(57)【要約】【課題】ＷＤＭ方式の光通信において使用される多数の波長に適用ができ、かつ近接したチャンネル間でのクロストーク発生が少ない波長可変光フィルタを提供する。【解決手段】本発明の波長可変光フィルタは、２組以上の光共振器を構成するように所定の間隔を保って対向させた多層膜反射鏡をそれぞれ片持ち梁で支持した構造をもつ。この片持ち梁を電気的手段によって変形させ多層膜反射鏡の間隔を変化させることにより、光共振器が透過する波長を変化させる。この構造をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系など化合物半導体を用いて実現することにより、他の光学素子との集積化が容易となる。【選択図】　図１
2004109556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器を構成するように所定の間隔を保って対向させた多層膜反射鏡をそれぞれ片持ち梁で支持し、該片持ち梁を電気的手段によって変形させ前記多層膜反射鏡の間隔を変化させる波長可変光フィルタにおいて、３枚以上の多層膜反射鏡で構成され、その間隔が互いに等しく維持されることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
前記多層膜反射鏡が３枚で実質的に同一形状あることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項３】
前記電気的手段が電圧印加手段であり、中央の反射鏡に対する両側の反射鏡の電位が互いに等しくなるように電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項４】
中央の反射鏡の反射率が両側の反射鏡の反射率より大きいことを特徴とする請求項３に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項５】
前記反射鏡を構成する多層膜がＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長可変光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等で使用される波長可変光フィルタに関し、とくに共振器長を制御する手段を有する光共振器型波長可変光フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの急速な普及による情報伝送容量の増大に対応するため、１本の光ファイバに複数の波長の光信号を多重化して伝搬させる波長多重（ＷＤＭ）方式の開発が進められている。このＷＤＭ方式は多数の近接した波長の光を使用するため、それらを合分波する光フィルタは重要な光学素子である。しかし使用する波長数（チャンネル数）が多い場合、それぞれの波長に対応した透過または反射特性をもつ光フィルタを準備する必要があり、システムを構成が複雑となる。このような問題を解決するため、透過または反射特性を制御して変更できる波長可変光フィルタが求められている。
【０００３】
波長可変光フィルタとしては、いくつかの原理に基づくものが知られている。多層膜フィルタに対する光の入射角を変化させることにより、実効的に多層膜の光学膜厚を変化させ透過波長を変化させるものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、対をなす反射鏡によって形成されるファブリ−ペロー光共振器の反射鏡の間隔（共振器長）を変化させることにより、透過波長を変化させるものが知られている。近年、このようなフィルタを小型化し、かつ外部から電気信号によって制御することを可能にするため、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を応用した光マイクロマシン光フィルタの開発が進められている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
この例では、対をなす多層膜反射鏡の一方を片持ち梁で支持して光共振器を構成している。この構造で共振器長を変化させるには、種々の手段がある。両多層膜間に電圧を印加し、静電力によって片持ち梁を弾性変形させることができる。また、片持ち梁部分を熱膨張係数の異なる層を積層した構造にしておき、この部分に通電して熱を発生させることによって、片持ち梁を変形させることもできる。
【０００６】
上記の非特許文献１に記載されている構成では、多層膜反射鏡および片持ち梁は化合物半導体（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）層で形成されているため、半導体レーザなどの半導体光学素子を製造する工程によって作製することができ、複数のフィルタを集積化したり、他の半導体光学素子と集積化することも可能であるなど優れた特徴をもっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２９２７１５号公報
【非特許文献１】
Ｆ．Ｋｏｙａｍａ　他、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、３９巻、パート１、３Ｂ号、２０００年、１５４２〜１５４５ページ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光共振器を用いた光フィルタは一定の透過帯域幅をもつ。これは上記の光マイクロマシンフィルタにおいても例外でなく、ＷＤＭ方式の光通信に適用すると、波長が近接したチャンネル間でクロストークが発生する原因となってしまう。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的は透過波長帯域の広がりが少なく、ＷＤＭ方式の光通信に応用ができる波長可変光フィルタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の波長可変光フィルタは、光共振器を構成するように所定の間隔を保って対向させた多層膜反射鏡をそれぞれ片持ち梁で支持した構造をもつ。そしてこの片持ち梁を電気的手段によって変形させ多層膜反射鏡の間隔を変化させる。このような波長可変光フィルタにおいて、多層膜反射鏡が３枚以上で構成され、その間隔は片持ち梁が変形してその絶対値が変化しても、互いにひとしく維持されることが望ましい。
【００１１】
３枚以上の多層膜反射鏡を等間隔で配置することにより、２組以上の同等の光共振器を縦続した構造を実現でき、片持ち梁で支持された反射鏡によって共振器長を変化させた場合にもこの間隔が等しくなるように維持すれば透過帯域幅の狭い波長可変光フィルタを実現できる。
【００１２】
とくに多層膜反射鏡が３枚で同一形状であるのが好ましい。この場合には、電気的手段が電圧印加手段であり、中央の反射鏡に対する両側の反射鏡の電位が互いに等しくなるように電圧を印加するのが望ましい。また、中央の反射鏡の反射率が両側の反射鏡の反射率より大きいことが望ましい。
【００１３】
３枚の反射鏡を用いた構成が、本発明の目的を達成でき、かつ構造をもっとも簡単な２つの同等な光共振器を縦続した構成が実現できる。中央の反射鏡に対して両側の反射鏡に等しい電位を与えることにより、互いに等しい間隔を保ったまま、間隔の絶対値を変更できる。すなわち、共振器長が変化しても同一光共振器が縦続された状態が保たれる。また中央の反射鏡の反射率を高くすることにより、両側の反射鏡間での共振を抑えることができる。
【００１４】
なお、反射鏡を構成する多層膜がＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層からなることが望ましい。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系は半導体レーザ等において製造工程が確立しており、これを利用することにより、本発明の波長可変光フィルタの構造を容易に作製できる。さらに半導体レーザやその他の光学素子との集積化も可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
光共振器を用いたフィルタの透過波長帯域の広がりを低減する手段として複数の共振器を縦続することが知られている。本発明は縦続光共振器を、片持ち梁で支持された半導体多層膜で構成するという着想のもとになされた。以下に具体的な実施形態を図を用いて説明する。
【００１６】
本発明の波長可変光フィルタの構造を図１に示す。基板１０から間隙をおいて３枚の半導体多層膜反射鏡２２、２４、２６が、片持ち梁３０で支持されている。上部の反射鏡２２と中央の反射鏡２４によって第１の光共振器、また中央の反射鏡２４と下部の反射鏡２６によって第２の光共振器が形成され、第１の光共振器と第２の光共振器は中央の反射鏡２４を共有して縦続された形態をとっている。各反射鏡は、円形状の例が示されているが、矩形など他の形状であってもよい。ただし３枚とも同一形状であることが好ましい。上部から入射した光は反射鏡間の空隙４２、４４で共振された波長の光だけが選択的に透過され、本構造は光フィルタとして機能する。
【００１７】
この中央の反射鏡２４に対して図示するように可変直流電圧源５０を接続し、等しい電圧を上下の反射鏡２２、２６に印加することにより、片持ち梁部分が撓み、これによって反射鏡間の空隙長を変化させることができる。すなわち、印加電圧の制御によって縦続した２つの共振器の共振器長が互いに等しく保たれたまま、変化する。これによって種々の波長の入射光１を選択的に透過させることが可能となる。
【００１８】
つぎに図１の構造の製法について図２により説明する。ＧａＡｓ基板１１０上にＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓを一対とする反射層１２２、１２４、１２６を成長する。上下の反射鏡に対応する層１２２、１２６にはＳｅをドープして導電型をｎ型とする。これらの層は最上層および最下層をＧａＡｓ層とした１３．５対の積層とした。一方、中央の反射鏡に対応する層１２４はＺｎをドープしてｐ型とし、３１．５対積層した。この反射層の間および下部反射鏡と基板の間には、最終的に空隙となる犠牲層１４２、１４４、１４６を設ける。これら犠牲層の組成はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓとする（図２（ａ））。
【００１９】
なお、図１に示すようにＧａＡｓ基板１０が反射鏡の下部にあり、入射光１を図のように入射させる場合には、光フィルタの透過光はＧａＡｓ基板１０表面に入射し、反射光が生じる。垂直入射の場合は、反射光が入射光の方向に戻ることになり、半導体レーザを光源とする場合には半導体レーザの動作が不安定になるため好ましくない。そこで、ＧａＡｓ基板両面には反射防止膜１２を予め設けておくことが望ましい。
【００２０】
つぎに反射鏡と片持ち梁の部分の形状のマスクをフォトリソグラフィによって形成し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングで反射鏡、片持ち梁部分および片持ち梁の台座６０（図１参照）部分以外の半導体層を除去する。つぎに空隙の作製を行う。アニール炉内に純水をバブリングした窒素を導入し、上記半導体層を４８０℃の温度で加熱処理をする。これによりＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層は選択的に酸化されてほぼＡｌ２Ｏ３に近いＡｌの酸化物となる。この酸化層は緩衝フッ酸水溶液で選択的にエッチング除去できる。以上により、片持ち梁によって支持された３つの多層膜反射鏡の基本構造が形成できる（図２（ｂ））。
【００２１】
上記の片持ち梁形成時に当初の半導体層をそのまま残すことにより、片持ち梁を支持する台座部分１６０も同時に形成できる。この台座部分の一部は中央の反射鏡に対応する多層膜の表面が露出するように除去する。この露出表面と最上層及びＧａＡｓ基板裏面（図１には図示しない）に電極７２、７４となるＡｕ層１７２、１７４、１７６をそれぞれ蒸着によって形成する（図２（ｃ））。
【００２２】
中央の電極７４に対して上部及び基板裏面の電極７２、７６にそれぞれ等しい正の電位を与える。これにより中央の反射鏡２４を基準に上下の反射鏡２２、２６が引き寄せられ、共振器長を変化させることができる。
【００２３】
図３は作製した光共振器型フィルタの透過特性を示す。与える電位差を０〜１０Ｖの範囲で変化させると、中心透過波長は１５５０ｎｍ〜１５１７ｎｍの範囲で変化していることがわかる。比較のために上部または下部の反射鏡を除去した単一共振器の特性を示した。電圧に対する中心透過波長の変化は両者同様であるが、透過スペクトルの半値全幅（３ｄＢ透過帯）は二重共振器とすることで大幅に改善されている。０Ｖの場合、０．８ｎｍ、１０Ｖの場合は１ｎｍである。またこの光フィルタの挿入損失は１ｄＢ以下である。
【００２４】
上記の特性をもつ光フィルタは、１．６ｎｍのチャンネル間隔のＷＤＭシステムで使用する場合、形状因子は約０．２７、クロストークは３０ｄＢが得られることを意味する。単一共振器の場合、形状因子は０．０６，クロストークは１０ｄＢ程度であるので、特性は大幅に改善される。
【００２５】
上記の構造は３枚の反射鏡からなる二重共振器の例を示したが、さらに多重の共振器を用いてもよい。上記の製法では、初めに成長する層数を増加するだけで同様な方法により、さらに多くの多層膜反射鏡を形成することが可能である。
【００２６】
また、この光フィルタは基本的に多層膜の成長とそのエッチング加工によって作製されるので、同一基板上に多数の光フィルタを形成し、光フィルタアレイとするのは容易である。電極を各光フィルタごとに独立に形成し、各フィルタに異なる電圧を印加すれば、異なる多数の透過波長をもった光フィルタアレイが実現できる。
【００２７】
上記の例では、反射層の材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを用いたが、これに限られない。同じ化合物半導体であれば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系などが使用できる。また誘電体多層膜を用いてもよい。誘電体の場合は別途透明電極層を設ける必要がある。
【００２８】
化合物半導体により多層膜を形成する利点は、他の光半導体素子を作製すると工程とほぼ同様な工程で製作できることにある。このため、例えば、この光フィルタは発光素子や受光素子と同時に形成し、集積化が可能である。図１に示す構造で、反射鏡下側の基板にｐｎ接合を形成して受光素子とすれば、フィルタを透過した波長の光だけを検出する分波光学系が形成できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、２組以上の同等の光共振器を縦続した構造を実現でき、透過帯域幅の狭い波長可変光フィルタを実現できる。このため、ＷＤＭシステム等に応用した場合、クロストークの低減が可能となる。また反射鏡をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系など化合物半導体多層膜で作製することにより、発光素子や受光素子などの光学素子との集積化も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長可変光フィルタの構造を示す模式図である。
【図２】本発明の波長可変光フィルタの製造工程を示す図である。
【図３】本発明の波長可変光フィルタの特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１　入射光
１０、１１０　基板
２２、２４、２６　多層膜反射鏡
３０　片持ち梁
４２、４４　空隙
５０　可変直流電源
６０　台座
１２２、１２４、１２６　反射層
１４２、１４４、１４６　犠牲層
１７２、１７４、１７６　Ａｕ層
【図１】
2004109556.tif 000003
【図２】
2004109556.tif 000004
【図３】
2004109556.tif 000005