專利名稱：可變波長光學(xué)過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信、光計(jì)測等中使用的可變波長光學(xué)過濾器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，除光通信系統(tǒng)的大容量化、高速化以及高性能化之外，在將光纖導(dǎo)入到各個(gè)家庭等接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中也在使用光通信。今后更加期待要求網(wǎng)絡(luò)的高性能，波長的有效利用得到進(jìn)一步發(fā)展。
在密集波分復(fù)用(D-WDMDense Wavelength Division Multiplexing)中，通過以極短的波長間隔多路復(fù)用不同的多個(gè)光，在一個(gè)波導(dǎo)路徑上傳送，謀求增大通信容量。在發(fā)送側(cè)，例如，以0.8nm這樣極短的間隔在數(shù)十nm程度的范圍多路復(fù)用波長不同的多個(gè)光，由此，高密度地發(fā)送多個(gè)信號(hào)。與其對(duì)應(yīng)，在接收側(cè)，通過從這些多個(gè)光中只接收具有規(guī)定波長的光來取出必要的信號(hào)。這樣，為從以高密度發(fā)送來的信號(hào)中只高精度地獲得特定的信號(hào)，必須使用充分確保透射頻帶、而且具有和相鄰信道的串?dāng)_充分小那樣的陡峭的譜的光學(xué)過濾器。
另外，這樣的光學(xué)過濾器，不限于從傳送波長不同的多個(gè)光的網(wǎng)絡(luò)中只取出具有希望波長的光的場合，在多路復(fù)用多個(gè)光的場合，在監(jiān)視具有特定的波長的光的發(fā)送狀況的場合等，也不能缺少。
迄今，作為可變波長光學(xué)過濾器，提出了衍射光柵型過濾器、法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器、干涉型過濾器、以及音響光學(xué)型過濾器等。這些過濾器，雖然其原理各異，但是因?yàn)槎际峭ㄟ^以機(jī)械方式使某部分的長度變化、改變對(duì)于入射光的角度、改變溫度來改變波長，所以基本上其可變速度的界限為0.1～1msec?；跈C(jī)械變化的過濾器，例如，在Staffan Greek，Ram Gupta，and Klas Hjort，“Mechanical Consideration in the Design of a MicromechanicalTuneable InP-Baser WDM Filter”，JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEM，(USA)，1999，VOL.8，No.3，pp328-334中已有記述。
因此，在上述技術(shù)中，存在原理上不能實(shí)現(xiàn)下一代光網(wǎng)絡(luò)要求的光數(shù)據(jù)包的插·分(add-drop)等中必要的1～10nsec的動(dòng)作速度的問題。
另一方面，認(rèn)為使用電介質(zhì)結(jié)晶或者強(qiáng)電介質(zhì)結(jié)晶的電光效應(yīng)的可變波長光學(xué)過濾器是解決上述問題的有效的手段。但是，在使用電光效應(yīng)的過濾器中，因?yàn)槠淇勺儾ㄩL范圍與折射率的變化量成比例，例如對(duì)于1500nm的波長，要實(shí)現(xiàn)30nm的可變波長頻帶，需要使材料的折射率變化30/1500亦即2％?，F(xiàn)在，因?yàn)樽鳛榫哂须姽庑?yīng)的結(jié)晶一般使用的LiNbO3即使在最大的電光常數(shù)下為r33＝31pm/V，所以為實(shí)現(xiàn)約2％的折射率變化所需要的電場就為3×109V/m，是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，為實(shí)現(xiàn)該折射率變化，需要具有更大的電光效應(yīng)的材料。
鑒于這樣的情況，本發(fā)明的目的是提供一種這樣的可變波長光學(xué)過濾器，即它能夠在不使施加在電光結(jié)晶上的每單位厚度的電壓增大而能保證充分的可變波長頻帶。亦即，本發(fā)明的目的，是提供可以以低電壓驅(qū)動(dòng)、而且能夠在寬廣的波長頻帶使波長變化的可變波長光學(xué)過濾器。
本發(fā)明的另外的目的，是提供提高了動(dòng)作速度的可變波長光學(xué)過濾器。
本發(fā)明的再一目的，是提供通過縮小電極的面積能夠減低靜電電容的可變波長光學(xué)過濾器。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第一形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器具有由具有立方結(jié)晶結(jié)構(gòu)、呈現(xiàn)2次電光效應(yīng)的電介質(zhì)結(jié)晶形成的光透過性的電介質(zhì)結(jié)晶部；與所述電介質(zhì)結(jié)晶部一同構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具的反射鏡部；通過所述電光效應(yīng)為在要使該標(biāo)準(zhǔn)具的透過光的波長變化的所述電介質(zhì)結(jié)晶部上施加電壓的電極。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第二形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器，所述電極對(duì)于所述透過光是透明的透明電極同時(shí)鄰接所述電介質(zhì)結(jié)晶部配置；所述反射鏡部是用電介質(zhì)多層膜形成的電介質(zhì)多層膜反射鏡部同時(shí)鄰接該電極配置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第三形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器，還具有一個(gè)或者一個(gè)以上的所述電介質(zhì)結(jié)晶部和所述透明電極。所述電介質(zhì)結(jié)晶部和所述透明電極被交互配置，要夾住通過該交互配置形成的多層體那樣地形成所述電介質(zhì)多層膜反射鏡部。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第四形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電極是用金屬形成的金屬電極同時(shí)鄰接電介質(zhì)結(jié)晶部配置，而且兼作所述反射鏡部。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第五形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電極還具有在所述透明電極的表面上涂覆的金屬薄膜。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第六形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電極，僅在實(shí)質(zhì)上所述透過光通過的部分上形成。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第七形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述金屬薄膜僅在實(shí)質(zhì)上所述透過光通過的部分上形成。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第八形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電極，被設(shè)置成與透過所述電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向正交且在互相正交的兩個(gè)方向上發(fā)生電場。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第九形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器還具有一個(gè)或者一個(gè)以上的所述電介質(zhì)結(jié)晶部。對(duì)于所述電介質(zhì)結(jié)晶部的每一個(gè)，所述電極，被設(shè)置成與透過該電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向正交且在互相正交的兩個(gè)方向上發(fā)生電場。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第十形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器，所述電介質(zhì)結(jié)晶部的每一個(gè)具有不同的FSR。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第十一形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器，還具有由電容率比所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電容率小的絕緣體形成的絕緣層。插入該絕緣層以使將所述電介質(zhì)結(jié)晶部分割為在所述兩個(gè)方向中的一個(gè)方向上產(chǎn)生電場的第一部分和在另一方向上產(chǎn)生電場的第二部分。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十二形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述絕緣體是以TeO2為主要成分的玻璃、SiO2、Al2O3、或者聚合物中的任何一個(gè)或者它們的復(fù)合體。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第十三形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器，還具有用于管理形成所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的溫度的溫度調(diào)整裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十四形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，形成所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶是單結(jié)晶，其一個(gè)結(jié)晶軸的軸方向和透過所述電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向一致。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十五形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，形成所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶是多結(jié)晶，至少一個(gè)結(jié)晶軸的軸方向和透過所述電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向一致。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十六形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電介質(zhì)結(jié)晶，具有K1-yLiyTa1-xNbxO3的化學(xué)成分。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十七形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電介質(zhì)結(jié)晶，具有用Ba、Sr、Ca中的至少一個(gè)元素置換KTa1-xNbxO3中的K的全部或者K1-yLiyTa1-xNbxO3中的K以及Li的全部、且用Ti置換Ta以及Nb的全部的組成。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十八形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，所述電介質(zhì)結(jié)晶，具有用Pb和La中的至少一個(gè)元素置換KTa1-xNbxO3中的K的全部、或者K1-yLiyTa1-xNbxO3中的K以及Li的全部、且用Ti和Zr中的至少一個(gè)元素置換Ta以及Nb的全部的組成。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第十九形態(tài)的可變波長光學(xué)過濾器中，作為在所述電介質(zhì)結(jié)晶的組成中的第一組成比的所述x，大于等于0.1小于等于0.5，作為所述電介質(zhì)結(jié)晶的第二組成比的所述y，比0大比0.1小。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，涉及本發(fā)明的第二十形態(tài)的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器包含多個(gè)所述的可變波長光學(xué)過濾器。各可變波長光學(xué)過濾器，沿向該可變波長光學(xué)過濾器要入射的光的行進(jìn)方向進(jìn)行設(shè)置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在涉及本發(fā)明的第二十一形態(tài)的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器中，與形成各可變波長光學(xué)過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的結(jié)晶軸正交的面和與所述光的行進(jìn)方向正交的面以大于等于2度的角度傾斜。
在本發(fā)明中，因?yàn)槭褂镁哂辛⒎浇Y(jié)晶結(jié)構(gòu)、呈現(xiàn)2次電光效應(yīng)的電介質(zhì)結(jié)晶，因此可以實(shí)現(xiàn)歷來不能實(shí)現(xiàn)的以高速而且低電壓能夠驅(qū)動(dòng)的可變波長光學(xué)過濾器。
另外，本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器，因?yàn)榭梢栽趯掝l帶以高速改變波長，所以可以實(shí)現(xiàn)包的插·分等的高功能化，同時(shí)，也可以作為光計(jì)測用的高速的波長掃描振蕩器(スウイ-パSweeper)使用。
再有，根據(jù)涉及本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器，通過使用FSR不同的兩個(gè)或者兩個(gè)以上的法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器，可以降低在結(jié)晶的單位厚度上施加的電壓，因此可以在沒有特殊要求的條件下發(fā)揮希望的2次的電光效應(yīng)。
再有，通過縮小電極面積可以減低靜電電容。再有，通過在電極上使用體積電阻率低的金屬(例如銀)，可以實(shí)現(xiàn)10nsec數(shù)量級(jí)的高速動(dòng)作。


圖1是表示涉及本發(fā)明的第一實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖2是裝備圖1的可變波長光學(xué)過濾器的可變波長光學(xué)過濾器組件的概略圖；圖3是包含圖2的可變波長光學(xué)過濾器組件的測定系統(tǒng)的概略圖；圖4是表示圖1的可變波長光學(xué)過濾器的透射譜的圖；圖5是表示圖1的可變波長光學(xué)過濾器的3dB頻帶的圖；圖6是表示圖1的可變波長光學(xué)過濾器的波長可變特性的圖；圖7是表示圖1的可變波長光學(xué)過濾器的高速響應(yīng)特性的圖；圖8是表示涉及本發(fā)明的第二實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖9是表示圖8的可變波長光學(xué)過濾器的透射譜的圖；圖10是表示涉及本發(fā)明的第三實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖11是表示涉及本發(fā)明的第六實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖12是備有圖11的可變波長光學(xué)過濾器的可變波長光學(xué)過濾器組件的結(jié)構(gòu)圖；
圖13是包含圖12的可變波長光學(xué)過濾器組件的測定系統(tǒng)的概略圖；圖14是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器的透射譜的圖；圖15是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器的3dB頻帶的圖；圖16是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器的波長可變特性的圖；圖17是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器的高速響應(yīng)特性的圖；圖18A是表示涉及本發(fā)明的第七實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖18B是表示圖18A的可變波長光學(xué)過濾器的上部的電極的俯視圖；圖18C是表示圖18A的可變波長光學(xué)過濾器的下部的電極的俯視圖；圖19是表示圖18A的可變波長光學(xué)過濾器的波長可變特性的圖；圖20是表示涉及本發(fā)明的第八實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖21是表示圖20的可變波長光學(xué)過濾器的透射譜的圖；圖22是表示構(gòu)成涉及從本發(fā)明的第十一到第十三實(shí)施方式的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖23是表示涉及本發(fā)明的第十一實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的圖；圖24是表示涉及本發(fā)明的第十二實(shí)施方式的3級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的圖；圖25是表示涉及本發(fā)明的第十三實(shí)施方式的4級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的圖；圖26是表示涉及第十四實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的圖；圖27是表示涉及本發(fā)明的第十五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖28是表示涉及本發(fā)明的第十五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖29是表示涉及本發(fā)明的第十五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的圖；圖30是表示涉及本發(fā)明的第十六實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的圖。
具體實(shí)施例方式
以下，對(duì)于本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器分成多個(gè)實(shí)施方式參考附圖詳細(xì)說明。此外，在用于說明實(shí)施方式的全部附圖中，在相同的要素中附與相同的符號(hào)，省略對(duì)于它們的反復(fù)的說明。
(第一到第五實(shí)施方式)在說明第一到第五實(shí)施方式前，說明這些實(shí)施方式的基本原理。
第一到第五實(shí)施方式，其特征在于，使用由具有K1-yLiyTa1-xNbxO3(KLTN)的組成的結(jié)晶材料構(gòu)成的法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器。
KLTN，伴隨溫度的上升從正方結(jié)晶向立方結(jié)晶變化結(jié)晶系，在立方結(jié)晶中，具有大的2次電光效應(yīng)。特別，在接近向正方結(jié)晶的相轉(zhuǎn)移溫度的溫度區(qū)域中，引起電容率發(fā)散的現(xiàn)象，極大地發(fā)揮與電容率的平方成比例的2次電光效應(yīng)。
這一現(xiàn)象在KTa1-xNbxO3(KTN)中也會(huì)發(fā)生。但是，KTN的相轉(zhuǎn)移為1次的相轉(zhuǎn)移，在到達(dá)十分高的電容率前發(fā)生相轉(zhuǎn)移，故此很難得到高的效率。另外因?yàn)榘殡S潛熱存在磁滯，所以，存在難以進(jìn)行溫度管理的問題。亦即，在伴隨潛熱的相轉(zhuǎn)移的場合，動(dòng)作溫度變化到了相轉(zhuǎn)移溫度或以下的話，結(jié)晶構(gòu)造從立方結(jié)晶向正方結(jié)晶變化，發(fā)生即使再次使溫度回到動(dòng)作溫度也不能回到立方結(jié)晶的現(xiàn)象(磁滯)。
另外，在具有1次相轉(zhuǎn)移的結(jié)晶中，除了這樣的磁滯，由于重復(fù)進(jìn)行相轉(zhuǎn)移有時(shí)在結(jié)晶中發(fā)生裂紋。因此，需要嚴(yán)密管理結(jié)晶的溫度。理論上說，理想的是動(dòng)作溫度無限地接近結(jié)晶的相轉(zhuǎn)移溫度，但是在實(shí)用上，把動(dòng)作溫度設(shè)定為比相轉(zhuǎn)移溫度高3～10℃。
設(shè)定為這樣的溫度，是因?yàn)樵谂蔂柼?ペルチエ)元件的溫度變動(dòng)(±0.1℃)外，要考慮溫度初始設(shè)定時(shí)的過沖(1～2℃)等。為避免溫度變動(dòng)的影響，理想的是使動(dòng)作溫度離開相轉(zhuǎn)移溫度，但是因?yàn)殡姽庑?yīng)的效率與(1/(T-Tc))2(T是動(dòng)作溫度，Tc是相轉(zhuǎn)移溫度)成比例降低，所以若離開3℃的話則降低到1/9，若離開10℃的話則降低到1/100。因此，在具有1次相轉(zhuǎn)移的結(jié)晶中看到的這樣的現(xiàn)象，成為可變波長光學(xué)過濾器實(shí)用上大的問題。為盡可能維持接近相轉(zhuǎn)移溫度的動(dòng)作溫度，需要使用具有不伴隨潛熱或磁滯的2次相轉(zhuǎn)移的材料。
因此，在第一到第五實(shí)施方式中，使用將KTN的K的一部分置換為了Li的KLTN。KLTN，因?yàn)楸硎敬笾律?次的可逆相轉(zhuǎn)移，具有高的電容率，所以可以提供溫度管理變得容易的實(shí)用上大的改善。
具體說，不需要考慮派爾帖元件等的初始的過沖，只考慮該元件的溫度變動(dòng)量的±0.1℃即可。因此，只要離開相轉(zhuǎn)移溫度0.2℃，就可以得到穩(wěn)定的動(dòng)作，就可以將電容率的降低減小到可以忽略的程度。
其結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)高效率的動(dòng)作，能夠以比較低的電壓實(shí)現(xiàn)為確保寬的可變波長光學(xué)過濾器的波長可變頻帶所需要的折射率變化。
另外，利用該2次電光效應(yīng)的光器件的動(dòng)作溫度為從結(jié)晶的立方結(jié)晶向正方結(jié)晶的相轉(zhuǎn)移溫度近旁，而KLTN結(jié)晶，通過改變Ta和Nb的組成比，可以使從常規(guī)介電感應(yīng)到強(qiáng)介電感應(yīng)(結(jié)晶系中從立方結(jié)晶到正方結(jié)晶)的相轉(zhuǎn)移溫度從大致絕對(duì)零度到400℃變化。
因此，還有能夠容易地把使用這種材料制作的可變波長光學(xué)過濾器的動(dòng)作溫度設(shè)定到室溫附近的優(yōu)點(diǎn)。此外，該可變波長光學(xué)過濾器，還具有在結(jié)晶成為立方結(jié)晶的區(qū)域使用，另外，能夠無雙折射、不依賴偏振波動(dòng)作的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在具有電光效應(yīng)的法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器的場合，波長變化頻帶依賴于由材料的電光效應(yīng)引起的折射率變化。亦即，為用低電壓實(shí)現(xiàn)大的波長可變頻帶，必須使用具有大的電光效應(yīng)的結(jié)晶材料。在這種場合，以KTN為首的2次電光結(jié)晶，如上所述在相轉(zhuǎn)移溫度附近具有大的電光效應(yīng)，LiNbO3等，作為具有1次電光效應(yīng)的電光結(jié)晶，比之一般所知道的結(jié)晶能夠?qū)崿F(xiàn)十分大的折射率變化。因此，比使用了歷來的電光結(jié)晶的場合，還能夠制作波長可變頻帶更寬的過濾器。
但是，可用一個(gè)過濾器實(shí)現(xiàn)的可變頻帶，因?yàn)樵谕ㄐ挪ㄩL帶中50nm左右是界限，因此在需要頻帶更寬的可變波長光學(xué)過濾器的場合，理想的是將過濾器構(gòu)成為多級(jí)。但是電介質(zhì)多層膜反射鏡間的間隔必須是半波長的整數(shù)倍，根據(jù)其大小決定透過光的波長間隔(FSRFree Spectral Range)。如果將該FSR不同的過濾器組合，在保持減小了一個(gè)過濾器的可變波長寬度的狀態(tài)下，也可以實(shí)現(xiàn)波長可變頻帶寬的可變波長光學(xué)過濾器。
再有，因?yàn)閺牡谝坏降谖鍖?shí)施方式的波長變化頻帶由在過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶中產(chǎn)生的電場決定，所以在該結(jié)晶上施加的電壓，依賴于在過濾器中使用的結(jié)晶的厚度。如果要得到小的可變波長寬度，則需要使FSR小，其結(jié)果，結(jié)晶就變厚。這樣，盡管需要的電場小，但是必須提高施加電壓，結(jié)果招致電源的負(fù)荷增大。
與此相對(duì)，通過和多個(gè)透明電極交互配置使厚度的合計(jì)成為為得到希望的FSR所需要的值的多個(gè)電介質(zhì)結(jié)晶部，可以減低施加電壓。亦即，在隔著一個(gè)透明電極相鄰的兩個(gè)電介質(zhì)結(jié)晶部中，使發(fā)生方向相互不同的電場那樣地在該透明電極上施加電壓時(shí)，其電壓，比之具有一個(gè)電介質(zhì)結(jié)晶部的可變波長光學(xué)過濾器的場合，可以減低到用電介質(zhì)結(jié)晶部的數(shù)目除上述所需要的值得到的值。
再有，因?yàn)樵摽勺儾ㄩL光學(xué)過濾器的動(dòng)作，由于是基于電光效應(yīng)，所以原理上能夠?qū)崿F(xiàn)大于等于1GHz的高速響應(yīng)。
從以上可知，第一到第五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器，可以實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作、低驅(qū)動(dòng)電壓、不依賴偏振波、寬的波長可變頻帶等、用迄今的可變波長光學(xué)過濾器不能實(shí)現(xiàn)的高性能。
下面詳細(xì)說明第一到第五實(shí)施方式的每一個(gè)。以下的實(shí)施方式，說到底是用來說明本發(fā)明的，不是限制本發(fā)明的范圍的。因此，只要是本領(lǐng)域的技術(shù)人員，都可以采用包含這些各個(gè)要素或全部要素的各種實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
(第一實(shí)施方式)圖1表示根據(jù)第一實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)本實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器1的電介質(zhì)結(jié)晶部2，由KLTN結(jié)晶形成。KLTN通過調(diào)整Li和Nb的組成比，可以調(diào)整相轉(zhuǎn)移溫度。
形成電介質(zhì)結(jié)晶部2的KLTN結(jié)晶的組成，是K0.97Li0.03Nb0.35O3，相轉(zhuǎn)移溫度是19℃。在本實(shí)施方式中，Li的組成比為0.03，但是組成比為0.001也能得到2次相轉(zhuǎn)移，到0.1，在實(shí)用上適當(dāng)?shù)膭?dòng)作溫度范圍內(nèi)可以維持立方結(jié)晶。因此，如果是這一范圍，可以得到實(shí)用上合適的過濾器。特別，在0.01～0.06的范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶品質(zhì)高、大于等于20000的電容率。
另外，對(duì)于相轉(zhuǎn)移溫度是19℃，動(dòng)作溫度是20℃，20℃下的材料的電容率，分別是30000。
另外，相轉(zhuǎn)移溫度根據(jù)Nb和Ta的比可以設(shè)定為寬廣的溫度范圍。例如，在Ta的組成比是0.5的場合，相轉(zhuǎn)移溫度是100℃，在0.9的場合是-100℃。因此，如在該組成范圍內(nèi)，則通過冷卻·加熱裝置，可以構(gòu)成可實(shí)用的過濾器。再有，希望在用派爾帖元件能控制溫度的-20～80℃的范圍內(nèi)具有相轉(zhuǎn)移的結(jié)晶，在這種場合，Ta的組成比是0.55～0.7。進(jìn)而，為使派爾帖元件的消費(fèi)電力盡可能小，希望設(shè)定為室溫附近的相轉(zhuǎn)移溫度，如果把相轉(zhuǎn)移溫度設(shè)定為10～40℃，則Ta的組成比是0.6～0.67。
動(dòng)作溫度和相轉(zhuǎn)移溫度的關(guān)系，如前所述，因?yàn)槠洳钤叫。娇梢缘玫礁叩男?，所以希望盡可能使其一致。如果容許派爾帖元件的溫度變動(dòng)以及電光效應(yīng)的效率降低到1/100，則可以取滿足0.2℃＜(T-Tc)＜10℃的范圍的溫度(這里T是動(dòng)作溫度，Tc是相轉(zhuǎn)移溫度)。
參照?qǐng)D1，本實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器1，在玻璃基板7上形成，用ITO(Indium-Tin Oxide)透明電極3和4夾持由電介質(zhì)結(jié)晶形成的電介質(zhì)結(jié)晶部(KLTN結(jié)晶板)2，用還在其外側(cè)配置的電介質(zhì)多層膜反射鏡5和6構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具。
電介質(zhì)多層膜反射鏡5和6，使用一般材料的SiO2/Nb2O5形成。
可變波長光學(xué)過濾器1，設(shè)想在1530～1570nm的通信波長頻帶(C頻帶)中使用，設(shè)計(jì)成在無電場時(shí)透過具有1530nm波長的光。另外，為實(shí)現(xiàn)40nm的可變頻帶，過濾器的FSR也設(shè)定為40nm。在這一場合，KLTN的厚度為約13μm。透過頻帶，根據(jù)電介質(zhì)多層膜反射鏡5和6的反射率調(diào)整，在本實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)電介質(zhì)多層膜反射鏡5和6以使在1530nm下的反射率為90％。
在本實(shí)施方式中使用的KLTN，如前所述，具有2次的電光效應(yīng)，在施加電場時(shí)的折射率變化量用下式表示Δn＝-1/2×n03×ε02×εr2×g12×E2...(1)
這里，Δn為折射率變化，n0是施加電場前的折射率，ε0是真空的介電常數(shù)，εr是結(jié)晶的電容率，g12是2次的電光常數(shù)，E是施加電場強(qiáng)度。另外，KLTN的電光常數(shù)為g12＝-0.038m4/C2。從式(1)可知，折射率變化與電場強(qiáng)度的平方成比例。
圖2表示具備圖1的可變波長光學(xué)過濾器的可變波長光學(xué)過濾器組件10的結(jié)構(gòu)。
可變波長光學(xué)過濾器1用焊錫固定在形成配線圖形的基板15上。電極16通過導(dǎo)線連接器連接在框架13上設(shè)置的框架電極17。從光纖14射出的光19，通過瞄準(zhǔn)透鏡12入射到可變波長光學(xué)過濾器1，透過可變波長光學(xué)過濾器后，同樣通過瞄準(zhǔn)透鏡12入射到射出側(cè)的光纖18。
圖3是包含圖2的可變波長光學(xué)過濾器組件10的測定系統(tǒng)的概略圖。
在該測定系統(tǒng)中，首先，使從ASE(不相干的)光源20射出的光入射到可變波長光學(xué)過濾器組件10，由光譜分析儀21檢測射出光。
在進(jìn)行高速動(dòng)作測定時(shí)，通過放大器23放大使用函數(shù)發(fā)生器22發(fā)生的電壓，把放大過的電壓施加在可變波長光學(xué)過濾器組件10內(nèi)的可變波長光學(xué)過濾器1(圖2)上，用光檢測器(Photo DetectorPD)24檢測從該過濾器1來的透過光，用示波器25觀察響應(yīng)特性。
此外，形成電介質(zhì)結(jié)晶部2的電介質(zhì)結(jié)晶，可以是單晶體也可以是多晶體。在單晶體的場合，將其一個(gè)結(jié)晶軸配置為與所述光的透過方向一致。在多晶體的場合，將其至少一個(gè)結(jié)晶軸配置為與所述光的透過方向一致。
圖4表示可變波長光學(xué)過濾器1的光透過光譜，圖5表示可變波長光學(xué)過濾器1的過濾器的透過頻帶。
如圖4所示，可知透過頻帶的中心波長按照設(shè)計(jì)為1530nm，F(xiàn)SR為40nm。另外，在本實(shí)施方式中，通過圖3的3dB耦合器用3dB規(guī)定的透過光譜寬如圖5所示，為13.5GHz。此外，和截止頻帶的消光比被確保為-40dB。
圖6表示圖1的可變波長光學(xué)過濾器1的波長可變特性。如圖所示，在可變波長光學(xué)過濾器1中，在施加32V的電壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化。
下面，說明該可變波長光學(xué)過濾器1的高速響應(yīng)特性。高速響應(yīng)特性按如下方法進(jìn)行測定。首先，將可變波長光學(xué)過濾器1配置在使用了兩個(gè)透鏡的瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中后，進(jìn)行可結(jié)合光纖的安裝，用金線把從透明電極中取出的金屬配線連接到框架上，制作了圖2所示的組件10。接著，把來自ASE光源20(圖3)的光導(dǎo)入光纖14(圖2)，使來自該可變波長光學(xué)過濾器14的射出光通過了可變波長光學(xué)過濾器1(中心通過波長1570nm)之后，由光檢測器24接受光。這里，從脈沖圖形發(fā)生器22來的1GHz的矩形電壓由放大器放大，在可變波長光學(xué)過濾器1的電極3、4(圖1)上施加32V的重復(fù)電壓，使用示波器25觀察來自可變波長光學(xué)過濾器1的射出光的波長變化。其結(jié)果在圖7中表示。如圖所示，來自可變波長光學(xué)過濾器1的射出光響應(yīng)施加電壓，以1GHz(可變時(shí)間0.6nsec)實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化。
這樣，可見，若使用本實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器1，就可以用30V左右的施加電壓實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化，故此可以實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包的插·分的高速性。
(第二實(shí)施方式)在第二實(shí)施方式中，舉例表示和第一實(shí)施方式大致同樣的結(jié)構(gòu)、具有兩個(gè)法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器的可變波長光學(xué)過濾器。
參照?qǐng)D8，可變波長光學(xué)過濾器26，是在玻璃基板32上依次疊置電介質(zhì)多層膜反射鏡部31、透明電極33、電介質(zhì)結(jié)晶部30、透明電極34、電介質(zhì)多層膜反射鏡部29、透明電極35、電介質(zhì)結(jié)晶部28、透明電極36、電介質(zhì)多層膜反射鏡部27來構(gòu)成。亦即，具有兩個(gè)電介質(zhì)結(jié)晶部28、30、4個(gè)(兩組)電極。另外，實(shí)質(zhì)上，是由在電介質(zhì)多層膜反射鏡部29中串聯(lián)(沿光的透過方向)配置的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器構(gòu)成。各標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器，設(shè)計(jì)為了使無電場時(shí)的透過譜的中心波長同為1530nm、FSR分別為10nm以及8nm。
圖9表示可變波長光學(xué)過濾器26的透過光譜。根據(jù)該圖，可知，在從1530nm到1570nm之間，實(shí)現(xiàn)截止頻帶中的消光比-40dB。這是因?yàn)镕SR為10nm的過濾器和FSR為8nm的過濾器的透過光譜的重疊，僅在其FSR的最小公倍數(shù)的間隔出現(xiàn)。在這一場合，因?yàn)樽钚」稊?shù)為40nm，所以在使用的波長頻帶中，只存在一個(gè)透過尖峰。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以得到FSR(或者波長變化寬度)比希望的波長可變頻帶還窄、具有寬度寬廣的波長可變頻帶的可變波長光學(xué)過濾器。此外，這就意味著通過將各個(gè)過濾器的波長變化量取作為其FSR，就可以實(shí)現(xiàn)寬度寬的可變頻帶。在這一場合，F(xiàn)SR 10nm的過濾器，在1530、1540、1550、1560、1570nm有透過頻帶，F(xiàn)SR 8nm的過濾器，在1530、1538、1546、1554、1562、1570nm有透過頻帶。
例如，在1555nm處設(shè)定透過頻帶的場合，使FSR 10nm的可變波長光學(xué)過濾器移位5nm(把1550nm的透過頻帶移位到1555nm)，使FSR 8nm的可變波長光學(xué)過濾器移位1nm(把1554nm的透過頻帶移位到1555nm)。這樣的法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型的波長過濾器的透過波長用下式表示λ＝C/(m×Δυ)...(2)。
這里，C表示光速，m表示整數(shù)，Δυ表示必要的過濾器的FSR。
另外，Δυ用下式表示Δυ＝C/(2nl)...(3)。
這里，n表示折射率，l表示結(jié)晶的厚度。
從式(3)可知，通過改變?cè)诳勺儾ㄩL光學(xué)過濾器中使用的結(jié)晶的厚度，可以設(shè)計(jì)具有希望的FSR的過濾器。對(duì)于希望的波長，從上述公式可以決定使用對(duì)應(yīng)第幾個(gè)m的透過頻帶。
這樣，根據(jù)第二實(shí)施方式，顯然，通過組合FSR不同的兩種過濾器，可以實(shí)現(xiàn)寬度寬的波長可變頻帶。另外，因?yàn)楦鬟^濾器的響應(yīng)速度基本上和根據(jù)第一實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器1相同為0.5n sec，所以可以確認(rèn)根據(jù)第二實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器26也具有大致接近該速度的響應(yīng)速度。
但是，F(xiàn)SR一變小則KLTN結(jié)晶的厚度變厚，所以雖然波長可變寬度小，但施加電壓變大。例如，為要在FSR 10nm的過濾器中得到10nm的可變寬度，需要65V的電壓。
此外，根據(jù)電介質(zhì)多層膜反射鏡的反射率可以容易地控制過濾器的3dB頻帶，通過使反射率為99％，可以得到2GHz頻帶的過濾器。
另外，在第二實(shí)施方式中使用了玻璃基板，但是在企圖的透過波長頻帶中若是透明的話，即使使用任何基板，也不會(huì)對(duì)過濾器特性有影響。
(第三實(shí)施方式)
在第三實(shí)施方式中，在制作具有和第二實(shí)施方式同樣的FSR的過濾器時(shí)，疊置KLTN結(jié)晶和ITO電極，構(gòu)成了過濾器。在FSR 10nm的場合，KLTN結(jié)晶的厚度約為55μm。這大約為λ/2的200倍，將這一厚度分成5份，分別用λ/2的厚度疊置ITO膜。
圖10是表示該可變波長光學(xué)過濾器37的結(jié)構(gòu)的圖。如該圖所示，在玻璃基板42上形成疊置被電介質(zhì)多層膜反射鏡39以及41夾持的、3個(gè)透明電極40(正極)以及3個(gè)透明電極43(負(fù)極)和5個(gè)電介質(zhì)結(jié)晶部38的多層體。
另外，在電極40、43之間施加電壓以使各電極40維持正電位，因此，在通過電極相互鄰接的兩個(gè)電介質(zhì)結(jié)晶部38上產(chǎn)生方向互相不同的電場。在這一場合，因?yàn)镵LTN的電光效應(yīng)與電場的平方成比例，所以折射率的變化，不依賴電場的方向。因此，即使是具有這樣的電極結(jié)構(gòu)的可變波長光學(xué)過濾器也能有效地發(fā)揮作用。在使用KLTN的過濾器的場合，波長可變寬度不依賴FSR而由電場決定。此時(shí)的外加電壓以下式表示V＝E×d/m ...(4)。
式(4)中的V表示外加電壓，E表示為要得到規(guī)定的波長變化量所需要的電場的強(qiáng)度，d表示需要的KLTN結(jié)晶的厚度，m表示分割數(shù)。
如從公式(4)看到的，可以使外加電壓與分割數(shù)成反比減小。因此，如在上述第二實(shí)施方式中說明過的那樣，為使FSR 10nm的過濾器變化10nm所需要的電壓是65V，而通過把電介質(zhì)結(jié)晶部分成5份，可以把需要的電壓降低到13V。同樣，通過把第二實(shí)施方式中的FSR 8nm的過濾器分成5份，可以把72V的動(dòng)作電壓降低到14.4V。顯見，通過使用這種方法增加疊層數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)小于等于10V的驅(qū)動(dòng)電壓。
此外，各個(gè)電極可以疊置3層或者3層以上積層，電介質(zhì)結(jié)晶可以疊置5層或者5層以上積層。亦即，積層數(shù)可任意變更。
(第四實(shí)施方式)在第四實(shí)施方式中，舉例表示除用BaTiO3置換KLTN結(jié)晶外，具有和第一實(shí)施方式同樣結(jié)構(gòu)的可變波長光學(xué)過濾器。
在該實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器，因?yàn)橄噢D(zhuǎn)移溫度為109℃，所以動(dòng)作溫度高達(dá)110℃，但是可以以45V的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化。響應(yīng)速度也大體與第一實(shí)施方式相同，確認(rèn)了響應(yīng)1GHz重復(fù)的速度。通過使用該電介質(zhì)結(jié)晶制作的、具有和上述可變波長光學(xué)過濾器26以及可變波長光學(xué)過濾器37同樣結(jié)構(gòu)的可變波長光學(xué)過濾器，可以實(shí)現(xiàn)大體和在第二以及第三實(shí)施方式中說明過的動(dòng)作特性同樣的動(dòng)作特性。
(第五實(shí)施方式)在第五實(shí)施方式中，舉例表示代替第四實(shí)施方式中的BaTiO3結(jié)晶，使用Ba0.73Sr0.27TiO3的可變波長光學(xué)過濾器。此外，本實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器和第四實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器的差異僅在上述這點(diǎn)。
在這一場合，相轉(zhuǎn)移溫度為9℃，動(dòng)作溫度為10℃，通過把Ba的一部分置換為Sr，可以把動(dòng)作溫度設(shè)定為室溫附近。其他特性和第四實(shí)施方式中的特性相同。此外，即使使用PLZT(透過性陶瓷)，也可以得到大致和此前的實(shí)施方式同樣的譜的可變寬度。
如上所述，在從第一到第五實(shí)施方式中，因?yàn)槭褂镁哂?次電光效應(yīng)的結(jié)晶，因此可以實(shí)現(xiàn)歷來不能實(shí)現(xiàn)的高速、低電壓驅(qū)動(dòng)、高速的可變波長光學(xué)過濾器。另外，基于第一到第五實(shí)施方式可變波長光學(xué)過濾器，因?yàn)槟軌驒M跨寬的頻帶高速變化波長，所以能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的插·分等的高功能化，同時(shí)，也可以作為光計(jì)測用的高速的波長掃描振蕩器。
(第六到第十實(shí)施方式)下面說明第六到第十實(shí)施方式。在具體說明每一實(shí)施方式前，說明涉及這些實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的基本原理。
在第六到第十實(shí)施方式中，也和第一到第三實(shí)施方式同樣，使用具有用KLTN結(jié)晶形成的電介質(zhì)結(jié)晶部的法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器。
如已敘述過的，通過使用具有比LiNbO3大的電光效應(yīng)的KLTN這樣的結(jié)晶，可以大幅降低為獲得希望的折射率變化所需要的電場。根據(jù)本發(fā)明者們的評(píng)價(jià)結(jié)果，在基于KLTN的可變波長光學(xué)過濾器中，比之基于LiNbO3的可變波長光學(xué)過濾器，可以使電場強(qiáng)度降低約一千分之一。但是，盡管如此，因?yàn)樾枰碾妶鋈詾?500kV/m左右，所以有時(shí)希望能夠更加降低外加電壓的結(jié)構(gòu)。在第六到第十實(shí)施方式中，舉例表示出具有這樣結(jié)構(gòu)的可變波長光學(xué)過濾器。
可變波長光學(xué)過濾器，在用透明電極夾持由具有2次電光效應(yīng)的結(jié)晶形成的電介質(zhì)結(jié)晶部、進(jìn)而用電介質(zhì)多層膜反射鏡部夾持那樣地構(gòu)成的場合，透過電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向，與通過施加電壓在該電介質(zhì)結(jié)晶部中產(chǎn)生的電場(外部電場)的方向一致。因此，光的電場的方向和外部電場的方向具有正交的關(guān)系。但是，KLTN結(jié)晶，具有折射率變化的各向異性，在垂直外部電場的方向上電光常數(shù)為0.038m4/C2(絕對(duì)值)，在平行外部電場的方向上電光常數(shù)為0.136m4/C2(絕對(duì)值)。因此，就成為利用了折射率變化小的方位。
在這一方位上，因?yàn)榇怪彪妶龇较虻恼凵渎首兓歉飨蛲缘模杂羞^濾器的偏振波依賴性變小的優(yōu)點(diǎn)。因此，在波長變化頻帶比較小(小于等于5nm)、m sec程度的低速區(qū)域也可以的場合，這種結(jié)構(gòu)是理想的。但是，在需要寬度更寬的波長可變頻帶的場合，如上所述，必須施加高電場，所以理想的是利用電光常數(shù)大的方位。
但是，在利用電光常數(shù)大的方位的場合，存在以下的問題。即在和透過方向正交的方向上施加電場的場合，因?yàn)檎凵渎首兓母飨虍愋裕c施加方向平行的方向的折射率，為垂直方向的折射率的約3.8倍。
而且，折射率，隨電場強(qiáng)度的增大，在和電場平行的方向上減小，而在垂直方向增加。因此，在這一場合，只能實(shí)現(xiàn)具有偏振波依賴性的過濾器。
作為克服這一問題的手段，在第六到第十實(shí)施方式中，提出了在電介質(zhì)結(jié)晶內(nèi)，在對(duì)于光的透過方向正交、且互相垂直的兩個(gè)方向上施加電場的結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)，對(duì)于電場垂直的方向的折射率變化和平行的方向的折射率變化的和，就成為結(jié)晶全體中的折射率變化。因?yàn)檎凵渎首兓姆?hào)相反，所以作為全體的系數(shù)就成為0.136-0.038＝0.098。因此，除了是不依賴偏振波以外，還可以實(shí)現(xiàn)比向光的透過方向施加電場的可變波長光學(xué)過濾器(折射率變化0.038m4/C2)約2.6倍大的折射率變化。
再有，在電場施加在光的透過方向上的可變波長光學(xué)過濾器的場合，存在下面的不妥。即，電介質(zhì)的結(jié)晶部(電介質(zhì)結(jié)晶)的厚度，因?yàn)楦鶕?jù)在過濾器中求得的FSR(Free Spectral Range波長間隔)決定，所以在需要FSR小的過濾器的場合，結(jié)晶變厚，為得到希望的電場需要比較大的電壓。但是，在基于第六到第十實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器中，因?yàn)樵诠馔高^的方向上垂直施加電場，所以為得到希望的電場所需要的電壓，只依賴電介質(zhì)結(jié)晶部的寬度，不依賴其厚度。因此，即使對(duì)應(yīng)在過濾器中求得的FSR使電介質(zhì)結(jié)晶部的厚度變化，也能夠獨(dú)立地調(diào)整外加電壓。
此外，在結(jié)晶上施加這樣的兩個(gè)正交方向的電場的場合，有時(shí)會(huì)發(fā)生這樣的問題，即在兩個(gè)電極接近的區(qū)域，在不希望的方向上發(fā)生電場，對(duì)偏振波特性產(chǎn)生影響。因此，在第六到第十實(shí)施方式中，提出了中間夾持電容率小的材料的結(jié)構(gòu)。涉及本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器光濾波器是利用結(jié)晶具有的高的電光效應(yīng)的器件，高的電光效應(yīng)，起因于材料的高的介電常數(shù)。因?yàn)殡娏€通過具有高介電常數(shù)的部分，所以通過插入具有比形成電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶介電常數(shù)小的介電常數(shù)的材料，可以抑制相互正交的兩個(gè)電場互相受影響。
從上述可知，在該實(shí)施方式中舉例表示的可變波長光學(xué)過濾器能夠以低電壓動(dòng)作，且能實(shí)現(xiàn)能夠在寬的波長頻帶上變化波長的高功能。
下面具體說明第六到第十實(shí)施方式。以下的實(shí)施方式，不過是用來說明本發(fā)明的，不是限制本發(fā)明的范圍的。因此，只要是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人，就可以采用包含這些的各要素或者全部要素的各種實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式也包含在本發(fā)明的范圍中。
(第六實(shí)施方式)圖11是涉及第六實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器110的結(jié)構(gòu)圖。如圖11所示，可變波長光學(xué)過濾器110，在玻璃基板116上形成，在電介質(zhì)結(jié)晶部112以及117(電介質(zhì)結(jié)晶板)之間形成絕緣層113。進(jìn)而，在其外側(cè)配置電介質(zhì)多層膜反射鏡111以及115。通過這些結(jié)構(gòu)，構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器。
另外，在電介質(zhì)結(jié)晶部112的側(cè)面，形成互相對(duì)向的兩個(gè)電極118，在電介質(zhì)結(jié)晶部117的側(cè)面，形成互相對(duì)向的兩個(gè)電極114。電極114以及118，用金屬制造，通過蒸鍍形成。
可變波長光學(xué)過濾器110，從光的入射方向看的話，一邊的長度是50μm，因此，電極114以及118各自的間隔為50μm。
電極114，在下方的電介質(zhì)結(jié)晶部117內(nèi)，在圖1中在紙面的左右方向上產(chǎn)生電場那樣形成，電極118，在紙面的縱深方向上產(chǎn)生電場那樣形成。亦即，就成為在與光的入射方向(透過方向)正交、且在互相正交的兩個(gè)方向上施加電場。
電介質(zhì)結(jié)晶部112以及117由KLTN結(jié)晶形成，其組成為K0.97Li0.03Ta0.65Nb0.35O3。Li的組成比，在本實(shí)施方式中為0.03，但是即使添加0.001也有使相轉(zhuǎn)移2次變化的效果，到0.1保持立方結(jié)晶，可以使用。特別在0.01～0.06的范圍內(nèi)，結(jié)晶質(zhì)量高，可以實(shí)現(xiàn)20000以上的電容率。
可變波長光學(xué)過濾器的動(dòng)作溫度是20℃，在20℃下的電介質(zhì)結(jié)晶的電容率是30000。相轉(zhuǎn)移溫度，通過改變Nb和Ta的組成比，可以在寬范圍內(nèi)設(shè)定。例如，在Ta的組成比是0.5的場合，相轉(zhuǎn)移溫度是100℃，在0.9的場合，是-100℃。因此，只要在該組成范圍內(nèi)，通過規(guī)定的冷卻·加熱裝置，可以構(gòu)成可實(shí)用的過濾器。
另外，更加希望具有由派爾帖元件在-20～80℃的范圍內(nèi)能進(jìn)行溫度控制的相轉(zhuǎn)移的結(jié)晶，在那種場合，Ta的組成比為0.55～0.7。再有，為使派爾帖元件的消費(fèi)電力盡可能小，希望相轉(zhuǎn)移溫度在室溫附近。如果設(shè)定相轉(zhuǎn)移溫度為10～40℃，則Ta的組成比就為0.6～0.67。
如前所述，因?yàn)閯?dòng)作溫度和相轉(zhuǎn)移溫度的差越小過濾器的效率可越高，所以希望盡可能使其一致。如果容許派爾帖元件的溫度變動(dòng)以及電光效應(yīng)的效率降低到1/100，則其差為從0.2℃到10℃的范圍(0.2℃＜(T-Tc)＜10℃)(這里，T為動(dòng)作溫度，Tc為相轉(zhuǎn)移溫度)。
絕緣層113是用TeO2系玻璃形成的。使用TeO2系玻璃的理由是折射率和KLTN結(jié)晶幾乎相同，通過調(diào)整組成可以實(shí)現(xiàn)與KLTN相等的折射率，可以抑制在界面的光反射。另外，絕緣層113的厚度被調(diào)整為λ/2。
電介質(zhì)多層膜反射鏡111以及115，用一般材料SiO2/Nb2O5形成。
可變波長光學(xué)過濾器110，打算在1530～1570nm的通信波長頻帶(C頻帶)中使用，設(shè)計(jì)為在無電場時(shí)透過1570nm的中心波長。另外，為實(shí)現(xiàn)40nm的可變頻帶，過濾器的FSR也設(shè)定為40nm。在這一場合，電介質(zhì)結(jié)晶部112以及117的厚度，合計(jì)約13μm。因此，電介質(zhì)結(jié)晶部112以及117各自的厚度為約6.5μm。透過頻帶用反射鏡的反射率調(diào)整，在本實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)電介質(zhì)多層膜反射鏡111以及115以使在1570nm的反射率為90％。
在本實(shí)施方式中使用的電介質(zhì)結(jié)晶部112以及117(KLTN)，如上所述，具有2次的電光效應(yīng)，對(duì)于基于圖1的結(jié)構(gòu)的電場的施加方向，折射率變化量，可以用下式(5)和式(6)表示Δn⊥＝-1/2×n03×g12×ε02×εr2×E2...(5)Δn∥＝-1/2×n03×g11×ε02×εr2×E2...(6)。
這里，Δn⊥是對(duì)于電場垂直方向的折射率變化，Δn∥是電場方向的折射率變化，n0是施加電場前的折射率，ε0是真空的介電常數(shù)，εr是結(jié)晶的電容率，g11和g12是第2次的電光常數(shù)，E是外加電壓。另外，KLTN的電光常數(shù)，是g11＝0.136m4/C2，g12＝-0.038m4/C2。
從式(5)和式(6)可知，根據(jù)電場的施加方向，折射率變化不同，在對(duì)于光的行進(jìn)方向正交的兩方向上施加電場的場合的總的折射率變化量，為將式(5)和式(6)相加，可以表示為Δn1＝-1/2×n03×(g11+g12)×ε02×εr2×E2...(7)因此，對(duì)于與光的行進(jìn)方向正交的兩種偏振光，折射率變化變得相等，能夠不依賴偏振光動(dòng)作。
圖12是備有圖11的可變波長光學(xué)過濾器110的可變波長光學(xué)過濾器組件的結(jié)構(gòu)圖。
可變波長光學(xué)過濾器110，在形成配線圖形的基板125上用焊錫固定，電極126通過導(dǎo)線連接器連接在框架123上設(shè)置的框架電極127。
從光纖124射出的光129，通過瞄準(zhǔn)透鏡122入射到可變波長光學(xué)過濾器110，透過可變波長光學(xué)過濾器后，同樣通過瞄準(zhǔn)透鏡122入射到射出側(cè)的光纖128。
圖13是包含圖12的可變波長光學(xué)過濾器組件200的測定系統(tǒng)300的概略圖。
在該測定系統(tǒng)中，使從ASE(不相干)光源131射出的光入射到可變波長光學(xué)過濾器組件200，使用光譜分析儀132檢測射出光。
在進(jìn)行高速動(dòng)作測定時(shí)，通過放大器134放大使用函數(shù)發(fā)生器133發(fā)生的電壓，把放大過的電壓施加在可變波長光學(xué)過濾器組件200的可變波長光學(xué)過濾器110(圖12)上，使用光檢測器(Photo DetectorPD)135檢測從該過濾器110來的透過光，用示波器136觀察響應(yīng)特性。
圖14是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器110的透過譜的圖，圖15是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器110的3dB頻帶的圖。
可知可變波長光學(xué)過濾器110的透過頻帶的中心波長按照設(shè)計(jì)處在1570nm，F(xiàn)SR也為40nm。此外，在本實(shí)施方式中，通過3dB耦合器用3dB規(guī)定的透過譜寬為13.5GHz。另外，和截止頻帶的消光比保證為-40dB。
圖16是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器110的波長變化特性的圖。從圖中可知，該可變波長光學(xué)過濾器110，通過施加75V的電壓，可以使透過頻帶的波長變化40nm。
圖17是表示圖11的可變波長光學(xué)過濾器110的高速響應(yīng)特性的圖。高速響應(yīng)特性如下測定。首先，使可變波長光學(xué)過濾器110配置在使用兩個(gè)透鏡的瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中后，安裝在可結(jié)合光纖的插件內(nèi)，用金線把連接到該過濾器的透明電極上的金屬配線連接到框架上，安裝到組件上。接著，使來自ASE光源131(圖13)的光通過在組件上連接的光纖導(dǎo)入可變波長光學(xué)過濾器，在通過1570nm的帶通過濾器之后由光檢測器24接受其射出光。
接著，用放大器放大脈沖圖形發(fā)生器133發(fā)生的1GHz的矩形電壓，在可變波長光學(xué)過濾器110的電極114、118(圖11)上施加75V的重復(fù)電壓，記錄來自可變波長光學(xué)過濾器110的射出光的波長變化。如圖17所示，可知射出光響應(yīng)施加的電壓，以1GHz(可變時(shí)間0.6nsec)實(shí)現(xiàn)了40nm的波長變化。
這樣，顯然，若使用本實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器110，可以用75V左右的外加電壓，實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化，可以實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包的插·分的高速性。
此外，作為絕緣層113，在本實(shí)施方式中使用了TeO2系玻璃，但是也可以使用SiO2、Al2O3、聚合物、它們的復(fù)合體等電容率比KLTN低的絕緣材料。
(第七實(shí)施方式)
以下說明第七實(shí)施方式。圖18A是表示涉及本發(fā)明的實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器180的結(jié)構(gòu)的圖，圖18B是表示圖18A的電極的俯視圖，圖18C是表示圖18A的電極的俯視圖。
該可變波長光學(xué)過濾器180，如圖18A所示，除電極的形狀外，具有和第六實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器110同樣的結(jié)構(gòu)。更詳細(xì)說，可變波長光學(xué)過濾器180，通過疊置在玻璃基板186上配置的電介質(zhì)多層膜反射鏡185、配置長方形電極187(參照?qǐng)D18C)的電介質(zhì)結(jié)晶184、絕緣層183、配置長方形電極188(參照?qǐng)D18B)的電介質(zhì)結(jié)晶182、電介質(zhì)多層膜反射鏡181而構(gòu)成。
因?yàn)殡姌O187、188的長方向的邊互相正交，所以成為在互相正交的兩個(gè)方向上施加電場。另外，如圖18A所示，光的入射方向在于反射鏡181的上面是垂直的方向，在上述兩個(gè)方向上施加的電場還與光的入射方向(透過方向)正交。
另外，電極187、188，因?yàn)椴扇∩鲜瞿菢拥慕Y(jié)構(gòu)，所以可在電介質(zhì)結(jié)晶部182、184上均勻地施加電場，另外，可以防止安裝所需要的芯片尺寸的大型化，進(jìn)而可以將電極間隔縮小到10μm。
另外，在絕緣層183上，和第六實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器110同樣使用TeO2系玻璃。
可變波長光學(xué)過濾器180的光透過特性和根據(jù)第六實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器110同樣，看不到由于變更電極的結(jié)構(gòu)引起的過濾器特性的變化。這一點(diǎn)在正交的兩個(gè)偏振光成分中也同樣。
圖19是表示可變波長光學(xué)過濾器8的波長可變特性的圖。
在本實(shí)施方式中，波長變化所需要的電場和第六實(shí)施方式相同，但是可以任意設(shè)定電極間隔，另外，因?yàn)閷?shí)效施加的電壓與電極間隔成反比例變化，所以可以通過變窄電極間隔減小電壓。在本實(shí)施方式中，從該圖可知，通過在10μm間隔的電極上施加15V的電場，實(shí)現(xiàn)了40nm的波長變化。再有，通過使用5μm間隔的電極，也可以確認(rèn)用約8V可以實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化。
但是，使電極間隔變小的話，因?yàn)橛行У拈_口部分的面積變小，所以要求安裝的精度。因此，在設(shè)定電極間隔時(shí)，根據(jù)要求的性能，需要選擇是實(shí)現(xiàn)低電壓，還是在安裝的精度中保持寬度。
此外，作為絕緣層183，在本實(shí)施方式中使用TeO2系玻璃。但是即使使用SiO2、Al2O3、聚合物、它們的復(fù)合體等電容率比KLTN低的絕緣材料，也可以實(shí)現(xiàn)過濾器。
通過采用以上第七實(shí)施方式中的結(jié)構(gòu)，可以與希望的FSR獨(dú)立來設(shè)定電極間隔，其結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)能夠以低電壓驅(qū)動(dòng)以及在寬頻帶下波長變化的可變波長光學(xué)過濾器。
(第八實(shí)施方式)在本實(shí)施方式中，舉例表示通過電介質(zhì)多層膜反射鏡串聯(lián)具有和第七實(shí)施方式幾乎同樣結(jié)構(gòu)的、FSR分別為10nm和FSR 8nm的兩個(gè)可變波長光學(xué)過濾器的多級(jí)型可變波長光學(xué)過濾器。各可變波長光學(xué)過濾器的無電場時(shí)的透過譜的中心設(shè)定為1570nm。
圖20是表示涉及多級(jí)型可變波長光學(xué)過濾器100的結(jié)構(gòu)的概略圖。
可變波長光學(xué)過濾器100，通過疊置在玻璃基板211上配置的電介質(zhì)多層膜反射鏡209、配置長方形電極212的電介質(zhì)結(jié)晶部208、絕緣層207、配置長方形電極213的電介質(zhì)結(jié)晶部206、電介質(zhì)多層膜反射鏡205、配置長方形電極214的電介質(zhì)結(jié)晶部204、絕緣層203、配置長方形電極215的電介質(zhì)結(jié)晶部202、電介質(zhì)多層膜反射鏡201而構(gòu)成。換言之，本實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器100，被構(gòu)成為重合兩個(gè)基于第六實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器180。
另外，因?yàn)殡姌O212、213、214以及215的長方向的邊互相不同地正交，所以在電介質(zhì)結(jié)晶部208、206、204以及202中，就施加正交光的入射方向(透過方向)，而且，在互相不同的兩個(gè)方向上正交的電場。
圖21是表示圖20的可變波長光學(xué)過濾器100的透過譜的圖。從該圖可知，在從1530nm到1570nm的波長之間，實(shí)現(xiàn)了截止頻帶中的消光比-40dB。這一點(diǎn)的原因在于，具有10nm的FSR的過濾器和具有8nm的FSR的過濾器的透過譜(峰值波長)僅能在其FSR的最小公倍數(shù)的間隔中出現(xiàn)。在本實(shí)施方式中，因?yàn)樽钚」稊?shù)是40nm，所以在使用的波長頻帶中成為僅存在一個(gè)透過尖峰。
另外，法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型的波長過濾器的透過波長以λ＝C/(m.Δυ)...(8)表示。這里，C為光速，m是整數(shù)，Δυ是需要的過濾器的FSR。
另外，Δυ表示為Δυ＝C/(2nl)...(9)。這里，n為折射率，l為電介質(zhì)結(jié)晶部的厚度。
從上式可知，如果通過改變可變波長光學(xué)過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶部的厚度來設(shè)定希望的FSR，則可以任意設(shè)計(jì)可變波長光學(xué)過濾器，從該設(shè)計(jì)式，對(duì)于希望的波長，可以決定使用對(duì)應(yīng)第幾個(gè)m的透過頻帶。
若使用這樣的結(jié)構(gòu)，用FSR(或者波長可變寬度)比希望的波長變化頻帶小的過濾器可以得到寬度寬的波長變化頻帶。在歷來的過濾器結(jié)構(gòu)中，在FSR不同的可變波長光學(xué)過濾器的組合中，因?yàn)镕SR變小的話KLTN結(jié)晶的厚度變厚，雖然波長可變寬度小，但仍需要施加高的電壓。
例如，為要在具有10nm的FSR的可變波長光學(xué)過濾器中得到10nm的可變寬度，需要65V的電壓，但是使用本實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器100具有電極的結(jié)構(gòu)的話，則可以以7.5V的施加電壓實(shí)現(xiàn)10nm的波長變化頻帶。這大約相當(dāng)于現(xiàn)有的十分之一，是證明本發(fā)明有效的證據(jù)。
(第九實(shí)施方式)基于第九實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器是變更了基于第七實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的設(shè)備，具有用BaTiO3結(jié)晶代替KLTN結(jié)晶形成的電介質(zhì)結(jié)晶部。此外，本實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器和第七實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器的差異僅是上述一點(diǎn)。
在這一場合，因?yàn)橄噢D(zhuǎn)移溫度為109℃，所以動(dòng)作溫度高達(dá)110℃，但是可以以15V的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化范圍。
另外，已被確認(rèn)響應(yīng)速度也和第七實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器幾乎相同，以1GHz的重復(fù)進(jìn)行響應(yīng)。
另外，即使使用BaTiO3結(jié)晶制作和第七實(shí)施方式同樣的可變波長光學(xué)過濾器，也可以實(shí)現(xiàn)和它幾乎同樣的動(dòng)作特性。
(第十實(shí)施方式)基于本實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器是變更了基于第九實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的設(shè)備，具有用Ba0.73Sr0.27TiO3結(jié)晶代替BaTiO3結(jié)晶形成的電介質(zhì)結(jié)晶部。此外，本實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器和第九實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器的差異僅是上述一點(diǎn)。
在這一場合，相轉(zhuǎn)移溫度為9℃，動(dòng)作溫度為10℃。通過把Ba的一部分置換為Sr，可以把動(dòng)作溫度設(shè)定在室溫附近。其他的特性，和第九實(shí)施方式中的可變波長光學(xué)過濾器相同。另外，即使使用PLZT，也可以得到幾乎同樣的譜的可變寬度。
(第十一到第十四實(shí)施方式)在說明第十一到第十四實(shí)施方式之前，依據(jù)上述第一到第十實(shí)施方式的基本原理，來說明這些實(shí)施方式的基本原理。
首先說明法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型的可變波長光學(xué)過濾器的特性。作為表示法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具的特性的值，可以舉出FSR、Finess。法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具的透過頻帶的中心波長υm，用υm＝mc/(2nlcosθ) ...(10)表示。這里，n為折射率，l為共振器長，θ為對(duì)于入射光的標(biāo)準(zhǔn)具的傾斜角度，c為真空中的光速。
FSR(Free Spectral Range)，因?yàn)樵谟檬?10)表示的是透過頻帶中心頻率υm中相鄰兩組的間隔，所以用FSR＝υm+1-υm＝c/(2nlcosθ) ...(11)表示。
另外，所謂Finess是表示透過頻帶的擴(kuò)展?fàn)顩r的值，用Finess＝FSR/Δυ1/2＝π.R-1/2/(1-R)...(12)表示。這里，Δυ1/2是透射頻帶的半值全寬，R是構(gòu)成共振器的反射鏡的反射率。
從公式(10)可知，為要使透過頻帶的中心頻率變化，可以使折射率n、共振器長l、標(biāo)準(zhǔn)具的角度θ的任何一個(gè)變化。因此，可知，如果使這些參數(shù)變化，可以實(shí)現(xiàn)可變波長光學(xué)過濾器。市場上銷售有幾種可變波長光學(xué)過濾器，不過使共振器長變化來進(jìn)行波長變化的方式是主流。其理由在于，如果在上述3個(gè)參數(shù)中變化共振器長l的話，可以實(shí)現(xiàn)最寬的波長可變頻帶。
但是，為要變化共振器長l(以及標(biāo)準(zhǔn)具的角度θ)，一定需要機(jī)械動(dòng)作。因此不適合高速動(dòng)作。
另一方面，如果使用變化折射率n的方法，則可以沒有機(jī)械動(dòng)作使透過頻帶的中心波長變化。作為變化折射率的方法，主要可舉出熱光學(xué)(Thermo-OpticTO)效應(yīng)、音響光學(xué)(Acousto-OpticAO)效應(yīng)、電光(Electro-OpticEO)效應(yīng)。在這些之中，最不適合高速動(dòng)作的是TO效應(yīng)，最多能實(shí)現(xiàn)數(shù)ms左右的響應(yīng)速度。另外，AO效應(yīng)與TO效應(yīng)相比，雖然適合高速動(dòng)作，但因?yàn)檎凵渎实淖兓啃?，不能誘發(fā)充分的折射率變化。
與它們比較，EO效應(yīng)適合高速動(dòng)作，且能夠充分確保折射率的變化量，所以適合要求高速動(dòng)作的可變波長光學(xué)過濾器。在電光效應(yīng)上有1次的電光效應(yīng)(波克爾斯效應(yīng))和2次的電光效應(yīng)(克爾效應(yīng))。1次的電光效應(yīng)與電場強(qiáng)度成比例地顯示效應(yīng)，折射率變化用Δn＝-n0reffE/2...(13)表示。這里，n0是未施加電場狀態(tài)下的折射率，reff是1次電光學(xué)系數(shù)的有效值，E為電場強(qiáng)度。
另外，2次的電光效應(yīng)與電場強(qiáng)度的平方成比例顯示效應(yīng)，折射率變化用Δn＝-n03S12E2/2...(14)表示。這里，n0是未施加電場狀態(tài)下的折射率，E為電場強(qiáng)度。另外，S12用下式S12＝ε02εr2g12...(15)定義。ε0是真空的介電常數(shù)，εr是物質(zhì)固有的電容率，g12是物質(zhì)的電光學(xué)常數(shù)。
因此，若使用2次的電光效應(yīng)的話，因?yàn)檎T發(fā)與施加的電壓的平方成比例的折射率變化，所以可以通過施加更小的電壓來引起希望的折射率變化。另外，電光效應(yīng)原理上可以以1GHz左右的高速響應(yīng)。
但是，因?yàn)樵谖镔|(zhì)的每單位厚度上可以施加的電壓通常有界限，所以不可能使施加的電壓為無限大。
因此，在從第十一到第十四實(shí)施方式中，提出了包含多個(gè)在第一到第十實(shí)施方式中例示的可變波長光學(xué)過濾器的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。在這種類型的光學(xué)過濾器中，各可變波長光學(xué)過濾器沿入射電介質(zhì)結(jié)晶部的光的行進(jìn)方向設(shè)置。另外，理想的是通過以離開平行配置大于等于2度的角度傾斜配置FSR不同的大于等于兩個(gè)的可變波長光學(xué)過濾器而構(gòu)成。各可變波長光學(xué)過濾器，理想的是被構(gòu)成為，被進(jìn)行溫度控制，在進(jìn)行溫度控制之后，能夠在各可變波長光學(xué)過濾器上施加電壓，由此，可以使FSR變化，得到希望的透過頻帶。各可變波長光學(xué)過濾器，如上所述，因?yàn)榫哂懈咚賱?dòng)作、低驅(qū)動(dòng)電壓、高波長變化頻帶這樣的優(yōu)良的特性，所以多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器也能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)有的可變波長光學(xué)過濾器中不能實(shí)現(xiàn)的高功能。
此外，所謂以離開平行配置大于等于2度的角度傾斜配置各可變波長光學(xué)過濾器，是指與電介質(zhì)結(jié)晶上所照射的光的通過方向正交的面和與標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)晶軸正交的面具有大于等于2度的角度傾斜。關(guān)于以下同樣的表示也相同。
另外，即使是以大于等于2度的角度傾斜的場合，通過使電介質(zhì)結(jié)晶的結(jié)晶軸與光的透過方向一致，也不會(huì)對(duì)發(fā)揮的作用效果有大的損害。因此，在以下的說明中，即使在以大于等于2度的角度傾斜配置的場合，也使電介質(zhì)結(jié)晶的結(jié)晶軸與光的透過方向一致。
下面具體說明第十一到第十四實(shí)施方式的每一個(gè)。以下的實(shí)施方式，不過是用于說明本發(fā)明的，不是限制本發(fā)明的范圍的。因此，只要是本領(lǐng)域的技術(shù)人員，都可以采用包含這些各個(gè)要素或全部要素的各種實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式也包含在本發(fā)明內(nèi)。
(第十一實(shí)施方式)圖22是表示構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的第十一實(shí)施方式的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)的概略圖?？勺儾ㄩL光學(xué)過濾器201，通過在由做成薄片的電介質(zhì)結(jié)晶形成的電介質(zhì)結(jié)晶部2011的兩側(cè)配置透明電極2012、2013，進(jìn)而在其外側(cè)配置電介質(zhì)多層膜反射鏡2014、2015來構(gòu)成。亦即，具有和根據(jù)第一到第五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器同樣的結(jié)構(gòu)。
圖23是根據(jù)第十一實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)圖。在圖23中，可變波長光學(xué)過濾器2021、2022具有和在圖22中表示的可變波長光學(xué)過濾器201同樣的結(jié)構(gòu)。
可變波長光學(xué)過濾器2021、2022的電介質(zhì)結(jié)晶部2011，由KLTN形成。KLTN，通過調(diào)整Li和Nb的組成比，可以把相轉(zhuǎn)移溫度調(diào)整到-15℃。
具體說，電介質(zhì)結(jié)晶的組成做成為K0.96Li0.04Ta0.77Nb0.23O3。Li的組成比，在本實(shí)施方式中為0.04，但是即使添加0.001也有使相轉(zhuǎn)移2次變化的效果。另外，Li的組成比到0.1保持立方結(jié)晶，可以在實(shí)用上使用。特別，在0.01～0.06的范圍可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶質(zhì)量高、大于等于20000的電容率。
另外，可變波長光學(xué)過濾器2021、2022的動(dòng)作溫度是-15℃，在-15℃附近的材料的電容率為25000。
如圖22所示，本實(shí)施方式中使用的可變波長光學(xué)過濾器201，通過用ITO透明電極2012以及2013夾持使用電介質(zhì)結(jié)晶(KLTN結(jié)晶板)形成的電介質(zhì)結(jié)晶部2011，進(jìn)而在其外側(cè)配置電介質(zhì)多層膜反射鏡2014以及2015，這樣來構(gòu)成可變波長光學(xué)過濾器201。
電介質(zhì)多層膜反射鏡2014以及2015，由作為一般材料的SiO2/Nb2O5形成。
參照?qǐng)D23，詳細(xì)說明根據(jù)第十一實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2020。2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2020，具有FSR不同的兩個(gè)可變波長光學(xué)過濾器2021、2022。可變波長光學(xué)過濾器2021的FSR是600GHz，可變波長光學(xué)過濾器2022的FSR是700GHz。通過組合這些可變波長光學(xué)過濾器，如下說明，可實(shí)現(xiàn)FSR＝4.2THz。
為實(shí)現(xiàn)4.2THz的FSR，需要把各可變波長光學(xué)過濾器2021、2022的透過頻帶的中心頻率只移動(dòng)FSR大小。透過頻帶的中心頻率由式(10)表示。使用電光效應(yīng)使該式中的n變化，由此，使中心頻率移位。在KLTN中，因?yàn)間12＝-0.038m4/C2，εr＝25000，另外，ε0＝8.854×10-12，所以，通過把這些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可見，在具有600GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器2021的場合，KLTN的厚度為115μm，可以取外加電壓為111V，在具有700GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器2022的場合，KLTN的厚度為99μm，可以取外加電壓為96V。
對(duì)于各可變波長光學(xué)過濾器，從厚度和外加電壓值計(jì)算要施加在每1μm厚度上的電壓的話，可見，在可變波長光學(xué)過濾器2021(FSR＝600GHz)中，可以施加0.96V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器2022(FSR＝700GHz)中，可以施加0.97V/μm的電壓。
通過如圖23所示沿光的行進(jìn)方向配置這兩個(gè)可變波長光學(xué)過濾器，可以得到根據(jù)本實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。此外，在圖23中，參考符號(hào)2023和2024表示微透鏡，參考符號(hào)2025和2026表示單模光纖(single mode fiber)。
如圖所示，兩個(gè)可變波長光學(xué)過濾器2021、2022，以離開互相平行2度的角度傾斜、取相互間的距離為2mm進(jìn)行配置。通過微透鏡2023(2024)將通過光纖導(dǎo)入的1.55μm的光做成250μm寬度的光束，導(dǎo)入可變波長光學(xué)過濾器2021、2022。用派爾帖元件把全體保持在-13℃以謀求特性，其FSR＝4.1THz。
接著，在可變波長光學(xué)過濾器2021和2022上施加電壓，測定了透過頻帶的中心波長的移位，可以觀察到FSR＝4.1THz大小的移位。根據(jù)上述可知，涉及本實(shí)施方式的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，作為具有4.1THz這樣寬的FSR的過濾器在起作用。
(第十二實(shí)施方式)圖24是表示根據(jù)第十二實(shí)施方式的3級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的概略圖。如圖所示，3級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2030包含3個(gè)可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033。
這3個(gè)可變波長光學(xué)過濾器具有和圖22所示的可變波長光學(xué)過濾器同樣的結(jié)構(gòu)。亦即，可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033，可以通過用ITO透明電極2012以及2013夾持由電介質(zhì)結(jié)晶(KLTN結(jié)晶板)形成的電介質(zhì)結(jié)晶部2011，進(jìn)而在其兩側(cè)配置電介質(zhì)多層膜反射鏡2014以及2015來構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具而得到。
這些可變波長光學(xué)過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶部2011，通過KLTN形成，通過調(diào)整Li的濃度和Nb的濃度，將相轉(zhuǎn)移溫度調(diào)整為-15℃。
具體說，該電介質(zhì)結(jié)晶的組成取K0.96Li0.04Ta0.77Nb0.23O3。Li的組成比，在本實(shí)施方式中為0.04，但是即使添加0.001也有使相轉(zhuǎn)移2次變化的效果，到0.1保持立方結(jié)晶，可以使用。特別在0.01～0.06的范圍內(nèi)，結(jié)晶質(zhì)量高，可以實(shí)現(xiàn)20000以上的電容率。
另外，可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033的動(dòng)作溫度是-15℃，在-15℃附近的材料的電容率為25000。
電介質(zhì)多層膜反射鏡2014以及2015由作為一般材料的SiO2/Nb2O5形成。
可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033，分別具有不同的FSR。亦即，可變波長光學(xué)過濾器2031具有300GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器2032具有400GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器2033具有500GHz的FSR。通過把它們組合，如下所述，可實(shí)現(xiàn)FSR＝6.0GHz。
為實(shí)現(xiàn)6.0GHz的FSR，需要移位各可變波長光學(xué)過濾器的透過頻帶的中心頻率。透過頻帶的中心頻率通過式(10)表示。通過使用電光效應(yīng)使該項(xiàng)中的n變化，使中心頻率移位。在KLTN中，因?yàn)間12＝-0.038m4/C2，εr＝25000，另外，ε0＝8.854×10-12，所以，通過把這些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可知，在具有300GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器2031的場合，KLTN的厚度為230μm，可以取外加電壓為94V，在具有400GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器2032的場合，KLTN的厚度為173μm，可以取外加電壓為112V，在具有500GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器2033的場合，KLTN的厚度為138μm，可以取外加電壓為113V。
對(duì)于各可變波長光學(xué)過濾器，從厚度和外加電壓計(jì)算要施加在每1μm厚度上的電壓的話，可知，在可變波長光學(xué)過濾器2031(FSR＝300GHz)中，可以施加0.41V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器2032(FSR＝400GHz)中，可以施加0.65V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器2033(FSR＝500GHz)中，可以施加0.82V/μm的電壓。
通過如圖24所示沿光的行進(jìn)方向配置這些可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033，可以得到根據(jù)本實(shí)施方式的3級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。此外，在圖24中，參考符號(hào)2034和2035表示微透鏡，參考符號(hào)2036和2037表示單模光纖。
另外，如圖所示，3個(gè)可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033，分別以離開互相平行配置2度的角度傾斜。亦即，與形成各可變波長光學(xué)過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的結(jié)晶軸正交的面、和與所述光的行進(jìn)方向正交的面以大于等于2度的角度傾斜。另外，各可變波長過濾器間的距離分別為2mm。通過微透鏡2034(2035)將通過光纖導(dǎo)入的1.55μm的光作成為250μm寬度的光束，導(dǎo)入3級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2030。使用派爾帖元件把全體保持在-13℃實(shí)現(xiàn)了特性，得到5.8THz的FSR。
接著，在可變波長光學(xué)過濾器2031、2032、2033上施加電壓，測定了透過頻帶的中心波長的移位，可以觀察到FSR＝4.1THz大小的移位，可知，根據(jù)本實(shí)施方式的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器作為過濾器在起作用。
FSR＝5.8THz以及4.1THz這樣的值，是十分大、且正常起作用的范圍。因此，通過使用具有300GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器、具有400GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器、以及具有500GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器，可以實(shí)現(xiàn)正常作用、高速動(dòng)作的過濾器。
(第十三實(shí)施方式)圖25是表示根據(jù)第十三實(shí)施方式的4級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的概略圖。如圖所示，4級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器包含4個(gè)可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044。
這4個(gè)可變波長光學(xué)過濾器具有和圖11所示的可變波長光學(xué)過濾器同樣的結(jié)構(gòu)。
亦即，可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044可以通過用ITO透明電極2012以及2013夾持由電介質(zhì)結(jié)晶(KLTN結(jié)晶板)形成的電介質(zhì)結(jié)晶部2011，進(jìn)而在其外側(cè)配置電介質(zhì)多層膜反射鏡2014以及2015來構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具而得到。
電介質(zhì)結(jié)晶部2011，具有由KLTN形成的電介質(zhì)結(jié)晶部，通過調(diào)整Li的濃度和Nb的濃度，可以把相轉(zhuǎn)移溫度調(diào)整為-15℃。
具體說，該電介質(zhì)結(jié)晶的組成為K0.96Li0.04Ta0.77Nb0.23O3。Li的組成比，在本實(shí)施方式中為0.04，但是即使添加0.001也有使相轉(zhuǎn)移2次變化的效果，到0.1保持立方結(jié)晶，可以使用。特別在0.01～0.06的范圍內(nèi)，結(jié)晶質(zhì)量高，可以實(shí)現(xiàn)20000以上的電容率。
另外，可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044的動(dòng)作溫度是-15℃，在-15℃附近的材料的電容率為25000。
電介質(zhì)多層膜反射鏡2014以及2015由作為一般材料的SiO2/Nb2O5形成。
可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044，分別具有不同的FSR。亦即，可變波長光學(xué)過濾器2041具有200GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器2042具有300GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器2043具有500GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器2044具有700GHz的FSR。通過組合這些可變波長光學(xué)過濾器，如下說明，可實(shí)現(xiàn)FSR＝21.0GHz。
為實(shí)現(xiàn)21.0GHz的FSR，需要將各可變波長光學(xué)過濾器的透過頻帶的中心頻率移位FSR大小。透過頻帶的中心頻率通過式(10)表示。通過使用電光效應(yīng)使該式中的n變化，使中心頻率移位。在KLTN中，因?yàn)間12＝-0.038m4/C2，εr＝25000，另外，ε0＝8.854×10-12，所以，通過把這些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可知，在可變波長光學(xué)過濾器2041(FSR＝200GHz)的場合，KLTN的厚度為345μm，可以取外加電壓為134V，在可變波長光學(xué)過濾器2042(FSR＝300GHz)的場合，KLTN的厚度為230μm，可以取外加電壓為94V，在可變波長光學(xué)過濾器2043(FSR＝500GHz)的場合，KLTN的厚度為138μm，可以取外加電壓為113V，在可變波長光學(xué)過濾器2044(FSR＝700GHz)的場合，KLTN的厚度為99μm，可以取外加電壓為112V。
對(duì)于各可變波長光學(xué)過濾器，從厚度和外加電壓計(jì)算要施加在每1μm厚度上的電壓的話，可知，在可變波長光學(xué)過濾器2041(FSR＝200GHz)中，可以施加0.39V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器2042(FSR＝300GHz)中，可以施加0.4V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器2043(FSR＝500GHz)中，可以施加0.9V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器2044(FSR＝700GHz)中，可以施加0.97V/μm的電壓。
通過如圖25所示沿光的行進(jìn)方向配置這些可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044，可以得到涉及本實(shí)施方式的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。此外，在圖24中，參考符號(hào)2045和2046表示微透鏡，參考符號(hào)2047和2048表示單模光纖。
另外，如圖所示，4個(gè)可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044，分別以離開互相平行配置2度的角度傾斜。亦即，與形成各可變波長光學(xué)過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的結(jié)晶軸正交的面和與所述光的行進(jìn)方向正交的面以大于等于2度的角度傾斜。另外，各可變波長過濾器間的距離為2mm。通過光纖導(dǎo)入的1.55μm的光通過微透鏡成為250μm寬度的光束，導(dǎo)入多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。使用派爾帖元件把全體保持在-13℃實(shí)現(xiàn)了特性，得到20.0THz的FSR。
接著，在可變波長光學(xué)過濾器2041、2042、2043、2044上施加電壓，測定了透過頻帶的中心波長的移位，可以觀察到FSR＝20.0THz大小的移位，可知作為過濾器在起作用。
可知，這些值是十分小，且正常作用的范圍。因此，確認(rèn)了包含具有200GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器、具有300GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器、具有500GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器、以及具有700GHz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器的4級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器作為過濾器正常作用、進(jìn)行高速動(dòng)作。
(第十四實(shí)施方式)在第十一到第十三實(shí)施方式中，說明了包含多個(gè)在與電介質(zhì)結(jié)晶部內(nèi)的光的行進(jìn)方向平行的方向上發(fā)生電場的可變波長光學(xué)過濾器的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。接著說明包含多個(gè)在與光的行進(jìn)方向正交方向上發(fā)生電場的可變波長光學(xué)過濾器的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。
圖26是涉及本實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的概略圖。多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050，有可變波長光學(xué)過濾器2051、2052。它們通過稱為派爾帖元件的溫度控制裝置(未圖示)來進(jìn)行溫度控制?？勺儾ㄩL光學(xué)過濾器2051、2052，除各自具有的FSR和形成電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的組成外，具有和根據(jù)第六實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器110(圖11)幾乎相同的結(jié)構(gòu)。首先，參照?qǐng)D11，說明涉及本實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器。
如圖11所示，涉及本實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050，在玻璃基板116上，通過按照電介質(zhì)多層膜反射鏡115、電介質(zhì)結(jié)晶部117、絕緣層113、電介質(zhì)結(jié)晶部112、電介質(zhì)多層膜反射鏡111的順序疊置它們來制作。另外，該可變波長光學(xué)過濾器，在電介質(zhì)結(jié)晶部117對(duì)向的兩個(gè)側(cè)面上具有電極114，在電介質(zhì)結(jié)晶部114對(duì)向的兩個(gè)的側(cè)面上具有電極118。
形成電介質(zhì)結(jié)晶部112、117的電介質(zhì)結(jié)晶的成分取K0.96Li0.04Ta0.77Nb0.23O3。Li的組成比，在本實(shí)施方式中為0.04，但是即使添加0.001也有使相轉(zhuǎn)移2次變化的效果。另外，Li的組成比到0.1保持立方結(jié)晶，可充分使用。特別在0.01～0.06的范圍內(nèi)，結(jié)晶質(zhì)量高，可以實(shí)現(xiàn)20000以上的電容率。具有上述成分的電介質(zhì)結(jié)晶的可變波長光學(xué)過濾器的動(dòng)作溫度是-15℃，在-15℃的材料的電容率分別為25000。
本實(shí)施方式中使用的KLTN結(jié)晶，如前所述具有2次的電光效應(yīng)，對(duì)于根據(jù)圖11的結(jié)構(gòu)的電場的施加方向，折射率變化量可以由上述的公式(5)、(6)表示。
從這些公式可知，隨電場的施加方向，折射率變化不同，在對(duì)于光的行進(jìn)方向正交的兩個(gè)方向上施加了電場的場合，總的折射率變化量為式(5)、(6)的相加，可以用式(7)表示。對(duì)于與光的行進(jìn)方向正交的兩種偏振光，折射率變化能夠變得相等，可不依賴偏振波動(dòng)作。
被設(shè)計(jì)為假設(shè)在1530nm～1570nm的通信波長頻帶(C頻帶)利用2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050，可變波長光學(xué)過濾器2051、2052在無電場時(shí)通過1570nm的中心波長。另外，為實(shí)現(xiàn)40nm的可變頻帶，被設(shè)計(jì)為可變波長光學(xué)過濾器2051，具有600GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器2052，具有700GHz的FSR。在這一場合，在可變波長光學(xué)過濾器2051(FSR 600GHz)中的電介質(zhì)結(jié)晶(KLTN)的厚度，全體約為115μm，因此，電介質(zhì)結(jié)晶部各自的厚度約為57μm。另外，在可變波長光學(xué)過濾器2052(FSR 700GHz)中的電介質(zhì)結(jié)晶(KLTN)的厚度，全體約為99μm。因此，電介質(zhì)結(jié)晶部各自的厚度約為49μm。
再次參考圖11，可變波長光學(xué)過濾器2051、2052分別具有的絕緣層113，由TeO2系玻璃形成。使用了TeO2系玻璃的理由，是因?yàn)檎凵渎屎蚄LTN結(jié)晶大體相等，通過調(diào)整成分可以實(shí)現(xiàn)和KLTN相等的折射率，因此可以抑制在界面的光反射。在這一場合，TeO2系玻璃的厚度被調(diào)整為λ/2。此外，作為絕緣層113，使用了TeO2系玻璃，但是使用SiO2、Al2O3、聚合物等電容率比KLTN低的絕緣材料，也可以實(shí)現(xiàn)過濾器。
電介質(zhì)結(jié)晶部112、117各自的側(cè)面的電極114、118，通過蒸鍍金屬而形成。如圖11所示，這些電極114、118，被配置為在電介質(zhì)結(jié)晶部112上在垂直于紙面的方向上產(chǎn)生電場，在電介質(zhì)結(jié)晶部117上在平行于紙面的方向上產(chǎn)生電場。
電介質(zhì)多層膜反射鏡111、115，通過一般使用的SiO2/Nb2O5形成。這些電介質(zhì)多層膜反射鏡111、115被配置成夾持電介質(zhì)結(jié)晶部112、117(以及其間的電介質(zhì)結(jié)晶部112)，來構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具。另外，電介質(zhì)多層膜反射鏡111、115，被設(shè)計(jì)為使在1570nm處的反射率為90％。
具有以上結(jié)構(gòu)的可變波長光學(xué)過濾器2051、2052，如圖26所示，沿光的行進(jìn)方向L被并排設(shè)置，得到多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050。另外，在該圖中，參照符號(hào)2053和2054表示微透鏡，參照符號(hào)2055和2056表示單模光纖。通過這些微透鏡和單模光纖形成瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，在該光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)配置該多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050。
下面說明2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050的光透過特性的測定結(jié)果。測定使用圖13所示的測定系統(tǒng)。亦即，把來自ASE光源131的光入射到安裝了該光學(xué)過濾器2050的過濾器組件200，用光譜分析儀132檢測射出光。在進(jìn)行高速動(dòng)作測定時(shí)，使用放大器134放大用函數(shù)發(fā)生器133發(fā)生的電壓圖形，施加到過濾器上，用光檢測器135檢測光輸出，用示波器136觀察響應(yīng)特性。
此外，通過在瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中安裝2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，從電極引出金屬配線，用金線連接到框架上，制作過濾器組件。
在測定高速響應(yīng)特性時(shí)，具體說，使用放大器134放大來自脈沖圖形發(fā)生器133的具有1GHz頻率的矩形波電壓，在2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器上施加30V的電壓。作為光源使用了ASE光源131。把來自該光源的波長1570nm的射出光導(dǎo)入2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，來自該可變波長光學(xué)過濾器的射出光通過了1570nm的帶通過濾器后，由光檢測器135接收。
其結(jié)果，可知，根據(jù)本實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的高速響應(yīng)特性，和根據(jù)第一實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器(參照?qǐng)D7)相同。亦即，顯然，根據(jù)本實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器2050的透過光，對(duì)于外加電場進(jìn)行響應(yīng)，可以用1GHz(可變時(shí)間0.6n sec)來實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化。
這樣，顯然，若使用本實(shí)施方式的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器的話，可以用30V左右的外加電壓實(shí)現(xiàn)40nm的波長變化，而且，可以實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包的插·分的高速性。
另外，通過組合多個(gè)FSR不同的可變波長光學(xué)過濾器，與使用單獨(dú)的可變波長光學(xué)過濾器的場合相比，各個(gè)可變波長光學(xué)過濾器所要求的波長變化寬度更少也可以，因此，結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)更低電壓的驅(qū)動(dòng)。
此外，在第十四實(shí)施方式中，記述了可變波長光學(xué)過濾器是兩個(gè)的場合，不用說，在FSR不同的可變波長光學(xué)過濾器是大于等于3個(gè)的場合也可以得到同樣的效果。
如上所述，根據(jù)第十一到第十四實(shí)施方式，通過使用了FSR不同的大于等于2個(gè)的可變波長光學(xué)過濾器的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，可以減低在結(jié)晶的單位厚度上施加的電壓，因而，可以發(fā)揮恰當(dāng)?shù)?次的電光效應(yīng)。另外，因?yàn)槭褂镁哂?次電光效應(yīng)的結(jié)晶，所以可以實(shí)現(xiàn)高速·寬頻帶可變波長光學(xué)過濾器。另外，本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器，因?yàn)槟軌蛞愿咚倏勺兓瘜掝l帶，所以能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的插·分等的高功能，同時(shí)，也可以作為光計(jì)測用的高速的波長掃描振蕩器使用。另外，在圖8所示的可變波長光學(xué)過濾器26中，會(huì)產(chǎn)生多重反射，但是使用根據(jù)第十一到第十四實(shí)施方式的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，可以防止多重反射。
(第十五以及第十六實(shí)施方式)在說明第十五以及第十六實(shí)施方式以前，遵照上述的第一到第十四實(shí)施方式的基本原理，來說明這些實(shí)施方式的基本原理。
在考慮設(shè)備的高速響應(yīng)性時(shí)，必須考慮該設(shè)備的時(shí)間常數(shù)。法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器，因?yàn)橥ㄟ^用電極夾持電介質(zhì)來制作，所以具有靜電電容以及電阻。靜電容量C由C＝ε0εrS/d ...(16)給出。此外，在式(16)中，d是電介質(zhì)的厚度，ε0是真空的介電常數(shù)，εr是電介質(zhì)的電容率，S是電極的面積。
由式(16)可知，為減低靜電電容C，或使電極的面積S變小，或使d變大。
另外，由電極產(chǎn)生的電阻R由R＝ρνl/a...(17)給出。在式(17)中，ρν是電極的體積電阻率，l是電極的長度，a是電極的橫截面積(厚度)。
體積電阻率ρν是物質(zhì)固有的值，因?yàn)樵谏婕霸搶?shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器中使用的透明電極，具有10-2Ωm數(shù)量級(jí)的體積電阻率，所以電極的電阻變大。因此，時(shí)間常數(shù)RC變大，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)不利。為克服這一點(diǎn)，考慮在透明電極的表面用金屬薄膜涂復(fù)的結(jié)構(gòu)，或者把金屬薄膜自身用作電極和反射鏡兩者目的方法。
如上所述，通過使標(biāo)準(zhǔn)具的有效表面積盡可能小另外降低電極的電阻，可以實(shí)現(xiàn)以ns數(shù)量級(jí)的高速動(dòng)作。
下面說明第十五以及第十六實(shí)施方式。以下的實(shí)施方式，不過是用于說明本發(fā)明的，不是限制本發(fā)明的范圍的。因此，只要是本領(lǐng)域的技術(shù)人員，都可以采用包含這些各個(gè)要素或者全部要素的各種實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式也包含在本發(fā)明內(nèi)。
(第十五實(shí)施方式)圖27是根據(jù)第十五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器的結(jié)構(gòu)圖。另外，圖28是表示從光的行進(jìn)方向看該可變波長光學(xué)過濾器的平面圖?？勺儾ㄩL光學(xué)過濾器301，通過在做成薄片的電介質(zhì)結(jié)晶部3011的兩側(cè)配置金屬薄膜電極3012、3013而構(gòu)成。該金屬薄膜電極同時(shí)具有反射鏡的作用。
可變波長光學(xué)過濾器301的電介質(zhì)結(jié)晶部3011，用KLTN形成。KLTN，通過調(diào)整Li的濃度和Nb的濃度，相轉(zhuǎn)移溫度被調(diào)整到-15℃。
具體說，電介質(zhì)結(jié)晶部3011的組成為K0.96Li0.04Ta0.77Nb0.23O3。Li的組成比，在本實(shí)施方式中為0.04，但是即使添加0.001也有使相轉(zhuǎn)移2次變化的效果，到0.1保持立方結(jié)晶，可以使用。特別在0.01～0.06的范圍內(nèi)，結(jié)晶質(zhì)量高，可以實(shí)現(xiàn)20000以上的電容率。
另外，動(dòng)作溫度是-15℃，在-15℃附近的材料的電容率為25000。
金屬薄膜電極3012、3013，通過蒸鍍法形成，以使具有光通過的部分的必要最小限度的面積，具體地說，電極3012、3013通過蒸鍍銀而形成，對(duì)于電介質(zhì)結(jié)晶部3011的3mm×3mm尺寸，具有半徑10μm的圓形部和3μm寬的電極取出部。另外，電介質(zhì)結(jié)晶部3011的厚度為50μm，銀的薄膜的厚度為10nm。
可變波長光學(xué)過濾器301，在測定其光透過特性時(shí)，安裝在了如圖29那樣的光學(xué)系統(tǒng)上。此時(shí)，為得到直徑小于等于10μm的光束，使用帶有光纖準(zhǔn)直儀的單模光纖3032、3033。
另外，實(shí)際測定了該過濾器301的靜電電容和電阻，分別是60pF和6Ω。從這些值求時(shí)間常數(shù)，為3600psec。
通過上述結(jié)構(gòu)，可以制作具有1.3THz的FSR的可變波長光學(xué)過濾器。對(duì)于該過濾器，可知，施加了40V的高頻信號(hào)電壓，以380psec動(dòng)作，確認(rèn)了高速動(dòng)作。
因而，可知，若使用涉及本實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器301的話，可以進(jìn)行38nsec這樣的高速動(dòng)作。
此外，在本實(shí)施方式中，金屬薄膜電極3012、3013被形成為使其具有光通過的部分的必要最小限度的面積，但是，顯然，作為用來減低電極的電阻的措施，即使在采用了用金屬薄膜涂敷透明電極的表面的結(jié)構(gòu)的場合，也應(yīng)該使其具有光通過的部分的必要最小限度的面積那樣來形成這些透明電極以及金屬薄膜僅。
(第十六實(shí)施方式)在第十六實(shí)施方式中，說明和第十一實(shí)施方式的差異。
在第十六實(shí)施方式中，使用具有和涉及第十五實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器301同樣的可變波長光學(xué)過濾器3041以及可變波長光學(xué)過濾器3042。它們是FSR不同的兩個(gè)法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具型過濾器。具體說，可變波長光學(xué)過濾器3041具有600GHz的FSR，可變波長光學(xué)過濾器3042具有700GHz的FSR。通過組合這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具，如下所述，可以實(shí)現(xiàn)FSR＝4.2THz。
為實(shí)現(xiàn)4.2THz的FSR，在每一個(gè)可變波長光學(xué)過濾器3041、3042中，需要移位FSR大小的透過頻帶的中心頻率。透過頻帶的中心頻率通過式(10)表示。通過使用電光效應(yīng)使該項(xiàng)中的n變化，使中心頻率移位。在KLTN中，因?yàn)間12＝-0.038m4/C2，εr＝25000，另外，ε0＝8.854×10-12，所以，通過把這些值代入式(10)、式(14)以及式(15)，可知，在可變波長光學(xué)過濾器3041(FSR 600GHz)的場合，KLTN的厚度為115μm，可以取外加電壓為111V，在可變波長光學(xué)過濾器3042(FSR 700GHz)的場合，KLTN的厚度為99μm，可以取外加電壓為96V。若從厚度和外加電壓計(jì)算要施加在每1μm厚度上的電壓的話，可知，在可變波長光學(xué)過濾器3041中，可以施加0.96V/μm的電壓，在可變波長光學(xué)過濾器3042中，可以施加0.97V/μm的電壓。進(jìn)行了靜電電容和電阻值的測定，在可變波長光學(xué)過濾器3041中，C＝25pF、R＝50Ω，在可變波長光學(xué)過濾器3042中，C＝33pF、R＝50Ω。
接著，通過如圖30所示安裝這些可變波長光學(xué)過濾器3041、3042，構(gòu)成2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器202。在圖30中，參照符號(hào)3043、3044表示帶有光纖準(zhǔn)直儀的單模光纖。把兩個(gè)可變波長光學(xué)過濾器3041、3042配置成從互相平行的配置離開大于等于2度的角度傾斜，各可變波長光學(xué)過濾器之間的距離為2mm。把通過光纖準(zhǔn)直儀導(dǎo)入的1.55μm的光變?yōu)橹睆叫∮诘扔?0μm的光束，導(dǎo)入到多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器202。使用派爾帖元件把全體保持在-13℃測定了特性，可以得到4.1GHz的FSR。接著，在可變波長光學(xué)過濾器3041、3042上施加電壓，測定了透過頻帶的中心波長的移位，可以觀察到FSR＝4.1GHz大小的移位，可知作為過濾器在起作用。
進(jìn)而，在對(duì)于這些，進(jìn)行了用于確認(rèn)高速動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)，已可以制作FSR4.1THz的2級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器。另外，對(duì)于可變波長光學(xué)過濾器3041施加30V的高頻信號(hào)電壓、對(duì)于可變波長光學(xué)過濾器3042，施加了25V的高頻信號(hào)電壓，可知，以100psec動(dòng)作，確認(rèn)了高速動(dòng)作。
從而，可知，若使用本實(shí)施方式的話，可以進(jìn)行100psec這樣的高速動(dòng)作。
如上所述，依據(jù)第十五以及第十六實(shí)施方式，通過僅在光通過的部分形成電極，可以縮小電極的面積，并由此降低靜電電容，進(jìn)而通過在電極上使用體積電阻率低的銀，可以實(shí)現(xiàn)100psec數(shù)量級(jí)的高速動(dòng)作。因而，第十五以及第十六實(shí)施方式的可變波長光學(xué)過濾器，因?yàn)槟軌蛞愿咚倏勺儗掝l帶，所以能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的插·分等高功能化，同時(shí)，也可以作為光計(jì)測用的高速的波長掃描振蕩器使用。此外，在透明電極中也能夠進(jìn)行同樣的安裝。
參照上面的多個(gè)實(shí)施方式，說明了涉及本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器。在這些實(shí)施方式中，不限定于舉例表示的可變波長光學(xué)過濾器，在任一實(shí)施方式中，都可以使用“具有K1-yLiyTa1-xNbxO3的組成的結(jié)晶材料”、“具有用Ba、Sr、Ca中的至少一個(gè)元素置換KTa1-xNbxO3中的K的全部或K1-yLiyTa1-xNbxO3中的K以及Li的全部、且用Ti置換了Ta以及Nb的全部的組成的結(jié)晶材料”、“具有用Pb和La中的至少一個(gè)元素置換KTa1-xNbxO3中的K的全部或K1-yLiyTa1-xNbxO3中的K以及Li的全部、且用Ti和Zr中的至少一個(gè)元素置換了Ta以及Nb的全部的組成的結(jié)晶材料”。
另外，上述化學(xué)式中的組成比x可以在0.1≤x≤0.5的范圍內(nèi)任意調(diào)整，組成比y可以在0＜y＜0.1的范圍內(nèi)任意調(diào)整。
本發(fā)明，涉及光通信、光計(jì)測等使用的可變波長光學(xué)過濾器，能夠提供能夠以低電壓高速動(dòng)作，而且能夠橫跨寬的波長頻帶使波長變化的可變波長光學(xué)過濾器。
權(quán)利要求
1.一種可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于具有由具有立方結(jié)晶結(jié)構(gòu)、呈現(xiàn)2次電光效應(yīng)的電介質(zhì)結(jié)晶形成的光透過性的電介質(zhì)結(jié)晶部(2；28，30；38；112，117；182，184；202，204，206，208；2011；3011)；與所述電介質(zhì)結(jié)晶部一起構(gòu)成法布里-配洛標(biāo)準(zhǔn)具的反射鏡部(5，6；27，29，31；39，41；111，115；181，185；201，205，209；2014，2015)；和通過所述電光效應(yīng)為了使該標(biāo)準(zhǔn)具的透過光的波長變化用于給所述電介質(zhì)結(jié)晶部施加電壓的電極(3，4；33～36；40，43；114，118；187，188；212～215；2012，2013；3012，3013)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電極(3，4；33～36；40，43；2012，2013)對(duì)于所述透過光是透明的透明電極，同時(shí)鄰接所述電介質(zhì)結(jié)晶部來配置；所述反射鏡部(5，6；27，29，31；39，41；2014，2015)是由電介質(zhì)多層膜形成的電介質(zhì)多層膜反射鏡部，同時(shí)鄰接該電極來配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于還具有一個(gè)或者一個(gè)以上的所述電介質(zhì)結(jié)晶部和所述透明電極，所述電介質(zhì)結(jié)晶部(38)和所述透明電極(40，43)被交互配置，并形成所述電介質(zhì)多層膜反射鏡部(39，41)以夾持通過該交互配置形成的多層體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于具有追加的所述電介質(zhì)多層膜反射鏡部，所述電介質(zhì)結(jié)晶部的哪一個(gè)都被所述透明電極夾持，所述追加的電介質(zhì)多層膜反射鏡部被構(gòu)成為由該透明電極夾持。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電極(3012，3013)是用金屬形成的金屬電極，同時(shí)鄰接電介質(zhì)結(jié)晶部來配置，而且兼作所述反射鏡部。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電極，還具有在所述透明電極的表面上涂覆的金屬薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電極(3012，3013)實(shí)質(zhì)上僅在所述透過光通過的部分上形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述金屬薄膜，實(shí)質(zhì)上僅在所述透過光通過的部分上形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電極(114，118；187，188；212～215)，被設(shè)置成與透過所述電介質(zhì)結(jié)晶部(112，117；182，184；202，204，206，208)的光的透過方向正交且在互相正交的兩個(gè)方向上發(fā)生電場。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于還具有一個(gè)或一個(gè)以上的所述電介質(zhì)結(jié)晶部，對(duì)于所述電介質(zhì)結(jié)晶部的每一個(gè)(202，204，206，208)，所述電極(212～215)被設(shè)置成與透過該電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向正交且在互相正交的兩個(gè)方向上發(fā)生電場。
11.根據(jù)權(quán)利要求3或10所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電介質(zhì)結(jié)晶部的每一個(gè)，具有不同的FSR。
12.根據(jù)從權(quán)利要求9到11所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于還具有由電容率比所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電容率還小的絕緣體形成的絕緣層(113；183；203，207)，插入該絕緣層以使將所述電介質(zhì)結(jié)晶部分割為在所述兩個(gè)方向中的一個(gè)方向上產(chǎn)生電場的第一部分和在另一方向上產(chǎn)生電場的第二部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述絕緣體，是以TeO2為主要成分的玻璃、SiO2、Al2O3、或者聚合物中的任何一個(gè)或者它們的復(fù)合體。
14.根據(jù)從權(quán)利要求1到13中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于還具有用于管理形成所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的溫度的溫度調(diào)整裝置。
15.根據(jù)從權(quán)利要求1到8中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于形成所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶是單結(jié)晶，其一個(gè)結(jié)晶軸的軸方向和透過所述電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向一致。
16.根據(jù)從權(quán)利要求1到8中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于形成所述電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶是多結(jié)晶，至少一個(gè)結(jié)晶軸的軸方向和透過所述電介質(zhì)結(jié)晶部的光的透過方向一致。
17.根據(jù)從權(quán)利要求1到16中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電介質(zhì)結(jié)晶，具有K1-yLiyTa1-xNbxO3的化學(xué)組成。
18.根據(jù)從權(quán)利要求1到16中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電介質(zhì)結(jié)晶，具有用Ba、Sr、Ca中的至少一個(gè)元素置換KTa1-xNbxO3中的K的全部、或K1-yLiyTa1-xNbxO3中的K以及Li的全部、且用Ti置換Ta以及Nb的全部的組成。
19.根據(jù)從權(quán)利要求1到16中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于所述電介質(zhì)結(jié)晶，具有用Pb和La中的至少一方的元素置換KTa1-xNbxO3中的K的全部、或K1-yLiyTa1-xNbxO3中的K以及Li的全部、且用Ti和Zr中的至少一方的元素置換Ta以及Nb的全部的組成。
20.根據(jù)從權(quán)利要求17到19中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于作為在所述電介質(zhì)結(jié)晶的組成中的第一組成比的所述x，為大于等于0.1小于等于0.5，作為所述電介質(zhì)結(jié)晶的第二組成比的所述y，為比0大比0.1小。
21.一種多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，其包含多個(gè)從權(quán)利要求1到20中任何一項(xiàng)所述的可變波長光學(xué)過濾器，各可變波長光學(xué)過濾器，沿向該可變波長光學(xué)過濾器要入射的光的行進(jìn)方向進(jìn)行設(shè)置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的多級(jí)結(jié)構(gòu)可變波長光學(xué)過濾器，其特征在于與形成各可變波長光學(xué)過濾器的電介質(zhì)結(jié)晶部的電介質(zhì)結(jié)晶的結(jié)晶軸正交的面和與所述光的行進(jìn)方向正交的面，以大于或等于2度的角度傾斜。
全文摘要
涉及本發(fā)明的可變波長光學(xué)過濾器(1)具有由具有立方結(jié)晶結(jié)構(gòu)、呈現(xiàn)2次電光效應(yīng)的電介質(zhì)結(jié)晶形成的光透過性的電介質(zhì)結(jié)晶部(2)；與所述電介質(zhì)結(jié)晶部一同構(gòu)成法布里－配洛標(biāo)準(zhǔn)具的反射鏡部(5，6)；以及通過電光效應(yīng)為為使該標(biāo)準(zhǔn)具的透過光的波長變化用于在電介質(zhì)結(jié)晶部上施加電壓的電極(3，4)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭褂镁哂辛⒎浇Y(jié)晶結(jié)構(gòu)、呈現(xiàn)2次電光效應(yīng)的電介質(zhì)結(jié)晶，所以可以實(shí)現(xiàn)高速而且能夠以低電壓驅(qū)動(dòng)的可變波長光學(xué)過濾器。
文檔編號(hào)G02B5/28GK1799001SQ20048001415
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者下小園真, 藤浦和夫, 豐田誠治, 今井欽之 申請(qǐng)人:日本電信電話株式會(huì)社