JP3104715B2 - 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】本発明は、主として１．３〜１．
５５μｍ帯波長多重（ＷＤＭ）通信用あるいは周波数分
割多重（ＦＤＭ）通信用として、波長選択を行うための
安定化液晶エタロン形などの可変波長フィルタ装置に関
するものである。

【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り、近年広く普及す
るに至っている。しかしながら現時点の光通信では、あ
る特定波長の光パルスのみを伝送しているに過ぎない。
そこで最近、幾つもの異なった波長の光を同時に伝送す
るという、波長多重通信（ＷＤＭ）が注目され、現在活
発に研究開発が行われている。この波長多重通信におい
ては、情報を伝送した後、任意の波長の光を選択的に取
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。これらの中で液晶
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】従来、可変波長フィルタにより波長選択さ
せるためには、既知であるフィルタの電圧−波長特性を
基にして印加電圧を動作させて行なっていた。しかしな
がら、液晶の屈折率は温度依存性が大きく、温度変動に
対してその透過光のピーク波長も変化してしまう。この
ため、波長多重通信，周波数分割多重通信において、１
つのチャネルに液晶フィルタの透過ピーク波長を合わせ
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。更に、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波長が変動するため、例え
液晶フィルタの透過波長スペクトルが安定していても、
このレーザの波長の温度変動のために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】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、光源である
レーザ光の波長が不安定な状態でも、液晶フィルタの透
過ピーク波長帯域が温度などにより変化しても、安定し
た波長選択が行える可変波長フィルタ装置を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、配向膜とミラーと透明電極と
基板で液晶を挟んだ構造を有する液晶フィルタと、この
液晶フィルタにレーザ光を入射するレーザ光源と、この
レーザ光源の光出力を検出して電気信号に変換する受光
器と、前記液晶フィルタの透過光を検出して電気出力に
変換する受光器と、前記透明電極に接続されて前記液晶
フィルタの透過光のピーク波長を調節する第１の発振器
と、前記第１の発振器に接続されて第１の発振器の出力
に変調信号を重畳させる第２の発振器と、前記液晶フィ
ルタ側の受光器からの電気的な信号と前記第２の発振器
からの変調信号を比較して前記透過光を最大とするよう
に第１の発振器に負帰還をかけるとともに前記液晶フィ
ルタ側の受光器からの電気信号と前記レーザ光源側の受
光器からの電気信号とを比較して前記透過光を最大とす
るように第１の発振器に負帰還をかけるフィードバック
手段を有するものである。

【０００６】

【０００７】

【作用】液晶フィルタの透明電極にかける電圧を調節す
ることで液晶フィルタを通過する透過光の透過帯域が変
化し、透過光の透過ピーク波長が変化する。この性質を
利用し、液晶フィルタを通過した透過光を受光器で電気
信号に変換し、この電気信号と第２の発振器の変調信号
とを比較し、比較に応じて第１の発振器の信号に変調信
号を重畳することで液晶フィルタの透過ピーク波長を調
節することができ、これにより常に液晶フィルタから最
大出力の透過光が得られ、波長選択が安定化する。従っ
て温度に応じて液晶フィルタの透過光のピーク波長に変
動を生じてもその変動値に応じて第１の発振器から液晶
フィルタの透明電極に信号が付加されて液晶フィルタ自
身の透過光のピーク波長が調節されるので、常に安定し
た波長選択ができる。

【０００８】また、レーザ光源の光出力を電気信号に変
える受光器からの電気信号と液晶フィルタの透過光を電
気信号に変える受光器からの電気信号とを比較し、差の
値に応じて第１の発振器の信号に変調信号を重畳するこ
とで液晶フィルタの透過ピーク波長を調節することがで
き、これにより光源側の光出力の変動を生じても液晶フ
ィルタを通過する透過光の出力を最大にすることができ
る。

【０００９】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の可変波長フィルタ装置の第
１実施例を示すブロック図である。図１において、１は
レーザ光源、２は液晶フィルタ、３は光カプラ、４は第
１の発振器をそれぞれ示し、液晶フィルタ２には、第１
の発振器４を介して第２の発振器５と受光器６とロック
インアンプ７と加算器８を主体として構成された安定化
回路Ａが接続されている。なお、安定化回路Ａにおい
て、ロックインアンプ７と加算器８によりフィート゛バ
ック手段Ｂが構成される。

【００１０】前記液晶フィルタ２の入射側には、前記レ
ーザ光源１に接続された光ファイバ１ａの端部がレンズ
１ｂを介して対向され、液晶フィルタ２の出力側には、
前記光カプラ３が組み込まれた光ファイバ３ａの端部が
レンズ３ｂを介して対向されている。

【００１１】この実施例の液晶フィルタ２の詳細構造
は、図２に示すように、液晶１０の表面側と裏面側をそ
れぞれ誘電体からなるミラー１１と透明電極１３と石英
などのガラス基板１２とにより挟んだ構造になってい
る。なお、基板１２、１２の外面側にはそれぞれ無反射
コーティング層９が形成され、液晶１０の表裏面側には
それぞれ配向膜１４が形成されている。前記構造の液晶
フィルタ２は透明電極１３、１３に所定の電圧を印可す
ることで電圧の大きさによって液晶２の透過ピーク波長
を調節できるようになっている。

【００１２】液晶フィルタ２の透明電極１３にはそれぞ
れ第１の発振器４の出力側電極が接続され、この第１の
発振器４には加算器８が接続されるとともに、光カプラ
３の一方の出力端３ｃには受光器６が接続され、受光器
６にはロックインアンプ７と加算器８が接続されてい
る。また、ロックインアンプ７と加算器８には第２の発
振器５が接続されている。

【００１３】第１の発振器４は、透明電極１３、１３に
所望の電圧であって所望の波長の電気信号を印可できる
ものであり、第２の発振器５は、第１の発振器４に所望
の電圧であって所望の波長の電気信号を重畳するもので
ある。前記受光器６は、光ファイバ３の出力端３ｃから
入射された光の強さを電気信号に変換してロックインア
ンプ７に伝えるものである。ロックインアンプ７は、受
光器６からの電気信号と第２の発振器５からの電気信号
を比較して後述するように加算器８を介して所定の電気
信号を第１の発振器４の信号に重畳し、これにより第１
の発振器４から所望の重畳信号を液晶フィルタ２の透明
電極１３に加えるものである。

【００１４】次に、前記液晶フィルタ２の光透過特性に
ついて説明する。液晶フィルタ２に光を入射する場合に
おいて、液晶の屈折率をｎ、光の共振波長をλ、キャビ
ティ長をＬ、任意の整数をｍとすると、λ＝２ｎＬ／ｍ
なる関係を満足する共振波長λの光だけが液晶フィルタ
２を透過できる。この液晶フィルタ２の透明電極１３、
１３に電圧を印加すると液晶１０の屈折率ｎはその電圧
の大きさによって変化するため、透過ピーク波長も変化
していくことになる。図３に液晶フィルタ２の透過ピー
ク波長の電圧依存性を示す。図３から、液晶フィルタを
通過する光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程度シフトすることが明
らかである。また、この例で使用した液晶フィルタ２の
透過スペクトルの半値幅は０．５ｎｍであった。

【００１５】次に、前記のように構成された本実施例の
装置を作動させる場合ついて説明する。この例において
は第１の発振器４の発振周波数を１０ｋＨｚ、第２の発
振器５の発振周波数を１０Ｈｚに設定した場合を例にと
って説明する。まず、波長λ＝１．５４０μｍからλ＝
１．５５８μｍまで、２ｎｍおきの波長を有する１０本
のレーザ光をレーザ光源１から出して光ファイバ１ａを
介して液晶フィルタ２に入射する。そして、液晶フィル
タ２の透過特性に従い、その中のλ＝１．５５０μｍの
波長を選択するように、約４Ｖ付近に電圧を調整して透
明電極１３、１３に電圧を印可する。前記４Ｖ付近に電
圧を設定したのは、図３に示す液晶フィルタ２の電圧依
存性から逆算したものである。

【００１６】液晶フィルタ２を通過した光は、レンズ３
ｂを介して光ファイバ３ａに入り、その一部は出力端３
ｃから受光器６に入射され、電気信号に変換される。こ
の電気信号はロックインアンプ７に入力され、第２の発
振器５からの電気信号と比較される。この比較がなされ
ると、ロックインアンプ７は加算器８により第１の発振
器４に信号を重畳して液晶フィルタ２に付加する電気信
号を変化させ、液晶フィルタ２の透過帯域を振動させ、
液晶フィルタ２を通過するレーザ光が常に最大出力にな
るように調節する。

【００１７】ここで以下に、ロックインアンプ７がどの
ように信号比較を行なってレーザ光の出力を最大とする
かについて説明する。レーザ光源１から放出された光を
液晶フィルタ２に通過させた場合の透過ピーク波長の変
化を図４（ａ）〜（ｉ）に示す。図４（ａ）〜（ｃ）
は、液晶フィルタ２の透過ピーク波長とレーザ光源１か
ら出されたレーザのピーク波長との位置関係を示し、図
４（ｄ）〜（ｆ）は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す各位置
関係において、液晶フィルタ２に印加している電圧の波
形を示し、図４（ｇ）〜（ｉ）は、図４（ａ）〜（ｃ）
の各位置関係において、受光器６から出された電気信号
の波形を示す。

【００１８】図４（ａ）に示すように液晶フィルタ２の
透過ピーク波長がレーザのピーク波長よりも長波長側
（図の右側）に位置しているときは、受光器６からの電
気出力は１０Ｈｚで、第２の発振器５の出力に対して同
位相の出力が得られる。図４（ｂ）に示すように液晶フ
ィルタ２の透過波長ピークが光源のピーク波長よりも短
波長側（図の左側）に位置しているときは、受光器６か
らの電気出力は１０Ｈｚで、第２の発振器５の出力に対
して逆位相の出力が得られる。図４（ｃ）に示すように
液晶フィルタ２の透過ピーク波長が光源のピーク波長と
一致しているときは、受光器６からの電気的出力は第２
の発振器５の周波数の２倍である２０Ｈｚの信号が得ら
れる。そこでこの例では、ロックインアンプ７に前記２
０Ｈｚの信号を除去するフィルタを内蔵させておく。

【００１９】そこで、前記受光器６からの信号出力をロ
ックインアンプ７に入力し、第２の発振器５との位相を
検出させ、同相のときはプラスの電気出力を、逆相のと
きはマイナスの電気出力をそれぞれロックインアンプ７
から第１の発振器４に負帰還させる。これにより、プラ
スの電気出力を加えた場合は、液晶フィルタ２の透過ピ
ーク波長が図３から明らかなように減少するので、図４
（ａ）に示す状態からレーザのピーク波長に接近するよ
うに液晶フィルタ２の透過ピーク波長が変化する。ま
た、マイナスの電気出力を加えた場合は、液晶フィルタ
２の透過ピーク波長が図３から明らかなように上昇する
ので、図４（ｂ）に示す状態からレーザの波長に接近す
るように液晶フィルタ２の透過ピーク波長が変化する。
なお、図４（ｃ）に示すように液晶フィルタ２の透過ピ
ーク波長が光源のピーク波長と一致している場合は、２
０Ｈｚの周波数成分はロックインアンプ７のフィルタに
よりカットさせるので、ロックインアンプ７からの出力
は保持される。

【００２０】以上説明したような動作原理により、液晶
フィルタ２の透過光のピーク波長が変化した場合であっ
ても、ロックインアンプ７が液晶フィルタ２の透過ピー
ク波長をそれに追従させて変化させるので、液晶フィル
タ２を通して得られる光出力を常に最大値とすることが
でき、これにより液晶フィルタ２のフィルタ特性が安定
化する。

【００２１】図１に示す装置を用い、安定化回路Ａを動
作させずに、常に一定の電圧を液晶フィルタ２に印加し
た状態で、液晶フィルタ２の透過光の波長を測定した。
室温から４０℃まで液晶フィルタ２の周囲の温度を上
昇させると、温度上昇による液晶フィルタ２の屈折率変
化により、液晶フィルタ２の透過ピーク波長は、約７ｎ
ｍだけ長波長側にシフトした。

【００２２】次に、安定化回路Ａを動作させ、波長選択
する範囲内に電圧を印加させた。このときレーザの発振
波長λ＝１．５５００μｍに液晶フィルタ２の透過ピー
ク波長を合わせた。更に、透過ピーク波長の選択動作中
に液晶フィルタ２の外部の温度を変化させ、温度による
液晶の屈折率変化により液晶フィルタ２の透過特性を変
化させた。室温から４０℃に温度を上昇させた場合、液
晶フィルタ２に印加される電圧は約１００ｍＶ増加し
た。

【００２３】このときの結果を図５に示す。図５の下段
の曲線は時間の経過に対する周囲の温度の変化を示し、
図５の中段の曲線は、時間の経過とともに変化する液晶
２の透過ピーク波長の変化、図５の上段の曲線は、液晶
フィルタ２を通過したレーザ光の出力の変化を示す。図
５から明らかなように、安定化回路Ａを作動させた場
合、液晶フィルタ２を通過したレーザ光の出力は、常に
約１００μＷで安定し、その変動率は５％以内であっ
た。これにより本実施例装置の安定化動作を確認するこ
とができた。また、このとき、安定化回路Ａを作動させ
ずに光出力を測定した結果を図５の上段の鎖線で示す。
安定化回路Ａを作動させずに温度変化を与えると液晶フ
ィルタ２を通過するレーザ光の出力は急激に低下するこ
とが明らかになった。

【００２４】（実施例２）次に、レーザ光源１からのレ
ーザ光の波長が、動作時に変化した場合の試験結果を図
６に示す。この試験に用いた装置は、図１に示す構成の
装置とほぼ同等の構成のものであるが、レーザ光源１に
その温度を調節する温度コントローラを付設してある。
まず、レーザ光源１の温度コントローラを２０℃に設定
し、レーザのピーク波長を図６の下段に示すように１．
５４４μｍで安定させた。次に、液晶フィルタ２の透過
ピーク波長を透明電極１３、１３に付加する電圧を調整
することで調整し、前記のレーザ光のピーク波長に合わ
せた。その後、安定化回路Ａを作動させ、レーザ光源１
の温度コントローラの設定温度を約１０℃上昇させ、光
源１のレーザの発振ピーク波長を約１ｎｍだけ図６の下
段の曲線で示すように長波長側に徐々にシフトさせた。

【００２５】このとき、安定化回路Ａの作用により、液
晶フィルタ２への印加電圧もレーザのピーク波長の変化
に追従し、印加電圧が約１０ｍＶ減少した。これによ
り、液晶フィルタ２の透過ピーク特性が変化し、結果的
に図６の上段の実線に見られるように液晶フィルタ２を
通過したレーザの出力を約１００μＷで常に一定値にす
ることができた。

【００２６】次に安定化回路Ａを止めて液晶フィルタ２
の安定化動作を止めると、常に液晶フィルタ２には定電
圧が印加されるようになり、図６の上段の鎖線で示すよ
うにレーザの出力は変動し減少した。

【００２７】（実施例３）次に、光源１のレーザ光の出
力が変化する場合に対応させた実施例について図７を基
に説明する。図７に示す構成の装置は、図１に示す構成
の装置に第２の受光器２４を付加し、ロックインアンプ
７の作用を変更したロックインアンプ２２を設け、光フ
ァイバ１ａに光カプラ１６を付加した構成である。ま
た、他の構成要素において同一の部分には同一の符号を
付してそれらの説明は省略する。

【００２８】図７に示す装置において、光源１に接続さ
れた光ファイバ１ａには光カプラ１６が設けられ、この
光カプラ１６の一方の出力端に第２の受光器２４が接続
され、この第２の受光器２４がロックインアンプ２２に
接続されている。前記受光器２４は常時レーザ光源１の
レーザ出力を検出しておくものである。ロックインアン
プ２２は前記実施例のロックインアンプ７と同一の機能
を有する上に、以下の機能を付加したものである。即
ち、ロックインアンプ２２は、受光器２４の電気信号と
受光器６の電気信号の比較を行ない、その比較に基づい
て液晶フィルタ２に付加する電圧を変更するものであ
る。

【００２９】この例の装置は、光源１のレーザ光の出力
が変化しても、受光器２４からの電気信号と受光器６か
ら出される電気信号の差を２２のロックインアンプで検
出することにより、液晶フィルタ２の透過ピーク波長と
レーザ光源１の発振ピーク波長との差の関係を検出し、
これにより第１の発振器４に負帰還を働かせることがで
きるものである。

【００３０】図７に示す構成の装置を作動させるととも
に、レーザ光源１のレーザ出力を変化させ、かつ、レー
ザ光源１のレーザの発振波長を変化させたときの測定例
を図８に示す。まず、レーザ光源１の出力を１００μ
Ｗ、レーザ光源１の温度コントローラの温度を２０℃に
設定した。このときの発振波長λ＝１．５４４μｍであ
った。そこで液晶フィルタ２に電圧を印加し、透過ピー
ク波長を前記波長に合わせた。その後、安定化回路Ａを
働かせ、レーザ光源１は注入電流を約２ｍＡ減少させる
ことで、光出力を１００μＷから約９０μＷに変化さ
せ、同時に温度コントローラにより設定温度を約１０℃
上昇させることで、図８の上段の実線に示すようにレー
ザの波長を約１ｎｍだけ長波長側にシフトした。

【００３１】ここで図８の下段の実線から、レーザ光源
１のレーザ光の出力が変化してもレーザの波長変化に伴
い、液晶フィルタ２に印加される電圧が変化し、またレ
ーザ光源１の出力の１０％の変化に従い、液晶フィルタ
２を通過する光出力の変化も１０％であることから、液
晶フィルタ２からの光出力が常に最大になるように変化
していることが確認された。次に安定化回路Ａを止めて
液晶フィルタ２に印加する電圧を一定にすると、液晶フ
ィルタ２を通過したレーザ光の出力は急激に減少した。

【００３２】ところで、前記各実施例で使用した第１の
発振器４と第２の発振器５の周波数は１０Ｈｚあるいは
１０ｋＨｚに限るものではなく、必要に応じて他の周波
数のものを用いても良い。また、前記実施例で設定した
電圧は、図３に示す透過ピーク波長特性を示す液晶フィ
ルタ２を用いた場合に有効であるので、他の特性を示す
液晶フィルタを用いた場合は、電圧設定値をそれぞれの
液晶フィルタに合わせて適宜変更するものとする。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載した
発明によれば、液晶フィルタの透過ピーク波長を付加電
圧の大小によって調節できる性質を利用し、レーザ光源
からの光であって、液晶フィルタを通過した光を受光器
で電気信号に変えて液晶フィルタの透過ピーク波長を求
め、これを第２の発振器の変調信号と比較し、この比較
に基づいてフィードバック手段により透明電極に付加す
る電圧を調節し、液晶フィルタの透過ピーク波長を調節
して常に透過光が最大となるように第１の発振器により
負帰還をかけるようにできるので、温度変化などの外部
要因により液晶フィルタの透過ピーク波長が変化した場
合、あるいは、温度変化などの外部要因によりレーザ光
源のピーク波長が変化した場合であっても常に安定した
波長選択ができる効果がある。

【００３４】更に本発明は、先の構成に加え、レーザ光
源の出力変動を電気信号に変換する受光器を備え、この
受光器からの電気信号と液晶フィルタ側の受光器からの
電気信号とを比較してその差異により液晶フィルタの透
明電極に付加する電気信号を変更することで、液晶フィ
ルタを通過する透過光の出力を常に最大にすることがで
き、温度変化によりレーザ光源の出力変動を来しても安
定した波長選択ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の可変波長フィルタ装置の一実施
例を示す構成図である。

【図２】図２は液晶フィルタの一構造例を示す断面図で
ある。

【図３】図３は液晶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】図４（ａ）は液晶フィルタの透過ピーク波長が
光源のピーク波長よりも長波長側に位置する状態を示す
図、図４（ｂ）は液晶フィルタの透過ピーク波長が光源
のピーク波長よりも短波長側に位置する状態を示す図、
図４（ｃ）は液晶フィルタの透過ピーク波長と光源のピ
ーク波長が一致している状態を示す図、図４（ｄ）は図
４（ａ）に示す状態において液晶フィルタに印可してい
る電圧の波形を示す図、図４（ｅ）は図４（ｂ）に示す
状態において液晶フィルタに印可している電圧の波形を
示す図、図４（ｆ）は図４（ｃ）に示す状態において液
晶フィルタに印可している電圧の波形を示す図、図４
（ｇ）は図４（ａ）に示す状態において受光器から出さ
れた電気信号の波形を示す図、図４（ｈ）は図４（ｂ）
に示す状態において受光器から出された電気信号の波形
を示す図、図４（ｉ）は図４（ｃ）に示す状態において
受光器から出された電気信号の波形を示す図である。

【図５】図５は温度変動により液晶フィルタの特性が変
動した場合に安定化回路により得られた効果を示す図で
ある。

【図６】図６は温度変動により光源の波長が変化した場
合に安定化回路により得られた効果を示す図である。

【図７】図７は本発明の可変波長フィルタの他の例を示
す構成図である。

【図８】図８は光源の光出力が変動し、かつ波長変化が
生じた場合に安定化回路により得られた効果を示す図で
ある。

【符号の説明】

Ａ、Ａ’安定化回路 Ｂ、Ｂ’フィート゛バック手段 １ 光源 ２ 液晶フィルタ ４ 第１の発振器 ５ 第２の発振器 ６ 受光器 ７ ロックインアンプ ８ 加算器 １０ 液晶 １１ 誘電体ミラー １２ 基板 １３ 透明電極 ２２ ロックインアンプ ２４ 受光器

フロントページの続き (72)発明者 黒川 隆志 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−141026（ＪＰ，Ａ) 米国特許5113275（ＵＳ，Ａ) 国際公開93／1516（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/133

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配向膜とミラーと透明電極と基板で液晶
   を挟んだ構造を有する液晶フィルタと、この液晶フィル
   タにレーザ光を入射するレーザ光源と、このレーザ光源
   の光出力を検出して電気信号に変換する受光器と、前記
   液晶フィルタの透過光を検出して電気出力に変換する受
   光器と、前記透明電極に接続されて前記液晶フィルタの
   透過光のピーク波長を調節する第１の発振器と、前記第
   １の発振器に接続されて第１の発振器の出力に変調信号
   を重畳させる第２の発振器と、前記液晶フィルタ側の受
   光器からの電気的な信号と前記第２の発振器からの変調
   信号を比較して前記透過光を最大とするように第１の発
   振器に負帰還をかけるとともに前記液晶フィルタ側の受
   光器からの電気信号と前記レーザ光源側の受光器の電気
   信号とを比較して前記透過光を最大とするように第１の
   発振器に負帰還をかけるフィードバック手段を有するこ
   とを特徴とする可変波長フィルタ装置。