JP2004287029A - Optical modulator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波に対して位相変調や周波数変調を行う光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気光学素子(強誘電体結晶)が有する電気光学効果を利用した光位相変調器が知られている(非特許文献1、非特許文献2参照)。この位相光変調器は、電気光学素子の屈折率を外部印加電界によって変化させることにより、結晶を伝わる光の位相を変化させる。一方、音響媒質が有する音響光学効果を利用した光周波数変調器も知られている(非特許文献1参照)。この光周波数変調器は、音響媒質の屈折率を当該媒質中に励起した超音波によって変化させることにより、音響媒質を伝わる光を回折させる。
【0003】
【非特許文献1】
會田軍太夫,外2名著,「光学機器入門」,第1刷,東海大学出版会,1983年9月,p135−141
【非特許文献2】
大越孝敬著,「光ファイバセンサ」,第1版,オーム社,昭和61年7月,p109−114
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
電気光学素子を用いる光位相変調器では、所定の位相変化を得るために入力光波長に応じて外部印加電界の大きさを調節する必要がある。
【0005】
音響媒質を用いる光周波数変調器では、周波数シフト量を変えるために媒質に印加する超音波の周波数を変えた場合、回折光の進行方向(回折角)も変わってしまう。
【0006】
本発明は、所定の位相変化は入力光波長に無関係に与えられ、周波数シフト量(変調周波数)を変えても回折角が一定な光変調器を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明による光変調器は、入射される光を回折させ回折光を発生させる回折光発生手段と、入射される光に対して回折光発生手段の回折光発生部を移動させる回折光発生部移動手段と、入射された光に対して回折光発生手段で発生したm次回折光が所望の変調周波数シフト量もしくは変調位相量となるように回折光発生部移動手段による回折光発生部を移動制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光変調器において、制御手段は、変調周波数シフト量に応じて回折光発生部の移動速度を変えるように回折光発生部移動手段を制御することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の光変調器において、制御手段は、変調位相量に応じて回折光発生部の移動位置を変えるように回折光発生部移動手段を制御することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の光変調器において、回折格子部材によって回折光発生手段を構成し、回折格子部材そのものを動かすように回折光発生部移動手段を構成したものである。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の光変調器において、回折格子部材の動きを検出する動き検出手段をさらに備え、この場合の制御手段は、動き検出手段による検出信号と外部機器から入力される基準信号とが所定の関係を有するように移動制御するものである。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の光変調器において、並べて配設される複数の格子因子と、複数の格子因子のそれぞれを所定数の格子因子ごとに駆動する格子因子駆動手段とを有するように回折光発生手段を構成し、この場合の回折光発生部移動手段は、格子因子駆動手段が駆動する格子因子を格子因子の配設方向に適宜シフトするように格子因子駆動手段を制御するようにしたものである。
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の光変調器において、回折光発生手段を光導波路中に構成したことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
(第一の実施の形態)
図1は、本発明の第一の実施の形態によるマイケルソン干渉計を回折格子で構成した図である。一般に、マイケルソン干渉計は微弱光計測等に用いられる。第一の実施の形態では、回折格子を変調素子および光分岐・結合素子として使用する。図1において、光源(図示せず)(例えば、高コヒーレンス光源(単一モード発振レーザ))からのレーザ光は透過回折格子100に入射し、0次光は測定物体101へ、+1次光はリファレンス光学系102へ入射し、それぞれが元の経路を戻って再び透過回折格子100に入射する。リファレンス光学系102は、入力光の波長変化を想定して反射回折格子によって構成される。測定物体101からの反射光は透過回折格子100で−1次回折、リファレンス光学系102からの反射光は0次回折を受けて、受光素子103では2光束の干渉縞が観測できる。
【0009】
透過回折格子100を圧電素子などのアクチュエータ104に正弦波信号を印加し左右に動かす。移動の片振幅をd、正弦波信号をsin(ωot)とすると、+1次光は次式(1)で示される位相変化を受ける。
【数1】
2π・dsin(ωot)/p (1)
ただし、pは透過回折格子100(移動格子)の格子ピッチである。−1次光は、次式(2)で示される位相変化を受ける。
【数2】
−2π・dsin(ωot)/p (2)
【0010】
受光素子103上では、次式(3)に比例した受光信号が得られる。
【数3】
cos(θ+4π・dsin(ωot)/p) (3)
ただし、θは2光束間の位相差である。
【0011】
以上説明した第一の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
(1)測定物体101からの反射光が小さい場合、受光素子103の受光信号はノイズに埋もれ信号判別ができないが、この受光信号を透過回折格子100を動かした周波数で復調すると、微弱光強度に比例した信号検出が可能となる。
【0012】
(2)入射光の波長が変化しても、受光素子103が十分な大きさを持っていれば、受光信号は観測可能であり、透過回折格子100の格子変調の位相変調量は波長の関数ではないので、位相変調量を調整することなく、同じスケールファクタで微弱光検出が可能となる。
【0013】
(第二の実施の形態)
図2は、本発明の第二の実施の形態による光変調器の要部構成を示す図である。図2において、光変調器は、円板11と、モータ12と、駆動回路13と、位置センサ14と、PLL回路15とを含む。円板11は、回転中心Oがモータ12の回転軸に固定されている。円板11は、たとえば、直径50mmのガラス円板で構成される。円板11には、円周上にクロム蒸着によって刻線11aが設けられている。たとえば、刻線11aを設ける円周の半径rを20.4mmに、刻線11aの数Nを16000にする。この場合の刻線11aの間隔は8μmである。
【0014】
モータ12は、駆動回路13から送出される駆動信号によって回転し、円板11を回転駆動する。位置センサ14は、たとえば、フォトインタラプタによって構成される。位置センサ14は、不図示の発光素子(LEDなど)および受光素子(PDなど)を有し、発光素子と受光素子との間に円板11の刻線11aを挟むように設けられる。発光素子から発せられた光は円板11の刻線11aに照射され、照射光が刻線間を通過した場合に受光素子で受光される。受光素子は、受光した光の強さに応じて検出信号をPLL回路15へ出力する。モータ12の回転により円板11が回転すると、受光素子で受光される光は刻線間を通過する状態と、刻線で妨げられる状態とが繰り返されて強弱を繰り返す。
【0015】
PLL回路15は、位置センサ14から入力される検出信号、および外部機器から入力される基準のクロック信号の位相を比較し、位相差に応じた制御信号を生成して駆動回路13へ出力する。駆動回路13がPLL回路15による制御信号に応じてモータ12を駆動することにより、検出信号ならびにクロック信号の周波数が所定の関係を有するように、モータ12の回転速度がフィードバック制御される。所定の関係とは、たとえば、検出信号の周波数の1/N(Nは整数)をクロック信号の周波数と合致させることである。この結果、円板11に偏心などがあったとしても、モータ12に速度むらが生じることなく安定に回転する。
【0016】
上記光変調器において、レーザ光源などによる入力光を刻線11aが設けられている円周上へ矢印Aの向きに入射する。入力光は、不図示の入力光学系から入射する。刻線11aは回折格子(明暗格子)を形成するので、複数の回折光が発生する。図2において、矢印Bは0次光(透過光)を、矢印C1は+1次の回折光を、矢印C2は−1次の回折光をそれぞれ表す。なお、2次以上の回折光については図示を省略する。このようなm次の回折光の回折角度θmは、次式(4)で表される。
【数4】
sinθm=m×λ/p (4)
ただし、pは格子(刻線)間隔であり、λは入力光の波長である。
【0017】
円板11を回転角速度ω(rps)で回転させると、上記円周における刻線11aの速度vは次式(5)で表される。
【数5】
v=r×2πω (5)
ただし、rは刻線11aが設けられる円周の半径である。
【0018】
入射光に対して回折格子が移動すると、回折光はその位相が変化する。等速移動時の時間t(sec)における刻線11a、すなわち、回折格子の変位量はv×tで表されるので、m次光についてのt秒後の位相は次式(6)で表される。
【数6】
2π×m×v×t/p=2π×Δf×t (6)
ただし、Δf(=m×v/p)はm次の回折光の周波数シフト量である。円板11が角速度ωで回転を継続すると、回折光には位相変化が継続して生じることになり、結果として回折光の周波数が変化する。周波数シフト量は、変化後(回折光)の周波数と変化前(入力光)の周波数との差分である。m次の回折光の周波数fmは、光変調器へ入力される光の周波数fで表すとfm=f+Δfとなる。
【0019】
上述した刻線11aの数N(円板11の1周分の格子数)は、次式(7)で表される。
【数7】
N=r×2π/p (7)
上式(5)〜上式(6)により、m次光の周波数シフト量Δfは次式(8)で表される。
【数8】
Δf=m×N×ω (8)
【0020】
図3は、以上の光変調器による+1次の回折光の周波数シフト量Δfを示す表である。図3で示される数値は、上式(8)に格子数Nおよび回転角速度ωを代入したものであり、1秒当たりの回転数=1、10、100の3つの速度におけるそれぞれの周波数シフト量Δfの数値例である。図3において、光変調器で入力光に対する周波数シフト量Δf(すなわち、変調周波数)を16kHzにする場合は、駆動回路13がモータ12の回転数を60rpm(=1rps)に回転制御する。
【0021】
以上の光変調器から+1次の回折光を取り出す場合は、図2の矢印C1の向きに回折される光を取り出すように出力光学系(不図示)を設ける。なお、−1次の回折光を光変調器から取り出す場合は、図2の矢印C2の向きに回折される光を取り出すように出力光学系(不図示)を設ければよい。
【0022】
上述した光変調器の格子間隔p、格子数N、回転角速度ωの数値例は、上述した通りでなくてもよい。たとえば、格子間隔pを1μmにし、回転角速度ωを回転数が100rpsに対応する速度以上に向上させると、周波数シフト量Δfの上限を数十MHzにすることができる。
【0023】
以上説明した第二の実施の形態による光変調器では、次の作用効果が得られる。
(1)刻線11aによる回折格子を円板11上の円周上に構成し、モータ12によって円板11を回転させる。入力光を回折格子が設けられている円周上へ入射し、入力光を回折させる。光変調器の出力は、たとえば、+1次の回折光を出力光として取り出す。上式(4)が示すように、回折角は入力光の波長および格子間隔pに依存するので、入力光の波長ならびに格子間隔pを変えなければ回折光の向きは一定である。これにより、モータ12の回転角速度ω(すなわち、回折格子の移動速度v)を変化させたとしても、出力光学系の位置調節を行うことなく、+1次の回折光を出力光として取り出すことができる。さらに、従来技術(電気光学効果を利用した光変調器)のように、所定の位相変化を得るために外部電界を印加する必要がないので、簡単な構成で光変調器を実現できる。
【0024】
(2)上式(6)が示すように、周波数シフト量Δfはモータ12の回転角速度ω(すなわち、回折格子の移動速度v)および格子間隔pに依存する。したがって。格子間隔pを変えなくてもモータ12の回転速度を変化させることによって周波数シフト量Δfを変化させることができる。この結果、同一の回折角を保ちながら変調周波数を変化させることができる。さらに、従来技術(音響光学効果を利用した光変調器)のように超音波を励起する必要がないので、簡単な構成で光変調器を実現できる。
【0025】
(3)モータ12の回転速度をPLL制御したので、周波数シフト量Δfが安定した光変調器を得ることができる。
【0026】
以上の説明では、モータ12を等速回転させて光変調器を光周波数シフタとして利用する例を説明したが、モータ12を所定角度だけ回転させた場合は光変調器を光位相シフタとして利用できる。この場合には、位置センサ14から入力される検出信号の強弱の位相をカウントし、カウント値が所定数に達したらモータ12を停止させるようにする。これにより、モータ12の回転角度、すなわち、回折格子の移動量を制御できるので、回折格子の移動量に応じた位相変化を得ることができる。
【0027】
(第三の実施の形態)
図4は、第三の実施の形態による光変調器の要部構成を示す図である。図4において、光変調器は、セル基板21と、制御回路22とを有する。セル基板21には、数十μm間隔で配設される複数の微小液晶スイッチ(セル)によって構成されるセルアレイ21aが設けられている。第三の実施の形態では、セルアレイ21aが回折格子の役目を担う。なお、セル基板21は、セルアレイ21aによる透過光および回折光がセル基板21の背面へ進行するように、微小液晶スイッチ部に対応する位置に開口が設けられている。
【0028】
制御回路22は、セルアレイ21aを構成する微小液晶スイッチのそれぞれに対し、所定のタイミングでオン/オフ信号を送る。たとえば、オン信号を送出した場合に当該液晶スイッチがオンして透過状態になり、オフ信号を送出した場合に当該液晶スイッチがオフして遮光状態になるように構成されている。
【0029】
図4はさらに、セルアレイ21aの動作例を示す。セルアレイ21aは、たとえば、多数の微小液晶スイッチによって構成されている。16個のセルが1ブロックを構成し、1ブロックが格子1ピッチに対応する。1ブロックのうち8つのセルがオン、8つのセルがオフされる。図4において、オン状態のセルを白で、オフ状態のセルを黒でそれぞれ表す。オン状態のセルおよびオフ状態のセルは、それぞれ8つずつのセルが見かけ上連続するようにオン/オフ制御される。
【0030】
図4(a)は、時刻t1におけるセルアレイ21aを示す図である。図4(b)は、時刻t2(t2=t1+Δt)におけるセルアレイ21aを示す図である。図4(c)は、時刻t3(t3=t2+Δt)におけるセルアレイ21aを示す図である。このように、所定時間Δtごとにオン状態のセルおよびオフ状態のセルが1つずつシフト(図4の例では右方向)する。
【0031】
制御回路22は、たとえば、シフトレジスタ回路などによって構成する。制御回路22は、セルアレイ21aの各セルに対応する16本の出力信号ラインD0〜D15を有する。出力信号ラインD0〜D15の出力パターンは、シフトレジスタの出力となっている。制御回路22は、回折光の位相(周波数)を変化させるとき、制御回路22の内部で発生したクロック信号をカウントする。そして、カウント数が所定数に達する(すなわち、時間Δtが経過する)ごとに、シフトレジスタ回路によって出力信号ラインD0〜D15の出力パターンを1ビットずつシフトさせる。このように、セルアレイ21aが制御回路22の制御信号によってオン/オフ制御される。
【0032】
クロック信号は、外部機器から入力される基準クロック信号を用いてもよい。クロック周波数が安定しているクロック信号を用いることで、出力信号ラインD0〜D15の出力パターンがシフトするタイムスパン、すなわち、オン/オフ制御されたセルアレイ21aによって形成される回折光発生部の移動速度が安定する。
【0033】
上記光変調器において、レーザ光源などによる入力光をセルアレイ21a上へ矢印Aの向きに入射する。入力光は、不図示の入力光学系から入射する。セルアレイ21aは回折格子(明暗格子)を形成するので、複数の回折光が発生する。光変調器から+1次の回折光を取り出す場合は、図4の矢印C1の向きに回折される光を取り出すように出力光学系(不図示)を設ける。なお、−1次の回折光を光変調器から取り出す場合は、図4の矢印C2の向きに回折される光を取り出すように出力光学系(不図示)を設ければよい。
【0034】
入射光に対する回折光発生部のみかけの移動速度は、制御回路22でカウントするクロック信号のカウント数を変えて変化させる。カウント数を大きくすれば移動速度は低下し、カウント数を小さくすれば移動速度が上昇する。
【0035】
以上説明したように第三の実施の形態による光変調器では、第二の実施の形態と同様に、回折光発生部のみかけの移動速度を変化させたとしても、出力光学系の位置調節を行うことなく、+1次の回折光を出力光として取り出すことができる。また、格子間隔(この場合は1ピッチを構成するセル数)を変えなくてもクロック信号のカウント数を変化させることによって周波数シフト量Δfを変化させることができるので、同一の回折角を保ちながら変調周波数を変化させることができる。
【0036】
上述した説明では、8つのセルをオンし、8つのセルをオフして格子1ピッチを構成したが、オン/オフするセル数は、必要な格子ピッチに応じて任意に変更してよい。格子ピッチを狭くする場合は、たとえば、3つのセルをオン、3つのセルをオフ、3つのセルをオン…のように交互に3つずつオン/オフさせればよい。反対に格子ピッチを広げる場合は、たとえば、16個のセルをオン、16個のセルをオフ、16個のセルをオン…のように交互に16個ずつオン/オフさせればよい。
【0037】
(第四の実施の形態)
複数のセルで回折格子を構成し、入射光に対して回折光発生部を移動させる構成を導波路基板上に構成してもよい。図5は、第四の実施の形態による光変調器の要部構成を示す図である。図5の光変調器は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)基板31上に、数百nm間隔で配設される複数の屈折率変換部(セル)によるセルアレイ31aが設けられている。第四の実施の形態では、セルアレイ31aが回折格子(位相格子)の役目を担う。位相格子は、屈折率が異なる状態を交互に有するものである。
【0038】
不図示の制御回路は、セルアレイ31aを構成する屈折率変換部のそれぞれに対し、所定のタイミングでオン/オフ信号を送る。たとえば、オン信号を送出した場合に当該屈折率変換部の屈折率が高く変化し、オン信号を送出しない場合に当該屈折率変換部の屈折率が元に戻るように構成されている。セルアレイ31aは、所定数のセルが1ブロックを構成し、1ブロックが格子1ピッチに対応する。1ブロックのうち半分のセルがオン、残り半分のセルがオフされる。セルアレイ31aのオン/オフ制御は、第三の実施の形態と同様に行う。また、オン/オフするセル数は、必要な格子ピッチに応じて任意に設定してよい。
【0039】
上記光変調器において、レーザ光源などによる入力光をセルアレイ31a上の1点へ矢印Aの向きに入射する。導波路基板31への入力光は、不図示の入力光学系から入射する。セルアレイ31aは位相格子を形成するので、複数の回折光が発生する。光変調器から+1次の回折光を取り出す場合は、図5の矢印C1の向きに回折される光を導波路基板31から取り出すように出力光学系1を設ける。なお、−1次の回折光を光変調器から取り出す場合は、図5の矢印C2の向きに回折される光を取り出すように出力光学系2を設ければよい。0次光(通過光)を取り出す場合は、図5の矢印Bの向きに回折される光を取り出すように出力光学系3を設ければよい。
【0040】
以上説明したように第四の実施の形態による光変調器は、第三の実施の形態と同様に、回折光発生部のみかけの移動速度を変化させたとしても、出力光学系の位置調節を行うことなく、+1次の回折光を出力光として取り出すことができる。また、格子間隔(この場合は1ピッチを構成するセル数)を変えなくても周波数シフト量Δfを変化させることができるので、同一の回折角を保ちながら変調周波数を変化させることができる。
【0041】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。回折光発生手段は、たとえば、円板11(セルアレイ21a、31a)によって構成される。回折光発生部は、たとえば、刻線11a(セル)によって構成される。回折光発生部移動手段は、たとえば、モータ12(制御回路22)によって構成される。制御手段は、たとえば、駆動回路13およびPLL回路15(制御回路22)によって構成される。動き検出手段は、たとえば、位置センサ14によって構成される。格子因子は、たとえば、微小液晶スイッチ(屈折率変換部)によって構成される。格子因子駆動手段は、たとえば、制御回路22によって構成される。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。本実施の形態の応用分野としては、例えば、光ヘテロダイン干渉等のシステム、ホモダイン干渉計(その応用として光ファイバジャイロ等)のシステムが考えられる。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、所定の位相変化は入力光波長に無関係に与えられ、周波数シフト量を変えても回折角が一定な光変調器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一の実施の形態によるマイケルソン干渉計を回折格子で構成した図である。
【図2】本発明の第二の実施の形態による光変調器の要部構成を示す図である。
【図3】光変調器による+1次の回折光の周波数シフト量Δfを示す図である。
【図4】第三の実施の形態による光変調器の要部構成、ならびに時間経過に伴うセルアレイの動作例を説明する図である。
【図5】第四の実施の形態による光変調器の要部構成を示す図である。
【符号の説明】
11…円板、 11a…刻線、
12…モータ、 13…駆動回路、
14…位置センサ、 21…セル基板、
21a、31a…セルアレイ、 22…制御回路、
31…導波路基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical modulator that performs phase modulation and frequency modulation on a light wave.
[0002]
[Prior art]
An optical phase modulator utilizing the electro-optic effect of an electro-optic element (ferroelectric crystal) is known (see Non-Patent
[0003]
[Non-patent document 1]
Gunta Aida, 2 other authors, "Introduction to Optical Instruments", 1st edition, Tokai University Press, September 1983, pp. 135-141
[Non-patent document 2]
Takashi Ogoshi, "Optical Fiber Sensor", 1st edition, Ohmsha, July 1986, p109-114
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In an optical phase modulator using an electro-optical element, it is necessary to adjust the magnitude of an externally applied electric field according to the input light wavelength in order to obtain a predetermined phase change.
[0005]
In an optical frequency modulator using an acoustic medium, when the frequency of the ultrasonic wave applied to the medium is changed to change the frequency shift amount, the traveling direction (diffraction angle) of the diffracted light also changes.
[0006]
The present invention provides an optical modulator in which a predetermined phase change is given irrespective of an input light wavelength and a diffraction angle is constant even when a frequency shift amount (modulation frequency) is changed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the optical modulator according to the first aspect of the present invention, a diffracted light generator for diffracting incident light to generate diffracted light, and a diffracted light generator of the diffracted light generator for the incident light are moved. Diffraction light generator moving means, and diffracted light generation by the diffraction light generator movement means such that the m-th order diffracted light generated by the diffracted light generator with respect to the incident light has a desired modulation frequency shift amount or modulation phase amount. Control means for controlling the movement of the unit.
According to a second aspect of the present invention, in the optical modulator according to the first aspect, the control unit controls the diffracted light generation unit moving unit to change a moving speed of the diffracted light generation unit according to the modulation frequency shift amount. It is characterized by doing.
According to a third aspect of the present invention, in the optical modulator according to the first aspect, the control unit controls the diffracted light generating unit moving unit to change a moving position of the diffracted light generating unit according to a modulation phase amount. It is characterized by the following.
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical modulator according to any one of the first to third aspects, a diffracted light generating unit is constituted by a diffraction grating member, and the diffracted light generation unit is moved so as to move the diffraction grating member itself. It constitutes the means.
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical modulator according to the fourth aspect, the optical modulator further comprises a motion detecting means for detecting a motion of the diffraction grating member. The movement is controlled so that the reference signal input from the device has a predetermined relationship.
According to a sixth aspect of the present invention, in the optical modulator according to any one of the first to third aspects, a plurality of lattice factors arranged side by side and each of the plurality of lattice factors are arranged for every predetermined number of lattice factors. The diffracted light generating means is configured to include a grating factor driving means to be driven, and the diffracted light generating unit moving means in this case appropriately shifts the grating factor driven by the grating factor driving means in the arrangement direction of the grating factors. Thus, the lattice factor driving means is controlled.
According to a seventh aspect of the present invention, in the optical modulator according to the sixth aspect, the diffracted light generating means is provided in the optical waveguide.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram in which the Michelson interferometer according to the first embodiment of the present invention is configured by a diffraction grating. Generally, a Michelson interferometer is used for weak light measurement and the like. In the first embodiment, a diffraction grating is used as a modulation element and an optical branching / coupling element. In FIG. 1, laser light from a light source (not shown) (for example, a high coherence light source (single mode oscillation laser)) is incident on a transmission diffraction grating 100, the 0th-order light is incident on a
[0009]
The transmission diffraction grating 100 is moved left and right by applying a sine wave signal to an
(Equation 1)
2π · dsin (ωot) / p (1)
Here, p is the grating pitch of the transmission diffraction grating 100 (moving grating). The -1 order light undergoes a phase change represented by the following equation (2).
(Equation 2)
-2π · dsin (ωot) / p (2)
[0010]
On the light receiving element 103, a light receiving signal proportional to the following equation (3) is obtained.
[Equation 3]
cos (θ + 4π · dsin (ωot) / p) (3)
Here, θ is the phase difference between the two light beams.
[0011]
According to the first embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) When the reflected light from the
[0012]
(2) Even if the wavelength of the incident light changes, the light receiving signal can be observed if the light receiving element 103 has a sufficient size, and the phase modulation amount of the grating modulation of the transmission diffraction grating 100 is a function of the wavelength. Therefore, it is possible to detect weak light with the same scale factor without adjusting the amount of phase modulation.
[0013]
(Second embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of an optical modulator according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the optical modulator includes a disk 11, a
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
In the above-mentioned optical modulator, input light from a laser light source or the like is incident on the circumference provided with the ruled
(Equation 4)
sin θm = m × λ / p (4)
Here, p is the grating (line) interval, and λ is the wavelength of the input light.
[0017]
When the disk 11 is rotated at a rotational angular speed ω (rps), the speed v of the
(Equation 5)
v = r × 2πω (5)
Here, r is the radius of the circumference where the marking
[0018]
When the diffraction grating moves with respect to the incident light, the phase of the diffracted light changes. Since the ruled
(Equation 6)
2π × m × v × t / p = 2π × Δf × t (6)
Here, Δf (= m × v / p) is the frequency shift amount of the m-th order diffracted light. When the disk 11 continues to rotate at the angular velocity ω, the phase change occurs continuously in the diffracted light, and as a result, the frequency of the diffracted light changes. The frequency shift amount is the difference between the frequency after the change (diffracted light) and the frequency before the change (input light). The frequency fm of the m-th order diffracted light is expressed as fm = f + Δf when represented by the frequency f of the light input to the optical modulator.
[0019]
The above described number N of the
(Equation 7)
N = r × 2π / p (7)
From the above equations (5) to (6), the frequency shift amount Δf of the m-th order light is expressed by the following equation (8).
(Equation 8)
Δf = m × N × ω (8)
[0020]
FIG. 3 is a table showing the frequency shift amount Δf of the + 1st-order diffracted light by the above-described optical modulator. The numerical values shown in FIG. 3 are obtained by substituting the number of lattices N and the rotational angular velocity ω into the above equation (8), and the respective frequency shift amounts at three rotational speeds of 1, 10, and 100 per second. It is a numerical example of (DELTA) f. In FIG. 3, when the frequency shift amount Δf (that is, the modulation frequency) with respect to the input light is set to 16 kHz in the optical modulator, the
[0021]
When extracting the + 1st-order diffracted light from the above optical modulator, an output optical system (not shown) is provided so as to extract the light diffracted in the direction of arrow C1 in FIG. In addition, when extracting the -1st-order diffracted light from the optical modulator, an output optical system (not shown) may be provided so as to extract the light diffracted in the direction of arrow C2 in FIG.
[0022]
The above-described numerical examples of the grating interval p, the number of gratings N, and the rotational angular velocity ω of the optical modulator need not be as described above. For example, when the lattice spacing p is set to 1 μm and the rotation angular velocity ω is increased to a speed corresponding to a rotation speed of 100 rps or more, the upper limit of the frequency shift amount Δf can be set to several tens of MHz.
[0023]
In the optical modulator according to the second embodiment described above, the following operation and effect can be obtained.
(1) The diffraction grating formed by the
[0024]
(2) As shown in the above equation (6), the frequency shift amount Δf depends on the rotational angular velocity ω of the motor 12 (that is, the moving speed v of the diffraction grating) and the grating interval p. Therefore. The frequency shift amount Δf can be changed by changing the rotation speed of the
[0025]
(3) Since the rotation speed of the
[0026]
In the above description, an example in which the optical modulator is used as an optical frequency shifter by rotating the
[0027]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram illustrating a main configuration of an optical modulator according to the third embodiment. In FIG. 4, the optical modulator includes a
[0028]
The control circuit 22 sends an ON / OFF signal at a predetermined timing to each of the minute liquid crystal switches constituting the cell array 21a. For example, when the ON signal is transmitted, the liquid crystal switch is turned on to be in a transmission state, and when the OFF signal is transmitted, the liquid crystal switch is turned off to be in a light shielding state.
[0029]
FIG. 4 further shows an operation example of the cell array 21a. The cell array 21a is composed of, for example, a large number of minute liquid crystal switches. Sixteen cells constitute one block, and one block corresponds to one pitch of the lattice. Eight cells are turned on and eight cells are turned off in one block. In FIG. 4, cells in the on state are represented by white, and cells in the off state are represented by black. On / off control is performed on the on-state cell and the off-state cell such that eight cells are apparently continuous.
[0030]
FIG. 4A is a diagram showing the cell array 21a at time t1. FIG. 4B is a diagram showing the cell array 21a at time t2 (t2 = t1 + Δt). FIG. 4C is a diagram showing the cell array 21a at time t3 (t3 = t2 + Δt). In this manner, the on-state cell and the off-state cell shift one by one (rightward in the example of FIG. 4) at every predetermined time Δt.
[0031]
The control circuit 22 is configured by, for example, a shift register circuit. The control circuit 22 has 16 output signal lines D0 to D15 corresponding to each cell of the cell array 21a. The output patterns of the output signal lines D0 to D15 are the outputs of the shift register. When changing the phase (frequency) of the diffracted light, the control circuit 22 counts a clock signal generated inside the control circuit 22. Then, each time the count reaches a predetermined number (that is, the time Δt elapses), the output pattern of the output signal lines D0 to D15 is shifted by one bit by the shift register circuit. Thus, the cell array 21a is controlled on / off by the control signal of the control circuit 22.
[0032]
As the clock signal, a reference clock signal input from an external device may be used. By using a clock signal having a stable clock frequency, a time span in which the output pattern of the output signal lines D0 to D15 shifts, that is, the moving speed of the diffracted light generation unit formed by the on / off controlled cell array 21a Becomes stable.
[0033]
In the optical modulator, input light from a laser light source or the like is incident on the cell array 21a in the direction of arrow A. The input light enters from an input optical system (not shown). Since the cell array 21a forms a diffraction grating (bright and dark grating), a plurality of diffracted lights are generated. When extracting + 1st-order diffracted light from the optical modulator, an output optical system (not shown) is provided so as to extract light diffracted in the direction of arrow C1 in FIG. When extracting the -1st-order diffracted light from the optical modulator, an output optical system (not shown) may be provided so as to extract the light diffracted in the direction of arrow C2 in FIG.
[0034]
The apparent moving speed of the diffracted light generator with respect to the incident light is changed by changing the count number of the clock signal counted by the control circuit 22. The movement speed decreases as the count number increases, and the movement speed increases as the count number decreases.
[0035]
As described above, in the optical modulator according to the third embodiment, similarly to the second embodiment, even if the apparent moving speed of the diffracted light generation unit is changed, the position of the output optical system can be adjusted. Without performing this operation, the + 1st-order diffracted light can be extracted as output light. Further, the frequency shift amount Δf can be changed by changing the count number of the clock signal without changing the grid interval (in this case, the number of cells constituting one pitch), so that the same diffraction angle can be maintained. The modulation frequency can be changed.
[0036]
In the above description, eight cells are turned on and eight cells are turned off to form one grid pitch. However, the number of cells to be turned on / off may be arbitrarily changed according to a required grid pitch. In order to narrow the lattice pitch, for example, three cells may be turned on, three cells may be turned off, three cells may be turned on / off alternately, and so on. On the contrary, when the lattice pitch is to be increased, for example, 16 cells may be turned on, 16 cells may be turned off, 16 cells may be turned on / off, and so on.
[0037]
(Fourth embodiment)
A configuration in which a diffraction grating is configured by a plurality of cells and a diffraction light generation unit is moved with respect to incident light may be configured on a waveguide substrate. FIG. 5 is a diagram illustrating a main configuration of an optical modulator according to the fourth embodiment. The optical modulator shown in FIG. 5 includes a cell array 31 a including a plurality of refractive index conversion units (cells) arranged at intervals of several hundred nm on a lithium niobate (LiNbO 3 )
[0038]
The control circuit (not shown) sends an ON / OFF signal at a predetermined timing to each of the refractive index conversion units constituting the cell array 31a. For example, the configuration is such that when an ON signal is transmitted, the refractive index of the refractive index conversion unit changes to a high value, and when the ON signal is not transmitted, the refractive index of the refractive index conversion unit returns to the original value. In the cell array 31a, a predetermined number of cells constitute one block, and one block corresponds to one pitch of the lattice. Half of the cells in one block are turned on, and the other half are turned off. The on / off control of the cell array 31a is performed in the same manner as in the third embodiment. Further, the number of cells to be turned on / off may be arbitrarily set according to a required grid pitch.
[0039]
In the optical modulator, input light from a laser light source or the like is incident on one point on the cell array 31a in the direction of arrow A. The input light to the
[0040]
As described above, the optical modulator according to the fourth embodiment can adjust the position of the output optical system even if the apparent moving speed of the diffracted light generator is changed, as in the third embodiment. Without performing this operation, the + 1st-order diffracted light can be extracted as output light. Further, since the frequency shift amount Δf can be changed without changing the grating interval (in this case, the number of cells constituting one pitch), the modulation frequency can be changed while maintaining the same diffraction angle.
[0041]
Correspondence between each component in the claims and each component in the embodiment of the invention will be described. The diffracted light generating means is constituted by, for example, the disk 11 (cell arrays 21a and 31a). The diffracted light generator is constituted by, for example, a
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an optical modulator in which a predetermined phase change is given irrespective of an input light wavelength and a diffraction angle is constant even when a frequency shift amount is changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram in which a Michelson interferometer according to a first embodiment is configured by a diffraction grating.
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of an optical modulator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a frequency shift amount Δf of + 1st-order diffracted light by an optical modulator.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a main part of an optical modulator according to a third embodiment, and an operation example of a cell array over time.
FIG. 5 is a diagram illustrating a main configuration of an optical modulator according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
11 ... disk, 11a ... engraved line,
12 ... motor, 13 ... drive circuit,
14
21a, 31a ... cell array, 22 ... control circuit,
31 ... Waveguide substrate
Claims (7)
前記入射される光に対して前記回折光発生手段の回折光発生部を移動させる回折光発生部移動手段と、
前記入射された光に対して前記回折光発生手段で発生したm次回折光が所望の変調周波数シフト量もしくは変調位相量となるように前記回折光発生部移動手段による前記回折光発生部を移動制御する制御手段とを備えることを特徴とする光変調器。Diffraction light generating means for diffracting incident light to generate diffracted light,
A diffracted light generator moving means for moving a diffracted light generator of the diffracted light generator with respect to the incident light;
Movement control of the diffracted light generator by the diffracted light generator moving means such that the m-th order diffracted light generated by the diffracted light generating means with respect to the incident light has a desired modulation frequency shift amount or modulation phase amount. An optical modulator, comprising:
前記制御手段は、前記変調周波数シフト量に応じて前記回折光発生部の移動速度を変えるように前記回折光発生部移動手段を制御することを特徴とする光変調器。The optical modulator according to claim 1,
The optical modulator, wherein the control unit controls the diffracted light generation unit moving unit to change a moving speed of the diffracted light generation unit according to the modulation frequency shift amount.
前記制御手段は、前記変調位相量に応じて前記回折光発生部の移動位置を変えるように前記回折光発生部移動手段を制御することを特徴とする光変調器。The optical modulator according to claim 1,
The optical modulator, wherein the control unit controls the diffracted light generation unit moving unit so as to change a moving position of the diffracted light generation unit according to the modulation phase amount.
前記回折光発生手段は、回折格子部材であり、
前記回折光発生部移動手段は、前記回折格子部材そのものを動かすことを特徴とする光変調器。The optical modulator according to any one of claims 1 to 3,
The diffracted light generating means is a diffraction grating member,
The diffracted light generator moving means moves the diffraction grating member itself.
前記回折格子部材の動きを検出する動き検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記動き検出手段による検出信号と外部機器から入力される基準信号とが所定の関係を有するように移動制御することを特徴とする光変調器。The optical modulator according to claim 4,
Further comprising a motion detecting means for detecting the motion of the diffraction grating member,
The optical modulator according to claim 1, wherein the control unit performs movement control such that a detection signal from the motion detection unit and a reference signal input from an external device have a predetermined relationship.
前記回折光発生手段は、並べて配設される複数の格子因子と、前記複数の格子因子のそれぞれを所定数の格子因子ごとに駆動する格子因子駆動手段とを有し、
前記回折光発生部移動手段は、前記格子因子駆動手段が駆動する格子因子を前記格子因子の配設方向にシフトするように前記格子因子駆動手段を制御することを特徴とする光変調器。The optical modulator according to any one of claims 1 to 3,
The diffracted light generating unit has a plurality of lattice factors arranged side by side, and a lattice factor driving unit that drives each of the plurality of lattice factors for each of a predetermined number of lattice factors,
The optical modulator according to claim 1, wherein the diffracted light generator moving unit controls the grating factor driving unit to shift a grating factor driven by the grating factor driving unit in a direction in which the grating factor is provided.
前記回折光発生手段は、光導波路中に構成されることを特徴とする光変調器。The optical modulator according to claim 6,
An optical modulator according to claim 1, wherein said diffracted light generating means is provided in an optical waveguide.
Priority Applications (1)
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JP2003078302A JP2004287029A (en) | 2003-03-20 | 2003-03-20 | Optical modulator |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103064262A (en) * | 2013-01-17 | 2013-04-24 | 清华大学 | Grating phase modulator applied to laser interference photoetching system |
-
2003
- 2003-03-20 JP JP2003078302A patent/JP2004287029A/en active Pending
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US9869857B2 (en) | 2013-01-17 | 2018-01-16 | Tsinghua University | Optical grating phase modulator for laser interference photoetching system |
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