(57)【要約】【課題】小型で高性能の光アッテネータを安価に提供する。【解決手段】電気光学物質（１２ａ，１２ｂ）からなる立体の左右両面（１６ａＬ−１６ａＲ，１６ｂＬ−１６ｂＲ）に互いに面対称となる三角電極（１３ａ，１３ｂ）を備えた二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）を位相子２０を介して前後に配置してなる光偏向器１０が、光路に沿って一組以上配置されて光偏向部が構成され、第１の光偏向部、エタロン３０、第２の光偏向部が光路に沿って順に介在するとともに、三角電極間とエタロンの電極間（３２−３４）の電界強度を可変制御するための駆動回路（１４ａ，１４ｂ，３５）を備え、電気光学物質は左右の面が互いに平行で、位相子の光学軸は、前方から見てプリズム素子における左右の面の法線方向に対して４５゜傾いており、光偏向器における前後二つのプリズム素子の三角電極が前後で点対称となるように配置されている光アッテネータ１としている。【選択図】図４
2014197147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前後方向を光軸として、前方から光軸に沿って入射された所定の波長成分の光の強度を減衰させて出力する光アッテネータであって、
前記光軸に直交する２方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、
電気光学効果を有する電気光学物質からなる立体の左右両面に三角形状の電極が面対称となるように形成されてなる二つのプリズム素子が、１／２波長板からなる位相子を介して前後に配置されてなる光偏向器を、光路に沿って一組以上配置してなる光偏向部と、
平板状の電気光学物質の前後両面に電極とミラーが配置されてなるエタロンと、
前記二つのプリズム素子のそれぞれの左右の面に形成されている電極間の電界強度を可変制御するための駆動回路と、
前記エタロンの前記前後両面に形成されている電極間の電界強度を可変制御するための駆動回路と
を含んで構成され、
前記入射した光が出力されるまでの光路上に、第１の前記光偏向部、前記エタロン、第２の前記光偏向部がこの順に介在し、
前記プリズム素子における前記電気光学物質の立体形状は、前記左右の面が互いに平行で、
前記位相子の光学軸は、光軸に沿って前方から見たときに、前記プリズム素子における左右の面の法線方向に対して４５゜傾いており、
前記光偏向器は、前記三角形状の電極が前後で対称となるように配置されている、
ことを特徴とする光アッテネータ。
【請求項２】
請求項１において、前記エタロンは、前記平板状の電気光学物質の前面に、前方から後方に向かって、透明電極と、ダイクロイックミラーとがこの順に積層されているともに、後面に電極を兼ねる金属ミラーが積層されて、前方から入射した光を前方に出力するように構成されているとともに、前記第１と光偏向部と第２の光偏向部を兼ねる一つの前記光偏向部の後方に前記エタロンが配置されて、前記入射した光は前記金属ミラーによる反射の前後で当該光偏向部を２回通過したうえで前方に出射することを特徴とする光アッテネータ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記プリズム素子は、前後に前記光軸と直交する面を有する直方体状で、前記三角形状の電極は、光軸と平行な底辺を有する二等辺三角形であることを特徴とする光アッテネータ。
【請求項４】
請求項３において、前記二等辺三角形の頂角が鈍角であることを特徴とする光アッテネータ。
【請求項５】
請求項３または４において、前記エタロンの光の入射面は、前記光軸に対して傾いていることを特徴とする光アッテネータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物質の電気光学効果を利用して入射光の透過と遮断を制御したり、入射した光の減衰量を可変制御したりするための光アッテネータに関する。
【背景技術】
【０００２】
光アッテネータとしては、例えば、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）などの電気光学効果を有する物質（以下、ＥＯ物質）を用いたものがある。このＥＯ物質を用いた光アッテネータは、一般に、平板状のＥＯ物質の両面に電極を形成した電気光学素子、偏光子、検光子、および電極間に電界を印加するための駆動回路から構成され、光路に沿って、偏光子、電気光学素子、検光子の順で配置された構造となっている。そして、偏光子と検光子は、光学軸が互いに直交するように対面し、互いに平行となるように配置されている。また、ＥＯ物質の両面に配置された二つの電極間にできる電界の方向は、偏光子の光学軸に対して４５゜傾いている。
【０００３】
そして、電極間に電界を印加していないときは、偏光子を透過してきた直線偏光がその偏波面を維持したまま検光子に入射し、光が遮断される。一方、駆動回路により電極間に十分な電界を印加すると、その電界方向に偏波面が回転し、入射光が検光子を透過する。なお、この例では、光は透過（オン）か遮断（オフ）かの２状態であり、「光アッテネータ（光減衰器）」の中でも、「光シャッター」として分類されるものであるが、この光シャッターも、電界強度に応じて偏波面の傾きを制御することで検光子を透過する光の強度減衰量を変化させることができる。また、「光シャッター」は、所定の減衰量以上（あるいは以下）となった状態をオン（あるいはオフ）状態として定義しており、「光シャッター」は広義の「光アッテネータ」であると言える。そして、本発明は、このように、光シャッターも含めた「光アッテネータ」を対象としている。
【０００４】
なお、上述したＥＯ物質を用いた光アッテネータでは、電極間電界を極めて高くする必要があることから、電圧が高くなり、市販の光アッテネータの中には、ＥＯ物質を電極で挟持した構造を積層させた多層構造を採用し、７０Ｖ程度の電圧でも有効に動作するものもある（例えば、フルウチ化学株式会社製「ＰＬＺＴ高速光シャッター」）。
【０００５】
また、上記市販の「ＰＬＺＴ高速光シャッター」では、多層構造の層間を光路としているため、回折、あるいは電極による光散乱や反射が生じ、透過損失が大きくなる、という問題があることから、以下の特許文献１では、ＥＯ物質を薄膜化しつつ、集光レンズを用いて、その焦点近傍にＥＯ物質を配置することで、電極間距離を小さくして１５Ｖ程度の低電圧での駆動を実現しつつ、上述の多層構造に由来する光学的な各種問題を解決している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００５／１２１８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光アッテネータとしては、ＥＯ物質の電気光学効果を利用した形態に限らず、種々の原理や物質を利用した形態が存在する。例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ファラデー素子、液晶などである。ここで、光アッテネータの主要な利用分野である光通信での用途を考えると、ＭＥＭＳや液晶を用いた方式では応答速度が遅く、採用し難い。ファラデー素子を用いた方式では、磁界を印加するための構造が複雑であり、素子以外の周辺構成を含めると小型化が難しくなる。また、磁界を可変制御するために電磁石を用いており、その電磁石を駆動するために比較的大きな電流が必要となり省電力化が難しい。
【０００８】
一方、ＥＯ物質における電気光学効果を利用した光アッテネータでは、高速応答性に優れ、電界を印加するだけで駆動できるため、小型化し易く、また、電圧によって制御するため、電流がほとんど流れず、省電力でもある。したがって、ＥＯ素子を用いた光アッテネータが最も有望である、と言える。
【０００９】
なお、特許文献１に記載の技術を光アッテネータに適用した場合、駆動電圧を低くすることができ、駆動回路を含めた光アッテネータ全体の構成を小型化することが可能であると思われる。しかし、当該文献に記載の技術では、ＥＯ物質を挟持する電極間距離を数十μｍ程度にまで狭くしている。すなわち、ＥＯ物質を薄膜状に加工したり、薄膜状のＥＯ物質に電極を形成したりしている。そのため、製造工程が複雑となり、また、極めて高い加工精度も必要となる。そのため光アッテネータが高価なものとなる。
【００１０】
さらに、光アッテネータには、減衰量の調整範囲がより広く、かつ極めて高い精度で所望の減衰量に調整できる性能が必要となる。もちろん、高性能であっても、大型化したり、高価であったりすれば、実用上問題がある。そして、特許文献１に記載の技術は、オンとオフの二状態を切り替える光シャッターへの適用を想定しており、低電圧駆動と、多層電極構造を採用した市販の光スイッチにおける回折や散乱などの光学的な問題を解決することを目的としているため、広い範囲で減衰量を可変制御したり、減衰量を高精度に調整したりする性能が重要視される光アッテネータには適用することが難しい。すなわち、特許文献１に記載の技術をそのまま光アッテネータに転用することができない。
【００１１】
そこで本発明は、ＥＯ物質の電気光学効果を利用しつつ、製造が容易で、小型化も可能な高性能の光アッテネータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、前後方向を光軸として、前方から光軸に沿って入射された所定の波長成分の光の強度を減衰させて出力する光アッテネータであって、
前記光軸に直交する２方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、
電気光学効果を有する電気光学物質からなる立体の左右両面に三角形状の電極が面対称となるように形成されてなる二つのプリズム素子が、１／２波長板からなる位相子を介して前後に配置されてなる光偏向器を、光路に沿って一組以上配置してなる光偏向部と、
平板状の電気光学物質の前後両面に電極とミラーが配置されてなるエタロンと、
前記二つのプリズム素子のそれぞれの左右の面に形成されている電極間の電界強度を可変制御するための駆動回路と、
前記エタロンの前記前後両面に形成されている電極間の電界強度を可変制御するための駆動回路と
を含んで構成され、
前記入射した光が出力されるまでの光路上に、第１の前記光偏向部、前記エタロン、第２の前記光偏向部がこの順に介在し、
前記プリズム素子における前記電気光学物質の立体形状は、前記左右の面が互いに平行で、
前記位相子の光学軸は、光軸に沿って前方から見たときに、前記プリズム素子における左右の面の法線方向に対して４５゜傾いており、
前記光偏向器は、前記三角形状の電極が前後で対称となるように配置されている、
ことを特徴とする光アッテネータとしている。
【００１３】
また、前記エタロンは、前記平板状の電気光学物質の前面に、前方から後方に向かって、透明電極と、ダイクロイックミラーとがこの順に積層されているともに、後面に電極を兼ねる金属ミラーが積層されて、前方から入射した光を前方に出力するように構成されているとともに、前記第１と光偏向部と第２の光偏向部を兼ねる一つの前記光偏向部の後方に前記エタロンが配置されて、前記入射した光は前記金属ミラーによる反射の前後で当該光偏向部を２回通過したうえで前方に出射する光アッテネータとすることもできる。
【００１４】
前記プリズム素子は、前後に前記光軸と直交する面を有する直方体状で、前記三角形状の電極は、光軸と平行な底辺を有する二等辺三角形である光アッテネータとすることもでき、この光アッテネータにおいて、前記二等辺三角形の頂角が鈍角であればより好ましい。前記エタロンの光の入射面が、前記光軸に対して傾いている光アッテネータとすることもできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光アッテネータによれば、大きな光減衰量を極めて精度良く調整することが可能となる。また、小型化も可能である。製造も容易で安価に提供することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】エタロンの構成と動作を示す図である。
【図２】エタロンを利用したファブリペロー共振器の動作原理を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る光アッテネータの利用例を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る光アッテネータの構成図である。
【図５】上記実施例に係る光アッテネータの動作を示す図である。
【図６】上記実施例に係る光アッテネータを構成するプリズム素子内での光の屈折状態を示す図である。
【図７】上記実施例に係る光アッテネータの特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＝＝＝本発明に想到するまでの過程＝＝＝
上述したように、光アッテネータには、高速応答性、省電力化、低電圧駆動、小型化とともに、減衰量の広い範囲に亘って可変制御できる性能と、所望の減衰量に精密に調整できる性能とが求めらめる。そこで本発明者は、上記の市販品「ＰＬＺＴ高速光シャッター」や、上記特許文献１に記載の技術を利用した光アッテネータなど、従来の光アッテネータの技術思想を追求することを諦めるとともに、ＥＯ物質が持つ電気光学効果について再考し、全く新規な構成の光アッテネータの実現可能性について検討した。そして、まず、空間変調器（ＳＬＭ）としてよく利用されているエタロンを用いたファブリペロー共振器に着目した。
【００１８】
図１に、エタロンＥの構成や特性を説明するための図を示した。図１（Ａ）は、一般的なエタロンＥの構成と動作を示しており、（Ｂ）は、当該エタロンＥの特性を示している。（Ａ）に示したように、ここに示したエタロンＥは、厚さｔで所定の屈折率を有する物質をソリッドＳとし、そのソリッドＳが対向する１対のミラー間（Ｍ−Ｍ）で挟持された構成となっている。所謂「ソリッドエタロン」と呼ばれる構成である。
【００１９】
そして、このエタロンＥは、ファブリペロー共振器として動作し、自身に入射した光ＬｉｎをミラーＭで繰り返し反射させながら共振させ、透過光Ｌｏｕｔとして出射する。このとき、ミラーＭは、光の波長をλとして、ソリッドの厚さｔがλ／４の整数倍となるときに選択的に透過する。したがって、（Ｂ）に示したように、エタロンＥから出射する光Ｌｏｕｔの透過光強度は、λ／４の整数倍の波長にて極大値となる。また。ミラーＭの反射率に応じてその透過光強度の波長依存特性曲線の先鋭度が変化していく。
【００２０】
ここで、エタロンのソリッドにＥＯ物質を用い、ミラーＭの内面側に透明電極を形成したり、あるいはミラーＭ自体を金属で形成して、ミラーＭを電極と兼用させたりした構成にすると、対向する電極間に印加する電界に応じて物質の屈折率が変化し、エタロンＥのソリッドＳの厚さが光学的に変化することと同様の効果が得られる。すなわち、電極間に電界が印加されると、ＥＯ物質の層（以下、ＥＯ層）において、これらの電極間に挟持された部分の屈折率が電気光学効果によって変化する。これは、図１におけるエタロンＥにおいて対面するミラー間（Ｍ−Ｍ）にあるソリッドＳの厚さｔが変化するのと同等の作用である。そして、図２に示したように、ピーク波長λ１の波長成分の光がこのエタロンに入射したとき、ＥＯ層の屈折率を変化させると、当初のピーク波長λ１の波長成分（図中、実線の曲線）からピーク波長λ２の波長成分（図中、点線の曲線）へシフトする。つまり、波長λ１における透過光強度が当初のＩ１からＩ２へと変化する。そして、波長がλ１を入射し、電極間に印加する電界を制御すると、この波長λ１の光の強度を可変制御することができる。もちろん、エタロン単体だけでは、十分な減衰量が得られず、実用的な光アッテネータを得ることができない。しかしながら、エタロンを用いたファブリペロー共振器は、入射した光の波形（フリンジ）を整えて、先鋭度の高い光を出力することができる、という利点がある。
【００２１】
つぎに本発明者は、エタロンにおける光減衰作用、すなわち、エタロンにおけるソリッドの屈折率を変えてソリッドの厚さを擬似的に変化させる、という作用を増幅することができれば、光減衰量を大きく可変させることができる、と考えた。しかし、エタロンを低電圧でエタロンを駆動させ、さらに製造容易性を考えてソリッドの厚さをミリ単位にしようとすれば、屈折率の可変範囲は極めて小さなものとなり、広い範囲に亘って光減衰量を調整することが困難となる。そこで、エタロン単体で光アッテネータを構成するのではなく、発想を転換し、電気光学効果以外の原理によってさらに広範囲に亘ってソリッドの厚さを擬似的に可変制御することができれば、より大きな減衰量が得られる、と考えた。
【００２２】
そして、ＥＯ物質を三角形の平面形状を有する電極で挟持し、電極間に電界を印加することで、その電極間にあるＥＯ物質が実質的にプリズムとして動作する「電気光学プリズム」などと呼ばれる光学素子に着目した。この光学素子（以下、便宜的に「プリズム素子」と称す）と類似する構成については、例えば、特開２００６−１５４１４５号公報（特許文献２）などに記載されており、この特許文献２には、プリズム素子を用いて光を任意に偏向させることで、入射ポートからの入射光を任意の出射ポートに切り替える光スイッチについて記載されている。なお、当該特許文献２に記載の光スイッチは、プリズム素子単体では大きな屈折角度が得られないため、プリズム素子を光路に沿って複数配置し、屈折角度を積算させて最終的にポートを切り替える程度の偏向角を得ている。したがって、プリズム素子単体でも、光スイッチや光アッテネータなどの何らかの光学装置を構成しようとしても、その光学部品を小型化することが難しい。
【００２３】
このように、エタロンやプリズム素子など、それ単体では、実用的な光アッテネータとして機能させることができず、その主な用途も、波形整形やピーク波長のシフト、あるいは光の偏向である。しかし、エタロンのソリッド厚を擬似的に増減させる、という原理に着目すると、単体では機能せず、また主な用途も異なる光学素子であっても、それらを巧妙に組み合わせれば、実用的な光アッテネータを構成できるのではないか、と考えた。すなわち、本発明者は、ここで、エタロンとプリズム素子という、動作も用途も全く異なる光学素子を用いて光アッテネータを構成する、という発想の飛躍を試みた。概略的には、プリズム素子の後段にエタロンを配置すれば、エタロンへの光の入射角度が変化し、その角度によって、エタロンのソリッド内の光路長が増減する。すなわち、擬似的にソリッドの厚さが可変する。そして、このプリズム素子による光の偏向角度の変化と、エタロンのソリッドにおける屈折率変化との相乗効果により、入射光の波長の移動量が増大し、結果的に大きな減衰量が得られると考えた。
【００２４】
そして、上記考えに基づいて、エタロンとプリズム素子を用いた光アッテネータについて検討したところ、エタロンとプリズム素子を光路上に単純に配置しても有効な光アッテネータとして動作しないことが、確認された。一例を挙げると、印加電界によって物質の屈折率が変化する電気光学効果では、入射した光において、電界方向と平行な成分のＴＭモードの光（以下、ＴＭ偏光）に対しては、屈折率を大きく変化させることはできるが、電界方向と垂直な成分のＴＥモードの光（以下、ＴＥ偏光）に対する屈折率については、大きく変化させることができない。すなわち、ＥＯ層において、電気光学効果によって擬似的な三角プリズムとして機能する領域に入射した光は、そのＴＭ偏光については効果的に屈折するが、ＴＥ偏光については屈折し難い。また、光アッテネータには、大きな減衰量とともに、その減衰量を極めて精密に制御する、とういう相反する性能も求められている。
【００２５】
そして本発明者は、主要な光学部品としてエタロンとプリズム素子を含んで構成される実用的で高性能な光アッテネータを実現すべく鋭意研究を重ね、本発明者に想到した。
【００２６】
＝＝＝光アッテネータの構成と動作＝＝＝
＜利用形態＞
図３は、本発明の実施例に係る光アッテネータの利用形態を示す図である。この図３に示したように、光通信網の伝送路Ｌを伝搬する光は、光サーキュレーターＣによって分岐され、その分岐先の光ファイバＦＢの先端に接続されたコリメータ２を介して光アッテネータ１に入射する。そして、本発明の対象となる光アッテネータ１は、入射した光の強度を適切なレベルに減衰し、その減衰後の光を出力する。なお、こに示した光アッテネータ１は反射型であり、光アッテネータ１によって強度が減衰された光が入射方向に出射するようになっている。そしてコリメータ２は、光ファイバＦＢからの光を出射したり、当該光ファイバＦＢへ光を入射するためのポート３と、ポート３からの出射光を平行光に変換して光アッテネータ１に入射させたり、光アッテネータ１からの出射光をポート３に結合させたりするためのコリメートレンズ４とから構成されている。
【００２７】
したがって、図３に示した利用形態では、光アッテネータ１からの出射光は、入射光と逆の光路を辿り、コリメートレンズ４によりポート３に結合し、光ファイバＦＢを通って最終的に光サーキュレーターＣを介して伝送路Ｌに戻される。以下に、この光アッテネータ１の具体的な構成と動作について説明する。
【００２８】
＜構成＞
図４は、本発明の実施例に係る光アッテネータ１の概略構造図である。なお、図４では、当該光アッテネータ１に前方から後方に向かう光５０が入射するものとし、その入射光５０の進路を延長させた方向を光軸８０として規定する。この図では、紙面左方向を前方として、光アッテネータ１には、紙面左方向から右方向に向かう光５０が入射することになる。また、前方から見たときに互いに直交する所定の２方向を、上下および左右方向として規定している。そして、図４（Ａ）は、当該光アッテネータ１を右方から見たときの側面図であり、（Ｂ）は、上方から見たときの平面図である。
【００２９】
ここに示した本実施例に係る光アッテネータ１は、光軸８０方向を法線とした前面と後面が正方形となる直方体状のＥＯ物質（１２ａ，１２ｂ）の左右の面（１６ａＬ−１６ａＲ，１６ｂＬ−１６ｂＲ）に三角形の電極（以下、三角電極：１３ａ，１３ｂ）を形成してなる二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）と、１／２波長板からなる位相子２０と、ファブリペロー共振器として動作するエタロン３０と、当該光アッテネータ１を動作させるための駆動回路（１４ａ，１４ｂ，３５）とから構成されている。
【００３０】
二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）は、前方から後方に向かって直列に配置され、後方のプリズム素子１１ｂのさらに後方にエタロン３０が配置されている。前後二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の間には位相子２０が配置されている。
【００３１】
各プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）には、前後方向と平行で、かつ互いに対面する二つの面（ここでは、左面１６ａＬ−１６ａＲと右面１６ｂＬ−１６ｂＲ）に三角電極（１３ａ，１３ｂ）が面対称となるように形成されているとともに、この三角電極間（１３ａ−１３ａ，１３ｂ−１３ｂ）に電界を印加するための駆動回路（１４ａ，１４ｂ）が接続されている。なお、前後のプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）における三角電極（１３ａ，１３ｂ）は、合同であり、直方体状のＥＯ物質（１２ａ，１２ｂ）の同じ面（左面１６ａＬと１６ｂＬ、または右面１６ａＲと１６ｂＲ）に形成されている三角電極（１３ａ，１３ｂ）は、前後のプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）において、倒立の関係となっている。すなわち、当該三角電極（１３ａ，１３ｂ）が形成されている面（１６ａＬ−１６ａＲ，１６ｂＬ−１６ｂＲ）の法線方向を軸として互いに１８０゜回転させた関係となっている。
【００３２】
前後のプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の間に介在している位相子２０は、前後に互いに平行な面を有する平板状で、この面を光の入出射面としている。ここでは、位相子２０の前後面の法線方向が光軸８０と一致する。また、位相子２０の光学軸は、光軸８０に沿って前方から見たときに、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）において三角電極が形成されている面の法線方向に対して４５゜の角度で交差するように設定されている。すなわち、三角電極間に電圧を印加したときに発生する電界方向と４５゜の角度で交差するように設定されている。そして、この位相子２０と、その前後に直列配置されている二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）と、それぞれのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）とからなる構成が光偏向器１０であり、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）を駆動回路（１４ａ，１４ｂ）によって駆動すると、光偏光器１０は、前方、あるいは後方から入射した光をその進行方向に対して屈曲した方向に出射する。
【００３３】
光偏向器１０の後方には、平板状のＥＯ物質をソリッド３１とし、そのソリッド３１の前後両面にミラー（３２，３４）と電極（３３，３４）を配置したエタロン３０が配置されている。このエタロン３０にも、電極間（３２−３４）に電界を印加するための駆動回路３５が接続されている。そして、このエタロン３０は、駆動回路３５によって駆動されることで、自身に入射した光の波形を整形するとともに、駆動回路３５によって電極間（３２−３４）に印加されたの電界強度に応じて当該入射光のピーク波長をシフトさせる可変型のファブリペロー共振器として機能する。以上が光アッテネータ１の概略構造である。以下では、当該光アッテネータ１を構成する各光学部品（１１ａ，１１ｂ，２０，３０）の構造をさらに詳しく説明する。
【００３４】
まず、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）は、ＥＯ物質（１２ａ，１２ｂ）として直方体形状のＰＬＺＴを用い、その直方体において、互いに対面する左右二つの面（１６ａＬ−１６ａＲ，１６ｂＬ−１６ｂＲ）に平面形状が二等辺三角形となる三角電極（１３ａ，１３ｂ）を対向配置した構造となっている。三角電極（１３ａ，１３ｂ）を形成する二等辺三角形の底辺は前後方向と平行である。したがって、前後二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の三角電極（１３ａ，１３ｂ）は、二等辺三角形の頂角が互いに上下に反転するように配置されている。
【００３５】
一方、エタロン３０は、ソリッド３１が平板状のＰＬＺＴからなり、そのソリッド３１の前後両面に電極（３３，３４）とミラー（３２，３４）を配置した構成である。前方のミラー３２は、多層誘電体膜を用いたダイクロイックミラー３２であり、例えば、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の薄膜を積層したブラッグミラーを１層分の誘電体薄膜として、その誘電体薄膜をさらに複数層分積層したものを採用することができる。ダイクロイックミラー３２の後面にはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などからなる透明電極３３が形成されている。また、後方のミラー３４は、ＡｕやＡｇなどの金属からなり、電極を兼ねた金属ミラー３４となっている。そして、このエタロン３０は、自身に入射した光をＥＯ物質からなるソリッド３１内で多重反射させて、波形を整形し、波長をシフトさせて前方から出射するように構成されている。
【００３６】
＜動作＞
つぎに、本実施例の光アッテネータ１の動作について説明する。図５、図６は、本実施例の光アッテネータ１の動作を示す図である。図５は、当該光アッテネータ１を左方から見たときの光路図であり、図６は、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）による光の偏向動作を説明するための図である。図６（Ａ）は、前方のプリズム素子１１ａにおける光の屈折状態を示しており、（Ｂ）は、後方のプリズム素子１１ｂにおける光の屈折状態を示している。
【００３７】
まず、前方から所定の波長（例えば１５５０ｎｍ）にピークを有する光５０を前方のプリズム素子１１ａに入射させることとする。この際、三角電極間（１３ａ−１３ａ）に電界を印加しておくと、この三角電極間（１３ａ−１３ａ）の領域（以下、プリズム領域）の屈折率が電気光学効果によって変化する。すなわち、擬似的な三角プリズムがＥＯ物質１２ａの内部に形成される。プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の本体となるＥＯ物質（１）は直方体状で、その前後面は光軸８０と直交するため、前方のプリズム素子１１ａに入射した光５０は、そのまま直進し、その直進する光５１がプリズム領域に入射する。ＰＬＺＴからなるプリズム素子１１ａは、三角電極間（１３ａ−１３ａ）に電界が印加されると、そのプリズム領域での屈折率が減少するので、プリズム領域に入射した光５１は屈折率の高い物質から低い物質に入射することになる。そして、前方のプリズム素子１１ａの三角電極１３ａは、上方を頂角とした二等辺三角形であることから、入射光５１は、プリズム領域で上方に屈折し、前方のプリズム素子１１ａからは、斜め上方に向かう光６０として出射する。しかし、入射光５１のＴＥ偏光は、電気光学効果によってほとんど屈折せず微量な屈折光７０として出射する。
【００３８】
より具体的には、図６（Ａ）に示したように、三角電極１３ａを形成する二等辺三角形の頂角の角度を２ａとすると、前方からプリズム領域に入射する光５１は、三角電極１３ａを形成する三角形の斜辺８２、すなわち、プリズム領域の外側と内側との界面８２からの垂線８１に対し、角度ａでプリズム領域に入射し、このプリズム素子１１ａにおけるプリズム領域の外側と内側との界面８２、プリズム領域の内側と外側の界面８３、およびプリズム素子とその外側との界面８４で、それぞれ、角度ｂ、ｃ、ｄで順次屈折していく。そして、これらの角度ｂ〜ｄは、プリズム領域への入射角度ａと、各界面（８２〜８４）を挟んで対面する物質の屈折率ｎ１〜ｎ３が解れば、周知のフレネルの式に基づいて求めることができる。
【００３９】
しかし、ＥＯ物質１２ａを用いたプリズム素子１１ａでは、プリズム領域の内外の界面８２で屈折するのは光のＴＭ偏光５２のみであるため、ＴＥ偏光５３は、プリズム領域に侵入しても屈折せずに光軸８０に沿って直進してしまう。すなわち、前方のプリズム素子１１ａ内では、後方に向かって屈折しながら光軸８０に対して斜め上方に進行するＴＭ偏光（５２，５４）と、光軸８０に沿って直進するＴＥ偏光（５３，５５）と、に分離され、前方のプリズム素子１１ａからは、進行方向が異なる二つのモードの光（６０，７０）が出射する。
【００４０】
前方のプリズム素子１１ａから出射した進路方向が異なるＴＭ偏光６０とＴＥ偏光７０は、それぞれ位相子２０に入射する。周知のごとく、位相子２０は、光の偏波面を９０゜回転させるので、振動方向が互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光（６０，７０）は、それぞれ、偏波面が９０゜回転し、位相子２０から後方に出射する。すなわち、後方に向かって斜めに上方に進行するＴＭ偏光６０はＴＥ偏光６１に変換され、光軸８０に沿って直進するＴＥ偏光７０がＴＭ偏光７１に変換される。そして、この位相子２０からの光（６１，７１）が後方のプリズム素子１１ｂに入射する。
【００４１】
後方のプリズム素子１１ｂの三角電極１３ｂは、図６（Ｂ）に詳しく示したように、前方のプリズム素子１１ａと同一の形状で、かつ左右方向を軸として１８０゜回転させた倒立関係にある。そのため、光軸８０に沿って入射してくるＴＭ偏光７１については前方のプリズム素子１１ａとは、その光路（５７〜５９）が上下対称となる。すなわち、前面８５から光軸８０にそって入射したＴＭ偏光７１は、そのまま直進し、角度ａでプリズム領域に入射する。そして、このプリズム領域との界面８２、プリズム領域の内側と外側との界面、およびプリズム素子１１ｂの内側と外側との界面８４で、それぞれ角度ｂ、ｃ、ｄで屈折する。
【００４２】
一方、前方から斜め上方に向かって入射するＴＥ偏光６１については、プリズム領域で屈折しないことから、プリズム素子１１ｂの内外の界面（８５，８４）でのみ屈折する。すなわち、後方のプリズム素子１１ｂに入射したＴＥ偏光６１は、プリズム素子１１ｂの外側と内側を隔てる界面８５で屈折した後、その屈折光５６がそのままプリズム領域内を直進し、プリズム素子１１ｂの内外の界面８４にて再度屈折して後方に出射する。それによって、後方のプリズム素子１１ｂから出射するＴＥ偏光６２は、その入射光６１と同じ角度ｄでエタロン３０に入射する。
【００４３】
図５に示したように、エタロン３０のミラー（３２，３４）は、光軸８０方向に法線を有しており、後方のプリズム素子１１ｂからのＴＥ偏光６２とＴＭ偏光７２は、それぞれ、光軸８０に対して上下に同じ角度でこのエタロン８０に斜めに入射する。そして、エタロン３０へ斜めに光が入射することは、エタロン３０のソリッド３１内を通る光路長が長くなることであり、実質的にソリッド３１が厚くなることと同じ作用を及ぼす。そのため、エタロン３０に入射した光（６２，７２）は、ピーク波長がより大きくシフトすることになる。
【００４４】
エタロン３０に入射した光（６２，７２）は、エタロン３０内で多重反射し、波形が整形されるとともに、そのピーク波長がシフトされた上で、前方に向かうＴＥ偏光６３とＴＭ偏光７３とし出射する。そして、これらの出射光（６３，７３）は、それぞれの入射光（６２，７２）の光路を（６２→６１→６０→５１→５０，７２→７１→７０→５１→５０の順で）逆に辿り、図３に示したコリメートレンズ４を介して光ファイバＦＢのポート３に結合する。このとき、光ファイバＦＢのポート３には、光アッテネータ１に向かう入射光５０に対し、より大きく波長がシフトした光が入射されることになり、先に図２に示した原理に基づいて、光アッテネータ１に入射した当初の光５０のピーク波長における強度が減衰することになる。
【００４５】
＜特性＞
ここで、図６に基づいて、本実施例の光アッテネータ１の特性を向上させるための条件、および実際に作製した光アッテネータ１における各種条件について説明する。まず、本実施例の光アッテネータ１では、前後のプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）のそれぞれから出射するＴＥ偏光（６０，７２）の角度をより大きくすることで、より大きな減衰量が得られることになる。すなわち、図６における角度ｄが大きくなるようにする。そのためには、プリズム領域からの出射角度Δｃをより小さくする必要がある。すなわち、三角電極（１３ａ，１３ｂ）を形成する二等辺三角形の頂角２ａをより大きくする必要がある。しかしながら、この角度２ａを大きくし過ぎると、プリズム領域に入射してきた光（５１，５７）が全反射してしまい、その入射角度ａが臨界角に達してしまう。したがって、より大きな減衰量を得るためには、入射角度ａが臨界角未満で、より臨界角に近くなるように頂角２ａを設定することになる。
【００４６】
つぎに、実際の光アッテネータ１を作成するのに当たり、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の製造容易性、低電圧駆動などを考慮し、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）についての製造、および駆動の条件を決定した。まず、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の本体であるＰＬＺＴからなるＥＯ物質（１２ａ，１２ｂ）の加工容易性に鑑み、図４（Ｂ）に示した三角電極間（１３ａ−１３ａ，１３ｂ−１３ｂ）の距離ｄをｄ＝２５０μｍとした。また、駆動電圧Ｖを０≦Ｖ≦１５Ｖとした。電気光学効果に関わる条件としては、光学部品が設置される空間の屈折率ｎ１＝１、ＰＬＺＴの屈折率ｎ２＝２．２、およびＰＬＺＴのボッケルス係数ｒ＝４１．５ｐｍ／Ｖを採用した。
【００４７】
そして、プリズム領域での屈折率ｎ３は、以上の電気光学効果に関わる条件と、以下の式１、式２とによって求めることができる。  
ｎ３＝ｎ２＋Δｎ・・・式１
Δｎ＝−ｎ２３ｒＥ／２・・・式２
【００４８】
上記式１、式２より、プリズム領域における屈折率ｎ３は、駆動電圧を最大にしたときＶ＝１５Ｖで最少となり、そのとき、屈折率ｎ３は、ｎ３≒２．１９９９８７となる。したがって、プリズム領域の屈折率ｎ３は、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の駆動電圧範囲０≦Ｖ≦１５Ｖで、２．２≧ｎ３≧２．１９９９８７となる。さらに、ｎ３≒２．１９９９８７であるときの臨界角θｃを周知のθｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ３／ｎ２）の関係から求め、θｃ＝８９．８０３０３゜を得た。したがって、三角電極（１３ａ，１３ｂ）の頂角２ａは、２ａ＜２θｃ≒１７９．６０６１゜であればよいことになる。しかし、頂角２ａが直線（２ａ＝１８０゜）に近いと、三角電極（１３ａ，１３ｂ）の底辺１５が極めて長くなり、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の前後長ｗ１も長くなる。そのため、光アッテネータの小型化が難しくなる。そこで、２ａ＝１７５゜とするとともに、二等辺三角形の底辺１５からの高さｈ２をプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の高さｈ１と同じにした（ｈ１＝ｈ２）。その結果、当該底辺１５の長さｗ２を十分に短いｗ２≒１１．４５ｍｍとすることができた。そして、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の前後長ｗ１もこの底辺の長さｗ２（＝ｗ１）とした。
【００４９】
つぎに、エタロン３０の製造条件としては、ＰＬＺＴからなるソリッド３１の前後の厚さを１０ｍｍとし、そのソリッド３１の後方にスパッタリングなどによって反射率９７％の金属ミラー３４を形成した。また、ソリッド３１の前面には、ＩＴＯかならなる透過率９２．３％の透明電極３３を同様にスパッタリングなどによって形成し、その前方に、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５とをその順番で連続蒸着するなどして形成される一層分のブラッグミラーをさらに積層して反射率９７％の多層誘電体膜からなるダイクロイックミラー３２を形成した。なお、ブラッグミラーを構成するＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の膜厚は、ピーク波長λが１５５０ｎｍの光に対してλ／４となるように設定されている。それによって、当該エタロン３０は、前方から入射した光（６２，７２）を前方に出力する反射型となっている。そして、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）、位相子２０、エタロン３０を、それれぞれの光の入出射面の法線方向が光軸８０と一致するように空間に配置して上記実施例の光アッテネータ１を構成した。
【００５０】
つぎに、上記光アッテネータ１の性能を評価するために、ピーク波長λ＝１５５０ｎｍで、フィネスが１０３の光をシングルモード光ファイバによりコリメータに案内し、焦点距離１．３ｍｍ、有効径２５６μｍのコリメートレンズを介して平行光にした。そして、その平行光を入射光５０として、光軸８０に沿って前方のプリズム素子１１ａに入射し、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の三角電極間（１３ａ−１３ａ，１３ｂ−１３ｂ）、およびエタロン３０の電極間（３３−３４）に、０Ｖあるいは１５Ｖの電圧を、それぞれの駆動回路（１４ａ，１４ｂ，３５）により選択的に印加し、光偏向器１０とエタロン３０を個別に駆動した。そして、様々な駆動状態において、入射光５０と出力された光の分光強度を測定するとともに、その入出射光の分光強度の比を光損失として、その光損失の波長依存特性を求めた。なお、光偏向器１０を駆動する際には、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の三角電極間（１３ａ−１３ａ，１３ｂ−１３ｂ）に同じ電圧を印加して、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）のプリズム領域の屈折率ｎ３が同じになるようにした。
【００５１】
図７に、光アッテネータ１の駆動状態に応じた光損失の波長依存特性を示した。図中の特性曲線１０１は、光偏向器もエタロン３０も駆動していないオフ状態のときの光損失特性である。このオフ状態では、波長λ１において約−４０ｄｂの損失のピーク値を示した。また、曲線１０２は、エタロン３０を駆動せず、光偏向器１０のみを駆動したときの特性であり、曲線１０３は、光偏向器１０とエタロン３０の双方を駆動したときの特性である。
【００５２】
つぎに、これらの曲線（１０１〜１０３）において、まず、曲線１０１と曲線１０２より、光偏向器１０のみを駆動するとオフ状態の曲線１０１の波形を維持しつつ損失のピーク波長λ１が大きく短波長側にシフトした。そして、光偏向器１０とエタロン３０の双方を駆動した状態（全駆動状態）にすると、曲線１０３の特性となり、最終的に、ピーク波長が当初のλ１からλ２までシフトした。しかし、曲線１０２と曲線１０３を見ると、ほとんど損失のピーク波長がシフトしていないことが解る。すなわち、エタロン３０のみを駆動した場合には、大きな減衰量を得ることができない、ということが解った。いずれにしても、この光アッテネータ１では、オフ状態でのピーク波長λ１が、全駆動状態におけるピーク波長λ２までの波長の差Δλ＝０．０００３１ｎｍだけ、損失のピーク波長をシフトさせることができた。そして、オフ状態における波長λ１での損失が約−４０ｄｂであったのに対し、全駆動状態で−２．３ｄｂとなり、本実施例の光アッテネータ１では、この損失差が減衰量の可変範囲となり、大きな減衰量が得られる、とうことが解った。
【００５３】
ところで、曲線１０２と曲線１０３から、エタロン３０は、光減衰動作に対してほとんど寄与していないように見える。しかし、光アッテネータ１には、大きな減衰量を得ることともに、減衰量を精密に制御することも要求される。ここで、再度、曲線１０１と１０２を見ると、確かに、光偏向器１０の駆動電圧を０Ｖから１５Ｖまで可変制御すれば、損失のピーク波長を曲線１０１のピーク波長λ１から曲線１０２のピーク波長までの広い波長範囲内で設定できる。しかし、このことは、極めて小さな電圧変化でも損失のピーク波長が大きくシフトし、減衰量が大きく変化してしまうことを意味する。そのため、光偏向器１０のみを駆動した場合には減衰量を正確に設定することが難しい。
【００５４】
一方、エタロン３０は、曲線１０２と曲線１０３からも解るように、駆動電圧を大きく変化させても、損失のピーク波長が大きくシフトしない。言い換えれば、大きな電圧差で、損失のピーク波長を極めて短い波長分だけシフトさせることができ、減衰量の調整量を極めて細かく設定することができる。したがって、光偏向器１０とエタロン３０の駆動電圧を個別に変化させれば、図に示した曲線１０１におけるピーク波長λ１から曲線１０３におけるピーク波長λ２までの波長領域で、損失のピーク波長を精密に可変制御することが可能となる。すなわち、本実施例の光アッテネータ１によれば、大きな減衰量の獲得と精密な減衰量制御とを両立することができる。
【００５５】
また、本実施例の光アッテネータ１は、自身を構成する各種光学部品が空間内に配置されている、いう利点もある。例えば、光アッテネータをＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）によって構成すると、基板上に各種光学部品に相当する構造を形成することになるため、光学部品の配置を変更することができない。すなわち、光アッテネータを構成する各光学部品同士の光学的な配置関係を調整することができない。一方、本実施例の光アッテネータ１では、光学部品の設置の自由度が高く、各光学部品の配置を調整することで、光学的な特性を調整することができる。
【００５６】
さらに、本実施例の光アッテネータ１では、光偏向器１０を構成するプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）の形状が直方体で、さらに前後のプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）間で、三角電極（１３ａ，１３ｂ）が上下で反転している。そのため、光偏向器１０からは、光軸８０に対して上下対称にＴＭ偏光７２とＴＥ偏光６２が出射し、光偏向器１０とエタロン３０を直線的に配置することを可能にしている。すなわち、小型化、とくに上下方向の高さを抑えるのに適した構造や構成となっている。
【００５７】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例の光アッテネータ１では、エタロン３０が反射型であり、光の入射から出射までの光路長に対し、光アッテネータ１自体の前後長をほぼ半分にすることができ、極めた小型にすることに成功している。もちろん、エタロンを透過型としてもよい。この場合は、エタロンにおける後方のミラーと電極を、前方と同じダイクロイックミラーと透明電極で構成し、エタロンに対して光偏向器を前後で対象となるように配置すればよい。すなわち、光路がエタロンを中心にして前後で対象となるように、エタロンの前後にそれぞれ光偏向器を一組ずつ配置すればよい。
【００５８】
また、上記実施例では、三角電極（１３ａ，１３ｂ）の頂角２ａを直線に近い角度にして、一つのプリズム素子で大きな屈折角度を得ていた。その反面、ＥＯ物質の前後長Ｌが左右および上下幅に対して４０倍程度まで長くなっていた。もちろん、三角電極（１３ａ，１３ｂ）の頂角２ａを直線に近い角度にしなくても、複数の光偏光器を光路上に連続的に配置すれば、最終的には大きな屈折角度が得られる。そこで、プリズム素子の三角電極の頂角を鋭くして前後長を短くするとともに、二つのプリズム素子（１１ａ，１１ｂ）と位相子２０とからなる一組の光偏向器を前後に連続的に配置してもよい。この場合、部品点数が多くなるものの、頂角が直線に近く極めて扁平な三角電極を形成する必要がないため、プリズム素子単体では製造コストを抑えることができる。いずれにしても、一組以上の光偏光器からなる構成（以下、光偏向部）を用い、光路上に光偏向部、エタロン、光偏向部の順に配置して光アッテネータを構成すればよい。
【００５９】
上記実施例では、プリズム素子（１１ａ，１１ｂ）は直方体状であり、前後面が光軸８０と直交していた。もちろん、プリズム素子の前面や後面の向きは任意に設定することができる。しかし、プリズム素子に入射した光の進行方向とプリズム素子から出射した光の進行方向とがねじれの関係にあると、各光学部品間の配置関係が複雑になるので、現実的には、少なくとも上下両面と左右両面の一組が互いに面対象であればよい。例えば、上下方向や左右方向からの投影形状が、三角形、台形、平行四辺形などとなる場合である。
【００６０】
上記実施例では、三角電極（１１ａ，１１ｂ）は二等辺三角形であり、その底辺１５が光軸８０と平行であったが、三角電極は、二等辺三角形に限るものでもなく、三角形の全ての辺が光軸８０に対して傾いていてもよい。また、上記実施例では光軸８０とエタロン３０における光の入射面とが直交していたが、光軸８０に対し斜めに配置すれば、さらに、光の入射角度が大きくなり、実質的なソリッドの厚さがより厚くなり、より大きな減衰量を得ることができる。しかし、エタロンを傾けすぎるとエタロンへの入射光の進路とエタロンからの出射光の進路とが大きく異なり、最終的にコリメートレンズを介して光ファイバのポートに結合しなくなる可能性がある。また、エタロンから出射する光のビーム形状が楕円になる。さらに、光通信用途では、パルス状の光信号の遅延が波長成分によって異なる周知の群遅延による影響が無視できなくなる。したがって、エタロンを傾ける場合は、少なくとも、群遅延による影響を無視できる程度に傾けることが必要となる。
【００６１】
いずれにしても、本発明の光アッテネータは、エタロンに入射させる光の角度を光偏向器によって増加させる、という従来の光アッテネータの原理とは異質の技術思想に基づいて構成されており、その技術思想により、極めて大きな減衰量と、より精密な減衰量制御とを両立することが可能になった。さらに、光アッテネータを構成する各光学部品の配置自由度が高く、小型で高性能の光アッテネータをより安価に提供することが可能となる。もちろん、光アッテネータ内の各光学部品間での相対的な配置関係に限らず、光アッテネータの前段や後段に配置されるコリメートレンズなどの他の光学部品との相対的な配置関係についても容易に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
この発明は、光通信における光伝送路に介在して、光信号の波形を整えつつ、適切な光強度に減衰する用途に好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１  光アッテネータ、２  コリメータ、３  ポート、４  コリメートレンズ、
１０  光偏向器、１１ａ，１１ｂ  プリズム素子、
１２ａ，１２ｂ，３１  電気光学物質（ＥＯ物質）、１３ａ，１３ｂ  三角電極、
１４ａ，１４ｂ  プリズム素子用駆動回路、２０  位相子、３０，Ｅ  エタロン、
Ｓ  エタロンのソリッド、Ｍ  ミラー、３２  ダイクロイックミラー、
３３  透明電極、３４  金属ミラー、３５  エタロン用駆動回路  ５０  入射光、
８０  光軸、Ｃ  光サーキュレーター、ＦＢ  光ファイバ、Ｌ  光伝送路
【図１】
2014197147.tif 000003
【図２】
2014197147.tif 000004
【図３】
2014197147.tif 000005
【図４】
2014197147.tif 000006
【図５】
2014197147.tif 000007
【図６】
2014197147.tif 000008
【図７】
2014197147.tif 000009