JP2007279534A - Optical element - Google Patents

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JP2007279534A
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thin film
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JP2006108218A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazutoshi Kato
Nobuhiro Nunotani
Yasuo Shibata
和利 加藤
伸浩 布谷
康夫 柴田
Original Assignee
Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt>
日本電信電話株式会社
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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, for example, selectively transmits or reflects light of a specific wavelength, and is suitably applied to the wavelength tunable optical filter capable of changing its 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。 In the field of optical communication such as optical element which transmits only light of a specific wavelength, the optical filter is used. 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。 For transmitting light of a specific wavelength band, also called a band-pass filter or the like. 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。 Recently, in the field of optical communication, a different number of optical signals of wavelengths, and wavelength division multiplexing communication system for transmitting multiplexed with (WDM) is used in a single optical fiber, for example, one of the wavelength it can be used a band-pass filter to extract only 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。 From among the multiplexed different wavelengths of the optical signal, in order to take out the optical signal of arbitrary wavelength, it is necessary band-pass filter for the number of wavelengths. 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。 To have a different band-pass filter, because there is a problem in terms of simplification of the cost and apparatus, a band-pass filter capable of changing the transmission wavelength, i.e., wavelength tunable filter it has been developed. 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。 Such tunable filter is not only the selection of the transmission signal in the communication, or constitute a wavelength tunable laser in combination with a semiconductor laser or the like, may also be or used as part 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。 Bandpass filter, for example, be achieved by configuring as shown in FIG.
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。 Specifically, the band-pass filter includes, over the substrate 51, the first dielectric 52 having a refractive index different from the second dielectric 53 are alternately stacked, thereon, after laminating a third dielectric 54, again , it is laminated to the second dielectric 53 a first dielectric 52 alternately. 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。 That is, the multiple reflection mirror by laminating a first dielectric 52 and the second dielectric 53 alternately, of light incident from a direction perpendicular to the substrate 51, the optical length of the third dielectric 54 (refractive only light of a wavelength selected in accordance with the incidence and the product of the thickness), to resonate between the lower part and the upper part of the reflector of the third dielectric 54, only light of a selected wavelength is transmitted light, it light of wavelengths other than will be reflected. 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。 As a result, it is possible to obtain a transmission spectrum shown in FIG.

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n 1 、n 2 、n 3 、厚さを各々d 1 、d 2 、d 3とするとき、ある設計波長λ 0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。 Here, the first dielectric 52, the second dielectric 53, respectively n 1 the refractive index of the third dielectric 54, n 2, n 3, when the respective d 1, d 2, d 3 a thickness of, in order to realize a multilayer mirror highly reflective obtained in the wavelength range around the certain design wavelength lambda 0, the equation of the following conditions (1), it is sufficient to satisfy (2).
11 =mλ 0 /4 (1) n 1 d 1 = mλ 0/ 4 (1)
22 =mλ 0 /4 (2) n 2 d 2 = mλ 0/ 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、λ 0を中心とした透過スペクトルを得ることができる。 Further, in the case of using the reflecting mirror, a layer of a third dielectric 54, by so as to satisfy equation (3) under the following conditions, it is possible to obtain a transmission spectrum around the lambda 0.
33 =mλ 0 /2 (3) n 3 d 3 = mλ 0/ 2 (3)
なお、mは任意の正の整数である。 Incidentally, m is any positive integer. つまり、これらの層の光学長(屈折率と厚さの積)が、(λ 0 /4)又は(λ 0 /2)の整数倍を満たす条件であってもよい。 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). 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。 Further, the layer of the third dielectric 54 may be a layer having the same refractive index and the layer of 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。 The wavelength tunable filter, for example, in Patent Document 1, on the same substrate, the refractive index is constituted by forming a film made to have a gradient in the film thickness with overlapping two or more different films. 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。 In this configuration, as described in the bandpass filter of FIG 6, depending on the thickness of each layer, it will be used phenomenon or destructively or constructively reflected wave of the incident light of a particular wavelength, depending on the thickness of each layer, so that the transmission wavelength of the filter is changed. 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。 According film thickness increases, the transmission wavelength is to become a long wavelength, by changing the position of incidence of light physically on the filter can be a tunable filter that has a transmission wavelength changes.

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。 In order to change the wavelength to be transmitted, the optical thickness, i.e., may change the product of the refractive index and thickness. 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。 Thus, rather than a physical thickness may be changing the refractive index. 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。 Therefore, Patent Document 2, by using the phenomenon that the refractive index changes by applying a voltage to the liquid crystal, the wavelength tunable filter structure for changing the transmission wavelength is described.

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。 Further, Patent Document 3, using an electro-optical film is a dielectric film having a primary or secondary electro-optic effect, by changing the refractive index by voltage, tunable filter structure for changing the transmission wavelength There has been 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。 Further, Non-Patent Document 1, temperature with large hydrogenated amorphous silicon amount that the refractive index is increased to rise, by changing the refractive index with temperature, the wavelength tunable filter structure for changing the transmission wavelength is described It is.

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。 However, when used in WDM communication, etc., it is necessary to devise the shape of the transmission spectrum of the filter. 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。 In WDM communication, to transmit collectively signals of multiple wavelengths close, in order to extract only one wavelength by the filter, the switching of the wavelength that does not transmit the transmission wavelength is steep, high transmittance at a wavelength that transmits It kept, i.e., it is necessary to square of the transmission spectrum. 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。 As shown in FIG. 6, the band-pass filter having a single resonator structure, as in the transmission spectrum of Figure 7, there is a peak of the transmission spectrum in a certain wavelength, gently transmission spectrum 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。 On the other hand, as shown in FIG. 8, superimposed single resonator 55 and 56, by a multiple resonator, transmission characteristic approaches a rectangle becomes steeper. 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。 Figure 8 shows an example of a dual resonator, a single resonator 55 and 56 in FIG. 6, are overlaid to sandwich the bonding layer 57. 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。 In this example, the bonding layer 57 is constituted by a second dielectric 53, the same thickness as the multilayer reflecting mirror is expressed by equation (2). 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。 Further in the case of multiplexing, it should be overlaid to sandwich the bonding layer 57. 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。 Figure 9 is a single cavity, dual resonator is a transmission spectrum of a triple resonator. 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。 Thus, by multiplexing, spectral characteristics closer to a rectangle. 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。 To further approach the ideal rectangular are not fit completely equation film thickness of each layer (1) to (3), it is necessary to optimize.

特開平8−227014号公報 JP-8-227014 discloses 特開平11−119186号公報 JP 11-119186 discloses 特開平2001−21852号公報 JP 2001-21852 JP

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。 However, the tunable filter shown in the literature, each has problems as shown below.
(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。 (1) In the case of the tunable filter disclosed in Patent Document 1, the film thickness will be the substrate is increased in order to gently change the, along with a large space becomes necessary, physically required to move the variable wavelength filter There are, driving apparatus becomes necessary.
(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。 (2) even though the wavelength tunable filter shown in Patent Document 2 and Patent Document 3, in order to use an electrical effect, it is necessary electrodes and wirings. 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。 Particularly, in the case of a multiple resonator, for the number of electrodes increases, there is a problem that processing becomes complicated.
(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。 (3) When the variable wavelength filter shown in Non-Patent Document 1, making it is possible to produce only the film formation is easy. 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。 In addition, however, a point and it is necessary to increase the refractive index variation with temperature, to determine the transmission wavelength only by the film thickness was deposited, there is a problem that can not be adjusted such central wavelength 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 by 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、 Optical element according to the first invention for solving the above-
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、 Formed on a substrate, a first thin film and a second thin film having a refractive index different from each other, respectively, with an optical length of m / 4 of the center wavelength of the desired reflection wavelength range (m is an arbitrary positive integer), a first reflecting region formed by laminating at least one set or more of the first film and the second thin film alternately,
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、 Is formed on the first reflective region, an expansion region formed from a material having a larger thermal expansion coefficient than the substrate,
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、 Wherein formed on the expansion region, the second thin film and the first film, respectively, with an optical length of m / 4 of the center wavelength of the desired reflection wavelength range (m is an arbitrary positive integer), the provided with a cavity and a second reflecting region formed by laminating at least one pair or more first thin film and alternately the second film,
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、 It provided a temperature control means for controlling at least the temperature of the expansion area,
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。 The temperature change due to the temperature control means, said varying the optical length with varying the thickness of the expansion region, characterized by being adapted to control the spectral characteristics of the transmitted or reflected light of said resonator .

上記課題を解決する第2の発明に係る光学素子は、 Optical element according to a second invention for solving the above-
上記第1発明に記載の光学素子において、 In the optical element according to the first invention,
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。 The thermal expansion coefficient of the expansion area, characterized by being made larger than twice than 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、 Optical element according to a third invention for solving the above-
上記第1、第2の発明に記載の光学素子において、 In the optical element according to the first, second invention,
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。 One or both of the first film or the second film is characterized by having a thermal expansion coefficient comparable to the thermal expansion coefficient of the expansion area.

上記課題を解決する第4の発明に係る光学素子は、 An optical element according to a fourth invention for solving the above-
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、 The optical element according to the first to third any one of the,
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。 Wherein the thickness of the expansion region, characterized by being 1/10 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、 An optical element according to a fifth invention for solving the above-
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、 The optical element according to any of the first through fourth inventions,
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。 The refractive index of one of the thin film of the first thin film or the second film, characterized in that not less than 2 times the refractive index of the other film.

上記課題を解決する第6の発明に係る光学素子は、 Optical element according to a sixth invention for solving the above problems,
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。 The resonator in the optical element according to any of the first to fifth, characterized by being stacked to sandwich the dielectric layer.

上記課題を解決する第7の発明に係る光学素子は、 An optical element according to a seventh invention for solving the above problems,
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、 A photodiode produced by the semiconductor with the substrate,
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。 The resonator in the optical element according to any one the above first to sixth, characterized in that 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 there is provided an expansion area capable of changing the optical length by changing the temperature, it is possible to provide a compact optical element by a simple structure, a large number of optical signals of different wavelengths from among it may be a spectral property of transmitting or reflecting light signal of a desired wavelength.

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。 Optical element according to the present invention has a plurality of reflection areas refractive index are alternately stacked two different thin film on the substrate, made of a material having a larger thermal expansion coefficient than the substrate between the plurality of reflective areas expansion across the region as a resonator structure, by changing the optical length of the expansion region by changing the temperature, the transmitted or reflected wavelength is intended to be variable.
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。 Hereinafter, an embodiment of an optical element according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態) (First Embodiment)
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。 Figure 1 is a diagram showing a first embodiment of an optical element according to the present invention.
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。 This is similar to the structure of a conventional bandpass filter described in FIG. 6, by selecting the material of the film used, it is possible to configure the desired optical element (wavelength tunable filter).

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。 Specifically, the wavelength tunable filter of the present embodiment, laminated on the substrate 1, a first thin film 2 having a refractive index different from the second thin film 3 stacked alternately one or more sets, thereon an expansion area 4 and, after the lamination of the expansion area 4, on the expansion area 4, and again, by laminating one or more pairs and the second thin film 3 of the first thin film 2 alternately. 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。 That is, the multiple reflection mirror by laminating a first film 2 and the second thin film 3 alternately, the direction perpendicular (hereinafter, referred to as the vertical direction V.) To the plane of the substrate 1 of the light incident from, only light of a wavelength selected in accordance with the optical length of the expansion region 4 (the product of refractive index and thickness), the lower portion of the reflector of the expansion region 4 (first reflection region 5) and the upper reflecting mirror (second since resonates between the reflection area 6), only light of a selected wavelength is transmitted light, the light of the other wavelengths are reflected. 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。 As a result, it is possible to obtain a transmission spectrum shown in FIG. 7 described in the prior art.

第1薄膜2、第2薄膜3、膨張領域4の屈折率を各々n 1 、n 2 、n 3 、厚さを各々d 1 、d 2 、d 3とし、mを任意の正の整数とすると、ある設計波長λ 0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。 The first thin film 2, the second thin film 3, each n 1 the refractive index of the expansion area 4, n 2, n 3, respectively thickness as d 1, d 2, d 3, when the m is an arbitrary positive integer , in order to realize a multilayer mirror highly reflective obtained in the wavelength range around the design wavelength lambda 0 in the aforementioned equation (1), the refractive index satisfying the formula (2), the thickness each may be set. 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、λ 0を中心とした透過スペクトルを得ることができる。 Further, in the case of using the multilayer-film reflective mirror, a layer of expanded region 4, the refractive index satisfying the formula (3) described above, by setting the thickness of the transmission spectrum around the lambda 0 it is possible to obtain. 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、(λ 0 /4)又は(λ 0 /2)の整数倍を満たす条件であってもよい。 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) it may be a condition to meet. 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。 Further, the layer of the expanded region 4 may be a layer having the same refractive index and the layer 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。 Substrate 1, a material having a low thermal expansion coefficient, for example, a quartz, the expansion area 4 is larger material coefficient of thermal expansion, for example, an organic material such as polyimide. 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。 Varies depending percentage of impurities, the linear expansion coefficient of the quartz are approximate 1 ppm / K or less, the coefficient of linear expansion of polyimide is about 40 ppm / K. 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。 In addition, when using a semiconductor as substrate 1, a semiconductor is the thermal expansion coefficient of about several ppm / K, an order of magnitude smaller than the linear expansion coefficient of the 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。 The thickness of the substrate 1 is thicker than the thickness of the first thin film 2 and the second thin film 3 and the expansion area 4. 例えば、基板1は数百μm以上である。 For example, the substrate 1 is several hundreds μm or more. 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。 The first film 2 and the second thin film 3, for resonating wavelengths desired to be transmitted, as described above, to ensure that the reflectance of the transmission wavelength increases, the order of 1/4 wavelength of the transmission wavelength, or , it is sufficient and its integer multiple, the thickness thereof is equal to or less than about several [mu] m. 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 expansion region 4, since the may be designed to satisfy the phase condition so the transmission wavelength, by setting as a few tens of μm or less which is 1/10 or less of the thickness of the substrate 1, a relatively it is possible to increase the substrate 1.

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。 Further, the Young's modulus of the substrate 1 is required to be sufficiently larger than the Young's modulus of the expansion area 4. ヤング率は変形のしにくさを示す。 Young's modulus indicates a and difficulty of deformation. 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。 That is, it is easy material to deform as the Young's modulus is smaller Conversely. 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。 For example, the Young's modulus of quartz, although depending on the impurity becomes about several tens of GPa, an order of magnitude smaller in the order of several GPa are an organic material such as polyimide. 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。 That is, the expansion region 4 used material which easily deformed than the substrate 1.

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。 With the above configuration, the horizontal direction (hereinafter, referred to as the horizontal direction H.) To the plane of the substrate 1 first thin film in 2, the expansion of the second thin film 3 and the expansion area 4 is substantially due to the expansion in the horizontal direction H of the substrate 1 It will be determined. 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。 Therefore, the expansion area 4 is used a material having a large coefficient of expansion, the expansion in the horizontal direction H is suppressed, by that amount, so that the vertically extending V. 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。 That is, the linear expansion coefficient of the expansion region 4 is formed on the substrate 1 and alpha, the expansion coefficient of the vertical direction V in the expansion area 4 and alpha v, when the expansion coefficient of the substrate 1 and alpha sub, the following the formula.

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。 For example, the linear expansion coefficient of quartz and 1 ppm / K, when calculating the linear expansion coefficient of the polyimide as 40 ppm / K, alpha v is equal to or less than the numerical value.
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。 That is, compared to the expansion coefficient of the substrate 1, by using a material having a large coefficient of expansion as the material of the expansion zone 4, it is possible to increase the expansion of the vertical direction V in the expansion area 4.

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。 For example, the thermal expansion coefficient of Si (silicon), since is about 2.4 ppm / K, the thermal expansion coefficient alpha v in the vertical direction V of the polyimide in the case of using Si as the substrate 1 becomes 115 ppm / K. 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。 Further, if the InP (indium phosphide) and GaAs (gallium arsenide), thermal expansion coefficient, because it is 4.5 ppm / K and 6.0 ppm / K, when using these as the substrate 1, a polyimide thermal expansion coefficient alpha v in the vertical direction V is, 111 ppm / K and 108 ppm / K, and the still can be increased more than twice the value of the linear expansion coefficient alpha 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, equation (4), as can be seen from the relation (5), the thermal expansion coefficient alpha v in the vertical direction V of the film formed on the substrate 1, to increase more than twice the thermal expansion coefficient of the bulk state alpha the may be formed an expansion region 4 of a material having a thermal expansion coefficient alpha is large more than twice than the thermal expansion coefficient alpha sub of the substrate 1 for.

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。 A wavelength tunable filter of the present embodiment, (not shown.) The temperature control means for controlling at least the temperature of the expansion area 4 is provided, by increasing the temperature of at least the expansion region 4 by the temperature control means, it is possible to increase the large thickness of the expansion area 4 of the expansion coefficients. 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。 Accordingly, since the optical length of the expansion region 4 is physically longer, the transmission wavelength is shifted to a long wavelength can be controlled to a desired spectral characteristics. 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。 That can be a tunable filter for changing the transmission wavelength with 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。 Incidentally, many of the large material expansion coefficient, refractive index due to swelling is reduced. 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。 Thus since the optical length is short, disadvantageously act given the principle of the present embodiment. 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。 However, in the present embodiment, by using a material having a greater coefficient of expansion than the expansion coefficient of the substrate 1 to the expansion area 4, it is possible to cancel the decrease in the refractive index due to the expansion. 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。 Specifically, as described above, to counteract reduction refractive index component, the expansion coefficient alpha v in the vertical direction V of the expansion area 4, may be at least twice the linear expansion coefficient of the expansion area 4 alpha, expanded to the coefficient alpha v at least twice the linear expansion coefficient of the expansion area 4 alpha may be used materials with alpha linear expansion coefficient at least twice the linear expansion coefficient alpha sub substrate 1 in the expansion area 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。 The wavelength tunable filter of the present embodiment, the transmission wavelength is, the expansion region 4, the expansion region multilayer mirror under 4 (first reflection region 5), the multilayer-film reflective mirror (second reflective region thereon It is determined by the wavelength that resonates in the resonator composed by 6). 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。 Resonance wavelength, the wavelength at which the phase condition is satisfied in the wavelength reflected by the multilayer reflector, i.e., a wavelength constructive when light in the resonator is round. 従って、共振器の長さが重要になる。 Therefore, the length of the resonator becomes important. 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。 Multilayer reflector, since the distribution reflecting mirror reflection points are distributed, it is not possible to define the length of the resonator in a simple thickness, in this case, the length of the case of considering the phase considered as the effective length L eff. 有効長L effは、前述の式(1)、(2)を満たす多層膜の場合、λ 0近傍では、反射波の位相遅れをφとし、λ 0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。 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 If the deviation) and [delta], 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 top and bottom of the multilayer film sandwiching the expansion area 4 is symmetric structure, the length L of the resonator can be expressed as the following formula.

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。 In the present embodiment, by changing the wavelength by the expansion of the expansion area 4. 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。 Thus, in determining the transmission wavelength, in order to increase the influence of the expansion of the expandable region 4 it may be short as possible an effective cavity length L eff of the multilayer film.

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。 To shorten the effective resonator length L eff of the multilayer film, every single reflective surface, i.e., it may be increased amount of reflection occurring at the interface between the first thin film 2 and the second thin film 3. 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 other words, the multilayer film distributed reflection, since it is intended to obtain a high reflectance as a whole, by the reflection amount at every single reflecting surface increases, the reflectance increases with shorter distances, the effective length L eff is short It will be made.

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。 Shortening the effective length L eff of the multilayer film will also reduce the thickness of the multilayer film present between the substrate 1 and the expansion area 4. 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。 Since the multilayer film will be thick and mitigation distortion due to thermal expansion coefficient difference of the substrate 1 and the expansion area 4, bringing the substrate 1 and the expansion area 4, the horizontal direction H of the expansion area 4 due to the thermal expansion coefficient of the substrate 1 also advantageous for the purpose of fixing the coefficient of expansion.

例えば、Si(屈折率3.4)とSiO 2 (屈折率1.45)による多層膜を用いた場合には、Ta 25 (屈折率2.2)とSiO 2 (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。 For example, Si in the case of using a multilayer film according to (refractive index 3.4) and SiO 2 (refractive index 1.45) is, Ta 2 O 5 (refractive index 2.2) and SiO 2 (refractive index 1.45 ) compared to the multi-layer film according to a small number of layers can also obtain a high reflectivity. 具体的に3ペアの多層膜で比較すると、Ta 25とSiO 2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SiO 2の組み合わせでは、95%程度の反射率を得ることができる。 Compared with multi-layer film of specifically three pairs, whereas only be obtained reflectance of about 60% in the combination of Ta 2 O 5 and SiO 2, the combination of Si and SiO 2, the reflection of approximately 95% it is possible to obtain the rate. 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。 Therefore, it is preferable to a refractive index difference combine more than about twice as effective in order to improve reflectance. 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。 Further, a high refractive index film, as compared with the low refractive index film, the optical film thickness even at the same thickness is thicker, it becomes thinner physical thickness required. これにより、有効長L effを短くすることができる。 Thus, it is possible to shorten the effective length L eff.

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。 Further, the transmission wavelength is greatly related to the optical length of the expansion region 4, as the material of the expansion area 4, for example, when an organic material such as polyimide, after producing the optical element is irradiated with ultraviolet rays or electron beams it is, it is possible to change the refractive index of an organic material such as polyimide. 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。 Therefore, even if incorrectly slightly off-center wavelength by fabrication errors, it can be adjusted (trimmed) after making.

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。 The temperature control means for varying the temperature of the wavelength tunable filter fabricated, for example, a Peltier element. 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。 Then, it is possible to heat conduction, and the expansion region 4 so as to be inflated, attachment of the temperature control means such as a Peltier element to the wavelength variable filter. 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。 For example, the stacking direction of the thin film along a (vertical direction V in the figure) may be provided temperature control means around these thin films, at least, it is sufficient to control the temperature of the expansion area 4. 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。 Peltier element or the like is, for example, the temperature can be controlled on the order of 0 ° C. to 100 ° C., by increasing the temperature, the transmission wavelength of the transmission filter can be changed to the long wavelength side.

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。 Figure 2 is a diagram illustrating the temperature variation of the transmission wavelength of the filter.
ここでは、第1薄膜2としてSiO 2 、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。 Here, SiO 2, using Si as the second thin film 3 as the first film 2, a first reflective region 5 and the second reflective region 6, respectively a multilayer film of three pairs, the heat in the vertical direction V of the expansion area 4 it is of the adjusted for expansion coefficient 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。 As shown in FIG. 2, in the reference temperature, the transmission peak wavelength is 1.55 .mu.m, the reference temperature + 10K, according to the reference temperature + 20K, it can be seen that the transmission peak wavelength shifts to a long wavelength side. 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。 Here, a temperature rise of 10K, the wavelength change of about 1.5nm occurs.

(第2の実施形態) (Second Embodiment)
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。 Figure 3 is a diagram illustrating a second embodiment of an optical element according to the present invention.
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。 In the first embodiment, a material having a large expansion coefficient is used only in the expansion zone of the central portion of the resonator structure, in the present embodiment, an optical element (wavelength tunable described in Figure 1 of the first embodiment of the filters), but also to apply a material having a large coefficient of expansion in the whole or 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。 Specifically, the wavelength tunable filter of the present embodiment, as shown in FIG. 3, on the substrate 21, a first thin film 22 having a refractive index different from the second thin film 23 are alternately laminated, on its expansion the region 24 is laminated, on its, again, is laminated with the second thin film 23 of the first film 22 alternately further, as a first thin film 22, in which is used a material having a large coefficient of expansion. 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。 In FIG. 3 of the present embodiment, as an example, is used a material having a large thermal expansion coefficient in the first thin film 22, the second thin film 23, or to both the first film 22 and second film 23 expands it may be applied a material having a large coefficient.

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。 Also in the above structure, and the multiple reflection mirrors by stacking a first thin film 22 a second film 23 alternately. 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。 And, of the light incident from the direction perpendicular (vertical direction V) relative to the substrate 21, only light of a wavelength selected in accordance with the optical length of the expansion region 24 (the product of refractive index and thickness), the expansion to resonates between the bottom of the reflector region 24 (first reflective region 25) and the upper reflecting mirror (second reflective region 26), only light of a selected wavelength is transmitted light, the other wavelengths light becomes be reflection.

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。 The first film 22, the thickness of the second thin film 23 is sufficiently thinner than the substrate 21, the substrate 21 using a small material coefficient of expansion. 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。 Therefore, as described in the first embodiment, expansion of the first film 22 is suppressed in the horizontal direction (horizontal direction H) to the substrate 21, correspondingly, the expansion in the vertical direction V increases. 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。 By the first thin film 22 to cause the reflection of the resonator structure and a material having a high coefficient of expansion, because the optical length of the thin film is increased by increase in temperature, the center wavelength of the reflection band is changed to the long wavelength side, thereby, the transmission wavelength can be longer wavelength. 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。 This, when the second thin film 23 in place of the first film 22 and a material having a high coefficient of expansion, or, even when both the first film 22 and second film 23 as a material having a large coefficient of expansion, similar to the There, since the optical length of the thin film is increased by increase in temperature, the center wavelength of the reflection band is changed to the long wavelength side, the transmission wavelength can also be longer wavelength.

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。 A wavelength tunable filter of the present embodiment, the temperature control means for controlling the temperature of the entire variable-wavelength filter (not shown) is provided. 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。 Accordingly, in the above structure, by increasing the temperature of the entire variable-wavelength filter by the temperature control means, in addition to the wavelength variation due to thermal expansion of the expansion region 24, to produce also the wavelength change due to expansion of the first film 22, the temperature it is possible to increase the wavelength change due. 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。 In the same wavelength changes even when the second thin film 23 was a material having a large coefficient of expansion instead of the first thin film 22 is obtained, further, a material having a large coefficient of expansion of both the first film 22 and second film 23 If the in can be further increased wavelength change with temperature.

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。 The material of the first thin film 22 may be the same material as the inflatable region 24, given the ease in the film forming, or another material. 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。 Large organic material of the thermal expansion coefficient is large and about 1.5 of the material refractive index, when the second thin film 23 and the refractive index of 3 or more materials, such as amorphous silicon, can take a large refractive index difference, it is possible to reduce the number of pairs of multi-layered film. 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。 Incidentally, design of the film thickness of the thin film can be applied as it is like the principle described in the first embodiment.

(第3の実施形態) (Third Embodiment)
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。 Figure 4 is a diagram illustrating a third embodiment of an 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。 In the wavelength tunable filter, it is necessary to design the shape of the transmission spectrum depending on the purpose. 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。 In WDM communication, etc. is transmitted through only the channel of a desired wavelength, it is necessary so as not to transmit the channel of the other wavelengths, it is desirable that a rectangular transmission spectrum. 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。 Generally, when the tunable filter of the resonator type, it is possible to make the transmission spectrum in a rectangular by multiple bonds resonator.

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。 For example, tunable filter as described in Figure 1 of the first embodiment is constituted of a single resonator, in the present embodiment, some of the filter structure of repeating resonator in tandem by, it is possible to approximate the transmission spectrum rectangular. 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。 Also in manufacturing, procedures that are added by the multiplexing is not, it can easily be multiplexed.

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。 Specifically, the wavelength tunable filter of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the first resonator 37 is of a structure in which stacked two second resonator 38. 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。 One of the resonator, on the substrate 31, together with the first film 32 and second film 33 to a thickness of about a quarter wavelength of the incident light, a first reflection region 35 by laminating them alternately inflated an area 34, with a second thin film 33 of the first film 32 to a thickness of about a quarter wavelength of the incident light, more composed and second reflective region 36 formed by laminating them alternately. 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。 This is the same structure as the wavelength tunable filter described in FIG. 1 of the first embodiment, the principles described in the first embodiment, the thickness, material, etc., can be directly applied.

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。 Further, the wavelength tunable filter of the present embodiment, the entire variable-wavelength filter, or, at least, a temperature control means for controlling the temperature of the expansion region 34 (not shown.) Is provided. 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。 Accordingly, in the above structure, the temperature control means, the entire variable-wavelength filter, or, at least, by raising the temperature of the expansion region 34, the thickness of the large expansion area 34 of the expansion coefficient is physically thicker. 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。 Accordingly, since the longer optical length of the expansion region 4, it is possible to shift the transmission wavelength 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。 Then, sandwiching the coupling layer 39, a first resonator 37, by superimposing the second resonator 38, it is possible to obtain a steep transmission spectrum as shown in Figure 9 above. 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。 The bonding layer 39 may be made of the same material as the material of the second thin film 33. 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。 To further achieve a desired transmission spectrum shape may increase the number of resonators overlap. 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。 For example, as shown in FIG. 9, overlapping the resonator structure, the double resonator from a single resonator according to the triple resonator, the transmission spectrum shape becomes closer to a rectangle. 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。 In FIG. 9, for explaining the principle, since the simply overlapped the resonator structure, the transmission characteristic in a high transmittance region is not in a flat, appropriately designing the thickness of each layer it is thereby possible top portion of the transmission spectrum to obtain a flat characteristic.

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, but has a structure of repeating resonator structure of the wavelength tunable filter according to the first embodiment, the resonator structure of the wavelength tunable filter described in FIG. 3 of the second embodiment, i.e., a thin film it may be superimposed a resonator structure of a wavelength tunable filter using a material having a large thermal expansion coefficient structure.

(第4の実施形態) (Fourth Embodiment)
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。 Figure 5 is a diagram for explaining a fourth embodiment of an 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。 This embodiment, a substrate in an optical element described in the third embodiment from the first embodiment in that a photodiode manufactured by the semiconductor, in FIG. 5, as an example, of a first embodiment is the substrate portion obtained by a photodiode in the optical element described in Figure 1. 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。 Incidentally, the second, the substrate portion may be changed to a photodiode in an optical element of the third embodiment.

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。 Optical element according to the present embodiment, as shown in FIG. 5, the photodiode layer 41, a first thin film 42 having a refractive index different from the second thin film 43 are alternately stacked, thereon an expansion region 44 stacked on top of the expansion region 44, in which again was laminated to the second film 43 of the first film 42 alternately.

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。 In the above configuration, the multiple reflection mirror by laminating a first thin film 42 a second film 43 alternately, of the light incident from the direction perpendicular (vertical direction V) relative to the photodiode layer 41, the expansion region 44 the optical length only light of a wavelength selected in accordance with (the product of refractive index and thickness), the lower portion of the reflector of the expansion region 44 (first reflective region 45) and the upper reflecting mirror (second reflective region 46 to resonates between), only light of a selected wavelength is transmitted light, the light of the other wavelengths are 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。 Further, even in the optical element of the present embodiment, the temperature control means for controlling the temperature of at least the expansion region 44 (not shown) is provided. 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。 Accordingly, in the above structure, the temperature control means, at least, by raising the temperature of the expansion region 44, the thickness of the large expansion area 44 of the expansion coefficient is physically thicker. 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。 Accordingly, since the optical length of the expansion region 4 is increased, it is possible to shift the transmission wavelength 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。 Light entering from the second reflective region 46 side, a first reflective region 45, diverging region 44, the wavelength by a resonator formed by the second reflection region 46 is selected, only the wavelength transmitted through the incident on the photodiode layer 41 and is absorbed by the photodiode layer 41, is converted into a current. 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。 Accordingly, the optical element having the above structure, by changing the temperature of the expansion region 44, is possible to detect only a certain wavelength from among multiple wavelengths of the signal, so that you can do with one device.

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。 Thermal expansion coefficient of the general semiconductors have an order of magnitude smaller than the thermal expansion coefficient of the organic material used for the expansion zone 44. 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。 Therefore, even when forming a resonator structure according to the present invention on the photodiode layer 41, the principle difference in thermal expansion coefficient is of the present invention, by changing the optical length of the expansion region 44, the greater tunability it 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。 Optical element according to the present invention is suitable as a tunable optical filter, not only selection of a transmission signal in the optical communication, in combination with a photodiode, only light of a specific wavelength from the light of multiple wavelengths or configure the photodiode to detect, in combination with a semiconductor laser or the like, or constitute a tunable laser, or can be configured as part of a multi-channel 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 diagram illustrating a first embodiment of an optical element according to the present 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。 Is a diagram illustrating the temperature dependence of the transmission spectrum of an optical element according to the present 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 diagram illustrating a second embodiment of an optical element according to the present 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 diagram illustrating a third embodiment of an optical element according to the present 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 diagram illustrating a fourth embodiment of an optical element according to the present invention. バンドパスフィルタを説明する図である。 It is a diagram illustrating 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。 Is a diagram illustrating the transmission spectrum of the bandpass filter. 多重共振器構造を説明する図である。 It is a diagram illustrating 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。 Is a diagram illustrating the transmission spectrum of the multiple resonator structure.

符号の説明 DESCRIPTION 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 film 3,23,33,43 second thin 4,24,34,44 expansion region 5,25,35,45 first reflective region 6, 26, 36 and 46 the second reflective region 37 first resonator 38 second cavity 39 bound layer 41 photodiode

Claims (7)

  1. 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、 Formed on a substrate, a first thin film and a second thin film having a refractive index different from each other, respectively, with an optical length of m / 4 of the center wavelength of the desired reflection wavelength range (m is an arbitrary positive integer), a first reflecting region formed by laminating at least one set or more of the first film and the second thin film alternately,
    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、 Is formed on the first reflective region, an expansion region formed from a material having a larger thermal expansion coefficient than the substrate,
    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、 Wherein formed on the expansion region, the second thin film and the first film, respectively, with an optical length of m / 4 of the center wavelength of the desired reflection wavelength range (m is an arbitrary positive integer), the provided with a cavity and a second reflecting region formed by laminating at least one pair or more first thin film and alternately the second film,
    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、 It provided a temperature control means for controlling at least the temperature of the expansion area,
    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光学素子。 The temperature change due to the temperature control means, said varying the optical length with varying the thickness of the expansion region, characterized by being adapted to control the spectral characteristics of the transmitted or reflected light of said resonator the optical element.
  2. 請求項1に記載の光学素子において、 The optical element according to claim 1,
    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光学素子。 Optical element, wherein a thermal expansion coefficient of the expansion area, and a larger or more than twice the coefficient of thermal expansion of the substrate.
  3. 請求項1又は請求項2に記載の光学素子において、 The optical element according to claim 1 or claim 2,
    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光学素子。 The optical element in which one or both of the first film or the second film is characterized by having a thermal expansion coefficient comparable to the thermal expansion coefficient of the expansion area.
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光学素子において、 The optical element according to any one of claims 1 to 3,
    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光学素子。 Optical element, characterized in that the thickness of the expansion region, and 1/10 of the thickness of the substrate.
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の光学素子において、 The optical element according to any one of claims 1 to 4,
    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光学素子。 Optical elements, wherein a refractive index of one of the thin film of the first thin film or the second film, and more than double the other thin film refractive index of.
  6. 請求項1乃至請求項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光学素子。 Optical elements of the resonator, characterized by being stacked to sandwich the dielectric layer in the optical element according to any one of claims 1 to 5.
  7. 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、 A photodiode produced by the semiconductor with the substrate,
    請求項1乃至請求項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光学素子。 The resonator in the optical element according to any one of claims 1 to 6, wherein the optical element that is formed on the photodiode.
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