WO2004111717A1 - 波長可変光フィルタ - Google Patents

Abstract

本発明に係る波長可変光フィルタ（１）は、立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶から形成される光透過性の誘電体結晶部（２）と、誘電体結晶部とともにファブリペローエタロンを構成するミラー部（５，６）と、電気光学効果を介して当該エタロンの透過光の波長を変化させるべく誘電体結晶部に電圧を印加するための電極（３，４）と、を有する。この構成によれば、立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶を用いるため、高速且つ低電圧で駆動可能な波長可変光フィルタを実現できる。

Description

波長可変光 フ ィ ル 夕

技術分野 本発 明 は、 光通 光計測等 に使用 す る 波長可変光 フ 明

ィ ル タ に 関す る 。

背景技術 書

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 ヮ 一 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 （ D — W D M ： Dense Wavelength Division Multiplexin ) で は、 極 め て短 い 波長 間 隔で異 な る 複数 の光 を 多重化 し 、 一つ 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 . 8 n m と い っ た極 め て 短 い 間 隔で波長が異 な る 複数の光が数十 n m程度 の範囲 に わ た つ 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 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 ぺ ク ト ル を 有す る 光 フ ィ ル 夕 を 用 い な けれ ぱな ら な レ 。

ま た 、 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 。

こ れ ま で 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 と し て 、 回折格子型 フ ィ ル タ 、 フ ア ブ リ べ 口 一 エ タ ロ ン 型 フ ィ ル 夕.、 干渉型 フ ィ ル 夕 、 及び音響光学型 フ ィ ル タ な ど が提案 さ れて い る 。 こ れ ら 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 0 . 1 〜 1 m s e c 領域 の 可変速度が限界で あ っ た 。 機械的な変化 に基づ く フ ィ ル 夕 は、 例 え ぱ、 Staffan Greek, Ram Gupta, and Klas H j o r t , "Mechanical Considerations in the Design of a Micromechanical Tune able InP-Based WDM Filter", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL

SYSTEMS, (USA), 1 9 9 9 , VOL. 8 ， NO. 3 , . 3 2 8 - 3 3 4 に記載 さ れて い る 。

し た が っ て 、 上記 の よ う な技術で は、 次世代光ネ ッ ト ワ ー ク に求 め ら れる 光ノ ケ ッ ト の ア ド · ド ロ ッ プな ど に 必要な 1 〜 1 O n s e c の動作速度 は原理的 に 実現で き な レ ^ と レ う 問題 があ っ た 。

一方 、 誘電体結晶 あ る い は強誘電体結 晶 の電気光学 効果 を 用 い る 波長可変光 フ ィ ル タ は 、 上記の 問題点 を 解 決す る 有効 な 手段で あ る と考 え ら れ る 。 し か し 、 電気光 学効果 を 用 い る フ ィ ル タ に お い て は 、 そ の波長可変範囲 が屈折率 の変化量 に 比例す る た め 、 た と え ば 1 5 0 O n m の 波長 に対 し 、 3 0 n m の波長可変帯域 を 実現す る に は， 材料 の屈折率 も 3 0 1 5 0 0 、 すな わ ち 2 % 変化 さ せ る 必要が あ る 。 現在、 電気光学効果 を有す る 結 晶 と し て 一 般 に 利用 さ れて い る L i N b 〇 ₃ は最大 の 電気光 学定数 で も r 3 3 = 3 1 p m V で あ る た め 、 約 2 % の 屈 折率変化 を 実現 す る た め に 必要 な 電界 は 3 X 1 0 ⁹ V / m と な り 、 実現不可能で あ る 。 こ の た め 、 こ の 屈折率変 ィ匕 を 実現す る に は、 さ ら に大 き い電気光学効果 を 有す る 材料が必要で あ る 。

こ の よ う な事情 に鑑み、 本発 明 は 、 電気光学結 晶 に 印 加す る 単位厚 さ あ た り の電圧 を 大 き く す る こ と な し に 十 分な波長可変帯域 を確保で き る 波長可変光 フ ィ ル 夕 を 提 供す る こ と を 目 的 と す る。 すな わ ち 、 本発明 の 目 的 は、 低電圧で駆動可能で あ り 、 且つ広 い 波長帯域 に わ た っ て 波長 を変化 さ せ る こ と がで き る 波長可変光 フ ィ ル夕 を提 供す る こ と に あ る 。

本発 明 の 別 の 目 的 は、 動作速度が向上 さ れた波長可変 光 フ ィ ル タ を提供す る こ と で あ る 。

本発 明 の ま た 別 の 目 的 は 、 電極 の面積 を小 さ く す る こ と に よ っ て静電容量 を 低減で き る 波長可変光 フ ィ ル夕 を 提供す る こ と で あ る 。 発 明 の 開 示

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の第 1 の態様 に係 る 波長可変光 フ ィ ル タ は 、 立方 晶構造 を 有 し 2 次 の電気光 学効果 を呈す る 誘電体結 晶か ら 形成 さ れる 光透過性 の 誘 電体結晶部 と 、 前記誘電体結晶部 と と も に フ ァ ブ リ ぺ 口 一エ タ ロ ン を構成す る ミ ラ ー部 と 、 前記電気光学効果 を 介 し て 当 該エ タ ロ ン の透過光 の 波長 を変化 さ せる ベ く 前 記誘電体結 晶部 に電圧 を 印加す る た め の電極 と 、 を 有す ·©。

上記 目 的 を達 成す る た め 、 本発 明 の第 2 の態様 に係 る 波長可変光 フ ィ ル タ は、 前記電極が前記透過光 に対 し て 透明 な透明電極で あ る と と も に 前記誘電体結 晶部 に隣接 し て配置 さ れ、 前記 ミ ラ 一部が誘電体多層膜で形成 さ れ る 誘電体多層膜 ミ ラ ー部で あ る と と も に 当 該電極 に 隣接 し て配置 さ れ る 。

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発明 の第 3 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ルタ は、 さ ら に 1 以上 の前記誘電体結 晶 部 と 前記透明電極 と を 備え る 。 前記誘電体結晶部 と 前記 透明電極が交互 に配置 さ れ、 当 該交互配置 に よ り 形成 さ れた多層体 を挟 む よ う に 前記誘電体多層膜 ミ ラ 一部が形 成 さ れ る 。

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発明 の第 4 の態様 に係 る 波長可変光 フ ィ ル夕 に お い て は、 前記電極が、 金属 か ら 形成 さ れ る 金属 電極 で あ る と と も に 誘電体結 晶部 に 隣 接 し て配置 さ れ 、 か つ 、 前記 ミ ラ 一 部 を 兼ね る 。

上記 目 的 を 達 成す る た め 、 本発 明 の第 5 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 に お い て は、 前記電極が、 前記透明 電極 の表面 に コ 一 テ ィ ン グ さ れた 金属薄膜を 更 に有す る 上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の第 6 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ルタ に お い て は 、 前記電極が、 実質 的 に 前記 過光が通過す る 部分 に だ け形成 さ れて い る 。

上記 目 的 を 達成す る た め 、 本発 明 の第 7 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル夕 に お い て は、 前記金属薄膜が実質的 に 前記透過光が通過す る 部分 に だ け 形成 さ れて い る 。

上記 目 的 を 達成す る た め 、 本発 明 の第 8 の 態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ルタ に お い て は 、 前記電極が、 前記誘電 体結晶部 を 透過す る 光 の透過方 向 と 直交 し且つ 互 い に 直 交す る 2 つ の方 向 に電界 を発生 さ せ る よ う に 設 け ら れ る 上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の 第 9 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 は、 さ ら に 1 以上 の 前記誘電体結 晶 部 を 備 え る 。 前記誘電体結晶 部 のそれぞれ に対 し 、 前記 電極が 当 該誘電体結 晶部 を透過す る 光 の透過方向 と 直交 し 且つ互 い に 直交す る 2 つ の方向 に 電界 を発 生 さ せ る よ う に設 け ら れて レゝ る 。

上記 目 的 を 達成す る た め 、 本発 明 の 第 Γ 0 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル タ は、 前記誘電体結晶部 の それぞれ は、 異な る F S R を 有す る 。

上記 目 的 を 達成す る た め 、 本発 明 の第 1 1 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル タ は、 前記誘電体結晶部 の誘電率 よ り も 誘電率が小 さ い 絶縁体か ら 形成 さ れ る 絶縁層 を 更 に 備 え る 。 該絶縁層 は 、 前記誘電体結 晶部 を前記 2 つ の方 向 の う ち 一 の方向 に 電界が生 じ る 第 1 の部分 と 他 の 方 向 に電界が生 じ る 第 2 の 部分 と に分割す る よ う に挿入 さ れ て い る 。

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の第 1 2 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 に お い て は、 前記絶縁体 は、 T e 〇 ₂ を主成分 と す る ガ ラ ス 、 S i 〇 ₂、 A l ₂ 〇 ₃ 、 若 し く はポ リ マ ー の い ずれか 又 は こ れ ら の複合体で あ る 。

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の第 1 3 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 は、 前記誘電体結晶部 を 形成す る 誘電体結晶 の温度 を 管理す る た め の温度調整装置 を 更 に 有す る 。

上記 目 的 を 達成す る た め 、 本発 明 の第 1 4 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 に お い て は、 前記誘電体結晶部 を 形成す る 誘電体結 晶 は単結 晶 で あ り 、 そ の一 の結 晶軸 の 軸方向が前記誘電体結晶部 を 透過す る 光 の透過方向 と一 致す る 。

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の第 1 5 の態様 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 に お い て は、 前記誘電体結晶部 を 形 成す る 誘電体結晶 は多結晶 で あ り 、 少な く と も 一 の 結 晶軸の軸方向が前記誘電体結晶部を透過する光の透過方 向 と 一致する 。

上記 目 的を達成する ため、 本発明 の第 1 6 の態様 に係 る 波長可変光 フ ィ ル夕 にお いて は、 前記誘電体結晶 は、 K^ — y L i y T a _x N b _x 〇 ₃ のィ匕学組成 を有する 。

上記 目 的を達成する ため 、 本発明 の第 1 7 の態様 に係 る 波長可変光 フ ィ ル夕 にお いて は、 前記誘電体結晶 は、 K T a _x N b _x 0 ₃ にお け る K の全て 、 も し く は K i — _y L i _y T a i _x N b _x 〇 ₃ にお ける Kお よ び L i の全て を B a 、 S r 、 C a の う ち の少な く と も一つ の元素で置 き換え 、 且つ T a お よ び N b の全て を T i で置き換えた 組成を有する 。

上記 目 的を達成する た め、 本発明 の第 1 8 の態様 に係 る 波長可変光 フ ィ ルタ お いては、 前記誘電体結晶 は、 K T a i - x N b x O g にお け る Kの全て、 も し く は K i — _y L i y T a i _x N b _x 〇 ₃ に お け る K お よ び L i の 全て を P b と し a の う ち の少な く と も 一方の元素で置き換え 、 且つ T a およ び N b の全て を T i と Z r 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。

上記 目 的 を達成する た め、 本発明 の第 1 9 の態様 に係 る 波長可変光フ ィ ル '夕 にお いては、 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 の第 2 の組成比 と し て の前記 y は、 0 よ り 大 き く 0 . 1 未満であ る 。

上記 目 的を達成す る た め、 本発明 の第 2' 0 の態様 に係 る 多段構成波長可変光 フ ィ リ卜 タ は 、 上記 の波長可変光 フ ィ ル 夕 を 複数個含む。 各波長可変光 フ ィ ル 夕 は、 当 該 波長可変光 フ ィ ル 夕 へ入射すべ き 光の進行方 向 に 沿 つ て 設 け ら れ る 。

上記 目 的 を達成す る た め 、 本発 明 の第 2 1 の 態様 に 係 る 多段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 に お い て は、 各波長可変 光 フ ィ ル 夕 の誘電体結 晶部 を 形 成す る 誘電体結 晶 の 結 晶 軸 と ¾ 父す る 面 と 、 則 記光 の進行方 向 と 直交す る 面 と が 2 度以上 の 角 度で傾 いて い る 。

本発 明 で は 、 立方晶構造 を 有 し 2 次 の電気光学効果 を 呈す る 誘電体結 晶 を 用 い る た め 、 従来実現で き な か っ た 高速且つ低電圧 で駆動可能な波長可変光 フ ィ ルタ を 実現 でき る 。

ま た 、 本発明 の波長可変光 フ ィ ル タ は 、 広帯域で波長 を 高 速で可変す る こ と が 出来 る た め 、 バ ケ ツ 卜 の ア ド - ド 口 ッ プな ど の 高機能化が可能 で あ る と 共 に 、 光計測用 の高 速の 波長 ス ウ イ 一パ と し て も 利用 可能で あ る 。

さ ら に 、 本発 明 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル夕 に よ れ ば、 F S R の 異な る 2 っ 以上 の フ ア ブ リ ベ ロ 一 エ タ ロ ン 型 フ ィ ル タ を 用 い る 事 に よ り 、 結晶 の単位厚 さ に 印加す る 電 圧 を 低減で き 、 従 っ て無理 の な い 条件で所望の 2 次 の 電 気光学効果が発揮 さ れる 。

さ ら に ま た 、 電極 の面積を 小 さ く す る 事 に よ っ て静電 容量 を 低減 で き る 。 さ ら に 、 電極 に は体積抵抗率 の 低 い 金属 （例 え ば銀） を 用 い る 事 に よ つ て 、 l O n s e c ォ ー ダ一 の高速動作 を 実現す る 事がで き る 。 図 面 の簡単な説 明

図 1 は 、 本発明 の第 1 の実施 の形態 に 係 る 波長可変光. フ ィ ル 夕 の構成 を示す図 で あ る 。

図 2 は、 図 1 の波長可変光 フ ィ .ル 夕 を 備え た 波長可変 光 フ ィ ル 夕 モ ジ ュ 一 ルの概略図 で あ る 。

図 3 は 、 図 2 の波長可変光 フ ィ ル タ モ ジ ュ ール を含 む 測定 系 の概略図 で あ る 。

図 4 は、 図 1 の波長可変光 フ ィ ル 夕 の透過 ス ペ ク ト ル を示す 図 で あ る 。

図 5 は 、 図 1 の波長可変光 フ ィ ル 夕 の 3 d B 帯域 を 示 す図 で あ る 。

図 6 は、 図 1 の波長可変光 フ ィ ル タ の波長可変特性 を 示す 図 で あ る 。

図 7 は、 図 1 の波長可変光 フ ィ ル タ の 高速応答特性 を 示す図 で あ る 。

図 8 は 、 本発 明 の 第 2 の実施 の 形態 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 の構成 を示す図 で あ る 。

図 9 は 、 図 8 の波長可変光 フ ィ リレ 夕 の 透過 ス ぺ ク ト ル を示す図 で あ る 。

図 1 0 は、 本発明 の第 3 の 実施 の形態 に係 る 波長可変 光 フ ィ ル タ の構成 を 示す図 で あ る 。

図 1 1 は 、 本発明 の第 6 の 実施 の 形態 に係 る 波長可変 フ イ リレ 夕 の 構成 を示す図 で あ る 。 図 1 2 は、 図 1 1 の波長可変 フ ィ ル タ を 備 え た波長可 変 フ ィ ル タ モ ジ ュ ー ルの構成図 で あ る 。

図 1 3 は 、 図 1 2 の 波長可変 フ ィ ル ' 夕 モ ジ ュ ー ル を 含 む測 定 系 の概略 図 で あ る 。

図 1 4 は 、 図 1 1 の波長可変 フ ィ ル 夕 の透過 ス ぺ ク 卜 ル を 示す図 で あ る 。

図 1 5 は 、 図 1 1 の波長可 変 フ ィ ル 夕 の 3 d B 帯域 を 示す図 で あ る 。

図 1 6 は 、 図 1 1 'の波長可 変 フ ィ ル タ の波長可変特性 を示す図 で あ る 。

図 1 7 は 、 図 1 1 の波長可変 フ ィ ル 夕 の 高速応答特性 を 示す図 で あ る 。

図 1 8 A は、 本発 明 の第 7 の実施 の 形態 に係 る 波長可 変 フ ィ ル 夕 の構成 を 示す図 で あ る 。

図 1 8 B は、 図 1 8 A の波長可変光 フ ィ ル夕 の 上部 の 電極 を 示す上面 図で あ る 。

図 1 8 C は 、 図 1 8 A の波長可変光 フ ィ ル 夕 の下部 の 電極 を 示す上面 図 で あ る 。

図 1 9 は 、 図 1 8 A の波長可変 フ ィ ル夕 の波長可変特 性 を 示す 図 で あ る 。

図 2 0 は、 本発明 の第 8 の 実施の 形態 に係 る 波長可変 フ ィ ル' 夕 の 構成 を示す図 で あ る 。

図 2 1 は 、 図 2 0 の波長可変 フ ィ ル 夕 の透過 ス ぺ ク ト ル を示す 図 で あ る 。 ' 図 2 2 は、 本発 明 の第 1 1 か ら 第 1 3 の'実施 の 形態 に 係 る 多段構成波長可変光 フ ィ ル夕 を構成する 波長可変光 フ ィ ル 夕 の構造 を 示す 図 で あ る 。

図 2 3 は、 本発 明 の第 1 1 の実施 の 形態 に 係 る 2 段構 成波長可変光 フ ィ ル 夕 を 示す 図 で あ る 。

図 2 4 は、 本発 明 の 第 1 2 の実施の 形態 に 係 る 3 段構 成波長可変光 フ ィ ル 夕 を示す 図 で あ る 。

図 2 5 は、 本発 明 の第 1 3 の実施 の 形態 に 係 る 4 段構 成波長可変光 フ ィ ル タ を 示す 図 で あ る 。

図 2 6 は、 第 1 4 の 実施の 形態 に係 る 2 段構成波長可 変光 フ .ィ ル 夕 の構成 を 示す図 で あ る 。

図 2 7 は、 本発 明 の第 1 5 の実施 の 形態 に 係 る 波長可 変光 フ ィ ル夕 の構成 を 示す斜視図 で あ る 。

図 2 8 は、 本発 明 の 第 1 5 の実施の形態 に 係 る 波長可 変光 フ ィ ル 夕 の構成 を 示す平面図 で あ る 。

図 2 9 は、 本発 明 の第 1 5 の実施 の 形態 に係 る 波長可 変光 フ ィ ル タ を 示す 図 で あ る 。

図 3 0 は、 本発 明 の第 1 6 の実施 の 形態 に 係 る 2 段構 成波長可変光 フ ィ ル タ を 示す 図 で あ る 。 発明 を 実施す る た め の最 良 の 形態

以下、 本発明 の 波長 可変光 フ ィ ル夕 に つ い て 、 実施 の 形態 を 複数 に分 け て 、 図面 を 参照 し な が ら 詳細 に 説明 す る 。 な お 、 実施 の 形態 を 説明す る た め の 全 図 に お い て 、 同一 の 要素 に は 同 一 の 符号 を 付与 し 、 こ れ に 関す る 反復 説明 は省略す る 。 (第 1 か ら 第 5 の実施 の 形態）

第 1 か ら 第 5 の実施 の 形態 を 説明す る 前 に 、 こ れ ら の実施 の 形態 の基本原理 に つ い て説 明す る 。

第 1 か ら 第 5 の実施 の 形態 は、 K i — _y L i _y T a J _ _x N b _x O 3 ( K L T N ) な る 組成 を有す る 結 晶 材料で構成 さ れた フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン型 フ ィ ル タ を 用 い る こ と を 特徴 と し て い る 。

K L T N 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 れる 。

こ の 現象 は K T a i _x N b _x 〇 ₃ ( K T N ) で も 生 じ る 。 し か し 、 K T N の 相転移 は 1 次 の相 転移 と な り 、 十 分高 い 比 誘電率 に 到達す る 前 に相転移 が生 じ 、 高 い 効率 を 得 る こ と が困難 あ る 。 さ ら に潜熱 を 伴 い ヒ ス テ リ シ ス が あ る た め に 、 温度管理が困難で あ る と い う 問題点が あ っ た 。 すな わ ち 、 潜熱 を伴 う 相転移 の場合 、 動作温度 が相 転移温度以下 ま で 変化 し て し ま う と 、 結 晶構造が立 方晶 か ら 正方晶 へ変化 し 、 再度温度 を動作温度 に戻 し て も 立方晶 に戻 ら な く な っ て し ま う 現象 （ ヒ ス テ リ シ ス ） が生 じ る 。

ま た 、 1 次 の 相転移 を有す る 結晶 で は、 こ の よ う な ヒ ス テ リ シ ス に 加 え 、 相 転移 を 繰 り 返す こ と に よ っ て 結晶 に ク ラ ッ ク が発生す る 場合が あ る 。 し た が っ て 、 結晶 の 厳密 な温度管理が必要で あ る 。 理論的 に は、 動作温度 は結 晶 の相転移 温度 に 限 り な く 近 い こ と が好 ま し い が、 実用 的 に は、 相転移温度か ら 3 〜 1 0 °C 高 い温度 に動作 温度 を 設定す る 。

こ の よ う な温度 に 設定す る の は、 ペルチ ェ 素子 の温度 変動 （ ± 0 . 1 °c ) に 加 え て 、 温度 の初 期 設定 の 際 の ォ —ノ 一 シ ュ ー ト （ 1 〜 2 °C ) な ど を考慮す る た め であ る 。 温度変動 の影響 を避 け る た め に は、 動作温度 を 相 転移 温度カゝ ら 離 し て い く と 好 ま し い が、 電気光学効果 の効率 は （ 1 Z ( T 一 T c ) ) ² ( T は動作温度で あ り 、 T c は 相転移温度で あ る ） に 比例 し て低下す る た め 、 3 °C 離れ る と 1 /· 9 に 、 1 0 。C 離れ る と 1 / 1 0 0 に 低下 し て し ま う 。 し たが っ て 、 1 次 の相 転移 を 有す る 結 晶 に見 ら れ る こ の よ う な現象 は、 波長可変光 フ ィ ル タ の 実用 上大 き い 問題 と な る 。 出来 る 限 り 相 転移温度 に 近 い 動作温度 を 維持す る た め に は、 潜熱や ヒ ス テ リ シス を伴 わ な い 2 次 の 相 転移 を有す る 材料 を 利用 す る 必要が あ る 。

こ の た め 、 第 1 か ら 第 5 の 実施 の 形態 に お い て は、 K T N の K の一部 を L i に 置換 し た K L T N を 用 レ る 。 K L T N は 、 ほ ぼ 2 次 の 可逆的な 相転移 を示 し 、 高 い 比 誘 電率 を 有す る た め 、 温度管理 が容易 に な る と い う 実用 上 大 き な 改善 を 提供 で き る 。

具体的 に は 、 ぺルチ ェ 素子な ど の初期 の オ ー バー シ ュ ー ト は考慮す る 必要 は な く 、 こ の 素子 の温度変動分 の 土 0 . 1 °C のみ考慮すれ ば良 い 。 よ っ て 、 相転移温度か ら

0 . 2 °C 離 し て お け ば、 安定 な動作 が得 ら れ る こ と に な り 、 比 誘電率 の低下 を 無視 で き る ほ ど小 さ く す る こ と が可能 と な る 。

そ の 結果、 効率 の 良 い 動作が実現 で き 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 の波長可変帯域 を広 く 確保す る に 必要な 屈折率変 ィ匕 を 比較的低電圧で実現す る こ と が可能 と な る 。

ま た 、 こ の 2 次 の電気光学効果 を 利用 す る 光デバイ ス の 動作温度 は、 結 晶 の 立方晶 か ら 正方晶 への 相 転移温度 近傍 に な る が、 K L T N 結晶 は 、 T a と N b の組成比 を 変化 さ せ る こ と に よ り 、 常誘電性か ら 強誘電性 （結晶 系 は 、 立方晶か ら 正方晶 ） への相 転移 温度 を ほ ぼ絶対零度 力 ら 4 0 0 °C ま で変化 さ せ る こ と が可能で あ る 。

こ の た め 、 こ の材料 を 用 い て作製 し た 波長可変光 フ ィ ル 夕 の 動作温度 を 室温付近 に容 易 に 設定で き る と い う 利 点 も あ る 。 加 え て 、 こ の 波長 可変光 フ ィ ル 夕 は 、 結晶 が 立方 晶 と な る 領域で使用 さ れ、 ま た 、 複屈折がな く 偏波 無依存動作が可能で あ る と い つ た利点 を も 有す る 。

ま た 、 電気光学効果 を 有す る フ ア ブ リ ぺ ロ 一 エ タ ロ ン 型 フ ィ ル 夕 の 場合、 波長可変帯域は材料 の電気光学効果 に よ る 屈 折率変化 に 依存す る 。 すな わ ち 、 低電圧で大 き い 波長可変帯域 を 実現 す る に は 、 大 き い電気光学効果 を 有す る 結 晶材料 を 用 い る こ と が必須 で あ る 。 こ の場合 、 K T N を 始め と す る 2 次 の電気光学結晶 は、 上記 の よ う に 相転移 温度付近で大 き い電気光学効果 を '有 し 、 L i N b O ₃ な ど 、 1 次 の電気光学効果 を 有す る 電気光学結 晶 と し て 一般 に 知 ら れ る 結 晶 に 比べて 十分大 き い屈折率 変化が実現 で き る 。 し た が っ て 、 従来 の 電気光学結晶 を 用 い た 場合 よ り も 、 波長可変帯域 の広 い フ ィ ル タ が作製 で き る 。

し か し 、 一つ の フ ィ ル 夕 で実現可能な可変帯域 は、 通 信波長帯で は 5 0 n m程度が限界で あ る た め 、 さ ら に 帯 域 の広 い 波長可変光 フ ィ ルタ が必要な 場合 は、 フ ィ ル 夕 を 多段 に構成す る と 好 ま し い 。 但 し 、 誘電体多層膜 ミ ラ 一 の 間 の 間 隔 は、 半波長 の整数倍でな ければな ら ず、 そ の大 き さ に よ っ て光 を透過す る 波長 間 隔 （ F S R : Free Spectral Range) が決 ま る 。 こ の F S R の異 な る フ ィ ル 夕 を 組み合わせれ ば、 1 つ の フ ィ ル 夕 の 波長可変幅 を 小 さ く し た ま ま 、 波長可変帯域の広 い 波長 可変光 フ ィ ル 夕 を 実現 で き る 。

さ ら に 、 第 1 か ら 第 5 の実施の 形態 の 波長可変帯域 は フ イ リレ 夕 の 誘電体結晶 中 に 生 じ る 電界で決 ま る た め 、 当 該結晶 に 印加す る 電圧 は、 フ ィ ル タ に 用 い る 結 晶 の厚 さ に 依存す る 。 小 さ な 波長可変幅 を 得 よ う と すれ ば、 F S R を 小 さ く す る 必要が あ り 、 そ の結果 、 結晶 が厚 く な る こ と と な る 。 こ れで は、 必要な電界 は小 さ く と も 、 印 力 d 電圧 を 高 く し な けれ ばな ら ず、 電源 の 負荷の 増大 を招 く 結果 と な る 。

こ れ に対 し 、 厚 さ の合計が所望 の F S R を 得 る に必要 な値 と な る 複数 の誘電体結晶 部 を 複数 の透明電極 と 交互 に配置す る こ と に よ り 、 印加電圧 を 低減で き る 。 すな わ ち 、 一 の透明電極 を 介 し て隣 り 合 う 2 つ の誘電体結 晶 部 に お い て、 互 い に 向 き が異な る 電界 を 発生 さ せ る よ う に 当 該透明電極 に電圧 を 印加す る と き 、 そ の 電圧 は、 一 つ の誘電体結晶 部 を 有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 の場合 に 比べ 、 誘電体結 晶部 の 数で上記 の必要な値 を 割 つ た値 に ま で低減 さ れ る 。

さ ら に 、 こ の 波長可変光 フ ィ ルタ の 動作は 、 電気光学 · 効果 に基づ く た め 、 原理的 に は 1 G H z 以上 の 高速応答 が可能で あ る 。

以上 の こ と か ら 、 第 1 か ら 第 5 の実施 の 形態 の波長可 変光 フ ィ ルタ は 、 高速動作、 低駆動電圧、 偏波無依存、 広波長可変帯域 と い う 、 こ れ ま で の波長可変光 フ ィ ルタ で は実現で き な い 、 高機能性 を 実現す る こ と がで き る 。

次 に 、 第 1 か ら 第 5 の実施の形態 の それぞれ に つ い て 詳説す る 。 以下 の実施 の形態 は 、 あ く ま で も 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 。 し た が っ て 、 当 業者で あ れば、 こ れ ら の各要素 又 は全要素 を含 ん だ各種の実施 の形態 を採用 す る こ と が 可能で あ る が、 こ れ ら の実施 の 形態 も 本発 明 の 範囲 に含 ま れ る 。

(第 1 の実施 の 形態）

第 1 の 実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 の構成図 を 図 1 に 示す。

本実施 の形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 ' 1 の誘電体結 B曰 部一」 2 は、 K L T N 結 晶 か ら 形成 さ れ る 。 K L T N は L i と N b の組成比 を 調整す る こ と に よ り 、 相転移温度 を 調整す る こ と がで き る 。

誘電体結 晶部 2 を 形 成す る K L T N 結 晶 の 組成は、 K 0 . 9 7 L i 。 . 。 ₃ T a 。 . _{6 5} N b 。 . _{3 5} O ₃ で あ り 、 相 転 移温度 は 1 9 °C で あ っ た 。 本実施 の形態で は 、 L i の 組 成比 は 0 . 0 3 で あ る 力 、 組成比力 0 . 0 0 1 で も 2 次 の相転移が得 ら れ、 0 . 1 ま で は、 実用 上適切 な動作温 度範囲 で立方 晶 を維持で き る 。 し たが っ て 、 こ の範囲 で あ れば、 実用 上好適な フ ィ ル タ を得 る こ と がで き る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の範囲 で は、 結 晶 の 品 質が高 く 、 2 0 0 0 0 以上 の 比誘電率 を 実現 で き る 。

ま た 、 相転移温度 1 9 °C に対 し 、 動作温度 は 2 0 °C で あ り 、 2 0 °C に お け-る 材料の 比 誘電率 は 、 それぞれ 3 0 0 0 0 で あ る 。

なお 、 相転移温度 は N b と T a の 比 に よ り 幅広 い温度 に設定す る こ と が可能で あ る 。 例 え ば、 T a の 組成比 が 0 . 5 の場合 は相転移温度 は 1 0 0 °C で あ り 、 0 . 9 の 場合 は 一 1 0 0 °c で あ る 。 よ っ て 、 こ の 組成範囲 に あ れ ば、 冷却 · 加熱装置 に よ り 、 実用 可能 な フ ィ ル 夕 が構成 で き る 。 さ ら に 、 ぺルチ ェ 素子で温度 制御が可能な 一 2 0 〜 8 0 °C の 範囲 に 相転移 を 有す る 結 晶 が望 ま し く 、 こ の場合 は、 T a の組成比 は 0 . 5 5 〜 0 . 7 と な る 。 さ ら に 、 ペルチ ェ 素子 の 消 費電力 を 出来 る 限 り 小 さ く す る た め に は、 室温付近 の 相転移温度 に 設定す'る こ と が望 ま し く 、 相転移温度 を 1 0 〜 4 0 °C に 設定する と すれ ば、 T a の 組成比 は 0 . 6 〜 0 . 6 7 と な る 。

動作温度 と 相転移温度 の 関係 は 、 前述 の よ う にそ の差 が小 さ い ほ ど 、 高 い 効 率 を得 る こ と がで き る た め 、 出 来 る 限 り 一致 さ せ る こ と が望 ま し い 。 ペルチ ェ 素子の温度 変動及 び電気光学効果 の効率 の低下 を 1 ノ 1 0 0 ま で許 容す る と すれば、 0 . 2 °C < ( T — T c ) < 1 0 °c の 範 囲 を 満たす温度 と す る こ と がで き る （ こ こ で 、 T は動作 温度、 T c は相転移温度で あ る ）。

図 1 を参照す る と 、 本実施 の 形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル タ 1 は、 ガ ラ ス 基板 7 上 に形成 さ れて お り 、 誘電 体結晶 か ら 形成 さ れ る 誘電体結晶部 （ K L T N結晶板） 2 力 ( Indium-Tin Oxide) 透明 電極 3 及び 4 で挾 ま れ、 さ ら にそ の外側 に 配置 し た 誘電体多層膜 ミ ラ ー 5 及び 6 で フ ア ブ リ べ 口 一 エ タ ロ ン が構成 さ れて い る 。

誘電体多層膜 ミ ラ ー 5 及び 6 は、 一般的な 材料で あ る S i 〇 ₂ Z N b ₂ 〇 ₅ に よ り 形成 さ れて レ る 。

波長可変光 フ ィ ル タ 1 は、 1 5 3 0 〜 1 5 7 0 n m の 通 信波長帯 （ C 帯） で の利用 を想定 し 、 無電界 で 1 5 3 0 11 mの波長 を有す る 光 を透過す る よ う 設計 さ れて い る 。 ま た 、 4 O n mの 可変帯域 を 実現す る た め に 、 フ ィ ル 夕 の F S R も 4 0 n m に 設定 し て レ る 。 こ の 場合 、 K L T N の 厚 さ は、 約 1 3 /i m と な る 。 透過帯域 は、 誘電体 多層膜 ミ ラ ー 5 及 び 6 の 反射率 に よ り 調整 さ れ、 本実施 の形態で は 、 1 5 3 0 n mに お け る 反射率が 9 0 % と な る よ う に 、 誘電体多層膜 ミ ラ ー 5 及 び 6 を設計 し て い る 本実施の形態 で用 い た K L T N は、 前述 の よ う に 2 次 の電気光学効果 を有 し て お り 、 電界が印加 さ れた 際 の 屈 折率変化量は、

△ n = - 1 ,/. 2 X n 0 ³ X ε 0 ² X ε _r ² X g J ₂ X E ² · • · ( 1 )

で表 さ れ る 。 こ こ で 、 Δ n は屈折 率変化 、 n 。 は電界印 加前 の 屈折率、 ε 。 は真空 の 誘電率、 ε _r は結 晶 の 比誘電 率、 g ₂ は 2 次の電気光学定数、 E は印加電界 の強度 で あ る 。 ま た 、 K L T N の電気光学定数 は、 g _{1 2} = — 0 . 0 3 8 m ⁴ Z' C ² で あ る 。 式 （ 1 ) カゝ ら 明 ら か な よ う に 、 屈折率変化 は電界強度 の 2 乗 に 比例す る こ と に な る 。

図 2 に 、 図 1 の波長 可変光 フ ィ ル夕 を 備 え た 波長可変 光 フ ィ ル タ モ ジ ュ 一 ル 1 0 の構造 を示す。

波長可変光 フ ィ ル タ 1 は、 配線パ タ ー ン が形成 さ れた 基板 1 5 上 に 、 はんだで 固定 さ れて い る 。 電極 1 6 は ヮ ィ ヤ ー ボ ン ダ に よ り 筐体 1 3 に設 け ら れた筐体電極 1 7 に 接続 さ れて い る 。

光 フ ア イ ノ ' 1 4 力 ら 出 射 さ れた光 1 9 は、 コ リ メ 一 ト レ ン ズ 1 2 を介 し て 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 に 入射 し 、 波 長可変光 フ ィ ル タ を透過 し た後、 同様 に コ リ メ ー ト レ ン ズ 1 2 を 介 し て 出射側 の 光 フ ァ イ ノ' 1 8 に 入射する 。

図 3 は 、 図 2 の波長可変光 フ ィ ル 夕 モ ジ ュ ー ル 1 0 を 含む測定 系 の概略図 で あ る 。 こ の測定 系 に お い て は、 ま ず、 A S E (イ ン コ ヒ 一 レ ン ト ） 光源 2 0 か ら 出射 さ れた光 を 波長可変光 フ ィ ル 夕 モ ジ ュ ー ル 1 0 に入射 さ せ、 出 射光 を ス ペ ク ト ラ ム ァ ナ ラ イ ザ 2 1 で検 出 す る 。

高速動作測定 を行 う 際 に は、 フ ァ ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ レ 一 夕 2 2 を 用 い て発 生 し た電圧 を ア ン プ 2 3 に よ り 増幅 し 、 増幅 さ れた電圧 を 波長可変光 フ ィ ル 夕 モ ジ ュ一ル 1 0 内 の波長可変光 フ ィ ル 夕 1 ( 図 2 ) に 印力 [] し て 、 当 該 フ ィ ル タ 1 か ら の透過光 を光検 出器（ P h o t o D e t e c t o r ： P D ) 2 4 で検出 し 、 オ シ ロ ス コ ー プ 2 5 で応答特性 を 観測す る 。

なお 、 誘電体結晶部 2 を形成す る 誘電体結晶 は、 単結 晶で あ っ て も 多結晶 で あ っ て も よ い 。 単結晶 の場合 に は 、 そ の結 晶 軸 の一つ が前記 の光 の透過方向 と 一致す る よ う に配置 さ れ る 。 多結 晶 の場合 に は、 そ の結晶軸 の 少な く と も 一 つ が前記 の光 の透過方 向 と 一致す る よ う に 配置 さ れ る 。

図 4 に 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 の光透過 ス ぺ ク ト ル を 示 し 、 ま た 、 図 5 に波長可変光 フ ィ ル 夕 1 の フ ィ ルタ の透 過帯域 を 示す。

図 4 に 示す と お り 、 透過帯域 の 中 心波長 は設計通 り 1 5 3 O n m に あ， り 、 F S R も 4 O n mで あ る こ と がわ か る 。 ま た 、 本実施 の形態 に お い て は、 図 3 の 3 d B カ ツ プ ラ に よ り 3 d B で規定 さ れ る 透過ス ぺ ク ト ル幅 は 、 図 5 に 示す と お り 、 1 3 . 5 G H z で あ っ た'。 なお 、 阻止 帯域 と の 消光比 は — 4 0 d B 確保 さ れ る 。

図 6 に 、 図 1 の波長可変光 フ ィ ル タ 1 の 波長可変特 性 を 示す。 図 示の通 り 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 にお い て は、 3 2 V の 電圧印加で 4 0 n m の 波長変化が実現 さ れ て い る 。

次 い で 、 こ の波長可変光 フ ィ ル ' 夕 1 の 高 速応答特性 に つ い て説明す る 。 高速応答特性 は、 以下 の よ う に測定 さ れた 。 ま ず、 波長可変光 フ ィ ル夕 1 を 、 2 枚の レ ンズ を 用 い た コ リ メ 一 ト 光学系 の 中 に配置 し た後、 フ ア イ ノ '結 合可能な 実装 を 行 い 、 透明電極か ら 取 り 出 し た メ タ ル配 線 を 筐体 に 金線で接続 し 、 図 2 に 示す モ ジ ュ ー ル 1 0 を 作製 し た 。 次 に 、 A S E 光源 2 0 ( 図 3 ) か ら の光 を 光 フ ア イ ノ ' 1 4 ( 図 2 ) に導入 し 、 こ の 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 4 か ら の 出 射光 を波長可変光 フ ィ ル 夕 1 ( 中 心透過 波長 1 5 7 0 n m ) に通 し た の ち 、 フ ォ ト デ ィ テ ク タ 2 4 で受光 し た 。 こ こ で、 ノ ルス ノ \° タ ー ン ジ ェ ネ レ ー タ 2 2 力 ら の 1 G H z の 矩形電圧 を ア ン プで増幅 し 、 3 2 V の繰 り 返 し 電圧 を波長可変光 フ ィ ル 夕 1 の電極 3 , 4 ( 図 1 ) に.印力!] し て 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 か ら の 出射光 の波長変化 を オ シ ロ ス コ 一 プ 2 5 で観察 し た 。 そ の結果 を 図 7 に 示す。 図 示の と お り 、 波長可変光 フ ィ ル夕 1 か ら の 出 射光 は 印加電圧 に応答 し て お り 、 4 0 n m の波長 変ィ匕カ 1 G H z (可変時間 ： 0 , 6 n s e c ) で実現 さ れて い る 。

こ の よ う に 、 本実施の形態 の 波長 可変光'フ ィ ルタ 1 を 用 いれば、 3 0 V 程度 の印加電圧で 、 4 0 n m の 波長変 化 を 実現で き 、 ノ\° ケ ッ ト の ア ド · ド ロ ッ プが可能な高 速性 を実現で き る こ と が明 ら か に な っ た 。

(第 2 の実施 の 形態）

第 2 の 実施 の形態 に お い て は、 第 1 の 実施 の 形態 と ほ ぼ同 様 の構成で 、 2 つ の フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン型 フ ィ ル夕 を有す る 波長可変光 フ ィ ル タ を例示す る 。

図 8 を参照す る と 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 6 は、 ガ ラ ス基板 3 2 上 に 、 誘電体多層膜 ミ ラ 一 3 1 と 、 透明電極 3 3 と 、 誘電体結晶部 3 0 と 、 透明電極 3 4 と 、 誘電体 多層膜 ミ ラ ー 2 9 と 、 透明電極 3 5 と 、 誘電体結晶部 2 8 と 、 透明電極 3 6 と 、 誘電体多層膜 ミ ラ 一 2 7 と が こ の順 に 積層 さ れて構成 さ れて い る 。 すな わ ち 、 2 つ の 誘 電体結晶部 2 8 、 3 0 と 、 4 つ ( 2 組） の電極 を有 し て い る 。 ま た 、 実質的 に 、 誘電体多層膜 ミ ラ ー 2 9 で直列 (光 の透過方向 に 沿 っ て） に 配置 さ れた 2 個 の エ タ ロ ン 型 フ ィ ル タ 力 ら 構成 さ れて い る 。 各 エ タ ロ ン型 フ ィ ル タ は、 無電界時 の透過 ス ペ ク ト ル の 中 心波長力 と も に 1 5 3 0 n m と な り 、 F S R がそれぞれ 1 0 n m及び 8 n m と な る よ う 設計 し た 。

図 9 に 、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 6 の透過ス ぺ ク ト ル を 示す 。 こ の 図 よ り 、 1 5 3 0 n m力 ら 1 5 7 0 n m の 間 にお い て 、 阻止帯域 に お け る 消光比一 4 0 d B が実現 さ れて い る こ と がゎカゝ る 。 こ れ は 、 F S R が 1 0 n mの フ ィ ル タ と F S R 力？ 8 n m の フ ィ ゾレ夕 と の透過 ス ぺ ク ト ル の重な り が、 そ の F S R の最小公倍数 の 間 隔 に し か現れ な い ί二 と に起 因 し て い る 。 こ の 場合 、 最小公倍数 は 4 0 n m と な る た め 、 使用 す る 波長帯域 に 、 1 本 の透過 ピ ー ク し か存在 し な い こ と と な る 。

上記 の よ う な構成 に よ れば、 F S R (又 は波長可変幅 ) が所望の波長可変帯域よ り も 狭 く 、 幅広 い 波長可変帯 域 を有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 を得 る こ と 力 出 来 る 。 加 え て 、 それぞれ の フ ィ ルタ の 波長可変量 を そ の F S R と す る と で、 幅広 い 可変帯域 を 実現で き る こ と を意味 し て い る 。 こ の場合、 F S R 1 0 n mの フ ィ ル 夕 は、 1 5

3 0 、 1 5 4 0 、 1 5 5 0 、 1 5 6 0 、 1 5 7 0 n m に 透過帯 を有 し 、 F S R 8 n mの フ ィ ル 夕 は、 1 5 3 0 、

1 5 3 8 、 1 5 4 6 、 1 5 5 4 、 1 5 6 2 、 1 5 7 0 η m に透過帯 を 有す る 。

例 え ば、 1 5 5 5 n m に透過帯 を 設定す る 場合 は、 F S R 1 0 n mの波長 可変光 フ ィ .ル タ を 5 n m シ フ 卜 さ せ ( 1 5 5 0 n mの透過帯 を 1 5 5 5 η m に シ フ ト ）、 F S R 8 n mの波長可変光 フ ィ ル 夕 を 1 η m シ フ ト （ 1 5 5

4 n mの透過帯 を 1 5 5 5 n m に シ フ ト ） さ せ る 。 こ の よ う な フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ 口 ン型の 波長 フ ィ ル夕 の透過 波長は

λ = C / ( m X Δ し） ） · · · ( 2 )

で表 さ れ る 。 こ こ で、 C は光速、 mは整数 、 Δ υ は必要 と す る フ ィ ル 夕 の F S R を 指す。

ま た 、 Δ リ は、 Δ u = C ( 2 n 1 ) · · · ( 3 )

で表 さ れる 。 こ こ で 、 n は屈折率、 1 は結 晶 の 厚 さ を 指す。

式 （ 3 ) の と お り 、 波長可変光 フ ィ ル タ に 用 い る 結 晶 の厚 さ を 変 え る こ と に よ り 、 所望の F S R を 有す る フ ィ ル 夕 を 設計す る こ と がで き る 。 上記 の式 か ら 、 所望の波 長 に対 し て、 何番 目 の m に対応す る 透過帯 を使用 す る か を 決定す る こ と が出 来 る 。

こ の よ う に 、 第 2 の 実施の 形態 に よ れ ば、 F S R の 異 な る 2 種類の フ ィ ル タ を 組み合わせ る こ と に よ り 、 幅広 い 波長可変帯域 を 実現で き る こ と が明 ら か に な っ た 。 ま た 、 各 フ ィ ル タ の応答速度が第 1 の実施 の形態 に よ る 波 長可変光 フ ィ ル 夕 1 と ほ ぼ同様 に 0 . 5 n s e c で あ る た め 、 第 2 の実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 6 も こ の速度 に ほ ぼ近 い 応答速度 を有す る こ と が確認 さ れ た 。

但 し 、 F S R が小 さ く な る と K L T N 結 晶 の厚 さ が厚 く な る た め 、 波長可変幅 は小 さ い も の の 、 印加す る 電圧 は高 く な る 。 た と え ば、 F S R I O n m の フ ィ ル 夕 で 1 0 n m の 可変幅 を得 る に は、 6 5 V の電圧が必要 に な る な お 、 フ ィ ル 夕 の 3 d B 帯域 は誘電体多層膜 ミ ラ 一 の 反 射率 に よ り 容易 に 制御す る こ と がで き 、 反射率 9 9 % に よ り 、 2 G H z の 帯域 の フ ィ ル 夕 が得 ら れ る 。

ま た 、 第 2 の 実施 の 形態で はガ ラ ス 基板 を 用 い た が、 企図 さ れ る 透過波長帯域 に お い て透明 で あ れ ば、 い か な る 基板 を 用 い て も フ ィ ル 夕 の特性 に影響 は与 え な い 。 (第 3 の実施の 形態）

第 3 の実施の 形態 に お い て は 、 第 2 の実施 の 形態 と 同 様 の F S R を も つ フ ィ ル タ を 作製す る に 当 た り 、 K L T N 結晶 と I T 〇 電極 を 積層 し 、 フ ィ ル タ を構成 し た 。 F S R 1 0 n m の 場合 、 K L T N 結 晶 の 厚 さ は約 5 5 m と な っ た 。 こ れ は λ 2 の約 2 0 0 倍 と な り 、 こ の厚 さ を 5 分割 し 、 そ れぞれ に I Τ Ο 膜 を λ Ζ 2 の厚 さ で積層 し た 。 .

図 1 0 は、 こ の波長可変光 フ ィ ル 夕 3 ,7 の構成 を 示す 図 で あ る 。 同 図 の通 り 、 ガ ラ ス 基板 4 2 上 に 、 誘電体層 多層膜 ミ ラ ー 3 9 及 び 4 1 で挟 ま れた 、 3 つ の透 明電極 4 0 (正極） 及 び 3 つ の透明電極 4 3 (負極） 並びに 5 つ の誘電体結晶 部 3 8 が積層 さ れた多層体が形成 さ れて い る 。

ま た 、 各電極 4 0 が正電位 に維持 さ れ る よ う に 電極 4 0 、 4 3 間 に電圧が印カロ さ れ、 し た が っ て 、 電極 を 介 し て隣 り 合 う 2 つ の誘電体結晶部 3 8 に は互 い に 向 き が異 な る 電界が生 じ る 。 こ の 場合、 K L T N の電気光学効果 は電界 の 2 次 に 比例 す る た め 、 屈折率 の変化 は電界 の 向 き に依存 し な い 。 こ の た め 、 こ の よ う な電極構造 を 有す る 波長可変光 フ ィ ル タ で あ っ て も 効果的 に機能す る 。 Κ L Τ Ν を用 い る フ ィ ル 夕 の場合 、 波長 可変幅 は F S R に 依 ら ず、 電界 に よ り 決定 さ れ る 。 こ の 際 の印加電圧 は、 以下 の式 ：

V = E X d m · ' · ( 4 )

で表 さ れ る 。 式 （ 4 ) に お け る V は印加電圧 、 E は所定 の 波長可変量 を 得 る の に必要 な電界 の強度、 d は必要 な K L T N 結晶 の 厚 さ 、 m は分割数 を 指す。

式 （ 4 ) か ら 分か る 通 り 、 印加電圧 は分割数 に 反比例 し て低下 さ せ る こ と がで き る 。 し た が っ て 、 上記 の第 2 の実施 の 形態 に お い て説明 し た よ う に F S R 1 0 n m の フ ィ ル 夕 を 1 O n m可変す る の に 必要な電圧が 6 5 V で あ る 一方、 誘電体結晶 部 を 5 分割す る こ と に よ り 、 必要 な電圧 を 1 3 V ま で低減で き る 。 同様 に 、， 第 2 の実施 の 形態 に お け る F S R 8 n m の フ ィ ル 夕 を 5 分割す る こ と に よ り 、 7 2 V の動作電圧 を 1 4 . 4 V ま で低減で き る 。 こ の方法 を 用 い積層 数 を 増やす こ と に よ り 、 1 0 V 以 下 の駆動電圧 を 実現で き る こ と が明 ら か に な っ た 。

な お 、 其々 の 電極 は 3 層以 上積層す る こ と が可能で あ り 、 誘電体結晶 は 5 層以上積層 す る こ と が可能で あ る 。 つ ま り 、 積層 数 は任意 に変更可能で あ る 。

(第 4 の実施 の 形態）

第 4 の 実施 の 形態 に お いて は、 K L T N 結 晶 を B a T i 〇 ₃ 結 晶 に 置 き換 え た こ と を 除き 、 第 1 の 実施 の形態 と 同様 の構成 を 有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 を 例 示す る 。

こ の 実施の 形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル 夕 は、 相 転 移温度が 1 0 9 °C で あ る の で動作温度が 1 1 0 °C と 高 い が、 4 0 n m の 波長変化 を 4 5 V の駆動電庄で実現で き る 。 応答速度 も 第 1 の実施 の 形態 と ほ ぼ同様で、 1 G H z の 繰 り 返 し に 応答す る こ と を 確認 し た 。 こ の 誘電体 結晶 を用 い て作製 さ れた 、 上述 の 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 6 及び波長可変光 フ ィ ルタ 3 7 と 同様 の構成 を 有す る 波 長可変光 フ ィ ル タ に よ り 、 第 2 及 び第 3 の実施 の 形態 に お い て 説 明 し た動作特性 と ほ ぼ同様 の動作特性 を 実現 で さ る 。

(第 5 の 実施 の形態）

第 5 の 実施 の 形態 に お い て は、 第 4 の 実施 の 形態 に お け る B a T i 〇 ₃ 結 晶 の代わ り に 、 B a 。 . _{7 3} S r 。 . _{2 7} T i 〇 ₃ を用 い た波長可変光 フ ィ ル 夕 を例示す る 。 な お 、 本実施 の形態 のお け る 波長可変光 フ ィ ル 夕 と 第 4 の 実 施 の 形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル タ と の差異 は上記 の 点 の み で あ る 。

こ の 場合 、 相転移温度は 9 °C 、 動作温度 は 1 0 °C で あ り 、 B a の一部 を S r に置換す る こ と に よ り 、 動作温度 を 室温付近 に 設定す る こ と がで き た 。 そ の他の特性 は 、 第 4 の実施 の 形態 に お け る 特性 と 同 様で あ っ た 。 そ の 他 、 P L Z T (透過性セ ラ ミ ッ ク ス ） を用 い て も 、 こ れ ま で の実施 の 形態 と ほ ぼ同様 の ス ぺ ク ト ル の可変幅が得 ら れた 。

以上述べた よ う に 、 第 1 か ら 第 5 の 実施 の形態 に お い て は、 2 次の 電気光学効果 を 持 つ結晶 を 用 い る た め 、 従 来で は実現で き なか っ た高速 · 低電圧駆動 · 高速波長可 変光 フ イ ソレ タ を 実現で き る 。 ま た 、 第 1 か ら 第 5 の実施 の形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ルタ は 、 広 い帯域 に わ た つ て波長 を 高 速で変化す る こ と が出 来 る た め 、 バ ケ ツ ト の ア ド · ド ロ ッ プな ど の高機能化 が可能 で あ る と 共 に 、 光計測用 の高 速の波長 ス ゥ イ ー バ と し て も 使用 可能で あ る 。

(第 6 か ら 第 1 0 の実施の 形態）

次 に 、 第 6 力ゝ ら 第 1 0 の実施 の 形態 に つ い て 説明す る 。 個 々 の 実施 の 形態 に つ いて 具体的 に説明す る 前 に 、 こ れ ら の 実施形態 に係 る 波長可変光 フ ィ ル タ の基本原理 に つ い て説明す る 。

第 6 か ら 第 1 0 の実施 の 形態 に お い て も 、 第 1 か ら 第 3 の実施 の 形態 と 同様 、 K L T N 結 晶 で 形成 さ れた 誘電 体結晶部 を有す る フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン型 フ ィ ル タ が 利用 さ れ る 。

すで に述べ た 通 り 、 L i N b 〇 ₃ に 比べて 大 き い 電気 光学効果 を 有す る K L T N と い っ た結晶 を 用 い る こ と に よ り 、 意 図 す る 屈折率変化 を 得 る の に 必要な電界 を大幅 に低減で き る 。 本発 明者 ら の評価結果 に よ れば、 K L T N に よ る 波長可変光 フ ィ ル タ で は . L i N b 〇 ₃ に よ る も の に 比べ、 電界強度 を 約 1 0 0 0 分 の 1 に低減す る こ と が可能 と な る 。 し か し 、 それで も 尚 、 必要な電界 は 2 5 0 0 k V ノ m程度で あ る た め 、 印 加電圧 を 更 に低下で き る 構造が望 ま れ る 場合 も あ る 。 第 6 か ら 第 1 0 の実施 の形態 に お い て は、 か か る 構造 を 有す る 波長可変光 フ ィ ルタ を 例示す る 。 波長可変光 フ ィ ル 夕 が、 2 次 の電気光学効果 を 有す る 結 晶 か ら 形成 さ れる 誘電体結 晶部が透明電極で挟 ま れ 、 さ ら に 、 誘電体多層 膜 ミ ラ ー部で挟 ま れる よ う 構成 さ れ る 場合 、 誘電体結 晶 部 を透過す る 光 の透過方 向 は、 電 圧印加 に よ り 当 該誘電体結晶部 に 生 じ る 電界 （外部電界 ) の方向 と 一致 し て い る 。 こ の た め 、 光 の電界 の方 向 と 外部電界の方 向 は直交す る 関係 に あ る 。 と こ ろ で、 K L T N 結 晶 は、 屈折率変化 の異方性 を 有 し 、 外部電界 に 垂 直な 方 向 で は電気光学定数が 0 . 0 3 8 m ⁴ / C ² (絶対 値） で あ り 、 外部電界 に平行な方向 で は電気光学定数が 0 . 1 3 6 m ⁴ / C ² (絶対値） で あ る 。 し た が っ て 、 屈 折率変化 の小 さ い方位が利用 さ れて い る こ と に な る 。

こ の方位で は、 電界 に垂直方 向 の 屈折率変化 は等方的 で あ る た め に 、 フ ィ ル 夕 の偏波依存性が小 さ く な る と い う 利 点が あ る 。 し た が っ て 、 比較的波長可変帯域が小 さ く （ 5 n m以下）、 m s e .. c 程度 の低速領域で よ い 場合 に は、 こ の構造 は好 ま し い 。 し か し 、 さ ら に幅広 い波長可 変帯域 を 必要 と す る 場合 に は、 前述 の よ う に 高 い電界 を 印加 し な けれ ばな ら な く な る た め 、 電気光学定数 の大 き い 方位 を禾 U用 す る こ と が好 ま し レ 。

と こ ろ が、 電気光学定数 の大 き い方位 を利用 す る 場合 に は、 以下の 問題が あ る 。 すな わ ち 、 電界 を 光 の透過方 向 と 直交す る 方 向 に 印加す る 場合、 屈折率変化 の異方性 の た め 、 印加方向 に 平行な方 向 の屈折率 は、 垂直な方 向 の屈 折率の約 3 . 8 倍 と な る 。 し か も 、 屈折率 は、 電界強度 の 増大 と と も に 、 電界 と 平行な方向 に お いて は減少す る の に対 し 、 垂直な方 向 に お い て は増加す る 。 し た が っ て 、 こ の場合 は 、 偏波依 存性 を 有す る フ ィ ル 夕 し か実現で き な い 。

こ の 問題 を克服す る 手段 と し て、 第 6 か ら 第 1 0 の実 施 の形態で は、 誘電体結 晶 内 に 、 光 の透過方向 に 対 し て 直交 し 、 か つ 、 互 い に 垂直 な 2 つ の方向 に電界 を 印加す る 構造 を 提案す る 。 こ の構造 に依れ ば、 電界 に対 し垂直 な方 向 の屈折率変化 と 平行な方 向 の屈折率変化 の 加算が 、 結晶 全体 に お け る 屈折率変化 と な る 。 屈折率変化 の 符 号が反 対で あ る た め 、 全体 と し て の係数 は 0 . 1 3 6 — 0 . 0 3 8 = 0 . 0 9 8 と な る 。 し た が っ て 、 偏波無依 存で あ る こ と に力 Pえ 、 光 の透過方向 へ電界 を 印加す る 波 長可変光 フ ィ ルタ （屈 折率変化 0 . 0 3 8 m ⁴ , ' C ² ) に 比べ約 2 . 6 倍 と い っ た 大 き な 屈折率変化 を 実現す る こ と がで き る 。

さ ら に 、 電界が光 の透過方向 に 印加 さ れ る 波長可変光 フ ィ ル タ の場合 に は 、 以下の 不都合 があ る 。 すな わ ち 、 誘電体結晶部 （誘電体結 晶） の 厚 さ は、 フ ィ ル タ に求 め ら れ る F S R ( Free Spectral Range ： 波長 間 隔） に よ つ て 決 ま る た め 、 F S R の 小 さ レ フ ィ ル タ を 必要 と す る 場 合、 結 晶 が厚 く な り 、 所望 の電界 を 得 る た め に 比較的大 き な 電圧 を必要 と す る 。 し か し 、 第 6 か ら 第 1 0 の実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 で は、 電界 を光 の透過 方向 に 垂直 に 印加す る た め 、 所望の電界 を得 る の に必要 な電圧 は、 誘電体結晶 部 の幅 に 依存す る の みで あ り 、 そ の厚 さ に は依存 し な い 。 し た が っ て 、 フ ィ ル' 夕 に 求 め ら れ る F S R に応 じ て誘電体結 晶部 の厚 さ を 変化 さ せ て も 、 印 加電圧 を独立 に 調整す る こ と が可能 と な る 。

なお 、 こ の よ う な 2 つ の直交方向 の電界 を 結 晶 に 印 加 す る 場合 、 両方 の電極が近接す る 領域で は、 望 ま し く な い方 向 に 電界が発生 し 、 偏波特性 に 影響 を与 え る と い う 問題が発生す る 場合 も あ る 。 こ の た め 、 第 6 か ら 第 1 0 の実施 の 形態 に お い て は、 比誘電率 の 小 さ い 材料 を 間 に 挾んだ構造 を 提案 し て い る 。 本発明 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 は結 晶 が有す る 高 い電気光学効果 耷利用 す る も の で あ り 、 高 い 電気光学効果 は 、 材料 の 高 い誘電率 に起 因 し て い る 。 電気力 線は高 い 誘電率 を 有す る 部分 を通 る た め 、 誘電体結晶部 を 形 成す る 誘電体結 晶 よ り も 誘電率 が 小 さ い 誘電率 を 有す る 材料 を挿入す る こ と に よ り 、 互 い に 直交す る 2 つ の電界が互 い に影響 を 受 け る こ と が抑制 さ れ る 。

以上 の こ と か ら 、 当 該実施 の 形態 に例示す る 波長可変 光 フ ィ ル タ は.、 低電圧で動作可能で あ り 、 且つ広波長帯 域で波長 を 変化 さ せ る こ と が可能 と い う 高機能 を 実現で き る 。

次 に 第 6 カゝ ら 第 1 0 の 実施 の 形態 に つ い て具体的 に 説 明す る 。 以下の実施 の 形態 は 、 あ く ま で も 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 。 し た が っ て 、 当 業者で あ れば、 こ れ ら の 各要素又 は全要素 を含んだ各種の実施 の 形態 を採用 す る こ と が可 能で あ る が、 こ れ ら の実施 の 形態 も 本発 明 の 範囲 に 含 ま れ る 。

(第 6 の 実施 の 形態）

図 1 1 は、 第 6 の 実施の形態 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 の構成図 で あ る 。 図 1 1 に 示す よ う に 、 波長可 変光 フ ィ ル タ 1 1 0 は、 ガ ラ ス 基板 1 1 6 上 に形成 さ れ てお り 、 誘電体結晶部 1 1 2 及 び 1 1 7 (誘電体結晶板 ) の 間 に 絶縁層 1 1 3 が形成 さ れて い る 。 さ ら に 、 そ の 外側 に 誘電体多層膜 ミ ラ ー 1 1 1 及 び 1 1 5 が配置 さ れ て レ る 。 こ れ ら の構成 に よ り 、 フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン 型 の フ ィ ル タ が構成 さ れて い る 。

ま た 、 誘電体結晶 部 1 1 2 の側面 に は、 互 い に対向 す る 2 つ の電極 1 1 8 が形成 さ れ、 誘電体結晶部 1 1 7 の 側面 に は 、 互 い に対向す る 2 つ の電極 1 1 4 が形成 さ れ て い る 。 電極 1 1 4 及び 1 1 8 は 、 金属製で あ り 、 蒸着 に よ り 形成 さ れ る 。

波長可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 は、 光 の入射方 向か ら 見 る と 、 一辺 の長 さ が 5 0 mで あ り 、 よ っ て、 電極 1 1 4 及び 1 1 8 それぞれ の 間 隔 は 5 0 mで あ る 。

電極 1 1 4 は 、 下方の 誘電体結晶部 1 1 7 内 に 、 図 1 に お い て紙面 の 左右方向 に電界 を 生 じ さ せ る よ う に 形成 さ れて お り 、 電極 1 1 8 は、 紙面 の 奥行方向 に電界が生 じ さ せ る よ う に 形成 さ れて い る 。 つ ま り 、 光 の入射方 向 (透過方 向） に 直交 し 、 且つ 互 い に 直交す'る 2 つ の方 向 に 電界が印力 [1 さ れ る こ と と な る 。

誘電体結 晶部 1 1 2 及び 1 1 7 は K L T N 結 晶 カゝ ら 形成 さ れ、 そ の組成 は K 。 . _{9 7} L i ₀ . 。 ₃ T a 。 . _{6 5} N b o . _{3 5} 〇 ₃ で あ っ た 。 L i の 組成 比 は 、 本実施 の 形態 で は 0 . 0 3 で あ る が、 0 . 0 0 1 の添カ卩で も 相転移 を 2 次 に変化 さ せ る 効果が あ り 、 0 . 1 ま で は立方晶 を 保 つ てお り 、 使用 が可能で あ る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の範囲 で は 、 結 晶 の 品質が高 く 、 2 0 0 0 0 以上 の 比 誘 電率 を 実現で き る 。

波長可変光 フ ィ ル タ の動作温度 は 2 0 °Cで あ り 、 2 0 °C に お け る 誘電体結 晶 の 比誘電率 は 、 3 0 0 0 0 で あ つ た。 相 転移温度 は、 N b と T a の組成比 を変 え る こ と に よ り 、 幅広 い 範囲 に 設定 さ れ得 る 。 例 え ば、 T a の 組成 比力 S 0 . 5 の 場合、 相転移温度 は 1 0 0 °Cで あ り 、 0 . 9 の場合 一 1 0 0 °C で あ る 。 よ っ て 、 こ の組成範囲 に あ れば、 所定 の 冷却 · 加熱装置 に よ り 、 実用 可能な フ ィ ル 夕 が構成で き る 。

ま た 、 ペルチ ェ 素子で温度制御 が可能な 一 2 0 〜 8 0 °C の範囲 に 相転移 を 有する 結晶 が更 に 望 ま し く 、 そ の 場 合は、 T a の組成比 は 0 . 5 5 〜 0 . 7 で あ る 。 さ ら に 、 ペルチ ェ 素子の消 費電力 を 出 来 る 限 り 小 さ く す る に は 、 相転移温度が室温付近で あ る と 望 ま し い 。 相転移温度 を 1 0 〜 4 0 °C に 設定する と すれ ば、 T a の 組成比 は 0 . 6 〜 0 . 6 7 と な る 。

前述 の 通 り 、 動作温度 と 相 転移温度 の差 'は 、 小 さ い ほ ど フ ィ ル 夕 の効率 を 高 く で き る た め 、 出 来 る 限 り 一致 さ せ る こ と が望 ま し い 。 ペルチ ェ 素子 の温度変動 な ら び に 電気光学効果 の効率 の低下 を 1 / 1 0 0 ま で許容す る と すれ ば、 そ の差 は 0 . 2 °C 力 ら 1 0 °C の 範囲 （ 0 . 2 °C < ( T 一 T c ) < 1 0 °C ) と な る （ こ こ で 、 T は動作 温度、 T c は相転移温度 で あ る ）。

絶縁層 1 1 3 は T e 〇 ₂ 系 ガ ラ ス か ら 形成 さ れて い る 。 T e 0 ₂ ガ ラ ス を用 い た 理 由 は 、 屈 折率が K L T N 結 晶 と ほ ぼ同等で 、 組成 を 調整す る こ と で K L T N と 等 し い屈折率が実現 で き 、 界面での光反射が抑制 で き る た め で あ る 。 ま た 、 絶縁層 1 1 3 の 厚 さ は 2 に 調整 さ れ て い る 。

誘電体多層膜 ミ ラ 一 1 1 1 及び 1 1 5 は、 一般な材料 で あ る S i O ₂ / N b ₂ 〇 ₅ 力、 ら 形成 さ れて レ る 。

波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 は 、 1 5 3 0 〜 1 5 7 0 η m の通信波長帯 （ C 帯） で の利用 を 意 図 し 、 無電界で 1 5 7 0 n mの 中 心波長 を透過す る よ う 設 計 さ れて い る 。 ま た 、 4 O n m の可変帯域 を 実現す る た め に 、 フ ィ ル タ の F S R も 4 0 n m に 設定 し て い る 。 こ の場合、 誘電体 結 晶部 1 1 2 及び 1 1 7 の厚 さ は、 合 計で約 1 3 m と な る 。 し た が っ て 、 誘電体結晶部 1 1 2 及 び 1 1 7 それ ぞれの 厚 さ は約 6 . 5 m と な っ て い る 。 透過帯域は ミ ラ ー の反射率で調整 さ れ、 本実施の 形態で は、 1 5 7 0 n m に お け る 反射率力 S 9 0 % と な る よ う に 、 誘電体多層 膜 ミ ラ ー 1 1 1 及び 1 1 5 が設計 さ れて い る 。 本実施の形態で用 い た誘電体結晶部 1 1 2 及び 1 1 7 ( K L T N ) は、 前述の よ う に 2 次の電気光学効果 を 有 し てお り 、 図 1 の構造に よ る電界の印加方向 に対 し 、 屈折率変化量は、 下記 の式 （ 5 ) 及び式 （ 6 )、

Δ n 丄 = — 1 /■ 2 X n 0 ³ X g ！ ₂ X ε ₀ ² X ε _r ² X Ε

² · · · ( 5 )

Δ η //= - 1 ■/ 2 X n ₀ ³ X g _{1 1} X £ ₀ ² X E _r ² X E ² - · · ( 6 )

で表す こ と がで き る 。 こ こ で、 Δ η ェ は電界 に対 し て垂 直方向 の屈折率変化、 Δ η //は電界方向 の屈折率変化、 η 。 は電界印加前の屈折率、 ε 。 は真空 の誘電率、 ε は 結晶 の比誘電率、 g 及び g ₂ は第 2 次の 電気光学定 数、 E は印加電界であ る 。 ま た 、 K L T N の電気光学定 数は、 g i - O . 1 3 6 m ⁴ C ² g _{1 2} = — 0 . 0 3 8 m ⁴ /' C ² であ る 。

式 （ 5 ) 及び （ 6 ) か ら 明 ら かな よ う に、 電界の 印加 方向 に よ っ て、 屈折率変化が異な り 、 光の進行方向 に対 し て直交する 2 方向 に電界を 印加 し た場合の ト ー タ ルの 屈折率変化量は、 式 （ 5 ) 及 び （ 6 ) 式の加算 と な り 、 Δ η ₁ =- 1 / 2 Χ η ₀ ³ Χ ( g i i + g _{1 2} ) Χ ε ₀ ² Χ

£ _r ² X Ε ² . . · ( 7 )

と 表す こ と ができ る 。

こ のた め、 光の進行方向に 直交する 2 種類の偏光に対 し 、 屈折率変化が等 し く な り 偏波無依存動作が可能 と な る 。 図 1 2 は、 図 1 1 の 波長可変光 フ ィ ル夕 1 1 0 を備 え た波長可変光 フ ィ ル 夕 モ ジ ユ ー ルの構成図で あ る 。 波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 は、 配線ノ タ ー ン が形成 さ れた基板 1 2 5 上 に 、 は んだで 固 定 さ れてお り 、 電極 1 2 6 は ワ イ ヤ一 ボ ン ダに よ り 筐体 1 2 3 に設 け ら え た筐 体電極 1 2 7 に接続 さ れて い る 。

光 フ ァ イ ノ 1 2 4 か ら 出射 さ れた 光 1 2 9 は 、 コ リ メ 一 ト レ ン ズ 1 2 2 を介 し て波長可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 に 入射 し 、 波長可変光 フ ィ ル夕 を透過 し た後、 同 様 に コ リ メ ー ト レ ンズ 1 2 2 を 介 し て 出 射側 の光 フ ァ イ バ 1 2 8 に 入射す る 。

図 1 3 は、 図 1 2 の 波長可変光 フ ィ リレ 夕 モ ジ ュ一ル 2 0 0 を含 む測定 系 3 0 0 の概略図 で あ る 。 こ の 測定 系 に お い て は、 A S E (イ ン コ ヒ 一 レ ン ト ） 光源 1 3 1 力 ら 出射 さ れた光 を 波長可変光 フ ィ ルタ モ ジ ュ 一ル 2 0 0 に 入射 さ せ 、 出 射光 を光 ス ぺ ク ト ラ ム ア ナ ラ イ ザ 1 3 2 で 検 出す る 。

高速動作測定 を 行 う 際 に は、 フ ァ ン ク シ ョ ン ジ エ ネ レ 一 夕 1 3 3 を 用 い て発 生 し た 電圧 を ア ン プ 1 3 4 に よ り 増幅 し 、 増幅 さ れた電圧 を 波長可変光 フ ィ ル タ モ ジ ユ ー ル 2 0 0 の波長可変光 フ ィ ノレ 夕 1 1 0 (図 1 2 ) に 印加 し て 、 当 該 フ ィ ル タ 1 1 0 か ら の透過光 を光検 出器 （ P h o t o ' D e t e c t o r : P D ) 1 3 5 で検 出 し 、 ォ シ ロ ス コ ー プ 1 3 6 で応答特性 を 観測す る 。

図 .1 4 は、 図 1 1 の波長可変光 フ ィ ルタ 1 1 0 の透過 ス ペ ク ト ル を示す図 で あ り 、 図 1 5 は、 図 1 1 の波長可 変光 フ ィ ル タ 1 1 0 の 3 d B 帯域 を 示す図 で あ る 。 波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 の透過帯の 中 心波長 は設 計 どお り 1 5 7 0 n m に あ り 、 F S R も 4 0 n mで あ る こ と がわ か る 。 な お、 本実施 の 形態 に お い て は 、 3 cl b 力 ブ ラ 3 7 に よ り 3 d B で規定 さ れ る 透過ス ぺ ク ト ル幅 は 1 3 . 5 G H z で あ る 。 ま た 、 阻止帯域 と の 消 光比 は — 4 0 d B 確保 さ れて レゝ る 。

図 1 6 は、 図 1 1 の波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 の波長 可変特性 を示す図 で あ る 。 図 1 1 6 か ら 分か る 通 り 、 当 該波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 は、 7 5 V の電圧 の 印カロ に よ り 、 透過域の波長 を 4 0 n m変化 さ せ る こ と がで き る 図 1 7 は、 図 1 1 の 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 の 高 速 応答特性 を 示す 図で あ る 。 高 速応答特性は以下 の よ う に 測定 さ れた 。 ま ず、 波長 可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 が、 2 枚 の レ ン ズ を 用 い た コ リ メ ー ト 光学系 に配置 さ れた後、 フ ァ ィ バ結合可能 なパ ッ ケ ー ジ 内 に実装 さ れ、 当 該 フ ィ ル 夕 の透明電極 に接続 さ れた メ 夕 ル配線が筐体 に 金線で接 続 さ れ、 モ ジ ュ ー ルへ と 組み立て ら れた 。 次 に 、 A S E 光源 1 3 1 ( 図 1 3 ) 力ゝ ら の光 を 、 モ ジ ユ ー ル に接続 さ れた光 フ ァ イ バ を通 じ て 波長可変光 フ ィ ル 夕 に導入 し 、 そ の 出射光 を 1 5 7 0 n mの バ ン ド パス フ ィ ル 夕 を 通 し た の ち 、 フ ォ ト デ ィ テ ク タ で受光 し た 。

次 い で 、 パルス ノ\ タ ー ン ジ ェ ネ レー タ 1 3 3 で発 生 し 3S た 1 G H z の矩形電圧 を ア ン プで増幅 し 、 7 5 V の繰 り 返 し 電圧 を波長可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 の電極 1 1 4 , 1 1 8 (図 1 1 ) に 印力 し て 、 波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 か ら の 出 射光 の波長変化 を 記録 し た 。 図 1 7 に 示す と お り 、 出射光 は 印加電圧 に応答 し て お り 、 4 0 n m の 波 長変化力 s 1 G H z (可変時間 ： 0 , 6 n s e c ) で実現 さ れて い る こ と がゎ カゝ る 。

こ の よ う に 、 本実施 の 形態お け る 波長可変光 フ ィ ル タ 1 1 0 を用 いれ ば、 7 5 V 程度 の 印加電圧で 、 4 0 n m の波長可変 を実現で き 、 且つ バ ケ ツ 卜 の ア ド · ド ロ ッ プ が可能な 、 高速性 を 実現で き る こ と が明 ら か に な っ た 。

なお 、 絶縁層 1 1 3 と し て 、 本実施の 形態 で は T e 〇 ₂ 系 ガ ラ ス を 用 い た 力 S 、 S i O ₂ 、 A 1 ₂ 0 ₃ 、 ポ リ マ 一 、 こ れ ら の 複合体な ど の K L T N よ り も 比誘電率 の低 い 絶縁材料 を 用 い る こ と も 可能 で あ る 。

(第 7 の実施の 形態）

以下 、 第 7 の実施 の 形態 に つ い て 説明す る 。 図 1 8 A は、 本発明 の実施の 形態 に係 る 波長可変光 フ ィ ル タ 1 8 0 の構成 を 示す図 で あ り 、 図 1 8 B は、 図 1. 8 A の 電極 を示す上面 図 で あ り 、 図 1 8 C は 、 図 1 8 A の 電極 を 示 す上面 図 で あ る 。

こ の波長可変光 フ ィ ル 夕 1 8 0 は、 図 1 8 A に示す よ う に 、 電極 の'形状 を 除き 、 第 6 の 実施 の形態 に お け る 波 長可 変光 フ ィ ル' タ 1 1 0 と 同 様 の 構成 を 有す る 。 よ り 詳 細 に は、 波長可変光 フ ィ ル タ 1 8 0 は、 ガ ラ ス 基板 1 8 6 上 に 配置 さ れた 誘電体多層膜 ミ ラ 一 1 8 5 と 、 長方形 の 電極 1 8 7 (図 1 8 C 参照） が配置 さ れた 誘電体結 晶 1 8 4 と 、 絶縁層 1 8 3 と 、 長方形 の電極 1 8 8 ( 図 1 8 B 参照 ) が配置 さ れた 誘電体結 晶 1 8 2 と 、 誘電体 多層膜 ミ ラ 一 1 8 1 と を 積層 す る こ と に よ り 構成 さ れて い る 。

電極 1 8 7 , 1 8 8 の長手 方 向 の辺 は互い に直交 し て い る た め 、 互 い に直交す る 二 つ の方向 に 電界が印加 さ れ る こ と と な る 。 ま た 、 図 1 8 A に示す通 り 、 光 の入射方 向 は ミ ラ 一 1 8 1 の上面 に 垂直 な方向で あ り 、 上記 2 つ の方 向 に 印加 さ れる 電界 は ま た光 の入射方向 （透過方 向 ) に 直交する 。

ま た 、 電極 1 8 7 , 1 8 8 は 、 上記 の よ う な構成 を と る た め 、 誘電体結晶部 1 8 2 , 1 8 4 に均一 に電界 を 印 加で き 、 ま た 、 実装 に必要な チ ッ プのサイ ズの大型化 が 防止で き 、 さ ら に 、 電極 間 隔 を 1 0 mま で縮小で き る ま た 、 絶縁層 1 8 3 に は、 第 6 の実施 の形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ルタ 1 1 0 同 様 に T e 〇 ₂ 系 ガ ラ ス が 用 レ ^ ら れて い る 。

波長可変光 フ ィ ル タ 1 8 0 の光透過特性は第 6 の実施 の形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 1 0 と 同 様で あ り 、 電極 の構造 を変更 し た こ と に よ る フ ィ ル タ 特性 の変化 は 見 ら れな い 。 こ れは 、 直交す る 2 つ の偏光成分 に お い て も 同様 で あ っ た 。 図 1 9 は、 波長可変光 フ ィ ル夕 8 の波長可変特性 を 示 す図 で あ る 。

本実施 の 形態 に お い て は、 波長可変 に 必要な電界 は第 6 の実施 の 形態 と 同様で あ る が、 電極間 隔 を 任意 に 設定 で き 、 ま た 、 実効的 に 印加す る 電圧 は電極間 隔 に 反 比例 し て変化す る た め 、 電極間 隔 を 狭 く す る こ と に よ り 電圧 を 減少 さ せ る こ と が可能で あ る 。 本実施 の 形態で は、 同 図カゝ ら 分か る 通 り 、 1 0 m 間 隔の 電極 に 1 5 V の電界 を 印 加 す る こ と で 4 0 n m の 波長可変 を 実現 し て い る 。 さ ら に 、 5 / m 間 隔 の電極 を用 い る こ と に よ り 、 約 8 V で 4 0 n m の波長可変が実現 で き る こ と も 確認 さ れた 。

但 し 、 電極間隔 を 小 さ く す る と 、 有効 な 開 口 部分 の 面 積が小 さ く な る た め 、 実装 の 精度が要求 さ れ る 。 し た が つ て 、 電極間 隔 を 設定す る に あ た っ て は 、 求 め ら れ る 性 能 に よ り 、 低電圧 を 実現す る か 、 実装 の精度 に 幅 を 持た せ る か選択す る こ と が必要で あ る 。

な お 、 絶縁層 1 8 3 と し て 、 本実施 の形態 で は T e 0 ₂ 系 ガ ラ ス を 用 い た が、 S i 0 ₂ 、 A 1 ₂ O ₃ 、 ポ リ マ ー 、 こ れ ら の複合体な ど の K L T N よ り も 比誘電率 の低 い 絶縁材料 を 用 い て も 、 フ ィ ル 夕 を 実現す る こ と が可能で あ る 。

以上 の 第 7 の実施 の 形態 に お け る 構造 を採用 す る こ と に よ り 、 所望の F S R か ら 独立 し て電極間 隔 を 設定で き 、 結果 と し て低電圧駆動及び広帯域で の波長変化が可能 な 波長 可変光 フ ィ ル夕 が実現で き る 。 (第 8 の実施の 形態）

本実施の形態 に お いて は、 第 7 の実施 の形態 と ほ ぼ 同様 の構成 を 有 し F S R がそれぞれ 1 0 n m と F S R 8 n m で あ る 2 つ の波長可変光 フ ィ ル 夕 が誘電体多層膜 ミ ラ ー を 介 し て直列 に接続 さ れた多段型 の波長可変光 フ ィ ル夕 を 例示す る 。 各波長可変光 フ ィ ル夕 の無電界時 の透 過ス ペ ク ト ルの 中 心 は、 1 5 7 0 n m に設定 し た 。

図 2 0 は、 多段型 の波長可変光 フ ィ ル 夕 1 0 0 の 構成 を示す概略図 で あ る 。

波長可変光 フ ィ ルタ 1 0 0 は、 ガ ラ ス 基板 2 1 1 上 に 配置 さ れた誘電体多層 膜 ミ ラ 一 2 0 9 と 、， 長方形 の電極 2 1 2 が配置 さ れた 誘電体結晶部 2 0 8 と 、 絶縁層 2 0 7 と 、 長方形 の 電極 2 1 3 が配置 さ れた 誘電体結晶部 2 0 6 と 、 誘電体多層膜 ミ ラ ー 2 0 5 と 、 長方形 の電極 2 1 4 が配置 さ れた 誘電体結晶部 2 0 4 と 、 絶緣層 2 0 3 と 、 長方形 の電極 2 1 5 が配置 さ れ た誘電体結 晶部 2 0 2 と 、 誘電体多層膜 ミ ラ ー 2 0 1 と を 積層 す る こ と に よ り 構成 さ れて い る 。 言 い換 え る と 、 本実施の 形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル タ 1 0 0 は、 第 6 の 実施の形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル タ 1 8 0 を 2 つ 重ね合わせ た よ う に 構成 さ れて い る 。

ま た 、 電極 2 1 2 、 2 1 3 、 2 1 4 及 び 2 1 5 の長手 方向 の 辺 は互 い違 い に 直交 し て い る た め 、 誘電体結 晶部 2 0 8 , 2 0 6 、 2 0 4 及び 2 0 2 に は 、 光の入射方向 (透過方向） に 直交 し 、 且つ 、 互 い違 い に二つ の 方 向 に 直 交す る 電界が印加 さ れる こ と と な る 。

図 2 1 は、 図 2 0 の 波長可変光 フ ィ ル 夕 1 0 0 の透 過 ス ぺ ク ト ル を 示す図 で あ る 。 同 図 よ り 、 1 5 3 0 n m か ら 1 5 7 0 n m の 波長 の 間 に お い て 、 阻止帯域 にお け る 消光 比 一 4 0 d B 力 実現 さ れて い る こ と がわ 力 る 。 こ れ は、 1 0 n m の F S R を 有す る フ ィ ル 夕 と 8 n m の F S R を 有す る フ ィ ル 夕 と の透過 ス ぺ ク ト ル （ ピ ー ク 波長 ) は、 そ の F S R の 最小公倍数 の 間 隔 に し か現れな い こ と に起 因 し て い る 。 本実施 の 形態で は、 最 小公倍数 は 4 O n m で あ る た め 、 使用 す る 波長帯域 に 、 1 つ の透過 ピ — ク し か存在 し な い こ と と な る 。 ，

ま た 、 フ ア ブ リ ぺ ロ 一 エ タ ロ ン型 の波長 フ ィ ル 夕 の透 過波長 は 、

λ = C / ( m · Δ v ) · . . ( 8 )

で表 さ れ る 。 こ こ で 、 C は光速、 m は整数 、 △ レ は必要 と する フ ィ ル タ の F S R で あ る 。

ま た 、 Δ リ は 、

Δ V = C . ' ( 2 n 1 ) · · · ( 9 )

と 表 さ れ る 。 こ こ で 、 n は屈 折率、 1 は誘電体結晶部 の 厚 さ で あ る 。

上記 の式か ら 、 波長可変光 フ ィ ノレ 夕 の 誘電体結晶部 の 厚 さ を 変 え る こ と に よ っ て所望の F S R を設定すれば、 波長可変光 フ ィ ル タ を 任意 に設計す る こ と がで き 、 こ の 設計式か ら 、 所望 の 波長 に対 し て 、 何番 目 の m に 対応す る 透過帯 を使用 す る か を 決定す る こ と がで き る 。 こ の よ う な 構成 を 用 い れば、 F S R ( ま た は波長可変 幅） が所望の波長可変帯域 よ り も 小 さ い フ ィ ル 夕 で 、 幅広 い 波長可変帯域 を得 る こ と が出来 る 。 従来 の フ ィ ル 夕 構成で は、 F S R の 異な る 波長可変光 フ ィ ル 夕 の組 み 合わ せで は、 F S R が小 さ く な る と K L T N 結 晶 の 厚 さ が厚 く な る た め 、 波長可変幅 は小 さ い も のの、 高 い 印加 電圧が必要 と な る 。

例 え ば、 1 0 n m の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 で 1 0 n m の可変幅 を 得 る に は、 6 5 V の電圧が必要 に な る が、 本実施 の 形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル タ 1 0 0 が有す る 電極構成 に よ れ ば、 7 . 5 V の 印加電圧で 1 0 n m の波長可変帯域 を 実現 で き る 。 こ れ は、 従来 の 約 1 0 分 の 1 に 相 当 し 、 本発 明 の有効性 を実証す る 根拠 と な る 。

(第 9 の実施 の 形態）

第 9 の実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 は第 7 の 実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ルタ を変更 し た も の で ' あ り 、 K L T N 結 晶 の 代わ り に B a T i O ₃ 結 晶 か ら 形 成 さ れ る 誘電体結晶部 を 有す る 。 な お 、 本実施 の形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル 夕 と 第 7 の実施の形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ルタ と の差異 は上記 の点 の みで あ る 。

こ の 場合 、 相転移温度 が 1 0 9 °C で あ る の で 、 動作温 度力 1 1 0 °C と 高 い が、 4 0 n m の波長可変範囲 を 1 5 V の駆動電圧で実現で き る 。

ま た 、 応答速度 も 第 7 の実施の形態 に お け る 波長可変 光 フ ィ ル 夕 と ほ ぼ同 様で、 1 G H z の繰 り 返 し で応答す る こ と が確認 さ れた 。

ま た 、 B a T i 〇 ₃ 結 晶 を 用 い て 、 第 7 の 実施 の 形態 と 同 様 の 波長可変光 フ ィ ル 夕 を 作製 し て も 、 こ れ と ほ ぼ 同様 の 動作特性 を実現 で き る 。

(第 1 0 の実施 の形態）

本 実施の形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 は第 9 の 実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 を変更 し た も の で あ り 、 B a T i 〇 ₃ 結 晶 の 代 わ り に 、 B a 。 . _{7 3} S r 。 . _{2 7} T i 〇 ₃ カゝ ら 形成 さ れ る 誘電体結晶部 を有す る 。 な お 、 本実施 の 形態 にお け る 波長可変光 フ ィ ル 夕 と 第 9 の 実施 の 形態 に お け る 波長可変光 フ ィ ル夕 と の差異 は 上記 の点 の みで あ る 。

こ の場合,、 相転移温度が 9 °C で あ り 、 動作温度 は 1 0 °C で あ る 。 B a の一部 を S r に置換す る こ と に よ り 、 動 作温度 を 室温付近 に 設定す る こ と がで き る 。 そ の他 の特 性 は 、 第 9 の実施の形態 にお け る 波長可変光 フ ィ ル タ と 同様で あ る 。 ま た、 P L Z T を 用 い て も 、 ほ ぼ同様 の ス ぺ ク ト ル の 可変幅が得 ら れ る 。

(第 1 1 か ら 1 4 の実施 の形態）

第 1 1 か ら 1 4 の実施 の形 態 を 説明す る に 先立 ち 、 こ れ ら の実施 の形態の基本原理 に つ い て 、 前述 し た第 1 か ら 1 0 の実施の 形態 の基本原理 を 踏 ま え て説 明す る 。

ま ず、 フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン型 の波長可変光 フ ィ ル 夕 の特性 に つ い て説明す る 。 フ ア ブ リ ぺ ロ エ タ ロ ン の 特性 を 表す値 と し て 、 F S R , F i n e s s が挙 げ ら れ る 。 フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン の透過帯 の 中 心周 波数 レ _m は 、

レ _m = m c / ( 2 n 1 c o s ) ' · . ( 1 0 ) で表 さ れ る 。 こ こ で 、 η は屈 折率、 1 は共振器長 、 0 は 入射光 に対す る エ タ ロ ン の 傾斜角 度 、 c は真空 中 の光速 度で あ る 。

F S R ( Free Spectral Range) は、 式 （ 1 0 ) で表現 さ れ る 透過帯 中 心周 波数 V _m の う ち 、 隣 り 合 う 2 組 の 間 隔で あ る の で 、

F S R = y _{m + 1} — レ _m = c z ( 2 n 1 c 0 s θ ) · • • ( 1 1 )

で表現 さ れ る 。

ま た 、 F i n e s s と は透過帯の広 が り 具合 を表現す る 値で あ り 、

F i n e s s = F S R / Δ ν _{1 2} = TC R' ¹ ノ ² ( 1 - R ) · · · ( 1 2 )

で表 さ れ る 。 こ こ で 、 Δ ν ^, ₂ は透過帯の半値全幅、 R は共振器 を 構成 し て い る ミ ラ ー の反射率で あ る ，

式 （ 1 0 ) か ら 、 透過帯 の 中 心周 波数 を 変化 さ せ る た め に は 、 屈折率 η 、 共振器長 1 、 エ タ ロ ン の角 度 の い ずれか を 変化 さ せれ ばよ い こ と が分か る 。 し た が っ て 、 こ れ ら の ノ ラ メ ー タ を 変化 さ せれ ば、 波長可変光 フ ィ ル 夕 が実現 可能な こ と がわ か る 。 い く つ か波長可変光 フ ィ ル夕 が市販 さ れて い る が、 共振器長 を 変化 さ せて波長可 変 を行 う 方式が主流であ る 。 そ の理 由 は、 上記 3 つ の パ ラ メ 一 タ の う ち 共振器長 1 を 変化 さ せれ ば、 も っ と も 広 い波長可変帯域 を 実現で き る こ と に あ る 。

し か し 、 共振器長 1 (お よ びエ タ ロ ン の角度 0 ) を 変 化 さ せ る た め に は、 必ずメ カ 二 力 ルな 動作が必要で あ る 。 そ の た め に 高速動作 に は適 し て い な い 。

一方 、 屈折率 n を 変化 さ せ る 方法 に よ れば、 メ カ 二 力 ルな動作な し に 、 透過帯域の 中 心波長 を変化 さ せ る 事 が 出来 る 。 屈折率 を変化 さ せ る 方法 と し て 、 主 に熱光学 （

T h e r m o — O p t i c T O ) 効果、 音響光学 （ A c o u s t o — O p t i c A O ) 効果 電気光学 （ E l e c t r o — O p t i c E 〇 ） 効果が挙 げ ら れ る 。 こ れ ら の う ち 、 ち っ と も 咼速動作 に 適 し て い な い の力 S T O効果で 、 せ いぜい数 m s 程度 の応答速度 し か実現で き な い 。 ま た 、 A 〇 効果 は T O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

こ れ ら に 比較 し て 、 E 0効果は高速動作 に適 し て お り 、 屈折率 の変化量 を十分 に確保で き る た め 、 高速動作 を 要求 さ れ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 に 適 し て い 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 (力 一 効果） 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、 式

Δ n - 0 r _{f f} ，/ 2 ( 1 3 ) で表 さ れ る 。 こ こ で 、 n 。 は電界 を 印 加 し て い な い 状 態 で の 屈折率、 r _{e f f} は 1 次 の電気光学係数 の有効値 、 E は電界強度 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、

Δ n = n 0 ³ s J 2 E ² / 2 · · · ( 1 4 )

で表 さ れ る 。 こ こ で 、 n 。 は電界 を 印 力 Π し て い な い 状態 で の屈折率、 E は電界強度で あ る 。 ま た 、 s ェ ₂ は、 下記 の式 ：

s _{1 2} = s ₀ ² £ _r ² g _{1 2} ' —— （ 1 5 )

で定義 さ れ る 。 ε 。 は真空 の誘電率 、 は物質 に 固 有 の 比誘電率 、 g _{1 2} は物質 の電気光学定数で あ る 。

従 っ て 、 2 次 の電気光学効果 を 用 い る と 、 印加 さ れた 電圧 の 2 乗 に 比例 し た 屈折率変化が誘起 さ れ る の で 、 よ り 小 さ な電圧 を 印加す る こ と に よ っ て所望 の屈折率変化 を 起 こ す事が出来 る 。 ま た 、 電気光学効果 は 1 G H z 程 度の 高速応答 は原理 的 に 可能で あ る 。

し か し な が ら 、 物質 の単位厚 さ あ た り に 印加可能 な電 圧 に は通常限界があ る の で、 印加す る 電圧 を 無限 に大 き く す る こ と は不可 能で あ る 。

そ こ で、 第 1 1 か ら 第 1 4 の 実施 の 形態 で は 、 第 1 か ら 第 1 0 の 実施 の 形態 に お い て例示 し た波長可変光 フ ィ ル夕 を 複数個含 む多段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 を提案す る 。 こ の タ イ プの光 フ ィ ル'夕 に お い て は 、 各波長可変光 フ ィ ル 夕 が誘電体結 晶 部 に入射す る 光 の進行方向 に沿 つ て設 け ら れて い る 。 ま た 、 F S R が異な る 2 個以上 の 波 長可変光 フ ィ ル 夕 を 平行 の配置か ら 2 度以上 の 角 度で 傾 けて配置す る こ と に よ り 構成 さ れ る と 好 ま し い 。 各波 長可変光 フ ィ ル 夕 は 、 温度制御 さ れ、 温度制 御 を 行 つ た 上で、 各波長可変光 フ ィ ル タ に 電圧 を 印加で き る よ う 構 成 さ れ る こ と が好 ま し く 、 こ れ に よ り 、 F S R を変ィ匕 さ せ、 所望 の透過帯 を 得 る こ と がで き る 。 各波長可変光 フ ィ ル 夕 は、 上述 の通 り 、 高速動作、 低駆動電圧、 高波長 可変帯域 と い う 優れた特性 を 有す る た め 、 多段構成波長 可変光 フ ィ .ル夕 も ま た従来の 波長可変光 フ ィ ル タ で は実 現で き な い高機能 を実現す る 事が出来 る

な お 、 各波長可変光 フ ィ ル タ を 平行 の配置 か ら 2 度以 上 の 角 度で傾 け て配置す る と は、 誘電体結晶 に 照射 さ れ る 光の透過方向 に 直交す る 面 と エ タ ロ ン の結 晶軸 に 直交 す る 面 と が 2 度以上 の 角 度 を も っ て 傾 け ら れて い る こ と を い う 。 以下の 同様な表現 に つ いて も 同 じ で あ る 。

ま た 、 2 度以 上の 角 度で傾 い て い る 場合で あ っ て も 、 誘電体結 晶 の 結 晶軸が光 の透過方向 と 一致す る こ と に よ り.発揮 さ れる 作用 効果が大 き く 損な われ る わ けで は な い 。 こ の た め 、 以下 の説明 に お い て は 、 2 度以上 の 角 度で 傾 け て配置 し た 場合で も 、 誘電体結 晶 の結晶 軸が光 の透 過方 向 と 一致す る と い う こ と に す る 。

次 に 、 第 1 1 カゝ ら 1 4 の実施 の形態 の それぞれ に つ い て具体的 に 説明 す る 。 以下 の実施形態 は 、 あ く ま で も 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。 し た が 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 の実施の形態 を 採 用 す る 事が可能で あ る が、 こ れ ら の 実施の形 態 も 本発 明 に 含 ま れ る 。

(第 1 1 の実施 の 形態）

図 2 2 は、 第 1 1 の実施 の 形態 に よ る 多段構成波長可 変光 フ ィ ル夕 を 構成す る 波長可変光 フ ィ ル夕 の構造 を 示 す概略図 で あ る 。 波長 可変光 フ ィ ルタ 2 0 1 は、 薄片化 さ れた 誘電体結晶 か ら 形成 さ れ る 誘電体結晶部 2 0 1 1 の両側 に透明電極 2 0 1 2 、 2 0 1 3 を配置 し 、 さ ら に そ の外側 に誘電体多層 膜 ミ ラ 一 2 0 1 4 、 2 0 1 5 を 配 置す る こ と に よ り 、 構成 さ れ る 。 すな わ ち 、 第 1 か ら 第 5 の実施 の形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 と 同様 の構成 を有す る 。

図 2 3 は、 第 1 1 の実施 の 形態 に よ る 2 段構成波長可 変光 フ ィ ル夕 の構成図 で あ る 。 図 2 3 に お い て 、 波長可 変光 フ ィ ルタ 2 0 2 1 、 2 0 2 2 は 図 2 2 で示 し た 波長 可変光 フ ィ ル 夕 2 0 1 と 同様 の構造 を有 し て い る 。

波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 1 、 2 0 2 2 の 誘電体結晶 部 2 0 1 1 は 、 K L T N よ り 形 成 さ れて い る 。 K L T N は 、 L i と N b の組成比 を調整す る 事 に よ り 、 相転位温 度 は一 1 5 °C に調整さ れ る こ と がで き る 。

具体的 に は 、 誘電体結晶 の 組成 は K 。 . _{9 6} L i 。 . 。 ₄ T a 。 . _{7 7} N b 0 . _{2 3} 〇 ₃ と し た 。 L i の組成比 は 、 本実 施の 形態 で は、 0 . 0 4 で あ る が、 0 . 0 0 1 の添加 で も 相 転位 を 2 次 に 変化 さ せ る 効果があ る 。 ま た 、 L i の 組成比 が 0 . 1 ま で は立方晶 を 保 っ てお り 、 実用 上使 用 可能 で あ る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の 範囲 で は 、 結 晶 の 品 質が高 く 、 2 0 0 0 0 以上 の 比誘電率 を 実現で さ る 。

ま た 、 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 1 、 2 0 2 2 の動作 温度 は 一 1 5 °C で あ り 、 一 1 5 °C 付近 に お け る 材料 の 比 誘電率 は 2 5 0 0 0 で あ る 。

図 2 2 に示す よ う に 、 本実施 の形態 に用 い る 波長可変 光 フ ィ .)レ タ 2 0 1 は、 誘電体結 晶 （ K L T N 結晶板） よ り 形成 さ れ る 誘電体結 晶部 2 0 1 1 を I T 0透明電極 2 0 1 2 お よ び 2 0 1 3 で挟み 、 さ ら にそ の外側 に 誘電体 多層 膜 ミ ラ 一 2 0 1 4 お よ び 2 0 1 5 を 配置す る こ と に よ り 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 1 が構成 さ れて い る 。

誘電体多層膜 ミ ラ ー 2 0 1 4 お よ び 2 0 1 5 は、 一般 的 な 材料 で あ る S i O ₂ /' N b ₂ 0 ₅ 力 ら 形 成 さ れて い る 。

図 2 3 を参照 し なが ら 、 第 1 1 の 実施 の形態 に よ る 2 段構成波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 0 に つ い て詳説す る 。

2 段構成波長可変光 フ ィ ル夕 2 0 2 0 は、 F S R が異 な る 2 つ の波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 1 、 2 0 2 2 を有 す る 。 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 2 1 の F S R は 6 0 0 G H z で あ り 、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 2 2 の F S R は 7 0 0 G H z で あ る 。 こ れ ら の波長可変光 フ ィ ル タ を 組み合 わ せ る 事 に よ っ て 、 F S R = 4 . 2 T H z が以下 の説 明 の通 り 実現 さ れ る 。

4 , 2 T H z の F S R を 実現す る た め に は 、 各波長 可変光 フ ィ ル 夕 2 0 2 1 、 2 0 2 2 の透過帯域 の 中 心周 波数 を F S R 分だ け シ フ ト す る 必要があ る 。 透過帯域 の 中 心周 波数 は式 （ 1 0 ) に よ っ て 表 さ れ る 。 こ の式 中 の n を 電気光学効果 を用 い て変化 さ せ る 事 に よ っ て 、 中 心 周波数 を シ フ ト さ せ る 。 K L T N に お いて は 、 g _{1 2} = — 0 . 0 3 8 m ⁴ C ² 、 ε _r = 2 5 0 0 0 で あ り 、 ま た 、 ε 。 = 8 . 8 5 4 X 1 0 ^{1 2} で あ る ので 、 こ れ ら の 値 を 式 （ 1.0 )、 式 （ 1 4 ) 及び式 （ 1 5 ) に代入す る 事 に よ り 、 6 0 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 2 1 の 場合 は、 K L T N の厚 さ が 1 1 5 mで あ り 、 印加電圧 を 1 1 I V にすればよ く 、 7 0 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 2 2 の場合 は 、 K L T N の厚 さ が 9 9 mで あ り 、 印加電圧 を 9 6 V に す ればよ い事がゎカゝ る 。

各波長可変光 フ ィ ルタ につ い て 、 厚 さ と 印加電圧値か ら 1 ^ mの厚 さ あ た り に 印加すべ き 電圧 を 計算す る と 、 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 1 ( F S R = 6 0 0 G H z ) で は 0 . 9 6 V / Ai m、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 2 2 ( F S R = 7 0 0 G H z ) で は 0 . 9 7 V ' mの電圧 を 印加す れば良 い 事が分か る 。

こ れ ら 2 つ の波長可変光デバイ ス を 図 2 3 に示す よ う に光 の進行方 向 に沿 っ て配置す る こ と に よ り 、 本実施 の 形態 に よ る 2 段構成波長可変光デバイ ス が得 ら れ る 。 な お 、 図 2 3 に お レ て 、 参照符号 2 0 2 3 と 2 0 2 4 は微 小 レ ン ズ、 参照符号 2 0 2 5 と 2 0 2 6 は シ ン グルモ ― ド フ ア イ ノ' を表す。

図示 の 通 り 、 2 つ の波長可変光 フ ィ ル' 夕 2 0 2 1 、 2 0 2 2 は、 互 い に 平行か ら 2 度 の 角 度 で傾 け ら れ、 相互 間 の距離 を 2 m m と っ て配置 さ れて い る 。 フ ァ イ ノ を通 じ て導入 し た 1 . 5 5 ^ m の光 を 微小 レ ン ズ 2 0 2 3 ( 2 0 2 4 ) に よ っ て 2 5 0 m幅 の光束 に し て 、 波長可 変光 フ ィ ル夕 2 0 2 1 、 2 0 2 2 に 導入 し た 。 全体 を べ ルチ ェ 素子で 一 1 3 °C に 保 っ て特性 を 図 っ た と こ ろ 、 F S R = 4 . I T H z で あ っ た 。

次 に 、 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 1 と 2 0 2 2 に電圧 を 印加 し て 、 透過帯域の 中 心波長 の シ フ ト を 測定 し た と こ ろ 、 F S R = 4 . 1 T H z 分 の シ フ ト が観測 で き た 。 以上 よ り 、 本実施 の 形態 に係 る 多段構成波長可変光 フ ィ ル夕 は、 4 . I T H z と い っ た広 い F S R を 有す る フ ィ ル タ と し て機能 し て い る 事が分か っ た 。

(第 1 2 の実施 の 形態）

図 2 4 は 、 第 1 2 の実施 の 形態 に よ る 3 段構成波長可 変光 フ ィ ル 夕 の 概略 図 で あ る 。 図 示 の 通 り 、 3 段構成波 長可変光 フ ィ ル タ 2 0 3 0 は 3 つ の波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 3 1 、 2 0 3 2 、 2 0 3 3 を含 む。

こ れ ら 3 つ の 波長可変光 フ ィ ル タ は、 図 2 2 で示 し た 波長可変光 フ ィ ル 夕 と 同様の構造 を 有す る 。

すな わ ち 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 3 1 、 2 0 3 2 、 2 0 3 3 は、 誘電体結晶 （ K L T N結 晶板） か ら 形成 さ れ る 誘電体結 晶 部 2 0 1 1 を I T 〇 透明 電極 2 0 1 2 お よ び 2 0 1 3 で挾み、 さ ら に 、 そ の両側 に 誘電体多層 膜 ミ ラ 一 2 0 1 4 お よ び 2 0 1 5 を 酉己置 し て フ ア ブ リ べ 口 一 エ タ ロ ン を 構成す る こ と に よ り 得 ら れ る 。

こ れ ら の波 長可変光 フ ィ ル 夕 の 誘電体結晶部 2 0 1 1 は、 K L T N に よ り 形成 さ れ、 L i の 濃度 と N b の濃度 を 調整す る 事 に よ り 、 相転位温度 は一 1 5 °C に 調整 さ れ る 。

具体的 に は、 当 該誘電体結晶 の 組成 は K 。 . _{9 6} L i ₀ , 0 ₄ T a 0 . _{7 7} N b 0 . _{2 3} O ₃ と し た 。 L ji の組成 比 は、 本実施の形態で は、 0 . 0 4 で あ る が、 0 . 0 0 1 の添 加で も 相転位 を 2 次 に変化 さ せ る 効果が あ り 、 0 . 1 ま で は立方 晶 を 保 っ て お り 、 使用 が可能で あ る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の範囲 で は 、 結 晶 の品質が高 く 、 2 0 0 0 0 以上 の 比誘電率 を実現で き る 。

ま た 、 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 3 1 、 2 0 3 2 、 2 0

3 3 の動作温度 は — 1 5 。Cで あ り 、 一 1 5 °C付近 に お け る 材料 の 比誘電率 は 2 5 0 0 0 で あ る 。

誘電体多層 膜 ミ ラ ー 2 0 1 4 お よ び 2 0 1 5 は、 一般 的な材料 であ る S i 0 ₂ Z N b ₂ 0 ₅ 力 ら 形成 さ れ る 。

波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 3 1 、 2 0 3 2 、 2 0 3 3 は 、 それぞれ異な る F S R を有す る 。 すなわ ち 、 波長可変 光 フ ィ ル タ 2 0 3 1 は 3 0 0 G H z の F S R を有 し 、 波 長可変光 フ ィ ル タ 2 0 3 2 は 4 0 0 G H z の F S R を有 し 、 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 3 3 は 5 0 0 H G z の F S R を有す る 。 こ れ ら を 組み合わ せ る 事 に よ っ て 、 以下 の説 明の通 り 、 F S R = 6 . 0 T H z が実現 さ れる こ と がで き る 。

6 - O T H z の F S R を実現す る た め に は 、 各波長可 変光 フ ィ ル タ の透過帯域の 中 心周波数 を F S R 分 シ フ ト す る 必要が あ る 。 透過帯域の 中 心周 波数 は式 （ 1 0 ) に よ っ て表 さ れ る 。 こ の項の 中 の n を電気光学効果 を 用 い て変化 さ せ る 事 に よ っ て 、 中 心周 波数 を シ フ ト さ せ る 。 K L T N に お レ て は g i ₂ = — 0 . 0 3 8 m ⁴ / C ² 、 ε = 2 5 0 0 0 で あ り 、 ま た 、 ε 。 = 8 . , 8 5 4 X 1 0 一 ^{1 2} で あ る の で 、 こ れ ら の値 を 式 （ 1 0 )、 式 （ 1 4 ) 及 び式 （ 1 5 ) に代入す る 事に よ り 、 3 0 0 G H z の ： F S R を有す る 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 3 1 の 場合 は、 K L T N の厚 さ が 2 3 0 mで あ り 、 印加電圧 を 9 4 V に す ればよ く 、 4 0. 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 3 2 の 場合は、 K L T N の厚 さ が 1 7 3 m で あ り 、 印力 P電圧 を 1 1 2 V にすれ ば良 く 、 5 0 0 G H z の F S R を有す る 波長可変光 フ ィ ル夕 2 0 3 3 の場合 は、 K L T N の 厚 さ が 1 3 8 iL mで あ り 、 印加電圧 1 1 3 V に すれ ばよ い 事がわ か る 。

各波長可変光 フ ィ ル 夕 に つ い て 、 厚 さ と 印加電圧か ら 1 m の厚 さ あ た り に 印加すべ き 電圧 を 計算す る と 、 波 長可変光 フ ィ ゾレ夕 2 0 3 1 ( F S R = 3 0 0 G H z ) に は 0 . 4 1 V ズ' β m , 波長可変光 フ ィ ル 夕 ' 2 0 3 2 ( F S R 4 0 0 G H z ) に は 0 . 6 5 V / m、 波長可変 光 フ ィ ル 夕 2 0 3 3 ( F S R = 5 0 0 G H z ) に は 0 . 8 2 V , mの電圧 を 印加すれば良 い事が分か る 。

こ れ ら の波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 3 1 2 0 3 2 2 0 3 3 を 図 2 4 に示す よ う に光 の進行方向 に沿 っ て配置 す る こ と に よ り 、 本実施の形態 に係 る 3 段構成波長可変 光 フ ィ ル 夕 が得 ら れ る 。 なお 、 図 2 4 に お い て 、 参照符 号 2 0 3 4 と 2 0 3 5 は微小 レ ン ズ を 表 し 、 参照 符号 2 0 3 6 と 2 0 3 7 は シ ン グルモ ー ド フ ' を表す。

ま た 、 図示 の通 り 、 3 つ の 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 3 1 2 0 3 2 2 0 3 3 は、 それぞれ、 互 い に平行な配 置か ら 2 度の 角 度で傾 け ら れて い る 。 すなわ ち 、 各波長 可変光 フ ィ ル 夕 の 誘電体結晶部 を 形成す る 誘電体結 晶 の 結晶軸 と 直交す る 面 と 、 前記光 の進行方 向 と 直交す る 面 と 力 S 2 度以上 の 角 度で 傾 いて い る 。 ま た 、 各波長 フ ィ ル 夕 の 間 の距離 はそれぞれ 2 m mで あ る 。 フ ' を通 じ て導入 し た 1 . 5 5 mの光 を 微小 レ ン ズ 2 0 3 4 ( 2 0 3 5 ) に よ っ て 2 5 0 /i m幅 の光束 に し て 、 3 段構成 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 3 0 に 導入 し た 。 全体 を べルチ ェ 素子で 一 1 3 °C に 保 っ て特性 を 図 っ た と こ ろ 、 5 . 8 T H z の F S R が得 ら れた。

次 に 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 3 1 2 0 3 2 2 0 3 3 に電圧 を 印力 Π し て 、 透過帯域 の 中 心波長 の シ フ ト を 測定 し た と こ ろ 、 F S R = 4 . 1 T H z の シ フ ト が観測 で き 、 本実施 の 形態 に よ る多段構成波長可変光 フ ィ ルタ は、 フ ィ ル夕 と し て機能 し て い る 事が分か っ た 。

F S = 5 . 8 T H z 及び 4 . I T H z と い っ た値 は 、 十分大き く 、 正常 に機能す る 範囲 で あ る 。 従 っ て 、 3 0 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ルタ 、 4 0 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 、 及び 5 0 0 G H z の F S R を有す る 波長可変光 フ ィ ル タ を 用 い る こ と に よ り 、 正常 に機能 し 、 高速動作す る フ ィ ル タ が実現で き た 。

(第 1 3 の実施の形態）

図 2 5 は、 第 1 3 の 実施 の 形態 に よ る 4 段構成波長可 変光 フ ィ ル夕 の概略図 で あ る 。 図示 の通 り 、 4 段構成波 長可変光 フ ィ ル 夕 は、 4 つ の波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 1 、 2 0 4 2 , 2 0 4 3 、 2 0 4 4 を含む。

こ れ ら 4 つ の波長可変光 フ ィ ル 夕 は 、 図 1 1 で示 し た 波長可変光 フ ィ ル 夕 と 同様の構造 を 有す る 。

すな わ ち 、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 4 1 、 2 0 4 2 、 2 0 4 3 、 2 0 4 4 は、 誘電体結晶 （ K L T N 結晶 板） か ら 形成 さ れ る 誘電体結晶部 2 0 1 1 を I T O 透 明電極 2 0 1 2 お よ び 2 0 1 _3 で挟み、 さ ら に そ の外側 に 誘電 体多層膜 ミ ラ 一 2 0 1 4 お よ び 2 0 1 5 を 酉己置 し て フ ァ ブ リ ベ ロ 一 エ タ ロ ン を 構成す る こ と に よ り 得 ら れ る 。

誘電体結晶部 2 0 1 1 は、 K L T N か ら 形成 さ れた 誘 電体結 晶 部 を有 し 、 L i の濃度 と N b の濃度 を 調整す る 事 に よ り 、 相転位温度 は 一 1 5 °C に 調整 さ れ る こ と がで き る 。 具体的 に は 、 当 該誘電体結 晶 の組成 は K 。 . _{9 6} L i ₀ . 0 4 T a 0 . _{7 7} N b 。 . _{2 3} 〇 ₃ あ っ た 。 L i の 組成 比 は 、 本実施 の 形態では、 0 . 0 4 で あ る 力 S、 0 . 0 0 1 の 添加で も 相転移 を 2 次 に変化 さ せ る 効果が あ り 、 0 . 1 ま で は立方晶 を 保 っ てお り 、 実用 可能 で あ る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の 範囲 で は、 結晶 の 品質 が高 く 、 2 0 0 0 0 以 上 の 比誘電率 を 実現 で き る 。

ま た 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 1 、 2 0 4 2 、 2 0

4 3 、 2 0 4 4 の動作温度 は _ 1 5 °C で あ り 、 — 1 5 °C 付近 に お け る 材料の 比誘電率 は 2 5 0 0 0 で あ る 。

誘電体多層膜 ミ ラ 一 2 0 1 4 お よ び 2 0, 1 5 は、 一般 的 な 材料 で あ る S i 〇 ₂ ' N b ₂ 〇 ₅ に よ り 形 成 さ れ て い る 。

波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 4 1 、 2 0 4 2 、 2 0 4 3 、 2 0 4 4 は、 それぞれ異な る F S R を有す る 。 すな わ ち 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 1 は 2 0 0 G H z の F S R を有 し 、 波長可変光 フ ィ ル夕 2 0 4 2 は 3 0 0 G H z の F S R を 有 し 、 波長可変光 フ ィ ル夕 2 0 4 3 は 5 0 0 G H z の F S R を有 し 、 波長可変光 フ ィ ル タ 4 0 4 4 は 7 0 0 G H z の F S R を有す る 。 こ れ ら の 波長可変光 フ ィ ル 夕 を 組み合わせる 事 に よ っ て 、 以下 の説 明 の通 り 、 F

5 R = 2 1 . 0 T H z が実現 さ れる こ と がで き る 。

2 1 . O T H z の F S R を 実現す る た め に は、 各波長 可変光 フ ィ ル 夕 の透過帯域 の 中 心周 波数 を F S R 分 シ フ 卜 す る 必要が あ る 。 透過帯域 の 中心周 波数 は式 （ 1 0 ) に よ っ て表 さ れ る 。 こ の式 中 の n を 電気光学効果 を 用 い て変化 さ せ る 事 に よ っ て 、 中 心周 波数 を シ フ ト さ せ る 。 K L T N に お い て は g _{1 2} = — 0 . 0 3 8 m /" C ² 、 £ 「 = 2 5 0 0 0 で あ り 、 ま た 、 ε 。 = 8 . 8 5 4 X 1 0 _ ^{1 2} で あ る の で 、 こ れ ら の値 を式 （ 1 0 )、 式 （ 1 4 )、 式 （ 1 5 ) に代入す る 事 に よ り 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 1 ( F S R = 2 0 0 G H z ) の 場合 は、 K L T N の 厚 さ 力 S 3 4 5 X mで あ り 、 印 加電圧 を 1 3 4 V にすれ ば よ く 、 波長可変光 フ ィ ル夕 2 0 4 2 ( F S R = 3 0 0 G H z ) の 場合 は、 K L T N の厚 さ が 2 3 0 mで あ り 、 印加電圧 を 9 4 V にすればよ く 、 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 4 3 ( F S R = 5 0 0 G H z ) の 場合 は、 K L T N の 厚 さ が 1 3 8 mで あ り 、 印力 Π電圧 1 1 3 V に すれ ばよ く 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 4 ( F S R = 7 0 0 G H z ) の 場合 は、 K L T N の厚 さ が 9 9 mで あ り 、 印加 電圧 を 1 1 2 V に すればよ い事がわ か る 。

各波長可変光 フ ィ ル タ に つ い て 、 厚 さ と 印加電圧値か ら 1 mの厚 さ あ た り に 印加す る 電圧 を 計算す る と 、 波 長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 1 ( F S R = 2 0 0 G H z ) に は 0 . 3 9 V / 11 m , 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 2 ( F S R = 3 0 0 G H z ) に は 0 . V Z ^ m 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 3 ( F S R = 5 0 0 G H z ) に は 0 . 9 V /' n m , 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 4 4 ( F S R = 7 0 0 G H z ) に は 0 . 9 7 V / mの電圧 を 印加すれ ば良 い事が分か る 。 こ れ ら の波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 4 1 、 2 0 4 2 、 2 0 4 3 、 2 0 4 4 を 図 2 5 に 示す よ う に 光 の進行方向 に沿 っ て配置す る こ と に よ り 、 本実施 の 形態 に係 る 多段 構成波長可変光 フ ィ ル タ を得た 。 な お 、 図 1 4 に お い て 、 参照符号 2 0 4 5 と 2 0 4 6 は微 小 レ ン ズ を表 し 、 参 照符号 2 0 4 7 と 2 0 4 8 は シ ン ダル モ ー ド フ ァ イ ノ を 表す。

ま た 、 図示 の 通 り 、 4 つ の波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 4 1 、 2 0 4 2 、 2 0 4 3 、 2 0 4 4 は 、 それぞれ、 互 い に平行な配置か ら 2 度 の角 度で傾 け ら れて い る 。 すな わ ち 、 各波長可変光 フ ィ ル夕 の誘電体結 晶 部 を 形成す る 誘 電体結 晶 の 結 晶 軸 と 直交す る 面 と 、 前記光の 進行方 向 と 直交す る 面 と 力 2 度以 上 の角 度 で傾 い て い る 。 ま た 、 各 波長可変光 フ ィ ル タ の 間 の距離 は 2 m mで あ る 。 フ ア イ バ を通 じ て導入 し た 1 . 5 5 mの光 を 微小 レ ン ズに よ つ て 2 5 0 / m幅 の 光束に し て 、 多段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 に 導入 し た 。 全体 を ペルチ ェ 素子で 一 1 3 °C に保 つ て特性 を 図 っ た と こ ろ 、 2 0 . 0 T H z の F S R が得 ら れた 。

次 に 、 波長可変光 フ ィ ル夕 2 0 4 1 、 2 0 4 2 , 2 0 4 3 、 2 0 4 4 に 電圧 を印力 Π し て 、 透過帯域 の 中 心波長 の シ フ ト を測定 し た と こ ろ 、 F S R = 2 0 . 0 T H z 分 の シ フ 卜 が観測 で き 、 フ ィ ル夕 と し て機能 し て い る 事が 分か っ た 。

こ れ ら の値 は、 十分小 さ く 、 正常 に機能す る 範囲 で あ る 事がわか る 。 従 っ て 、 2 0 0 G H z の F S R を有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 、 3 0 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ル タ 、 5 0 0 G H z の F S R を 有す る 波 長可変光 フ ィ ル タ 、 及び 7 0 0 G H z の F S R を 有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 を含む 4 段構成波長可変光 フ ィ ル タ は、 フ ィ ル タ と し て正常 に機能 し 、 高速動作す る こ と が 確認 さ れた 。

(第 1 4 の実施 の 形態）

第 1 1 か ら 第 1 3 の実施 の 形態 に お い て は 、 誘電体結 晶部内 の光 の進行方 向 と 平行な方 向 に 電界が発 生す る 波 長可変光 フ ィ ル 夕 を 複数個含 む多段構成婢長可変 フ ィ ル 夕 に つ い て 説明 し た 。 次 い で 、 光 の 進行方 向 と 直交す る 方向 に電界が発 生す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 を複数個含 む 多段構成波長可変光 フ ィ ル タ に つ い て説 明 す る 。

図 2 6 は、 本実施 の形態 に 係 る 2 段構成波長可変光 フ ィ ル夕 の概略図 で あ る 。 多段構成波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 5 0 は 、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 5 1 、 2 0 5 2 を有 し 、 こ れ ら はペルチ ェ 素子 と い っ た温度制 御装置 （ 図示 せず） に よ り 温度制御 さ れ る 。 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 5 1 、 2 0 5 2 は 、 各 々 が有す る F S R と 誘電体結晶部 を 形成す る 誘電体結 晶 の組成 と を 除 い て 、 第 6 の 実施 の 形態 に よ る 波長可変 フ ィ ルタ 1 1 0 ( 図 1 1 ) と ほ ぼ同 一 の構成 を 有す る 。 ま ず、 図 1 1 を参照 し な が ら 、 本実 施 の 形態 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル タ を 説 明す る 。

図 1 1 に 示す通 り 、 本実施 の 形態 に 係 る 2 段構成波長 可変光 フ ィ ル タ 2 0 5 0 は、 ガ ラ ス 基板 1 1 6 上 に 、 誘 電体多層膜 ミ ラ ー 1 1 5 、 誘電体結 晶部 1 1 7 、 絶縁 層 1 1 3 、 誘電体結 晶 部 1 1 2 、 誘電体多層 膜 ミ ラ ー 1 1 1 を こ の順 に 積層 す る こ と に よ り 作製 さ れて い る 。 ま た 、 当 該波長可変光 フ ィ ル タ は、 誘電体結 晶 部 1 1 7 の 対向す る 2 つ の側面 に 電極 1 1 4 を有 し 、 誘電体結 晶部 1 1 2 の対向す る 2 つ の 側面 に電極 1 1 8 を 有す る 。 誘電体結晶部 1 1 2 、 1 1 7 を 形成す る 誘電体結 晶 の 組成 は 、 K 0 . 9 ₆ L i 0 . 0 4 T 0 . 7 7 N b 0 , _{2 3} O ₃ と し た。 L i の組成比 は、 本実施例で は 0 . 0 4 で あ る が、 0 . 0 0 1 の添加で も 相 転移 を 2 次 に変化 さ せ る 効果が あ る 。 ま た 、 L i の組成 比が 0 . 0 1 ま で は立方晶 を 保 つ てお り 、 十分 に実用 可能で あ る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の範囲 で は、 結 晶 の 品 質が高 く 、 2 0 0 0 0 以上 の 比誘電率 を実現で き る 。 上記組成 の誘電体結 晶 を有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 の 動作温度 は 一 1 5 °C で あ り 、 一 1 5 °C に お け る 材料 の 比 誘電率 は、 それぞれ 2 5 0 0 0 で あ っ た。

本実施 の形態で用 い た K L T N 結晶 は、 前述 の よ う に 2 次 の電気光学効果 を 有 し てお り 、 図 1 1 の 構造 に よ る 電界の 印加方向 に対 し 、 屈 折率変化量は、 既述 の式 （ 5 ) 、 ( 6 ) に よ り 表す こ と がで き る 。

こ れ ら の式カゝ ら 明 ら か な よ う に 、 電界 の 印 加方向 に よ つ て 、 屈折率変化が異 な り 、 光 の進行方 向 に 対 し て直交 す る 2 方向 に電界 を 印力 Π し た 場合、 ト ー タ ル の 屈折率変 化量 は、 式 （ 5 )、 （ 6 ) の加算 と な り 、 式 （ 7 ) で表す こ と がで き る 。 光 の進行方向 に直交す る 2 種類 の偏光 に対 し 、 屈折率変化が等 し く な り 偏波無依存動作が可能 と な る 。

2 段構成波長可変光 フ ィ ル ' 夕 2 0 5 0 力 S 1 5 3 0 n m

〜 1 5 7 0 n mの通信波長帯 （ C 帯） で利用 さ れ る こ と を 想定 し 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 5 1 、 2 0 5 2 は 、 無電界で 1 5 7 O n m の 中 心波長 を透過す る よ う 設計 さ れて い る 。 ま た 、 4 O n mの 可変帯域 を 実現す る た め に 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 5 1 は 6 0 0 G H z の F S R を 有 し 、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 5 2 は 7 0 0 G H z の F S R を 有す る よ う 設計 さ れて い る 。 こ の 場合 、 波長可 変光 フ ィ ル夕 2 0 5 1 ( F S R 6 0 0 G H Z ) に お け る 誘電体結 晶 （ K L T N ) の厚 さ は、 全体で約 1 1 5 m で あ り 、 よ っ て 、 誘電体結 晶部それぞれの厚 さ は約 5 7 mで あ る 。 ま た 、 波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 5 2 ( F S R 7 0 0 G H z ) に お け る 誘電体結 晶 （ K L T N ) の 厚 さ は 、 全体で約 9 9 m と な る 。 し た が っ て 、 誘電体結 晶部そ れぞれの厚 さ.は約 4 9 mで あ る 。

再び図 1 1 を参照す る と 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 5 1 、 2 0 5 2 がそれぞれ有す る 絶縁層 1 1 3 は、 T e 〇 ₂ 系 ガ ラ ス か ら 形成 さ れて い る 。 T e 〇 ₂ 系 ガ ラ ス を 用 い た 理 由 は 、 屈折率が K L T N結晶 と ほ ぼ等 し く 、 組成 を 調整す る こ と に よ り K L T N と 等 し い 屈折率 が実現 で き 、 よ っ て 、 界面で の光反射が抑制で き る た め で あ る 。 こ の 場合 、 T e 0 ₂ 系 ガ ラ ス の 厚 さ は λ / 2 に 調 整 さ れて レ る 。 な お 、 絶縁層 1 1 3 と し て 、 T e 〇 ₂ 系 ガ ラ ス を用 い た が、 S i 〇 ₂ 、 A 1 ₂ 〇 ₃ 、 ポ リ マ ー な ど K L T N よ り も 比誘電率 の 低 い絶縁材料 を 用 い て も 、 フ ィ ル タ を 実現す る こ と がで き る 。

誘電体結晶部 1 1 2 、 1 1 7 それぞれ の側面 の電極 1 1 4 、 1 1 8 は、 金属 を 蒸着す る こ と に よ り 、 形成 さ れ て い る 。 図 1 1 に示す通 り 、 こ れ ら の 電極 1 1 4 、 1 1 8 は、 誘電体結晶部 1 2 に は紙面 に垂直 な方 向 に 電界が 生 じ る よ う に 、 誘電体結晶部 1 1 7 に は紙面 に 水平な方 向 に 電界が生 じ る よ う に配置 さ れて レゝ る 。 _t

誘電体多層膜 ミ ラ 一 1 1 1 、 1 1 5 は、 一般 に用 い ら れ る S i 〇 ₂ , N b ₂ 〇 5 に よ り 形 成 さ れて い る 。 こ れ ら の誘電体多層膜 ミ ラ 一 1 1 1 、 1 1 5 が誘電体結晶部 1 1 2 、 1 1 7 (及びそ の 間 の 誘電体結 晶部 1 1 2 ) を 挟 む よ う に配置 さ れて 、 フ ア ブ リ べ 口 一エ タ ロ ン が構成 さ れて い る 。 ま た 、 誘電体多層膜 ミ ラ 一 1 1 1 、 1 1 5 は 、 1 5 7 0 n m に お け る 反射率 を 9 0 ？ と な る よ う に 設 計 さ れて い る 。

以上 の構成 を有す る 波長可変光 フ ィ ル 夕 2 0 5 1 、 2 0 5 2 が、 図 2 6 に 示す通 り 、 光 の進行方向 L に沿 っ て 並置 さ れ、 多段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 2 が得 ら れ る 。 ま た 、 同 図 中 、 参照符号 2 0 5 3 と 2 0 5 4 は微小 レ ン ズ、 参 照 符号 2 0 5 5 と 2 0 5 6 は シ ン グルモ ー ド フ ァ イ ノ を 表す。 こ れ ら の微小 レ ン ズ と シ ン グルモー ド フ ァ ィ バ に よ り コ リ メ ー ト 光学系 が形成 さ れ 、 こ の光学系 内 に 当 該多段構成波長可変光 フ ィ ル' タ 2 0 5 0 が配置 さ れて い る 。

次 い で、 2 段構成波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 5 0 の光透 過特性 の 測定結果 に つ い て 説 明す る 。 測定 に は 図 1 3 に 示す測 定系 を用 い た 。 すな わ ち 、 A S E 光源 1 3 1 力 ら の光 を 当 該光 フ ィ ルタ 2 0 5 0 が実装 さ れた フ ィ ル夕 モ ジ ュ一ル 2 0 0 に 入射 し 、 出 射光 を ス ペ ク ト ラ ム ア ナ ラ ィ ザ 1 3 2 で検 出 し た 。 高 速動作測定 を 行 う 際 に は、 フ ア ン ク シ ヨ ン ジ ェ ネ レ ー タ 1 3 3 を 用 い て発 生 し た電圧 ノ\° 夕 一 ン を ア ン プ 1 3 4 を用 い て増幅 し 、， フ ィ ル ' 夕 に 印 カロ し 、 光 出 力 を フ ォ ト デ ィ テ ク タ 1 3 5 で検 出 し 、 ォ シ ロ ス コ ー プ 1 3 6 で応答特性 を観測 し た 。

な お 、 フ ィ ル タ モ ジ ュ ー ル は、 2 段構成波長可変光 フ イ リレ 夕 を コ リ メ 一 卜 光学系 の 中 に実装 し 、 電極か ら メ タ ル配線 を 引 き 出 し て筐体 に金線で接続す る こ と に よ り 、 作製 さ れた 。

高速応答特性 を測定す る に あ た っ て は、 具体的 に は、 ノ \°リレス パ タ ー ン ジ ェ ネ レー タ 1 3 3 力 ら の 1 G H z の周 波数 を 有す る 矩形波電圧 を ア ン プ 1 3 4 で増幅 し 、 3 0 V の電圧 を 2 段構成波長可変光 フ ィ ル タ に 印力 [] し た 。 光 源 と し て は A S E 光源 1 3 1 を 用 い た 。 当 該光源か ら の 波長 1 5 7 0 n m の 出射光 を 2 段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 へ導入 し 、 こ の波長可変光 フ ィ ル タ か ら の 出 射光 を 1 5 7 0 n m の ノ \° ン ド ノ \° ス フ イ リレタ を 通 し た後、 フ ォ ト デ ィ テ ク 夕 1 3 5 で受光 し た 。

そ の 結果、 本実施 の形態 に よ る 2 段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 の 高速応答特性 は、 第 1 の実施 の形態 に よ る 波 長可変光 フ ィ ル タ （ 図 7 参照） と 同 等で あ る こ と が分か つ だ 。 すな わ ち 、 本実施の形態 に よ る 2 段構成波長可変 光 フ ィ ル タ 2 0 5 0 の透過光 は、 印 加電界 に 対 し て応答 し てお り 、 4 0 n m の波長可変が、 1 G H z (可変時 間 ： 0 . 6 n s e c ) で実現 さ れて い る こ と が明 ら か と な つ た。

こ の よ う に 、 本実施 の形態 の 2 段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 を用 いれ ば、 3 0 V 程度 の 印加電圧で、 4 0 n m の 波長可変 を 実現で き 、 かつ 、 パ ケ ッ ト の ア ド · ド ロ ッ プ が可能な 、 高速性 を実現で き る こ と が明 ら か と な っ た 。

ま た 、 F S R が異な る 波長可変光 フ ィ ル夕 を複数個組 み合わ せ た こ と に よ り 、 単独 の 波長 可変光 フ ィ ル 夕 を 使 用 す る 場合 に 比 べて 、 個 々 の波長可変光 フ ィ ル タ に求め ら れ る 波長可変幅がよ り 少な く て済み、 よ っ て、 結果的 に よ り 低電圧で の駆動 が可能 と な る 。

な お 、 第 1 4 の実施 の形態で は、 波長可変光 フ ィ ル 夕 が 2 個 の 場合 に つ い て 記述 し た が、 F S R の 異な る 波長 可変光 フ ィ ル 夕 が 3 個 以上 の 場合 も 同様な効果が得 ら れ る こ と は言 う ま で も な い。

以上述 べた よ う に 、 第 1 1 か ら 1 4 の 実施 の形態 に よ れば、 F S R の 異な る 2 つ以上 の波長可変光 フ ィ ル タ を 用 い た多段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 に よ り 、' 結晶 の 単位 厚 さ あ た り に 印加す る 電圧 を 低減で き 、 従 っ て 無理 の な い 2 次 の電気光学効果 を 引 き 出す事が 出来 る 。 ま た 、 2 次 の 電気光学効果 を 持つ 結 晶 を 用 い る た め 、 高速 ， 広 帯域波長可変光 フ ィ ル タ を 実現す る 事が 出 来 る 。 ま た 、 本発 明 の波長可変光 フ ィ リレ 夕 は、 広帯域 を 高速で可変す る 事が 出来 る た め 、 ノ\° ケ ッ 卜 の ア ド · ド ロ ッ プな ど の 高 機能化が可能で あ る と 共 に 、 光計測用 の 高速の 波長ス ゥ ィ 一パ と し て も 使用 可能で あ る 。 ま た 、 図 8 に示す波長 可変光 フ ィ ル タ 2 6 に お い て は、 多重反射が生 じ 得 る が 、 第 1 1 か ら 1 4 の実施 の 形態 に よ る 多段構成波長可変 光 フ ィ ル タ で は 、 多重反射 を 防止す る こ と がで き る 。

(第 1 5 及び 1 6 の 実施 の 形態）

第 1 5 及び 1 6 の 実施 の 形態 を説明す る 前 に 、 こ れ ら の実施 の 形態 の基本原理 に つ い て 、 前述 し た 第 1 か ら 1 4 の実施 の形態 の基本原理 を 踏 ま え て 説 明 す る 。

デバイ ス の 高速応答性 を考慮す る 時 に は 、 そ の デバィ ス の時定数 を考慮 し な ければな ら な い 。 フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン型 フ ィ ル 夕 は 、 誘電体 を電極で挟む こ と に よ り 作製 さ れ る た め 、 静電容量お よ び抵抗 を 有す .る 。 静電容 量 C は、

C = ε 0 ε _r S / d · · · ( 1 6 )

で与 え ら れ る 。 な お 、 式 （ 1 6 ) 中 、 d は誘電体 の厚 さ 、 £ 。 は真空 の 誘電率、 は誘電体 の 比誘電率、 S は電 極 の面 積で あ る 。

式 （ 1 6 ) よ り 、 静電容量 C を低減す る た め に は、 電 極 の 面積 S の値 を 小 さ く し 、 d を大 き く 取れ ばよ い こ と がわか る 。

ま た 、 電極 に よ る 電気抵抗 R は、

R = P _v 1 ./ a · ' · ( 1 7 )

で 与 え ら れ る 。 式 （ 1 7 ) 中 、 ρ _ν は電極 の体積抵抗率 、 1 は電極の長 さ 、 a は電極 の 断面積 （厚 さ ） で あ る 。

体積抵抗率 P _v は物 質 固 有 の 値で あ り 、 当 該実施 の 形 態 に 係 る 波長可変光 フ ィ ル 夕 に 用 い る 透明電極 は 、 1 0 一 ² Ω mオー ダ一 の体積抵抗率 を有す る た め 、 電極 の抵抗 が大 き く な つ て し ま う 。 こ の た め 、 時定数 R C が大 き く な り 、 高速応答 を 実現す る た め に は不利 で あ る 。 こ れ を 克服す る た め に は、 透明 電極 の表面 を 金属薄膜で コ 一 テ イ ン グ し た構造、 も し く は金属 薄膜 自 体 を 電極 と ミ ラ ー 両方 の 目 的 の た め に 用 い る 方法が考 え ら れ る 。

以上の よ う に 、 エ タ ロ ン の実効表面積 を 出 来 る だ け小 さ く し 、 ま た 電極 の抵抗値 を 下 げる 事 に よ っ て 、 n s ォ ー ダ一 の 高速動作 を実現す る 事が出来 る 。

次 に 、 第 1 5 及び 1 6 の実施 の形態 の それぞれ に つ い て説明す る 。 以下の実施形態 は、 あ く ま で も 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 。 し た が 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 の 形態 を 採用 す る 事が 可能で あ る が、 こ れ ら の実施 の 形態 も 本発 明 に含 ま れ る (第 1 5 の実施 の 形態） 図 2 7 は、 第 1 5 の実施 の 形態 に よ る 波長可変光 フ ィ ル 夕 の構成図 で あ る 。 ま た 、 図 2 8 は、 こ の波長可変 光 フ ィ ル タ を光 の進行方向 か ら 見た平面図 で あ る 。 波長 可変光 フ ィ ル夕 3 0 1 は、 薄片化 さ れた 誘電体結 晶 部 3 0 1 1 の 両側 に 金属 薄膜電極 3 0 1 2 、 3 0 1 3 を 配置 す る こ と に よ り 、 構成 さ れ る 。 こ の金属 薄膜電極 は 同 時 に ミ ラ 一 の役割 を 有す る 。

波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 1 の 誘電体結 晶部 3 0 1 1 は 、 K L T N か ら 形成 さ れ る 。 K L T N は 、 L i の 濃度 と N b の濃度 を 調整す る 事 に よ り 、 相 転位温度 は — 1 5 °C に 調整 さ れる 。 ，

具体的 に は 、 誘電体結 晶部 3 0 1 1 の組成 は ： 。 . _{9 6} L i 0 . 0 ₄ T a 0. _{7 7} N b 0 . _{2 3} 0 ₃ あ っ た 。 L i の 組成 比 は、 本実施 の形態で は、 0 . 0 4 で あ る が 、 0 . 0 0 1 の添加で も 相転位 を 2 次 に変化 さ せ る 効果 が あ り 、 0 . 1 ま で は立方晶 を 保 っ てお り 、 使用 が可能で あ る 。 特 に 、 0 . 0 1 〜 0 . 0 6 の範囲 では 、 結晶 の 品 質 が高 く 、 2 0 0 0 0 以上 の 比 誘電率 を 実現で き る 。

ま た 、 動作温度 は 一 1 5 °C で あ り 、 一 ； I 5 °C付近 に お け る 材料 の 比誘電率 は 2 5 0 0 0 で あ る 。

金属 薄膜電極 3 0 1 2 、 3 0 1 3 は、 光が通過す る 部 分 だ け の 必要最小限 の 面積を 有する よ う 蒸着法 に よ り 形 成 し た 。 具体的 に は、 電極 3 0 1 2 、 3 0 1 3 は 、 銀 を 蒸着す る こ と に よ り 形成 さ れ、 誘電体結 晶部 3 0 1 1 の 3 m m X 3 m mの サ イ ズ に 対 し 、 半径 1 0 mの 円 形 部 JP2004/008567

69 と 3 μ m幅 の電極取 り 出 し 部 と を有 す る 。 ま た 、 誘電体 結 晶部 3 0 1 1 の厚 さ は 5 0 mで あ り 、 銀 の 薄膜 の 厚 さ は 1 O n mで あ る 。

波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 1 は、 そ の光透過特性 の 測 定 に 際 し て 、 図 2 9 の よ う な光学系 に 実装 さ れた 。 こ の 際 、 直径 1 0 m以下 の光束 を 得 る た め に 、 フ ァ イ ノ コ リ メ ー タ 付 き シ ン グルモ ー ド フ ァ イ バ 3 0 3 2 、 3 0 3 3 を 用 い た 。

ま た 、 実際 に 当 該 フ ィ ルタ 3 0 1 の 静電容量 と 電気抵 抗 を 測 定 し た と こ ろ 、 そ れぞれ 6 0 p F と 6 Ω で あ っ た 。 こ れ ら の値力 ら 、 時定数 を 求め る と 、 3 6 0 p s e c と な る 。

上記構成よ り 、 1 . 3 T H z の F S R を有す る 波長 可 変光 フ ィ ル' タ を 作製す る 事が 出来た 。 こ の フ ィ ル 夕 に 対 し て 、 4 0 V の高周 波信号電圧 を 印加 し た と こ ろ 、 3 8 0 p s e c で動作す る 事が分 か り 、 高速動作が確認 さ れ た 。

従 っ て 、 本実施 の 形態 に係 る 波長可変光 フ ィ ル タ 3 0 1 よ れ ば、 3 8 n s e と い う 高速動作 を行 う こ と 力 S出 来 る 事がわ か っ た。

な お 、 本実施形態 に お い て は、 金属薄膜電極 3 0 1 2 、 3 0 1 3 が光 の通過す る 部分だ け の 必要最 小 限 の 面積 を有す る よ う 形成 さ れた が、 電極 の抵抗 を低減す る た め の方策 と し て 、 透明電極 の表面 を 金属薄膜で コ ー テ ィ ン グ し た構造 を採用 し た 場合で あ っ て も 、 こ れ ら の透 明電 極及 び金属薄膜 を光 の通過す る 部分だ け の必要最小限の 面積 を 有す る よ う 形成すべ き こ と は 明 ら かで あ る 。 (第 1 6 の実施 の形態）

第 1 6 の実施 の形態 に お い て は、 第 1 1 の実施 の 形態 と の差異 を説明 す る 。

第 1 6 の実施 の形態で は、 第 1 5 の実施 の 形態 に係 る 波長可変光 フ ィ ルタ 3 0 1 と 同様な波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 及び波長可変光 フ ィ ル タ 3 0 4 2 を 用 い る 。 こ れ ら は 、 F S R 力 S異な る 2 つ の フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン 型 の光 フ ィ ルタ で あ る 。 具体的 に は、 波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 は 6 0 0 G H z の F S R を 有 レ 、 波長可変光 フ イ リ I ' 夕 3 0 4 2 は 7 0 0 G H z の F S R を 有す る 。 こ れ ら 2 つ のエ タ ロ ン を組み合わ せ る 事 に よ っ て 、 以下 の 通 り 、 F S R = 4 . 2 T H z が実現 さ れ る 。

4 . 2 T H z の F S R を 実現す る た め に は、 波長可変 光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 、 3 0 4 2 のそれぞれ に お レ て 、 透 過帯域 の 中 心周 波数 を F S R 分 シ フ ト す る 必要があ る 。 透過帯域 の 中 心周 波数 は式 （ 1 0 ) に よ っ て表 さ れ る 。 こ の項 の 中 の n を電気光学効果 を 用 い て変化 さ せ る 事 に よ っ て 、 中 心周 波数 を シ フ ト さ せ る 。 K L T N に お い て は g _{1 2} = — 0 . 0 3 8 m ⁴ C ² 、 £ _r = 2 5 0 0 0 で あ り 、 ま た 、 ε 。 = 8 . 8 5 4 X 1 0 _ ^{1 2} で あ る の で 、 こ れ ら の 値 を 式 （ 1 0 )、 式 （ 1 4 )、 式 （ 1 5 ) に 代入 す る こ と に よ り 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 ( F S R 6 0 0 G Η ζ ) の場合 は 、 K L T N の厚 さ 力 1 1 5 m で あ り 、 印加電圧 を 1 1 1 V に すれ ばよ く 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 2 ( F S R 7 0 0 G H z ) の 場合 は、 K L T N の厚 さ が 9 9 mで あ り 、 印加電圧 を 9 6 λ に すれ ばよ い事がわか る 。 厚 さ と 印加電圧か ら 1 m の厚 さ あ た り に 印加す る 電圧 を 計算す る と 、 波長可変光 フ ィ ル夕 3 0 4 1 に は 0 . 9 6 V / m 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 2 に は 0 . 9 7 V ' m の電圧 を 印加すれば良 い事が分か る 。 静電容量 と 抵抗値の測 定 を 行 っ た と こ ろ 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 で は C = 2 5 ρ F 、 R = 5 0 Ω で あ り 、 波長可変光 フ ィ ル タ 3 0 4 2 で は C = 3 3 p F 、 R = 5 0 Ω で あ っ た 。 ，

次 に 、 こ れ ら の波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 、 3 0 4 2 を 図 3 0 に 示すよ う な実装す る こ と に よ り 、 2 段構成 波長可変光 フ ィ ルタ 2 0 2 を 構成 し た 。 図 3 0 に お い て 、 参照 符号 3 0 4 3 、 3 0 4 4 は フ ァ イ バ 3 U メ — 夕 付 き シ ン グルモ 一 ド フ ア イ ノ' を 表 し て レ る 。 2 つ の 波長可 変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 、 3 0 4 2 を 、 互 い に 平行な配置 か ら 2 度 の角 度で傾 け、 各波長可変光 フ ィ ル夕 の 間 の距. 離力 2 m m と な る よ う 酉己置 し た 。 フ ァ イ バ 3 り メ 一 夕 を 通 じ て 導入 し た 1 . 5 5 ]11 の光 を 直径 1 0 m以下 の 光束 に し て、 多段構成波長可変光 フ ィ ル タ 2 0 2 に 導入 し た 。 全体 を ベルチ ェ 素子で 一 1 3 °C に保 つ て特性 を 測 定 し た と こ ろ 、 4 . 1 T H z の F S R が得 ら れた 。 次 に 、 波長可変光 フ ィ ル 夕 3 0 4 1 、 3 0 4 2 に電圧 を 印加 し て 、 透過帯域 の 中 心波長 の シ フ ト を 測定 し た と こ ろ 、 F S R = 4 . 1 T H z 分 の シ フ ト が観測 で き 、 フ ィ ル 夕 と し て機能 し て い る 事が分か っ た 。

更 に 、 こ れ ら に 対 し て 、 高速動作 を確認す る た め の実 験 を 行 っ た と こ ろ 、 F S R 4 . I T H z の 2 段構成波長 可変光 フ ィ ル 夕 を 作製す る 事が 出来 た 。 ま た 、 波長可変 光 フ ィ ル ' 夕 3 0 4 1 に対 し て 3 0 V の高 周 波信号電圧 を 印力!] し 、 波長可変光 フ ィ ルタ 3 0 4 2 に対 し て 2 5 V の 高周 波信号電圧 を 印加 し た と こ ろ 、 1 0 0 p s e c で動 作す る 事が分か り 、 高速動作が確認 さ れ た 。

従 っ て 、 本実施 の 形態 に よ れ ば、 1 0 0 p s e c と い う 高速動作 を 行 う こ と が出来 る 事がわか っ た 。

以上述べた よ う に 、 第 1 5 及び 1 6 の 実施 の形態 に よ れば、 光が通過す る 部分だ け に 電極 を形 成す る こ と で 、 電極 の 面積を 小 さ く し て 、 それ に よ り 静電容量 を 低減 し 、 更 に電極 に は体積抵抗率 の低 い銀 を 用 い る 事 に よ っ て 、 1 0 0 p s e c オー ダー の 高速動作 を 実現す る 事がで き る 。 従 っ て 、 第 1 5 及び 1 6 の実施 の 形態 の波長可変 光 フ ィ ル 夕 は、 広帯域 を 高速で可変す る 事が出来 る た め 、 ノ° ケ ッ ト の ア ド · ド ロ ッ プな ど の 高機能化が可能で あ る と 共 に 、 光計測用 の 高速の波長ス ウ イ 一パ と し て も 使 用 可能で あ る 。 な お 、 透明電極 で も 同様 の実装が可能で あ る 。

以上 の 多 く の 実施 の形態 を参 照 し な が ら 、 本発 明 に係 る 波長可変光 フ ィ ル タ を 説明 し た 。 こ れ ら の実施 の 形態 にお い て は、 例 示 し た も の に 限定 さ れず、 い ずれの 実施 の 形態 に ぉ レ て も 「 K — _y L i _y T a 丄 _x N b _x 〇 ₃ の組 成 を 有 す る 結 晶 材料 」、 F K T a i _x N b _x 〇 ₃ に お け る Kの 全て 、 も し く は y L i y T a _x N b _x 〇 ₃ に お け る Kお よ び L i の 全て を B a 、 S r 、 C a の う ち の 少な く と も 一 つ の元素 で置 き 換 え 、 且つ T a お よ び N b の全て を T i で置 き 換 え た 組成 を有す る 結 晶 材料」、 「 K T a i _x N b _x 〇 ₃ に お け る Kの 全て 、 も し く は _y L i _y T a i _x N b _x 〇 ₃ に お け る K お よ び L i の 全 て を P b と し a の う ち の 少な く と も 一方 の元素 で 置 き 換 え 、 且つ T a お よ び N b の 全て を T i と Z r 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 結 晶材料」 を 用 レゝ る こ と がで き る 。

ま た 、 上記 のィ匕学式 中 の組成比 X は、 0 . 1 ≤ χ ≤ 0 5 の 範囲 内 で任意 に 調整可能で あ り 、 組成 比 y は 、 0 < y < 0 . 1 の 範囲 内 で任意 に 調整可能で あ る 。 産業上 の 利用 可能性

本発 明 は、 光通信 、 光計測等 に使用 す る 波長可変光 フ イ リレ 夕 に 関 し 、 低電圧で高速動作が可能 で あ り 、 且つ広 い波長帯域 に わ た っ て波長 を 変化 さ せ る こ と がで き る 波 長可変光 フ ィ ル 夕 を 提 供す る こ と が可能 で あ る 。

Claims

請求 の 範囲

1 . 立方晶構造 を 有 し 2 次 の電気光学勃果 を 呈す る 誘 電体結 晶 か ら 形成 さ れ る 光透過性 の 誘電体結 晶部 （ 2 ； 2 8 , 3 0 ； 3 8 ； 1 1 2 _; 1 1 7 ； 1 8 2 , 1 8 4 ; 2 0 2 , 2 0 4 , 2 0 6 , 2 0 8 ; 2 0 1 1 ; 3 0 1 1 ) と 、

前記誘電体結 晶部 と と も に フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ ロ ン を 構成す る ミ ラ 一部 （ 5 , 6 ; 2 7 ， 2 9 , 3 1 ; 3 9 , 4 1 ； 1 1 1 , 1 1 5 ; 1 8 1 , 1 8 5 ； 2 0 1 , 2 0 5 , 2 0 9 ; 2 0 1 4 , 2 0 1 5 ) と 、 ，

前記電気光学効果 を 介 し て 当 該エ タ 口 ン の透過光の 波 長 を 変化 さ せ る ベ く 前記誘電体結晶部 に 電圧 を 印加す る た め の 電極 （ 3 ， 4 ; 3 3 〜 3 6 ; 4 0 , 4 3 ; 1 1 4 , 1 1 8 ； 1 8 7 , 1 8 8 ; 2 1 2 〜 2 1 5 ; 2 0 1 2 , 2 0 1 3 ; 3 0 1 2 ， 3 0 1 3 ) と 、 を有す る こ と を 特徴 と す る 波長可変光 フ ィ ル タ 。

2 . 前記電極 （ 3 ， 4 ; 3 3 〜 3 6 ; 4 0 , 4 3 ； 2 0 1 2 ， 2 0 1 3 ) が前記透過光 に 対 し て透 明 な透明電 極で あ る と と も に 前記誘電体結 晶部 に 隣接 し て配置 さ れ 、 前記 ミ ラ 一部 （ 5 , 6 ; 2 7 , 2 9 , 3 1 ; 3 9 , 4 1 ； 2 0 1 4 , 2 0 1 5 ) が誘電体多層膜で形成 さ れ る 誘電体多層膜 ミ ラ ー部で あ る と と も に 当 該電極 に 隣接 し て配置 さ れる こ と を特徴 と す る 請求 の 範囲第 1 項 に記載 の波長可変光 フ ィ ル夕 。

3 . さ ら に 1 以上 の 前記誘電体結 晶部 と 前記透明電極 と を 備 え 、 前記誘電体結 晶部 （ 3 8 ) と 前記透 明 電極 （

4 0 ， 4 3 ) が交互 に 配置 さ れ、 当 該交互配置 に よ り 形 成 さ れた多層体 を挾む よ う に 前記誘電体多層 膜 ミ ラ ー 部

( 3 9 ， 4 1 ) が形成 さ れ る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範 囲第 2 項 に 記載 の波長可変光 フ ィ ル タ 。

4 . 追加 の 前記誘電体多層膜 ミ ラ 一部 を備 え 、 前記誘 電体結 晶部の い ずれ も が前記透明電極 に よ り 挟 ま れ、 前 記追加 の 誘電体多層膜 ミ ラ 一 部 は 当 該透 明電極 に よ り 挟 ま れ る よ う 構成 さ れ る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範囲 第 3 項 に 記載 の波長可変光 フ ィ ル 夕 。

5 . 前記電極 （ 3 0 1 2 , 3 0 1 3 ) が、 金属力ゝ ら 形 成 さ れ る 金属電極で あ る と と も に 誘電体結晶部 に 隣接 し て 配置 さ れ、 か つ 、 前記 ミ ラ 一 部 を 兼ね る こ と を特徴 と す る 請求 の範囲第 1 項 に記載 の波長可変光 フ ィ ル タ 。

6 . 前記電極が、 前記透明電極の表面 に コ ー テ ィ ン グ さ れた 金属薄膜 を更 に 有す る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範 囲 第 2 項又 は第 3 項 に 記載 の 波長可変光 フ ィ ル タ 。

7 . 前記電極 （ 3 0 1 2 , 3 0 1 3 ) が、 実質 的 に 前 記透過光が通過す る 部分 に だ け形成 さ れて い る こ と を 特 徵 と す る 請求 の 範囲 第 5 項 に 記載 の波長可変光 フ ィ ル 夕 。

8 . 前記金属 薄膜が、 実質 的 に 前記透過光 が通過す る 部分 に だ け形成 さ れて い る こ と を特徴 と す る 請求 の範囲 第 6 項 に記載の波長可変光 フ ィ ル タ 。

9 . 前記電極 （ 1 1 4 , 1 1 8 ； 1 8 7 , 1 8 8 ； 2 1 2 〜 2 1 5 ) が、 前記誘電体結 晶部 （ 1 1 2 ， 1 1 7 ; 1 8 2 , 1 8 4 ； 2 0 2 , 2 0 4 , 2 ,0 6 , 2 0 8 ) を 透過す る 光の 透過方向 と 直交 し 且つ 互 い に 直交す る 2 つ の方 向 に電界 を発 生 さ せ る よ う に 設 け ら れ る こ と を特 徴 と す る 請求の 範囲 第 1 項 に 記載 の 波長可変光 フ ィ ル タ

1 0 . さ ら に 1 以上 の 前記誘電体結 晶部 を 備 え 、 前記 誘電体結 晶部の それぞれ （ 2 0 2 , 2 0 4 , 2 0 6 ， 2

0 8 ) に 対 し 、' 前記電極 2 1 2 〜 2 1 5 ) が 当 該誘電 体結 晶部 を透過す る 光 の透過方 向 と 直交 し且つ互 い に 直 交す る 2 つ の方 向 に電界 を発 生 さ せ る よ う に設 け ら れて い る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範囲 第 1 項 に記載 の 波長可 変光 フ ィ ル タ 。

1 1 . 前記誘電体結晶部の それぞれ は、 '異な る F S R を有す る こ と を特徴 と す る 請求 の範囲 第 3 項 に 又 は第 1 0 項 に記載 の波長可変光 フ ィ ル 夕 。

1 2 . 前記誘電体結晶部の誘電率 よ り も 誘電率が小 さ い絶縁体か ら 形成 さ れ る 絶縁層 （ 1 1 3 ; 1 8 3 ； 2 0

3 , 2 0 7 ) を更 に備 え 、 該絶緣層 は、 前記誘電体結 晶 部 を 前記 2 つ の方 向 の う ち 一 の方向 に電界が生 じ る 第 1 の部分 と 他 の方 向 に電界が生 じ る 第 2 の部分 と に分割す る よ う に挿 入 さ れて い る こ と を 特徴 と す る請求 の範囲第 9 項か ら 第 1 1 項 に記載の波長可変光 フ ィ ル タ 。

1 3 . 前 記絶縁体は 、 T e O ₂ を 主成分 と す る ガ ラ ス 、 S i 〇 ₂ 、 A 1 ₂ 0 ₃ 、 若 し く はポ リ マ 一 の いずれ力、 又 は こ れ ら の 複合体で あ る こ と を特徴 と す る 請求 の 範囲第 1 2 項 に記載の波長可変光 フ ィ ル タ 。

1 4 . 前記誘電体結 晶部 を 形 成す る 誘電体結 晶 の温度 を管理す る た め の温度調整装 置 を 更 に有する こ と を特徴 と す る 請求 の 範囲第 1 項か ら 第 1 3 項 の いずれか一項 に 記載 の 波長可変光 フ ィ ルタ 。

1 5 . 前記誘電体結晶部 を 形成す る 誘電体結晶 は単結 晶 で あ り 、 そ の一 の結晶軸の軸方向 が前記誘電体結 晶部 を 透過す る 光 の透過方向 と 一致す る こ と を特徴 と す る 請 求 の 範囲 第 1 項か ら 第 8 項 の い ずれか一項 に 記載 の波長 可変光 フ ィ ル タ 。

1 6 . 前記誘電体結晶部 を 形成す る 誘電体結 晶 は多結 晶 で あ り 、 少な く と も 一 の結 晶軸 の軸方向が前 記誘電体 結 晶部 を 透過す る 光 の透過方 向 と 一致す る こ と を特徴 と す る 請求 の範囲 第 1 項か ら 第 8 項 の い ずれか 一項 に記載 の 波長可変光 フ ィ ル タ 。

1 7 . 前記誘電体結 晶 は、 K i — _y L i _y T a ！ _ _x N b _x 〇 ₃ 0化 学組 成 を 有 す る こ と を 特徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 1 項か ら 第 1 6 項 の いずれか一項 に 記載 の 波長可変光 フ ィ ル タ 。

1 8 . 前 記誘電体結 晶 は 、 K T a — _x N b _x 〇 ₃ に お け る K の全て 、 も し く は K i — _y L i _y T a ！ _ _x N b _x O 3 に お け る K お よ び L i の全て を B a 、 S r 、 C a の う ち の 少な く と も 一つ の元素で置 き換 え 、 且つ T a お よ び N b の全て を T i で置 き換 え た 組成 を 有す る こ と を特徴 と す る 請求 の 範囲 第 1 項か ら 第 1 6 項 の いずれか一項 に 記 載 の波長可変光 フ ィ ル夕 。

1 9 . 前記 誘電体結 晶 は、 K T a _x N b _x 0 ₃ に お け る Kの 全て 、 も し く は K i — _y L i _y T a — _x N b _x 〇 ₃ に お け る Kお よ び L i の 全て を P b と L a の う ち の 少な く と も 一方 の元 素で置 き 換え 、 且つ T a お よ び N b の全 て を T i と Z r 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 の範囲第 1 項 か ら 第 1 6 項 の い ずれか一項 に 記載 の 波長可変光 フ ィ ル 夕 。

2 0 . 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 の第 2 の組成比 と し て の前記 y は、 0 よ り 大 き く 0 . 1 未満で あ る こ と を特徴 と す る 請求 の 範囲第 1 7 項か ら 第 1 9 項 の い ずれか一項 に記載 の波長可変光 フ ィ ル 夕

2 1 . 請求 の 範囲 第 1 項か ら 第 2 0 項 の い ずれか一項 に 記載 の 波長可変光 フ ィ ル タ を 複数個含 み 、 各波長可変 光 フ ィ ル タ は、 当 該波長可変光 フ ィ ル 夕 へ入射すべ き 光 の進行方 向 に沿 っ て設 け ら れ る 、 多段構成波長可変光 フ ィ ル 夕 。

2 2 . 各波長可変光 フ ィ ル 夕 の誘電体結 晶部 を 形成す る 誘電体結 晶 の結 晶軸 と 直交す る 面 と 、 前記光 の進行方 向 と 直交す る 面 と が 2 度以上 の 角 度で傾 い て い る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範囲第 2 1 項 に記載 の多段構成波長可 変光 フ ィ ル 夕 。