JPH01321375A - 光集積周波数分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、表面弾性−と光との相互作用を利用して高
周波電気信号の周波数の分析を行なう光集積周波数分析
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は金澤、渥味らにより文献「フォースインタナシ
ッナルコンファランス　オン　インテグレーテッド　オ
プティクス　アンド　オプティカルファイバコミュニケ
ーシッン、東京、テクニカルダイジェスト、　２５８〜
２５９頁、　１９８３Ｊ　（４ｔｈ　Ｉｎｔ、　Ｃｏｎ
ｆ、　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ａ
ｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏ＋ｇｎｕｎｉ
ｃａｔｉｏｎ＋　Ｔｏｋｙｏ＋　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　
Ｄｉｇｅｓｔ、　ｐｐ、　２５８−２５９．１９８３）
において報告された光集積周波数分析装置の構成図であ
る０図において、１はＬＩＮｂＯｓなどの圧電性基板、
２は圧電性基板１の表面にＴｉやＮｉなどの金属を蒸着
した後熱拡散させて作成した２次元の光導波路、３は光
導波路２の端面に取付けられた半導体レーザ、４および
５は光導波路２上に製作された第１および第２のジオデ
シックレンズ、６および７は光導波路２上でかつ第１の
ジオデシックレンズ４および第２のジオデシックレンズ
５の間に作成されたトランスジューサおよびダンパ、８
は光導波路２の上記半導体レーザ３と対向する端面に取
付けられた光検出器、９は半導体レーザ３から出射され
る発散光、１０は平行光、１１は非回折光、１２は回折
光、１３は上記トランスジューサ６より励振される表面
弾性波である。

次に動作について説明する。半導体レーザ３から出射さ
れ光導波路２に導波された発散光９は、第１のジオデシ
ックレンズ４により平行光１０に変換され、第２のジオ
デシックレンズ５に入射してさらに収束光に変換され、
光検出器８上に集光する。ここでトランスジューサ６に
高周波電気信号が印加されると、トランスジューサ６に
より上記高周波電気信号の周波数に対応する周期へをも
つ表面弾性波１３が、光導波路２に励振される。

上記周期へは、光導波路２中を伝搬する表面弾性波１３
の速度をＶＳ％上記高周波電気信号の周波数をｆ、とす
ると第１式で与えられる。

ｆ　。

上記表面弾性波１３は上記平行光１０を横切った後、ダ
ンパで吸収される。表面弾性波１３が平行光１０を横切
るとき表面弾性波１３はこの平行光１０に対して周期へ
の回折格子として作用し、また平行光１０と表面弾性波
１３はブラッグ条件を満たすように交差させているため
、平行光１０の１部は第２式で与えられる角度θ１で回
折される。

λ ここで、λは半導体レーザ３の出射光の波長、ｎｅｆｆ
は光導波路２に導波された光に対する実行屈折率である
。すなわち、平行光１０は非回折光１１と回折光１２に
分かれ、それぞれ第２のジオデシックレンズ５により収
束され、光検出器８上の点ＡおよびＢに集光する。上記
集光点ＡおよびＢの距離ｌは、第２のジオデシックレン
ズ５の焦点距離をｆｔとすると第３式で与えられる。

１−ｆｔ　・θ、　　　　　　　　・・・（３）ここで
、θ、は第２弐で示した角度である。第３式からｌを知
ることによりトランスジューサ６に印加された高周波電
気信号の周波数ｆ、、を求めることができる。

ところで上記第１のジオデシックレンズ４および第２の
ジオデシックレンズ５は圧電性基板１の表面に半球状に
窪みを加工形成し、先導波路２の作製と同様に窪みの表
面にＴｉやＮｉなどの金属を熱拡散して光の導波層を作
製したものであり、上記光の導波層は上記光導波路２と
同様の屈折率分布を持つ、先導波路２から上記第１およ
び第２のジオデシックレンズ４，５に導波光が入射する
と導波光は窪みに沿って進む。このとき導波光はフェル
マーの原理により最短光路を進むため、上記窪みにより
導波光は曲げられ窪みがレンズの作用を持つ。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の光集積周波数分析装置は以上のように構成されて
いるので、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）で回折光１２の
集光点Ｂを光検出器８で検出するには集光点Ｂの集光ス
ポットにサイドローブが無いことおよび背景光が重畳さ
れないことが必要である。

上記サイドローブを無くすには、第１および第２のジオ
デシックレンズ４および５を無収差とする必要があるが
、このためには第１および第２のジオデシックレンズ４
および５の形状を設計値に対して誤差が１μｍ以下とな
るよう非常に高精度な加工を施さねばならない。上記の
加工は圧電性基板１をまずダイヤモンドバイトにより切
削し、次に切削面を光学研磨することによりなされるが
、レンズを１個ずつ加工しなければならない上、長時間
の加工を必要とするため生産性が悪く高価な加工となる
課題があった。さらに、上記の加工は再現性が悪くレン
ズの歩留りが低いという問題点があった。

上記背景光は導波光の散乱により生じるため光導波路２
と第１および第２のジオデシックレンズ４および５の損
失を小さくすることにより抑制することができる。しか
し、光導波路２の損失としてはＬｉＮｂ０．にＴｉを熱
拡散させたものが比較的小さく　０．５ｄＢ／ａｍ程度
であるが、従来の光集積周波数分析装置において周波数
分解能を高（するには第２のジオデシックレンズ５の焦
点路Ｈｒ　ｔを長くする必要があるため圧電性基板ｌも
７ｃｍ程度と比較的長くなる。このため上記のＴｉを熱
拡散させた光導波路２においても導波光は３．５ｄＢの
損失を受け、失われた導波光の一部は背景光となる。さ
らに、ジオデシックレンズの損失としては小さいもので
３ｄＢ程度のものが報告されているが、第１および第２
の２個のジオデシックレンズ４および５が必要なため６
ｄＢの損失が生じ、ここで失われた導波光の一部は背景
光となる。上記のように導波光が合計９．５ｄＢもの損
失を受けること、また、失われた導波光の一部が背景光
となることにより上記のＳ／Ｎはせいぜい３０ｄＢが限
度となる問題点があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、点Ｂにおける回折光１２の集光スポットを高い
Ｓ／Ｎで検出できるとともに、生産性のよい安価な装置
を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光集積周波数分析装置は、Ｚ方向に出射
する半導体レーザの出射光を、Ｚ方向に垂直な互いに直
交する２方向をＸおよびＹ方向とした場合ＸＺ面内にお
いては第１の焦点距離を持ち、ＹＺ面内においては上記
第１の焦点距離より短い第２の焦点距離を持つレンズに
より集光して、ＸＺ面内において第１の集光点、ＹＺ面
内において第２の集光点を得るようにし、光導波路とト
ランスジューサを表面に備えた圧電性基板の入力端面を
上記第２の集光点に設置して上記出射光を上記光導波路
に入力し、さらに上記圧電性基板の出力端面にスラブ導
波路の入力端面を接続して上記第１の集光点が上記スラ
ブ導波路の出力端面に得られるようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、ＸＺ面内とＹＺ面内で焦点距離の
異なるレンズを用いて、半導体レーザの発散する出射光
を異なる第１の集光点および第２の集光点で集光する収
束光に変換し、圧電性基板は入力端面を上記第２の集光
点に位置して上記収束光を光導波路に入力し、スラブ導
波路は入力端面を上記圧電性基板の出力端面に接続して
光導波路から導波光を受けとり上記第１の集光点に位置
する出力端面まで導波して出力端面において上記出射光
の集光スポットを得る構成としたから、回折光の集光ス
ポットを高いＳ／Ｎ比で検出することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において１は圧電性基板、２は先導波路、３は半導体
レーザ、６はトランスジューサ、７はダンパ、８は光検
出器、１１は非回折光、１２は回折光、１３は表面弾性
波、１４はレンズ、１５はスラブ導波路である。

次に動作について説明する。半導体レーザ３から２方向
に出射された発散光は、Ｚ方向に垂直な直交する２方向
をＸおよびＹ方向とするとＸＺ面内においては焦点距離
ｆ、を持ち、ＹＺ面内においてはｆ、より短い焦点距離
ｆ４を持つレンズによりＹＺ面内において表面に光導波
路２とトランスジューサ６とダンパ７を備えた圧電性基
板ｌの入力端面り上に集光され、ＸＺ面内においてスラ
ブ導波路の出力端面Ｅ上に集光される。上記圧電性基板
１の入力端面りに入射する光束はＸ方向に沿った線状の
強度分布を持ち、ＸＺ面内にある光導波路２に入力され
導波光となる。上記導波光は上記光導波路２を距離ＩＡ
Ｉ伝搬した後光導波路２の出力端面に接続されたスラブ
導波路１５に入射し、スラブ導波路１５の出力端面Ｅ上
に集光される。ここでトランスジューサ６に高周波電気
信号が印加されると表面弾性波１３が光導波路２中に励
振される０表面弾性波１３により導波光は一部回折され
回折光と非回折光に分離される。非回折光１１および回
折光１２はそれぞれスラブ導波路１５の出力端面におけ
る点ＡおよびＢに集光する。

スラブ導波路１５の出力端面には光検出器８が結合され
て上記集光点ＡおよびＢを検出する。集光点ＡおよびＢ
からトランスジューサ６に印加された高周波電気信号の
周波数を求める方法は従来例と同様である。

ところで、スラブ導波路１５は第２図に示すようにガイ
ド１１１６がガイド層１６より低屈折率なりラッド層１
７でサンドイッチされたもので、導波光は光導波路２に
より上記ガイド層１６に入射しガイド層１６とクラッド
層１７の境界で全反射を繰り返しながら伝搬する。ガイ
ド層１６およびクラッド層１７は光学ガラスで構成され
、半導体レーザ３の出射光の波長に対して透明な光学ガ
ラスを選択するとガイド層１６における導波光の伝搬損
失は０．００１ｄＢ／ａｍ以下でほとんど無視でき、従
って背景光の要因となる導波光の散乱もほとんど無視で
きる。また、第１図の！、は１ｃｍ程度でよい。このた
め導波光が受ける損失は光導波路２の中における０、５
ｄＢ程度になる。またレンズ１４における損失はレンズ
１４に反射防止膜を設けることによりほとんど無視でき
る程度にできる。さらに、レンズ１４は空間伝搬光に対
するレンズであるからジオデシックレンズなどの導波路
型のレンズと異なり、設計・製造技術が確立されている
ため無収差レンズが得られ、集光点ＡおよびＢのスポッ
トは回折限界なものとなり、半導体レーザ３の出射光は
ガウシアンビームであるためレンズ１４の開口を上記ガ
ウシアンビームがケラれない大きさとすることにより集
光スポットのサイドローブを無視できる程度に小さくで
きる。

このように本実施例では半導体レーザ３から出射された
光が光検出器８に至るまでに受ける損失を光導波路２へ
入力するときの損失が約１０ｄＢ、光導波路２中の伝搬
損失が０．５ｄＢの合計１０．５ｄＢとすることができ
、従来例において、光導波路２へ入力するときの損失が
約１０ｄＢ、光導波路２中の伝搬損失が約３．５ｄＢ、
第１及び第２のジオデシックレンズ６および７の損失が
６ｄＢの合計１９．５ｄＢであるのに比して光検出器８
に到達する導波光の強度を９ｄＢ大きくしている。ここ
で、点Ｂにおいて回折光１２の集光スポットを光検出器
８で検出する場合を考えると、第１図は従来例に比べて
表面弾性波１３と交差する導波光が収束光である分だけ
回折効率が低くなるが、収束光の収束角度を１″以下と
することにより２ｄＢ以下の低下に抑えることができる
。従って、本実施例装置では従来例より７ｄＢ以上大き
な強度を持つ回折光１２の集光スポットが得られるため
、この集光スポットを検出するときのＳ／Ｎを７ｄＢ以
上に向上できる。さらに、レンズ１４は容易に設計、製
造できるため、長時間の加工と低い歩留りのため高価な
ジオデシックレンズを必要とせず、安価な装置を構成で
きる。

第３図は本発明の他の実施例による光集積周波数分析装
置の構成を示す図である。本実施例装置は第１図の実施
例装置のレンズ１４をバルクレンズ１８とシリンダーレ
ンズ１９で構成したものである。バルクレンズ１８は半
導体レーザ３からの発散光をスラブ導波路１５の出力端
面Ｅ上に集光し、シリンダーレンズ１９はバルクレンズ
１８からの収束光をＹＺ面内においてのみ圧電性基板１
の入力端面り上に集光し、上記収束光を光導波路２に入
力する。

第４図は本発明のさらに他の実施例を示す構成図である
０本実施例装置は第３図の装置のシリンダーレンズ１９
をスラブレンズ２０に置き換えたものである。スラブレ
ンズ２０はＸ方向には第５図山）に示すような一定の屈
折率ｎ０を持ち、Ｘ方向には第５図（Ｃ）に示すような
第４式で与えられる屈折率分布ｎ　（Ｙ）を持つ。

ｎ　（Ｙ）　Ｙ＝ｎ、（１ｇ”　Ｙ”）””　　・・・
（４）ここでｇは屈折率勾配を表わす定数である。この
ようなスラブレンズ２０は例えばＨＯＹＡ株式会社から
販売されている。スラブレンズ２０の機能は第３図の装
置におけるシリンダーレンズ１９と同様であるが、第６
図に示す長さｌ！を調整することにより、端面下から入
射したバルクレンズ１４からの光束をＹＺ面内で集光し
て端面ＧにおいてＸ方向に沿った線状の強度分布とする
ことができる。上記端面Ｇと圧電性基板１の入力端面り
とを接着することによりＸＺ面内にある先導波路２に線
状の強度分布を持つ光束を入力することができる。第３
図のシリンダーレンズ１９を圧電性基板１と位置合わせ
して固定するにはシリンダーレンズ１９をまずホルダに
固定し、ホルダと圧電性基板ｌとを固定するという方法
がとられるが、第４図においてはスラブレンズ２０の端
面Ｇと圧電性基板１の入力端面りとを面接着するだけで
簡単に固定できる。

なお、上記実施例では圧電性基板ｌとしてＬＩＮｂＯｓ
、光導波路２としてＬｉＮｂＯ５にＴｉを熱拡散したも
のについて説明したが、圧電性基板１として音響光学効
果を有するものであればよく、また光導波路２としてプ
ロトン交換法などで製作したものを用いてもよい、さら
に上記実施例ではバルクレンズ１８はＸＺ面内およびＹ
Ｚ面内の両方で半導体レーザ３の出射光を集光するが、
ＸＺ面内のみ集光するレンズを用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればＸｚ平面内とＹＺ平面
内とで異なる焦点距離を持つレンズを用いて導波光の励
振と導波光の集光を行い、また導波光をスラブ導波路で
光検出器に導く構成としたから、サイドローブと背景光
の無い導波光の集光スポットが得られるため高いＳ／Ｎ
で上記集光スポットを検出でき、また高価な導波路型の
レンズを必要としないため安価な装置が得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光集積周波数分析装
置の構成図、第２図はスラブ導波路の構成図、第３図及
び第４図はこの発明の他の実施例による光集積周波数分
析装置の構成図、第５図はスラブレンズの形状と屈折率
分布を示す図、第６図はスラブレンズにおいて光束が集
光する様子を示した図、第７図は従来の光集積周波数分
析装置の構成図である。 １は圧電性基板、２は先導波路、３は半導体レーザ、４
は第１のジオデシックレンズ、５は第２のジオデシック
レンズ、６はトランスジューサ、７はダンパ、８は光検
出器、９は発散光、１０は平行光、１１は非回折光、１
２は回折光、１３は表面弾性波、１４はレンズ、１５は
スラブ導波路、１６はガイド層、１７はクラッド層、１
８はバルクレンズ、１９はシリンダーレンズ、２０はス
ラブレンズである。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）出射光をＺ方向に出射する半導体レーザと、Ｚ方
   向に垂直な互いに直交する２方向をＸおよびＹ方向とし
   た場合、ＸＺ面内においては第１の焦点距離を持ち、Ｙ
   Ｚ面内においては上記第１の焦点距離より短い第２の焦
   点距離を持ち、上記半導体レーザの出射光を、ＸＺ面内
   においては第１の集光点、ＹＺ面内においては第２の集
   光点に集光するレンズと、 入力端面が上記第２の集光点に設置され上記出射光が入
   力されるＸＺ面内に存在する光導波路、および該光導波
   路中を伝搬する導波光を斜交して上記導波光の一部を回
   折させ上記導波光を回折光と非回折光に分離させる表面
   弾性波を励振するトランスジューサを表面に備えた圧電
   性基板と、入力端面が該圧電性基板の出力端面に接続さ
   れ、出力端面が上記第１の集光点に設置されたスラブ導
   波路と、 該スラブ導波路の出力端面に設置され、回折光の集光位
   置を検出する光検出器とを備え、上記トランスジューサ
   に印加された電気信号の周波数を分析することを特徴と
   する光集積周波数分析装置。