(57)【要約】【課題】簡単な構造によりコンパクトな光学素子を提供する。【解決手段】屈折率が異なる二つの第１薄膜２、第２薄膜３を交互に積層した二つの第１反射領域５、第２反射領域６を有し、この二つの第１反射領域５、第２反射領域６の間に基板１よりも大きな熱膨張係数を有する材料からなる膨張領域４を挟んだ共振器構造を備え、温度を変化させることにより膨張領域４の光学長を変化させて、透過又は反射する波長を可変にする。【選択図】図１
2007279534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、屈折率が互いに異なる第１薄膜と第２薄膜を、各々、所望の反射波長帯域の中心波長のｍ／４の光学長（ｍは任意の正の整数）とすると共に、前記第１薄膜及び前記第２薄膜を交互に少なくとも一組以上積層した第１反射領域と、
前記第１反射領域上に形成され、前記基板より大きな熱膨張係数を有する材料よりなる膨張領域と、
前記膨張領域上に形成され、前記第１薄膜と前記第２薄膜を、各々、所望の反射波長帯域の中心波長のｍ／４の光学長（ｍは任意の正の整数）とすると共に、前記第１薄膜及び前記第２薄膜を交互に少なくとも一組以上積層した第２反射領域と
を有する共振器を備えると共に、
少なくとも前記膨張領域の温度を制御する温度制御手段を設け、
前記温度制御手段による温度の変化により、前記膨張領域の厚さを変化させると共に光学長を変化させて、前記共振器を透過又は反射する光のスペクトル特性を制御するようにしたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記膨張領域の熱膨張係数を、前記基板の熱膨張係数より２倍以上大きいものとしたことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光学素子において、
前記第１薄膜又は前記第２薄膜の一方もしくは両方が、前記膨張領域の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有することを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光学素子において、
前記膨張領域の厚さを、前記基板の厚さの１／１０以下としたことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光学素子において、
前記第１薄膜又は前記第２薄膜の一方の薄膜の屈折率を、他方の薄膜の屈折率の２倍以上としたことを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学素子における共振器を、誘電体層を挟んで複数積層したことを特徴とする光学素子。
【請求項７】
半導体により作製されたフォトダイオードを基板とすると共に、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学素子における共振器を、前記フォトダイオード上に形成したことを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、例えば、特定の波長の光を選択的に透過あるいは反射し、かつ、その特定の波長を変化することのできる波長可変光フィルタに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信等の分野においては、ある特定の波長の光のみを透過させる光学素子として、光フィルタが用いられている。特定の波長帯の光を透過させるため、バンドパスフィルタ等とも呼ばれる。近年、光通信分野においては、異なるいくつかの波長の光信号を、一本の光ファイバの中に多重して伝送する波長多重通信方式（ＷＤＭ）が用いられており、例えば、一つの波長の光信号のみを取り出すためにバンドパスフィルタを用いることができる。
【０００３】
多重された異なる波長の光信号の中から、任意の波長の光信号を取り出すためには、波長数分のバンドパスフィルタが必要である。異なるバンドパスフィルタを用意するのは、コストや装置の簡素化の点で問題があるため、透過波長を変化させることができるバンドパスフィルタ、即ち、波長可変フィルタが開発されてきた。このような波長可変フィルタは、通信における伝送信号の選択のみではなく、半導体レーザ等と組み合わせて波長可変レーザを構成したり、マルチチャンネルアナライザの部品としても使用したりすることもできる。
【０００４】
バンドパスフィルタは、例えば、図６のように構成することにより実現できる。
具体的には、バンドパスフィルタは、基板５１上に、屈折率が異なる第１誘電体５２と第２誘電体５３を交互に積層し、その上に、第３誘電体５４を積層後、再び、第２誘電体５３と第１誘電体５２を交互に積層したものである。即ち、第１誘電体５２と第２誘電体５３を交互に積層することにより多重反射鏡とし、基板５１に対して垂直な方向より入射した光のうち、第３誘電体５４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、第３誘電体５４の下部と上部の反射鏡の間で共振するため、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射されることになる。この結果、図７に示すような透過スペクトルを得ることができる。
【０００５】
ここで、第１誘電体５２、第２誘電体５３、第３誘電体５４の屈折率を各々ｎ1、ｎ2、ｎ3、厚さを各々ｄ1、ｄ2、ｄ3とするとき、ある設計波長λ0を中心とした波長域で高反射が得られる多層膜反射鏡を実現するためには、下記条件の式（１）、（２）を満たすようにすればよい。
ｎ1ｄ1＝ｍλ0／４      （１）
ｎ2ｄ2＝ｍλ0／４      （２）
又、この反射鏡を用いた場合に、第３誘電体５４の層を、下記条件の式（３）を満たすようにすることにより、λ0を中心とした透過スペクトルを得ることができる。
ｎ3ｄ3＝ｍλ0／２      （３）
なお、ｍは任意の正の整数である。つまり、これらの層の光学長（屈折率と厚さの積）が、（λ0／４）又は（λ0／２）の整数倍を満たす条件であってもよい。又、第３誘電体５４の層は、第１誘電体５２の層と同一の屈折率を持つ層でもかまわない。
【０００６】
波長可変フィルタとしては、例えば、特許文献１では、同一基板上に、屈折率が異なる２種類以上の膜を重ねると共に膜厚に勾配を持たせて成膜することにより構成している。この構成でも、上記図６のバンドパスフィルタの説明にあるように、各層の厚さに応じて、特定の波長の入射光の反射波が強めあったり弱めあったりする現象を用いることになり、各層の厚さに応じて、フィルタの透過波長が変化することになる。膜厚が厚くなるに従い、透過波長は長波長になるため、光を入射する位置をフィルタ上で物理的に変えることにより、透過波長が変化する波長可変フィルタとすることができる。
【０００７】
又、透過する波長を変化させるためには、光学的な膜厚、即ち、屈折率と厚さの積を変化させてもよい。従って、物理的な膜厚ではなく、屈折率を変化させてもよい。このため、特許文献２には、液晶に電圧をかけることにより屈折率が変化する現象を用いて、透過波長を変化させる構造の波長可変フィルタが記述されている。
【０００８】
又、特許文献３には、１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜である電気光学膜を用い、電圧により屈折率を変化させることにより、透過波長を変化させる構造の波長可変フィルタが記述されている。
【０００９】
又、非特許文献１には、温度が上昇すると屈折率が上昇する量が大きな水素化アモルファスシリコンを用いて、温度により屈折率を変化させて、透過波長を変化させる構造の波長可変フィルタが記述されている。
【００１０】
ところで、ＷＤＭ通信等で使う場合、フィルタの透過スペクトルの形状を工夫する必要がある。ＷＤＭ通信では、近接した多数の波長の信号をまとめて送信するため、フィルタにより一つの波長のみ取り出すためには、透過する波長と透過しない波長の切り替えを急峻にし、透過する波長の透過率を高く保つ、即ち、矩形の透過スペクトルが必要である。図６のように、単一の共振器構造を持つバンドパスフィルタでは、図７の透過スペクトルのように、ある波長に透過スペクトルのピークがあり、なだらかに透過スペクトルが変化する。
【００１１】
一方、図８のように、単一共振器５５、５６を重ね、多重共振器とすることにより、透過特性が急峻になり矩形に近づく。図８は二重共振器の例であり、図６の単一共振器５５、５６を、結合層５７を挟み重ねている。この例では、結合層５７は第２誘電体５３により構成されており、（２）式で表される多層反射鏡と同じ厚さである。さらに多重化する場合には、結合層５７を挟み重ねていけばよい。図９は単一共振器、二重共振器、三重共振器の透過スペクトルである。このように、多重化することにより、スペクトル特性が矩形に近づく。さらに理想的な矩形に近づけるためには、各層の膜厚を完全に式（１）〜（３）に合わせずに、最適化する必要がある。
【００１２】
【特許文献１】特開平８−２２７０１４号公報
【特許文献２】特開平１１−１１９１８６号公報
【特許文献３】特開平２００１−２１８５２号公報
【非特許文献１】２００４年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記文献等に示される波長可変フィルタには、各々、以下に示すような問題点がある。
（１）特許文献１に示される波長可変フィルタの場合には、膜厚をなだらかに変化させるために基板が大きくなってしまい、大きな空間が必要になるとともに、物理的に波長可変フィルタを動かす必要があり、駆動装置が必要となってしまう。
（２）特許文献２や特許文献３で示される波長可変フィルタであったとしても、電気的な効果を用いるために、電極及び配線が必要となる。特に、多重共振器とした場合においては、電極の数も増えるために、加工が煩雑となるという問題がある。
（３）非特許文献１で示される波長可変フィルタの場合、成膜のみで作製できるので作製は容易である。しかしながら、更に、温度による屈折率変化量の増大が必要である点や、成膜した膜厚のみにより透過波長が決定するため、後から中心波長の調整等ができない等の問題がある。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、簡単な構造によりコンパクトな光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する第１の発明に係る光学素子は、
基板上に形成され、屈折率が互いに異なる第１薄膜と第２薄膜を、各々、所望の反射波長帯域の中心波長のｍ／４の光学長（ｍは任意の正の整数）とすると共に、前記第１薄膜及び前記第２薄膜を交互に少なくとも一組以上積層した第１反射領域と、
前記第１反射領域上に形成され、前記基板より大きな熱膨張係数を有する材料よりなる膨張領域と、
前記膨張領域上に形成され、前記第１薄膜と前記第２薄膜を、各々、所望の反射波長帯域の中心波長のｍ／４の光学長（ｍは任意の正の整数）とすると共に、前記第１薄膜及び前記第２薄膜を交互に少なくとも一組以上積層した第２反射領域と
を有する共振器を備えると共に、
少なくとも前記膨張領域の温度を制御する温度制御手段を設け、
前記温度制御手段による温度の変化により、前記膨張領域の厚さを変化させると共に光学長を変化させて、前記共振器を透過又は反射する光のスペクトル特性を制御するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第２の発明に係る光学素子は、
上記第１発明に記載の光学素子において、
前記膨張領域の熱膨張係数を、前記基板の熱膨張係数より２倍以上大きいものとしたことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第３の発明に係る光学素子は、
上記第１、第２の発明に記載の光学素子において、
前記第１薄膜又は前記第２薄膜の一方もしくは両方が、前記膨張領域の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有することを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第４の発明に係る光学素子は、
上記第１〜第３のいずれかの発明に記載の光学素子において、
前記膨張領域の厚さを、前記基板の厚さの１／１０以下としたことを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第５の発明に係る光学素子は、
上記第１〜第４のいずれかの発明に記載の光学素子において、
前記第１薄膜又は前記第２薄膜の一方の薄膜の屈折率を、他方の薄膜の屈折率の２倍以上としたことを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する第６の発明に係る光学素子は、
上記第１〜第５のいずれかに記載の光学素子における共振器を、誘電体層を挟んで複数積層したことを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第７の発明に係る光学素子は、
半導体により作製されたフォトダイオードを基板とすると共に、
上記第１〜第６のいずれかに記載の光学素子における共振器を、前記フォトダイオード上に形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、温度を変化させることにより光学長を変化させることができる膨張領域を設けたので、簡単な構造によりコンパクトな光学素子を提供することができると共に、異なる波長の多数の光信号の中から、所望の波長の光信号を透過又は反射させるスペクトル特性とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る光学素子は、屈折率が異なる二つの薄膜を基板上に交互に積層した反射領域を複数有し、複数の反射領域の間に基板よりも大きな熱膨張係数を有する材料からなる膨張領域を挟んで共振器構造とし、温度を変化させることにより膨張領域の光学長を変化させて、透過又は反射する波長を可変にするものである。
以下、本発明に係る光学素子の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光学素子の第１の実施形態を示す図である。
これは、図６で説明した従来のバンドパスフィルタの構造と類似しているが、用いる膜の材料を選択することで、所望の光学素子（波長可変フィルタ）を構成することができる。
【００２５】
具体的には、本実施形態の波長可変フィルタは、基板１上に、屈折率が異なる第１薄膜２と第２薄膜３を交互に1組以上積層し、その上に、膨張領域４を積層し、膨張領域４の積層後、膨張領域４の上に、再び、第２薄膜３と第１薄膜２を交互に1組以上積層したものである。即ち、第１薄膜２と第２薄膜３を交互に積層することにより多重反射鏡とし、基板１の平面に対して垂直な方向（以降、垂直方向Ｖと呼ぶ。）より入射した光のうち、膨張領域４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、膨張領域４の下部の反射鏡（第１反射領域５）と上部の反射鏡（第２反射領域６）の間で共振するので、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射される。この結果、従来例で説明した図７に示すような透過スペクトルを得ることができる。
【００２６】
第１薄膜２、第２薄膜３、膨張領域４の屈折率を各々ｎ1、ｎ2、ｎ3、厚さを各々ｄ1、ｄ2、ｄ3とし、ｍを任意の正の整数とすると、ある設計波長λ0を中心とした波長域で高反射が得られる多層膜反射鏡を実現するためには、前述した式（１）、式（２）を満たすような屈折率、厚さに各々設定すればよい。又、この多層膜反射鏡を用いた場合に、膨張領域４の層を、前述した式（３）を満たすような屈折率、厚さに設定することにより、λ0を中心とした透過スペクトルを得ることができる。又、これらの層の光学長（屈折率と厚さの積）は、式（１）〜（３）から明らかなように、（λ0／４）又は（λ0／２）の整数倍を満たす条件であってもよい。又、膨張領域４の層は、第１薄膜２の層と同一の屈折率を持つ層でもかまわない。
【００２７】
基板１は、熱膨張係数の小さい材料、例えば、石英とし、膨張領域４は、熱膨張係数の大きい材料、例えば、ポリイミド等の有機材料とする。不純物の割合により異なるが、石英の線膨張係数はおおよそ１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、ポリイミドの線膨張係数は４０ｐｐｍ／Ｋ程度である。そのほか、基板１として半導体を用いる場合、半導体は数ｐｐｍ／Ｋ程度の熱膨張係数であり、ポリイミドの線膨張係数よりも一桁小さい。
【００２８】
基板１の厚さは、第１薄膜２及び第２薄膜３や膨張領域４の厚さに比べて厚くする。例えば、基板１は数百μｍ以上である。第１薄膜２及び第２薄膜３は、透過させたい波長を共振させるため、前述のように、透過波長の反射率が高くなるようにするには、透過波長の１／４波長程度か、もしくは、その整数倍とすればよく、その厚さは数μｍ程度以下となる。膨張領域４の厚さは、透過波長の位相条件を満たすように設計すればよいため、基板１の１／１０以下の厚さである数十μｍ以下というように設定することにより、相対的に基板１を厚くすることができる。
【００２９】
又、基板１のヤング率は、膨張領域４のヤング率に比べて十分大きいことが必要である。ヤング率は変形のしにくさを示す。つまり、逆に言うとヤング率が小さいほど変形しやすい材料である。例えば、石英のヤング率は、不純物にもよるが数十ＧＰａ程度になるが、ポリイミド等の有機材料では数ＧＰａ程度の一桁小さい値である。即ち、基板１よりも膨張領域４が変形しやすい材料を用いる。
【００３０】
上記構成により、基板１の平面に水平な方向（以降、水平方向Ｈと呼ぶ。）における第１薄膜２、第２薄膜３及び膨張領域４の膨張は、基板１の水平方向Ｈの膨張によりほぼ決定されることとなる。従って、膨張係数の大きな材料を用いている膨張領域４は、水平方向Ｈの膨張が抑制され、その分、垂直方向Ｖに伸びることになる。即ち、基板１上に成膜した膨張領域４の線膨張係数をαとし、膨張領域４における垂直方向Ｖの膨張係数をαvとし、基板１の膨張係数をαsubとすると、以下のような式となる。
【００３１】
【数１】
2007279534.tif 000003
【００３２】
例えば、石英の線膨張係数を１ｐｐｍ／Ｋとし、ポリイミドの線膨張係数を４０ｐｐｍ／Ｋとして計算すると、αvは、以下の数値となる。
【数２】
2007279534.tif 000004
つまり、基板１の膨張係数に比べて、大きな膨張係数を持つ材料を膨張領域４の材料として用いることにより、膨張領域４における垂直方向Ｖの膨張を大きくすることができる。
【００３３】
例えば、Ｓｉ（シリコン）の熱膨張係数は、２．４ｐｐｍ／Ｋ程度であるから、基板１としてＳｉを用いた場合のポリイミドの垂直方向Ｖの熱膨張係数αvは１１５ｐｐｍ／Ｋとなる。又、ＩｎＰ（インジウム・リン）やＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）であれば、熱膨張係数は、４．５ｐｐｍ／Ｋと６．０ｐｐｍ／Ｋであるから、これらを基板１として用いた場合、ポリイミドの垂直方向Ｖの熱膨張係数αvは、１１１ｐｐｍ／Ｋ及び１０８ｐｐｍ／Ｋとなり、やはり、もともとのポリイミドの線膨張係数αの値よりも２倍以上大きくすることができる。
【００３４】
即ち、式（４）、（５）の関係からわかるように、基板１上に形成した膜の垂直方向Ｖの熱膨張係数αvが、バルク状態の熱膨張係数αよりも２倍以上大きくするためには、基板１の熱膨張係数αsubよりも２倍以上大きい熱膨張係数αを持つ材料により膨張領域４を形成すればよい。
【００３５】
本実施形態の波長可変フィルタには、少なくとも膨張領域４の温度を制御する温度制御手段（図示せず。）が設けられており、温度制御手段により少なくとも膨張領域４の温度を上昇させることにより、膨張係数の大きな膨張領域４の厚さを厚くすることができる。これにより、膨張領域４の光学長が物理的に長くなるため、透過波長が長波長にシフトして、所望のスペクトル特性に制御することができる。即ち、温度制御により透過波長を変化させられる波長可変フィルタとすることができる。
【００３６】
なお、膨張係数の大きな材料の多くは、膨張に伴い屈折率が低下する。これにより光学長は短くなるため、本実施形態の原理を考えると不利に働く。しかし、本実施形態では、基板１の膨張係数より大きな膨張係数を有する材料を膨張領域４に用いることにより、膨張に伴う屈折率の低下を打ち消すことができる。具体的には、上述したように、屈折率低下分を打ち消すため、膨張領域４の垂直方向Ｖの膨張係数αvを、膨張領域４の線膨張係数αの２倍以上とすればよく、膨張係数αvを膨張領域４の線膨張係数αの２倍以上にするためには、基板１の線膨張係数αsubの２倍以上の線膨張係数αを持つ材料を膨張領域４に用いればよい。
【００３７】
本実施形態の波長可変フィルタにおいて、その透過波長は、膨張領域４と、膨張領域４の下の多層膜反射鏡（第１反射領域５）と、その上の多層膜反射鏡（第２反射領域６）とによりなる共振器に共振する波長により決定される。共振波長は、多層膜反射鏡により反射される波長の中で位相条件が満たされる波長、即ち、共振器内を光が一周したときに強め合う波長である。従って、共振器の長さが重要になる。多層膜反射鏡は、反射点が分布している分布反射鏡であるから、単純な厚さでは共振器の長さを定義することができず、この場合、位相を考えた場合の長さを有効長Ｌeffとして考える。有効長Ｌeffは、前述の式（１）、（２）を満たす多層膜の場合、λ0近傍では、反射波の位相遅れをφとし、λ0からの波長ずれ（正確には、伝搬定数のずれ）をδとすると、以下の式により定義できる。
【数３】
2007279534.tif 000005
【００３８】
従って、膨張領域４を挟む上下の多層膜が対称構造である場合には、共振器の長さＬは、以下の式となる。
【数４】
2007279534.tif 000006
【００３９】
本実施形態においては、膨張領域４の膨張により波長を変化させている。従って、透過波長の決定において、膨張領域４の膨張の影響を大きくするためには、多層膜の有効共振器長Ｌeffをできるだけ短くすればよい。
【００４０】
多層膜の有効共振器長Ｌeffを短くするには、ひとつひとつの反射面、即ち、第１薄膜２と第２薄膜３の界面で生じる反射量を大きくすればよい。つまり、多層膜は分布反射により、全体として高い反射率を得るものであるから、ひとつひとつの反射面における反射量が大きくなることにより、より短い距離で反射率が大きくなり、有効長Ｌeffが短くなることになる。
【００４１】
多層膜の有効長Ｌeffを短くすることは、基板１と膨張領域４の間に存在する多層膜の厚さを減らすことにもなる。多層膜が厚いと基板１と膨張領域４の熱膨張係数差による歪が緩和してしまうため、基板１と膨張領域４を近づけることは、基板１の熱膨張係数により膨張領域４の水平方向Ｈの膨張係数を固定する目的においても有利になる。
【００４２】
例えば、Ｓｉ（屈折率３．４）とＳｉＯ2（屈折率１．４５）による多層膜を用いた場合には、Ｔａ2Ｏ5（屈折率２．２）とＳｉＯ2（屈折率１．４５）による多層膜に比べて、少ない層数であっても高い反射率を得ることができる。具体的に３ペアの多層膜で比較すると、Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2の組み合わせでは６０％程度の反射率しか得られないのに対して、ＳｉとＳｉＯ2の組み合わせでは、９５％程度の反射率を得ることができる。従って、屈折率差が２倍程度以上のものを組み合わせる方が反射率向上のためには有効である。又、屈折率の高い膜は、屈折率が低い膜に比べて、同じ厚さであっても光学膜厚が厚くなるため、必要な物理的厚さも薄くなる。これにより、有効長Ｌeffを短くすることができる。
【００４３】
又、透過波長は、膨張領域４の光学長に大きく関係するが、膨張領域４の材料として、例えば、ポリイミド等の有機材料を用いた場合、光学素子作製後に、紫外線もしくは電子線等を照射することで、ポリイミド等の有機材料の屈折率を変化させることが可能である。従って、作製誤差により中心波長が多少ずれてしまっていても、作製後に調整（トリミング）することができる。
【００４４】
作製した波長可変フィルタの温度を変化させる温度制御手段としては、例えば、ペルチェ素子を用いる。そして、熱伝導が可能であり、かつ、膨張領域４が膨張可能なように、ペルチェ素子等の温度制御手段を波長可変フィルタに取り付ける。例えば、薄膜の積層方向（図中の垂直方向Ｖ）に沿って、これら薄膜の周囲に温度制御手段を設ければよく、少なくとも、膨張領域４の温度の制御ができればよい。ペルチェ素子等は、例えば、０℃〜１００℃程度の温度制御が可能であり、温度を上昇させることにより、透過フィルタの透過波長を長波長側に変化させることができる。
【００４５】
図２は、フィルタの透過波長の温度変化を説明する図である。
ここでは、第１薄膜２としてＳｉＯ2、第２薄膜３としてＳｉを用い、第１反射領域５及び第２反射領域６は、それぞれ３ペアの多層膜とし、膨張領域４の垂直方向Ｖの熱膨張係数を１００ｐｐｍ／Ｋに調整した場合のものである。
【００４６】
図２に示すように、基準温度において、透過ピーク波長は１．５５μｍであるが、基準温度＋１０Ｋ、基準温度＋２０Ｋとするに従って、透過ピーク波長が長波長側に移動することがわかる。ここでは、１０Ｋの温度上昇で、およそ１．５ｎｍの波長変化が生じている。
【００４７】
（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る光学素子の第２の実施形態を説明する図である。
第１の実施形態では、膨張係数の大きな材料を共振器構造の中央部の膨張領域にのみ用いているが、本実施形態では、第１の実施形態の図１に説明した光学素子（波長可変フィルタ）のうち、薄膜の全部もしくは一部にも膨張係数の大きな材料を適用するものである。
【００４８】
具体的には、本実施形態の波長可変フィルタは、図３に示すように、基板２１上に、屈折率が異なる第１薄膜２２と第２薄膜２３を交互に積層し、その上に、膨張領域２４を積層し、その上に、再び、第２薄膜２３と第１薄膜２２を交互に積層しており、更に、第１薄膜２２として、膨張係数の大きい材料を用いているものである。なお、本実施形態の図３では、一例として、第１薄膜２２に熱膨張係数の大きな材料を用いているが、第２薄膜２３、若しくは、第１薄膜２２及び第２薄膜２３の両方に膨張係数の大きな材料を適用してもよい。
【００４９】
上記構成においても、第１薄膜２２と第２薄膜２３を交互に積層することにより多重反射鏡としている。そして、基板２１に対して垂直な方向（垂直方向Ｖ）より入射した光のうち、膨張領域２４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、膨張領域２４の下部の反射鏡（第１反射領域２５）と上部の反射鏡（第２反射領域２６）の間で共振するため、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射されることとなる。
【００５０】
第１薄膜２２、第２薄膜２３の厚さは、基板２１よりも十分薄く、基板２１には膨張係数の小さな材料を用いている。そのため、第１の実施形態で説明したように、基板２１に水平な方向（水平方向Ｈ）における第１薄膜２２の膨張が抑えられ、その分、垂直方向Ｖの膨張が増加する。共振器構造の反射を起こす第１薄膜２２を膨張係数の大きな材料とすることにより、温度上昇により薄膜の光学長が長くなるため、反射帯域の中心波長が長波長側に変化し、これにより、透過波長を長波長化することができる。これは、第１薄膜２２に代えて第２薄膜２３を膨張係数の大きな材料とした場合、又は、第１薄膜２２及び第２薄膜２３の両方を膨張係数の大きな材料とした場合でも、同様であり、温度上昇により薄膜の光学長が長くなるため、反射帯域の中心波長が長波長側に変化して、透過波長も長波長化することができる。
【００５１】
本実施形態の波長可変フィルタには、波長可変フィルタ全体の温度を制御する温度制御手段（図示せず）が設けられている。従って、上記構造においては、温度制御手段により波長可変フィルタ全体の温度を上昇させることにより、膨張領域２４の熱膨張による波長変化に加えて、第１薄膜２２の膨張による波長変化も生じるため、温度による波長変化を大きくすることができる。又、第１薄膜２２に代えて第２薄膜２３を膨張係数の大きな材料とした場合でも同様な波長変化が得られ、更に、第１薄膜２２及び第２薄膜２３の両方を膨張係数の大きな材料とした場合では、温度による波長変化を更に大きくすることができる。
【００５２】
第１薄膜２２の材料は、膨張領域２４と同じ材料でもよいし、成膜のしやすさ等を考えて、別の材料としてもよい。熱膨張係数の大きな有機材料は、屈折率が１．５程度の材料が多く、第２薄膜２３をアモルファスシリコン等の屈折率３以上の材料とした場合、大きな屈折率差をとることができ、多層膜のペア数を少なくすることができる。なお、薄膜の膜厚の設計等は、第１の実施形態で説明した原理等をそのまま適用することができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
図４は、本発明に係る光学素子の第３の実施形態を説明する図である。
【００５４】
波長可変フィルタにおいては、透過スペクトルの形状を目的に応じて設計する必要がある。ＷＤＭ通信等では、所望の波長のチャンネルのみ透過させ、そのほかの波長のチャンネルを透過させないようにする必要があるため、矩形の透過スペクトルとすることが望ましい。一般的に、共振器型の波長可変フィルタの場合、共振器を多重結合することにより透過スペクトルを矩形にすることが可能である。
【００５５】
例えば、第１の実施形態の図１で説明したような波長可変フィルタは、一つの共振器から構成されているが、本実施形態においては、いくつかの共振器を縦列に重ねたフィルタ構造とすることにより、透過スペクトルを矩形に近づけることが可能となる。作製においても、多重にすることによって追加される手順は無く、容易に多重化することが可能である。
【００５６】
具体的には、本実施形態の波長可変フィルタは、図４に示すように、第１共振器３７、第２共振器３８を二つ重ねた構造のものである。一つの共振器は、基板３１上に、第１薄膜３２と第２薄膜３３を入射光の４分の１波長程度の厚さとすると共に、それらを交互に積層した第１反射領域３５と、膨張領域３４と、第２薄膜３３と第１薄膜３２を入射光の４分の１波長程度の厚さとすると共に、それらを交互に積層した第２反射領域３６とより構成される。これは、第１の実施形態の図１において説明した波長可変フィルタと同様な構造であるため、第１の実施形態で説明した原理、膜厚、材料等は、そのまま適用できる。
【００５７】
又、本実施形態の波長可変フィルタには、波長可変フィルタ全体、若しくは、少なくとも、膨張領域３４の温度を制御する温度制御手段（図示せず。）が設けられている。従って、上記構造においては、温度制御手段により、波長可変フィルタ全体、若しくは、少なくとも、膨張領域３４の温度を上昇させることにより、膨張係数の大きな膨張領域３４の厚さが物理的に厚くなる。これにより、膨張領域４の光学長も長くなるため、透過波長を長波長側にシフトすることができる。
【００５８】
そして、結合層３９を挟み、第１共振器３７、第２共振器３８を重ねることにより、前述の図９に示すような急峻な透過スペクトルを得ることができる。この結合層３９は、第２薄膜３３の材料と同じ材料により構成すればよい。さらに所望の透過スペクトル形状を得るためには、重ねる共振器の数を増加してもよい。例えば、図９に示すように、共振器構造を重ねて、単一共振器から二重共振器、三重共振器へとするに従い、透過スペクトル形状は矩形に近づくことになる。なお、図９においては、原理を説明するため、単純に共振器を重ねた構造としたので、透過率の高い領域で透過特性がフラットになっていないが、各層の厚さを適切に設計することにより、透過スペクトルの頂上部分が平坦な特性を得ることができる。
【００５９】
なお、図４では、第１の実施形態の波長可変フィルタの共振器構造を重ねた構造としたが、第２の実施形態の図３で説明した波長可変フィルタの共振器構造、即ち、薄膜にも熱膨張係数の大きな材料を用いた波長可変フィルタの共振器構造を重ねた構造としてもよい。
【００６０】
（第４の実施形態）
図５は、本発明に係る光学素子の第４の実施形態を説明する図である。
【００６１】
本実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態で説明した光学素子における基板を、半導体により作製したフォトダイオードとするものであり、図５では、一例として、第１の実施形態の図１で説明した光学素子における基板部分をフォトダイオードとしたものである。なお、第２、第３の実施形態の光学素子における基板部分をフォトダイオードに変更してもよい。
【００６２】
本実施形態に係る光学素子は、図５に示すように、フォトダイオード層４１上に、屈折率が異なる第１薄膜４２と第２薄膜４３を交互に積層し、その上に、膨張領域４４を積層し、膨張領域４４の上に、再び、第２薄膜４３と第１薄膜４２を交互に積層したものである。
【００６３】
上記構成でも、第１薄膜４２と第２薄膜４３を交互に積層することにより多重反射鏡とし、フォトダイオード層４１に対して垂直な方向（垂直方向Ｖ）より入射した光のうち、膨張領域４４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、膨張領域４４の下部の反射鏡（第１反射領域４５）と上部の反射鏡（第２反射領域４６）の間で共振するため、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射される。
【００６４】
又、本実施形態の光学素子でも、少なくとも膨張領域４４の温度を制御する温度制御手段（図示せず）が設けられている。従って、上記構造においては、温度制御手段により、少なくとも、膨張領域４４の温度を上昇させることにより、膨張係数の大きな膨張領域４４の厚さが物理的に厚くなる。これにより、膨張領域４の光学長が長くなるため、透過波長を長波長側にシフトすることができる。
【００６５】
第２反射領域４６側から入射した光は、第１反射領域４５、膨張領域４４、第２反射領域４６により構成される共振器により波長が選択され、透過した波長のみがフォトダイオード層４１に入射して、フォトダイオード層４１で吸収され、電流に変換される。従って、上記構成の光学素子では、膨張領域４４の温度を変化させることにより、多数の波長の信号の中からある波長のみを検出することが、一つの素子でできることになる。
【００６６】
一般的に半導体の熱膨張係数は、膨張領域４４に用いる有機材料の熱膨張係数よりも一桁小さな値を有する。従って、フォトダイオード層４１上に本発明に係る共振器構造を形成しても、本発明の原理である熱膨張係数の違いにより、膨張領域４４の光学長を変化させて、大きな波長可変性を生じさせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係る光学素子は、波長可変光フィルタとして好適なものであるが、光通信における伝送信号の選択のみではなく、フォトダイオードと組み合わせて、多数の波長の光から特定の波長の光のみを検出するフォトダイオードを構成したり、半導体レーザ等と組み合わせて、波長可変レーザを構成したり、マルチチャンネルアナライザの部品として構成したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る光学素子の第１の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る光学素子の透過スペクトルの温度依存性を説明する図である。
【図３】本発明に係る光学素子の第２の実施形態を説明する図である。
【図４】本発明に係る光学素子の第３の実施形態を説明する図である。
【図５】本発明に係る光学素子の第４の実施形態を説明する図である。
【図６】バンドパスフィルタを説明する図である。
【図７】バンドパスフィルタの透過スペクトルを説明する図である。
【図８】多重共振器構造を説明する図である。
【図９】多重共振器構造の透過スペクトルを説明する図である。
【符号の説明】
【００６９】
１、２１、３１  基板
２、２２、３２、４２  第１薄膜
３、２３、３３、４３  第２薄膜
４、２４、３４、４４  膨張領域
５、２５、３５、４５  第１反射領域
６、２６、３６、４６  第２反射領域
３７  第１共振器
３８  第２共振器
３９  結合層
４１  フォトダイオード
【図１】
2007279534.tif 000007
【図２】
2007279534.tif 000008
【図３】
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【図４】
2007279534.tif 000010
【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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