(57)【要約】【課題】この発明はＦＳＦレーザーに用いられる１．５５μｍ帯の光波長において集積化された、弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタに関する。【解決手段】弾性表面波による回折を受ける部位の光音響相互作用長を長くするような光回折部の導波路形状を有し、回折後の導波路を１．５５μｍ帯の回折光を集光可能なテーパ導波路で構成したことを特徴とする弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタ。【選択図】          図１
2004294567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波による回折を受ける部位の光音響相互作用長を長くするような光回折部の導波路形状を有し、回折後の導波路を１．５５μｍ帯の回折光を集光可能なテーパ導波路で構成したことを特徴とする弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタ。
【請求項２】
回折を受ける部位をはさんで各導波路をそれぞれ基板の両側端面に対向するよう配置し、基板表面に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振させるトランスデューサ（ＩＤＴ）をマウントして、一方の導波路より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けるようにし、この回折光をテーパ導波路で集光して他方の導波路へ導波する構造としたことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタ。
【請求項３】
回折を受ける部位をはさんで導波路１と導波路２、および導波路３と導波路４をそれぞれ基板の両側端面に対向するよう配置し、所定の角度で入射した光が導波路１から導波路４へ、導波路２から導波路３へ交差して抜けるように構成するとともに、基板の表面に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振させるトランスデューサ（ＩＤＴ）をマウントして、導波路１より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けるようにし、この回折光をテーパ導波路で集光して導波路３へ導波する構造としたことを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタ。
【請求項４】
回折を受ける部位をはさんで導波路１と導波路２、および導波路３と導波路４をそれぞれ基板の両側端面に対向するよう配置し、所定の角度で入射した光が導波路１から導波路４へ、導波路２から導波路３へ、また導波路４から導波路１へ、導波路３から導波路２へ、それぞれ交差して抜けるように構成するとともに、基板の表面に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振させるトランスデューサ（ＩＤＴ）をマウントして、導波路１より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路３へ、また導波路３より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路１へそれぞれ導波する構造として共振可能としたことを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＦＳＦレーザーに用いられる１．５５μｍ帯の光波長において集積化された、弾性表面波（ＳＡＷ）を用いた導波路型光周波数シフタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光周波数シフタをレーザー共振器内に内蔵した周波数シフト帰還型（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｌｅｄ  Ｆｒｅｅｂａｃｋ．：ＦＳＦ）レーザ−という新しいタイプのレーザーが東北大学電気通信研究所で精力的に研究されている［非特許文献１参照］。
上記ＦＳＦレーザーは通常のレーザーとは異なるユニークなスペクトル特性を有していることから［非特許文献２参照］、光計測の分野において幅広い応用が期待されている［非特許文献３参照］，［非特許文献４参照］。
【０００３】
このような計測デバイスへの応用のために、光周波数シフタの集積化が必要とされているが、現状のシステムでは、光周波数シフタにバルク結晶を用い、バルク弾性波により回折光（周波数シフト光）を得ているために集積化が困難である。これまでに、光波長０．６３３μｍにおいて、Ｘ形に交差させたＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３三次元導波路を用いて、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ：以下ＳＡＷという）により回折光を得る光周波数シフタが報告されている［非特許文献５参照］，［非特許文献６参照］。
【０００４】また同様の光周波数シフタ（導波路型音響光学素子）が特開平６−３３７４４６号公報（特許文献１参照）および特開平７−２７０７３６号公報（特許文献２参照）に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３３７４４６号公報
【特許文献２】特開平７−２７０７３６号公報
【非特許文献１】Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｋ．Ｋａｓａｈａｒａ，Ｍ．Ｓａｔｏ  ａｎｄ  Ｈ．Ｉｔｏ：Ｏｐｔ  Ｃｏｍｍｕｎ．８８，５１４，（１９９５）
【非特許文献２】Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｆ．Ａｂｅ，  Ｋ．Ｋａｓａｈａｒａ，Ｔ．Ｈａｒａ，Ｍ．Ｓａｔｏ  ａｎｄ  Ｈ．Ｉｔｏ：ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，３３，１０３，（１９９７）
【非特許文献３】Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｔ．Ｈａｒａ，Ｍ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．Ｍｉｙａｈａｒａ  ａｎｄ  Ｈ．Ｉｔｏ：ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，３６，３０５，（２０００）
【非特許文献４】Ｎ．Ｚｏｕ，  Ｍ．Ｙｏｓｈｉｄａ，  Ｙ．Ｎａｍｉｈｉｒａ  ａｎｄ  Ｈ．Ｉｔｏ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｌｅｔｔ，３８，１１５，（２００２）
【非特許文献５】Ｃ．Ｓ．Ｔｓａｉ，  Ｃ．Ｔ．Ｌｅｅ  ａｎｄ  Ｃ．Ｃ．Ｌｅｅ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  １９８２  ＩＥＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎ，Ｓｙｍｐ，４２２，（１９８２）
【非特許文献６】Ｃ．Ｔ．Ｌｅｅ：Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ．．，Ｂ３５，１１３，（１９８４）
【非特許文献７】Ｋ．Ｗ．Ｌｏｈ，Ｗ．Ｓ．Ｃ  Ｃｈａｎｇ，Ｗ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ  ａｎｄ  Ｔ．Ｇｒｕｄｋｏｗｓｋｉ：Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，１５，１５６，（１９７６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＦＳＦレーザーに用いられる１．５５μｍ帯の光波長において集積化された光周波数シフタの報告例はない。
この発明は、光波長１．５５μｍ帯では初めて周波数シフト光が得られるようにした、弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち、この発明の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタは、弾性表面波による回折を受ける部位の光音響相互作用長を長くするような光回折部の導波路形状を有し、回折後の導波路を１．５５μｍ帯の回折光を集光可能なテーパ導波路で構成したことを特徴とするものである。
【０００８】この発明の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタは、上記回折を受ける部位をはさんで各導波路をそれぞれ基板の両側端面に対向するよう配置し、基板表面に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振させるトランスデューサ（ＩＤＴ）をマウントして、一方の導波路より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けるようにし、この回折光をテーパ導波路で集光して他方の導波路へ導波する構造としたことをも特徴とするものである。
【０００９】この発明の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタは、上記回折を受ける部位をはさんで導波路１と導波路２、および導波路３と導波路４をそれぞれ基板の両側端面に対向するよう配置し、所定の角度で入射した光が導波路１から導波路４へ、導波路２から導波路３へ交差して抜けるように構成するとともに、基板の表面に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振させるトランスデューサ（ＩＤＴ）をマウントして、導波路１より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けるようにし、この回折光をテーパ導波路で集光して導波路３へ導波する構造としたことを特徴とするものである。
【００１０】この発明の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタは、回折を受ける部位をはさんで導波路１と導波路２、および導波路３と導波路４をそれぞれ基板の両側端面に対向するよう配置し、所定の角度で入射した光が導波路１から導波路４へ、導波路２から導波路３へ、また導波路４から導波路１へ、導波路３から導波路２へ、それぞれ交差して抜けるように構成するとともに、基板の表面に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振させるトランスデューサ（ＩＤＴ）をマウントして、導波路１より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路３へ、また導波路３より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路１へそれぞれ導波する構造として共振可能としたことをも特徴とするものである。
【００１１】なお、この発明の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタにおいて使用される基板としては、Ｙカットニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶、プロトン交換ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等が挙げられ、とりわけプロトン交換ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）が好適に使用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、この発明の弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタの１実施例を示す説明図、図２は光波長に対するＰ１００の計算値を示すグラフ、図３は光回折部の導波路形状を示す要部説明図、図４は光周波数シフタの測定系を示す概略説明図、図５は光周波数シフタを駆動させた後の周波数スペクトルを示すグラフ、図６はＩＤＴへのＲＦ入力電圧に対する一次回折光パワーと非回折パワー（導波路（ポート）４からの出射光）の変化を示すグラフである。
【００１３】
【実施例】先ず、導波路型光周波数シフタに用いられる三次元導波路を次のようにして作製した。
ＦＳＦレーザーで用いられるコア径６μｍ、光波長１．５５μｍ帯の光ファイバとの光結合効率が高くなるような三次元導波路の作製条件を検討し、弾性表面波（ＳＡＷ）の電気機械結合係数（Ｋ２）が大きい、１２８°Ｙカットニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板を安息香酸中（０．２Ｌｉ  ｍｏｌｅ  ％）２４０℃で３時間（ｈ）プロトン交換し、その後湿潤酸素（ｗｅｔＯ２）の雰囲気中４００℃で５時間（ｈ）２０分（ｍｉｎ）アニーリングしたところ、異常光屈折率変化△ｎｅが０．０２、導波路深さが６μｍのガウス状屈折率分布が得られた。ＲＦスパッタリングにより形成した三次元化のため酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）マスク（膜厚８００Å）の幅が６μｍのとき、光ファイバとの結合効率が最適値（２３％）を示すことがわかった。
【００１４】次いで、光回折部の導波路形状を次のようにして決定した。
すなわち、前項に示す条件で図１に示す概略図のように作製されたプレーナ型光周波数シフタ１１において、入射光が１００％回折するために必要とされる弾性表面波（ＳＡＷ）パワー（Ｐ１００）を、モード結合理論［非特許文献７参照］により計算した。光波長に対するＰ１００の計算値を図２に示す。
導波光モードはＴＭ０、ＳＡＷ波長Λと光音響相互作用長Ｌは，それぞれ下記に述べるトランスデューサ（ＩＤＴ）１２の周期長２０μｍと交差幅（弾性表面波による回折を受ける部位の幅）２ｍｍとした。図２より、光波長が長くなるに従いＰ１００は単調に増加することがわかる。
【００１５】また、Ｐ１００は相互作用長Ｌに反比例するため、光波長０．６３３μｍで報告されているような単純に三次元導波路を交差させた導波路形状を用いると相互作用長が短くなり、光波長１．５５μｍ帯ではＰ１００が非常に大きくなる。
そこで、図３に示すように導波路（Ｐｏｒｔ）１より入射した光が、ＳＡＷのビーム幅全域で回折を受けるような光回折部（弾性表面波による回折を受ける部位）１３の導波路形状を採用し、この回折光を長さ５ｍｍのテーパ導波路１４で集光して、導波路（Ｐｏｒｔ）３へ導波する構造とした。
【００１６】なお、上記光回折部１３を構成する導波路（Ｐｏｒｔ）１と導波路（Ｐｏｒｔ）２、および導波路（Ｐｏｒｔ）３と導波路（Ｐｏｒｔ）４はそれぞれ基板の両側端面に対称的に配置されている。各導波路（Ｐｏｒｔ）を上述のように配置したことにより、導波路（Ｐｏｒｔ）１より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路（Ｐｏｒｔ）３へ、また導波路（Ｐｏｒｔ）３より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路（Ｐｏｒｔ）１へそれぞれ導波することが可能となった。すなわち光を共振させることができるのである。
【００１７】上記構造を用いた光周波数シフタの周波数シフト量を測定した。
すなわち、上述のようにして決定した条件に従って導波路を作製し、端面研磨の後、基板表面にＩＤＴ（対数＝３０）１２をＡｌで形成し治具にマウントした。その上で図４に示す実験系により周波数シフト量の測定を行った。
光波長１．５５μｍ帯のレーザー光２１をカップラ（Ｃｏｕｐｌｅｒ）１により分波させ、分波光（光周波数ν）を試料（ＳＡＷ励振周波数ｆ１＝１９６．６６ＭＨｚ、回折光周波数ν＋ｆ１）とバルク結晶を用いた光周波数シフタ１５（弾性波励振周波数ｆ２＝１１７．４３ＭＨｚ、回折光周波数ν−ｆ２）に入射し、それぞれの回折光をカップラ（Ｃｏｕｐｌｅｒ）２により合波させる。これを光検出器（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下ＰＤという）１６で受光し、電気式周波数分析計（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ａｎａｌｙｚｅｒ：以下ＥＳＡという）１７によりビート周波数信号を観測した。光周波数シフタを駆動させた後の周波数スペクトルを図５に示す。
ビート周波数はｆ１＋ｆ２となる３１４．０９ＭＨｚであることから、試料の回折光はＳＡＷの励振周波数でドップラーシフトを受けていることを確認することができた。
【００１８】図６には、ＩＤＴへのＲＦ入力電圧に対する一次回折光パワーと非回折パワー（導波路（Ｐｏｒｔ）４からの出射光）の変化を示す。入力電圧が２１Ｖのとき回折効率は４０％であった。相互作用領域におけるＳＡＷ振幅を光プローブ法で直接測定することにより、このときのＳＡＷパワーを見積もったところ１．４Ｗであった。
【００１９】
【発明の効果】上述のようにして例えば、プロトン交換ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）製の三次元導波路を用いて光周波数シフタを作製したところ、光波長１．５５μｍ帯に対して、ＳＡＷのパワー１．４Ｗで４０％の回折効率が得られた。すなわち、回折光の周波数がＳＡＷの励振周波数でドップラーシフトを受けていることが確認できた。
【００２０】なお、上記光回折部を構成する導波路（Ｐｏｒｔ）１と導波路（Ｐｏｒｔ）２、および導波路（Ｐｏｒｔ）３と導波路（Ｐｏｒｔ）４をそれぞれ基板の両側端面に対称的に配置したことにより、導波路（Ｐｏｒｔ）１より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路（Ｐｏｒｔ）３へ、また導波路（Ｐｏｒｔ）３より入射した光が弾性表面波（ＳＡＷ）による回折を受けて導波路（Ｐｏｒｔ）１へそれぞれ導波することができるようになり、光を共振させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】弾性表面波を用いた導波路型光周波数シフタの１実施例を示す説明図である。
【図２】光波長に対するＰ１００の計算値を示すグラフである。
【図３】光回折部の導波路形状を示す要部説明図である。
【図４】光周波数シフタの測定系を示す概略説明図である。
【図５】光周波数シフタを駆動させた後の周波数スペクトルを示すグラフである。
【図６】ＩＤＴへのＲＦ入力電圧に対する一次回折光パワーと非回折パワー（導波路（Ｐｏｒｔ）４からの出射光）の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１１  光周波数シフタ
１２  トランスデューサ（ＩＤＴ）
１３  光回折部
１４  テーパ導波路
１５  光周波数シフタ
１６  光検出器（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）
１７  電気式周波数分析計（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）
２１  レーザー光
ＴＭ０  導波光モード
Λ  ＳＡＷ波長
Ｌ  光音響相互作用長
Ｐ１００  ＳＡＷパワー
ν  光周波数
【図１】
2004294567.tif 000003
【図２】
2004294567.tif 000004
【図３】
2004294567.tif 000005
【図４】
2004294567.tif 000006
【図５】
2004294567.tif 000007
【図６】
2004294567.tif 000008