JP2004004832A - 物理的に変形可能な回折素子に基づく可調光フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】選択すべき光信号の周波数を、迅速かつ再現性よく変更することが可能な低コストの可調光フィルタを提供する。
【解決手段】可調光フィルタは、弾性基板（１０４）、弾性基板内の回折素子（１０２）、弾性基板を伸長させて回折素子のピッチを制御するためのアクチュエータ（１０６）、第１の光路（１１０）及び第２の光路（１１２）を備える。回折素子は、回折素子のピッチによって決まる光周波数において第２の光路を第１の光路に光学的に結合する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可調（可変調整）光フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多周波光通信システム、例えば波長分割多重（ＷＤＭ）や高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）光通信システムや他の多周波光学系では、しばしば、周波数が異なる多くの光信号の中から所与の周波数の光信号を選別する必要性が存在する。この種の光信号の選別の実行には、しばしば光フィルタが用いられる。しかしながら、薄膜フィルタや回折格子などの従来の光フィルタは通常、所与の光周波数（光学的周波数ともいう）または一定範囲の光周波数の光信号を選別する。ファイバ型ブラッグ回折格子（ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ）などの他の従来のフィルタは反射モードにおいてのみ機能し、その可調範囲は非常に狭い。これらの特性が、この種のフィルタを使用できるアプリケーションを制限している。さらに、可調エタロンフィルタは、それらを使用することのできるアプリケーションを制限する多数次応答（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｒｄｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ）の欠点を有する。かくして従来の光フィルタは通常、所望の光信号を素早くかつ再現可能に幅広い周波数範囲に亙って低コストかつ低エネルギ消費をもって選別する能力をもたない。さらに、従来の光フィルタは一般に反射モードでだけ作動し、多数次応答を有することがある。
【特許文献１】
米国特許第５，９８６，３８１号明細書
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、取捨選択対象である光信号の周波数を素早くかつ再現可能に低コストでもって可変できる可調光フィルタが必要とされている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、弾性基板と、弾性基板内の回折素子と、弾性基板を伸長して回折素子のピッチを制御するためのアクチュエータと、第１の光路と第２の光路とを含む可調光フィルタを提供するものである。回折素子は、回折素子のピッチにより決まる光周波数にて第２の光路を第１の光路へ光学的に結合する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１Ａは、本発明による可調光フィルタの第１実施形態１００を示す。光フィルタは、弾性基板１０４に形成した回折格子１０２からなる。弾性基板は、弾性基板を伸長させて回折格子のピッチを決定するよう作動するアクチュエータ１０６に結合してある。加えて、光フィルタは入力光路１１０と出力光路１１２を備える。入力光路と出力光路は、回折格子のピッチにより決まる光周波数にて回折格子により光学的に結合される。出力光路と入力端光路を光学的に結合する光周波数は、弾性基板を伸長させて回折格子のピッチを変更することで変えることができる。
【０００６】
弾性基板１０４は、回折格子１０２を形成する弾性体の層である。図示の例では、弾性基板は周知技術である写真平板（印刷）により回折格子が形成されたフォトレジスト層である。フォトレジスト層は、金属や単結晶シリコンまたはガラスなどの弾性材料の薄い副層（または下位層。図示せず）で支えることができる。調整範囲をより拡張するため、プラスチックなどのより小さなヤング率を有する材料を支持層として用いることもできる。弾性基板に回折格子を形成した後、基板の表面にアルミニウムや金などの金属の薄い層を被覆し、回折格子の反射率を増大させる。
【０００７】
アクチュエータ１０６は、圧電チップ１０８からなる。圧電チップは、弾性基板１０４を接着する主面を有する。図示の例では、弾性基板は接着材層（図示せず）により圧電チップの主面に接着してある。これに代えて、弾性基板を他の方法でアクチュエータに取り付けることも可能である。例えば、フォトレジスト内に回折格子を形成する前に圧電チップの主面にフォトレジストを張り付ける（または引き延ばすように貼り付る）か、または塗布することができる。圧電チップ１０８の一部は固定されている。図示の例では、端部１１８を固定されている。圧電チップの残りの部分は、ｘ方向に移動自在としてある。圧電チップで支持されるか、または圧電チップへ電界を印加するよう配置された電極（図示せず）が、コントローラ１２０に電気的に接続されている。コントローラは、導体１２１を介して圧電チップの電極へ印加する制御電圧を生成する。圧電チップは、制御電圧に比例してｘ方向に伸長する。圧電チップの伸長が、弾性基板１０４もまたｘ方向に伸長させる。
【０００８】
入力光路１１０は、光ファイバ１１４と集束要素１１５からなる。出力光路１１２は、光ファイバ１１６と集束要素１１７からなる。図示の例では、集束要素１１５，１１７として凸レンズを用いている。各集束要素には、追加的または代替的に凹面鏡や回析光学素子または追加のレンズを含めることができる。
【０００９】
入力光路１１０では、光ファイバ１１４は可調光フィルタ１００へ光信号を搬送する。集束要素１１５は、光ファイバ１１４により出力された光を回折格子１０２に当てる平行ビームに平行化する。
【００１０】
出力光路１１２では、回折格子１０２により出力光路に向けて回折された光ビームを集束要素１１７が光ファイバ１１６の端部へ集束させる。光ファイバ１１６と集束要素１１７の組み合わせが、周波数選別アパーチャとして機能する。周波数選別アパーチャは、光ファイバ１１６へ入射する回折格子により回折された光の角度範囲を選別する。選別された角度範囲は、回折格子の所与のピッチにて入力光路から出力光路へ結合される光周波数の範囲に対応する。光周波数範囲の中心周波数は、回折格子のピッチによって決まる。周波数選別アパーチャの光周波数範囲は、回折格子の寸法及びピッチと、光ファイバ１１４の寸法と、集束要素１１５の寸法及び焦点距離と、光ファイバ１１６の寸法と、集束要素１１７の寸法及び焦点距離とに依存する。例えば、周波数選別アパーチャの光周波数範囲を、多周波光信号を構成する光信号の隣接するものどうし間の周波数間隔よりも狭くなるよう設計することができ、これにより可調光フィルタ１００が出力光路を介する出力用に光信号を一度に一つだけ選択できるようにすることができる。
【００１１】
図１Ａは、多周波光信号１２２を入力光路１１０を介して受け取る一実施形態を示す。多周波光信号の典型的な例は、波長分割多重（ＷＤＭ）または高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）光信号である。図示の例では、多周波光信号は、それぞれが異なる光周波数を有する三つの同時存在する光信号１２４，１２６，１２８からなる。図面を単純化するため、三つの光信号だけが図示してある。実際のＷＤＭ信号またはＤＷＤＭ信号は、一般により多くの多数の光信号からなる。各光信号は、情報信号を表わすことができるよう変調されることができる。
【００１２】
図１Ａは、コントローラ１２０により圧電チップ１０８に印加された制御信号により圧電チップに最小の伸びを与えた状態の可調光フィルタ１００を示す。この状態では、弾性基板１０４の伸長は最小であり、隣接する構造間の距離の観点からは回折格子１０２のピッチは最小である。一般に、この状態にあっては制御信号のレベルは零である。かかる制御信号は圧電チップを伸長させない。
【００１３】
入力光路１１０は、多周波光信号１２２を可調光フィルタ１００に送る。入力光路は、多周波光信号を回折格子１０２上へ導くよう配置されている。回折格子は、多周波光信号をその成分光信号１２４，１２６，１２８の光周波数に従って、それらの成分光信号へと角度的に分離し、最低周波数の光信号１２４は最大角度をもって回折させられる。回折格子のピッチが最小であるため、回折格子が光信号を回析する角度は最大である。
【００１４】
出力光路１１２は、回折格子１０２が最小伸長したときに最低の光周波数を有する光信号１２４を受け取るよう配置されている。回折格子は、光信号１２６，１２８を異なる角度でもって回折して、そのどちらも出力光路へは入射しないようにする。その結果、可調光フィルタ１００は光信号１２４の光周波数においてのみ出力光路を入力光路へ結合し、光信号１２４を多周波光信号１２２から効果的に濾波する。
【００１５】
可調光フィルタ１００を調整して、最低の光周波数を有する光信号１２４とは異なる光周波数を有する光信号に対して出力光路と入力光路間の光学的結合をもたらすために、コントローラ１２０は図１Ａにおいて印加されたものとは異なる制御信号を圧電チップ１０８の電極へ印加する。図１Ｂは、圧電チップの電極に印加される図１Ａとは異なる制御信号を用いる可調光フィルタを示す。制御信号は、圧電チップ１０８をｘ方向すなわち矢印１３０の方向へ伸長させる。圧電チップの伸長が、それに結合した弾性基板１０４を伸長させる。弾性基板の伸長が、弾性基板に形成された回折格子１０２のピッチを図１Ａに示した最小のピッチに対して増大させることになる。
【００１６】
上述したように、回折格子１０２は、多周波光信号１２２をその成分光信号１２４，１２６，１２８の周波数に従って、それらの成分光信号へと角度的に分離する。最低周波数を有する光信号１２４は、最大の角度でもって偏向（または回折）させられる。しかしながら、回折格子のピッチは図１Ａに示した最小のものよりも大であるため、その光信号を回折する角度は図１Ａに示した最大のものよりも小である。図１Ｂに示した制御信号のレベルが、光信号１２６を出力光路１１２へ入射せしめる回折角度でもって回折格子が光信号１２６を回折するように回折格子のピッチを設定する。回折格子は異なる角度でもって光信号１２４，１２８を回折して、これらの光信号のどれも出力光路内へ入射しないようにする。従って、可調光フィルタ１００は光信号１２６の光周波数においてのみ入力光路に対し出力光路を結合し、多周波光信号１２２から光信号１２６を効果的に濾波する。
【００１７】
同様に、コントローラ１２０は圧電チップ１０８に対し図１Ａ，１Ｂに図示したものとは異なるレベルの制御信号を印加し、回折格子をして最高周波数を有する光信号１２８を入力光路１１０から出力光路１１２へ光学的に結合させることができる。上記の三つの実施形態のそれぞれにおいて、回折格子はある１の光周波数、すなわち、回折格子のピッチによりそれぞれ決まる光信号１２４，１２６，１２８の光周波数にて出力光路を入力光路へ光学的に結合させる。
【００１８】
上記の説明では、光路１１０，１１２を便宜上それぞれ「入力光路」、「出力光路」と呼んでいる。可調光フィルタ１００は、入力光路として機能する光路１１２から選別した光周波数の光信号を、出力光路として機能する光路１１０へ選択的に結合するよう逆動作させることもできる。
【００１９】
別の実施形態では、可調光フィルタ１００は入力光路１１０または出力光路１１２と同様に構成した追加の光路（図示せず）を含む。回折格子１０２のピッチを出力光路１１２が光信号１２４を受け取るようなものにしたときは、追加の光路が光信号１２６を受け取るように配置される。この場合、回折格子は出力光路に入力光路を結合し、加えて追加の光路に入力光路を結合する。回折格子の異なるピッチでは、光信号１２４，１２６とは異なる周波数を有する光信号が選択され、光路１１２と追加の光路を介して出力される。光フィルタには、さらに、他の、すなわち回折格子により回折されたより多くの光信号を受け取るよう配置された光路を含めることができる。
【００２０】
上記した可調光フィルタ１００の別の実施形態は、逆形式で動作させることができる。この場合、光路１１２は入力光路として動作し、光信号１２４と同じ光周波数を有する光信号を受信し、追加の光路が入力光路として機能し、光信号１２６と同じ光周波数を有する光信号を受信する。回折格子１０２は、そのピッチが図１Ａに示したものに等しいときは、入力光路として機能する光路１１２を出力光路として機能する光路１１０へ結合し、さらに入力光路として機能する追加の光路を出力光路として機能する光路１１０へ結合する。回折格子は、光路１１２と追加の光路を介して受信した光信号を重ね合わせ、光路１１０を介して出力される多周波光信号を生成する。回折格子の異なるピッチでは、光信号１２４，１２６と異なる周波数を有する光信号を重ね合わせ、光路１１０を介して出力させることができる。
【００２１】
さらなる代替実施形態では、出力光路１１２は光信号１２４，１２６，１２８のうちの２以上を受信するのに十分な広さのアパーチャを有する。この場合、可調光フィルタは多周波光信号１２２から光周波数において隣接する光信号群を濾波する。
【００２２】
可調光フィルタ１００の調整範囲（可調範囲）は、制御信号の極性を反転可能とすることで増大させることができる。上記したように、圧電チップをｘ方向に伸長させるのとは反対の極性の制御信号により、圧電チップ１０８がｘ方向に収縮される。ｘ方向に収縮する圧電チップが弾性基板１０４を負方向へ伸長させ、伸長も収縮もしない圧電チップで得られるピッチによりも回折格子１０２のピッチを減少させる。この種の実施形態では、弾性基板の伸長は最小となり、制御信号のレベルが逆方向に最大であるときに回折格子のピッチは最小となる。弾性基板の負方向伸長能力は、圧電チップに接着（または結合）する前に弾性基板を伸長させることで改善することができる。代替的には、極性を反転した制御信号を圧電チップに印加して圧電チップを収縮状態に設定し、圧電チップを収縮させたまま弾性基板を圧電チップに接着することもできる。
【００２３】
図１Ａ，１Ｂに示した可調光フィルタ１００は開ループ動作する、すなわちコントローラは制御信号を所定値に設定して、回折格子が入力光路を出力光路へ光学的に結合する光周波数を設定する。これには、アクチュエータが、伸長特性に対し安定した反復可能な制御電圧を有する必要がある。閉ループ動作を行う可調フィルタの第２実施形態２００を、ここで図２Ａ，２Ｂを参照して説明する。図１Ａ，１Ｂを参照して説明した可調フィルタ１００の要素に対応する可調フィルタ２００の要素には、同じ参照符号を用いており、ここで再度説明はしない。
【００２４】
可調光フィルタ２００はさらに、レーザ２４２と、光検出器アレイ２４４と、集束要素２４６，２４８とを備える。レーザは入力光路１１０にほぼ沿って搭載してあるが、入力光路とはｚ方向に分離されている。集束要素２４６はレーザと回折格子１０２の間に配置してあり、レーザが出力した光を平行化して基準ビーム２５０を形成する。基準ビームは入力光路１１０により出力される多周波光信号１２２と平行に進行し、多周波光信号からｚ方向に分離される。基準ビームは、多周波光信号が当たった部分からｚ方向に離間した回折格子１０２の一部に当たる（すなわち、入射する）。回折格子は、基準ビームを回折基準ビーム２５２として回折させる。
【００２５】
光検出器アレイ２４４は出力光路１１２に隣接配置してあるが、出力光路からｚ方向へ離間させてある。集束要素２４８は、光検出器アレイと回折格子１０２の間に配置してある。集束要素は、回折基準ビーム２５２を光検出器アレイへ集束させる。検出器アレイは、導体２６０により閉ループコントローラ２５８の帰還入力端２５６に接続された電気的出力端２５４を含む。
【００２６】
光検出器アレイ２４４は、多周波光信号１２２に含まれる各光信号に対応する光検出器（図示せず）を含む。回折格子のピッチが、回折格子がさらに各光信号１２４，１２６，１２８（図１Ａ）を出力光路１１２へ回折させるピッチに等しいときは、回折基準ビーム２５２を回折格子が偏向（または回折）させる位置に各検出器を配置する。図２Ａには、回折基準ビーム２５２（実線）が示されているが、これは、回折格子のピッチが、回折格子が最低の光周波数を有する光信号１２４を出力光路１１２へさらに回折させるピッチに等しいときに回折格子により回折された基準ビームである。図２Ａにはさらに、回折基準ビーム２６２（破線）が示されているが、これは、回折格子のピッチが、回折格子が中間の光周波数を有する光信号１２６（図１Ａ）を出力光路１１２へさらに回折させるピッチに等しいときに回折格子により回折された基準ビームである。回析基準ビーム２５２，２６２は、光検出器アレイ２４４を構成する光検出器のうちの異なるものに入射する。
【００２７】
光検出器アレイ２４４は、回折格子１０２により回折された基準ビーム２５０に応答して電気的帰還信号を生成する。帰還信号は、導体２６０を介して閉ループコントローラ２５８の帰還入力端２５４へ供給される。帰還信号は、回折された基準ビーム例えば２５２により照らされる（すなわち基準ビームが入射する）光検出器アレイの光検出器を少なくとも特定する。閉ループコントローラは帰還信号に応答して動作して、制御信号を生成し、この制御信号がアクチュエータ１０６をして光信号１２４，１２６，１２８のうちの所望の一つを出力光路１１２に偏向させるのに回折格子１０２が必要とする量だけ弾性基板１０４を伸長させる。
【００２８】
光検出器アレイ２４４により生成された帰還信号はさらに、光検出器アレイの１以上の光検出器に入射する回折された基準ビーム（例えば２５２）の強度を示して、閉ループコントローラ２５８が回折格子１０２をして光信号のうちの所望の一つを出力光路１１２へ偏向させる精度を増大させることができる。
【００２９】
上記の可調光フィルタでは、回折格子１０２の散乱特性（または分散特性）によって、回折格子１０２により回折された光信号１２４，１２６，１２８が、対応する多周波光信号１２２の成分よりも大きな時間のばらつきを有するようになる。さらに、回折格子の回折効率は偏光に依存するため、回折格子は所与の光信号のＴＭ偏光成分とＴＥ偏光成分に対し異なる回折効率を有する。これにより、上記の可調光フィルタもまた偏光に依存するようになる。
【００３０】
図３Ａ，３Ｂは、上述の実施形態の時間のばらつきと偏光感度が望ましくないアプリケーションに用いるための、本発明による可調光フィルタの第３実施形態３００を示す。図１Ａ，１Ｂを参照して上記した可調光フィルタ１００の要素に対応する可調フィルタ３００の要素は同一の参照符号を用いて示しており、ここで再度説明はしない。可調光フィルタは、図１Ａに示した状態に対応する状態で図示している。この状態とは、多周波光信号１２２を構成する光信号１２４，１２６，１２８のうち光信号１２４が出力光路へ回折されるよう、アクチュエータ１０６が回折格子１０２のピッチを設定する状態である。
【００３１】
可調光フィルタ３００では、出力光路３１２は入力光路１１０にほぼ沿って配置されているが、入力光路から−ｚ方向へ分離されている。光フィルタはさらに、ビーム反転選別器３７０と１／２波長板３７２を含む。ビーム反転選別器は、図１Ａ及び２Ａに示した実施形態における出力光路１１２の位置にほぼ配置されており、回折格子１０２により回折された光を受光する。ビーム反転選別器は、回折格子から受光した一定角度範囲の光を選別し、選別した角度範囲の光を回折格子へ戻すよう構成してある。ここで、回折格子は、ビーム反転選別器から受光した光を出力光路３１２へ回折する。１／２波長板が、ビーム反転選別器と回折格子１０２の間の光路中に配設されており、回折格子１０２により規定されるＴＥモードとＴＭモードに対してその主軸が４５°をなす状態で配向してある。
【００３２】
図示の例では、ビーム反転選別器３７０が回折格子１０２により回折された光信号１２４，１２６，１２８を受信する。ビーム反転選別器は、光信号１２４，１２６，１２８の角度範囲を選別する。そうすることで、ビーム反転選別器は上記の周波数選別アパーチャとして機能し、回折格子が所与のピッチで入力光路と出力光路の間を結合する光周波数の範囲をこのアパーチャが決定する。図示の実施形態では、ビーム反転選別器が光信号１２４を選択し、光信号１２４を回折格子１０２へ戻す。回折格子に戻る途中で、光信号１２４は１／２波長板３７２を通過する。回折格子は、光信号１２４を二度回折する。第２の回折では、光信号１２４が出力光路３１２に入射できるようにする角度でもって回折格子が光信号１２４を回折する。第２の回折はさらに、第１の回折により引き起こされた時間的かつ空間的な散乱を反転させることになる。
【００３３】
第１の回折により引き起こされた時間的かつ空間的な散乱を反転するための回折格子１０２による光信号１２４の第２の回折に関して、図３Ａ，３Ｂに示した実施形態におけるビーム反転選別器３７０の一部を構成するコーナーレフレクター３７４は、その反射面間の交差線が、または反射面が交差しない場合は反射面の横方向の延長間の交差線が、回折格子１０２の線と直交するよう配向されている。これにより、交差線は回折格子の散乱面と平行に配列される。上述したものとはかなり異なる配向により、第２の回折における時間的かつ空間的な散乱が増大することになろう。この種の増加した時間的かつ空間的な散乱は、多くのアプリケーション（用途）にとって望ましいものではない。
【００３４】
主軸を上述の如く配向した１／２波長板３７２は、光信号１２４のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分を回折格子１０２による光信号１２４の第２の回折へ向け交換する。ＴＥ成分とＴＭ成分の交換により、二つの偏光成分に対する回折格子の回折効率におけるいかなる差異も補償される。従って、光信号１２４の第２の回折において、ＴＭ成分とＴＥ成分は第１の回折に対して交換され、これにより回折効率における差異が等しくされ、第１の回折のそれとは逆になる。これによって、可調光フィルタ３００は偏光とは無関係なものとなる。
【００３５】
図３Ａに図示した実施形態では、ビーム反転選別器３７０はコーナーレフレクター３７４とスリット３７６と集束要素３７８，３８０からなる。コーナーレフレクターは、コーナーレフレクター上の光信号１２４の入射角度がほぼ直角となるよう傾斜させてある。コーナーレフレクターは、図３Ｂに示した如く、多周波光信号１２２が入射する回折格子の一部から−ｚ方向に変位された回折格子１０２の一部へ光信号１２４を戻す。スリット３７６は、コーナーレフレクターの反射要素の中間に配置されている。集束要素３７８は、光ビーム１２４をスリット上に集束するよう構成され配置されている。集束要素３８０は、スリットから分岐する光ビーム１２４を平行化するよう構成され配置されている。
【００３６】
光信号１２６，１２８が集束要素３７８を通過し、コーナーレフレクター３７４により反射される限り、これらの光信号はスリット３７６の長手方向と直交する方向にスリット３７６からオフセットする（すなわちずれる）。従って、これらの光信号はスリットを通過しない。スリットは光信号１２４だけを選択し、光信号１２４だけがコーナーレフレクターによって再度反射され、回折格子１０２により出力光路３２２へ回折させられる。図１Ｂに示したものに対応する状態では、光信号１２４はスリットからオフセットし、光信号１２６がスリットを通過し、コーナーレフレクターにより再度反射され、回折格子１０２により出力光路３２２へ回折される。
【００３７】
図示の例では、コーナーレフレクター３７４は互いに直交するように配置された平面鏡３８２と３８４からなる。平面鏡は、コーナーレフレクターの反射面をもたらす。平面鏡は、上記したように、回折格子１０２の線に直交する横方向の延長部との間の交差線に整列配置される。スリット３７６は、両方の鏡の面に対し４５°で配置された面３８６内に画定される。平面鏡に代えて、当該技術分野で既知のプリズムを用いることもできる。凹面鏡は、集束要素と平面鏡との各組み合わせ、例えば集束要素３７８と平面鏡３８２の組み合わせで置換することができる。
【００３８】
図３Ｃ，３Ｄは、ビーム反転選別器３７０の代替実施形態を組み込んだ可調フィルタ３００の一部を示す。可調光フィルタは、光信号１２４が出力光路内へ回折される図１Ａに示したものに対応する状態で示してある。この実施形態では、ビーム反転選別器はＵ字形光ファイバ３９０の導波路と集束要素３７８，３８０とからなる。この実施形態はまた、１／２波長板３７２を含むものとして示されている。
【００３９】
回折格子が図３Ａに示したものと対応する状態にあるとき、光導波路３９０は光信号１２４の光路に整列配置される。光導波路の端部は、集束要素３７８，３８０の集束点に配置してある。光導波路のコアは、ビーム選別を実行する。図示の回折格子の状態では、光信号１２４はそれが光導波路のコアに入射できるようにする角度でもって回折される。光信号１２６，１２８が集束要素３７８を通過する限り、かかる信号は光導波路の長手方向の軸と直交する方向に光導波路のコアからオフセットし、それ故に光導波路のコア内に入射はしない。その結果、光信号１２４だけが光導波路により伝送され、光導波路を介して回折格子１０２へ向け再照射される。回折格子による回折の後、光信号１２４は出力光路３２２へ入射する。
【００４０】
図示の実施形態では、光ファイバは光導波路３９０として図示してある。１／２波長板３７２を含む実施形態では、光ファイバは偏光維持型光ファイバ（ＰＭＦ）である。代替的には、適切な基板上に形成したＵ字形導波路を光導波路として用いることもできる。光導波路の主軸は、回折格子１０２の主軸に整列配置される。さらに、光導波路の曲率を光導波路用に規定された最小曲げ半径よりも大きくして、ファイバのモード間結合を防止している。
【００４１】
調整した光フィルタ３００にはさらに、図２Ａ，２Ｂを参照して上述した閉ループコントローラ２５８とそれに関連するレーザ２４２と検出器アレイ２４４を含めることができる。
【００４２】
図４Ａ〜４Ｅは、アクチュエータ１０６のいくつかの例示的代替実施形態を組み込んだ本発明による可調光フィルタの実施形態を示す。図１Ａを参照して説明した可調光フィルタ１００の要素に対応する図４Ａ〜４Ｅに示した可調光フィルタの要素は、同じ参照符号を用いて示しており、ここで再度説明はしない。図１Ａに示した入力光路１１０と出力光路１１２とコントローラ１２０は、図面を簡略なものとするため図４Ａ〜４Ｅでは省略してある。図４Ａ〜４Ｅに示した実施形態にはさらに、図２Ａ及び２Ｂを参照して説明した閉ループコントローラ２５８及びそれに関連するレーザ２４２及び検出器アレイ２４４と、図３Ａ及び３Ｂを参照して説明したビーム反転選別器３７０及びそれに関連する要素、のうちの一方又は両方を含めることができる。
【００４３】
第２の実施形態のアクチュエータ１０６を組み込んだ本発明による可調光フィルタの一実施形態４００を、ここで図４Ａを参照するとともに図１Ａを併せて参照して説明する。アクチュエータは、圧電チップ４０２からなる。圧電チップと、回折格子１０２が形成された弾性基板１０４は、基部４０６と支持体４０８を含むＬ字形フレーム４０４に搭載されている。弾性基板１０４の端部４１０と圧電チップ４０２の端部４１２は、支持体４０８に固定される。結合要素４１４は、端部４１０の対向遠端である弾性基板の端部４１６を端部４１２の対向遠端である圧電チップの端部４１８に結合される。圧電チップの端部４１８は、ｘ方向に移動自在としてあり、結合要素４１４を介して弾性基板１０４の端部４１６のｘ方向における位置を決定する。圧電チップにより支持されるか、または圧電チップに電界を印加するように配置された電極（図示せず）が、コントローラ１２０に電気的に接続される。
【００４４】
コントローラ１２０により印加された制御信号が圧電チップに最小の伸びを与えるときに、回折格子１０２のピッチは最小になり、回折格子は最低の光周波数を有する光信号１２４を出力光路１１２内へ回折する。光信号１２４とは異なる光信号を出力光路内へ回折するように回折格子を設定するために、コントローラはレベルの異なる制御信号を電極へ印加する。圧電チップは、制御信号に応答してｘ方向へ伸長する。結合要素４１４が圧電チップの伸長を結合して弾性基板１０４を伸長させ、前述の如く、基板内に形成された回折格子１０２のピッチを増大させる。
【００４５】
第３の実施形態のアクチュエータ１０６を組み込んだ本発明による可調光フィルタの一実施形態５００を、図４Ｂを参照するとともに図１Ａを併せて参照して説明する。アクチュエータは、圧電チップ５０２からなる。圧電チップと弾性基板１０４はＵ字形フレーム５０４内に取り付けられており、このフレームには基部５０６と基部からこれにほぼ直交して互いに平行に延びる支持体５０８，５１０が含まれる。回折格子１０２が形成された弾性基板１０４の端部４１０は支持体５０８に固定されており、端部４１０の対向遠端である弾性基板の端部４１６は圧電チップの端部５１２に結合されている。端部５１２の対向遠端である圧電チップの端部５１４は、支持体５１０に固定されている。圧電チップの端部５１２と弾性基板１０４の端部４１６の間の接合は、ｘ方向に移動自在とされている。圧電チップにより支持されるか、または、圧電チップに電界を印加するように配置された電極（図示せず）が、コントローラ１２０に電気的に接続される。
【００４６】
コントローラ１２０により電極に印加された制御信号が圧電チップ５０２に最小の収縮に与えるときに、回折格子１０２のピッチは最小になり、回折格子は、最低の光周波数を有する光信号１２４を出力光路１１２へ回折する。光信号１２４とは異なる光信号を出力光路へ回折するように回折格子を設定するために、コントローラはレベルの異なる制御信号を電極に印加する。圧電チップは、制御信号に応答してｘ方向に収縮する。圧電チップの収縮が弾性基板１０４を伸長し、前述の如く、基板内に形成された回折格子１０２のピッチを増大させる。
【００４７】
第４の実施形態のアクチュエータ１０６を組み込んだ本発明による可調光フィルタの一実施形態６００を、図４Ｃを参照するとともに図１Ａを併せて参照して説明する。アクチュエータは、リニアモータ６０２からなる。図示の例では、リニアモータはトランスレータ（並進器または変換器または中継器）６０４とステータ６０６からなる静電モータである。適切なリニア静電ステップモータの一例が、本願の譲受人に譲渡された、Ｈｏｅｎ他による米国特許第５，９８６，３８１号に記載されいるが、その開示内容を参照により本明細書に組み込むものとする。トランスレータは、高アスペクト比の折曲梁可撓体（または折返しビーム可撓体。ｆｏｌｄｅｄ−ｂｅａｍ　ｆｌｅｘｕｒｅ）６０８によりステータに対して搭載されている。可撓体は、トランスレータをｘ方向に自由に移動できるようにしているが、ｙ方向とｚ方向にはトランスレータの動きを制限している。
【００４８】
ｚ方向に延びｘ方向に配列された電極が、幅狭のギャップで互いに離間された、トランスレータ６０４とステータ６０６の対向面に配置されている。コントローラには電極が電気的に接続されており、トランスレータ上に空間的に交番する電圧パターンが、及び、ステータ上にｎ個の電極ごとに位相反転する空間的に交番する電圧パターンが確立される。例示的なトランスレータ電極が６１０で示されており、例示的なステータ電極が６１２で示されている。ｎ個のステータ電極の各々に対して、ｎ−１個（または、ｎ個乃至１個のいずれか）のトランスレータ電極が存在する。
【００４９】
他の形式の静電式や電磁式またはその他のリニアモータを、リニアモータ６０２として代替的に用いることもできる。
【００５０】
リニアモータ６０２と、回折格子１０２が形成された弾性基板１０４は、Ｕ字形フレーム６１４内に搭載されている。Ｕ字形フレームは、基部６１６と基部からこれにほぼ直交して互いにほぼ平行に延びる支持体６１８，６２０からなる。結合部材６２２は、トランスレータ６０４に結合されている。
【００５１】
弾性基板１０４の端部４１０が、支持体６１８に取り付けられている。端部４１０の対向遠端である弾性基板の端部４１６が、結合部材６２２に取り付けられている。結合部材はトランスレータに対して位置決めされており、これにより、可撓体６０８により規定されるトランスレータ６０４の休止位置においてトランスレータは基板に対して最小の張力を及ぼす。この状態では、回折格子１０２のピッチは最小であり、回折格子が最低の光周波数を有する光信号１２４を出力光路１１２へ回折する。
【００５２】
最低の光周波数を有する光信号１２４とは異なる光信号を出力光路１１２へ回折するように回折格子１０２を設定するために、コントローラはステータ電極に印加される電圧パターンを変更して、ステータ６０６に沿って位相反転をステップ駆動する（ステップ状に進ませる）。これが、トランスレータ６０４をｘ方向へ移動させる。トランスレータをｘ方向へ移動させることで、弾性基板１０４が伸長し、前述の如く、基板内に形成された回折格子１０２のピッチを増大させる。
【００５３】
第５の実施形態のアクチュエータ１０６を組み込んだ本発明による可調光フィルタの一実施形態７００を、図４Ｄを参照するとともに図１Ａを併せて参照して説明する。アクチュエータは、回転モータ７０２と回転−直線動き変換器７０４からなる。回転モータの入力部は、コントローラ１２０に接続されている。回転モータの出力軸７０６は、動き変換器に対して原動力を供給する。動き変換器は出力軸の回転運動を変換してアクチュエータリンク７０８をｘ方向へ直線的に移動させる。機械式や油圧（または水圧）式や空圧式または他のタイプの動き変換器を用いることもできる。
【００５４】
回転モータ７０２と、動き変換器７０４と、回折格子１０２が形成された弾性基板１０４は、Ｌ字形フレーム７１０内に搭載されている。Ｌ字形フレームは、基部７１２と基部からこれにほぼ直交して延びる支持体７１４からなる。回転モータと動き変換器は、基部に搭載されている。
【００５５】
回折格子１０２が形成された弾性基板１０４の端部４１０は支持体７１４に固定されており、端部４１０の対向遠端である弾性基板の端部４１６はアクチュエータリンク７０８に結合されている。アクチュエータリンクは、基板に対し最小の張力を及ぼす休止位置を有する。アクチュエータリンクの休止位置にあっては、回折格子のピッチは最小であり、回折格子は最低の光周波数を有する光信号１２４を出力光路１１２へ回折する。
【００５６】
光信号１２４とは異なる光信号を出力光路１１２へ偏向するように回折格子１０２を設定するために、コントローラは制御信号を回転モータ７０２へ給送する。制御信号により、回転モータは出力軸７０６を回転させ、動き変換器７０４が出力軸の回転運動をアクチュエータリンク７０８のｘ方向の直線運動に変換する。アクチュエータリンクの運動が弾性基板１０４を伸長させ、前記の如く、基板に形成された回折格子１０２のピッチを増大させる。
【００５７】
弾性基板を図４Ａに示した圧電チップ４０２に搭載するのと同様なやり方で、弾性基板１０４を回転モータ７０２と動き変換器７０４上に搭載することで、よりコンパクトな構成を得ることができる。
【００５８】
第６の実施形態のアクチュエータ１０６を組み込んだ本発明による可調光フィルタの一実施形態８００を、図４Ｅを参照するとともに図１Ａを併せて参照して説明する。アクチュエータは、弾性基板１０４に熱的かつ機械的に結合され、かつ、コントローラ１２０の出力端から制御信号を受信するように接続された電気的加熱素子（または電気的発熱体）８０２からなる。
【００５９】
一例では、弾性基板１０４は、回折格子１０２をｖ字形の溝の列としてエッチングした低導電率単結晶シリコンのチップ８０４である。電気的加熱素子は、チップの背面８０６を低抵抗熱係数を有する金属層で被覆することにより形成される。この層は、加熱素子８０２として細長い蛇行する導電線を形成するためにパターン形成される。シリコン上にパターン形成された金属層を蒸着（または付着）する工程は、当該技術分野において既知であり、ここで説明はしない。
【００６０】
代替的には、加熱素子はチップの背面８０６に適切な不純物を拡散させて、チップの残りの部分よりも高い導電性を有する細長い蛇行チャンネル半導体材料を形成することによって、シリコンチップ８０４内に形成することもできる。シリコン内に増大した導電率をもつ領域を形成する工程は、当該技術分野で既知であり、ここで説明はしない。さらなる代替例として、加熱素子８０２を支持する追加基板（図示せず）か、または中に加熱素子が製作される追加基板（図示せず）を、弾性基板１０４に結合（または接着）することもできる。弾性基板と追加基板は、互いに異なる材料とすることができる。さらにこれらの基板の一方または両方を、単結晶シリコンとは異なる材料とすることもできる。
【００６１】
電気的加熱素子８０２及び回折格子１０２が形成された弾性基板１０４は、Ｕ字形フレーム８１０に取り付けられる。Ｕ字形フレームは、基部８１２と基部からそれにほぼ直交して互いに平行に延びる支持体８１４，８１６からなる。
【００６２】
回折格子１０２が内部に形成された弾性基板１０４を提供するチップ８０４の端部４１０は、支持体８１４に固定される。端部４１０の対向遠端であるチップの端部４１６は、高アスペクト比の折曲梁可撓体８０８を画定する形状とされる。可撓体は端部４１６をｘ方向へ移動自在とするが、ｙ方向とｚ方向の端部４１６の動きは制限される。別個のコンポーネントを、屈曲可撓体８０８として代替使用することもできる。屈曲可撓体以外の他の要素を、チップ８０４の端部４１６の支持に代替使用することもできる。
【００６３】
コントローラ１２０は加熱素子８０２を加熱し、それによって回折格子１０２が最小伸長し、回折格子１０２のピッチが最小となる温度へチップ８０４を加熱するレベルの制御信号を生成する。この状態では、回折格子は最低の光周波数を有する光信号１２４を出力光路１１２へ回折させる。光信号１２４とは異なる光信号を出力光路へ回折するように回折格子を設定するために、コントローラは加熱素子を介して異なるレベルの制御信号を給送する。加熱素子がチップ８０４の温度を上昇させ、この温度上昇に比例してチップをｘ方向に伸長させる余計な熱を放散する。これにより、前述の如く、基板内に形成される回折格子１０２のピッチが増大する。
【００６４】
１以上のダイオード（図示せず）を、チップ８０４内に追加的に製作することもできる。コントローラ１２０は、ダイオードを介して電流を供給することができ、ダイオードにかかる電圧を計測してチップの温度を割り出すことができる。この場合、コントローラは加熱素子を介して電流を給送し、チップ温度をダイオード両端で計測した電圧によって示される所望の温度に設定する。所望の温度では回折格子のピッチは、回折格子が所望の光信号を出力光路へ回折するように設定される。加えてまたはこれに代えて、図２Ａ，２Ｂを参照して上記した配置構成を格子１０２のピッチの閉ループ制御をもたらすのに用いることもできる。
【００６５】
本発明を、多周波光信号を回折格子で回析する例を参照して説明してきた。しかしながら、これは本発明にとって必要不可欠ではない。回折格子は回折素子の一例であり、入力光路により搬送される光信号を、回折光素子やホログラムといった他のタイプの回折素子によって回折させることもできる。
【００６６】
本発明を、多周波光信号がそれぞれ異なる光周波数の２以上の同時存在する複数の光信号からなるという意味において、多周波光信号が「複数周波数」である例を参照して説明してきた。この種の多周波光信号の例には、ＷＤＭ光信号やＤＷＤＭ光信号が含まれる。多周波光信号が複数の同時存在する光信号からなるときは、回折格子１０２は、多周波光信号の一部を出力光路へ結合、すなわち多周波光信号を構成する１（又はそれ以上）の光信号を出力光路へ結合する。出力光路に結合された光信号のうちの一つの光周波数は、回折格子のピッチによって決まる。
【００６７】
しかしながら、多周波光信号が多数の同時存在する光信号からなることは本発明にとって必要不可欠ではない。代替的には、多周波光信号が一度にわずか一つの光信号で構成され、一つの光信号が異なる時間に異なる光周波数を有し得るという意味で複数周波数とすることもできる。多周波光信号が一度にわずか一つの光信号からなるときは、弾性基板１０４を伸長するアクチュエータ１０６により回折格子１０２のピッチが適切に設定されたときには、回折格子１０２は、光信号全体を出力光路へ結合する。
【００６８】
本発明を、回折格子が反射により動作する例を参照して説明してきた。しかしながら、このことは本発明にとって必要不可欠ではない。出力光路を適切に再配置することで、回折格子は透過により動作することができる。この場合、回折格子が形成された基板は光学的に透明であり、基板表面には反射性の金属フィルムは適用されない。
【００６９】
本明細書及び図面は、例示的な実施形態を用いて本発明を詳細に説明するものである。しかしながら、特許請求の範囲により規定される本発明は、説明した実施形態そのものに限定されないことは言うまでもない。
【００７０】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．可調光フィルタ（１００，２００，３００）であって、
弾性基板（１０４）と、
前記弾性基板内のピッチを有する回折素子（１０２）と、
前記弾性基板を伸長して前記回折素子のピッチを制御するためのアクチュエータ手段（１０６）と、
第１の光路（１１０）と、
前記回折素子のピッチにより決まる光周波数において前記回折素子により前記第１の光路に光学的に結合される第２の光路（１１２）
を備える、可調光フィルタ。
２．上項１記載の可調光フィルタであって、
前記第１の光路が前記回折素子の所与のピッチで前記第２の光路に光学的に結合されるところの光周波数とは異なる光周波数で、前記回折素子により前記第１の光路に光学的に結合される第３の光路をさらに備える、可調光フィルタ。
３．上項１又は２記載の可調光フィルタであって、
前記アクチュエータ手段を制御するために接続されたコントローラ（２５８）と、
前記第１の光路の近傍に配置されて、基準光ビーム（２５０）で前記回折素子を照射する光源（２４２）と、
前記第２の光路の近傍に配置されて、前記回折素子によって回折された前記基準光ビームを受け取る光検出器アレイ（２４４）と、
前記光検出器アレイから前記コントローラへの電気的接続（２６０）
をさらに備える、可調光フィルタ。
４．上項１，２，３のいずれかに記載の可調光フィルタであって、
前記アクチュエータ手段が、
前記弾性基板が結合される主面を備える圧電チップ（１０６）と、
前記弾性基板に機械的に結合された圧電チップ（４０２，５０２）と、
前記弾性基板に機械的に結合されたモータ（６０２，７０２）と、
前記弾性基板に熱的に結合された発熱体（８０２）
とのうちの一つを備える、可調光フィルタ。
５．上項１乃至４のいずれかに記載の可調光フィルタであって、
前記回折素子によって回折された光を受光光として受け取るように配置され、かつ、ある角度範囲にある受光光を被選別光として選別して、前記被選別光を前記回折素子へ戻して出力光路へ回折させるように構成されたビーム反転選別器（３７０）をさらに備える、可調光フィルタ。
６．上項５に記載の可調光フィルタであって、
前記ビーム反転選別器と前記回折素子の間に配置された１／２波長板（３７２）をさらに備える、可調光フィルタ。
７．上項５又は６に記載の可調光フィルタであって、
前記ビーム反転選別器が、
二つの反射面を備えるコーナーレフレクター（３７４）と、
前記反射面間に配置されたスリット（３７６）
を備えることからなる、可調光フィルタ。
８．上項５又は６に記載の可調光フィルタであって、
前記ビーム反転選別器がほぼＵ字形をなす一定長の光ファイバ（３９０）を含む、可調光フィルタ。
９．上項７又は８に記載の可調光フィルタであって、
前記ビーム反転選別器がさらに、
前記受光光を集束させるように構成された第１の集束要素（３７８）と、
前記被選別光を平行化するように構成され第２の集束要素（３８０）
を含むことからなる、可調光フィルタ。
【００７１】
本発明の可調光フィルタは、弾性基板（１０４）、弾性基板内の回折素子（１０２）、弾性基板を伸長させて回折素子のピッチを制御するためのアクチュエータ（１０６）、第１の光路（１１０）及び第２の光路（１１２）を備える。回折素子は、回折素子のピッチによって決まる光周波数において第２の光路を第１の光路に光学的に結合する。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、選択すべき光信号の周波数を、迅速かつ再現性よく変更することが可能な低コストの可調光フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは第１のレベルを有する制御信号をアクチュエータに印加した状態における本発明による可調光フィルタの第１実施形態の概略側面図、Ｂは第２のレベルを有する制御信号をアクチュエータに印加した状態における本発明による可調光フィルタの第１実施形態の概略側面図である。
【図２】Ａは本発明による可調光フィルタの第２実施形態の概略側面図、Ｂは本発明による可調光フィルタの第２実施形態の概略平面図である。
【図３】Ａは本発明による可調光フィルタの第３実施形態の概略側面図、Ｂは本発明による可調光フィルタの第３実施形態の概略平面図、Ｃはビーム反転選別器の代替実施形態を示すＡに示した可調光フィルタの第３実施形態の一部の概略側面図、Ｄはビーム反転選別器の代替実施形態を示すＡに示した可調光フィルタの第３実施形態の一部の概略平面図である。
【図４】Ａ乃至Ｅはアクチュエータの代替実施形態を示す本発明による可調光フィルタの追加の実施形態の一部の概略側面図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００　可調フィルタ
１０２　回折格子
１０４　弾性基板
１０６　アクチュエータ
１０８　圧電チップ
１１０　入力光路
１１２　出力光路
１１６　光ファイバ
１１７　集束要素
１２０　コントローラ
１２２　多周波光信号

Claims (1)

1. 可調光フィルタ（１００，２００，３００）であって、
   弾性基板（１０４）と、
   前記弾性基板内のピッチを有する回折素子（１０２）と、
   前記弾性基板を伸長して前記回折素子のピッチを制御するためのアクチュエータ手段（１０６）と、
   第１の光路（１１０）と、
   前記回折素子のピッチにより決まる光周波数において前記回折素子により前記第１の光路に光学的に結合される第２の光路（１１２）
   を備える、可調光フィルタ。

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