JPS6034094B2 - 電気光学変調器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に光ェネルギの伝搬を方向づける電気光
学装置に関するものであり、特に光フアィバ光伝搬シス
テムを通る振幅変調のための光導波装置に関するもので
ある。

光フアィバ通信システムへの直接挿入に通した導波光変
調器の開発をめざす最近の研究においては「光フアィバ
伝搬の全てあるいはほとんどの多重モードェネルギ特性
を伝搬する有効分を生成しそれによってこのようなフア
ィバを結合して単一モードの能動装置を作る際の困難な
問題を回避することにますます重点がおかれてきている
。

これらのプログラムにおいて見し、出される幾つかの概
念は利点を示している。例えば光導波管がその一例であ
る。一般にこれらの光伝搬装置は電気光学結晶に加えら
れる定電圧を用いて、結晶を通過する光の伝搬が向上す
るように結晶の屈折率を増大させている。結晶を変化す
る電圧のもとに置くと、電圧誘導導波管は振幅変調器と
して働く。なぜなら結晶を通った光の強度は誘導された
導波管の強度すなわち実効性に依存するからである。大
きな導波電圧を印加すると、光出力は強くなる。いいか
えると、導波電圧が皆無か逆電場でも、それに応じて光
出力は小さくなってしまう。それは光が入力ボートから
出力ボートまで効率的に導波されないからである。この
ような高速変調器の１つが、本発明者および協力者Ｄ．
日．ＭｃＭａｈｏｎとＲ．Ｌ．Ｇｒａｖｅｌによって技
術論文「多重モード繊維のための電気光学チャネル導波
管変調器Ｊ（“Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｃｈａ皿
ｅＩＷａｖｅｇｕｉｄｅ Ｍｏｄ山ａｔｏｒ
ｆｏｒ ＭＵｔｉｍｏｄｅＦｉ氏ｒｓ ”） Ａｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈ＄ｉｃｓ じｔｔｅ岱．ｖｏｌ．
２８ＮＯ．６，Ｎｂｒｃｈ１５１９７６，３２１ページ
から３２３ページに記述されている。

この従釆の技術による装置はＺーカット電気光学活性Ｌ
ＩＴａＱの透明なプレート（板）とこのプレートの向か
い合う広い面の上に黍着した相対する導電性条電極から
成っている。板の向かい合うへりはみがかれて、光フア
ィバが変調器の入力ボートと出力ボートを形成するため
に端を結合できるようになっている。電場の強度は２つ
の電極の間に位置する導波チャネルの強度または実効性
を容易に制御する。導波領域は市販の多重モード光フア
ィバの能動コアと実質的に同じ断面積を持つように雷場
によって形成し、光ファイバガィド内を伝搬するモード
の効率的な結合を許容することが望ましい。本発明は特
に光フアィバ通信システム内の多重モードの光の伝搬の
制御に適用するための電気光学的に制御可能な変調器に
関するものである。

本発明の多重モード光変調器は前述のＮｅｌｓｏｎらの
装置を含む従来の技術による電気光学変調器のもつ困難
を克服したものである。第１図に示されているように、
本発明の電気光学部品はＺ−カットのＬＩＴａ０３，Ｌ
ＩＮＯ０３、または類似の容易に得られる電気光学的感
応材料でできた薄板５の上に形成されている。導電性電
極は透明な板５の広い面１３および１４の各々の上に蒸
着するかあるいは通常の技術を用いて形成されている。
底面１４上の電極１５は単に底表面の全額城をおおう薄
い合属箔でもよく、このようにして導線１６と、端子１
７を経て上表面の電極の接地あるいは他の基準電位電極
としてすぐに機能する。上表面の電極７および６，８は
合、銀またはアルミニウムのような導電性金属を適当な
マスクを通して通常の蒸着法により同時に互いに絶縁関
係にあるようにたやすく形成される。電極７は一般に三
角形でその底辺は板５のみがかれた端９にあり、通常表
面１３上に対称的に位置する。中央の電極７のまわりに
対称的に位置しているのは１対のとがった脚部６，８と
板５のみがかれた端１２に端を有する１つの電極である
。脚部６，８は三角形の電極７と一般に適合する三角形
の開いた内部を形成し２つの三角形の頂点１５，１５′
はみがかれた端１２の近くで接近してかつ離れて位置し
ている。脚部６，８は頂点１５′とみがかれた端１２の
間に位置する電極材料によって接続している。このよう
に、電極６，８はみがかれた端１２のボートからそれと
三角形の電極７の間のＶ字型の電気的絶縁ギャップへ延
びている。電極６，８は底部電極１４と協働してプレー
ト１４の平らなみがかれた端の面１２に対して突き合わ
せ固着された光ファイバガィド１０に関して容易に伝搬
する導波管を形成する。同様に、三角形の電極７は底部
電極１４と協働してプレート５のみがかれた出力端９に
対して突き合わせ固着された光ファイバガィド１１に光
学ェネルギが容易に伝搬するように光導波管を延長する
。頂点１５，１５′の角度は便宜上代表的なものを示し
ているがギャップ３５と３６が図示されているより短く
なりまた装置全体の長さもそれに応じて短くなるように
より大きい角度を好都合に使用してもよい。第１図に示
されている光ファイバガィド１０および１１はその軸に
対して垂直に切断され、またプレート５の各々の平らな
端に対して突き合わせ固着によって取り付けられそこで
都合よく通常の方法で支持されていることが理解される
だろう。第１図では光ファイバガィド１０は入力ボート
として、一方ガイド１１は出力ボートとして機能するこ
とが単に例によって示された。しかしながらこの配列に
は相反の定理が当てはまり、ボート１０と１１の機能は
容易に交換できることは当業者には明きらかであろう。
さらに電極７および６，８と同様の電極の形を以下に議
論するように装置の両面１３および１４に適用すること
ができることも理解されるだろう。また、第１図の実施
例においてファイバガィド１０および１１の軸はプレー
ト５を通る光路と共軸になっている。第１図の実施例の
動作は第２図の簡単にした制御回路と関連させて考える
。

第１図と第２図の対応する部分には同じ参照番号がつい
ている。電圧源３川まその出力振幅が制御装置３０′と
して符号で表わされているあらかじめ定められたプログ
ラムに従って変化し得る電圧源を表わしている。電圧源
３０の正の端子は上部の電極６の端子２に結合している
。それはまた電子制御されるようなスイッチ３３を通し
て上部の電極７に結合することもできる。正の電圧は上
部の電極７に負の電圧を印加するためにゲージ付３２ス
イッチ３３が開き、スイッチ３１が閉じる時に除去され
てもよい。さらに、一枚の下部のプレート１８を接地電
位かまたは電圧源３０の負の端子のどちらかに結合する
ためにこれも電子的なスイッチ３４を用いてもよい。例
としてスイッチ３３が導適していてまた下部の電極１８
が接地電位になるようにスイッチ３４が接地している場
合を考えてみよう。そうすると、上部の電極６と７に印
加された正の電圧によって、プレート５の上部と下部の
電極の間の領域は有効な光導波管として機能する。電極
７と電極６，８の間のＶ字型のギャップ装置３５，３６
はフリンジング（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）電場効果のために
導波に何ら重大な困難を示さない。正味の結果は上部の
電極が完全に接合しているのと同じである。さて、上部
の電極６を正の電圧にしたままで上部の電極７に負の電
圧を印加するようにスイッチ３１，３３を動作させると
、電極システムは出力ボートの口径から光偏向用の発散
電場領域をギャップ領域に発生する。その結果生ずる屈
折率の局部的変化により偏向光は例えばプレート５の４
つの狭い端を最初に通って空間へ出て行くまで多重反射
される。第３図は上部の表面上の電極６，７と全く同様
な電極６′，７′を下部の表面１４上に有する装置を動
作させる際に用いる類似の制御回路を示している。この
実施例において第２図の単一の下部の電極１８は電極６
′，７′で置き換えられ、また第２図のスイッチ３４は
除去される。第３図の装置によれば、プレート５の向か
い合った側の電極は反対の極性を持ち、例えば屈折率を
上げ、光を出力ボート・フアィバ１１の口径から散乱さ
せる時には電極６′，７′を負にし、電極６′，７′を
正にするように接続している。本発明の実用的な価値は
、最大の導適状態の損失が最小で伝搬方向の物理的長さ
が短い電気光学変調器の必要性に留意すれば、以下の考
察でより明きらかになるだろう。従来の技術による装置
では、ＬＩＴａ０３およびＬＩＮＯ０３のプレートにお
いてＴＥモードの光はＴＭモードの光より制御が効果的
でないことが認識されている。従ってこのような装置は
適当な電圧において、十分低い実効性をもたらさない。
損失を減ずる１つの方法は特にＴＥモードの光の場合変
調器の導波構造をできるだけ短くすることである。構造
が短いと、出力ファイバガィドボートにより受け入れら
れる立体角が入力フアィバのそれに比べて大きくなる。
しかしながら、従来の技術による装置の出力の立体角が
増大すれば可能な変調深度はそれに伴って減小する。こ
のことは装置を通って伝導されるパワーが電圧が印加さ
れない時に立体角の考察により幾可学的に集められたも
のと、制御電圧が印加された時にＴＭモードの光の大部
分とＴＥモ−ドの光の一部が有効光導波チャネル内に残
るようにしいられる場合に集められたものとの間で変化
することができるという要因を含んでいる。本質的に、
従来の技術による電気光学変調器が短くなればなる程、
入力−出力の結合効率は大きくなるが、光の通路は完全
にしや断できないために変調度は小さくなる。本装置に
おいては、電極システムが自然光の導波系の動作を阻害
するように機能することが見られ、反対極性の電圧を用
いて光をチャネルから、一掃しかつ偏向された光が出力
ファイバガィドのァパーチャに到達しないようにしてい
る。

この方法によって、より高い入出力結合を有する短い構
造でも従来得られなかった所望の大きな変調深度を有す
ることが可能となった。従って、本発明によって導入さ
れた簡単な構造上の変化がより良い変調度をもたらすこ
とがわかる。さらにー制御信号すなわち変調信号は今や
従来の技術による装置の変調電極の約半分の領域の電極
に加えられるので、キヤパシタンスと、これにより必要
な駆動力も半減する。

従って周波数応答もまた望ましく２倍になる。第４図に
関連して本発明は第１図の装置の使用に限定されるもの
でなく導波の目的のためバリャ電極を使用し、よりよく
光のコリメーションのための入力ボートと出力ボートの
ファイバガィドの非垂直な投射を伴う電気光学変調器に
もスポィラ電極の概念は容易に適用でき、それにより入
力−出力の損失は望ましく減ずる。第４図で端子１，２
、導線３，４電気光学的プレート５、上部電極６，７，
８、みがかれた端９，１２、ファイバー０，１ １およ
び上下の表面１３，１４のようにに既に第１図に関連し
て論じたものに一般に対応する部品には対応する参照番
号がついている。第４図の装置において、入力および出
力フアィバ１０′，１１′を電気光学的活性板５の各々
の総９，１２の向かい合うかどのそばに取り付けてそこ
を通る光路が一般に対角線のようになるようにすること
により、進歩した光のコリメーションが達成される。フ
ァイバー０′，１１′をフアィバの軸に対して直角では
なく各々のフアィバと板材料の相対的な屈折率に従って
７００のオーダーの角度で切断することにより、よりよ
くコリメートされた光ビームを板５に入射させることが
できることがわかる。例えばフアィバ１０′の芯の屈折
率をＮＦとし、板５のそれをＮＰとしＮＰ＞ＮＦとすれ
ばコリメーションまたはビーム領域縮小因子はＮＰｃｏ
ｓＱ／ＮＦｃｏｓＱＦである。ここでＱＦは板の端１２
への入射角であり、ＱＰは板５内でのビートの角度の中
央値である。どちらも表面１２に関するものである。フ
アィバ光導波管から板５のような平面光導波管への効率
的結合多重モードエネルギーのための装置が提供される
。この結合は光ファイバ力・ィドと電気光学導波管の間
の非垂直突き合わせ結合の使用により成しとげられ、そ
れにより光フアィバ内での光ビームの直径と発散および
電気光学的導波管内での光ビームの直径と発散の間の倍
率が達成される。これらの倍率は電気光学的導波管の十
分限定された領域内の伝搬路を設定するので光ェネルギ
は適当な電圧レベルの印加により小さなチャネル内に望
ましく詰められる。図示されているように第４図の変調
器を通る光の伝搬路は一般に対角線的であるが、伝搬路
とファイバー０′，１１′の軸は共軸ではない。協働す
る電極７と６，８は示されているように等しく準対角線
的である。このような電極は第１図の装置の場合のよう
に板５の片側あるいは両側に置くことができるので第２
図あるいは第３図の各々の制御回路が使用できる。第４
図の装置において、板５を通る光路は（図示されていな
い）電圧源から導線２１，２３と各各の端子２２，２４
を経て適当な電圧を供給されるバリャ電極２０と２５を
含む特別なバリャ電極装置を用いることにより適切によ
りよく限定される。

このようなバリャ電極およびその光導波能力はＡＲ．Ｎ
ｅｌｓｏｎの“Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｕｌｔ
ｉｐｌｅｘｅｒ仇ｔｈＨｉｇｈＩｎｔｅｒｃｈａｎｎｅ
ｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ”に関する出願において論じら
れている。この装置は電極間の結晶の屈折率を減じ、ま
たそれによって電極により輪郭を画かれる光導波管を形
成するために電気光学結晶の上下の表面に置かれた電極
に一定の電圧を印加することにより形成される光学バリ
ャ導波管に結合した入力および出力ファイバガイドを使
用している。途第４図のバリャ電極２０，２５は導波チ
ャネルを形成するために寄与し、また例えば電極６と７
を形成するのと同機に板５の上表面１３の蒸着によって
形成することができる。電極２０，２５とそれに向かい
合う１つまたは複数の電極１５の間に印加される一定の
電圧は屈折率の減少が電極電場によって影響を受ける空
間に与えられるような極性を有している。屈折率の変化
は電極の配列によって決定される効力のあるバリャを作
り、バリャの間の領域に送られてそこに入射する光を反
射して一般にバリャ電極の形によって決定され、電極６
と７のみの場合に比べ変調器の「オフ」状態においてよ
り制限的な光導波管を形成する。第４図の装置の変調深
度はバリャ電極２０，２５に印加される電圧を電極６，
７に供給される変調電圧に対して逆の極性を有する信号
で変調することによりさらに改善できる。バリャ電極２
０，２５と改良されたコリメーションは高い出力強度の
ために必要な動作電圧を効率的に低くし、一方第４図の
構造が第１図の実施例の利点、すなわち従来の技術の能
力に比してより大きい変調深度と増大した帯城幅を保有
することを可能にする。本発明の２つの形態は実際問題
として従来の技術の装置の製造より以上に困難ではない
。というのは本発明の多少複雑な電極構造は従来の単一
の条電極と同様に同時操作によって容易に作りうるから
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の概観図、第２図および
第３図は本発明の装置の動作のための電気回路を示す配
線図、第４図は本発明の第２の実施例の平面図である。 参照番号の説明、５・・・・・・透明な薄板、６，７，
８・・・・・・上部電極、１０，１１・・・・・・光フ
アィバ・ガイド、３５，３６・・・・・・Ｖ字型のギャ
ップ。第１図第４図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学変調装置であつて、第１および第２の対向する
   主表面と、該主表面に概ね垂直な第１および第２の対向
   する従表面を有し、電気的に可変な屈折率により特徴づ
   けられる光学的に透明なプレートと、該プレートと前記
   第１の従表面において光交換関係にある第１の光導波装
   置と、前記プレートと第２の従表面において光交換関係
   にあり、それによつて光が前記第１の光導波装置から第
   ２の光導波装置へ集中したビームとして法線方向に伝搬
   する第２の光導波装置と、前記主表面に配置され、励起
   された時前記励起のレベルに応じて前記第２の光導波装
   置から離れた前記光ビームを可変的に偏向するようにさ
   れた電極装置を含み、該電極装置が少なくとも第１およ
   び第２の分離した互いに共面の電極装置を含み、前記第
   １の共面の電極装置は前記第１の手面に取り付けられ、
   また一般に三角形であつて、前記第２の共面の電極装置
   は前記第１の主面に取り付けられ、また前記第１および
   第２の共面の電極装置の間に第１のＶ字型のギヤツプ装
   置を形成するために前記概ね三角形状に適合する内部形
   状を有し、また前記電極装置が前記第２の主表面に取り
   付けられた協働電極装置を含み、前記第１および第２の
   共面の電極装置に各々反対の電位を選択的に加える装置
   をそなえた前記光学変調装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置であつて、前記協
   働電極装置が、第３および第４の分離した電極装置を含
   み、前記第３の電極装置は前記第２の主表面に取り付け
   られ、また一般に三角形であつて、また前記第４の電極
   装置は前記第２の主表面に取り付けられ、また前記第３
   と第４の共面電極装置の間に第２のＶ字型のギヤツプ装
   置を形成するために前記三角形状に適合する内部形状を
   有する前記光学変調装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、前記第
   １および第２のＶ字型ギヤツプが同じ配向で整合して配
   列されている前記光学変調装置。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の装置であつてさらに前
   記第１の主表面に概ね平行で共面な関係で前記第１およ
   び第２の電極の両側にある第１および第２のバリヤガイ
   ダンス電極装置を含み、前記バリヤガイダンス電極装置
   を励起した時に前記光を有効に集中させるようにされた
   前記光学変調装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の装置であつて、前記第
   １および第４の電極装置に第１の電位を加え、前記第２
   および第３の電極装置に第２の電位を加えるようにされ
   た電源装置を含む前記光学変調装置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の装置であつて、前記第
   １および第２の光導波フアイバ装置が、前記第１および
   第２の光導波フアイバ装置の各各の軸に垂直に配置され
   たそれぞれ第１と第２面を有し、該第１および第２の面
   は前記プレート装置のそれぞれ前記第１と第２の対向従
   表面に固定され、それにより前記光路と前記軸が共軸に
   なつている前記光学変調装置。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の装置であつて、前記第
   １および第２の光導波装置が、各々前記第１および第２
   の光導波フアイバ装置の各々の軸に非垂直な角度で配置
   された第１および第２の面を有し、前記第１および第２
   の面が前記プレート装置のそれぞれ前記第１と第２の対
   向従対向表面に取り付けられ、それにより前記光路と前
   記軸とが共軸ではなくなるが、前記軸は平行になりそれ
   により前記光が有効に集光される前記光学変調装置。