JPH09508986A

JPH09508986A - 光デバイス

Info

Publication number: JPH09508986A
Application number: JP7521671A
Authority: JP
Inventors: ジヨーンラツセル，フイリツプ，エステイ; バークス，テイモシー，アダム; パンネル，クリストフアー，ノエル
Original assignee: ユニバーシテイオブサウサンプトン
Priority date: 1994-02-18
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1997-09-09
Also published as: DE69512221D1; AU1670195A; ES2139191T3; GB9403122D0; DE69512221T2; FI963184A7; EP0749591B1; CA2183588A1; ATE184710T1; AU696891B2; FI963184L; WO1995022783A1; CN1145669A; CN1048094C; NZ279542A; US5915050A; FI963184A0; EP0749591A1

Abstract

(57)【要約】少なくとも、結合領域（３０）において第２の光ファイバー（２０）に光学的に結合された第１の光ファイバー（１０）を持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるごとき光ファイバー方向性結合器、ならびに結合領域の少なくとも一部の空問的に周期的な（たとえば、屈曲音響振動や一対の交叉指電極で発生される電界の）摂動によって伝送モード間でのエネルギーの移行を行うための手段（４０、５０、６０）からなる光デバイス。

Description

【発明の詳細な説明】光デバイス本発明は光デバイスに関する。音響-光デバイスを、光周波数シフター、同調可能フィルター、光スイッチ、光変調器などに応用することは種々提案されてきている。これらの装置は、光の伝播媒体中を通過する光とその伝播媒体中の形成された音響振動との間の相互作用を利用するものである。既知の音響-光デバイスの一例はブラッグセル(Brag cell）である。ブラッグセルは、光が伝搬するセルであり、セルの一端に取り付けられた（電気音響変換器）によってその中に音響振動が（進行波の形で）形成されるものである。音響振動によって、セルの材料は繰り返し圧縮及び希薄化されるので、セルの屈折率に周期的な摂動が引き起こされる。これらの周期的な摂動はセル中で進行波回折格子として働く。動作に際して、いわゆるブラッグ角度（光の波長と回折格子の周期の既知の関数）でセルに入射する光はこの進行波回折格子によって回折される。その結果、光の伝搬方向が変えられる。その上、（進行音響振動でできた）格子がセルの中を通して進行するので、回折光はドップラーシフトを受け、光の周波数は音響振動の周波数に等しい大きさで変化する。音響振動を止めると、光は回折されなくなり、何の影響も受けずにセルから出射する。このようにして、ブラッグセルは、入射光の周波数をシフトさせるように、入射光の伝搬方向を変える（したがって、スイッチとして働く）ように、あるいは入射光に周波数あるいは振幅変調を与えるように動作することができる。しかし、ブラッグセルは高価で複雑なバルクの光デバイスであるという点に大きな短所がある。光ファイバー系にブラッグセルを用いることは、光ファイバーをセルに機械的に「ピッグテール」加工しなければならないという点で、非常に困難である。と言うのは、このような加工を施すと、５ないし６ｄＢ（デシベル）の挿入損失が避けられないが、このことはたとえば、通信の距離と速度がシステムの受信側で利用可能な光パワーに依存するような（長距離高速な）光ファイバー通信システムなどでは大きな問題である。ブラッグセルの今一つの欠点は音響変換器をドライブするのに大きな電気パワー（たとえば１ワット程度の）が必要なことである。これはセルの大きな部分が音響振動でドライブされる必要があるのに対して、実効的に得られる光と音響振動との間のオーバーラップ（相互作用の体積）はセルのほんのわずかの部分を占めるに過ぎないからである。ブラッグセルに代わるべきものとして、２つの光の伝搬モードを許す光ファイバーに光を伝搬させ、かつファイバー中に屈曲音響振動を誘起することによって、１つのファイバーモードからもう１つのモードへ光を結合させることが提案された。２つのモードは２モードファイバー（たとえば、いわゆるＬＰ₁₁とＬＰ₀₁モード）の２つの異なる空間モードであっても、復屈折ファイバーの互いに直交する偏波モードであっても、あるいは、また、２コアファイバーのいわゆるスーパーモードであってもよい。これらの光ファイバー音響-光デバイスは、光ファイバーに乗って異なる速度で伝搬する２つのモードがファイバーの長さ方向にわたって２つのモード間に空間的なビートを発生する、という事実を用いている。「ビートの長さ」がファイバーに印加された屈曲振動の波長と一致すると、１つのモードからいま１つのモードへの光の共鳴的な結合が起こり、同時に、先にも述べたように、周波数シフトも起こる。このようなモードフィルタリングを、希望の（周波数シフトした）モードの分離のため使うことができる。この形のファイバー音響-光デバイスは、一般に、オールファイバーシステムで使う場合、ブラッグセルを使うよりもずっと適している。しかし印加できる最大の音響周波数には、ファイバーの寸法による限度があり、通常それは１０ＭＨｚ（メガヘルツ）程度に制限される。光は普通ファイバーコアに閉じこめられるが、音響波はファイバー全体に振動を引き起こす。このことは必要な電気パワーはブラッグセルをドライブするのに必要なパワーよりは下がる傾向にあるものの、それでもなお、比較的大きくなってしまう（１００ｍＷ（ミリワット））と言うことを意味する。また、音響-光デバイス内で、通常の単一モードファイバー（通信システムで広く使われている）を特殊なファイバー（ここでは、２モードファイバー）に接続することが必要になるが、それが挿入損失を導入してしまう。与えられた光の波長で動作する音響周波数はファイバーの性質で決まってしまうので、新しいファイバーを開発製造しないかぎりこれを変えることはできない。最後に、音響パワーが印加されなければこれらの装置は光出力を出さない。本発明は、少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるようにした光ファイバー方向性結合器、ならびに、空間的に周期的な摂動によって結合領域の少なくとも一部において上記伝送モード間のエネルギーの移行を行わせる手段、からなる音響-光デバイスを提供する。本発明は、空間的に周期的な摂動（たとえば、電界によって誘起される屈曲あるいはねじれ振動、あるいは、時間的に非周期的な屈曲あるいは波形などの機械的振動）がデバイスを通して伝搬する光とかなりの程度重なり合うオールファイバー光デバイスを提供することにより、上の問題を取り扱う。このデバイスは特殊な（たとえば、２モードの）ファイバーを使わずに、標準的な光ファイバーで構成することができる。このことは、このデバイスを他のファイバーに接続するのが簡単であるということと、必要電気パワーが以前に提案されていたものよりずっと低くてすむということを意味している。この分野に精通した人にとっては、「方向性結合器」という用語はよく知られており、それは入力光が多数の出力端に種々の割合で方向付けされるか、あるいは、方向付けされ得る多くの種類の光結合器を包含する総称であるということはよく理解されている。以下に示す多数の例はすべて２×２の結合器についてであるが、本発明がより多くのあるいは異なった数の出力端を持つ結合器にも適用可能であることは理解できるだろう。１つの好適実施例においては、移行手段（トランスファミーンズ）は結合領域の少なくとも一部において音響振動を励起するための手段を含む。本発明の実施例にしたがうこのような音響光学デバイスは多くの応用方面に使うことができる。たとえば、もし同１種類の光ファイバーからなる標準の２×２の方向性結合器を使ったとすると、音響振動は音響周波数の２倍の周波数で２つの出力端間に振動的な出力を与える。このような有用な変調効果は結合領域で２つの伝送モードが励起されているから起こるのである、そして音響振動は２つのモードに相補的な周波数シフト（アップとダウンの）を伴って、モード間に素早いエネルギー移行を与えることができる。その結果、これらの周波数シフトした出力間に時間的なビートが発生する。あるいはまた、以下に述べるように、いわゆる「ナル結合器」（Null Coupler）を使って、一方の出力端からは周波数シフトしない光が出力され、他方の出力端からは周波数シフトした光が出力されるようにすることもできる。このような設計は、結合領域の特性をテーパー付き結合器の製作時に決定できるので適用範囲が広い。この種のデバイスは、その結合領域の直径を容易に１μ ｍ（マイクロメータ）程度にまで小さくできるから、数百メガヘルツまでの音響周波数で動作させることができる。デバイスの直径が小さければ小さいほど、より高い動作音響周波数で結合領域を励起することができる。他の形の音響振動でも伝送モード間のエネルギーの移行を引き起こすことはできるが、結合領域の屈曲振動を含む音響振動が最も適している。音響振動が励起されないときは、一方の光ファイバーを伝搬する光の半分より少ない分が他方の光ファイバーに結合されることが望ましい。このような結合器は２本のファイバーをそのコアをの近くまで研磨あるいはエッチングしてから、それらを互いに接合して結合領域に形成することもできるが、結合器が溶融・融着形の光ファイバー結合器（フューズドオプティカルファイバーカプラー）からなるものの方が好ましい。特に、溶融・融着形の光ファイバー結合器がテーパー形のナル結合器であることが好ましい。この場合には、屈曲振動が励起されない間は、一方の光ファイバーを伝搬する光は他方の光ファイバーには全く結合しない。ナル結合器は普通、種々異なるファイバー（複数）で構成され、使用波長範囲ならびに結合領域長にわたって移行係数は実効的にゼロに保つことができ、これらの変量について結合係数に周期的な変動が生じることもない。実際、このナル結合器の製作にあたっては、入力端から入射されるテスト用の光がその出力端でモニターされ、それによって検出された結合係数がゼロで、かつ、２本のファイバーがどちらのファイバーよりも細い結合領域で互いに融着されていても、結合領域の長さの増分に実際上無関係に、その結合係数が実効的にゼロに保たれるようにして製作されている、ということはそのゼロ結合特性を保証する一つの表れであると言える。この状態で、音響振動を印加すると、一方のファイバーにのせられた光の少なくとも一部は他方のファイバーに対応する伝送モードへ結合することができる。このようにして、周波数シフトを受けたか、または、受けていない光が別々の出力端を通ってデバイスから出力されるように構成することができる。したがって、周波数シフトを受けた光と受けていない光を分離するのに、モード変換器とかフィルターとかを全く必要とせず、また、残留の周波数シフトを受けていない光は、その光が入射された側のファイバーから出力されるようにすることができる。結合領域は第１ならびに第２の光ファイバーのどちらよりも狭い断面積を持つことが好ましい。このようにすると、光はいずれのファイバーについてもあるいはどちらかのファイバーのコア-クラッド境界面よりも、むしろクラッド-空気境界面によって導波され得る。ナル結合器を製作する有用で簡便な方法は異なる直径を有する光ファイバーを用いることである。すなわち、整合のとれていないファイバーを使うことである。しかし、これに代わる方法として、両方のあるいはすべてのファイバーについて、最初同じものを準備して、それらを結合器として仕上げるに先だって前処理（たとえば、あらかじめ、テーパーをつけておくとか、引き延ばしておくとか、エッチングしておくとか、研磨しておくとか）して使ってもよい。前処理によって、結合領域の光学的な性質を変えることができるからである。結合器は（ナル結合器におけるように）結合領域において、第１あるいは第２の光ファイバーのいずれか１つから、この結合領域に入ってきた光が、それの伝送モードを励起するよう、すなわち、その光ファイバーに付属した伝送モードを励起するよう構成されていることが好ましい。このデバイスをスイッチとして用いることを容易にさせるという点で今一つの好ましい有利な特長は、結合領域で各伝送モードにのって伝搬している光は、主としてこの結合器のそれぞれの伝送モードに付随する出力端から出力されることである。ファイバーに沿っての不要な音響的な反射を避けるためには、１つあるいは１つ以上の音響吸収取付ブロックを、結合領域から離れたそれぞれの位置で光ファイバーに取付けることが望ましい。同じような理由で、少なくとも１本の光ファイバーの少なくともその一部に音響吸収用のコーティングを着けることも望ましい。最近の多くの通信用（ならびにその他の）システムとの整合性（コンパチビリティ）を確保するためには、少なくとも１本の光ファイバーは単一モードファイバーであることが好ましい。励起のための手段が、変換器に印加される振動的な電気信号に応じて振動するように動作する振動変換器からなることが望ましい。この振動は、たとえば、ファイバーに取り付けられるかコーティングされた磁気的あるいは金属的なエレメントによっても励起できるが、振動変換器は圧電変換器であることが望ましい。変換器で発生された振動は結合領域から離れた接合領域で第１のファイバーあるいは第２のファイバーに印加されることが好ましい。変換器は光ファイバーよりも寸法が大きいので、変換器の効率のよい動作を可能とするためには、励起手段は、変換器と接合部分とをつなぐテーパー付きの伝送要素を含むことが望ましい。結合領域は少なくとも結合領域の一部に沿って十分一様であることが望ましい。しかし、他の実施例でのように、結合領域の断面積をゆっくりと変化させ（たとえば、ゆっくりと減少させ）て、音響-光デバイスの周波数応答を広帯域化させる、すなわち、「ぼやかして」しまうこともできる。今一つの好適実施例では、結合領域モードの光の伝搬に対して時間的な摂動によってではなく、空間的な摂動によって影響を与えるようにしている。このような摂動はもちろん機械的にも発生できるが、本デバイスの好ましい実施例では、結合領域の少なくとも一部を永久電荷によって荷電し、また、（エネルギー）移行手段は空間的に周期的な電界を発生するための手段から構成し、永久電荷と相互作用する上述の電界が結合領域の少なくとも一部に空間的に周期的な摂動を生じるようにしている。（もちろん、これの代わりに、結合領域において空間的に周期的な永久電荷に対して一様電界で影響を与えるようにしてもよい。）このような静電的デバイスは入射光に対して何等の周波数シフトをも与えないが、光スイッチまたは変調器として使うことはできる。「静電的」という用語を用いたが、これは、単に、結合領域にひずみを発生するために用いた相互作用を表すために用いたに過ぎない。この分野に精通した何人にとっても、本発明のデバイスをたとえば変調器として用いると、電界を素早くスイッチオンしたりオフしたりすることができるであろうことは容易に理解できるところである。上述の発生手段においては、電圧源に接続可能な少なくとも１対のインターディジタルな（交差指形ないし対向櫛歯形の）電極を持っていることが望ましい。また、その発生手段は、接地面を含み、その接地面と一対のインターディジタルな電極は結合領域の反対側の面（複数）に設置されている。あるいは、さらにこれ以外のインターディジタルな電極（あるいは、全然なし）を結合領域の反対側に用いてもよい。さらに他の実施例では、空間的に周期的な摂動を、たとえば、エキシマーレーザーによる熱処理を用いて、結合領域に永久的に作り付けてもよい。本結合器は２×２結合器であることが望ましい。本発明によるデバイスは、特に、光の周波数シフター、光の同調可能フィルター、光スイッチ、あるいは光変調器などにも適している。本発明は：少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるような光ファイバー方向性結合器；ならびに、上記伝送モード間でのエネルギー移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において音響的振動を励起する手段；を具えている音響-光デバイスを提供する。本発明は、また、音響-光デバイスの製作の方法をも提供するものである。その方法は：少なくとも、結合領域で第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるごとき光ファイバー方向性結合器を作製するステップ；上記伝送モード間でのエネルギーの移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において音響的振動を励起する手段を提供するステップ；を具えている。本発明は、また、音響-光学的に光の周波数をシフトする方法を提供し、その方法は：少なくとも、結合領域で第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるような光ファイバー方向性結合器に光を入射させるステップ；上記伝送モード間でのエネルギーの移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において音響的振動を励起するステップ；を具えている。本発明は、また、光デバイスの製作の方法をも提供し、その方法は：少なくとも、第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるごとき光ファイバー方向性結合器を作製するステップ；上記伝送モード間でのエネルギー移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において空間的に周期的な摂動を供するステップ；を具えている。本発明は、また、光のスイッチングの方法を提供し、その方法は：少なくとも、第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬し、各モードで伝搬する光は結合器の対応する各出力端から少なくとも優先的に出射させられるような光ファイバー方向性結合器に光を導くステップ、上記伝送モード間でのエネルギーの移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において空間的に周期的な摂動を発生させるステップ、を具えている。本発明は、また：少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬し、各モードで伝播する光は結合器の対応する各出力端から少なくとも優先的に出射するもの；及び上記伝送モード間でのエネルギーの移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において空間的に周期的な摂動を発生させる手段、を具えた光スイッチを提供するものである。本発明は、また：少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるごとき光ファイバー方向性結合器；ならびに、少なくとも一部において空間的に周期的な摂動を発生させる手段、を具えた光デバイスを提供する。デバイスに関連して本出願に述べられた本発明の有用な特長は本発明の他の側面や他の実施例にも同様適用可能であり、また、その逆でもある。同様にして、１つの実施例（たとえば、上に述べた音響-光形の実施例）に関連して述べられた結合器の好ましい形式は、他の実施例（たとえば、上に述べた静電形の実施例）にも等しく適用可能であることは容易に理解できる。本発明の１実施例を、例示するだけで、付属する図を参照しながら以下に述べる。図において、類似の部分には類似の番号を付けており、それらの内、図１は音響-光デバイスの模式図、図２ａと２ｂは、いわゆる「ナル」光結合器の動作を図示する模式図、図３ａと３ｂは、図１の音響-光デバイスの動作を図示する模式図、図４は、音響-光デバイスの原型モデルに対する高周波信号発生器の電圧に対してプロットした光出力のグラフ、図５は、音響-光デバイスの原型モデルのテスト時のビート信号のスペクトルを図示するグラフ、図６と図７は、音響-光デバイスに無偏光白色光を入射したときの音響-光デバイスの原型モデルの出力スペクトル、図８は、光デバイスの第２の実施例の模式的平面図、ならびに、図９は、図８の実施例の模式的側面図。ここで、図１を参照して、音響-光デバイスは２本の光ファイバー１０、２０が結合領域３０で結合されている光ファイバー方向性結合器を含んでいることがわかる。この結合器はいわゆる溶融・融着形のナル結合器で、これに関しては、以下に、図２ａと２ｂを参照しながら説明する。圧電セラミックディスク変換器（あるいは、「ＰＺＴ」素子と呼ぶ）４０は高周波（ＲＦ）信号発生器５０によってドライブされる。変換器４０の振動は変換器４０にエポキシ系樹脂で接着され、ファイバー１０と２０に紫外線硬化接着剤で形成された小さなジョイント（図示されず）によって結合領域３０から離れた所でで取り付けられた円錐形の（あるいは、テーパーを付けた）アルミの集束用ホーン６０によって光ファイバー１０と２０に伝達される。変換器４０の振動はホーン６０によって集束され、特に、結合領域３０の光ファイバー１０と２０に屈曲振動を励起する。振動は取付けブロック７０によって吸収され、光ファイバー１０と２０に沿っての振動の不要な反射を避けている。音響振動吸収用バッファーコーティングを結合領域３０から離して光ファイバー１０と２０に付けてもよい。図２ａと２ｂはテーパー付きナル結合器の動作を図示するものである。溶融・融着形結合器、あるいは、ビームスプリッターを２本の平行な光ファイバーを１本の小さな炎で加熱し伸張することによって作ることができる。一般に、一方のファイバーを通って結合器に入ってくる光の一部は他方のファイバーに交差結合し（結合波）、残りは最初のファイバーに留まる（通過波）。もし結合器が一対の同じ単一モードファイバーで作られる場合には、実効的に０％から実効的に１００％の最大値に至るまでの任意の交差結合率（一方のファイバーから他方のファイバーへ移行される光の量）が可能である。異なる断面積（あるいは、最初同じファイバーを準備して、それらの両方あるいは一方を、それらを結合器として仕上げるに先だって、たとえば、あらかじめテーパーをつけておくとか、延ばしておくとか、エッチングしておくとか、研磨しておくとかの前処理をして作られたファイバー）のごとき異なるファイバーを用いる場合には、最大の交差結合率をわざと１００％以下に作ることが可能である。理想的なナル結合器とは、異なるファイバーを用いて、最大の交差結合率を広い波長範囲にわたってゼロに保つ結合器のことである。すなわち、受動的な結合器としては、全くビームスプリッターとして働かないものである。言葉を換えれば、ナル結合器は一般に異なるファイバーで作られ、一定の動作波長と結合長の範囲にわたって実効的にゼロの移行率を持ち、通常現れるこれらの量に関する結合比の周期的な変動を示さないものである。実際、このナル結合器の製作にあたって、入力端から入射されるテスト用の光がその出力端でモニターされ、それによって検出された結合係数がゼロで、かつ、２本のファイバーがそのいずれのファイバーよりも細い結合領域で互いに融着される際、ファイバー結合領域の長さが増大しても、実際上それに無関係にその結合係数が実効的にゼロに保たれるようにして製作されている、ということもそのゼロ結合特性を保証する一つの表れであると言える。ファイバーの前処理によって光ファイバーの光学的性質が、それが結合器の作製に使われる以前には、変わることはない。しかし、前処理は、結合器を作ってしまった後では、結合領域の光学的な性質を変えてしまうと言える。ナル結合器の動作を説明するために、ナル結合器の一例を図２ａと２ｂで説明する。図中に、２本の光ファイバー１１０と１２０は狭い結合領域（結合ウエスト）１３０で結合されている。結合器の製作中に行われる伸張動作によって、結合領域の直径は結合領域から離れた場所での直径よりもはるかに小さくなる。結合領域１３０は少なくとも２つの光伝搬モードを伝えることができる。このことが図２ａと２ｂで、結合領域内の２種類の異なった模式的な電界分布によって図示されている。結合領域の直径は小さいので、これらのモードは、ファイバーのコアによって閉じ込められていると言うよりは、実効的には、クラッド／空気の境界面によって閉じ込められていると言える。ナル結合器では、一方のファイバー１１０中の光は結合ウエスト１３０の基本モードに断熱的に変化し（図２ａ）、結合器の遠端でもとのファイバー１１０に戻る。同様にして、他方のファイバー１２０中の光はウエストの第２のモードに変化し（図２ｂ）、もとのファイバー１２０から出てくる。本実施例では、音響-光相互作用がテーパー付き単一モードファイバー結合器のウエストで起こる。テーパーを持つウエストは多モード導波路として働き、ファイバーを満たす少なくとも２つの伝送モードを伝送可能としている。図３ａと３ｂは、図２ａと２ｂで説明した結合器の結合領域１３０での光の一方のモードからもう一方のモードへの結合を図示する模式図である。図３ａで示したように、印加された音響屈曲（たわみ）振動がないときには、一方のファイバー（たとえば、ファイバー１１０）にのせられた光は実質的には何の変化も受けず、同じファイバーから出てくる。言い換えれば、図３ａに示した動作は先の図２ａで示した動作と同じである。２本のファイバー中の光波間には相互作用がないが、結合ウエストでは、それらは強く相互に浸透し重なり合う。もし２つのモード間のビート長が音響波長に一致するならば、進行波の屈曲音響波は結合ウエストの基本モードと第２のモードとの間に周波数シフトを伴って共鳴的な前向き結合を引き起こすことができる。２つのモードは結合領域に沿って異なった速度で伝搬するので、結合領域の長さに沿って２つのモード間に空間的なビートを作り出す。もし、この「ビート長」が結合領域に印加された屈曲振動の波長に一致するならば、それらのモードの一方から他方への共鳴的な結合が起こり、同時に、周波数シフトも起こる。換言すれば、屈曲音響振動が印加されれば、基本モードで結合領域に入ってくる光は、周波数シフトを伴って、第に２のモードに（また、逆に）結合され得る。この過程が図３ｂに図示されている。音響波と光波との間には実効的に完全な重なり合いが存在するので、必要とされる音響パワーは非常に少なくてすむ。このことは先に述べた既に提案のあった光ファイバー音響-光デバイスとの大きな違いである。結合領域１３０の性質をテーパー付き結合器の製作時に決定できるので、この設計は適用範囲が広い。この種のデバイスは、その結合領域の直径を容易に１μ ｍ（マイクロメータ）程度にまで小さくできるので、数百メガヘルツまでの音響周波数で動作させることができる。２つの伝送モードでの光が別々のファイバーから出てくる。このことは、周波数シフトを受けた波と受けていない波がそれぞれ別々の出力端から出てくると言うことを意味している。したがって、周波数シフトを受けた光と受けていない光を分離するのに、モード変換器とかフィルターとかを全く必要とせず、また、残留した周波数シフトを受けていない光は、その光が入射された側のファイバーから出力される。図４から７までは、上に述べた形の音響-光デバイスの原形モデルについて行ったテストの結果を図示している。原形モデルの音響-光デバイスは、波長（λ）６３３ｎｍ（ナノメータ）で使用されるよう、それぞれ、直径が６０μｍと８０μｍ、カットオフ波長が５００ｎｍと６５０ｎｍ、開口数が０．２６と０．２１、を持つ一対の異なる２本の石英ファイバーを用いて構成されている。これらのファイバーのうち、第２のファイバーは６３３ｎｍでは単一モードファイバーではない。したがって、この原形モデルをテストするのに、光は第１に挙げた方のファイバーにだけ入射した。しかし、目的波長でいずれのファイバーも単一モードファイバーとなるようなデバイスも構成可能である。これらのファイバーは共に平行に保持され、移動式の酸素-ブタン炎中で一緒に熱せられ伸張された。結合領域につくられたウエスト部は、最終的には長さ約２５ｍｍ（ミリメートル）で、実効的にはほぼ均一な断面を持ち、直径約６μｍ（マイクロメータ）、それぞれ約２５ｍｍ長の短テーパー部をその両端に持つようにに仕上げられた。これらの寸法は、一般的な結合器製造技術に従い、結合器の伸張行程中に炎の移動距離を変えることにより制御された。その詳細は、「ファイバーテーパーの形状」という論文（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔ−ｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１０巻、４号、１９９２年４月、４３２−４３８ページ）に述べられている。ウエストの断面は実効的に円であった。このことは２つの光モード間に良好な重なり合いを与えるものであり、再現性ももよく、単一モードテーパー付きファイバー（同じ共振方程式を持つ）のウエストに似た形をとっている。ウエストの断面は、結合領域の全長にわたって実効的には均一であった。しかし、非均一なウエストを使うことも可能であった。たとえば、音響-光デバイスの周波数応答を広帯域化させるために、すなわち、「ぼやかして」しまうために、結合領域の断面をわざと変える（たとえば、ゆっくりと減少させる）こともできる。原形モデルデバイスの過剰損失は約０．１ｄＢ、その交差結合比の最大値は１：４００であった。以上に述べたように、集束ホーンを持つＰＺＴディスクが増幅された高周波信号によってドライブされ、そのことにより、屈曲音響波が結合ウエストに励起された。このホーンは結合器の一端で一対のテーパーのないファイバーに、結合器中で音響波の決定する平面がこれら両方のファイバーに共通な平面に一致するように固定された。この配置は、音響波がテーパー付きのウエスト中を進行するにつれて音響パワーが集束されるように働くという利点を持っている。偏光したＨｅＮｅ（Ｈｅｌｉｕｍ-Ｎｅｏｎ）レーザーからの６３３ｎｍの光が一般的な光ファイバー偏光制御器を通して結合器の入力ファイバーの１つに入射される。２本の出力ファイバーから出てくる光のパワーがモニターされ、その間、高周波ドライブの周波数を変えて共振が探索される。この原形モデルデバイスについて、音響-光共振が音響周波数１８５１ＭＨｚで見いだされた。図４は高周波信号発生器電圧（この電圧は電圧利得５００で増幅されて変換器４０をドライブする）に対してプロットされた光出力を示すグラフである。図４中で、カーブ４００（黒丸）は「通過」光出力（デバイスへ光を入力したのと同じファイバー側からデバイスを出る光）を、また、カーブ４１０（黒四角）は「結合」光出力（本デバイスによって一方のファイバーから他方のファイバー結合された光）を、それぞれ示している。カーブ４００と４１０のいずれも一方の入力偏光状態に関係し、これに対応する直交状態についての出力はそれぞれカーブ４２０（白丸）とカーブ４３０（白四角）によって示されている。適切な偏波制御を用いて、この原形モデルデバイスによって第２のファイバーへ９９％以上の音響-光結合を達成することができた。この原形モデルデバイスに用いられた一方のファイバーは単一モードではなかったが、結合光はそれの基本モードで伝搬していることがわかった。最大の結合を得るために必要な高周波パワーは１ｍＷと低いものであった。これは先の周波数シフターに対するよりはるかに少ないパワーである。要求される音響パワーの理論的な最小限界は１７０ｎＷである。原形モデルデバイスによって得られた周波数シフトは、このデバイスをマッハツエンダー干渉計の一方の腕に挿入することによって（第２のファイバーからの出力をとって）測定された。ブラッグセルを用いて他方の腕中の光が８０ＭＨｚだけアップシフト（周波数シフト）された。ビート信号が検出され、それが高周波スペクトル分析器によってモニターされた。図５は原形モデルデバイスから出力された光とブラッグセルによって８０ＭＨｚだけアップシフトされた光との間で検出されたビート信号のスペクトルを示している。主要ビート成分が、音響周波数に等しい周波数だけのダウンシフトに対応して、８２ＭＨｚ付近に見られる。また、ノイズフロア上に小さく見られる成分はキャリアー周波数（８０ＭＨｚ）とそのイメージ側帯波（７８ＭＨｚ付近）である。これらの成分はいずれも先の主要ビート成分よりも約３０ｄＢ低い。これら出力の純度はドライブ電圧を最大変換の得られる値から減少させてもほとんど変化しなかった。もちろん、トータルの光量は落ちたが・・。第１のファイバーからの出力（の周波数）は予想通りシフトされないままであった。光のフィルターとしてのこのデバイスの動作を測定するために、無偏光の光を入力ファイバーに入射し、その出力を光スペクトルアナライザーに入力した。１．８６０ＭＨｚの音響周波数に対して得られた規格化パワースペクトルが図６（通過光）と図７（結合光）に示してある。図６と７に示したスペクトルは、パワー保存則の要請から予想されるように、相補的であり、デバイスは通過パスに対してノッチフィルターとして働き、結合パスに対してはバンドパスフィルターとして働く。スペクトルに見られる３峰構造は第２のモードの偏光上の性質によるものと考えられる。ピークの幅は１０ｎｍで、これは３．５ｎｍという予想幅よりも広い。このことは結合ウエスト部の直径についてその軸方向に沿っての不均一性が０．０２μｍ存在することで十分説明できる。図６と７は、見方を変えれば、この音響-光デバイスが同調可能フィルターとしても働くことの動作機構を説明していると言える。図６と７におけるピークや谷（ノッチ）の中心は印加音響周波数に依存している。したがって、同調可能光フィルターが可変周波数の高周波発生器でドライブされる変換器を持つ音響-光デバイスで構成できることになる。この音響-光デバイスは、以上の実施例で述べたように、周波数シフトを受けた光が、それ用の出力端から出てくることから、明らかに周波数シフターとして使える。音響振動をオン、オフすれば、デバイスからの周波数シフトを受けた出力と周波数シフトを受けていない各出力はそれに対応する強度変化を示す（すなわち、このデバイスは光スイッチとして動作する）。もし音響振動を変調すれば、デバイスの出力も変調されるから、このデバイスは光変調器として機能することになる。より細いウエストの結合器の使用で、数百ＭＨｚまでの周波数シフトが、本発明の実施例で可能である。通信用の波長での動作は一対のファイバーを適切に選べば簡単である。４本の同一の単一モード端子を持つデバイスも可能である。４本の同一の単一モード端子を持つデバイスも可能である。たとえば、ファイバー対の一方かあるいは両方を結合器本体の組立てに先だつ前工程で処理して（先に述べたように）、ナル結合器ができるように十分違った対を作る。このようにして、一対以上の多数対のファイバーを多端子の融着テーパー結合器に形成すれば、音響-光デバイスのさらに多くの他のデバイスの具体化に使うことができる。本発明の多くの実施例においてナル結合器を使うことは必ずしも必要ではない。たとえば、もし同一のファイバーでできた標準的な２×２の方向性結合器を使えば、音響振動は音響周波数の２倍の周波数で２つの出力端子の間に振動的な出力を引き起こす。この変調効果は結合領域で２つの伝送モードが励起されることによって起こる。音響振動は２つのモードの光に対して相補的な周波数シフト（アップとダウンの）を伴って、それらのモード間に素早いエネルギー移行を引き起こすことができる。したがって、これら周波数シフトを受けた出力間に時間的なビートが起こるのである。以上に述べてきた実施例は空間と時間の両方について周期的に結合領域に摂動を印加する音響変換器を用いている。しかし、結合領域での伝送モード間のエネルギー移行は結合領域に空間的にだけ周期的摂動を与えることによっても得ることができる。図８は、時間的に周期的な進行波あるいは定在波の音響波を使うことなく結合領域に空間的に周期的な摂動を印加するための１つの方法を図示している。図８で、上に述べた結合器の結合領域３０が、スイッチで断続可能なＤＣ（直流）電源の互いに逆極性の端子ににつながれた一対の交差指形電極５００及び５１０の一方の面上に配置されている。結合領域の反対側の面上（すなわち、図８に示されている装置としての結合領域の下側）には、接地面かまたは上の電極５００と５１０と同じ交差指電極の相補的な一対を置く。電極５００と５１０、ファイバー結合器の結合領域、反対側電極あるいは接地面５２０などの相対的な位置関係が図９の側面図に模式的に示されている。ここで、結合領域３０は実効的に永久電荷つまり「エレクトレット」電荷をファイバーに与えるものとして扱われる。この永久電荷はいずれの極性を持っていてもよい。永久電荷の光ファイバーへの印加は、参考文献「光ファイバーエレクトレット：電気-音響相互伝導の観測」ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ３０巻、１４３６ページ、１９９４年に述べられている。電極５００、５２０ならびに反対側電極あるいは接地面５２０は、これらの電極が直流電圧源につながれている限り、空間的に周期的な、しかし時間的には静的な電界を結合領域３０の長さ方向に沿って発生させる。この電界はファイバーの微小な部分を引き合わせるかあるいは反発し合わせるように働くので、ファイバーはその長さ方向に沿って周期的に歪ませられるか波形のしわを付けられる。電極５００、５１０は各々の電極の隣り合う交差指要素間に２ｍｍのオーダーの間隔５３０を保って配置されている。これは実効的にこの電極間隔に等しい周期で結合領域に周期的な横方向の歪を与えている。この摂動は単に電極５００と５１０とに付勢するか否かでスイッチオンまたはオフすることができる。入力光は、周期的摂動が印加されている時には、一方の伝送モードからもう一方のモードへ結合する。したがって、この結合器は電極電圧の制御によって出力端（複数）のいずれかの方向に光を向かわせる電気的に制御可能な光スイッチとして使うことができる。図８ならびにず９に示すこのデバイスの動作パラメータの一例を示すと、以下の通りである：結合領域長（結合ウエスト長あるいは相互作用長）：５０ｍｍ使用光波長：６３３ｎｍ結合領域の直径（実効的に均一とみなして）：２０μｍ電極５００、５１０への印加電圧：１１０ボルト結合領域上の全永久電荷量：８．３×１０^-11クーロンこれらの値はこのデバイスを真空中で動作させ、電極５００と５１０をファイバー結合領域にできるだけ近づけで動作させたものと仮定したものである。さらに他の実施例では、結合領域を、たとえばエキシマーレーザーで熱処理することが行われ、それによて結合領域を永久的に歪ませることができた。その熱処理は、結合領域に沿って一定の間隔を保ったスポットの上にレーザー出力を導き、結合領域の一部を実効的に歪ませ、結合領域に空間的に周期的な摂動を与えるものである。この構成は各出力端に周波数に依存する出力を供給する結合器（すなわち、フィルターまたは分波器）を提供することになるであろう。しかし、以上に述べてきた音響的あるいは静電的デバイスと違って、出力を時間的に切り換えることはできない。結論として、本発明の実施例は簡単で適用範囲の広い設計の低パワーの周波数シフターを提供するものであり、４本の単一モードファイバー端子を持つものも容易に作り得るものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者バークス，テイモシー，アダムグレートブリテン及び北部アイルランド連合王国ハンプシヤーＳＯ２１ＰＸサウサンプトン，ハイフイールド，ホーザンロード１ (72)発明者パンネル，クリストフアー，ノエルグレートブリテン及び北部アイルランド連合王国ケントカンタベリー，タイラーヒル，サニーミード７

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるごとき光ファイバー方向性結合器；ならびに、結合領域の少なくとも一部において空間的に周期的な摂動によって伝送モード間でのエネルギーの移行（トランスファ）を行うための手段、を具備する光デバイス。２．エネルギー移行手段が、結合領域の少なくとも一部に音響振動を励起するための手段を含む、請求項１によるデバイス。３．音響振動が、結合領域の屈曲振動（たわみ振動）を具備する、請求項２によるデバイス。４．前記結合領域から離れたそれぞれの位置で光ファイバーに取り付けられた１個あるいは２個の音響吸収取り付けブロックを具える、請求項２または３によるデバイス。５．前記光ファイバーの少なくとも一方の少なくとも一部が、音響吸収コーティングを持つ請求項２から４のいずれかによるデバイス。６．前記励起手段が、変換器に印加される振動的な電気信号に応じて振動するように動作する振動変換器を具備する、請求項２から５のいずれか１つによるデバイス。７．前記振動変換器が圧電変換器である請求項６によるデバイス。８．振動変換器によって発生された振動が、結合領域から離れたところで取り付けられた連結領域で、第１及び第２のファイバーに印加される請求項６または７によるデバイス。９．前記励起手段が、振動変換器と連結領域を結ぶテーパー付き伝送要素を具備する、請求項６から８のいずれか１つによるデバイス。１０．前記結合領域の少なくとも一部が永久電荷で荷電され、また前記移行手段が空間的に周期的な電界を発生するための手段を具え、その電界は、永久電荷と相互作用して結合領域の少なくとも一部に空間的に周期的な摂動を引き起こすところの、請求項１によるデバイス。１１．前記発生手段が、少なくとも電源に接続可能な一対の交差指形電極を具える、請求項１０によるデバイス。１２．前記発生手段が、接地面を含み、その接地面と一対の交差指形電極が結合領域の相対する両側に設置されている、請求項１１によるデバイス。１３．前記結合器が、溶融・融着光ファイバーである、先行する請求項のいずれかによるデバイス。１４．空間的に周期的な摂動がないとき、一方の光ファイバーを伝搬する光の半分より少ない分が他方の光ファイバーに結合される、請求項１３によるデバイス。１５．前記溶融・融着光ファイバー結合器が、空間的に周期的な摂動がないとき、一方の光ファイバーを伝搬する光が実効的には他方の光ファイバーに全く結合されないところの溶融・融着テーパー付きナル結合器である、請求項１４によるデバイス。１６．前記第１ならびに第２の光ファイバーが異なる断面積をもつ、請求項１５によるデバイス。１７．前記第１、第２の光ファイバーの少なくとも一方の光ファイバーの少なくとも一部が結合器の組立に先だって前処理され、その前処理が結合領域の光学特性を変えるところの、請求項１５または請求項１６によるデバイス。１８．前記第１又は第２の光ファイバーのいずれか一方から結合領域に伝搬してくる光が結合領域でその各々の伝送モードを励起し、励起された伝送モードがその光ファイバーに付随している、先行する請求項のいずれかによるデバイス。１９．前記結合領域において各伝送モードで伝搬している光がその伝送モードに付随した方の結合の出力端から優勢に出てくる、先行する請求項のいずれかによるデバイス。２０．少なくとも、前記光ファイバーの１本が単一モード光ファイバーである、先行する請求項のいずれかによるデバイス。２１．前記その結合領域が実効的に均一な断面直径を持っている、先行する請求項のいずれかによるデバイス。２２．前記結合領域が第１ならびに第２の光ファイバーの断面積より小さな断面積もつ、先行する請求項のいずれかによるデバイス。２３．前記結合が２×２結合器による、先行する請求項のいずれかによるデバイス。２４．少なくとも、前記結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるような光ファイバー方向性結合器；ならびに、上記伝送モード間でのエネルギ移行（トランスファ）に影響を与えるために、結合領域の少なくとも一部に音響的な振動を励起するための手段、を具備する音響-光デバイス。２５．先行する請求項のいずれかによるデバイスを具備する光周波数シフター。２６．請求項１から２４までのいずれかによるデバイスを具備する、光同調可能フィルター。２７．請求項１から２４までのいずれかによるデバイスを具備する、光スイッチ。２８．請求項１から２４までのいずれかによるデバイスを具備する、光変調器。２９．少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるような光ファイバー方向性結合器を作製するステップ、ならびに、伝送モード間のエネルギー移送に影響を与えるため結合領域の少なくとも一部に音響的な振動を励起する手段を設けるステップ、を具備する音響-光デバイスの製作方法。３０．少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるような光ファイバー方向性結合器を作製するステップ、ならびに、伝送モード間のエネルギー移行に影響を与えるため結合領域の少なくとも一部に空間的に周期的な摂動を与えるステップ、を具備する光デバイスの製作方法。３１．少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬できるごとき光ファイバー方向性結合器に光を導くステップ、及び伝送モード間のエネルギー移送に影響を与えるため結合領域の少なくとも一部に音響的な振動を励起するステップ、を具備する光の周波数を音響-光的にシフトする方法。３２．少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬し、各コードで伝搬する光は結合器の各出力端から少なくとも優勢に出射されるような光ファイバー方向性結合器に光を導くステップ、及び前記伝搬モード間のエネルギー移行に影響を与えるように結合領域の少なくとも一部において空間的に周期的な摂動を発生させるステップ；を具えた光スイッチングの方法。３３．少なくとも、結合領域において第２の光ファイバーに光学的に結合された第１の光ファイバーを持ち、それによって、結合領域において少なくとも２つの電磁波伝搬モードで光が伝搬し、各モードで伝搬する光を結合器の対応する各出力端から少なくとも優先的に出射させられるような光ファイバー方向性結合器、ならびに、上記伝送モード間のエネルギー移行に影響を与えるよう結合領域の少なくとも一部において空間的に周期的な摂動を発生させる手段、を具備する光スイッチ。