JP2004101566A - 干渉フィルタを含む光導波路とその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に低コストで形成可能な小型の干渉フィルタ含有光導波路素子を提供する。
【解決手段】干渉フィルタを含む光導波路は、クラッド部に包囲されたコア部（２ａ）を含む光導波路中に形成された干渉フィルタを含み、その光導波路の少なくともコア部（２ａ）はＤＬＣ膜で形成されており、干渉フィルタはコア部のＤＬＣ膜において複数の相対的高屈折率部（２ｂ）と複数の相対的低屈折率部（２ａ）を交互に含んでいる。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において利用される光導波路に関し、特に波長分離に利用し得る干渉フィルタを途中に含む光導波路とその形成方法に関するもである。
【０００２】
【従来の技術】
図４において、特開２０００−１９９８２６号公報に開示された従来の干渉フィルタを含む光導波路素子が、模式的な平面図で図解されている。この光導波路素子は、シリコンなどの基板１０上に石英系ガラスからなる周知の光導波路１１、１２、１３が形成されている。基板１０は、干渉フィルタ３３を受け入れるための溝１８を含んでいる。この干渉フィルタ３３は、透明なポリイミド薄膜基板３４上に形成された多層膜フィルタ３５を含んでいる。
【０００３】
干渉フィルタ３３は、フィルタ支持ブロック３０の垂直面上に透明接着剤で固定される。フィルタ支持ブロック３０の底部には、光導波路１１、１３が干渉フィルタ３３に近接することを許容するための凹部３２が設けられている。基板１０上には、フィルタ支持ブロック３０の位置決めを容易にするために、２つの位置決めガイド１５、１６が設けられている。フィルタ支持ブロック３０の位置合わせ用突き当て面３１がこれら２つの位置決めガイド１５、１６に突き当てられて、その支持ブロック３０の位置決めが行われる。
【０００４】
入力導波路１１と出力導波路１３とは、干渉フィルタ３３の表面の法線に対称にθの角度をなして、そのフィルタ面に当接される。そして、入力導波路１１から入力された光信号のうちで、干渉フィルタ３３を通過した波長の光信号は出力導波路１２に伝達され、干渉フィルタ３３によって反射された波長の光信号は出力導波路１３に伝達される。こうして、波長分割多重化された入力光信号の波長分離が可能になる。なお、導波路は、例えば導波路１２に関して示されているように、複数の導波路１２ａ、１２ｂに分岐することも可能であることが周知である。
【０００５】
図５においては、特開平８−２８６０６０号公報に開示された従来の干渉フィルタを含む光導波路素子が、模式的な平面図で図解されている。この光導波路素子は、シリコンなどの基板１０上に形成された石英系ガラスからなる光導波路１１、１２、１３を含んでいる。導波路１２内において、他の導波路１１、１３との接合点近傍に屈折率変調型の干渉フィルタ３６が形成されている。すなわち、干渉フィルタ３６の領域内において導波路１２は屈折率が周期的に変調されている。ゲルマニウムを含む石英系ガラスは紫外線照射によってその屈折率を高めることができるので、そのような屈折率変調型の干渉フィルタ３６を導波路１２内に形成することが可能である。
【０００６】
図６において、石英系ガラスからなる導波路内に屈折率変調型干渉フィルタを形成する方法の典型例が模式的な正面図で図解されている。この方法では、紫外線レーザ光源２０から射出されたビームが干渉手段２１に入射される。干渉手段２１は、ビームスプッリタ２１ａおよび２つの平行な反射鏡２１ｂ、２１ｃを含んでいる。すなわち、ビームスプッリタ２１ａによって２つに分割された紫外線ビームは、それぞれに対応する平行な反射鏡２１ｂ、２１ｃで反射され、干渉領域２２において相互に会合して干渉し、そして周期的な紫外線照射強度分布を形成する。
【０００７】
光ファイバ４０は、Ｇｅを含む石英系ガラスのコア４１、Ｇｅを含みかつコア４１より低い屈折率を有する石英系ガラスの内層クラッド４２、および石英ガラスの外層クラッド４５を含んでいる。このような光ファイバ４０が、周期的な紫外線照射強度分布を有する干渉領域２２に露出される。そのとき、石英ガラスの外層クラッド４５は、紫外線照射の影響を受けない。しかし、Ｇｅを含む石英系ガラスからなるコア４１と内層クラッド４２の内部では、高強度の紫外線を受けた局所的領域の屈折率が上昇し、ファイバの長さ方向に沿って周期的な屈折率変化４３、４４が生じる。
【０００８】
光ファイバ４０を紫外線干渉領域２２に露出することによって、その干渉領域２２の幅に渡って周期的な屈折率変調４３、４４が形成されれば、光ファイバ４０は矢印Ａで示されているように干渉領域２２に関してその幅分だけ相対的に移動させられ、その後に再度紫外線照射が行われる。このような紫外線照射と光ファイバ４０の移動とを繰り返すことによって、光ファイバ４０の所望の長さに渡って、屈折率変調型干渉フィルタを形成することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１９９８２６号公報
【特許文献２】
特開平８−２８６０６０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示されているような従来の干渉フィルタを含む光導波路素子においては、基板１０に溝１８を掘る工程や干渉フィルタ３３を精度よく設置する工程が煩雑であり、また多層膜フィルタ３５自体が高価である。したがって、図４に示されているような干渉フィルタを含む光導波路素子は、コスト高になるという問題がある。
【００１１】
他方、図５に示されているように石英系ガラスの導波路中に屈折率変調型の干渉フィルタを含む光導波路素子においては、その屈折率変調型の干渉フィルタの長さを小さくすることが困難であって、干渉フィルタを含む光導波路素子の小型化に適しないという問題がある。
【００１２】
より具体的には、特開平８−２８６０６０の段落［０００５］に記載されているように、屈折率変調型フィルタにおける反射率Ｒは次式（１）によって表わされ得ることが知られている。
Ｒ＝ｔａｎｈ^２（Ｌ・π・Δｎ／λ）　　　・・・（１）
ここで、Ｌはコア内に形成された回折格子長を表わし、Δｎは紫外線照射による屈折率変化を表わし、そしてλは反射光の波長を表わしている。
【００１３】
上式（１）から分かるように、所望の反射率Ｒを得ようとする場合に、屈折率変化Δｎとフィルタ長さＬとはほぼ反比例の関係にある。そして、Ｇｅを含む石英系ガラスに紫外線照射して得られる屈折率変化Δｎは、約０．００２程度までのわずかなものである。したがって、光通信分野において望まれる反射率Ｒを得るためには、フィルタ長さＬとして約１０ｍｍ程度を要することになる。その結果、図５に示されているような屈折率変調型干渉フィルタを含む光導波路素子は、小型化に適していないという問題を有している。
【００１４】
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、簡便に低コストで形成可能な小型の干渉フィルタ含有光導波路素子を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、干渉フィルタを含む光導波路は、クラッド部に包囲されたコア部を含む光導波路中に形成された干渉フィルタを含み、その光導波路の少なくともコア部はＤＬＣ膜で形成されており、干渉フィルタはコア部のＤＬＣ膜において複数の高屈折率部と複数の低屈折率部を交互に含んでいることを特徴としている。
【００１６】
なお、このような干渉フィルタを含む光導波路は、１．０〜２．０μｍの範囲内の波長を有する光信号の導波に適用し得る。また、クラッド部の少なくとも一部は、コア部に比べて低い屈折率を有するＤＬＣ膜で形成され得る。
【００１７】
上述の本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成するための方法においては、干渉フィルタにおける高屈折率部はコア部のＤＬＣ膜にエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって形成され得る。なお、ＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法によって気相成長させられ得る。
【００１８】
コア部は、下地層上にＤＬＣ膜を気相成長させ、そのＤＬＣ膜を所定のパターンでエッチングすることによって形成され得る。コア部は、下地層上にＤＬＣ膜を気相成長させ、そのＤＬＣ膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによっても形成され得る。そのエネルギビームとしては、Ｘ線、電子線、またはイオンビームが利用され得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１と図２の模式的な断面図において、本発明の一実施例による干渉フィルタを含む光導波路の形成方法が図解されている。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または類似部分を表わしている。また、本願の図面において、長さや厚さなどの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００２０】
図１を参照して、１０ｍｍ×１０ｍｍの主面を有しかつ１．４４の屈折率を有するＳｉＯ_２基板１のその主面上に、１．５５の屈折率を有するＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）膜２が、プラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法によって１０μｍの厚さに堆積された。このようにプラズマＣＶＤ法で形成されたＤＬＣ膜２は、少なくとも光通信で用いられる波長領域の光に関して透明であり得る。ＤＬＣ膜２の全面上には厚さ２μｍの金膜をスパッタリング法で堆積し、基板１の中央部を横断するように幅１０μｍで長さ１０ｍｍにわたってその金膜の一部をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法でストライプ状にエッチング除去することによって、金マスク３ａが形成された。
【００２１】
この金マスク３ａの開口部を介してＨｅイオンビーム４ａを照射することによって、ＤＬＣ膜２中に光導波路のコア部２ａが形成された。すなわち、図１は光導波路のストライプ状コア２ａに直交する断面を表わしている。この場合のＨｅイオンビーム照射条件としては、８００ｋｅＶの加速電圧を有するＨｅイオンビーム４ａが１×１０^１５／ｃｍ^２のドース量で照射された。その結果、Ｈｅイオンビーム照射前に１．５５の屈折率を有していたＤＬＣ膜２は、そのコア部２ａにおいて屈折率が１．５６に上昇した。しかし、金マスク３ａ下のＤＬＣ膜２の領域内では、Ｈｅイオンビーム４ａの照射の前後において屈折率に変化が生じなかった。
【００２２】
Ｈｅイオンビーム４ａの照射後において、金マスク３ａ全体がエッチング除去された。この状態において、相対的に高い屈折率を有するＤＬＣコア２ａは、いずれも相対的に低い屈折率を有していてクラッド層として作用し得る下側のＳｉＯ_２基板１、両側のＤＬＣ膜２、および上側の空気によって包囲されており、光を閉じこめて導波することができる。
【００２３】
図２を参照して、ストライプ状コア２ａの長手方向に沿った断面が示されている。幅１０μｍで長さ１０ｍｍのストライプ状コア２ａの中央領域上の少なくとも９．０μｍの長さに渡って覆うように、厚さ２μｍの金膜がスパッタリング法で堆積され、この金膜をＲＩＥ法で加工することによって、第２の金マスク３ｂが形成された。すなわち、この金マスク３ｂにおいて、ＤＬＣコア２ａの長手方向に沿って、幅０．２μｍの開口が０．２５μｍの間を隔てて１０個形成された。
【００２４】
金マスク３ｂ中のそれら１０個の開口を介して第２のＨｅイオンビーム４ｂがＤＬＣコア２ａ内に照射された。この第２のＨｅイオンビーム照射条件としては、８００ｋｅＶの加速電圧を有するＨｅイオンビーム４ｂが１×１０^１７／ｃｍ^２のドース量で照射された。その結果、Ｈｅイオンビーム照射前に１．５６の屈折率を有していたＤＬＣコア２ａは、その照射領域２ｂにおいて屈折率が１．８６まで上昇した。しかし、金マスク３ｂ下のコア領域２ａ内では、Ｈｅイオンビーム４ｂの照射の前後において屈折率に変化が生じなかった。すなわち、ＤＬＣ導波路２ａ内において屈折率が高められた複数の領域３ｂを含む周期的屈折率変調領域は、干渉フィルタとして作用することが期待される。
【００２５】
第２の金マスク３ｂ全体ががエッチング除去された後に得られた干渉フィルタを含む光導波路素子において、光ファイバからその導波路の一端へ信号光が入射された。その信号光は、波長１．３０μｍの光と波長１．５５μｍの光を含んでいた。その結果、光導波路素子に含まれる屈折率変調型のＤＬＣ干渉フィルタに関して、波長１．３０μｍの光の透過率は９８％であって反射率は２％であり、波長１．５５μｍの光の透過率は０．１％であって反射率は９９．９％であった。これらの透過率と反射率は、光通信分野における波長分離用フィルタとして、十分に優れたフィルタ特性を満たしているといえる。
【００２６】
他方、本発明との比較のために、図６に示されているように石英系ガラスからなる光ファイバ内に屈折率変調型干渉フィルタが形成された。この石英系ガラスからなる屈折率変調型フィルタにおいては、屈折率１．４４０のコア内に屈折率１．４４１の高屈折率領域が周期的に１０層形成された。
【００２７】
この比較例による石英系ガラスのフィルタに対して、波長１．３０μｍの光と波長１．５５μｍの光を含む信号光が導入された。その結果、比較例のフィルタに関する波長１．３０μｍの光の透過率は９８％であって反射率は２％であり、波長１．５５μｍの光の透過率は９７％であって反射率は３％であった。すなわち、比較例のフィルタは、波長１．３０μｍの光と波長１．５５μｍの光とのいずれに対しても類似の透過率と反射率を有し、それらの光を波長分離するためのフィルタとして利用し得ないことが明らかであろう。
【００２８】
このことは、石英系ガラスからなる比較例のフィルタでは１０層の周期的高屈折率領域では不充分で、遥かに多くの（例えば数千以上の）高屈折率層を設ける必要があることを意味している。すなわち、石英系ガラスからなる比較例のフィルタに波長分離機能を果たさせるには、多くの周期的高屈折率層を含むように長くしなければならないことが分かる。
【００２９】
なお、前述の図１においてはＤＬＣ膜２内にＨｅイオンビーム照射４ａによって光導波路コア２ａが形成されたが、ＤＬＣ導波路コアは他の種々の方法によっても形成され得ることが当業者に容易に理解されよう。
【００３０】
図３の模式的な断面図は、本発明においてＤＬＣ導波路コアを形成する方法の他の例を図解している。この方法においては、ＳｉＯ_２基板１上にＤＬＣ膜２がプラズマＣＶＤ法によって堆積される。このＤＬＣ膜上には、フォトリソグラフィを利用して、ストライプ状のレジストパターン５が形成される。このレジストパターン５下のＤＬＣコア領域２ａ以外のＤＬＣ膜２はＲＩＥによって除去される。なお、ＤＬＣ膜を除去するためのエッチングガスとしては、環境に無害な酸素が利用され得る。その後に、レジストパターン５を除去すれば、基板１上にＤＬＣ導波路コア２ａが残される。この状態で、相対的に高い屈折率を有するＤＬＣコア２ａは、いずれも相対的に低い屈折率を有していてクラッド層として作用し得る下側のＳｉＯ_２基板１、および両側と上側の空気によって包囲されており、光を閉じこめて導波することができる。
【００３１】
本発明による前述の実施例においてはＤＬＣコア２ａが空気と接する面を有していたが、その面が保護膜としての機能とクラッド層としての機能を果たさせるＳｉＯ_２膜などで覆われてもよいことは言うまでもない。また、基板１としてはＳｉＯ_２に限られずにＳｉを用いることも可能であり、基板１とＤＬＣ膜２との間に適当な下部クラッド層が挿入されてもよいことも言うまでもない。
【００３２】
さらに、本発明による前述の実施例においてはＤＬＣ膜の屈折率を高めるためにＨｅイオンビーム照射が利用されたが、水素イオンのような他のイオンビーム照射をも利用し得るとともに、ＤＬＣ膜の屈折率はＸ線照射または電子線照射などによっても高めることができる。例えば、Ｘ線照射としてはシンクロトロン放射光が好ましく用いられ、電子線照射方法としては電子線描画装置などが好ましく用いられ得る。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡便に低コストで形成可能な小型の干渉フィルタ含有光導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成する過程を図解する模式的な断面図である。
【図２】本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成する過程を図解する他の模式的な断面図である。
【図３】本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成する過程を図解するさらに他の模式的な断面図である。
【図４】従来の干渉フィルタを含む光導波路素子の典型例を示す模式的な平面図である。
【図５】従来の干渉フィルタを含む光導波路素子の他の例を示す模式的な平面図である。
【図６】従来の石英系ガラスからなる光ファイバ内に屈折率変調型干渉フィルタを形成する方法を図解する模式的な正面図である。
【符号の説明】
１　ＳｉＯ_２基板、２　ＤＬＣ膜、２ａ　ＤＬＣコア、２ｂ　ＤＬＣコア２ａ中の周期的高屈折率領域、３ａ　第１の金マスク、３ｂ　第２の金マスク、４ａ第１のＨｅイオンビーム照射、４ｂ　第２のＨｅイオンビーム照射、５　レジストパターン。

Claims (8)

1. クラッド部に包囲されたコア部を含む光導波路中に形成された干渉フィルタを含み、
   前記光導波路の少なくともコア部はＤＬＣ膜で形成されており、
   前記干渉フィルタは前記コア部の前記ＤＬＣ膜において複数の高屈折率部と複数の低屈折率部を交互に含んでいることを特徴とする干渉フィルタを含む光導波路。
2. １．０〜２．０μｍの範囲内の波長を有する光信号の導波に適していることを特徴とする請求項１に記載の干渉フィルタを含む光導波路。
3. 前記クラッド部の少なくとも一部は、前記コア部に比べて低い屈折率を有するＤＬＣ膜で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の干渉フィルタを含む光導波路。
4. 請求項１または２に記載の干渉フィルタを含む光導波路を形成するための方法であって、前記干渉フィルタにおける前記高屈折率部は前記コア部の前記ＤＬＣ膜にエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって形成されることを特徴とする干渉フィルタを含む光導波路の形成方法。
5. 下地層上にＤＬＣ膜を気相成長させ、このＤＬＣ膜を所定のパターンでエッチングすることによって前記コア部を形成することを特徴とする請求項４に記載の干渉フィルタを含む光導波路の形成方法。
6. 下地層上にＤＬＣ膜を気相成長させ、このＤＬＣ膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって前記コア部を形成することを特徴とする請求項４に記載の干渉フィルタを含む光導波路の形成方法。
7. 前記エネルギビームとしてＸ線、電子線、またはイオンビームが利用されることを特徴とする請求項４または６に記載の干渉フィルタを含む光導波路の形成方法。
8. 前記ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法によって気相成長させられることを特徴とする請求項５または６に記載の干渉フィルタを含む光導波路の形成方法。

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