(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの入力導波路と、少なくとも１つの出力導波路と、前記少なくとも１つの入力導波路および前記少なくとも１つの出力導波路が接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路と含むアレイ導波路格子からなる導波路型の分光手段と、
前記分光手段の前記アレイ導波路の端面から出射される光信号を、前記アレイ導波路の分波面に垂直な方向にコリメートするシリンドリカルレンズと、
前記シリンドリカルレンズからの光信号の光波面の進行方向を反転させる波面変換手段とを備え、
前記波面変換手段は、選択する透過光波長に応じて、前記分光手段の前記分波面内の分光軸方向に、前記反転された光波面の進行方向を傾けることができることを特徴とする光波長可変フィルタ。
【請求項２】
前記波面変換手段は、前記選択された透過光波長に対応する駆動信号に基づいて、静電駆動方式、磁気駆動方式または圧電駆動方式により駆動されるマイクロマシン型空間位相変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光波長可変フィルタ。
【請求項３】
前記シリンドリカルレンズからの前記光信号を、第１の光路を進むＴＭモード光信号と第２の光路を進むＴＥモード信号とに分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子と前記波面変換手段との間であって前記第１の光路中または前記第２の光路中のいずれかに配置されたλ／２波長板とをさらに備え、
前記波面変換手段は、前記選択された透過光波長に対応する駆動信号が印加される電気光学結晶であることを特徴とする請求項１に記載の光波長可変フィルタ。
【請求項４】
前記シリンドリカルレンズからの前記光信号を、第１の光路を進むＴＭモード光信号と第２の光路を進むＴＥモード信号とに分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子と前記波面変換手段との間であって前記第１の光路中または前記第２の光路中のいずれかに配置されたλ／２波長板とをさらに備え、
前記波面変換手段は、前記分光手段の分波面との交線に沿って複数の液晶要素素子が配列され、隣り合う各前記要素素子間に所定の位相差が与えられた液晶空間位相変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光波長可変フィルタ。
【請求項５】
参照光信号を出力する光信号発生器と、
前記参照光信号が入力され、前記分光手段の前記スラブ導波路に接続された第２の入力導波路と、
前記分光手段の前記スラブ導波路に接続され、前記波面変換手段からの前記参照光信号を出力する複数の参照光信号出力導波路群と、
前記複数の参照光信号出力導波路群の各参照光信号出力導波路からの参照光信号強度を検出する受光手段と、
前記受光手段から出力される参照光信号の強度信号を解析する解析手段と、
前記解析手段の解析結果に応じて、前記波面変換手段による光波面の進行方向の反射方向または反射方向設定感度を決定し、前記少なくとも１つの出力導波路から所望の透過光波長を持つ光信号が出力されるような前記駆動信号を生成する駆動信号制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の光波長可変フィルタ。
【請求項６】
前記駆動信号制御手段から所定の可変駆動信号を前記波面変換手段に供給し、前記可変駆動信号に同期して前記各参照光信号出力導波路から順次出力される前記参照光信号の信号強度変化に基づいて、前記解析手段により前記反射方向または反射方向設定感度が決定されることを特徴とする請求項５に記載の光波長可変フィルタ。
【請求項７】
前記可変駆動信号は、時間軸上で直線的にその信号レベルを変化させ、前記可変駆動信号に同期して前記各参照光信号出力導波路から順次出力される前記参照光信号のピーク信号強度に関する情報に基づいて、前記解析手段により前記反射方向または反射方向設定感度が決定されることを特徴とする請求項６に記載の光波長可変フィルタ。
【請求項８】
前記可変駆動信号は、前記参照光信号が前記参照光信号出力導波路のうちのいずれか１つから出力される程度の微小振幅を持つ繰り返し波形信号であり、前記参照光信号の信号強度を同期検波することにより、前記解析手段により前記反射方向または反射方向設定感度が決定されることを特徴とする請求項６に記載の光波長可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長フィルタに関する。より詳細には、光ファイバ通信において用いられる光波長可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的な普及に伴ない、波長多重分割多重（ＷＤＭ: Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送方式が導入され、１本のファイバで複数の波長チャンネルを多重伝送することで、伝送容量が飛躍的に拡大されている。近年、ＷＤＭ通信は、従来のポイントツーポイントのシステムから、リング型の構成に移りつつある。このようなリング型構成のシステムは、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ  Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）等を用いることによって、柔軟にノード間の通信需要の変化に対応することができる。リング型のネットワークは、複数のノードがリング状に接続される。あるノードから別のノードへの信号の伝送は、波長を指定することによって実現される。ノード間において使用する波長数や使用する光波長は、通信需要の変化に伴って変化する。光波長可変フィルタは、このようなネットワークを柔軟に実現するための基本要素デバイスとして、非常に重要である。
【０００３】
一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積する。ＰＬＣを用いた光通信デバイスは、信頼性・量産性に優れ、光学的に優れた性質をもつため、上述のＲＯＡＤＭを構成する部品などにも広く用いられている。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。
【０００４】
図１５は、従来のアレイ導波路格子を用いた波長可変フィルタの概念図である。この波長は変フィルタは、アレイ導波路において導波路の熱光学効果を利用するものである。図１５において、アレイ導波路格子１０１上の入力導波路１０２に入力された光信号は、入力スラブ導波路１０３を経由してアレイ導波路１０４に分配される。アレイ導波路１０４
は、隣合う導波路間で一定の行路長差が設定されている。出力スラブ導波路１０６への入射面では、光信号に、その波長に応じた異なる位相がそれぞれ付与される。出力スラブ導波路１０６は集光レンズとして動作するため、出力スラブ導波路１０６と出力導波路１０７との境界においては、光信号は波長ごとに異なる位置に集光する。したがって、出力スラブ導波路１０６と出力導波路１０７との境界に集光した特定の波長の光信号が、出力導波路１０７を伝搬し出力される。すなわち、特定の波長の光信号だけが透過することができるので、波長フィルタとして動作する。
【０００５】
ここで、アレイ導波路１０４上に配置されたヒータ１０５ａまたは１０５ｂに電流を流すことで、発生した熱により、熱光学効果を介してアレイ導波路１０４の等価屈折率を変化させることができる。等価屈折率の変化により、アレイ導波路１０４を通過する光波の位相は変化する。ヒータ１０５ａおよび１０５ｂは、アレイ導波路１０５の導波路ごとに一定の長さの差をもって配置される。熱光学効果に伴って光信号に与えられる位相シフト量は、アレイ導波路ごとに線形的に異なる。したがって、アレイ導波路１０４と出力スラブ導波路１０６との境界における光波面を傾けることができる。すなわち、ヒータ１０５ａまたは１０５ｂに流す電流値を変化させることによって、出力導波路１０７へ集光する光信号の波長を変化させることができる。すなわち、光波長可変フィルタを実現できる。  他の光波長フィルタの構成例としては、例えば非特許文献２には、空間系においてガルバノスキャナおよびバルク回折格子を用いたものが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など）
【非特許文献１】S. Toyoda, N. Ooba, A, Kaneko, M. Hikita, T. Kurihara and T. Maruno, "Wideband polymer thermo-optic wavelength tunable filter with fast response for WDM systems", Electronics Letters, US, 2000, 36(7), pp.658-660
【非特許文献２】W. Y. Oh, S. H. Yun, G. J. Tearney, and B. E. Bouma, "115 kHz tuning repetition rate ultrahigh-speed wavelength-swept semiconductor laser", OPTICS LETTERS, United States America, December 1, 2005, Vol. 30, No. 23, pp.3159-3161.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１５に示した従来型の光波長可変フィルタでは、熱光学効果を利用するのにヒータに通電するための消費電力が大きいという問題があった。数百本にもおよぶアレイ導波路の各々を加熱する必要があるので、導波路材料には熱光学定数の大きいポリマ材料を用いている。しかし、それでも、ヒータに通電するための消費電力は３．９Ｗと大きい。
【０００８】
このように、従来の光波長可変フィルタはその消費電力が大きく、光波長フィルタモジュールの熱制御機構を必要とする点が問題となっていた。さらに、熱光学効果を用いるため、その波長可変の時間応答は２−６０ｍｓと遅い。さらに、熱光学特性の観点からポリマ導波路を用いているため、吸湿等の信頼性の点でも欠点を持っていた。
【０００９】
また、非特許文献２に開示された光波長可変フィルタは、ガルバノスキャナやポリゴンミラーを使っていたので、一定の角度にミラーを固定するという機能の実現が困難であった。すなわち、ＲＯＡＤＭにおいて要求されるように、半固定的に波長を選択することはできず、波長スイーパとして機能するものであった。また、ＲＯＡＤＭを構成する部品として応適合させるにあたっては、光学的な配置が複雑で安定性および実装性に欠け、機能的に限定されたものであった。光学配置構成が簡単で安定性および実装性に富んだ、光波長フィルタが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの入力導波路と、少なくとも１つの出力導波路と、前記少なくとも１つの入力導波路および前記少なくとも１つの出力導波路が接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路と含むアレイ導波路格子からなる導波路型の分光手段と、前記分光手段の前記アレイ導波路の端面から出射される光信号を、前記アレイ導波路の分波面に垂直な方向にコリメートするシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズからの光信号の光波面の進行方向を反転させる波面変換手段とを備え、前記波面変換手段は、選択する透過光波長に応じて、前記分光手段の前記分波面内の分光軸方向に、前記反転された光波面の進行方向を傾けることができることを特徴とする光波長可変フィルタである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光波長可変フィルタにおいて、前記波面変換手段は、前記選択された透過光波長に対応する駆動信号に基づいて、静電駆動方式、磁気駆動方式または圧電駆動方式により駆動されるマイクロマシン型空間位相変調素子であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１に記載の光波長可変フィルタにおいて、前記シリンドリカルレンズからの前記光信号を、第１の光路を進むＴＭモード光信号と第２の光路を進むＴＥモード信号とに分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子と前記波面変換手段との間であって前記第１の光路中または前記第２の光路中のいずれかに配置されたλ／２波長板とをさらに備え、前記波面変換手段は、前記選択された透過光波長に対応する駆動信号が印加される電気光学結晶であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１に記載の光波長可変フィルタにおいて、前記シリンドリカルレンズからの前記光信号を、第１の光路を進むＴＭモード光信号と第２の光路を進むＴＥモード信号とに分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子と前記波面変換手段との間であって前記第１の光路中または前記第２の光路中のいずれかに配置されたλ／２波長板とをさらに備え、前記波面変換手段は、前記分光手段の分波面との交線に沿って複数の液晶要素素子が配列され、隣り合う各前記要素素子間に所定の位相差が与えられた液晶空間位相変調素子であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光波長可変フィルタにおいて、
参照光信号を出力する光信号発生器と、前記参照光信号が入力され、前記分光手段の前記スラブ導波路に接続された第２の入力導波路と、前記分光手段の前記スラブ導波路に接続され、前記波面変換手段からの前記参照光信号を出力する複数の参照光信号出力導波路群と、前記複数の参照光信号出力導波路群の各参照光信号出力導波路からの参照光信号強度を検出する受光手段と、前記受光手段から出力される参照光信号の強度信号を解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果に応じて、前記波面変換手段による光波面の進行方向の反射方向または反射方向設定感度を決定し、前記少なくとも１つの出力導波路から所望の透過光波長を持つ光信号が出力されるような前記駆動信号を生成する駆動信号制御手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５記載の光波長可変フィルタにおいて、前記駆動信号制御手段から所定の可変駆動信号を前記波面変換手段に供給し、前記可変駆動信号に同期して前記各参照光信号出力導波路から順次出力される前記参照光信号の信号強度変化に基づいて、前記解析手段により前記反射方向または反射方向設定感度が決定されることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項６記載の光波長可変フィルタにおいて、前記可変駆動信号は、時間軸上で直線的にその信号レベルを変化させ、前記可変駆動信号に同期して前記各参照光信号出力導波路から順次出力される前記参照光信号のピーク信号強度に関する情報に基づいて、前記解析手段により前記反射方向または反射方向設定感度が決定されることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項６記載の光波長可変フィルタにおいて、前記可変駆動信号は、前記参照光信号が前記参照光信号出力導波路のうちのいずれか１つから出力される程度の微小振幅を持つ繰り返し波形信号であり、前記参照光信号の信号強度を同期検波することにより、前記解析手段により前記反射方向または反射方向設定感度が決定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明の光波長フィルタによれば、極めて少ない消費電力で光波長の可変制御が可能となる。ＡＷＧ上にヒータ電極を形成する必要もない。波長切り替えの速度も極めて速いという優れた効果を持ち、光学配置構成が簡単で安定性および実装性に富んだ光波長フィルタを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を持つものには同一符号をつけている。その繰り返しの説明は省略する。本発明の光波長フィルタは、分光手段としてＡＷＧを使用し、さらに波長可変のための波面変換制御をＡＷＧ外に配置された空間光学素子によって実現する点に特徴がある。空間光学素子の配置および固定が容易で、実装性に富む構成を実現する。安定して反固定的に選択波長を設定可能で、ノード間において使用する波長数や使用する光波長は、通信需要の変化に伴って変化させるのに好適である。
【００２２】
以下詳細に述べる各実施例においては、光学特性の良さや製造の容易さなどの点から、ＡＷＧを用いる場合を示しているが、光導波路基板上に作製された階段上の回折格子などを用いても同様な効果が得られる。どのような導波路型分光手段であっても、導波路型分光手段を用いることによって、装置の小型化、薄型化を図ることが可能である。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。本実施例では、１つのアレイ導波路格子と１つの導波路を用いて光信号の入出力を行なう反射型の構成である。まず、光波長フィルタのアレイ導波路格子周辺の構成および動作を説明する。
【００２４】
波長フィルタへの光信号は、入力光ファイバ１０より入力され、出力光ファイバ１２より出力される。入力光ファイバ１０および出力光ファイバ１２は、光サーキュレータ１１を介して接続ファイバ１３に接続されている。接続ファイバ１３を介して、アレイ導波路格子（以下、ＡＷＧとする）１上の入力導波路２へ光信号が入力される。入力された光信号は、スラブ導波路３により、アレイ導波路４へ分配される。アレイ導波路４によって分配された光信号は、そのままアレイ導波路格子１の端面７より出射される。出射した光信号は、シリンドリカルレンズ５により、ＡＷＧ１の基板厚み方向(ｙ方向)にコリメートされる。
【００２５】
一方、出射された光信号は、分波面を含み光信号の出射方向に垂直な方向(ｘ方向)では、スラブ導波路３のレンズ効果によりすでにコリメート光となっている。このため、シリンドリカルレンズ５を出射した光信号は、ｘ軸およびｙ軸の両方向で平行光となる。さらに、アレイ導波路格子１より出射される光信号は、ＡＷＧ１の分散効果により、端面７において、波長ごとに異なる方向に出射する。出射した光信号は、自由空間を伝搬し、マイクロマシン型波面制御器６へと入射する。
【００２６】
図２は、マイクロマシン型波面制御器の構成を説明する図である。マイクロマシン型波面制御器６は、静電駆動方式により、ｙ軸を回転中心としてミラー３０をチルトさせる機構を持っている。図２においては、ミラー３０のみを示してあり、ＡＷＧ１からの光信号の反射面の反対側には、静電引力によりミラー３０をチルトさせるための周知の分割電極等が配置される。ここでは、静電駆動方式によるマイクロマシン型波面制御器の構造例を示しているが、これに限定されない。磁気駆動方式または圧電駆動方式によるものでも、同様の波面変換制御作用を得ることができるのは言うまでもない。また、後に第２の実施例または第３の実施例において示すように、電気光学結晶を利用しても同様の効果を得ることができる。さらに、偏波無依存化を行なうことにより、第４の実施例において示すように、ＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)や垂直配向の液晶素子などを利用しても同様の波面変換制御機能が実現できる。
【００２７】
マイクロマシン型波面制御器６により反射された光信号は、光路の向きを反転してＡＷＧ１の方向に伝搬する。光信号は、さらに、シリンドリカルレンズ５、アレイ導波路４、スラブ導波路３を経由して、入力導波路２の方向へ伝搬する。ここで、マイクロマシン波面制御器６により反射された光信号のうち、ミラー３０へ垂直に入射した波長成分のみが入力導波路２の位置に集光することに注意されたい。すなわち、ミラー３０へ垂直に入射した波長の光信号のみがミラー３０により反射され、反射光は、往路と全く同一の復路を通ってＡＷＧへ帰る。一方、それ以外の波長の光信号は、スラブ導波路３のレンズ効果により、入力導波路２とスラブ導波路３との接続位置と異なる位置に集光する。したがって、特定の波長の光信号のみが、選択的に入力導波路２を逆伝搬することとなり、帯域通過フィルタ特性が実現される。
【００２８】
ここで、マイクロマシン波面制御器６において、ミラー３０の角度を変化させることによって、光波長フィルタの透過波長を制御できる。選択された波長成分の光信号は、接続ファイバ１３、光サーキュレータ１１および出力ファイバ１２を経由して出力される。
【００２９】
本実施例では、ＡＷＧ１を、比屈折率差１．５％の石英系平面光波回路として作製し、光学パラメータを以下のように設定して、光波長フィルタを実現した。すなわち、アレイ導波路４の行路長差を３３．８μｍ、回折次数を３１、中心波長を１．５９μｍ、スラブ導波路の焦点距離を８２４０μｍ、アレイ導波路４の出力端７におけるピッチを１０μｍ、シリンドリカルレンズの焦点距離を１ｍｍとした。
【００３０】
図３は、本実施例のミラー角度と透過波長の関係を示した図である。横軸には、波長（μｍ）をとり、縦軸には波長可変フィルタの透過スペクトル（ｄＢ）をとっている。ミラーの傾斜角度をパラメータとして、各透過特性を示した。図３から明らかなように、ミラーの傾斜を−１．６°から１．６°まで変化させた場合に、透過帯域スペクトルの中心波長を１５６５ｎｍから１６０６ｎｍまで可変できることがわかる。また、各中心波長においては、４ｄＢの挿入損失を得た。
【００３１】
また、ミラー３０の傾斜を所定の角度に設定するために必要な電力は、０．１Ｗ以下と非常に小さな値であった。これは、マイクロマシン型の波面制御器７が静電駆動方式によって制御され、本質的に駆動電力を必要としないためである。ヒータを用いて熱光学効果を利用した従来の方法のように、電流駆動をする必要がないことによる。従来の導波路を温めて熱光学効果を利用する波長可変フィルタに比べて、本発明の波長可変フィルタは、波面制御素子であるミラーを回転させるのみで、同様の機能を得ることができる。すなわち、波長選択に必要なエネルギーはミラーを回転運動させるのに必要なだけであり、その消費電力は極めて小さい。本実施例に示したように、ＡＷＧとマイクロマシン波面制御器を用いることによって、非常に低消費電力な波長可変フィルタを構成することができる。
【００３２】
マイクロマシン型波面制御器またはＭＥＭＳミラーを使用することによって、精密な角度制御が可能となるため、特定のミラー位置に安定して固定することができる。このため、ＲＯＡＤＭにおいて要求されるように、安定性を持った半固定的な波長選択が可能となる。ミラーの制御も、従来技術のＡＷＧ温度制御などとくらべて簡素である。
【００３３】
第２の実施例：
第２の実施例では、波面制御素子としてタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1―xＮｂxＯ）を用いる構成例を示す。本実施例および次の第３の実施例においては、電気光学効果を利用して波面制御を行うため、特に高速切り替え動作が可能な光波長フィルタを構成できる。一般に、電気光学結晶には偏波依存性があるため、その解消方法も本実施例において説明する。
【００３４】
図４は、本発明の第２の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。本実施例では、１つのアレイ導波路格子を用いて光信号の入出力を行なう反射型の構成である。図１に示した第１の実施例の構成と比較すると、独立した入力導波路および出力導波路をそれぞれ持っている点で相違する。さらに、電気光学結晶の偏波依存性を解消する手段を持っている点でも相違する。以下、第１の実施例との相違点に着目しながら、本実施例の光波長フィルタの構成および動作を説明する。
【００３５】
ＡＷＧ１の上に形成された入力導波路２へ入射した光信号は、スラブ導波路３を経由してアレイ導波路４へと分配される。第１の実施例と同様に、ｘ方向には平行光であり、ｙ方向には後に述べるミラー１９の位置でビームウェストとなるように、シリンドリカルレンズ５を配置する。ここで、端面７からの出射光は、ＡＷＧ１の分散効果により、その波長に対応してｘ−ｚ面内の異なる方向に出射される。破線は、後述するミラーで反射される反射光を表す。
【００３６】
図４ｂを参照すれば、実線で表されたＡＷＧ１からの出射光は、偏波分離結晶１４によって、ｙ−ｚ面内において、光路１８ａを進むＴＭ偏波成分および光路１８ｂを進むＴＥ偏波成分の各光信号に分離される。ここで、ＴＭ偏波成分およびＴＥ偏波成分は、それぞれＡＷＧ１の導波路の偏波モードに関するものである。ＴＭ偏波が伝搬する光路１８ａには、λ／２波長板１５が挿入されている。ＴＭ偏波の光信号は、λ／２波長板１５を通過することで、その偏波軸を９０°回転させ、光路１８ｂを通過する光信号と同じＴＥ偏波の光信号となる。偏向分離結晶を含む構成により、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1―xＮｂxＯ）結晶１６へ入射する光信号は、光路１８ａを進む成分および光路１８ｂを進む成分いずれも、同一の偏波（ＴＥ）となる。したがって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６が持つ偏波依存性の影響を受けない。
【００３７】
タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６には、ｘ軸上の２点で結晶１６を挟むように電極１７ａおよび１７ｂが配置されている。電極１７ａ、１７ｂ間に電圧を印加することにより、その印加電圧に応じて、ｘ軸方向に線形に屈折率が変化する屈折率分布が得られる。したがって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６を通過する光信号の波面は、ｘ軸方向、例えば＋ｘ方向に偏向角度θだけ傾く。ここで、電極１７ａ、１７ｂ間に印加する電圧の極性を逆にすれば、−ｘ方向に傾けることができることは言うまでもない。
【００３８】
図５ａは、電気光学結晶におけるｘ軸方向の屈折率分布の一例を示す図である。電極１７ａ、１７ｂ間に電圧を印加することにより、ＡＷＧ１の分光面を含むｘ軸方向に、線形に屈折率が変化する分布を形成することができる。図５ｂは、電気光学結晶近傍における光信号の反射の様子を説明する図である。図５ｂに示した光路は、光路の中心線を表している。ＡＷＧからの出射光が、図５ｂの左側より、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６の入手面へ垂直に入射し、入射面の対向面に接して配置されたミラーで反射された後に、再び出射する場合を例示的に示している。
【００３９】
タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６の光信号入射面の反対側には、結晶に接してミラー１９が設置されており、光信号はこのミラー１９によって反射される。反射した光信号は、破線で表されるように、再びタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６を逆向きに、すなわち−ｚ方向へ伝搬する。この逆伝搬する間も、光信号は、ｘ軸方向に線形に屈折率が変化する屈折率分布が設定されたタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６を通る。このため、結晶内を進む反射光は、＋ｚ方向へ伝搬してきたときと同じ向き、すなわち＋ｘ方向に傾く。したがって、光信号は、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６から再び出射する時には、もとの入射光の光軸に対して２θだけ傾いている。
【００４０】
再び図４ｂを参照すると、逆伝播する光信号のうち、一方の光路１８ａを戻る成分はλ／２板１５をもう一度経由して、他方の光路１８ｂを通過する成分はそのままで、それぞれ偏波分離結晶１４へと進入する。光路１８ａおよび光路１８ｂを進む各成分は、偏波分離結晶１４で合波される。シリンドリカルレンズ５を経由して、ＡＷＧ１の端面７からアレイ導波路４へ入射する。さらに、スラブ導波路３および出力導波路２２を経由して出力される。
【００４１】
ここで、出力導波路２２への集光点位置Ｓｏは、入力導波路２の入射点位置Ｓｉと異なることに留意されたい。図４において、実線で表された出射光と破線で表されたミラー１９からの反射光では、ＡＷＧ１の端面７における出射角度および入射角度が異なる。このため、光信号はスラブ導波路３との境界上の点Ｓｉから入力され、Ｓｉとは異なる位置の点Ｓｏから出力される。この点で、スラブ導波路３の同一の点で光信号を入出力する第１の実施例の構成および動作と異なっていることに留意されたい。
【００４２】
Ｓｉ点に接続された入力導波路から入力され、Ｓｏ点に接続された出力導波路からそのまま出力されることのできる光信号の波長は、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６による偏向角度θに依存する。したがって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６への印加電圧によって変更角度θを可変することによって、Ｓｏ点の出力導波路から出力される光信号の波長を変化させることができる。すなわち、透過帯域の中心波長を制御することができるため、可変光波長フィルタを実現できる。
【００４３】
図６は、電気光学結晶への印加電圧と透過帯域の中心波長との関係を示す図である。横軸に印加電圧（Ｖ）を、縦軸に透過帯域の中心波長（ｎｍ）を示した。ここで、ＡＷＧ１の中心波長を１．５８７μｍ、アレイ導波路４の行路長差を６５．４μｍ、アレイ導波路４の端面７における導波路間隔を１１μｍ、スラブ導波路３とのアレイ導波路４との境界８における導波路間隔を１０．５μｍ、スラブ導波路長を３２８０μｍ、シリンドリカルレンズの焦点距離を１ｍｍ、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶の幅Ｗｋを１ｍｍ、電極の長さＬｋを５ｍｍとした。印加電圧を−２５００Ｖから２５００Ｖまで変化させることによって、Ｌバンドの全帯域をカバーするように１５６７ｎｍから１６０５ｎｍまで透過帯域の中心波長を調整できることがわかる。
【００４４】
図７は、第２の実施例に係る光波長フィルタの動的応答特性を示す図である。横軸は時間（ｎｓ）、縦軸は正規化した光強度である。最初に、透過帯域の中心波長を１５８０ｎｍに設定し、中心波長が１５９５ｎｍとなるように、制御電圧を高速にステップ状に変化させた。電極１７ａ、１７ｂ間へ印加する制御電圧自体は、十分に高速に切り替わる。およそ１８ｎｓの制御時間で１５８０ｎｍから１５９５ｎｍへ透過帯域の中心波長を可変制御できる。このように、本発明によれば、従来の波長可変フィルタでは実現できなかった高速の波長切り替え動作が可能である。タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６を光波面制御器として用いる場合に限らず、次の第３の実施例で示す２次の電気光学効果を示す結晶を用いても、同様に波長切り替えの高速性を実現できた。
【００４５】
第３の実施例：
第３の実施例では、前出の第２の実施例におけるタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1―xＮｂxＯ）結晶１６の代わりに２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を用いている。２次の電気光学効果をもつ結晶としては、例えば、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯなどがある。ここでは、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3を電気光学結晶として用いる場合を示す。
【００４６】
図８は、本発明の第３の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。図８に示した構成は図４の構成とほぼ同じであるので、ここでは図４と異なる点についてのみ説明する。本実施例では、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶の代わりに、同じ位置にニオブ酸リチウム結晶２０が配置される。ニオブ酸リチウム結晶２０には、ｙ軸上の２点で結晶２０を挟むように電極２１ａおよび２１ｂが設置される。ニオブ酸リチウム結晶２０へ電圧を印加するための電極の配置構成が異なるだけで、光波長フィルタとしての他の構成および動作は、第２の実施例と同一であり、説明は省略する。
【００４７】
図９は、２次の電気光学結晶への印加電圧と透過帯域の中心波長との関係を示す図である。端面７におけるＡＷＧの導波路間隔を３０μｍとし、その他のアレイ導波路格子１のパラメータおよびシリンドリカルレンズ５のパラメータを、第２の実施例と同様な値にそれぞれ設定した。ここで、電極２１ａ、２１ｂの鋭角のなす角度Φを３０°と設定した。
【００４８】
本実施例で示したように、ＡＷＧとしては入力側と出力側で異なる格子周期をもつ回折格子とすることができるため、通常のバルク回折格子にはない柔軟な光学設計が可能である。アレイ導波路格子の角度分散は、ｎを導波路の群屈折率、ΔＬをアレイ導波路の行路長差、ｄをアレイ導波路のピッチ、λを０を中心波長として次式で表される。
【００４９】
【数１】
0004659791.tif 000002
【００５０】
ここで、ｄは任意に設定できる。したがって、たとえ電気光学定数の小さい電気光学結晶を用いた場合でも、電気光学結晶による偏向角度θに対する透過帯域の中心波長のシフト感度を大きく設定することができる。これは、非特許文献２などに開示されたバルクの回折格子を利用する場合にはない大きな利点である。
【００５１】
第４の実施例：
これまで説明した実施例においては、波面制御素子としてマイクロマシン型波面制御器のミラー傾斜角度や電気光学結晶の屈折率の制御によって、連続的に滑らかに光信号の波面角度を変化させていた。これに限らず、複数の要素素子から成る位相変調素子を利用することもできる。隣合う要素素子間で位相差を少しずつ与えることで、全体で滑らかに光信号の波面角度を変化させることができる。
【００５２】
図１０は、本発明の第４の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。図１０の構成は図４の構成とほぼ同じなので、ここでは図４と異なる点についてのみ説明する。本実施例では、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶１６およびミラー１９の代わりに、同じ位置に位相変調素子２３が配置される。位相変調素子としては、ＭＥＭＳを利用するものまたは液晶素子のＬＣＯＳを用いることができる。位相変調素子２３は、電圧制御されるため、従来技術のように透過波長の可変制御のために消費電力を増加させることがない。波面制御手段が異なるだけで、光波長フィルタとしての他の構成および動作は、第２の実施例と同一であり、詳細な説明は省略する。
【００５３】
図１１は、位相変調素子における位相設定の例を説明する概念図である。図１１ａ、図１１ｂには、それぞれ異なる位相設定の例を示している。図１１ｃは、位相設定値と位相変調素子の要素素子の配列位置との関係を説明している。図１１は、要素素子が２０個配列された構成を概念的に説明するものである。要素素子の配列ピッチは、ｐで表されている。要素素子が配列される方向は、図１０におけるｘ軸方向に対応する。実際の要素素子の数はこれに限定されないことに留意されたい。
【００５４】
例えば、液晶素子の場合を考えると、個々の液晶ピクセル２４のピクセル間に適切な位相差を与えることにより、位相変調素子２３に入射する入射光波は回折され、その反射方向を入射方向と異ならせることができる。すなわち、隣合うピクセル間の位相変化で与えられる位相変調素子の配列方向における全体の位相傾きが、光信号の偏向角θを決定する。図１１ａは、両端のピクセル間で、最大２πの範囲内の位相差を設定する例である。図１１ｂは、設定する最大位相差が２πを超える場合を示している。この場合は、２πを越えた時点で折り返して位相設定しても良い。光波は、位相のみを感じて回折するためである。
【００５５】
具体的には、位相変調素子のピクセルピッチｐを５μｍ、ピクセル数Ｎを５１２、入力光信号の波長を１．５μｍとして、液晶素子を構成した場合において、両端のピクセル間で与える位相を５．７×１０-1［ｒａｄ］とすると、偏向角度θを１０°とすることができる。
【００５６】
液晶素子等の位相変調素子を使用することによって、精密な位相制御が可能となるため、特定の偏向角度に安定して固定することができる。このため、ＲＯＡＤＭにおいて要求されるように、安定性を持った半固定的な波長選択が可能となる。液晶素子の制御も、従来技術のＡＷＧの温度制御などとくらべて簡素である。
【００５７】
第５の実施例：
図１２は、本発明の第５の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。本実施例は、これまでに説明した構成の光波長フィルタに加えて、光波長フィルタの透過波長を設定または校正する手段をさらに含むことを特徴とする。光波長フィルタは、所定の光信号のみを選択的に透過させる機能を実現するため、自らが能動的に光信号を発することはない。したがって、中心透過波長が適切に設定されているかどうかを確認する必要がある。本実施例は、透過波長の設定を校正する手段を備えている。図１２に示した構成は、図８に示した第３の実施例の光波長フィルタとほぼ同様であるので、ここでは本実施例に特徴的な点のみを説明する。
【００５８】
本実施例においては、ＡＷＧ１上のスラブ導波路３の境界５０において、所定の位置に接続された第２の入力導波路２６および第２の出力導波路群２７がさらに設置される。基準光源２８からの狭線幅の参照光信号は、接続光ファイバ３２を介して、第２の入力導波路２６へ入力される。一方、第２の出力導波路群２７から出力された参照光信号は、受光素子２９により受光される。受光素子２９からの受光出力信号は、ＡＤ変換器３０によってディジタル信号に変換される。ＡＤ変換器３０は、さらにディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）３１に接続され、ＤＳＰ３１からの制御信号は、電気光学結晶２０を挟む電極２１ａ、２１ｂ間へ印加される。
【００５９】
基準光源２８から出力された参照光信号の波長は、この参照光信号が光波長フィルタを経由して第２の出力導波路群２７のいずれかの出力導波路へ出力されるように、設定される。参照光信号の半値全幅は、例えば、外部共振器型半導体レーザ等を用いれば１００ｋＨｚとすることができる。電気光学結晶２０に設置された電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加することによって、第２の出力導波路群２７のうちの、参照光信号が出力される導波路は順次入れ替わる。
【００６０】
図１３は、受光素子において観測される参照光信号の出力信号レベルの変化を示す図である。本実施例の導波路構成により、電極２１ａ、２１ｂ間の電圧を直線的に変化させた場合、参照光信号によって受光素子２９から出力される出力信号レベルは、図１３に示すようなパルス列状の形状で変化する。この出力信号レベルの変化は、次のように説明できる。すなわち、スラブ導波路３との境界５０において、基準光源２８からの参照光信号が、第２の出力導波路群２７のいずれかの出力導波路の中心に集光するときは参照光信号が受光素子２９に結合し、導波路の中心から外れた位置に集光するときは参照光信号は受光素子２９に導かれないからである。図１３に示したようなパルス列状の出力信号の変化を観測することによって、制御電圧に対する電気光学結晶２０によるビーム偏向角の制御感度を知ることができる。
【００６１】
例えば、ＤＳＰ３１は、自らが出力している電気光学結晶への制御信号電圧値とその制御電圧値のときの対応するパルス状の受光出力信号電圧値とを知ることができる。したがって、既知の所定の構造を持つ第２の入力導波路および第２の出力導波路群２７の情報ならびにＡＷＧの設計パラメータ情報等に基づいて、偏向角の制御感度を求めることができる。
【００６２】
参照光信号によって求められた偏向角の制御感度および制御信号の絶対値に基づいて、入力導波路２より入射された光信号のうち、波長選択フィルタとしての機能によって出力導波路２２へと出力される波長成分を決定することができる。言い換えれば、図１３に示すようなパルス列状の受光素子からの出力信号波形を解析することによって、光波長フィルタの透過波長設定を精密に行なうことができる。さらに、ＤＳＰ３１より電気光学結晶へ加える制御信号電圧に微小な変調信号を重畳して、受光素子２９から出力される受光出力信号波形から、その変調信号の周波数成分を同期検波して、特定のビーム偏向角になるように、電気光学結晶への制御信号電圧を設定しても良い。
【００６３】
上述のように、本実施例においては、スラブ導波路３の境界５０上において光信号の入力点の位置と、光波長フィルタを経由した光信号の集光点の位置とが、一定の線形関係にあることに着目して、参照光信号を利用した第２の入力導波路および第２の出力導波路群２７の関係から、制御信号の偏向感度を校正していることを理解されたい。したがって、スラブ導波路の境界５０上において、入光点と集光点との関係に線形性がある範囲に各導波路が配置されている限り、フィルタ機能としての入出力導波路２、２２ならびに校正機能としての第２の入出力導波路２６、２７の位置および順序はなんら限定されない。例えば、図１２においては、境界５０上で、第２の入力導波路２６、入力導波路２、第２の出力導波路群２７、出力導波路２２の順に配置されているが、これに限られず、第２の入力導波路２６、第２の出力導波路群２７、入力導波路２、出力導波路２２の順であっても良い。
【００６４】
図１４は、スラブ導波路へ接続される各導波路の構成の一例を示した図である。図１４に示すように、第２の入力導波路２６と入力導波路２との間隔Ｓを２７８μｍ、第２の出力導波路群２７の各々の導波路間隔ｄを１４．１μｍ、第２の出力導波路群２７の中で入力導波路２から最も遠い出力導波路２７ｂと入力導波路２との間隔、ならびに出力導波路２７ｂと出力導波路２２との間隔をともに間隔Ｓ（＝２７８μｍ）と設定すればよい。
【００６５】
本実施例の波長可変フィルタを実現するには、たとえば、ＡＷＧ１の中心波長を１．５８７μｍ、アレイ導波路４の行路長差を１６．４μｍ、アレイ導波路４の端面７における導波路間隔を１１μｍ、スラブ導波路３とアレイ導波路４との境界８における導波路間隔を１０．５μｍ、スラブ導波路長を１１４００μｍ、シリンドリカルレンズ５の焦点距離を１ｍｍとする。
【００６６】
ここで、基準光源２８の参照光信号の波長を１５８７ｎｍとする。参照光信号が導波路２７ａに出力されるように電気光学結晶２０の偏向方向を設定した場合、出力導波路２２には入力導波路２から入力された信号のうち、１５９５ｎｍの光信号が出力されるものとする。制御電圧によって電気光学結晶２０の偏向方向を変化させて、参照光信号が導波路２７ｂから出力されるように設定した場合、出力導波路２２からは１５８７ｎｍの光信号が出力される。このように、基準光源２８を用いることで、波長可変フィルタの透過波長を精密に設定することが可能になる。
【００６７】
さらに、電気光学結晶２０の偏向特性が環境温度等の変化により変動する場合でも、随時、第２の入力導波路に入力された参照光信号を利用しておよび第２の出力導波路群２７からの光信号レベルの変化を観測し、偏向角度の制御感度を再校正することができる。再校正を行なった制御感度に基づいて、電極２１ａ、２１ｂへの印加電圧を設定することが可能であり、波長可変フィルタの設定波長の温度安定化を図ることも可能になる。再校正の頻度は、環境温度の変化や、フィルタ特性の長期間の経時変化などを考慮して、任意に決定すればよい。例えば、等時間間隔で校正を行なうことも、一定の温度変化を検出してこれをトリガに構成を行なっても良い。また、電気光学結晶へ加える制御電圧に、微小な変調信号を重畳して、受光素子２９から出力される受光出力信号波形からその変調信号の周波数成分を同期検波することによっても、同様にフィルタ特性の安定化が可能である。
【００６８】
図１２に示した構成では、ＡＤ変換器３０およびＤＳＰ３１によって、受光素子２９からの出力信号を観測する構成としたが、上述の偏向角の制御感度の解析および校正ができるものであればどのような構成でも良い。すなわち、より一般的なＣＰＵを利用するともに、制御電圧の発生用に、独立したＤＡ変換器などを備えた構成とすることも可能である。また、のスラブ導波路端面における、光信号入出力用および校正用の各導波路の位置関係は、図１４のような等間隔Ｓに配置された構成に限定されないことは言うまでもない。
【００６９】
上述のいずれの実施例も、ミラーを用いることによって、入力光信号に対する入射系ならびに波長選択された出力光信号に対する出射系を、１つのＡＷＧによって共用する反射型の構成であった。しかし、入射系用のＡＷＧならびに出射系用のＡＷＧをそれぞれ備え、２つのＡＷＧを対向させて配置した透過型の構成であっても良い。この場合、両ＡＷＧの間の空間系の光路中に配置した波面制御素子によって偏向角度を制御することで、選択的に透過波長を設定できる。上述の反射型構成は、構成の簡素さから、透過型よりもより長所を持つ。
【００７０】
また、第１の実施例では出力導波路は入力導波路と共用し、第２の実施例では、独立に１つの出力導波路を設けているが、これに限定されない。２以上の複数の出力導波路を設けても良い。
【００７１】
以上詳細に述べたように、本発明の光波長フィルタによれば、極めて少ない消費電力で波長可変制御が可能となる。ＡＷＧ上にヒータ電極を形成する必要もない。波長切り替えの速度も極めて速いという優れた効果を持ち、光学配置構成が簡単で安定性および実装性に富んだ光波長フィルタを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
光通信に使用される光信号処理装置への利用ができる。光波長可変フィルタへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。
【図２】マイクロマシン型波面制御器の構成を説明する図である。
【図３】本実施例のミラー角度と透過波長の関係を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。
【図５】電気光学結晶におけるｘ軸方向の屈折率分布の一例および反射動作を説明する図である。
【図６】電気光学結晶への印加電圧と透過帯域の中心波長との関係を示す図である。
【図７】第２の実施例に係る光波長フィルタの動的応答特性を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。
【図９】２次の電気光学結晶への印加電圧と透過帯域の中心波長との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。
【図１１】位相変調素子における位相設定の例を説明する概念図である。
【図１２】本発明の第５の実施例に係る光波長フィルタの構成を示す概念図である。
【図１３】受光素子で観測される受光出力信号レベルの変化を示す図である。
【図１４】スラブ導波路へ接続される各導波路の構成の一例を示した図である。
【図１５】従来技術による熱光学効果を利用した波長可変フィルタの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１、１０１  ＡＷＧ（分光素子）
２、１０２  入力導波路
３、１０３、１０６  スラブ導波路
４、１０４  アレイ導波路
５  シリンドリカルレンズ
６  波面制御素子
１１  光サーキュレータ
１４  偏向分離結晶
１５  λ／２板
１６、２０  電気光学結晶
１７ａ、１７ｂ、２１ａ、２１ｂ  電極
１９  ミラー
２２、１０７  出力導波路
１０５ａ、１０５ｂ  ヒータ
【図１】
0004659791.tif 000003
【図２】
0004659791.tif 000004
【図３】
0004659791.tif 000005
【図４】
0004659791.tif 000006
【図５】
0004659791.tif 000007
【図６】
0004659791.tif 000008
【図７】
0004659791.tif 000009
【図８】
0004659791.tif 000010
【図９】
0004659791.tif 000011
【図１０】
0004659791.tif 000012
【図１１】
0004659791.tif 000013
【図１２】
0004659791.tif 000014
【図１３】
0004659791.tif 000015
【図１４】
0004659791.tif 000016
【図１５】
0004659791.tif 000017