JPH06100741B2 - 定在波形表面弾性波光変調装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，光の位相を超音波を使用して変調する光変
調装置に係り，特に，固体基板表面を伝搬する表面弾性
波（SAW:Surface Acoustic Wave）を回折格子として利
用し，かつ，該SAWの発生面を入射光の光軸方向にほぼ
平行間隔で積層するように配置し，さらにまた,SAWを発
生させる複数の音響波発生装置をSAWの進行方向が逆向
きになるように配置して，光軸方向から見透すとあたか
もSAWの定在波が発生，消滅を繰り返しているような効
果を発生させ，これらの結果，高効率で点滅する変調光
を得ることができる定在波形表面弾性波光変調装置に関
する。

〔従来の技術〕 光の位相面を，空間的に変調する光変調装置には、光学
的反射格子のように光の反射点の幾何学的空間位置を設
定し，それらの位置のずれから各々の反射光に光路差を
発生させて所望の位相遅れ（位相変調）を生じさせるも
のと、光学レンズのように光の透過する部分の材質の厚
さや，屈折率を変化させて光の速さを遅らせ，その結
果，位相遅れを生ぜせしめるものとがある。光を透過さ
せる媒質の屈折率を変化する方式の位相変調装置では、
光透過媒質に異方性結晶などを用い，電界や磁界を加え
ることによって容易に，しかも高速に位相遅れを生じさ
せることが可能であり，圧電結晶基板上の光導波路など
に電界を加えて位相変調を行う変調素子や、さらに２つ
の素子の変調光を干渉させて光の点滅を行う光スイッチ
など多くの実用的な光学素子が開発されてきた。

また、電界，磁界等の変化では顕著な屈折率変化の生じ
ない物質，あるいは光の透過する部分の面積が広く，そ
の部分全体に例えば正弦波格子状の位相変化分布を発生
させたいような場合には，光透過媒質中に超音波を放射
し，超音波による媒質の密度変化によって屈折率変化を
生じさせる音響光学的な手法がとられてきた。

この音響光学的な位相変調の方法は、大別すると，媒質
の内部を進行するバルク波を使用するものと、媒質の表
層にエネルギーの大部分が集中している表面弾性波（SA
W）を利用する方法とに分けられる。

バルク波を用いるものは，超音波の中を長い距離にわた
って光を進行させることが可能であり，この結果，超音
波と光の相互干渉の時間（距離）を長くとることがで
き，位相変化量が大きい（変調高率が高い）特徴がある
が，しかし，光透過部分の面積を広くし難く、また，超
音波の発生帯域が構造上狭い等の作成面での問題と、バ
ルク波により生じた立体的な格子状の屈折率変化領域に
対する光の入射角度がBragg（ブラッグ）の条件によっ
て制限され，入射光の波長もしくは超音波の波長が変化
するとそれに従って入射角度も調整する必要があった。
しかしながら，固定周波数の光変調装置としては、小
形，高効率であり、最も実用化されているものの一つで
ある。一方、SAWを利用する光変調装置は、SAWの発生機
構が高周波，広帯域に向くものであって，かつ，前記Br
agg（ブラッグ）の条件に適したようにSAWの発射方向を
変化させる方法も開発されてきたため高周波，広帯域の
光変調装置として用いられてきた。SAWと光との組合せ
方法には、光をSAWの発生している基板表面に薄膜状に
導いてSAWの中を長時間（長い距離）伝搬させて変調効
率を高める方法と,SAWの発生面に垂直に光を透過させて
短時間（短距離）で位相変調させる方法とがある。SAW
発生面に光を導波する方法は，主に薄膜光ICの位相変調
素子として多用され利用価値が高い。また、SAW発生面
に垂直に光を入射する方法は，幅の広い光束全体に位相
変調をかけることが可能で，一般的な空間伝搬形の光学
系において位相回折格子のように使用されることが多
い。この場合、SAWの周波数を変化させて格子定数を変
化させることが可能で可変格子間隔を有する位相回折格
子として注目を集めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなSAW発生面に光を垂直に入射
する方式の光変調装置では,SAWと光の相互作用時間が他
の方式のものに較べ短かく位相変調の効率を高めること
が困難であった。

前記バルク波を使用する変調装置では、前記Bragg（ブ
ラッグ）の条件を満足させれば、80％程度の変調効率が
期待できるが、SAWに垂直に光を入射する変調装置で
は、数％程度と極端に低く，実用面も非常に限られたも
のとなっていた。（注：ここで言う変調効率とは、位相
変調後の光を結像させ，位相変化で生じた回折光の強度
を測定して，入射光の何％が回折したかを求めたもので
ある。） 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたもので，
その解決の手段として、光を透過し，かつ,SAWが伝搬す
る光学平面を表裏にもつ複数個の基材を，各々の表裏面
が互いにほぼ平行な間隔をもちながら対向するように配
置し，それら基材の間隙に音響振動を発生させるための
音響波発生装置を介在させ，これら音響波発生装置で発
生した音響振動が，これら発生装置を挾む２つの光学平
面に，同一周波数で同一位相のSAWとなって同一方向に
伝搬するような構成とした。このため，複数個の基材に
はそれぞれ同一の音響特性を有し，かつ，入射光の透過
性が十分良好な材質のものを用いた。さらにまた、複数
個の前記音響波発生装置をほぼ半数づつの２つのグルー
プに分けて，各々のグループでは,SAWは同一方向に同一
周波数，同一速度で進行し，かつ，各SAWを光軸方向よ
り見透した場合に同相で重なるよう，前記複数の発生装
置のSAW発生機能（特性）並びに配置場所を設定した。
さらに，この２つのグループ間でのSAWは，周波数，進
行速度は等しく，かつ，位相面は空間的に平行に揃うよ
うにし，進行方向のみ逆方向としてSAW伝搬基材上の光
透過領域にて空間的に交差するよう，前記各グループの
音響発生装置の位置を設定した。

〔作用〕

以上の手段によって，入射光の光軸方向に積層されたSA
W伝搬基材を、SAWの伝搬速度に対し無視できる程の短時
間で光が通過し，各基材表面に発生している同一周波数
で，かつ，空間的に同一平面内に揃った位相（以後，空
間的な同位相という。）を有する複数のSAWにより同様
の位相変調を繰返し受けることになり、SAW伝搬基材の
枚数に従って変調効率を増加させることが可能となっ
た。加うるに，複数のSAWをほぼ等分して逆行させたた
め，光軸方向から重なりあっているSAWを見透した場合
に，逆行しているSAWが同相の位置で重なった瞬間に
は，見かけ上，全体のSAWが強め合って，最大強度の位
相変調がかかる状態となり，また，この逆に，逆位相で
重なると互いに弱め合い，たとえば,2つのグループの各
々のSAW振幅強度の総和が等しい場合など，位相変調が
全くかからない状態，すなわち，見かけ上の屈折率変化
の分布が一様になる状態が出現する。このような位相変
調状態の変化は交差する２つのSAWの周波数及び速度が
等しい場合には，空間的に定在波状態となり，また，時
間的には，相対的に２倍の速度でSAWが交差しているた
め，前記空間的な定在波全体がSAWの２倍の時間周波数
で発生，消滅を繰り返している状態となる。ゆえに，例
えば，本装置を通過した平面波光をレンズで収束し，フ
ラウンホーファ回折像を観測すれば，その±第１次輝点
はSAWの時間周波数の２倍で点滅している輝点となる。

よって，本発明は，基材の積層によって位相変調の効率
を増大させつつ,SAWの伝搬方向を逆行状態にして，高周
波数で断続する位相変調機能を併合させたものとなって
いる。

〔実施例〕

第１図に本発明の定在波形表面弾性波光変調装置の第１
の実施例における構成図を示す。

本図は本発明の要旨を示し、複数の基材1a,1b,1cと音響
波発生装置2a,2bとの組合せについて図示したものであ
る。

複数の基材の間に音響波発生装置を配置する構造を簡単
に実現するには、従来より用いられているSAWを用いた
音響光学的位相変調素子、例えば，同一出願人・同一発
明者による発明「表面弾性波を利用した光の回折装置」
（特願昭60-234812号）などを、本発明の要領により他
の同一音響特性を有する基材と組合せて構成する方法が
考えられる。この「SAWを利用した光の回折装置」で
は、光位相変調の基本的な動作を行わせる構造として，
光透過性を有する基材に圧電性基板を使用し，その基板
表面に音響波発生装置として交差指形電極を金属の蒸着
薄膜で形成している。

前記第１図で示せば、基材1aは圧電性基板であり，か
つ，その片側表面に金属薄膜の蒸着技術及び半導体微細
加工技術等によって作成された交差指形電極が音響波発
生装置2aとして配置された構成である。

この圧電性基板と交差指形電極による光位相変調素子
が、SAW発生面に垂直入射する光を広い面積で位相変調
する素子としては最も簡単な構造であり，広く知られた
方式である。

さて、このような位相変調素子を基本に再度前記第１図
の実施例を説明すれば，本実施例は２つの同特性を有す
るSAWによる位相変調素子、すなわち，基材1aと音響発
生装置2a,及び基材1cと音響波発生装置2bとの組合せで
構成される２つの位相変調素子の間に、前記基材1a、1c
と同等の音響特性を有する基材1bが挾まれた構造である
と言える。この場合、前記音響波発生装置2a,2bの表面
が基材1bの表裏の光学平面に密着するように重ねれば、
前記音響波発生装置2a,2bにより前記基材1bの表裏面に
もSAWを発生させることが可能である。

実験的にSAWの振動振幅は数Å〜数十Åであり，また，
通常用いられる交差指形電極の膜厚は数μｍ程度あるた
め，前記基材の間に交差指形電極のみを挾んだだけで積
層圧着しても，交差指形電極の厚さによって生ずる各基
材間の空隙は、その対向する光学平面にSAWの伝搬させ
るに十分な間隔を有する。

また，この空隙の幅を一定に保ち，各基材をほぼ平行に
積層配置する簡便な方法は、同図にも示されているよう
に，交差指形電極を形成するに際し，光透過領域の反対
側にスペーサ3a,3bとして蒸着膜の小片を形成するのが
良い。本実施例では、このスペーサ3a,3bをSAWの進行方
向に対して斜めになるように形成し,SAWの不要反射が音
響波発生装置2a,2bに戻らないようにしてある。

さらにまた，前記音響波発生装置2a,2bの配置場所は，
基材中央部分の光透過領域を挾んで対向する位置とし，
透過させる入射光の光束の大きさを考慮して，その間隔
を決定する。この間隔の実用的な最大値は，基材にニオ
ブ酸リチウム等の圧電基板を用いSAWの周波数を200MHz
程度と仮定すれば，伝搬損失が0.3dB/cm程度と推定で
き，現状で使用可能な基板の最大値径及びマスクアライ
ナー等の製造装置の能力を考え合せると10cm程度と思わ
れる。この値は，現在使用されているガラス材に刻線し
た形の光学回折格子の形状よりはるかに大きく，十分実
用に耐えうるものである。

次に，本実施例のSAW進行方向軸と入射光軸を含む平面
での断面図を示した第２図を用いて、SAWの伝搬の状態
と，光の入射及び位相変調について説明する。

前記第１図で示したように、本実施例では、３つの基材
と２つの音響波発生装置によって基材の４つの光学平面
にSAWが発生する。

これら４面のSAWに、第２図に示すようにSAW1,SAW1′,S
AW2,SAW2′と名前を付ける。前記SAW1とSAW1′は同一の
音響波発生装置2a発射されたSAWであるから完全に空間
的な同位相を保っている。また、同様にSAW2、SAW2′に
ついても空間的な同位相であることは明白である。ゆえ
に，音響波発生装置2a,2bについてその発射する音響波
（SAW）が，空間的に逆方向を向いて進行し，基材のほ
ぼ中央に位置する光透過領域で，光軸方向から見透した
場合に位相面の方向（格子方向）が同一方向に揃った状
態で交差するように配置調整する必要がある。

位相調整の方法はいくつか考えられるが，最も簡単で確
実な方法は、各音響波発生装置の発生機構の配置を調整
し,SAWの位相面を合わせることである。

実施例のような交差指形電極では、各電極のSAW伝搬方
向位置をSAW波長の数〜数10分の１の精度で調整できれ
ば良く，実際に必要な数値精度は数μｍである。この程
度の精度内での位置決めは現在の現在の半導体素子製造
用のマスクアライナーで十分実現できるものである。

第３図に第２の実施例における構成図を示す。この実施
例は、両面に音響波発生装置2a,2bを備えた両面形の位
相変調素子６に，同質の基材1a,1cを密着させた構成で,
2つの音響波発生装置2a,2bと光透過性を有する３つの基
材1a,1b,1cで、４面にSAWを発生させる動作は，前記第
１図に示した第１の実施例と同様である。しかしなが
ら、製造過程で用いる技術は異なり，第１の実施例で
は、２つの位相変調素子を組合せる段階で音響波発生装
置2a,2bの位置を整合させ、SAWの進行方向と位相面（格
子方向）を調整するアッセンブリー技術が必要であり、
一方、本実施例では、両面形の位相変調素子６を製造す
る際に，前記音響波発生装置2a,2bの空間的な位相を整
合させるための両面マスクアライメントの技術が重要で
ある。現状では、技術的に第１の実施例の構成法が優位
であるが，製造工程の簡略化や、完成品の品質の均一化
には本実施例で示した構成法が有力と考えられる。

以上、本発明の基本となるSAWの発生法について，その
実施例を述べたが、本発明の実用化に当たっては、前記
引用した発明「表面弾性波を利用した光の回折装置」に
も示されているように、SAWの不要反射を防止する超音
波吸収部材の配置や、SAWが熱として消滅する際の発熱
に対する対策なども重要な項目である。さらに、本発明
のように、SAWによる基材の密度変化で屈折率変化を生
じさせる形の光位相変調装置では、使用される基材の屈
折率が大きくなることが多く、これに空気中で光入射を
行う場合には、表面あるいは内部反射率が数10％といっ
た高率になる可能性が高い。

よって、積層構成による光の多重反射を防止する意味に
おいて光学平面の光学的反射防止膜の形成（光学コーテ
ィング）が必要である。

第４図に、本発明の簡単な応用例として，光の偏向装置
に用いた例を示す。

周波数f₀の正弦波の電気信号によって基材1a,1bの向い
合った面及び基板1b,1cの向い合った面に発生した２組
のSAWは、格子定数にあたる空間周期ｄを有し，速度ｖ
で矢印の方向に互いに交差するように進行する。同図左
の方向から入射光４がこの基材を通過すると、この入射
光はSAWによる基材表面の凹凸と基材表面直下の屈折率
変化によって位相変調を受ける。この位相変調は、空間
周期ｄの繰返しによる周期的なものであるから、この光
は通常の正弦波位相格子を透過した光と同じく、レンズ
７でレンズの焦点面８に結像させると回折像を生ずる。
ここで，入射光が波長λの単色光であれば、該回折像は
前記格子定数ｄで位置の定まる±１次の回折輝点像とな
る。この回折輝点の発生位置は、焦点面８上の光軸より
距離αだけ離れた位置となり、方向はSAWの伝搬方向と
等しい。αの値はレンズ７の焦点距離をＦとすれば α＝Ｆλ/d＝f₀Fλ/v ……（１） で表わされる。ここで、正弦波電気信号の周波数がf₀を
中心に±Δf/2変化するものとすれば、焦点面８上での
±１次の回折輝点の変化量ΔαはΔα＝ΔfFλ/v ……
（２） となる。（２）式で明らかなように、SAWの伝搬速度ｖ
が小さく、レンズの焦点距離Ｆが長く、光の波長λが長
いほど変位量Δαは大きく、かつ、電気信号の周波数と
直線的な関係で変化することが分かる。

また，前記〔作用〕の部分でも述べたように，交差して
進行する２組のSAWは，見かけ上，光軸方向からは波長
ｄの定在波として考えることができ，この定在波は全体
的にSAWの２倍の周波数で発生，消滅を繰り返している
ものである。

よって，前記回折輝点もこの定在波の発生周期と同周期
で点滅を繰り返すものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、２つ以上の音響波
発生装置を光透過性を有する基材の間にそれぞれ挾み込
む形とし,1つの音響波発生装置で２つの基材面に同一周
波数、同一位相のSAWを発生させ，かつ，音響波発生装
置の半数づつを光透過領域を挾んで対向した位置に配置
し，それらより発生するSAWが，光透過領域で空間的に
同じ位相面（格子方向）をもって交差，すれ違うように
したため，従来装置では得られなかった高効率の位相変
調が実現でき，加えて，交差するSAWによって発生，消
滅を周期的に繰り返す定在波状の位相格子を形成するこ
とができた。この位相格子で空間的及び時間的に変調の
かけられた平面波光を，たとえば，レンズ等で回折像に
変換すれば,SAWの２倍の周波数（数百MHz〜数GHz）で高
速点滅を繰り返えす回折輝点が得られる。この点滅周期
はSAWの周期と同期しているため，光情報処理系では，
高速光チョッパとしての利用が考えられる。また，本装
置では，広い面積を有する光（光束）を取扱えることが
特徴で,SAWの周波数可変性と併用して可変格子定数の位
相格子としても利用できる。

さらにまた，光偏向装置として用いたり，高速点滅を繰
り返えす回折光をストロボ光源として活用する方法も考
えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の定在波形表面弾性波光変調装置に係
る第１実施例における構成を示す。 第２図は、第１図の第１実施例における積層された基材
と複数のSAW及び入射光との位置関係を示す。 第３図は、本発明の第２実施例における構成を示す。 第４図は、本発明を光偏向に応用した場合の光の偏向状
態を示す。 図において、1aと1b及び1cは基材、2aと2bは音響波発生
装置、3aと3bはスペーサ、４は入射光、６は1bと2a及び
2bを合せた両面形の位相変調素子、７はレンズ、８は焦
点面をそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光透過性を有し，かつ同一の音響特性を備
   え，表裏にそれぞれ光学平面を持ち，互いに光学平面を
   対向させながら積層された複数の基材と、 該複数の基材の対向する光学平面間の少なくとも１つに
   介在されていて，所定の進行方向に所定波長及び所定位
   相をもつ第１の表面弾性波を光学平面に発生させる第１
   の音響波発生装置と、 前記複数の基材の対向する光学平面間の少なくとも１つ
   に介在されていて，前記所定の進行方向と逆方向に前記
   所定波長と同一波長をもち，かつ１つ又は互いに同位相
   をもつ２つ以上の第２の表面弾性波を光学平面に発生さ
   せる第２の音響波発生装置とを備え、 前記第１及び第２の表面弾性波から作られる格子により
   透過する光を変調させる定在波形表面弾性波光変調装
   置。