(57)【要約】【課題】  サイドローブとの消光比が大きい高性能でかつ小型化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。【解決手段】  誘電体導波路の直線部２１と、誘電体導波路の遅延線部２４とを有する２本の誘電体導波路が異なる経路をへて周期的に複数回、方向性結合器により結合した構造を有しており、その方向性結合器２２−１〜２２−Ｎの結合度は、中央に位置する方向性結合器２２−１〜２２−Ｎで最大値の結合度を持ち、周辺部の方向性結合器２２−１〜２２−Ｎでは、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの中央から遠ざかるに従って小さくなるように調整されている。このような構造にすることにより、遅延線型電磁波周波数選択フィルタのサイドローブ消光比が向上する。【選択図】  図９
2005234237.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、該誘電体導波路の各々の導波路が異なる経路をへて周期的に複数回、方向性結合器により結合した構造を有する遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、
中央に位置する前記方向性結合器では最大値の結合度を有し、周辺部の前記方向性結合器では中央から遠ざかるに従って結合度が小さくなるように調整されてい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】
前記方向性結合器の各々の結合度が、中央に位置する前記方向性結合器で最大の結合度を有し、かつ周辺部の前記方向性結合器の結合度は、該方向性結合器の配置位置に対して、中央部を最大とする、ガウス関数、ｓｉｎｃ関数の二乗、バートレット窓関数（三角形関数）、ハミング窓関数、ハニング窓関数、あるいは変数が−１〜１の範囲のｓｉｎｃ関数、あるいは変数が０〜πの間の正弦関数や正弦関数の二乗、で記述される値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】
前記方向性結合器が、２本の誘電体導波路を近接させた構造により構築され、かつその結合度の調整が、前記２本の誘電体導波路が近接した部分において該誘電体導波路の各々の導波路が平行して配置される距離によって調整され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（非特許文献１参照)や誘電体多層膜が利用されている。これらの電磁波周波数選択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】
つまり、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（非特許文献２参照)のような遅延線型の電磁波周波数選択フィルタが考えられている。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】
このような状況に鑑みて、すでに特願２００２−２２４１５２号が提案されている。  
図１１は、先願で提案した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（半円形及び直線誘電体導波路）、２ａは遅延線部半円形導波路（半径約２．５μｍ）、２ｂは遅延調整用直線導波路、３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。
【０００６】
こ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１と遅延線部２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している。また、直線部１と遅延線部２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。
【０００７】
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２ａと遅延調整用直線導波路２ｂとから構成される遅延線部２により生成される。ここで遅延線部半円形導波路２ａの半径を２．５μｍとする。また、説明を単純化のために伝搬時間差は、遅延調整用直線導波路２ｂ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。
【０００８】
つまり、図１１に示した遅延線型電磁波周波数選択フィルタフィルタは、２本の誘電体導波路を有し、それぞれの導波路が異なる経路をへて周期的に近接と離反を繰返した構造となっている。近接部は方向性結合器として機能しているが、周期的な近接と離反による構成なので、全ての近接部は同じ構造を持ち、従って結合度も全て同じ値となっている。この遅延線型電磁波周波数選択フィルタは、構造が簡単で、シリコン半導体加工技術などで製作が可能なため、小型で安価に製造できる特徴を有している。
【０００９】
図１２は、図１１に示した遅延線型電磁波周波数選択フィルタについて、電磁波の入出力の比、すなわち、周波数選択特性を示す図である。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２ｂ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している。どちらの場合も選択周波数の繰り返し間隔は１２ＴＨｚであり、波長多重通信からの要請を充分に満たしている。また、遅延調整用直線導波路２ｂ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。
【００１０】
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。
【００１１】
【非特許文献１】肥田  他、ＮＴＴＲ＆Ｄ，vol.50, p.265
【非特許文献２】鬼頭  他、ＮＴＴＲ＆Ｄ，vol.50, p.282
【非特許文献３】小関  健、光伝送回路、ｐ．９１〜１０５，第１版、平成１２年９月２０日、電子情報通信学会
【非特許文献４】宇野  亨、ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析、コロナ社、１９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、図１２から分かるように、透過帯域特性はサイドローブを有し、透過中心波長での出力と透過帯域外におけるサイドローブ出力との比は１２ｄＢ程度である。これに対して、波長多重光伝送に用いられる周波数選択フィルタでは、この比率は２０ｄＢ程度が必要とされている。すなわち、上述した遅延線型電磁波周波数選択フィルタでは、サイドローブとの消光比が不十分であった。
【００１３】
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、サイドローブとの消光比が大きい高性能でかつ小型化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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、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、該誘電体導波路の各々の導波路が異なる経路をへて周期的に複数回、方向性結合器により結合した構造を有する遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、中央に位置する前記方向性結合器では最大値の結合度を有し、周辺部の前記方向性結合器では中央から遠ざかるに従って結合度が小さくなるように調整されていることを特徴とする。
【００１５】
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、前記方向性結合器の各々の結合度が、中央に位置する前記方向性結合器で最大の結合度を有し、かつ周辺部の前記方向性結合器の結合度は、方向性結合器の配置位置に対して、中央部を最大とする、ガウス関数、ｓｉｎｃ関数の二乗、バートレット窓関数（三角形関数）、ハミング窓関数、ハニング窓関数、あるいは変数が−１〜１の範囲のｓｉｎｃ関数、あるいは変数が０〜πの間の正弦関数や正弦関数の二乗、で記述される値であることを特徴とする。
【００１６】
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、前記方向性結合器が、２本の誘電体導波路を近接させた構造により構築され、かつその結合度の調整が、前記２本の誘電体導波路が近接した部分において該誘電体導波路の各々の導波路が平行して配置される距離によって調整されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、小型に製造可能な遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、サイドローブの消光比が向上し、その結果、波長多重光伝送等に必須な高性能電磁波周波数選択フィルタを小型化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおけるサイドローブとの消光比が不十分になる理由について説明するための図で、図中符号１１は誘電体導波路の直線部、１２−１〜１２−Ｎは方向性結合器、１３は入力ポート、１４は誘電体導波路の遅延線部、１５は出力ポートを示している。
【００１９】
直線部１１と遅延線部１４の２本の誘電体導波路から構成され、その遅延時間の差がΔｔであり、Ｎ個の同じ結合度を有する方向性結合器１２−１〜１２−Ｎからなる遅延線型電磁波周波数選択フィルタを考える。但し、簡単のために各方向性結合器の結合度は１より十分小さいと仮定する。通常の周波数応答の解析と同様に、この系における周波数透過特性は、入力ポート１３に入力電磁波振幅として、対象とする電磁波周波数に対し、その逆数で規定される時間に比べ非常に短い幅のパルス（デルタ関数的パルス）を導入し、その結果得られる出力ポート１５の波形をフーリエ変換することにより得られる。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｅ）は、図１に示した遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作を説明するための図で、図２（ａ）は出力ポートの時間領域波形、図２（ｂ）は時間領域波形の分解、図２（ｃ）は分解波形のフーリエ変換、図２（ｄ）は出力ポートの周波数領域波形、図２（ｅ）は出力ポートのパワースペクトルを各々示す図である。
【００２１】
ここで、出力ポート１５が接続されている誘電体導波路には、各方向性結合器１２−１〜１２−Ｎでかすめ取られた電磁波パルスは、時間遅れΔｔを与えられて合計されるが、各方向性結合器１２−１〜１２−Ｎの結合度は等しいため、同じ波高のデルタ関数的パルス列が得られる（図２（ａ））。パルスの数は方向性結合器の数に等しくＮ個である。この波形をフーリエ変換するのであるが、この波形は、周期Δｔで無限に継続する周期的なデルタ関数的パルス列と、矩形包絡線の積と考えることができる（図２（ｂ））。
【００２２】
そうすると、出力ポート１５の時間波形のフーリエ変換は、時間領域における周期的なデルタ関数的パルス列と波高包絡線波形をそれぞれフーリエ変換したもののコンボリューション積となる。ここで前者のフーリエ変換は、周波数が対象周波数領域において、間隔Δｆ＝１／Δｔの周期的デルタ−関数となり、後者はｓｉｎ（ａｆ）／ａに比例する関数である（図２（ｃ））。但しａ＝ＮΔｔ／２、ｆは周波数である。ここで周期的デルタ関数と任意の関数コンボリューション積は、この任意の関数をΔｆずらして多数重ね合わせたものとなる（図２（ｄ））。この場合、ピーク以外にも大きなリップルが残っており、これがサイドローブに対応する。実際に観測される出力は、図２（ｄ）の縦軸符号に関わらず、その振幅の２乗が出力パワーとなる（図２（ｅ））。
【００２３】
以上の説明から分かるように、遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおける透過中心波長とサイドローブとの消光比の向上には、時間領域における波高包絡線波形のフーリエ変換が、急峻なピークを持ち、かつピーク以外ではリップルなどを生じない関数になっている必要がある。
【００２４】
逆に考えれば、サイドローブを無くすには、急峻なピークを持ち、かつリップルの少ない関数を周波数領域にて仮定し、これを逆フーリエ変換して必要な時間領域における波高包絡線を求めればよい。そしてこの波高包絡線を実現するように、方向性結合器の結合度分布を決定すればよい。
【００２５】
図３は、本発明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４（ａ）〜（ｄ）はその動作を説明するための図である。なお、図中の符号は図１におけるものと同じである。
【００２６】
ここでリップルが少ない周波数領域波形の代表として、ガウス関数を適用した場合、ガウス関数の逆フーリエ変換はやはりガウス関数であるので、この逆フーリエ変換で得られたガウス関数を包絡線として与えるよう各方向性結合器に結合度を与えればよい。それは遅延線型電磁波周波数選択フィルタの中央部の方向性結合器で最大値を有し、周辺部に行くにしたがって、ガウス関数的に結合度が減少していく分布にする。
【００２７】
つまり、図４（ｄ）に示すような希望する出力ポートの周波数領域波形を、図４（ｃ）に示すようにデコンボリューションする。次に、これらの波形を逆フーリエ変換して図４（ｂ）に示すような周波数領域波形を得る。次に、逆フーリエ変換された波形を重ね合わせて図４（ａ）に示すような出力ポートの時間領域波形を得る。この時間領域波形に基づいて対応する結合度分布を行って、図３に示すような遅延線型電磁波周波数選択フィルタを構成する。
【００２８】
また、周波数領域でリップルが少ない波形を与える時間領域の包絡線波形としては、ガウス関数以外にも数多くが知られている。例えば、ｓｉｎｃ関数の二乗、バートレット窓関数（三角形関数）、ハミング窓関数、ハニング窓関数、あるいは変数が−１〜１の範囲のｓｉｎｃ関数などがある。また、これらの関数の一部は、変数が０〜πの間の正弦関数や正弦関数の二乗で近似することも可能である。また、サイドローブ消光比の向上が認められる範囲において、結合度の分布はこれらの関数から逸脱しても問題はないことは明らかである。
【００２９】
上述した本発明の効果を認定するため、Δｔ＝８０ｆｓ、方向性結合器の数がＮ＝１２の遅延線型電磁波周波数選択フィルタに、図５中の黒丸に示すような均一結合度分布と、図５中の白丸に示すような正弦関数的な結合度分布を適用した場合の周波数選択特性の計算結果を図６に示す。計算は伝達行列法（非特許文献３参照）で行われた。均一分布では１２ｄＢ程度のサイドローブ消光比であるが、正弦関数的な結合分布にすることにより、２０ｄＢにまで向上する。計算は省略するが、同様な系にて正弦関数の２乗で記述されるような結合分布を仮定した場合、消光比は３０ｄＢ以上と更に向上する。
【００３０】
このような結合度の任意調整を可能とする方向性結合器としては、図７に示すような近接した２本の誘電体導波路が考えられる。
【００３１】
図７は、本発明で適用される方向性結合器を説明するための図で、方向性結合器の形状を示している。図中符号ｌは入力電磁界振幅、ｋは結合電磁界振幅、ｇは導波路側壁間隔、Ｌは導波路並走長を示している。
【００３２】
近接部分の長さを変化させることにより結合度を調整できる。例えば、コアが断面４００ｎｍ×２００ｎｍの硅素により構成され、クラッドが二酸化硅素で構成される２本の誘電体導波路を近接させた方向性結合器に２０７ＴＨｚの電磁波を伝搬させる場合を考える。１本の誘電体導波路が半径ｒ＝２．５μｍの円弧でもう１本の誘電体導波路に近接し、並走したのち、再び半径２．５μｍの円弧で離反していく構造において、近接部における両導波路側壁間の距離ｇや並走距離Ｌを変化させる。
【００３３】
図８は、図７に示す方向性結合器の結合度の計算結果を示した図である。計算は時間領域有限差分法（非特許文献４参照）により実施された。この図８から分かるように、結合度は、ｇやＬにより０．０２から０．１５程度まで調整可能であることがわかる。遅延線型電磁波周波数選択フィルタでは、多数回の結合を行うので、各方向性結合器の結合度は小さい必要があり、通常０．１前後の値を用いる。従って、このような構造の方向性結合器にて、本発明の特徴である結合度分布を実現することができる。
【００３４】
また、上述した特願２００２−２２４１５２号には、小型の遅延線型電磁波周波数選択フィルタを実現するには、構造、形状、材料などにおいて下記の条件が満たされていることが好ましいことが記述されている。
１）屈折率構造はコア部の屈折率が３．０〜４．５であり、かつクラッド部の屈折率が１．０〜１．７の間である。
２）コア部の材料は、硅素、ゲルマニウム、カリウム・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、かつクラッド部が二酸化硅素、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。
３）コア断面形状は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。
４）遅延線を構成する誘電体導波路の円弧部の半径は２〜３０μｍである。
【００３５】
以上の条件は、本質的に遅延線型電磁波周波数選択フィルタである本発明においても好ましい条件であることは明らかである。
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
【実施例１】
【００３７】
図９は、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を説明するための構造図で、図中符号図中符号２１は誘電体導波路の直線部、２２−１〜２２−Ｎは方向性結合器、２３は入力ポート、２４は誘電体導波路の遅延線部、２５は出力ポートを示している。
【００３８】
誘電体導波路の直線部２１と、誘電体導波路の遅延線部２４とを有する２本の誘電体導波路が異なる経路をへて周期的に複数回、方向性結合器により結合した構造を有しており、その方向性結合器２２−１〜２２−Ｎの結合度は、中央に位置する方向性結合器２２−１〜２２−Ｎで最大値の結合度を有し、周辺部の方向性結合器２２−１〜２２−Ｎでは、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの中央から遠ざかるに従って小さくなるように調整されている。このような構造にすることにより、遅延線型電磁波周波数選択フィルタのサイドローブの消光比が向上する。
【実施例２】
【００３９】
図示はしないが、本発明の実施例２では、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、各方向性結合器の結合度が、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの中央に位置する方向性結合器で最大の結合度を有し、かつ周辺部の方向性結合器の結合度が、中央部を最大とする、ガウス関数、ｓｉｎｃ関数の二乗、バートレット窓関数（三角形関数）、ハミング窓関数、ハニング窓関数、あるいは変数が−１〜１の範囲のｓｉｎｃ関数、あるいは変数が０〜πの間の正弦関数や正弦関数の二乗、で記述される値である。
【実施例３】
【００４０】
図１０は、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの実施例３を説明するための構造図である。実施例１及び実施例２の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、方向性結合器が、図７に示すような２本の誘電体導波路を近接させた構造により構築され、かつその結合度の調整が、２本の誘電体導波路が近接部した部分においてこれらの導波路が平行して配置される距離Ｌ１〜ＬＮによって調整される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおけるサイドローブとの消光比が不十分になる理由について説明するための図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示した遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作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を示す構成図で、図４（ａ）〜（ｄ）はその動作を説明するための図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、図３に示した遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作を説明するための図である。
【図５】本発明における結合度分布を示す図である。
【図６】図５に示す結合度分布を有する遅延線型電磁波周波数選択フィルタの周波数選択特性の計算結果を示した図である。
【図７】本発明で適用される方向性結合器を説明するための図である。
【図８】図７に示す方向性結合器の結合度の計算結果を示した図である。
【図９】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を説明するための構造図である。
【図１０】本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの実施例３を説明するための構造図である。
【図１１】先願で提案した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１２】図１１に示した遅延線型電磁波周波数選択フィルタについて周波数選択特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  直線部（直線誘電体導波路）
２  遅延線部（半円形及び直線誘電体導波路）
２ａ  遅延線部半円形導波路
２ｂ  遅延調整用直線導波路
３  高比屈折率差型誘電体導波路
１１，２１  誘電体導波路の直線部
１２−１〜１２−Ｎ，２２−１〜２２−Ｎ  方向性結合器
１３，２３  入力ポート
１４，２４  誘電体導波路の遅延線部
１５，２５  出力ポート
【図１】
2005234237.tif 000003
【図２】
2005234237.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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