JP2787345B2

JP2787345B2 - ２波長光源素子

Info

Publication number: JP2787345B2
Application number: JP23747989A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎宮城; 寛下田平; 昭仁大谷; 雅也名波
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JPH03100530A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、音響光学効果を利用して光の周波数遷移
（以後、周波数シフトという。）を実現する光変調装置
に係わり、特に薄膜光導波路と音響光変調素子を組み合
わせることで、１つの入射光から、それぞれ２つの異な
る周波数で変調を受けた２光束を出射する２波長光源素
子に関する。

（従来の技術）光の波長以下の精度で位置や距離の測定を行うサブフ
リンジ干渉計測法の１つとして光ヘテロダイン干渉計を
利用する方法がある。

光ヘテロダイン干渉計では、干渉する２つの光の周波
数が少し異なっているため参照光とし被験物からの反射
光を干渉させた後、光電変換すると、その電気信号は差
周波のビート信号として観測でき、この場合、被験物の
位置情報はビート信号の位相と基準信号の位相との差と
して検出できる。

一方、同じ周波数の２つの光を干渉させる通常の干渉
計では、被験物の位置情報が干渉縞の明暗として検出さ
れるため期待できる測定精度は高々２分の１波長であ
る。しかしながら、光ヘテロダイン干渉計より得られる
電気信号の位相は、信号振幅の変化に関係なく比較的容
易に２πの千分の１程度の精度で測定できるので光の位
相情報も精度よく測定できることになる。例えば、光ヘ
テロダイン干渉計を表面粗さの測定に利用して、高さの
分解能として0.1nmを得た報告がされている。（参考文
献:G.E.Sommargren Appl.Opt.20 p610 1981）。

光ヘテロダイン干渉計による計測法において重要な技
術は、周波数シフト技術であり、周波数が異なり、かつ
現存する光検出器で検出可能な周波数のビート信号を得
ることのできる光源が必要である。このような光源は大
きく分けて３種類考えられている。

第１の方法は１台のレーザ光源を周波数の異なるモー
ドで同時発振させる方法、第２の方法は２台の周波数安定化レーザを周波数オフ
セットロックして使用する方法である。

結論的に、これらの２方法は大がかりすぎて光ヘテロ
ダイン干渉計による計測法に適用するには困難な問題が
多い。

第３の方法は現在、最も多く用いられている方法で、
１台のレーザ光を２分し、その一方もしくは両方に光学
位相変調素子を用いて周波数シフトを行う方法である。

光学位相変調素子には初期の頃、回転型回折格子や回
転偏光素子などが用いられていたが、今日ではブラッグ
回折を利用した音響光変調素子がよく用いられている。
音響光変調素子は、高密度フリントガラスやモリブ酸鉛
などの光学材料の中に超音波を進行させて位相格子を形
成し、光と超音波の相互作用で生じるブラッグ回折現象
を利用して周波数シフトを行うものである。干渉に使用
する方式としては、１個の変調素子で得られる０次と１
次の回折光を利用する方法と、駆動周波数の異なる２個
の変調素子の各々の１次回折光を利用する方法とがあ
る。後者の方法では、偏光状態の直交する成分にそれぞ
れ周波数シフトを与えることができ、直交偏光の２周波
光源として利用価値が高い。

音響光変調素子は、機械的可動部がなく小型でシフト
周波数も高くすることができるといった長所を有する
が、一方、量産に向かず高価な点、ブラッグ回折条件を
満足させる高精度な光学調整が必要な点、さらに、２周
波光源として構成した場合、ビームスプリッタ、反射ミ
ラー、波長板等構成部品が多く全体として複雑大型化
し、機械的外乱に弱い点などが欠点として残されてい
る。

（発明が解決しようとする課題）以上に述べた音響光変調素子を使用した２周波光源に
おける問題点は、バルクタイプの光学系を用いた、いわ
ゆる立体形光学系の持つ宿命的な欠陥である。この問題
点を全面的に改善する策として、２つの音響光変調素子
を薄膜光導波路と組み合わせて光集積化する方法が考え
られる。一例として同一出願人・同一発明者による発明
「２周波光発生モジュール」（特願昭63−229146号）を
参照されたい。しかしながら、光集積化を行うと、新た
な問題点が生ずる。この場合、最も重大と考えられる問
題は、２つの音響光変調素子から発射された音響波の光
に対する不要な干渉効果である。すなわち、小さな光学
基板上に発生させた音響波は消滅させることが難しく、
変調をかけては具合いの悪い導波光にまで変調作用を及
ぼす。

薄膜導波形光集積回路では、光は基板表層の薄い導波
光となり、また音響波も表面弾性波として基板表層部に
集中するため、両者の相互作用は強力であり、これに対
する効果的な対応策が必要である。

（課題を解決するための手段）以上に述べた不要な表面弾性波が薄膜光導波路内の光
に与える影響を軽減させるために、本発明では基板表面
上の２つの音響光変調素子の間に表面弾性波を除去する
手段を設けた。

すなわち、本発明の２波長光源素子は、光透過性を有
する圧電性基板と、該圧電性基板の表層に設けられ、該
圧電性基板の端面より入射した光を導波し分配するため
の分岐型光導波路と、該分岐型光導波路の２つの出力端
にそれぞれ接続された第１及び第２の平面型光導波路
と、該第１及び第２の平面型光導波路にそれぞれ接続さ
れた第１及び第２の直線型光導波路と、前記第１及び第
２の平面型光導波路のそれぞれの内部に設けられ、前記
分岐型光導波路の２つの出力端から扇状に自然分散した
薄膜状の導波光をそれぞれ平行光にするための第１及び
第３の薄膜型レンズと、該第１及び第３の薄膜型レンズ
を通過した後の平行光をそれぞれ前記第１及び第２の直
線型光導波路に絞り込むために前記第１及び第２の平面
型光導波路のそれぞれの内部に設けられた第２及び第４
の薄膜型レンズと、互いに周波数が異なり、かつ、前記
第１及び第２の平面型光導波路内を導波する平行光に対
してブラッグの回折条件をそれぞれ満足する波面と伝搬
方向とを持つ第１及び第２の表面弾性波を前記圧電性基
板上に発生させる第１及び第２の交差指型電極と、前記
第１の平面型光導波路と第２の平面型光導波路の間で、
かつ、第１の交差指型電極と第２の交差指型電極の間に
設けられた前記第１及び第２の表面弾性波を除去する手
段とを備えている。

（作用）この方法によって、本発明の２波長光源素子はその内
部に設けられた光変調部分で入射光の変調を行い、その
際に光変調部分を通過した表面弾性波は２つの光変調部
分の間に設けられた表面弾性波を除去する手段でほとん
ど除去され、互いに影響を与えることがなくなった。こ
れにより導波光には、ブラッグ回折による高効率な光変
調のみを行うことが可能となり、不要な表面弾性波によ
る外乱が取り除かれた。

（実施例）第１図に、本発明に係る２波長光源素子の構成の一実
施例を示す。

この実施例では、表面弾性波を除去する手段として吸
音材14を塗布した溝13を設けている。表面弾性波のエネ
ルギーは基板表層部に集中していて、その深さは表面弾
性波の波長程度である。そのため、表面弾性波の波長以
上の深さで溝を設ければ音響光変調素子から発生し、互
いに向かい合う方向で伝搬する表面弾性波は溝で遮断さ
れ、もう一方の音響光変調素子内への影響を除去でき
る。しかし、上記の構造では表面弾性波の溝の内壁から
の反射の問題が残される。そこで、本実施例では溝部分
に吸音材を塗布し、これを埋める構造にした。このよう
にすることで、（１）一方の音響光変調素子から発生した表面弾性波が
別の音響光変調素子内へ伝搬することが防止でき、（２）さらに音響光変調素子から発生した表面弾性波が
溝で反射され、再び音響光変調素子内に伝搬して、表面
弾性波どうしの不要な干渉作用が生じることも防ぐこと
ができ、（３）この結果、光導波路内を導波する光に不要な変調
作用を与える影響をなくせる。

本実施例の２波長光源素子は、光透過性を有する圧電
性基板１の表層に、分岐型光導波路２と、該分岐型光導
波路２の一端に接続した第１の平面型光導波路３と、該
第１の平面型光導波路３に接続した第１の直線型光導波
路５が設けてある。第１の平面型光導波路３の内部には
分岐型光導波路２の一端から入射して自然分散した光
を、平行な導波光に変換する第１の薄膜型レンズ７と、
前記平行な導波光を集光する第２の薄膜型レンズ８が設
けられている。また、前記圧電性基板１上には、前記平
行にされた導波光に対して、ブラッグ回折現象を生じさ
せる角度（ブラッグ角度）で表面弾性波を発生させる第
１の交差指型電極11が設けてある。分岐型光導波路２の
他の一端には、前記したものと同一構成を成した薄膜型
光学系が接続されているので詳しい説明は省く。

第１の平面型光導波路３と第２の平面型光導波路４の
間には、第１及び第２の交差指型電極11、12それぞれに
て発生し進行してきた第１及び第２の表面弾性波15、16
を遮断するための溝13と、遮断された表面弾性波を吸収
するための吸音材14が設けられている。また、圧電性基
板１の端面17、18は、光の入射及び出射が効率よく行え
るように鏡面研磨してある。

圧電性基板１の光入射点19に入射した周波数f₀の光
は、分岐型光導波路２の中を導波して２分岐され、第１
の平面型光導波路３内に入り、第１の薄膜型レンズ７で
光束幅の大きな導波光に変換される。第１の交差指型電
極11へ励振周波数f₁の正弦波信号を印加して発生した第
１の表面弾性波15は、平行な導波光の部分へブラッグ角
で入射して効率よく光の周波数変調を行う。このように
して周波数変調された光は、第２の薄膜型レンズ８によ
り集光され、第１の直線型光導波路５内に入射して圧電
性基板１の第１の光出射点20へ導波される。第１の光出
射点20から出射する光の周波数はf₀＋f₁となる。

上記と同様の効果で、第２の平面型光導波路４内で周
波数変調された光は、第２の直線型光導波路６内に入射
して、圧電性基板１の第２の光出射点21より出射する。
第２の光出射点21より出射する光の周波数は、第２の交
差指型電極12に印加する正弦波信号の周波数f₂だけ遷移
しており、f₀＋f₂となる。

本発明の２波長光源素子を構成する圧電性基板として
は、ニオブ酸リチウム結晶やタンタル酸リチウム結晶な
どの基板が使用でき、この基板上に構成される各光導波
路の形成には、従来より光導波路作製方法として知られ
ているチタン拡散法が、また、薄膜レンズの形成にはプ
ロトン交換法がそれぞれ利用できる。表面弾性波を発生
させる交差指型電極はフォトリソグラフィーによる微細
加工技術で実現可能である。

また、交差指型電極11、12より発生する第１及び第２
の表面弾性波15、16は第１図に示した方向だけでなく、
反対の方向へも励振され伝搬していく。そこで、圧電性
基板の側端面22、23と、反対側の方向に伝搬した表面弾
性波がぶつかる位置に吸音材を塗布することで、不要超
音波の除去効果を高めることができる。

不要な表面弾性波を除去する手段は、以上述べたよう
な基板表面に機械的な加工を施したもの以外に、基板表
面近傍の物理的性質を不純物拡散やイオン注入等で変え
たものでもよい。物理的性質を変化させた部分に到達し
た不要な表面弾性波はエネルギーが拡散し、もしくは基
板内部へ浸透する。

（発明の効果）この発明では、光を２つの異なる周波数で変調するた
めに、導波光を２つの分岐型光導波路により２分し、そ
れぞれの光導波路を伝搬する導波光に対して異なる周波
数の表面弾性波で変調をかける構成とした。

また、２つの光変調素子の間に不要な表面弾性波を除
去する手段を設けて、伝搬する表面弾性波が互いに他の
光変調素子へ影響を及ぼさないようにして、光変調素子
内を導波する光に不要な変調作用が生じないようにし
た。

よって、表面弾性波による光のブラッグ回折を利用し
た２波長光源素子が実現可能となった。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明に係る２波長光源素子の構造の一実施
例を示す。図において、１は圧電性基板、２は分岐型光導波路、３
と４は第１及び第２の平面型光導波路、５と６は第１及
び第２の直線型光導波路、７〜10は第１〜第４の薄膜レ
ンズ、11と12は第１及び第２の交差指型電極、13は溝、
14は吸音材、15と16は第１及び第２の表面弾性波、17と
18は圧電性基板の端面、19は光入射点、20と21は第１及
び第２の光出射点、22と23は圧電性基板１の側端面をそ
れぞれ示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−77029（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−166921（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−259233（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−281127（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−206531（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/11 - 1/125 G02F 1/33 - 1/335 G02F 2/00 - 2/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性を有する圧電性基板（１）と、該圧電性基板の表層に設けられ、該圧電性基板の端面よ
り入射した光を導波し分配するための分岐型光導波路
（２）と、該分岐型光導波路の２つの出力端にそれぞれ接続された
第１及び第２の平面型光導波路（３），（４）と、該第１及び第２の平面型光導波路にそれぞれ接続された
第１及び第２の直線型光導波路（５），（６）と、前記第１及び第２の平面型光導波路のそれぞれの内部に
設けられ、前記分岐型光導波路の２つの出力端から扇状
に自然分散した薄膜状の導波光をそれぞれ平行光にする
ための第１及び第３の薄膜型レンズ（７），（９）と、該第１及び第３の薄膜型レンズを通過した後の平行光を
それぞれ前記第１及び第２の直線型光導波路に絞り込む
ために前記第１及び第２の平面型光導波路のそれぞれの
内部に設けられた第２及び第４の薄膜型レンズ（８），
（10）と、互いに周波数が異なり、かつ、前記第１及び第２の平面
型光導波路内を導波する平行光に対してブラッグの回折
条件をそれぞれ満足する波面と伝搬方向とを持つ第１及
び第２の表面弾性波（15），（16）を前記圧電性基板上
に発生させる第１及び第２の交差指型電極（11），（1
2）と、前記第１の平面型光導波路と第２の平面型光導波路の間
で、かつ、第１の交差指型電極と第２の交差指型電極の
間に設けられた前記第１及び第２の表面弾性波を除去す
る手段（13,14）とを備えた２波長光源素子。