(57)【要約】【課題】構成部品を結晶内にインテグレーションすることにより、部品点数が極端に少なくかつ透過特性にリップル特性の無い理想的光学フィルタ−を提供することにある。【解決手段】結晶からなる光学フィルタであり、前記結晶が異なる２種類の分極領域を周期的に並べた構造を有し、前記異なる２種類の分極領域の界面と平行に切断した屈折率楕円体の主軸が、前記異なる２種類の分極領域において異なることを特徴とする光学フィルター【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶からなる光学フィルタであり、前記結晶が異なる２種類の分極領域を周期的に並べた構造を有し、前記異なる２種類の分極領域の界面と平行に切断した屈折率楕円体の主軸が、前記異なる２種類の分極領域において異なることを特徴とする光学フィルター。
【請求項２】
前記異なる２種類の分極領域の分極方向が互いに６０°をなすことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項３】
前記結晶の対称性が斜方晶、単斜晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルター。
【請求項４】
前記結晶がニオブ酸カリウムであることを特徴とする請求項３に記載の光学フィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
レーザの部品、光学部品などに用いられる光学フィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学フィルターとして、光学多層膜のコーテイング等で構成された光学フィルターや偏光素子、複屈折結晶などを組み合わせたフィルターやなどが使用されている。
【０００３】
光学多層膜の蒸着物質としては一般にＴｉＯ２／ＳｉＯ２の組み合わせが多く利用されているが、これらはＵＶ照射硬化させる祭に吸収が発生しやすいことが知られている。また有機物付着や湿度による吸水により等価特性が変化することが知られている。また、偏光子や複屈折結晶との組み合わせによる複屈折フィルターが知られているが周期的な透過曲線となる。
【０００４】
フォールデッドソルクフィルター（Ｆｏｌｄｅｄ　Ｓｏｌｃ　Ｆｉｌｔｅｒ）は厚みの等しい複屈折板のｆａｓｔ―ａｘｉｓもしくはｓｌｏｗ−ａｘｉｓが偏光子の方向となす角度が＋ρ、−ρ度と交互になるように配置したものとして知られている。（非特許文献１：Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｗａｖｅｓ　ｉｎ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ；　　Ａｍｎｏｎ　Ｙａｒｉｖ，　Ｐｏｃｈｉ　Ｙｅｈ　　，Ｊｏｈｎ−Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ　　ｐ．１３２、（１９８４））図６参照。
【０００５】
偏光子１０の次にｓｌｏｗ−ａｘｉｓを偏光子の方向（＋ｘ軸方向）からある角度＋ρ回転させて第一の複屈折結晶１１をセットする。その後第二の複屈折結晶１２を−ρ回転させてセットする。これをｍ回繰り返して２ｘｍ個の複屈折結晶をセットする。最終の複屈折結晶を通過した光は検光子２０を通過すると、フィルター特性を得ることができる。
【０００６】
フォールデッドソルクフィルターは急峻でＦＳＲの広いフィルターを構成することができる。しかしながら部品点数が多く各結晶の回転角度を正確にセットする必要があった。
【０００７】
【非特許文献１】Ａｍｎｏｎ　Ｙａｒｉｖ，　Ｐｏｃｈｉ　Ｙｅｈ　著　”Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｗａｖｅｓ　　ｉｎ　　Ｃｒｙｓｔａｌｓ”　Ｊｏｈｎ−Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ　（１９８４）　ｐ．１３２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
複数の結晶素子を一定角度で固定するためには固定台に１枚ずつ正確に角度出しを行い接着する必要があり、組み立てるには多大の労力を必要とする。
【０００９】
本発明は結晶方位そのものを分極方位の部分的制御することにより実現し、結晶方位が光の伝搬軸にそって変化するような結晶材料や素子を形成し、構成部品を結晶内にインテグレーションすることにより、部品点数が極端に少なくかつ透過特性にリップル特性の無い理想的光学フィルタ−を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、結晶からなる光学フィルタであり、前記結晶が異なる２種類の分極領域を周期的に並べた構造を有し、前記異なる２種類の分極領域の界面と平行に切断した屈折率楕円体の主軸が、前記異なる２種類の分極領域において異なることを特徴とする光学フィルターである。
【００１１】
前記異なる２種類の分極領域の分極方向が互いに６０°をなすことが好ましい。また前記結晶の対称性が斜方晶、単斜晶であることが好ましい。
【００１２】
本発明者らは結晶の対称性が斜方晶である結晶材料を利用して種々の切り出し角度で結晶を切り出し、電極を作成して電界を印加したところ、おどろくべき事に自発分極が変化しやすい電界印加方向が存在することがわかった。さらに、自発分極が変化しやすい方向は、もとの自発分極の向きと、新しい自発分極の向きと大きく関係していることがわかった。
【００１３】
例としてニオブ酸カリウム結晶の６０°分極構造を取り上げる。図２にニオブ酸カリウムを取り扱う上での結晶座標軸を示す。斜方晶であるニオブ酸カリウムの結晶軸はａ，ｂ，ｃの３種類あり、互いに直行している。しかし、ここでは分極方向を取り扱いやすいようにニオブ酸カリウムを擬似的な立方晶と考え、座標軸を２（ａ）ようにとる。図２（ａ）において、［ｘ／ｙ／ｚ］＝［０／０／１］はｂ軸、［１／１／０］はｃ軸、［−１／１／０］はａ軸に相当し、ｃ軸方向が分極している方向にとる。
６０°分極構造の分極方向は図２（ｂ）のように、初期の分極方向である［１／１／０］に対して、［１／０／１］、［０／１／１］、［１／０／−１］、［０／１／−１］の４通り存在する。ここで、初期の分極方向［１／１／０］と新しい分極方向［１／０／１］、［０／１／１］、［１／０／−１］または［０／１／−１］とのなす角は、厳密には６０°からわずかにずれる。この理由は、擬似的な立方晶の座標において、主軸［１／０／０］、［０／１／０］、［０／０／１］のなす角が直角ではなく、かつその大きさが等しくないことに起因しており、９０°からのずれ具合は、前記主軸間のなす角、およびその大きさのずれ具合に依存する。
【００１４】
ここで、［０／１／１］方向に分極して元の分極方向と６０°傾いている分極領域７４を作製する場合を考える。この場合、図３のように元の自発分極方向７１である［１／１／０］方向と作製したい６０°分極の自発分極方向７２である［０／１／１］方向との差ベクトルの方向である［１／０／−１］方向が主面となるように矩形体に切り出し、入射面となる分極壁７５と平行な方向である（１／０．３／１）面４０，４１を光学研磨する。次に図３に示すように主面上に（１／０．３／１）方向に平行な周期電極対３０，３１を金属蒸着等の手段で装着する。電極間３０、３１に分極が倒れる方向に電界を加える。
【００１５】
図３のように作製した電極間に電界を印加すると、電極下部の自発分極方向が６０度回転する。このため分極方向が６０°傾いた分極域を周期的に作製することが出来る。
【００１６】
図４（ａ）（ｂ）にそれぞれ入射面４０から見た元の分極領域７３とこれと分極方向が互いに６０°異なる分極領域７４の屈折率楕円体を示す。はじめに、元の分極領域７３と分極領域７４の座標軸を考える。元の分極領域７３の［１／０／０］，［０／１／０］，［０／０／１］は分極領域７４においてはそれぞれ［０／１／０］，［０／０／１］，［１／０／０］に変わる。そのため、元の分極領域７３の［１／０／−１］，［１／０．３／１］，［０．３／−２／０．３］はそれぞれ、分極領域７４においては［０／−１／１］，［０．３／１／１］，［−２／０．３／０．３］に変化する。この座標軸を考慮すると、分極壁の平行な面における屈折率楕円体は元の分極領域７３においては主軸が［１／０／−１］から［０．３／−２／０．３］方向に主軸が約３１．６°傾き、分極領域７４においては主軸が［０／−１／１］から［−２／０．３／０．３］に向かって−３１．６°傾く。このように、異なる２つの分極領域の分極壁７５に平行な屈折率楕円体の主軸がそれぞれの領域で異なる構造、例えば６０°分極構造を周期的に分極制御した結晶素子を作製することにより、二つ以上の光学部品を接着することなく、また複屈折板をモノリシックに構成でき光学調整することなく、かつ壁面に垂直に光を入射するだけでよい非常にアライメントが容易なフォールデットソルク型フィルタを構成することができる。
【００１７】
以下これを具体的に説明する。
【００１８】
【作用】
入射面方向から見た周期的６０度分域の様子を図１に示す。２つの分極領域７３、７４の間の自発分極方向７１、７２（矢印の方向は分極軸を投影した方向）のなす角度は互いに６０度である。２つの領域の分極壁７５は圧電定数と結晶界面の連続条件から、Ｓ−ｗａｌｌと呼ばれる（１／０．３／１）面に形成される。以下の座標軸は元の分極領域７３における座標で説明する。対応する分極領域７４の座標軸は、前述の通りである。この界面と垂直な方向である［−１／−０．３／−１］方向をｚ軸にとり、［１／０／−１］をｘ軸、［０．３／−２／０．３］をｙ軸に取る。ｚ軸方向に光を入射した場合を考える。
【００１９】
入射光は偏光子１０を通過させｘ軸方向の直線偏光を入射させる。各分極領域７３、７４の屈折率楕円体を光軸１（ｚ軸）に垂直な面に投影した屈折率楕円体の主軸方向は図４に示すようにそれぞれ＋ρ°、−ρ°（ρ＝約３１．６°）傾いている。
【００２０】
従って、入射した光は、等価的に−ρ、＋ρ回転させた複屈折板を交互に通過する事になる。出射した光を偏光子方向と直交した検光子１０を通過させる。この現象を利用すれば、図６で説明したフォールデドソルクフィルターと同じ原理となるため、２つ以上の光学部品を接着することなく、また複屈折板をモノリシックにソルクフィルタを構成でき、光軸調整することなく１つの素子で光制御が実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
斜方晶系に属するニオブ酸カリウムの６０°分極構造を例にとり説明する。ニオブ酸カリウムの室温における点群はｍｍ２で、格子定数はａ＝０．５６８８ｎｍ、ｂ＝０．３９７１ｎｍ、ｃ＝０．５７１４ｎｍ、波長１０６４ｎｍでの主屈折率ｎａ＝２．２１９５、ｎｂ＝２．２５７６、ｎｃ＝２．１１９４である。ニオブ酸カリウム結晶の自発分極軸はｃ軸である。図３に示すように［１／０／−１］に垂直となるように矩形体形状に切り出し、電極３０の［１／０．３／１］と平行になるように、電極幅３００μｍ、スペース３００μｍで周期的な電極３０を構成する。底面はべた電極３１を作製する。このような構成で電圧を印加することにより、分極方向（ｃ軸）を６０度回転させることができる。
【００２２】
次に、フィルタ動作について説明する。図１に示すように、ｘ軸方向に偏光した光を入射面４０からｚ軸と平行に入射する。出射面から出射した光をｘ軸方向の検光子２０を通してスペクトルを観測するとフィルタ特性が得られる。
【００２３】
例として図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は分極領域７４の厚みがそれぞれ１５０，２００，３００μｍを７層で構成でした場合の透過スペクトルを示す。周期が長い場合狭帯域のフィルタを実現できることがわかる。
【００２４】
こうしたフィルタはロスが小さいためレーザ共振器内に配置することにより発振波長選択や、波長多重光通信（ＤＷＤＭ）における波長選択などの狭帯域フィルターなどに利用できる。
【００２５】
以上の説明では、ニオブ酸カリウムの６０°分極構造を取り上げたが、１２０°分極構造に対しても適用できる。また、ニオブ酸カリウム以外の単斜晶、斜方晶などにおける１８０°以外の分極構造で分極壁と平行な面における屈折率楕円体の主軸が二つの分極領域で異なる構造に対しても適用できる。
【００２６】
また、前記分極構造を持つ材料としては、複屈折の大きな材料であるニオブ酸カリウムが望ましい。
【００２７】
また単結晶材料に限定して説明したが、基板上にエピタキシャル成長した材料でも適応できることも言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、従来は複数の複屈折板張り合わせでしか実現できなかったソルクフィルタを１つの結晶素子で実現でき、アライメントも容易で、かつ高効率に低コストで生産できるため実用上かつ産業上効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学フィルターの模式図である。
【図２】ニオブ酸カリウムの結晶の座標軸を説明した図である。
（ａ）は擬似的な立方晶の座標と斜方晶の座標との対応を説明した図である。
（ｂ）は６０°分極の方向を説明するための図である。
【図３】光制御素子の作製方法の一例を模式的に示した図である。
【図４】元の分極領域と６０°分極領域の分極壁と平行な面で切断した屈折率楕円体を示した模式図である。（ａ）は元の分極領域の屈折率楕円体、（ｂ）は分極方向が６０°異なる分極領域の屈折率楕円体である。
【図５】フィルター特性の一例を示した図である。
【図６】従来のソルクフィルタの構成を示した図である。
【符号の説明】
１　：光軸、　　　１０：偏光子
１１：第一の複屈折結晶、　　　　１２：第二の複屈折結晶
２０：検光子、　　　　　３０，３１：電極対
４０、４１：入射面、　７１：分極方向、　７２：６０°分極方向
７３：分極領域、　　７４：分極領域、　　　　７５：分極壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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