JPH08504281A - 総合化された音響的光学的ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの別個に設けられる光波導体（１１，１２）が方向性結合器の形式で構成される光学的結合領域（１３）を有し、該結合領域において両方の光波導体（１１，１２）が、光学的結合を形成するわずかな相互の間隔を有する、光周波の周波数を偏移させるための統合化された音響的光学的ユニットが提案される。音響発生器の音響波（１９）は長手方向へ結合領域（１３）にわたり伝播する。両方の光波導体（１１，１２）は光の場合の相異なる伝播定数を有する。例えばモードａの光が光導波体（１１）の中へ入射されて音響発生器（１４）が投入接続されると、モードａのフォトンが音響波のフォノンにおいて散乱されて、光波導体（１２）のモードｂへ変換され、ここで伝播する。これにより周波数偏移が生ずる。そのため音響的光学的ユニットは周波数偏移装置を形成し同時に、ビームスプリッタのために、および／または光学的スイッチとして使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 総合化された音響的光学的ユニット 従来技術 本発明は、請求の範囲１の上位概念に示されている、光周波の周波数を偏移さ せるための統合化された音響的光学的ユニットに関する。 この種の音響的光学的ユニットは周波数シフトまたは偏移の目的で、光学的ヘ テロダイン干渉計において必要とされる。この種の、変調器として構成された音 響的光学的ユニットは、例えばAppl．Phis．Lett．１７，２６５（１９７０）， Kuhn，Daks，Heidrich，scott，に示されている。この公知の変調器の場合、ま ず最初に光波導体が分割され、両方の分割された光ビームの各々は次に拡開され て光学装置へ導びく必要がある。この光学装置はそれぞれ広幅の平行の光束を発 生する。次にこの広幅の光束は、光に対して垂直に伝播する音響波の領域を通過 する。この音響波の領域はブラッグ形式の光学的格子のように作用する。そのた め通過する光は回折される。１次の回折ビームは評価され、周波数シフトを包含 する。光学系を介して光波導体への帰還が行なわれる。この場合、周波数のシフ トされた１次の光束はさらに評価される。 この公知の装置の欠点は、光ビームの拡開と光波導 体への帰還が技術的に著しく複雑な点にある。音響波は光ビームの横幅の領域中 にだけ作用するため、音響波のために高い電気エネルギを準備する必要がある。 さらに周波数の偏移された光束の分離が技術的に困難である、何故ならば回折角 度が比較的に小さいからである。 さらにJournal of Lightware Technology，Vol．６，No．６，Juni １９８８ ，S．９０３ ff，Hinkov，Opitz，Sohler，に光導波体の中へ導びかれる光の広 幅化を必要としない音響的光学的モード変換器が示されている。音響波は光導波 体に平行に導びかれ、この場合、複屈折用の材料が必要とされる。周波数偏移の 目的で導波体はＹ分岐の形式で分岐される。Ｙ分岐の両方のアームは、音響的表 面波により作動されるＴＥ−ＴＭモード変換器として構成されている。所定の光 学的波長の場合のモード変換を行なう際の音響的中心周波数は実質的に結晶の複 屈折により定められる。プロトンの変換される層を用いて、アームの一方におい て複屈折がシフトされる。次に両方のアームにおける音響的光学的相互作用が、 相異なる音響的中心周波数において行なわれる。その結果、現出する両方のビー ムの光学的周波数は差周波数だけ偏移されている。この公知の装置の欠点は、高 価な複屈折用材料たとえばＬｉＮｂＯ₃が必要とされることである。別の欠点は この方法が温度の影響を著しく受けやすいことである 。 さらに、導波体中を案内される光の広幅化も必要としない形式の音響的光学的 モード変換器が、Appl．Phys．Lett．１９（１９７１）４２８以下，Kuhn，Heid rich，Lean，に示されている。音響波は光波導体に平行に導びかれ、同じ偏波の 少なくとも２つのモードで伝播可能にする必要がある。音響波における光の散乱 により一方のモードから他方のモードへ変換されこの場合に周波数が偏移される 。この方法の欠点は、著しく劣悪なモード結合、周波数の偏移されない光と偏移 された光との劣悪な分離、および光波導体が少なくとも２モード形式でなければ ならない点にある。 発明の利点 請求の範囲１の特徴部分に示された本発明によるユニットは前述の従来技術に 比較して１つには、周波数を偏移させる目的で複屈折の電気的光学的材料（例え ばシリコンウェーファ上のちっ化酸素またはポリマーで）を使用しない利点を有 する。これにより、温度の影響の一層少ない著しく安価な材料を使用できる。光 波導体中を導びかれる光の広幅化は必要とされず、音響周波発生器のわずかな出 力の下で高い効率が達成される。屈折されたビーム束の分離の際に問題は生じな い。さらに本発明による周波数偏移用ユニットは光学的カプラとしても使用でき る。その結果、光学的スイッチとしての付加的または同時の使用が可能となる。 本発明による音響的光学的ユニットは、所定の様に配置された２つの、相異なる 伝播定数を有する光波導体ならびに１つの音響発生器しか必要とされない。その ためこのユニットは簡単かつコスト的に有利に製造できる。 請求の範囲２以下に示された構成により請求の範囲１に示されたユニットの有 利な発展形態と改善が可能となる。 変化によりスイッチング機能が形成される、即ち一方の光波導体から他方の光波 導体への過結合が阻止できる。 光導波体の伝播定数の差を形成するために、光波導体の相異なる寸法、および ／または光波導体の相異なる材料および／または光波案内用の相異なるモードが 設けられている。この場合たとえば、相異なる値選定のために、光波導体の相異 なる幅および／または高さが設定されている。音響波発生器が音響的表面波の発 生のために構成されている。音響発生器が交互配置形の電気的音響的変換器とし て構成されている。変換器は著しく簡単に例えばユニットの表面の蒸着またはプ リントにより形成できる。音響発生器が、両方の光波導体の間の結合領域の延在 部に設けられている。その 結果、簡単かつ容易に実現可能なストラクチャが設けられる。結合領域が長手方 向において、少なくとも１つの側において、音響吸収器により制限されている。 その目的は、制御できない音のひろがりが、このことが所望されない個所に生ず るのを阻止するためである。 結合領域の両側に音響波の側面の伝播を阻止する、音響的導波体を構成する。 制限器が設けられている。これにより音響的導波体は音響発生器の電気出力を低 減させる、ないし結合領域における音響出力を高める。 次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。唯１枚の図面は音響的光学的ユ ニットの平面図を示す。 有する２つの光波導体１１，１２が設けられている。この実施例においては相異 なる伝播定数は光波導体の相異なる幅により得られる。しかし相異なる別の寸法 例えば相異なる高さ、相異なる材料および／または光伝播の相異なるモードを使 用することもできる。結合領域１３において両方の光波導体１１，１２は互いに 所定の区間にわたり次のように近似化されている、即ち両方の光波導体１１，１ ２における光の両方のモードａとｂの電磁界が十分良好に重なり合うように近似 化されている。これにより、このように形成された方向性結合器の結合係数がゼ ロに等しくなくなる。結合 領域１３に対して長手方向に両方の光波導体１１，１２の間に設けられている、 音響波のための音響発生器１４は、冒頭に述べた従来技術に示されている様な交 互配置形電気的音響的変換器として構成されている。この種の音響発生器１４は ２つの互いに入り組む電極１５，１６から構成されており、両方の係合する電極 １５，１６の舌状体は互いに平行に設けられている。これらの電極１５，１６の 端子に交流電圧が加えられると、圧電基板または被着されている層の電気ひづみ により、長手方向へ伝播する音波１８が相応の周波数で発生する。この音波は結 合領域１３にわたり延在し、長手方向において音響発生器１４に対向する結合領 域端部において、音響吸収器２０により制限される。音響発生器１４の対向する 側にもう１つの音響吸収器２０′が設けられている。制限部材２１，２２により 結合領域１３において音響波導波体が構成される。このことが結合領域１３にお いてエネルギーの集中された音響波（表面波）を形成させ、さらに音響波の側面 の伝播を阻止する。 光導波体１１，１２にわたり公知のようにさらに１つの絶縁層を設けることが できる。音響発生器１４、音響吸収器２０，２０′および音響的導波体２１，２ ２を、これらが平面図において光導波体と重なり合う様に、この絶縁層の上に設 けることもできる。この絶縁層が圧電層として形成されている場合は、基板１０ は非圧電材料から形成することもできる。 代表的な寸法選定の一例として、結合領域１３における両方の光波導体の間の 間隔は１０μの値を有し、その他は１０倍の値を有することができる。結合領域 の長さは数ｍｍであり、光導波体１１と１２の幅は３〜１０μである。これらの 値の変更は、もちろん使用される光の波長に依存して可能である。この場合、例 えばレーザ光、レーザダイオードが使用される。 ω_aを有すモードａ（Ｍ_a）により導びかれる。光導波 を有するモードｂにおいて導びかれる。音響的表面波 ｂおよび音響波１９は、相互作用領域において、即ち結合領域１３において共線 的に伝播する。モードａとｂの伝播定数は相異なるため、結合長さＬがしたがっ て結合領域１３の長さと結合間隔−すなわち結合領域１３における光波導体の間 隔−が適切に選定されると、即ち結合係数Ｋが適切に選定されると、音響波なし で、モードａからモードｂへの変換が、即ち光導波体１１から光導波体１２への 変換およびその逆の変換は近似的に零となる。 モードａの光ビームが図示のように光波導体１１の中へ入射されて音波発生器 １４が投入接続されると、モードａのフォトンが音響波のフォノンにおいて散乱 される（ブリュアン散乱）。散乱された波は伝播定数 る，−：音響波のフォノンが解放される）。この伝播定数が光導波体１２の伝播 定数と一致する（位相整合）と、次の式が適用される。 散乱された波はモードｂへ変換される。散乱された波はモードａの、光波導体 １２と重なる部分においてだけ即ち結合領域において発生される。何故ならばこ こにおいてだけこの波は伝播できるからである。そのため光波導体１１の始めに 散乱されない波ａが存在し、光波導体１２の始めに、散乱された波と同じ伝播定 数と周波数を有するモードｂが存在する。音響波における波の散乱により周波数 がずらされる。そのため波ｂの周波数は次の式で示される： ω_b＝ω_a±Ω 光導波体１２におけるモードｂの光は周波数ずらされている。このことはフォ トンとフォノンの散乱（衝突）の際の運動量−およびエネルギー法則の適用から 得られる。モードａの、周波数のずらされたモードｂへの変換の効率は、幾何学 的寸法（結合長さ、結合間隔）の適切な選択の場合に、近似的に１００％になる 。 幾何学寸法は、結合間隔およびこれから得られる結合係Ｋと結合長さＬに対し て次の式が適用されるよう に選定される： ただしｍ₂＞ｍ₁≧０， ｍ₁，ｍ₂は整数である。 光波導体１２における周波数のずらされない光と、光波導体１２における周波 数のずらされた光との比は、ほぼ次の値を有する。 ただしδＫとδＬは上述の理想的な値Ｋ，Ｌからの偏差を示す。理想的な場合は 周波数のずらされた光だけが光導波体１２の中へ結合される。 図示された実施例とは異なりモードｂの光を光導波体１２の中へ入力させるこ ともできる。この場合は結合領域において光波導体１１への散乱とモードａへの 変換が生ずる。図示された実施例（モードａの光の、光波導体１１の中への入力 ）の場合は値Ωだけの周波数増加が観察されるが、後者の場合は値Ωだけの周波 数減少が認められる。反対方向に光が光波導体１１な いし１２へ供給される場合は、前述の比は逆になる。 図示された装置は１０μｓのオーダーの切り換え時間を有する光学的スイッチ としても使用できる。この場合は、音響発生器が投入接続されるとそれぞれ他方 の光導体への光の移行が行なわれ、他方、音響発生器の遮断状態においては移行 が行なわれないようにして、光学的スイッチとしても使用できる。さらに図示さ れたユニット−前述の様に−により、周波数のずれだけでなく同時にビーム分割 −これは例えばヘテロダインインターフェロメータにおいて必要とされる−も実 現される。 この場合、結合間隔したがって結合係数Ｋと結合長さＬはビーム分割比に相応 するように選定する必要がある。このことは例えば前述の式において項 ／π）により置き換えることにより、達成できる。ただしαは光導波体１２の出 力側における光出力と、光導波体１１の入力側における光出力との比である。 さらに図示された実施例は、音響周波数を変化させ 変）からずらすことにより、可変のビーム分割器として使用することもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの光波導体と、該光波導体の領域に、光波導体の長手方向へ 伝播する音響波を作用させる音響発生器とを備えている、光周波の周波数を偏移 させるための統合化された音響的光学的ユニットにおいて、２つの別個に設けら れる光波導体（１１，１２）が方向性結合器の形式で構成される光学的結合領域 （１３）を有し、該結合領域において両方の光波導体（１１，１２）が、光学的 結合を形成するわずかな相互の間隔を有し、音響発生器（１４）の音響波は結合 領域（１３）にわたり伝播し、両方の光波導体（１１，１２）が光に対する相異 なる 統合化された音響的光学的ユニット。 の差が、音響波（１９）の伝播定数（Ｋ）に相応す ット。 ３．光導波体（１１，１２）の伝播定数の差を形成するために、光波導体の相異 なる寸法、および／または光波導体の相異なる材料および／または光波案内用の 相異なるモードが設けられている、請求項１又は２記載のユニット。 ４．相異なる値選定のために、光波導体（１１，１２ ）の相異なる幅および／または高さが設定されている、請求項３記載のユニット 。 ５．音響波発生器（１４）が音響的表面波の発生のために構成されている、請求 項１から４までのいずれか１項記載のユニット。 ６．音響発生器（１４）がインターディジタル（交互配置）形の電気的音響的変 換器として構成されている、請求項５記載のユニット。 ７．音響発生器（１４）が、両方の光波導体（１１，１２）の間の結合領域（１ ３）の延長部に設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のユニ ット。 ８．音響発生器（１４）と結合領域（１３）が長手方向において、少なくとも１ つの側において、音響吸収器（２０，２０′）により境界付けられている、請求 項１から７までのいずれか１項記載のユニット。 ９．結合領域（１３）の両側に音響波（１９）の側方の伝播を阻止する、音響的 導波体を構成する制限器（２１，２２）が設けられている、請求項１から８まで のいずれか１項記載のユニット。 10．前記のユニットを光学的スイッチとして用いる、請求項１から９までのいず れか１項記載のユニット。 11．前記のユニットを、周波数シフト（偏移）装置と してかつビームスプリッタとして用いる、請求項１から１０までのいずれか１項 記載のユニット。 12．前記のユニットを、音響周波数を変化させることにより可変のビームスプリ ッタとして用いる、請求項１から１１までのいずれか１項記載のユニット。