JPS6132032A - 位相変調素子 - 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】 （イ）　　技　　術　　分　　野 本発明は、光フアイバジャイロなど光を利用した計測や
光通信に於て用いられる光の位相変調器に関する。

光フアイバジャイロは、飛行機、船、自動車など運動体
の回転角速度を検出する装置である。これは、１つの光
線をビームスプリッタで２つの光線とし、シングルモー
ドファイバをコイル状に巻回したファイバコイルの両端
に入射させ、コイルが角速度Ωで回転している場合に生
ずる右泄り光、左廻り光のコイル通過時間の差を測定し
て、角速度Ωを知るものである。

コイル通過時間の差は、位相差Δ０となって現われるか
ら、左廻り、右廻り光を干渉させて、干渉光の強度を測
定すれば、位相差Δθを知る事ができる。

ところが、左廻り光、右廻り光ともに変調されていない
場合、干渉光はｃｏｓ（Δθ）の形で、位相差を含み、
微少回転速度に於て、特に検出感度が悪く、又回転の方
向が分らない、という欠点があった。

これを解決するため、一方の光の径路をπ／２だけ長く
し、ｓｉｎ　（Δθ）の干渉光強度を直接得るようにし
たものが提゛案されている。これは、左廻り光、右廻り
光の光路が分離されている。一方の光だけを位相シフト
するのである。

位相シフトの他に、周波数を変調するもの、位相変調す
るものが提案されている。例えば、音響光学素子を用い
て、光の周波数をフォノンの周波数分たけ周波数変調す
る。

位相変調するものは、光路長を周期的に変化させて、光
の位相を変調する。

（イ）　　従　　来　　技　　術 光路長を変化させるには、実際の光路を物理的に伸縮さ
せるか、又は一部の屈折率を変化させるか、いずれかが
なされなければならない。

従来の位相変調器は前者に属する。第５図に、圧電振動
子５１に光ファイバ５２を巻きつけた従来め位相変調器
を示す。

圧電振動子５１に電圧を掛けると、これが、半径方向、
軸方向に変形する。半径方向に膨縮すると、これに巻き
付けた光ファイバ５２も、比例して膨縮する。すると、
光ファイバ５２の全長が変化する。屈折率も変化する。

このようにして、圧電振動子５１に加えた信号の周波数
と同じ周波数で、光の位相が変化する。実際には、圧電
素子を共振回路の素子として使い自励発振させる。他に
発振器を用いるのではない。

しかしながら、圧電振動子・光フアイバ型の位相変調器
には次の難点がある。

（１）圧電振動子の共振を利用しており、共振周波数が
安定しない。圧電素子として、通常、ＰＺＴがよく使わ
れる。ＰＺＴ等は、共振周波数の温度による変化が大き
い。この為、変調度の温度依存性が大きく現われる。

（２）圧電振動子の共振を利用しているから、材質、形
状で決定されるひとつの周波数でしか変調を行う事がで
きない。

さらに、実用的な゛形状、寸法では、高々１ＱＱｋＨｚ
程度以下の周波数のものしか作れない。

（３）機械的振動を使ったものであるため、寿命ズ短い
。特に、圧電振動子に巻き付けた光ノア１バの被覆が、
繰返し膨縮によって疲労する。

（つ）　　　目　　　　　的 任意の振動数で位相変調でき、さらに変調度も自在に調
整でき、しかも長寿命の位相変調素子を与えるのが、本
発明の目的である。

に））　　要　　　約 ポッケルス効果を利用し、屈折率を変化させ゛る事によ
り、光路長を実質的に変化させる。強誘電性ペロブスカ
イト酸化物結晶のように、電気光学定数γ３３を持つ素
材を用いる。

電界は、光の伝搬方向と直角に加える。電界の方向に、
予め光を直線偏光にしておく。γ３３は、電界の方向の
屈折率を変化させる電気光学定数である。この素材の長
手方向に光を通す。位相の変化は、素材の長さｅと、加
えた電界に比例する。電界は、電圧を厚みで割ったもの
であるから、厚みを減する事により、電界を大きくする
事ができる。

ポッケルス効果を持つ結晶の前後には、平行な方向に偏
光子を置く。

素材の、偏光と直角な面には電極が貼り付けてあり、２
つの電極にはリード線が接続しである。

発振器によって、任意の振動の変調電圧を印加できる。

周波数も自由に選択できる。

け）　ポッケルス係数 加えられた電界の一乗に比例して、材料の屈折率が変化
する電気光学効果はポッケルス効果という。

ポッケルス効果を利用して、光変調器（振幅変調）、光
偏向器、光移相器が作られる。

電界の方向と屈折率変化の生ずる方向の組合わせはいく
つもある。組合わせは、電気光学係数γ６３、γ４３、
γ２２、γ３３　　、　・・・などの値によって与えら
れる。ここではポッケルス係数と呼ぶ。

例えばＫＤＰの場合はγ６３を用いて、縦型の光変調器
を作る事ができる。細長い結晶の長手方向を２軸とする
。これが異常光屈折率ｎｏを持つ方向である。

光の進行方向はＺ方向である。電界は２方向にかける。

電界と直角な方向のＸ、ｙ平面での屈折率が変化して、 ｎｘ　＋　ｎｙ　−＝　ｎＯ±＝ｎｏ　ｒ６３ＥＺ　　
　（１）となる。

電界の方向と光の伝搬方向が同一であるから縦型という
。

振幅変調器とするため、ＫＤＰＯ前と後に、偏光子、検
光子を置く。両者の偏光方向は４５°異なっている。

これを使って、光の位相変調器を作る事もできる。光を
Ｘ１ｙ平面での屈折率主軸（２軸ある）のいずれかに偏
光方向を合致させるのである。するとＥｚを高周波電界
とすれば、位相変調できる事になる。

γ４１を用いた振幅変調器も公知である。これは、４３
ｍの結晶点群を持つ閃亜鉛鉱型結晶にあられれるポッケ
ルス係数である。この結晶は等軸晶系であって、異常光
屈折率はなく、三軸とも屈折率か等しい。これはＸ方向
に加えた電界により、７１２面での屈折率が変化する、
というものである。

光の進行方向は２方向とするから、偏光方向がＸ方向の
光は、 ｎｙ　＝　ｎｏ　＋　−ｎｏ　ｒ４１Ｅｘ　　　　（２
）によって決まる屈折率の媒質の中を進行する事になる
。

ペロブスカイト型酸化物強誘電体は、ＫＴＮ　（ＫＴａ
Ｏ３とＫＮｂＯ３１１７）混晶）、ＢａＴｉＯ３、Ｌｉ
ＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などがある。これは、常光屈折
率と異常光屈折率とが区別される一軸性の結晶である。

γ、３、γ３３、γ２□などの値がある。

屈折率楕円体の方程式は、 ａ１□Ｘ＋ａ２□ｙ＋ａ３３ｚ＋２ａ２３ｙｚ＋２ａ３
□ｚＸ＋２ａ１□Ｘｙ−１と書く。

ポッケルス係数ｒは、この楕円体の係数の電場による変
化分である。ａを電場が存在しない時の値、ａが電場の
存在する時の値とすると、この差が、電場の一乗に比例
し、係数がポッケルス係数である。

として定義される。γ６３、γ４１は（１）、（２）に
具体的な式で表わしている。ペロブスカイト酸化物の場
合、ｒ＋３、γ３３、γ２２があるが、γ１３は、２方
向に加えた電界Ｅｚによって、Ｘ方向の屈折率ｎＸが変
化する、という事を示している。ｒ、３はＬｉＮｂＯ３
、ＬｉＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３ニツイテ、７〜８×１０
　ｍ／ｖ程度である。

γ３３ば、Ｚ方向に加えた電界Ｅｚによって、２方向の
屈折率が変化する、という事を表わしている。

γ３３は、ＢａＴｉ０３ｆ　２８　Ｘ　１０　　ｍ／Ｖ
　、　ＬｉＮｂＯ３、Ｌ　ｉ　ＴａＯ３で３０．８　Ｘ
　１０　　ｍ／Ｖ　、　　３０゜３Ｘ１０ｍ／Ｖ　　で
ある。

γ２２はＸ方向に加えた電界Ｅｙによって、Ｘ方向の屈
折率ｎｙが変化する、という事を表わしている。

ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３に於て、コ
ノ値は８２ｏ１２８．２０　Ｘ　１０　　ｍ／Ｖ　ｆあ
る。ＫＴＮ　ｆ　４０００　Ｘ’ＩＯ”’ｍ／ｖである
。

一軸性であるので、Ｘ、Ｘ方向は常光屈折率、２方向は
異常光屈折率である。

（力）発明の構成 γ３３を使って、従来、・振幅変調器、位相変調器を構
成したものはながった。本発明は、γ３３を使い位相変
調素子を構成する。ＬｉＮｂ０３（以下ＬＮＯと略すン
の場合、γ３３が最も大きい。ＬｉＴａ０３（Ｌ　Ｔ　
Ｏと略す）の場合も、γ３３が最も大きい。

屈折率楕円体に於て、２方向の屈折率ｎｚは、となり、 ａ３ｓ−＋　　ｒ３３Ｅｚ　　（６） ｎ　、２ であるから、 である。屈折率変化分は、負号を簡単のため除くと、 ■ Δｎ−７’５３ｎｅ”　Ｅｚ　　　　　　（８）である
。第１図は本発明の位相変調素子の概念図を示す。１は
電気光学結晶で、γ３３がＯでないものである。Ｘ方向
に長く、Ｘ方向に光が通過するようになっている。これ
に直角なｙｚ面が、光の入射し、出射する端面５．５に
なっている。

電気光学結晶は直方体であるから、長手方向に第１側面
６．６と、第２側面７．７とが存在する。

第１側面６はｙ軸を法線とするｚｘ面である。第２側面
７はｙ軸を法線とするｘｙ面である。

図に於て、光の伝搬方向がｙ軸で、上向きにｙ軸、横方
向に２軸がとっである。

電気光学結晶１はＸ１ｙ方向について常光屈折率ｎ。、
２方向について異常光屈折率ｎｅを持っている。結晶１
のＸ方向の長さを４、Ｘ方向の幅をＷ、２方向の厚みを
ｔとする。

第２側面７の両面には、金属電極８．８が蒸着、印刷な
どにより設けである。電界は２方向に生ずる。

電気光学結晶１の前後には、偏光子２、検光子３が、軸
線上に設けである。偏光子２は、入射光を２偏光にする
ものである。電気光学結晶１の端面５に入る光は、２方
向に偏光している直線偏光である。

２方向の電界Ｅｚにより、（７）、（８）に示すように
、２偏光に対する屈折率が変化する。屈折率が変化する
から、電気光学結晶１を通り抜けた時の位相が変化する
。位相の変化分Δφは、 ２π Δφ　−−Δｎ６　　　　（９） λ である。ここでλは真空中での光の波長である。

検光子３は、２方向に偏光した光だけを通すものである
。偏光子２で、２偏光になっており、電気光学結晶で、
偏波面か回転しないので、検光子３は省いても良い。

Ｚ方向の電界Ｅｚは、電極間の電圧を■とすると、Ｅｚ
　　＝　ｖ／ｌ　　　　　　　　（１０）によって与え
られる。

位相変化Δφは、 である。これはラジアン単位であるから、角度表示に直
すと、 光がＨｅ−Ｎｅレーザのコヒーレント光（λ＝　６３２
８人）で、電気光学結晶がＬＮＯであるとすると、ｎｏ
　　：　　’２．２８６　　　　　　　（１３）である
から、これらの値を代入し、 Δφ　＝　　０．１０５　−　　（ｄｅｇ　）　　（１
５）である。ｌが大きく、ｔが小さければ、同じ電圧で
あっても位相変化が大きくなる。

位相変化・電圧比を２．０以上にするためには、−＞　
　１９．０　　　　（１６） とする必要がある。

電気光学結晶の厚さルは、無限に薄くする事ができない
。通過する光のビーム径により制限される。有効ビーム
径を２１１ＩＩＲとするためには、厚みｔはこれ以上な
ければならない。ｔ　＝　２．１　ａｍとすれば、 １　　＞　　３９．９朋　　（１７） という事になる。例えばｌ＝４０１１Ｍでも良い。

電極８を付ける第２側面（ｘｙ面）の幅Ｗは任意である
が５〜１０朋で良い。

電気光学結晶１の前後に設ける偏光子、検光子は、ここ
では、偏光ビームスプリッタを用いている。

ブリュースター角だけ傾いた誘電体多層膜よりなる。Ｓ
成分は全て反射し、ｐ成分だけを通すビームスプリッタ
である。例えば、５　ｔｍｎ角の立方体で、消光比は３
０　ｄＢ以上のもめを用いる。

第２図は電気光学結晶１、偏光ビームスプリッタなどを
ケース内に組込んだ位相変調素子の透視斜視図である。

ケースはケース本体９とケースカバー１０よりなる。又
、ケースから電極につながるリードｍ１１が取出されて
いる。ケース本体９の両端に光の出入穴１３が開口して
いる。側面にリード取出穴１４がある。

ケース内部の部品は、光軸調整後、エポキシ系接着剤に
よって接着している。偏光ビームスプリッタ、電気光学
結晶の光の入出射面はＡＲコートしである。部品の間隙
には、なにも充填していない。

位相変調素子は、電圧Ｖに比例した位相差を生ずる。こ
の素子を通る光の角周波数ωとすると、光の位相は、Ｑ
ｔで表わされるが、位相変調器を間に入れると、光の位
相は ｃｕｔ　→ωｔ＋ａｓｉｎＱｔ　　　　　　（１８）と
いうふうになる。ａを位相変調深さという。

もしも（１１）式が成立するならば、 Ｖ　　＝　　Ｖｏｓｉｎ、Ｑｔ　　　　　　　　（１９
）として（Ωは変調角周波数）、 である。

（１）位相変調素子の評価 本発明の位相変調素子を、第３図に示すマツハ・ツエン
ダ−干渉計の一方の光路に挿入し、干渉光の強度のスペ
クトルを測定し、位相変調素子を評価する。スペクトル
の内ｆｏ酸成分、２ｆｏ成分の強度を調べる。

Ｈｅ　−Ｎｅレーザ２０から出射されたコヒーレントな
光は、ハーフミラ−２１で２つの光束に分けられる。２
光束はレンズ２２．２３で絞られて、変調器用光ファイ
バ２４、参照光用光ファイバ２５に入射する。位相変調
器２６は、変調器用光ファイバ２４の途中に挿入され、
評価できるようになっている。

変調器用光ファイバ２４、参照光用光ファイバ２５を通
過した光は、レンズ２７．２８によって平行光に変換さ
れハーフミラ−２９で合体し、干渉波となる。これをフ
ォトダイオード３０によって強度を検出する。

位相変調器２６は、ｆｏで発振する発振器３２の出力を
トランス３３を介して適当な電圧とし、電極間に与える
ようになっている。電圧Ｖ。は、電圧計３４によって測
定される。

フォトダイオード３０で測定した出力の中には、基本波
ｆ。と、高調波とが含まれている。スペクトラムアナラ
イザ３１によって、フォトダイオード出力の内、ｆｏと
２ｆｏの周波数成分の振幅を測定する。

測定結果から、位相変調度Ｋを求める事ができる。ここ
でＫは、単位電圧を加えた時にも、たらされる位相差（
度）のことで、 ■ によって定義される。

第３図の評価系に於て、参照光用光ファイバを通過した
光は、 Ｐ　　＝　　Ｅｌｓｉｎ（ωを十θＯ）　　　（２２）
で表わされる。ωは光の角振動数、θ０は両光の検出器
に於ける位相差、Ｅｌは振幅である。

位相変調器を通過した光は Ｑ　＝＝：　Ｅ２　””　（Ｑｔ　十ａ”Ｑ　ｔ）　（
２３）で表わされる。ａは変調深さ、Ωは変調角周波数
である。

Ｐ、〈が同一の偏波面を持つので、検出器で干渉する。

干渉光強度工は、 ■　−ＩＰ＋Ｑ１２　　　　　　　　（２４）である。

ここで１　１の２乗は、光の振動の周期の程度の短い時
間での平均を意味する。つまりω、２ωで振動する項は
消える。

１　＝　＝（Ｅｌ　＋　Ｃ２）＋Ｅｔ　Ｃ２ＣＯ３（θ
（、−ａ　ｓｉｎ　Ｑ　ｔ　）Ωのある部分はベッセル
函数を使って展開できる。

ベッセル函数の母函数展開は ｎ＝　−ｏ。

である。

ｚ　　＝　　ａ　　　　　　（２８） ｔ　−。Ω“　　　（２９） と置く。ｎを正の整数とすると、 Ｊ　　（ｚ）　　−（−）　Ｊｎ（Ｚ）　　　Ｉ’ｌＯ
）である。

これから、 ｓｉｎ　（’　ａＳｉｎ　Ｑ　ｔ　）　＝　２Σ　Ｊ　
　　（ａ）ｓｉｎ（２ｎ＋　１）Ωｔ　　（３２）ｎ＝
＝Ｑ　２ｎ＋１ となる。（２５）、（２６）、（３Ｉ）、（３２）から
、■の内のΩ成分、２Ω成分は振幅強度 （Ω成分）　→２　ＥＩ　Ｃ２Ｊ　１（ａ　）　ｓｍθ
。（３３）（２Ω成分）　−＞　２Ｅ１Ｅ、、　Ｊ２（
ａ　）ｃｏｓθ。（３４）である。つまりΩ成分ばＪ、
（ａ　）に、２Ω成分はＪ２（ａ）に比例する。

汐）位相変調度の計算 位相変調深さａは、位相変化Δφ（度）を使って次のよ
うに表わされる。

には位相変調度である。

第４図は、第３図の評価系に於て、ｆｏ、２ｆ’、　　
のスペクトルの相対出力を測定した結果を示す。ここで
ｆ。は７０　ＫＨｚ　である。又２πｆｏ−Ωである。

横軸は印加電圧（ピークからピークまでの半分）であり
、縦軸は相対強度である。３３７■でｆ。は最大になり
、４８５ｖでｆ。と２ｆｏの出力が一致している。

Ｋをふたとおりの方法で求める。

（１）　　ベッセル函数Ｊ＋（ａ）はａ＝１．８４で最
大になる事が分っている。ｆｏの曲線から、これが３３
７ｖに対応する。

位相変調度には、ａ＝１．８４、Ｖ　＝　３３７を代入
し、（３５）式から Ｋ　　ニー　　　　　　　（３６） ■ Ｃ２）　　ｆＩＴと２ｆｏの出力は、４８５ｖで一致し
ている。

Ｊｌ（ａ）−Ｊ２（ａ）となるのはａ　＝　２．６８の
時である。

従って（３６）式にこれらの値を入れて■ を得る。この結果はＬＮＯについて、（１６）　、（１
７）式によりＫを２．０以上にするため、ｔ　＝　２．
１　ｍｍ、（１＝４０１１Ｍとしたものに対応している
・。

（ケ）　　効　　　　　果。

（１）位相変調度には によって与えられるが、この値の温度依存性は小さい。

温度によって変調度が変動しない。

（２）変調周波数ｆ。は、外部の発振器から与えられる
ものである。安定な発振器を用いればｆ。が変動しない
。

さらに、ｆｏを低域から高域まで任意に選ぶ事ができる
。

（３）　　可動部がない。このため疲労する部分がなく
、特性は安定し、長寿命である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位相変調器の概略構成図。 第２図は位相変調器のケースに入った状態の透視斜視図
。 第３図は位相変調素子の評価系の光学系構成図。 第４図はマツハ・ツエンダ干渉計で干渉させた光の出力
の内、ｆｏ１２ｆｏ成分のスペクトラムアナライザ出力
を、変調電圧Ｖを変えながら測定した結果を示すグラフ
。 第５図は従来の圧電振動子を用いた位相変調素子の斜視
図。 １　・・・・・・・　電気光学結晶 ２　　・　・・　・・　　偏　　光　　子３　　・・・
・・・　　　検　　光　　子５　　　・　　・・・　　
端　　　　　面６　・・・・・・・・・　第１側面 ７　・・・・・・　第２側面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気光学係数γ＿３＿３が０でない電気光学結晶
   のｘｙ面に、対向する２つの電極を設け、ｘ軸又はｙ軸
   方向を長手方向とし、長手方向の軸線上に、ｚ軸方向に
   偏光方向を有する偏光子、検光子を設け、電極間に電圧
   を印加する事により、長手方向に通過する光の位相を変
   化させる事を特徴とする位相変調素子。
2. （２）電気光学結晶がＬｉＮｂＯ＿３、ＬｉＴａＯ＿３
   、ＢａＴｉＯ＿３の内のいずれかである特許請求の範囲
   第（１）項記載の位相変調素子。
3. （３）位相変調度Δφ／Ｖが２以上である特許請求の範
   囲第（２）項記載の位相変調素子。
4. （４）偏光子、検光子が偏光ビームスプリッタである特
   許請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載の位相変調
   素子。