JPS61179416A - 光集積スペクトル分析器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、表面弾性波と光の相互作用を利用して高周
波電気信号のスペクトル分析を行なう光集積比スペクト
ル分析器に関し、特に光学系の終段に設けられているレ
ンズと光検出器アレーとの光学的な結合に関するもので
ある。

〔従疑ｉ術〕

光集積スペクトル分析器は、高周波電気信号を表面弾性
波励起トランスジューサに供給することにより対応する
表面弾性波を発生させ、この表面弾性波の波長を周期と
する回折作用を利用して平行光を回折させることにより
、この平行光の回折量を検出することによって高周波電
気信号のスペクトル分析を行なうものである。

第３図は、ＩＥＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　１
９８１　Ｕｌｔｒａｔｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
　Ｐ７２１〜７２４に開示されている従来の光集積スペ
クトル分析器の一例を示す要部斜視図である。同図に於
いて１は誘電体基板であって、その表面部分には平面光
導波路層２が設けられている。３は誘電体基板１の長手
方向端面部分に設けられた半導体レーザダイオードであ
って、平面光導波路層２に向けて発散光４ｔ−放射する
。５は平面光導波路層２の内部でかつ発散光４を受ける
部分に設けられたジオデシックレンズもしくはルーネブ
ルグレンズ等からなる第１の光導波路レンズであって、
発散光４ｆｔ平行光６に変換する。７は平面光導波路層
２の内部でかつ第１の光導波路レンズ５から所定距離離
間した位置に設けられた第２の光導波路レンズであって
、その中心０２は第１の光導波路レンズ５の中心０１と
半導体レーザダイオード３の出射点りとを結ぶ直線上に
位置して、平行光６を平面光導波路層２の端面に集光す
る収束光８に変換する。そして、この第２の光導波路レ
ンズ７も第１の光導波路レンズ５と同様に、ジオデシッ
クレンズもしくはルーネブルレンズ等によって構成され
ている。９は第２の光導波路レンズＴに於いて変換され
た収束光８を受光するために、平面光導波路層２の端面
に設けられた光検出器アレーであって、収束光８の偏向
方向側が長くなっている。１０ｍ、１０ｂは平面光導波
路層２の内部に、第１．第２の光導波路レンズ５，７間
の光路と交差する方向に向けて並設され九表面弾性波励
起トランスジューサであって、高周波電気信号が供給さ
れると、表面弾性波１１１Ｌ。

１１ｂを発生する。１２は表面弾性波励起トランスジュ
ーサ１０ｍ、１０ｂから発生される表面弾性波１１　ａ
　ｔ　１１　ｂを平面光導波路層２の端面に於いて吸収
する様に設けられた弾性波吸収体である。

この様に構成された光集積スペクトラム分析器に於いて
、半導体レーザダイオード３から放射される発散光４は
、第１の光導波路レンズ５に於いて平行光６に変換され
た後に、平面光導波路層２を伝搬して第２の光導波路レ
ンズＴに入射する。

第２０光導波路レンズＴは、入射される平行光６を収束
光８に変換することによって、光検出器アレー９上の第
１．第２の光導波路レンズ５，７の中心ｏ１　、　ｏ２
と半導体レーザダイオード３の出射点りとを結ぶ線上の
点Ａに集光する。

この状態に於いて、表面弾性波励起トランスジューサ１
０ａ、１０ｂに高周波電気信号を印加すると、光導波路
内に印加高周波信号に応じた表面弾性波１１ｍ、１１ｂ
が励起され、この表面弾性波１１１１Ｌ、１１ｂが第１
．第２０光導波路レンズ５．７間を通過して表面弾性波
吸収体１２に吸収される。ここで、表面弾性波１１ｍ、
１１ｂが通過している部分に於いては、印加高周波電気
信号に応じた表面弾性波の波長ｄｔ−周期とする一種の
回折格子が形成される。そして、この回折格子に第１の
光導波路レンズ５を出射した平行光６が入射すると、そ
の一部は回折されて回折光１３に変換された後に平面光
導波路層２内を伝搬して第２の光導波路レンズ７に入射
する。第２の光導波路レンズ７は、回折光１３を収束光
１４に変換して光検出器アレー９に供給することにより
点Ｂに集光させる。

この場合、集光点Ｂの位置は、表面弾性波励起トランス
ジューサ１０ｍ　、　１０ｂへの印加高周波信号の周波
数によって変化するために、光検出器アレー９の出力発
生位置を観測することによって、印加高周波信号のスペ
クトルの分析が行なえることになる。

ここで、表面弾性波１１ｍ、１１ｂによる光の回折を第
４図を用いて説明すると、表面弾性波によって生ずる回
折格子の周期をｄ１光の入射角をθ３、光の波長をλ、
光導波路の屈折率をｎとすると、回折光１３の回折角度
θＢは次式で与えられる最大強度となる。

また、光導波路層内の表面弾性波の伝搬速度をｖ１上記
高周波信号の周波数ｉｆとすると、表面弾性波の波長に
対応した回折格子の周期ｄは次式％式％ ここで、第２式を第１式に代入すると、となる。ここで
、第３式の右辺に於けるカッコ内の値は、１よりも十分
に小さな値となることから、θ８は次式で示されるよう
に近似することができる。

λ θ８＝丁ＩＶｆ　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）従っ
て、上記第４式から回折角度θ８は、印加高周波信号の
周波数に比例することになる。

次に、上記実施例に於いては、２個の表面弾性波励起ト
ランスジューサ１０ｍ、１０ｂが用いられているが、こ
れは広帯域の高周波信号を扱うためである。つまり、表
面弾性波励起トランスジューサ１０＆、１０ｂは表面弾
性波を励起する帯域幅が狭いことから、第５図に示す様
に、表面弾性波励起トランスジューサ１０ｍが中心周波
数ｆ１の表面弾性波を励起するように構成し、表面弾性
波励起トランスジューサ１０ｂがウシ周波数ｆ２の表面
弾性波を励起するように構成することにより、全体とし
て広帯域化を計っているものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記構成による光集積スペクトル分析器
に於いては、回折角度θ８が増大すると、印加高周波信
号に対する分解能が低下する問題を有している。つまり
、第３図に於ける第２の光導波路レンズ７と光検出器ア
レー９の位置関係を詳細に表わすと第６図に示すように
なる。ここで、光導波路層内を伝搬する無回折の平行光
６は、点０２に対して軸対称となっている第２０光導波
路レンズ７に於いて収束光８に変換された後に光検出器
アレー９を構成する１つの光検出器９ａ上の点Ａに無収
差で集光される。次に、表面弾性波励起トランスジュー
サ１０ｍ、１０ｂによって励起された表面弾性波によっ
て回折された回折光１３は、光導波路レンズ７に於いて
収束光１４に変換された後に、点Ｃに無収差で集光する
。しかし、この点Ｃは光検出器アレーＳｏ表面よりも手
前側であるために、光検出器アレー９上の点Ｂでは集光
された光ビーム径が再び広げられたものとなる。すなわ
ち、入射平行光が無収差の状態で集光する焦点は、第６
図に示す点０２を中心として、点Ａ、Ｂを通る半径ｆｅ
　（ｆｅは第２の光導波路レンズＴの焦点銀ｆ１％）に
よる円弧凡の部分に位置することになる。

ここで、集光スポット径が回折限界と見なされる焦点の
ずれ量、つまり焦点深度２は一般に第５式で与えられる
ことが広く知られている。

Ｚ＝２λＦ２／ｎ　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）ただし
、λは波長、Ｆは第２の光導波路レンズ７０Ｆ数、ｎは
光導波路の屈折率である。そして、光集積スペクトル分
析器に用いられるレンズの代表的な値は、λ＝０．８５
　μｍ、　Ｆ　：＝　５、ｆｌ　＝　２．２であり、こ
れを上記第５式に代入すると、第２の先導波路レンズＴ
の焦点深度Ｚ）ｉ１９．３μｍとなる。

一方、第６図に於いて、焦点ずれ量Ｓは第６式％式％ ここで、ｆａ＝３０ｍで高周波信号の周波数がＩ　ＧＨ
ｚ程度である場合に於ける回折角度θ＝５°を代入する
と、焦点ずれ量ＳはＳ　＝　１１４．６μｍ　となる。

この値を焦点深度２の値である１９．３μｍと比較する
と、６倍程度の大きな値となってしまう。すなわち、上
述した従来の装置では、点Ｂ部分に於ける収束光１４の
スポット径は回折限界値と見なすことが出来ず、これに
伴なって本来入射すべき光検出器アレー９上に於ける１
個の光検出器９ｂのみならず、隣接する光検出器９ｅ、
９ｄにも入射して出力信号を発生することになる。この
結果、印加高周波信号に対する周波数分析の分解能が低
下する問題が生ずる。

従って、この発明は上記問題を解消するためになされた
ものであって、回折角度θＢが大きくなった場合に於い
ても分解能の低下が生じない光集積スペクトル分析器を
提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段］ よって、この発明による光集積スペクトル分析器は、第
２の光導波路レンズの中心からこのレンズの焦点距離ｆ
ｅを半径とする円弧Ｒ上に於ける集束光を光検出器アレ
ーの各光検出器がそれぞれ受光するように構成するもの
である。

〔作　用〕

この様に構成された光集積スペクトル分析器に於いては
、表面弾性波によって回折された光は、第２０光導波路
レンズによって集光されたものが無収差の状態で、光検
出器アレーを構成する各光検出器に導波されることから
、回折角度が大きくなっても集光スポット径は変化せず
、これによって高周波信号の分解能低下が防止されると
ともに、焦点ずれによる分解能低下が抑制されることに
なる。

〔実施例〕

第１図はこの発明による光集積スペクトル分析器の一実
施例を示す要部斜視図であって、第３図と同一部分は同
一記号を用いてその詳細説明を省略しである。同図に於
いて１８ｍ、１８ｂは光ファイバー等の光導波路であっ
て、多数並設されている。そして、この光導波路１８ｍ
、１８ｂの入射面Ａ１．　Ｂ１は、第２０光導波路レン
ズ７の中心０２を中心とし、その焦点距離ｆｅｆｔ半径
とする円弧Ｒ上に並設されている。また、この光導波路
１８ａ。

１８ｂの出射面Ａ２．Ｂ２は光検出アレー９の各光検出
器９ｍ　、９ｂの受光面に接合している。つまり、各光
導波路・・・・・・１８ｍ・・・・・・１８ｂ・・・・
・・は、円弧Ｒ上集光された光スポットを光検出アレー
９の各光検出器に供給することによって、光検出器アレ
ー９が円弧Ｒ上に位置させたと同様に機能させているも
のである。

この様に構成された光集積スペクトル分析器に於いて、
回折光１３は第２の光導波レンズ７を通過することによ
って収束光１４に変換されて光導波路１８ａの入射端面
Ａ１に無収差で集光される。

そして、この集光されたスポット光は、光導波路１８１
の内部を導波した後に、光検出器アレー９上の点Ａ２に
到達する。点Ａ２に於いては、光導波路１８ｍの出射端
面が光検出器９＆のみに結合されているために、光検出
器９ａのみから、この回折角に対応する高周波信号のス
ペクトル信号が出力されることになる。

次に、回折角が大きくなった場合に於ける回折光１６は
第２の光導波路レンズＴを通過することによって収束光
１１に変換されて光導波路１８ｂの入射端面Ｂ１に無収
差で集光される。そして、この場合も、入射端面Ｂ１が
円弧Ｒ上に配置されているために、集光スポット径は回
折限界内となっている。ここで、入射端面Ｂ１に集光さ
れたスポット光は、光導波路１８ｂの内部ｔ−４波した
後に、光検出器アレー９上の点Ｂ２に到達する。点Ｂ２
に於いては、光導波路１１１ｂの出射端面が光検出器９
ｂのみに結合されているために、隣接する光検出器９ｃ
、９ｄに信号が生ずることはなく、光検出器９ｂのみか
ら信号が出力されることになる。この結果、高周波信号
のスペクトル分解能は、光導波路の並設ピッチのみによ
って決まり、従来の様に回折角度が大きくなるに伴なっ
て分解能が低下する問題が解消され、こ１に伴なって常
に安定した高精度のスペクトル分析が行なえることにな
る。

第２図はこの発明による光集積スペクトル分析器の他の
実施例を示す要部斜視図であって、第１図と同一部分は
同一記号を用いて示しである。同図に於いて第１図との
相異点は、誘電体基板１を第２０光導波路レンズ７の中
心０２を中心とし、その焦点距離ｆａを半径として点Ａ
、Ｂｉ通る円弧Ｒに沿って切り欠いたことである。そし
て、この円弧Ｒに沿う誘電体基板１の端面に光検出器ア
レー９を配置したことである。従って、この様に構成し
た場合には、光検出器アレー９の全受光面が集束光に収
差が生じない上記円弧Ｒ上に位置することから、点Ａに
於ける集光スポット径も点Ｂに於ける集光スポット径も
回折限界内となる。従って、光検出器９ｂと隣接する光
検出器９ｃ　、９ｄに漏洩する信号は極めて少なくなり
、これに伴なって高周波信号に対するスペクトル分析の
分解能低下が防止されることになる。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、この発明による光集積スペクトル分
析器に於いては、第２の光導波路レンズの中心からこの
レンズの焦点距離ｆａを半径とする円弧Ｒ上に於ける集
束光を光検出器アレーの各光検出器がそれぞれ受光する
ように構成したものであるために、回折角度が大きくな
っても焦点ずれによる分解能低下が防止され、常に安定
した高精度の回折が行なえる優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による光集積スペクトル分析器の一実
施例を示す要部斜視図、第２図はこの発明の他の実施例
を示す要部斜視図、第３図は従来の光集積スペクトル分
析器の他の実施例を示す要部斜視図、第４図は表面弾性
波による光の回折を説明するための図、第５図は表面弾
性波トランスジューサの周波数応答特性図、第６図は焦
点ずれによる分解能の低下を説明するための図である。 １は誘電体基板、２は平面光導波路層、３は半導体レー
ザダイオード、４は発散光、５は第１のアレー、１０は
表面弾性波励起トランスジューサ、１１は表面弾性波、
１２は表面弾性波吸収体、１３゜１６は回折光、１Ｂは
光導波路。 なお、図中、同一符号は同−又は相肖部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に平面光導波路層を有する誘電体基板と、こ
   の平面光導波路層に互いに所定距離離間して設けられる
   ことにより半導体レーザダイオードから放射される発散
   光を平行光に変換する第１の光導波路レンズおよび前記
   平行光を収束する第２の光導波路レンズと、この第１、
   第２の光導波路レンズ間に表面弾性波を供給する表面弾
   性波励起トランスジューサと、前記誘電体基板の端面に
   位置して前記第２の光導波路レンズによつて収束された
   光ビームの回折量を検出する光検出器アレーとを備えた
   光集積スペクトル分析器に於いて、前記第２の光導波路
   レンズと前記光検出器アレーとの間に複数個の光導波路
   を光検出器アレーを構成する光検出器と一対一で対応す
   るように結合させて配置するとともに、その入射面を前
   記第２の光導波路レンズの中心からこのレンズの焦点距
   離を半径とする円弧上に位置させることを特徴とする光
   集積スペクトル分析器。
2. （２）表面に平面光導波路層を有する誘電体基板と、こ
   の平面光導波路層に互いに所定距離離間して設けられる
   ことにより半導体レーザダイオードから放射される発散
   光を平行光に変換する第１の光導波路レンズおよび前記
   平行光を収束する第２の光導波路レンズと、この第１、
   第２の光導波路レンズ間に表面弾性波を供給する表面弾
   性波励起トランスジューサと、前記誘電体基板の端面に
   位置して前記第２の光導波路レンズによつて収束された
   光ビームの回折量を検出する光検出器アレーとを備えた
   光集積スペクトル分析器に於いて、前記光検出器アレー
   を前記第２の光導波路レンズの中心からこのレンズの焦
   点距離を半径とする円弧上に位置させたことを特徴とす
   る光集積スペクトル分析器。