光学デバイス
【課題】
より簡単に製造できて小さな、電気光学効果を有する光学デバイスを提供する。
【解決手段】
光ファイバ（１２）は、コア（１４）とクラッド（１６）を有する。光ファイバ（１２）の外周に、コア（１４）を挟むように、２つの電極（１８，２０）を接着してある。電圧源（２２）が、電極（１８，２０）間に直流電圧を印加する。コア（１４）とクラッド（１６）は共に、カルコゲナイドガラス、即ちＳ，Ｓｅ又はＴｅを含むガラスからなる。
より簡単に製造できて小さな、電気光学効果を有する光学デバイスを提供する。
【解決手段】
光ファイバ（１２）は、コア（１４）とクラッド（１６）を有する。光ファイバ（１２）の外周に、コア（１４）を挟むように、２つの電極（１８，２０）を接着してある。電圧源（２２）が、電極（１８，２０）間に直流電圧を印加する。コア（１４）とクラッド（１６）は共に、カルコゲナイドガラス、即ちＳ，Ｓｅ又はＴｅを含むガラスからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスに関し、より具体的には、光の位相、偏波又は強度の光パラメータの変調又は調整に利用可能な光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
偏波、位相又は強度等の光パラメータの調整には、従来、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３のような電気光学効果（ポッケルス効果）を持つ単結晶の導波路型デバイスが使用される（例えば、非文献文献１）。
【０００３】
他方、ガラスは、光学的等方体であり巨視的な反転対称性を具備するので、２次非線形光学効果を示さない。しかし、ポーリングと呼ばれる処理により、２次非線形光学効果を示すことが報告されている。例えば、シリカガラス光ファイバにコアに平行な二本の孔を開け、そこに通した電極でポーリングを行う例が、知られている（例えば、非特許文献２）。
【０００４】
ポーリングとして、紫外線照射状態で強電界を印加する方法（紫外光ポーリング）、高温下で強電界を印加する方法（熱ポーリング）及び、ハイパワーレーザ照射状態で強電界を印加する方法（光ポーリング）等が、知られている。
【０００５】
ガラス材料へのポーリングによる２次非線形性の発生に、ガラスの３次の非線形が関わっていることが、非特許文献３に記載されている。これによれば、電界Ｅをシリカファイバに印加することにより発生する２次の非線形成分χ（２）は、
χ（２）＝３χ（３）Ｅ
で与えられる。χ（３）は、シリカガラスの持つ３次の非線形成成分である。ガラスは、ポーリングを施さなくても、３次の非線形性を持つので、電界を印加するだけで、２次の非線形性効果を示す。しかし、その２次の非線形成分χ（２）は非常に小さく、実用できない。
【０００６】
２次非線形特性は、物質の電気分極が電界の二乗に比例する効果であり、屈折率ｎが電界印加により変化するいわゆる電気光学効果をもたらす。電気光学係数ｒと、２次非線形成分χ（２）との間には、
χ（２）＝ｎ４ｒ／２
の関係が成立する。このような２次非線形効果又は電気光学効果を利用することで、光シャッタ、光変調器及び光路スイッチ等を実現できる。
【非特許文献１】IEEE Journal of Selected Topics i Quantum Electronics, Vol. 6, No. 1, pp. 69-82 (2000)
【非特許文献２】Electronics Lett., Vol. 31, No. 1, pp. 62-63 (1995)
【非特許文献３】Optical Fiber Technology, 5, pp. 232-241 (1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
単結晶の導波路型デバイスの場合、損失が大きく、他の光デバイスとの接続性が悪いという問題がある。
【０００８】
シリカ系の光ファイバの２次非線形特性を利用した光学デバイスは、低損失であり、ファイバ形状に形成するのは容易である。しかし、大きな２次非線形特性を得るためには、高温と強電界を、例えば、２５０°Ｃ以上で５×１０３乃至３×１０４Ｖ／ｃｍの電界を必要とする。更には、得られる２次非線形係数が小さいので、数ｍ乃至数十ｍに及ぶ長い光ファイバを用意しなければならず、実用上,長すぎる。
【０００９】
シリカ系光ファイバは波長２μｍ帯で低損失であり、これ以外の波長帯では利用できない。
【００１０】
このような状況に対し、より低温で２次非線形効果を得られ、低損失で、ファイバ化が容易で、小型な光デバイスが望まれている。
【００１１】
本発明は、このような希望を満たす新規な光学デバイスを提示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学デバイスは、コア及びクラッドを有する光導波路と、当該コアを挟む第１及び第２の電極と、当該第１及び第２の電極に電圧を印加する第１の電圧源とを具備する光学デバイスであって、当該コア及びクラッドが共にカルコゲンを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、容易に製造できて小さな、電気光学効果を有する光学デバイスを実現できる。結晶でないので、配置上、接続上の制約が少ない。光ファイバ形状とすることで、他の光ファイバとの接続が容易になる。遠赤外領域で透明な材料であるので、広い波長範囲で利用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の斜視図を示し、図２は、本実施例の側面図を示し、図３は、本実施例の正面図を示す。本実施例の光学デバイス１０は、コア１４とクラッド１６を有するカロコゲナイド光ファイバ１２からなる。コア１４を伝搬する光に電界を印加するために、光ファイバ１２の外周に、コア１４を挟むように、２つの電極１８，２０を接着してある。電圧源２２が、電極１８，２０間に直流電圧を印加する。これにより、光ファイバ１２の光軸に直交する方向の電界が、コア１４を伝搬する光に印加される。光学デバイス１０を電気信号により光を変調する変調素子として使用する場合、電圧源２２は、電気信号を重畳された直流電圧を電極１８，２０間に印加する。
【００１６】
カルコゲナイドガラスは、一般的には、カルコゲン、即ちＳ、Ｓｅ又はＴｅを含むガラスであり、屈折率が高い。光ファイバ１２の端面での反射を低減するために、光ファイバ１６の両端面には、無反射（ＡＲ）膜２４，２６を被覆してある。
【００１７】
本実施例では、コア１４とクラッド１６は共に、Ａｓ（ヒ素）とＳｅ（セレニウム）を含むカルコゲナイドガラスからなり、ここでは、ＡｓｘＳｅｙからなる。このような組成の光ファイバ１２は、例えば、Ａｓ−Ｓ−Ｓｅから製造され得る。コア１４又はクラッド１６にＳ（硫黄）を含めても良い。コア１４の屈折率がクラッド１６の屈折率よりも高くなるように、ＡｓとＳｅの組成比を調節するか、又は適当な添加物をコア１４及び／又はクラッド１６に添加する。
【００１８】
例えば、コア径（Ｄａ）が６μｍの光ファイバで、コア１４をＡｓ３９Ｓｅ６１とし、クラッド１６をＡｓ３８．２５Ｓｅ６１．７５とすると、開口数は０．１８（比屈折率差Δｎ＝５．７４×１０−３）が得られた。同じくコア径（Ｄａ）を６μｍとした場合で、コア１４をＡｓ４０Ｓ５８Ｓｅ２とし、クラッド１６をＡｓ４０Ｓｅ６０とすると、開口数は０．１７が得られた。一般的には、Ａｓ４０−ｘＳｅ６０＋ｘ（但し、−１０＜ｘ＜１０）が、透過波長範囲と高い３次の非線形性（電気光学係数）とから、光ファイバ１２の素材として利用可能である。
【００１９】
本実施例では、クラッドの外径（Ｄｂ）は１６０μｍ程度、光学デバイス１０の長さ（Ｌ）は、１０ｃｍ程度である。このように全体のサイズが小さいので、ポーリングを容易に実行できるし、小さな筐体に組み込んで使うことができる。
【００２０】
ＳとＳｅの混合比を調整することで、光ファイバ１２は、近赤外から６乃至１０μｍの波長範囲で透明になる。例えば、Ａｓ４０Ｓ６０は６μｍの光を透過し、Ａｓ４０Ｓｅ６０は１０μｍの光を透過する。即ち、光学デバイス１０は、広い波長範囲で利用可能である。
【００２１】
本実施例の光学デバイス１０は、室温で高電界を印加することにより、２次非線形効果を一時的に発現し、２次非線形効果に応じた電気光学効果も発現する。例えば、電圧源２２が、信号電圧を重畳された直流電圧に電極１８，２０間に印加した状態で、光ファイバ１２のコア１４に直線偏波の信号光を入射する。信号光の光位相が、電極１８，２０間の電界に応じた電気光学効果により変調される。
【００２２】
光学デバイス１０はまた、より高い温度、例えば、２００°Ｃ以上でのポーリングにより、永続的な２次非線形効果を発現し得る。例えば、電極１８，２０間に直流の高電圧を印加した状態で、光ファイバ１２のコア１４にハイパワーのレーザ光を入射するか、又は、光ファイバ１２の横からハイパワーの可視光を入射するといった方法がある。Ａｓ２Ｓｅ３材料のバンドギャップエネルギーは、通信波長帯１．５５μｍのフォトンエネルギーの２倍程度、あるので、短波長側で吸収が高い。そのため、シリカファイバのように紫外（ＵＶ）光を補助的に使用する必要が無い。
【００２３】
なお、電極１８，２０とは別に、電界印加用の電極を用意し、ポーリング後に電極１８，２０をポーリングした光ファイバ１２に接着しても良いことはいうまでもない。
【００２４】
図４は、試作した光学デバイス１０の複屈折特性を示す。横軸は印加電圧を示し、縦軸は、複屈折の位相差を任意目盛で示す。コア１４及びクラッド１６は、上述の通りＡｓ４０−ｘＳｅ６０＋ｘからなる。コア径（Ｄａ）は６μｍであり、クラッド１６の外径（Ｄｂ）は１７０μｍである。クラッド１６の外側にアクリレートの被覆があり、その被覆の外側に電極１８，２０を配置してある。位相差が印加電界の二乗で変化することから、電気光学係数ｒが印加電界により発生したものと思われる。バイアス直流電圧に信号を重畳することで、光ファイバ１２を伝搬する光を変調できる。
【００２５】
図４に示す特性では、例えば、５００Ｖ以上の直流電圧に信号電圧を重畳することで、入射光の光位相を変調する素子として利用できる。
【００２６】
例えば、マッハツェンダ干渉計の一方のアーム上に光学デバイス１０を配置し、電極１８，２０間に印加する電圧を変化させることで、光を変調又はスイッチングすることが可能になる。マッハツェンダ干渉計の一方のアーム上に位相変調器を配置する光変調器及び光スイッチは公知であり、このような用途の位相変調器として光学デバイス１０を利用できる。
【００２７】
また、複屈折性を利用することで、光スイッチング、偏波変調、及び、直線偏波／円偏波の変換等に利用できる。
【００２８】
コア１４又はクラッド１６として利用可能な材料は、Ａｓ−Ｓｅ化合物以外に、一般的には、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内の何れか１つと、Ａｓ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｂの内の何れか１つとを含む化合物である。これらの何れの組み合わせも、近赤外以上で低損失であり、３次非線形成分が大きいので、ポーリングによって、大きな２次非線形効果を出現させることができる。
【００２９】
具体的には、Ａｓ４０Ｓ６０，Ａｓ４０Ｓ５０Ｓｅ１０，Ａｓ４０Ｓ４０Ｓｅ２０，Ａｓ４０Ｓ３０Ｓｅ３０，Ａｓ４０Ｓ２０Ｓｅ４０，Ａｓ４０Ｓ１０Ｓｅ５０，ＡＳ４０Ｓｅ６０が、光ファイバ１２の構成材料として利用可能である。これらは、一般的には、Ａｓ４０Ｓ（６０-ｘ）Ｓｅｘと表記できる。但し。０≦ｘ≦６０である。
【００３０】
Ａｓ−Ｓ化合物の場合、Ａｓ４０-ｙＳ６０-ｙ（但し、−１０＜ｙ＜１０）が、利用可能である。
【００３１】
Ｇｅ３０Ａｓ１０Ｓｅ３０Ｔｅ３０，Ｇｅ１５Ａｓ３５Ｓｅ１５Ｔｅ３５，Ｇｅ１５Ａｓ３５Ｓｅ１０Ｔｅ４０，Ｇｅ１５Ａｓ３５Ｓｅ５０-ｘＴｅｘも利用可能である。
【００３２】
Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．７５，Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．６５Ｔｅ０．１０，Ｇｅ０．２８Ｓｅ０．６０Ｔｅ０．１２，Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．７５-ｘＴｅｘ，Ｇｅ０．２８Ｓｅ０．６０Ｔｅ０．１２，Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓｅ５５も利用可能である。
【００３３】
これらの利用可能な材料を一般的に表現すると、ＡｓｘＧｅｙＧａｚＳｂｖＩｎｗＳｐＳｅｑＴｅｒとなる。但し、ｘ，ｙ，ｚ，ｖ，ｗ，ｐ，ｑ，ｒは、
ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｖ＋ｗ＋ｐ＋ｑ＋ｒ＝１００
２０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｖ＋ｗ＜５５
を満たす。
【００３４】
Ｂｉ２Ｏ３はシリカ系ガラスよりも１桁大きい３次非線形係数χ（３）を具備し、遠赤外領域で透明である。従って、Ｂｉ２Ｏ３を光ファイバ１２の構成材料として利用可能である。
【実施例１】
【００３５】
光ファイバ１２の外形状に沿って電極１８，２０を光ファイバ１２に接着する実施例を説明したが、図５に示す側面図として示すように、光ファイバ１２の側面を部分的に平らに研磨し、その平面に電極１８ａ，２０ａを接着した光学デバイス１０ａとしてもよい。光ファイバ１２の側面を研磨する手間が増えるが、コア１４に印加される電界が増すという利点がある。
【実施例２】
【００３６】
図１及び図５に示す実施例に対し、光ファイバ１２の光軸を中心に４５°回転した電極対を追加することで、光偏波制御装置を実現できる。図６は、そのように構成した光学デバイスの斜視図を示す。
【００３７】
図６に示す光学デバイス１０ｂでは、電極３０，３２が光ファイバ１２の光軸を間に挟んで光ファイバ１２の外周面上に接着され、更に、光ファイバの軸方向にずれて、電極３４，３６が、光ファイバ１２の光軸を間に挟んで光ファイバ１２の外周面上に接着されている。電極３４，３６は、電極３０，３２に対して、光ファイバ１２の光軸を中心に４５°回転した位置に配置される。電圧源３８が電極３０，３２間に電圧を印加し、電圧源４０が電極３４，３６間に電圧を印加する。図６には、電極３０，３２による電界と電極３４，３６による電界を図示してある。電極３４，３６からなる電極対が、電極３０，３２からなる電極対に対して、光ファイバ１２の光軸を中心に４５°回転しているので、入射光の偏波は、ポアンカレ球上を自由に移動できる。即ち、光学デバイス１０ｂは、入射光の偏波方向を自在に調節できる。
【実施例３】
【００３８】
本発明により、透過又は反射周波数をチューニング可能なファブリペロー型フィルタを実現できる。図７は、そのフィルタの正面図を示す。ファブリペロー型フィルタとなる図７に示す光学デバイス１０ｃでは、図１に示す実施例の無反射膜２４，２６の代わりに、高反射膜５０，５２を用いている。図１乃至図３に示す実施例と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００３９】
高反射膜５０，５２間の距離をＬ、光ファイバ１２の実効屈折率をｎとすると、このファブリペロー型フィルタの自由スペクトルレンジＦＳＲ（Free Spectral Range）は、
ｃ／（２ｎＬ）
で与えられる。ｃは光速である。
【００４０】
電極１８，２０間に印加する電圧を変更することで、光ファイバ１２の実効屈折率ｎが変化する。実効屈折率の変化をΔｎとすると、半波長（λ／２）となるΔｎＬが得られれば、ＦＳＲの周期内で共振波長、即ち、透過ピーク波長をチューニングできる。
【実施例４】
【００４１】
図１乃至図３に示す光学デバイス１０を使って、電磁波を検出できる。図８は、電磁波検出装置の実施例の概略構成図を示す。ここでは、図１に示す構成の光学デバイス１０を複屈折媒体として動作させる。
【００４２】
プローブ光源６０は、直線偏波のレーザ光を出力する。レーザ光源６０から出力されるプローブ光は、偏光子６２を介して光学デバイス１０に入力する。偏光子６２は、好ましくは、電極１８，２０による電界方向に対して４５°回転した方向に配置される。光学デバイス１０から出力されるプローブ光は、検光子６４を介して、受光器６６に入射する。受光器６６は、検光子６４を透過したプローブ光の強度に応じた振幅の電気信号を出力する。電圧源２２は、プローブ光の入射時に、光学デバイス１０に複屈折性をもたらすほどに十分に高い直流電圧を電極１８，２０間に印加する。
【００４３】
計測対象の電磁波６８は、チャッパ７０により断続されて、光ファイバ１２にその側面から入射する。駆動回路７２がチョッパ７０を回転駆動する。駆動回路７２からチョッパ７０に印加される駆動信号が、ロックインアンプ７４にも印加される。ロックインアンプ７４は、駆動回路７２からの駆動信号に同期して、受光器６６の出力電気信号を増幅する。ロックインアンプ７４の出力は、解析装置７６に印加される。解析装置７６は、ロックインアンプ７４の出力値から、電磁波６８の強度を示す値を画像表示装置の画面に表示し、又は、印刷装置により印刷出力する。
【００４４】
この実施例では、電磁波６８の入射により、光ファイバ１２の複屈折特性が変化し、その結果、光学デバイス１０から出力されるプローブ光の偏光方向が変化する。偏光方向の変化により、受光器６６に入射するプローブ光の光量が変化し、解析装置７６は、このプローブ光の光量変化を解析することで、電磁波６８の強度を計測する。
【実施例５】
【００４５】
図７に示す光学デバイス１０ｃを使っても、電磁波を検出できる。図９は、光学デバイス１０ｃを使用する電磁波検出装置の実施例の概略構成図を示す。ここでは、図７に示す構成の光学デバイス１０ｃの共振周波数が、外部入力される電磁波により変化することを利用する。
【００４６】
プローブ光源８０は直線偏光のレーザ光であるプローブ光を発生する。プローブ光は、電極１８，２０による電界方向に平行な方向又は直交する偏波方向で光学デバイス１０ｃに入力する。光学デバイス１０ｃから出力されるプローブ光は、受光器８６に入射する。受光器８６は、光学デバイス１０ｃからのプローブ光の強度に応じた振幅の電気信号を出力する。電圧源２２は、プローブ光の入射時に、光学デバイス１０ｃに電気光学効果をもたらすほどに十分に高い直流電圧を電極１８，２０間に印加する。
【００４７】
計測対象の電磁波８８は、チャッパ９０により断続されて、光学デバイス１０ｃにその側面から入射する。駆動回路９２がチョッパ９０を回転駆動する。駆動回路９２からチョッパ９０に印加される駆動信号が、同期信号として同期検出装置９４にも印加される。同期検出装置９４は、駆動回路９２からの同期信号に同期して、受光器８６の出力信号の振幅を検出する。電磁波８８の強度と受光器８６の出力電気信号の振幅との関係を予め計測しておくことで、電磁波８８の強度を計測可能になる。
【００４８】
この実施例では、電磁波８８の入射により光ファイバ１２の屈折率が変化し、その結果、光学デバイス１０ｃの共振周波数が変化し、プローブ光に対する透過率が変化する。透過率の変化が、受光器８６に入射するプローブ光の光量を変化させ、受光器８６の出力電気信号の振幅を変化させる。結局、本実施例は、入射する電磁波８８による光ファイバ１２の透過率の変化を計測する。
【００４９】
以上の説明では、光ファイバ形状の光学デバイス１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃでは、他の光ファイバとの接続が容易である。勿論、光ファイバ形状でなく、平面導波路形状であっても、同様の作用効果を得られることは明らかである。また、単結晶でないので、形状に制約が無く、従ってまた、配置上の制約が少ない。
【００５０】
特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施例の斜視図である。
【図２】本実施例の側面図である。
【図３】本実施例の正面図である。
【図４】本実施例の特性図である。
【図５】変更実施例の側面図である。
【図６】更に別の変更実施例の正面図である。
【図７】ファブリペロー型フィルタを実現する実施例の正面図である。
【図８】電磁波を検出する実施例の概略構成図である。
【図９】電磁波を検出する別の実施例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：光学デバイス
１２：光ファイバ
１４：コア
１６：クラッド
１８，２０：電極
１８ａ，２０ａ：電極
２２：電圧源
２４，２６：無反射膜
３０，３２，３４：電極
３６，３８：電圧源
５０，５２：高反射膜
６０：プローブ光源
６２：偏光子
６４：検光子
６６：受光器
６８：計測対象の電磁波
７０：チャッパ
７２：駆動回路
７４：ロックインアンプ
７６：解析装置
８０：プローブ光源
８６：受光器
８８：計測対象の電磁波
９０：チャッパ
９２：駆動回路
９４：同期検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスに関し、より具体的には、光の位相、偏波又は強度の光パラメータの変調又は調整に利用可能な光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
偏波、位相又は強度等の光パラメータの調整には、従来、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３のような電気光学効果（ポッケルス効果）を持つ単結晶の導波路型デバイスが使用される（例えば、非文献文献１）。
【０００３】
他方、ガラスは、光学的等方体であり巨視的な反転対称性を具備するので、２次非線形光学効果を示さない。しかし、ポーリングと呼ばれる処理により、２次非線形光学効果を示すことが報告されている。例えば、シリカガラス光ファイバにコアに平行な二本の孔を開け、そこに通した電極でポーリングを行う例が、知られている（例えば、非特許文献２）。
【０００４】
ポーリングとして、紫外線照射状態で強電界を印加する方法（紫外光ポーリング）、高温下で強電界を印加する方法（熱ポーリング）及び、ハイパワーレーザ照射状態で強電界を印加する方法（光ポーリング）等が、知られている。
【０００５】
ガラス材料へのポーリングによる２次非線形性の発生に、ガラスの３次の非線形が関わっていることが、非特許文献３に記載されている。これによれば、電界Ｅをシリカファイバに印加することにより発生する２次の非線形成分χ（２）は、
χ（２）＝３χ（３）Ｅ
で与えられる。χ（３）は、シリカガラスの持つ３次の非線形成成分である。ガラスは、ポーリングを施さなくても、３次の非線形性を持つので、電界を印加するだけで、２次の非線形性効果を示す。しかし、その２次の非線形成分χ（２）は非常に小さく、実用できない。
【０００６】
２次非線形特性は、物質の電気分極が電界の二乗に比例する効果であり、屈折率ｎが電界印加により変化するいわゆる電気光学効果をもたらす。電気光学係数ｒと、２次非線形成分χ（２）との間には、
χ（２）＝ｎ４ｒ／２
の関係が成立する。このような２次非線形効果又は電気光学効果を利用することで、光シャッタ、光変調器及び光路スイッチ等を実現できる。
【非特許文献１】IEEE Journal of Selected Topics i Quantum Electronics, Vol. 6, No. 1, pp. 69-82 (2000)
【非特許文献２】Electronics Lett., Vol. 31, No. 1, pp. 62-63 (1995)
【非特許文献３】Optical Fiber Technology, 5, pp. 232-241 (1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
単結晶の導波路型デバイスの場合、損失が大きく、他の光デバイスとの接続性が悪いという問題がある。
【０００８】
シリカ系の光ファイバの２次非線形特性を利用した光学デバイスは、低損失であり、ファイバ形状に形成するのは容易である。しかし、大きな２次非線形特性を得るためには、高温と強電界を、例えば、２５０°Ｃ以上で５×１０３乃至３×１０４Ｖ／ｃｍの電界を必要とする。更には、得られる２次非線形係数が小さいので、数ｍ乃至数十ｍに及ぶ長い光ファイバを用意しなければならず、実用上,長すぎる。
【０００９】
シリカ系光ファイバは波長２μｍ帯で低損失であり、これ以外の波長帯では利用できない。
【００１０】
このような状況に対し、より低温で２次非線形効果を得られ、低損失で、ファイバ化が容易で、小型な光デバイスが望まれている。
【００１１】
本発明は、このような希望を満たす新規な光学デバイスを提示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学デバイスは、コア及びクラッドを有する光導波路と、当該コアを挟む第１及び第２の電極と、当該第１及び第２の電極に電圧を印加する第１の電圧源とを具備する光学デバイスであって、当該コア及びクラッドが共にカルコゲンを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、容易に製造できて小さな、電気光学効果を有する光学デバイスを実現できる。結晶でないので、配置上、接続上の制約が少ない。光ファイバ形状とすることで、他の光ファイバとの接続が容易になる。遠赤外領域で透明な材料であるので、広い波長範囲で利用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の斜視図を示し、図２は、本実施例の側面図を示し、図３は、本実施例の正面図を示す。本実施例の光学デバイス１０は、コア１４とクラッド１６を有するカロコゲナイド光ファイバ１２からなる。コア１４を伝搬する光に電界を印加するために、光ファイバ１２の外周に、コア１４を挟むように、２つの電極１８，２０を接着してある。電圧源２２が、電極１８，２０間に直流電圧を印加する。これにより、光ファイバ１２の光軸に直交する方向の電界が、コア１４を伝搬する光に印加される。光学デバイス１０を電気信号により光を変調する変調素子として使用する場合、電圧源２２は、電気信号を重畳された直流電圧を電極１８，２０間に印加する。
【００１６】
カルコゲナイドガラスは、一般的には、カルコゲン、即ちＳ、Ｓｅ又はＴｅを含むガラスであり、屈折率が高い。光ファイバ１２の端面での反射を低減するために、光ファイバ１６の両端面には、無反射（ＡＲ）膜２４，２６を被覆してある。
【００１７】
本実施例では、コア１４とクラッド１６は共に、Ａｓ（ヒ素）とＳｅ（セレニウム）を含むカルコゲナイドガラスからなり、ここでは、ＡｓｘＳｅｙからなる。このような組成の光ファイバ１２は、例えば、Ａｓ−Ｓ−Ｓｅから製造され得る。コア１４又はクラッド１６にＳ（硫黄）を含めても良い。コア１４の屈折率がクラッド１６の屈折率よりも高くなるように、ＡｓとＳｅの組成比を調節するか、又は適当な添加物をコア１４及び／又はクラッド１６に添加する。
【００１８】
例えば、コア径（Ｄａ）が６μｍの光ファイバで、コア１４をＡｓ３９Ｓｅ６１とし、クラッド１６をＡｓ３８．２５Ｓｅ６１．７５とすると、開口数は０．１８（比屈折率差Δｎ＝５．７４×１０−３）が得られた。同じくコア径（Ｄａ）を６μｍとした場合で、コア１４をＡｓ４０Ｓ５８Ｓｅ２とし、クラッド１６をＡｓ４０Ｓｅ６０とすると、開口数は０．１７が得られた。一般的には、Ａｓ４０−ｘＳｅ６０＋ｘ（但し、−１０＜ｘ＜１０）が、透過波長範囲と高い３次の非線形性（電気光学係数）とから、光ファイバ１２の素材として利用可能である。
【００１９】
本実施例では、クラッドの外径（Ｄｂ）は１６０μｍ程度、光学デバイス１０の長さ（Ｌ）は、１０ｃｍ程度である。このように全体のサイズが小さいので、ポーリングを容易に実行できるし、小さな筐体に組み込んで使うことができる。
【００２０】
ＳとＳｅの混合比を調整することで、光ファイバ１２は、近赤外から６乃至１０μｍの波長範囲で透明になる。例えば、Ａｓ４０Ｓ６０は６μｍの光を透過し、Ａｓ４０Ｓｅ６０は１０μｍの光を透過する。即ち、光学デバイス１０は、広い波長範囲で利用可能である。
【００２１】
本実施例の光学デバイス１０は、室温で高電界を印加することにより、２次非線形効果を一時的に発現し、２次非線形効果に応じた電気光学効果も発現する。例えば、電圧源２２が、信号電圧を重畳された直流電圧に電極１８，２０間に印加した状態で、光ファイバ１２のコア１４に直線偏波の信号光を入射する。信号光の光位相が、電極１８，２０間の電界に応じた電気光学効果により変調される。
【００２２】
光学デバイス１０はまた、より高い温度、例えば、２００°Ｃ以上でのポーリングにより、永続的な２次非線形効果を発現し得る。例えば、電極１８，２０間に直流の高電圧を印加した状態で、光ファイバ１２のコア１４にハイパワーのレーザ光を入射するか、又は、光ファイバ１２の横からハイパワーの可視光を入射するといった方法がある。Ａｓ２Ｓｅ３材料のバンドギャップエネルギーは、通信波長帯１．５５μｍのフォトンエネルギーの２倍程度、あるので、短波長側で吸収が高い。そのため、シリカファイバのように紫外（ＵＶ）光を補助的に使用する必要が無い。
【００２３】
なお、電極１８，２０とは別に、電界印加用の電極を用意し、ポーリング後に電極１８，２０をポーリングした光ファイバ１２に接着しても良いことはいうまでもない。
【００２４】
図４は、試作した光学デバイス１０の複屈折特性を示す。横軸は印加電圧を示し、縦軸は、複屈折の位相差を任意目盛で示す。コア１４及びクラッド１６は、上述の通りＡｓ４０−ｘＳｅ６０＋ｘからなる。コア径（Ｄａ）は６μｍであり、クラッド１６の外径（Ｄｂ）は１７０μｍである。クラッド１６の外側にアクリレートの被覆があり、その被覆の外側に電極１８，２０を配置してある。位相差が印加電界の二乗で変化することから、電気光学係数ｒが印加電界により発生したものと思われる。バイアス直流電圧に信号を重畳することで、光ファイバ１２を伝搬する光を変調できる。
【００２５】
図４に示す特性では、例えば、５００Ｖ以上の直流電圧に信号電圧を重畳することで、入射光の光位相を変調する素子として利用できる。
【００２６】
例えば、マッハツェンダ干渉計の一方のアーム上に光学デバイス１０を配置し、電極１８，２０間に印加する電圧を変化させることで、光を変調又はスイッチングすることが可能になる。マッハツェンダ干渉計の一方のアーム上に位相変調器を配置する光変調器及び光スイッチは公知であり、このような用途の位相変調器として光学デバイス１０を利用できる。
【００２７】
また、複屈折性を利用することで、光スイッチング、偏波変調、及び、直線偏波／円偏波の変換等に利用できる。
【００２８】
コア１４又はクラッド１６として利用可能な材料は、Ａｓ−Ｓｅ化合物以外に、一般的には、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内の何れか１つと、Ａｓ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｂの内の何れか１つとを含む化合物である。これらの何れの組み合わせも、近赤外以上で低損失であり、３次非線形成分が大きいので、ポーリングによって、大きな２次非線形効果を出現させることができる。
【００２９】
具体的には、Ａｓ４０Ｓ６０，Ａｓ４０Ｓ５０Ｓｅ１０，Ａｓ４０Ｓ４０Ｓｅ２０，Ａｓ４０Ｓ３０Ｓｅ３０，Ａｓ４０Ｓ２０Ｓｅ４０，Ａｓ４０Ｓ１０Ｓｅ５０，ＡＳ４０Ｓｅ６０が、光ファイバ１２の構成材料として利用可能である。これらは、一般的には、Ａｓ４０Ｓ（６０-ｘ）Ｓｅｘと表記できる。但し。０≦ｘ≦６０である。
【００３０】
Ａｓ−Ｓ化合物の場合、Ａｓ４０-ｙＳ６０-ｙ（但し、−１０＜ｙ＜１０）が、利用可能である。
【００３１】
Ｇｅ３０Ａｓ１０Ｓｅ３０Ｔｅ３０，Ｇｅ１５Ａｓ３５Ｓｅ１５Ｔｅ３５，Ｇｅ１５Ａｓ３５Ｓｅ１０Ｔｅ４０，Ｇｅ１５Ａｓ３５Ｓｅ５０-ｘＴｅｘも利用可能である。
【００３２】
Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．７５，Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．６５Ｔｅ０．１０，Ｇｅ０．２８Ｓｅ０．６０Ｔｅ０．１２，Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．７５-ｘＴｅｘ，Ｇｅ０．２８Ｓｅ０．６０Ｔｅ０．１２，Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓｅ５５も利用可能である。
【００３３】
これらの利用可能な材料を一般的に表現すると、ＡｓｘＧｅｙＧａｚＳｂｖＩｎｗＳｐＳｅｑＴｅｒとなる。但し、ｘ，ｙ，ｚ，ｖ，ｗ，ｐ，ｑ，ｒは、
ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｖ＋ｗ＋ｐ＋ｑ＋ｒ＝１００
２０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｖ＋ｗ＜５５
を満たす。
【００３４】
Ｂｉ２Ｏ３はシリカ系ガラスよりも１桁大きい３次非線形係数χ（３）を具備し、遠赤外領域で透明である。従って、Ｂｉ２Ｏ３を光ファイバ１２の構成材料として利用可能である。
【実施例１】
【００３５】
光ファイバ１２の外形状に沿って電極１８，２０を光ファイバ１２に接着する実施例を説明したが、図５に示す側面図として示すように、光ファイバ１２の側面を部分的に平らに研磨し、その平面に電極１８ａ，２０ａを接着した光学デバイス１０ａとしてもよい。光ファイバ１２の側面を研磨する手間が増えるが、コア１４に印加される電界が増すという利点がある。
【実施例２】
【００３６】
図１及び図５に示す実施例に対し、光ファイバ１２の光軸を中心に４５°回転した電極対を追加することで、光偏波制御装置を実現できる。図６は、そのように構成した光学デバイスの斜視図を示す。
【００３７】
図６に示す光学デバイス１０ｂでは、電極３０，３２が光ファイバ１２の光軸を間に挟んで光ファイバ１２の外周面上に接着され、更に、光ファイバの軸方向にずれて、電極３４，３６が、光ファイバ１２の光軸を間に挟んで光ファイバ１２の外周面上に接着されている。電極３４，３６は、電極３０，３２に対して、光ファイバ１２の光軸を中心に４５°回転した位置に配置される。電圧源３８が電極３０，３２間に電圧を印加し、電圧源４０が電極３４，３６間に電圧を印加する。図６には、電極３０，３２による電界と電極３４，３６による電界を図示してある。電極３４，３６からなる電極対が、電極３０，３２からなる電極対に対して、光ファイバ１２の光軸を中心に４５°回転しているので、入射光の偏波は、ポアンカレ球上を自由に移動できる。即ち、光学デバイス１０ｂは、入射光の偏波方向を自在に調節できる。
【実施例３】
【００３８】
本発明により、透過又は反射周波数をチューニング可能なファブリペロー型フィルタを実現できる。図７は、そのフィルタの正面図を示す。ファブリペロー型フィルタとなる図７に示す光学デバイス１０ｃでは、図１に示す実施例の無反射膜２４，２６の代わりに、高反射膜５０，５２を用いている。図１乃至図３に示す実施例と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００３９】
高反射膜５０，５２間の距離をＬ、光ファイバ１２の実効屈折率をｎとすると、このファブリペロー型フィルタの自由スペクトルレンジＦＳＲ（Free Spectral Range）は、
ｃ／（２ｎＬ）
で与えられる。ｃは光速である。
【００４０】
電極１８，２０間に印加する電圧を変更することで、光ファイバ１２の実効屈折率ｎが変化する。実効屈折率の変化をΔｎとすると、半波長（λ／２）となるΔｎＬが得られれば、ＦＳＲの周期内で共振波長、即ち、透過ピーク波長をチューニングできる。
【実施例４】
【００４１】
図１乃至図３に示す光学デバイス１０を使って、電磁波を検出できる。図８は、電磁波検出装置の実施例の概略構成図を示す。ここでは、図１に示す構成の光学デバイス１０を複屈折媒体として動作させる。
【００４２】
プローブ光源６０は、直線偏波のレーザ光を出力する。レーザ光源６０から出力されるプローブ光は、偏光子６２を介して光学デバイス１０に入力する。偏光子６２は、好ましくは、電極１８，２０による電界方向に対して４５°回転した方向に配置される。光学デバイス１０から出力されるプローブ光は、検光子６４を介して、受光器６６に入射する。受光器６６は、検光子６４を透過したプローブ光の強度に応じた振幅の電気信号を出力する。電圧源２２は、プローブ光の入射時に、光学デバイス１０に複屈折性をもたらすほどに十分に高い直流電圧を電極１８，２０間に印加する。
【００４３】
計測対象の電磁波６８は、チャッパ７０により断続されて、光ファイバ１２にその側面から入射する。駆動回路７２がチョッパ７０を回転駆動する。駆動回路７２からチョッパ７０に印加される駆動信号が、ロックインアンプ７４にも印加される。ロックインアンプ７４は、駆動回路７２からの駆動信号に同期して、受光器６６の出力電気信号を増幅する。ロックインアンプ７４の出力は、解析装置７６に印加される。解析装置７６は、ロックインアンプ７４の出力値から、電磁波６８の強度を示す値を画像表示装置の画面に表示し、又は、印刷装置により印刷出力する。
【００４４】
この実施例では、電磁波６８の入射により、光ファイバ１２の複屈折特性が変化し、その結果、光学デバイス１０から出力されるプローブ光の偏光方向が変化する。偏光方向の変化により、受光器６６に入射するプローブ光の光量が変化し、解析装置７６は、このプローブ光の光量変化を解析することで、電磁波６８の強度を計測する。
【実施例５】
【００４５】
図７に示す光学デバイス１０ｃを使っても、電磁波を検出できる。図９は、光学デバイス１０ｃを使用する電磁波検出装置の実施例の概略構成図を示す。ここでは、図７に示す構成の光学デバイス１０ｃの共振周波数が、外部入力される電磁波により変化することを利用する。
【００４６】
プローブ光源８０は直線偏光のレーザ光であるプローブ光を発生する。プローブ光は、電極１８，２０による電界方向に平行な方向又は直交する偏波方向で光学デバイス１０ｃに入力する。光学デバイス１０ｃから出力されるプローブ光は、受光器８６に入射する。受光器８６は、光学デバイス１０ｃからのプローブ光の強度に応じた振幅の電気信号を出力する。電圧源２２は、プローブ光の入射時に、光学デバイス１０ｃに電気光学効果をもたらすほどに十分に高い直流電圧を電極１８，２０間に印加する。
【００４７】
計測対象の電磁波８８は、チャッパ９０により断続されて、光学デバイス１０ｃにその側面から入射する。駆動回路９２がチョッパ９０を回転駆動する。駆動回路９２からチョッパ９０に印加される駆動信号が、同期信号として同期検出装置９４にも印加される。同期検出装置９４は、駆動回路９２からの同期信号に同期して、受光器８６の出力信号の振幅を検出する。電磁波８８の強度と受光器８６の出力電気信号の振幅との関係を予め計測しておくことで、電磁波８８の強度を計測可能になる。
【００４８】
この実施例では、電磁波８８の入射により光ファイバ１２の屈折率が変化し、その結果、光学デバイス１０ｃの共振周波数が変化し、プローブ光に対する透過率が変化する。透過率の変化が、受光器８６に入射するプローブ光の光量を変化させ、受光器８６の出力電気信号の振幅を変化させる。結局、本実施例は、入射する電磁波８８による光ファイバ１２の透過率の変化を計測する。
【００４９】
以上の説明では、光ファイバ形状の光学デバイス１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃでは、他の光ファイバとの接続が容易である。勿論、光ファイバ形状でなく、平面導波路形状であっても、同様の作用効果を得られることは明らかである。また、単結晶でないので、形状に制約が無く、従ってまた、配置上の制約が少ない。
【００５０】
特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施例の斜視図である。
【図２】本実施例の側面図である。
【図３】本実施例の正面図である。
【図４】本実施例の特性図である。
【図５】変更実施例の側面図である。
【図６】更に別の変更実施例の正面図である。
【図７】ファブリペロー型フィルタを実現する実施例の正面図である。
【図８】電磁波を検出する実施例の概略構成図である。
【図９】電磁波を検出する別の実施例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：光学デバイス
１２：光ファイバ
１４：コア
１６：クラッド
１８，２０：電極
１８ａ，２０ａ：電極
２２：電圧源
２４，２６：無反射膜
３０，３２，３４：電極
３６，３８：電圧源
５０，５２：高反射膜
６０：プローブ光源
６２：偏光子
６４：検光子
６６：受光器
６８：計測対象の電磁波
７０：チャッパ
７２：駆動回路
７４：ロックインアンプ
７６：解析装置
８０：プローブ光源
８６：受光器
８８：計測対象の電磁波
９０：チャッパ
９２：駆動回路
９４：同期検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア（１４）及びクラッド（１６）を有する光導波路（１２）と、
当該コア（１４）を挟んで配置される第１及び第２の電極（１８，２０）と、
当該第１及び第２の電極（１８，２０）に電圧を印加する第１の電圧源（２２）
とを具備する光学デバイスであって、
当該コア（１４）及びクラッド（１６）が共にカルコゲンを含む
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
当該コア（１４）及びクラッド（１６）が共に、更にＡｓ（ヒ素）を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
当該コア（１４）及びクラッド（１６）が共に、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内の何れか１つと、Ａｓ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｂの内の何れか１つとを含む化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】
当該光導波路が光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
更に、当該光導波路の両端面に無反射膜（２４，２６）を具備することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項６】
更に、当該光導波路の両端面に反射膜（５０，５２）を具備することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
更に、当該導波路の光軸を中心に、当該第１及び第２の電極とは所定角度、回転した方向に電界を印加する第３及び第４の電極（３４，３６）と、当該第３及び第４の電極間に電圧を印加する第２の電圧源（４０）とを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項１】
コア（１４）及びクラッド（１６）を有する光導波路（１２）と、
当該コア（１４）を挟んで配置される第１及び第２の電極（１８，２０）と、
当該第１及び第２の電極（１８，２０）に電圧を印加する第１の電圧源（２２）
とを具備する光学デバイスであって、
当該コア（１４）及びクラッド（１６）が共にカルコゲンを含む
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
当該コア（１４）及びクラッド（１６）が共に、更にＡｓ（ヒ素）を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
当該コア（１４）及びクラッド（１６）が共に、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内の何れか１つと、Ａｓ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｂの内の何れか１つとを含む化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】
当該光導波路が光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
更に、当該光導波路の両端面に無反射膜（２４，２６）を具備することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項６】
更に、当該光導波路の両端面に反射膜（５０，５２）を具備することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
更に、当該導波路の光軸を中心に、当該第１及び第２の電極とは所定角度、回転した方向に電界を印加する第３及び第４の電極（３４，３６）と、当該第３及び第４の電極間に電圧を印加する第２の電圧源（４０）とを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２２６０７２（Ｐ２００７−２２６０７２Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４９５１３（Ｐ２００６−４９５１３）
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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