JP4515706B2 - 空洞部の結合による波長フィルタリングを備えた光電子デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、スペクトルの伝達関数の電気的な変調による選択的な光学フィルタ分野に関するものである。
本発明は、それに限定されないが、より具体的には、特定の光電気通信設備(optical telecommunication installations)、特にＷＤＭ（波長分割多重化方式）及びＤＷＤＭ（高密度波長分割多重化方式）として公知の多重化方式を用いた設備の、チャネルの波長逆多重化のための電気的に同調可能な光電子フィルタデバイスに関わる。
この種の逆多重化方式を提供するため、部分反射体間に配設された空気空洞共振器(a resonant air cavity)を含むファブリペロー型フィルタが提起された。当該フィルタの波長の同調性は、静電圧力効果の下で柔軟な方法で設置された少なくとも１つの部分反射体を変位させることにより取得される。
この種のデバイスは、例えば、以下の科学論文（非特許文献）に記載されている。
M.S. Wu, G.S. Yuen and C.J. Chang-Hasnain, "Widely tunable 1.5 μm micromechanical optical filter using AlOx/AlGaAs DBR" Electronics Letters 33, 1702, (1997).
P. Tayebati, P. Wang, D. Vakhshoori and R.N. Sacks, "Microelectromechanical tunable filters with 0.47 nm linewidth and 70nm tuning range", Electronics Letters 34, 76 (1998).
P. Tayebati, P. Wang, D. Vakhshoori and R.N. Sacks, "Widely tubable Fabry-Perot filter using Ga(Al)As-AlOx deformable mirrors", IEE Photonics Technology Letters 10, 394 (1998).
P. Tayebati, P. Wang, A. Azimi, L. Maflah and D Vahshoori, "Microelectromechanical tunable filters with stable half symmetric cavity", Electronics Letters 34, 1967 (1998).
D. Rondi, R. Blondeau, G. Guillot and P. Viktorovitch, "Highly selective 1.55 μm InP/Air-gap micromachined Fabry-Perot Filter For Optical Communications", Electronics Letters, 34, 453 (1998).
A. Spisser, R. Ledantec, C. Seassal, J.L. Leclercq, T. Benyattou, D. Rondi, R. Blondeau, G. Guillot and P. Viktorovitch, "Highly selective and widely tunable 1.55 μm InP/Air-gap micromachined Fabry-Perot Filter For Optical Communications", IEEE Photonics Technology Letters, 10 (9), 1259 (1998).
H.A. Macleod, "Thin-film optical filters", New York, McGraw-Hill, 1986.
米国特許第５１０３３４０号明細書
しかし、単一の空洞共振器しか有さない当該デバイスでは、理論的に、隣接する周波数帯間の（通常は−２０ｄＢより大きい）適切な分離と、光信号の（通常は１０ＧＨｚより大きい）高速変調を減衰なく伝達するのに十分な有効通過帯域とを同時に提供することはできない。
複数の互いに結合したファブリペロー空洞部を用いて、適切なフィルタ、即ち、より「矩形の」通過帯域を持つフィルタを取得することは公知である。例えば、結合した２つの空洞部を有するフィルタは、所定の波長を現行のＷＤＭシステムの仕様に適合させることができる。解決手段は既に提起されており、結合した２つの空洞部を有するフィルタの同調性を達成している。
尚、特許文献１では、ｍλ／２及びｎλ／２の光学的厚みを有する理由で「厚い(Thick)」空洞部と称される、２つの空気空洞共振器の結合を提起している。ｍ及びｎは、１００前後の整数であり、十分に近似しているので間隔の空いた共通の共振波長を有する。各空洞部の厚みは、２つの空洞部の変位が整数ｍ及びｎに比例するように配設された共通の圧電性アクチュエータにより制御される。しかし、２つの空洞部を同時に同調させることは相当に困難であり、当該デバイスの全体的な大きさが、高水準の集積化に対して障害となる。さらに、当該デバイスは、エネルギー消費レベルが低い環境で使用することが困難、或いは不可能な、通常は数百ボルトオーダーの高い制御電圧が必要である。
本発明の目的は、上記欠点の全て又は一部を改善することである。
この目的のため、本発明は、
１）選択した波長範囲で複数の共振透過モード(resonant transmission mode)が可能になるようにその厚みと成分が選択された、第１の（厚い）共振空洞部を画定する第１手段と、
２）選択した波長範囲で単一の共振透過モードが可能になるようにその厚みと成分が選択された、第２の（薄い）共振空洞部を画定する第２手段と、
を有する光電子デバイスを提供し、当該デバイスは、前記第１及び第２手段を光学的に結合する手段と、前記第２手段に電圧を印加可能な静電的手段とを具備することを特徴とし、前記電圧は、第２空洞部の共振モードが第１空洞部の共振モードのいずれか１つと一致するように、第２空洞部の厚み及びその共振モードのスペクトル位置を変化させることができる（前記モードは可能性のあるものの中から選択される）。当該デバイスは、このように、薄い空洞部及び厚い空洞部に共通の共振モード波長を有する入射光波を透過することができる。
１）選択した波長範囲で複数の共振透過モード(resonant transmission mode)が可能になるようにその厚みと成分が選択された、第１の（厚い）共振空洞部を画定する第１手段と、
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を有する光電子デバイスを提供し、当該デバイスは、前記第１及び第２手段を光学的に結合する手段と、前記第２手段に電圧を印加可能な静電的手段とを具備することを特徴とし、前記電圧は、第２空洞部の共振モードが第１空洞部の共振モードのいずれか１つと一致するように、第２空洞部の厚み及びその共振モードのスペクトル位置を変化させることができる（前記モードは可能性のあるものの中から選択される）。当該デバイスは、このように、薄い空洞部及び厚い空洞部に共通の共振モード波長を有する入射光波を透過することができる。
本発明によるデバイスでは、第２空洞部を第１空洞部の共振モードと一致する共振モードに同調させれば十分であり、それは両方の空洞部を同時に同調させるよりもずっと簡単で、単純な手段で実施することができる。２つの空洞部の光学的な結合により、ＷＤＭ及びＤＷＤＭ方式の規格に準拠した実質的「矩形」信号が透過可能となる。
「光学的に結合する手段」なる用語は、本明細書では薄い空洞部と厚い空洞部との間の光学的相互作用を可能にする手段を意味する。なお、「いずれか１つ」とは、第２空洞部の厚みを制御することにより、要件に従って第１空洞部の１つ又は他のモードを選定することを意味する。即ち、要件に応じて第１空洞部のモードをいずれか１つ選択することができる。
このように、結合された薄い空洞部と厚い空洞部の２つの空洞部は、その透過波長が厚い空洞部の複数の伝送モードの各（又は少なくとも特定数の）波長に不連続的に調整することが可能なフィルタを提供する。このように形成される透過機能のスペクトル特性は、結合した２つの空洞部を有するフィルタ特性であり、従って、単一の空洞部を有するフィルタの特性よりもかなり優れた遮断特性及び通過帯域特性を有する。
１つの有利な実施形態では、第１の（厚い）空洞部の厚み及び成分は、その複数の共振透過モードが櫛形を画定するように選択され、そのモードの位置及び隣接するモードとの距離（又はモード間の間隔）は、（ＩＴＵ等の）国際規格で規定されているように、逆多重化しようとする光信号の位置及び波長間の間隔とそれぞれ一致するように選択される。
好ましくは、第１の（厚い）空洞部を画定する第１手段は、（好ましくは半導体物質の）第１物質層により隔てられた２つのほぼ平行な部分反射体を有し、その厚みは、第１空洞部の共振モードの位置を固定し、第１空洞部を共振させる。
さらに好ましくは、第２の（薄い）空洞部を画定する第２手段は、（好ましくは空気層の）第２物質層により隔てられた少なくとも２つのほぼ平行な部分反射体を有し、その厚みは、第２空洞部の共振モードの位置を画定し、第２空洞部を共振させる。
本発明の別の特徴によれば、前記静電的手段は、電位差が第１及び第２電極間に印加されたとき、前記２つの部分反射体（又はミラー）間に配設された空気空洞部の厚みが変化するように、第２手段の２つの部分ミラーのそれぞれを第１電極及び第２電極に電気接続することにより提供される。１つの特定の実施形態では、前記第２手段は、少なくとも１つのｐｉｎ又はｎｉｐ接合形の基礎構造を画定するように構成される。この場合、ｐｉｎ接合、或いはｎｉｐ接合は、静電的手段により逆バイアスされる。
有利には、部分反射体は、屈折率の異なる２つの物質からなる、少なくとも１つの１／４波長型の互層から構成されるブラッグ反射体である。当該互層となる物質は、例えば、（非特許文献６に記載の）空気層と半導体層及び／又はシリコン層と二酸化珪素層に関係している。
有利には、第１及び第２手段は、好ましくはヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓ又はリン化インジウム（ＩｎＰ）といった第３〜第５類の半導体物質からなる。これにより、特に、第２の（薄い）層が空気層である、及び／又は、前記第２層を取囲む反射体が交互する半導体層と空気層により形成されたブラッグ型反射体であるとき、エピタキシ及び選択的エッチング技術を使用することが可能となる（随意的に、空気は、気体又は液体−或いはポリマーの流動物質に置き換えられる）。
１つの有利な実施形態では、薄い空洞と厚い空洞を結合する手段は、第１手段と第２手段との間（特に２つの反射体間）に介在され、第１空洞部と第２空洞部との間に最適な光学的な結合を確保するように選択された寸法を有する（例えば、物質層又は空気層の）第３手段である。当業者には公知のファブリペロー空洞フィルタを形成する原理にしたがって、結合手段は、例えば、１／４波長型の層により形成される(非特許文献７参照)。
また、当該デバイスは、第１手段の複数の共振透過モードの周波数を偏移させる手段も含む。当該周波数偏移は、（少なくとも）第１手段の温度変化を制御することにより取得されることが好ましい。
本発明の他の特徴及び利点は以下の詳細な説明と添付図を検討して明らかとなる。
添付図は概ね限定的な特徴を有している。よって、当該添付図は、本発明の補足以外にも、定義付けにも適宜寄与することができる。
まず第一に、図１を参照して、外部光を光学処理するための本発明によるフィルタデバイスの第１実施形態を説明する。
図例では、当該デバイスは、好ましくは半導体の物質層で形成された厚い第１共振空洞部１を有する。第１共振空洞部１を画定する当該層は、本明細書では「上面」２と「下面」３と称されるほぼ平行な２つの端面を有する。該上面２は、「上側ミラー」と称される部分反射体（又はミラー）４に付着され、それに対し、下面３は、「下側ミラー」と称される部分反射体（又はミラー）５に付着される。
上側ミラー４と下側ミラー５の２つのミラーは部分ミラーと呼ばれ、共振透過モードを厚い第１空洞部１において取得することができる。
当該第１空洞部１は、一定の間隔を空けて離間する複数の共振透過モードを有し、モード間の間隔が等しい櫛形を画定しているため「厚い」とされる。
共振透過モード数及びこれらのモード間の間隔は、第１空洞部１の厚み及び該空洞部を形成する物質により直接的に決定される。
厚い共振空洞部では、周波数間隔Δｆは、式Δｆ＝ｃ／２ｘにより、真空状態における光速（ｃ）及び厚い空洞部の光学的厚み（ｘ）に相関する。
よって、モード間の間隔を２００ＧＨｚとしたい場合は、光学的な厚みｘ（ｘ＝ｃ／２×２００×１０９）が真空状態で７５０マイクロメートル（μｍ）の厚い空洞部を形成する必要がある。
例えば、厚い第１空洞部１が、波長約１．５μｍで屈折率約３．１５の、リン化インジウム（ＩｎＰ）等の半導体層で形成される場合、当該空洞部の有効な厚みは、２３８（７５０／３．１５）μｍとなる。このような厚みが市販の通常の半導体基板と一致すると有利である。
また、本発明によるデバイスは、本明細書では「上側ミラー」７及び「下側ミラー」８と称される２つの部分反射体（又はミラー）により挟まれた第２の薄い共振空洞部６も含む。
図１の図例では、第２空洞部６は中空で空気層が充填されるのが好ましい。薄い第２空洞部６の厚みは上側ミラー７と下側ミラー８との間に介在するスペーサの厚み９により規定される。空気層の厚みは、ｋλ／２であり、ｋは１，２又は３であることが好ましい。λはこの薄い空洞部の共振透過モードに所望の中心波長である。
当該空気層は、実質的に圧力を加えることなく、大幅な変形に耐えるのに適した機械特性を有する他の任意の物質層（不完全真空、又は気体、液体又はゲル状の物質等）に置き換えることができる。
スペーサ９と共に第２空洞部６を挟んで位置する部分ミラー７と８は、半導体材製が好ましい。上側ミラー７は中空空洞部の上部に配設されるため、該中空空洞部は「浮遊」層と称される構造を構成する。
後述するように、空気層６を収容する中空部は、上側ミラー７と下側ミラー８を分離する固体除去層を選択的に除去する表面ミクロ機械加工処理を用いて形成されることが好ましく、該除去層は前記処理終了後はスペーサ９をなす。
第２空洞部６は、作用する（入射光）波長の範囲内の中から選択された単一の共振透過モードしか持たないため、「薄い」と呼ばれる。
本発明によるフィルタデバイスが、第１空洞部１の櫛状部の共振モードの１つと波長が一致する入射光波をコマンドで透過させることができるためには、その薄い第２空洞部６の共振透過モードの波長が前記櫛状部の前記共振モードと一致しなければならない。当該櫛状部の任意のモードにおいてそのように一致させるため、薄い第２空洞部６の厚みは、オーミックコンタクト又は当該デバイスの選択した地点に配設された（図示しない）電極により電気的に調節される。このオーミックコンタクトは、ＡｕＧｅ又はＰｄ−ＡｕＧｅ合金製或いはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ系の合金製であることが好ましい。それは、第２空洞部を挟んで位置する上側ミラー７と下側ミラー８との間に電位差を発生させるためである。よって、当該オーミックコンタクトは、ミラー７と８を形成する層か、又は当該デバイスの２端に配設される層（７及び５）と接触して、又は各層上に、或いは末端層及び特定の中間層上に配設される。
上側（浮遊）ミラー７と下側ミラー８との間の電位差をこのように選択することにより、下側ミラー８に対して前記上側ミラー７を移動させる静電圧力が誘発され、それが第２空洞部８の厚みを変化させて初期の共振透過モードの波長を変化させる。
当然、他のミラーに対する１つのミラーの相対変位を得るため、変位する浮遊ミラーを柔軟に実装することが重要である。これを達成するための技術を以下で説明する。
上述したように、ミラー７と８のバイアス電圧は、任意の瞬間に、フィルタデバイスにより透過可能な（及び第１共振空洞部１の共振透過モードのうちの１つと一致する）波長を規定する。
このように、結合された２つの空洞部１、６は、厚い第１共振空洞部１の構造により固定された、共振透過モードのそれぞれ又は少なくとも一部の波長を透過波長として使用できる同調可能なフィルタを形成する。
ミラー７とミラー８及びスペーサ９を形成する物質が半導体であると、当該デバイスのｐｉｎ又はｎｉｐ接合形の少なくとも１つの基礎構造により、浮遊層は、特に第２共振空洞部６を画定するように柔軟に変形する。実施例の部分ミラー７と８を形成する複数の半導体層（及びスペーサ）は、当該基礎構造が当業者には周知のｐｉｎ又はｎｉｐ接合として機能するように、特定のドーピング濃度でなければならない。
本発明によるデバイスが１つのフィルタリング機能しか提供しないときは、第２空洞部６を挟んで位置する単一のｐｉｎ型又はｎｉｐ型の基礎構造が必要である。この場合、上側の部分ミラー７の全ての成分はｐ型又はｎ型でドーピングされるのに対し、下側の部分ミラー８の構成要素は構造がｐｉｎ型又はｎｉｐ型かに応じてｎ型又はｐ型でドーピングされ、スペーサ９は自然にドーピングされた、つまりｉ型の半導体物質で形成される。バイアスが存在しない場合では、上側の部分ミラー７は静止（又は平衡）の位置にある。他方、（上側ミラー７と下側ミラー８により形成された）ｐｉｎ接合が逆バイアスされると、上側ミラー７は、当該層に印加される電位及び空洞部の特性に応じて選択された距離だけ下側ミラー８により引き付けられる。
厚い第１空洞部１及び薄い第２空洞部６の部分ミラーは、同一又は異なる種類のものでよい。しかし、それらは、シリコン（Ｓｉ）層／二酸化珪素（ＳｉＯ２）層型、又は半導体物質（ＩｎＰ等）層／空気層型の、１以上の１／４波長の互層、或いは、十分な屈折率の差を有する２つの異なる半導体の互層からなるブラッグ反射体（又はミラー）で形成されるのが好ましい。
本発明によるフィルタデバイスは、図１に示したように、第１共振空洞部１と第２共振空洞部６間の光学的な結合を確保するための結合層１０を含む。この結合層１０は、薄い第２空洞部６の下側ミラー８と厚い第１空洞部１の上側ミラー４との間に配設されるのが好ましい。その機能は、２つの空洞部が所望のスペクトル特性を示すように相関するような光学的な結合を提供することである。当業者に周知の原理によると、この層１０の光学的な厚みは、作用する波長の１／４の奇数倍に等しくすることができる。当該層は、ミラー４又は８を形成する物質の１つか、或いは該物質の互層からなることが好ましい。
図１の種類のデバイスを形成するため、層厚を適切な制御を可能にするものである限り、各種堆積又はエピタキシ技術を想定することができる。例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）又はＬＰ−ＭＯＣＶＤ（減圧有機金属化学気相成長法）又はＣＢＥ（化学ビーム成長法）に言及することができる。
このような技術は、当該厚みを極めて正確に制御することを可能にし、加えて、優良な結晶品質及び非常に鋭い境界面を確保する。さらに、該技術は構成要素及びドーピングを非常に正確に調節する。最後に、該技術は残留機械応力の優れた調節を可能にする。
エピタキシ技術の１つは、除去層の一部を除去して空気層に置き換えるため、化学エッチング技術と組合わせる必要がある。これを実施するため、特にウェット化学エッチング技術等の多くの化学エッチング技術が存在する。該化学エッチング技術は、浮遊部分（層）の選択的なミクロ機械加工を可能にする。例として、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のＦｅＣｌ３／Ｈ２Ｏ又はＨＦ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ型ウェットエッチング技術、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ及びＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系のＨＣｌ／Ｈ２Ｏ又はＨＣｌ／Ｈ３ＰＯ４型ウェットエッチング技術、或いは、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系のＨＦ型ウェットエッチング技術に言及する。
図２を参照して本発明によるフィルタデバイスの第２の実施形態を説明する。
図１の第１実施形態の場合のように、図２のデバイスは、薄い第２空洞部１７に結合された厚い第１空洞部１１を含んでいる。厚い第１空洞部１１は、ここでは、上側の部分反射体（又はミラー）１２と下側の部分反射体（又はミラー）１３に挟まれて位置する物質層により構成されている。
図１と図２では、各種層の垂直方向及び水平方向の寸法を示すために使用されるスケールは同一ではない。
図例では、下側のミラー１３は、下側のブラッグミラーを形成するシリコン／ニ酸化珪素（Ｓｉ／ＳｉＯ２）型の互層から構成される一方、上側のミラー１２は、好ましくは半導体の層１４と空気層１５との（少なくとも）１つの互層から構成され、同様にブラッグ反射体（又はミラー）も形成する。空気層１５の厚みはスペーサ１６の厚みにより規定されており、該スペーサは半導体で形成され、かつ第１空洞部１１を画定する該層を上側のミラー１２の半導体層１４に付着させることができることが好ましい。
この例では、薄い第２空洞部１７は、スペーサ３７を介して接合される上側部分ミラー１８と下側部分ミラー１９により挟まれて位置する空気層で構成される。したがって、スペーサ３７の厚みは、第２空洞部１７の光学的な厚み（ｋλ／２）を規定する。
上側の部分ミラー１８は、ここでは、好ましくは半導体層と空気層との互層を有するブラッグ反射体（又はミラー）の形態である。より具体的には、図例では、上側の部分ミラー１８は、３つの空気層２５〜２７により互いに隔てられた４つの半導体層２０〜２４を有し、該空気層の厚みは、やはり半導体物質で形成されるのが好ましい各スペーサ２８の厚みにより規定される。
当然、上側の部分ミラー１８の構成要素となる半導体層と空気層の数は、上述と異なっていてもよい。また、空気層は、実質的に圧力を加えることなく、大幅な変形に耐えるのに適した機械特性を有する他の任意の物質（例えば、ガス状液体又はゲル状物質）で置換することもできる。
図２の図例では、第２空洞部１７の下側ミラー１９は、この同じ空洞部の上側ミラー１８と実質的に同一である。よって、該下側ミラーは、好ましくは半導体物質からなるスペーサ３６を介して３つの空気層３３〜３５により互いに隔てられた、好ましくは半導体の４つの層２９〜３２を有する。
ブラッグミラーの各種半導体層（２０〜２４、２９〜３２及び１４）及び各種空気層（２５〜２７、３３〜３５及び１５）の厚み及び構成要素は、共振構造に適した光学特性及び上述のオーミックコンタクトによる静電圧力を受けた浮遊層を構成する半導体層に最適な機械特性を確保するように選択される。
より具体的には、ブラッグミラーの半導体層（２０〜２４、２９〜３２及び１４）は、（２ｋ＋１）λ／４に等しい光学的な厚みを有し、ここで定数ｋは所要の剛性に応じて選択される整数である。空気層（２５〜２７、３３〜３５及び１５）は、（２ｋ＋１）λ／４に等しい光学的な厚みを有する。
図２に示したように、厚い第１空洞部１１と薄い第２空洞部１７間の結合は、ここでは空気層からなる中間層を用いて達成されるのが好ましい。その結果、この例では、下側ミラー１９の末端の半導体層３２は、好ましくは半導体物質からなるスペーサ３９を介して第１空洞部１１の上側ミラー１２の層１４に接合される。
さらに、図２に示したように、追加フィルタ４０は、第２空洞部１７の上側の部分ミラー１８の「上部」に形成することができる。前記追加フィルタ４０は、当該構造の残りの部分のエピタキシの後に積層された、例えば、シリコン／二酸化珪素（Ｓｉ／ＳｉＯ２）の連続層で構成される。この追加フィルタは、当該デバイスの光学的伝達機能を精巧に最適化するために使用することができる。
図２の種類のデバイスの製造においては、まず、厚い第１空洞部を画定する、例えばＩｎＰからなる基板を作製し、続いて、例えばＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓからなる、（最終的にはミラーの層及びスペーサとなる）各種半導体層をエピタキシにより成長させる。次に、他のミラーとは別に形成する場合、下側部分ミラー１３及び随意的に追加フィルタ４０を、例えばＳｉ／ＳｉＯ２型の互層を堆積することにより形成する。そのとき、当該デバイスの各種層の寸法及び横方向の形状を画定する横方向の境界範囲は、縦方向のエッチングにより形成され、続いてスペーサを画定するため、ＩｎＰ層に影響を与えないＩｎＧａＡｓの除去エッチングを行う。
図例では、当該基板はｎ型ドーピング或いはｐ型ドーピングされている。上側部分ミラー１８の層の全て及びスペーサ２８の全てはｐ型ドーピングされるか、或いは、ｎ型ドーピングされている。それに対し、下側部分ミラー１９、部分ミラー１２及び結合層１０を構成する、層１４及び２９〜３２の全て、及びスペーサ１６、３６及び３９の全ては、ｎ型ドーピングされているか、或いは、ｐ型ドーピングされている。薄い空洞部１７の厚みを規定するスペーサ３７は、薄い第２空洞部１７の周辺にｐｉｎ又はｎｉｐの基礎構造を形成するように、自然ドーピングされている（つまり、ｉ型ドーピングされている）。
当然、当該デバイスは、後述するように他のｐｉｎ又はｎｉｐの基礎構造を含むことができる。
図２を参照して示したように、ｐｉｎの基礎構造を逆バイアスすることにより、静電的手段により１以上の浮遊層２０〜２４及び２９〜３２を制御しながら縦方向に変位させることができる。より具体的には、各種層のバイアスの効果で、薄い第２共振空洞部１７を画定する隣接する２層間に規定される電界は、これらの２層を互いに近づける静電力を誘発し、よって、この空洞部１７の共振透過モードの波長を短くする。
本発明によるデバイスの伝達関数の複合変調の、別の、及びさらに複雑な実施形態は、他のｐｉｎ型又はｎｉｐ型の基礎構造を構成するため、各種半導体層のドーピングの種類を変更したり、他の物質層を故意に挿入することにより実現することができる。例えば、図２及び上記ドーピングの場合に関連して、薄い共振空洞部１７を画定する層２４と２９のドーピングを、層２４をｎ型ドーピング、或いはｐ型ドーピングし、層２９をｐ型ドーピング、或いはｎ型ドーピングすることにより、変更することができる。また、層２４と２２間のスペーサ２８と、層２９と３０間のスペーサ３６とは、自然ドーピングで残される。このように、上から順にｐｉｎ／ｎｉｐ／ｐｉｎ又はｎｉｐ／ｐｉｎ／ｎｉｐの３つの一組のダイオードの連続的な基礎構造がデバイス内で形成される。
下側の電極に対して上側の電極に正又は負のバイアスを加えることにより、２つのｐｉｎ又はｎｉｐの基礎構造に順方向バイアスが加えられ、及び、ｎｉｐ又はｐｉｎの基礎構造には逆バイアスが加えられる。これにより、薄い空洞部１７を画定する隣接する２層２９と２４間に静電界が印加され、２層を互いに接近させて共振透過モードの波長を短くすることができる。逆に、下側の電極に対して上側の電極に負又は正のバイアスを加えることにより、２つのｐｉｎ又はｎｉｐの基礎構造には逆バイアスが加えられ、ｎｉｐ又はｐｉｎの基礎構造には順方向バイアスが加えられる。したがって、層２２と２４の間、及び、層２９と３０の間の両方に静電界が印加され前記層間が接近する。このようにして薄い空洞部１７の厚みが増加することになり、当該デバイスの共振透過モードの波長を長くする効果を発生させることができる。この効果は、層２２と３０を層２４と２９より厚くすることにより強調することができる。
本発明によるデバイスによって得られる光学的な伝達関数の特性を示すため、図２の種類のフィルタデバイスにより得られたスペクトル応答のグラフを図３ないし図５に示す。この伝達関数は、以下の式を満足する成分及び厚みに対応する。
Ｏ （３Ｈ Ｌ）＊３ ５Ｈ ２Ｌ ５Ｈ ３Ｌ （３Ｈ Ｌ）＊２ ３Ｈ Ｌ １９３６Ｈ Ｏ Ｓ Ｏ
ここで、Ｈは１／４波長のＩｎＰ層に、Ｌは１／４波長の空気層に、Ｓは１／４波長のシリコン（Ｓｉ）層に、Ｏは１／４波長の二酸化珪素（ＳｉＯ２）層である。
Ｏ （３Ｈ Ｌ）＊３ ５Ｈ ２Ｌ ５Ｈ ３Ｌ （３Ｈ Ｌ）＊２ ３Ｈ Ｌ １９３６Ｈ Ｏ Ｓ Ｏ
ここで、Ｈは１／４波長のＩｎＰ層に、Ｌは１／４波長の空気層に、Ｓは１／４波長のシリコン（Ｓｉ）層に、Ｏは１／４波長の二酸化珪素（ＳｉＯ２）層である。
ここで、基準波長はλ０＝１５５０ナノメートルである。
上式から厚い第１空洞部１１の厚みは、モード間の間隔が２００ＧＨｚである透過櫛状部に相当する、４８４λ０であることがわかる。
図３に示したように、静止状態で、つまり、薄い第２空洞部１７の厚みを変化させない状態で、当該フィルタは、厚い第１空洞部１１の（相互に２００ＧＨｚ（約１．６ｎｍ）隔てた）複数の共振透過モードの中から薄い第２空洞部１７により選択された、本明細書では１５５０ｎｍ（ナノメートル）である、単一波長のみを透過させることが分かる。
また、選択されたモードに隣接する共振モードの減衰量は−２０ｄＢより優れていることが分かる。
図４を参照すると、該図４は、当該薄い空洞部１７の厚みを０．５λ０の値から０．４８５５λ０の値に静電的に減少させた後の当該フィルタのスペクトル応答を図示している。該フィルタは、この場合も、厚い第１空洞部１１の複数の共振透過モードの中から、本明細書では１５３５ｎｍの値を中心にした、単一波長のみを選択していることがわかる。
図５は、上記フィルタの通過帯域を示している。見てわかるように、この通過帯域は約１ｄＢで０．１ｎｍ、つまり１２．５ＧＨｚである。
当然、上記各種層の数、厚み及び特性は一例として示したものであり、全く限定的なものではない。本発明の原理が一旦公知となれば、当業者は、光学的薄膜の分野で一般的に用いられる構成及び最適化技術を用いて、所望の規格に適合する多層スタックの最適な特性を決定することができる。
上記の例は、モード間の周波数間隔が２００ＧＨｚである櫛状部に関するものであった。より小幅な間隔、典型的に約５０ＧＨｚとする場合は、図１と２で示された形態の構造を、厚い第１空洞部１１の櫛状部の周波数を自由に偏移できるように構成された（図示されていない）周波数偏移モジュールに結合して使用することが好ましい。当該偏移モジュールは、特に厚い空洞部１１のデバイスの温度を変化させるように構成されるのが好ましい。
例として、厚い空洞部がリン化インジウムで形成されると、この空洞部の有効波長は、ｉ）係数が＋５×１０−６／Ｋである熱膨張、及びｉｉ）係数＋５．５×１０−５Ｋの屈折率の変化量により、合計が６×１０−５／Ｋだけ変更することができる。１５５０ｎｍの基準波長に対して、１．６ｎｍ（２００ＧＨｚ）の変化量の合計は約１／１０００であり、その結果、約１６ケルビン（Ｋ）の温度変化を必要とする。従って、１つの共振モードから５０ＧＨｚ隔てた隣接するモードに切り替えるため、偏移モジュールは約４ケルビンの温度変化を発生させなければならない。
この温度差による波長シフトを取得可能にする手段は、本発明による光学フィルタデバイスを、半導体レーザ型の発光体の温度の安定化に一般的に用いられる周知の装置といった、熱電型温度調節装置の熱接点に付着させることにより有利に形成できる。
このようなデバイスは、導光及び集光するための結合手段（例えば、光ファイバ）と組み合わせることができる。
前述したように、本発明によるデバイスは、好適には半導体物質で、さらに好適には、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）又はＩｎＧａＡｓ、或いは、ＩｎＰ基板上に積層されるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ系のヘテロ構造、又はＧａＡｓ基板上に積層されるＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系のヘテロ構造、或いはＧａＡｓ基板上に堆積されるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系のヘテロ構造といった、第３〜５類の半導体物質で形成される層及びスペーサを備える。
第３〜５類の物質は、非常に小さいが特に制御された残留機械的圧力を有し、浮遊層がその電気機械的変位に対して不可欠な比較的高い柔軟性を有することを保証している。
前述では、半導体基板上でエピタキシにより取得されることが好ましかったことから、層が半導体で形成された実例を説明した。しかしながら、他の物質を想定することもできる。例として、結晶シリコン及び多結晶シリコンを挙げることができる。結晶シリコン構造は、ＳＯＩ系技術を用いてシリカ（ＳｉＯ２）層をエッチングすることにより取得することができる。前記技術は、「スマートカット」という名称で公知である。より一般的には、任意の種類の光学物質を想定することができる。
多結晶シリコン構造も想定可能ではあるが、フィルタリングの適用を制限する潜在的な光吸収性及び機械的応力の制御がうまく行われないため、層の柔軟性はあまり良好ではない。
当然、これらの物質は単なる好ましい実施形態を構成するにすぎない。
当該デバイスの他の実施形態における他の機能を想定することができる。一例として、同一のデバイスに同時に備わった波長切換え及びフィルタリング機能を挙げることができ、前記機能は半導体層に印加されるバイアス電圧により制御される。
本発明によるデバイスは、通常約１０ボルト程度の低制御電圧を必要とし、特にＷＤＭ又はＤＷＤＭ型の特定の光電気通信装置のチャネルを波長逆多重化するために、高水準で集積化された電子部品に使用できるように小型化されるなど、多数の利点を提供する。
しかし、（例えば、農食品産業等の）産業統制及び顕微分光法の分野、特に環境分野（気体透過又は吸収の検出）、或いは医療分析分野といった、様々な他の用途を想定することもできる。一般的に、本発明によるデバイスは特に光信号処理に適している。
本発明は、単なる例示を目的とした上記デバイスの実施形態に制限されず、特許請求の範囲内で当業者が考慮できるいかなる変形も包含する。
Claims (10)
- 第１共振空洞部を画定する第１手段と、第２共振空洞部を画定する第２手段と、前記第１共振空洞部と前記第２共振空洞部とを光学的に結合する手段と、前記第２共振空洞部の厚みを変化させるために前記第２手段に電圧を印加するように構成された静電手段とを有して構成され、多重化光通信システムの規格化された透過チャネルにそれぞれが一致するように等間隔に離散的に配置された複数の波長に対して同調可能である光電子フィルタデバイスにおいて、
少なくとも前記第１手段の温度を制御可能な態様で変化させるように構成されて、前記第１共振空洞部の複数の共振透過モードを周波数遷移する手段を含み、
前記第１共振空洞部が、選択された波長範囲において複数の共振透過モードを示すことができて、複数の共振透過モードの位置がそれぞれ規格化された透過チャネルの位置に一致するとともに共振透過モード間の間隔が規格化された透過チャネル間の間隔に一致して、前記第１手段の温度を調整することで複数の共振透過モードの位置がそれぞれ規格化された透過チャネルの波長に正確に一致するように選定された厚み及び成分を有し、
前記第２共振空洞部が、選択された波長範囲において単一の共振透過モードを示すことができる厚み及び成分を有し、
光学的に連結された２つの共振空洞部を有して前記第１共振空洞部のいずれか１つの選択された共振透過モードの位置によりスペクトル位置が定められるフィルタを形成するために、前記第２共振空洞部の単一の共振透過モードが前記第１共振空洞部の前記選択された共振透過モードと一致するように、前記静電手段により前記第２共振空洞部の単一の共振透過モードのスペクトル位置が変えられることを特徴とする光電子フィルタデバイス。 - 前記第１手段は、前記第１共振空洞部の共振透過モードの位置を画定し、前記第１共振空洞部を共振させる厚みを有する第１物質層により隔てられたほぼ平行な２つの部分反射体を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
- 前記第２手段は、前記第２共振空洞部の共振透過モードの位置を画定し、前記第２共振空洞部を共振させる厚みを有する第２物質層により隔てられたほぼ平行な少なくとも２つの部分反射体を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
- 前記第２物質層は空気層であり、前記部分反射体がスペーサにより隔てられていることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
- 前記部分反射体は、異なる屈折率を有する２物質の１／４波長型の互層からなるブラッグ反射体であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のデバイス。
- 前記光学的に結合する手段は、前記第１手段と前記第２手段との間に介在され、前記第１共振空洞部と前記第２共振空洞部との間に光学的な結合を確保するように選択された寸法を有する第３手段を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
- 前記静電手段は、それぞれが、前記第２手段の部分反射体に接触し、前記部分反射体間に位置する空気空洞部の厚みを変化させるように選択された異なる電位で配設されるのに適した第１電極と第２電極とを有することを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
- 前記第２手段は、前記第１電極及び前記第２電極それぞれにより逆方向バイアス又は順方向バイアスが加えられた、ｐｉｎ又はｎｉｐ接合型の少なくとも１つの基礎構造を画定し、一方の部分反射体がｎ型ドーピングを有する半導体層を含み、他方の部分反射体がｐ型ドーピングを有する半導体層を含み、前記第２共振空洞部を画定するスペーサが自然にｉ型ドーピングされることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
- 前記第１手段及び前記第２手段の少なくとも一部を構成する半導体層が、特にヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はリン化インジウム（ＩｎＰ）等の第３〜５類の物質からなることと、スペーサが、特にＩｎＧａＡｓ等の第３〜５類の物質からなることとを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
- 前記第１手段及び前記第２手段の少なくとも一部を構成する半導体層とスペーサが、エピタキシ及び選択的エッチング技術により形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
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