JP3023937B2 - 可変波長フィルタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、1.3〜1.55μm帯波長
多重（ＷＤＭ）通信、周波数分割多重（ＦＤＭ）通信等
の光通信において、波長選択を安定に行う場合に用いら
れる可変波長フィルタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた光通信は大容量の情
報を高速に伝送することが可能である。しかしながら、
現時点ではある特定波長の光パルスのみを伝送している
にすぎず、このような通信方式では伝送可能な情報量、
伝送速度にも限度がある。そこで最近、幾つもの異なっ
た波長を同時に伝送するという、波長多重（ＷＤＭ）通
信が注目され現在活発に研究開発が行われている。波長
多重通信においては情報を伝送した後、任意の波長を選
択的に取り出す波長可変フィルタが必要となる。こうい
った状況の中でメカニカルグレーティング、光導波路形
マッハツェンダ干渉計、半導体導波路フィルタ、音響光
フィルタ、液晶可変波長フィルタ等が現在活発に研究さ
れている。この中で液晶可変波長フィルタは可変帯域が
広く、小型、低コストであるという優れた特徴を有して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の波
長可変フィルタは温度変動に対してその透過スペクトル
のピーク波長が変化してしまうという欠点を有する。こ
のためＷＤＭ、ＦＤＭ通信において１つのチャネルにフ
ィルタの透過波長を合わせても、温度変動によってその
チャネルからはずれてしまうという欠点がある。さらに
情報の送り手であるレーザの波長も温度に対して大きく
変動するため、たとえフィルタの透過波長スペクトルが
安定していても、このレーザ光源の波長の変動のため１
つのチャネルを長時間に渡って選択することが困難であ
るという欠点があった。

【０００４】また、液晶可変波長フィルタは偏波依存性
があるため、液晶可変波長フィルタの前に偏波をＰ，Ｓ
偏光に２つに分離する偏光ビームスプリッタあるいは複
屈折プリズム、さらに偏波を回転させるλ/2板を設け、
これらの２本を合波することにより偏波無依存化する方
法が提案されている(Photonics Letters (フォトニクスレタース
゛),VOL.3(NO.12),pp1091,1991)。しかし、偏波無依存化
のためには２つの点の液晶フィルタのキャビティギャッ
プを完全に一致させる必要がある。さらに完全にキャビ
ティギャップを一致させても、熱による歪によってキャ
ビティギャップに差が生じてしまうという問題がある。
２つの点のキャビティギャップに差が生じるとＳ，Ｐ偏
光に対応した２本の波長ピークが生じ、偏波無依存では
なくなるという欠点があった。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その目的の一つは、光源の波長が変動した
り、可変波長フィルタの温度が変化して透過ピーク波長
帯域が変化しても、安定に波長を選択することができる
可変波長フィルタ装置を提供することにある。また、本
発明の第２の目的は、偏波無依存化の問題点を解決す
る、常に２本の透過波長ピークが一致するような可変波
長フィルタ装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
波長選択を行うべき入射光をＰ偏光ビームおよびＳ偏光
ビームに分離する偏光分離装置と、前記Ｐ偏光ビームお
よびＳ偏光ビームのうち一方のビームの偏波を回転する
λ／２板と、配向膜、ミラー、２個の領域にパターニン
グされた透明電極および基板からなる積層体によって液
晶を挟んだ構造を有する液晶可変波長フィルタであっ
て、前記偏光分離手段からλ／２板を介して到来するビ
ームおよび前記分離手段から前記λ／２板を介すことな
く直接到来するビームが各々入射し、これらの各ビーム
は前記透明電極に各領域を各々透過する液晶可変波長フ
ィルタと、この液晶可変波長フィルタから得られる２本
の透過光の各一部を取り出す分光手段と、この分光手段
によって取り出された各透過光に応じた電気信号を各々
出力する２個の受光器と、これらの受光器からの各電気
信号を最大にするように前記液晶可変波長フィルタの各
透明電極に印加する電圧を制御する２個のフィードバッ
ク回路とを具備することを特徴とする。また、請求項２
に係る発明は、前記フィードバック回路は、前記請求項
１に係る発明において、前記受光器からの電気信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、このデジタ
ル信号を常に最大にする制御データを出力するＣＰＵ
と、前記制御データをアナログ信号に変換するＤ／Ａコ
ンバータと、このアナログ信号に応じた電圧を前記透明
電極に印可する電源からなることを特徴とする。

【０００７】

【作用】上記請求項１に係る発明において、入射光がＰ
偏光ビームおよびＳ偏光ビームに分離され、これらのう
ち一方のビームの偏波がλ／２板により回転される。各
々の偏波について、液晶可変波長フィルタを通過する透
過光の透過領域は、液晶可変波長フィルタの透明電極に
印可される電圧に応じて変化する。この液晶可変波長フ
ィルタを通過した透過光の一部は、分光手段によって取
り出され、受光器によって電気信号に変換される。そし
て、フィードバック回路により、受光器から得られる電
気信号が最大になるように、液晶可変波長フィルタの透
明電極への印加電圧が調整される。このようなフィード
バック制御が行われることにより、常に液晶可変波長フ
ィルタから最大出力光が得られ、波長選択が安定化す
る。従って、温度に応じて液晶可変波長フィルタの透過
ピーク波長に変動が生じてもその変動値に応じて液晶フ
ィルタの透明電極に印可する電圧が変化し、液晶フィル
タ自身の透過ピーク波長が調整されるので、常に安定し
た波長選択が行われる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の実施例を説明
する。 （１）第１実施例 図１は本発明の第１実施例による可変波長フィルタ装置
の構成を示すブロックダイヤグラムである。図１におい
て、１はレーザ光源、１ａは入射側コリメートレンズ付
き光ファイバ、１ｂは出射側コリメートレンズ付き光フ
ァイバ、２は液晶可変波長フィルタ、３はハーフミラ
ー、４は液晶可変波長フィルタ用電源、５はＣＰＵ（中
央処理ユニット）、６は受光器、７はＤ／Ａコンバー
タ、８はＡ／Ｄコンバータである。以上説明した各要素
のうち、要素８，５，７および４によりフィードバック
回路が構成されている。

【０００９】ハーフミラー３は、裏面にＡＲコートが施
され、表面には誘電体ミラー（反射率約１〜１０％）が
形成されている。このハーフミラー３は透過光に対して
約５度傾けてある。この角度では反射率の偏波依存性は
無視できるほど小さい。また、ハーフミラー３はプリズ
ムで置き換えてもよい。

【００１０】図２は液晶可変波長フィルタの構造を示す
断面図である。図２において、１１は無反射コーティン
グ、１２は液晶、１３は誘電体ミラー、１４は石英基
板、１５は透明電極、１６は配向膜を示す。液晶可変波
長フィルタに電圧を印加すると液晶の屈折率はその電圧
の大きさによって変化するため、透過ピーク波長が変化
していく。図３に液晶可変波長フィルタの透過ピーク波
長の電圧依存性を示す。この透過ピーク波長は約15Ｖの
電圧の印加により、短波長側に約50nmのシフトする。ま
た、透過スペクトルの半値半幅は0.5nmであった。

【００１１】以下、ＣＰＵ５がどの様に信号処理して液
晶可変波長フィルタ２の透過光の出力を最大にするかに
ついて説明する。液晶可変波長フィルタ２の透明電極１
５，１５に電圧を印加する電源４は交流電源であり、そ
の出力周波数は10KHzである。また、透明電極１５，１
５への印加電圧は、ＣＰＵ５からの制御により最小ステ
ップ±αの精度で変化させることができる。αは設定変
更可能であるが、ここではαを１ｍＶに設定した。ま
た、受光器６からの出力の最大値を予め測定しておき、
この値をＡとする。受光器６からの出力がＡ／１００以
下の場合、ＣＰＵ５は±１００α電源電圧を振るように
電源に出力を送る。この時、受光器６からの出力が増加
した方向に電圧をさらに１００α振り、受光器６からの
出力が低下した場合には電圧をマイナス方向に１００α
振る。受光器からの出力が増加し、Ａ／１００以上にな
ったら、ステップ電圧をα／１０に切り変える。この動
作を繰り返し、最終的に０．８Ａまで出力電圧が増加し
たら、ステップ電圧をαにした。

【００１２】液晶可変波長フィルタ２に、波長λ=1.540
μｍのレーザ光を入射した。この波長を選択するように
約７Ｖ付近の印加電圧を液晶可変波長フィルタ２に印加
する。そして、受光器６からの電気信号が出力されたと
き、フィルタ２を通過する光出力を最大にするように、
フィードバック回路を動作させた。初期状態において、
レーザの発振波長にフィルタの透過スペクトルを合わ
せ、フィルタの外温を２０℃から４０℃まで変化させ
た。安定波長選択動作の様子を図４に示す。下段は時間
の経過に対する周囲の温度の変化を示し、中段は、フィ
ルタの時間ととも変化する印加電圧の変化、上段は出力
光のパワーである。フィルタを通過したレーザ光の出力
は常に約50μＷで変動率５％以内であった。

【００１３】次にレーザ光源の波長が変化した場合の試
験結果を図５に示す。この試験に用いた装置は、図１に
示す装置とほぼ同等の構成のものであるが、まず、レー
ザ光源の発振波長を1.552μｍで安定させ、液晶可変波
長フィルタ２の透過ピーク波長をこの波長に合わせた
後、フィードバック回路を動作させた。その後光源の波
長を約0.5nm、1nm長波長側にシフトさせた。このとき液
晶フィルタの印加電圧もレーザの波長に追従して、印加
電圧が約100ｍＶ減少して、フィルタの透過特性が変化
し、フィルタを通過した光出力が約50μＷに戻り一定値
を保った。安定に波長を追従することを確認した。

【００１４】（２）第２実施例 次に偏波無依存化を果した本発明の第２実施例による液
晶可変波長フィルタについて説明する。モジュールの構
造を図６に示す。図６において、６１はレーザ光源、６
２はコリメートレンズ付き光ファイバ、６３は液晶可変
波長フィルタ、６４，６４はハーフミラー、６５はレン
ズ、６６，６６は受光器である。６７，６７は制御系で
あり、各々、第１実施例におけるＡ／Ｄコンバータ８、
ＣＰＵ５および電源４に相当する。６１１，６１１は各
々電源である。液晶可変波長フィルタ６３の透明電極６
８は２つの電極部にパターニングされており、これらの
各電極部には、制御系６７，６７によって制御される２
つの電源６１１，６１１からの電圧が各々印加される。
６９は偏光ビームスプリッタ、６１０はλ／２板であ
る。偏光ビームスプリッタ６９の代りに複屈折プリズム
を用いてもよい。

【００１５】入射光は偏光ビームスプリッタ６９によっ
て２本の偏光ビーム（ｐ，ｓ偏波）に分けられ、これら
の偏光ビームのうち一方はλ／２板によって液晶分子に
平行な偏波に変換されて液晶可変波長フィルタ６３に入
射し、他方は液晶可変波長フィルタ６３に直接入射す
る。液晶可変波長フィルタ６３を通過した２本の偏光ビ
ームは、ハーフミラー６４，６４によって各々一部が反
射され、各反射光は受光器６６，６６によって電気信号
に変換される。図７は、液晶可変波長フィルタ６３に入
射するレーザからの光の波長ＳＰと、液晶可変波長フィ
ルタ６３を透過する２本の偏光ビームの透過波長ＳＰ１
およびＳＰ２の関係を示すものである。ここで、図７
（ａ）は制御系６７，６７が動作していない場合であ
り、図７（ｂ）は制御系６７，６７が動作している場合
である。図７（ａ）に示すように、制御系が動作してい
ない場合、２つの透過波長ピークは異なる。制御系が動
作すると、それぞれの出力を最大にするように、それぞ
れ印加される電圧が制御され、図７（ｂ）に示すよう
に、入力のレーザの波長ＳＰに２つの透過ピーク波長Ｓ
Ｐ１およびＳＰ２が一致する。このように、入力光の偏
波が回転しても、それぞれの受光器からの出力の和は一
定となり、偏波無依存となる。

【００１６】さらにこれを詳細に調べた結果を図８に示
す。図８において、出力とは２つの受光器６６，６６の
出力和である。領域（ア）では制御系６７，６７が動作
していない場合であり、偏波が変動すると２つの受光器
６６，６６の出力和は変動し、偏波依存性が現れる。
（イ）は制御系６６，６６を動作させた場合であり、入
力の光ファイバを振って偏波を変動させても、出力は一
定であり、偏波無依存となる。さらに（ウ）は液晶可変
波長フィルタの温度を室温から４０℃まで上昇させた場
合であるが、出力は一定であり、波長追従動作が確認さ
れた。さらに（エ）は入力レーザの波長を１ｎｍ長波長
側にシフトさせた場合であるが、出力は一定に保たれて
おり、波長追従動作が完全に動作していることが確認さ
れた。以下、図６の構造をとることにより、偏波無依存
で安定波長追従動作を行うことができる。

【００１７】

【発明の効果】この発明によれば、1.3〜1.55μm帯波長
多重、周波数多重通信用として、波長選択を行う際、必
要不可欠である液晶可変波長フィルタにおいて、動作時
に温度変化や劣化などにより透過特性の変化が生じて
も、また光源のピーク波長が変化しても、常に選択され
る光出力を偏波無依存で最大にする簡素化された装置を
実現することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１実施例による可変波長フィル
タ装置の構成を示すブロックダイアグラムである。

【図２】 同実施例における液晶可変波長フィルタの構
成を示す断面図である。

【図３】 液晶可変波長フィルタの透過ピーク波長の電
圧依存性を示す図である。

【図４】 同実施例において外温が変化した場合の波長
追従動作を示す図である。

【図５】 同実施例において、光源の波長がシフトした
場合の波長追従動作を示す図である。

【図６】 この発明の第２実施例による可変波長フィル
タ装置の構成を示すブロックダイアグラムである。

【図７】 同実施例におけるレーザの波長と液晶可変波
長フィルタの透過波長ピークの関係を示す図である。

【図８】 同実施例による安定波長追従動作を説明する
図である。

【符号の説明】

２……液晶可変波長フィルタ、３……ハーフミラー、４
……液晶可変波長フィルタ用電源、５……ＣＰＵ、６…
…受光器、７……Ｄ／Ａコンバータ、８……Ａ／Ｄコン
バータ、１２……液晶、１３……誘電体ミラー、１４…
…石英基板、１５……透明電極、１６……配向膜

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−29737（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−273217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−35424（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−88138（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−18825（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−121821（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−127019（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−133800（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−307822（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−140714（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/01

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長選択を行うべき入射光をＰ偏光ビー
   ムおよびＳ偏光ビームに分離する偏光分離装置と、 前記Ｐ偏光ビームおよびＳ偏光ビームのうち一方のビー
   ムの偏波を回転するλ／２板と、 配向膜、ミラー、２個の領域にパターニングされた透明
   電極および基板からなる積層体によって液晶を挟んだ構
   造を有する液晶可変波長フィルタであって、前記偏光分
   離手段からλ／２板を介して到来するビームおよび前記
   分離手段から前記λ／２板を介すことなく直接到来する
   ビームが各々入射し、これらの各ビームは前記透明電極
   に各領域を各々透過する液晶可変波長フィルタと、 この液晶可変波長フィルタから得られる２本の透過光の
   各一部を取り出す分光手段と、 この分光手段によって取り出された各透過光に応じた電
   気信号を各々出力する２個の受光器と、 これらの受光器からの各電気信号を最大にするように前
   記液晶可変波長フィルタの各透明電極に印加する電圧を
   制御する２個のフィードバック回路とを具備することを
   特徴とする可変波長フィルタ装置。
2. 【請求項２】 前記フィードバック回路は、 前記受光器からの電気信号をデジタル信号に変換するＡ
   ／Ｄコンバータと、このデジタル信号を常に最大にする
   制御データを出力するＣＰＵと、前記制御データをアナ
   ログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、このアナログ
   信号に応じた電圧を前記透明電極に印可する電源からな
   ることを特徴とする請求項１に記載の可変波長フィルタ
   装置。