(57)【要約】  光変調器は、音響光学媒体１と、音響光学媒体１内に表面弾性波を発生する表面弾性波発生手段２とを有する。音響光学媒体１内は、表面弾性波発生手段２により発生した表面弾性波が及ぶ領域である表面弾性波進行領域３が同一材料よりなる。音響光学媒体１は、表面弾性波の進行方向と交差する方向に、表面弾性波進行領域３を挟んで対向する第１および第２の端面を備える。第１の端面から入射した入射光が表面弾性波進行領域３を通過する際に生じる一次回折波と、表面弾性波発生手段２を停止した状態で入射光が音響光学媒体１内を伝播する光とが、それぞれ第２の端面から異なる方向に出射される。
2010001852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響光学媒体と、
前記音響光学媒体内に表面弾性波または界面弾性波を発生する弾性波発生手段とを有し、
前記音響光学媒体内は、前記弾性波発生手段により発生した表面弾性波または界面弾性波が及ぶ弾性波伝播領域が同一材料より形成され、
前記表面弾性波または界面弾性波の進行方向と交差する方向に、前記弾性波伝播領域を挟んで対向する第１および第２の端面を備え、該第１の端面から入射した入射光が前記弾性波伝播領域を通過する際に生じる一次回折波と、前記弾性波発生手段を停止した状態で前記入射光が前記音響光学媒体内を伝播する光とが、それぞれ前記第２の端面から異なる方向に出射される、光変調器。
【請求項２】
前記音響光学媒体は、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する平面よりなる第１の面を備え、前記弾性波発生手段は、前記第１の面に形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項３】
前記音響光学媒体は、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する平面よりなる第１の面と、該第１の面に対向する第２の面とを備え、前記弾性波発生手段は、前記第１および第２の面のそれぞれに形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項４】
前記弾性波発生手段は、同一平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第１および第２の櫛形電極を有し、該第１および第２の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置されている、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記弾性波発生手段は、前記音響光学媒体の内部に形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記弾性波発生手段は、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する第１の平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第１および第２の櫛形電極を有し、該第１および第２の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置されている、請求の範囲第５項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記弾性波発生手段は、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する第１の平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第１および第２の櫛形電極と、前記第１の平面と対向する第２の平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第３および第４の櫛形電極とを有し、
前記第１および第２の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置され、前記第３および第４の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置されている、請求の範囲第６項に記載の光変調器。
【請求項８】
光ビームを前記弾性波伝播領域に集光するための集光レンズをさらに有する、請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項９】
前記弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極の周期Λに対して、前記集光レンズによって前記弾性波伝播領域に集光される光のビーム径の前記各線状電極を含む平面に垂直な方向における幅が、０．１×Λより大きく、かつ、１．２×Λより小さい、請求の範囲第８項に記載の光変調器。
【請求項１０】
前記弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極の周期Λに対して、前記集光レンズによって前記弾性波伝播領域に集光される光のビーム径の前記各線状電極を含む平面に垂直な方向における幅が、０．７×Λより大きく、かつ、Λより小さい、請求の範囲第８項に記載の光変調器。
【請求項１１】
前記弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極の周期Λ、前記弾性波発生手段の駆動周波数ｆ、および前記表面弾性波または界面弾性波の伝播速度ｖに対して、前記集光レンズによって前記弾性波伝播領域に集光される光のビーム径の前記各線状電極を含む平面に垂直な方向と直交する方向における幅が、２×Λより大きく、かつ、ｖ／ｆ以下である、請求の範囲第８項から第１０項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１２】
前記集光レンズにより集光した光ビームがガウシアンビームである、請求の範囲第８項から第１１項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１３】
前記第１および第２の端面に反射防止膜を有する、請求の範囲第１項から第１２項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１４】
前記音響光学媒体が水晶よりなる、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１５】
前記音響光学媒体が、不純物を含む水晶よりなる、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響光学材料を用いた光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、特許文献１（特開平０６−２７３７０５号公報）に記載のバルク型音響光学素子の構成を示す。このバルク型音響光学素子は、音響光学媒体２００と、音響光学媒体２００の端面に形成された圧電振動子２０１と、圧電振動子２０１を駆動するための高周波電源２０２とを有する。【０００３】
高周波電圧が圧電振動子２０１に供給されると、圧電振動子２０１が振動し、それにより音響光学媒体２００内に超音波進行波２０３が発生する。音響光学媒体２００内の超音波進行波２０３が及ぶ領域においては、屈折率が周期的に変化する。この屈折率変化領域に、入射光２０６をブラッグ回折角θで入射させると、一次回折光２０４を生じる。一方、圧電振動子２０１への高周波電圧の供給を停止すると、屈折率変化領域は形成されないため、入射光２０６はそのまま音響光学媒体２００を通過し、非回折光２０５として出射される。【０００４】
上記の他、非特許文献１（Japanese  Journal  of  Applied  Physics  Vol.  46,  No.  2,  pp.  669-674）に記載の光通信用の導波路型音響光学素子がある。図２に、その導波路型音響光学素子の構成を示す。【０００５】
図２に示すように、光導波路３０１および櫛形電極３０２、３０３が、圧電素子３００上に形成されている。光導波路３０１は、プロント交換法で光の波長程度の領域の屈折率を高めることで形成したものであって、その高さは０．８μｍである。【０００６】
櫛形電極３０２は、等間隔に配置された複数の線状電極を備えた第１および第２の電極部からなり、第１および第２の電極部は、互いの線状電極が交互に配置されている。櫛形電極３０３も、櫛形電極３０２と同様の構造のものである。櫛形電極３０２、３０３は対向するように光導波路３０１の両側に形成されている。【０００７】
櫛形電極３０２、３０３に高周波電圧を印加すると、圧電素子３００の表面近傍に表面弾性波が発生する。櫛形電極３０２、３０３からの表面弾性波により、光導波路３０１の中央部（櫛形電極３０２、３０３により挟まれた領域）の屈折率が変化する。光導波路３０１内を伝播する光がその屈折率変化領域に入射すると回折光が生じる。【０００８】
上記の導波路型音響光学素子は、１０ｍＷ以下のシングルモードの赤外光を変調するための素子として用いられる。
【発明の概要】
【０００９】
しかしながら、上述した音響光学素子には、以下のような問題がある。
【００１０】
特許文献１に記載のバルク型音響光学素子においては、音響光学媒体２００や圧電振動子２０１のサイズが大きく、超音波進行波２０３が生じる領域の断面の大きさは数ミリメートル程度である。また、圧電振動子２０１への供給電圧は数十Ｖ以上であり、バルク型音響光学素子の消費電力は数十Ｗ以上である。このように、バルク型音響光学素子においては、素子サイズが大きく、消費電力も多い、という問題がある。
【００１１】
特に、レーザディスプレイ等の画像表示装置においては、光変調器の小型化および消費電力化が望まれており、上記のバルク型音響光学素子を、そのような画像表示装置に適用することは困難である。
【００１２】
非特許文献１に記載の光通信用の導波路型音響光学素子においては、以下のような問題がある。
【００１３】
（１）導波路型音響光学素子は、入射光が光の波長程度のサイズの導波路に閉じ込められる構造であるため、入射光の強度によっては、導波路内の光密度が極めて高くなって、導波路が損傷してしまう場合がある。このように、導波路型音響光学素子の光損傷耐性は低い。一方、レーザディスプレイ等の画像表示装置では、例えば１００ｍＷ以上の高出力光に対する光変調が行われる。このような高出力光の光変調が行われる画像表示装置に、光損傷耐性の低い導波路型音響光学素子を適用することは困難である。
【００１４】
なお、導波路型音響光学素子を画像表示装置に適用する場合、赤外光より波長の短い可視光を導波路型音響光学素子で変調することになる。この場合、導波路の厚みはさらに薄くなり、光損傷が生じ易くなる。また、導波路に用いられるＬｉＮｂＯ3材料の光損傷耐性は、ガラスに比べて２桁以上低い。光通信応用では、信号光をファイバーアンプにより増幅して中継することから、高い光出力が必ずしも要求されないため、上記のような光損傷問題は顕在しなかった。
【００１５】
（２）導波路の断面サイズを拡大して光密度を下げることで、上記の光損傷問題を回避することは可能である。しかし、導波路の断面サイズを拡大すると、導波路内を伝播する光は、シングルモードを維持できずにマルチモードになり、音響波とのブラッグ回折により各導波モードの回折光の進行方向がお互いに異なってしまう。このため、導波路の断面サイズを拡大した場合は、回折効率が著しく低下する、という問題が生じる。
【００１６】
（３）典型的な表面弾性波は、その波長（典型的には２０μｍ程度）の深さに分布する。導波路内を伝播する光が表面弾性波と相互作用する領域は、たかだか光の波長程度の狭い領域であり、それ以外の広い領域においては、表面弾性波は光の回折に寄与しない。このように、表面弾性波のエネルギー利用率が小さい。
【００１７】
また、導波路型音響光学素子では、十分な回折光を得るために、相互作用長（この場合は導波路長に同じ）を２ｍｍ以上にする必要がある。このため、素子の小型化が困難である。
【００１８】
（４）画像表示用の光ビームの直径は５００μｍ以上であり、それを厚さ１μｍ程度の導波路に入れるためには、様々な光学系を必要とし、その分、光損失が生じる。このように、画像表示用の光ビームを導波路に入れる際の光挿入損失が大きい、という問題がある。加えて、装置の部品点数が増大する、という不利益も生じる。さらに、素子自体が大きく、その構造が複雑であるために、製造コストも増大する。
【００１９】
本発明の目的は、上記の各問題を解決することができ、高出力の光ビームを変調することができる、小型の光変調器を提供することにある。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明の光変調器は、
音響光学媒体と、
上記音響光学媒体内に表面弾性波または界面弾性波を発生する弾性波発生手段とを有し、
上記音響光学媒体内は、上記弾性波発生手段により発生した表面弾性波または界面弾性波が及ぶ弾性波伝播領域が同一材料より形成され、
上記表面弾性波または界面弾性波の進行方向と交差する方向に、上記弾性波伝播領域を挟んで対向する第１および第２の端面を備え、該第１の端面から入射した入射光が上記弾性波伝播領域を通過する際に生じる一次回折波と、上記弾性波発生手段を停止した状態で上記入射光が上記音響光学媒体内を伝播する光とが、それぞれ上記第２の端面から異なる方向に出射される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】バルク型音響光学素子の構成を示す模式図である。
【図２】光通信用の導波路型音響光学素子の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である光変調器の構成を示す模式図である。
【図４】図３に示す光変調器におけるブラッグ回折を説明するための模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態である光変調器の構成を説明するための模式図である。
【図６】光ビームの直径のビーム伝播距離依存性を示す特性図である。
【図７】本発明の第３の実施形態である光変調器の構成を説明するための模式図である。
【図８】本発明の第４の実施形態である光変調器の構成を説明するための模式図である。
【図９】本発明の第５の実施形態である光変調器の構成を説明するための模式図である。
【図１０】光ビームの直径とビーム集光距離との関係を波長別に示す特性図である。
【図１１】光ビームの直径とビーム集光距離との関係をビームウェスト別に示す特性図である。
【図１２】本発明の光変調器を備える画像表示装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  音響光学媒体
２  表面弾性波発生手段
３  表面弾性波進行領域
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態である光変調器の構成を示す模式図である。
【００２５】
図３を参照すると、光変調器は、音響光学媒体１と、音響光学媒体１の表面に形成された表面弾性波発生手段２とを備える。音響光学媒体１は、表面弾性波発生手段２により発生した表面弾性波と入射光を相互作用させるための媒体である。このような表面弾性波と入射光の相互作用は、一般に、音響光学効果と呼ばれている。音響光学媒体１は、音響光学効果を得ることのできる材料、例えば、水晶や不純物がドープされた音響光学材料より形成される。不純物は、例えばＥｒ（エルビウム）、Ｉｎ（インジウム）等である。
【００２６】
表面弾性波発生手段２は、例えば、同一平面上に等間隔に配置された複数の線状電極からなり、一方の側から数えて偶数番目の線状電極群と奇数番目の線状電極群との間に高周波電圧が印加されるように構成されている。このような電極構造の一例として、第１および第２の櫛形電極からなる電極構造がある。第１および第２の櫛形電極は、互いの櫛歯に相当する線状電極が交互に配置されており、各線状電極間の間隔は等間隔である。なお、線状電極の間隔が等間隔であるとは、各線状電極間の距離が完全に一致している状態だけでなく、製造誤差等により線状電極間の間隔にズレが生じている状態をも含む。
【００２７】
高周波電圧が櫛形電極間に印加されることで、音響光学媒体１の表面近傍に表面弾性波が生じる。表面弾性波は、線状電極の並び方向（線状電極の長さ方向と交差する方向）に沿って音響光学媒体１の表面部分を進行する進行波であり、その進行方向に沿って、屈折率の周期的な変化が生じる。
【００２８】
表面弾性波が及ぶ領域（弾性波伝播領域）である表面弾性波進行領域３は同一材料よりなり、その深さは、表面弾性波の波長程度とされる。例えば、波長Λの表面弾性波が及ぶ領域の深さは、その波長Λとされる。なお、表面弾性波の波長Λ（または表面弾性波３が及ぶ領域の深さ）は、線状電極の間隔（周期）および線状電極群間に印加される高周波電圧の周波数（表面弾性波発生手段２の駆動周波数）によって決まる。表面弾性波進行領域３の幅Ｌ（線状電極の長さ方向における幅）が、音響光学効果が生じる相互作用長である。
【００２９】
音響光学媒体１の側面のうち、表面弾性波進行領域３を挟んで対向する側面の一方が入射端面とされ、他方が出射端面とされている。表面弾性波発生手段２が形成される表面は、これら入射端面および出射端面のそれぞれと交差する平面よりなる。
【００３０】
入射端面からの光ビームが表面弾性波進行領域３に所定の入射角で入射するように、音響光学媒体１の入射端面に対する光ビームの入射角度が設定される。ここで、所定の入射角は、入射端面からの光ビームが表面弾性波進行領域３を通過する際に屈折するような条件を満たす角度であり、より望ましくは、光ビームが表面弾性波進行領域３を通過する際にブラッグ回折が生じるような条件を満たす角度である。
【００３１】
図４に、図３に示した光変調器における回折を模式的に示す。表面弾性波は、音響光学媒体１の表面近傍を、図面に向かって手前側から奥側に向かって進行する。光ビーム４は、図面に向かって左側から音響光学媒体１の入射端面に入射する。入射した光ビーム４が表面弾性波進行領域３を通過する際に、ブラッグ回折により、１次回折波４ａが生じる。１次回折波４ａは、音響光学媒体１の出射端面から外部に向けて出射される。
【００３２】
表面弾性波発生手段２への高周波電圧の供給を停止すると、表面弾性波進行領域３は形成されないため、入射した光ビーム４は、回折することなく、そのまま音響光学媒体１内を伝播し、出射端面から外部に向けて出射される。この出射端面からの光の進行方向は、０次光の進行方向と同じである。
【００３３】
高周波電圧の供給時に出射端面から出射される１次回折波４ａの光軸は、高周波電圧の供給を停止した場合に出射端面から出射される光（０次光）の光軸に対して、ブラッグ回折角だけ傾いている。したがって、表面弾性波発生手段２への高周波電圧の供給を制御することで、出射端面からの出力光の進行方向を切り替えることができ、これにより、光ビーム４を変調することができる。通常、１次回折波４ａを光変調器の出力光として利用する。
【００３４】
光ビーム４の径は、表面弾性波の波長Λ（または表面弾性波３が及ぶ領域の深さ）により規定される。図３および図４には示されていないが、光ビーム４を音響光学媒体１に入射させるための光学系として、入射端面に設けられる反射防止膜、反射鏡、非球面レンズなどからなる光学系が用いられる。光ビーム４は、断面形状が楕円形状の平行光束であり、光ビーム４の殆どが、表面弾性波進行領域３の少なくとも一部を通過するように、光ビーム４のビーム径が設定される。
【００３５】
ここでは、図４に示されるように、光ビーム４の断面形状において、深さ方向（Ｘ方向）のビーム幅を垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）、水平方向（Ｙ方向）のビーム幅を水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）と呼ぶ。
【００３６】
光ビームの回折効率を考慮すると、垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）は表面弾性波３が及ぶ領域（弾性波伝播領域）の深さΛ程度、あるいはΛよりやや小さいことが望ましい。なぜならば表面弾性波３が及ばない領域を通過する光ビームの部分が増大すると、その光ビーム部分は回折されないため、変調時の消光比が低下するからである。しかしながら、光ビームの楕円断面形状の縁の部分の面積は小さく、垂直ビーム幅がＺ方向の位置に依存してやや広がる分布を有する。このことを考慮し、垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）は１．２×Λより小さくすることが望ましい。この条件を満たすことで、消光比の低下の度合いをディスプレイにおける通常の仕様である５％以下に抑えることができる。
【００３７】
ビームの断面積が小さくなると、高い消光比が得られるが、光密度が高くなるので、使用できる光ビームの強度が制限される。詳細は後述するが、水晶を用いた場合の光ビーム強度は、垂直ビーム幅がΛのとき、最大で２００ｍＷ程度である。ディスプレイに要求される光ビーム強度は、画面の大きさや構成に依存し、通常２０ｍＷ〜２００ｍＷである。従って垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）は、０．１×Λより大きくすることが望ましい。
【００３８】
これらの条件により、表面弾性波進行領域３の深さをΛ（深さΛは、線状電極の間隔に相当する）、幅をＬ（幅Ｌは、線状電極の交差部の幅に相当する）とするとき、任意のｚ（０≦ｚ≦Ｌ）に対して、垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）は、０．１×Λ＜ｄｖ（ｚ）＜１．２×Λの条件を満たす。より望ましくは、垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）は、０．７×Λ＜ｄｖ（ｚ）＜Λの条件を満たす。ここで、表面弾性波進行領域３の幅方向は、深さ方向（Ｘ方向）および進行方向（Ｙ方向）のそれぞれに垂直な方向（Ｚ方向）である。深さΛは、例えば、３０μｍ程度である。
【００３９】
Ｙ方向の水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）は、弾性波発生手段である表面弾性波発生手段（または界面弾性波発生手段）の駆動周波数ｆを表面弾性波（または界面弾性波）の伝播速度ｖで割った値Ｗ（=ｖ／ｆ）、あるいはそれより小さい値である。なぜなら水平ビーム幅がＷより大きいと、個々の変調信号を十分に分離できなくなり、ディスプレイ画像の解像度が低下するからである。
【００４０】
また水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）は２×Λより大きくなくてはならない。なぜなら、水平ビーム幅の中に入る表面弾性波の数（１波長で１個と数えたときの）が３個より少ないと、回折効率が低下するからである。高い回折効率を得るには、変調周波数ｆをｖ／２Λより小さくする必要がある。
【００４１】
結局、光変調器を周波数ｆ（ＭＨｚ）で駆動する場合、表面弾性波の伝播速度ｖに対して、Ｙ方向の水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）は、２×Λ＜ｄｈ（ｚ）≦Ｗ（＝ｖ／ｆ＞２×Λ）の条件を満たす。
【００４２】
本実施形態では、１次回折波４ａを光変調器の出力光として用いるので、１次回折波４ａの光量（輝度）を大きくすることで、消光比を高めることができる。１次回折波４ａの光量（輝度）は、表面弾性波進行領域３に入射する光ビームの量に比例する。上述した垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）および水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）の各条件を満たすことで、光ビーム４の殆どが表面弾性波進行領域３を通過することになる。これにより、消光比を高くすることができる。
【００４３】
また、上記の各条件を満たすように光ビーム４のビーム径を設定することで、光変調器の駆動周波数ｆを高く設定した場合も、光ビーム４の殆どが表面弾性波進行領域３を通過することになる。したがって、例えば３０ＭＨｚ以上の高帯域で変調する場合でも、消光比を高くすることができる。
【００４４】
また、本実施形態の光変調器は、非特許文献１に記載されたような導波路型音響光学素子とは異なり、音響光学媒体１内に導波路構造を持たない。加えて、音響光学媒体１は、光損傷耐性に優れた材料（水晶や、不純物をドープした音響光学材料）により構成されている。このため、高出力の光ビーム、例えば１００ｍＷ以上の光ビームを変調する場合に、音響光学媒体１が損傷してしまう、といった問題は生じない。
【００４５】
加えて、シングルモードの光ビームが音響光学媒体１内に入射した場合、その入射光は、シングルモードを維持したまま表面弾性波進行領域３を通過する。ブラッグ回折の条件を満たす場合、１次回折波４ａ以外の高次の回折波は小さく、無視することができる。よって、シングルモードの１次回折波４ａを得ることができる。このように、本実施形態の光変調器によれば、シングルモードの出力光を得ることができる。シングルモードの１次回折波４ａを得るために、光ビームとしてガウシアンビームを用いることが望ましい。
【００４６】
さらに、導波路型音響光学素子では、相互作用長Ｌを２ｍｍ以上にする必要があったが、本実施形態の光変調器によれば、例えば、表面弾性波進行領域３の深さ（表面弾性波の波長に対応する）を２０μｍとした場合、相互作用長Ｌは４００μｍとなる。このように、相互作用長Ｌを小さくすることができるので、光変調器の小型化が可能である。
【００４７】
また、導波路型音響光学素子では、相互作用が生じる領域は導波路内に限られており、その領域は、たかだか入射光の波長程度の狭い領域である。したがって、例えば、波長が２０μｍの表面弾性波を発生させた場合、表面弾性波の及ぶ領域の深さは２０μｍであるが、導波路内の狭い領域でしか相互作用は生じないため、表面弾性波のエネルギー利用率は低い。これに対して、本実施形態の光変調器によれば、光ビーム４のビーム径は、表面弾性波進行領域３の深さおよび相互作用長に応じて設定される。換言すると、表面弾性波進行領域３の全体に光ビーム４を入射させるような条件を設定することができる。これにより、表面弾性波進行領域３内の広い領域において相互作用を生じさせることができ、表面弾性波のエネルギー利用率を向上することができる。
【００４８】
また、表面弾性波発生手段２を櫛形電極により構成することで、圧電振動子に比べて、電極面積（容量）および駆動電圧を小さくができ、消費電力を小さくできる。よって、低消費電力で小型の素子を提供することが可能である。加えて、駆動周波数の高い櫛形電極を用いることで、例えば２０ＭＨｚ以上の高帯域での駆動が可能な光変調器を提供することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
光ビームを表面弾性波進行領域３内に効率よく入射させるためには、光学系を用いて、光ビーム径を絞ることが望ましい。ここでは、そのような光学系を備える実施形態について説明する。
【００５０】
図５は、本発明の第２の実施形態である光変調器の構成を説明するための図であって、矢印１００Ａによって示される部分図は、光変調器の上面側から見た模式図であり、矢印１００Ｂによって示される部分図は、光変調器の側面側から見た模式図である。図５に示すように、櫛形電極１０２が表面に形成された圧電材料１０８が支持基板１０１上に形成されている。圧電材料１０８は、例えば水晶である。支持基板１０１の材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）である。
【００５１】
櫛形電極１０２は、表面弾性波発生手段であって、互いの櫛歯に相当する線状電極が交互に配置された第１および第２の櫛形電極からなり、各線状電極間の間隔は等間隔である。高周波電圧を第１および第２の櫛形電極の間に供給することで、圧電材料１０８の表面近傍に、表面弾性波１１０ａが発生する。圧電材料１０８が水晶より構成される場合、表面弾性波１１０ａの進行速度は３１５７ｍ／ｓである。
【００５２】
第１の櫛形電極の周期（櫛歯の間隔）と第２の櫛形電極の周期（櫛歯の間隔）は同じであり、ここでは、第１および第２の櫛形電極のそれぞれの周期をΛとする。また、櫛形電極１０２の相互作用長をＬとする。表面弾性波１１０ａが及ぶ領域（弾性波伝播領域）は同一の材料からなり、その表面からの深さは、周期Λに同じである。
【００５３】
圧電材料１０８内の、櫛形電極１０２にて発生した表面弾性波１１０ａの進行方向には、この表面弾性波１１０ａを吸収するための超音波吸収部１０３が形成されている。超音波吸収部１０３の表面弾性波進行方向に垂直な方向における断面積は、弾性波伝播領域の断面積以上とすることが望ましい。超音波（表面弾性波や海面弾性波）を吸収できるのであれば、超音波吸収部１０３としてどのような材料や形状のものを用いてもよい。
【００５４】
圧電材料１０８の端面のうち、表面弾性波１１０ａの進行方向と交差する方向に位置する端面の一方が入射端面とされ、他方が出射端面とされている。前端反射防止膜１０６が入射端面上に形成され、後端反射防止膜１０７が出射端面上に形成されている。支持基板１０１上には、さらに集光レンズ１０５ａ、１０５ｂがそれぞれ光学冶具１０９ａ、１０９ｂを介して設けられている。
【００５５】
集光レンズ１０５ａは、入射光ビーム１０４を集光する。入射光ビーム１０４は、平行光束である。集光レンズ１０５ａにより集光された光ビームは、圧電材料１０８の入射端面から圧電材料１０８内に入射する。この入射した光ビームは、表面弾性波１１０ａが及ぶ領域に対して所定の入射角で入射する。ここで、所定の入射角は、ブラッグ回折が生じるような条件を満たす角度である。
【００５６】
集光レンズ１０５ａによって集光された光ビームの、表面弾性波１１０ａが及ぶ領域における断面の形状は楕円形状であり、その断面における垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗが、前述の垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）および水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）に関する各条件を満たす。垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗは、集光レンズ１０５ａの位置、焦点距離、向き（光軸方向）等により調整することが可能である。
【００５７】
集光レンズ１０５ｂは、圧電材料１０８の出射端面からの光ビーム（ここでは、回折光ビーム１０４ａ）の進行方向に設けられている。回折光ビーム１０４ａは拡散光（一次回折光）であり、集光レンズ１０５ｂは、回折光ビーム１０４ａを平行光束にするために用いる。回折光ビーム１０４ａの、その進行方向と交差する方向における断面の中心を通る光線（この光線軌跡は回折光ビーム１０４ａの光軸に対応する）は、集光レンズ１０５ｂの光軸と一致する。回折光ビーム１０４ａの光軸と、高周波電圧の供給を停止した場合に出射端面から出射される出射光ビーム１０４ｂ（０次光）の光軸とのなす角度は２θである。この角度２θは、ブラッグ回折角に等しい。
【００５８】
次に、本実施形態の光変調器の動作について説明する。
【００５９】
高周波電圧が櫛形電極１０２に供給されると、圧電材料１０８の表面近傍に表面弾性波１１０ａが発生する。入射光ビーム１０４を集光レンズ１０５ａにより集光した光ビームが、表面弾性波１１０ａが及ぶ領域を通過する際にブラッグ回折が生じ、その結果、回折光ビーム１０４ａが圧電材料１０８の出射端面から出射される。回折光ビーム１０４ａは、集光レンズ１０５ｂにより平行光束とされる。この平行光束とされた回折光ビーム１０４ａが、光変調器の出力光として用いられる。
【００６０】
櫛形電極１０２への高周波電圧の供給が停止されると、表面弾性波１１０ａが発生しないため、集光レンズ１０５ａにより集光した光ビームは、回折することなく、そのまま圧電材料１０８内を伝播する。そして、出射光ビーム１０４ｂが出射端面から出射される。出射光ビーム１０４ｂは、光変調器の出力光である回折光ビーム１０４ａの光路から外れる。
【００６１】
このように、櫛形電極１０２への高周波電圧の供給を制御することで、光変調器の出力光（回折光ビーム１０４ａ）のオンオフを制御することができる。
【００６２】
本実施形態の光変調器によっても、第１の実施形態で説明した作用効果を得ることができる。
【００６３】
図６は、光ビームの直径のビーム伝播距離依存性を示す。縦軸は光ビームの直径ｒを示し、横軸はビームの伝播方向ｘを示す。伝播方向ｘが０である点が、表面弾性波の及ぶ領域における、光ビームの入射位置に対応する。Ｒ光ビーム（６３０ｎｍ）のグラフが一点鎖線で示され、Ｇ光ビーム（５３０ｎｍ）のグラフが破線で示され、Ｂ光ビーム（４７０ｎｍ）のグラフが実線で示されている。表面弾性波の及ぶ領域の深さΛは、〜２０μｍである。
【００６４】
Ｒ光ビーム、Ｇ光ビームおよびＢ光ビームのいずれの光ビームにおいても、垂直ビーム幅ｄが１５μｍであれば、相互作用長Ｌが２ｍｍで、表面弾性波の及ぶ領域の深さΛが２０μｍである領域内に、光ビームを収めることができる。
【００６５】
なお、光ビームの垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗ、表面弾性波の及ぶ領域の深さΛ、および相互作用長Ｌは、回折効率、光損傷耐性、光密度、素子サイズ等を考慮して適宜に設定することが望ましい。例えば、垂直ビーム幅ｄが１５μｍで、深さΛが２０μｍである場合、相互作用長Ｌを４００μｍ程度にしてもよい。このような設定においても、回折効率や光損傷耐性を損なうことなく、素子サイズを小さくすることができる。
【００６６】
また、垂直ビーム幅ｄや水平ビーム幅Ｗを小さくした場合は、焦点距離の短い集光レンズを用いることになる。焦点距離の短い集光レンズを用いることで、集光レンズと圧電材料１０８の間隔を小さくすることが可能となり、その分、光変調器のサイズを小さくすることができる。垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗは、表面弾性波の及ぶ領域の深さΛおよび相互作用長Ｌにより決まる。
【００６７】
本実施形態の光変調器によれば、例えば、相互作用長Ｌを２ｍｍから４００μｍに削減することができるので、素子サイズを小さくすることができる。
【００６８】
また、２０ＭＨｚの変調周波数で変調器を駆動する場合において、深さΛを２０μｍとし、水平ビーム幅Ｗを１０５μｍとする。水晶の可視光における最大許容光密度は、１００Ｗ／ｍｍ2以上であり、最大許容光出力は、
【００６９】
【数１】
2010001852.tif 000003
で与えられる。これは、大型ディスプレイ用のレーザ光源に必要なレベルの光出力を得ることが可能であることを意味する。すなわち、本実施形態の光変調器によれば、２００ｍＷ以上の大出力の可視光を３０ＭＨｚ以上の高帯域で変調するディスプレイ用の光ビーム変調器を提供することが可能である。
【００７０】
（第３の実施形態）
表面弾性波が及ぶ領域の深さ方向における範囲を広げることで、より高出力の光ビームを変調することが可能となる。ここでは、そのような高出力の光ビームを変調可能な光変調器の構成について説明する。
【００７１】
図７は、本発明の第３の実施形態である光変調器の構成を説明するための模式図である。この光変調器は、表面弾性波発生手段（櫛形電極）が圧電材料の表面および裏面のそれぞれに設けられた点以外は、第２の実施形態の光変調器と同様の構成のものである。
【００７２】
表面櫛形電極１０２ａが圧電材料１０８の表面に形成され、裏面櫛形電極１０２ｂが圧電材料１０８の裏面に形成されている。表面櫛形電極１０２ａおよび裏面櫛形電極１０２ｂはいずれも、図５に示した櫛形電極１０２と同じ構成であって、互いの櫛歯に相当する線状電極が交互に配置された第１および第２の櫛形電極からなり、各線状電極間の間隔は等間隔である。
【００７３】
表面櫛形電極１０２ａの第１および第２の櫛形電極はそれぞれ、裏面櫛形電極１０２ｂの第１および第２の櫛形電極と対向する位置に配置されている。表面櫛形電極１０２ａおよび裏面櫛形電極１０２ｂを構成する第１および第２の櫛形電極のそれぞれの周期は互いに同じである。ここでは、第１および第２の櫛形電極の周期をΛとする。
【００７４】
表面櫛形電極１０２ａに高周波電圧を印加することで、圧電材料１０８の表面櫛形電極１０２ａが設けられた面の表面近傍に、波長Λの第１の表面弾性波が発生する。これと同様に、裏面櫛形電極１０２ｂに高周波電圧を印加することで、圧電材料１０８の裏面櫛形電極１０２ｂが設けられた面の表面近傍に、波長Λの第２の表面弾性波が発生する。第１および第２の表面弾性波の進行方向は同じである。また、第１の表面弾性波の進行方向に沿って形成される屈折率の周期的な変化も、第２の表面弾性波の進行方向に沿って形成される屈折率の周期的な変化と同じである。したがって、第１の表面弾性波の及ぶ領域と第２の表面弾性波の及ぶ領域とが、その深さ方向において互いに重なる場合は、第１および第２の表面弾性波は統合された１つの表面弾性波とみなすことができる。
【００７５】
第１の表面弾性波の及ぶ領域の、表面櫛形電極１０２ａが形成された面側からの深さはΛであり、第２の表面弾性波の及ぶ領域の、裏面櫛形電極１０２ｂが形成された面からの深さもΛである。したがって、表面櫛形電極１０２ａが形成された面と裏面櫛形電極１０２ｂが形成された面との間隔が２Λ以下であれば、第１の表面弾性波の及ぶ領域と第２の表面弾性波の及ぶ領域とが、その深さ方向において互いに重なる。本実施形態では、第１の表面弾性波の及ぶ領域と第２の表面弾性波の及ぶ領域とが、その深さ方向において互いに重なるように、圧電材料１０８の厚さが設定されている。
【００７６】
また、本実施形態においては、集光レンズ１０５ａにより集光された光ビームは、第１および第２の表面弾性波の及ぶ領域に対して所定の入射角で入射する。ここで、所定の入射角は、ブラッグ回折が生じるような条件を満たす角度である。
【００７７】
また、集光レンズ１０５ａによって集光された光ビームの、第１および第２の表面弾性波の及ぶ領域における断面の形状は楕円形状であり、その断面における垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗが、前述の垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）および水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）に関する各条件を満たす。
【００７８】
以上のように構成された本実施形態の光変調器によれば、第２の実施形態のものに比べて、表面弾性波の及ぶ領域の深さ方向における範囲を、最大で２倍程度、広げることができるので、その分、変調可能な光ビームの出力を高めることができる。具体的には、第２の実施形態のもので、２００ｍＷの光ビームを変調可能である場合、本実施形態では、その２倍の４００Ｗ程度の光ビームを変調可能である。このように、より大出力のディスプレイ用の光ビーム変調器を提供することが可能である。
【００７９】
（第４の実施形態）
第１から第３の実施形態の光変調器は表面弾性波を利用するものであるが、表面弾性波に代えて界面弾性波を利用することもできる。ここでは、そのような界面弾性波を利用して光ビームを変調する光変調器の構成について説明する。
【００８０】
図８は、本発明の第４の実施形態である光変調器の構成を説明するための図であって、矢印２００Ａによって示される部分図は、光変調器の上面側から見た模式図であり、矢印２００Ｂによって示される部分図は、光変調器の側面側から見た模式図である。この光変調器は、表面弾性波発生手段に代えて界面弾性波発生手段が設けられた点以外は、第２の実施形態の光変調器と同様の構成のものである。
【００８１】
図８に示すように、界面弾性波発生手段である埋め込み櫛形電極１１２が圧電材料１０８内に形成されている。埋め込み櫛形電極１１２は、互いの櫛歯に相当する線状電極が交互に配置された第１および第２の櫛形電極からなり、各線状電極間の間隔は等間隔である。第１の櫛形電極の周期（櫛歯の間隔）と第２の櫛形電極の周期（櫛歯の間隔）は同じである。ここでは、第１および第２の櫛形電極のそれぞれの周期をΛとする。また、櫛形電極１０２の相互作用長をＬとする。
【００８２】
高周波電圧を第１および第２の櫛形電極の間に供給することで、圧電材料１０８内に波長Λの界面弾性波１１０ｂが発生する。界面弾性波１１０ｂの伝播速度は、表面弾性波の伝播速度より速い。
【００８３】
界面弾性波１１０ｂは、圧電材料１０８内の、各線状電極を含む平面（入射端面および出射端面のそれぞれと交差する平面）の近傍を、線状電極の長手方向と交差する方向に向かって進行する。界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域（弾性波伝播領域）は同一の材料からなる。各線状電極を含む平面に垂直な方向（圧電材料の深さ方向）において、界面弾性波１１０ｂは、その平面の上下方向にそれぞれ存在し、その深さはともに波長Λ程度とされる。したがって、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域の深さ方向における範囲は２Λ程度となる。光ビームと界面弾性波との相互作用領域として、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域全体（深さ２Λ）を用いることが可能であるが、本実施形態では、便宜上、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域のうち、各線状電極を含む平面の下方に位置する領域（深さΛ）を相互作用領域として用いる。
【００８４】
圧電材料１０８内の、界面弾性波１１０ｂの進行方向には、この界面弾性波１１０ｂを吸収するための超音波吸収部１０３が形成されている。
【００８５】
集光レンズ１０５ａにより集光された光ビームは、圧電材料１０８の入射端面から圧電材料１０８内に入射する。この入射した光ビームは、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域に対して所定の入射角で入射する。ここでは、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域は、各線状電極を含む平面の下方に位置する領域とする。所定の入射角は、ブラッグ回折が生じるような条件を満たす角度である。
【００８６】
集光レンズ１０５ａによって集光された光ビームの、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域における断面の形状は楕円形状であり、その断面における垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗが、前述の垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）および水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）に関する各条件を満たす。垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗは、集光レンズ１０５ａの位置、焦点距離、向き（光軸方向）等により調整することが可能である。
【００８７】
集光レンズ１０５ｂは、圧電材料１０８の出射端面からの光ビーム（ここでは、回折光ビーム１０４ａ）の進行方向に設けられている。回折光ビーム１０４ａは拡散光（一次回折光）であり、集光レンズ１０５ｂは、回折光ビーム１０４ａを平行光束にするために用いる。回折光ビーム１０４ａの、その進行方向と交差する方向における断面の中心を通る光線（この光線軌跡は回折光ビーム１０４ａの光軸に対応する）は、集光レンズ１０５ｂの光軸と一致する。回折光ビーム１０４ａの光軸と、高周波電圧の供給を停止した場合に出射端面から出射される出射光ビーム１０４ｂ（０次光）の光軸とのなす角度は２θである。この角度２θは、ブラッグ回折角に等しい。
【００８８】
次に、本実施形態の光変調器の動作について説明する。
【００８９】
高周波電圧が埋め込み櫛形電極１１２に供給されると、圧電材料１０８内部に界面弾性波１１０ｂが発生する。集光レンズ１０５ａからの光ビームが、界面弾性波１１０ｂが及ぶ領域を通過する際にブラッグ回折が生じ、その結果、回折光ビーム１０４ａが圧電材料１０８の出射端面から出射される。回折光ビーム１０４ａは、集光レンズ１０５ｂにより平行光束とされる。この平行光束とされた回折光ビーム１０４ａが、光変調器の出力光として用いられる。
【００９０】
埋め込み櫛形電極１１２への高周波電圧の供給が停止されると、界面弾性波１１０ｂが発生しないため、集光レンズ１０５ａからの光ビームは、回折することなく、そのまま圧電材料１０８内を伝播する。そして、出射光ビーム１０４ｂが出射端面から出射される。出射光ビーム１０４ｂは、光変調器の出力光である回折光ビーム１０４ａの光路から外れる。
【００９１】
このように、埋め込み櫛形電極１１２への高周波電圧の供給を制御することで、光変調器の出力光（回折光ビーム１０４ａ）のオンオフを制御することができる。
【００９２】
本実施形態の光変調器によっても、第２の実施形態で説明した作用効果を得ることができる。
【００９３】
また、界面弾性波１１０ｂの伝播速度は、表面弾性波の伝播速度より速いため、表面弾性波を利用する形態に比べて、より高帯域での駆動が可能な光変調器を提供することができる。本実施形態によれば、例えば１００ＭＨｚ以上の高帯域での駆動が可能な光変調器を提供することができる。大型高精細ディスプレイを実現するには、高速変調が可能な光変調器が必要である。本実施形態によれば、高速変調が可能であるので、大型高精細ディスプレイを実現することができる。
【００９４】
（第５の実施形態）
界面弾性波が及ぶ領域の深さ方向における範囲を広げることで、より高出力の光ビームを変調することが可能となる。ここでは、そのような高出力の光ビームを変調可能な光変調器の構成について説明する。
【００９５】
図９は、本発明の第５の実施形態である光変調器の構成を説明するための模式図である。この光変調器は、２つの界面弾性波発生手段（櫛形電極）が圧電材料内の深さ方向において対向する部分に設けられた点以外は、第４の実施形態の光変調器と同様の構成のものである。
【００９６】
埋め込み櫛形電極１１２ａ、１１２ｂが、圧電材料１０８内部に、深さ方向において対向するように形成されている。埋め込み櫛形電極１１２ａ、１１２ｂはいずれも、図８に示した埋め込み櫛形電極１１２と同じ構成であって、互いの櫛歯に相当する線状電極が交互に配置された第１および第２の櫛形電極からなり、各線状電極間の間隔は等間隔である。
【００９７】
埋め込み櫛形電極１１２ａの第１および第２の櫛形電極はそれぞれ、埋め込み櫛形電極１１２ｂの第１および第２の櫛形電極と対向する位置に配置されている。埋め込み櫛形電極１１２ａおよび埋め込み櫛形電極１１２ｂを構成する第１および第２の櫛形電極のそれぞれの周期は互いに同じである。ここでは、第１および第２の櫛形電極の周期をΛとする。
【００９８】
埋め込み櫛形電極１１２ａに高周波電圧を印加することで、圧電材料１０８内部に波長Λの第１の界面弾性波が発生する。これと同様に、埋め込み櫛形電極１１２ｂに高周波電圧を印加することで、圧電材料１０８内部に波長Λの第２の界面弾性波が発生する。第１および第２の界面弾性波の進行方向は同じである。また、第１の界面弾性波の進行方向に沿って形成される屈折率の周期的な変化も、第２の界面弾性波の進行方向に沿って形成される屈折率の周期的な変化と同じである。したがって、第１の界面弾性波の及ぶ領域と第２の表界面弾性波の及ぶ領域とが、その深さ方向において互いに重なる場合は、第１および第２の界面弾性波は統合された１つの界面弾性波とみなすことができる。
【００９９】
埋め込み櫛形電極１１２ａを構成する各線状電極を含む平面に垂直な方向（圧電材料の深さ方向）において、第１の界面弾性波は、その平面の上下方向にそれぞれ存在し、その深さはともに波長Λ程度とされる。これと同様に、埋め込み櫛形電極１１２ｂを構成する各線状電極を含む平面に垂直な方向（圧電材料の深さ方向）において、第２の界面弾性波は、その平面の上下方向にそれぞれ存在し、その深さはともに波長Λ程度とされる。埋め込み櫛形電極１１２ａを構成する各線状電極を含む平面と埋め込み櫛形電極１１２ｂを構成する各線状電極を含む平面との間隔が２Λ以下であれば、第１の界面弾性波の及ぶ領域と第２の界面弾性波の及ぶ領域とが、その深さ方向において互いに重なる。本実施形態では、第１の界面弾性波の及ぶ領域と第２の界面弾性波の及ぶ領域とが、その深さ方向において互いに重なるように、埋め込み櫛形電極１１２ａ、１１２ｂの間隔が設定されている。
【０１００】
また、本実施形態においては、集光レンズ１０５ａにより集光された光ビームは、第１および第２の界面弾性波の及ぶ領域に対して所定の入射角で入射する。ここで、所定の入射角は、ブラッグ回折が生じるような条件を満たす角度である。
【０１０１】
また、集光レンズ１０５ａによって集光された光ビームの、第１および第２の界面弾性波の及ぶ領域における断面の形状は楕円形状であり、その断面における垂直ビーム幅ｄおよび水平ビーム幅Ｗが、前述の垂直ビーム幅ｄｖ（ｚ）および水平ビーム幅ｄｈ（ｚ）に関する各条件を満たす。
【０１０２】
以上のように構成された本実施形態の光変調器によれば、第４の実施形態のものに比べて、界面弾性波の及ぶ領域の深さ方向における範囲を、最大で２倍程度、広げることができるので、その分、変調可能な光ビームの出力を高めることができる。具体的には、第３の実施形態のもので、２００ｍＷの光ビームを変調可能である場合、本実施形態では、その２倍の４００Ｗ程度の光ビームを変調可能である。このように、より大出力のディスプレイ用の光ビーム変調器を提供することが可能である。
【０１０３】
以上説明した第１から第５の実施形態の光変調器によれば、２００ｍＷ以上の大出力の可視光を３０ＭＨｚ以上の高帯域かつ高消光比で変調することができる、小型の光変調器を提供することができる。このような光変調器は、大出力の可視光を変調するレーザディスプレイ用の光ビーム変調器に最適である。
【０１０４】
第１から第５の実施形態による光変調器は本発明の一例であり、その構成は適宜に変更することができる。例えば、圧電材料や集光レンズは、回折効率、光密度、光損傷耐性等を考慮して設計することが望ましい。
【０１０５】
例えば、各実施形態において、表面弾性波（または界面弾性波）の速度を速くすることで、高速変調時の回折効率を高め、光密度を下げることができる。具体的には、圧電材料として水晶を用いた場合の表面弾性波の伝播速度は３１５７ｍ／ｓであるのに対して、圧電材料としてＬＮ（リチウムナイオベート）を用いた場合の表面弾性波の伝播速度は４０００ｍ／ｓである。したがって、圧電材料としてＬＮを用いることで、回折効率および光密度の改善を図ることができる。
【０１０６】
また、Ｅｒ（エルビウム）やＩｎ（インジウム）等の不純物が数％ドープされたＬｉＮｂＯ3結晶は水晶の３倍以上の光損傷耐性を有することから、圧電材料としてこのような不純物がドープされたＬｉＮｂＯ3結晶を用いることで、光損傷耐性に優れた構造を提供することができる。この場合、１Ｗ程度の光ビームを変調することが可能となる。
【０１０７】
また、圧電材料として水晶を用いる場合において、水晶に不純物を導入してもよい。水晶に不純物を導入することで、光損傷耐性を向上させることができる。
【０１０８】
さらに、光ビームとしてガウシアンビームを用いてもよい。
【０１０９】
また、光ビームの波長によって集光レンズの集光距離が変わる。図１０に、光ビームの直径とビーム集光距離との関係を波長別に示す。Ｒ光ビーム（６３０ｎｍ）のグラフが一点鎖線で示され、Ｇ光ビーム（５３０ｎｍ）のグラフが破線で示され、Ｂ光ビーム（４７０ｎｍ）のグラフが実線で示されている。この関係から分かるように、直径５００μｍのＲ光ビームを集光する場合の集光距離は３８ｍｍである。また、直径６００μｍのＢ光ビームを集光する場合の集光距離は６０ｍｍである。このように波長によって集光距離が変わることから、光変調器の集光レンズは、変調すべき光ビームの波長を考慮して設計する必要がある。
【０１１０】
図１１に、光ビームの直径とビーム集光距離との関係をビームウェスト別に示す。ビームウェスト１０μｍのグラフが実線で示され、ビームウェスト１５μｍのグラフが破線で示され、ビームウェスト２０μｍのグラフが一点鎖線で示されている。この関係から、ビームウェストを小さくすると集光距離が短くなることが分かる。集光距離を短くすることで、素子サイズを小さくすることができる。しかし、この場合は、光密度が上がるため、その分、変調すべき光ビームの光強度を低くする必要がある。このように、素子サイズと光強度の間にはトレードオフの関係がある。したがって、集光レンズの設計においては、このトレードオフの関係を考慮する必要がある。
【０１１１】
本発明の光変調器は、光通信装置、画像表示装置や画像形成装置等に適用することができる。また、本発明の光変調器は、光スイッチの他、偏向器として用いることができる。
【０１１２】
以下に、本発明の光変調器の適用例として、画像表示装置を説明する。
【０１１３】
図１２は、画像表示装置の一例を示す模式図である。この画像表示装置は、レーザ光源４０２、４０３、４０４、コリメータレンズ４０５、４０６、４０７、反射ミラー４０８、ダイクロイックミラー４０９、４１０、水平走査ミラー４１５、垂直走査ミラー４１６、および光変調器４１８、４１９、４２０を収容した筐体４００を有する。光変調器４１８、４１９、４２０は、本発明の光変調器である。
【０１１４】
レーザ光源４０２からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ４０５、光変調器４１８、および反射ミラー４０８が順に配置されている。コリメータレンズ４０５からの平行光束が光変調器４１８に入射する。光変調器４１８は、不図示の制御部から供給される制御信号に従って動作する。制御信号がオンの期間（高周波電圧供給期間）は、光変調器４１８内の櫛形電極に高周波電圧が印加され、表面弾性波または界面弾性波が発生する。この結果、入射光が表面弾性波または界面弾性波が発生した領域を通過する際にブラッグ回折が生じ、出力光として一次回折波が光変調器４１８から出力される。出力光は、反射ミラー４０８へ向かう。一方、制御信号がオフの期間（電圧供給停止期間）は、表面弾性波または界面弾性波が発生しないため、入射光は光変調器４１８を透過する。この光変調器４１８を透過した光は、反射ミラー４０８へ向かう光路から外れる。
【０１１５】
レーザ光源４０３からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ４０６、光変調器４１９、およびダイクロイックミラー４０９が順に配置されている。コリメータレンズ４０６からの平行光束が光変調器４１９に入射する。光変調器４１９においても、光変調器４１８と同様な動作が行われる。光変調器４１９の出力光は、ダイクロイックミラー４０９へ向かう。
【０１１６】
レーザ光源４０４からのレーザ光の進行方向に、コリメータレンズ４０７、光変調器４２０、およびダイクロイックミラー４１０が順に配置されている。コリメータレンズ４０７からの平行光束が光変調器４２０に入射する。光変調器４２０においても、光変調器４１８と同様な動作が行われる。光変調器４２０の出力光は、ダイクロイックミラー４１０へ向かう。
【０１１７】
ダイクロイックミラー４０９は、光変調器４１９からの光束と反射ミラー４０８にて反射された光束とが交差する位置に設けられている。ダイクロイックミラー４０９は、光変調器４１９からの光を反射し、反射ミラー４０８からの光を透過するような波長選択特性を有している。
【０１１８】
ダイクロイックミラー４１０は、光変調器４２０からの光束とダイクロイックミラー４０９からの光束とが交差する位置に設けられている。ダイクロイックミラー４１０は、光変調器４２０からの光を反射し、ダイクロイックミラー４０９からの光を透過するような波長選択特性を有している。
【０１１９】
水平走査ミラー４１５は、ダイクロイックミラー４１０からの光束の進行方向に配置されており、不図示の制御部からの水平走査制御信号によりその動作が制御される。垂直走査ミラー４１６は、水平走査ミラー４１５からの光束の進行方向に配置されており、不図示の制御部からの垂直走査制御信号によりその動作が制御される。
【０１２０】
レーザ光源４０２、４０３、４０４として、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色に対応する色のレーザ光を出射する光源を用いる。光変調器４１８、４１９、４２０をオンオフ制御し、かつ、水平走査ミラー４１５および垂直走査ミラー４１６を制御することで、スクリーン４１７上に、カラー画像を表示することができる。
【０１２１】
以上説明した本発明によれば、弾性波伝播領域の深さ（弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極を含む電極面に垂直な方向）は、表面弾性波または界面弾性波の波長（櫛形電極の各線状電極の周期に同じ）程度であり、その深さ方向におけるほぼ全範囲を、入射光を変調するための領域として利用することができる。深さ方向において、入射光が弾性波伝播領域の全範囲を通過する場合、その入射光と表面弾性波または界面弾性波との相互作用領域の範囲は、導波路型音響光学素子に比べて十分に広いので、その分、光密度を低下させることができ、光損傷耐性も向上する。この結果、高光出力の光ビームを変調することが可能となる。
【０１２２】
また、相互作用領域が拡大したことにより、表面弾性波または界面弾性波のエネルギー利用率や回折効率も向上する。
【０１２３】
さらに、相互作用領域が拡大したことにより、弾性波伝播領域における集光ビーム径を大きくすることができる。この場合の集光光学系の構成は、光ビームを導波路内に入れる場合の集光光学系に比べて簡単である。
【０１２４】
さらに、相互作用領域が拡大したことにより、弾性波伝播領域の幅（相互作用長）を小さくしても十分な回折効率を得ることが可能である。よって、導波路型音響光学素子に比べて、弾性波伝播領域の幅（相互作用長）を小さくすることができ、その分、素子の小型化を図ることができる。
【０１２５】
また、櫛形電極より構成される弾性波発生手段の消費電力は、圧電振動子を用いるバルク型音響光学素子に比べて小さい。よって、省消費電力化が可能である。
【０１２６】
また、本発明における弾性波伝播領域の断面の大きさは、バルク型音響光学素子における超音波進行波が生じる領域の断面に比べて小さいので、その分、素子の小型化が可能である。
【０１２７】
また、本発明によれば、入射光がシングルモードである場合、出射光もシングルモードを維持する。このように、シングルモードの出力光を得ることができる。
【０１２８】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
【０１２９】
この出願は、２００８年７月２日に出願された日本出願特願２００８−１７３５３７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年11月2日(2009.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響光学媒体と、
前記音響光学媒体内に表面弾性波または界面弾性波を発生する弾性波発生手段とを有し、
前記音響光学媒体内は、前記弾性波発生手段により発生した表面弾性波または界面弾性波が及ぶ弾性波伝播領域が同一材料より形成され、
前記表面弾性波または界面弾性波の進行方向と交差する方向に、前記弾性波伝播領域を挟んで対向する第１および第２の端面と、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する平面よりなる第１の面と、該第１の面に対向する第２の面と、を備え、
該第１の端面から入射した入射光が前記弾性波伝播領域を通過する際に生じる一次回折波と、前記弾性波発生手段を停止した状態で前記入射光が前記音響光学媒体内を伝播する光とが、それぞれ前記第２の端面から異なる方向に出射され、かつ、前記一次回折波と前記伝搬する光とが、前記第１の面及び第２の面で反射されることなく進行する、光変調器。
【請求項２】
前記弾性波発生手段は、前記第１の面に形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項３】
前記弾性波発生手段は、前記第１および第２の面のそれぞれに形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項４】
前記弾性波発生手段は、同一平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第１および第２の櫛形電極を有し、該第１および第２の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置されている、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記弾性波発生手段は、前記音響光学媒体の内部に形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記弾性波発生手段は、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する第１の平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第１および第２の櫛形電極を有し、該第１および第２の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置されている、請求の範囲第５項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記弾性波発生手段は、前記第１および第２の端面のそれぞれと交差する第１の平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第１および第２の櫛形電極と、前記第１の平面と対向する第２の平面上に平行に配置された複数の線状電極からなる第３および第４の櫛形電極とを有し、
前記第１および第２の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置され、前記第３および第４の櫛形電極は、互いの線状電極が交互に配置されている、請求の範囲第６項に記載の光変調器。
【請求項８】
光ビームを前記弾性波伝播領域に集光するための集光レンズをさらに有する、請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項９】
前記弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極の周期∧に対して、前記集光レンズによって前記弾性波伝播領域に集光される光のビーム径の前記各線状電極を含む平面に垂直な方向における幅が、０．１×∧より大きく、かつ、１．２×∧より小さい、請求の範囲第８項に記載の光変調器。
【請求項１０】
前記弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極の周期∧に対して、前記集光レンズによって前記弾性波伝播領域に集光される光のビーム径の前記各線状電極を含む平面に垂直な方向における幅が、０．７×∧より大きく、かつ、∧より小さい、請求の範囲第８項に記載の光変調器。
【請求項１１】
前記弾性波発生手段を構成する櫛形電極の各線状電極の周期∧、前記弾性波発生手段の駆動周波数ｆ、および前記表面弾性波または界面弾性波の伝播速度ｖに対して、前記集光レンズによって前記弾性波伝播領域に集光される光のビーム径の前記各線状電極を含む平面に垂直な方向と直交する方向における幅が、２×∧より大きく、かつ、ｖ／ｆ以下である、請求の範囲第８項から第１０項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１２】
前記集光レンズにより集光した光ビームがガウシアンビームである、請求の範囲第８項から第１１項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１３】
前記第１および第２の端面に反射防止膜を有する、請求の範囲第１項から第１２項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１４】
前記音響光学媒体が水晶よりなる、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１５】
前記音響光学媒体が、不純物を含む水晶よりなる、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【国際調査報告】
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