(57)【要約】【課題】従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出す波長選択フィルタを提供する。【解決手段】波長選択フィルタは、導波コア２と、導波コア２上に設けられたＤＢＲ１１、位相調整区間ｐ１、ＧＣ１０、位相調整区間ｐ２、及びＤＢＲ１２とを備える。所望波長の光及び所望波長以外の波長の光を含む入射光がＧＣ１０に入射したとき、導波コア２を伝搬する導波光をＧＣ１０により回折して導波コア２の第１の面から放射させることにより、ＧＣ１０に入射した所望波長の光を反射し、導波コア２を伝搬する導波光をＧＣ１０により回折して導波コア２の第２の面から放射させることにより、ＧＣ１０に入射して導波コア２を透過した所望波長の光を相殺する。所望波長以外の波長の光は導波コア２を透過する。【選択図】図１
2012098513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長選択フィルタであって、上記波長選択フィルタは、
互いに逆方向の第１及び第２の導波方向を有する導波路であって、上記第１の導波方向に沿って延在しかつ互いに対向する第１及び第２の面の間に設けられた導波路と、
上記第１の導波方向に沿って順に、上記導波路に設けられた第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段とを備え、
上記回折手段は、上記第１の導波方向に沿ってグレーティング周期を有し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第１の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第１の導波方向に伝搬する導波光を励振し、上記回折手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第１及び第２の面から放射させ、
上記第２の反射手段は、上記第１の導波方向に伝搬した導波光を上記第２の伝搬方向に反射し、
上記第１の反射手段は、上記第２の導波方向に伝搬した導波光を上記第１の伝搬方向に反射し、
上記第１の位相調整区間は、上記第２の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第１の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第１の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第１の波長の光及び上記第１の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第１の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第１の波長の光を反射し、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第２の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第１の波長の光を相殺し、
上記第１の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする波長選択フィルタ。
【請求項２】
上記入射光は、上記導波路の第１の面に対して垂直になるように上記回折手段に入射し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第１の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第１の導波方向に伝搬する導波光と上記第２の導波方向に伝搬する導波光とを励振し、上記回折手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第１及び第２の面から放射させ、上記第２の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第１及び第２の面から放射させ、
上記第２の位相調整区間は、上記第１の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第２の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第２の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第１の波長の光及び上記第１の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第１の面から放射させ、かつ上記第２の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第１の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第１の波長の光を反射し、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第２の面から放射させ、かつ上記第２の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第２の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第１の波長の光を相殺し、
上記第１の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする請求項１記載の波長選択フィルタ。
【請求項３】
上記第１の反射手段及び上記第２の反射手段のそれぞれは、上記第１の導波方向に沿ってグレーティング周期を有する分布ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１又は２記載の波長選択フィルタ。
【請求項４】
上記第１の反射手段及び上記第２の反射手段のそれぞれは、金属ミラーであることを特徴とする請求項１又は２記載の波長選択フィルタ。
【請求項５】
上記回折手段は無反射構造を有することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の波長選択フィルタ。
【請求項６】
上記入射光は、上記導波路の第１の面に対して垂直な方向から上記第１の反射手段の側に傾いた所定入射角を有して上記回折手段に入射し、
上記回折手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光と結合するように、かつ上記第２の導波方向に伝搬する導波光と結合しないように、上記導波路の第１の面及び第２の面の間において上記導波路の第１の面から所定距離を有して設けられ、
上記第１及び第２の反射手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光及び上記第２の導波方向に伝搬する導波光の両方と結合するように、上記導波路の第１の面及び第２の面の間において上記導波路の第１の面から所定距離を有して設けられることを特徴とする請求項１記載の波長選択フィルタ。
【請求項７】
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の波長選択フィルタを２つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、互いに対向しかつ互いに平行な第１及び第２の面を有する基板をさらに備え、
上記基板の第１の面に、上記２つの波長選択フィルタのうちの第１の波長選択フィルタが形成され、
上記基板の第２の面に、上記２つの波長選択フィルタのうちの第２の波長選択フィルタが形成され、上記第２の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向は、上記基板の第２の面に平行な平面内にあって、上記第１の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向と直交することを特徴とするフィルタ装置。
【請求項８】
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の波長選択フィルタを２つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第１及び第２の面の間に設けられた１つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第１の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第１の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記導波路の第２の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第２の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記第２の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向は、上記導波路の第１及び第２の面に平行な平面内にあって、上記第１の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向と直交することを特徴とするフィルタ装置。
【請求項９】
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の波長選択フィルタを２つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第１及び第２の面の間に設けられた１つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第１の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第１の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記導波路の第２の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第２の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記第２の波長選択フィルタの回折手段は、上記第１の導波方向に沿って、上記第１の波長選択フィルタの回折手段のグレーティング周期とは異なるグレーティング周期を有することを特徴とするフィルタ装置。
【請求項１０】
請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の波長選択フィルタを外部ミラーとして備えたことを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスの基板上に面状に形成された波長選択フィルタであって、入射光を透過光と反射光に分離することでフィルタリングする波長選択フィルタに関し、また、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光デバイスのためのフィルタとして、例えば、特許文献１〜４に開示されたものが知られ、また、特許文献５〜６及び非特許文献１〜５に開示された導波モード共鳴フィルタ（GMRF: Guided Mode Resonance Filter）が知られている。
【０００３】
ＧＭＲＦは、基板上に導波路とサブ波長の周期構造とを設けることで、基板に垂直に入射する光波に対して、ある波長において急峻な反射特性もしくは透過特性を示す光学フィルタである。この急峻な波長依存性は、周期構造がグレーティングカップラ（GC: Grating Coupler）として機能する波長において、励振された導波光が再度放射光に結合する際に、入射光の透過もしくは反射を相殺する現象として理解される。高い反射率もしくは透過率を得るためには、放射モード光を相殺して消滅させるのに十分な導波光の励振及び放射が必要であるので、結合係数が小さなＧＣを用いる場合ではＧＣの面積及び入射光のビーム径を大きくすること（例えば数ｍｍ）が前提となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３１５８１号公報。
【特許文献２】特開平６−２２１９２１号公報。
【特許文献３】特開平９−２３６７６０号公報。
【特許文献４】特開２０００−２５８７０４号公報。
【特許文献５】特開２００９−２８８７１８号公報。
【特許文献６】米国特許第６，１５４，４８０号明細書。
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. S. Wang and R. Magnusson, "Theory and applications of guided-mode resonance filters", Applied Optics, vol. 32, pp. 2606-2613, May 10, 1993.
【非特許文献２】Z. S. Liu, S. Tibuleac, D. Shin, P. P. Young, and R. Magnusson, "High-efficiency guided-mode resonance filter", Optics Letters, vol. 23, pp. 1556-1558, October 1, 1998.
【非特許文献３】S. Tibuleac and R. Magnusson, "Diffractive narrow-band transmission filters based on guided-mode resonance effects in thin-film multilayers", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 9, No. 4, pp. 464-466, April 1997.
【非特許文献４】Alok A. Mehta, Raymond C. Rumpf, Zachary A. Roth, and Eric G. Johnson, "Guided Mode Resonance Filter as a Spectrally Selective Feedback Element in a Double-Cladding Optical Fiber Laser", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 19, No. 24, pp. 2030-2032, December 15, 2007.
【非特許文献５】Ye Zhou, Michael Moewe, Johannes Kern, Michael C. Y. Huang, and Connie J. Chang-Hasnain, "Surface-normal emission of a high-Q resonator using a subwavelength high-contrast grating", Optics Express, Vol. 16, No. 12, pp. 17282-17287, October 27, 2008.
【非特許文献６】K. Kintaka, J. Nishii, A. Mizutani, H. Kikuta, and H. Nakano, "Antireflection microstructures fabricated upon fluorine-doped SiO2 films", OPTICS LETTERS, Vol. 26, No. 21, pp. 1642-1644, November 1, 2001.
【非特許文献７】Akio Mizutani, Hisao Kikuta, Koichi Iwata, and Hiroshi Toyota, "Guided-mode resonant grating filter with an antireflection structured surface", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 19, No. 7, pp. 1346-1351, July 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光ファイバの端面から出力される光は、例えば１０μｍ程度のビーム径を有するので、ＧＣへの入射光のビーム径を数ｍｍにするためにはレンズが必要になる。一方、波長選択フィルタを使用する上では、多くの場合、光導波路や光ファイバから出力された光をレンズレスで結合できること、すなわち、数μｍ〜数十μｍ程度のビーム径を有する入射光をそのままフィルタリングできることが求められる。
【０００７】
また、従来のフィルタは、グレーティングのために高屈折率の材料を必要とする場合があるが（例えば、特許文献１、非特許文献５）、このような要件なしに材料を柔軟に選択できることが好ましい。
【０００８】
また、従来のフィルタは、レーザ光源の活性層などと一体化して形成され、フィルタリングにより所望波長の光のみを出力するように使用される場合がある（例えば、特許文献６、非特許文献５）。しかしながら、フィルタリングにより、所望波長の光と、それ以外の波長の光を別個に取り出せることが好ましい。
【０００９】
本発明の目的は、以上の課題を解決し、従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供し、さらに、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様に係る波長選択フィルタは、
互いに逆方向の第１及び第２の導波方向を有する導波路であって、上記第１の導波方向に沿って延在しかつ互いに対向する第１及び第２の面の間に設けられた導波路と、
上記第１の導波方向に沿って順に、上記導波路に設けられた第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段とを備え、
上記回折手段は、上記第１の導波方向に沿ってグレーティング周期を有し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第１の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第１の導波方向に伝搬する導波光を励振し、上記回折手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第１及び第２の面から放射させ、
上記第２の反射手段は、上記第１の導波方向に伝搬した導波光を上記第２の伝搬方向に反射し、
上記第１の反射手段は、上記第２の導波方向に伝搬した導波光を上記第１の伝搬方向に反射し、
上記第１の位相調整区間は、上記第２の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第１の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第１の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第１の波長の光及び上記第１の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第１の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第１の波長の光を反射し、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第２の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第１の波長の光を相殺し、
上記第１の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする。
【００１１】
上記波長選択フィルタにおいて、
上記入射光は、上記導波路の第１の面に対して垂直になるように上記回折手段に入射し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第１の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第１の導波方向に伝搬する導波光と上記第２の導波方向に伝搬する導波光とを励振し、上記回折手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第１及び第２の面から放射させ、上記第２の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第１及び第２の面から放射させ、
上記第２の位相調整区間は、上記第１の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第２の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第２の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第１の波長の光及び上記第１の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第１の面から放射させ、かつ上記第２の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第１の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第１の波長の光を反射し、
上記第１の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第２の面から放射させ、かつ上記第２の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第２の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第１の波長の光を相殺し、
上記第１の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする。
【００１２】
上記波長選択フィルタにおいて、上記第１の反射手段及び上記第２の反射手段のそれぞれは、上記第１の導波方向に沿ってグレーティング周期を有する分布ブラッグ反射器であることを特徴とする。
【００１３】
上記波長選択フィルタにおいて、上記第１の反射手段及び上記第２の反射手段のそれぞれは、金属ミラーであることを特徴とする。
【００１４】
上記波長選択フィルタにおいて、上記回折手段は無反射構造を有することを特徴とする。
【００１５】
上記波長選択フィルタにおいて、上記入射光は、上記導波路の第１の面に対して垂直な方向から上記第１の反射手段の側に傾いた所定入射角を有して上記回折手段に入射し、
上記回折手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光と結合するように、かつ上記第２の導波方向に伝搬する導波光と結合しないように、上記導波路の第１の面及び第２の面の間において上記導波路の第１の面から所定距離を有して設けられ、
上記第１及び第２の反射手段は、上記第１の導波方向に伝搬する導波光及び上記第２の導波方向に伝搬する導波光の両方と結合するように、上記導波路の第１の面及び第２の面の間において上記導波路の第１の面から所定距離を有して設けられることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様に係るフィルタ装置は、本発明の第１の態様に係る波長選択フィルタを２つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、互いに対向しかつ互いに平行な第１及び第２の面を有する基板をさらに備え、
上記基板の第１の面に、上記２つの波長選択フィルタのうちの第１の波長選択フィルタが形成され、
上記基板の第２の面に、上記２つの波長選択フィルタのうちの第２の波長選択フィルタが形成され、上記第２の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向は、上記基板の第２の面に平行な平面内にあって、上記第１の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向と直交することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第３の態様に係るフィルタ装置は、本発明の第１の態様に係る波長選択フィルタを２つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第１及び第２の面の間に設けられた１つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第１の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第１の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記導波路の第２の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第２の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記第２の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向は、上記導波路の第１及び第２の面に平行な平面内にあって、上記第１の波長選択フィルタの導波路の第１及び第２の導波方向と直交することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第４の態様に係るフィルタ装置は、本発明の第１の態様に係る波長選択フィルタを２つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第１及び第２の面の間に設けられた１つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第１の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第１の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記導波路の第２の面において、上記２つの波長選択フィルタのうちの第２の波長選択フィルタの第１の反射手段、第１の位相調整区間、回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備え、
上記第２の波長選択フィルタの回折手段は、上記第１の導波方向に沿って、上記第１の波長選択フィルタの回折手段のグレーティング周期とは異なるグレーティング周期を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の第５の態様に係るレーザ装置は、上記波長選択フィルタを外部ミラーとして備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の波長選択フィルタによれば、従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。さらに、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る波長選択フィルタ１００の構成を示す断面図である。
【図２】図１のＧＣ１０の近傍の詳細構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）は図１の波長選択フィルタ１００に入射する入射光のうちの所望波長の成分を示し、（ｂ）は図１の波長選択フィルタ１００に入射する入射光のうちの所望波長以外の成分を示す概略図である。
【図４】図１の波長選択フィルタ１００についてシミュレーションされた反射スペクトル及び透過スペクトルを示すグラフである。
【図５】図１の波長選択フィルタ１００の解析モデルから計算された反射スペクトル及び透過スペクトルを示すグラフである。
【図６】図１の波長選択フィルタ１００に入射光が入射した場合の電界プロファイルを示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る波長選択フィルタ１０１の構成を示す断面図である。
【図８】図７の波長選択フィルタ１０１に入射光が入射した場合の電界プロファイルを示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る波長選択フィルタ１０２の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係るＶＣＳＥＬレーザ装置の構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ１１０の構成を示す断面図である。
【図１５】図１４のＧＣ１０の近傍の詳細構成を示す断面図である。
【図１６】（ａ）は図１４の波長選択フィルタ１１０に入射する入射光のうちの所望波長の成分を示し、（ｂ）は図１４の波長選択フィルタ１１０に入射する入射光のうちの所望波長以外の成分を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。各図面を通じて、同様の構成要素は同じ参照番号で表す。
【００２３】
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長選択フィルタ１００の構成を示す断面図であり、図２は、図１のＧＣ１０の近傍の詳細構成を示す断面図である。図１他において、図面内に示したＸＹＺ座標を参照する。本実施形態の波長選択フィルタ１００は、透明な誘電体材料から形成された基板１と、基板１上に形成された導波コア２と、さらに導波コア２上に形成されたグレーティングカップラ（ＧＣ）１０及び分布ブラッグ反射器（DBR: Distributed Bragg Reflector）１１，１２とを備える。ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２はそれぞれ、Ｚ軸方向に沿って所定のグレーティング周期を有する（すなわち凹凸が周期的に並ぶ）グレーティングから構成される。ＤＢＲ１１は、ＧＣ１０の−Ｚ方向に位置するように、ＧＣ１０との間に所定の位相調整区間ｐ１を挟んで形成され、同様に、ＤＢＲ１２は、ＧＣ１０の＋Ｚ方向に位置するように、ＧＣ１０との間に所定の位相調整区間ｐ２を挟んで形成される。本実施形態の波長選択フィルタ１００は、−Ｘ方向からＧＣ１０に入射光が入射したときに、所望波長の光を−Ｘ方向に反射させ、それ以外の波長の光を＋Ｘ方向に透過させることを特徴とする。
【００２４】
ＧＣ１０は、Ｚ軸方向の長さＬとして、従来技術のように数ｍｍにわたる大きな長さを必要とせず、例えば、光ファイバ又は他の光導波路の端面から出力される光のビーム径と同等の長さ（例えば長さＬ＝１０μｍ）を有する。ＧＣ１０のグレーティングは、入射光のうちの所望波長の成分に対応するＺ軸方向のグレーティング周期Λ（例えばΛ＝９５０ｎｍ）を有し、ＧＣ１０のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Ｚ軸方向に約Λ／２の長さを有する。グレーティング周期Λに応じた所望波長を含む入射光がＧＣ１０に−Ｘ方向から垂直に入射したとき、導波コア２において、グレーティング周期Λに応じた所定の導波路内波長を有し、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向に伝搬する導波光（すなわち、図２の矢印ｄ１の方向に伝搬する導波光及び矢印ｄ２の方向に伝搬する導波光）が励振される。ＤＢＲ１１，１２はそれぞれ、Ｚ軸方向の長さとして、ＧＣ１０の位置から導波コア２を伝搬してきた導波光を元のＧＣ１０の位置に向かって完全に反射するのに十分な長さ（例えば１７０μｍ）を有する。ＤＢＲ１１，１２のグレーティングは、Ｚ軸方向にグレーティング周期Λ／２を有し、ＤＢＲ１１，１２のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Ｚ軸方向に約Λ／４の長さを有する。また、ＧＣ１０とＤＢＲ１１，１２との間の位相調整区間ｐ１，ｐ２のＺ軸方向の長さを条件として、導波コア２において導波光が往復して重畳され、入射光のうちの所望波長の成分に対応する導波光が導波コア２において共振する。ＧＣ１０とＤＢＲ１１との間に形成された位相調整区間ｐ１のＺ軸方向の長さは、ＤＢＲ１１によって反射されて＋Ｚ方向に伝搬する導波光が、ＧＣ１０に入射した入射光によって励振されて＋Ｚ方向に伝搬する導波光と同じ位相を有するように決定される。ＧＣ１０とＤＢＲ１２との間に形成された位相調整区間ｐ２のＺ軸方向の長さは、ＤＢＲ１２によって反射されて−Ｚ方向に伝搬する導波光が、ＧＣ１０に入射した入射光によって励振されて−Ｚ方向に伝搬する導波光と同じ位相を有するように決定される。これらの位相調整区間ｐ１，ｐ２は、例えばＺ軸方向の長さＬ１＝Λ／８を有する。導波コア２は、Ｘ軸方向の厚さＴｃとして、１つの導波モードが発生する程度の厚さＴｃ（例えばＴｃ＝２７５ｎｍ）を有する。ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２のグレーティングの凸部は、Ｘ軸方向の厚さＴｇとして、例えば厚さＴｇ＝１５０ｎｍを有する。
【００２５】
導波コア２の屈折率は、基板１、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２の屈折率よりも高くされる。例えば、導波コア２はシリコンナイトライドからなり、基板１、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２は石英からなる。以下の説明では、導波コア２の屈折率は２．０であり、基板１、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２の屈折率は１．５であるとする。
【００２６】
本実施形態の波長選択フィルタ１００は、ＤＢＲ１１，１２の間に、結合長の短いＧＣ１０を挿入した構成を有する。ＧＣ１０の実効結合長は、通常は、結合の強さを表す放射損失係数αの逆数で与えられる。入射光のうちの所望波長の成分の真空中での波長をλ０とし、導波コア２の実効屈折率をＮとし、ＧＣ１０のグレーティング周期をΛとすると、次式を満たす波長λ０を含む入射光がＧＣ１０に垂直に入射した場合、導波コア２を＋Ｚ方向及び−Ｚ方向に伝搬する導波光が励振される。
【００２７】
【数１】
2012098513.tif 000003
【００２８】
ここで、βは導波光の伝搬定数であり、ＫＧＣはグレーティングベクトルの大きさである。
【００２９】
図３（ａ）は図１の波長選択フィルタ１００に入射する入射光のうちの所望波長の成分を示し、図３（ｂ）は図１の波長選択フィルタ１００に入射する入射光のうちの所望波長以外の成分を示す概略図である。図３（ａ）及び（ｂ）は図１及び図２と同様の断面図であるが、説明のためにハッチングを省略する。前述のように、入射光がＧＣ１０に−Ｘ方向から入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分は、導波コア２において、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向に伝搬する導波光を励振させる。＋Ｚ方向に伝搬する導波光は、ＧＣ１０によって回折されることにより、−Ｘ方向の放射光及び＋Ｘ方向の放射光（すなわち、導波コア２の−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面に垂直な放射光）を発生し、−Ｚ方向に伝搬する導波光もまた、ＧＣ１０によって回折されることにより、−Ｘ方向の放射光及び＋Ｘ方向の放射光（すなわち、導波コア２の−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面に垂直な放射光）を発生する。−Ｘ方向の放射光は、入射光に対する反射光となる。＋Ｘ方向の放射光は、−Ｘ方向からＧＣ１０に入射して基板１の側に透過する透過光と逆位相を有するので、透過光と相殺する。一方、入射光がＧＣ１０に−Ｘ方向から入射したとき、入射光のうちの所望波長以外の成分は、導波光を励振させることなく、そのまま基板１の側に透過する。このように、本実施形態の波長選択フィルタ１００は、入射光がＧＣ１０に−Ｘ方向から入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分を反射光として−Ｘ方向に反射し、入射光のうちの所望波長以外の成分を透過光として＋Ｘ方向に透過させる。従って、本実施形態の波長選択フィルタ１００は、入射光を透過光と反射光に分離することでフィルタリングすることができる。
【００３０】
本実施形態の波長選択フィルタ１００について、ＦＤＴＤ（時間領域差分）法によりそのフィルタリング機能を検証した。図４は、図１の波長選択フィルタ１００についてシミュレーションされた反射スペクトル及び透過スペクトルを示すグラフであり、図６は、図１の波長選択フィルタ１００に入射光が入射した場合の電界プロファイルを示す図である。図４において、丸のプロットは反射率を示し、四角形のプロットは透過率を示す。図４のシミュレーションでは、ＧＣ１０の開口と同サイズのビーム径（１０μｍ）を有し、かつ一様な強度を有する矩形波ビームの入射光を入射した場合を想定した。図４によれば、共鳴波長１．５５１８μｍ付近において、９５％の反射率及び半値全幅１．５ｎｍが得られている。ＤＢＲ１１，１２の反射率をほぼ１００％にしたことにより、するどい反射スペクトルのピークが得られた。図６は、１．５５１８μｍの波長を有する入射光が入射したときの波長選択フィルタ１００の近傍における電界プロファイル（正規化された電界強度）である。図６は、図１〜図３と同じ断面の一部を、Ｘ軸方向とＺ軸方向とで異なる縮尺で示す。Ｚ軸方向の「１８５μｍ」の位置に設けられたＧＣ１０（図示せず。）に、−Ｘ方向から入射光が入射している。ＧＣ１０の−Ｚ方向と＋Ｚ方向には、ＤＢＲ１１，１２（図示せず。）がそれぞれ設けられる。導波コア２において、導波光は、ＤＢＲ１１，１２による反射により、ＧＣ１０から所定距離内に閉じこめられる。図６を参照すると、波長選択フィルタ１００の外部では、ＧＣ１０の位置（すなわち、Ｚ軸方向の「１８５μｍ」の位置）よりも−Ｘ方向の領域の電界（ＧＣ１０の位置への入射光と、ＧＣ１０の位置からの反射光とを含む）が最も強い。一方、導波コア２よりも＋Ｘ方向では、透過光と放射光とが相殺し、電界は次第に弱くなっている。
【００３１】
以下、本実施形態の波長選択フィルタ１００の特性を、モード結合理論に基づく解析モデルを参照して説明する。
【００３２】
（入射光の放射モード表記）
空気中及び基板中での波数をそれぞれｋａ及びｋｓとし、Ｚ軸方向波数をβνとする。ほぼ垂直（βν≒０）に入射する入射光を空気側及び基板側放射モードで表すことを考える。Ｚ軸方向波数βν＝０と近似して、入射平面波の界分布ＥＩＮ（ｘ）を次式で表す。
【００３３】
【数２】
2012098513.tif 000004
【００３４】
ここで、ａＩＮは所定の振幅係数であり、ｒＩＮ及びｔＩＮは反射係数及び透過係数である。空気側放射モードの界分布Ｅａ（ｘ）は、上式の位相共役（時間反転波）で与えられる。すなわち、所定の振幅係数ａａを用いて、次式で表される。
【００３５】
【数３】
2012098513.tif 000005
【００３６】
ここで、上付きの「＊」は複素共役を示す。
【００３７】
同様に、基板側放射モードの界分布Ｅｓ（ｘ）は、基板１からの仮想入射光の位相共役で与えられる。すなわち、所定の振幅係数ａｓを用いて、次式で表される。
【００３８】
【数４】
2012098513.tif 000006
【００３９】
入射平面波の界分布ＥＩＮ（ｘ）を空気側放射モードの界分布Ｅａ（ｘ）と基板側放射モードの界分布Ｅｓ（ｘ）の重ね合わせで表そうとすると、ａａｔＩＮ＊＋ａｓｒｓ＊＝０かつａａｒＩＮ＊＋ａｓｔｓ＊＝ａＩＮが成り立たなければならない。これより、次式が得られる。
【００４０】
【数５】
2012098513.tif 000007
【数６】
2012098513.tif 000008
【００４１】
ＧＣ１０の領域（０＜ｚ＜Ｌ）に一様な振幅分布で入射する光波の場合は、所定の振幅係数ａ０を用いて、そのスペクトル成分ａＩＮは次式で表される。
【００４２】
【数７】
2012098513.tif 000009
【００４３】
（モード結合方程式）
＋Ｚ方向伝搬導波モードをＡ（ｚ）とし、−Ｚ方向伝搬導波モードをＢ（ｚ）とし、空気側及び基板側放射モードをそれぞれ、ａνａ（ｚ）及びａνｓ（ｚ）とする。伝搬導波モードＡ（ｚ）及びＢ（ｚ）のＺ軸方向伝搬定数をそれぞれ、βＡ及びβＢ（＝−βＡ）とし、グレーティングベクトルの大きさをＫＧＣ＝２π／Λとする。モード結合方程式は以下のように表される。
【００４４】
【数８】
2012098513.tif 000010
【数９】
2012098513.tif 000011
【数１０】
2012098513.tif 000012
【数１１】
2012098513.tif 000013
【００４５】
ここで、パラメータｉは、ａ（空気中）又はｓ（基板中）を示す。Ｅνｉ（ｘ）及びＥｇ（ｘ）はそれぞれ、放射モード及び導波モードの規格化電界である。また、ε０、ω及びΔεはそれぞれ、真空中の誘電率、角周波数、ＧＣ１０の構造を表す比誘電率である。数１０の左辺の複合はＺ軸方向波数βνの正負に対応する。２ΔＡ＝βν−（βＡ−ＫＧＣ）、２ΔＢ＝βν−（βｇ＋ＫＧＣ）を導入すると、数８及び数９は以下のようにまとめられる。
【００４６】
【数１２】
2012098513.tif 000014
【数１３】
2012098513.tif 000015
【数１４】
2012098513.tif 000016
【数１５】
2012098513.tif 000017
【数１６】
2012098513.tif 000018
【数１７】
2012098513.tif 000019
【００４７】
（一般解）
次式のＡ’（ｚ）及びＢ’（ｚ）を導入する。
【００４８】
【数１８】
2012098513.tif 000020
【数１９】
2012098513.tif 000021
【００４９】
対象を０＜ｚ＜Ｌに限定すると、数１７よりＳ（ｓ，Ｌ）＝１であるから、数１２及び数１３は次式に変形される。
【００５０】
【数２０】
2012098513.tif 000022
【数２１】
2012098513.tif 000023
【数２２】
2012098513.tif 000024
【００５１】
数２０〜数２２は、Ａ’（ｚ）、Ｂ’（ｚ）に関する非同次線形連立微分方程式である。その一般解は、
【数２３】
2012098513.tif 000025
として、κＧＣ＝κＧＣ＊＝αであることを用いると、次式のように書ける。
【００５２】
【数２４】
2012098513.tif 000026
【数２５】
2012098513.tif 000027
【００５３】
放射モード振幅は、数１０をβνに関して積分して次式が得られる。
【００５４】
【数２６】
2012098513.tif 000028
【数２７】
2012098513.tif 000029
【００５５】
透過光パワーＰｓｕｂ及び反射光パワーＰａｉｒはそれぞれ次式で与えられる。
【００５６】
【数２８】
2012098513.tif 000030
【数２９】
2012098513.tif 000031
【００５７】
構造から放散される全パワーをＰｔｏｔａｌとすると、入射光のパワー透過率及びパワー反射率はそれぞれＰｓｕｂ／Ｐｔｏｔａｌ及びＰａｉｒ／Ｐｔｏｔａｌで得られる。
【００５８】
（境界条件の適用）
境界条件としてＡ（０）＝１、Ａ（０）／Ｂ（０）＝ｒＤＲＢ、Ｂ（Ｌ）／Ａ（Ｌ）＝ｒＤＲＢを導入すると、次式が得られる。
【００５９】
【数３０】
2012098513.tif 000032
【数３１】
2012098513.tif 000033
【数３２】
2012098513.tif 000034
【００６０】
従って、ｃ１、ｃ２、αＥＸは、次式で表される。
【００６１】
【数３３】
2012098513.tif 000035
【数３４】
2012098513.tif 000036
【数３５】
2012098513.tif 000037
【数３６】
2012098513.tif 000038
【００６２】
（計算例）
図５は、図１の波長選択フィルタ１００の解析モデルから計算された反射スペクトル及び透過スペクトルを示すグラフである。図５のグラフが図４のＦＤＴＤ法のシミュレーションの結果によく一致していることがわかる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の波長選択フィルタ１００によれば、従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。本実施形態の波長選択フィルタ１００は、ＧＣ１０の結合長は短くとも、大きな面積を有する従来技術のＧＭＲＦと同等の機能が期待できる。
【００６４】
以上の説明では、導波コア２と、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２とを異なる屈折率の材料により形成するとしたが、これらを同じ材料により形成してもよい。この場合、波長選択フィルタ１００は、例えば、化学気相成長法などで導波コア２を基板１上に堆積し、その上にレジストを塗布して、マスク露光や電子ビーム直接描画露光などでレジストにグレーティングの凹凸パターンを形成し、そのパターンをドライエッチング等により導波路材質に転写するという方法で得ることができる。また、基板１上に導波コア２とＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２とを形成することに限定されるものではなく、導波コア２上にＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２を本実施形態の波長選択フィルタ１００と同様に形成すれば、本実施形態の波長選択フィルタ１００と同様の機能を実現することができる。
【００６５】
第１の実施形態の変形例．
図１４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ１１０の構成を示す断面図であり、図１５は、図１４のＧＣ１０の近傍の詳細構成を示す断面図である。本発明の実施形態は、入射光がＧＣ１０に垂直に入射される場合に限定されず、入射光は、ＧＣ１０に垂直な方向から所定入射角を有して入射してもよい。
【００６６】
本変形例の波長選択フィルタ１１０は、透明な誘電体材料から形成された基板１と、基板１上に形成された導波コア２と、さらに、導波コア２において導波コア２の−Ｘ方向の面からＸ軸方向に所定距離を有してそれぞれ形成されたＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２とを備える。本変形例の波長選択フィルタ１１０では、ＧＣ１０は、導波コア２において導波コア２の−Ｘ方向の面からＸ軸方向に距離０を有して形成され（すなわち導波コア２の−Ｘ方向の面に形成され）、ＤＢＲ１１，１２は、導波コア２において導波コア２の−Ｘ方向の面からＸ軸方向に、導波コア２の厚さと同じ距離Ｔｃを有して形成される（すなわち導波コア２の＋Ｘ方向の面に形成される）。ＤＢＲ１１は、ＧＣ１０の−Ｚ方向に位置するように、ＧＣ１０との間に所定の位相調整区間ｐ１を挟んで形成され、同様に、ＤＢＲ１２は、ＧＣ１０の＋Ｚ方向に位置するように、ＧＣ１０との間に所定の位相調整区間ｐ２を挟んで形成される。
【００６７】
本変形例の波長選択フィルタ１１０では、図１６に示すように、導波コア２の表面に対して垂直な方向（−Ｘ方向）からＺＸ面内で所定入射角θを有して（すなわち、ＤＢＲ１１の側に傾いた入射角θを有して）、入射光がＧＣ１０に入射する。ＧＣ１０のグレーティングは、この入射角θと入射光のうちの所望波長の成分とに対応するグレーティング周期Λ３を有し、所望波長の成分を含む入射光がこの入射角θでＧＣ１０に入射したときに限って、導波光が励振される。ただし、本変形例の波長選択フィルタ１１０は、ＧＣ１０に入射した入射光により、−Ｚ方向及び＋Ｚ方向に伝搬する導波光のうちの一方（本変形例では＋Ｚ方向に伝搬する導波光）のみを励振するように構成されることを特徴とする。＋Ｚ方向に伝搬する導波光は、ＤＢＲ１２で反射されて−Ｚ方向に伝搬し、この−Ｚ方向に伝搬する導波光は、ＤＢＲ１１で反射されて再び＋Ｚ方向に伝搬する。本変形例では＋Ｚ方向に伝搬する導波光と−Ｚ方向に伝搬する導波光とではその導波モードが異なり、その電界プロファイル（分布）も異なる。従って、導波コア２の屈折率分布を適切に設計し、導波コア２の−Ｘ方向の面からのＧＣ１０の距離を、−Ｚ方向に伝搬する導波光の電界が０となる位置に合わせて決定すると、ＧＣ１０に入射する入射光により−Ｚ方向に伝搬する導波光が励振されることがなく、さらに、−Ｚ方向に伝搬する導波光がＧＣ１０により回折されることで放射光が発生することもない。すなわち、導波コア２、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２を上述のように構成した場合、ＧＣ１０に入射する入射光により＋Ｚ方向に伝搬する導波光のみが励振され、さらに、＋Ｚ方向に伝搬する導波光のみがＧＣ１０により回折されて放射光になる。ＤＢＲ１１，１２は、導波光を反射するために、導波コア２の−Ｘ方向の面と＋Ｘ方向の面との間において、＋Ｚ方向に伝搬する導波光及び−Ｚ方向に伝搬する導波光の両方の電界が十分な強度で存在する位置に形成される。従って、導波コア２の−Ｘ方向の面からのＤＢＲ１１，１２の距離は、導波コア２の−Ｘ方向の面からのＧＣ１０の距離とは異なる。本変形例の波長選択フィルタ１１０は、入射角θを有してＧＣ１０に入射した入射光によって動作するので、本変形例の波長選択フィルタ１１０におけるＧＣ１０のグレーティング周期Λ３は、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００におけるＧＣ１０のグレーティング周期Λとは異なる。本変形例の波長選択フィルタ１１０におけるＤＢＲ１１，１２のグレーティング周期Λ４は、＋Ｚ方向に伝搬する導波光と−Ｚ方向に伝搬する導波光で導波モードが異なるため、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００におけるＤＢＲ１１，１２のグレーティング周期Λ／２とは異なる。ＧＣ１０のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Ｚ軸方向に約Λ３／２の長さを有し、ＤＢＲ１１，１２のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Ｚ軸方向に約Λ４／２の長さを有する。ＧＣ１０とＤＢＲ１１との間に形成された位相調整区間ｐ１のＺ軸方向の長さは、ＤＢＲ１１によって反射されて＋Ｚ方向に伝搬する導波光が、ＧＣ１０に入射した入射光によって励振されて＋Ｚ方向に伝搬する導波光と同じ位相を有するように決定される。
【００６８】
図１６（ａ）は図１４の波長選択フィルタ１１０に入射する入射光のうちの所望波長の成分を示し、図１６（ｂ）は図１４の波長選択フィルタ１１０に入射する入射光のうちの所望波長以外の成分を示す概略図である。図１６（ａ）及び（ｂ）は図１４及び図１５と同様の断面図であるが、説明のためにハッチングを省略する。前述のように、入射光がＧＣ１０に入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分は、＋Ｚ方向に伝搬する導波光のみを励振させる。＋Ｚ方向に伝搬する導波光は、ＧＣ１０によって回折されることにより、−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面からそれぞれ放射光を放射する。−Ｘ方向の面から放射される放射光は、導波コア２の表面に対して垂直な方向（−Ｘ方向）からＺＸ面内で所定反射角θを有し、入射光に対する反射光となる。＋Ｘ方向の面から放射される放射光は、ＧＣ１０に入射して基板１の側に透過する透過光と逆位相を有するので、透過光と相殺する。一方、入射光がＧＣ１０に入射したとき、入射光のうちの所望波長以外の成分は、導波光を励振させることなく、そのまま基板１の側に透過する。このように、本変形例の波長選択フィルタ１１０は、入射光がＧＣ１０に入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分を反射光として反射し、入射光のうちの所望波長以外の成分を透過光として透過させる。従って、本変形例の波長選択フィルタ１１０は、入射光を透過光と反射光に分離することでフィルタリングすることができる。
【００６９】
なお、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２の位置は、図１４〜図１６に示したように導波コア２の−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面に限定されるものではなく、ＧＣ１０が、−Ｚ方向及び＋Ｚ方向に伝搬する導波光のうちの一方のみに結合し、ＤＢＲ１１，１２が、−Ｚ方向及び＋Ｚ方向に伝搬する導波光の両方に結合するのであれば、任意の位置に形成可能である。例えば、ＧＣ１０が、導波コア２の＋Ｘ方向の面に形成され、ＤＢＲ１１，１２が、導波コア２の−Ｘ方向の面に形成されてもよく、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２が、導波コア２の−Ｘ方向の面と＋Ｘ方向の面との間の所定位置に形成されてもよい。導波コア２の厚さと屈折率分布は、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２と導波光とのこのような結合を可能にするように決定される。
【００７０】
以上説明したように、本変形例の波長選択フィルタ１１０によれば、入射光がＧＣ１０に垂直に入射される場合に限定されず、入射光がＧＣ１０に垂直な方向から所定入射角を有して入射する場合であっても、従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。さらに、本変形例の波長選択フィルタ１１０によれば、ＧＣ１０が、＋Ｚ方向に伝搬する導波光のみに結合するので、−Ｚ方向に伝搬する導波光がＧＣ１０により回折されることで余分な角度に放射される放射光が発生することを抑制することができる。
【００７１】
第２の実施形態．
図７は、本発明の第２の実施形態に係る波長選択フィルタ１０１の構成を示す断面図である。本実施形態の波長選択フィルタ１０１は、第１の実施形態におけるＤＢＲ１１，１２に代えて、金属ミラー２１，２２を備えたことを特徴とする。
【００７２】
本実施形態の波長選択フィルタ１０１において、ＧＣ１０は、第１の実施形態のＧＣ１０と同様に構成される。ＧＣ１０の−Ｚ方向に位置するように、金属ミラー２１が、ＧＣ１０との間に所定の位相調整区間ｐ１を挟んで形成され、同様に、ＧＣ１０の＋Ｚ方向に位置するように、金属ミラー２２が、ＧＣ１０との間に所定の位相調整区間ｐ２を挟んで形成される。金属ミラー２１，２２は、例えば、複素屈折率ｎ＝１．４４−ｊ１６．０のアルミニウムからなる。図７では、金属ミラー２１，２２を導波コア２の−Ｚ方向の端部と＋Ｚ方向の端部に密着させるように示しているが、例えば、導波コア２（又は、導波コア２及び基板１）においてＸ軸方向の溝を形成して、この溝に金属材料（例えばアルミニウム）を流し込むことによって金属ミラー２１，２２を形成してもよい。本実施形態の波長選択フィルタ１０１によれば、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００に比較して、波長選択フィルタ１０１のＺ軸方向のサイズを大幅に削減することができる。
【００７３】
図８は、図７の波長選択フィルタ１０１に入射光が入射した場合の電界プロファイルを示す図である。図８は、１．５５１８μｍの波長を有する入射光が入射したときの電界プロファイル（正規化された電界強度）である。図８は、図７と同じ断面の一部を、Ｘ軸方向とＺ軸方向とで異なる縮尺で示す。導波コア２において、金属ミラー２１，２２（図示せず。）間の反射により、定在波が発生している。この定在波は、ＧＣ１０のグレーティングを形成する凹部及び凸部の位置に応じて発生する。本実施形態の波長選択フィルタ１０１の反射率は、５８％と計算された。
【００７４】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態よりも波長選択フィルタ１０１のサイズを小さくすることができるが、波長選択フィルタ１０１の反射率は第１の実施形態の波長選択フィルタ１００の方が良好である。従って、第１の実施形態でのＤＢＲと、第２の実施形態での金属ミラーとを組み合わせてもよい。この場合、ＧＣ１０の−Ｚ方向と＋Ｚ方向のそれぞれにおいて、Ｚ軸方向に短縮されたＤＢＲ及び金属ミラーを形成する。このような構成によれば、利用可能な基板面積に応じて、十分な反射率を達成する波長選択フィルタを実現することができる。
【００７５】
第３の実施形態．
図９は、本発明の第３の実施形態に係る波長選択フィルタ１０２の構成を示す断面図である。反射スペクトルの消光比を高めるためには、所望波長以外での反射率を低減させることが有効である。そのためには、入射光が入射するＧＣの面に、例えば非特許文献６〜７に記載のような無反射構造（「moth-eye」構造ともいう。）を導入すればよい。例えば非特許文献７では、三角形の断面形状を有するグレーティングが高屈折率の薄いフィルムでコーティングされた構造を有するＧＭＲＦを開示している。本実施形態の波長選択フィルタ１０２は、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００における矩形断面形状を有するＧＣ１０に代えて、三角形の断面形状を有する無反射ＧＣ３０を備えたことを特徴とする。三角形の断面形状を有することにより、屈折率境界に起因するフレネル反射を低減させることができる。屈折率１．５を有する媒質からの鏡面反射が４％程度であるのに対して、本実施形態の構造を採用することにより鏡面反射を原理的に０とすることが可能である。本実施形態の波長選択フィルタ１０２によれば、入射光のうちの所望波長の成分は、導波コア２における導波光が無反射ＧＣ３０により回折されることにより、−Ｘ方向の放射光として放射される（すなわち、入射光に対する反射光となる）。入射光のうちの所望波長以外の成分は、無反射ＧＣ３０を無反射で通過して、基板１の側に透過する。
【００７６】
第４の実施形態．
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。ＧＭＲＦは導波モードを利用するので、一般的には偏光方向に依存する。これは以上に説明した実施形態の波長選択フィルタ１００〜１０２でも同じである。しかしながら、場合によっては、偏光方向に依存しない波長選択フィルタを提供することが望ましい。このため、本実施形態のフィルタ装置は、基板１の−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面の両方に、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様の２つの波長選択フィルタ１０３，１０４を形成したことを特徴とする。詳しくは、本実施形態のフィルタ装置は、基板１の−Ｘ方向の面において、導波コア２と、Ｚ軸方向に凹凸が周期的に並んだＧＣ１０とを備え、基板１の＋Ｘ方向の面において、導波コア３と、Ｙ軸方向に凹凸が周期的に並んだＧＣ１３とを備える。ＧＣ１０，１３の凹凸の周期（グレーティング周期）は、互いに同じにする。ＧＣ１０，１３が上記の向きを有することにより、グレーティング周期に応じた所望波長を含む入射光がＧＣ１０に−Ｘ方向から入射したとき、導波コア２において、ＧＣ１０のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向に伝搬する導波光（すなわち、図１０の矢印ｄ１の方向に伝搬する導波光及び矢印ｄ２の方向に伝搬する導波光）が励振され、導波コア３において、ＧＣ１３のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に伝搬する導波光（すなわち、図１０の矢印ｄ１’の方向に伝搬する導波光及び矢印ｄ２’の方向に伝搬する導波光）が励振される。図示の簡単化のために省略したが、ＧＣ１０の−Ｚ方向及び＋Ｚ方向には、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様の位相調整区間及びＤＢＲをそれぞれ形成し、ＧＣ１３の−Ｙ方向及び＋Ｙ方向にも、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様の位相調整区間及びＤＢＲをそれぞれ形成する必要がある。基板１及び導波コア２，３は、これらの位相調整区間及びＤＢＲを支持するために十分なサイズを有するものとする。第２の実施形態と同様に、ＤＢＲに代えて金属ミラーを備えてもよい。また、第３の実施形態と同様に、矩形断面形状のＧＣに代えて三角形の断面形状を有する無反射ＧＣを備えてもよい。本実施形態のフィルタ装置によれば、グレーティングの向きが互いに直交したＧＣ１０，１３を備えたことにより、偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供することができる。
【００７７】
第５の実施形態．
図１１は、本発明の第５の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。本実施形態のフィルタ装置もまた、第４の実施形態のフィルタ装置と同様に偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供する。このため、本実施形態のフィルタ装置は、導波コア２の−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面の両方に、向きの異なるＧＣを形成したことを特徴とする。詳しくは、本実施形態のフィルタ装置は、導波コア２の−Ｘ方向の面において、Ｚ軸方向に凹凸が周期的に並んだＧＣ１０を備え、導波コア２の＋Ｘ方向の面（すなわち、基板１と導波コア２との間の層）において、Ｙ軸方向に凹凸が周期的に並んだＧＣ１４を備える。導波コア２及びＧＣ１０が第１の波長選択フィルタ１０５として機能し、導波コア２及びＧＣ１４が第２の波長選択フィルタ１０６として機能する。ＧＣ１０，１４の凹凸の周期（グレーティング周期）は、互いに同じにする。ＧＣ１０，１４が上記の向きを有することにより、グレーティング周期に応じた所望波長を含む入射光がＧＣ１０に−Ｘ方向から入射したとき、導波コア２において、ＧＣ１０のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向に伝搬する導波光（すなわち、図１１の矢印ｄ１の方向に伝搬する導波光及び矢印ｄ２の方向に伝搬する導波光）が励振される一方、導波コア２において、ＧＣ１４のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に伝搬する導波光（すなわち、図１１の矢印ｄ１’の方向に伝搬する導波光及び矢印ｄ２’の方向に伝搬する導波光）が励振される。図示の簡単化のために省略したが、ＧＣ１０の−Ｚ方向及び＋Ｚ方向には、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様のＤＢＲをそれぞれ形成し、ＧＣ１４の−Ｙ方向及び＋Ｙ方向にも、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様のＤＢＲをそれぞれ形成する必要がある。基板１及び導波コア２は、これらのＤＢＲを支持するために十分なサイズを有するものとする。第２の実施形態と同様に、ＤＢＲに代えて金属ミラーを備えてもよい。また、第３の実施形態と同様に、矩形断面形状のＧＣに代えて三角形の断面形状を有する無反射ＧＣを備えてもよい。本実施形態のフィルタ装置によれば、グレーティングの向きが互いに直交したＧＣ１０，１４を備えたことにより、偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供することができる。
【００７８】
第６の実施形態．
図１２は、本発明の第６の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。ある周波数の光波について、同じ媒質であっても、ＴＥ波とＴＭ波とで媒質の屈折率は異なり、従って媒質中の波長も異なる。このため、あるグレーティング周期を有するＧＣについて、ＴＥ波とＴＭ波とでは反射スペクトル及び透過スペクトルが相違することになる。本実施形態のフィルタ装置は、直交偏光のそれぞれに対して同一波長で共鳴するように、異なるグレーティング周期を有する２つのＧＣ１０，１５を導波コア２の−Ｘ方向の面及び＋Ｘ方向の面に形成することを特徴とする。詳しくは、本実施形態のフィルタ装置は、導波コア２の−Ｘ方向の面において、グレーティング周期Λ１を有するＧＣ１０を備え、導波コア２の＋Ｘ方向の面（すなわち、基板１と導波コア２との間の層）において、グレーティング周期Λ１とは異なるグレーティング周期Λ２を有するＧＣ１５を備える。導波コア２及びＧＣ１０が第１の波長選択フィルタ１０７として機能し、導波コア２及びＧＣ１５が第２の波長選択フィルタ１０８として機能する。ＧＣ１０，１５はいずれも、Ｚ軸方向に凹凸が周期的に並ぶように形成される。図示の簡単化のために省略したが、ＧＣ１０の−Ｚ方向及び＋Ｚ方向には、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様のＤＢＲをそれぞれ形成し、ＧＣ１５の−Ｚ方向及び＋Ｚ方向にも、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様のＤＢＲをそれぞれ形成する必要がある。基板１及び導波コア２は、これらのＤＢＲを支持するために十分なサイズを有するものとする。第２の実施形態と同様に、ＤＢＲに代えて金属ミラーを備えてもよい。また、第３の実施形態と同様に、矩形断面形状のＧＣに代えて三角形の断面形状を有する無反射ＧＣを備えてもよい。本実施形態のフィルタ装置によれば、グレーティングの向きが平行で異なる周期のＧＣ１０，１５を備えたことにより、偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供することができる。
【００７９】
第７の実施形態．
図１３は、本発明の第７の実施形態に係るＶＣＳＥＬレーザ装置の構成を示す断面図である。ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）は、例えば非特許文献５にも開示されている。本実施形態のＶＣＳＥＬレーザ装置は、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様の波長選択フィルタ１０９を、レーザ光源４０のための外部ミラーとして用いることを特徴とする。このとき、波長選択フィルタ１０９における偏光方向の依存性を利用して偏光制御したレーザ発振を得ることができる。レーザ光源４０は、活性層４１及び多層膜ミラー４２を備え、活性層４１で発生した光のうちの所定波長の成分は、多層膜ミラー４２と波長選択フィルタ１０９との間で反射を繰り返すことにより共振する。この所定波長の成分は、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００と同様に、導波コア２において導波光を励振させる。ＤＢＲ１１，１２のうちの一方（本実施形態ではＤＢＲ１１）は、Ｚ軸方向の長さを短縮することにより反射率を１００％よりも低下させられている。本実施形態のＶＣＳＥＬレーザ装置は、そのレーザ出力として、ＤＢＲ１１の一端から導波光の一部を出力する。本実施形態のレーザ装置で用いる波長選択フィルタとして、第１の実施形態の波長選択フィルタ１００に代えて、第３の実施形態の波長選択フィルタ１０２を用いてもよい。本実施形態のＶＣＳＥＬレーザ装置によれば、発生した光のうちの所定波長の成分のみを共振させ、この所定波長の成分のみを効果的に出力することができる。
【００８０】
本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、従来技術に比較して以下のような特有の効果を有する。例えば特許文献１及び非特許文献５のグレーティングは高屈折率の材料を必要としているが、本発明の実施形態の波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、そのような要求なしに高効率の結合を可能にする。また、例えば非特許文献４のＧＭＲＦは、ＧＭＲＦと光ファイバの結合のためのレンズを必要としているが、本発明の実施形態の波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、そのような要求なしに高効率の結合を可能にする。また、例えば非特許文献５のグレーティングは、基板にＤＢＲ反射層を形成しているが、本発明の実施形態の波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、そのような構造を必要とせず、基板の側に透過光を透過させることができる。
【００８１】
特許文献５のＧＣは、ＧＣと、その両側に形成された２つのＤＢＲとを備えているという点で、本発明の実施形態の波長選択フィルタと最も類似したものであるが、本発明の実施形態に係る波長選択フィルタは、以下のような特有の効果を有する。特許文献５のＧＣは、導波光と空間光を短い結合長で高効率結合することを目的とし、このため、基板には高反射率の材料を用いている。従って、特許文献５のＧＣは、基板の側から透過光を取り出すことができず、本発明の実施形態の波長選択フィルタのように入射光のうちの所望波長の成分とそれ以外の波長の成分とを別個に取り出すことができない。さらに、特許文献５のＧＣは、単に導波光と空間光とを結合することを目的としているので、その動作原理は、入射光のうちの所望波長の成分とそれ以外の波長の成分とを別個に取り出すことを目的とする本発明の実施形態の波長選択フィルタの動作原理とはまったく異なる。
【００８２】
このように、本実施形態の波長選択フィルタによれば、従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。
【００８３】
本発明の実施形態の波長選択フィルタは、ＧＣとＤＢＲとを集積した新規な構成を備えたことにより、共振器集積導波モード共鳴フィルタ（CRIGF: Cavity-resonator-integrated Guided-mode-resonance Filter）と呼ぶことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の波長選択フィルタによれば、従来のＧＭＲＦよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。さらに、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１…基板、
２，３…導波コア、
１０，１３，１４，１５…グレーティングカップラ（ＧＣ）、
１１，１２…ＤＢＲ、
ｐ１，ｐ２…位相調整区間、
２１，２２…金属ミラー、
３０…無反射ＧＣ、
４０…レーザ光源、
４１…活性層、
４２…多層膜ミラー、
１００〜１１０…波長選択フィルタ。
【図１】
2012098513.tif 000039
【図２】
2012098513.tif 000040
【図３】
2012098513.tif 000041
【図４】
2012098513.tif 000042
【図５】
2012098513.tif 000043
【図６】
2012098513.tif 000044
【図７】
2012098513.tif 000045
【図８】
2012098513.tif 000046
【図９】
2012098513.tif 000047
【図１０】
2012098513.tif 000048
【図１１】
2012098513.tif 000049
【図１２】
2012098513.tif 000050
【図１３】
2012098513.tif 000051
【図１４】
2012098513.tif 000052
【図１５】
2012098513.tif 000053
【図１６】
2012098513.tif 000054