(57)【要約】本発明の様々な実施形態および態様によれば、熱光学同調可能屈折率を有する１つ以上の層を備えた動的同調可能薄膜干渉コーティングが提供される。薄膜干渉コーティング内の同調可能層によって、光のフィルタリング、制御および変調のための新しい一群の薄膜能動素子を可能になった。能動薄膜構造を直接使用し、あるいは様々な光サブシステムに統合することにより、同調可能レーザ、光ファイバ遠隔通信のための波長可変アッド−ドロップ・フィルタ、同調可能偏光子、波長可変分散補償フィルタ、および他の多くの素子を製造することが可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光学同調可能屈折率を有する１つ以上の層を備えた動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２】
前記１つ以上の熱光学層が半導体材料である請求項１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項３】
前記半導体材料が直接成膜された材料である請求項２に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項４】
前記直接成膜半導体材料がエピタキシャル成長単結晶層である請求項３に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項５】
前記直接成膜材料が非結晶質半導体である請求項３に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項６】
前記非結晶質半導体がアモルファス状態である請求項５に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項７】
前記アモルファス半導体が、アモルファス・シリコンまたはアモルファス・シリコン・ゲルマニウムである請求項６に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項８】
前記アモルファス・シリコンまたはアモルファス・シリコン・ゲルマニウムがプラズマ増速化学気相成長によって成膜された請求項７に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項９】
前記非結晶質半導体が微結晶材料である請求項５に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１０】
前記非結晶質半導体が多結晶材料である請求項５に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１１】
前記多結晶半導体材料が、アモルファス材料または微結晶材料として直接成膜され、次に、多結晶状態に再結晶化される請求項１０に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１２】
加熱部品が同調可能薄膜と共に統合された請求項１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１３】
前記加熱部品が１つ以上の光吸収層を備え、光信号によって加熱が達成される、請求項１２に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１４】
前記加熱部品が抵抗電気ヒータである請求項１２に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１５】
前記加熱部品が、層として光学薄膜構造内に統合された請求項１４に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１６】
前記加熱部品が、結晶質半導体基板中のドープ領域である請求項１５に記載の動的同調
可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１７】
前記加熱部品が直接成膜された透明金属酸化物である請求項１５に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１８】
前記加熱部品が直接成膜されたドープ薄膜半導体である請求項１５に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項１９】
前記加熱部品がバルク再結晶ドープ多結晶半導体である請求項１５に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２０】
このコーティングが、光パワー透過、反射または吸収を光波長の関数として動的に変化させるために使用される請求項１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２１】
このコーティングが、動的波長可変光帯域通過フィルタとして使用される請求項２０に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２２】
このコーティングが、透過波長ファブリ−ペロ・フィルタを決定する単一熱光学同調可能光空胴を備えた請求項２１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２３】
このコーティングが、透過波長を決定する多重熱光学同調可能光空胴を備えた請求項２１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２４】
このコーティングが、波長同調可能光検出器の一部として使用される請求項２１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２５】
このコーティングが走査光分光計中で使用される請求項２４に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２６】
このコーティングが、光通信のための波長可変アッド−ドロップ・フィルタとして使用される請求項２１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２７】
このコーティングが、ある波長域に亘って、波長毎に相対透過または相対反射を変化させるために使用される請求項２０に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２８】
このコーティングが、ある全波長域に亘って同調可能なスペクトル等化器部分またはスペクトル・フィルタ部分として使用される請求項２７に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項２９】
このコーティングが、ある全波長域に亘って総合透過または総合反射を変化させるために使用される請求項２０に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項３０】
このコーティングが、ある全波長域に亘って損失の同調が可能な可変光減衰器部分として使用される請求項２９に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項３１】
このコーティングが、反射または透過における波長の関数として光位相を動的に変化させるために使用される請求項１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【請求項３２】
このコーティングが、光通信システムにおける色分散を動的に制御するために使用される請求項３１に記載の動的同調可能薄膜干渉コーティング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本節では、薄膜干渉コーティング、薄膜フィルタ、および半導体の熱光学特性および光素子における熱光学特性の利用、からなる３つの一般的な技術領域について説明する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜干渉コーティング
薄膜干渉コーティング（ＴＦＩＣ）は、最も成熟し、かつ、最も広く応用されている光技術の１つである。一般的に、ＴＦＩＣは、使用を意図している波長に対して通常は透明な１つ以上（最大数百）の薄膜の連続成膜によって、屈折率およびその他の特性を変化させて、所与のスペクトル・バンドに亘って所望のスペクトル反射率および透過率特性、位相シフト特性あるいは偏光特性を得る。例えば、無反射コーティングはほぼ１世紀に渡ってレンズに適用されている。ＴＦＩＣは他にも、狭帯域通過フィルタ、偏光子およびカラー・フィルタ等の多くの分野で利用されている。極めて広範囲に渡る光学特性のＴＦＩＣを設計し、それにより、屈折率が異なる出発材料の十分なアレイを得ることが可能であることは当分野で知られている。例えば、スペクトルサイエンス（Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）のＴｈｉｎＦｉｌｍ  Ｃａｌｃなど、多くのコンピュータ・シミュレーションおよび設計ツールが存在している。広く使用されているＴＦＩＣ成膜技術には、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着などの物理気相成膜法がある。ＴＦＩＣはすべての光学分野で使用されているが、例えば波長分割多重（ＷＤＭ）光ファイバ通信産業が要求しているような必要条件に対応するＴＦＩＣのモデムは極めて高性能化している。多重空胴（最大７つ、またはそれ以上）共振器の考えおよび数百の層を使用することにより、特性の頂上が平坦で、かつ、立上りおよび立下りが急峻な極めて精度の高いフィルタが得られ、微小ＷＤＭチャネル間隔（５０ＧＨｚまたは２５ＧＨｚ）を可能にしている。伝送フィルタリング特性のためではなく、連続する波長に亘って位相遅延特性のスペクトル分布をさせるために、他のこのようなフィルタが設計され、高ビットレートのネットワークに関連する精度の高いパルス分散特性あるいは群遅延特性が得られている。多様な種類の狭帯域フィルタとして機能するＴＦＩＣは、薄膜干渉フィルタＴＦＩＦで表すことができる。
【０００３】
一般にＴＦＩＣの分野、具体的にはＴＦＩＦの分野における近代の調査結果は、参考文献および多数の機関誌に掲載されている（例えば、非特許文献１〜５参照）。
ＴＦＩＣの特性は、構成している膜の屈折率に強く依存するため、ＴＦＩＣの屈折率を制御することができる「能動」薄膜材料、すなわち同調可能な「能動」薄膜材料が開発されることが大いに望ましい。しかしながら、このような材料の必要条件は多種多様であり厳しい。能動薄膜が有用な候補になるためには、能動薄膜材料は、必要な波長（一例として、光ファイバ・ネットワーク通信における波長帯域である約１．５μｍ）での吸収損失が極めて小さく、かつ、散乱が極めて小さい材料でなければならず、また、いくつかの互換性のある成膜方法によって、屈折率が対照的な受動膜薄膜の組合せを連続して直接成膜可能であり、かつ、屈折率を変化させるための、単純かつ製造可能な物理的構造内で効果的な、直接的または間接的電気メカニズムを提供できなければならない。有用な材料であるためには、絶対屈折率変化の範囲が数パーセント程度でなければならず、ＴＦＩＣ設計がファブリ−ペロ・タイプの単一または複数の空胴構造を必要とする「共振」に向かう傾向にあり、それにより、個々の層における１％程度の比較的小さい屈折率の変化を、所与の波長における正味光学特性（光の透過など）のはるかに大きい百分率変化に活用することは、ＴＦＩＣ設計では知られている。
【０００４】
しかしながら、適切な特性を備えた薄膜材料を確認することは困難であり、現状では、同調可能ＴＦＩＣの技術はまだ成功していない。十分な大きさの屈折率変調を良好な光品質で達成するような材料を得ることは、薄膜科学が抱えている積年の難事である。比較的少数ではあるが、周知の実用的な屈折率制御材料は、２つのグループに分類することができる。屈折率変調の小さい（Δｎ／ｎ＝１０−５程度の）高速材料には、電気光学材料、圧電材料あるいは電荷注入を使用した結晶質半導体がある。これまでのところ、波長可変薄膜フィルタの開発のほとんどはこのような材料に基づいている。液晶または熱光学効果を使用することにより、低速だがもっと大きい（Δｎ／ｎ＝１０−２）屈折率変調が達成される。ごく最近の２００１年７月に、薄膜干渉コーティングのための可能な同調可能屈折率材料について、電気光学膜、圧電膜および酸化物熱光学膜と比較してレビューされている（例えば、非特許文献６参照）が、適切な解決法は見出されていない。非特許文献６の著者らは、言及してはいるが、とりわけ熱光学効果の可能性について否定し、ＴＦＩＣに典型的に使用される、熱光学係数が比較的小さい五酸化タンタルおよび二酸化ケイ素などの誘電体膜について言及している。
【０００５】
波長可変フィルタ
波長可変狭帯域フィルタは、上で考察した技術の商業的に重要なサブセットであり、したがってこのようなフィルタ分野においては、極めて多くの研究がなされている。通信におけるフィルタの代表的な必要条件は、いわゆるＣバンドに亘って１５２８〜１５６１ｎｍで同調し、１０ＧＨｚのオーダー即ち０.０８ｎｍで−３ｄＢの幅であり、かつ、挿入損失が小さいことである。
【０００６】
ＷＤＭ光ファイバ・ネットワークの成長により、電源や受光部から動的利得等化器および分散補償器に及ぶ、様々なネットワーク管理機能のための様々な波長同調可能光部品、に対する要求が増加している。同調可能光フィルタは、ネットワークにおいてそれぞれ全く異なる性能要求を満たし、複数の全く異なる役割を果たすために必要である。例えば、ネットワーク経路中に置かれる同調可能アッド／ドロップ・フィルタは、その挿入損失が極めて小さく、かつ、「頂点が平坦」な通過帯域形状を有していなければならない。一方、フィルタがネットワークから取り出される光に作用する光チャネル・モニタリングの場合、通過帯域の形状および挿入損失よりは、高速同調、低コスト、小型の素子フットプリント、及び、光増幅器などのシステム・モジュールへの統合と両立するパッケージングの方が重要である。１つのフィルタ技術でこれらの様々な必要条件を満足させる技術は存在していない。光学特性および電気特性が同一の２つのフィルタであっても、それらの物理サイズ、形状および製造コストが大きく異なる場合には、用途は著しく異なる。
【０００７】
同調可能フィルタについては、多くの様々な手法が記述され、また、光技術の場合にしばしば見受けられるように、様々な動作原理が提言されている。広範囲に及ぶ物理サイズ、形状因子、電力消費、複雑性およびコストに渡って、それに見合う通過帯域すなわち同調幅を備えた波長可変フィルタが知られている。
【０００８】
同調可能フィルタの主要な応用分野の１つは、ファイバすなわち導波路に基づく素子である。第２の応用分野である拡張ビームすなわち垂直空胴フォーマット同調可能フィルタは、特にはフィルタがモジュール内の他の部品との統合を意図している場合あるいは極めてコンパクトでなければならない場合には、特に望ましく、さらには特定の目的には必須でさえある。表１に示すように、超小型電気機械（ＭＥＭＳ）ファブリ−ペロは、この応用分野において最も広範囲に開発された、６つの市場調達先を有する技術である。
【０００９】
【表１】
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一般性には欠けるが、拡張ビーム・フィルタに対する手法には、液晶素子および機械走査回折格子すなわち干渉計がある。１つのグループとして、ＭＥＭＳファブリ−ペロ素子は広い同調幅を有する傾向にあるが、重大な限界がある。即ち構造的に、単一空胴エタロン（ローレンツ型通過帯域）設計の最も単純なタイプに限定される。これは、より複雑な設計のＭＥＭＳフィルタの製造が不可能であり、したがって、隣接するチャネルのリジェクションあるいは特定の群遅延分散もしくは他の必要条件を改良するための急峻なスカートを実現し得ないことを意味する。したがってＭＥＭＳファブリ−ペロ素子は、主として光モニタリングまたは同調可能レーザへの応用には有用であるが、より複雑な、頂点が平坦な狭スカート通過帯域を必要とする、多重空胴共振器を使用することによってのみ達成可能な、アッド／ドロップ多重化などの経路内ネットワーク機能には、現状では有用ではない。
【００１０】
この調査において特筆されることは、最も広く使用されている静的ＷＤＭフィルタ技術である薄膜干渉フィルタＴＦＩＦは、ごく限られた機械回転フィルタへの限定的応用以外には、同調可能素子として実用的ではないことである。既に指摘したように、複数の空胴を組み込んだ複雑な固定通過帯域ＴＦＩＦ設計は薄膜技術においては周知であり、薄膜コーティングの多くの設計を選択する際に同調性が追加されることは大いに望ましい。
【００１１】
半導体の熱光学への応用
光学材料の屈折率を変化させる方法の１つとして、光学材料の温度を変化させることは周知である。熱光学の原理は、すべての光学材料にある程度存在していることであるが、材料によっては、１３００〜１７００ｎｍの光通信帯域における光損失が極めて小さく、かつ、１％程度以上の比較的大きい効果を見出すことが可能であるため、興味深い原理である。
【００１２】
表２は、近赤外スペクトルにおいて使用される、いくつかの光学電子材料群の熱光学特性を比較したものである。
【００１３】
【表２】
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アクリレートまたはポリイミドを含む熱光学高分子は、大きい（負の）熱光学係数を有しているが、多層ＴＦＩＦに使用される成膜方法に適さないので、通常、導波路の形態でのみ使用される。結晶質半導体ウェハは比較的大きい係数を有しているが、本明細書における薄膜は、ゼロから５マイクロメートルの厚さを目的としているため、当然のことながら薄膜と見なすことはできない。特殊なエッチングまたは研磨法を適用することにより、ウェハを２５〜５０マイクロメートルの薄さにすることが可能であるが、この方法には費用がかかり、また、制御および取扱いが困難である。一般的に、ウェハとして成長させた結晶質物質の厚さを正確に測定することは、直接成長させたアモルファス薄膜あるいはエピタキシャル結晶質薄膜の厚さを測定する場合よりはるかに困難であり、複雑な多重膜積層と組み合わせることは容易ではない。したがって複雑な横型フィルタ構造、例えば複数の空胴層を備えた横型フィルタ構造を構築することはできない。従来技術では、薄いシリコン結晶ウェハの熱光学特性を利用した導波光コンポーネントが立証されている（例えば、非特許文献７〜１１参照）。
【００１４】
また、シリコンウェハを基にした拡張ビーム・フィルタについても、他の技術者によって記述されている（例えば、非特許文献１２および１３参照）。
複雑な多層ＴＦＩＣまたはＴＦＩＦの基礎として、アモルファスであれ、あるいはエピタキシャルであれ、その熱光学特性を利用した薄膜半導体の体系的な使用については報告されていない。事実、ＴＦＩＦ科学技術者は、環境感度に影響されない被覆材を生成するために温度感受性材料を回避してきたので、上述のＴＦＩＦに関する文献には、この実践については全く教示されていない。したがって、過去においては、一般的には薄膜コーティング業界、特にはＷＤＭ  ＴＦＩＦ業界は、フィルタに関してはあらゆる種類の半導体材料を回避してきたが、その理由は、主として、それらの熱光学特性が大きく、そのために、それらの材料から製造される被覆材が温度によって大きく変質することによるものである。
【非特許文献１】
エー・セレン（Ａ．Ｔｈｅｌｅｎ）、Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ、マグローヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）、１９８９年
【非特許文献２】
ジェイ・ディー・ランコート（Ｊ．Ｄ．Ｒａｎｃｏｕｒｔ）、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｕｓｅｒｓ’Ｈａｎｄｂｏｏｋ、マクミラン（Ｍａｃｍｉｌｌａｎ）、１９９６年
【非特許文献３】
エイチ・エー・マクロード（Ｈ．Ａ．ＭａｃＬｅｏｄ）、Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｎ．マクミラン（Ｍａｃｍｉｌｌａｎ）、１９８６年
【非特許文献４】
ジェイ・エー・ドブロウォルスキー（Ｊ．Ａ．Ｄｏｂｒｏｗｏｌｓｋｉ）、Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ａｎｄ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，Ｓｅｃｔ．８，Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｎ．マグローヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）、１９９５年
【非特許文献５】
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００１  ＯＳＡ  Ｔｏｐｉｃａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ，２００１年７月、（バンフ）Ｂａｎｆｆ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃ．アメリカ（Ａｍｅｒｉｃａ）
【非特許文献６】
パーメンチャー、レマーチャンドら（Ｐａｒｍｅｎｔｉｅｒ，Ｌｅｍａｒｃｈａｎｄ，ｅｔ  ａｌ）、Ｔｏｗａｒｄｓ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，Ｐａｐｅｒ  ＷＢ１，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ，ＯＳＡ  Ｔｏｐｉｃａｌ  Ｍｔｇ．Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ、２００１年７月１５〜２０日、カナダ、アルバータ州バンフ（Ｂａｎｆｆ，Ａｌｂｅｒｔａ，Ｃａｎａｄａ）
【非特許文献７】
ココルロら（Ｃｏｃｏｒｕｌｌｏ  ｅｔ  ａｌ）、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｂａｓｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｗａｖｅ  Ｐａｓｓｉｖｅ  ａｎｄ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑ．Ｅ．、第４巻、９９７ページ、１９９８年１１月／１２月
【非特許文献８】
ココルロ、デラ・コート、幅ナ、ルビノ、テルツィニ（Ｃｏｃｏｒｕｌｌｏ，Ｄｅｌｌａ  Ｃｏｒｔｅ，Ｒｅｎｄｉｎａ，Ｒｕｂｉｎｏ，Ｔｅｒｚｉｎｉ）、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ａｔ  １．５  ｍｉｃｒｏｎ  ｉｎ  ａｎ  α−ＳｉＣ  α−Ｓｉ  α−ＳｉＣ  Ｐｌａｎａｒ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｗａｖｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｔｒｓ．第８巻、９００ページ、１９９６年
【非特許文献９】
ココルロ、イオダイスら（Ｃｏｃｏｒｕｌｌｏ，Ｉｏｄｉｃｅ，ｅｔ  ａｌ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ７００  ｋＨＺ−３ｄＢ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｔｒｓ．第７巻、３６３ページ、１９９５年
【非特許文献１０】
デラ・コートら（Ｄｅｌｌａ  Ｃｏｒｔｅ，ｅｔ  ａｌ）、Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  α−Ｓｉ：Ｈ  ａｎｄ  α−ＳｉＣ：Ｈ  ａｔ  １，５５  ｍｉｃｒｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第７９巻、１６８ページ、２００１年
【非特許文献１１】
ココルロら（Ｃｏｃｏｒｕｌｌｏ  ｅｔ  ａｌ）、Ｆａｓｔ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎ  α−Ｓｉ：Ｈ  ｍｉｃｒｏ−ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｆｉｂｅｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｈｏｍｅ，Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓ．Ｓｏｌｉｄｓ、第２６６巻、１２４７ページ、２０００年
【非特許文献１２】
ニエミ、ウーシマーら（Ｎｉｅｍｉ，Ｕｕｓｉｍａａ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｅｔａｌｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｏｆ  ＷＤＭ，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｔｒｓ．第１３巻、５８ページ、２００１年
【非特許文献１３】
イオダイス、ココルロら（Ｉｏｄｉｃｅ，Ｃｏｃｏｒｕｌｌｏ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｓｉｍｐｌｅ  ａｎｄ  Ｌｏｗ  Ｃｏｓｔ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．第３９巻、１７０４ページ、２０００年
【非特許文献１４】
エル  マーチニュー（Ｌ．Ｍａｒｔｉｎｕ）、「Ｐｌａｓｍａ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  ｃｏａｔｉｎｇｓ：ａ  ｒｅｖｉｅｗ」Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１８（６）、２６２９ページ、２０００年
【非特許文献１５】
ゴッシュ（Ｇｈｏｓｈ）Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ジー・ゴッシュ、アカデミック・プレス（Ｇ．Ｇｈｏｓｈ，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）、ニューヨーク（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）、１９９８年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の様々な実施形態および態様によれば、熱光学同調可能屈折率を有する１つ以上の層を備えた動的同調可能薄膜干渉コーティングが提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
薄膜干渉コーティング内の同調可能層は、一群の、光のフィルタリング、制御および変調のための薄膜能動素子を可能にする。能動薄膜構造を直接使用し、あるいは様々な光サブシステムに統合することにより、同調可能レーザ、光ファイバ遠隔通信のための同調可能アッド−ドロップ・フィルタ、同調可能偏光子、同調可能分散補償フィルタ、および他の多くの素子を製造することが可能である。
【００１７】
図において、同一参照番号は、同一部品を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のいくつかの実施形態、態様および応用によって、本発明を説明する。
ここでは、半導体薄膜層を使用することによって、ＴＦＩＣ内の特定の層の熱光学特性を最小化するのではなく、最大化すべく選択されている。半導体薄膜は、ＰＥＣＶＤまたは他の様々なＣＶＤもしくはＰＶＤによって成膜され得る。光損失を小さくするために水素が注入された、α−Ｓｉ：Ｈや合金は、高屈折率層（１５００ｎｍにてｎ＝３．６６）として機能し、かつ、本発明者が最適化した方法によって成膜させたままで、１５００ｎｍ近辺の主光通信波長において極めて高い透明性を有する（消衰係数ｋ＝１０−６）。この場合、最大４％程度の屈折率変調Δｎ／ｎが、２５〜４５℃の範囲の温度変化によってもたらされる。このような大きな温度変化は、他の光学層に隣接しているか、あるいは他の光学層中に散在しているｎ型ポリシリコンなどの光学的に透明な導電性ヒータ膜によってもたらされることが好ましい。代表的な応用は、屈折率がより小さいα−ＳｉＮｘなどの層と交番させて光学的厚さが４分の１波長のα−Ｓｉ：Ｈを成膜させることによって、石英ガラスなどの基板上に形成された波長可変薄膜ファブリ−ペロ・フィルタであり、いずれもＰＥＶＣＤ反応器中のガス混合物を変化させることによって形成される。得られるＴＦＩＦの中心透過ピークは、１つ以上のヒータ膜に電流を流すことによって熱光学的に同調させることができる。同様に、類似の方法をより複雑な設計に拡張することにより、多重空胴ＴＦＩＦを製造することができる。本発明者の実験では、単一空胴フィルタおよび二重空胴フィルタのいずれの場合においても、最大４２ｎｍの同調幅が実証されている。
【００１９】
アモルファス・シリコンは、フラットパネル・ディスプレイから太陽電池に至る業界で高度に開発されている信頼性の高い材料である。この材料および関連するＰＥＣＶＤ薄膜成膜を光干渉コーティングに適用することにより、著しく大きい熱光学係数が得られ、それにより、選択された膜の屈折率を４％変調することができる。そのためには内部の膜の温度を４００℃を超える温度にする必要があり、それは、極端に頑丈な膜接着が達成される場合にのみ可能である。ここで実証する初期の応用は、ＦＷＨＭが０．０８５ｎｍ（１０ＧＨｚ）と小さく、かつ、１５００ｎｍにおける同調性が４０ｎｍを超える単一空胴波長可変ファブリ−ペロ帯域通過フィルタである。また、このような波長可変フィルタは極端に小型であり、ウェハ・スケールで製造が可能で、かつ、従来の静的ＷＤＭフィルタに既に利用されている多くの市販品コンポーネントと共にパッケージ可能である。波長可変フィルタは、光モニタ、同調可能レーザ、同調可能検出器およびアッド／ドロップ・マルチプレクサを含む多様なＷＤＭネットワークに応用され得る。更に、この一群の同調可能薄膜干渉コーティングは、多重空胴の頂点平坦フィルタ、波長可変エッジ・フィルタ、動的利得等化器および同調可能分散補償器を含む、より一般的な設計が可能である。屈折率の制御は、光素子の基本的な組立構造である。導波路素子における可能性だけでなく干渉コーティングにおける可能性が既に示されている、広範囲の同調が可能な熱光学膜は、一群の小型で低コストの素子および応用を開発する。
【００２０】
本発明の実施形態には横型光透過素子が含まれている。つまり、実施形態には、導波路としては作用しないが、所望の波長の光を通過させる素子が含まれている。例えば、透過する光が基板の表面に対して実質的に直角をなす場合、その基板上の薄膜材料は横型光透過素子である。本発明による実施形態は、屈折率が温度によって変化する１つ以上の薄膜層および制御可能な内部熱源を特徴としている。薄膜層の厚さは、通常、約５μｍ未満であり、それに対して、現在利用可能な半導体ウェハ研磨技法を使用して達成することができる最も薄い層の厚さは、通常５０μｍ程度である。この応用では、薄膜層はしばしば、直接成膜として記述されているが、他の薄膜製造方法も可能である。
【００２１】
本発明による実施形態は、複数の薄膜層を有する波長可変薄膜干渉フィルタに組み込むことができる。１つ以上の層は、制御波長の熱または光などのエネルギー励起源に応答して屈折率を変化させ得る。また、熱に応答して可変な屈折率を有する層の場合、１つ以上の層を、その熱可変層の屈折率を変化させるための熱源にすることができる。熱可変層は、それ自体を抵抗加熱層にすることもできる。
【００２２】
以下、これらの一般原理を示すいくつかの実施形態について詳細説明する。
次に説明する実施形態には、半導体薄膜、例えばアモルファス・シリコン層（ここでは、「α−Ｓｉ」または「α−Ｓｉ：Ｈ」は水素添加を表している）の熱光学特性が利用されている。これらの実施形態は、応答して熱を生成する膜を励起することによってこのような膜の温度を制御しており、その膜は構造すなわち積層に必須の部分であり、また、屈折率が制御される膜と同じ膜であっても良く、あるいは薄膜ヒータとして専用に設けられている積層中の他の膜であっても良い。膜の励起は、膜を流れる電流であっても、あるいは膜に向かう光ビームであっても良く、また、他の適切な形態を取ることもできる。構造中に統合されている膜は、同調のための熱を提供し、また、加熱の役割と共に光学的な役割、即ち「二重の役割」、を果たすことも可能である。この手法は、その構造で使用すべき波長が、使用する薄膜の透明の窓でもある場合はいつでも適用が可能である。特定の半導体膜が高度に透明化する、光ファイバ遠隔通信波長窓１３００〜１６５０ｎｍの場合は重要なケースであるが、これに限定されるものではない。
【００２３】
半導体は、その熱光学係数が大きく、Ｓｉの場合、約４×１０−４／℃であり、結晶質の場合であっても、アモルファスの場合であってもＧｅの２倍である。半導体は結晶、微結晶またはアモルファス等の種々の形態が可能であって、単結晶として成長させることができ、あるいは直接成膜もしくはエピタキシャルによって成長させることができる、直接成膜法には、蒸着またはスパッタリングなどの物理気相成長法、あるいはガスを使用した化学気相成長がある。
【００２４】
本発明では、光学構造に関しては、材料の温度感受性特性を従来のように回避するのではなく、半導体材料を意識的に使用している。
本発明には、薄膜干渉構造の熱光学同調性を最大化するために、主として一群のアモルファス半導体が好ましい実施形態として利用されているが、微結晶膜またはエピタキシャル結晶膜などの他のタイプの薄膜半導体も可能である。主としてフラットパネル・ディスプレイ業界および太陽電池業界によって、永年に渡って開発されてきたアモルファス半導体は、光素子業界および光ファイバ素子業界では未開発である。アモルファス半導体は、スパッタリングなどの様々な物理気相成長法、あるいはプラズマ増速化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）などの化学気相成長技法によって薄膜として成膜させることが可能である。特にＰＥＣＶＤは適応性があり、かつ、均一な薄膜方法であり、プラズマ出力、総ガス圧、水素分圧、ガス比、流量および基板温度などの基本成膜パラメータを制御することにより、膜密度および化学量論的組成を著しく改変し、それによって屈折率、吸光率および熱光学係数に影響を与えることが可能である。Ｓｉ膜に水素添加を施すことによってダングリング・ボンドが抑制され、それにより欠陥密度が減少し、赤外吸光率が減少する。図１は、定光電流法（ＣＰＭ）および光熱偏向分光学（ＰＤＳ）によって測定した結晶質シリコン対アモルファス・シリコンの吸光率を示した。図２は、ＷＤＭバンドを１５００ｎｍ（０．８ｅＶに相当する）で使用するべく最適化された、本発明による低損失α−Ｓｉ：Ｈを示したものである。吸光率０．１ｃｍ−１の１５００ｎｍ値は、ｋ＝１×１０−６の消光に相当し、従来の薄膜ＷＤＭフィルタに一般的に使用されている低損失誘電材料に匹敵する。ＰＥＣＶＤの他に、低温ＣＶＤまたは熱ＣＶＤなどの他のＣＶＤ法を使用することも可能であり、あるいはスパッタリングによってアモルファス膜を成膜することも可能である。
【００２５】
水素添加アモルファス・シリコン（α−Ｓｉ：Ｈ）は、１５００ｎｍにおける屈折率が高く（３．６）、吸光率が小さいにもかかわらず、一般的には薄膜干渉フィルタにおける望ましい高屈折率層とは見なされていない。それには２つの理由があり、第１の理由は、ＰＥＣＶＤには、光学薄膜技術へ導入されてからの時間的実績がないことである。第２の理由は、正確にはその温度感受性により、従来のＷＤＭフィルタへのアモルファス半導体の適用が回避されてきたことである。アモルファス半導体薄膜の熱光学係数には、それらの結晶質の薄膜の熱光学係数よりさらに大きい傾向がある。本発明者の研究所では、ＰＥＣＶＤ条件を最適化することにより、１５００ｎｍにおける熱光学係数がΔｎ／ｎ＝３．６×１０−４／°Ｋで、かつ、消光係数ｋ＝１０−６のα−Ｓｉ：Ｈ膜が達成されており、この値は、文献で報告されている他のあらゆる値より大きいと思われる。内部の膜の温度を４００℃を超える温度にすることにより、シリコン屈折率変調Δｎ＝０．１４またはΔｎ／ｎ＝０．０４が達成されている。このような大きさの屈折率変調を達成することは、液晶を除く他の材料では困難である。
【００２６】
熱光学のメカニズムは速度が遅いとされているが、本発明者は、アモルファス半導体の場合はそうではないことを見出し、能動素子の体積によっては、屈折率変調時間を広範囲の応用に対して十分に速くすることが可能である。α−Ｓｉの比熱、熱光学屈折率および熱伝導率に基づく単純な物理的予測によれば、厚さ５μｍ、１００μｍ平方の熱質量により、１０〜５０μｓの速度での３％屈折率変調が可能である。実際に動作する、電力消費が制限されるシステムでは、本発明による素子は、通常、４０ｎｍに対して約５ｍｓで同調される。
【００２７】
全体の厚さがわずかに数マイクロメートルの薄膜構造において、このように大きな温度差を達成するためには、第１に、極端に頑丈な膜接着が要求される。プラズマをベースとした技法として、ＰＥＣＶＤでは、屈折率が広範囲に異なる、アモルファス・シリコンおよびアモルファス窒化シリコンまたは二酸化ケイ素など、光学的に全く異なるが工程が両立するいくつかの材料の、密で規格に合う膜を生成するための工程可変性が実現され得る。材料間の移行は、ガス混合物を制御することにより、真空を破ることなく達成される。ここで報告する研究によれば、アモルファス・シリコンおよび窒化シリコンに基づく薄膜構造は、層間剥離や不良を生じることなく、２００μｍに対して５００℃を超える繰返し温度勾配に耐えることが本発明者の研究所において立証されている。従来技術では、応力の緩和を含む、誘電体薄膜の物理特性に対するＰＥＣＶＤの利点が報告されている（例えば、非特許文献１４参照）。
【００２８】
この新しい素子群を調査するに当たり、本発明者は、従来の固定フィルタの目標であった薄膜熱光学同調性の最小化ではなく、その最大化を試行した。しかしながら、素子の設計においては、半導体の熱光学係数が一定ではなく、室温から７００℃までの温度変化に対して約３０％変化することを考慮しなければならない。従来技術では、半導体の熱光学効果は、主として温度による励起帯端の変化によるものであることが報告されており（例えば、非特許文献１５参照）、単一発振器モデルは、結晶質半導体およびアモルファス半導体の両方の熱屈折率変化に適合している。図３は、アモルファス・シリコンおよびシリコン−ゲルマニウム合金の温度による屈折率の変化を示したものである。ＳｉＧｅのより大きいｄｎ／ｄＴは、１５００ｎｍシステムのより大きい吸光率によるものであり、ＳｉＧｅを適切性に欠けるものにしている。本発明者の研究所で、本明細書において説明するように処理されたα−Ｓｉは、既に報告されているｄｎ／ｄＴよりさらに大きいｄｎ／ｄＴを有していることを示している。
【００２９】
したがって、複雑な設計を実施するために、両立するが本質的には熱光学膜ではない層との様々な置換および組合せで混合させた、１つ以上の薄膜半導体層が成膜される。成功するための鍵の技術は、光学的に高品質の膜、厳密に制御された層厚、最大０．０４のΔｎ／ｎを達成するための十分に高い温度への内部加熱、微小熱質量のみに対する温度修正、および結果として生じる熱応力に耐えるための極端に強力な膜接着にある。
【００３０】
ＰＥＣＶＤなどの技法を使用して膜を直接成膜させることにより、膜の化学量論的組成を制御することができ、それにより層の屈折率を調整することができる。複数の層を連続的に成膜させることにより、素子の歩留りを改善することが可能である。また、層の厚さは、成膜の持続期間によって決定される。１μｍより薄い層が可能である。これらの材料の課題は、光吸収の小さい光学品質層を成膜させることであるが、この課題は、以下で説明する方法によって解決される。
【００３１】
また、膜をエピタキシャル成膜させることも可能である。エピタキシャル成膜により、使用する材料によっては、散乱損失が小さく、かつ、吸収が潜在的に小さい高次の材料を得ることが可能であるが、エピタキシャル成長は、速度の遅い方法である。
【００３２】
単一または複数の多結晶材料層は、最初にアモルファス層を成膜し、次に、高温アニール、高速熱アニール、あるいはエキシマ・レーザ再結晶などの方法を使用して高温で再結晶化させることによって製造することが可能である。
【００３３】
アモルファス材料には、他の２つのタイプに勝るいくつかの利点がある。例えば、アモルファス層は、エピタキシャル層よりはるかに速い速度で成膜させることが可能であり、また、化学量論的組成を通して屈折率を制御することが可能である。膜がアモルファスであるため、整列性の良い結晶構造と比較した場合、偏光の依存性は、存在するとしてもごくわずかである。また、多結晶材料に生じる粒界からの散乱は、アモルファス層には生じない。それでも、アモルファス材料には、典型的には欠陥吸収による光損失が存在する。
【００３４】
光学／移動度ギャップに位置する欠陥による光吸収を小さくするために、若干の技法を使用することが可能である。第１の技法は、ダングリング・ボンドを不活性化させるために、成長時に膜に水素添加を施すことである。別の技法は、既に言及した方法を使用して、アモルファス膜層を再結晶化させることである。これにより、バルク中の欠陥吸収の影響を劇的に低減することが可能であるが、その代わりに、利得境界の欠陥による吸収および粒界における散乱が増加する。
【００３５】
上で開示した本発明の態様による実施形態は、従来の光素子に勝る多くの利点を備えている。
この新しい素子は、上で説明したように、従来の半導体工程を使用して基板の表面に製造することが可能であり、そのために多くの素子を基板の各々に製造することが可能であり、基板上での試験機能および低コストの製造を可能にしている。次に、その他の利点および前述の利点の変形形態について考察する。
【００３６】
本発明の態様の原理に従って製造される新しい素子には、広く有効利用されている受動素子の同調可能素子が含まれており、パッケージング・コストが極めて安くなっている。熱光学同調のため、素子の設計が単純で、かつ、同調性の程度が高くなっている。無機半導体材料を使用することにより、大きな熱光学係数および広い動作温度範囲が得られる。直接成膜を含む、両立する多くの成長技法を利用することができる。直接成膜は、少なくとも、高歩留りの可能性の高い自動連続工程を使用した薄膜の製造に関しては有利である。また、直接成膜は、製造が可能な屈折率および厚さの範囲に関しては自由度が大きい。アモルファス半導体材料を使用することにより、滑らかな表面が得られる。材料の選択は自由度が大きい。材料中のダングリング・ボンドを処理するために、ＰＥＣＶＤ工程において直接水素を添加することが可能である。代替方法では、アモルファス材料を、アモルファス前駆体より吸収が小さく、かつ、直接成膜多結晶材料より表面が滑らかな多結晶形態に再結晶化させることが可能である。水素アニーリングによる結晶界面の影響の緩和が可能である。
【００３７】
上で説明したように、１つ以上の加熱層を積層中に統合することにより、極めて速い応答速度、低電力消費、および比較的優れた温度均一性を得ることが可能である。抵抗電気加熱により高密度電力にすることができ、かつ、電力を正確に制御することができる。さらには、加熱層を温度モニタとして使用し得る可能性もある。
【００３８】
上で指摘したように、多結晶半導体層は、アモルファス層として成膜させることが可能であり、また、様々な基板の上部に再結晶化させることが可能である。多結晶半導体層は、様々なポイントで光学薄膜積層中に統合することが可能であり、また、光学的および電気的に慎重な同調が可能である。
【００３９】
アモルファス半導体材料の熱光学特性を利用する能力は、膜の温度を変化させるための、有効で迅速な、適切に制御された方法に依存しているため、室温から約５００℃まで、広い範囲に渡って熱光学層の温度を制御する方法を実現しなければならない。ヒータに類似した他の方法を使用することも可能ではあるが、局部内部加熱は、高分子の場合に実施しなければならないような環境全体ではなく、薄膜自体の積層内の加熱であって、効率および速度の点で極めて好ましい。好ましい方法は、光学設計の中に統合されている（つまり、規定の厚さおよび屈折率を有している）が、特記なき場合は１３００〜１８００ｎｍの範囲であると想定される使用波長において光学的に実質的に透明であり、かつ導電性であるヒータ膜を、薄膜の積層中、あるいは基板とＴＦＩＣの間、もしくはＴＦＩＣの最終層の上部に設けることである。導電性ＺｎＯまたは関連材料などの他の膜を使用することも可能であるが、最初にアモルファスを成膜させ、続いて炉内での加熱による再結晶化によって形成されたｎ型多結晶シリコンは、優れた選択であることを見出した。
【００４０】
膜を加熱するための可能な他の方法として、例えば、光が強力に吸収されるα−Ｓｉ：Ｈの場合、５００〜９５０ｎｍである波長の光を直接吸収する非電気的方法がある。多モード光ファイバによって供給することが可能な実質的な光電力、例えば数ｍＷの光電力が照射される場合、この非電気的方法によって、光学的に制御される波長可変光フィルタを得ることが可能である。あるいは、既にアイギス（Ａｅｇｉｓ）の特許出願の中で開示されているように、薄膜ＰＩＮセンサの形成が可能であるため、比較的強度の小さい入射光源によって、真性Ｐドープ膜または真性Ｎドープ膜中の電流通路を修正することが可能である。別法としては、半導体スペーサ膜への直接電気接続あるいは光学接続を何ら必要とすることなく、基板温度の制御あるいはフィルタに隣接する抵抗ヒータ・ストリップを使用するなどの外部熱源を利用することも可能である。好ましい材料の本発明の等級内における光学効果、光導電効果、電子効果および熱効果のこの組合せにより、膜の加熱のいくつかの形態も提示されているが、本発明者が意図する主な結果は、導電膜をＴＦＩＣ中に統合することによって達成されている。
【００４１】
これらの方法を使用することにより、熱光学層の屈折率を変化させるために、加熱することによって光学特性を電気的に制御することが可能な、広範囲に渡る様々なＴＦＩＣを構築することが可能である。膜の中には、温度の関数として屈折率が変化する膜もあるため、全体としては、ＴＦＩＣの光挙動特性は温度にも依存しており、また、多かれ少なかれ設計および個々の膜の屈折率に対する感度に強く依存している。これは、様々な熱光学層および非熱光学層を組み込んだＴＦＩＣの場合、所与のスペクトル間隔に対する様々な光学状態の透過、反射あるいは位相シフトが、温度の関数として現われることを意味している。
【００４２】
この範囲内においては、発明全体は、特定の膜の屈折率にとりわけ強く依存しているＴＦＩＣ、すなわち共振空胴を備えたＴＦＩＣのサブセットである。薄膜積層内の光共振空胴の一般的な構造は、ミラー（高屈折率材料と低屈折率材料の４分の１波長を交番させることによって形成されている）とミラーの間にサンドイッチされた空胴（その光学的厚さは、２分の１波長光学的厚さの倍数である）である。４分の１波長および２分の１波長は、共振波長という意味で定義されている。このようなＴＦＩＣの最も単純で、かつ、最も重要な実施例は、単一空胴および２つのミラー構造が組み込まれた波長可変薄膜光フィルタＴＦＩＦの製造である。空胴層単独の４％程度の微小熱光学屈折率変化が、共振効果によって、ほぼ１００％の共振波長に近い有効透過変化をもたらしている。
【００４３】
図４は、熱光学波長可変単一空胴ファブリ−ペロ薄膜フィルタの基本素子構造を示したものである。導電性で、１５００ｎｍにおいて光学的に透明な、厚さを正確に制御することができ、かつ、広い温度範囲に渡って強力な接着性を有するヒータ膜が、光干渉設計の中に統合されている。フィルタ積層そのものは、ミラー層および空胴の、分光エリプソメトリによって測定したα−Ｓｉ：Ｈ（ｎ＝３．６７）および非化学量論的組成ＳｉＮｘ（ｎ＝１．７７）の２つの材料のみでできている。周知のように、薄膜ミラーは、高屈折率膜と低屈折率膜の交番４分の１波長対として設計され、空胴は、典型的には２個ないし４個である整数の２分の１波長からなっている。α−ＳｉとＳｉＮｘの間の屈折率の対比が大きいため、必要なミラー対の数は比較的少ない。たとえ４対であっても、設計波長においてＲ＝９８．５％の反射率が得られ、５対では、Ｒ＝９９．６％の反射率が得られる。五酸化タンタル（ｎ＝２．０５）および二酸化ケイ素（ｎ＝１．４４）などの従来の誘電体を使用して比較すると、Ｒ＝９９．５％を達成するためには、１０個の４分の１波長膜ペアが必要である。図５は、成膜した実際の膜積層の走査電子顕微鏡写真を示したものである。
【００４４】
図６は、これらの材料によって達成することができる精度を示す、単一空胴フィルタの熱測値を示したものである。６つのミラー・サイクルおよび第四次スペーサ（４つの２分の１波長）を使用した場合の−３ｄＢ幅は、３８８ｎｍの自由スペクトル幅に対して０．０８５ｎｍであり、精度はほぼＦ＝４，５００である。このコーティングの構造は、
基板｜ＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬ８ＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨ｜空気
である。
【００４５】
この記号表記では、文字ＨおよびＬは、膜の４分の１波長光学的厚さを表している。高屈折率層であるＨは、α−Ｓｉ：Ｈ（Ｈは、水素を意味している）であり、低屈折率層であるＬは、α−ＳｉＮｘである。空胴８Ｈは、８つの４分の１波長すなわち屈折率ｘの厚さ＝２全波長であり、全波長は約１５５０ｎｍである。
【００４６】
熱光学同調性の幅は、フィルタ中のどの層が熱光学的に活性であるかによって決まる。ファブリ−ペロの共振条件は、
ｎｔ−ψλ／２π＝１／２ｍλ
である。ここで、ｎ＝スペーサ屈折率、ｔ＝空胴厚さ、ｍ＝次数、ψ＝ミラーでの位相シフト反射、λ＝共振波長である。この条件は、ミラー内の高屈折率層を熱光学性にすることによってフィルタの同調がある程度可能であることを意味している。図７は、ミラーを高屈折率層にした場合、スペーサのみにした場合、あるいはすべての高屈折率層を熱光学性にした場合の予想効果を示したものである。
【００４７】
図８は、アモルファス・シリコン・スペーサおよび誘電体ミラーを備えたフィルタ（イオン・アシスト・スパッタリングによって成長した五酸化タンタル高屈折率層および二酸化ケイ素低屈折率層、ミラーの反射率Ｒ＝９８．５％）を、オーブン中で２５℃から２２９℃まで加熱した場合の熱による同調を示したものである。同調は、約１５ｎｍすなわちｄλ／ｄＴ＝０．０８ｎｍ／Ｋである。
【００４８】
図９は、すべてＰＥＣＶＤ膜でできた、スペーサだけではなく、ミラー高屈折率層にもアモルファス・シリコンを使用したフィルタの熱光学同調性を示したものである。４つの周期ミラーを備えたこのフィルタには、さらに、膜積層の内部を加熱するための導電性ＺｎＯ層が組み込まれている。内部加熱により、はるかに高い局部膜温度を達成することが可能であり、この実施例の同調幅は３７ｎｍである。膜内の温度を正確に測定することは困難であるが、ＺｎＯ膜に流れる電流は０〜１００ｍＡであり、４００℃を超える予想温度に相当している。
【００４９】
本発明者は、様々なスペーサ合金およびフィルタ設計を使用することにより、０．０８〜０．１５ｎｍ／°Ｋの同調係数および４０ｎｍを超える総合同調幅を観察している。一方、従来の静的薄膜フィルタ技術は、高ＣＴＥ基板を使用することによって部分的に達成される、少量の熱光学同調を補償するための、熱変化の中心波長が０．０００５ｎｍ／°Ｋ未満の狭帯域ＷＤＭフィルタを得ることを目的としている。したがって、アモルファス半導体膜、最適化されたＰＥＣＶＤ成膜、熱的に最適化された基板および内部ヒータ膜を使用することにより、熱制御が最大化され、典型的な固定ＷＤＭフィルタより約３００倍大きい熱光学同調性が得られる。この手法は、本発明者の知る限りは初めて、部品を移動させることなく全ＷＤＭのＣバンド１５２８〜１５６１ｎｍに対する同調が可能な薄膜ファブリ−ペロ・フィルタを提供している。
【００５０】
以下、本発明者が現時点で得ている結果を要約する。
単一空胴熱光学フィルタによって達成される特性の幅は、次のように要約することができる。
【００５１】
ＦＷＨＭ幅：０．０８５ｎｍから２ｎｍまで
精度幅：１５００から４５００まで
同調可能帯域：＞４０ｎｍ
挿入損失幅：設計に応じて０．２〜４ｄＢ
同調速度：全幅に対して５ｍｓ
これらは、波長可変単一空胴ＴＦＩＦによって現時点で得られる最良の結果であると思
われるが、上で説明した方法による熱光学波長可変ＴＦＩＦは、可能動作特性の幅を大きく拡大する多重空胴設計も可能である。ここで立証したフィルタは、次の構造に基づく比較的単純な２空胴設計である。
【００５２】
基板｜ＨＬＨＬＨＬ４ＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬ４ＨＬＨＬＨＬＨ｜空気
ここで、２つの空胴はそれぞれ４Ｈであり、中央Ｌ層は、二重ファブリ−ペロ構造間の結合層である。図１０は、このフィルタを熱同調させた結果を示したもので、２５〜２１３℃の温度範囲に対する平頂点の平坦な特性および約１５ｎｍの同調が示されている。本発明者の知り得る限りでは、これは、これまでに立証された始めての広範囲に渡る同調が可能な多重空胴ＴＦＩＦである。以上により、例えば動的利得等化器、同調可能分散補償器等の様々な非帯域通過設計を含む多くの、より精巧な構造が可能であることは明らかである。
【００５３】
図１１に示すように、適切なヒータ膜の実施例は、１５００ｎｍ近辺の光通信波長における光吸光率の小さいＮドープのポリシリコン２０１である。別法としては、図１２に示す統合加熱層３０１を基板中に形成することができる。加熱層は、例えば、結晶質シリコン基板を選択的にドーピングすることによって形成することができる。１つ以上の同調可能層４０３、または１つ以上のヒータ層４０４のいずれかを、基板等に隣接する積層中の任意の位置に設けることができる。当分野では、最大２００またはそれ以上の層を備えたＴＦＩＣが知られているが、それらは熱光学的な同調が可能ではない。従来技術では、ＴＦＩＣは、期待動作温度範囲に亘っての通過帯域の中心波長の波長変化を０．０１ｎｍ未満に小さくするべく設計されている。
【００５４】
次に、フィルタの中心周波数を温度によって制御するためのいくつかの代替形態について説明する。制御は、以下に示す方法を含む多くの方法によって達成することが可能であるが、それには限定されない。
【００５５】
光学層が設けられた基板全体を加熱することが可能である。この手法は、温度調整を高速で実施する必要がない応用に適用されるが、基板の熱質量が比較的大きいため、加熱および冷却の両方における温度変化率が限定される。この限定は、高速同調すなわち迅速な温度変化を必要とする応用では歓迎されない。このような応用には、より正確で、かつ、効率的な加熱方法が必要である。
【００５６】
例えば、光の行路内ではないが、光の行路に極めて近接して配置された個別の加熱部品を使用することが可能である。加熱部品には、例えば、光の行路を取り囲む抵抗リングを使用することが可能であるが、このような実施形態については、以下で説明する。熱は、基板または隣接する他の層を介して熱光学層（ＴＯＬ）に伝達され得る。
【００５７】
別法としては、加熱部品は光学積層自体内の層であり、かつ、光の行路内に配置される。これにより、加熱層とＴＯＬの間の接触が密になり、極めて効率的に熱が提供される。熱は、極端な迅速性を必要とする部分に供給される。この構造を使用することにより、摂氏数百度の温度変化が１００ｍｓｅｃ未満で達成される。
【００５８】
熱を発生させるためのいくつかの方法を使用することが可能である。これらの方法には、光学加熱、横方向ジュール加熱つまり構造の側面からの熱の印加、およびｚ軸ジュール加熱つまり透過すなわち構造のｚ軸に沿った熱の印加があるが、それらに限定されない。光学加熱の場合、その素子に適用される信号周波数のうちの１つ以外の周波数で動作するレーザなどの光源を、ＴＯＬ上またはＴＯＬの近傍に導くことが可能である。ＴＯＬあるいは１つ以上の隣接する層によって光パワーが吸収されることよって熱が生成され、その結果、ＴＯＬおよびＴＯＬに隣接する領域の温度が上昇する。
【００５９】
ジュール加熱による方法は実施が容易であるため、極めて魅力的な方法である。例えば、一枚の抵抗（Ｒ）材を通して電流（Ｉ）を縦方向または横方向に流すことが可能である。電力（Ｐ）が熱の形で、抵抗部品によって接続領域に放出される（Ｐ＝Ｉ２Ｒ）。例えば、このヒータ層のすぐ上に同調可能光学層を配置することにより、迅速な温度変化を得ることが可能性がある。本発明者が横方向の電流を使用して製造した素子は、この手法を使用することにより、摂氏数百度の変化を１０ｍｓｅｃの短い時間で達成している。
【００６０】
抵抗材料には、例えば、金属、真性またはドープ半導体、あるいは導電性酸化物が可能である。抵抗材料は、所望の電力を伝達するための十分な導電率を有していなければならない。光の行路内に置かれる統合ヒータの場合、ヒータ材料も同じく適切な光学特性すなわち屈折率、厚さ、吸収等を有していなければならない。また、ヒータ層は、剥離または破砕することなく、ヒータ層が発生する高温に耐えることができなければならない。
【００６１】
これらの熱光学素子のための基板材料は、所望の熱特性および光学特性の両方を満足する材料を選択しなければならない。適切な材料にはシリコンウェハ、溶融石英およびサファイヤがあるが、それらに限定されない。また、生成され、かつ、同調可能光学層に伝達される熱は、通常、他の体積物、特に基板に伝達される。したがって、基板にヒート・シンクと同様の機能を持たせることも可能である。例えば、基板の熱伝導率が大きい場合、ＴＯＬの温度を上昇させるためには、基板の熱伝導率が小さい場合より多くの熱を発生させなければならない。基板は、加熱された層の熱損失に影響を及ぼすため、熱光学層全体の温度プロファイルにも影響を及ぼす。そのために、素子の光学性能、例えば波長可変薄膜フィルタの帯域幅が影響を受けることになる。ＴＯＬへの熱の伝達を最大にする必要がある場合、良好な熱絶縁体、例えば溶融石英を使用することが可能である。迅速な温度変化が要求される場合は、熱伝導率がもっと大きい基板、例えばシリコンウェハが望ましい。
【００６２】
このような同調可能コーティングの設計は、意図する目的によって様々である。例えば、ソフトウェアスペクトラインコーポレイテッド社（Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ，Ｉｎｃ．）によって製造されたＴｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｃａｌｃなどの工業規格薄膜設計ソフトウェアを使用した設計計算の場合、設計は、１つ以上の屈折率同調可能膜の屈折率に対する様々な値を使用して作成される。動作に関しては、素子は、１つ以上のヒータ層に電流を流すことによって、これらの設計状態間が同調や走査される。
【００６３】
膜積層を成膜する方法は、当分野で知られているように、使用する材料および所望する特性によって異なる。適切な方法には、電子ビーム成膜あるいはイオン・アシスト・スパッタリングなどのプラズマ気相成長（ＰＶＤ）法、熱ＣＶＤあるいはプラズマ・アシストＣＶＤ（ＰＡＣＶＤ）などの化学気相成長（ＣＶＤ）法、低温ＣＶＤ（ＬＴＣＶＤ）及びその他の等分野で知られている技法があるが、それらに限定されない。次に、素子の製造方法について、以下、１つの設計を要約した後、いくつかの追加代替形態を含めてさらに考察する。
【００６４】
本発明者の研究所では、本発明による、プラズマ増速化学気相成長（ＰＣＶＤ）蒸着およびα−Ｓｉ：Ｈ、ポリ−ＳｉおよびＳｉＮの膜を使用した素子について、室温から４００℃変化させた場合の大きな温度偏りに対して、不良を生じることなく存続し続けるか否かを観察した。この観察の結果、このような大きな熱衝撃に耐え得る素子の機能が完全であったことは驚きであり、また、完全には理解されていないが、層間の粘着が極めて強く、かつ、熱により発生する応力が比較的小さいことが分かった。薄膜の微小体積に集中したこのような極めて大きい温度変化は、α−Ｓｉに対して上で述べた大きなｄｎ／ｄＴと組み合わせると、薄膜の屈折率変調が大きく、α−Ｓｉの場合、最大Δｎ／ｎ＝０．０４であることを意味している。この大きさの屈折率変化は、膜のスペクトル特性を大きく修正することが可能なファブリ−ペロ設計などの共振構造には非常に有用であるが、非共振設計であっても、フィルタ特性を大きく変化させることが可能である。この発見による結果の１つは、薄膜構造の熱質量が小さく、かつ、必要な温度範囲が広いため、極めて速い同調速度の達成が可能なことである。また、外部冷却を必要とすることなく達成することが可能であり、統合ヒータ層を使用することにより、素子全体の温度を比較的優れた均一性で制御することが可能である。
【００６５】
上で開示した本発明の態様による実施形態は、従来の光素子に勝る多くの利点を備えている。
この新しい素子は、上で説明したように、従来の半導体工程を使用して基板の表面に製造することが可能であり、そのために多くの素子を基板の各々に製造し得る可能性があり、基板上での試験機能および低コストの製造を可能である。次に、その他の利点および前述の利点の変形形態について考察する。
【００６６】
本発明の態様の原理に従って製造される新しい素子には、広く有効利用されている受動素子の同調可能バージョンが含まれており、パッケージング・コストが極めて安くなっている。熱光学同調のため、素子の設計が単純で、かつ、同調性の程度が高くなっている。無機半導体材料を使用することにより、大きな熱光学係数および広い動作温度範囲が得られる。直接成膜を含む、両立する多くの成膜技法を利用することができる。直接成膜は、少なくとも、潜在的に歩留りの高い自動連続工程を使用した薄膜の製造に関しては有利である。また、直接成膜は、製造が可能な屈折率および厚さの範囲に関しては自由度が大きい。アモルファス半導体材料を使用することにより、滑らかな表面が得られる。材料の選択は、極めて自由度が大きい。。材料中のダングリング・ボンドを処理すべく、ＰＥＣＶＤ工程において直接水素を添加することが可能である。代替方法では、アモルファス材料を、アモルファス前駆体より吸収が小さく、かつ、直接成膜多結晶材料より表面が滑らかな多結晶形態に再結晶化させることが可能である。水素アニーリングによる結晶界面の影響の緩和が可能である。
【００６７】
上で説明したように、１つ以上の加熱層を積層中に統合することにより、極めて速い応答速度、低電力消費、および比較的優れた温度均一性を得ることが可能である。抵抗電気加熱により、密度の高い電力を伝達可能であり、かつ、電力の伝達を正確に制御することができる。さらに、加熱層を温度モニタとして使用し得る可能性もある。
【００６８】
上で指摘したように、多結晶半導体層は、アモルファス層として成膜することが可能であり、また、様々な基板の最上部で再結晶化させることが可能である。多結晶半導体層は、様々なポイントで光学薄膜積層中に統合することが可能であり、また、光学的および電気的に慎重な同調が可能である。
【００６９】
最後に、溶融石英または水晶の基板は、光損失が比較的小さく、光学層または加熱層の再結晶化に使用される高温に耐えることが可能であり、また、熱伝導率が小さく、素子の電力消費を低減する。
【００７０】
上で説明した本発明の態様を使用した同調可能ＴＦＩＣは、次に説明する製品、システムおよび応用に組み込むことができる。以下で説明する各製品、システムあるいは応用のＴＦＩＣ部品は、本明細書において下記で説明する１つ以上の内部膜の屈折率を熱光学的に変化させることによって同調させることが可能である。先ず、いくつかの代表的な素子には以下が含まれている。
・単一空胴ファブリ−ペロ設計の、中心波長が波長に同調される波長可変狭帯域フィルタ、および同調可能膜であるスペーサ。
・多重空胴ファブリ−ペロ設計の、特定の稠密型ＷＤＭ機能に適したスペクトル形状を備えた波長可変狭帯域フィルタ、およびいくつかあるいはすべてが同調可能膜であるスペーサ。
・波長可変アッド／ドロップ・フィルタ。「アッド／ドロップ」フィルタは、１つの個別ＷＤＭチャネルをアッドまたはドロップし、かつ、他のチャネルを妨害することなく通過させるようにパッケージされた光ファイバ遠隔通信用狭帯域フィルタである。波長可変アッド／ドロップとは、アッディングまたはドロッピングの波長が同調可能であることを意味している。
・波長可変偏光子フィルタ。偏光子フィルタは、通常、入射光に対して一定の角度で配置される、波長に応じて優先的に光を透過／反射させるＴＦＩＣである。波長可変偏光子フィルタを同調させるという意味は、最大偏光波長に同調させること、あるいは固定波長で複屈折を同調させることを意味している。
・同調可能レーザ（ＶＣＳＥＬＳまたは端面発光レーザもしくは外部空胴レーザと統合した）。これは、部品を移動させることなくレーザを波長に同調させることができることを意味している。ＶＣＳＥＬＳの場合、ウェハスケールでの波長可変フィルタの統合が可能である。
・動的利得等化器。動的利得等化器は光ファイバ遠隔通信ネットワークに使用され、バンド（Ｃバンドなどの）全体のスペクトル減衰を個別に調整することによって、利得または光パワーをＷＤＭスペクトルにおける異なる波長で平衡させる。同調可能とは、１つ以上の熱光学波長可変フィルタによって、減衰の様々なビンを個別に、典型的には連続的に変化させることが可能であることを意味している。
・同調可能色分散補償器。色分散は、特に４０Ｇｂ／ｓのデータ転送速度のファイバ・ネットワークに出現する、長い経路長全体に渡ってパルスが広がる問題である。補償器は、逆符号の分散によってこれらの影響を平衡させるために導入される。同調可能補償器は、可変性ネットワーク条件を調整するための、分散勾配が同調可能であるＴＦＩＣ（ＴＦ全域通過フィルタなど）である。
・同調可能偏光分散補償器。偏光分散は、ファイバ中における複屈折の変化をもたらし、それによりパルスの拡大化が誘発される原因となるファイバ環境条件の変化を意味している。同調可能ＴＦＩＣ補償器は、補償量を調整できるように設計されている。
・可変減衰器。同調可能ＴＦＩＣは、特定の波長幅の可変減衰（透過モードまたは反射モードにおける）を提供するべく構成されている。このような素子は、一般に、光通信ネットワークおよび他の応用に有用である。
【００７１】
上で説明した１つ以上の特徴を備えた多くのこのような構造について、さらに詳細に説明する。
波長可変帯域通過フィルタ
図１３は、透明導電電極膜１３０１、１３０２のパターン、頂部および底部ミラー積層１３０４、およびＳｉウェハ１３０６上の自己加熱熱光学空胴材１３０５を備えたフィルタ１３００の構造を略図で示したものである。端子１３０７、１３０８、透明導電層１３０９、１３１０、および空胴層１３０５を通って流れる電流Ｉによって層１３０５が抵抗加熱され、それにより層１３０５の屈折率が同調される。各ミラー積層１３０４の高屈折率層および低屈折率層の数、および他の設計パラメータの選択は、設計同調幅を考慮した上で、適切な任意の設計方法に従って選択される。図１４は、構造１４００を示したもので、透明導電電極は使用されず、また、電流Ｉは、膜１４０１の平面に導かれている。この実施形態では、ミラー積層１３０４は、当分野で知られている構造を含む適切な任意の薄膜構造を持つべく構成されている。空胴材１４０１の屈折率は熱によって同調される。以下で考察する同調エネルギーの代替源は、光エネルギーの制御波長である。
【００７２】
複数の空胴が膜積層に組み込まれた多重空胴ファブリ−ペロ設計を使用することにより、単一空胴のローレンツ形状より頂部が平坦で、かつ、立上りおよび立下りが急峻な光帯域通過特性を得ることが可能であることは、当分野で知られている。図１５は、複数のスペーサ１５０１、１５０２および各スペーサへの電気接点１５０３、１５０４、１５０５を備えた膜積層１５００を示したものである。この設計は、抵抗自己加熱をもたらすべく、同調可能スペーサ１５０１、１５０２の平面に同調電流Ｉを導いている。
【００７３】
周囲動作点の周りに４００℃の最大温度変化が達成され、また、すべての層および基板の熱伝導率に適切な注意を払い、かつ、剥離および歪みを回避することにより、適切な屈折率変化が提供される。一般的に、ヒート・シンクを提供するためには、Ｓｉまたはサファイヤなどの熱伝導率の大きい基板が望ましく、安定した動作のためには、素子およびパッケージの熱管理が重要である。また、構造を室温近辺に冷却する必要性を除去するためには、高い周囲温度（例えば８０℃）で、外部制御を介して構造全体を動作させることも有利である。
【００７４】
抵抗加熱の代わりに、あるいは抵抗加熱に追加して、レーザ・ビームによって、あるいは光ファイバを介して、もしくは膜を照射するために取り付けられた、局所配置ＬＥＤによって、フィルタの同調に使用される制御光を直接伝達することができる。
【００７５】
図１６は、ＷＤＭ光ネットワークのための同調可能アッド／ドロップ・マルチプレクサの応用における、若干の修正が施されたフィルタ１６００の使用を略図で示したものである。フィルタ１６００は、既に明記した光学的厚さを維持するために、すべての膜の物理厚さを係数ｃｏｓ（θ）だけ薄くすることにより、ゼロではない入射角θ、例えば５〜１０°で使用すべく設計されている。この角度は、実質的な偏光依存関係が導入されないよう、つまり公称仕様０．２ｄＢ未満が維持されるよう、十分に小さい角度でなければならない。入力ポート１６０１にもたらされる透過波長はドロップされ、ドロップ・ポート１６０２を通過する。残りの波長は、反射してポート１６０３を通過する。必要に応じて、図に示すように、第４のポート１６０４を追加することにより、アッド波長を使用可能することができる。本発明の利点は、通常の固定の静的フィルタの代わりに同調可能エレメントを使用するのではなく、ミラーを修正することにより、既存の厚膜アッド／ドロップ・フィルタ設計のための従来の実装方法および構成方法を使用することができることである。
【００７６】
上で説明したアッド／ドロップ・フィルタの線形アレイまたは長方形アレイは、例えば１６×１６θ２５６個の個別同調可能ドロップ・ポートを単一集積素子中に提供するべく、ウェハ・スケールでの製造およびユニットとしてのアセンブルが可能である。
【００７７】
可変光減衰器（ＶＯＡ）
固定波長λのレーザ信号を与えることにより、図１７に示すような、波長λにおける透過が、フィルタを同調させることによってダイナミックレンジで１７ｄＢを超えて変化するフィルタ特性を設計することができる。フィルタは、第１の温度では第１の伝達特性１７０１で動作し、第２の温度では第２の伝達特性１７０２で動作する。このフィルタは、重要な波長、例えば１５５０ｎｍのＶＯＡを構成している。ＶＯＡ応用の場合、狭帯域幅フィルタ設計を加減することにより、準線形応答を提供することができる。図１７に示す可変特性を生成するための設計は、次の通りである。
【００７８】
（ＨＬ）＾４Ｈ（ＨＬ）＾４Ｈ
Ｈはα−Ｓｉの高屈折率層であり、ＬはＳｉＮの低屈折率層である。このタイプのＶＯＡにより、約３０ｎｍのバンド内の任意の所与のチャネルに可変減衰が適用されるが、すべてのチャネルに同時に一様に適用することはできない。
【００７９】
同調可能検出器、分光計またはチャネル・モニタ
スペーサ層として使用され、かつ、熱光学屈折率変調源としての電流および照射によって制御される光伝導体またはＰＩＮフォトダイオードは、依然として検出器としての機能を保持している。
【００８０】
共振波長ではＰＩＮ膜中に大きな電界強度が生成されるために光感度が著しく増進されるが、共振波長以外の波長では増進されない。したがって、すべての重要な機能が数μｍの薄膜内に存在する波長同調可能光検出器すなわち分光計として挙動する素子の設計が可能である。このような素子の重要な応用の１つは、例えば、狭帯域フィルタを使用してＣバンド１５３５〜１５６５ｎｍ全体を走査することにより、ＷＤＭ光ファイバ・ネットワークの様々な波長チャネルのチャネル光のパワー・レベルをモニタすることである。
【００８１】
光感度は、逆バイアスＰＩＮ検出器を使用して最大化することができる。分光計の好ましい実施形態では、外部加熱を使用して、検出および熱光学制御メカニズムに関連する光電流を分離するためにフィルタを同調させる。検出による光電流は十分に小さく、光電流自体が熱による同調の大きな原因にはならないことを前提としている。
【００８２】
別法としては、このような同調可能検出器の設計および動作が、例えば１５２５〜１５６５ｎｍの信号光が存在することによってもたらされる比較的小さい光電流応答と、それとは別に、フィルタを熱光学的に同調させるために使用される比較的大きい電流すなわち光電流とを区別することができるようになっている場合、内部電流温度制御を使用することもできる。区別するための方法の１つは、センサの電子帯域幅の範囲内であり、かつ、熱光学同調に使用される電流すなわち光電流のいかなる変動周波数よりも高い「搬送」周波数として信号光を変調することである。光電流信号を変調周波数で増幅する「ロックイン増幅」により、より大きい低周波電流すなわち光電流から微小高周波光電流を分離することができる。
【００８３】
同調可能ＶＣＳＥＬまたは他のレーザ
上で説明した波長可変フィルタ部品は、様々なタイプのレーザと共に使用することにより、集積波長同調可能レーザの構築が可能である。
【００８４】
ＶＣＳＥＬレーザ・アレイは、ファブリ−ペロ構造、分子線エピタキシャル成長または他の方法によって構築されたミラー積層、利得領域および第２のミラー積層を備えた、ウェハ上に製造される。第２のミラー積層を、上で説明した熱光学フィルタを連続成膜した第１のミラーと見なすと、自立型フィルタの場合と同様、ウェハのスペーサ層部分に、薄膜（ＨＬ）最終（第３オーバオール）ミラー積層に続いて薄膜半導体を直接成膜することができる。この場合、レーザ素子は、一方がそれ自体レーザであり、もう一方が熱同調可能出力ミラーである２つの結合空胴からなることになる。したがって素子全体を出力波長に同調させることができる。
【００８５】
様々なタイプの非ＶＣＳＥＬレーザを使用して、レーザとただ１つの空胴ミラーを、同じく出力ミラーのみを有する薄膜波長可変フィルタ中に組み合わせることにより、外部空胴同調可能レーザを構成することができる。この場合、このレーザ・システムは、基本的に、ミラー−利得媒体−同調可能スペーサ層−ミラーからなり、スペーサ層を熱制御することによって波長に同調させることができる。
【００８６】
偏光制御
偏光モード分散を補償するためには、ＷＤＭネットワークには偏光検出および制御が必要である。薄膜偏光子は、入射する光に対して一定の入射角で配置された薄膜フィルタからなっており、したがってＳ偏光が主として透過し、Ｐ偏光が主として反射する。あるいはその逆に、Ｓ偏光が主として反射し、Ｐ偏光が主として透過する。
【００８７】
図１８は、５６．５°で照射されたフィルタの、２つの条件１８０１、１８０２でのＰ透過率を示したものである。フィルタは、合計４３層の２つの材料からなっており、そのうちの２１層は、Ｈ＝ＣＤＳで示す層であり、２２層は、Ｌ＝ＳｉＯ２で示す層である。２つの曲線１８０１、１８０２は、２１層のすべてのＨ層を通した熱光学効果をシミュレートするために、Ｈ層の屈折率を２％だけ変化させた場合の効果を示している。このような効果は、層を通って流れる電流ではなく、外部加熱によってもたらされている。この屈折率変調の場合、１５５０ｎｍにおけるＰ透過率は、特性１８０１の場合の９９％から特性１８０２の場合の５０％まで変化している。
【００８８】
図１９は、波長可変薄膜ファブリ−ペロ・フィルタの可能レイアウトの１つを示したものである。金属パッド１９０１は、フィルタ１９０３を加熱するリング形薄膜金属抵抗１９０２への外部電気接触を可能にしている。リング形抵抗１９０２の直径は約３００〜５００μｍであり、あるいは他の任意の適切なサイズにすることもできる。図２０は、図１９のフィルタの線２０−２０に沿った断面を示したものである。この構造には、誘電体薄膜ミラー・積層２００１、この場合は熱同調可能材料であるファブリ−ペロ空胴層２００２、および抵抗リング１９０２が含まれている。
【００８９】
接触パッド１９０１を使用して抵抗ヒータ１９０２に電流を流すことにより抵抗熱が生成され、それにより空胴層の光学特性が変化してフィルタが同調される。光は、能動フィルタ領域である抵抗ヒータ１９０２の中央の孔を通って移動する。このタイプのヒータは、必要な熱を生成する十分な電流を流すことができる任意の材料を使用して構築することが可能である。例えば、厚さ１００ｎｍのクロム膜でできた直径３００μｍ、幅５０μｍのリング形ヒータの場合、約１０オームの抵抗を有することになる。放出される抵抗電力は、Ｐ＝Ｉ２Ｒで与えられる。仮に、フィルタを十分に加熱し、所望の同調幅を得るために１ｍＷが必要であると仮定すると、加熱部品の両端間に３．２Ｖの電圧を印加することにより、０．３２ｍＡおよび１ｍＷの電力が生成される。この素子全体、および以下で考察する抵抗加熱部品を備えたすべての素子構造は、冷却して一定の低温に維持される、Ｔ／Ｅクーラに取り付けられたヒート・シンクへの取付けが可能である。
【００９０】
この加熱方法は、加熱部品が能動層により近接しているため、上で説明した外部ヒータより有効である。この加熱方法により、加熱および同調がより速くなり、かつ、電力消費が低減される。また、部品自体の材料が温度に対して安定でない限り、このタイプの加熱部品には基本的な温度制限がないが、熱をヒータの内部端から能動フィルタ領域の中心へ移動させなければならないため、フィルタの全面積に対する温度の均一性に欠けている。ビームは、異なる連続する空胴特性の間で分布するため、この不均一な温度分布により、透過ピークが広くなる。
【００９１】
別法としては、図２１および２２に示すように、重要な波長に対して透明な薄膜抵抗ヒータ２１０１を使用することも可能である。この場合、光の経路内に薄膜抵抗ヒータを配置し、より均一な加熱を提供することが可能である。図２１は、基板とフィルタ積層の間に統合されたこのタイプの加熱部品を備えた波長可変薄膜ファブリ−ペロ・フィルタを示したものである。この構造も、加熱部品２１０１およびフィルタ積層２２０１に電気接触させるための金属パッド１９０１を備えている。遠隔通信産業における応用のためのこのタイプの加熱部品２１０１は、酸化亜鉛、インジウム・スズ酸化物、アモルファスのドープ薄膜、微結晶または多結晶半導体等々などの複数の透明導体のうちの１つでできている。これらの透明導体の抵抗率は最も純粋な金属の抵抗率より大きいため、抵抗電力密度を最大化するために加熱部品２１０１を極めて小さくし、例えば、約５００μｍ×５００μｍあるいは他の任意の適切なサイズにすることが可能である。
【００９２】
半透明抵抗ヒータのための可能な他の材料は、ドープ結晶質シリコンまたは他のいくつかの半導体結晶である。その場合、フィルタ基板は結晶質半導体ウェハであり、フィルタは、ドープ領域の頂部に製造されることになる。当然のことではあるが、真性半導体およびドープ半導体は、いずれもファブリ−ペロ・フィルタを通過する重要な波長に対して透明でなければならず、したがって、光信号に対する不要な損失あるいは改変は存在しない。
【００９３】
図２３〜３０は、その他のヒータ構造を示したものである。部品は、図１９〜２２に示す構造に関連して既に説明した部品である。
例えば、図２３および２４に示す構造は、図２１および２２に示す構造に類似しているが、積層の底部ではなく、積層の頂部に抵抗層２１０１を備えている。図２５および２６は、基板２６０１のドープ領域としての抵抗層２５０１を示したものである。図２７および２８は、図２１〜２４に示す構造を組み合わせた、頂部および底部ヒータ２１０１を備えた構造を示したものである。最後に、図２９および３０は、自己ヒータとしてのスペーサ層２９０１の使用を示したものである。接点１９０１がスペーサ層２９０１上の位置を占め、それによりスペーサ層２９０１との接触を可能にするべく、頂部ミラー３００２のサイズが縮小されていることに留意されたい。
【００９４】
以上、本発明について、本発明の多数の特定の実施形態を参照して説明したが、当分野の技術者には、本発明の範囲に帰する多くの改変は明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の各請求項の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】透過光熱偏向分光学（ＰＤＳ）および０．８ｅＶに相当する１５００ｎｍの波長における定光電流法（ＣＰＭ）によって測定した結晶質シリコンおよび低損失アモルファス・シリコンの吸収を示すグラフ。
【図２】ＰＤＳおよびＣＰＭによって測定した低損失α−Ｓｉ：Ｈの吸収を示すグラフ。
【図３】アモルファス・シリコン（下側のトレース）およびシリコン−ゲルマニウム合金（上側のトレース）の屈折率対温度を示すグラフ。
【図４】ＺｎＯまたは多結晶シリコンのヒータ膜、アモルファス・シリコンと窒化シリコンの４分の１波長が交番するミラー、およびアモルファス・シリコンの整数個の２分の１波長スペーサを備えた基本薄膜波長可変フィルタの略図。
【図５】明るい層がアモルファスＳｉであり、暗い層がＳｉＮｘであり、また、線が厚さ４３１ｎｍのスペーサ膜を指している、ＰＥＣＶＤによって蒸着されたファブリ−ペロ・フィルタの実験実施形態のＳＥＭをある角度から見た図。
【図６】単一空胴高フィネス・フィルタの理論と実験とを比較したフィルタ伝達曲線を示すグラフ。
【図７】異なる熱光学層をフィルタ構造に使用した場合の同調性の相異を示す略図。
【図８】加熱によって同調幅を移動するフィルタ伝達曲線を示すグラフ。
【図９】加熱によって同調幅を移動する他のフィルタのフィルタ伝達曲線を示すグラフ。
【図１０】加熱によって同調幅を移動するさらに他のフィルタのフィルタ伝達曲線を示すグラフ。
【図１１】本発明の他の実施形態の側面図。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態の側面図。
【図１３】本発明のさらに他の実施形態の側面図。
【図１４】本発明のさらに他の実施形態の側面図。
【図１５】複数の空胴を使用した本発明のさらに他の実施形態の側面図。
【図１６】アッド／ドロップ・フィルタとして構成された本発明のさらに他の実施形態の側面図。
【図１７】可変光減衰器フィルタの応答を示すグラフ。
【図１８】偏光制御フィルタの応答を示すグラフ。
【図１９】一抵抗ヒータ・レイアウトの平面図。
【図２０】図１９の線２０−２０に沿って取ったレイアウトの横断面図。
【図２１】他の抵抗ヒータ・レイアウトの平面図。
【図２２】図２１の線２２−２２に沿って取ったレイアウトの横断面図。
【図２３】他の抵抗ヒータ・レイアウトの平面図。
【図２４】図２３の線２４−２４に沿って取ったレイアウトの横断面図。
【図２５】他の抵抗ヒータ・レイアウトの平面図。
【図２６】図２５の線２５−２５に沿って取ったレイアウトの横断面図。
【図２７】他の抵抗ヒータ・レイアウトの平面図。
【図２８】図２７の線２７−２７に沿って取ったレイアウトの横断面図。
【図２９】他の抵抗ヒータ・レイアウトの平面図。
【図３０】図２９の線２９−２９に沿って取ったレイアウトの横断面図。
【図１】
2004530928.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２８】
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【図３０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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