(57)【要約】【課題】高速度の波長選択特性を有する光学素子、波長可変光フィルタおよび光アドドロップモジュールを得ること。【解決手段】例えば単一キャビティ型バンドパスフィルタとして使用する光学素子２０１は、基板２０２上に第１ミラースタック層２０３を形成し、その上に第１の導電性薄膜２０４を介して２次の電気光学効果を有する常誘電体層２０５を形成し、更にその上に第２の導電性薄膜２０６を介して第２ミラースタック層２０７を形成し、その上に結合層２０８を配置した基本構成となっている。第１および第２の導電性薄膜２０４、２０６の間に印可する電圧を変化させることで光学素子２０１を透過する光の波長を高速で切り替えることができる。この光学素子２０１を用いて光信号のアドドロップを行う光アドドロップモジュールも実現できる。【選択図】  図１
2005003806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、
一方の面を前記第１の導電性膜と他方の面を前記第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、
前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで前記第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを具備することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、
これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、
前記第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、
これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで前記第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを具備することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を前記第１の導電性膜と他方の面を前記第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで前記第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを備えたキャビティを、複数層積層したことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、前記第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで前記第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを備えたキャビティを、複数層積層したことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
前記スペーサ層は、その両面が光学研磨された２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体単結晶であって、その厚さは１０μｍから１０ｍｍの間に設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記スペーサ層は、第１または第２の複合スタック層上に蒸着形成された２次の電気光学効果を有する多結晶あるいは配向性あるいはエピタキシャルのいずれかの酸化物常誘電体薄膜であって、その厚さは１０ｎｍから５０μｍの間に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学素子。
【請求項７】
前記２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体は、Ｐｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３、（０≦Ｘ＜１．０、０≦Ｙ≦１．０）であることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
【請求項８】
前記２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体は、ＳｒＸＢａ１−ＸＴｉＯ３、（０．３≦Ｘ≦１．０）であることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
【請求項９】
前記２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体は、ＫＴａＸＮｂ１−ＸＯ３、（０．５≦Ｘ≦１．０）であることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
【請求項１０】
前記導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＺｎＯであることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＣｄ２ＳｎＯ４であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＺｎＳｎＯ３であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＡｇＳｂＯ３であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学素子。
【請求項１５】
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、
一方の面を前記第１の導電性膜と他方の面を前記第２の導電性膜と接触させ、
２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、
前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで前記第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを具備することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１６】
４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、
これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、
前記第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、
これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで前記第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを具備することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１７】
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を前記第１の導電性膜と他方の面を前記第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで前記第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを備えたキャビティを、複数層積層したことを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１８】
４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、前記第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで前記第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを備えたキャビティを、複数層積層したことを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項１９】
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を前記第１の導電性膜と他方の面を前記第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで前記第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを具備する波長可変光フィルタと、
前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを具備することを特徴とする光アドドロップモジュール。
【請求項２０】
４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、前記第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで前記第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを具備する波長可変光フィルタと、
前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを具備することを特徴とする光アドドロップモジュール。
【請求項２１】
屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を前記第１の導電性膜と他方の面を前記第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで前記第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを備えたキャビティを複数層積層した波長可変光フィルタと、
前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを具備することを特徴とする光アドドロップモジュール。
【請求項２２】
４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、前記第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで前記第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを備えたキャビティを複数層積層した波長可変光フィルタと、
前記第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを具備することを特徴とする光アドドロップモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子、その一形態としての波長可変光フィルタおよびこれを使用した光アドドロップモジュールに係わり、特に特定の周波数の光を選択的に透過あるいは反射することのできる光学素子や、バンドパスフィルタとして特定の周波数を選択することができるだけでなく、選択する周波数自体を任意に変更することのできる波長可変光フィルタならびにこれをモジュール化した光アドドロップモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
入力された光の中から特定の波長の光を選択するためのフィルタとして光学的なバンドパスフィルタが存在する。このようなバンドパスフィルタの中で選択する波長を可変とした波長可変光フィルタは、たとえばマルチチャネルアナライザの構成部品として物質の特性を測定するために波長を変化させるような場合に使用される。その代表的なものが、物理膜厚を可変とすることで波長可変性を実現した波長可変光フィルタとして提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
図１８は、この第１の提案による波長可変光フィルタを示したものである。この波長可変光フィルタ１０１は、誘電体多層膜フィルタ素子１０３を移動ステージ１０３上に取り付けた構造となっている。移動ステージ１０３は、矢印１０４方向に移動自在に配置されている。移動ステージ１０２には透明な基板１０６の片面に厚さを連続的に変化させた互いに異なる屈折率の第１の誘電体膜１０７および第２の誘電体膜１０８を積層した誘電体多層膜フィルタ１０９が矢印１０４方向を長手方向にして取り付けられている。誘電体多層膜フィルタ素子１０２の中心波長は、その光学膜厚長ｎＬに比例する。ここで値ｎは誘電体多層膜フィルタを構成する媒質の実効的屈折率であり、値Ｌはその物理膜厚を表わしている。バンドパスフィルタ特性を有する誘電体多層膜フィルタ素子１０２を１次元方向（矢印１０４方向）に沿って蒸着膜厚に勾配を持たせて成膜することにより、膜厚が薄いところでは短波長に透過ピークを持たせ、また膜厚が厚いところでは長波長に透過ピークを持たせることができる。
【０００４】
この波長可変光フィルタ１０１を使用する際には、フォトダイオード（ＰＤ）１１１を定位置に固定しておく。そして入射光１１２を誘電体多層膜フィルタ１０９を介してこのフォトダイオード１１１に入射するようにしておく。この配置状態で誘電体多層膜フィルタ１０９を矢印１０４方向に移動する。誘電体多層膜フィルタ１０９が矢印１０４方向に移動するのに伴って、ピークとなる透過波長が変化して、フォトダイオード１１１の受光する光の波長を連続的に変化させることができる。
【０００５】
図１９は、この図１８に示した波長可変光フィルタを図１８の矢印Ｘ方向に移動させた際の選択する波長範囲と光の透過率との関係を表わしたものである。この図に示すように図１８に示した移動ステージ１０３を矢印１０４方向に第１の位置Ｘ１から第２の位置Ｘ２にまで移動させると、これに伴って透過する光の波長が第１の波長λ１からたとえば第２の波長λ２へと連続的に変化する。この図１９では、第１の位置Ｘ１と第２の位置Ｘ２の間に、例示的に２つの波長を示している。
【０００６】
ところで次世代大容量光通信方式として波長多重化方式（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）による光通信システムが注目されている。波長多重化方式の光通信システムでは、１本の光ファイバ中をそれぞれ波長の異なった光信号（λ１、λ２、……、λｎ）が伝搬する。このため、各ノードでは単数ないし複数の波長の光信号をアド（挿入）あるいはドロップ（抜き出し）する処理をオンデマンドにこなす能力が求められている。この要求に応じるために光アドドロップモジュール（ＯＡＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ  Ｄｒｏｐ  Ｍｏｄｕｌｅ，  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）が使用される。光アドドロップモジュールは光通信を用いたリング上ネットワークに挿入され、高速通信路から情報を取り出したり、情報を通信路に導入するための光分離結合装置である。
【０００７】
現状の光アドドロップモジュールは、アドあるいはドロップする波長が１波長に固定されている。すなわち、１本の光ファイバ中を伝搬する多波長信号成分から特定の信号チャンネルに対応した１波長の光信号のみを取り出し（ドロップ）、同じ波長の光信号を導入（アド）している。更に柔軟な信号処理を可能にするためには、任意の信号チャンネルをダイナミックに選択してその波長の光信号をアドあるいはドロップできる光アドドロップモジュールが求められる。このような装置では１波長のみに機能するバンドパスフィルタではなく波長可変性を有するバンドパスフィルタとなる。
【０００８】
図１８に示した波長可変光フィルタ１０１は移動ステージ１０３を機械的に移動させて波長の選択を行う。したがって、この光アドドロップモジュールに図１８に示した波長可変光フィルタ１０１を使用しようとしても、アドあるいはドロップする波長を変更する際の応答速度に限界がある。このため、あらかじめ定められた時間帯に特定の通信路を特定の顧客に割り当てるといった限定的な要求に対応することはできても、波長のアドあるいはドロップの選択を時間的にダイナミックに行うことはできない。そこで、応答速度を高速化した波長可変光フィルタの研究が行われている。すなわち、電圧の制御によって液晶の屈折率を変化させることで選択される波長を可変とする波長可変光フィルタが、第２の提案として提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【０００９】
図２０は、この第２の提案による波長可変光フィルタの構造を表わしたものである。この波長可変光フィルタ１２１は、第１の層１２２とこれに対して光の入射側に配置された第２の層１２３と、第１の層１２２に対して光の出射側に配置された第３の層１２４を備えている。第２の層１２３および第３の層１２４における第１の層１２２に近い側には光学ミラー（誘電体ミラー）膜１２５Ａ、１２５Ｂが配置されている。また、第２の層１２３および第３の層１２４におけるこれら以外の層は透明電極１２６Ａ、１２６Ｂを構成している。これら第２の層１２３および第３の層１２４の外側には透明基板１２７Ａ、１２７Ｂが配置され、更にそれらの外側にはＡＲコート膜（無反射コート膜）１２８Ａ、１２８Ｂが形成されている。
【００１０】
この第２の提案による波長可変光フィルタ１２１では、第１の層１２２が、電場により屈折率が変化する材料で構成されている。これは、ポリマ（高分子）あるいは石英ガラス等の光透過性媒体中に直径が１５０ｎｍ（ナノメータ）以下の液晶ドロップレットが分散されてなる材料である。第２の層１２３は、使用波長帯で透明である。この第２の層１２３は電圧の印加の有無にかかわらその屈折率の変化に偏波依存性がない。このため波長可変光フィルタ１２１の特性にも偏波依存性は生じない。液晶ドロップレットが分散されるマトリクス媒体は、光透過性がよく光学的に異方性のないポリマ、例えば、ＰＭＭＡ系ポリマ、ポリスチレン系ポリマ、ポリカーボネート系ポリマ、熱硬化あるいは光硬化性のアクリル系ポリマ、エポキシ系ポリマ、ポリウレタン系ポリマ、ポリイソシアネート系、ポリエンポリチオール系、またはガラス等が使用される。
【００１１】
この波長可変光フィルタ１２１は、マトリクス媒体として高分子を使用し、微小な液晶ドロップレット分散ポリマを、そのキャビティの中に挟んだファブリペローエタロン型の波長可変フィルタである。透明電極１２６Ａ、１２６Ｂに電圧を印加しない場合には、第１の層１２２を構成する液晶ドロップレット内の液晶分子はランダムな方向を向き、微小な液晶ドロップレット分散ポリマ層に入射した光の感じる屈折率は、ネマチック液晶の屈折率（ｎｅ、ｎｏ）の平均の屈折率となる。図示しない交流電源を使用して電圧を印加すると、印加電界方向に液晶分子が揃い、屈折率はｎｏに近づいていく。このような屈折率の変化に伴って、波長可変光フィルタ１２１に入射した入射光１３１に対する透過スペクトルが変化する結果、透過光１３２の波長が変化する。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−２２７０１４号公報（第００２５段落、図１）
【特許文献２】
特開平１１−１１９１８６号公報（第０００７、第００１４段落、図１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この図２０に示した波長可変光フィルタ１２１では、印加電圧として１００ボルト以上の高電圧を必要とする。また、波長の透過ピークが波長軸に対して周期的に幾つも発生する。したがって本来必要とする波長帯以外で発生する透過ピークを遮蔽するための他のフィルタを更に必要とすることになる。また、フィルタ特性が湿度や温度といった環境の影響を受けやすい。このため、高出力の入射光に対して良好な特性を得ることが難しい。
【００１４】
更にこの図２０に示した波長可変光フィルタ１２１では、液晶の駆動を行うために駆動はＡＣ（交流）で行わなければならず、ＤＣ（直流）で行うことはできない。仮にＤＣ駆動を行おうとすると、絶縁破壊を生じてしまう。したがって、波長可変光フィルタ１２１は波長を変化させていくことはできても、所望のフィルタ波長に固定した状態で保持することができないという大きな問題がある。
【００１５】
以上、波長可変光フィルタについて従来の問題点を説明したが、特定の波長成分を選択的に吸収したり反射する波長可変光フィルタ以外の光学素子についても従来から同様の問題があった。また、波長可変光フィルタを使用して光信号をアドドロップする光アドドロップモジュールについても従来から同様の問題があった。
【００１６】
そこで本発明の目的は、高速度の波長選択特性を有する光学素子、波長可変光フィルタおよび光アドドロップモジュールを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、（ロ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、（ハ）一方の面を第１の導電性膜と他方の面を第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、（ニ）第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを光学素子に具備させる。
【００１８】
この請求項１記載の発明の理解を助けるために前提となる技術を更に説明する。光学素子の中の波長可変フィルタを例に挙げて説明する。従来の波長可変フィルタでは、単一キャビティ型と呼ばれるバンドパスフィルタのみが実用化されている。これは２重、３重とキャビティ数が増加するほど多層膜フィルタを構成する各層の膜厚制御が厳しくなるためである。光通信技術において使用されている波長可変フィルタ装置では、基板の寸法は５０×４ｍｍ程度の物が一般に使用されているが、５０ｍｍに渡る１次元方向に膜厚勾配を有する大きな基板形状全面に渡って、およそ１００層以上にもなる誘電体多層膜フィルタを所望の膜厚分布で実現するのは困難である。また歩留り良く生産することは困難で非常に高額となる。光通信分野で使用されている透過バンド幅が１ｎｍ以下の狭帯域の波長可変バンドパスフィルタを実現するには、各層を０．０１％以下の誤差で所望の膜厚まで成膜することが要求される。この精度を満足する良品領域は、成膜装置の成膜中の膜厚分布変動、成膜状態の経時変化等のため一般的におよそ３〜１０ｍｍの範囲でしかない。したがって、別の手法による波長可変バンドパスフィルタが望まれる。
【００１９】
そこで、波長選択機能の設計や製造が容易な薄膜型の誘電体多層膜フィルタに着目した。誘電体多層膜フィルタは膜設計により長波長通過フィルタ、短波長通過フィルタ、バンドパスフィルタ、ノッチフィルタ等の種々のフィルタ特性を実現することができる。また、昨今の光通信用フィルタとして使用されており、その対環境性等の信頼性の高さが実証されている。
【００２０】
従来の誘電体多層膜フィルタは受動素子（パッシブデバイス）であり、薄膜の屈折率や消衰係数は温度、湿度、光照射、電圧印加等の外部要因に対して大きな変化を示さず安定である。これらの外部要因のいずれかの方法で誘電体多層膜フィルタを構成する薄膜の光学膜厚を制御することが可能であればよい。
【００２１】
そこで、本発明ではこのうちの電気光学効果に着目した。電気光学効果とは外部印加電圧により屈折率が変化する効果である。印加電圧に対して線形に屈折率変化する効果は１次の電気光学効果でありポッケルス効果とも呼ばれており、強誘電体において発現する。１次の電気光学効果における屈折率の変化量Δｎｉｊと印加電圧の間には次の（１）式が成立する。
【００２２】
Δｎｉｊ＝−（１／２）ｎＭ３ｒｉｊ（Ｖ／ｄ）  ……（１）
ここで、ｎＭは電気光学効果を有する媒質の屈折率であり、ｒｉｊは１次の電気光学係数である。Ｖとｄはそれぞれ印加電圧と媒質の電極間の厚さである。
【００２３】
印加電圧の自乗に比例する屈折率変化は２次の電気光学効果あるいはあるいはカー効果と呼ばれており、これは常誘電体において発現する。２次の電気光学効果における屈折率の変化量Δｎｉｊと印加電圧の間には次の（２）式が成立する。
【００２４】
Δｎｉｊ＝−（１／２）ｎＭ３Ｒｉｊ（Ｖ／ｄ）２          （２）
ここで、Ｒｉｊは２次の電気光学係数である。いずれの効果においても屈折率が変化することに伴い誘電体多層膜フィルタの光学膜厚は屈折率に比例するため、バンドパスフィルタの中心波長は波長シフトを起こすことができる。
【００２５】
常誘電相の場合、等方媒質であるので、対称性より、次の（３）式が成立する。
Ｒ１１＝Ｒ２２＝Ｒ３３、Ｒ１２＝Ｒ１３＝Ｒ２３＝Ｒ３１＝Ｒ３２、Ｒ４４＝Ｒ５５＝Ｒ６６    ……（３）
なお、これら以外の係数は０となる。
【００２６】
ところで、光通信用に適した電気光学効果を有する薄膜としては、次の条件を満足することが必要である。
（ａ）電気光学係数が大きいこと。
（ｂ）温度、湿度等に対する対環境性に優れていること。
（ｃ）薄膜自体の損失が少ないこと。
（ｄ）長期間安定動作すること。
（ｅ）成膜条件に再現性があり安定であること。
（ｆ）希少金属物質を大量に必要としないこと。
【００２７】
２次の電気光学効果を利用することは、以上の条件を満足することになる。請求項１記載の発明では、屈折率の異なる少なくとも２つ以上の誘電体薄膜から構成される第１ミラースタック層とその上に形成される導電性膜からなる第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、同様の構成の第２の複合スタック層とをスペーサ層を挟むように配置し、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体からなるファブリ・ペロー共振器構造を基本構造にもつ波長可変光フィルタ等の光学素子を構成する。特性制御手段は、第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御することになる。一例としては、波長可変光フィルタ等の光学素子の光学長を変化させることになる。この請求項１記載の発明では、２次の電気光学効果を利用するので、１次の電気光学効果で生じるヒステリシス効果がほとんど発生しない。このため、印加電圧に対して波長可変光フィルタ等の光学素子の中心波長を高精度に設定制御することが可能になる。
【００２８】
請求項２記載の発明では、（イ）４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、（ロ）これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、（ハ）第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、（ニ）これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを光学素子に具備させる。
【００２９】
すなわち請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明と同様の光学素子を異なる技術思想として表現している。
【００３０】
請求項３記載の発明の光学素子では、（イ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を第１の導電性膜と他方の面を第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを備えたキャビティを、（ロ）複数層積層したことを特徴としている。
【００３１】
すなわち請求項３記載の発明では、請求項１記載の発明が単一キャビティ型であるのに対して、このキャビティを複数積層したｍ重キャビティ型光学素子を規定している。ここでｍは２以上の整数である。それぞれのキャビティごとに特性制御手段が設けられているので、キャビティごとに印加電圧を制御して光線の透過等の特性制御を行うことができる。
【００３２】
請求項４記載の発明の光学素子では、（イ）４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを備えたキャビティを、（ロ）複数層積層したことを特徴としている。
【００３３】
すなわち請求項４記載の発明では、請求項２記載の発明が単一キャビティ型であるのに対して、このキャビティを複数積層したｍ重キャビティ型光学素子を規定している。ここでｍは２以上の整数である。それぞれのキャビティごとに特性制御手段が設けられているので、キャビティごとに印加電圧を制御して光線の透過等の特性制御を行うことができる。
【００３４】
請求項５記載の発明では、請求項１〜請求項４いずれかに記載の光学素子で、スペーサ層は、その両面が光学研磨された２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体単結晶であって、その厚さは１０μｍから１０ｍｍの間に設定されていることを特徴としている。
【００３５】
すなわち請求項５記載の発明では、スペーサ層として両面光学研磨された２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体単結晶基板を使用する。その厚さは、１０μｍから１０ｍｍの間に設定される。基板の厚さがこの範囲内にあると、波長可変光フィルタや、波長可変ファブリペローエタロン等の光学素子を構成することができる。１０μｍ以下では研磨加工中に割れが発生し取扱いが困難となるため実用に適さない。その場合には以下で示すように、複合スタック層の上に２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体薄膜として蒸着すると、取扱い易くかつ多段の共振器構造を構成できる。
【００３６】
請求項６記載の発明では、請求項１または請求項３に記載の光学素子で、スペーサ層は、第１または第２の複合スタック層上に蒸着形成された２次の電気光学効果を有する多結晶あるいは配向性あるいはエピタキシャルのいずれかの酸化物常誘電体薄膜であって、その厚さは１０ｎｍから５０μｍの間に設定されていることを特徴としている。
【００３７】
すなわち請求項６記載の発明では、スペーサ層として第１の複合スタック層上に蒸着形成された２次の電気光学効果を有する多結晶あるいは配向性あるいはエピタキシャルのいずれかの酸化物常誘電体薄膜を使用する。その厚さは１０ｎｍから５０μｍの間に設定される。この厚み範囲であれば、波長４００ｎｍの紫外域から、赤外域までの波長可変光フィルタとして使用することができる。
【００３８】
請求項７記載の発明では、請求項５記載の光学素子で、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体は、Ｐｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３、（０≦Ｘ＜１．０、０≦Ｙ≦１．０）であることを特徴としている。
【００３９】
すなわち請求項７記載の発明では、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体が、Ｐｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３、（０≦Ｘ＜１．０、０≦Ｙ≦１．０）となっている。Ｐｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３は上記した括弧内に示す条件を満足すると、室温を含む−４０℃から＋８５℃の温度範囲において常誘電相を示す。
【００４０】
請求項８記載の発明では、請求項５記載の光学素子で、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体は、ＳｒＸＢａ１−ＸＴｉＯ３、（０．３≦Ｘ≦１．０）であることを特徴としている。
【００４１】
すなわち請求項８記載の発明では、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体が、ＳｒＸＢａ１−ＸＴｉＯ３（０．３≦Ｘ≦１．０）であることを特徴としている。ＳｒＸＢａ１−ＸＴｉＯ３は上記した括弧内に示す条件を満足すると、室温を含む−４０℃から＋８５℃の温度範囲において常誘電相を示す。
【００４２】
請求項９記載の発明では、請求項５記載の光学素子で、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体は、ＫＴａＸＮｂ１−ＸＯ３、（０．５≦Ｘ≦１．０）であることを特徴としている。
【００４３】
すなわち請求項９記載の発明では、２次の電気光学効果を有する酸化物常誘電体が、ＫＴａＸＮｂ１−ＸＯ３  （０．５≦Ｘ≦１．０）であることを特徴としている。ＫＴａＸＮｂ１−ＸＯ３は上記した括弧内に示す条件を満足すると、室温を含む−４０℃から＋８５℃の温度範囲において常誘電相を示す。
【００４４】
請求項１０記載の発明では、請求項１〜請求項４いずれかに記載の光学素子で、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＺｎＯであることを特徴としている。
【００４５】
すなわち請求項１０記載の発明では、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＺｎＯであることを特徴としている。ＺｎＯは赤外域の波長１μｍから２μｍにおいて透明性に優れており、赤外用波長可変光フィルタに適している。更にＺｎＯにＡｌ（アルミニウム）やＧａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｆ（フッ素）、Ｎ（窒素）を添加することで、抵抗率を減少させることができる。
【００４６】
請求項１１記載の発明では、請求項１または請求項３に記載の光学素子で、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）であることを特徴としている。
【００４７】
すなわち請求項１１記載の発明では、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）であることを特徴としている。ＩＴＯは可視域の波長０．５μｍから０．８μｍにおいて透明性に優れており、可視域用波長可変光フィルタに適している。
【００４８】
請求項１２記載の発明では、請求項１または請求項３に記載の光学素子で、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＣｄ２ＳｎＯ４であることを特徴としている。
【００４９】
すなわち請求項１２記載の発明では、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＣｄ２ＳｎＯ４であることを特徴とした波長可変光フィルタである。Ｃｄ２ＳｎＯ４は赤外域の波長１μｍから２μｍにおいて透明性に優れており、赤外用波長可変光フィルタに適している。
【００５０】
請求項１３記載の発明では、請求項１または請求項３に記載の光学素子で、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＺｎＳｎＯ３であることを特徴としている。
【００５１】
すなわち請求項１３記載の発明では、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＺｎＳｎＯ３であることを特徴としている。ＺｎＳｎＯ３はペロブスカイト型の結晶構造を有し、その格子定数が、同じペロブスカイト結晶構造を有する請求項４から６記載の酸化物常誘電体の格子定数３．９０Åから４．１Åに近いのでエピタキシャル膜形成に適している。
【００５２】
請求項１４記載の発明では、請求項１または請求項３に記載の光学素子で、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＡｇＳｂＯ３であることを特徴としている。
【００５３】
すなわち請求項１４記載の発明では、導電性膜が、酸化物透明導電膜であるＡｇＳｂＯ３であることを特徴とした波長可変光フィルタである。ＡｇＳｂＯ３はペロブスカイト型の結晶構造を有し、その格子定数が、同じペロブスカイト結晶構造を有する請求項１〜請求項６記載の酸化物常誘電体の格子定数３．９０Åから４．１Åに近いのでエピタキシャル膜形成に適している。
【００５４】
請求項１５記載の発明では、（イ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、（ロ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、（ハ）一方の面を第１の導電性膜と他方の面を第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、（ニ）第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを波長可変光フィルタに具備させる。
【００５５】
すなわち請求項１５記載の発明では、請求項１記載の発明の１つの形としての単一キャビティ型の波長可変光フィルタを示している。
【００５６】
請求項１６記載の発明では、（イ）４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、（ロ）これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、（ハ）第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、（ニ）これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを波長可変光フィルタに具備させる。
【００５７】
すなわち請求項１６記載の発明では、請求項２記載の発明の１つの形としての単一キャビティ型の波長可変光フィルタを示している。
【００５８】
請求項１７記載の発明の波長可変光フィルタでは、（イ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を第１の導電性膜と他方の面を第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを備えたキャビティを、（ロ）複数層積層したことを特徴としている。
【００５９】
すなわち請求項１７記載の発明では、請求項３記載の発明の１つの形としてのｍ重キャビティ型の波長可変光フィルタを示している。
【００６０】
請求項１８記載の発明の波長可変光フィルタでは、（イ）４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを備えたキャビティを、（ロ）複数層積層したことを特徴としている。
【００６１】
すなわち請求項１８記載の発明では、請求項４記載の発明の１つの形としてのｍ重キャビティ型の波長可変光フィルタを示している。
【００６２】
請求項１９記載の発明では、（イ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を第１の導電性膜と他方の面を第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを具備する波長可変光フィルタと、（ロ）第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを光アドドロップモジュールに具備させる。
【００６３】
すなわち請求項１９記載の発明では、単一キャビティ型の波長可変光フィルタを使用して光アドドロップモジュールを構成している。高速応答性により光アドドロップモジュールの実現が可能になる。
【００６４】
請求項２０記載の発明では、（イ）４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを具備する波長可変光フィルタと、（ロ）第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを光アドドロップモジュールに具備させる。
【００６５】
すなわち請求項２０記載の発明では、単一キャビティ型の波長可変光フィルタを使用して光アドドロップモジュールを構成している。高速応答性により光アドドロップモジュールの実現が可能になる。
【００６６】
請求項２１記載の発明では、（イ）屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第１ミラースタック層とその第１ミラースタック層上に形成された導電性の第１の導電性膜とを備えた第１の複合スタック層と、屈折率の互いに異なる第１および第２の誘電体薄膜を１または複数組積層して構成した第２ミラースタック層とその第２ミラースタック層上に形成された導電性の第２の導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、一方の面を第１の導電性膜と他方の面を第２の導電性膜と接触させ、２次の電気光学効果を有する平板状の常誘電体からなるスペーサ層と、第１および第２の導電性膜に印加する電圧を変更することで第１の複合スタック層側あるいは第２の複合スタック層側からこれらの層を透過または反射する光線のスペクトル特性を制御する特性制御手段とを備えたキャビティを複数層積層した波長可変光フィルタと、（ロ）第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを光アドドロップモジュールに具備させる。
【００６７】
すなわち請求項２１記載の発明では、ｍ重キャビティ型の波長可変光フィルタを使用して光アドドロップモジュールを構成している。高速応答性により光アドドロップモジュールの実現が可能になる。
【００６８】
請求項２２記載の発明では、（イ）４分の１波長膜厚を有する高屈折率材からなる第１の誘電体薄膜とこの高屈折率材よりも低い屈折率で４分の１波長膜厚を有する低屈折率材からなる第２の誘電体薄膜とを正の整数ｎだけ繰り返し積層してなる第１および第２ミラースタック層と、これら第１および第２ミラースタック層の間に配置され４分の１波長の膜厚の正の偶数倍の膜厚を有する２次の電気光学効果を有する常誘電体薄膜からなるスペーサ層と、第１ミラースタック層とスペーサ層あるいは第２ミラースタック層とスペーサ層の間に挟持されるように配置され、それぞれ４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する透明導電性材料からなる第１および第２の透明導電性薄膜と、これら第１および第２の透明導電性薄膜に印加する電圧を変更することで第１ミラースタック層側あるいは第２ミラースタック層側からこれらの層を透過または反射する光線の通過帯域を変更する通過帯域制御手段とを備えたキャビティを複数層積層した波長可変光フィルタと、（ロ）第１および第２の導電性膜に印加する電圧を制御することでこの波長可変光フィルタを通過する光信号の波長を動的に変化させる波長選択手段とを光アドドロップモジュールに具備させる。
【００６９】
すなわち請求項２２記載の発明では、ｍ重キャビティ型の波長可変光フィルタを使用して光アドドロップモジュールを構成している。高速応答性により光アドドロップモジュールの実現が可能になる。
【００７０】
【発明の実施の形態】
【００７１】
図１は本発明の一実施の形態における光学素子の構造の概要を表わしたものである。この光学素子２０１は、基板２０２上に第１ミラースタック層２０３を形成し、その上に第１の導電性薄膜（ｍＣ）２０４を介して２次の電気光学効果を有する常誘電体層（ｓＭ）２０５を形成し、更にその上に第２の導電性薄膜（ｍＣ）２０６を介して第２ミラースタック層２０７を形成し、その上に結合層２０８を配置した基本構成となっている。この光学素子２０１は、たとえば単一キャビティ型バンドパスフィルタとして使用される。
【００７２】
第１ミラースタック層２０３および第２ミラースタック層２０７は、共に４分の１波長膜厚の２種類の異なる誘電体物質Ｈおよび誘電体物質Ｌを複数組積層したもので構成されている。２種類の異なる誘電体物質の屈折率をそれぞれｎＨ、ｎＬと表わすものとする。また、屈折率の大きい方を屈折率ｎＨとして、この誘電体物質（膜）を本明細書では高屈折率誘電体薄膜Ｈと呼ぶことにする。屈折率の小さい方の誘電体物質（膜）を本明細書では低屈折率誘電体薄膜Ｌと呼び、その屈折率は屈折率ｎＬで表わすことにする。光フィルタの膜設計では、ある設計波長λ０を中心に高反射率を有する誘電体多層膜ミラーを実現する膜構造を次の表現構造（４）で表わすことができる。
基板／  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  ……Ｈ  Ｌ  ／  媒質    ……（４）
【００７３】
ここで高屈折率誘電体薄膜Ｈおよび低屈折率誘電体薄膜Ｌは共に４分の１波長膜厚となっており、ある設計波長λ０と屈折率ｎＨ、ｎＬとの間には、次の（５）式および（６）式が成立する。
【００７４】
Ｈ＝λ０／４ｎＨ    ……（５）
Ｌ＝λ０／４ｎＬ    ……（６）
第２ミラースタック層２０７の上に存在する結合層２０８（最上層の低屈折率誘電体薄膜Ｌ）は媒質と接している。一般的に媒質は空気、樹脂溶剤、固形基板等のいずれかである。
【００７５】
表現構造（４）はある基板２０２の上に２種類の高屈折率誘電体薄膜Ｈおよび低屈折率誘電体薄膜Ｌからなる誘電体薄膜を交互に積層することを表わしている。したがって、この表現構造（４）は次の表現構造（７）のように簡便に表わすことができる。
基板  ／  （Ｈ  Ｌ）Ｎ    ／  媒質            （７）
【００７６】
表現構造（７）は、高屈折率誘電体薄膜Ｈおよび低屈折率誘電体薄膜Ｌのペアの層をＮ回繰り返し積層することを意味している。たとえば、次の表現構造（８）は表現構造（９）と等価である。
【００７７】
基板  ／  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  ／媒質      ……（８）
基板  ／（Ｈ  Ｌ）３／  媒質                  ……（９）
【００７８】
ところで、ある特定の光波長成分のみを分離して取り出す場合には、バンドパスフィルタを用いることが多い。誘電体多層膜によるバンドパスフィルタの共振器の一般的な構造は次の表現構造（１０）で表わすことでできる。
【００７９】
Ａ＝［（ＨＬ）Ｎ  Ｈ  ｓＬ  Ｈ（ＬＨ）Ｎ  Ｌ］  ……（１０）
【００８０】
ここで、符号Ｎは“０”を含む整数（０、１、２、３、……）を表わしている。また符号ｓは正の偶数（２、４、６、８、……）を表わしている。“（ＨＬ）ｎ  Ｈ”と“Ｈ  （ＬＨ）ｎ”はそれぞれ第１ミラースタック層２０３あるいは第２ミラースタック層２０７と呼ばれる層を表わしている。“ｓＬ”はスペーサ層である。最後のＬ層は結合層２０８である。
【００８１】
この表現構造（１０）は光学素子２０１の基本共振器構造を表わしている。ｍ重共振器構造の場合は、結合層２０８を介してこの表現構造（１０）がｍ組順次図１に示す基板２０２の上側の面に積層された構造となっている。基本共振器構造をこのようにｍ重共振器構造として複数積層するように使用することで、たとえばバンドパスフィルタとしてのフィルタ特性をシャープにすることができる。
結合層２０８は低屈折率材の４分の１膜厚の層であり、基本共振器構造の間に配置される。
【００８２】
図１に示した実施の形態による光学素子２０１では、波長可変性を備えるために、次の表現構造（１１）で表わされるファブリ・ペロー共振器構造をとっている。
Ｂ＝［（ＨＬ）ｎ  ｍＣ  ｓＭ  ｍＣ  （ＬＨ）ｎ  Ｌ］  ……（１１）
【００８３】
ここで、符号Ｃと符号Ｍは、それぞれ導電性膜と電気光学効果を有する常誘電体を表わしている。これら常誘電体Ｃ、Ｍは４分の１物理膜厚となっている。係数ｍとｓは、それぞれ奇数（１、３、５、……）と偶数（２、４、６、……）である。すなわち、表現構造（１１）では表現構造（１０）における第１および第２ミラースタック層のスペーサ層と接する誘電体物質Ｈの層が、導電性薄膜（ｍＣ）、すなわち第１の導電性薄膜２０４および第２の導電性薄膜２０６に置き換わり、スペーサ層が電気光学効果を有する常誘電体（ｓＭ）としての常誘電体層２０５に置き換わっていることが分かる。
【００８４】
スペーサ層を構成する電気光学薄膜の形成において成膜される膜質は、多結晶膜造、特にエピタキシャル膜が望ましい。成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、イオンアシスト蒸着法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、ディップコーティング法、パルスレーザ蒸着法等の公知のいずれの方法を使用することも可能である。これらいずれの成膜方法でも、形成される膜の組成比制御に使用するガス（酸素ガス等）の供給流量、添加濃度の調整、成膜中のビーム電流・電圧量、および真空度の調整等を行う場合、これらの制御が比較的容易である。更に成膜温度の最適化により、結晶性制御や薄膜界面を滑らかに形成することができるという利点もある。
【００８５】
この図１に示した実施の形態による光学素子２０１では、第１の導電性薄膜２０４と第２の導電性薄膜２０６の間に電源２１１を接続しており、これらの間に印加する電圧Ｖを変化させることで波長可変性を実現するようになっている。この場合における周波数応答について次に説明する。
【００８６】
光学素子２０１では、ミラースタック層２０３、２０７と接する導電性薄膜２０４、２０６が有限の電気抵抗値Ｒを持ち、またスペーサ層を構成する２次の電気光学係数をもつ常誘電体２０５が静電容量Ｃを持っている。これらの値の積で時間応答が制限される。今、第１および第２の導電性薄膜２０４、２０６の抵抗率をρ［Ωｃｍ］、これらの表面積をＳとする。この場合、抵抗値Ｒと静電容量Ｃはそれぞれ次の（１２）あるいは（１３）式で表わすことができる。
【００８７】
Ｒ＝ρ（ｍＣ／Ｓ）            （１２）
Ｃ＝εｒ・ε０・（Ｓ／ｓＭ）    （１３）
ここで、符号εｒはスペーサ層を構成する常誘電体２０５の比誘電率を表わしており、符号ε０は真空の誘電率を表わしている。
【００８８】
なお、本明細書では、次のように各用語を定義する。
「多結晶膜」とはθ−２θＸ線回折パターンによって、単相ではあるが色々な面指数が混在する膜状態をいう。すなわち、結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の１％以上であると同定されるものを意味する。
「配向膜」とは、多結晶膜で更に、θ−２θＸ線回折パターンによって一つの面指数とその高次ピークが現われる場合をいう。
「エピタキシャル膜」とは配向膜において、更にＸ線ポールフィギャやＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）、ＬＥＥＤ（低速電子線回折）等によって、面内の結晶方位が各結晶粒でバラバラな「面内ランダム配向膜」と２種類以上の特定の方向に配向した結晶粒が混在する「面内選択配向膜」と完全に一つの方向に配向した「面内配向膜」を含む。面内配向膜の場合はバルクの電気光学係数を薄膜においてほぼ実現することができるが、それ以外の配向膜や多結晶膜においては、電気光学係数が減じて実現する。
本発明における電気光学膜には、アモルファス膜と多相膜を除く多結晶膜、配向膜、あるいはエピタキシャル膜が適用できる。
【００８９】
なお、本実施の形態の光学素子２０１では、基板２０２として使用波長域で透明な広範囲な材料（例えば、光学結晶、光学ガラス、石英、透明プラスチック）あるいはポリマ材等を使用することができる。第１、第２ミラースタック層２０３、２０７を構成する誘電体薄膜には適用波長域で透明であり、現在一般的に使用されている材料より屈折率の範囲が１．２３から５．６７までの範囲のものを選択することができる。例えば、フッ化カルシウムＣａＦ２（屈折率１．２３）、フッ化マグネシウムＭｇＦ２（屈折率１．３８）、二酸化シリコンＳｉＯ２（屈折率１．４６）、酸化マグネシウムＭｇＯ（屈折率１．８０）、五酸化タンタルＴａ２Ｏ５（屈折率２．１５）、五酸化ニオブＮｂ２Ｏ５（屈折率２．２４）、二酸化チタンＴｉＯ２（屈折率２．４５）、セレン化亜鉛ＺｎＳｅ（屈折率屈折率２．４０）、テルル化鉛ＰｂＴｅ（屈折率５．６７）、窒化アルミニウムＡｌＮ（屈折率１．９４）、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４（屈折率１．９５）、シリコンＳｉ（屈折率３．４）、ゲルマニウムＧｅ（屈折率４．０）等の光学材料の中から選択することができる。これらの光学薄膜を形成する場合には、すでに説明した各種成膜法を適用することができる。
【００９０】
フィルタを構成する多層膜設計には、現在市販されている膜設計ソフトウエアを使用することができる。例えばＴＦＣａｌｃ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ，  Ｉｎｃ．）、Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ  Ｍａｃｌｅｏｄ（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｃｅｎｔｅｒ，  Ｉｎｃ．）等の名称のソフトウェアは光通信業界において主に使用されているソフトウェアであり、本発明にも同様に使用可能である。
【００９１】
本実施の形態の光学素子２０１の利点をまとめると次のようになる。
（１）膜設計を変更することにより任意のパスバンド幅や他波長信号除去特性を有する波長可変光フィルタを実現することができる。
（２）屈折率制御による波長可変方式を採用するので、機械的駆動部がなく信頼性が優れている。
（３）たとえば波長可変光フィルタを機械駆動によって実現すると、応答速度が０．１秒〜１秒程度となるが、本実施の形態の光学素子２０１の場合にはこれよりも１００万倍以上高速であり、たとえばμｓ（マイクロ秒）以下で波長を可変可能である。
（４）従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタは、その装置全体のサイズが一般的には３０×３０×８０ｍｍ３程度である。本実施の形態の光学素子２０１ではフィルタチップ自体の大きさは２ｍｍ２以下と小さくすることができる。したがって装置全体のサイズはは１０×１０×１０ｍｍ３程度とすることができ、小型化が可能である。体積率は約７０分の１となる。
（５）従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタでは移動ステージ等の機械的な駆動部分を必要としたが、本実施の形態の光学素子２０１では電圧を印加する電極端子があればよいので装置全体を安価に構成することができる。
（６）従来の液晶を使用した波長可変光フィルタではその駆動のための電源が交流なので、所望のフィルタ波長に固定することができないが、本実施の形態の光学素子２０１では直流駆動なのでフィルタ波長を任意に固定することができる。
【００９２】
次に以上説明した光学素子２０１をバンドパスフィルタに具体化した例を本発明の実施例として説明する。もちろん、本発明はバンドパスフィルタにその用途を限定されるものではなく、減反射コーティングや、高反射ミラー、長波長透過フィルタ、短波長透過フィルタ、バンドエリミネーションフィルタ（ルゲートフィルタ）等、誘電体多層膜構成において使用されているあらゆる光学素子に適用することが可能である。
【実施例】
【００９３】
＜第１の実施例＞
図２は本発明の第１の実施例における波長可変エタロンの構造を原理的に表わしたものである。ここでエタロンとは、オプティカル・フラットの内側に反射鏡を形成したものである。本実施例の波長可変エタロン３０１はたとえば波長可変光フィルタとして使用され、その設計波長λ０は１５５０ｎｍとなっている。
【００９４】
波長可変エタロン３０１は、第１および第２の複合スタック層３０２、３０３をスペーサ層３０４の両面に１層ずつ接合した構造となっている。ここで、第１の複合スタック層３０２は、硼珪酸ガラスとしてのＢＫ７ガラス基板３１１１上に第１ミラースタック層３１２１を積層し、その上の全面に透明導電膜３１３１を蒸着し、その上面の四隅の一部にＮｂ金属電極３１４１を形成したものである。
Ｎｂ金属電極３１４１にはリード線３１５１を介して正電位が印加されるようになっている。第１ミラースタック層３１２１は、２種類の異なる屈折率の誘電体薄膜としての高屈折率誘電体薄膜Ｈと低屈折率誘電体薄膜Ｌの組を５組積層した構造となっている。高屈折率誘電体薄膜Ｈは、Ｎｂ２Ｏ５膜（屈折率ｎＨ＝２．２４）であり、他方の低屈折率誘電体薄膜ＬはＳｉＯ２膜（屈折率ｎＬ＝１．４６）である。透明導電膜３１３１にはＺｎＯ膜（屈折率ｎＣ＝１．９５）を用いている。
この透明導電膜３１３１は波長１５５０ｎｍ付近において透明な導電膜として機能し、抵抗率は０．０１Ωｃｍ以下である。
【００９５】
第２の複合スタック層３０３は、第１の複合スタック層３０２と全く同一の構成となっている。そこで、第１の複合スタック層３０２の各部を示す数字の添え字部分の“１”を“２”と読み替えて図示しており、これらの説明を省略する。
ただし、第２の複合スタック層３０３におけるＮｂ金属電極３１４２には、リード線３１５２を介して負電位が印加されるようになっている。
【００９６】
スペーサ層３０４には２次電気光学効果を有するＰｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３（ただしＸ＝０．０９、Ｙ＝０．３５）（以下、ＰＬＺＴ（透光性セラミックス）と称する。）単結晶基板を用いる。ここで、スペーサ層３０４の屈折率（ｎＭ）は２．５である。ＰＬＺＴ単結晶基板は厚さ０．１ｍｍで両面光学研磨されている。結晶方位は（００１）である。外部媒質は屈折率１．０の空気とする。本実施例の波長可変エタロン３０１の膜構造Ｂは次の表現構造（１４）で表わされる。
【００９７】
Ｂ＝（ＨＬ）５  ５Ｃ  ｓＭ  ５Ｃ  （ＬＨ）５    ……（１４）
ここで、常誘電体（ｓＭ）は厚さ０．１ｍｍに相当する。
【００９８】
この波長可変エタロン３０１の製造方法を図２と共に説明する。第１の複合スタック層３０２の製造に際しては、ＢＫ７ガラス基板３１１の厚さｔを２ｍｍとしこれをｔ２で表わした場合、イオンアシスト蒸着法を用いて、２０×２０×ｔ２ｍｍ３のＢＫ７ガラス基板３１１１の全面に高屈折率誘電体薄膜ＨとしてＮｂ２Ｏ５膜を、また低屈折率誘電体薄膜ＬとしてＳｉＯ２膜を交互に計１０層積層する。各高屈折率誘電体薄膜Ｈ、低屈折率誘電体薄膜Ｌについての４分の１物理膜厚は、高屈折率誘電体薄膜Ｈの方が１７３ｎｍで、低屈折率誘電体薄膜Ｌの方が２６５ｎｍである。
【００９９】
続いて、ミラースタック層３１２１の上の全面にＺｎＯ膜からなる透明導電膜３１３１（表現構造（１４）で５Ｃと表現した部分。）を１１７４ｎｍの厚さで蒸着する。ＺｎＯ膜は導電性が酸素欠損に起因して生じる真性半導体である。したがって、酸素ガス流量を調節し、抵抗率が０．０１Ωｃｍとなるように成膜する。このとき透明導電膜３１３１は、薄膜の光吸収係数としての消衰係数が１０−３以下の良好な透明導電膜として機能する。続いて、電極形成のために複合スタック層としての透明導電膜３１３１の上面の４隅の一部にＮｂ金属電極３１４１を厚さ２００ｎｍだけ蒸着する。Ｎｂ金属電極３１４１には銀ペースト剤を用いてリード線３１５１を接続する。
【０１００】
第２の複合スタック層３０３も第１の複合スタック層３０２と全く同一の製造方法で製造する。これら第１の複合スタック層３０２と第２の複合スタック層３０３を、透明導電膜３１３１、３１３２およびＮｂ金属電極３１４１、３１４２が互いに対向するように配置して、スペーサ層３０４の光学研磨されたそれぞれの面に接触させる。接触の際にはスペーサ層３０４としてＰＬＺＴ単結晶基板と透明導電膜３１３１、３１３２の間にごみが挟まれないように十分清浄な環境下で行い、ＢＫ７ガラス基板３１１１、３１１２上も汚れのないように予め洗浄処理を施しておく。
【０１０１】
このようにしてファブリペローエタロンとしての波長可変エタロン３０１を作成することができる。この波長可変エタロン３０１に外部より、ランダム偏光光線を垂直入射して、厚さ方向に直流電圧を印加すると周期的透過スペクトル特性が波長可変する。
【０１０２】
図３は、この第１の実施例の波長可変エタロンのスペクトル可変特性を表わしたものである。図２に示す波長可変エタロン３０１のＮｂ金属電極３１４１、３１４２間に印加する印加電圧を０Ｖ（ボルト）から１００Ｖまで変化させている。このように印加電圧を変化させると、エタロンの周期的透過スペクトル特性が波長可変していることが分かる。印加電圧１００Ｖの場合、波長シフト量は−３．８ｎｍであった。これは屈折率が−０．００６４だけ変化していることに相当する。
【０１０３】
図４は、この第１の実施例の波長可変エタロンの波長可変特性を表わしたものである。この図に示すように波長可変エタロン３０１のＮｂ金属電極３１４１、３１４２間に印加する印加電圧の自乗に比例して波長シフトが負の方向に生じている。前記した（２）式を用いると、２次の電気光学係数Ｒｉｊは次の（１５）式の通りとなる。
Ｒ１３＝Ｒ２３＝１．０×１０−１５  ｍ２／Ｖ２    ……（１５）
【０１０４】
これは単結晶基板で報告されている係数にほぼ一致している。印加電圧の増加により、偏光依存性などの偏光の直交成分での屈折率変化に差が見られないことも判明した。
【０１０５】
また、第１の実施例の波長可変エタロン３０１の応答速度は、ＺｎＯ導電膜の抵抗値Ｒと、スペーサ層を構成するＰＬＺＴ常誘電体の静電容量Ｃを用いたＲＣ時定数により制限される。前記した（１２）、（１３）式を用いると本実施例では応答時間として２μｓが得られた。本実施例の波長可変エタロン３０１を用いることにより、高速で約４ｎｍの波長可変特性を有する波長可変エタロンを実現することができる。
【０１０６】
なお、第１の実施例による波長可変エタロン３０１では、スペーサ層３０４に用いたＰＬＺＴ単結晶基板の厚さが０．１ｍｍと薄い。このため、第１および第２の複合スタック層３０２、３０３をそれぞれ別に作製、用意してサンドイッチするようにしたが、本発明はこれに限るものではない。たとえばスペーサ層３０４を構成する２次の電気光学効果を有する常誘電体単結晶の厚さが０．５ｍｍ以上であれば、その両面に導電性薄膜を蒸着し、更に両端面に第１および第２ミラースタック層３１２１、３１１２を形成することでも、波長可変エタロンを製造することができる。
【０１０７】
＜第２の実施例＞
図５は本発明の第２の実施例における単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの電極が取り付けられていない状態での断面構造を表わしたものである。単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１は、ＢＫ７ガラス基板４０２上に高屈折率誘電体薄膜Ｈと低屈折率誘電体薄膜Ｌを７組積層した（図では簡易に２組のみ表示。）第１ミラースタック層４１１１を形成し、その上に透明導電膜４１２１としてＩＴＯ膜（屈折率ｎＣ＝２．０）を用いている。この透明導電膜４１２１は波長５００ｎｍ付近において透明な導電膜として動作し抵抗率は４×１０−４Ω・ｃｍである。
【０１０８】
透明導電膜４１２１の上にはスペーサ層４１３が配置される。スペーサ層４１３には、２次電気光学効果を有するＰｂ１−ＸＬａＸ（Ｚｒ１−ＹＴｉＹ）１−Ｘ／４Ｏ３（ただしＸ＝０．０９、Ｙ＝０．３５）（以下、ＰＬＺＴという。）薄膜を用いる。ここで、屈折率（ｎＭ）は２．５である。外部媒質は屈折率１．０の空気とする。スペーサ層４１３の上には透明導電膜４１２２が形成され、更にその上には第１ミラースタック層４１１１と同一構成の第２ミラースタック層４１１２が形成される。その上には結合層４１６（最上層の低屈折率誘電体薄膜Ｌ）が形成される。
【０１０９】
この第２の実施例による単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１の膜構造Ｂは次の表現構造（１６）で表わされる。
Ｂ＝（ＨＬ）７  ５Ｃ  ６Ｍ  ５Ｃ  （ＬＨ）７  Ｌ    ……（１６）
【０１１０】
図６は、第２の実施例による単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの製造工程のうちの第１の工程から第３の工程までを表わしたものである。この単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの設計波長λ０は５００ｎｍである。
【０１１１】
まず、第１の工程として同図（ａ）に示すように清浄な表面を持つＢＫ７ガラス基板４０２を用意する。この基板サイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。本実施例ではこのサイズのＢＫ７ガラス基板４０２を基にして各種の層を形成し、最終的に９個の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１を製造する。
【０１１２】
第１の工程が終了したら、続いて同図（ｂ）に示す第２の工程を行う。第２の工程では、マグネトロンスパッタ法を用いて、十分に真空排気された真空チャンバで成膜温度を６００℃に設定する。そして、１０×１０×ｔ２ｍｍ３のサイズのＢＫ７ガラス基板４０２の片方の面に高屈折率誘電体薄膜Ｈとして誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜（屈折ｎＨ＝２．１６）４０３を形成し、その上に低屈折率誘電体薄膜ＬとしてＳｉＯ２膜（屈折率ｎＬ＝１．４６）４０４を形成する。これら誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜４０３およびＳｉＯ２膜４０４は交互に続けて複数積層する。これら高屈折率誘電体薄膜Ｈおよび低屈折率誘電体薄膜Ｌの４分の１物理膜厚は、それぞれ５８ｎｍと８６ｎｍである。同図（ｂ）では誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜４０３およびＳｉＯ２膜４０４をそれぞれ１層しか示していないが、これらを７組積層することで図５に示した本実施例の第１ミラースタック層４１２１が完成する。
【０１１３】
同図（ｃ）は第３の工程を表わしている。第１ミラースタック層４１１１の上に、下面導電性膜となる透明導電膜４１２１としてのＩＴＯ膜（表現構造（１６）における“５Ｃ”）を３１３ｎｍの厚さで蒸着する。ＩＴＯ膜はＳｎ原子の添加量により導電性が変化する。したがって、Ｓｎ原子の添加量を調節し、その抵抗率が４×１０−４Ωｃｍとなるように成膜する。このとき、消衰係数が１０−４以下の良好な透明導電膜として機能する。
【０１１４】
続いて、スペーサ層４１３としてのＰＬＺＴ膜を３００ｎｍ（表現構造（１６）における“６Ｍ”）だけ積層する。この上に上面導電性膜となる透明導電膜４１２２としてのＩＴＯ膜を４１３ｎｍ（表現構造（１６）における“５Ｃ”）の厚さで蒸着する。この更に上に第２ミラースタック層４１２２（表現構造（１６）における“（ＬＨ）７”）を成膜する。最後に、調整層（結合層）Ｌを同じく４分の１物理膜厚（８６ｎｍ）の厚さで蒸着する。
【０１１５】
このようにして作成された膜はθ−２θＸ線回折パターンによって評価したところ、単相ではあるが複数の面指数が混在しており、かつ結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の１０％程度であった。このため多結晶薄膜と確認された。なお、膜厚モニタの制御には波長５００ｎｍの単一波長レーザを基板４０２に垂直入射し、成膜中の透過率を光学膜厚モニタ監視する。成膜中の膜厚が４分の１物理膜厚の場合に透過率は極大値あるいは極小値を示すので高精度な成膜制御を行うことができる。レーザのスペクトル線幅が０．０１ｎｍ以下であれば、膜厚精度は０．１ｎｍを得ることができる。
【０１１６】
図７は、本実施例の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの製造工程のうちの第４の工程から第６の工程を表わしたものである。これらの工程では、第３の工程で作製された透明導電膜４１２１および透明導電膜４１２２に対して電極を付ける処理を行う。まず図７（ｄ）で示す第４の工程では、ドライエッチングによって、透明導電膜４１２２としての上面導電性薄膜の上面までエッチングを行う。更に、同図（ｅ）に示す第５の工程では対となるエッチング面の一方について、更に透明導電膜４１２１としての下面導電性薄膜の上面までエッチングする。エッチングの場合にも、先の光学式膜厚モニタ制御により高精度にエッチング量を制御することができる。
【０１１７】
図７（ｆ）で示す第６の工程では、透明導電膜４１２２の上に金属電極４２１２を、また透明導電膜４１２１の上に金属電極４２１１をそれぞれ形成する。金属電極４２１の材料には、付着強度が高いＴｉ／Ａｕ、あるいはＴｉ／Ｐｔ金属薄膜を形成する。前者のＴｉ／Ａｕの場合には、Ｔｉを厚さ５０ｎｍ蒸着し、その上にＡｕ薄膜を２００ｎｍだけ積層する。後者のＴｉ／Ｐｔの場合ではＴｉを厚さ５０ｎｍ蒸着し、その上にＰｔ薄膜を２００ｎｍだけ積層する。
【０１１８】
図８は、本実施例の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの製造工程のうちの第７の工程および第８の工程を表わしたものである。同図（ｇ）で示す第７の工程では、図のＸ、Ｙ両方向にそれぞれ１０ｍｍの長さを有するこの波長可変エタロンをそれぞれの長さ方向に３分割する。すなわち矢印４３１〜４３４で示す各位置でＹ方向あるいはＸ方向に切断後が３ｍｍずつの幅となるように切断する。このようにして９個の波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａが切り出される。
【０１１９】
図８（ｈ）は、第８の工程を表わしたものである。第７の工程で得られた波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａの１つに対してリード線４１５１、４１５２をそれぞれ対応する金属電極４２１１、４２１２にワイヤボンディングする。
リード線４１５１、４１５２の他端は、この図に示していない駆動源に接続される。
【０１２０】
図９は、このようにして製造された波長可変バンドパスフィルタチップの使用状態を説明するためのものである。波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａはその一方のリード線４１５１が接地され、他方のリード線４１５２が、一端を接地した駆動電源４４１のプラス電位側の出力端子に接続されている。波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａの結合層４１６（最上層の低屈折率誘電体薄膜Ｌ）側から入射光線４４３を入射させ、ＢＫ７ガラス基板４０２の側から透過する透過光線４４４を得る。この波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａに対して外部よりランダム偏光光線を垂直入射させて、スペーサ層４１３の厚さ方向に直流電圧を印加する。すると透過光線４４４として、波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａのフィルタの中心波長の光線分のみが透過することになる。
【０１２１】
図１０は、この第２の実施例による波長可変バンドパスフィルタチップの波長可変特性を表わしたものである。この図で縦軸は透過率を、また横軸は波長を表わしている。図９に示した駆動電源４４１を用いて印加電圧を０Ｖから３Ｖに変化させると、これに応じてバンドパスフィルタの透過スペクトルのピークが長波長側から短波長側に移動することが分かる。透過波長における挿入損失は２ｄＢ以下と良好な損失特性を示している。印加電圧３Ｖの場合、印加電圧が０Ｖの場合と比べると、波長シフト量は−８ｎｍであった。これは屈折率の変化分Δｎが−０．１６だけ変化していることに相当する。
【０１２２】
これを基にして前記した（２）式を用いると、２次の電気光学係数Ｒｉｊは次の（１７）式の通りとなる。
Ｒ１３＝Ｒ２３＝２×１０−１６    ｍ２／Ｖ２    ……（１７）
【０１２３】
これは単結晶基板で報告されている係数のほぼ５分の１に相当する。完全な単結晶状態ではないために、電気光学係数Ｒｉｊの減少が生じている。しかしながら、駆動電圧自体はＰＬＺＴ薄膜が薄いために、わずか３Ｖという低電圧での駆動が可能である。本実施例の波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａのサンプルについての応答速度は、ＩＴＯ導電膜の抵抗値Ｒおよびスペーサ層４１３を構成するＰＬＺＴ常誘電体の静電容量Ｃにより与えられるものの、前記した（１２）、（１３）式を用いると本実施例では応答時間は２μｓであった。そのため、高額な高速応答可能な高電圧アンプを用いる必要がない。したがって、パソコンあるいは電子機器の３．３Ｖ基準の高速ＩＣチップで波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａを直接駆動することができ、安価かつ小型な波長可変バンドパスフィルタを構成することができる。このように、約８ｎｍの波長可変範囲内において、機械的駆動部のない信頼性の高い、安価な波長可変バンドパスフィルタが実現できる。
【０１２４】
なお、第２の実施例では１０ｍｍ四方のＢＫ７ガラス基板４０２を使用して成膜を行い、これから９個の波長可変バンドパスフィルタチップ４０１Ａを切り出したが、基板のサイズはこれに限るものではない。たとえばφ５０ｍｍ以上の大きな基板上に一括成膜を行い、一度に数１００個の波長可変バンドパスフィルタチップを製造することも可能である。
【０１２５】
＜第３の実施例＞
【０１２６】
図１１は本発明の第３の実施例における２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの外観を示したものである。この２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１は、ＢＫ７ガラス基板５０２上に第１のキャビティ５０３を形成し、更にその上に第２のキャビティ５０４を形成した構造となっている。第２のキャビティ５０４の最上層には結合層５０５が配置されている。結合層５０５の上面には、下層の図示しない電極にまで達する深さの第１〜第４の穴５０６１〜５０６４が形成されている。このうちの第１および第２の穴５０６１、５０６２には第１のキャビティ用ワイヤ５０７１、５０７２の一端が差し込まれており、それぞれ図示しない電極にボンディングされている。これら第１のキャビティ用ワイヤ５０７１、５０７２の他端は、第１のキャビティ５０３用の第１の駆動電源５０８１に接続されている。また、第３および第４の穴５０６３、５０６４には第２のキャビティ用ワイヤ５０７３、５０７４の一端が差し込まれており、それぞれ図示しない電極にボンディングされている。これら第２のキャビティ用ワイヤ５０７３、５０７４の他端は、第２のキャビティ５０４用の第２の駆動電源５０８２に接続されている。本実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１で第１のキャビティ５０３と第２のキャビティ５０４は、結合層５０５の構成が若干異なることを除けば構造的には同一となっている。そこで、第１のキャビティ５０３を中心にその構成を説明し、第２のキャビティ５０４の説明については適宜省略する。
【０１２７】
第１のキャビティ５０３はこの図に概要を示すようにＢＫ７ガラス基板５０２の上に、高屈折率誘電体薄膜Ｈからなる誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜（屈折ｎＨ＝２．１６）５１１と低屈折率誘電体薄膜ＬからなるＳｉＯ２膜（屈折率ｎＬ＝１．４６）５１２を交互に複数組配置して、その上に、スペーサ層５１３を配置している。スペーサ層５１３の両面には透明導電膜５１４１、５１４２が形成されている。スペーサ層５１３の上側の透明導電膜５１４２の更に上側にはスペーサ層５１３を中心としてその下側と対称となるようにＳｉＯ２膜５１２と誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜５１１が複数組配置されている。
【０１２８】
この２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１は、入射光線５２１を第２のキャビティ５０４の結合層５０５側から入射させ、第１および第２の駆動電源５０８１、５０８２を適宜駆動することで透過光線５２２として任意の波長の光線を出力させることができる。
【０１２９】
図１２は、図１１に示した２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの構造を表わしたものである。すでに説明したように、第１のキャビティ５０３は高屈折率誘電体薄膜Ｈとして誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜５１１を使用し、低屈折率誘電体薄膜ＬとしてＳｉＯ２膜５１２を使用する。これらは、スペーサ層５１３の両面に配置された透明導電膜５１４１、５１４２の両側に複数組積層されている。ここで、スペーサ層５１３には２次電気光学効果を有するＳｒＸＢａ１−ＸＴｉＯ３（ただしＸ＝０．９）（以下、ＳＢＴという。）薄膜を用いる。屈折率ｎＭは２．３である。また、透明導電膜５１４１、５１４２にはＣｄ２ＳｎＯ４（以下、ＣＴＯという。）膜を用いる。屈折率ｎＣは１．９である。ＣＴＯ膜は波長１５５０ｎｍ付近において透明な導電膜として動作し抵抗率は２×１０−３Ω・ｃｍが得られる。外部媒質は屈折率１．０の空気とする。第１のキャビティ５０３における透明導電膜５１４１、５１４２には、第１の駆動電源５０８１の第１のキャビティ用ワイヤ５０７１、５０７２のそれぞれ一端が接続されている。第１の駆動電源５０８１のは電圧Ｖ１を透明導電膜５１４１、５１４２に印加する。第２のキャビティ５０４の構成は第１のキャビティ５０３と同一であるが、その透明導電膜５１４１、５１４２に供給する第２の駆動電源５０８２の印加電圧は電圧Ｖ２である。
【０１３０】
このような本実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１の膜構造Ｂは、次の表現構造（１８）で表わすことができる。
Ｂ＝［（ＨＬ）７  ５Ｃ  ６Ｍ  ５Ｃ  （ＬＨ）７  Ｌ］［（ＨＬ）７  ５Ｃ  ６Ｍ  ５Ｃ  （ＬＨ）７  Ｌ］    ……（１８）
【０１３１】
この第３の実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１の製造方法は第２の実施例と同様である。これを第２の実施例で使用した図６〜図９を適宜援用して簡単に説明する。なお、各部品の符号は図１１あるいは図１２に記した符号と適宜読み替える。まず、図６の第１の工程として示したように清浄な表面をもつガラス基板５０２を用意する。続いて、図６の第２の工程に示すように、イオンアシスト蒸着法を用いて、十分に真空排気された真空チャンバで成膜温度を７００℃に設定し、１０×１０×ｔ２ｍｍ３のＢＫ７ガラス基板５０２に高屈折率誘電体薄膜ＨとしてのＴａ２Ｏ５膜５１１を、また低屈折率誘電体薄膜ＬとしてのＳｉＯ２膜５１２を交互に７組積層する。これにより、第１ミラースタック層（ＨＬ）７が形成される。高屈折率誘電体薄膜Ｈおよび低屈折率誘電体薄膜Ｌの各層の４分の１物理膜厚は、それぞれＨ＝１７９ｎｍ、Ｌ＝２６５ｎｍとなっている。
【０１３２】
第３の工程では図６に示すように、第１ミラースタック層の上に下面導電性膜となるＣＴＯ膜からなる透明導電膜５１４１（表現構造（１８）における“５Ｃ”）を１０２０ｎｍの厚さで蒸着する。ＣＴＯ膜は導電性が酸素欠損に起因して生じる真性半導体である。したがって、酸素ガス流量を調節し、抵抗率が２×１０−３Ωｃｍとなるように成膜する。これにより、消衰係数が１０−４以下の良好な透明導電膜として機能させることができる。続いて、スペーサ層５１３としてのＳＢＴ膜（表現構造（１８）における“６Ｍ”）を１０１１ｎｍだけ積層する。
以下同様に、上面導電性膜となるＣＴＯ膜からなる透明導電膜５１４２（表現構造（１８）における“５Ｃ”）を１０２０ｎｍの厚さで蒸着する。続いて、第２ミラースタック層（ＬＨ）７を成膜する。最後に、調整層Ｌを同じく４分の１物理膜厚２６５ｎｍで蒸着する。以上を第２のキャビティ５０４においても繰り返すことで、２重キャビティ型バンドパスフィルタ５０１を構成することができる。
【０１３３】
このようにして作成された膜はθ−２θＸ線回折パターンによって評価したところ、単相ではあるが複数の面指数が混在しており、かつ結晶方位に対応する回折強度が全体の回折強度の１０％程度であったため多結晶薄膜と確認された。続いて、第２の実施例と同様に電極を形成する工程に移る。
【０１３４】
図１１に示したように本実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１は、２重キャビティ構造となっている。したがって、第２の実施例における図８（ｇ）に示すような波長可変バンドパスフィルタチップを得るための切断処理を行う。切断後の波長可変バンドパスフィルタチップの最上層である結合層５０５には、図７（ｄ）で示す第４の工程におけるドライエッチングによって、図１１に示すように下層の図示しない電極にまで達する深さの合計４つの穴（第１〜第４の穴５０６１〜５０６４）が形成されている。これら４つの穴５０６１〜５０６４は、それぞれ、第１キャビティと第２キャビティのスペーサ層５１３に接する上面と下面の透明導電膜（５１４１、５１４２）、（５１４１、５１４２）まで達している。２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１は、前記したように外部の第１および第２の駆動電源５０８１、５０８２に接続されている。第１のキャビティ５０３および第２のキャビティ５０４は図１１でも説明したように独立な印加電圧Ｖ１およびＶ２により駆動される。
【０１３５】
本実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１では、外部よりランダム偏光光線５３１を入射光線５２１として第２のキャビティ５０４の結合層５０５側からその面方向と垂直方向に入射する。このとき、２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５３１の厚さ方向に印加電圧Ｖ１と印加電圧Ｖ２が共に同一の電圧Ｖを印加するものとする。
【０１３６】
図１３は、第３の実施例の波長可変バンドパスフィルタの波長可変特性を表わしたものである。図で縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。この図に示すようにバンドパスフィルタの透過スペクトルのピーク部分の波長が印加電圧Ｖの変化によって移動していることが分かる。しかも透過波長における挿入損失は１ｄＢ以下と良好な損失特性を示していることが分かる。
【０１３７】
具体的には印加電圧が４Ｖの場合、印加電圧が０Ｖの場合を基準とし、また長波長側への波長のシフトをプラスとするとき、波長シフト量は−１７ｎｍであった。これは屈折率の差Δｎが−０．１０だけ変化していることに相当する。この特性より、前記した（２）を用いるとＲｉｊは次の（１９）式の通りとなる。
Ｒ１３＝Ｒ２３＝８×１０−１６  ｍ２／Ｖ２    ……（１９）
これは単結晶基板で報告されている係数のほぼ４分の１に相当する。完全な単結晶状態ではないために、電気光学係数の減少が生じる。しかしながら、駆動電圧自体は、スペーサ層５１３を構成するＳＢＴ薄膜が薄いためにわずか４Ｖという低電圧での駆動が可能になる。本実施例で使用した２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１のサンプルについての応答速度は、ＲＣ時定数により制限され、ＣＴＯ導電膜の抵抗値Ｒおよびスペーサ層を構成するＳＢＴ常誘電体の静電容量Ｃにより与えられる。（１２）、（１３）式を用いると本実施例では応答時間は３μｓであった。このため、特に高額の高速応答可能な高電圧アンプを用いる必要がない。また、パーソナルコンピュータあるいは電子機器の５Ｖ基準の高速ＩＣチップで２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１を直接駆動することができ、安価かつ小型の波長可変バンドパスフィルタを構成することができる。
【０１３８】
以上説明したように、第３の本実施例では約１７ｎｍの波長可変範囲内において、機械的駆動部がなく信頼性の高い、安価で急峻なフィルタ特性を有する波長可変バンドパスフィルタ５０１を実現させることができる。
【０１３９】
なお、本実施例で使用する基板の大きさには特に制限がない。たとえば、φ５０ｍｍ以上の大きな基板上に一括成膜を行い数１００個の波長可変バンドパスフィルタチップを製造することが可能である。また、より高速応答を得るためには静電容量を低減する必要がある。それには波長可変バンドパスフィルタチップの面積を３×３ｍｍ２から０．５×０．５ｍｍ２へ小型化することが有効である。これにより、静電容量を１／３６に低減し、応答時間を８３ｎｓに高速化することができる。
【０１４０】
＜第３の実施例の第１の変形例＞
【０１４１】
次に第３の実施例の第１の変形例について説明する。この第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタを２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａとすると、その基本的な構造は図１１に示した第３の実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１と同一である。そこで、この第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａの各部を表わす符号の末尾に「Ａ」を付して図１１を適宜読み替えてこの第１の変形例の説明を行う。
【０１４２】
第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａも、第３の実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１と同様にＢＫ７ガラス基板５０２Ａ上に第１のキャビティ５０３Ａを形成し、更にその上に第２のキャビティ５０４Ａを形成した構造となっている。第２のキャビティ５０４Ａの最上層には結合層５０５Ａが配置されている。結合層５０５Ａの上面には、下層の図示しない電極にまで達する深さの第１〜第４の穴５０６Ａ１〜５０６Ａ４が形成されている。このうちの第１および第２の穴５０６Ａ１、５０６Ａ２には第１のキャビティ用ワイヤ５０７Ａ１、５０７Ａ２の一端が差し込まれており、それぞれ図示しない電極にボンディングされている。これら第１のキャビティ用ワイヤ５０７Ａ１、５０Ａ２の他端は、第１のキャビティ５０３Ａ用の第１の駆動電源５０８Ａ１に接続されている。また、第３および第４の穴Ａ５０６３、５０６４には第２のキャビティ用ワイヤ５０７Ａ３、５０７Ａ４の一端が差し込まれており、それぞれ図示しない電極にボンディングされている。これら第２のキャビティ用ワイヤ５０７Ａ３、５０７Ａ４の他端は、第２のキャビティ５０４Ａ用の第２の駆動電源５０８Ａ２に接続されている。
【０１４３】
この第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａで第１のキャビティ５０３Ａと第２のキャビティ５０４Ａは、結合層５０５Ａの構成が若干異なることを除けば構造的には同一となっている。そこで、第１のキャビティ５０３Ａを中心にその構成を説明し、第２のキャビティ５０４Ａの説明については適宜省略する。第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａの設計波長λ０は１５５０ｎｍである。
【０１４４】
この第１の変形例では、第３の実施例と同様にＢＫ７ガラス基板５０２Ａの上に、高屈折率誘電体薄膜Ｈからなる誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜（屈折ｎＨ＝２．１６）５１１Ａと低屈折率誘電体薄膜ＬからなるＳｉＯ２膜（屈折率ｎＬ＝１．４６）５１２Ａを交互に複数組配置して、その上に、スペーサ層５１３Ａを配置している。スペーサ層５１３Ａの両面には透明導電膜５１４Ａ１、５１４Ａ２が形成されている。透明導電膜５１４Ａ１、５１４Ａ２にはＺｎＳｎＯ３（以下、ＺＴＯ）膜を用いる。屈折率ｎＣは２．０である。同膜は波長１５５０ｎｍ付近において透明な導電膜として動作し抵抗率は２×１０−２Ω・ｃｍが得られる。
【０１４５】
スペーサ層５１３Ａには２次電気光学効果を有する第３の実施例で使用したＳＢＴ薄膜を用いる。その屈折率ｎＭは２．３である。外部媒質は屈折率１．０の空気とする。この第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａの膜構造Ｂは、先の表現構造（１８）と同様である。
【０１４６】
また、この第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａの製造方法も第３の実施例と同様である。これを第２の実施例で使用した図６〜図９を適宜援用して簡単に説明する。なお、各部品の符号は図１１あるいは図１２に記した符号と適宜読み替える。まず、図６の第１の工程として示したように清浄な表面をもつガラス基板５０２Ａを用意する。続いて、図６の第２の工程に示すように、イオンビームスパッタ法を用いて、十分に真空排気された真空チャンバで成膜温度を７００℃に設定し、１０×１０×ｔ２ｍｍ３のＢＫ７ガラス基板５０２Ａに高屈折率誘電体薄膜ＨとしてのＴａ２Ｏ５膜５１１Ａを、また低屈折率誘電体薄膜ＬとしてのＳｉＯ２膜５１２Ａを交互に７組積層する。これにより、第１ミラースタック層（ＨＬ）７が形成される。高屈折率誘電体薄膜Ｈおよび低屈折率誘電体薄膜Ｌの各層の４分の１物理膜厚は、それぞれＨ＝１７９ｎｍ、Ｌ＝２６５ｎｍとなっている。
【０１４７】
第３の工程では図６に示すように、第１ミラースタック層の上に下面導電性膜となるＺＴＯ膜からなる透明導電膜５１４Ａ１（表現構造（１８）における“５Ｃ”）を１０２０ｎｍの厚さで蒸着する。成膜温度が６００℃以下あるいは８００℃以上では、ＺｎＳｎＯ３以外の組成のＺｎＯやＺｎ２ＳｎＯ４が形成されるので温度管理が重要となる。ＺＴＯ膜は導電性が酸素欠損に起因して生じる真性半導体であるので、酸素ガス流量を調節し、抵抗率が２×１０−３Ωｃｍとなるように成膜する。これにより、消衰係数が３×１０−４以下の良好な透明導電膜として機能させることができる。続いて、スペーサ層５１３ＡとしてのＳＢＴ膜（表現構造（１８）における“６Ｍ”）を１０１１ｎｍだけ積層する。以下同様に、上面導電性膜となるＺＴＯ膜からなる透明導電膜５１４Ａ２（表現構造（１８）における“５Ｃ”）を１０２０ｎｍの厚さで蒸着する。続いて、第２ミラースタック層（ＬＨ）７を成膜する。最後に、調整層Ｌを同じく４分の１物理膜厚２６５ｎｍで蒸着する。以上を第２のキャビティ５０４においても繰り返すことで、２重キャビティ型バンドパスフィルタ５０１を構成することができる。
【０１４８】
このようにして作成された膜はθ−２θＸ線回折パターンによって評価したところ、単相でかつ単一の面指数（００２）が確認されており、エピタキシャル薄膜と確認された。
【０１４９】
続いて、第３の実施例３と同様に電極を形成する工程に移る。この第１の変形例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａは２重キャビティ構造である。そこで、図１１に示した切断処理された後の１つの波長可変バンドパスフィルタチップには計４つの電極が形成されることになる。４つの電極は、それぞれ、第１のキャビティ５０３Ａと第２キャビティ５０４Ａのスペーサ層５１３Ａに接する上面と下面導電性薄膜５１４Ａ１、５１４Ａ２に対して形成される。
【０１５０】
図１４は、この第１の変形例の波長可変バンドパスフィルタの波長可変特性を表わしたものである。図で縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。この図は、２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａに、外部よりランダム偏光光線を垂直入射して、厚さ方向に直流電圧を印加した場合を示しており、バンドパスフィルタの透過スペクトルのピーク部分の波長が印加電圧Ｖの変化によって移動していることが分かる。透過波長における挿入損失は６ｄＢ程度を示している。挿入損失が大きいのは導電性薄膜に使用したＺＴＯ膜の損失が大きいためである。
【０１５１】
印加電圧が３Ｖの場合、波長シフト量は−２５ｎｍであった。これは屈折率の差がΔｎ＝−０．１４だけ変化していることに相当する。この特性より、前記した（２）を用いるとＲｉｊは次の（２０）式の通りとなる。
Ｒ１３＝Ｒ２３＝２×１０−１６  ｍ２／Ｖ２    ……（２０）
これは単結晶基板で報告されている係数のほぼ２分の１に相当する。完全な単結晶状態ではないために、電気光学係数の減少が生じる。しかしながら、第３の実施例で示した多結晶膜に比べて２．５倍の電気光学係数を得ることができる。
しかも、駆動電圧自体はＳＢＴ薄膜が薄いために、わずか３Ｖという低電圧での駆動が可能になる。また、この第１の変形例で使用した２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａのサンプルについての応答速度は、ＲＣ時定数により制限され、ＺＴＯ導電膜の抵抗値Ｒおよびスペーサ層を構成するＳＢＴ常誘電体の静電容量Ｃにより与えられる。（１２）、（１３）式を用いるとこの第１の変形例では応答時間は３０μｓであった。このため、特に高額の高速応答可能な高電圧アンプを用いる必要がない。また、パーソナルコンピュータあるいは電子機器の３．３Ｖ基準の高速ＩＣチップで２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ａを直接駆動でき、安価かつ小型の波長可変バンドパスフィルタを構成することができる。
【０１５２】
以上説明したように、第３の本実施例の第１の変形例では約２５ｎｍの広帯域な波長可変範囲内において、機械的駆動部がなく信頼性の高い、安価な急峻なフィルタ特性を有する波長可変バンドパスフィルタを実現させることができる。
【０１５３】
なお、この第１の変形例で使用したＳＢＴの代わりに同じペロブスカイト結晶構造のＫＴａＸＮｂ１−ＸＯ３（ただし０．５≦Ｘ≦１．０）を使用しても同等の電気光学係数２×１０−１５  ｍ２／Ｖ２を得ることができる。格子定数も３．９９ÅとＺＴＯに近い。この材料はＰＬＺＴやＳＢＴのようにＰｂやＢａ等の毒物や劇物を含まない材料で構成されている特徴がある。また、ＺＴＯ膜の代わりに同じペロブスカイト結晶構造のＡｇＳｂＯ３を使用しても同等の特性を得ることができる。ＡｇＳｂＯ３はＺＴＯに比べて、赤外域において、透明性に優れる特徴がある。したがって、より低損失な波長可変バンドパスフィルタを構成する場合に適している。
【０１５４】
また、この第１の変形例で使用する基板の大きさには特に制限がない。たとえば、φ５０ｍｍ以上の大きな基板上に一括成膜を行い数１００個の波長可変バンドパスフィルタチップを製造することも可能である。
【０１５５】
＜第３の実施例の第２の変形例＞
【０１５６】
次に第３の実施例の第２の変形例としてヒットレス波長可変セレクタを説明する。この第１の変形例のヒットレス波長可変セレクタをヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂとすると、その基本的な構造は図１１に示した第３の実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１と同一である。そこで、この第２の変形例のヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂの各部を表わす符号の末尾に「Ｂ」を付して図１１を適宜読み替えてこの第２の変形例の説明を行う。この変形例のヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂでは、第１のキャビティ５０３Ｂおよび第２のキャビティ５０４に印加する電圧Ｖ１、Ｖ２を適切に設定することにより、波長をλｉからλｊへ途中の波長信号に影響を与えることなく切り替えることができる。
【０１５７】
図１５は、この第２の変形例のヒットレス波長可変セレクタによる波長の可変特性を表わしたものである。同図（Ａ）に示すように図１１に示した第１のキャビティ５０３Ｂに印加する電圧Ｖ１が０Ｖで第２のキャビティ５０４Ｂに印加する電圧Ｖ２も０Ｖの場合、これら２つのキャビティ５０３Ｂ、５０４Ｂは同一の波長１５５０ｎｍに共振波長をもつ。
【０１５８】
次に、図１５（Ｂ）に示すように第１のキャビティ５０３Ｂに印加する電圧Ｖ１が０Ｖで第２のキャビティ５０４Ｂに印加する電圧Ｖ２が４Ｖの場合、第１キャビティ５０３Ｂと第２キャビティ５０４Ｂの共鳴波長は、それぞれ１５５０ｎｍと１５３３ｎｍなる共鳴波長をもつ。このとき、ヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂは波長可変範囲全体で、ほぼ高反射特性を示す。したがって、この場合にはミラーとしての機能のみを有し、特定の波長チャンネルの信号強度を劣化させる要因を発生させない。
【０１５９】
次に、図１５（Ｃ）に示すように第１のキャビティ５０３Ｂに印加する電圧Ｖ１が４Ｖで第２のキャビティ５０４Ｂに印加する電圧Ｖ２も４Ｖの場合、第１キャビティ５０３Ｂと第２キャビティ５０４Ｂは同一の波長１５３３ｎｍに共振波長をもち、透過損失の少ない透過フィルタ特性をもつ。
【０１６０】
従来の波長可変バンドパスフィルタでは、ある波長λｉから別の波長λｊへ波長を移動する際に、途中の波長域を横切って波長を変化させる。したがって、このような従来の波長可変バンドパスフィルタを用いて波長多重光通信を行うと、多チャンネルへの障害を引き起こすことになる。これに対して、この第２の変形例のヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂでは、以上の説明から了解されるように、ある波長λｉから別の波長λｊへ波長を移動する際に、多重キャビティのそれぞれの共鳴波長を一旦ずらし、その後、波長λｊなる同一の共鳴波長をもつように電圧制御を行う。このため、ヒットレス機能をもつ波長可変セレクタが実現することになる。しかもヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂは第３の実施例と同一の構成を有している。このため第３の実施例の２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１で示したように３μｓという高速応答特性を持ち、かつ小型で機械運動のない信頼性の高いヒットレス波長可変セレクタを実現実現することができる。
【０１６１】
なお、この変形例のヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂは２重キャビティ以上の多重共振器構造の場合に適用することができる。ｍ重共振器の各キャビティの共鳴波長のうち少なくとも２つ以上をずらすことにより、高反射ミラー状態に切替えることができる。
【０１６２】
＜第３の実施例の第３の変形例＞
【０１６３】
図１６は、第３の実施例の第３の変形例としてキャビティがｍ重となったｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの構成の概要を表わしたものである。この変形例のｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ｃは、ＢＫ７ガラス基板５０２Ｃ上に第１のキャビティ５０３Ｃを形成し、その上に第２のキャビティ５０４Ｃを形成し、更に順次キャビティを形成して最上層が第ｍのキャビティ５５１Ｃとなっている。ここで数値ｍは３以上の整数である。
【０１６４】
このようなｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１Ｃは、第３の実施例の第２の変形例でも説明したヒットレス波長可変セレクタ５０１Ｂ等に適用可能である。
【０１６５】
＜本発明の他の変形例＞
【０１６６】
図１７は本発明を光アドドロップモジュールに応用する場合の原理を示したものである。光アドドロップモジュール６００を構成する波長可変光フィルタ６０１は所定のノードに配置されており、電源６０２によってその透過および反射する光信号の波長を任意に変更できるようになっている。前のノードから送られてきた波長多重された信号光６０３は波長可変光フィルタ６０１に入射し、電源６０２による印加電圧に対応した波長λＸの信号光６０４のみが波長可変光フィルタ６０１を透過して、このノードの信号としてドロップ（抜き出し）される。この波長λＸ以外の信号光６０５は反射する。
【０１６７】
一方、このノード側はノード側で用意された１または複数チャネルの信号光６０６を波長可変光フィルタ６０１の反対の面から照射する。すると、ドロップした波長λＸの信号光６０４と同じ波長の信号光６０７のみが波長可変光フィルタ６０１を透過する。残りの波長の信号光６０８は挿入の対象とならない信号として反射される。この結果、波長可変光フィルタ６０１における前のノードから送られてきた信号光６０３の入射する面（図で上側の面）からはドロップした信号光６０４をこのノードでアド（挿入）した信号光６０７に置き換えた全チャネルの信号光６０９が反射光あるいは透過光として得られる。したがって、これを適宜増幅して次のノードに送出すればよい。電源６０２の出力電圧を変化させれば、アドおよびドロップする波長（チャネル）を簡単かつ迅速に変更することができる。もちろん、光アドドロップモジュール６００は波長可変光フィルタ６０１を使用して各種の構成を採ることができることは当然である。
【０１６８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜請求項４記載の発明によれば、膜設計を変更することにより任意のパスバンド幅や他波長信号除去特性を有する光学素子を実現することができる。また屈折率制御によって波長を変化させるので機械的駆動部がなく信頼性を向上させることができる。また、機械駆動（応答速度：０．１秒〜１秒）よりもたとえば１００万倍以上高速（〜μｓ）で波長を変更することができる。更に、従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタの装置寸法は一般的に３０×３０×８０ｍｍ３程度であるが、本発明の光学素子ではフィルタチップの大きさは２ｍｍ×２ｍｍ２以下と小さくすることができる。この結果、装置全体の寸法はたとえば１０×１０×１０ｍｍ３程度と小型化が可能であり、この場合の体積率は従来の装置に比べて約７０分の１となる。また、従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタでは移動ステージ等の高価な機会部品が必要であったが、本発明では電極端子と印加電圧を制御する回路部品があればよく、光学素子をより安価に構成することができる。更に本発明で使用する誘電体多層膜フィルタは膜設計により長波長通過フィルタ、短波長通過フィルタ、バンドパスフィルタ、ノッチフィルタ等の種々のフィルタ特性を実現することができるだけでなく、対環境性等の信頼性に優れている。
【０１６９】
更に請求項１５〜請求項１８記載の発明によれば、膜設計を変更することにより任意のパスバンド幅や他波長信号除去特性を有する波長可変光フィルタを実現することができる。また屈折率制御によって波長を変化させるので機械的駆動部がなく信頼性を向上させることができる。また、機械駆動（応答速度：０．１秒〜１秒）よりもたとえば１００万倍以上高速（〜μｓ）で波長を変更することができる。更に、従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタの装置寸法は一般的に３０×３０×８０ｍｍ３程度であるが、本発明の光学素子ではフィルタチップの大きさは２ｍｍ×２ｍｍ２以下と小さくすることができる。この結果、装置全体の寸法はたとえば１０×１０×１０ｍｍ３程度と小型化が可能であり、この場合の体積率は従来の装置に比べて約７０分の１となる。また、従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタでは移動ステージ等の高価な機会部品が必要であったが、本発明では電極端子と印加電圧を制御する回路部品があればよく、波長可変光フィルタをより安価に構成することができる。
【０１７０】
更に請求項１９〜請求項２２記載の発明によれば、膜設計を変更することにより任意のパスバンド幅や他波長信号除去特性を有する光アドドロップモジュールを実現することができる。また屈折率制御によって波長を変化させるので機械的駆動部がなく信頼性を向上させることができる。また、機械駆動（応答速度：０．１秒〜１秒）よりもたとえば１００万倍以上高速（〜μｓ）で波長を変更することができる。更に、従来の膜厚勾配を利用した波長可変バンドパスフィルタの装置寸法は一般的に３０×３０×８０ｍｍ３程度であるが、本発明の光アドドロップモジュールではフィルタチップの大きさは２ｍｍ×２ｍｍ２以下と小さくすることができる。この結果、装置全体の寸法はたとえば１０×１０×１０ｍｍ３程度と小型化が可能であり、この場合の体積率は従来の装置に比べて約７０分の１となる。また、従来の膜厚勾配を利用した光アドドロップモジュールでは移動ステージ等の高価な機会部品が必要であったが、本発明では電極端子と印加電圧を制御する回路部品があればよく、波長可変光フィルタをより安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における光学素子の構造の概要を表わした要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例における波長可変エタロンの構造を原理的に表わした説明図である。
【図３】第１の実施例の波長可変エタロンのスペクトル可変特性を表わした特性図である。
【図４】第１の実施例の波長可変エタロンの波長可変特性を表わした特性図である。
【図５】本発明の第２の実施例における単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの要部断面図である。
【図６】第２の実施例による単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの製造工程のうちの第１の工程から第３の工程までを表わした断面図である。
【図７】第２の実施例による単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの製造工程のうちの第４の工程から第６の工程を表わした断面図である。
【図８】第２の実施例による単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの製造工程のうちの第７の工程および第８の工程を表わした断面図である。
【図９】第２の実施例の波長可変バンドパスフィルタチップの使用状態を示した説明図である。
【図１０】第２の実施例による波長可変バンドパスフィルタチップの波長可変特性を表わした特性図である。
【図１１】本発明の第３の実施例における２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの外観を示した斜視図である。
【図１２】図１１に示した２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの構造を表わした断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施例の波長可変バンドパスフィルタの波長可変特性を表わした特性図である。
【図１４】本発明の第３の実施例の第１の変形例による波長可変バンドパスフィルタの波長可変特性を表わした特性図である。
【図１５】本発明の第３の実施例の第２の変形例のヒットレス波長可変セレクタによる波長の可変特性を表わした特性図である。
【図１６】本発明の第３の実施例の第３の変形例としてのｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの構成の概要を表わした断面図である。
【図１７】本発明の波長可変光フィルタを使用した光アドドロップモジュールの原理図である。
【図１８】従来の第１の提案による波長可変光フィルタの構成の概要を示す一部断面図である。
【図１９】第１の提案の波長可変光フィルタの特性を表わした特性図である。
【図２０】従来の第２の提案による波長可変光フィルタの要部断面図である。
【符号の説明】
２０１  光学素子
２０３、３１２  第１ミラースタック層
２０４  第１の導電性薄膜（ｍＣ）
２０５  ２次の電気光学効果を有する常誘電体層（ｓＭ）
２０６  第２の導電性薄膜（ｍＣ）
２０７  第２ミラースタック層
２０８、５０５  結合層
２１１、６０２  電源
３０１  波長可変エタロン
３０２  第１の複合スタック層
３０３  第２の複合スタック層
３０４、４１３、５１３  スペーサ層
３１１、４０２、５０２  ＢＫ７ガラス基板
３１３、４１２、５１４  透明導電膜
３１４  Ｎｂ金属電極
４０１  単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ
４０３、５１１  誘電体薄膜Ｔａ２Ｏ５膜
４０４、５１２  ＳｉＯ２膜
５０１  ２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ
５０３、５０３Ｃ  第１のキャビティ
５０４、５０４Ｃ  第２のキャビティ
５０８１  第１の駆動電源
５０８２  第２の駆動電源
５０１Ｃ  ｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ
５０２Ｃ  ＢＫ７ガラス基板
５５１Ｃ  第ｍのキャビティ
６００  光アドドロップモジュール
６０１  波長可変光フィルタ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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