(57)【要約】【課題】従来の可変波長フィルタの製造には、ミラーを中間に入れたファイバを作製する必要があった。また、ピエゾ素子を含めてファイバを突き合わせて最小損失を求めるための調芯作業が複雑で高度の組み立て技術が必要であった。そのため、製造が困難という課題があった。そこで、本発明は、高度の組み立て技術が不要で製造が容易な可変波長フィルタを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る可変波長フィルタは、ＦＰ共振器として、シングルモードファイバの先端に屈折率分布型レンズを取り付け、その前面にミラーを配置して、これをキャピラリ内で対向させることとした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸から外周に向けて屈折率が低減する屈折率分布型レンズ、前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の一端に取り付けられた誘電体多層膜ミラー及び前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の他端に互いの光軸が揃うように接続されたシングルモード光ファイバを有する導波路と、
２つの前記導波路が、内部でそれぞれの前記誘電体多層膜ミラーがギャップを介して対向するように両端から挿入されるキャピラリと、
前記導波路の少なくとも一方を光軸方向へ動かして前記ギャップを調整するアクチュエータと、
を備える可変波長フィルタであって、
２つの前記導波路のうち一方の前記導波路を伝搬する光の一部が前記ギャップを介して他方の前記導波路に結合することを特徴とする可変波長フィルタ。
【請求項２】
前記屈折率分布型レンズの外径は、前記シングルモード光ファイバの外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の可変波長フィルタ。
【請求項３】
前記アクチュエータは、ピエゾアクチュエータを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の可変波長フィルタ。
【請求項４】
保持板をさらに２つ備え、
一方の保持板は、前記アクチュエータの一方の端部と一方の前記導波路とを固定し、
他方の保持板は、前記アクチュエータの他方の端部と他方の前記導波路とを固定し、
それぞれの前記導波路が前記保持板に固定される固定点間の長さは、前記アクチュエータの端部間の長さより長く、
前記保持板のうち少なくとも一つは、前記固定点が前記アクチュエータの端部間の外側にあり、熱膨張係数が前記アクチュエータの熱膨張係数の符号と逆であることを特徴とする請求項３に記載の可変波長フィルタ。
【請求項５】
前記アクチュエータは、ペルチェ素子及び前記ペルチェ素子による温度制御で伸縮する素材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の可変波長フィルタ。
【請求項６】
前記アクチュエータは、電磁石及び前記電磁石の磁力で可動する金属を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の可変波長フィルタ。
【請求項７】
前記誘電体多層膜ミラー間のギャップに封入された不活性ガスと、
前記キャピラリの温度を制御する温度制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変波長フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルモードファイバを対向させたファブリペロー共振器の共振器長を可変とした可変波長フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シングルモードファイバの端面にミラーを形成し、これを対向させたファブリペロー（ＦＰ）共振器を原理とした可変波長フィルタが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図１は、特許文献１に開示されている可変波長フィルタを示した図である。希望の自由スペクトラルレンジ（ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）やフィネスに設定するために、どちらか一方のファイバ（図１では左側）はファイバの中間にミラー２２が挿入された構造となっている。フィネスは、フィルタのシャープさに関するパラメータである。この構造のためにＦＰ共振器のキャビティ長２５が長くなっても、光はほとんど拡散せず、低損失のＦＰ共振器を構成できることが特徴である。
【０００３】
透過波長を可変とするためにはキャビティ長２５を僅かに動かして（１μｍ弱）、ＦＰ共振器のパスバンドの中心波長を可動させることができる。エアーギャップ２９は低損失結合を実現するためにできるだけ狭くし、しかも波長可変のためにギャップ可動幅以上する必要がある。例えばエアーギャップ２９を１．５μｍとして、１μｍ可動させると十分大きく実用的なパスバンドの中心波長の可変を実現できる。エアーギャップ２９を精度良く可変する素子としてはＰＺＴのようなピエゾ圧電素子を積層させた積層ピエゾアクチュエータが知られている。例えば、中心部をくりぬいてある積層ピエゾアクチュエータ２６を図１のようにＦＰ共振器の外部に設置し、ＰＺＴに電圧を印加することで積層ピエゾアクチュエータ２６を伸縮させ、ＦＰ共振器のキャビティ長２９を可変させ、可変波長フィルタを構成している。
【特許文献１】米国特許５２１２７４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の可変波長フィルタの製造には、ミラーを中間に入れた光ファイバを作製する必要があった。また、光損失を最小とするため、ピエゾ素子の位置合わせや光ファイバの調芯作業が必要であった。そのため、複雑で高度の組み立て技術が必要であり、製造が困難という課題があった。
【０００５】
そこで、前記課題を解決するため、本発明は、高度の組み立て技術が不要で製造が容易な可変波長フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る可変波長フィルタは、シングルモードファイバの先端に屈折率分布型レンズを取り付け、その前面にミラーを配置し、これをキャピラリ内で対向させることとした。
【０００７】
具体的には、本発明に係る可変波長フィルタは、中心軸から外周に向けて屈折率が低減する屈折率分布型レンズ、前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の一端に取り付けられた誘電体多層膜ミラー及び前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の他端に互いの光軸が揃うように接続されたシングルモード光ファイバを有する導波路と、２つの前記導波路が、内部でそれぞれの前記誘電体多層膜ミラーがギャップを介して対向するように両端から挿入されるキャピラリと、前記導波路の少なくとも一方を光軸方向へ動かして前記ギャップを調整するアクチュエータと、を備える可変波長フィルタであって、２つの前記導波路のうち一方の前記導波路を伝搬する光の一部が前記ギャップを介して他方の前記導波路に結合することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る可変波長フィルタは、ＦＰ共振器を屈折率分布型レンズの先端に付した誘電体多層膜ミラーで構成するようにしたため、ミラーを中間に入れた光ファイバを作製する必要がない。また、屈折率分布型レンズにより、導波路間のギャップの長さ、光軸ずれ及び角度ずれに対する許容範囲が、シングルモード光ファイバのコア間でＦＰ共振器を構成した場合より広くなる。
【０００９】
屈折率分布型レンズの調芯許容範囲の広さから高度の調芯精度を必要とせず、導波路間に十分に実用範囲の結合損失を得ることができる。そのため、導波路をガラスキャピラリに挿入することで、従来の技術のような高度な組み立て技術を全く用いないで容易にコリメート光学系を形成できる。このような構成とすることで、可変波長フィルタを短時間で組み立てでき、高歩留まりとすることができる。また、アクチュエータで２本の導波路の誘電体ミラー間隔を調整することができ、ＦＰ共振器のパスバンドの中心波長を容易に制御することができる。
【００１０】
従って、本発明は、高度の組み立て技術が不要で製造が容易な可変波長フィルタを提供することができる。
【００１１】
本発明に係る可変波長フィルタの前記屈折率分布型レンズの外径は、前記シングルモード光ファイバの外径より小さいことが好ましい。
【００１２】
寸法精度の高いガラスキャピラリの内径をファイバ直径及び屈折率分布型レンズ直径より僅かに大きくしておけば、シングルモード光ファイバと屈折率分布型レンズとを融着させる際に膨らみが生じても、導波路をガラスキャピラリに挿入することができる。
【００１３】
本発明に係る可変波長フィルタの前記アクチュエータは、ピエゾアクチュエータとすることができる。ＦＰ共振器のパスバンドの中心波長を電圧で制御することができる。
【００１４】
本発明に係る可変波長フィルタは、保持板をさらに２つ備え、一方の保持板は、前記アクチュエータの一方の端部と一方の前記導波路とを固定し、他方の保持板は、前記アクチュエータの他方の端部と他方の前記導波路とを固定し、それぞれの前記導波路が前記保持板に固定される固定点間の長さは、前記アクチュエータの端部間の長さより長く、前記保持板のうち少なくとも一つは、前記固定点が前記アクチュエータの端部間の外側にあり、熱膨張係数が前記アクチュエータの熱膨張係数の符号と逆であることが好ましい。
【００１５】
ピエゾアクチュエータは負の熱膨張係数を持つ。一方、ガラスキャピラリは正の熱膨張係数を持つ。正の熱膨張係数をもつ保持板は熱で膨張し、アクチュエータの端部との接続部分がアクチュエータの方向へ伸びることになる。このため、保持板はピエゾアクチュエータの負の熱膨張係数を相殺し、かつアクチュエータ及び保持板の全体の膨張係数を正に転換することができる。アクチュエータの熱膨張でギャップは広がるが、内部のガラスキャピラリおよびファイバの熱膨張でギャップは短くなるため、全体としてＦＰ共振器のギャップ（キャビティ長）の変化をキャンセルすることができる。
【００１６】
保持板に熱膨張係数の大きな素材を選択すること及びアクチュエータの端部との接続部分までの保持板の長さを選択することで、温度が変化してもギャップを一定にすることができ、可変波長フィルタのパスバンドの中心波長を一定にすることができる。従って、上記の手段で可変波長フィルタの温度無依存化が可能となる。
【００１７】
本発明に係る可変波長フィルタの前記アクチュエータは、ペルチェ素子及び前記ペルチェ素子による温度制御で伸縮する素材とすることができる。ＦＰ共振器のパスバンドの中心波長をペルチェ素子温度で制御することができる。
【００１８】
本発明に係る可変波長フィルタの前記アクチュエータは、電磁石及び前記電磁石の磁力で可動する金属とすることができる。ＦＰ共振器のパスバンドの中心波長を磁力で制御することができる。
【００１９】
本発明に係る可変波長フィルタは、前記誘電体多層膜ミラー間のギャップに封入された不活性ガスと、前記キャピラリの温度を制御する温度制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
ギャップ内部を不活性ガスで封止すると外部環境（特に湿度）の変化にして安定したＦＰ共振器が構成できる。キャピラリ全体を温調することで、ＦＰ共振器のパスバンドの中心波長を制御することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高度の組み立て技術が不要で製造が容易な可変波長フィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図２は、本実施形態の可変波長フィルタ３１１の構成を示す図である。可変波長フィルタ３１１は、中心軸から外周に向けて屈折率が低減する屈折率分布型レンズ５１、屈折率分布型レンズ５１の中心軸方向の一端に取り付けられた誘電体多層膜ミラー５２及び屈折率分布型レンズ５１の中心軸方向の他端に互いの光軸が揃うように接続されたシングルモード光ファイバ５３を有する導波路６１と、２つの導波路６１が、内部でそれぞれの誘電体多層膜ミラー５２がギャップＬｃを介して対向するように両端から挿入されるキャピラリ７１と、導波路６１の少なくとも一方を光軸方向へ動かしてギャップＬｃを調整するアクチュエータと、を備える可変波長フィルタであって、２つの導波路６１のうち一方を伝搬する光の一部がギャップＬｃを介して他方の導波路６１に結合することを特徴とする。
【００２４】
図３で導波路６１部分を説明する。可変波長フィルタ３１１の２つの導波路６１は導波路６１ａ及び導波路６１ｂである。
【００２５】
屈折率分布型レンズ５１は、例えば、ＧＲＩＮレンズ又はグレーテッドインデックスファイバを所望の長さにカットしたものである。誘電体多層膜ミラー５２は、例えば、ハーフミラーである。ＳｉＯ２やＴｉＯ２を蒸着又はスパッタすることで形成できる。
【００２６】
導波路６１は、シングルモード光ファイバ５３の先端に屈折率分布型レンズ５１を融着接続した後に、屈折率分布型レンズ５１を適当な長さでカットして製造する。屈折率分布型レンズ５１の屈折率分布と長さを適当にするとシングルモード光ファイバ５３から屈折率分布型レンズ５１に入った光はコリメート光として導波路６１から出射される。２本の導波路６１の屈折率分布型レンズ５１を対向させると極めて結合損失の小さいコリメート光学系が構成できる。
【００２７】
対向させた屈折率分布型レンズ５１の両方の先端に誘電体多層膜ミラー５２を形成すると、ＦＰ共振器が構成できる。ギャップＬｃの長さを変えることでパスバンドの中心波長が変化し、可変波長フィルタとすることができる。
【００２８】
可変波長フィルタ３１１は、従来のようにミラーを中間に入れたファイバで構成されるＦＰ共振器と異なり、屈折率分布型レンズの先端でＦＰ共振器を構成するため、ギャップの長さ、光軸ずれ及び角度ずれに対する実装許容範囲が広い。従って、可変波長フィルタ３１１は、高度の組み立て技術が不要で製造が容易である。
【００２９】
シングルモード光ファイバ５３の径と屈折率分布型レンズ５１の径とは等しくなくてもよい。図４は屈折率分布型レンズ５１の径の方が小さい場合の導波路６１を示している。図４のような導波路６１の場合、シングルモード光ファイバ５３と屈折率分布型レンズ５１とを融着させたときに、ふくらみが生じてもキャピラリ７１への挿入に影響しない。また、図５はそれぞれ屈折率分布型レンズ５１としてグレーテッドインデックスファイバを所望の長さにカットしたレンズを用いた導波路６１を示している。
【００３０】
キャピラリ７１は、内径寸法公差が小さい精密ガラスキャピラリが好ましい。キャピラリ７１に導波路６１ａ及び導波路６１ｂを挿入するので、キャピラリ７１の内径はシングルモード光ファイバ５３の外径より若干大きい。また、図４の可変波長フィルタ３０３のように屈折率分布型レンズ５１の外径は、シングルモード光ファイバ５３の外径より小さいことが好ましい。具体的には、シングルモード光ファイバ５３のコア径は１０μｍ、外径は１２５±０．５μｍである。キャピラリ７１の内径は１２６μｍ以上１２７μｍ以下である。
【００３１】
キャピラリ７１の両端から導波路６１ａ及び導波路６１ｂを挿入し、キャピラリ７１内部で誘電体多層膜ミラー５２を対向させてギャップＬｃを形成すると低損失のコリメート光学系のＦＰ共振器が容易に構成できる。従って、可変波長フィルタ３１１は、高度の組み立て技術が不要で製造が容易である。可変波長フィルタ３１１の場合、導波路６１ａをキャピラリ７１の内面に固定する。導波路６１ａとキャピラリ７１との固定部を接着層７６で示す。一方、導波路６１ｂはキャピラリ７１内で可動状態としておく。導波路６１ｂの位置を変えることでギャップＬｃの長さが変わり、バンドパスフィルタのパスバンドの中心波長が変化する。
【００３２】
ギャップＬｃの長さを変えるため、可変波長フィルタ３１１は、導波路６１ｂを光軸方向へ動かしてギャップＬｃを調整するアクチュエータをさらに備える。可変波長フィルタ３１１のアクチュエータは中空積層ピエゾアクチュエータ７２である。中空積層ピエゾアクチュエータ７２はＰＺＴの積層で構成され、低電圧で積層方向に大きく伸縮させることができる。例えば、中空積層ピエゾアクチュエータ７２は、伸縮方向の長さが１０ｍｍであり、３０Ｖで５μｍ伸縮する。
【００３３】
中空積層ピエゾアクチュエータ７２の両側に保持板７３ａ及び保持板７３ｂを取り付ける。保持板７３ａの孔にキャピラリ７１を差し込んで固定する。一方、保持板７３ｂには分離孔７３ｈがある。分離孔７３ｈに対して保持板７３ｂの保持板７３ａ側の孔までキャピラリ７１を差し込む。保持板７３ｂとキャピラリ７１とは固定せず可動状態としておく。キャピラリ７１の両側を保持板７３ａ及び保持板７３ｂで保持するため、可変波長フィルタ３１１は、中空積層ピエゾアクチュエータ７２の駆動でギャップＬｃを安定して可変できる。
【００３４】
また、分離孔７３ｈに対して保持板７３ｂの保持板７３ａ側と反対側の孔にはキャピラリ７７が固定されている。キャピラリ７７は、キャピラリ７１と同じ素材であり、同じ内径である。分離孔７３ｈは、保持板７３ｂとキャピラリ７７との固定部と保持板７３ｂとキャピラリ７１との可動部を分離し、接着剤を可動部側へ流入させないためのものである。
【００３５】
キャピラリ７７と導波路６１ｂとを固定する。キャピラリ７７と導波路６１ｂとの固定部を接着層７６で示す。中空積層ピエゾアクチュエータ７２が伸縮することで、固定された保持板７３ａがキャピラリ７１及びこれに固定される導波路６１ａを動かし、保持板７３ｂがキャピラリ７７及びこれに固定される導波路６１ｂを動かす。すなわち、中空積層ピエゾアクチュエータ７２の伸縮でギャップＬｃを容易に可変することができる。従って、中空積層ピエゾアクチュエータ７２を制御することで可変波長フィルタ３１１のパスバンドの中心波長を制御することができる。
【００３６】
また、導波路６１に、低ＮＡと高ＮＡの２種類の屈折率分布型レンズを光軸方向に直列に接続してもよい。中空積層ピエゾアクチュエータ７２の伸縮量、すなわちＦＰ共振器の作動距離（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｄｉｓｔａｎｃｅ：ＷＤ）を小さくすることができる。この構成ではギャップＬｃをより狭くすることができ、大きなＦＳＲの可変波長フィルタを構成することができる。
【００３７】
可変波長フィルタ３１１は、従来のようにミラーを中間に入れたファイバで構成されるＦＰ共振器と異なり、屈折率分布型レンズの先端でＦＰ共振器を構成するため、ギャップ長ずれ、光軸ずれ及び角度ずれに対する実装許容範囲が広くなった。屈折率分布型レンズを先端に接続したシングルモード光ファイバをガラスキャピラリに挿入して適当な距離に対向させることで容易に良好なＦＰ共振器を構成でき、さらにファイバ間の調芯作業が容易である。このため、可変波長フィルタ３１１を歩留まりよく量産することができる。
【００３８】
なお、図２に図示していないが、可変波長フィルタ３１１は、温度制御できるペルチェ素子をさらに備えてもよい。中空積層アクチュエータ７２の熱膨張係数は負であり、温度が上昇すれば中空積層アクチュエータ７２が収縮してギャップＬｃが短くなる。また、キャピラリ７１は正の熱膨張係数であり、温度が上昇すれば伸びが発生してギャップＬｃは短くなる。このように温度の上昇でバンドパスフィルタのパスバンドの中心波長は短波長ヘシフトする。このパスバンドの中心波長の温度依存性を解消するため、ペルチェ素子などの温調素子で可変波長フィルタ３１１の温度を一定に保つことが好ましい。
【００３９】
図２では、導波路６１ａ及び導波路６１ｂをキャピラリ７１に挿入する可変波長フィルタ３１１を示しているが、キャピラリ７１の代替としてＶ溝が形成された板２枚をＶ溝が向き合うように重ね、このＶ溝で生じた空間に導波路６１ａ及び導波路６１ｂを挿入して可変波長フィルタを構成してもよい。
【００４０】
（実施の形態２）
バンドパスフィルタにおけるパスバンドの中心波長の温度依存性を解消する手段として、ペルチェ素子を用いない手段もある。図６は、本実施形態の可変波長フィルタ３１２の構成を示す図である。可変波長フィルタ３１２と図２の可変波長フィルタ３１１との違いは保持板７３ｂの保持板７３ａ側が引き伸ばされていることである。具体的には、保持板７３ａは、中空積層ピエゾアクチュエータ７２の一方の端部と導波路６１ａとを固定点７６ａで固定し、保持板７３ｂは、中空積層ピエゾアクチュエータ７２の他方の端部と導波路６１ｂとを固定点７６ｂで固定し、固定点７６ａと固定点７６ｂとの間の長さは、中空積層ピエゾアクチュエータ７２の端部間Ｌａｃｔの長さより長く、保持板７３ｂは、固定点７６ｂが中空積層ピエゾアクチュエータ７２の端部間の外側にあり、熱膨張係数が中空積層ピエゾアクチュエータ７２の熱膨張係数の符号と逆である。
【００４１】
可変波長フィルタ３１２は、負の熱膨張係数を持つ中空積層ピエゾアクチュエータ７２が保持板７３ａ及び保持板７３ｂで挟まれており、正の熱膨張係数を有する保持板７３ｂの保持板７３a側の長さを適当に調節することでギャップＬｃの温度変化を小さくすることができる。中空積層ピエゾアクチュエータ７２の熱膨張係数は−３×１０−６／℃である。保持板７３ａ、保持板７３ｂの材料として、例えばコバール（熱膨張係数６×１０−６／℃）を選定できる。
【００４２】
さらに、保持板７３ｂの保持板７３ａ側の長さ（固定点７６ｂから中空積層ピエゾアクチュエータ７２との接続点までの長さ）を調節することで、可変波長フィルタ３１２におけるパスバンドの中心波長の温度依存性をキャンセルすることができる。そのため、可変波長フィルタ３１２は温調のためのペルチェ素子が不要であり、製造コストを抑えることができる。
【００４３】
次に、具体的な事例として、可変波長フィルタ３１２の全体サイズを１８ｍｍ（伸縮方向）×２ｍｍ（保持板７３ａ及び保持板７３ｂの高さ）×３ｍｍ（保持板７３ａ及び保持板７３ｂの奥行）とし、保持板７３ａの厚さを１．５ｍｍ及び保持板７３ｂの厚さを５ｍｍとして、図６から３次元モデルを構成し、有限要素法による熱歪解析を行った。
【００４４】
構成した３次元モデルの斜視図を図７に示す。解析条件として、保持板７３ａの底面を固定し、保持板７３ｂの先端は可動とした。中空積層ピエゾアクチュエータ７２の高速動作（１ＫＨｚ程度）では発熱がある。例として０．１１Ｗの発熱があるとした。また、保持板７３ａ、保持板７３ｂの端は環境温度２５℃とした。環境温度を８０℃にしたときの熱歪練成解析を行った。熱歪練成解析では保持板７３ａ、保持板７３ｂ、中空積層ピエゾアクチュエータ７２、キャピラリ７１、シングルモード光ファイバ５３及び屈折率分布型レンズ５１の熱伝導率、熱膨張係数、ヤング率及びポアソン比は表１に示した値で解析した。熱歪練成解析ソフトウェアとしてはＣｏｓｍｏｓ  ＷｏｒｋｓあるいはＡＮＳＹＳ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｓｐａｃｅなどがあるが、ここではＣｏｓｍｏｓ  Ｗｏｒｋｓ  ２００７を用いた。なお、図７では、キャピラリ７１及び屈折率分布型レンズ５１は、中空積層ピエゾアクチュエータ７２や保持板７３ｂで見えないため、省略して記載している。
【表１】
2009053458.tif 000003
【００４５】
熱歪練成解析ソフトウェアで保持板７３ｂの長さを変化させて、ギャップＬｃの長さの変化を調べた。温度変化は２５℃から８０℃とした。この結果を図８に示した。保持板７３ｂの長さは保持板７３ｂの保持板７３ａ側の長さを変化させることで行った。
【００４６】
図８でわかるように保持板７３ｂの長さによって、ギャップＬｃの温度依存性がほぼ線形に変化することがわかった。ギャップＬｃの変化量ΔＬｃがより０に近くなるように解析を進めた結果、保持板７３ｂの長さが５．４ｍｍの時、変化量ΔＬｃは約１ｎｍとなった。図１１のグラフからのギャップＬｃとバンドパス中心波長の関係が求まり、Δｆ／ΔＬｃ＝２０ＧＨｚ／ｎｍであることがわかった。
【００４７】
保持板７３ｂの長さを５．２４ｍｍにするとΔＬｃ＝１ｎｍ（環境温度変化２５〜８０℃）となることが熱歪練成解析からわかった。すなわち、Δｆ／ΔＬｃに１ｎｍを掛け算すると２５℃から８０℃の環境温度変化で温度差（ΔＴ＝５５℃）で２０ＧＨｚのバンドパス中心周波数の変動があることがわかる。温度あたりの変動はΔｆ／ΔＴ＝０．３６ＧＨｚ／℃である。ここでΔｆはバンドパス中心周波数の変動量（ＧＨｚ）である。
【００４８】
この結果、環境温度が変化しても、ギャップＬｃは、ほぼ一定に保たれ、バンドパスフィルタのパスバンドの中心波長の温度無依存化か実現される。
【００４９】
さらに厳密な温度無依存性が必要な場合は本実施例の可変波長フィルタをペルチェ素子に搭載して、例えば±１℃で温度制御したとすれば，周波数の温度変化は０．３６ＧＨｚと極めて安定に動作させることができる。
【００５０】
（フィネス及びＦＳＲの設計について）
一般的に、屈折率分布型レンズはレンズＮＡ及びレンズ長を変えることで作動距離ＷＤを変えることができる。例えば、市販の直径１２５μｍのＧＲＩＮレンズでレンズの屈折率分布を変えたり、レンズ長を変えることでこのＷＤを０．０１ｍｍから数ｍｍの範囲で可変させることができる。ＦＰ共振器のＦＳＲは以下の数式（１）のように表すことができる。
ＦＳＲ  ＝  Ｃ／（２×ｎ×Ｌｃ）                            （１）
ここで、Ｃは光速、ｎはギャップＬｃ内の屈折率、ＬｃはギャップＬｃの長さである。
【００５１】
ギャップＬｃの長さとＦＳＲの関係を表２に示す。
【表２】
2009053458.tif 000004
【００５２】
バンドパスフィルタのフィネスＦはフィルタのシャープさに関するパラメータであり、以下の数式（２）のように表すことができる。
Ｆ  ＝  ＦＳＲ／ＦＷＨＭ  ＝  π／（１−Ｒ）                    （２）
ここで、ＦＷＨＭはバンドパスの半値幅、Ｒはミラーの反射率である。数式（２）でわかるようにフィネスはミラーの反射率で決定され、ＧＲＩＮレンズ前面の誘電体多層膜ミラーの反射率を変えることで任意のフィネスを得ることができる。
【００５３】
図９に波長可変フィルタ３１２のスペクトラムの計算結果を示す。ここではＲ＝９０％の誘電体多層膜ミラー５２を用いた。ＦＳＲは１５．３ＴＨｚ、１３次のパスバンド１９９ＴＨｚと１２次のパスバンド１８３．７ＴＨｚが観測できた。
【００５４】
さらに、可変波長フィルタ３１２の中空積層ピエゾアクチュエータ７２ヘの印加電圧をギャップＬｃが０．１μｍづつ大きくなるようにステップ的に増加させ、その時のスペクトラムを計算し、重ね合わせた結果を図１０に示す。中空積層アクチュエータ７２の最大印加電圧６．７Ｖで約０．４μｍのギャップＬｃの長さの変化が得られ、Ｃバンド全域の波長をカバーすることができた。中空積層ピエゾアクチュエータ７２（Ｌ＝５０ｍｍ）では数１０Ｖの電圧で数μｍの変位が得られるために、波長可変フィルタ３１２を動作させるには十分であることがわかる。また、中空積層ピエゾアクチュエータ７２の印加電圧から逆算したギャップＬｃと可変波長フィルタ３１２のパスバンドの中心波長との関係を図１１に示した。
【００５５】
（実施の形態３）
図１２は、本実施形態の可変波長フィルタ３１３の構成を示す図である。可変波長フィルタ３１３と図２の可変波長フィルタ３１１との違いは、可変波長フィルタ３１３がギャップＬｃの長さを変えるための中空積層ピエゾアクチュエータ７２の代替として素材８２とペルチェ素子８７を有する点である。
【００５６】
具体的には、可変波長フィルタ３１３のアクチュエータは、ペルチェ素子８７及びペルチェ素子８７による温度制御で伸縮する素材８２を有する。素材８２は、例えば、熱膨張係数の大きなアルミニウムのブロックである。可変波長フィルタ３１３は、ペルチェ素子８７を温度制御することで、素材８２の熱膨張係数とキャピラリ７１の熱膨張係数の差を利用し、ギャップＬｃの長さの変化を利用した可変波長フィルタである。保持板７３ａ又は保持板７３ｂはペルチェ素子８７に固定されず、すべるようになっている。
【００５７】
可変波長フィルタ３１３の全体サイズを２０ｍｍ（伸縮方向）×７ｍｍ（保持板７３ａ及び保持板７３ｂの高さ）×７ｍｍ（保持板７３ａ及び保持板７３ｂの奥行）とした。保持板７３ａ及び保持板７３ｂの厚さを各５ｍｍとした。素材８２（例えばＡｌブロック）の長さは１０ｍｍである。
【００５８】
キャピラリ７１の温度変化による伸びΔＬｇｃ１は以下の数式（３）ようにあらわされる。
ΔＬｇｃ１＝（αｇｃ×Ｌｇｃ１＋αｆ×Ｌｆ１）×ΔＴ                  （３）
ここで、αｇｃはキャピラリ７１の熱膨張係数、αｆはシングルモード光ファイバ５３の熱膨張係数、ΔＴは温度差、Ｌｇｃ１はキャピラリ７１と導波路６１ａとが接着されている接着層７６の長さから保持板７３ａの厚さを引いた長さ、Ｌｆ１はキャピラリ７１の内部であって、キャピラリ７１と導波路６１ａと接着されていない部分の長さである。ただし、屈折率分布型レンズ５１とシングルモード光ファイバ５３とはほぼ同成分であるので、導波路６１ａはシングルモード光ファイバ５３と同じ熱膨張係数とした。
【００５９】
キャピラリ７１と導波路６１ａとは、保持板７３ａの保持板７３ｂ側の端から１０ｍｍまで接着されており、その先の２０ｍｍについては接着されていないものとした。ΔＴ：５０℃、αｇｃ１：５．１×１０−６／℃、Ｌｇｃ１：１０ｍｍ、シングルモード光ファイバ５３はαｆ：０．５×１０−６／℃、Ｌｆ１：２０ｍｍとすると、ΔＬｇｃ１は３．０５μｍとなる。
【００６０】
導波路６１ｂは保持板７３ｂで接着固定され、その他は接着されていない状態であるので、温度変化による伸びΔＬｆ２は以下のように表される。
ΔＬｆ２＝αｆ×ΔＴ×Ｌｆ２                                    （４）
ここで、αｆはシングルモード光ファイバ５３の膨張係数、ΔＴは温度差、Ｌｆ２は導波路６１ｂの保持板７３ｂから保持板７３ａ側へ突出する長さである。
【００６１】
Ｌｆ２：３０ｍｍ、ΔＴ：５０℃、αｆ：０．５×１０−６／℃とすると、ΔＬｆ２は０．７５μｍとなる。ΔＴ＝５０℃の温度変化あった場合、ギャップＬｃはΔＬｇｃ１＋ΔＬｆ２＝３．８μｍだけ短くなることになる。
【００６２】
一方、アクチュエータ全体の温度変化による伸びΔＬは以下のように表される。
ΔＬ＝（αＡｌ×Ｌａｌ＋αｐｚｔ×Ｌｐｚｔ十αｅｐ×Ｌｅｐ）×ΔＴ      （５）
ここで、ΔＴは温度差、αＡｌは素材８２の熱膨張係数、Ｌａｌは素材８２の長さ、αｐｚｔは中空積層アクチュエータ７２の熱膨張係数、Ｌｐｚｔは中空積層アクチュエータ７２の長さ、αｅｐはエポキシ接着剤の熱膨張係数、Ｌｅｐはエポキシ接着剤の厚さである。なお、可変波長フィルタ３１３では、中空積層アクチュエータ７２を有さないため、数式（５）においてＬｐｚｔ＝０である。
【００６３】
数式（５）でＬｐｚｔを０にするとこの部分の熱膨張が計算できる。温度差ΔＴを１０℃とするとこの素材８２での伸びは４．６１μｍとなる。一方、ＦＰ共振器をキャピラリ７１の中心に配置し、Ｌｆ１を５ｍｍ、接着層の長さＬｇｃ１を５ｍｍ、Ｌｆ２を１０ｍｍとするとキャピラリ７１での熱膨張は数式（３）及び数式（４）から０．３３μｍとなる。ギャップＬｃの長さの温度変化係数は（４．６１−０．３３）／１０＝０．４３μｍ／℃となる。１℃の温度変化で１ＦＳＲ変化するために、僅かな温調で波長可変フィルタが構成できる。
【００６４】
さらにコストダウンのために素材８２、保持板７３ａ及び保持板７３ｂを一体で加工し、接着剤なしの構造にすることも可能である。このような構造とする場合、素材８２、保持板７３ａ及び保持板７３ｂの材料として、例えば、銅タングステン（Ｗ：２０％）を選定できる。銅タングステンの熱膨張係数は８．５ｅ−６／℃とアルミよりも幾分小さい。同様にギャップＬｃの長さの温度係数は（１．７−０．３３）／１０＝０．１３７μｍ／℃となった。４℃の温度変化で０．５５μｍのギャップＬｃの長さの変化があり、その結果１ＦＳＲの波長可変が実現できた。
【００６５】
（実施の形態４）
図１３は、本実施形態の可変波長フィルタ３１４の構成を示す図である。可変波長フィルタ３１４と図１２の可変波長フィルタ３１３との違いは、可変波長フィルタ３１４が保持板７３ｂの代替としての保持板７３ｃ、電磁石９５及び永久磁石９７を備える点である。
【００６６】
保持板７３ｃは孔を有し、保持板７３ａと同様に孔に差し込まれたキャピラリ７１を固定する。キャピラリ７１は保持板７３ｃの外側へ突出しており、キャピラリ７１の突出部にソレノイド型の電磁石９５が配置される。導波路６１ｂはキャピラリ７１には固定されていない。導波路６１ｂには、電磁石９５の磁場を受ける部分に永久磁石９７が固定される。永久磁石９７は例えば、サマリウムコバルトである。
【００６７】
電磁石９５への電流を制御することで、導波路６１ｂを光軸方向へ移動させることができる。これにより、可変波長フィルタ３１４はギャップＬｃの長さを調節することができ、所望のパスバンドの中心波長に可変できる。また、可変波長フィルタ３１４のペルチェ素子８７は、ギャップＬｃの調整用ではなく、可変波長フィルタ３１４全体の温度を一定に保ち、温度変動によるパスバンドの中心波長のシフトを防止するためのものである。
【００６８】
（実施の形態５）
図１４は、本実施形態の可変波長フィルタ３１５の構成を示す図である。可変波長フィルタ３１５と図１２の可変波長フィルタ３１３との違いは、可変波長フィルタ３１５が素材８２、保持板７３ａ及び保持板７３ｂを備えず、ジャケット１０２を備えていることである。
【００６９】
キャピラリ７１内に導波路６１ａ及び導波路６１ｂの誘電体多層膜ミラー５２を対向させて、ＦＰ共振器を構成する。ＦＰ共振器のギャップＬｃの長さを任意の値に設定し、導波路６１ａ及び導波路６１ｂをキャピラリ７１端面近傍で固定する。導波路６１ａ及び導波路６１ｂとキャピラリ７１との固定部を接着層７６で示している。ギャップＬｃ内部を不活性ガスとして、封止すると外部環境（特に湿度）の変化にして安定したＦＰ共振器が構成できる。不活性ガスは、例えば窒素ガスである。
【００７０】
ジャケット１０２は、銅タングステンなどの金属ブロックである。キャピラリ７１をジャケット１０２で覆い、キャピラリ７１の一端をジャケット１０２に固定する。キャピラリ７１とジャケット１０２との固定部を接着層１０６で示す。ジャケット１０２で覆われたキャピラリ７１をペルチェ素子８７に搭載する。ペルチェ素子８７はキャピラリ７１全体を温度制御する。可変波長フィルタ３１５は、キャピラリ７１の熱膨張でギャップＬｃを変化させ、パスバンドの中心波長を可変することができる。
【００７１】
ペルチェ素子８７は、例えば、６ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ程度の大きさである。ペルチェ素子８７の上面温度範囲を３０〜４０℃として、環境周囲温度が−５℃から８０℃まで変化するとすれば、最大の温度差ΔＴは５０℃となる。ペルチェ素子８７の上部の熱負荷はないので、この時のペルチェ素子８７の消費電力はおよそ１Ｗ程度である。最大１Ｗ程度の消費電力でパスバンドの中心波長を可変することができる可変波長フィルタができる。
【００７２】
キャピラリ７１の熱膨張係数を５．１×１０−６／℃、導波路６１ａ及び導波路６１ｂの熱膨張係数を０．７×１０−６／℃、キャピラリ７１の長さを１５ｍｍ（接着層７６の部分を除く）、ギャップＬｃの長さを１０μｍとすると、このギャップＬｃの温度依存性Δｌ／ΔＴは０．０５２８μｍ／℃となる。ここで、ΔｌはギャップＬｃの伸びである。
【００７３】
Ｃ、Ｌバンドに対応する可変波長フィルタを構成するにはＬｃ＝１０±０．２５μｍ程度あれば十分であり、ΔＴ＝１０℃程度となる。ペルチェ素子８７で３０〜４０℃までの間でキャピラリ７１の温度を可変すれば、Ｃ、Ｌバンドに対応する可変波長フィルタが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の可変波長フィルタは、パスバンドの中心波長を変化させる場合だけでなく、温度変化などの環境変化が大きい場所でのパスバンドの中心波長の変動を防ぐ固定波長フィルタとしても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】従来の可変波長フィルタの構成を示した図である。
【図２】本実施形態の可変波長フィルタの構成を示した図である。
【図３】本実施形態の可変波長フィルタの導波路部を説明するための図である。
【図４】本実施形態の可変波長フィルタの導波路部を説明するための図である。
【図５】本実施形態の可変波長フィルタの導波路部を説明するための図である。
【図６】本実施形態の可変波長フィルタの構成を示した図である。
【図７】本実施形態の可変波長フィルタの斜視図を示した図である。
【図８】本実施形態の可変波長フィルタの保持板の長さとギャップ変化量との関係を示した図である。
【図９】本実施形態の可変波長フィルタの通信波長帯でのパスバンドのスペクトラムの計算結果を示した図である。
【図１０】本実施形態の可変波長フィルタにおけるギャップＬｃの長さに対するスペクトラムの計算結果を示した図である。
【図１１】本実施形態の可変波長フィルタにおけるギャップＬｃの長さに対するパスバンドの中心波長の関係を計算した結果を示した図である。
【図１２】本実施形態の可変波長フィルタの構成を示した図である。
【図１３】本実施形態の可変波長フィルタの構成を示した図である。
【図１４】本実施形態の可変波長フィルタの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００７６】
３１１〜３１５：可変波長フィルタ
１８：導波路
２２、２４：ミラー
２５：キャビティ長
２６：積層ピエゾアクチュエータ
２９：エアーギャップ
５１：屈折率分布型レンズ
５２：誘電体多層膜ミラー
５３：シングルモード光ファイバ
６１、６１ａ、６１ｂ：導波路
７１、７７：キャピラリ
７２：中空積層ピエゾアクチュエータ
７３ａ、７３ｂ：保持板
７３ｈ：分離孔
７６、１０６：接着層
７６ａ、７６ｂ：固定点
７９：空気孔
８２：素材
８７：ペルチェ素子
９５：電磁石
９７：永久磁石
１０２：ジャケット
Ｌｃ：ギャップ
Ｌａｃｔ：中空積層ピエゾアクチュエータの端部間
【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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