JPS63244018A - 定在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　　Ａｃｏｕｓｔ
ｉｃＷａｖｅ）を回折格子として利用し、かつ、該ＳＡ
Ｗの発生面を入射光の光軸方向にほぼ平行間隔で積層す
るように配置し、さらにまた、ＳＡＷを発生させる複数
の音響波発生装置をＳＡＷの進行方向が逆向きになるよ
うに配置して、光軸方向から見透すとあたかもＳＡＷの
定在波が発生、消滅を繰り返しているような効果を発生
させ、これらの結果、高効率で点滅する変調光を得るこ
とができる定在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
ることが可能であり、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（距離）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、入射光の波長もしくは
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
条件に適したように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射する方法
は１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
ることが困難であった。

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９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
学事面に、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
、複数個の前記音響波発生装置をほぼ半数づつの２つの
グループに分けて、各々のグループでは、ＳＡＷは同一
方向に同一周波数、同一速度で進行し、かつ、各ＳＡＷ
を光軸方向より見透した場合に同相で重なるよう。

前記複数の発生装置のＳＡＷ発生機能（特性）並びに配
置場所を設定した。さらに、この２つのグループ間での
ＳＡＷは１周波数、進行速度は等しく、かつ２位相面は
空間的に平行に揃うようにし、進行方向のみ逆方向とし
てＳＡＷ伝搬基材上の光透過領域にて空間的に交差する
よう、前記各グループの音響発生装置の位置を設定した
。

〔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、５ＡＷＯ伝搬速伝搬対し無視できる程
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
能となった。加うるに、複数のＳＡＷをほぼ等分して逆
行させたため、光軸方向から重なりあっているＳＡＷを
見透した場合に、逆行しているＳＡＷが同相の位置で重
なった瞬間には、見かけ上。

全体のＳＡＷが強め合って、最大強度の位相変調がかか
る状態となり、また、この逆に、逆位相で重なると互い
に弱め合い、たとえば、２つのグループの各々のＳＡＷ
振幅強度の総和が等しい場合など５位相変調が全くかか
らない状態、すなわち、見かけ上の屈折率変化の分布が
一様になる状態が出現する。このような位相変調状態の
変化は交差する２つのＳＡＷの周波数及び速度が等しい
場合には、空間的に定在波状態となり、また９時間的に
は、相対的に２倍の速度でＳＡＷが交差して　　゛いる
ため、前記空間的な定在波全体がＳＡＷの２倍の時間周
波数で発生、消滅を繰り返している状態となる。ゆえに
２例えば９本装置を通過した平面波光をレンズで収束し
、フラウンホーファ回折像を観測すれば、その上第１久
輝点はＳＡＷの時間周波数の２倍で点滅している輝点と
なる。

よって１本発明は、基材の積層によって位相変調の効率
を増大させつつ、５ＡＷＯ伝搬方向を逆行状態にして２
高周波数で断続する位相変調機部を併合させたものとな
っている。

〔実施例〕

第１図に本発明の定在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。

本図は本発明の要旨を示し、複数の基材１ａ＋ｌｂ、ｌ
ｃ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１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、ＩＣ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、’ｌｂ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、２
ｂ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
１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５ＡＷＯ伝博
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。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。

さらにまた、前記音響波発生装置２ａ、２ｂの配置場所
は、基材中央部分の光透過領域を挟んで対向する位置と
し、透過させる入射光の光束の大きさを考慮して、その
間隔を決定する。この間隔の実用的な最大値は、基材に
ニオブ酸リチウム等の圧電基板を用いＳＡＷの周波数を
２００ＭＨｚ程度と仮定すれば、伝ｍ損失が０．３ｄＢ
／ｃｍ程度と推定でき、現状で使用可能な基板の最大直
径及びマスクアライナ−等の製造装置の能力を考え合せ
ると１０ｃｍ程度と思われる。この値は、現在使用され
ているガラス材に刻線した形の光学回折格子の形状より
はるかに大きく、十分実用に耐えうるものである。

次に５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、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つの音響波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５ＡＷＬ、
５ＡＷＩ°　、５ＡＷ２．５ＡＷ２°　と名前を付ける
。前記５ＡＷＩと５ＡＷＩ′は同一の音響波発生装置２
ａ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、同様に５ＡＷ２．５ＡＷ２’　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
、音響波発生装置２ａ、２ｂについてその発射する音響
波（ＳＡＷ）が、空間的に逆方向を向いて進行し、基材
のほぼ中央に位置する光透過領域で、光軸方向から見過
した場合に位相面の方向（格子方向）が同一方向に揃っ
た状態で交差するように配置調整する必要がある。

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の位相面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。

第３図に第２の実施例における構成図を示す。

こ、の実施例は、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に、同質の基材ｌａ、ｌｃ
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、ｌｂ、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２ａ、’ｌｂの位
置を整合させ、ＳＡＷの進行方向と位相面（格子方向）
を調整するアッセンブリー技術が必要であり、一方、本
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
本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、そ
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、表面あるいは内部反射率が数ｌ
Ｏ％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４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ｔｏの正弦波の電気信号によつて基材１ａ、ｌｂ
の向い合った面及び基板１ｂ、ｌｃの向い合った面に発
生した２組のＳＡＷは、格子定数にあたる空間周期ｄを
有し、速度Ｖで矢印の方向に互いに交差するように進行
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による基材表面の凹凸と基材表
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Ｓ
ＡＷの伝搬方向と等しい。αの値はレンズ７の焦点距離
をＦとすれば α＝Ｆλ／ｄ＝ｆｏＦλ／ｖ　　・・・＝　”　　（１
）で表わされる。ここで、正弦波電気信号の周波数がｆ
ｏを中心に　±Δｆ／２　　変化するものとすれば、焦
点面８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Ｖが小さ
く、レンズの焦点比１ｉｆｆＦ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。

また、前記〔作用〕の部分でも述べたように。

交差して進行する２組のＳＡＷは、見かけ上、光軸方向
からは波長ｄの定在波として考えることができ、この定
在波は全体的にＳＡＷの２倍の周波数で発生、消滅を繰
り返しているものである。

よって、前記回折輝点もこの定在波の発生周期と同周期
で点滅を繰り返すものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、２つ以上の音響波
発生装置を光透過性を有する基材の間にそれぞれ挾み込
む形とし、１つの音響波発生装置で２つの基材面に同一
周波数、同一位相のＳＡＷを発生させ、かつ、音響波発
生装置の半数づつを光透過領域を挟んで対向した位置に
配置し、それらより発生するＳＡＷが、光透過領域で空
間的に同じ位相面（格子方向）をもって交差、すれ違う
ようにしたため、従来装置では得られなかった高効率の
位相変調が実現でき、加えて、交差するＳＡＷによって
発生、消滅を周期的に繰り返す定在波状の位相格子を形
成することができた。この位相格子で空間的及び時間的
に変調のかけられた平面波光を、たとえば、レンズ等で
回折像に変換すれば、ＳＡＷの２倍の周波数（数百ＭＨ
ｚ〜数ＧＨｚ）で高速点滅を繰り返えす回折輝点が得ら
れる。

この点滅周期はＳＡＷの周期と同期しているため、光情
報処理系では、高速光チョッパとしての利用が考えられ
る。また２本装置では、広い面積を有する光（光束）を
取扱えることが特徴で、　　ＳＡＷの周波数可変性と併
用して可変格子定数の位相格子としても利用できる。

さらにまた、光偏向装置として用いたり、高速点滅を繰
り返えす回折光をストロボ光源として活用する方法も考
えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の定在波形表面弾性波光変調装置に係
る第１実施例における構成を示す。 第２図は、第１図の第１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、本発明の第２実施例における構成を示す。 第４図は、本発明を光偏向に応用した場合の光の偏向状
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、
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
   学平面間の少なくとも１つに介在されていて、所定の進
   行方向に所定波長及び所定位相をもつ第１の表面弾性波
   を光学平面に発生させる第１の音響波発生装置と、前記
   複数の基材の対向する光学平面間の少なくとも１つに介
   在されていて、前記所定の進行方向と逆方向に前記所定
   波長と同一波長をもち、かつ１つ又は互いに同位相をも
   つ２つ以上の第２の表面弾性波を光学平面に発生させる
   第２の音響波発生装置とを備え、 前記第１及び第２の表面弾性波から作られる格子により
   透過する光を変調させる定在波形表面弾性波光変調装置
   。