JPS6148138B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気光学結晶を用いて電気的にレーザ
光を制御する光制御装置に関する。

光通信システム、光メモリ装置、レーザ記録装
置等の光情報処理システムでは、レーザ光の進行
方向を切換えたり、異なつた光線路間の結合を行
なう光スイツチが必要である。このような光スイ
ツチに要求される主な性能は、クロストークが小
さいこと、低電力でスイツチができること、高速
であること、安定であること、そして低価格であ
ること等である。従来、光スイツチとしては、ミ
ラーを機械的に動かす方法、音響光学効果を用い
て音波により光を回折させる方法、電気光学結晶
に空間的周期電界を加えて光をブラツグ回折させ
る方法等が使われている。この中で音響光学効果
を用いた光スイツチは一般にスイツチング速度が
遅く、製作工程が複雑であり、またキヤリヤ周波
数が必要であるので駆動回路が複雑になるという
欠点がある。また機械的な光スイツチは低速度し
か得られない。一方結晶の電気光学効果を利用し
た光スイツチは、一般に高速度が得られ、低電力
で動作するという特長を有するが、電気光学結晶
中のブラツグ回折を用いる方法では、電極パター
ンによる回折が生ずるため消光比が低く、クロス
トークが大きくなるという問題がある。また、電
気光学結晶の２つの主軸方向の偏波間の位相遅延
量を電気的に制御し、偏波状態を制御する方法
は、光変調器を構成する場合よく用いられている
が、このような方法と複屈折を示す物質を組合わ
せて光スイツチを構成することができる。しか
し、上記の光スイツチでは周囲温度が変化すると
電圧を加えなくても偏光状態が変化してしまうの
でクロストークの小さい安定な光スイツチを得る
のは難しい。この解決法として２つの結晶を縦続
に配列して温度補償を行なう方法が提案されてい
るが製作に非常に高精度を必要とするので実用的
ではない。

本発明の目的はクロストークが小さく、低電力
で高速に動作するとともに温度変化に対しても安
定な実用的な光制御装置を提供することにある。

本発明の光制御装置は、表面上に周期構造の電
極を設けた電気光学結晶と、該結晶に電圧を印加
して光学的屈折率楕円体を回転させるための制御
電圧発生器と、電気光学結晶から出射した光をそ
の偏光状態によつて伝播光路を変化させる複屈折
結晶から構成される。このような構成により、電
気光学結晶に主軸方向に偏光されて入射した光は
周期的な電界の作用によつて偏光面が回転され、
入射光とは直交した直線偏光の出射光に変換され
る。さらにこの出射光は複屈折結晶を通過するこ
とにより電圧のオン、オフに従つて伝播光路が制
御される。

次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図は本発明による光スイツチの一実施例を示す。
図において、１はＺ軸に平行に切り出し、Ｙ軸方
向に光を透過させるように形成したタンタル酸リ
チウム結晶（LiTaO₃）で、酸化リチウムの濃度が
酸化タンタルの濃度よりも10〜30％程度大きい組
成を有する。結晶上にはインターデイジタル電極
２が設けられており、制御電圧発器３によつてｘ
軸方向の電界が光透過方向（ｙ方向）に周期的に
印加される。電界をｘ軸方向に印加するために
LiTaO₃結晶１の厚さはインターデイジタル電極
間隔より薄くされている。入射光４はＸ軸方向に
偏光した直線偏光で結晶１を通過中に周期的な電
界と結晶１のポツケルス係数r₅₁によりＺ軸方向
の偏光成分を有する光に変換されて出射光５とな
る。すなわち、Ｘ軸方向の偏波成分がＺ軸方向の
偏波成分に変換させる。そして電圧を増すに従い
変換効率は増加し、ある電圧に達すると100％変
換される。ただし、大きな変換効率を得るために
電極２の周期Λは結晶１の中心では(1)式を満足す
る値であり、結晶１のｙ軸方向一定又は単調に増
加または減少させて設けられている。

２π／Λ＝２π／λ（ｎ_e−ｎ_p） ……(1) ここでλは光波長、ｎ_e、ｎ_pはそれぞれ異常
光、常光に対する屈折率である。周期Λを一定と
した場合には、大きな変換効率が得られるが、周
囲温度変化に対して変換効率の変動が大きい。

上述のｘ軸方向の直線偏光がＺ軸方向の直線偏
光に変換される動作は次のように説明される。図
のような構成において、ｘ軸方向に電界Ｅ_xが印
加された場合の屈折率楕円体は次の式で表わされ
る。

１／ｎ〓（x²＋y²）＋１／ｎ〓Z²＋2r₅₁E_xXZ ＝１ ……(2) 従つて、電界Ｅ_xが印加されると屈折率楕円体
の主軸は電界のない場合の主軸から だけ回転される。そうするとｘ軸方向に偏光面を
有する入射光は新しい主軸方向の成分とそれに直
交する成分に分かれてLiTaO₃中を伝播する。こ
のとき両成分の間に位相差が生じて出射光は一般
に楕円偏光になる。今、周期Λが(1)式を満足する
ように選ばれているならば、Λ／２の距離伝播す
ると、両成分の位相差はπになる。すなわちｘ軸
方向に偏光した入射光はｘ軸から２θだけ偏光面
が回転した直線偏光に変換される。次のΛ／２を
伝播する間には、電界が前と逆向きに印加されて
いるので、逆方向に６θ、つまりｘ軸から４θ回
転する。このようにしてｍ個の電極の下を伝播す
ると２ｍθだけ偏光面が回転される。従つてｘ軸
方向に偏光した入射光がＺ軸方向の直線偏光とな
つて出射するためには２ｍθ＝π/2であればよ
い。この場合、LiTaO₃の長Ｌは となる。以上のようにして、ｘ軸方向に偏光した
入射光はＺ軸方向に偏光した出射光に変換され
る。なお詳細については特願昭51−82095を参照
されたい。

上記の動作で、電圧を印加しないときは、結晶
の主軸はＸ軸とＺ軸に固定されているので、Ｘ軸
又はＺ軸方向の直線偏光を入射した場合、その偏
光状態は常にそのまま保存されて出射し、温度に
は全く影響されない。すなわち、電圧を印加しな
い状態では、温度が変化してもクロストークを生
ずる様な他の偏光成分は全く生じない。一方、電
圧を印加したときには、前述のようにＸ軸方向の
直線偏光はＺ軸方向の偏光成分に変換される。こ
の変換される割合は印加電圧を(4)式を満たす値に
設定すると100％となる。但し、通常ｎ_e−ｎ_pの
値は温度依存性があるので、周期Ωを一定とした
場合、温度が変化したとき(1)式は満たされなくな
り変換効率は変動する。しかし、その変動の大き
さは従来の位相遅延量を電気的に制御する方式に
比べてかなり小さい。

また、ｎ_e−ｎ_pの値が変化しても結晶中のいず
れかで(1)式を満たすように周期Ωを光透過方向
（Ｙ軸方向）にわずかに増加または減少させるよ
うに設定すれば変換効率は温度に対してほぼ一定
となる。

次に、結晶を出射した光は複屈折性物質６に入
射し、伝搬光路が偏光状態によつて分離される。
ここで複屈折性物質６の光学的主軸はYZ面内に
ありＺ軸からはずれている。電極２に電圧を印加
しないときは出射光５は入射光４と同じようにＸ
軸方向に偏向しているので出力光８となる。制御
電圧を印加したときのＺ軸方向に偏光した出射光
５は方解石等の複屈折性物質６を通過することに
よつて光路を曲げられて出力光７となる。上記の
如く、入射光４は制御電圧印加の有無により出力
光７または出力光８となる。特に、電圧を印加し
ないときは入射光４は全て出力光８となり、出力
光７となる割合は−30dB以下であることが実験
により確められた。即ち、電圧０のときのクロス
トークは温度によらず常に非常に小さい。また、
電圧を印加したときのクロストークも従来の光ス
イツチに比べて温度に対する変化が小さく、特
に、電極周期を光透過方向に変化させた場合には
温度に対して非常に安定な動作が得られる。

以上述べたように本発明によれば、温度に対し
て安定で、クロストークが小さく、高能率で高速
な光スイツチを得ることができる。また本発明に
よる光スイツチは結晶の形状、電極形状等には高
い精度を必要としないので製作が容易である。

なお本発明において用いる結晶材料、電極形
状、複屈折性物質及びその形状は上記の実施例に
限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す模式的な斜視図で
ある。 図において、１はタンタル酸リチウム結晶、２
はインターデイジタル電極、３は制御電圧発生
器、６は複屈折性物質である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電界を印加すると光学的な屈折率惰円体の主
   軸が回転する電気光学効果を示す電気光学結晶
   と、該結晶の光透過方向に対して垂直な向きの電
   界を光透過方向に周期的に該結晶中に印加するた
   めに該結晶上に設置された周期状電極と、該電極
   に接続された制御電圧発生器と、前記電気光学結
   晶から出射した光をその偏光方向に従つて伝播光
   路を変えるための光学的異方性を有する物質とか
   ら成る光制御装置。 ２ 周期状電極の周期が光透過方向にわずかに増
   加または減少していることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の光制御装置。