(57)【要約】【課題】相互作用領域の長尺化を図り、導波路型ＡＯＦＳの光回折特性を向上させるとともに、入射光が１００％回折するために必要なＳＡＷパワー（Ｐ100）の駆動周波数依存性を得ようとするものである。【解決手段】音響光学効果を有する基板と、該基板上に該基板の屈折率よりも大きな屈折率で形成されたほぼＸ型の三次元導波路と、前記基板上に設けられ、前記三次元導波路内を伝播する光を回折させる弾性表面波を発生する弾性表面波電極とからなる光周波数シフタであって、前記三次元導波路内を伝播する光が前記弾性表面波により回折を受ける相互作用領域の長さ（Ｌ）が下記の式により決定されることを特徴とする光周波数シフタ。Ｌ＝（π／２α）2 ÷Ｐ100〔式中、Ｌ：相互作用領域の長さ、Ｐ100：１００％回折に必要な弾性表面波パワー（Ｗ）α：結合係数である。〕【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響光学効果を有する基板と、
該基板上に該基板の屈折率よりも大きな屈折率で形成されたほぼＸ型の三次元導波路と、
前記基板上に設けられ、前記三次元導波路内を伝播する光を回折させる弾性表面波を発生する弾性表面波電極とからなる光周波数シフタであって、
前記三次元導波路内を伝播する光が前記弾性表面波により回折を受ける相互作用領域の長さ（Ｌ）が下記の式により決定されることを特徴とする光周波数シフタ。
Ｌ＝（π／２α）2 ÷Ｐ100
〔式中、Ｌ：相互作用領域の長さ、Ｐ100：１００％回折に必要な弾性表面波パワー（Ｗ）α：結合係数である。〕
【請求項２】
音響光学効果を有する基板がＹ-CUTＬiＮｂＯ3であることを特徴とする請求項１に記載の光周波数シフタ。
【請求項３】
音響光学効果を有する基板が１２８°Ｙ-CUTＬiＮｂＯ3であることを特徴とする請求項２に記載の光周波数シフタ。
【請求項４】
三次元導波路が基板上にＴａ2Ｏ5マスク（膜厚約８００Å）の導波路型パターンを形成後、安息香酸中（0.２Ｌi mode %）２４０℃で１h１５minプロトン交換し、wet-Ｏ2雰囲気中４００℃で１h４０minアニーリングを行なって得たものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光周波数シフタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はＦＳＦレーザに用いられる１．５５・ｍ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。
【背景技術】
【０００２】
光周波数シフタ（Acousto-Optic Frequency Shifter：ＡＯＦＳ）をレーザ共振器内に内蔵した周波数シフト帰還型（Frequency Shifted Feedback：ＦＳＦ）レーザは、通常のレーザ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１参照］，［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】
本発明者は、このようなＡＯＦＳの集積化のために、弾性表面波（ＳＡＷ）を用いたプロトン交換ＬiＮｂＯ3導波路型ＡＯＦＳを作製し、光波長１．５５μｍにおいて周波数シフト光が得られることを明らかにし、ＦＳＦファイバレーザ発振を確認した［非特許文献５参照］。
【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】垣尾，北村，中川，Ｎ.Ｚou，原，伊藤，飯塚，小林，渡辺：信学輪，J-86-C，1263（2003）
【非特許文献６】Ｋ.Ｗ.Ｌoh,Ｗ.Ｓ.Ｃ Ｃhang,Ｗ.Ｒ.Ｓmith and Ｔ.Ｇrudkowski：Ａpplied Ｏptics,15,156,（1976）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、発振に必要な周波数シフト光を得る際、高いＲＦ電力を要するため、光計測への応用のためには低駆動パワー化、高効率化が必要である。
また高効率化により導波炉型ＡＯＦＳの光マトリックススイッチなどへの応用も期待できるが、上記従来技術においては、このような低駆動パワー化、高効率化を達成することはできていなかった。
【０００５】
したがってこの発明においては、導波路型ＡＯＦＳの光回折特性を向上させるとともに、入射光が１００％回折するために必要なＳＡＷパワー（Ｐ100）の駆動周波数依存性を得ようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわちこの発明の光周波数シフタは、
音響光学効果を有する基板と、
該基板上に該基板の屈折率よりも大きな屈折率で形成されたほぼＸ型の三次元導波路と、
前記基板上に設けられ、前記三次元導波路内を伝播する光を回折させる弾性表面波を発生する弾性表面波電極とからなる光周波数シフタであって、
前記三次元導波路内を伝播する光が前記弾性表面波により回折を受ける相互作用領域の長さ（Ｌ）が下記の式により決定されることを特徴とするものである。
Ｌ＝（π／２α）2 ÷Ｐ100
〔式中、Ｌ：相互作用領域の長さ、Ｐ100：１００％回折に必要な弾性表面波パワー（Ｗ）α：結合係数である。〕
【０００７】
この発明の光周波数シフタは、上記音響光学効果を有する基板がＹ-CUTＬiＮｂＯ3であることをも特徴とするものである。
【０００８】
この発明の光周波数シフタは、上記音響光学効果を有する基板が１２８°Ｙ-CUTＬiＮｂＯ3であることをも特徴とするものである。
【０００９】
この発明の光周波数シフタは、上記三次元導波路が基板上にＴａ2Ｏ5マスク（膜厚約８００Å）の導波路型パターンを形成後、安息香酸中（0.２Ｌi mode %）２４０℃で１h１５minプロトン交換し、wet-Ｏ2雰囲気中４００℃で１h４０minアニーリングを行なって得たものであることをも特徴とするものである。
【００１０】
なお、この発明の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、プロトン交換ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、とりわけ１２８°Ｙ-CUTＬiＮｂＯ3が好適に使用できる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、相互作用領域の長尺化を図り、導波路型ＡＯＦＳの光回折特性を検討した結果、導波路型ＡＯＦＳの高効率化が実現できることが判明した。すなわち、相互作用領域を長尺化して得た導波路型ＡＯＦＳによれば、非回折光パワーは９０％減少し、６５％の回折効率が得られた。
また、Ｐ100の駆動周波数依存性を理論的、実験的に検討した結果、各導波路深さに対して最適駆動周波数が存在することがわかった。したがって、周波数シフト帰還型レーザ等のＡＯＦＳとして有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の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は導波路型ＡＯＦＳの概観を示す説明図、図２は光周波数シフタの測定系を示す概略説明図、図３はＲＦ入力電圧に対する一次回折光パワーと非回折パワーの測定結果を示すグラフ、図４はＰ100の駆動周波数依存性を示すグラフである。
【実施例】
【００１３】
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。
まず、Ｐ100は相互作用領域の長さＬに反比例するため、その長尺化により高効率化が期待できることに想到した。
そこで、相互作用領域の長さＬを、これまでに本発明者らが試作したものと比較して１．５倍とし（Ｌ＝３ｍｍ）、図１に示す導波路型ＡＯＦＳを作製した。プロトン交換導波路の作製条件、テーパ導波路の角度などは[非特許文献５]と同様である。すなわち、１２８°ＹカットＬiＮｂＯ3からなる基板１０１上にＴａ2Ｏ5マスク（膜厚８００Å）の導波路型パターン１０２を形成後、安息香酸中（0.２Ｌi mode %）２４０℃で１h１５minプロトン交換し、wet-Ｏ2雰囲気中４００℃で１h４０minアニーリングを行ない、三次元導波路を作製した。
その屈折率分布は、異常屈折率変化Δｎeが0.021、導波路深さが約４μｍのガウス状分布である。導波路ＳＡＷ励振用トランスデューサ（ＩＤＴ）１０３の波長は２０μｍ、対数は２０対とした。
【００１４】
上記三次元導波路の要部を図１に示す。すなわち、ＩＤＴ１０３の作用する導波路（１０２）の相互作用領域の長さＬを長尺化したものである。図においては相互作用領域の長さＬをこれまでに本発明者らが試作したものと比較して１．５倍とした例（Ｌ＝３ｍｍ）を示しているが、相互作用領域の長さＬは、下記の式によって決定される。
Ｌ＝（π／２α）2 ÷Ｐ100
〔式中、Ｌ：相互作用領域の長さ、Ｐ100：１００％回折に必要な弾性表面波パワー（Ｗ）α：結合係数である。〕
【００１５】
次に、上記において得た三次元導波路に対し、図２に示す測定系により光回折効率の測定を行った。
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（ＡＲコーティングなし）、図２に示す測定系により光ファイバとの光結合損失を測定した。
偏波保存型（Polarization Maintained：PM）ファイバ１１からのＬＤ素子１２を使用した光波長1．55μｍの光を、偏波面コントローラー（Polarization Controller： PC）１３を介して、2枚の非球面レンズ１４でコリメート、集光し、導波路(AOFS)１５端面へ光導入した。導波路１５からの出射光は、入射側と同様にレンズ１４を介してパワーメータ１６で光強度を測定し、入射光強度（図中Refの強度）との比より光結合損失を求めた。
【００１６】
なお、上記導波路(AOFS)１５のＩＤＴへのＲＦ入力電圧の印加は、信号発生器（Signal Generater）２１からパルスモデュレータ（Pulse Modulatorパルス電圧を印加）２２を介してアッテネータ（attenuatorスピーカの音量を、そのスピーカが設置されている場所で調整するため設けられる、減衰器）２３からプリアンプ(Pre.Amp.)２４、アンプ(Amp.)２５を経由して行った。２６はパルスモデュレータ２２へ入力する任意波形発生器（Function Generater）である。
入力ＳＡＷパワーによる発熱の影響を防ぐために、ＩＤＴへのＲＦ入力はバースト信号とした。駆動周波数は約２００ＭＨｚである。
【００１７】
図３にＲＦ入力電圧に対する一次回折光パワーと非回折光パワーの測定結果を示す。図中の曲線は各測定値をフィッティングしたsin2曲線である。入力電圧が１４Ｖimsのとき一次回折光パワーはピークを示し、６５％の回折効率が得られた（これまでに本発明者らが試作したものにおいては１０Vimsのとき）３５％［非特許文献５］。
また、１７Ｖimsのとき非回折光パワーの減少分は９０％に達している。
【００１８】
次いで、Ｐ100の駆動周波数依存性をモード結合理論［非特許文献６］により計算した。導波光モードをTM0、相互作用領域の長さLを３ｍｍとし、Δｎeが0.021のステップ状の屈折率分布を有するプレーナ型光周波数シフタを仮定し、導波路深さｄをパラメータとして計算した結果を図３に示す。
図４より、各導波路深さに対して最適駆動周波数が存在することがわかる。ｄ＝４μｍのとき約１００MHｚにおいて最小のＰ100を示すという結果が得られた。
【００１９】
この計算結果を踏まえて、駆動周波数を１２５MHｚ（ＳＡＷ波長：３２μｍ、光波長１．５５μｍに対するブラッグ角：０．６４°、Ｌ＝３ｍｍ）として導波路型ＡＯＦＳを設計、作製した。導波路作製条件は前述の２００ＭＨｚのものと同一である。
上記と同様にして光回折効率を測定し、実験的にＰ100を求めた結果を２００ＭＨｚの結果とともに図４中に示す。ＳＡＷパワーは光プローブ法により、相互作用領域におけるＳＡＷ振幅を実測した結果より求めた。前述したように、非回折光パワーの減少分と回折光パワーがピークを示す電圧が異なるために、図中にはそれぞれのピークに相当するＰ100を示してある。
【００２０】
測定値は計算値よりも小さい値を示しているが、駆動周波数に対する変化は計算値と同様の傾向を示しており、駆動周波数を最適化することにより、より低駆動パワー化が実現できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
この発明の光周波数シフタは、光計測等に利用される周波数シフト帰還型（Frequency Shifted Feedback：ＦＳＦ）レーザへの組み込みだけでなく、高効率化により光マトリックススイッチ等への応用等もできるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】導波路型ＡＯＦＳの概観を示す説明図である。
【図２】光周波数シフタの測定系を示す概略説明図である。
【図３】ＲＦ入力電圧に対する一次回折光パワーと非回折パワーの測定結果を示すグラフである。
【図４】Ｐ100の駆動周波数依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１１  偏波保存型ファイバ
１２  ＬＤ素子
１３  偏波面コントローラ
１４  非球面レンズ
１５  導波路
１６  パワーメータ
２１  信号発生器
２２  パルスモデュレータ
２３  アッテネータ
２４  プリアンプ
２５  アンプ
２６  任意波形発生器
１０１  基板
１０２  導波路型パターン
１０３  ＳＡＷ励振用トランスデューサ
Ｐ100  ＳＡＷパワー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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