JPH09269515A - 可変光フィルタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光波長の可変範囲の大きな可変光フィルタ装置
を実現する。さらには、波長選択の安定性や再現性が良
い可変光フィルタ装置を実現する。 【解決手段】ブラッグ反射器が形成される光導波路１に
光屈折効果を有する材料を用いる。そして、光干渉縞発
生手段２によって前記光導波路１内にピッチ可変の干渉
縞を発生させて光屈折効果による周期的な屈折率の変化
を形成する。該周期的な屈折率の変化はブラッグ反射器
の働きをする。また、ピッチ設定手段３によって前記干
渉縞のピッチを設定することで、所望の光波長が選択で
きる光フィルタ装置とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信・光情報処
理・光計測などの分野において利用価値が高い可変光フ
ィルタ装置に係り、特に、光屈折材料を使用した可変光
フィルタ装置に関する。なお、ここに記した光屈折材料
とは、光屈折効果を有する材料のことで、電気光学効果
を有し、かつ、光の電界エネルギーの強さに応じてその
屈折率が変化する。

【０００２】

【従来の技術】光の電界エネルギーで媒質の屈折率が変
化する現象を利用した光フィルタとして、光ファイバ内
部に周期的な屈折率の変化を形成したものが報告されて
いる（参考文献：応用物理、第６２巻、第１号、５３
頁、１９９３）。この構造をもった光フィルタは「光の
ブラッグ反射」の性質を持つ光フィルタである。つまり
屈折率変化の生じている部分がブラッグ反射器の性質を
もつため、屈折率周期に対応した特定の光波長が強く反
射される。

【０００３】この光フィルタの製造は可干渉性の良い光
源を用いた干渉露光法によって行われる。光源から出射
した１つの光ビームを２分してある角度で重ね合わせる
と空間内で周期的な電界強度分布（干渉縞）が実現でき
る。この位置に芯線状の光ファイバを置き、露光するこ
とにより光ファイバのコア内部にブラッグ反射器が形成
される。

【０００４】光ビームの交差角度とブラッグ反射器の反
射光波長の関係は、 λref ＝λexp ・ｎ／（Ｎ・ｓｉｎ（θ／２）） ……………（１） である。ここで、λref はブラッグ反射器の反射光波長
を、λexp は光ビームの波長を、ｎは光導波路の屈折率
を、θは光ビームの交差角度を、Ｎは１以上の整数をそ
れぞれ示す。

【０００５】この光フィルタの実現には、光源としては
紫外帯域を有するレーザがよく用いられる。また、光フ
ァイバとしては露光による屈折率変化を大きくするため
に、コア部分にゲルマニウムを多く含む光ファイバが用
いられている。ただし、光ファイバ内部での屈折率変化
の機構は光屈折効果とは異なるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で説明した
干渉露光法によって作られる光フィルタは通常ある特定
の光波長だけを反射する固定光フィルタである。これ
は、いったん露光により形成されたブラッグ反射器の屈
折率の経時変化がほとんどないためである。そこで、ブ
ラッグ反射器が形成されている部分に応力を与えたり熱
を加えたりすることにより媒質全体の屈折率を変え、可
変光フィルタとして実験した例もある（参考文献：１９
９４年電子情報通信学会春季大会予稿集、Ｃ−３７
１）。しかしながら、変化量は光波長で１〜２nm程度の
ものでありごく僅かである。また、熱や応力による制御
は安定性や再現性において良い性能が得られないという
問題点がある。

【０００７】この発明の目的は、光波長の可変範囲の大
きな可変光フィルタ装置を実現することである。さらに
は、波長選択の安定性や再現性が良い可変光フィルタ装
置を実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の問題点を解決する
ために、本発明の可変光フィルタ装置では、ブラッグ反
射器が形成される光導波路に光屈折効果（以下、ＰＲ効
果という。ＰＲ；Photorefractive ）を有する材料（す
なわち光屈折材料、以下、ＰＲ材料という。）を用いる
こととし、また、前記光導波路内にピッチ可変の干渉縞
を発生させる手段（光干渉縞発生手段）と該干渉縞のピ
ッチを変えるための手段（ピッチ設定手段）とを備える
こととした。

【０００９】ここで、ＰＲ効果について簡単に説明して
おく。ＰＲ効果は電気光学効果を有する材料のうち、欠
陥や不純物を含むものに見られる現象である。これらの
材料に光が照射されると、欠陥の部分に存在する原子や
不純物はエネルギーを吸収して自由電荷を放出し、自分
自身はイオン化する。自由電荷はイオンと再結合する
が、この割合が光の強度によって変化するため、照射さ
れた光の強弱に応じた電荷分布が形成される。この電荷
分布が電気光学効果を介して屈折率変化を与えているの
である。具体的なＰＲ材料としては、ニオブ酸リチウム
（Ｌi Ｎb Ｏ3 ）、ニオブ酸カリウム（Ｋ Ｎb Ｏ3
）、タンタル酸リチウム（Ｌi Ｔa Ｏ3 ）、チタン酸
バリウム（Ｂa Ｔi Ｏ3 ）などがある。また、これらの
材料に不純物をドープした材料もＰＲ材料であるから利
用できる。

【００１０】さらに、ＰＲ効果によって生じた屈折率変
化は露光する光を遮断することで元の屈折率に回復する
性質がある。本発明ではこの性質を積極的に利用し、光
干渉縞発生手段とピッチ設定手段とを設けて露光する光
で生ずる干渉縞のピッチを変えられるようにしたことに
より可変光フィルタ装置を実現している。

【００１１】本発明の可変光フィルタ装置の構成を示す
図である図１を参照して、その作用を説明する。光干渉
縞発生手段２から発生した互いに交差する光ビームは光
導波路１に入射する。このようにすることで光導波路１
の内部に光干渉縞ができ、ＰＲ効果によりブラッグ反射
型光フィルタが形成される。光導波路に入射する入射光
のうち、前記式（１）の反射光波長λref に等しい光波
長の光は反射され、等しくない光波長の光は光導波路を
透過する。光導波路１の光透過特性を変える場合、つま
り、ブラッグ反射型光フィルタの反射光波長λref を変
える場合は、ピッチ設定手段３により干渉縞発生手段２
を制御するか、もしくは、光導波路１の屈折率を制御し
て行う。これらの制御の方法については次に説明する。

【００１２】

【発明の実施の形態】第１の実施の形態は、干渉露光法
における光ビームの交差角度を変えるようにしたもので
ある。式（１）で言えば交差角度θを変えることで反射
光波長λrefを変化させるようにしている。具体的に
は、図２に示すように、光源２１、該光源２１からの光
をコリメートするレンズ２２、コリメートされた光ビー
ムを分波する分波器２３および該分波器２３で分波され
た一方の光ビームを反射する光反射板２４で構成された
光干渉縞発生手段２の前記光反射板２４の角度を変えて
光ビームの方向を変化させる方法、また、図３に示すよ
うに、光反射板の代わりに音響光偏向器２５，２６を使
用して機械的動作なく光ビームの方向を変える方法、等
を用いて実現する。音響光偏向器を使用する方法は機械
的動作がないため、高速、高信頼性、長寿命（振動に強
い）等の長所を有している。この音響光偏向器を使用す
る方法については、後に第１の実施例として少しく詳細
に説明する。

【００１３】第２の実施の形態は、光干渉縞発生手段２
からの光ビームとその交差角度は固定しておいて、光源
の波長を変えるようにしたものである。式（１）で言え
ば光ビームの波長λexp を変えることで反射光波長λre
f を変化させるようにしている。具体的には、例えば、
図５に示すように、光干渉縞発生手段２の光源を波長可
変光源２８とし、該波長可変光源２８から出射される光
ビームの波長λexp をピッチ設定手段３で変化させるこ
とで実現できる。図５については、後に第２の実施例と
して少しく詳細に説明する。

【００１４】第３の実施の形態は、光導波路の内部に形
成されたブラッグ反射器の屈折率を一様に変えるように
したものである。式（１）で言えば光導波路の屈折率ｎ
を変えることで反射光波長λref を変化させるようにし
ている。具体的には、例えば、図６に示すように、光導
波路を形成しているＰＲ材料が電気光学効果を有するた
め、電圧制御で光導波路の屈折率ｎを変えることを利用
する。これは、光導波路に電極３１，３１を設け、該電
極に印加する電圧を可変電圧源３２で変化させることで
実現できる。図６については、後に第３の実施例として
少しく詳細に説明する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図３に本発明による可変光フィルタ装置の
第１の実施例の構成図を示す。可干渉性を有する光源２
１と該光源２１からの光をコリメートするためのレンズ
２２と第１の音響光偏向器２５と第２の音響光偏向器２
６とこれら２つの音響光偏向器を駆動する駆動装置２７
と音響光偏向器２５，２６に生ずる音響波の周波数を変
化させるために駆動装置２７を制御するピッチ設定手段
３とＰＲ効果を有する光導波路１とから成る。なお、光
源２１、レンズ２２、第１の音響光偏向器２５、第２の
音響光偏向器２６および駆動装置２７で前記光干渉縞発
生手段２を構成している。また、駆動装置２７はピッチ
設定手段３を兼ねている。このなかで、光干渉縞の発生
は光源２１とレンズ２２と第１および第２の音響光偏向
器２５、２６と駆動装置２７とで行い、干渉縞のピッチ
の設定は駆動装置２７の出力信号の周波数の設定を変え
ることで行っている。

【００１６】次に、この構成における光の進行経路と各
構成要素の動作について説明する。図４に光ビームの経
路とブラッグ反射器の形成の様子を示す。この図はコリ
メート光が２つの音響光偏向器２５、２６を通過して光
導波路１に入射するまでの様子を描いたものである。レ
ンズ２２によってコリメートされた光ビームは第１の音
響光偏向器２５により、そのまま透過した光ビーム４と
回折された光ビーム５の２つに分離される。第２の音響
光偏向器２６では、第１の音響光偏向器２５を透過した
光ビーム４を回折させて光ビーム６をつくる。その結
果、交差する光ビーム５，６ができ、これが光導波路１
内部に入射する。光導波路１内部では光の干渉により、
光の強い部分と弱い部分が周期的に並ぶ。光の強い部分
ではＰＲ効果により屈折率が変化して、ブラッグ反射器
７が形成される。光導波路１を伝搬する光のなかで、式
（１）を満たす光波長がこのブラッグ反射器で反射され
る。ブラッグ反射器の反射光波長λref を変える場合
は、音響光偏向器の駆動装置の設定を変える。通常、音
響光偏向器は正弦波で駆動されるものが実用に供されて
いるため実際には正弦波の周波数を変えることで光ビー
ム５，６の交差角度θを変えて反射光波長λref を設定
する。周波数の制御においては精度および安定性の良い
制御回路が容易に実現できるため、ブラッグ反射器７の
反射光波長λref の設定も高精度に行うことが可能とな
る。

【００１７】なお、第１と第２の音響光偏向器２５、２
６を光ビームの進行方向に順次ならべ、第１の音響光偏
向器２５を通過してきた光ビームを第２の音響光偏向器
２６で偏向させる方法は、同一出願人による出願（特願
平０１−３２７７６６号、「導波型光変調素子」）で開
示されている。このなかで２つの音響光周波数変調器の
並べ方が実験結果とともに詳細に説明されているが、動
作原理は音響波による光の回折であり、これは音響光偏
向器と同様であるため本実施例にも適用できる。

【００１８】図５に本発明による可変光フィルタ装置の
第２の実施例の構成図を示す。なお、第１の実施例の部
分と対応する部分は同一の符号を付している。第２実施
例は可干渉性を有する可変波長光源２８と該可変波長光
源２８からの光を分岐して再び合波するための干渉光学
系２９と前記可変波長光源２８からの光の波長を制御す
ることで干渉縞のピッチを設定するピッチ設定手段３と
ＰＲ効果を有する光導波路１とから成る。

【００１９】干渉光学系２９から光導波路１に入射した
光ビームは第１の実施例にて説明したものと同様なブラ
ッグ反射器７を光導波路１の内部に形成する。ブラッグ
反射器７の反射光波長λref の設定は波長可変光源２８
からの光の波長を変化させることによって行う。波長可
変光源２８には例えば半導体レーザが使用でき、波長の
制御は該半導体レーザへの注入電流を制御することで行
える。電流の制御においては、精度および安定性の良い
制御回路が容易に実現できるため、ブラッグ反射器７の
反射光波長λref の設定も高精度、高安定に行うことが
可能である。

【００２０】図６に本発明による可変光フィルタ装置の
第３の実施例の構成図を、図７に電極３１，３１を装荷
した光導波路１の上面図を示す。なお、第１および第２
の実施例の部分と対応する部分は同一の符号を付してい
る。第３の実施例は、可干渉性を有する光源２１と該光
源２１からの光を分岐して再び合波するための干渉光学
系２９とＰＲ効果を有する光導波路１と該光導波路１上
に装荷した電極３１，３１と該電極３１，３１に電圧を
印加する可変電圧源３２とから成る。光源２１と干渉光
学系２９とで光干渉縞発生手段２を構成し、電極３１，
３１と可変電圧源３２とでピッチ設定手段３を構成して
いる。

【００２１】干渉光学系２９から光導波路１に入射した
光ビームは第１の実施例にて説明したものと同様なブラ
ッグ反射器７を光導波路１の内部に形成する。ブラッグ
反射器７の反射光波長λref の設定は電極３１，３１に
可変電圧源３２で電圧を印加し光導波路１の屈折率ｎを
設定することによって行う。この屈折率ｎの設定はＰＲ
材料が電気光学効果を有するために可能となる。前記電
極３１，３１から発生する電界により、光導波路１の屈
折率ｎが変化し、その結果ブラッグ反射器７の反射光波
長λref が変化する。電圧の制御においては精度および
安定性の良い制御回路が容易に実現できるため、ブラッ
グ反射器７の反射光波長λref の設定も高精度、高安定
に行うことが可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の可変光フ
ィルタ装置はブラッグ反射器が形成される光導波路に光
屈折効果を有する材料を用い、また干渉縞を発生させる
干渉縞発生手段と、干渉縞のピッチを変えるピッチ設定
手段を備えることとしたから、光波長の可変範囲の大き
な可変光フィルタ装置を実現することができた。さらに
は、干渉縞のピッチの設定に、従来利用されていた熱や
応力を制御する方法によらず、より制御性の良い周波
数、電流、電圧による制御方式を用いたから、波長選択
の精度、安定性、再現性の良い可変光フィルタ装置が実
現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変光フィルタ装置の構成を示す図で
ある。

【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図である。

【図３】本発明の可変光フィルタ装置の第１の実施例の
構成を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施例における光ビームの経路
とブラッグ反射器の形成を説明するための図である。

【図５】本発明の可変光フィルタ装置の第２の実施例の
構成を示す図である。

【図６】本発明の可変光フィルタ装置の第３の実施例の
構成を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施例における電極を装荷した
光導波路を示す上面図である。

【符号の説明】

１ 光導波路 ２ 光干渉縞発生手段 ３ ピッチ設定手段 ４ 第１の音響光偏向器２５をそのまま透過した光ビー
ム ５ 第１の音響光偏向器２５で回折された光ビーム ６ 第２の音響光偏向器２６で回折された光ビーム ７ ブラッグ反射器 ２１ 光源 ２２ レンズ ２３ 分波器 ２４ 光反射板 ２５ 第１の音響光偏向器 ２６ 第２の音響光偏向器 ２７ 駆動装置 ２８ 波長可変光源 ２９ 干渉光学系 ３１ 電極 ３２ 可変電圧源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光屈折材料からなり、光干渉縞のピッチ
   によって光透過特性が定められる光導波路（１）と、 可干渉性を有し互いに交差する光ビームによってピッチ
   可変の光干渉縞を前記光導波路内に発生する光干渉縞発
   生手段（２）と、 前記光干渉縞のピッチを或る値に設定するピッチ設定手
   段（３）とを備えた可変光フィルタ装置。