音響光学フィルタ
相互作用長の長さを短くすることなく、すなわち低電力で、広い光通過特性を得ることを可能とする音響光学フィルタを提供する。音響光学基板２の上面２ａに光導波路３が形成されており、音響光学基板２上に表面波を励振させるインターデジタル電極４が形成されており、インターデジタル電極４で励振された表面波の導波路が光導波路と略一致する方向に延ばされており、光導波路３に導波された光モードが表面波により変換される音響光学フィルタであって、光導波路３に導波される光と弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件が、位相が整合された状態から０．２３５％以上変化させるように、位相整合条件変化手段としての薄膜リッジ５が設けられている、音響光学フィルタ１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、光導波路が形成された音響光学基板上に表面波を励振するためのインターデジタル電極が形成されている音響光学フィルタに関し、より詳細には、光と弾性表面波の相互作用領域が改善された音響光学フィルタに関する。
【背景技術】
近年、インターネットの普及及び企業内ＬＡＮの急増などにより、データトラフィックが急速に増大してきている。それに伴って、大容量通信が可能な光通信システムが、データトラフィックの関係だけでなく、アクセス系トラフィックにまで普及してきている。光通信の大容量化を果たすために、光伝送速度の高速化及び光波長多重化が図られている。波長多重化を実現するための重要な構成部品として、光波長フィルタが存在する。
光波長フィルタは、ある特定の波長の光をフィルタリングするものであり、光波長多重通信の重要な部品である。
下記のＬｏｗ Ｄｒｉｖｅ−Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ Ｏｎ Ｘ−Ｃｕｔ Ｙ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ＬｉＮｂＯ３，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ３，Ｎｏ．１０ １９９１には、図１２に示す光波長フィルタが開示されている。この光波長フィルタ１０１では、ＸカットＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板１０２上に、Ｔｉが拡散されている光導波路１０３が形成されている。また、ＬｉＮｂＯ３基板１０２上には、弾性表面波を励振するために、ＩＤＴ１０４，１０５が配置されている。さらに、弾性表面波導波路を構成するために、Ｔｉが拡散されている壁部１０６，１０７が弾性表面波伝搬領域の両側に配置されている。ここでは、上記壁部１０６，１０７の形成により、低電力かつ狭帯域の光波長フィルタが構成されるとされている。
他方、下記の音響光学効果を用いたＬｉＮｂＯ３チューナブル波長フィルタ（２００年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」２０００年２月には、図１３に示す光波長フィルタが開示されている。光波長フィルタ１１１では、ＸカットＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板１１２上にＴｉが拡散されている光導波路１１３が形成されている。また、ＩＤＴ１１４が、表面波を励振するために設けられている。そして、表面波導波路を形成するために、膜付加型のガイド１１５が形成されており、それによって集積可能な狭帯域の光波長フィルタが実現される旨が記載されている。
他方、下記の特開平１１−８４３３１号公報には、図１４に示す光波長フィルタが開示されている。光波長フィルタ１２１では、基板１２２上において、光導波路１２３及びＩＤＴ１２４が形成されている。そして、ＩＤＴ１２４で励振された表面波と光導波路１２３に導波された光の相互作用領域において、光導波路１２３の複屈折率を変化させることにより、光波長フィルタ１２１内で生じた複屈折率分布が補償され、それによって周波数特性上のサイドローブの増大を抑制することができると記載されている。
ところで、光波長フィルタのような音響光学フィルタでは、光波長を多重化する波長間隔や多重数は光通信システムにより様々である。特に、アクセス系の光通信システムでは、低価格であることが強く求められており、近年、ＣＷＤＭ（ＣｏａｒｓｅＷＤＭ）などの規格が提案されている。ＣＷＤＭは、多重化する波長の間隔を広げることにより低価格のシステムを実現するものである。従って、ＣＷＤＭでは、光波長フィルタは、広帯域であり、かつ平坦な特性を有するものであることが強く求められる。
他方、前述したＬｏｗ Ｄｒｉｖｅ−Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ Ｏｎ Ｘ−Ｃｕｔ Ｙ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ＬｉＮｂＯ３，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ３，Ｎｏ．１０ １９９１，音響光学効果を用いたＬｉＮｂＯ３チューナブル波長フィルタ（２００年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」２０００年２月に記載の光波長フィルタは、いずれも、狭帯域のフィルタ特性を実現するものである。従って、Ｌｏｗ Ｄｒｉｖｅ−Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ Ｏｎ Ｘ−Ｃｕｔ Ｙ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ＬｉＮｂＯ３，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ３，Ｎｏ．１０ １９９１，音響光学効果を用いたＬｉＮｂＯ３チューナブル波長フィルタ（２００年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」２０００年２月に記載の光波長フィルタは、例えばＣＷＤＭなどにおいて要求されている、広帯域でありかつ平坦な波長通過特性を有するフィルタを提供し得るものではなかった。
他方、上記特開平１１−８４３３１号公報に記載の光波長フィルタでは、光波長フィルタに存在する複屈折率分布を光導波路の複屈折率を変化させることにより補い、相互作用領域における位相整合条件が一定化されている。
しかしながら、この光波長フィルタにおいて広帯域な波長通過特性を得るには、相互作用長を短くしなければならなかった。
すなわち、相互作用領域における位相条件が一定とされている場合の波長通過特性は、図１５の実線Ｘで示されるが、このフィルタの帯域を１０倍に広げると、図１５の破線Ｙで示す特性となる。
他方、図１５の実線Ｘで示されている特性が得られている場合の相互作用長、入力電力及び通過帯域をいずれも１として規格化した場合の、該相互作用長に対するフィルタ帯域の変化及び相互作用長に対する必要入力電力の変化を、図１６及び図１７に示す。図１６及び図１７から明らかなように、光波長フィルタの帯域を１０倍に広げた場合、相互作用長は１／１０となり、かつ必要な入力電力は１００倍の大きさになることがわかる。
従って、特開平１１−８４３３１号公報に記載の先行技術の光波長フィルタでは、低電力で広い帯域に渡り平坦な波長通過特性を実現することはできなかった。
【発明の開示】
本発明は、上述した従来技術の欠点を解消し、広い帯域に渡って平坦な波長通過特性を低電力で実現することを可能とする音響光学フィルタを提供することを目的とする。
本発明は、一方主面に光導波路が形成されている音響光学基板と、前記音響光学基板上に形成されており、前記光導波路において導波される光のモードを変換するための弾性表面波を励振させるインターデジタル電極とを備え、前記インターデジタル電極で励振された表面波の導波路が前記光導波路と略一致する方向に延ばされており、前記光導波路に導波された光のモードが前記弾性表面波により変換される音響光学フィルタにおいて、前記光導波路に導波される光と前記弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件を、位相が整合される状態から０．２３５％以上変化させる位相整合条件変化手段をさらに備えることを特徴とする。
本発明に係る音響光学フィルタのある特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である。
本発明に係る音響光学フィルタの他の特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段が、表面波導波路上に設けられた薄膜リッジである。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記薄膜リッジの膜厚が、前記表面波導波路に沿って変化されており、それによって表面波導波路において弾性表面波の位相速度が変化される。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記表面波導波路において表面波の位相速度を変化させる手段が、前記表面波導波路の幅が表面波導波路の延びる方向において変化されている構造である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記表面波導波路の両側に表面波が反射される一対の壁面が設けられており、該一対の壁面により表面波導波路の位相速度が変化される。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記一対の壁面を構成する壁面構成部材の構造が表面波導波路に沿って変化されており、それによって弾性表面波の位相速度が変化される。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記一対の壁面間の間隔が変化されており、それによって表面波導波路の幅が変化されている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる位相速度制御膜である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記位相速度制御膜の膜厚が、前記位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように選ばれている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、前記相互作用領域の温度分布設定手段である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記温度分布設定手段が、前記音響光学基板上に設けられた発熱体である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記発熱体がヒーター素子である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記インターデジタル電極が前記発熱体を兼ねている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記温度分布設定手段が、前記表面波導波路上に設けられた薄膜より構成されており、該薄膜の膜厚が温度分布を有するように部分的に異ならされている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記相互作用領域において表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、上記光導波路に設けられている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように幅が設定された光導波路である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記光導波路に設けられた伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、光導波路に拡散された金属である。
【図面の簡単な説明】
図１は、（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る音響光学フィルタの外観を示す斜視図及び（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図２は、本発明において、規格化された帯域と、規格化された入力電力との関係を示す図であり、実線は位相整合条件が変化されている場合、破線は位相整合条件が一定とされている場合を示す図である。
図３は、位相整合条件を０．７％及び１．１％変化させた場合の音響光学フィルタの特性の例を示す図である。
図４は、（ａ）及び（ｂ）は、本発明において、位相整合条件を変化させた場合の位相整合条件の変化量と規格化帯域との関係を示す各図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部を拡大して示す図である。
図５は、第１の実施例の変形例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図６は、第２の実施例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図７は、第２の実施例の変形例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図８は、第３の実施例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図９は、第４の実施例の音響光学フィルタにおいて相互作用領域に温度勾配を形成した状態を説明するための図である。
図１０は、第５の実施例の音響光学フィルタの斜視図である。
図１１は、第６の実施例の音響光学フィルタの斜視図である。
図１２は、従来の光波長フィルタの一例を示す模式的平面図である。
図１３は、従来の光波長フィルタの他の例を示す模式的平面図である。
図１４は、従来の光波長フィルタのさらに他の例を示す模式的平面図である。
図１５は、音響光学フィルタにおける通過特性を説明するための図である。
図１６は、音響光学フィルタにおける規格化相互作用長と規格化帯域との関係を示す図である。
図１７は、音響光学フィルタにおける規格化相互作用長と規格化入力電力との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る音響光学フィルタを示す斜視図及び図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。音響光学フィルタ１は、ＸカットＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２を有する。
圧電基板１の上面２ａには、長さ方向に延びるように、かつ幅方向中央に、光導波路３が形成されている。光導波路３は、Ｔｉを熱拡散することにより構成されている。本実施例では、圧電基板２の上面２ａの中央において、幅９０ｎｍの領域に、１０４０℃及び８時間の条件でＴｉを熱拡散することにより光導波路３が構成されている。なお、光導波路３は、圧電基板２の上面２ａにおいて、長さ方向の全長に渡るように形成されている。圧電基板２の長さ方向寸法は６０ｍｍ、幅方向寸法は５ｍｍである。
また、圧電基板２の上面においては、弾性表面波を励振させるためのインターデジタル電極（ＩＤＴ）４が形成されている。ＩＤＴ４は、波長が２０μｍ、電極指交差幅が６０μｍ、中心周波数が１７０〜１８０ＭＨｚとなるように構成されている。
また、相互作用領域において圧電基板２上に、薄膜リッジ５が形成されている。相互作用領域とは、光導波路３に導かれた光と、表面波とが相互作用する領域であり、本実施例では、ＩＤＴ４が設けられている部分から、圧電基板２の端面２ｂまでの領域である。薄膜リッジ５は、ＺｎＯをスパッタリングすることにより形成されている。この薄膜リッジ５の長さは３０ｍｍであり、幅方向寸法は５０μｍであり、膜厚は図１から明らかなように、ＩＤＴ４に近い側の端部５ａから遠ざかるにつれて厚くなっている。より具体的には、ＩＤＴ４側の端部５ａにおいて、薄膜リッジ５の膜厚は０．４μｍ、反対側の端部５ｂでは１．０μｍとされている。
なお、ＩＤＴ４の外側には、吸収材６が配置されている。また、相互作用領域の外側端部側にも吸収材７が配置されている。吸収材６，７は、シリコンゴムにより構成されている。もっとも、吸収材６，７は、ポリイミド、エポキシなどにより構成することができる。
本実施例の音響光学フィルタ１の特徴は、上記薄膜リッジ５の膜厚が端部５ａから端部５ｂに向かって上記のように変化されていることにあり、それによって相互作用領域における相互整合条件が、位相が整合される状態から１％程度変化されている。従って、相互作用領域の長さを短くすることなく、光通過帯域が３０倍程度広げられることにある。これを、図２〜図４を参照して説明する。
音響光学フィルタは、光のＴＥモード−ＴＭモード間の変換を利用した素子である。光の波長をλ、ＴＥモード及びＴＭモードの伝搬定数をβａ，βｂ、実効屈折率をＮａ，Ｎｂとし、弾性表面波の位相速度をλとすると、位相整合条件は下記の式（１）で表される。
この時、位相整合条件が相互作用領域で一定の場合には、光通過帯域の幅は相互作用長で決定されることになる。ここで、相互作用長内で位相整合条件を変化させることにより、相互作用長に関わらず、光通過帯域を広げることができる。そのため、相互作用長を長くすることができ、低電力で広い帯域の光通過帯域を得ることができることがわかる。
上記のような位相整合条件を変化させる手段としては、相互作用領域において弾性表面波の位相速度を変化させる手段、あるいは弾性表面波の伝搬定数もしくは光の実効屈折率を変化させる手段が挙げられる。
図１に示した実施例では、相互作用領域において、薄膜リッジ５の形成により、弾性表面波の位相速度が変化され、それによって位相整合条件が１％程度変化されている。
ところで、図２は、規格化された通過帯域と、規格化された入力電力との関係を示す図である。図２の破線は位相整合条件が一定の場合を、実線は位相整合条件が変化されている場合を示す。位相整合条件が一定の場合には、相互作用長の寸法により帯域が変化される。
すなわち、位相整合条件が一定の場合には、帯域幅を１０倍とするには、相互作用長を１／１０とする必要があり、その場合には、図２より入力電力は１００倍となる。これに対して、位相整合条件を変化させる場合には、帯域を１０倍にすると、相互作用長がそのままの場合には、入力電力は１０倍の大きさとすればよい（図２）。
すなわち、位相整合条件が一定とされている場合に比べて、位相整合条件を変化させ、帯域幅を１０倍とした場合には、必要入力電力は１／１０となる。また、帯域幅を２倍にする場合においても、位相整合条件を変化させる構造では、位相整合条件を一定とした構造に比べて、必要電力は１／２となる。
上記のように帯域幅を広げた場合であっても入力電力を低減し得る効果は、帯域幅が広ければ広いほど大きくなる。また、相互作用長を長くすることにより、入力電力をさらに小さくすることも可能である。
図３は、図１５に示した通過帯域特性に比べて、本発明に従って、それぞれ、位相整合条件を０．７％及び１．１％変化させ、帯域を１０倍に広げた場合のフィルタ特性を示す図である。図３に示すように、位相整合条件を０．７％変化させることにより、図１５の実線で示す帯域を１０倍に広げることができ、また位相整合条件を１．１％変化させれば、帯域を３５倍に広げることができる。
位相整合条件の変化量に対する規格化帯域の変化を、図４（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ａ）を拡大して示す（ｂ）から明らかなように、位相整合条件の変化量が０．２３５％以上になると、帯域幅を効果的に広げ得ることがわかる。従って、本発明では、位相が整合される状態から０．２３５％以上変化させる位相整合条件変化手段が備えられ、それによって音響光学フィルタの光波長特性の広帯域が図られている。
図１に示した実施例の音響光学フィルタ１では、上記のように薄膜リッジ５が相互作用領域の長さ方向に沿うように形成されており、かつ薄膜リッジ５の膜厚が０．４〜１．０μｍの間で変化するように構成されていることにより、相互作用領域における表面波の位相速度が１％変化されている。そのため、位相整合条件が１％近く変化され、それによって広い帯域の光通過特性が得られる。しかも、相互作用領域の長さを短くする必要がないため、低電力で広帯域の光通過特性が得られることがわかる。
なお、音響光学フィルタ１では、薄膜リッジ５の厚みを端部５ａから端部５ｂに向かって増加するように変化させ、位相整合条件が変化されていたが、図５に示すように、薄膜リッジ１５の幅が端部１５ａから端部１５ｂに向かって広げられてもよい。図５に示す変形例における薄膜リッジ１５の長さは３０ｍｍ、膜厚は１．５μｍとされており、幅が端部１５ａ側において２０μｍ、端部１５ｂ側において４０μｍとされている。音響光学フィルタ１１は、その他の点においては音響光学フィルタ１と同様に構成されている。
音響光学フィルタ１１においても、薄膜リッジ１５の幅が相互作用領域の長さ方向において上記のように変化されているため、弾性表面波の位相速度が１％近く変化され、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に、低電力でかつ広帯域の光通過特性を得ることができる。
なお、第１の実施例と上記変形例とを併用し、薄膜リッジの膜厚及び幅方向寸法の双方を相互作用領域の長さ方向に沿って変化させてもよい。
図６は、本発明の第２の実施例に係る音響光学フィルタを示す斜視図である。第２の実施例の音響光学フィルタ２１では、図１の薄膜リッジ５に代えて、圧電基板２上に、弾性表面波を反射させる壁面２２ａ，２３ａを有する壁面構成部材２２，２３が設けられていることにある。その他の点においては、音響光学フィルタ２１は、音響光学フィルタ１と同様に構成されている。
上記壁面構成部材２２の壁面２２ａと、壁面鋼材部材２３の壁面２３ａとは互いに平行に延び、かつ相互作用領域の長さ方向に延びている。壁面構成部材２２，２３は、圧電基板２を構成しているＬｉＮｂＯ３よりも音速が速い材料で構成され、本実施例ではＡｌＮにより構成されている。なお、ＴｉをＬｉＮｂＯ３に拡散させても同様の効果がある。
壁面構成部材２２，２３の壁面２２ａ，２３ａの長さは３０ｍｍとされている。また、壁面構成部材２２，２３の膜厚は、ＩＤＴ４に近い側の端部２２ｂ，２３ｂから、反対側の端部２２ｃ，２３ｃに向かうにつれて、厚くなるように構成されている。すなわち、壁面２２ａ，２３ａの高さは、端部２２ｂ，２３ｂ側において０．２μｍ、端部２２ｃ，２３ｃ側において０．６μｍとなるように変化されている。
第２の実施例の音響光学フィルタ２１では、表面波が反射される一対の壁面２２ａ，２３ａが設けられており、それによって、ＩＤＴ４で励振された弾性表面波の表面波導波路が構成されている。一対の壁面２２ａ，２３ａの長さが相互作用領域の長さ方向において変化されているため、表面波の位相速度が表面波導波路において変化されている。従って、前述した位相整合条件が１％程度変化されている。
よって、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に、上記壁面構成部材２２，２３を設けることにより位相整合条件が変化されているため、相互作用長を短くすることなく光通過帯域特性の広帯域化を図ることができる。
なお、第２の実施例では、壁面２２ａ，２３ａの高さを相互作用領域の長さ方向に沿って変化させていたが、図７に示す変形例の音響光学フィルタ３１のように、壁面構成部材３２，３３の壁面３２ａ，３３ａ間の距離が相互作用領域の長さ方向において変化するように構成されていてもよい。図７では、壁面３２ａと、壁面３３ａとの間の間隔が、ＩＤＴ４に近い側の端部３２ｂ，３３ｂから、反対側の端部３２ｃ，３３ｃに向かうにつれて狭くなるように構成されている。より具体的には、端部３２ｂ，３３ｂ側において、壁面３２ａ，３３ａ間の間隔が４８０μｍ、端部３３ｃ，３２ｃ側において、壁面３２ａ，３３ａ間の間隔が１２０μｍとされている。この場合においても、音響光学フィルタ２１と同様に、位相整合条件が１％程度変化される。従って、同様に、低電力で広い光通過帯域特性を得ることができる。
なお、第２の実施例の音響光学フィルタ２１及び変形例の音響光学フィルタ３１の双方の構成を組み合わせてもよい。すなわち、弾性表面波導波路で表面波を伝搬させる一対の壁面の高さ及び一対の壁面間の間隔の双方を相互作用領域の長さ方向に沿って変化させてもよい。
図８は、第３の実施例に係る音響光学フィルタを示す斜視図である。
音響光学フィルタ４１では、圧電基板２上に、薄膜リッジ５に代えて、位相速度制御膜４２が設けられていることを除いては、音響光学フィルタ４１は、音響光学フィルタ１と同様に構成されている。ここで、位相速度制御膜４２は、ＺｎＯをスパッタリングすることにより形成されており、相互作用領域の長さ方向に延びる長さ方向寸法は３０ｎｍ、幅方向寸法は圧電基板２の幅方向寸法の全幅に至るように形成されている。
また、位相速度制御膜４２の膜厚は、ＩＤＴ４に近い側の端部４２ａから反対側の端部４２ｂに至るにつれて厚くなるように変化されている。具体的には、端部４２ａにおいて膜厚が０．４μｍ、端部４２ｂ側において１．０μｍとされている。
音響光学フィルタ４１では、上記位相速度制御膜４２が設けられていることにより、弾性表面波の位相速度が音響光学フィルタ１の場合と同様に変化され、位相整合条件が１％程度変化される。
本発明においては、相互作用領域において、温度分布を持たし、それによって前述した位相整合条件を位相が整合された状態から０．２３５％以上変化させてもよい。すなわち、位相整合条件変化手段としては、相互作用領域に温度分布を与える手段を用いてもよい。このような原理による第４の実施例を説明する。
図１に示した音響光学フィルタ１の薄膜リッジ５と同様に、ＺｎＯをスパッタリングすることにより、圧電基板２上にＺｎＯ膜を形成する。この場合、図１に示した薄膜リッジ５と同様に、ＺｎＯの膜厚を相互作用領域の長さ方向において変化させる。そして、ＩＤＴ４に印加される入力電力を変化させることにより、相互作用領域の長さ方向において温度勾配を形成することができる。図９は、ＺｎＯ膜の膜厚を２μｍと一定とし、入力電力を５０ｍＷ及び１００ｍＷとした場合、ＺｎＯ膜の膜厚を一定とし５μｍとし、入力電力１００ｍＷとした場合の相互作用領域の各温度分布を示す図である。
図９から明らかなように、上記ＺｎＯ膜の膜厚及び入力電力を選択することにより、相互作用領域の長さ方向に渡って温度勾配を形成し得ることがわかる。このような温度勾配を形成することにより、弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率が、相互作用領域において長さ方向において変化され、それによって位相整合条件が変化される。
従って、位相整合条件が、位相が整合されている状態から０．２３５％以上変化するように、上記温度勾配を設定すればよい。従って、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に、第４の実施例においても相互作用領域の長さを短くすることなく、広い光通過特性を実現し得ることがわかる。
なお、本実施例においては、ＺｎＯ膜を設けたが、ＺｎＯ膜を用いずともよく、ＩＤＴ４の発熱体のみを入力電力の制御により変化させてもよい。また、ＺｎＯ膜の膜厚を、薄膜リッジ５と同様に相互作用領域の長さ方向において変化させて温度勾配を設けてもよい。
さらに、図１０に示す変形例の音響光学フィルタ５１のように、ヒーター５２，５３を圧電基板２の上面２ａ上に配置してもよい。ヒーター５２，５３を相互作用領域の近傍に配置することにより、相互作用領域の長さ方向に温度勾配を設けることができる。
図１１は、本発明の第５の実施例に係る音響光学フィルタを説明するための斜視図である。音響光学フィルタ６１では、圧電基板２の上面２ａに光導波路６３が設けられている。ここでは、光導波路６３の幅方向寸法が、相互作用領域の長さ方向によって変化されている。すなわち、光導波路６３は、Ｔｉを熱拡散することにより形成されているが、その幅方向寸法が、ＩＤＴ４が設けられている側では６μｍとされており、相互作用領域の外側端部、すなわち光導波路６３の端部６３ａ側において８μｍの幅方向寸法を有するように構成されている。
なお、音響光学フィルタ６１では、相互作用領域に、ＺｎＯ膜６４が設けられており、それによって表面波の位相速度が変化されているが、ＺｎＯ膜６４は必ずしも設けられずともよい。
本実施例の音響光学フィルタ６１では、光導波路６３の幅方向寸法が相互作用領域の長さ方向において上記のように変化されているため、位相整合条件が位相が整合された状態から変化される。従って、上記光導波路６３の幅方向寸法の変化を、位相整合条件が、位相が整合された状態から０．２３５％以上変化するように変化させることにより、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に相互作用領域の長さを短くすることなく、広い光通過特性を得ることができる。
なお、音響光学フィルタ６１では、光導波路６３の幅方向寸法が相互作用領域の長さ方向に渡って変化されていたが、光導波路６３の深さ方向寸法を変化させてもよい。すなわち、Ｔｉを圧電基板２の上面２ａに拡散するに際し、Ｔｉ拡散領域の深さを、相互体用領域の長さ方向に渡って変化させ、それによって位相整合条件を変化させてもよい。例えば、Ｔｉが拡散されている領域の深さ、すなわち光導波路６３の厚みを、８０〜１００ｎｍの範囲で変化させることにより、音響光学フィルタ６１と同様に位相整合条件を０．２３５％以上変化させることができる。
なお、本発明で用いられる音響光学基板としては、ＸカットＹ伝搬以外のカット角のＬｉＮｂＯ３基板やその他の圧電基板を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明に係る音響光学フィルタでは、光導波路に導波される光と、弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件が、位相が整合された状態から０．２３５％以上変化させるように位相整合条件変化手段が設けられているため、相互作用領域の長さを短くすることなく、広い光通過特性を得ることができる。従って、低電力で広い通過特性を得ることができる。
位相整合条件変化手段が、相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である場合には、相互作用領域において、弾性表面波の位相速度を変化させる構成を設けるだけで、本発明に従って広帯域の光通過特性を得ることができる。
例えば、表面波電波路に、弾性表面波の位相速度を変化させる手段を設けたり、表面波導波路上に薄膜リッジを設けることにより、表面波の位相速度を容易に変化させることができる。さらに、上記薄膜リッジの膜厚を、表面波導波路に沿って変化させることにより、表面波導波路における弾性表面波の位相速度を容易に変化させることができる。
あるいは表面波導波路において、表面波導波路の幅自体を表面波導波路の延びる方向において変化させることによっても、表面波の位相速度を容易に変化させることができる。
さらに、表面波電波路の両側に表面波が反射される一対の壁面を設け、一対の壁面を利用して表面波導波路における位相速度を変化させてもよい。例えば、一対の壁面を構成する壁面構成部材の構造が表面波電波路に沿って変化されていてもよい。あるいは一対の壁面間の間隔が変化され、それによって表面波導波路の幅が変化されてもよい。
また、本発明においては、上記位相整合条件変化手段は、相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる位相速度制御膜であってもよい。この場合、位相速度制御膜の膜厚を、位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように構成すればよい。
また、本発明においては、上記位相整合条件変化手段は、相互作用領域における弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段であってもよく、このような手段としては、相互作用領域に温度勾配を与える温度分布設定手段を挙げることができる。従って、例えば音響光学基板上に発熱体を設けたり、ヒーター素子を設けたりしてもよく、インターデジタル電極自体の入力電力を制御することによりインターデジタル電極を発熱体として用いてもよい。また、温度分布設定手段としては、表面波電波路上に設けられた薄膜を用いてもよく、該薄膜の膜厚を温度分布を有するように部分的に異ならせてもよい。よって、温度分布を相互作用領域に容易に形成することができ、本発明に従って、位相整合条件を変化させることにより、低電力で広い光通過特性を実現することができる。
また、本発明においては、相互作用領域において表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段は、光導波路自体により設けられていてもよい。例えば、光導波路の幅を、位相整合条件が０．２３５％以上変化させるように相互作用領域の長さ方向に変化させてもよく、あるいは光導波路を構成するために拡散されている金属の拡散領域の深さ、すなわち光導波路の深さを相互作用領域の長さ方向に渡って変化させることにより、位相整合条件変化手段を構成してもよい。従って、金属の拡散方法を制御するだけで、容易に、低電力でかつ広い光通過特性を有する音響光学フィルタを提供することができる。
【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】
【技術分野】
本発明は、光導波路が形成された音響光学基板上に表面波を励振するためのインターデジタル電極が形成されている音響光学フィルタに関し、より詳細には、光と弾性表面波の相互作用領域が改善された音響光学フィルタに関する。
【背景技術】
近年、インターネットの普及及び企業内ＬＡＮの急増などにより、データトラフィックが急速に増大してきている。それに伴って、大容量通信が可能な光通信システムが、データトラフィックの関係だけでなく、アクセス系トラフィックにまで普及してきている。光通信の大容量化を果たすために、光伝送速度の高速化及び光波長多重化が図られている。波長多重化を実現するための重要な構成部品として、光波長フィルタが存在する。
光波長フィルタは、ある特定の波長の光をフィルタリングするものであり、光波長多重通信の重要な部品である。
下記のＬｏｗ Ｄｒｉｖｅ−Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ Ｏｎ Ｘ−Ｃｕｔ Ｙ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ＬｉＮｂＯ３，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ３，Ｎｏ．１０ １９９１には、図１２に示す光波長フィルタが開示されている。この光波長フィルタ１０１では、ＸカットＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板１０２上に、Ｔｉが拡散されている光導波路１０３が形成されている。また、ＬｉＮｂＯ３基板１０２上には、弾性表面波を励振するために、ＩＤＴ１０４，１０５が配置されている。さらに、弾性表面波導波路を構成するために、Ｔｉが拡散されている壁部１０６，１０７が弾性表面波伝搬領域の両側に配置されている。ここでは、上記壁部１０６，１０７の形成により、低電力かつ狭帯域の光波長フィルタが構成されるとされている。
他方、下記の音響光学効果を用いたＬｉＮｂＯ３チューナブル波長フィルタ（２００年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」２０００年２月には、図１３に示す光波長フィルタが開示されている。光波長フィルタ１１１では、ＸカットＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板１１２上にＴｉが拡散されている光導波路１１３が形成されている。また、ＩＤＴ１１４が、表面波を励振するために設けられている。そして、表面波導波路を形成するために、膜付加型のガイド１１５が形成されており、それによって集積可能な狭帯域の光波長フィルタが実現される旨が記載されている。
他方、下記の特開平１１−８４３３１号公報には、図１４に示す光波長フィルタが開示されている。光波長フィルタ１２１では、基板１２２上において、光導波路１２３及びＩＤＴ１２４が形成されている。そして、ＩＤＴ１２４で励振された表面波と光導波路１２３に導波された光の相互作用領域において、光導波路１２３の複屈折率を変化させることにより、光波長フィルタ１２１内で生じた複屈折率分布が補償され、それによって周波数特性上のサイドローブの増大を抑制することができると記載されている。
ところで、光波長フィルタのような音響光学フィルタでは、光波長を多重化する波長間隔や多重数は光通信システムにより様々である。特に、アクセス系の光通信システムでは、低価格であることが強く求められており、近年、ＣＷＤＭ（ＣｏａｒｓｅＷＤＭ）などの規格が提案されている。ＣＷＤＭは、多重化する波長の間隔を広げることにより低価格のシステムを実現するものである。従って、ＣＷＤＭでは、光波長フィルタは、広帯域であり、かつ平坦な特性を有するものであることが強く求められる。
他方、前述したＬｏｗ Ｄｒｉｖｅ−Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ Ｏｎ Ｘ−Ｃｕｔ Ｙ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ＬｉＮｂＯ３，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ３，Ｎｏ．１０ １９９１，音響光学効果を用いたＬｉＮｂＯ３チューナブル波長フィルタ（２００年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」２０００年２月に記載の光波長フィルタは、いずれも、狭帯域のフィルタ特性を実現するものである。従って、Ｌｏｗ Ｄｒｉｖｅ−Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ Ｏｎ Ｘ−Ｃｕｔ Ｙ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ＬｉＮｂＯ３，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ３，Ｎｏ．１０ １９９１，音響光学効果を用いたＬｉＮｂＯ３チューナブル波長フィルタ（２００年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」２０００年２月に記載の光波長フィルタは、例えばＣＷＤＭなどにおいて要求されている、広帯域でありかつ平坦な波長通過特性を有するフィルタを提供し得るものではなかった。
他方、上記特開平１１−８４３３１号公報に記載の光波長フィルタでは、光波長フィルタに存在する複屈折率分布を光導波路の複屈折率を変化させることにより補い、相互作用領域における位相整合条件が一定化されている。
しかしながら、この光波長フィルタにおいて広帯域な波長通過特性を得るには、相互作用長を短くしなければならなかった。
すなわち、相互作用領域における位相条件が一定とされている場合の波長通過特性は、図１５の実線Ｘで示されるが、このフィルタの帯域を１０倍に広げると、図１５の破線Ｙで示す特性となる。
他方、図１５の実線Ｘで示されている特性が得られている場合の相互作用長、入力電力及び通過帯域をいずれも１として規格化した場合の、該相互作用長に対するフィルタ帯域の変化及び相互作用長に対する必要入力電力の変化を、図１６及び図１７に示す。図１６及び図１７から明らかなように、光波長フィルタの帯域を１０倍に広げた場合、相互作用長は１／１０となり、かつ必要な入力電力は１００倍の大きさになることがわかる。
従って、特開平１１−８４３３１号公報に記載の先行技術の光波長フィルタでは、低電力で広い帯域に渡り平坦な波長通過特性を実現することはできなかった。
【発明の開示】
本発明は、上述した従来技術の欠点を解消し、広い帯域に渡って平坦な波長通過特性を低電力で実現することを可能とする音響光学フィルタを提供することを目的とする。
本発明は、一方主面に光導波路が形成されている音響光学基板と、前記音響光学基板上に形成されており、前記光導波路において導波される光のモードを変換するための弾性表面波を励振させるインターデジタル電極とを備え、前記インターデジタル電極で励振された表面波の導波路が前記光導波路と略一致する方向に延ばされており、前記光導波路に導波された光のモードが前記弾性表面波により変換される音響光学フィルタにおいて、前記光導波路に導波される光と前記弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件を、位相が整合される状態から０．２３５％以上変化させる位相整合条件変化手段をさらに備えることを特徴とする。
本発明に係る音響光学フィルタのある特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である。
本発明に係る音響光学フィルタの他の特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段が、表面波導波路上に設けられた薄膜リッジである。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記薄膜リッジの膜厚が、前記表面波導波路に沿って変化されており、それによって表面波導波路において弾性表面波の位相速度が変化される。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記表面波導波路において表面波の位相速度を変化させる手段が、前記表面波導波路の幅が表面波導波路の延びる方向において変化されている構造である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記表面波導波路の両側に表面波が反射される一対の壁面が設けられており、該一対の壁面により表面波導波路の位相速度が変化される。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記一対の壁面を構成する壁面構成部材の構造が表面波導波路に沿って変化されており、それによって弾性表面波の位相速度が変化される。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記一対の壁面間の間隔が変化されており、それによって表面波導波路の幅が変化されている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる位相速度制御膜である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記位相速度制御膜の膜厚が、前記位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように選ばれている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、前記相互作用領域の温度分布設定手段である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記温度分布設定手段が、前記音響光学基板上に設けられた発熱体である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記発熱体がヒーター素子である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記インターデジタル電極が前記発熱体を兼ねている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記温度分布設定手段が、前記表面波導波路上に設けられた薄膜より構成されており、該薄膜の膜厚が温度分布を有するように部分的に異ならされている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記相互作用領域において表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、上記光導波路に設けられている。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに別の特定の局面では、前記伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように幅が設定された光導波路である。
本発明に係る音響光学フィルタのさらに他の特定の局面では、前記光導波路に設けられた伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、光導波路に拡散された金属である。
【図面の簡単な説明】
図１は、（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る音響光学フィルタの外観を示す斜視図及び（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図２は、本発明において、規格化された帯域と、規格化された入力電力との関係を示す図であり、実線は位相整合条件が変化されている場合、破線は位相整合条件が一定とされている場合を示す図である。
図３は、位相整合条件を０．７％及び１．１％変化させた場合の音響光学フィルタの特性の例を示す図である。
図４は、（ａ）及び（ｂ）は、本発明において、位相整合条件を変化させた場合の位相整合条件の変化量と規格化帯域との関係を示す各図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部を拡大して示す図である。
図５は、第１の実施例の変形例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図６は、第２の実施例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図７は、第２の実施例の変形例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図８は、第３の実施例の音響光学フィルタを示す斜視図である。
図９は、第４の実施例の音響光学フィルタにおいて相互作用領域に温度勾配を形成した状態を説明するための図である。
図１０は、第５の実施例の音響光学フィルタの斜視図である。
図１１は、第６の実施例の音響光学フィルタの斜視図である。
図１２は、従来の光波長フィルタの一例を示す模式的平面図である。
図１３は、従来の光波長フィルタの他の例を示す模式的平面図である。
図１４は、従来の光波長フィルタのさらに他の例を示す模式的平面図である。
図１５は、音響光学フィルタにおける通過特性を説明するための図である。
図１６は、音響光学フィルタにおける規格化相互作用長と規格化帯域との関係を示す図である。
図１７は、音響光学フィルタにおける規格化相互作用長と規格化入力電力との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る音響光学フィルタを示す斜視図及び図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。音響光学フィルタ１は、ＸカットＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２を有する。
圧電基板１の上面２ａには、長さ方向に延びるように、かつ幅方向中央に、光導波路３が形成されている。光導波路３は、Ｔｉを熱拡散することにより構成されている。本実施例では、圧電基板２の上面２ａの中央において、幅９０ｎｍの領域に、１０４０℃及び８時間の条件でＴｉを熱拡散することにより光導波路３が構成されている。なお、光導波路３は、圧電基板２の上面２ａにおいて、長さ方向の全長に渡るように形成されている。圧電基板２の長さ方向寸法は６０ｍｍ、幅方向寸法は５ｍｍである。
また、圧電基板２の上面においては、弾性表面波を励振させるためのインターデジタル電極（ＩＤＴ）４が形成されている。ＩＤＴ４は、波長が２０μｍ、電極指交差幅が６０μｍ、中心周波数が１７０〜１８０ＭＨｚとなるように構成されている。
また、相互作用領域において圧電基板２上に、薄膜リッジ５が形成されている。相互作用領域とは、光導波路３に導かれた光と、表面波とが相互作用する領域であり、本実施例では、ＩＤＴ４が設けられている部分から、圧電基板２の端面２ｂまでの領域である。薄膜リッジ５は、ＺｎＯをスパッタリングすることにより形成されている。この薄膜リッジ５の長さは３０ｍｍであり、幅方向寸法は５０μｍであり、膜厚は図１から明らかなように、ＩＤＴ４に近い側の端部５ａから遠ざかるにつれて厚くなっている。より具体的には、ＩＤＴ４側の端部５ａにおいて、薄膜リッジ５の膜厚は０．４μｍ、反対側の端部５ｂでは１．０μｍとされている。
なお、ＩＤＴ４の外側には、吸収材６が配置されている。また、相互作用領域の外側端部側にも吸収材７が配置されている。吸収材６，７は、シリコンゴムにより構成されている。もっとも、吸収材６，７は、ポリイミド、エポキシなどにより構成することができる。
本実施例の音響光学フィルタ１の特徴は、上記薄膜リッジ５の膜厚が端部５ａから端部５ｂに向かって上記のように変化されていることにあり、それによって相互作用領域における相互整合条件が、位相が整合される状態から１％程度変化されている。従って、相互作用領域の長さを短くすることなく、光通過帯域が３０倍程度広げられることにある。これを、図２〜図４を参照して説明する。
音響光学フィルタは、光のＴＥモード−ＴＭモード間の変換を利用した素子である。光の波長をλ、ＴＥモード及びＴＭモードの伝搬定数をβａ，βｂ、実効屈折率をＮａ，Ｎｂとし、弾性表面波の位相速度をλとすると、位相整合条件は下記の式（１）で表される。
この時、位相整合条件が相互作用領域で一定の場合には、光通過帯域の幅は相互作用長で決定されることになる。ここで、相互作用長内で位相整合条件を変化させることにより、相互作用長に関わらず、光通過帯域を広げることができる。そのため、相互作用長を長くすることができ、低電力で広い帯域の光通過帯域を得ることができることがわかる。
上記のような位相整合条件を変化させる手段としては、相互作用領域において弾性表面波の位相速度を変化させる手段、あるいは弾性表面波の伝搬定数もしくは光の実効屈折率を変化させる手段が挙げられる。
図１に示した実施例では、相互作用領域において、薄膜リッジ５の形成により、弾性表面波の位相速度が変化され、それによって位相整合条件が１％程度変化されている。
ところで、図２は、規格化された通過帯域と、規格化された入力電力との関係を示す図である。図２の破線は位相整合条件が一定の場合を、実線は位相整合条件が変化されている場合を示す。位相整合条件が一定の場合には、相互作用長の寸法により帯域が変化される。
すなわち、位相整合条件が一定の場合には、帯域幅を１０倍とするには、相互作用長を１／１０とする必要があり、その場合には、図２より入力電力は１００倍となる。これに対して、位相整合条件を変化させる場合には、帯域を１０倍にすると、相互作用長がそのままの場合には、入力電力は１０倍の大きさとすればよい（図２）。
すなわち、位相整合条件が一定とされている場合に比べて、位相整合条件を変化させ、帯域幅を１０倍とした場合には、必要入力電力は１／１０となる。また、帯域幅を２倍にする場合においても、位相整合条件を変化させる構造では、位相整合条件を一定とした構造に比べて、必要電力は１／２となる。
上記のように帯域幅を広げた場合であっても入力電力を低減し得る効果は、帯域幅が広ければ広いほど大きくなる。また、相互作用長を長くすることにより、入力電力をさらに小さくすることも可能である。
図３は、図１５に示した通過帯域特性に比べて、本発明に従って、それぞれ、位相整合条件を０．７％及び１．１％変化させ、帯域を１０倍に広げた場合のフィルタ特性を示す図である。図３に示すように、位相整合条件を０．７％変化させることにより、図１５の実線で示す帯域を１０倍に広げることができ、また位相整合条件を１．１％変化させれば、帯域を３５倍に広げることができる。
位相整合条件の変化量に対する規格化帯域の変化を、図４（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ａ）を拡大して示す（ｂ）から明らかなように、位相整合条件の変化量が０．２３５％以上になると、帯域幅を効果的に広げ得ることがわかる。従って、本発明では、位相が整合される状態から０．２３５％以上変化させる位相整合条件変化手段が備えられ、それによって音響光学フィルタの光波長特性の広帯域が図られている。
図１に示した実施例の音響光学フィルタ１では、上記のように薄膜リッジ５が相互作用領域の長さ方向に沿うように形成されており、かつ薄膜リッジ５の膜厚が０．４〜１．０μｍの間で変化するように構成されていることにより、相互作用領域における表面波の位相速度が１％変化されている。そのため、位相整合条件が１％近く変化され、それによって広い帯域の光通過特性が得られる。しかも、相互作用領域の長さを短くする必要がないため、低電力で広帯域の光通過特性が得られることがわかる。
なお、音響光学フィルタ１では、薄膜リッジ５の厚みを端部５ａから端部５ｂに向かって増加するように変化させ、位相整合条件が変化されていたが、図５に示すように、薄膜リッジ１５の幅が端部１５ａから端部１５ｂに向かって広げられてもよい。図５に示す変形例における薄膜リッジ１５の長さは３０ｍｍ、膜厚は１．５μｍとされており、幅が端部１５ａ側において２０μｍ、端部１５ｂ側において４０μｍとされている。音響光学フィルタ１１は、その他の点においては音響光学フィルタ１と同様に構成されている。
音響光学フィルタ１１においても、薄膜リッジ１５の幅が相互作用領域の長さ方向において上記のように変化されているため、弾性表面波の位相速度が１％近く変化され、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に、低電力でかつ広帯域の光通過特性を得ることができる。
なお、第１の実施例と上記変形例とを併用し、薄膜リッジの膜厚及び幅方向寸法の双方を相互作用領域の長さ方向に沿って変化させてもよい。
図６は、本発明の第２の実施例に係る音響光学フィルタを示す斜視図である。第２の実施例の音響光学フィルタ２１では、図１の薄膜リッジ５に代えて、圧電基板２上に、弾性表面波を反射させる壁面２２ａ，２３ａを有する壁面構成部材２２，２３が設けられていることにある。その他の点においては、音響光学フィルタ２１は、音響光学フィルタ１と同様に構成されている。
上記壁面構成部材２２の壁面２２ａと、壁面鋼材部材２３の壁面２３ａとは互いに平行に延び、かつ相互作用領域の長さ方向に延びている。壁面構成部材２２，２３は、圧電基板２を構成しているＬｉＮｂＯ３よりも音速が速い材料で構成され、本実施例ではＡｌＮにより構成されている。なお、ＴｉをＬｉＮｂＯ３に拡散させても同様の効果がある。
壁面構成部材２２，２３の壁面２２ａ，２３ａの長さは３０ｍｍとされている。また、壁面構成部材２２，２３の膜厚は、ＩＤＴ４に近い側の端部２２ｂ，２３ｂから、反対側の端部２２ｃ，２３ｃに向かうにつれて、厚くなるように構成されている。すなわち、壁面２２ａ，２３ａの高さは、端部２２ｂ，２３ｂ側において０．２μｍ、端部２２ｃ，２３ｃ側において０．６μｍとなるように変化されている。
第２の実施例の音響光学フィルタ２１では、表面波が反射される一対の壁面２２ａ，２３ａが設けられており、それによって、ＩＤＴ４で励振された弾性表面波の表面波導波路が構成されている。一対の壁面２２ａ，２３ａの長さが相互作用領域の長さ方向において変化されているため、表面波の位相速度が表面波導波路において変化されている。従って、前述した位相整合条件が１％程度変化されている。
よって、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に、上記壁面構成部材２２，２３を設けることにより位相整合条件が変化されているため、相互作用長を短くすることなく光通過帯域特性の広帯域化を図ることができる。
なお、第２の実施例では、壁面２２ａ，２３ａの高さを相互作用領域の長さ方向に沿って変化させていたが、図７に示す変形例の音響光学フィルタ３１のように、壁面構成部材３２，３３の壁面３２ａ，３３ａ間の距離が相互作用領域の長さ方向において変化するように構成されていてもよい。図７では、壁面３２ａと、壁面３３ａとの間の間隔が、ＩＤＴ４に近い側の端部３２ｂ，３３ｂから、反対側の端部３２ｃ，３３ｃに向かうにつれて狭くなるように構成されている。より具体的には、端部３２ｂ，３３ｂ側において、壁面３２ａ，３３ａ間の間隔が４８０μｍ、端部３３ｃ，３２ｃ側において、壁面３２ａ，３３ａ間の間隔が１２０μｍとされている。この場合においても、音響光学フィルタ２１と同様に、位相整合条件が１％程度変化される。従って、同様に、低電力で広い光通過帯域特性を得ることができる。
なお、第２の実施例の音響光学フィルタ２１及び変形例の音響光学フィルタ３１の双方の構成を組み合わせてもよい。すなわち、弾性表面波導波路で表面波を伝搬させる一対の壁面の高さ及び一対の壁面間の間隔の双方を相互作用領域の長さ方向に沿って変化させてもよい。
図８は、第３の実施例に係る音響光学フィルタを示す斜視図である。
音響光学フィルタ４１では、圧電基板２上に、薄膜リッジ５に代えて、位相速度制御膜４２が設けられていることを除いては、音響光学フィルタ４１は、音響光学フィルタ１と同様に構成されている。ここで、位相速度制御膜４２は、ＺｎＯをスパッタリングすることにより形成されており、相互作用領域の長さ方向に延びる長さ方向寸法は３０ｎｍ、幅方向寸法は圧電基板２の幅方向寸法の全幅に至るように形成されている。
また、位相速度制御膜４２の膜厚は、ＩＤＴ４に近い側の端部４２ａから反対側の端部４２ｂに至るにつれて厚くなるように変化されている。具体的には、端部４２ａにおいて膜厚が０．４μｍ、端部４２ｂ側において１．０μｍとされている。
音響光学フィルタ４１では、上記位相速度制御膜４２が設けられていることにより、弾性表面波の位相速度が音響光学フィルタ１の場合と同様に変化され、位相整合条件が１％程度変化される。
本発明においては、相互作用領域において、温度分布を持たし、それによって前述した位相整合条件を位相が整合された状態から０．２３５％以上変化させてもよい。すなわち、位相整合条件変化手段としては、相互作用領域に温度分布を与える手段を用いてもよい。このような原理による第４の実施例を説明する。
図１に示した音響光学フィルタ１の薄膜リッジ５と同様に、ＺｎＯをスパッタリングすることにより、圧電基板２上にＺｎＯ膜を形成する。この場合、図１に示した薄膜リッジ５と同様に、ＺｎＯの膜厚を相互作用領域の長さ方向において変化させる。そして、ＩＤＴ４に印加される入力電力を変化させることにより、相互作用領域の長さ方向において温度勾配を形成することができる。図９は、ＺｎＯ膜の膜厚を２μｍと一定とし、入力電力を５０ｍＷ及び１００ｍＷとした場合、ＺｎＯ膜の膜厚を一定とし５μｍとし、入力電力１００ｍＷとした場合の相互作用領域の各温度分布を示す図である。
図９から明らかなように、上記ＺｎＯ膜の膜厚及び入力電力を選択することにより、相互作用領域の長さ方向に渡って温度勾配を形成し得ることがわかる。このような温度勾配を形成することにより、弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率が、相互作用領域において長さ方向において変化され、それによって位相整合条件が変化される。
従って、位相整合条件が、位相が整合されている状態から０．２３５％以上変化するように、上記温度勾配を設定すればよい。従って、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に、第４の実施例においても相互作用領域の長さを短くすることなく、広い光通過特性を実現し得ることがわかる。
なお、本実施例においては、ＺｎＯ膜を設けたが、ＺｎＯ膜を用いずともよく、ＩＤＴ４の発熱体のみを入力電力の制御により変化させてもよい。また、ＺｎＯ膜の膜厚を、薄膜リッジ５と同様に相互作用領域の長さ方向において変化させて温度勾配を設けてもよい。
さらに、図１０に示す変形例の音響光学フィルタ５１のように、ヒーター５２，５３を圧電基板２の上面２ａ上に配置してもよい。ヒーター５２，５３を相互作用領域の近傍に配置することにより、相互作用領域の長さ方向に温度勾配を設けることができる。
図１１は、本発明の第５の実施例に係る音響光学フィルタを説明するための斜視図である。音響光学フィルタ６１では、圧電基板２の上面２ａに光導波路６３が設けられている。ここでは、光導波路６３の幅方向寸法が、相互作用領域の長さ方向によって変化されている。すなわち、光導波路６３は、Ｔｉを熱拡散することにより形成されているが、その幅方向寸法が、ＩＤＴ４が設けられている側では６μｍとされており、相互作用領域の外側端部、すなわち光導波路６３の端部６３ａ側において８μｍの幅方向寸法を有するように構成されている。
なお、音響光学フィルタ６１では、相互作用領域に、ＺｎＯ膜６４が設けられており、それによって表面波の位相速度が変化されているが、ＺｎＯ膜６４は必ずしも設けられずともよい。
本実施例の音響光学フィルタ６１では、光導波路６３の幅方向寸法が相互作用領域の長さ方向において上記のように変化されているため、位相整合条件が位相が整合された状態から変化される。従って、上記光導波路６３の幅方向寸法の変化を、位相整合条件が、位相が整合された状態から０．２３５％以上変化するように変化させることにより、第１の実施例の音響光学フィルタ１と同様に相互作用領域の長さを短くすることなく、広い光通過特性を得ることができる。
なお、音響光学フィルタ６１では、光導波路６３の幅方向寸法が相互作用領域の長さ方向に渡って変化されていたが、光導波路６３の深さ方向寸法を変化させてもよい。すなわち、Ｔｉを圧電基板２の上面２ａに拡散するに際し、Ｔｉ拡散領域の深さを、相互体用領域の長さ方向に渡って変化させ、それによって位相整合条件を変化させてもよい。例えば、Ｔｉが拡散されている領域の深さ、すなわち光導波路６３の厚みを、８０〜１００ｎｍの範囲で変化させることにより、音響光学フィルタ６１と同様に位相整合条件を０．２３５％以上変化させることができる。
なお、本発明で用いられる音響光学基板としては、ＸカットＹ伝搬以外のカット角のＬｉＮｂＯ３基板やその他の圧電基板を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明に係る音響光学フィルタでは、光導波路に導波される光と、弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件が、位相が整合された状態から０．２３５％以上変化させるように位相整合条件変化手段が設けられているため、相互作用領域の長さを短くすることなく、広い光通過特性を得ることができる。従って、低電力で広い通過特性を得ることができる。
位相整合条件変化手段が、相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である場合には、相互作用領域において、弾性表面波の位相速度を変化させる構成を設けるだけで、本発明に従って広帯域の光通過特性を得ることができる。
例えば、表面波電波路に、弾性表面波の位相速度を変化させる手段を設けたり、表面波導波路上に薄膜リッジを設けることにより、表面波の位相速度を容易に変化させることができる。さらに、上記薄膜リッジの膜厚を、表面波導波路に沿って変化させることにより、表面波導波路における弾性表面波の位相速度を容易に変化させることができる。
あるいは表面波導波路において、表面波導波路の幅自体を表面波導波路の延びる方向において変化させることによっても、表面波の位相速度を容易に変化させることができる。
さらに、表面波電波路の両側に表面波が反射される一対の壁面を設け、一対の壁面を利用して表面波導波路における位相速度を変化させてもよい。例えば、一対の壁面を構成する壁面構成部材の構造が表面波電波路に沿って変化されていてもよい。あるいは一対の壁面間の間隔が変化され、それによって表面波導波路の幅が変化されてもよい。
また、本発明においては、上記位相整合条件変化手段は、相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる位相速度制御膜であってもよい。この場合、位相速度制御膜の膜厚を、位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように構成すればよい。
また、本発明においては、上記位相整合条件変化手段は、相互作用領域における弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段であってもよく、このような手段としては、相互作用領域に温度勾配を与える温度分布設定手段を挙げることができる。従って、例えば音響光学基板上に発熱体を設けたり、ヒーター素子を設けたりしてもよく、インターデジタル電極自体の入力電力を制御することによりインターデジタル電極を発熱体として用いてもよい。また、温度分布設定手段としては、表面波電波路上に設けられた薄膜を用いてもよく、該薄膜の膜厚を温度分布を有するように部分的に異ならせてもよい。よって、温度分布を相互作用領域に容易に形成することができ、本発明に従って、位相整合条件を変化させることにより、低電力で広い光通過特性を実現することができる。
また、本発明においては、相互作用領域において表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段は、光導波路自体により設けられていてもよい。例えば、光導波路の幅を、位相整合条件が０．２３５％以上変化させるように相互作用領域の長さ方向に変化させてもよく、あるいは光導波路を構成するために拡散されている金属の拡散領域の深さ、すなわち光導波路の深さを相互作用領域の長さ方向に渡って変化させることにより、位相整合条件変化手段を構成してもよい。従って、金属の拡散方法を制御するだけで、容易に、低電力でかつ広い光通過特性を有する音響光学フィルタを提供することができる。
【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】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方主面に光導波路が形成されている音響光学基板と、
前記音響光学基板上に形成されており、前記光導波路において導波される光のモードを変換するための弾性表面波を励振させるインターデジタル電極とを備え、前記インターデジタル電極で励振された表面波の導波路が前記光導波路と略一致する方向に延ばされており、前記光導波路に導波された光のモードが前記弾性表面波により変換される音響光学フィルタにおいて、
前記光導波路に導波される光と前記弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件を、位相が整合される状態から０．２３５％以上変化させる位相整合条件変化手段をさらに備えることを特徴とする、音響光学フィルタ。
【請求項２】
前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である、請求項１に記載の音響光学フィルタ。
【請求項３】
前記位相整合条件変化手段が、表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である、請求項２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項４】
前記表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段が、表面波導波路上に設けられた薄膜リッジである、請求項３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項５】
前記薄膜リッジの膜厚が、前記表面波導波路に沿って変化されており、それによって表面波導波路において弾性表面波の位相速度が変化される、請求項４に記載の音響光学フィルタ。
【請求項６】
前記表面波導波路において表面波の位相速度を変化させる手段が、前記表面波導波路の幅が表面波導波路の延びる方向において変化されている構造である、請求項３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項７】
前記表面波導波路の両側に表面波が反射される一対の壁面が設けられており、該一対の壁面により表面波導波路の位相速度が変化される、請求項３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項８】
前記一対の壁面を構成する壁面構成部材の構造が表面波導波路に沿って変化されており、それによって弾性表面波の位相速度が変化される、請求項７に記載の音響光学フィルタ。
【請求項９】
前記一対の壁面間の間隔が変化されており、それによって表面波導波路の幅が変化されている、請求項７に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１０】
前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる位相速度制御膜である、請求項２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１１】
前記位相速度制御膜の膜厚が、前記位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように選ばれている、請求項１０に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１２】
前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段である、請求項１に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１３】
前記弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、前記相互作用領域の温度分布設定手段である、請求項１２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１４】
前記温度分布設定手段が、前記音響光学基板上に設けられた発熱体である、請求項１３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１５】
前記発熱体がヒーター素子である、請求項１４に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１６】
前記インターデジタル電極が前記発熱体を兼ねている、請求項１４に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１７】
前記温度分布設定手段が、前記表面波導波路上に設けられた薄膜より構成されており、該薄膜の膜厚が温度分布を有するように部分的に異ならされている、請求項１３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１８】
前記相互作用領域において表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、上記光導波路に設けられている、請求項１２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１９】
前記伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように幅が設定された光導波路である、請求項１８に記載の音響光学フィルタ。
【請求項２０】
前記光導波路に設けられた伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、光導波路に拡散された金属である、請求項１８に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１】
一方主面に光導波路が形成されている音響光学基板と、
前記音響光学基板上に形成されており、前記光導波路において導波される光のモードを変換するための弾性表面波を励振させるインターデジタル電極とを備え、前記インターデジタル電極で励振された表面波の導波路が前記光導波路と略一致する方向に延ばされており、前記光導波路に導波された光のモードが前記弾性表面波により変換される音響光学フィルタにおいて、
前記光導波路に導波される光と前記弾性表面波との相互作用領域における位相整合条件を、位相が整合される状態から０．２３５％以上変化させる位相整合条件変化手段をさらに備えることを特徴とする、音響光学フィルタ。
【請求項２】
前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である、請求項１に記載の音響光学フィルタ。
【請求項３】
前記位相整合条件変化手段が、表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段である、請求項２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項４】
前記表面波導波路における弾性表面波の位相速度を変化させる手段が、表面波導波路上に設けられた薄膜リッジである、請求項３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項５】
前記薄膜リッジの膜厚が、前記表面波導波路に沿って変化されており、それによって表面波導波路において弾性表面波の位相速度が変化される、請求項４に記載の音響光学フィルタ。
【請求項６】
前記表面波導波路において表面波の位相速度を変化させる手段が、前記表面波導波路の幅が表面波導波路の延びる方向において変化されている構造である、請求項３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項７】
前記表面波導波路の両側に表面波が反射される一対の壁面が設けられており、該一対の壁面により表面波導波路の位相速度が変化される、請求項３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項８】
前記一対の壁面を構成する壁面構成部材の構造が表面波導波路に沿って変化されており、それによって弾性表面波の位相速度が変化される、請求項７に記載の音響光学フィルタ。
【請求項９】
前記一対の壁面間の間隔が変化されており、それによって表面波導波路の幅が変化されている、請求項７に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１０】
前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の位相速度を変化させる位相速度制御膜である、請求項２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１１】
前記位相速度制御膜の膜厚が、前記位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように選ばれている、請求項１０に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１２】
前記位相整合条件変化手段が、前記相互作用領域における弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段である、請求項１に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１３】
前記弾性表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、前記相互作用領域の温度分布設定手段である、請求項１２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１４】
前記温度分布設定手段が、前記音響光学基板上に設けられた発熱体である、請求項１３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１５】
前記発熱体がヒーター素子である、請求項１４に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１６】
前記インターデジタル電極が前記発熱体を兼ねている、請求項１４に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１７】
前記温度分布設定手段が、前記表面波導波路上に設けられた薄膜より構成されており、該薄膜の膜厚が温度分布を有するように部分的に異ならされている、請求項１３に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１８】
前記相互作用領域において表面波の伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、上記光導波路に設けられている、請求項１２に記載の音響光学フィルタ。
【請求項１９】
前記伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、位相整合条件を０．２３５％以上変化させるように幅が設定された光導波路である、請求項１８に記載の音響光学フィルタ。
【請求項２０】
前記光導波路に設けられた伝搬定数または光の実効屈折率を変化させる手段が、光導波路に拡散された金属である、請求項１８に記載の音響光学フィルタ。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００３８４７
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【発行日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１３０７（Ｐ２００５−５１１３０７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５７８０
【国際出願日】平成１６年４月２２日（２００４．４．２２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【発行日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５７８０
【国際出願日】平成１６年４月２２日（２００４．４．２２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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