JP3577636B2

JP3577636B2 - 光強度変調装置

Info

Publication number: JP3577636B2
Application number: JP2002003126A
Authority: JP
Inventors: 昇上原
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP2003207725A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特定の波長の光強度を変化させることができる光強度変調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来光の強度を変調する光強度変調器としては、次の２つの方法が提案されている。１つは光源である半導体レーザの駆動電流を直接変化させて変調するものである。又レーザ光で発振された光を外部で変調する変調として電気光学効果を用いた光強度変調器が用いられている。電気光学効果による光強度変調器としては、ニオブ酸リチウム等を用いた強誘電体材料や半導体超格子から成る多重量子井戸を用いた素子が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザを直接変調する方法では、レーザ駆動電流を制御するためレーザ光の発振状態が変化したり、発振波長が変化することがあるという欠点があった。
【０００４】
電気光学効果による外付け型の光強度変調器では、変調素子からの戻り光が充分軽減されず、半導体レーザの動作状態が不安定となったり、モードホッピング等発振波長の変動が生じたり、低周波領域での雑音の増大が起こることがあるという欠点があった。
【０００５】
光通信分野においては多数の波長成分を多重する光波長多重通信方式（ＷＤＭ通信方式）が採用されつつある。この方式では１本の光ファイバ中を伝播する多波長の光に対して特定波長成分（チャンネル）毎に光強度を変調する必要がある。従来の光強度変調では、多重化された波長を一旦デマルチプレクサによって分岐し、各波長毎に光強度変調器を用いて入力信号によって強度変調を行い、その後マルチプレクサにより光を合波して元の光ファイバに戻すようにしなければならない。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであって、機械的な可動部がなく、特定の波長成分の光強度レベルを高速で調整することができる光強度変調装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、波長多重光が入射される第１の光強度変調器、及び前記第１の光強度変調器からの反射光を入射光として順次縦続接続された第２〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光強度変調器を含み、前記各光強度変調器は、互いに透過波長が異なり、前記波長多重光の多重されている波長の少なくとも一部を透過波長とするものであり、前記各光強度変調器は、透明光学基板の上に少なくとも２種類の異なる屈折率をもつ誘電体薄膜を交互に積層して形成された誘電体多層膜フィルタ素子と、前記誘電体多層膜フィルタ素子を押圧するための圧電アクチュエータと、前記誘電体多層膜フィルタ素子と圧電アクチュエータとを挟み込む保持部と、前記圧電アクチュエータに直流電源を供給する電圧源と、を具備し、圧電アクチュエータに電圧を印加し、その圧電効果により誘電体多層膜を押圧し、その物理的膜厚を変化させることにより特定の波長の光に対する光強度を変化させるものである。
【０００８】
本願の請求項２の発明は、請求項１の光強度変調器において、前記誘電体多層膜フィルタ素子は、少なくとも１つのキャビティを有するバンドパスフィルタ構造の誘電体多層膜フィルタ素子であることを特徴とするものである。
【０００９】
本願の請求項３の発明は、請求項１又は２の光強度変調器において、前記圧電アクチュエータは、前記誘電体多層膜フィルタ素子の多層膜に垂直方向に押圧するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、光強度変調器を実現するために、圧電アクチュエータを使用して誘電体多層膜の膜厚を一律に変化させることによって波長を変化させることとする。まず弾性効果による変形について、図２を用いて説明する。今、等方な３次元の物質におけるフックの法則によると、Ｘ，Ｙ及びＺの各方向に生じる歪み成分（ｓｔｒａｉｎ）ε_Ｘ，ε_Ｙ，ε_Ｚは次式で表すことができる。
ε_Ｘ＝αＴ＋［σ_Ｘ−ν（σ_Ｙ＋σ_Ｚ）］／Ｅ（１）
ε_Ｙ＝αＴ＋［σ_Ｙ−ν（σ_Ｚ＋σ_Ｘ）］／Ｅ（２）
ε_Ｚ＝αＴ＋［σ_Ｚ−ν（σ_Ｘ＋σ_Ｙ）］／Ｅ（３）
ここで、αは熱膨張係数、Ｔは温度、σ_Ｘ，σ_Ｙ，σ_Ｚは応力成分（ｓｔｒｅｓｓ）である。νはポアソン比（Ｐｏｉｓｓｏｎ ’ｓｒａｔｉｏ）、Ｅはヤング率（ＥｌａｓｔｉｃｉｔｙｏｆＭｏｄｕｌｕｓ）である。
【００１２】
今、熱膨張効果（αＴ）は除いて、Ｙ方向より応力σ_Ｙを印加する場合を考える。この場合（１）、（２）、（３）式は次式のように書き直せる。
ε_Ｘ＝−（ν／Ｅ）σ_Ｙ（４）
ε_Ｙ＝（１／Ｅ）σ_Ｙ（５）
ε_Ｚ＝−（ν／Ｅ）σ_Ｙ（６）
これらの式は、さらに、
ε_Ｘ＝ε_Ｚ＝−νε_Ｙ（７）
と書き表せる。
従って、図２に示すようにε_Ｙの圧縮歪みはＸ，Ｚ方向には（７）式で表せる大きさの膨張歪みとなって現れることが分かる。
【００１３】
我々は、この弾性効果を光強度変調器に利用することとした。圧電アクチュエータはその圧電効果によって、電気的な印加電圧に比例してミクロン単位で膨張する。これまで圧電アクチュエータは、ドットプリンタヘッド、インクジェットプリンタヘッド、弁駆動、カメラのオートフォーカス用リニアモータ等に使用されてきた。圧電アクチュエータは、例えば１００ｋｇ／ｃｍ^２以上の大きな発生応力を電気機械変換効率５０％以上の効率で発生する特長を有している。更に駆動においてはノイズレスで且つ超小型（１ｃｍ^３程度）である等の利点がある。
【００１４】
そこで本実施の形態では図１に示すように、透明光学基板１の上に２種類の異なる高屈折率誘電体薄膜、低屈折率誘電体薄膜を積層した多層膜２を形成し、誘電体多層膜フィルタ素子３とする。
【００１５】
次に誘電体多層膜構造を有する光バンドパスフィルタについて図３を用いて更に詳細に説明する。図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は多層膜部分の拡大断面図である。誘電体多層膜構造を有する光フィルタは、従来のものと同様に、ガラス，シリコン等の透明光学基板１上に誘電体多層膜２を積層して構成する。誘電体多層膜２は、第１の誘電体膜である高屈折率膜Ｈと第２の誘電体膜である低屈折率膜Ｌとを交互に積層して蒸着したものである。高屈折率膜Ｈ及び低屈折率膜Ｌの屈折率をそれぞれｎ_Ｈ、ｎ_Ｌとすると、ある設計波長λ_０を中心に高反射率を有する誘電体多層膜フィルタの膜構造は次式で与えられる。
基板／ＨＬＨＬ・・・・ＨＬ／媒質（空気）（８）
ここで、高屈折率膜Ｈと低屈折率膜Ｌの膜厚は夫々ｄ_Ｈ，ｄ_Ｌである。これらは４分のλ物理膜厚と呼ばれ、次式で与えられる。
ｄ_Ｈ＝λ_０／４ｎ_Ｈ（９）
ｄ_Ｌ＝λ_０／４ｎ_Ｌ（１０）
最下層の高屈折率膜Ｈは基板１に接しており、最上層の低屈折率膜Ｌは媒質に接している。一般的に媒質は空気等が考えられる。
（８）式はある基板の上に膜厚ｄ_Ｈとｄ_Ｌの２種類の誘電体薄膜Ｈ，Ｌを交互に積層することを表している。（８）式は次式のように簡便に表すことができる。
基板／（ＨＬ）^ｎ／媒質（空気）（１１）
ここで、（１１）式はＨＬのペアの層をｎ回繰り返し積層することを意味している。
すなわち、
基板／ＨＬＨＬＨＬ／媒質
は
基板／（ＨＬ）^３／媒質
と等価である。
【００１６】
ところで、ある光波長成分のみを分離して信号を抽出したり解析するために、狭帯域のバンドパスフィルタが用いられる。バンドパスフィルタの膜構造は次式のように表せる。
基板／Ａ／媒質（空気）（１２）
Ａ＝［（ＨＬ）^ｎＨＳ_ｉＬＨ（ＬＨ）^ｎＬ］^ｍ（１３）
ここで、ｍ、ｎ、Ｓ_ｉ（ｉ＝１，２・・・，ｍ）は正の整数（＝１，２，３・・・）である。
【００１７】
Ａの膜構造はキャビティ構造と呼ばれており、高反射ミラー部（ＨＬ）^ｎＨの次に厚さＳｉｄ_Ｌのスペーサ層ＳｉＬが配置されている。ｍが１，２，３の場合、それぞれ単一キャビティ、２重キャビティ、３重キャビティと呼ばれる。ｍの次数が大きくなればなるほど、バンドパスフィルタの特性が急峻となる。また、スペーサ層の膜厚が大きくなればなるほど透過帯域幅が狭くなる傾向がある。したがって、バンドパスフィルタの設計においては、通過幅、他信号との分離性を考慮してこれらのパラメータｍ、ｎ、Ｓｉが選択される。
【００１８】
そして図１に光強度変調器の全体構成を示すように、誘電体多層膜フィルタ素子３を一対の保持部４，５と圧電アクチュエータ６で挟み込む。このとき誘電体多層膜２の面を側方に向けて配置し、光が入出射できるように構成する。圧電アクチュエータ６のプラス電極には可変電圧源７より任意の電圧を印加できるようにし、マイナス電極８を接地する。尚、保持部４，５は金属製等の固定されている部材とする。
【００１９】
次にこの光強度変調器の動作について説明する。図１に示すように誘電体薄膜側より入射光を入射する。圧電アクチュエータ６に電圧を印加しない場合には通常の誘電体多層膜を用いた光フィルタであり、設計波長の光のみが透過し、他の波長の光を反射させることができる。そして圧電アクチュエータ６に直流電圧を印加すると、その印加に応じて圧電アクチュエータが図２に示すように変形し、これによって誘電体多層膜フィルタを矢印Ｂ方向に押圧する。従って各誘電体多層膜の膜厚がわずかに変形し拡大することとなる。このような変化は誘電体多層膜の全ての膜について同等に起こるため、選択波長自体を変化させることができる。そして印加電圧に比例して圧電効果が生じるため、印加電圧を変化させることによって、選択波長を連続的に変化させることができ、所定の波長の光に対して光強度を変化させることができる。
【００２０】
又誘電体多層膜フィルタ素子３に横方向より弾性効果を引き起こすことで誘電体多層膜の物理的膜厚を制御するため、そこで使用する誘電体多層膜フィルタの膜設計に依存しない。従って面内に膜厚分布の無い数ｍｍ角のチップ形状の任意の誘電体多層膜フィルタ素子をバンドパスフィルタとして使用することができるそして特定の波長の光に対しては印加電圧によって透過光のレベルを変化させることができ、光強度変調器として用いることができる。
【００２１】
図４は波長多重光の各チャンネルを強度変調するための光強度変調装置の構成を示す図である。本図に示すように光ファイバ１１には波長λ_１〜λ_ｎまでのｎチャンネル分の光信号が多重化されているものとするが、各信号は強度変調が成されていない。これに対して前述した光強度変調器１２，１３，１４，１５を図示のように光ファイバを介して直列に接続する。光強度変調器１２は波長λ_１の光信号に対して強度変調を行い、その他の成分は反射するためほとんど影響がない。又光強度変調器１３は波長λ_２の光強度変調を行う変調器、光強度変調器１４は波長λ_３に対して光強度変調を行う変調器、光強度変調器１５は波長λ_ｎに対して光強度変調を行う変調器とする。こうすれば単に光強度変調器を縦続に連結するだけで各チャンネルに対する光強度変調装置を実現することができ、光分岐器や光合波器が不要となる。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では誘電体多層膜フィルタ素子を用いた光スイッチとして、１．３ｍｍ四方、厚さ１．０ｍｍのガラス基板上に、誘電体薄膜Ｎｂ_２Ｏ_５膜（屈折率２．２２）を高屈折率膜Ｈとし、ＳｉＯ_２膜（屈折率１．４５）を低屈折率膜Ｌとして積層し、以下の膜構造の狭帯域バンドパスフィルタ構造のものを用いた。
Ａ＝［（ＨＬ）^ｎＨｓ_ｉＬＨ（ＬＨ）^ｎＬ］^ｍ
但し、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍ、ｎ＝７，ｍ＝３，ｓ１＝ｓ２＝ｓ３＝８とした。圧電アクチュエータ６には株式会社トーキン製圧電アクチュエータ（型番：ＡＥ０２０３Ｄ０４−０１）寸法２ｍｍ×３ｍｍ、厚さ４ｍｍを使用した。これらをステンレス製の保持部４，５の間に挟み込んで光スイッチを実現した。
【００２３】
図５にこのバンドパスフィルタのフィルタ特性を示す。本フィルタの透過帯域幅は０．２２ｎｍであった。印加電圧をＶ０＝０Ｖ、Ｖ１＝２５Ｖ、Ｖ２＝５０Ｖに変化させることにより、それぞれに対応してピーク波長はλ_０＝１５５０ｎｍ、λ_１＝１５５０．５ｎｍ、λ_２＝１５５１ｎｍと変化した。従って波長λ_０の光に対しては印加電圧をＶ０からＶ１に変化させることによって、透過率をＰ０からＰ１に変化させることができる。このように急峻な特性を持つため、光強度変調装置に用いることにより他の波長への影響を少なくすることができる。
【００２４】
（実施例２）
実施例２では誘電体多層膜フィルタ素子を用いた可変光減衰器として、１．３ｍｍ四方、厚さ１．０ｍｍのガラス基板上に、誘電体薄膜Ｎｂ_２Ｏ_５膜（屈折率２．２２）を高屈折率膜Ｈとし、ＳｉＯ_２膜（屈折率１．４５）を低屈折率膜Ｌとして積層し、以下の膜構造の狭帯域バンドパスフィルタ構造のものを用いた。
Ａ＝［（ＨＬ）^ｎＨｓ_ｉＬＨ（ＬＨ）^ｎＬ］^ｍ
但し、設計波長λ_０＝１５６０．７ｎｍ、ｎ＝６、ｍ＝３、ｓ１＝ｓ２＝ｓ３＝４とした。圧電アクチュエータ６には株式会社トーキン製圧電アクチュエータ（型番：ＡＥ０２０３Ｄ０４−０１）寸法２ｍｍ×３ｍｍ、厚さ４ｍｍを使用した。これらをステンレス製の保持部４，５の間に挟み込んで光強度変調器を実現した。
【００２５】
次にこの実施例の圧電効果による弾性効果の依存性を調べた。その結果、図６に電圧に対する波長可変特性を示すように、圧縮応力に対して膨張歪みに伴う長波長側への波長が変化し、印加直流電圧１００Ｖで０．２ｎｍの波長可変特性が実現された。従って入射光が例えば１５６０ｎｍの場合には、電圧を印加しなければ透過率が−１６ｄＢ、１００Ｖに対しては−２２ｄＢとなり、その間も電圧に応じて連続的に減衰率を変化させることができる。従って電圧に応じた光強度を得ることができる。又光強度変調の範囲を拡大させるには駆動電圧を大きくするか、または圧電効果のより高い圧電アクチュエータを使用すればよい。
【００２６】
（実施例３）
実施例３の波長可変光フィルタ装置を用いた光強度変調器には、２重キャビティ型狭帯域バンドパスフィルタ構造の誘電体多層膜フィルタ素子を用いた。ガラス基板上に２つの異なる誘電体薄膜を交互に積層し、高屈折率誘電体膜ＨとしてＮｂ_２Ｏ_５膜（屈折率２．２２）、低屈折率誘電体膜ＬとしてＳｉＯ_２膜（屈折率１．４５）を用いた。構成される膜構造は以下のものとした。
Ａ＝［（ＨＬ）^ｎＨｓ_ｉＬＨ（ＬＨ）^ｎＬ］^ｍ
但し、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍ、ｎ＝８、ｍ＝２、ｓ１＝ｓ２＝６とした。
【００２７】
図７にフィルタ特性を示す。本フィルタの透過帯域幅は０．１２ｎｍであった。図７に示すように印加電圧をＶ０＝０Ｖ、Ｖ１＝１０Ｖ、Ｖ２＝２０Ｖに変化させることにより、それぞれに対応してピーク波長はλ_０＝１５５０ｎｍ、λ＝１５５０．２ｎｍ、λ_２＝１５５０．４ｎｍに変化した。従って例えば１５５０ｎｍの波長に対しては、電圧が０Ｖで透過率が０ｄＢ、１０Ｖで約−２１ｄＢ、２０Ｖで約−３３ｄＢとなり、光強度特性を印加電圧に応じて変化させることができる。
【００２８】
（実施例４）
実施例４の波長可変光フィルタ装置を用いた光強度変調器には、１重キャビティ型狭帯域バンドパスフィルタ構造の誘電体多層膜フィルタ素子を用いた。ガラス基板上に２つの異なる誘電体薄膜を交互に積層し、高屈折率誘電体膜ＨとしてＮｂ_２Ｏ_５膜（屈折率２．２２）、低屈折率誘電体膜ＬとしてＳｉＯ_２膜（屈折率１．４５）を用いた。構成される膜構造は以下のものとした。
Ａ＝［（ＨＬ）^ｎＨｓ_ｉＬＨ（ＬＨ）^ｎＬ］^ｍ
但し、設計波長λ_０＝１５５０．３５ｎｍ、ｎ＝６、ｍ＝１、ｓ１＝８とした。
【００２９】
図８にフィルタ特性を示す。本フィルタの透過帯域幅は１．０ｎｍであった。図８に示すように印加電圧をＶ０＝０Ｖ、Ｖ１＝５Ｖ、Ｖ２＝１０Ｖに変化させることにより、それぞれに対応してピーク波長はλ0 ＝１５５０．３５ｎｍ、λ1 ＝１５５０．４５ｎｍ、λ2 ＝１５５０．５５ｎｍに変化した。この場合にも例えば１５５０．２ｎｍの波長に対して、透過率が約８７％〜６２％となり、電圧に応じて連続的に光強度を変化させることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本願の請求項１〜３の発明によれば、所定波長の光に対して強度レベルを高速で容易に調整することができるという優れた効果が得られる。そして小型の圧電アクチュエータを使用するので、小型化が可能になる。更に任意の膜構造を有する通常の誘電体多層膜フィルタ素子を使用することができる。従って必要に応じてマルチキャビティ構造を用いることができ、より高性能な狭帯域特性を有することができる。成膜工程で基板上に膜厚勾配を形成する必要がなく、歩留りが向上する。機械的可動部がないので長期に渡り信頼性に優れている。圧電アクチュエータは高速応答性に優れており、機械的振動等ノイズの発生がなく、ミリ秒程度の従来より速い応答性が得られる。更に装置構造が簡便なので安価になるという効果も得られる。又、光強度変調器を縦続して接続するだけで波長多重光を波長毎に強度変調することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長可変光フィルタ装置を用いた光強度変調器を示す概略図である。
【図２】圧電アクチュエータの弾性効果による変形を示す図である。
【図３】波長可変光フィルタ素子を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態による光強度変調装置を示すブロック図である。
【図５】実施例１の波長可変特性を示す図である。
【図６】実施例２の波長可変特性を示す図である。
【図７】実施例３の波長可変特性を示す図である。
【図８】実施例４の波長可変特性を示す図である。
【符号の説明】
１基板
２誘電体多層膜
３誘電体多層膜フィルタ素子
４，５保持部
６圧電アクチュエータ
７可変電圧源
１１，１６光ファイバ
１２，１３，１４，１５光強度変調器

Claims

波長多重光が入射される第１の光強度変調器、及び前記第１の光強度変調器からの反射光を入射光として順次縦続接続された第２〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光強度変調器を含み、
前記各光強度変調器は、互いに透過波長が異なり、前記波長多重光の多重されている波長の少なくとも一部を透過波長とするものであり、
前記各光強度変調器は、透明光学基板の上に少なくとも２種類の異なる屈折率をもつ誘電体薄膜を交互に積層して形成された誘電体多層膜フィルタ素子と、
前記誘電体多層膜フィルタ素子を押圧するための圧電アクチュエータと、
前記誘電体多層膜フィルタ素子と圧電アクチュエータとを挟み込む保持部と、
前記圧電アクチュエータに直流電源を供給する電圧源と、を具備し、
圧電アクチュエータに電圧を印加し、その圧電効果により誘電体多層膜を押圧し、その物理的膜厚を変化させることにより特定の波長の光に対する光強度を変化させる光強度変調装置。
前記誘電体多層膜フィルタ素子は、少なくとも１つのキャビティを有するバンドパスフィルタ構造の誘電体多層膜フィルタ素子であることを特徴とする請求項１記載の光強度変調装置。
前記圧電アクチュエータは、前記誘電体多層膜フィルタ素子の多層膜に垂直方向に押圧するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光強度変調装置。