(57)【要約】【課題】波長多重光通信等に必要な電磁波周波数選択フィルタを、半導体微細加工技術などを用いて作製可能とすること。【解決手段】遅延線型電磁波周波数選択フィルタの構成は、直線部１１と遅延線部１２とから構成される遅延構造を有している。直線部１１と遅延線部１２の最近接部における両者の側壁面間の距離は、両者に充分な相互作用を生じさせる距離である。周波数帯域から要請される伝搬時間差は、遅延線部半円形導波路１２ａと遅延調整用直線導波路１２ｂとから構成される遅延線部１２により生成される。各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、コア部の屈折率が３．０〜４．５の間にあり、かつクラッド部の屈折率が１．０〜１．７の間にある。【選択図】　　　　図３
2004062104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部がクラッド部よりも大きな誘電率を有する物質によって構成される２本の誘電体導波路を有し、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返す構造を備えた遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、
前記各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、前記コア部の屈折率が３．０〜４．５の間にあり、かつ前記クラッド部の屈折率が１．０〜１．７の間にあることを特徴とする遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
【請求項２】
前記コア部が、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物のいずれかにより構成され、かつ前記クラッド部が、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
【請求項３】
前記誘電体導波路の断面形状が方形または台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
【請求項４】
前記誘電体導波路が最も近接する場所での、各誘電体導波路の側壁間の距離が、５０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
【請求項５】
前記誘電体導波路の円弧部分の半径が、２〜３０μｍであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
【請求項６】
前記誘電体導波路の一方は直線により構成され、他方の誘電体導波路は半円形及び直線により構成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遅延線型電磁波周波数選択フィルタに関し、より詳細には、波長多重光通信などに必要な光通信用光周波数選択フィルタに適用可能な遅延線型電磁波周波数選択フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信用の電磁波周波数選択フィルタには、導波路格子アレイ（肥田　他、ＮＴＴＲ＆Ｄ，ｖｏｌ．５０，　ｐ．２６５）や誘電体多層膜が利用されている。これらの周波数フィルタの帯域特性は、波長多重通信に適したものであるが、今後の波長多重通信の普及に伴う波長（又は周波数）選択素子の集積化には適していない。
【０００３】
まず、導波路格子アレイは、屈曲した多数の導波路が必要であるため、面状にセンチメートル単位の大きさを有し、さらにその構造は非常に複雑であるため集積化は困難である。また、誘電体多層膜は、多層膜片を機械的に精密配置するため集積化は困難である。
【０００４】
これに対して、集積化の可能性がある電磁波周波数選択フィルタとして、インターリーバフィルタ（鬼頭　他、ＮＴＴＲ＆Ｄ，ｖｏｌ．５０，　ｐ．２８２）のような遅延線型のフィルタが考えられている。遅延線型電磁波周波数選択フィルタは、２本の誘電体導波路を、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返すことにより構成されるため、構造は単純かつ線状である。すなわち、小さな領域に畳み込むことが可能であるため、集積化できる可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１は、従来の遅延線型電磁波周波数選択フィルタを示す構成図で、図中符号１は直線部（直線誘電体導波路）、２は遅延線部（曲線及び直線誘電体導波路）、３は石英系導波路（コアとクラッドの比屈折率差が略１％）を示している。この遅延線型電磁波周波数選択フィルタは、２本の石英系導波路３からなり、この石英系導波路３は、１本の直線誘電体導波路１に沿って、周期的に近接と離反を繰り返す曲線を有する遅延線部２で構成された曲線及び直線誘電体導波路が遅延線として存在している。
【０００６】
ここで具体的な構成例として、波長１５５０ｎｍ帯の電磁波を用いた波長多重通信に、遅延線型電磁波周波数フィルタを適用する場合について考える。波長１５５０ｎｍ帯は周波数に換算すれば、１９３ＴＨｚを中心に約１２ＴＨｚの帯域を有する。波長多重通信では、この周波数帯域にて単一の周波数を選択する必要がある。これに対して、遅延線型電磁波周波数フィルタは、フィルタ１周期あたりの直線部と遅延線部との光伝搬時間の差の逆数で規定される周波数間隔毎に周波数選択特性がある（Ｋ．Ｊｉｎｇｕｊｉ　他，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｖｏｌ．１３，　ｐ．７３）。
【０００７】
従って、遅延線型電磁波周波数選択フィルタでは、図２に示すように、この周波数間隔が使用する周波数帯域よりも大きい必要がある。上述したように波長１５５０ｎｍ帯では、１２ＴＨｚの周波数帯域を確保する必要があるので、直線部と遅延線部の１周期当たりの光伝搬時間の差ΔｔはΔｔ≦８３ｆｓでなければならない。この時間差を生成するに必要な直線部と遅延線部の導波路の長さＬＣは、ＬＣ＝ｃΔｔ／ｎｇで表される。ただし、ｃは真空中の光速、ｎｇは導波路の群屈折率である。石英系導波路の場合、群屈折率は約１．４５なので、ＬＣは約１７μｍである。
【０００８】
石英系導波路を使用した場合、この導波路長の差を確保しつつ、さらに直線部と遅延線部が最も離れた場所では両導波路の干渉を避けるため、１００μ程度の距離を隔てる必要がある。フィルタ全体の大きさ小さくするためには、遅延線部の導波路の曲げ半径が小さい方が良いが、現状の石英系導波路では、比屈折率差が約１％程度と小さいため、損失が無視できる最小の曲げ半径は１ｍｍ程度である。そこで、この最小曲げ半径１ｍｍの遅延線部に適用すると、詳しい計算は省略するが、石英系導波路では本フィルタ１周期あたり約１．２ｍｍの長さが必要となる。
【０００９】
周波数選択フィルタとして動作するには、数周期から１０周期程度の周期構造が必要であるので、全長はセンチメートル程度となってしまい、従来型の石英系導波路を使用した場合、遅延線型電磁波周波数選択フィルタといえども集積化は困難である。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、波長多重光通信等に必要な電磁波周波数選択フィルタを、半導体微細加工技術などを用いて作製可能とした遅延線型電磁波周波数選択フィルタを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、コア部がクラッド部よりも大きな誘電率を有する物質によって構成される２本の誘電体導波路を有し、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返す構造を備えた遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、前記各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、前記コア部の屈折率が３．０〜４．５の間にあり、かつ前記クラッド部の屈折率が１．０〜１．７の間にあることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コア部が、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物のいずれかにより構成され、かつ前記クラッド部が、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空のいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記誘電体導波路の断面形状が方形または台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ０．１〜０．５μｍであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記誘電体導波路が最も近接する場所での、各誘電体導波路の側壁間の距離が、５０〜２００ｎｍであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかに記載の発明において、前記誘電体導波路の円弧部分の半径が、２〜３０μｍであることを特徴とする。なお、好ましくは、円弧部分の半径が２〜１０μｍであることが望ましい。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載の発明において、前記誘電体導波路の一方は直線により構成され、他方の誘電体導波路は半円形及び直線により構成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
本発明では、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの誘電体導波路のコア部の屈折率を大幅に増加させることにより、導波路の最小曲げ半径を小さく、かつ直線部と遅延線部との相互干渉を避けるために必要な距離を小さくし、遅延線型電磁波周波数選択フィルタを大幅に小型化できるようにしたものである。
【００１８】
ここでは、コア部の屈折率がクラッド部に比べ非常に大きい導波路の材料として、コア部を珪素とし、クラッド部を二酸化珪素として、その特性について説明する。これらの材料は、既存の半導体集積回路に利用されているため、微細加工を伴うこの種の誘電体導波路の作製に適したものである。ここで、それぞれの部分の屈折率は、その典型的な値としてコア部をｎ１＝３．４８、クラッド部をｎ２＝１．４４とする。また、誘電体導波路の断面形状は導波路が単一モード条件を満たす範囲内にある必要がある。ここではこの条件を満たす値として幅ｗ＝０．４μｍ、高さｈ＝０．２μｍの方形断面とする。
【００１９】
我々の実験によれば、この誘電体導波路は、半径２μｍにて９０度偏向を２４回繰り返しても、有意な減衰は観測されず、従って、本誘電体導波路の最小曲げ半径としては、ｒ＝２μｍとして良い。また、３次元時間領域有限差分法（ＦＤＴＤ法：宇野　亨著、ＦＤＴＤ法による電磁界及びアンテナ解析、コロナ社（１９９８））によれば、この導波路は導波路幅の５倍程度の距離、すなわち、２μｍ以上のクラッド層を挟めば、有意な干渉を起こすことは無いことが判明している。これらの値は、いずれも従来型の石英型導波路に比べ非常に小さく、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの小型化が可能であることを意味する。
【００２０】
図３は、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの一実施例を説明するための構成図で、図中符号１１は直線部（直線誘電体導波路）、１２は遅延線部（半円形及び直線誘電体導波路）、１２ａは遅延線部半円形導波路（半径約２．５μｍ）、１２ｂは遅延調整用直線導波路、１３は高比屈折率差型誘電体導波路（コアの屈折率ｎ１＝３．４８、クラッド屈折率ｎ２＝１．４４）を示している。
【００２１】
本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの形状は、石英型導波路を用いた場合と同じく、直線部１１と遅延線部１２とから構成される遅延構造を有し、ここでは８周期の構造を有すると仮定する。また、直線部１１と遅延線部１２の最近接部における両者の側壁面間の距離は、両者に充分な相互作用を生じさせるため、ここでは１５０ｎｍとしている。但し、３Ｄ−ＦＤＴＤ法による計算によれば、距離は５０ｎｍから２００ｎｍの間で有効な結合度を与えることが判明している。
【００２２】
周波数帯域から要請される伝搬時間差は、遅延線部半円形導波路１２ａと遅延調整用直線導波路１２ｂとから構成される遅延線部１２により生成される。ここで遅延線部半円形導波路１２ａの半径を２．５μｍとする。また、本発明の実施例では、議論の単純化のため伝搬時間差は、遅延調整用直線導波路１２ｂの長さにより調整可能とする。以上の構成により形成された遅延線型電磁波周波数選択フィルタの全長は８０μｍである。
【００２３】
ここで用いた遅延線部半円形導波路１２ａの半径は、上述した最小半径よりも大きいため、使用に耐えうる値である。また、直線部１１と遅延線部１２との最大離反距離は４．６μｍであり、上述の条件を満たす。また、１周期当たりの遅延線部１２と直線部１１の導波路長さの差は、遅延調整用直線導波路１２ｂの長さが０ｎｍの場合で約５．７μｍ、遅延調整用直線導波路１２ｂの長さ５０ｎｍの場合で５．８μｍである。ここで、この導波路の群屈折率は、波長１５５０ｎｍ周辺で約４．２であることを考慮すると、伝搬時間差は８０〜８１ｆｓとなり、上述した周波数帯域に関する条件を満たす。
【００２４】
図４は、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタについて、電磁波電磁波の入出力の比、すなわち、周波数選択特性の周波数依存性を示す図である。この周波数選択特性は、３次元ＦＤＴＤ法により計算された。実線は遅延調整用直線導波路１２ｂの長さが０ｎｍの場合、点線は同じく５０ｎｍの場合の周波数特性を示す。どちらの場合も選択周波数の繰り返し間隔は、周波数帯域から要請される１２ＴＨｚを確保している。また、遅延調整用直線導波路１２ｂの長さの調整により、選択周波数を調整可能であることも判る。
【００２５】
すなわち、本発明により従来、センチメートル程度の大きさが必要であった遅延線型電磁波周波数選択フィルタの大きさを、１００μｍ程度あるいはそれ以下の大きさにまで小型化することが可能となる。
【００２６】
ここで、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの誘電体導波路に用いられる材料に関しては、動作波長を波長１５５０ｎｍ近傍の通信用赤外線領域とした場合、コア部には高屈折率で赤外線を通過でき、かつ加工性や安定性に問題が少ない材料として、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物等を材料として用いることができる。これらの材料の屈折率は、ほぼ３．０〜４．５の間にある。またクラッド部には、低屈折率で赤外線を透過でき、かつ加工性や安定性に問題が少ない材料として、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空等が材料として用いることができる。これらの材料の屈折率はほぼ１．０〜１．７の間にある。
【００２７】
また、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの基本動作原理は、２本の誘電体導波路を周期的に、異なる経路を経て、近接結合させることが本質的であるため、コア部自体の断面形状は任意の形状で構わないことは明らかである。
【００２８】
ただし、製造の容易さの観点からは、導波路の断面形状は、方形または台形が適していると考えられる。また、導波路断面の大きさは単一モード条件を満たす範囲に制限する必要があるが、平面波展開法（Ｒ．Ｄ．Ｍｅａｄｅ　ｅｔ　ａｌ．，　ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ　Ｂ　４８，　８４３４（１９９６））による計算等によれば、この値は上述した材料等を使用した場合、導波路の高さ、幅とも０．５μｍ以下であることが判明している。
【００２９】
また、遅延線部１２における曲線の曲率半径の下限は、導波路の曲げによる損失により決まり、上述した材料等にて単一モード導波路を形成した場合、図３に示した実施例で説明したように、約２μｍである。曲率半径の上限は、遅延線型電磁波周波数フィルタの動作原理上はいくら大きくても良いが、集積化の観点からフィルタ全体の大きさを１ｍｍ以下にすべきである。そこで、図３に示した実施例の構成が、１ｍｍの長さに対応するとすると、最大半径は約３０μである。ただし、より好ましくは、フィルタ全体の大きさを１００μｍ以下にすべく、最大半径を３μｍとすべきである。
【００３０】
［実施例１］
本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの実施例１を上述した図３に基づいて説明する。コア部が、クラッド部よりも大きな誘電率を有する物質によって構成される２本の誘電体導波路１３を有し、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返す構造を備えた遅延線型電磁波周波数選択フィルタであって、各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、コア部の屈折率が３．０〜４．５の間にあり、かつクラッド部の屈折率が１．０〜１．７の間にある。
【００３１】
［実施例２］
本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの実施例２を、実施例１と同様に図３に基づいて説明する。上述した実施例１の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、１本の誘電体導波路は直線により構成され、残る１本の誘電体導波路は半円形（円弧）及び直線により構成されている。
【００３２】
［実施例３］
図示はしないが、上述した実施例１及び２の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、誘電体導波路のコア部の材料に、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物等を用い、かつクラッド部に、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空等のいずれかを用いている。
【００３３】
［実施例４］
図示はしないが、上述した実施例１，２又は３の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、誘電体導波路の断面形状が方形または台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ０．１〜０．５μｍである。
【００３４】
［実施例５］
上述した請求項１乃至４いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、２本の誘電体導波路が最も近接する場合での、各誘電体導波路の側壁間の距離が５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００３５】
［実施例６］
図示はしないが、上述した実施例１乃至５いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、誘電体導波路の円弧部分の半径が２〜３０μｍで、好ましくは２〜１０μｍがよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、各周期における誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、コア部の屈折率が３．０〜４．５の間にあり、かつクラッド部の屈折率が１．０〜１．７の間にあるので、波長多重光通信等に必要な電磁波周波数選択フィルタを、従来の半導体微細加工技術等を用いて、安価かつ大量に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の遅延線型電磁波周波数選択フィルタを示す構成図である。
【図２】従来の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作特性を説明するための図である。
【図３】本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの一実施例を説明するための構成図である。
【図４】本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作特性を説明するための図である。
【符号の説明】
１　直線部（直線誘電体導波路）
２　遅延線部（曲線及び直線誘電体導波路）
３　石英系導波路
１１　直線部（直線誘電体導波路）
１２　遅延線部（半円形及び直線誘電体導波路）
１２ａ　遅延線部半円形導波路
１２ｂ　遅延調整用直線導波路
１３　高比屈折率差型誘電体導波路
【図１】
2004062104.tif 000003
【図２】
2004062104.tif 000004
【図３】
2004062104.tif 000005
【図４】
2004062104.tif 000006