(57)【要約】      （修正有）【課題】低電圧で光変調することができる光変調器を提供する。【解決手段】電気光学結晶の厚みｄの値が小さく、そのｄの値に比べて電気光学結晶の長さＬが大きくなるほど、半波長電圧Ｖπが小さくなることが知られている。光変調器１０は、電気光学効果を有する単結晶ファイバである電気光学結晶１と、単結晶ファイバ表面上に形成され、正極と負極とからなる一対の電極膜２，３とを含み厚みｄが小さく長さＬが大きく構成されている。【選択図】図１
2016045312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器であって、
電気光学効果を有する単結晶ファイバである電気光学結晶と、
前記単結晶ファイバ表面上に形成され、正極と負極とからなる一対の電極膜と
を含むことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記単結晶ファイバは、円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記一対の電極膜は、前記正極と前記負極とが対向して配置されていることを特徴とする請求項１または２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、光変調器に関し、より詳細には、電気光学効果を有する光学材料を用いて光の位相または強度を制御する電気光学素子に関する。
【０００２】
結晶に対して外部から電界を印加すると、印加電界に応じてこの結晶の屈折率が変化することがあり、この現象を電気光学効果と呼んでいる。そして、この効果を発現する結晶などの物質は、電気光学材料と呼んでいる。
【０００３】
電気光学材料に光を入射して透過させるとき、電界を印加すると、屈折率が変化するため、出射する光の位相が変化する。この現象を利用して、光の位相を電気的に制御する素子や、さらに応用して光の強度を電気的に制御する素子が作製されている（特許文献１）。電気光学効果がポッケルス効果と呼ばれることがあることから、これらの素子をポッケルスセルと呼ぶことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、実用的に十分な変調を行うためには、１０００Ｖ前後の高い電圧を印加する必要があった。しかしながら、変調のための電源の負荷を減らすためには、低電圧で駆動させることが望ましい。
【０００６】
本発明は、このような問題に対処するためになされた光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するための本発明は、電気光学効果を有する単結晶ファイバである電気光学結晶と、単結晶ファイバ表面上に形成され、正極と負極とからなる一対の電極膜とを含む。
【０００８】
ここで、単結晶ファイバは、円柱状に形成するようにしてもよい。
【０００９】
一対の電極膜は、正極と負極とが対向して配置するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低電圧で光変調を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における光変調器の概要構成を説明するための図である。
【図２】一般的な光強度変調器において半波長電圧を説明するための図である。
【図３】実施形態の光変調器において、単結晶ファイバの成長方法の一例を説明するための図である。
【図４】るつぼ法で成長するようにした単結晶ファイバの作製態様を示す図である。
【図５】実施形態の光変調器が波長可変光源に適用される場合の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態である光変調器について説明する。図１は、本実施形態の光変調器１０の構成例を示す概略図である。
【００１３】
[光変調器の構成]
【００１４】
図１に示すように、光変調器１０は、電気光学効果を有する単結晶ファイバ１と、単結晶ファイバ１表面上に形成され、正極２と負極３とからなる一対の電極膜とを備える。単結晶ファイバ１は、電気光学効果を有する電気光学結晶である。図１の例では、単結晶ファイバ１は、円柱状の細長い形状となっている。
【００１５】
電極膜２，３は、単結晶ファイバ１の表面上において互いに対向するように配置されている。
【００１６】
なお、単結晶ファイバ１の直径は、１００μｍから２．５ｍｍ程度で、１００μｍから１ｍｍ程度とするのが好ましい。単結晶ファイバ１の材料としては、LiNbO3などの電気光学材料が用いられる。
【００１７】
通常、電気光学効果は、ポッケルス効果を意味する。ポッケルス効果による屈折率の変化Δｎは、電界に比例した屈折率変化を意味し、下記式（１）で表される。
【００１８】
【数１】
2016045312.tif 000003
【００１９】
式（１）において、ｎ0は電界印加前の屈折率、Ｅは電界、ｒは電気光学係数、を示す。
【００２０】
しかし、電気光学効果には、上述したポッケルス効果以外に、カー効果もある。ポッケルス効果は１次の効果であり、カー効果は２次の効果である。カー効果による屈折率の変化Δｎは、電界の２乗に比例し、下記式（２）で表される。
【００２１】
【数２】
2016045312.tif 000004
【００２２】
図２は、電気光学効果を利用した光変調器のうち、光強度変調器としてよく用いられるものを示している。
【００２３】
図２において、電気光学材料からなる電気光学結晶１１は、直方体状に構成されており、結晶１１の上下面に電極膜１２，１３を備える。図２では、電気光学結晶１１の長さはＬ、厚さはｄで与えられている。
【００２４】
検光子２０は、ｘ軸に対して４５°傾いた偏光を透過させるように設置されている。
【００２５】
電気光学結晶１１に入射する光Ｒ１は、ｘ軸方向の振動電界を有するｘ偏光と、ｙ軸方向の振動電界を有するｙ偏光との双方を含む。ｘ偏光とｙ偏光は位相が合っている。
【００２６】
ｘ偏光およびｙ偏光は、電気光学結晶１１内において互いに干渉せず、それぞれが独立して異なる速度で進む。速度が異なるのは、ｘ偏光とｙ偏光とで屈折率が異なるからである。これを複屈折と呼ぶ。このため、光が電気光学結晶１１を透過すると、ｘ偏光とｙ偏光との間で位相差Δφが生じる。
【００２７】
ｘ偏光の屈折率ｎxとｙ偏光の屈折率ｎyは、それぞれ下記式（３）で表される。
【００２８】
【数３】
2016045312.tif 000005
【００２９】
式（１）における屈折率ｎ0および電気光学係数ｒはともに、偏光方向によって異なるので、式（３）においては、x、yの添え字で区別して表記している。これらはまた、電気光学材料の種類や結晶方位によっても異なる。この観点を踏まえると、位相差Δφは下記式（４）で表される。
【００３０】
【数４】
2016045312.tif 000006
【００３１】
式（４）において、Ｌは電気光学結晶１１の長さ、λは光の波長、を示す。式（４）では、式（３）中の電界Ｅは、電圧Ｖと電気光学結晶１１の厚さｄとを用いて表記している。
【００３２】
電気光学結晶１１を透過した光Ｒ２は、検光子２０を透過して光Ｒ３が出射する。光Ｒ２が検光子２０を透過するとき、ｘ，ｙのどちらの偏光からも、ｘ軸に対して４５°傾いた偏光成分が抽出され、同じ偏光同士で干渉が起こる。位相差Δφがゼロの時は位相が合っていて、２つの光成分は強め合い、光強度は最大になる。
【００３３】
一方、位相差Δφがπの時は、２つの光成分は弱め合い、光強度は最小になる。
【００３４】
上記式（４）の第一項は、電圧がゼロのときでも一定の位相差が生じることになることを示している。この一定の位相差を原点とし、そこから位相をπだけずらすのに要する電圧は、半波長電圧Ｖπと呼ばれる。半波長電圧Ｖπは、下記式（５）で表される。
【００３５】
【数５】
2016045312.tif 000007
【００３６】
式（５）において、半波長電圧Ｖπはポッケルス効果によるものであるが、カー効果によるものも、式（５）と同様に求めることができる。カー効果による半波長電圧Ｖπは、下記式（６）で表される。
【００３７】
【数６】
2016045312.tif 000008
【００３８】
式（６）において、半波長電圧Ｖπは、光出力を最小から最大まで制御するのに必要な電圧であるため、この電圧が低いほど、低電圧での制御が可能な変調器であることが分かる。
【００３９】
ここで、電気光学材料として、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）を用いる場合、電気光学効果はポッケルス効果となり、例えば、屈折率は２．２２、実効電気光学係数ｒcは２０ｐｍ/Ｖとなる。この場合の半波長電圧Ｖπは、下記式（７）で与えられる。
【００４０】
【数７】
2016045312.tif 000009
【００４１】
式（７）において、波長λとして１μｍを与えると、半波長電圧Ｖπは、下記式（８）で与えられる。
【００４２】
【数８】
2016045312.tif 000010
【００４３】
式（８）において、電気光学結晶１１の厚みｄの値が小さく、そのｄの値に比べて電気光学結晶１１の長さＬが大きくなるほど、半波長電圧Ｖπが小さくなることとなるが、例えば一般的なレーザのビーム径を意識して、ｄとＬとをともに１ｍｍとすると、半波長電圧Ｖπは４６００Ｖの大きな値になる。たとえば、Ｌを、ｄの５倍の５ｍｍにした場合には、１０００Ｖを下回る半波長電圧Ｖπが得られる。
【００４４】
上記の観点から、本実施形態の光変調器１０では、電気光学材料結晶として、図１に示した単結晶ファイバ１を用いている。この単結晶ファイバ１の作製方法は、後述する図３において、単結晶成長方法を示してある。この単結晶成長方法によって、結晶の形成時点で、すでに細長い形状に成長した単結晶が得られる。
【００４５】
［単結晶ファイバの成長技術］
図３は、単結晶ファイバ１の成長技術の一例を説明するための図である。この成長技術は、レーザ溶融ペデスタル法と呼ぶ。
【００４６】
レーザ溶融ペデスタル法では、細長い原料棒１１を下方から上方へ供給しつつ、原料棒１１の先端部分をレーザ光を用いて加熱融解する。そして、その溶融部１２から単結晶ファイバ１を引き上げて成長させる。以下、光学系についても説明する。
【００４７】
レーザ光は最初、円錐面鏡２０に照射される。照射されたレーザ光は、円錐面鏡２０の円錐面で反射される。そして、レーザ光は、円錐面鏡２０の円錐の軸と直交する方向に沿って、放射状に進行する。
【００４８】
放射状のレーザ光は、円錐面鏡３０で再度反射される。円錐面鏡３０は、円錐面の外側が光を反射させる円錐面鏡２０とは異なり、円錐面の内側で光を反射させるので、円錐面鏡３０に反射したレーザ光は、ビーム断面がドーナツ状となり、管状のビームとなる。
【００４９】
管状のビームは、図３の紙面左方向へ進行してミラー４０で反射される。ミラー４０は４５°に傾いているので、管状のビームは鉛直上方に反射する。なお、ミラー４０の中央部は穴部を有しており、その穴部には光が通過しないため、ミラー４０で反射されるビームも管状になる。
【００５０】
次に、ミラー４０で反射された管状のビームは、凹面鏡５０に入射して凹面鏡５０で反射されたのち、凹面鏡５０の焦点に集光される。
【００５１】
原料棒１１は、ミラー４０の穴部を介して下方から供給され、原料棒１１の先端部が凹面鏡５０の焦点で融解される。
【００５２】
種結晶１３は、凹面鏡５０の穴部を介して、凹面鏡５０の上部から入れられ、凹面鏡５０の焦点である溶融部１２と接触させる。そして、その接触点から種結晶１３を上方へ引き上げると、熱が奪われ、種結晶１３の先端部に結晶が成長する。
【００５３】
以降も継続して種結晶１３を引き上げると、ファイバ状の単結晶が継続して成長することになるが、それと同時に、原料棒１１を上方へ送り続けることにより、原料が溶融部１２へ継続的に供給されることになる。
【００５４】
図３において、まず、LiNbO3の粉末を合成した。そして、その粉末をボールミルで粒径を調整したのち、圧力印加してペレット状に成型して焼成し、焼結体を作製した。この焼結体より、直径３ｍｍの棒を削り出して、原料棒１１とした。次に、この原料棒１１を図３に示した装置にセットし、前述の手順に従って単結晶ファイバ１を作製した。レーザは、炭酸ガスレーザを用いた。
【００５５】
作製した単結晶ファイバ１の直径は０．５ｍｍであった。単結晶ファイバ１の長さは５０ｃｍになるように切断し、その断面を光学研磨した。さらに蒸着によって、この成型済みの単結晶ファイバ１に一対の電極膜２，３（図１）を堆積し、光変調器１０を構成した。電極２，３の材料は例えば金である。
【００５６】
この光変調器１０に、電極による電界の方向とは４５°をなす直線偏光で、ヘリウムネオンレーザのビームを入射した。続けて出射された光を偏光子に透過させた。偏光子の偏光方向は、入射光の偏光方向と９０°をなすように設置した。
【００５７】
電圧を電極２，３間に印加することにより、出力側の偏光子からの出射光Ｒ３の強度を変化させることができた。このときの半波長電圧は、約３Ｖであった。
【００５８】
なお、成長した細長い単結晶は、単結晶ファイバと呼ばれるが、光通信に用いられる光ファイバと同程度の直径というわけではなく、細くても直径が１００μｍ前後、太いものは直径１ｍｍ前後のものもある。
【００５９】
このような成長法は、フローティングゾーン(Floating zone)法と類似しているが、非常に細い単結晶の成長をさせるのに特化しており、レーザ光を用いて、数ｍｍオーダ以下の溶融部を集中して加熱するため、温度勾配が非常に大きくなる。そのため、超高速での単結晶の引き上げが実現できるという特徴がある。
【００６０】
一般的な単結晶成長法では、数１０ｃｍ長の単結晶を成長するのに数日を要することになるが、図３に示したレーザ溶融ペデスタル法では、１時間から数時間で同程度の長さの単結晶ファイバ１を作製することができる。
【００６１】
この単結晶ファイバ１を用いて光変調器１０（図１）を構成することによって、従来のものよりも半波長電圧を低くすることができる。例えば、直径が５００μｍ、長さが５０ｃｍの単結晶ファイバ１を用いる場合、図２に示した厚さｄが０．５ｍｍ、長さＬが５００ｍｍとなるので、半波長電圧は上記式（８）に従って計算すると４．６Ｖとなる。これは、電子機器で一般的なＴＴＬ(Transistor-Transistor Logic)規格で容易に制御が可能であり、特別の高圧アンプを必要としないことを示している。
【００６２】
なお、単結晶ファイバ１の成長方法は、上述した例に限られない。例えば図４は、マイクロ引下げ法で成長するようにした単結晶ファイバ１の作製態様を例示している。図４では、単結晶成長法としての一般的な回転引上げ法と同様に、るつぼ６０で原料を融解する。
【００６３】
るつぼ６０の底部には、微小な穴が設けられており、この穴から、融解原料６１がわずかずつ浸み出す。そして、融解原料６１が種結晶１３で受け止められ、種結晶１３の上部に結晶が成長する。
【００６４】
継続して結晶を引き下げることにより、単結晶ファイバ１を成長する。るつぼ６０を加熱することによって、原料６１が融解されることになるが、るつぼ６０の過熱は、高周波誘導によるものでもよいし、抵抗発熱体を用いることによってもよい。
【００６５】
図４において、まず、KTa1-xNbxO3の粉末を合成した。そして、合成した粉末に、炭酸カリウムを５％の割合で添加し、るつぼ６０に装填した。融解した原料からは、前述の手順に従ってKTa1-xNbxO3の単結晶ファイバ１を作製することができた。るつぼ６０を加熱するために抵抗発熱体を用いた。
【００６６】
作製した単結晶ファイバ１は、直径が０．５ｍｍであった。単結晶ファイバ１の長さは５０ｃｍになるように切断し、その断面を光学研磨した。さらに蒸着によって、この成型済みの単結晶ファイバ１に一対の電極膜２，３（図１）を堆積し、光変調器１０を構成した。電極２，３の材料は例えば金である。
【００６７】
この光変調器１０に、電極による電界の方向とは４５°をなす直線偏光で、ヘリウムネオンレーザのビームを入射した。続けて出射された光を偏光子に透過させた。偏光子の偏光方向は、入射光の偏光方向と９０°をなすように設置した。KTa1-xNbxO3の単結晶ファイバ１の温度を変えると、誘電率が変化するので、比誘電率が２００００になるように温度を制御した。
【００６８】
電圧を電極２，３間に印加することにより、出力側の偏光子からの出射光Ｒ３の強度を変化させることができた。このときの半波長電圧は、２．３Ｖであった。
【００６９】
以上説明したとおり、本実施形態の光変調器１０は、単結晶ファイバ１を用いているので、半波長電圧を従来の光変調器に比べて低くすることができる。
【００７０】
また、単結晶ファイバ１の成長技術は、通常の単結晶を成長させるものよりも、非常に高速に長尺の結晶を成長させることが可能である。このため、単結晶ファイバの量産化が容易となり、結果として安価な光変調器を提供することができる。
【００７１】
図５は、本実施形態の光変調器１０の好適な使用例としての波長可変光源を示している。この波長可変光源は、光増幅器７３を２つのミラー７１，７２で挟んだファブリペロ共振器構造を有する。光変調器１０は光路上に配置されている。この光変調器１０によって、低電圧で光路長を大きく変化させることができる。すなわち、この波長可変光源は、低電圧で光波長を変化させることができる。
【００７２】
以上、本実施形態について詳述してきたが、光変調器１の構成を変更することもできる。例えば、単結晶ファイバ１は、直径が１００μｍから１ｍｍ程度のものが好適に用いられるが、さらに細い単結晶ファイバも作製可能である。このとき、単結晶ファイバの外側に、薄膜成長法を用いて、クラッド層を堆積することにより、伝搬モードを制限するなど、モード制御を行ってもよい。
【００７３】
また、単結晶ファイバ１の外形は、組成の均一性が優れるため、図２に一例を示したような円柱形であるのが好ましいが、他の外形にしてもよい。例えば、単結晶ファイバ１の成長技術、成長条件または材料によっては、単結晶ファイバの外形は四角柱形状などになる場合もある。この場合も、一対の電極膜は、単結晶ファイバ表面上で対向するように形成される。
【００７４】
単結晶ファイバ１の材料として、LiNbO3と類似する材料であるLiTaO3も好適である。あるいは、タングステンブロンズ型の結晶構造を有する電気光学材料も単結晶ファイバ１の材料に好適である。例えば、Sr1-xBaxNb2O6は、LiNbO3よりも非常に大きい電気光学係数を有するため、半波長電圧をより低下させることが可能である。他にも、ぺロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶、代表例としてBaTiO3がある。BaTiO3は、Sr1-xBaxNb2O6には及ばないものの、LiNbO3と比較すると、非常に大きな電気光学係数を有する。
【００７５】
また、ぺロブスカイト型の単結晶材料であるKTa1-xNbxO3は、反転対称性を有する組成材料であり、ポッケルス効果ではなく優れたカー効果を発現し、好適である。
【符号の説明】
【００７６】
１  単結晶ファイバ
２，３  電極
１０  光変調器  
【図１】
2016045312.tif 000011
【図２】
2016045312.tif 000012
【図３】
2016045312.tif 000013
【図４】
2016045312.tif 000014
【図５】
2016045312.tif 000015