JP2004062104A - 遅延線型電磁波周波数選択フィルタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】遅延線型電磁波周波数選択フィルタの構成は、直線部11と遅延線部12とから構成される遅延構造を有している。直線部11と遅延線部12の最近接部における両者の側壁面間の距離は、両者に充分な相互作用を生じさせる距離である。周波数帯域から要請される伝搬時間差は、遅延線部半円形導波路12aと遅延調整用直線導波路12bとから構成される遅延線部12により生成される。各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、コア部の屈折率が3.0〜4.5の間にあり、かつクラッド部の屈折率が1.0〜1.7の間にある。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、遅延線型電磁波周波数選択フィルタに関し、より詳細には、波長多重光通信などに必要な光通信用光周波数選択フィルタに適用可能な遅延線型電磁波周波数選択フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光通信用の電磁波周波数選択フィルタには、導波路格子アレイ(肥田 他、NTTR&D,vol.50, p.265)や誘電体多層膜が利用されている。これらの周波数フィルタの帯域特性は、波長多重通信に適したものであるが、今後の波長多重通信の普及に伴う波長(又は周波数)選択素子の集積化には適していない。
【0003】
まず、導波路格子アレイは、屈曲した多数の導波路が必要であるため、面状にセンチメートル単位の大きさを有し、さらにその構造は非常に複雑であるため集積化は困難である。また、誘電体多層膜は、多層膜片を機械的に精密配置するため集積化は困難である。
【0004】
これに対して、集積化の可能性がある電磁波周波数選択フィルタとして、インターリーバフィルタ(鬼頭 他、NTTR&D,vol.50, p.282)のような遅延線型のフィルタが考えられている。遅延線型電磁波周波数選択フィルタは、2本の誘電体導波路を、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返すことにより構成されるため、構造は単純かつ線状である。すなわち、小さな領域に畳み込むことが可能であるため、集積化できる可能性がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図1は、従来の遅延線型電磁波周波数選択フィルタを示す構成図で、図中符号1は直線部(直線誘電体導波路)、2は遅延線部(曲線及び直線誘電体導波路)、3は石英系導波路(コアとクラッドの比屈折率差が略1%)を示している。この遅延線型電磁波周波数選択フィルタは、2本の石英系導波路3からなり、この石英系導波路3は、1本の直線誘電体導波路1に沿って、周期的に近接と離反を繰り返す曲線を有する遅延線部2で構成された曲線及び直線誘電体導波路が遅延線として存在している。
【0006】
ここで具体的な構成例として、波長1550nm帯の電磁波を用いた波長多重通信に、遅延線型電磁波周波数フィルタを適用する場合について考える。波長1550nm帯は周波数に換算すれば、193THzを中心に約12THzの帯域を有する。波長多重通信では、この周波数帯域にて単一の周波数を選択する必要がある。これに対して、遅延線型電磁波周波数フィルタは、フィルタ1周期あたりの直線部と遅延線部との光伝搬時間の差の逆数で規定される周波数間隔毎に周波数選択特性がある(K.Jinguji 他,Journal of Lightwave Technology, vol.13, p.73)。
【0007】
従って、遅延線型電磁波周波数選択フィルタでは、図2に示すように、この周波数間隔が使用する周波数帯域よりも大きい必要がある。上述したように波長1550nm帯では、12THzの周波数帯域を確保する必要があるので、直線部と遅延線部の1周期当たりの光伝搬時間の差ΔtはΔt≦83fsでなければならない。この時間差を生成するに必要な直線部と遅延線部の導波路の長さLCは、LC=cΔt/ngで表される。ただし、cは真空中の光速、ngは導波路の群屈折率である。石英系導波路の場合、群屈折率は約1.45なので、LCは約17μmである。
【0008】
石英系導波路を使用した場合、この導波路長の差を確保しつつ、さらに直線部と遅延線部が最も離れた場所では両導波路の干渉を避けるため、100μ程度の距離を隔てる必要がある。フィルタ全体の大きさ小さくするためには、遅延線部の導波路の曲げ半径が小さい方が良いが、現状の石英系導波路では、比屈折率差が約1%程度と小さいため、損失が無視できる最小の曲げ半径は1mm程度である。そこで、この最小曲げ半径1mmの遅延線部に適用すると、詳しい計算は省略するが、石英系導波路では本フィルタ1周期あたり約1.2mmの長さが必要となる。
【0009】
周波数選択フィルタとして動作するには、数周期から10周期程度の周期構造が必要であるので、全長はセンチメートル程度となってしまい、従来型の石英系導波路を使用した場合、遅延線型電磁波周波数選択フィルタといえども集積化は困難である。
【0010】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、波長多重光通信等に必要な電磁波周波数選択フィルタを、半導体微細加工技術などを用いて作製可能とした遅延線型電磁波周波数選択フィルタを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、コア部がクラッド部よりも大きな誘電率を有する物質によって構成される2本の誘電体導波路を有し、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返す構造を備えた遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、前記各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、前記コア部の屈折率が3.0〜4.5の間にあり、かつ前記クラッド部の屈折率が1.0〜1.7の間にあることを特徴とする。
【0012】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記コア部が、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物のいずれかにより構成され、かつ前記クラッド部が、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空のいずれかであることを特徴とする。
【0013】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記誘電体導波路の断面形状が方形または台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ0.1〜0.5μmであることを特徴とする。
【0014】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、前記誘電体導波路が最も近接する場所での、各誘電体導波路の側壁間の距離が、50〜200nmであることを特徴とする。
【0015】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4いずれかに記載の発明において、前記誘電体導波路の円弧部分の半径が、2〜30μmであることを特徴とする。なお、好ましくは、円弧部分の半径が2〜10μmであることが望ましい。
【0016】
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5いずれかに記載の発明において、前記誘電体導波路の一方は直線により構成され、他方の誘電体導波路は半円形及び直線により構成されていることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
本発明では、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの誘電体導波路のコア部の屈折率を大幅に増加させることにより、導波路の最小曲げ半径を小さく、かつ直線部と遅延線部との相互干渉を避けるために必要な距離を小さくし、遅延線型電磁波周波数選択フィルタを大幅に小型化できるようにしたものである。
【0018】
ここでは、コア部の屈折率がクラッド部に比べ非常に大きい導波路の材料として、コア部を珪素とし、クラッド部を二酸化珪素として、その特性について説明する。これらの材料は、既存の半導体集積回路に利用されているため、微細加工を伴うこの種の誘電体導波路の作製に適したものである。ここで、それぞれの部分の屈折率は、その典型的な値としてコア部をn1=3.48、クラッド部をn2=1.44とする。また、誘電体導波路の断面形状は導波路が単一モード条件を満たす範囲内にある必要がある。ここではこの条件を満たす値として幅w=0.4μm、高さh=0.2μmの方形断面とする。
【0019】
我々の実験によれば、この誘電体導波路は、半径2μmにて90度偏向を24回繰り返しても、有意な減衰は観測されず、従って、本誘電体導波路の最小曲げ半径としては、r=2μmとして良い。また、3次元時間領域有限差分法(FDTD法:宇野 亨著、FDTD法による電磁界及びアンテナ解析、コロナ社(1998))によれば、この導波路は導波路幅の5倍程度の距離、すなわち、2μm以上のクラッド層を挟めば、有意な干渉を起こすことは無いことが判明している。これらの値は、いずれも従来型の石英型導波路に比べ非常に小さく、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの小型化が可能であることを意味する。
【0020】
図3は、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの一実施例を説明するための構成図で、図中符号11は直線部(直線誘電体導波路)、12は遅延線部(半円形及び直線誘電体導波路)、12aは遅延線部半円形導波路(半径約2.5μm)、12bは遅延調整用直線導波路、13は高比屈折率差型誘電体導波路(コアの屈折率n1=3.48、クラッド屈折率n2=1.44)を示している。
【0021】
本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの形状は、石英型導波路を用いた場合と同じく、直線部11と遅延線部12とから構成される遅延構造を有し、ここでは8周期の構造を有すると仮定する。また、直線部11と遅延線部12の最近接部における両者の側壁面間の距離は、両者に充分な相互作用を生じさせるため、ここでは150nmとしている。但し、3D−FDTD法による計算によれば、距離は50nmから200nmの間で有効な結合度を与えることが判明している。
【0022】
周波数帯域から要請される伝搬時間差は、遅延線部半円形導波路12aと遅延調整用直線導波路12bとから構成される遅延線部12により生成される。ここで遅延線部半円形導波路12aの半径を2.5μmとする。また、本発明の実施例では、議論の単純化のため伝搬時間差は、遅延調整用直線導波路12bの長さにより調整可能とする。以上の構成により形成された遅延線型電磁波周波数選択フィルタの全長は80μmである。
【0023】
ここで用いた遅延線部半円形導波路12aの半径は、上述した最小半径よりも大きいため、使用に耐えうる値である。また、直線部11と遅延線部12との最大離反距離は4.6μmであり、上述の条件を満たす。また、1周期当たりの遅延線部12と直線部11の導波路長さの差は、遅延調整用直線導波路12bの長さが0nmの場合で約5.7μm、遅延調整用直線導波路12bの長さ50nmの場合で5.8μmである。ここで、この導波路の群屈折率は、波長1550nm周辺で約4.2であることを考慮すると、伝搬時間差は80〜81fsとなり、上述した周波数帯域に関する条件を満たす。
【0024】
図4は、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタについて、電磁波電磁波の入出力の比、すなわち、周波数選択特性の周波数依存性を示す図である。この周波数選択特性は、3次元FDTD法により計算された。実線は遅延調整用直線導波路12bの長さが0nmの場合、点線は同じく50nmの場合の周波数特性を示す。どちらの場合も選択周波数の繰り返し間隔は、周波数帯域から要請される12THzを確保している。また、遅延調整用直線導波路12bの長さの調整により、選択周波数を調整可能であることも判る。
【0025】
すなわち、本発明により従来、センチメートル程度の大きさが必要であった遅延線型電磁波周波数選択フィルタの大きさを、100μm程度あるいはそれ以下の大きさにまで小型化することが可能となる。
【0026】
ここで、本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの誘電体導波路に用いられる材料に関しては、動作波長を波長1550nm近傍の通信用赤外線領域とした場合、コア部には高屈折率で赤外線を通過でき、かつ加工性や安定性に問題が少ない材料として、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物等を材料として用いることができる。これらの材料の屈折率は、ほぼ3.0〜4.5の間にある。またクラッド部には、低屈折率で赤外線を透過でき、かつ加工性や安定性に問題が少ない材料として、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空等が材料として用いることができる。これらの材料の屈折率はほぼ1.0〜1.7の間にある。
【0027】
また、遅延線型電磁波周波数選択フィルタの基本動作原理は、2本の誘電体導波路を周期的に、異なる経路を経て、近接結合させることが本質的であるため、コア部自体の断面形状は任意の形状で構わないことは明らかである。
【0028】
ただし、製造の容易さの観点からは、導波路の断面形状は、方形または台形が適していると考えられる。また、導波路断面の大きさは単一モード条件を満たす範囲に制限する必要があるが、平面波展開法(R.D.Meade et al., PhysicalReview B 48, 8434(1996))による計算等によれば、この値は上述した材料等を使用した場合、導波路の高さ、幅とも0.5μm以下であることが判明している。
【0029】
また、遅延線部12における曲線の曲率半径の下限は、導波路の曲げによる損失により決まり、上述した材料等にて単一モード導波路を形成した場合、図3に示した実施例で説明したように、約2μmである。曲率半径の上限は、遅延線型電磁波周波数フィルタの動作原理上はいくら大きくても良いが、集積化の観点からフィルタ全体の大きさを1mm以下にすべきである。そこで、図3に示した実施例の構成が、1mmの長さに対応するとすると、最大半径は約30μである。ただし、より好ましくは、フィルタ全体の大きさを100μm以下にすべく、最大半径を3μmとすべきである。
【0030】
[実施例1]
本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの実施例1を上述した図3に基づいて説明する。コア部が、クラッド部よりも大きな誘電率を有する物質によって構成される2本の誘電体導波路13を有し、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返す構造を備えた遅延線型電磁波周波数選択フィルタであって、各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、コア部の屈折率が3.0〜4.5の間にあり、かつクラッド部の屈折率が1.0〜1.7の間にある。
【0031】
[実施例2]
本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの実施例2を、実施例1と同様に図3に基づいて説明する。上述した実施例1の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、1本の誘電体導波路は直線により構成され、残る1本の誘電体導波路は半円形(円弧)及び直線により構成されている。
【0032】
[実施例3]
図示はしないが、上述した実施例1及び2の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、誘電体導波路のコア部の材料に、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物等を用い、かつクラッド部に、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空等のいずれかを用いている。
【0033】
[実施例4]
図示はしないが、上述した実施例1,2又は3の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、誘電体導波路の断面形状が方形または台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ0.1〜0.5μmである。
【0034】
[実施例5]
上述した請求項1乃至4いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、2本の誘電体導波路が最も近接する場合での、各誘電体導波路の側壁間の距離が50nm〜200nmである。
【0035】
[実施例6]
図示はしないが、上述した実施例1乃至5いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、誘電体導波路の円弧部分の半径が2〜30μmで、好ましくは2〜10μmがよい。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、各周期における誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、コア部の屈折率が3.0〜4.5の間にあり、かつクラッド部の屈折率が1.0〜1.7の間にあるので、波長多重光通信等に必要な電磁波周波数選択フィルタを、従来の半導体微細加工技術等を用いて、安価かつ大量に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の遅延線型電磁波周波数選択フィルタを示す構成図である。
【図2】従来の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作特性を説明するための図である。
【図3】本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの一実施例を説明するための構成図である。
【図4】本発明の遅延線型電磁波周波数選択フィルタの動作特性を説明するための図である。
【符号の説明】
1 直線部(直線誘電体導波路)
2 遅延線部(曲線及び直線誘電体導波路)
3 石英系導波路
11 直線部(直線誘電体導波路)
12 遅延線部(半円形及び直線誘電体導波路)
12a 遅延線部半円形導波路
12b 遅延調整用直線導波路
13 高比屈折率差型誘電体導波路
Claims (6)
- コア部がクラッド部よりも大きな誘電率を有する物質によって構成される2本の誘電体導波路を有し、それぞれ異なる経路を経て周期的に近接と離反を繰り返す構造を備えた遅延線型電磁波周波数選択フィルタにおいて、
前記各周期における前記誘電体導波路による電磁波の伝搬時間の差が、選択対象の電磁波が存在する周波数帯域の周波数幅の逆数により規定される時間よりも短く、前記コア部の屈折率が3.0〜4.5の間にあり、かつ前記クラッド部の屈折率が1.0〜1.7の間にあることを特徴とする遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。 - 前記コア部が、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物のいずれかにより構成され、かつ前記クラッド部が、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
- 前記誘電体導波路の断面形状が方形または台形であり、その高さ及び幅がそれぞれ0.1〜0.5μmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
- 前記誘電体導波路が最も近接する場所での、各誘電体導波路の側壁間の距離が、50〜200nmであることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
- 前記誘電体導波路の円弧部分の半径が、2〜30μmであることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
- 前記誘電体導波路の一方は直線により構成され、他方の誘電体導波路は半円形及び直線により構成されていることを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の遅延線型電磁波周波数選択フィルタ。
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