JP4616721B2 - ゲートスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、ゲートスイッチに関し、より詳細には、電気信号で光信号を制御する、光通信用、光計測用およびプロジェクター、コピー機、プリンタ、スキャナー等に使用されるゲートスイッチに関する。

近年の光通信技術の発達により、光信号を高速にＯＮ／ＯＦＦするためのゲートスイッチが重要になってきている。このゲートスイッチは、上記光通信に限らず、他のデバイス（例えば、プロジェクター、コピー機、プリンタ、スキャナー等）への応用も行われており、更なる発展が望まれている。

ゲートスイッチを実現する一つの方法として、ゲートスイッチを構成する物質の屈折率ｎを変化させる方法がある。このような屈折率ｎを変化させる方法として、主に熱光学（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＴＯ）効果、音響光学（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＡＯ）効果、電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＥＯ）効果が挙げられる。これらの効果の中で、ＴＯ効果は、高速動作に適しておらず、せいぜい数ｍｓ程度の応答速度しか実現できない。また、ＡＯ効果は、ＴＯ効果に比べれば高速動作に適してはいるものの、屈折率の変化量が小さいために、十分な屈折率変化を誘起する事が出来ない。

以上２つの効果と比較して、ＥＯ効果は高速動作に適しており、かつ屈折率の変化量も十分に取る事が出来るため、高速動作が要求されるスイッチングに適している。

従来用いられていたＥＯ効果を用いたゲートスイッチの主要なものに、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）等、１次の電気光学効果を発現する結晶を用いたものがあった。ところが、ＬＮは偏波依存性を有しており、入力光の偏波状態によらずに動作（偏波無依存動作）するためには、構成に工夫を施す必要がある。よって、スイッチの構成が複雑になってしまうという欠点かあった。またＬＮ等が有する１次の電気光学効果は、中心対称を有さない結晶にしか発現しないため、偏波依存性が必ず現れてしまう。ゆえに、この偏波依存性は、避けて通る事の出来ない課題であった。

偏波無依存動作を行うための装置構成の工夫の仕方については、様々報告されている。特許文献１では、入力された信号光をまず第１の偏波ビームスプリッタを用いて、ＴＥモードとＴＭモードとにビームを分割する。次いで、ＴＥモードとＴＭモードとを別々のゲートスイッチによってＯＮ／ＯＦＦを行い、スイッチを通過した光を再び第２の偏波ビームスプリッタによって合波する。このような構成によって、ＴＥモードとＴＭモードとの双方に対してスイッチングを行い、結果として偏波無依存動作を実現している。

特開２００２−２２８９９７号公報 特開２００３−２１８４４６号公報 ヤリーヴ 光エレクトロニクス基礎編 原書５版 ４章 Ｒ．Ｌ．Prater,et al.,"Raman scattering studies of the effects of a symmetry-breaking impurity on the ferroelectric phase transition inＫ1-xＬｉxＴａ1-yＮｂyＯ3"Solid State Communications, Vol.40,pp.697-701,1981 Ｓ．Toyoda,et al.,"Low driving voltage polarization-independent>3GHz-response electro-optic switch using KTN waveguides," ECOC-IOOC 2003,Paper MO 4.5.1.

特許文献１記載の装置では、確かに結果的に偏波無依存動作を行うことか出来るが、安定動作をさせるためには、第１の偏波ビームスプリッタと第２の偏波ビームスプリッタとの間の光路長を精密に設定したり、光路を曲げるためのミラー角度を精密に調整をしたり等、高精度な設定を必要とする。

従って、１次の電気光学効果を発現する結晶を用いたスイッチでは、安定かつ簡便な偏波無依存スイッチングを実現することが難しいという問題点があった。

加えて、電気光学効果を発現する結晶を用いたスイッチは、結晶の物理量（屈折率、長さなど）に温度依存性があるため、温度が変化するとスイッチ動作が不安定になる。すなわち、不安定動作を避けるためにスイッチの温度を一定に保つための、例えば、ペルチェ素子等の温度調節器が必要であった。

このような温度調節器を備えた構成の一例として、特許文献２で示されているような、ペルチェ素子を使った温度調節器を備えた構成がある。このような温度調節器を使用すれば、スイッチの温度は一定に保つことが出来る。しかしながら、温度調節器を動作させるための電力が必要であり、消費電力が増加するという問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、エタロンの構造を用いて、温度調節器を用いること無しに、高速応答が可能であり、かつ偏波無依存を実現可能なゲートスイッチを提供することにある。

請求項１記載の発明は、光が入力される、固定された光入力ポートと、前記固定された光入力ポートの後段に配置され、２次の電気光学効果を有し、強誘電相と立方晶構造となる常誘電相との間で相転移を起こす温度である相転移温度および屈折率が第１の面内において変化している空間分布領域を含む誘電体結晶と、前記誘電体結晶の前記第１の面に設けられた、前記誘電体結晶に電圧を印加し、かつ入力された光を所定の反射率で反射する第１の部材と、前記誘電体結晶の前記第１の面に対向する第２の面に設けられた、前記誘電体結晶に電圧を印加し、かつ入力された光を所定の反射率で反射する第２の部材と、前記誘電体結晶の後段に配置され、前記誘電体結晶の第２の面から出射される光を入力する、固定された光出力ポートと、環境温度と、前記光入力ポートから前記誘電体結晶の前記第１の面に入力された光が通過する地点の前記誘電体結晶の前記相転移温度との温度差が、前記環境温度が変化したときに常に一定になるように、かつ、前記誘電体結晶に入力された光が通過する地点の前記誘電体結晶の屈折率と、前記誘電体結晶に入力された光が通過する地点の前記第１の面と前記第２の面との間の距離との積が、前記環境温度が変化したときに常に一定になるように、前記環境温度の変化に応じて、前記誘電体結晶を移動させる位置変動手段とを備え、前記光が通過する地点の前記誘電体結晶の前記相転移温度は、前記環境温度より低く、前記光が通過する地点の前記誘電体結晶は常誘電相であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空間分布は、単調かつ連続的であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記位置変動手段は、一方端が固定され、他方端に前記誘電体結晶が取り付けられたバイメタルであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第１の部材および第２の部材が、金属薄膜電極であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第１の部材および第２の部材が、前記誘電体結晶の面に設けられた透明電極と、該透明電極に設けられた誘電体多層膜からなる誘電体多層膜ミラーとから構成されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記透明電極と、前記誘電体多
層膜ミラーとの間に金属薄膜電極が設けられていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記誘電体結晶は単結晶であり、該単結晶の結晶軸の１ つが前記誘電体結晶に照射される光の透過方向と一致するように配置されていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記誘電
体結晶は多結晶であり、該結晶の結晶軸の少なくとも一つが前記誘電体結晶に照射された
光の透過方向と一致するように配置されていることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記誘電体結晶は、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の組成、またはＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）の組成を有することを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記誘電体結晶は、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）におけるＫの全て、もしくはＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）におけるＫおよびＬｉの全てをＢａ、Ｓｒ、Ｃａのうち少なくとも一つの元素で置き換え、かつＴａおよびＮｂの全てをＴｉで置き換えた組成を有することを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記誘電体結晶は、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）におけるＫの全て、もしくはＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）におけるＫおよびＬｉの全てをＰｂとＬａのうち少なくとも一方の元素で置き換え、かつＴａおよびＮｂの全てをＴｉとＺｒのうちの少なくとも一方の元素で置き換えた組成を有することを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項９乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記誘電体結晶の組成における第１の組成比としての前記ｘは、０．１以上０．５以下であり、前記誘電体結晶の組成における第２の組成比としての前記ｙは、０より大であり０．１未満であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、誘電体結晶について、相転移温度および屈折率の少なくとも一方に空間分布を持たせ、温度と、誘電体結晶に入力された光が通過する、誘電体結晶の領域の相転移温度との温度差が、温度が変化したときに常にほぼ一定になるように、および／または誘電体結晶に入力された光が通過する、誘電体結晶の領域の誘電体結晶の屈折率と、誘電体結晶の厚さとの積が、温度が変化したときに常にほぼ一定になるように、温度の変化に応じて、誘電体結晶の位置を変動させているので、温度調節器を用いなくても動作の安定性を向上させることができ、偏波無依存であり、かつ高速応答が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
個々の実施形態について説明する前に、ファブリ−ペローエタロンによるフィルタ特性について説明する。
ファブリ−ペローエタロン（以下、エタロンと表記する）は一対のミラーの間に屈折率ｎの物質を挟んだ構造をしている。エタロンの特性を表す主な値として、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）、Ｆｉｎｅｓｓが挙げられる。エタロンの透過帯の中心周波数ν_mは下記の式で表される。

なお、上記の式（１）において、ｎはミラーによって挟まれた物質の屈折率、ｄは共振器長（ミラー同士の距離）、θは入射光に対するエタロンの傾斜角度（エタロンの角度とも呼ぶ）、ｃは真空中の光速度である。式（１）より、エタロンの透過帯の中心波長λ_mは下記の式で表される。

ＦＳＲとは、式（１）で表現される透過帯の中心周波数ν_mのうち、隣り合う２組の間隔の事なので、下記の式で表現される。

また、Ｆｉｎｅｓｓとは、エタロンの透過帯の広がり具合を表現する値で、以下の式によりミラーの反射率と関連付けられる。

なお、上記の式（４）における、Δν_1/2はエタロンの透過帯の半値全幅、Ｒは共振器を構成しているミラーの反射率である。

エタロンの入射光強度に対する透過光強度の比率をＩ（ｄＢ）とすると、以下の式で表される（非特許文献１参照）。

ここで、δはエタロン内での位相の遅れを表し、

である。
式（１）により、エタロンの透過帯の中心周波数ν_mを変化させるためには、エタロンを構成する物質の屈折率ｎ、共振器長ｄ、エタロンの角度θのいずれかを変化させればよい事が分かる。したがって、波長可変フィルタを作製するには、これらのパラメータを変化させれば実現可能である。いくつか市販されている波長可変フィルタがあるが、共振器長を変化させて波長可変をおこなう方式が主流である。その理由は、上記３つのパラメータのうち、共振器長ｄを変化させる事が、もっとも波長可変帯域を大きく取る事が出来るからである。

共振器長ｄおよびエタロンの角度θを変化させるためにはメカニカルな動作が必要である。よって、メカニカルに共振器長ｄおよびエタロンの角度θを変化させるに方法に関しては、高速動作には適していない。それらに比較して、エタロンを構成する物質の屈折率ｎを変化させる方法では、メカニカルな動作を行わずに、エタロンの透過帯の中心波長（中心周波数）を変化させる事が出来る。前述したように、電気光学効果を用いた屈折率変化の場合、屈折率の変化量が十分に取れ、かつ高速動作が可能である。

電気光学効果には、１次の電気光学効果（ポッケルス効果）と２次の電気光学効果（カー効果）とがある。１次の電気光学効果は電界強度に比例して効果が現れ、屈折率変化は下記の式で表される。

なお、上記式（７）のｎ₀は、電界を印加していない状態での、エタロンを構成する物質である１次の電気光学効果を有する誘電体結晶の屈折率、ｒ_effは１次の電気光学係数の有効値、Ｅは電界である。

また、２次の電気光学効果は電界強度の２乗に比例して効果が現れ、屈折率変化は下記の式で表される。

なお、上記式（８）のｎ₀は電界を印加していない状態での、エタロンを構成する物質である２次の電気光学効果を有する誘電体結晶の屈折率、Ｅは電界であり、ｓ₁₂は下記の式で定義される量である。

なお、上記式（９）のε₀は真空の誘電率、ε_rは上記２次の電気光学効果を有する誘電体結晶に固有の比誘電率、ｇ₁₂は上記２次の電気光学効果を有する誘電体結晶の電気光学定数である。

次に、２次の電気光学効果を有する誘電体結晶により構成されたエタロンの動作の温度依存性を考える。誘電体結晶として、高温時に常誘電相かつ立方晶構造となり、低温時に強誘電相となるものを考える。２つの相の境界となる温度を相転移温度Ｔ_criという。温度Ｔ（＞Ｔ_cri）を考える。キュリー−ワイス則により、比誘電率は次式のように書ける。

ここでＡは、比例定数であり、キュリー定数と呼ばれる。
すなわち、式（８）、（９）、（１０）より、屈折率変化は１／（Ｔ−Ｔ_cri)²に比例する。よって、温度Ｔが相転移温度から離れ、高くなるに従い、屈折率変化は小さくなり、電圧効率が悪くなる。具体的には、Ｔ−Ｔ_cri＝１℃の場合を基準に考えると、電圧効率が３℃離れると１／９に、１０℃離れると１／１００になる。

なお、温度Ｔ（＜Ｔ_cri）の時、誘電体結晶は強誘電相となり、結晶に異方性が生じ、動作に関して偏波依存性が発生するため好ましくない。

よって、より小さな電圧で（＝電圧効率を下げずに）デバイスを動作させ、且つ偏波無依存動作を達成するためには、式（１０）から分かるように、温度をなるべく相転移温度Ｔ_criに近くし、かつ誘電体結晶を常誘電相にする必要がある。すなわち、動作温度Ｔを相転移温度Ｔ_criよりわずかに高くすれば良い。

また、ミラーによって挟まれた物質の屈折率ｎ、厚さｄ（共振器長）が温度に依存する物理量であるため、式（２）より、エタロンの透過帯の中心波長λ_mが温度により変動する。すなわち、電圧を一定値に固定していても、ある波長の光の透過率が温度により変動することになり、好ましくない。エタロンの角度θ＝０の時、エタロンの透過帯の中心波長λ_mの温度微分は下記の式で表される。

次に、上述のエタロンを用いることにより、ゲートスイッチを実現することができることを図１０を用いて説明する。説明を簡便にするため、温度は一定、エタロンの入射角度θ＝０であるとする。エタロンを構成する物質である誘電体結晶に電圧Ｖを印加していない時の、エタロンの透過帯の中心波長をλ_m（Ｅ＝０）とする。エタロンに、波長λ_inがλ_m（Ｅ＝０）に等しい連続光を入射する。この時、入射された光は、エタロンでの損失分を除き、１００％エタロンを透過する。ここで、エタロンを構成する物質である誘電体結晶に電圧Ｖ＝Ｖ₀を印加したとすると、式（７）ないしは式（８）に従ってエタロンを構成する物質である誘電体結晶の屈折率が変化するため、式（２）に従いエタロンの透過帯の中心波長λ_mが変化する。よって、波長λ_inにおける光の透過率が変化する。エタロンの透過帯の中心波長λ_m（中心周波数ν_m）の変化量及びＦｉｎｅｓｓ（式（４）参照）を適切な値とすることにより、波長λ_inにおける光の透過率を所望の透過率にすることができる。すなわち、ゲートスイッチとして機能する。

次に本発明の一実施形態について説明するが、以下の実施形態は、あくまで本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であれば、これらの各要素または全要素を含んだ各種の実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明に含まれる。

図１において、エタロン型ゲートスイッチ１０１は、固定された光入力ポート１０２と、固定された光出力ポート１０４とを備えている。また、エタロン型ゲートスイッチ１０１は、光入力ポート１０２と光出力ポート１０４との間に配置された、固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能、すなわち、光入力ポート１０２から入射される光の位置と、光出力ポート１０４へと光を出射する位置とが温度によって変動する機能を有したエタロン１０３を備えている。エタロン１０３は、ゲートスイッチとして機能するので、スイッチング信号を入力するための電極を有しており、この電極はスイッチング信号発信部に電気的に接続されている。さらに、エタロン１０３は、例えば、後述するバイメタル等の、光入力ポート１０２からの光の入射位置と、光出力ポート１０４への光の出射位置とを温度に応じて変更するための位置変動手段（不図示）を備えている。

連続光（波長λ_in）が、固定された光入力ポート１０２に入射される。
固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能を有したエタロン１０３は、温度が変化すると、光のエタロンを通過する地点が変化するものである。

その動作について図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。エタロン型ゲートスイッチ１０１の温度が、温度Ｔ_A，Ｔ_B，Ｔ_C（Ｔ_A＜Ｔ_B＜Ｔ_C）の場合を考える。
図２（ａ）において、温度がＴ_Aの時は、位置変動手段によりエタロン１０３が移動して、固定された光入力ポート１０２から入射した光は、エタロン１０３へ地点Ａ₁から入射される。次いで、エタロン１０３に入射した光は、地点Ａ₂より出射して固定された光出力ポート１０４に入射され、固定された光出力ポート１０４から出射する。
図２（ｂ）において、温度がＴ_Bの時は、位置変動手段によりエタロン１０３が移動して、固定された光入力ポート１０２から入射した光は、エタロン１０３へ地点Ｂ₁から入射される。次いで、エタロン１０３に入射した光は、地点Ｂ₂より出射して固定された光出力ポート１０４に入射され、固定された光出力ポート１０４から出射する。
図２（ｃ）において、温度がＴ_Cの時は、位置変動手段によりエタロン１０３が移動して、固定された光入力ポート１０２から入射した光は、エタロン１０３へ地点Ｃ₁から入射される。次いで、エタロン１０３に入射した光は、地点Ｃ₂より出射して固定された光出力ポート１０４に入射され、固定された光出力ポート１０４から出射する。

温度ＴがＴ_A＜Ｔ＜Ｔ_Bの時は、位置変動手段によりエタロン１０３が移動して、光はエタロン１０３の地点Ａ₁と地点Ｂ₁の間の、温度に応じた位置からエタロンへ入射し、地点Ａ₂と地点Ｂ₂の間の、温度に応じた位置から出射する。温度ＴがＴ_AからＴ_Bに連続的に変化する時、光がエタロンに入射される地点は、地点Ａ₁から地点Ｂ₁に連続的に変化し、光がエタロンから出射される地点は、地点Ａ₂から地点Ｂ₂に連続的に変化する。

温度ＴがＴ_B＜Ｔ＜Ｔ_Cの時は、位置変動手段によりエタロン１０３が移動して、光はエタロン１０３の地点Ｂ₁と地点Ｃ₁の間の、温度に応じた位置からエタロンへ入射し、地点Ｂ₂と地点Ｃ₂の間の、温度に応じた位置から出射する。温度ＴがＴ_BからＴ_Cに連続的に変化する時、光がエタロンに入射される地点は、地点Ｂ₁から地点Ｃ₁に連続的に変化し、光がエタロンから出射される地点は、地点Ｂ₂から地点Ｃ₂に連続的に変化する。

エタロン１０３を構成する物質である誘電体結晶に電圧を印加していない時の、エタロン１０３の透過スペクトルを図３に示す。図３に示すように、地点Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁での、エタロン１０３を構成する物質である誘電体結晶に電圧を印加していない時の、エタロンの透過帯の中心波長λ_m（Ｅ＝０）が、それぞれ温度Ｔ_A，Ｔ_B，Ｔ_Cの時に、連続光の波長λ_inに等しくなるように設定する。

上述のように、より小さな電圧で（＝電圧効率を下げずに）デバイスを動作させ、且つ偏波無依存動作を達成するためには、動作温度Ｔを相転移温度Ｔ_criよりわずかに高くする。その温度差を所定の温度差α（＞０）とする。すなわち、Ｔ_cri＝Ｔ−αとなる。

温度Ｔ_Aの時に光は地点Ａ₁に到達するため、高い電圧効率を達成するためには地点Ａ₁における誘電体結晶の相転移温度Ｔ_CAがＴ_A−αである必要がある。同様に、地点Ｂ₁、Ｃ₁における誘電体結晶の相転移温度Ｔ_CB，Ｔ_CCはそれぞれＴ_B−α、Ｔ_C−αである必要がある。すなわち、温度ＴがＴ_A≦Ｔ≦Ｔ_Cで変動する場合、誘電体結晶の相転移温度を空間分布させることにより、常に高い電圧効率を達成することができる。

なお、本明細書において、「誘電体結晶の相転移温度を空間分布させる」とは、エタロンを構成する誘電体結晶において、該誘電体結晶の組成を変化させることによって相転移温度を、光が入射される面内において、一次元的、あるいは二次元的に変化させることを指す。この空間分布は、より安定性の向上を求められる場合には、単調かつ連続的に分布していることが望ましい。

誘電体結晶がＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）（ＫＬＴＮ）の場合、Ｋ・Ｌｉ比、Ｔａ・Ｎｂ比を調節することにより、相転移温度を広い範囲（−２７３℃〜＋４３５℃）で設定することができる。このため、上記組成比を空間分布させることにより、地点Ａ₁では相転移温度Ｔ_A−αとなり、地点Ｂ₁では相転移温度Ｔ_B−αとなり、地点Ｃ₁では相転移温度Ｔ_C−αとなり、各地点間では連続的に、あるいはステップ状に相転移温度が変化するように、誘電体結晶の相転移温度を空間分布させることができる。その一例として、Ｋ・Ｌｉ比を変化させた時のＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-0.028Ｎｂ_0.028Ｏ₃の相転移温度の変化を図４に示す（非特許文献２）。

このような誘電体結晶の相転移温度の空間分布を有するエタロン１０３に対して、エタロンを装置の温度に応じて位置変動手段により移動させて、上記装置の温度に最適の位置から光を入射するので、常に相転移温度Ｔ_criから一定の温度差α離れた温度で動作させることができる。よって、より小さな電圧で、かつ偏波無依存動作を安定して行うことができる。すなわち、各温度に適した入射位置（例えば、温度Ｔ_Aの場合は地点Ａ₁、温度Ｔ_Bの場合は地点Ｂ₁、温度Ｔ_Cの場合は地点Ｃ₁）からエタロン１０３に光を入射できるので、温度調節器を用いなくても、安定した光スイッチングを行うことができる。また、電気光学効果を用いてスイッチングを行うので、高速動作を実現できる。

本発明の一実施形態では、ゲートスイッチの動作を温度によらず安定に動作させるために、エタロン１０３を構成する誘電体結晶に、相転移温度の空間分布を持たせているが、屈折率の空間分布を持たせるようにしても良い。また、それらの組み合わせ、すなわち、エタロン１０３を構成する誘電体結晶に、相転移温度の空間分布および屈折率の空間分布の双方を持たせるようにしても良い。

なお、本明細書において、「誘電体結晶の屈折率を空間分布させる」とは、エタロンを構成する誘電体結晶において、該誘電体結晶の組成を変化させることによって屈折率を、光が入射される面内において、一次元的、あるいは二次元的に変化させることを指す。この空間分布は、より安定性の向上を求められる場合には、単調かつ連続的に分布していることが望ましい。

以下で、エタロン１０３を構成する誘電体結晶の屈折率を空間分布させる（誘電体結晶に屈折率の空間分布を持たせる）場合について説明する。
上述の通り、ミラーによって挟まれた物質の屈折率ｎ、厚さｄは、温度に依存する物理量である。そのため、上記屈折率ｎと厚さｄとの積ｎｄに比例する、エタロンの透過帯の中心波長λ_mは温度により変動する（式（２）参照）。ｄｎ／ｄＴ，ｄ（ｄ）／ｄＴは正負どちらの符号も取りうるので、式（１１）より、エタロンの透過帯の中心波長λ_mの温度依存性は、正負どちらの場合もありうる。

例として、ｄ（ｎｄ）／ｄＴ＞０の場合を考える。ｎｄの温度依存性を図５に示す。地点Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁におけるｎｄをそれぞれｎ_Aｄ，ｎ_Bｄ，ｎ_Cｄとする。温度Ｔ_Aの時、光は地点Ａ₁を通過する。温度Ｔ_Aの時の地点Ａ₁での積ｎｄを積ｎ_Aｄ（Ｔ＝Ｔ_A）とする。温度Ｔ_Bの時、地点Ｂ₁を通過する。この時、温度Ｔ_Bの時の地点Ｂ₁での積ｎｄを積ｎ_Bｄ（Ｔ＝Ｔ_B）とする。温度Ｔ_Cの時、光は地点Ｃ₁を通過する。この時、温度Ｔ_Cの時の地点Ｃ₁での積ｎｄを積ｎ_Cｄ（Ｔ＝Ｔ_C）とする。この時、ｎ_Aｄ（Ｔ＝Ｔ_A）＝ｎ_Bｄ（Ｔ＝Ｔ_B）＝ｎ_Cｄ（Ｔ＝Ｔ_C）を満たしていれば、温度Ｔ_A，Ｔ_B，Ｔ_Cにおいて、光が通過する部分のエタロンの透過帯の中心波長λ_inは等しくなる。すなわち、屈折率ｎが空間分布を持つことにより、光が通過する部分のエタロンの透過帯の中心波長の温度変動を防ぐ、ないしは軽減することが可能となる。

また、屈折率ｎの空間分布が単調かつ連続的に変化するならば、Ｔ_A≦Ｔ≦Ｔ_Cを満たすすべての温度において積ｎｄをほぼ一定に保つことができる。すなわち、Ｔ_A≦Ｔ≦Ｔ_Cにおいてエタロンの透過帯の中心周波数（透過中心波長）の変動を防ぐ、ないしは軽減することが可能となる。

誘電体結晶がＫＬＴＮの場合、Ｋ・Ｌｉ比、Ｔａ・Ｎｂ比を調節することにより、屈折率を制御できる。その例を図６に示す（非特許文献３参照）。つまり、それらの組成比を空間分布させることにより、地点Ａ₁では積ｎ_Aｄとなり、地点Ｂ₁では積ｎ_Bｄとなり、地点Ｃ₁では積ｎ_Cｄとなり、各地点間では連続的に、あるいはステップ状に屈折率が変化するように、誘電体結晶の屈折率に空間分布を持たせることができる。

このような誘電体結晶の屈折率の空間分布を有するエタロン１０３に対して、エタロンを装置の温度に応じて位置変動手段により移動させて、上記装置の温度に最適の位置から光を入射するので、常に積ｎｄをほぼ一定に保って動作させることができる。よって、エタロンの透過帯の中心波長の温度変動を防ぐ、ないしは軽減しつつ、かつ偏波無依存動作を安定して行うことができる。すなわち、各温度に適した入射位置（例えば、温度Ｔ_Aの場合は地点Ａ₁、温度Ｔ_Bの場合は地点Ｂ₁、温度Ｔ_Cの場合は地点Ｃ₁）からエタロン１０３に光を入射できるので、温度調節器を用いなくても、安定した光スイッチングを行うことができる。また、電気光学効果を用いてスイッチングを行うので、高速動作を実現できる。

温度Ｔ_A，Ｔ_B，Ｔ_C時にそれぞれ地点Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁を通過した光は、それぞれ地点Ａ₂，Ｂ₂，Ｃ₂にてエタロン１０３から出力される。その後、それぞれ、固定された出力ポート１０４から出射される。

固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能を有した手段、すなわち位置変動手段を有するエタロン１０３として、バイメタルを用いた構成がある。その構成を図７（ａ）および（ｂ）に示す。図７（ａ）および（ｂ）において、符号１１０１は温度Ｔ_Aの時のバイメタル、符号１１０２は温度Ｔ_Cの時のバイメタル、符号１１０３はエタロン本体である。図７（ａ）および（ｂ）において、バイメタル１１０１、１１０２の一方端には、エタロン本体１１０３が設けられており、他方端は、ゲートスイッチを囲むハウジングなど、回路設計によって決まる、ゲートスイッチの周囲の適切な部材に固定されている。

なお、図７（ａ）および（ｂ）では、エタロン本体１１０３では、誘電体結晶の相転移温度を空間分布させているが、これに限らず、誘電体結晶の屈折率を空間分布させていても構わない。また、誘電体結晶の相転移温度および屈折率の双方を空間分布させても良い。

バイメタルとは、熱膨張係数の異なる二種類の金属板を貼り合わせたものである。一般的に、温度を変化させると、熱膨張率が小さい金属の方に曲がるため、一端を固定すると、別の一端の位置が温度によって変化する。よって、別の一端にエタロン本体１１０３を取り付けることにより、固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能を有したエタロン１０３を実現することが可能となる。

図７（ａ）は温度Ｔ_Aの場合であるので、エタロン本体１１０３を構成する誘電体結晶の領域７１の相転移温度はＴ_A−αである。また、図７（ｂ）は温度Ｔ_Cの場合であるので、エタロン本体１１０３を構成する誘電体結晶の領域７２の相転移温度はＴ_C−αである。温度Ｔ_AからＴ_Cへと変化する場合、その温度に応じてバイメタルは変形し、バイメタルの変形に伴って光入力ポート１０２から入射される領域は、領域７１から領域７２へと移動する。温度が温度Ｔ_AからＴ_Cへと変化する際の、光が入射される領域において、それぞれの領域の相転移温度が、常に装置の温度（環境温度）から所定の温度差αを引いた温度となるよう、相転移温度が空間分布するように、エタロン本体１１０３を構成する誘電体結晶の組成を空間分布させている。

このとき、バイメタルの温度に対する変移量（変移量の温度微分）は、エタロン本体１１０３を構成する誘電体結晶の相転移温度の空間分布に応じて設定する。すなわち、光入力ポート１０２から出射された光が、温度Ｔ_Aのときは領域７１に、温度Ｔ_Cのときは領域７２に、また、温度Ｔ_Aと温度Ｔ_Cとの間の温度のときは、その温度に適した領域に入射するように、バイメタルの温度に対する変移量を設定すれば良いのである。

このようなバイメタルの温度に対する変移量の調節は、バイメタルの長さや大きさを変化させることによって行うことができる。また、上記調節は、バイメタルを構成する２つの金属の材料を適宜選択する、すなわち、上記２つの金属の熱膨張率の差を調節することによっても行うことができる。

固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能を有したエタロン１０３の構成は、バイメタルを用いることに限定されるわけではなく、固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動すればどのような構成でも良い。例えば、気体や液体の熱膨張を用いることにより、バイメタルと同様に、ある部分の位置が温度によって変化するため、その部分にエタロン本体１１０３を取り付けることにより、固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能を有したエタロン１０３を実現することが可能となる。

エタロン本体１１０３の構成図を図８に示す。符号１１１は、第１のミラー、符号１１２は第１の電極、符号１１３は、立方晶かつ２次の電気光学効果を有するＫＬＴＮからなる誘電体結晶、符号１１４は第２の電極、符号１１５は、第２のミラーである。第１のミラー１１１と第２のミラー１１５は略並行に配置され、共振器を構成する。電極１１２と第２の電極１１４は、誘電体結晶１１３に電圧を印加する。

このように、誘電体結晶１１３の一面に第１のミラー１１１を配置し、誘電体結晶１１３の、第１のミラー１１１と対向する面に第２のミラー１１５を配置することにより、第１のミラー１１１および第２のミラー１１５は、所定の周波数近傍の光を選択的に所定の透過率で透過させ、上記所定の周波数近傍以外の光を所定の割合で反射することができる。

第１のミラー１１１と第２のミラー１１５として、誘電体多層膜ミラーや金属薄膜電極、若しくはそれら両方を用いることができる。

第１の電極１１２と第２の電極１１４として、透明電極や、金属薄膜電極、若しくはそれら両方を用いることができる。

第１および第２のミラーとして誘電体多層膜ミラーを用い、第１および第２の電極として透明電極を用いる場合は、それぞれのミラーと電極との間に、金属薄膜電極を設けるようにしても良い。

なお、本実施形態では、所定の光を透過および反射させるために、誘電体結晶に電極を設け、さらに電極にミラーを設けているが、これに限定されない。例えば、誘電体結晶の対向する面にそれぞれ、電極およびミラーの双方の機能を有する、すなわち、電極の機能、および上記エタロンの構成をとることにより、所定の周波数近傍の光を選択的に透過させ、また透過する光の周波数以外の周波数の光を反射させる機能を有する電極を設けるようにしても良い。このような部材としては、例えば金属薄膜電極が挙げられる。本実施形態で重要なことは、エタロンとして機能するために、所定の周波数近傍の光を選択的に所定の透過率で透過させ、上記所定の周波数以外の光を所定の割合で反射させることである。

また、本発明の一実施形態に係るエタロンを構成する誘電体結晶は、ＫＬＴＮに限らず、立方晶構造かつ２次の電気光学効果を有する誘電体結晶であればいずれを用いても良い。例えば、本発明の一実施形態に係る誘電体結晶は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）（ＫＴＮ）であっても良いし、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（ＫＴＮ）におけるＫの全て、もしくは、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）（ＫＬＴＮ）におけるＫおよびＬｉの全てを、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａのうちの少なくとも１つの元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉで置き換えた組成を有するものであっても良い。

また、本発明の一実施形態に係る誘電体結晶は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）（ＫＴＮ）におけるＫの全て、もしくは、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）（ＫＬＴＮ）におけるＫおよびＬｉの全てを、ＰｂとＬａのうちの少なくとも一方の元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉとＺｒのうちの少なくとも一方の元素で置き換えた組成を有するものであっても良い。

さらに、ＫＴＮおよびＫＬＴＮにおいて、Ｎｂの化学量論係数であるｘの範囲は、０．１以上０．５以下であることが好ましい。また、ＫＬＴＮにおいて、Ｌｉの化学量論係数であるｙの範囲は、０より大であり０．１未満であることが好ましい。

また、本発明の一実施形態に係る誘電体結晶は、単結晶であっても多結晶であっても良い。ただし、単結晶である場合は、単結晶の結晶軸の１つを、エタロンに入射した光の光軸（エタロンに入射した光の透過方向）と一致させる。このようにすることで、変調の効率を向上させることができ、また、偏波依存性を軽減することができる。また、多結晶である場合は、結晶軸が様々な方向に向いている状態であり、その中の少なくとも１つの結晶軸を光軸と一致させる。このような結晶軸の配置を取ることで、結晶は電界印加による電気光学効果を発現することができ、また変調動作を実現することができる。

上記説明では、電圧をかけない時の透過率が最大になるように入力光の波長λ_inを選択したが、電圧をかけない時の透過率が小さくなるように入力光の波長λ_inを選択してもよい。その様子を図９に示す。

本発明の一実施形態に係る、エタロン型ゲートスイッチの構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、各温度において光の通過する地点を示した図である。 本発明の一実施形態に係る、誘電体結晶に電圧を印加していない時の、各地点および各温度におけるエタロンの透過スペクトルを示す図である。 Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-0.028Ｎｂ_0.028Ｏ₃の相転移温度を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る、屈折率ｎと厚さｄの積の、温度依存性を示すグラフである。 ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃の１．５５μｍにおける屈折率を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、バイメタルを用いて構成された、固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動する機能を有したエタロン１０３の構成図である。 本発明の一実施形態に係る、エタロン本体１１０３の構成図である。 電圧をかけない時に、光の透過率が小さくなるように設定したときの、ゲートスイッチの動作を示した図である。 電圧をかけない時に、光の透過率が最大になるように設定したときの、ゲートスイッチの動作を示した図である。

符号の説明

１０１ エタロン型ゲートスイッチ
１０２ 固定された光入力ポート
１０３ 固定された光入力ポート１０２と固定された光出力ポート１０４との位置関係が温度により変動するエタロン
１０４ 固定された光出力ポート
１１１ 第１のミラー
１１２ 第１の電極
１１３ 誘電体結晶
１１４ 第２の電極
１１５ 第２のミラー
１１０１ バイメタル
１１０２ バイメタル
１１０３ エタロン本体

Claims (12)

1. 光が入力される、固定された光入力ポートと、
   前記固定された光入力ポートの後段に配置され、２次の電気光学効果を有し、強誘電相と立方晶構造となる常誘電相との間で相転移を起こす温度である相転移温度および屈折率が第１の面内において変化している空間分布領域を含む誘電体結晶と、
   前記誘電体結晶の前記第１の面に設けられた、前記誘電体結晶に電圧を印加し、かつ入力された光を所定の反射率で反射する第１の部材と、
   前記誘電体結晶の前記第１の面に対向する第２の面に設けられた、前記誘電体結晶に電圧を印加し、かつ入力された光を所定の反射率で反射する第２の部材と、
   前記誘電体結晶の後段に配置され、前記誘電体結晶の第２の面から出射される光を入力する、固定された光出力ポートと、
   環境温度と、前記光入力ポートから前記誘電体結晶の前記第１の面に入力された光が通過する地点の前記誘電体結晶の前記相転移温度との温度差が、前記環境温度が変化したときに常に一定になるように、かつ、前記誘電体結晶に入力された光が通過する地点の前記誘電体結晶の屈折率と、前記誘電体結晶に入力された光が通過する地点の前記第１の面と前記第２の面との間の距離との積が、前記環境温度が変化したときに常に一定になるように、前記環境温度の変化に応じて、前記誘電体結晶を移動させる位置変動手段と
   を備え、
   前記光が通過する地点の前記誘電体結晶の前記相転移温度は、前記環境温度より低く、前記光が通過する地点の前記誘電体結晶は常誘電層であることを特徴とするゲートスイッチ。
2. 前記空間分布は、単調かつ連続的であることを特徴とする請求項１に記載のゲートスイッチ。
3. 前記位置変動手段は、一方端が固定され、他方端に前記誘電体結晶が取り付けられたバイメタルであることを特徴とする請求項１又は２に記載のゲートスイッチ。
4. 前記第１の部材および第２の部材が、金属薄膜電極であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のゲートスイッチ。
5. 前記第１の部材および第２の部材が、前記誘電体結晶の面に設けられた透明電極と、該透明電極に設けられた誘電体多層膜からなる誘電体多層膜ミラーとから構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のゲートスイッチ。
6. 前記透明電極と、前記誘電体多層膜ミラーとの間に金属薄膜電極が設けられていることを特徴とする請求項５記載のゲートスイッチ。
7. 前記誘電体結晶は単結晶であり、該単結晶の結晶軸の１つが前記誘電体結晶に照射される光の透過方向と一致するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のゲートスイッチ。
8. 前記誘電体結晶は多結晶であり、該結晶の結晶軸の少なくとも一つが前記誘電体結晶に照射された光の透過方向と一致するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のゲートスイッチ。
9. 前記誘電体結晶は、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）の組成、またはＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）の組成を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のゲートスイッチ。
10. 前記誘電体結晶は、ＫＴａ_１−ｘＮｂｘＯ_３（０＜ｘ＜１）におけるＫの全て、もしくはＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）におけるＫおよびＬｉの全てをＢａ、Ｓｒ、Ｃａのうち少なくとも一つの元素で置き換え、かつＴａおよびＮｂの全てをＴｉで置き換えた組成を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のゲートスイッチ。
11. 前記誘電体結晶は、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）におけるＫの全て、もしくはＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）におけるＫおよびＬｉの全てをＰｂとＬａのうち少なくとも一方の元素で置き換え、かつＴａおよびＮｂの全てをＴｉとＺｒのうちの少なくとも一方の元素で置き換えた組成を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のゲートスイッチ。
12. 前記誘電体結晶の組成における第１の組成比としての前記ｘは、０．１以上０．５以下であり、前記誘電体結晶の組成における第２の組成比としての前記ｙは、０より大であり０．１未満であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のゲートスイッチ。

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