JPS6150289B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ光の位相、偏光状態、強度など
を時間的に変調する光変調素子に関し、特に結晶
の電気光学効果を利用した光変調器に関する。

光変調素子はレーザ光を使つた多くのシステ
ム、例えば、光通信システム、光メモリシステ
ム、レーザ記録システム、レーザデイスプレイシ
ステムなど高速に大容量の情報を伝達し、読取
り、記録し、表示する装置には必要不可欠な素子
である。光変調素子には、機械的な変形や振動を
使つたもの、音響光学効果を使つたもの、電気光
学効果を使つたものなどがある。これらのうちで
結晶の電気光学効果を使つた変調器は広い帯域幅
をもち、高速で光を変調できるという特長があ
る。

結晶の電気光学効果を使つた光変調器には、(1)
電気光学結晶の２つの主軸方向の偏光成分間の位
相遅延量を電気的に制御して光の偏光状態を変換
する光変調器。

(2)電気光学結晶に空間的周期電界を加え、それ
によつて生じた位相格子によつて光をブラツク回
折、またはラマン・ナース回折させて変調する光
変調器、(3)屈折率楕円体の回転を生じせしめる電
気光学効果を使い、光透過方向に周期的な電界を
印加することによつて入射直線偏光を直光する偏
光成分に変換する光変調器等がある。これらのう
ち、(2)の光変調器は電極パターンによる回折が生
ずることや、回折角度を大きくするのが難しいた
めに消光比が低いという欠点がある。(1)の光変調
器は普通、ADP結晶、KDP結晶、タンタル酸リ
チウム結晶等の電気光学定数が大きい結晶を用い
て作る。しかし、ADP結晶やKDP結晶を用いた
場合は、結晶に潮解性があるので取扱いが難しい
ことや、高い電圧が必要であるという欠点があ
る。タンタル酸リチウム結晶を用いた場合は、印
加電圧は低くてよいが、周囲温度が変化したと
き、電圧を加えなくても偏光状態が変化してしま
うので高い消光比が得られないという欠点があ
る。このタンタル酸リチウムを用いた(1)の光変調
器では２つの結晶を縦続して用いることにより温
度補償を行なう方法が知られているが結晶の均質
性や高い製作精度を必要とするので実用的ではな
い。また(1)の光変調器では入射光波長が限定され
てしまう。一方、(3)の光変調器は比較的低電圧で
動作し、高い消光比が容易に得られる。第１図は
(3)の光変調器の構成を示す図である。図におい
て、１はＸ軸に垂直に切り出し、Ｙ軸方向に光を
透過させるようにして形成したタンタル酸リチウ
ム結晶である。結晶上にはインターデイジタル電
極２が設けられており、信号発生器３が電極２に
接続されている。ここで、電極２の周期Ωは、 ２π／Ω＝２π｜ｎ_e−ｎ_p｜／λ (1) をほぼ満足する値に選ばれている。ｎ_p、ｎ_eはそ
れぞれ結晶１の常光、異常光に対する屈折率、λ
は真空中の光波長である。結晶１の厚さはインタ
ーデイジタル電極の電極指間の間隔より薄くされ
ている。結晶の表面には一様に電極が蒸着され接
地されている。入射光４はＸ軸方向の直線偏光で
ある。結晶１の出射側にはＺ軸方向の偏光成分の
みを通過する検光子６が置かれている。検光子６
を通過した光７は変調された出力光である。次に
この３の光変調器の動作原理を説明する。

信号発生器３の電圧が０のとき、出射光５の偏
光状態は入射光４と同じであるので、出射光５は
検光子６により遮断され、出力光７の強度は０と
なる。信号発生器３の電圧が０でないとき、結晶
１中にはＸ軸方向の電界がＹ方向に周期的に印加
される。該電界と結晶１のポツケルス係数γ₅₁に
より入射光４はＺ軸方向の偏光成分を有する光に
変換される。印加電圧を増すに従い、上記のＸ軸
方向の偏光からＺ軸方向の偏光に変換される割合
は増加し、ある電圧では100％変換される。以上
の原理により、出力光７は信号発生器３によつて
変調される。

この(3)の光変調器では電圧を印加しないとき、
入射光の偏光状態は温度によつて影響されないの
で高い消光比を得ることができる。また、印加電
圧は前述の(2)のADP結晶やKDP結晶を用いた光
変調器より小さくてよい。しかし、周囲温度が変
化すると、｜ｎ_e−ｎ_p｜の値が変化し、位相整合
条件を示す(1)式が満たされなくなるので変調効率
が低下してしまう。この温度特性の欠点を改善す
るための手段として、電極の周期をΩを中心とし
て光透過方向に単調に連続的に変化させる方法が
特願昭52−8534号（特開昭53−93856号）の明細
書に、そして｜ｎ_e−ｎ_p｜の値が光透過方向に連
続的に変化している結晶を変調媒体として用いる
方法が特願昭52ー92852号（特開昭54−27455号）
の明細書にそれぞれ示されている。上記の方法を
用いると変調可能な温度範囲は広くすることがで
きるが、しかし、変調効率の温度特性には変動が
生じてしまう。その原因は用いる結晶の長さが有
限であり、電極本数が有限であるためである。一
例として、長さ20mm、25℃においてｎ_e−ｎ_p＝
3.164×10^-3であるタンタル酸リチウム結晶上に
電極指の幅と電極間隔の比を一定として電極周期
を156μｍから284μｍまで変化させたインターデ
イジタル電極を設けた光変調器において80V／
100μの電界を印加したときの変調効率の温度特
性を第２図に示す。第２図からわかるように、10
℃から40℃にわたつて大きな変調効率が得られる
が、その範囲には30％以上の変動が生じている。
また(1)式から明らかなように、(3)の光変調器で
は、変調効率は入射光の波長入が変化しても温度
変化に対する変動と同様の変動が生ずる。

本発明の目的は、上述した従来の光変調器より
も温度変化及び入射光波長の変化に対する変調効
率の変動が小さい高性能な光変調器を提供するこ
とにある。

本発明によれば、電気光学効果を有する光変調
媒体の光透過方向に周期的な電界を印加して透過
光の偏光成分の少なくとも一部を該偏光成分と直
交する偏光成分に変換する光変調器において、前
記光変調媒体に設置した光透過方向にほぼ連続的
に変化した容量を介して該光変調媒体に電圧を印
加することにより、従来の光変調器の温度特性及
び入射光波長に対する特性を改善することができ
る。特に、光変調媒体の光の入出射端に近づくに
従つて上記の容量を小さくし、該光変調媒体に印
加される電界の大きさを減少させることにより、
温度変化及び入射光波長変化に対して変調効率の
変動が小さい安定な光変調器を得ることができ
る。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第３図は本発明による光変調器の一実施例を示
す斜視図である。図において、１１は第１図に示
した結晶１と同じ材質で全く同じ方位、形状をも
つたタンタル酸リチウム結晶である。１４はＸ軸
方向に偏光した入射光、１５は出射光、１６はＺ
軸方向の偏光成分のみを通過する検光子であり、
タンタル酸リチウム結晶の出射側に設置してあ
る。１７は出力光である。結晶１１上にはインタ
ーデイジタル電極１２が設置されている。本実施
例では電極周期Ωは結晶の中心では(1)式を満足す
る値であるが、１／ΩがＹ方向にほぼ直線的に変
化するように設定されている。結晶１１の裏側の
入出射端付近には入出射端に近づくにつれて膜厚
が増加した誘電体薄膜１８が設置され、その上に
結晶全体に一様な電極が設置されアースされてい
る。電極１２に信号発生器１３により電圧が印加
されると、第１図に示した光変調器と同様に結晶
中にＸ軸方向の電界がＹ方向に周期的に印加され
る。本実施例では、上記の周期はＹ方向に連続的
に変化している。また、本実施例では、結晶の両
端の部分では、電気的には上下の電極間に薄膜１
８の容量と、結晶１１の容量が直列に入つている
ものと見ることができる。上記の薄膜１８の容量
は結晶の端に近いほど小さいので、結晶１１に印
加される電界は端に近いほど小さい。本実施例の
光変調器の構成は、電極構造と、誘電体薄膜を通
して電圧を印加することを除いて第１図の光変調
器と同じであり、基本的な動作原理も同じであ
る。ただし、本実施例においては、上述のよう
に、誘電体薄膜を設けることによつて、印加電界
を結晶の端で除々に減少させることにより、第１
図の従来の光変調器で生ずる電極本数が有限であ
るための影響、すなわち変調効率の変動を減少さ
せることができる。一例として、第２図に特性を
示した光変調器と同じ結晶を用い、第２図の例と
同じインターデイジタル電極を結晶上面に設置
し、結晶への印加電界を入出射端に近づくに従つ
てほぼ正弦的に減少させるように、第３図に示し
た光変調器のように結晶裏面の両端からそれぞれ
2.4mmの部分に誘電体薄膜を設け、その上に全体
に電極を設置した光変調器の温度特性を第４図に
示す。第４図からわかるように本実施例では第２
図に示した従来の光変調器の温度特性よりも非常
に効率の変動の小さい特性が得られた。また、入
射光波長の変化に対しても従来の光変調器よりも
変調効率の変動が小さいのはいうまでもない。本
発明による効果は、弾性表面波トランスジユーサ
の周波数特性を改善させるため用いられる電極の
重みづけによる効果とよく類似している。第５図
は本発明による光変調器の第２の実施例を示す斜
視図である。２１は第３図に示した結晶１１と全
く同じ材質、形状のタンタル酸リチウム結晶であ
る。結晶２１の上面には、第３図の電極１２と同
じ電極指幅、電極周期をもつたインターデイジタ
ル電極２２が設置されている。ただし、本実施例
においては、結晶の入出射端付近ではインターデ
イジタル電極２２の各電極指は分離されている。
すなわち、上記の部分では、各電極指は、入出射
端に近づくに従つて膜厚が増加した誘電体薄膜２
８をはさんで、共通電極２９と容量的に結合して
いる。電極２９は結晶の中心付近では電極指と接
続している。本実施例においては、第３図の実施
例と同様に信号発生器１３により電圧が印加され
たとき結晶に印加される電界の大きさは結晶の両
端に近づくに従つて除々に減少しているので第３
図の実施例と同様な効果が得られ、安全な温度特
性が得られる。

第６図、第７図はそれぞれ本発明による光変調
器の他の実施例を示す図であり、光変調器の上面
図である。３１は第３図に示した結晶と同じ材
質、形状のタンタル酸リチウム結晶である。結晶
３１の裏面には全面に電極が設置されアースされ
ている。

第６図、第７図の実施例では、結晶３１の上面
には斜線で示すようなインターデイジタル電極が
それぞれ設置されている。第６図において、結晶
の光の入出射端付近では各電極指は共通電極３９
と分離し、かつ、各電極指と共通電極３９の間隔
ｄは入出射端に近づくにつれて広がつている。す
なわち、共通電極３９と各電極指間の容量は入出
射端に近づくに従つて減少している。第７図にお
いては、結晶の入出射端付近の各電極指は共通電
極４９と容量的に結合し、かつ、その容量はＹ方
向に直列となつているので、第６図の実施例と同
様に共通電極４９と各電極指間の容量は入出射端
に近づくに従つて減少している。

第６図、および第７図の実施例においても、第
３図に示した実施例と同様に、信号発生器１３に
より電圧が印加されたとき結晶に印加される電界
の大きさは結晶の両端に近づくに従つて除々に減
少しているので、第３図の実施例と同様な効果が
得られ、安定な温度特性が得られる。

以上述べたように、本発明によれば、周期的な
電界を印加して入射光の偏光方向を変換する光変
調器において、光変調媒体の光の入出射端付近で
印加電界の大きさを除々に減少せしめるように容
量を介して電圧を印加することにより、従来より
も優れた温度特性をもち、かつ、入射光の波長変
動に対しても安定な光変調器を得ることができ
る。

なお、本発明に用いる光変調媒体及びその形
状、電極形状等は上記の実施例に限定されるもの
ではない。

例えば、光変調媒体としては、屈折率楕円体の
回転を生じせしめるものであればよく、例えばタ
ンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの混晶を用
いることができる。また、光変調媒体上に設けた
薄膜の膜厚の変化のさせ方、電極指と共通電極間
の容量の変化のさせ方は、上述の実施例に限定さ
れない。本発明において上記の膜厚や容量を任意
の関数形で変化させることによつて所望の温度特
性または、入射光の波長に対する特性を得ること
ができる。すなわち、インターデイジタル電極型
弾性表面波トランスジユーサの電極に重みづけを
行なうことによつて周波数特性を変えることがで
きることが知られているが、それと同様に、本発
明による光変調器において、印加電界の大きさに
分布をつけるように容量の値を変化させることに
より温度特性または入射光の波長に対する特性を
変えることができる。

なお、本発明において、光変調媒体の厚さを小
さくし、変調媒体を薄片化することによつて、変
調に必要な電圧を低下せしめ、より高い変調効率
を得ることができる。

上記の薄片化の手段としては、光変調媒体を機
械的に研磨して薄くする方法、蒸着、スパツタ等
により他の基板上に光変調媒体を設置する方法、
光変調媒体の表面に金属等を拡散せしめ、そこに
光波を通過せしめる方法、他の基版上に光変調媒
体薄膜を結晶成長させる方法等がある。上記方法
によつて光変調媒体薄膜の厚さを数十ミクロン以
下にした場合には、通常、薄膜光導波路と呼ば
れ、光波が該薄膜中に閉じ込められて進行するこ
とが知られている。このとき、光波は複数個の伝
搬モードに分離されるので、対象とする伝搬モー
ドの等価的な屈折率を考慮して光変調器を設計し
なければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光変調器を示す斜視図、第２図
は従来の光変調器の温度特性を示す図、第３図、
第５図、第６図、第７図は本発明による光変調器
の実施例を示す図、第４図は本発明による光変調
器の温度特性の一例を示す図である。図におい
て、１，１１，２１，３１はタンタル酸リチウム
結晶、すなわち光変調媒体、２，１２，２２，２
９，３９，４９はインターデイジタル電極、３，
１３は信号発生器、４，１４は入射光、５，１５
は出射光、１６は検光子、１７は出力光、１８，
２８は誘電体薄膜である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電気光学効果を有する光変調媒体の光透過方
   向に周期的な電界を印加して透過光の偏光成分の
   少なくとも一部を該偏光成分と直交する偏光成分
   に変換する光変調器において、前記光変調媒体の
   少なくとも一部に設置された容量を介して該光変
   調媒体に電圧を印加することを特徴とする光変調
   器。 ２ 光変調媒体の少なくとも一部に膜厚が光透過
   方向にほぼ連続的に変化している誘電体薄膜を設
   け、該薄膜上に電極を設置した特許請求の範囲第
   １項記載の光変調器。 ３ 光変調媒体上に信号発生器に接続した電極
   と、該電極と容量的に結合した複数の電極指とを
   設けた特許請求の範囲第１項記載の光変調器。