大きくすると、発振しきい値が下がり、またス
ロープ効率が向上する。とくに通常発振が難しい２準位
レーザの場合にこの効果は大きい。図１２に示すように
レーザ結晶１６の上面からトランスデューサー９で超音
波を導入して屈折率分布を結晶中に誘起しこの高屈折率
部分１２に励起光を結合してやれば、励起光および発振
光は導波路中に閉じこめられるためエネルギー密度を大
きくすることができ、励起光の吸収効率、発光効率がよ
くなる。そのた発振しきい値が下がり、スロープ効率も
上昇する。
【００３４】（実施例４）Ｙｂ：ＹＶＯ4 レーザは疑似
２準位レーザであるため発振しきい値が高く発振しにく
い。母結晶１６であるＹＶＯ4 中の音速は約５０００m
／ｓである。このレーザ結晶に５０μm の導波路１２を
形成するためには５０００m ／ｓ／５０μm ＝１００Ｍ
Ｈｚの超音波を素子の上面から導入し、素子厚を５０μ
m の整数倍に加工することで図１２の素子が実現でき
る。Ｙｂの吸収する９００nm付近のレーザダイオードを
入射し、端面にはレーザダイオードに対するＡｒコーテ
ィングと発振光に対するＨＲコーティングを施し、出射
側には発振光を一部透過する外部出力ミラー１８を施せ
ば、レーザ発振が可能となる。従来発振しきい値が高い
ため発振しなかった結晶でも、Ｙｂ：ＹＶＯ４結晶に超
音波を導入した素子を用いることで５００ｍＷのレーザ
ダイオードで励起したところ５０ｍＷの１．０３μm の
出力が得られた。
２準位レーザであるため発振しきい値が高く発振しにく
い。母結晶１６であるＹＶＯ4 中の音速は約５０００m
／ｓである。このレーザ結晶に５０μm の導波路１２を
形成するためには５０００m ／ｓ／５０μm ＝１００Ｍ
Ｈｚの超音波を素子の上面から導入し、素子厚を５０μ
m の整数倍に加工することで図１２の素子が実現でき
る。Ｙｂの吸収する９００nm付近のレーザダイオードを
入射し、端面にはレーザダイオードに対するＡｒコーテ
ィングと発振光に対するＨＲコーティングを施し、出射
側には発振光を一部透過する外部出力ミラー１８を施せ
ば、レーザ発振が可能となる。従来発振しきい値が高い
ため発振しなかった結晶でも、Ｙｂ：ＹＶＯ４結晶に超
音波を導入した素子を用いることで５００ｍＷのレーザ
ダイオードで励起したところ５０ｍＷの１．０３μm の
出力が得られた。
【００３５】他のレーザ材料でも同じ効果が得られる。
【００３６】（第５の実施形態）第５の実施形態とし
て、光マトリックススイッチについて説明する。
て、光マトリックススイッチについて説明する。
【００３７】図１３（ａ）に示したように光学材料８の
上下左右側面にトランスデューサー９を取り付ける。ト
ランスデューサーから発振される音波の周波数は定在波
となるよう素子形状を加工する。また光学材料中に誘起
される屈折率分布が、各セグメントの中心に屈折率の高
い部分がくるように調整する。例えばとＣ′のトラン
スデューサーを駆動した場合は図１３（ｂ）のように
−Ｃ′のセグメントに一次元導波路１２が作製される。
図１３（ｃ）のように各セグメントにレーザ光をマイク
ロレンズ等で絞り込んで入射する。セグメント１９が一
次元導波路になっていない場合、入射した光は発散して
出射面まで到達しないが、図１３（ｄ）のようにトラン
スデューサーを駆動して光学材料に超音波を導入して一
次元導波路を形成すると入射光が素子中に広がらずに端
面まで導波して出力される。このように、縦横のトラン
スデューサーを制御することで、各セグメントに結合さ
れた光の出力をマトリックス状に制御することができ
る。
上下左右側面にトランスデューサー９を取り付ける。ト
ランスデューサーから発振される音波の周波数は定在波
となるよう素子形状を加工する。また光学材料中に誘起
される屈折率分布が、各セグメントの中心に屈折率の高
い部分がくるように調整する。例えばとＣ′のトラン
スデューサーを駆動した場合は図１３（ｂ）のように
−Ｃ′のセグメントに一次元導波路１２が作製される。
図１３（ｃ）のように各セグメントにレーザ光をマイク
ロレンズ等で絞り込んで入射する。セグメント１９が一
次元導波路になっていない場合、入射した光は発散して
出射面まで到達しないが、図１３（ｄ）のようにトラン
スデューサーを駆動して光学材料に超音波を導入して一
次元導波路を形成すると入射光が素子中に広がらずに端
面まで導波して出力される。このように、縦横のトラン
スデューサーを制御することで、各セグメントに結合さ
れた光の出力をマトリックス状に制御することができ
る。
【００３８】（実施例５）Ｔｅガラスは音響光学性能指
数が約３０と大きく光学的に等方的なので、光マトリッ
クス制御素子に用いる材料に適している。各セグメント
の大きさを１mmとするとＴｅガラス中の音速は３４００
m ／ｓなため超音波は３．４ＭＨｚとなる。４mm角で厚
さ３０mm程度の素子を作成し、図１４のようにＴｅガラ
ス２０にトランスデューサー９を取り付けて素子を作成
し、各セグメント２１の中心にレーザダイオードから発
振する光をマイクロレンズで結合すれば、各トランスデ
ューサーを制御することで４×４の光マトリックス出力
が制御できる。尚、図１４の反対側面および底面にも同
じようにトランスデューサーが取り付けられている。
数が約３０と大きく光学的に等方的なので、光マトリッ
クス制御素子に用いる材料に適している。各セグメント
の大きさを１mmとするとＴｅガラス中の音速は３４００
m ／ｓなため超音波は３．４ＭＨｚとなる。４mm角で厚
さ３０mm程度の素子を作成し、図１４のようにＴｅガラ
ス２０にトランスデューサー９を取り付けて素子を作成
し、各セグメント２１の中心にレーザダイオードから発
振する光をマイクロレンズで結合すれば、各トランスデ
ューサーを制御することで４×４の光マトリックス出力
が制御できる。尚、図１４の反対側面および底面にも同
じようにトランスデューサーが取り付けられている。
【００３９】
【発明の効果】この発明の効果は光学材料中に光導波路
を容易に作製できることである。音波を用いた新しい光
導波路を形成する方法を用いることで、導波路材料選択
の拡大、プロセスの簡略化、信頼性の向上、作成コスト
の削減を行い、また今まで作成困難だった光導波路素子
を実現することができるようになる。その理由は音波を
用いた光導波路の作製には、材料に特別なプロセスを必
要としないからである。
を容易に作製できることである。音波を用いた新しい光
導波路を形成する方法を用いることで、導波路材料選択
の拡大、プロセスの簡略化、信頼性の向上、作成コスト
の削減を行い、また今まで作成困難だった光導波路素子
を実現することができるようになる。その理由は音波を
用いた光導波路の作製には、材料に特別なプロセスを必
要としないからである。
【図１】光ファイバーによる光の伝搬の説明図である。
【図２】ＬＮ単結晶を用いた光導波路の説明図である。
【図３】Ｙｂ：ＹＡＧも用いたＬＰＥ成長による光導波
路の説明図である。
路の説明図である。
【図４】音響ブラッグ反射を用いた光偏向器の説明図で
ある。
ある。
【図５】表面波を利用した波長フィルターの説明図であ
る。
る。
【図６】本発明による音波を光学材料中に定在波として
伝搬させて形成した平面導波路の模式図である。
伝搬させて形成した平面導波路の模式図である。
【図７】本発明による音波を光学材料中に２方向から定
在波として伝搬させて形成した一次元導波路の模式図で
ある。
在波として伝搬させて形成した一次元導波路の模式図で
ある。
【図８】（ａ）本発明の実施の形態を示す、音波を導入
して形成した平面導波路を用いた光偏向器の模式図であ
る。（ｂ）音響ブラッグ反射による光の回折の説明図で
ある。
して形成した平面導波路を用いた光偏向器の模式図であ
る。（ｂ）音響ブラッグ反射による光の回折の説明図で
ある。
【図９】本発明の実施の形態を示す、音波を導入して形
成した平面導波路を用いた光波長フィルターの原理説明
図である。
成した平面導波路を用いた光波長フィルターの原理説明
図である。
【図１０】非線形光学素子にレーザ光をレンズで絞って
入射した場合の素子中の光路を説明した図である。
入射した場合の素子中の光路を説明した図である。
【図１１】本発明の実施の形態を示す、非線形光学素子
に音波を導入して導波路を形成した導波路型非線形光学
素子の模式図である。
に音波を導入して導波路を形成した導波路型非線形光学
素子の模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態を示す、レーザ発振素子
に音波を導入して導波路を形成作製した導波路型レーザ
素子の模式図である。
に音波を導入して導波路を形成作製した導波路型レーザ
素子の模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態を示す、光マトリクスス
イッチの説明図である。
イッチの説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態を示す、光マトリックス
スイッチの外観図である。
スイッチの外観図である。
１ 光ファイバー ２ コア（ｎ1 ） ３ クラッド（ｎ2 ） ４ ＬＮ単結晶 ５ Ｌｉ+ を一部Ｈ+ 、Ｔ3+で置換した光導波路 ６ Ｙｂ：ＹＡＧ ７ Ｙｂ：ＹＡＧ中のＡｌ3+を一部Ｇａ3+で置換した光
導波路 ８ 光学材料 ９ トランスデューサー １０ 超音波束 １１ 光導波路 １２ 高屈折率部分 １３ 低屈折率部分 １４ 非線形光学材料 １５ 光エネルギー密度の部分 １６ レーザ材料 １７ 励起光ＡＲ、発振光ＨＲのコーティング １８ 外部出力ミラー １９ −Ｃ′のセグメント ２０ Ｔｅガラス ２１ セグメント
導波路 ８ 光学材料 ９ トランスデューサー １０ 超音波束 １１ 光導波路 １２ 高屈折率部分 １３ 低屈折率部分 １４ 非線形光学材料 １５ 光エネルギー密度の部分 １６ レーザ材料 １７ 励起光ＡＲ、発振光ＨＲのコーティング １８ 外部出力ミラー １９ −Ｃ′のセグメント ２０ Ｔｅガラス ２１ セグメント
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｈ
Claims (7)
- 【請求項１】光学材料の少なくとも一つの方向から音波
を定在波として伝搬させて結晶中に屈折率変化を誘起
し、屈折率の高い部分に光を導波させることを特徴とす
る光導波路素子。 - 【請求項２】光学材料中に形成される音波路の長さが音
波の波長の整数倍であることを特徴とする請求項１記載
の光導波路素子。 - 【請求項３】定在波と異なる方向から音波を進行波とし
て導入して光偏向を行うことを特徴とする請求項１ない
し２記載の光導波路素子。 - 【請求項４】定在波と異なる方向から音波を進行波とし
て導入して周波数のフィルタリングを行うことを特徴と
する請求項１ないし２記載の光導波路素子。 - 【請求項５】光学材料が非線形光学材料であることを特
徴とする請求項１ないし２記載の光導波路素子。 - 【請求項６】光学材料がレーザ材料であることを特徴と
する請求項１ないし２記載の光導波路素子。 - 【請求項７】入射光のスイッチングをマトリックスで行
うことを特徴とする請求項１ないし２記載の光導波路素
子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8082261A JP2751914B2 (ja) | 1996-04-04 | 1996-04-04 | 光導波路素子 |
| TW086104105A TW412655B (en) | 1996-04-04 | 1997-03-31 | Optical device having optical wave guide produced in the presence of acoustic standing wave |
| EP97105446A EP0800104A3 (en) | 1996-04-04 | 1997-04-02 | Optical device having optical wave guide produced in the presence of acoustic standing wave |
| US08/833,253 US5949572A (en) | 1996-04-04 | 1997-04-04 | Optical device having optical wave guide produced in the presence of acoustic standing wave |
| KR1019970012532A KR100237894B1 (ko) | 1996-04-04 | 1997-04-04 | 음향 정상파의 존재시 형성된 광 도파로를 가진 광학 장치 |
| US09/207,507 US6647196B1 (en) | 1996-04-04 | 1998-12-09 | Optical device having optical wave guide produced in the presence of acoustic standing wave |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8082261A JP2751914B2 (ja) | 1996-04-04 | 1996-04-04 | 光導波路素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09274114A JPH09274114A (ja) | 1997-10-21 |
| JP2751914B2 true JP2751914B2 (ja) | 1998-05-18 |
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ID=13769530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (5)
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| EP (1) | EP0800104A3 (ja) |
| JP (1) | JP2751914B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US6674564B2 (en) * | 2001-06-15 | 2004-01-06 | Maniabarco, Inc. | System, method and article of manufacture for a beam splitting acousto-optical modulator |
| US7075698B2 (en) * | 2002-05-03 | 2006-07-11 | Technion Research And Development Foundation, Ltd. | Variable lenslet array |
| JP4511152B2 (ja) * | 2002-11-05 | 2010-07-28 | パナソニック株式会社 | 紫外光用音響光学素子及びこれを用いた光描画装置 |
| US8223611B2 (en) * | 2008-12-04 | 2012-07-17 | Tdk Corporation | Near-field light generating element and method for forming the element |
| US8213272B2 (en) * | 2009-06-11 | 2012-07-03 | Tdk Corporation | Multilayered waveguide having protruded light-emitting end |
| TWI534416B (zh) | 2015-03-02 | 2016-05-21 | 國立中山大學 | 聲光晶體光波導及具有該聲光晶體光波導之聲波感測器 |
| DE102019209815A1 (de) * | 2019-07-04 | 2021-01-07 | Robert Bosch Gmbh | Sendeeinheit zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld, LIDAR-Sensor aufweisend eine Sendeeinheit und Verfahren zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld |
| CN110488565A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-11-22 | 句容福芯电子有限公司 | 一种利用光声效应实现空气成像的装置及系统 |
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|---|---|---|---|---|
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| US3947780A (en) * | 1974-10-21 | 1976-03-30 | Mcdonnell Douglas Corporation | Acoustooptic mode-locker frequency doubler |
| US3958863A (en) * | 1975-01-10 | 1976-05-25 | Westinghouse Electric Corporation | Tl3 TaS4 and Tl3 TaSe4 crystals and acousto-optical devices |
| US4354735A (en) * | 1979-12-26 | 1982-10-19 | Gould Inc. | Optical transducer |
| US4460250A (en) * | 1981-06-17 | 1984-07-17 | Hazeltine Corporation | Acousto-optical channelized processor |
| JPS6219832A (ja) * | 1985-07-19 | 1987-01-28 | Nec Home Electronics Ltd | 表示装置 |
| JPS62257133A (ja) * | 1986-04-30 | 1987-11-09 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 導波型光偏向器 |
| US4771231A (en) * | 1987-11-16 | 1988-09-13 | Westinghouse Electric Corp. | Microwave oscillator with optical readout of resonance phenomena |
| JPH0511228A (ja) * | 1991-07-04 | 1993-01-19 | Hoya Corp | 光変調器並びにこれを使用したレーザ光源装置及び光計測器 |
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-
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- 1997-03-31 TW TW086104105A patent/TW412655B/zh not_active IP Right Cessation
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- 1997-04-04 US US08/833,253 patent/US5949572A/en not_active Expired - Fee Related
- 1997-04-04 KR KR1019970012532A patent/KR100237894B1/ko not_active IP Right Cessation
-
1998
- 1998-12-09 US US09/207,507 patent/US6647196B1/en not_active Expired - Fee Related
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