(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子であって、
前記光ファイバは、相異なる２方向から分極処理されたものであり、
前記電気光学素子が分極処理された光ファイバを含み、前記電気光学素子に電界が印加されない時に、前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数１で表される事を特徴とする光変調素子。
【数１】
0004097764.tif 000002
ここでｍは奇数。
【請求項２】
前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数２で表される事を特徴とする請求項１記載の光変調素子。
【数２】
0004097764.tif 000003
【請求項３】
所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、波長板、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子であって、
前記光ファイバは、相異なる２方向から分極処理されたものであり、
前記電気光学素子が分極処理された光ファイバを含み、前記電気光学素子に電界が印加されない時に、前記波長板及び電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数３で表される事を特徴とする光変調素子。
【数３】
0004097764.tif 000004
ここでｎは奇数。
【請求項４】
前記電気光学素子及び波長板を透過した光の位相差の絶対値δが数４で表される事を特徴とする請求項３記載の光変調素子。
【数４】
0004097764.tif 000005
【請求項５】
前記相異なる２方向が、９０度±１０度の範囲で互いに実質上直交している事を特徴とする請求項１又は３記載の光変調素子。
【請求項６】
前記所定の形状が、直線である事を特徴とする請求項１又は３記載の光変調素子。
【請求項７】
前記所定の形状が、底面がフラット形状のＵ字型である事を特徴とする請求項１又は請求項３記載の光変調素子。
【請求項８】
所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子の製造方法であって、
前記光ファイバを相異なる２方向から分極処理することにより、前記電気光学素子を作製するものであり、
前記電気光学素子に電界が印加されない時に前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが、数１又は数２を満たすように、前記分極処理を行うことを特徴とする光変調素子の製造方法。
【数１】
0004097764.tif 000006
ここでｍは奇数。
【数２】
0004097764.tif 000007
【請求項９】
前記電気光学素子に交流電界を印加した時、前記検光子を透過した光の変調信号の歪み率が、実質上極小になるように前記電気光学素子の分極処理を行う事を特徴とする請求項８記載の光変調素子の製造方法。
【請求項１０】
所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、波長板、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子の製造方法であって、
前記光ファイバに電界を印加して相異なる２方向から分極処理することにより、前記電気光学素子を作製するものであり、
前記電気光学素子に電界が印加されない時、前記波長板及び前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが、数３又は数４を満たす様に、前記分極処理を行うことを特徴とする光変調素子の製造方法。
【数３】
0004097764.tif 000008
ここでｎは奇数。
【数４】
0004097764.tif 000009
【請求項１１】
前記電気光学素子に交流電圧を印加した時、前各検光子を透過した直後の光の変調信号の歪み率が、実質上極小になるように、前記電気光学素子の分極処理を行う事を特徴とする請求項１０記載の光変調素子の製造方法。
【請求項１２】
前記分極処理は、前記電気光学素子を透過した光の偏光状態を観測しながら行う事を特徴とする請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法。
【請求項１３】
前記相異なる２方向が、９０度±１０度の範囲内で互いに実質上直交するものである事を特徴とする請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法。
【請求項１４】
前記所定の形状が、直線である事を特徴とする請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法。
【請求項１５】
前記所定の形状が、底面がフラット形状のＵ字型である事を特徴とする請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、２次の非線形光学効果を有する分極処理された光ファイバを電気光学素子として用いた光変調素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバセンサに用いられる電圧（または電界）測定用の電気光学素子として、２次の非線形光学材料材料であるＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）や、Ｂｉ12ＳｉＯ20（ＢＳＯ）や、Ｂｉ12ＧｅＯ20（ＢＧＯ）、そしてＢｉ4Ｇｅ3Ｏ12などの光学結晶が知られていた。例えば、大越孝敬編著「光ファイバセンサ」  オーム社（１９８６年）ｐｐ１４９−１５３に示されるように、光ファイバ電圧センサは高い絶縁性を有し、特に高電圧測定用の光ファイバセンサとして開発されてきた。
【０００３】
また、近年光ファイバセンサに使用する光学素子削減のため、レンズやミラーを省略し、光ファイバからなる光路途中に磁気光学素子または電気光学素子を組み込んだ光ファイバセンサが検討されてきた（例えば特開平５−２９７０８６、特開平６−７４９７９、特開平８−２１９８２５等）。
【０００４】
更にまた、ごく最近、光ファイバを分極処理する事により２次の非線形光学効果が発現する事が明らかになり、光ファイバを用いた光変調素子が作製されるようになって来ている（例えばA.C.Liu  他：Opt.  Lett.  Vol.19  pp.466-468  (1994)、T.  Fujiwara他：IEEE  Photonics  Lett.  Vol.7  PP.1177-1179(1995)、特開平９−２３０２９３など）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の代表的な２次の非線形光学材料であるＬＮを用いた光ファイバセンサでは、特開平３−４４５６２や大越孝敬編著「光ファイバセンサ」オーム社（１９８６年）ｐ１５３に示すように、約０.１〜０.２度以下の軸ずれ角にする必要があった。これは、次に述べる様な課題の発生を排除するためである。
【０００６】
以下に、図１１（ａ）、（ｂ）を用いて、上記課題について説明する。
【０００７】
図１１（ａ），（ｂ）は、代表的な光ファイバ電圧（電界）センサの動作原理を示す図である。
【０００８】
図１１（ａ）において、光ファイバから伝搬したランダム偏光の入射光は、偏光子で直線偏光成分のみが透過する。ここで、１／４波長板を透過した光は、各誘電主軸に対する光の位相差がπ／２だけ発生して円偏光となる。
【０００９】
さらに、電気光学素子を通過することにより、素子に印加された電圧に対応した位相差が発生し、図１１（ａ）に示す様な円偏光から直線偏光まで変化する。
【００１０】
そして検光子を透過する事により、偏光状態の変化が光強度の変化として観測される。
【００１１】
図１１（ｂ）は、光学バイアスとセンサの光出力の関係を表した模式図である。
【００１２】
同図に示すように、出射光の透過光量は、電気光学効果と光学バイアス（波長板により決まる）で与えられる光の位相差で決まるが、関数形はＳＩＮ関数で表される。光学バイアスがπ／２（またはπ／２の奇数倍）の時は、ＳＩＮ関数の直線性のよい部分を使用出来るのに対し、光学バイアスがπ／２からずれる（例えば光学バイアス３π／４）と出力波形が歪んだり、さらに大きく光学バイアスがずれる（例えば光学バイアス０）の場合は出力波形が大きく歪む他に変調度が著しく小さくなることが分かる。
【００１３】
ところで、ＬＮではちょうど結晶軸（Ｚ軸）から光が入射すると複屈折を感じないので、１／４波長板によるπ／２の位相差のみであり、歪みのない設計値通りの変調信号を得ることが出来る。
【００１４】
しかし、入射光がＺ軸からずれると、ＬＮの大きな自然複屈折のため大きな位相差が発生し、本来の光学バイアスからずれ変調度が小さかったり、波形が歪んだり、あるいは複屈折の温度変化により大きな変調度の温度変化が発生するという課題があった。
【００１５】
そこで、これらの課題を解決するため、自然複屈折のない結晶を用いる方法が考えられる。
【００１６】
即ち、自然複屈折のない非線形光学材料（結晶）としては、ＢＧＯ、ＢＳＯ、そしてＢｉ4Ｇｅ3Ｏ12等が知られている。
【００１７】
しかし、ＢＧＯやＢＳＯは旋光性（光の偏光面が結 晶長に比例して回転する効果）のため結晶長を長くできず、光の変調度を任意に設定できなかったり、変調度を十分大きくできないという課題があった（例えば大越孝敬編著「光ファイバセンサ」オーム社（１９８６年）ｐｐ．１５２−１５３）。また、Ｂｉ4Ｇｅ3Ｏ12は、高温でＤＣドリフトが存在するため、光変調素子として安定した温度特性を実現できないという課題があった（例えばO.Kamada他  Appl.Phys.  Vol.32(1993)  pp.4288-4291）。
【００１８】
又、従来の様に、光ファイバの途中に電気光学素子を配置した光ファイバセンサに於いては、レンズが省略されておりビーム広がりの影響を抑える必要から十分長い結晶長がとることができず、比較的大きな電気光学定数を有するＬＮを電気光学素子として用いた場合でも光ファイバセンサとしての感度が小さいという課題があった。また、液晶を用いた場合は応答速度が非常に遅く電圧値の急速な変化が測定できなっかたり、低温で液晶が固体化し使用出来なくなるなどの課題があった。
【００１９】
更に又、光ファイバの一部を分極処理して電気光学素子として用いた場合、ＬＮ結晶を電気光学素子として用いかつ入射光が光軸（Ｚ軸）からずれた場合に生じるものと同様の課題が発生することを本願発明者が初めて発見した。すなわち、新たに発見された課題とは、光ファイバを従来の方法で分極処理する事により、非線形光学効果（電気光学効果）のみならず、屈折率の異方性（自然複屈折）が発生するため、それを光ファイバセンサとして用いた場合、目的とする光学バイアスの状態にする事が困難であという課題である。
【００２０】
尚、片方の誘電主軸の電気光学効果による屈折率変化を利用した従来の光変調器では、上記課題が発生する余地が無かったため、上記課題自体は、まったく認識されなかった。
【００２１】
一方、特開平９−２３０２９３に開示されている光変調素子に於いても、電気光学効果のみしか考慮されていないため、当然のことながら自然複屈折による光学バイアスが考慮されておらず、直線性が悪い変調素子となる。さらに上記例に於いては、光ファイバのクラッド部に電極挿入用孔が作製されており、この結果分極処理により発生する自然複屈折以上に、光ファイバ断面構造の異方性に起因する非常に大きな自然複屈折が発生する。この結果、この光ファイバはいわゆる偏波面保存ファイバと同様の機能を有し、誘電主軸（２対の孔を結んだ直線およびそれに垂直な方向）以外に入射した光の偏光状態は非常に不安定となり、温度や外圧が加わると著しく変化する光ファイバとなる。この結果特に上記光ファイバを電気光学素子として用い誘電主軸とは異なる方向に偏光方向をもつ光を入射した場合、例えば温度が数℃変化しただけでも変調度が大きく変化し、著しく温度特性の悪い、また歪み率の大きな電気光学素子になるという課題があった。
【００２２】
本発明は、上記従来の課題を考慮して、従来に比べて自然複屈折の発生を抑えた光変調素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明は、所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子であって、
前記光ファイバは、相異なる２方向から分極処理されたものであり、
前記電気光学素子が分極処理された光ファイバを含み、前記電気光学素子に電界が印加されない時に、前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数１で表される光変調素子である。
【００２４】
【数１】
（ｍ／２−１／６）π≦δ≦（ｍ／２＋１／６）π
ここでｍは奇数。
【００２５】
又、請求項２記載の本発明は、前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数２で表される請求項１記載の光変調素子である。
【００２６】
【数２】
π／３≦δ≦２π／３
又、請求項３記載の本発明は、所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、波長板、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子であって、
前記光ファイバは、相異なる２方向から分極処理されたものであり、
前記電気光学素子が分極処理された光ファイバを含み、前記電気光学素子に電界が印加されない時に、前記波長板及び電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数３で表される光変調素子である。
【００２７】
【数３】
（ｎ／２−１／６）π≦δ≦（ｎ／２＋１／６）π
ここでｎは奇数。
【００２８】
又、請求項４記載の本発明は、前記電気光学素子及び波長板を透過した光の位相差の絶対値δが数４で表される請求項３記載の光変調素子である。
【００２９】
【数４】
π／３≦δ≦２π／３
【００３０】
又、請求項５記載の本発明は、前記相異なる２方向が、９０度±１０度の範囲で互いに実質上直交している請求項１又は３記載の光変調素子である。
【００３１】
又、請求項６記載の本発明は、前記所定の形状が、直線である請求項１又は３記載の光変調素子である。
【００３２】
又、請求項７記載の本発明は、前記所定の形状が、底面がフラット形状のＵ字型である請求項１又は請求項３記載の光変調素子である。
【００３３】
又、請求項８記載の本発明は、所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子の製造方法であって、
前記光ファイバを相異なる２方向から分極処理することにより、前記電気光学素子を作製するものであり、
前記電気光学素子に電界が印加されない時に前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが、数１又は数２を満たすように、前記分極処理を行う光変調素子の製造方法である。
【００３４】
【数１】
（ｍ／２−１／６）π≦δ≦（ｍ／２＋１／６）π
ここでｍは奇数。
【００３５】
【数２】
π／３≦δ≦２π／３
又、請求項９記載の本発明は、前記電気光学素子に交流電界を印加した時、前記検光子を透過した光の変調信号の歪み率が、実質上極小になるように前記電気光学素子の分極処理を行う請求項８記載の光変調素子の製造方法である。
【００３６】
又、請求項１０記載の本発明は、所定の形状の光ファイバと、
前記光ファイバを固定するための光ファイバ固定用溝を有する基板と、
前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入用溝、又は前記光ファイバ固定用溝に取り付けられた偏光子、波長板、電気光学素子、及び検光子とを備えた光変調素子の製造方法であって、
前記光ファイバに電界を印加して相異なる２方向から分極処理することにより、前記電気光学素子を作製するものであり、
前記電気光学素子に電界が印加されない時、前記波長板及び前記電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが、数３又は数４を満たす様に、前記分極処理を行う光変調素子の製造方法である。
【００３７】
【数３】
（ｎ／２−１／６）π≦δ≦（ｎ／２＋１／６）π
ここでｎは奇数。
【００３８】
【数４】
π／３≦δ≦２π／３
又、請求項１１記載の本発明は、前記電気光学素子に交流電圧を印加した時、前各検光子を透過した直後の光の変調信号の歪み率が、実質上極小になるように、前記電気光学素子の分極処理を行う請求項１０記載の光変調素子の製造方法である。
【００３９】
又、請求項１２記載の本発明は、前記分極処理は、前記電気光学素子を透過した光の偏光状態を観測しながら行う請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法である。
【００４１】
又、請求項１３記載の本発明は、前記相異なる２方向が、９０度±１０度の範囲内で互いに実質上直交するものである請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法である。
【００４２】
又、請求項１４記載の本発明は、前記所定の形状が、直線である請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法である。
【００４３】
又、請求項１５記載の本発明は、前記所定の形状が、底面がフラット形状のＵ字型である請求項８又は１０記載の光変調素子の製造方法である。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態、及び本発明に関連する発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
ガラス（又は光ファイバ）の分極処理は非線形光学効果（電気光学効果）と同時に、屈折率の異方性を発生させる。図１０（ａ）〜（ｂ）に本発明による光ファイバセンサ用電気光学素子作製の原理図を示す。
【００４６】
まず、図１０（ａ）に非線形光学材料（ガラスブロック、または光ファイバなどの分極処理できる材料に電極を取り付けたもの）からなる電気光学素子７０１と、ｘ，ｙ，ｚ軸を示す。同図では説明が容易なように、ｘ，ｙ軸は直交して示してあるが、必ずしも直交する必要はない。ただし、ｘ、ｙ軸を直交させた場合、ｘ軸の分極処理がｙ方向の分極処理の結果に影響を与えにくくする事ができ、実用上は９０度±１０度以内にする事により容易に各屈折率成分コントロールできる。また、ｚ軸は、このｘ軸及びｙ軸に、９０度±１０度の範囲内でほぼ直交している。
【００４７】
本発明では、光ファイバを分極処理することにより電気光学素子作製するので、光の伝搬方向（光ファイバの軸方向）がｚ軸となる。
【００４８】
まず、周囲温度を例えば１５０〜３００℃に昇温し、次に、ｘ軸方向に１×１０4〜１×１０6Ｖ／ｃｍ程度の電界を印加し分極処理を行う。このとき、ｘ軸方向に分極処理すると、ｘ軸方向の電子分極が大きくなり、ｘ軸方向に偏光した光（ｘ軸方向に光電界が振動する光）が感じる屈折率ｎxは増加する（図１０（ｂ）参照）。図１０（ｂ）は、本実施の形態の分極処理による屈折率変化を説明する図である。
【００４９】
ここで、分極処理の過程で、図１１（ａ），（ｂ）の様な光学系（ただしこのとき１／４波長板は配置しない、また入射光（直線偏光）の偏光面はｘ軸からｙ軸に向かって４５度の方向とする）を作製し、偏光状態を観測する。
【００５０】
このとき、電気光学素子を透過した光が円偏光、即ち、ｘ軸およびｙ軸の誘電主軸を透過した光の位相差が、π／２またはπ／２の奇数倍となるところで分極処理を終了する。
ここで作製した電気光学素子は、電気光学効果と光学バイアスを与える素子（波長板）の機能を持った素子である。したがって、この素子を用いた場合、図１１（ａ）の光学素子のなかで、１／４波長板を用いなくとも直線性のよい光ファイバセンサを作製することが可能となる。また、光学バイアスの大きさは理想値π／２（またはその奇数倍）で有ることが望ましい。しかし出力波形の歪みをさける必要が無い場合は、位相差の絶対値δの理想値からのずれは±π／６程度までなら変調度として大きな設計値からのずれがないので、使用可能である。したがって、光ファイバに分極処理を行い電気光学素子を作製する場合、透過した光の位相差の絶対値δが、数１で表される条件を満足する様に分極することにより波長板の不要な光ファイバセンサを実現する事が出来る。
【００５１】
【数１】
（ｍ／２−１／６）π≦δ≦（ｍ／２＋１／６）π
ここでｍは奇数。
【００５２】
また、位相差が大きい場合、自然複屈折の温度変化により変調度の温度変化が大きくなるので、ｍの数は少ない方が温度に対して安定な光ファイバセンサが実現できる。したがって、位相差の絶対値δが数２で表される電気光学素子を用いた場合、より温度特性の安定した光ファイバセンサを実現できる。
【００５３】
【数２】
π／３≦δ≦２π／３
また、前記出射光の偏光状態を観測する代わりに、電気光学素子に交流電圧を印加し得られる光出力の歪み率がほぼ極小となったとき分極処理を終了しても、電気光学素子を通過した光の位相差の絶対値δが数１又は数２を満たした素子を作製するこができる。
【００５４】
次に、ｙ軸方向に、先ほどのｘ軸方向と同じ要領で電界を印加することにより分極処理を行う（図１０（ｂ）参照）。
【００５５】
この分極処理により、ｙ軸方向の偏光を持つ光が感じる屈折率ｎｙが大きくなる。このとき、同様に図１１（ａ）、（ｂ）の様な光学系を作製し（この場合、波長板を配置する）、電気光学素子の偏光状態を観測する。分極処理時間や分極電圧を適当に選ぶことにより、電気光学素子を透過した光の偏光状態が円偏光になる事を確認するまで分極処理をおこなう。この時得られる波長板と電気光学素子で発生する合計の位相差の絶対値δはπ／２の奇数倍である。この時電気光学素子のみで与えられる位相差の絶対値δはπ／２の偶数倍となる。
【００５６】
したがって、光ファイバに分極処理を行い電気光学素子を作製する場合、波長板と電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが、数３で表される条件で分極することにより電気光学素子としてはほぼ等方的な素子を得るが出来る。
【００５７】
【数３】
（ｎ／２−１／６）π≦δ≦（ｎ／２＋１／６）π
ここでｎは奇数。
【００５８】
また、位相差が大きい場合、自然複屈折の温度変化により変調度の温度変化が大きくなるので、ｎの数は少ない方が温度に対して安定な光ファイバセンサが実現できる。したがって、より望ましくは電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δが数４であらわせる事が望ましい。
【００５９】
【数４】
π／３≦δ≦２π／３
波長板としては、設計の容易性から１／４波長板が用いられが、原理的には必ずしも１／４波長板である必要はない。波長板と電気光学素子の両方を通過した光の位相差の絶対値δが、数３または数４を満たしていれば、光ファイバセンサとして機能する。しかし、特に波長板が１／４波長板であり、δ≒π／２の時、電気光学素子は、光の透過方向に対して自然複屈折のほとんどない状態となる。この時、ｎx≒ｎyとなり、電気光学素子で発生する複屈折は、ｚ軸方向に伝搬する光（ｘ偏光、ｙ偏光またはｘ軸とｙ軸の間に偏光方向を持つ光）に対してはほぼゼロとすることが可能となる。
【００６０】
また、ｘ軸及びｙ軸方向に分極処理する事により、ｎzが小さくなるが、等方的なガラスを分極処理した場合の複屈折量（屈折率の最大値と最小値の差）は、通常０．００１程度以下である。
【００６１】
一方、ＬＮの複屈折量は、約０．０９である。０．０９／０．００１＝９０となることから、ＬＮの複屈折量は、本発明による非線形光学材料の複屈折量より約２桁大きいと言える。従って、非線形光学材料に入射する光の角度精度もＬＮの場合に比べて約２桁近く大きくなり、電気光学素子の作製がきわめて容易になる。さらに、ｚ軸方向に伝搬する光に関しては等方的であるため、ｎxとｎyが等しくない場合に比べて、複屈折率の温度変化は小さくなる。即ち温度変化により屈折率が変化した場合でもｎx≒ｎyの関係は保たれるため、電気光学素子の光学バイアスの温度変化は小さくなり、温度特性の非常に良好な光ファイバ電圧（電界）センサを作製する事が可能となる。
【００６２】
また、ここでは、本発明の光変調素子の光ファイバセンサへの適応例を述べたが、光通信や光計測用の光変調素子として用いることも可能である。この場合、温度特性の良好な低歪みの光変調素子となる。
【００６３】
また、前記出射光の偏光状態を観測する代わりに、電気光学素子に交流電圧を印加して得られる光出力の歪み率が極小となったとき、分極処理を終了しても、波長板と電気光学素子を通過した光の位相差の絶対値δが、（ｎ／２−１／６）π≦δ≦（ｎ／２＋１／６）πまたはπ／３≦δ≦２π／３の条件を満足する光ファイバセンサを作製する事ができる。
【００６４】
電気光学素子として、光ファイバを用いた場合、電気光学素子をレンズを用いずに長くする事が可能であり、したがって変調度の大きな光ファイバセンサを実現できる。また、特に底面がフラットなＵ字型光ファイバを用いた場合、光入射方向と光出射方向の光ファイバの向きを同じにすることが可能となるので、光ファイバセンサを小型化する事が可能となる。
【００６５】
また、以下の実施の形態例では、分極処理方法として加温中に高電圧を印加し分極処理を行う方法を示すが、紫外線を照射しながら室温で高電界を印加して分極処理を行う方法、コロナポーリングによる方法、そして高真空・高温条件で分極を行う方法などを用いても本質的に同様の機能を得ることができる。
【００６６】
以下、さらに詳細な実施の形態を用いて本発明を説明する。
【００６７】
（実施の形態１）
本発明に関連する発明の第１の実施の形態を、図１及び図２（ａ）〜図２（ｃ）用いて説明する。
【００６８】
まず、図２を用いて、光ファイバの分極処理について説明する。
【００６９】
両端にフェルール２０を取り付けた光ファイバ心線２１を用意する（図２（ａ））。光ファイバとしては、石英ガラス系光ファイバであれば、シングルモード光ファイバでもマルチモード光ファイバでもいずれでも用いることが出来るが、ここではＬＥＤ光源を用いた場合に光量を多くとる事の出来るマルチモード光ファイバを用いた。光ファイバは、石英系のコア系２００μｍ、クラッド系２５０μｍの光ファイバである。コア部には屈折率を高めるためにＧｅＯ2がドープされている。  次に、光ファイバ心線の被覆を一部除去し光ファイバ素線部２２が見える状態にする（図２（ｂ））。
【００７０】
次に、図２（ｃ）に示す様に、光ファイバ素線部をヒータ２３の上に固定し電極で挟み込む。最初に分極処理する方向を図のようにｘ軸、それとほぼ直角な方向（９０度±１０度以内で）をｙ軸、光の伝搬方向をｚ軸とする。ここで、光ファイバを直線に保持しかつ入射光はほぼコリメート光を入射させ、あらかじめファイバ伝搬中に偏光状態が乱れない事を確認した。その後ヒータの分極処理部での温度を３００℃とし、５ｋＶの電圧（電極間隔０.５ｍｍ）を３０分〜１００分印加しｘ軸方向の分極処理を行った。このとき、分極用電圧の印加を途中で中断し、電圧を印加しない時透過した光の位相差が、（ｍ／２±１／６）π以内であることを偏光状態を観測しながら分極処理をくり返した（図２（ｃ）の状態）。  この様にして得られた光ファイバを用いて、図１に示す直線型の光ファイバセンサを作製した。
【００７１】
以下に、図１を用いて上記の工程で分極処理した光ファイバを直線型の光ファイバセンサに作製する手順を説明する。
【００７２】
即ち、基板の材料としては、ガラス、セラミックス、樹脂など、絶縁性の材料であればいずれの材料でもよいが、加工性と絶縁性に優れるガラスエポキシ基板１９を用いた。
【００７３】
基板に回転式ブレードソーを用いて光ファイバ固定用溝１８を作製する。作製した溝に前記工程で作製した光ファイバを接着固定した。
【００７４】
次に、分極処理を行った部分の両端に光学素子挿入用溝１７を回転式ブレードソーで作製した。この時、光ファイバ素線部１２も同時に切断し光路途中に光学素子を設置できるようにする。光学素子挿入用溝１７には、偏光子１３及び検光子１４を挿入し接着固定した。
【００７５】
最後に光ファイバを挟み込むように電極１０を設置した。ここで、基板裏面の電極に関しては、電極を接着する部分の基板の厚みを０.１ｍｍまで薄くして、その電極を接着固定した。
【００７６】
電極から出たリード線に、交流電圧１０００Ｖを印加して、出力光の変調度を測定したところ、変調度は１.８％、歪み率は１％であった。
【００７７】
また、歪み率は、電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δがちょうどｍπ／２からずれると劣化したが、設定値に対して±π／６の範囲内では変調信号の低下は少なく光ファイバセンサとして使用可能であった。
【００７８】
さらに、上記１.８％の変調度を示した素子の−２０〜＋８０℃の範囲で温度特性を測定したところ、室温での変調度を１００と規格化して±５％以内の結果を示した。この時、光ファイバが波長板と電気光学素子の両方の役割をかねるので、波長板は必要がなかった。
【００７９】
さらに、７０℃以上の高温においても、Ｂｉ4Ｇｅ3Ｏ12結晶を用いた場合問題となるＤＣドリフトが観測されず安定した温度特性を実現を実現可能であった。
【００８０】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態による、電気光学素子と波長板を組み合わせた場合の例を図２（ｃ）〜図２（ｄ）及び図３を用いて説明する。
【００８１】
実施の形態１と同様に、光ファイバを直線に保持し、あらかじめファイバ伝搬中に偏光状態が乱れない事を確認した。
【００８２】
最初に、分極処理する方向を図のようにｘ軸、それとほぼ直角な方向（９０度±１０度以内で）をｙ軸、光の伝搬方向をｚ軸とする。その後ヒータの分極処理部での温度を３００℃とし、５ｋＶの電圧（電極間隔０.５ｍｍ）を１００分印加し、ｘ軸方向に分極処理を行った（図２（ｃ））。
【００８３】
次に、ｚ軸の回りに光ファイバを９０度±１０度の範囲で回転し、同様に３００℃で３０分間の分極処理を行った（図２（ｄ））。
【００８４】
この状態で、一度試料を完全に室温に戻した状態で、光ファイバの左側端面から直線偏光の光を入射させ、出射光の偏光状態を観測した。
【００８５】
入射光の直線偏光の偏光面が、ｘ軸からｙ軸に向かって４５度の角度になる様に光を入射した。ここで、出射光の楕円率が大きい場合はさらに分極処理を行い、試料を室温に戻す。
【００８６】
次に、前記と同様に偏光状態を観測し、ほぼ透過光が直線偏光になる状態で分極処理を終了した。この状態で入射光側に１／４波長板を設置し、１０００Ｖの電圧を印加した場合、１.５％の変調度が得られる事を確認した。
【００８７】
光ファイバを、図３に示すような光ファイバに組みあげる手順は、実施の形態１と同様である。尚、図３に示す、電極３０〜基板３９は、図１の電極１０〜基板１９にそれぞれ対応している。又、図１の偏光子１３は、図３では、偏光子と１／４波長板を張り合わせた素子３３に対応する。この素子３３は、入射光側に偏光子ががくるように配置されている。
【００８８】
この様にして得られた素子に、１０００Ｖの交流電圧を印加した時１.４％の変調度信号が得られた。このときの歪み率は、０.８％以内と低歪みであった。さらに、この素子の−２０℃〜＋８０℃の温度範囲での変調度の変化は、室温での変調度を１００％に規格化すると±１.５％と非常に良好であった。さらに７０℃以上の高温においても、Ｂｉ4Ｇｅ3Ｏ12結晶を用いた場合問題となるＤＣドリフトが観測されず温度特性の安定した光ファイバセンサを作製できた。
【００８９】
さらに、波長板と電気光学素子を透過した光の位相差の絶対値δがπ／２の奇数倍の時直線性がよく、δの設定値からのずれが±π／６以内であれば変調信号を得ることが可能であり、光ファイバセンサとして使用可能である事を確認した。また、温度特性は上記のようにδ＝π／２の時最も良好であった。
【００９０】
なお、波長板と電気光学素子の順番は、波長板の誘電主軸と電気光学素子の誘電主軸とが同じ方向であれば、順序を入れ替える（即ち検光子の前に波長板を張り付ける）事も可能であった。
【００９１】
ここでは、本発明の光変調素子の光ファイバセンサへの応用例について述べたが、上記素子は、直線状で低光損失に出来るため、光通信用の光変調素子や光スイッチとして用いることが出来ることは勿論である。
【００９２】
（実施の形態３）
本発明による第３の実施の形態を図４（ａ）〜図７（ｄ）を用いて説明する。
【００９３】
ここでは、底面がフラットなＵ字型光ファイバを用い、基板上に偏光子、電気光学素子（波長板の働きも兼ねる）、検光子、光ファイバ等をハイブリッドに集積化した光ファイバセンサの例を示す。基板の材料としては、後ほどの分極処理時の加温の事を考えてＢＫ７ガラス基板を用いた。通常のＢＫ７ガラス基板４９の上に、回転式ブレードソーを用いて光ファイバ固定用溝４８、電極挿入用溝４０３を作製する（図４（ｂ））。
【００９４】
次に、別に作製した屈曲光ファイバを基板上に接着固定する。このとき、接着材としては、アルミナ、シリカを主成分とするセラミック系接着剤を用いた。
【００９５】
ここで、屈曲光ファイバ作製の方法を図７を用いて示す。
【００９６】
即ち、光ファイバ心線５１の一部の被覆を除去し、光ファイバ素線部５２が見える状態とし、この光ファイバ素線部５２に加熱処理にを行いう（図７（ｃ））。ここで、用いた光ファイバは石英系のコア径２００μｍ、クラッド径２５０μｍであり、コア部部は屈折率を高める為にＧｅＯ2がドープされている。このファイバの軟化点は９００〜１０００℃程度であるため、マイクロガスバーナを用いて加熱処理する事により底面がフラットなＵ字型の光ファイバ（屈曲光ファイバ５６）を作製した。
【００９７】
次に、図５（ｂ）に示す用に光学素子挿入用溝４７を回転式ブレードソーで２本作製し、この溝に偏光子４３、検光子４６を挿入する。
【００９８】
さらに、電極挿入用溝４０３にテンレス薄板からなる電極を２本挿入固定する（図６参照）。このとき、電極の間隔は１ｍｍである。次に電極からリード線４０１を取り出し分極処理用電源又は変調度測定用電源に接続する。
【００９９】
ここで、光ファイバに光源からの光ファイバと受光器からの光ファイバを接続し、光ファイバセンサの変調信号を測定できる系を構成する。次にこのガラス基板４９の先端部にヒータを密着させ、乾燥雰囲気中で２００℃に加温し両端に１０ｋＶの電圧を印加し３０分放置した。ここで、一度分極処理を中断し、電極間に１０００Ｖの交流を印加し変調信号の歪み率を測定する。ここで、歪み率が大きい場合はさらに分極処理を続けて、１０００Ｖの交流電圧を印加した場合の歪み率が１％以下となったところで、試料を室温にもどし、分極処理を終了した。このとき、１０００Ｖの印加電圧に対して、光変調度１.０％、ＳＩＮ波の交流波形に 対する歪み率は０.８％の光ファイバセンサを得た。本構成のセンサに於いては、光ファイバの分極処理した部分が電気光学素子と波長板の両方の役割をはたすため、波長板がなくいても直線性のよい変調信号をえることができた。
【０１００】
（実施の形態４）
本発明による第４の実施の形態を図７、図８（ａ）〜図９（ｂ）を用いて説明する。ここでは、底面がフラットなＵ字型光ファイバ（屈曲光ファイバ）を用い基板上に偏光子、波長板、電気光学素子、検光子、光ファイバ等をハイブリッドに集積化した光ファイバセンサの例を示す。光ファイバを分極処理する方法は実施の形態２と同様にｘ軸及びｙ軸の２方向から行った素子を用いた。即ち１／４波長板及び光ファイバを透過した光の位相差がちょうどπ／２になる条件で分極処理したものを用いた。
【０１０１】
次に、この分極処理した光ファイバを図７（ｂ）〜図７（ｄ） に示すようにマイクロガスバーナーで加熱して底面がフラットなＵ字型光ファイバ（屈曲ファイバ）を作製した。この時分極処理した箇所に熱が加わらないよう、各コーナの加工時間を１０〜３０秒とし、さらに火炎は細く絞って使用した。
【０１０２】
完成した屈曲光ファイアバを用いて、図８（ａ）〜図９（ｂ）に示す手順に従って光ファイバセンサを作製した。ガラスエポキシ基板６９に作製した光ファイバ固定用溝６８に上記の分極処理した屈曲光ファイアバを接着固定した（図８（ｂ）参照）。
【０１０３】
次に、この屈曲光ファイバ及び基板に光学素子挿入用溝６７を回転式ブレードソーで作製した（図９（ａ）参照）。
【０１０４】
次に、この溝の光入射側に偏光子と水晶製１／４波長板を一体化した偏光素子６３を、また出射側には検光子６６を挿入し固定した。また、光ファイバの分極した部分にステンレス薄板の電極を、同様にガラスエポキシ基板６９の裏面（電極を接着する部分の基板６９の厚みは約０.２ｍｍに薄く加工してある）にも同様に電極を接着して光ファイバセンサを作製した（図９（ｂ）参照）。なお、図では、電極からのリード線は、図面をわかりやすくするために省略してある。この光ファイバセンサに交流電圧１０００Ｖを印加したところ、光の変調度１.４％であっ た。また、その時のＳＩＮ波形の電圧に対する歪み率は０.５％以下であった。さらにこのセンサを−２０〜＋８０℃の範囲で温度特性を測定したところ、室温での変調度を１００と規格化して±２％以内の良好な温度特性であった。これは、光ファイバの分極処理部の屈折率差がほぼゼロの複屈折のない状態の電気光学素子が作製されたため、複屈折の温度特性などによる光学バイアスのずれの発生がないことのためである。更に、７０℃以上の高温においても、Ｂｉ4Ｇｅ3Ｏ12結晶を用いた場合問題となるＤＣドリフトが観測されず安定した温度特性を実現を実現可能であった。
【０１０５】
なお、ここでは屈曲ファイバの曲げ部分での光損失を押さえる対策は特に施していないが、光損失を極力小さくしたい場合など、光ファイバ屈曲部に光の反射構造（誘電体多層膜や金属ペーストによるコーティング膜）を作製してもよい。
【０１０６】
以上、本願発明によれば以下の効果がある。
【０１０７】
（１）光ファイバに分極処理をするだけで、電気光学効果を有しかつ波長板の機能をかね備えた電気光学素子を作製可能であり、その結果光ファイバセンサを容易に作製する事ができる。
【０１０８】
（２）分極処理した光ファイバの、電圧を印加しない時の、透過光に対する位相差の絶対値δがほぼπ／２の奇数倍となる用に分極処理することにより、直線性のよい光ファイバセンサを実現できる。
（３）分極処理した光ファイバの、電圧を印加しない時の、透過光に対する位相差の絶対値δがほぼゼロとなる用に分極処理することにより、光学バイアスの温度によるずれなどがなく、良好な温度特性のかつ直線性の良好な光ファイバセンサを実現できる。
【０１０９】
（４）従来、等方的結晶（Ｂｉ4Ｇｅ3Ｏ12）などで問題となるＤＣドリフトの問題がない光変調素子を実現できる。
【０１１０】
（５）光ファイバの分極領域を長くすることにより、電気光学素子の素子長を長くする事が可能となり、その結果、レンズがない集積型光ファイバセンサにおいても大きな感度を有した光ファイバセンサを作製できる。
【０１１１】
（６）底面がフラットなＵ字型光ファイバを用いることにより、光の入射方向と出射方向が平行な、センサとして利用が容易な光ファイバセンサを実現できる。
【０１１２】
以上説明したような数々の優れた特徴があり、本発明の工業的価値は高い。
【０１１３】
尚、本発明の光変調素子は、上述した実施の形態では、光ファイバセンサとして利用する場合を中心に述べたが、これに限らず例えば、光通信用や光計測用の光源の変調素子や光スイッチ等にも適用出来るものである。
【０１１４】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、自然複屈折の発生を抑えた光変調素子を提供出来るという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関連する発明による第１の実施の形態による光ファイバセンサの構成を示す図
【図２】  本発明に関連する発明による第１及び、本発明による第２の実施の形態による電気光学素子を作製する手順を示す図
【図３】本発明による第２の実施の形態による光ファイバセンサの構成を示す図
【図４】（ａ）〜（ｂ）：本発明による第３の実施の形態による光ファイバセンサの作製手順を示す図
【図５】（ａ）〜（ｂ）：本発明による第３の実施の形態による光ファイバセンサの作製手順を示す図
【図６】本発明による第３の実施の形態による光ファイバセンサの作製手順を示す図
【図７】（ａ）〜（ｄ）：本発明による屈曲光ファイバの作製手順を示す図
【図８】（ａ）〜（ｂ）：本発明による第４の実施の形態による光ファイバセンサの作製手順を示す図
【図９】（ａ）〜（ｂ）：本発明による第４の実施の形態による光ファイバセンサの作製手順を示す図
【図１０】（ａ）〜（ｂ）：本発明の実施の形態による電気光学素子作製の原理図
【図１１】（ａ）〜（ｂ）：従来の光ファイバセンサの構成およびその動作原理を示す図
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，６２  電極
１１，２１，３１，５１        光ファイバ心線
１２，２２，３２，５２        光ファイバ素線
１３，４３                    偏光子
１５，３５，４５，６５        電気光学素子
１４，３４，４６，６６        検光子
１７，３７，４７，６７        光学素子挿入用溝
３８，４８，６８              光ファイバ固定用溝
１９，３９，４９，６９        基板
１７，３７                    光学素子挿入用溝
２０１，５０１                フェルール
２３                          ヒータ
２５                          分極処理用電源
３３，６３                    偏光子と１／４波長板を張り合わせた素子
５５                          マイクロガスバーナ
５６                          屈曲光ファイバ
４０１                        リード線
４０３                        電極挿入用溝
【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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