JPH0277029A - ２周波光発生モジュール - 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周波光発生モジュールに関する。

〔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が、ま
た出力光による干渉パターンが点滅信号であれば点滅間
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、このビート周波数は高精度で一定に
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。

光ヘテロゲ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
定化レーザを周一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
テロダ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
。

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く用いられている。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。

干渉計に使用する方式としては、１個の変調素子で得ら
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。後者の方法では、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
波数も高くすることが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、ブラッグ回折条件を満足
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、ビームスプリフタ、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、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され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させ
た音響波は容易に消滅させることが難しく、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、薄膜導
波形光集積回路では、光は基板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、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周波光発生モジュールの
光集積化構造においては形状的に困難である。よって、
本発明の２周波光発生モジュールでは音響光学的な変調
を必要とする導波光に対しては変調信号である表面弾性
波がブラッグ条件を満足して入射し、高効率の変調作用
を発生させるようにし、かつ、変調作用を終えた不要な
表面弾性波は他の導波路内の導波光に対して影響を最少
にするような入射角度をもたせた。ここで、本発明の２
周波光発生モジュール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、
ブラング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
。

この時の音響光学的な変調は光の位相変調が主体となり
、変調の状態は表面弾性波の波面の向きと、３次元導波
路が作る角度で決まり、ブラッグ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。このような状態は、表面弾性波
の進行方向と３次元導波路の方向が直角に交わる状態で
あり、一方、この状態から交角をわずかにずらせること
により、位相変調は直角の状態と同様に発生するものの
ほぼ一定の位相変化（位相遅れ）を持続して、周期的な
変化を生じない状態を得ることが可能である。本発明の
解決手段には、薄膜状導波光に対してはブラッグ条件を
満足し、同時に３次元導波路内の光に対しては周期的変
化を持たない位相変調状態を発生させる表面弾性波の入
射角を設定する方法を採用した。

〔作用〕

この方法によって集積化された光回路内には、不要な音
響波は残るものの、変調してはならない導波路内の光に
対しては一様に位相を遅らせる効果のみとなり、不要な
位相変調が音響波で強力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図及び第４図を用いて説明する。

〔実施例〕

第１図に、本発明に係る２周波光発生モジュールの構成
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１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、平行な導波光に変換する第１の薄膜型レンズ７と
、前記平行な導波光を集光する第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ｌ上には、前記
、平行にされた導波光に対して、ブラッグ回折現象を生
じさせる角度（ブラッグ角）で表面弾性波を発生させる
第１の交叉指型電極１１が設けである。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構成を成し
た薄膜型光学系が接続されている。第１の平面型光導波
路３と第２の平面型光導波路４は、交叉指型電極にて発
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している。

圧電性基板ｌの端面１６．１７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１３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
光束幅の大きな導波光に変換される。第１の交叉指型電
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１８は、平行な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。

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１４へ導波される。

光出射点１４から出射する光の周波数は、ｆ、＋ｆ。

となる。

上記と同様の効果で、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１５より出射する。光出射
点１５より出射する光の周波数は、第２の交叉上型電極
１２に印加する正弦波信号の周波数ｆ２だけ遷移してお
り、ｆｏ＋ｆ＋となる。

第１図の２周波光発生モジュールの構成では、それぞれ
の交叉上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
いる先導波路の直線部分をも横切る構成となっている。

直線型光導波路内を伝搬する光と、これを横切る形で進
行する表面弾性波の間に不要な相互干渉（位相変調）が
生じることは、後述するように実験によって確かめられ
ている。本発明では、先導波路の方向と表面弾性波の波
面とが特定の角度を持って交叉するように構成すること
で、導波路内で生じる不要な位相変調による周波数シフ
トを軽減させている。

ここで、表面弾性波が直線型光導波路内の光に与える影
響とその軽減法について述べる。

表面弾性波は光弾性効果を介して圧電性基板中の屈折率
を変化させるため表面弾性波の波面と直線型光導波路が
平行に配置されると、丁度先導波路に平行にストリップ
電極を設け、該電極に高周波電圧を印加した時と同じ効
果が生じ、先導波路内の光は位相変調を受ける（後者は
、電気光学効果を用いた光位相変調と言われる）。

そこで、第２図に示すように、表面弾性波の波面が光導
波路に対し、つぎの条件 ｔａｎθ＝Ｌ／Δ　　　　−−−ｍ−・−・−・・・・
−・・−・・　（１）Ｌ：表面弾性波の広がり Ａ：表面弾性波の波長 を満たす角度θで入射するように配置す耗ば、光の受け
る位相変調は相殺される。

以上の原理は、次に示す実験により動作の確認を行なっ
た。表面弾性波駆動電力２５ｄＢｍ（３２０ｍＷ）　。

同周波数５３Ｍ　Ｈｚで、（表面弾性波の波面が直線光
導波路に対し）平行入射、斜め入射した時の光導波路出
射光を光電変換したスペクトラムを、第３図、第４図に
それぞれ示す。第４図から明らかなように、斜め入射時
には、１０６ＭＨｚのスペクトラムが殆ど消滅する。従
って、（位相変調により）周波数シフトする光量は、斜
め入射の時の方が平行入射の時よりも少ないことがわか
る。なぜなら、光の周波数から＋５３Ｍ　Ｈｚ、−５３
Ｍ　Ｈｚ周波数シフトする光量は等しいので、もし周波
数シフトが生じていれば１０６Ｍ　Ｈｚのスペクトラム
も観測されるからである。

ゆえに、斜め入射の方が光導波路内の光の受ける周波数
シフトを軽減できると言える。

以上述べたことから、本発明の２周波光発生モジュール
では、ブラッグ回折の条件 ｓｉｎθ１　＝λ。／２η。八　　　−曲曲一・−・・
−曲（２）λ。：真空中の光の波長 η。：基板の屈折率 を満たしつつ、表面弾性波が直線型光導波路内の光に与
える影響を軽減するために、表面弾性波の波面と光導波
路の間に、 ｔａｎθ８＝Δ／　Ｌ　　　　　　　−−−−−−−−
−−−−（３）なる角度を持たせる必要がある。

したがって、本発明に係る２周波光発生モジュールでは
、その動作周波数、即ち表面弾性波の波長が与えられた
時、Ｌをθ、＝θ、が成り立たせるように設計すればよ
い、上記、（２）式及び　（３）式より、Ｌは Ｌ＝（Δ／λ。）（２η。Δを一λ。りＩ／！・−・・
−・−・・−・・・・−・−（４）で与えられる。

〔発明の効果〕

この発明では、光を２つの異なる周波数で変調するため
に、分岐型光導波路により導波光を分岐し、それぞれの
光導波路を伝搬する導波光に対して異なる周波数の表面
弾性波で変調をかける構成とした。また、表面弾性波を
発生させるための交叉指型電極の配置を工夫して平面型
光導波路内を伝搬する導波光に対して、ブラッグ条件を
満足させ、かつ分岐型光導波路や直線型光導波路内を伝
搬する導波光に対して、その波面が所定の角度を持つよ
うな構成にした。このため周波数変調を受けてはならな
い光導波路内の伝搬光に対しては、−様な位相シフトを
発生するのみで不要な周波数シフト°は事実上無視でき
る程度に軽減させることができた。よって、表面弾性波
による光のブラッグ回折を利用した２周波光発生装置の
光モジユール化（光ＩＣ）が実現可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る２周波光発生モジュールの一実施
例による構造図を示す。 第２図は表面弾性波が直線型光導波路内の光に与える影
響を軽減するための表面弾性波の波面と導波路の配置図
を示し、第３図は表面弾性波が導波路に対し平行入射し
た時の導波路出射光のスペクトラムを示す。また、第４
図は表面弾性波が導波路に対し、特定の角度で斜入射し
た時の導波光のスペクトラムを示す。 図において、ｌ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、７〜１゜は第１〜第４の薄膜
型レンズ、１１と１２は第１及び第２の交叉指型電極、
１３は光入射点、１４と１５は光出射点、Ｉ６と１７は
圧電性基板の端面、１日と１９は第１及び第２の表面弾
性波をそれぞれ示す。 また、Ｌは表面弾性波の広がり（交叉指型電極の幅）、
Ａは表面弾性波の波長を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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）の２つの出力端にそれぞれ接続された
   第１及び第２の平面型光導波路（３）、（４）と；該第
   １及び第２の平面型光導波路（３）、（４）にそれぞれ
   接続された第１及び第２の直線型光導波路（５）、（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
   行光をそれぞれ前記第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（
   １８）、（１９）を前記圧電性基板（１）上に発生させ
   る第１及び第２の交叉指型電極（１１）、（１２）とを
   備え、該第１の交叉指型電極（１１）は該第１の平面型
   光導波路（３）内を伝搬する平行光に対してブラッグ条
   件を満足させ、かつ、前記分岐型光導波路（２）内を伝
   搬する導波光に対して、その波面が所定の角度をもつよ
   うな前記表面弾性波を励起し、該第２の交叉指型電極（
   １２）は該第２の平面型光導波路（４）内を伝搬する平
   行光に対してブラッグ条件を満足させ、かつ、前記直線
   型光導波路（５）内を伝搬する導波光に対して、その波
   面が所定の角度をもつような前記表面弾性波を励起する
   ようにしたことを特徴とする２周波光発生モジュール。