JPH0711649B2 - 直交偏波２周波発生光源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光透過性及び電気光学的効果を有する結晶
基板、光導波路などを利用して光を周波数変調する光集
積回路によって構成され、単一の周波数で、かつ、１つ
の直線偏光（TEモードもしくはTMモードのどちらか一
方）の光から、直交する２つの直線偏光の光（TEモー
ド、TMモード）を周波数の差をもたせて出力する直交偏
波２周波発生光源に関する。

〔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、光波面の位相の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、それを微小変位測定な
どに応用してきた。すなわち、干渉計内での光路差を、
被測定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そ
の点滅間隔がそのまま光源波長で換算されて被測定物の
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
ことから、最近では２つの異なる周波数の光波を干渉さ
せる光ヘテロダイン干渉計測法が注目され始めてきた。
この光ヘテロダイン干渉測定法では、２つの光源の周波
数の差によるビート信号を、出力光の搬送波（キャリ
ア）として使用する。

通常、このビート信号の周波数は、高精度で一定に保た
れるので、該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、対雑音性能ともに飛躍的
に向上した。該光ヘテロダイン干渉測定法において重要
な技術は、周波数シフト技術であり、この技術には周波
数が異なり、かつ、現在する光検出器で検出可能なビー
ト信号が得られる２周波光源が必要である。

このような光源を発生させる方法としては、大まかに３
種類考えられている。

（１）第１の方法は１台のレーザ光源を周波数の異なる
モードで同時に発振させる方法であり、 （２）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、以上の（１）及び（２）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。

（３）第３の方法は現在、最も多く用いられている方法
であり、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
利用したバルク型の音響光変調素子がよく用いられてい
る。このバルク型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ドップラー周波数シフトを
使用したものである。これを、干渉計に使用する方法と
しては、１個の光学位相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個の光
学位相変調素子の各々の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るので、直交偏波
２周波発生光源として利用価値が高い。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、バルク型の音響光変調素子は機械的可動
部がなく、小型でシフトする周波数も高くできるといっ
た長所を有する一方、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、同
一光軸上に偏光状態の直交する成分を一致させ難い点、
さらに、２周波光源として構成した場合、ビームスプリ
ッタ、反射ミラー、波長板等の構成部品が多く必要とな
り、全体として複雑大型化し、そのために機械的外乱に
弱い点などの欠点が残されている。

〔課題を解決するための手段〕

以上に述べたように、バルク型の音響光学変調素子を利
用した２周波光源での問題点は、バルク型の光学部品を
用いたいわゆる、立体光学系のもつ根本的は欠陥であ
る。

したがって、本発明に係る直交偏波２周波発生光源で
は、光透過性及び電気光学効果を有する結晶基板上に形
成する光導波路と、該結晶基板の有する電気光学効果を
利用し、光周波数シフターの光集積化を行い、バルク型
の光学系の欠点を克服した。

さらに、該光透過性及び電気光学効果を有する結晶基板
の物理的特性である光の伝搬方向をｚ軸方向、印加電界
方向をｘ軸方向にとると、結晶の主軸変換が生じるとい
う現象を利用して、同一光軸上に偏光状態の直交する成
分を、異なる周波数シフトを与えて出力させる方法とし
た。

〔実施例〕

第１図に本発明に係る直交偏波２周波発生光源の一実施
例における構成図を示す。

１は、光透過性を有し、かつ、電気光学効果を有する１
軸結晶の結晶基板を示す。

この１軸結晶は、通常、主屈折率の２つが等しく、他の
１つが異なるために結晶のどの切り出し方向の基板を使
うかにより、作製するデバイスの動作特性が異なり、デ
バイスの特性等を決定する上で結晶方向が非常に重要な
ファクターとなる。

本実施例においては、例えばＹ−CUTよりニオブ酸リチ
ウムのような基板を利用すると良い。

２は、該結晶基板１上にTi（チタン）熱拡散法による光
導波路で構成した光導波型マッハツェンダー干渉計を示
す。ただし、この光導波路としては、初期Ti膜厚350
Å、初期Ti膜幅４μｍ、拡散温度995℃、拡散時間6h、
第１次拡散雰囲気Ar、第２次拡散雰囲気O₂の条件で作製
したものを使い、また、このとき光伝搬モードがシング
ルモードになっている光導波路を使用する。

この光導波型マッハツェンダー干渉計２は、Ｙ分岐型光
導波路３、第１の直線型光導波路4a、第２の直線型光導
波路4b及び合波干渉型光導波路５で構成され、また該第
１及び第２の直線型光導波路4a、4bは、光の進行方向が
前記１軸結晶の結晶基板１のｚ軸方向となるように載置
する。

この形にすると１つの入力光が、該Ｙ分岐型光導波路３
で、等位相、等光量で２つに分割され、それぞれ前記第
１の直線型光導波路4a、第２の直線型光導波路4bを伝搬
した後に、前記合波干渉型光導波路５で再び１つに合成
されることになる。

６〜８は、光位相補償手段を構成するそれぞれ第１〜第
３の電極を示す。

第１の電極６、第２の電極７及び第３の電極８は、一体
となって、３つの電極型の光位相補償器23を構成し、さ
らに、主軸変換が生ずることなく変調を行わせるため前
記第１及び第２の直線型光導波路4a、4b上で印加電界方
向がｙ軸方向に加わるように設置する。

９〜12は、それぞれ第４〜第７の電極を示す。

第４の電極９と第５の電極10及び第６の電極11と第７の
電極12は、それぞれ一対の組をなし、該第１の電極６、
第２の電極７、第３の電極８の後段に位置し、前記第１
及び第２の直線型光導波路4a、4bを挟む形で印加電界方
向がｘ軸方向になるように設置され、第１及び第２の光
位相変調器24、25の電極を構成する。

13と14は、光を効率良く光導波路内にとり入れるため、
前記結晶基板１の端面を光学研磨して得た光入射口と該
光を出力させるための光出射口とをそれぞれ示す。

15は，前記第１の電極６、第２の電極７及び第３の電極
８により構成される光位相補償器23に一定電圧を供給す
るための直流電源を、16は，前記第１及び第２の光位相
変調器24、25にそれぞれ交流電圧を加えるための交流電
源を、17は，該交流電源16から発生する電気信号の位相
を前記第１の光位相変調器24と第２の光位相変調器25と
でπ/2〔rad〕変化させるπ/2位相器をそれぞれ示す。

以下に、本発明に係る直交偏波２周波発生光源の動作に
ついて、前記第１図、第２図及び第３図を用いて説明す
る。

第１図と第２図において、本発明に係る直交偏波２周波
発生光源に入射するレーザ光は、単一の直線偏光（TEモ
ードまたはTMモードのどちらか一方）で、かつ、単一ス
ペクトルを持つものを使う。

光入射口13より入射した該レーザ光は、Ｙ分岐型光導波
路３で、入力した時の偏光状態を維持したままで等位
相、かつ、等光量に分割される。

ここで、第２図に示すように、分割された後、光路
（Ｉ）側を導波する光を第１の導波光21、光路（II）側
を導波する光を第２の導波光22と呼ぶことにする。

次に、分割された第１の導波光21と第２の導波光22は、
第１の電極６、第２の電極７及び第３の電極８によって
構成される光位相補償器23を同時に通過する。

しかし、光位相補償器23を構成している該第１の電極
６、第２の電極７、第３の電極８の各電極間には直流電
源15により電位差が設けられているため、電気光学効果
による屈折率変化が生じ、第１及び第２の直線型光導波
路4a、4bの第１の電極６と第３の電極８の電極直下にお
ける光の位相速度が変化する。

この位相速度の変化による第１の導波光21と第２の導波
光22との相対的位相差は直流電源15の印加電圧により変
化する。ここでは、相対的位相差がπ/2〔rad〕となる
ように調整する。

また、光位相補償器23内では光の進行方向がｚ軸方向、
電界方向がｙ軸方向であるため主軸変換が生じることは
なく、偏光状態は入力した時と同一である。

相対的位相差をπ/2〔rad〕持った第１の導波光21と第
２の導波光22は、それぞれ第４の電極９と第５の電極10
とで構成される第１の光位相変調器24と、第６の電極11
と第７の電極12とで構成される第２の光位相変調器25に
入力される。このとき、第１の光位相変調器24では外部
信号sin Ωｔで第１の導波光21を連続的に位相変調
し、第２の光位相変調器25では外部信号cosΩｔで第２
の導波光22を連続的に位相変調する。ただし、Ωは変調
信号の角周波数である。そのため、第１の導波光21と第
２の導波光22の周波数はベッセル関数で表されるような
外部変調信号の角周波数の整数倍で周波数シフトを生じ
る。さらにまた、光の進行方向がｚ軸方向、印加電界方
向がｘ軸方向をとっていることによって結晶の主軸が回
転するため、その結果として偏光状態が変化しTE、TMの
両モードが生成される。

第３図（ａ）と第３図（ｂ）に、第１の光位相変調器24
と第２の光位相変調器25とから出力されるTEモード、TM
モードそれぞれについてのスペクトルを回転スペクトル
により表示する。第３図（ａ）左側は第１の光位相変調
器24から出力されるTEモードのスペクトル、第３図
（ａ）右側は第１の光位相変調器24から出力されるTMモ
ードのスペクトル、第３図（ｂ）左側は第２の光位相変
調器25から出力されるTEモードのスペクトル、第３図
（ｂ）右側は第２の光位相変調器25から出力されるTMモ
ードのスペクトルである。ただし、この表示は、各スペ
クトルにおける振幅の大きさを無視し、かつ、第２の導
波光22が第１の導波光21に対して位相がπ/2〔rad〕遅
れていると仮定したものである。

前述のように、光位相変調器を通過した後の光周波数
は、両変調信号が、位相は異なるものの、本質的に正弦
波であるためベッセル関数で表される。そのため、外部
変調信号の角周波数Ωの整数倍ずつシフトした信号が生
じ、その振幅は変調指数により変化する。例えば、変調
指数が“1"となるように光位相変調器への電界の強さを
調整すると、TEモードの（ω_０＋Ω）の成分に対して
（ω_０＋５Ω）の成分は32dB小さくすることができ、TM
モードのω_０の成分に対して（ω_０＋２Ω）の成分及び
（ω_０＋４Ω）の成分も同様に小さくすることができ。
ここで、ω_０は入射光の角周波数である。変調指数を決
めるときには、後段で合波されたとき打ち消される分も
考慮する。

位相変調を受けると共に、変調指数を調整することで、
例えば、（ω_０＋Ω）、ω_０以外の不必要な周波数成分
が減少させられた第１の導波光21と第２の導波光22は合
波干渉型光導波路５で合波され、TEモードとTMモードの
直交偏波した周波数が異なる実質的に２種類の光が光出
射口14から出射される。

なお、総合的な出力を第３図（ｃ）に示す。第３図
（ｃ）の左側はTEモードのスペクトル、右側はTMモード
のスペクトルである。第３図（ａ）及び（ｂ）と同じ
く、各スペクトルにおける振幅の大きさは無視してい
る。

〔実施例の変形〕

ここまでの実施例では、LiNbO₃に代表される一軸結晶の
結晶基板について述べてきた。

この発明の技術思想が適用できる基板材料としては、電
気光学効果を呈するものであれば良い。

例えば、GaAsは、立方晶系型結晶系に属するため、等方
性結晶であるが、体対角線を軸にとれば一軸結晶と等価
になる。このように等方性結晶であっても電気光学効果
を有する基板であれば、この発明の基板として使用でき
る。

また、前記実施例内において記載した光位相補償器23
は、光路（Ｉ）を導波する第１の導波光21と光路（II）
を導波する第２の導波光22との相対的位相差をπ/2〔ra
d〕つくるために設けた光位相補償手段の一つの例であ
るが、他にも次のようなものがある。

（１）第１の例として、前記マッハツェンダー干渉計２
を非対称型にし、光路（Ｉ）と光路（II）の光路長を変
えて、第１の導波光21と第２の導波光22との相対的位相
差をπ/2〔rad〕にする光位相補償手段、 （２）第２の例として、前記第１及び第２の直線型光導
波路4a、4bのどちらかの上に光導波路の等価屈折率を変
化させる材料を選定して付着することで、第１の導波光
21と第２の導波光22との相対的位相差をπ/2〔rad〕に
する光位相補償手段等である。

〔発明の効果〕

以上、説明したように光透過性及び電気光学効果を有す
る結晶基板の表層をＹ分岐型光導波路、第１及び第２の
直線型光導波路、さらに合波干渉型光導波路とから構成
される光導波型マッハツェンダー干渉計を、光の伝搬方
向がｚ軸方向となるように作製し、また、該第１と第２
の直線型光導波路の伝搬定数に差を持たせて両光導波路
を伝搬する光の間にπ/2〔rad〕の位相差を生じさせる
光位相補償手段を設け、さらに該第１及び第２の直線型
光導波路を挟む状態で該光位相補償手段の前段または後
段に載置し、第４の電極と第５の電極及び第６の電極と
第７の電極から構成される２つの位相変調器を印加電界
方向をｘ軸方向となるような構成にしたことから同一光
軸上に直交偏波し、かつ、周波数が異なる実質的に２種
類の光を出力できるようになった。また、そのためにビ
ームスプリッターや反射ミラー等の大型の構成部品の必
要がなくなった。したがって、半導体プロセス技術によ
り量産できるようになった上に高精度な光学調整も必要
なくなり、従来技術では解決し得なかった課題が解決で
きた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る直交偏波２周波発生光源の一実施
例における構成図を、第２図は本発明に係る直交偏波２
周波発生光源の簡略化したブロック図を、第３図は出力
光のTEモードとTMモードのスペクトルを振幅を無視して
回転スペクトルで表したものであり、（ａ）は第１の光
位相変調器24からの出力光で、左側はTEモードのスペク
トル、右側はTMモードのスペクトル、（ｂ）は第２の光
位相変調器25からの出力光で、左側はTEモードのスペク
トル、右側はTMモードのスペクトル、（ｃ）は合波され
た総合出力光で、左側はTEモードのスペクトル、右側は
TMモードのスペクトルをそれぞれ示す。 図において、１は結晶基板、２は光導波型マッハツェン
ダー干渉計、３はＹ分岐型光導波路、4aと4bは第１及び
第２の直線型光導波路、５は合波干渉型光導波路、６〜
12は第１〜第７の電極、13は光入射口、14は光出射口、
15は直流電源、16は交流電源、17はπ/2位相器、21と22
は第１及び第２の導波光、23は光位相補償手段としての
光位相補償器、24と25は第１及び第２の光位相変調器を
それぞれ示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮城 幸一郎 東京都港区南麻布５丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (72)発明者 大谷 昭仁 東京都港区南麻布５丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−13231（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光透過性を有し、かつ、電気光学効果を有
   する結晶基板（１）と、 該結晶基板の表層に設けられ、Ｙ分岐型光導波路
   （３）、第１及び第２の直線型光導波路（4a,4b）、並
   びに合波干渉型光導波路（５）から構成される光導波型
   マッハツェンダー干渉計（２）と、 前記第１及び第２の直線型光導波路の伝搬定数に差を持
   たせて両光導波路を伝搬する光の間にπ/2の位相差を生
   じさせる光位相補償手段（23）と、 電場印加が結晶の主軸を変換する向きとなるように前記
   第１及び第２の直線型光導波路のそれぞれを挟む状態で
   該光位相補償手段の前段または後段に載置され、第４と
   第５の電極（9,10）、及び第６と第７の電極（11,12）
   から構成されて、互いにπ/2位相のずれた正弦波変調信
   号で駆動される第１及び第２の光位相変調器（24,25）
   とを具備し、 同一光軸上に直交偏波し、かつ、周波数が異なる実質的
   に２種類の光を出力することを特徴とする直交偏波２周
   波発生光源。