(57)【要約】【課題】  光通信における波長選択フィルタとして、構造が簡単で、小型で、低コストで波長選択特性が十分な、高性能な特性が得られる光フィルタは実用化されていない。【解決手段】  基板に対してギャップをもって配置された共鳴格子を有する構成とし、この共鳴格子の周期を変えることで設計波長を自由に選択できる。また光フィルタの基板と共鳴格子の間に電圧を印加することでギャップ間隔を変え、反射率を可変とすることができる。簡単な構造で優れた波長選択性を有する光フィルタが得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁膜を有する基板上にギャップを介して共鳴格子を設け、前記共鳴格子に入射する光のなかから共鳴波長を選択して取り出すことを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】
共鳴格子と基板上に設けられた絶縁膜との間に間隔が可変のギャップを設け、入射光のなかから共鳴波長を選択して取り出し、前記基板と前記共鳴格子との間に電圧を印加することにより前記ギャップを変位させ、前記入射光の反射率を可変とすることを特徴とする光フィルタ。
【請求項３】
前記共鳴格子は基本周期を持って配置され、前記共鳴波長は前記基本周期に依存していることを特徴とする請求項１または２に記載の光フィルタ。
【請求項４】
前記共鳴格子の基本周期は、前記共鳴波長以下の周期であることを特徴とする請求項３に記載の光フィルタ。
【請求項５】
前記共鳴格子の基本周期は、第１の幅を有する第１の格子と、第２の幅を有する第２の格子とから構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の光フィルタ。
【請求項６】
前記共鳴格子はシリコンを主成分とする材料により形成されたことを特徴とする請求項１乃至５の一つに記載の光フィルタ。
【請求項７】
前記絶縁膜は、窒化膜であることを特徴とする請求項１乃至６の一つに記載の光フィルタ。
【請求項８】
前記共鳴格子と前記絶縁膜とは、その端部において支持絶縁体により保持されていることを特徴とする請求項１乃至７の一つに記載の光フィルタ。
【請求項９】
前記支持絶縁体は酸化膜または燐ガラスを含む酸化膜であることを特徴とする請求項８に記載の光フィルタ。
【請求項１０】
前記基板はシリコンを主成分とする材料により形成されたことを特徴とする請求項１乃至９の一つに記載の光フィルタ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の一つに記載の光フィルタを少なくとも一つ含むことを特徴とする光情報通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光フィルタに係わり、特に共鳴波長の反射率を可変することができる光フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、高速大容量の伝送路の構築に１本の光ファイバに波長の異なる光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）システムの導入が急ピッチで進められている。ＷＤＭ技術により光通信網の整備が進み、近い将来には基幹系のみならずアクセス系においても光通信が主流になると考えられる。さらに電話やテレビの光通信化も進むと考えられる。
【０００３】
ＷＤＭ通信における光スイッチとしては波長選択機能が欠かせない。また、光ファイバから希望の波長の光を選択して取り出すために、選択波長可変の光フィルタが不可欠である。基幹系における情報モニタリングから中継部や端末部における光信号の選択まで多くの部分で選択波長可変光フィルタが必要とされており、需要が大きい。これらの波長選択フィルタとして、中央のスペーサーをはさみ、高屈折率層と低屈折率層を光学厚さがλ０／４になるように交互に堆積させ、最後にガラス基板にはさんだ多層構造のものがある。
【０００４】
現在の波長選択素子は薄膜やグレーティング等を用いているが、選択波長が可変なものはまだ開発例が少ない。これらの波長選択素子はそれを実現するために大がかりな精密機構を必要としている。またＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により製作する平行平板型静電アクチュエータは高速応答、低電力駆動が可能であり、これに薄膜を堆積させることにより構成されるエアギャップ可変ファブリー・ペロ型フィルタは選択波長可変フィルタとして有力な方法と考えられている。
【０００５】
【非特許文献１】鶴田匡夫著  応用光学２  培風館（１９９０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
選択波長フィルタにおける設計波長の反射率をアクティブに制御するデバイスとして、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された平行平板型静電アクチュエータを用いたエアギャップ可変光フィルタによる波長選択素子が幾つか知られている。しかし、これらは小型で十分な時間応答特性が得られる一方、薄膜に使える材質が限られるため、構造が複雑になる。あるいは構造が単純なものはコントラストが悪く、反射率の制御可能範囲が狭く、波長選択特性が十分得られない欠点がある。現在は、簡単な構造で、高性能な特性が得られる光フィルタは実用化されていない。
【０００７】
本願の課題は、低コストで生産できるＭＥＭＳ技術を使って、単純な構造の共鳴格子を形成することにより、設計の自由度が高く、高性能な特性が得られる光フィルタ、及びこれらの光フィルタを使った光情報通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光フィルタは、表面に絶縁膜を有する基板上にギャップを介して共鳴格子を設け、前記共鳴格子に入射する光のなかから共鳴波長を選択して取り出すことを特徴とする。
【０００９】
本発明の光フィルタは、共鳴格子と基板上に設けられた絶縁膜との間に間隔が可変のギャップを設け、入射光のなかから共鳴波長を選択して取り出し、前記基板と前記共鳴格子との間に電圧を印加することにより前記ギャップを変位させ、前記入射光の反射率を可変とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明の光フィルタにおいては、前記共鳴格子は基本周期を持って配置され、前記共鳴波長は前記基本周期に依存していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の光フィルタにおいては、前記共鳴格子の基本周期は、前記共鳴波長以下の周期であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光フィルタにおいては、前記共鳴格子の基本周期は、第１の幅を有する第１の格子と、第２の幅を有する第２の格子とから構成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光フィルタにおいては、前記共鳴格子はシリコンを主成分とする材料により形成されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の光フィルタにおいては、前記絶縁膜は、窒化膜であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の光フィルタにおいては、前記共鳴格子と前記絶縁膜とは、その端部において支持絶縁体により保持されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光フィルタにおいては、前記支持絶縁体は酸化膜または燐ガラスを含む酸化膜であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光フィルタにおいては、前記基板はシリコンを主成分とする材料により形成されたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の光情報通信装置は、上記記載の光フィルタを少なくとも一つ含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明の光フィルタは、ＭＥＭＳ構造に適して且つ光学特性にも優れた材質上に共鳴格子を形成することにより、設計の自由度が高く、高性能な特性が得られる。単純な構造なため、生産性にも優れる。またＭＥＭＳ技術により製作されるので小型であり、一括大量生産が可能で低コストで生産できる光フィルタ、及びこれらの光フィルタを使った光情報通信装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の光フィルタ、及びこれらの光フィルタを使った光情報通信装置について、図を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明をその実施例１について詳細に説明する。図１に本発明における光フィルタの断面図、図２に本発明における共鳴格子の寸法の一例、図３に本発明における材質と厚さの関係、図４に本発明における動作原理、図５に本発明における反射率のエアギャップ依存性、図６に本発明における反射スプクトル、図７に本発明における共鳴波長の格子周期依存性、図８に本発明における格子周期による反射スペクトラムを示す。
【００２２】
図１に示すように、光フィルタは下部電極となる導電性基板４の上に絶縁膜３、支持絶縁体２、共鳴格子膜１が積層されている。基板４と共鳴格子膜１の間には電圧Ｖが供給される構成である。上部から入射される入射光のなかから共鳴波長を選択して上部から取り出す。また基板４は光吸収層にもなっている。
【００２３】
基板４の上には絶縁膜３が積層されている。支持絶縁体２は共鳴格子５と絶縁膜３との間にギャップ６を形成するためのスペーサーの役目であり、共鳴格子膜１と絶縁膜３の端部において共鳴格子膜１と絶縁膜３とを固定支持している。共鳴格子膜１にはその中央部に一定の基本周期毎に配置された複数の短冊からなる共鳴格子５が形成されている。
【００２４】
共鳴格子５は上部からの入射光のなかから共鳴波長を選択して上部から取り出す。ここで選択して取り出す共鳴波長を設計波長とすると、設計波長は共鳴格子の基本周期、厚み、屈折率によって決まる。
【００２５】
共鳴格子５の下部のギャップは空気あるいは真空状態である。電圧Ｖを印加することで、静電引力により共鳴格子５は基板４に引きつけられ、ギャップ６は狭くなる。電圧Ｖが０Ｖのときのギャップが初期ギャップであり、支持絶縁体２の膜厚値と同じとなる。初期ギャップ時において共鳴波長の反射率はほぼ１００％となる。
【００２６】
絶縁膜３は誘電体（絶縁体）材質で構成される。共鳴格子膜１の共鳴格子５が静電引力により下方に引き付けられ、ギャップが０になったとき共鳴格子５と絶縁膜３はくっつく、このときの電気的ショートを避ける必要がある。さらに、絶縁膜３は光学薄膜としても作用するため、屈折率およびその厚さは設計波長により決まる。
【００２７】
図２および図３には、本願実施例における各膜の材質、寸法を示す。本実施例では光通信用で使用することを考え、１．５５μｍ付近を設計波長とした。ＴＥ偏光（入射波の電界の振幅方向が格子の溝と平行方向であり、図１で紙面に対して垂直方向である）に対して機能する。
【００２８】
共鳴格子膜１として膜厚２６９ｎｍのシリコン（Ｓｉ）、支持絶縁体２は膜厚６４７ｎｍの二酸化珪素（ＳｉＯ２）、絶縁膜３は膜厚１７９．７ｎｍの窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）で構成した。共鳴格子５は基本周期０．５５μｍであり、基本周期内には幅の異なる２本の格子が形成されている。それぞれの格子幅は０．２μｍと０．１５μｍであり、その間隔は０．１μｍである。また支持絶縁体２は燐ガラス（ＰＳＧ）でもよく、ここで示した材質、厚さ、寸法は一例であり、設計波長や製造方法により異なる。
【００２９】
図４に本発明の動作原理を示す。ダイアフラム７（共鳴格子）を上部電極とし、基板８を下部電極として電圧を印加する。印加される電圧値によりダイアフラム７が基板側に引き寄せられ、ギャップ９が初期ギャップから０まで変化する。このギャップ９の変位により反射スペクトルが変化する。
【００３０】
さらに図５〜図８に本実施例の構成に基づく特有の効果を示す。図５に共鳴波長の反射率のギャップ依存性を示す。曲線ＡにはＴＭ偏光における反射率、曲線ＢにはＴＥ偏光における反射率をしめす。曲線Ｂに示すＴＥ偏光においては、反射率が０％から１００％まで変化することがわかる。初期ギャップにおいて１００％の反射率になるように設定し、印加電圧によりギャップを小さくすることで反射率を変化させることができる。
【００３１】
図６に初期ギャップ時のＴＥ偏光入射時における反射スペクトルを示す。設計波長の１５５０ｎｍ付近で反射率がほぼ１００％となる。また優れた波長選択性を有していることがわかる。
【００３２】
図７に共鳴波長の格子の基本周期依存性を示す。図８に共鳴格子の格子周期を５４０ｎｍから２０ｎｍステップで増加させたときのそれぞれの反射スペクトルを示す。共鳴波長は格子の基本周期に対して線形関係にあり、格子の基本周期を変化させることで設計波長を変えることが容易にできることがわかる。
【００３３】
このように基板に対してギャップをもって配置された共鳴格子を有する構成とすることで優れた波長選択性を有する光フィルタが得られる。共鳴格子の周期を変えることで自由に設計波長が変えられ、また光フィルタの基板と共鳴格子の間に電圧を印加することでギャップ間隔を変えることで反射率を可変とすることができる。
【実施例２】
【００３４】
実施例２について説明する。実施例２はマイクロマシニング（ＭＥＭＳ）技術を用いた光フィルタの製作工程を示す。図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に主たる工程の断面図、図１０に本発明における膜厚と反射率との関係を示す。ここで選択される設計波長は約１５５０ｎｍとした。
【００３５】
図９（Ａ）に示すように、シリコン基板１４の上に窒化膜１３、ＢＰＳＧ膜１２、ポリシリコン膜１１を積層する。窒化膜１３の膜厚は共鳴格子がプルインされギャップが０となったときの反射率が低くなる条件が最適であり、図１０より１７９．７ｎｍの膜厚である。ＢＰＳＧ膜１２の膜厚はＴＥ偏光の反射率が高く、ＴＭ偏光の反射率が低い条件が最適であり、図５より６４７ｎｍの膜厚である。ポリシリコン膜１１は２６９ｎｍの膜厚である。
【００３６】
積層された上層のポリシリコン膜１１を公知のリソグラフィ技術とエッチング技術により図９（Ｂ）に示すように、エッチングし共鳴格子１５を形成する。さらに図９（Ｃ）に示すように、等方性エッチングにより共鳴格子１５の下部のＢＰＳＧ膜１２を除去し、ギャップ１６を形成する。このＢＰＳＧ膜１２のエッチングにおいてはウェットエッチングを用いると共鳴格子１５と窒化膜１３間でスティクションが生じるために、気相ＨＦ、あるいはドライエッチングで行うことが好ましい。
【００３７】
上記したように公知のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）技術、リソグラフィ技術、およびエッチング技術を用いることで本発明の光フィルタが作成できる。このように一括大量生産が可能で、低コストで生産できる光フィルタが得られる。
【００３８】
本願によれば、ＭＥＭＳ構造に適して且つ光学特性にも優れた材質上に共鳴格子を形成することにより、小型で単純な構造なため生産性に優れ低コストで、かつ設計の自由度が高く、反射率を可変とすることで高性能な特性が得られる光フィルタが得られる。これらの光フィルタを使った光情報通信装置が得られる。
【００３９】
以上本願発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、このように基板に対してギャップをもって配置された共鳴格子を有する構成とすることで優れた波長選択性を有する光フィルタが得られる。共鳴格子の周期を変えることで自由に設計波長が変えられ、また光フィルタの基板と共鳴格子の間に電圧を印加することでギャップ間隔を変えることで反射率を可変とすることができる。このことから、光情報通信装置における波長選択フィルタ、光  減衰  器、光スイッチ、ゲインイコライザーに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明における光フィルタの断面図である。
【図２】本発明における共鳴格子の寸法の例を示す図である。
【図３】本発明における材質と厚さの例を示す図である。
【図４】本発明における動作原理を示す図である。
【図５】本発明における反射率のギャップ依存を示す図である。
【図６】本発明における反射スペクトラムを示す図である。
【図７】本発明における共鳴波長の格子周期依存性を示す図である。
【図８】本発明における格子周期による反射スペクトラムを示す図である。
【図９】本発明における製造工程における断面図である。
【図１０】本発明における膜厚による反射率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、    共鳴格子膜
２、    支持絶縁体
３、    絶縁膜
４、    基板
５、    共鳴格子
６、    ギャップ
７、    ダイアフラム
８、    電極  
９、    ギャップ
１１、  ポリシリコン膜
１２、  ＢＰＳＧ膜
１３、  窒化膜
１４、  シリコン基板
１５、  共鳴格子
１６、  ギャップ
【図１】
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【図２】
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【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】
2005331581.tif 000009
【図８】
2005331581.tif 000010
【図９】
2005331581.tif 000011
【図１０】
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