光学素子およびその伝達関数を制御するためのプロセス
適用分野：光学。電子光学材料から構成され、あるいはさらなる層に埋め込まれたブラッグ位相格子（３）を備える光学素子。ブラッグ位相格子（３）は、光の伝搬に沿って周期的に適用された導波路（２）表面の一連の凸部（６）および凹部（７）として設計され、補償材料（８）の層および電気絶縁（９）材料の層で覆われている。位相格子（３）に、空間的に一様でない非周期の外部電界を生成する手段が備えられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学の物理的領域に関し、実際のところ、光放射のスペクトル・フィルタリングのための光学的な方法および設備に関する。これは、電気光学結晶を基盤とし、波長に対して幅広い波スペクトルの切り替えが可能な狭帯域のフィルタを生み出すために使用され、さらには選択的な光アッテネータおよび光変調器ならびに光イコライザの製造に使用される。
【０００２】
背景技術
現在では、伝送されるべき情報の量が極度の増加を続けており、電気通信ネットワークのデータ伝送の増加を可能にする新規な技術の開発につながっている。最も未来志向のプロセスの１つは、信号を光ファイバを基礎とするデータ伝送ネットワークのチャネル内に凝縮させている（ＷＤＭ‐波長分割多重化）。近い将来には、１５３０ｎｍ〜１６００ｎｍの等間隔の波長の生成にて、最大８０にものぼるスペクトル・チャネルの伝送が、光ネットワークにおいて毎秒数テラビットの伝送速度の達成を可能にするであろう。
【０００３】
ＷＤＭを実際に効果的に実現することは、スプリッタ、ルータ、フィルタ、変調器、増幅器、などといった多数の光学素子が利用可能である場合にのみ可能になるであろう。また、この新たな可能性の効果的な使用のために、光信号の制御および切り替えならびに整形を電子的な手段によって達成する必要がある。このように、例えば光スイッチおよび制御可能な光フィルタなど、制御付きの光学素子の役割が、ますます大きくなってきている。光放射のスペクトル・フィルタリングについて、公知のすべての方法は、固定であって光反射結晶に前もって書き込まれているブラッグ位相格子における放射の回折にもとづいている［Ｇ．Ａ．Ｒａｋｕｌｊｉｃ、Ｖ．Ｌｅｙｖａの「Ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｎａｒｒｏｗ‐ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９３年、第１８巻、第６号、４５９〜４６１頁］。ブラッグ位相格子について、体積型および導波型の設計の両者を使用することが可能である［Ｊ．Ｈｕｋｒｉｅｄｅ、Ｉ．Ｎｅｅ、Ｄ．Ｋｉｐ、Ｅ．Ｋｒａｅｔｚｉｇの「Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｆｉｘｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ：Ｆｅ Ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９８年、第２３巻、第１７号、１４０５〜１４０７頁］。
【０００４】
実際のスペクトル・フィルタリングは、次のように行われる。位相格子のベクトルの方向に実質的に平行な方向の光ビームによって結晶が照らされると、光が、位相格子のブラッグ条件に一致する波長においてのみ反射し、反対の方向に反射される。残りの波スペクトルの光は、光学的に透明な結晶を不変のまま通過する。正確に言えば、特定の狭い波スペクトルの波長の光のみが、位相格子で反射される。光の中心波長λＢは、以下の式
λＢ＝２ｎΛ （１）
に一致し、ここで、ｎは、結晶の平均の屈折率であり、Λは、ブラッグ結晶格子の周期である。
【０００５】
このようなフィルタのスペクトル選択性は、ブラッグ位相格子の長さに依存して決まり、以下の式
【数１】
【０００６】
に一致する。ここで、ｄは、選択的に反射される光の波長帯であり、ｎ１は、ブラッグ位相格子の屈折率の変化の大きさであり、Ｔは、位相格子の長さである。
【０００７】
選択される波長λの変更のために、電界強度Ｅを有する電界を、光の放射の伝搬の方向を横切るように加えることができる［Ｒ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ｖ．Ａｌｖａｒｅｚ‐Ｂｒａｖｏ、Ｌ．Ａｒｉｚｍｅｎｄｉ、Ｊ．Ｍ．Ｃａｂｒｅｒａの「Ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｌｌ．Ｐｈｙｓ．、１９９４年、第２７巻、１６２８〜１６３２頁］。線形な電気光学的効果（ポッケルス効果）ゆえ、光屈折結晶において、結晶の平均の屈折率ｎが、以下のように電界Ｅの電圧に依存して決まる。
【数２】
【０００８】
ここで、Δｎは、結晶の屈折率の変化であり、ｎ０は、Ｅ＝０という条件のもとでの結晶の平均屈折率であり、ｒは、実効電気光学係数であり、結晶軸に対する電界の方向に依存して決まる。
【０００９】
電界強度Ｅを変更することで、フィルタリングされる放射の特定の波長λＢが選択されるという点で、フィルタが切り替えられる。導波路型の設計が、電極間のきわめて小さい距離（１０μｍ）のおかげで、比較的低い印加電圧で制御用の電界を生成できるようにする。
【００１０】
狭帯域の光フィルタの機能を実行するホログラフィック光学素子が知られている［ＵＳ００５４４０６６９Ａ］。この素子は、ブラッグ位相格子が書き込まれて固定された光屈折結晶で構成されている。この素子は、きわめて高いスペクトル選択性を有している（少なくとも１０ｐｍのスペクトル伝達関数の幅を有する幅フィルタを生み出すことが可能である）。この素子を、入力された程度の曲率を有する光の案内および複数の波面の同時のフィルタリングのために使用することができる。この公知のホログラフィック素子が光ファイバ・ネットワークにおいて使用される場合、体積型の設計および追加の平行光学系が必要である。これは、結果として、精密な調節を必要とする。これは、コストを劇的に高め、したがって大量生産に適していない。
【００１１】
結晶への一定の電圧の印加によって空間的に一様な場が結晶に生成される、光屈折結晶におけるホログラフィック光学フィルタの電気的切り替えのプロセスが知られている［Ｍ．Ｐ．Ｐｅｔｒｏｖ、Ｖ．Ｍ．Ｐｅｔｒｏｖ、Ａ．Ｖ．Ｃｈａｍｒａｉ、Ｃ．Ｄｅｎｚ、Ｔ．Ｔｓｃｈｕｄｉの「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ」、Ｐｒｏｃ．２７ｔｈ Ｅｕｒ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍ．（ＥＣＯＣ‘０１‐アムステルダム）、Ｔｈ．Ｆ．３．４、６２８、６２９頁（２００１年）］。印加電圧の変更および関連の電界強度Ｅの変化によって、フィルタリングされる放射の特定の波長λＢが選択されるという点で、フィルタが再設計される。このプロセスの欠点は、使用される光屈折材料の電気光学係数が小さいために、きわめて高い制御電圧を使用する必要があるという点にある。さらなる欠点は、放電によって制限され、切り替えできる周波数帯が小さい点にあり、ＬｉＮｂＯ３において最大１ｎｍの大きさである。
【００１２】
いくつかのブラッグ位相格子を異なる値の電界強度にて光屈折結晶の１つの同じ体積へと書き込むことからなる電気的多重化のプロセスも知られている［Ｍ． Ｐ． Ｐｅｔｒｏｖ、Ｓ． Ｉ． Ｓｔｅｐａｎｏｖ、Ａ． Ａ． Ｋａｍｓｈｉｌｉｎの「Ｌｉｇｈｔ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｍｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ．、１９７９年、第２９巻、４４〜４８頁］。このプロセスは、フィルタの電気的な再設計の波長帯を広げることを可能にできる。
【００１３】
しかしながら、この方法が適用されるとき、切り替えられるスペクトル・チャネルの数（電気的に多重化されるホログラムの最大数によって決定される）および隣り合うチャネル間の距離に限界が存在する。この限界は、クロストークに関する現代のデータ伝送システムに対するきわめて高い要求ゆえに生じる。電気的な切り替えは、結晶へと書き込まれたすべての格子の中心波長の単純なシフトを生じさせる。格子の中心波長帯は、現在活性化されているスペクトル・チャネルの中心波長帯に対応する。残りの格子が、追加の雑音を同時に生じさせる。
【００１４】
常誘電の光屈折材料を含む電気スイッチが知られており（ＷＯ００／０２０９８）、少なくとも１つのホログラフィック格子が形成され、外部の電界を印加するために２つの電極が材料の対向する縁へと適用されている。
【００１５】
しかしながら、このスイッチの場合には、相転移の付近で機能する常誘電相の結晶ＫＬＴＮが使用されている。これは、この構造の温度の安定化の必要を大きく高め、動作温度範囲を制限する。
【００１６】
現時点において、結晶ＫＬＴＮを使用する高品質の導波路の製造のための方法は知られていない。このような理由により、電気ホログラフィの公知の方法にもとづく構造が、体積型の設計においてのみ製造可能であり、高い切り替え電圧および複雑な光学的チューニングの両者を必要とする。これは、長い切り替え時間につながる。
【００１７】
光スイッチのプロセスも知られている（ＵＳ００４０３９２４９Ａ）。このプロセスは、スクエアな電気光学的効果に基づいている。これは、常誘電の格子に書き込まれたホログラフィック格子の電気的な活性化を可能にする。アクティベーションは、結晶内のホログラフィック格子を構成する電界の空間的に変調された分布、および空間的に一様な外部電界の影響の相互作用によって生み出される。この公知のプロセスは、伝搬の方向について、波長に応じて、光の切り替えを可能にしている。
【００１８】
しかしながら、この公知のプロセスは、高い切り替え電圧および複雑な光学的チューニングを必要とする。これは、長い切り替え時間につながる。
【００１９】
［ＵＳ００５８３２１４８Ａ］に記載の光学素子は、多数の基本的特性に関して、本出願の素子に近いコンポーネントである。電気光学材料の薄膜が適用された基板を基礎とし、電気光学材料の薄膜が、基板そのものよりも高い屈折率を有している。上部に位置する膜が、光導波路として使用される。この光学素子の改善において、特定の電気光学材料（ＬｉＮｂＯ３）が基板として使用され、光導波路が、チタンイオンの中間層の拡散によって形成される。長く延びた電極が、電気光学層の表面へと適用され、制御用の電圧源が接続される。ブラッグ位相格子が、導波路層へと書き込まれる。
【００２０】
このフィルタは、きわめて高いスペクトル選択性を有し、電気的にチューニングが可能な狭帯域の光フィルタの機能を果たす（１０ｐｍ未満のスペクトル選択性を有するフィルタを生成できる）。導波路型の設計が、電極間の距離がきわめて短い（１０μｍ）おかげで、比較的低い電圧で大きな電界強度の生成を可能にする。
【００２１】
しかしながら、このようなフィルタのチューニングの可能性の波長帯は、破壊放電の電圧によって制限され、結晶ＬｉＮｂＯ３にもとづくフィルタの場合には、１ｎｍを超えない。
【００２２】
原型［ａａＯ］として説明され、電気光学材料の層表面に適用された電極へと電界を加える光フィルタの伝達関数の制御のためのさらなるプロセスが知られている。電気光学材料において、印加される制御電圧が、ブラッグ位相格子の波動ベクトルに沿って向けられた一様な電界強度を生成する。形成された電界が、電気光学材料の屈折率の変化を生じさせ、したがって導波路内の光の速度に変化を生じさせる。これが、特定の波長について、ブラッグ位相格子によって反射される光の光強度の変化をもたらす。
【００２３】
しかしながら、このようなフィルタのチューニングの可能性の波長は、破壊放電の電圧によって制限され、結晶ＬｉＮｂＣＯ３に基づくフィルタの場合には、１ｎｍを超えない。
【００２４】
発明の概要
本発明の目的は、一方では、多機能な使用（チューニング可能な光フィルタ、選択的な光アッテネータおよび変調器、光スイッチ、ならびに光イコライザ）を有する一体的な光学設計の光学素子であって、高いスペクトル選択性を有し、幅広い波長帯のチューニング可能性を有し、大きなダイナミクスを有し、かつクロストークの傾向が少ない光学素子を製造することにある。本発明のさらなる目的は、上述の素子の制御のためのプロセスであって、伝達関数のプロファイル、伝達関数の最大値の位置、選択されるチャネルの数、および位相歪みの補償を電気的に制御することを、比較的低い制御電圧を使用しつつ、高いチューニングの可能性および切り替えの速度にて行うことができるプロセスを開発することにある。この目的は、１つの共通の意図によって相関している多数の発明によって解決される。
【００２５】
すなわち、上記目的が、光学素子がブラッグ位相格子が形成されている電気光学材料へと適用されるという事実によって解決される。格子が、光放射の伝搬の方向に沿った格子の全長の少なくとも一部分に一様でない非周期の外部電界を生成する手段を有している。
【００２６】
ブラッグ位相格子を、電気光学材料の光導波路に、光の伝搬の方向に周期的に適用された導波路表面の凸部および凹部の形態で形成できる。ブラッグ位相格子を、電気光学材料の光導波路に、光の伝搬の方向に周期的に適用された導波路表面の凸部および凹部の形態で形成できる。さらに、屈折率が基板の屈折率に一致する材料の層を、格子の表面に適用することができるが、この材料の屈折率は、ベースの屈折率から最大４０％まで外れていてもよい。
【００２７】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側に位置する２つの電極を適用することによって生成できる。
【００２８】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側に位置する２つの電極を適用することによって生成できる。２つの電極の間の距離が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で変化している。
【００２９】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側にペアにて位置する４つの互いに絶縁された個々の電極によって生成できる。
【００３０】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側にペアにて位置する４つの互いに絶縁された個々の電極によって生成できる。それぞれの電極ペアの間の距離が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で増加または減少している。
【００３１】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側に配置され、光の放射の方向に沿った上述の格子の種々の点において電界強度を制御するように意図された少なくとも３つの互いに絶縁された電極を適用することによって生成できる。この構成は、例えば、Ｎ個の上述の電極にて実現でき、電極の数Ｎは、以下の式
Ｎ ２Ｄ／ｄ （４）
から導出され、ここで、Ｄは、フィルタの電気的再設計の波長帯である。
【００３２】
また、上記の目的は、ブラッグ位相格子が形成された電気光学材料を基盤とするフィルタであって、ブラッグ位相格子が、光放射の伝搬の方向に沿った格子の長さの少なくとも一部分に空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段を有しているフィルタの伝達関数のプロファイルの制御が、空間的に一様でない非周期の外部電界を格子の少なくとも一部分に作用させ、光放射の回折に最大変調までの変化を生じさせることによって行われるという事実によっても解決できる。空間的に一様でない非周期の外部電界の作用のもとで、上述の格子の一部分の電界強度のベクトルの方向を、格子の他の部分の電界強度のベクトルの方向と反対の方向に形成できる。
【００３３】
本発明の目的は、電気光学材料に生成されたブラッグ格子の回折を、材料内に電界の非一様な分布を生成することによって制御することにある。
【００３４】
この制御プロセスの実現において、光の放射を格子のベクトルに沿って導入する（結合させる）ことができ、回折ゆえに上述の格子にて反射される光放射および光学結晶を通って案内される光放射が同時に認識される。
【００３５】
また、制御電圧を、導波路型の設計を使用することで、フィルタリングの対象である光放射が光学結晶に生成された導波路内に分布し、伝達関数の速度が大幅に高められるおかげで、大幅に下げることができる。
【００３６】
光の伝搬の方向に非周期的に適用された導波路表面の凸部および凹部で構成されるブラッグ位相格子の回折効率を、大きく向上させることができる。これは、屈折率が基板の屈折率に一致する光学材料のさらなる層を、格子へと適用することによって行われるが、この材料の屈折率が、ベースの屈折率から最大４０％まで外れていてもよい。
【００３７】
また、破壊放電の量を大きく増加（拡大）させることができ、結果として、チューニング可能な波長帯の量を顕著に大きくすることができる。これは、すべての電極の間のすべての空間を満たす電気的に絶縁可能な材料のさらなる層を使用することによって行われ、これによって破壊放電の電圧が大幅に高められ、結果として電極へと加えられる電圧を高めることができるようになる。
【００３８】
公知のプロセスとちょうど同じように、フィルタリング対象の放射の回折が、結晶に特定の強度の電界を形成し、結晶の屈折率を変化させることによって制御される。本出願のプロセスの１つの特別な特徴は、放射の伝搬の方向の電界が非一様である点にある。
【００３９】
必要とされる空間分布の電界を結晶に生成することで、光学素子に必要とされ、光学素子の多機能の性質をもたらす伝達関数を生成できる。
【００４０】
すなわち、放射の伝搬の方向に沿って均一的に変更された外部電界が使用される場合には、格子の回折効率を、ほとんどゼロまで大幅に低下させることができる。
【００４１】
電気的にスペクトル選択を行う光スイッチを、この考え方にもとづいて生成できる。制御の電気光学的性質ゆえに、このようなスイッチの切り替えの速度はきわめて高速であり、１０〜１００ＧＨｚにもなりうる。
【００４２】
非一様性の度合いが変更されるとき、ブラッグ位相格子の回折効率を制御することができる。この場合、そのような素子は、電気的に制御される選択的な光変調器として機能する。
【００４３】
さらに、ブラッグ位相格子の伝達関数のプロファイルを、電気的に制御することができる。反射の状態から前方伝導の状態への伝達関数の再構成を、例として挙げることができる。この再構成は、格子の２つの同一な半分において、格子の両方の半分によって反射される光波についてｐに等しい位相の移動を生成する電界が加えられるという事実のおかげで達成できる。
【００４４】
本出願の光学素子は、スペクトル・チャネルの数が可変である汎用の光スイッチとして機能することができる。形成されるブラッグ位相格子の特定の数が、非一様な電界中に位置し、したがって回折が存在しない。一様な電界が、他の位相格子へと加えられる。このため、それらには回折が存在する。この状況は、選択されたスペクトル・チャネルの反射を可能にする。
【００４５】
また、本出願の光学素子は、電気的に制御される光イコライザとしても機能できる。この場合、個々の要素格子のそれぞれの回折効率が、外部電界の空間的な非一様性の程度によって定められる。
【００４６】
さらに、本出願の光学素子は、幅広い波長帯を有する狭帯域の光フィルタとして機能することができる。
【００４７】
また、本出願の光学素子は、光のスペクトルの分散の補償器として機能することができる。
【００４８】
以下の図が、本発明の目的を説明している。
【００４９】
発明の実施の形態
本出願の光学素子は、電気光学材料で作られたｐｃボード１を含んでおり、ｐｃボード１に光導波路２を形成することができる（図２を参照）。ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、またはＳＢＮなどの結晶を、電気光学材料として使用することができる。ブラッグ位相格子３を、ｐｃボード１の実際の材料および光導波路２の両方に使用することができる。格子３を、光の伝搬の方向において周期的に適用された導波路表面の凸部６および凹部７の両者の形態で生成できる（図７、８を参照）。導波路の周期的な凸部および凹部の上方には、或る材料からなる補償層８が適用されている。この層を、例えばＴｉＯ２またはＳｉＯ２で構成することができる。
【００５０】
格子３の両側には、空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段が、コンタクト５を介して電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、・・・、ＵＮが印加される電極４の形態で位置している（電極４の数および構成に応じ、印加される電圧の振幅が同一でも、異なっていてもよく、それらの極性が異なっていても、同一であってもよい）。
【００５１】
電極の表面、補償材料の表面、基礎の残りの表面、および電極間の残りの空間は、電気絶縁材料９で満たされている。この材料層を、エポキシ樹脂または高い電気抵抗の係数を有する任意の他のプラスチック材料で構成できる。空間的に一様でない非周期の外部電界を、異なる形状を有する電極４によって生成することができる。すなわち、例えば、互いの間隔が放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で変化する２つの電極（図２を参照）によって、異なる電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３が作用する３つの矩形の電極（図５を参照）によって、形状の異なる４つの電極（図３、４を参照）によって、異なる電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、・・・、Ｕ８が作用する８つの矩形の電極（図６を参照）によって、以下の対応：Ｎ ２Ｄ／ｄを有するＮ個の電極によって、空間的に一様でない非周期の外部電界を生成することができる。上述の例は、電極の数およびそれらの構成の選択を制限するものではない。
【００５２】
本出願の光学素子の伝達関数は、以下のように制御される。
【００５３】
必要な電界強度の電圧の分布が、電気光学材料１の内部に生成される。
【００５４】
必要な電界強度の電圧の分布を、電圧Ｕ１、Ｕ２が作用する電極４の幾何学的形状によって生成することができる。図２が、空間的に一様でない非周期の電界を生成するための電極の構成の例を示している。電界の非一様性が、電極間の距離の変化によって決定されている。図９が、図２に示した電極の構成について、電界強度の分布を示している。電界および関連の勾配について可能な最大の大きさは、破壊放電Ｅｂｄの量によって決定される。
【００５５】
図４は、一様でない電界を生成するシステムを、電極間の距離が変化している２つの電極ペアの形態で生成することによって、電界強度の勾配を大きくできる可能性を示している。電圧Ｕ１、Ｕ２が、それぞれの電極ペアに作用し、それぞれ逆の極性を有している。この電極の構成に対応する電気光学材料内の電界強度の分布が、図１０に示されている。空間的に一様でない非周期の電界を生成するための手段であって、コンタクトを介して電圧Ｕが作用するＮ個の電極の形態である手段によれば、電気光学材料においてさまざまな電界強度の分布を生成することができ、特に重要なことには、電界強度の分布の依存の性質を、印加電圧の振幅を変化させることによって変えることができる。
【００５６】
同じ電圧Ｕ１が、導波路の一方の側の電極へと加えられ、同じ電圧Ｕ２が、導波路の他方の側に位置する電極へと加えられるとき、電気光学材料に空間的に一様な電界が生成される（図１２を参照）。このような電界は、ブラッグ位相格子の伝達関数（図１１を参照）の移動を、形状を変えることなくもたらす（図１３）。中心波長の移動の量は、生成される電界強度によって決定される。電界Ｅ０が、伝達関数の幅ｄに沿った中心波長の移動に相当する（図１３の曲線ｃ）。加えられる電界の極性が、中心波長の移動の方向を決定する。加えられる一様な電界Ｅｂｄおよび−Ｅｂｄに対応する伝達関数の中心波長の間の距離Ｄが、中心波長のチューニングの可能性の全波長範囲である。このような空間的に一様な電界は、光学素子の原型（図１を参照）において生成される。非一様な電界の空間的分布の最も単純な方法を、以下で説明する。ここでは、格子の２つの半分に、振幅に関して同一であるが、極性において相違する電界が作用する（図１４、１６を参照）。このような電界強度の分布は、図５に示した電極のシステムによって、Ｕ１＝０、Ｕ２＝−Ｕ３であるときに生成できる。ブラッグ位相格子が、中心波長が移動した２つの格子へと分割される。波長の移動の量が、伝達関数の幅ｄよりもはるかに大きい場合、格子の２つの半分によって反射された光の放射の加算において、位相の条件を無視することができる。この場合、光学素子の伝達関数は、ブラッグ位相格子の２つの半分の伝達関数の加算へと変化する。この場合の伝達関数が、図１７に示されている。
【００５７】
格子の個々の半分へと作用する電界強度の相違の結果として、反射される光放射の位相にｐに相当する差が生じる場合（図１４を参照）が、きわめて重要である。格子の振幅が小さい場合（ｎ１／ｎ０＜＜Λ／Ｔ）Ｅｐ／２＝Ｅ０のとき、中心波長は、伝達関数の幅ｄによってのみ相違する。格子の個々の半分によって反射される中心波長の振幅が、コヒーレントに加えられ、すなわち位相が考慮される。この場合、伝達関数の中央に極小が生成される（図１５を参照）。この場合、光学素子は、中心周波数を反射させる代わりに、通過を許す。この例は、「反射」状態から「通過」状態への伝達関数の電気光学的制御の可能性を明らかに指摘している。
【００５８】
図１８が、ブラッグ位相格子が８つの部分へと分割された場合の電界強度の空間分布を示している。このような電界の分布は、図６に示したような電極のシステムによって生成できる。この場合、印加電圧の間に以下の条件、すなわちＵ１＝Ｕ８、Ｕ２＝Ｕ７、Ｕ３＝Ｕ６、Ｕ４＝Ｕ５が実現される。光が、中心波長が移動した相互に別個独立である格子の８つの部分において屈折する。これは、追加の反射係数の低減およびスペクトル選択性の低減につながり、すなわちフィルタの伝達関数の打ち消しにつながる（図１９を参照）。一様な電界が加えられる格子のセグメントの長さを短くすることで、追加の反射係数のさらなる低減およびスペクトル選択性の低減につながる。空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段が、Ｎ個の電極で構成される場合、格子のＮ／２個の部分に別個独立した電界を生成できる（２つの電極が、格子のそれぞれの部分において導波路の両側に位置するため）。
【００５９】
電極の最適な数は、比Ｎ ２Ｄ／ｄから選択され、すなわち回折の効果的な打ち消し（追加の反射係数の低減およびスペクトル選択性の低減）のために選択され、格子をＮ／２個の独立した部分へと分割することが必要である。数Ｎは、必要な選択チャネルの数によって決定される。
【００６０】
以上、光学素子の伝達関数の性質を、空間的に一様でない外部電界の印加の助けによってどのように変更できるのかを示した。追加の反射係数の低減およびスペクトル選択性の低減によるブラッグ格子の回折の打ち消しの例も示した。この光学素子の伝達関数の制御のプロセスを、狭帯域の光フィルタ、光アッテネータ、光変調器、および位相分散の補償器に使用することができる。しかしながら、上述した例は、伝達関数の制御について考えられる適用分野を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】２つの電極を有する光学素子の原型を示している（Ｕ１およびＵ２が、電極へと加えられる電圧を表わしており、補償層および絶縁材料層は図示されていない）。
【図２】２つの電極を有する光学素子を示している。２つの電極の間の間隔が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で減少している。
【図３】４つの電極を有する光学素子を示している。
【図４】４つの電極を有する光学素子を示している。電極のそれぞれのペアの間の間隔が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で減少している。
【図５】３つの電極を有する光学素子を示している。
【図６】８つの電極を有する光学素子を示している。
【図７】光学素子の長手断面を示している。ブラッグ位相格子が、導波路表面に周期的に適用された一連の凸部および凹部として設計され、補償材料の層および電気絶縁材料の層で覆われている（ｈが、導波路の高さであり、Δｈが、凹部と凸部との間の高さの差である）。この断面は、導波路に沿って（ＡＢＣ平面内を）延びている。
【図８】上述の光学素子の横断面を示している。この断面は、導波路の軸を横切って（ＤＥＦ平面内を）延びている。
【図９】図２に示したような素子上の電極配置について、放射の伝搬の方向に沿った座標に対する電界強度Ｅの依存性を示している。
【図１０】図４に示したような素子上の電極配置について、放射の伝搬の方向に沿った座標に対する電界強度Ｅの依存性を示している。
【図１１】ブラッグ位相格子の反射係数のスペクトル特性を示している（λは、光放射の波長であり、λＢは、反射される光放射の中心波長であり、ｄは、ブラッグ位相格子の伝達関数の幅である）。
【図１２】光学素子の原型を示しており、外部の一様な電界Ｅが印加されている位相格子が示されている（Ｅｂｄは、光フィルタの破壊放電が生じる電界強度であり、−Ｅｂｄは、逆の極性の電界強度であり、Ｅ０は、反射される放射の中心波長をブラッグ位相格子の伝達関数の幅ｄの大きさで変更すべく機能する電界強度であり、Ｔは、位相格子の長さである）。
【図１３】加えられる外部の電界強度の大きさに対する光学素子のスペクトル特性の依存性を示している（ａは、電界なしであり、ｂは、Ｅ＝−Ｅｂｄの場合であり、ｃは、Ｅ＝Ｅ０の場合であり、ｄは、Ｅ＝Ｅｂｄの場合である）。
【図１４】光学素子へと加えられる空間的に一様でない外部電界の変種の１つを示している（Ｅｐ／２は、格子の第１の半分における電界強度であって、ｐ／２に等しい光放射の追加の位相差を生み、−Ｅｐ／２は、格子の第２の半分における電界強度であって、−ｐ／２に等しい光放射の追加の位相差を生む）。
【図１５】図１４に挙げた電界が素子へと加えられる場合の素子の伝達関数を示している（実線が、外部電界が存在しない場合であり、破線が、外部電界が存在する場合である）。
【図１６】光学素子へと加えられる空間的に一様でない外部電界について考えられるさらなる変種を示している（Ｅｂｄは、格子の第１の半分における電界強度であり、−Ｅｂｄは、格子の第２の半分における電界強度である）。
【図１７】図１６に挙げた電界がフィルタへと加えられる場合の素子の伝達関数を示している（実線が、外部電界が存在しない場合であり、破線が、外部電界が存在する場合である）。
【図１８】光学素子へと加えられる空間的に一様でない外部電界について考えられるさらなる変種を示している（Ｅｂｄは、格子の最初の８分の１における電界強度であって、光学素子の破壊放電が生じる電界強度であり、−Ｅｂｄは、格子の最後の８分の１における反対の極性の電界強度である）。
【図１９】図１８に挙げた電界がフィルタへと加えられる場合の素子の伝達関数を示している（実線が、外部電界が存在しない場合であり、破線が、外部電界が存在する場合である）。
【符号の説明】
【００６２】
１ ｐｃボード
２ 光導波路
３ ブラッグ位相格子
４ 電極
５ コンタクト
６ 凸部
７ 凹部
８ 或る材料の補償層
９ 電気絶縁材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学の物理的領域に関し、実際のところ、光放射のスペクトル・フィルタリングのための光学的な方法および設備に関する。これは、電気光学結晶を基盤とし、波長に対して幅広い波スペクトルの切り替えが可能な狭帯域のフィルタを生み出すために使用され、さらには選択的な光アッテネータおよび光変調器ならびに光イコライザの製造に使用される。
【０００２】
背景技術
現在では、伝送されるべき情報の量が極度の増加を続けており、電気通信ネットワークのデータ伝送の増加を可能にする新規な技術の開発につながっている。最も未来志向のプロセスの１つは、信号を光ファイバを基礎とするデータ伝送ネットワークのチャネル内に凝縮させている（ＷＤＭ‐波長分割多重化）。近い将来には、１５３０ｎｍ〜１６００ｎｍの等間隔の波長の生成にて、最大８０にものぼるスペクトル・チャネルの伝送が、光ネットワークにおいて毎秒数テラビットの伝送速度の達成を可能にするであろう。
【０００３】
ＷＤＭを実際に効果的に実現することは、スプリッタ、ルータ、フィルタ、変調器、増幅器、などといった多数の光学素子が利用可能である場合にのみ可能になるであろう。また、この新たな可能性の効果的な使用のために、光信号の制御および切り替えならびに整形を電子的な手段によって達成する必要がある。このように、例えば光スイッチおよび制御可能な光フィルタなど、制御付きの光学素子の役割が、ますます大きくなってきている。光放射のスペクトル・フィルタリングについて、公知のすべての方法は、固定であって光反射結晶に前もって書き込まれているブラッグ位相格子における放射の回折にもとづいている［Ｇ．Ａ．Ｒａｋｕｌｊｉｃ、Ｖ．Ｌｅｙｖａの「Ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｎａｒｒｏｗ‐ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９３年、第１８巻、第６号、４５９〜４６１頁］。ブラッグ位相格子について、体積型および導波型の設計の両者を使用することが可能である［Ｊ．Ｈｕｋｒｉｅｄｅ、Ｉ．Ｎｅｅ、Ｄ．Ｋｉｐ、Ｅ．Ｋｒａｅｔｚｉｇの「Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｆｉｘｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ：Ｆｅ Ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９８年、第２３巻、第１７号、１４０５〜１４０７頁］。
【０００４】
実際のスペクトル・フィルタリングは、次のように行われる。位相格子のベクトルの方向に実質的に平行な方向の光ビームによって結晶が照らされると、光が、位相格子のブラッグ条件に一致する波長においてのみ反射し、反対の方向に反射される。残りの波スペクトルの光は、光学的に透明な結晶を不変のまま通過する。正確に言えば、特定の狭い波スペクトルの波長の光のみが、位相格子で反射される。光の中心波長λＢは、以下の式
λＢ＝２ｎΛ （１）
に一致し、ここで、ｎは、結晶の平均の屈折率であり、Λは、ブラッグ結晶格子の周期である。
【０００５】
このようなフィルタのスペクトル選択性は、ブラッグ位相格子の長さに依存して決まり、以下の式
【数１】
【０００６】
に一致する。ここで、ｄは、選択的に反射される光の波長帯であり、ｎ１は、ブラッグ位相格子の屈折率の変化の大きさであり、Ｔは、位相格子の長さである。
【０００７】
選択される波長λの変更のために、電界強度Ｅを有する電界を、光の放射の伝搬の方向を横切るように加えることができる［Ｒ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ｖ．Ａｌｖａｒｅｚ‐Ｂｒａｖｏ、Ｌ．Ａｒｉｚｍｅｎｄｉ、Ｊ．Ｍ．Ｃａｂｒｅｒａの「Ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｌｌ．Ｐｈｙｓ．、１９９４年、第２７巻、１６２８〜１６３２頁］。線形な電気光学的効果（ポッケルス効果）ゆえ、光屈折結晶において、結晶の平均の屈折率ｎが、以下のように電界Ｅの電圧に依存して決まる。
【数２】
【０００８】
ここで、Δｎは、結晶の屈折率の変化であり、ｎ０は、Ｅ＝０という条件のもとでの結晶の平均屈折率であり、ｒは、実効電気光学係数であり、結晶軸に対する電界の方向に依存して決まる。
【０００９】
電界強度Ｅを変更することで、フィルタリングされる放射の特定の波長λＢが選択されるという点で、フィルタが切り替えられる。導波路型の設計が、電極間のきわめて小さい距離（１０μｍ）のおかげで、比較的低い印加電圧で制御用の電界を生成できるようにする。
【００１０】
狭帯域の光フィルタの機能を実行するホログラフィック光学素子が知られている［ＵＳ００５４４０６６９Ａ］。この素子は、ブラッグ位相格子が書き込まれて固定された光屈折結晶で構成されている。この素子は、きわめて高いスペクトル選択性を有している（少なくとも１０ｐｍのスペクトル伝達関数の幅を有する幅フィルタを生み出すことが可能である）。この素子を、入力された程度の曲率を有する光の案内および複数の波面の同時のフィルタリングのために使用することができる。この公知のホログラフィック素子が光ファイバ・ネットワークにおいて使用される場合、体積型の設計および追加の平行光学系が必要である。これは、結果として、精密な調節を必要とする。これは、コストを劇的に高め、したがって大量生産に適していない。
【００１１】
結晶への一定の電圧の印加によって空間的に一様な場が結晶に生成される、光屈折結晶におけるホログラフィック光学フィルタの電気的切り替えのプロセスが知られている［Ｍ．Ｐ．Ｐｅｔｒｏｖ、Ｖ．Ｍ．Ｐｅｔｒｏｖ、Ａ．Ｖ．Ｃｈａｍｒａｉ、Ｃ．Ｄｅｎｚ、Ｔ．Ｔｓｃｈｕｄｉの「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ」、Ｐｒｏｃ．２７ｔｈ Ｅｕｒ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍ．（ＥＣＯＣ‘０１‐アムステルダム）、Ｔｈ．Ｆ．３．４、６２８、６２９頁（２００１年）］。印加電圧の変更および関連の電界強度Ｅの変化によって、フィルタリングされる放射の特定の波長λＢが選択されるという点で、フィルタが再設計される。このプロセスの欠点は、使用される光屈折材料の電気光学係数が小さいために、きわめて高い制御電圧を使用する必要があるという点にある。さらなる欠点は、放電によって制限され、切り替えできる周波数帯が小さい点にあり、ＬｉＮｂＯ３において最大１ｎｍの大きさである。
【００１２】
いくつかのブラッグ位相格子を異なる値の電界強度にて光屈折結晶の１つの同じ体積へと書き込むことからなる電気的多重化のプロセスも知られている［Ｍ． Ｐ． Ｐｅｔｒｏｖ、Ｓ． Ｉ． Ｓｔｅｐａｎｏｖ、Ａ． Ａ． Ｋａｍｓｈｉｌｉｎの「Ｌｉｇｈｔ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｍｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ．、１９７９年、第２９巻、４４〜４８頁］。このプロセスは、フィルタの電気的な再設計の波長帯を広げることを可能にできる。
【００１３】
しかしながら、この方法が適用されるとき、切り替えられるスペクトル・チャネルの数（電気的に多重化されるホログラムの最大数によって決定される）および隣り合うチャネル間の距離に限界が存在する。この限界は、クロストークに関する現代のデータ伝送システムに対するきわめて高い要求ゆえに生じる。電気的な切り替えは、結晶へと書き込まれたすべての格子の中心波長の単純なシフトを生じさせる。格子の中心波長帯は、現在活性化されているスペクトル・チャネルの中心波長帯に対応する。残りの格子が、追加の雑音を同時に生じさせる。
【００１４】
常誘電の光屈折材料を含む電気スイッチが知られており（ＷＯ００／０２０９８）、少なくとも１つのホログラフィック格子が形成され、外部の電界を印加するために２つの電極が材料の対向する縁へと適用されている。
【００１５】
しかしながら、このスイッチの場合には、相転移の付近で機能する常誘電相の結晶ＫＬＴＮが使用されている。これは、この構造の温度の安定化の必要を大きく高め、動作温度範囲を制限する。
【００１６】
現時点において、結晶ＫＬＴＮを使用する高品質の導波路の製造のための方法は知られていない。このような理由により、電気ホログラフィの公知の方法にもとづく構造が、体積型の設計においてのみ製造可能であり、高い切り替え電圧および複雑な光学的チューニングの両者を必要とする。これは、長い切り替え時間につながる。
【００１７】
光スイッチのプロセスも知られている（ＵＳ００４０３９２４９Ａ）。このプロセスは、スクエアな電気光学的効果に基づいている。これは、常誘電の格子に書き込まれたホログラフィック格子の電気的な活性化を可能にする。アクティベーションは、結晶内のホログラフィック格子を構成する電界の空間的に変調された分布、および空間的に一様な外部電界の影響の相互作用によって生み出される。この公知のプロセスは、伝搬の方向について、波長に応じて、光の切り替えを可能にしている。
【００１８】
しかしながら、この公知のプロセスは、高い切り替え電圧および複雑な光学的チューニングを必要とする。これは、長い切り替え時間につながる。
【００１９】
［ＵＳ００５８３２１４８Ａ］に記載の光学素子は、多数の基本的特性に関して、本出願の素子に近いコンポーネントである。電気光学材料の薄膜が適用された基板を基礎とし、電気光学材料の薄膜が、基板そのものよりも高い屈折率を有している。上部に位置する膜が、光導波路として使用される。この光学素子の改善において、特定の電気光学材料（ＬｉＮｂＯ３）が基板として使用され、光導波路が、チタンイオンの中間層の拡散によって形成される。長く延びた電極が、電気光学層の表面へと適用され、制御用の電圧源が接続される。ブラッグ位相格子が、導波路層へと書き込まれる。
【００２０】
このフィルタは、きわめて高いスペクトル選択性を有し、電気的にチューニングが可能な狭帯域の光フィルタの機能を果たす（１０ｐｍ未満のスペクトル選択性を有するフィルタを生成できる）。導波路型の設計が、電極間の距離がきわめて短い（１０μｍ）おかげで、比較的低い電圧で大きな電界強度の生成を可能にする。
【００２１】
しかしながら、このようなフィルタのチューニングの可能性の波長帯は、破壊放電の電圧によって制限され、結晶ＬｉＮｂＯ３にもとづくフィルタの場合には、１ｎｍを超えない。
【００２２】
原型［ａａＯ］として説明され、電気光学材料の層表面に適用された電極へと電界を加える光フィルタの伝達関数の制御のためのさらなるプロセスが知られている。電気光学材料において、印加される制御電圧が、ブラッグ位相格子の波動ベクトルに沿って向けられた一様な電界強度を生成する。形成された電界が、電気光学材料の屈折率の変化を生じさせ、したがって導波路内の光の速度に変化を生じさせる。これが、特定の波長について、ブラッグ位相格子によって反射される光の光強度の変化をもたらす。
【００２３】
しかしながら、このようなフィルタのチューニングの可能性の波長は、破壊放電の電圧によって制限され、結晶ＬｉＮｂＣＯ３に基づくフィルタの場合には、１ｎｍを超えない。
【００２４】
発明の概要
本発明の目的は、一方では、多機能な使用（チューニング可能な光フィルタ、選択的な光アッテネータおよび変調器、光スイッチ、ならびに光イコライザ）を有する一体的な光学設計の光学素子であって、高いスペクトル選択性を有し、幅広い波長帯のチューニング可能性を有し、大きなダイナミクスを有し、かつクロストークの傾向が少ない光学素子を製造することにある。本発明のさらなる目的は、上述の素子の制御のためのプロセスであって、伝達関数のプロファイル、伝達関数の最大値の位置、選択されるチャネルの数、および位相歪みの補償を電気的に制御することを、比較的低い制御電圧を使用しつつ、高いチューニングの可能性および切り替えの速度にて行うことができるプロセスを開発することにある。この目的は、１つの共通の意図によって相関している多数の発明によって解決される。
【００２５】
すなわち、上記目的が、光学素子がブラッグ位相格子が形成されている電気光学材料へと適用されるという事実によって解決される。格子が、光放射の伝搬の方向に沿った格子の全長の少なくとも一部分に一様でない非周期の外部電界を生成する手段を有している。
【００２６】
ブラッグ位相格子を、電気光学材料の光導波路に、光の伝搬の方向に周期的に適用された導波路表面の凸部および凹部の形態で形成できる。ブラッグ位相格子を、電気光学材料の光導波路に、光の伝搬の方向に周期的に適用された導波路表面の凸部および凹部の形態で形成できる。さらに、屈折率が基板の屈折率に一致する材料の層を、格子の表面に適用することができるが、この材料の屈折率は、ベースの屈折率から最大４０％まで外れていてもよい。
【００２７】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側に位置する２つの電極を適用することによって生成できる。
【００２８】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側に位置する２つの電極を適用することによって生成できる。２つの電極の間の距離が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で変化している。
【００２９】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側にペアにて位置する４つの互いに絶縁された個々の電極によって生成できる。
【００３０】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側にペアにて位置する４つの互いに絶縁された個々の電極によって生成できる。それぞれの電極ペアの間の距離が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で増加または減少している。
【００３１】
空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段を、上述の格子の両側に配置され、光の放射の方向に沿った上述の格子の種々の点において電界強度を制御するように意図された少なくとも３つの互いに絶縁された電極を適用することによって生成できる。この構成は、例えば、Ｎ個の上述の電極にて実現でき、電極の数Ｎは、以下の式
Ｎ ２Ｄ／ｄ （４）
から導出され、ここで、Ｄは、フィルタの電気的再設計の波長帯である。
【００３２】
また、上記の目的は、ブラッグ位相格子が形成された電気光学材料を基盤とするフィルタであって、ブラッグ位相格子が、光放射の伝搬の方向に沿った格子の長さの少なくとも一部分に空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段を有しているフィルタの伝達関数のプロファイルの制御が、空間的に一様でない非周期の外部電界を格子の少なくとも一部分に作用させ、光放射の回折に最大変調までの変化を生じさせることによって行われるという事実によっても解決できる。空間的に一様でない非周期の外部電界の作用のもとで、上述の格子の一部分の電界強度のベクトルの方向を、格子の他の部分の電界強度のベクトルの方向と反対の方向に形成できる。
【００３３】
本発明の目的は、電気光学材料に生成されたブラッグ格子の回折を、材料内に電界の非一様な分布を生成することによって制御することにある。
【００３４】
この制御プロセスの実現において、光の放射を格子のベクトルに沿って導入する（結合させる）ことができ、回折ゆえに上述の格子にて反射される光放射および光学結晶を通って案内される光放射が同時に認識される。
【００３５】
また、制御電圧を、導波路型の設計を使用することで、フィルタリングの対象である光放射が光学結晶に生成された導波路内に分布し、伝達関数の速度が大幅に高められるおかげで、大幅に下げることができる。
【００３６】
光の伝搬の方向に非周期的に適用された導波路表面の凸部および凹部で構成されるブラッグ位相格子の回折効率を、大きく向上させることができる。これは、屈折率が基板の屈折率に一致する光学材料のさらなる層を、格子へと適用することによって行われるが、この材料の屈折率が、ベースの屈折率から最大４０％まで外れていてもよい。
【００３７】
また、破壊放電の量を大きく増加（拡大）させることができ、結果として、チューニング可能な波長帯の量を顕著に大きくすることができる。これは、すべての電極の間のすべての空間を満たす電気的に絶縁可能な材料のさらなる層を使用することによって行われ、これによって破壊放電の電圧が大幅に高められ、結果として電極へと加えられる電圧を高めることができるようになる。
【００３８】
公知のプロセスとちょうど同じように、フィルタリング対象の放射の回折が、結晶に特定の強度の電界を形成し、結晶の屈折率を変化させることによって制御される。本出願のプロセスの１つの特別な特徴は、放射の伝搬の方向の電界が非一様である点にある。
【００３９】
必要とされる空間分布の電界を結晶に生成することで、光学素子に必要とされ、光学素子の多機能の性質をもたらす伝達関数を生成できる。
【００４０】
すなわち、放射の伝搬の方向に沿って均一的に変更された外部電界が使用される場合には、格子の回折効率を、ほとんどゼロまで大幅に低下させることができる。
【００４１】
電気的にスペクトル選択を行う光スイッチを、この考え方にもとづいて生成できる。制御の電気光学的性質ゆえに、このようなスイッチの切り替えの速度はきわめて高速であり、１０〜１００ＧＨｚにもなりうる。
【００４２】
非一様性の度合いが変更されるとき、ブラッグ位相格子の回折効率を制御することができる。この場合、そのような素子は、電気的に制御される選択的な光変調器として機能する。
【００４３】
さらに、ブラッグ位相格子の伝達関数のプロファイルを、電気的に制御することができる。反射の状態から前方伝導の状態への伝達関数の再構成を、例として挙げることができる。この再構成は、格子の２つの同一な半分において、格子の両方の半分によって反射される光波についてｐに等しい位相の移動を生成する電界が加えられるという事実のおかげで達成できる。
【００４４】
本出願の光学素子は、スペクトル・チャネルの数が可変である汎用の光スイッチとして機能することができる。形成されるブラッグ位相格子の特定の数が、非一様な電界中に位置し、したがって回折が存在しない。一様な電界が、他の位相格子へと加えられる。このため、それらには回折が存在する。この状況は、選択されたスペクトル・チャネルの反射を可能にする。
【００４５】
また、本出願の光学素子は、電気的に制御される光イコライザとしても機能できる。この場合、個々の要素格子のそれぞれの回折効率が、外部電界の空間的な非一様性の程度によって定められる。
【００４６】
さらに、本出願の光学素子は、幅広い波長帯を有する狭帯域の光フィルタとして機能することができる。
【００４７】
また、本出願の光学素子は、光のスペクトルの分散の補償器として機能することができる。
【００４８】
以下の図が、本発明の目的を説明している。
【００４９】
発明の実施の形態
本出願の光学素子は、電気光学材料で作られたｐｃボード１を含んでおり、ｐｃボード１に光導波路２を形成することができる（図２を参照）。ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、またはＳＢＮなどの結晶を、電気光学材料として使用することができる。ブラッグ位相格子３を、ｐｃボード１の実際の材料および光導波路２の両方に使用することができる。格子３を、光の伝搬の方向において周期的に適用された導波路表面の凸部６および凹部７の両者の形態で生成できる（図７、８を参照）。導波路の周期的な凸部および凹部の上方には、或る材料からなる補償層８が適用されている。この層を、例えばＴｉＯ２またはＳｉＯ２で構成することができる。
【００５０】
格子３の両側には、空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段が、コンタクト５を介して電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、・・・、ＵＮが印加される電極４の形態で位置している（電極４の数および構成に応じ、印加される電圧の振幅が同一でも、異なっていてもよく、それらの極性が異なっていても、同一であってもよい）。
【００５１】
電極の表面、補償材料の表面、基礎の残りの表面、および電極間の残りの空間は、電気絶縁材料９で満たされている。この材料層を、エポキシ樹脂または高い電気抵抗の係数を有する任意の他のプラスチック材料で構成できる。空間的に一様でない非周期の外部電界を、異なる形状を有する電極４によって生成することができる。すなわち、例えば、互いの間隔が放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で変化する２つの電極（図２を参照）によって、異なる電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３が作用する３つの矩形の電極（図５を参照）によって、形状の異なる４つの電極（図３、４を参照）によって、異なる電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、・・・、Ｕ８が作用する８つの矩形の電極（図６を参照）によって、以下の対応：Ｎ ２Ｄ／ｄを有するＮ個の電極によって、空間的に一様でない非周期の外部電界を生成することができる。上述の例は、電極の数およびそれらの構成の選択を制限するものではない。
【００５２】
本出願の光学素子の伝達関数は、以下のように制御される。
【００５３】
必要な電界強度の電圧の分布が、電気光学材料１の内部に生成される。
【００５４】
必要な電界強度の電圧の分布を、電圧Ｕ１、Ｕ２が作用する電極４の幾何学的形状によって生成することができる。図２が、空間的に一様でない非周期の電界を生成するための電極の構成の例を示している。電界の非一様性が、電極間の距離の変化によって決定されている。図９が、図２に示した電極の構成について、電界強度の分布を示している。電界および関連の勾配について可能な最大の大きさは、破壊放電Ｅｂｄの量によって決定される。
【００５５】
図４は、一様でない電界を生成するシステムを、電極間の距離が変化している２つの電極ペアの形態で生成することによって、電界強度の勾配を大きくできる可能性を示している。電圧Ｕ１、Ｕ２が、それぞれの電極ペアに作用し、それぞれ逆の極性を有している。この電極の構成に対応する電気光学材料内の電界強度の分布が、図１０に示されている。空間的に一様でない非周期の電界を生成するための手段であって、コンタクトを介して電圧Ｕが作用するＮ個の電極の形態である手段によれば、電気光学材料においてさまざまな電界強度の分布を生成することができ、特に重要なことには、電界強度の分布の依存の性質を、印加電圧の振幅を変化させることによって変えることができる。
【００５６】
同じ電圧Ｕ１が、導波路の一方の側の電極へと加えられ、同じ電圧Ｕ２が、導波路の他方の側に位置する電極へと加えられるとき、電気光学材料に空間的に一様な電界が生成される（図１２を参照）。このような電界は、ブラッグ位相格子の伝達関数（図１１を参照）の移動を、形状を変えることなくもたらす（図１３）。中心波長の移動の量は、生成される電界強度によって決定される。電界Ｅ０が、伝達関数の幅ｄに沿った中心波長の移動に相当する（図１３の曲線ｃ）。加えられる電界の極性が、中心波長の移動の方向を決定する。加えられる一様な電界Ｅｂｄおよび−Ｅｂｄに対応する伝達関数の中心波長の間の距離Ｄが、中心波長のチューニングの可能性の全波長範囲である。このような空間的に一様な電界は、光学素子の原型（図１を参照）において生成される。非一様な電界の空間的分布の最も単純な方法を、以下で説明する。ここでは、格子の２つの半分に、振幅に関して同一であるが、極性において相違する電界が作用する（図１４、１６を参照）。このような電界強度の分布は、図５に示した電極のシステムによって、Ｕ１＝０、Ｕ２＝−Ｕ３であるときに生成できる。ブラッグ位相格子が、中心波長が移動した２つの格子へと分割される。波長の移動の量が、伝達関数の幅ｄよりもはるかに大きい場合、格子の２つの半分によって反射された光の放射の加算において、位相の条件を無視することができる。この場合、光学素子の伝達関数は、ブラッグ位相格子の２つの半分の伝達関数の加算へと変化する。この場合の伝達関数が、図１７に示されている。
【００５７】
格子の個々の半分へと作用する電界強度の相違の結果として、反射される光放射の位相にｐに相当する差が生じる場合（図１４を参照）が、きわめて重要である。格子の振幅が小さい場合（ｎ１／ｎ０＜＜Λ／Ｔ）Ｅｐ／２＝Ｅ０のとき、中心波長は、伝達関数の幅ｄによってのみ相違する。格子の個々の半分によって反射される中心波長の振幅が、コヒーレントに加えられ、すなわち位相が考慮される。この場合、伝達関数の中央に極小が生成される（図１５を参照）。この場合、光学素子は、中心周波数を反射させる代わりに、通過を許す。この例は、「反射」状態から「通過」状態への伝達関数の電気光学的制御の可能性を明らかに指摘している。
【００５８】
図１８が、ブラッグ位相格子が８つの部分へと分割された場合の電界強度の空間分布を示している。このような電界の分布は、図６に示したような電極のシステムによって生成できる。この場合、印加電圧の間に以下の条件、すなわちＵ１＝Ｕ８、Ｕ２＝Ｕ７、Ｕ３＝Ｕ６、Ｕ４＝Ｕ５が実現される。光が、中心波長が移動した相互に別個独立である格子の８つの部分において屈折する。これは、追加の反射係数の低減およびスペクトル選択性の低減につながり、すなわちフィルタの伝達関数の打ち消しにつながる（図１９を参照）。一様な電界が加えられる格子のセグメントの長さを短くすることで、追加の反射係数のさらなる低減およびスペクトル選択性の低減につながる。空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段が、Ｎ個の電極で構成される場合、格子のＮ／２個の部分に別個独立した電界を生成できる（２つの電極が、格子のそれぞれの部分において導波路の両側に位置するため）。
【００５９】
電極の最適な数は、比Ｎ ２Ｄ／ｄから選択され、すなわち回折の効果的な打ち消し（追加の反射係数の低減およびスペクトル選択性の低減）のために選択され、格子をＮ／２個の独立した部分へと分割することが必要である。数Ｎは、必要な選択チャネルの数によって決定される。
【００６０】
以上、光学素子の伝達関数の性質を、空間的に一様でない外部電界の印加の助けによってどのように変更できるのかを示した。追加の反射係数の低減およびスペクトル選択性の低減によるブラッグ格子の回折の打ち消しの例も示した。この光学素子の伝達関数の制御のプロセスを、狭帯域の光フィルタ、光アッテネータ、光変調器、および位相分散の補償器に使用することができる。しかしながら、上述した例は、伝達関数の制御について考えられる適用分野を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】２つの電極を有する光学素子の原型を示している（Ｕ１およびＵ２が、電極へと加えられる電圧を表わしており、補償層および絶縁材料層は図示されていない）。
【図２】２つの電極を有する光学素子を示している。２つの電極の間の間隔が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で減少している。
【図３】４つの電極を有する光学素子を示している。
【図４】４つの電極を有する光学素子を示している。電極のそれぞれのペアの間の間隔が、放射の伝搬の方向に沿って線形な様相で減少している。
【図５】３つの電極を有する光学素子を示している。
【図６】８つの電極を有する光学素子を示している。
【図７】光学素子の長手断面を示している。ブラッグ位相格子が、導波路表面に周期的に適用された一連の凸部および凹部として設計され、補償材料の層および電気絶縁材料の層で覆われている（ｈが、導波路の高さであり、Δｈが、凹部と凸部との間の高さの差である）。この断面は、導波路に沿って（ＡＢＣ平面内を）延びている。
【図８】上述の光学素子の横断面を示している。この断面は、導波路の軸を横切って（ＤＥＦ平面内を）延びている。
【図９】図２に示したような素子上の電極配置について、放射の伝搬の方向に沿った座標に対する電界強度Ｅの依存性を示している。
【図１０】図４に示したような素子上の電極配置について、放射の伝搬の方向に沿った座標に対する電界強度Ｅの依存性を示している。
【図１１】ブラッグ位相格子の反射係数のスペクトル特性を示している（λは、光放射の波長であり、λＢは、反射される光放射の中心波長であり、ｄは、ブラッグ位相格子の伝達関数の幅である）。
【図１２】光学素子の原型を示しており、外部の一様な電界Ｅが印加されている位相格子が示されている（Ｅｂｄは、光フィルタの破壊放電が生じる電界強度であり、−Ｅｂｄは、逆の極性の電界強度であり、Ｅ０は、反射される放射の中心波長をブラッグ位相格子の伝達関数の幅ｄの大きさで変更すべく機能する電界強度であり、Ｔは、位相格子の長さである）。
【図１３】加えられる外部の電界強度の大きさに対する光学素子のスペクトル特性の依存性を示している（ａは、電界なしであり、ｂは、Ｅ＝−Ｅｂｄの場合であり、ｃは、Ｅ＝Ｅ０の場合であり、ｄは、Ｅ＝Ｅｂｄの場合である）。
【図１４】光学素子へと加えられる空間的に一様でない外部電界の変種の１つを示している（Ｅｐ／２は、格子の第１の半分における電界強度であって、ｐ／２に等しい光放射の追加の位相差を生み、−Ｅｐ／２は、格子の第２の半分における電界強度であって、−ｐ／２に等しい光放射の追加の位相差を生む）。
【図１５】図１４に挙げた電界が素子へと加えられる場合の素子の伝達関数を示している（実線が、外部電界が存在しない場合であり、破線が、外部電界が存在する場合である）。
【図１６】光学素子へと加えられる空間的に一様でない外部電界について考えられるさらなる変種を示している（Ｅｂｄは、格子の第１の半分における電界強度であり、−Ｅｂｄは、格子の第２の半分における電界強度である）。
【図１７】図１６に挙げた電界がフィルタへと加えられる場合の素子の伝達関数を示している（実線が、外部電界が存在しない場合であり、破線が、外部電界が存在する場合である）。
【図１８】光学素子へと加えられる空間的に一様でない外部電界について考えられるさらなる変種を示している（Ｅｂｄは、格子の最初の８分の１における電界強度であって、光学素子の破壊放電が生じる電界強度であり、−Ｅｂｄは、格子の最後の８分の１における反対の極性の電界強度である）。
【図１９】図１８に挙げた電界がフィルタへと加えられる場合の素子の伝達関数を示している（実線が、外部電界が存在しない場合であり、破線が、外部電界が存在する場合である）。
【符号の説明】
【００６２】
１ ｐｃボード
２ 光導波路
３ ブラッグ位相格子
４ 電極
５ コンタクト
６ 凸部
７ 凹部
８ 或る材料の補償層
９ 電気絶縁材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料と該電気光学材料に形成されたブラッグ格子とで構成される光学素子であって、
前記ブラッグ位相格子（３）が、光放射の伝搬の方向に沿った格子の全長の少なくとも一部分に空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段を有していることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記ブラッグ位相格子（３）が、前記電気光学材料の光導波路（２）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記ブラッグ位相格子（３）が、前記光導波路（２）の光放射の伝搬の方向に沿った周期的な凸部（６）および凹部（７）として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記ブラッグ位相格子（３）が、屈折率が使用される基板の屈折率に一致し、あるいは基板の屈折率からのずれが最大４０％である補償光学材料（８）で構成される追加の層を有していることを特徴とする請求項１〜３のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記ブラッグ位相格子（３）の両側の２つの電極（４）で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側の２つの電極（４）で構成されており、前記２つの電極（４）の間の距離が、放射の伝搬の方向において線形な様相で変化していることを特徴とする請求項１〜５のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側にペアにて位置する４つの電気的に絶縁された電極（４）で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側にペアにて位置する４つの電気的に絶縁された電極（４）で構成されており、それぞれの電極ペアの間の距離が、放射の伝搬の方向において線形な様相で変化していることを特徴とする請求項１〜７のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側に位置し、電界強度の制御のために光の放射の伝搬の方向に沿った前記格子（３）の異なる点に実現されている少なくとも３つの電気的に絶縁された電極（４）で構成されていることを特徴とする請求項１〜８のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、Ｎ個の電極（４）で構成されており、電極（４）の数が、式Ｎ ２Ｄ／ｄに一致していることを特徴とする請求項１〜９のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、すべての電極（４）の間の空間を満たす電気的に絶縁可能な材料（９）の層を有しており、材料（９）が、電極（４）へと加えられた電圧を増幅するように機能することを特徴とする請求項５、６、７、８、９、１０のうちの一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学素子の伝達関数を制御するためのプロセスであって、格子の回折の効率を制御する目的で、空間的に一様でない非周期の外部電界を光放射の伝搬の方向に沿った格子（３）の一部分に作用させるプロセス。
【請求項１３】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を光放射の伝搬の方向に沿った前記格子（３）の一部分に作用させることが、格子の可能な最大の回折効率を制御するという目的を有していることを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子の伝達関数を制御するためのプロセス。
【請求項１４】
前記格子（３）の一部分の電界強度のベクトルの方向が、前記格子（３）の他の部分の電界強度のベクトルの反対の方向に生成されることを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子の伝達関数を制御するためのプロセス。
【請求項１】
電気光学材料と該電気光学材料に形成されたブラッグ格子とで構成される光学素子であって、
前記ブラッグ位相格子（３）が、光放射の伝搬の方向に沿った格子の全長の少なくとも一部分に空間的に一様でない非周期の外部電界を生成するための手段を有していることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記ブラッグ位相格子（３）が、前記電気光学材料の光導波路（２）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記ブラッグ位相格子（３）が、前記光導波路（２）の光放射の伝搬の方向に沿った周期的な凸部（６）および凹部（７）として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記ブラッグ位相格子（３）が、屈折率が使用される基板の屈折率に一致し、あるいは基板の屈折率からのずれが最大４０％である補償光学材料（８）で構成される追加の層を有していることを特徴とする請求項１〜３のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記ブラッグ位相格子（３）の両側の２つの電極（４）で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側の２つの電極（４）で構成されており、前記２つの電極（４）の間の距離が、放射の伝搬の方向において線形な様相で変化していることを特徴とする請求項１〜５のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側にペアにて位置する４つの電気的に絶縁された電極（４）で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側にペアにて位置する４つの電気的に絶縁された電極（４）で構成されており、それぞれの電極ペアの間の距離が、放射の伝搬の方向において線形な様相で変化していることを特徴とする請求項１〜７のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、前記格子（３）の両側に位置し、電界強度の制御のために光の放射の伝搬の方向に沿った前記格子（３）の異なる点に実現されている少なくとも３つの電気的に絶縁された電極（４）で構成されていることを特徴とする請求項１〜８のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、Ｎ個の電極（４）で構成されており、電極（４）の数が、式Ｎ ２Ｄ／ｄに一致していることを特徴とする請求項１〜９のうちの一項またはいくつかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を形成するための手段が、すべての電極（４）の間の空間を満たす電気的に絶縁可能な材料（９）の層を有しており、材料（９）が、電極（４）へと加えられた電圧を増幅するように機能することを特徴とする請求項５、６、７、８、９、１０のうちの一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学素子の伝達関数を制御するためのプロセスであって、格子の回折の効率を制御する目的で、空間的に一様でない非周期の外部電界を光放射の伝搬の方向に沿った格子（３）の一部分に作用させるプロセス。
【請求項１３】
前記空間的に一様でない非周期の外部電界を光放射の伝搬の方向に沿った前記格子（３）の一部分に作用させることが、格子の可能な最大の回折効率を制御するという目的を有していることを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子の伝達関数を制御するためのプロセス。
【請求項１４】
前記格子（３）の一部分の電界強度のベクトルの方向が、前記格子（３）の他の部分の電界強度のベクトルの反対の方向に生成されることを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子の伝達関数を制御するためのプロセス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公表番号】特表２００９−５０９１８２（Ｐ２００９−５０９１８２Ａ）
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３０４３０（Ｐ２００８−５３０４３０）
【出願日】平成１８年９月１６日（２００６．９．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００９０４３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３３８０５
【国際公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０８０８３６９９）スウェット オプティクス ゲーエムベーハー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１６日（２００６．９．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００９０４３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３３８０５
【国際公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０８０８３６９９）スウェット オプティクス ゲーエムベーハー (1)
【Ｆターム（参考）】
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