JP4121341B2 - Optical waveguide including interference filter and method of forming the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において利用される光導波路に関し、特に波長分離に利用し得る干渉フィルタを途中に含む光導波路とその形成方法に関するもである。
【0002】
【従来の技術】
図4において、特開2000−199826号公報に開示された従来の干渉フィルタを含む光導波路素子が、模式的な平面図で図解されている。この光導波路素子は、シリコンなどの基板10上に石英系ガラスからなる周知の光導波路11、12、13が形成されている。基板10は、干渉フィルタ33を受け入れるための溝18を含んでいる。この干渉フィルタ33は、透明なポリイミド薄膜基板34上に形成された多層膜フィルタ35を含んでいる。
【0003】
干渉フィルタ33は、フィルタ支持ブロック30の垂直面上に透明接着剤で固定される。フィルタ支持ブロック30の底部には、光導波路11、13が干渉フィルタ33に近接することを許容するための凹部32が設けられている。基板10上には、フィルタ支持ブロック30の位置決めを容易にするために、2つの位置決めガイド15、16が設けられている。フィルタ支持ブロック30の位置合わせ用突き当て面31がこれら2つの位置決めガイド15、16に突き当てられて、その支持ブロック30の位置決めが行われる。
【0004】
入力導波路11と出力導波路13とは、干渉フィルタ33の表面の法線に対称にθの角度をなして、そのフィルタ面に当接される。そして、入力導波路11から入力された光信号のうちで、干渉フィルタ33を通過した波長の光信号は出力導波路12に伝達され、干渉フィルタ33によって反射された波長の光信号は出力導波路13に伝達される。こうして、波長分割多重化された入力光信号の波長分離が可能になる。なお、導波路は、例えば導波路12に関して示されているように、複数の導波路12a、12bに分岐することも可能であることが周知である。
【0005】
図5においては、特開平8−286060号公報に開示された従来の干渉フィルタを含む光導波路素子が、模式的な平面図で図解されている。この光導波路素子は、シリコンなどの基板10上に形成された石英系ガラスからなる光導波路11、12、13を含んでいる。導波路12内において、他の導波路11、13との接合点近傍に屈折率変調型の干渉フィルタ36が形成されている。すなわち、干渉フィルタ36の領域内において導波路12は屈折率が周期的に変調されている。ゲルマニウムを含む石英系ガラスは紫外線照射によってその屈折率を高めることができるので、そのような屈折率変調型の干渉フィルタ36を導波路12内に形成することが可能である。
【0006】
図6において、石英系ガラスからなる導波路内に屈折率変調型干渉フィルタを形成する方法の典型例が模式的な正面図で図解されている。この方法では、紫外線レーザ光源20から射出されたビームが干渉手段21に入射される。干渉手段21は、ビームスプッリタ21aおよび2つの平行な反射鏡21b、21cを含んでいる。すなわち、ビームスプッリタ21aによって2つに分割された紫外線ビームは、それぞれに対応する平行な反射鏡21b、21cで反射され、干渉領域22において相互に会合して干渉し、そして周期的な紫外線照射強度分布を形成する。
【0007】
光ファイバ40は、Geを含む石英系ガラスのコア41、Geを含みかつコア41より低い屈折率を有する石英系ガラスの内層クラッド42、および石英ガラスの外層クラッド45を含んでいる。このような光ファイバ40が、周期的な紫外線照射強度分布を有する干渉領域22に露出される。そのとき、石英ガラスの外層クラッド45は、紫外線照射の影響を受けない。しかし、Geを含む石英系ガラスからなるコア41と内層クラッド42の内部では、高強度の紫外線を受けた局所的領域の屈折率が上昇し、ファイバの長さ方向に沿って周期的な屈折率変化43、44が生じる。
【0008】
光ファイバ40を紫外線干渉領域22に露出することによって、その干渉領域22の幅に渡って周期的な屈折率変調43、44が形成されれば、光ファイバ40は矢印Aで示されているように干渉領域22に関してその幅分だけ相対的に移動させられ、その後に再度紫外線照射が行われる。このような紫外線照射と光ファイバ40の移動とを繰り返すことによって、光ファイバ40の所望の長さに渡って、屈折率変調型干渉フィルタを形成することができる。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−199826号公報
【特許文献2】
特開平8−286060号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
図4に示されているような従来の干渉フィルタを含む光導波路素子においては、基板10に溝18を掘る工程や干渉フィルタ33を精度よく設置する工程が煩雑であり、また多層膜フィルタ35自体が高価である。したがって、図4に示されているような干渉フィルタを含む光導波路素子は、コスト高になるという問題がある。
【0011】
他方、図5に示されているように石英系ガラスの導波路中に屈折率変調型の干渉フィルタを含む光導波路素子においては、その屈折率変調型の干渉フィルタの長さを小さくすることが困難であって、干渉フィルタを含む光導波路素子の小型化に適しないという問題がある。
【0012】
より具体的には、特開平8−286060の段落[0005]に記載されているように、屈折率変調型フィルタにおける反射率Rは次式(1)によって表わされ得ることが知られている。
R=tanh2(L・π・Δn/λ) ・・・(1)
ここで、Lはコア内に形成された回折格子長を表わし、Δnは紫外線照射による屈折率変化を表わし、そしてλは反射光の波長を表わしている。
【0013】
上式(1)から分かるように、所望の反射率Rを得ようとする場合に、屈折率変化Δnとフィルタ長さLとはほぼ反比例の関係にある。そして、Geを含む石英系ガラスに紫外線照射して得られる屈折率変化Δnは、約0.002程度までのわずかなものである。したがって、光通信分野において望まれる反射率Rを得るためには、フィルタ長さLとして約10mm程度を要することになる。その結果、図5に示されているような屈折率変調型干渉フィルタを含む光導波路素子は、小型化に適していないという問題を有している。
【0014】
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、簡便に低コストで形成可能な小型の干渉フィルタ含有光導波路素子を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、干渉フィルタを含む光導波路は、クラッド部に包囲されたコア部を含む光導波路中に形成された干渉フィルタを含み、その光導波路の少なくともコア部はDLC膜で形成されており、干渉フィルタはコア部の長手方向に沿って複数の高屈折率部と複数の低屈折率部を交互に含んでいることを特徴としている。
【0016】
なお、このような干渉フィルタを含む光導波路は、1.0〜2.0μmの範囲内の波長を有する光信号の導波に適用し得る。また、クラッド部の少なくとも一部は、コア部に比べて低い屈折率を有するDLC膜で形成され得る。
【0017】
上述の本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成するための方法においては、干渉フィルタにおける高屈折率部はコア部のDLC膜にエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって形成され得る。なお、DLC膜は、プラズマCVD法によって気相成長させられ得る。
【0018】
コア部は、下地層上にDLC膜を気相成長させ、そのDLC膜を所定のパターンでエッチングすることによって形成され得る。コア部は、下地層上にDLC膜を気相成長させ、そのDLC膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによっても形成され得る。そのエネルギビームとしては、X線、電子線、またはイオンビームが利用され得る。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1と図2の模式的な断面図において、本発明の一実施例による干渉フィルタを含む光導波路の形成方法が図解されている。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または類似部分を表わしている。また、本願の図面において、長さや厚さなどの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【0020】
図1を参照して、10mm×10mmの主面を有しかつ1.44の屈折率を有するSiO2基板1のその主面上に、1.55の屈折率を有するDLC(ダイヤモンド・ライク・カーボン)膜2が、プラズマCVD(化学気相堆積)法によって10μmの厚さに堆積された。このようにプラズマCVD法で形成されたDLC膜2は、少なくとも光通信で用いられる波長領域の光に関して透明であり得る。DLC膜2の全面上には厚さ2μmの金膜をスパッタリング法で堆積し、基板1の中央部を横断するように幅10μmで長さ10mmにわたってその金膜の一部をRIE(反応性イオンエッチング)法でストライプ状にエッチング除去することによって、金マスク3aが形成された。
【0021】
この金マスク3aの開口部を介してHeイオンビーム4aを照射することによって、DLC膜2中に光導波路のコア部2aが形成された。すなわち、図1は光導波路のストライプ状コア2aに直交する断面を表わしている。この場合のHeイオンビーム照射条件としては、800keVの加速電圧を有するHeイオンビーム4aが1×1015/cm2のドース量で照射された。その結果、Heイオンビーム照射前に1.55の屈折率を有していたDLC膜2は、そのコア部2aにおいて屈折率が1.56に上昇した。しかし、金マスク3a下のDLC膜2の領域内では、Heイオンビーム4aの照射の前後において屈折率に変化が生じなかった。
【0022】
Heイオンビーム4aの照射後において、金マスク3a全体がエッチング除去された。この状態において、相対的に高い屈折率を有するDLCコア2aは、いずれも相対的に低い屈折率を有していてクラッド層として作用し得る下側のSiO2基板1、両側のDLC膜2、および上側の空気によって包囲されており、光を閉じこめて導波することができる。
【0023】
図2を参照して、ストライプ状コア2aの長手方向に沿った断面が示されている。幅10μmで長さ10mmのストライプ状コア2aの中央領域上の少なくとも9.0μmの長さに渡って覆うように、厚さ2μmの金膜がスパッタリング法で堆積され、この金膜をRIE法で加工することによって、第2の金マスク3bが形成された。すなわち、この金マスク3bにおいて、DLCコア2aの長手方向に沿って、幅0.2μmの開口が0.25μmの間を隔てて10個形成された。
【0024】
金マスク3b中のそれら10個の開口を介して第2のHeイオンビーム4bがDLCコア2a内に照射された。この第2のHeイオンビーム照射条件としては、800keVの加速電圧を有するHeイオンビーム4bが1×1017/cm2のドース量で照射された。その結果、Heイオンビーム照射前に1.56の屈折率を有していたDLCコア2aは、その照射領域2bにおいて屈折率が1.86まで上昇した。しかし、金マスク3b下のコア領域2a内では、Heイオンビーム4bの照射の前後において屈折率に変化が生じなかった。すなわち、DLC導波路2a内において屈折率が高められた複数の領域3bを含む周期的屈折率変調領域は、干渉フィルタとして作用することが期待される。
【0025】
第2の金マスク3b全体ががエッチング除去された後に得られた干渉フィルタを含む光導波路素子において、光ファイバからその導波路の一端へ信号光が入射された。その信号光は、波長1.30μmの光と波長1.55μmの光を含んでいた。その結果、光導波路素子に含まれる屈折率変調型のDLC干渉フィルタに関して、波長1.30μmの光の透過率は98%であって反射率は2%であり、波長1.55μmの光の透過率は0.1%であって反射率は99.9%であった。これらの透過率と反射率は、光通信分野における波長分離用フィルタとして、十分に優れたフィルタ特性を満たしているといえる。
【0026】
他方、本発明との比較のために、図6に示されているように石英系ガラスからなる光ファイバ内に屈折率変調型干渉フィルタが形成された。この石英系ガラスからなる屈折率変調型フィルタにおいては、屈折率1.440のコア内に屈折率1.441の高屈折率領域が周期的に10層形成された。
【0027】
この比較例による石英系ガラスのフィルタに対して、波長1.30μmの光と波長1.55μmの光を含む信号光が導入された。その結果、比較例のフィルタに関する波長1.30μmの光の透過率は98%であって反射率は2%であり、波長1.55μmの光の透過率は97%であって反射率は3%であった。すなわち、比較例のフィルタは、波長1.30μmの光と波長1.55μmの光とのいずれに対しても類似の透過率と反射率を有し、それらの光を波長分離するためのフィルタとして利用し得ないことが明らかであろう。
【0028】
このことは、石英系ガラスからなる比較例のフィルタでは10層の周期的高屈折率領域では不充分で、遥かに多くの(例えば数千以上の)高屈折率層を設ける必要があることを意味している。すなわち、石英系ガラスからなる比較例のフィルタに波長分離機能を果たさせるには、多くの周期的高屈折率層を含むように長くしなければならないことが分かる。
【0029】
なお、前述の図1においてはDLC膜2内にHeイオンビーム照射4aによって光導波路コア2aが形成されたが、DLC導波路コアは他の種々の方法によっても形成され得ることが当業者に容易に理解されよう。
【0030】
図3の模式的な断面図は、本発明においてDLC導波路コアを形成する方法の他の例を図解している。この方法においては、SiO2基板1上にDLC膜2がプラズマCVD法によって堆積される。このDLC膜上には、フォトリソグラフィを利用して、ストライプ状のレジストパターン5が形成される。このレジストパターン5下のDLCコア領域2a以外のDLC膜2はRIEによって除去される。なお、DLC膜を除去するためのエッチングガスとしては、環境に無害な酸素が利用され得る。その後に、レジストパターン5を除去すれば、基板1上にDLC導波路コア2aが残される。この状態で、相対的に高い屈折率を有するDLCコア2aは、いずれも相対的に低い屈折率を有していてクラッド層として作用し得る下側のSiO2基板1、および両側と上側の空気によって包囲されており、光を閉じこめて導波することができる。
【0031】
本発明による前述の実施例においてはDLCコア2aが空気と接する面を有していたが、その面が保護膜としての機能とクラッド層としての機能を果たさせるSiO2膜などで覆われてもよいことは言うまでもない。また、基板1としてはSiO2に限られずにSiを用いることも可能であり、基板1とDLC膜2との間に適当な下部クラッド層が挿入されてもよいことも言うまでもない。
【0032】
さらに、本発明による前述の実施例においてはDLC膜の屈折率を高めるためにHeイオンビーム照射が利用されたが、水素イオンのような他のイオンビーム照射をも利用し得るとともに、DLC膜の屈折率はX線照射または電子線照射などによっても高めることができる。例えば、X線照射としてはシンクロトロン放射光が好ましく用いられ、電子線照射方法としては電子線描画装置などが好ましく用いられ得る。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡便に低コストで形成可能な小型の干渉フィルタ含有光導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成する過程を図解する模式的な断面図である。
【図2】 本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成する過程を図解する他の模式的な断面図である。
【図3】 本発明による干渉フィルタを含む光導波路を形成する過程を図解するさらに他の模式的な断面図である。
【図4】 従来の干渉フィルタを含む光導波路素子の典型例を示す模式的な平面図である。
【図5】 従来の干渉フィルタを含む光導波路素子の他の例を示す模式的な平面図である。
【図6】 従来の石英系ガラスからなる光ファイバ内に屈折率変調型干渉フィルタを形成する方法を図解する模式的な正面図である。
【符号の説明】
1 SiO2基板、2 DLC膜、2a DLCコア、2b DLCコア2a中の周期的高屈折率領域、3a 第1の金マスク、3b 第2の金マスク、4a第1のHeイオンビーム照射、4b 第2のHeイオンビーム照射、5 レジストパターン。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide used in the field of optical communication, and more particularly to an optical waveguide including an interference filter that can be used for wavelength separation and a method for forming the same.
[0002]
[Prior art]
In FIG. 4, an optical waveguide element including a conventional interference filter disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-199826 is illustrated in a schematic plan view. In this optical waveguide element, known
[0003]
The
[0004]
The
[0005]
In FIG. 5, an optical waveguide device including a conventional interference filter disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-286060 is illustrated in a schematic plan view. This optical waveguide element includes
[0006]
In FIG. 6, a typical example of a method of forming a refractive index modulation type interference filter in a waveguide made of silica glass is illustrated by a schematic front view. In this method, a beam emitted from the ultraviolet
[0007]
The
[0008]
If the
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2000-199826 A [Patent Document 2]
JP-A-8-286060 [0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the optical waveguide element including the conventional interference filter as shown in FIG. 4, the process of digging the groove 18 in the
[0011]
On the other hand, as shown in FIG. 5, in an optical waveguide element including a refractive index modulation type interference filter in a silica glass waveguide, the length of the refractive index modulation type interference filter can be reduced. There is a problem that it is difficult and is not suitable for miniaturization of an optical waveguide element including an interference filter.
[0012]
More specifically, as described in paragraph [0005] of JP-A-8-286060, it is known that the reflectance R in the refractive index modulation type filter can be expressed by the following equation (1). .
R = tanh 2 (L · π · Δn / λ) (1)
Here, L represents the length of the diffraction grating formed in the core, Δn represents the refractive index change due to ultraviolet irradiation, and λ represents the wavelength of the reflected light.
[0013]
As can be seen from the above equation (1), when obtaining a desired reflectance R, the refractive index change Δn and the filter length L are in an inversely proportional relationship. The refractive index change Δn obtained by irradiating the quartz glass containing Ge with ultraviolet rays is as small as about 0.002. Therefore, in order to obtain the desired reflectance R in the optical communication field, the filter length L requires about 10 mm. As a result, the optical waveguide device including the refractive index modulation type interference filter as shown in FIG. 5 has a problem that it is not suitable for miniaturization.
[0014]
In view of the state of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a small-sized interference filter-containing optical waveguide element that can be easily formed at low cost.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, an optical waveguide including an interference filter includes an interference filter formed in an optical waveguide including a core portion surrounded by a cladding portion, and at least the core portion of the optical waveguide is formed of a DLC film. The interference filter includes a plurality of high refractive index portions and a plurality of low refractive index portions alternately along the longitudinal direction of the core portion.
[0016]
Note that an optical waveguide including such an interference filter can be applied to waveguide of an optical signal having a wavelength in the range of 1.0 to 2.0 μm. Further, at least a part of the clad portion can be formed of a DLC film having a lower refractive index than that of the core portion.
[0017]
In the above-described method for forming an optical waveguide including an interference filter according to the present invention, the high refractive index portion in the interference filter can be formed by irradiating the DLC film in the core portion with an energy beam to increase the refractive index. Note that the DLC film can be vapor-phase grown by a plasma CVD method.
[0018]
The core portion can be formed by vapor-depositing a DLC film on the base layer and etching the DLC film with a predetermined pattern. The core portion can also be formed by vapor-depositing a DLC film on the underlayer and irradiating the DLC film with an energy beam in a predetermined pattern to increase the refractive index. As the energy beam, an X-ray, an electron beam, or an ion beam can be used.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 illustrate a method of forming an optical waveguide including an interference filter according to an embodiment of the present invention. In the drawings of the present application, the same reference numerals represent the same or similar parts. In the drawings of the present application, the dimensional relationships such as length and thickness are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
[0020]
Referring to FIG. 1, a DLC (diamond-like film) having a refractive index of 1.55 is formed on the main surface of a SiO 2 substrate 1 having a main surface of 10 mm × 10 mm and a refractive index of 1.44. Carbon)
[0021]
The
[0022]
After the irradiation with the He ion beam 4a, the entire gold mask 3a was removed by etching. In this state, the
[0023]
Referring to FIG. 2, a cross section along the longitudinal direction of the
[0024]
The second
[0025]
In the optical waveguide element including the interference filter obtained after the entire
[0026]
On the other hand, for comparison with the present invention, a refractive index modulation type interference filter was formed in an optical fiber made of silica glass as shown in FIG. In the refractive index modulation type filter made of this silica glass, ten high refractive index regions having a refractive index of 1.441 were periodically formed in a core having a refractive index of 1.440.
[0027]
Signal light including light having a wavelength of 1.30 μm and light having a wavelength of 1.55 μm was introduced into the filter made of silica glass according to this comparative example. As a result, the transmittance of light having a wavelength of 1.30 μm with respect to the filter of the comparative example is 98% and the reflectance is 2%, the transmittance of light having a wavelength of 1.55 μm is 97%, and the reflectance is 3%. %Met. That is, the filter of the comparative example has similar transmittance and reflectance to both light with a wavelength of 1.30 μm and light with a wavelength of 1.55 μm, and serves as a filter for wavelength-separating those lights. It will be clear that it cannot be used.
[0028]
This is because the comparative filter made of silica glass is not sufficient in the periodic high refractive index region of 10 layers, and it is necessary to provide a far larger number (for example, several thousand or more) of high refractive index layers. I mean. That is, it can be seen that in order for the filter of the comparative example made of quartz glass to perform the wavelength separation function, it must be long to include many periodic high refractive index layers.
[0029]
In FIG. 1, the
[0030]
The schematic cross-sectional view of FIG. 3 illustrates another example of a method for forming a DLC waveguide core in the present invention. In this method, a
[0031]
In the above-described embodiment according to the present invention, the
[0032]
Furthermore, in the above-described embodiments according to the present invention, He ion beam irradiation is used to increase the refractive index of the DLC film. However, other ion beam irradiation such as hydrogen ions can be used, and The refractive index can also be increased by X-ray irradiation or electron beam irradiation. For example, synchrotron radiation is preferably used as the X-ray irradiation, and an electron beam drawing apparatus or the like can be preferably used as the electron beam irradiation method.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a small interference filter-containing optical waveguide that can be easily formed at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a process of forming an optical waveguide including an interference filter according to the present invention.
FIG. 2 is another schematic cross-sectional view illustrating the process of forming an optical waveguide including an interference filter according to the present invention.
FIG. 3 is still another schematic cross-sectional view illustrating the process of forming an optical waveguide including an interference filter according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view showing a typical example of an optical waveguide device including a conventional interference filter.
FIG. 5 is a schematic plan view showing another example of an optical waveguide device including a conventional interference filter.
FIG. 6 is a schematic front view illustrating a method of forming a refractive index modulation type interference filter in a conventional optical fiber made of silica glass.
[Explanation of symbols]
1 SiO 2 substrate, 2 DLC film, 2a DLC core, 2b Periodic high refractive index region in
Claims (8)
前記光導波路の少なくともコア部はDLC膜で形成されており、
前記干渉フィルタは前記コア部の長手方向に沿って複数の高屈折率部と複数の低屈折率部を交互に含んでいることを特徴とする干渉フィルタを含む光導波路。An interference filter formed in an optical waveguide including a core portion surrounded by a cladding portion;
At least a core portion of the optical waveguide is formed of a DLC film,
An optical waveguide including an interference filter, wherein the interference filter includes a plurality of high refractive index portions and a plurality of low refractive index portions alternately along a longitudinal direction of the core portion.
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