JP3916142B2

JP3916142B2 - Dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter

Info

Publication number: JP3916142B2
Application number: JP2002179538A
Authority: JP
Inventors: 浩治山田; 博文森田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: JP2004023697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタに関する。例えば、通信用電磁波周波数帯域選択フィルタに適用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信用の周波数選択フィルタには、導波路格子アレイや誘電体多層膜が利用されている。
これらの周波数選択フィルタの帯域特性は波長多重通信に適したものであるが、今後の波長多重通信の普及に伴う波長（又は周波数）選択素子の集積化には適していない。
【０００３】
まず、導波路格子アレイは多数の屈曲した導波路が必要であるため、センチメートル単位の大きさをもち、集積化は困難である。
また誘電体多層膜は多層膜片を機械的に精密配置するため、集積化は困難である。
【０００４】
これに対し、高集積が可能な周波数選択フィルタとして誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタが考えられる。
誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタは、コア部がクラッド部を構成する物質よりも大きい誘電率を持つ物質からなる誘電体導波路において、電磁波の導波路管内波長の１／２程度の周期にて、電磁波進行方向にそって導波路の誘電率を変化させている。
【０００５】
具体的には、コア部を進行方向に対して周期的に切断し、これにより生じた空隙にクラッド物質のようなコア部とは誘電率の異なる物質を充填した構造となっている。
この構造は従来の微細半導体加工技術により小型かつ大量に製作でき、高集積化が可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、コア部が石英系の導波路において、例えば、図５に示されるようなグレーティングフィルタが知られているが（特開平９−３１８８２６号公報）、コア部１２の構造が複雑で、特にフィルタの阻止周波数帯域を狭くしようとすると、その微細度が増し、加工が困難という問題点があった。尚、図５において、１０は基板、１４はクラッドである。
そこで、図３のような、より単純な構造の誘電体導波路型の周波数選択フィルタが考えられていた。
【０００７】
即ち、従来の技術による周波数選択フィルタとして誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタを図３に示す。
この誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタは、コア部１がクラッド部２を構成する物質よりも大きい誘電率を持つ物質からなる誘電体導波路において、電磁波進行方向にそってコア部１を周期的に切断し、これにより生じた空隙にクラッド物質を充填した構造となっている。
【０００８】
ここで例として、コア部１の比誘電率をε₁＝１２．０９６、クラッド物質の比誘電率をε₂＝２．０８５、切断周期をａ、コア部の断面形状を０．９５２ａ×０．４７６ａ、切断空隙幅を０．１４ａとして本導波構造の特性を述べる。
また、これら比誘電率は、１５５０ｍ程度の波長の通信用赤外線を対象とした誘電体導波路を形成する際によく用いられる珪素及び二酸化珪素の比誘電率に対応する。
【０００９】
本構造を通過することができる導波電磁界モードの分散関係を周期的境界条件を課した平面波展開法（R.D. Meade et al., Physical Review B 48, 8434 (1993)）にて計算した結果を図４に示す。
但し、ここでは説明の簡略化のためＴＥモードについてのみ分散関係を示している。
ＴＭモードの場合は周波数帯域の違いを除き、ＴＥモードと全く同じ議論ができるため、ここでは省略する。
【００１０】
また図４中の各量は格子定数ａや光速ｃにて規格化されているので注意が必要である。即ち、図４の横軸と縦軸は、それぞれ２π／ａ，ｃ／ａで規格化されている、無次元の値である。
図４からもわかるように、一般に、誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタでは、導波路管内を伝搬する電磁波の波長の０．５倍が、空隙周期ａに一致した場合、即ち図４にて規格化伝搬定数がｋ＝０．５の状態では電磁波が導波路を通過できない阻止帯域が形成される。
また阻止された電磁波は入射した方向に反射するため、この反射を抽出すれば、多数の周波数から必要な周波数帯域を選別することも可能である。
【００１１】
阻止帯域幅は空隙幅が小さいほど狭いが、空隙幅が０．１４ａの場合、帯域幅は中心周波数に対して０．８％となっている。
ここで、波長多重光通信用周波数帯域の選択に必要な帯域幅と、この誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタの阻止帯域幅を比較する。
通常、波長多重光通信では１５５０ｎｍを中心とした１００ｎｍ程度の波長の光が使用される。
この波長帯域は周波数帯では１９３ＴＨｚを中心とした１２ＴＨｚに対応する。
【００１２】
上述した空隙幅０．１４ａの誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタを、この周波数帯にて利用するために、ここでは切断周期をａ＝４２０ｎｍとする。
得られる阻止帯域は１９１ＴＨｚを中心に約１．５ＴＨｚである。
またこの場合、コア部の断面形状は幅ｗ＝４００ｎｍ、高さｈ＝２００ｎｍとなり、また空隙幅はｇ＝５９ｎｍである。
ここで、波長多重通信を実現するために、上記の１２ＴＨｚの周波数帯域を８分割すると、各帯域の幅は約１．５ＴＨｚとなり、上述した従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタの帯域に一致する。
【００１３】
即ち従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタでは、６０ｎｍを下回る極細い空隙幅を用ることによりはじめて、これらの各波長を選択分離することができる。
ところが、将来的には数十、或いは数百波にもおよぶ波長多重化が予想され、必要な帯域幅はさらに狭くなる。
そして、この場合、必要となる空隙幅は１０ｎｍ程度になると予想される。
【００１４】
現在の微細加工技術では、６０ｎｍ程度の空隙でさえ、正確に再現性良く、量産することは困難である。
ましてや１０ｎｍ以下の空隙を持つ導波路は事実上製造不可能と考えられる。このように従来技術に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型波長選択フィルタでは、所望の周波数帯域幅を得るには６０ｎｍもの微細加工が必要となっていた。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、コア部が、クラッド部よりも大きな誘電率を持つ物質により構成され、光を導波する誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおいて、光の導波方向に誘電率の周期的変化が与えられて、光が前記誘電体導波路を通過できない阻止帯域が形成されるように、コア部の側面から近接したクラッド部内に、光の導波方向に沿って周期的に、クラッドの誘電率とは異なる誘電率をもつ同一形状の複数の誘電体構造物が、前記コア部の中心から一定の距離だけ離れた位置にその中心を持ち、且つ一定の配置周期で配置されていることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１において前記誘電体構造物と前記コア部との最近接距離の上限は、光のクラッド内波長の１／２以下とすることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１又は２において、前記誘電体構造物と前記コア部との最近接距離の下限は、前記コア部表面に前記誘電体構造表面が接する位置であることを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２又は３において前記誘電体構造物の配置周期は、光の導波路管内波長の０．４７倍〜０．５３倍の長さであることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２，３又は４において前記コア部の断面形状が方形であることを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項５において前記誘電体構造物を、コア部の上下左右側面のうちの少なくとも任意の１側面に近接した位置に配置したことを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項５において前記誘電体構造物を、コア部の上下左右側面のうち任意の対向する２側面に近接した位置に配置したことを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する本発明の請求項８に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２，３，４，５，６又は７において前記誘電体構造物の形状が円柱、楕円柱、角柱、球、楕円球であることを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する本発明の請求項９に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２，３，４，５，６，７又は８において前記コア部の比誘電率及び前記誘電体構造物の比誘電率が９．０から２０．０の間にあり、かつクラッド部の比誘電率が１．０から３〜０の間にあることを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決する本発明の請求項１０に係る誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタは、請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９において前記コア部の材料又は前記誘電体構造物の材料の少なくとも一方として、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物を用い、かつクラッド部に、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空を用いることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明では、誘電体導波路のコア部の外側（即ちクラッド部）に、コア部に近接して、クラッドとは異なる誘電率を持った誘電体構造物を配置することにより、誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの構成に必要な、電磁波進行方向の誘電率の周期的変化を与える。
【００２６】
ここで例として、誘電体導波路のコア部の比誘電率をε₁＝１２．０９６、クラッド物質の比誘電率をε₂＝２．０８５とし、クラッド部に配置されたクラッドとは異なる誘電率を持つ誘電体構造物の比誘電率をε₃＝１２．０９６としとして、本発明を説明する。
図１に示すように、誘電体構造物の配置周期をａ、コア部の断面形状は０．９５２ａ×０．４７６ａとする。
【００２７】
これらのパラメータは上述した従来型誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの場合と同じ値である。
また誘電体構造物の形状は円柱とし、その半径を０．２ａ、高さを０．４５ａとする。
この円柱誘電体構造物はコア部の左右両側に、導波路中心から距離ｄ（ここでは例としてｄ＝ａとする）だけ離れた位置にその中心を持つように配置する。
【００２８】
この場合、コア部側面から円柱誘電体構造物側面までの最近接距離は０．３ａである。
本構造の導波路を通過することができる導波電磁界モードの分散関係を周期的境界条件を課した平面波展開法（R.D. Meade et al., Physical Review B 48, 8434 (1993)）にて計算した結果を図２に示す。
但し、ここでは説明を簡略化するためＴＥモードに関してのみ分散関係を示している。
ＴＭモードの場合は周波数帯域の違いを除き、ＴＥモードと全く同じ議論ができるため、ここでは省略する。
【００２９】
従来型誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタと同様に、本導波路においても、規格化伝搬定数がｋ＝０．５の状態で阻止帯域が形成される。
そして、その帯域幅は中心周波数に対して０．４％である。
ここでこの構造の実寸法が、コア部の断面が上に説明した従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタのコア部と同じ値であるｗ＝４００ｎｍ，ｈ＝２００ｎｍであるとして、従来技術と比較する。
【００３０】
この場合、誘電体構造物の配置周期も、上述した従来型誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの空隙周期と同じａ＝４２０ｎｍである。また最小空隙幅であるコア部側面と円柱誘電体構造物側面までの最近接距離は１２０ｎｍであり、従来型に比べ２倍大きい。
即ち、微細加工技術でも製造可能なサイズである。
しかしながら、得られる阻止帯域幅は１９４ＴＨｚを中心に約０．８ＴＨｚと、従来型よりも狭くなっている。
【００３１】
また詳しい計算は省くが、阻止帯域の中心周波数は誘電体構造物の周期ａに反比例するため、ａを調整すれば中心周波数を調整可能である。
１５５０ｎｍ帯の周波数帯域は前述したように１９３ＴＨｚを中心に１２ＴＨｚ、即ち±３％程度の範囲である。
従ってａの調整範囲も約±３％、即ち導波路管内を伝搬する電磁波の中心波長の０．４７倍〜０．５３倍である。
【００３２】
また、帯域幅を減少させるには、電磁波が感じる誘電体構造物による摂動を小さくすれば良い。
これは、コア部から円柱誘電体構造を遠くに引き離せば良いので、空隙幅としては広くなり、製造がより容易になる方向である。
即ち本発明によれば、非常に狭い周波数選択幅を持つ周波数選択フィルタを容易に製造することが可能となる。
【００３３】
但し、詳しい計算によれば、この構造物側面がコア部側面から、電磁波のクラッド内波長の１／２より大きいと、阻止帯域の幅が０．０１％以下となっている。
製造誤差等を考慮すれば、このような小さな阻止帯域は実現しないと考えられる。
即ち誘電体構造物とコア部との最近接距離の上限は、電磁波のクラッド内波長の１／２以下とすべきである。
【００３４】
また、誘電体構造物とコア部との最近接距離の下限は、コア部表面に本誘電体構造の表面が接する位置である。
また本発明の基本原理は、コア以下の部分に周期的に配置された誘電体構造物により、誘電体導波路に誘電率の周期的構造を与えることが本質的であるため、コア部自体の断面形状は任意の形状で構わないことは明らかである。
また、上記基本原理から、コア以外の部分に周期的に配置された誘電体構造物の配置場所は、電磁波進行方向に周期的でありさえすればコア部の上下左右どこに配置しても構わないことも明らかである。
【００３５】
但し、実際に製造される可能性の高いプレーナー型の方形導波路においては、導波路の左右に配置するほうが、製造が容易と考えられる。
また、上記基本原理から、コア以下の部分に周期的に配置された誘電体構造物の形状は、上記の円柱に限らず、楕円柱、角柱、球、楕円球などを用いて良いことは明らかである。
また、上記基本原理から、コア以下の部分に周期的に配置された誘電体構造物の誘電率はクラッドと異なった値であればいかなる値でも良いことは明らかである。
【００３６】
また、材料に関しては、導波電磁波を波長１５５０ｎｍ近傍の通信用赤外線領域とした場合、コア部には高誘電率で、赤外線を透過でき、かつ加工性、安定性に問題が少ない材料として、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物等を材料として用いることができる。
【００３７】
これらの材料の比誘電率は、ほぼ９から２０の間にあるが、１０〜１５の間にある方がより好ましい。
またクラッド部には、低誘電率で、赤外線を透過でき、かつ加工性、安定性に問題が少ない材料として、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空等が材料として用いることができる。
【００３８】
これらの材料の比誘電率はほぼ１．０から３．０の間にあるが、２〜２．５の間にある方がより好ましい。
また、コア以下の部分に周期的に配置された誘電体構造物の材料は、製造の容易性を考慮すると、コア部に使用した材料を用いるのが好ましい。
【００３９】
誘電体構造物の比誘電率ε₃は、クラッド物質の比誘電率ε₂と異なれば、どんな値でも構わない。
ただし、その差が大きければ大きいほど効果がある。
誘電体導波路は図１及び図３に示すようにコア部が４面すべてクラッド部に囲まれていてもよいし、１面は空気（又は真空）に触れていてもよいし、３面が空気（又は真空）に触れていてもよいし、さまざまな構造が考えられる。
【００４０】
このように説明したように、本発明は、誘電体導波路に誘電率の周期的構造を与えるという概念に基づき、図１に示すような誘電体構造物をクラッド部に形成することにより、極度の微細加工を必要とせず所望の周波数帯域を得る小型なフィルタを簡易に実現できる。
【００４１】
【実施例】
〔実施例１〕
本発明の実施例を図１に示す。
本実施例は、同図に示すように、コア部１が、クラッド部２よりも大きな誘電率を持つ物質により構成される誘電体導波路において、コア部１の左右両側面から電磁波のクラッド物質内波長の１／２以内の距離に近接したクラッド領域内に、電磁波導波方向に沿って周期的に、クラッドの誘電率とは異なる誘電率をもつ円柱状の誘電体構造物３が、左右対向した位置に配置されていることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４２】
〔実施例２〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１にてクラッド領域に周期的に配置された誘電体構造物の形状が、楕円柱、角柱、球或いは楕円球であることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４３】
〔実施例３〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１及び２において、クラッド部に配置された誘電体構造物が、コア部の上下左右のうち任意の１つの側面側に配置されていることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４４】
〔実施例４〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１及び２において、クラッド部に配置された誘電体構造物が、コア部の上下左右のうち任意の２つの側面側に配置されていることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４５】
〔実施例５〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１及び２において、クラッド部に配置された誘電体構造物が、コア部の上下左右のうち任意の３つの側面側に配置されていることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４６】
〔実施例６〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１及び２において、クラッド部に配置された誘電体構造物が、コア部の上下左右全ての側面側にのみ配置されていることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４７】
〔実施例７〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１〜６において、コア部の断面形状が方形であることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４８】
〔実施例８〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１〜６において、コア部の断面形状が任意の多角形であることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００４９】
〔実施例９〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１〜６において、コア部の断面形状が真円、楕円、長円を含む任意の円形であることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００５０】
〔実施例１０〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１〜９において、コア部の比誘電率及びクラッド部に配置されたクラッドとは異なる誘電率を持つ誘電体構造物の比誘電率が９．０から２０．０の間にあり、かつクラッド部の比誘電率が１．０から３．０の間にあることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００５１】
〔実施例１１〕
本実施例は、図示はしないが、上記実施例１〜９において、コア部の材料及びクラッド部に配置されたクラッドとは異なる誘電率をを持つ誘電体構造物の材料に珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、インジウム・アンチモン系化合物を用い、かつクラッド部の材料に、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空を用いることを特徴とする誘電体導波路型周波数選択フィルタである。
【００５２】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、非常に狭い周波数選択幅を持つ誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタを、従来の半導体製造用微細加工技術を適用して製作することが可能となる。その結果、波長多重光通信等に必要な高性能電磁波周波数帯域選択素子を安価かつ大量に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの構造を示し、図１（ａ）はその上面図、図１（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ′線断面図、図１（ｃ）は同図（ａ）中のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図２】本発明の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおける導波モードを示すグラフである。
【図３】従来型の誘電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタの構造を示し、図３（ａ）はその上面図、図３（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ′線断面図、図３（ｃ）は同図（ａ）中のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図４】従来型の誌電体導波路ブラッググレーティング型周波数選択フィルタにおける導波モードを示すグラフである。
【図５】コア部が石英系の導波路に係るグレーティングフィルタに関し、図５（ａ）はその斜視図、図５（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１コア部
２クラッド部
３誘電体構造物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter. For example, it can be applied to an electromagnetic wave frequency band selection filter for communication.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a waveguide grating array or a dielectric multilayer film is used for a frequency selective filter for optical communication.
The band characteristics of these frequency selective filters are suitable for wavelength division multiplexing communication, but are not suitable for integration of wavelength (or frequency) selection elements that will accompany the spread of wavelength division multiplexing in the future.
[0003]
First, since the waveguide grating array requires a large number of bent waveguides, the waveguide grating array has a size of a centimeter and is difficult to integrate.
Further, the dielectric multilayer film is difficult to integrate because the multilayer film pieces are mechanically arranged precisely.
[0004]
On the other hand, a dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selective filter can be considered as a frequency selective filter capable of high integration.
A dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selective filter is a dielectric waveguide made of a material having a larger dielectric constant than the material of which the core portion constitutes the cladding portion. Thus, the dielectric constant of the waveguide is changed along the traveling direction of the electromagnetic wave.
[0005]
Specifically, the core portion is periodically cut in the traveling direction, and a gap formed thereby is filled with a material having a different dielectric constant from the core portion, such as a cladding material.
This structure can be manufactured in a small size and in large quantities by a conventional fine semiconductor processing technique, and can be highly integrated.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, for example, a grating filter as shown in FIG. 5 is known in a waveguide with a quartz core, but the structure of the core 12 is complicated. When trying to narrow the stop frequency band, there is a problem that the fineness increases and the processing is difficult. In FIG. 5, 10 is a substrate and 14 is a clad.
Thus, a dielectric waveguide type frequency selective filter having a simpler structure as shown in FIG. 3 has been considered.
[0007]
That is, FIG. 3 shows a dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selection filter as a conventional frequency selection filter.
In this dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selective filter, in the dielectric waveguide made of a material having a larger dielectric constant than the material of which the core portion 1 constitutes the cladding portion 2, the core portion 1 is moved along the electromagnetic wave traveling direction. The structure is formed by periodically cutting, and filling the clad material into the voids generated thereby.
[0008]
As an example, the relative permittivity of the core portion 1 is ε ₁ = 12.096, the relative permittivity of the cladding material is ε ₂ = 2.085, the cutting period is a, and the cross-sectional shape of the core portion is 0.952a × 0. The characteristics of this waveguide structure will be described with .476a and the cutting gap width being 0.14a.
These relative dielectric constants correspond to the relative dielectric constants of silicon and silicon dioxide that are often used when forming a dielectric waveguide for communication infrared rays having a wavelength of about 1550 m.
[0009]
The dispersion relation of guided electromagnetic field modes that can pass through this structure is calculated by the plane wave expansion method (RD Meade et al., Physical Review B 48, 8434 (1993)) with periodic boundary conditions. As shown in FIG.
However, here, the dispersion relation is shown only for the TE mode for simplification of description.
In the case of the TM mode, except for the difference in the frequency band, the same discussion as in the TE mode can be made, so that it is omitted here.
[0010]
In addition, it should be noted that each quantity in FIG. 4 is normalized by the lattice constant a and the speed of light c. That is, the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 4 are dimensionless values standardized by 2π / a and c / a, respectively.
As can be seen from FIG. 4, in general, in the dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selective filter, when 0.5 times the wavelength of the electromagnetic wave propagating in the waveguide tube coincides with the gap period a, that is, in FIG. When the normalized propagation constant is k = 0.5, a stop band is formed in which electromagnetic waves cannot pass through the waveguide.
Further, since the blocked electromagnetic wave is reflected in the incident direction, it is possible to select a necessary frequency band from a large number of frequencies by extracting this reflection.
[0011]
The smaller the gap width is, the narrower the stop bandwidth, but when the gap width is 0.14a, the bandwidth is 0.8% with respect to the center frequency.
Here, the bandwidth necessary for selecting the frequency band for wavelength multiplexing optical communication is compared with the stop bandwidth of the dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selection filter.
Usually, in wavelength multiplexing optical communication, light having a wavelength of about 100 nm centering on 1550 nm is used.
This wavelength band corresponds to 12 THz centering on 193 THz in the frequency band.
[0012]
In order to use the above-described dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selection filter with a gap width of 0.14a in this frequency band, the cutting period is set to a = 420 nm.
The resulting stopband is about 1.5 THz centered around 191 THz.
In this case, the cross-sectional shape of the core part is a width w = 400 nm, a height h = 200 nm, and a gap width is g = 59 nm.
Here, in order to realize wavelength multiplexing communication, when the above-mentioned 12 THz frequency band is divided into eight, the width of each band becomes about 1.5 THz, and the conventional dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selective filter described above is used. Match the band.
[0013]
That is, in the conventional dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter, these wavelengths can be selectively separated only by using an extremely narrow gap width of less than 60 nm.
However, in the future, wavelength multiplexing of several tens or hundreds of waves is expected, and the required bandwidth will be further reduced.
In this case, the required gap width is expected to be about 10 nm.
[0014]
With the current microfabrication technology, even a gap of about 60 nm is difficult to mass-produce accurately and with good reproducibility.
Furthermore, it is considered that a waveguide having a gap of 10 nm or less is practically impossible to manufacture. As described above, in the dielectric waveguide Bragg grating type wavelength selective filter according to the prior art, fine processing of 60 nm is required to obtain a desired frequency bandwidth.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
Dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 1 of the present invention to solve the above problems, the core portion is composed with a material having a larger dielectric constant than that of the cladding portion, you guiding light dielectric In the body waveguide Bragg grating type frequency selective filter , a periodic change of the dielectric constant is given in the light guiding direction so that a stop band in which light cannot pass through the dielectric waveguide is formed . A plurality of identically shaped dielectric structures having a dielectric constant different from the dielectric constant of the cladding periodically from the center of the core section are fixed in the cladding section adjacent to the side surface periodically along the optical waveguide direction. It is characterized by having its center at a position separated by a distance and being arranged at a constant arrangement cycle .
[0016]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to a second aspect of the present invention for solving the above-described problems is the dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to the first aspect, wherein the upper limit of the closest distance between the dielectric structure and the core portion is an optical cladding. It is characterized by being ½ or less of the inner wavelength.
[0017]
The dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 3 of the present invention that solves the above-mentioned problems is characterized in that, in claim 1 or 2, the lower limit of the closest distance between the dielectric structure and the core portion is: The dielectric structure surface is in contact with the surface of the core portion.
[0018]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to a fourth aspect of the present invention for solving the above-described problems is the dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to the first, second, or third aspect, wherein the arrangement period of the dielectric structure is the wavelength of the light in the waveguide. The length is 0.47 times to 0.53 times.
[0019]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 5 of the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the cross-sectional shape of the core portion is square in claim 1, 2, 3 or 4. .
[0020]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to a sixth aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the dielectric structure according to the fifth aspect, wherein the dielectric structure is at least one of the upper, lower, left and right side surfaces of the core portion. It arrange | positions in the position close | similar to.
[0021]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to a seventh aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the dielectric structure according to the fifth aspect of the present invention, wherein the dielectric structure is disposed on any two opposite side surfaces of the upper, lower, left and right side surfaces of the core portion. It arrange | positions in the position close | similar to.
[0022]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to an eighth aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the dielectric structure according to the first, second, third, fourth, fifth, sixth or seventh aspect, wherein the dielectric structure has a cylindrical shape. , An elliptic cylinder, a prism, a sphere, and an elliptic sphere.
[0023]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to a ninth aspect of the present invention for solving the above-described problems is the dielectric constant of the core portion according to the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh or eighth aspect. And the dielectric structure has a relative dielectric constant between 9.0 and 20.0, and a relative dielectric constant of the clad portion between 1.0 and 3-0.
[0024]
A dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to a tenth aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the material of the core portion according to the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth or ninth aspect. Or, as at least one of the materials of the dielectric structure, silicon, germanium, a gallium / arsenic compound, an indium / phosphorus compound, an indium / antimony compound, and a silicon dioxide, polyimide organic compound, An epoxy organic compound, an acrylic organic compound, air, or vacuum is used.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, a dielectric structure having a dielectric constant different from that of the cladding is disposed outside the core portion of the dielectric waveguide (that is, the cladding portion) in the vicinity of the core portion. Periodic changes in the dielectric constant in the direction of electromagnetic wave travel necessary for the construction of the Bragg grating type frequency selective filter.
[0026]
Here, as an example, the dielectric constant of the core portion of the dielectric waveguide is ε ₁ = 12.096, the relative dielectric constant of the clad material is ε ₂ = 2.085, and the dielectric is different from the clad disposed in the clad portion. The present invention will be described on the assumption that the relative dielectric constant of a dielectric structure having a dielectric constant is ε ₃ = 12.096.
As shown in FIG. 1, the arrangement period of the dielectric structure is a, and the cross-sectional shape of the core part is 0.952a × 0.476a.
[0027]
These parameters have the same values as those of the conventional dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter described above.
The shape of the dielectric structure is a cylinder, its radius is 0.2a, and its height is 0.45a.
This cylindrical dielectric structure is arranged on both the left and right sides of the core portion so as to have the center at a position away from the waveguide center by a distance d (here, d = a as an example).
[0028]
In this case, the closest distance from the side surface of the core part to the side surface of the cylindrical dielectric structure is 0.3a.
The dispersion relation of guided electromagnetic field modes that can pass through the waveguide of this structure is calculated by the plane wave expansion method (RD Meade et al., Physical Review B 48, 8434 (1993)) with periodic boundary conditions. The results are shown in FIG.
However, here, for simplicity of explanation, the dispersion relationship is shown only for the TE mode.
In the case of the TM mode, except for the difference in the frequency band, the same discussion as in the TE mode can be made, so that it is omitted here.
[0029]
Similar to the conventional dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter, also in this waveguide, a stop band is formed in a state where the normalized propagation constant is k = 0.5.
The bandwidth is 0.4% with respect to the center frequency.
Here, the actual dimensions of this structure are w = 400 nm and h = 200 nm, where the cross section of the core is the same value as the core of the conventional dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter described above. Compare with the prior art.
[0030]
In this case, the arrangement period of the dielectric structure is also a = 420 nm, which is the same as the gap period of the above-described conventional dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter. The closest distance between the side surface of the core portion and the side surface of the cylindrical dielectric structure, which is the minimum gap width, is 120 nm, which is twice as large as the conventional type.
That is, it is a size that can be manufactured even by a fine processing technique.
However, the obtained stop bandwidth is about 0.8 THz centering on 194 THz, which is narrower than the conventional type.
[0031]
Although the detailed calculation is omitted, since the center frequency of the stop band is inversely proportional to the period a of the dielectric structure, the center frequency can be adjusted by adjusting a.
As described above, the frequency band of the 1550 nm band is 12 THz centering on 193 THz, that is, a range of about ± 3%.
Therefore, the adjustment range of a is also about ± 3%, that is, 0.47 to 0.53 times the center wavelength of the electromagnetic wave propagating in the waveguide.
[0032]
In order to reduce the bandwidth, the perturbation caused by the dielectric structure felt by the electromagnetic waves may be reduced.
This is a direction in which the cylindrical dielectric structure is separated away from the core portion, so that the gap width is widened and the manufacture is easier.
That is, according to the present invention, it is possible to easily manufacture a frequency selection filter having a very narrow frequency selection width.
[0033]
However, according to detailed calculations, when the side surface of the structure is larger than ½ of the wavelength in the clad of the electromagnetic wave from the side surface of the core part, the width of the stop band is 0.01% or less.
Considering manufacturing errors and the like, it is considered that such a small stop band is not realized.
That is, the upper limit of the closest distance between the dielectric structure and the core portion should be ½ or less of the wavelength in the clad of the electromagnetic wave.
[0034]
Further, the lower limit of the closest distance between the dielectric structure and the core portion is a position where the surface of the dielectric structure is in contact with the surface of the core portion.
The basic principle of the present invention is that it is essential to provide a dielectric waveguide with a periodic structure of dielectric constant by a dielectric structure periodically disposed below the core. Obviously, the cross-sectional shape may be any shape.
In addition, from the basic principle described above, the location of the dielectric structure periodically disposed in the portion other than the core may be disposed anywhere on the top, bottom, left or right of the core as long as it is periodic in the electromagnetic wave traveling direction. It is also clear.
[0035]
However, in a planar type rectangular waveguide that is likely to be actually manufactured, it is considered that the manufacturing is easier if it is arranged on the left and right sides of the waveguide.
In addition, from the basic principle, it is clear that the shape of the dielectric structure periodically disposed in the portion below the core is not limited to the above-described cylinder, and an elliptic cylinder, a prism, a sphere, an elliptic sphere, or the like may be used. It is.
Further, from the above basic principle, it is clear that the dielectric constant of the dielectric structure periodically disposed below the core may be any value as long as the value is different from that of the cladding.
[0036]
As for the material, when the guided electromagnetic wave is in the infrared region for communication near the wavelength of 1550 nm, silicon is a material having a high dielectric constant and capable of transmitting infrared rays and having few problems in workability and stability. Germanium, gallium / arsenic compounds, indium / phosphorus compounds, indium / antimony compounds, and the like can be used as materials.
[0037]
The relative dielectric constant of these materials is approximately between 9 and 20, but more preferably between 10 and 15.
The clad has a low dielectric constant, can transmit infrared rays, and has few problems in workability and stability. Silicon dioxide, polyimide organic compounds, epoxy organic compounds, acrylic organic compounds, air, vacuum Etc. can be used as materials.
[0038]
The relative dielectric constant of these materials is approximately between 1.0 and 3.0, but more preferably between 2 and 2.5.
In addition, it is preferable to use the material used for the core portion as the material of the dielectric structure periodically disposed in the portion below the core in consideration of ease of manufacturing.
[0039]
The relative dielectric constant ε ₃ of the dielectric structure may be any value as long as it is different from the relative dielectric constant ε ₂ of the clad material.
However, the larger the difference, the more effective.
As shown in FIGS. 1 and 3, the dielectric waveguide may have all four sides of the core part surrounded by the clad part, one side may be in contact with air (or vacuum), and three sides It may be in contact with air (or vacuum), and various structures are possible.
[0040]
As described above, the present invention is based on the concept of providing a dielectric waveguide with a periodic structure of permittivity, and by forming a dielectric structure as shown in FIG. Therefore, a small filter that obtains a desired frequency band can be easily realized without requiring fine processing.
[0041]
【Example】
[Example 1]
An embodiment of the present invention is shown in FIG.
In this embodiment, as shown in the figure, in a dielectric waveguide in which the core portion 1 is made of a material having a dielectric constant larger than that of the cladding portion 2, the electromagnetic wave cladding material from both the left and right sides of the core portion 1 A cylindrical dielectric structure 3 having a dielectric constant different from the dielectric constant of the clad is periodically formed in the clad region close to a distance within ½ of the inner wavelength along the electromagnetic wave guide direction. It is a dielectric waveguide type frequency selective filter characterized in that it is arranged at an opposed position.
[0042]
[Example 2]
Although not shown, the present embodiment is characterized in that the shape of the dielectric structure periodically arranged in the cladding region in the first embodiment is an elliptic cylinder, a prism, a sphere, or an elliptic sphere. It is a body waveguide type frequency selective filter.
[0043]
Example 3
Although this embodiment is not illustrated, in the first and second embodiments, the dielectric structure disposed in the cladding portion is disposed on any one side surface of the upper, lower, left, and right sides of the core portion. This is a characteristic dielectric waveguide type frequency selective filter.
[0044]
Example 4
Although this embodiment is not illustrated, in the first and second embodiments, the dielectric structure disposed in the cladding portion is disposed on any two side surfaces of the upper, lower, left, and right sides of the core portion. This is a characteristic dielectric waveguide type frequency selective filter.
[0045]
Example 5
Although this embodiment is not illustrated, in the first and second embodiments, the dielectric structure disposed in the cladding portion is disposed on any three side surfaces of the upper, lower, left and right sides of the core portion. This is a characteristic dielectric waveguide type frequency selective filter.
[0046]
Example 6
Although not shown in the drawings, this embodiment is characterized in that the dielectric structures arranged in the clad portion are arranged only on the upper, lower, left, and right side surfaces of the core portion in the first and second embodiments. It is a dielectric waveguide type frequency selective filter.
[0047]
Example 7
Although not shown in the drawings, this embodiment is a dielectric waveguide type frequency selective filter characterized in that the cross-sectional shape of the core portion in the first to sixth embodiments is square.
[0048]
Example 8
Although not shown, the present embodiment is a dielectric waveguide type frequency selective filter characterized in that the cross-sectional shape of the core portion in any of the first to sixth embodiments is an arbitrary polygon.
[0049]
Example 9
Although this embodiment is not shown in the drawings, the dielectric waveguide type frequency selection is characterized in that, in the first to sixth embodiments, the cross-sectional shape of the core is an arbitrary circle including a perfect circle, an ellipse, and an ellipse. It is a filter.
[0050]
Example 10
Although this embodiment is not shown in the drawings, in Examples 1 to 9, the relative dielectric constant of the dielectric structure having a dielectric constant different from the relative dielectric constant of the core portion and the cladding disposed in the cladding portion is 9. A dielectric waveguide type frequency selective filter having a dielectric constant between 0 and 20.0 and a relative dielectric constant of a cladding portion between 1.0 and 3.0.
[0051]
Example 11
Although not shown in the drawings, this embodiment uses silicon, germanium, and gallium as materials of the dielectric structure having a dielectric constant different from that of the core material and the clad disposed in the clad portion in the first to ninth embodiments.・ Use arsenic compounds, indium / phosphorus compounds, indium / antimony compounds, and use silicon dioxide, polyimide organic compounds, epoxy organic compounds, acrylic organic compounds, air, and vacuum as the cladding material. This is a dielectric waveguide type frequency selective filter.
[0052]
【The invention's effect】
As described above in detail based on the embodiments, according to the present invention, a dielectric waveguide Bragg grating type frequency selection filter having a very narrow frequency selection width can be obtained by using conventional microfabrication technology for semiconductor manufacturing. It can be applied and manufactured. As a result, it is possible to provide a high-performance electromagnetic frequency band selection element necessary for wavelength multiplexing optical communication and the like at a low cost and in large quantities.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the structure of a dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter of the present invention, FIG. 1 (a) is a top view thereof, and FIG. 1 (b) is an AA ′ line in FIG. 1 (a). FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
FIG. 2 is a graph showing a waveguide mode in a dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter of the present invention.
3A and 3B show the structure of a conventional dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter. FIG. 3A is a top view thereof, and FIG. 3B is an AA ′ line in FIG. FIG. 3C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
FIG. 4 is a graph showing a waveguide mode in a conventional magazine electric waveguide Bragg grating type frequency selective filter;
FIGS. 5A and 5B are perspective views and a cross-sectional view, respectively, of a grating filter related to a waveguide whose core is a quartz-based waveguide. FIGS.
[Explanation of symbols]
1 Core part 2 Clad part 3 Dielectric structure

Claims

Core portion is constituted by a material having a larger dielectric constant than that of the cladding portion, the dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter you guiding light, periodic variation in the dielectric constant given to the light propagation direction In order to form a stop band in which light cannot pass through the dielectric waveguide , the dielectric constant of the cladding is periodically changed along the light guiding direction in the cladding portion close to the side surface of the core portion. A plurality of dielectric structures having different dielectric constants and having the same shape have their centers at positions spaced apart from the center of the core portion by a certain distance and are arranged at a certain arrangement period. Dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter.

2. The dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 1, wherein the upper limit of the closest distance between the dielectric structure and the core portion is ½ or less of the wavelength in the clad of light. .

3. The dielectric waveguide Bragg according to claim 1, wherein the lower limit of the closest distance between the dielectric structure and the core portion is a position where the surface of the dielectric structure is in contact with the surface of the core portion. Grating type frequency selection filter.

4. The dielectric waveguide Bragg according to claim 1, wherein the arrangement period of the dielectric structure is 0.47 to 0.53 times as long as the wavelength of light in the waveguide. Grating type frequency selection filter.

5. The dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 1, wherein the core has a square cross-sectional shape.

6. The dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 5, wherein the dielectric structure is disposed at a position close to at least one of the upper, lower, left and right side surfaces of the core portion.

6. The dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 5, wherein the dielectric structure is disposed at a position close to any two opposing side surfaces of the upper, lower, left and right side surfaces of the core portion.

8. The dielectric waveguide Bragg grating type according to claim 1, wherein the shape of the dielectric structure is a cylinder, an elliptic cylinder, a prism, a sphere, or an ellipsoid. Frequency selection filter.

The relative permittivity of the core portion and the relative permittivity of the dielectric structure are between 9.0 and 20.0, and the relative permittivity of the cladding portion is between 1.0 and 3-0. The dielectric waveguide Bragg grating type frequency selective filter according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8.

Silicon, germanium, a gallium / arsenic compound, an indium / phosphorus compound, an indium / antimony compound are used as at least one of the material of the core part or the dielectric structure, and silicon dioxide in the cladding part, The dielectric waveguide according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9, wherein a polyimide organic compound, an epoxy organic compound, an acrylic organic compound, air, or vacuum is used. Bragg grating type frequency selection filter.