JPH08227014A - 波長可変フィルタおよびその製造方法並びに波長可変光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い波長範囲にわたり、透過率や急峻性の悪
化を招くことなく、波長特性を連続的に変化させる。 【構成】 ガラス基板１１と、ガラス基板１１上に交互
に多数形成された高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層
とからなる誘電体多層膜１２とを備え、この誘電体多層
膜１２の各誘電体層の膜厚を、それぞれ基板の位置に応
じて直線的に連続的に変化せしめ、その多層膜１２に入
射させる光の位置を変化させることによって異なる波長
の光を通過させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、波長可変フィルタお
よびその製造方法並びにその波長可変フィルタを用いた
波長可変光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、波長可変フィルタとして、誘
電体多層膜フィルタへの入射角度を変化させることによ
りフィルタの波長特性を連続的に変化させる構成をとっ
たものが知られている。すなわち、入射角度を変える
と、光学膜厚が変化するので、フィルタの波長特性を変
化させることができる。また、透過波長が隣接する狭帯
域のバンドパスフィルタを数種あるいは数十種作り、こ
れらを微細加工して波長順に並列に並べてそのいずれか
を選択することにより波長特性を変化させるものも、色
彩分析機器として知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、誘電体
多層膜フィルタへの入射角度を変化させる場合、その入
射角度変化には許容範囲があり、これを越えると透過率
や急峻性が悪くなるという問題がある。つまり、入射角
度を変えることにより光学膜厚を変化させた場合、屈折
率の異なる層では入射角度変化に対する光学膜厚の変化
量が異なるため、透過性、急峻性が低下する。そのた
め、このように入射角度を変化させるものでは、広い範
囲で波長特性を変化させることができない。

【０００４】また、隣接する狭帯域のバンドパスフィル
タを数種あるいは数十種並べるものでは、構成が複雑で
製造に困難が伴い、製造コストが高くなる。しかも、並
列されたバンドパスフィルタの接合部では光が漏れると
いう問題があるし、波長特性を連続的に変化させること
もできない。

【０００５】この発明は、上記に鑑み、波長特性を広い
波長範囲で連続的に変化させることができる、構成簡単
な波長可変フィルタを提供することを目的とする。

【０００６】また、この発明は、波長特性を広い波長範
囲で連続的に変化させることができる波長可変フィルタ
を容易に製造することができる、波長可変フィルタの製
造方法を提供することを目的とする。

【０００７】さらに、波長特性を広い波長範囲で連続的
に変化させることができる波長可変フィルタを用いるこ
とにより、出射光の波長特性を広い範囲で連続的に変化
させることができ、しかも小型化可能な、波長可変光源
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による波長可変フィルタにおいては、基板
と、該基板上に交互に多数形成された高屈折率誘電体層
と低屈折率誘電体層とからなり、これらの誘電体層の膜
厚が基板の位置に応じて連続的に変化していることが特
徴となっている。

【０００９】上記の各誘電体層の膜厚は、基板の位置に
応じて、直線的に連続的に変化していてもよい。

【００１０】上記の各誘電体層の膜厚は、基板の位置に
応じて、非直線的に連続的に変化していてもよい。

【００１１】また、この発明による波長特性を広い波長
範囲で連続的に変化させることができる波長可変フィル
タを製造する製造方法は、真空蒸着容器中に高屈折率誘
電体材料の蒸発源および低屈折率誘電体材料の蒸発源を
実質的に交互に配置し、該蒸発源に対する基板表面の距
離が基板の位置に応じて異なるように、基板を上記真空
蒸着容器内で保持し、該基板表面上に上記２つの蒸発源
から蒸発した材料を交互に蒸着させることが特徴となっ
ている。

【００１２】上記の製造方法において、基板を直線的に
保持するようにしてもよい。

【００１３】また、上記の製造方法において、基板を湾
曲させて保持するようにしてもよい。

【００１４】さらに、この発明による波長可変光源は、
半導体レーザ素子と、その出射光の光路に、位置が変更
できるようにして挿入される、位置に応じて各層の膜厚
が連続的に変化している波長可変フィルタとからなるこ
とを特徴とする。

【００１５】また、この発明による波長可変光源は、光
共振器を構成する外部の反射鏡との間の光路中に、位置
が変更できるようにして挿入される、位置に応じて各層
の膜厚が連続的に変化している波長可変フィルタを有す
る半導体レーザ素子から構成することもできる。

【００１６】

【作用】基板上に交互に多数積層された高屈折率誘電体
層と低屈折率誘電体層とから誘電体多層膜フィルタを形
成できる。そして、それらの各層の膜厚を基板の位置に
応じて連続的に変化させると、その位置に応じて波長特
性が変わることになる。すなわち、光を入射させる位置
を変えると、通過光の波長が変わる。そのため、光を入
射させる位置を変えることにより連続的に波長特性を変
化させることができる。光の入射角度は変わらないた
め、入射角度が許容範囲を超えて透過率が悪くなったり
波長特性の急峻性が悪化したりすることはなく、波長可
変範囲を広くすることができる。

【００１７】各誘電体層の膜厚が基板の位置に応じて直
線的に連続的に変化するよう膜厚が定められていれば、
狭帯域の波長可変フィルタとすることができる。

【００１８】各誘電体層の膜厚が基板の位置に応じて非
直線的に連続的に変化するよう膜厚が定められていれ
ば、広帯域の波長可変フィルタとすることができる。

【００１９】真空蒸着容器中で、基板を、蒸発源に対す
る基板表面の距離が基板の位置に応じて異なるように、
保持して、この基板表面に蒸発源から蒸発した材料を蒸
着させて各誘電体層を形成するだけで、各誘電体層の膜
厚が位置に応じて連続的に変化している多層膜を作るこ
とができる。これにより波長可変フィルタを簡単・容易
に製造できる。

【００２０】この場合、基板を直線的に保持すれば、各
誘電体層の膜厚を基板の位置に応じて直線的に連続的に
変化させることができ、狭帯域の波長可変フィルタを簡
単・容易に製造できる。

【００２１】また、基板を湾曲させて保持すれば、各誘
電体層の膜厚を基板の位置に応じて非直線的に連続的に
変化させることができ、広帯域の波長可変フィルタを簡
単・容易に製造できる。

【００２２】このように各層の膜厚が変化している波長
可変フィルタを、半導体レーザ素子の出射光の光路に挿
入し、その位置を連続的に変更すれば、出射光の波長を
連続的に変化させることができる。この光源は出射光の
強度および波長特性における急峻性が、広い波長範囲で
安定している、波長可変光源となる。

【００２３】半導体レーザ素子の外部に反射鏡を設けて
外部光共振器を形成し、その外部光共振器の光路中に、
各層の膜厚が変化している波長可変フィルタを挿入する
と、この波長可変フィルタを通った波長の光のみが共振
してレーザ発振する。こうして波長選択性のある外部光
共振器が形成でき、波長可変フィルタの光路に対する位
置を連続的に変化させることにより、その発振波長を連
続的に変化させることができる。したがって、この半導
体レーザ素子から得られる出射光の波長を連続的に変化
させることができるとともに、出射光の強度および波長
特性における急峻性を、広い波長範囲で安定させること
ができる。

【００２４】

【実施例】以下、この発明の好ましい一実施例について
図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示す波長可
変フィルタは、ガラス基板１１に多数の誘電体薄膜から
なる多層膜１２が形成されたものである。ガラス基板１
１としては光学ガラスが用いられる。多層膜１２は、二
酸化チタンなどの高屈折率材料の層と、二酸化珪素など
の低屈折率材料の層が交互に多数（たとえば３０〜５０
層）積層されてなり、光の干渉性により、各層の膜厚の
４倍の波長の光のみを通す干渉膜フィルタとなる。

【００２５】この図１に示す実施例では、多層膜１２の
各層の膜厚が、高屈折率層も低屈折率層も一方向に、位
置に対して同じ比率で直線的に徐々に厚くなっており、
そのため、光の入射位置に比例して透過波長特性が異な
る。すなわち、図１に示すように、細い光ビームを透過
させるなら、その光ビームの位置に応じて透過波長を１
２００ｎｍ〜１４００ｎｍ程度の範囲で連続的に変化さ
せることができる。

【００２６】この場合、光の入射位置を変えるだけで異
なる波長特性を得るので、透過特性における透過性や急
峻性を低下させることなく広い波長範囲で波長特性を変
化させることができる。つまり、多層膜フィルタの全体
を傾けて光の入射角度を変化させて波長特性を変える場
合の問題が解決される。

【００２７】図２に示す実施例では、多層膜１２の各層
の膜厚が、高屈折率層も低屈折率層も一方向に、位置に
対して同じ比率で、非直線的に徐々に厚くされている。
この図２の波長可変フィルタは通過波長帯域が広くなる
ように設計されたものである。このように通過波長帯域
が広い場合、各層の屈折率の波長分散を考慮し、波長λ
における膜厚ｄλをつぎの数式１のようにして定めてい
る。

【数１】 この数式１でλはフィルタの設計上の中心波長、θ０は
屈折率ｎ０の入射媒質からの入射角度、ｎλは波長λに
おける各層の屈折率である。

【００２８】そこで、この場合、上記の数式１から膜厚
ｄλと波長λとの関係は図３の実線のようになる。な
お、点線は、各層の屈折率の波長分散を無視することの
できる、通過波長帯域の狭い場合である。図４の実線で
示すように、ガラス基板１１上の位置に対して膜厚ｄλ
を定めることにより、位置ごとに波長特性が変化する、
通過波長帯域の広い波長可変フィルタを得ることができ
る。

【００２９】波長分散を無視すれば、この図４の点線の
ように基板上の位置と膜厚ｄλとの関係は直線的なもの
となる。すなわち、図１で示した波長可変フィルタがこ
れに基づいており、図１の波長可変フィルタは通過波長
帯域の狭いフィルタとなる。この場合、図３、図４の点
線から通過波長の中心波長が基板上の位置に応じて直線
的に変化する。

【００３０】つぎに上記のような波長可変フィルタの製
造方法の一実施例について述べる。基本的には、図５に
示すように、真空蒸着容器（ベルジャーまたはチャンバ
ー）２１中にガラス基板１１を配置して、蒸発源２３か
ら蒸発させた高・低の屈折率材料をガラス基板１１の表
面上に蒸着させる。さらに具体的に述べると、ガラス基
板１１はドーム状の回転支持台２２上に支持する。蒸発
源２３としては、二酸化チタンなどの高屈折率材料と、
二酸化珪素などの低屈折率材料を、上記のドーム状回転
支持台２２の回転中心を中心とする同心円上に配置し、
電子ビーム加熱法などによって加熱してこれらの材料を
蒸発させ、適宜なシャッターによって交互に遮蔽するこ
とによって、高屈折率層と低屈折率層とを交互に多数形
成する。その際、各層の厚さをコントロールするため、
モニター基板２４に対する成膜厚さを、反射光を利用し
た光学的膜厚検出器２５で検出する。

【００３１】ガラス基板１１は、ドーム状回転支持台２
２で支持されることにより、公転することになるが、別
途自転させるようにしてもよい。通常であれば、蒸発源
２３とガラス基板１１とを結ぶ直線に対してガラス基板
１１の表面が直角になるように配置することによって、
蒸発源２３からガラス基板１１の表面までの距離が、表
面の各位置でなるべく同じになるようにして、蒸着層が
各位置で均一の厚さとなるようにするのであるが、ここ
では、蒸着層の膜厚に傾斜を設けるため、ガラス基板１
１の表面が、蒸発源２３とガラス基板１１とを結ぶ直線
に対して直角から傾いたものとする。

【００３２】すなわち、図６の（ａ），（ｂ）に示すよ
うに保持器３１、３２でガラス基板１１を、回転支持台
２２上で傾けて保持する。このとき、２つの蒸発源２３
に対して傾きが同じになるようにする。この図６の
（ａ），（ｂ）のように、ガラス基板１１を直線に保っ
たまま傾けて蒸着を行なうと、位置に対して膜厚が直線
的に変化するように各層を形成でき、図１に示すような
狭帯域の波長可変フィルタを作ることができる。この場
合、ガラス基板１１としては１辺がたとえば１０〜５０
ｍｍ程度の正方形のものを用いる。ガラス基板１１の傾
き角度は、上記の基準となる直角の角度に対して、１゜
以上９０゜未満、理想的には１０゜以上６０゜以下とす
るのが好ましい。

【００３３】さらに、図６の（ｃ）のように、ガラス基
板１１を湾曲させて回転支持台２２上に保持する保持器
３３を用いれば、位置に対して膜厚が非直線的に変化す
るように各層を形成でき、図２に示すような広帯域の波
長可変フィルタを作ることができる。ガラス基板１１と
して厚さがたとえば２０μｍ程度のものを用いれば、こ
のように湾曲させてもなんら問題がない。曲げる曲率に
よっては１００μｍ程度以下の厚さのガラス基板１１を
用いることも可能である。

【００３４】このようにして作った図１や図２で示すよ
うな波長可変フィルタを用いることにより、波長可変光
源を構成することができる。図７に示す実施例では、半
導体レーザ素子４１からの出射光をレンズ４２を介して
波長可変フィルタ１０（図１や図２で示すもの）に入射
させ、これを通った光をレンズ４３で集光してフェルー
ル４４に導いて光ファイバ４５に入射させる。この光フ
ァイバ４５の他端には光コネクタ４６が設けられる。

【００３５】この図７のようにして構成された波長可変
光源では、波長可変フィルタ１０の、光路に対する位置
を図の矢印のように動かすことにより、この波長可変フ
ィルタ１０を透過する光の波長を任意に選択できる。す
なわち、光コネクタ４６から出射される光の波長が、波
長可変フィルタ１０の位置によって連続的に変更可能
な、波長可変光源として構成される。

【００３６】図８で示す実施例では、半導体レーザ素子
４１からの光をレンズ４２によりフェルール４４の一端
に集束して光ファイバ４５の一端に入射させ、光コネク
タ４６よりその光を出射させる構成において、光ファイ
バ４５の途中で波長可変フィルタ１０を挿入するように
している。すなわち、平面光回路５１において、導波路
基板５２に設けられた導波路５３を切断するように溝５
４を形成し、その溝５４に波長可変フィルタ１０を入れ
て、溝５４の長さ方向に波長可変フィルタ１０が移動可
能な構成とする。そして光ファイバ４５の一端を球状に
して（いわゆる先球光ファイバとする）導波路５３の一
端と光結合させるとともに、光コネクタ４６に接続され
る側の光ファイバ４７の一端を同じく球状（先球光ファ
イバ）にして導波路５３の一端と光結合させる。波長可
変フィルタ１０を溝５４に沿って移動させれば、光が通
る位置（導波路５３の位置）が変わるため、波長可変フ
ィルタ１０を通る光の波長特性が連続的に変化する。そ
の結果、光コネクタ４６から出射される光の波長が連続
的に変わる。

【００３７】この図７、図８では、光路に対する波長可
変フィルタ１０の位置を変えて光コネクタ４６から出射
する光の波長特性を連続的に変化させており、そのた
め、広い波長範囲で変化させても出射光の強度および波
長特性（急峻性）が安定した波長可変光源として構成す
ることができる。ちなみに、従来のように多層膜フィル
タを傾けて入射角度を変化させるように構成するので
は、使用可能な角度の許容範囲を超えると多層膜フィル
タの透過率が悪くなるため、出射光強度が安定しない
し、また波長特性における急峻性も悪くなるが、このよ
うな不都合がない。

【００３８】なお、出射光の光路中に波長可変フィルタ
１０を挿入して、その位置を連続的に変化させる構成と
すればよいので、上記のようにフェルール４４への入射
経路中に波長可変フィルタ１０を挿入したり、平面光回
路５１を設けて光ファイバ４５の途中に波長可変フィル
タ１０を挿入したりするだけでなく、光ファイバ４５自
体を（補強用Ｖ溝部材により補強した上で）コア部分ま
で切断してその切断部に波長可変フィルタ１０を位置が
変更できるようにして挿入する構成などをとることがで
きる。

【００３９】図９の実施例では、半導体レーザ素子４１
の一端の外部に全反射鏡４８を配置してレンズ４２とと
もに外部光共振器を形成する場合に、その外部光共振器
中に、位置可変の波長可変フィルタ１０を挿入してい
る。これにより、波長選択性外部光共振器が構成できる
ため、他端から出射する光の波長特性を、波長可変フィ
ルタ１０の位置によって連続的に変えることができる。
すなわち、半導体レーザ素子４１の他端から出射しレン
ズ４３を経てフェルール４４に導かれ、さらに光ファイ
バ４５を通って光コネクタ４６から出射する光の波長特
性を連続的に変化させることができる。

【００４０】これらの波長可変光源（図７〜図９）で
は、小さな波長可変フィルタ１０を移動可能に組み込む
だけなので、構成簡単で、小型化が可能であり、光コネ
クタ４６からの出射光の強度および波長特性における急
峻性が広い波長範囲で低下することのない、安定な波長
可変光源が得られる。

【００４１】

【発明の効果】以上実施例について説明したように、こ
の発明の波長可変フィルタによれば、広い波長範囲で、
透過率の低下や波長特性における急峻性の悪化を招くこ
となしに、波長特性を連続的に変化させることができ
る。また、この発明による波長可変フィルタの製造方法
によれば、上記のような波長可変フィルタを簡単・容易
に製造することができる。さらに、上記のような波長可
変フィルタを用いて波長可変光源を形成することによ
り、出射光の強度の低下や波長特性における急峻性の悪
化を招くことなしに、出射光の波長特性を広い範囲で連
続的に変化させることができ、しかも小型化可能な、波
長可変光源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる波長可変フィルタ
およびその特性を示す模式図。

【図２】他の実施例にかかる波長可変フィルタを示す模
式図。

【図３】透過する光の波長と多層膜の各膜厚との関係を
示すグラフ。

【図４】基板上の位置と多層膜の各膜厚との関係を示す
グラフ。

【図５】製造方法の一実施例を示す模式図。

【図６】ガラス基板の保持例を模式的に示す部分拡大断
面図。

【図７】波長可変光源の一実施例を示す模式図。

【図８】波長可変光源の他の実施例を示す模式図。

【図９】波長可変光源のさらに別の実施例を示す模式
図。

【符号の説明】

１０ 波長可変フィルタ １１ ガラス基板 １２ 多層膜 ２１ 真空蒸着容器 ２２ ドーム状回転支持台 ２３ 蒸発源 ２４ モニター基板 ２５ 膜厚検出器 ３１、３２、３３ ガラス基板の保持器 ４１ 半導体レーザ素子 ４２、４３ レンズ ４４ フェルール ４５、４７ 光ファイバ ４６ 光コネクタ ４８ 全反射鏡 ５１ 平面光回路 ５２ 導波路基板 ５３ 導波路 ５４ 溝

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に交互に多数形成され
   た高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とからなり、こ
   れらの誘電体層の膜厚が基板の位置に応じて連続的に変
   化していることを特徴とする波長可変フィルタ。
2. 【請求項２】 各誘電体層の膜厚は、基板の位置に応じ
   て、直線的に連続的に変化していることを特徴とする請
   求項１記載の波長可変フィルタ。
3. 【請求項３】 各誘電体層の膜厚は、基板の位置に応じ
   て、非直線的に連続的に変化していることを特徴とする
   請求項１記載の波長可変フィルタ。
4. 【請求項４】 真空蒸着容器中に高屈折率誘電体材料の
   蒸発源および低屈折率誘電体材料の蒸発源を実質的に交
   互に配置し、該蒸発源に対する基板表面の距離が基板の
   位置に応じて異なるように、基板を上記真空蒸着容器内
   で保持し、該基板表面上に上記２つの蒸発源から蒸発し
   た材料を交互に蒸着させることを特徴とする波長可変フ
   ィルタの製造方法。
5. 【請求項５】 基板を直線的に保持することを特徴とす
   る請求項４記載の波長可変フィルタの製造方法。
6. 【請求項６】 基板を湾曲させて保持することを特徴と
   する請求項４記載の波長可変フィルタの製造方法。
7. 【請求項７】 半導体レーザ素子と、その出射光の光路
   に、位置が変更できるようにして挿入される、位置に応
   じて各層の膜厚が連続的に変化している波長可変フィル
   タとを有することを特徴とする波長可変光源。
8. 【請求項８】 半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素
   子の光共振器を構成する外部の反射鏡と、該半導体レー
   ザ素子と外部の反射鏡との間の光路中に、位置が変更で
   きるようにして挿入される、位置に応じて各層の膜厚が
   連続的に変化している波長可変フィルタとを有すること
   を特徴とする波長可変光源。