(57)【要約】【課題】簡単な構成で透過中心波長の変化量が大きい格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器、並びにこれらの製造方法を提供する。【解決手段】キャビティ部４３を高屈折率媒質層４４ａとする簡単な構成により、透過中心波長の変化量を従来の１０ｎｍから２０ｎｍ以上にすることができ、小型の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ４０及びこれを用いたアレイ型波長合分波器８０が得られる。【選択図】        図１
2004325902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明なフィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層が交互に積層され、上記フィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した光信号を波長選択して出力するフォトニック結晶を備えた格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタにおいて、上記キャビティ部が上記高屈折率媒質層からなることを特徴とする格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ。
【請求項２】
上記フォトニック結晶は、誘電体多層膜からなる請求項１に記載の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ。
【請求項３】
上記フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸が周期的に形成されている請求項１または２に記載の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ。
【請求項４】
合波側導波路に入力した波長多重光信号をアレイ導波路を用いて分波して分波側導波路から出力するか、あるいは複数の分波側導波路から入力した波長の異なる複数の光信号をアレイ導波路を用いて合波して合波側出力導波路から出力するアレイ型波長合分波器本体と、透明なフィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層が交互に積層され、上記フィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して出力するフォトニック結晶を有する格子変調型のフォトニック結晶波長選択フィルタとを備えたアレイ型波長合分波器において、上記キャビティ部が上記高屈折率媒質層からなることを特徴とするアレイ型波長合分波器。
【請求項５】
上記フォトニック結晶は、誘電体多層膜からなる請求項４に記載のアレイ型波長合分波器。
【請求項６】
上記フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸が周期的に形成されている請求項４または５に記載のアレイ型波長合分波器。
【請求項７】
透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した光信号を波長選択して出力すべく上記フィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層を交互に積層する格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの製造方法において、上記キャビティ部が上記高屈折率媒質層となるように上記高屈折率媒質層及び上記低屈折率媒質層を積層してフォトニック結晶を形成することを特徴とする格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの製造方法。
【請求項８】
上記フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸を周期的に形成した後で上記フォトニック結晶を形成する請求項７に記載の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの製造方法。
【請求項９】
上記フォトニック結晶は、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法を用いて作製する請求項７または８に記載の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの製造方法。
【請求項１０】
合波側導波路に入力した波長多重光信号をアレイ導波路を用いて分波して分波側導波路から出力するか、あるいは複数の分波側導波路から入力した波長の異なる複数の光信号をアレイ導波路を用いて合波して合波側出力導波路から出力するアレイ型波長合分波器本体を基板上に形成してアレイ型波長合分波器本体を得、透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して出力すべく上記フィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層を交互に積層して格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタを得、上記波長合分波器本体と該格子変調型フォトニック結晶フィルタとを組み合わせるアレイ型波長合分波器の製造方法において、上記キャビティ部が上記高屈折率媒質層となるように上記高屈折率媒質層及び上記低屈折率媒質層を積層してフォトニック結晶を形成することを特徴とするアレイ型波長合分波器の製造方法。
【請求項１１】
上記フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸を周期的に形成した後で上記フォトニック結晶を形成する請求項１０に記載のアレイ型波長合分波器の製造方法。
【請求項１２】
上記フォトニック結晶は、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法を用いて作製する請求項１０または１１に記載のアレイ型波長合分波器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光部品およびフォトニック結晶を応用した光デバイス、通信用フィルタに関する光デバイス、あるいはそれら光部品、光デバイスを適用した光システムに関し、特に格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器、並びにこれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、フォトニック結晶について簡単に説明する。
【０００３】
フォトニック結晶とは、屈折率が異なる２種類の透明媒質を、各透明媒質の平均波長の１／２程度の格子間隔で１〜３次元の周期構造としたものである。すなわち、直交座標軸のうちの少なくとも一つの座標軸方向に格子定数が周期的に変化している結晶である（格子変調型のフォトニック結晶）。
【０００４】
３次元のフォトニック結晶の場合、簡単に言えばナノスケールの３次元市松模様である。１次元、２次元、３次元のフォトニック結晶を模式的に示すと、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。
【０００５】
図８（ａ）は１次元のフォトニック結晶の模式図であり、図８（ｂ）は２次元のフォトニック結晶の模式図であり、図８（ｃ）は３次元のフォトニック結晶の模式図である。
【０００６】
図８（ａ）に示すフォトニック結晶１は、直交座標軸のうち一つの座標軸方向（図８（ａ）ではＺ軸方向）にのみ屈折率の周期性を有している。すなわち、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層２ａ及び低屈折率媒質層２ｂがＺ軸方向に交互に積層されている。
【０００７】
図８（ｂ）に示すフォトニック結晶３は、二つの座標軸方向（この場合、Ｘ軸方向及びＺ軸方向）に屈折率の周期性を有している。すなわち、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層４ａ及び低屈折率媒質層４ｂがＸ軸方向及びＺ軸方向に交互に積層されている。
【０００８】
図８（ｃ）に示すフォトニック結晶５は、全座標軸方向（この場合、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）に屈折率の周期性を有する。すなわち、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層６ａ及び低屈折率媒質層６ｂがＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に交互に積層されている。
【０００９】
次に光通信の背景について説明する。
【００１０】
近年、インターネットや携帯型電話などのデータ通信量の増大に伴い、光ファイバ伝送路の容量拡大が要求されている。そのためには、変調速度を上げる時分割多重方式（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）と、１本の光ファイバに異なる波長の光信号をのせる波長多重方式（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）とがあり、容量拡大の要求に対応するため、ＴＤＭによる高速化と、ＷＤＭによる高密度波長多重化とが同時に進められている。
【００１１】
ＷＤＭ方式における波長の合分波には多層膜フィルタを組み合わせた方法と、アレイ型波長合分波器（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いた方法とがあり、ＡＷＧは４０波長程度の波長数の光信号を１素子で合分波できる特長を有している。
【００１２】
以下では格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタを単にフォトニック結晶フィルタと略す。
【００１３】
次にＡＷＧの従来技術について説明する。
【００１４】
上記ＡＷＧは製造誤差に起因するクロストークが存在し、このクロストークは合分波する光信号の波長数が多くなればなるほど重畳される。そのため、該クロストークの損失はその光信号の波長数の増加に伴い増大する。該クロストークの損失は、波長数が十数波長程度では許容されるが、数十、数百となった場合は無視できなくなる。
【００１５】
クロストークを抑圧する方法としてＡＷＧとフォトニック結晶波長選択フィルタとを組み合わせる方法がある。
【００１６】
図９は本発明の前提となった波長合分波器の概念図である。
【００１７】
同図に示す波長合分波器７は、ＡＷＧ本体８と、ＡＷＧ本体８の各分波側導波路９ａに光学的に接続されたフォトニック結晶波長選択フィルタ（以下「フォトニック結晶フィルタ」という）１０を有するフィルタ部１１とで構成されている。
【００１８】
ＡＷＧ本体８は、矢印１２方向に波長多重光信号が入射される合波側導波路（図では入力導波路）１３、一端（図では左端）が入力導波路１３に接続された第１のスラブ型導波路（この場合、入力側スラブ導波路）１４、この入力側スラブ導波路１４の他端に一端が接続され所定の長さずつ長さの異なる複数のチャネル型光導波路からなるアレイ型光導波路（以下「アレイ導波路」という）１５、このアレイ導波路１５の各チャネル型光導波路の他端に一端が接続された第２のスラブ型光導波路（以下「出力側スラブ導波路」という）１６、及びこの出力側スラブ導波路１６の他端に一端が接続された複数の分波側導波路（以下「出力導波路」という）１７ａからなる分波側導波路群（以下「出力導波路群」という）１７を基板１８上に形成したものである。
【００１９】
フィルタ部１１は、一端（図では左端）がＡＷＧ本体８の各出力導波路１７ａの他端にそれぞれ接続され途中で分断された光ファイバ１９（１９ａ，１９ｂ）と、分断された光ファイバ１９ａ，１９ｂ間にコリメート用レンズ２０ａ，２０ｂを介して挿入されたフォトニック結晶フィルタ１０と、フォトニック結晶フィルタ１０、光ファイバ１９ａ，１９ｂ及びコリメート用レンズ２０ａ，２０ｂを保持するＶ溝台２１とで構成されている。その出力光ファイバ１９の途中分断部にフォトニック結晶フィルタ１０を挿入する。
【００２０】
ＡＷＧ７の各光ファイバ１９ｂの出力端側には矢印２０で示す分波された光信号を受光する複数のフォトダイオード（ＰＤ）２３が配置されている。
【００２１】
光ファイバ（図示せず）から入力した広帯域のスペクトルを有する光信号１２は、入力導波路１３、入力側スラブ導波路１４、アレイ導波路１５、出力側スラブ導波路１６、出力導波路１７ａを通過して光ファイバ１９（１９ａ）から出力され、フォトニック結晶フィルタ１０および光ファイバ１９ｂを通過してフォトダイオード２３に達する。
【００２２】
ここで、入力側スラブ導波路１４および出力側スラブ導波路１６はレンズとして作用し、アレイ導波路１５はプリズムとして作用する。
【００２３】
ＡＷＧ本体８の各出力導波路１７ａから出力した光信号を受光するＡＷＧ本体８側の光ファイバ１９ａをアレイ状に配置した光ファイバアレイ１９ａａと、光ファイバアレイ１９ａａと光学的に接続されるＰＤ２３側の光ファイバ１９ｂをアレイ状に配置した光ファイバアレイ１９ｂａとを、対向する端面同士の間隔が５００μｍとなるように離して、Ｖ溝２３が形成されたＶ溝台２１の上で接続する。Ｖ溝２３の本数は光ファイバ１９ａ（１９ｂ）の本数と同数とする。Ｖ溝台２１の光ファイバアレイ１９ａａと光ファイバアレイ１９ｂａとの接続部に設けられた空間に格子変調型フォトニック結晶フィルタ１０をＵＶ樹脂あるいは接着剤を用いて挿入する。
【００２４】
出力ファイバ分断部へ挿入する該フォトニック結晶フィルタ１０は、一方の主面にサブミクロンオーダーの多数の凹凸が面方向に２次元周期的に形成されたフィルタ用基板のその主面上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層と低屈折率媒質層とをその主面の法線方向に交互に積層して形成したものである。フォトニック結晶フィルタ１０の凹凸の周期を格子定数とした場合、格子定数の異なる領域がフィルタ用基板上にアレイ状に形成される。
【００２５】
フォトニック結晶フィルタ１０の主な特長は、厚さ方向の膜構造を同一構造として格子定数を領域によって様々な値としながら増加させていくことによって、フィルタ用基板の主面に垂直な方向に光信号を入出力させた時の透過波長が長波長側に変化するということである（例えば、特許文献１参照）。そのフォトニック結晶フィルタ１０の機能は、いわば単純な多層膜からなるバンドパスフィルタをアレイ状に配置して１枚のフィルタ用基板上に形成したものと考えて良い。
【００２６】
それまでの技術を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。
【００２７】
図１０（ａ）はバンドパスフィルタのミラー部およびキャビティ部の高屈折率層と低屈折率層の膜厚を変化させた場合の模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した各バンドパスフィルタの透過波長の変化を示す模式図である。図１０（ｂ）において横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。
【００２８】
図１０（ａ）に示すようにバンドパスフィルタ３０−１は、透明なフィルタ用基板２６の一方の主面（図では上側の面）に、一対のミラー部２７ａ，２７ｂがキャビティ部２８を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層２９ａ及び低屈折率媒質層２９ｂが交互に積層されたものであり、フィルタ用基板２６の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して出力するものである。図１０（ａ）に示すように高屈折率媒質層２９ａ及び低屈折率媒質層２９ｂの厚さを異ならせたバンドパスフィルタ３０−１〜３０−３が配置されている。
【００２９】
図１０（ｂ）に示すように、各バンドパスフィルタ３０−１〜３０−３は各フォトニック結晶３０−１〜３０−３の透過波長λ１，λ２，λ３に対応した波長近傍に透過率のピークを有している。
【００３０】
ところで、従来の技術では、図１０（ａ）に示すように、ミラー部２７ａ，２７ｂおよびキャビティ部２８の各高屈折率媒質層および各低屈折率媒質層の膜厚を変化させないと透過波長を変化させることができなかった。その場合、バッジ方式を用いて各バンドパスフィルタを別バッチでその種類数と同じバッチ数分だけ作製する必要があった。例えば４０チャンネルＡＷＧ本体と組み合わせるフィルタを作製するにはバンドパスフィルタを４０種類作製する必要があった。
【００３１】
上記のようにＡＷＧ本体とフォトニック結晶フィルタとを組み合わせると、全損失はそれぞれの素子の損失を加算したものになるので、図１１のようにクロストークの損失は−７０ｄＢ以下となる。
【００３２】
なお、図１１は波長合分波器、フォトニック結晶波長選択フィルタ及びこれらを組み合わせたときの光学スペクトルを表す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が透過率を示している。曲線Ｌ１はＡＷＧ本体の光学スペクトルを示し、曲線Ｌ２はフォトニック結晶フィルタの光学スペクトルを示し、曲線Ｌ３はこれらを組み合わせたときの光学スペクトルを示す。
【００３３】
また、該格子変調型のフォトニック結晶フィルタを使用することで、出力導波路に対して垂直に挿入することができるため、損失のバラツキ、偏波依存性は発生しない。
【００３４】
【特許文献１】
特開２００１−９１７０１号公報
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、フォトニック結晶フィルタの格子定数を変化させた際の透過中心波長の変化量が最大１０ｎｍであった。
【００３６】
図１２（ａ）に示すようにフォトニック結晶フィルタ８３は、透明なフィルタ用基板８４の一方の主面（図では上面）に、一対のミラー部８６ａ，８６ｂが一つのキャビティ部８７を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層８５ａ及び低屈折率媒質層８５ｂが交互に積層されたものであり、フィルタ用基板８４の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した光信号を波長選択して出力するようになっている。そのフォトニック結晶フィルタ８３の透過中心波長の変化の様子を図１２（ｂ）に示す。
【００３７】
図１２（ａ）は格子変調型のフォトニック結晶波長選択フィルタの外観斜視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示したフォトニック結晶波長選択フィルタの波長−損失特性を示す図である。図１２（ｂ）において、横軸は波長を示し、縦軸は透過損失を示している。図１２（ａ）において曲線Ｌ４は格子定数が０．４μｍ、曲線Ｌ５は格子定数が０．５μｍ、曲線Ｌ６は格子定数が０．６μｍ、曲線Ｌ７は格子定数が０．８μｍの場合をそれぞれ示す。
【００３８】
２４ｃｈ１００ＧＨｚのＡＷＧ本体を使用した場合、透過中心波長の変化量は、格子定数が０．８のとき２４×０．８＝１９．２ｎｍ必要であるが、図１２（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタを用いると、短波長側１０ｎｍ、および長波長側１０ｎｍで２種類必要であった。また、４０ｃｈ１００ＧＨｚのＡＷＧ本体を使用した場合には透過中心波長の変化量は４０×０．８＝３２．０ｎｍであるので、作製しなければならないフォトニック結晶フィルタの種類は短波長側から１０ｎｍずつ区切ると４種類となる。よって、バッチ数としては４バッチの成膜が必要となり、実装する際は４種類のフォトニック結晶フィルタをそれぞれ実装しなければならなかったという問題があった。
【００３９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で透過中心波長の変化量が大きい格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器、並びにこれらの製造方法を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、透明なフィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層が交互に積層され、フィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して出力するフォトニック結晶を備えた格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタにおいて、キャビティ部が高屈折率媒質層からなるものである。
【００４１】
請求項１に記載の構成によれば、キャビティ部を高屈折率媒質層とする簡単な構成により、透過中心波長の変化量を従来の１０ｎｍから２０ｎｍ以上にすることができ、小型の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタが得られる。
【００４２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、フォトニック結晶は、誘電体多層膜からなるのが好ましい。
【００４３】
請求項２に記載の構成によれば、石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、波長合分波器本体の出力端あるいは光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００４４】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸が周期的に形成されていてもよい。
【００４５】
請求項３に記載の構成によれば、フォトニック結晶の各高屈折率媒質層及び各低屈折率媒質層を凹凸状に形成することで、１次元フォトニック結晶を３次元フォトニック結晶にすることができる。
【００４６】
請求項４の発明は、合波側導波路に入力した波長多重光信号をアレイ導波路を用いて分波して分波側導波路から出力するか、あるいは複数の分波側導波路から入力した波長の異なる複数の光信号をアレイ導波路を用いて合波して合波側出力導波路から出力するアレイ型波長合分波器本体と、透明なフィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層が交互に積層され、フィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して出力するフォトニック結晶を有する格子変調型のフォトニック結晶波長選択フィルタとを備えたアレイ型波長合分波器において、キャビティ部が高屈折率媒質層からなるものである。
【００４７】
請求項４に記載の構成によれば、キャビティ部を高屈折率媒質層とする簡単な構成により、格子定数を変化させたときの透過中心波長の変化量を従来の１０ｎｍから２０ｎｍ以上にすることができる。
【００４８】
請求項５の発明は、請求項４に記載の構成に加え、フォトニック結晶は、誘電体多層膜からなるのが好ましい。
【００４９】
請求項５に記載の構成によれば、石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、波長合分波器本体の出力端あるいは光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００５０】
請求項６の発明は、請求項４または５に記載の構成に加え、フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸が周期的に形成されていてもよい。
【００５１】
請求項６に記載の構成によれば、フォトニック結晶の各高屈折率媒質層及び各低屈折率媒質層を凹凸状に形成することにより、１次元フォトニック結晶を３次元フォトニック結晶にすることができる。
【００５２】
請求項７の発明は、透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した光信号を波長選択して出力すべくフィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層を交互に積層する格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの製造方法において、キャビティ部が高屈折率媒質層となるように高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層を積層してフォトニック結晶を形成するものである。
【００５３】
請求項７に記載の方法によれば、キャビティ部を高屈折率媒質層とする簡単な構成により、格子定数を変化させたときの透過中心波長の変化量を従来の１０ｎｍから２０ｎｍ以上にすることができ、小型のアレイ型波長合分波器が得られる。
【００５４】
請求項８の発明は、請求項７に記載の構成に加え、フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸を周期的に形成した後でフォトニック結晶を形成してもよい。
【００５５】
請求項８に記載の方法によれば、フォトニック結晶の各高屈折率媒質層及び各低屈折率媒質層を凹凸状に形成することで、１次元フォトニック結晶を３次元フォトニック結晶にすることができる。
【００５６】
請求項９の発明は、請求項７または８に記載の構成に加え、フォトニック結晶は、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法を用いて作製するのが好ましい。
【００５７】
請求項９に記載の方法によれば、工業的に量産が容易となる。
【００５８】
請求項１０の発明は、合波側導波路に入力した波長多重光信号をアレイ導波路を用いて分波して分波側導波路から出力するか、あるいは複数の分波側導波路から入力した波長の異なる複数の光信号をアレイ導波路を用いて合波して合波側出力導波路から出力するアレイ型波長合分波器本体を基板上に形成してアレイ型波長合分波器本体を得、透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して出力すべくフィルタ用基板の一方の主面に、一対のミラー部が少なくとも一つのキャビティ部を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層を交互に積層して格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタを得、波長合分波器本体と格子変調型フォトニック結晶フィルタとを組み合わせるアレイ型波長合分波器の製造方法において、キャビティ部が高屈折率媒質層となるように高屈折率媒質層及び低屈折率媒質層を積層してフォトニック結晶を形成するものである。
【００５９】
請求項１０に記載の方法によれば、キャビティ部を高屈折率媒質層とする簡単な構成により、格子定数を変化させたときの透過中心波長の変化量を従来の１０ｎｍから２０ｎｍ以上にすることができ、小型のアレイ型波長合分波器が得られる。
【００６０】
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の構成に加え、フィルタ用基板の一方の主面に縦横に多数の凹凸を周期的に形成した後でフォトニック結晶を形成してもよい。
【００６１】
請求項１１に記載の構成によれば、フォトニック結晶の各高屈折率媒質層及び各低屈折率媒質層を凹凸状に形成することで、１次元フォトニック結晶を３次元フォトニック結晶にすることができる。
【００６２】
請求項１２の発明は、請求項１０または１１に記載の構成に加え、フォトニック結晶は、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法を用いて作製するのが好ましい。
【００６３】
請求項１２に記載の方法によれば、工業的に量産が可能となる。
【００６４】
なお、フォトニック結晶に用いる材料は、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２などの酸化物、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体が有力候補である。現在すでに製品化されている誘電体多層膜型のバンドパスフィルタに用いられている材料は、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２などの酸化物の組合せである。また、入射光を導入する入射側光ファイバと出射光を取り出す出射側光ファイバは汎用的なシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ）を用いることができる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００６６】
図１は本発明の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの一実施の形態を示す模式図である。
【００６７】
同図に示す格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ（以下「フォトニック結晶フィルタ」という）４０は、一方の主面（図では上側の面）に多数の凹凸が縦横に周期的に形成された透明なフィルタ用基板４１と、フィルタ用基板４１の一方の主面に、一対のミラー部４２ａ，４２ｂが一つのキャビティ部４３を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層４４ａ及び低屈折率媒質層４４ｂが交互に積層された３次元のフォトニック結晶４７とを備えた格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタであって、キャビティ部４３が高屈折率媒質層４４ａからなるバンドパスフィルタである。
【００６８】
フィルタ用基板４１はＳｉまたはＳｉＯ２（石英）を用いることができる。本実施の形態では、フィルタ用基板４１として通信波長帯１．３μｍ〜１．７μｍで透明な石英基板を用いた。
【００６９】
入射光としての波長多重光信号４５はフォトニック結晶フィルタ４０の基板面上部から下部へ基板面に対して（一方の主面から他方の主面へ）垂直に伝搬して光信号４６として出力する。
【００７０】
次に図１に示したフォトニック結晶フィルタを複数配列したフィルタについて述べる。
【００７１】
図２（ａ）は図１に示したフォトニック結晶フィルタを一つのフィルタ用基板に面方向に沿って一列に複数箇所形成するためのフィルタ用基板の模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線断面図である。
【００７２】
図２（ａ）に示すフィルタ４８における格子定数が異なる各格子定数の領域（各チップ）４９ａ〜４９ｄのサイズは、ＡＷＧ本体の出力導波路の代表的なコア径約８μｍ×８μｍ（Δ０．７５％）とし、各領域４９ａ〜４９ｄの間隔は約２５０μｍとした。
【００７３】
フィルタ用基板としての石英基板５０の表面の構造は、電子ビーム露光によるフォトリソグラフィーとドライエッチングとにより、ｘ，ｙ方向でラインアンドスペース（Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ）パターン状に、言い換えれば網目模様のパターンに加工される（チップ化）。その網目模様は、ｘ方向およびｙ方向の両方向にラインとスペースとが交互に形成されている構造である。ｘ方向のピッチ間隔Ｌｘ（格子定数）は、ラインアンドスペースパターンの一つのライン幅と一つのスペース幅とを加えた値であり、ｘ方向のライン幅及びスペース幅をＬｉｎｅ−ｘ，Ｓｐａｃｅ−ｘとし、ｙ方向のライン幅及びスペース幅をＬｉｎｅ−ｙ，Ｓｐａｃｅ−ｙとすると、ｘ軸向のピッチ間隔Ｌｘは数１式で表され、Ｙ軸方向のピッチ間隔Ｌｙは数２式で表される。
【００７４】
【数１】
Ｌｘ＝（Ｌｉｎｅ−ｘ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｘ）
【００７５】
【数２】
Ｌｙ＝（Ｌｉｎｅ−ｙ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｙ）
本実施の形態ではＬｘ＝Ｌｙ＝０．２μｍ〜０．８μｍとした。
【００７６】
表面加工された石英基板５０上にバイアススパッタリング法により、Ｔａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜とが交互に積層される。
【００７７】
ここで、バイアススパッタリング法を簡単に説明すると、ターゲットに高周波（Ｒ．Ｆ．）電力を印加させるだけではなく、フィルタ用基板としての石英基板５０にも高周波電力を印加しながら、スパッタリングデポジッションとフィルタ用基板のスパッタエッチングとを可能とする方法である。膜厚は目的とするデバイスの仕様により決められる。それぞれの膜、すなわちＴａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜とを堆積させる際、後述する自己クローニング法により、ある一定の断面形状を保ちながらこれらの膜が堆積される。
【００７８】
次に自己クローニング法を簡単に述べると、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化することで、ある一定の断面形状を維持しながら膜を堆積していくということである（川上彰二郎、花泉  修、佐藤  尚、大寺康夫、川嶋貴之、信学論（Ｃ），ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．２９６−２９７，１９９７、特開平１０−３３５７５８号公報（「３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」川上彰二郎、榊  裕之、白石  和男）を参照されたい。）。
【００７９】
次に、自己クローニング法を用いてフィルタ用基板上にスパッタリング成膜する方法を具体的に述べる。用いるバイアススパッタリング装置を図３に模式的に示す。
【００８０】
図３は自己クローニング法に用いるバイアススパッタリング装置の模式図である。
【００８１】
同図に示すバイアススパッタリング装置５２は、主にチャンバ５３と、チャンバ５３内の上部に鉛直に配置され矢印５４方向に回転する回転軸５５の下端に接続された回転板５６と、回転板５６の下面に設けられ表面が下向きになるようにフィルタ用基板４１を保持する基板ホルダ５７と、チャンバ５３内の下部に配置され、異なる２種類のターゲット５８ａ，５８ｂをそれぞれ保持するターゲット保持台５９ａ，５９ｂと、各ターゲット５８ａ，５８ｂをそれぞれ独立に覆うか露出させるシャッター６０ａ，６０ｂと、回転板５６に整合器６１を介して１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電源６２と、各ターゲット５８ａ，５８ｂに整合器６３，６４を介して１３．５６ＭＨｚの高周波電力をそれぞれ供給する高周波電源６５，６６とで構成されている。反射波がほぼゼロとなるように整合器６１，６３，６４のマッチングが制御される。
【００８２】
真空チャンバ５３には必要なガスを矢印６７方向に導入するガス導入部６８と、余分なガスを矢印６９方向に排気するガス排気部７０とが設けられており、図示しないポンプやタンク等にそれぞれ接続されている。
【００８３】
次に図３に示したバイアススパッタリング装置５２を用いてフォトニック結晶フィルタ４０の製造方法について述べる。
【００８４】
まず、チップ化したフィルタ用基板４１をバイアススパッタリング装置５２内に入れ、真空引きを行う。このときのベース圧力（Ｂａｓｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は１×１０−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３Ｐａ）以下とする。
【００８５】
フィルタ用基板４１上に形成される第１の膜はＴａＯ５膜であり、その膜厚は約１９０．５ｎｍである。成膜条件は、高周波電力：３００Ｗ、フィルタ用基板側高周波電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（９．０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒｓ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ：立方センチメートル毎分  ））＋Ｏ２（１．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：１．０×１０−３Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−１Ｐａ）とする。第１の膜の成膜速度が１６８オングストローム（ｎｍ）／分であるので、成膜時間を１１分２０秒とする。
【００８６】
第１の膜と交互に積層される第２の膜はＳｉＯ２膜であり、その膜厚は約２７２．５ｎｍである。成膜条件は、高周波電力：３００Ｗ、フィルタ用基板側高周波電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（７２．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ２（４．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：６．０×１０−３Ｔｏｒｒ（７．９８×１０−１Ｐａ）とする。第２の膜の成膜速度が６１オングストローム（ｎｍ）／分であるので、成膜時間を４４分４０秒とする。
【００８７】
第１の膜のＴａＯ５膜を「Ｈ」で表し、第２膜のＳｉＯ２膜を「Ｌ」で表すと共に、ミラー部４２ａ，４２ｂ（図１参照）を「（ＨＬ）７」で表し、キャビティ部４３（図１参照）を「２Ｈ」で表して１キャビティの多層膜構造を試作した。すなわち、膜構成を２Ｈ−２Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−２Ｌ−２Ｈとした。従来はキャビティ部４３が「Ｌ」で構成されていたものを本発明では高屈折率媒質層４ａ（図１参照）である「Ｈ」で構成したことを特徴としている。
【００８８】
次に従来のフォトニック結晶フィルタと本発明のフォトニック結晶フィルタとを比較する。
【００８９】
図４（ａ）に示すフォトニック結晶フィルタ７２は、透明なフィルタ用基板７６の一方の主面（図では上面）に、一対のミラー部７８ａ、７８ｂが一つのキャビティ部７３を挟むように屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層７７ａ及び低屈折率媒質層７７ｂが交互に積層されたものであり、フィルタ用基板７２の一方の主面に対し垂直若しくは斜めに入力した光信号を波長選択して出力するようになっている。
【００９０】
図４（ａ）はキャビティ部を低屈折率媒質層とした従来の１キャビティのフォトニック結晶フィルタを示す模式図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタの波長損失特性を示す図である。図４（ｂ）において、横軸は波長を示し、縦軸は透過損失を示し、曲線Ｌ８は格子定数が０．４μｍ、曲線Ｌ９は格子定数が０．５μｍ、曲線Ｌ１０は格子定数が０．６μｍ、曲線Ｌ１１は格子定数が０．８μｍの場合の特性をそれぞれ示す。
【００９１】
図５（ａ）はキャビティ部を高屈折率媒質層とした本発明の１キャビティのフォトニック結晶フィルタを示す模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタの波長損失特性を示す図である。図５（ｂ）において横軸は波長を示し、縦軸は透過損失を示し、曲線Ｌ１２は格子定数が０．４μｍ、曲線Ｌ１３は格子定数が０．５μｍ、曲線Ｌ１４は格子定数が０．６μｍ、曲線Ｌ１５は格子定数が０．８μｍの場合の特性をそれぞれ示す。
【００９２】
図４（ａ）に示すフォトニック結晶フィルタ７２のキャビティ部７３はＳｉＯ２膜からなり、図５（ａ）に示すフォトニック結晶フィルタ７４のキャビティ部７はＴａＯ５膜からなっている。尚、波長多重光信号は各フィルタ用基板７６の主面に対し垂直に入射させている。
【００９３】
図４（ａ）に示す従来の、キャビティ部７３が低屈折率媒質層からなるフォトニック結晶フィルタ７２の透過中心波長の変化量が図４（ｂ）に示すように最大１０ｎｍであったのに対し、図５（ａ）に示す本発明の、キャビティ部７５が高屈折率媒質層からなるフォトニック結晶フィルタ７４の透過中心波長の変化量が図５（ｂ）に示すように２４ｎｍに増加し、高屈折率層の方が低屈折率層より透過波長のシフト量に対して大きな効果をもたらすことを示している。
【００９４】
なお、本実施の形態では示さなかったが、透過率の特性改善のために多層膜の最下部及び最上部にＡＲ（ａｎｔｉ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートをすることが好ましい。
【００９５】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。クロストークを抑圧することを目的としてＡＷＧ本体とフォトニック結晶フィルタとを組み合わせて波長合分波器を構成することができる。
【００９６】
図６は本発明の格子変調型フォトニック結晶フィルタを用いたアレイ型波長合分波器の模式図である。尚、図９に示したアレイ型波長合分波器と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００９７】
図６に示した波長合分波器８０と図９に示した波長合分波器７との相違点は、フォトニック結晶フィルタのキャビティ部が異なる点である。
【００９８】
図６に示した波長合分波器８０は、ＡＷＧ本体８と、ＡＷＧ本体８の各分波側導波路１７ａに光学的に接続されたフォトニック結晶フィルタ４８を有するフィルタ部８１とで構成されている。その出力側光ファイバ１９の途中分断部にフォトニック結晶フィルタ４８を挿入する。
【００９９】
入力側光ファイバから入射した広帯域のスペクトルを有する光信号１２は、入力導波路１３、入力側スラブ導波路１４、アレイ導波路１５、出力側スラブ導波路１６、出力導波路１７ａを通過して出力側光ファイバ１９（１９ａ）から出力され、フィルタ４８および光ファイバ１９ｂを通過してフォトダイオード２３に達する。
【０１００】
ここで、入力側スラブ導波路１４および出力側スラブ導波路１６はレンズとして作用し、アレイ導波路１５はプリズムとして作用する。ＡＷＧ本体８の出力導波路１７ａから出射した光信号を受光するＡＷＧ側出力光ファイバ１９ａをアレイ状に配置したＡＷＧ側光ファイバアレイ１９ａａと、光ファイバアレイ１９ａａと接続されるＰＤ側光ファイバ１９ｂをアレイ状に配置したＰＤ側光ファイバアレイ１９ｂａとを約５００μｍ離して、Ｖ溝２３が形成されたＶ溝台２１の上で接続する。Ｖ溝の本数は光ファイバ１９の本数と同数とする。ＡＷＧ出力側光ファイバアレイ１９ａａと、ＰＤ側光ファイバアレイ１９ｂａとの接続部に設けられた空間にフォトニック結晶フィルタ４８をＵＶ樹脂あるいは接着剤を用いて接続する。
【０１０１】
上記のようにＡＷＧ本体８と格子変調型フォトニック結晶フィルタ４８とを組み合わせた波長合分波器の光学特性については、全損失は２つの素子の損失を加算したものになる。用いたフォトニック結晶フィルタは、Ｔａ２Ｏ５膜を「Ｈ」と表記し、ＳｉＯ２膜を「Ｌ」と表記すると共に、ミラー部４２ａ，４２ｂ（図１参照）を「（ＨＬ）７」と表記し、キャビティ部４３（図１参照）を「６Ｈ」と表記して３キャビティの多層膜構造とした。すなわち、膜構成を２Ｈ−Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−２Ｈとした。
【０１０２】
このような構成を有する波長合分波器４８のスペクトルは、図７に示すように、クロストーク損失が波長合分波器本体だけの場合よりも３０ｄＢ以上減少し、計−７０ｄＢ以下とすることができる。また、このような格子変調型フォトニック結晶フィルタを使用することで、出力導波路に対して垂直に挿入することができるため、損失のバラツキ、偏波依存性は発生しない。しかもフォトニック結晶フィルタの格子定数を変化させたときの透過中心波長の変化量を従来の１０ｎｍから倍以上にすることができるので、従来例（図１２参照）のように４種類のフォトニック結晶フィルタを用いることなく１種類のフォトニック結晶フィルタでアレイ型波長合分波器を実現することができる。
【０１０３】
尚、図７は波長合分波器本体とフォトニック結晶フィルタとを組み合わせた波長合分波器の光学スペクトルを示す図である。同図において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。曲線Ｌ１６はＡＷＧ本体の光学スペクトルを示し、曲線Ｌ１７はフォトニック結晶フィルタの光学スペクトルを示し、曲線Ｌ１８はこれらを組み合わせたときの光学スペクトルを示す。
【０１０４】
以上において、本実施の形態によれば、
（１）透過中心波長の変化量が２０ｎｍ以上と大きな変化量を持つ格子変調型フォトニック結晶フィルタを得ることができる。
（２）石英系光ファイバとの接続損失を低減することができる。
（３）工業的に量産が容易なフォトニック結晶を作製することができる。
（４）フォトニック結晶フィルタが接続されたＡＷＧのクロストークを−７０ｄＢ以下とすることができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、簡単な構成で透過中心波長の変化量が大きい格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器、並びにこれらの製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタの一実施の形態を示す模式図である。
【図２】（ａ）は図１に示したフォトニック結晶フィルタを一つのフィルタ用基板に面方向に沿って一列に複数箇所形成するためのフィルタ用基板の模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線断面図である。
【図３】自己クローニング法に用いるバイアススパッタリング装置の模式図である。
【図４】（ａ）はキャビティ部を低屈折率媒質層とした従来の１キャビティのフォトニック結晶フィルタを示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタの波長損失特性を示す図である。
【図５】（ａ）はキャビティ部を高屈折率媒質層とした本発明の１キャビティのフォトニック結晶フィルタを示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタの波長損失特性を示す図である。
【図６】本発明の格子変調型フォトニック結晶フィルタを用いたアレイ型波長合分波器の模式図である。
【図７】波長合分波器本体とフォトニック結晶フィルタとを組み合わせた波長合分波器の光学スペクトルを示す図である。
【図８】（ａ）は１次元のフォトニック結晶の模式図であり、（ｂ）は２次元のフォトニック結晶の模式図であり、（ｃ）は３次元のフォトニック結晶の模式図である。
【図９】本発明の前提となった波長合分波器の概念図である。
【図１０】（ａ）は従来の格子変調型のフォトニック結晶波長選択フィルタを用いたフォトニック結晶アレイの模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示したフォトニック結晶アレイの波長−透過率特性を示す図である。
【図１１】波長合分波器、フォトニック結晶波長選択フィルタ及びこれらを組み合わせたときの光学スペクトルを表す図である。
【図１２】（ａ）は格子変調型のフォトニック結晶波長選択フィルタの外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示したフォトニック結晶波長選択フィルタの波長−損失特性を示す図である。
【符号の説明】
４０  フォトニック結晶フィルタ
４１  フィルタ用基板
４２ａ，４２ｂ  ミラー部
４３  キャビティ部
４４ａ  高屈折率媒質層
４４ｂ  低屈折率媒質層
４５  波長多重光信号
４６  光信号
４７  フォトニック結晶
【図１】
2004325902.tif 000003
【図２】
2004325902.tif 000004
【図３】
2004325902.tif 000005
【図４】
2004325902.tif 000006
【図５】
2004325902.tif 000007
【図６】
2004325902.tif 000008
【図７】
2004325902.tif 000009
【図８】
2004325902.tif 000010
【図９】
2004325902.tif 000011
【図１０】
2004325902.tif 000012
【図１１】
2004325902.tif 000013
【図１２】
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