(57)【要約】【課題】光源の波長のずれに強い方向性結合器型光波長フィルタを提供すること【解決策】光導波路を用い光信号の伝搬モード間の波長依存性の変換現象を利用してクロス状態又はバー状態に光信号を分離して出力する方向性結合型の光波長フィルタであって、基板上に互いが相対的に接近したり離れたりするように設けられている第１及び第２光導波路を備え、この第１及び第２光導波路の少なくともどちらか一方にグレーティングを備え、このグレーティングの周期がこの光信号に対し回折及び反射を起こす周期よりも長く設計されており、このグレーティングによって、このモード変換領域でこのグレーティングに固有の特定波長の光信号に対してモード変換を行いクロス状態に出力し、特定波長以外の光信号はモード変換を行わずにバー状態に出力するように、制御することを特徴とする光波長フィルタ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路を用い光信号の伝搬モード間の波長依存性の変換現象を利用してクロス状態又はバー状態に光信号を分離して出力する方向性結合型の光波長フィルタであって、
基板上に互いが相対的に接近したり離れたりするように設けられている第１及び第２光導波路を備え、
前記第１及び第２光導波路の間の距離が局所極大である該第１及び第２光導波路の領域をそれぞれ極大領域とし、該距離が局所極小である該第１及び第２光導波路の領域をそれぞれ極小領域とし、前記第１及び第２光導波路の前記光信号の伝搬モードの間にモード変換が可能な前記光導波路の領域をモード変換領域とし、及び、前記第１及び第２光導波路の前記光信号の伝搬モードの間にモード変換が実質的に不可能な前記光導波路の領域を非モード変換領域とするとき、
前記極小領域を前記モード変換領域とし、かつ、前記極大領域を前記非モード変換領域としており、
前記第１及び第２光導波路の少なくともどちらか一方にグレーティングを備え、
前記グレーティングの周期が前記光信号に対し回折及び反射を起こす周期よりも長く設計されており、
前記グレーティングによって、前記モード変換領域で前記グレーティングに固有の特定波長の光信号に対してモード変換を行いクロス状態に出力し、特定波長以外の光信号はモード変換を行わずにバー状態に出力するように、制御することを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光波長フィルタであって、
第１ユニットが前記第１及び第２光導波路からなるユニットとし、
第２ユニットが前記第１ユニットを光信号の伝搬軸に平行な軸に対して対称性が入れ替わるように配置したユニットとするとき、
前記第１ユニットと前記第２ユニットが互い違いに複数接続されていることを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項３】
請求項２に記載の光波長フィルタであって、
前記第１ユニットと前記第２ユニットが、接続光導波路によって接続されていることを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項４】
請求項１に記載の光波長フィルタであって、
前記第１及び第２光導波路の等価屈折率がそれぞれ異なることを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項５】
請求項４に記載の光波長フィルタであって、
前記等価屈折率の変化を前記第１及び第２光導波路の幅で変化させていることを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項６】
請求項１に記載の光波長フィルタであって、
前記グレーティングが光導波路の側面に設けられたことを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項７】
請求項１に記載の光波長フィルタであって、
前記第１及び第２光導波路の材料がシリコンであることを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項８】
請求項１に記載の光波長フィルタであって、
前記クロス状態に分離して出力する前記光信号が１．５マイクロメートルとし、前記バー状態に分離して出力する前記光信号が１．３マイクロメートルとであることを特徴とする光波長フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信は、光波長多重通信が主流になってきており、この通信方式においては、特定の波長の光信号だけに対して伝送路の切り替えや遮断を行う光波長フィルタなどが採用されている。
【０００３】
小型化と量産化に適するとして、Ｓｉ（シリコン）を材料にした光導波路型の光波長フィルタが注目されている。Ｓｉを材料にした光導波路型の光波長フィルタでは、方向性結合器を用いた光波長フィルタ（以下、方向性結合器型光波長フィルタとも称する。）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１６３０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、方向性結合器を用いた光波長フィルタでは、透過帯域内での透過率が波長依存性を有しているため、光源の波長ずれに弱い問題点があった。
【０００５】
従って、この発明の目的は、従来よりも広い透過帯域を実現し、光源の波長のずれに強い方向性結合器型光波長フィルタを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的の達成を図るために、この発明は以下のような技術的特徴を備えている。
【０００７】
光導波路を用い光信号の伝搬モード間の波長依存性の変換現象を利用してクロス状態又はバー状態に光信号を分離して出力する方向性結合型の光波長フィルタであって、基板上に互いが相対的に接近したり離れたりするように設けられている第１及び第２光導波路を備え、この第１及び第２光導波路の間の距離が局所極大である該第１及び第２光導波路の領域をそれぞれ極大領域とし、該距離が局所極小である該第１及び第２光導波路の領域をそれぞれ極小領域とし、この第１及び第２光導波路のこの光信号の伝搬モードの間にモード変換が可能なこの光導波路の領域をモード変換領域とし、及び、この第１及び第２光導波路のこの光信号の伝搬モードの間にモード変換が実質的に不可能なこの光導波路の領域を非モード変換領域とするとき、この極小領域をこのモード変換領域とし、かつ、この極大領域をこの非モード変換領域としており、この第１及び第２光導波路の少なくともどちらか一方にグレーティングを備え、このグレーティングの周期がこの光信号に対し回折及び反射を起こす周期よりも長く設計されており、このグレーティングによって、このモード変換領域でこのグレーティングに固有の特定波長の光信号に対してモード変換を行いクロス状態に出力し、特定波長以外の光信号はモード変換を行わずにバー状態に出力するように、制御することを特徴とする光波長フィルタ。
【発明の効果】
【０００８】
この発明は上述した技術的特徴を備えている。これにより、この発明は、従来よりも広い透過帯域を実現し、光源の波長のずれに強い方向性結合器型光波長フィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさおよび配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００１０】
図１は、この実施の形態の光波長フィルタの概略的な構成を示す図であって、基板の表面層を省略して、光導波路の構造を露出させて示した平面図である。図２（Ａ）は、光導波路の説明に供する、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。図２（Ｂ）は、光導波路の説明に供する、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す模式図である。図３は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法により計算した素子の波長特性を示す図である。図４は、図１の光導波路を抜き出して、接続用の光導波路を用いてユニットを接続した模式図である。図５は、光波長フィルタの製造方法の主要工程段階を抜き出して、模式的に示す断面図である。
【００１１】
図１によれば、光波長フィルタは、ユニットＣを基本構造としている。ユニットＣは、カーブを描いた幅の広い曲線状の光導波路のコア１（以下、第一光導波路１とも称する。）と、幅の狭い直線状の幅の狭い光導波路のコア２（以下、第二光導波路２とも称する。）と、グレーティング３と、第一光導波路１と第二光導波路２との間の間隔であるギャップ４と、基板５と、を備えている。ここで、ユニットＣにおいて、第一光導波路１は、第二光導波路２に対し、向い合う中央部付近局所でのギャップ４が一番小さく（以下、極小領域とも称する。）なるように、また、向い合う両端部付近局所でのギャップ４が一番大きく（以下、極大領域とも称する。）なり、且つ、等しくなるよう、に配置されている。また、グレーティング３は、第一光導波路１とは反対側を向くように第二光導波路２に備わっている。光波長フィルタ全体の構造としては、ユニットＣと、ユニットＣを光信号の伝搬軸に平行な軸に対して対称性が入れ替わるように配置したユニットＤとが、互い違いに接続されている。従って、第一光導波路１と第二光導波路２との、端面同士が互い違いに接続されていることになる。伝搬する光信号は、入力ポートと接続されているユニットＤの入力端面６ａから入力され、出力ポートと接続されているユニットＣの出力端面７ｂに特定の波長の光信号が出力され、それ以外の波長の光信号は出力端面６ｂに出力される。
【００１２】
図１と図２(Ａ)と図２（Ｂ）を参照すると基板５は矩形板状であり、Ｓｉ（シリコン）基板５ａとＳｉＯ2（酸化シリコン）膜５ｂとが、この順序で積層された構造を有している。そして、ＳｉＯ2膜５ｂの中に、Ｓｉからなる第一及び第二光導波路２のコアと、Ｓｉからなるグレーティング３と、が埋め込まれていて、ギャップ４が存在している。ここで、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す模式図であり、図（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示す模式図であるので、図２（Ａ）のギャップ４と図（Ｂ）のギャップ４とを比較すると、図２（Ａ）のギャップ４の方が大きくなっていて、図２（Ｂ）のギャップ４の方が小さくなっているのがわかる。また、グレーティング３は、第二光導波路２の側面に設けられている。
【００１３】
この実施の形態の例によれば、光導波路全体として見ると、コアとクラッドからなり、コアは、光信号の伝搬方向に直交する断面形状（すなわち横断面形状）が矩形状であって、矩形の長辺および短辺の長さのうち少なくともどちらか一方を０．５μｍ以下とするＳｉの材料で形成されており、さらにクラッドは、コアの周囲を覆うＳｉＯ2の材料で形成してある。
【００１４】
図２（Ａ）と図（Ｂ）によれば、光導波路全体として、クラッド５ｂと、コアである第一光導波路１と第二光導波路２とを有している。このように第一光導波路１と第二光導波路２は、クラッドとしてのＳｉＯ2膜５ｂ中に、コアとして長尺なＳｉ製の四角柱が第１主面５ｃに対して平行に埋め込まれた構造を有している。したがって、第一光導波路１と第二光導波路は、クラッド５ｂを共有していることになる。なお、第一光導波路１と第二光導波路２とを設ける基板表面からの深さは同一の深さが好適であり、厚さも同一の厚さが好適である。また、光導波路の光信号がＳｉ基板５ａへ逃げてしまうのを防止ためには、Ｓｉ基板５ａと、第一光導波路１および第二光導波路２との、距離を１μｍ以上離すのが好適である。
【００１５】
第一光導波路と第二光導波路は、同じＳｉではあるが、導波路の幅が異なる。そのため、この実施例では、第一光導波路１の等価屈折率は２．３、第二光導波路２の等価屈折率は２．７とされており、クラッドとしてのＳｉＯ2膜５ｂの屈折率の１．４６よりも大きい。このそれぞれの導波路とクラッドとの屈折率の差によって、光信号はそれぞれの導波路に閉じ込められる。
【００１６】
この実施の形態の例によれば、例えば、光信号が第一光導波路１に入力され伝搬する時、常にエバネッセント場を保持しており、常に光導波路の周りにはエバネッセント光（または、エバネッセント波とも呼ばれている。）が出されている。このエバネッセント光が減衰しきる直前までの領域に、第二光導波路２を近づけると、エバネッセント光は伝搬光を励起し、第一光導波路１を伝搬していた光信号の光の強さの何割かが第二光導波路２に移り、光信号の光の強さの残りの割合が第一光導波路１に残り、それぞれの光導波路の中を伝搬し始める。この時、光信号は、エバネッセント光を介して移らずに第一光導波路１を伝搬している光信号と、エバネッセント光を介して移り第二光導波路を伝搬している光信号と、に分割され、合計した光の強さは、第一光導波路１へ入力された直後の光信号の光の強さに一致する。
【００１７】
ただし、後述する構成により、エバネッセント光を介して、第一光導波路１から第二光導波路２へと移ることが出来る光信号の波長、および、第二光導波路２から第一光導波路１へと移ることが出来る光信号の波長、を制御している。また、図１において、Ａ−Ａ線の光信号（以下、光信号Ａとも称する。）ではエバネッセント光が減衰しきり、Ｂ−Ｂ線の光信号（以下、光信号Ｂとも称する。）ではエバネッセント光が減衰しきらないようにギャップ４の距離を調整して第一光導波路１と第二光導波路２を配置している。このため、Ａ−Ａ線では、伝搬光はエバネッセント光を介して第一光導波路１から第二光導波路２へと移り、第二光導波路２から第一光導波路１へと移る。逆に、Ｂ−Ｂ線では、エバネッセント光は第一光導波路１から第二光導波路２へ、または、第二光導波路２から第一光導波路１へ、には移らずに入力された光導波路をそのまま伝搬する。これは、ユニットＣにおいても、エバネッセント光は同様に作用する。
【００１８】
第一光導波路１を伝搬する光信号の伝搬モードは対称モードとなり、第二光導波路２を伝搬する光信号の伝搬モードは反対称モードとなる、この２つの伝搬モードのモード変換をグレーティング３で行う。これは、２つのモード間に生じる伝搬定数の差を、グレーティング３によって、グレーティング３に固有の位相整合が可能な特定の波長（以下、特定波長とも称する。）のモード変換を極小領域でのみ可能している。よって、特定波長の光信号Ｂのみがモード変換が可能になり、特定波長ではない光信号Ｂはモード変換ができない。この特定波長の光信号は、グレーティングによって決まる。また、光信号Ａではどんな波長の光信号も極大領域のためにモード変換されない。従って、伝搬モードをモード変換可能な領域（以下、モード変換領域とも称する。）は極大領域になり、モード変換が実質的に不可能な領域（非モード変換領域）は極小領域となることになる。
【００１９】
この結果、第一光導波路１に光信号が入力されると対称モードが励起される、するとグレーティング３によって、特定波長の光信号Ｂのみが反対称モードに変換されて光信号Ｂが第二光導波路２に移って伝搬し、特定波長以外の光信号Ｂは反対称モードに変換されないため第一光導波路１をそのまま伝搬する。また、同様に、第二光導波路２に光信号が入力されると反対称モードが励起される、するとグレーティング３によって、特定波長の光信号Ｂのみが対称モードに変換されて、第一光導波路１に光信号Ｂが移って伝搬し、特定波長以外の光信号Ｂは対称モードに変換されないため第二光導波路２をそのまま伝搬する。
【００２０】
これは、特定波長の光信号かどうかに関わらずエバネッセント光は、極小領域（モード変換領域）で第一光導波路１から第二光導波路２へと届きます。その届いたエバネッセント光は、グレーティング３により、伝搬方向で空間的に周期的な変調を受けます。ここで、特定波長の光信号では、この変調成分の中に第二光導波路２を伝搬する光信号に相当する成分が含まれているため、これが第二光導波路２を伝搬する光信号を励起します。しかし、特定波長以外の光信号では、この変調成分の中に第二光導波路２を伝搬する光信号に相当する成分が含まれていないので、第二光導波路の伝搬光は励起されない、ということになる。
【００２１】
また、グレーティングは、入力する光信号に対して回折及び反射などが起きないようにされている。これは、グレーティングの周期が入力する光信号に対して回折及び反射を起こす周期よりも長く設計されているからである。
【００２２】
図１によれば、例えば、特定波長の光信号が入力端面６ａから入力された場合、ユニットＤでは極小領域で第一光導波路１から第二光導波路２に５０％の光信号が移り、ユニットＣまで伝搬される、その後、ユニットＣでは極小領域で第二光導波路２から第一光導波路１に残りの光信号が全部移る。よって、最終的にはユニットＣの光導波路１に特定波長の光信号の全部が集まる。すなわち出力端面７ｂだけに出力されるように設計されている。つまり、入力端面６ａから光信号を入力した場合、特定波長の光信号は出力端面７ｂに出力し、特定波長以外の光信号はモード変換さらないために出力端面６ｂに出力することが可能になる。これにより、入力端面６ａから複数の波長の光信号を入力した場合でも、出力端面７ｂに特定波長の光信号だけを出力することができる。つまり、欲しい波長の光信号をフィルタリングできる。
【００２３】
また、同様に、出力端面７ａから光信号を入力した場合は、特定波長の光信号を出力端面６ｂに出力することができ、特定波長以外の光信号を出力端面７ｂに出力することが可能になる。
【００２４】
このユニットＣの構造によって、透過帯域と遮断帯域の間に生じる透過率のリップルを防止することが可能になる。これは、ギャップ４の極大領域ではモードの変換が小さく、極小領域ではモードの変換が大きくなるが、ギャップ４の広狭が徐徐に滑らかに変化しているため、このモードの変換が徐徐に滑らかに行われるからである。
【００２５】
さらに、ユニットＣとユニットＤを、中心軸に対して対称形で接続することにより、透過帯域の波長特性をフラットにすることができる。これは、入力側からクロス方向に出力する状態において（例えば入力端面６ａに入力して出力端面７ｂに出力するクロス方向）、ユニットＣの光信号の伝搬状態の変化をユニットＤで中心軸に対称形に時間反転する現象が生じるが、この現象が生じる条件が位相整合の周囲の広い範囲で成功するからである。
【００２６】
次に、図３に、後述の条件の光波長フィルタをＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法により計算した素子の波長特性を示す。横軸は光波長を示し、縦軸は出力光パワー（Ｍｏｎｉｔｏｒ  ０:  ６ａ→７ｂ，Ｍｏｎｉｔｏｒ  １:  ６ａ→６ｂ）を示している。この時の条件は、第一光導波路の厚みを０．３マイクロメートル・幅を０．５マイクロメートル、第二光導波路の厚みを０．３マイクロメートル・幅を０．３３７マイクロメートル、ギャップ４の極小ギャップを０．３２２マイクロメートル・極大ギャップを０．８２２マイクロメートルとなるように、また、グレーティング３のピッチは９．０７マイクロメートル・高さは０．０６７マイクロメートル、ユニットＣの長さを６５３マイクロメートル、として構成した。この場合、グレーティング３は波長１．５マイクロメートル程度でクロス状態を得る構造としており、波長１．５５マイクロメートルでグレーティングの端面での反射によるディップが見えるが、目標である広い範囲でのクロス方向の透過帯域が得られている。１．３マイクロメートル以下の短波ではバー状態となっており、クロス方向の透過帯域と遮断帯域の間でリップルが見られない。この、条件での波長フィルタにおいては、１．３マイクロメートルと１．５マイクロメートルの波長帯域を分離する際に透過帯域を拡大することが可能となった。
【００２７】
この実施例では、ユニットＣとユニットＤの１個ずつを合計２個接続したが、ユニットＣ単体でも良いし、ユニットＣとユニットＤとが互い違いに接続されていれば合計３個以上接続されていても良い。また、ユニットＣとユニットＤとをさらに滑らかに接続するために、図４のように、ユニットＣとユニットＤとの間に滑らかな曲線状の接続導波路１１ａ及び１１ｂを用いると、透過帯域と遮断帯域の間に生じる透過率のリップルをさらに防止することが可能になる。
【００２８】
次に、この光波長フィルタの製造方法について、図５を参照して、簡単に説明する。
【００２９】
光波長フィルタは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造される。より詳細には、図５（Ａ）に示すようなＳＯＩ基板２０を準備する。このＳＯＩ基板２０は、下層シリコン膜２０ａ、ＳｉＯ2膜２０ｂ及び上層シリコン膜２０ｃがこの順序で積層されたものである。
【００３０】
次に、図５（Ｂ）に示すように、従来周知のフォトリソグラフィー技術により、第一光導波路１及び第二光導波路２の形成予定領域と、グレーティング３の形成予定領域を保護した上で、ＳＯＩ基板２０の酸化を行う。これにより、保護されていない上層シリコン膜２０ｃが酸化されて酸化上層シリコン膜領域としてのＳｉＯ2膜２０ｅが形成される。その結果、非酸化上層シリコン膜領域２０ｄが形成される。あるいは、図示されてはいないが、従来周知のフォトリソグラフィー技術により、第一光導波路１及び第二光導波路２の形成予定領域と、グレーティング３の形成予定領域をマスクした上で、上層シリコン膜２０ｃをドライエッチングして第一光導波路１及び第二光導波路２を形成しても良い。
【００３１】
次に、図５（Ｃ）に示すように、完成した第一光導波路１及び第二光導波路２とグレーティング３を埋めるように、ＳＯＩ基板２０の表面に従来周知のＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＳｉＯ2膜２０ｆを成膜する。よって、ＳｉＯ2膜２０ｂ、２０ｅ及び２０ｆがクラッド５ｂとなり、かつ非酸化上層ＳｉＯ2膜領域２０ｄが第一光導波路１、第二光導波路２及びグレーティング３とになり形成される。
【００３２】
この製造方法によって、グレーティング３は導波路と同じＳｉの為、導波路形成と同時にマスクパターニングで形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この実施の形態の光波長フィルタの概略的な構成を示す図であって、基板の表面層を省略して、光導波路の構造を露出させて示した平面図である。
【図２】（Ａ）は、光導波路の説明に供する、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。図２（Ｂ）は、光導波路の説明に供する、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す模式図である。
【図３】ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法により計算した素子の波長特性を示す図である。
【図４】図１の光導波路を抜き出して、接続用の光導波路を用いてユニットを接続した模式図である。
【図５】光波長フィルタの製造方法の主要工程段階を抜き出して、模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  第一光導波路
２  第二光導波路
３  グレーティング
４  ギャップ
５  基板
５ａ  Ｓｉ基板
５ｂ  ＳｉＯ2膜
５ｃ  第１主面
６ａ  入力端面
６ｂ  出力端面
７ａ  入力端面
７ｂ  出力端面
１１  接続導波路
２０  ＳＯＩ基板
２０ａ  下層シリコン膜
２０ｂ  ＳｉＯ2膜
２０ｃ  上層シリコン膜
２０ｄ  非酸化上層シリコン膜領域
２０ｅ  ＳｉＯ2膜
２０ｆ  ＳｉＯ2膜
【図１】
2009265123.tif 000003
【図２】
2009265123.tif 000004
【図３】
2009265123.tif 000005
【図４】
2009265123.tif 000006
【図５】
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