JPS63244017A - 進行波形表面弾性波光変調装置 - 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、光の位相を超音波を使用して変調する光変
調装置に係り、特に、固体基板表面を伝搬する表面弾性
波（Ｓ　Ａ　Ｗ　：　５ｕｒｆａｃｅ　　Ａｃｏｕｔｉ
ｃＷａｖｅ）を回折格子として利用し、かつ、該ＳＡＷ
の発生面を入射光の光軸方向にほぼ平行間隔で積層する
ように配置することにより高能率で光波面の位相変調が
行えるようにした進行波形表面弾性波光変調装置に関す
る。

〔従来の技術〕

光の位相面を空間的に変調する光変調装置には、光学的
反射格子のように光の反射点の幾可学的空間位置を設定
し、それらの位置のずれから各々の反射光に光路差を発
生させて所望の位相遅れ（位相変調）を生じさせるもの
と、光学レンズのように光の透過する部分の材質の厚さ
や、屈折率を変化させて光の速さを遅らせ、その結果１
位相遅れを生ぜせしめるものとがある。光を透過させる
媒質の屈折率を変化する方式の位相変調装置では、光透
過媒質に異方性結晶などを用い、電界や磁界を加えるこ
とによって容易に、しかも高速に位相遅れを生じさせる
ことが可崗であり、圧電結晶基板上の光導波路などに電
界を加えて位相変調を行う変調素子や、さらに２つの素
子の変調光を干渉させて光の点滅を行う光スィッチなど
多くの実用的な光学素子が開発されてきた。

また、電界、磁界等の変化では顕著な屈折率変化の生じ
ない物質、あるいは光の透過する部分の面積が広く、そ
の部分全体に例えば正弦波格子状の位相変化分布を発生
させたいような場合には。

光透過媒質中に超音波を放射し、超音波による媒質の密
度変化によって屈折率変化を生じさせる音響光学的な手
法がとられてきた。

この音響光学的な位相変調の方法は、大別すると、媒質
の内部を進行するバルク波を使用するものと、媒質の表
層にエネルギーの大部分が集中している表面弾性波（Ｓ
ＡＷ）を利用する方法とに分けられる。

バルク波を用いるものは、超音波の中を長い距離にわた
って光を進行させることが可能であり。

この結果、超音波と光の相互干渉の時間（距Ｎｉ）を長
くとることができ１位相変化量が大きい（変調効率が高
い）特徴があるが、しかし、光透過部分の面積を広くし
難く、また、超音波の発生帯域が構造上狭い等の作成面
での問題と、バルク波により生じた立体的な格子状の屈
折率変化領域に対する光の入射角度がＢｒａｇｇ　（ブ
ラッグ）の条件によって制限され、入射光の波長若しく
は超音波の波長が変化するとそれに従って入射角度も調
整する必要があった。しかしながら、固定周波数の光変
調装置としては、小形、高効率であり、最も実用化され
ているものの一つである。一方、ＳＡＷを利用する光変
調装置は、ＳＡＷの発生機構が高周波、広帯域に向くも
のであって、かつ前記Ｂｒａｇｇ　（ブラッグ）の条件
に通したようにＳＡＷの発射方向を変化させる方法も開
発されてきたため高周波、広帯域の光変調装置として用
いられてきた、　　ＳＡＷと光との組合せ方法には、光
をＳＡＷの発生している基板表面に薄膜状に導いてＳＡ
Ｗの中を長時間（長い距離）伝搬させて変調効率を高め
る方法と、ＳＡＷの発生面に垂直に光を透過させて短時
間（短距離）で位相変調させる方法とがある。ＳＡＷ発
生面に光を導波する方法は、主に薄膜光ＩＣの位相変調
素子として多用され利用価値が高い。また、ＳＡＷ発生
面に垂直に光を入する方法は９幅の広い光束全体に位相
変調をかけることが可能で、一般的な空間伝搬形の光学
系において位相回折格子のように使用されることが多い
。この場合、ＳＡＷの周波数を変化させて格子定数を変
化させることが可能で可変格子間隔を有する位相回折格
子として注目を集めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなＳＡＷ発生面に光を垂直に入
射する方式の光変調装置では、ＳＡＷと光の相互作用時
間が他の方式のものに較べ短かく位相変調の効率を高め
ることが回能であった。

前記バルク波を使用する変調装置では、前記Ｂｒａｇｇ
　　（ブラッグ）の条件を満足させれば、８０％程度の
変調効率が期待できるが、ＳＡＷに垂直に光を入射する
変調装置では、数％程度と極端に低く、実用面も非常に
限られたものとなっていた。

（注：ここで言う変調効率とは、位相変調後の光を結像
させ１位相変化で生じた回折光の強度を測定して、入射
光の何％が回折したかを求めたものである。） 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたもので、
その解決の手段として、光を透過し、かつ、ＳＡＷが伝
搬する光学平面を表裏にもつ複数個の基材を、各々の表
裏面が互いにほぼ平行な間隔をもちながら対向するよう
に配置し、それら基材の間隙に音響振動を発生させるた
めの音響波発生装置を介在させ、これら音響波発生装置
で発生した音響振動が、これら発生装置を挾む２つの光
学平面に、同一周波数で同一位相のＳＡＷとなって同一
方向に伝搬するような構成とした。このため、複数個の
基材にはそれぞれ同一の音響特性を有し、かつ、入射光
の透過性が十分良好な材質のものを用いた。さらにまた
、各音響波発生装置から発せられたＳＡＷは、それぞれ
同一周波数、同一進行方向を有するものであって、なお
かつ、入射光の光軸方向から見過した場合に、それら複
数のＳＡＷの位相が同位相になるように前記発生装置の
それぞれの設定場所を定めた。

〔作用〕

以上の手段によって、入射光の光軸方向に積層されたＳ
ＡＷ伝搬基材を、ＳＡＷの伝搬速度に対し無視できる程
の短時間で光が通過し、各基材表面に発生している同一
周波数で、かつ、空間的に同一平面内に揃った位相（以
後、空間的な同位相という。）を有する複数のＳＡＷに
より同様の位相変調を繰返し受けることになり、ＳＡＷ
伝搬基材の枚数に従って変調効率を増加させることが可
能となる。

〔実施例〕

第１図に本発明の進行波形表面弾性波光変調装置の第１
の実施例における構成図を示す。

本図は９本発明の要旨を示し、複数の基材１ａ、１ｂ＋
１ｃと音響波発生装置２ａ、２ｂとの組合せについて図
示したものである。

複数の基材の間に音響波発生装置を配置する構造を簡単
に実現するには、従来より用いられているＳＡＷを用い
た音響光学的位相変調素子、例えば、同一出願人・同一
発明者による発明「表面弾性波を利用した光の回折装置
」　（特願昭６０−２３４８１２号）などを、本発明の
要領により他の同一音響特性を有する基材と組合せて構
成する方法が考えられる。このｒＳＡＷを利用した光の
回折装置」では、光位相変調の基本的な動作を行わせる
構造として、光透過性を有する基材に圧電性基板を使用
し、その基板表面に音響波発生装置として交差指形電極
を金属の蒸着薄膜で形成している。

前記第１図で示せば、基材１ａは圧電性基板であり、か
つ、その片側表面に金属薄膜の蒸着技術及び半導体微細
加工技術等によって作成された交差指形電極が音響波発
生装置２ａとして配置された構成である。

この圧電性基板と交差指形電極による光位相変調素子が
、ＳＡＷ発生面に垂直入射する光を広い面積で位相変調
する素子としては最も簡単な構造であり、広く知られた
方式である。

さて、このような位相変調素子を基本に再度前記第１図
の実施例を説明すれば９本実施例は２つの同特性を有す
るＳＡＷによる位相変調素子、すなわち、基材１ａと音
響発生装置２ａ＋及び基材１ｃと音響波発生装置２ｂと
の組合せで構成される２つの位相変調素子の間に、前記
基材１ａ、１ｂと同等の音響特性を有する基材１ｂが挾
まれた構造であると言える。この場合、前記音響波発生
装置２ａ、２ｂの表面が基材１ｂの表裏の光学平面に密
着するように重ねれば、前記音響波発生装置２ａ、２ｂ
により前記基材１ｂの表裏面にもＳＡＷを発生させるこ
とが可能である。

実験的にＳＡＷの振動振幅は数人〜数十人であり、また
９通常用いられる交差指形電極の膜厚は数μｍ程度ある
ため、前記基材の間に交差指形電極のみを挾んだだけで
積層圧着しても、交差指形電極の厚さによって生ずる各
基材間の空隙は、その対向する光学平面にＳＡＷの伝搬
させるに十分な間隔を有する。

また、この空隙の幅を一定に保ち、各基材をほぼ平行に
積層配置する簡便な方法は、同図にも示されているよう
に、交差指形電極を形成するに際し、光透過領域の反対
側にスペーサ３ａ、３ｂとして蒸着膜の小片を形成する
のが良い０本実施例では、このスペーサ３ａ、３ｂをＳ
ＡＷの進行方向に対して斜めになるように形成し、ＳＡ
Ｗの不要反射が音響波発生装置２ａ、２ｂに戻らないよ
うにしである。

次に９本実施例のＳＡＷ進行方向軸と入射光軸を含む平
面での断面図を示した第２図を用いて各基材の表面に発
生した５ＡＷＯ伝搬の状態と、光の入射及び位相変調に
ついて説明する。

前記第１図で示したように、本実施例では、３つの基材
と２つの音響発生装置によって基材の４つの光学平面に
ＳＡＷが発生する。

これら４面のＳＡＷに、第２図に示すように５ＡＷＩ、
５ＡＷＩ’　、５ＡＷ２，５ＡＷ２”　と名前を付ける
。各音響発生装置の発振周波数とＳＡＷ発射方向、及び
各基板の音響特性が同一であれば、すべてのＳＡＷは同
一波長で平行した位相面（光軸方向から見透せば格子面
）を持って同一速度で進行する。

よって、各ＳＡＷが、入射光４に対して同等の位相変調
作用を与えるようにするには、各ＳＡＷの位相面が光軸
方向から見過した場合に同相で揃っていれば良いことに
なる。前記５ＡＷＩと５ＡＷ１°は、同一の音響波発生
装置より発射されたＳＡＷであるから、完全に空間的な
同位相を保っている。また、同様ニＳ　Ａ、Ｗ　２．５
ＡＷ２’　についても空間的な同位相であることは明白
である。

ゆえに、音響発生装置２ａ、２ｂについて、その発射す
る音響波（ＳＡＷ）が、空間的な同位相であるようにす
れば、すべてのＳＡＷが光軸方向から見て同相で揃うこ
とになる。

位相調整の方法はいくつか考えられるが、最も簡単で確
実な方法は、各音響波発生装置の発生機構の配置を調整
し、ＳＡＷの位相を合わせることである。

実施例のような交差指形電極では、各電極のＳＡＷ伝搬
方向位置をＳＡＷ波長の数〜数１０分の１の精度で調整
できれば良く、実際に必要な数値精度は数μｍである。

この程度の精度内での位置決めは現在の半導体素子製造
用のマスクアライナ−で十分実現できるものである。

この他の方法として、交差指形電極の交差指方向の平行
度のみを精密に整合させ、ＳＡＷの位相調整はそれぞれ
の電極に加える電気信号の位相を個々に遅らせて調整す
る方法もある。この方法は変調素子の外部回路がやや複
雑化する困難は生ずるものの、光変調装置の組立後、光
を実際に入射し、その変調された出力光を観察しながら
調整可能であるといった特徴もあり、実用上有効な手段
となっている。

次に、本発明の実施例におけるいくつかの構成法につい
て述べる。

第３図に第２の実施例の構成図を示す。この実施例は、
本発明の最も簡単な形で９片面に音響波発生装置２を備
えた位相変調素子５と、この素子５と同質の基材１ｂと
で、前記音響波発生装置を両側より挾む形で密着したも
のである。ここに、基材１ｂの形状が１位相変調素子５
の基材ｌａより小さくしであるのは、音響波発生装置２
の電極の一部を露出して信号供給を容易にするための工
夫で、光位相変調の基本動作に直接的にかかわるもので
はない。

第４図に第３の実施例における構成図を示す。

この実施例では、両面に音響波発生装置２ａ。

２ｂを備えた両面形の位相変調素子６の両側から同質の
基材１ａ、ｌｂを密着させた構成で、２つの音響波発生
装置２ａ、２ｂと光透過性を有する３つの基材ｌａ、ｌ
ｂ、ｌｃで、４面にＳＡＷを発生させる動作は、前記第
１図に示した第１の実施例と同様である。しかしながら
、製造過程で用いる技術は異なり、第１の実施例では、
２つの位相変調素子を組合せる段階で音響波発生装置２
ａ、２ｂの位置を整合させ、ＳＡＷの位相を同位相に調
整するアッセンブリー技術が必要であり、一方、本箱３
の実施例では、両面形の位相変調素子６を製造する際に
、前記音響波発生装置２ａ、２ｂの空間的な位相を整合
させるための両面マスクアライメントの技術が重要であ
る。現状では、技術的に第１の実施例の構成法が優位で
あるが、製造工程の簡略化や、完成品の品質の均一化に
は第３の実施例で示した構成法が有力と考えられる。

以上、本発明の基本となるＳＡＷの発生法について３つ
の実施例を述べたが、本発明の実用化に当たっては、前
記引用した発明「表面弾性波を利用した光の回折装置」
にも示されているように、ＳＡＷの不要反射を防止する
超音波吸収部材の配置や、ＳＡＷが熱として消滅する際
の発熱に対する対策なども重要な項目である。さらに、
本発明のように、ＳＡＷによる基材の密度変化で屈折率
変化を生じさせる形の光位相変調装置では、使用される
基材の屈折率が大きくなることが多く、これに空気中で
光入射を行う場合にはミ表面あるいは内部反射率が数１
０％といった高率になる可能性が高い。

よって、積層構成による光の多重反射を防止する意味に
おいて光学平面の光学的反射防止膜の形成（光学コーテ
ィング）が必要である。

第５図に、本発明の簡単な応用例として、光の偏向装置
に用いた例を示す。

周波数ｆＯの正弦波の電気信号によって基材ｌａ、ｌｂ
の表面に発生したＳＡＷは、格子定数にあたる空間周期
ｄを有し、速度Ｖで矢印の方向に進行する。同図左の方
向から入射光４がこの基材を通過すると、この入射光は
ＳＡＷによる基材表面の凸凹と基材表面直下の屈折率変
化によって位相変調を受ける。この位相変調は、空間周
期ｄの繰返しによる周期的なものであるから、この光は
通常の正弦波位相格子を透過した光と同じく、レンズ７
でレンズの焦点面８に結像させると回折像を生ずる。こ
こで、入射光が波長λの単色光であれば、該回折像は前
記格子定数ｄで位置の定まる±１次の回折輝点像となる
。この回折輝点の発生位置は、焦点面８上の光軸より距
離αだけ離れた位置となり、方向は５ＡＷＯ伝搬方向と
等しい。

αの値はレンズ７の焦点距離をＦとすればα＝Ｆλ／　
ｄ　＝　ｆ　ｏ　Ｆλ／ｖ・・・・・・・・・（１）で
表わされる。ここで、正弦波電気信号の周波数がｆｏを
中心に±Δｆ／２変化するものとすれば、焦点面ｓ上で
の±１次の回折輝点の変位量ΔαはΔα＝ΔｆＦλ／Ｖ
　　　　　・・・・・・・・・　（２）となる。（２）
式で明らかなように、ＳＡＷの伝搬速度■が小さく、レ
ンズの焦点距離Ｆが長く、光の波長λが長いほど変位量
Δαは大きく、かつ、電気信号の周波数と直線的な関係
で変化することが分かる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、光透過性を有する
基材の間に音響波発生装置を挾み込む形で配置したため
、１つの音響波発生装置で２つの面に同一周波数、同一
位相のＳＡＷを効果的に発生させることができ、さらに
、これらを光入射方向に積層させ、かつ、空間的な位相
を同相状態に揃えたので、従来装置では得られなかった
高効率の光位相変調を実現することが可能となった。

これにより９本発明では、広い面積での空間位相変調が
効率良く実現でき、分光測定装置に応用′できる可変格
子定数を有する正弦波位相格子や、音響光学的相関器等
の光電気信号処理装置の空間的位相変凋器の実現が容易
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の進行波形表面弾性波光変調装置に係
る第１の実施例における構成を示す。 第２図は、第１図の第１の実施例における積層された基
材と、複数のＳＡＷ及び入射光との位置関係を示す。 第３図は、本発明の進行波形表面弾性波光変調装置に係
る第２の実施例における構成を示す。 第４図は、本発明の進行波形表面弾性波光変調装置に係
る第３の実施例における構成を示す。 第５図は、本発明を光偏向に応用した場合における光の
偏向状態を示す。 図において、１ａと１ｂ及びＩＣは基材、２ａと２ｂは
音響波発生装置、３ａと３ｂはスペーサ、４は入射光、
５は１ａと２を合せた位相変調素子、６は１ｂと２ａ及
び２ｂを合せた両面形の位相変調素子、７はレンズ、８
は焦点面をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光透過性を有し、かつ同一の音響特性を備え、表裏にそ
   れぞれ光学平面を持ち、互いに光学平面を対向させなが
   ら積層された複数の基材と、該複数の基材の対向する光
   学平面間に介在されていて、対向するそれぞれの光学平
   面に同一進行方向に同一波長及び同一位相の表面弾性波
   を発生させる音響波発生装置とを備え、 積層された光学平面を透過する光を変調させる積層形の
   進行波形表面弾性波光変調装置。