JPH03179327A - 導波路型音響光学素子 - 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） 本発明は、光導波路中に光ビームを導波させ、この光ビ
ームを表面弾性波により回折させるように構成された導
波路型音響光学素子に関するものであり、特に詳細には
、光損傷の発生防止を図った導波路型音響光学素子に関
するものである。

（従来の技術） 従来より例えば特開昭８１−１８３８２８号公報に示さ
れるように、表面弾性波が伝播可能な材料から形成され
た光導波路に光を入射させ、この光導波路内を進行する
導波光と交わる方向に表面弾性波を発生させて該表面弾
性波によって導波光をブラッグ回折させ、そして上記表
面弾性波の周波数を連続的に変化させることにより導波
光の回折角（偏向角）を連続的に変化させるようにした
光偏向装置が公知となっている。

また上記と同様に光導波路に光ビームを導波させ、この
導波光を周波数掃引された表面弾性波によって回折させ
、この回折が起きたときの表面弾導波の周波数に基づい
て上記光ビームの波長を測定する光スペクトラムアナラ
イザーも提案されている（例えば特開昭６４−２５０１
５号）。

さらに、例えば特開平１−１７８９１８号公報に示され
るように、光導波路に先ビームを導波させ、この導波光
を表面弾性波によって回折させるようにし、その際該表
面弾性波の発生を０Ｎ−ＯＦＦさせることにより、回折
光を０Ｎ−ＯＦＦ変刈変調光変卯器も提案されている。

以上述べた光偏向器、光スペクトラムアナライザーある
いは光変調器等を構成する導波路型音響光学素子、すな
わち、光導波路中に光ビームを導波させ、この光ビーム
を表面弾性波により回折させるように構成された導波路
型音響光学素子においては、光導波路を形成するための
基板として従来より、ＬｉＮｂＯ３１板が広く用いられ
ている。

（発明が解決しようとする課題） ところがこのＬｉＮｂＯ３基板を利用した導波路型音響
光学素子には、光損傷が起きやすいという問題がある。

この光損傷は、高強度の光ビームを光導波路に入力した
際に光波のプロファイルを乱したり、あるいは光の導波
自体を妨げるという現象を引き起こすものである。その
ため、ＬｉＮｂＯ３基板を用いた従来の導波路型音響光
学素子にあっては、高強度の光ビームを導波させること
が困難となっていた。なかでも、前述した光変調器にあ
っては、変調速度を上げるために、すなわち表面弾性波
が導波光を横断するのに要する時間を短くするために、
光ビームを非常に細く絞った上で導波させるのが一般的
であり、そのような場合には、光エネルギーの集中のた
めに光損傷か特に起きやすくなっている。

ところで、このＬ　ｉＮ　ｂ　０３１Ｘ板を用いた光導
波路においては、光の導波方向をＬｉＮｂＯ３結晶のＺ
軸方向に揃えると、光損傷が起き難くなるということが
従来より知られている。

しかし、導波方向を上述のように設定すると、回折現象
としては、ＴＥモードと７Ｍモードの実効屈折率がほぼ
等しいため、ＴＥモードで入射した場合ＴＥモードから
ＴＥモードへの通常の回折以外に、ＴＥモードから７Ｍ
モードへの、いわゆるＴＥ−ＴＭモード変換型回折が同
時に起こる。

同様に７Ｍモードで入射した場合は、ＴＭ−ＴＭ同一モ
ードとＴＭ−ＴＥモード変換の２通りの回折が起こる。

そのため回折光には、入射のモードにかかわらずＴＥと
ＴＭモード成分が混在して、導波することになる。光導
波路内を導波した光ビームを光導波路外に出射させる方
法の一つとして、光導波路の表面に形成した回折格子に
おいて導波光を回折させる方法が知られているが、前述
の回折光の様に７ＭモードとＴＥモードが混在している
導波光では、上記回折格子における回折角が僅かではあ
るが互いに異なる。その場合光導波路からは、２本の光
ビームが互いに光路が多少ずれて出射することになり、
それらを１点において小さなスポットに収束させること
が困難になる。そのような光ビームは利用価値が低く、
また用途によっては全く利用不可能となる。

回折した光ビームを光導波路の端面から直接出射させる
場合には、上述のような光ビームのずれの問題は起きな
い。しかしその場合でも、７ＭモードとＴＥモードが混
在した導波光がともに光導波路から出射するから、その
出射ビームは、相直交する２方向に直線偏光した成分を
含むものとなる。光導波路から出射した光ビームは、そ
の用途上、１方向に直線偏光していることが望まれるこ
とも多く、そのような場合には、上記のように２つの直
線偏光成分を含む光ビームは利用され得ないことになる
。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、ＬｉＮｂＯ３基板を用いながら光損傷が起き難く、そ
して１方向に直線偏光した１本の光ビームのみを得るこ
とができる導波路型音響光学素子を提供することを目的
とするものである。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明による導
波路型音響光学素子は、前述したようにＬｉＮｂＯ３基
板に形成された光導波路中に光ビームを導波させ、この
光ビームを表面弾性波により回折させるように構成され
た導波路型音響光学素子において、 回折前の上記光ビームが、ほぼＬｉＮｂＯ３基板の２軸
方向に導波するように光導波路を構成した上で、 該光導波路から出１１］＝ｔ　した回折光ビームが入射
する位置に、該回折光ビームの所定の直線偏光成分のみ
を通過させる光学部材を設けたことを特徴とするもので
ある。

なおこの光学部材としてより具体的には、偏光板か好適
に用いられる。また、光導波路から回折格子を介して回
折光ビームが出射せしめられる等の場合は、ＴＭモード
光とＴＥモード光とが相異なる光路を進行するようにな
る。そこでこの場合は、上記の光学部材として、所定の
光路の光ビムのみを通過させる簡１１１なピンホール板
や遮光板を利用することもてきる。

上述のような偏光板等を設けておけば、光導波路におい
て７ＭモードとＴＥモードが昼在した導波光による光ビ
ームのうち、一方のみを通過させて他方はカットするこ
とができる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の一実施例による導波路型音響光学素
子を利用した光変調装置ＩＯを示すものであり、また第
２図はその交叉くし形電極対（ＩＤＴ　：　Ｉｎｔｅｒ
−Ｄｊｇｌｔａｌ　　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　）の周囲
部分と電気回路を示している。第１図に示されるように
この光変調装置１０は、透明な基板１１上に形成された
スラブ状光導波路１２と、この光導波路１２に設けられ
たＩＤＴＬ３と、この光導波路１２の表面において互い
に離して設けられた光入射用線状回折格子（Ｌ　１ｎｅ
ａｒ　Ｇ　ｒａｔｉｎｇ　　Ｃｏｕｐｌｅｒ　：以下Ｌ
ＧＣと称する）１４および光出射用Ｌ　Ｇ　Ｃ１５とを
有している。なお上記ＩＤＴ１．３は、電極指間隔が段
階的に変化し、かつ各電極指の向きが段階的に変化する
傾斜指チャーブ交叉くし形電極対（Ｔｉｌｔｅｄ　−Ｆ
ｌｎｇｅｒ　　Ｃｈｉｒｐｅｄ　　ＩＤＴ）である０本
実施例においては、基板１１にＬｉＮｂＯ３ウェハを用
い、このウェハの表面にＴｉ拡散膜を設けることにより
光導波路１２を形成している。なお光導波路１２は上記
のＴ１拡散に限らず、基板１１上にその他の材料をスパ
ッタ、蒸着する等して形成することもできる。ただしこ
の光導波路１２は、上記Ｔｉ拡散膜等、後述する表面弾
性波が伝播可能な材料から形成される。また光導波路は
２層以上の積層構造を有していてもよい。

なお上記傾斜指チャープＩＤＴ１３は、例えば光導波路
１２の表面にポジ型電子線レジストを塗布し、さらにそ
の上にＡｕ導電用薄膜を蒸着し、電極パターンを電子線
描画し、Ａｕ薄膜を剥離後現像を行ない、次いでＣｒ薄
膜、Ａ１薄膜を蒸着後、有機溶媒中でリフトオフを行な
うことによって形成することができる。

変調される光ビーム１６を発する例えばＨｅ−Ｎｅレー
ザ等のレーザ光源（７は、平行光である該光ビーム１６
が、基板１１の斜めにカットされた端面１１ａを通過し
、光導波路１２を透過してＬ　Ｇ　Ｃ１４の部分に入射
するように配置されている。それにより、光ビーム１６
はこのＬ　Ｇ　Ｃ１４で回折して光導波路１２内に入射
し、該光導波路１２内を導波モードで矢印Ａ方向に進行
する。

ここでＬｉＮｂＯ３基板１１は、ｘ−ｃｕｔあるいはｙ
−ｃｕｔのものが用いられ（図ではｘ−ｃｕｔ）　、結
晶の２軸が上記導波方向（矢印Ａ方向）と一致するよう
な向きに配置されている。このようにすることにより、
従来から知られている通り、光導波路１２の光損傷を低
減可能となる。

第２図に示されるように傾斜指チャーブＩＤＴ１３には
、ＲＦアンプ５０、アッテネータ２０、合波器２１を介
して、−例として４つの高周波発振器３Ｌ３２．３３．
３４が並列に接続されている。、そしてこれらの高周波
発振器３１３２．３３．３４の各々と合波器２１との間
には、スイッチング回路４１．４２．４３．４４が介設
されている。上記の高周波発振器３１．３２．３３．３
４はそれぞれ、互いに異なる周波数ｆ１、ｆｌ、ｆ３、
ｆ、　　（ｆｌ　＜ｆｌ＜ｆ３＜ｆ４）の高周波電圧Ｒ
Ｆ１１ＲＦ２、ＲＦ３、ＲＦ＆を発生させる。これらの
高周波電圧ＲＦＩＳＲＦ２、ＲＦ３、ＲＦ、は、各々ス
イッチング回路４１．４２．４３．４４が閉状態とされ
ていれば、傾斜指チャープＩＤＴ１３に印加される。

傾斜指チャープＩＤＴ１３は、上記の高周波電圧ＲＦｌ
、ＲＦ２、ＲＦ３、ＲＦ、が印加されることにより、そ
れぞれ周波数がｆｌ、ｆｌ、ｆ３、ｆ４の表面弾性波１
８を発生する。なお、傾斜指チャープＩＤＴ１３に高周
波電圧ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦ３、ＲＦ、のうちの複数が
同時に印加されれば、表面弾性波１８は周波数重畳した
ものとなる。例えば、高周波電圧ＲＦ　１　、ＲＦ　２
　％　ＲＦ　３　、ＲＦムがすべて同時に傾斜指チャー
ブＩＤＴ１３に印加されれば、表面弾性波１８は周波数
ｆｌｓｆＺ、ｆ３およびｆ４が重畳したものとなる。

傾斜指チャーブＩＤＴ１３は、上記表面弾性波１８が、
光ビーム（導波光）１６の光路に交わる方向に進行する
ように配設されている。したがって光ビーム１６は、表
面弾性波１８を横切るように進行するが、その際該光ビ
ーム１６は表面弾性波１８との音響光学相互作用により
ブラッグ（Ｂ　ｒａｇｇ）回折する。

表面弾性波による導波光のブラッグ回折については従来
から知られているが、ここで簡単に説明する。光導波路
１２を伝播する表面弾性波１８の進行方向と、光ビーム
１６の進行方向とがなす角（Ｂ　ｒａｇｇ角）をθとす
ると、表面弾性波１８との音響光学相互作用による光ビ
ーム１６の回折角δは、δ−２θとなる。そして光ビー
ム１６の波長、実効屈折率をλ、Ｎｅとし、表面（ＩＩ
Ｉ性波導波の波長、周波数、速度をそれぞれＡＳｆ、ｖ
とすれば、 ２θ−２ｓｉｎ’　　ｌλ／（２Ｎｅ−Ａ））ユλ／（
Ｎｅ−Ａ） 一λ・ｆｌ（Ｎｅ−■） となり、２θっまりδは表面弾性波１８の周波数ｆにほ
ぼ比例する。したがって、傾斜指チャープＩＤＴ１３に
高周波電圧ＲＦＩ　５ＲＦ２　、ＲＦ３　、ＲＦ４が印
加されることにより、それぞれ第２図にｌｅａ、ｉｆ；
ｂ、１６ｃ、１６ｄで示すように、互いに異なる方向に
進行する回折光が生じることになる。

これらの回折光１６ａＳ１６ｂ、１６ｃＳ１６ｄは、第
１図に示される通り、０次光１Ｂ’　とともにＬＧＣ１
５において回折して、基板１１の斜めにカットされた端
面１１ｂから出射する。

前述したスイッチング回路４１４２．４３．４４はそれ
ぞれ、人力される変調信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に基
づいて開閉する。したがって、高周波電圧ＲＦｌ、ＲＦ
２、ＲＦ３、ＲＦ、それぞれの傾斜指チャープＩＤＴ１
３への印加は、これらの変調信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ
４に基づいて０Ｎ−ＯＦＦ制御される。それにより、表
面弾性波１６の各周波数ｆｉｓ　ｆｚ、ｆ３、ｆ４の成
分が０Ｎ−ＯＦＦされ、結局光ビーム１６ａ、　１６ｂ
、　１８ｃ、　１８ｄが各々信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ
４に基づいて０Ｎ−ＯＦＦ変調されることになる。

傾斜指チャープＩＤＴ１３は、第２図における下端部の
電極指部分が周波数ｆｌの表面弾性波１８（実線表示）
を励振し、上端部の電極指部分が周波数ｆ４の表面弾性
波１８（破線表示）を励振するように形成されている。

また、周波数ｆ２、ｆ３の表面弾性波１８は、上記両端
部の間の電極指部分において励振される。そしてこの傾
斜指チャーブＩＤＴ１３の各電極指は、周波数ｆ１　、
ｆｌ、ｆ３、ｆムの表面弾性波１８がそれぞれ、光ビー
ム１Ｂの光路上のほぼ１点において該光ビーム１Ｂを、
ブラッグ条件 駄ｕｉ＋１Ｋ−１ｋ （ＩｋＩＮ、　ＩＫ、　ｌｋは各々、回折前の光ビーム
１６、表面弾性波１８、回折光の波数ベクトル）を満た
して回折させるように、向きが段階的に変えられている
。なお上記波数ベクトルの関係を、第３図に示す。この
第３図中、ＩＫＩ　、ＩＫ２　、＋に３、ＩＫ、がそれ
ぞれ周波数ｆ１、ｆｌ、ｆ３、ｆ４の表面弾性波１８の
波数ベクトルであり、ｌｋｌ、　ｌｋ２．１に３　、Ｉ
Ｋ４が回折光ｌｅａ、　１８ｂ、　１６ｃ、　ｌｅｄの
波数ベクトルである。

このように本実施例においては、各周波数ｆ１〜ｆ４の
表面弾性波１８と光ビーム１６との間ですべてブラッグ
条件が満たされ、しかも各周波数ｆ１〜ｆ、の表面弾性
波の全パワーが光ビーム回折に寄与することになるので
、高い回折効率が実現される。

光導波路１２から出射した回折光１６ａ〜１６ｄが入射
する位置には、偏光板１９が配置されている。光導波路
１２に入射される光ビーム１６は、第１図中矢印で示す
方向に直線偏光したものとされ、該光ビーム１６は光導
波路１２においてＴＥモードで導波する。しかし、その
導波方向がＬｉＮｂＯ３基板１１のＺ軸と一致している
時、表面弾性波１８において回折した回折光１［ｉａ〜
１ｆ３ｄは、ＴＥ−ＴＥモモ−回折以外にＴＥ−ＴＭモ
モ−回折が起こるのてＴＥ、ＴＭ双方の導波モード成分
を持ち、光導波路１２を導波するようになる。そこで、
光導波路１２から出射した回折光１６ａ〜１８ｄはそれ
ぞれ、第１図中に矢印で示すように、相直交する方向に
直線偏光した成分を含むものとなる。

第４図に分かりやすく示すように、光導波路１２におい
てＴＥモードに回折した回折光ｌｅａ〜１６ｄ（図中実
線表示）は、光導波路Ｉ２においてＴＭモードに回折し
た回折光１６−ａ　−１６ｄ　（図中破線表示）に比べ
て、ＬＧＣ１５においてより大きく回折し、光導波路１
２から出射する。前述の偏光板１９は、第４図において
紙面に垂直な方向に偏光した成分のみを通過させるよう
に配置されている。したかりてこの偏光板１９により、
光導波路１２においてＴＭモードに回折した回折光１６
ａ〜ＩＧｄの成分はカットされ、ＴＥモードに回折した
回折光ｌｅａ〜ｌａｄの成分のみが取り出されるように
なる。

こうすることにより回折光１［ｉａ〜ｌｅｄは、偏光板
１９を通過後は、２つの偏光成分か互いに光路がずれて
存在するもの（偏光板１９の通過前はそうである）とは
ならず、これらの回折光１６ａ〜ｌｅｄを小さなスポッ
トに絞ることも容易となる。また、変読された光ビーム
として１方向に直線偏光した光ビームが求められる場合
でも、偏光板１９を通過した後の回折光ｌＧａ−１ｅｄ
は上述の通りの偏光状態となっているから、そのような
要求に応えられるものとなる。

なお、光導波路１２への光ビーム■６の入射、およびそ
こからの回折光ｌｅａ〜ＩＧｄの出射は、上記実施例に
おけるようにグレーティングカプラを利用する他に、例
えば第５図に示すように、シリンドリカルレンズ２７．
２８を介して、光導波路端面１２ａ１１２ｂから直接行
なうこともできる。その場合には、回折光ｌＧａ−１６
ｄの各偏光成分の光路がずれてしまうという問題は生し
ないが、その場合でも上記の偏光板１９を設けることに
より、一方向のみに直線偏光した回折光１［ｉａ〜Ｌ６
ｄを取り出せるという効果は同様に得られるものである
。

また上記の実施例では、光導波路１２においてＴＥモー
ドに回折した回折光ｔｅａ−１６ｄが偏光板１９を通過
するようにしているか、それとは反対にＴＥモードに回
折した回折光を偏光板でカットして、ＴＭモードに回折
した回折光のみが偏光板を通過するようにしてもよい。

そして光導波路１２は、上記実施例におけるＴｉ拡散膜
により形成されたものの他、プロトン交換あるん）は、
プロトン交換後にアニーリングしたもの等を利用するこ
とかできる。光ビームの分岐本数Ｎを多くし、また変調
速度を上げるためには、光ビーム１Ｇのビーム幅りか細
い方か有利であるが、そうすると、光導波路１２か光損
傷を起こしやすくなる。上記プロトン交換あるいは更に
アニーリングしたものによる光導波路は、この光ＩＮ　
（Ｈを起こし難いので、本発明の適用が特に望ましい。

またこの光損傷を防止することを考慮すると、通常のＬ
ｉＮｂＯ３基板よりも、ＭｇＯがドープされているＬｉ
ＮｂＯ３基板を用いるのが好ましい。

次に第６および７図を参照して、本発明のさらに異なる
実施例について説明する。なおこれらの図において、既
に説明したものと同等の要素については同じ番号を付し
、それらについての詳しい説明は省略する（以下、同様
）。

この装置においては、第１図の装置において用いられた
偏光板１９の代わりに、４つのピンホール６０ａ、　ｆ
ｉＯｂ、　８０ｃ、　６０ｄを有するピンホール板６０
が設けられている。このピンホール板６０は第７図図示
ノヨうに、ピンホール６０ａ、６０ｂ、８０ｃ、６０ｄ
がそれぞれ、ＴＥモードに回折した回折光１６ａ１１８
ｂ、１６ｃ、ｌｅｄ　（図中実線表示）を通過させるよ
うに配置されており、ＴＭモードに回折した回折光１６
ａ〜１６ｄ（図中破線表示）はここでカットされる。

次に第８図を参照して、本発明のさらに異なる実施例に
ついて説明する。この装置においては、第１図の装置に
おいて用いられた偏光板１９の代わりに、遮光板６１が
設けられている。この遮光板６１は、ＴＥモードに回折
した回折光１［ｉａ、　ＩＢｂ、　１６Ｃ１１６ｄ（図
中実線表示）の光路からは外れる一方、ＴＭモードに回
折した回折光１６ａ　−１６ｄ　（図中破線表示）の光
路に下端部が入り込むように配設されている。それによ
りこの場合も、ＴＭモードの回折光が遮光板６１におい
てカットされる。

なお、以上説明した２つの実施例においても、上記とは
反対に、ＴＥモードに回折した回折光をカットするよう
に構成可能であることは勿論である。

また、以上説明した実施例の導波路型音響光学素子にお
いては、光ビーム１８が複数に分岐されるようになって
いるが、一定周波数の表面弾性波で光ビーム１６を回折
させれば、勿論回折光が複数に分岐することはない。本
発明は、そのようにして１本の光ビームのみを変調する
導波路型音響光学素子においても当然適用可能である。

さらに本発明は、光変調器を構成する導波路型音響光学
素子のみならず、先に述べたような光偏向器や光スペク
トラムアナライザー等を構成する導波路型音響光学素子
に対しても同様に適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の導波路型音響光学素子
においては、光導波路における回折前の光ビームの導波
方向とＬｉＮｂＯ３基板の２軸とがほぼ一致するように
したので、光損傷を低減させることが可能となる。

その上で本発明の導波路型音響光学素子においては、光
導波路から出射した回折光ビームを偏光板やピンホール
板等の光学部材に通して、該回折光ビームの所定の偏光
成分のみを取り出すようにしたので、上述のように導波
方向を２軸方向に設定したことによる不具合を解消可能
であり、よって本導波路型音響光学素子は各種の用途に
広範に利用可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による導波路型音響光学素
子を用いた光変調装置の斜視図、第２図は、上記導波路
型音響光学素子の要部と電気回路を示す概略図、 第３図は、上記導波路型音響光学素子における光ビーム
の回折を説明する波数ベクトル図、第４図は、上記導波
路型音響光学素子の側面図、第５図は、本発明の別の実
施例を示す側面図、第６図と第７図はそれぞれ、本発明
のさらに異なる実施例を示す斜視図と側面図、 第８図は、本発明のさらに異なる実施例を示す側面図で
ある。 ｌＯ・・・光変調装置　　　１１・・・基　　板１２・
・・光導波路　　　　１３・・・傾斜指チャープＩＤＴ
１４．１５・・・ＬＧＣ１６・・・光ビームｌｅａ、　
１６ｂ、　１６ｃ、　１６ｄ−・・回折光１７・・・レ
ーザ光源　　　１８・・・表面弾性波１９・・・偏光板 ２７．２Ｂ・・・シリンドリカルレンズ３１．３２．３
３．３４・・・高周波発振器４１．４２．４３．４４・
・・スイッチング回路６０・・・ピンホール板　　６１
・・・遮光板第 ｊ 図 第 図 第 図 第 ７ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＬｉＮｂＯ＿３基板に形成された光導波路中に光ビーム
   を導波させ、この光ビームを表面弾性波により回折させ
   るように構成された導波路型音響光学素子において、 回折前の前記光ビームが、ほぼＬｉＮｂＯ＿３基板のｚ
   軸方向に導波するように光導波路が構成された上で、 該光導波路から出射した回折光ビームが入射する位置に
   、該回折光ビームの所定の直線偏光成分のみを通過させ
   る光学部材が設けられたことを特徴とする導波路型音響
   光学素子。