(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光ビームを受けるようになっている音響光学的材料の基台であって、光軸に沿って前記基台を横断する光導波路を備えている基台と、電気信号に応答して前記基台に音響波ビームを生じさせる変換器であって、前記音響波ビームは前記変換器から音響波ビーム軸に沿って放射され、且つ前記音響波ビームの周波数及び前記基台の光学的性質により決まる光周波数帯の中にある周波数を有する光の偏光モードを変えるが、前記光周波数帯の外にある周波数のすべての光の偏光モードを変えないように動作することができる変換器とを備え、前記音響波ビームの軸は前記光軸と斜角に交差するよう構成される音響光学フィルタにおいて、
前記光軸に対して前記変換器と同じ側に、前記光軸に重ならないように設置され、前記変換器から放射される前記音響波を吸収するように設置されている吸音体を備えることを特徴とする音響光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に光学フィルタに関するものである。特に、本発明はフィルタ応答のサイドローブのレベルを下げる音響光学チューナブル・フィルタの変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
理論的に理想の帯域フィルタは所要周波数帯域内の周波数のすべてのエネルギを通し、所要帯域外の周波数のすべてのエネルギを阻止する。多数の理由で、理論的に理想のフィルタを実際に達成することはできない。良好な、実際に実現し得るフィルタは一般にその応答が所要通過帯域を通じて本質的に平らで、通過帯域外の周波数の増減と共に滑らかに下降するフィルタであると考えられている。良好な実現可能な帯域フィルタを図１に示す。
【０００３】
音響光学チューナブル・フィルタ（ Acousto-Optic Tunable Filter、以下ＡＯＴＦと略す ）は電子的に同調し得る光学帯域フィルタである。電子的に同調し得る光学フィルタは第１の偏光の入射光ビームが複屈折結晶内で音響波により屈折して第１の偏光から光周波数の所定の帯域通過に対する光ビームの第２の偏光に移行する。この種のフィルタの通過帯域の中心波長は結晶内の音響波の周波数を変えることにより電子的に同調可能である。バルク結晶でバルク音響波およびガイドされていない光ビームを使用して製作したバルクＡＯＴＦはレーザおよび光学システムで多数の重要な用途を既に見いだしている。光が導波路に閉じこめられかつ表面弾性波を使用している集積ＡＯＴＦも、特に最近の通信用途で使用されているような、レーザおよびファイバ光学システムで重要な用途を見いだすと期待されている。
【０００４】
図２に示すように、集積ＡＯＴＦはニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）のような 細長い結晶性基板30で製作されている。光導波路34が基板30の上面に、たとえばチタンを拡散することにより、形成されている。光ビームは入力光ファイバ37により導波路34に結合されている。光は導波路34を通って伝播し、出力光ファイバ39を通して出力される。表面弾性波（Surface Acoustic Wave、ＳＡＷ）ビームはＩＤＴ（Inter-Digitated Transducer）32により導波路内に誘導される。変換器は信号源35からの外部発生電気信号により駆動される。音響波ビームの周波数は電気信号の周波数によって決まる。一対の吸音体38が変換器34により生じた音響エネルギを吸収する。
【０００５】
音響波ビームは導波路に屈折格子を生じさせる。格子は光のＴＥモードおよびＴＭモードを結合するが、光波長の狭い帯域内でだけである。したがって、この狭い帯域内では一つの偏光モードで伝播するすべての光は直交モードに変換されるが、この帯域外では光の偏光モードは影響を受けない。
【０００６】
導波路34の第１の先端に隣接する第１の偏光子41は第１の偏光モードにないすべての入射光を阻止する。したがって、第１のモードに偏っている光だけがフィルタに入る。光が導波路を通って走行するにつれて、その波長が光波長の狭い帯域内にある光の偏光モードは第１のモードに直交する第２のモードに変換される。残りの光の偏光は影響を受けない。第１の偏光子41とは反対にある第２の偏光子43は出力から第２の偏光モードにないすべての光を阻止する。したがって、フィルタを通過する間に変換された偏光モードを有する光だけがフィルタを出ることができる。出力の行先を図示してないが、出力光は結局ユーザにまたは或る種の光学装置に供給されることが理解されよう。
【０００７】
ＡＯＴＦはその波長が音響波ビームにより決まる帯域内にある光を通し、他の光を阻止する。したがってＡＯＴＦは帯域フィルタとして働く。通過帯域の中心周波数は変換器を駆動する電気信号の周波数を変えることにより同調させることができる。
【０００８】
残念ながらＡＯＴＦの周波数応答は図１に示すような良好な帯域フィルタの周波数応答とは異なる。代わりに、ＡＯＴＦの周波数応答は不要なサイドローブにより特徴づけられる。理想的な均一、１段ＡＯＴＦでは、サイドローブは一般に中心周波数の下9.3dＢ未満である。サイドローブを示す典型的ＡＯＴＦの応答曲線が図３に示されている。
【０００９】
多数の技法がサイドローブの減少に関して提案されてきた。多数段のＡＯＴＦを直列に接続することがサイドローブを減らす一つの手段として提案されている。二つのＡＯＴＦを使用すればサイドローブを中心周波数の下約19dＢに減らすこ とができる。この技法ではフィルタ間に集積偏光子を設ける必要があり、同等波長の単一フィルタＡＯＴＦより広いフィルタ通過帯域を生ずる。
【００１０】
サイドローブのレベルを下げる他の方法はＡＯＴＦの長さに沿う音響結合を変えることである。方向性結合器を備える機構をＳmith等が、Ａpplied Ｐhysics 、Ｖol.61,page 1025（1992）に記している。これでは隆起コサイン音響相互作 用が生じ、理論的にサイドローブをＡＯＴＦあたり中心周波数から17.5dＢ下げることができる。この技法には３dＢ通過帯域幅を約1.4倍だけ増大し、必要な音響パワーをほとんど４倍増大するという短所がある。
【００１１】
最後に、Ｔrutna等は、Ｏptical Ｌetters、18,page 1721（1993）で、制御された複屈折を使用して位相不整合を長さの関数として変える技法を述べている。この技法では二つのＡＯＴＦを必要とし、サイドローブを中心周波数の下30dＢに減らすことができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上のすべての技法では別の処理工程が必要であり、ＡＯＴＦの製作に余分の費用が必要である。ＡＯＴＦの周波数応答のサイドローブのレベルをＡＯＴＦの製作に余分のプロセス段階を追加せずに下げることができることが望ましい。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明はサイドローブのレベルを下げるＡＯＴＦの実施例である。本発明の実施例はＡＯＴＦの製作に余分の工程を必要とせず、かつ費用を追加せずに得ることができる。
【００１４】
本発明の第１の実施例は入射光ビームを受けるようになっている音響光学材料の基台を備えた音響光学チューナブル・フィルタを備えている。基台は光軸に沿って基台を横断する光導波路を備えている。この実施例は更に電気信号に応答して音響波ビームを基台に誘導する変換器を備えている。音響波ビームは変換器から音響波ビームの軸に沿って広がっている。音響波ビームは、音響波ビームを通って伝播しかつその周波数が音響波ビームの周波数および基台の光学的性質により規定される光周波数帯域内にあるすべての光の偏光モードを変えることができるが、その周波数が光周波数帯域の外にあるすべての光の偏光モードを変えることはできない。更に、変換器の中心は光軸の一方の側に片寄っており、音響波ビームの軸は光軸と斜角で交差している。
【００１５】
本発明の第２の実施例は音響波ビームの強度の断面の形状がテーパー状（ガウス分布状）になるように第１の実施例の変換器を構成することを含んでいる。
【００１６】
本発明の他の局面および長所は、例を用いて本発明の原理を図解する付図と関連して行なう以下の詳細説明から明らかになるであろう。
【００１７】
【実施例】
例示目的の図面に示すように、本発明はＡＯＴＦシステムにより実施されている。本発明によるＡＯＴＦシステムは以前に可能であったよりも良好な光信号の帯域濾波性能を提供する。
【００１８】
図４は本発明の実施例を示す。音響光学材料の基台30は入射光ビームを受けるようになっている。導波路34の第１の先端に隣接する第１の偏光子41は第１の偏光モードにないすべての入射光を阻止する。偏光子41は入射光ビームが第１のモードに既に偏っていれば不要である。基台30は光軸42に沿って基台30を横断する光導波路34を備えている。変換器32は信号源35からの電気信号に応答して音響波ビーム36を基台30に生じさせる。音響波ビーム36は変換器32から音響波ビーム軸45に沿って広がっている。音響波ビーム36は、音響波ビーム36により伝播しかつその周波数が音響波ビーム36の周波数および基台30の光学的性質により規定される光周波数帯域内にあるすべての光の偏光モードを変えることができるが、その周波数が光周波数帯域の外にあるすべての光の偏光モードを変えることができない。その周波数が光周波数の中にあるすべての光の偏光モードは第１のモードに直交する第２のモードに変換される。残りの光の偏光は影響を受けない。第１の偏光子41とは反対にある第２の偏光子43は出力から第２の偏光モードにないすべての光を阻止する。したがって、フィルタを通過する間に変換されている偏光モードを有する光だけがフィルタを出ることができる。変換器32の中心47は光軸42の一方側に片寄っており、音響波ビームの軸45は光軸42と斜角48で交差している。
【００１９】
この構成の長所は音響波ビーム36の音響パワーが導波路を抑揚を付けて進行し、サイドローブのレベルを下げる非常に廉価な形態の振幅アポダイゼーションを与えるということである。（アポダイゼーションは瞳孔機能が第２の光の最大値を部分的に抑制するように適切に修正されているということを示すイメージ光学分野での標準用語である。この用語はＡＯＴＦの分析に使用されているフィルタに関する結合波理論の分野で、用いられており、フィルタ機能で第２の光の最大値を抑制する目的で振幅または位相の結合定数の修正を示すようになっている。）実験的に、変換器32が片寄りかつ回転しているＡＯＴＦは、変換器32が導波路から片寄っていないＡＯＴＦのサイドローブより約２dＢ低いサイドローブを生ずる。サイドローブ減少の、この量は少ないように思われるだろうが、実際には特定の性能特徴を備えて製造されなければならないＡＯＴＦの歩留まりをかなり増大することができる。
【００２０】
経験的に、本発明の短所は非常に少ない。本発明のＡＯＴＦの実施例が必要とするのはわずかな音響パワーの増大であって、フィルタの通過帯域がわずかに増大するのみである。
【００２１】
導波路34の上に形成された変換器32と同様の金属構造は導波路34の光学損失を増大する傾向がある。したがって、変換器32が導波路34の上に設置されないように変換器32を片寄せると、導波路34の光学損失が減少する。これは２個または３個変換器を備えた多段ＡＯＴＦに特に役立つ。導波路34の上に形成された多数変換器の金属構造は最大2-3dＢの光学損失を生ずる。
【００２２】
変換器32は順方向音響波および逆方向音響波を放射する。順方向音響波を導波路34を下って進行する光ビームと相互作用させることが意図される。逆方向音響波は吸音体38により吸収される。変換器32を導波路34の上に設置すれば、逆方向音響波は光ビームとも相互作用する。逆方向音響波は光ビームの周波数をドップラ変移させる。順方向音響波も光ビームの周波数をドップラ変移させるが逆方向音響波とは反対の方向にである。その結果、ＡＯＴＦの出力における濾過光ビームに、ＡＯＴＦの入力における未濾過光ビームの基本周波数の不必要な高調波がが含まれることになる。
【００２３】
変換器32を導波路34の物理的に上に設置しないことにより、変換器32に隣接する吸音体38もそれが導波路34の物理的に上にないように設置されることができる。吸音体38は変換器34により誘導された音響波を吸収するにつれて温度が上がる。吸音体を導波路34の上に設置すれば、導波路34が形成されている基板の上に熱勾配が形成される。熱勾配は導波路34の位相整合を変化させ、ＡＯＴＦの周波数応答のサイドローブを増加させる。
【００２４】
ＡＯＴＦに振幅アポダイゼーションが生ずる程度は変換器32により形成される音響波ビーム36の断面強度に強く関係している。図４に示す変換器32はほぼ長方形の音響波ビーム断面強度を備える。図５は図４に示す変換器32により形成される音響波ビームの強度の断面の近似を示す。
【００２５】
図６は本発明の他の実施例を示す。この実施例では、変換器32の交差指電極62は長さが変わっており、個別の交差指電極の互いに対する向きは変わっている。交差指電極62に関してこれらの変更および修正を行なうことにより、変換器32により作られる音響波ビームの強度の断面を操作することができる。基板上の変換器から放射される音響波ビームの強度を操作する技法は表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタの分野で良く開発されている。
【００２６】
図７は図６の変換器32により作られる音響波ビームの強度の断面を示す。この断面の形状は図５に示す断面より緩やかである。この断面はガウス分布状である。この音響波ビーム36が導波路34と交差するにつれて音響光学相互作用が導波路34の長さに沿って滑らかに昇降し、ＡＯＴＦフィルタの周波数応答のサイドローブを減少する。
【００２７】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００２８】
（実施態様１）音響光学チューナブル・フィルタであって、以下（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴とする音響光学チューナブル・フィルタ、
（ａ）入射光ビームを受けるようになっている音響光学的材料の基台であって、光軸に沿って基台を横断する光導波路を備えている基台、および
（ｂ）電気信号に応答して前記基台に音響波ビームを生じさせる変換器であって、前記音響波ビームは変換器から音響波ビーム軸に沿って放射され、前記音響波ビームは、前記音響波ビームを通って伝播しかつその周波数が前記音響波ビームの周波数および前記基台の光学的性質により規定される光周波数帯の中にあるすべての光の偏光モードを変えるが、前記光周波数帯の外にある周波数のすべての光の偏光モードを変えないように動作することができる変換器を備え、
前記変換器の中心は前記光軸の一方側に片寄っており、前記音響波ビームの軸は前記光軸と斜角に交差している。
【００２９】
（実施態様２）前記変換器が前記光軸の一方の側に片寄っている外部ペリメータを有することを特徴とする実施態様１に記載の音響光学チューナブル・フィルタ。
【００３０】
（実施態様３）前記変換器が複数の交差指電極を備え、該交差指電極は変換器から放射される前記音響波ビームがステップ状の振幅断面を備えるように構成されていることを特徴とする実施態様１に記載の音響光学チューナブル・フィルタ。
【００３１】
（実施態様４）前記変換器は複数の交差指電極を備え、該交差指電極は変換器から放射される前記音響波ビームがテーパー状の振幅断面を備えるように構成されていることを特徴とする実施態様１に記載音響光学チューナブル・フィルタ。
【００３２】
（実施態様５）前記光軸には中心点があり、前記音響波ビームは前記光軸と中心点で交差することを特徴とする実施態様１に記載の音響光学チューナブル・フィルタ。
【００３３】
（実施態様６）更に前記変換器と同じ光軸の側に設置され、前記光軸と交差しない前記変換器から放射される前記音響波を吸収するように設置されている吸音体を備えていることを特徴とする実施態様２に記載の音響光学チューナブル・フィルタ。
【００３４】
本発明の特定の実施例を説明し図解してきたが、本発明はそのように説明し図解した部品の特定の形態または配置に限定されるべきではない。本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】良品質で、実現し得る帯域フィルタの周波数応答を示す図である。
【図２】ＡＯＴＦの従来技術の実施例を示す図である。
【図３】サイドローブのある通過帯域フィルタ応答を示す図である。
【図４】変換器が回転し移動してサイドーブのレベルを下げ、通過帯域を高めている本発明の一実施例を示す図である。
【図５】図４に示す実施例のステップ状音響波ビームのビーム強度の断面を示す図である。
【図６】変換器交差指電極が音響波ビームの強度をテーパー状にするように操作する本発明の他の実施例を示す図である。
【図７】図６に示す実施例のステップ状音響波ビームのビーム強度の断面を示す図である。
【符号の説明】
30…基台
32…変換器
34…光導波路
36…音響波ビーム
38…吸音体
42…光軸
45…音響波軸
48…斜角
62…交差指電極
【図１】
0003863244.tif 000002
【図２】
0003863244.tif 000003
【図３】
0003863244.tif 000004
【図４】
0003863244.tif 000005
【図５】
0003863244.tif 000006
【図６】
0003863244.tif 000007
【図７】
0003863244.tif 000008