JP2761951B2

JP2761951B2 - 導波型光変調素子

Info

Publication number: JP2761951B2
Application number: JP1327766A
Authority: JP
Inventors: 雅也名波; 寛下田平
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH03188417A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、音響光学効果を利用して光の周波数遷移
（以下、周波数シフトという）を実現する光変調素子に
係り、特に薄膜光導波路と音響光変調素子とを組み合わ
せることで、１つの入射光から、それぞれ２つの異なる
周波数で変調を受けた２光束を出射する導波型光変調素
子に関する。

〔従来の技術〕

光の波長以下の精度で位置や距離の測定を行うサブフ
リンジ干渉計測法の１つとして光ヘテロダイン干渉を利
用する方法がある。

光ヘテロダイン干渉計では、干渉する２つの光の周波
数が少し異なっているため参照光と被験物からの反射光
を干渉させた後、光電変換すると、その電気信号は差周
波のビート信号として観測でき、この場合、被検物の位
置情報はビート信号の位相と基準信号の位相の差として
検出できる。

一方、同じ周波数の２つの光を干渉させる通常の干渉
計では、被検物の位置情報が干渉縞の明暗として検出さ
れるため、期待できる測定精度は高々２分の１波長であ
る。しかしながら、光ヘテロダイン干渉計より得られる
電気信号の位相は、信号振幅の変化に関係なく比較的容
易に２πの千分の１程度の精度で測定できるので、光の
位相情報も精度よく測定できる。例えば、光ヘテロダイ
ン干渉計測法を表面粗さの測定に利用して、高さの分解
能として0.1nmを得た報告がされている。（参考文献
G.E.Sommargren Appl.Opt.20 p610 1981）光ヘテロダイン干渉計測法において重要な技術は周波
数シフト技術であり、これには周波数が異なり、かつ現
存する光検出器で検出可能な周波数のビート信号を得る
ことのできる光源が必要である。このような光源を得る
方法としては大きく分けて３種類が考えられている。第
１の方法は、１台のレーザ光源を周波数の異なるモード
で同時発振させる方法、第２の方法は、２台の周波数安
定化レーザを周波数オフセットロックして使用する方法
である。結論的に、これらの２方法は大がかりすぎて光
ヘテロダイン干渉計測法に適用するには困難な問題が多
い。第３の方法は、現在、最も多く用いられている方法
で、１台のレーザの光を２分し、その一方もしくは両方
に光学位相変調素子を用いて周波数シフトを行う方法で
ある。

光学位相変調素子には初期の頃、回転型回折格子や回
転偏光素子などが用いられていたが、今日ではブラッグ
回折を利用した音響光変調素子がよく用いられている。

音響光変調素子は高密度フリントガラスやモリブ酸鉛
などの光学材料の中に超音波を進行させて位相格子を形
成し、光と超音波の相互作用で生じるブラッグ回折の現
象を利用して周波数シフトを行うものである。これを、
干渉に使用する方式としては、１個の変調素子で得られ
る０次と１次の回折光を利用する方法と，駆動周波数の
異なる２個の変調素子の各々の１次回折光を利用する方
法とがある。後者の方法では偏光状態の直交する成分に
それぞれ周波数シフトを与えることができ、直交偏光の
２周波光源として利用価値が高い。

音響光変調素子は、機械的可動部がなく、小型でシフ
ト周波数も高くすることができるといった長所を有する
が、一方、量産に向かず高価な点、ブラッグ回折の条件
を満足させる高精度な光学調整が必要な点、さらに２周
波光源として構成した場合、ビームスプリッタ、反射ミ
ラー、波長板等構成部品が多く全体として複雑大型化
し、機械的外乱に弱い点などが欠点として残されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上に述べた音響光変調素子を使用した２周波光源で
の問題点は、バルクタイプの光学系を用いた、いわゆる
立体形光学系の持つ宿命的な欠陥である。これらを全面
的に改善する策として、２つの音響光変調素子を薄膜光
導波路と組み合わせて光集積化する方法が考えられる。
一例として同一出願人の出願に係る発明「２周波光発生
モジュール（特願昭63−229146号）を参照されたい。し
かしながら、光集積化を行う場合、次の問題点が生ず
る。

第１に、基板上に２つの光変調部分を光の進行方向に
対して並列に構成し、各々の光変調部分に光を分配して
導く場合、分岐型光導波路を用いると、分岐部分におい
て光量の大幅な減衰がみられる。第１図（ａ）に２つの
光変調部分を光の進行方向に対して並列に構成した模式
図を示す。この図で、分岐部分における光の減衰量は分
岐角度を小さくすることにより、ある程度抑えることが
可能であるが、所望の分岐間距離を得るために今度は伝
搬路長を長くせねばならず、結果的に素子全体の長さが
長くなり光集積化を行う意味が無くなってしまう。

第２に、第１の問題点と同様に基板上に２つの光変調
部分を光の進行方向に対して並列に構成すると、各々の
光変調部分に設けられた音響波発生用の電極から励振し
た音響波が、他の光変調部分や光導波路へと伝搬してい
き変調をかけては具合の悪い導波光にまで変調作用を及
ぼす。薄膜導波型集積回路では、光は基板表層の薄い導
波光となり、また音響波も表面弾性波として基板表層部
に集中するため、両者の相互作用は強力であり、これに
対する効果的な対応策が必要である。

〔課題を解決するための手段〕

以上述べたように、導波光の分岐における光量減衰の
問題と、不要な表面弾性波が薄膜光導波路内の光に与え
る悪影響の問題を解決するため、本発明では基板上に２
つの光変調部分を光の進行方向に対して直列に配置し、
そして、光の変調は、光導波路中の同一伝搬光に対して
前段と後段で行う構造とした。第１図（ｂ）に、２つの
光変調部分を光の進行方向に対して直列に構成した模式
図を示す。このような構成をとることで、前段の変調部
分において表面弾性波による変調（ブラッグ回折）を受
けた導波光の一部は、後段の変調部分にそのまま伝搬し
ていくことになるが、後で詳しく述べるように、後段の
変調部分では導波してきた変調光と非変調光のうち、非
変調光だけが表面弾性波による変調を受けるように電極
の配置の条件を定めた。第２の交差指型電極から発生さ
れた第２の表面弾性波は、非変調光に対してはブラッグ
回折の条件を満足し、変調光に対しては波面がブラッグ
角の３倍以上の角度をもっている。

このように本発明では、２つの光変調部分を光の進行
方向に対して直列に配置し、それぞれの光変調部分は同
一伝搬光から選択的かつ可変に変調（ブラッグ回折）が
行える構造にしたことで、光変調部分を並列に並べた構
成の素子では必要不可欠であった分岐型光導波路をつく
る必要がなくなり、導波光の分岐における光量減衰の問
題を取り除くことができた。更に１つの光変調部分から
発生した音響波が別の光変調部分もしくは光導波路に直
接伝搬していくことがないため、不要な表面弾性波どう
しの干渉や、不要な変調作用の影響がなくなった。これ
により素子全体における光伝搬損失が大幅に改善でき、
また導波光に対してブラッグ回折による高効率な光変調
を行うことを可能とした。

〔実施例〕

第２図に、本発明に係る導波型光変調素子の構成の一
実施例を示す。

この実施例では、光透過性を有する圧電性基板１の表
層に、入力側直線型光導波路２と、該入力側直線型光導
波路２の一端に接続した平面型光導波路３と、該平面型
光導波路３に接続した第１および第２の出力側直線型光
導波路４、５が設けてある。平面型光導波路３の内部に
は、入力側直線型光導波路２から入射して扇状に自然分
散した光を、平行な導波光に変換する第１の薄膜型レン
ズ６と、前記平行な導波光を集光する第２の薄膜型レン
ズ７が設けられている。

また、前記圧電性基板１上には、前記平行にされた導
波光に対して、ブラッグ回折の条件をそれぞれ満足する
波面と伝搬方向を持つ第１及び第２の表面弾性波８、９
を発生させる第１及び第２の交差指型電極10、11が設け
てある。また、圧電性基板１の端面12、13は、光の入射
及び出射が効率よく行えるように鏡面研磨してある。

圧電性基板１の光入射点14に入射した周波数f₀の光
は、入力側直線型光導波路２の中を導波して第１の平面
型光導波路３内に入り、薄膜型レンズ６で光束幅の大き
な導波光に変換される。

第１の交差指型電極10へ励振周波数f₁の正弦波信号を
印加して発生した第１の表面弾性波８は、平行な導波光
の垂線に対してブラッグ角を満たす条件で伝搬して、第
１の表面弾性波と導波光の相互作用領域17において約50
％の変調効率（回折効率）で光の周波数変調を行う。第
２の交差指型電極11へ励振周波数f₂の正弦波信号を印加
して発生した第２の表面弾性波９は、平行な導波光の垂
線に対してブラッグ角を満たす条件で伝搬して、第２の
表面弾性波と導波光の相互作用領域18において導波して
きた変調光と非変調光のうち、非変調光に対して100％
近い最大変調効率（最大回折効率）で光の周波数変調を
行う。

周波数変調された光のうち第１の交差指型電極10から
発生した表面弾性波８で変調された光は第２の薄膜型レ
ンズ７により集光され、第１の出力側直線型光導波路４
内に入射して圧電性基板１の光出射点15へ導波される。
光出射点15から出射する光の周波数は、第１の交差指型
電極10へ印加した正弦波信号の周波数f₁だけ周波数シフ
トしており f₀＋f₁ となる。

また、周波数変調された光のうち第２の交差指型電極
11から発生した第２の表面弾性波９で変調された光は、
第２の薄膜型レンズ７により集光され、第２の出力側直
線型光導波路５内に入射して圧電性基板１の光出射点16
へ導波される。

光出射点16から出射する光の周波数は、第２の交差指
型電極11へ印加した正弦波信号の周波数f₂だけ周波数シ
フトしており f₀＋f₂ となる。

ところで、本発明は上で説明したように光変調部分を
光の進行方向に対し直列に配置する構成を採っているた
め後段の相互作用領域18においては変調光と非変調光の
２つの光が存在する。そのため後段の相互作用領域18で
は、これら２つの光のうち非変調光に対してのみ選択的
にかつ効率よく変調を行うことが必要である。

本発明においては、これらの課題を次に述べる方法に
より解決した。

まず、第３図に、実験より得られた入力電力と回折効
率との関係を示す。ここでは表面弾性波の波面に対する
光の入射角度を、光及び表面弾性波のそれぞれの波長と
基板の屈折率から決定されるブラッグ角（本実験条件に
おいては0.4゜）に固定しておき、表面弾性波を励振す
る交差指型電極への入力電力を変えながら＋１次回折光
の回折効率を測定した。実験で用いた素子は、基板とし
てニオブ酸リチウムのｘ板を使用し、光導波路はプロト
ン交換法で作製されたシングルモード光導波路、また、
交差指型電極はアルミ蒸着で作製し、発生できる表面弾
性波の波長は約23μｍ、電極の中心周波数は153MHzであ
り、回折におけるＱ値は光源波長633nmの場合10.7であ
る。本図において、回折効率とは出射全光量に対する回
折光量の比率を意味する。

この実験結果から、光入射角度をブラッグ角度に設定
して、交差指型電極への入力電力を調整することによ
り、＋１次と０次回折光の、すなわち変調光と非変調光
の光量比を任意に可変できることが判る。（“０次の回
折光”とは“回折されない光”、すなわち非変調光であ
る。）第４図には、０次と＋１次回折光の回折効率を表面弾
性波の波面に対する光入射角度を変えながら測定した実
験結果を示す。実験に使用した素子は第３図と同様の素
子である。この結果から、ブラッグ角の３倍以上（本実
験条件では、1.2゜以上）で光が入射すると１次回折光
の回折効率は４％未満となり、入射光はほとんど変調を
受けないことが判る。

これらの実験事実を踏まえて、第５図に示すように、
光線軸22に対して、前段部及び後段部の表面弾性波の波
面24、26が、前段の光変調部では反時計回りに、後段の
光変調部では時計回りにブラッグの角度だけ傾くように
前段部及び後段部の交差指型電極23、25を配置した。そ
して電極への入力電力を調整することにより、まず前段
の光変調部においては、入射してきた光の全光量に対し
約50％の効率で光変調を行い、次に後段の光変調部にお
いては、前段で変調を受けずに透過した光27だけに対し
て100％近い最大の効率で変調を行った。このとき、前
段の光変調部で変調を受けた光28は後段部の表面弾性波
の波面26の中をほとんど変調を受けずに透過することが
できる。なぜなら前段で変調を受けた光は、後段部の表
面弾性波の波面26に対してブラッグ角の３倍の入射角で
入射するからである。このように本発明では、光変調部
を直列に配置して分岐型光導波路を用いない構成をとる
ことで、１つの入射光から前段及び後段の交差指型電極
に入力するそれぞれ異なる周波数の正弦波信号により前
段部及び後段部で変調を受けた光28、29を出射すること
を可能とした。本発明の導波型光変調素子を構成する圧
電性基板は、ニオブ酸リチウム結晶やタンタル酸リチウ
ム結晶の基板が使用でき、この基板上に構成される各光
導波路は、従来より光導波路作製方法として知られてい
るチタン拡散法が、また、薄膜レンズはプロトン交換法
がそれぞれ利用できる。また、表面弾性波を発生させる
交差指型電極はフォトリソグラフィーによる微細加工技
術で実現可能である。

また、第１及び第２の交差指型電極10、11よりそれぞ
れ発生する第１と第２の表面弾性波８、９は第２図に示
した方向だけでなく、反対の方向へも励振され伝搬して
いく。そこで圧電性基板の側端面20、21の表面弾性波が
ぶつかる位置に吸音材を塗布することで、超音波の端面
からの反射や散乱を防止できる。

〔発明の効果〕

この発明では、光を２つの異なる周波数で変調するた
めに、基板表面上に２つの光変調部分を光の進行方向に
対して直列に配置する構造とした。

そして後段の光変調部分では前段の光変調部分からの
回折光のうち０次回折光を選択的に変調できるようにし
て、光の変調を光導波路中の同一伝搬光に対して行うこ
ととしたから、伝搬光量の減衰を大幅に改善した。

さらに、１つの光変調部分から発生した音響波が別の
光変調部分もしくは光導波路に直接伝搬していくことが
ない構造としたことで、不要な表面弾性波どうしの干渉
や、不要な変調作用の影響を除去することができた。よ
って、表面弾性波による光のブラッグ回折において変調
選択性をもち、かつ、高効率にて光変調を行う導波型光
変調素子が実現可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は２つの光変調部を光の進行方向に対して
並列に構成した模式図を、第１図（ｂ）は２つの光変調
部を光の進行方向に対して直列に構成した模式図を、第
２図は本発明に係る導波型光変調素子の一実施例を、第
３図は入力電力（横軸）と回折効率（縦軸）との関係
を、第４図は入射角度（横軸）と回折効率（縦軸）との
関係を、第５図は光線軸と２つの交差指型電極の位置関
係をそれぞれ示す。図において、１は圧電性基板、２は入力側直線型光導波
路、３は平面型光導波路、４と５は第１及び第２の出力
側直線型光導波路、６は第１の薄膜型レンズ、７は第２
の薄膜型レンズ、８と９は第１及び第２の表面弾性波、
10と11は第１及び第２の交差指型電極、12と13は圧電性
基板の端面、14は光入射点、15と16は光出射点、17と18
は第１及び第２の表面弾性波と導波光の相互作用領域、
19は光線軸、20と21は圧電性基板の側端面、22は光線
軸、23は前段変調部の交差指型電極、24は前段変調部の
表面弾性波の波面、25は後段変調部の交差指型電極、26
は後段変調部の表面弾性波の波面、27は前段変調部で変
調を受けずそのまま透過した光、28は前段変調部で変調
を受けた光、29は後段変調部で変調を受けた光をそれぞ
れ示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性を有する圧電性基板（１）と、該圧電性基板の表層に設けられ該圧電性基板の端面より
入射した光を導波するための入力側直線型光導波路
（２）と、該入力側直線型光導波路の出力端に接続された平面型光
導波路（３）と、該平面型光導波路にそれぞれ接続された第１及び第２の
出力側直線型光導波路（4,5）と、前記平面型光導波路の内部に設けられ前記入力側直線型
光導波路の出力端から扇状に自然分散した薄膜状の導波
光を平行光にするための第１の薄膜型レンズ（６）と、該第１の薄膜型レンズを通過した後の平行光を前記第１
及び第２の出力側直線型光導波路に絞り込むために前記
平面型光導波路の内部に設けられた第２の薄膜型レンズ
（７）と、前記平面型光導波路内を伝搬する平行光に対してブラッ
グ回折の条件を満足する第１の表面弾性波（８）を前記
圧電性基板上に発生させる第１の交差指型電極（10）
と、前記平面型光導波路内を伝搬する平行光のうち前記第１
の表面弾性波による０次回折光に対してブラッグ回折の
条件を満足すると共に前記平面型光導波路内を伝搬する
平行光のうち前記第１の表面弾性波による１次回折光に
対してその波面がブラッグ角の３倍以上の角度をもつ、
前記第１の表面弾性波とは周波数が異なる、第２の表面
弾性波（９）を前記圧電性基板上に発生させる第２の交
差指型電極（11）とを備えた導波型光変調素子。