JP2007279534A

JP2007279534A - Optical element

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Publication number: JP2007279534A
Application number: JP2006108218A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Nunotani; 伸浩布谷; Yasuo Shibata; 康夫柴田; Kazutoshi Kato; 和利加藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact optical element by a simple structure. <P>SOLUTION: The optical element has a resonator structure which has two first and second reflection regions 5 and 6 formed by alternately laminating two first and second thin films 2 and 3 differing in refractive indexes and holds an expansion region 4 made of a material having a larger coefficient of thermal expansion than a substrate 1, between the two first and second reflection regions 5 and 6, and is varied in transmission or reflection wavelength by varying the optical length of the expansion region 4 by varying temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光学素子に関し、例えば、特定の波長の光を選択的に透過あるいは反射し、かつ、その特定の波長を変化することのできる波長可変光フィルタに適用して好適なものである。 The present invention relates to an optical element, and is suitable for application to, for example, a tunable optical filter that can selectively transmit or reflect light having a specific wavelength and change the specific wavelength.

光通信等の分野においては、ある特定の波長の光のみを透過させる光学素子として、光フィルタが用いられている。特定の波長帯の光を透過させるため、バンドパスフィルタ等とも呼ばれる。近年、光通信分野においては、異なるいくつかの波長の光信号を、一本の光ファイバの中に多重して伝送する波長多重通信方式（ＷＤＭ）が用いられており、例えば、一つの波長の光信号のみを取り出すためにバンドパスフィルタを用いることができる。 In the field of optical communication and the like, an optical filter is used as an optical element that transmits only light of a specific wavelength. In order to transmit light of a specific wavelength band, it is also called a band pass filter or the like. In recent years, in the field of optical communication, a wavelength division multiplexing (WDM) system in which optical signals of several different wavelengths are multiplexed and transmitted in one optical fiber has been used. A band pass filter can be used to extract only the optical signal.

多重された異なる波長の光信号の中から、任意の波長の光信号を取り出すためには、波長数分のバンドパスフィルタが必要である。異なるバンドパスフィルタを用意するのは、コストや装置の簡素化の点で問題があるため、透過波長を変化させることができるバンドパスフィルタ、即ち、波長可変フィルタが開発されてきた。このような波長可変フィルタは、通信における伝送信号の選択のみではなく、半導体レーザ等と組み合わせて波長可変レーザを構成したり、マルチチャンネルアナライザの部品としても使用したりすることもできる。 In order to extract an optical signal having an arbitrary wavelength from among multiplexed optical signals having different wavelengths, bandpass filters corresponding to the number of wavelengths are required. Since preparing different bandpass filters has problems in terms of cost and simplification of the apparatus, bandpass filters capable of changing the transmission wavelength, that is, wavelength tunable filters have been developed. Such a wavelength tunable filter can be used not only to select a transmission signal in communication but also to form a wavelength tunable laser in combination with a semiconductor laser or the like, or to be used as a component of a multichannel analyzer.

バンドパスフィルタは、例えば、図６のように構成することにより実現できる。
具体的には、バンドパスフィルタは、基板５１上に、屈折率が異なる第１誘電体５２と第２誘電体５３を交互に積層し、その上に、第３誘電体５４を積層後、再び、第２誘電体５３と第１誘電体５２を交互に積層したものである。即ち、第１誘電体５２と第２誘電体５３を交互に積層することにより多重反射鏡とし、基板５１に対して垂直な方向より入射した光のうち、第３誘電体５４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、第３誘電体５４の下部と上部の反射鏡の間で共振するため、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射されることになる。この結果、図７に示すような透過スペクトルを得ることができる。 The bandpass filter can be realized by configuring as shown in FIG. 6, for example.
Specifically, the band-pass filter is formed by alternately laminating first dielectrics 52 and second dielectrics 53 having different refractive indexes on the substrate 51, and laminating a third dielectric 54 thereon, and then again. The second dielectric 53 and the first dielectric 52 are alternately stacked. In other words, the first dielectric 52 and the second dielectric 53 are alternately stacked to form a multiple reflector, and the optical length (refracted) of the third dielectric 54 out of the light incident from the direction perpendicular to the substrate 51. Since only the light of the wavelength selected according to the product of the ratio and the thickness resonates between the lower and upper reflecting mirrors of the third dielectric 54, only the light of the selected wavelength becomes transmitted light, Light of other wavelengths will be reflected. As a result, a transmission spectrum as shown in FIG. 7 can be obtained.

ここで、第１誘電体５２、第２誘電体５３、第３誘電体５４の屈折率を各々ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、厚さを各々ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃とするとき、ある設計波長λ₀を中心とした波長域で高反射が得られる多層膜反射鏡を実現するためには、下記条件の式（１）、（２）を満たすようにすればよい。
ｎ₁ｄ₁＝ｍλ₀／４（１）
ｎ₂ｄ₂＝ｍλ₀／４（２）
又、この反射鏡を用いた場合に、第３誘電体５４の層を、下記条件の式（３）を満たすようにすることにより、λ₀を中心とした透過スペクトルを得ることができる。
ｎ₃ｄ₃＝ｍλ₀／２（３）
なお、ｍは任意の正の整数である。つまり、これらの層の光学長（屈折率と厚さの積）が、（λ₀／４）又は（λ₀／２）の整数倍を満たす条件であってもよい。又、第３誘電体５４の層は、第１誘電体５２の層と同一の屈折率を持つ層でもかまわない。 Here, when the refractive indexes of the first dielectric 52, the second dielectric 53, and the third dielectric 54 are n ₁ , n ₂ , n ₃ , and the thicknesses are d ₁ , d ₂ , d ₃ , respectively, In order to realize a multilayer-film reflective mirror that can obtain high reflection in a wavelength region centered on a design wavelength λ ₀ , the following conditions (1) and (2) may be satisfied.
_{_{_{n 1 d 1 = mλ 0/}}} 4 (1)
_{_{_{n 2 d 2 = mλ 0/}}} 4 (2)
In addition, when this reflector is used, a transmission spectrum centered on λ ₀ can be obtained by making the layer of the third dielectric 54 satisfy the following condition (3).
_{_{_{n 3 d 3 = mλ 0/}}} 2 (3)
Note that m is an arbitrary positive integer. That is, the optical length of the layers (the product of refractive index and thickness) may be a condition that satisfies the integral multiple of (lambda _0/4) or (lambda _0/2). The layer of the third dielectric 54 may be a layer having the same refractive index as that of the first dielectric 52.

波長可変フィルタとしては、例えば、特許文献１では、同一基板上に、屈折率が異なる２種類以上の膜を重ねると共に膜厚に勾配を持たせて成膜することにより構成している。この構成でも、上記図６のバンドパスフィルタの説明にあるように、各層の厚さに応じて、特定の波長の入射光の反射波が強めあったり弱めあったりする現象を用いることになり、各層の厚さに応じて、フィルタの透過波長が変化することになる。膜厚が厚くなるに従い、透過波長は長波長になるため、光を入射する位置をフィルタ上で物理的に変えることにより、透過波長が変化する波長可変フィルタとすることができる。 As the wavelength tunable filter, for example, in Patent Document 1, two or more types of films having different refractive indexes are stacked on the same substrate and are formed with a gradient in film thickness. Even in this configuration, as described in the description of the bandpass filter in FIG. 6, a phenomenon in which the reflected wave of incident light having a specific wavelength is increased or decreased depending on the thickness of each layer is used. Depending on the thickness of each layer, the transmission wavelength of the filter changes. Since the transmission wavelength becomes longer as the film thickness is increased, a wavelength variable filter in which the transmission wavelength is changed can be obtained by physically changing the light incident position on the filter.

又、透過する波長を変化させるためには、光学的な膜厚、即ち、屈折率と厚さの積を変化させてもよい。従って、物理的な膜厚ではなく、屈折率を変化させてもよい。このため、特許文献２には、液晶に電圧をかけることにより屈折率が変化する現象を用いて、透過波長を変化させる構造の波長可変フィルタが記述されている。 Further, in order to change the transmitted wavelength, the optical film thickness, that is, the product of the refractive index and the thickness may be changed. Therefore, the refractive index may be changed instead of the physical film thickness. For this reason, Patent Document 2 describes a wavelength tunable filter having a structure in which a transmission wavelength is changed using a phenomenon in which a refractive index changes when a voltage is applied to a liquid crystal.

又、特許文献３には、１次あるいは２次の電気光学効果を有する誘電体薄膜である電気光学膜を用い、電圧により屈折率を変化させることにより、透過波長を変化させる構造の波長可変フィルタが記述されている。 Patent Document 3 discloses a wavelength tunable filter having a structure in which an electro-optic film which is a dielectric thin film having a primary or secondary electro-optic effect is used, and a transmission wavelength is changed by changing a refractive index according to a voltage. Is described.

又、非特許文献１には、温度が上昇すると屈折率が上昇する量が大きな水素化アモルファスシリコンを用いて、温度により屈折率を変化させて、透過波長を変化させる構造の波長可変フィルタが記述されている。 Non-Patent Document 1 describes a wavelength tunable filter having a structure in which a refractive index is changed by temperature and a transmission wavelength is changed by using hydrogenated amorphous silicon whose amount of increase in refractive index is large when temperature is increased. Has been.

ところで、ＷＤＭ通信等で使う場合、フィルタの透過スペクトルの形状を工夫する必要がある。ＷＤＭ通信では、近接した多数の波長の信号をまとめて送信するため、フィルタにより一つの波長のみ取り出すためには、透過する波長と透過しない波長の切り替えを急峻にし、透過する波長の透過率を高く保つ、即ち、矩形の透過スペクトルが必要である。図６のように、単一の共振器構造を持つバンドパスフィルタでは、図７の透過スペクトルのように、ある波長に透過スペクトルのピークがあり、なだらかに透過スペクトルが変化する。 By the way, when using in WDM communication etc., it is necessary to devise the shape of the transmission spectrum of the filter. In WDM communication, signals of many adjacent wavelengths are transmitted together, so in order to extract only one wavelength by a filter, the switching between the transmitting wavelength and the non-transmitting wavelength is made sharp, and the transmittance of the transmitting wavelength is increased. A rectangular transmission spectrum is required. As shown in FIG. 6, a bandpass filter having a single resonator structure has a transmission spectrum peak at a certain wavelength as in the transmission spectrum of FIG. 7, and the transmission spectrum gently changes.

一方、図８のように、単一共振器５５、５６を重ね、多重共振器とすることにより、透過特性が急峻になり矩形に近づく。図８は二重共振器の例であり、図６の単一共振器５５、５６を、結合層５７を挟み重ねている。この例では、結合層５７は第２誘電体５３により構成されており、（２）式で表される多層反射鏡と同じ厚さである。さらに多重化する場合には、結合層５７を挟み重ねていけばよい。図９は単一共振器、二重共振器、三重共振器の透過スペクトルである。このように、多重化することにより、スペクトル特性が矩形に近づく。さらに理想的な矩形に近づけるためには、各層の膜厚を完全に式（１）〜（３）に合わせずに、最適化する必要がある。 On the other hand, as shown in FIG. 8, when the single resonators 55 and 56 are overlapped to form a multiple resonator, the transmission characteristic becomes steep and approaches a rectangle. FIG. 8 shows an example of a double resonator, in which single resonators 55 and 56 of FIG. 6 are stacked with a coupling layer 57 interposed therebetween. In this example, the coupling layer 57 is composed of the second dielectric 53 and has the same thickness as the multilayer reflector represented by the formula (2). In the case of further multiplexing, the coupling layer 57 may be sandwiched and stacked. FIG. 9 shows transmission spectra of a single resonator, a double resonator, and a triple resonator. In this way, the spectral characteristics approach a rectangle by multiplexing. Further, in order to approach an ideal rectangle, it is necessary to optimize the film thickness of each layer without completely matching the equations (1) to (3).

特開平８−２２７０１４号公報JP-A-8-227014 特開平１１−１１９１８６号公報JP 11-119186 A 特開平２００１−２１８５２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-21852 ２００４年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−９７2004 IEICE General Conference C-3-97

しかしながら、上記文献等に示される波長可変フィルタには、各々、以下に示すような問題点がある。
（１）特許文献１に示される波長可変フィルタの場合には、膜厚をなだらかに変化させるために基板が大きくなってしまい、大きな空間が必要になるとともに、物理的に波長可変フィルタを動かす必要があり、駆動装置が必要となってしまう。
（２）特許文献２や特許文献３で示される波長可変フィルタであったとしても、電気的な効果を用いるために、電極及び配線が必要となる。特に、多重共振器とした場合においては、電極の数も増えるために、加工が煩雑となるという問題がある。
（３）非特許文献１で示される波長可変フィルタの場合、成膜のみで作製できるので作製は容易である。しかしながら、更に、温度による屈折率変化量の増大が必要である点や、成膜した膜厚のみにより透過波長が決定するため、後から中心波長の調整等ができない等の問題がある。 However, each of the wavelength tunable filters described in the above documents has the following problems.
(1) In the case of the wavelength tunable filter disclosed in Patent Document 1, the substrate becomes large in order to gently change the film thickness, so that a large space is required and the wavelength tunable filter needs to be physically moved. Therefore, a driving device is required.
(2) Even if it is the wavelength variable filter shown by patent document 2 or patent document 3, in order to use an electrical effect, an electrode and wiring are needed. In particular, in the case of a multi-resonator, there is a problem that processing becomes complicated because the number of electrodes increases.
(3) In the case of the wavelength tunable filter shown in Non-Patent Document 1, it can be easily produced because it can be produced only by film formation. However, there are further problems such as the need to increase the amount of change in refractive index with temperature, and the transmission wavelength is determined only by the thickness of the deposited film, so that the center wavelength cannot be adjusted later.

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、簡単な構造によりコンパクトな光学素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a compact optical element with a simple structure.

上記課題を解決する第１の発明に係る光学素子は、
基板上に形成され、屈折率が互いに異なる第１薄膜と第２薄膜を、各々、所望の反射波長帯域の中心波長のｍ／４の光学長（ｍは任意の正の整数）とすると共に、前記第１薄膜及び前記第２薄膜を交互に少なくとも一組以上積層した第１反射領域と、
前記第１反射領域上に形成され、前記基板より大きな熱膨張係数を有する材料よりなる膨張領域と、
前記膨張領域上に形成され、前記第１薄膜と前記第２薄膜を、各々、所望の反射波長帯域の中心波長のｍ／４の光学長（ｍは任意の正の整数）とすると共に、前記第１薄膜及び前記第２薄膜を交互に少なくとも一組以上積層した第２反射領域と
を有する共振器を備えると共に、
少なくとも前記膨張領域の温度を制御する温度制御手段を設け、
前記温度制御手段による温度の変化により、前記膨張領域の厚さを変化させると共に光学長を変化させて、前記共振器を透過又は反射する光のスペクトル特性を制御するようにしたことを特徴とする。 An optical element according to a first invention for solving the above-described problem is
Each of the first thin film and the second thin film formed on the substrate and having different refractive indexes is set to an optical length of m / 4 of the center wavelength of the desired reflection wavelength band (m is an arbitrary positive integer), A first reflective region in which at least one or more pairs of the first thin film and the second thin film are alternately laminated;
An expansion region made of a material formed on the first reflection region and having a larger thermal expansion coefficient than the substrate;
Each of the first thin film and the second thin film formed on the expansion region has an optical length of m / 4 of a center wavelength of a desired reflection wavelength band (m is an arbitrary positive integer), and A resonator having a first thin film and a second reflective region in which at least one pair of the second thin films are alternately laminated, and
Providing a temperature control means for controlling at least the temperature of the expansion region;
The spectral characteristic of the light transmitted or reflected by the resonator is controlled by changing the thickness of the expansion region and changing the optical length according to the temperature change by the temperature control means. .

上記課題を解決する第２の発明に係る光学素子は、
上記第１発明に記載の光学素子において、
前記膨張領域の熱膨張係数を、前記基板の熱膨張係数より２倍以上大きいものとしたことを特徴とする。 An optical element according to a second invention for solving the above-mentioned problem is
In the optical element according to the first invention,
The thermal expansion coefficient of the expansion region is at least twice as large as the thermal expansion coefficient of the substrate.

上記課題を解決する第３の発明に係る光学素子は、
上記第１、第２の発明に記載の光学素子において、
前記第１薄膜又は前記第２薄膜の一方もしくは両方が、前記膨張領域の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有することを特徴とする。 An optical element according to a third invention for solving the above-mentioned problem is
In the optical element according to the first or second invention,
One or both of the first thin film and the second thin film have a thermal expansion coefficient comparable to that of the expansion region.

上記課題を解決する第４の発明に係る光学素子は、
上記第１〜第３のいずれかの発明に記載の光学素子において、
前記膨張領域の厚さを、前記基板の厚さの１／１０以下としたことを特徴とする。 An optical element according to a fourth invention for solving the above-described problem is
In the optical element according to any one of the first to third inventions,
The thickness of the expansion region is 1/10 or less of the thickness of the substrate.

上記課題を解決する第５の発明に係る光学素子は、
上記第１〜第４のいずれかの発明に記載の光学素子において、
前記第１薄膜又は前記第２薄膜の一方の薄膜の屈折率を、他方の薄膜の屈折率の２倍以上としたことを特徴とする。 An optical element according to a fifth invention for solving the above-described problem is
In the optical element according to any one of the first to fourth inventions,
The refractive index of one thin film of the first thin film or the second thin film is at least twice the refractive index of the other thin film.

上記課題を解決する第６の発明に係る光学素子は、
上記第１〜第５のいずれかに記載の光学素子における共振器を、誘電体層を挟んで複数積層したことを特徴とする。 An optical element according to a sixth invention for solving the above-described problem is
A plurality of resonators in the optical element according to any one of the first to fifth aspects are stacked with a dielectric layer interposed therebetween.

上記課題を解決する第７の発明に係る光学素子は、
半導体により作製されたフォトダイオードを基板とすると共に、
上記第１〜第６のいずれかに記載の光学素子における共振器を、前記フォトダイオード上に形成したことを特徴とする。 An optical element according to a seventh invention for solving the above-described problem is
While using a photodiode made of semiconductor as a substrate,
A resonator in the optical element according to any one of the first to sixth aspects is formed on the photodiode.

本発明によれば、温度を変化させることにより光学長を変化させることができる膨張領域を設けたので、簡単な構造によりコンパクトな光学素子を提供することができると共に、異なる波長の多数の光信号の中から、所望の波長の光信号を透過又は反射させるスペクトル特性とすることができる。 According to the present invention, since the expansion region in which the optical length can be changed by changing the temperature is provided, a compact optical element can be provided with a simple structure, and a large number of optical signals having different wavelengths can be provided. The spectral characteristics of transmitting or reflecting an optical signal having a desired wavelength can be obtained.

本発明に係る光学素子は、屈折率が異なる二つの薄膜を基板上に交互に積層した反射領域を複数有し、複数の反射領域の間に基板よりも大きな熱膨張係数を有する材料からなる膨張領域を挟んで共振器構造とし、温度を変化させることにより膨張領域の光学長を変化させて、透過又は反射する波長を可変にするものである。
以下、本発明に係る光学素子の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 The optical element according to the present invention has a plurality of reflective regions in which two thin films having different refractive indexes are alternately laminated on a substrate, and an expansion made of a material having a larger thermal expansion coefficient than the substrate between the plurality of reflective regions. The resonator structure is sandwiched between the regions, and the optical length of the expansion region is changed by changing the temperature, so that the wavelength to be transmitted or reflected is made variable.
Hereinafter, embodiments of an optical element according to the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光学素子の第１の実施形態を示す図である。
これは、図６で説明した従来のバンドパスフィルタの構造と類似しているが、用いる膜の材料を選択することで、所望の光学素子（波長可変フィルタ）を構成することができる。 (First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an optical element according to the present invention.
This is similar to the structure of the conventional bandpass filter described with reference to FIG. 6, but a desired optical element (wavelength variable filter) can be configured by selecting the material of the film to be used.

具体的には、本実施形態の波長可変フィルタは、基板１上に、屈折率が異なる第１薄膜２と第２薄膜３を交互に1組以上積層し、その上に、膨張領域４を積層し、膨張領域４の積層後、膨張領域４の上に、再び、第２薄膜３と第１薄膜２を交互に1組以上積層したものである。即ち、第１薄膜２と第２薄膜３を交互に積層することにより多重反射鏡とし、基板１の平面に対して垂直な方向（以降、垂直方向Ｖと呼ぶ。）より入射した光のうち、膨張領域４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、膨張領域４の下部の反射鏡（第１反射領域５）と上部の反射鏡（第２反射領域６）の間で共振するので、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射される。この結果、従来例で説明した図７に示すような透過スペクトルを得ることができる。 Specifically, in the wavelength tunable filter of the present embodiment, one or more pairs of first thin films 2 and second thin films 3 having different refractive indexes are alternately stacked on the substrate 1, and the expansion region 4 is stacked thereon. Then, after the expansion region 4 is laminated, one or more sets of the second thin film 3 and the first thin film 2 are alternately laminated on the expansion region 4 again. That is, the first thin film 2 and the second thin film 3 are alternately laminated to form a multi-reflection mirror, and among the light incident from the direction perpendicular to the plane of the substrate 1 (hereinafter referred to as the vertical direction V), Only light having a wavelength selected according to the optical length (product of refractive index and thickness) of the expansion region 4 is reflected by the lower reflection mirror (first reflection region 5) and the upper reflection mirror (second). Since resonance occurs between the reflection regions 6), only the light of the selected wavelength becomes transmitted light, and the light of other wavelengths is reflected. As a result, a transmission spectrum as shown in FIG. 7 described in the conventional example can be obtained.

第１薄膜２、第２薄膜３、膨張領域４の屈折率を各々ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、厚さを各々ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃とし、ｍを任意の正の整数とすると、ある設計波長λ₀を中心とした波長域で高反射が得られる多層膜反射鏡を実現するためには、前述した式（１）、式（２）を満たすような屈折率、厚さに各々設定すればよい。又、この多層膜反射鏡を用いた場合に、膨張領域４の層を、前述した式（３）を満たすような屈折率、厚さに設定することにより、λ₀を中心とした透過スペクトルを得ることができる。又、これらの層の光学長（屈折率と厚さの積）は、式（１）〜（３）から明らかなように、（λ₀／４）又は（λ₀／２）の整数倍を満たす条件であってもよい。又、膨張領域４の層は、第１薄膜２の層と同一の屈折率を持つ層でもかまわない。 The refractive index of the first thin film 2, the second thin film 3, and the expansion region 4 is n ₁ , n ₂ , n ₃ , the thicknesses are d ₁ , d ₂ , d ₃ , respectively, and m is an arbitrary positive integer. In order to realize a multilayer mirror that can obtain high reflection in a wavelength region centered on a design wavelength λ ₀ , the refractive index and thickness satisfying the above-described equations (1) and (2) are set. Each may be set. In addition, when this multilayer mirror is used, the transmission spectrum centered on λ ₀ is obtained by setting the layer of the expansion region 4 to a refractive index and a thickness satisfying the above-mentioned formula (3). Obtainable. Further, the optical length of the layers (the product of refractive index and thickness), as apparent from the equation (1) to (3), the integral multiple of (lambda _0/4) or (lambda _0/2) The condition to satisfy | fill may be sufficient. Further, the layer of the expansion region 4 may be a layer having the same refractive index as that of the first thin film 2.

基板１は、熱膨張係数の小さい材料、例えば、石英とし、膨張領域４は、熱膨張係数の大きい材料、例えば、ポリイミド等の有機材料とする。不純物の割合により異なるが、石英の線膨張係数はおおよそ１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、ポリイミドの線膨張係数は４０ｐｐｍ／Ｋ程度である。そのほか、基板１として半導体を用いる場合、半導体は数ｐｐｍ／Ｋ程度の熱膨張係数であり、ポリイミドの線膨張係数よりも一桁小さい。 The substrate 1 is made of a material having a small thermal expansion coefficient, for example, quartz, and the expansion region 4 is made of a material having a large thermal expansion coefficient, for example, an organic material such as polyimide. Although it varies depending on the ratio of impurities, the linear expansion coefficient of quartz is approximately 1 ppm / K or less, and the linear expansion coefficient of polyimide is approximately 40 ppm / K. In addition, when a semiconductor is used as the substrate 1, the semiconductor has a thermal expansion coefficient of about several ppm / K, which is an order of magnitude smaller than the linear expansion coefficient of polyimide.

基板１の厚さは、第１薄膜２及び第２薄膜３や膨張領域４の厚さに比べて厚くする。例えば、基板１は数百μｍ以上である。第１薄膜２及び第２薄膜３は、透過させたい波長を共振させるため、前述のように、透過波長の反射率が高くなるようにするには、透過波長の１／４波長程度か、もしくは、その整数倍とすればよく、その厚さは数μｍ程度以下となる。膨張領域４の厚さは、透過波長の位相条件を満たすように設計すればよいため、基板１の１／１０以下の厚さである数十μｍ以下というように設定することにより、相対的に基板１を厚くすることができる。 The thickness of the substrate 1 is made larger than the thicknesses of the first thin film 2, the second thin film 3, and the expansion region 4. For example, the substrate 1 is several hundred μm or more. Since the first thin film 2 and the second thin film 3 resonate the wavelength to be transmitted, as described above, in order to increase the reflectance of the transmission wavelength, it is about ¼ wavelength of the transmission wavelength, or The integral multiple of the thickness may be approximately several μm or less. Since the thickness of the expansion region 4 may be designed so as to satisfy the phase condition of the transmission wavelength, the thickness of the expansion region 4 is set to be several tens of μm or less, which is 1/10 or less of the substrate 1. The substrate 1 can be thickened.

又、基板１のヤング率は、膨張領域４のヤング率に比べて十分大きいことが必要である。ヤング率は変形のしにくさを示す。つまり、逆に言うとヤング率が小さいほど変形しやすい材料である。例えば、石英のヤング率は、不純物にもよるが数十ＧＰａ程度になるが、ポリイミド等の有機材料では数ＧＰａ程度の一桁小さい値である。即ち、基板１よりも膨張領域４が変形しやすい材料を用いる。 The Young's modulus of the substrate 1 needs to be sufficiently larger than the Young's modulus of the expansion region 4. Young's modulus indicates the difficulty of deformation. In other words, the material is more easily deformed as the Young's modulus is smaller. For example, the Young's modulus of quartz is about several tens of GPa although it depends on impurities, but it is an order of magnitude smaller than several GPa for organic materials such as polyimide. That is, a material in which the expansion region 4 is easier to deform than the substrate 1 is used.

上記構成により、基板１の平面に水平な方向（以降、水平方向Ｈと呼ぶ。）における第１薄膜２、第２薄膜３及び膨張領域４の膨張は、基板１の水平方向Ｈの膨張によりほぼ決定されることとなる。従って、膨張係数の大きな材料を用いている膨張領域４は、水平方向Ｈの膨張が抑制され、その分、垂直方向Ｖに伸びることになる。即ち、基板１上に成膜した膨張領域４の線膨張係数をαとし、膨張領域４における垂直方向Ｖの膨張係数をα^vとし、基板１の膨張係数をα_subとすると、以下のような式となる。 With the above configuration, the expansion of the first thin film 2, the second thin film 3, and the expansion region 4 in the direction horizontal to the plane of the substrate 1 (hereinafter referred to as the horizontal direction H) is almost due to the expansion of the substrate 1 in the horizontal direction H. Will be determined. Therefore, the expansion region 4 using a material having a large expansion coefficient is suppressed from expanding in the horizontal direction H and extends in the vertical direction V accordingly. That is, when the linear expansion coefficient of the expansion region 4 formed on the substrate 1 is α, the expansion coefficient in the vertical direction V in the expansion region 4 is α ^v, and the expansion coefficient of the substrate 1 is α _sub , It becomes an expression.

例えば、石英の線膨張係数を１ｐｐｍ／Ｋとし、ポリイミドの線膨張係数を４０ｐｐｍ／Ｋとして計算すると、α^vは、以下の数値となる。

つまり、基板１の膨張係数に比べて、大きな膨張係数を持つ材料を膨張領域４の材料として用いることにより、膨張領域４における垂直方向Ｖの膨張を大きくすることができる。 For example, when the linear expansion coefficient of quartz is 1 ppm / K and the linear expansion coefficient of polyimide is 40 ppm / K, α ^v is as follows.

That is, by using a material having a larger expansion coefficient than the expansion coefficient of the substrate 1 as the material of the expansion region 4, the expansion in the vertical direction V in the expansion region 4 can be increased.

例えば、Ｓｉ（シリコン）の熱膨張係数は、２．４ｐｐｍ／Ｋ程度であるから、基板１としてＳｉを用いた場合のポリイミドの垂直方向Ｖの熱膨張係数α^vは１１５ｐｐｍ／Ｋとなる。又、ＩｎＰ（インジウム・リン）やＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）であれば、熱膨張係数は、４．５ｐｐｍ／Ｋと６．０ｐｐｍ／Ｋであるから、これらを基板１として用いた場合、ポリイミドの垂直方向Ｖの熱膨張係数α^vは、１１１ｐｐｍ／Ｋ及び１０８ｐｐｍ／Ｋとなり、やはり、もともとのポリイミドの線膨張係数αの値よりも２倍以上大きくすることができる。 For example, since the thermal expansion coefficient of Si (silicon) is about 2.4 ppm / K, the thermal expansion coefficient α ^{v in} the vertical direction V of polyimide when Si is used as the substrate 1 is 115 ppm / K. In the case of InP (indium / phosphorus) or GaAs (gallium / arsenic), the thermal expansion coefficients are 4.5 ppm / K and 6.0 ppm / K. The thermal expansion coefficient α ^{v in} the vertical direction V is 111 ppm / K and 108 ppm / K, and can be increased more than twice the value of the linear expansion coefficient α of the original polyimide.

即ち、式（４）、（５）の関係からわかるように、基板１上に形成した膜の垂直方向Ｖの熱膨張係数α^vが、バルク状態の熱膨張係数αよりも２倍以上大きくするためには、基板１の熱膨張係数α_subよりも２倍以上大きい熱膨張係数αを持つ材料により膨張領域４を形成すればよい。 That is, as can be seen from the relations of the equations (4) and (5), the thermal expansion coefficient α ^{v in} the vertical direction V of the film formed on the substrate 1 is set to be twice or more larger than the thermal expansion coefficient α in the bulk state. For this purpose, the expansion region 4 may be formed of a material having a thermal expansion coefficient α that is twice or more larger than the thermal expansion coefficient α _sub of the substrate 1.

本実施形態の波長可変フィルタには、少なくとも膨張領域４の温度を制御する温度制御手段（図示せず。）が設けられており、温度制御手段により少なくとも膨張領域４の温度を上昇させることにより、膨張係数の大きな膨張領域４の厚さを厚くすることができる。これにより、膨張領域４の光学長が物理的に長くなるため、透過波長が長波長にシフトして、所望のスペクトル特性に制御することができる。即ち、温度制御により透過波長を変化させられる波長可変フィルタとすることができる。 The wavelength tunable filter of the present embodiment is provided with temperature control means (not shown) for controlling at least the temperature of the expansion region 4, and by increasing the temperature of at least the expansion region 4 by the temperature control means, The thickness of the expansion region 4 having a large expansion coefficient can be increased. Thereby, since the optical length of the expansion region 4 is physically long, the transmission wavelength is shifted to a long wavelength, and can be controlled to a desired spectral characteristic. In other words, the wavelength tunable filter can change the transmission wavelength by temperature control.

なお、膨張係数の大きな材料の多くは、膨張に伴い屈折率が低下する。これにより光学長は短くなるため、本実施形態の原理を考えると不利に働く。しかし、本実施形態では、基板１の膨張係数より大きな膨張係数を有する材料を膨張領域４に用いることにより、膨張に伴う屈折率の低下を打ち消すことができる。具体的には、上述したように、屈折率低下分を打ち消すため、膨張領域４の垂直方向Ｖの膨張係数α^vを、膨張領域４の線膨張係数αの２倍以上とすればよく、膨張係数α^vを膨張領域４の線膨張係数αの２倍以上にするためには、基板１の線膨張係数α_subの２倍以上の線膨張係数αを持つ材料を膨張領域４に用いればよい。 Many materials having a large expansion coefficient have a refractive index that decreases with expansion. This shortens the optical length, which is disadvantageous when considering the principle of this embodiment. However, in the present embodiment, by using a material having an expansion coefficient larger than that of the substrate 1 for the expansion region 4, it is possible to cancel the decrease in the refractive index accompanying expansion. Specifically, as described above, in order to cancel the refractive index decrease, the expansion coefficient α ^v in the vertical direction V of the expansion region 4 may be set to be not less than twice the linear expansion coefficient α of the expansion region 4. In order to make the coefficient α ^v more than twice the linear expansion coefficient α of the expansion region 4, a material having a linear expansion coefficient α that is twice or more the linear expansion coefficient α _sub of the substrate 1 may be used for the expansion region 4. .

本実施形態の波長可変フィルタにおいて、その透過波長は、膨張領域４と、膨張領域４の下の多層膜反射鏡（第１反射領域５）と、その上の多層膜反射鏡（第２反射領域６）とによりなる共振器に共振する波長により決定される。共振波長は、多層膜反射鏡により反射される波長の中で位相条件が満たされる波長、即ち、共振器内を光が一周したときに強め合う波長である。従って、共振器の長さが重要になる。多層膜反射鏡は、反射点が分布している分布反射鏡であるから、単純な厚さでは共振器の長さを定義することができず、この場合、位相を考えた場合の長さを有効長Ｌ_effとして考える。有効長Ｌ_effは、前述の式（１）、（２）を満たす多層膜の場合、λ₀近傍では、反射波の位相遅れをφとし、λ₀からの波長ずれ（正確には、伝搬定数のずれ）をδとすると、以下の式により定義できる。

In the wavelength tunable filter of the present embodiment, the transmission wavelength is the expansion region 4, the multilayer film reflector (first reflection region 5) below the expansion region 4, and the multilayer film reflector (second reflection region) thereabove. 6) is determined by the wavelength resonating with the resonator. The resonance wavelength is a wavelength that satisfies the phase condition among the wavelengths reflected by the multilayer mirror, that is, a wavelength that reinforces when the light goes around the resonator. Therefore, the length of the resonator is important. Since the multilayer mirror is a distributed reflector in which reflection points are distributed, the length of the resonator cannot be defined with a simple thickness. Consider the effective length L _eff . Effective length L _eff is the above-mentioned formula (1), if the multilayer film satisfying (2), the lambda ₀ vicinity, the phase delay of the reflected wave and phi, the wavelength shift from lambda ₀ (precisely, the propagation constant The deviation can be defined by the following equation.

従って、膨張領域４を挟む上下の多層膜が対称構造である場合には、共振器の長さＬは、以下の式となる。

Therefore, when the upper and lower multilayer films sandwiching the expansion region 4 have a symmetrical structure, the length L of the resonator is expressed by the following equation.

本実施形態においては、膨張領域４の膨張により波長を変化させている。従って、透過波長の決定において、膨張領域４の膨張の影響を大きくするためには、多層膜の有効共振器長Ｌ_effをできるだけ短くすればよい。 In the present embodiment, the wavelength is changed by the expansion of the expansion region 4. Therefore, in order to increase the influence of expansion of the expansion region 4 in determining the transmission wavelength, the effective resonator length L _eff of the multilayer film should be made as short as possible.

多層膜の有効共振器長Ｌ_effを短くするには、ひとつひとつの反射面、即ち、第１薄膜２と第２薄膜３の界面で生じる反射量を大きくすればよい。つまり、多層膜は分布反射により、全体として高い反射率を得るものであるから、ひとつひとつの反射面における反射量が大きくなることにより、より短い距離で反射率が大きくなり、有効長Ｌ_effが短くなることになる。 In order to shorten the effective resonator length L _eff of the multilayer film, the amount of reflection generated at each reflecting surface, that is, the interface between the first thin film 2 and the second thin film 3 may be increased. In other words, the multilayer film obtains a high reflectivity as a whole by distributed reflection. Therefore, the reflectivity at each reflecting surface increases, so that the reflectivity increases at a shorter distance, and the effective length L _eff becomes shorter. Will be.

多層膜の有効長Ｌ_effを短くすることは、基板１と膨張領域４の間に存在する多層膜の厚さを減らすことにもなる。多層膜が厚いと基板１と膨張領域４の熱膨張係数差による歪が緩和してしまうため、基板１と膨張領域４を近づけることは、基板１の熱膨張係数により膨張領域４の水平方向Ｈの膨張係数を固定する目的においても有利になる。 Shortening the effective length L _eff of the multilayer film also reduces the thickness of the multilayer film existing between the substrate 1 and the expansion region 4. If the multilayer film is thick, the distortion due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 1 and the expansion region 4 is relaxed. This is also advantageous for the purpose of fixing the expansion coefficient.

例えば、Ｓｉ（屈折率３．４）とＳｉＯ₂（屈折率１．４５）による多層膜を用いた場合には、Ｔａ₂Ｏ₅（屈折率２．２）とＳｉＯ₂（屈折率１．４５）による多層膜に比べて、少ない層数であっても高い反射率を得ることができる。具体的に３ペアの多層膜で比較すると、Ｔａ₂Ｏ₅とＳｉＯ₂の組み合わせでは６０％程度の反射率しか得られないのに対して、ＳｉとＳｉＯ₂の組み合わせでは、９５％程度の反射率を得ることができる。従って、屈折率差が２倍程度以上のものを組み合わせる方が反射率向上のためには有効である。又、屈折率の高い膜は、屈折率が低い膜に比べて、同じ厚さであっても光学膜厚が厚くなるため、必要な物理的厚さも薄くなる。これにより、有効長Ｌ_effを短くすることができる。 For example, when a multilayer film made of Si (refractive index 3.4) and SiO ₂ (refractive index 1.45) is used, Ta ₂ O ₅ (refractive index 2.2) and SiO ₂ (refractive index 1.45). ), A high reflectance can be obtained even with a small number of layers. Specifically, when three pairs of multilayer films are compared, the combination of Ta ₂ O ₅ and SiO ₂ can provide only a reflectance of about 60%, whereas the combination of Si and SiO ₂ has a reflection of about 95%. Rate can be obtained. Therefore, it is more effective to improve the reflectance by combining those having a refractive index difference of about twice or more. In addition, a film having a high refractive index has a smaller required physical thickness because the optical film thickness is larger than that of a film having a lower refractive index even if the film has the same thickness. Thereby, the effective length L _eff can be shortened.

又、透過波長は、膨張領域４の光学長に大きく関係するが、膨張領域４の材料として、例えば、ポリイミド等の有機材料を用いた場合、光学素子作製後に、紫外線もしくは電子線等を照射することで、ポリイミド等の有機材料の屈折率を変化させることが可能である。従って、作製誤差により中心波長が多少ずれてしまっていても、作製後に調整（トリミング）することができる。 Further, although the transmission wavelength is largely related to the optical length of the expansion region 4, when an organic material such as polyimide is used as the material of the expansion region 4, ultraviolet light or electron beam is irradiated after the optical element is manufactured. Thus, the refractive index of an organic material such as polyimide can be changed. Therefore, even if the center wavelength is slightly shifted due to a manufacturing error, it can be adjusted (trimmed) after the manufacturing.

作製した波長可変フィルタの温度を変化させる温度制御手段としては、例えば、ペルチェ素子を用いる。そして、熱伝導が可能であり、かつ、膨張領域４が膨張可能なように、ペルチェ素子等の温度制御手段を波長可変フィルタに取り付ける。例えば、薄膜の積層方向（図中の垂直方向Ｖ）に沿って、これら薄膜の周囲に温度制御手段を設ければよく、少なくとも、膨張領域４の温度の制御ができればよい。ペルチェ素子等は、例えば、０℃〜１００℃程度の温度制御が可能であり、温度を上昇させることにより、透過フィルタの透過波長を長波長側に変化させることができる。 For example, a Peltier element is used as temperature control means for changing the temperature of the manufactured wavelength tunable filter. Then, a temperature control means such as a Peltier element is attached to the wavelength tunable filter so that heat conduction is possible and the expansion region 4 is expandable. For example, temperature control means may be provided around these thin films along the thin film stacking direction (vertical direction V in the drawing), and at least the temperature of the expansion region 4 may be controlled. The Peltier element or the like can be controlled at a temperature of about 0 ° C. to 100 ° C., for example, and the transmission wavelength of the transmission filter can be changed to the long wavelength side by increasing the temperature.

図２は、フィルタの透過波長の温度変化を説明する図である。
ここでは、第１薄膜２としてＳｉＯ₂、第２薄膜３としてＳｉを用い、第１反射領域５及び第２反射領域６は、それぞれ３ペアの多層膜とし、膨張領域４の垂直方向Ｖの熱膨張係数を１００ｐｐｍ／Ｋに調整した場合のものである。 FIG. 2 is a diagram for explaining the temperature change of the transmission wavelength of the filter.
Here, SiO ₂ is used as the first thin film 2, Si is used as the second thin film 3, the first reflective region 5 and the second reflective region 6 are each a three-layer multilayer film, and the heat in the vertical direction V of the expansion region 4 This is when the expansion coefficient is adjusted to 100 ppm / K.

図２に示すように、基準温度において、透過ピーク波長は１．５５μｍであるが、基準温度＋１０Ｋ、基準温度＋２０Ｋとするに従って、透過ピーク波長が長波長側に移動することがわかる。ここでは、１０Ｋの温度上昇で、およそ１．５ｎｍの波長変化が生じている。 As shown in FIG. 2, at the reference temperature, the transmission peak wavelength is 1.55 μm, but it can be seen that the transmission peak wavelength moves to the longer wavelength side as the reference temperature + 10K and the reference temperature + 20K. Here, a wavelength change of about 1.5 nm occurs with a temperature increase of 10K.

（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る光学素子の第２の実施形態を説明する図である。
第１の実施形態では、膨張係数の大きな材料を共振器構造の中央部の膨張領域にのみ用いているが、本実施形態では、第１の実施形態の図１に説明した光学素子（波長可変フィルタ）のうち、薄膜の全部もしくは一部にも膨張係数の大きな材料を適用するものである。 (Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram for explaining a second embodiment of the optical element according to the present invention.
In the first embodiment, a material having a large expansion coefficient is used only for the expansion region at the center of the resonator structure. In this embodiment, the optical element (wavelength variable) described in FIG. 1 of the first embodiment is used. Among the filters, a material having a large expansion coefficient is applied to all or a part of the thin film.

具体的には、本実施形態の波長可変フィルタは、図３に示すように、基板２１上に、屈折率が異なる第１薄膜２２と第２薄膜２３を交互に積層し、その上に、膨張領域２４を積層し、その上に、再び、第２薄膜２３と第１薄膜２２を交互に積層しており、更に、第１薄膜２２として、膨張係数の大きい材料を用いているものである。なお、本実施形態の図３では、一例として、第１薄膜２２に熱膨張係数の大きな材料を用いているが、第２薄膜２３、若しくは、第１薄膜２２及び第２薄膜２３の両方に膨張係数の大きな材料を適用してもよい。 Specifically, as shown in FIG. 3, the wavelength tunable filter of the present embodiment has first thin films 22 and second thin films 23 having different refractive indexes stacked alternately on a substrate 21 and expanded on the first thin films 22 and 23. The region 24 is laminated, and the second thin film 23 and the first thin film 22 are alternately laminated thereon again, and a material having a large expansion coefficient is used as the first thin film 22. In FIG. 3 of the present embodiment, as an example, a material having a large thermal expansion coefficient is used for the first thin film 22, but the second thin film 23 or both the first thin film 22 and the second thin film 23 are expanded. A material having a large coefficient may be applied.

上記構成においても、第１薄膜２２と第２薄膜２３を交互に積層することにより多重反射鏡としている。そして、基板２１に対して垂直な方向（垂直方向Ｖ）より入射した光のうち、膨張領域２４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、膨張領域２４の下部の反射鏡（第１反射領域２５）と上部の反射鏡（第２反射領域２６）の間で共振するため、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射されることとなる。 Also in the above configuration, the first thin film 22 and the second thin film 23 are alternately laminated to form a multiple reflecting mirror. Of the light incident from the direction perpendicular to the substrate 21 (vertical direction V), only light having a wavelength selected according to the optical length (product of refractive index and thickness) of the expansion region 24 expands. Since resonance occurs between the lower reflecting mirror (first reflecting area 25) and the upper reflecting mirror (second reflecting area 26) of the region 24, only the light of the selected wavelength becomes transmitted light, and the other wavelengths. The light will be reflected.

第１薄膜２２、第２薄膜２３の厚さは、基板２１よりも十分薄く、基板２１には膨張係数の小さな材料を用いている。そのため、第１の実施形態で説明したように、基板２１に水平な方向（水平方向Ｈ）における第１薄膜２２の膨張が抑えられ、その分、垂直方向Ｖの膨張が増加する。共振器構造の反射を起こす第１薄膜２２を膨張係数の大きな材料とすることにより、温度上昇により薄膜の光学長が長くなるため、反射帯域の中心波長が長波長側に変化し、これにより、透過波長を長波長化することができる。これは、第１薄膜２２に代えて第２薄膜２３を膨張係数の大きな材料とした場合、又は、第１薄膜２２及び第２薄膜２３の両方を膨張係数の大きな材料とした場合でも、同様であり、温度上昇により薄膜の光学長が長くなるため、反射帯域の中心波長が長波長側に変化して、透過波長も長波長化することができる。 The first thin film 22 and the second thin film 23 are sufficiently thinner than the substrate 21, and the substrate 21 is made of a material having a small expansion coefficient. Therefore, as described in the first embodiment, the expansion of the first thin film 22 in the direction horizontal to the substrate 21 (horizontal direction H) is suppressed, and the expansion in the vertical direction V increases accordingly. By making the first thin film 22 that causes reflection of the resonator structure a material having a large expansion coefficient, the optical length of the thin film becomes longer due to a temperature rise, so that the central wavelength of the reflection band changes to the longer wavelength side, The transmission wavelength can be increased. This is the same even when the second thin film 23 is made of a material having a large expansion coefficient instead of the first thin film 22 or when both the first thin film 22 and the second thin film 23 are made of a material having a large expansion coefficient. In addition, since the optical length of the thin film becomes longer as the temperature rises, the center wavelength of the reflection band changes to the longer wavelength side, and the transmission wavelength can be increased.

本実施形態の波長可変フィルタには、波長可変フィルタ全体の温度を制御する温度制御手段（図示せず）が設けられている。従って、上記構造においては、温度制御手段により波長可変フィルタ全体の温度を上昇させることにより、膨張領域２４の熱膨張による波長変化に加えて、第１薄膜２２の膨張による波長変化も生じるため、温度による波長変化を大きくすることができる。又、第１薄膜２２に代えて第２薄膜２３を膨張係数の大きな材料とした場合でも同様な波長変化が得られ、更に、第１薄膜２２及び第２薄膜２３の両方を膨張係数の大きな材料とした場合では、温度による波長変化を更に大きくすることができる。 The wavelength tunable filter of this embodiment is provided with temperature control means (not shown) for controlling the temperature of the entire tunable filter. Therefore, in the above structure, since the temperature control means raises the temperature of the entire wavelength tunable filter, in addition to the wavelength change due to the thermal expansion of the expansion region 24, the wavelength change due to the expansion of the first thin film 22 also occurs. The wavelength change due to can be increased. Further, even when the second thin film 23 is made of a material having a large expansion coefficient instead of the first thin film 22, the same wavelength change can be obtained. Furthermore, both the first thin film 22 and the second thin film 23 are made of a material having a large expansion coefficient. In this case, the wavelength change due to temperature can be further increased.

第１薄膜２２の材料は、膨張領域２４と同じ材料でもよいし、成膜のしやすさ等を考えて、別の材料としてもよい。熱膨張係数の大きな有機材料は、屈折率が１．５程度の材料が多く、第２薄膜２３をアモルファスシリコン等の屈折率３以上の材料とした場合、大きな屈折率差をとることができ、多層膜のペア数を少なくすることができる。なお、薄膜の膜厚の設計等は、第１の実施形態で説明した原理等をそのまま適用することができる。 The material of the first thin film 22 may be the same material as that of the expansion region 24, or another material in consideration of easiness of film formation. An organic material having a large thermal expansion coefficient has a refractive index of about 1.5, and when the second thin film 23 is made of a material having a refractive index of 3 or more such as amorphous silicon, a large difference in refractive index can be obtained. The number of pairs of multilayer films can be reduced. The principle described in the first embodiment can be applied as it is to the design of the film thickness of the thin film.

（第３の実施形態）
図４は、本発明に係る光学素子の第３の実施形態を説明する図である。 (Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram for explaining a third embodiment of the optical element according to the present invention.

波長可変フィルタにおいては、透過スペクトルの形状を目的に応じて設計する必要がある。ＷＤＭ通信等では、所望の波長のチャンネルのみ透過させ、そのほかの波長のチャンネルを透過させないようにする必要があるため、矩形の透過スペクトルとすることが望ましい。一般的に、共振器型の波長可変フィルタの場合、共振器を多重結合することにより透過スペクトルを矩形にすることが可能である。 In the tunable filter, it is necessary to design the shape of the transmission spectrum according to the purpose. In WDM communication or the like, since it is necessary to transmit only channels of a desired wavelength and not transmit channels of other wavelengths, a rectangular transmission spectrum is desirable. In general, in the case of a resonator type tunable filter, it is possible to make the transmission spectrum rectangular by multiple coupling of resonators.

例えば、第１の実施形態の図１で説明したような波長可変フィルタは、一つの共振器から構成されているが、本実施形態においては、いくつかの共振器を縦列に重ねたフィルタ構造とすることにより、透過スペクトルを矩形に近づけることが可能となる。作製においても、多重にすることによって追加される手順は無く、容易に多重化することが可能である。 For example, the wavelength tunable filter as described in FIG. 1 of the first embodiment is composed of one resonator, but in this embodiment, a filter structure in which several resonators are stacked in cascade. By doing so, it becomes possible to make a transmission spectrum close to a rectangle. Also in the production, there is no additional procedure by multiplexing, and it is possible to easily multiplex.

具体的には、本実施形態の波長可変フィルタは、図４に示すように、第１共振器３７、第２共振器３８を二つ重ねた構造のものである。一つの共振器は、基板３１上に、第１薄膜３２と第２薄膜３３を入射光の４分の１波長程度の厚さとすると共に、それらを交互に積層した第１反射領域３５と、膨張領域３４と、第２薄膜３３と第１薄膜３２を入射光の４分の１波長程度の厚さとすると共に、それらを交互に積層した第２反射領域３６とより構成される。これは、第１の実施形態の図１において説明した波長可変フィルタと同様な構造であるため、第１の実施形態で説明した原理、膜厚、材料等は、そのまま適用できる。 Specifically, the wavelength tunable filter of this embodiment has a structure in which two first resonators 37 and two second resonators 38 are stacked as shown in FIG. One resonator has a first reflective region 35 in which the first thin film 32 and the second thin film 33 have a thickness of about a quarter wavelength of incident light on the substrate 31, and are alternately laminated. The region 34 and the second thin film 33 and the first thin film 32 are formed to have a thickness of about a quarter wavelength of incident light, and a second reflection region 36 in which they are alternately stacked. Since this has the same structure as the wavelength tunable filter described in FIG. 1 of the first embodiment, the principle, film thickness, material, and the like described in the first embodiment can be applied as they are.

又、本実施形態の波長可変フィルタには、波長可変フィルタ全体、若しくは、少なくとも、膨張領域３４の温度を制御する温度制御手段（図示せず。）が設けられている。従って、上記構造においては、温度制御手段により、波長可変フィルタ全体、若しくは、少なくとも、膨張領域３４の温度を上昇させることにより、膨張係数の大きな膨張領域３４の厚さが物理的に厚くなる。これにより、膨張領域４の光学長も長くなるため、透過波長を長波長側にシフトすることができる。 The wavelength tunable filter of this embodiment is provided with temperature control means (not shown) for controlling the temperature of the entire wavelength tunable filter or at least the expansion region 34. Therefore, in the structure described above, the temperature of the entire wavelength tunable filter or at least the temperature of the expansion region 34 is increased by the temperature control means, whereby the thickness of the expansion region 34 having a large expansion coefficient is physically increased. Thereby, since the optical length of the expansion area | region 4 also becomes long, a transmission wavelength can be shifted to the long wavelength side.

そして、結合層３９を挟み、第１共振器３７、第２共振器３８を重ねることにより、前述の図９に示すような急峻な透過スペクトルを得ることができる。この結合層３９は、第２薄膜３３の材料と同じ材料により構成すればよい。さらに所望の透過スペクトル形状を得るためには、重ねる共振器の数を増加してもよい。例えば、図９に示すように、共振器構造を重ねて、単一共振器から二重共振器、三重共振器へとするに従い、透過スペクトル形状は矩形に近づくことになる。なお、図９においては、原理を説明するため、単純に共振器を重ねた構造としたので、透過率の高い領域で透過特性がフラットになっていないが、各層の厚さを適切に設計することにより、透過スペクトルの頂上部分が平坦な特性を得ることができる。 A steep transmission spectrum as shown in FIG. 9 can be obtained by overlapping the first resonator 37 and the second resonator 38 with the coupling layer 39 interposed therebetween. The bonding layer 39 may be made of the same material as that of the second thin film 33. Furthermore, in order to obtain a desired transmission spectrum shape, the number of resonators to be stacked may be increased. For example, as shown in FIG. 9, the transmission spectrum shape approaches a rectangle as the resonator structure is overlapped to change from a single resonator to a double resonator or a triple resonator. In FIG. 9, in order to explain the principle, since the resonator is simply overlapped, the transmission characteristics are not flat in the high transmittance region, but the thickness of each layer is appropriately designed. As a result, it is possible to obtain a characteristic that the top portion of the transmission spectrum is flat.

なお、図４では、第１の実施形態の波長可変フィルタの共振器構造を重ねた構造としたが、第２の実施形態の図３で説明した波長可変フィルタの共振器構造、即ち、薄膜にも熱膨張係数の大きな材料を用いた波長可変フィルタの共振器構造を重ねた構造としてもよい。 In FIG. 4, the resonator structure of the wavelength tunable filter of the first embodiment is overlapped. However, the resonator structure of the wavelength tunable filter described in FIG. 3 of the second embodiment, that is, a thin film is used. Alternatively, a resonator structure of a wavelength tunable filter using a material having a large thermal expansion coefficient may be stacked.

（第４の実施形態）
図５は、本発明に係る光学素子の第４の実施形態を説明する図である。 (Fourth embodiment)
FIG. 5 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the optical element according to the present invention.

本実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態で説明した光学素子における基板を、半導体により作製したフォトダイオードとするものであり、図５では、一例として、第１の実施形態の図１で説明した光学素子における基板部分をフォトダイオードとしたものである。なお、第２、第３の実施形態の光学素子における基板部分をフォトダイオードに変更してもよい。 In the present embodiment, the substrate in the optical element described in the first to third embodiments is a photodiode made of a semiconductor. FIG. 5 shows an example of the first embodiment. The substrate portion of the optical element described in FIG. 1 is a photodiode. The substrate portion in the optical elements of the second and third embodiments may be changed to a photodiode.

本実施形態に係る光学素子は、図５に示すように、フォトダイオード層４１上に、屈折率が異なる第１薄膜４２と第２薄膜４３を交互に積層し、その上に、膨張領域４４を積層し、膨張領域４４の上に、再び、第２薄膜４３と第１薄膜４２を交互に積層したものである。 As shown in FIG. 5, the optical element according to the present embodiment alternately stacks the first thin film 42 and the second thin film 43 having different refractive indexes on the photodiode layer 41, and the expansion region 44 is formed thereon. Then, the second thin film 43 and the first thin film 42 are alternately laminated on the expansion region 44 again.

上記構成でも、第１薄膜４２と第２薄膜４３を交互に積層することにより多重反射鏡とし、フォトダイオード層４１に対して垂直な方向（垂直方向Ｖ）より入射した光のうち、膨張領域４４の光学長（屈折率と厚さの積）に応じて選択された波長の光のみが、膨張領域４４の下部の反射鏡（第１反射領域４５）と上部の反射鏡（第２反射領域４６）の間で共振するため、選択された波長の光のみが透過光となり、それ以外の波長の光は反射される。 Even in the above configuration, the first thin film 42 and the second thin film 43 are alternately stacked to form a multiple reflection mirror, and the expansion region 44 out of the light incident from the direction perpendicular to the photodiode layer 41 (vertical direction V). Only the light of the wavelength selected according to the optical length (product of refractive index and thickness) is reflected by the lower reflection mirror (first reflection area 45) and the upper reflection mirror (second reflection area 46) of the expansion area 44. ), Only the light of the selected wavelength becomes transmitted light, and the light of other wavelengths is reflected.

又、本実施形態の光学素子でも、少なくとも膨張領域４４の温度を制御する温度制御手段（図示せず）が設けられている。従って、上記構造においては、温度制御手段により、少なくとも、膨張領域４４の温度を上昇させることにより、膨張係数の大きな膨張領域４４の厚さが物理的に厚くなる。これにより、膨張領域４の光学長が長くなるため、透過波長を長波長側にシフトすることができる。 Also in the optical element of this embodiment, temperature control means (not shown) for controlling the temperature of at least the expansion region 44 is provided. Therefore, in the above structure, the temperature of the expansion region 44 having a large expansion coefficient is physically increased by increasing the temperature of the expansion region 44 at least by the temperature control means. Thereby, since the optical length of the expansion | swelling area | region 4 becomes long, a transmission wavelength can be shifted to the long wavelength side.

第２反射領域４６側から入射した光は、第１反射領域４５、膨張領域４４、第２反射領域４６により構成される共振器により波長が選択され、透過した波長のみがフォトダイオード層４１に入射して、フォトダイオード層４１で吸収され、電流に変換される。従って、上記構成の光学素子では、膨張領域４４の温度を変化させることにより、多数の波長の信号の中からある波長のみを検出することが、一つの素子でできることになる。 The wavelength of light incident from the second reflection region 46 side is selected by a resonator constituted by the first reflection region 45, the expansion region 44, and the second reflection region 46, and only the transmitted wavelength is incident on the photodiode layer 41. Then, it is absorbed by the photodiode layer 41 and converted into a current. Therefore, in the optical element having the above-described configuration, it is possible to detect only a certain wavelength from signals having a large number of wavelengths by changing the temperature of the expansion region 44 with a single element.

一般的に半導体の熱膨張係数は、膨張領域４４に用いる有機材料の熱膨張係数よりも一桁小さな値を有する。従って、フォトダイオード層４１上に本発明に係る共振器構造を形成しても、本発明の原理である熱膨張係数の違いにより、膨張領域４４の光学長を変化させて、大きな波長可変性を生じさせることができる。 In general, the thermal expansion coefficient of a semiconductor has a value that is an order of magnitude smaller than the thermal expansion coefficient of an organic material used for the expansion region 44. Therefore, even if the resonator structure according to the present invention is formed on the photodiode layer 41, the optical length of the expansion region 44 is changed due to the difference in the thermal expansion coefficient, which is the principle of the present invention, so that a large wavelength variability can be obtained. Can be generated.

本発明に係る光学素子は、波長可変光フィルタとして好適なものであるが、光通信における伝送信号の選択のみではなく、フォトダイオードと組み合わせて、多数の波長の光から特定の波長の光のみを検出するフォトダイオードを構成したり、半導体レーザ等と組み合わせて、波長可変レーザを構成したり、マルチチャンネルアナライザの部品として構成したりすることができる。 The optical element according to the present invention is suitable as a wavelength tunable optical filter. However, not only the selection of a transmission signal in optical communication but also a combination of a photodiode and only light of a specific wavelength from a number of wavelengths. A photodiode to be detected can be configured, or a wavelength tunable laser can be configured in combination with a semiconductor laser or the like, or can be configured as a part of a multichannel analyzer.

本発明に係る光学素子の第１の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st Embodiment of the optical element which concerns on this invention. 本発明に係る光学素子の透過スペクトルの温度依存性を説明する図である。It is a figure explaining the temperature dependence of the transmission spectrum of the optical element which concerns on this invention. 本発明に係る光学素子の第２の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 2nd Embodiment of the optical element which concerns on this invention. 本発明に係る光学素子の第３の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 3rd Embodiment of the optical element which concerns on this invention. 本発明に係る光学素子の第４の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 4th Embodiment of the optical element which concerns on this invention. バンドパスフィルタを説明する図である。It is a figure explaining a band pass filter. バンドパスフィルタの透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of a band pass filter. 多重共振器構造を説明する図である。It is a figure explaining a multiple resonator structure. 多重共振器構造の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of a multiple resonator structure.

Explanation of symbols

１、２１、３１基板
２、２２、３２、４２第１薄膜
３、２３、３３、４３第２薄膜
４、２４、３４、４４膨張領域
５、２５、３５、４５第１反射領域
６、２６、３６、４６第２反射領域
３７第１共振器
３８第２共振器
３９結合層
４１フォトダイオード 1, 21, 31 Substrate 2, 22, 32, 42 First thin film 3, 23, 33, 43 Second thin film 4, 24, 34, 44 Expansion region 5, 25, 35, 45 First reflection region 6, 26, 36, 46 Second reflection region 37 First resonator 38 Second resonator 39 Coupling layer 41 Photodiode

Claims

Each of the first thin film and the second thin film formed on the substrate and having different refractive indexes is set to an optical length of m / 4 of the center wavelength of the desired reflection wavelength band (m is an arbitrary positive integer), A first reflective region in which at least one or more pairs of the first thin film and the second thin film are alternately laminated;
An expansion region made of a material formed on the first reflection region and having a larger thermal expansion coefficient than the substrate;
Each of the first thin film and the second thin film formed on the expansion region has an optical length of m / 4 of a center wavelength of a desired reflection wavelength band (m is an arbitrary positive integer), and A resonator having a first thin film and a second reflective region in which at least one pair of the second thin films are alternately laminated, and
Providing a temperature control means for controlling at least the temperature of the expansion region;
The spectral characteristic of the light transmitted or reflected by the resonator is controlled by changing the thickness of the expansion region and changing the optical length according to the temperature change by the temperature control means. Optical element.

The optical element according to claim 1,
An optical element characterized in that the thermal expansion coefficient of the expansion region is at least twice as large as the thermal expansion coefficient of the substrate.

The optical element according to claim 1 or 2,
One or both of the first thin film and the second thin film have a thermal expansion coefficient comparable to the thermal expansion coefficient of the expansion region.

The optical element according to any one of claims 1 to 3,
An optical element characterized in that the expansion region has a thickness of 1/10 or less of the thickness of the substrate.

The optical element according to any one of claims 1 to 4,
An optical element characterized in that the refractive index of one of the first thin film and the second thin film is at least twice the refractive index of the other thin film.

6. An optical element comprising a plurality of the resonators in the optical element according to claim 1 laminated with a dielectric layer interposed therebetween.

While using a photodiode made of semiconductor as a substrate,
7. An optical element, wherein the resonator in the optical element according to claim 1 is formed on the photodiode.