JP2001021852A

JP2001021852A - 多層膜光波長フィルタ

Info

Publication number: JP2001021852A
Application number: JP11189051A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sakaguchi; 茂樹坂口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】極めて薄い膜で狭帯域の可変波長フィルタを
得る。【解決手段】光学的特性の異なる少なくとも２種類の
誘電体材料を周期的に交互に繰り返して積層した構造を
有し、少なくとも一方の構成材料が電気光学効果を有す
る材料で構成されており、電界を負荷としてフィルター
リング波長を可変する多層膜光波長フィルタである。ま
た、前記電気光学効果を有する材料は、その結晶構造に
おいてヘルマン・モーガンの記号で４ｍｍの対称性（正
方晶系の中でも複正方錐体）を有する材料である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学材料と誘
電体材料とを周期時に繰り返して積層した多層膜であっ
て、電気光学効果を利用して動作する狭帯域の可変波長
フィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の通信情報量の激増に対応するた
め、光ファイバ通信技術においては、信号を載せた異な
る波長の光波を同一の光ファイバを用いて同時に伝送す
る波長多重技術（ＷＤＭ）の開発が活発になっている。
波長１.５ミクロン（μ）帯の光波を用いたＷＤＭで
は、波長間隔が０.８ナノメートル（ｎｍ）に設定され
た高密度ＷＤＭが開発されており、高密度化は、今後も
ますます進められて行く傾向にある。このようなシステ
ムのなかで特定の波長の光波を随意に切り出す可変波長
フィルタが必要になっている。

【０００３】可変波長フィルタは誘電体や半導体によっ
て構成することができる。なかでも、誘電体を用いた可
変波長フィルタは、材料の持つ電気光学効果、音響光学
効果や熱光学効果を利用して実現でき、平面光導波路と
して光波の干渉を利用して形成されている。即ち、光導
波路に対して電界を負荷したり、あるいは加熱すること
により光導波路の屈折率を変化させて干渉条件を変化さ
せ、フィルタを通過するあるいは反射する波長を可変と
するものである。その原理等は、西原、春名、栖原著、
オーム社、１９９３年発行の「光集積回路」に詳しく述
べられている。

【０００４】電気光学効果を利用した可変波長フィルタ
では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上にマッハツェン
ダー型干渉系光導波路を形成し、干渉条件を変化させて
波長を可変とするフィルタが早期に開発されている（前
記文献参照）。電気光学効果による屈折率変化は一般に
極めて小さいものであるが、光導波路型として長い光路
長にわたって電界をかけることで比較的低い電圧で、例
えば数１０Ｖで、伝搬する光波の状態（位相）を変える
ことができる。入射光波を方向性光結合器によって２つ
の光路に分け、少なくとも片側の光路に対して位相制御
し、再び結合させる際の干渉条件に合致する波長の光波
を切り出すことができる。そのため、このような可変波
長フィルタは波長の可変範囲が極めて広く、例えば、１
００ナノメートル以上の広い範囲にとれる。しかしなが
ら、切り出せる波長の帯域幅も広く、例えば、１０ナノ
メートル以上となり、高密度ＷＤＭにおける個々の波長
の切り出しには使用できない。

【０００５】一方、狭帯域化するためには、通常の電極
に加え、くし型電極を用いる必要がある等複雑な電極構
造としなければならない。また、干渉系を形成するた
め、光導波路面積は数ミリ角の大きさが必要となる。

【０００６】また、ＷＤＭ技術において、光領域での信
号処理に対する光デバイス、例えば光合分波器や光スイ
ッチとしてシリカガラスで形成された平面光導波路型デ
バイス（ＰＬＣ）が実用になっている。従って、可変波
長フィルタもＰＬＣ上に形成することも行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記シリカガラス光導
波路に用いるシリカガラス材料は等方性であるから、一
般に、一次の電気光学効果はない。しかし、材料中の構
造欠陥や不純物のために一次の効果も現われ得る。この
効果はＬＮのような結晶材料に比べて極めて小さく、発
生させるための負荷電圧は、例えば、数１０００Ｖの極
めて大きいものとなる（例えば、Ｍ.Ａbe,et al,Ｅlect
ronics Ｌett.,vol.32,PP.893−894,1996）。これに対
して熱光学効果は、数１０度の温度変化で屈折率が有効
に変化するため、熱光学効果を利用した可変波長フィル
タが可能となる。シリカ系ガラスを用いてもＬＮと同様
に光導波路型で干渉を利用した可変波長フィルタが作製
されている。

【０００８】作動原理は前記のＬＮ上に作製されたもの
と同じであるが、光導波路の屈折率を変化させるため、
材料の温度変化が必要となる。そのため応答速度が遅
く、ミリセカンド程度の応答速度にとどまっている。た
だし、ＷＤＭ光合分波器と同一基板上に作製できるので
全体としてコンパクトになるという利点がある。

【０００９】このように、従来の可変波長フィルタで
は、高密度ＷＤＭに対応可能な狭帯域のフィルタは作製
されていなかった。電気光学効果を利用したＬＮによる
可変波長フィルタは、応答速度は速いもののシリカガラ
スＰＬＣ上にハイブリッド集積できない。音響光学効果
を利用したＬＮによる可変波長フィルタは、狭帯域のも
のは容易に実現できるが、弾性波を利用することから遅
い。また、熱光学効果を利用すればシリカガラスＰＬＣ
上にモノリシックに形成できるが、応答速度は遅い、と
いった問題点があった。

【００１０】本発明の目的は、電気光学効果を利用した
波長特性の狭帯域な可変波長フィルタを提供することに
ある。

【００１１】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【００１３】（１）光学的特性の異なる少なくとも２種
類の誘電体材料を周期的に交互に繰り返して積層した構
造を有し、前記少なくとも一方の構成材料が電気光学効
果を有する材料で構成され、電界を負荷としてフィルタ
ーリング波長を可変する多層膜光波長フィルタである。

【００１４】（２）前記手段（１）の多層膜光波長フィ
ルタにおいて、前記電気光学効果を有する材料は、その
結晶構造において正方晶系の中でも複正方錐体（結晶構
造がヘルマン・モーガンの記号で４ｍｍの対称性）を有
する材料である。

【００１５】本発明のポイントは、電気光学材料と誘電
体材料を周期的に繰り返して積層した多層膜であって、
フィルターリング波長を狭帯域とし、電気光学効果を利
用した可変光波長フィルタとすることである。すなわ
ち、従来の光導波路干渉型可変フィルタでは、波長帯域
が高密度ＷＤＭに対応可能な狭帯域にすることができな
かったことが従来と異なる。

【００１６】また、本発明においては、電気光学材料を
結晶構造がヘルマン・モーガンの記号で４ｍｍの対称性
（正方晶系の中でも複正方錐体）を有する材料で構成さ
れていることを特徴とし、従来利用されていなかった極
めて大きな電気光学効果を利用していることが従来と異
なる。

【００１７】以下、本発明について、図面を参照して、
実施形態（実施例）とともに詳細に説明する。

【００１８】

【発明の実施の形態】まず、本発明による可変波長フィ
ルタの動作原理について説明する。

【００１９】図１は、本発明による実施形態の可変波長
フィルタの電気光学材料と誘電体材料とによって周期的
に繰り返し積層された多層膜の構造を示す斜視図であ
り、Ｐは電気光学材料、Ｇは誘電体材料である。

【００２０】図１に示すように、本実施形態の可変波長
フィルタの多層膜の構造は、ＰとＧを用いて［ＰＧ］^m
［２Ｐ］［ＧＰ］^m（ｍは繰り返し数）と表すことがで
きる。

【００２１】この構造では、積層中心において積層周期
が対称になっており、中心の［２Ｐ］部分は、キャビテ
ィと呼ばれる。ＰとＧとはそれぞれ異なる屈折率を有
し、各層の厚さに対し、光路長（材料の屈折率ｘ層の厚
さ）が光波の空気中における波長の４分の１に等しくな
るよう厚さを設定したキャビティ型の多層膜は、一般に
狭帯域の光波長フィルタとして用いられる。透過特性
は、幅広い反射帯の中に鋭い狭帯域の透過波長を示す。
このような特性については、ボルン、ウォルフ著、草
川、横田訳、東海大学出版会、１９７５年発行の「光学
の原理」にその詳細が述べられている。

【００２２】本発明では、電気光学材料において結晶構
造が４ｍｍの対称性を有する材料を用いている。具体的
にチタン酸バリウム（以下，ＢＴと称する）を用いた場
合について説明する。

【００２３】ＢＴは、４ｍｍの対称性を有しており、零
（０）とならない電気光学係数は、ｒ₁₃、ｒ₃₃及びｒ₅₁
である。これらの係数についての詳細は、小川著、しょ
う華房、１９９６年発行の「結晶物理工学」に述べられ
ている。これらの係数のうち、電気光学係数ｒ₅₁は極め
て大きく、１３００ｐｍ／Ｖ以上になる（他は数ｐｍ／
Ｖ程度）。この大きな効果を利用するには、図１におい
て、ＢＴの光軸（ｃ軸）が積層方向（ｚ軸）と一致する
ように取り、これと垂直の方向、ここではｘ軸方向に電
界を負荷し、電界がｘｚ面内で振動する光波を用いれば
よい。

【００２４】多層膜において、ｘ軸方向に電界を負荷す
ると、ＢＴの屈折率は負荷電界の大きさや結晶方位に応
じて屈折率が変化する。この屈折率の変化の様子を図２
に示す。

【００２５】前記文献の「結晶物理工学」に詳細に述べ
られているように、ＢＴは光学的には１軸結晶であるか
ら、ｘｚ面内において屈折率は結晶方向に応じて一定で
はなく、図２のように、楕円体（屈折率楕円体）で表さ
れる。電界が負荷されていないとき、ｘ軸上の屈折率は
常光に対する屈折率ｎ₀、ｚ軸上の屈折率は異常光に対
する屈折率ｎ_eを表す。電界を負荷すると屈折率楕円体
は、回転すると同時に変形する。ある電圧（Ｅ₀とす
る）に対してある角度回転するから、このときの角度に
設定された光路を伝搬する光波は、Ｅ₀以下の電正に対
して変化する屈折率を感じることになる。すなわち、こ
の方向において、屈折率変化が最大になり、光路長の変
化が最大となる。従って、この角度に設定された光路を
通る光波に対して変化する光路長に合致する光波のみが
透過することになり、最大の可変波長範囲が決定され
る。ただし、最大の角度はフィルタ表面における入射角
に対してスネルの法則を満たす必要があることから制限
を受ける。ＢＴの場合、この制限の範囲において、最大
の屈折率変化の大きさは電気光学係数ｒ₅₁を１３００ｐ
ｍ／Ｖとすると０.０３に達することが計算できる。

【００２６】（実施例）図３は、本発明による一実施例
の測定結果を示す図である。本発明による実施例多層膜
の材料は、Ｐとしてチタン酸バリウム、Ｇとして２酸化
ケイ素を用いる。本実施例の多層膜は、電界を２Ｖ／ミ
クロン、Ｐ層内の光路をｚ軸より１３.５１度としたと
き１.５５ミクロンの波長の光波が透過するようにＰ、
Ｇ層の厚さをそれぞれ０.１６３７、０.２８５８ミクロ
ンに設定している。これは、多層膜を光軸に対して３
４.５６度傾けておくことでなされる。

【００２７】多層膜の作製は、多元のＥＣＲスパッタ装
置を用いて、厚さ０.３ミリメートルの２インチのシリ
カガラス基板に対してそれぞれの層用のターゲットに対
して交互にスパッタして作製している。膜厚計で膜厚を
モニタしながら成膜し、繰り返し数ｍを６（ｍ＝６）と
して合計２６層積層し、積層部の総厚さは５.７２２ミ
クロンである。Ｐ層は、膜の面内では多結晶化している
が、おおむね平坦な層となっている。成膜後、表面の中
心部に２ミクロンの間隔をあけて金（Ａｕ）を蒸着し、
２つの電極を形成しそれぞれリード線をはんだ付けして
いる。

【００２８】多層膜の透過特性に対して、入射側と出射
側で光ファイバと集光レンズで構成した光学系におい
て、集光レンズ間の集光位置に前記の多層膜を３４.５
６度傾けて電極に電界を負荷しながら透過特性を光スペ
クトルアナライザで測定した結果が図３である。なお、
入射側にはファイバとレンズの間に偏光子を置き、偏光
面が多層膜に垂直になるよう調整している。

【００２９】図３は、本実施例の多層膜について、電界
と透過波長の関係を示す図であり、横軸は電圧、縦軸は
透過ピーク波長である。図３において、実線は電気光学
材料層内の光路を負荷電界が２Ｖ／ミクロンに対応する
角度に設定した場合の計算値、点線は同じく４Ｖ／ミク
ロンとした場合の計算値、四角印は測定値である。

【００３０】まず、電圧が２Ｖ／ミクロンのとき、即ち
４Ｖのとき、透過波長は１.５４９６ミクロンであっ
た。このとき、透過波長の半値幅はほぼ０.８ナノメー
トルであり、高密度ＷＤＭに対応する半値幅であった。
電圧を零（０）とすると、透過波長は１.５４７４ミク
ロンとなり、計算値に近いほぼ２ナノメートルの波長シ
フトが得られた。多層膜の透過率として、膜の有無によ
る透過光強度の比をとると、透過率は５０〜６０パーセ
ントであり、損失が大きかったが、これは電極間隔と集
光レンズによるスポット径が十分に整合しなかったこ
と、及び多層膜内の平坦性等に起因する散乱のためによ
って生じたと考えられる。

【００３１】このように、極めて薄い多層膜で高密度Ｗ
ＤＭに対応する狭帯域の可変波長フィルタを構成するこ
とができる。従って、シリカガラスのＰＬＣデバイスに
もハイブリッド集積が可能となる。

【００３２】なお、本実施例では４ｍｍ材料としてチタ
ン酸バリウムを用いているが、チタン酸鉛、ニオブ酸タ
ンタルカリウム、ニオブ酸バリウムストロンチウムを用
いた場合にもそれそれの組成に応じて波長可変範囲は異
なるものの同様の効果があることを確認している。

【００３３】以上、本発明を実施形態（実施例）に基づ
き具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲におい
て、種々変更し得ることはいうまでもない。例えば、前
記実施形態では、光学的特性の異なる少なくとも２種類
の誘電体材料として、電気光学材料Ｐと誘電体材料Ｇと
を用いた例で説明したが、本発明は、これに限定される
ものではなく、光学的特性の異なる少なくとも２種類の
誘電体材料を周期的に交互に繰り返して積層した構造を
有し、前記少なくとも一方の構成材料が電気光学効果を
有する材料で構成されるものであれば、どのような多層
膜であってもよいことは勿論である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光学的特性の異なる少なくとも２種類の誘電体材料を周
期的に交互に繰り返して積層した構造とし、少なくとも
一方の構成材料が電気光学効果を有する材料で構成する
ことにより、電界を負荷としてフィルターリング波長を
可変するので、極めて薄い膜で狭帯域の可変波長フィル
タを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施形態の可変波長フィルタの電
気光学材料と誘電体材料とを周期的に繰り返し積層され
た多層膜の構造を示す斜視図である。

【図２】本実施形態の電気光学材料層の電界を負荷した
場合の屈折率楕円体を示す図である。

【図３】本実施形態の多層膜について、電界と透過波長
の関係を示す図である。

【符号の説明】

Ｐ…電気光学材料、Ｇ…誘電体材料。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的特性の異なる少なくとも２種類の
誘電体材料を周期的に交互に繰り返して積層した構造を
有し、前記少なくとも一方の構成材料が電気光学効果を
有する材料で構成され、電界を負荷としてフィルターリ
ング波長を可変することを特徴とする多層膜光波長フィ
ルタ。
【請求項２】前記電気光学効果を有する材料は、その
結晶構造において正方晶系の中でも複正方錐体（結晶構
造がヘルマン・モーガンの記号で４ｍｍの対称性）を有
する材料であることを特徴とする請求項１に記載の多層
膜光波長フィルタ。