JPH02166426A - 直交偏波２周波発生光源 - 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、光透過性及び電気光学効果を有する結晶基
板、光導波路などを利用して光を周波数変調する光集積
回路によって構成され、単一の周波数で、かつ、１つの
直線偏光（ＴＥモードもしくは７Ｍモードのどちらか一
方）の光から、直交する２つの直線偏光の光（ＴＥモー
ド、７Ｍモード）を周波数の差をもたせて出力する直交
偏波２周波発生光源に関する。

〔従来の技術〕

良質のコヒーレント光源が簡単に入手できるようになり
、光波面の位相の差を利用した干渉計測技術が急速に進
展した。

従来より使用されてきた単一周波数光源による干渉計で
は、干渉縞の間隔や干渉パターンの点滅周期など位相面
の変化を光量変化として検出し、それを微小変位測定な
どに応用してきた。すなわち、干渉針内での光路差を、
被測定物の屈折率や凹凸形状によって変化させ、出力光
による干渉パターンが格子縞であればその格子間隔が、
また、出力光による干渉パターンが点滅信号であればそ
の点滅間隔がそのまま光源波長で換算されて被測定物の
屈折率値や表面の凹凸変位として測定されてきた。

この測定方法は、干渉出力光量を直流レベルの信号とし
て検出するため、測定精度や対雑音性能で限界に達した
ことから、最近では２つの異なる周波数の光波を干渉さ
せる光ヘテロダイン干渉計測法が注目され始めてきた。

この先へテロダイン干渉測定法では、２つの光源の周波
数の差によるビート信号を、出力光の搬送波（キャリア
）として使用する。

通常、このビート信号の周波数は、高精度で一定に保た
れるので、該キャリアを中心周波数信号とした交流的な
信号処理が可能となり、精度、対雑音性能ともに飛躍的
に向上した。膝元へテロゲイン干渉測定法において重要
な技術は、周波数シフト技術であり、この技術には周波
数が異なり、かつ、現存する光検出器で検出可能なビー
ト信号が得られる２周波光源が必要である。

このような光源を発生させる方法としては、大まかに３
種類考えられている。

（１）第１の方法は１台のレーザ光源を周波数の異なる
モードで同時に発振させる方法であり、（２）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、以上の（Ｉ）及び（２）の方法は大がかりす
ぎて光ヘテロゲイン干渉計測法に適用するには困難な問
題が多い。

（３）第３の方法は現在、最も多く用いられている方法
であり、１台のレーザの光を２分し、その−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、回転回折格子や回転
偏光素子などが用いられたが、今日ではブラッグ回折を
利用したバルク型の音響光変調素子がよく用いられてい
る。このバルク型の音響光変調素子はテルルガラスなど
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
、そのブラッグ回折によるドツプラー周波数シフトを使
用したものである。これを、干渉計に使用する方法とし
ては、１個の光学位相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個の光学
位相変調素子の各々の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るので、直交偏波２
周波発生光源として利用価値が高い。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、バルク型の音響光変調素子は機械的可動
部がなく、小型でシフトする周波数も高くできるといっ
た長所を有する一方、量産に向かず高価な点、ブラング
回折条件を満足させる高精度な光学調整が必要な点、同
一光軸上に偏光状態の直交する成分を一致させ難い点、
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、波長板等の構成部品が多く必要とな
り、全体として複雑大型化し、そのために機械的外乱に
弱い点などの欠点が残されている。

〔課題を解決するための手段〕

以上に述べたように、バルク型の音響光学変調素子を利
用した２周波光源での問題点は、バルク型の光学部品を
用いたいわゆる、立体光学系のもつ根本的な欠陥である
。

したがって、本発明に係る直交偏波２周波発生光源では
、光透過性及び電気光学効果を有する結晶基板上に形成
する先導波路と、該結晶基板の有する電気光学効果を利
用し、光周波数シフターの光集積化を行い、バルク型の
光学系の欠点を克服した。

さらに、該光透過性及び電気光学効果を有する結晶基板
の物理的特性である光の伝搬方向を２軸方向、印加電界
方向をＸ軸方向にとると、結晶の主軸変換が生じるとい
う現象を利用して、同一光軸上に偏光状態の直交する成
分を、異なる周波数シフトを与えて出力させる方法とし
た。

〔実施例〕

第１図に本発明に係る直交偏波２周波発生光源の一実施
例における構成図を示す。

１は、光透過性を有し、かつ、電気光学効果を有する１
軸結晶の結晶基板を示す。

この１軸結晶は、通常、主屈折率の２つが等しく、他の
１つが異なるために結晶のどの切り出し方向の基板を使
うかにより、作製するデバイスの動作特性が異なり、デ
バイスの性能等を決定する上で結晶方向が非常に重要な
ファクターとなる。

本実施例においては、例えば、Ｙ−ＣＵＴよるニオブ酸
リチウムのような基板を利用すると良い。

２は、該結晶基板ｌ上にＴｉ　　（チタン）熱拡散法に
よる先導波路で構成した先導波型マツハツエンダ−干渉
計を示す、ただし、この光導波路としては、初期Ｔｉ膜
厚３５０人、初期Ｔｉ膜幅４μ繭、拡散温度９９５°Ｃ
１拡散時間６ｈ、第１次拡散雰囲気Ａｒ、第２次拡散雰
囲気０．の条件で作製したものを使い、また、このとき
光伝搬モードがシングルモードになっている光導波路を
使用する。

この先導波型マツハツエンダ−干渉計２は、Ｙ分岐型光
導波路３、第１の直線型光導波路４ａ、第２の直線型光
導波路４ｂ及び合波干渉型光導波路５で構成され、また
該第１及び第２の直線型光導波路４ａ、４ｂは、光の進
行方向が前記１軸結晶の結晶基板１の２軸方向となるよ
うに載置する。

この形にすると１つの入力光が、該Ｙ分岐型光導波路３
で、等位相、等光量で２つに分割され、それぞれ前記第
１の直線型光導波路４ａ、第２の直線型光導波路４ｂを
伝搬した後に、前記合波干渉型光導波路５で再び１つに
合成されることになる。

６〜８は、それぞれ第１〜第３の電極を示す。

第１の電極６、第２の電極７及び第３の電極８は、一体
となって、３つの電極型の光位相補償器２３を構成し、
さらに、主軸変換が生ずることな（変調を行わせるため
前記第１及び第２の直線型光導波路４ａ、４ｂ上で印加
電界方向がｙ軸方向に加わるように設置する。

９〜１２は、それぞれ第４〜第７の電極を示す。

第４の電極９と第５の電極１０及び第６の電極１１と第
７の電極１２は、それぞれ一対の組をなし、該第１の電
極６、第２の電極７、第３の電極８の後段に位置し、前
記第１及び第２の直線型光導波路４ａ、４ｂを挟む形で
印加電界方向がＸ軸方向になるように設置され、第１及
び第２の光位相変調器２４゜２５の電極を構成する。

１３と１４は、光を効率良く先導波路内にとり入れるた
め、前記結晶基板１の端面を光学研磨して得た光入射口
と膝元を出力させるための光出射口とをそれぞれ示す。

１５は、前記第１の電極６、第２の電極７及び第３の電
極８により構成される光位相補償器２３に一定電圧を供
給するための直流電源を、１６は、前記第１及び第２の
光位相変調器２４．２５にそれぞれ交流電圧を加えるた
めの交流電源を、１７は、該交流電源１６から発生する
電気信号の位相を前記第１の光位相変調器２４と第２の
光位相変調器２５とでπ／２（ｒａｄ　）変化させるπ
７２位相器をそれぞれ示す。

（作用〕 以下に、本発明に係る直交偏波２周波発生光源の動作に
ついて、前記第１図、第２図及び第３図を用いて説明す
る。

第１図と第２図において、本発明に係る直交偏波２周波
発生光源に入射するレーザ光は、単一の直線偏光（ＴＥ
モードまたは７Ｍモードのどちらか一方）で、かつ、単
一スペクトルを持つものを使う。

光入射口１３より入射した該レーザ光は、Ｙ分岐型光導
波路３で、入力した時の偏光状態を維持したままで等位
相、かつ、等光量に分割される。

ここで、第２図に示すように、分割された後、光路（１
）側を導波する光を第１の導波光２１、光路（Ｉ［）側
を導波する光を第２の導波光２２と呼ぶことにする。

次に、分割された第１の導波光２１と第２の導波光２２
は、第１の電極６、第２の電極７及び第３の電極８によ
って構成される光位相補償器２３を同時に通過する。

しかし、光位相補償器２３を構成している該第１の電極
６、第２の電極７、第３の電極８の各電極間には直流電
源１５により電位差が設けられているため、電気光学効
果による屈折率変化が生じ、第１及び第２の直線型光導
波路４ａ、４ｂの第１の電極６と第３の電極８の電極直
下における光の位相速度が変化する。

この位相速度の変化による第１の導波光２１と第２の導
波光２２との相対的位相差は直流電源ｌＳの印加電圧に
より変化する。ここでは、相対的位相差がπ／２（ｒａ
ｃりとなるように調整する。

また、光位相補償器２３内では光の進行方向が２軸方向
、電界方向がｙ軸方向であるため主軸変換が生じること
はなく、偏光状態は入力した時と同一である。

相対的位相差をπ／２（ｒａｄｌ待った第１の導波光２
１と第２の導波光２２は、それぞれ第４の電極９と第５
の電極ＩＯとで構成される第１の光位相変調器２４と、
第６の電極１１と第７の電極１２とで構成される第２の
光位相変調器２５に入力される。このとき、第１の光位
相変調器２４では外部信号ｓｉｎΩｔで第１の導波光２
１を連続的に位相変調し、第２の光位相変調器２５では
外部信号ｃｏｓΩｔで第２の導波光２２を連続的に位相
変調する。ただし、Ωは変調信号の角周波数である。そ
のため、第１の導波光２１と第２の導波光２２の周波数
はベッセル関数で表されるような外部変調信号の角周波
数の整数倍で周波数シフトを生じる。さらにまた、光の
進行方向が２軸方向、印加電界方向がＸ軸方向をとって
いることによって結晶の主軸が回転するため、その結果
として偏光状態が変化しＴＥ、ＴＭの両モードが生成さ
れる。

第３図（ａ）と第３図（ｂ）に、第１の光位相変調器２
４と第２の光位相変調器２５とから出力されるＴＥ、７
Ｍモードそれぞれについてのスペクトルを回転スペクト
ルにより表示する。ただし、この表示は、各スペクトル
における振幅の大きさを無視し、なおかつ、第２の導波
光２２が第１の導波光２１に対して位相がπ／２（ｒａ
ｄ）遅れていると仮定したものである。

位相変調を受けた第１の導波光２１と第２の導波光２２
は合波干渉型光導波路５で合波され、ＴＥ、７Ｍモード
の直交偏波した周波数が異なる２種類の光が光出射口１
４から出射される。

なお、総合的な出力を第３図（ｃ）に表わす。

〔実施例の変形〕

ここまでの実施例では、ＬｔＮｂＯｓに代表される一軸
結晶の結晶基板について述べてきた。

この発明の技術思想が通用できる基板材料としては、電
気光学効果を呈するものであれば良い。

例えば、ＧａＡｓは、立方晶系型結晶系に属するため、
等方性結晶であるが、体対角線を軸にとれば一軸結晶と
等価になる。このように等方性結晶であっても電気光学
効果を有する基板であれば、この発明の基板として使用
できる。

また、前記実施例内において記載した位相補償器２３は
、光路（夏）を導波する第１の導波光２１と光路（■）
を導波する第２の導波光２２との相対的位相差をπ／２
（ｒａｄ）つくるために設けたものであるが、これは次
のような方法でも実現が可能である。

（１）第１の方法として、前記マツハツエンダ−干渉計
２を非対称型にし、光路（Ｎと光路（■）の光路長を変
えて第１の導波光２１と第２の導波光２２の相対的位相
差をπ／２（ｒａｄ）にする方法、（２）第２の方法と
して、前記第１及び第２の直線型光導波路４ａ、４ｂの
どちらかの上に先導波路の等個用折率を変化させる材料
杏選定して付着することで第１の導波光２１と第２の導
波光２２の相対的位相差をπ／２（ｒａｄ）つくること
が考えられる。

〔発明の効果〕

以上、説明したように光透過性及び電気光学効果を有す
る結晶基板の表層にＹ分岐型光導波路、第１及び第２の
直線型光導波路、さらに合波干渉型光導波路とから構成
される先導波型マツハツエンダ−干渉計を、光の伝搬方
向が２軸方向となるように作製し、また、該第１と第２
の直線型光導波路上にまたがって載置するように、かつ
、該先導波路に対して印加電界方向がｙ軸方向となるよ
うに構成した位相補償器を設け、さらに該第１及び第２
の直線型光導波路を挟む状態で該光位相補償器の前段ま
たは後段に載置し、第４の電極と第５の電極及び第６の
電極と第７の電極から構成される２つの位相変調器を印
加電界方向をＸ軸方向となるような構成にしたことから
同一光軸上に直交偏波し、かつ、周波数が異なる２種類
の光を出力できるようになった。また、そのためにビー
ムスプリッタ−や反射ミラー等の大型の構成部品の必要
がなくなった。したがって、半導体プロセス技術により
量産できるようになった上に高精度な光学調整も必要な
くなり、従来技術では解決し得なかった課題が解決でき
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る直交偏波２周波発生光源の一実施
例における構成図を、第２図は本発明に係る直交偏波２
周波発生光源の簡略化したブロック図を、第３図（ａ）
と第３図（ｂ）は第１の光位相変調器２４と第２の光位
相変調器２５から出力されるＴＥ、７Ｍモードのスペク
トルを回転スペクトルで表示し、同様に第３図（ｃ）は
総合出力を示す。 図において、１は結晶基板、２は光導波型マッハツェン
ダー干渉計、３はＹ分岐型光導波路、４ａと４ｂは第１
及び第２の直線型光導波路、５は合波干渉型光導波路、
６〜１２は第１〜第７の電極、１３は光入射口、１４は
光出射口、１５は直流電源、１６は交流電源、１７はπ
７２位相器、２１と２２は第１及び第２の導波光、２３
は光位相補償器、２４と２５は第１及び第２の光位相変
調器をそれぞれ示す。 特許出願人　　　　アンリツ株式会社 代理人　　弁理士　　小　池　龍太部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光透過性を有し、かつ、電気光学効果を有する結晶基板
   （１）と；該結晶基板（１）の表層に設けられ、Ｙ分岐
   型光導波路（３）、第１及び第２の直線型光導波路（４
   ａ、４ｂ）、および合波干渉型光導波路（５）とから構
   成される光導波型マッハツェンダー干渉計（２）と；該
   第１及び第２の直線型光導波路（４ａ、４ｂ）上にまた
   がって載置され、第１の電極（６）、第２の電極（７）
   及び第３の電極（８）とから構成される光位相補償器（
   ２３）と；該第１及び第２の直線型光導波路（４ａ、４
   ｂ）のそれぞれを挟む状態で該光位相補償器（２３）の
   前段または後段に載置され、第４と第５の電極（９、１
   ０）及び第６と第７の電極（１１、１２）とから構成さ
   れる第１及び第２の光位相変調器（２４、２５）とを具
   備し、 同一光軸上に直交偏波し、かつ、周波数が異なる２種類
   の光を出力することを特徴とする直交偏波２周波発生光
   源。