JP2005275089A - チューナブル波長選択フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 印加電圧に対する共鳴波長のシフトが大きく、共鳴波長の半値全幅も大きく、製造工程が簡単で、かつ可視光用フィルタとしても使用可能なチューナブル波長選択フィルタを提供する。
【解決手段】 入射光のうち、共鳴条件に合った特定波長の光を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタが、基板と、基板上に形成された、基板より屈折率が大きくかつ電気光学効果を有する導波層と、導波層上に形成され、入射光に対して透明な材料からなるとともに回折格子として機能する複数の電極とを含む。電極間に電圧を印加して導波層の屈折率を変化させ、選択的に反射される反射光の波長をシフトさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特定波長の光を反射光として選択的に反射する波長選択フィルタに関し、特に、反射光の波長をシフトさせることができるチューナブル波長選択フィルタに関する。

図１０は、全体が５００で表される、共鳴波長のシフトが可能な、従来の波長シフト用導波モード共鳴格子フィルタの断面図である。導波モード共鳴格子フィルタ５００では、ＩｎＰ基板５０１上に、複数のＩｎＰ層５０２が積層されている。ＩｎＰ層５０２の中には、屈折率の異なるＩｎＧａＡｓＰ導波層５０３が設けられるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰからなる格子構造を形成し、これを回折格子とする。回折格子のピッチは、０．４６μｍである。更に、導波モード共鳴格子フィルタ５００では、表面及び裏面が反射防止膜５０５で覆われるとともに、電極５０６がそれぞれ設けられている。

導波モード共鳴格子フィルタ５００では、上面から入射した光は、所定の共鳴条件に合う共鳴波長の光のみを反射し、他の波長の光は透過させるため、入射光に対してフィルタとして機能する。

更に、２つの電極５０６の間に電圧を印加することにより、電気光学効果によりＩｎＧａＡｓＰ導波層５０３の屈折率を変化させて反射率を制御し、導波モード共鳴格子フィルタ５００の反射波長を変化させている（例えば、非特許文献１）。
Sharonら "Light modulated with resonant grating-waveguide structures" Optics Letters, vol.21, no.19 (1996) pp.1564-1566

しかしながら、導波モード共鳴格子フィルタ５００では、電極５０６間の距離が大きいため、電極５０６間に電圧を印加しても、実際にＩｎＧａＡｓＰ導波層５０３に印加される電位は小さく、共鳴波長のシフトが小さかった。例えば、電極５０６間に１０Ｖの電圧を印加した場合でも、約０．１ｎｍの共鳴波長のシフトしか得られなかった。

また、回折格子を形成するＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰの屈折率はそれぞれ３．１７と３．４５で、その差が非常に小さかった。このため、共鳴波長の半値全幅が狭くなり、共鳴反射を起こさせるためには導波モード共鳴格子フィルタ５００の面積を大きくしなければならなかった。

また、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ回折格子の作製が必要になり、製造工程が非常に複雑であった。

更に、ＩｎＰが、可視光に対しては不透明であり、導波モード共鳴格子フィルタ５００は可視光用フィルタとして使用できないという問題もあった。

そこで、本発明は、印加電圧に対する共鳴波長のシフトが大きく、共鳴波長の半値全幅も大きく、製造工程が簡単で、かつ可視光用フィルタとしても使用可能な、チューナブル波長選択フィルタの提供を目的とする。

本発明は、入射光のうち、共鳴条件に合った特定波長の光を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタであって、基板と、基板上に形成され、基板より屈折率が大きくかつ電気光学効果を有する導波層と、導波層上に形成され、入射光に対して透明な材料からなるとともに回折格子として機能する複数の電極とを含み、電極間に電圧を印加して導波層の屈折率を変化させ、選択的に反射される反射光の波長をシフトさせることを特徴とするチューナブル波長選択フィルタである。
かかるチューナブル波長選択フィルタでは、印加電圧に対して、反射波長（共鳴波長）を大きくシフトさせることができ、チューナブル（調整可能）な波長選択フィルタを提供できる。

上記電極は、櫛歯状の正電極と負電極を、交互に対向配置した櫛型対向電極からなることが好ましい。

上記正電極と負電極は、同じ材料からなることが好ましい。

上記基板がサファイアからなり、上記導波層がＰＬＺＴからなり、上記電極がＩＴＯからなることが好ましい。

本発明では、低い印加電圧で、反射光の波長を大きくシフトさせることができる、小型のチューナブル波長選択フィルタの提供が可能となる。

図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるチューナブル波長選択フィルタの斜視図である。また、図２は、櫛型対向電極近傍の拡大図である。
チューナブル波長選択フィルタは、例えばサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる基板１を含む。基板１の上には、例えばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３：以下、「ＰＬＺＴ」という。）からなる導波層２が形成されている。サファイアとＰＬＺＴの屈折率は、それぞれ、１．７６と２．５４である。
なお、共鳴波長の半値全幅が小さくてもよい場合には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を導波層２に用いてもよい。

導波層２の上には、正電極（＋）３と負電極（−）４とが交互に対向配置された櫛形対向電極５が形成されている。櫛形対向電極５には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの、可視光に対して透明な電極が用いられる。
正電極３、負電極４はそれぞれ導波層２上に形成された電極端子６に接続されている。電極端子６間には、電源７により所定の電圧が印加される。

チューナブル波長選択フィルタ１００では、所定の間隔で電極を対向配置させた櫛形対向電極５を、導波層２の上に形成することにより、入射光に対してかかる櫛形対向電極５が回折格子としても機能する。

このような回折格子を設けることにより、以下の式（１）で表されるフィルタの共鳴条件を満たす特定波長の入射光のみが回折され、導波層２の中を伝播する。一方、他の波長の光は、そのまま導波層２、基板１を透過する。

ここで、λは入射光の真空中での波長、θは入射光の入射角度、ｎcは導波層上部の媒質（例えば空気）の屈折率、Λは回折格子の周期、βは回折格子を伝播する光の伝播定数である。

回折されて導波層２を伝播する光は、回折格子の影響で再度、導波層２の外に放出される。放出された光のうち入射光側（表面側、図１では上側）に放出された光は、入射光の中の特定波長の光と干渉して強め合う。
一方、透過光側（裏面側、図１では下側）に放出された光は、透過光と干渉しあい、弱め合う。

この結果、チューナブル波長選択フィルタは、共鳴波長に鋭いピークを持ち、かかるピーク波長の光のみを反射するフィルタとなる。

図３は、図２をII−II方向に見た断面図である。基板１上に導波層２が設けられ、その上に正電極３、負電極４が交互に対向配置された櫛形対向電極５が設けられている。チューナブル波長選択フィルタ１００では、回折格子を兼ねる櫛形対向電極５に電圧を印加し、導波層２中に電場を形成する。

かかる構成では、基板１の裏面側に電極を設ける必要がないため、基板１と導波層２についての材料選択の範囲が広くなり、電気光学定数の大きな材料の利用が可能となる。また、基板１と導波層２の屈折率の差が大きな組み合わせを用いることにより、波長半値全幅を広く設定できる。

図３において、導波層２に矢印で記載した向きが、正電極３、負電極４間に生じる電場の向きである。導波層２にこのような電場を形成することにより、電気光学効果により導波層２の屈折率が変化する。

この結果、後述する実施例で示すように、チューナブル波長選択フィルタ１００の共鳴波長が変化し、チューナブル波長選択フィルタ１００により反射される光の波長をシフトさせることができる。

即ち、櫛形対向電極５に電圧を印加することにより、反射波長（共鳴波長）をシフトさせることができ、チューナブル（調整可能）な波長選択フィルタとして機能させることができる。

基板にサファイア、導波層にＰＬＺＴ、透明電極にＩＴＯを用いた場合の光学特性を数値シミュレーションで調べた。ここでは、ＰＬＺＴの中でも電気光学定数の大きな、亜鉛（Ｚ）元素を含まないＰＬＺＴ膜（（Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３において、ｙ＝０）について数値シミュレーションを行った。この場合、ＰＬＺＴ膜の電気光学定数Ｒは、０．２×１０^−１６（ｍ／Ｖ）^２となる。

ここで、導波層に対して電場Ｅ（Ｖ／ｍ）を印加した場合の、導波層の屈折率の大きさΔｎは、以下の式（２）で与えられる。

ここで、ｎは電界をかけていない場合の媒質（導波層）の屈折率、Ｒは媒質（導波層）の電気光学定数を表す。

図４は、数値シミュレーションに用いたチューナブル波長選択フィルタの材料及び寸法を表す模式図であり、図２のII−II方向に見た場合の断面に相当する。かかるチューナブル波長選択フィルタでは、ＰＬＺＴ膜の表面に櫛型対向電極が設けられている。櫛形対向電極は、紙面に垂直な方向に延びた正電極と負電極が、交互に等間隔で配置された構造となっている。

図４に示すように、チューナブル波長選択フィルタでは、基板には、屈折率（ｎ）が１．７６のサファイアを、導波層には、厚さが０．１８μｍで屈折率が２．４５のＰＬＺＴを、櫛型対向電極には、厚さが０．０６μｍで屈折率が２．０７のＩＴＯを、それぞれ用いた。また、櫛型対向電極の間隔は０．０７μｍ、ピッチは０．３３μｍとした。

チューナブル波長選択フィルタには、表面に垂直な方向（矢印の方向）に光が入射する。光は、電場が回折格子の溝方向（紙面に垂直な方向）と垂直に振動する場合を想定した（図４中に電場の振動方向をベクトルＥで表示）。また、波長７００ｎｍ付近で共鳴反射が生じるように各寸法が決定された。

図５は、図４のチューナブル波長選択フィルタを用いた数値シミュレーションの結果であり、入射光の波長に対する反射率を表すグラフである。図５において、横軸は入射光の波長であり、縦軸が反射率を示す。図５は、電極に印加される電圧が０の場合である。
なお、チューナブル波長選択フィルタの設計には、回折光学素子の設計でよく用いられる解析プログラム"Rigorous Coupled-Wave Analysis"を用いた。

図５からわかるように、入射光の波長が７０１ｎｍで共鳴条件が満たされ、１００％の反射率が得られた。また、半値全幅も約２ｎｍとなった。この実施例では、非共鳴条件での反射率が２０％程度であるが、導波層と透明電極の厚さを最適化したり、反射防止膜を設けることにより、非共鳴条件での反射率はほぼ０％にできた。

図６は、櫛型対向電極の正電極（＋）と負電極（−）との間に電圧をかけた場合の、ＰＬＺＴ導波層内での屈折率変化の計算結果である。ここでは、電極間に１０Ｖの電圧が印加された場合を想定した。電極の電位からラプラスの式を用いて電位分布が求められた。また、電位に対して各場所での微分を行うことにより電場の各成分（ｘ方向成分、ｚ方向成分）が求められた。なお、入射光はｚ方向に偏光しているため、電場のｙ方向成分は０となる。

更に、上記式（１）を用いてＰＬＺＴ導波層内の屈折率分布を求めた。この計算を厳密に行うためには誘電率テンソルを求める必要があるが、導波層内で共鳴する「光の電場」は殆どｘ方向を向いているので、ここではｘ方向の電場振動に影響を与える屈折率成分だけを取り出して、屈折率変化量として求めた。

図６では、上から順に、ＰＬＺＴ導波層における、電位分布、電場のｘ方向成分（電場Ｅｘ）、電場のｚ方向成分（電場Ｅｚ）、及び屈折率変化量を示す。

以上の計算方法で、電極間に印加される電圧に対する導波層内の屈折率の分布を求めることができる。更に、屈折率が変化した場合の反射率特性は、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて計算した。

図７は、導波層に０Ｖ、５Ｖ、１０Ｖの電圧を印加した場合の反射率特性である。図７において、横軸はチューナブル波長選択フィルタへの入射光の波長、縦軸は入射光に対する反射率を示す。
導波層に印加する電圧を、０Ｖから５Ｖ、１０Ｖと大きくするほど導波層の平均屈折率は低下するため、共鳴波長（反射される波長）は短波長側にシフトする。

図８は、導波層に印加した電圧に対するピーク波長のシフト量を示す。図８において、横軸は導波層への印加電圧、縦軸はピーク波長のシフト量である。図８からわかるように、印加電圧に対して、ピーク波長のシフト量はほぼ２乗の関係で増加している。図８において、ピーク波長のシフト量を△λ、印加電圧をＶとすると、以下の式（３）が成立する。

△λ＝０．１６×Ｖ^２ （３）

このように、本実施例にかかるチューナブル波長選択フィルタでは、印加電圧が５Ｖ、１０Ｖで、それぞれ約４ｎｍ、約１１ｎｍのピーク波長のシフト量が得られた。このため、比較的小さな印加電圧で、反射波長（共鳴波長）を大きくシフトさせることができ、良好な選択フィルタとして機能する。

また、反射波長の半値全幅を２．２ｎｍと大きくすることができ、チューナブル波長選択フィルタの小型化が可能となる。

また、波長７００ｎｍ前後の可視光領域においても、フィルタとして有効に機能することができる。

最後に、本実施例にかかるチューナブル波長選択フィルタの製造方法について簡単に説明する。
かかる製造方法では、まず、サファイア基板を準備する。続いて、サファイア基板上にゾルゲル法を用いてＰＬＺＴ膜を形成する。
更に、ＰＬＺＴ膜の上に、真空蒸着法やスパッタリング法を用いてＩＴＯ膜を堆積した後、パターニングにより櫛型対向電極を形成する。なお、櫛型対向電極の形成には、リフトオフ法を用いても構わない。

このように、本実施例にかかるチューナブル波長選択フィルタの製造方法では、表面上に回折格子を兼ねた櫛型対向電極が形成されるため、製造工程が容易になる。

なお、本実施の形態では、導波層の上に櫛型対向電極を形成したが、例えば、図９に示すチューナブル波長選択フィルタ２００のように、櫛型対向電極５の一部を導波層２中に埋め込んでも構わない。

本発明にかかるチューナブル波長選択フィルタは、波長多重通信用の波長切り替えスイッチ、分光計測用フィルタ、液体や気体の濃度センサ等に適用できる。

本実施の形態にかかるチューナブル波長選択フィルタの斜視図である。 本実施の形態にかかるチューナブル波長選択フィルタの拡大図である。 本実施の形態にかかるチューナブル波長選択フィルタの断面図である。 数値シミュレーションに用いたチューナブル波長選択フィルタの模式図である。 入射光の波長に対する反射率の関係である。 ＰＬＺＴ導波層における、電位分布、電場のｘ方向成分、ｚ方向成分、及び屈折率変化量である。 導波層に０Ｖ、５Ｖ、１０Ｖの電圧を印加した場合の反射率特性である。 導波層に印加した電圧とピーク波長のシフト量との関係である。 本実施の形態にかかる他のチューナブル波長選択フィルタの断面図である。 従来の波長シフト用導波モード共鳴格子フィルタの断面図である。

符号の説明

１...基板、２...導波層、３...正電極、４...負電極、５...櫛型対向電極、６...電極端子、７...電源、１００、２００...チューナブル波長選択フィルタ。

Claims (4)

1. 入射光のうち、共鳴条件に合った特定波長の光を反射光として選択的に反射させるチューナブル波長選択フィルタであって、
   基板と、
   該基板上に形成され、該基板より屈折率が大きくかつ電気光学効果を有する導波層と、
   該導波層上に形成され、入射光に対して透明な材料からなるとともに回折格子として機能する複数の電極とを含み、
   該電極間に電圧を印加して該導波層の屈折率を変化させ、選択的に反射される反射光の波長をシフトさせることを特徴とするチューナブル波長選択フィルタ。
2. 上記電極が、櫛歯状の正電極と負電極を、交互に対向配置した櫛型対向電極からなることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル波長選択フィルタ。
3. 上記正電極と負電極が、同じ材料からなることを特徴とする請求項２に記載のチューナブル波長選択フィルタ。
4. 上記基板がサファイアからなり、上記導波層がＰＬＺＴからなり、上記電極がＩＴＯからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチューナブル波長選択フィルタ。