(57)【要約】【課題】より小型化が可能な光アッテネータを大きなコストアップを伴わずに提供する。【解決手段】前後方向の光軸５０に直交する２方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、第１光ファイバ２３ａを保持する第１コリメータ２０ａと第２光ファイバ２３ａを保持する第２コリメータ２０ｂと電気光学物質１２の上下または左右の面に電極（１１、１３）が形成されてなる電気光学素子１０を備え、第１および第２コリメータの少なくとも一方に電気光学素子が内蔵され、電気光学素子は第１光ファイバの開口端２６ａからコリメートレンズ２２ａ間の光路（Ｂ１、Ｂ１１）が電気光学物質内を通るように配置されているとともに、外部の駆動回路により電極間に電界が印加されると、空間電荷制限状態に伴う屈折率分布が発生し、電気光学物質に入射した光Ｂ０の光路を電界強度に応じた角度θで偏向させて第２光ファイバに入射する光（Ｂ４、Ｂ１４）の結合損失を変化させる。【選択図】図６
2015011075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前後方向を光軸として、前方に配置された入力側の第１の光ファイバから光軸に沿って後方に向けて出射された光の強度を減衰させて出力側の第２の光ファイバから出射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、
一体的なスリーブ内に前記第１の光ファイバが保持されているとともに、当該第１の光ファイバから出射される光を入射して平行光として出射する第１のコリメートレンズが収納されてなる第１の光ファイバコリメータと、
一体的なスリーブ内に前記第２の光ファイバが保持されているとともに、前記第１のコリメートレンズから出射された前記平行光を前記第２の光ファイバに結合させる第２のコリメートレンズが収納されてなる第２の光ファイバコリメータと、
電気光学効果を有する電気光学物質からなる立体の上下両面または左右両面に電極が対面して形成されてなる電気光学素子と、
を備え、
前記第１および第２の光ファイバコリメータの少なくとも一方に前記電気光学素子が内蔵され、
前記電気光学素子は、自身が内蔵されている光ファイバコリメータ内において、光ファイバの開口端からコリメートレンズ間の光路が前記電気光学物質内を通るように配置されているとともに、外部の駆動回路により前記対面する電極間に電圧が印加されると、前記電気光学物質内に空間電荷制限状態に伴う屈折率分布が発生し、当該電気光学物質に入射した光の光路を前記印加した電圧よって発生した電界の強度に応じた角度方向に偏向させることで、前記第２の光ファイバに入射する光の結合損失を変化させる、
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、前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第１の光ファイバコリメータにのみ内蔵され、
前記第１の光ファイバは伝搬する光の偏波面の方向を維持する偏波保持光ファイバであって、当該第１の光ファイバを伝搬する光の偏波面の方向が前記上下あるいは左右法方向のいずれかに一致する、
ことを特徴とする光アッテネータ。
【請求項３】
請求項１において、前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第１および第２の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第１の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第２の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに直交している、
ことを特徴とする光アッテネータ。
【請求項４】
請求項１において、前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第１および第２の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第１の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第２の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに平行であり、
前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータ間に１／２波長板が挿入されているとともに、当該１／２波長板は、光学軸が上下左右方向に対して４５゜傾いた方向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５】
請求項１において、前記第２の光ファイバコリメータが前記第１の光ファイバコリメータを兼用しており、当該光ファイバコリメータに前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとが左右に平行に形成された二芯光ファイバケーブルが保持され、
前記電気光学素子は、上下方向に対面するように電極が形成され、
前記コリメートレンズの後方に１／４波長板と反射板とがこの順に配置されて、
前記１／４波長板は、光学軸が上下左右方向に対して４５゜傾いた方向となるように配置され、
前記反射板は、前記第１と第２の光ファイバの開口端間の中点から後方に向かう直線との交点から左右方向に向かって徐々に厚くなるように傾斜角が同じ二つの鏡面を有して、一方の鏡面に第１の光ファイバの開口端から後方に向かう光が入射した際に、第２の光ファイバの開口端に向かう前方に進行する光として一方の斜面を経て前方に反射させる、
ことを特徴とする光アッテネータ。
【請求項６】
請求項３または４において、前記第１および第２の光ファイバは、開口端側のモードフィールド径が拡大されたコア拡散ファイバであることを特徴とする光アッテネータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記電気光学物質は、一般式Ｋ１-ｙＭｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（但し、Ｍは１価の金属、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される物質であ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、電気光学物質あるいはＥＯ物質と言う）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、対向配置された一対のコリメータと、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、光が入力される側の一方のコリメータから光が出力される側の他方のコリメータに向かって、偏光子、電気光学素子、検光子がこの順に光路に沿って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、ＥＯ物質を透過する光に位相差（リタデーション）が生じ、その電界方向に偏波面が９０゜回転する。その結果、入射光が検光子を透過する。また、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。
【０００４】
なお、上述したＥＯ物質を用いた光アッテネータでは、原理的にＥＯ物質内の電界強度を極めて高くする必要がある。すなわち、電極間の電圧を高くする必要がある。そこで、電極間の電圧（駆動電圧）を低くするために、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光アッテネータが実用化された。そして、この光アッテネータは実際に市販品として提供されている（例えば、フルウチ化学株式会社製「ＰＬＺＴ高速光シャッター」）。
【０００５】
しかし、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。なお、本発明に関連する文献としては以下の特許文献２や非特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００５／１２１８７６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１８４３８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】日本電信電話株式会社、”ＮＴＴ技術ジャーナル”、[online]、[平成２５年５月１０  日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.ntt.co.jp/journal/0712/files/jn200712050.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光アッテネータとしては、ＥＯ物質の電気光学効果に基づくリタデーション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、液晶などの光学素子を用いたものである。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や液晶を光学素子として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。
【０００９】
一方、ＥＯ物質によるリタデーション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、電界強度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物質を光学素子として用いた光アッテネータは他の素子を用いた光アッテネータよりも省電力化と小型化に有利であると言える。しかし、ＥＯ物質を用いた従来の光アッテネータではリタデーションを利用するため光路上に偏向素子を配置することが必須の条件となる。そのため、光路の延長後方を前後方向とすると、その前後方向の長さを縮小することが難しい。また部品点数の増加によるコストアップも問題となる。また、上述した市販の光アッテネータではそれ以前の光アッテネータよりは低電圧で駆動できるものの、それでも７０Ｖの高電圧で駆動する必要がある。上記特許文献１に記載の光アッテネータでは、駆動電圧を１５Ｖまで下げるために、電極間の距離を極めて狭くしている。また、集光レンズも必要としている。そのため、ＥＯ物質の加工が難しく、部品点数もさらに多くなり製造コストが増加する。
【００１０】
ところで、動作原理を問わず光ファイバを用いた光通信用途の光アッテネータでは、基本的にそのサイズを極めて小さくすることがそもそも難しい。具体的には、光アッテネータでは、入力側の光ファイバからの出射光を出力側の光ファイバに結合させる必要があるため、コリメータは光ファイバを保持するフェルールが接続された光ファイバコリメータ（以下、コリメータ）が必須の構成である。所謂「インライン型」「ピグテイル型」などと呼ばれる形態となっている。そして、入力側の光ファイバから出力側の光ファイバに至る光路において、光アッテネータを構成する光学素子は、入力側と出力側のコリメータ間に配置される。すなわち、光アッテネータではその前後方向の長さを縮小することが原理的に難しい。また、光学素子における光の入出射面の領域をコリメータ間の平行光のビーム径よりも大きくする必要もある。例えば、ＥＯ物質を光学素子として用いる場合、ＥＯ物質の光の入出射面をビーム径よりも大きくする必要がある。そして、ＥＯ物質に印加する電界方向はビームの光路を横断する方向であることから、上記特許文献１に記載の光アッテネータのように複雑な構成を採用しない限り、電極間の距離が自ずと大きくなり原理的に駆動電圧を高くする必要がある。駆動電圧を小さくするためにコリメートレンズの径を小さくしたり、特許文献１に記載の技術のように集光レンズを用いたりした上でＥＯ物質の形状を小さくすると、ＥＯ物質の加工が困難となるとともに、光学素子を通過させるビーム径も小さくなり、光アッテネータを構成する光学部品の位置を精度良く調整することも困難になる。いずれにしてもコストアップは免れない。
【００１１】
そこで本発明は、ＥＯ物質を光学素子としつつ、さらなる小型化が可能な光アッテネータを大きなコストアップを伴わずに提供することを主な目的としている。
【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、前方に配置された入力側の第１の光ファイバから光軸に沿って後方に向けて出射された光の強度を減衰させて出力側の第２の光ファイバから出射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、
一体的なスリーブ内に前記第１の光ファイバが保持されているとともに、当該第１の光ファイバから出射される光を入射して平行光として出射する第１のコリメートレンズが収納されてなる第１の光ファイバコリメータと、
一体的なスリーブ内に前記第２の光ファイバが保持されているとともに、前記第１のコリメートレンズから出射された前記平行光を前記第２の光ファイバに結合させる第２のコリメートレンズが収納されてなる第２の光ファイバコリメータと、
電気光学効果を有する電気光学物質からなる立体の上下両面または左右両面に電極が対面して形成されてなる電気光学素子と、
を備え、
前記第１および第２の光ファイバコリメータの少なくとも一方に前記電気光学素子が内蔵され、
前記電気光学素子は、自身が内蔵されている光ファイバコリメータ内において、光ファイバの開口端からコリメートレンズ間の光路が前記電気光学物質内を通るように配置されているとともに、外部の駆動回路により前記対面する電極間に電界が印加されると、前記電気光学物質内に空間電荷制限状態に伴う屈折率分布が発生し、当該電気光学物質に入射した光の光路を前記電界の強度に応じた角度で偏向させることで、前記第２の光ファイバに入射する光の結合損失を変化させる、
ことを特徴とする光アッテネータとしている。
【００１３】
また上記光アッテネータは、前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第１の光ファイバコリメータにのみ内蔵され、
前記第１の光ファイバは伝搬する光の偏波面の方向を維持する偏波保持光ファイバであって、当該第１の光ファイバを伝搬する光の偏波面の方向が前記上下あるいは左右法方向のいずれかに一致する光アッテネータとすることができる。
【００１４】
あるいは、前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第１および第２の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第１の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第２の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに直交している光アッテネータとすることもできる。
【００１５】
前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第１および第２の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第１の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第２の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに平行であり、
前記第１の光ファイバコリメータと前記第２の光ファイバコリメータ間に１／２波長板が挿入されているとともに、当該１／２波長板は、光学軸が上下左右方向に対して４５゜傾いた方向となるように配置されている光アッテネータとしてもよい。
【００１６】
前記第２の光ファイバコリメータが前記第１の光ファイバコリメータを兼用しており、当該光ファイバコリメータに前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとが左右に平行に形成された二芯光ファイバケーブルが保持され、
前記電気光学素子は、上下方向に対面するように電極が形成され、
前記コリメートレンズの後方に１／４波長板と反射板とがこの順に配置されて、
前記１／４波長板は、光学軸が上下左右方向に対して４５゜傾いた方向となるように配置され、
前記反射板は、前記第１と第２の光ファイバの開口端間の中点から後方に向かう直線との交点から左右方向に向かって徐々に厚くなるように傾斜角が同じ二つの鏡面を有して、一方の鏡面に第１の光ファイバの開口端から後方に向かう光が入射した際に、第２の光ファイバの開口端に向かう前方に進行する光として一方の斜面を経て前方に反射させる光アッテネータとすることもできる。
【００１７】
前記電気光学素子が前記第１および第２の光ファイバコリメータの双方に内蔵されている光アッテネータは、前記第１および第２の光ファイバを開口端側のモードフィールド径が拡大されたコア拡散ファイバとすることが可能である。
【００１８】
上記いずれかに記載の光アッテネータにおいて、前記電気光学物質が一般式Ｋ１-ｙＭｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（但し、Ｍは１価の金属、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される物質である光アッテネータとすればより好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光アッテネータによれば、低電圧駆動が可能で減衰特性に優れている。また、製造の容易性を確保しつつ小型化が可能であり、安価に提供することも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電気光学物質内の空間電荷制限状態を説明するための図である。
【図２】空間電荷制限状態における電気光学物質内の位置と各種物性との関係を示す図である。
【図３】電気光学物質に印加される電圧と光の偏向角度の関係を示す図である。
【図４】空間電荷制限状態に基づく光の偏向作用を説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。
【図６】上記第１の実施例に係る光アッテネータの動作を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。
【図８】上記第２の実施例に係る光アッテネータの動作を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。
【図１１】上記第４の実施例に係る光アッテネータを構成する１／２波長板の光学軸方向を示す図である。
【図１２】上記第４の実施例に係る光アッテネータの動作を示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施例に係る光アッテネータの構成を示す図である。
【図１４】上記第２の実施例に係る光アッテネータと上記第５の実施例に係る光アッテネータを所定の条件で駆動したときの結合損失特性を比較した図である。
【図１５】上記第５の実施例に係る光アッテネータのその他の条件で駆動したときの結合損失特性を示す図である。
【図１６】本発明の実施例に係る光アッテネータの駆動方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＝＝＝光アッテネータの動作原理＝＝＝
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、小型化などの性能が求められる。そして本発明者は、さらなる小型化や低電圧駆動を実現するために、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、ＥＯ物質の電気光学効果に基づく位相差（リタデーション）を用いた光アッテネータを改良することを考え、鋭意研究を重ねた。
【００２２】
しかしながら、従来のリタデーションを動作原理とした光アッテネータを始め、現存する光アッテネータの延長線上では、さらなる小型化や低電力駆動の実現が極めて困難であることが判明した。そこで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、電界強度の傾斜に起因するＥＯ物質内の屈折率分布による光の偏向作用に注目した。
【００２３】
図１にＥＯ物質ｅｏ内に屈折率分布が発生する原理を示した。なお当該図１では、（Ａ）〜（Ｃ）の順に、電界印加に伴うＥＯ物質ｅｏ内の電子（ｅ、ｅ１〜ｅ４）の分布の推移を示している。ＥＯ物質ｅｏを用いた電気光学素子（ＥＯ素子）１０ｃは、対向する電極間（Ａｄ−Ｃｄ）にＥＯ物質ｅｏを配置した構成であり、その電極（Ａｄ、Ｃｄ）となる金属と誘電体であるＥＯ物質ｅｏとがオーミック接触である場合、対向する電極間（Ａｄ−Ｃｄ）に電圧を与えると、（Ａ）に示したように、マイナス極側となるカソード電極Ｃｄから放出された電荷（電子）ｅがプラス極となるアノード電極Ａｄに向かって加速される。ここで電極間（Ａｄ−Ｃｄ）に電圧を印加し続けると、（Ｂ）に示したように、カソード電極Ｃｄから次々に電子ｅ２が放出されるとともに、先に放出されたそれぞれの電子ｅ１は、自身に向かうように放射方向の電場Ｅｅを発生させる。そして、カソード電極Ｃｄから次々に放出される電子ｅ２と先に放出された電子ｅ１が発生する電場Ｅｅとの間で斥力が働き、後から放出された電子ｅ２が減速し、局所的にさきに放出された電子ｅ１の密度が高くなっていく。その局所的な電子ｅ１の密度が十分に高くなると、（Ｃ）に示したように、電子ｅ１が高密度で存在する領域ｅ４における電場が強大となり、一部の電子ｅ３がカソード電極Ｃｄ側に反射される。それによって、ＥＯ物質ｅｏ内に電子ｅが空間電荷として溜まり、ＥＯ物質ｅｏ内ではカソード電極Ｃｄからアノード電極Ａｄに向かって電子ｅの密度に傾斜が発生する。すなわち、電界強度がＥＯ物質ｅｏ内の位置で一様でなくなり、所謂「空間電荷制限状態」となる。カソード電極ＣｄとＥＯ物質ｅｏとの境界からアノード電極Ａｄへ向かう距離をｘとしたときのＥＯ物質ｅｏ内における各種物性と距離ｘとの関係を図２に示した。図２（Ａ）は距離ｘと電子密度分布Ｎとの関係を示しており、（Ｂ）は距離ｘと誘電率εとの関係を示している。そして、ＥＯ物質ｅｏの電気光学効果は電界強度に依存し、例えば、カー効果であれば電界強度の２乗に比例する。したがって、ＥＯ物質ｅｏ内の屈折率は上記距離ｘの位置に応じて変化し、その結果として、ＥＯ物質に入射した光は当該ＥＯ物質内で電荷密度が高いところから低いところに向けて曲がる（偏向する）。また、図３に示したように、電極間（Ｃｄ−Ａｄ）に印加した電圧Ｖに応じてその偏向角度θも大きくなる。そして、この光の偏向状態は、ＥＯ物質ｅｏ内に溜まった空間電荷が自由電荷として放出されるまで持続する。
【００２４】
図４は、ＥＯ素子１０ｃによる光の偏向動作を示す図であり、この図ではＥＯ物質ｅｏの内外を通る光（ビーム）の中心が辿る軌跡（光路）を示している。ＥＯ物質ｅｏは複屈折性を有し、当該ＥＯ物質ｅｏに入射した光Ｂｉｎは、振動方向が電界Ｅの方向と平行にＴＥ成分の光（ＴＥ光）ＢＴＥと、電界Ｅの方向と直交する成分の光（ＴＭ光）ＢＴＭとに分離する。ＥＯ物質ｅｏは電界印加状態では、それぞれの成分の光（ＢＴＥ、ＢＴＭ）に対して異なる屈折率を有しているため、ＥＯ物質ｅｏが空間電荷制限状態にあると、それぞれの成分の光（ＢＴＥ、ＢＴＭ）が入射光Ｂｉｎの進行方向に対してそれぞれ異なる角度（θＥ、θＭ）の方向に偏向する。なお、この図４に示した例では、カー効果に起因する電気光学効果を発現し、そのカー定数における正負の符号と大きさがＴＥ光ＢＴＥとＴＭ光ＢＴＭとによって異なるＥＯ物質ｅｏを例に挙げており、ＴＥ光ＢＴＥとＴＭ光ＢＴＭは入射光Ｂｉｎに対して反対方向に偏向している。そして、ＥＯ物質ｅｏ内の各成分の光（ＢＴＥ、ＢＴＭ）はＥＯ物質ｅｏの内外の境界にて屈折し、最終的に偏波面が互いに直交する光（ＢｏＥ、ＢｏＭ）として互いに異なる方向に向かって出射する。
【００２５】
なお、この空間電荷制限状態の発現原理や、空間電荷制限状態とＥＯ物質ｅｏ内での屈折率分布との関係などについては、上記特許文献２や非特許文献１になどに詳しく記載されている。そしてこれらの文献には空間電荷制限状態に伴うＥＯ物質内の屈折率分布を利用し、レーザープリンターの感光体に潜像を形成するためのスキャナなどに適用する実施形態について記載されている。
【００２６】
ここで本発明者は、ＥＯ物質における上記光の偏向作用を光アッテネータに利用することを考えた。しかし、上記特許文献２や非特許文献１に記載されている技術は、ＥＯ物質に直線偏光を入射させることを前提としている。すなわち、動作原理が異なるだけで構造的には従来の光アッテネータと同じとなり、低電力駆動、小型化などの要請に十分に応えることができない。そこで本発明者は、光アッテネータの構造自体を根本的に見直すこととした。概略的には、光アッテネータを構成するコリメータの構造に着目したところ、光が出射したり結合したりする光ファイバの開口端とコリメートレンズとは、当該コリメートレンズの焦点距離を確保するための空間となっている。そこで、この空間を有効利用することを考え、本発明を想到した。
【００２７】
＝＝＝本発明に係る実施例＝＝＝
本発明の実施例に係る光アッテネータは、入力側の光ファイバから出射した光をコリメータによって平行光に整形しつつ、その平行光を再度コリメータを介して出力側の光ファイバに結合させる基本構成を有しつつ、少なくとも一方のコリメータの上記空間内にＥＯ素子が内蔵されている。そして、このＥＯ素子を駆動することで、ＥＯ物質に空間電荷制限状態に基づく光偏向効果を発現させるとともに、その光の偏向角度を制御することで出力側の光ファイバに結合する光ビームの強度を可変制御するように構成されている。そして、以下では、本発明の実施例として、光アッテネータを構成する各種光学素子の配置などに応じて幾つかの具体例を挙げる。なお、以下の説明において同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
【００２８】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図５に本発明の第１の実施例に係る光アッテネータ１の概略構造を示した。図５（Ａ）は当該光アッテネータ１の内部構造を示しており、当該光アッテネータ１内を通る光の経路（光路）を側方から見たときの側面図である。（Ｂ）は当該光アッテネータ１を構成するＥＯ素子１０の構造を示しており、（Ａ）におけるＥＯ素子１０を拡大した図である。当該光アッテネータ１は、円筒状の筐体１００の両端に入力側の光ファイバ（以下、入力側ファイバ）２３ａを保持するコリメータ（以下、入力側コリメータ）２０ａと、出力側の光ファイバ（以下、出力側ファイバ）２３ｂを保持するコリメータ（以下、出力側コリメータ）２０ｂとを対面させるように接続した構成となっている。
【００２９】
周知のごとく、コリメータ（２０ａ、２０ｂ）は、光ファイバ（２３ａ、２３ｂ）の端部を保持するフェルール（２１ａ、２１ｂ）とコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）とを円筒状のスリーブ（２４ａ、２４ｂ）内に配置したものであるが、当該第１の実施例に係る光アッテネータ１では、入力側コリメータ２０ａにおけるフェルール２１ａとコリメートレンズ２２ａの間にＥＯ素子１０が配置されている。なおここでは、入出力側のコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）の光軸５０方向を前後方向として規定するとともに、入力側ファイバ２３ａを前方とする。そして、図中に示したように上下方向を規定する。左右方向については、前方から見たときの方向によって規定する。すなわち、図５（Ａ）は光アッテネータ１を右方から見たときの側面図となり、紙面奥行き方向が左方向となる。
【００３０】
ＥＯ素子１０は、図５（Ｂ）に拡大して示したように、一方の電極を兼ねる基板１１と薄膜状の金属からなる他方の電極１３との間にＥＯ物質（ＥＯ層とも言う）１２を配置した構成であり、この例では、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）を主な組成とした導電性の基板１１上にＥＯ物質であるニオブ酸タンタル酸カリウム（ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３、以下、ＫＴＮ）からなる層（ＥＯ層）１２が形成され、そのＥＯ層１２の上に他方の電極として、チタンの層１３ｔと白金の層１３ｐとを積層してなる金属電極層１３が形成されている。なお、ＥＯ層１２を構成するＫＴＮは、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３:ＫＮ）とタンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３:ＫＴ）とからなる無色透明の結晶であり、温度が上昇すると結晶構造が菱面体晶、斜方晶、正方晶、立方晶と四つの結晶相に変化することで知られている。そして、立方晶の状態から正方晶へ転移する相転移温度に近づけていくと，誘電率εが著しく大きくなる。すなわち、カー効果が相転移温度付近で著しく大きくなる。それによって大きな屈折率変化が誘発される。相転移温度は組成（ＫＮとＫＴの混合比率）によって変化するので、室温付近で相転移するような組成を選べば、室温で巨大なカー効果が得られることになる。また、ＫＴＮを含む一般式Ｋ１-ｙＭｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（Ｍは１価の金属、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される物質は優れた電気光学特性を有するとともに、鉛（Ｐｂ）を含まない環境に優しいＥＯ物質でもある。
【００３１】
当該ＥＯ素子１０の作製手順としては、まず、ニオブを１ｗｔ％添加したＳＴＯからなる導電性基板１１を用意する。導電性基板１１の当初の形状は、直径１インチの円形平板状で、厚さｄｓが６５０μｍとなっている。また基板面１４となる円形平面の結晶方位が（１００）面となっている。
【００３２】
そして、この基板面１４上にＫＴＮを液相エピタキシャル法により厚さｄが１５μｍとなるまで結晶成長させてＥＯ層１２を形成する。さらに、そのＥＯ層１２上にスパッタ法によりチタンの層１３ｔを成膜し、そのチタン層１３ｔの上に白金の層１３ｐを成膜して金属電極層１３を形成する。最後に直径１インチの導電性基板面１４にＥＯ層１２と金属電極層１３が積層されてなる積層体をコリメータ２０ａ内に収容できる程度の大きさとなるように裁断加工し、その上で、駆動回路と接続経路となる電極端子（図示せず）を導電性基板１１と金属電極層１３に取り付けてＥＯ素子１０を完成させる。
【００３３】
なお第１の実施例におけるＥＯ素子１０では、ＫＴＮの比誘電率が２５℃で２０，０００であり、その全体の大きさは、前後長Ｌｅｏが１５０μｍ、左右方向の幅が５００μｍである。また、上下方向の全高ｈは、導電性基板１１とＥＯ層１２と薄膜状の金属電極層１３の各層の厚さ（ｄｓ、ｄ、ｄｍ）を合計したものとなるが、スパッタ法によって形成される薄膜状の金属電極層１３の厚さｄｍは極めて薄く（例えば、５００ｎｍ）、実質的には導電性基板１１とＥＯ層１２の厚さを合計した約６６５μｍがＥＯ素子１０の高さｈとなる。そして、導電性基板１１と金属電極層１３の層面が光軸５０と平行となるように、このＥＯ素子１０が入力側コリメータ２０ａに内蔵されている。ここでは、ＥＯ素子１０が導電性基板（以下、電極とも言う）１１と金属電極層（以下、電極とも言う）１３が上下方向で対面するように配置されている。すなわち、外部の駆動回路により電極間（１０−１３）に電位差を発生させると、ＥＯ層１２内を光軸５０に沿って前後方向に透過する光に対し直交する方向に電界が印加されることになる。
【００３４】
ところで、先に図４にも示したように、ＥＯ物質内では偏波面が互いに直交するＴＥ光とＴＭ光に分離されるため、この第１の実施例では、ＴＥ光とＴＭ光の一方の光に対応する偏光のみを用いている。そのために、入力側ファイバ２３ａに偏波保持光ファイバを用い、その入力側ファイバ２３ａを伝搬する光の偏波面をＥＯ層１２に印加される電界方向と平行あるいは直交する方向と一致するように、入力側ファイバ２３ａとＥＯ素子１０との配置関係を調整している。この例では、ＥＯ物質１２の性質により、ＴＭ光に対してＴＥ光の方が大きく偏向することから、入力側ファイバ２３ａ内を伝搬する光の偏波面とＥＯ素子１０に印加する電界方向とが平行となるようにしている。すなわち、入力側ファイバ２３ａから出射する光Ｂ０は上下方向に振動する。
【００３５】
＜動作＞
次に第１の実施例に係る光アッテネータ１の動作について説明する。図６に第１の実施例に係る光アッテネータ１の動作を示した。図６（Ａ）は、ＥＯ素子１０に電界を印加していないときに光アッテネータ１内を通る光（以下、ビームとも言う）の光路を示しており、（Ｂ）は（Ａ）における円２００内を拡大した図である。（Ｃ）はＥＯ素子１０に電界を印加したときの光路を示している。なお、図中矢印で示した光路はビーム（Ｂ０〜Ｂ４）の中心の軌跡に対応している。すなわち（Ｂ）に示したように、入力側ファイバ２３ａの開口端２６ａから出射したビーム（入力光とも言う）Ｂ０は開口角αで後方に向かって円錐状に拡がる。また、実際のフェルール（２１ａ、２１ｂ）の端面（２５ａ、２５ｂ）は光軸５０に対して僅かに傾斜している。それによって、外部から光ファイバ（２３ａ、２３ｂ）内に意図した方向とは逆方向に進行する光が入射する「戻り光」が発生しないようになっている。したがって、入力側ファイバ２３ａから出射したビームＢ０は、厳密にはフェルール２１ａの端面２５ａ、およびＥＯ素子１０の内外の境界で屈折する。しかし、図６（Ａ）（Ｃ）を含め、以下の各実施例に係る光アッテネータの動作を示す図では、その動作が理解し易いようにビームの軌跡（光路）を簡略化している。
【００３６】
まず図６（Ａ）に示したように、ＥＯ素子１０に電界を印加していないときは、偏波保持光ファイバである入力側ファイバ２３ａからの上下方向に振動する光がＥＯ素子１０に入射する。ＥＯ層１２には電界が印加されていないのでＥＯ層１２内ではビームＢ１は偏向せずにＥＯ素子１０から出射される。そして、そのビームＢ２が入力側コリメートレンズ２２ａに入射する。
【００３７】
周知のごとく、光ファイバコリメータ（２０ａ、２０ｂ）では光ファイバ（２３ａ、２３ｂ）の開口端面（２６ａ、２６ｂ）がコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）の焦点位置となるため、入力側ファイバ２３ａから所定の開口角αで後方に進行するビームＢ０がコリメートレンズ２２ａに入射すると、そのビームＢ２は、光軸５０に沿って進行する平行光Ｂ３として出射する。そして、入力側コリメートレンズ２２ａから出射した平行光Ｂ３は、出力側コリメートレンズ２２ｂにて集光されるビームＢ４としてその焦点位置に結合する。この結合位置を出力側ファイバ２３ｂの開口端２６ｂの位置に一致させておけば、結合損失が最小となり、光アッテネータ１は入射光Ｂ０を透過させる「オン」状態となる。なお、第１の実施例に係る光アッテネータ１は、入力側ファイバ２３ａから出射したビームＢ０の径が１０μｍであり、オン状態における結合損失は０．６ｄＢであった。
【００３８】
一方（Ｃ）に示したように、ＥＯ素子１０に入射したビームＢ０の偏光方向は、ＥＯ素子１０における電極（１１、１３）の対面方向（上下方向）に一致しているため、電極間（１１−１３）に電位差を与えてＥＯ物質１２に電界を印加すると、そのＢ０はＴＥ光に相当するビームＢ１１として角度θ方向に偏向する。そしてＥＯ素子１０の後端にてＥＯ物質１２の内外の屈折率差に応じて屈折し、光軸５０に対して角度βの角度方向に進行するビームＢ１２として出射する。このとき入力側コリメータ２０ａ内のＥＯ素子１０によりビームが偏向したとしても入力側コリメートレンズ２２ａの焦点位置は変わっていないので、入力側コリメートレンズ２２ａに入射したビームＢ１２は、オン状態における平行光Ｂ３に対して上下方向にずれた平行光Ｂ１３として後方に向かい、その平行光Ｂ１３が出力側コリメートレンズ２２ｂに入射する。それによってこのコリメートレンズ２２ｂから出射したビームＢ１４の結合位置が出力側ファイバ２３ｂの開口端２６ｂの位置からずれる。その結果、結合損失が増加する。すなわち、入力光Ｂ０の光強度が減衰する。そして、ＥＯ素子１０の電極間（１１−１３）に印加する電圧を調整して偏向角度θを変えることで、出力側ファイバ２３ｂに入射する光Ｂ１４の強度を可変制御することができる。
【００３９】
なお第１の実施例に係る光アッテネータ１では、ＥＯ素子１０の電極間（１１−１３）に１０Ｖの電圧を印加したところ、３０ｄＢの結合損失が得られ、入力光Ｂ０が十分に遮断された「オフ」状態となった。以上より、第１の実施例に係る光アッテネータ１は、実用上十分な減衰特性を備えていることが確認できた。もちろん、入力側と出力側のコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）の間には他の光学部品を配置する必要が無く、入力側と出力側のコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）の双方の焦点距離（ｆとする）を足した２ｆ分の距離を確保すればよく、従来の光アッテネータと比較してサイズをより小さくすることが可能となる。特に前後長については極めて短くすることが可能となる。
【００４０】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
第１の実施例に係る光アッテネータ１では、入力側ファイバ２３ａに偏波保持光ファイバを用いていた。しかし、一般的な光伝送路はシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）で構成されている。そこで、第２の実施例として、入力側ファイバ２３ａを出力側ファイバ２３ｂと同様にＳＭＦにしても対応可能な光アッテネータを挙げる。図７に第２の実施例に係る光アッテネータ２の構造を示した。ここでも第１の実施例と同様に前後上下左右の方向を規定すると、図７（Ａ）は当該光アッテネータ２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。この図７に示したように、第２の実施例に係る光アッテネータ２では入力側コリメータ２０ａと出力側コリメータ２０ｂの双方にＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）が内蔵されている。そして、入力側コリメータ２０ａ内のＥＯ素子（入力側ＥＯ素子）１０ａと出力側コリメータ２０ｂ内の出力側ＥＯ素子１０ｂの電極（１１、１３）の形成面が互いに直交している。すなわち、入力側と出力側のＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）ではＥＯ物質１２に印加される電界の方向が互いに直交している。
【００４１】
この光アッテネータ２の動作については、オン状態では第１の実施例と同様に入力側ＥＯ素子１０ａに入射した光は偏向せず、入力側ＥＯ素子１０ａから後方に向かって出射したビームは、入力側コリメートレンズ２２ａ、出力側コリメートレンズ２２ｂ、および出力側ＥＯ素子１０ｂを経て出力側ファイバ２３ｂの開口端２６ｂの位置に結合する。なお、入力光のビームの径は１０μｍであり、オン状態における結合損失は０．６ｄＢであった。
【００４２】
図８に第２の実施例の光アッテネータ２のオフ状態における動作を示した。図８（Ａ）は、光アッテネータ２を右方から見たときの光路を示しており、（Ｂ）は上方から見たときの光路を示している。また（Ｃ）は（Ａ）（Ｂ）に示した光路上の各位置（Ｐ１、Ｐ２）を前方から見たときのビームの位置を示している。入力側と出力側のＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）の電極間（１１−１３）に電圧を印加すると、それぞれのＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）のＥＯ物質１２内が空間電荷制限状態となる。入力側ファイバ２３ａから出射した入力光が入力側ＥＯ素子１０ａに入射すると、その光はＥＯ物質１２内で振動方向が互いに直交するＴＥ光Ｂ１ｅとＴＭ光Ｂ１ｍに分離されるとともに、それぞれが異なる角度の方向に偏向する。そしてＴＥ光Ｂ１ｅとＴＭ光Ｂ１ｍがＥＯ素子１０ａの後端にて屈折し、光軸５０からずれた位置から異なる角度方向に進行する二本のビーム（Ｂ２ｅ、Ｂ２ｍ）がＥＯ素子１０から後方に向けて出射する。すなわち偏光依存性を有する２本のビーム（Ｂ２ｅ、Ｂ２ｍ）が出射する。
【００４３】
この２本のビーム（Ｂ２ｅ、Ｂ２ｍ）は、入力側コリメートレンズ２２ａにて個別に平行光（Ｂ３ｅ、Ｂ３ｍ）として出力側コリメートレンズ２２ｂに入射し、それぞれの結合位置に向かって屈折し、その屈折光（Ｂ４ｅ、Ｂ４ｍ）が出力側ＥＯ素子１０ｂに入射する。出力側ＥＯ素子１０ｂのＥＯ物質１２には入力側ＥＯ素子１０ａと直交する方向に同じ強度の電界が印加されており、出力側ＥＯ素子１０ｂに入射したビーム（Ｂ４ｅ、Ｂ４ｍ）は、偏波面が入れ替わったビーム（Ｂ５ｍ、Ｂ５ｅ）として偏向しながら後方に進行する。そして二本のビーム（Ｂ５ｍ、Ｂ５ｅ）の位相が揃った状態で出力側ＥＯ素子１０ｂから出射し偏波依存性が解消される。したがって、出力側ファイバ２３ｂの開口端２６ｂには入力側および出力側ＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）の電極間（１１−１３）に印加した電圧に応じた結合損失でビームが入射されることになる。そして、第２の実施例に係る光アッテネータ２では、入力側と出力側のＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）の電極間（１１−１３）に１０Ｖの電圧を印加したとき３０ｄＢの結合損失となった。このように第２の実施例に係る光アッテネータ２では、汎用的なＳＭＦを用いつつ第１の実施例に係る光アッテネータ１と同様に低電圧でも十分に実用的な減衰特性を有する。なお、出力側ＥＯ素子１０ｂの電極間（１１−１３）には、入力側ＥＯ素子１０ａにおけるＴＥ光Ｂ１ｅとＴＭ光Ｂ１ｍの偏向角度と一致するように電圧を印加すればよく、電圧と偏向角度との関係が入力側と出力側のＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）で一致していない場合は、フィードバック制御などを用いて入力側と出力側ＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）のいずれか、あるいは双方の電極間（１１−１３）に印加する電圧値を調整すればよい。
【００４４】
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
第２の実施例では、入力側ＥＯ素子１０ａに電界を印加した際のビームの偏光依存性を解消するために入出力側のそれぞれのＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）における電界方向を直交させていた。すなわち、電極（１１、１３）の形成面が光軸５０に対して９０°回転していた。そのため、電極（１１、１３）に取り付けられる端子が入力側ＥＯ素子１０ａと出力側ＥＯ素子１０ｂとで異なる方向に配置されることになり、端子から駆動回路に至る配線の引き回しが煩雑となる可能性がある。そこで、第３の実施例として、二つのＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）の電極（１１、１３）が同じ方向となるように配置した光アッテネータを挙げる。
【００４５】
図９（Ａ）〜（Ｃ）に第３の実施例に係る光アッテネータ３の構造と動作を示した。図９（Ａ）は当該光アッテネータ３を右方から見たときの構造を示しており、入力側と出力側のＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）の電極（１１、１３）を平行に配置する代わりに、コリメートレンズ間（２２ａ―２２ｂ）に１／２波長板３０が配置されている。図９（Ｂ）は１／２波長板３０を前方から見たときの図であり、当該１／２波長板３０の光学軸３１の方向を示している。そして、１／２波長板３０の光学軸３１は、光軸５０に沿って前方から見たときに、ＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）において電極（１１、１３）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、電極間（１１−１３）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。
【００４６】
図９（Ｃ）は第３の実施例に係る光アッテネータ３のオフ状態における動作を示している。この図に示したように、入力光が入力側コリメータ２０ａを出射するまでの光路は第２の実施例の光アッテネータ２と同様であり、ＴＥ光およびＴＭ光に対応する２本のビーム（Ｂ１１ｅ、Ｂ１１ｍ）がそれぞれＢ１１ｅ→Ｂ１２ｅ→Ｂ１３ｅおよびＢ１１ｍ→Ｂ１２ｍ→Ｂ１３ｍの経路で後方に向かう。そして、入力側コリメートレンズ２２ａから出射した２本のビーム（Ｂ１２ｅ、Ｂ１３ｍ）が１／２波長板３０に入射すると、それぞれのビーム（Ｂ１２ｅ、Ｂ１３ｍ）の偏波面が９０°回転したビーム（Ｂ１４ｍ、Ｂ１４ｅ）に変換されて出力側コリメートレンズ２２ｂの入射し、その出力側コリメートレンズ２２ｂにて屈折した二本のビーム（Ｂ１５ｍ、Ｂ１５ｅ）が出力側ＥＯ素子１０ｂに入射する。出力側ＥＯ素子１０ｂには入力側ＥＯ素子１０ａと同じ強度の電界が同じ方向に印加されており、出力側ＥＯ素子１０ｂ内ではビーム（Ｂ１６ｅ、Ｂ１６ｍ）が自身の偏波面と電界の印加方向とに従って偏向しながら後方に進行し、出力側ＥＯ素子１０ｂの後端にて結合する。すなわち、光軸５０に対して上下方向にずれた位置に結合する。そして、その結合位置に応じた強度の光が出力側ファイバ２３ｂに入射する。なお、第３の実施例に係る光アッテネータ３では、入力光のビーム径が１０μｍであり、オン状態では０．６ｄＢの結合損失となった。また入出力側のＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）の電極間（１１−１３）に１０Ｖの電圧を印加してオフ状態としたときの結合損失は３０ｄＢであった。
【００４７】
＝＝＝第４の実施例＝＝＝
上記第１〜第３の実施例に係る光アッテネータ（１〜３）は、入力側コリメータ２０ａと出力側コリメータ２０ｂを個別に備え、それぞれのコリメータ（２０ａ、２０ｂ）を光軸５０を合わせた状態で対面配置させていた。すなわち透過型の光アッテネータ（１〜３）を構成していた。そこで第４の実施例として反射型の光アッテネータを挙げる。
【００４８】
図１０に第４の実施例に係る光アッテネータ４の構造を示した。図１０（Ａ）は当該光アッテネータ４を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は同じ光アッテネータ４を右方から見たときの側面図である。図示したように当該光アッテネータ４では一つのコリメータ２０を備え、このコリメータ２０の後方に１／４波長板４０と反射板６０がこの順に配置された構造となっている。そして（Ａ）に示したように、コリメータ２０に接続されているフェルール２１には二芯の光ファイバ２３、所謂「パンダファイバ」が保持されて、そのパンダファイバ２３の一方の光ファイバが入力側ファイバ２３ａであり、他方が出力側ファイバ２３ｂとなっている。そして、一つのコリメータ２０が入力側と出力側のコリメータを兼ねている。また反射板６０の前面側の鏡面は凹状であり、入出力側の光ファイバ（２３ａ、２３ｂ）の開口端（２６ａ、２６ｂ）の中点から後方に向かう直線（以下、中心軸）５１に対して左右対称となるように二つの傾斜面（６１ａ、６１ｂ）が形成されている。また、中心軸５１に対して左方にある傾斜面６１ａおよび右方にある傾斜面６１ｂは、入力側の光ファイバ２３ａの開口端２６ａから後方に向かう軸（以下、第１の光軸）５０ａ上および出力側ファイバ２３ｂの開口端２６ｂから後方に向かう軸（以下、第２の光軸）５０ｂ上のそれぞれに形成されている。そして、この二つの傾斜面（６１ａ、６１ｂ）は互いに直交している。
【００４９】
ＥＯ素子１０の電極（１１、１３）は、（Ｂ）に示したように、二本の光ファイバ（２３ａ、２３ｂ）の並列方向（左右方向）に対して直交する方向（上下方向）に電界が印加されるように、ＥＯ物質１２の上下の面に形成されている。なお、第４の実施例におけるＥＯ素子１０のサイズは、左右幅Ｗ＝２５０μｍ、前後長Ｌｅｏ＝２５０μｍとしている。またＥＯ物質１２の厚さｄ＝２０μｍとしている。１／４波長板４０の配置については、図１１に示したように、中心軸５１に沿って前方から見たときに光学軸４１がＥＯ素子１０の電極間（１１−１３）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。
【００５０】
図１２は、第４の実施例に係る光アッテネータ４の動作を示す図であり、図１２（Ａ）はオン状態における光路を上方から見たときの図であり、（Ｂ）と（Ｃ）はともにオフ状態における光路を右方から見たときの図であり、（Ｂ）は入力側ファイバ２３ａからの入力光がＥＯ素子１０内でＴＥ光として分離したビームＢ２１ｅの光路（Ｂ２１ｅ→Ｂ２２ｅ→Ｂ２３ｅ→Ｂ２５ｍ→Ｂ２６ｍ→Ｂ２７ｍ）を示しており、（Ｃ）はＥＯ素子１０内でＴＭ光として分離したビームＢ２１ｍの光路（Ｂ２１ｍ→Ｂ２２ｍ→Ｂ２３ｍ→Ｂ２５ｅ→Ｂ２６ｅ→Ｂ２７ｅ）を示している。
【００５１】
第４の実施例に係る光アッテネータ４では、図１２（Ａ）に示したように、ＥＯ素子１０のＥＯ物質１２に電界が印加されておらずオン状態にあるとき、入力側ファイバ２３ａから出射したビームが第１の光軸５０ａに沿って後方に向かってＥＯ素子１０、コリメートレンズ２２、１／４波長板４０を透過し（Ｂ２１→Ｂ２２→Ｂ２３）、反射板６０の一方の傾斜面６１ａに入射する。ビーム（Ｂ２１〜Ｂ２３）はＥＯ素子１０内でＴＥ光とＴＭ光に分離するとともに、１／４波長板４０にて１／４波長分の位相差が与えられて円偏向に変換されるものの、ＥＯ素子１０内で偏向されないため同じ光路を辿る。
【００５２】
そして、反射板６０に到達したビームＢ２３は、入力側ファイバ２３ａの光軸５０ａ上にある傾斜面（６１ａ、６１ｂ）によってコの字型に屈曲して前方に反射し、第２の光軸５０ｂに沿って１／４波長板４０とコリメートレンズ２２を経て出力側ファイバ２３ｂに結合する。なお、オン状態にあるときの結合損失は０．７ｄＢであった。
【００５３】
一方、図１２（Ｂ）と（Ｃ）に示したように、ＥＯ物質１２に電界を印加したときは、ＥＯ素子１０によって分離したＴＥ光のビームＢ２１ｅとＴＭ光のビームＢ２１ｍのそれぞれが電界強度に応じた角度で上下方向に偏向し、第１の光軸５０ａからずれた二本のビーム（Ｂ２２ｅ、Ｂ２２ｍ）がコリメートレンズ２２を介して平行光（Ｂ２３ｅ、Ｂ２３ｍ）として後方に向かう。そして第１の光軸５０ａに対して上下方向にずれた二本の平行光（Ｂ２３ｅ、Ｂ２３ｍ）がそれぞれ１／４波長板４０に入射し、それぞれ１／４波長分の位相差が与えられて円偏光として反射板６０に入射し、左側の傾斜面６１ａによって光路が右方（紙面手前方向）にシフトされ（Ｂ２３ｅ→Ｂ２４ｅ、Ｂ２３ｍ→Ｂ２４ｍ）、さらに右側の傾斜面６１ｂにて再度反射する。そして前方への反射光が１／４波長板４０に入射する。それによって、前方から後方に向かうＴＥ光とＴＭ光のそれぞれに対応するビームは、往復で１／２波長分の位相差が与えられ、偏波面が９０°回転する。そして１／４波長板４０から後方に向かう二本のビーム（平行光：Ｂ２５ｍ、Ｂ２５ｅ）は第２の光軸５０ｂからずれた光路を辿り、再度コリメートレンズ２２とＥＯ素子を経て偏波依存性が解消された状態で同じ位置からＥＯ素子１０から前方に向かって出射する（Ｂ２５ｍ→Ｂ２６ｍ→Ｂ２７ｍ、Ｂ２５ｅ→Ｂ２６ｅ→Ｂ２７ｅ）。なお第４の実施例に係る光アッテネータ４では、ＥＯ素子１０の電極間（１１−１３）の電圧を１５Ｖとしたときに結合損失が３０ｄＢであった。
【００５４】
このように第４の実施例に係る光アッテネータ４では、上記各実施例と同様に実用上十分な光減衰特性を有しつつ、低電圧での駆動が可能である。そして、第１〜第３の実施例と比較して、前後方向の全長をさらに短くすることが可能となる。
【００５５】
＝＝＝第５の実施例＝＝＝
ところで、ＥＯ素子は、電極間の電圧が同じであれば電極間の厚さが小さい程より電界強度が大きくなる。言い換えれば、より低電圧で駆動しても所定の減衰特性が得られる。しかし、ＥＯ素子以外の光アッテネータを構成する光ファイバは、そのコア径が１０μｍ程度であるとすると、ＥＯ素子の電極間の厚さはそれ以上必要となる。また、電極間の厚さをビーム径に近づけると、ＥＯ素子の前後方向にビームを効率良く進行させるために、ＥＯ素子と光ファイバの開口端との上下左右方法の相対位置を極めて精度よく調整する必要が生じる。具体的には、光ファイバから出射するビームは平行光ではなく、所定の開口角で出射する。一般的なＳＭＦでは、ビーム径はその出射時点では１０μｍ程度であるが、光ファイバコリメータ内ではコリメートレンズに至るまでにそのビームの径が拡がる。そして、光ファイバの開口数Ｎ／Ａはコアの径が小さいほど大きい。すなわち、開口角が大きくなる。
【００５６】
したがって、光ファイバの開口端とコリメートレンズ間にＥＯ素子を配置することを前提としている本発明の光アッテネータでは、所謂「ケラレ」を考慮する必要がある。すなわち、入力側ファイバからＥＯ素子に入射したビームの径がＥＯ物質内で徐々に広がり、そのビームの径方向外側の縁の部分がＥＯ物質の端面に接触してビームの周辺光量が低下しないようにすることが必要となる。そのためには、ＥＯ素子の後端側でのビーム径を考慮してＥＯ物質の厚さを設定することが必要となる。
【００５７】
しかし、ケラレを考慮してＥＯ物質の厚さを大きくすると電界強度が小さくなるという背反が生じる。すなわちＥＯ素子を高電圧で駆動する必要がある。ＥＯ素子が厚いと光アッテネータの上下方向の大きさを小さくすることも難しくなる。ＥＯ素子の厚さを薄くすればケラレに加え、コリメータの組み立てに際して許容できる調整誤差が小さくなるという問題が発生する。例えば、許容される組み立て誤差が同じ１μｍでもビーム径と同等の１０μｍの厚さのＥＯ素子に対して調整する場合と、１００μｍの厚さのＥＯ素子に対して調整する場合とでは、１０μｍの厚さのＥＯ素子の位置を調整するほうが遙かに難しい。そこで本発明の第５の実施例として、ＥＯ素子の厚さを大きくしてコリメータ内における光ファイバとＥＯ素子との相対位置関係を容易にかつ高精度に調整することが可能な構成を備えつつ、低い電圧でも十分な減衰特性を有している光アッテネータを挙げる。
【００５８】
第５の実施例に係る光アッテネータの基本構成は、第２あるいは第３の実施例に係るアッテネータと同じである。しかし、コリメータに保持された光ファイバが一般的なＳＭＦではなく、開口端側のモードフィールド径が拡大されたコア拡散ファイバ、所謂「ＴＥＣファイバ」としている点に特徴を有している。なお、第５の実施例に係る光アッテネータの動作は第２あるいは第３の実施例に係る光アッテネータと同様である。以下に、第５の実施例に係る光アッテネータの具体的な構造や特性について説明する。
【００５９】
図１３に第５の実施例に係る光アッテネータ５の構造と各部位のサイズを示した。図１３（Ａ）は当該光アッテネータ５を右方から見たときの側面図であり、（Ｂ）は光アッテネータ５の前方部分を拡大した図である。図１３に示した光アッテネータ５は、上記第２の実施例に係る光アッテネータ２と同様の基本構成を備えている。しかし、光ファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）にＴＥＣファイバを用いている点が大きく異なっている。なお、ＴＥＣファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）はその開口端（１２６ａ、１２６ｂ）とその近傍のコアが拡散されているが、ＴＥＣファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）自体は一般の光ファイバと同様に汎用のフェルールへの挿入が可能である。そして図１３（Ｂ）では、説明を容易にするためにＴＥＣファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）の開口端（１２６ａ、１２６ｂ）の形状を便宜上変えている。
【００６０】
また、第５の実施例に係る光アッテネータ５では、第２の実施例の光アッテネータ２と特性を比較するために、ＥＯ素子１１０ａのＥＯ物質１２の厚さｄを当該第２の実施例に係る光アッテネータ２に用いたＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）に対して２倍以上の３２μｍとしている。さらにＥＯ物質１２を挟持する電極１１１は、ＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）が上下あるいは左右対称となるようにスパッタ法によって形成したチタン薄膜として、ＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の全高ｈは実質的にＥＯ物質１２の厚さと同等となる。前後長ＬｅｏについてはＥＯ素子１１０ａの後端でケラレが発生しなければよく、駆動電圧に応じて適宜に設定すればよい。例えば、入力側ファイバ１２３ａの開口端１２６ａにおけるビームの径φ０がＥＯ素子１１０ａの後端でのビーム径φ１＝２φ０となるときの長さＬｅｏとすれば、当該Ｌｅｏは、上記ビーム径φ０と入力光の波長λとＥＯ物質１２の屈折率ｎとを用いて以下の式１によって求めることができる。なお、ＥＯ物質１２がＫＴＮであれば、ｎ＝２．１８５である。入力光の波長λについては、光通信で用いられる光の波長λ＝１５５０ｎｍとすればよい。  
Ｌｅｏ＝πｎφ０２｛（ｄ／２φ０）２−１｝１／２／λ・・・（式１）
【００６１】
また、光アッテネータ５全体のサイズについて、前後方向の全長Ｌは、コリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）の焦点距離ｆに依存し、入出力側のコリメートレンズ間（２２ａ−２２ｂ）の距離Ｄ１は焦点距離ｆの２倍であり、入出力側の光ファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）の開口端間（１２６ａ−１２６ｂ）の距離Ｄ２は焦点距離ｆの４倍となる。上下左右方向のサイズについては、光通信分野では光学部品をラックボードに実装してシステム化していることから、このラックボードへの実装を想定して設定している。具体的には、円筒状の筐体１００の外径φ２を３．５ｍｍとしている。そして第５の実施例に係る光アッテネータ５では、径φ２＝３．５ｍｍを有する筐体１００にＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）を内蔵したコリメータ（２０ａ、２０ｂ）を接続した構成となっている。またコリメータ（２０ａ、２０ｂ）に内蔵されるコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）については、焦点距離ｆと径φ３、およびレンズの厚さを考慮した作動距離ＷＤがコリメータ（２０ａ、２０ｂ）内に収納可能な数値であればよい。さらに、コリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）は光アッテネータ５を構成する他の部品よりも相対的に高価な部品でもあるので、安価に入手可能な市販の汎用非球面レンズを採用している。以下では、第５の実施例に係る光アッテネータ５の減衰特性について説明する。
【００６２】
＜特性評価＞
第５の実施例に係る光アッテネータ５の特性を評価するために、焦点距離ｆが異なる３種類の市販の非球面レンズのいずれかを用いて図１３に示した光アッテネータ５（サンプルＡとする）を３種類作製した。また、第２の実施例の光アッテネータ２の特性と比較するために、光ファイバをＳＭＦとした以外は第５の実施例の光アッテネータ５と同じ構成の光アッテネータ（サンプルＢとする）を同様に３種類のレンズのいずれかを用いて作製した。なお、ＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ）の前後長Ｌｅｏについては、上記式１に従って設定し、当該式１におけるφ０は、サンプルＡについてはφ０＝１５μｍとし、サンプルＢについてはφ０＝５μｍとした。
【００６３】
以下の表１に上記３種類のレンズ１〜３の焦点距離ｆと作動距離ＷＤを示した。
【００６４】
【表１】
2015011075.tif 000003
【００６５】
つぎに、表１に示したレンズ１〜３を用いて作製した３種類のサンプルＡおよびサンプルＢについて、ＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の電極間（１１１−１１１）に４０．５Ｖの電圧を印加したときの結合損失を測定した。図１４にサンプルＡとサンプルＢの結合損失を示した。この図１４では、各サンプルについて使用した３種類のレンズに対応する焦点距離ｆを横軸として各サンプルの結合損失を示した。そしてこの図に示したように、ＳＭＦを用いたサンプルＢでは、コリメートレンズの種類によらず、光通信用途では十分に実用的なオフ時の減衰率である３０ｄＢに達しなかった。因みにサンプルＢと実質的に同じ構成の第２の実施例の光アッテネータ２では、ＥＯ素子（１０ａ、１０ｂ）におけるＥＯ物質１２の厚さが１５μｍでサンプルＢの１／２で、１０Ｖで３０ｄＢの結合損失が得られている。
【００６６】
一方、ＴＥＣ（１２３ａ、１２３ｂ）ファイバを用いたサンプルＡでは、３０ｄＢの減衰率を遙かに超える５０ｄＢの結合損失が得られ、実用的には「過剰スペック」となった。そこで、サンプルＡについて、ＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）に印加する電圧を２８Ｖとしたところ、図１５に示したように、約３０ｄＢの結合損失となった。なお、この２８Ｖで３０ｄＢの結合損失を得るためのＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の前後長Ｌｅｏは上記式１に従ってＬｅｏ＝３７０μｍとしている。
【００６７】
このように、第５の実施例に係る光アッテネータ５では、ＴＥＣファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）を用いることでＮＡを小さくすることができ、入力側ファイバ１２３ａから出射したビームがＥＯ物質１２内を通過する際、その後端に至るまでビームが大きく拡がらず、ＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の厚さを薄くすることができる。そのためコリメートレンズ（２２ａ、２２ｂ）の焦点距離ｆ内であればＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の前後長Ｌｅｏをより長くすることができる。したがって、駆動電圧が同じであれば、ビームをより大きく偏向させることができる。
【００６８】
一方、結合損失が同じであれば、駆動電圧を低くすることができ、ＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の全高ｈを厚くすることができる。そのため、光ファイバ（１２３ａ、１２３ｂ）の中心とＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）との相対位置関係を調整する際の許容誤差が増え、例えば、光コネクタなどに用いられる汎用的なスリーブ内にＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）を高度な調整工程を経ずに組み込むことが可能となる。すなわち、市販されているスリーブ内にＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）を挿入するだけでＥＯ素子内蔵型のコリメータ（２０ａ、２０ｂ）を組み立てることができる。結果として、光アッテネータ５をさらに安価に提供することが可能となる。
【００６９】
なお、第５の実施例に係る光アッテネータ５で、上記表１に記載した焦点距離ｆ＝１．８１ｍｍのレンズ２を用いて作製したものは、筐体１００の外径φ２が３．５ｍｍで全長Ｌが１０ｍｍであり、極めた小型にすることができた。
【００７０】
＝＝＝応答速度と駆動について＝＝＝
本発明の実施例に係る光アッテネータは光通信分野に適用することを想定している。そのため、例えば、光バーストに際して瞬間的に光アッテネータをオフにするような場合に対応した応答速度が求められる。そこで第５の実施例に係る光アッテネータ５の応答特性について評価してみた。応答特性はＥＯ素子をＲＬＣ等価回路と見なして遅延時間を計算することで評価することができる。
【００７１】
まず、ＥＯ素子のキャパシタンスＣは、電極の面積ＳとＥＯ物質の厚さｄとＥＯ物質の誘電率εから
Ｃ＝εＳ／ｄ（＝ε０εｒＳ／ｄ）・・・（式２）
の式で求めることができる。ここではＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の左右幅Ｗは、ＥＯ物質１２の厚さｄ（＝３２μｍ）としており、Ｓ＝ｄ×Ｌｅｏとなり、Ｃ＝εＬｅｏとなる。なお、ＫＴＮの比誘電率εｒは２００００である。また前後長Ｌｅｏは上述したように３７０μｍとしている。
【００７２】
ここで、電極間（１１１−１１１）に上記式２により求めたキャパシタンスＣを１００％として、キャパシタンスが１０％から９０％になるまでの時間を応答時間ｔとすると、当該応答時間ｔは、電極１１１から端子を経て駆動装置に至る抵抗Ｒと上記キャパシタンスＣを用いて、以下の式３
ｔ＝ＲＣ（Ｉｎ０．１−Ｉｎ０．９）・・・（式３）
によって求められる。そして、Ｒ＝２００Ωであったので、応答時間ｔはｔ＝２８．８ｎｓとなる。なお、光通信における光バーストに対して必要とされる応答速度（応答時間）は１μｓ程度であるので、光通信用途において全く問題がないことが確認できた。
【００７３】
ところで、上記の応答時間はＥＯ素子が空間電荷制限状態に制御されていることが前提となる。ＥＯ素子において電荷を担うキャリアは電子であるが、その電子の移動速度は遅く、電荷移動度としては３．３（ｃｍ２／ｖ・ｓ）程度である。したがって、上記応答時間で常時駆動させるためには、空間電荷制限状態を発現させてそれを維持し続けることが必要となる。具体的には、先に図１（Ｃ）に示したように、ＥＯ物質ｅｏ内に電子密度の高い領域ｅ４が偏在しつつ、カソード電極Ｃｄ側からＥＯ物質ｅｏに順次供給された電子ｅがアノード電極Ａｄに順次到達してＥＯ物質ｅｏ内に電流が流れ続けている状態を維持することが必要である。
【００７４】
電流を流し続けるためには、例えば、低速な周波数（例えば４０Ｈｚ）で掃引すればよい。その上で、所定の結合損失が得られる電圧を印加すればよい。そこで、上記各実施例に係る光アッテネータ１〜５の実用的な駆動方法として、空間電荷制御状態となる準位に電荷がトラップされた状態とする駆動方法（以下、トラップ電荷制御モード）を例示する。図１６にトラップ電荷制御モードによるＥＯ素子の駆動波形を示した。ＤＣバイアスＶｄｃに振幅（Ｖｓ−Ｖｄｃ）の低周波（例えば４０Ｈｚ）ＡＣ変調信号を重畳した駆動信号ａｃとしている。例えば、図１５に示した結合損失が得られるように第５の実施例に係る光アッテネータ５をラップ電荷制御モードにて駆動する場合では、Ｖｄｃ＝１４ＶのＤＣバイアスを印加して振幅１４Ｖの低周波信号をＥＯ素子（１１０ａ、１１０ｂ）の電極間（１１１−１１１）に印加する。それによってこの光アッテネータ５は最大電位差Ｖｓ＝２８Ｖで駆動されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
この発明は、光ファイバ網を用いた光通信に適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１〜５  光アッテネータ、２０，２０ａ，２０ｂ  光ファイバコリメータ、
２１，２１ａ，２１ｂ  フェルール  ２２，２２ａ，２２ｂ  コリメートレンズ、
２３ａ、２３ｂ、１２３ａ、１２３ｂ  光ファイバ、
２６ａ、２６ｂ、１２６ａ、１２６ｂ  光ファイバの開口端、
１０，１０ａ，１０ｂ，１１０ａ，１１０ｂ  電気光学素子（ＥＯ素子）、
１１，１３，１１１，Ａｄ，Ｃｄ  電極、
１２，ｅｏ  電気光学物質（ＥＯ物質、ＥＯ層）、３０  １／２波長板、
４０  １／４波長板、５０，５０ａ，５０ｂ  光軸、６０  反射板
【図１】
2015011075.tif 000004
【図２】
2015011075.tif 000005
【図３】
2015011075.tif 000006
【図４】
2015011075.tif 000007
【図５】
2015011075.tif 000008
【図６】
2015011075.tif 000009
【図７】
2015011075.tif 000010
【図８】
2015011075.tif 000011
【図９】
2015011075.tif 000012
【図１０】
2015011075.tif 000013
【図１１】
2015011075.tif 000014
【図１２】
2015011075.tif 000015
【図１３】
2015011075.tif 000016
【図１４】
2015011075.tif 000017
【図１５】
2015011075.tif 000018
【図１６】
2015011075.tif 000019