JP2844007B2 - 光スイッチ、及びそれを用いた単色光束の偏向方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学的圧電結晶体の表面に設けた交差指形
電極に電圧を印加して，瞬間的に該光学的圧電結晶体の
表層部に格子状の光学歪みを発生させ，その発生した光
学歪みによってレーザ光線を回折偏向させることにより
スイッチ作用を起こさせる光スイッチに関する。

〔従来の技術〕

光スイッチを動作原理によって大きく分類すれば、音
響光学的なものと電気光学的なものとに分けられる。ま
た、光スイッチをスイッチングの状態で分けるとすれ
ば、光を移動させてある特定の場所を通過させるように
し、その場所ではあたかも光が点滅しているかのように
する偏向（走査）方式のものと干渉計を利用して逆位相
の光を重ね合わせて光そのものを点滅させる干渉方式の
ものとに分けられる。さらに、光スイッチを構造から分
類すれば、光集積回路に見られるような薄膜状の導波光
を点滅させる導波タイプのものと立体的なガラスや光学
結晶のなかに光ビームを通過させて光束のスイッチング
を行うバルクタイプのものとに分けられる。

以上に延べたような方式や構造は、光スイッチの使わ
れる状況に合わせ，最適な組合せのものが採用されてい
る。

本発明に係る光スイッチが目的としている光束のスイ
ッチングに関しては、従来は音響光学的なバルクタイプ
が主体であり、テルルガラスなどを立方体状に切り出し
たものの中に超音波を伝搬させて音響光学的なBragg反
射を生じさせる，いわゆるA/O（Acousto−Optical）変
調器が主に使われてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来のA/O変調器では、超音波を使用
しているため偏向の動作速度が数百nsと電気光学的な光
変調器に比較してかなり長くかかり、高速な光スイッチ
としては使用できなかった。この原因は、直径数百μｍ
〜数mmの光束を偏向させるためには伝搬方向に同程度の
長さを有する超音波格子が必要であり、この超音波格子
が光束を横切りはじめてから完全に光束に重なり、理想
的な回折状態になるまでの時間が数百nsかかるためであ
った。この回折（偏向）動作の遅れは超音波の伝搬速度
という物理定数で定まるものであり、この結果、従来の
A/O変調器で直径1mm前後の光線を偏向し、スイッチング
させる際の最高スピードは数百ns以下には原理的にでき
ないと考えられていた。

また、スイッチングスピードの速い光スイッチは電気
光学的な原理を用いて種々実現されているが、ほとんど
のものが光集積回路に使用されているような薄膜状の導
波光を点滅させたり、偏向したりする導波タイプのもの
であり、光束を偏向させることはできない。

さらにまた、光の偏向面の回転を利用したポッケルス
セルやカーセル等では断面積の大きな光束を極めて速く
点滅させることが可能で、高束光シャッタなどで古くか
ら実用に供されてきたが、形状が大きくまた動作に数kV
という高電圧を必要とする難点もあり、利用分野は特殊
用途に限られていた。

〔課題を解決するための手段〕

以上に述べた課題を解決し、数百μｍ〜数mmの直径を
持つ光束を、数百ns以下の短時間でスイッチングさせる
ために、本発明では、光の通る所は立体的な光学的圧電
結晶体（以下、光学結晶体という。）を用いたバルクタ
イプとし、かつ、光の回折（偏向）は、従来、薄膜導波
タイプに良く用いられてきた薄膜電極を光学結晶体の表
面に設置し、該薄膜電極の直下（以下、電極直下とい
う。）の光学結晶体の表面に発生する電界効果による歪
すなわち、屈折率の変化によって行うこととした。この
ため、光学結晶体に入射した光は電極直下の屈折率分布
が変化している場所を少なくとも１度は通過させる必要
があるため、入射光は電極直下の光学結晶体の内部で反
射するように入射させるようにし、また、光の回折は、
光学結晶体の結晶表面の電極を格子状の，いわゆる交差
指形電極として、これに電圧を印加し、格子状の屈折率
変化分布を形成してBragg回折を実現した。

〔実施例〕

第１図に本発明の光スイッチの一実施例における構成
図を示す。

また、第２図に電圧を印加した場合の回折状態図を示
す。

さらに、第３図に回折光の０次出射光に対する回折効
率を示す。

第１図において、光学的圧電結晶体１として表面に光
学的研磨処理を施して光学電圧電結晶基板を用意する。
実施例では、ニオブ酸リトウム結晶基板を用いた。この
ニオブ酸リチウム結晶基板（１）はＹカット板で、か
つ、Ｙ面を光学的研磨処理を施したものである。

ニオブ酸リトウム結晶基板（１）のＹ面に半導体加工
技術で用いられるホトリソグラフィ技術によりすだれ格
子状にパターニングした交差指形トランスデューサ２を
作る。

この交差指形トランスデューサ２は、電気伝導性が良
くしかも安価な材料であるアルミ金属蒸着膜によって、
交差指間隔4.2μｍ、開口長6mm、対数10の条件で形成し
た。

交差指形トランスデューサ２に電圧を導くための電極
入力端子３を作る。外部電圧発生源により電極入力端子
３に電圧を印加すると、該交差指形トランスデューサ２
が形成されている領域内のニオブ酸リチウム結晶基板
（１）の表面において圧電効果により交差指形トランス
デューサ２の形状に応じた周期的な結晶歪が生じる。一
方、そのとき同時に光学的な屈折率の周期的変化も生じ
ることは広く知られている。つまり、本発明の光スイッ
チは、交差指形トランスデューサ２に加える電圧により
電気光学効果を発生させ、周期的な屈折率変化をニオブ
酸リチウム結晶基板（１）の表面に生じさせる構造とな
っている。

このほか、第１図では、ニオブ酸リチウム結晶基板
（１）すなわち、光学的圧電結晶体１には、その端面に
位置し、かつ、結晶のＸ面となる面が光透過性を有する
ように光学的研磨処理を施した入射側端面４に対向する
Ｘ面で一対となるようにニオブ酸リチウム結晶基板
（１）の反対の端面に配置し、かつ、光学的研磨処理を
施した出射側端面５があり、交差指形トランスデューサ
２が形成されているニオブ酸リチウム結晶基板（１）の
領域内の表面で内部反射するように光軸の調整を行い、
ニオブ酸リチウム結晶基板（１）の外側から入射側端面
４を通して入射する単色の入射光束６を示している。

さらに、第１図では、交差指形トランスデューサ２に
電圧を印加したときに生じる周期的な屈折率の部分変化
により入射光束６がBragg回折したのちに結晶表面で内
部反射された回折光７と，電圧を印加していないとき単
に結晶内部で内部反射し出射される０次出射光８とがそ
れぞれ示されている。ただし、回折光７と０次出射光８
は、同時に出射されることはなく交差指形トランスデュ
ーサ２に加える電圧の印加、無印加に応じて各々出射さ
れる。

一方、回折光７の出射されるときの立ち上がり時間は
交差指形トランスデューサ２がニオブ酸リチウム結晶基
板（１）の表面でもつ静電容量と抵抗値によって制限さ
れるが、電極間隔から計算される本発明の静電容量は非
常に小さく数百p secの立ち上がり時間を実現した。

第２図において、（ａ）（ｂ）（ｃ）は電圧0V,50V,7
5Vをそれぞれ交差指形トランスデューサ２に印加したと
きの回折光を出射状態図を示す。

本実施例においては、印加電圧75Vのとき回折効率が
最も高く得られた。

また、第３図において、横軸は印加電圧を，縦軸は回
折光の回折効率を示している。

回折効率は、交差指形トランスデューサに電圧を印加
していないときの０次出射光の光量に対する電圧印加時
に回折される回折光の光量の比率をパーセント表示した
ものである。

〔作用〕

以上説明したように、従来のテルルガラスなどを立方
体状に切り出したものの中に超音波を伝搬させて音響光
学的なBragg反射を生じさせるいわゆる従来のA/O変調器
では、幅の広い光束が変調可能であるが、偏向の動作速
度が数百nsとかなり長く、光束な立ち上がりを示す光ス
イッチとしては使用できなかった。

また、スイッチング速度の速い光スイッチは電気光学
的な原理を用いて実現されているが、そのほとんどが光
集積回路に使用されているような薄膜状の導波光をスイ
ッチングさせるタイプのもので光束を回折及び偏向させ
ることはできない。

したがって、本発明の光スイッチは、光束を電気光学
効果を利用した薄膜導波タイプに良く用いられてきた原
理で回折及び偏向を行わせるために光学結晶体の表面に
設置された電極直下の屈折率分布が変化している場所に
光を導き、スイッチングさせる構造とした。このために
光束を電気光学効果を利用して従来にない高速でスイッ
チングさせることが可能となった。

〔発明の効果〕

以上、述べたように、本発明では、圧電性結晶体のバ
ルクと表面の両方の性質を利用するものとした。すなわ
ち、本発明では、バルク状のニオブ酸リチウム結晶のよ
うな光学的圧電性結晶体をその基板に用い、その一つの
面を光学的に研磨して交差指形トランスデューサを備え
ることにより、光の通路はバルク状の結晶内にあり、光
の超音波による偏光は基板の表面で行われるような構造
としたから、本発明に係る光スイッチは従来A/0光スイ
ッチで利点となっていた幅の広い光束を回折及び偏向す
ることが可能であることと共に，加えて電気光学効果を
利用したE/0光スイッチと同様の高速スイッチングが可
能であるという利点の両方を兼ね備えることができた。
このため、従来A/O光スイッチを利用して幅の広い光束
を偏向していた光計測器等で、より高速な光のスイッチ
ングが必要とされる場合などに本発明の光スイッチは有
効な手段となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光スイッチの一実施例における
構成図を示す。 第２図の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、電圧0V,50V,75Vをそれ
ぞれ交差指形トランスデューサに印加したときの回折光
の出射状態図を示す。 第３図は、印加電圧に対する回折光の回折効率を示す。 図において、１は光学的圧電結晶体、２は交差指形トラ
ンスデューサ、３は電極入力端子、４は入射側端面、５
は出射側端面、６は入射光束、７は回折光、８は０次出
射光をそれぞれ示す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学的圧電結晶体（１）と，該光学的圧電
   結晶体の表面に形成された交差指形トランスデューサ
   （２）とを備え、前記交差指形トランスデューサが形成
   されている領域内の表面で内部反射するように前記光学
   的圧電結晶体の外側から入射された単色光束が電圧を印
   加されると前記交差指形トランスデューサにより前記領
   域内に生ぜしめる格子状の歪によって偏向され、前記光
   学的圧電結晶体内から出射されるようになっている光ス
   イッチ。
2. 【請求項２】光学的圧電結晶体（１）と，該光学的圧電
   結晶体の表面に形成された交差指形トランスデューサ
   （２）とを備えた光スイッチを準備し、前記交差指形ト
   ランスデューサが形成されている領域内の表面で内部反
   射するように前記光学的圧電結晶体の外側から単色光束
   を入射させ、前記交差指形トランスデューサに電圧を印
   加して前記領域内に格子状の歪を生ぜしめることにより
   前記単色光束を偏向させて前記光学的圧電結晶体から出
   射させることを含む単色光束の偏向方法。