CN1480781A - 波长滤波器、可变波长滤波器和光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及波长滤波器、可变波长滤波器和光学装置，其中波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的网格结构。每个网格结构具有交替地设置的两种不同的折射率的区域。

Description

波长滤波器、可变波长滤波器和光学装置
技术领域
一般地说本发明涉及波长滤波器、可变波长滤波器和包括该波长滤波器或可变波长滤波器的光学装置，更具体地说，涉及反射波长滤波器、可变波长滤波器和包括该波长滤波器或可变波长滤波器的光学装置。
背景技术
附图1A至1D所示为常规的波长滤波器，在下文中称为已有技术1。已有技术1的波长滤波器是一种包括电介质多层滤波器的光学装置。为实现更高波长的选择性，它需要在波长滤波器中使用大量的层。然而，为实现这些，要求更高的生产成本。
此外，已有技术1的波长滤波器具有固定的反射波长范围.为改变反射波长范围，需要使用机械结构改变相对于波长滤波器的光轴的旋转。因此，需要使用机械结构改变入射在波长滤波器上的光的光轴。
此外，已有技术1的波长滤波器是一种透射型光学装置。为将这种波长滤波器应用到光学通信中，需要物理切割作为传输部件的光波导通路，如附图2所示。在切割光波导通路以容纳波长滤波器的情况下，如附图2所示，光传输损失变大。为减小光传输损失，应该通过在较窄的波带上反射特定的波长的反射光学装置形成波长滤波器。但是，在已有技术中还没有采用这种方法。
Magnusson等人已经公开了反射波长滤波器，每个反射波长滤波器在与光轴垂直地交叉的平面上具有微小的网格结构以便在较窄的波带上反射(Applied Physics Letters，Vol.61，pp.1022-1024，和美国专利US5,216,680和US5,598,300)。这种结构在附图3A中示出、并在下文中称为已有技术2。此外，附图3B所示为通过在已有技术2的波长滤波器上执行的利用RCWA(精确耦合波分析)计算典型获得的反射特性的实例。在附图3B中，纵轴以对数标度表示反射特性。
然而，从在附图3B中所示的反射特性中可以清楚地看出，已有技术2的反射波长滤波器具有如下的问题：不能确保覆盖所需的频率段fb的足够大的反射，因为随着波长的较小变化反射率极大地降低。由于这个原因，已经很难使用已有技术2的波长滤波器进行通信。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能够消除上述缺点的波长滤波器和包括这种波长滤波器的光学装置。
本发明的更具体的一个目的是提供一种波长滤波器和包括该波长滤波器的光学装置，该波长滤波器能够在足够宽到能够用于通信的频带中反射光。
本发明的另一具体的一个目的是提供一种可变波长滤波器和包括该可变波长滤波器的光学装置，该可变波长滤波器能够在足够宽到能够用于通信的频带中反射光并具有可变波长选择性。
本发明的另一具体的一个目的是提供一种能够衰减在用于通信的所需的频带之外的反射率的光学装置。
本发明的上述目的通过一种波长滤波器实现，该波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，每个网格结构具有交替地设置的两种不同的折射率的区域。
本发明的上述目的也可以通过一种可变波长滤波器实现，该可变波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构和作为电光材料的至少一种物质，每个网格结构具有交替地设置的两种不同物质的区域。
本发明的上述目的通过一种光学装置实现，该光学装置包括形成在单个衬底上的一个或多个波长滤波器，每个波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，每个网格结构具有交替地设置的两种不同的折射率的区域。
本发明的上述目的也可以通过一种光学装置实现，该光学装置包括形成在单个衬底上的一个或多个可变波长滤波器，每个可变波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构和作为电光材料的至少一种物质，每个网格结构具有交替地设置的两种不同物质的区域。
附图说明
结合附图通过下文的详细描述本发明的其它目的、特征和优点将会更为清楚，在附图中：
附图1A至1D所示为根据已有技术1的波长滤波器的结构和特性；
附图2所示为根据已有技术1的包括波长滤波器的光学装置的结构；
附图3A所示为根据已有技术2的波长滤波器的结构；
附图3B所示为在如附图3A中所示的波长滤波器中执行的利用RCWA的计算典型获得的反射特性的实例的曲线图；
附图4所示为根据本发明的第一实施例的波长滤波器的结构的示意图；
附图5A所示为根据本发明的第一实施例的波长滤波器的具体实例的结构；
附图5B所示为在如附图5A中所示的波长滤波器中执行的利用RCWA计算典型获得的反射特性的实例的曲线图；
附图6所示为利用附图5A的波长滤波器的波长滤波器装置的实例结构；
附图7A至7E所示为附图6的波长滤波器装置的制造过程的第一半；
附图8A至8E所示为附图6的波长滤波器装置的制造过程的第二半；
附图9A所示为根据本发明的第二实施例的波长滤波器的结构；
附图9B所示为在如附图9A中所示的波长滤波器中执行的利用RCWA计算典型获得的反射特性的实例的曲线图；
附图10所示为根据本发明的第三实施例的波长滤波器的实例结构；
附图11所示为在如附图10中所示的波长滤波器中执行的利用RCWA计算典型获得的反射特性的实例的曲线图；
附图12所示为根据本发明的第四实施例的波长滤波器的实例结构；
附图13所示为在如附图12中所示的波长滤波器中执行的利用RCWA计算典型获得的反射特性的实例的曲线图；
附图14所示为根据本发明的第五实施例的可变波长滤波器的结构；
附图15所示为根据本发明的第六实施例的可变波长滤波器的实例结构；
附图16所示为根据本发明的第七实施例的可变波长滤波器的结构；以及
附图17所示为根据本发明的第八实施例的可变波长滤波器的结构。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的优选实施例。
(第一实施例)
附图4所示为根据本发明的第一实施例的波长滤波器的示意图。如附图4所示，本实施例的波长滤波器1包括在光的方向(在下文中称为光轴方向)上以预定的间隔设置的两个或更多个网格滤波器12。预定的间隔可以是均匀的或变化的。
每个网格滤波器12具有网格结构，在这种网格结构中在垂直于光轴10的方向上交替地设置不同折射率的材料(高折射率区12a和低折射率区12b)。在本说明书中，nH表示每种高折射率区12a的折射率，nL表示每种低折射率区12b的折射率(nL＜nL)。
高折射率区12a和低折射率区12b的折射率nH和nL的平均值nave高于光波导通路14的折射率n1，而折射率nL等于或高于光波导通路14的折射率n1。此外，在高折射率区12a和低折射率区12b之间的间距(在下文中将该间距称为间距长度A)短于要反射的波长(在下文中称这种波长为目标波长λ0)。在此，平均折射率nave随着要使用的光的偏振变化。
每个网格滤波器12在光轴的方向上具有预定的厚度d。厚度d的值应该满足下面的方程(1)，该方程(1)涉及高折射率区12a和低折射率区12b的折射率的平均值nave和目标波长λ0。
nave·d＝λ0/2   …(1)
同时，设置在光轴上的每两个网格滤波器12之间的距离的值(在下文中将这个距离称为间隙g)应该满足下面的方程(2)。
g＝g0+N·(λ0/n1)    …(2)
这里n表X示形成插入在每两个网格滤波器12之间的介质(光波导通路14)的材料的折射率，λ0表示目标波长，g0表示在本实施例中产生反射的间隙g之中的最短的距离，以及N表示正整数。注意，通过这个方程获得的值仅仅用作标准，在实际中允许大约10％的容限。
应用上述的结构，本实施例的波长滤波器1能够实现一种改进的波长选择性。总之，波长滤波器1能够仅反射所需的目标波长λ0附近的波长(即，滤波)。在此，光波导通路14直接连接到网格滤波器12，并且可以例如通过光纤形成。在这种情况下，可以获得与上文相同的效果。
在下文中，描述根据本实施例的波长滤波器1的更具体的实例。这种具体实例的波长滤波器称为波长滤波器1a。
附图5A所示为沿着具有两个网格滤波器12的波长滤波器1a的光轴形成的实例结构的剖视图。附图5B所示为在附图5A中所示的实例结构上执行的利用RCWA计算获得的反射特性的曲线。
在附图5A中，目标波长λ0是1550微米。光波导通路14的折射率n1是1.52，高折射率区12a的折射率nH是2.0，以及低折射率区12b的折射率nL是1.96。每个网格滤波器12的厚度d是391.4纳米，在高折射率区12a和低折射率区12b中的间距长度A是888.13纳米，以及间隙g是1780纳米。
从附图5B中可以清楚地看出，波长滤波器1a在目标波长λ0的附近具有改善的反射特性。换句话说，这个具体的实例实现了能够确定地反射具有距目标波长λ0预定的宽度的所需频带fb的反射波长滤波器1a。在此，所需的频带fb是在光学通信中通常要求的特定的波长带。
附图6所示为光学装置(波长滤波器装置100)的实例，在该光学装置中波长滤波器1a和光波导通路14都形成在相同的衬底上。在附图6所示的波长滤波器装置100中，通过光波导通路14a引入的入射光根据具有两个网格滤波器12的波长滤波器1a的反射特性反射。然后反射的光通过光波导通路14b输出。通过两个网格滤波器12已经透射的透射光被波长滤波器装置100吸收或者输出。
现在参考附图7A至7E和附图8A至8E，详细地描述在附图6中所示的波长滤波器装置100的制造过程。附图7A至7D为附图6的结构沿线A-A’的剖视图。附图7E和附图8A至8E为附图6的结构沿线B-B’的剖视图。
在这种制造方法中，抗蚀剂层81首先淀积在LN(LiTaO3)衬底80上，然后通过构图暴露以形成高折射率区12a，如附图7A所示。接着，Ti蒸汽淀积在该构图表面上以形成Ti膜82，如附图7B所示。然后去除剩余的抗蚀剂81，卸下蒸汽淀积在抗蚀剂81上的Ti膜82，如附图7C所示。然后对Ti膜82的剩余部分进行退火，以便使淀积的Ti扩散，如附图7D所示。通过这些过程，形成了高折射率区12a，并且形成了高折射率区12a和低折射率区12b的构图。在此，LN是用于低折射率区12b的材料，扩散有Ti的LN是用于高折射率区12a的材料。
在形成了条状构图之后，抗蚀剂84的层淀积在该表面上，然后通过构图暴露以形成网格滤波器12，如附图7E所示。然后使用RIE(活性离子蚀刻)或离子磨削(ion million)在已经去除了抗蚀剂84的部分上执行蚀刻，如附图8A所示。
然后去除抗蚀剂84的剩余部分，并通过溅射等方法将SiO2膜86淀积在该表面上，如附图8B所示。此外，在SiO2膜86上淀积SiO2-GeO2膜88，如附图8C所示。在这之后，抗蚀剂淀积在以SiO2-GeO2膜88覆盖的表面上并通过构图暴露以形成光波导通路14，之后对已经去除了抗蚀剂的区域进行蚀刻，如附图8D所示。然后SiO2膜90淀积在已经执行了蚀刻的整个表面上，如附图8E所示。通过这些过程，制造了在附图6中所示的波长滤波器装置100。在此，SiO2-GeO2是用于光波导通路14的材料。
在上述的方式中，能够制造包括本实施例的波长滤波器1的光学装置。
(第二实施例)
作为本发明的第二实施例，下文将详细地描述通过三个网格滤波器12形成的第一实施例的波长滤波器1的情况。在下文中将本实施例的波长滤波器称为波长滤波器1b。
附图9A所示为沿具有三个网格滤波器12的波长滤波器1b的光轴10形成的实例结构的剖视图。附图9B所示为在附图9A所示的实例结构中执行的利用RCWA计算获得的反射特性的曲线图。
在附图9A中，目标波长λ0是1550微米，它与在第一实施例中的目标波长相同。光波导通路14的折射率n1是1.52，高折射率区12a的折射率nH是2.0，以及低折射率区12b的折射率nL是1.96，这些数值也与在第一实施例中的数值相同。每个网格滤波器12的厚度d是391.4纳米，在高折射率区12a和低折射率区12b中的间距长度A是888.13纳米，以及间隙g是1780纳米，这些数值也与在第一
实施例中的数值相同。
如附图9B所示，三个网格滤波器12急剧加重了在反射范围和衰减范围之间的边界。因此，所需频带fb的波长选择性可以进一步提高。在此，本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
(第三实施例)
虽然第一实施例的光学装置(波长滤波器装置100)仅包括一个波长滤波器1a，但是在一个光学装置中也可以使用两个或更多个波长滤波器。在下文中，将使用两个波长滤波器的情况描述为本发明的第三实施例。
附图10所示根据本实施例的波长滤波器装置101。在波长滤波器装置101中，通过光波导通路14a引入的入射光根据第一级波长滤波器1a1的反射特性反射进光波导通路14c。这个波长滤波器1a1包括两个第一实施例的网格滤波器2。通过第一级波长滤波器1a1已经传输的透射光通过波长滤波器装置101吸收或输出。
反射进入光波导通路14c的光接着根据第二级波长滤波器1a2的反射特性反射。然后通过光波导通路14b输出反射的光。波长滤波器1a2包括第一实施例的两个网格滤波器12。通过第二级波长滤波器1a2已经传输的透射光通过波长滤波器装置101吸收或输出。
附图11所示为通过在本实施例的波长滤波器装置101上执行的利用RCWA计算获得的反射特性的曲线图。从附图11中可以清楚地看出，使用两个或更多个波长滤波器1a来急剧加重了在反射范围和衰减范围之间的边界。此外，在反射范围之外的波长进一步被衰减了，因此改善了所需频带fb的波长选择性，并且增加了要衰减的频带中的衰减率。因此，确定地反射了在光学通信中通常所要求的特定的波长带，并且充分地衰减了不需要的频带。本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
(第四实施例)
在第三实施例中使用的波长滤波器1a1和1a2可以用波长滤波器1b1和1b2替换，每个波长滤波器1b1和1b2包括第二实施例的三个网格滤波器12。在下文中，描述这种结构作为本发明的第四实施例。
附图12所示为本实施例的波长滤波器装置102。在波长滤波器装置102中，通过光波导通路14a引入的入射光首先根据第一级波长滤波器1b1的反射特性反射进入光波导通路14c。波长滤波器1b1包括第二实施例的三个网格滤波器12。通过第一级波长滤波器1b1已经传输的透射光通过波长滤波器装置102吸收或输出。
反射进入光波导通路14c的光接着根据第二级波长滤波器1b2的反射特性反射。然后通过光波导通路14b传输反射的光并输出到外部。波长滤波器1b2包括第二实施例的三个网格滤波器12。通过第二级波长滤波器1b2已经传输的透射光通过波长滤波器装置102吸收或输出。
附图13所示为在本实施例的波长滤波器装置102中执行的利用RCWA计算获得的反射特性的曲线图。从附图13中可以看出，两个波长滤波器1b1和1b2急剧加重了在反射范围和衰减范围之间的边界。此外，在反射范围之外的波长进一步被衰减了，因此改善了所需频带fb的波长选择性，并且增加了要衰减的频带中的衰减率。因此，确定地反射了在光学通信中通常所要求的特定的波带，并且充分地衰减了不需要的频带。本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
(第五实施例)
前述的每个实施例的网格滤波器12可以由具有电光效应的材料制成，由此形成了可变波长滤波器2。在下文中，描述这种结构作为本发明的第五实施例。
附图14所示为本实施例的可变波长滤波器2的结构。在本实施例中，可变波长滤波器2包括两个网格滤波器22。但是，网格滤波器12的数量并不限于2，它也可以是3或更大。
从附图14中可以看出，每个网格滤波器22在垂直于光轴10的方向上具有交替地设置的物质22a和22b。在本实施例中，α1表示物质22a的电光常数，α2表示物质22b的电光常数。
物质22a和22b的材料的实例包括LN(LiNbO3)、LT(LiTaO3)、PZT(Pb(Zr，Ti)O3)和PLZT((Pb，La)(Zr，Ti)O3)。
每个网格滤波器22也具有产生电场的电极23。在本实施例中，电极23提供在反射光的表面上和在透射光的表面上。应用这种结构，在由具有电光效应的材料制成的网格滤波器22中可以感应电场。在这种情况下，每个电极23由对目标波长λ0透明的材料(比如ITO(铟锡氧化物))制成。
应用上述的结构，本实施例能够实现与前述的每个实施例相同的效果，并能够实现根据施加给电极23的电压改变要反射的波长的可变波长滤波器2。因此，可以使波长选择性多样化。本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
(第六实施例)
每个电极23可以具有与第五实施例不同的结构。在下文中，描述这种情况作为本发明的第六实施例。
附图15所示为使用可变波长滤波器2的光学装置(可变波长滤波器200)的实例。从附图15中可以看出，电极24形成在与光轴10不相交的平面中并与两个网格滤波器22共有。应用这种结构，在由具有电光效应的材料制成的网格滤波器22中可以感应电场。在本实施例中，光波导通路14可以直接连接到网格滤波器22。
在附图15所示的实例中，两个电极24中的一个电极提供在与网格滤波器22相对的LN衬底的背面上。但是，电极24的结构并不限于这样，还可以以多种方式改变它，只要两个电极24能够在网格滤波器22中感应电场即可。
应用上述的结构，本实施例能够实现与第五实施例的效果相同的效果。此外，由于电极24为两个网格滤波器22所共有，因此可以简化制造过程。本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
(第七实施例)
虽然在第五实施例中物质22a和22b都是由具有电光效应的材料制成，但是也可以以具有电光效应的材料仅仅形成物质22a或物质22b。在下文中，描述这种情况作为本发明的第七实施例。
附图16所示为本实施例的可变波长滤波器2a的结构。从附图16中可以看出，在具有电光效应的物质中感应电场的电极25仅提供在物质22b的光反射侧上。与电极23类似，电极25也由对目标波长λ0透明的材料制成。
应用上述的结构，本实施例提供了一种能够避免在不需要的物质中感应电场的可变波长滤波器。因此，可以进一步使波长选择性多样化。本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
(第八实施例)
本发明的第八实施例提供了一种这样的结构，在该结构中在物质22a或22b中感应电场的电极26提供在两个网格滤波器22中，如附图17所示。
应用这种结构，本实施例提供了一种能够避免在不需要的物质中感应电场的可变波长滤波器。此外，由于两个网格滤波器22共有电极24和26，因此可以简化制造过程。本实施例的这种结构的其它部分与第一实施例的结构相同，因此在这里的描述中省去对它们的描述。
本发明并不限于具体公开的实施例，在不脱离本发明的范围的前提下可以作出其它的实施例、改变和改进。
本申请基于2002年7月24日申请的日本专利申请No.2002-215263，在此以引用参考的方式将其公开的全部内容结合在本申请中。

Claims (23)

1.一种波长滤波器，包括
在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，
每个网格结构具有交替地设置的两种不同的折射率的区域。
2.如权利要求1所述的波长滤波器，其中网格结构的平均折射率高于在网格结构之前和之后传输光的区域的折射率。
3.如权利要求1所述的波长滤波器，其中两种不同的折射率的区域在垂直于光轴的方向上交替地设置。
4.如权利要求1所述的波长滤波器，其中预定的间隔是均匀的。
5.如权利要求1所述的波长滤波器，其中网格结构形成在衬底上，光波导通路也形成在该衬底上。
6.如权利要求1所述的波长滤波器，其中光波导通路直接连接到网格结构。
7.如权利要求1所述的波长滤波器，其中光波导通路包括光纤。
8.如权利要求1所述的波长滤波器，包括两个或三个网格结构。
9.一种可变波长滤波器，包括
在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，
每个网格结构具有交替地设置的两种不同物质的区域，和
是电光材料的至少一种物质。
10.如权利要求9所述的可变波长滤波器，进一步包括在网格结构中感应电场的电极。
11.如权利要求9所述的可变波长滤波器，其中网格结构的平均折射率高于在网格结构之前和之后传输光的区域的折射率。
12.如权利要求9所述的可变波长滤波器，其中两种不同的物质的区域在垂直于光轴的方向上交替地设置。
13.如权利要求9所述的可变波长滤波器，其中预定的间隔是均匀的。
14.如权利要求9所述的可变波长滤波器，其中网格结构形成在衬底上，光波导通路也形成在该衬底上。
15.如权利要求9所述的可变波长滤波器，其中光波导通路直接连接到网格结构。
16.如权利要求9所述的可变波长滤波器，其中电光材料包括LiNbO3、LiTaO3、Pb(Zr，Ti)O3和(Pb，La)(Zr，Ti)O3中至少一种。
17.如权利要求10所述的可变波长滤波器，其中电极至少形成在网格结构的光反射表面或光透射表面上。
18.如权利要求17所述的可变波长滤波器，其中电极是透明电极。
19.如权利要求10所述的可变波长滤波器，其中电极为两个或多个网格结构所共有。
20.一种光学装置，包括
形成在单个衬底上的一个或多个波长滤波器，
每个波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，和
每个网格结构具有交替地设置的两种不同的折射率的区域。
21.一种光学装置，包括
形成在单个衬底上的一个或多个可变波长滤波器，
每个可变波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，
每个网格结构具有交替地设置的两种不同物质的区域，以及
是电光材料的至少一种物质。
22.一种光学装置，包括
形成在单个衬底上的两个或多个波长滤波器，
每个波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，
每个网格结构具有交替地设置的两种不同的折射率的区域，以及
在波长滤波器之间的距离大于每个预定的间隔。
23.一种光学装置，包括
形成在单个衬底上的两个或多个可变波长滤波器，
每个可变波长滤波器包括在光轴的方向上以预定的间隔设置的多个网格结构，
每个网格结构具有交替地设置的两种不同物质的区域，
是电光材料的至少一种物质，以及
在可变波长滤波器之间的距离大于每个预定的间隔。
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