專利名稱：使用偏振可變元件的光器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用電光元件、小型且可低電壓驅動的透射光強度可變的光器件。
背最基術作為利用電光元件的克爾效應(Kerr effect)的光器件，使用PLZT作為電光元件的、非專利文獻1(セラミックス(ceramics)第26號(1991)No.2 139P-143P)中記載的光閘(optical shutter)已經眾所周知，古內化學株式會社正在銷售原理與上述相同的“PLZT高速光閘”。在圖1中說明光閘的概略。具有用起偏器(polarizer)11和檢偏器(analyzer)12夾著電光元件8的結構，所述電光元件8，在光線10照射區域反復配置電極82-PLZT81-電極82的結構。起偏器11和檢偏器12各自的透射偏振光成90°的角度地配置，電光元件8的電極方向與起偏器11或檢偏器12成45°地配置。
以下，說明如上所述的結構的器件作為光閘發揮作用的原理。具有克爾效應的PLZT，在不施加電壓時為各向同性的晶體(crystal)，不具有雙折射性。因此，在不外加電壓的狀態下，透過起偏器11的線偏振光，由于在由PLZT構成的電光元件8不受到偏振光的變化，不能透過檢偏器12，因而成為OFF狀態。而當具有克爾效應的PLZT元件外加電壓時，在電場方向及與其垂直的方向產生雙折射。因此，如果施加電場方向及與其垂直的方向的偏振光成分(component)的相位差為180°那樣的電壓(半波長電壓)，就會使得透過起偏器11的線偏振光旋轉90°，從而能夠透過檢偏器12。其變成ON狀態。如上所述，通過使半波長電壓為ON/OFF，能夠實現光的ON/OFF。
在本產品中，通過在光線的照射區域中反復配置多個電極82-PLZT81-電極82的結構，與一對的電極82-PLZT81-電極82的結構相比，能夠減小電極間距離，使驅動電壓減小到接近70V。
另外，在日本特開2000-85183的激光記錄裝置中，在光閘部分中，與“PLZT高速光閘”同樣地采用起偏器11、由PLZT構成的電光元件8以及檢偏器12的結構。圖2表示概略圖。在此，通過在電光元件8的前級配置聚光透鏡7、在聚光透鏡7的焦點位置配置電光元件8，能夠使夾著PLZT的平行電極82的電極間距離減小，不增大損失地實現了驅動電壓的低電壓化。
發明內容
在上述“PLZT高速光閘”中，為了實現驅動電壓的低電壓化，在光線照射部設置電極82，在產生由電極82引起的散射、反射、衍射，施加了半波長電壓的ON狀態中，透射損失也將增大。另外，如上述那樣的起偏器11-電光元件8-檢偏器12的結構的器件，也存在部件件數多、難以小型化的缺點。在上述激光記錄裝置中，與“PLZT高速光閘”相比較，透射損失變小，但在增加了聚光透鏡7和準直(collimate)地返回的透鏡6后，部件件數進一步增多，小型化和低成本化成為課題。
最近，隨著活躍的技術開發，在光通信領域已經取得了實現傳送容量的擴大、靈活的聯網功能(flexible networking function)等驚人的進步。另一方面，對在傳送裝置內使用的光器件的要求也逐年嚴格起來。應用PLZT的光器件，由于高速的響應性等，適用于光通信設備的優點不少，但在如上述那樣的現有技術中，透射損失大、部件件數多，因此，除設備尺寸大、成本高等缺點外，驅動電壓仍然很大也將成為課題。
本發明鑒于如上所述的實際情況，通過謀求光器件的光學結構和PLZT元件部的改良，不損害透射損失特性地實現光器件的小型化、驅動電壓的降低。
為了解決上述課題，本發明的透射強度可變的光器件具有反射結構，能夠在往路、復路利用元件，因此，能夠實現由部件件數約減少一半而帶來的小型化、低成本化。進而，通過施加由電壓產生的外部信號，在聚光透鏡的焦點附近設置作為透射光的偏振狀態變化的偏振可變元件發揮作用的電光元件。電光元件具有電極間距離越接近聚光部越小的對置電極結構，因此，能夠減小電極間距離，能夠實現低電壓化。
上述光器件，包括由雙芯套管固定的輸入光纖和輸出光纖；聚光透鏡；反射光的反射元件；設置在上述聚光透鏡的焦點附近的偏振可變元件，透射由上述聚光透鏡會聚的光，并且，根據外部輸入信號使其透射光的偏振為可變，并且，還包括由平行平板的雙折射晶體構成的偏振分離元件，透射從上述輸入光纖出射的光，并且，對其透射光進行偏振分離；偏振變換元件，透射從上述偏振分離元件出射的光，并且，改變其透射光的偏振；對從上述偏振變換元件出射的光進行準直的透鏡；以及聚光透鏡，僅對從上述透鏡出射的準直光的波面內的成分中、與連接輸入光纖的中心和輸出光纖的中心的線垂直的成分進行會聚；上述偏振可變元件設置在上述透鏡的焦點附近。
以下，說明使用僅會聚一個成分的聚光透鏡作為聚光透鏡的理由。使用由雙芯套管固定的輸入輸出光纖的反射式光器件，用準直透鏡對從輸入光纖輸出的光進行準直，當準直光由反射元件反射后，再次輸入到上述準直透鏡，輸入到設置在與輸入光纖不同位置的輸出光纖。在這種反射式光器件的系統中，除準直透鏡外還插入1個聚光透鏡時，為了不產生損失，需要在聚光透鏡的焦點配置反射元件。但是，根據透鏡的性質，通過聚光部的輸出角度(反射角度)的變位，反射光再次由準直透鏡會聚的位置幾乎不變位。即，即使調整反射元件的角度，輸入輸出也為相同的光纖。因此，如背景技術所示的激光記錄裝置那樣，作為聚光透鏡而使用球形透鏡那樣的全方位均等進行會聚的透鏡時，不能輸出到與輸入光纖不同位置的輸出光纖。而當使用僅會聚一個方向的聚光透鏡作為聚光透鏡時，在反射元件上僅會聚與連接輸入輸出光纖的中心的方向垂直的成分，與其平行的成分可以在準直的狀態下進行反射。與連接輸入輸出光纖的中心的方向平行的成分，通過調整反射元件的角度，可以輸出到與輸入光纖不同的位置成分。這意味著通過使用僅會聚一個方向的聚光透鏡，即使在使用聚光透鏡的情況下雙芯式反射器件也能夠實現。
通過上述分析，使“反射結構”帶來的小型化、低成本化和“會聚”帶來的低電壓化并存。
進而，作為另一種光器件的方式，也可以使用楔形雙折射晶體，以取代上述平行平板的雙折射晶體。
另外，作為另一種光器件的方式，也可以兼用聚光透鏡和準直透鏡。兼用聚光透鏡和準直透鏡，是指焦點只是輸入輸出光纖的端面，即具有在輸入輸出光纖的端面附近設置偏振可變元件的結構。
另外，作為另一種方式，在由輸入輸出光纖、準直透鏡、僅會聚一個方向的透鏡、以及反射元件構成的反射系統中，還可以采用兩個焦點，即，在反射元件和輸入輸出光纖的端面附近配置兩個偏振可變元件。
在上述光器件中，具有偏振可變元件被配置在焦點附近這樣的特征，因此，能夠根據被會聚的光線的形狀，使偏振可變元件的電極形成其電極間距離越接近焦點越窄、越遠離越寬的形狀。因此，比需要符合最寬的光線寬度地設定的平行電極時更能實現低電壓化。上述結構，除通過“反射結構”和“會聚”的組合得到的小型化、低成本化、低電壓化的優點外，還增加了更加低電壓化的價值。
本發明所記載的“焦點附近”，是指距焦點±1mm以內的范圍。
如上所述，根據本發明，可變光衰減器、光閘、光調制器這樣的透射光強度可變光器件，不使透射損失特征變差地實現比現有的結構更加小型化、低電壓驅動。
圖1是與光路一起表示作為現有技術的一種方式的光閘結構的概略圖。
圖2是與光路一起表示作為現有技術的另一種方式的光閘結構的概略圖。
圖3是表示作為本發明的第一實施方式的光器件的結構的俯視圖。
圖4是表示作為本發明的第一實施方式的光器件的結構的側視圖。
圖5是表示本實施方式的偏振可變元件的一種實施方式的圖。
圖6是表示本實施方式的偏振可變元件的相位差(degree)相對于外加電壓(V)的關系的圖。
圖7是表示本實施方式的偏振可變元件的另一個實施方式的圖。
圖8是表示本實施方式的偏振可變元件的另一個實施方式的圖。
圖9是表示使本實施方式的光器件為ON后的、透射光線的偏振狀態的原理說明圖。
圖10是表示使本實施方式的光器件為OFF后的、透射光線的偏振狀態的原理說明圖。
圖11是表示本實施方式的光器件的透射強度(dB)相對于外加電壓(V)的圖。
圖12是表示作為本發明的第二實施方式的光器件的結構的俯視圖。
圖13是表示作為本發明的第二實施方式的光器件的結構的側視圖。
圖14是表示本發明的第二實施方式的類似方式的光器件結構的俯視圖。
圖15是表示本發明的第二實施方式的類似方式的光器件結構的側視圖。
圖16是表示作為本發明的第三實施方式的光器件的結構的俯視圖。
圖17是表示作為本發明的第三實施方式的光器件的結構的側視圖。
圖18是表示作為本發明的第四實施方式的光器件的結構的俯視圖。
圖19是表示作為本發明的第四實施方式的光器件的結構的側視圖。
具體實施例方式
以下，根據
本發明的實施方式。
圖3、圖4是表示本發明的光器件的第一實施方式的結構圖。圖3是從上面觀察器件的剖視圖，圖4是從側面觀察的剖視圖。由用雙芯套管(duplex ferrule)3固定的輸入光纖(fiber)1和輸出光纖2、作為偏振分離元件發揮作用的平行平板式雙折射性晶體元件41、作為偏振變換元件5發揮動作的λ/4板、作為準直透鏡6發揮作用的非球面透鏡、作為僅使一個方向會聚的聚光透鏡7發揮作用的圓柱形透鏡(cylindrical lens)、由被一對電極82夾著的PLZT81構成的作為偏振可變元件發揮作用的電光元件8、以及被蒸鍍到PLZT的作為反射元件發揮作用的全反射膜9構成。作為平行平板式雙折射性晶體元件41的材料使用金紅石(rutile)，作為λ/4板的材料使用水晶，但只要是具有相同功能的元件就不用限定材料。在本實施例中，作為偏振可變元件，使用被一對電極82夾著的PLZT81，但只要是能使偏振可變的元件就限定于PLZT或電光元件。另外，使用的非球面透鏡、聚光透鏡也可以用GRIN透鏡等進行替換。
首先，說明由電光元件8構成的偏振可變元件的動作，所述電光元件8由被一對電極82夾著的PLZT81構成。
作為偏振可變元件，優選的是，在使用PLZT時作為二次電光效應的克爾效應大。大的克爾效應是指克爾常數為1×10-16(m/V)2以上。用(Pb1-x、Lax)(Zry、Tiz)1-x/4O3表示的PLZT的組成中，(x，y，z)＝(9、65、35)左右成為適合的組成。在克爾效應大的PLZT中，通過在電壓外加方向及與其垂直的方向產生相位差，能夠具有使偏振可變的功能。詳細情況將在后面說明，但為了使光器件的透射光強度從最大變化到最小，相位差至少需要從0°變化到180°。
=180λ×L×12×n3×R×(Vd)2]]>圖5表示由電光元件8構成的偏振可變元件的實施例。PLZT81成為被互相平行的電極81夾著的結構。當入射光線波長為λ、外加電壓為V、PLZT的折射率為n、PLZT的克爾常數為R、電極間距離為d、PLZT元件長度為L時，PLZT元件透射前后的與電場平行的偏振光成分和與其垂直的偏振光成分間的相位差能夠如下述那樣地表示。
λ＝1.55μm、n＝2.5、R＝8×10-16(m/V)2圖6表示電極間距離d為60μm、PLZT元件長度L為0.8mm時，與電場平行的偏振光成分和與其垂直的偏振光成分間的相位差與外加電壓的關系。相位差180°的半波長電壓為24V左右。
圖7是表示另一個方式的偏振可變元件的實施例的結構圖。電極81由八字形的電光元件8構成，焦點附近電極間距離窄，距焦點越遠電極間距離越寬。取寬口部d1為60μm、窄口部d2為30μm、PLZT元件長度L為1mm時，與圖5的實施方式相比，能夠利用電極結構有效地對光線施加電場，因此，能夠使半波長電壓減小到接近16V。
圖8是表示另一個方式的實施例的結構圖。形成將電極82做成臺階形狀來改變電極間距離的結構。低電壓效果基于臺階數量，如圖8所示，作為3階結構取寬口部d1為60μm、中間部d2為40μm、窄口部d3為30μm時，半波長電壓變為接近17V，可實現與圖7的實施例大致相等的低電壓化。
接著，使用圖3、圖4、圖9、圖10，說明使用上述可變偏振元件的光器件的第一實施方式中、從輸入光纖1至輸出光纖2的光路和透射光強度可變的原理。從輸入光纖1出射的光線，入射到由金紅石構成的平行平板式雙折射性晶體元件41，偏振分離成在x方向振動的線偏振光A(普通光)、和在y方向振動的線偏振光B(異常光)。偏振分離后的兩條光線，透射作為偏振變換元件5發揮作用的由水晶構成的λ/4板，轉換成互相反轉的圓形偏振光。通過作為準直透鏡6發揮作用的非球面透鏡，兩條光線成為不同出射角度的準直光，入射到作為聚光透鏡7發揮作用的圓柱形透鏡。從圓柱形透鏡出射的兩條光線A、B，僅被會聚與偏振分離方向垂直的成分(圖4的x方向)，入射到由被電極82夾著的PLZT82構成的電光元件8。電光元件8是圖5、圖7和圖8所示的任意一中結構，對一面施加反射防止膜(AR涂層)，對其反面施加高反射膜(HR涂層)。因此，從AR涂層面入射到電光元件8的光線，在HR涂層面9被反射，往返于電光元件8，再從AR涂層面出射。也可以施加AR涂層以取代HR涂層，靠近地配置另一個HR元件。從PLZT元件8出射的兩條光線，根據外加在電光元件8的電壓使偏振狀態變化。兩條光線在被作為聚光透鏡7發揮作用的圓柱形透鏡恢復成準直光后，再次透射作為準直透鏡6發揮作用的非球面透鏡、平行平板式雙折射性晶體元件41，由此，平行平板式雙折射性晶體元件41的光線A中的異常光成分(A1)和光線B中的普通光成分(B2)，在與輸入光纖1距離250μm的位置向由雙芯套管3固定的輸出光纖2進行會聚。
接著，使用圖9說明不施加電壓時的光線的偏振狀態的動作。在未施加電壓的狀態下，PLZT81不具有雙折射性，因此輸入輸出光的偏振狀態不變化。因此，透射了λ/4板的光線A、B透射了電光元件8后，也按相同的圓形偏振光那樣再次透射λ/4板，光線A轉換成y方向的線偏振光，光線B轉換成x方向的線偏振光。作為y方向的線偏振光的光線A在平行平板式雙折射性晶體元件41中受到異常光折射(A1)，作為x方向的線偏振光的光線B受到普通光折射(B2)。因此，通過在圖3所示的位置設置輸出光纖2，任何光線都能夠耦合，因此，可以大體無損失地耦合。
接著，在圖10中說明施加了半波長電壓時的光線的偏振狀態的動作。透射了λ/4板的圓形偏振光A、B，通過往返于電光元件8，x方向與y方向的成分產生180°的相位差，因此變成與輸入時反轉的圓形偏振光。當從電光元件8出射的光線透射λ/4板時，光線A轉換成x方向的線偏振光，光線B轉換成y方向的線偏振光。作為x方向的線偏振光的光線A，在平行平板式雙折射性晶體元件41中受到普通光折射(A2)，作為y方向的線偏振光的光線B受到異常光折射(B1)。如圖3所示，輸出光纖2被設置在耦合A1和B2的位置，因此，光線A2、光線B1均不耦合。因此，在施加半波長電壓時變成不輸出光線的OFF狀態。
外加電壓為0V和半波長電壓之間時，根據外加電壓，作為耦合成分的光線A1與非耦合成分的光線A2的強度比、和作為耦合成分的光線B2與作為非耦合成分的光線B1的強度比發生變化，因此，能夠改變對光線的輸出光纖2的透射量。圖11表示對本實施例的光器件施加電壓時的透射光量的變化。電光元件8采用PLZT和電極如圖7那樣的結構，取PLZT長度L為0.8mm、窄口部的電極間距離d1為30μm、寬口部d2為60μm。由于光線往返于電光元件，因而半波電壓降低到12V。在半波長電壓中透射光量變成最小，因此，通過在0～12V內自由地改變電壓，本實施例的光器件可作為可變光衰減器發揮作用。由于能夠自由地控制透射率，因此，可作為輸出波形發生器使用。另外，通過使12V的電壓為ON/OFF，也可作為光閘發揮作用。進而，還能夠用0～12V中合適的電壓，反復進行ON/OFF形成信號，由此作為光強度調制器發揮作用。
另外，作為偏振變換元件5，也可以通過使用λ/2板以取代λ/4板，具有如0V時透射光強度最小，透射光強度按照施加電壓變大那樣的、電壓-透射光強度特性。
圖12、圖13表示本發明的第二實施方式。圖12是從上面觀察器件的剖視圖，圖13是從側面觀察的剖視圖。代替用平行平板式雙折射性晶體元件進行偏振分離，而用楔式雙折射性晶體元件42來進行。在本實施例中，電光元件8形成了圖7所示的實施例的形狀，但也可以用圖5、圖8所示的實施例來實現。楔式雙折射性晶體元件42的配置與平行平板式雙折射性晶體元件時的不同，變成在由圓柱形透鏡構成的聚光透鏡7和電光元件8之間。上述實施例，具有0V時衰減量最大的特性，但如圖14、圖15所示，通過在楔式雙折射性晶體元件42和電光元件8之間插入如45度旋轉的法拉第轉子、λ/4板那樣的偏振變換元件5，可以具有0V時衰減量為最小的特性。
進而，圖16、圖17表示第三實施方式。圖16是從上面觀察器件的剖視圖，圖17是從側面觀察的剖視圖。
通過在作為準直透鏡6發揮作用的非球面透鏡的焦點位置，即輸入光纖1、輸出光纖2的端面(end face)附近設置電光元件8，帶來如下特征兼用聚光透鏡和準直透鏡，減少了部件件數。為了不產生損失，需要使準直透鏡6的焦點成為光纖端面，還需要在光纖端面和電光元件8之間插入平行平板式雙折射性晶體元件41和由λ/4板構成的偏振變換元件5。因此，在與還具有聚光透鏡功能的準直透鏡6的焦點位置分離的位置配置電光元件8，由此，電極間距離相對地變大，對低電壓化略微不利。但是，在部件件數少、結構簡單上是有利的，成為對低成本化有效的結構。
另外，作為第四實施方式，如圖18、圖19所示，也可以是圖3(或圖4)和圖16(或圖17)所示的實施例的復合系統。在本實施例中，電光元件8的有效長度約為圖3(或圖4)、圖16(或圖17)的2倍，因此，低電壓化的效果變成1/左右。由于電光元件8的數量變為2個，成為成本增加的主要原因，但卻是對低電壓化有效的結構。
與上述圖3(或圖4)所示的實施例相同，圖12～圖19所示的光器件中，也能夠利用電壓的施加方法，作為可變光衰減器、光閘、光調制器發揮作用。
另外，在上述圖3、圖4、圖12～圖19所示的光器件的實施例中，作為準直透鏡6發揮作用的非球面透鏡的焦距為6mm，作為聚光透鏡7發揮作用的圓柱形透鏡的焦距為4mm。另外，由PLZT構成的電光元件8，使用圖5、圖7、圖8中的任意一個實施例所示的元件。輸入光纖1、輸出光纖2都是單模光纖，但也可為多模光纖、偏振保持光纖。
本發明不限于上述實施方式，可以基于不超出發明主旨的范圍內的變形來實施。
<工業上的可利用性>
根據本發明，能夠實現可變光衰減器、光閘、光調制器，因此，可作為光通信設備使用。
權利要求
1.一種光器件，其特征在于，包括由雙芯套管固定的輸入光纖和輸出光纖；聚光透鏡；反射光的反射元件；以及設置在上述聚光透鏡的焦點附近的偏振可變元件，透射用上述聚光透鏡會聚的光，并且，根據外部輸入信號使其透射光的偏振為可變。
2.根據權利要求1所述的光器件，其特征在于上述偏振可變元件是被對置電極夾著的電光元件。
3.根據權利要求1～2中的任意一項所述的光器件，其特征在于還包括由平行平板的雙折射晶體構成的偏振分離元件，透射從上述輸入光纖出射的光，并且，對其透射光進行偏振分離；偏振變換元件，透射從上述偏振分離元件出射的光，并且，改變其透射光的偏振；對從上述偏振變換元件出射的光進行準直的透鏡；聚光透鏡，僅對從上述透鏡出射的準直光的波面內的成分中、與連接輸入光纖的中心和輸出光纖的中心的線垂直的成分進行會聚；上述偏振可變元件；以及上述反射元件；上述偏振可變元件設置在上述聚光透鏡的焦點附近。
4.根據權利要求1～2中的任意一項所述的光器件，其特征在于還包括對從上述輸入光纖出射的光進行準直的透鏡；聚光透鏡，僅對從上述透鏡出射的準直光的波面內的成分中、與連接輸入光纖的中心和輸出光纖的中心的線垂直的成分進行會聚；由楔形雙折射晶體構成的偏振分離元件，透射從上述聚光透鏡出射的光，并且，對其透射光進行偏振分離；上述偏振可變元件；上述反射元件；上述偏振可變元件設置在上述聚光透鏡的焦點附近。
5.根據權利要求1～2中的任意一項所述的光器件，其特征在于上述光器件是透射光強度可變的光器件，還包括由平行平板的雙折射晶體構成的偏振分離元件，透射從上述輸入光纖出射的光，并且，對其透射光進行偏振分離；偏振變換元件，透射從上述偏振分離元件出射的光，并且，改變其透射光的偏振；上述偏振可變元件；對從上述偏振可變元件出射的光進行準直的透鏡；以及上述反射元件；上述偏振可變元件設置在上述透鏡的焦點附近。
6.根據權利要求1～2中的任意一項所述的光器件，其特征在于還包括由平行平板的雙折射晶體構成的偏振分離元件，透射從上述輸入光纖出射的光，并且，對其透射光進行偏振分離；偏振變換元件，透射從上述偏振分離元件出射的光，并且，改變其透射光的偏振；第一偏振可變元件；對從上述第一偏振可變元件出射的光進行準直的透鏡；聚光透鏡，僅對從上述透鏡出射的準直光的波面內的成分中、與連接輸入光纖的中心和輸出光纖的中心的線垂直的成分進行會聚；以及第二偏振可變元件；上述第一偏振可變元件設置在上述透鏡的焦點附近，上述第二偏振可變元件設置在上述聚光透鏡的焦點附近。
7.根據權利要求1～6中的任意一項所述的光器件，其特征在于在上述偏振可變元件中，上述對置電極的電極間距離不恒定，在光的焦點附近最小。
全文摘要
本發明提供一種使用偏振可變元件的光器件，由于具有高速的響應性等，因而工業上的利用價值很大。在現有技術中，存在部件件數多、成本高、器件尺寸大、驅動電壓大等問題，使用部件件數的減少、器件的小型化、驅動電壓的降低成為課題。本發明的光器件包括由用雙芯套管3固定的輸入光纖(1)和輸出光纖(2)、準直透鏡(6)、以及反射光的反射元件(9)構成的反射結構，并且，還包括作為聚光透鏡(7)發揮作用的圓柱形透鏡和電光元件(8)，上述電光元件(8)設置在上述聚光透鏡(7)的焦點附近。上述電光元件(8)的電極，電極間距離越接近聚光部越小。
文檔編號G02F1/03GK1961243SQ200580017129
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月16日 優先權日2004年5月28日
發明者長枝浩, 志賀代康 申請人:株式會社垂馬提茲