JPH03175370A - 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、表面弾性波と光との相互作用を利用して電
気信号の周波数を分析する周波数分析装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

第５図は合理、理法らにより文献［フォースインタナシ
ョナルコンファランス　オン　インテグレーテッド　オ
プテイクス　アンド　オプティカルファイバコミュニケ
ーション、東京、テクニカルダイジェスト、２５８〜２
５９頁、１９８３Ｊ　　（４ｔｈＩｎｔ、Ｃｏｎｆ、　
　ｏｎ　　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ａｎ
ｄ　０ｐｔｉｃａｌ　　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃ
ａｔｉｏｎ、Ｔｏｋｙｏ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　　Ｄｉ
ｇｅｓｔ、ｐｐ、２５８〜２５９．１９８３）において
報告された周波数分析装置の構造図である。図において
、１はＬｉＮｂ０ｉなどの圧電性基板、２は圧電性基板
ｌの表面にＴｉやＮｉなとの金属を蒸着した後熱拡散さ
せて製作した２次元の光導波路、３は光導波路２の端面
に取り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の間に製作
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り付けられ
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
電気信号が印加されると、トランスジューサ６により上
記電気信号の周波数に対応する周期Ａ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Δは、光導
波路２中を伝播する表面弾性波１３の速度をＶｓ、上記
電気信号の周波数をｆｒとすると第１式で与えられる。

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６表面弾性波１３が平行光ＩＯ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の一部は第２式で与えられる角度θ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効屈折率である
。すなわち、平行光１０は非回折光１１と回折光１２と
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、ｌ！：Ｂ間の距離２は、第２のジオデシッ
クレンズ５の焦点距離をｆｚとすると、第３式で与えら
れる。

ｊ！＝ｆｚ・θ１・・・（３） ここで、θ１は第２式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に印加された電
気信号の周波数ｆｒを求めることができる。

ところで、上記第１および第２のジオデシックレンズ４
および５は、圧電性基板１の表面に半球状に富みを加工
形成し、光導波路２の製作と同様にして窪みの表面にＴ
ｉやＮｉなとの金属を熱拡散して光の導波路を製作した
ものであり、この光の導波路は上記光導波路２と同様の
屈折率分布を持つ、光導波路２から上記第１および第２
のジオデシックレンズ４および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〕

従来の周波数分析装置は以上のように構成されているの
で、光検出器８を用いて高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）で
回折光１２の集光点Ｂを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、および背景光が無い
ことが必要である。

ところで、このサイドローブをなくすためには、第１お
よび第２のジオデシックレンズ４および５を無収差とせ
ねばならないが、このためには形状を設計値に対して誤
差が１ミクロン以下となるように高精度に加工せねばな
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個ずつ加工せねばならない
上、長時間の加工のため生産性が極めて悪く、さらに再
現性も悪いため高価でかつ歩留りのわるい加工であると
いう問題点があった。

一方、上記背景光を無くするには、背景光は主に第６図
および第７図に示す基板伝搬光２０および第１．第２の
散乱光２１．２２によって生じるためこれらを無くす必
要がある。ここで第６図および第７図は第５図を上面お
よび側面から見た図であり、第７図は第１図および第２
図のジオデシックレンズ４および５の中心を通る断面図
である。

上記基板伝搬光２０は半導体レーザ３の出射光のうち光
導波路２に導波されず圧電性基板１に侵入して伝搬する
ものである。上記第１の散乱光２１は第１および第２の
ジオデシ噂ンクレンズ４および５を導波光が通過すると
き発生するものであり、上記第２の散乱光は光導波路２
を導波光が伝搬するとき発生するものである。

そしてこの基板伝搬光２０を低減するのは困難であり、
これにより発生する背景光は避けられないという問題点
があった。また、上記第１の散乱光２１を無くするには
第１および第２のジオデシックレンズ４および５の損失
を無くする必要があるが、損失の小さなものでも３ｄＢ
程度あるのが現状である。したがって第１および第２の
２個のジオデシックレンズで６ｄＢもの損失があり、失
われた光の一部が背景光となる問題点があった。

さらに、上記第２の散乱光２２を無くするには光導波路
２の損失を無くする必要があるが、損失が小さいといわ
れるＴｉを拡散して製作した光導波路２でも０．５ｄＢ
／ａｎ程度の損失があるのが現状である。半導体レーザ
３から光検出器８にいたる光導波路２は７Ｃ１１程度の
長さがあるため導波光は３．５ｄＢの損失を受け、失わ
れた光の一部が背景光となる問題点があった。

上記のように先導波路２、第１および第２のジオデシッ
クレンズ４および５の損失は、背景光を発生するだけで
なく導波光を合計９．５ｄＢも減衰させるためにＳ／Ｎ
はせいぜい３０ｄＢとなり実用化に至らないという問題
点があった。

この発明は上記のような問題点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がよく、かつ安価
な周波数分析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、Ｘ７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、Ｘ７面内において第１の集光点を、ＹＺ面内
において第２の集光点を得るようにし、先導波路とトラ
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、さらに上記圧電性基板の出
力端面または上記スラブ導波路の入力端面に基板伝搬光
の反射膜または吸収膜を設けたものである。

〔作用〕

この発明においては、レンズはＸ７面内とＹＺ面内で異
なる焦点距離をもち半導体レーザの発散する出射光を異
なる第１および第２の集光点で収束光に変換し、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
受取り上記第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、反
射膜または吸収膜は上記圧電性基板の出力端面あるいは
上記スラブ導波路の入力端面の導波光を妨げない部分に
位置して上記圧電性基板中の基板伝搬光が上記スラブ導
波路に侵入するのを遮断する構成としたから、回折光の
スポットを高いＳ／Ｎ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図は本発明の一実施例による周波数分析装置を示し
、図において、１は圧電性基板、２は光導波路、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Ｚ方向
に出射された発散光は、Ｚ方向に垂直な互いに直交する
２方向をＸおよびＹ方向とすると、ＸＹ面内において焦
点距離ｆをもちＹＺ面内においてｆより短い焦点距離ｆ
′をもつレンズ１４により、ＹＺ面内においては、表面
に光導波路２とトランスジューサ６とダンパ７とを備え
た圧電性基板ｌの入力端面り上に集光され、“Ｘ７面内
においてはスラブ導波路１５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もち、Ｘ７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１１伝搬した後圧電
性基板１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。表面弾性
波１３により導波光は一部回折され回折光１２と非回折
光１１に分離される。回折光１２および非回折光１１は
それぞれスラブ導波路１５の出力端面における点Ｂおよ
び点Ａ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ｆｉｉ１６をガイド層１６より低い屈折率をもつ第１
．第２のクラッド層１７．１８でサンドイッチされたも
ので、導波光は光導波路２から上記ガイドｆｉ１６に入
射しガイド層１６と第１および第２のクラッド層１７お
よび１８との境界で全反射を繰り返しながら伝搬する。

ガイド層１６および第１．第２のクラッド層１７．１８
は光の吸収がほとんどない光学ガラスで構成され、導波
光の伝搬損失は０．００１ｄＢ／ｃ＋ａ以下ではとんど
無視でき、したが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！１はｌ　ｃｍ
程度でよいため光導波路２中での損失は０．５ｄＢ程度
ですむ。また、レンズ１４における損失は反射防止膜を
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ものであるから
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ほとんど無収差な
レンズが得られ、集光点ＡおよびＢのスポットはほぼ回
折限界なものとなり、半導体レーザ３の出射光はガウシ
ャンビームであるためレンズ１４の開口を上記ガウンシ
ャ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プを無視できる程度に小さくでき
る。さらに、圧電性基板１の出力端面あるいはスラブ導
波路１５の入力端面には反射膜または吸収膜を形成して
いる。第３図は反射膜１９を形成した例を示している。

第３図（ａ）は圧電性基板１の出力□端面を示しており
、斜線で示す反射膜１９は光導波路２を除く部分に形成
されている。第３図（ｂ）はスラブ導波路１５の入力端
面を示しており、斜線で示す反射膜１９は第１のクラッ
ド層１７に形成されている。

反射膜１９は、第４図に示すように光導波路２に光を入
射させるとき導波光２３とならずに圧電性基板１中の基
板伝搬光２０となった光を反射するため、基板伝搬光２
０はスラブ導波路１５に侵入できない。このため基板伝
搬光２０が光検出器８に入射して背景光となることはな
い。

なお、上記反射膜１９は例えばＡ１１（アルミニウム）
やＡｕ（金）などの金属を蒸着することにより簡単に形
成できる。上記反射膜１９の代わりに基板伝搬光２０を
吸収する吸収膜を用いても良い。吸収膜は例えばＣ（カ
ーボン）などの金属を蒸着することにより簡単に形成で
きる。

以上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に入力するときの損失１０ｄＢ、光導波路２中の伝搬
損失０．５ｄＢの合計１０゜５ｄＢとすることができ、
従来例では光導波路２に入力するときの損失１０ｄＢ、
光導波路２中の伝搬損失３．５ｄＢ、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６ｄＢの合計１９
゜５ｄＢであるのに対して光検出器８に到達する導波光
の強度を９ｄＢ増加できる。

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。したがって、本実施例では従来例に比べて７ｄＢ
以上大きな強度をもつ回折光１２の集光スポットが得ら
れ、さらに背景光もほとんどないためＳ／Ｎを大幅に向
上できる。

また、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まりのため高価なレンズであるジオ
デシックレンズを用いた従来例に比べて安価な装置を構
成できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る周波数分析装置によれば
、ＸＺ面内とＹＺ面内とで異なる焦点距離をもつレンズ
を用いて導波光の励振と集光を行い、導波光をスラブ導
波路で光検出器に導き、基板伝搬光を反射膜または吸収
膜で遮断する構成としたから、サイドローブと背景光の
無い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周波数分析装置の構
成図、第２図は第１図の装置のスラブ導波路の構成図、
第３図は第１図の装置の反射膜の形成部分を示す図、第
４図は基板伝搬光の遮断の様子を示す図、第５図は従来
の周波数分析装置の構成図、第６図は従来の周波数分析
装置の上面図、第７図は従来の周波数分析装置の側面図
である。 図において、１は圧電性基板、２は光導波路、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、ＩＯは平行光、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、１６はガイド層、１７は第
１のクランド層、１８は第２のクラッド層、１９は反射
膜、２０は基板伝搬光、２１は第１の散乱光、２２は第
２の散乱光、２３は導波光である。 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方向およびＹ方向
   とした場合、ＸＺ面内においては第１の焦点距離をもち
   、ＹＺ面内においては上記第１の焦点距離より短い第２
   の焦点距離をもち、上記半導体レーザの出射光を、ＸＺ
   面内においては第１の集光点に、ＹＺ面内においては第
   ２の集光点に集光するレンズと、 ＸＺ面内に存在し、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光導波路および上記光導
   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、入力端面が上記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、 上記スラブ導波路の出力端面に設置され、上記回折光の
   集光位置を検出する光検出器と、 上記圧電性基板の出力端面または上記スラブ導波路の入
   力端面において上記導波光を妨げない部分に形成した反
   射膜または吸収膜とを備え、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
   周波数分析装置。