JP5106849B2 - 偏光可変素子を用いた光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電気光学素子を利用し、小型かつ低電圧駆動が可能な透過光強度が可変の光デバイスに関する。

電気光学素子のカー効果を利用した光デバイスとしては、電気光学素子としてPLZTを用いた、非特許文献１:セラミックス２６号(１９９１)Ｎｏ．２ １３９Ｐ−１４３Ｐに記載の光シャッターが知られおり、上記と同じ原理の「PLZT高速光シャッター」がフルウチ化学株式会社より販売されている。図１において、光シャッターの概略を説明する。光線１０照射領域に電極８２−PLZT８１−電極８２の構造を繰り返し配置した電気光学素子８を、偏光子１１と検光子１２で挟む構造としている。偏光子１１と検光子１２は、それぞれの透過偏光が９０°の角度をなして配置しており、電気光学素子８は電極方向が偏光子１１または検光子１２と４５°をなすように配置している。

以下において、上記のような構造のデバイスが光シャッターとして機能する原理を説明する。カー効果を有するPLZTは電圧無印加時には等方性の結晶であり、複屈折性はもたない。従って、電圧をかけない状態では、偏光子１１を透過した直線偏光はPLZTで構成される電気光学素子８で偏光の変化を受けず、検光子１２を透過できないためOFF状態になる。一方、カー効果を有するPLZT素子は電圧を印加すると、電界方向とそれと垂直な方向において複屈折を生じる。従って、電界方向とそれと垂直な方向の偏光成分の位相差が１８０°となるような電圧（半波長電圧）を印加すれば、 偏光子１１を透過した直線偏光は９０°回転して、検光子１２を透過できるようになる。これがON状態となる。上記のように、半波長電圧をON／OFFすることにより、光のON／OFFを実現することができる。

本製品では、光線の照射領域中に複数の電極８２−PLZT８１−電極８２の構造を繰り返し配置することにより、一対の電極８２−PLZT８１−電極８２の構造よりも電極間距離を小さくすることができ、駆動電圧を70V近くまで低減している。

また、特開２０００−８５１８３のレーザ記録装置では、光シャッターの部分において、「PLZT高速光シャッター」と同様に偏光子１１、PLZTから構成される電気光学素子８、検光子１２の構造をとっている。概略図を図２に示す。ここでは、電気光学素子８の前段に集光レンズ７を配し、集光レンズ７の焦点位置に電気光学素子８を配置することにより、PLZTを挟む平行電極８２の電極間距離を小さくすることができ、損失の増大を生じることなしに、駆動電圧の低電圧化を実現している。

上記の「PLZT高速光シャッター」では、駆動電圧の低電圧化を実現するために、光線照射部に電極８２を設置しており、電極８２よる散乱、反射、回折が生じ、半波長電圧を印加したON状態においても、透過損失が大きくなってしまう。 また、上記のような偏光子１１−電気光学素子８−検光子１２の構造のデバイスは、部品点数も多く、小型化しにくいという難点もある。上記レーザ記録装置においても、「PLZT高速光シャッター」と比較すると透過損失は小さくなるが、集光レンズ７とコリメートに戻すレンズ６が加わる分、さらに部品点数が多くなり、小型化、低コスト化が課題となる。

昨今、光通信は活発な技術開発により、伝送容量の拡大、フレキシブルなネットワーキング機能の実現等目覚ましい進歩を遂げている。一方で、伝送装置内で使用される光デバイスに課せられる要求は年々厳しくなっている。PLZTを応用した光デバイスは、高速な応答性などにより、光通信機器に適用するメリットは小さくないが、上記のような従来技術では透過損失が大きい、部品点数が多いためデバイスサイズが大きい、コストが高い等のデメリットに加え、駆動電圧もまだ大きいことが課題となっている。

本発明は、以上のような実情を鑑み、光デバイスの光学的構造およびPLZT素子部の改良を図ることで、透過損失特性を損なうことなく光デバイスの小型化、駆動電圧の低減を実現するものである。

上記課題を解決するため、本発明の透過強度可変光デバイスは、反射構造とし、素子を往路、復路で利用できるため、部品点数を約半減による、小型化、低コストが実現する。さらに電圧による外部信号を印加することにより透過光の偏光状態が変化する偏光可変素子として機能する電気光学素子を集光レンズの集光点付近に設置する。電気光学素子は、電極間距離が集光部に近いほど小さくなるような対向電極構造とするため、電極間距離を小さくでき、低電圧化が実現できる。

本発明の光デバイスは、偏光分離素子と、一成分のみを集光する集光レンズと、反射素子と、対向する電極を有し、前記集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子とを備え、前記偏光可変素子の一方向に前記反射素子を配置し、他方向に前記偏光分離素子と前記集光レンズとを配置した構成を有する。
上記光デバイスは、２芯フェルールにより固定された入力ファイバおよび出力ファイバと、集光レンズと、光を反射する反射素子と、該集光レンズの集光点付近に設置され、該集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて透過光の偏光状態が可変する偏光可変素子とを備えて構成され、さらに該入力ファイバから出射される光を透過するとともに、その透過光を偏光分離し、平行平板の複屈折性結晶から構成される偏光分離素子と、該偏光分離素子から出射される光を透過するとともに、その透過光の偏光を変える偏光変換素子と、該偏光変換素子から出射される光をコリメートするレンズと、該レンズから出射されるコリメート光の波面内の成分のうち、入力ファイバの中心と出力ファイバの中心を結ぶ線と垂直な成分のみを集光する集光レンズとを備え、該偏光可変素子が該レンズの集光点付近に設置されることにより構成される。

ここで集光レンズとして、一成分のみを集光する集光レンズを用いている理由を以下で説明する。２芯フェルールにより固定された入出力ファイバを使用する反射型光デバイスは、入力ファイバから出力した光がコリメートレンズでコリメートされ、コリメート光が反射素子で反射された後、再び上記コリメートレンズに入力し、入力ファイバと異なる位置に設置された出力ファイバに入力する。このような反射型光デバイスの系にコリメートレンズに加えて集光レンズを一つ挿入する場合、損失を生じさせないためには、集光レンズの焦点に反射素子を配置する必要がある。ところが、レンズの性質から、集光部における出力角度（反射角度）の変位により、反射光がコリメートレンズで再び集光される位置はほとんど変位しない。すなわち、反射素子の角度を調整しても、入出力が同じファイバとなってしまう。従って、背景技術で示したレーザ記録装置のように、集光レンズとして球レンズのような全方位にわたり均等に集光するレンズを使用した場合、入力ファイバとは異なる位置の出力ファイバに出力させることができない。一方で、集光レンズとして、一方向のみを集光する集光レンズを用いると、入出力ファイバの中心を結ぶ方向と垂直な成分のみを反射素子上で集光させて、それと平行な成分はコリメートの状態で反射させることが可能となる。入出力ファイバの中心を結ぶ方向と平行な成分は、反射素子の角度を調整することにより、入力ファイバと異なる位置成分に出力することが可能である。これは、一方向のみの集光レンズを用いることにより、集光レンズを用いた場合でも、２芯型反射デバイスが実現できることを意味している。

上記の工夫により、「反射構造」による小型化、低コスト化と「集光」による低電圧化を両立させている。

さらに、別の光デバイスの形態としては、上記平行平板の複屈折性結晶の代わりに、くさび形状の複屈折性結晶を用いることも可能である。

また、もう一つの光デバイスの形態としては、集光レンズとコリメートレンズを兼用することも可能である。集光レンズとコリメートレンズを兼用するということは、集光点は入出力ファイバの端面しかないため、すなわち偏光可変素子を入出力ファイバの端面付近に設置する構造とする。

また別の形態として、入出力ファイバ、コリメートレンズ、一方向のみを集光するレンズ、反射素子で構成される反射系において、２つの集光点、すなわち、反射素子および入出力ファイバの端面付近に２つの偏光可変素子を配置する構造も可能である。

上記の光デバイスでは、偏光可変素子が集光点付近に配置されることが特徴となっているため、偏光可変素子の電極を、集光される光線の形状に応じて、その電極間距離が集光点に近いほど狭く、離れるほど広くするような形状とすることができる。従って、最も広い光線幅に合わせて設定する必要のある平行電極の時よりもさらに低電圧化が実現できる。上記の構成は、「反射構造」と「集光」の組み合わせにより得られる小型化、低コスト化、低電圧化のメリットに加え、さらなる低電圧化の価値を付加するものである。

なお、本発明に記載されている、「集光点付近」とは、集光点から±1mm以内の範囲とする。

以上のように、本発明によれば、可変光減衰器や光シャッター、光変調器といった透過光強度可変光デバイスが、透過損失特性を悪化させることなく従来より小型、低電圧駆動となる。

以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。

図３、図４は、本発明にかかる光デバイスの第一の実施形態を示す構成図である。図３はデバイスを上面から見た断面図であり、図４は側面から見た断面図である。２芯フェルール３で固定された入力ファイバ１および出力ファイバ２、偏光分離素子として機能する平行平板型複屈折性結晶素子４１、偏光変換素子５として機能するλ／４板、コリメートレンズ６として機能する非球面レンズ、一方向のみを集光する集光レンズ７として機能するシリンドリカルレンズ、一対の電極８２に挟まれたPLZT８１で構成され、偏光可変素子として機能する電気光学素子８、PLZTに蒸着された反射素子として機能する全反射膜９から構成されている。平行平板型複屈折性結晶素子４１材料としてはルチルを使用し、λ／４板材料としては水晶を使用しているが、同様の機能を有する素子であれば材料は限定しない。本実施例では、偏光可変素子として、一対の電極８２に挟まれたPLZT８１を使用しているが、偏光を可変できる素子であればPLZTや電気光学素子に限定されるものではない。また、使用している非球面レンズや集光レンズも、ＧＲＩＮレンズなどで置き換えることは可能である。

まずは、一対の電極８２に挟まれたPLZT８１で構成されている電気光学素子８から成る偏光可変素子の挙動について説明する。

偏光可変素子として、PLZTを使用する場合、二次の電気光学効果であるカー効果が大きいことが好ましい。大きいカー効果とは、カー定数が1×10^-16(m/V)²以上とする。（Pb_1-x、La_x）（Zr_y、Ti_z）_1-x/4O₃で表記されるPLZTの組成のうち、（x、y、z）=（9、65、35）程度が適した組成となる。カー効果の大きなPLZTでは、電圧印加方向とそれと垂直な方向で位相差が生じることにより偏光を可変する機能を持たせることができる。詳細は後述するが、光デバイスの透過光強度を最大から最小まで変化させるためには、位相差は少なくとも0°から180°まで変化することが必要となる。

図５に電気光学素子８から成る偏光可変素子の実施例を示す。PLZT８１が互いに平行な電極８２に挟まれた構造になっている。入力光線波長をλ、印加電圧をV、PLZTの屈折率をn、PLZTのカー定数をR、電極間距離をd、PLZT素子長をLとすると、PLZT素子透過前後における電界と平行な偏光成分、それと垂直な偏光成分間の位相差は下記のように表すことができる。
λ=1.55μm、n=2.5、R=8×10^-16 (m/V)² 、電極間距離dを60μm、PLZT素子長Lを0.8mmとした場合の、電界と平行な偏光成分、それと垂直な偏光成分間の位相差と印加電圧の関係を図６に示す。位相差が180°となる半波長電圧は、24V程度となる。

図７は、別の形態の偏光可変素子の実施例を示す構成図である。電極８２がハの字状の電気光学素子８で構成されており、焦点付近が電極間距離が狭く、焦点から離れるほど電極間距離を広くしている。広口部d2を60μm、狭口部d1を30μmとし、PLZT素子長Lを1mmとしたとき、図５の実施形態と比較して、電極構造により光線に対して効率的に電界が印加できるため、半波長電圧を16V近くに低減することができる。

図８は、さらに別の形態の実施例を示す構成図である。電極８２をステップ形状にして電極間距離を変える構造となっている。低電圧効果はステップ数によるが、図８のように3段構成として、広口部d3を60μm、中間部d2を40μm、狭口部d1を30μmにした場合、半波長電圧は17V近くとなり、図７の実施例とほぼ同等の低電圧化が可能になる。

次に、図３、図４、図９、図１０を用いて、上記の可変偏光素子を使用した光デバイスの第一の実施形態における、入力ファイバ１から出力ファイバ２に至る光路および透過光強度可変の原理について説明する。入力ファイバ１を出射した光線は、ルチルから成る平行平板型複屈折性結晶素子４１に入射して、x方向に振動する直線偏光A（常光）、ｙ方向に振動する直線偏光B（異常光）に偏光分離される。偏光分離された２本の光線は、偏光変換素子５として機能する水晶から成るλ／４板を透過して互いに逆周りの円偏光に変換される。コリメートレンズ６として機能する非球面レンズにより２本の光線は異なる出射角度のコリメートとなり、集光レンズ７として機能するシリンドリカルレンズに入射される。シリンドリカルレンズを出射した２本の光線A,Bは偏光分離方向と垂直な成分（図４におけるｘ方向）のみ集光され、電極８２に挟まれたPLZT８１で構成される電気光学素子８に入射する。電気光学素子８は図５、図７および図８に示されたいずれかの構造であり、一面に反射防止膜（ARコート）を施し、その反対の面に高反射膜（HRコート）を施す。従って、ARコート面から電気光学素子８に入力した光線はHRコート面９で反射されて、電気光学素子８を往復して、再びARコート面から出射する。なお、HRコートの代わりにARコートを施し、別体のHR素子を直近に配置してもよい。PLZT素子８を出射した２本の光線は電気光学素子８に印加する電圧に応じて、偏光状態を変化させる。２本の光線は集光レンズ７として機能するシリンドリカルレンズでコリメート光に戻された後、コリメートレンズ６として機能する非球面レンズ、平行平板型複屈折性結晶素子４１を再び透過することにより、平行平板型複屈折性結晶素子４１における光線Aの中の異常光成分(A1)および光線Bの中の常光成分(B2)が入力ファイバ１と250μm離れた位置に2芯フェルール３により固定された出力ファイバ２に向かって集光される。

次に、図９を用いて、電圧を印加しない時の光線の偏光状態の挙動について説明する。電圧が印加されていない状態では、PLZT８１は複屈折性を持たないため、入出力光の偏光状態は変化しない。従って、λ／４板を透過した光線A、Bは、電気光学素子８を透過後も同じ円偏光のまま、再びλ／４板を透過し、光線Aはy方向の直線偏光、光線Bはx方向の直線偏光に変換される。y方向の直線偏光である光線Aは平行平板型複屈折性結晶素子４１において異常光屈折を受け(A1)、x方向の直線偏光である光線Bは常光屈折を受ける(B2)。従って、図３に示す位置に出力ファイバ２を設置することにより、いずれの光線も結合することができるため、ほぼ無損失で結合することが可能になる。

また次に、図１０において、半波長電圧を印加した場合の光線の偏光状態の挙動について説明する。λ／４板を透過した円偏光A、Bは電気光学素子８を往復することによりx方向とy方向の成分が180°の位相差を生じるため、入力時とは逆周りの円偏光となる。電気光学素子８を出射した光線が、λ／４板を透過すると光線Aはx方向の直線偏光に、光線Bはy方向の直線偏光に変換される。x方向の直線偏光である光線Aは平行平板型複屈折性結晶素子４１において常光屈折を受け(A2)、y方向の直線偏光である光線Bは異常光屈折を受ける(B1)。出力ファイバ２は、図３に示すようにA1とB2を結合する位置に設置されているため、光線A2、光線B1はいずれも結合しない。従って、半波長電圧印加時には、光線が出力しないOFF状態になる。

印加電圧が0Ｖと半波長電圧の間の場合は、印加電圧に応じて、結合成分である光線A1と非結合成分である光線A2との強度比、および結合成分である光線B2と非結合成分である光線B1との強度比が変化するため、光線の出力ファイバ２への透過量を変えることができる。本実施例の光デバイスに電圧を印加したときの透過光量の変化を図１１に示す。電気光学素子８はPLZTと電極が図７のような構造をとっており、PLZT長Lは0.8mm、狭口部の電極間距離d1は30μm、広口部d2は60μmとする。光線は電気光学素子を往復しているため、半波長電圧は12Vまで低減する。半波長電圧において、透過光量は最小となっているため、0〜12Vで電圧を自由に変化することにより本実施例の光デバイスは可変光減衰器として機能させることが可能となる。透過率を自在にコントロールできることから、出力波形生成器として使用することが可能となる。また、12Vの電圧をON/OFFすることにより、光シャッターとして機能することも可能である。さらには、0〜12Vにおける適当な電圧で、ON/OFFを繰り返し、信号を形成することにより光強度変調器として機能させることもできる。

また、偏光変換素子５として、λ／４板の代わりにλ／２板を使用することにより、0V時に透過光強度が最小となり、電圧印加に従って透過光強度が大きくなるような、電圧−透過光強度特性とすることも可能である。

本発明の第二の実施形態を図１２、図１３に示す。図１２はデバイスを上面から見た断面図であり、図１３は側面から見た断面図である。偏光分離を、平行平板型複屈折性結晶素子で行う代わりに、くさび型複屈折性結晶素子４２で行っている。本実施例では、電気光学素子８は図７に示す実施例の形状をしたが、図５や図８に示す実施例の形状でも実現可能である。くさび型複屈折性結晶素子４２の配置も、平行平板型複屈折性結晶素子の時とは異なり、シリンドリカルレンズから成る集光レンズ７と電気光学素子８の間となる。上記の実施例は、０Ｖ時に減衰量が最大となる特性となるが、図１４、図１５に示すように、くさび型複屈折性結晶素子４２と電気光学素子８の間に、４５度回転のファラデー回転子やλ／４板のような偏光変換素子５を挿入することにより、０Ｖ時に減衰量が最小となる特性とすることも可能となる。

さらに第三の実施形態を、図１６，図１７に示す。図１６はデバイスを上面から見た断面図であり、図１７は側面から見た断面図である。コリメートレンズ６として機能する非球面レンズの焦点位置、すなわち入力ファイバ１、出力ファイバ２の端面付近に電気光学素子８を設置することにより、集光レンズとコリメートレンズを兼用し、部品点数を削減したことが特徴となっている。損失を生じないためにはコリメートレンズ６の集光点がファイバ端面とする必要があることに加え、ファイバ端面と電気光学素子８の間に、平行平板型複屈折性結晶素子４１とλ／４板から成る偏光変換素子５を挿入する必要がある。従って、集光レンズの機能も有するコリメートレンズ６の焦点位置とは離れた位置に電気光学素子８を配置するため、電極間距離が相対的に大きくなってしまい低電圧化に対してはやや不利である。しかし、部品点数の少なさ、構造の簡易さでは有利であり、低コスト化に対しては有効な構造となる。

また、さらに第四の実施形態として図１８、図１９で示すように、図３（または図４）と図１６（または図１７）に示す実施例の複合系も可能である。本実施例では、電気光学素子８の有効長さが図３（または図４）や図１６（または図１７）の約2倍となるため、低電圧化の効果は1/√2倍程度となる。電気光学素子８の数が２つとなるため、コストアップ要因となるが、低電圧化に対しては有効な構造となる。

上記図３（または図４）で示した実施例と同様に、図１２〜図１９に示す光デバイスにおいても、電圧の印加方法により、可変光減衰器や光シャッターや光変調器として機能させることができる。

また、上記図３、図４、図１２〜図１９に示す光デバイスの実施例では、コリメートレンズ６として機能する非球面レンズの焦点距離は6mm、集光レンズ７として機能するシリンドリカルレンズの焦点距離は4mmとしている。また、PLZTから成る電気光学素子８は、図５、図７、図８のいずれかの実施例で示された素子を使用する。入力ファイバ１、出力ファイバ２はともに、シングルモードファイバとするが、マルチモードファイバや偏波保持ファイバとすることも可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲における変形による実施は可能である。

本発明によれば、可変光減衰器や光シャッター、光変調器が実現できるため、光通信機器として利用することが可能である。

従来技術としての一形態である光シャッターの構成を光路も併せて示す概略図である。 従来技術としての別の形態である光シャッターの構成を光路も併せて示す概略図である。 本発明の第一の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第一の実施形態としての光デバイスの構成を示す側面図である。 本実施形態の可変偏光素子の一実施形態を示す図である。 本実施形態の可変偏光素子に係る印加電圧（Ｖ）に対する位相差（degree）の関係を示す図である。 本実施形態の可変偏光素子の別の実施形態を示す図である。 本実施形態の可変偏光素子の別の実施形態を示す図である。 本実施形態の光デバイスをONにした場合の、透過する光線の偏光状態を示す原理説明図である。 本実施形態の光デバイスをOFFにした場合の、透過する光線の偏光状態を示す原理説明図である。 本実施形態の光デバイスの印加電圧（Ｖ）に対する透過強度（ｄＢ）を示す図である。 本発明の第二の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第二の実施形態としての光デバイスの構成を示す側面図である。 本発明の第二の実施形態の類似形態の光デバイス構成を示す上面図である。 本発明の第二の実施形態の類似形態の光デバイス構成を示す側面図である。 本発明の第三の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第三の実施形態としての光デバイスの構成を示す側面図である。 本発明の第四の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第四の実施形態としての光デバイスの構成を示す側面図である。

符号の説明

１ 入力ファイバ
２ 出力ファイバ
３ ２芯フェルール
４１ 平行平板型複屈折性結晶素子
４２ くさび型複屈折性結晶素子
５ 偏光変換素子
６ コリメートレンズ
７ 集光レンズ
８ 電気光学素子
８１ PLZT
８２ 電極
９ 反射膜
１１ 偏光子
１２ 検光子

Claims (4)

1. 透過光を偏光分離する平行平板の複屈折結晶により構成される偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子で偏光分離された光を透過するとともに、偏光分離方向と垂直な成分のみを集光する集光レンズと、
   対向する電極を有し、前記集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子と、
   前記偏光可変素子を透過した光を反射する反射素子と、
   を備え、
   前記偏光可変素子は、前記集光レンズの集光点付近に設置され、
   前記対向する電極の電極間距離は、前記集光レンズの集光点付近での電極間距離が最も小さく、前記集光レンズの集光点から離れたところでの電極間距離が前記集光点付近での電極間距離より大きくなるように構成されており、
   前記偏光可変素子の一方向に前記反射素子を配置し、他方向に前記偏光分離素子と前記集光レンズとを配置し、
   前記反射素子で反射された光は、前記偏光可変素子と前記集光レンズを通って、前記偏光分離素子から出射されることを特徴とする光デバイス。
2. 透過光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された光を偏光分離するくさび形状の複屈折結晶により構成される偏光分離素子と、
   対向する電極を有し、前記偏光分離素子で偏光分離された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子と、
   前記偏光可変素子を透過した光を反射する反射素子と、
   を備え、
   前記偏光可変素子は、前記集光レンズの集光点付近に設置され、
   前記対向する電極の電極間距離は、前記集光レンズの集光点付近での電極間距離が最も小さく、前記集光レンズの集光点から離れたところでの電極間距離が前記集光点付近での電極間距離より大きくなるように構成されており、
   前記偏光可変素子の一方向に前記反射素子を配置し、他方向に前記偏光分離素子と前記集光レンズとを配置し、
   前記反射素子で反射された光は、前記偏光可変素子と前記偏光分離素子を通って、前記集光レンズから出射されることを特徴とする光デバイス。
3. 前記対向する電極の電極間距離を、前記集光レンズの集光点から離れるほど広くなるように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光デバイス。
4. ２芯フェルールにより固定された入力光ファイバおよび出力光ファイバと、
   前記入力光ファイバから出射される光をコリメートするコリメートレンズと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光デバイス。