JP6467357B2 - 波長可変光フィルタ - Google Patents

Description

本発明は波長可変光フィルタに関し、詳細には、応答速度が数ｎ秒の高速な波長可変光フィルタに関する。

狭帯域の高速波長可変光フィルタは、近年、多様な分野でその実現が望まれている。例えば、通信分野においては、現在、光通信システムの大容量化、高速化及び高機能化に加え、各家庭にまで光ファイバが導入されるなど、アクセス系ネットワークにも光通信が適用されるようになってきた。今後さらに、ネットワークの高機能性が求められ、波長の有効利用が進展すると期待されている。

高密度波長多重通信では、極めて短い波長間隔で複数の波長が異なる光を多重化し、１つの導波路で伝送することによって通信容量の増大を図っている。送信側では、例えば、０．８ｎｍといった極めて短い間隔で、複数の波長が異なる光が数十ｎｍ程度の範囲にわたって多重化され、これにより、複数の信号が高密度に送信される。それに対応して受信側では、これら複数の波長が異なる光から所定の波長を有する光のみを受信することによって必要な信号を取り出す。

このように高い密度で送られてくる信号から特定の信号だけを精度よく得るためには、透過帯域を十分に確保し、且つ隣接チャンネルとのクロストークが十分小さいような急峻なスペクトルを有する光フィルタを用いなければならない。このような光フィルタは、波長が異なる多くの光が伝送されるネットワークから所望の波長を有する光のみを取り出す場合に限らず、複数の光を多重化する場合、特定の波長を有する光の送信状況を監視する場合などにおいても欠くことはできない。さらに、高速に特定の波長をフィルタリングし、切り替えることができれば、より大容量で高速なネットワークを実現することができる。

また、非通信分野においては、例えば、光を用いた可視化技術が複数開発されている。低コヒーレンス干渉を利用して生体や電子デバイス等の断面を非破壊に観測する光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）は、表面より深さ方向に数ｍｍの範囲で細胞レベルの数十μｍ程度の分解能を有し、高い解像度の高品質な画像を得ることができる。ＯＣＴ像を得る方式としては、ＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）とＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が知られている。

ＴＤ−ＯＣＴ方式しては、光源としてとしてＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いて観測対象の表面に２次元照射し面内の情報を取り出し、奥行方向にさらにスキャンして３次元情報を得る方式が一般的である。

一方、ＳＤ−ＯＣＴとしては、高速波長掃引光源を用い奥行方向の情報を得て、残りの２軸方向にスキャンすることによって３次元画像を得ることができる。近年数百ｋＨｚ以上の高速波長掃引光源技術が急速に発展したため、画像取得スピードの観点からＳＤ−ＯＣＴを用いた方式が優勢である。用いられる高速波長掃引光源の構成としては、ブロード光源の波長を高速にフィルタリングする構成が典型的であるが、そこでも急峻にフィルタリングするより高速な波長可変光フィルタが求められている。

Kenji Uchino, et.al., "Anomalous Temperature Dependence of Electrostrictive Coefficient in KTN,"J. of Physical Society of Japan, Vol.51, No.10, October 1982, p.3242-3244

これまで、波長可変光フィルタとして、回折格子型フィルタ、ファブリペローエタロン型フィルタ、干渉型フィルタ、及び音響光学型フィルタなどが提案されている。これら従来のフィルタは、その原理は個々には異なるが、いずれにしても機械的にある部分の長さを変化させる、入射光に対する角度を変える、温度を変えることにより波長を変えるため、基本的にｍ秒領域の可変速度が限界であるという課題がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、電気光学結晶の端面と光学透明材料に形成された反射膜との間にエアギャップエタロンを構成し、電気光学結晶に電圧を印加することでエアギャップを変化させて、応答速度が数μ秒以下の高速波長可変光フィルタを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、波長可変光フィルタであって、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する第１および第２の面に形成した少なくとも２つの電極と、前記電気光学結晶と縦列に配置された光学透明材料と、前記電気光学結晶の前記光学透明材料と対向する側の第３の面に形成した第１の反射膜と、前記光学透明材料の前記電気光学結晶と対向する側の第１の面に形成された第２の反射膜と、前記電気光学結晶に接し、正方晶への相転移温度に近い温度領域となるように前記電気光学結晶を温度調整する温度調整手段と、を備え、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶のいずれかであり、前記第１の反射膜と前記第２の反射膜との間にエアギャップエタロンを形成し、前記電気光学結晶の前記電極間に電圧を印加することにより、前記エアギャップエタロンのギャップ長を変化さることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長可変光フィルタにおいて、前記電気光学結晶の第３の面と対向する第４の面と前記光学透明材料の第１の面との距離は固定されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の波長可変光フィルタにおいて、前記電気光学結晶の第４の面に固定された第１の固定部材と、前記光学透明材料に固定された第２の固定部材と、を備え、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とが前記温度調整手段に固定されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタにおいて、前記電気光学結晶に接する前記温度調整手段はペルチェ素子であり、前記ペルチェ素子を用いて、前記電気光学結晶の比誘電率を所望の値になるよう温度調整することを特徴とする。

本発明によれば、電気光学結晶における電歪効果の高速応答を利用することで、応答速度が数μ秒以下の高速波長可変光フィルタを実現することが可能となる。

ＫＴＮ結晶にＤＣ電圧を印加した時の変位の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＫＴＮ結晶と光学透明材を用いたエアギャップエタロンの構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係るＫＴＮ結晶と光学透明材からなる温調機能を備えたエアギャップエタロンの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明の波長可変光フィルタは、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶の電気光学結晶を備えたファブリペローエタロン型フィルタである。ＫＴＮ結晶およびＫＬＴＮ結晶は、温度の上昇とともに正方晶から立方晶へと結晶系を変え、立方晶において、大きい２次の電気光学効果を有する。特に、正方晶への相転移温度に近い温度領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の２乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きく発揮され、ＫＴＮ結晶およびＫＬＴＮ結晶の電圧印加に対する応答速度は、数ｎ秒程度である。

非特許文献１によれば、電歪係数をＱ、分極をＰ、電界をＥ、真空の誘電率をε₀、比誘電率をε_rとすると、歪ｘは下式で表される。

例えば、ＫＴＮ結晶の正負電極間の厚み１ｍｍ、比誘電率ε_r＝３００００とし、正負電極間に４００Ｖの電圧を印加すると、結晶内に４００Ｖ／ｍｍの一様な電界が発生する。このとき、ＫＴＮ結晶は、長手方向（ｘ方向）に１．１μｍ伸びることになる。図１にその様子を示す。電歪係数が、Ｑ₁₁とＱ₁₂で符号が異なるためｚ方向に電界を印加した時、ｘ方向に結晶は伸びるがｙ方向は結晶が縮むという性質を示す。

ところで、ファブリペローエタロンは、その構成によりソリッドエタロンとエアギャップエタロンに大別される。ソリッドエタロンは部材の対向する端面を反射面とするものであり、エアギャップエタロンは空気層を介して対向する反射面からなるものである。エタロンは、対向した反射面間の干渉効果により特定の波長が強められ、その強められた波長のみが透過することで波長フィルタとして機能する。その特性は通常ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）とＦ（Ｆｉｎｅｓｓｅ）により特定することができる。ＦはＦＳＲと半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）の比で表され、Ｆは主に反射率により決定される。両端の反射率が等しいとして反射率をＲとおき、屈折率をｎとすると、次の関係式が示される。

ここで、エアギャップｄの場合はｎ＝１となる。例えば、ＦＳＲとして１００ｎｍを実現したい場合は、波長１．０μｍにおいてｄ＝５μｍとなる。Ｒとして０．９９の反射率を採用すると、Ｆとして３１２を有するフィルタが実現でき、そのＦＷＨＭは０．３２ｎｍとなる。また、式（３）の微分をとると、

となることから、波長１．０μｍにおいてギャップを１μｍ変位させることで中心波長を１００ｎｍ変化させることができるので、広帯域の波長可変光フィルタを実現することができる。

図２に、本発明の一実施形態に係るＫＴＮ結晶と光学透明材を用いたエアギャップエタロンの構成を示す。ＫＴＮ結晶１０１は、正負電極１０２Ａ、１０２Ｂ間のｚ方向の厚み１ｍｍ、ｘ方向の長さ４ｍｍで比誘電率ε_r＝３００００である。正負電極１０２Ａ、１０２Ｂ間に４００Ｖの電圧を印加すると、結晶内に４００Ｖ／ｍｍの一様な電界が発生し、このときＫＴＮ結晶１０１は、長手方向（ｘ方向）に約１μｍ伸びる。図２に示すように、ＫＴＮ結晶１０１と光学透明材料１０３（たとえば石英基板）を用いてエアギャップエタロンを形成することで、実用的な範囲内で、広帯域の波長可変光フィルタを実現できる。

尚、ＫＴＮ結晶１０１と光学透明材料１０３とは、電圧印加に応じてエアギャップｄが伸縮するよう、エアギャップエタロンを構成するＫＴＮ結晶１０１の端面と対向する端面から、エアギャップエタロンを構成する光学透明材料１０３の端面までの距離ｌが固定されている。

（実施形態１）
図３に、実施形態１に係るＫＴＮ結晶と光学透明材からなる温調機能を備えたエアギャップエタロンの構成を示す。ＫＴＮ結晶１０１の正負電極１０２Ａ、１０２Ｂ間のｚ方向の厚み１ｍｍ、ｘ方向の長さ４ｍｍ、幅３ｍｍの結晶を用いた。この時の電極１０２Ａ、１０２Ｂの材料としては、Ｐｔ／Ａｕを用いた。また、ＫＴＮ結晶１０１の片端に１．３μｍを中心に約１００ｎｍの帯域において、反射率が約９９％になるように誘電多層膜１０４Ａを形成した。さらに、石英基板などの光学透明材料１０３の片端にＫＴＮ結晶１０１と同様に１．３μｍを中心に１５０ｎｍの帯域において、反射率が約９９％になるように誘電多層膜１０４Ｂを形成した。

また、図３に示すように、固定部材１０５Ａおよび固定部材１０５Ｂを介して、ＫＴＮ結晶１０１および光学透明材１０３をペルチェ素子１０７に固定して、エアギャップｄが５μｍとなるようにした。尚、ＫＴＮ結晶１０１は、ｘ方向に伸縮可能なように、固定部材１０５Ａにのみ固定されている。

また、ペルチェ素子１０７を用いて、ＫＴＮ結晶１０１が収まる箱（又は蓋）１０６ごと温調して、ＫＴＮ結晶１０１の比誘電率が約３００００となるように温度設定する。

ここで、電極１０２Ａ、１０２Ｂ間に、周波数２００ｋＨｚで４００Ｖの振幅の電圧を印加することによって、１．３μｍを中心に帯域１００ｎｍで応答速度が５μ秒の高速波長可変光フィルタを実現した。尚、本実施形態では、ＫＴＮ結晶１０１を用いたが、上述したようにＫＬＴＮ結晶を用いても同様の効果が得られる。

また、ＫＴＮ結晶、ＫＬＴＮ結晶の電圧印加に対する応答速度は数ｎ秒なので、さらなる高速化が可能である。

１０１ ＫＴＮ結晶
１０２ 電極
１０３ 光学透明材料
１０４ 誘電多層膜
１０５ 固定部材
１０６ 箱（又は蓋）
１０７ ペルチェ素子

Claims (4)

1. 電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶の対向する第１および第２の面に形成した少なくとも２つの電極と、
   前記電気光学結晶と縦列に配置された光学透明材料と、
   前記電気光学結晶の前記光学透明材料と対向する側の第３の面に形成した第１の反射膜と、
   前記光学透明材料の前記電気光学結晶と対向する側の第１の面に形成された第２の反射膜と、
   前記電気光学結晶に接し、正方晶への相転移温度に近い温度領域となるように前記電気光学結晶を温度調整する温度調整手段と、
   を備え、
   前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶のいずれかであり、
   前記第１の反射膜と前記第２の反射膜との間にエアギャップエタロンを形成し、前記電気光学結晶の前記電極間に電圧を印加することにより、前記エアギャップエタロンのギャップ長を変化さることを特徴とする波長可変光フィルタ。
2. 前記電気光学結晶の第３の面と対向する第４の面と前記光学透明材料の第１の面との距離は固定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
3. 前記電気光学結晶の第４の面に固定された第１の固定部材と、
   前記光学透明材料に固定された第２の固定部材と、
   を備え、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とが前記温度調整手段に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の波長可変光フィルタ。
4. 前記電気光学結晶に接する前記温度調整手段はペルチェ素子であり、前記ペルチェ素子を用いて、前記電気光学結晶の比誘電率を所望の値になるよう温度調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。