JPH06100740B2 - 進行波形表面弾性波光変調装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，光の位相を超音波を使用して変調する光変
調装置に係り，特に，固体基板表面を伝搬する表面弾性
波（SAW:Surface Acoutic Wave）を回折格子として利用
し，かつ，該SAWの発生面を入射光の光軸方向にほぼ平
行間隔で積層するように配置することにより高能率で光
波面の位相変調が行えるようにした進行波形表面弾性波
光変調装置に関する。

〔従来の技術〕

光の位相面を空間的に変調する光変調装置には、光学的
反射格子のように光の反射点の幾可学的空間位置を設定
し，それらの位置のずれから各々の反射光に光路差を発
生させて所望の位相遅れ（位相変調）を生じさせるもの
と、光学レンズのように光の透過する部分の材質の厚さ
や，屈折率を変化させて光の速さを遅らせ，その結果，
位相遅れを生ぜせしめるものとがある。光を透過させる
媒質の屈折率を変化する方式の位相変調装置では、光透
過媒質に異方性結晶などを用い，電界や磁界を加えるこ
とによって容易に，しかも高速に位相遅れを生じさせる
ことが可能であり，圧電結晶基板上の光導波路などに電
界を加えて位相変調を行う変調素子や、さらに２つの素
子の変調光を干渉させて光の点滅を行う光スイッチなど
の多くの実用的な光学素子が開発されてきた。

また、電界，磁界等の変化では顕著な屈折率変化の生じ
ない物質，あるいは光の透過する部分の面積が広く，そ
の部分全体に例えば正弦波格子状の位相変化分布を発生
させたいような場合には，光透過媒質中に超音波を放射
し，超音波による媒質の密度変化によって屈折率変化を
生じさせる音響光学的な手法がとられてきた。

この音響光学的な位相変調の方法は、大別すると，媒質
の内部を進行するバルク波を使用するものと、媒質の表
層にエネルギーの大部分が集中している表面弾性波（SA
W）を利用する方法とに分けられる。

バルク波を用いるものは，超音波の中を長い距離にわた
って光を進行させることが可能であり，この結果，超音
波と光の相互干渉の時間（距離）を長くとることがで
き，位相変化量が大きい（変調効率が高い）特徴がある
が，しかし，光透過部分の面積を広くし難く，また、超
音波の発生帯域が構造上狭い等の作成面での問題と、バ
ルク波により生じた立体的な格子状の屈折率変化領域に
対する光の入射角度がBragg（ブラッグ）の条件によっ
て制限され，入射光の波長若しくは超音波の波長が変化
するとそれに従って入射角度も調整する必要があった。
しかしながら，固定周波数の光変調装置としては、小
形，高効率であり、最も実用化されているものの一つで
ある。一方,SAWを利用する光変調装置は、SAWの発生機
構が高周波，広帯域に向くものであって，かつ前記Brag
g（ブラッグ）の条件に適したようにSAWの発射方向を変
化させる方法も開発されてきたため高周波，広帯域の光
変調装置として用いられてきた。SAWと光との組合せ方
法には、光をSAWの発生している基板表面に薄膜状に導
いてSAWの中を長時間（長い距離）伝搬させて変調効率
を高める方法と,SAWの発生面に垂直に光を透過させて短
時間（短距離）で位相変調させる方法とがある。SAW発
生面に光を導波する方法は，主に薄膜光ICの位相変調素
子として多用され利用価値が高い。また、SAW発生面に
垂直に光を入射 する方法は，幅の広い光束全体に位相変調をかけること
が可能で，一般的な空間伝搬形の光学系において位相回
折格子のように使用されることが多い。この場合、SAW
の周波数を変化させて格子定数を変化させることが可能
で可変格子間隔を有する位相回折格子として注目を集め
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなSAW発生面に光を垂直に入射
する方式の光変調装置では,SAWと光の相互作用時間が他
の方式のものに較べ短かく位相変調の効率を高めること
が困難であった。

前記バルク波を使用する変調装置では、前記Bragg（ブ
ラッグ）の条件を満足させれば、80％程度の変調効率が
期待できるが、SAWに垂直に光を入射する変調装置で
は、数％程度と極端に低く，実用面も非常に限られたも
のとなっていた。（注：ここで言う変調効率とは、位相
変調後の光を結像させ，位相変化で生じた回折光の強度
を測定して，入射光の何％が回折したかを求めたもので
ある。） 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたもので，
その解決の手段として、光を透過し，かつ,SAWが伝搬す
る光学平面を表裏にもつ複数個の基材を，各々の表裏面
が互いにほぼ平行な間隔をもちながら対向するように配
置し，それら基材の間隙に音響振動を発生させるための
音響波発生装置を介在させ，これら音響波発生装置で発
生した音響振動が，これら発生装置を挾む２つの光学平
面に，同一周波数で同一位相のSAWとなって同一方向に
伝搬するような構成とした。このため，複数個の基材に
はそれぞれ同一の音響特性を有し，かつ，入射光の透過
性が十分良好な材質のものを用いた。さらにまた、各音
響波発生装置から発せられたSAWは，それぞれ同一周波
数，同一進行方向を有するものであって，なおかつ，入
射光の光軸方向から見透した場合に，それら複数のSAW
の位相が同位相になるように前記発生装置のそれぞれの
設定場所を定めた。

〔作用〕

以上の手段によって，入射光の光軸方向に積層されたSA
W伝搬基材を、SAWの伝搬速度に対し無視できる程の短時
間で光が通過し，各基材表面に発生している同一周波数
で，かつ，空間的に同一平面内に揃った位相（以後，空
間的な同位相という。）を有する複数のSAWにより同様
の位相変調を繰返し受けることになり、SAW伝搬基材の
枚数に従って変調効率を増加させることが可能となる。

〔実施例〕

第１図に本発明の進行波形表面弾性波光変調装置の第１
の実施例における構成図を示す。

本図は，本発明の要旨を示し、複数の基材1a,1b,1cと音
響波発生装置2a,2bとの組合せについて図示したもので
ある。

複数の基材の間に音響波発生装置を配置する構造を簡単
に実現するには、従来より用いられているSAWを用いた
音響光学的位相変調素子、例えば，同一出願人・同一発
明者による発明「表面弾性波を利用した光の回折装置」
（特願昭60-234812号）などを、本発明の要領により他
の同一音響特性を有する基材と組合せて構成する方法が
考えられる。この「SAWを利用した光の回折装置」で
は、光位相変調の基本的な動作を行わせる構造として，
光透過性を有する基材に圧電性基板を使用し，その基板
表面に音響発生装置として交差指形電極を金属の蒸着薄
膜で形成している。

前記第１図で示せば、基材1aは圧電性基板であり，か
つ，その片側表面に金属薄膜の蒸着技術及び半導体微細
加工技術等によって作成された交差指形電極が音響発生
装置2aとして配置された構成である。

この圧電性基板と交差指形電極による光位相変調素子
が、SAW発生面に垂直入射する光を広い面積で位相変調
する素子としては最も簡単な構造であり，広く知られた
方式である。

さて、このような位相変調素子を基本に再度前記第１図
の実施例を説明すれば，本実施例は２つの同特性を有す
るSAWによる位相変調素子、すなわち，基材1aと音響発
生装置2a,及び基材1cと音響発生装置2bとの組合せで構
成される２つの位相変調素子の間に、前記基材1a、1bと
同等の音響特性を有する基材1bが挾まれた構造であると
言える。この場合、前記音響波発生装置2a,2bの表面が
基材1bの表裏の光学平面に密着するように重ねれば、前
記音響波発生装置2a,2bにより前記基材1bの表裏面にもS
AWを発生させることが可能である。

実験的にSAWの振動振幅は数Å〜数十Åであり，また，
通常用いられる交差指形電極の膜厚は数μｍ程度あるた
め，前記基材の間に交差指形電極のみを挾んだだけで積
層圧着しても，交差指形電極の厚さによって生ずる各基
材間の空隙は、その対向する光学平面にSAWの伝搬させ
るに十分な間隔を有する。

また，この空隙の幅を一定に保ち，各基材をほぼ平行に
積層配置する簡便な方法は、同図にも示されているよう
に，交差指形電極を形成するに際し，光透過領域の反対
側にスペーサ3a,3bとして蒸着膜の小片を形成するのが
良い。本実施例では、このスペーサ3a,3bをSAWの進行方
向に対して斜めになるように形成し,SAWの不要反射が音
響波発生装置2a,2bに戻らないようにしてある。

次に，本実施例のSAW進行方向軸と入射光軸を含む平面
での断面図を示した第２図を用いて各基材の表面に発生
したSAWの伝搬の状態と、光の入射及び位相変調につい
て説明する。

前記第１図で示したように、本実施例では、３つの基材
と２つの音響発生装置によって基材の４つの光学平面に
SAWが発生する。

これら４面のSAWに、第２図に示すようにSAW1,SAW1′,S
AW2,SAW2′と名前を付ける。各音響発生装置の発振周波
数とSAW発射方向，及び各基板の音響特性が同一であれ
ば、すべてのSAWは同一波長で平行した位相面（光軸方
向から見透せば格子面）を持って同一速度で進行する。

よって、各SAWが，入射光４に対して同等の位相変調作
用を与えるようにするには、各SAWの位相面が光軸方向
から見透した場合に同相で揃っていれば良いことにな
る。前記SAW1とSAW1′は，同一の音響波発生装置より発
射されたSAWであるから，完全に空間的な同位相を保っ
ている。また，同様にSAW2、SAW2′についても空間的な
同位相であることは明白である。

ゆえに，音響発生装置2a,2bについて、その発射する音
響波（SAW）が，空間的な同位相であるようにすれば，
すべてのSAWが光軸方向から見て同相で揃うことにな
る。

位相調整の方法はいくつか考えられるが，最も簡単で確
実な方法は、各音響波発生装置の発生機構の配置を調整
し,SAWの位相を合わせることである。

実施例のような交差指形電極では、各電極のSAW伝搬方
向位置をSAW波長の数〜数10分の１の精度で調整できれ
ば良く，実際に必要な数値精度は数μｍである。この程
度の精度内での位置決めは現在の半導体素子製造用のマ
スクアライナーで十分実現できるものである。

この他の方法として、交差指形電極の交差指方向の平行
度のみを精密に整合させ,SAWの位相調整はそれぞれの電
極に加える電気信号の位相を個々に遅らせて調整する方
法もある。この方法は変調素子の外部回路がやや複雑化
する困難は生ずるものの，光変調装置の組立後，光を実
際に入射し，その変調された出力光を観察しながら調整
可能であるといった特徴もあり、実用上有効な手段とな
っている。

次に、本発明の実施例におけるいくつかの構成法につい
て述べる。

第３図に第２の実施例の構成図を示す。この実施例は、
本発明の最も簡単な形で，片面に音響波発生装置２を備
えた位相変調素子５と、この素子５と同質の基材1bと
で，前記音響波発生装置を両側より挾む形で密着したも
のである。ここに、基材1bの形状が，位相変調素子５の
基材1aより小さくしてあるのは、音響波発生装置２の電
極の一部を露出して信号供給を容易にするための工夫
で、光位相変調の基本動作に直接的にかかわるものでは
ない。

第４図に第３の実施例における構成図を示す。

この実施例では、両面に音響波発生装置2a,2bを備えた
両面形の位相変調素子６の両側から同質の基材1a,1bを
密着させた構成で、２つの音響波発生装置2a,2bと光透
過性を有する３つの基材1a,1b,1cで、４面にSAWを発生
させる動作は，前記第１図に示した第１の実施例と同様
である。しかしながら、製造過程で用いる技術は異な
り，第１の実施例では、２つの位相変調素子を組合せる
段階で音響波発生装置2a,2bの位置を整合させ、SAWの位
相を同位相に調整するアッセンブリー技術が必要であ
り、一方、本第３の実施例では、両面形の位相変調素子
６を製造する際に，前記音響波発生装置2a,2bの空間的
な位相を整合させるための両面マスクアライメントの技
術が重要である。現状では、技術的に第１の実施例の構
成法が優位であるが，製造工程の簡略化や、完成品の品
質の均一化には第３の実施例で示した構成法が有力と考
えられる。

以上、本発明の基本となるSAWの発生法について３つの
実施例を述べたが、本発明の実用化に当たっては、前記
引用した発明「表面弾性波を利用した光の回折装置」に
も示されているように、SAWの不要反射を防止する超音
波吸収部材の配置や、SAWが熱として消滅する際の発熱
に対する対策なども重要な項目である。さらに、本発明
のように、SAWによる基材の密度変化で屈折率変化を生
じさせる形の光位相変調装置では、使用される基材の屈
折率が大きくなることが多く、これに空気中で光入射を
行う場合には、表面あるいは内部反射率が数10％といっ
た高率になる可能性が高い。

よって、積層構成による光の多重反射を防止する意味に
おいて光学平面の光学的反射防止膜の形成（光学コーテ
ィング）が必要である。

第５図に、本発明の簡単な応用例として，光の偏向装置
に用いた例を示す。

周波数f₀の正弦波の電気信号によって基材1a,1bの表面
に発生したSAWは、格子定数にあたる空間周期ｄを有
し，速度ｖで矢印の方向に進行する。同図左の方向から
入射光４がこの基材を通過すると、この入射光はSAWに
よる基材表面の凸凹と基材表面直下の屈折率変化によっ
て位相変調を受ける。この位相変調は、空間周期ｄの繰
返しによる周期的なものであるから、この光は通常の正
弦波位相格子を透過した光と同じく、レンズ７でレンズ
の焦点面８に結像させると回折像を生ずる。ここで，入
射光が波長λの単色光であれば、該回折像は前記格子定
数ｄで位置の定まる±１次の回折輝点像となる。この回
折輝点の発生位置は、焦点面８上の光軸より距離αだけ
離れた位置となり、方向はSAWの伝搬方向と等しい。α
の値はレンズ７の焦点距離をＦとすれば α＝Ｆλ/d＝f₀Fλ/v ……（１） で表わされる。ここで、正弦波電気信号の周波数がf₀を
中心に±Δf/2変化するものとすれば、焦点面８上での
±１次の回折輝点の変位量Δαは Δα＝ΔfFλ/v ……（２） となる。（２）式で明らかなように、SAWの伝搬速度ｖ
が小さく、レンズの焦点距離Ｆが長く、光の波長λが長
いほど変位量Δαは大きく、かつ、電気信号の周波数と
直線的な関係で変化することが分かる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、光透過性を有する
基材の間に音響波発生装置を挾み込む形で配置したた
め、１つの音響波発生装置で２つの面に同一周波数、同
一位相のSAWを効果的に発生させることができ、さら
に、これらを光入射方向に積層させ、かつ、空間的な位
相を同相状態に揃えたので、従来装置では得られなかっ
た高効率の光位相変調を実現することが可能となった。

これにより，本発明では、広い面積での空間位相変調が
効率良く実現でき、分光測定装置に応用できる可変格子
定数を有する正弦波位相格子や、音響光学的相関器等の
光電気信号処理装置の空間的位相変調器の実現が容易に
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の進行波形表面弾性波光変調装置に係
る第１の実施例における構成を示す。 第２図は、第１図の第１の実施例における積層された基
材と，複数のSAW及び入射光との位置関係を示す。 第３図は、本発明の進行波形表面弾性波光変調装置に係
る第２の実施例における構成を示す。 第４図は、本発明の進行波形表面弾性波光変調装置に係
る第３の実施例における構成を示す。 第５図は、本発明を光偏向に応用した場合における光の
偏向状態を示す。 図において、1aと1b及び1cは基材、2aと2bは音響波発生
装置、3aと3bはスペーサ、４は入射光、５は1aと２を合
せた位相変調素子、６は1bと2a及び2bを合せた両面形の
位相変調素子、７はレンズ、８は焦点面をそれぞれ示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光透過性を有し，かつ同一の音響特性を備
   え，表裏にそれぞれ光学平面を持ち，互いに光学平面を
   対向させながら積層された複数の基材と、該複数の基材
   の対向する光学平面間に介在されていて，対向するそれ
   ぞれの光学平面に同一進行方向に同一波長及び同一位相
   の表面弾性波を発生させる音響波発生装置とを備え、 積層された光学平面を透過する光を変調させる積層形の
   進行波形表面弾性波光変調装置。