(57)【要約】【課題】波長を任意に変化させることができ、しかもその応答速度の更なる向上が可能な光学素子、波長可変光フィルタ、光アドドロップモジュールおよび波長可変光源を得ること。【解決手段】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の透明導電膜２０４と、導電バッファ層２０５と、１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜としての電気光学膜２０６と、導電バッファ層２０７ならびに第２の透明導電膜２０８を順に積層し、更にその上に第２ミラースタック層２０９を配置している。第１の透明導電膜２０４と第２の透明導電膜２０８の間には電圧が印加される。光学素子２０１は単一キャビティ型バンドパスフィルタ等に使用され、印加電圧に応じてこれを透過あるいは反射する波長が変化する。多重キャビティ型バンドパスフィルタ等も構成可能である。【選択図】図１
2005037762.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、
これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、
前記第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方と前記スペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、
このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、
前記第１ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の導電性膜と、
前記第２ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の導電性膜と、
これら第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、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、前記第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方と前記スペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、前記第１ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の導電性膜と、前記第２ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の導電性膜と、これら第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】
前記導電バッファ層は、金属材料、酸化物材料、窒化物材料、合金材料の少なくとも１つ以上からなり、その抵抗率が１０-2Ωｃｍ以下であり、その厚さが０．１ｎｍから１００ｎｍの間である請求項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、所定の層上に蒸着形成された１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体薄膜であって、その膜構造は多結晶膜、配向膜、エピタキシャル膜のいずれかであって、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〜請求項４いずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体は、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６記載の光学素子。
【請求項８】
前記１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体は、ＳｒXＢａ1-XＴｉＯ3、（０≦Ｘ≦１．０）であることを特徴とする請求項６記載の光学素子。
【請求項９】
前記１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体は、ＫＴａXＮｂ1-XＯ3、（０≦Ｘ≦１．０）であることを特徴とする請求項６記載の光学素子。
【請求項１０】
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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、
これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、
前記第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方と前記スペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、
前記第１および第２の透明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１１】
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、
このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、
前記第１ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、
前記第２ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、
これら第１および第２の透明導電性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１２】
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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、前記第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方と前記スペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、前記第１および第２の透明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１３】
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、前記第１ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、前記第２ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、これら第１および第２の透明導電性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１４】
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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、前記第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方と前記スペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、前記第１および第２の透明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の透明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１５】
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、前記第１ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、前記第２ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、これら第１および第２の透明導電性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の透明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１６】
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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、前記第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方と前記スペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、前記第１および第２の透明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の透明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１７】
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、前記第１ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、前記第２ミラースタック層と一面を接し、前記スペーサ層あるいは前記導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、これら第１および第２の透明導電性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の透明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１８】
波長可変光源において、波長選択素子として請求項１〜請求項１３いずれかに記載の波長可変光フィルタを用いた波長可変光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、こ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および波長可変光源に係わり、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、ならびに波長可変光フィルタをモジュール化した光アドドロップモジュールおよび出力する波長を任意に変更することのできる波長可変光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力された光の中から特定の波長の光を選択する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際の波長を変化させるデバイスとして使用される。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２２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１０２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１０３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２３は、この図２２に示した波長可変光フィルタを図２２の矢印１０４方向（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２２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２３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が必要である。
【０００８】
図２２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２２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、誘電体多層膜フィルタの入射角を変えることで任意の波長を得るようにする提案が行われている（たとえば特許文献２参照）。
【０００９】
図２４は波長可変光フィルタとしての第２の提案を示したものである。第２の提案の波長可変光フィルタ１１４は基板１１５の一方の面に誘電体多層膜フィルタ１１６を形成したもので、誘電体多層膜フィルタ１１６の側から入射角θで光線１１７を入射させるようにしている。この波長可変光フィルタ１１４では、波長可変光フィルタ１１４の法線ベクトル１１８に対する入射角θに応じた波長の光が透過する。したがって、波長可変光フィルタ１１４を紙面と平行な面で回転させることで透過光の波長を変化させることができる。
【００１０】
図２５は図２４に示した波長可変光フィルタの中心波長の変化の様子を示したものである。この図で横軸は図２４に示した波長可変光フィルタ１１４の入射角θを示し、縦軸は反射光の中心波長λを示している。入射角θが大きくなると共に中心波長λが小さくなる。
【００１１】
図２６は、図２４に示した波長可変光フィルタとその駆動系を表わしたものである。波長可変光フィルタ１１４を載置した回転台１２１は、減速ギア１２２を介してＤＣ（直流）モータ１２３から回転力を受けて所定の減速比で所定の方向あるいはこれと逆方向に回転したり所望の角度で停止するようになっている。ＤＣモータ１２３にはエンコーダ１２４が取り付けられているので、回転角度が検出される。したがって、図示しない操作部を用いて回転台１２１の回転角度を制御すると共に、波長可変光フィルタ１１４に固定された所定の方向から光線１１７を入射させると、透過光１２５の波長を任意に変化させることができる。波長可変光フィルタ１１４は、たとえば波長可変範囲を２０ｎｍ〜１００ｎｍまで広い波長範囲で波長可変できる特徴を持っている。
【００１２】
しかしながら、この波長可変光フィルタ１１４もＤＣモータ１２３や減速ギア１２２等の機構を使用するので、高速応答を行おうとすると機構的な限界がある。したがって、波長可変スピードは最大でも０．１秒あたりの可変範囲が１０ｎｍと遅く、高速波長可変機能を必要とする分光分析、リモートセンシング、ガス分析、光メモリ、光医療診断等の光計測分野への適用を制限していた。
【００１３】
そこで、応答速度を更に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３の提案として提案されている（たとえば特許文献３参照）。
【００１４】
図２７は、この第３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１３１は、第１の層１３２とこれに対して光の入射側に配置された第２の層１３３と、第１の層１３２に対して光の出射側に配置された第３の層１３４を備えている。第２の層１３３および第３の層１３４における第１の層１３２に近い側には光学ミラー（誘電体ミラー）膜１３５Ａ、１３５Ｂが配置されている。また、第２の層１３３および第３の層１３４におけるこれら以外の層は透明電極１３６Ａ、１３６Ｂを構成している。これら第２の層１３３および第３の層１３４の外側には透明基板１３７Ａ、１３７Ｂ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）１３８Ａ、１３８Ｂが形成されている。
【００１５】
この第３の提案による波長可変光フィルタ１３１では、第１の層１３２が、電場により屈折率が変化する材料によって構成されている。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１３３は、使用波長帯で透明である。この第２の層１３３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１３１の特性にも偏波依存性は生じない。
【００１６】
この波長可変光フィルタ１３１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となっている。透明電極１３６Ａ、１３６Ｂに電圧を印加しない場合には、第１の層１３２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１３１に入射した入射光１４１に対する透過スペクトルが変化する結果、透過光１４２の波長が変化する。
【００１７】
ところが、この図２７に示した波長可変光フィルタ１３１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。
【００１８】
更にこの図２７に示した波長可変光フィルタ１３１では、液晶を駆動するために駆動がＡＣ（交流）でなければならず、ＤＣ（直流）で駆動することはできない。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、この波長可変光フィルタ１３１は波長自体を変化させていくことが可能であっても、所望のフィルタ波長に固定することができないという大きな問題がある。そこで第４の提案として単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタが提案されている（たとえば特許文献４参照）。
【００１９】
図２８は、第４の提案の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタを示したものである。単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１は、基板１５２上に第１ミラースタック層１５３を形成し、その上に第１の透明導電膜（ｍＣ）１５４を介して２次の電気光学効果を有する常誘電体層（ｓＭ）１５５を形成し、更にその上に第２の透明導電膜（ｍＣ）１５６を介して第２ミラースタック層１５７を形成した基本構成となっている。
【００２０】
第１ミラースタック層１５３および第２ミラースタック層１５７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（１）で表わすことができる。
基板／  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  ……Ｈ  Ｌ  ／  媒質    ……（１）
【００２１】
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（２）式および（３）式が成立する。
【００２２】
Ｈ＝λ0／４ｎH    ……（２）
Ｌ＝λ0／４ｎL    ……（３）
第２ミラースタック層１５７の上には図示しないが結合層（最上層の低屈折率誘電体薄膜Ｌ）を設ける。この結合層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。
【００２３】
表現構造（１）はある基板１５２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（１）は次の表現構造（４）のように簡便に表わすことができる。
基板  ／  （Ｈ  Ｌ）N    ／  媒質    ……（４）
【００２４】
表現構造（４）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（５）は表現構造（６）と等価である。
【００２５】
基板  ／  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  ／媒質    ……（５）
基板  ／（Ｈ  Ｌ）3／  媒質    ……（６）
【００２６】
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（７）で表わすことでできる。
【００２７】
Ａ＝［（ＨＬ）N  Ｈ  ｓＬ  Ｈ（ＬＨ）N  Ｌ］    ……（７）
【００２８】
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１５３あるいは第２ミラースタック層１５７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層は結合層である。
【００２９】
この表現構造（７）は単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１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、結合層を介してこの表現構造（７）がｍ組順次図２８に示す基板１５２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。
【００３０】
図２８に示した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１では、波長可変性を備えるために、次の表現構造（８）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］    ……（８）
【００３１】
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（８）では表現構造（７）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の透明導電膜１５４および第２の透明導電膜１５６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１５５に置き換わっていることが分かる。
【００３２】
この図２８に示した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１では、第１の透明導電膜１５４と第２の透明導電膜１５６の間に駆動電源１５９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。
【００３３】
単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１では、第１および第２ミラースタック層１５３、１５７と接する導電性薄膜１５４、１５６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層１５５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の透明導電膜１５４、１５６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（９）あるいは（１０）式で表わすことができる。
【００３４】
Ｒ＝ρ（ｍＣ／Ｓ）    ……（９）
Ｃ＝εr・ε0・（Ｓ／ｓＭ）    ……（１０）
ここで、符号εrはスペーサ層を構成する常誘電体層１５５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。
【００３５】
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。
【００３６】
図２８に示した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１では、その結合層１５８（最上層の低屈折率誘電体薄膜Ｌ）側から入射光線１６１を入射させ、ＢＫ７ガラス基板１５２の側から透過する透過光線１６２を得る。この単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１に対して外部よりランダム偏光光線を垂直入射させて、スペーサ層としての常誘電体層１５５の厚さ方向に直流電圧を印加する。すると透過光線１６２として、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１の中心波長の光線分のみが透過することになる。
【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５−２４１０８３号公報（第００１６段落、図１）、特開平９−３２５２８７号公報（第０００９段落、図１）
【特許文献３】特開平１１−１１９１８６号公報（第０００７、第００１４段落、図１）
【特許文献４】特願２００３−１６５３７７号（第００７１〜第００８８段落、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
この図２８に示した第４の提案の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタでは、波長を変化させるために機械部品を使用していないので、図２２あるいは図２４に示した装置と比べると桁違いに応答速度が速くなる。しかしながら、光アドドロップモジュール等の光部品の飛躍的な発展が今後も期待される中で、波長可変光フィルタに要求される応答速度は今後もますます高速化してくることは必須である。
【００３８】
また、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタと異なり２重、３重とキャビティ数を増加させた多層膜フィルタも提案されているが、このように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という問題がある。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５０ｍｍ×４ｍｍ程度の物が一般に使用されている。このように５０ｍｍにわたる１次元方向に膜厚勾配を有する大きな基板形状全面に、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。またこのような誘電体多層膜フィルタを歩留り良く生産することは困難であり、この結果として誘電体多層膜フィルタの価格が非常に高額となる。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、誘電体多層膜フィルタを構成する各層を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、新たな波長可変バンドパスフィルタの登場が望まれている。
【００３９】
以上、波長可変光フィルタについての課題を説明したが、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であった。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ならびに出力する波長を任意に変更することのできる波長可変光源についても同様の課題があった。
【００４０】
そこで本発明の目的は、波長を任意に変化させることができ、しかもその応答速度の更なる向上が可能な光学素子、波長可変光フィルタ、光アドドロップモジュールおよび波長可変光源を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
そこで、本発明では波長選択機能の設計や製造が容易な薄膜型の光学素子に着目した。これを誘電体多層膜フィルタを例に説明する。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、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。
【００４２】
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、電圧印加等に対して大きな変化を示さず安定であった。これに対して、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。
【００４３】
そこで本発明では物質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を１次の電気光学効果という。これはポッケルス効果とも呼ばれており、強誘電体で発現する。１次の電気光学効果における屈折率の変化量と印加電圧の間には次の（１１）式が成立する。
【００４４】
Δｎij＝−（１／２）ｎM3ｒij（Ｖ／ｄ）    ……（１１）
ここで、符号ｎMは電気光学効果を有する媒質の屈折率、符号ｒijは１次の電気光学係数、符号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。１次の電気光学係数ｒijは結晶構造の対称性により、係数が０となる要素や相等しい要素などがある。例えば、正方晶系の４ｍｍに属するＢａＴｉＯ3の場合は、以下のようになる。
ｒ13＝ｒ23、ｒ51＝ｒ42、ｒ33≠０、それ以外の係数は“０”となる。
【００４５】
また、印加電圧の自乗に比例する屈折率変化を２次の電気光学効果と呼びカー効果とも呼ばれている。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と印加電圧の間には次の（１２）式が成立する。
【００４６】
Δｎij＝−（１／２）ｎM3Ｒij（Ｖ／ｄ）2    ……（１２）
ここで、Ｒijは２次の電気光学係数である。常誘電相の場合等方媒質であるので、対称性より、Ｒ11＝Ｒ22＝Ｒ33、Ｒ12＝Ｒ13＝Ｒ23＝Ｒ31＝Ｒ32、Ｒ44＝Ｒ55＝Ｒ66の関係が成立する。また、これら以外の係数は“０”となる。
【００４７】
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。
【００４８】
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下記の条件を満足することが必要である。
（１）電気光学係数が大きいこと。
（２）温度、湿度等に対する対環境性に優れていること。
（３）薄膜自体の損失が少ないこと。
（４）長期間安定動作すること。
（５）成膜条件に再現性があり安定であること。
（６）希少金属物質を大量に必要としないこと。
【００４９】
このような条件を満足するものとして、本発明では１次あるいは２次の電気光学効果を利用することを見出した。これを説明する。電圧を０Ｖに落としても、印加状態を維持するメモリ機能は１次の電気光学効果で利用することができる。この機能は、停電等の電源供給が停止した場合にも、印加状態を維持する機能である。
【００５０】
図２９は電束密度と電場についてのヒステリシスを表わしたＤ−Ｅヒステリシス曲線を表わしたものである。強誘電相の１次の電気光学効果を用いてメモリ機能を使用したい場合は、このＰ−Ｅヒステリシス曲線において、印加電場として図中のＯＡからＡＢＣ、ＣＢＤの経路を順に経ることで、永続分極（Ｐｒ： remanent polarization）を形成することができる。点Ｄでは印加電圧が０Ｖの場合であるが永続分極を有しており、電気光学膜中に分極による電界が維持される。このため、電気光学効果による屈折率変化が維持され、これをメモリ機能として利用することができる。メモリ機能は、膜の相状態が変化しない限り、すなわち周囲温度が変化して、相変化（phase transition）が生じない限り持続する。メモリ機能を消去する方法としては、図２９に示すように一つには負の印加電場を加えてＤＦの経路を経ることにより分極をゼロにすればよい。
【００５１】
一方で強誘電相では使用材料にも依るが、比誘電率は概ね１０００以上となるため、高速応答特性に制限を与える。その場合には２次の電気光学効果を利用するとよい。常誘電相の２次の電気光学効果を用いると、高速応答特性を得ることができる。メモリ機能を極力廃止したい場合には２次の電気光学効果を利用するとよい。常誘電相では、使用材料にも依るが、比誘電率は概ね１０００以下とすることができるので、高速応答特性の利点がある。
【００５２】
ＢＳＴ（チタン酸バリウム・ストロンチウム）系電気光学材料の場合、Ｘ＝１なるＳｒＴｉＯ3は、室温付近において、常誘電相をとる。したがって２次の電気光学効果を利用することができ、比誘電率は約３００と小さいので高速応答特性に優れている。メモリ機能を利用したい場合はＢａ／Ｓｒの比率を増加し、強誘電相として利用することもできる。ＰＬＺＴ系やＫＴＮ系電気光学材料の場合も同様にその成分比を調整することで、強誘電相、常誘電相、さらには比誘電率や分極の大きさを調整することができる。
【００５３】
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）これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、（ニ）第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、（ホ）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。
【００５４】
すなわち請求項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、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物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、１次あるいは２次の電気光学効果を利用するので、１次の電気光学効果を利用すると電圧をオフにしても状態を保持できる自己保持機能を使用することができる。また、２次の電気光学効果を利用すると、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。
【００５５】
なお、請求項１記載の発明では、他の請求項でも共通するが、第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に導電バッファ層を形成することにしている。すなわち、導電バッファ層は電気光学膜の一方の面に存在しても両方の面に存在してもよい。導電バッファ層の導入には、一長一短があり、主な長所は高速応答および電気光学膜のエピタキシャル成長が容易になることである。そのためには、下地導電層にのみ導電バッファ層を形成してもよい。その場合には波長可変時の挿入損失の増加が半分に改善される利点がある。
【００５６】
ところが、透明導電膜の抵抗率が大きく、その抵抗値が高速応答性に制限を与える場合には、スペーサ層を形成する電気光学膜の上に接して導電バッファ層を形成すると高速応答性を向上することができる。透明導電膜自体は第１ミラースタック層に接する第１の複合導電層と、第２ミラースタック層に接する第２の複合導電層で同一材料を基本的に用いるが、それに制限されるものではない。異なる材料からなる透明導電膜をそれぞれの複合導電層に使用してもよい。
【００５７】
導電バッファ層の導入自体は以上の他に電気光学膜で生じるリーク電流の低減・改善や、電気光学膜を構成するイオン（例えば酸素イオン）の抜けを低減、改善することを重視する場合には、特に導入することが望ましい。以上のように、波長可変範囲、応答速度、繰り返しサイクル特性、リーク電流、温度特性等を総合的に検討し、導電バッファ層の導入およびその材料選定が行なわれることが望ましい。
【００５８】
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、（ハ）このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、（ニ）第１ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の導電性膜と、（ホ）第２ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の導電性膜と、（へ）これら第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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、第１ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の導電性膜と、第２ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の導電性膜と、これら第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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、導電バッファ層は、金属材料、酸化物材料、窒化物材料、合金材料の少なくとも１つ以上からなり、その抵抗率が１０-2Ωｃｍ以下であり、その厚さが０．１ｎｍから１００ｎｍの間であることを特徴としている。
【００６５】
この請求項５記載の発明で金属材料の場合は、例えば、Ａｕ（金）（格子定数４．０７８Å）、Ａｇ（銀）（格子定数４．０８６Å）、Ｐｔ（プラチナ）（格子定数３．９２４Å）、Ｉｒ（イリジウム）（格子定数３．９３９Å）、Ａｌ（アルミニウム）（格子定数４．０５０Å）、Ｎｉ（ニッケル）（格子定数３．５２４Å）、Ｃｕ（銅）（格子定数３．６１５Å）、Ｎｂ（ニオブ）（格子定数３．３０１Å）、Ｖ（バナジウム）（格子定数３．０２７Å）、Ｓｉ（シリコン）（格子定数５．４３１Å）、Ｇｅ（ゲルマニウム）（格子定数５．６５８Å）、Ｗ（タングステン）（格子定数３．１６５２Å）、Ｍｏ（モリブデン）（格子定数３．１４７Å）、Ｂｉ（ビスマス）（格子定数４．５４６Å、１１．８６０Å）、Ｂｅ（ベリリウム）（格子定数２．２６８Å、３．５９４２Å）、Ｍｇ（マグネシウム）（格子定数３．２０９Å、５．２１０Å）、Ｓｂ（アンチモン）（格子定数４．３０７Å、１１．２７３Å）、Ｉｎ（インジウム）（格子定数３．２５２Å、４．９４６Å）、Ｔａ（タンタル）（格子定数  α型３．３０６Å、β型１０．１９４Å、５．３１３Å）、Ｔｉ（チタン）（格子定数  α型２．９５０Å、４．６８３３Å、β型３．３０７Å）、Ｓｎ（錫）（格子定数  α型６．５０４Å、β型５．８３１Å、３．１８１Å）、Ｆｅ（鉄）（格子定数  α型２．８６６Å、γ型３．６４７Å、δ型２．９３１５Å）、Ｍｎ（マンガン）（格子定数  α型８．９１２２Å、β型６．４７０Å、γ型３．８６３Å）等がある。
【００６６】
酸化物材料の場合は、例えば、結晶構造別に記すと、ペロブスカイト構造ＡＲＯ3である（Ａ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、（Ｒ＝Ｒｕ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｃｒ）、ＬａＲＯ3、（Ｒ＝Ｔｉ、Ｎｉ）、ＬａXＳｒ1-XＣｏＯ3、ＲｅＯ3など、ＮａＣｌ構造のＮｂＯ、ＮｄＯ、ＳｍＯ、ＬａＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＥｕＯなど、ルチル構造のＲｕＯ2、ＩｒＯ2、ＯｓＯ2、ＲｈＯ2、ＲｅＯ2、ＭｏＯ2、ＣｒＯ2、ＷＯ2、ＳｎＯ2、ＭｎＯ2など、コランダム構造のＶ2Ｏ3、Ｔｉ2Ｏ3など、スピネル構造のＬｉＴｉ2Ｏ4、ＬｉＶ2Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4、パイロクロア構造のＰｂ2Ｒ2Ｏ7（Ｒ＝Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕ）、Ｔｌ2Ｒ2Ｏ7（Ｒ＝Ｉｒ、Ｏｓ、Ｍｎ）、Ｂｉ2Ｒ2Ｏ7（Ｒ＝Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ）など、その他（ＬａXＳｒ1-X）2ＣｕＯ4、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-X、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａn-1ＣｕnＯ2n+4などがある。これらの酸化物材料の格子定数は２〜１５Åの範囲内にある。その他、窒化物材料では、ＡＮ（Ａ＝Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ）などがある。その他、合金材料の導電性薄膜であるＮｂ3Ｒ（Ｒ＝Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｉ）、ＡＣｒ（Ａ＝Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ）なども適用できる。
【００６７】
なお、導電バッファ層は、スペーサ層として使用する電気光学膜がエピタキシャル成長できるように、その格子定数の近傍のものを適用するとよい。格子定数はそのハイオーダーで整合を取ることもできるが、望ましくは基本次数での整合がよい。基本次数での整合とは、下地となる導電バッファ層と、その上に形成される電気光学膜が、同じ面方位（例えば、（００１）など）で接していて、その格子定数が整合している場合である。ハイオーダー整合の場合は、例えば面方位（００２）なる下地導電バッファ層の上に（１１０）面のエピタキシャル成長を形成する場合で、面方位（００２）なる下地薄膜の格子定数と、その上に形成される電気光学膜の面方位（１１０）の格子定数が整合する場合である。
【００６８】
格子定数が大きく異なると、格子歪みによる点欠陥や転移等が生じて膜質を劣化させる要因となる。導電バッファ層の条件には、以上の他に、更には高速応答性を向上するために、室温での抵抗率が１０-2Ωｃｍ以下の導電性薄膜が望ましい。この場合、スペーサ層を構成する電気光学薄膜の静電容量や素子の形状大きさにも依るが、１ｋＨｚ以上の高速性が実現する。更に酸化物導電膜であるＲｕＯ2、ＩｒＯ2、ＳｒＲｕＯ3、（ＬａXＳｒ1-X）2ＣｕＯ4、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-X、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａn-1ＣｕnＯ2n+4などは、繰返し電圧サイクルに対する疲労耐性に優れており、スペーサ層を構成する電気光学膜の酸素イオンの欠損“抜け”を改善し、１０12回以上の繰返し数にも耐え得る利点がある。
【００６９】
低い挿入損失で広波長可変範囲を得るためには、導電バッファ層の選択が重要である。導電バッファ層の膜厚ｔbが厚いと、その上に積層される電気光学膜のエピタキシャル成長を容易にするが、反対に導電バッファ層での吸収損失が増加し、フィルタ挿入損失が増加してしまう。そこで低損失とするためには、導電バッファ層には金属材料や酸化物あるいは窒化物の導電材料が使用されるが、例えば、導電バッファ層内での光電界強度振幅が十分小さく、波の“節”の部分となるようにすればよく、その光学長が小さいことが望ましい。それは、複素屈折率をｎC＝ｎ−ｉｋとおく（ただし、ｉは虚数。）と、複素屈折率の実部ｎ＝Ｒｅ［ｎC］が小さいことに相当する。また虚数部ｋ＝Ｉｍ[ｎC]は消衰係数であって、膜内の損失に比例するので、これも小さいことが望ましい。ペロブスカイト構造ＡＢＯ3型電気光学膜材料には、導電バッファ層として、例えばＡｇ（銀）がその例に入る。代表的な導電薄膜であるＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ薄膜の複素屈折率は波長１〜２μｍにおいて、それぞれ０．１２９−ｉ６．８３、０．５４−ｉ１１．２、３．５−ｉ５．８である。まさにＡｇ薄膜がその例に入ることが分かる。
【００７０】
エピタキシャル膜形成には成膜温度が４００℃以上の高温での成膜となるが、成膜中あるいは成膜後の冷却過程において、基板と多層膜間、あるいは多層膜間での膜応力のためにクラックは割れなどの破損が生じる危険がある。その場合には、熱膨張係数の近い導電バッファ層の適用、あるいは多層膜と熱膨張係数の近い基板の選定を行うことで回避することが可能である。また、環境雰囲気において一定電圧下でのフィルタ中心波長の温度シフトを最小化するためにも熱膨張係数の最適な基板を選定することも可能で、温度安定性の優れた波長可変光フィルタ等の光学素子を実現することができる。
【００７１】
請求項６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、所定の層上に蒸着形成された１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体薄膜であって、その膜構造は多結晶膜、配向膜、エピタキシャル膜のいずれかであって、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。
【００７２】
すなわち請求項６記載の発明では、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等の光学素子として使用することができる。単結晶と同等の電気光学係数を得るにはエピタキシャル膜が望ましいが、多結晶膜や配向膜であっても電気光学効果を発現することができる。
【００７３】
請求項７記載の発明では、請求項６記載の光学素子で、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体は、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。
【００７４】
すなわち請求項７記載の発明では、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体が、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、Ｌａ添加量とＺｒ／Ｔｉ比を調整することによりキュリー温度を調整できるので、室温を含む−４０℃から＋８５℃の温度範囲において１次の電気光学効果を有する強誘電相や、２次の電気光学効果を有する常誘電相を示すことができる。
【００７５】
更に、異なるイオンを添加することで温度特性やＰ（誘電分極）−Ｅ（電場）ヒステリシス特性の改善、誘電率や誘電損失などの電気光学特性を調整することが可能で、その他、膜中のグレインサイズを調整することも可能で、そのためにＰｂの一部をＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｎａなどイオン半径の同等のイオンや異なるイオンを故意に添加したり、ＢサイトのＺｒやＴｉの一部をＭｇ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｗ、Ｂｉ、Ｃｅ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｙ、Ｎｉ、Ｔｅ、Ａｌ、Ｉｎの単数あるいは複数の組合せで置換することで特性を改善することができる。
【００７６】
請求項８記載の発明では、請求項６記載の光学素子で、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体は、ＳｒXＢａ1-XＴｉＯ3、（０≦Ｘ≦１．０）であることを特徴としている。
【００７７】
すなわち請求項８記載の発明では、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体が、ＳｒXＢａ1-XＴｉＯ3（０≦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、Ｂａ／Ｓｒ比を調整することでキュリー温度を調整できるので、１次の電気光学効果を有する強誘電相や、２次の電気光学効果を有する常誘電相を示すことができる。本材料系においても上述の通り、異なるイオン添加により温度特性や誘電率や誘電損失などの電気光学物性を調整することが可能で、膜内のグレインサイズを調整することも可能である。
【００７８】
請求項９記載の発明では、請求項６記載の光学素子で、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体は、ＫＴａXＮｂ1-XＯ3、（０≦Ｘ≦１．０）であることを特徴としている。
【００７９】
すなわち請求項９記載の発明では、１次あるいは２次の電気光学効果を有する酸化物誘電体が、ＫＴａXＮｂ1-XＯ3  （０≦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、Ｔａ／Ｎｂ比を調整することでキュリー温度を調整できるので、１次の電気光学効果を有する強誘電相や、２次の電気光学効果を有する常誘電相を示すことができる。本材料系においても上述の通り、異なるイオン添加により温度特性や誘電率や誘電損失などの電気光学物性を調整することが可能で、膜内のグレインサイズを調整することも可能である。
【００８０】
以上の他に電気光学膜として、１次の電気光学効果が発現する擬イルメナイト構造であるＬｉＮｂＯ3（電気光学係数ｒ＝３１ｐｍ／Ｖ、格子定数：５．１４８Å、１３．８６３Å）、ＬｉＴａＯ3（電気光学係数ｒ＝３０ｐｍ／Ｖ、格子定数：５．１５４Å、１３．７８４Å）、タングステンブロンズ構造のＢａＮａＮｂＯ15（ＢＮＮ）（電気光学係数ｒ＝５７０ｐｍ／Ｖ、格子定数：１７．６２６Å、１７．５９２Å、７．９９５Å）、Ｓｒ1-XＢａXＮｂ2Ｏ6（ＳＢＮ）（電気光学係数ｒ＝１３４０ｐｍ／Ｖ、格子定数：１２．４９Å、３．９５Å）などを適用することもできる。
【００８１】
請求項１０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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、（ハ）これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、（ニ）第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、（ホ）第１および第２の透明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。
【００８２】
すなわち請求項１０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。
【００８３】
請求項１１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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、（ハ）このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、（ニ）第１ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、（ホ）第２ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、（へ）これら第１および第２の透明導電性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。
【００８４】
すなわち請求項１１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。
【００８５】
請求項１２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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、第１および第２の透明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。
【００８６】
すなわち請求項１２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。
【００８７】
請求項１３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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、第１ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、第２ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、これら第１および第２の透明導電性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。
【００８８】
すなわち請求項１３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。
【００８９】
請求項１４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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、第１および第２の透明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の透明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。
【００９０】
すなわち請求項１４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。
【００９１】
請求項１５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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、第１ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、第２ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、これら第１および第２の透明導電性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の透明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。
【００９２】
すなわち請求項１５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。
【００９３】
請求項１６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の透明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の透明導電性膜とを備えた第２の複合スタック層と、これら第１および第２の複合スタック層の間に配置され、１次あるいは２次の電気光学効果を有する平板状の誘電体からなるスペーサ層と、第１の複合スタック層および第２の複合スタック層の少なくとも一方とスペーサ層の間に形成された導電バッファ層と、第１および第２の透明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の透明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。
【００９４】
すなわち請求項１６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。
【００９５】
請求項１７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１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層における第１ミラースタック層側の面と第２ミラースタック層側の面の少なくとも一方に形成された導電バッファ層と、第１ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第１の透明導電性膜と、第２ミラースタック層と一面を接し、スペーサ層あるいは導電バッファ層と他面を接するように形成され４分の１波長の膜厚の正の奇数倍の膜厚を有する導電性材料からなる第２の透明導電性膜と、これら第１および第２の透明導電性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の透明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。
【００９６】
すなわち請求項１７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。
【００９７】
請求項１８記載の発明では、波長可変光源において、波長選択素子として請求項１〜請求項１３いずれかに記載の波長可変光フィルタを用いていることを特徴としている。
【００９８】
すなわち請求項１８記載の発明では、波長選択素子として請求項１〜請求項１３いずれかに記載の波長可変光フィルタを用いることで反射光あるいは透過光を使用した高速応答性の波長可変光源を実現することができる。
【発明の効果】
【００９９】
このように本発明では、１次あるいは２次の電気光学効果を利用するので、１次の電気光学効果を利用すると電圧をオフにしても状態を保持できる自己保持機能を使用することができる。また、２次の電気光学効果を利用すると、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可能である。また、本発明では電気光学膜の一方または双方の面に導電バッファ層を配置される構造なので、高速応答が可能になる。また、電気光学膜のエピタキシャル成長が容易になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１００】
＜第１の実施の形態＞
【０１０１】
図１は本発明の第１の実施の形態による光学素子の断面構造の概略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を形成している。その上に第１の透明導電膜（ｍＣ）２０４と、導電バッファ層２０５と、１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜（ｓＭ）としての電気光学膜２０６と、導電バッファ層２０７ならびに第２の透明導電膜（ｍＣ）２０８を順に積層し、更にその上に第２ミラースタック層２０９を配置した構造となっている。第２ミラースタック層２０９の上には結合層２１０が配置されている。第１の透明導電膜２０４と第２の透明導電膜２０８の間にはこれらに電圧を印加するための電源２１１が取り付けられている。この第１の実施の形態の光学素子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。
【０１０２】
第１ミラースタック層２０３および第２ミラースタック層２０９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（１３）で表わすことができる。
基板／  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  ……Ｈ  Ｌ  ／  媒質    ……（１３）
【０１０３】
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（１４）式および（１５）式が成立する。
【０１０４】
Ｈ＝λ0／４ｎH    ……（１４）
Ｌ＝λ0／４ｎL    ……（１５）
第２ミラースタック層２０９の上に存在する結合層２１０（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。
【０１０５】
表現構造（１３）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（１３）は次の表現構造（１６）のように簡便に表わすことができる。
基板  ／  （Ｈ  Ｌ）N    ／  媒質    ……（１６）
【０１０６】
表現構造（１６）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（１７）は表現構造（１８）と等価である。
【０１０７】
基板  ／  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  Ｈ  Ｌ  ／媒質    ……（１７）
基板  ／（Ｈ  Ｌ）3／  媒質    ……（１８）
【０１０８】
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（１９）で表わすことでできる。
【０１０９】
Ａ＝［（ＨＬ）N  Ｈ  ｓＬ  Ｈ（ＬＨ）N  Ｌ］    ……（１９）
【０１１０】
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２０９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２１０である。
【０１１１】
この表現構造（１９）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２１０を介してこの表現構造（１９）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２１０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。
【０１１２】
（１９）式は一般的に用いられている誘電体多層膜バンドパスフィルタの基本共振器構造である。図１に示した本発明の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（２０）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］    ……（２０）
【０１１３】
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（２０）では表現構造（１９）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の透明導電膜２０４および第２の透明導電膜２０８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）としての電気光学膜２０６に置き換わっていることが分かる。
【０１１４】
以上の構造は特許文献４と共通している。本発明の実施の形態では図６に示すように、導電性膜を複合層として扱っている。これを表現構造（２０）と対比して表現構造（２１）として表わす。
Ｂ＝［（ＨＬ）N（ｍＣ  Ｅ）ｓＭ（Ｅ  ｍＣ）（ＬＨ）N Ｌ］    ……（２１）
【０１１５】
すなわちこの実施の形態の波長可変光フィルタ等の光学素子２０１では、導電性薄膜が透明導電膜（ｍＣ）２０４、２０８と導電バッファ層（Ｅ）２０５、２０７からなる少なくとも２層以上の複合導電層となっており、導電バッファ層２０５、２０７はスペーサ層（ｓＭ）２０６に接していて、その厚さが０．１ｎｍから１００ｎｍの間となっている。
【０１１６】
このような光学素子２０１における導電バッファ層２０５、２０７に必要とされる条件は次のようなものである。
（１）室温での抵抗率が１０-2Ωｃｍ以下であり、望ましくは１０-4Ωｃｍ以下であること。
（２）格子定数がスペーサ層を構成する電気光学膜の格子定数に近く、望ましくは格子不整合率が±２０％以下であること。ここで、格子不整合率（Ｍ）は以下の式（２２）で定義される。
格子不整合率Ｍ  ＝  （ｄE―ｄS）／ｄS    ……（２２）
【０１１７】
ここで、符号ｄEおよびｄSは、それぞれ導電バッファ層とスペーサ層を構成する電気光学膜の格子定数を表わしている。格子定数はそのハイオーダで整合を取ることもできるが、望ましくは基本次数での整合が更によい。
【０１１８】
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、アモルファス膜と多相膜を除く多結晶膜造を含む膜構造であればよい。ただし、より大きな電気光学係数を得るためには、配向膜が望ましい。更には、単結晶と同等の電気光学係数が得られるエピタキシャル膜であることが望ましい。スペーサ層を構成する電気光学薄膜は、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（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いずれの成膜法を用いても製造することができる。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。
【０１１９】
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の透明導電膜２０４と第２の透明導電膜２０８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。
【０１２０】
光学素子２０１では、ミラースタック層２０３、２０９と接する導電性薄膜２０４、２０８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１次あるいは２次の電気光学係数をもつ常誘電体２０６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。
【０１２１】
図２は、図１に示した光学素子を電極の接続された箇所で切断した断面構造を表わしたものである。なお、この図では図１に示した結合層２１０および電源２１１は図示していない。波長可変光フィルタに用いる直方体状の光学素子２０１におけるこの紙面に垂直方向に切断した矩形部分の寸法をａ×ｂとする。第２ミラースタック層２０９には、それぞれ第１の透明導電膜２０４あるいは第２の透明導電膜２０８に達する穴２２１、２２２がイオンミリングやエッチング工程等により形成されており、これらの底部には第１あるいは第２の金属電極２２３、２２４が形成されている。これら第１および第２の金属電極２２３、２２４の２辺をｄ×ｅの正方形とする。第１および第２の金属電極２２３、２２４には図１に示した電源２１１に接続するリード線２２５、２２６のそれぞれ一端が接続されている。
【０１２２】
このような光学素子２０１における透明導電膜２０４、２０８と導電バッファ層２０５、２０７の抵抗率を、それぞれρC、ρb［Ωｃｍ］とする。また金属電極２２３、２２４の部分における透明導電膜２０４、２０８の厚さは、ほぼ成膜膜厚と同じと近似してｔCとする。また、導電バッファ層２０５、２０７の厚さをｔbとし、電気光学膜２０６の膜厚をｔMとする。
【０１２３】
以上の場合、図で上側の第２の透明導電膜２０８と上部の導電バッファ層２０７で生じる各抵抗値は、それぞれ次の式（２３）および式（２４）で与えられる。
上部透明導電膜の抵抗値；ＲC＝ρC（ｔC／ｄ・ｅ）    ……（２３）
上部導電バッファ層の抵抗値；Ｒb＝ρb・ａ／（ｂ・ｔb）    ……（２４）
【０１２４】
また、スペーサ層を構成する電気光学膜で生じる静電容量は、次の式（２５）で与えられる。
静電容量；Ｃ＝εr・ε0・（ａ・ｂ／ｔM）    ……（２５）
【０１２５】
ここで、符号εrはスペーサ層を構成する誘電体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。
【０１２６】
図で下側の第１の透明導電膜２０４の抵抗値は、第２の透明導電膜２０８の抵抗値とほぼ同じであると近似する。導電バッファ層２０５、２０７は電気光学膜２０６の両面に接しているので、同じ物性値であると近似すると、合成抵抗値Ｒは、次の式（２６）で与えられる。
Ｒ＝２（ＲC＋Ｒb）    ……（２６）
したがって、集中定数型の周波数応答帯域ｆCは、次の式（２７）で与えられる。
ｆC＝１／（πＲＣ）    ……（２７）
【０１２７】
また、応答時間τは、次の式（２８）で与えられる。
τ＝１／ｆC    ……（２８）
高速応答のためには、抵抗値と静電容量の低減が必要となる。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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および第２ミラースタック層２０３、２０９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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
次に以上説明した光学素子２０１を単一キャビティ型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１】
【０１３３】
図３は本発明の第１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構成を示したものである。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３０１は、基板３０２上に第１ミラースタック層３０３を形成し、その上に第１の透明導電膜３０４と、導電バッファ層３０５と、電気光学膜３０６と、導電バッファ層３０７ならびに第２の透明導電膜３０８を順に積層し、更にその上に第２ミラースタック層３０９を配置した構造となっている。第２ミラースタック層３０９の上には結合層３１０が配置されている。結合層３１０には、第１の透明導電膜３０４と第２の透明導電膜３０８に達する穴３２１、３２２がイオンミリングやエッチング工程等により空けられており、第１の透明導電膜３０４上に第１の金属電極３２３が形成されている。第２の透明導電膜３０８上には第２の金属電極３２４が形成されている。第１の金属電極３２３に一端を接続したリード線３２５の他端は接地され、第２の金属電極３２４に一端を接続したリード線３２６の他端は駆動電源３１１のプラス側出力端子に接続されている。このような単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１は、たとえばその結合層３１０側から光線３３１を入射させると、基板３０２側から透過する波長を変化させた透過光線３３２が得られるようになっている。
【０１３４】
この単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１の、設計波長λ0は１５５０ｎｍとした。基板３０２は、合成石英基板（屈折率１．４５）で構成されている。第１ミラースタック層３０３および第２ミラースタック層３０９を構成する高屈折率誘電体薄膜Ｈは誘電体薄膜Ｎｂ2Ｏ5膜（屈折ｎH＝２．２２）を使用し、低屈折率誘電体薄膜Ｌには、ＳｉＯ2膜（屈折率ｎL＝１．４８）を使用した。また、複合導電層には、透明導電膜３０４、３０８としてＡｇＳｂＯ3膜（以下、ＡＳＯ、屈折率ｎC＝２．０）を用いている。このＡＳＯ膜は波長１５５０ｎｍ付近で透明な導電膜として動作し抵抗率は１０Ω・ｃｍが得られる。導電バッファ層３０５、３０７にはＡｇ膜を用いた。Ａｇ膜の抵抗率は１．６×１０-6Ω・ｃｍが得られる。
【０１３５】
電気光学膜３０６としてのスペーサ層には１次の電気光学効果を有するＰｂ1-XＬａX（Ｚｒ1-YＴｉY）1-X/4Ｏ3（Ｘ＝０．０８８、Ｙ＝０．３５）（以下、ＰＬＺＴ）薄膜を用いる。このＰＬＺＴ薄膜の屈折率（ｎM）は２．５である。外部媒質は屈折率１．０の空気とする。Ａｇ膜とＰＬＺＴ膜の格子定数は、それぞれ４．０８６Åと４．１Åであり、格子不整合率Ｍは０．３４％と良好なエピタキシャル膜が形成できる条件を有している。
【０１３６】
図３に示す単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１の膜構造をＢとすると、これは次の表現構造（２９）で表わすことができる。
Ｂはの構成を以下に示す。
Ｂ＝（ＨＬ）7（Ｃ Ｅ）８Ｍ （Ｅ Ｃ）（ＬＨ）7    ……（２９）
ここで、導電バッファ層３０５、３０７の膜厚はそれぞれ１４ｎｍである。
【０１３７】
図４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方法を示したものである。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ガラス基板からなる基板３０２を用意する。この基板サイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。
【０１３８】
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のサイズの基板３０２の片方の面に高屈折率誘電体薄膜Ｈとして誘電体薄膜Ｎｂ2Ｏ5膜を形成し、その上に低屈折率誘電体薄膜ＬとしてＳｉＯ2膜を形成する。これら誘電体薄膜Ｎｂ2Ｏ5膜およびＳｉＯ2膜は交互に続けて積層し第１ミラースタック層３０３を７層「（ＨＬ）7」積層する。Ｌ層の４分の１物理膜厚は、それぞれＨ＝１７５ｎｍ、Ｌ＝２６２ｎｍである。
【０１３９】
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３０３の上に、透明導電膜３０４となるＡＳＯ膜を１Ｃ（ｔC＝１９４ｎｍ）の厚さで蒸着する。その後、導電バッファ層３０５としてＡｇ膜を１４ｎｍだけ形成する。続いて、電気光学膜３０６としてのＰＬＺＴ膜を８Ｍ（ｔM＝１．２４μｍ）だけ積層する。以下同様に、上面に同じく導電バッファ層３０７としてＡｇ膜を１４ｎｍ積層し、その上に透明導電膜３０８となるＺＳＯ膜を１Ｃの厚さで蒸着する。続けて、第２ミラースタック層３０９を７層「（ＬＨ）7」成膜する。最後に、結合層３１０としての低屈折率誘電体薄膜Ｌを同じく４分の１物理膜厚２６２ｎｍ蒸着する。
【０１４０】
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。なお、膜厚モニタの制御には波長１５５００ｎｍの単一波長レーザを基板３０２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。
【０１４１】
なお、図４の第３の工程以降では、第１および第２ミラースタック層３０３、３０９を低屈折率誘電体薄膜Ｌと高屈折率誘電体薄膜Ｈの繰り返しを４層分ずつしか示していない。これは図の複雑さを避けるためで、実際には合計１４層「（ＨＬ）7×２」を積層することになる。
【０１４２】
図５は、第４の工程から第６の工程までを表わしている。同図（ｄ）に示す第４の工程では、電極を形成する工程に移る。ドライエッチングにより、第２の透明導電膜３０８の上面までエッチングする。更に、同図(ｅ)の第５の工程では対となるエッチング面の他方に更に第１の透明導電膜３０４の上面までエッチングする。エッチングの場合にも、先の光学膜厚モニタ監視の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。
【０１４３】
同図(ｆ)に示す第６の工程では、第１の透明導電膜３０４および第２の透明導電膜３０８の上に金属電極３２３、３２４を形成する。金属電極３２３、３２４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。Ｔｉは厚さ５０ｎｍ蒸着し、その上にＡｕあるいはＰｔ薄膜を２００ｎｍだけ積層する。
【０１４４】
図６は、第７の工程と第８の工程を表わしたものである。同図（ｇ）は単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１をその上方から結合層３１０を見下ろすようにしたもので、第７の工程では、個々のチップに切断する処理を行う。この切断処理では、図のＸ、Ｙ両方向にそれぞれ１０ｍｍの長さを有するこの単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１をそれぞれの長さ方向に３分割する。すなわち矢印３４１〜３４４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個の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタチップ３０１Ａが切り出される。
【０１４５】
図６（ｈ）は、第８の工程を表わしたものである。第７の工程で得られた単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタチップ３０１Ａの１つに対してリード線３２５、３２６をそれぞれ対応する金属電極３２３、３２４にワイヤボンディングする。リード線３２５、３２６の他端は、この図に示していない駆動源に接続される。
【０１４６】
図７は、この第１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波長可変特性を表わしたものである。図３に示したように単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１の上面に垂直に外部よりランダム偏光光線を光線３３１として入射させる。この状態で駆動電源３１１の出力電圧を変化させると、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１の透過スペクトル特性が波長可変することが分かる。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。印加電圧２０Ｖの場合、波長シフト量は−２４ｎｍであった。これは屈折率がΔｎ＝−０．０７６だけ変化していることに相当する。本特性より、印加電圧の１次に比例して変化しており、（１１）式を用いると１次の電気光学係数ｒ13（または１次の電気光学係数ｒ23）として６００ｐｍ／Ｖを得た。これは単結晶基板で報告されている係数とほぼ同等の特性に相当する。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３０１の場合、サンプルの応答速度はＲＣ時定数により制限されるが、複合導電層の抵抗値（Ｒ）およびスペーサ層を構成するＰＬＺＴ誘電体の静電容量（Ｃ）により与えられ、（２８）式を用いると、本実施例では応答時間は８４ｎｓであった。
【０１４７】
一方、図８は、図２８に示した従来提案された波長可変光フィルタの波長可変特性を表わしたものである。図２８に示した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１の場合も、入射光線１６１として外部よりランダム偏光光線を単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１の上面に対して垂直入射する。この状態で図２８に示した駆動電源１５９を用いて単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１の厚さ方向に０Ｖ（ボルト）から２０Ｖの４段階で直流電圧を印加する。この場合にも印加電圧が切り替わると単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１の透過スペクトル特性が波長可変することが分かる。
【０１４８】
図８より、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。印加電圧２０Ｖの場合、波長シフト量は−２４ｎｍである。これは屈折率がΔｎ＝−０．０７６だけ変化していることに相当する。これは印加電圧の１次に比例して変化するものである。（１１）式を用いると１次の電気光学係数ｒ13（または１次の電気光学係数ｒ23）として６００ｐｍ／Ｖを得た。これは単結晶基板で報告されている係数とほぼ同等の特性に相当する。この図２８に示した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１ではサンプルの応答速度はＲＣ時定数により制限されるが、ＡＳＯ導電膜の抵抗値（Ｒ）およびスペーサ層を構成するＰＬＺＴ誘電体の静電容量（Ｃ）により与えられ（２７）式を用いると、図２８に示した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１では応答時間は０．１４ｓであった。このように応答時間が大きいのは導電膜の抵抗値が１ＭΩと大きいために制限されている。
【０１４９】
図８に示した従来の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１と第１の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３０１を比較すると、本実施例の場合にはＡｇ膜を用いた導電バッファ層３０５、３０７が存在するにもかかわらず、従来の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１と同等なフィルタ特性を実現している。しかも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３０１の場合には従来の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１と比較して格段に周波数応答特性の優れた波長可変バンドパスフィルタを実現している。これは本実施例の場合、複合導電層の抵抗値が０．５９Ωと大幅に低減されているためである。
【０１５０】
このため、本実施例の場合には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、パーソナルコンピュータあるいは電子機器の２４Ｖ基準の高速ＩＣチップを用いて単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１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。この結果、約２４ｎｍ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することになる。
【０１５１】
図９および図１０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多層膜内部の光電界強度分布を表わしたものである。このうち図９は、本実施例の表現構造（２９）で示される多層膜内部の光電界強度分布を多層膜全体にわたって示したものである。図３の基板３０２に接する層がこの図の横軸で数字“１”で表わした第１層である。この図で縦軸は多層膜内部の光電界強度分布を表わしているが、入射光強度を“１”に規格化している。
【０１５２】
図１０は、この図９のスペーサ層としての電気光学膜３０６の近傍を拡大したものである。１７層目であるスペーサ層の両端部では電界強度振幅が“節”にあたり、電界の大きさはゼロであることが分かる。この部分に１６層、１８層目である導電バッファ層を構成するＡｇ膜を導入している。これにより、Ａｇ膜が１４ｎｍもの膜厚で導入されているにも係わらず、挿入損失の劣化の少ないフィルタ特性が実現している。
【０１５３】
図１１および図１２は参考のため図２８に示した波長可変光フィルタの多層膜内部の光電界強度分布を表わしたものである。ここで図１１は表現構造（８）を本実施例における導電バッファ層３０５、３０７を除いたものと同一の次の表現構造（３０）で表わした多層膜内部の光電界強度分布を多層膜全体にわたって示したものである。ここで図２８の基板１５２に接する層が、図１１の横軸で数字“１”で表わした第１層である。
Ｂ＝（ＨＬ）7  Ｃ ８Ｍ Ｃ  （ＬＨ）7Ｌ    ……（３０）
【０１５４】
図１２は図２８に示した波長可変光フィルタにおけるスペーサ層近傍の拡大図を示す。１６層目であるスペーサ層とその両側の１５層、１７層目の透明導電膜の界面部では電界強度振幅は“節”にあたり電界の大きさはほぼゼロである。
【０１５５】
このように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３０１と図２８に示した従来提案された単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ１５１を図９〜図１２を用いて比較すると、本実施例の場合には従来例に比べて挿入損失の増加がわずかに０．４ｄＢに過ぎない。ただし、本実施例の構造では、波長可変範囲を増加していくと図に示すように挿入損失が増加する傾向にある。これは、導電バッファ層における光電界強度が“節”の部分から少しずつ“腹”の方向にずれてくるためである。したがって、導電バッファ層をできるだけ薄く設定して挿入損失の増加量を低下させることで波長可変範囲を拡大することができる。
【０１５６】
なお、本実施例では図６（ｇ）に示したように単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１から９個の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタチップ３０１Ａを切り出すことにしたが、これに限るものではない。たとえば直径５０ｍｍ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。
【０１５７】
また、第１の実施例では導電バッファ層にＡｇ（銀）を使用したが、その代わりにＲｕ（ルテニウム）を膜厚１ｎｍ形成し、電気光学膜にＰＬＺＴ薄膜の替わりにＳｒXＢａ1-XＴｉＯ3（Ｘ＝０．３）を形成してもよい。その場合、面方位（００２）なるＲｕ配向膜に対して、面方位（１１０）のＳＢＴ膜が形成され、室温付近において１次の電気光学効果が発現し、メモリ効果を有する波長可変バンドパスフィルタが実現する。
【実施例２】
【０１５８】
図１３は本発明の第２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表わしたものである。この２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１は、屈折率１．７２のＭｇＯ単結晶基板４０２上に第１のキャビティ４０３を形成し、更にその上に第２のキャビティ４０４を形成した構造となっている。第２のキャビティ４０４の最上層には結合層４０５が配置されている。結合層４０５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４０６1〜４０６4が形成されている。このうちの第１および第２の穴４０６1、４０６2には第１のキャビティ用ワイヤ４０７1、４０７2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４０７1、４０７2の他端は、第１のキャビティ４０３用の第１の駆動電源４０８1に接続されている。また、第３および第４の穴４０６3、４０６4には第２のキャビティ用ワイヤ４０７3、４０７4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４０７3、４０７4の他端は、第２のキャビティ４０４用の第２の駆動電源４０８2に接続されている。
【０１５９】
この２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１は、入射光線４２１を第２のキャビティ４０４の結合層４０５側から入射させ、第１および第２の駆動電源４０８1、４０８2を適宜駆動することで透過光線４２２として任意の波長の光線を出力させることができる。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４０１の設計波長λ0は１５５０ｎｍとしている。
【０１６０】
この２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１で第１のキャビティ４０３と第２のキャビティ４０４は、結合層４０５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４０３を中心にその構成を説明し、第２のキャビティ４０４の説明については適宜省略する。
【０１６１】
図１４は、図１３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。第１のキャビティ４０３はＭｇＯ単結晶基板４０２上に高屈折率誘電体薄膜（Ｈ）４１１として誘電体薄膜Ｔａ2Ｏ5膜（屈折ｎH＝２．１３）と低屈折率誘電体薄膜（Ｌ）４１２としてＳｉＯ2膜（屈折率ｎL＝１．４８）を使用している。透明導電膜４１３1、４１３2にはＺｎＯ膜を用いる。屈折率ｎCは１．９４である。透明導電膜４１３1、４１３2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３Ω・ｃｍが得られる。導電バッファ層４１４1、４１４2にはＰｔ膜を用いた。Ｐｔ膜の抵抗率は１．１×１０-5Ω・ｃｍが得られる。電気光学膜４１５には２次電気光学効果を有するＳｒXＢａ1-XＴｉＯ3（Ｘ＝０．９）（以下、ＳＢＴという。）薄膜を用いる。ここで、屈折率（ｎM）は２．３である。Ｐｔ膜とＳＢＴ膜の格子定数は、それぞれ３．９２４Åと３．９１Åであり、格子不整合率Ｍは０．３６％と良好なエピタキシャル膜が形成できる条件を有している。
【０１６２】
外部媒質は屈折率１．０の空気とする。この２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１の膜は以下の表現構造（３１）で表わすことができる。
Ｂ＝［（ＨＬ）7  （ＣＥ）１０Ｍ （ＥＣ）（ＬＨ）7 Ｌ］2    ……（３１）
ここで、導電バッファ層（Ｅ）の膜厚は４ｎｍである。
【０１６３】
この第２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４０１は第１の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３０１と同様の方法で製造することができる。そこで、図４〜図６に記された符号を図１４に示したものに適宜置き換えてその製造方法を説明する。
【０１６４】
まず、図４に示した第１の工程に示すように清浄な表面をもつＭｇＯ単結晶基板４０２を用意する。続いて、図４の第２の工程で示すように、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６５０℃に設定し、１０×１０×ｔ２ｍｍ3のＭｇＯ単結晶基板の（１００）面に高屈折率薄膜（Ｈ）４１１としてＴａ2Ｏ5膜を、また低屈折率薄膜（Ｌ）４１２としてＳｉＯ2膜を交互に積層する。続けて積層し、第１ミラースタック層４３１を７層「（ＨＬ）7」積層する。Ｌ層の４分の１物理膜厚は、それぞれＨ＝１８１ｎｍ、Ｌ＝２６１ｎｍである。
【０１６５】
続いて、第３の工程で示すように、第１ミラースタック層４３１の上に第１の透明導電膜４１３1となるＺｎＯ膜（Ｃ）を１９９ｎｍ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ので、酸素ガス流量を調節し、抵抗率が３Ωｃｍとなるように成膜する。このとき、消衰係数は１０-4以下の良好な透明導電膜として機能する。続いて、電気光学膜４１５としてのＳＢＴ膜を１０Ｍ（１．６８μｍ）だけ積層する。以下同様に、上面に同じく導電バッファ層４１４2としてＰｔ膜を４ｎｍ積層し、その上に透明導電膜４１３2となるＺｎＯ膜を第１の透明導電膜４１３1の厚さで蒸着する。続けて、第２ミラースタック層４３２を７層「（ＨＬ）7」積層する。最後に、調整層Ｌを同じく４分の１物理膜厚２６１ｎｍ蒸着する。以上を繰り返すことで、２重キャビティ型バンドパスフィルタを構成することができる。
【０１６６】
このようにして作製された膜は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。また、本実施例の構成では基板材料であるＭｇＯ基板４０２の熱膨張係数が＋１４×１０-7／℃であって、多層膜部分の実効的な熱応力とのバランスがよく、成膜基板上に渡ってクラックのない平坦な膜を形成することができた。
【０１６７】
続いて、第１の実施例と同様に電極を形成する工程に移る。第２の実施例の場合は第１の実施例と異なり２重キャビティ構造となっている。したがって、図１３に示すように、切断処理された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。これら図示しない４つの電極は、それぞれ、第１キャビティ４０３と第２キャビティ４０４の導電バッファ層４１４1、４１４2と接する第１の透明導電膜４１３1と第２の透明導電膜４１３2に対して形成される。２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１は、外部の第１の駆動電源４０８1と第２の駆動電源４０８2に接続されている。第１キャビティ４０３および第２キャビティ４０４はこれらにより独立して駆動されるようになっている。
【０１６８】
図１５は、この第２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を使用した光ドロップモジュールを示したものである。光ドロップモジュール４５１は、複数の入射光信号成分（λ1，λ2，……，λn）を伝播する入射側光ファイバ４５２と、この入射側光ファイバ４５２から入射した光信号の一部を反射する反射側光ファイバ４５３と、これら２本の光ファイバ４５２、４５３の端部側を保持する二芯キャピラリ４５４と、この二芯キャピラリ４５４の端部と２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１の入射側との間に配置された光を平行光にする働きを持つレンズとしての第１のＧＲＩＮ(GRaded-INdex)レンズ４５５と、入射側光ファイバ４５２から入射した光信号の一部を透過する透過側光ファイバ４５７と、この透過側光ファイバ４５７を保持する一芯キャピラリ４５８と、この一芯キャピラリ４５８と２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１の透過側との間に配置された第２のＧＲＩＮレンズ４５９とを備えている。
【０１６９】
この光ドロップモジュール４５１で、入射側光ファイバ４５２中を伝搬する複数の入射光信号成分（λ1，λ2，……，λn）は、第１のＧＲＩＮレンズ４５５を介して、空間平行ビームとして２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１に入射する。２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１には図１３に示したように各キャビティ４０３、４０４に対応して外部駆動電源としての第１および第２の駆動電源４０８1、４０８2が接続されているので、波長可変範囲内において任意の波長λiを選択することができる。ドロップされた透過波長成分λiは、第２のＧＲＩＮレンズ４５９を介して一芯キャピラリ４５８に一端部を保持された透過側光ファイバ４５７に結合され、入射側光ファイバ４５２とは別系統の図示しない光信号網に伝達される。それ以外の波長成分は反射光信号として、２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１で反射され、反射側光ファイバ４５３に結合される。
【０１７０】
図１６はこの光ドロップモジュールで透過光の波長が変化する様子を表わしたものである。図１３の第１および第２の駆動電源４０８1、４０８2から共に同一の電圧を出力して２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１の前記した電極に印加したところ、図１６に示したように印加電圧によって透過側光ファイバ４５７から出力される光信号の透過波長が変化する。透過波長における挿入損失は波長可変幅１０ｎｍの場合、５ｄＢ以下と良好な損失特性を示している。
【０１７１】
印加電圧が２Ｖの場合、波長シフト量は−１１ｎｍであった。これは屈折率がΔｎ＝−０．００７３だけ変化していることに相当する。本特性より、式（１２）を用いると、２次の電気光学係数Ｒ13（＝Ｒ23）として３．４×１０-15  ｍ2／Ｖ2を得た。これは単結晶基板で報告されている係数のほぼ同等の値に相当する。駆動電圧自体は、電気光学膜４１５としての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である。
【０１７２】
また、本実施例のサンプルの応答速度はＲＣ時定数により制限されるが、複合導電層の抵抗値（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、式（２７）を用いると本実施例では応答時間は３９ｎｓであった。このため、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チップで直接駆動でき、安価かつ小型な波長可変バンドパスフィルタおよびこれを使用した光ドロップモジュール４５１を構成することができる。この結果、約１１ｎｍ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およびこれを使用した光ドロップモジュール４５１が実現する。
【０１７３】
なお、本実施例でも基板４０２の大きさに制限はなく、直径５０ｍｍ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。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が、これには２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタチップの面積を２．５ｍｍ四方からたとえば０．５ｍｍ四方あるいはこれ以下へ小型化することで対応することができ、応答時間を３ｎｓ以下に高速化することができる。
【実施例３】
【０１７４】
図１７は第３の実施例としてのｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの構成を示したものである。ここでは駆動電源の図示を省略している。ｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ（ただし数値ｍは正の整数）５０１は、基板５０２の上に第１キャビティ５０３1から順に第ｍキャビティ５０３mまでキャビティをｍ重したものである。このようにキャビティを２段、３段と重ねていくほど、ｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１の波長選択特性をシャープにすることができる。
【０１７５】
ここでは第２の実施例よりもキャビティが１段多い数値ｍが“３”の場合を例にとって第３の実施例を説明する。ｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１の設計波長λ0を１５５０ｎｍとした。ＷＭＳ−１５ガラス基板（（株）オハラ製、屈折率１．５１）上に高屈折率薄膜（Ｈ）用に誘電体薄膜Ｎｂ2Ｏ5膜（屈折ｎH＝２．２２）を、また低屈折率薄膜（Ｌ）用にＳｉＯ2膜（屈折率ｎL＝１．４８）を用いる。また、透明導電膜にはＣｄＳｎＯ4（以下、ＣＴＯ）膜を用いる。屈折率ｎCは１．９である。透明導電膜は波長１５５０ｎｍ付近において透明な導電膜として動作し抵抗率は４．４×１０-3Ω・ｃｍが得られる。導電バッファ層にはＳｒＲｕＯ3膜（以下、ＳＲＯ）を用いた。ＳＲＯ膜の抵抗率は１．１×１０-4Ω・ｃｍが得られる。
【０１７６】
スペーサ層には２次電気光学効果を有するＳｒXＢａ1-XＴｉＯ3（Ｘ＝０．９）（ＳＢＴ）薄膜を用いる。ここで、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。この膜は以下の表現構造（３２）で表わすことができる。
【０１７７】
Ｂ＝［（ＨＬ）7（ＣＥ）１０Ｍ（ＥＣ）（ＬＨ）7Ｌ］3    ……（３２）
ここで、導電バッファ層（Ｅ）の膜厚は８ｎｍである。
【０１７８】
この第３の実施例における３重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１の製造方法は先の第１あるいは第２の実施例と同様である。そこで、図４〜図６を適宜使用して説明を行う。まず、図４の第１の工程として示すように清浄な表面をもつガラス基板を用意する。続いて、この図の第２の工程として示すように、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において成膜温度６００℃に設定し、１０×１０×ｔ２ｍｍ3のＷＭＳ−１５ガラス基板に高屈折率薄膜（Ｈ）としてＮｂ2Ｏ5膜を、また低屈折率薄膜（Ｌ）としてＳｉＯ2膜を交互に積層する。続けて積層し、第１ミラースタック層をを７層「（ＨＬ）7」積層する。Ｌ層の４分の１物理膜厚は、それぞれＨ＝１７５ｎｍ、Ｌ＝２６２ｎｍである。
【０１７９】
続いて、第３の工程に示すように、第１ミラースタック層の上に透明導電膜となるＣＴＯO膜を１Ｃ＝１９４ｎｍ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。そこで酸素ガス流量を調節し、抵抗率が４．４×１０-3Ωｃｍとなるように成膜する。このとき、消衰係数は１×１０-4以下の良好な透明導電膜として機能する。次に導電バッファ層ＳＲＯ膜を８ｎｍ積層し、続いて、ＳＢＴ膜を１０Ｍ（１．６８μｍ）だけ積層する。以下同様に、上面に同じく導電バッファ層ＳｒＲｕＯ3膜を８ｎｍ積層し、上面透明導電膜となるＣＴＯ膜を１Ｃの厚さで蒸着する。続けて、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２６２ｎｍ蒸着する。以上を繰り返すことで、３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。
【０１８０】
作製された膜は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。
【０１８１】
この第３の本実施例の３重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１は第２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４０１とその概観が似ているが、３つのキャビティから構成されている。したがって、独立な電源が第１および第２の駆動電源４０８1、４０８2の他に１つ必要である。また、これら３つの駆動電源で駆動する各キャビティ用電極が同様に増加して全部で６つとなる。３重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１は外部の駆動電源に接続されている。外部より、入射光線が入射し、フィルタの中心波長の光線分のみが透過する。
【０１８２】
３重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１の電極形成の工程では、３重キャビティ構造のために、切断処理された１つの波長可変バンドパスフィルタチップには計６つの電極が形成される。６つの電極は、それぞれ、第１キャビティと第２キャビティと第３キャビティの、それぞれのスペーサ層の上面と下面の透明導電薄膜に対して形成される。
【０１８３】
図１８は、この第３の実施例における３重キャビティ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。本実施例の３重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ５０１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ところ、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特性が波長可変していることが分かる。透過波長における挿入損失は５ｄＢ程度を示している。印加電圧２Ｖの場合、波長シフト量は−１１ｎｍであった。これは屈折率がΔｎ＝−０．００７３だけ変化していることに相当する。
【０１８４】
この特性より、（１２）式を用いると２次の電気光学係数Ｒ13（＝Ｒ23）として３．４×１０-15  ｍ2／Ｖ2を得た。これは単結晶基板で報告されている係数とほぼ同等の値に相当する。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である。また、本実施例のサンプルの応答速度はＲＣ時定数により制限されるが、複合導電層の抵抗値（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、（２８）式を用いると本実施例では応答時間は３５０ｎｓであった。このため、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チップで直接駆動でき、安価に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。この結果、約１１ｎｍの広帯域な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が実現することになる。
【０１８５】
なお、本実施例ではＳＢＴを使用したが、この代わりに同じペロブスカイト結晶構造｛ＫＴａXＮｂ1-XＯ3 （０≦Ｘ≦１．０）｝を使用しても同等の電気光学係数（３．９×１０-15  ｍ2／Ｖ2）を得ることができる。格子定数も３．９９ÅとＳｒＲｕＯ3に近い。本材料は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、ＣＴＯ膜の代わりにペロブスカイト結晶構造のＺｎＳｎＯ3を用いても同等の特性を得ることができる。ＺｎＳｎＯ3は毒性のない物質から構成されている特長がある。
【０１８６】
また、基板の大きさに制限はなく、たとえば直径５０ｍｍ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。
【実施例４】
【０１８７】
図１９は本発明の第４の実施例におけるヒットレス光アドドロップモジュールの構成の概要を表わしたものである。本実施例のヒットレス光アドドロップモジュール６０１は、第２の実施例における図１５で示した光ドロップモジュール４５１を第１の光ドロップモジュール４５１1と、第２の光ドロップモジュール４５１2として組に使用した構成となっているが、波長可変バンドパスフィルタには、第３の実施例の３重キャビティ波長可変バンドパスフィルタを用いている。そこで、第１の光ドロップモジュール４５１1については図１５で使用した部品の符号に添え字“１”を付加し、第２の光ドロップモジュール４５１2については添え字“２”を付加している。また、図１５に示した二芯キャピラリ４５４と一芯キャピラリ４５８の図示は省略している。
【０１８８】
ヒットレス光アドドロップモジュール６０１は第１の光ドロップモジュール４５１1の入射側光ファイバ４５２1に図示しない他のノードから送られてきた複数の入射光信号成分（λ1，λ2，……，λn）を入射し、透過側光ファイバ４５７1から所望の波長λiの光信号をドロップ信号６０２として取り出すようにしている。また、ドロップ信号６０２として取り出さなかった残りの波長の光信号は、反射側光ファイバ４５３1から第２の光ドロップモジュール４５１2の入射側光ファイバ４５２2に伝達されるようになっている。
【０１８９】
第２の光ドロップモジュール４５１2では、第１のＧＲＩＮレンズ４５５2に波長λiの光信号を除いた残りの波長の光信号を入射させ、２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１2の入射面でこれを全反射させる。一方、第２のＧＲＩＮレンズ４５９2はドロップした波長λiと同一波長λiのアド信号６０４を光ファイバ４５７2によって入射し、これを２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ４０１2を透過させて反射側光ファイバ４５３2に結合させる。この結果、反射側光ファイバ４５３2は波長λiの光信号を入れ替えた形で入射光信号成分（λ1，λ2，……，λn）を次の図示しないノードに送出することになる。
【０１９０】
このような図１９に示したヒットレス光アドドロップモジュール６０１では、第１および第２の光ドロップモジュール４５１1、４５１2の図示しない駆動電源の出力電圧を任意に選択することによって、アド、ドロップする波長λiを自在に切り替えることができる。しかも、本実施例のヒットレス光アドドロップモジュール６０１は波長λiを変化させる際にその途中に存在する波長の光信号に影響を与えることがない。
【０１９１】
図２０は、このヒットレス光アドドロップモジュールを用いた波長の切り替えの様子の一例を示したものである。第１〜３のキャビティに対する図示しない駆動電源の出力電圧（印加電圧）をＶ1〜Ｖ3とする。図２０（ａ）はこれら出力電圧Ｖ1〜Ｖ3が共に０Ｖの場合を示している。この場合には３つのキャビティは同一の波長１５５０ｎｍに共振波長をもつ。
【０１９２】
同図（ｂ）は出力電圧Ｖ1、Ｖ3が共に０Ｖで出力電圧Ｖ2が２Ｖの場合を示している。この場合には、第１、３キャビティと第２キャビティの共鳴波長は、それぞれ１５５０ｎｍと１５３９ｎｍなる共鳴波長をもつ。このとき、本実施例のヒットレス光アドドロップモジュール６０１は波長可変範囲内において、ほぼ高反射特性を示すので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しない。
【０１９３】
同図（ｃ）は出力電圧Ｖ1〜Ｖ3が共に２Ｖの場合を示している。この場合、３つのキャビティは同一の波長１５３９ｎｍ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。
【０１９４】
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へ移動する際に、途中の波長域を横切って波長可変するために、波長多重光通信を行なっている場合には、多チャンネルへの障害を引き起こす。これに対して、本実施例で示したように、ある波長λiから別の波長λjへ移動する際に、一旦多重キャビティのそれぞれの共鳴波長をずらし、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とで、ヒットレス機能をもつＯＡＤＭ装置が実現する。しかも、このヒットレス光アドドロップモジュール６０１は、３５０ｎｓという高速応答特性をもち、低電圧動作が可能で、かつ小型で機械運動部品がなく信頼性が高く、しかも、任意の信号チャンネルを指定しその波長成分をアドドロップすることができる。
【０１９５】
なお、本発明のヒットレス光アドドロップモジュール６０１は、２重キャビティ以上の多重共振器構造に対しても適用することができる。また、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、本実施例で示したように高反射ミラー状態に切り替えることができる。
【実施例５】
【０１９６】
図２１は本発明の第５の実施例における高速波長可変光源の構成の概要を表わしたものである。本実施例の高速波長可変光源７０１は、光源として半導体レーザ素子７０２を備えている。半導体レーザ素子７０２の出力側で出力結合コーティング（ＯＣ）が施されている端面にはレーザビームをコリメートする出力レンズ７０３と、この出力レンズ７０３を経て出力されるレーザ光を出力ビーム７０４として所定の進路に送り出すと共に戻り光を阻止するための光アイソレータ７０５が備えられている。
【０１９７】
一方、半導体レーザ素子７０２の減反射コーティング（ＡＲ）が施されている端面と、これに対向して配置された反射ミラー７０７の間には半導体レーザ素子７０２から出力されるレーザ光をコリメートする内部レンズ７０８と、第１の実施例で説明した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１が配置されている。単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１は、図３にも示したように一端を接地した駆動電源３１１と接続されている。
【０１９８】
ところで単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１は、内部レンズ７０８の光軸７０９に対してわずかに傾斜しており入射角が２度になるように設定されている。本実施例では半導体レーザ素子７０２を利得媒質に用いている。減反射コーティング（ＡＲ）の反射率は波長１５５０ｎｍ近傍にて、０．１％であり、出力結合コーティング（ＯＣ）の方は同一波長で３０％である。レーザ共振器はこの半導体レーザ素子７０２の出力結合コーティング部と反射ミラーで構成される。半導体レーザの出射ビームは内部レンズ７０８により平行ビームに変換されて反射ミラー７０７に伝搬される。このとき、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１が任意の波長のレーザ光のみを通過させ、反射ミラー７０７で反射させる。レーザ共振器長はわずか１０ｍｍである。
【０１９９】
このようにして本実施例の高速波長可変光源７０１では、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１の透過光の波長の出力ビーム７０４が得られる。駆動電源３１１による単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１の印加電圧を０Ｖから２０Ｖに増加したところ、レーザ動作波長を１５５０ｎｍから１５２３ｎｍの範囲で変化させることができた。このように波長可変幅２７ｎｍが確認された。しかも駆動電源３１１の出力電圧の変更による波長の変更の応答特性がよく、第１の実施例と同じ８４ｎｓの応答時間を得ることができた。
【０２００】
以上説明した本実施例では、図３に示す導電バッファ層３０５、３０７を使用した単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ３０１を採用している。これにより、従来のこの種の波長可変光源に対して１００倍以上高速で、波長可変スピードが１００ｎｓ（ナノ秒  １０-9秒）当たり１０ｎｍ以上の高速波長可変光源７０１を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０１】
【図１】第１の実施の形態による光学素子の断面構造の概略を表わした概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態で図１に示した光学素子を電極の接続された箇所で切断した断面図である。
【図３】第１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断面図である。
【図４】第１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製造方法の第１〜第３工程までを示した説明図である。
【図５】第１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製造方法の第４〜第６工程までを示した説明図である。
【図６】第１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製造方法の第７および第８工程までを示した説明図である。
【図７】第１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波長可変特性を表わした特性図である。
【図８】図２８に示した従来提案された波長可変光フィルタの波長可変特性を表わした特性図である。
【図９】第１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多層膜内部の光電界強度分布全体を表わした特性図である。
【図１０】第１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多層膜内部のスペーサ層近傍での光電界強度分布を表わした特性図である。
【図１１】図２８に示した従来提案された波長可変光フィルタの多層膜内部の光電界強度分布全体を表わした特性図である。
【図１２】図２８に示した従来提案された波長可変光フィルタの多層膜内部のスペーサ層近傍での光電界強度分布を表わした特性図である。
【図１３】本発明の第２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斜視図である。
【図１４】図１３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説明図である。
【図１５】第２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を使用した光ドロップモジュールの概略構成図である。
【図１６】第２の実施例で使用する光ドロップモジュールで透過光の波長が変化する様子を表わした特性図である。
【図１７】ｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの構成を示した説明図である。
【図１８】第３の実施例における３重キャビティ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１９】本発明の第４の実施例におけるヒットレス光アドドロップモジュールの概略構成図である。
【図２０】第４の実施例のヒットレス光アドドロップモジュールを用いた波長の切り替えの様子を示した特性図である。
【図２１】本発明の第５の実施例における高速波長可変光源の概略構成図である。
【図２２】第１の提案による波長可変光フィルタを示す概略構成図である。
【図２３】図２２に示した波長可変光フィルタの選択する波長範囲と光の透過率との関係を表わした説明図である。
【図２４】第２の提案の波長可変光フィルタの概略構成図である。
【図２５】図２４に示す波長可変光フィルタの中心波長の変化を示した特性図である。
【図２６】図２４に示す波長可変光フィルタとその駆動系を表わした概略構成図である。
【図２７】第３の提案による波長可変光フィルタの構造を表わした断面図である。
【図２８】第４の提案の単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタを示した概略構成図である。
【図２９】電束密度と電場についてのヒステリシスを表わした特性図である。
【符号の説明】
【０２０２】
２０１  光学素子
２０２、３０２、４０２、５０２  基板
２０３、３０３、４０３  第１ミラースタック層
２０４、３０４  第１の透明導電膜
２０５、２０７、３０５、３０７、４１４  導電バッファ層
２０６、３０６、４１５  電気光学膜
２０８、３０８  第２の透明導電膜
２０９、３０９、４０４  第２ミラースタック層
３１１  駆動電源
３２３、３２４  金属電極
４０１  ２重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ
４０８1  第１の駆動電源
４０８2  第２の駆動電源
４１１  高屈折率誘電体薄膜（Ｈ）
４１２  低屈折率誘電体薄膜（Ｌ）
４１３  透明導電膜
５０１  ｍ重キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ
５０３1  第１キャビティ
５０３2  第２キャビティ
５０３m  第ｍキャビティ
６０１  ヒットレス光アドドロップモジュール
７０１  高速波長可変光源
７０２  半導体レーザ素子
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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