JPS6212487B2 - - 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
をブラツグ回折、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
この偏光と直交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
すだれ状電極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＝２π1n_e−ｎ_p１／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の厚さはすだれ
状電極の電極指間の間隔より薄くされている。結
晶の裏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のポケルス係数V₅₁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52−92852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156μ
ｍから284μｍまで変化させたすだれ状電極を設
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λ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変調媒
体上に、光透過方向に対して周期的に配置された
複数個の電極指からなるすだれ状電極を設置し、
該電極に電圧を印加することにより上記透過光の
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、電極指
の幅と隣り合う電極指間の間隔の比を光透過方向
に順次変化させ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、すだれ状電極の周辺部におい
て、上記の比率を光の入出射端に近づくに従つて
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。

以下に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
示す図であり、光変調器の上面図である。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で
あり、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、１７は出力光であ
る。結晶１１上にはＮ本の電極指をもつすだれ状
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。結晶の裏側には全体に一様な
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図１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方向に順次変化している。また、本実
施例では、光の入射側からｉ番目の電極指の幅
Wiとｉ番目の電極指とｉ＋１番目の電極指との
間隔Siとの比Ri＝Wi／Siは、Ri＝Ro（ｊ＝ｋ、
ｋ＋１……Ｎ−ｌ）、R₁＜R₂＜……＜Ｒ_k＝Ro、
Ro＝Ｒ_N−ｌ＞Ｒ_N−ｌ−１＞……＞Ｒ_N−１＞Ｒ
_Nの関係を満たすように選ばれている。このとき
結晶の両端の部分では、結晶の端に行くに従つて
除々にＸ軸方向の電界が印加される幅が減少す
る。本実施例の光変調器の構成は、電極構造を除
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、上述のように電界が印加される幅を結晶の端
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図の例と同じ周期を有
し、同じ対数の電極指をもつすだれ状電極の電極
指の幅と電極指間の間隔の比を第３図に示した光
変調器のように結晶の両端からそれぞれ2.4mmの
部分で端に近づくに従つてほぼ正弦的に減少させ
たときの変調効率の温度特性を第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、弾性表面波のトランスジユーサの周
波数特性を改善させるために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。

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電気光
学光変調器において、変調媒体の端に行くに従つ
て電極指幅すなわち電界の印加される幅を除々に
減少させることにより、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、本発明に用いる変調媒体およびその形
状、電極形状、及び電極指幅の変化のさせ方等は
上記の実施例に限定されるものではない。例え
ば、変調媒体としては、屈折率楕円体の回転を生
じせしめる電気光学定数を有するものであればよ
く、例えば、タンタル酸リチウムとニオプ酸リチ
ウムの混晶を用いることができる。また、電極指
の幅と電極指間隔の比の変化のさせ方は、直線
状、放物線状等種々の形で変化させても温度特性
は従来よりも大きく改善される。なお、本発明に
おいて、電極指の幅の変化のさせ方を端に行くに
従つて単調に減少させないで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。すだれ
状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、電極指の幅
と電極間隔の比に分布をつけることによつて温度
特性、または入射光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、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、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変調媒体を
設置する方法、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、他の基板
上に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
伝搬モードに対する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図は
本発明による光変調器の実施例を示す上面図、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はタンタル
酸リチウム結晶、２，１２はすだれ状電極、３，
１３は信号発生器、４，１４は入射光、５，１５
は出射光、６，１６は検光子、７，１７は出力光
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上に、光透
   過方向に対して周期的に配置された複数個の電極
   指からなるすだれ状電極を設置し、該電極に電圧
   を印加することにより上記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、前記すだれ状電極の
   少なくとも一部で、電極指の幅と隣り合う電極指
   間の間隔の比を光透過方向に順次変化せしめたこ
   とを特徴とする光変調器。 ２ すだれ状電極の周辺部において電極指の幅と
   隣り合う電極指間の間隔の比を光の入出射端に近
   づくに従つて減少させたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の光変調器。