JPH02160221A - ２周波光発生光源 - 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、薄膜光導波路と音響光変調素子を組み合わ
せて光の周波数を変調する光集積回路を構成し、一定の
周波数を有する１つの入射光に対し、２つの異なった周
波数変化（以後、周波数シフトと呼ぶ。）を与えて出射
させる２周波光発生光源に関する。

〔従来の技術〕

良質のコヒーレント光源が簡単に入手できるようになり
、光波面の位相差を利用した干渉計測技術が急速に進展
した。従来より使用されてきた単一周波数光源による干
渉計では、干渉縞の間隔や干渉パターンの点滅周期など
、位相面の変化を光量変化として検出し、微少変位測定
などに応用してきた。すなわち、干渉計内での光路差を
被験物の屈折率や凹凸形状によって変化させ、出力光に
よる干渉パターンが格子縞であればその格子間隔カベま
た出力光による干渉パターンが点滅信号であればその点
滅間隔がそのまま光源波長で換算されて被験物の屈折率
値や表面の凹凸変位として測定されてきた。この測定方
法は干渉出力光量を直流レベルの信号として検出するた
め、測定精度や対雑音性能で限界に達したため、最近で
は２つの異なる周波数の光波を干渉させる光へテロダイ
ン干渉計測法が注目され始めてきた。

この光ヘテロゲイン干渉計測法では、２つの光源の周波
数差によるビート信号を出力光の搬送波（キャリア）と
して使用し、通常、このビート信号は高精度で一定に保
たれるので、キャリアを中心周波数信号とした交流的な
信号処理が可能となり、精度、対雑音性能共に飛躍的に
向上した。

光・＼テロダイン干渉計測法において重要な技術は、周
波数シフト技術であり、周波数が異なりかつ現存する光
検出器で検出可能なビート信号が得られる光源が必要で
ある。このような光源は、大まかに３種類考えられてい
る。

第１の方法は１台のレーザ光源を周波数の異なるモード
で同時発振させる方法、第２の方法は２台の周波数安定
化レーザを周波数オフセットロックして使用する方法で
ある。結論的に、これらの方法は大がかりすぎて光ヘテ
ロゲイン干渉計測法に適用するには困難な問題が多い。

第３の方法は現在、最も多く用いられている方法で、１
台のレーザの光を２分し、その一方もしくは両方に光学
位相変調素子を用いて周波数シフトを行う方法である。

この光学位相変調素子には初期の頃、回転回折格子や回
転偏光素子などが用いられたが、今日ではブラッグ回折
を利用した音響光変調素子がよ（用いられている。この
音響光変調素子は、テルルガラスなどの光学材料の中に
超音波を進行させて位相格子を形成し、そのブラッグ回
折による周波数シフトを利用したものである。

干渉計に音響光変調素子を使用する方式としては、１個
の音響光変調素子で得られる０次と１次の回折光を利用
する方法と、駆動周波数の異なる２個の音響光変調素子
の各々の１次回折光を利用する方法とがある。後者の方
法は、偏光状態の直交する成分にそれぞれ周波数シフト
を与えることができ、直交偏光２周波光源として利用価
値が高い。音響光変調素子は、機械的可動部がなく、小
型でシフト周波数を高くできるといった長所を有するが
、一方、量産に向かず高価な点、ブラング回折の条件を
満足させる高精度な光学調整が必要な点、さらに、２周
波光源として構成した場合にビームスプリッタ、反射ミ
ラー、波長板等構成部品が多く全体として複雑大形化し
、機械的外乱に弱い点などが欠点として残されている。

〔発明が解決しようとする課題〕 以上に述べた音響光変調素子を使用した２周波光源での
問題点は、バルクタイ、プの光学系を用いたいわゆる、
立体形光学系の持つ宿命的な欠陥である。

これらを全面的に改善する策としては、２つの音響光変
調素子を薄膜光導波路と組み合わせて光集積化する方法
が考えられる。しかしながら、光集積化を行うと、新た
な問題点が生ずる。この場合、最も重大と考えられる問
題は、２つの音響光変調素子から発射した音響波の光に
対する不要な干渉効果である。すなわち、小さな光学基
板上に発生した音響波は、容易に消滅させることが難し
いばかりでなく、変調をかけては具合の悪い導波光にま
で変調作用を及ぼす。

また、薄膜導波形光集積回路では、光は基板の表層の薄
い導波光となり、また音響波は表面弾性波として基板の
表面に集中するため、両者の相互作用は強力であり、こ
れに対する効果的な対応策が必要となる。

〔課題を解決するための手段〕

以上に述べたような不要な表面弾性波が薄膜先導波路内
の光に与える影響を軽減させる方法としては、不要な表
面弾性波を局所的に吸収し、熱に変換して除去する方法
が考えられるが、本発明に係る２周波光発生光源の光集
積化構造においては形状的に困難である。よって、本発
明に係る２周波光発生光源では、光導波路内の光に影響
を与える不要な表面弾性波に等しい周波数で、別個な表
面弾性波を発生させ、かつ、前記不要な表面弾性波が薄
膜光導波路に入射する際の波面の位相に対して１８０度
の位相差を与えて該薄膜先導波路に同時に入射させ、不
要な表面弾性波の光に対する影響を相殺する方法を採用
した。

ここで、本発明に係る２周波光発生光源における音響光
変調の形態について説明する。後述の第１図の説明でも
詳細に述べるが、ブラッグ回折の条件を用いる音響光学
的な変調は、光の周波数シフトを行わせるためのもので
、本発明では機能的中枢をなすものであり、平面状に拡
散した薄膜状導波光に対して同様の薄膜状に伝搬する表
面弾性波を作用させる。このため、ブラッグ回折の条件
が適用されるが、本発明の構成では周波数シフトを行う
部分以外はほとんど線状の導波路（３次元導波路）に光
を導波しており、不要な変調は、この３次元導波路を不
要な表面弾性波が横切る際に゛発生する。このときの音
響光学的な変調は、光の位相変調が主体となり、その変
調の状態は表面弾性波の波面の向きと３次元光導波路が
作る角度で決まり、ブラッグ回折の条件といったものは
関与しない。前記周波数シフトの特性に悪影響が出る場
合は、前記位相変調が周期的に特に表面弾性波の周波数
で発生する場合である。このような位相変調は、表面弾
性波の進行方向と３次元光導波路の方向とがほぼ直角に
交わる状態で最大に達し、表面弾性波の１周期ごとに同
期して光の位相状態がわずかに進んだり遅れたりする。

よって、本発明に係る２周波光発生光源では、前述の不
要な表面弾性波によって位相状態が周期的に変化してい
る３次元光導波路に、同じ周期で別個に発生させた新た
な表面弾性波を前記不要な表面弾性波と位相を１８０度
ずらして入射させ、逆向きに位相変化する変調状態を強
制的に作り出し、３次元光導波路全体では（出力光の位
相状態では）周期的位相変化は相殺されて発生していな
い状態を作る方法を採用した。

〔作用〕

この方法を採用したことによって集積化された光集積回
路内には、不要な音響波は残るものの変調してはならな
い光導波路内の光に対しては、様に位相を遅らせる効果
のみとなり、不要な位相変調が表面弾性波により周期的
に行われることは無くなった。

このことは、実験で検証し、その結果については後に第
２図、第３図を用いて説明する。

〔実施例〕

第１図に、本発明に係る２周波光発生光源の構成の一実
施例を示す。この実施例では、光透過性を有する圧電性
基板Ｉの表層に、分岐型光導波路２と、該分岐型光導波
路２の一端に接続した第１の平面型光導波路３と、該第
１の平面型光導波路３に接続した第１の直線型光導波路
５が設けである。第１の平面型光導波路３の内部には分
岐型光導波路２の一端から入射して自然分散した光を、
平行光にする第１の薄膜型レンズ７と、前記平行光を集
光する第２の薄膜型レンズ８が設けられている。また、
前記圧電性基板１上には、前記平行光に対して、ブラッ
グ回折の現象を生じさせる角度（ブラ・７グ角）で表面
弾性波を発生させる第１の交差指型電極１１が設けであ
る。さらに、分岐型光導波路２の他の一端には、上記で
述べたものと同一の構成を成した薄膜型光学系が接続さ
れ、第１の平面型光導波路３と第２の平面型光導波路４
とは、交差指型電極にて発生し、進行してきた表面弾性
波の影響を受けないように位置をずらして構成されてい
る。

また、前記第１の交差指型電極１１より発射された第１
の表面弾性波１３ａと並行して１８０度位相のずれた表
面弾性波１３ｂを発射させる第３の交差指型電極１４と
、第２の交差指型電極１２より発射された第２の表面弾
性波１５ａと並行に伝搬し、かつ、位相差が１８０度と
なるような表面弾性波１５ｂを発射させる第４の交差指
型電極１６が前記圧電性基板１の表層に設けられている
。さらに、該圧電性基板１の端面１７．１８は、光の入
射及び出射が効率よく行えるように鏡面研磨しである。

圧電性基板１の光入射点１９に入射した周波数ｆ０の光
は、分岐型光導波路２の中を導波して２分岐され、第１
の平面型光導波路３内に入り、第１の薄膜型レンズ７で
光束幅の大きな光導波光に変換される。第１の交差指型
電極１１へ励振周波数ｆ１の正弦波信号を印加して発生
した第１の表面弾性波１３ａは、平行な光導波光の部分
へブラッグ角で入射して効率よく光の周波数変調を行な
う。このようにして、周波数変調された光は、第２の薄
膜型レンズ８により集光され、第１の直線型光導波路５
内に入射して圧電性基板ｌの光出射点２０へ導波される
。光出射点２０から出射する光の周波数は、ｆｏ＋ｆと
なる。

上記と同様の作用により、第２の平面型光導波路４内で
周波数変調された光は、第２の直線型光導波路６内に入
射して、圧電性基板１の光出射点２１より出射する。光
出射点２１より出射する光の周波数は、第２の交差指型
電極１２に印加する正弦波信号の周波数１２だけ遷移し
ており、ｆ、＋ｆ２となる。

第１図の２周波光発生光源の構成では、それぞれの交差
指型電極から発生した表面弾性波が、平面型光導波路内
を横切った後、他方の平面型光導波路に接続している３
次元光導波路の直線部分をも横切る構成となっており、
直線型光導波路内を伝搬する光と、これを横切る形で進
行する表面弾性波との間に不要な位相変調（相互干渉）
が生じる。この不要な位相変調は、表面弾性波により圧
電性基板１の表層に発生する周期的な密度の変化が原因
である。この密度の変化は表面弾性波の山の部分、谷の
部分に相当する場所でそれぞれ密の状態、疎の状態をと
り、表面弾性波と共に異動していくものであり、固体表
面を伝搬する表面波そのものの波動物性の一つである。

さて、この密度の変化で、密となった部分が進行して前
記３次元光導波路の直線部分にかかると、導波路内の光
の屈折率は増大し、先導波光の位相は表面弾性波が存在
しない場合に比較して遅れる。他方、疎の部分がかかる
と、屈折率が低下して光速が増し、位相が進む。ゆえに
、直線型光導波路を表面弾性波が横切ると、導波されて
いる光の位相が表面弾性波の時間周波数で繰返し位相変
調される。

本実施例では、上述したように、不要な表面弾性波で位
相変調された光の位相変動を、別個に発生させた表面弾
性波による位相変調作用によって相殺させ、時間的に変
動しない位相状態を得ようとしている。

具体的には、第１図に示すように、第１の表面弾性波１
３ａ、第２の表面弾性波１５ａの近傍にそれぞれの表面
弾性波と周波数が等しく位相（正確には第１及び第２の
直線型光導波路５．６を横切る時点における空間位相）
が１８０度ずれた第３及び第４の表面弾性波１３ｂ　、
１５ｂを発生させるべく新たに第３及び第４の交差指型
電極１４．１６を設置した。このため、第１の表面弾性
波１３ａが第２の直線型光導波路６の屈折率を高めさせ
、光導波光の位相を遅らせている時、新たに設置した該
第３の交差指型電極１４により生じた位相変化を補正す
べく第３の表面弾性波１３ｂは同じ第２の直線型光導波
路６の別の部分で屈折率を低下させ位相を進ませている
ことになり、この作用は同期して繰返し行われるから結
果的に位相の時間変化は相殺され、出射光には現れてこ
なくなる。

第２の表面弾性波１５ａと、この影響を相殺するための
第４の表面弾性波１５ｂとの関係も同様である。ただし
、以上の作用は表面弾性波の伝搬速度が光の速度に較べ
て無視できる程度に小さいという仮定に基づくものであ
るが、この仮定条件内で現実的に問題は生じていない。

次に、空間的位相差を持つ２つの表面弾性波により、直
線型光導波路内の先導波光が受ける位相変調の状態が変
化する様子を実験的に確かめたので簡単に述べる。

測定に用いた実験系を第２図に示す。発振器２２より出
力された信号を増幅器２３で増幅し、３つの信号に分配
する。第１の信号Ｓ■は参照用信号用として減衰器２４
ａを通過した後、そのままオシロスコープ２５に入力す
る。第２の信号Ｓ■は減衰器２４ｂを通過した後、第５
の交差指型電極２６ａに印加して第５の表面弾性波２７
ａを発生させる。第３の信号Ｓ■は抵抗と可変コンデン
サとからなる位相器２８を通過した後、第６の交差指型
電極２６ｂに印加され、第６の表面弾性波２７ｂとなる
。

一方、基板への入力光２９は直線型光導波路３０中を通
過する隙に前記第５及び第６の交差指型電極２６ａ　、
２６ｂから発生されるそれぞれの表面弾性波により位相
変調を受ける。位相変調を受けた光はホトマル３１に入
射し、光電変換された後オシロスコープへ導かれ、波形
観測される。オシロスコープ２５上では、正弦波的な波
形として位相変調が測定される。測定して得られたオシ
ロスコープ波形を第３図（ａ）、第３図（ｂ）に示す。

第３図（ａ）においで、上部波形は位相測定のためのト
リガーとなるべく参照用信号（前記第１の信号Ｓ■）波
形を表し、下部波形は第５及び第６の表面弾性波２７ａ
　、　２７ｂの空間的位相差が０（ゼロ）となるように
位相器２８で調整したときの直線型光導波路３０からの
出力光をホトマル３１で光電変換して得た出力信号であ
る。

また、第３図（ｂ）において、上部波形は第３図（ａ）
と同様、参照用信号を表し、下部波形は第５及び第６の
表面弾性波２７ａ　、２７ｂの空間的位相差を１８０度
になるように調整したときの出力光をホトマル３１で光
電変換して得た出力信号である。

第３図（ａ）、第３図（ｂ）を比較してみると、上部波
形の参照用信号に対する下部波形の位相差が異なってい
ることが判る。さらに、その振幅は第５及び第６の表面
弾性波２７ａ　、２７ｂの空間的位相差がＯ（ゼロ）の
ときに対し１８０度の逆位相の時はほとんどなくなって
おり、位相変調が消滅していることが判る。

以上のことから、外部から第５及び第６の表面弾性波２
７ａ　、２７ｂの空間的位相差を変えることにより直線
型光導波路３０内を伝搬する光の位相変調状態を変える
ことができ、さらに、空間的位相差を１８０度にしたと
き周期的位相変調が相殺されることが実験的に確かめら
れた。

〔発明の効果］ この発明では、周波数の異なる２つの光を発生させるた
め、圧電性を有する光学基板上に薄膜先導波路で光学回
路を作製し、入射光を２分したのち、各々の先導波光に
表面弾性波で位相変調をかけてブラッグ回折による周波
数シフトを行っているが、この際に片方の光導波路に位
相変調をかけた後の表面弾性波が他方の光導波路を横切
り不要な周期的位相変調を行なう難点があったため、こ
れを解決する目的で不要な周期的位相変調を相殺する位
相変調を新たに設けた交差指形電極から発生させた補正
用の表面弾性波によって行わせ、２つの周波数シフトを
受けた出射光の波面においては周期的位相変化を生じさ
せないような構成とした。このため、従来から周波数の
温度安定性や光路長の精密調整、また形状の小形化など
、光集積回路化のメリットが十分活用できる光学回路で
あるにもかかわらず、不要な表面弾性波による位相変調
によって集積化が困難と考えられていた２周波光発生光
源の光集積回路化が実現できるようになった。

本発明の２周波光発生光源の特徴は、集積化による前記
特徴の他に、バルクタイプの光学系による光源に比べて
再現性良く大量生産が可能で、適切な設計値で製作され
れば無調整で所定性能を発揮できるといった工業生産性
での面にも現れておリ、将来、光集積化された光ヘテロ
ダイン干渉計などが実用化された場合、その光源として
重要な光学部品となり得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る２周波光発生光源の一実施例によ
る構成図を、第２図は２つの表面弾性波による周期的な
位相変調の相殺状態を測定するための実験装置の構成図
を、第３図は第２図における実験装置で得られた１不要
な周期的位相変調の状態が消滅する実験結果を示す波形
図を　それぞれ示す。 図において、■は圧電性基板、２は分岐型光導波路、３
と４は第１及び第２の平面型光導波路、５と６は第１及
び第２の直線型光導波路、７〜９及び１０はそれぞれ第
１〜第３及び第４の’１ｉｌＨ型レンズ、１１と１２は
第１及び第２の交差指型電極、１３ａと１３ｂは第１及
び第３の表面弾性波、１４は第３の交差指型電極、１５
ａと１５ｂは第２及び第４の表面弾性波、１６は第４の
交差指型電極、１７と１８は圧電性基板の端面、１９は
光入射点、２０と２１は光出射点、２２は発振器、２３
は増幅器、２４ａと２４ｂは減衰器、２５はオシロスコ
ープ、２６ａと２６ｂは第５及び第６の交差指型電極、
２７ａと２７ｂは第５及び第６の表面弾性波、２８は位
相器、２９は入力光、３０は直線型光導波路、３１はホ
トマルを　それぞれ示す。 特許出願人　　　　アンリツ株式会社 代理人　　弁理士　　小　池　龍太部 第１ 図 第３図（ａ） 第３図（ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光透過性を有する圧電性基板（１）と；該圧電性基板（
   １）の表層に設けられ、入射光を実質的に等位相、かつ
   、等光量に分配するための分岐型光導波路（２）と；該
   分岐型光導波路（２）により分配された２つの出力端の
   各々に１つずつ接続された第１及び第２の平面型光導波
   路（３）、（４）と；該第１の平面型光導波路（３）に
   接続された第１の直線型光導波路（５）と；該第２の平
   面型光導波路（４）に接続された第２の直線型光導波路
   （６）と；前記第１及び第２の平面型光導波路（３）、
   （４）のそれぞれの内部に１つずつ設けられ、前記分岐
   型光導波路（２）の２つの出力端から自然分散した光を
   、それぞれ平行光にするために前記圧電性基板（１）上
   に載置された第１及び第３の薄膜型レンズ（７）、（９
   ）と；該第１及び第３の薄膜型レンズ（７）、（９）を
   通過した後の平行光のそれぞれを、前記第１及び第２の
   直線型光導波路（５）、（６）に絞り込むために該圧電
   性基板（１）上に１つずつ載置された第２及び第４の薄
   膜型レンズ（８）、（１０）と；互いに周波数が異なる
   第１及び第２の表面弾性波（１３ａ）、（１５ａ）を前
   記圧電性基板（１）上に発生させる第１及び第２の交差
   指型電極（１１）、（１２）と；前記分岐型光導波路（
   ２）により分岐した後の一方の第２の直線型光導波路（
   ６）内に該第１の表面弾性波（１３ａ）によって生じた
   光位相変化を補正するための第３の表面弾性波（１３ｂ
   ）を、前記圧電性基板（１）上に発生させる第３の交差
   指型電極（１４）と；前記分岐型光導波路（２）により
   分岐した後の他方の第１の直線型光導波路（５）内に前
   記第２の表面弾性波（１５ａ）によって生じた光位相変
   化を補正するための第４の表面弾性波（１５ｂ）を、前
   圧電性基板（１）上に発生させる第４の交差指型電極（
   １６）とを備え、 該第１の交差指型電極（１１）は該第１の平面型光導波
   路（３）内を、該第２の交差指型電極（１２）は該第２
   の平面型光導波路（４）内をそれぞれ伝搬する平行光に
   対してブラッグ回折の条件を満足させるように前記表面
   弾性波を発生するようにしたことを特徴とする２周波光
   発生光源。