(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性フェライト単結晶に形成したトランスデューサにマイクロ波を印加することにより、前記磁性フェライト単結晶中を透過する光を変調する光変調器において、
前記印加するマイクロ波は、そのマイクロ波よりも低い周波数の交流信号によって変調されており、かつ、光軸回りの検光子の回転角度が、直流光の検光子の透過光量が最小になる回転角度（消光位）からさらに４０〜５０度回転させて設定されていることを特徴とする、光変調器。
【請求項２】
受光系の周波数帯域は、前記マイクロ波を変調する信号の周波数を含み、かつ、前記マイクロ波の周波数よりも低いことを特徴とする、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記磁性フェライト単結晶は鉄イットリウムガーネットである、請求項１または請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
磁性フェライト単結晶に形成したトランスデューサにマイクロ波を印加することにより、前記磁性フェライト単結晶中を透過する光を変調する光変調方法において、
前記印加するマイクロ波を、そのマイクロ波よりも低い周波数の交流信号によって変調し、かつ、光軸回りの検光子の回転角度を、直流光の検光子の透過光量が最小になる回転角度（消光位）からさらに４０〜５０度回転させて設定することを特徴とする、光変調方法。
【請求項５】
受光系の周波数帯域を、前記マイクロ波を変調する信号の周波数を含み、かつ、前記マイクロ波の周波数よりも低くすることを特徴とする、請求項４に記載の光変調方法。
【請求項６】
前記磁性フェライト単結晶は鉄イットリウムガーネットである、請求項４または請求項５に記載の光変調方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光変調器および光変調方法に関し、特に数１００ＭＨｚ以下の交流信号で変調された光強度を得る光変調器および光変調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などの磁性フェライト単結晶中に光を透過させ、これに細線状のトランスデューサやマイクロストリップラインなどを用いてマイクロ波を印加することで、マイクロ波によって光強度を変調する光変調器が考えられてきた（たとえば、堤誠、上田哲也；信学技報  Ｖｏｌ．９８  Ｎｏ．１２３  ＭＷ９８−４１，ＯＰＥ９８−３３（１９８８）  ｐ．４５参照）。このような光変調器の構成を図１に示す。
【０００３】
図１はこの発明の背景となりかつこの発明が適用される従来の光変調器の一例を示す図解図である。図１に示す光変調器１０は、磁性フェライト単結晶として板状の磁性ガーネット単結晶１２を含む。磁性ガーネット単結晶１２の一つの主面の中央には、マイクロストリップライン（トランスデューサ）１４が設けられる。
マイクロストリップライン１４の一端には、マイクロ波信号発生器１６の出力端がマイクロ波増幅アンプ１８を介して接続される。さらに、マイクロ波信号発生器１６には、任意信号発生器１９の出力端が接続される。任意信号発生器１９は、マイクロ波信号発生器１６の出力端から出力されるマイクロ波の信号を、このマイクロ波よりも低い周波数の交流信号によって変調するためのものである。また、マイクロストリップライン１４の他端は、終端抵抗器２０に接続される。
さらに、磁性ガーネット単結晶１２の近傍には、永久磁石（図示せず）が設けられる。この永久磁石は、磁性ガーネット単結晶１２に平行にかつマイクロストリップライン１４に直交する方向に直流磁場を印加するためのものである。
また、磁性ガーネット単結晶１２の一方の側面の外側には、レーザー光源２２、偏光子２４および第１のレンズ２６が、この順に磁性ガーネット単結晶１２に近づくように設けられる。レーザー光源２２は、レーザー光を発生するためのものである。偏光子２４は、レーザー光源２２で発生したレーザー光を特定方向の直線偏光とするためのものである。第１のレンズ２６は、レーザー光源２２で発生したレーザー光を磁性ガーネット単結晶１２中に集中するためのものである。さらに、磁性ガーネット単結晶１２の他方の側面の外側には、第２のレンズ２８、検光子３０、第３のレンズ３２およびフォトダイオード３４が、この順に磁性ガーネット単結晶１２から離れるように設けられる。第２のレンズ２８は、磁性ガーネット単結晶１２を透過したレーザー光を平行光線にするためのものである。検光子３０は、レーザー光の特定方向の直線偏光を透過するためのものであり、偏光子２４とクロスニコルの関係で設置される。第３のレンズ３２は、検光子３０を透過したレーザー光を集光するためのものである。フォトダイオード３４は、レーザー光の信号を検出するためのものである。
また、フォトダイオード３４の出力端は、光電流増幅アンプ３６の入力端に接続される。
【０００４】
図１に示す光変調器１０では、その光学系（磁性ガーネット単結晶１２およびその両側の構成）は、ファラデー効果などの透過型の光磁気効果の測定光学系とほぼ同じである。すなわち、磁性ガーネット単結晶１２（マイクロストリップライン（トランスデューサ）１４）にマイクロ波を印加することによって、磁性ガーネット単結晶１２中で光とマイクロ波とを結合させ、光の偏光状態をマイクロ波によって変調する。これをファラデー光学系によって強度の変化に変換して検出するものである。
図２は図１に示す光変調器１０においてマイクロ波を印加していないときに検出される光信号出力の波形を示す図解図であり、図３は図１に示す光変調器１０においてマイクロ波を印加しているときに検出される光信号出力の波形を示す図解図である。マイクロ波を印加していないときには、図２に示すように磁性ガーネット単結晶１２の透過光も直流のままであり、検出される光出力は一定である。それに対して、マイクロ波を印加しているときには、図３に示すように変調された交流成分が直流成分に重畳する。
ところで、磁性ガーネット単結晶１２に印加されるマイクロ波は、このマイクロ波よりも低周波の任意信号発生器１９が発生する交流信号によって変調されている。したがって、フォトダイオード３４に入射する光の強度も、低周波信号で変調されたマイクロ波によってさらに変調されていることになる。ここで、受光系（フォトダイオード３４や光電流増幅アンプ３６など）の周波数帯域が、マイクロ波を変調する信号の周波数を含み、かつマイクロ波の周波数よりも低ければ、受光系は光信号に対してマイクロ波を変調する信号にのみ感度を有するローパスフィルタとして機能する。したがって、光電流増幅アンプ３６の出力端から出力される光信号の交流成分はマイクロ波を変調する低周波信号に一致する。結果的に、光信号出力は、マイクロ波よりも低い周波数の交流信号で変調されたことになる。
低周波の交流信号でマイクロ波を変調してから磁性ガーネット単結晶１２に印加するのは、マイクロ波の周波数領域でなければ磁性ガーネット単結晶１２を伝搬することができないからである。
なお、図１に示す光変調器１０において、磁性ガーネット単結晶１２に外部磁場を印加しないか印加してもかなり弱いときには、マイクロ波はそのまま伝搬してマイクロ波による光変調がおこなわれる。また、磁性ガーネット単結晶１２に十分に強い外部磁場を印加したときには、静磁波が励起され、静磁波による光変調がおこなわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来、マイクロ波あるいは静磁波による光の変調現象を生じさせることに注意が払われてきたが、大きな変調を得ることにはあまり注意が払われていなかった。
そのため、図１に示す構成を持った従来の光変調器では、検出される光変調振幅が大きくなりにくく、Ｓ／Ｎが小さいという問題があった。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、光変調振幅が大きくかつＳ／Ｎが高い光変調器および光変調方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光変調器は、磁性フェライト単結晶に形成したトランスデューサにマイクロ波を印加することにより、磁性フェライト単結晶中を透過する光を変調する光変調器において、印加するマイクロ波は、そのマイクロ波よりも低い周波数の交流信号によって変調されており、かつ、光軸回りの検光子の回転角度が、直流光の検光子の透過光量が最小になる回転角度（消光位）からさらに４０〜５０度回転させて設定されていることを特徴とする、光変調器である。
この発明にかかる光変調器では、受光系の周波数帯域は、たとえば、マイクロ波を変調する信号の周波数を含み、かつ、マイクロ波の周波数よりも低い。
この発明にかかる光変調器では、磁性フェライト単結晶はたとえば鉄イットリウムガーネットである。
この発明にかかる光変調方法は、磁性フェライト単結晶に形成したトランスデューサにマイクロ波を印加することにより、磁性フェライト単結晶中を透過する光を変調する光変調方法において、印加するマイクロ波を、そのマイクロ波よりも低い周波数の交流信号によって変調し、かつ、光軸回りの検光子の回転角度を、直流光の検光子の透過光量が最小になる回転角度（消光位）からさらに４０〜５０度回転させて設定することを特徴とする、光変調方法である。
この発明にかかる光変調方法では、受光系の周波数帯域を、たとえば、マイクロ波を変調する信号の周波数を含み、かつマイクロ波の周波数よりも低くする。
この発明にかかる光変調方法では、磁性フェライト単結晶はたとえば鉄イットリウムガーネットである。
【０００８】
この発明にかかる光変調器および光変調方法では、光軸回りの検光子の回転角度を最適化することによって、具体的には、光軸回りの検光子の回転角度を、直流光の検光子の透過光量が最小になる回転角度（消光位）からさらに４０〜５０度回転することによって、略最大のＳ／Ｎが得られる。
【０００９】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図４は図１に示す光変調器１０の光学系の部分だけを取り出した図解図である。磁性ガーネット単結晶１２に入射する入射光ＩＢの振動方向ａ（電場の振動方向）は光軸回りの偏光子２４の回転角度によって決まる。ただし、光源が直線偏光を出射するレーザーであれば、偏光子２４を使わずにレーザーの光軸回りの回転角度によって、入射光ＩＢの振動方向ａを決めることも可能である。入射光ＩＢの振動方向ａは適宜決めればよいが、磁性ガーネット単結晶１２の出射光の楕円率がなるべく小さくなりかつ光変調振幅が大きくなる角度とすることが望ましい。
入射光ＩＢの振動方向ａをある方向に固定したとする。このとき検光子３０を光軸の回りに回転させていくと、図３に示す直流成分ＤＣの大きさとマイクロ波を変調する低周波信号による光変調振幅（交流成分ＡＣの大きさ）とが、それぞれ変化する。
本発明者らは鋭意研究を進めた結果、これらの直流成分ＤＣと交流成分ＡＣとはそれぞれ独立に変化するのではなく、ある一定の関係をたもつことを見出した。
さて、一般に以下のことが知られている。
磁性体に直線偏光を入射させると、光磁気効果によりその出射光の振動面が回転する。また、出射光は楕円偏光となることもある。後者は、たとえば、ファラデー効果においては磁気円二色性（磁性体の光吸収係数が、右回りおよび左回り円偏光に対して異なること）によって生じる。したがって、図４に示す検光子３０を光軸回りに回転していくとき、図３に示す直流成分ＤＣの大きさが最大となる方向に光磁気効果により出射光の振動面が回転するのである。また、これから検光子３０を９０度回転した方向で直流成分ＤＣの大きさは最小となる。すなわち、消光位である。この大きさは、出射光が楕円偏光となれば０とはならない。
本発明者らの研究によれば、消光位から検光子３０をある角度だけ回転させたとき、交流成分ＡＣの大きさは最大となることが判明した。この角度は典型的には４５度であり、一般には４０度〜５０度の範囲にある。すなわち、消光位から、検光子３０を光軸回りにさらに典型的には４５度、一般には４０度〜５０度回転した角度に設定することで、マイクロ波により変調された大きな振幅を検出することができ、高いＳ／Ｎを実現できる。
【００１１】
さて、以上においては、図１に示す光変調器１０の検光子３０の透過光のみを利用した光変調器および光変調方法について述べてきた。さらに、このような方式に加えて、ファラデー効果の測定装置あるいは測定方法でもよく用いられているように、検光子の透過光だけでなく反射光も同時に利用した光変調器および光変調方法もある。
図５はそのような光変調器の一例を示す図解図である。図５に示す光変調器１１は、図１に示す光変調器１０の検光子３０の反射光も利用できるようにしたものである。そのため、図５に示す光変調器１１では、図１に示す光変調器１０と比べて、第２のレンズ２８、検光子３０および第３のレンズ３２の並ぶ方向と交差する方向であって検光子３０を通る方向において、第４のレンズ４０および第２のフォトダイオード４２が、この順に検光子３０から離れるように設けられる。第４のレンズ４０は、検光子３０の反射光を集光するためのものである。第２のフォトダイオード４２は、検光子３０の反射光を検出するためのものである。第２のフォトダイオード４２の出力端は、第２の光電流増幅アンプ４４の入力端に接続される。第１の光電流増幅アンプ３６および第２の光電流増幅アンプ４４のそれぞれの出力端は、信号演算器４６の入力端に接続される。第１の光電流増幅アンプ３６の出力をＡとする。また第２の光電流増幅アンプ４４の出力をＢとする。信号演算器４６の出力端からは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が出力されるようになっている。
一般に第１の光電流増幅アンプ３６の出力Ａの交流成分と第２の光電流増幅アンプ４４の出力Ｂの交流成分とを比較すると極性が反転している。そこで、図５に示す光変調器１１の検光子３０の透過光の消光位から、検光子３０を典型的には４５度、一般には４０〜５０度回転させる。すると、このとき第１の光電流増幅アンプ３６の出力Ａの交流成分と第２の光電流増幅アンプ４４の出力Ｂの交流成分とは、それぞれ大きさが最大となる。また、信号演算器４６の出力端からは（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が出力されるので、ＡおよびＢにともに含まれる同じ極性のノイズは打ち消される。そのため、図５に示す光変調器１１によって、図１に示す光変調器１０をさらに上回る高いＳ／Ｎを実現できる。
【００１２】
【実施例】
磁性フェライト単結晶としてフローティングゾーン法により育成された純ＹＩＧのバルク単結晶を用いた。これを５ｍｍ×５ｍｍ×０．８ｍｍの大きさに切り出し各面を鏡面研磨した。波長１．３μｍの半導体レーザーを光源とし、５ｍｍ×０．８ｍｍの面の一つから結晶中に入射させた。入射光の振動方向は、板状結晶の板面の法線方向に一致するように固定した。結晶の５ｍｍ×５ｍｍの面には、特性インピーダンスが５０Ωとなるようなマイクロストリップライン（トランスデューサ）を設置した。マイクロストリップラインには、周波数１．７２ＧＨｚのマイクロ波を周波数５ｋＨｚの正弦波でＡＭ変調して印加した。マイクロストリップラインの方向と光の進行方向とは直交するようにした。外部磁場は印加していない。
そして、検光子を回転させたときの検出された光信号出力の直流成分の大きさおよび交流成分の大きさ（光変調振幅）を図６のグラフに示す。なお、ここで、θｐは、消光位からの検光子の光軸回りの回転角度であり、したがってθｐ＝０度のとき消光位となる。直流成分が最大となる角度θｐは９０度であり、光変調振幅が最大となる角度θｐは４０度であり、このときの消光位からの角度差は４０度である。
【００１３】
なお、磁性フェライト単結晶としては、バルク単結晶以外に、液相エピタキシャル法などで育成された薄膜単結晶が使用されてもよい。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、従来の技術では光電流増幅アンプ３６から出力される光変調振幅が１μＶにもなることもあり得るのに対して、光変調振幅を１０ｍＶとすることができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の背景となりかつこの発明が適用される従来の光変調器の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示す光変調器において、マイクロ波を印加していないときに光電流増幅アンプの出力端から出力される光信号の波形を示す図解図である。
【図３】図１に示す光変調器において、マイクロ波を印加しているときに光電流増幅アンプの出力端から出力される光信号の波形を示す図解図である。
【図４】図１に示す光変調器の光学系の部分だけを取り出した図解図である。
【図５】検光子の透過光だけでなく反射光も同時に利用した光変調器の一例を示す図解図である。
【図６】検光子を回転させたときの検出された光出力信号の直流成分の大きさおよび交流成分の大きさ（光変調振幅）を示すグラフである。
【符号の説明】
１０、１１  光変調器
１２  磁性ガーネット単結晶
１４  マイクロストリップライン（トランスデューサ）
１６  マイクロ波信号発生器
１８  マイクロ波増幅アンプ
１９  任意波形発生器
２０  終端抵抗器
２２  レーザー光源
２４  偏光子
２６  第１のレンズ
２８  第２のレンズ
３０  検光子
３２  第３のレンズ
３４  第１のフォトダイオード
３６  第１の光電流増幅アンプ
４０  第４のレンズ
４２  第２のフォトダイオード
４４  第２の光電流増幅アンプ
４６  信号演算器
ＯＵＴ  光信号出力
ＤＣ  直流成分
ＡＣ  交流成分
ＧＲＤ  グランドレベル
ＩＢ  入射光
ａ  入射光の振動方向
ＴＢ  磁性ガーネット単結晶の透過光
ｂ  検光子の透過光の振動方向
θｐ  消光位からの検光子の光軸回りの回転角度
【図１】
0003582441.tif 000002
【図２】
0003582441.tif 000003
【図３】
0003582441.tif 000004
【図４】
0003582441.tif 000005
【図５】
0003582441.tif 000006
【図６】
0003582441.tif 000007