JPH07270736A - 導波路型音響光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 必要な信号についての損失を増加させずにチ
ップサイズを小さく形成することを可能とする導波路型
音響光学素子を提供する。 【構成】 基板１の中央部に２次元的に光を閉じこめる
スラブ導波路２が形成され、このスラブ導波路２内に、
該スラブ導波路２中に表面弾性波（ＳＡＷ）を生じさせ
る交差指型トランスデューサ（ＩＤＴ）３が設けられて
おり、このＩＤＴ３の近傍の音響光学効果付与領域の一
方の端部に第１及び第２テーパ導波路を通じて第１及び
第４のチャネル導波路が結合され、また、音響光学効果
付与領域の他方の端部に第２及び第３テーパ導波路を通
じて第２及び第３のチャネル導波路が結合され、さら
に、第１のチャネル導波路６ａと第２のチャネル導波路
１０ａとが同じ曲線形状を有し、また、第３のチャネル
導波路１１ａと第４のチャネル導波路７ａとが同じ曲線
形状を有するとともに、前者の曲線形状における最小曲
率半径を後者における最小曲率半径よりも大きく設定し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光計測や光情報処理の
分野において、光スイッチ、光変調器、光周波数シフタ
等として用いられる導波路型音響光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の導波路型音響光学素子の構
成を示す図である。

【０００３】図３において、符号１は基板であり、この
基板１はＺカットタンタル酸リチウム（ＬＴ）板等で構
成されている。この基板１の中央部には２次元的に光を
閉じこめるスラブ導波路２が形成され、このスラブ導波
路２内には、該スラブ導波路２中に表面弾性波（ＳＡ
Ｗ）を生じさせる交差指型トランスデューサ（ＩＤＴ）
３が設けられており、このＩＤＴ３の近傍に良好な音響
光学効果を付与できる音響光学効果付与領域が形成され
るようになっている。

【０００４】このスラブ導波路１の音響光学効果付与領
域の一方の端部、すなわち、図中左側端部には、光の伝
搬領域の幅がテーパ状に形成された第１テーパ導波路４
及び第４テーパ導波路５の開口端部が結合され、これら
第１テーパ導波路４及び第４テーパ導波路５のそれぞれ
の他端部には、各々３次元的に光を閉じ込めて伝搬する
第１のチャネル導波路６及び第４のチャネル導波路７が
結合され、これらチャネル導波路の他端部は基板１の端
面に開口されている。

【０００５】同様にして、音響光学効果付与領域の他方
の端部、すなわち、図中右側端部には、第２テーパ導波
路８及び第３テーパ導波路９の開口端部が結合され、こ
れら第２テーパ導波路８及び第３テーパ導波路９のそれ
ぞれの他端部には、各々第２のチャネル導波路１０及び
第３のチャネル導波路１１が結合され、これらチャネル
導波路の他端部は基板１の端面に開口されている。

【０００６】ここで、音響光学効果付与領域は比較的狭
いのに対して、外部の光ファイバ等に結合するために
は、その結合冶具等を取り付けるために所定以上のスペ
ースが必要である。それゆえ、各チャネル導波路は、互
いに隣り合うチャネル導波路のなす距離が音響光学効果
付与領域に結合される端部側では小さく、外部結合部側
にいくにしたがって次第に大きくなるように曲線形状に
形成されている。すなわち、各チャネル導波路は、図４
に示されるように、外部との接続のための第１直線導波
路部、テーパ導波路との接続のための第２直線直線導波
路部及びそれらを繋ぐための曲線導波路部から構成され
る。外部との接続のための第１直線導波路部は、基板１
の端面に垂直もしくは数度の角度をなすように形成さ
れ、テーパ導波路との接続のための第２直線導波路部
は、ＳＡＷの波面とほぼ回折角（ブラッグ角、θＢ）を
なすように形成されている。なお、各導波路の形成は周
知のプロトン交換法（ＰＥ）によって形成することがで
きる。

【０００７】この場合、４つのチャネル導波路の曲線導
波路部の形状は全て同じに形成され、例えば、図３に示
したようなＸーＹ座標において次式で表されるような形
状とされている。

【０００８】ｙ＝ｈ／２｛１−ｃｏｓ（πＸ／Ｌ）｝ ただし、上記式においては、例えば、ｈ＝３５７μｍ、
Ｌ＝１３３００μｍとされ、また、曲線導波路部の長さ
は約１２ｍｍ、最小極率半径は１００ｍｍ、外部との接
続のための第１直線導波路部の長さは約２ｍｍ、テーパ
導波路との接続のための第２直線導波路部の長さは約
０．５ｍｍ、スラブ導波路２の幅は約８ｍｍ、基板１の
全体（チップ）の長さは５１ｍｍとされる。

【０００９】上述の構成において、図示しない外部の光
ファイバ等から第１のチャネル導波路６に入射された光
は、第１テーパ導波路４によってビーム幅が拡大されほ
ぼ平行光となってスラブ導波路２に出射される。このス
ラブ導波路２内でＳＡＷが励振されていない（ｏｆｆ）
状態では、該平行光は第３のテーパ導波路９によって集
光されて第３のチャネル導波路１１に導かれて外部に取
り出される。ＳＡＷが励振されている（ｏｎ）状態で
は、平行光は音響光学効果を受けて回折されて所定角度
だけ偏向され、第２のテーパ導波路８によって第２のチ
ャネル導波路１０に導かれて外部に取り出される。

【００１０】すなわち、ＳＡＷのｏｎーｏｆｆによって
第２・３のチャネル導波路間でのスイッチングや、強度
変調が行える。また、回折光はドップラー効果によって
光周波数が変化するため、光周波数シフタとしても利用
できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、導波路型音
響光学素子についての要請の１つに、素子（チップ）の
小形化に対する要請があるが、上述の従来の素子では、
その小型化は限界に達しているものとされていた。

【００１２】ところが、本発明者等の研究によって、次
の事実が判明した。すなわち、上述の従来の導波路型音
響光学素子は、４つのチャネル導波路の曲線導波路部の
形状を全て同じに形成している。ここで、チャネル導波
路の曲線導波路部を伝搬する光の損失は、その曲線の最
小曲率半径に依存し、この最小曲率半径が小さいほど大
きくなることが知られている。このため、全てのチャネ
ル導波路の曲率半径を、少なくともその中で最も損失を
少なく押える必要のあるチャネル導波路の最小曲率半径
以上の曲率半径に設定しておく必要があった。すなわ
ち、これらのチャネル導波路の中には、必ずしもそれ程
まで曲率半径を大きくする必要のないものでも、全て最
も損失を少なく押える必要のあるものと同じ大きな曲率
半径に揃えておく必要があったものである。換言する
と、従来の導波路型音響光学素子のチャネル導波路の中
には、曲率半径をより小さくしてもさしつかえないもの
も含まれており、したがって、この曲率半径を小さくで
きるものについては、その許容損失の範囲内においてで
きるかぎり小さく形成することにより、チップ全体の大
きさをさらに小さく形成できる可能性のあることがわか
った。

【００１３】本発明は、上述の解明事実に基づいてなさ
れたものであり、必要な信号についての損失を増加させ
ずにチップサイズを小さく形成することを可能とする導
波路型音響光学素子を提供すること目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる導波路型音響光学素子は、 （構成１） 導波路中に表面弾性波を生じさせて該導波
路中を伝搬する光に音響光学効果を付与するスラブ導波
路と、このスラブ導波路の音響光学効果付与領域の一方
の端部にその一端部が結合され、他端部が外部に結合さ
れる１又は２以上の入・出射用チャネル導波路と、前記
スラブ導波路の音響光学効果付与領域の他方の端部にそ
の一端部が結合され、他端部が外部に結合される２以上
の入・出射用チャネル導波路とを有し、前記チャネル導
波路は、互いに隣り合うチャネル導波路のなす距離が前
記音響光学効果付与領域に結合される端部側では小さ
く、外部結合部側にいくにしたがって次第に大きくなる
ように曲線形状に形成された導波路型音響光学素子にお
いて、前記隣り合うチャネル導波路の一方のチャネル導
波路の最小曲率半径よりも他方のチャネル導波路の最小
曲率半径を大きく形成したことを特徴とする構成とし、
この構成１の態様として、 （構成２） 構成１の導波路型音響光学素子において、
前記最小曲率半径を大きく形成したチャネル導波路は、
その形状を表す曲線が端部を除いて変極点を持たないこ
とを特徴とした構成とした。

【００１５】

【作用】上述の構成１によれば、隣り合うチャネル導波
路の一方のチャネル導波路の最小曲率半径よりも他方の
チャネル導波路の最小曲率半径を大きく形成するように
し、曲率半径を小さくできるものについては、その許容
損失の範囲内においてできるかぎり小さく形成すること
により、チップ全体の大きさをより小さく形成すること
が可能となった。

【００１６】また、構成２によれば、上記最小曲率半径
を大きく形成したチャネル導波路を変極点を持たない曲
線形状にしたことにより、損失を押えて、さらに小型に
形成することを可能とする。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の一実施例にかかる導波路型音
響光学素子の構成を示す図である。

【００１８】以下、図１を参照にしながら一実施例を説
明する。なお、この実施例は、上述の図３に示される従
来例の構成と共通する部分が多いので、共通する部分に
は同一の符号を付して説明する。なお、この実施例が上
述の従来例と異なる点は、第１のチャネル導波路６ａと
第２のチャネル導波路１０ａとが同じ曲線形状を有し、
また、第３のチャネル導波路１１ａと第４のチャネル導
波路７ａとが同じ曲線形状を有するとともに、前者の曲
線形状における最小曲率半径が後者における最小曲率半
径よりも大きくしてある点である。その他の点は、上記
従来例とほぼ同じであるので、同じ部分についてはその
一部の説明を省略する。

【００１９】図１において、基板１は、Ｚカットタンタ
ル酸リチウム（ＬＴ）単結晶板であり、また、各導波路
の作成は所定の形状のマスクを用いて基板にＡｌ膜のパ
ターニングを行った後、安息香酸を用いてＰＥを行って
形成したものである。

【００２０】ＩＤＴ３は、厚さ０．３μｍのＡｌ膜で形
成され、中心周波数が３００ＭＨｚとなるように、電極
幅２．７５μｍ、ピッチ５．５μｍとした。使用する波
長は６３３ｎｍとし、ブラッグ角（θB ）は約１．５度
である。

【００２１】各チャネル導波路は、外部との接続のため
の直線部分、テーパ導波路との接続のための直線部分、
及びそれらを繋ぐための曲線部分から構成される点では
従来例と同じであるが、最小曲率半径の大きい第１のチ
ャネル導波路６ａ及び第２のチャネル導波路１０ａは、
それぞれ、光の入力光並びにＳＡＷによる回折光を伝搬
させるためのものに指定され、最小曲率半径の小さい第
３のチャネル導波路１１ａ及び第４のチャネル導波路７
ａは非回折光を伝搬させるためのものに指定される点が
従来例と異なる。

【００２２】第１及び２のチャネル導波路６ａ，１０ａ
における曲線部分の形状は等しく、図１で示したＸーＹ
座標において共に次式で表される曲線とした。

【００２３】ｙ＝ｈ｛（Ｘ／Ｌ）−（１／２π）ｓｉｎ
（２πＸ／Ｌ）｝ ただし、上記式においては、ｈ＝５４．４μｍ、Ｌ＝８
２７０μｍとされ、また、曲線導波路部の長さは約４．
１３ｍｍ、最小極率半径は１００ｍｍ、外部との接続の
ための第１直線導波路部の長さは約１．９ｍｍ、テーパ
導波路との接続のための第２直線導波路部の長さは約３
ｍｍ、テーパ導波路の長さは約７ｍｍ、スラブ導波路２
の幅は約８ｍｍとされる。

【００２４】また、第３及び４のチャネル導波路１１
ａ，７ａにおける曲線部分の形状は等しく共に次式で表
される曲線とした。

【００２５】ｙ＝ｈ／２｛１−ｃｏｓ（πＸ／Ｌ）｝ ただし、上記式においては、ｈ＝６３８μｍ、Ｌ＝６８
７０μｍとされ、また、曲線導波路部の長さは約６．６
７ｍｍ、最小極率半径は１５ｍｍ、外部との接続のため
の第１直線導波路部の長さは約１．９ｍｍ、テーパ導波
路との接続のための第２直線導波路部の長さは約０．５
ｍｍ、テーパ導波路の長さは約７ｍｍ、スラブ導波路２
の幅は約８ｍｍとされる。

【００２６】そして、上記構成の導波路型音響光学素子
のチップ全体の長さは４０ｍｍである。

【００２７】上述の一実施例によれば、伝搬損失を小さ
く押えることが厳しく要求される入射光及び回折光の伝
搬するチャネル導波路の最小極率半径を小さくすること
なく、すなわち、換言すると、散乱等による伝搬損失を
増大させることなく、チップサイズを小さくすることが
可能となる。また、チップサイズが小さいために、同じ
ウェハーからより多くのチップを作製することを可能と
する。

【００２８】さらに、上記実施例では、第１及び第２の
チャネル導波路の曲線部分は変極点を持たないために、
チャネル導波路内での光の蛇行を抑制でき、放射損失を
低減できる。また、蛇行が少ないために、入射光が第１
のチャネル導波路およひびテーパ導波路からスラブ導波
路に出射された際、光が曲がって出射されるのを防ぐこ
とができ、ＳＡＷによる回折効率の低下を招くことがな
い。また、曲がって出射された光は、第２及び第３のテ
ーパ導波路からずれた位置に到達し、損失の増加や消光
比の劣化を引き起こすが、光が曲がって出射されること
がない為に、このような問題が生じない。

【００２９】なお、上記実施例において、第３のチャネ
ル導波路１１ａ又は第４のチャネル導波路７ａのいずれ
か一方は、必ずしも設けなくても光スイッチ、光変調
器、光周波数シフタ等としての機能を果たすことができ
る導波路型音響光学素子が得られる。

【００３０】また、図２の示したように、第１テーパ導
波路４及び第４テーパ導波路５の代わりに第１導波路レ
ンズ４ａを用い、また、第２テーパ導波路８及び第３テ
ーパ導波路９の代わりに第２導波路レンズ８ａを用いて
もよい。

【００３１】さらに、チャネル導波路の曲線形状として
は、上記実施例のような形状のほか、円周の一部を用い
るものや、正接関数、懸垂曲線その他、要するに、所定
の角度だけ向きを変えられるようなものであればよい。

【００３２】また、各チャネル導波路の直線部分（第１
〜２直線導波路部）は省略してもよい。

【００３３】さらに、上記実施例においては基板にＬＴ
を用いたが、他の圧電性材料、例えば、ニオブ酸リチウ
ム（ＬＮ）、からなる基板であってもよい。また、石英
基板上にＺｎＯ等のように圧電性を有し、光の伝搬可能
な薄膜を形成した構造でもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の導波路型
音響光学素子によれば、隣り合うチャネル導波路の一方
のチャネル導波路の最小曲率半径よりも他方のチャネル
導波路の最小曲率半径を大きく形成するようにし、曲率
半径を小さくできるものについては、その許容損失の範
囲内においてできるかぎり小さく形成することにより、
損失を増大させることなく、チップ全体の大きさをより
小さく形成することを可能としたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる導波路型音響光学素
子の構成を示す図である。

【図２】本発明の一実施例にかかる導波路型音響光学素
子の変型例の構成を示す図である。

【図３】本発明の従来例にかかる導波路型音響光学素子
の構成を示す図である。

【図４】チャネル導波路の形状説明図である。

【図５】チャネル導波路の曲率半径と損失との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１…基板、２…スラブ導波路、３…交差指型トランスデ
ューサ（ＩＤＴ）、４…第１テーパ導波路、５…第２テ
ーパ導波路、６ａ…第１のチャネル導波路、７ａ…第４
のチャネル導波路、８…第２テーパ導波路、９…第３テ
ーパ導波路、１０ａ…第２のチャネル導波路、１１ａ…
第３のチャネル導波路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波路中に表面弾性波を生じさせて該導
   波路中を伝搬する光に音響光学効果を付与するスラブ導
   波路と、 このスラブ導波路の音響光学効果付与領域の一方の端部
   にその一端部が結合され、他端部が外部に結合される１
   又は２以上の入・出射用チャネル導波路と、前記スラブ
   導波路の音響光学効果付与領域の他方の端部にその一端
   部が結合され、他端部が外部に結合される２以上の入・
   出射用チャネル導波路とを有し、 前記チャネル導波路は、互いに隣り合うチャネル導波路
   のなす距離が前記音響光学効果付与領域に結合される端
   部側では小さく、外部結合部側にいくにしたがって次第
   に大きくなるように曲線形状に形成された導波路型音響
   光学素子において、 前記隣り合うチャネル導波路の一方のチャネル導波路の
   最小曲率半径よりも他方のチャネル導波路の最小曲率半
   径を大きく形成したことを特徴とする導波路型音響光学
   素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の導波路型音響光学素子
   において、 前記最小曲率半径を大きく形成したチャネル導波路は、
   その形状を表す曲線が端部を除いて変極点を持たないこ
   とを特徴とした導波路型音響光学素子。