(57)【要約】【課題】小型で集積化可能な誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタを、従来の半導体製造用微細加工技術を適用して製作することを可能とすることにある。【解決手段】コア部１が、クラッド部２よりも大きな屈折率を持つ物質により構成され、かつ単一モード条件を満たしている誘電体導波路において、前記コア部１を電磁波進行方向に周期的に切断して空隙３を設け、該空隙３に前記コア部１とは屈折率の異なる物質を充填していることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004070015.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屈折率を持つ物質により構成され、かつ単一モード条件を満たしている誘電体導波路において、前記コア部を電磁波進行方向に周期的に切断して空隙を設け、該空隙に前記コア部とは屈折率の異なる物質を充填していることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタ。
【請求項２】
請求項１において、前記空隙である切断部の電磁波進行方向の長さが切断する前の電磁波の導波路管内波長の０．１２〜０．６４倍であることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記空隙である切断部の周期が、切断する前の電磁波の導波路管内波長の０．５〜０．７５倍であることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタ。
【請求項４】
請求項１，２又は３において、前記コア部の屈折率が３．０から４．５の間にあり、かつ、前記クラッド部の屈折率が１．０から１．７の間にあることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタ。
【請求項５】
請求項１，２又は３において、前記コア部の材料として、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用い、かつ、前記クラッド部の材料として、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、真空等を用いることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタ。
【請求項６】
請求項１，２，３又は４において、前記誘電体導波路の断面形状が方形又は台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ５００ナノメートル以下であることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタ。
【請求項７】
請求項１，２，３，４又は５において、前記空隙の長さが５０ナノメートルから２７０ナノメートルであることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型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、誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタに関する。例えば、通信用電磁波周波数帯域選択フィルタに適用できるものである。
【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（肥田地、ＮＴＴＲ＆Ｄ，ｖｏ１．５０，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持ち、更にその構造は非常に複雑で、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、高集積が可能な周波数選択フィルタとして誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタが考えられる。
誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタは、コア部がクラッド部を構成する物質よりも大きい屈折率を持つ物質からなる誘電体導波路において、電磁波の導波路管内波長の１／２程度の周期にて、電磁波進行方向にそって導波路の有効屈折率を変化させている。
このような構造により伝搬する電磁波に周期的な摂動を与え、それによって発生するブラッグ反射により、周波数選択性が生じる。
【０００５】
ブラッグ誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタは、その形状や構造が単純かつ線状であるため、小さな領域に畳み込むことが可能で、集積化に適している。
従来、誘電体導波路ブラッググレーティングフィルタとしては、誘電体導波路に石英系の導波路を用いた図４に示されるような構造が知られている（特開平９−３１８８２６号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の誘電体導波路ブラッググレーティングでは、誘電体導波路に石英系導波路を用いている。
ところが、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。
従って、数多くの誘電体導波路ブラッググレーティングを畳み込んで集積化しようとしても各グレーティングの間隔は２ｍｍ以上となってしまい、数個の並べただけでセンチメートル程度の大きさとなる。
【０００７】
即ち石英系導波路を用いた従来型の誘電体導波路ブラッググレーティングでは、集積化は困難である。
これに対し、誘電体導波路のコア部に珪素、クラッド部に二酸化珪素等を用いた比屈折率差が数十パーセントであるような高比屈折率差型導波路を用いると、半径５マイクロメートル程度でも損失無く導波路を曲げることができる（Ａ．Ｓａｋａｉ他、Ｊｐｎ．　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　ｖｏｌ．４０，　ｐ．Ｌ３８３）。
即ち、誘電体導波路ブラッググレーティングを微小領域に畳み込んで集積化することが可能となる。
【０００８】
ところで、波長多重通信等にブラッググレーティングを用いる場合、有効な周波数帯域内にて、単一の周波数に対してのみ選択性を示す必要があるため、ブラッググレーティングに使用される誘電体導波路は単一モード条件を満たしている必要がある。
例えば１５５０ｎｍ程度の波長の通信用赤外線を想定した場合、上述したような高比屈折率差型誘電体導波路にて単一モード条件を満たす導波路コア部の断面形状は非常に小さい必要がある。具体的には幅、高さとも５００ｎｍ以下である。
【０００９】
このような高比屈折率型導波路を使用した場合、図４に示されるような従来型のグレーティング構造では、５００ｎｍ以下という細い幅の導波路コア部１に対し、更にその側壁から１００ｎｍ程度の深さの切れ込みを入れる必要がある。
このように従来型のブラッググレーティングは、微細度が非常に高く、かつ導波路の途中までで切れ込みを停止さるという複雑な構造を持つため、その加工は非常に困難である。
【００１０】
また、高比屈折率型導波路では、電磁波の閉じ込め効果が強く、図４に示されるような側壁への切れ込み構造では、電磁波への周期的摂動が弱い。
従って、充分な幅の周波数選択領域を確保できないという問題点もある。
例えば１５５０ｍｎ程度の波長の通信用赤外線を想定して、コア部の屈折率をｎ１＝３．４８、クラッド物質の屈折率をｎ２＝１．４４、切り欠き周期をａ、導波路断面形状を０．９５２ａ×０．４７６ａ、切り欠き長さを０．５ａ、切り欠き深さを０．２ａとした場合のブラッググレーティングにおける伝搬電磁波の分散関係の計算結果を図５に示す。
【００１１】
計算は周期的境界条件を課した平面波展開法（Ｒ．Ｄ．　Ｍｅａｄｅ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ　４８　８４３４　（１９９３）　）にて実施された。
但し、ここでは説明の簡略化のためＴＥモードについてのみ分散関係を示している。
ＴＭモードの場合は周波数帯域の違いを除き、ＴＥモードと全く同じ議論ができるため、ここでは省略する。
【００１２】
また図５中の各量は格子定数ａや光速にて規格化されているので注意が必要である。
実際の系に当てはめる場合には、ａに具体的な値を入れれば良いが、例えば波長１５５０ｎｍ帯の電磁波を利用する際には、ａ＝４２０ｎｍ程度にすれば良い。
この時導波路の断面形状は、幅４００ｎｍ、高さ２００ｍｎ、切り欠き長さ２１０ｎｍ、切り込み深さは８４ｎｍになる。
【００１３】
図５からもわかるように、誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタでは、導波路管内を伝搬する電磁波の波長の０．５倍が、空隙周期に一致した場合、即ち図５にて規格化伝搬定数がｋ＝０．５の状態では電磁波が導波路を通過できない阻止帯域が形成される。
また阻止された電磁波は入射した方向に反射するため、この反射を抽出すれば、多数の周波数から必要な周波数帯域を選別することも可能である。
【００１４】
しかしながら、この場合の阻止帯域幅はわずか０．２％程度である。現状の微細加工技術における製造誤差等を考慮すれば、このような小さな阻止帯域は実現困難である。
以上のように、高集積化を可能とするため、高比屈折率差型導波路を利用して従来型のブラッググレーティングを製作する場合、微細度が増して加工が困難になる問題と、周波数選択幅が小さくなりすぎるという問題が生じる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、コア部が、クラッド部よりも大きな屈折率を持つ物質により構成され、かつ単一モード条件を満たしている誘電体導波路において、前記コア部を電磁波進行方向に周期的に切断して空隙を設け、該空隙に前記コア部とは屈折率の異なる物質を充填していることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１において、前記空隙である切断部の電磁波進行方向の長さが切断する前の電磁波の導波路管内波長の０．１２〜０．６４倍であることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１又は２において、前記空隙である切断部の周期が、切断する前の電磁波の導波路管内波長の０．５〜０．７５倍であることを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２又は３において、前記コア部の屈折率が３．０から４．５の間にあり、かつ、前記クラッド部の屈折率が１．０から１．７の間にあることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２又は３において、前記コア部の材料として、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用い、かつ、前記クラッド部の材料として、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、真空等を用いることを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２，３又は４において、前記誘電体導波路の断面形状が方形又は台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ５００ナノメートル以下であることを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２，３，４又は５において、前記空隙の長さが５０ナノメートルから２７０ナノメートルであることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述した高比誘電体導波路のコア部を電磁波進行方向に周期的に完全に切断し、これにより生じた空隙である切断部にクラッド物質を充填した構造を提案するものであり、これにより、従来型のブラッググレーティングにおける加工上の問題点と周波数選択幅に関する問題点を解決することができる。
ここで例として、上記従来型ブラッググレーティングと同様に、高比屈折率差型誘電体導波路のコア部の屈折率をｎ１＝３．４８、クラッド物質の屈折率をｎ２＝１．４４として、本発明を説明する。
【００２３】
図１に示すように、本発明の誘電体導波路は切断周期ａにて周期的に切断されて空隙である切断部３を設けている。また、コア部１の断面形状は０．９５２ａ×０．４７６ａとする。
これらのパラメータは上述した従来型ブラッググレーティングと同じ値である。また切断部３の電磁波伝搬方向の長さを０．２ａとする。
本構造の導波路を通過することができる導波電磁界モードの分散関係を周期的境界条件を課した平面波展開法（Ｒ．Ｄ．　Ｍｅａｄｅ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ　４８　８４３４　（１９９３）　）にて計算した結果を図２に示す。
【００２４】
但し、ここでは説明を簡略化するためＴＥモードに関してのみ分散関係を示している。
ＴＭモードの場合は周波数帯域の違いを除き、ＴＥモードと全く同じ議論ができるため、ここでは省略する。
従来型誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタと同様に、本導波路においても規格化伝搬定数がｋ＝０．５の状態で阻止帯域が形成される。
【００２５】
そして、その帯域幅は中心周波数に対して約１．０％と従来型に比べ５倍にも拡大される。
ここでこの構造の実寸法が、コア部１の断面が上に説明した従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタのコア部１と同じ値である幅４００ｎｍ、高さ２００ｎｍであるとすると、周期的な切断部３の電磁波伝搬方向の長さは８４ｎｍとなる。
この値自体は、上述した従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング構造における切り込み部の深さとほぼ同じであるが、導波路を完全に切断する単純構造なので、本発明では加工が格段に容易となる。
【００２６】
図３に、実際に製作した本発明の誘電体導波路型ブラッググレーティングの電磁波透過スペクトルを示す。
ブラッググレーティングの形状は幅４００ｎｍ、高さ２００ｎｍ、切断部３の長さは約８０ｍであり、上記の本発明に関する分散関係の計算に用いたパラメータに対しにａ＝４２０ｎｍを与えた場合にほぼ対応する。
この図から判るように、実物においても計算で求められた値に近い阻止帯域幅が確保されている。
【００２７】
阻止帯域の幅は、切断部３の長さを長くすることにより容易に拡大できるが、このような切断の拡大は、加工をより容易にする方向であり、従来型の誘電体ブラッググレーティングでは困難であった阻止帯域の拡大が、本発明では容易に実施できる。
但し、現状の加工技術を考慮すると、本発明のブラッググレーティングでは、切断部３の長さは５０ｎｍ以上、切断されずに残った導波路部の長さは１５０ｎｍ以上にすべきである。
【００２８】
この条件を上述の例における切断周期に対する比で記述すると、切断部３の長さは切断周期の０．１２倍から０．６４倍となる。これを具体的な切断部３の長さで記述すると、５０ｎｍから２７０ｎｍの範囲である。
ところで、切断部３の長さが非常に短い場合、切断周期は切断される前の誘電体導波路内における電磁波伝搬波長の１／２で良い。
しかしながら、切断部３の長さを大きくしていくと導波路の等価的な屈折率が低下してしまうため、切断する前よりも電磁波伝搬波長は長くなる。
【００２９】
即ち、同じ周波数の電磁波に対し、阻止帯域を設ける場合でも、切断周期を大きくする場合には、切断前の誘電体導波路内における電磁波伝搬波長の１／２よりも長い周期で切断する必要がある。
最大切断周期を与える条件は、上述した最大切断長の場合に対応するが、詳しい計算によるとこの場合の等価屈折率は、切断前にくらべ約２／３程度になっている。
従って、最大切断周期は最小切断周期の約３／２とすればよく、具体的には切断される前の誘電体導波路内における電磁波伝搬波長の０．７５倍となる。
【００３０】
また本発明の基本原理は、単一モード上限を満たしている誘電体導波路のコア部１を周期的に切断して誘電体導波路に屈折率の周期的構造を与えることが本質的であるため、コア部自体の断面形状は単一モード条件を満たす限り任意の形状で構わないことは明らかである。
また、材料に関しては、対象電磁波を波長１５５０ｎｍ近傍の通信用赤外線領域とした場合、コア部１には高屈折率で、赤外線を透過でき、かつ加工性、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・隣系化合物、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。
【００３１】
これらの材料の屈折率は、ほぼ３から４．５の間にあるが、３．２〜３．６の間にある方がより好ましい。
またクラッド部２には、低屈折率で、赤外線を透過でき、かつ加工性、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。これらの材料の比屈折率はほぼ１．０から１．７の間にあるが、１．４〜１．６の間にある方がより好ましい。
【００３２】
〔実施例１〕
図１は、本発明の実施例を説明する図であり、コア部１が、クラッド部２よりも大きな屈折率を持つ物質により構成され、かつ単一モード条件を満たしている誘電体導波路において、コア部１を電磁波進行方向に周期的に切断して空隙である切断部３を設け、この切断部３にコア部１とは屈折率の異なる物質を充填していることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３３】
〔実施例２〕
請求項１の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおいて、切断部３の電磁波進行方向の長さが切断する前の電磁波の導波路管内波長の０．１２〜０．６４倍であることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３４】
〔実施例３〕
請求項１，２の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおいて、切断部３の周期が、切断する前の電磁波の導波路管内波長の０．５〜０．７５倍であることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３５】
〔実施例４〕
請求項１，２，３の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおいて、コア部１の屈折率ｎ１が３．０から４．５の間にあり、かつクラッド部２の屈折率ｎ２が１．０から１．７の間にあることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３６】
〔実施例５〕
請求項１，２，３の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおいて、コア部１の材料として、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用い、かつ、クラッド部２の材料として、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、真空等を用いることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３７】
〔実施例５〕
請求項１，２，３，４の誘電体導波路ブラッググレーティング型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又は台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ５００ナノメートル以下であることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３８】
〔実施例６〕
請求項１，２，３，４，５の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおいて、空隙である切断部３の長さが５０ナノメートルから２７０ナノメートルであることを特徴とする誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタである。
【００３９】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、小型で集積化可能な誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタを、従来の半導体製造用微細加工技術を適用して製作することが可能となる。その結果、波長多重光通信等に必要な高性能電磁波周波数帯域選択素子を安価かつ大量に提供することができる。
【００４０】
従来、コア部が石英系の導波路において、例えば特開平９−３１８８２６号公報に示されるようなグレーティングフィルタがあったが、コア部の構造が複雑で、特にフィルタの阻止周波数帯域を狭くしようとするとその微細度が増し、加工が困難という問題点があった。
そこで本発明では、図１に記載されているような、より単純な構造の誘電体導波路型の周波数選択フィルタを提供するものであり、極度の微細加工を必要とせず所望の周波数帯域を得る小型なフィルタを簡易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの構造を示す説明図である。
【図２】本発明の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおける導波モードの分散関係を示すグラフである。
【図３】実際に製作した、本発明の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタをにおける電磁波透過スペクトルを示すグラフである。
【図４】従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの構造を示す説明図である。
【図５】従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおける導波モードの分散関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　コア部
２　クラッド部
３　切断部（空隙）
【図１】
2004070015.tif 000003
【図２】
2004070015.tif 000004
【図３】
2004070015.tif 000005
【図４】
2004070015.tif 000006
【図５】
2004070015.tif 000007