JPS5845006B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光ビームの位相や振幅を時間的に変調する光変
調器、とくに誘電体結晶の電気光学効果を使った光変調
器に関する。

光ビームを電気信号に応じて高速に変調する光変調器は
、光通信や光情報処理のように高速大容量の情報を伝達
、処理するシステムの装置には必要不可欠な素子である
。

結晶の光に対する屈折率が、印加した電界に比例して変
化する効果、すなわちポッケルス効果を使った電気光学
光変調器は、他の効果たとえば機械振動や音響光学効果
を使った光変調器に比べて広い帯域幅をもっているため
、はるかに速い速度で光を変調することができる。

このため上記の目的のために広く用いられようとしてい
る。

従来の電気光学効果を使った光変調器の原理は、以下に
述べるように広く理解されでいる。

例えば現在もつとも良く使わイする強誘電体結晶ＬｉＴ
ａＯ３結晶では、最大の電気光学効果の得られる方向の
Ｚ軸方向に電界を印加し、それに直交する方向たとえば
Ｘ軸方向から光ビームを透過する。

印加した電界の強度Ｆｚによって、透過する光波に対す
るｙ軸方向及びＺ軸方向の屈折率は、ｎ ＝ｎ −ｎ
３ｒ１３Ｅ２／２、ｎ ２＝ｎ ｅ−ｎ ｃ３ｒ３３Ｅ
ｚ／２となる。

ここでは。。 ｎｏはそれぞれ、常光線、異常光線に対
する屈折率、ｒ１３＋ ｒ３３は電気光学定数である。

透過する光ビームの偏光面はｙ軸及びＺ軸から４５°傾
いた直線偏光である。

結晶の出射面でｙ軸及びＺ軸方向の光電赤成分の間に生
ずる位相差φは、φ−（２π／入）・ｌ・（ｎ２’−ｎ
、）となる。

ここで人は光の波長、ｌは結晶の光伝搬方向の長さであ
る。

位相差φがπとなるように電界を印加すれば、出射光の
偏光面は入射光のそれと直交した直線偏光となる。

出射光を検光子に透過させることによって、印加した電
界の強さに応じて検光子を透過する光の強度が変化し、
光の振幅変調が達成される。

電界印加前後の位相差はπ与える電圧■πは、■π＝人
（ｄｌｌ ）／（ｎ ｏ３ｒ３３ ｎ ｏ３ｒ１３）
で与えられる。

ここでｄは電極間距離である。

ｄｌｌ＝１としたときの■πは半波長電界距離積（Ｅ−
ＣＩ入／Ｚとよばれ、変調媒体の電気光学的な性能を表
わす指標の１つである。

Ｌ ＩＴ ａ ０３結晶は優れた電気光学結晶であり、
現在上記のような原理に基づいた光変調器用の材料とし
て広く使われている。

しかしながら、従来の光変調はいくつかの難点をもって
いる。

たとえは前弐の位相差φの中には印加する電界の強さに
依存しない頃、いわゆる自然複屈折による頃（２π／入
） ｌ （ｎ ｅ ｎ ｏ ）が含まれている。

このため周囲温度の変化によって変調動作が不安定とな
る。

この自然複屈折項の温度依存性を補償するために、よく
知られているように長さの等しい２個の変調結晶の間に
入／２板を挿入する、長さの等しい２個の結晶の電界印
加軸たとえば上記の例ではＣ軸を互いに直交させるなど
の方法が試みられている。

これらの方法は、２つの結晶の幾何形状的な配置におい
て理想的に配置されていれば、上記の影響を補償するこ
とができるが、２つの結晶の長さの不揃い、結晶軸の直
交度の不充全さかあると、完全な補償を施すことができ
ないため、実際の作製時での結晶の加工や組立に複雑さ
が増す。

また使用する結晶の内部に上記の自然複屈折の不均質な
部分があると、消光度の劣化を生ずる。

このためｃ）ｎ１０ｆｆのフントラストの高いことを必
要とするような光シャックのようなものえの利用には不
都合である場合がある。

本発明の目的は、上記の難点を解消し、高性能で安定な
電気光学光変調器を提供することにある。

本発明によれば、Ｐ ｂｏ ＨｘＮｂ ２０５ （］、
、５≦ｘく２．１；ｘはモル比）と表わせる単結晶を電
気光学変調結晶とし、該変調結晶の光ビーム透過方向に
分割して電界印加電極を配置させることによって、高性
能で高安定の光変調素子が得られる。

上記の、従来の光変調器のもつ難点、すなわち自然複屈
折の影響は、結晶軸方向に振動する２つの結合すること
のない独立な光電異成分の、合成した振動軌跡が外部電
界によって変化することを用いていることにその生国を
もとめることができよう。

これに対して、本発明のような構成とすることによって
上記の影響を免れることができる。

本発明の原理は以下に述べる如くである。

すなわち、電界のない場合には互いに直交して独立に伝
播する結晶の主軸方向に振動する光電異成分の間に、外
部電界を印加することによって、結合を生ぜせしめるよ
うな電気光学定数テンソル成分を有する結晶を光変調媒
体とし、適宜なる方向に電極を設けて電界を印加すれば
、結晶の主軸方向のみの振動電界成分を有する直線偏光
光の入射光は、結晶を透過するにつれそれに直交した直
線偏光光えと変換される。

出射した光を検光子に透過すれば光の強度変調が達成さ
れる。

この過程は前述の従来の２つの直交する光電異成分の間
の位相差を利弔するのではなく、振幅の変化を利用して
いるため、前述の自然複屈折の影響は無い。

上記の入射光が振動方向の直交する成分にエネルギーが
全て変換されるためには、２つの成分それぞれの伝播定
数、すなわち屈折率が等しいか、または伝播定数の差に
等しい波数ベクトルをもつ電気光学定数の周期性（また
は印加電界の周期性）が存在することが必要である。

知られている電気光学結晶の多くは、直交する２つの光
電異成分の伝播定数すなわち屈折率楕円体の主軸方向の
屈折率は異なる。

したがって上記の原理による光変調器を構成するには周
期的な電界を印加するための電極、を設けなければなら
ない。

しかし通常の結晶ではこの屈折率差が大きいため、電極
の周期間隔を細かくする必要があり、このことから、結
晶に一様な電界が印加されにくい。

誘電体結晶基板の表面近くに光エネルギーをとじこめる
技術いわゆる光集積回路技術の分野で明らかになってい
るように、基板の表面近くを伝播する多数の光の伝播モ
ードの伝播定数は非常に近接しているため、基板が電気
光学効果を有しておれば、比較的周期間隔の粗い電極で
上記の動作は実現できるが、周知の如く、レーザ等の光
源かな発する光ビームを、上記の基板表面近くを伝播す
る導波モードに結合入射させ、またこれを再び空気中に
ビーム状として取出すのは、かなりの技術的な困難さを
伴い、調整の容易な簡便な光変調器を提供することがで
きない。

本発明の特徴は本発明者の一人によって単結晶育成に成
功した新らしい強誘電結晶ＰｂＯ−ｘＮｂ２０５（１，
５≦Ｘ≦２．１：ｘはモル比）を電気光学変調媒体とし
て用い、前述の如くの構成の光変調素子を実現すること
にある。

この結晶の育成方法については、特願昭４９−３０１７
９号に詳述されているで参照されたい。

またその育成および結晶学的な検討は、ジャーナル・オ
ブ・クリスタル・グロウス誌、第２４／２５巻（１９７
４年）、４４５頁、及び同上誌、第２６巻（１９７４年
）、３１９頁にも詳述されている。

この学術誌に述べられている、組成範囲が１．５≦Ｘ≦
３．１の結晶は室温において、夫々異なった結晶格子定
数をもつ２つの群、すなわち組成範囲１．５□ｘ ＜
２．１および２．１≦Ｘ≦３．１の群に分けられる。

各々の群に含まれる結晶は、その群内で組成が異なって
も同様な格子定数をもついわゆる固溶体である。

上記の２つの群に属するいずれの結晶も優れた電気光学
特性を示すが、本発明の構成の電気光学光変調には、そ
の光学的な特性から、１．５≦ｘ ＜ ２．１の群に属
する結晶のみが有効である。

本発明の一実施例を、ｘ＝１．９すなわちＰｂ０・１．
９Ｎｂ２０．を用いた場合について、図面をもって説明
する。

第１図において、１は結晶軸ａ。ｂ、ｃ軸に沿って平行
六面体に成形し研磨されたＰｂ０・１．９Ｎｂ２０．結
晶である。

この結晶の対向する上下２つの３面上に、ａ軸方向に電
界が印加され、しかも光伝播方向に電界の方向が変化す
るように、光ビーム２の進行方向す軸方向に周期的な間
隔で、上下に対向した電極Ｉを設け、第１図の如く、変
調信号発生器６の出力を隣り合う電極交互に接続する。

Ｐ ｂｏ ＨｘＮｂ２０５（１，５≦ｘ＜２．１ ）結
晶の結晶学的な対称性はＣ２Ｖであり、その電気光学定
数テンソルは、 である。

偏光面をＣ軸方面に振動する直線偏光の入射光２は、印
加電界が零のときは、その偏光面を保持したまま結晶を
出射する。

検光子５はａ軸方向に振動する光電異成分のみを透過す
るように配置しであるから、この時変調光４の強度は零
となる。

電界を印加すると入射光２は結晶中を伝播するにつれ、
Ｃ軸方向のみの光電成分はａ軸方向に振動する成分にそ
のエネルギーが変換される。

上記の電気光学定数マトリクズ中ｒ５１がこれに関与す
る。

ｒ５１の大小が２つの光電界威分間の結合の大小を支配
する。

Ｐｂ０・１．９Ｎｂ２０５結晶のｒ５． ＝ ４５ Ｘ
１０−”ｍ／ ｖであり、Ｌ ｔ Ｔ ａ ０３結晶
の最大の電気光学定数ｒ３３＝３０ Ｘ １０−１２ｍ
／ｖより大きい。

上記のように定数が大きくても、光電閉成分間の結合は
、作用長をいくら長くしても１ｏｏ％とはならない。

それはそれぞれに対応する結晶中の速度すなわち伝播定
数が同一でないからである。

この位相の不整合を解除するためには、伝播定数の不整
台分に等しい格子、すなわち なる。

周期Ｊ〜の格子を光伝播方向に形成すればよい。

この格子は光に対する屈折率の変化を与えればよい。

つまり第１図に示す如くに電界を印加する電極を間隔穴
の周期で分割し、電界の印加方向を隣合う電極毎に反転
させることによって可能である。

また別なる方法は光の伝播方向に結晶を分割して配列す
るという方法でもよい。

しかしながらこの場合には各結晶端面での光の反射損が
あるためあまり得策ではない。

第１図に示すような構成の光変調器を、使用光波長６３
３ｎｍについて従来の電気光学結晶たとえばＬ ｉＮ
ｂ Ｏａで構成した場合には、このような効果に関与す
る電気光学定数はｒ５１−ｒ４２” ２８ Ｘ １０−
１２ｒｎ／ Ｖとあまり高くなく、また関与する主屈折
率の差ｎｅｎｅは８Ｘ１０−２と大きいために上式から
決定される格子間隔Ｊ〜は６μｍと短かく、結晶断面内
で均重に印加電界が分布しない。

ＰｂＯ・１．９ Ｎｂ２Ｏ５の主屈折率の光波長にたい
する分散特性を第２図に示す。

ＰｂＯ・ｘ Ｎ ｂ ２０５（１，５≦ｘ＜２．１）に
属する全ての結晶は第２図に示すと同様の分散時性をも
つ。

すなわち、特定波長においてｎａ−ｎｏとなり一軸性結
晶を示し、他の波長では２軸性結晶である。

この特定波長の近傍の波長ではｎａとｎ。

との差が小さい、また結晶の組成比Ｘの値によってこの
特定波長が変化する。

第１図の実施例における光変調器の動作に関与する主屈
折率はｎａおよびｎ。

である。光波長６３３ ｎｍにたいしてこの差は８Ｘ１
０−’である。

これから電極の周期穴は０．８ ｒｎｍとなる。このた
め結晶のａ軸方向の厚さをたとえば０．３ ＴＬｍとし
ても、印加電解ははは一様に厚さ方向に分布して変調に
寄与する。

ｂ軸方向すなわち光伝播方向の結晶長をｌｌ＝２０ｍｙ
ｎとすれば、印加ｒる電圧は１５ｖ程度と低く、充分に
実用性がある。

勿論特定波長、例えばＰｂ０・１．９ Ｎ ｂ ２０５
の組成の結晶では６００ｎｍ、では電極を周期構造にす
る必要はない。

また異なる使用波長に対しては上記の電極周期間隔を変
えるか、または−軸性結晶となる特定波長の異なる、別
の組成比の結晶を用いればよい。

尚ここで組成比Ｘを１．５≦ｘ ＜ ２．１と限定した
のは、２．１くｘ＜３．１の結晶はｎａとｎｂとの差が
小さいけれども、上記の動作に関係する電気光学定数ｒ
６１又はｒ６□が存在しないからである。

またｘ＜１．５では前に例示した結晶の育成方法では高
い品質の結晶を容易に得ることができないためである。

以上述べたように、本発明によれば高性能で安定な光変
調器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原理構成図で、１は変調媒
体、２は入射光ビーム、３は出射光ビーム、５は検光子
、６は変調信号発生器、７は電界印加用電極である。 第２図は本実施例に用いるｐｂｏ・１．９ Ｎｂ、、
０５結晶の光波長に対する屈折率の分散特性を示す図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電気光学結晶としてＰｂＯ−ＸＮｂ２Ｏ，（１，５
   ≦Ｘ≦２．１、Ｘはモル比）と表わせる単結晶を用い、
   該結晶のｂ軸方向に光ビームを透過し、ａ軸に垂直な対
   向する２面に前記光ビーム透過方向に沿って南朝的に配
   置せられた電極を設けたことを特徴とする光変調器。