(57)【要約】【課題】波長イコライザーに適した低価格の空間光変調器を提供する。【解決手段】入力した複数の波長成分の光Ｌ４のそれぞれに対して強度を変調して出力する空間光変調器２０であって、基板２２上に、共通電極を兼ねる金属ミラー２４と、薄膜状のカー効果材料の層２５と、透明電極４０と、誘電体ミラー５０とがこの順に積層されてなり、前記透明電極４０は、前記多数の波長成分の光のそれぞれに個別に対応する複数の所定形状のセル電極４１が所定のピッチＰｃで一次元上に配置されてなり、前記金属ミラーの反射率をＲ１、前記誘電体ミラーの反射率をＲ２として、２％≦｜Ｒ１−Ｒ２｜≦６４％である空間光変調器としている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力した複数の波長成分の光のそれぞれに対して強度を変調して出力する空間光変調器であって、
基板上に、共通電極を兼ねる金属ミラーと、薄膜状のカー効果材料の層と、透明電極と、誘電体ミラーとがこの順に積層されてなり、
前記透明電極は、前記多数の波長成分の光のそれぞれに個別に対応する複数の所定形状のセル電極が所定のピッチで一次元上に配置されてなり、
前記金属ミラーの反射率をＲ１、前記誘電体ミラーの反射率をＲ２として、
２％≦｜Ｒ１−Ｒ２｜≦６４％
であることを特徴とする空間光変調器。
【請求項２】
請求項１において、前記誘電体ミラーは、屈折率の異なる二つの透明誘電体を積層してなる一組のブラッグミラーを一組以上積層してなるダイクロイックミラーであることを特徴とする空間光変調器。
【請求項３】
請求項２において、前記ダイクロイックミラーは、一組の前記ブラッグミラーから構成されていることを特徴とする空間光変調器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記金属ミラーを構成する金属は、前記カー効果材料を焼結させるための焼成温度によって変性しないことを特徴とする空間光変調器。
【請求項５】
請求項４において、前記金属ミラーは、白金あるいはロジウムから構成され、前記カー効果材料はＰＬＺＴであることを特徴とする空間光変調器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の前記空間光変調器を含んで構成される波長イコライザーであって、
光波長多重通信網から分岐された光ファイバーからの出射光を平行光として透過させるコリメーターレンズと、
前記コリメーターレンズからの前記平行光を入射して、前記光波長多重通信に用いられている複数の波長成分の光ごとに所定の角度で出射する回折格子と、
当該回折格子からの所定の角度で出射された各波長成分の光を光軸に平行な複数の光束として前記空間光変調器に入射させる像側テレセントリックレンズと、
前記空間光変調器の前記共通電極と前記複数のセル電極のそれぞれとの間に、電界を個別に可変させて印加するための駆動回路と、
前記回折格子は、前記像側テレセントリックレンズの前側焦点の位置に配置され、
前記空間変調器は、前記像側テレセントリックレンズの後側焦点の位置に配置され、前記誘電体ミラー側を光の入射面として、前記像側テレセントリックレンズ側からの前記光束の径が最も狭くなるビームウエスト部にて光が入射されるとともに、前記複数のセル電極が、前記複数の光束のそれぞれに個別に対応するように一次元配列され、
前記共通電極と前記複数のセル電極のそれぞれとの間の電界が前記駆動回路によって個別に可変制御されて印加されて、前記空間光変調器が前記複数の光束のそれぞれに対応する各波長成分の光を個別に強度変調した上で反射することで、当該反射光が、前記光ファイバーから当該空間光変調器に至るまでの光路を逆に辿って前記光ファイバーに再結合して前記光波長多重通信網に戻される、
ことを特徴とする波長イコライザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は空間光変調器および空間光変調器を用いた波長イコライザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーを用いた光通信は、大容量のデータ伝送を可能とした。そして、近年、既存の光ファイバーケーブル網を利用しつつ、伝送容量を飛躍的に増大させることができる光波長多重通信が急速に普及してきている。周知のごとく、光波長多重通信は、複数の異なる波長の光信号を一本の光ファイバーで伝送することによって高速かつ大容量のデータ伝送が可能となっている。
【０００３】
ところで、光波長多重通信を含め、光ファイバーを用いた光通信ではデータ伝送媒体となる光がその伝搬中に減衰する。そのため、一定の間隔で光を増幅させてやる必要がある。そして、光の増幅を行う装置が光アンプである。光アンプとしては、エルビウムドープファイバー（ＥＤＦ）を用いた自己増幅型の光アンプ（ＥＤＦＡ）がよく知られている。しかし、ＥＤＦはそれ自体の励起準位寿命が長いため、ランダムバースト信号の発生、あるいは光伝送路の各ノードにおける信号の分岐（ドロップ）や合流（アド）に伴う光伝送システムの自動再構築などによって利得が変動する、という問題がある。とくに、光波長多重通信では、分割された各波長の光信号にとって他の波長の光信号が雑音として作用することになるめ、分割された波長ごとに変動する利得を平準化する必要がある。そして、その利得を自動的に平準化する装置が可変光利得等化器（波長イコライザー）である。
【０００４】
波長イコライザーは、基本的に、分波器、空間光変調器、合波器から構成される。分波器と合波器は、光多重信号を各波長の個別の光として取り出したり、個別の光を多重化したりするための光部品であり、回折格子（グレーティング）や、アレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）などがある。そして、分波器によって分割された波長ごとの光信号について、利得を平準化するための光部品が空間光変調器（ＳＬＭ）である。ＳＬＭとしては、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）で構成されたミラー（ＭＥＭＳミラー）を用いたもの、液晶やカー効果を発現する物質（カー効果材料）における電気光学効果を利用したもの、マッハツェンダ型などがある。なお、波長イコライザーやＳＬＭに関する技術については、以下の特許文献１や２に記載されている。そして、以下の非特許文献１には、光波長多重通信に関する概論が記載されている。また、本発明に関連する技術として、以下の非特許文献２や３には、自動利得制御型のＥＤＦＡについて記載されており、非特許文献４には、電気光学的効果を用いたＳＬＭの構成部品としてよく使われる誘電体ミラーの技術について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２９９９３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９３０２２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】早稲田大学リポジトリ、”超高密度波長多重伝送方式を用いた高性能光ネットワーク”、[online]、[平成２３年１２月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://dspace.wul.waseda.ac.jp/dspace/bitstream/2065/28766/3/Honbun-4720.pdf＞
【非特許文献２】三菱電線工業株式会社、”研究開発論文集「三菱電線工業時報」WDM対応低雑音光AGC EDFA の開発”、[online]、[平成２３年１２月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mitsubishi-cable.co.jp/jihou/pdf/98/05.pdf＞
【非特許文献３】株式会社フジクラ、”フジクラ技報  No.116  高速自動利得制御光増幅器”、[online]、[平成２３年１２月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fujikura.co.jp/rd/gihou/backnumber/pages/__icsFiles/afieldfile/2009/10/14/116_R01_low.pdf＞
【非特許文献４】メレスグリオ株式会社、”コーティングの特性”、[online]、[平成２３年１２月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://http://www.cvimgkk.com/products/pdf/01-guide/cvimgkk-guide5_all.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
波長イコライザーに利用される光部品において、まず、分波・合波器には、回折格子やＡＷＧがある。回折格子は比較的安価で効率よくパワーを利用できる。一方、ＡＷＧは、周知の平面光回路（ＰＬＣ）で構成されており、回折格子と比較すると小型化が容易である。しかし、カプリング損失が大きい、という欠点も有する。なお、この欠点は、ＡＷＧに限らず、ＰＬＣからなる光部品全般に言えることでもある。また、ＰＬＣからなる光部品では、偏波依存性（ＰＤＬ）が存在し、偏光を扱う場合では、消光比が低い、といった問題もある。さらに、ＰＬＣからなる分波・合波器では、光を波長成分毎に分岐させる際、二つの光路にしか分岐できない。すなわち、３以上の出力ポートを備えさせるためには、複数の分波・合波器を並列に配置させる必要がある。
【０００８】
ＳＬＭとしては、特にマッハツェンダ型変調器等がよく使われるが、マッハツェンダ型変調器はＰＬＣで構成されており、上述したように、ＰＤＬなどの各種問題がある。例えば、このＰＤＬについては、基板の方位を制御が必要となり、設置の自由度を低下させる要因となる。また、ＰＬＣは、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）からなる基板を用いて作製されることが多く、ＬＮ基板を用いたＰＬＣでは、そのＰＬＣを構成する各種光素子を駆動するための電圧が高くなる。
【０００９】
ＭＥＭＳミラーはヒンジ、すなわち可動部があるため耐久性などの信頼性に関わる問題がある。また、応答速度も低い。なお、電気光学素子の一つである液晶も同様に応答速度が低い。このように、波長イコライザーに使用される各種光部品については、利点も欠点もあり、用途に応じて使い分けることが必要となる。
【００１０】
ところで、本発明は、ＥＤＦＡによる利得変動を平準化する波長イコライザーに適用するＳＬＭである。波長イコライザーは、光伝送路上の各所に設置されるＥＤＦＡに対応して設けられることになるため、本発明に係るＳＬＭには、まず、低価格であることが求められる。そして、波長イコライザーによる利得制御範囲は、利得変動を平準化する、という用途においては３〜６ｄＢもあれば十分であるため、闇雲に高い性能を求める必要がない。もちろん、低価格で利得制御範囲が狭くても、利得変動を平準化するまでに長時間を要したり、信頼性が劣っていたり、消費電力が高かったりしては、実用上問題がある。また、波長分割多重では、使用する波長の数が増減する可能性もあることから、ポート数を柔軟に変更できる構成であることも必要となる。
【００１１】
そこで本発明は、波長イコライザーに適した低価格の空間光変調器を提供することを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、入力した複数の波長成分の光のそれぞれに対して強度を変調して出力する空間光変調器であって、
基板上に、共通電極を兼ねる金属ミラーと、薄膜状のカー効果材料の層と、透明電極と、誘電体ミラーとがこの順に積層されてなり、
前記透明電極は、前記多数の波長成分の光のそれぞれに個別に対応する複数の所定形状のセル電極が所定のピッチで一次元上に配置されてなり、
前記金属ミラーの反射率をＲ１、前記誘電体ミラーの反射率をＲ２として、
２％≦｜Ｒ１−Ｒ２｜≦６４％
であることを特徴とする空間光変調器としている。
【００１３】
また、前記誘電体ミラーは、屈折率の異なる二つの透明誘電体を積層してなる一組のブラッグミラーを一組以上積層してなるダイクロイックミラーであってもよい。より好ましくは、前記ダイクロイックミラーを一組の前記ブラッグミラーから構成することである。
【００１４】
前記金属ミラーを構成する金属が前記カー効果材料を焼結させるための焼成温度によって変性しないことを特徴とする空間光変調器としてもよい。この場合、前記金属ミラーを白金あるいはロジウムで構成し、前記カー効果材料をＰＬＺＴとすることができる。
【００１５】
上記いずれかに記載の空間光変調器を含んで構成される波長イコライザーも本発明の範囲であり、当該光イコライザーは、
光波長多重通信網から分岐された光ファイバーからの出射光を平行光として透過させるコリメーターレンズと、
前記コリメーターレンズからの前記平行光を入射して、前記光波長多重通信に用いられている複数の波長成分の光ごとに所定の角度で出射する回折格子と、
当該回折格子からの所定の角度で出射された各波長成分の光を光軸に平行な複数の光束として前記空間光変調器に入射させる像側テレセントリックレンズと、
前記空間光変調器の前記共通電極と前記複数のセル電極のそれぞれとの間に、電界を個別に可変させて印加するための駆動回路と、
前記回折格子は、前記像側テレセントリックレンズの前側焦点の位置に配置され、
前記空間変調器は、前記像側テレセントリックレンズの後側焦点の位置に配置され、前記誘電体ミラー側を光の入射面として、前記像側テレセントリックレンズ側からの前記光束の径が最も狭くなるビームウエスト部にて光が入射されるとともに、前記複数のセル電極が、前記複数の光束のそれぞれに個別に対応するように一次元配列され、
前記共通電極と前記複数のセル電極のそれぞれとの間の電界が前記駆動回路によって個別に可変制御されて印加されて、前記空間光変調器が前記複数の光束のそれぞれに対応する各波長成分の光を個別に強度変調した上で反射することで、当該反射光が、前記光ファイバーから当該空間光変調器に至るまでの光路を逆に辿って前記光ファイバーに再結合して前記光波長多重通信網に戻される、
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の空間光変調器によれば、製造コストを低減させることが可能となり、当該空間光変調器を用いた本発明に係る波長イコライザーによれば、ＥＤＦＡによる利得変動を平準化するのに必要十分な特性を備えつつ、構成が簡素となり低価格で提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】エタロンの構成と動作を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る空間光変調器を備えた波長イコライザーの構成を示す図である。
【図３】上記実施例に係る空間光変調器の構造を示す図である。
【図４】上記実施例に係る空間光変調器の動作原理を示す図である。
【図５】上記実施例に係る空間光変調器の動作特性を示す図である。
【図６】上記実施例に係る空間光変調器を構成するダイクロイックミラーの反射率と当該空間光変調器の変調範囲との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＝＝＝本発明に想到するまでの過程＝＝＝
本発明者は、上記目的を達成するために、まず、そのＳＬＭによる光変調方式について検討した。上述したように、ＭＥＭＳミラーを用いたＳＬＭやマッハツェンダ型のＳＬＭ、あるいは電気光学素子の一つである液晶表示素子を用いたＳＬＭには、それぞれ、信頼性やＰＤＬ、あるいは低い応答速度といった問題がある。そこで、信頼性やＰＤＬに関する問題が無い電気光学素子の一つであり、応答速度も速いカー効果材料を用いた素子（カー効果素子）をＳＬＭの基本構成として採用した。
【００１９】
また、ＳＬＭの変調範囲（ダイナミックレンジ：ＤＲ）は、例えば、アド／ドロップにより、チャンネル数を増倍、あるいは半減させた場合の３ｄＢ程度の変調範囲から、スイッチング目的の４０ｄＢ以上までが考えられるが、ＥＤＦＡによる利得変動を平準化することを主目的とすれば、スペクトル波形の先鋭度を高めるための変調範囲までを見込んでも３〜６ｄＢ程度の変調範囲とすることが現実的である。したがって、本発明に係るＳＬＭもこの程度の変調範囲を目標とし、さらには、製造の容易性や製造コスト、および信頼性などを考慮しながら、より具体的なＳＬＭの構成について検討した。
【００２０】
一般的に、カー効果素子を用いたＳＬＭは、実質的に、薄膜状のカー効果材料を対面する１対のミラーで挟持した構造のエタロンである。図１に、エタロンＥの構成や特性を説明するための図を示した。図１（Ａ）は、一般的なエタロンＥの構成と動作を示しており、（Ｂ）は、当該エタロンＥの特性を示している。（Ａ）に示したように、ここに示したエタロンＥは、厚さｔで所定の屈折率を有する物質をソリッドＳとし、そのソリッドＳが対向する１対のミラー間（Ｍ−Ｍ）で挟持された構成となっている。このエタロンＥに入射した光Ｌｉｎは、ミラーＭで反射を繰り返しながら共振し、透過光Ｌｏｕｔとして出射する。このとき、ミラーＭは、光の波長をλとして、ソリッドの厚さｔがλ／４の整数倍となるときに選択的に反射する。したがって、（Ｂ）に示したように、エタロンＥから出射する光Ｌｏｕｔの透過強強度は、λ／４の整数倍の波長にて極大値となる。また。ミラーＭの反射率に応じてその透過光強度の波長依存特性曲線の先鋭度が変化していく。
【００２１】
そして、カー効果素子を用いたＳＬＭでは、ミラーＭの内面側に透明電極を形成したり、あるいはミラーＭ自体を金属で形成して、ミラーＭを電極と兼用させたりした構成となっている。しかし、対向する電極間に印加する電界に応じて物質の屈折率が変化するカー効果は、電界密度の二乗に反比例するので、エタロンＥのソリッドＳに相当するカー効果材料を極めて薄い薄膜状にする必要がある。
【００２２】
しかし、この薄膜状のソリッドＳを用いてエタロンＥを構成すると、製造方法が限定されてしまう、という問題が発生する。具体的には、ソリッドＳの両面にミラーＭと電極を配置した構成のＳＬＭを製造する場合、厚いバルク状のソリッドＳを薄膜状となるまで切削し、その切削した極めて薄いソリッドＳにミラーＭや電極を形成する、という手順がまず考えられるが、この製造方法では、切削加工によって均一な厚さの薄膜状のソリッドＳを形成することが困難であり、また、その薄膜の上に電極やミラーＭを形成する工程も複雑となり、結果的に製造コストが嵩む。したがって、ＳＬＭの製造方法としては、基板上に予めミラーＭや電極を成膜し、その上にカー効果材料を液相成長法などによって育成させたのち、焼成によって結晶化する（焼結させる）のが現実的である。したがって、本発明の実施例に係るＳＬＭもこの手順によって製造可能な構成を採用することとなる。
【００２３】
ところで、ＳＬＭの製造過程に基板上にカー効果材料を堆積させて焼成する、という工程が含まれる場合、カー効果材料の焼結温度と他の部材の耐熱特性を考慮する必要がある。例えば、カー効果材料としての組成よく知られているＰＬＺＴ（組成式（Ｐｂｘ，Ｌａ１−ｘ）（Ｚｒｙ，Ｔｉ１−ｙ））では、約８００℃での焼成が必要である。そのため、カー効果材料を挟持するミラーや電極には、この高い焼成温度によって変質したり、特性が劣化したりしない素材を採用することになる。ミラーには誘電体ミラーと金属ミラーがあり、誘電体ミラーの構成材料としてよく使用されるＴａ２Ｏ５は、周知のごとく、高温焼成時に粒子の凝集（グレインのスペックル化）が起こり、ミラーの反射特性が劣化する。一方、金属ミラーを採用すれば、カー効果材料の焼成温度によって劣化することはないが、金属には、光の吸収損失がある。そして、金属ミラー用いたエタロンをファブリペロー共振させる場合、光が鏡面で反射する度に光が吸収されるため、損失が積算される。
【００２４】
そこで、本発明者は、エタロンと同様に、薄膜状のカー効果材料を電極とミラーで挟持した構造のＳＬＭの製造過程において、カー効果材料を金属ミラー上で焼結させてしまえば、その後は、誘電体ミラーの耐熱特性を厳密に考慮することがない、という発想に至った。そして、ソリッドを挟持する一方のミラーを吸収損失があるが耐熱特性に優れた金属ミラーとし、他方のミラーを光学的な特性に優れた誘電体ミラーとする構成を採用することとした。さらに、その後の研究開発過程で、単純にこの構成を採用しただけでは、ＳＬＭにおいて必要とされる変調範囲が得られなかったり、その変調に際して制御が難しくなったりすることが知見されたことから、金属ミラーと誘電体ミラーの双方おける特定の特性とＳＬＭとしての変調特性との関係について鋭意研究を重ね、本発明に想到した。
【００２５】
＝＝＝波長イコライザーの構成と動作＝＝＝
波長イコライザーを構成する各種光学部品において、ＳＬＭ単体では製造コストや信頼性などの実用的な性能を満たしていたとしても、その他の構成部品に実用上の問題があれば、波長イコライザーは実用に耐えるものとはならない。ＳＬＭのみが実用的であっても、そのＳＬＭを含んで波長イコライザーを構成した場合に、その波長イコライザーが実用的でなければ、本末転倒となる。そこで、以下では、より実用的な波長イコライザーの構成について説明し、その上で、本発明に係るＳＬＭに求められる特性などについて説明する。
【００２６】
波長イコライザーを構成する主要な光学部品としては、ＳＬＭの他に、分波器と合波器（分波・合波器）がある。実用的な波長イコライザーを構成するためには、分波・合波器は、ＰＤＬの問題がなく、より簡素な構成であることが条件となる。そして、この条件を満たす分波・合波器としては回折格子が最適である。したがって、本発明の実施例に係るＳＬＭも、分波・合波器に回折格子を用いた波長イコライザーに適用されるものとしている。また、ＳＬＭを反射型とし、波長イコライザーの部品点数を削減することが望ましい。すなわち、波長イコライザーを、伝送路中を伝搬する光を回折格子に導いて、複数の波長成分の光に分波し、ＳＬＭが各波長の光の利得を調整し、その調整後の光を同じ回折格子によって合波して伝送路に戻す、という構成にする。
【００２７】
図２に本発明の実施例に係る反射型ＳＬＭを含んで構成される波長イコライザーの概略構成を示した。この図２に示したように、光波長多重通信網を構成する伝送路１を伝搬する光線は、光サーキュレーターＣによって分岐され、その分岐先の光ファイバーＦＢの末端から出射し、波長イコライザー１０へ案内される。ここではＣバンドの帯域（１５２８ｎｍ〜１５６４ｎｍ）に波長が異なる多数の光信号が多重されているものとする。
【００２８】
波長イコライザー１０は、コリメートレンズ１１、回折格子１２、テレセントリックレンズ１５、ＳＬＭ２０、およびＳＬＭ２０を駆動するための駆動回路１６から構成されており、光サーキュレーター２を経て光ファイバー３より出射した光Ｌ１は、コリメートレンズ１１により平行光Ｌ２に変換され、その平行光Ｌ２が回折格子１２に入射する。回折格子１２は、入射光Ｌ２に対して直交する方向（図中、紙面奥行き方向）に延長する溝１３が平行に配列された構造を有するとともに、その光の入射面１４が入射光Ｌ２に対して所定の角度で傾いている。そして、回折格子１２は、入射光Ｌ２に含まれる各波長成分の光Ｌ３を、溝１３の延長方向に対して直交する方向に波長に応じた角度で屈折させて出射する。すなわち、入射光Ｌ２が、各波長成分の光ごとに所定の角度方向に出射する。このとき、より長い波長の光がより大きな角度で屈折する。図中では、より長い波長の光の方が紙面上方に向かって屈折する。
【００２９】
なお、回折格子１２の溝周期Ｐｇ、コリメートレンズ１１の焦点距離ｆｃやコリメート径φｃは、回折格子１２に入射する光Ｌ２所定の光通信規格方式に基づく波長間隔（分解能）で分光するように設定されている。ここでは、４５チャンネル分の光信号を分波することとし、１００ＧＨｚでの通信方式に準拠した０．８ｎｍの分解能で入射光を分光している。そして、その分解能を得るために、回折格子１２の溝周期Ｐｇ＝１μｍ、コリメートレンズの焦点距離ｆｃ＝９．８ｍｍ、コリメート径φｃ＝１．９ｍｍとした。また、光サーキュレーター２に接続されている光ファーバー３にはコア径１０μｍのシングルモードファイバーを使用した。
【００３０】
回折格子１２にて０．８ｎｍピッチで分光された各波長成分の光Ｌ３は、約０．０７゜の角度δごとに回折格子１２から出射し、像側テレセントリックレンズ（以下、テレセントリックレンズ）１５に入射する。ここでは、焦点距離ｆｔ＝９．８ｍｍのテレセントリックレンズ１５を用い、当該レンズ１５の前側焦点位置ｆｆに回折格子１２を配置し、後側焦点位置ｆｂにＳＬＭ２０を配置している。ここで、回折格子１２から出射した光Ｌ３が波長に応じて屈折する方向を分光方向とすると、回折格子１２から出射した各波長成分の光Ｌ３は、テレセントリックレンズ１５を透過すると、当該レンズ１５の光軸１７に平行で分光方向に並ぶ多数の光束Ｌ４に変換され、この各波長のそれぞれに対応する多数の光速Ｌ４がＳＬＭ２０に入射する。なお、ＳＬＭ２０における光の入射面２１は、テレセントリックレンズ１５から出射した各光束Ｌ４の径φｗが最も狭くなるビームウエスト部の位置に一致させている。
【００３１】
そして、ＳＬＭ２０は、駆動回路１６からの電気信号によって電気光学特性が制御され、入射した各波長成分の光の利得を個別に調整し、その調整後の光をテレセントリックレンズ１５方向に出射する。そして、ＳＬＭ２０からの出射光は、入射光と逆の光路（Ｌ）４→Ｌ３→Ｌ２→Ｌ１）を辿り、最終的に光サーキュレーター２を介して伝送路１に戻される。もちろん、伝送路１には、当該伝送路１の途上に配置されているＥＤＦＡによる光増幅後、波長イコライザー１０によって平準化された後、あるいはその両方における光信号の分光強度特性を検出する構成と、その検出された分光強度特性に基づいて駆動回路１６を制御してＳＬＭ２０を適正に光強度変調させるための構成が含まれている。
【００３２】
＝＝＝ＳＬＭの構成、製造方法、および動作＝＝＝
本発明の実施例に係るＳＬＭ２０は、ＥＤＦＡによる利得変動を平準化する用途に特化して変調範囲を３〜６ｄＢ程度に限定している反面、製造容易性や信頼性に優れるとともに、図２に示した構成の安価な構成の波長イコライザー１０用に最適化された構成を備えている。
【００３３】
＜ＳＬＭの構成と製造方法＞
図３に本実施例に係るＳＬＭ２０の構成を示した。ここで、図２におけるテレセントリックレンズ１５から光軸１７に沿ってＳＬＭ２０に向かう方向をｚ方向とし、分光方向を短波長側から長波長側に向かう方向ｙ方向、紙面手前から奥行に向かう方向をｘ方向として規定すると、図３（Ａ）は、ＳＬＭ２０をｙｚ面で切断したときの断面をｘ軸方向ら見たときの図であり、（Ｂ）は（Ａ）における円１００内を拡大した図である。本実施例に係るＳＬＭ２０は、カー定数が大きな物質を薄膜状にしたカー効果材料からなる層２５と、当該カー効果材料層２５の厚さ方向に電界を印加するための対向電極（２４，４０）とを備えた周知のカー効果素子３０をミラー（２４、５０）で挟持した構成となっている。そして、カー効果素子３０を構成するカー効果材料層２５は、バルクから切削するのではなく、基板２２上で所望の厚さとなるまで育成させた後、これを焼成して薄膜状に形成されている。
【００３４】
上述したように、カー効果材料を焼結させるためには、高い焼成温度が必要であることから、本実施例のＳＬＭ２０では、基板２２上に、まず、耐熱特性に優れた金属ミラー２４を形成し、その金属ミラー２４をカー効果素子３０における対向電極（２４，４０）の一方の電極２４と兼用させている。また、金属ミラー２４と対面する他方のミラー５０については、焼成後のカー効果材料層２４の上に積層することになり、低損失の誘電体ミラー５０を採用することができる。また、電極としての金属ミラー２４と対向する電極４０についても金属ほどの耐熱性は必要ない。以下に、本実施例のＳＬＭ２０の構成を製造方法とともにより詳しく説明する。
【００３５】
本実施例のＳＬＭ２０では、カー効果材料としてＰＬＺＴを用い、そのＰＬＺＴに電界を印可するための対向電極の一方の電極を兼ねた白金（Ｐｔ）からなる厚さｔ２が２００μｍの金属ミラー（以下、Ｐｔミラー）２４が基板２２上に形成されている。本実施例では、ＰＬＺＴと線膨張係数などが近似するＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）基板２２を用い、加熱したときにＰｔミラー２４がＳＴＯ基板２２から剥離しないようにしている。また、この例では、酸化物であるＳＴＯ基板２２と化学的に安定なＰｔミラー２４との接着性を向上させるために、ＳＴＯ基板２２とＰｔミラー２４との間に厚さｔ１＝２０μのチタン（Ｔｉ）の層２３を介在させている。すなわち、ＴｉとＰｔとの間で金属結合させ、ＴｉとＳＴＯとを酸化結合させている。そして、Ｔｉ層２３とＰｔミラー２４は、ＳＴＯ基板２２を３５０℃に加熱した状態で連続してスパッタリングすることで形成している。さらに、Ｔｉ層２３とＰｔミラー２４とが形成されたＳＴＯ基板２２を５００℃でアニールし、ＳＴＯ基板２２、Ｔｉ層２３、およびＰｔミラー２４の相互の密着性を向上させている。
【００３６】
Ｐｔミラー２４の上には、ＰＬＺＴからなる厚さｔ３＝１μｍの薄膜状のカー効果材料（以下、ＰＬＺＴ層）２５が積層されている。ＰＬＺＴの組成は、上記組成式におけるｘ、ｙ、１−ｙが、ｘ／ｙ／（１−ｙ）＝９／６５／３５であり、この組成のＰＬＺＴをゾルゲル法によりＰｔミラー２４上に結晶成長させ、その上で７５０℃の酸素雰囲気中で焼成することでセラミックスからなるＰＬＺＴ層２５を形成している。そして、電極としてのＰｔミラー２４の対向電極となる透明電極４０がＰＬＺＴ層２５上に形成されている。
【００３７】
透明電極４０は、回折格子１２にて分波された４５チャンネル分の各波長の光Ｌ３のそれぞれに対応するように４５個以上の矩形状のセル電極４１からなり、各セル電極４１は、ｙ方向の幅Ｗｃとｘ方向の奥行きがともに１０μｍの矩形状で、ｙ方向に１２μｍのピッチＰｃで一次元配列されている。そして、このピッチＰｃは、図２に示した波長イコライザー１０において、テレセントリックレンズ１５から出射する各波長に対応する光束Ｌ４のｙ方向のピッチと同等であり、ＳＬＭ２０は、各光束Ｌ４が個別のセル電極４１に入射されるように配置されることになる。
【００３８】
なお、透明電極４０は、光通信で用いられる赤外線領域の光に対して優れた透過特性を有することが必要であることから、その材料に一般的なＩＴＯではなく、ＩｎＴｉＯを採用している。そして、多数のセル電極４１は、Ｔｉ層２３、Ｐｔミラー２４、およびＰＬＺＴ層２５が積層されている状態のＳＴＯ基板２２を酸素濃度１％の雰囲気で３５０℃に加熱した状態でスパッタリングによって形成したのち、そのＩｎＴｉＯ膜をドライエッチングによってパターニングすることで形成した。なお、ＩｎＴｉＯ膜の膜厚ｔ４は、１７０μｍであり、光透過率と表面抵抗値は、それぞれ、９２％、２．０３×１０−４Ω／ｃｍ２であった。また、各セル電極４１には、外部の駆動回路１６からの信号入力経路となる配線がパターニングにより形成されている。
【００３９】
多数のセル電極４１からなる透明電極４０の上には、誘電体薄膜からなるダイクロイックミラー５０が形成されている。この例では、図３（Ｂ）に示したように、ＳｉＯ２の層５１とＴａ２Ｏ５の層５２を波長λ＝１５５０ｎｍに対してλ／４になるように連続蒸着してなるブラッグミラー５３を１層以上積層してダイクロイックミラー５０を形成している。一層のブラッグミラー５３においては、ＳｉＯ２層がＰＬＺＴ層２５側に配置されている。
【００４０】
このように、本実施例に係るＳＬＭ２０では、焼成温度が高いＰＬＺＴの層２５を耐熱性能に優れるＰｔミラー２４上に結晶成長させた上で焼成することで形成している。それによって、エタロンにおけるソリッド部分であるＰＬＺＴ層２５を容易に薄膜状に形成することができ、製造コストに優れた構成となっている。また、ＰＬＺＴ層２５を形成した後に誘電体ミラーであるダイクロイックミラー５０を形成しているため、製造過程において誘電体ミラーの特性が変質するほどの高温に晒されることがなく、各種光学特性の劣化を防止できるようになっている。透明電極４０についても、高温下での粒子の拡散に伴う透明性の消失や高抵抗化を防止することができる。また、本実施例のＳＬＭでは、金属ミラー２４に耐酸化特性に優れているＰｔを採用しているが、これは、Ｐｔが安定した金属で、特に、透明電極４０を酸素雰囲気内で形成することから、優れた耐酸化性能が必要であるからである。もちろん、金属ミラー２４にＰｔを用いることは、長期に亘ってＳＬＭ２０の特性を維持させるためにも効果的である。
【００４１】
＜ＳＬＭの動作原理＞
本実施例のＳＬＭ２０では、エタロンと同等の構成を備え、基本的には、当該エタロンにおけるファブリペロー共振によって入射した各波長成分の光を変調して出力している。そして、Ｐｔミラー２４を共通電極として、駆動回路１６により、その共通電極と特定のセル電極４１間に電界が印加されると、ＰＬＺＴ層２５において、これらの電極間（２４−４１）に挟持された部分の屈折率がカー効果によって変化する。これは、図１におけるエタロンＥにおいて対面するミラー間（Ｍ−Ｍ）にあるソリッドＳの厚さｔが変化するのと同等の作用であり、図４に示したように、中心波長λ１の波長成分の光がこのＳＬＭ２０に入射したとき、ＰＬＺＴ層２５の屈折率を変化させると、その波長成分は、当初の中心波長λ１の波長成分（図中、実線の曲線）から中心波長λ２の波長成分（図中、点線の曲線）へシフトする。つまり、波長λ１における透過光強度が当初のＩ１からＩ２へと変化する。そして、セル電極４１と共通電極であるＰｔミラー２４との間で印加する電界を個別に制御することで、各セル電極４１のそれぞれに対応してＳＬＭ２０に入射した各波長成分の光の強度を可変制御することができる。すなわちＥＤＦＡによって増幅された各波長の光の利得のバラツキを平準化することができる。
【００４２】
なお、本実施例のＳＬＭ２０において、エタロンＥのソリッドＳに相当するＰＬＺＴ層２４を薄くする必要があるのは、屈折率が電界密度の二乗に反比例する、というカー効果に関わる理由に加え、厚さｔが厚くなると、図１（Ｂ）からも分かるように、出力光のスペクトル特性が鋭くなるため、図４に示した原理で出力光の強度を精度良く可変制御しようとすると、屈折率を極めて微少な範囲で可変制御することになり、駆動回路による電界印加制御が難しくなる、という理由もある。
【００４３】
以上が本実施例のＳＬＭ２０の動作原理である。しかし、当該ＳＬＭ２０は、製造を容易にしたり、自身２０が組み込まれる波長イコライザー１０の構成を簡略化したりするために、一方のミラーを金属からなるＰｔミラー２４で構成し、他方を誘電体薄膜を積層してなるダイクロイックミラー５０とした反射型としているため、Ｐｔミラー２４における光の吸収や、Ｐｔミラー２４と、ダイクロイックミラー５０との反射率の非対称性などを考慮する必要が生じる。概略的には、本実施例のＳＬＭ２０では、入射した各波長成分の光を吸収させながらファブリペロー共振させることになり、実際には、図１や図４に示した原理通りに動作しない。そこで、本実施例のＳＬＭ２０では、入射した所定の波長成分の光において、中心波長の光を共振させるとともに、中心波長から外れた波長の光をＰｔミラー２４に吸収させ、最終的に、ＳＬＭ２０に対する入射光と出射光との強度比であるＳＬＭ２０の実効的な反射率を、Ｐｔミラー２４における反射率とダイクロイックミラー５０の反射率とを適宜に設定することで調整している。
【００４４】
＝＝＝金属ミラーと誘電体ミラーの反射率について＝＝＝
上述したように、本実施例のＳＬＭ２０では、Ｐｔミラー２４における反射率とダイクロイックミラー５０の反射率とを適宜に設定することで目標とする光変調の範囲を達成している。以下では、金属ミラー２４の光吸収を考慮した共振特性や、誘電体ミラーにおける反射率についての一般論を説明した上で、本実施例のＳＬＭ２０におけるＰｔミラー２４とダイクロイックミラー５０の双方の反射率と、当該ＳＬＭ２０における変調範囲との関係について説明する。まず、金属ミラーにおける共振特性について説明すると、金属ミラーが、定振幅Ａで１回の進行波と反射波を１往復として、再反射される効率、すなわち反射率をＲ１、ｎ往復分の反射を繰り返す場合に単純加算したときの全振幅をＷとした場合、当該Ｗは、
Ｗ＝Ａ（１＋Ｒ１＋Ｒ１２＋Ｒ１３＋…＋Ｒ１ｎ−１＋Ｒ１ｎ）
＝Ａ（１−Ｒ１ｎ＋１）／（１−Ｒ１）
で表される。ここで、ｎを無限大としたときの極値（Ｗ∞）が吸収と共振の双方を反映した最終的な光の振幅である。そして、Ｒ１＜１なので、ｎ＝∞とすると、
Ｗ＝Ａ／（１−Ｒ１）
となり、ファブリペロー共振の振幅増倍率Ｑは、
Ｑ＝（Ｗ∞／Ａ）＝１／（１−Ｒ１）
となる。したがって、吸収の積算を考慮した金属ミラーにおける実効的な反射率をＲ１’とすると、
Ｒ１’＝Ｒ１Ｑ
となる。すなわち、図１（Ａ）に示したエタロンＥのミラーＭを金属ミラーで構成する場合、その金属の種類に応じた既知の値Ｒ１によってＳＬＭの実効的な反射率が決まる。
【００４５】
しかしながら、本実施例のＳＬＭ２０では、一方のミラーがダイクロイックミラー５０からなる誘電体ミラーであり、共振像倍率Ｑを求める際に上記の式をそのまま採用することができない。ダイクロイックミラー５０は、屈折率の異なる誘電体膜（５１，５２、ここでは、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５）を一層ずつ積層したブラッグミラー５３を一組として、そのブラッグミラー５３を一組以上積層したものである。そして、ダイクロイックミラー５０に入射した光の振幅に対する反射光の相対振幅（振幅反射率）Ｒは、１組のブラッグミラー５３における二つの誘電体の屈折率の比をｐとすると、
Ｒ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）
であり、ここで、一組のブラッグミラー５３を構成する低屈折材料（ここではＳｉＯ２）の屈折率をｎＬ、高屈折材料（ここではＴａ２Ｏ５）の屈折率をｎＨ、基板（ここではＰＬＺＴ層）の屈折率をｎＳとするとともに、一組のブラッグミラー５３をＮ組積層したとすると、上式中のＰは、
Ｐ＝（ｎＨ／１）×（ｎＨ／ｎＬ）Ｎ−１×（ｎＳ／ｎＬ）＝ｎＳ×（ｎＨ／ｎＬ）Ｎ
となる。なお、相対強度（強度反射率）をＲ２とすると、
Ｒ２＝Ｒ２
である。
【００４６】
ところで、本実施例のＳＬＭ２０についても、Ｐｔミラー２４とダイクロイックミラー５０のそれぞれの強度反射率（Ｒ１，Ｒ２）は上述した計算式に基づいて求めることができるが、この場合は、ＳＬＭ２０が単色光を扱う場合であり、ダイクロイックミラー５０の厚さをλ/４の整数倍に設定したときの場合である。しかし、光波長多重通信では、多色光を扱うので、ダイクロイックミラー５０の厚さだけでは実効的な反射率を一律に規定することができない。
【００４７】
そこで、図３に示した構成のＳＬＭ２０によって多色光におけるそれぞれの光を所定の範囲で変調可能とするために、既知の値であるＰｔミラーの反射率Ｒ１と、素材の屈折率などの既知の値から求められるダイクロイックミラーの反射率Ｒ２と、ＳＬＭ２０によるファブリペロー共振特性との関係について検討した。
【００４８】
＝＝＝本実施例のＳＬＭの特性＝＝＝
＜変調範囲＞
まず、ブラッグミラー５３の層数Ｎが異なる各種ＳＬＭ２０を作製し、その各ＳＬＭ２０のファブリペロー共振特性や変調特性について検討した。図５に、その検討結果を示した。図５（Ａ）は、ブラッグミラー５３の層数Ｎが異なる各種ＳＬＭ２０についてのファブリペロー共振特性であり、（Ｂ）は、中心波長１５５０ｎｍの光に対するＳＬＭ２０の変調範囲を示している。図５（Ａ）より、ブラッグミラー５３の層数Ｎに応じて特定の波長の光の強度が特異的に減少していることがわかる。この例では、一組のブラッグミラー５３からなるダイクロイックミラー５０を採用したＳＬＭ２０は、６ｄＢ程度の変調が可能であることが分かる。そして、（Ｂ）に示したように、本実施例のＳＬＭ２０は、ＰＬＺＴ層２５の屈折率を可変制御することで、入射光の強度を変調して出力できることが確認された。すなわち、ＥＤＦＡによって各波長成分の利得が不均一になったとき、各波長成分の光のそれぞれに対応するセル電極４１と共通電極２４間との電界強度を個別に制御してＰＬＺＴ層２５の屈折率を変化させれば、利得を平準化することが可能となる。
【００４９】
＜ミラーの反射率について＞
本実施例のＳＬＭ２０は、図５に示したような共振および変調特性を備えている。次に、これらの特性から、実際にＥＤＦＡによる利得変動を平準化するための条件を求めた。図６は、本実施例のＳＬＭ２０におけるダイクロイックミラー５０の反射率に対するファブリペロー共振の変調範囲（ダイナミックレンジ）を示す図である。この図では、Ｃバンドの波長帯域のほぼ中央である１５５０ｎｍの光を入射したときの特性を示している。なお、Ｐｔミラー２４の反射率は７７％、電界無印加時のＰＬＺＴ層２５の屈折率は２．１５である。そして、この図６より、ダイクロイックミラー５０の反射率Ｒ２が１３％〜７５％にあるとき、利得変動の平準化に必要な３〜６ｄＢのダイナミックレンジを達成できることが分かる。すなわち、本実施例のＳＬＭ２０では、実効的な反射率を既知の値や既知の値から計算可能な値（Ｒ１，Ｒ２）を２％≦｜Ｒ１−Ｒ２｜≦６４％となるように設定することで、ＥＤＦＡの利得変動を平準化することが可能となることが実証された。
【００５０】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例のＳＬＭ２２０を構成する金属ミラー２４はＰｔに限らず、製造過程において、カー効果材料の焼成温度で融解するなど、熱によって特性が変化するような問題が40無ければ、他の金属を採用することが可能であり、例えば、Ｐｔと同じく白色の金属であるロジウムなどを採用することができる。もちろん、ＰＬＺＴ以外のカー効果材料を用いて焼成温度を低くすれば、金属ミラーの耐熱性を厳密に考慮する必要がなくなる。いずれにしても、金属ミラー単体での反射率Ｒ１と誘電体ミラー単体での反射率がどのような値であっても、また、カー効果材料がどのような物質であっても、最終的に金属ミラーと誘電体ミラーの反射率の差が２〜６４％であればよい。なお、誘電体ミラーが１組以上のブラッグミラーを積層した構造である場合、製造コストを考慮すれば、誘電体ミラーは、一組のブラッグミラーで構成した方が望ましい。この場合、誘電体ミラーの反射率は、そのブラッグミラーを構成する屈折率が異なる二つの物質の種類や、各物質による層の厚さに応じて設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
この発明は、光波長多重通信網内に設置されるＥＤＦＡによる利得変動を平準化するための波長イコライザーに適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  光伝送路、２  光サーキュレーター、３  光ファイバー、
１０  波長イコライザー、１１  コリメーターレンズ、１２  回折格子、
１５  像側テレセントリックレンズ、１６  駆動回路、２０  空間光変調器、
２２  ＳＴＯ基板、２３  Ｔｉ層、２４  金属ミラー（Ｐｔミラー）、
２５  カー効果材料層（ＰＬＺＴ層）、４０  透明電極、４１  セル電極、
５０  ダイクロイックミラー、５１  ＳｉＯ２膜、５２  Ｔａ２Ｏ５膜、
５３  ブラッグミラー、Ｅ  エタロン、Ｌ１〜Ｌ４，Ｌｉｎ，Ｌｏｕｔ  光、
Ｍ  ミラー、Ｓ  ソリッド
【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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