(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を射出する光源と、
所定方向に周期的に分極が反転した周期分極反転構造を有し、前記光源からの光が通過する電気光学結晶基板と、
前記電気光学結晶基板の表面に並んで設けられ、それぞれが印加された印加電気信号の電位に応じた回折効率の回折格子を前記電気光学結晶基板内部の対応する格子形成範囲に形成して、前記格子形成範囲を通過する光を前記印加電気信号に応じて変調する複数の電極部と、
前記複数の格子形成範囲それぞれから射出された変調光を検出した結果に応じて、前記変調光毎に検出電気信号を出力する光電変換部と、
外部から入力された入力電気信号について、前記入力電気信号の最小電位が接地電位となるようにレベルシフトを行って生成したレベルシフト信号に応じて、前記接地電位を中心に振動する矩形波を振幅変調した交流信号を前記印加電気信号として前記各電極部に印加する信号印加部とを備え、
前記印加電気信号は、接地電位以外の所定電位と、接地電位および前記所定電位の間の電位を含む、ことを特徴とするフォトカプラ。
【請求項２】
前記印加電気信号に対する前記回折効率の非線形性によって、前記格子形成範囲から射出される前記変調光に生じる歪成分を補償する歪補償部をさらに備えた請求項１に記載のフォトカプラ。
【請求項３】
前記光電変換部は、前記複数の格子形成範囲それぞれに対応して配置された光電変換素子を有し、前記各光電変換素子は、対応する前記格子形成範囲から射出された前記変調光を検出した結果に応じて前記検出電気信号を出力する請求項１または２に記載のフォトカプラ。
【請求項４】
前記複数の格子形成範囲それぞれから射出された前記変調光を、対応する前記光電変換素子に導く光学系をさらに備えた請求項３に記載のフォトカプラ。
【請求項５】
前記光学系は、前記複数の格子形成範囲それぞれから射出された前記変調光を集光する第１レンズと、前記第１レンズが前記各変調光を集光する位置に設けられたアパーチャと、前記アパーチャを通過した前記各変調光を対応する前記光電変換素子に導く第２レンズとを有する請求項４に記載のフォトカプラ。
【請求項６】
前記光学系は、前記格子形成範囲からの前記変調光を対応する前記光電変換素子に導く単玉レンズを前記格子形成範囲毎に有する請求項４に記載のフォトカプラ。
【請求項７】
前記光電変換部は、前記複数の格子形成範囲から射出された前記変調光を検出するラインセンサを有する請求項１または２に記載のフォトカプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力された電気信号に応じて変調された光を生成しつつ、この変調光を光電変換して得られる電気信号を出力するフォトカプラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザー光源から射出された光を磁性フェライト単結晶により変調して、この変調光をフォトダイオードで検出する光学素子が記載されている。具体的には、この光学素子は、強磁場内に配置された磁性フェライト単結晶に対してマイクロ波を印加することで、磁性フェライト単結晶を通過する光をマイクロ波に応じて変調する。そして、この変調光がフォトダイオードによって光電変換されて、電気信号として出力される。このように、特許文献１では、磁性フェライト単結晶が光変調器として用いられており、レーザー光源からの光を光変調器で変調した変調光が電気信号に変換されて出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２７２６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、変調光を電気信号に変換する装置として、入力された電気信号を光信号に変換した後に再び電気信号として出力するフォトカプラがある。このフォトカプラは、入力された電気信号に応じて変調された光を生成しつつ、この変調光を光電変換して得られる電気信号を出力するものである。この際、変調光を生成するために、特許文献１に記載の上記技術を応用して、入力される電気信号に応じて光源からの光を変調する光変調器を具備するようにフォトカプラを構成することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、入力された電気信号を光信号に変換した後に再び電気信号として出力するチャンネルを多数設けて、フォトカプラの多チャンネル化を図るとなると、上記技術を応用するにあたって問題があった。つまり、上記技術を応用して、光源からの光を変調して光信号を得る場合、多数のチャンネルを設けるために、複数の光源を並べることで、フォトカプラのサイズが大幅に増大するおそれがあった。
【０００６】
この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、フォトカプラのサイズの増大を抑制しつつフォトカプラの多チャンネル化を可能とする技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかるフォトカプラは、光を射出する光源と、所定方向に周期的に分極が反転した周期分極反転構造を有し、光源からの光が通過する電気光学結晶基板と、電気光学結晶基板の表面に並んで設けられ、それぞれが印加された印加電気信号の電位に応じた回折効率の回折格子を電気光学結晶基板内部の対応する格子形成範囲に形成して、格子形成範囲を通過する光を印加電気信号に応じて変調する複数の電極部と、複数の格子形成範囲それぞれから射出された変調光を検出した結果に応じて、変調光毎に検出電気信号を出力する光電変換部と、外部から入力された入力電気信号について、入力電気信号の最小電位が接地電位となるようにレベルシフトを行って生成したレベルシフト信号に応じて、接地電位を中心に振動する矩形波を振幅変調した交流信号を印加電気信号として各電極部に印加する信号印加部とを備え、印加電気信号は、接地電位以外の所定電位と、接地電位および所定電位の間の電位を含む、ことを特徴としている。
【０００８】
このように構成された発明（フォトカプラ）では、所定方向に周期的に分極が反転した周期分極反転構造を有する電気光学結晶基板と、この電気光学結晶基板を通過する光を射出する光源とが設けられている。そして、この電気光学結晶基板に複数の電極部が並んでいる。複数の電極部のそれぞれは、印加された印加電気信号に応じた回折効率の回折格子を電気光学結晶基板内部の対応する格子形成範囲に形成して、格子形成範囲を通過する光を印加電気信号に応じて変調する。つまり、複数の格子形成範囲は、電気光学結晶基板に入射した光をそれぞれの回折効率に応じて個別に変調しており、互いに異なるチャンネルを構成する。こうして、この発明では、複数の格子形成範囲（チャンネル）が同一の光源から射出された光を、それぞれの回折効率に応じて個別に変調する。したがって、光源の個数を増やさずに複数のチャンネルを設けることができ、フォトカプラのサイズの増大を抑制しつつフォトカプラの多チャンネル化が可能となっている。
【０００９】
ちなみに、上述のような電気光学結晶基板の内部に形成される回折格子の回折効率は、印加電気信号に対して非線形な特性を有する。そのため、この非線形性が格子形成範囲から射出される変調光に歪成分を生じさせて、入力された電気信号に対して歪んだ電気信号がフォトカプラから出力されることが考えられる。そこで、印加電気信号に対する回折効率の非線形性によって、格子形成範囲から射出される変調光に生じる歪成分を補償する歪補償部をさらに備えるようにフォトカプラを構成しても良い。これによって、入力された電気信号に対する歪が抑えられた適切な電気信号を、フォトカプラから出力することが可能となる。
【００１０】
ところで、上述のような電気光学結晶基板では、印加電気信号の印加により生じた電荷が滞留する場合がある。このような場合、滞留電荷が回折効率にオフセットを生じさせて、各チャンネルの光変調に影響するおそれがあった。そこで、外部から入力された入力電気信号に応じて振幅変調した交流信号を印加電気信号として各電極部に印加する信号印加部をさらに備えるようにフォトカプラを構成しても良い。このような交流信号を印加電気信号として電極部に印加することで、電気光学結晶基板に滞留する電荷の発生を抑制することができ、各チャンネルによる光変調を適切に実行することができる。
【００１１】
なお、光電変換部の具体的な構成としては、種々のものを採用できる。例えば、光電変換部は、複数の格子形成範囲から射出された変調光を検出するラインセンサを有するようにフォトカプラを構成しても良い。
【００１２】
もしくは、光電変換部は、複数の格子形成範囲それぞれに対応して配置された光電変換素子を有し、各光電変換素子は、対応する格子形成範囲から射出された変調光を検出した結果に応じて検出電気信号を出力するようにフォトカプラを構成しても良い。
【００１３】
この際、複数の格子形成範囲それぞれから射出された変調光を、対応する光電変換素子に導く光学系をさらに備えるようにフォトカプラを構成しても良い。このような構成は、各格子形成範囲から射出された光を対応する光電変換素子に適切に導くことができ、フォトカプラの特性向上に有利と言える。
【００１４】
さらに、光学系は、複数の格子形成範囲それぞれから射出された変調光を集光する第１レンズと、第１レンズが各変調光を集光する位置に設けられたアパーチャと、アパーチャを通過した各変調光を対応する光電変換素子に導く第２レンズとを有するようにフォトカプラを構成しても良い。このような構成は、各格子形成範囲から射出された変調光をアパーチャを介して対応する光電変換素子に導いているため、不要な光が光電変換素子に入射することを抑制することができ、フォトカプラの特性向上にさらに有利と言える。
【００１５】
あるいは、光学系は、格子形成範囲からの変調光を対応する光電変換素子に導く単玉レンズを格子形成範囲毎に有するようにフォトカプラを構成しても良い。このように、単玉レンズによって各格子形成範囲からの射出光を光電変換素子に適切に導くことで、フォトカプラのサイズの増大をより効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
フォトカプラのサイズの増大を抑制しつつ、フォトカプラの多チャンネル化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態にかかるフォトカプラの内部構成を模式的に例示する図である。
【図２】空間光変調器を示す図である。
【図３】図２に示す空間光変調器の動作を模式的に示す図である。
【図４】フォトカプラの電位付与部が実行する信号処理の一例を模式的に示す図である。
【図５】第１電極への印加電圧と格子形成範囲から射出される０次光の光量との関係をグラフで示す図である。
【図６】フォトカプラの光電変換部が実行する信号処理の一例を模式的に示す図である。
【図７】第２実施形態にかかるフォトカプラの内部構成を模式的に例示する図である。
【図８】第３実施形態にかかるフォトカプラの内部構成を模式的に例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかるフォトカプラの内部構成を模式的に例示する図であり、同図（ａ）ではフォトカプラの内部構成の平面図が示され、同図（ｂ）ではフォトカプラの内部構成の側面図が示される。同図および以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を適宜示すものとする。また、座標軸の矢印方向側を正（＋）側と、各座標軸の矢印方向と逆側を負（−）側と適宜称することとする。
【００１９】
図１に示すフォトカプラ３は、所定の波長（例えば、８３０、６３５、４０５、あるいは、３５５ナノメートル（ｎｍ））の光ビームを出射する半導体レーザなどにより構成された単一の光源部３１を有している。なお、３５５ｎｍのレーザ光を用いる場合は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの３倍高調波を用いる固体レーザ光源となる。この光源部３１はコリメータレンズ（図示省略）を有しており、半導体レーザから出射される光ビームはコリメータレンズを介して平行光とされて図示を省略するミラーを介して照明光学系３２に入射する。
【００２０】
この照明光学系３２は３枚のシリンドリカルレンズ３２１〜３２３により構成されており、光源部３１から出射してきた光ビームはシリンドリカルレンズ３２１〜３２３の順で通過して空間光変調器３３に入射する。これらのうちシリンドリカルレンズ３２１はＸ方向にのみ負のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光は光軸ＯＡに垂直な光束断面が円形から次第にＸ方向に長い楕円形へと変化する。一方、光軸ＯＡおよびＸ方向に垂直なＹ方向に関して、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光の光束断面の幅は（ほぼ）一定とされる。また、シリンドリカルレンズ３２２はＸ方向にのみ正のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光ビームはシリンドリカルレンズ３２２によりビーム整形される。つまり、シリンドリカルレンズ３２２を通過した光は、光束断面がＸ方向に長い一定の大きさの楕円形とされてシリンドリカルレンズ３２３へと入射する。このシリンドリカルレンズ３２３は、Ｙ方向にのみ正のパワーを有し、Ｙ方向のみに着目した場合には、図１（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３２３を通過した光は集光しつつ電気光学結晶基板３３１の（−Ｚ）側の端面（以下、「入射面」という）３３１ａへと入射する。また、Ｘ方向に関しては、図１（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ３２３からの光ビームは平行光ビームとして空間光変調器３３に入射する。
【００２１】
図２は空間光変調器を示す図であり、同図（ａ）は空間光変調器３３の分解組立斜視図であり、同図（ｂ）は空間光変調器３３の部分図である。また、図３は図２に示す空間光変調器の動作を模式的に示す図である。この空間光変調器３３は、薄板状またはスラブ状の電気光学結晶基板３３１と、電気光学結晶基板３３１の上方主面３３２上に配置される第１電極３３３と、電気光学結晶基板３３１の下方主面３３４上に配置される第２電極３３５と、第１電極３３３の各々に対して独立して所望の電位を印加する電位付与部３３６とを備えている。
【００２２】
電気光学結晶基板３３１はリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）（すなわち、ニオブ酸リチウムであり、ＬＮと略称される。）の単結晶にて形成されており、その厚み（Ｙ方向における高さ）は例えば数十ミクロン、好ましくは３０ミクロン以下となっている。この電気光学結晶基板３３１では、電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対である第１分極部３３１１および第２分極部３３１２が交互に配列されており、電気光学結晶基板３３１は分極反転構造を有している。特に、図３に示すように、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２はいずれも配列方向ＡＤに垂直な方向ＷＤに伸びる帯状形状を有し、配列方向ＡＤにおいて同一幅を有するとともに、互いに隣接配列された第１分極部３３１１および第２分極部３３１２からなる分極対３３１３が所定周期（ＸＹ断面において格子周期ＲＣ）で配列方向ＡＤに配列されており、電気光学結晶基板３３１はいわゆる周期分極反転構造を有している。このように配列方向ＡＤは、空間光変調器３３に入射する光ビームの進む方向Ｚに対して角度θbだけ傾いた方向となっている。
【００２３】
また、電気光学結晶基板３３１では、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２の結晶軸は互いに反対の向きを有しており、次に説明するように第１電極３３３と第２電極３３５の間で電位差を発生させて電界を周期分極反転構造内で生じさせると、当該電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対となる。なお、ここで用いる電気光学結晶基板３３１はＬＮの他にリチウムタンタレート（ＬiＴaＯ３：ＬＴ）などもあり、結晶軸は共に分極反転方向（電界を加える方位）がポッケルス定数（電気光学定数）の値の大きなｒ33のＺ軸方向となる。
【００２４】
また、第１分極部３３１１と第２分極部３３１２は結晶の軸方位（＋Ｚ）が逆であるが、元々均一な方位を持った結晶に例えば第２分極部に相当する部分（周期的）に電気光学結晶が固有に持っている分極反転電圧を一時的に印加するなどして部分的（周期的）に結晶の軸方位（＋Ｚ）を反転させて作る。この加工を施された結晶を用いる。故に、第１分極部３３１１は元々の結晶の軸方位であり、第２分極部は分極反転加工された軸方位となっている。
【００２５】
図２および図３に示すように、複数（本実施形態では「５本」）の第１電極３３３はいずれも入射光ＬＩの進むＺ方向と平行な方向に伸びるスラブ形状を有しており、入射光ＬＩの進むＺ方向とほぼ直交するＸ方向における電極幅ＥＷ1は格子周期ＲＣの約３倍となっている。また、このような形状を有する第１電極３３３は電気光学結晶基板３３１の上方主面３３２上でＸ方向に格子周期ＲＣより短い間隔ＥＷ2で平行に配列されている。一方、電気光学結晶基板３３１の下方主面３３４に対しては、当該下方主面３３４全体を覆うように第２電極３３５が配置されており、複数の第１電極３３３に対する共通電極として機能する。
【００２６】
このように構成された空間光変調器３３では、第２電極３３５は接地されるのに対し、複数の第１電極３３３のそれぞれは対応する電位付与部３３６に接続される。そして、各電位付与部３３６は、入力電気信号Ｓinに応じた電位を接続先の第１電極３３３に付与する。このため、電気光学結晶基板３３１の周期分極反転構造内では、電位付与部３３６から所定電位Ｖ1（０Ｖ以外の電位）が付与された第１電極３３３に対応する領域でのみ第１電極３３３と第２電極３３５（共通電極）の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して回折格子が形成される。しかも、角度θbは上記のようにして形成される回折格子によりブラッグ回折が生じる条件を満足するように設定されている。したがって、例えば図３に示すように、５本の第１電極３３３のうち第２チャンネルに相当する第１電極３３３（２ｃｈ）に対してのみ電位Ｖ1を印加すると、当該第１電極３３３（２ｃｈ）に対応する周期分極反転構造の内部領域でのみ屈折率変化による回折格子が形成され、入射光ＬＩのうち第１電極３３３（２ｃｈ）と第２電極３３５の間を進む光ビームのみがブラッグ回折して水平面（ＸＺ平面）内で方向Ｚに対して角度（２θb）だけ傾いて空間光変調器３３からブラッグ回折光ＢＬとして出射する。一方、第１電極３３３への電圧印加を行わずに第１電極３３３と第２電極３３５の電位差がゼロであり、電界が発生しない場合には、両電極３３３、３３５間の屈折率分布は一様となっており、回折格子は形成されない。したがって、この場合の光ビームはそのまま真っ直ぐに電気光学結晶基板３３１内を直進して電気光学結晶基板３３１から０次光Ｌ０として出射する。このように５本の第１電極３３３に対する電位付与をそれぞれ制御することで５チャンネル分の光変調を行うことができる。
【００２７】
また、絶対値が０Ｖ〜Ｖ1の範囲の電位が第１電極３３３に与えられた場合、第１電極３３３のＹ方向真下にあたる電気光学結晶基板３３１内部の格子形成範囲Ｒl（図２）には、回折効率ηが０％〜１００％の範囲の回折格子が形成される。そして、入射光ＬＩのうち格子形成範囲Ｒlを通過する光ビームは、当該格子形成範囲Ｒlに形成された回折格子の回折効率ηに応じて回折される。したがって、格子形成範囲ＲlからＺ方向に射出される０次光Ｌ０は、当該格子形成範囲Ｒlに形成された回折格子の回折効率ηに応じて変調される。つまり、複数の第１電極３３３のそれぞれは、印加された電位に応じた回折効率ηの回折格子を対応する格子形成範囲Ｒlに形成し、当該格子形成範囲Ｒlを通過する光ビームを印加された電位に応じて変調した０次光Ｌ０を射出する。このような格子形成範囲Ｒlは第１電極３３３それぞれに対応して存在し、電気光学結晶基板３３１内部では、合計で５個の格子形成範囲ＲlがＸ方向に並ぶ。つまり、５個の格子形成範囲Ｒlは、電気光学結晶基板３３１への入射光ＬＩをそれぞれの回折効率ηに応じて個別に変調した０次光Ｌ０を射出し、互いに異なるチャンネルを構成する。
【００２８】
図１に戻って、フォトカプラ３の構成説明を続ける。上記のように構成された空間光変調器３３の出射側（図１の右手側）に、アパーチャ３６１を有するアパーチャ板３６、Ｙ方向にのみ正のパワーを有するシリンドリカルレンズ３４、レンズ３５１、アパーチャ３５２１を有するアパーチャ板３５２、レンズ３５３がこの順序で配置されている。アパーチャ３６１は、主としてＹ方向に散乱された不要光を遮断するものである。シリンドリカルレンズ３４はＹ方向にのみ正のパワーを有しており、空間光変調器３３から射出された０次光Ｌ０は、図１（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３４にてＹ方向に関してほぼ平行な光とされ、正のパワーを有するレンズ３５１に入射する。
【００２９】
ここで、レンズ３５１の前側焦点は第１電極３３３の（＋Ｚ）側の端部近傍における電気光学結晶基板３３１内の位置とされ、レンズ３５１の後側焦点にアパーチャ３５２１が位置するようにアパーチャ板３５２が配置される。したがって、電気光学結晶基板３３１からＺ方向に射出されて、レンズ３４を通過してＸ方向およびＹ方向の双方にほぼ平行とされた０次光Ｌ０は、レンズ３５１を介してアパーチャ３５２１に集光し、当該アパーチャ３５２１を通過してレンズ３５３に入射する。このレンズ３５３は、前側焦点がアパーチャ３５２１の近傍に位置し、後側焦点が後述の光電変換部３７の受光面となるように配置されており、０次光Ｌ０はレンズ３５３を介して光電変換部３７に到達する。一方、０次光Ｌ０以外の回折光は、アパーチャ板３５２の表面で遮断されて、光電変換部３７に到達しない。
【００３０】
このように、レンズ３５１、アパーチャ板３５２およびレンズ３５３により、いわゆるシュリーレン光学系３５が構成されている。このシュリーレン光学系３５は両側テレセントリック光学系と同等の配置となっている。そして、このシュリーレン光学系３５の射出側（図１の右手側）に光電変換部３７が配置されている。
【００３１】
この光電変換部３７は、Ｘ軸方向に並ぶ５個のフォトダイオード３７１で構成されており、各フォトダイオード３７１の受光面で空間光変調器３３から射出された０次光Ｌ０を受光する。より詳しくは、５個のフォトダイオード３７１は、５個の格子形成範囲Ｒlに一対一で対応して設けられている。そして、これらフォトダイオード３７１のそれぞれが、対応する格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０を検出して、検出量に応じた検出電気信号を出力する。また、光電変換部３７では、５個の信号出力部３７２が５個のフォトダイオード３７１に一対一で対応して設けられている。これら信号出力部３７２は、対応するフォトダイオード３７１が出力した検出電気信号に応じた出力電気信号Ｓoutを出力する。
【００３２】
上述してきたように、フォトカプラ３では、５個の格子形成範囲Ｒlのそれぞれが、対応する第１電極３３３を介して印加される入力電気信号Ｓinに応じて光源部３１からの光を変調して０次光Ｌ０を出力する。そして、５個の格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０は、対応するフォトダイオード３７１により光電変換されて、出力電気信号Ｓoutとして出力される。こうして、フォトカプラ３は、入力電気信号Ｓinが入力されて出力電気信号Ｓoutを出力するチャンネルを５個設けた構成を備える。以上が、フォトカプラ３の構成の概要である。続いては、フォトカプラ３の動作の一例について詳述する。なお、５個のチャンネルは、それぞれ同様の動作を実行可能であるので、以下では、１個のチャンネルで代表して動作の説明を行なう。
【００３３】
図４は、フォトカプラの電位付与部が実行する信号処理の一例を模式的に示す図である。ここでは、図４の「入力電気信号Ｓin」の欄に示すようなアナログの入力電気信号Ｓin（電圧信号）がチャンネルを構成する電位付与部３３６に入力されてきた場合について説明する。この電位付与部３３６は、入力電気信号Ｓinにより振幅変調した交流信号を第１電極３３３に印加するものである。具体的には、電位付与部３３６は、入力電気信号Ｓinの最小値Ｖminが接地電位（グランド電位）以上となるように、入力電気信号Ｓinにレベルシフトを行って、レベルシフト信号Ｓlsを生成する（図４の「レベルシフト信号Ｓlsの欄）。さらに、電位付与部３３６は、０Ｖを中心として所定周期で振動する矩形波（交流信号）をレベルシフト信号Ｓlsで振幅変調した印加電気信号Ｓipを生成して、第１電極３３３に印加する。その結果、第１電極３３３に対応する格子形成範囲Ｒlからは、印加電気信号Ｓipの振幅に応じて光量の変調された０次光Ｌ０が出力される。この点について図５を用いて詳述する。
【００３４】
図５は、第１電極への印加電圧と格子形成範囲から射出される０次光の光量との関係をグラフで示す図であり、グラフの横軸に第１電極３３３への印加電圧が取られ、グラフの縦軸に格子形成範囲Ｒlから射出される０次光Ｌ０の光量Ｐが取られている。このグラフにおいて、関数Ｐ＝Ｐ(V)が０次光Ｌ０の光量を示す関数である。関数Ｐ＝Ｐ(V)は縦軸Ｐに対して対称であり、任意の電圧値Ｍに対して、式Ｐ(M)＝Ｐ(-M)が成立する。したがって、図４に示したように、接地電位（０Ｖ）を中心に振動する矩形波である印加電気信号Ｓipを第１電極３３３に印加した場合、格子形成範囲Ｒlには、印加電気信号Ｓipの振幅に応じた回折効率ηの回折格子が形成され、格子形成範囲Ｒlから射出される０次光Ｌ０は、印加電気信号Ｓipの振幅に応じた光量を有する。こうして、印加電気信号Ｓipの振幅（すなわち入力電気信号Ｓin）に応じて光量が変調された０次光Ｌ０が、格子形成範囲Ｒlから射出される。
【００３５】
ちなみに、格子形成範囲Ｒlに形成される回折格子の回折効率ηは、印加電圧Ｖに対して非線形な関係にある。その結果、図５に示すように、格子形成範囲Ｒlから射出される０次光Ｌ０の光量Ｐ(V)は、印加電圧Ｖに対して非線形である。
【００３６】
こうして格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０は、光電変換部３７によって検出電気信号Ｓdtへと変換される。図６は、フォトカプラの光電変換部が実行する信号処理の一例を模式的に示す図である。光電変換部３７のフォトダイオード３７１は、格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０を検出して、検出電気信号Ｓdtを出力する（図６の「検出電気信号」の欄）。フォトカプラ３への入力電気信号Ｓinは直線的な形状を有していたのに対して、検出電気信号Ｓdtは部分的に歪んだ形状を有している。これは、第１電極３３３への印加信号に対して、格子形成範囲Ｒlに形成される回折格子の回折効率ηが非線形性を有するために、格子形成範囲Ｒlから射出される０次光Ｌ０に歪成分が生じるためである。
【００３７】
そこで、信号出力部３７２は、０次光Ｌ０に生じる歪成分を補償して、検出電気信号Ｓdtを歪補正信号Ｓdcへと変換する（図６の「歪補正信号Ｓdt」の欄）。具体的には、信号出力部３７２は、図５に示した空間光変調器３３の特性と逆特性を有する歪補正用の特性カーブを記憶しており、この特性カーブに基づいて検出電気信号Ｓdtを補正することで、歪補正信号Ｓdcを生成する。こうして生成された歪補正信号Ｓdcは、電位付与部３３６で生成されたレベルシフト信号Ｓlsと同一形状となる。さらに、信号出力部３７２は、電位付与部３３６が行ったレベルシフトと逆の操作を歪補正信号Ｓdtに行って、出力電気信号Ｓoutを生成する。こうして、入力電気信号Ｓinと同一形状の出力電気信号Ｓoutが再生される。
【００３８】
以上に説明したように、このように構成された実施形態では、所定方向に周期的に分極が反転した周期分極反転構造を有する電気光学結晶基板３３１と、この電気光学結晶基板３３１を通過する光ビームを射出する光源部３１とが設けられている。そして、この電気光学結晶基板３３１に複数の第１電極３３３が並んでいる。複数の第１電極３３３のそれぞれは、印加された印加電気信号Ｓipに応じた回折効率ηの回折格子を電気光学結晶基板３３１内部の対応する格子形成範囲Ｒlに形成して、格子形成範囲Ｒlを通過する光ビームを印加電気信号Ｓipに応じて変調する。つまり、複数の格子形成範囲Ｒlは、電気光学結晶基板３３１に入射した光ビームＬＩをそれぞれの回折効率ηに応じて個別に変調しており、互いに異なるチャンネルを構成する。こうして、この実施形態では、複数の格子形成範囲Ｒl（チャンネル）が同一の光源部３１から射出された光を、それぞれの回折効率ηに応じて個別に変調する。したがって、光源部３１の個数を増やさずに複数のチャンネルを設けることができ、フォトカプラ３のサイズの増大を抑制しつつフォトカプラ３の多チャンネル化が可能となっている。
【００３９】
ちなみに、上述のような電気光学結晶基板３３１の内部に形成される回折格子の回折効率ηは、印加電気信号Ｓipに対して非線形な特性を有する。そのため、この非線形性が格子形成範囲Ｒlから射出される０次光（変調光）に歪成分を生じさせて、入力電気信号Ｓinに対して歪んだ出力電気信号Ｓoutがフォトカプラ３から出力されることが考えられる。そこで、この実施形態では、印加電気信号Ｓipに対する回折効率ηの非線形性によって、格子形成範囲Ｒlから射出される０次光Ｌ０に生じる歪成分を補償する信号出力部３７２が設けられている。これによって、入力電気信号Ｓinに対する歪が抑えられた適切な出力電気信号Ｓoutを、フォトカプラ３から出力することが可能となっている。
【００４０】
ところで、例えば、入力電気信号Ｓinのような信号を第１電極３３３からそのまま印加した場合、印加電圧の時間的平均が正側あるいは負側に偏って、電気光学結晶基板３３１に電荷が滞留する場合がある。このような場合、滞留電荷が回折効率ηにオフセットを生じさせて、各チャンネルの光変調に影響するおそれがあった。これに対して、この実施形態では、入力電気信号Ｓinに応じて振幅変調した交流信号を印加電気信号Ｓipとして各第１電極３３３に印加する電位付与部３３６が設けられている。このような交流信号を印加電気信号Ｓinとして第１電極３３３に印加することで、電気光学結晶基板３３１に滞留する電荷の発生を抑制することができ、各チャンネルによる光変調を適切に実行することができる。
【００４１】
また、この実施形態では、シュリーレン光学系３５が、複数の格子形成範囲Ｒlそれぞれから射出された０次光Ｌ０を対応するフォトダイオード３７１に導いている。このような構成は、各格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０を対応するフォトダイオード３７１に適切に導くことができ、フォトカプラ３の特性向上に有利と言える。
【００４２】
さらに、シュリーレン光学系３５は、複数の格子形成範囲Ｒlそれぞれから射出された０次光Ｌ０を集光するレンズ３５１（第１レンズ）と、レンズ３５１が各０次光Ｌ０を集光する位置に設けられたアパーチャ３５２１と、アパーチャ３５２１を通過した各０次光Ｌ０を対応するフォトダイオード３７１に導くレンズ３５３（第２レンズ）とを有する。このような構成は、各格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０をアパーチャ３５２１を介して対応するフォトダイオード３７１に導いているため、不要な光がフォトダイオード３７１に入射することを抑制することができ、フォトカプラ３の特性向上にさらに有利と言える。
【００４３】
第２実施形態
図７は、第２実施形態にかかるフォトカプラの内部構成を模式的に例示する図であり、同図（ａ）ではフォトカプラの内部構成の平面図が示され、同図（ｂ）ではフォトカプラの内部構成の側面図が示される。第２実施形態と第１実施形態との主な差異点は、フォトカプラ３におけるアパーチャ板３６より射出側の構成である。したがって、以下では、この差異点を中心に説明を行なう一方、共通点については相等符号を付して適宜説明を省略する。なお、第２実施形態においても、第１実施形態と共通する構成を備えることで、第１実施形態と同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００４４】
第２実施形態では、アパーチャ板３６の射出側において、シュリーレン光学系３５の代わりに、５個の単玉レンズ３８が５個の格子形成範囲Ｒlに一対一で対応して対向配置されている。これらの単玉レンズ３８は、電気光学結晶基板３３１での第１電極３３３と同じピッチでＸ方向に並んでレンズアレイ（光学系）を構成する。そして、各単玉レンズ３８は、対応する格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０をフォトダイオード３７１の受光面に結像する。これによって、各格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０は、対応するフォトダイオード３７１により検出されて、検出電気信号Ｓdtへと変換される。
【００４５】
以上に説明したように、この実施形態では、単玉レンズ３８が、格子形成範囲Ｒlそれぞれから射出された０次光を対応するフォトダイオード３７１に導く。このような構成は、各格子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０を対応するフォトダイオード３７１に適切に導くことができ、フォトカプラ３の特性向上に有利と言える。
【００４６】
特に、この実施形態では、格子形成範囲Ｒlからの０次光Ｌ0をフォトダイオード３７１に導く機能を、格子形成範囲Ｒlに対向する単玉レンズ３８により実現している。このように単玉レンズ３８を用いることによって、フォトカプラ３のサイズの増大をより効果的に抑制することができる。
【００４７】
第３実施形態
図８は、第３実施形態にかかるフォトカプラの内部構成を模式的に例示する図であり、同図（ａ）ではフォトカプラの内部構成の平面図が示され、同図（ｂ）ではフォトカプラの内部構成の側面図が示される。第３実施形態と第１実施形態との主な差異点は、フォトカプラ３におけるアパーチャ板３６より射出側の構成である。したがって、以下では、この差異点を中心に説明を行なう一方、共通点については相等符号を付して適宜説明を省略する。なお、第２実施形態においても、第１実施形態と共通する構成を備えることで、第１実施形態と同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００４８】
第３実施形態では、アパーチャ板３６の射出側において、シュリーレン光学系３５が排されるとともに、フォトダイオード３７１に代えてＣＣＤ(Charge Coupled Device)等で構成されたラインセンサ３７５が用いられている。このラインセンサ３７５は、Ｘ方向に平行に配置されて、５個の格子形成範囲Ｒlに対向する。そして、５個の素子形成範囲Ｒlから射出された０次光Ｌ０のそれぞれは、ラインセンサ３７５の異なる画素３７５１により検出されて、検出電気信号Ｓdtへと変換される。こうして、変換された検出電気信号Ｓdtは、図示を省略するシフトレジスタによって信号出力部３７２に転送される。
【００４９】
以上に説明したように、第３実施形態では、アパーチャ板３６の射出側において、ラインセンサ３７５で０次光Ｌ０を検出するように構成することで、光学系が排除されている。したがって、フォトカプラ３のサイズの増大を極めて効果的に抑制することが可能となっている。
【００５０】
その他
以上のように、上記実施形態では、フォトカプラ３が本発明の「フォトカプラ」に相当し、光源部３１が本発明の「光源」に相当し、電気光学結晶基板３３１が本発明の「電気光学結晶基板」に相当し、第１電極３３３が本発明の「電極部」に相当し、格子形成範囲Ｒlが本発明の「格子形成範囲」に相当し、光電変換部３７が本発明の「光電変換部」に相当し、フォトダイオード３７１が本発明の「光電変換素子」に相当し、０次光が本発明の「変調光」に相当し、印加電気信号Ｓipが本発明の「印加電気信号」に相当し、検出電気信号Ｓdtが本発明の「検出電気信号」に相当する。また、上記実施形態では、信号出力部３７２が本発明の「歪補償部」に相当し、電位付与部３３６が本発明の「信号印加部」に相当する。
【００５１】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、５チャンネルを有するフォトカプラ３を例示して説明を行なった。しかしながら、フォトカプラ３が有するチャンネルの個数はこれに限られない。
【００５２】
また、上記実施形態では、電気光学結晶基板３３１から射出された０次光Ｌ０を光電変換により電気信号に変換していた。しかしながら、電気光学結晶基板３３１から射出された０次光Ｌ０以外の回折光を光電変換により電気信号に変換するようにフォトカプラ３を構成しても良い。
【００５３】
また、空間光変調器３３の具体的な構成も上述のものに限られない。したがって、第１電極３３や第２電極３３５の形状・サイズ・個数・配置態様等について種々の変更を可能である。具体的には、例えば、Ｚ方向に伸びる直線形状を有するパターンをＸ方向に複数並べて、１個の第１電極３３３を構成しても良い。また、電気光学結晶基板３３１の構成についても変更が可能であり、例えば周期分極反転構造における第１分極部３３１１、第２分極部３３１２の形状・サイズ・個数・配置態様等について種々の変更が可能である。
【００５４】
また、上記実施形態では、振幅変調した交流信号を第１電極３３３に印加していた。しかしながら、入力電気信号Ｓinをそのまま第１電極３３３に入力するように構成しても良い。
【００５５】
また、上記実施形態では、格子形成範囲Ｒlから射出される０次光Ｌ０に生じる歪成分の補償を、信号出力部３７２が実行していた。しかしながら、このような歪補償を実行する場所は、信号出力部３７２に限られない。したがって、例えば、電位付与部３３６がレベルシフト信号Ｓlsの形状を変形することで、上記歪成分の補償を実行するように構成しても良い。
【００５６】
また、出力電気信号Ｓoutの形状に精度が求められないような場合には、このような歪補償を省略するように構成することもできる。
【００５７】
また、上記実施形態において、光源部３１や光電変換部３７１をフォトカプラ３に対して着脱自在に構成するといった変形を行うこともできる。このような構成では、光源部３１、光電変換部３７１を適宜交換する等のメンテナンス作業を容易に実行することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
この発明は、入力された電気信号に応じて変調された光を生成しつつ、この変調光を光電変換して得られる電気信号を出力するフォトカプラに対して好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
３…フォトカプラ
３１…光源部
３３…空間光変調器
３３１…電気光学結晶基板
３３３…第１電極
３３６…電位付与部
３５…シュリーレン光学系
３５１…レンズ
３５２…アパーチャ板
３５２１…アパーチャ
３５３…レンズ
３７…光電変換部
３７１…フォトダイオード
３７２…信号出力部
３７５…ラインセンサ
３８…単玉レンズ
Ｒl…格子形成範囲
Ｌ０…０次光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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