JPS6340868A - 光集積スペクトラムアナライザ - 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〕 この発明は表面弾性波と光との相互作用を利用して高周
波電気信号のスペクトルの分析を行なう光集積スペクト
ラムアナライザに関するものである。

〔従来の技術〕

第４図ばり、マーゲリアン（Ｄ、Ｍｅｒｇｅｒｉａｎ）
らにより文献フォースインタナショナルコンファランス
　オン　インチグレイティラド　オブティクスアンド　
オプティカルファイバコミュニケーション、東京、テク
ニカルダイジェスト２ｓｏ−２ｅｔＨ。

１９８３（４ｔｈ　Ｉｎｔ、　Ｃｏｎｆ、　ｏｎ　Ｉｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃ
ａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｎ＋ｍｕｎｉｃａｔｌｏｎ、　
Ｔｏｋｙｏ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ、ｐｐ
、２６０−２６１．１９８３）において報告された光集
積スペクトラムアナライザの構成図である。

図において、ｌはＬｉＮｂ０ｉなどの圧電性基板、２は
圧電性基板１の表面にＴＩやＮｉなどの金属を蒸着した
後、熱拡散させて作成した２次元の光４波路、３は光４
波路２の端面に取付けられた半導体レーザ、４および５
は光導波路２上に作成された第１および第２のジオデシ
ックレンズ、６および７は光導波路２上でかつ第１のジ
オデシックレンズ４および第２のジオデシックレンズ５
の間に作製されたトランスジューサおよびダンパ、８は
光導波路２上の上記半導体レーザ３と対向する端面に取
付けられた光検出器アレー、９は半導体レーザ３から出
射される発散光、１０は平行光、１１は非回折光、１２
は回折光、１３は上記トランスジューサ６より励振され
た表面弾性波である。

次に動作について説明する。半導体レーザ３から出射さ
れ光導波路２に導波された発散光９は第１のジオデシッ
クレンズ４により平行光１０に変換され第２のジオデシ
ックレンズ５に入射してさらに収束光に変換され、光検
出器アレー８上に集光する。ここでトランスジューサ６
に高周波電気信号が印加されるとトランスジューサ６に
より上記高周波電気信号の周波数に対応する周期へをも
つ表面弾性波１３が光導波路２中に励振される。

上記周波Δは光導波路２中を伝搬する表面弾性波１３の
速度をｖｌ、上記高周波電気信号の周波数をΔｆとする
と第１式で与えられる。

上記表面弾性波１３は上記平行光１０を横切った後ダン
パ７で吸収される０表面弾性波１３が平行光１０を横切
るとき表面弾性波１３はこの平行光１０に対して周期へ
の回折格子として作用し、また平行光１０と表面弾性波
１３はブラッグ条件を満たすように交差させているため
平行光１０の一部は第２式で与えられ る角度θ、で回折される。

λ ここで、λは半導体レーザ３の出射光の波長、ｎ　ｍｅ
ｔは光導波路２に導波された光に対する実効屈折率であ
る。すなわち、平行光１０は非回折光１１と回折光１２
に分かれ、それぞれ第２のジオデシックレンズ５により
収束され、光検出器アレー８上の点ＡおよびＢに集光す
る。上記集光点ＡおよびＢの距離ｌは第２のジオデシッ
クレンズ５の焦点距離をｆ２とすると第３式で与えられ
る。

１−ｆｔ　・θ１　　　　　　　　　　　　・・・（３
）ここで、θ１は第２式で示した角度である。第３式か
らｉを知ることによりΔｆを求めることができる。

ところで上記第１のジオデシックレンズ４および第２の
ジオデシックレンズ５は圧電性基板１の表面に半球状に
窪みを加工し、光導波路２の作製と同様に窪みの表面に
ＴｉやＮｉなどの金属を熱拡散して光の導波層を作製し
たものであり、上記光の導波層は上記光導波路２と同様
の屈折率分布をもつ、光導波路２から上記第１および第
２のジオデシックレンズ４及び５に導波光が入射すると
導波光は窪みに沿って進む。このとき導波光はフェルマ
ーの原理により最短光路を進むため上記窪みにより導波
光は曲げられ窪みがレンズの作用を持つ。

第５図（ａ）は平行光１０が第２のジオデシソクレンズ
５により曲げられ、収束光に変換される様子を示してい
る。第５図（ｂｌは第２のジオデシックレンズ５の中心
を通る線で切断した第５図（ａ）の断面図である。第５
図（ｂ）において１４は上記窪みに作製した光の４波層
であり、光導波路２とつながっている。第１のジオデシ
ックレンズ４も同様の構造である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の光集積スペクトラムアナライザは以上のように構
成されているので、第１および第２の２個のジオデシッ
クレンズ４および５が必要である。

ところが、上記第１および第２のジオデシックレンズ４
及び５は窪みを１ミクロンのオーダで切削加工せねばな
らないため高度な加工技術が必要であった。上記のよう
な加工は計算機制御されたダイヤモンドのバイトなどを
用いて行なうが、ジオデシックレンズに必要な窪みは滑
らかな曲面であり、計算機制御により曲面を加工するに
は第６図（ａ）に示すような曲線を第６図（′ｂ）に示
すような階段状に分割することになる。ところが光の導
波層１４に第６図（′ｂ）のような段差があると光の導
波層１４を伝搬する光は大きな損失を受ける。第７図は
上記段差の量ΔＸと段差において生じる光の田失との関
係を示したものである。図はＬｉＮｂ０゜にＴｉを熱拡
散して作製した上記光の導波層１４にＴＥ、モードの光
を導波させた場合を示しており、図中Ｃ，ＤおよびＥは
それぞれ上記光の導波層１４の表面から１．２８μｍ、
１．０９μｍおよび０．９５／Ｊｍの深さを上記ＴＥ、
モードが伝搬した場合を示している。例えば図中Ｅにお
いて上記段差の滑Δｘ＝０．４μＩの場合、約１ｄＢの
損失を生じ、上記のような段差が多数存在すると非常に
大きな損失を生じる。そこで切削加工後、粒子径０．３
μｍ程度の研磨剤により研磨加工を行ない上記段差の量
ΔＸを小さくすることが不可欠である。しかし上記窪み
全面にわたり均等に研磨加工を施すことは困難であり、
部分的に研磨不足や研磨過多が生じるため上記段差を皆
無にすることができないだけでなく所要の曲面形状に変
形が生じる。このため上記第１および第２のジオデシッ
クレンズ４および５は損失が大きいだけでなく収差の大
きなものとなる問題点があった。さらに、上記のような
曲面部の加工は高度な加工技術と多くの加工時間を要す
るため、上記ジオデシックレンズは非常に高価なものと
なるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、光導波路自体に一方の端面から入射した光を
対向するもう一方の端面に結像させるレンズ機能を持た
せることにより、上記ジオデシックレンズの加工に必要
な曲面の切削加工および研磨加工が不必要で収差の小さ
い安価なレンズで構成できる光集積スペクトラムアナラ
イザを得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光集積スペクトラムアナライザは、光導
波路の屈折率分布を深さ方向（２方向）には一様で、半
導体レーザの出射光の光軸の方向（ｙ方向）および光導
波路の深さ方向（２方向）に垂直な方向（Ｘ方向）には
対向する光導波路の入力端端面と出力側端面とが互いに
ほぼ結像位置関係となるような分布とし、かつ圧電性基
板の屈折率よりも高くしたものであり、さらに表面弾性
波を上記光導波路の入力側端面と出力側端面のほぼ中間
を伝搬させるようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、光導波路をそれ自体がレンズの機
能を持つ屈折率分布型光導波路としかつ該光導波路の屈
折率を圧電性基板の屈折率よりも高いものとし、入力側
端面に取付けられた半導体レーザからの出射光を導波し
、出力側端面において上記半導体レーザからの発光領域
を結像させるようにしたから、トランスジューサにより
励振され上記入力側端面と出力側端面のほぼ中間を伝搬
する表面弾性波により回折された導波光は上記出力側端
面において非回折光の結像位置と異なる位置に結像し、
回折光と非回折光の結像位置の差からトランスジューサ
に印加された電気信号の周波数を求めることができ、曲
面の切削加工および研磨加工を必要とするジオデシック
レンズを不要にできる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す構成図である。図におい
て、１は溶融水晶板などの圧電性基板、３は半導体レー
ザ、６はトランスジューサ、７はダンパ、８は光検出器
アレー、１１は非回折光、１２は回折光、１３は表面弾
性波、１５は屈折率分布型光導波路である。

まず、屈折率分布型光導波路１５について説明する。第
２図は第１図の屈折率分布型光導波路１５のみを示した
図であり、１６は半導体レーザ３取付けている入力（＋
１．＋１端面、１７は光検出器アレー８を取付けている
出力側端面である。図中の座標軸のＸ軸方向は入力側端
面１６に平行な面内で屈折率分布型光導波路１５の表面
に平行な方向、ｙ軸方向は入力側端面１６に垂直な方向
、Ｚ軸方向は屈折率分布型光導波路１５の深さ方向であ
る。

第３図は上記光導波路１５の各軸方向の屈折率分布を示
しており、第３図（ａ）はＸ軸方向の屈折率分布ｎ（ｘ
）、第３図（ｂｌはｙ軸方向の屈折率分布（ｙ）、第３
図（Ｃ）はｚ軸方向の屈折率分布ｎ　（ｘ）であり、２
Ｘｏ、ｙｏおよび２ｚｏはそれぞれ屈折率分布型光４波
路１５の幅、長さ、深さである。

屈折率分布型光導波路１５は第３図に示すようにＸ軸方
向にのみ屈折率分布を持つ光導波路である。

例えばＸ軸方向の屈折率分布ｎ　（ｘ）を第４式％式％
（４） ここで、ｎｏは最大屈折率、ｇは屈折率勾配を表わす定
数である。第４式におけるｎｏおよびじと屈折率分布型
光導波路１５の長さｙｏを適当に設定することにより、
上記入力側端面１６と出力側端面１７を互いに結像位置
関係とすることができる。なお、上記のような屈折率分
布を持つ光４波路はＨＯＹ　Ａ株式会社から“一方向屈
折率分布型スラブレンズ”の商品名で販売されている。

このレンズは第２図の２方向の深さが５Ｂ程度あるが、
ここでは、上記レンズを溶融水晶の圧電性基板ｌに貼り
合せた後、トランスジューサ６で励振される表面弾性波
１３の波長以下の厚みになるまで切削および研磨するこ
とにより上記の屈折率分布型光導波路１５を形成するこ
とができる。なお、上記のような切削および研磨加工は
平面部のみであるため比較的簡単である。ところで、上
記屈折率分布型光導波路１５は、溶融水晶の屈折率をｎ
ｑとした場合少なくとも第５弐を満たさねばならないし
、導波光の損失をより小さくするには第６式を満たす必
要がある。

ｎｏ　＞ｎ、　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
５）ｎ（±ｘｏ　）＞ｎ、　　　　　　　　　　・・・
（６）いま、ｎｏ　＝１．４７０．　ｇ　＝０．０８８
なる上記一方向屈折率分布型スラブレンズを用いた場合
、ｎ、−１，４５７であるためＸｏ　＝１．２重量、ｙ
ｏ−３５，６關とするごとにより第６弐を満たす屈折率
分布型光導波路１５を実現できる。

次に動作について説明する。上記屈折率分布型光導波路
１５の入力側端面１６に取付けられた半導体レーザ３か
ら出射され上記屈折率分布型光導波路１５を導波する光
はトランスジューサ６に高周波電気信号が印加されてい
ない時、出力側端面１７において第１図の熱入に集光し
、点Ａに上記半４体レーザ３の発光領域を結像する。上
記トランスジューサ６は上記入力側端面１６と出力側端
面１７のほぼ中間に位置し高周波電気信号が印加される
と表面弾性波１３を励振し、これにより屈折率分布型光
導波路１５を導波する光の一部は回折されて第１図の点
Ｂに集光する。上記点Ａと点Ｂの距離ａと回折角度θ１
との関係は第３式において＋２の代わりにｙ０／２とお
くことにより第７式で与えられる。

第７式の距離βとトランスジューサ６に印加される高周
波電気信号の周波数Δｆとを関係づける第１式および第
２式はそのまま成立し、上記距離βを知ることにより上
記Δｆを求めることができる。

上記のように、本実施例の光集積スペクトラムアナライ
ザではジオデシックレンズを作成するための曲面の切削
および研磨という高度な加工技術を必要とせず、平面の
加工ですむため安価となる。

また、屈折率分布型光導波路１５に用いる一方向のみ屈
折率分布をもつスラブレンズは種々のメーカで分子スタ
ッフィング法やイオン交換法を用いて性能のよいものが
安定して製造されており、これらに上記の平面の加工を
施してもレンズとしての機能は何ら損なわれるものでは
なく、性能の安定した光集積スペクトラムアナライザを
得ることができる。

なお、上記実施例では溶融水晶の圧電性基板１を用いた
場合について説明したが、屈折率分布型光導波路１５よ
り屈折率の低いものであればどのような圧電性基板を用
いてもよい。また上記実施例ではＸ軸方向の屈折率分布
が第′４弐で与えられるものについて説明しだか、屈折
率がＸ軸の正および負の方向に徐々に減少する分布で、
かつ入力側端面１６と出力側端面１７を互いに結像位置
関係ならしめる分布であればよい。さらに上記実施例で
は半導体レーザおよび光検出機器レーを直接入力側端面
および出力側端面に取付けた場合について説明したが、
これは結像光学系を介して入力端端面および出力側端面
と結合してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、光集積スペクトラム
アナライザにおいて、光導波路をそれ自体レンズの機能
を持つ屈折率分布型光導波路と光導波路より低屈折率の
圧電性基板とを用いて構成したので、装置を安価にでき
、また性能が良く、かつ安定したものが得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光集積スペクトラム
アナライザを示す構成図、第２図は屈折率分布型光導波
路に設定した座標軸を示す図、第３図は屈折率分布型光
導波路の屈折率分布を示す図、第４図は従来の光集積ス
ペクトラムアナライザを示す構成図、第５図はジオデシ
ックレンズの機能と構成を示す図、第６図はジオデシッ
クレンズの曲面の加工状態を示す図、第７図はジオデシ
ックレンズ加工における段差と損失の関係を示す図であ
る。 図中、１は圧電性基板、２は光導波路、３は半導体レン
ズ、４は第１のジオデシックレンズ、５は第２のジオデ
シックレンズ、６はトララスジューサ、７はダンパ、８
は光検出器アレー、９は発散光、１０は平行光、１１は
非回折光、１２は回折光、１３は表面弾性波、１４は光
の導波層、１５は屈折率分布型光導波路、１６は入力側
端面、１７は出力側端面である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ほぼ平行な対向する入力側端面および出力側端面
   をもつ２次元の光導波路と、上記入力側端面と出力側端
   面の間に設けられ上記入力側端面から出力側端面に至る
   導波光と斜交して上記導波光の一部を回折させるべき表
   面弾性波を励振するトランスジューサと、上記導波光と
   斜交して到来する表面弾性波を吸収するダンパとを表面
   に備えた圧電性基板と、 上記入力側端面から直接あるいは光学系を介して上記表
   面弾性波により回折された導波光を受光する光検出器ア
   レーとを備え、 上記光検出器アレー上における上記回折された導波光の
   受光位置から上記トランスジューサに印加された電気信
   号の周波数を分析する光集積スペクトラムアナライザに
   おいて、 上記光導波路の表面および上記入力側端面に平行な方向
   をｘ座標、上記入力側端面に垂直な方向をｙ座標、上記
   光導波路の深さ方向をｚ座標とした場合、 上記光導波路に、 ｙおよびｚ座標方向には一様な屈折率分布を持ち、ｘ座
   標方向には原点の屈折率ｎ＿０を最大として上記ｘ座標
   の正および負の方向に徐々に減少する屈折率分布でかつ
   上記入力側端面と出力側端面とを互いにほぼ結像位置関
   係ならしめる屈折率分布を持つものを用い、 上記圧電性基板に、 上記光導波路の最大屈折率ｎ＿０に対して ｎ＿ｑ＜ｎ＿０ なる関係の屈折率ｎ＿ｑを持つものを用いたことを特徴
   とする光集積スペクトラムアナライザ。
2. （２）上記圧電性基板に、 上記光導波路の最小屈折率をｎ＿ｓとしたときｎ＿ｑ≦
   ｎ＿ｓ なる関係の屈折率ｎ＿ｑを持つものを用いたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の光集積スペクトラム
   アナライザ。