JP3899031B2 - Ｍｅｍｓリコンフィグレーション可能な光格子 - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、光回析／反射格子に関し、特に、ブラッグ格子に関する。
【０００２】
（発明の背景）
ブラッグ格子やその他のファイバーオプティクス光格子は、ガラス、プラスチック、シリコンなどで構成され、光スペクトルを発する。このような格子構造は一般に、平行に延びる狭いスリットや反射面を有し、光を回析または反射して多数の波長の光を放出する。
【０００３】
すべての波長の光は、すべての方向に散乱するが、ある一定の角度では、光はひとつの波長で重畳して互いに強め合う。それ以外の波長では、光は干渉し、弱め合って、光強度はゼロまたはその近傍まで低減する。
【０００４】
格子がスペクトル放射する範囲の角度では、角度によって波長が漸進的に変化し得る。複数の溝が形成された格子では、光は特定の方向に集中し、光フィルタやその他の光デバイスとして用いられる。
【０００５】
一般に用いられている光格子として、ブラッグ格子がある。ブラッグ格子は、レーザなどで用いられる周期格子、チャープ格子、分布帰還型あるいは分布ブラッグ反射型（ＤＥＦあるいはＤＢＲ）の格子や、アッド／ドロップマルチプレクサで用いられるリング共振器用のエタロン格子などに適用されている。ブラッグ格子は、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスと等化な光学デバイスである。同調した格子を用いることによって、分散条件がある程度補正される。光フィルタの中には、製造工程での同調、温度同調、圧縮／歪同調などを施したブラッグ格子を用いるものもある。
【０００６】
しかし、温度や圧縮／歪を変えることで位相整合をとる従来の格子同調の方法では、同調できる範囲が限られ、ゆるやかな同調操作では、最大数十ナノメータの波長範囲に限られる。公知のように、ブラッグ回析における温度変化と歪変化は、以下の式で表わされる。
【０００７】
ΔλBRAG ＝ ＫTΔＴ ＋ ＫσΔσ
また、従来のデバイスでは、単一のデバイスで複数のコンフィギュレーションを実現することは一般にできないとされている。
【０００８】
（発明の開示）
そこで、本発明は、温度変化や歪変化を用いずに同調できるチューナブル光格子の提供を目的とする。
【０００９】
また、数百ナノメータ程度の広範な範囲で格子プロファイルを制御できるチューナブル光格子の提供を目的とする。
【００１０】
また、単一のデバイスで複数のコンフィギュレーションを実現するチューナブル光格子の提供を目的とする。
【００１１】
本発明はさらに、光伝送路に設けられた複数の格子部で形成されるチューナブル光格子装置を提供する。光格子を構成する各格子部には、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）アクチュエータが動作可能に接続され、隣り合う格子部の間隔を変えることによって、光格子を所望の波長選択性に同調することができる。
【００１２】
本発明の第１の側面では、複数の格子部は周期的に配置されて、ブラッグ格子を構成する。複数の格子部は、チャープ格子を構成することもできる。さらに、複数の格子部は、分布帰還型格子あるいは分布ブラッグ反射型格子、エタロンアッド／ドロップ格子を構成することも可能である。
【００１３】
ブラッグ格子や、その他の格子は、シリコンＭＥＭＳ基板上に形成され、基板上に形成されたＭＥＭＳアクチュエータの各々が、対応する各格子部に接続される。ＭＥＭＳアクチュエータは、ＭＥＭＳ基板上にフォトリソグラフィによって形成することができるが、その他、当業者に周知のＭＥＭＳ作製方法で形成してもよい。ＭＥＭＳアクチュエータの一実施形態として、平坦な単層のシリコン薄膜構造として形成される。
【００１４】
本発明の別の側面では、各ＭＥＭＳアクチュエータは、少なくともひとつのアンカーサポートと、アンカーサポート上に支持された格子部に動作可能に接続されたアーム部とを有する。アーム部はアンカーサポートとともに移動可能であり、これによって、光格子を構成する各格子部を相互に可動とする。ＭＥＭＳアクチュエータはまた、各格子部に動作可能に接続されたヒンジプレートアクチュエータであってもよい。
【００１５】
本発明のチューナブル格子装置は、光信号の入力ポートとなる光導波路を有する。光導波路で、マルチ波長光信号などの光信号が生成され、この光信号が格子構造の中を伝播する。格子構造から伝播してきた光信号を受け取る出力ポートを構成する光導波路を有してもよい。入力ポートにコリメートレンズを接続して、平行な光信号を生成する。また、出力ポートに収斂レンズを接続して、光信号を集束させる構成としてもよい。これらは当業者に公知の方法でレンズを用いて実現できる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様では、チューナブルなアッド／ドロップ光ネットワークデバイスを提供する。アッド／ドロップ光ネットワークデバイスの入力ポートは、たとえばマルチ波長の光信号を受信して、光信号を光伝送路に通す。出力ポートは、光伝送路に沿って光信号を受信し、光信号チャネルコンポーネントをアッド（再多重化）またはドロップ（逆多重化）したマルチ波長光信号を通過させる。光アッド／ドロップデバイスは光伝送路内に設けられ、光伝送路内に形成された複数のブラッグ格子部によってブラッグ格子を形成する。ブラッグ格子は、光信号を受信して、受信信号に含まれる所望の波長の光信号チャネルコンポーネントを通過させ、および／または反射する。ブラッグ格子の各格子部には、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータが動作可能に接続され、各格子部の間隔を変更して、ブラッグ格子を所望の波長選択性に同調する。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、アッド／ドロップデバイスにアッドポートとドロップポートが動作可能に接続されて、所望の波長の光信号チャネルコンポーネントをアッドまたはドロップすることができる。好ましい形態として、ブラッグ格子を形成する格子部のコンフィグレーションは、異なる光信号チャネルコンポーネントに応じて再構成可能である。
【００１８】
本発明のさらに別の態様では、チューナブルレーザ／フィルタ装置を提供する。チューナブルレーザ／フィルタ装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたレーザ構造とを備える。レーザ構造は、活性層と、活性層に沿って形成されてブラッグ格子を構成する複数の格子部を有する。ブラッグ格子を構成する各格子部は、所望のブラッグ波長で光反射を行う。各格子部に、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータが動作可能に接続され、ブラッグ格子部の間隔を調整する。これによって、ブラッグ格子を所望の波長選択性に同調し、レーザ出力を選択された狭帯域モードに絞ることができる。
【００１９】
（良好な実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の良好な実施の形態を詳細に述べる。本発明は、以下で述べる実施形態に限定されるものではなく、その他多くの変形例も含む。以下の実施形態は、当業者による本発明の技術範囲の理解を容易にすべく、開示内容を補完するためのものである。なお、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００２０】
本発明は、有用なチューナブル格子を提供する。特に、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータを用いて数百ナノメータの広範な波長範囲にわたって同調可能なチューナブルブラッグ格子を提供する。本発明はまた、単一のデバイスで複数のデバイスコンフィグレーションを可能にする。
【００２１】
図１および２を参照すると、図１は、チューナブルなブラッグ格子２２ａ、２２ｂを組み込んだアッド／ドロップマルチプレクサ２０を示す。チューナブルブラッグ格子の構成例を、図２に示す。チューナブル光格子２２ａ、２２ｂは、光伝送システムの光伝送路２４上に配置される。この光伝送システムは、光サーキュレータ２６ａ、２６ｂを含む。アッド／ドロップマルチプレクサ２０に含まれる光格子の入力側３０と出力側３２に、増幅器２８が配置される。格子を構成する各格子部は、ブラッグ反射型の格子部として形成され、第１のサーキュレータ２６ａでドロップされるべき波長の光を反射し、第２のサーキュレータ２６ｂでアッドされるべき波長の光を反射する。増幅器２８は、アッド／ドロップや伝送路におけるあらゆる伝送損失を調整し低減するために用いられる。もちろん、選択性のアッド／ドロップ機能を実現するのに、上述した光サーキュレータの代わりに、方向性の光カプラや光アイソレータなど、当業者にとって周知の別の手段を用いてもよい。中央プロセッサ２９は、パーソナルコンピュータに組み込まれたプロセッサ、ミニあるいはメインフレーム、ＡＳＩＣなど、当業者に周知のデバイスを用であり、制御ライン２９ａを介して個々のＭＥＭＳアクチュエータを個別制御することによって、各格子部(図２参照)の離間距離を調整する。
【００２２】
図２は、本発明のチューナブル光格子３０の軸方向に沿った概略構成図である。チューナブル光格子３０は、たとえばシングルファイバーオプティクスを用いた光導波路３４を有する。光導波路３４は入力ポート３５を構成し、コリメートレンズ３６を介して、光信号をたとえば波長分離マルチプレックス信号として通過させる。コリメートされた信号は、ブラッグ格子を構成する複数の格子部３８を通過し（図２の例では、便宜上４つの格子部３８でブラッグ格子を構成しているが、この例に限定されないことは言うまでもない）、収斂レンズ４０に入射する。光信号はさらに、別の光導波路（単一のファイバーオプティクス）で形成される出力ポート４２を通過する。
【００２３】
本発明の実施形態では、各格子部３８は、あらかじめＭＥＭＳアクチュエータが形成されたシリコンＭＥＭＳ基板４４上に移動可能に形成される。格子部３８の間隔を調整することによって、ブラッグ格子を、ΛBRAGGで表わされる所望のブラッグ波長選択性に同調することができる。各格子部３８は、当業者に周知の半導体フォトリソグラフィ技術により形成され、対応するＭＥＭＳアクチュエータに接続される。ＭＥＭＳアクチュエータの駆動により各格子部を可動にする。
【００２４】
図３〜図６は、４つの異なるタイプの格子を示すが、いずれも、図２に示す単一のデバイスで、格子部間の間隔を個別に変更することによって実現される。図３の例では、複数の格子部により、単純な周期格子を構成する。この周期格子では、すべての格子部間の距離がほぼ同一に設定される。図４は、チャープ格子を構成する例を示す。複数の格子部は、格子部の間隔が紙面の左から右に向けて徐々に広がるように配置される。図５は、分布帰還型格子を構成する例を示す。左右に配置された２つの格子グループの間に間隔がおかれている。
【００２５】
図６は、ファブリペロー・エタロン格子を構成する例を示す。ファブリペロー・エタロン格子に共通してみられるように、２つの格子グループの間は、広い間隔があいている。
【００２６】
図８〜１０は、本発明において、多様なブラッグ格子を構成する格子部３８の間隔を調整するためのマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータの構成例を示す。図示の例では、それぞれ異なる駆動型のＭＥＭＳアクチュエータを示すが、これらの例に限定されるわけではなく、これ以外にも当業者にとって自明な多種多様なＭＥＭＳアクチュエータを使用できることは言うまでもない。
【００２７】
図８の例では、平坦な単層シリコン領域５０がアクチュエータを構成する形状で設けられている。当業者にとって周知のように、シリコンは１３９ＧＰａ〜１９０ＧＰａと、かなり高いヤング率を有するので、アクチュエータにたわみ特性をもたせることができる。たとえば、５０ミクロン（μｍ）のたわみを生じさせるには、厚さ５０μｍで５ｍｍ×５ｍｍのシリコン薄膜が用いられる。シリコン薄膜領域５０は、その加工プロセスにおいて、ベローズ／レバーＭＥＭＳ構造５２を有するように加工形成される。ベローズ／レバーＭＥＭＳ構造５２は、当業者に周知のＭＥＭＳ作製技術で作製され、コントローラ２９からの入力信号に応じて、対応する格子部を所定距離移動するアクチュエータを構成する。格子部は、数ナノメータのオーダーで移動できる。ベローズが動くことによって、レバーなどの接続部がスライドし、これに接続された格子部が所定の距離だけ移動する。したがって、格子部の間の距離を個別に制御することによって、図３〜６に示す多様なコンフィグレーションの格子を構成することができる。
【００２８】
図９は、ヒンジプレートアクチュエータ６０を用いた構成例を示す。ヒンジプレートアクチュエータ６０は、リンク６２で対応する格子部３８に接続されている。アクチュエータ６０は、面内の動きをリンク６２に伝えて水平方向の往復動作を生じさせ、これによって、格子部３８を所望の位置に動かすことができる。アクチュエータ６０は、たとえば垂直方向を向いた２つの電極で構成することができる。この場合、当業者に周知のように、一方の電極を固定電極、他方の電極を可動電極とする。制御電圧源から電極間に電圧が印加されると、可動電極が固定電極の側へ移動あるいは揺動する。この可動電極の水平方向への変位がリンクを介して対応する格子部に伝達され、格子部を所望の位置へと動かす。
【００２９】
また、図１０に示すように、ＭＥＭＳアクチュエータとしてＭＥＭＳ偏向ビーム部７０を用いることができる。偏向ビーム部７０は、シリコン、ガラス、石英など、当業者に周知の材料を用いることができる。図１０のＭＥＭＳアクチュエータは、アンカー７２と、このアンカー７２対してスライド可能あるいは動作可能に接続されるバー７４と含む。バー７４には静電電荷がバイアス印加されて、当業者にとって周知のように、ＭＥＭＳ電極７６と協同して動作する。
【００３０】
上述した以外にも、標準的なフォトリソグラフィ法など当業者にとって公知の手法によりＭＥＭＳアクチュエータを構成することができる。フォトリソグラフィ法では、フォトレジストを塗布してプラズマエッチングでマスクを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりチャネルやホールを形成し、熱酸化膜を形成するなど、当業者に周知の工程を採用する。
【００３１】
図７は、本発明の別の実施の形態として、ブラッグ波長で反射が起きる半導体チューナブルレーザ／フィルタ装置８０を示す。半導体ポリマーの分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用いた場合、ブラッグ波長で反射が起きる。ブラッグ波長は、
λBRAGG ＝ ２ｎeff Λ
で表わされる。ここでｎeff は、有効屈折率である。図７に示すチューナブルレーザ／フィルタ装置８０は、分布帰還型ブラッグ格子領域８１を用い、格子部は高反射率と高い波長選択性を有する。
【００３２】
チューナブルレーザ／フィルタ装置は、半導体基板８２と、基板８２上に形成されたレーザ構造８４とを有する。レーザ構造は、活性層８６と、この活性層８６に沿って形成される複数のブラッグ格子部８８とを含む。複数のブラッグ格子部８８でブラッグ格子を構成し、所望のブラッグ波長で光反射を生じさせる。マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータ９０が、ブラッグ格子部８８の各々に動作可能に接続されて、これらのブラッグ格子部８８の間隔を変更、調整する。これにより、ブラッグ格子を所望の波長に同調して、レーザ出力を選択された狭帯域モードに絞ることができる。チューナブルレーザ／フィルタ装置はまた、光ゲイン領域９２と位相調整領域９４を含む。光ゲイン領域９２と位相調整領域９４は、それぞれ電極９６、９７によって選択的に制御される。電極９８は、上述した分布帰還型ブラッグ格子領域８１に接続される。電極１００は、ＭＥＭＳアクチュエータ９０を制御する。
【００３３】
当業者にとって周知のように、表面発光型半導体レーザは高出力レベル、高効率で動作し、単一モードでフラウンホーファー領域のローブを形成することができる。ブラッグ格子としての分布帰還型格子は、周期的に交互に位置する格子要素で構成され、二次格子として光の帰還を得る。受動分布反射ブラッグ格子を、分布帰還格子に隣接して設けることで、高効率を維持したままニアフィールドの均一性を達成できる。この場合も、各格子部分に対応して設けられるＭＥＭＳアクチュエータは、当業者に周知の標準的なフォトリソグラフィ法によって形成される。
【００３４】
分布帰還型レーザは、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）技術を用いた高度なテレコミュニケーションシステムで、広く一般的に適用されてきている。この２つの技術を組み合わせることによって、マルチチャネル（マルチキャリア周波数）で複数の信号を同時に送信して、単一のオプティカルファイバを複数のファイバのように機能させると同時に、単一ファイバ上へ高いビットレートで信号を効率的に送信することが可能になる。レーザ源は、通常１３１０ｎｍと１５５０ｎｍで発振し、２．５ギガビット／秒以上の高速でディジタル情報を送信する。レーザはマルチ縦モードで中心波長の周りの狭帯域波長クラスタで光を発する。異なる波長間で干渉が生じ、オプティカルファイバに沿った伝送チャネル数はある程度制限される。分布帰還型レーザは図面に示すように、レーザ媒体中にフィルタとして機能する格子構造を用い、レーザ出力を、ロングホール（長距離）高速テレコミュニケーションに必要とされる単一の狭帯域モードにしぼる。
【００３５】
本発明に係るチューナブル光格子は、ブラッグ格子の同調に特に適し、光分散補償と、位相アレイアンテナ用のブロードバンド光ビーム形成のために用いられる。本発明の同調格子の別の適用例として、光増幅ゲインスペクトルのフラット化や光適応等化、あるいは図１に示す再コンフィグレーション可能なアッド／ドロップマルチプレクサ、その他等業者に公知の技術に適用できる。本発明のチューナブル光格子はまた、チャネルシミュレーションや光センサ、あるいはチューナブルバンドパスフィルタやバンドストップフィルタとともに用いることもできる。ＤＦＢデバイスの能動温度補正にも用いられる。その他、当業者に周知のすべての関連技術分野に適用でき、またこれらのシステムにＭＥＭＳ技術を特に適用できる。
【００３６】
当業者にとって、本明細書および図面に開示された技術内容から、多くの変形例や実施例が導かれ得る。本発明は上述した例に限定されるものではなく、当業者にとって可能なすべての変形例、実施例も、添付請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アッド／ドロップマルチプレクサで用いられる本発明の一実施形態に係るチューナブル光格子の構成例を示す図である。
【図２】 ブラッグ格子の形をとる本発明のチューナブル光格子の軸方向の概略構成図である。
【図３】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーションの例を示す図であり、周期格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図４】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーション例を示す図であり、チャープ格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図５】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーション例を示す図であり、ＤＦＢ（分布帰還型）ブラッグ格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図６】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーション例を示す図であり、ファブリペロー・エタロン格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図７】 本発明のチューナブルブラッグ格子を用いたチューナブルレーザ／フィルタ装置の概略構成図である。
【図８】 本発明で用いられるマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュレータの構成例を示す図である。
【図９】 本発明で用いられるマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュレータの構成例を示す図である。
【図１０】 本発明で用いられるマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュレータの構成例を示す図である。
（発明の分野）
本発明は、光回析／反射格子に関し、特に、ブラッグ格子に関する。
【０００２】
（発明の背景）
ブラッグ格子やその他のファイバーオプティクス光格子は、ガラス、プラスチック、シリコンなどで構成され、光スペクトルを発する。このような格子構造は一般に、平行に延びる狭いスリットや反射面を有し、光を回析または反射して多数の波長の光を放出する。
【０００３】
すべての波長の光は、すべての方向に散乱するが、ある一定の角度では、光はひとつの波長で重畳して互いに強め合う。それ以外の波長では、光は干渉し、弱め合って、光強度はゼロまたはその近傍まで低減する。
【０００４】
格子がスペクトル放射する範囲の角度では、角度によって波長が漸進的に変化し得る。複数の溝が形成された格子では、光は特定の方向に集中し、光フィルタやその他の光デバイスとして用いられる。
【０００５】
一般に用いられている光格子として、ブラッグ格子がある。ブラッグ格子は、レーザなどで用いられる周期格子、チャープ格子、分布帰還型あるいは分布ブラッグ反射型（ＤＥＦあるいはＤＢＲ）の格子や、アッド／ドロップマルチプレクサで用いられるリング共振器用のエタロン格子などに適用されている。ブラッグ格子は、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスと等化な光学デバイスである。同調した格子を用いることによって、分散条件がある程度補正される。光フィルタの中には、製造工程での同調、温度同調、圧縮／歪同調などを施したブラッグ格子を用いるものもある。
【０００６】
しかし、温度や圧縮／歪を変えることで位相整合をとる従来の格子同調の方法では、同調できる範囲が限られ、ゆるやかな同調操作では、最大数十ナノメータの波長範囲に限られる。公知のように、ブラッグ回析における温度変化と歪変化は、以下の式で表わされる。
【０００７】
ΔλBRAG ＝ ＫTΔＴ ＋ ＫσΔσ
また、従来のデバイスでは、単一のデバイスで複数のコンフィギュレーションを実現することは一般にできないとされている。
【０００８】
（発明の開示）
そこで、本発明は、温度変化や歪変化を用いずに同調できるチューナブル光格子の提供を目的とする。
【０００９】
また、数百ナノメータ程度の広範な範囲で格子プロファイルを制御できるチューナブル光格子の提供を目的とする。
【００１０】
また、単一のデバイスで複数のコンフィギュレーションを実現するチューナブル光格子の提供を目的とする。
【００１１】
本発明はさらに、光伝送路に設けられた複数の格子部で形成されるチューナブル光格子装置を提供する。光格子を構成する各格子部には、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）アクチュエータが動作可能に接続され、隣り合う格子部の間隔を変えることによって、光格子を所望の波長選択性に同調することができる。
【００１２】
本発明の第１の側面では、複数の格子部は周期的に配置されて、ブラッグ格子を構成する。複数の格子部は、チャープ格子を構成することもできる。さらに、複数の格子部は、分布帰還型格子あるいは分布ブラッグ反射型格子、エタロンアッド／ドロップ格子を構成することも可能である。
【００１３】
ブラッグ格子や、その他の格子は、シリコンＭＥＭＳ基板上に形成され、基板上に形成されたＭＥＭＳアクチュエータの各々が、対応する各格子部に接続される。ＭＥＭＳアクチュエータは、ＭＥＭＳ基板上にフォトリソグラフィによって形成することができるが、その他、当業者に周知のＭＥＭＳ作製方法で形成してもよい。ＭＥＭＳアクチュエータの一実施形態として、平坦な単層のシリコン薄膜構造として形成される。
【００１４】
本発明の別の側面では、各ＭＥＭＳアクチュエータは、少なくともひとつのアンカーサポートと、アンカーサポート上に支持された格子部に動作可能に接続されたアーム部とを有する。アーム部はアンカーサポートとともに移動可能であり、これによって、光格子を構成する各格子部を相互に可動とする。ＭＥＭＳアクチュエータはまた、各格子部に動作可能に接続されたヒンジプレートアクチュエータであってもよい。
【００１５】
本発明のチューナブル格子装置は、光信号の入力ポートとなる光導波路を有する。光導波路で、マルチ波長光信号などの光信号が生成され、この光信号が格子構造の中を伝播する。格子構造から伝播してきた光信号を受け取る出力ポートを構成する光導波路を有してもよい。入力ポートにコリメートレンズを接続して、平行な光信号を生成する。また、出力ポートに収斂レンズを接続して、光信号を集束させる構成としてもよい。これらは当業者に公知の方法でレンズを用いて実現できる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様では、チューナブルなアッド／ドロップ光ネットワークデバイスを提供する。アッド／ドロップ光ネットワークデバイスの入力ポートは、たとえばマルチ波長の光信号を受信して、光信号を光伝送路に通す。出力ポートは、光伝送路に沿って光信号を受信し、光信号チャネルコンポーネントをアッド（再多重化）またはドロップ（逆多重化）したマルチ波長光信号を通過させる。光アッド／ドロップデバイスは光伝送路内に設けられ、光伝送路内に形成された複数のブラッグ格子部によってブラッグ格子を形成する。ブラッグ格子は、光信号を受信して、受信信号に含まれる所望の波長の光信号チャネルコンポーネントを通過させ、および／または反射する。ブラッグ格子の各格子部には、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータが動作可能に接続され、各格子部の間隔を変更して、ブラッグ格子を所望の波長選択性に同調する。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、アッド／ドロップデバイスにアッドポートとドロップポートが動作可能に接続されて、所望の波長の光信号チャネルコンポーネントをアッドまたはドロップすることができる。好ましい形態として、ブラッグ格子を形成する格子部のコンフィグレーションは、異なる光信号チャネルコンポーネントに応じて再構成可能である。
【００１８】
本発明のさらに別の態様では、チューナブルレーザ／フィルタ装置を提供する。チューナブルレーザ／フィルタ装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたレーザ構造とを備える。レーザ構造は、活性層と、活性層に沿って形成されてブラッグ格子を構成する複数の格子部を有する。ブラッグ格子を構成する各格子部は、所望のブラッグ波長で光反射を行う。各格子部に、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータが動作可能に接続され、ブラッグ格子部の間隔を調整する。これによって、ブラッグ格子を所望の波長選択性に同調し、レーザ出力を選択された狭帯域モードに絞ることができる。
【００１９】
（良好な実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の良好な実施の形態を詳細に述べる。本発明は、以下で述べる実施形態に限定されるものではなく、その他多くの変形例も含む。以下の実施形態は、当業者による本発明の技術範囲の理解を容易にすべく、開示内容を補完するためのものである。なお、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００２０】
本発明は、有用なチューナブル格子を提供する。特に、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータを用いて数百ナノメータの広範な波長範囲にわたって同調可能なチューナブルブラッグ格子を提供する。本発明はまた、単一のデバイスで複数のデバイスコンフィグレーションを可能にする。
【００２１】
図１および２を参照すると、図１は、チューナブルなブラッグ格子２２ａ、２２ｂを組み込んだアッド／ドロップマルチプレクサ２０を示す。チューナブルブラッグ格子の構成例を、図２に示す。チューナブル光格子２２ａ、２２ｂは、光伝送システムの光伝送路２４上に配置される。この光伝送システムは、光サーキュレータ２６ａ、２６ｂを含む。アッド／ドロップマルチプレクサ２０に含まれる光格子の入力側３０と出力側３２に、増幅器２８が配置される。格子を構成する各格子部は、ブラッグ反射型の格子部として形成され、第１のサーキュレータ２６ａでドロップされるべき波長の光を反射し、第２のサーキュレータ２６ｂでアッドされるべき波長の光を反射する。増幅器２８は、アッド／ドロップや伝送路におけるあらゆる伝送損失を調整し低減するために用いられる。もちろん、選択性のアッド／ドロップ機能を実現するのに、上述した光サーキュレータの代わりに、方向性の光カプラや光アイソレータなど、当業者にとって周知の別の手段を用いてもよい。中央プロセッサ２９は、パーソナルコンピュータに組み込まれたプロセッサ、ミニあるいはメインフレーム、ＡＳＩＣなど、当業者に周知のデバイスを用であり、制御ライン２９ａを介して個々のＭＥＭＳアクチュエータを個別制御することによって、各格子部(図２参照)の離間距離を調整する。
【００２２】
図２は、本発明のチューナブル光格子３０の軸方向に沿った概略構成図である。チューナブル光格子３０は、たとえばシングルファイバーオプティクスを用いた光導波路３４を有する。光導波路３４は入力ポート３５を構成し、コリメートレンズ３６を介して、光信号をたとえば波長分離マルチプレックス信号として通過させる。コリメートされた信号は、ブラッグ格子を構成する複数の格子部３８を通過し（図２の例では、便宜上４つの格子部３８でブラッグ格子を構成しているが、この例に限定されないことは言うまでもない）、収斂レンズ４０に入射する。光信号はさらに、別の光導波路（単一のファイバーオプティクス）で形成される出力ポート４２を通過する。
【００２３】
本発明の実施形態では、各格子部３８は、あらかじめＭＥＭＳアクチュエータが形成されたシリコンＭＥＭＳ基板４４上に移動可能に形成される。格子部３８の間隔を調整することによって、ブラッグ格子を、ΛBRAGGで表わされる所望のブラッグ波長選択性に同調することができる。各格子部３８は、当業者に周知の半導体フォトリソグラフィ技術により形成され、対応するＭＥＭＳアクチュエータに接続される。ＭＥＭＳアクチュエータの駆動により各格子部を可動にする。
【００２４】
図３〜図６は、４つの異なるタイプの格子を示すが、いずれも、図２に示す単一のデバイスで、格子部間の間隔を個別に変更することによって実現される。図３の例では、複数の格子部により、単純な周期格子を構成する。この周期格子では、すべての格子部間の距離がほぼ同一に設定される。図４は、チャープ格子を構成する例を示す。複数の格子部は、格子部の間隔が紙面の左から右に向けて徐々に広がるように配置される。図５は、分布帰還型格子を構成する例を示す。左右に配置された２つの格子グループの間に間隔がおかれている。
【００２５】
図６は、ファブリペロー・エタロン格子を構成する例を示す。ファブリペロー・エタロン格子に共通してみられるように、２つの格子グループの間は、広い間隔があいている。
【００２６】
図８〜１０は、本発明において、多様なブラッグ格子を構成する格子部３８の間隔を調整するためのマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータの構成例を示す。図示の例では、それぞれ異なる駆動型のＭＥＭＳアクチュエータを示すが、これらの例に限定されるわけではなく、これ以外にも当業者にとって自明な多種多様なＭＥＭＳアクチュエータを使用できることは言うまでもない。
【００２７】
図８の例では、平坦な単層シリコン領域５０がアクチュエータを構成する形状で設けられている。当業者にとって周知のように、シリコンは１３９ＧＰａ〜１９０ＧＰａと、かなり高いヤング率を有するので、アクチュエータにたわみ特性をもたせることができる。たとえば、５０ミクロン（μｍ）のたわみを生じさせるには、厚さ５０μｍで５ｍｍ×５ｍｍのシリコン薄膜が用いられる。シリコン薄膜領域５０は、その加工プロセスにおいて、ベローズ／レバーＭＥＭＳ構造５２を有するように加工形成される。ベローズ／レバーＭＥＭＳ構造５２は、当業者に周知のＭＥＭＳ作製技術で作製され、コントローラ２９からの入力信号に応じて、対応する格子部を所定距離移動するアクチュエータを構成する。格子部は、数ナノメータのオーダーで移動できる。ベローズが動くことによって、レバーなどの接続部がスライドし、これに接続された格子部が所定の距離だけ移動する。したがって、格子部の間の距離を個別に制御することによって、図３〜６に示す多様なコンフィグレーションの格子を構成することができる。
【００２８】
図９は、ヒンジプレートアクチュエータ６０を用いた構成例を示す。ヒンジプレートアクチュエータ６０は、リンク６２で対応する格子部３８に接続されている。アクチュエータ６０は、面内の動きをリンク６２に伝えて水平方向の往復動作を生じさせ、これによって、格子部３８を所望の位置に動かすことができる。アクチュエータ６０は、たとえば垂直方向を向いた２つの電極で構成することができる。この場合、当業者に周知のように、一方の電極を固定電極、他方の電極を可動電極とする。制御電圧源から電極間に電圧が印加されると、可動電極が固定電極の側へ移動あるいは揺動する。この可動電極の水平方向への変位がリンクを介して対応する格子部に伝達され、格子部を所望の位置へと動かす。
【００２９】
また、図１０に示すように、ＭＥＭＳアクチュエータとしてＭＥＭＳ偏向ビーム部７０を用いることができる。偏向ビーム部７０は、シリコン、ガラス、石英など、当業者に周知の材料を用いることができる。図１０のＭＥＭＳアクチュエータは、アンカー７２と、このアンカー７２対してスライド可能あるいは動作可能に接続されるバー７４と含む。バー７４には静電電荷がバイアス印加されて、当業者にとって周知のように、ＭＥＭＳ電極７６と協同して動作する。
【００３０】
上述した以外にも、標準的なフォトリソグラフィ法など当業者にとって公知の手法によりＭＥＭＳアクチュエータを構成することができる。フォトリソグラフィ法では、フォトレジストを塗布してプラズマエッチングでマスクを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりチャネルやホールを形成し、熱酸化膜を形成するなど、当業者に周知の工程を採用する。
【００３１】
図７は、本発明の別の実施の形態として、ブラッグ波長で反射が起きる半導体チューナブルレーザ／フィルタ装置８０を示す。半導体ポリマーの分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用いた場合、ブラッグ波長で反射が起きる。ブラッグ波長は、
λBRAGG ＝ ２ｎeff Λ
で表わされる。ここでｎeff は、有効屈折率である。図７に示すチューナブルレーザ／フィルタ装置８０は、分布帰還型ブラッグ格子領域８１を用い、格子部は高反射率と高い波長選択性を有する。
【００３２】
チューナブルレーザ／フィルタ装置は、半導体基板８２と、基板８２上に形成されたレーザ構造８４とを有する。レーザ構造は、活性層８６と、この活性層８６に沿って形成される複数のブラッグ格子部８８とを含む。複数のブラッグ格子部８８でブラッグ格子を構成し、所望のブラッグ波長で光反射を生じさせる。マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータ９０が、ブラッグ格子部８８の各々に動作可能に接続されて、これらのブラッグ格子部８８の間隔を変更、調整する。これにより、ブラッグ格子を所望の波長に同調して、レーザ出力を選択された狭帯域モードに絞ることができる。チューナブルレーザ／フィルタ装置はまた、光ゲイン領域９２と位相調整領域９４を含む。光ゲイン領域９２と位相調整領域９４は、それぞれ電極９６、９７によって選択的に制御される。電極９８は、上述した分布帰還型ブラッグ格子領域８１に接続される。電極１００は、ＭＥＭＳアクチュエータ９０を制御する。
【００３３】
当業者にとって周知のように、表面発光型半導体レーザは高出力レベル、高効率で動作し、単一モードでフラウンホーファー領域のローブを形成することができる。ブラッグ格子としての分布帰還型格子は、周期的に交互に位置する格子要素で構成され、二次格子として光の帰還を得る。受動分布反射ブラッグ格子を、分布帰還格子に隣接して設けることで、高効率を維持したままニアフィールドの均一性を達成できる。この場合も、各格子部分に対応して設けられるＭＥＭＳアクチュエータは、当業者に周知の標準的なフォトリソグラフィ法によって形成される。
【００３４】
分布帰還型レーザは、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）技術を用いた高度なテレコミュニケーションシステムで、広く一般的に適用されてきている。この２つの技術を組み合わせることによって、マルチチャネル（マルチキャリア周波数）で複数の信号を同時に送信して、単一のオプティカルファイバを複数のファイバのように機能させると同時に、単一ファイバ上へ高いビットレートで信号を効率的に送信することが可能になる。レーザ源は、通常１３１０ｎｍと１５５０ｎｍで発振し、２．５ギガビット／秒以上の高速でディジタル情報を送信する。レーザはマルチ縦モードで中心波長の周りの狭帯域波長クラスタで光を発する。異なる波長間で干渉が生じ、オプティカルファイバに沿った伝送チャネル数はある程度制限される。分布帰還型レーザは図面に示すように、レーザ媒体中にフィルタとして機能する格子構造を用い、レーザ出力を、ロングホール（長距離）高速テレコミュニケーションに必要とされる単一の狭帯域モードにしぼる。
【００３５】
本発明に係るチューナブル光格子は、ブラッグ格子の同調に特に適し、光分散補償と、位相アレイアンテナ用のブロードバンド光ビーム形成のために用いられる。本発明の同調格子の別の適用例として、光増幅ゲインスペクトルのフラット化や光適応等化、あるいは図１に示す再コンフィグレーション可能なアッド／ドロップマルチプレクサ、その他等業者に公知の技術に適用できる。本発明のチューナブル光格子はまた、チャネルシミュレーションや光センサ、あるいはチューナブルバンドパスフィルタやバンドストップフィルタとともに用いることもできる。ＤＦＢデバイスの能動温度補正にも用いられる。その他、当業者に周知のすべての関連技術分野に適用でき、またこれらのシステムにＭＥＭＳ技術を特に適用できる。
【００３６】
当業者にとって、本明細書および図面に開示された技術内容から、多くの変形例や実施例が導かれ得る。本発明は上述した例に限定されるものではなく、当業者にとって可能なすべての変形例、実施例も、添付請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アッド／ドロップマルチプレクサで用いられる本発明の一実施形態に係るチューナブル光格子の構成例を示す図である。
【図２】 ブラッグ格子の形をとる本発明のチューナブル光格子の軸方向の概略構成図である。
【図３】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーションの例を示す図であり、周期格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図４】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーション例を示す図であり、チャープ格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図５】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーション例を示す図であり、ＤＦＢ（分布帰還型）ブラッグ格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図６】 本発明に係る単一のチューナブル光格子で実現される様々なコンフィグレーション例を示す図であり、ファブリペロー・エタロン格子としてのコンフィグレーションを示す図である。
【図７】 本発明のチューナブルブラッグ格子を用いたチューナブルレーザ／フィルタ装置の概略構成図である。
【図８】 本発明で用いられるマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュレータの構成例を示す図である。
【図９】 本発明で用いられるマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュレータの構成例を示す図である。
【図１０】 本発明で用いられるマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュレータの構成例を示す図である。
Claims (11)
- 光伝送路に設けられてブラッグ格子を構成する複数の格子部と、
前記複数の格子部がスライド移動可能に形成されたほぼ平面的なマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）基板と
を備え、前記ＭＥＭＳ基板は、前記複数の格子部の各々にそれぞれ接続される制御可能な複数のマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）アクチュエータを有し、前記複数のＭＥＭＳアクチュエータの各々は、対応する格子部を前記ＭＥＭＳ基板に対してスライドするように駆動して物理的に変位させるとともに、前記対応する格子部を隣接する格子部に対して相対移動させて隣り合う２つの格子部の間隔を調整し、これによって前記ブラッグ格子のコンフィグレーションを変更して、所望の波長選択性に同調することを特徴とするチューナブル光格子装置。 - 前記ブラッグ格子は、周期格子であることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記ブラッグ格子は、チャープ格子であることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記ブラッグ格子は、分布帰還格子であることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記ブラッグ格子は、ファブリペロー・エタロンアッド／ドロップ格子であることを構成することを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記複数のＭＥＭＳアクチュエータは、前記ＭＥＭＳ基板上にフォトリソグラフィ法により形成されることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記複数のＭＥＭＳアクチュエータの各々は、平坦な単層シリコン薄膜構造を有することを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記複数のＭＥＭＳアクチュエータの各々は、少なくともひとつのアンカーサポートと、前記アンカーサポート上に支持されて前記対応する格子部に動作可能に接続されるアーム部とを有し、前記アーム部とアンカーサポートが一体になって動くことによって、前記対応する格子部を、前記隣接する格子部に対して物理的に相対移動させることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記複数のＭＥＭＳアクチュエータの各々は、前記対応する格子部に動作可能に接続されるヒンジプレートアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記複数の格子部に光信号が入力される入力ポートを構成する第１光導波路と、前記複数の格子部を通過してきた光信号を受け取る出力ポートを構成する第２光導波路とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のチューナブル光格子装置。
- 前記入力ポートに接続されたコリメートレンズと、前記出力ポートに接続された収斂レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のチューナブル光格子装置。
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