JP4262892B2 - 電歪ファイバ変調器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の背景】
［発明の分野］
この発明は、光変調器および光スイッチに関し、特に、ファイバベースの光変調器および光スイッチに関する。
【０００２】
［関連技術の説明］
現在では、ＭＨｚ周波数範囲で動作する位相変調器は数種類しか市販されていない。たとえば、電気光学ニオブ酸リチウム変調器は数百ＧＨｚまでで動作するように設計できる。ニオブ酸リチウム変調器は比較的小型（長さ数ｃｍ）であり、それらが導波路の形に形作られるときには僅か数ボルトしか必要とせず、バルク光学的な形のときには数百ボルトを必要とする。他方では、それらは、ポート当り少なくとも０．５ｄＢの結合損だけでなく、少なくとも１ｄＢのかなり高い内部損失を示す。したがって、ピグテール化されたニオブ酸リチウム変調器のファイバからファイバへの損失は少なくとも２ｄＢであり、多くの製品においてそれはさらにかなり高い。また、これらの装置のコストは高く、典型的には数千ドルである。さらに、バルク光学ニオブ酸リチウム変調器の場合、数メガヘルツの周波数で動作するとき、必要な電圧は数百ボルトのオーダである。この電圧要件は、数ボルトの低い入力電圧信号を昇圧する共振電子回路によって満たされるが、そのような回路は、典型的には１ＭＨｚあたりの限られた帯域幅を一般的に有し、そのために変調器は狭い周波数範囲にわたってしか動作しない。
【０００３】
別の種類の高周波数位相変調器は圧電（ＰＺＴ）リング変調器である。この装置では、典型的には長さが数メートルであるファイバがＰＺＴリングの周りに巻かれる。リングにＡＣ電圧が印加されると、リングは周期的に伸縮し、それによりファイバを伸ばし、次にファイバを通って伝わる光学信号の位相を変調する。このタイプの変調器は数ボルトしか必要としないが、それが有用な移相（典型的にはπΠの付近）を生じるのは、リングの機械的共振周波数に対応するいくつかの離散的な周波数でのみである。このように、この装置の帯域幅も限定される。
【０００４】
第３のタイプの位相変調器は音響光学（Ａ／Ｏ）ファイバ変調器であり、ここではファイバはそれを周期的に圧縮するＰＺＴ変調器に機械的に結合される。（たとえば、１９９３年１０月、IEEE Photon. Techno. Lett. vol.5, no.10, pp.1197-1199、Ｉ．アブドゥルハリムおよびＣ．Ｎ．パネル（I. Abdulhalim, C.N.Pannell）の「基本横の音響共振で動作する光弾性ファイバ内複屈折変調器“Photoelastic in-fiber birefringence modulator operating at the fundamental transverse acoustic resonance”」を参照）。このタイプの変調器も共振電子回路によって駆動されるため、その帯域幅は１ＭＨｚのオーダに一般的に限定される。Ａ／Ｏ変調器はπ／２の位相変調をもたらすのに０．７Ｗの入力電力が必要であり得る。また、ファイバがＰＺＴ薄膜で被覆されるＡ／Ｏファイバ変調器がスタンフォード大学で披露された。Ａ／Ｏファイバ変調器は十分に働くが、それらは離散的な共振周波数でしか動作せず、かなり高い入力電力を必要とする。
【０００５】
すべてのこれらの変調器については、装置を通って伝わる１つの偏光信号は、直交偏光を有する信号と著しく異なる位相変調を受ける。入力信号の偏光は一般的に一定でなくむしろ予測不可能に経時的にドリフトするため、この偏光依存は多くの用途において非常に望ましくない。
【０００６】
フィルタ、増幅器、カプラおよびレーザなどのさまざまな光ファイバ構成要素が存在するが、好適な特徴を備える全ファイバ光変調器および光スイッチは現在は容易に入手できない。そのような装置は、ファイバセンサ、ファイバセンサアレイ、光通信システムならびにレーザなどのファイバ装置および導波路装置において有用であろう。
【０００７】
【発明の概要】
この発明の１つの局面は、光学信号の位相を変調するための装置である。この装置は、光学信号を伝播するための光学媒体だけでなく、光学媒体に近接する第１および第２の電極を含む。第１および第２の電極は、その間にＡＣ電圧をかけられ、これは光学媒体に歪みを引き起こし、電歪効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらす。この発明の１つの好ましい実施例では、光学媒体はポーリングされておらず、電極はＡＣ電圧だけでなくＤＣ電圧を印加してもよい。光学信号の位相は、電界に平行なおよび直交する光学信号の偏光成分が等しい移相を経験するように変調されてもよい。装置は干渉計に組み入れられて、光学信号の振幅を変調する装置を形成するのが有利である。代替的には、装置は干渉計に組み入れられて、光学スイッチング装置を形成する。
【０００８】
この発明の別の局面は、光学信号の位相を変調するための装置であり、ここでは装置は光学信号を伝播するためのポーリングされた光学媒体を含む。ポーリングされた光学媒体は内部ＤＣ電界を有する。少なくとも１つの電極が媒体に近接して位置される。電極はそれにＡＣ電圧を印加され、媒体内にＡＣ電界を誘導し、電歪効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらす。１つの好ましい実施例では、光学信号の位相は、電界に平行なおよび直交する光学信号の偏光成分が等しい移相を経験するように変調される。装置は干渉計に組み入れられて、光学信号の振幅を変調する装置を形成するのが有利である。代替的には、装置は干渉計に組み入れられて、光学スイッチング装置を形成するのが有利である。
【０００９】
この発明の別の局面は、光学媒体を提供するステップ、ＡＣ電圧を印加して光学媒体内に電界をもたらすステップ、光学媒体の中に歪みを引き起こすことにより電歪効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらすステップおよび光学媒体を通して光学信号を伝えて光学信号の位相を変調させるステップによって光学信号の位相を変調する方法である。この方法の好ましい実施例では、第１および第２の電極にＡＣ電圧が印加され、ここでは電極は光学媒体に近接する。この方法の別の好ましい実施例では、光学信号が光学媒体を通るに従い、電界に平行なおよび直交する光学信号の偏光成分が等しい移相を経験するような周波数でＡＣ電圧が印加される。光学媒体からの出力が干渉計に向けられて、光学信号の振幅を変調するかまたは干渉計の第１の出力ポートから干渉計の第２の出力ポートへ光学信号を切換えてもよい。
【００１０】
この発明は、添付の図面と関連して以下に説明される。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】
この発明のいくつかの実施例が本明細書中に説明され、ファイバまたは導波路における電歪効果を用いて、適度な電圧でのみ、ある機械的共振周波数で大きな変調度を生成する。さらに、ある動作周波数においては、誘導された位相変調は入力信号の偏光に依存しない。これらの共振は、変調器およびスイッチなどの、全ファイバベースの光学構成要素を設計するのに用いられる。ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶に一般的に基づく既存の市販の位相変調器と比較すると、これらのファイバベースの構成要素は以下の利点を含む。すなわち（１）たとえば０．０１ｄＢよりもはるかに小さい非常に低い内部損失、（２）単一モード通信ファイバへの低損失スプライス、および（３）紫外（ＵＶ）から赤外（ＩＲ）までの広帯域伝送範囲である。
【００１２】
この発明のいくつかの実施例では、電界（たとえば電圧）が直接的にファイバ（または別の形の光学導波路）に印加されて屈折率の変化を誘導し、それにより導波路を伝わる信号を変調する。大部分の光学的材料の屈折率は、たとえばカー効果または電歪効果を介して、電界の印加により変更することができる。この発明では、電歪効果が用いられてガラスまたは別の材料の位相変調をもたらし、電歪効果によって誘導された位相変調の大きさは、ある周波数でカー効果によって誘導されたものを実質的に超えるものである。
【００１３】
電歪効果により、材料に印加された、周波数νのＡＣ電界は、材料を周期的な応力に晒す。この応力は材料の中に歪み（相対的な変形）をもたらす。すなわち、材料は周波数νで周期的に電界に応答して伸縮する。材料の密度のこの周期的な変化の結果、密度に関する材料の屈折率も、特に、与えられた周波数の２倍である２νで変化する。したがって、材料を通って伝わる光学信号は２νで位相変調を受け、この変調の振幅は印加された電圧の２乗であるＶm 2に比例する。ＡＣ電圧だけでなくＤＣ電圧Ｖdcが印加されれば、結果として生じる位相変調は積ＶmＶdcに比例しかつ周波数νで変調が生じる。
【００１４】
材料が応力を受けると、材料の機械共振に対応するある周波数で歪みが大きく強められる。これらの周波数では、材料の変形が、その屈折率の変調と同様に増す。したがって、電歪効果が誘導する（周波数の関数としての）位相変調のスペクトルは、一連の急なピークまたは共振を典型的に示す。これらの共振周波数は、サンプルの物理的形状および寸法によって定められる。たとえば、厚みｄのスラブについては、ν0＝ｖ／（２ｄ）により基本共振周波数が与えられ、式中、ｖは材料中の音速である。したがって、スペクトルはν0でおよびより高い高調波（ν0の奇数倍）で共振を示し、サンプルの他の寸法および他のタイプの音波に関して他の共振を示す。シリカについては、縦波の速度ｖ＝５．９５ｋｍ／ｓであり、直径ｄ＝１２５μｍのファイバでは、基本共振は約２４ＭＨｚである。（たとえば、上記I.AbdulhalimおよびC.N.Pannellを参照）
図１はこの発明の１つの実施例を示す。クラッディング１１８で囲まれるコア１１４を含むファイバ１１０が電気的絶縁体１２２に埋込まれる。絶縁体１２２は、ポリイミドまたは高い絶縁破壊電圧を有する別の材料であってもよい。ファイバ１１０／絶縁体１２２の組合せは、たとえば３０μｍの小さな厚みｄに研磨され、対向する電極１３０と１３２との間に挟まれる。周波数νの正弦波電圧（すなわち、Ｖ＝Ｖmｓｉｎ２πνｔ）が電極の一方１３０に印加され、他方の電極１３２は接地に接続される。
【００１５】
以下に説明される実験的な測定に基づくと、この実施例は、変調電圧Ｖm＝３５０Ｖ、厚みｄ＝３０μｍおよび電極の長さ（ページの中へおよびページから延びる寸法）Ｌ＝２４ｃｍに対しては、基本周波数の２倍（すなわちほぼ２００ＭＨｚ）で位相変調πをもたらすであろう。これらの条件下では、構造体に印加される電界は３５０Ｖ／３０μｍ＝１１．６Ｖ／μｍである。これは室温での空気の電界破壊を超え、絶縁体１２２を用いるのはこのためである。これに代えて、ＡＣ電圧に加えてＤＣ電圧が印加されてもよい。すなわちＶ＝Ｖdc＋Ｖmｓｉｎ２πνｔとなる。ｄ＝３０μｍおよびＬ＝２４ｃｍに対しては、Ｖm＝１０ＶおよびＶdc＝３，０００Ｖであるときに、基本周波数９９．３ＭＨｚで位相変調πがもたらされる。
【００１６】
この発明の別の実施例が図２Ａに示される。バルク光学シリカ（たとえば高純度インフラジル（Infrasil））などの光学媒体２００または図１に示されたような研磨された光ファイバが２つの電極２０４と２０８との間に置かれ、そこにはシリカの中に以前永久電界が誘導されている。これは有利にはポーリングによって達成してもよく、シリカが上昇された温度にもたらされて、次に強い電界に晒される。シリカが冷却された後、印加された電界はターンオフされるが、誘導された電界はシリカの中に留まる。（たとえば、Opt. Lett. 16, no.22, 1732-1734, Nov. 1991のＲ．Ａ．マイヤース、Ｎ．ムケルジーおよびＳ．Ｒ．Ｊ．ブリュエック（R.A. Myers, N. Mukerjhee and S.R.J. Brueck）の「ポーリングされた溶融シリカの大きな２次非線形“Large Second-Order Nonlinearity in Poled Fused Silica”」ならびにOptical Society of America Conference, Williamsburg, VA, November 1997, Paper BTuCS, pp.302-304のＡ．Ｃ．リウ、Ｄ．プレール、Ｍ．Ｊ．Ｆ．ディゴネットおよびＧ．Ｓ．キノ（A.C. Liu, D. Pureur, M.J.F. Digonnet, and G.S. Kino）の「より高い温度および電圧でのポーリングによるシリカの非線形性の改良“Improving the nonlinearity of silica by poling at higher temperature and voltage”」を参照。）これに代えて、シリカは（上昇された温度の代わりに）強いＵＶ光および高電圧に晒されてもよい。（たとえば、19th Australian Conference on Optical Fibre Technology, Paper PDP-3, 1994のＴ．フジワラら（T.Fujiwara et al.）の、「シリカファイバにおけるＵＶ励起ポーリングによって誘導される電気光学的効果“Electro-Optic Effect Induced by UV-Excited Poling in a Silica Fibre”」を参照。）
ポーリングされたシリカの実施例と関連して行なわれた測定は、この誘導された電界がポーリング陽極の約１５μｍ下に延びかつ、その強さが（１，０００Ｖ／μｍにもなる）高純度シリカの破壊電界よりもずっと小さい約３５０Ｖ／μｍと推定され得ることを示している。したがって、この組込まれた内部電界は、外部から印加されたＤＣ電界を置き換え得るのが有利である。このＤＣ電界は電極２０４に近い（約１５μｍ内）ため、光学信号２１２は、図２Ａに示されたように、電極２０４の近くでシリカ２００を横切らなければならない。図３Ａおよび図３Ｂの共振で測定された移相に基づくと、および、内部電界３５０Ｖ／μｍを与えられると、長さＬ＝１０ｃｍおよび変調電圧Ｖm＝３０Ｖを有する装置の中で変調周波数２４ＭＨｚでの位相変調πが予測される。図２Ａのシリカウェハが、図１に示されたように絶縁されかつ研磨された、ポーリングされた光ファイバで置き換えられれば、同様の特性が支配的となる。
【００１７】
この実施例のポーリングされたファイバ装置は、比較的低い動作電圧しか必要とせずかつ、電力をほとんど消費しない。また、それは無視できるほどの光学内部損失しか有しない。（１．５５μｍでの内部ファイバ損失は典型的には０．５ｄＢ／ｋｍ未満である。）別のポーリングされていないファイバとのスプライスによって加えられるのは、スプライス当り約０．０３ｄＢの損失のみである。したがって、ポーリングされたファイバ装置のファイバからファイバへの損失の合計は、好ましくは０．０７ｄＢ未満である。これは、所与の周波数（たとえば１ＭＨｚの帯域幅を備える５ＭＨｚ）で位相変調πをもたらすのに約２００Ｖを必要とし得かつ、典型的には数ｄＢの、ファイバからファイバへの伝送損失を示す、市販のバルク光学ニオブ酸リチウム位相変調器と対照的である。
【００１８】
実施された１つの実施例が図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂを特に参照して論じられる。ポーリングされなかったシリカ２００のスラブは、厚みｄ＝４０６μｍを有する。電極２０４および２０８は０．３μｍ厚のクロム／金の層である。６３３ｎｍで動作するｃｗレーザビーム２１２によって光学信号が供給される。ビーム２１２は、電極２０４と２０８との間のシリカ２００を介して方向付けられる。変調電圧Ｖm＝１５ＶおよびＤＣ電圧Ｖdc＝２２２０Ｖが電極２０４および２０８に印加される。与えられたＡＣ周波数は０．５から１９ＭＨｚの間で変化し、光学信号に伝えられた変調は、マッハ−ツェンダー干渉計（図示せず）を用いて測定される。
【００１９】
図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、印加された電界と垂直のおよび平行なレーザビーム偏光に対する、与えられた周波数νの関数としてのレーザビーム２１２の測定された位相変調の対数プロットを示す。レーザビームの偏光がビームの電界の向きとなるように取られる通常の従来技術が採用された。両者の偏光に対して、非常に強い共振が７．３５ＭＨｚに存在し、この周波数ではΔφperp＝２ｍｒａｄおよびΔφpar＝０．９ｍｒａｄであり、式中、ΔφperpおよびΔφparはそれぞれ垂直偏光および平行偏光の位相変調である。この共振周波数は、装置の基本周波数と正確に対応し、これはν0＝ｖ／（２ｄ）＝７．３４ＭＨｚとなるように計算される。共振はかなり狭く（帯域幅の０．２％に対応する約２０ｋＨｚ）、垂直偏光および平行偏光の共振位相変調は、非共振周波数を上回る約１００のファクタによって強められる。
【００２０】
図３Ａおよび図３Ｂは、平行偏光スペクトルと垂直偏光スペクトルの両者が同じ周波数で共振を一般的に示す間、これら２つのスペクトルが互いと比例しないことを示す。この理由は、少なくとも２つの異なるファクタ、すなわちカー効果および電歪効果から、誘導された移相が生じるためである。各々のメカニズムは、それ自体の大きさ、周波数依存および偏光依存を示す。示された周波数領域において、２つの偏光の各々に対するほぼ一定でほぼ周波数独立の位相変調に、カー効果が寄与する。しかしながら、平行偏光（ΔφKpar）に対する、カー効果によって誘導された位相変調の大きさは、垂直偏光（ΔφKperp）に対して誘導されたものとは異なる。光学媒体２００は等方性でありかつカー効果は３次非線形から生じるため、カー効果で誘導された偏光の比ｂKはｂK＝ΔφKperp／ΔφKpar＝１／３であることがクラインマンの対称の考察から示される。
【００２１】
他方では、電歪効果は上述の理由により共振をもたらし、図３Ａおよび図３Ｂの突出したピークはこのためである。図３Ａおよび図３Ｂのスペクトルは、７．３５ＭＨｚの共振の近くで、（１）カー変調から生じる移相が、電歪変調から生じる移相よりもはるかに小さいことおよび（２）電歪変調から生じる移相が、平行偏光に対するよりも垂直偏光に対してより強い、すなわちこれら２つの成分の比（ｂE＝ΔφEperp／ΔφEpar）が１よりも大きい、ことを示す。
【００２２】
比ｂEは、垂直偏光の共振でのピーク移相の比を平行偏光の共振でのピーク移相で除することにより、図３Ａおよび図３Ｂのデータから導かれた。上述のように、共振では電歪移相がカー移相よりもかなり大きいために、この手順が用いられる。したがって、測定された共振移相の比はΔφEperp対ΔφEparの比と実質的に等しく、これはｂEと等しい。実験的に定められたｂEの値は約２．２である。この値は、最近発表された研究（Opt. Lett. 23, no.9, pp.691-693, May 1998のＡ．メローニ他（A.Melloni et al.）の「光ファイバにおける電歪の直接測定“Direct measurement of electrostriction in optical fibers”」で、ｂEは１と等しいと述べられているのを参照）とは実質的に異なるが、値２．２は、２．２３と等しい、２つの偏光に対するシリカの弾性光学（または光弾性）係数の比と矛盾しない。実際に、ｂEとこの弾性係数の比とが等しくなるべきであることが物理的考察から示される。
【００２３】
１）２つの偏光の各々に対する、ほぼ一定でほぼ周波数独立の位相変調にｂK＝１／３およびカー効果が寄与することおよび、２）ｂEが１よりも大きくかつ電歪変調から生じる移相が強い共振を有することを考慮すると、図３Ａのスペクトルと図３Ｂのスペクトルとが比例しないことがわかる。実際に、テストされた特定のサンプル内でのカー効果および電歪効果の相対的な大きさは、測定されたスペクトルがある周波数で交差するようなものである。これらの周波数では、２つの偏光は同じ位相変調を経験する。言い換えれば、偏光独立変調器およびスイッチは、スペクトルが交差するいずれの周波数でも動作することにより作製され得る。残念ながら、ｂEは１よりもはるかに大きいため、これらの交差周波数は、共振周波数においてではなく、むしろ位相変調がより弱い共振からわずかに離れたところで発生する。
【００２４】
本明細書中に開示された実施例の光学媒体はシリカに限定されるのではなく、他の材料（ポリマーおよび他のガラスなど）および光ファイバ以外の光学的形状（光学導波路など）を含んでもよい。多くの材料がシリカよりも大きな電歪定数を実際に示す。ファイバ２００（または導波路）と電極２０４、２０８の１つ（または両方）との間の被覆としてそのような材料を与えて、印加された電界をより効率よくファイバ２００内で応力に変換することができる。この構成は、機能する装置に必要な電圧および／またはファイバ２００の長さを実質的に減じる。
【００２５】
位相変調器３９０の別の実施例が図４に示される。この装置を作製するには、コア４０２を含むファイバ４００がポリマー（たとえばポリイミド）などの電気的絶縁体４０４に埋込まれ、次にファイバ４００は、それが非常に薄くなるまで、たとえばファイバコア４０２の各々の側にわずか数ミクロンのガラスしか残らなくなるまで両側を研磨される。（IEEE Photonics Technology Letters Vol.8, no.2, 227-229, February 1996のＳ．ブリュエック他（S.Brueck et al.）の「ポーリングされた電気光学ファイバ“A poled electrooptic fiber”」参照。）示されたように、次にファイバ４００の各々の研磨された側に対して電極４１０、４１２が配置されるかまたはさもなければ置かれる。（ページに対して垂直方向の）この装置の長さは数ｍｍから数ｃｍであるかそれよりも長い。それはそのままで変調器にすることができ、その場合、本明細書中で既に説明されたように、ＤＣおよびＡＣまたはＡＣのみのいずれかの大きな外部電界がそれに印加される。
【００２６】
これに代えて、図４の装置はポーリングされたファイバを含んでもよい。この場合、ファイバ４００は、熱的にまたはＵＶ放射によってのいずれかでまずポーリングされ得る。たとえば、技術分野で周知の手順に従って、熱ポーリングを用いて、構造体は適切な温度（２８０℃から４５０℃）に加熱され、ある時間の間（数分から数十分）大きなＤＣ電圧が電極４１０、４１２に印加される（数千ボルトから数万ボルト）。この技術は大きな外部電界の印加を求めるため、電極４１０と４１２との間での空気の絶縁破壊を回避しなければならない。ファイバ４００の両側に電気的絶縁体４０４を設けるのはこのためである。そうすることにより、電極４１０と４１２の端縁の間の空気経路が増す。同様に、絶縁破壊を排除するのに十分長い空気経路を提供するように、研磨された領域の端から電極４１０および４１２をページと垂直の方向に十分に引込めなければならない。空気の破壊電圧は温度の上昇とともに減少し、それにより高いポーリング温度（たとえば３００℃またはそれよりも高温）に対しては、真空中でポーリングすることが必要となり得る。ポーリングの後、ファイバ４００は、ファイバコア４０２の中へおよびそれを通って陽極（上部電極）の下に延びる組込まれた電界を示す。こうして変調器３９０は図４に示された装置からなり、電極４１０と４１２との間にＡＣ電圧を印加される。このＡＣ電圧に加えて、ＤＣ電圧も電極４１０と４１２との間に印加されて、ポーリングされたファイバ４００に固有のＤＣ電界を強めてもよい。
【００２７】
図５および図６は、集積光学技術に基づく２つの同様の構造体を示す。構造体は、いずれの数の周知の作製技術によってシリカウェハ（図５）またはシリコン（６１３）ウェハ６１４上のシリカ（６１２）（図６）のいずれかに作製された、それぞれの導波路５１０および６１０を含む。図５では、２つの電極５２０、５２２は、導波路部分５１０の上および下に、ウェハ５１４のいずれかの表面上に配置されるかまたは置かれる。図６では、シリコン基板６１３は接地電極として働き、唯一の他方の電極６２０、すなわち導波路６１０上の電極６２０しか用いられない。導波路６１０を通って伝わる光学信号にこの上部電極６２０が抵抗損を導かないように、導波路６１０が埋込まれるのが理想的である。他の電極構成も可能であり、たとえば、両電極をウェハ５１４またはウェハ６１２の上に設け、一方の電極を導波路の右側にかつ他方の電極を左側（図示せず）に置き、この場合、アークを防ぐために電気的絶縁材料が電極間に好ましくは設けられる。（適用可能ならば）ポーリングの間におよび／または位相変調器としての装置の動作の間に空気の絶縁破壊を回避するように、電極５２０、５２２、６２０を慎重に設計しなければならないという同じことを念頭に置くと、図４の実施例と関連して説明された適用例は、図５および図６の構造にも当てはまる。
【００２８】
この開示に説明されたいずれの位相変調器も、光学干渉計の中に位相変調器を設けることによって振幅変調器を作るのに用いることができ、多くの構成が存在する。具体的には、位相変調器は干渉計のアームの１つの中に設けられてもよい。このアームを伝わる信号の位相は変調されるが、他方のアームを伝わる信号の位相は変調されない。これらの信号は、２つのアームからの信号が再び組合せられる干渉計の出力で干渉し、出力信号の振幅が変調される。
【００２９】
同様に、電圧パルスを位相変調器に単に与えることにより、スイッチを作るのに同じ干渉計を用いることができる。共振は変調器の帯域幅を制限するため、変調器の共振周波数の逆数の近傍に制限される幅、立上がり時間および立下がり時間を備える電圧パルスを与えることができる。この概念は図７に示され、マッハ−ツェンダー干渉計７００が２つの光学導波路を相互接続する第１のカプラ７０２および第２のカプラ７０４を含んで、２つのカプラ７０２、７０４の間に第１のアーム７０６および第２のアーム７０８を形成する。この発明に従う位相変調器７２０は第２のアーム７０８の中に位置付けられる。干渉計７００が振幅変調器として用いられると、信号電力がポート１（７１０）およびポート２（７１２）に交互に現われ、位相変調器７２０に与えられた周波数（または２倍の周波数）でこれら２つのポート間で前後に連続的に切換わる。干渉計７００は、たとえば溶融ファイバカプラなどのファイバ構成要素で構成され得る。代替的には、干渉計は、さまざまな周知の技術によって平面ウェハ（シリカ、シリコン上のシリカまたは他の材料）の直接的に上に作製されたモノリシック集積光学構造であり得る。振幅変調またはスイッチング動作が行なわれ得る他の干渉計は、サニャック干渉計およびマイケルソン干渉計を含む。
【００３０】
この発明の好ましい実施例が詳述されたが、ある明らかな修正および本明細書中に説明された実施例からの逸脱が、この発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなしになされ得ることが当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の１つの実施例に従う電歪変調器を示す図である。
【図２Ａ】 ポーリングされた光学媒体を用いる、この発明の別の実施例に従う電歪変調器を示す図である。
【図２Ｂ】 この発明の別の実施例に従うバルク電歪変調器を示す図である。
【図３Ａ】 図２の実施例に与えられた、レーザの垂直偏光に対する移相対変調周波数のグラフの図である。
【図３Ｂ】 図２の実施例に与えられた、レーザの平行偏光に対する移相対変調周波数のグラフの図である。
【図４】 研磨されたファイバを用いる、この発明の代替的な実施例を示す図である。
【図５】 集積光学技術に基づく、この発明の実施例を示す図である。
【図６】 集積光学技術に基づく、この発明の代替的な実施例を示す図である。
【図７】 この発明に従う位相変調器を組入れるマッハ−ツェンダー干渉計振幅変調器を示す図である。
【発明の背景】
［発明の分野］
この発明は、光変調器および光スイッチに関し、特に、ファイバベースの光変調器および光スイッチに関する。
【０００２】
［関連技術の説明］
現在では、ＭＨｚ周波数範囲で動作する位相変調器は数種類しか市販されていない。たとえば、電気光学ニオブ酸リチウム変調器は数百ＧＨｚまでで動作するように設計できる。ニオブ酸リチウム変調器は比較的小型（長さ数ｃｍ）であり、それらが導波路の形に形作られるときには僅か数ボルトしか必要とせず、バルク光学的な形のときには数百ボルトを必要とする。他方では、それらは、ポート当り少なくとも０．５ｄＢの結合損だけでなく、少なくとも１ｄＢのかなり高い内部損失を示す。したがって、ピグテール化されたニオブ酸リチウム変調器のファイバからファイバへの損失は少なくとも２ｄＢであり、多くの製品においてそれはさらにかなり高い。また、これらの装置のコストは高く、典型的には数千ドルである。さらに、バルク光学ニオブ酸リチウム変調器の場合、数メガヘルツの周波数で動作するとき、必要な電圧は数百ボルトのオーダである。この電圧要件は、数ボルトの低い入力電圧信号を昇圧する共振電子回路によって満たされるが、そのような回路は、典型的には１ＭＨｚあたりの限られた帯域幅を一般的に有し、そのために変調器は狭い周波数範囲にわたってしか動作しない。
【０００３】
別の種類の高周波数位相変調器は圧電（ＰＺＴ）リング変調器である。この装置では、典型的には長さが数メートルであるファイバがＰＺＴリングの周りに巻かれる。リングにＡＣ電圧が印加されると、リングは周期的に伸縮し、それによりファイバを伸ばし、次にファイバを通って伝わる光学信号の位相を変調する。このタイプの変調器は数ボルトしか必要としないが、それが有用な移相（典型的にはπΠの付近）を生じるのは、リングの機械的共振周波数に対応するいくつかの離散的な周波数でのみである。このように、この装置の帯域幅も限定される。
【０００４】
第３のタイプの位相変調器は音響光学（Ａ／Ｏ）ファイバ変調器であり、ここではファイバはそれを周期的に圧縮するＰＺＴ変調器に機械的に結合される。（たとえば、１９９３年１０月、IEEE Photon. Techno. Lett. vol.5, no.10, pp.1197-1199、Ｉ．アブドゥルハリムおよびＣ．Ｎ．パネル（I. Abdulhalim, C.N.Pannell）の「基本横の音響共振で動作する光弾性ファイバ内複屈折変調器“Photoelastic in-fiber birefringence modulator operating at the fundamental transverse acoustic resonance”」を参照）。このタイプの変調器も共振電子回路によって駆動されるため、その帯域幅は１ＭＨｚのオーダに一般的に限定される。Ａ／Ｏ変調器はπ／２の位相変調をもたらすのに０．７Ｗの入力電力が必要であり得る。また、ファイバがＰＺＴ薄膜で被覆されるＡ／Ｏファイバ変調器がスタンフォード大学で披露された。Ａ／Ｏファイバ変調器は十分に働くが、それらは離散的な共振周波数でしか動作せず、かなり高い入力電力を必要とする。
【０００５】
すべてのこれらの変調器については、装置を通って伝わる１つの偏光信号は、直交偏光を有する信号と著しく異なる位相変調を受ける。入力信号の偏光は一般的に一定でなくむしろ予測不可能に経時的にドリフトするため、この偏光依存は多くの用途において非常に望ましくない。
【０００６】
フィルタ、増幅器、カプラおよびレーザなどのさまざまな光ファイバ構成要素が存在するが、好適な特徴を備える全ファイバ光変調器および光スイッチは現在は容易に入手できない。そのような装置は、ファイバセンサ、ファイバセンサアレイ、光通信システムならびにレーザなどのファイバ装置および導波路装置において有用であろう。
【０００７】
【発明の概要】
この発明の１つの局面は、光学信号の位相を変調するための装置である。この装置は、光学信号を伝播するための光学媒体だけでなく、光学媒体に近接する第１および第２の電極を含む。第１および第２の電極は、その間にＡＣ電圧をかけられ、これは光学媒体に歪みを引き起こし、電歪効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらす。この発明の１つの好ましい実施例では、光学媒体はポーリングされておらず、電極はＡＣ電圧だけでなくＤＣ電圧を印加してもよい。光学信号の位相は、電界に平行なおよび直交する光学信号の偏光成分が等しい移相を経験するように変調されてもよい。装置は干渉計に組み入れられて、光学信号の振幅を変調する装置を形成するのが有利である。代替的には、装置は干渉計に組み入れられて、光学スイッチング装置を形成する。
【０００８】
この発明の別の局面は、光学信号の位相を変調するための装置であり、ここでは装置は光学信号を伝播するためのポーリングされた光学媒体を含む。ポーリングされた光学媒体は内部ＤＣ電界を有する。少なくとも１つの電極が媒体に近接して位置される。電極はそれにＡＣ電圧を印加され、媒体内にＡＣ電界を誘導し、電歪効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらす。１つの好ましい実施例では、光学信号の位相は、電界に平行なおよび直交する光学信号の偏光成分が等しい移相を経験するように変調される。装置は干渉計に組み入れられて、光学信号の振幅を変調する装置を形成するのが有利である。代替的には、装置は干渉計に組み入れられて、光学スイッチング装置を形成するのが有利である。
【０００９】
この発明の別の局面は、光学媒体を提供するステップ、ＡＣ電圧を印加して光学媒体内に電界をもたらすステップ、光学媒体の中に歪みを引き起こすことにより電歪効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらすステップおよび光学媒体を通して光学信号を伝えて光学信号の位相を変調させるステップによって光学信号の位相を変調する方法である。この方法の好ましい実施例では、第１および第２の電極にＡＣ電圧が印加され、ここでは電極は光学媒体に近接する。この方法の別の好ましい実施例では、光学信号が光学媒体を通るに従い、電界に平行なおよび直交する光学信号の偏光成分が等しい移相を経験するような周波数でＡＣ電圧が印加される。光学媒体からの出力が干渉計に向けられて、光学信号の振幅を変調するかまたは干渉計の第１の出力ポートから干渉計の第２の出力ポートへ光学信号を切換えてもよい。
【００１０】
この発明は、添付の図面と関連して以下に説明される。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】
この発明のいくつかの実施例が本明細書中に説明され、ファイバまたは導波路における電歪効果を用いて、適度な電圧でのみ、ある機械的共振周波数で大きな変調度を生成する。さらに、ある動作周波数においては、誘導された位相変調は入力信号の偏光に依存しない。これらの共振は、変調器およびスイッチなどの、全ファイバベースの光学構成要素を設計するのに用いられる。ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶に一般的に基づく既存の市販の位相変調器と比較すると、これらのファイバベースの構成要素は以下の利点を含む。すなわち（１）たとえば０．０１ｄＢよりもはるかに小さい非常に低い内部損失、（２）単一モード通信ファイバへの低損失スプライス、および（３）紫外（ＵＶ）から赤外（ＩＲ）までの広帯域伝送範囲である。
【００１２】
この発明のいくつかの実施例では、電界（たとえば電圧）が直接的にファイバ（または別の形の光学導波路）に印加されて屈折率の変化を誘導し、それにより導波路を伝わる信号を変調する。大部分の光学的材料の屈折率は、たとえばカー効果または電歪効果を介して、電界の印加により変更することができる。この発明では、電歪効果が用いられてガラスまたは別の材料の位相変調をもたらし、電歪効果によって誘導された位相変調の大きさは、ある周波数でカー効果によって誘導されたものを実質的に超えるものである。
【００１３】
電歪効果により、材料に印加された、周波数νのＡＣ電界は、材料を周期的な応力に晒す。この応力は材料の中に歪み（相対的な変形）をもたらす。すなわち、材料は周波数νで周期的に電界に応答して伸縮する。材料の密度のこの周期的な変化の結果、密度に関する材料の屈折率も、特に、与えられた周波数の２倍である２νで変化する。したがって、材料を通って伝わる光学信号は２νで位相変調を受け、この変調の振幅は印加された電圧の２乗であるＶm 2に比例する。ＡＣ電圧だけでなくＤＣ電圧Ｖdcが印加されれば、結果として生じる位相変調は積ＶmＶdcに比例しかつ周波数νで変調が生じる。
【００１４】
材料が応力を受けると、材料の機械共振に対応するある周波数で歪みが大きく強められる。これらの周波数では、材料の変形が、その屈折率の変調と同様に増す。したがって、電歪効果が誘導する（周波数の関数としての）位相変調のスペクトルは、一連の急なピークまたは共振を典型的に示す。これらの共振周波数は、サンプルの物理的形状および寸法によって定められる。たとえば、厚みｄのスラブについては、ν0＝ｖ／（２ｄ）により基本共振周波数が与えられ、式中、ｖは材料中の音速である。したがって、スペクトルはν0でおよびより高い高調波（ν0の奇数倍）で共振を示し、サンプルの他の寸法および他のタイプの音波に関して他の共振を示す。シリカについては、縦波の速度ｖ＝５．９５ｋｍ／ｓであり、直径ｄ＝１２５μｍのファイバでは、基本共振は約２４ＭＨｚである。（たとえば、上記I.AbdulhalimおよびC.N.Pannellを参照）
図１はこの発明の１つの実施例を示す。クラッディング１１８で囲まれるコア１１４を含むファイバ１１０が電気的絶縁体１２２に埋込まれる。絶縁体１２２は、ポリイミドまたは高い絶縁破壊電圧を有する別の材料であってもよい。ファイバ１１０／絶縁体１２２の組合せは、たとえば３０μｍの小さな厚みｄに研磨され、対向する電極１３０と１３２との間に挟まれる。周波数νの正弦波電圧（すなわち、Ｖ＝Ｖmｓｉｎ２πνｔ）が電極の一方１３０に印加され、他方の電極１３２は接地に接続される。
【００１５】
以下に説明される実験的な測定に基づくと、この実施例は、変調電圧Ｖm＝３５０Ｖ、厚みｄ＝３０μｍおよび電極の長さ（ページの中へおよびページから延びる寸法）Ｌ＝２４ｃｍに対しては、基本周波数の２倍（すなわちほぼ２００ＭＨｚ）で位相変調πをもたらすであろう。これらの条件下では、構造体に印加される電界は３５０Ｖ／３０μｍ＝１１．６Ｖ／μｍである。これは室温での空気の電界破壊を超え、絶縁体１２２を用いるのはこのためである。これに代えて、ＡＣ電圧に加えてＤＣ電圧が印加されてもよい。すなわちＶ＝Ｖdc＋Ｖmｓｉｎ２πνｔとなる。ｄ＝３０μｍおよびＬ＝２４ｃｍに対しては、Ｖm＝１０ＶおよびＶdc＝３，０００Ｖであるときに、基本周波数９９．３ＭＨｚで位相変調πがもたらされる。
【００１６】
この発明の別の実施例が図２Ａに示される。バルク光学シリカ（たとえば高純度インフラジル（Infrasil））などの光学媒体２００または図１に示されたような研磨された光ファイバが２つの電極２０４と２０８との間に置かれ、そこにはシリカの中に以前永久電界が誘導されている。これは有利にはポーリングによって達成してもよく、シリカが上昇された温度にもたらされて、次に強い電界に晒される。シリカが冷却された後、印加された電界はターンオフされるが、誘導された電界はシリカの中に留まる。（たとえば、Opt. Lett. 16, no.22, 1732-1734, Nov. 1991のＲ．Ａ．マイヤース、Ｎ．ムケルジーおよびＳ．Ｒ．Ｊ．ブリュエック（R.A. Myers, N. Mukerjhee and S.R.J. Brueck）の「ポーリングされた溶融シリカの大きな２次非線形“Large Second-Order Nonlinearity in Poled Fused Silica”」ならびにOptical Society of America Conference, Williamsburg, VA, November 1997, Paper BTuCS, pp.302-304のＡ．Ｃ．リウ、Ｄ．プレール、Ｍ．Ｊ．Ｆ．ディゴネットおよびＧ．Ｓ．キノ（A.C. Liu, D. Pureur, M.J.F. Digonnet, and G.S. Kino）の「より高い温度および電圧でのポーリングによるシリカの非線形性の改良“Improving the nonlinearity of silica by poling at higher temperature and voltage”」を参照。）これに代えて、シリカは（上昇された温度の代わりに）強いＵＶ光および高電圧に晒されてもよい。（たとえば、19th Australian Conference on Optical Fibre Technology, Paper PDP-3, 1994のＴ．フジワラら（T.Fujiwara et al.）の、「シリカファイバにおけるＵＶ励起ポーリングによって誘導される電気光学的効果“Electro-Optic Effect Induced by UV-Excited Poling in a Silica Fibre”」を参照。）
ポーリングされたシリカの実施例と関連して行なわれた測定は、この誘導された電界がポーリング陽極の約１５μｍ下に延びかつ、その強さが（１，０００Ｖ／μｍにもなる）高純度シリカの破壊電界よりもずっと小さい約３５０Ｖ／μｍと推定され得ることを示している。したがって、この組込まれた内部電界は、外部から印加されたＤＣ電界を置き換え得るのが有利である。このＤＣ電界は電極２０４に近い（約１５μｍ内）ため、光学信号２１２は、図２Ａに示されたように、電極２０４の近くでシリカ２００を横切らなければならない。図３Ａおよび図３Ｂの共振で測定された移相に基づくと、および、内部電界３５０Ｖ／μｍを与えられると、長さＬ＝１０ｃｍおよび変調電圧Ｖm＝３０Ｖを有する装置の中で変調周波数２４ＭＨｚでの位相変調πが予測される。図２Ａのシリカウェハが、図１に示されたように絶縁されかつ研磨された、ポーリングされた光ファイバで置き換えられれば、同様の特性が支配的となる。
【００１７】
この実施例のポーリングされたファイバ装置は、比較的低い動作電圧しか必要とせずかつ、電力をほとんど消費しない。また、それは無視できるほどの光学内部損失しか有しない。（１．５５μｍでの内部ファイバ損失は典型的には０．５ｄＢ／ｋｍ未満である。）別のポーリングされていないファイバとのスプライスによって加えられるのは、スプライス当り約０．０３ｄＢの損失のみである。したがって、ポーリングされたファイバ装置のファイバからファイバへの損失の合計は、好ましくは０．０７ｄＢ未満である。これは、所与の周波数（たとえば１ＭＨｚの帯域幅を備える５ＭＨｚ）で位相変調πをもたらすのに約２００Ｖを必要とし得かつ、典型的には数ｄＢの、ファイバからファイバへの伝送損失を示す、市販のバルク光学ニオブ酸リチウム位相変調器と対照的である。
【００１８】
実施された１つの実施例が図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂを特に参照して論じられる。ポーリングされなかったシリカ２００のスラブは、厚みｄ＝４０６μｍを有する。電極２０４および２０８は０．３μｍ厚のクロム／金の層である。６３３ｎｍで動作するｃｗレーザビーム２１２によって光学信号が供給される。ビーム２１２は、電極２０４と２０８との間のシリカ２００を介して方向付けられる。変調電圧Ｖm＝１５ＶおよびＤＣ電圧Ｖdc＝２２２０Ｖが電極２０４および２０８に印加される。与えられたＡＣ周波数は０．５から１９ＭＨｚの間で変化し、光学信号に伝えられた変調は、マッハ−ツェンダー干渉計（図示せず）を用いて測定される。
【００１９】
図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、印加された電界と垂直のおよび平行なレーザビーム偏光に対する、与えられた周波数νの関数としてのレーザビーム２１２の測定された位相変調の対数プロットを示す。レーザビームの偏光がビームの電界の向きとなるように取られる通常の従来技術が採用された。両者の偏光に対して、非常に強い共振が７．３５ＭＨｚに存在し、この周波数ではΔφperp＝２ｍｒａｄおよびΔφpar＝０．９ｍｒａｄであり、式中、ΔφperpおよびΔφparはそれぞれ垂直偏光および平行偏光の位相変調である。この共振周波数は、装置の基本周波数と正確に対応し、これはν0＝ｖ／（２ｄ）＝７．３４ＭＨｚとなるように計算される。共振はかなり狭く（帯域幅の０．２％に対応する約２０ｋＨｚ）、垂直偏光および平行偏光の共振位相変調は、非共振周波数を上回る約１００のファクタによって強められる。
【００２０】
図３Ａおよび図３Ｂは、平行偏光スペクトルと垂直偏光スペクトルの両者が同じ周波数で共振を一般的に示す間、これら２つのスペクトルが互いと比例しないことを示す。この理由は、少なくとも２つの異なるファクタ、すなわちカー効果および電歪効果から、誘導された移相が生じるためである。各々のメカニズムは、それ自体の大きさ、周波数依存および偏光依存を示す。示された周波数領域において、２つの偏光の各々に対するほぼ一定でほぼ周波数独立の位相変調に、カー効果が寄与する。しかしながら、平行偏光（ΔφKpar）に対する、カー効果によって誘導された位相変調の大きさは、垂直偏光（ΔφKperp）に対して誘導されたものとは異なる。光学媒体２００は等方性でありかつカー効果は３次非線形から生じるため、カー効果で誘導された偏光の比ｂKはｂK＝ΔφKperp／ΔφKpar＝１／３であることがクラインマンの対称の考察から示される。
【００２１】
他方では、電歪効果は上述の理由により共振をもたらし、図３Ａおよび図３Ｂの突出したピークはこのためである。図３Ａおよび図３Ｂのスペクトルは、７．３５ＭＨｚの共振の近くで、（１）カー変調から生じる移相が、電歪変調から生じる移相よりもはるかに小さいことおよび（２）電歪変調から生じる移相が、平行偏光に対するよりも垂直偏光に対してより強い、すなわちこれら２つの成分の比（ｂE＝ΔφEperp／ΔφEpar）が１よりも大きい、ことを示す。
【００２２】
比ｂEは、垂直偏光の共振でのピーク移相の比を平行偏光の共振でのピーク移相で除することにより、図３Ａおよび図３Ｂのデータから導かれた。上述のように、共振では電歪移相がカー移相よりもかなり大きいために、この手順が用いられる。したがって、測定された共振移相の比はΔφEperp対ΔφEparの比と実質的に等しく、これはｂEと等しい。実験的に定められたｂEの値は約２．２である。この値は、最近発表された研究（Opt. Lett. 23, no.9, pp.691-693, May 1998のＡ．メローニ他（A.Melloni et al.）の「光ファイバにおける電歪の直接測定“Direct measurement of electrostriction in optical fibers”」で、ｂEは１と等しいと述べられているのを参照）とは実質的に異なるが、値２．２は、２．２３と等しい、２つの偏光に対するシリカの弾性光学（または光弾性）係数の比と矛盾しない。実際に、ｂEとこの弾性係数の比とが等しくなるべきであることが物理的考察から示される。
【００２３】
１）２つの偏光の各々に対する、ほぼ一定でほぼ周波数独立の位相変調にｂK＝１／３およびカー効果が寄与することおよび、２）ｂEが１よりも大きくかつ電歪変調から生じる移相が強い共振を有することを考慮すると、図３Ａのスペクトルと図３Ｂのスペクトルとが比例しないことがわかる。実際に、テストされた特定のサンプル内でのカー効果および電歪効果の相対的な大きさは、測定されたスペクトルがある周波数で交差するようなものである。これらの周波数では、２つの偏光は同じ位相変調を経験する。言い換えれば、偏光独立変調器およびスイッチは、スペクトルが交差するいずれの周波数でも動作することにより作製され得る。残念ながら、ｂEは１よりもはるかに大きいため、これらの交差周波数は、共振周波数においてではなく、むしろ位相変調がより弱い共振からわずかに離れたところで発生する。
【００２４】
本明細書中に開示された実施例の光学媒体はシリカに限定されるのではなく、他の材料（ポリマーおよび他のガラスなど）および光ファイバ以外の光学的形状（光学導波路など）を含んでもよい。多くの材料がシリカよりも大きな電歪定数を実際に示す。ファイバ２００（または導波路）と電極２０４、２０８の１つ（または両方）との間の被覆としてそのような材料を与えて、印加された電界をより効率よくファイバ２００内で応力に変換することができる。この構成は、機能する装置に必要な電圧および／またはファイバ２００の長さを実質的に減じる。
【００２５】
位相変調器３９０の別の実施例が図４に示される。この装置を作製するには、コア４０２を含むファイバ４００がポリマー（たとえばポリイミド）などの電気的絶縁体４０４に埋込まれ、次にファイバ４００は、それが非常に薄くなるまで、たとえばファイバコア４０２の各々の側にわずか数ミクロンのガラスしか残らなくなるまで両側を研磨される。（IEEE Photonics Technology Letters Vol.8, no.2, 227-229, February 1996のＳ．ブリュエック他（S.Brueck et al.）の「ポーリングされた電気光学ファイバ“A poled electrooptic fiber”」参照。）示されたように、次にファイバ４００の各々の研磨された側に対して電極４１０、４１２が配置されるかまたはさもなければ置かれる。（ページに対して垂直方向の）この装置の長さは数ｍｍから数ｃｍであるかそれよりも長い。それはそのままで変調器にすることができ、その場合、本明細書中で既に説明されたように、ＤＣおよびＡＣまたはＡＣのみのいずれかの大きな外部電界がそれに印加される。
【００２６】
これに代えて、図４の装置はポーリングされたファイバを含んでもよい。この場合、ファイバ４００は、熱的にまたはＵＶ放射によってのいずれかでまずポーリングされ得る。たとえば、技術分野で周知の手順に従って、熱ポーリングを用いて、構造体は適切な温度（２８０℃から４５０℃）に加熱され、ある時間の間（数分から数十分）大きなＤＣ電圧が電極４１０、４１２に印加される（数千ボルトから数万ボルト）。この技術は大きな外部電界の印加を求めるため、電極４１０と４１２との間での空気の絶縁破壊を回避しなければならない。ファイバ４００の両側に電気的絶縁体４０４を設けるのはこのためである。そうすることにより、電極４１０と４１２の端縁の間の空気経路が増す。同様に、絶縁破壊を排除するのに十分長い空気経路を提供するように、研磨された領域の端から電極４１０および４１２をページと垂直の方向に十分に引込めなければならない。空気の破壊電圧は温度の上昇とともに減少し、それにより高いポーリング温度（たとえば３００℃またはそれよりも高温）に対しては、真空中でポーリングすることが必要となり得る。ポーリングの後、ファイバ４００は、ファイバコア４０２の中へおよびそれを通って陽極（上部電極）の下に延びる組込まれた電界を示す。こうして変調器３９０は図４に示された装置からなり、電極４１０と４１２との間にＡＣ電圧を印加される。このＡＣ電圧に加えて、ＤＣ電圧も電極４１０と４１２との間に印加されて、ポーリングされたファイバ４００に固有のＤＣ電界を強めてもよい。
【００２７】
図５および図６は、集積光学技術に基づく２つの同様の構造体を示す。構造体は、いずれの数の周知の作製技術によってシリカウェハ（図５）またはシリコン（６１３）ウェハ６１４上のシリカ（６１２）（図６）のいずれかに作製された、それぞれの導波路５１０および６１０を含む。図５では、２つの電極５２０、５２２は、導波路部分５１０の上および下に、ウェハ５１４のいずれかの表面上に配置されるかまたは置かれる。図６では、シリコン基板６１３は接地電極として働き、唯一の他方の電極６２０、すなわち導波路６１０上の電極６２０しか用いられない。導波路６１０を通って伝わる光学信号にこの上部電極６２０が抵抗損を導かないように、導波路６１０が埋込まれるのが理想的である。他の電極構成も可能であり、たとえば、両電極をウェハ５１４またはウェハ６１２の上に設け、一方の電極を導波路の右側にかつ他方の電極を左側（図示せず）に置き、この場合、アークを防ぐために電気的絶縁材料が電極間に好ましくは設けられる。（適用可能ならば）ポーリングの間におよび／または位相変調器としての装置の動作の間に空気の絶縁破壊を回避するように、電極５２０、５２２、６２０を慎重に設計しなければならないという同じことを念頭に置くと、図４の実施例と関連して説明された適用例は、図５および図６の構造にも当てはまる。
【００２８】
この開示に説明されたいずれの位相変調器も、光学干渉計の中に位相変調器を設けることによって振幅変調器を作るのに用いることができ、多くの構成が存在する。具体的には、位相変調器は干渉計のアームの１つの中に設けられてもよい。このアームを伝わる信号の位相は変調されるが、他方のアームを伝わる信号の位相は変調されない。これらの信号は、２つのアームからの信号が再び組合せられる干渉計の出力で干渉し、出力信号の振幅が変調される。
【００２９】
同様に、電圧パルスを位相変調器に単に与えることにより、スイッチを作るのに同じ干渉計を用いることができる。共振は変調器の帯域幅を制限するため、変調器の共振周波数の逆数の近傍に制限される幅、立上がり時間および立下がり時間を備える電圧パルスを与えることができる。この概念は図７に示され、マッハ−ツェンダー干渉計７００が２つの光学導波路を相互接続する第１のカプラ７０２および第２のカプラ７０４を含んで、２つのカプラ７０２、７０４の間に第１のアーム７０６および第２のアーム７０８を形成する。この発明に従う位相変調器７２０は第２のアーム７０８の中に位置付けられる。干渉計７００が振幅変調器として用いられると、信号電力がポート１（７１０）およびポート２（７１２）に交互に現われ、位相変調器７２０に与えられた周波数（または２倍の周波数）でこれら２つのポート間で前後に連続的に切換わる。干渉計７００は、たとえば溶融ファイバカプラなどのファイバ構成要素で構成され得る。代替的には、干渉計は、さまざまな周知の技術によって平面ウェハ（シリカ、シリコン上のシリカまたは他の材料）の直接的に上に作製されたモノリシック集積光学構造であり得る。振幅変調またはスイッチング動作が行なわれ得る他の干渉計は、サニャック干渉計およびマイケルソン干渉計を含む。
【００３０】
この発明の好ましい実施例が詳述されたが、ある明らかな修正および本明細書中に説明された実施例からの逸脱が、この発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなしになされ得ることが当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の１つの実施例に従う電歪変調器を示す図である。
【図２Ａ】 ポーリングされた光学媒体を用いる、この発明の別の実施例に従う電歪変調器を示す図である。
【図２Ｂ】 この発明の別の実施例に従うバルク電歪変調器を示す図である。
【図３Ａ】 図２の実施例に与えられた、レーザの垂直偏光に対する移相対変調周波数のグラフの図である。
【図３Ｂ】 図２の実施例に与えられた、レーザの平行偏光に対する移相対変調周波数のグラフの図である。
【図４】 研磨されたファイバを用いる、この発明の代替的な実施例を示す図である。
【図５】 集積光学技術に基づく、この発明の実施例を示す図である。
【図６】 集積光学技術に基づく、この発明の代替的な実施例を示す図である。
【図７】 この発明に従う位相変調器を組入れるマッハ−ツェンダー干渉計振幅変調器を示す図である。
Claims (21)
- 光学信号の位相を変調するための装置であって、
光学信号を伝播するための光学媒体を含み、前記光学媒体は該光学媒体内の歪みに応じた屈折率を有し、前記装置は、さらに、
前記光学媒体に近接する第１の電極と、
前記光学媒体に近接する第２の電極とを含み、前記第１および第２の電極は、該第１および第２の電極間の前記光学媒体内に電界を発生させて該光学媒体内に歪みを生じさせるためにその間にＡＣ電圧を課され、前記ＡＣ電圧の周波数は、電歪効果およびカー効果を介して前記光学媒体の屈折率の変化をもたらすように共振周波数の近傍の周波数において選択され、前記光学信号の位相は、該光学信号が前記光学媒体を通って伝搬する際、該光学信号の偏光成分が前記電界に平行な場合と垂直な場合とで等しい位相シフトを受けるように、周波数が選択された前記ＡＣ電圧に応答して変調される、装置。 - 前記光学媒体はポーリングされていない、請求項１に記載の装置。
- 前記電極はそれにＤＣ電圧を印加され、前記光学媒体を通って伝播する光学信号の位相変調は、前記ＡＣ電圧および前記ＤＣ電圧の両方に依存する、請求項２に記載の装置。
- 前記光学媒体は第１および第２の表面を有し、前記第１および第２の電極はそれぞれ前記第１および第２の表面に取付けられる、請求項２に記載の装置。
- 光学信号の振幅を変調する素子を形成するための干渉計をさらに含み、前記干渉計は、前記光学媒体を含むアームを有する、請求項２に記載の装置。
- 光学スイッチング素子を形成するための干渉計をさらに含み、前記干渉計は、前記光学媒体を含むアームを有する、請求項２に記載の装置。
- 光学信号の位相を変調するための装置であって、
光学信号を伝播するためのポーリングされた光学媒体を含み、前記ポーリングされた光学媒体は内部ＤＣ電界を有し、前記光学媒体は該光学媒体内の歪みに応じた屈折率を有し、前記装置は、さらに、
前記光学媒体に近接する少なくとも第１および第２の電極を含み、前記第１および第２の電極は、該第１および第２の電極間の前記光学媒体内にＡＣ電界を発生させて該光学媒
体内に歪みを生じさせるためにその間にＡＣ電圧を印加され、前記ＡＣ電圧の周波数は、電歪効果およびカー効果を介して前記光学媒体の屈折率の変化をもたらすように共振周波数の近傍の周波数において選択され、前記光学信号の位相は、該光学信号が前記光学媒体を通って伝搬する際、該光学信号の偏光成分が前記電界に平行な場合と垂直な場合とで等しい位相シフトを受けるように、周波数が選択された前記ＡＣ電圧に応答して変調される、装置。 - 光学信号の振幅を変調する素子を形成するための干渉計をさらに含み、前記干渉計は、前記光学媒体を含むアームを有する、請求項７に記載の装置。
- 光学スイッチング素子を形成するための干渉計をさらに含み、前記干渉計は、前記光学媒体を含むアームを有する、請求項７に記載の装置。
- 前記光学媒体は基板上にあり、前記基板は前記光学媒体に近接する前記第１および第２の電極の１つを含む、請求項７に記載の装置。
- 前記電極はそれにＤＣ電圧を印加されて前記光学媒体内でＤＣ電界を強める、請求項７に記載の装置。
- 光学信号の位相を変調する方法であって、
光学媒体を提供するステップを含み、前記光学媒体は該光学媒体内の歪みに応じた屈折率を有し、前記方法は、さらに、
ＡＣ電圧を印加して前記光学媒体内に電界を発生させて該光学媒体内に歪みを生じさせるステップと、
電歪効果およびカー効果を介して光学媒体の屈折率の変化をもたらすようにＡＣ電圧の周波数を共振周波数の近傍の周波数において選択するステップと、
前記光学媒体を介して光学信号を通し、光学信号の位相を変調させるステップとを含み、前記光学信号の位相は、該光学信号が前記光学媒体を通って伝搬する際、該光学信号の偏光成分が前記電界に平行な場合と垂直な場合とで等しい位相シフトを受けるように、周波数が選択された前記ＡＣ電圧に応答して変調される、方法。 - ＡＣ電圧は、光学媒体を挟んで近接して配置される第１および第２の電極に印加される、請求項１２に記載の方法。
- ＤＣ電圧を電極に印加するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
- 光学媒体がポーリングされていない、請求項１４に記載の方法。
- 光学媒体がポーリングされる、請求項１４に記載の方法。
- 光学媒体がポーリングされる、請求項１２に記載の方法。
- 光学媒体がポーリングされていない、請求項１２に記載の方法。
- 第１および第２の電極を光学媒体の少なくとも１つの表面に取付けるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
- 光学媒体からの出力を干渉計に入射させ、該光学媒体からの出力と変調されていない位相を有する信号とは該干渉計において干渉し、それにより該干渉計の出力信号の振幅を変調するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
- 光学媒体からの出力を干渉計に入射させ、該干渉計の第１の出力ポートから該干渉計の第２の出力ポートに光学信号を切換えるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
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