JPS5924016Y2 - 光変調器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、光変調器に関するものであり、電気光学結
晶内を光を伝播させるに際し、結晶内の光の伝播速度を
光の進行方向に垂直な方向に周期的変化させ、その結晶
に位相面の揃ったコヒーレント光束を入射して結晶から
角度の異なる複数の方向に出て来る光を得、各方向の成
分の強度が上記伝播速度の変化量に応じて変化する現象
を利用したものである。

考案者は、この種の光変調器を発明して、先に特願昭４
７−７２３４５号（特開昭４９−３１３３５号）なる特
許出願をしたが、その発明においては、電気光学結晶内
に光の伝播方向に垂直な方向に周期的変化する電界を作
り、その電界の示す電気光学効果によって同じ場所的周
期で光の伝播速度を変化させ、位相面の揃ったコヒーレ
ント光がその電気光学結晶中の該電界存在部分を伝播し
た結果として位相が光の伝播方向に垂直な方向に当該周
期で変化した光が得られ、位相が波面に沿って周期的変
化をしている波は平均の波面に対して小さな一定角の整
数倍の複数の一様平面波の重ね合わせからなるものであ
ることから、上記電気光学結晶から出た光が遠方におい
ては上記の複数の一様平面波の伝播方向において別々の
出力光束として観測され、その複数の出力光束の各成分
の強度は上記の位相の周期的変化の深さ、つまり元をた
だせば周期的変化をする電界を作るに用いられた電圧の
大きさに応じた変化をすることを利用しているのである
。

ところで、上述の複数の出力光束の伝播方向の角度は、
上記の電界の周期的変化の周期に反比例するから、実用
上十分な出力光束の分離を得るためには、電界の周期的
変化の周期は数分の１ミリメートルの程度とならなけれ
ばならないし、またこのような周期的な電界は、その周
期の０７２π）の厚さに集中することが知られているこ
とから、実際に周期的電界が存在する厚さは極めて薄い
範囲内となる。

したがって、この種の光変調器では、光変調として実用
上十分なだけの各光束の強度変化を得るには、上記の極
めて薄い電界集中部分内を十分な長さ光束を伝播させな
ければならず、そのための光の入射方法が重要な事項と
なる。

そこで、この考案は、電気光学結晶内の電界による電気
光学効果の作用が充分に存在する部分に有効に光束を通
すために、非結晶性の透光性薄膜で光束通路を形威し、
その中を導波姿態として光束を伝播させようとするもの
である。

この場合、非結晶性の透光性薄膜としては、電気光学結
晶を基板としてその上に形成されたそれ自体は電気光学
結晶を有しない透光性の薄膜（例えば、ガラス）が採用
される。

なお、薄膜の表面には、交互に正負電極に接続された等
間隔の電極を設け、電気光学結晶中に場所的周期電界を
作り、薄膜中を導波姿態の光束を伝播させるのである。

以下、図面に従ってこの考案の構造および作用を説明す
る。

第１図は、この考案における光変調器の一般的原理を誇
張して図解するものである。

電気光学結晶からなる変調素子１の中には周期九で２方
向に場所的周期変化をする電界Ｅ Ｅ＝Ｅ１ｓｉｎ ２ ｙｒｖ ｚ （１）が
作られ、その結果電気光学効果により同じ周期知で２方
向に屈折率の場所的周期変化が作られる。

３ｍ対称をもつ電気光学結晶を例にとｌ） Ｚ軸をその
Ｃ軸の方向にとれば、上記屈折率の変化分（無電界下層
折率ｎｅに対する変化量）は、で与えられる。

２はレーザー等のコヒーレント光源であって、これを出
た波長λ、強度Ｉの入射光束は、電気光学結晶中をｙ軸
方向に１だけ伝播した後、上記電界と同じ周期兵で位相
φが２方向にで与えられるような場所的周期変化をする
平面波となる。

この平面波は、伝播方向θｍ（直進方向に対する角度、
単位ラジアン）がそれぞれ θｍ＝ｍνλ（ただしｍ＝Ｑ、 ｌ、 ２．・・・）
（４）で与えられ、強度がそれぞれ Ｉｍ二■Ｊ２ｍ２ （ψ１）（５） で与えられる複数個の一様平面波に分解することができ
る。

ｍは、各成分平面波の次数と呼ばれ、Ｊｍはｍ次ベッセ
ル函数である。

各次教戒分の平面波は、変調素子１から十分離れた位置
に設けられたスリット３によって別々に出力光成分とし
て取り出すことができる。

第１図の例においては、零次成分Ｉ。

が取り出されている。各出力光成分の強度は、場所的に
周期変化をしている電界の振幅Ｅ１に応じて（５）式に
より定まる大きさとなる。

電界振幅Ｅ１が信号波に応じて変化すると、出力光はそ
れに応じた強度（振幅）変調を受けた光束となる。

第２〜４図は、２方向に場所的周期変化をする電界Ｅを
作るための電極構造の一例を示す。

第２図に示すように、櫛形電極１１．１２は、電気光学
結晶１０のｚｙ顔面上ホトエツチング法等で形成された
幅δの、単位長さ当り２ν本の、ｙ方向に長い等間隔の
金属膜が、交互に正負端子に接続されて形成されたもの
である。

電極１１および１２の間には、信号電圧■が加えられる
。

第３図は、第２図ＩＩＩの部分の拡大図であって、寸法
の一例が記入されている。

第４図は、第２図のＩＶの部分におけるｘｚ面に平行な
断面の拡大図であり、電界分布の様子が模式的に記入さ
れている。

はとんどの電気光学結晶は、１より十分大きな比誘電率
（タンタル酸リチウムでは、εｅ／ε０４３）を持つこ
とを考慮し、電気変位が結晶内に集中するという近似を
用いて解いた電界分布の２方向の場所的周期変化を、２
のフーリエ級数に展開したときの基本周期成分は、 で与えられる。

（６）式において明らがなように、２方向に場所的周期
変化をする電界は、実質的には表面から名ルの深さに集
中した表皮電界を形成する。

ここで横形電気光学変調器の場合の半波長電圧の定義に
ならって が得られる。

次に、上記のような変調用電極が表面に設けられた厚さ
ｄの電気光学効果をもつ誘電体膜の中を、導波姿態の光
が伝播する場合について考える。

その電磁界強度φ（Ｘ）が のように修正される。

φ２（Ｘ）は近似的にヲを中心に対称な分布をもち、多
くの誘電体膜光導波路においては、ｄ＝λにえらばれる
から、 の条件が満たされるようにνをえらぶことかできる。

この場合には、十分良い近似で、（５ａ）はで゛代用す
ることができる。

この考案は、上式の関係で考えるように、薄膜の中を導
波姿態のコヒーレントな光束を伝播させようというもの
であるが、そのような薄膜光導波路は、通常法の３種の
方法で作成される。

第１は、半導体単結晶の基板中のある深さにイオン注入
法等により屈折率が変化した薄層を形成する方法、第２
は結晶性基板上にエピタキシアルにその基板と類似の結
晶構造をもつ単結晶薄膜を形成する方法は、第３は結晶
性基板の上にスパッタリング法等によってガラス性（無
定形）の薄膜を形成する方法である。

ところで、この考案は、特に製作の容易性を考慮して、
上記第３の方法を採用しようとするものである。

次に、この考案の構成に重要な薄膜光導波路に導波姿態
のコヒーレントな光束を伝導させるための光結合手段に
ついて説明する。

第５図は、プリズムによる光結合手段を説明するための
図である。

レーザー２を出た光束は、互いに焦点を共有する２つの
凸レンズ２０．２１により拡大された平行光束となり、
入力結合プリズム２３に入射する。

結合プリズム２３は、緩衝膜１５を介して、基板１６上
に形成された薄膜光導波路１０に取り付けられている。

入力結合プリズム２３、緩衝膜１５、薄膜光導波路１０
、および基板１６の屈折率は、それぞれｎｐ。

ｎｂ、ｒｌｒおよびｎ５であるとする。

これ等の屈折率の間には の関係があるものとする。

入力結合プリズム２３から緩衝膜１５に向っての入射角
をθとし、とすれば、通常入射光束は、図中右上向き矢
印の方向に全反射する。

この場合真空中のレーザー光の波数をＫ。

−２π／λとしでｐ、を定義すれば、結合プリズム２３
と緩衝膜１５の境界から緩衝膜１５へ向ってｅ ｐｂｘ
の割合で減衰する進入電磁場が存在する。

θがｎ、ｓ ｉｎ□＝ｎｂを満す臨界角□に近く、緩衝
膜の厚さ力＝％。

−λ／２πに比してあまり厚くないものとすれば、緩衝
膜１５を通して薄膜光導波路１０へわずかながら電磁界
が漏れ入って行く。

ｎｐｋｏＳｉｎθで与えられる波数ベクトルのｙ軸方向
（すなわち、薄膜光導波路中での光の伝播方向）の成分
が薄膜導波路中の波数ベクトルｋｇに等しく、 の関係が成立すれば、上記の漏れの電磁界は、入射光束
全体にわたって同じ位相で導波姿態の光束を薄膜光導波
路中に誘起する。

ｋｇの大きさは、第６図に示すように導波姿態の種類（
つまり、ＴＥｏ。

ＴＥｌ、ＴＭｏなど）によって異なる値を示すが、すべ
て で表わされる関係にある。

第６図は、計算の簡単なため、ｎｂ−ｎｓの関係を満す
例について画かれているが、この関係は薄膜導波路に対
する光結合のために必要な条件ではない。

（１３）式の条件が満され緩衝膜の厚さとｐ、の関係が
適当であれば、結合プリズム２３内での全反射光は消失
し、大部分のエネルギーは（１４）式のｋｇの値によっ
て選択された導波姿態の光束に変換される。

薄膜導波路１０中を伝播した光束は、出力結合プリズム
２４によって薄膜導波路１０の外に取り出され、凸レン
ズ２２によってその焦点の位置に結像される。

第７図は、位相光学格子による光結合手段の構造を説明
する図である。

レーザー２を出た光束は、互いに焦点を共有する２つの
凸レンズ２０．２１により拡大された平行光束となり、
入力位相光学格子２５に入射する。

位相光学格子２５の格子間隔をＳとし入射角をθとすれ
ば、ｙ軸方向の光の電磁界の変化は、位相光学格子によ
る空間位相変調の深さをψで表わして、 で与えられる。

このような電磁界は、第１図の説明と同様な原理で、１
２ｍ（ψ）の強度をもつｅｌ（ｋ。

ｓｉｎθ＋ｒｎ”Ｅ） ｙのようなｙ軸方向の電磁界の
変化をする波に分解される。

したがって、参の条件が満されれば、位相光学格子によ
って空間位相変調をうけた入射光束は薄膜光導波路１０
の中に導波姿態で伝播する光を誘起する。

第７図は、ｍ＝＋１が（１４ａ）式を満す場合について
画かれている。

ｍ＝Ｑ、ｍ＝−１の回折成分は、それぞれ■ｏおよびＬ
ｌを付した矢印の方向に伝播する波となって失われる。

第８図は、この考案の実施例の１つを図解する。

レーザー２を出たコヒーレントな光束は、互いに焦点を
共有する凸レンズ２０．２１で拡大された平行光束に変
えられ、入力結合プリズム２３に入射する。

入射した光のエネルギーの大部分は、緩衝膜１５を介し
て、電気光学結晶１６の上に形成された厚さｄの非結晶
性薄膜導波路１０の中へ導波姿態の光束に変換されて入
り、薄膜導波路中をｙ軸方向に伝播する。

電極１１および１２は、Ｚ軸方向に周期九で場所的周期
変化をする表皮電界を、電気光学結晶中に作る。

この表皮電界により電気光学結晶１６の屈折率ｎ５が同
周期の場所的周期変化をする。

薄膜光導波路１０の中の導波姿態の光束の波数ｋｇは、
薄膜自体の屈折率ｎｆだけでなく、それに隣接して反射
境界面をなしている緩衝膜１５の屈折率ｎ、および基板
１６の屈折率ｎ５にも影響されて定まり、ＴＥｏモード
に対しては、 の関係が成立する。

したがって、基板１６をなす電気光学結晶の屈折率ｎ５
の場所的周期変化により、ｋｇも同じ周期の変化をする
ことが分かる。

ｎ５の変。１化に対するｋｇの変化率は、 により、 （１５）式を微分すること で求められる。

ここでは、（ｋｇ” −ｎ５”ｋｏ” ） 寺：＞ ２
πνであって電気光学結晶中光の電磁場の存在する領域
には十分表皮電界の浸透している近似的に一様な電界を
仮定出きるものとしている。

薄膜光導波路１０中を長さｌだけ伝播した後、導波姿態
の光束は、その位相φが、 のような場所的周期変化をすることになる。

ここで、Ｅｌは、（６）式で与えられるものに対して薄
膜先導波路中での表皮電界の変化を考慮して、のように
修正されねばならない。

２πνｄ＜１ならば、当然ｆ （２πνｄ）＝１であ
る。

このように位相が場所的周期変化をなす光束は、強度Ｉ
ｍが、それぞ゛れ で与えられる複数個の光束の重ね合わせとなる。

これら複数個の光束が、出力結合プリズム２４によって
外部に取り出され、焦点距離ｆの凸レンズ２２によって
その焦点面にそれぞれ分かれて結像し、スリット３によ
り選択して取り出される。

この場合、上記（５ｃ）式中の”−ｄｎｓの値ηは、大
体１程度であるから、導波路自体が電気光学効果をもつ
場合と実質的に同様な変調効率をもつ有効な光変調器を
構成できる。

第９図は、νδ（ｌの近似を用いて（５Ｃ）式によって
与えられる出力光Ｉｍの変調率ｘｍの値が、ｍ＝Ｑおよ
びｍ＝１に対して画かれている。

横軸は、Ｖ′π／８ην１ｆ（２πνｄ）を単位とした
電極間電圧■で与えられている。

シ二１００ｍｍ’。１ ” ２０ ｍｍＶ’ｙｒ ＝
１９３０ボルト、ｄ＝０．６Ｘ１０−３ｍｍとすると、
この単位は０．１２８ボルトである。

この数値例では、πシｄン０．１８であって、（１０）
式の条件は十分満たされており表皮電界は薄膜光導波路
中に浸透している。

上記の数値例は、この変調器が如何に効率がよいかを示
している。

薄膜先導波路の比誘電率を２８、電極の幅（２方向）を
１μｍ（補正項が無視できる程度に細い）としたときの
電極間容量は、約１２０ （ＰＦ）である。

以上要するに、この考案においては、電気光学結晶から
なる基板の上にそれ自体は電気光学効果を有しない非結
晶性の透光性薄膜を形威し、その表面に正負交互に設け
た一組の櫛形電極を設けるようにしたことにその特徴が
あり、これにより前記薄膜と電気光学結晶の屈折率の大
小関係のみを考慮してスパッタリング法又は電子ビーム
蒸着にてこの種の光変調器を容易に製作することができ
る。

また、かかる構成の光変調器においては薄膜が非結晶性
であるため、これを電気光学結晶からなる基板に取り付
けても該基板に格子欠陥による屈折率の不均一化や格子
定数の差による歪みを生じさせることがないのみならず
、基板の格子欠陥によって薄膜の屈折率に不均一化をも
たらすこともなく、常に所望の特性を有する光変調器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の原理を図解する模式図、第２図はこ
の考案の変調素子たる結晶を示す斜視図、第３図は第２
図のＩＩＩ部分の表面拡大図、第４図は第２図のＩ■−
■Ｖ線断面拡大図、第５図はこの考案における導波姿態
変換の１例を示す断面図、第６図は導波姿態の関係を示
すグラフ、第７図は導波姿態変換の他の例を示す断面図
、第８図はこの考案による光変調器の１例を示す図、第
９図は変調率を示すグラフである。 符号の説明、２・・・・・・レーザ、１０・・・・・・
非結晶性の薄膜光導波路（透光性薄膜）、１１．１２・
・・・・・電極、１５・・・・・・緩衝膜、１６・・・
・・・電気光学結晶、２０，２１．２２・・・・・・凸
レンズ、２３・・・・・・入力結合プリズム、２４・・
・・・・出力結合プリズム。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 電気光学結晶からなる基板の上に光導波路を形成するよ
   うに設けたそれ自体は電気光学効果を有しない非結晶性
   の透光性薄膜と、この透光性薄膜中に所定の波数ベクト
   ルが得られる入射角にて位相面の揃ったコヒーレント光
   束を入射させる手段と、前記薄膜中を導波姿態として伝
   播したコヒーレント光束を所定の出射角にて出射させる
   手段と、前記基板中に前記コヒーレント光束の伝播方向
   に垂直な方向に場所的に周期的変化をする表皮電界を生
   じさせるように前記薄膜の表面に正負交互に設けた一組
   の櫛形電極と、この電極に変調信号に応じた電圧を与え
   る手段とを備えることにより、前記薄膜によって形成し
   た光導波路中に前記コヒーレント光束を伝播させた結果
   として角度の異なる複数の方向に進行する出力光束を得
   、その出力光束のうち少くとも一つの光束の強度を変調
   信号に応じて変化させるようにした光変調器。