(57)【要約】本発明に係る波長可変光フィルタ（１）は、立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶から形成される光透過性の誘電体結晶部（２）と、誘電体結晶部とともにファブリペローエタロンを構成するミラー部（５，６）と、電気光学効果を介して当該エタロンの透過光の波長を変化させるべく誘電体結晶部に電圧を印加するための電極（３，４）と、を有する。この構成によれば、立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶を用いるため、高速且つ低電圧で駆動可能な波長可変光フィルタを実現できる。
2004111717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶から形成される光透過性の誘電体結晶部（２；２８，３０；３８；１１２，１１７；１８２，１８４；２０２，２０４，２０６，２０８；２０１１；３０１１）と、
前記誘電体結晶部とともにファブリペローエタロンを構成するミラー部（５，６；２７，２９，３１；３９，４１；１１１，１１５；１８１，１８５；２０１，２０５，２０９；２０１４，２０１５）と、
前記電気光学効果を介して当該エタロンの透過光の波長を変化させるべく前記誘電体結晶部に電圧を印加するための電極（３，４；３３〜３６；４０，４３；１１４，１１８；１８７，１８８；２１２〜２１５；２０１２，２０１３；３０１２，３０１３）と、を有することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
前記電極（３，４；３３〜３６；４０，４３；２０１２，２０１３）が前記透過光に対して透明な透明電極であるとともに前記誘電体結晶部に隣接して配置され、前記ミラー部（５，６；２７，２９，３１；３９，４１；２０１４，２０１５）が誘電体多層膜で形成される誘電体多層膜ミラー部であるとともに当該電極に隣接して配置されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項３】
さらに１以上の前記誘電体結晶部と前記透明電極とを備え、前記誘電体結晶部（３８）と前記透明電極（４０，４３）が交互に配置され、当該交互配置により形成された多層体を挟むように前記誘電体多層膜ミラー部（３９，４１）が形成されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項４】
追加の前記誘電体多層膜ミラー部を備え、前記誘電体結晶部のいずれもが前記透明電極により挟まれ、前記追加の誘電体多層膜ミラー部は当該透明電極により挟まれるよう構成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項５】
前記電極（３０１２，３０１３）が、金属から形成される金属電極であるとともに誘電体結晶部に隣接して配置され、かつ、前記ミラー部を兼ねることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項６】
前記電極が、前記透明電極の表面にコーティングされた金属薄膜を更に有することを特徴とする請求の範囲第２項又は第３項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項７】
前記電極（３０１２，３０１３）が、実質的に前記透過光が通過する部分にだけ形成されていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項８】
前記金属薄膜が、実質的に前記透過光が通過する部分にだけ形成されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項９】
前記電極（１１４，１１８；１８７，１８８；２１２〜２１５）が、前記誘電体結晶部（１１２，１１７；１８２，１８４；２０２，２０４，２０６，２０８）を透過する光の透過方向と直交し且つ互いに直交する２つの方向に電界を発生させるように設けられることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１０】
さらに１以上の前記誘電体結晶部を備え、前記誘電体結晶部のそれぞれ（２０２，２０４，２０６，２０８）に対し、前記電極（２１２〜２１５）が当該誘電体結晶部を透過する光の透過方向と直交し且つ互いに直交する２つの方向に電界を発生させるように設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１１】
前記誘電体結晶部のそれぞれは、異なるＦＳＲを有することを特徴とする請求の範囲第３項に又は第１０項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１２】
前記誘電体結晶部の誘電率よりも誘電率が小さい絶縁体から形成される絶縁層（１１３；１８３；２０３，２０７）を更に備え、該絶縁層は、前記誘電体結晶部を前記２つの方向のうち一の方向に電界が生じる第１の部分と他の方向に電界が生じる第２の部分とに分割するように挿入されていることを特徴とする請求の範囲第９項から第１１項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１３】
前記絶縁体は、ＴｅＯ２を主成分とするガラス、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、若しくはポリマーのいずれか又はこれらの複合体であることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１４】
前記誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の温度を管理するための温度調整装置を更に有することを特徴とする請求の範囲第１項から第１３項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１５】
前記誘電体結晶部を形成する誘電体結晶は単結晶であり、その一の結晶軸の軸方向が前記誘電体結晶部を透過する光の透過方向と一致することを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１６】
前記誘電体結晶部を形成する誘電体結晶は多結晶であり、少なくとも一の結晶軸の軸方向が前記誘電体結晶部を透過する光の透過方向と一致することを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１７】
前記誘電体結晶は、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３の化学組成を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第１６項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１８】
前記誘電体結晶は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫの全て、もしくはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫおよびＬｉの全てをＢａ、Ｓｒ、Ｃａのうちの少なくとも一つの元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉで置き換えた組成を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第１６項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項１９】
前記誘電体結晶は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫの全て、もしくはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫおよびＬｉの全てをＰｂとＬａのうちの少なくとも一方の元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉとＺｒのうちの少なくとも一方の元素で置き換えた組成を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第１６項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項２０】
前記誘電体結晶の組成における第１の組成比としての前記ｘは、０．１以上０．５以下であり、前記誘電体結晶の第２の組成比としての前記ｙは、０より大きく０．１未満であることを特徴とする請求の範囲第１７項から第１９項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項２１】
請求の範囲第１項から第２０項のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタを複数個含み、各波長可変光フィルタは、当該波長可変光フィルタへ入射すべき光の進行方向に沿って設けられる、多段構成波長可変光フィルタ。
【請求項２２】
各波長可変光フィルタの誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の結晶軸と直交する面と、前記光の進行方向と直交する面とが２度以上の角度で傾いていることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の多段構成波長可変光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、光通信、光計測等に使用する波長可変光フィルタに関する。
【背景技術】  現在、光通信システムの大容量化、高速化及び高機能化に加え、各家庭にまで光ファイバが導入されるなど、アクセス系ネットワークにも光通信が適用されるようになってきた。今後さらに、ネットワークの高機能性が求められ、波長の有効利用が進展すると期待されている。
高密度波長多重通信（Ｄ−ＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）では、極めて短い波長間隔で異なる複数の光を多重化し、一つの導波路で伝送することによって、通信容量の増大を図っている。送信側では、例えば、０．８ｎｍといった極めて短い間隔で波長が異なる複数の光が数十ｎｍ程度の範囲にわたって多重化され、これにより、複数の信号が高密度に送信される。それに対応して受信側では、これら複数の光から所定の波長を有する光のみを受信することによって必要な信号を取り出す。このように高い密度で送られてくる信号から特定の信号だけを精度よく得るためには、透過帯域を十分に確保し、且つ隣接チャンネルとのクロストークが十分小さいような急峻なスペクトルを有する光フィルタを用いなければならない。
また、このような光フィルタは、波長が異なる多くの光が伝送されるネットワークから所望の波長を有する光のみを取り出す場合に限らず、複数の光を多重化する場合、特定の波長を有する光の送信状況を監視する場合などにおいても欠くことはできない。
これまで、波長可変光フィルタとして、回折格子型フィルタ、ファブリペローエタロン型フィルタ、干渉型フィルタ、及び音響光学型フィルタなどが提案されている。これらのフィルタは、その原理は個々には異なるが、いずれにしても機械的にある部分の長さを変化させる、入射光に対する角度を変える、温度を変えることにより波長を変えるため、基本的に０．１〜１ｍｓｅｃ領域の可変速度が限界であった。機械的な変化に基づくフィルタは、例えば、Ｓｔａｆｆａｎ  Ｇｒｅｅｋ，Ｒａｍ  Ｇｕｐｔａ，ａｎｄ  Ｋｌａｓ  Ｈｊｏｒｔ，”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｔｕｎｅａｂｌｅ  ＩｎＰ−Ｂａｓｅｄ  ＷＤＭ  Ｆｉｌｔｅｒ”，ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＳＹＳＴＥＭＳ，（ＵＳＡ），１９９９，ＶＯＬ．８，ＮＯ．３，ｐｐ．３２８−３３４に記載されている。
したがって、上記のような技術では、次世代光ネットワークに求められる光パケットのアド・ドロップなどに必要な１〜１０ｎｓｅｃの動作速度は原理的に実現できないという問題があった。
一方、誘電体結晶あるいは強誘電体結晶の電気光学効果を用いる波長可変光フィルタは、上記の問題点を解決する有効な手段であると考えられる。しかし、電気光学効果を用いるフィルタにおいては、その波長可変範囲が屈折率の変化量に比例するため、たとえば１５００ｎｍの波長に対し、３０ｎｍの波長可変帯域を実現するには、材料の屈折率も３０／１５００、すなわち２％変化させる必要がある。現在、電気光学効果を有する結晶として一般に利用されているＬｉＮｂＯ３は最大の電気光学定数でもｒ３３＝３１ｐｍ／Ｖであるため、約２％の屈折率変化を実現するために必要な電界は３×１０９Ｖ／ｍとなり、実現不可能である。このため、この屈折率変化を実現するには、さらに大きい電気光学効果を有する材料が必要である。
このような事情に鑑み、本発明は、電気光学結晶に印加する単位厚さあたりの電圧を大きくすることなしに十分な波長可変帯域を確保できる波長可変光フィルタを提供することを目的とする。すなわち、本発明の目的は、低電圧で駆動可能であり、且つ広い波長帯域にわたって波長を変化させることができる波長可変光フィルタを提供することにある。
本発明の別の目的は、動作速度が向上された波長可変光フィルタを提供することである。
本発明のまた別の目的は、電極の面積を小さくすることによって静電容量を低減できる波長可変光フィルタを提供することである。
【発明の開示】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る波長可変光フィルタは、立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶から形成される光透過性の誘電体結晶部と、前記誘電体結晶部とともにファブリペローエタロンを構成するミラー部と、前記電気光学効果を介して当該エタロンの透過光の波長を変化させるべく前記誘電体結晶部に電圧を印加するための電極と、を有する。
上記目的を達成するため、本発明の第２の態様に係る波長可変光フィルタは、前記電極が前記透過光に対して透明な透明電極であるとともに前記誘電体結晶部に隣接して配置され、前記ミラー部が誘電体多層膜で形成される誘電体多層膜ミラー部であるとともに当該電極に隣接して配置される。
上記目的を達成するため、本発明の第３の態様に係る波長可変光フィルタは、さらに１以上の前記誘電体結晶部と前記透明電極とを備える。前記誘電体結晶部と前記透明電極が交互に配置され、当該交互配置により形成された多層体を挟むように前記誘電体多層膜ミラー部が形成される。
上記目的を達成するため、本発明の第４の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記電極が、金属から形成される金属電極であるとともに誘電体結晶部に隣接して配置され、かつ、前記ミラー部を兼ねる。
上記目的を達成するため、本発明の第５の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記電極が、前記透明電極の表面にコーティングされた金属薄膜を更に有する。
上記目的を達成するため、本発明の第６の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記電極が、実質的に前記透過光が通過する部分にだけ形成されている。
上記目的を達成するため、本発明の第７の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記金属薄膜が実質的に前記透過光が通過する部分にだけ形成されている。
上記目的を達成するため、本発明の第８の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記電極が、前記誘電体結晶部を透過する光の透過方向と直交し且つ互いに直交する２つの方向に電界を発生させるように設けられる。
上記目的を達成するため、本発明の第９の態様に係る波長可変光フィルタは、さらに１以上の前記誘電体結晶部を備える。前記誘電体結晶部のそれぞれに対し、前記電極が当該誘電体結晶部を透過する光の透過方向と直交し且つ互いに直交する２つの方向に電界を発生させるように設けられている。
上記目的を達成するため、本発明の第１０の態様に係る波長可変光フィルタは、前記誘電体結晶部のそれぞれは、異なるＦＳＲを有する。
上記目的を達成するため、本発明の第１１の態様に係る波長可変光フィルタは、前記誘電体結晶部の誘電率よりも誘電率が小さい絶縁体から形成される絶縁層を更に備える。該絶縁層は、前記誘電体結晶部を前記２つの方向のうち一の方向に電界が生じる第１の部分と他の方向に電界が生じる第２の部分とに分割するように挿入されている。
上記目的を達成するため、本発明の第１２の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記絶縁体は、ＴｅＯ２を主成分とするガラス、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、若しくはポリマーのいずれか又はこれらの複合体である。
上記目的を達成するため、本発明の第１３の態様に係る波長可変光フィルタは、前記誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の温度を管理するための温度調整装置を更に有する。
上記目的を達成するため、本発明の第１４の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記誘電体結晶部を形成する誘電体結晶は単結晶であり、その一の結晶軸の軸方向が前記誘電体結晶部を透過する光の透過方向と一致する。
上記目的を達成するため、本発明の第１５の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記誘電体結晶部を形成する誘電体結晶は多結晶であり、少なくとも一の結晶軸の軸方向が前記誘電体結晶部を透過する光の透過方向と一致する。
上記目的を達成するため、本発明の第１６の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記誘電体結晶は、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３の化学組成を有する。
上記目的を達成するため、本発明の第１７の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記誘電体結晶は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫの全て、もしくはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫおよびＬｉの全てをＢａ、Ｓｒ、Ｃａのうちの少なくとも一つの元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉで置き換えた組成を有する。
上記目的を達成するため、本発明の第１８の態様に係る波長可変光フィルタおいては、前記誘電体結晶は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫの全て、もしくはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫおよびＬｉの全てをＰｂとＬａのうちの少なくとも一方の元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉとＺｒのうちの少なくとも一方の元素で置き換えた組成を有する。
上記目的を達成するため、本発明の第１９の態様に係る波長可変光フィルタにおいては、前記誘電体結晶の組成における第１の組成比としての前記ｘは、０．１以上０．５以下であり、前記誘電体結晶の第２の組成比としての前記ｙは、０より大きく０．１未満である。
上記目的を達成するため、本発明の第２０の態様に係る多段構成波長可変光フィルタは、上記の波長可変光フィルタを複数個含む。各波長可変光フィルタは、当該波長可変光フィルタへ入射すべき光の進行方向に沿って設けられる。
上記目的を達成するため、本発明の第２１の態様に係る多段構成波長可変光フィルタにおいては、各波長可変光フィルタの誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の結晶軸と直交する面と、前記光の進行方向と直交する面とが２度以上の角度で傾いている。
本発明では、立方晶構造を有し２次の電気光学効果を呈する誘電体結晶を用いるため、従来実現できなかった高速且つ低電圧で駆動可能な波長可変光フィルタを実現できる。
また、本発明の波長可変光フィルタは、広帯域で波長を高速で可変することが出来るため、パケットのアド・ドロップなどの高機能化が可能であると共に、光計測用の高速の波長スウィーパとしても利用可能である。
さらに、本発明に係る波長可変光フィルタによれば、ＦＳＲの異なる２つ以上のファブリペローエタロン型フィルタを用いる事により、結晶の単位厚さに印加する電圧を低減でき、従って無理のない条件で所望の２次の電気光学効果が発揮される。
さらにまた、電極の面積を小さくする事によって静電容量を低減できる。さらに、電極には体積抵抗率の低い金属（例えば銀）を用いる事によって、１０ｎｓｅｃオーダーの高速動作を実現する事ができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変光フィルタの構成を示す図である。
図２は、図１の波長可変光フィルタを備えた波長可変光フィルタモジュールの概略図である。
図３は、図２の波長可変光フィルタモジュールを含む測定系の概略図である。
図４は、図１の波長可変光フィルタの透過スペクトルを示す図である。
図５は、図１の波長可変光フィルタの３ｄＢ帯域を示す図である。
図６は、図１の波長可変光フィルタの波長可変特性を示す図である。
図７は、図１の波長可変光フィルタの高速応答特性を示す図である。
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変光フィルタの構成を示す図である。
図９は、図８の波長可変光フィルタの透過スペクトルを示す図である。
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る波長可変光フィルタの構成を示す図である。
図１１は、本発明の第６の実施の形態に係る波長可変フィルタの構成を示す図である。
図１２は、図１１の波長可変フィルタを備えた波長可変フィルタモジュールの構成図である。
図１３は、図１２の波長可変フィルタモジュールを含む測定系の概略図である。
図１４は、図１１の波長可変フィルタの透過スペクトルを示す図である。
図１５は、図１１の波長可変フィルタの３ｄＢ帯域を示す図である。
図１６は、図１１の波長可変フィルタの波長可変特性を示す図である。
図１７は、図１１の波長可変フィルタの高速応答特性を示す図である。
図１８Ａは、本発明の第７の実施の形態に係る波長可変フィルタの構成を示す図である。
図１８Ｂは、図１８Ａの波長可変光フィルタの上部の電極を示す上面図である。
図１８Ｃは、図１８Ａの波長可変光フィルタの下部の電極を示す上面図である。
図１９は、図１８Ａの波長可変フィルタの波長可変特性を示す図である。
図２０は、本発明の第８の実施の形態に係る波長可変フィルタの構成を示す図である。
図２１は、図２０の波長可変フィルタの透過スペクトルを示す図である。
図２２は、本発明の第１１から第１３の実施の形態に係る多段構成波長可変光フィルタを構成する波長可変光フィルタの構造を示す図である。
図２３は、本発明の第１１の実施の形態に係る２段構成波長可変光フィルタを示す図である。
図２４は、本発明の第１２の実施の形態に係る３段構成波長可変光フィルタを示す図である。
図２５は、本発明の第１３の実施の形態に係る４段構成波長可変光フィルタを示す図である。
図２６は、第１４の実施の形態に係る２段構成波長可変光フィルタの構成を示す図である。
図２７は、本発明の第１５の実施の形態に係る波長可変光フィルタの構成を示す斜視図である。
図２８は、本発明の第１５の実施の形態に係る波長可変光フィルタの構成を示す平面図である。
図２９は、本発明の第１５の実施の形態に係る波長可変光フィルタを示す図である。
図３０は、本発明の第１６の実施の形態に係る２段構成波長可変光フィルタを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の波長可変光フィルタについて、実施の形態を複数に分けて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付与し、これに関する反復説明は省略する。
（第１から第５の実施の形態）
第１から第５の実施の形態を説明する前に、これらの実施の形態の基本原理について説明する。
第１から第５の実施の形態は、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（ＫＬＴＮ）なる組成を有する結晶材料で構成されたファブリペローエタロン型フィルタを用いることを特徴としている。
ＫＬＴＮは、温度の上昇とともに正方晶から立方晶へと結晶系を変え、立方晶において、大きい２次の電気光学効果を有する。特に、正方晶への相転移温度に近い温度領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の２乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きく発揮される。
この現象はＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（ＫＴＮ）でも生じる。しかし、ＫＴＮの相転移は１次の相転移となり、十分高い比誘電率に到達する前に相転移が生じ、高い効率を得ることが困難である。さらに潜熱を伴いヒステリシスがあるために、温度管理が困難であるという問題点があった。すなわち、潜熱を伴う相転移の場合、動作温度が相転移温度以下まで変化してしまうと、結晶構造が立方晶から正方晶へ変化し、再度温度を動作温度に戻しても立方晶に戻らなくなってしまう現象（ヒステリシス）が生じる。
また、１次の相転移を有する結晶では、このようなヒステリシスに加え、相転移を繰り返すことによって結晶にクラックが発生する場合がある。したがって、結晶の厳密な温度管理が必要である。理論的には、動作温度は結晶の相転移温度に限りなく近いことが好ましいが、実用的には、相転移温度から３〜１０℃高い温度に動作温度を設定する。
このような温度に設定するのは、ペルチェ素子の温度変動（±０．１℃）に加えて、温度の初期設定の際のオーバーシュート（１〜２℃）などを考慮するためである。温度変動の影響を避けるためには、動作温度を相転移温度から離していくと好ましいが、電気光学効果の効率は（１／（Ｔ−Ｔｃ））２（Ｔは動作温度であり、Ｔｃは相転移温度である）に比例して低下するため、３℃離れると１／９に、１０℃離れると１／１００に低下してしまう。したがって、１次の相転移を有する結晶に見られるこのような現象は、波長可変光フィルタの実用上大きい問題となる。出来る限り相転移温度に近い動作温度を維持するためには、潜熱やヒステリシスを伴わない２次の相転移を有する材料を利用する必要がある。
このため、第１から第５の実施の形態においては、ＫＴＮのＫの一部をＬｉに置換したＫＬＴＮを用いる。ＫＬＴＮは、ほぼ２次の可逆的な相転移を示し、高い比誘電率を有するため、温度管理が容易になるという実用上大きな改善を提供できる。
具体的には、ペルチェ素子などの初期のオーバーシュートは考慮する必要はなく、この素子の温度変動分の±０．１℃のみ考慮すれば良い。よって、相転移温度から０．２℃離しておけば、安定な動作が得られることになり、比誘電率の低下を無視できるほど小さくすることが可能となる。
その結果、効率の良い動作が実現でき、波長可変光フィルタの波長可変帯域を広く確保するに必要な屈折率変化を比較的低電圧で実現することが可能となる。
また、この２次の電気光学効果を利用する光デバイスの動作温度は、結晶の立方晶から正方晶への相転移温度近傍になるが、ＫＬＴＮ結晶は、ＴａとＮｂの組成比を変化させることにより、常誘電性から強誘電性（結晶系は、立方晶から正方晶）への相転移温度をほぼ絶対零度から４００℃まで変化させることが可能である。
このため、この材料を用いて作製した波長可変光フィルタの動作温度を室温付近に容易に設定できるという利点もある。加えて、この波長可変光フィルタは、結晶が立方晶となる領域で使用され、また、複屈折がなく偏波無依存動作が可能であるといった利点をも有する。
また、電気光学効果を有するファブリペローエタロン型フィルタの場合、波長可変帯域は材料の電気光学効果による屈折率変化に依存する。すなわち、低電圧で大きい波長可変帯域を実現するには、大きい電気光学効果を有する結晶材料を用いることが必須である。この場合、ＫＴＮを始めとする２次の電気光学結晶は、上記のように相転移温度付近で大きい電気光学効果を有し、ＬｉＮｂＯ３など、１次の電気光学効果を有する電気光学結晶として一般に知られる結晶に比べて十分大きい屈折率変化が実現できる。したがって、従来の電気光学結晶を用いた場合よりも、波長可変帯域の広いフィルタが作製できる。
しかし、一つのフィルタで実現可能な可変帯域は、通信波長帯では５０ｎｍ程度が限界であるため、さらに帯域の広い波長可変光フィルタが必要な場合は、フィルタを多段に構成すると好ましい。但し、誘電体多層膜ミラーの間の間隔は、半波長の整数倍でなければならず、その大きさによって光を透過する波長間隔（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ）が決まる。このＦＳＲの異なるフィルタを組み合わせれば、１つのフィルタの波長可変幅を小さくしたまま、波長可変帯域の広い波長可変光フィルタを実現できる。
さらに、第１から第５の実施の形態の波長可変帯域はフィルタの誘電体結晶中に生じる電界で決まるため、当該結晶に印加する電圧は、フィルタに用いる結晶の厚さに依存する。小さな波長可変幅を得ようとすれば、ＦＳＲを小さくする必要があり、その結果、結晶が厚くなることとなる。これでは、必要な電界は小さくとも、印加電圧を高くしなければならず、電源の負荷の増大を招く結果となる。
これに対し、厚さの合計が所望のＦＳＲを得るに必要な値となる複数の誘電体結晶部を複数の透明電極と交互に配置することにより、印加電圧を低減できる。すなわち、一の透明電極を介して隣り合う２つの誘電体結晶部において、互いに向きが異なる電界を発生させるように当該透明電極に電圧を印加するとき、その電圧は、一つの誘電体結晶部を有する波長可変光フィルタの場合に比べ、誘電体結晶部の数で上記の必要な値を割った値にまで低減される。
さらに、この波長可変光フィルタの動作は、電気光学効果に基づくため、原理的には１ＧＨｚ以上の高速応答が可能である。
以上のことから、第１から第５の実施の形態の波長可変光フィルタは、高速動作、低駆動電圧、偏波無依存、広波長可変帯域という、これまでの波長可変光フィルタでは実現できない、高機能性を実現することができる。
次に、第１から第５の実施の形態のそれぞれについて詳説する。以下の実施の形態は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施の形態を採用することが可能であるが、これらの実施の形態も本発明の範囲に含まれる。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態による波長可変光フィルタの構成図を図１に示す。
本実施の形態による波長可変光フィルタ１の誘電体結晶部２は、ＫＬＴＮ結晶から形成される。ＫＬＴＮはＬｉとＮｂの組成比を調整することにより、相転移温度を調整することができる。
誘電体結晶部２を形成するＫＬＴＮ結晶の組成は、Ｋ０．９７Ｌｉ０．０３Ｔａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３であり、相転移温度は１９℃であった。本実施の形態では、Ｌｉの組成比は０．０３であるが、組成比が０．００１でも２次の相転移が得られ、０．１までは、実用上適切な動作温度範囲で立方晶を維持できる。したがって、この範囲であれば、実用上好適なフィルタを得ることができる。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。
また、相転移温度１９℃に対し、動作温度は２０℃であり、２０℃における材料の比誘電率は、それぞれ３００００である。
なお、相転移温度はＮｂとＴａの比により幅広い温度に設定することが可能である。例えば、Ｔａの組成比が０．５の場合は相転移温度は１００℃であり、０．９の場合は−１００℃である。よって、この組成範囲にあれば、冷却・加熱装置により、実用可能なフィルタが構成できる。さらに、ペルチェ素子で温度制御が可能な−２０〜８０℃の範囲に相転移を有する結晶が望ましく、この場合は、Ｔａの組成比は０．５５〜０．７となる。さらに、ペルチェ素子の消費電力を出来る限り小さくするためには、室温付近の相転移温度に設定することが望ましく、相転移温度を１０〜４０℃に設定するとすれば、Ｔａの組成比は０．６〜０．６７となる。
動作温度と相転移温度の関係は、前述のようにその差が小さいほど、高い効率を得ることができるため、出来る限り一致させることが望ましい。ペルチェ素子の温度変動及び電気光学効果の効率の低下を１／１００まで許容するとすれば、０．２℃＜（Ｔ−Ｔｃ）＜１０℃の範囲を満たす温度とすることができる（ここで、Ｔは動作温度、Ｔｃは相転移温度である）。
図１を参照すると、本実施の形態における波長可変光フィルタ１は、ガラス基板７上に形成されており、誘電体結晶から形成される誘電体結晶部（ＫＬＴＮ結晶板）２がＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）透明電極３及び４で挟まれ、さらにその外側に配置した誘電体多層膜ミラー５及び６でファブリペローエタロンが構成されている。
誘電体多層膜ミラー５及び６は、一般的な材料であるＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５により形成されている。
波長可変光フィルタ１は、１５３０〜１５７０ｎｍの通信波長帯（Ｃ帯）での利用を想定し、無電界で１５３０ｎｍの波長を有する光を透過するよう設計されている。また、４０ｎｍの可変帯域を実現するために、フィルタのＦＳＲも４０ｎｍに設定している。この場合、ＫＬＴＮの厚さは、約１３μｍとなる。透過帯域は、誘電体多層膜ミラー５及び６の反射率により調整され、本実施の形態では、１５３０ｎｍにおける反射率が９０％となるように、誘電体多層膜ミラー５及び６を設計している。
本実施の形態で用いたＫＬＴＮは、前述のように２次の電気光学効果を有しており、電界が印加された際の屈折率変化量は、
Δｎ＝−１／２×ｎ０３×ε０２×εｒ２×ｇ１２×Ｅ２・・・（１）
で表される。ここで、Δｎは屈折率変化、ｎ０は電界印加前の屈折率、ε０は真空の誘電率、εｒは結晶の比誘電率、ｇ１２は２次の電気光学定数、Ｅは印加電界の強度である。また、ＫＬＴＮの電気光学定数は、ｇ１２＝−０．０３８ｍ４／Ｃ２である。式（１）から明らかなように、屈折率変化は電界強度の２乗に比例することになる。
図２に、図１の波長可変光フィルタを備えた波長可変光フィルタモジュール１０の構造を示す。
波長可変光フィルタ１は、配線パターンが形成された基板１５上に、はんだで固定されている。電極１６はワイヤーボンダにより筐体１３に設けられた筐体電極１７に接続されている。
光ファイバ１４から出射された光１９は、コリメートレンズ１２を介して波長可変光フィルタ１に入射し、波長可変光フィルタを透過した後、同様にコリメートレンズ１２を介して出射側の光ファイバ１８に入射する。
図３は、図２の波長可変光フィルタモジュール１０を含む測定系の概略図である。
この測定系においては、まず、ＡＳＥ（インコヒーレント）光源２０から出射された光を波長可変光フィルタモジュール１０に入射させ、出射光をスペクトラムアナライザ２１で検出する。
高速動作測定を行う際には、ファンクションジェネレータ２２を用いて発生した電圧をアンプ２３により増幅し、増幅された電圧を波長可変光フィルタモジュール１０内の波長可変光フィルタ１（図２）に印加して、当該フィルタ１からの透過光を光検出器（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）２４で検出し、オシロスコープ２５で応答特性を観測する。
なお、誘電体結晶部２を形成する誘電体結晶は、単結晶であっても多結晶であってもよい。単結晶の場合には、その結晶軸の一つが前記の光の透過方向と一致するように配置される。多結晶の場合には、その結晶軸の少なくとも一つが前記の光の透過方向と一致するように配置される。
図４に波長可変光フィルタ１の光透過スペクトルを示し、また、図５に波長可変光フィルタ１のフィルタの透過帯域を示す。
図４に示すとおり、透過帯域の中心波長は設計通り１５３０ｎｍにあり、ＦＳＲも４０ｎｍであることがわかる。また、本実施の形態においては、図３の３ｄＢカップラにより３ｄＢで規定される透過スペクトル幅は、図５に示すとおり、１３．５ＧＨｚであった。なお、阻止帯域との消光比は−４０ｄＢ確保される。
図６に、図１の波長可変光フィルタ１の波長可変特性を示す。図示の通り、波長可変光フィルタ１においては、３２Ｖの電圧印加で４０ｎｍの波長変化が実現されている。
次いで、この波長可変光フィルタ１の高速応答特性について説明する。高速応答特性は、以下のように測定された。まず、波長可変光フィルタ１を、２枚のレンズを用いたコリメート光学系の中に配置した後、ファイバ結合可能な実装を行い、透明電極から取り出したメタル配線を筐体に金線で接続し、図２に示すモジュール１０を作製した。次に、ＡＳＥ光源２０（図３）からの光を光ファイバ１４（図２）に導入し、この波長可変光フィルタ１４からの出射光を波長可変光フィルタ１（中心透過波長１５７０ｎｍ）に通したのち、フォトディテクタ２４で受光した。ここで、パルスパターンジェネレータ２２からの１ＧＨｚの矩形電圧をアンプで増幅し、３２Ｖの繰り返し電圧を波長可変光フィルタ１の電極３，４（図１）に印加して、波長可変光フィルタ１からの出射光の波長変化をオシロスコープ２５で観察した。その結果を図７に示す。図示のとおり、波長可変光フィルタ１からの出射光は印加電圧に応答しており、４０ｎｍの波長変化が１ＧＨｚ（可変時間：０．６ｎｓｅｃ）で実現されている。
このように、本実施の形態の波長可変光フィルタ１を用いれば、３０Ｖ程度の印加電圧で、４０ｎｍの波長変化を実現でき、パケットのアド・ドロップが可能な高速性を実現できることが明らかになった。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態においては、第１の実施の形態とほぼ同様の構成で、２つのファブリペローエタロン型フィルタを有する波長可変光フィルタを例示する。
図８を参照すると、波長可変光フィルタ２６は、ガラス基板３２上に、誘電体多層膜ミラー３１と、透明電極３３と、誘電体結晶部３０と、透明電極３４と、誘電体多層膜ミラー２９と、透明電極３５と、誘電体結晶部２８と、透明電極３６と、誘電体多層膜ミラー２７とがこの順に積層されて構成されている。すなわち、２つの誘電体結晶部２８、３０と、４つ（２組）の電極を有している。また、実質的に、誘電体多層膜ミラー２９で直列（光の透過方向に沿って）に配置された２個のエタロン型フィルタから構成されている。各エタロン型フィルタは、無電界時の透過スペクトルの中心波長がともに１５３０ｎｍとなり、ＦＳＲがそれぞれ１０ｎｍ及び８ｎｍとなるよう設計した。
図９に、波長可変光フィルタ２６の透過スペクトルを示す。この図より、１５３０ｎｍから１５７０ｎｍの間において、阻止帯域における消光比−４０ｄＢが実現されていることがわかる。これは、ＦＳＲが１０ｎｍのフィルタとＦＳＲが８ｎｍのフィルタとの透過スペクトルの重なりが、そのＦＳＲの最小公倍数の間隔にしか現れないことに起因している。この場合、最小公倍数は４０ｎｍとなるため、使用する波長帯域に、１本の透過ピークしか存在しないこととなる。
上記のような構成によれば、ＦＳＲ（又は波長可変幅）が所望の波長可変帯域よりも狭く、幅広い波長可変帯域を有する波長可変光フィルタを得ることが出来る。加えて、それぞれのフィルタの波長可変量をそのＦＳＲとすることで、幅広い可変帯域を実現できることを意味している。この場合、ＦＳＲ１０ｎｍのフィルタは、１５３０、１５４０、１５５０、１５６０、１５７０ｎｍに透過帯を有し、ＦＳＲ８ｎｍのフィルタは、１５３０、１５３８、１５４６、１５５４、１５６２、１５７０ｎｍに透過帯を有する。
例えば、１５５５ｎｍに透過帯を設定する場合は、ＦＳＲ１０ｎｍの波長可変光フィルタを５ｎｍシフトさせ（１５５０ｎｍの透過帯を１５５５ｎｍにシフト）、ＦＳＲ８ｎｍの波長可変光フィルタを１ｎｍシフト（１５５４ｎｍの透過帯を１５５５ｎｍにシフト）させる。このようなファブリペローエタロン型の波長フィルタの透過波長は、
λ＝Ｃ／（ｍ×Δυ）  ・・・（２）
で表される。ここで、Ｃは光速、ｍは整数、Δυは必要とするフィルタのＦＳＲを指す。
また、Δυは、
Δυ＝Ｃ／（２ｎｌ）  ・・・（３）
で表される。ここで、ｎは屈折率、ｌは結晶の厚さを指す。
式（３）のとおり、波長可変光フィルタに用いる結晶の厚さを変えることにより、所望のＦＳＲを有するフィルタを設計することができる。上記の式から、所望の波長に対して、何番目のｍに対応する透過帯を使用するかを決定することが出来る。
このように、第２の実施の形態によれば、ＦＳＲの異なる２種類のフィルタを組み合わせることにより、幅広い波長可変帯域を実現できることが明らかになった。また、各フィルタの応答速度が第１の実施の形態による波長可変光フィルタ１とほぼ同様に０．５ｎｓｅｃであるため、第２の実施の形態による波長可変光フィルタ２６もこの速度にほぼ近い応答速度を有することが確認された。
但し、ＦＳＲが小さくなるとＫＬＴＮ結晶の厚さが厚くなるため、波長可変幅は小さいものの、印加する電圧は高くなる。たとえば、ＦＳＲ１０ｎｍのフィルタで１０ｎｍの可変幅を得るには、６５Ｖの電圧が必要になる。
なお、フィルタの３ｄＢ帯域は誘電体多層膜ミラーの反射率により容易に制御することができ、反射率９９％により、２ＧＨｚの帯域のフィルタが得られる。
また、第２の実施の形態ではガラス基板を用いたが、企図される透過波長帯域において透明であれば、いかなる基板を用いてもフィルタの特性に影響は与えない。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態においては、第２の実施の形態と同様のＦＳＲをもつフィルタを作製するに当たり、ＫＬＴＮ結晶とＩＴＯ電極を積層し、フィルタを構成した。ＦＳＲ１０ｎｍの場合、ＫＬＴＮ結晶の厚さは約５５μｍとなった。これはλ／２の約２００倍となり、この厚さを５分割し、それぞれにＩＴＯ膜をλ／２の厚さで積層した。
図１０は、この波長可変光フィルタ３７の構成を示す図である。同図の通り、ガラス基板４２上に、誘電体層多層膜ミラー３９及び４１で挟まれた、３つの透明電極４０（正極）及び３つの透明電極４３（負極）並びに５つの誘電体結晶部３８が積層された多層体が形成されている。
また、各電極４０が正電位に維持されるように電極４０、４３間に電圧が印加され、したがって、電極を介して隣り合う２つの誘電体結晶部３８には互いに向きが異なる電界が生じる。この場合、ＫＬＴＮの電気光学効果は電界の２次に比例するため、屈折率の変化は電界の向きに依存しない。このため、このような電極構造を有する波長可変光フィルタであっても効果的に機能する。ＫＬＴＮを用いるフィルタの場合、波長可変幅はＦＳＲに依らず、電界により決定される。この際の印加電圧は、以下の式：
Ｖ＝Ｅ×ｄ／ｍ  ・・・（４）
で表される。式（４）におけるＶは印加電圧、Ｅは所定の波長可変量を得るのに必要な電界の強度、ｄは必要なＫＬＴＮ結晶の厚さ、ｍは分割数を指す。
式（４）から分かる通り、印加電圧は分割数に反比例して低下させることができる。したがって、上記の第２の実施の形態において説明したようにＦＳＲ１０ｎｍのフィルタを１０ｎｍ可変するのに必要な電圧が６５Ｖである一方、誘電体結晶部を５分割することにより、必要な電圧を１３Ｖまで低減できる。同様に、第２の実施の形態におけるＦＳＲ８ｎｍのフィルタを５分割することにより、７２Ｖの動作電圧を１４．４Ｖまで低減できる。この方法を用い積層数を増やすことにより、１０Ｖ以下の駆動電圧を実現できることが明らかになった。
なお、其々の電極は３層以上積層することが可能であり、誘電体結晶は５層以上積層することが可能である。つまり、積層数は任意に変更可能である。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態においては、ＫＬＴＮ結晶をＢａＴｉＯ３結晶に置き換えたことを除き、第１の実施の形態と同様の構成を有する波長可変光フィルタを例示する。
この実施の形態における波長可変光フィルタは、相転移温度が１０９℃であるので動作温度が１１０℃と高いが、４０ｎｍの波長変化を４５Ｖの駆動電圧で実現できる。応答速度も第１の実施の形態とほぼ同様で、１ＧＨｚの繰り返しに応答することを確認した。この誘電体結晶を用いて作製された、上述の波長可変光フィルタ２６及び波長可変光フィルタ３７と同様の構成を有する波長可変光フィルタにより、第２及び第３の実施の形態において説明した動作特性とほぼ同様の動作特性を実現できる。
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態においては、第４の実施の形態におけるＢａＴｉＯ３結晶の代わりに、Ｂａ０．７３Ｓｒ０．２７ＴｉＯ３を用いた波長可変光フィルタを例示する。なお、本実施の形態のおける波長可変光フィルタと第４の実施の形態における波長可変光フィルタとの差異は上記の点のみである。
この場合、相転移温度は９℃、動作温度は１０℃であり、Ｂａの一部をＳｒに置換することにより、動作温度を室温付近に設定することができた。その他の特性は、第４の実施の形態における特性と同様であった。その他、ＰＬＺＴ（透過性セラミックス）を用いても、これまでの実施の形態とほぼ同様のスペクトルの可変幅が得られた。
以上述べたように、第１から第５の実施の形態においては、２次の電気光学効果を持つ結晶を用いるため、従来では実現できなかった高速・低電圧駆動・高速波長可変光フィルタを実現できる。また、第１から第５の実施の形態による波長可変光フィルタは、広い帯域にわたって波長を高速で変化することが出来るため、パケットのアド・ドロップなどの高機能化が可能であると共に、光計測用の高速の波長スウィーパとしても使用可能である。
（第６から第１０の実施の形態）
次に、第６から第１０の実施の形態について説明する。個々の実施の形態について具体的に説明する前に、これらの実施形態に係る波長可変光フィルタの基本原理について説明する。
第６から第１０の実施の形態においても、第１から第３の実施の形態と同様、ＫＬＴＮ結晶で形成された誘電体結晶部を有するファブリペローエタロン型フィルタが利用される。
すでに述べた通り、ＬｉＮｂＯ３に比べて大きい電気光学効果を有するＫＬＴＮといった結晶を用いることにより、意図する屈折率変化を得るのに必要な電界を大幅に低減できる。本発明者らの評価結果によれば、ＫＬＴＮによる波長可変光フィルタでは、ＬｉＮｂＯ３によるものに比べ、電界強度を約１０００分の１に低減することが可能となる。しかし、それでも尚、必要な電界は２５００ｋＶ／ｍ程度であるため、印加電圧を更に低下できる構造が望まれる場合もある。第６から第１０の実施の形態においては、かかる構造を有する波長可変光フィルタを例示する。
波長可変光フィルタが、２次の電気光学効果を有する結晶から形成される誘電体結晶部が透明電極で挟まれ、さらに、誘電体多層膜ミラー部で挟まれるよう構成される場合、誘電体結晶部を透過する光の透過方向は、電圧印加により当該誘電体結晶部に生じる電界（外部電界）の方向と一致している。このため、光の電界の方向と外部電界の方向は直交する関係にある。ところで、ＫＬＴＮ結晶は、屈折率変化の異方性を有し、外部電界に垂直な方向では電気光学定数が０．０３８ｍ４／Ｃ２（絶対値）であり、外部電界に平行な方向では電気光学定数が０．１３６ｍ４／Ｃ２（絶対値）である。したがって、屈折率変化の小さい方位が利用されていることになる。
この方位では、電界に垂直方向の屈折率変化は等方的であるために、フィルタの偏波依存性が小さくなるという利点がある。したがって、比較的波長可変帯域が小さく（５ｎｍ以下）、ｍｓｅｃ程度の低速領域でよい場合には、この構造は好ましい。しかし、さらに幅広い波長可変帯域を必要とする場合には、前述のように高い電界を印加しなければならなくなるため、電気光学定数の大きい方位を利用することが好ましい。
ところが、電気光学定数の大きい方位を利用する場合には、以下の問題がある。すなわち、電界を光の透過方向と直交する方向に印加する場合、屈折率変化の異方性のため、印加方向に平行な方向の屈折率は、垂直な方向の屈折率の約３．８倍となる。
しかも、屈折率は、電界強度の増大とともに、電界と平行な方向においては減少するのに対し、垂直な方向においては増加する。したがって、この場合は、偏波依存性を有するフィルタしか実現できない。
この問題を克服する手段として、第６から第１０の実施の形態では、誘電体結晶内に、光の透過方向に対して直交し、かつ、互いに垂直な２つの方向に電界を印加する構造を提案する。この構造に依れば、電界に対し垂直な方向の屈折率変化と平行な方向の屈折率変化の加算が、結晶全体における屈折率変化となる。屈折率変化の符号が反対であるため、全体としての係数は０．１３６−０．０３８＝０．０９８となる。したがって、偏波無依存であることに加え、光の透過方向へ電界を印加する波長可変光フィルタ（屈折率変化０．０３８ｍ４／Ｃ２）に比べ約２．６倍といった大きな屈折率変化を実現することができる。
さらに、電界が光の透過方向に印加される波長可変光フィルタの場合には、以下の不都合がある。すなわち、誘電体結晶部（誘電体結晶）の厚さは、フィルタに求められるＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ：波長間隔）によって決まるため、ＦＳＲの小さいフィルタを必要とする場合、結晶が厚くなり、所望の電界を得るために比較的大きな電圧を必要とする。しかし、第６から第１０の実施の形態による波長可変光フィルタでは、電界を光の透過方向に垂直に印加するため、所望の電界を得るのに必要な電圧は、誘電体結晶部の幅に依存するのみであり、その厚さには依存しない。したがって、フィルタに求められるＦＳＲに応じて誘電体結晶部の厚さを変化させても、印加電圧を独立に調整することが可能となる。
なお、このような２つの直交方向の電界を結晶に印加する場合、両方の電極が近接する領域では、望ましくない方向に電界が発生し、偏波特性に影響を与えるという問題が発生する場合もある。このため、第６から第１０の実施の形態においては、比誘電率の小さい材料を間に挟んだ構造を提案している。本発明に係る波長可変光フィルタは結晶が有する高い電気光学効果を利用するものであり、高い電気光学効果は、材料の高い誘電率に起因している。電気力線は高い誘電率を有する部分を通るため、誘電体結晶部を形成する誘電体結晶よりも誘電率が小さい誘電率を有する材料を挿入することにより、互いに直交する２つの電界が互いに影響を受けることが抑制される。
以上のことから、当該実施の形態に例示する波長可変光フィルタは、低電圧で動作可能であり、且つ広波長帯域で波長を変化させることが可能という高機能を実現できる。
次に第６から第１０の実施の形態について具体的に説明する。以下の実施の形態は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これちの各要素又は全要素を含んだ各種の実施の形態を採用することが可能であるが、これらの実施の形態も本発明の範囲に含まれる。
（第６の実施の形態）
図１１は、第６の実施の形態に係る波長可変光フィルタ１１０の構成図である。図１１に示すように、波長可変光フィルタ１１０は、ガラス基板１１６上に形成されており、誘電体結晶部１１２及び１１７（誘電体結晶板）の間に絶縁層１１３が形成されている。さらに、その外側に誘電体多層膜ミラー１１１及び１１５が配置されている。これらの構成により、ファブリペローエタロン型のフィルタが構成されている。
また、誘電体結晶部１１２の側面には、互いに対向する２つの電極１１８が形成され、誘電体結晶部１１７の側面には、互いに対向する２つの電極１１４が形成されている。電極１１４及び１１８は、金属製であり、蒸着により形成される。
波長可変光フィルタ１１０は、光の入射方向から見ると、一辺の長さが５０μｍであり、よって、電極１１４及び１１８それぞれの間隔は５０μｍである。
電極１１４は、下方の誘電体結晶部１１７内に、図１において紙面の左右方向に電界を生じさせるように形成されており、電極１１８は、紙面の奥行方向に電界が生じさせるように形成されている。つまり、光の入射方向（透過方向）に直交し、且つ互いに直交する２つの方向に電界が印加されることとなる。
誘電体結晶部１１２及び１１７はＫＬＴＮ結晶から形成され、その組成はＫ０．９７Ｌｉ０．０３Ｔａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３であった。Ｌｉの組成比は、本実施の形態では０．０３であるが、０．００１の添加でも相転移を２次に変化させる効果があり、０．１までは立方晶を保っており、使用が可能である。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。
波長可変光フィルタの動作温度は２０℃であり、２０℃における誘電体結晶の比誘電率は、３００００であった。相転移温度は、ＮｂとＴａの組成比を変えることにより、幅広い範囲に設定され得る。例えば、Ｔａの組成比が０．５の場合、相転移温度は１００℃であり、０．９の場合−１００℃である。よって、この組成範囲にあれば、所定の冷却・加熱装置により、実用可能なフィルタが構成できる。
また、ペルチェ素子で温度制御が可能な−２０〜８０℃の範囲に相転移を有する結晶が更に望ましく、その場合は、Ｔａの組成比は０．５５〜０．７である。さらに、ペルチェ素子の消費電力を出来る限り小さくするには、相転移温度が室温付近であると望ましい。相転移温度を１０〜４０℃に設定するとすれば、Ｔａの組成比は０．６〜０．６７となる。
前述の通り、動作温度と相転移温度の差は、小さいほどフィルタの効率を高くできるため、出来る限り一致させることが望ましい。ペルチェ素子の温度変動ならびに電気光学効果の効率の低下を１／１００まで許容するとすれば、その差は０．２℃から１０℃の範囲（０．２℃＜（Ｔ−Ｔｃ）＜１０℃）となる（ここで、Ｔは動作温度、Ｔｃは相転移温度である）。
絶縁層１１３はＴｅＯ２系ガラスから形成されている。ＴｅＯ２ガラスを用いた理由は、屈折率がＫＬＴＮ結晶とほぼ同等で、組成を調整することでＫＬＴＮと等しい屈折率が実現でき、界面での光反射が抑制できるためである。また、絶縁層１１３の厚さはλ／２に調整されている。
誘電体多層膜ミラー１１１及び１１５は、一般な材料であるＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５から形成されている。
波長可変光フィルタ１１０は、１５３０〜１５７０ｎｍの通信波長帯（Ｃ帯）での利用を意図し、無電界で１５７０ｎｍの中心波長を透過するよう設計されている。また、４０ｎｍの可変帯域を実現するために、フィルタのＦＳＲも４０ｎｍに設定している。この場合、誘電体結晶部１１２及び１１７の厚さは、合計で約１３μｍとなる。したがって、誘電体結晶部１１２及び１１７それぞれの厚さは約６．５μｍとなっている。透過帯域はミラーの反射率で調整され、本実施の形態では、１５７０ｎｍにおける反射率が９０％となるように、誘電体多層膜ミラー１１１及び１１５が設計されている。
本実施の形態で用いた誘電体結晶部１１２及び１１７（ＫＬＴＮ）は、前述のように２次の電気光学効果を有しており、図１の構造による電界の印加方向に対し、屈折率変化量は、下記の式（５）及び式（６）、
Δｎ⊥＝−１／２×ｎ０３×ｇ１２×ε０２×εｒ２×Ｅ２  ・・・（５）
Δｎ／／＝−１／２×ｎ０３×ｇ１１×ε０２×εｒ２×Ｅ２  ・・・（６）
で表すことができる。ここで、Δｎ⊥は電界に対して垂直方向の屈折率変化、Δｎ／／は電界方向の屈折率変化、ｎ０は電界印加前の屈折率、ε０は真空の誘電率、εｒは結晶の比誘電率、ｇ１１及びｇ１２は第２次の電気光学定数、Ｅは印加電界である。また、ＫＬＴＮの電気光学定数は、ｇ１１＝０．１３６ｍ４／Ｃ２、ｇ１２＝−０．０３８ｍ４／Ｃ２である。
式（５）及び（６）から明らかなように、電界の印加方向によって、屈折率変化が異なり、光の進行方向に対して直交する２方向に電界を印加した場合のトータルの屈折率変化量は、式（５）及び（６）式の加算となり、
Δｎ１＝−１／２×ｎ０３×（ｇ１１＋ｇ１２）×ε０２×εｒ２×Ｅ２・・・（７）
と表すことができる。
このため、光の進行方向に直交する２種類の偏光に対し、屈折率変化が等しくなり偏波無依存動作が可能となる。
図１２は、図１１の波長可変光フィルタ１１０を備えた波長可変光フィルタモジュールの構成図である。
波長可変光フィルタ１１０は、配線パターンが形成された基板１２５上に、はんだで固定されており、電極１２６はワイヤーボンダにより筐体１２３に設けらえた筐体電極１２７に接続されている。
光ファイバ１２４から出射された光１２９は、コリメートレンズ１２２を介して波長可変光フィルタ１１０に入射し、波長可変光フィルタを透過した後、同様にコリメートレンズ１２２を介して出射側の光ファイバ１２８に入射する。
図１３は、図１２の波長可変光フィルタモジュール２００を含む測定系３００の概略図である。この測定系においては、ＡＳＥ（インコヒーレント）光源１３１から出射された光を波長可変光フィルタモジュール２００に入射させ、出射光を光スペクトラムアナライザ１３２で検出する。
高速動作測定を行う際には、ファンクションジェネレータ１３３を用いて発生した電圧をアンプ１３４により増幅し、増幅された電圧を波長可変光フィルタモジュール２００の波長可変光フィルタ１１０（図１２）に印加して、当該フィルタ１１０からの透過光を光検出器（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）１３５で検出し、オシロスコープ１３６で応答特性を観測する。
図１４は、図１１の波長可変光フィルタ１１０の透過スペクトルを示す図であり、図１５は、図１１の波長可変光フィルタ１１０の３ｄＢ帯域を示す図である。
波長可変光フィルタ１１０の透過帯の中心波長は設計どおり１５７０ｎｍにあり、ＦＳＲも４０ｎｍであることがわかる。なお、本実施の形態においては、３ｄｂカプラ３７により３ｄＢで規定される透過スペクトル幅は１３．５ＧＨｚである。また、阻止帯域との消光比は−４０ｄＢ確保されている。
図１６は、図１１の波長可変光フィルタ１１０の波長可変特性を示す図である。図１１６から分かる通り、当該波長可変光フィルタ１１０は、７５Ｖの電圧の印加により、透過域の波長を４０ｎｍ変化させることができる。
図１７は、図１１の波長可変光フィルタ１１０の高速応答特性を示す図である。高速応答特性は以下のように測定された。まず、波長可変光フィルタ１１０が、２枚のレンズを用いたコリメート光学系に配置された後、ファイバ結合可能なパッケージ内に実装され、当該フィルタの透明電極に接続されたメタル配線が筐体に金線で接続され、モジュールへと組み立てられた。次に、ＡＳＥ光源１３１（図１３）からの光を、モジュールに接続された光ファイバを通じて波長可変光フィルタに導入し、その出射光を１５７０ｎｍのバンドパスフィルタを通したのち、フォトディテクタで受光した。
次いで、パルスパターンジェネレータ１３３で発生した１ＧＨｚの矩形電圧をアンプで増幅し、７５Ｖの繰り返し電圧を波長可変光フィルタ１１０の電極１１４，１１８（図１１）に印加して、波長可変光フィルタ１１０からの出射光の波長変化を記録した。図１７に示すとおり、出射光は印加電圧に応答しており、４０ｎｍの波長変化が１ＧＨｚ（可変時間：０．６ｎｓｅｃ）で実現されていることがわかる。
このように、本実施の形態おける波長可変光フィルタ１１０を用いれば、７５Ｖ程度の印加電圧で、４０ｎｍの波長可変を実現でき、且つパケットのアド・ドロップが可能な、高速性を実現できることが明らかになった。
なお、絶縁層１１３として、本実施の形態ではＴｅＯ２系ガラスを用いたが、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリマー、これらの複合体などのＫＬＴＮよりも比誘電率の低い絶縁材料を用いることも可能である。
（第７の実施の形態）
以下、第７の実施の形態について説明する。図１８Ａは、本発明の実施の形態に係る波長可変光フィルタ１８０の構成を示す図であり、図１８Ｂは、図１８Ａの電極を示す上面図であり、図１８Ｃは、図１８Ａの電極を示す上面図である。
この波長可変光フィルタ１８０は、図１８Ａに示すように、電極の形状を除き、第６の実施の形態における波長可変光フィルタ１１０と同様の構成を有する。より詳細には、波長可変光フィルタ１８０は、ガラス基板１８６上に配置された誘電体多層膜ミラー１８５と、長方形の電極１８７（図１８Ｃ参照）が配置された誘電体結晶１８４と、絶縁層１８３と、長方形の電極１８８（図１８Ｂ参照）が配置された誘電体結晶１８２と、誘電体多層膜ミラー１８１とを積層することにより構成されている。
電極１８７，１８８の長手方向の辺は互いに直交しているため、互いに直交する二つの方向に電界が印加されることとなる。また、図１８Ａに示す通り、光の入射方向はミラー１８１の上面に垂直な方向であり、上記２つの方向に印加される電界はまた光の入射方向（透過方向）に直交する。
また、電極１８７，１８８は、上記のような構成をとるため、誘電体結晶部１８２，１８４に均一に電界を印加でき、また、実装に必要なチップのサイズの大型化が防止でき、さらに、電極間隔を１０μｍまで縮小できる。
また、絶縁層１８３には、第６の実施の形態における波長可変光フィルタ１１０と同様にＴｅＯ２系ガラスが用いられている。
波長可変光フィルタ１８０の光透過特性は第６の実施の形態による波長可変光フィルタ１１０と同様であり、電極の構造を変更したことによるフィルタ特性の変化は見られない。これは、直交する２つの偏光成分においても同様であった。
図１９は、波長可変光フィルタ８の波長可変特性を示す図である。
本実施の形態においては、波長可変に必要な電界は第６の実施の形態と同様であるが、電極間隔を任意に設定でき、また、実効的に印加する電圧は電極間隔に反比例して変化するため、電極間隔を狭くすることにより電圧を減少させることが可能である。本実施の形態では、同図から分かる通り、１０μｍ間隔の電極に１５Ｖの電界を印加することで４０ｎｍの波長可変を実現している。さらに、５μｍ間隔の電極を用いることにより、約８Ｖで４０ｎｍの波長可変が実現できることも確認された。
但し、電極間隔を小さくすると、有効な開口部分の面積が小さくなるため、実装の精度が要求される。したがって、電極間隔を設定するにあたっては、求められる性能により、低電圧を実現するか、実装の精度に幅を持たせるか選択することが必要である。
なお、絶縁層１８３として、本実施の形態ではＴｅＯ２系ガラスを用いたが、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリマー、これらの複合体などのＫＬＴＮよりも比誘電率の低い絶縁材料を用いても、フィルタを実現することが可能である。
以上の第７の実施の形態における構造を採用することにより、所望のＦＳＲから独立して電極間隔を設定でき、結果として低電圧駆動及び広帯域での波長変化が可能な波長可変光フィルタが実現できる。
（第８の実施の形態）
本実施の形態においては、第７の実施の形態とほぼ同様の構成を有しＦＳＲがそれぞれ１０ｎｍとＦＳＲ８ｎｍである２つの波長可変光フィルタが誘電体多層膜ミラーを介して直列に接続された多段型の波長可変光フィルタを例示する。各波長可変光フィルタの無電界時の透過スペクトルの中心は、１５７０ｎｍに設定した。
図２０は、多段型の波長可変光フィルタ１００の構成を示す概略図である。
波長可変光フィルタ１００は、ガラス基板２１１上に配置された誘電体多層膜ミラー２０９と、長方形の電極２１２が配置された誘電体結晶部２０８と、絶縁層２０７と、長方形の電極２１３が配置された誘電体結晶部２０６と、誘電体多層膜ミラー２０５と、長方形の電極２１４が配置された誘電体結晶部２０４と、絶縁層２０３と、長方形の電極２１５が配置された誘電体結晶部２０２と、誘電体多層膜ミラー２０１とを積層することにより構成されている。言い換えると、本実施の形態における波長可変光フィルタ１００は、第６の実施の形態による波長可変光フィルタ１８０を２つ重ね合わせたように構成されている。
また、電極２１２、２１３、２１４及び２１５の長手方向の辺は互い違いに直交しているため、誘電体結晶部２０８、２０６、２０４及び２０２には、光の入射方向（透過方向）に直交し、且つ、互い違いに二つの方向に直交する電界が印加されることとなる。
図２１は、図２０の波長可変光フィルタ１００の透過スペクトルを示す図である。同図より、１５３０ｎｍから１５７０ｎｍの波長の間において、阻止帯域における消光比−４０ｄＢが実現されていることがわかる。これは、１０ｎｍのＦＳＲを有するフィルタと８ｎｍのＦＳＲを有するフィルタとの透過スペクトル（ピーク波長）は、そのＦＳＲの最小公倍数の間隔にしか現れないことに起因している。本実施の形態では、最小公倍数は４０ｎｍであるため、使用する波長帯域に、１つの透過ピークしか存在しないこととなる。
また、ファブリペローエタロン型の波長フィルタの透過波長は、
λ＝Ｃ／（ｍ・Δν）  ・・・（８）
で表される。ここで、Ｃは光速、ｍは整数、Δνは必要とするフィルタのＦＳＲである。
また、Δνは、
Δν＝Ｃ／（２ｎ１）  ・・・（９）
と表される。ここで、ｎは屈折率、１は誘電体結晶部の厚さである。
上記の式から、波長可変光フィルタの誘電体結晶部の厚さを変えることによって所望のＦＳＲを設定すれば、波長可変光フィルタを任意に設計することができ、この設計式から、所望の波長に対して、何番目のｍに対応する透過帯を使用するかを決定することができる。
このような構成を用いれば、ＦＳＲ（または波長可変幅）が所望の波長可変帯域よりも小さいフィルタで、幅広い波長可変帯域を得ることが出来る。従来のフィルタ構成では、ＦＳＲの異なる波長可変光フィルタの組み合わせでは、ＦＳＲが小さくなるとＫＬＴＮ結晶の厚さが厚くなるため、波長可変幅は小さいものの、高い印加電圧が必要となる。
例えば、１０ｎｍのＦＳＲを有する波長可変光フィルタで１０ｎｍの可変幅を得るには、６５Ｖの電圧が必要になるが、本実施の形態における波長可変光フィルタ１００が有する電極構成によれば、７．５Ｖの印加電圧で１０ｎｍの波長可変帯域を実現できる。これは、従来の約１０分の１に相当し、本発明の有効性を実証する根拠となる。
（第９の実施の形態）
第９の実施の形態による波長可変光フィルタは第７の実施の形態による波長可変光フィルタを変更したものであり、ＫＬＴＮ結晶の代わりにＢａＴｉＯ３結晶から形成される誘電体結晶部を有する。なお、本実施の形態における波長可変光フィルタと第７の実施の形態における波長可変光フィルタとの差異は上記の点のみである。
この場合、相転移温度が１０９℃であるので、動作温度が１１０℃と高いが、４０ｎｍの波長可変範囲を１５Ｖの駆動電圧で実現できる。
また、応答速度も第７の実施の形態における波長可変光フィルタとほぼ同様で、１ＧＨｚの繰り返しで応答することが確認された。
また、ＢａＴｉＯ３結晶を用いて、第７の実施の形態と同様の波長可変光フィルタを作製しても、これとほぼ同様の動作特性を実現できる。
（第１０の実施の形態）
本実施の形態による波長可変光フィルタは第９の実施の形態による波長可変光フィルタを変更したものであり、ＢａＴｉＯ３結晶の代わりに、Ｂａ０．７３Ｓｒ０．２７ＴｉＯ３から形成される誘電体結晶部を有する。なお、本実施の形態における波長可変光フィルタと第９の実施の形態における波長可変光フィルタとの差異は上記の点のみである。
この場合、相転移温度が９℃であり、動作温度は１０℃である。Ｂａの一部をＳｒに置換することにより、動作温度を室温付近に設定することができる。その他の特性は、第９の実施の形態における波長可変光フィルタと同様である。また、ＰＬＺＴを用いても、ほぼ同様のスペクトルの可変幅が得られる。
（第１１から１４の実施の形態）
第１１から１４の実施の形態を説明するに先立ち、これらの実施の形態の基本原理について、前述した第１から１０の実施の形態の基本原理を踏まえて説明する。
まず、ファブリペローエタロン型の波長可変光フィルタの特性について説明する。ファブリペローエタロンの特性を表す値として、ＦＳＲ、Ｆｉｎｅｓｓが挙げられる。ファブリペローエタロンの透過帯の中心周波数νｍは、
νｍ＝ｍｃ／（２ｎｌｃｏｓθ）  ・・・（１０）
で表される。ここで、ｎは屈折率、ｌは共振器長、θは入射光に対するエタロンの傾斜角度、ｃは真空中の光速度である。
ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ）は、式（１０）で表現される透過帯中心周波数νｍのうち、隣り合う２組の間隔であるので、
ＦＳＲ＝νｍ＋１−νｍ＝ｃ／（２ｎｌｃｏｓθ）  ・・・（１１）
で表現される。
また、  Ｆｉｎｅｓｓとは透過帯の広がり具合を表現する値であり、
Ｆｉｎｅｓｓ＝ＦＳＲ／Δν１／２＝πＲ−１／２／（１−Ｒ）  ・・・（１２）
で表される。ここで、Δν１／２は透過帯の半値全幅、Ｒは共振器を構成しているミラーの反射率である。
式（１０）から、透過帯の中心周波数を変化させるためには、屈折率ｎ、共振器長ｌ、エタロンの角度θのいずれかを変化させればよいことが分かる。したがって、これらのパラメータを変化させれば、波長可変光フィルタが実現可能なことがわかる。いくつか波長可変光フィルタが市販されているが、共振器長を変化させて波長可変を行う方式が主流である。その理由は、上記３つのパラメータのうち共振器長ｌを変化させれば、もっとも広い波長可変帯域を実現できることにある。
しかし、共振器長ｌ（およびエタロンの角度θ）を変化させるためには、必ずメカニカルな動作が必要である。そのために高速動作には適していない。
一方、屈折率ｎを変化させる方法によれば、メカニカルな動作なしに、透過帯域の中心波長を変化させる事が出来る。屈折率を変化させる方法として、主に熱光学（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＴＯ）効果、音響光学（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＡＯ）効果、電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＥＯ）効果が挙げられる。これらのうち、もっとも高速動作に適していないのがＴＯ効果で、せいぜい数ｍｓ程度の応答速度しか実現できない。また、ＡＯ効果はＴＯ効果に比べれば、高速動作に適してはいるものの、屈折率の変化量が小さいために、十分な屈折率変化を誘起する事が出来ない。
これらに比較して、ＥＯ効果は高速動作に適しており、屈折率の変化量を十分に確保できるため、高速動作を要求される波長可変光フィルタに適している。電気光学効果には１次の電気光学効果（ポッケルス効果）と２次の電気光学効果（カー効果）がある。１次の電気光学効果は電界強度に比例して効果が現れ、屈折率変化は、式：
Δｎ＝−ｎ０ｒｅｆｆＥ／２  ・・・（１３）
で表される。ここで、ｎ０は電界を印加していない状態での屈折率、ｒｅｆｆは１次の電気光学係数の有効値、Ｅは電界強度である。
また、２次の電気光学効果は電界強度の２乗に比例して効果が現れ、屈折率変化は、
Δｎ＝ｎ０３ｓ１２Ｅ２／２  ・・・（１４）
で表される。ここで、ｎ０は電界を印加していない状態での屈折率、Ｅは電界強度である。また、ｓ１２は、下記の式：
ｓ１２＝ε０２εｒ２ｇ１２  ・・・（１５）
で定義される。ε０は真空の誘電率、εｒは物質に固有の比誘電率、ｇ１２は物質の電気光学定数である。
従って、２次の電気光学効果を用いると、印加された電圧の２乗に比例した屈折率変化が誘起されるので、より小さな電圧を印加することによって所望の屈折率変化を起こす事が出来る。また、電気光学効果は１ＧＨｚ程度の高速応答は原理的に可能である。
しかしながら、物質の単位厚さあたりに印加可能な電圧には通常限界があるので、印加する電圧を無限に大きくすることは不可能である。
そこで、第１１から第１４の実施の形態では、第１から第１０の実施の形態において例示した波長可変光フィルタを複数個含む多段構成波長可変光フィルタを提案する。このタイプの光フィルタにおいては、各波長可変光フィルタが誘電体結晶部に入射する光の進行方向に沿って設けられている。また、ＦＳＲが異なる２個以上の波長可変光フィルタを平行の配置から２度以上の角度で傾けて配置することにより構成されると好ましい。各波長可変光フィルタは、温度制御され、温度制御を行った上で、各波長可変光フィルタに電圧を印加できるよう構成されることが好ましく、これにより、ＦＳＲを変化させ、所望の透過帯を得ることができる。各波長可変光フィルタは、上述の通り、高速動作、低駆動電圧、高波長可変帯域という優れた特性を有するため、多段構成波長可変光フィルタもまた従来の波長可変光フィルタでは実現できない高機能を実現する事が出来る。
なお、各波長可変光フィルタを平行の配置から２度以上の角度で傾けて配置するとは、誘電体結晶に照射される光の透過方向に直交する面とエタロンの結晶軸に直交する面とが２度以上の角度をもって傾けられていることをいう。以下の同様な表現についても同じである。
また、２度以上の角度で傾いている場合であっても、誘電体結晶の結晶軸が光の透過方向と一致することにより発揮される作用効果が大きく損なわれるわけではない。このため、以下の説明においては、２度以上の角度で傾けて配置した場合でも、誘電体結晶の結晶軸が光の透過方向と一致するということにする。
次に、第１１から１４の実施の形態のそれぞれについて具体的に説明する。以下の実施形態は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素または全要素を含んだ各種の実施の形態を採用する事が可能であるが、これらの実施の形態も本発明に含まれる。
（第１１の実施の形態）
図２２は、第１１の実施の形態による多段構成波長可変光フィルタを構成する波長可変光フィルタの構造を示す概略図である。波長可変光フィルタ２０１は、薄片化された誘電体結晶から形成される誘電体結晶部２０１１の両側に透明電極２０１２、２０１３を配置し、さらにその外側に誘電体多層膜ミラー２０１４、２０１５を配置することにより、構成される。すなわち、第１から第５の実施の形態による波長可変光フィルタと同様の構成を有する。
図２３は、第１１の実施の形態による２段構成波長可変光フィルタの構成図である。図２３において、波長可変光フィルタ２０２１、２０２２は図２２で示した波長可変光フィルタ２０１と同様の構造を有している。
波長可変光フィルタ２０２１、２０２２の誘電体結晶部２０１１は、ＫＬＴＮより形成されている。ＫＬＴＮは、ＬｉとＮｂの組成比を調整する事により、相転位温度は−１５℃に調整されることができる。
具体的には、誘電体結晶の組成はＫ０．９６Ｌｉ０．０４Ｔａ０．７７Ｎｂ０．２３Ｏ３とした。Ｌｉの組成比は、本実施の形態では、０．０４であるが、０．００１の添加でも相転位を２次に変化させる効果がある。また、Ｌｉの組成比が０．１までは立方晶を保っており、実用上使用可能である。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。
また、波長可変光フィルタ２０２１、２０２２の動作温度は−１５℃であり、−１５℃付近における材料の比誘電率は２５０００である。
図２２に示すように、本実施の形態に用いる波長可変光フィルタ２０１は、誘電体結晶（ＫＬＴＮ結晶板）より形成される誘電体結晶部２０１１をＩＴＯ透明電極２０１２および２０１３で挟み、さらにその外側に誘電体多層膜ミラー２０１４および２０１５を配置することにより波長可変光フィルタ２０１が構成されている。
誘電体多層膜ミラー２０１４および２０１５は、一般的な材料であるＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５から形成されている。
図２３を参照しながら、第１１の実施の形態による２段構成波長可変光フィルタ２０２０について詳説する。２段構成波長可変光フィルタ２０２０は、ＦＳＲが異なる２つの波長可変光フィルタ２０２１、２０２２を有する。波長可変光フィルタ２０２１のＦＳＲは６００ＧＨｚであり、波長可変光フィルタ２０２２のＦＳＲは７００ＧＨｚである。これらの波長可変光フィルタを組み合わせる事によって、ＦＳＲ＝４．２ＴＨｚが以下の説明の通り実現される。
４．２ＴＨｚのＦＳＲを実現するためには、各波長可変光フィルタ２０２１、２０２２の透過帯域の中心周波数をＦＳＲ分だけシフトする必要がある。透過帯域の中心周波数は式（１０）によって表される。この式中のｎを電気光学効果を用いて変化させる事によって、中心周波数をシフトさせる。ＫＬＴＮにおいては、ｇ１２＝−０．０３８ｍ４／Ｃ２、εｒ＝２５０００であり、また、ε０＝８．８５４×１０−１２であるので、これらの値を式（１０）、式（１４）及び式（１５）に代入する事により、６００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ２０２１の場合は、ＫＬＴＮの厚さが１１５μｍであり、印加電圧を１１１Ｖにすればよく、７００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ２０２２の場合は、ＫＬＴＮの厚さが９９μｍであり、印加電圧を９６Ｖにすればよい事がわかる。
各波長可変光フィルタについて、厚さと印加電圧値から１μｍの厚さあたりに印加すべき電圧を計算すると、波長可変光フィルタ２０２１（ＦＳＲ＝６００ＧＨｚ）では０．９６Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ２０２２（ＦＳＲ＝７００ＧＨｚ）では０．９７Ｖ／μｍの電圧を印加すれば良い事が分かる。
これら２つの波長可変光デバイスを図２３に示すように光の進行方向に沿って配置することにより、本実施の形態による２段構成波長可変光デバイスが得られる。なお、図２３において、参照符号２０２３と２０２４は微小レンズ、参照符号２０２５と２０２６はシングルモードファイバを表す。
図示の通り、２つの波長可変光フィルタ２０２１、２０２２は、互いに平行から２度の角度で傾けられ、相互間の距離を２ｍｍとって配置されている。ファイバを通じて導入した１．５５μｍの光を微小レンズ２０２３（２０２４）によって２５０μｍ幅の光束にして、波長可変光フィルタ２０２１、２０２２に導入した。全体をペルチェ素子で−１３℃に保って特性を図ったところ、ＦＳＲ＝４．１ＴＨｚであった。
次に、波長可変光フィルタ２０２１と２０２２に電圧を印加して、透過帯域の中心波長のシフトを測定したところ、ＦＳＲ＝４．１ＴＨｚ分のシフトが観測できた。以上より、本実施の形態に係る多段構成波長可変光フィルタは、４．１ＴＨｚといった広いＦＳＲを有するフィルタとして機能している事が分かった。
（第１２の実施の形態）
図２４は、第１２の実施の形態による３段構成波長可変光フィルタの概略図である。図示の通り、３段構成波長可変光フィルタ２０３０は３つの波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３を含む。
これら３つの波長可変光フィルタは、図２２で示した波長可変光フィルタと同様の構造を有する。
すなわち、波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３は、誘電体結晶（ＫＬＴＮ結晶板）から形成される誘電体結晶部２０１１をＩＴＯ透明電極２０１２および２０１３で挟み、さらに、その両側に誘電体多層膜ミラー２０１４および２０１５を配置してファブリペローエタロンを構成することにより得られる。
これらの波長可変光フィルタの誘電体結晶部２０１１は、ＫＬＴＮにより形成され、Ｌｉの濃度とＮｂの濃度を調整する事により、相転位温度は−１５℃に調整される。
具体的には、当該誘電体結晶の組成はＫ０．９６Ｌｉ０．０４Ｔａ０．７７Ｎｂ０．２３Ｑ３とした。Ｌｉの組成比は、本実施の形態では、０．０４であるが、０．００１の添加でも相転位を２次に変化させる効果があり、０．１までは立方晶を保っており、使用が可能である。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。
また、波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３の動作温度は−１５℃であり、−１５℃付近における材料の比誘電率は２５０００である。
誘電体多層膜ミラー２０１４および２０１５は、一般的な材料であるＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５から形成される。
波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３は、それぞれ異なるＦＳＲを有する。すなわち、波長可変光フィルタ２０３１は３００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ２０３２は４００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ２０３３は５００ＨＧｚのＦＳＲを有する。これらを組み合わせる事によって、以下の説明の通り、ＦＳＲ＝６．０ＴＨｚが実現されることができる。
６．０ＴＨｚのＦＳＲを実現するためには、各波長可変光フィルタの透過帯域の中心周波数をＦＳＲ分シフトする必要がある。透過帯域の中心周波数は式（１０）によって表される。この項の中のｎを電気光学効果を用いて変化させる事によって、中心周波数をシフトさせる。ＫＬＴＮにおいてはｇ１２＝−０．０３８ｍ４／Ｃ２、εｒ＝２５０００であり、また、ε０＝８．８５４×１０−１２であるので、これらの値を式（１０）、式（１４）及び式（１５）に代入する事により、３００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ２０３１の場合は、ＫＬＴＮの厚さが２３０μｍであり、印加電圧を９４Ｖにすればよく、４００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ２０３２の場合は、ＫＬＴＮの厚さが１７３μｍであり、印加電圧を１１２Ｖにすれば良く、５００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ２０３３の場合は、ＫＬＴＮの厚さが１３８μｍであり、印加電圧１１３Ｖにすればよい事がわかる。
各波長可変光フィルタについて、厚さと印加電圧から１μｍの厚さあたりに印加すべき電圧を計算すると、波長可変光フィルタ２０３１（ＦＳＲ＝３００ＧＨｚ）には０．４１Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ２０３２（ＦＳＲ＝４００ＧＨｚ）には０．６５Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ２０３３（ＦＳＲ＝５００ＧＨｚ）には０．８２Ｖ／μｍの電圧を印加すれば良い事が分かる。
これらの波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３を図２４に示すように光の進行方向に沿って配置することにより、本実施の形態に係る３段構成波長可変光フィルタが得られる。なお、図２４において、参照符号２０３４と２０３５は微小レンズを表し、参照符号２０３６と２０３７はシングルモードファイバを表す。
また、図示の通り、３つの波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３は、それぞれ、互いに平行な配置から２度の角度で傾けられている。すなわち、各波長可変光フィルタの誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の結晶軸と直交する面と、前記光の進行方向と直交する面とが２度以上の角度で傾いている。また、各波長フィルタの間の距離はそれぞれ２ｍｍである。ファイバを通じて導入した１．５５μｍの光を微小レンズ２０３４（２０３５）によって２５０μｍ幅の光束にして、３段構成波長可変光フィルタ２０３０に導入した。全体をペルチェ素子で−１３℃に保って特性を図ったところ、５．８ＴＨｚのＦＳＲが得られた。
次に、波長可変光フィルタ２０３１、２０３２、２０３３に電圧を印加して、透過帯域の中心波長のシフトを測定したところ、ＦＳＲ＝４．１ＴＨｚのシフトが観測でき、本実施の形態による多段構成波長可変光フィルタは、フィルタとして機能している事が分かった。
ＦＳＲ＝５．８ＴＨｚ及び４．１ＴＨｚといった値は、十分大きく、正常に機能する範囲である。従って、３００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ、４００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ、及び５００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタを用いることにより、正常に機能し、高速動作するフィルタが実現できた。
（第１３の実施の形態）
図２５は、第１３の実施の形態による４段構成波長可変光フィルタの概略図である。図示の通り、４段構成波長可変光フィルタは、４つの波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４を含む。
これら４つの波長可変光フィルタは、図１１で示した波長可変光フィルタと同様の構造を有する。
すなわち、波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４は、誘電体結晶（ＫＬＴＮ結晶板）から形成される誘電体結晶部２０１１をＩＴＯ透明電極２０１２および２０１３で挟み、さらにその外側に誘電体多層膜ミラー２０１４および２０１５を配置してファブリペローエタロンを構成することにより得られる。
誘電体結晶部２０１１は、ＫＬＴＮから形成された誘電体結晶部を有し、Ｌｉの濃度とＮｂの濃度を調整する事により、相転位温度は−１５℃に調整されることができる。
具体的には、当該誘電体結晶の組成はＫ０．９６Ｌｉ０．０４Ｔａ０．７７Ｎｂ０．２３Ｏ３あった。Ｌｉの組成比は、本実施の形態では、０．０４であるが、０．００１の添加でも相転移を２次に変化させる効果があり、０．１までは立方晶を保っており、実用可能である。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。
また、波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４の動作温度は−１５℃であり、−１５℃付近における材料の比誘電率は２５０００である。
誘電体多層膜ミラー２０１４および２０１５は、一般的な材料であるＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５により形成されている。
波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４は、それぞれ異なるＦＳＲを有する。すなわち、波長可変光フィルタ２０４１は２００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ２０４２は３００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ２０４３は５００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ４０４４は７００ＧＨｚのＦＳＲを有する。これらの波長可変光フィルタを組み合わせる事によって、以下の説明の通り、ＦＳＲ＝２１．０ＴＨｚが実現されることができる。
２１．０ＴＨｚのＦＳＲを実現するためには、各波長可変光フィルタの透過帯域の中心周波数をＦＳＲ分シフトする必要がある。透過帯域の中心周波数は式（１０）によって表される。この式中のｎを電気光学効果を用いて変化させる事によって、中心周波数をシフトさせる。ＫＬＴＮにおいてはｇ１２＝−０．０３８ｍ４／Ｃ２、εｒ＝２５０００であり、また、ε０＝８．８５４×１０−１２であるので、これらの値を式（１０）、式（１４）、式（１５）に代入する事により、波長可変光フィルタ２０４１（ＦＳＲ＝２００ＧＨｚ）の場合は、ＫＬＴＮの厚さが３４５μｍであり、印加電圧を１３４Ｖにすればよく、波長可変光フィルタ２０４２（ＦＳＲ＝３００ＧＨｚ）の場合は、ＫＬＴＮの厚さが２３０μｍであり、印加電圧を９４Ｖにすればよく、波長可変光フィルタ２０４３（ＦＳＲ＝５００ＧＨｚ）の場合は、ＫＬＴＮの厚さが１３８μｍであり、印加電圧１１３Ｖにすればよく、波長可変光フィルタ２０４４（ＦＳＲ＝７００ＧＨｚ）の場合は、ＫＬＴＮの厚さが９９μｍであり、印加電圧を１１２Ｖにすればよい事がわかる。
各波長可変光フィルタについて、厚さと印加電圧値から１μｍの厚さあたりに印加する電圧を計算すると、波長可変光フィルタ２０４１（ＦＳＲ＝２００ＧＨｚ）には０．３９Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ２０４２（ＦＳＲ＝３００ＧＨｚ）には０．４Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ２０４３（ＦＳＲ＝５００ＧＨｚ）には０．９Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ２０４４（ＦＳＲ＝７００ＧＨｚ）には０．９７Ｖ／μｍの電圧を印加すれば良い事が分かる。
これらの波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４を図２５に示すように光の進行方向に沿って配置することにより、本実施の形態に係る多段構成波長可変光フィルタを得た。なお、図１４において、参照符号２０４５と２０４６は微小レンズを表し、参照符号２０４７と２０４８はシングルモードファイバを表す。
また、図示の通り、４つの波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４は、それぞれ、互いに平行な配置から２度の角度で傾けられている。すなわち、各波長可変光フィルタの誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の結晶軸と直交する面と、前記光の進行方向と直交する面とが２度以上の角度で傾いている。また、各波長可変光フィルタの間の距離は２ｍｍである。ファイバを通じて導入した１．５５μｍの光を微小レンズによって２５０μｍ幅の光束にして、多段構成波長可変光フィルタに導入した。全体をペルチェ素子で−１３℃に保って特性を図ったところ、２０．０ＴＨｚのＦＳＲが得られた。
次に、波長可変光フィルタ２０４１、２０４２、２０４３、２０４４に電圧を印加して、透過帯域の中心波長のシフトを測定したところ、ＦＳＲ＝２０．０ＴＨｚ分のシフトが観測でき、フィルタとして機能している事が分かった。
これらの値は、十分小さく、正常に機能する範囲である事がわかる。従って、２００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ、３００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ、５００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタ、及び７００ＧＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタを含む４段構成波長可変光フィルタは、フィルタとして正常に機能し、高速動作することが確認された。
（第１４の実施の形態）
第１１から第１３の実施の形態においては、誘電体結晶部内の光の進行方向と平行な方向に電界が発生する波長可変光フィルタを複数個含む多段構成波長可変フィルタについて説明した。次いで、光の進行方向と直交する方向に電界が発生する波長可変光フィルタを複数個含む多段構成波長可変光フィルタについて説明する。
図２６は、本実施の形態に係る２段構成波長可変光フィルタの概略図である。多段構成波長可変光フィルタ２０５０は、波長可変光フィルタ２０５１、２０５２を有し、これらはペルチェ素子といった温度制御装置（図示せず）により温度制御される。波長可変光フィルタ２０５１、２０５２は、各々が有するＦＳＲと誘電体結晶部を形成する誘電体結晶の組成とを除いて、第６の実施の形態による波長可変フィルタ１１０（図１１）とほぼ同一の構成を有する。まず、図１１を参照しながら、本実施の形態に係る波長可変光フィルタを説明する。
図１１に示す通り、本実施の形態に係る２段構成波長可変光フィルタ２０５０は、ガラス基板１１６上に、誘電体多層膜ミラー１１５、誘電体結晶部１１７、絶縁層１１３、誘電体結晶部１１２、誘電体多層膜ミラー１１１をこの順に積層することにより作製されている。また、当該波長可変光フィルタは、誘電体結晶部１１７の対向する２つの側面に電極１１４を有し、誘電体結晶部１１２の対向する２つの側面に電極１１８を有する。
誘電体結晶部１１２、１１７を形成する誘電体結晶の組成は、Ｋ０．９６Ｌｉ０．０４Ｔ０．７７Ｎｂ０．２３Ｏ３とした。Ｌｉの組成比は、本実施例では０．０４であるが、０．００１の添加でも相転移を２次に変化させる効果がある。また、Ｌｉの組成比が０．０１までは立方晶を保っており、十分に実用可能である。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。上記組成の誘電体結晶を有する波長可変光フィルタの動作温度は−１５℃であり、−１５℃における材料の比誘電率は、それぞれ２５０００であった。
本実施の形態で用いたＫＬＴＮ結晶は、前述のように２次の電気光学効果を有しており、図１１の構造による電界の印加方向に対し、屈折率変化量は、既述の式（５）、（６）により表すことができる。
これらの式から明らかなように、電界の印加方向によって、屈折率変化が異なり、光の進行方向に対して直交する２方向に電界を印加した場合、トータルの屈折率変化量は、式（５）、（６）の加算となり、式（７）で表すことができる。光の進行方向に直交する２種類の偏光に対し、屈折率変化が等しくなり偏波無依存動作が可能となる。
２段構成波長可変光フィルタ２０５０が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの通信波長帯（Ｃ帯）で利用されることを想定し、波長可変光フィルタ２０５１、２０５２は、無電界で１５７０ｎｍの中心波長を透過するよう設計されている。また、４０ｎｍの可変帯域を実現するために、波長可変光フィルタ２０５１は６００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ２０５２は７００ＧＨｚのＦＳＲを有するよう設計されている。この場合、波長可変光フィルタ２０５１（ＦＳＲ６００ＧＨｚ）における誘電体結晶（ＫＬＴＮ）の厚さは、全体で約１１５μｍであり、よって、誘電体結晶部それぞれの厚さは約５７μｍである。また、波長可変光フィルタ２０５２（ＦＳＲ７００ＧＨｚ）における誘電体結晶（ＫＬＴＮ）の厚さは、全体で約９９μｍとなる。したがって、誘電体結晶部それぞれの厚さは約４９μｍである。
再び図１１を参照すると、波長可変光フィルタ２０５１、２０５２がそれぞれ有する絶縁層１１３は、ＴｅＯ２系ガラスから形成されている。ＴｅＯ２系ガラスを用いた理由は、屈折率がＫＬＴＮ結晶とほぼ等しく、組成を調整することによりＫＬＴＮと等しい屈折率が実現でき、よって、界面での光反射が抑制できるためである。この場合、ＴｅＯ２系ガラスの厚さはλ／２に調整されている。なお、絶縁層１１３として、ＴｅＯ２系ガラスを用いたが、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリマーなどＫＬＴＮよりも比誘電率の低い絶縁材料を用いても、フィルタを実現することができる。
誘電体結晶部１１２、１１７それぞれの側面の電極１１４、１１８は、金属を蒸着することにより、形成されている。図１１に示す通り、これらの電極１１４、１１８は、誘電体結晶部１２には紙面に垂直な方向に電界が生じるように、誘電体結晶部１１７には紙面に水平な方向に電界が生じるように配置されている。
誘電体多層膜ミラー１１１、１１５は、一般に用いられるＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５により形成されている。これらの誘電体多層膜ミラー１１１、１１５が誘電体結晶部１１２、１１７（及びその間の誘電体結晶部１１２）を挟むように配置されて、ファブリペローエタロンが構成されている。また、誘電体多層膜ミラー１１１、１１５は、１５７０ｎｍにおける反射率を９０％となるように設計されている。
以上の構成を有する波長可変光フィルタ２０５１、２０５２が、図２６に示す通り、光の進行方向Ｌに沿って並置され、多段構成波長可変光フィルタ２が得られる。また、同図中、参照符号２０５３と２０５４は微小レンズ、参照符号２０５５と２０５６はシングルモードファイバを表す。これらの微小レンズとシングルモードファイバによりコリメート光学系が形成され、この光学系内に当該多段構成波長可変光フィルタ２０５０が配置されている。
次いで、２段構成波長可変光フィルタ２０５０の光透過特性の測定結果について説明する。測定には図１３に示す測定系を用いた。すなわち、ＡＳＥ光源１３１からの光を当該光フィルタ２０５０が実装されたフィルタモジュール２００に入射し、出射光をスペクトラムアナライザ１３２で検出した。高速動作測定を行う際には、ファンクションジェネレータ１３３を用いて発生した電圧パターンをアンプ１３４を用いて増幅し、フィルタに印加し、光出力をフォトディテクタ１３５で検出し、オシロスコープ１３６で応答特性を観測した。
なお、フィルタモジュールは、２段構成波長可変光フィルタをコリメート光学系の中に実装し、電極からメタル配線を引き出して筐体に金線で接続することにより、作製された。
高速応答特性を測定するにあたっては、具体的には、パルスパターンジェネレータ１３３からの１ＧＨｚの周波数を有する矩形波電圧をアンプ１３４で増幅し、３０Ｖの電圧を２段構成波長可変光フィルタに印加した。光源としてはＡＳＥ光源１３１を用いた。当該光源からの波長１５７０ｎｍの出射光を２段構成波長可変光フィルタへ導入し、この波長可変光フィルタからの出射光を１５７０ｎｍのパンドパスフィルタを通した後、フォトディテクタ１３５で受光した。
その結果、本実施の形態による２段構成波長可変光フィルタの高速応答特性は、第１の実施の形態による波長可変光フィルタ（図７参照）と同等であることが分かった。すなわち、本実施の形態による２段構成波長可変光フィルタ２０５０の透過光は、印加電界に対して応答しており、４０ｎｍの波長可変が、１ＧＨｚ（可変時間：０．６ｎｓｅｃ）で実現されていることが明らかとなった。
このように、本実施の形態の２段構成波長可変光フィルタを用いれば、３０Ｖ程度の印加電圧で、４０ｎｍの波長可変を実現でき、かつ、パケットのアド・ドロップが可能な、高速性を実現できることが明らかとなった。
また、ＦＳＲが異なる波長可変光フィルタを複数個組み合わせたことにより、単独の波長可変光フィルタを使用する場合に比べて、個々の波長可変光フィルタに求められる波長可変幅がより少なくて済み、よって、結果的により低電圧での駆動が可能となる。
なお、第１４の実施の形態では、波長可変光フィルタが２個の場合について記述したが、ＦＳＲの異なる波長可変光フィルタが３個以上の場合も同様な効果が得られることは言うまでもない。
以上述べたように、第１１から１４の実施の形態によれば、ＦＳＲの異なる２つ以上の波長可変光フィルタを用いた多段構成波長可変光フィルタにより、結晶の単位厚さあたりに印加する電圧を低減でき、従って無理のない２次の電気光学効果を引き出す事が出来る。また、２次の電気光学効果を持つ結晶を用いるため、高速・広帯域波長可変光フィルタを実現する事が出来る。また、本発明の波長可変光フィルタは、広帯域を高速で可変する事が出来るため、パケットのアド・ドロップなどの高機能化が可能であると共に、光計測用の高速の波長スウィーパとしても使用可能である。また、図８に示す波長可変光フィルタ２６においては、多重反射が生じ得るが、第１１から１４の実施の形態による多段構成波長可変光フィルタでは、多重反射を防止することができる。
（第１５及び１６の実施の形態）
第１５及び１６の実施の形態を説明する前に、これらの実施の形態の基本原理について、前述した第１から１４の実施の形態の基本原理を踏まえて説明する。
デバイスの高速応答性を考慮する時には、そのデバイスの時定数を考慮しなければならない。ファブリペローエタロン型フィルタは、誘電体を電極で挟むことにより作製されるため、静電容量および抵抗を有する。静電容量Ｃは、
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ  ・・・（１６）
で与えられる。なお、式（１６）中、ｄは誘電体の厚さ、ε０は真空の誘電率、εｒは誘電体の比誘電率、Ｓは電極の面積である。
式（１６）より、静電容量Ｃを低減するためには、電極の面積Ｓの値を小さくし、ｄを大きく取ればよいことがわかる。
また、電極による電気抵抗Ｒは、
Ｒ＝ρｖｌ／ａ  ・・・（１７）
で与えられる。式（１７）中、ρｖは電極の体積抵抗率、ｌは電極の長さ、ａは電極の断面積（厚さ）である。
体積抵抗率ρｖは物質固有の値であり、当該実施の形態に係る波長可変光フィルタに用いる透明電極は、１０−２Ωｍオーダーの体積抵抗率を有するため、電極の抵抗が大きくなってしまう。このため、時定数ＲＣが大きくなり、高速応答を実現するためには不利である。これを克服するためには、透明電極の表面を金属薄膜でコーティングした構造、もしくは金属薄膜自体を電極とミラー両方の目的のために用いる方法が考えられる。
以上のように、エタロンの実効表面積を出来るだけ小さくし、また電極の抵抗値を下げる事によって、ｎｓオーダーの高速動作を実現する事が出来る。
次に、第１５及び１６の実施の形態のそれぞれについて説明する。以下の実施形態は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素または全要素を含んだ各種の実施の形態を採用する事が可能であるが、これらの実施の形態も本発明に含まれる。
（第１５の実施の形態）
図２７は、第１５の実施の形態による波長可変光フィルタの構成図である。また、図２８は、この波長可変光フィルタを光の進行方向から見た平面図である。波長可変光フィルタ３０１は、薄片化された誘電体結晶部３０１１の両側に金属薄膜電極３０１２、３０１３を配置することにより、構成される。この金属薄膜電極は同時にミラーの役割を有する。
波長可変光フィルタ３０１の誘電体結晶部３０１１は、ＫＬＴＮから形成される。ＫＬＴＮは、Ｌｉの濃度とＮｂの濃度を調整する事により、相転位温度は−１５℃に調整される。
具体的には、誘電体結晶部３０１１の組成はＫ０．９６Ｌｉ０．０４Ｔａ０．７７Ｎｂ０．２３Ｏ３あった。Ｌｉの組成比は、本実施の形態では、０．０４であるが、０．００１の添加でも相転位を２次に変化させる効果があり、０．１までは立方晶を保っており、使用が可能である。特に、０．０１〜０．０６の範囲では、結晶の品質が高く、２００００以上の比誘電率を実現できる。
また、動作温度は−１５℃であり、−１５℃付近における材料の比誘電率は２５０００である。
金属薄膜電極３０１２、３０１３は、光が通過する部分だけの必要最小限の面積を有するよう蒸着法により形成した。具体的には、電極３０１２、３０１３は、銀を蒸着することにより形成され、誘電体結晶部３０１１の３ｍｍ×３ｍｍのサイズに対し、半径１０μｍの円形部と３μｍ幅の電極取り出し部とを有する。また、誘電体結晶部３０１１の厚さは５０μｍであり、銀の薄膜の厚さは１０ｎｍである。
波長可変光フィルタ３０１は、その光透過特性の測定に際して、図２９のような光学系に実装された。この際、直径１０μｍ以下の光束を得るために、ファイバコリメータ付きシングルモードファイバ３０３２、３０３３を用いた。
また、実際に当該フィルタ３０１の静電容量と電気抵抗を測定したところ、それぞれ６０ｐＦと６Ωであった。これらの値から、時定数を求めると、３６０ｐｓｅｃとなる。
上記構成より、１．３ＴＨｚのＦＳＲを有する波長可変光フィルタを作製する事が出来た。このフィルタに対して、４０Ｖの高周波信号電圧を印加したところ、３８０ｐｓｅｃで動作する事が分かり、高速動作が確認された。
従って、本実施の形態に係る波長可変光フィルタ３０１よれば、３８ｎｓｅｃという高速動作を行うことが出来る事がわかった。
なお、本実施形態においては、金属薄膜電極３０１２、３０１３が光の通過する部分だけの必要最小限の面積を有するよう形成されたが、電極の抵抗を低減するための方策として、透明電極の表面を金属薄膜でコーティングした構造を採用した場合であっても、これらの透明電極及び金属薄膜を光の通過する部分だけの必要最小限の面積を有するよう形成すべきことは明らかである。
（第１６の実施の形態）
第１６の実施の形態においては、第１１の実施の形態との差異を説明する。
第１６の実施の形態では、第１５の実施の形態に係る波長可変光フィルタ３０１と同様な波長可変光フィルタ３０４１及び波長可変光フィルタ３０４２を用いる。これらは、ＦＳＲが異なる２つのファブリペローエタロン型の光フィルタである。具体的には、波長可変光フィルタ３０４１は６００ＧＨｚのＦＳＲを有し、波長可変光フィルタ３０４２は７００ＧＨｚのＦＳＲを有する。これら２つのエタロンを組み合わせる事によって、以下の通り、ＦＳＲ＝４．２ＴＨｚが実現される。
４．２ＴＨｚのＦＳＲを実現するためには、波長可変光フィルタ３０４１、３０４２のそれぞれにおいて、透過帯域の中心周波数をＦＳＲ分シフトする必要がある。透過帯域の中心周波数は式（１０）によって表される。この項の中のｎを電気光学効果を用いて変化させる事によって、中心周波数をシフトさせる。ＫＬＴＮにおいてはｇ１２＝−０．０３８ｍ４／Ｃ２、εｒ＝２５０００であり、また、ε０＝８．８５４×１０−１２であるので、これらの値を式（１０）、式（１４）、式（１５）に代入することにより、波長可変光フィルタ３０４１（ＦＳＲ６００ＧＨｚ）の場合は、ＫＬＴＮの厚さが１１５μｍであり、印加電圧を１１１Ｖにすればよく、波長可変光フィルタ３０４２（ＦＳＲ７００ＧＨｚ）の場合は、ＫＬＴＮの厚さが９９μｍであり、印加電圧を９６Ｖにすればよい事がわかる。厚さと印加電圧から１μｍの厚さあたりに印加する電圧を計算すると、波長可変光フィルタ３０４１には０．９６Ｖ／μｍ、波長可変光フィルタ３０４２には０．９７Ｖ／μｍの電圧を印加すれば良い事が分かる。静電容量と抵抗値の測定を行ったところ、波長可変光フィルタ３０４１ではＣ＝２５ｐＦ、Ｒ＝５０Ωであり、波長可変光フィルタ３０４２ではＣ＝３３ｐＦ、Ｒ＝５０Ωであった。
次に、これらの波長可変光フィルタ３０４１、３０４２を図３０に示すような実装することにより、２段構成波長可変光フィルタ２０２を構成した。図３０において、参照符号３０４３、３０４４はファイバコリメータ付きシングルモードファイバを表している。２つの波長可変光フィルタ３０４１、３０４２を、互いに平行な配置から２度の角度で傾け、各波長可変光フィルタの間の距離が２ｍｍとなるよう配置した。ファイバコリメータを通じて導入した１．５５μｍの光を直径１０μｍ以下の光束にして、多段構成波長可変光フィルタ２０２に導入した。全体をペルチェ素子で−１３℃に保って特性を測定したところ、４．１ＴＨｚのＦＳＲが得られた。次に、波長可変光フィルタ３０４１、３０４２に電圧を印加して、透過帯域の中心波長のシフトを測定したところ、ＦＳＲ＝４．１ＴＨｚ分のシフトが観測でき、フィルタとして機能している事が分かった。
更に、これらに対して、高速動作を確認するための実験を行ったところ、ＦＳＲ４．１ＴＨｚの２段構成波長可変光フィルタを作製する事が出来た。また、波長可変光フィルタ３０４１に対して３０Ｖの高周波信号電圧を印加し、波長可変光フィルタ３０４２に対して２５Ｖの高周波信号電圧を印加したところ、１００ｐｓｅｃで動作する事が分かり、高速動作が確認された。
従って、本実施の形態によれば、１００ｐｓｅｃという高速動作を行うことが出来る事がわかった。
以上述べたように、第１５及び１６の実施の形態によれば、光が通過する部分だけに電極を形成することで、電極の面積を小さくして、それにより静電容量を低減し、更に電極には体積抵抗率の低い銀を用いる事によって、１００ｐｓｅｃオーダーの高速動作を実現する事ができる。従って、第１５及び１６の実施の形態の波長可変光フィルタは、広帯域を高速で可変する事が出来るため、パケットのアド・ドロップなどの高機能化が可能であると共に、光計測用の高速の波長スウィーパとしても使用可能である。なお、透明電極でも同様の実装が可能である。
以上の多くの実施の形態を参照しながら、本発明に係る波長可変光フィルタを説明した。これらの実施の形態においては、例示したものに限定されず、いずれの実施の形態においても「Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３の組成を有する結晶材料」、「ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫの全て、もしくはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫおよびＬｉの全てをＢａ、Ｓｒ、Ｃａのうちの少なくとも一つの元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉで置き換えた組成を有する結晶材料」、「ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫの全て、もしくはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３におけるＫおよびＬｉの全てをＰｂとＬａのうちの少なくとも一方の元素で置き換え、且つＴａおよびＮｂの全てをＴｉとＺｒのうちの少なくとも一方の元素で置き換えた組成を有する結晶材料」を用いることができる。
また、上記の化学式中の組成比ｘは、０．１≦ｘ≦０  ５の範囲内で任意に調整可能であり、組成比ｙは、０＜ｙ＜０．１の範囲内で任意に調整可能である。
【産業上の利用可能性】  本発明は、光通信、光計測等に使用する波長可変光フィルタに関し、低電圧で高速動作が可能であり、且つ広い波長帯域にわたって波長を変化させることができる波長可変光フィルタを提供することが可能である。
【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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【図３０】
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【国際調査報告】
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