JPS6083919A - 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】 〔技術分野〕 本発明は、光の進行方向を変化させる光偏向器としての
機能もしくは光の強さを変化させる変調器としての機能
を有する音響光学素子に関するものである。

〔従来技術〕

音響光学素子は、音響波、例えば超音波により、物質中
に落度の疎密を周期的に生じさせ、その密度の疎密が光
の回折格子として作用し、この物質中を通る光の進行方
向を変化させるものである。

この現象を利用し、音響光学素子は、光の進行方向を変
化させる偏向器として用いられ、さらにまた、光のデジ
タル・アナログ変調器としても使われている。また、最
近では、光ファイバの障害点探索用測定器である光パル
ス試＠器を構成する方向性結合器としても応用されてい
る。

音響光学素子の材料としては、液体、ガラス。

結晶等がちるが、その中でも結晶は音響ブＣ学素子の性
能の良さを表わすフィギュア・メブ・メリット（性能指
数）が大きい。しかしながら、結晶はその異方性のため
に、入射する光の偏光方向に応じて性能指数が異なり、
回折効率に相ｊ１１が生ずる。

したがって、偏光状態が時間的に変化する光を偏向ある
いは変調するとき、回折光介た非回折光が入射光の偏光
状態に対応して変動す、？−０このことはアナログ変調
のときに特に大きな問題となる。

まだ、音響光学素子を光パルス試鹸ン）Ｊの方向性結合
器に応用する場合にも、光強度に比例した光パワーを回
折により取り出せないため、光パルス試験器の機能を損
なうことになる。この問題を説明するために、まず、音
響光学素子を方向性結合器として使用した光パルス試験
？Ｈについて第７図を用いて説明する。

第７図において、／はイ＜ルス発生器、２（はレーザ光
源、３は音響光学素子の駆動回路、４（、Ｊ’および≦
はレンズ、７は音響光学素子、ｇは光ファイバ、９ぽ受
光器、／θは増幅器、／／は表示装置、／２は超音波発
生用トランスジューサである。

第２図は第７図中の各部の信号波形を示す。

パルス発生器／によって駆動されだレーザ光源２は第２
図（４）に示すレーザ光を送出する。このレーザ光は、
レンズμ、音響光学素子７およびレンズＳを通過したの
ち、光ファイバざに入射する。

光ファイバざからは第２図（Ｂ）に示す信号光が反射さ
れてレンズＳに戻ってくる。この信号光のうちの先端の
大振幅の信号はファイバ入射端面で反射されたフレネル
反射であり、それに続いて、指数関数的に減少している
信号は、光ファイバｒ内で後方に散乱されたレイリー散
乱光である。

これらの反射光が音響光学素子７に戻ったときに、駆動
回路３から第２図（Ｃ）に示すように供給されるＲＦ倍
信号よりトランスジューサ／ノを介してこの音響光学素
子７を動作させて反射信号光を受光器９の方向に回折さ
せる。その際に、第２図（０）に示すＲＦ倍信号動作時
間を適切に調節することによシ、振幅が大きいことに起
因して受光器ワを飽和させてしまうフレネル反射光は回
折させず、光ファイバざがらレイリー散乱されＣ戻って
きた信号のみを受光器ワの方向に回折させる。したがっ
て、回折された光は第２１図（Ｄ）に示す波形となる。

この信号光は非常に微弱なため、受光８４９で電気信号
に変換されたのち、増幅：俯／θにより増幅されて、表
示装置ｌ／に表示される。

しかしながら、元ファイバにがｊ）シーモード光ファイ
バの場合には、この光ファイバざがら）Ａってきた光は
、一般に、ファイバ断面におけるｙ軸とｙ軸の偏波方向
により伝搬定数がわずかに異なるため、後方散乱光の偏
光状態は、光ファイバδ′の長さに対応した位相差によ
シ、第３図Ｉ／（示すように、時間の経過と共に直線偏
波、＋１１円偏波および円偏波の各状態を繰り返す。こ
のような後方ｉＦｉ乱光を、入射する光の偏光方向によ
り、回ｊ）ｉ効率の異なる音響光学索子７で回折させる
と、その回折光は、第一図（Ｄ）に示した波形とはつ′
（なり、第２図［有］）に示すようにゆらぎのある波形
どなる。この現象は光ファイバｒ自体の障害の有無と区
別するのが困難であり、また、後方散乱光の・ｔ、／４
衰率から光ファイバの損失を評価することも不可能であ
り、光パルス試験器の構成上大きな間ｋｎである。

〔目　的〕

そこで、本発明の目的は、これらの欠点を解決するため
、音響光学素子を構成する結晶において光が入射する端
面を超音波の伝搬する方向に対して適切に傾けることに
より、常光および異常光に対する音響光学素子の回折効
率を同一にするようにした音響光学素子を提供すること
にある。

〔発明の構成〕

かかる目的を達成するために、本発明では、音響光学効
果を持つ結晶中に、音響波による周期的な屈折率変化を
生じせしめて、前記結晶中を通る光の進行方向を変化さ
せるようにした音響光学べ、子において、音響波を前記
結晶の光学軸方向に伝搬させ、前記結晶の、光が入射す
る端面を、当該音響波の伝搬方向に対して傾ける。

ここで、前記結晶に前記音響波を発生させるトランスジ
ユーザを有し、該トランスジユーザの長さをＬ１前記音
響波の周波数をｆ１前記音響波の速度を■、′沿光およ
び異常光に対する前記結晶の屈折率をそれぞれｎｏおよ
びｎ、、常光および異常光に対する音響光学素子の性能
指数をそれぞれ’＋＋および”１５とするときに、前記
結晶の端面と前記音響波の伝搬方向とが彦す角α（ｒａ
ｄ　）が、Ｍ１１≧’１Ｍのときに、 の範囲にあり、 Ｍｌｌ〈Ｍ１３のと＠１ｆこ、 ただし、ここで、 ５ｉｎｃ”（Ｘ）は５ｉｎ（Ｙ）／Ｙ（たたし、ＯくＹ
くπ）の逆関数、 ｒ　＝　５ｉｎｅ−１（０，ｓ　）キへ３ｑ１５の範囲
にあるのが好適である。

さらにまた、 １、（１１≧Ｍ１３のときに、 であり、 ＭＩＩ＜Ｍ＋３のときに、 ただし、ここで、 ５ｉｎＣ”（Ｘ）は５ｉｎ（Ｙ）／Ｙ　（ただし、０く
Ｙ・くπ）の逆関数、 ｒ　＝　５ｉｎＣ−”　（ｏ、ｓ　）　＝−八３ｑ１５
であるのが最も好適である。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明を）１ト細に説明する。

本発明の実施例を示すのに先立って、本発明の原Ｊ−１
１！を［スを用いて説明する。

第１１図は、光ファイバどから反射されて戻ってくる光
が入射する端面を超音波の伝搬する方向に対し角度αだ
け傾けた本発明音響光学素子（以後ＡＯ：ギー子と略す
。）２７における光の回折の梯子を表わしたものである
。この人Ｏ素子ノアへの入射光／３は駆動回路３により
駆動されるトランスジユーザ／２によシ発生された超音
波／グにより回」ノ１烙れて回折つ’（−、／Ｓとなり
、進行方向が変えられる。このＡＯ累子〃へ入射する光
１３０入射角度をθ。、ＡＯ木子と、スネルの法則によ
り、 ｎ−５ｉｎ（０−α）　＝　ｓｉｎθ。（１）となる。

実際には、ＡＯ素素子例異方性のため、入射光／３の偏
光方向によシ屈折率ｎが異なる。結晶の光学軸と超音波
／グの進行方向とが一致するときには、入射光１３の偏
光方向が超音波／グの進行方向に垂直（第１図における
紙面に垂直）な場合には、屈折率ｎは常光に対するＡＯ
Ｏ子２７の屈折率ｎ。、同じく平行な場合には、屈折率
ｎは異常光に対するＡＯ素素子例屈折率ｎｏに対応する
。従って、（１）式は次の（２）式のようになる。

ｎ、ｓｉｎ　（θ−α’　−ｎｅ　Ｓｔｎ　（０／−α
）＝ｓｉｎ０ｏ（２）上 ここで、θおよびνは、それぞれ、常光および工 異常光がＡＯ素子刀内で超音波ｌｌの進行方向となす角
を表わす。

一方、ＡＯ素素子例より光を効率良く回折するだめには
、以下に示すブラッグの条件を満足しなければならない
。

ｎｏ　ｓｉｎθ、＝ｆλ／、２ｖ（５，１）ｎｅ　ｓｉ
ｎθ／＝　ｆλ／２ｖ（６・２）ここで、ｆおよびＶは
、それぞれ、超音波／グの周波数および速度であり、λ
は′）Ｙ：の波長である。

（２）式と（６，１）および（５，２）式よりわかるよ
うに、α←Ｏのとき、（５，１）および（３，２）式（
ｔ：３、同時には成立しない。今、（５，旬および（５
，２）式隆満たすθユおよび０７をそれぞれθおよおよ
０−　ＯＢ、とする。

また、θ／＝θＢ／のときにθよのθお−１からのずれ
角Δθ−θよ−らよをめると、（２）式、（５，ｉＪ式
および（５，２）式から・ Δθ　＝　α　（／−−ン　（４） ｎ。

となる。但し、ここで、θ□−α＜：ｌおよびシーαく
／とした。

このような角度ずれがあるときのＡｏ、４千２７の回４
１”ｒ効率ηは近似的に次式（５）で与えられる。

１ｎｘ２ １　＝　ＧＮＰ　（−Ｊ ここで、Ｃは比例定数、１ＨよＡ　Ｏ−＋、　−＜−）
７の性能指数、Ｐは音響波パワー、Ｌは音響波４−発生
させるトランスジューサ１２の長さである。

性能指数Ｍは、一般的に、常光および異常光のそれぞれ
に対して、Ｍｌ、およびＩ４１３と異なる値を持つ。今
、Ｍｌｌ＞　Ｍｌ　３とし、ＡＯＯ子２７の端面の傾き
角αを変化させたときのこのＡＯ紫子刀の回折効率と入
射角θ。との関係を模式的に第３図（４）〜（Ｄ）に示
す。ここで、実線および破線はそれぞれ常光と異常光に
対する回折効率（それぞれη。およびη０とする）を表
わしており、Ａ　＝　ＣｉＭ、、ＰおよびＢ−ＯＭｌｌ
Ｐは常光および異常光に対する回折効率の最大値を示す
。第Ｓ図（Ａ）に示すように、α＝Ｏのときには回折効
率が零のときを除きη。箒η。であるが、第Ｓ図（Ｂ）
〜（Ｄ）　Ｋ示ずように、α〉０のときには、η。＝η
０となる入射角度が存在する。

第５図（Ｂ）および（Ｄ）はη。−（η８の）σ大仏）
×コとなる場合であり、そのときの傾き角αをそれぞれ
α１およびα３とし、また入射角θ。をθ１およびθ３
とする。まだ、第３図（Ｇｉ）はη。＝（η０の最大値
）となる場合を示し、そのときの傾き角αをα２、およ
び入射角Ｏ８をθ２とする。官う１でもなく、第ｊ　ｒ
Ｊｌ’（０）の場合（α＝α２）に最大の回ＪＪｉ効率
が得られ・η０−η０とすることが可能である。寸だ、
α１≦α≦α３の゛ときにη。≧了η。であり、傾き角
αをこの範囲に定めることが実用上■Ｉ要である。傾き
角α４．α２．α３および入射角０１．０２１　’３の
値は（１）〜（５）式から以下のようにめられる。

＼ ｒ　−□・　−一−−― ｈ　＋ ｌ　ＩＩ　１１　ＩＩ　１１　１１ ｂ　ｄ　述　ｅｘ３−　ｅ″　Ｊ ここで、５ｉｎｅ−’（ｌは５ｉｎ（Ｙ）／Ｙ　（ｏ　
＜　ｙ　＜ｘ　）の逆関数であり、またｒ　＝　５ｉｎ
ｃ−１（０，！；）　−！；−／、３９Ｂ；　テある。

以上はＭ４．〈に５．の場合であるが、Ｍｌｌ”１３の
場合にも同様にめられ、この場合には、（６）式におい
て、ｎｏとｎｏおよび髭、３と）１１１１を互いに交換
すればよい。

次に、本発明音響光学素子の具体的な設計例として、Ｔ
ｅＯ２結晶を用いた例を示す。ＴｅＯ２結晶は非常に大
きな性能指数を持っているが、常光および異常光に附し
てその値はわずかに異なる。ＴｅＯ２結晶の音響光学的
パラメータは以下の通りである。

λ＝０．乙３３ｎｍにおいて、 Ｍ＋−二３グ、５　Ｘ　１０　”ＳンｇＭ、５＝　、２
ｓ、ｔ　ｘ　１ｏ−１８ｓ５／ｇｎｏ　：ｌ：　２＋＋
２６０　、ｎｅ二２．’ｌ／２ｖ　＝　ｔｉ、２ｏｏ　
ｍ／　ｓ １だ、ｆ　”　／２０　ＭＨｚ　、　Ｌ　＝　７ｇ　ｍ
ｍと仮定すると、α　＝２．１／　Ｘ’　１０”−’　
［ｒａｄ　）　＝　０．／乙　（ｄｅｇ）α　＝へ′７
．７！×ｌθ−’　（ｒａｄ）　＝　０．９１　（ｄｅ
ｇ）α　：　ｊ、７ｊ　Ｘ　／θ−’　（ｒａｄ）＝　
３．．２９　（ｄｅｇ〕θ　＝　／、９０　Ｘ　／θ−
’　（ｒａｄ）　＝　−０，／／　（ｄｅｇ）θ　−−
３，，２３Ｘ　／θ−２（ｒａｄ）＝−／、ｔｊ　（ｄ
ｅｇ：１− θ　＝　−／、、２！；　ｘ　１θ−１（ｒａｄ）＝　
−７，／タ　（ｄｅｇ　）となる。

この設計値に基づいた本発明の一実施例を第４図に示す
。

ここで、ＡＯ素子刀としてはＴｅＯ２を使用し、これに
取付けたトランスジューサー２の長さＬは１１　ａｍと
した。光の入射角θ０は一部、１！；０、ＡＯ３子刀０
端面の傾き角αは０．９ざ０とした。レーザ光踪２から
レンズグには光ファイバー６で光を導き、レンズ６から
受光器９には光ファイバー７で光を導くようにした。こ
こで、これら光ファイバサ、／乙および／７は多モード
ファイバまたは単一モードファイバの何れの光ファイバ
でもよい。

このようにして構成された光パルス試験器用方向性結合
器の挿入損失は、偏光依存性を全く示さなかった。なお
、第６図においては、Ａｏ＞子２７の端面２７ｂは端面
ノアａに平行なｍ］として措いであるが、第を図・の方
向性結合器の動作において回折効率の偏波依存性をなく
すためには、端面ＩＩａと超音波／グの進行方向とがな
す傾き角αが１１（要であるが、端面ｎｂは関係しない
。したがって、端面２７ｂは端面２７ａと平行である必
要はない。

その入射端面を、超音波の進行方向に対して傾けること
により、回折効率の偏波依存性をなくす−ことができる
ので、以下に示すような利点がある。

（リ　音響光学素子へ入射する光の偏光方向を制御する
必要がない。従って、偏光方向を制御することが困難な
光ファイバからの出射光に対しても、音響光学素子を有
効に適用することができる。

（２）　単一モード光ファイバからの後方散乱光のよう
に、偏光している光に対しても、入射した光の強度に比
例して、光を回折により取り出すことができるので、回
折による光強度のサンプリング測定を正確に行うことが
できる。

（５）　時間的に偏光方向および偏光状態が変化する光
に対しても、歪の少ないアナログ変調が可能である。

なお、以上では本発明音響光学素子を音響波として超音
波を用いた場合について説明してきたが、本発明は超音
波を用いる場合に限らず、広く音響波に対して有効に適
用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は音響光学素子を方向性結合器として用いた光パ
ルス試験器の構成例を示す構成図、第一図（４）〜（支
））は第７図の各部における信号波形を示す信号波形図
、 第３図は単一モード光ファイバからの後方散乱光の偏光
状態の説明図、 第１図は本発明による斜め端面をもつ音響光学素子の基
本構成を示す線図、 第Ｓ図（４）〜（Ｄ）は斜め端面の傾き角度と常光（実
線）および異常光（破線）の回折効率との関係を示す線
図、 第６図は本発明音響光学素子を、光パルス試験器を構成
する方向性結合器忙適用した例を示す構成図である。 ／・・・パルス発生器、 ２・・・レーザ光源、 ３・・・音響光学素子駆動回路、 ダ、Ｓ、乙・・・レンズ、 ７・・・音響光学素子、 ざ・・・光ファイバ、 ９・・・受光器、 ｌθ・・・増幅器、 ｌ／・・表示装置、 ２７・・・本発明による音響光学素子、１２・・・超音
波発生用トランスジューサ、／３・・入射光、 ／ｌ・・・伝搬超音波、 ７．５・・回折光、 ＩＩ　Ｉり１１．■−１マス＋２ 第１図 第２図 呵闇 第４図゛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）音響光学効果を持つ結晶中に、音響波による周期的
   な屈折率変化を生じせしめて、前記結晶中を通る光の進
   行方向を変化させるようにした音響光学素子において、
   音響波を前記結晶の光学軸方向に伝搬させ、前記結晶の
   、光が入射する端面を、当該音響波の伝搬方向に対して
   傾けたことを特徴とする音響光学素子。 ２）前記結晶に前記音響波を発生させるトランスジュー
   サを有し、該トランスジューサの長さをＬ、前記音響波
   の周波数をｆ、前記音響波の速度をｖ１常光および異常
   光に対する前記結晶の屈折率をそれぞれｎｏおよびｎｅ
   ｓ常光および異常光に対する音響光学素子の性能指数を
   それぞれＭ＋＋および’１Ｍとするときに、＾＋Ｔ君−
   ＃人１　σ）外面　μ　素行　ロー喜　瀞ル自Ｉｔ　４
   ）君；拵Ｈ−１ジ　白　Ｌがなす角α（ｒａｄ　）が、 Ｍ＋＋≧’１３のときに、 の範囲にあり、 Ｍｌｌ＜Ｍ１３のときに、 ただし、ここで、 ｓ：Ｌｎｃ−’（Ｘ）は５ｉｎ（Ｙ）／Ｙ（ただし、０
   　りＹ　’ｌ−π）の逆関数、 γ＝　５ｉｎｅ−１（ｏ、ｓ　）中／、３９１ｇの範囲
   にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の音
   響光学素子。 ３）前記結晶に前記音響波を発生させるトランスジュー
   サを有し、該トランスジユーザの長さをＬ１前記音響波
   の周波数をｆ　Ｘ１３４．Ｉ記音響波の速度を■、常光
   および異常光に対する前記結晶の屈折率をそれぞれｎ。 およびｎ。、常光および異常光に対する音響光学素子の
   性能指数をそれぞれＭｌｌおよび”＋ｓとするときに、
   前記結晶の端面と前記音響波の伝搬方向とがなす角α（
   ｒａｄ　）が、 Ｍ１１≧Ｍ１３のときに、 であり、 Ｍ１４”＋３のときに、 ただし、ここで、 ５ｉｎｃ＝　（Ｘ）は５ｉｎ（Ｙ）／Ｙ　（ただし、Ｏ
   りＹ＜π）の逆関数、 ｒ　＝　５ｉｎｅ−’　（０，！；　）　＊へ３９／Ｓ
   であることを特徴とする特許請求の範＠第１項記載の音
   響光学素子。