JPS6150291B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気信号に応じて光ビームの強度を変
調する光変調器、特に音波による光の回折効果を
利用した、超音波光変調器に関するものである。

超音波光変調器は、高速に動作する他の光変調
器に較べて動作電圧が低く、周囲温度の変化に対
して安定であり、高い消光比が得られるなどの利
点をもつている。このためレーザ光を使つた各種
の記録装置や表示装置などに広く用いられてい
る。

超音波光変調器の能率良く使用できる変調信号
の帯域幅は、それ幅広くなく、変調光の立上り立
下り時間にして最小20〜30ns程度である。変調
速度を制約する理由は以下に述べるように理解さ
れている。すなわち、変調を施すレーザ光がビー
ム径2W_pのガウスビーム（Woは光のパワー密度
が中心の１／e²となる半径）としたとき、変調さ
れた光の立上り時間ｔは最小ｔ〓1.3Wo／Ｖで与
えられる。

ここでＶは媒体の音波の速度である。変調速度
を高めるには光のビーム径Woを小さくすればよ
いが、これを小さくするとガウスビームのもつ広
がり角が増大する。広がり角はλ／（ｎ・π・
Wo）である。ここでλは光の真空中での波長、
ｎは媒体の屈折率である。超音波光変調器に入射
する入射光のもつ角度成分全域にわたつてブラツ
グ条件が満たされないと、この条件に合致する角
度の光波成分のみが回折される。このため変調速
度を高めようとするために入射光ビームを絞り込
むと、変調光の出射パターンはガウス形状から変
移し、また回折効率も低下する。

これを防ぐためには、光ビームに作用する音波
の広がり角を増大させ光の広がり角に同程度乃至
それ以上とすればよい。このためには、媒体中に
音波を励起するトランスデユーサの光の進行方向
への長さを短くしなければならない。例えば、著
名な音響光学結晶であるモリブデン酸鉛結晶を変
調媒体に用い、音波の周波数を200MHzとしたと
きに、変調光に立上り時間10ns以下の変調速度
を確保するには、前述のトランスデユーサの長さ
は２〜３mm以下と短くしなければならない。とこ
ろが回折効率は周知の如くトランスデユーサの長
さすなわち作用長に比例する。このため高い変調
光の強度を得るためには、より高い音波駆動パワ
ーを必要とする。またこの音波の光に対する作用
長を減少させることは、回折格子としては厚さを
薄くすることと等価であり、このため回折現象は
ブラツク反射からラマンナース回折に近づく。こ
のため音波パワーを増大させても理論的に到達し
得る最高の回折効率も、前記の作用長の長い場合
に比し低下する。

音波波面に広い角度成分をもたせ、しかも作用
長を減少させない方法として、媒体中に円筒波を
励起する方法がある。この方法によれば比較的高
速度の超音波光変調器が実現できる。しかしなが
らこの目的のためには、変同媒体のトランスデユ
ーサを設ける表面を円筒面に仕上げなければなら
ない。このような面に設けることのできる高周波
のトランスデユーサは、蒸着やスパツタリング法
などによつて作成する圧電薄膜トランスデユーサ
に限られる。通常の圧電結晶板を曲面上に接着す
ることは非常に困難である。このためLiNbO₃結
晶等のように圧電高結合の材料を用いることがで
きず、駆動電力の増大が避け難い。また製作の難
度が増す。このように従来の超音波光変調器では
高速で高能率に動作する素子を得ることが困難で
ある。

本発明の目的は上記の難点を除去した高速で高
能率の超音波光変調器を提供することにある。

本発明に実施例を図面によつて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図であり、光
変調の構成の概念図である。第２図は動作特性を
示す図である。第１図において、１は光学ガラス
や誘電体結晶のように媒体内部に励起された音波
によつて光を回折する音響光学媒体である。２は
該音響光学媒体１の面に、有機接着剤や低融点金
属などで接着され、該音響光学媒体１に音波を励
起する、圧電体板のような電気音響変換子であ
る。

該変換子は、前記音響光学媒体１に接着される
面とその対向する面とに電極を有し、この電極間
に高周波電界を印加されるとによつて、板の上下
面で変位方向の異なる、謂ゆる厚み振動を生じて
前記音響光学媒体中に高周波音波を励起する。該
音響光学媒体１に入射される光束３は、該媒体中
に音波が励起されていないときには、媒体を透過
し非回折光５として出射する。媒体中に音波が励
起されていると入射光束３の一部は回折を受け、
回折光４となつて出射する。回折光の強度Ｉは前
記媒体中に励起される音波の強度によつて変化す
る。超音波光変調器の一般的な原理はこのように
電気音響変換子に印加される電圧に応じて、回折
光の強度又は、非回折光の強度を変化させること
にある。

前述の如く、変調速度を高くするためには超音
波光変調器に入射させる光ビームの径を小さくす
る必要がある。径を小さくすると光の広がり角は
増大する。このようにしても回折効率が低下しな
いためには超音波光変調器の受光角が大きくなけ
ればならない。すなわち、超音波光変調器への光
入射角度に対する回折光の強度の分布が広いこと
が必要である。

第２図ａ，a′は従来の超音波光変調器の特性を
示す。第１図の電気音響変換子２の電極を、入射
光の透過方向ｘの方向に長さｌにわたつて設けて
電気音響変換子２に第２図ａに示すような電圧の
分布を与えている。媒体中に励起される歪の分布
は第２図ａの電圧と同一の分布を生じる。

第１図における回折光４の強度Ｉの入射光３の
入射角θに対する特性は第２図a′に示すように
［sin（πｌθ′／Λ）／（πｌθ′／Λ）］^２とな
る。ここでΛは音波の波長、θ′＝θ−θ_０でθ
_０はブラツグ角である。

このように回折光の強度Ｉは入射角に強く依存
する。超音波光変調器の変調速度を高めるために
径の細く、従つて入射広がり角の大きい光波を効
率良く、また回折光のビーム形状に変形を生ずる
ことなく変調するためには、第２図a′に示す入射
角度幅Δθ＝Λ／ｌの大きさは、入射光広がり角
（２λ／ｎπW₀）の２倍以上としなければならな
い。

ここでｎは媒体の屈折率、λは光の波長、2W₀
はガウスビームのスポツト径である。このため前
述の如く高速化のためには、音波束の幅すなわち
電気音響変換子の電極幅（第２図ａ中のｌ）を小
さくしなければならず、前に述べたように得られ
る回折効率はｌが充分長い場合に比べて低下す
る。

入射広がり角の大きい光波を効率よく、また回
折光のビーム形状に変形を来すことなく回折する
ためには、第２図a′の回折光強度の入射角特性が
台形となつていればよい。回折光強度の入射角度
特性第２図a′は矩形開口から一様の強度で出射す
る、音波パワーのフアー・フイールド・パターン
を示している。従つて、この入射角度特性に台形
となるようにするには、本発明の実施例説明図で
ある第２図ｂに示すように、電気音響変換子に印
加する電圧の、第１図における光透過方向ｘ方向
への分布を例えばsinx／ｘすなわちジンク函数形
とすればよい。回折光強度の入射角度分布が音波
パワーのフアー・フイールド・パターン、すなわ
ち回折光強度は電気音響変換子で生ずる歪分布と
はフーリエ変換の自乗とで数字的に結びついてい
るから、回折光強度の入射角度特性は第２図b′に
示すようにほぼ矩形に近くなる。ここでは、第２
図ｂに示すようにジンク函数の第２副極大までで
切つているため、入射角度特性第２図ｂの台形上
に波打ちを生ずるが±10％程度であつて小さい。

このように電極長ｌを長くとつても回折光強度
の入射角度特性は狭まることなく、より拡がり角
の大きい入射光を入射させることができ、変調速
度が増大する。合せて電極長を長くできるため、
効率が増大する。

次に第２図ｂに示すような電気音響変換子の印
加電圧分布を実現するための一実施例を第３図に
示す。第３図は超音波光変調器の構成を示す図で
３１は音響光学媒体、３２は電気音響変換子で、
ニオブ酸リチウム結晶のような圧電結晶板で出来
ている。３３は接着剤と下面電極とを兼ねたイン
ジウムのような低融点の金属膜であり、これによ
つて圧電結晶板３２と音響光学媒体とは接着され
る。この下面電極３３は電極片３３ａ，３３ｂ，
３３ｃに分かれ、これらは互いに電気的には切ら
れている。各電極片の光透過方向への長さ（第３
図中ｘ方向）は結晶の中心の電極３３ａでｌと
し、他の電極３３ｂ，３３ｃをｌ／２とする。励
振すべき中心周波数の音波に対して能率よいよう
に、圧電結晶板３２の厚さは定められる。該圧電
結晶板３２の上に、該電体膜３４を蒸着、スパツ
タ等で圧電結晶板上に設ける。該誘電体膜３４の
厚さは光の透過方向（第３図中ｘ方向）に一様で
はなく、前記下面電極片３３ａ，３３ｂ，３３ｃ
間の各境界で最大となり、各下面電極片３３ａ，
３３ｂ，３３ｃの中心で最大または０となるよう
にする。該誘電体膜３４は酸化シリコンや他の誘
電体またはフオトレジスト等の有機物の誘電体で
よい。このような厚さが波打つ状態の該電体膜３
４を形成する方法は例えば蒸着時に、蒸着源と被
蒸着体との間に開口を有するマスクを設けた状態
で蒸着することによつて得られる。またフオトレ
ジストを塗布した後、光照射を適当に定め、現象
することによつても得ることができる。このよう
にして設けた該電体膜３４の上に、アルミニウム
や金などの金属膜を、上面電極３５として設け
る。該上面電極３５も下面電極３３と同様に分割
する。このように設けた２つの電極間は圧電結晶
３２と誘電体膜３４との複合容量を形成している
ことになり、２つの電極間にかける電圧をＶとし
たとき、圧電結晶３２にかかる電圧Vpは付加し
た誘電体膜３４の厚さの厚い部分ほど低下する。
圧電効果によつて生ずる歪は印加する電圧に比例
する。このため圧電結晶板３２によつて励起され
る歪の振幅分布は、該結晶板に印加される電圧の
分布に従う。このような誘電体膜３４の付加によ
つて、第３図ｘ方向に波形の歪の振幅が形成され
る。

更にジンク函数形に近づけるために、第１副極
大、第２副極大の最大値を低下させ、第１副極大
の歪の位相を主極大や第２副極大の歪のそれとは
反転させる必要がある。第３図に示す如く、中央
の下面電極片３３ａとそれに対向上面電極とで挾
まれた誘電体膜３４を有する圧電結晶板３２に
は、駆動電圧Ｖがそのまま印加される。これに隣
接する電極部には外付の容量３６を直列に配し、
しかも前記中央の電極部とは反転した位相で電圧
Ｖが印加される。同様更に外側の電極部３３ｃに
は別なる外付容量３７を直列に接続して、中央の
電極部３３ａと同じ位相で電圧Ｖが印加される。
各部の上下電極間にかかる電圧をオシロスコープ
等で観察しながらそれぞれが第２図ｂの極大値と
同じ割合となるように外付容量３６，３７を微小
に調整する。このようにして第２次の副極大まで
もつジンク函数型の歪分布が形成され、前述の如
く受光開口角の広い超音波光変調器が出来る。

以上説明したように本発明によれば、従来の円
筒面状の形成を行う必要がなく、また高結合の圧
電結晶板の電気音響変換子に用いることができる
ため、安価でしかも高性能の超音波光変調器が得
られる。また本実施例では、誘電体膜と２つの外
付容量とによる電圧の重み付けの方法を述べたが
他の方法、例えば誘電体膜を用いず、圧電結晶板
面上に設けた電極の分割を更に細分化して、各々
に外付の容量を配して重み付けを行う方法、或い
は誘電体膜による重み付けと外付容量を用いずに
上下各電極に狭まれた変換部を直列に接続し、そ
れぞれの電極の、光透過方向とは直交する方向の
幅を適当に定めてそれぞれの静電容量による重み
付けとによつて、全体の重み付けを行うなどが考
えられる。また本実施例では回折光強度の入射光
角度に対する特性が矩型となるようにするために
電気音響変換子への電圧分布をジンク函数形にす
る場合について述べたが、回折光の入射角度分布
は三角形、ガウス型等他の形を望む場合もある。

その場合には電圧分布は（sinx／ｘ）^２やガウ
ス分布などに選べばよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波光変調器の一般的な構造図で１
は音響光学媒体、２は電気音響変換子、３は入射
光ビーム、４，５は出射光ビームである。 第２図は従来の超音波光変調器と本発明の実施
例における特性を示す図で、第２図ａは従来の光
変調器の電気音響変換子の歪分布、第２図a′はそ
の変調光強度の入射角度特性、第２図ｂは本発明
の一実施例の歪分布、第２図b′はその入射角度特
性である。 第３図は本発明実施例の構造概念図で、３１は
音響光学媒体、３２は圧電結晶板、３３，３５は
上下面電極、３４は誘電体膜、３６，３７は外付
容量である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 媒体内部に励起された音波によつて光を回折
   する音響光学媒体と、音響光学媒体と接着する面
   及びその対向する面に直接に、又は光の透過方向
   に厚さが異なる該電体膜を介して１個又は複数個
   の電極を設けて前記音響光学媒体に接着した圧電
   変換子と、この圧電変換子に前記電極を介して光
   の透過方向に電圧分布を有するように電圧を印加
   する手段とから成ることを特徴とする超音波光変
   調器。