CN1799001A - 可变波长光学过滤器 - Google Patents

Abstract

涉及本发明的可变波长光学过滤器(1)具有：由具有立方结晶结构、呈现2次电光效应的电介质结晶形成的光透过性的电介质结晶部(2)；与所述电介质结晶部一同构成法布里－配洛标准具的反射镜部(5，6)；以及通过电光效应为为使该标准具的透过光的波长变化用于在电介质结晶部上施加电压的电极(3，4)。根据该结构，因为使用具有立方结晶结构、呈现2次电光效应的电介质结晶，所以可以实现高速而且能够以低电压驱动的可变波长光学过滤器。

Description

可变波长光学过滤器

技术领域

本发明涉及光通信、光计测等中使用的可变波长光学过滤器。

背景技术

现在，除光通信系统的大容量化、高速化以及高性能化之外，在将光纤导入到各个家庭等接入系统网络中也在使用光通信。今后更加期待要求网络的高性能，波长的有效利用得到进一步发展。

在密集波分复用(D-WDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)中，通过以极短的波长间隔多路复用不同的多个光，在一个波导路径上传送，谋求增大通信容量。在发送侧，例如，以0.8nm这样极短的间隔在数十nm程度的范围多路复用波长不同的多个光，由此，高密度地发送多个信号。与其对应，在接收侧，通过从这些多个光中只接收具有规定波长的光来取出必要的信号。这样，为从以高密度发送来的信号中只高精度地获得特定的信号，必须使用充分确保透射频带、而且具有和相邻信道的串扰充分小那样的陡峭的谱的光学过滤器。

另外，这样的光学过滤器，不限于从传送波长不同的多个光的网络中只取出具有希望波长的光的场合，在多路复用多个光的场合，在监视具有特定的波长的光的发送状况的场合等，也不能缺少。

迄今，作为可变波长光学过滤器，提出了衍射光栅型过滤器、法布里-配洛标准具型过滤器、干涉型过滤器、以及音响光学型过滤器等。这些过滤器，虽然其原理各异，但是因为都是通过以机械方式使某部分的长度变化、改变对于入射光的角度、改变温度来改变波长，所以基本上其可变速度的界限为0.1～1msec。基于机械变化的过滤器，例如，在Staffan Greek，Ram Gupta，and Klas Hjort，“Mechanical Consideration in the Design of a MicromechanicalTuneable InP-Baser WDM Filter”，JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEM，(USA)，1999，VOL.8，No.3，pp328-334中已有记述。

因此，在上述技术中，存在原理上不能实现下一代光网络要求的光数据包的插·分(add-drop)等中必要的1～10nsec的动作速度的问题。

另一方面，认为使用电介质结晶或者强电介质结晶的电光效应的可变波长光学过滤器是解决上述问题的有效的手段。但是，在使用电光效应的过滤器中，因为其可变波长范围与折射率的变化量成比例，例如对于1500nm的波长，要实现30nm的可变波长频带，需要使材料的折射率变化30/1500亦即2％。现在，因为作为具有电光效应的结晶一般使用的LiNbO₃即使在最大的电光常数下为r₃₃＝31pm/V，所以为实现约2％的折射率变化所需要的电场就为3×10⁹V/m，是不可能实现的。因此，为实现该折射率变化，需要具有更大的电光效应的材料。

鉴于这样的情况，本发明的目的是提供一种这样的可变波长光学过滤器，即它能够在不使施加在电光结晶上的每单位厚度的电压增大而能保证充分的可变波长频带。亦即，本发明的目的，是提供可以以低电压驱动、而且能够在宽广的波长频带使波长变化的可变波长光学过滤器。

本发明的另外的目的，是提供提高了动作速度的可变波长光学过滤器。

本发明的再一目的，是提供通过缩小电极的面积能够减低静电电容的可变波长光学过滤器。

发明内容

为实现上述目的，涉及本发明的第一形态的可变波长光学过滤器具有：由具有立方结晶结构、呈现2次电光效应的电介质结晶形成的光透过性的电介质结晶部；与所述电介质结晶部一同构成法布里-配洛标准具的反射镜部；通过所述电光效应为在要使该标准具的透过光的波长变化的所述电介质结晶部上施加电压的电极。

为实现上述目的，涉及本发明的第二形态的可变波长光学过滤器，所述电极对于所述透过光是透明的透明电极同时邻接所述电介质结晶部配置；所述反射镜部是用电介质多层膜形成的电介质多层膜反射镜部同时邻接该电极配置。

为实现上述目的，涉及本发明的第三形态的可变波长光学过滤器，还具有一个或者一个以上的所述电介质结晶部和所述透明电极。所述电介质结晶部和所述透明电极被交互配置，要夹住通过该交互配置形成的多层体那样地形成所述电介质多层膜反射镜部。

为实现上述目的，在涉及本发明的第四形态的可变波长光学过滤器中，所述电极是用金属形成的金属电极同时邻接电介质结晶部配置，而且兼作所述反射镜部。

为实现上述目的，在涉及本发明的第五形态的可变波长光学过滤器中，所述电极还具有在所述透明电极的表面上涂覆的金属薄膜。

为实现上述目的，在涉及本发明的第六形态的可变波长光学过滤器中，所述电极，仅在实质上所述透过光通过的部分上形成。

为实现上述目的，在涉及本发明的第七形态的可变波长光学过滤器中，所述金属薄膜仅在实质上所述透过光通过的部分上形成。

为实现上述目的，在涉及本发明的第八形态的可变波长光学过滤器中，所述电极，被设置成与透过所述电介质结晶部的光的透过方向正交且在互相正交的两个方向上发生电场。

为实现上述目的，涉及本发明的第九形态的可变波长光学过滤器还具有一个或者一个以上的所述电介质结晶部。对于所述电介质结晶部的每一个，所述电极，被设置成与透过该电介质结晶部的光的透过方向正交且在互相正交的两个方向上发生电场。

为实现上述目的，涉及本发明的第十形态的可变波长光学过滤器，所述电介质结晶部的每一个具有不同的FSR。

为实现上述目的，涉及本发明的第十一形态的可变波长光学过滤器，还具有由电容率比所述电介质结晶部的电容率小的绝缘体形成的绝缘层。插入该绝缘层以使将所述电介质结晶部分割为在所述两个方向中的一个方向上产生电场的第一部分和在另一方向上产生电场的第二部分。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十二形态的可变波长光学过滤器中，所述绝缘体是以TeO₂为主要成分的玻璃、SiO₂、Al₂O₃、或者聚合物中的任何一个或者它们的复合体。

为实现上述目的，涉及本发明的第十三形态的可变波长光学过滤器，还具有用于管理形成所述电介质结晶部的电介质结晶的温度的温度调整装置。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十四形态的可变波长光学过滤器中，形成所述电介质结晶部的电介质结晶是单结晶，其一个结晶轴的轴方向和透过所述电介质结晶部的光的透过方向一致。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十五形态的可变波长光学过滤器中，形成所述电介质结晶部的电介质结晶是多结晶，至少一个结晶轴的轴方向和透过所述电介质结晶部的光的透过方向一致。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十六形态的可变波长光学过滤器中，所述电介质结晶，具有K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃的化学成分。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十七形态的可变波长光学过滤器中，所述电介质结晶，具有用Ba、Sr、Ca中的至少一个元素置换KTa_1-xNb_xO₃中的K的全部或者K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃中的K以及Li的全部、且用Ti置换Ta以及Nb的全部的组成。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十八形态的可变波长光学过滤器中，所述电介质结晶，具有用Pb和La中的至少一个元素置换KTa_1-xNb_xO₃中的K的全部、或者K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃中的K以及Li的全部、且用Ti和Zr中的至少一个元素置换Ta以及Nb的全部的组成。

为实现上述目的，在涉及本发明的第十九形态的可变波长光学过滤器中，作为在所述电介质结晶的组成中的第一组成比的所述x，大于等于0.1小于等于0.5，作为所述电介质结晶的第二组成比的所述y，比0大比0.1小。

为实现上述目的，涉及本发明的第二十形态的多级结构可变波长光学过滤器包含多个所述的可变波长光学过滤器。各可变波长光学过滤器，沿向该可变波长光学过滤器要入射的光的行进方向进行设置。

为实现上述目的，在涉及本发明的第二十一形态的多级结构可变波长光学过滤器中，与形成各可变波长光学过滤器的电介质结晶部的电介质结晶的结晶轴正交的面和与所述光的行进方向正交的面以大于等于2度的角度倾斜。

在本发明中，因为使用具有立方结晶结构、呈现2次电光效应的电介质结晶，因此可以实现历来不能实现的以高速而且低电压能够驱动的可变波长光学过滤器。

另外，本发明的可变波长光学过滤器，因为可以在宽频带以高速改变波长，所以可以实现包的插·分等的高功能化，同时，也可以作为光计测用的高速的波长扫描振荡器(スウイ-パ：Sweeper)使用。

再有，根据涉及本发明的可变波长光学过滤器，通过使用FSR不同的两个或者两个以上的法布里-配洛标准具型过滤器，可以降低在结晶的单位厚度上施加的电压，因此可以在没有特殊要求的条件下发挥希望的2次的电光效应。

再有，通过缩小电极面积可以减低静电电容。再有，通过在电极上使用体积电阻率低的金属(例如银)，可以实现10nsec数量级的高速动作。

附图说明

图1是表示涉及本发明的第一实施方式的可变波长光学过滤器的结构的图；

图2是装备图1的可变波长光学过滤器的可变波长光学过滤器组件的概略图；

图3是包含图2的可变波长光学过滤器组件的测定系统的概略图；

图4是表示图1的可变波长光学过滤器的透射谱的图；

图5是表示图1的可变波长光学过滤器的3dB频带的图；

图6是表示图1的可变波长光学过滤器的波长可变特性的图；

图7是表示图1的可变波长光学过滤器的高速响应特性的图；

图8是表示涉及本发明的第二实施方式的可变波长光学过滤器的结构的图；

图9是表示图8的可变波长光学过滤器的透射谱的图；

图10是表示涉及本发明的第三实施方式的可变波长光学过滤器的结构的图；

图11是表示涉及本发明的第六实施方式的可变波长光学过滤器的结构的图；

图12是备有图11的可变波长光学过滤器的可变波长光学过滤器组件的结构图；

图13是包含图12的可变波长光学过滤器组件的测定系统的概略图；

图14是表示图11的可变波长光学过滤器的透射谱的图；

图15是表示图11的可变波长光学过滤器的3dB频带的图；

图16是表示图11的可变波长光学过滤器的波长可变特性的图；

图17是表示图11的可变波长光学过滤器的高速响应特性的图；

图18A是表示涉及本发明的第七实施方式的可变波长光学过滤器的结构的图；

图18B是表示图18A的可变波长光学过滤器的上部的电极的俯视图；

图18C是表示图18A的可变波长光学过滤器的下部的电极的俯视图；

图19是表示图18A的可变波长光学过滤器的波长可变特性的图；

图20是表示涉及本发明的第八实施方式的可变波长光学过滤器的结构的图；

图21是表示图20的可变波长光学过滤器的透射谱的图；

图22是表示构成涉及从本发明的第十一到第十三实施方式的多级结构可变波长光学过滤器的可变波长光学过滤器的结构的图；

图23是表示涉及本发明的第十一实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的图；

图24是表示涉及本发明的第十二实施方式的3级结构可变波长光学过滤器的图；

图25是表示涉及本发明的第十三实施方式的4级结构可变波长光学过滤器的图；

图26是表示涉及第十四实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的结构的图；

图27是表示涉及本发明的第十五实施方式的可变波长光学过滤器的结构的斜视图；

图28是表示涉及本发明的第十五实施方式的可变波长光学过滤器的结构的平面图；

图29是表示涉及本发明的第十五实施方式的可变波长光学过滤器的图；

图30是表示涉及本发明的第十六实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的图。

具体实施方式

以下，对于本发明的可变波长光学过滤器分成多个实施方式参考附图详细说明。此外，在用于说明实施方式的全部附图中，在相同的要素中附与相同的符号，省略对于它们的反复的说明。

(第一到第五实施方式)

在说明第一到第五实施方式前，说明这些实施方式的基本原理。

第一到第五实施方式，其特征在于，使用由具有K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃(KLTN)的组成的结晶材料构成的法布里-配洛标准具型过滤器。

KLTN，伴随温度的上升从正方结晶向立方结晶变化结晶系，在立方结晶中，具有大的2次电光效应。特别，在接近向正方结晶的相转移温度的温度区域中，引起电容率发散的现象，极大地发挥与电容率的平方成比例的2次电光效应。

这一现象在KTa_1-xNb_xO₃(KTN)中也会发生。但是，KTN的相转移为1次的相转移，在到达十分高的电容率前发生相转移，故此很难得到高的效率。另外因为伴随潜热存在磁滞，所以，存在难以进行温度管理的问题。亦即，在伴随潜热的相转移的场合，动作温度变化到了相转移温度或以下的话，结晶构造从立方结晶向正方结晶变化，发生即使再次使温度回到动作温度也不能回到立方结晶的现象(磁滞)。

另外，在具有1次相转移的结晶中，除了这样的磁滞，由于重复进行相转移有时在结晶中发生裂纹。因此，需要严密管理结晶的温度。理论上说，理想的是动作温度无限地接近结晶的相转移温度，但是在实用上，把动作温度设定为比相转移温度高3～10℃。

设定为这样的温度，是因为在派尔帖(ペルチエ)元件的温度变动(±0.1℃)外，要考虑温度初始设定时的过冲(1～2℃)等。为避免温度变动的影响，理想的是使动作温度离开相转移温度，但是因为电光效应的效率与(1/(T-Tc))²(T是动作温度，Tc是相转移温度)成比例降低，所以若离开3℃的话则降低到1/9，若离开10℃的话则降低到1/100。因此，在具有1次相转移的结晶中看到的这样的现象，成为可变波长光学过滤器实用上大的问题。为尽可能维持接近相转移温度的动作温度，需要使用具有不伴随潜热或磁滞的2次相转移的材料。

因此，在第一到第五实施方式中，使用将KTN的K的一部分置换为了Li的KLTN。KLTN，因为表示大致上2次的可逆相转移，具有高的电容率，所以可以提供温度管理变得容易的实用上大的改善。

具体说，不需要考虑派尔帖元件等的初始的过冲，只考虑该元件的温度变动量的±0.1℃即可。因此，只要离开相转移温度0.2℃，就可以得到稳定的动作，就可以将电容率的降低减小到可以忽略的程度。

其结果，可以实现高效率的动作，能够以比较低的电压实现为确保宽的可变波长光学过滤器的波长可变频带所需要的折射率变化。

另外，利用该2次电光效应的光器件的动作温度为从结晶的立方结晶向正方结晶的相转移温度近旁，而KLTN结晶，通过改变Ta和Nb的组成比，可以使从常规介电感应到强介电感应(结晶系中从立方结晶到正方结晶)的相转移温度从大致绝对零度到400℃变化。

因此，还有能够容易地把使用这种材料制作的可变波长光学过滤器的动作温度设定到室温附近的优点。此外，该可变波长光学过滤器，还具有在结晶成为立方结晶的区域使用，另外，能够无双折射、不依赖偏振波动作的优点。

另外，在具有电光效应的法布里-配洛标准具型过滤器的场合，波长变化频带依赖于由材料的电光效应引起的折射率变化。亦即，为用低电压实现大的波长可变频带，必须使用具有大的电光效应的结晶材料。在这种场合，以KTN为首的2次电光结晶，如上所述在相转移温度附近具有大的电光效应，LiNbO₃等，作为具有1次电光效应的电光结晶，比之一般所知道的结晶能够实现十分大的折射率变化。因此，比使用了历来的电光结晶的场合，还能够制作波长可变频带更宽的过滤器。

但是，可用一个过滤器实现的可变频带，因为在通信波长带中50nm左右是界限，因此在需要频带更宽的可变波长光学过滤器的场合，理想的是将过滤器构成为多级。但是电介质多层膜反射镜间的间隔必须是半波长的整数倍，根据其大小决定透过光的波长间隔(FSR：Free Spectral Range)。如果将该FSR不同的过滤器组合，在保持减小了一个过滤器的可变波长宽度的状态下，也可以实现波长可变频带宽的可变波长光学过滤器。

再有，因为从第一到第五实施方式的波长变化频带由在过滤器的电介质结晶中产生的电场决定，所以在该结晶上施加的电压，依赖于在过滤器中使用的结晶的厚度。如果要得到小的可变波长宽度，则需要使FSR小，其结果，结晶就变厚。这样，尽管需要的电场小，但是必须提高施加电压，结果招致电源的负荷增大。

与此相对，通过和多个透明电极交互配置使厚度的合计成为为得到希望的FSR所需要的值的多个电介质结晶部，可以减低施加电压。亦即，在隔着一个透明电极相邻的两个电介质结晶部中，使发生方向相互不同的电场那样地在该透明电极上施加电压时，其电压，比之具有一个电介质结晶部的可变波长光学过滤器的场合，可以减低到用电介质结晶部的数目除上述所需要的值得到的值。

再有，因为该可变波长光学过滤器的动作，由于是基于电光效应，所以原理上能够实现大于等于1GHz的高速响应。

从以上可知，第一到第五实施方式的可变波长光学过滤器，可以实现高速动作、低驱动电压、不依赖偏振波、宽的波长可变频带等、用迄今的可变波长光学过滤器不能实现的高性能。

下面详细说明第一到第五实施方式的每一个。以下的实施方式，说到底是用来说明本发明的，不是限制本发明的范围的。因此，只要是本领域的技术人员，都可以采用包含这些各个要素或全部要素的各种实施方式，而这些实施方式也包含在本发明的范围内。

(第一实施方式)

图1表示根据第一实施方式的可变波长光学过滤器的结构图。

根据本实施方式的可变波长光学过滤器1的电介质结晶部2，由KLTN结晶形成。KLTN通过调整Li和Nb的组成比，可以调整相转移温度。

形成电介质结晶部2的KLTN结晶的组成，是K_0.97Li_0.03Nb_0.35O₃，相转移温度是19℃。在本实施方式中，Li的组成比为0.03，但是组成比为0.001也能得到2次相转移，到0.1，在实用上适当的动作温度范围内可以维持立方结晶。因此，如果是这一范围，可以得到实用上合适的过滤器。特别，在0.01～0.06的范围内，可以实现结晶品质高、大于等于20000的电容率。

另外，对于相转移温度是19℃，动作温度是20℃，20℃下的材料的电容率，分别是30000。

另外，相转移温度根据Nb和Ta的比可以设定为宽广的温度范围。例如，在Ta的组成比是0.5的场合，相转移温度是100℃，在0.9的场合是-100℃。因此，如在该组成范围内，则通过冷却·加热装置，可以构成可实用的过滤器。再有，希望在用派尔帖元件能控制温度的-20～80℃的范围内具有相转移的结晶，在这种场合，Ta的组成比是0.55～0.7。进而，为使派尔帖元件的消费电力尽可能小，希望设定为室温附近的相转移温度，如果把相转移温度设定为10～40℃，则Ta的组成比是0.6～0.67。

动作温度和相转移温度的关系，如前所述，因为其差越小，越可以得到高的效率，所以希望尽可能使其一致。如果容许派尔帖元件的温度变动以及电光效应的效率降低到1/100，则可以取满足0.2℃＜(T-Tc)＜10℃的范围的温度(这里T是动作温度，Tc是相转移温度)。

参照图1，本实施方式中的可变波长光学过滤器1，在玻璃基板7上形成，用ITO(Indium-Tin Oxide)透明电极3和4夹持由电介质结晶形成的电介质结晶部(KLTN结晶板)2，用还在其外侧配置的电介质多层膜反射镜5和6构成法布里-配洛标准具。

电介质多层膜反射镜5和6，使用一般材料的SiO₂/Nb₂O₅形成。

可变波长光学过滤器1，设想在1530～1570nm的通信波长频带(C频带)中使用，设计成在无电场时透过具有1530nm波长的光。另外，为实现40nm的可变频带，过滤器的FSR也设定为40nm。在这一场合，KLTN的厚度为约13μm。透过频带，根据电介质多层膜反射镜5和6的反射率调整，在本实施方式中，设计电介质多层膜反射镜5和6以使在1530nm下的反射率为90％。

在本实施方式中使用的KLTN，如前所述，具有2次的电光效应，在施加电场时的折射率变化量用下式表示：

Δn＝-1/2×n₀ ³×ε₀ ²×ε_r ²×g₁₂×E₂       ...(1)

这里，Δn为折射率变化，n₀是施加电场前的折射率，ε₀是真空的介电常数，ε_r是结晶的电容率，g₁₂是2次的电光常数，E是施加电场强度。另外，KLTN的电光常数为g₁₂＝-0.038m⁴/C²。从式(1)可知，折射率变化与电场强度的平方成比例。

图2表示具备图1的可变波长光学过滤器的可变波长光学过滤器组件10的结构。

可变波长光学过滤器1用焊锡固定在形成配线图形的基板15上。电极16通过导线连接器连接在框架13上设置的框架电极17。从光纤14射出的光19，通过瞄准透镜12入射到可变波长光学过滤器1，透过可变波长光学过滤器后，同样通过瞄准透镜12入射到射出侧的光纤18。

图3是包含图2的可变波长光学过滤器组件10的测定系统的概略图。

在该测定系统中，首先，使从ASE(不相干的)光源20射出的光入射到可变波长光学过滤器组件10，由光谱分析仪21检测射出光。

在进行高速动作测定时，通过放大器23放大使用函数发生器22发生的电压，把放大过的电压施加在可变波长光学过滤器组件10内的可变波长光学过滤器1(图2)上，用光检测器(Photo Detector：PD)24检测从该过滤器1来的透过光，用示波器25观察响应特性。

此外，形成电介质结晶部2的电介质结晶，可以是单晶体也可以是多晶体。在单晶体的场合，将其一个结晶轴配置为与所述光的透过方向一致。在多晶体的场合，将其至少一个结晶轴配置为与所述光的透过方向一致。

图4表示可变波长光学过滤器1的光透过光谱，图5表示可变波长光学过滤器1的过滤器的透过频带。

如图4所示，可知透过频带的中心波长按照设计为1530nm，FSR为40nm。另外，在本实施方式中，通过图3的3dB耦合器用3dB规定的透过光谱宽如图5所示，为13.5GHz。此外，和截止频带的消光比被确保为-40dB。

图6表示图1的可变波长光学过滤器1的波长可变特性。如图所示，在可变波长光学过滤器1中，在施加32V的电压时可以实现40nm的波长变化。

下面，说明该可变波长光学过滤器1的高速响应特性。高速响应特性按如下方法进行测定。首先，将可变波长光学过滤器1配置在使用了两个透镜的瞄准光学系统中后，进行可结合光纤的安装，用金线把从透明电极中取出的金属配线连接到框架上，制作了图2所示的组件10。接着，把来自ASE光源20(图3)的光导入光纤14(图2)，使来自该可变波长光学过滤器14的射出光通过了可变波长光学过滤器1(中心通过波长1570nm)之后，由光检测器24接受光。这里，从脉冲图形发生器22来的1GHz的矩形电压由放大器放大，在可变波长光学过滤器1的电极3、4(图1)上施加32V的重复电压，使用示波器25观察来自可变波长光学过滤器1的射出光的波长变化。其结果在图7中表示。如图所示，来自可变波长光学过滤器1的射出光响应施加电压，以1GHz(可变时间：0.6nsec)实现40nm的波长变化。

这样，可见，若使用本实施方式的可变波长光学过滤器1，就可以用30V左右的施加电压实现40nm的波长变化，故此可以实现能够进行数据包的插·分的高速性。

(第二实施方式)

在第二实施方式中，举例表示和第一实施方式大致同样的结构、具有两个法布里-配洛标准具型过滤器的可变波长光学过滤器。

参照图8，可变波长光学过滤器26，是在玻璃基板32上依次叠置电介质多层膜反射镜部31、透明电极33、电介质结晶部30、透明电极34、电介质多层膜反射镜部29、透明电极35、电介质结晶部28、透明电极36、电介质多层膜反射镜部27来构成。亦即，具有两个电介质结晶部28、30、4个(两组)电极。另外，实质上，是由在电介质多层膜反射镜部29中串联(沿光的透过方向)配置的两个标准具型过滤器构成。各标准具型过滤器，设计为了使无电场时的透过谱的中心波长同为1530nm、FSR分别为10nm以及8nm。

图9表示可变波长光学过滤器26的透过光谱。根据该图，可知，在从1530nm到1570nm之间，实现截止频带中的消光比-40dB。这是因为FSR为10nm的过滤器和FSR为8nm的过滤器的透过光谱的重叠，仅在其FSR的最小公倍数的间隔出现。在这一场合，因为最小公倍数为40nm，所以在使用的波长频带中，只存在一个透过尖峰。

根据上述结构，可以得到FSR(或者波长变化宽度)比希望的波长可变频带还窄、具有宽度宽广的波长可变频带的可变波长光学过滤器。此外，这就意味着通过将各个过滤器的波长变化量取作为其FSR，就可以实现宽度宽的可变频带。在这一场合，FSR 10nm的过滤器，在1530、1540、1550、1560、1570nm有透过频带，FSR 8nm的过滤器，在1530、1538、1546、1554、1562、1570nm有透过频带。

例如，在1555nm处设定透过频带的场合，使FSR 10nm的可变波长光学过滤器移位5nm(把1550nm的透过频带移位到1555nm)，使FSR 8nm的可变波长光学过滤器移位1nm(把1554nm的透过频带移位到1555nm)。这样的法布里-配洛标准具型的波长过滤器的透过波长用下式表示

λ＝C/(m×Δυ)    ...(2)。

这里，C表示光速，m表示整数，Δυ表示必要的过滤器的FSR。

另外，Δυ用下式表示

Δυ＝C/(2nl)    ...(3)。

这里，n表示折射率，l表示结晶的厚度。

从式(3)可知，通过改变在可变波长光学过滤器中使用的结晶的厚度，可以设计具有希望的FSR的过滤器。对于希望的波长，从上述公式可以决定使用对应第几个m的透过频带。

这样，根据第二实施方式，显然，通过组合FSR不同的两种过滤器，可以实现宽度宽的波长可变频带。另外，因为各过滤器的响应速度基本上和根据第一实施方式的可变波长光学过滤器1相同为0.5n sec，所以可以确认根据第二实施方式的可变波长光学过滤器26也具有大致接近该速度的响应速度。

但是，FSR一变小则KLTN结晶的厚度变厚，所以虽然波长可变宽度小，但施加电压变大。例如，为要在FSR 10nm的过滤器中得到10nm的可变宽度，需要65V的电压。

此外，根据电介质多层膜反射镜的反射率可以容易地控制过滤器的3dB频带，通过使反射率为99％，可以得到2GHz频带的过滤器。

另外，在第二实施方式中使用了玻璃基板，但是在企图的透过波长频带中若是透明的话，即使使用任何基板，也不会对过滤器特性有影响。

(第三实施方式)

在第三实施方式中，在制作具有和第二实施方式同样的FSR的过滤器时，叠置KLTN结晶和ITO电极，构成了过滤器。在FSR 10nm的场合，KLTN结晶的厚度约为55μm。这大约为λ/2的200倍，将这一厚度分成5份，分别用λ/2的厚度叠置ITO膜。

图10是表示该可变波长光学过滤器37的结构的图。如该图所示，在玻璃基板42上形成叠置被电介质多层膜反射镜39以及41夹持的、3个透明电极40(正极)以及3个透明电极43(负极)和5个电介质结晶部38的多层体。

另外，在电极40、43之间施加电压以使各电极40维持正电位，因此，在通过电极相互邻接的两个电介质结晶部38上产生方向互相不同的电场。在这一场合，因为KLTN的电光效应与电场的平方成比例，所以折射率的变化，不依赖电场的方向。因此，即使是具有这样的电极结构的可变波长光学过滤器也能有效地发挥作用。在使用KLTN的过滤器的场合，波长可变宽度不依赖FSR而由电场决定。此时的外加电压以下式表示

V＝E×d/m      ...(4)。

式(4)中的V表示外加电压，E表示为要得到规定的波长变化量所需要的电场的强度，d表示需要的KLTN结晶的厚度，m表示分割数。

如从公式(4)看到的，可以使外加电压与分割数成反比减小。因此，如在上述第二实施方式中说明过的那样，为使FSR 10nm的过滤器变化10nm所需要的电压是65V，而通过把电介质结晶部分成5份，可以把需要的电压降低到13V。同样，通过把第二实施方式中的FSR 8nm的过滤器分成5份，可以把72V的动作电压降低到14.4V。显见，通过使用这种方法增加叠层数，可以实现小于等于10V的驱动电压。

此外，各个电极可以叠置3层或者3层以上积层，电介质结晶可以叠置5层或者5层以上积层。亦即，积层数可任意变更。

(第四实施方式)

在第四实施方式中，举例表示除用BaTiO₃置换KLTN结晶外，具有和第一实施方式同样结构的可变波长光学过滤器。

在该实施方式中的可变波长光学过滤器，因为相转移温度为109℃，所以动作温度高达110℃，但是可以以45V的驱动电压实现40nm的波长变化。响应速度也大体与第一实施方式相同，确认了响应1GHz重复的速度。通过使用该电介质结晶制作的、具有和上述可变波长光学过滤器26以及可变波长光学过滤器37同样结构的可变波长光学过滤器，可以实现大体和在第二以及第三实施方式中说明过的动作特性同样的动作特性。

(第五实施方式)

在第五实施方式中，举例表示代替第四实施方式中的BaTiO₃结晶，使用Ba_0.73Sr_0.27TiO₃的可变波长光学过滤器。此外，本实施方式中的可变波长光学过滤器和第四实施方式中的可变波长光学过滤器的差异仅在上述这点。

在这一场合，相转移温度为9℃，动作温度为10℃，通过把Ba的一部分置换为Sr，可以把动作温度设定为室温附近。其他特性和第四实施方式中的特性相同。此外，即使使用PLZT(透过性陶瓷)，也可以得到大致和此前的实施方式同样的谱的可变宽度。

如上所述，在从第一到第五实施方式中，因为使用具有2次电光效应的结晶，因此可以实现历来不能实现的高速、低电压驱动、高速的可变波长光学过滤器。另外，基于第一到第五实施方式可变波长光学过滤器，因为能够横跨宽的频带高速变化波长，所以能够实现数据包的插·分等的高功能化，同时，也可以作为光计测用的高速的波长扫描振荡器。

(第六到第十实施方式)

下面说明第六到第十实施方式。在具体说明每一实施方式前，说明涉及这些实施方式的可变波长光学过滤器的基本原理。

在第六到第十实施方式中，也和第一到第三实施方式同样，使用具有用KLTN结晶形成的电介质结晶部的法布里-配洛标准具型过滤器。

如已叙述过的，通过使用具有比LiNbO₃大的电光效应的KLTN这样的结晶，可以大幅降低为获得希望的折射率变化所需要的电场。根据本发明者们的评价结果，在基于KLTN的可变波长光学过滤器中，比之基于LiNbO₃的可变波长光学过滤器，可以使电场强度降低约一千分之一。但是，尽管如此，因为需要的电场仍为2500kV/m左右，所以有时希望能够更加降低外加电压的结构。在第六到第十实施方式中，举例表示出具有这样结构的可变波长光学过滤器。

可变波长光学过滤器，在用透明电极夹持由具有2次电光效应的结晶形成的电介质结晶部、进而用电介质多层膜反射镜部夹持那样地构成的场合，透过电介质结晶部的光的透过方向，与通过施加电压在该电介质结晶部中产生的电场(外部电场)的方向一致。因此，光的电场的方向和外部电场的方向具有正交的关系。但是，KLTN结晶，具有折射率变化的各向异性，在垂直外部电场的方向上电光常数为0.038m⁴/C²(绝对值)，在平行外部电场的方向上电光常数为0.136m⁴/C²(绝对值)。因此，就成为利用了折射率变化小的方位。

在这一方位上，因为垂直电场方向的折射率变化是各向同性的，所以有过滤器的偏振波依赖性变小的优点。因此，在波长变化频带比较小(小于等于5nm)、m sec程度的低速区域也可以的场合，这种结构是理想的。但是，在需要宽度更宽的波长可变频带的场合，如上所述，必须施加高电场，所以理想的是利用电光常数大的方位。

但是，在利用电光常数大的方位的场合，存在以下的问题。即在和透过方向正交的方向上施加电场的场合，因为折射率变化的各向异性，与施加方向平行的方向的折射率，为垂直方向的折射率的约3.8倍。

而且，折射率，随电场强度的增大，在和电场平行的方向上减小，而在垂直方向增加。因此，在这一场合，只能实现具有偏振波依赖性的过滤器。

作为克服这一问题的手段，在第六到第十实施方式中，提出了在电介质结晶内，在对于光的透过方向正交、且互相垂直的两个方向上施加电场的结构。根据这一结构，对于电场垂直的方向的折射率变化和平行的方向的折射率变化的和，就成为结晶全体中的折射率变化。因为折射率变化的符号相反，所以作为全体的系数就成为0.136-0.038＝0.098。因此，除了是不依赖偏振波以外，还可以实现比向光的透过方向施加电场的可变波长光学过滤器(折射率变化0.038m⁴/C²)约2.6倍大的折射率变化。

再有，在电场施加在光的透过方向上的可变波长光学过滤器的场合，存在下面的不妥。即，电介质的结晶部(电介质结晶)的厚度，因为根据在过滤器中求得的FSR(Free Spectral Range：波长间隔)决定，所以在需要FSR小的过滤器的场合，结晶变厚，为得到希望的电场需要比较大的电压。但是，在基于第六到第十实施方式的可变波长光学过滤器中，因为在光透过的方向上垂直施加电场，所以为得到希望的电场所需要的电压，只依赖电介质结晶部的宽度，不依赖其厚度。因此，即使对应在过滤器中求得的FSR使电介质结晶部的厚度变化，也能够独立地调整外加电压。

此外，在结晶上施加这样的两个正交方向的电场的场合，有时会发生这样的问题，即在两个电极接近的区域，在不希望的方向上发生电场，对偏振波特性产生影响。因此，在第六到第十实施方式中，提出了中间夹持电容率小的材料的结构。涉及本发明的可变波长光学过滤器光滤波器是利用结晶具有的高的电光效应的器件，高的电光效应，起因于材料的高的介电常数。因为电力线通过具有高介电常数的部分，所以通过插入具有比形成电介质结晶部的电介质结晶介电常数小的介电常数的材料，可以抑制相互正交的两个电场互相受影响。

从上述可知，在该实施方式中举例表示的可变波长光学过滤器能够以低电压动作，且能实现能够在宽的波长频带上变化波长的高功能。

下面具体说明第六到第十实施方式。以下的实施方式，不过是用来说明本发明的，不是限制本发明的范围的。因此，只要是熟悉本技术领域的人，就可以采用包含这些的各要素或者全部要素的各种实施方式，而这些实施方式也包含在本发明的范围中。

(第六实施方式)

图11是涉及第六实施方式的可变波长光学过滤器110的结构图。如图11所示，可变波长光学过滤器110，在玻璃基板116上形成，在电介质结晶部112以及117(电介质结晶板)之间形成绝缘层113。进而，在其外侧配置电介质多层膜反射镜111以及115。通过这些结构，构成法布里-配洛标准具型过滤器。

另外，在电介质结晶部112的侧面，形成互相对向的两个电极118，在电介质结晶部117的侧面，形成互相对向的两个电极114。电极114以及118，用金属制造，通过蒸镀形成。

可变波长光学过滤器110，从光的入射方向看的话，一边的长度是50μm，因此，电极114以及118各自的间隔为50μm。

电极114，在下方的电介质结晶部117内，在图1中在纸面的左右方向上产生电场那样形成，电极118，在纸面的纵深方向上产生电场那样形成。亦即，就成为在与光的入射方向(透过方向)正交、且在互相正交的两个方向上施加电场。

电介质结晶部112以及117由KLTN结晶形成，其组成为K_0.97Li_0.03Ta_0.65Nb_0.35O₃。Li的组成比，在本实施方式中为0.03，但是即使添加0.001也有使相转移2次变化的效果，到0.1保持立方结晶，可以使用。特别在0.01～0.06的范围内，结晶质量高，可以实现20000以上的电容率。

可变波长光学过滤器的动作温度是20℃，在20℃下的电介质结晶的电容率是30000。相转移温度，通过改变Nb和Ta的组成比，可以在宽范围内设定。例如，在Ta的组成比是0.5的场合，相转移温度是100℃，在0.9的场合，是-100℃。因此，只要在该组成范围内，通过规定的冷却·加热装置，可以构成可实用的过滤器。

另外，更加希望具有由派尔帖元件在-20～80℃的范围内能进行温度控制的相转移的结晶，在那种场合，Ta的组成比为0.55～0.7。再有，为使派尔帖元件的消费电力尽可能小，希望相转移温度在室温附近。如果设定相转移温度为10～40℃，则Ta的组成比就为0.6～0.67。

如前所述，因为动作温度和相转移温度的差越小过滤器的效率可越高，所以希望尽可能使其一致。如果容许派尔帖元件的温度变动以及电光效应的效率降低到1/100，则其差为从0.2℃到10℃的范围(0.2℃＜(T-Tc)＜10℃)(这里，T为动作温度，Tc为相转移温度)。

绝缘层113是用TeO₂系玻璃形成的。使用TeO₂系玻璃的理由是折射率和KLTN结晶几乎相同，通过调整组成可以实现与KLTN相等的折射率，可以抑制在界面的光反射。另外，绝缘层113的厚度被调整为λ/2。

电介质多层膜反射镜111以及115，用一般材料SiO₂/Nb₂O₅形成。

可变波长光学过滤器110，打算在1530～1570nm的通信波长频带(C频带)中使用，设计为在无电场时透过1570nm的中心波长。另外，为实现40nm的可变频带，过滤器的FSR也设定为40nm。在这一场合，电介质结晶部112以及117的厚度，合计约13μm。因此，电介质结晶部112以及117各自的厚度为约6.5μm。透过频带用反射镜的反射率调整，在本实施方式中，设计电介质多层膜反射镜111以及115以使在1570nm的反射率为90％。

在本实施方式中使用的电介质结晶部112以及117(KLTN)，如上所述，具有2次的电光效应，对于基于图1的结构的电场的施加方向，折射率变化量，可以用下式(5)和式(6)表示

Δn_⊥＝-1/2×n₀ ³×g₁₂×ε₀ ²×ε_r ²×E²    ...(5)

Δn_∥＝-1/2×n₀ ³×g₁₁×ε₀ ²×ε_r ²×E²    ...(6)。

这里，Δn_⊥是对于电场垂直方向的折射率变化，Δn_∥是电场方向的折射率变化，n₀是施加电场前的折射率，ε₀是真空的介电常数，ε_r是结晶的电容率，g₁₁和g₁₂是第2次的电光常数，E是外加电压。另外，KLTN的电光常数，是g₁₁＝0.136m⁴/C²，g₁₂＝-0.038m⁴/C²。

从式(5)和式(6)可知，根据电场的施加方向，折射率变化不同，在对于光的行进方向正交的两方向上施加电场的场合的总的折射率变化量，为将式(5)和式(6)相加，可以表示为

Δn₁＝-1/2×n₀ ³×(g₁₁+g₁₂)×ε₀ ²×ε_r ²×E²   ...(7)

因此，对于与光的行进方向正交的两种偏振光，折射率变化变得相等，能够不依赖偏振光动作。

图12是备有图11的可变波长光学过滤器110的可变波长光学过滤器组件的结构图。

可变波长光学过滤器110，在形成配线图形的基板125上用焊锡固定，电极126通过导线连接器连接在框架123上设置的框架电极127。

从光纤124射出的光129，通过瞄准透镜122入射到可变波长光学过滤器110，透过可变波长光学过滤器后，同样通过瞄准透镜122入射到射出侧的光纤128。

图13是包含图12的可变波长光学过滤器组件200的测定系统300的概略图。

在该测定系统中，使从ASE(不相干)光源131射出的光入射到可变波长光学过滤器组件200，使用光谱分析仪132检测射出光。

在进行高速动作测定时，通过放大器134放大使用函数发生器133发生的电压，把放大过的电压施加在可变波长光学过滤器组件200的可变波长光学过滤器110(图12)上，使用光检测器(Photo Detector：PD)135检测从该过滤器110来的透过光，用示波器136观察响应特性。

图14是表示图11的可变波长光学过滤器110的透过谱的图，图15是表示图11的可变波长光学过滤器110的3dB频带的图。

可知可变波长光学过滤器110的透过频带的中心波长按照设计处在1570nm，FSR也为40nm。此外，在本实施方式中，通过3dB耦合器用3dB规定的透过谱宽为13.5GHz。另外，和截止频带的消光比保证为-40dB。

图16是表示图11的可变波长光学过滤器110的波长变化特性的图。从图中可知，该可变波长光学过滤器110，通过施加75V的电压，可以使透过频带的波长变化40nm。

图17是表示图11的可变波长光学过滤器110的高速响应特性的图。高速响应特性如下测定。首先，使可变波长光学过滤器110配置在使用两个透镜的瞄准光学系统中后，安装在可结合光纤的插件内，用金线把连接到该过滤器的透明电极上的金属配线连接到框架上，安装到组件上。接着，使来自ASE光源131(图13)的光通过在组件上连接的光纤导入可变波长光学过滤器，在通过1570nm的带通过滤器之后由光检测器24接受其射出光。

接着，用放大器放大脉冲图形发生器133发生的1GHz的矩形电压，在可变波长光学过滤器110的电极114、118(图11)上施加75V的重复电压，记录来自可变波长光学过滤器110的射出光的波长变化。如图17所示，可知射出光响应施加的电压，以1GHz(可变时间：0.6nsec)实现了40nm的波长变化。

这样，显然，若使用本实施方式的可变波长光学过滤器110，可以用75V左右的外加电压，实现40nm的波长变化，可以实现能够进行数据包的插·分的高速性。

此外，作为绝缘层113，在本实施方式中使用了TeO₂系玻璃，但是也可以使用SiO₂、Al₂O₃、聚合物、它们的复合体等电容率比KLTN低的绝缘材料。

(第七实施方式)

以下说明第七实施方式。图18A是表示涉及本发明的实施方式的可变波长光学过滤器180的结构的图，图18B是表示图18A的电极的俯视图，图18C是表示图18A的电极的俯视图。

该可变波长光学过滤器180，如图18A所示，除电极的形状外，具有和第六实施方式中的可变波长光学过滤器110同样的结构。更详细说，可变波长光学过滤器180，通过叠置在玻璃基板186上配置的电介质多层膜反射镜185、配置长方形电极187(参照图18C)的电介质结晶184、绝缘层183、配置长方形电极188(参照图18B)的电介质结晶182、电介质多层膜反射镜181而构成。

因为电极187、188的长方向的边互相正交，所以成为在互相正交的两个方向上施加电场。另外，如图18A所示，光的入射方向在于反射镜181的上面是垂直的方向，在上述两个方向上施加的电场还与光的入射方向(透过方向)正交。

另外，电极187、188，因为采取上述那样的结构，所以可在电介质结晶部182、184上均匀地施加电场，另外，可以防止安装所需要的芯片尺寸的大型化，进而可以将电极间隔缩小到10μm。

另外，在绝缘层183上，和第六实施方式中的可变波长光学过滤器110同样使用TeO₂系玻璃。

可变波长光学过滤器180的光透过特性和根据第六实施方式的可变波长光学过滤器110同样，看不到由于变更电极的结构引起的过滤器特性的变化。这一点在正交的两个偏振光成分中也同样。

图19是表示可变波长光学过滤器8的波长可变特性的图。

在本实施方式中，波长变化所需要的电场和第六实施方式相同，但是可以任意设定电极间隔，另外，因为实效施加的电压与电极间隔成反比例变化，所以可以通过变窄电极间隔减小电压。在本实施方式中，从该图可知，通过在10μm间隔的电极上施加15V的电场，实现了40nm的波长变化。再有，通过使用5μm间隔的电极，也可以确认用约8V可以实现40nm的波长变化。

但是，使电极间隔变小的话，因为有效的开口部分的面积变小，所以要求安装的精度。因此，在设定电极间隔时，根据要求的性能，需要选择是实现低电压，还是在安装的精度中保持宽度。

此外，作为绝缘层183，在本实施方式中使用TeO₂系玻璃。但是即使使用SiO₂、Al₂O₃、聚合物、它们的复合体等电容率比KLTN低的绝缘材料，也可以实现过滤器。

通过采用以上第七实施方式中的结构，可以与希望的FSR独立来设定电极间隔，其结果，可以实现能够以低电压驱动以及在宽频带下波长变化的可变波长光学过滤器。

(第八实施方式)

在本实施方式中，举例表示通过电介质多层膜反射镜串联具有和第七实施方式几乎同样结构的、FSR分别为10nm和FSR 8nm的两个可变波长光学过滤器的多级型可变波长光学过滤器。各可变波长光学过滤器的无电场时的透过谱的中心设定为1570nm。

图20是表示涉及多级型可变波长光学过滤器100的结构的概略图。

可变波长光学过滤器100，通过叠置在玻璃基板211上配置的电介质多层膜反射镜209、配置长方形电极212的电介质结晶部208、绝缘层207、配置长方形电极213的电介质结晶部206、电介质多层膜反射镜205、配置长方形电极214的电介质结晶部204、绝缘层203、配置长方形电极215的电介质结晶部202、电介质多层膜反射镜201而构成。换言之，本实施方式中的可变波长光学过滤器100，被构成为重合两个基于第六实施方式的可变波长光学过滤器180。

另外，因为电极212、213、214以及215的长方向的边互相不同地正交，所以在电介质结晶部208、206、204以及202中，就施加正交光的入射方向(透过方向)，而且，在互相不同的两个方向上正交的电场。

图21是表示图20的可变波长光学过滤器100的透过谱的图。从该图可知，在从1530nm到1570nm的波长之间，实现了截止频带中的消光比-40dB。这一点的原因在于，具有10nm的FSR的过滤器和具有8nm的FSR的过滤器的透过谱(峰值波长)仅能在其FSR的最小公倍数的间隔中出现。在本实施方式中，因为最小公倍数是40nm，所以在使用的波长频带中成为仅存在一个透过尖峰。

另外，法布里-配洛标准具型的波长过滤器的透过波长以

λ＝C/(m.Δυ)    ...(8)

表示。这里，C为光速，m是整数，Δυ是需要的过滤器的FSR。

另外，Δυ表示为

Δυ＝C/(2nl)    ...(9)

。这里，n为折射率，l为电介质结晶部的厚度。

从上式可知，如果通过改变可变波长光学过滤器的电介质结晶部的厚度来设定希望的FSR，则可以任意设计可变波长光学过滤器，从该设计式，对于希望的波长，可以决定使用对应第几个m的透过频带。

若使用这样的结构，用FSR(或者波长可变宽度)比希望的波长变化频带小的过滤器可以得到宽度宽的波长变化频带。在历来的过滤器结构中，在FSR不同的可变波长光学过滤器的组合中，因为FSR变小的话KLTN结晶的厚度变厚，虽然波长可变宽度小，但仍需要施加高的电压。

例如，为要在具有10nm的FSR的可变波长光学过滤器中得到10nm的可变宽度，需要65V的电压，但是使用本实施方式中的可变波长光学过滤器100具有电极的结构的话，则可以以7.5V的施加电压实现10nm的波长变化频带。这大约相当于现有的十分之一，是证明本发明有效的证据。

(第九实施方式)

基于第九实施方式的可变波长光学过滤器是变更了基于第七实施方式的可变波长光学过滤器的设备，具有用BaTiO3结晶代替KLTN结晶形成的电介质结晶部。此外，本实施方式中的可变波长光学过滤器和第七实施方式中的可变波长光学过滤器的差异仅是上述一点。

在这一场合，因为相转移温度为109℃，所以动作温度高达110℃，但是可以以15V的驱动电压实现40nm的波长变化范围。

另外，已被确认：响应速度也和第七实施方式中的可变波长光学过滤器几乎相同，以1GHz的重复进行响应。

另外，即使使用BaTiO₃结晶制作和第七实施方式同样的可变波长光学过滤器，也可以实现和它几乎同样的动作特性。

(第十实施方式)

基于本实施方式的可变波长光学过滤器是变更了基于第九实施方式的可变波长光学过滤器的设备，具有用Ba_0.73Sr_0.27TiO₃结晶代替BaTiO₃结晶形成的电介质结晶部。此外，本实施方式中的可变波长光学过滤器和第九实施方式中的可变波长光学过滤器的差异仅是上述一点。

在这一场合，相转移温度为9℃，动作温度为10℃。通过把Ba的一部分置换为Sr，可以把动作温度设定在室温附近。其他的特性，和第九实施方式中的可变波长光学过滤器相同。另外，即使使用PLZT，也可以得到几乎同样的谱的可变宽度。

(第十一到第十四实施方式)

在说明第十一到第十四实施方式之前，依据上述第一到第十实施方式的基本原理，来说明这些实施方式的基本原理。

首先说明法布里-配洛标准具型的可变波长光学过滤器的特性。作为表示法布里-配洛标准具的特性的值，可以举出FSR、Finess。法布里-配洛标准具的透过频带的中心波长υm，用

υ_m＝mc/(2nlcosθ)               ...(10)

表示。这里，n为折射率，l为共振器长，θ为对于入射光的标准具的倾斜角度，c为真空中的光速。

FSR(Free Spectral Range)，因为在用式(10)表示的是透过频带中心频率υ_m中相邻两组的间隔，所以用

FSR＝υ_m+1-υ_m＝c/(2nlcosθ)     ...(11)

表示。

另外，所谓Finess是表示透过频带的扩展状况的值，用

Finess＝FSR/Δυ_1/2＝π.R^-1/2/(1-R)    ...(12)

表示。这里，Δυ_1/2是透射频带的半值全宽，R是构成共振器的反射镜的反射率。

从公式(10)可知，为要使透过频带的中心频率变化，可以使折射率n、共振器长l、标准具的角度θ的任何一个变化。因此，可知，如果使这些参数变化，可以实现可变波长光学过滤器。市场上销售有几种可变波长光学过滤器，不过使共振器长变化来进行波长变化的方式是主流。其理由在于，如果在上述3个参数中变化共振器长l的话，可以实现最宽的波长可变频带。

但是，为要变化共振器长l(以及标准具的角度θ)，一定需要机械动作。因此不适合高速动作。

另一方面，如果使用变化折射率n的方法，则可以没有机械动作使透过频带的中心波长变化。作为变化折射率的方法，主要可举出热光学(Thermo-Optic：TO)效应、音响光学(Acousto-Optic：AO)效应、电光(Electro-Optic：EO)效应。在这些之中，最不适合高速动作的是TO效应，最多能实现数ms左右的响应速度。另外，AO效应与TO效应相比，虽然适合高速动作，但因为折射率的变化量小，不能诱发充分的折射率变化。

与它们比较，EO效应适合高速动作，且能够充分确保折射率的变化量，所以适合要求高速动作的可变波长光学过滤器。在电光效应上有1次的电光效应(波克尔斯效应)和2次的电光效应(克尔效应)。1次的电光效应与电场强度成比例地显示效应，折射率变化用

Δn＝-n₀r_effE/2            ...(13)

表示。这里，n₀是未施加电场状态下的折射率，r_eff是1次电光学系数的有效值，E为电场强度。

另外，2次的电光效应与电场强度的平方成比例显示效应，折射率变化用

Δn＝-n₀ ³S₁₂E²/2            ...(14)

表示。这里，n₀是未施加电场状态下的折射率，E为电场强度。另外，S₁₂用下式：

S₁₂＝ε₀ ²ε_r ²g₁₂            ...(15)

定义。ε₀是真空的介电常数，ε_r是物质固有的电容率，g₁₂是物质的电光学常数。

因此，若使用2次的电光效应的话，因为诱发与施加的电压的平方成比例的折射率变化，所以可以通过施加更小的电压来引起希望的折射率变化。另外，电光效应原理上可以以1GHz左右的高速响应。

但是，因为在物质的每单位厚度上可以施加的电压通常有界限，所以不可能使施加的电压为无限大。

因此，在从第十一到第十四实施方式中，提出了包含多个在第一到第十实施方式中例示的可变波长光学过滤器的多级结构可变波长光学过滤器。在这种类型的光学过滤器中，各可变波长光学过滤器沿入射电介质结晶部的光的行进方向设置。另外，理想的是通过以离开平行配置大于等于2度的角度倾斜配置FSR不同的大于等于两个的可变波长光学过滤器而构成。各可变波长光学过滤器，理想的是被构成为，被进行温度控制，在进行温度控制之后，能够在各可变波长光学过滤器上施加电压，由此，可以使FSR变化，得到希望的透过频带。各可变波长光学过滤器，如上所述，因为具有高速动作、低驱动电压、高波长变化频带这样的优良的特性，所以多级结构可变波长光学过滤器也能够实现在现有的可变波长光学过滤器中不能实现的高功能。

此外，所谓以离开平行配置大于等于2度的角度倾斜配置各可变波长光学过滤器，是指与电介质结晶上所照射的光的通过方向正交的面和与标准具的结晶轴正交的面具有大于等于2度的角度倾斜。关于以下同样的表示也相同。

另外，即使是以大于等于2度的角度倾斜的场合，通过使电介质结晶的结晶轴与光的透过方向一致，也不会对发挥的作用效果有大的损害。因此，在以下的说明中，即使在以大于等于2度的角度倾斜配置的场合，也使电介质结晶的结晶轴与光的透过方向一致。

下面具体说明第十一到第十四实施方式的每一个。以下的实施方式，不过是用于说明本发明的，不是限制本发明的范围的。因此，只要是本领域的技术人员，都可以采用包含这些各个要素或全部要素的各种实施方式，而这些实施方式也包含在本发明内。

(第十一实施方式)

图22是表示构成根据本发明的第十一实施方式的多级结构可变波长光学过滤器的可变波长光学过滤器的结构的概略图。可变波长光学过滤器201，通过在由做成薄片的电介质结晶形成的电介质结晶部2011的两侧配置透明电极2012、2013，进而在其外侧配置电介质多层膜反射镜2014、2015来构成。亦即，具有和根据第一到第五实施方式的可变波长光学过滤器同样的结构。

图23是根据第十一实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的结构图。在图23中，可变波长光学过滤器2021、2022具有和在图22中表示的可变波长光学过滤器201同样的结构。

可变波长光学过滤器2021、2022的电介质结晶部2011，由KLTN形成。KLTN，通过调整Li和Nb的组成比，可以把相转移温度调整到-15℃。

具体说，电介质结晶的组成做成为K_0.96Li_0.04Ta_0.77Nb_0.23O₃。Li的组成比，在本实施方式中为0.04，但是即使添加0.001也有使相转移2次变化的效果。另外，Li的组成比到0.1保持立方结晶，可以在实用上使用。特别，在0.01～0.06的范围可以实现结晶质量高、大于等于20000的电容率。

另外，可变波长光学过滤器2021、2022的动作温度是-15℃，在-15℃附近的材料的电容率为25000。

如图22所示，本实施方式中使用的可变波长光学过滤器201，通过用ITO透明电极2012以及2013夹持使用电介质结晶(KLTN结晶板)形成的电介质结晶部2011，进而在其外侧配置电介质多层膜反射镜2014以及2015，这样来构成可变波长光学过滤器201。

电介质多层膜反射镜2014以及2015，由作为一般材料的SiO₂/Nb₂O₅形成。

参照图23，详细说明根据第十一实施方式的2级结构可变波长光学过滤器2020。2级结构可变波长光学过滤器2020，具有FSR不同的两个可变波长光学过滤器2021、2022。可变波长光学过滤器2021的FSR是600GHz，可变波长光学过滤器2022的FSR是700GHz。通过组合这些可变波长光学过滤器，如下说明，可实现FSR＝4.2THz。

为实现4.2THz的FSR，需要把各可变波长光学过滤器2021、2022的透过频带的中心频率只移动FSR大小。透过频带的中心频率由式(10)表示。使用电光效应使该式中的n变化，由此，使中心频率移位。在KLTN中，因为g₁₂＝-0.038m⁴/C²，ε_r＝25000，另外，ε₀＝8.854×10^-12，所以，通过把这些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可见，在具有600GHz的FSR的可变波长光学过滤器2021的场合，KLTN的厚度为115μm，可以取外加电压为111V，在具有700GHz的FSR的可变波长光学过滤器2022的场合，KLTN的厚度为99μm，可以取外加电压为96V。

对于各可变波长光学过滤器，从厚度和外加电压值计算要施加在每1μm厚度上的电压的话，可见，在可变波长光学过滤器2021(FSR＝600GHz)中，可以施加0.96V/μm的电压，在可变波长光学过滤器2022(FSR＝700GHz)中，可以施加0.97V/μm的电压。

通过如图23所示沿光的行进方向配置这两个可变波长光学过滤器，可以得到根据本实施方式的2级结构可变波长光学过滤器。此外，在图23中，参考符号2023和2024表示微透镜，参考符号2025和2026表示单模光纤(single mode fiber)。

如图所示，两个可变波长光学过滤器2021、2022，以离开互相平行2度的角度倾斜、取相互间的距离为2mm进行配置。通过微透镜2023(2024)将通过光纤导入的1.55μm的光做成250μm宽度的光束，导入可变波长光学过滤器2021、2022。用派尔帖元件把全体保持在-13℃以谋求特性，其FSR＝4.1THz。

接着，在可变波长光学过滤器2021和2022上施加电压，测定了透过频带的中心波长的移位，可以观察到FSR＝4.1THz大小的移位。根据上述可知，涉及本实施方式的多级结构可变波长光学过滤器，作为具有4.1THz这样宽的FSR的过滤器在起作用。

(第十二实施方式)

图24是表示根据第十二实施方式的3级结构可变波长光学过滤器的概略图。如图所示，3级结构可变波长光学过滤器2030包含3个可变波长光学过滤器2031、2032、2033。

这3个可变波长光学过滤器具有和图22所示的可变波长光学过滤器同样的结构。亦即，可变波长光学过滤器2031、2032、2033，可以通过用ITO透明电极2012以及2013夹持由电介质结晶(KLTN结晶板)形成的电介质结晶部2011，进而在其两侧配置电介质多层膜反射镜2014以及2015来构成法布里-配洛标准具而得到。

这些可变波长光学过滤器的电介质结晶部2011，通过KLTN形成，通过调整Li的浓度和Nb的浓度，将相转移温度调整为-15℃。

具体说，该电介质结晶的组成取K_0.96Li_0.04Ta_0.77Nb_0.23O₃。Li的组成比，在本实施方式中为0.04，但是即使添加0.001也有使相转移2次变化的效果，到0.1保持立方结晶，可以使用。特别在0.01～0.06的范围内，结晶质量高，可以实现20000以上的电容率。

另外，可变波长光学过滤器2031、2032、2033的动作温度是-15℃，在-15℃附近的材料的电容率为25000。

电介质多层膜反射镜2014以及2015由作为一般材料的SiO₂/Nb₂O₅形成。

可变波长光学过滤器2031、2032、2033，分别具有不同的FSR。亦即，可变波长光学过滤器2031具有300GHz的FSR，可变波长光学过滤器2032具有400GHz的FSR，可变波长光学过滤器2033具有500GHz的FSR。通过把它们组合，如下所述，可实现FSR＝6.0GHz。

为实现6.0GHz的FSR，需要移位各可变波长光学过滤器的透过频带的中心频率。透过频带的中心频率通过式(10)表示。通过使用电光效应使该项中的n变化，使中心频率移位。在KLTN中，因为g₁₂＝-0.038m⁴/C²，ε_r＝25000，另外，ε₀＝8.854×10^-12，所以，通过把这些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可知，在具有300GHz的FSR的可变波长光学过滤器2031的场合，KLTN的厚度为230μm，可以取外加电压为94V，在具有400GHz的FSR的可变波长光学过滤器2032的场合，KLTN的厚度为173μm，可以取外加电压为112V，在具有500GHz的FSR的可变波长光学过滤器2033的场合，KLTN的厚度为138μm，可以取外加电压为113V。

对于各可变波长光学过滤器，从厚度和外加电压计算要施加在每1μm厚度上的电压的话，可知，在可变波长光学过滤器2031(FSR＝300GHz)中，可以施加0.41V/μm的电压，在可变波长光学过滤器2032(FSR＝400GHz)中，可以施加0.65V/μm的电压，在可变波长光学过滤器2033(FSR＝500GHz)中，可以施加0.82V/μm的电压。

通过如图24所示沿光的行进方向配置这些可变波长光学过滤器2031、2032、2033，可以得到根据本实施方式的3级结构可变波长光学过滤器。此外，在图24中，参考符号2034和2035表示微透镜，参考符号2036和2037表示单模光纤。

另外，如图所示，3个可变波长光学过滤器2031、2032、2033，分别以离开互相平行配置2度的角度倾斜。亦即，与形成各可变波长光学过滤器的电介质结晶部的电介质结晶的结晶轴正交的面、和与所述光的行进方向正交的面以大于等于2度的角度倾斜。另外，各可变波长过滤器间的距离分别为2mm。通过微透镜2034(2035)将通过光纤导入的1.55μm的光作成为250μm宽度的光束，导入3级结构可变波长光学过滤器2030。使用派尔帖元件把全体保持在-13℃实现了特性，得到5.8THz的FSR。

接着，在可变波长光学过滤器2031、2032、2033上施加电压，测定了透过频带的中心波长的移位，可以观察到FSR＝4.1THz大小的移位，可知，根据本实施方式的多级结构可变波长光学过滤器作为过滤器在起作用。

FSR＝5.8THz以及4.1THz这样的值，是十分大、且正常起作用的范围。因此，通过使用具有300GHz的FSR的可变波长光学过滤器、具有400GHz的FSR的可变波长光学过滤器、以及具有500GHz的FSR的可变波长光学过滤器，可以实现正常作用、高速动作的过滤器。

(第十三实施方式)

图25是表示根据第十三实施方式的4级结构可变波长光学过滤器的概略图。如图所示，4级结构可变波长光学过滤器包含4个可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044。

这4个可变波长光学过滤器具有和图11所示的可变波长光学过滤器同样的结构。

亦即，可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044可以通过用ITO透明电极2012以及2013夹持由电介质结晶(KLTN结晶板)形成的电介质结晶部2011，进而在其外侧配置电介质多层膜反射镜2014以及2015来构成法布里-配洛标准具而得到。

电介质结晶部2011，具有由KLTN形成的电介质结晶部，通过调整Li的浓度和Nb的浓度，可以把相转移温度调整为-15℃。

具体说，该电介质结晶的组成为K_0.96Li_0.04Ta_0.77Nb_0.23O₃。Li的组成比，在本实施方式中为0.04，但是即使添加0.001也有使相转移2次变化的效果，到0.1保持立方结晶，可以使用。特别在0.01～0.06的范围内，结晶质量高，可以实现20000以上的电容率。

另外，可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044的动作温度是-15℃，在-15℃附近的材料的电容率为25000。

电介质多层膜反射镜2014以及2015由作为一般材料的SiO₂/Nb₂O₅形成。

可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044，分别具有不同的FSR。亦即，可变波长光学过滤器2041具有200GHz的FSR，可变波长光学过滤器2042具有300GHz的FSR，可变波长光学过滤器2043具有500GHz的FSR，可变波长光学过滤器2044具有700GHz的FSR。通过组合这些可变波长光学过滤器，如下说明，可实现FSR＝21.0GHz。

为实现21.0GHz的FSR，需要将各可变波长光学过滤器的透过频带的中心频率移位FSR大小。透过频带的中心频率通过式(10)表示。通过使用电光效应使该式中的n变化，使中心频率移位。在KLTN中，因为g₁₂＝-0.038m⁴/C²，ε_r＝25000，另外，ε₀＝8.854×10^-12，所以，通过把这些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可知，在可变波长光学过滤器2041(FSR＝200GHz)的场合，KLTN的厚度为345μm，可以取外加电压为134V，在可变波长光学过滤器2042(FSR＝300GHz)的场合，KLTN的厚度为230μm，可以取外加电压为94V，在可变波长光学过滤器2043(FSR＝500GHz)的场合，KLTN的厚度为138μm，可以取外加电压为113V，在可变波长光学过滤器2044(FSR＝700GHz)的场合，KLTN的厚度为99μm，可以取外加电压为112V。

对于各可变波长光学过滤器，从厚度和外加电压计算要施加在每1μm厚度上的电压的话，可知，在可变波长光学过滤器2041(FSR＝200GHz)中，可以施加0.39V/μm的电压，在可变波长光学过滤器2042(FSR＝300GHz)中，可以施加0.4V/μm的电压，在可变波长光学过滤器2043(FSR＝500GHz)中，可以施加0.9V/μm的电压，在可变波长光学过滤器2044(FSR＝700GHz)中，可以施加0.97V/μm的电压。

通过如图25所示沿光的行进方向配置这些可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044，可以得到涉及本实施方式的多级结构可变波长光学过滤器。此外，在图24中，参考符号2045和2046表示微透镜，参考符号2047和2048表示单模光纤。

另外，如图所示，4个可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044，分别以离开互相平行配置2度的角度倾斜。亦即，与形成各可变波长光学过滤器的电介质结晶部的电介质结晶的结晶轴正交的面和与所述光的行进方向正交的面以大于等于2度的角度倾斜。另外，各可变波长过滤器间的距离为2mm。通过光纤导入的1.55μm的光通过微透镜成为250μm宽度的光束，导入多级结构可变波长光学过滤器。使用派尔帖元件把全体保持在-13℃实现了特性，得到20.0THz的FSR。

接着，在可变波长光学过滤器2041、2042、2043、2044上施加电压，测定了透过频带的中心波长的移位，可以观察到FSR＝20.0THz大小的移位，可知作为过滤器在起作用。

可知，这些值是十分小，且正常作用的范围。因此，确认了包含具有200GHz的FSR的可变波长光学过滤器、具有300GHz的FSR的可变波长光学过滤器、具有500GHz的FSR的可变波长光学过滤器、以及具有700GHz的FSR的可变波长光学过滤器的4级结构可变波长光学过滤器作为过滤器正常作用、进行高速动作。

(第十四实施方式)

在第十一到第十三实施方式中，说明了包含多个在与电介质结晶部内的光的行进方向平行的方向上发生电场的可变波长光学过滤器的多级结构可变波长光学过滤器。接着说明包含多个在与光的行进方向正交方向上发生电场的可变波长光学过滤器的多级结构可变波长光学过滤器。

图26是涉及本实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的概略图。多级结构可变波长光学过滤器2050，有可变波长光学过滤器2051、2052。它们通过称为派尔帖元件的温度控制装置(未图示)来进行温度控制。可变波长光学过滤器2051、2052，除各自具有的FSR和形成电介质结晶部的电介质结晶的组成外，具有和根据第六实施方式的可变波长光学过滤器110(图11)几乎相同的结构。首先，参照图11，说明涉及本实施方式的可变波长光学过滤器。

如图11所示，涉及本实施方式的2级结构可变波长光学过滤器2050，在玻璃基板116上，通过按照电介质多层膜反射镜115、电介质结晶部117、绝缘层113、电介质结晶部112、电介质多层膜反射镜111的顺序叠置它们来制作。另外，该可变波长光学过滤器，在电介质结晶部117对向的两个侧面上具有电极114，在电介质结晶部114对向的两个的侧面上具有电极118。

形成电介质结晶部112、117的电介质结晶的成分取K_0.96Li_0.04Ta_0.77Nb_0.23O₃。Li的组成比，在本实施方式中为0.04，但是即使添加0.001也有使相转移2次变化的效果。另外，Li的组成比到0.1保持立方结晶，可充分使用。特别在0.01～0.06的范围内，结晶质量高，可以实现20000以上的电容率。具有上述成分的电介质结晶的可变波长光学过滤器的动作温度是-15℃，在-15℃的材料的电容率分别为25000。

本实施方式中使用的KLTN结晶，如前所述具有2次的电光效应，对于根据图11的结构的电场的施加方向，折射率变化量可以由上述的公式(5)、(6)表示。

从这些公式可知，随电场的施加方向，折射率变化不同，在对于光的行进方向正交的两个方向上施加了电场的场合，总的折射率变化量为式(5)、(6)的相加，可以用式(7)表示。对于与光的行进方向正交的两种偏振光，折射率变化能够变得相等，可不依赖偏振波动作。

被设计为：假设在1530nm～1570nm的通信波长频带(C频带)利用2级结构可变波长光学过滤器2050，可变波长光学过滤器2051、2052在无电场时通过1570nm的中心波长。另外，为实现40nm的可变频带，被设计为：可变波长光学过滤器2051，具有600GHz的FSR，可变波长光学过滤器2052，具有700GHz的FSR。在这一场合，在可变波长光学过滤器2051(FSR 600GHz)中的电介质结晶(KLTN)的厚度，全体约为115μm，因此，电介质结晶部各自的厚度约为57μm。另外，在可变波长光学过滤器2052(FSR 700GHz)中的电介质结晶(KLTN)的厚度，全体约为99μm。因此，电介质结晶部各自的厚度约为49μm。

再次参考图11，可变波长光学过滤器2051、2052分别具有的绝缘层113，由TeO₂系玻璃形成。使用了TeO₂系玻璃的理由，是因为折射率和KLTN结晶大体相等，通过调整成分可以实现和KLTN相等的折射率，因此可以抑制在界面的光反射。在这一场合，TeO₂系玻璃的厚度被调整为λ/2。此外，作为绝缘层113，使用了TeO₂系玻璃，但是使用SiO₂、Al₂O₃、聚合物等电容率比KLTN低的绝缘材料，也可以实现过滤器。

电介质结晶部112、117各自的侧面的电极114、118，通过蒸镀金属而形成。如图11所示，这些电极114、118，被配置为：在电介质结晶部112上在垂直于纸面的方向上产生电场，在电介质结晶部117上在平行于纸面的方向上产生电场。

电介质多层膜反射镜111、115，通过一般使用的SiO₂/Nb₂O₅形成。这些电介质多层膜反射镜111、115被配置成夹持电介质结晶部112、117(以及其间的电介质结晶部112)，来构成法布里-配洛标准具。另外，电介质多层膜反射镜111、115，被设计为使在1570nm处的反射率为90％。

具有以上结构的可变波长光学过滤器2051、2052，如图26所示，沿光的行进方向L被并排设置，得到多级结构可变波长光学过滤器2050。另外，在该图中，参照符号2053和2054表示微透镜，参照符号2055和2056表示单模光纤。通过这些微透镜和单模光纤形成瞄准光学系统，在该光学系统内配置该多级结构可变波长光学过滤器2050。

下面说明2级结构可变波长光学过滤器2050的光透过特性的测定结果。测定使用图13所示的测定系统。亦即，把来自ASE光源131的光入射到安装了该光学过滤器2050的过滤器组件200，用光谱分析仪132检测射出光。在进行高速动作测定时，使用放大器134放大用函数发生器133发生的电压图形，施加到过滤器上，用光检测器135检测光输出，用示波器136观察响应特性。

此外，通过在瞄准光学系统中安装2级结构可变波长光学过滤器，从电极引出金属配线，用金线连接到框架上，制作过滤器组件。

在测定高速响应特性时，具体说，使用放大器134放大来自脉冲图形发生器133的具有1GHz频率的矩形波电压，在2级结构可变波长光学过滤器上施加30V的电压。作为光源使用了ASE光源131。把来自该光源的波长1570nm的射出光导入2级结构可变波长光学过滤器，来自该可变波长光学过滤器的射出光通过了1570nm的带通过滤器后，由光检测器135接收。

其结果，可知，根据本实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的高速响应特性，和根据第一实施方式的可变波长光学过滤器(参照图7)相同。亦即，显然，根据本实施方式的2级结构可变波长光学过滤器2050的透过光，对于外加电场进行响应，可以用1GHz(可变时间：0.6n sec)来实现40nm的波长变化。

这样，显然，若使用本实施方式的2级结构可变波长光学过滤器的话，可以用30V左右的外加电压实现40nm的波长变化，而且，可以实现能够进行数据包的插·分的高速性。

另外，通过组合多个FSR不同的可变波长光学过滤器，与使用单独的可变波长光学过滤器的场合相比，各个可变波长光学过滤器所要求的波长变化宽度更少也可以，因此，结果可以实现更低电压的驱动。

此外，在第十四实施方式中，记述了可变波长光学过滤器是两个的场合，不用说，在FSR不同的可变波长光学过滤器是大于等于3个的场合也可以得到同样的效果。

如上所述，根据第十一到第十四实施方式，通过使用了FSR不同的大于等于2个的可变波长光学过滤器的多级结构可变波长光学过滤器，可以减低在结晶的单位厚度上施加的电压，因而，可以发挥恰当的2次的电光效应。另外，因为使用具有2次电光效应的结晶，所以可以实现高速·宽频带可变波长光学过滤器。另外，本发明的可变波长光学过滤器，因为能够以高速可变化宽频带，所以能够实现数据包的插·分等的高功能，同时，也可以作为光计测用的高速的波长扫描振荡器使用。另外，在图8所示的可变波长光学过滤器26中，会产生多重反射，但是使用根据第十一到第十四实施方式的多级结构可变波长光学过滤器，可以防止多重反射。

(第十五以及第十六实施方式)

在说明第十五以及第十六实施方式以前，遵照上述的第一到第十四实施方式的基本原理，来说明这些实施方式的基本原理。

在考虑设备的高速响应性时，必须考虑该设备的时间常数。法布里-配洛标准具型过滤器，因为通过用电极夹持电介质来制作，所以具有静电电容以及电阻。静电容量C由

C＝ε₀ε_rS/d       ...(16)

给出。此外，在式(16)中，d是电介质的厚度，ε₀是真空的介电常数，ε_r是电介质的电容率，S是电极的面积。

由式(16)可知，为减低静电电容C，或使电极的面积S变小，或使d变大。

另外，由电极产生的电阻R由

R＝ρ_νl/a        ...(17)

给出。在式(17)中，ρ_ν是电极的体积电阻率，l是电极的长度，a是电极的横截面积(厚度)。

体积电阻率ρ_ν是物质固有的值，因为在涉及该实施方式的可变波长光学过滤器中使用的透明电极，具有10^-2Ωm数量级的体积电阻率，所以电极的电阻变大。因此，时间常数RC变大，对实现高速响应不利。为克服这一点，考虑在透明电极的表面用金属薄膜涂复的结构，或者把金属薄膜自身用作电极和反射镜两者目的方法。

如上所述，通过使标准具的有效表面积尽可能小另外降低电极的电阻，可以实现以ns数量级的高速动作。

下面说明第十五以及第十六实施方式。以下的实施方式，不过是用于说明本发明的，不是限制本发明的范围的。因此，只要是本领域的技术人员，都可以采用包含这些各个要素或者全部要素的各种实施方式，而这些实施方式也包含在本发明内。

(第十五实施方式)

图27是根据第十五实施方式的可变波长光学过滤器的结构图。另外，图28是表示从光的行进方向看该可变波长光学过滤器的平面图。可变波长光学过滤器301，通过在做成薄片的电介质结晶部3011的两侧配置金属薄膜电极3012、3013而构成。该金属薄膜电极同时具有反射镜的作用。

可变波长光学过滤器301的电介质结晶部3011，用KLTN形成。KLTN，通过调整Li的浓度和Nb的浓度，相转移温度被调整到-15℃。

具体说，电介质结晶部3011的组成为K_0.96Li_0.04Ta_0.77Nb_0.23O₃。Li的组成比，在本实施方式中为0.04，但是即使添加0.001也有使相转移2次变化的效果，到0.1保持立方结晶，可以使用。特别在0.01～0.06的范围内，结晶质量高，可以实现20000以上的电容率。

另外，动作温度是-15℃，在-15℃附近的材料的电容率为25000。

金属薄膜电极3012、3013，通过蒸镀法形成，以使具有光通过的部分的必要最小限度的面积，具体地说，电极3012、3013通过蒸镀银而形成，对于电介质结晶部3011的3mm×3mm尺寸，具有半径10μm的圆形部和3μm宽的电极取出部。另外，电介质结晶部3011的厚度为50μm，银的薄膜的厚度为10nm。

可变波长光学过滤器301，在测定其光透过特性时，安装在了如图29那样的光学系统上。此时，为得到直径小于等于10μm的光束，使用带有光纤准直仪的单模光纤3032、3033。

另外，实际测定了该过滤器301的静电电容和电阻，分别是60pF和6Ω。从这些值求时间常数，为3600psec。

通过上述结构，可以制作具有1.3THz的FSR的可变波长光学过滤器。对于该过滤器，可知，施加了40V的高频信号电压，以380psec动作，确认了高速动作。

因而，可知，若使用涉及本实施方式的可变波长光学过滤器301的话，可以进行38nsec这样的高速动作。

此外，在本实施方式中，金属薄膜电极3012、3013被形成为使其具有光通过的部分的必要最小限度的面积，但是，显然，作为用来减低电极的电阻的措施，即使在采用了用金属薄膜涂敷透明电极的表面的结构的场合，也应该使其具有光通过的部分的必要最小限度的面积那样来形成这些透明电极以及金属薄膜仅。

(第十六实施方式)

在第十六实施方式中，说明和第十一实施方式的差异。

在第十六实施方式中，使用具有和涉及第十五实施方式的可变波长光学过滤器301同样的可变波长光学过滤器3041以及可变波长光学过滤器3042。它们是FSR不同的两个法布里-配洛标准具型过滤器。具体说，可变波长光学过滤器3041具有600GHz的FSR，可变波长光学过滤器3042具有700GHz的FSR。通过组合这两个标准具，如下所述，可以实现FSR＝4.2THz。

为实现4.2THz的FSR，在每一个可变波长光学过滤器3041、3042中，需要移位FSR大小的透过频带的中心频率。透过频带的中心频率通过式(10)表示。通过使用电光效应使该项中的n变化，使中心频率移位。在KLTN中，因为g₁₂＝-0.038m⁴/C²，ε_r＝25000，另外，ε₀＝8.854×10^-12，所以，通过把这些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可知，在可变波长光学过滤器3041(FSR 600GHz)的场合，KLTN的厚度为115μm，可以取外加电压为111V，在可变波长光学过滤器3042(FSR 700GHz)的场合，KLTN的厚度为99μm，可以取外加电压为96V。若从厚度和外加电压计算要施加在每1μm厚度上的电压的话，可知，在可变波长光学过滤器3041中，可以施加0.96V/μm的电压，在可变波长光学过滤器3042中，可以施加0.97V/μm的电压。进行了静电电容和电阻值的测定，在可变波长光学过滤器3041中，C＝25pF、R＝50Ω，在可变波长光学过滤器3042中，C＝33pF、R＝50Ω。

接着，通过如图30所示安装这些可变波长光学过滤器3041、3042，构成2级结构可变波长光学过滤器202。在图30中，参照符号3043、3044表示带有光纤准直仪的单模光纤。把两个可变波长光学过滤器3041、3042配置成从互相平行的配置离开大于等于2度的角度倾斜，各可变波长光学过滤器之间的距离为2mm。把通过光纤准直仪导入的1.55μm的光变为直径小于等于10μm的光束，导入到多级结构可变波长光学过滤器202。使用派尔帖元件把全体保持在-13℃测定了特性，可以得到4.1GHz的FSR。接着，在可变波长光学过滤器3041、3042上施加电压，测定了透过频带的中心波长的移位，可以观察到FSR＝4.1GHz大小的移位，可知作为过滤器在起作用。

进而，在对于这些，进行了用于确认高速动作的实验，已可以制作FSR4.1THz的2级结构可变波长光学过滤器。另外，对于可变波长光学过滤器3041施加30V的高频信号电压、对于可变波长光学过滤器3042，施加了25V的高频信号电压，可知，以100psec动作，确认了高速动作。

从而，可知，若使用本实施方式的话，可以进行100psec这样的高速动作。

如上所述，依据第十五以及第十六实施方式，通过仅在光通过的部分形成电极，可以缩小电极的面积，并由此降低静电电容，进而通过在电极上使用体积电阻率低的银，可以实现100psec数量级的高速动作。因而，第十五以及第十六实施方式的可变波长光学过滤器，因为能够以高速可变宽频带，所以能够实现数据包的插·分等高功能化，同时，也可以作为光计测用的高速的波长扫描振荡器使用。此外，在透明电极中也能够进行同样的安装。

参照上面的多个实施方式，说明了涉及本发明的可变波长光学过滤器。在这些实施方式中，不限定于举例表示的可变波长光学过滤器，在任一实施方式中，都可以使用“具有K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃的组成的结晶材料”、“具有用Ba、Sr、Ca中的至少一个元素置换KTa_1-xNb_xO₃中的K的全部或K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃中的K以及Li的全部、且用Ti置换了Ta以及Nb的全部的组成的结晶材料”、“具有用Pb和La中的至少一个元素置换KTa_1-xNb_xO₃中的K的全部或K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃中的K以及Li的全部、且用Ti和Zr中的至少一个元素置换了Ta以及Nb的全部的组成的结晶材料”。

另外，上述化学式中的组成比x可以在0.1≤x≤0.5的范围内任意调整，组成比y可以在0＜y＜0.1的范围内任意调整。

本发明，涉及光通信、光计测等使用的可变波长光学过滤器，能够提供能够以低电压高速动作，而且能够横跨宽的波长频带使波长变化的可变波长光学过滤器。

Claims (22)

1.一种可变波长光学过滤器，其特征在于：

具有：

由具有立方结晶结构、呈现2次电光效应的电介质结晶形成的光透过性的电介质结晶部(2；28，30；38；112，117；182，184；202，204，206，208；2011；3011)；

与所述电介质结晶部一起构成法布里-配洛标准具的反射镜部(5，6；27，29，31；39，41；111，115；181，185；201，205，209；2014，2015)；和

通过所述电光效应为了使该标准具的透过光的波长变化用于给所述电介质结晶部施加电压的电极(3，4；33～36；40，43；114，118；187，188；212～215；2012，2013；3012，3013)。

2.根据权利要求1所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电极(3，4；33～36；40，43；2012，2013)对于所述透过光是透明的透明电极，同时邻接所述电介质结晶部来配置；所述反射镜部(5，6；27，29，31；39，41；2014，2015)是由电介质多层膜形成的电介质多层膜反射镜部，同时邻接该电极来配置。

3.根据权利要求2所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

还具有一个或者一个以上的所述电介质结晶部和所述透明电极，所述电介质结晶部(38)和所述透明电极(40，43)被交互配置，并形成所述电介质多层膜反射镜部(39，41)以夹持通过该交互配置形成的多层体。

4.根据权利要求3所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

具有追加的所述电介质多层膜反射镜部，所述电介质结晶部的哪一个都被所述透明电极夹持，所述追加的电介质多层膜反射镜部被构成为由该透明电极夹持。

5.根据权利要求1所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电极(3012，3013)是用金属形成的金属电极，同时邻接电介质结晶部来配置，而且兼作所述反射镜部。

6.根据权利要求2或3所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电极，还具有在所述透明电极的表面上涂覆的金属薄膜。

7.根据权利要求5所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电极(3012，3013)实质上仅在所述透过光通过的部分上形成。

8.根据权利要求6所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述金属薄膜，实质上仅在所述透过光通过的部分上形成。

9.根据权利要求1所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电极(114，118；187，188；212～215)，被设置成与透过所述电介质结晶部(112，117；182，184；202，204，206，208)的光的透过方向正交且在互相正交的两个方向上发生电场。

10.根据权利要求1所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

还具有一个或一个以上的所述电介质结晶部，对于所述电介质结晶部的每一个(202，204，206，208)，所述电极(212～215)被设置成与透过该电介质结晶部的光的透过方向正交且在互相正交的两个方向上发生电场。

11.根据权利要求3或10所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电介质结晶部的每一个，具有不同的FSR。

12.根据从权利要求9到11所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

还具有由电容率比所述电介质结晶部的电容率还小的绝缘体形成的绝缘层(113；183；203，207)，插入该绝缘层以使将所述电介质结晶部分割为在所述两个方向中的一个方向上产生电场的第一部分和在另一方向上产生电场的第二部分。

13.根据权利要求12所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述绝缘体，是以TeO₂为主要成分的玻璃、SiO₂、Al₂O₃、或者聚合物中的任何一个或者它们的复合体。

14.根据从权利要求1到13中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

还具有用于管理形成所述电介质结晶部的电介质结晶的温度的温度调整装置。

15.根据从权利要求1到8中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

形成所述电介质结晶部的电介质结晶是单结晶，其一个结晶轴的轴方向和透过所述电介质结晶部的光的透过方向一致。

16.根据从权利要求1到8中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

形成所述电介质结晶部的电介质结晶是多结晶，至少一个结晶轴的轴方向和透过所述电介质结晶部的光的透过方向一致。

17.根据从权利要求1到16中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电介质结晶，具有K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃的化学组成。

18.根据从权利要求1到16中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电介质结晶，具有用Ba、Sr、Ca中的至少一个元素置换KTa_1-xNb_xO₃中的K的全部、或K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃中的K以及Li的全部、且用Ti置换Ta以及Nb的全部的组成。

19.根据从权利要求1到16中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

所述电介质结晶，具有用Pb和La中的至少一方的元素置换KTa_1-xNb_xO₃中的K的全部、或K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃中的K以及Li的全部、且用Ti和Zr中的至少一方的元素置换Ta以及Nb的全部的组成。

20.根据从权利要求17到19中任何一项所述的可变波长光学过滤器，其特征在于：

作为在所述电介质结晶的组成中的第一组成比的所述x，为大于等于0.1小于等于0.5，作为所述电介质结晶的第二组成比的所述y，为比0大比0.1小。

21.一种多级结构可变波长光学过滤器，其包含多个从权利要求1到20中任何一项所述的可变波长光学过滤器，各可变波长光学过滤器，沿向该可变波长光学过滤器要入射的光的行进方向进行设置。

22.根据权利要求21所述的多级结构可变波长光学过滤器，其特征在于：

与形成各可变波长光学过滤器的电介质结晶部的电介质结晶的结晶轴正交的面和与所述光的行进方向正交的面，以大于或等于2度的角度倾斜。

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