JPS63223571A - 光集積スペクトラムアナライザ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光と表面弾性波との相互作用を利用して電
気信号の周波数の分析を行う光集積スペクトラムアナラ
イザに関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は、例えばエスピーアイイー　ボリューム２６９
　インテグレーテッド　オプティクス１９８１年発行第
１２９頁〜第１３５頁（５ＰＩＥＶｏ１．２６９　Ｉｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　１９８１　ｐｐ１２
９−１３５）に示された従来の光集積スペクトラムアナ
ライザを示す構成図であシ、図において、１はニオブ酸
リチウム（Ｌｉ　ＮｂＯ５）基板（以下、単に基板とい
う。）を示し、チタン（Ｔｉ　）を熱拡散させた光導波
路２と、光導波路２に導波される光を平行光とした後に
収束光とする第１．第２のジオデシックレンズ（以下、
単に第１．第２のレンズという。）３．４と、平行光の
一部を回折する表面弾性波Ｗを励振するトランスジュー
サ５と、到来する表面弾性波Ｗを吸収するダンパ６とを
備えている。

７は光導波路２へ光を出射する半導体レーザ、８は光導
波路２から出射される光を検出する光検出器、９はトラ
ンスジューサ５に表面弾性波Ｗを励振させるべき電気信
号を供給する電気信号源、１０は周波数識別器を示し、
予め記憶した光検出器８の受光位置信号に対応する周波
数の関係で表面弾性波Ｗの周波数を選出するものでろる
。

次に、動作について説明する。

半導体レーザ７から出射され、光導波路２で導波された
発散光Ｌ１は第１のレンズ３によつて平行光Ｌ！に変換
された後、第２のレンズ４によつて収束光に変換されて
光検出器Ｂ上に集光される。

一方、電気信号がトランスジューサ５に印加されると、
トランスジューサ５は印加された電気信号の周波数に対
応する周期Ａの表面弾性波Ｗを光導波路２中に励振する
。

ここで、前述の周期Ａは、表面弾性波Ｗの速度をＶＳと
し、電気信号の周波数をｆとすると、下記の第（１）式
で与えられる。

ｓ Ａ＝　□　　　　　　　　　　・・・・・（１）そして
、励振された表面弾性波Ｗが平行光Ｌｘを横切るとき、
表面弾性波Ｗは周期Ａの回折格子として作用するが、平
行光Ｌ２と表面弾性波Ｗとはブラッグの回折条件を満た
すように交差されているため、平行光Ｌ２の一部は下記
の第（２）式で与えられる角度θで回折される。

λ ここで、λは半導体レーザ７の出射光の真空中での波長
、η。２．は光導波路２に導波された光の実効屈折率で
ある。

したがって、平行光Ｌ２は非回折光Ｌ３と回折光Ｌ４と
に分かれ、それぞれ第２のレンズ４によって収束され、
光検出器８上の集光点Ａ、Ｂに集光される。

この集光点Ａ、Ｈの距離ｄは、第２のレンズ４の焦点距
離をＦとすると、下記の第（３）式で与えられる。

ｄ＝Ｆ・θ　　　　　　・・・・・（３）この第（３）
式の距離ｄを求めることにより、第（１）式〜第（３）
式を用いて電気信号の周波数ｆを求めることができる。

ところが、光検出器８は、第４図に示すように、不感光
部８Ａと感光部８Ｂとで構成されておシ、非回折光Ｌ３
は不感光部８Ａへ、回折光Ｌ４は感光部８Ｂへ入射する
。これは、非回折光Ｌ３が回折光Ｌ４に比べて数１０倍
のパワーを有するため、非回折光Ｌｍが感光部８Ｂへ入
射すると、感光部８Ｂが飽和してしまうためである。

したがって、光検出器８によって求め得る距離は、不感
光部８Ａと感光部８Ｂとの接点Ｃから集光点Ｂまでの距
１ｌ１１ｄＢとなる。

そして、周波数識別器１０には予めトランジューサ５に
印加される電気信号の周波数ｆと、前述の距離ｄＢとの
対応関係が記憶されておシ、周波数識別器１０は光検出
器８．から回折光Ｌ４の受光位置に関する情報、すなわ
ち距離ｄＢを受は取ると、この距離ｄＢに対応する周波
数ｆを選出する。

なお、半導体レーザ７および光検出器８は基板１と同一
あるいは別々の固定治具にマウントされ、基板１と半導
体レーザ７および基板１と光検出器８とは数ミクロン−
数１０ミクロンの隙間を介して互いに固定されている。

また、固定治具は温度変化によって基板１．半導体レー
ザ７および光検出器８の相互の位置ずれを防ぐために熱
膨張率がほとんどない材料が使用されている。

さらに、基板１としてニオブ酸リチウム結晶のＹ軸に垂
直に切断したＹ板、あるいはＹ軸に番直に切断したＸ板
が用いられ、表面弾性波Ｗはいずれの場合にもニオブ酸
リチウム結晶の２軸にほぼ沿った方向に励振されている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の光集積スペクトラムアナライザは以上のように構
成されているので、識別される周波数ｆの精度は集光点
Ｂと接点Ｃ間の距離ｄＢ（第一４図）の測定精度に依存
する。

ところが、基板１に温度変化が生じると、基板１の熱膨
張率が他の構成部品に比べて大きいため、基板１と光検
出器８との相対位置が変化して距離ｄＢの測定値が変わ
り、識別される周波数ｆに誤差が生じるという問題点が
あった。

一例として周波数帯域の下限周波数ｆｌを３００ＭＨｚ
、上限周波数ｆｈを８００　ＭＨｚとし、第５図に示す
ように、トランスジューサ５に下限周波数ｆ１に対応す
る電気信号が印加されたときの第１の回折光Ｌ４１の集
光点をＢ１、上限周波数ｆ、に対応する電気信号が印加
されたときの第２の回折光Ｌ４２の集光点をＢ３とし、
第２のレンズ４の焦点距離Ｆを１２ｕ１基板１は温度変
化によって角の点りを中心に膨張あるいは収縮するもの
とし、集光点Ｂｌと点りとの距離ｄを１０藺とした場合
、基板１がΔｔの温度変化で上昇したときは下記の第（
４）式で与えられる変化分Δｄ１だけ変化する。

Δｄｌ＝ａ−ｄ１　・Δｔ　　　　−−−−−（４）こ
こで、ａは基板１の線熱膨張率であり、ｄｌはニオブ酸
リチウム結晶の２軸に沿う方向の距離であるから、ａは
７．５　Ｘ　１０−’である。

いま、温度変化Δｔを１００℃とすると、第（４）式か
ら変化分ｄ１は７．５μｍとなる。

一方、第５図の集光点Ｂ１５Ｂ１の距離ｄ！は第（３）
式を用いて下記の第（５）式で与えられる。

ｄｓ＝ｐθ、−Ｆθ、　　　　・・・・・（５）ここで
、θｌ、θ寞は上限、下限周波数ｆｓｅｆｈに相当する
第（２）式で求まる回折角度である。

−例として、第（２）式の波長λを０．８５μｍ１実効
屈折率ηｅｆｆを２．１７７とすると、第（５）式より
距離ｄ！は０．６７　ｒｓｘとなシ、単位周波数に相当
する変化分（距離）Δｄは下記の第（６）式で与えられ
る。

一方、光検出器８の感光部８Ｂの長さｄ、は下限周波数
ｆ１から上限周波数ｆｈまでを検出するためには距離ｄ
２よシ長くなければならないが、ここでは１藺もあれば
十分である。

この感光部８Ｂの長さｄ、が１００℃の温度変化Δｔに
よって変化する変化分Δｄ、は下記の第（７）式で与え
られる。

Δｄ　　−ｂ−ｄｄ・Δｔ　　　・・・・・（７）ここ
で、ｂは感光部８Ｂの線膨張率であり、感光部８Ｂはシ
リコン（Ｓｉ　）でできているため、２．５Ｘ１０”程
度である。

そして、第（力式よシ、変化分Δｄ、は０．２５μｍ程
度であるため、変化分Δｄｌに比べると十分小さい。

したがって、第５図の集光点Ｂ１およびＢ鵞は温度変化
によつて変化分Δｄｌだけ集光位置が変化することにな
る。この変化によって識別される周波数には下記の第（
８）式で与えられる誤差Δｆが生じる。

ここで、Δｄは第（６）式で示した単位周波数に相当す
る変化分（距離）である。

前記の例では識別される周波数に約５．６　ＭＨｚもの
誤差を生じ、温度変化Δｔが大きくなるほど誤差が増大
するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、動作温度が変化しても高い精度で周波数の
分析ができる光集積スペクトラムアナライザを得ること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光集積スペクトラムアナライザは、ニオ
ブ酸リチウム基板の温度を検出する温度検出器と、温度
検出器の出力からニオブ酸リチウム基板の所定の温度変
化を検出したときにトランスジューサに既知周波数の電
気信号を印加する発振器に信号を供給し、既知周波数に
対応する受光位置信号に基づいた新たな周波数−受光位
置関係を周波数識別器に記憶させるコントローラと、コ
ントローラの出力によって電気信号源または発振器の信
号をトランスジューサへ印加する信号選択器を設けたも
のである。

〔作　用〕

この発明における光集積スペクトラムアナライザは、基
板に所定の温度変化が発生すると、既知周波数を用いて
新たな周波数−受光位置関係を構築して周波数の分析を
する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、第３図と同一部分には同一符号が付し
てあシ、１１は基板１の温度を検出する温度検出器、１
２はコントローラを示し、温度検出器１１の出力から基
板１の所定の温度変化を検出すると、発振器１３２周波
数選択器１４へそれぞれ信号を供給するとともに、・後
述するような制御を行うものである。

次に、動作について説明する。

基板１の温度を常時検出している温度検出器１１の出力
信号からコ／ドロー−）１２が所定の温度変化を検出し
ない場合、すなわち基板１に所定の温度変化が発生しな
い場合は、電気信号源９からの電気信号は信号選択器１
４を介してトランスジューサ５へ印加され、従来例と同
様に光検出器８で電気信号の周波数ｆを識別する。この
とき、周波数ｆの表面弾性波Ｗによって回折された回折
光Ｌ４は、第２図に示す光検出器８の感光部８Ｂの集光
点Ｂ４１に集光される。

そして、基板１に温度変化Δｔが生じると、基板１の熱
膨張によって集光点Ｂ４１は集光点Ｂ４ｇへ移動する。

一方、温度変化Δｔが所定の温度変化以上であれば、コ
ントローラ１２は発振器１３に既知周波数ｆｏの電気信
号を発振させると同時に、周波数選択器１４に電気信号
源９からの電気信号を遮断させ、発振器１３から電気信
号をトランスジューサ５へ印加させる。このとき、周波
数ｆｏの表面弾性波Ｗによって回折された回折光は第２
図に示す集光点ＢＩｌ＊に集光される。

しかし、コントローラ１２が所定の温度１変化を認識す
る前の周波数ｆｏに対応する感光部８Ｂ上の集光点１３
ｓｔは既知であるため、コントローラ１２は光検出器８
に記憶されている周波数ｆと回折光の集光位置との対応
関係において周波数ｆを下記の第（９）式で示す周波数
ｆＮに変換した後、発振器１３の発振を停止させると同
時に、周波数選択器１４は電気信号源９からの電気信号
をトランスジューサ５へ印加させる。

以後は再びコントローラ１２が基板１の所定の温度変化
を検出するまでは従来例と同様に、電気信号源９からの
電気信号の周波数が識別される。

第（９）式において、ＢＩＳＩＢＩＩｍは集光点Ｂｉｔ
＋Ｂｓｓの距離、変化分Δｄは第（６）式で求め、予め
光検出器８に記憶させである単位周波数に相当する距離
である。

なお、回折光の集光点の温度変化による位置変化量（変
化分）は集光点の位置によらず、はぼ等しい。つま）、
第２図において、下記の第一代が成立する。

ＢｓｔＢｓ＊＝　ＢｓｔＢｓｓ＝　ＡｔｔＡｔｔ　°−
（１０）ここで、集光点ＡｌｌおよびＡ１２は温度変化
前および後の被回折光Ｌ３　ｅ　Ｉ４　Ｈの集光点であ
る。

このため、前述のように基板１に所定の温度変化が生じ
る度にコントローラ１２によって周波数と回折光の集光
位置との対応関係が変更され、光検出器８は温度変化に
かかわらず高い精度で周波数を識別できる。

なお、上記実施例では発振器１３から１種類の既知周波
数の電気信号を発振させる場合について説明したが、複
数種類の周波数の電気信号を発振させてもよい。この場
合、複数の既知周波数による平均値を用いることにより
、周波数の分析の精度が一層よくなる。

そして、コントローラ１２は所定の温度変化を認識する
と、発振器１３を発振させ、周波数の変換を行った後に
発振器１３を停止させたが、発振器１３を連続発振させ
て周波数選択器１４のみでトランスジューサ５へ印加す
る電気信号源９９発振器１３の信号を切シ換えてもよい
。

また、レンズとしてジオデシックレンズを用いたが、他
の導波路レンズ等でもよく、先導波路２への入射光が平
行光の場合はレンズを用いなくとも同様に周波数の分析
ができる。

さらに、光検出器８として不感光部８Ａと感光部８Ｂか
ら構成されるものを用いたが、感光部８Ｂだけで構成さ
れたものを非回折光が入射しないように設置してもよい
。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、ニオブ酸リチウム基
板の温度を検出する温度検出器と、温度検出器の出力か
らニオブ酸リチウム基板の所定の温度変化を検出したと
きにトランスジューサに少なくとも１種類の既知周波数
の電気信号を印加する発振器に信号を供給し、既知周波
数に対応する受光位置信号に基づいた新たな周波数−受
光位置関係を周波数識別器に記憶させるコントローラと
、コントローラの出力によって電気信号源または発振器
の信号をトランスジューサへ印加する信号選択器を設け
たので、温度変化が発生しても高い精度で周波数を識別
できるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光集積スペクトラム
アナライザを示す構成図、第２図は温度変化による集光
点の位置変化を示す説明図、第３図は従来の光集積スペ
クトラムアナライザを示す構成図、第４図は光検出器と
集光点との位置関係を示す説明図、第５図は周波数帯域
の下限、上限周波数に対応する回折光の集光点位置を示
す説明図である。 図において、１社ニオブ酸リチウム基板、２は光導波路
、５はトランスジューサ、６はダンパ、１は半導体レー
ザ、８は光検出器、９は電気信号源、１０は周波数識別
器、１１は温度検出器１１２はコントローラ、１３は発
振器、１４は周波数選択器を示す。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力側端面と出力側端面とを有する２次元の光導
   波路、前記入力側端面と前記出力側端面へ至る導波光と
   斜交して前記導波光の一部を回折させる表面弾性波を励
   振するトランスジューサおよび前記導波光と斜交して到
   来する前記表面弾性波を吸収するダンパを備えたニオブ
   酸リチウム基板と、前記入力側端面から前記光導波路へ
   光を出射する半導体レーザと、前記出力側端面から出射
   される前記表面弾性波によって回折された導波光を検出
   する光検出器と、前記トランスジューサに電気信号を印
   加する電気信号源と、予め記憶した前記光検出器上の受
   光位置とこれに対応する周波数の関係に基づいて前記光
   検出器から出力される受光位置信号によって前記トラン
   スジューサに印加された電気信号の周波数を求める周波
   数識別器とから構成されている光集積スペクトルアナラ
   イザにおいて、前記ニオブ酸リチウム基板の温度を検出
   する温度検出器と、この温度検出器の出力から前記ニオ
   ブ酸リチウム基板の所定の温度変化を検出したときに前
   記トランスジューサに少なくとも１種類の既知周波数の
   電気信号を印加する発振器に信号を供給し、前記既知周
   波数に対応する受光位置信号に基づいた新たな周波数−
   受光位置関係を前記周波数識別器に記憶させるコントロ
   ーラと、このコントローラの出力によって前記電気信号
   源または前記発振器の信号を前記トランスジューサへ印
   加する信号選択器を設けたことを特徴とする光集積スペ
   クトラムアナライザ。
2. （２）コントローラは、発振器が既知周波数の電気信号
   をトランスジューサに印加したとき、周波数識別器で求
   まる第１の周波数を用いて前記周波数識別器に記憶した
   光検出器上の位置に対応する周波数の関係で前記周波数
   を前記第１の周波数から前記既知周波数を差し引いた分
   だけシフトさせて前記周波数識別器に記憶させる演算手
   段を有することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の光集積スペクトラムアナライザ。