JP4643924B2 - 格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器並びにこれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶を用いた光部品およびフォトニック結晶を応用した光デバイス、通信用フィルタに関する光デバイス、あるいはそれら光部品、光デバイスを適用した光システムに関するものであり、特に格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器並びにこれらの製造方法に関する。

まず、フォトニック結晶について簡単に説明する。

フォトニック結晶とは、屈折率が異なる２種類の透明媒質を、各透明媒質の平均波長の１／２程度の格子間隔で１〜３次元の周期構造としたものである。すなわち、直交座標軸のうちの少なくとも一つの座標軸方向に格子定数が周期的に変化している結晶である（格子変調型のフォトニック結晶）。

３次元のフォトニック結晶は、簡単に言えばナノスケールの３次元市松模様である。１次元、２次元、３次元のフォトニック結晶を模式的に示すと、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。

図８（ａ）は１次元のフォトニック結晶の模式図であり、図８（ｂ）は２次元のフォトニック結晶の模式図であり、図８（ｃ）は３次元のフォトニック結晶の模式図である。

図８（ａ）に示すフォトニック結晶８００は、直交座標軸のうち一つの座標軸方向（図８（ａ）ではＺ軸方向）にのみ屈折率の周期性を有している。すなわち、フォトニック結晶８００は、高屈折率媒質層８０１及び低屈折率媒質層８０２がＺ軸方向に交互に積層されたものである。

図８（ｂ）に示すフォトニック結晶８１０は、二つの座標軸方向（この場合、Ｘ軸方向及びＺ軸方向）に屈折率の周期性を有している。すなわち、フォトニック結晶８１０は、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層８１１及び低屈折率媒質層８１２がＸ軸方向及びＺ軸方向に交互に積層されたものである。

図８（ｃ）に示すフォトニック結晶８２０は、全座標軸方向（この場合、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）に屈折率の周期性を有する。すなわち、フォトニック結晶８２０は、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層８２１及び低屈折率媒質層８２２がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に交互に積層されたものである。

次に光通信の背景について説明する。

近年、インターネットや携帯型電話機等のデータ通信量の増大に伴い、光ファイバ伝送路の容量拡大が要求されている。そのためには、変調速度を上げる時分割多重方式（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）と、１本の光ファイバに異なる波長の光信号をのせる波長多重方式（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）とがあり、容量拡大の要求に対応するため、ＴＤＭによる高速化と、ＷＤＭによる高密度波長多重化とが同時に進められている。

ＷＤＭ方式における波長の合分波には多層膜フィルタを組み合わせた方法と、アレイ型波長合分波器（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いた方法とがあり、ＡＷＧは４０波長程度の波長数の光信号を１素子で合分波できる特長を有している。

以下では格子変調型フォトニック結晶波長フィルタを単にフォトニック結晶フィルタと略する。

次にＡＷＧの従来技術について説明する。

上記ＡＷＧには製造誤差に起因するクロストークが存在し、そのクロストークは合分波する光信号の波長数が多くなればなるほど重畳される。そのため、クロストークの総和は光信号の波長数の増加に伴い増大する。そのクロストークの総和は、波長数が十数波長程度では許容されるが、波長数が数十波長、数百波長となった場合は無視できなくなる。フォトダイオードはクロストークの総和を受光するため、伝送しなければならない光信号強度とのＳ／Ｎ比が劣化する。

クロストークを抑圧する方法としてＡＷＧとフォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせる方法がある。その模式図を図９に示す。

図９は本発明の前提となった波長合分波器の模式図である（特願２００２−０５１６３９号参照）。

この波長合分波器９５０は、格子変調型フォトニック結晶フィルタ９０９をＡＷＧ本体９１５の出力導波路９０７に接続された出力側光ファイバ９０８，９１０の途中分断部９２０に挿入したものである。

ＡＷＧ本体９１５は、一端（図では左端）に波長多重信号光９０２が入力される合波側導波路（入力導波路）９０３と、この入力導波路９０３の他端に一端が接続された入力側スラブ導波路９０４と、この入力側スラブ導波路９０４の他端に一端が接続された複数のチャンネル導波路からなるアレイ導波路９０５と、このアレイ導波路９０５の各チャンネル導波路の他端に一端が接続された出力側スラブ導波路９０６と、この出力側スラブ導波路９０６の他端に一端が接続され分波された信号光がそれぞれ伝搬する複数の分波側導波路（出力導波路）９０７とで構成されている。

図示しない入力側光ファイバから入力導波路９０３に入射した広帯域のスペクトル（波長多重信号光）９０２は、入力導波路９０３、入力側スラブ導波路９０４、アレイ導波路９０５、出力側スラブ導波路９０６、出力導波路９０７を順に通過し、出力導波路９０７で分波された信号光９１９は、出力側光ファイバ９０８，９１０から出力され、フォトダイオード（ＰＤ）９１３に達する。

ここで、入力側スラブ導波路９０４および出力側スラブ導波路９０６はレンズとして作用し、アレイ導波路９０５はプリズムとして作用する。ＡＷＧ本体９１５の出力導波路９０７から出射した光信号を受光するＡＷＧ側出力光ファイバ９０８をアレイ状にしたＡＷＧ側光ファイバアレイ９１７と、そのＡＷＧ側光ファイバアレイ９１７と光学的に接続されるＰＤ側光ファイバ９１０をアレイ状にしたＰＤ側光ファイバアレイ９１８とをＶ溝が形成されたＶ溝台９１１の上で接続する。Ｖ溝台９１１のＶ溝の本数は光ファイバ９０８，９１０の本数と同数とする。Ｖ溝台９１１上のＡＷＧ出力側光ファイバアレイ９１７とＰＤ側光ファイバアレイ９１８との接続部に設けられた空間９２０にフォトニック結晶フィルタ９０９およびレンズ９１２ａ，９１２ｂを図示しないＵＶ樹脂あるいは接着剤を用いて接続することによりアレイ型波長合分波器９５０が得られる。

ここで、出力側ファイバ９０８，９１０の途中分断部９１０の空間９２０へ挿入するフォトニック結晶フィルタ９０９について図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して説明する。

図１４（ａ）は図９に示した波長合分波器９５０に用いられるフォトニック結晶フィルタの模式図であり、図１４（ｂ）は格子定数Ｌｘの異なる領域を有するフォトニック結晶フィルタの構造図であり、図１４（ｃ）は図１４（ｂ）に示したフォトニック結晶フィルタの透過中心波長の波長透過率特性を示す図である。図１４（ｃ）において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。

図１４（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタ１４０５は、サブミクロンオーダの凹凸１４００が一方の主面（図では上側の面）に２次元周期的（平面的）に形成されたフィルタ用基板１４０１上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層１４０２と低屈折率媒質層１４０３とを交互に形成して一対のミラー部１４１０，１４１１で一つのキャビティ部１４１２を挟むようにフォトニック結晶１４１３を形成したものである。

このフォトニック結晶フィルタ１４０５の一方の主面に対し波長多重信号光（波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の信号光を含む）１４２０を垂直に入射すると、特定の波長を有する信号光１４２１がフォトニック結晶フィルタ１４０５の他方の主面から選択的に出射される。

図１４（ｂ）に示すように周期構造の周期を格子定数Ｌｘとした場合、格子定数Ｌｘの異なる領域１４３１，１４３２，１４３３がフィルタ用基板１４０１の一方の主面内にアレイ状に形成されている。このフィルタ用基板１４０１の一方の主面上に図１４（ａ）に示すように高屈折率媒質層１４０２と低屈折率媒質層１４０３とを交互に形成して２つのミラー部１４１０，１４１１でキャビティ部１４１２を挟むようにフォトニック結晶１４１３が形成されている。

図１４（ｂ）に示すフォトニック結晶フィルタ１４４０の主な特長は、厚み方向の膜構造を同一構造として格子定数Ｌｘを領域１４３１〜１４３３によって様々な値としながら増加（図では左から右に向かって増加）させていくことにより、フィルタ用基板１４０１に垂直方向に波長多重信号光（波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の信号光を含む）１４２２，１４２３，１４２４を入力させた時の各領域１４３１〜１４３３から出力する出射光の透過中心波長λ１〜λ３が格子定数Ｌｘの増加する方向に向かって長波長側に変化するということである（例えば特許文献１参照）。その機能はいわば、単純な多層膜からなるバンドパスフィルタをアレイ状にして１枚のフィルタ用基板１４０１上に形成したものと考えても良い。

図１０（ａ）、（ｂ）は従来例を示す模式図である。

図１０（ａ）は市販の一般的なバンドパスフィルタのミラー部およびキャビティ部の高屈折率層と低屈折率層の膜厚を変化させた場合の模式図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示した各バンドパスフィルタの波長−損失特性を示す図である。図１０（ｂ）において横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。

図１０（ａ）に示すようにバンドパスフィルタ１０００−１の構造は、フィルタ用基板１００１上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層１００２と低屈折率媒質層１００３とを交互に形成して２つのミラー部１００４，１００５でキャビティ部１００６を挟むようにフォトニック結晶１００７を形成したものである。同図に示す他のバンドパスフィルタ１０００−２，１０００−３も同様の構造を有するが、高屈折率媒質層１００２および低屈折率媒質層１００３が図１０（ａ）の左から右に向かって順次厚くなっている。

各バンドパスフィルタ１０００−１〜１０００−３に波長多重信号光（波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の信号光を含む）を入射すると、フォトニック結晶フィルタ１０００−１からは波長λ１の信号光１０１１が出射し、フォトニック結晶フィルタ１０００−２からは波長λ２の信号光１０１２が出射し、フォトニック結晶フィルタ１０００−３からは波長λ３の信号光１０１３がそれぞれ出射する。

すなわち、図１０（ａ）に示したバンドパスフィルタ１０００−１〜１０００−３はそれぞれの波長−損失特性が図１０（ｂ）に示すような特性を有する。

このように従来の技術では図１０（ａ）に示すように、ミラー部１００４，１００５およびキャビティ部１００６の多層膜、或いは単層膜を構成する高屈折率媒質層１００２と低屈折率媒質層１００３の膜厚を変化させないと出射光の透過中心波長を変化させることができなかった。その場合、透過中心波長に応じて各層１００２，１００３の膜厚が異なるために、各バンドパスフィルタ（フォトニック結晶フィルタ）１０００−１〜１０００−３をそれぞれ別バッチでその種類数と同じバッチ数分だけ作製する必要があった。例えば４０チャンネルＡＷＧ本体９１５（図９参照）と組み合わせるバンドパスフィルタは、４０種類作製する必要があった。

ここで、図１１は図９に示した波長合分波器９５０、波長合分波器９５０に用いた波長合分波器本体９１５およびフォトニック結晶フィルタ９０９の波長−損失特性を示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が透過損失を示す。また、図１１において曲線Ｌ１１０１はフォトニック結晶フィルタ９０９の波長透過特性を示し、曲線Ｌ１１０２は波長合分波器本体９１５の波長透過特性を示し、曲線Ｌ１１０３は波長合分波器９５０の波長透過特性を示す。

図９に示すようにＡＷＧ本体９１５と格子変調型フォトニック結晶フィルタ９１０とを組み合わせてＡＷＧ９５０を作製すると、ＡＷＧ９５０の全損失はそれぞれの素子（ＡＷＧ本体９１５、格子変調型フォトニック結晶フィルタ９１０）の損失を加算したものになるので、図１１に示すようにクロストークによる損失は−７０ｄＢ以下となる。また、該格子変調型フォトニック結晶フィルタ９３０を使用することで、出力導波路９０７の光軸に対して垂直に挿入することができるため、損失のバラツキ、偏波依存性は発生しない。

ここで、損失のバラツキ、偏波依存性が発生しない理由について説明する。

偏波依存性については後述するラインアンドスペースが一方向に形成されている基板（図示せず）を使用し、その基板上に後述する自己クローニング法により多層膜を形成した場合、偏波依存性が極めて大きくなり、それによってＴＥ、ＴＭの偏波の内、片方の偏波しか透過しないことになる。一方、ラインアンドスペースが縦横に形成された基板（図示せず）を使用し、その基板上に多層膜を形成した場合、ラインアンドスペースが一方向に形成されている基板を用いた場合に生じる偏波依存性が解消される。偏波依存性が解消されれば、それに伴って同時に損失バラツキが低減される。

特開２００１−９１７０１号公報

しかしながら、図１４に示した従来技術では、フォトニック結晶フィルタのフォトニック結晶１４１３の格子定数Ｌｘを変化させたときの透過中心波長の変化量が最大５〜１０ｎｍであった。その透過中心波長の変化の様子を図１２（ｂ）を参照して説明する。

図１２（ａ）は従来の格子変調型のフォトニック結晶波長フィルタの模式図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示したフォトニック結晶波長フィルタの波長−損失特性を示す図である。図１２（ｂ）において、横軸は波長を示し、縦軸は透過損失を示している。また、図１２（ｂ）において曲線Ｌ１２０１は格子定数Ｌｘが０．４μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ１２０２は格子定数Ｌｘが０．５μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ１２０３は格子定数Ｌｘが０．６μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ１２０４は格子定数Ｌｘが０．８μｍの場合の波長−損失特性をそれぞれ示す。

図１２においては、格子定数Ｌｘを０．４〜０．８ｎｍまで変化させた場合の透過中心波長の変化が５ｎｍであった。しかしながら、追試作では透過中心波長が１０ｎｍ変化するフォトニック結晶波長フィルタも得られている。

ここで、ＡＷＧ本体９１５（図９参照）として２４ｃｈ１００ＧＨｚのＡＷＧ本体を使用した場合、格子定数Ｌｘを最小値から最大値（通常０．２〜１．０ｎｍ）まで変化させた場合の透過中心波長の変化量は、各チャネルの帯域幅が０．８μｍの場合には２４×０．８＝１９．２ｎｍ必要であるが、図１２（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタ１２００を用いると、帯域２０ｎｍをカバーするために２種類必要であった。また、ＡＷＧ本体９１５として４０ｃｈ１００ＧＨｚのＡＷＧ本体を使用した場合には、格子定数Ｌｘを最小値から最大値まで変化させた場合の透過中心波長の変化量が、各チャネルの帯域幅が０．８μｍの場合、４０×０．８＝３２．０ｎｍであるので、作製しなければならないフォトニック結晶フィルタ９０９の種類は短波長側から１０ｎｍずつ帯域を区切ると４種類となる。よって、バッチ数としては４バッチの成膜が必要となり、実装する際は４種類のフォトニック結晶フィルタをそれぞれ実装しなければならなかったという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で透過中心波長の変化量が大きい格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器並びにこれらの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、透明なフィルタ用基板の一方の主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層が交互に積層されて３次元的に周期構造を有するフォトニック結晶が用いられ、その主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタにおいて、フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させたものである。

請求項１に記載の構成によれば、フォトニック結晶の周期構造の周期を変化させることによりフォトニック結晶の透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちのキャビティ層の膜厚で決まる分散曲線上に位置する。また、最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップは格子定数の増加に伴い中心の分散曲線に接近するように狭くなっている。このため、バンドギャップ内でバンドギャップの周波数換算の中点をたどる分散曲線上の位置からそれ以外の分散曲線上、好ましくはバンド端近傍（最長波長側の分散曲線（１次）、或いは最短波長側の分散曲線（２次）の近傍）の位置にシフトするようにフォトニック結晶のキャビティ層の膜厚を制御しながら格子定数の異なる領域を形成することで各領域の透過スペクトルの透過中心波長の最大の差（シフト量）が広くなる。すなわち、同構成によれば、透過中心波長はフォトニック結晶の格子定数を変化させたときに、従来のシフト量である１０ｎｍから約３０ｎｍへと３倍以上シフト量を増加させることができる、透過中心波長の変化量の大きな格子変調型フォトニック結晶波長フィルタが得られる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、フォトニック結晶は誘電体多層膜からなるのが好ましい。

請求項２に記載の構成によれば、石英系光ファイバと同種の材料とすることができ、波長合分波器本体の出力端あるいは光ファイバとの接続損失を低くすることができる。

請求項３の発明は、アレイ型波長合分波器本体と、透明なフィルタ用基板の一方の主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層が交互に積層されて３次元的に周期構造を有するフォトニック結晶が用いられ、その主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせたアレイ型波長合分波器において、フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させたものである。

請求項３に記載の構成によれば、フォトニック結晶の周期構造の周期を変化させることによりフォトニック結晶の透過中心波長が分散曲線群のうちのキャビティ層の膜厚で決まる分散曲線上に位置する。また、最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップは格子定数の増加に伴い中心の分散曲線に接近するように狭くなっている。

ここで、分散曲線の間隔（バンドギャップ）が格子定数の増加に伴って減少する理由について簡単に説明する。

格子定数の増加は、異なる格子定数の領域間における高屈折率膜と低屈折率膜との境界が曖昧となった領域の数（面積）が増加することによって両膜の屈折率差が実質的に小さくなった状態と同じことになり、この結果、バンドギャップが小さくなる。フォトニック結晶のバンドギャップは、両膜の屈折率差の増大により大きくなり、両膜の屈折率差の減少により小さくなることは既知の事実である。

このため、バンドギャップ内でバンドギャップの周波数換算の中点をたどる分散曲線上の位置からそれ以外の分散曲線上、好ましくはバンド端近傍（最長波長側の分散曲線（１次）、或いは最短波長側の分散曲線（２次）の近傍）の位置にシフトするようにフォトニック結晶のキャビティ層の膜厚を制御しながら格子定数の異なる領域を形成することで各領域の透過スペクトルの透過中心波長の最大の差（シフト量）が広くなる。すなわち、同構成によれば、透過スペクトルの透過中心波長はフォトニック結晶の格子定数を変化させたときに、従来のシフト量である１０ｎｍから約３０ｎｍへと３倍以上シフト量を増加させることができる、透過中心波長の変化量の大きなアレイ型波長合分波器が得られる。また、同構成によれば、アレイ型波長合分波器のクロストークによる損失を−７０ｄＢ以下とすることができる。

請求項４の発明は、透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力するように主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層を交互に積層して３次元的に周期構造を有するフォトニック結晶を形成する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの製造方法において、フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させるものである。

請求項４に記載の方法によれば、フォトニック結晶の周期構造の周期を変化させることによりフォトニック結晶の透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちのキャビティ層の膜厚で決まる分散曲線上に位置する。また、最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップは格子定数の増加に伴い中心の分散曲線に接近するように狭くなっている。このため、バンドギャップ内でバンドギャップの周波数換算の中点をたどる分散曲線上の位置からそれ以外の分散曲線上、好ましくはバンド端近傍（最長波長側の分散曲線（１次）、或いは最短波長側の分散曲線（２次）の近傍）の位置にシフトするようにフォトニック結晶のキャビティ層の膜厚を制御して格子定数の異なる領域を形成することで各領域の透過スペクトルの透過中心波長の最大の差（シフト量）が広くなる。すなわち、同構成によれば、透過中心波長はフォトニック結晶の格子定数を変化させたときに、従来のシフト量である１０ｎｍから約３０ｎｍへと３倍以上シフト量を増加させることができる、透過中心変化量の大きな格子変調型フォトニック結晶波長フィルタが得られる。

請求項５の発明は、請求項４に記載の方法に加え、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法によりフォトニック結晶を作製するものである。

請求項５に記載の方法によれば、工業的に量産が容易な格子変調型フォトニック結晶波長フィルタを作製することができる。

請求項６の発明は、アレイ型波長合分波器本体を準備し、透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力するように一方の主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層を交互に積層して３次元的に周期構造を有する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタを得、アレイ型波長合分波器本体と格子変調型フォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせるアレイ型波長合分波器の製造方法において、フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させるものである。

請求項６に記載の方法によれば、フォトニック結晶の周期構造の周期を変化させることによりフォトニック結晶の透過中心波長の分散曲線が分散曲線群のうちのキャビティ層の膜厚で決まる分散曲線上に位置する。また、最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップは格子定数の増加に伴い中心の分散曲線に接近するように狭くなっている。このため、バンドギャップ内でバンドギャップの周波数換算の中点をたどる分散曲線上の位置からそれ以外の分散曲線上、好ましくはバンド端近傍（最長波長側の分散曲線（１次）、或いは最短波長側の分散曲線（２次）の近傍）の位置にシフトするようにフォトニック結晶のキャビティ層の膜厚を制御して格子定数の異なる領域を形成することで各領域の透過スペクトルの透過中心波長の最大の差（シフト量）が広くなる。すなわち、同構成によれば、透過中心波長はフォトニック結晶の格子定数を変化させたときに、従来のシフト量である１０ｎｍから約３０ｎｍへと３倍以上シフト量を増加させることができる、透過中心波長の変化量の大きなアレイ型波長合分波器が得られる。また、同方法によれば、アレイ型波長合分波器のクロストークによる損失を−７０ｄＢ以下とすることができる。

請求項７の発明は、請求項６に記載の方法に加え、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法によりフォトニック結晶を作製するのが好ましい。

請求項７に記載の方法によれば、工業的に量産が容易なアレイ型波長合分波器を作製することができる。

ここで、上記従来技術の課題を解決するための解決手段について解説する。

すなわち、次のような解決手段を提案するものである。

従来技術では格子変調型フォトニック結晶フィルタの透過中心波長が、フォトニック結晶フィルタに用いられるフォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップの周波数換算の中点をたどる分散曲線に位置するように、フォトニック結晶のキャビティ層の膜厚を制御していた。

しかし、本発明では分散曲線群中のバンドギャップの透過中心波長の分散曲線の内で周波数換算の中点をたどる分散曲線以外の分散曲線上、好ましくはバンド端近傍（最長波長側の分散曲線（１次）或いは最短波長側の分散曲線（２次））の分散曲線近傍上に透過中心波長が位置するようにフォトニック結晶のキャビティ層の膜厚を制御するものである。

図１３は本発明の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタに用いられるフォトニック結晶の分散曲線を示す図であり、横軸が格子定数を示し、縦軸が波長を示す。同図において、黒丸はＰ．Ｂ．（フォトニック結晶のバンドギャップ）の周波数換算の中点をたどる分散曲線を示し、黒三角はＰ．Ｂ．の下端を示し、黒菱型はＰ．Ｂ．の上端を示す。また、曲線Ｌ１３０１は高周波側近傍（２次）分散曲線を示し、曲線Ｌ１３０２は高周波側近傍の透過波長を示し、曲線Ｌ１３０３はバンドギャップの周波数換算の中点をたどる分散曲線を示し、曲線Ｌ１３０４は低周波側（１次）分散曲線近傍の透過波長を示し、曲線Ｌ１３０５は低周波側（１次）分散曲線を示す。これらの分散曲線からなる分散曲線群は、上記ミラー部におけるフォトニック結晶の格子間隔（格子定数）毎に、波長（周波数）と波数との関係をＦＤＴＤ法によりコンピュータを用いて計算して、各格子定数におけるバンドギャップを求め、それを波長（周波数）と格子定数との関係にしてプロットしたものである。

よって、図１３の分散曲線群は上述の格子定数の増加によってフォトニック結晶のバンドギャップは減少すること、すなわち、分散曲線群は格子定数依存性を有し、格子定数の変化に伴って透過中心波長がシフトすることを表している。

従来技術ではフォトニック結晶の透過中心波長を周波数換算でバンドギャップの中心の分散曲線上に位置するように設定していたが、本発明ではフォトニック結晶の透過中心波長の周波数換算値をバンドギャップの中心ではなく、バンド端近傍にシフトさせたことを特徴とし、その透過中心波長の周波数換算値をシフトさせるために、キャビティ層の膜厚を変化させることを特徴とする。例えば、図１３中、下側に描いた点線（曲線Ｌ１３０２）で示したように高周波側のバンドギャップ端付近の分散曲線上に透過中心波長の周波数換算値をシフトさせれば、ほぼその分散曲線に沿って透過スペクトルの透過波長が変化（シフト）する。

よって、透過スペクトルの周波数の波長換算である透過波長は、フォトニック結晶の格子定数を変化させたときに、従来のシフト量である１０ｎｍから約１２０ｎｍと１２倍以上シフトさせることができる。

上記に加えて、上記とは逆のアプローチで、低周波側のバンドギャップ端付近の分散曲線上に透過中心波長の周波数換算値をシフトさせれば、ほぼその低周波側の分散曲線に沿って透過スペクトルの透過波長が変化する。その様子を図１３中の上側に描いた二点鎖線（曲線Ｌ１３０４）で示した。その場合は透過中心波長の周波数換算値をバンドギャップの中心に位置するようにした場合とは異なる透過中心波長のシフト量、すなわち負のシフト量を得ることができる。

上記に加えて、格子変調型フォトニック結晶フィルタを誘電体多層膜型フォトニック結晶とすることにより、石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、それによってＡＷＧ出力端あるいは光ファイバとの接続損失を低くすることができる。

上記に加えて、誘電体多層膜型フォトニック結晶が自己クローニング法を用いて作製されることにより、工業的に量産が容易な導波路を作製することができる。

さらに、アレイ型波長合分波器本体とフォトニック結晶フィルタとを組み合わせることにより、クロストークを−７０ｄＢ以上に大きく低減したアレイ型波長合分波器を作製することができる。

本発明によれば、簡単な構成で透過中心波長の変化量が特に大きい格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器並びにこれらの製造方法の提供を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳述する。

透過中心波長の変化量が大きい格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ（フォトニック結晶フィルタ）及びこれを用いたアレイ型波長合分波器を得るには、フォトニック結晶フィルタのフォトニック結晶の透過中心波長の周波数換算した値をバンドギャップの中心の分散曲線以外の分散曲線にシフトさせる必要がある。

フォトニック結晶フィルタの透過中心波長の周波数換算した値をバンドギャップの中心の分散曲線以外の分散曲線にシフトさせる方法としては、キャビティとなる層の膜厚ｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）を数％〜５０％変化させる方法がある（従来はｄ＝λ／２ｎを一般的に用いていた）。例えば、キャビティ層の膜厚を増加させれば透過波長の周波数換算値が低周波側の分散曲線に近づく。これとは逆に、キャビティ層の膜厚を減少させれば透過波長の周波数換算値は高周波側の分散曲線に近づく。

これは、透過中心波長の周波数換算値をバンドギャップの中心の分散曲線上に位置するようにキャビティ層の膜厚を制御した場合にはフォトニック結晶の格子定数を増加させても透過中心波長の変化量が小さいのに対し、分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内で周波数換算で中心となる分散曲線以外の分散曲線上、好ましくはバンド端近傍（最長波長側の分散曲線（１次）、或いは最短波長側の分散曲線（２次）の近傍）に位置するようにキャビティ層の膜厚を制御することで、格子定数を増加させたときの透過波長の変化量を大きくすることができる。これは、バンドギャップ内で周波数換算で中心となる分散曲線が格子定数の変化に対して透過中心波長がほとんど変化しないのに対し、バンドギャップ内で周波数換算で中心となる分散曲線以外の分散曲線は格子定数の増加に対する透過中心波長の変化量が大きくなる傾向があり、特に最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）の格子定数の増加に対する変化量が大きい。このため、バンドギャップ内で周波数換算で中心となる分散曲線以外の分散曲線上に位置するようにキャビティ層の膜厚を制御するという簡単な構成で透過中心波長の変化量が大きい格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ及びこれを用いたアレイ型波長合分波器が得られる。

ここで、フォトニック結晶に用いる材料は、Ｔａ₂Ｏ₅，Ｎｂ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂などの酸化物、Ｇｅ，Ｓｉなどの酸化物などの半導体が有力候補である。現在すでに製品化されている誘電体多層膜型のバンドパスフィルタに用いられている材料はＴａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂，Ｎｂ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂などの酸化物の組合せである。また、入射光を導入する入射側光ファイバと出射光を取り出す出射側光ファイバとは汎用的なシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）を用いることができる。

（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して本発明の一実施例について述べる。

図１（ａ）は本発明の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの模式図であり、図１（ｂ）は格子定数の異なる領域を有するフォトニック結晶フィルタの構造図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示したフォトニック結晶フィルタの透過中心波長の波長透過率特性を示す図である。図１（ｃ）において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。

図１（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタ１０５の構造は、サブミクロンオーダの凹凸１００が一方の主面（図では上側の面）に２次元周期的（平面的かつ周期的）に形成されたフィルタ用基板１０１上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層１０２と低屈折率媒質層１０３とを交互に形成して２つのミラー部１１０，１１１でキャビティ部１１２を挟むようにフォトニック結晶１１３を形成したものであって、フォトニック結晶１１３の格子定数Ｌｘ（図１（ｂ）参照）と透過中心波長との関係を示す分散曲線群（図１３参照）における透過中心波長の周波数換算値が分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内で中心となる分散曲線以外の分散曲線上に位置するようにキャビティ部１１２の膜厚が制御されたものである。

このフォトニック結晶フィルタ１０５のフィルタ用基板１０１の一方の主面に対し波長多重信号光（波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の信号光を含む）１２０を垂直に入射すると、特定の波長を有する信号光１２１がフィルタ用基板１０１の他方の主面から選択的に出射される。

図１（ｂ）に示すように凹凸１００の周期を格子定数Ｌｘとした場合、格子定数Ｌｘの異なる領域１３１，１３２，１３３がフィルタ用基板１０１の一方の主面内にアレイ状に形成されている。このフィルタ用基板１０１の一方の主面上に図１（ａ）に示すように高屈折率媒質層１０２と低屈折率媒質層１０３とを交互に形成して２つのミラー部１１０，１１１でキャビティ部１１２を挟むようにフォトニック結晶１４０が形成されている。これらフィルタ用基板１０１とフォトニック結晶１４０とでフォトニック結晶フィルタ１２８が構成されている。

図１（ｂ）に示すフォトニック結晶フィルタ１２８の主な特長は、厚み方向の膜構造を同一構造として格子定数Ｌｘを領域１３１〜１３３によって様々な値としながら増加（図では左から右に向かって増加）させていくことにより、フィルタ用基板１４１に垂直方向に波長多重信号光（波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の信号光を含む）１２２，１２３，１２４を入力させた時の各領域１３１〜１３３から出力する出射光の透過中心波長λ１〜λ３が格子定数Ｌｘの増加する方向に向かって長波長側に変化するということである（例えば特許文献１参照）。その機能はいわば、単純な多層膜からなる多種類のバンドパスフィルタをアレイ状にして１枚のフィルタ用基板１４１上に形成したものと考えても良い。

図２（ａ）は図１（ｂ）に示したフォトニック結晶フィルタ１２８のフィルタ用基板１４１の表面の網目模様を示した模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図である。

フィルタ用基板基板２０１（１４１）はＳｉまたはＳｉＯ₂（石英）を用いることができる。本実施例ではフィルタ用基板２０１（１４１）として通信波長帯１．３〜１．７μｍで透明な石英基板を用いた。入射光はフィルタ用基板２０１（１４１）の一方の主面としての基板面の上部から下部へ基板面に対して垂直に伝搬する。フォトニック結晶フィルタ１２８（図１（ｂ）参照）における格子定数Ｌｘが異なる各領域１３１〜１３３の面積は図には示されないＡＷＧ出力導波路の代表的なコア径約６μｍ×６μｍ（Δ０．７５％）以上とし、各領域１３１〜１３３の間隔は２５０μｍとした。

石英基板２０１表面の構造は電子ビーム露光によるフォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより、ｘ，ｙ方向でラインアンドスペース（Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ）パターン状に、言い換えれば網目模様のパターン２０２−１〜２０２−ｎ（ｎは自然数）に加工される。その網目模様は、ｘ方向およびｙ方向の両方向にラインとスペースとが交互に形成されている構造である。ｘ方向のピッチ間隔Ｌｘ（格子定数）は、ラインアンドスペースパターンの一つのライン幅と一つのスペース幅とを加えた値であり、ｘ方向のライン幅およびスペース幅をＬｉｎｅ−ｘ，Ｓｐａｃｅ−ｘとすれば、Ｌｘは下記の式（１）で表される。

Ｌｘ＝（Ｌｉｎｅ−ｘ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｘ） ・・・（１）
ｙ方向のピッチ間隔Ｌｙ（格子定数）は、ラインアンドスペースパターンの一つのライン幅と一つのスペース幅とを加えた値であり、ｙ方向のライン幅およびスペース幅をＬｉｎｅ−ｙ，Ｓｐａｃｅ−ｙとすれば、Ｌｙは下記の式（２）で表される。

Ｌｙ＝（Ｌｉｎｅ−ｙ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｙ） ・・・（２）
本実施例ではＬｘ＝Ｌｙ＝０．２〜０．８μｍとした。

表面加工（ピッチ化）されたフィルタ用基板２０１上にバイアススパッタリング法により、Ｔａ₂Ｏ₅膜およびＳｉＯ₂膜が交互に積層される。バイアススパッタリング法を簡単に説明すると、図示しないターゲットに高周波（Ｒ．Ｆ．）電力を印加させるだけではなく、基板にも高周波電力を印加しながらスパッタリングデポジッションと基板のスパッタエッチングとを可能とする方法である。膜厚は目的とするデバイス（格子変調型フォトニック結晶波長フィルタあるいはアレイ型波長合分波器）の仕様により決められる。それぞれの膜を堆積させる際、後述する自己クローニング法によりある一定の断面形状を保ちながら膜が堆積される。

自己クローニング法を簡単に述べると、デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化することで、ある一定の断面形状を維持しながら膜を堆積していくということである。詳しくは、「川上彰二郎、花泉 修、佐藤 尚、大寺 康夫、川嶋 貴之、信学論（Ｃ），ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．２９６−２９７，１９９７、特開平１０−３３５７５８号公報（「３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」川上彰二郎、榊 裕之、白石 和男）」を参照されたい。

次に、自己クローニング法を用いてフォトニック結晶波長フィルタのフィルタ用基板２０１上にスパッタリング成膜する方法を具体的に述べる。用いるバイアススパッタリング装置を図３に模式的に示す。

図３は自己クローニング法を用いて作製する際に用いたバイアススパッタリング装置の模式図である。

同図に示すバイアススパッタリング装置３００は、主に真空排気されたチャンバ３０１内に、２種類のターゲット３０２−１，３０２−２、それぞれのターゲット３０２−１，３０２−２を覆うシャッター３０３−１，３０３−２、内部にフィルタ用基板３０５（２０１）が設置された基板ホルダー３０４、およびガス導入部３０６が配置された構成である。

詳しくは、チャンバ３０１と、チャンバ３０１内の上部に鉛直に配置され矢印３１３方向に回転する回転軸３０９の下端に接続された回転板３１４と、回転板３１４の下面に設けられ露出面が下向きになるようにフィルタ用基板３０５（２０１）を保持する基板ホルダ３０４と、チャンバ３０１内の下部に配置され、異なる２種類のターゲット３０２−１，３０２−２をそれぞれ保持するターゲット保持台３１４−１，３１４−２と、各ターゲット３０２−１，３０２−２をそれぞれ独立に覆うか露出させるシャッター３０３−１，３０３−２と、回転板３１４に回転軸３０９および整合器３０７−３を介して１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電源３０８−３と、各ターゲット３０２−１，３０２−２に整合器３０７−１，３０７−２を介して１３．５６ＭＨｚの高周波電力をそれぞれ供給する高周波電源３０８−１，３０８−２と、チャンバ３０１内での反射波がほぼゼロとなるようにマッチングを制御する整合器３０７−１〜３０７−３とでバイアススパッタリング装置３００が構成されている。

真空チャンバ３０１には必要なガスを矢印３１０方向に導入するガス導入部３０６と、余分なガスを矢印３１２方向に排気するガス排気部３１１とが設けられている。ガス導入部３０６およびガス排気部３１１は図示しないポンプやタンク等にそれぞれ接続されている。

まず、チップ化したフィルタ用基板３０５（２０１）を上記バイアススパッタリング装置３００内に入れ真空引きを行う。ベース圧力（Ｂａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は１×１０^-5Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^-3Ｐａ）以下とする。

第１の膜は高屈折率媒質層としてのＴａ₂Ｏ₅膜で膜厚１８６ｎｍである。成膜条件は高周波電力：３００Ｗ、基板側高周波電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（９．０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒｓ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ：立方センチメートル毎分））＋Ｏ₂ （１．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：１．０×１０^-3Ｔｏｒｒとする。成膜速度が１６８オングストローム（ｎｍ）／分であるので成膜時間を１１分０４秒とする。

第２の膜は低屈折率媒質層としてのＳｉＯ₂膜で膜厚２２０ｎｍである。成膜条件は高周波電力：３００Ｗ、基板側高周波電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（７２．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ₂ （４．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：６．０×１０^-3Ｔｏｒｒ（７．９８×１０^-1Ｐａ）とする。成膜速度が６１オングストローム（ｎｍ）／分であるので成膜時間を３６分０４秒とする。

第１膜のＴａ₂Ｏ₅膜を「Ｈ」と表記し、第２膜のＳｉＯ₂膜を「Ｌ」と表記し、ミラー部を「（ＬＨ）７」と表記し、キャビティ部を高屈折率媒質の「２Ｈ」と表記して２キャビティの多層膜構造を試作した。すなわち、膜構成を４／３Ｈ−Ｌ−（ＨＬ）７−２Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−４／３Ｈ−Ｌ−（ＨＬ）７−（２Ｈ）−（ＬＨ）７−Ｌ−４／３Ｈとした。

従来はキャビティ部を高屈折率媒質とし、その膜厚を１８６×２＝３７２ｎｍとしていた。一方、本実施例ではそれより１．５％減少させ、３６６．４ｎｍとした。

上記のようにキャビティ部の膜厚を従来より１．５％減少させたキャビティのフォトニック結晶フィルタの光学特性を、従来のフォトニック結晶フィルタと比較して図４（ａ）、（ｂ）および図５（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。

図４（ａ）は従来の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの模式図である。

図４（ａ）に示す格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ４００は、サブミクロンオーダの凹凸４０１が一方の主面（図では上側の面）に２次元周期的（平面的）に形成されたフィルタ用基板４０２上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層４０３と低屈折率媒質層４０４とを交互に形成して一対のミラー部４０５，４０６で一つのキャビティ部４０７を挟むようにフォトニック結晶４０８を形成したバンドパスフィルタであり、かつ、高屈折率媒質層４０３と低屈折率媒質層４０４との膜厚をそれぞれλ／（４・ｎ_H）、λ／（４・ｎ_L）（ｎ_H：高屈折率媒質層の屈折率、ｎ_L：低屈折率媒質層の屈折率、λ：透過中心波長の設計値（ここでは１５６０ｎｍ））とした。

図４（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタ４００には、入射光（波長多重信号光）をフィルタ用基板４０２に垂直に入射させている。

図４（ｂ）は図４（ａ）に示した格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの波長−損失特性を示す図である。図４（ｂ）において横軸は波長を示し、縦軸は透過損失を示す。また、図４（ｂ）において曲線Ｌ４１は格子定数Ｌｘが０．４μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ４２は格子定数Ｌｘが０．５μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ４３は格子定数Ｌｘが０．６μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ４４は格子定数Ｌｘが０．８μｍの場合の波長−損失特性を示す。

図４（ｂ）に示すように格子定数Ｌｘを０．４〜０．８μｍに変化させることによる波長−損失特性曲線の最小値の位置の最大の変化量（シフト量）は５ｎｍであった。

図５（ａ）は本発明の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの模式図である。

図５（ａ）に示す格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ５００は、サブミクロンオーダの凹凸５０１が一方の主面（図では上側の面）に２次元周期的（平面的）に形成されたフィルタ用基板５０２上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層５０３と低屈折率媒質層５０４とを交互に形成して４つのミラー部５０５，５０６−１，５０６−２，５０７で２つのキャビティ部５０８，５０９を挟むようにフォトニック結晶５１１を形成したバンドパスフィルタであり、かつ、キャビティ部５０８，５０９は高屈折率媒質とし、その膜厚を従来より１．５％減少させ３６６．４ｎｍとし、構造を２キャビティとしたものである。

図５（ａ）に示したフォトニック結晶フィルタ５００には、入射光（波長多重信号光）をフィルタ用基板５０２に垂直に入射させている。

図５（ｂ）は図５（ａ）に示した格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの波長−損失特性を示す図である。図５（ｂ）において横軸は波長を示し、縦軸は透過損失を示す。また、図５（ｂ）において曲線Ｌ５１は格子定数Ｌｘが０．４μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ５２は格子定数Ｌｘが０．５μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ５３は格子定数Ｌｘが０．６μｍの場合の波長−損失特性を示し、曲線Ｌ５４は格子定数Ｌｘが０．８μｍの場合の波長−損失特性を示す。

図５（ｂ）に示すように格子定数Ｌｘを０．４〜０．８μｍに変化させることによる波長−損失特性曲線の最小値の位置の最大の変化量（シフト量）は、図４（ａ）に示した従来のフォトニック結晶フィルタの透過中心波長の変化量が５ｎｍであったのに対し（図４（ｂ）参照）、キャビティ部の膜厚５０８，５０９を１．５％減少させて透過中心波長を図示しない短波長側（２次側）の分散曲線に近い分散曲線上に位置させることによって透過中心波長の変化量が２９ｎｍに増加した。

なお、本実施例では示さなかったが、透過率の特性改善のために高屈折率媒質層５０３、低屈折率媒質層５０４およびフィルタ用基板５０２からなる多層膜の最下部および最上部にＡＲ（ａｎｔｉ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートをすることが好ましい。

（実施例２）
本発明は上記実施例１に限定されるものではない。クロストークを抑圧することを目的としてＡＷＧ本体と本発明のフォトニック結晶フィルタとを組み合わせて波長合分波器を構成することができる。その模式図を図６に示す。

図６は本発明のアレイ型波長合分波器の模式図である。

尚、図９に示したアレイ型波長合分波器と同様の部材には共通の符号を用いた。

図６に示したアレイ型波長合分波器６１６と図９に示したアレイ型波長合分波器９５０との相違点は、フォトニック結晶フィルタ９０９の代わりにフォトニック結晶フィルタ６０９を用いた点である。

フォトニック結晶フィルタ６０９は、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層を交互に積層して少なくとも一つのキャビティ部を少なくとも複数のミラー部で挟むと共に、キャビティ部の膜厚を実施例１に比べて３倍の６Ｈとしたものであり、厚さＨは実施例１と同じく従来例よりも１．５％減少させている。

図６に示したアレイ型波長合分波器６１６において、図示しない入力側光ファイバから入射した広帯域のスペクトルを有する波長多重信号光９０２は入力導波路９０３、入力側スラブ導波路９０４、アレイ導波路９０５、出力側スラブ導波路９０６、出力導波路９０７を順次通過して出力側光ファイバ９０８，９１０から出力され、フォトダイオード９１３に達する。その出力側光ファイバ９０８，９１０の途中分断部９２０にフォトニック結晶フィルタ６０９、レンズ９１２ａ，９１２ｂを挿入する。

ここで、入力側スラブ導波路９０４および出力側スラブ導波路９０６はレンズとして作用し、アレイ導波路９０５はプリズムとして作用する。

ＡＷＧ本体９１５の出力導波路９０７から出射した光を受けるＡＷＧ側出力光ファイバ９０８をアレイ状にしたＡＷＧ側出力光ファイバアレイ９１７と、そのＡＷＧ側出力光ファイバアレイ９１７と光学的に接続されるＰＤ側光ファイバ９１０をアレイ状としたＰＤ側光ファイバアレイ９１８を約５００μｍ離して、Ｖ溝が形成されたＶ溝台９１１の上で光学的に接続する。Ｖ溝の本数は光ファイバ９０８，９１０の本数と同数とする。ＡＷＧ本体９１５のＡＷＧ側光ファイバアレイ９１７とＰＤ側光ファイバアレイ９１８の接続部に設けられた空間９２０にフォトニック結晶フィルタ６０９を図示しないＵＶ樹脂あるいは接着剤を用いて接続することによりアレイ型波長合分波器６１６が得られる。

上記のようにＡＷＧ本体９１５と格子変調型フォトニック結晶フィルタ６１４とを組み合わせたアレイ型波長合分波器６１６の光学特性については、全損失は２つの素子（ＡＷＧ本体９１５、格子変調型フォトニック結晶フィルタ６１４）の損失を加算したものになる。

次に、アレイ型波長合分波器６１６に用いたフォトニック結晶フィルタ６０９は高屈折率媒質層としての第１膜のＴａ₂Ｏ₅膜を「Ｈ」と表記し、低屈折率媒質層としての第２膜のＳｉＯ₂膜を「Ｌ」と表記し、ミラー部を「（ＬＨ）７」或いは「（ＨＬ）７」と表記し、キャビティ部を高屈折率媒質の「６Ｈ」と表記して３キャビティの多層膜構造とした。すなわち、フォトニック結晶フィルタ６０９の膜の構成をＨ−Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−Ｈ−Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−Ｈ−Ｌ−（ＨＬ）７−６Ｈ−（ＬＨ）７−Ｌ−Ｈとした。このような３キャビティのフォトニック結晶フィルタ９０９を有するアレイ型波長合分波器の光学スペクトルについて述べる。

図７はアレイ型波長合分波器本体と本発明に係る格子変調型フォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせたアレイ型波長合分波器の光学スペクトルを示す図である。同図において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。また、同図において、曲線Ｌ７１はフォトニック結晶フィルタの光学スペクトルを示し、曲線Ｌ７２はアレイ型波長合分波器本体の光学スペクトルを示し、曲線Ｌ７３はアレイ型波長合分波器とフォトニック結晶を接続させた合分波器の光学スペクトルを示す。

３キャビティの多層膜構造を有するフォトニック結晶フィルタ６０９（図６参照）をＡＷＧ本体９１５に接続することにより、図７のようにクロストークによる損失はＡＷＧ本体９１５単体の場合より３０ｄＢ以上減少し、トータル（ＡＷＧ本体９１５＋フォトニック結晶フィルタ６０９）で−７０ｄＢ以下とすることができる。また、該フォトニック結晶フィルタ６０９を使用することで、出力導波路９０７の光軸に対して垂直に挿入することができるため、前述したように損失のバラツキ、偏波依存性は発生しない。

以上において本発明によれば、
（１）透過波長の変化量が大きな変化量を持つ格子変調型フォトニック結晶フィルタを得ることができる。
（２）透過波長の変化量が約３０ｎｍの大きな変化量を持つ格子変調型フォトニック結晶フィルタを得ることができる。
（３）従来のｄ＝λ／２ｎの膜厚を有するキャビティ部の膜厚を減少或いは増加させることにより、従来とは異なる透過中心波長変化量を持つ格子変調型フォトニック結晶フィルタを得ることができる。
（４）石英系光ファイバとの接続損失を低減することができる。
（５）工業的に量産が容易なフォトニック結晶を作製することができる。
（６）フォトニック結晶フィルタが接続されたＡＷＧ本体の合計のクロストークを−７０ｄＢ以下とすることができる。

（ａ）は本発明の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの模式図であり、（ｂ）は格子定数の異なる領域を有するフォトニック結晶フィルタの構造図であり、（ｃ）は（ｂ）に示したフォトニック結晶フィルタの透過中心波長の波長透過率特性を示す図である。 （ａ）は図１（ｂ）に示したフォトニック結晶フィルタのフィルタ用基板１０１の表面の網目模様を示した模式図であり、（ｂ）は（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図である。 自己クローニング法を用いて作製する際に用いたバイアススパッタリング装置の模式図である。 （ａ）は従来の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの波長−損失特性を示す図である。 （ａ）は本発明の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの波長−損失特性を示す図である。 本発明のアレイ型波長合分波器の模式図である。 アレイ型波長合分波器本体と本発明に係る格子変調型フォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせたアレイ型波長合分波器の光学スペクトルを示す図である。 （ａ）は１次元のフォトニック結晶の模式図であり、（ｂ）は２次元のフォトニック結晶の模式図であり、（ｃ）は３次元のフォトニック結晶の模式図である。 本発明の前提となった波長合分波器の模式図である （ａ）はバンドパスフィルタのミラー部およびキャビティ部の高屈折率層と低屈折率層の膜厚を変化させた場合の模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した各バンドパスフィルタの波長−損失特性を示す図である。 図９に示した波長合分波器、波長合分波器に用いた波長合分波器本体およびフォトニック結晶フィルタの波長−透過率特性を示す図である。 （ａ）は従来の格子変調型のフォトニック結晶波長フィルタの模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示したフォトニック結晶波長フィルタの波長−損失特性を示す図である。 本発明の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタに用いられるフォトニック結晶の分散曲線を示す図である。 （ａ）は図９に示した波長合分波器に用いられるフォトニック結晶フィルタの模式図であり、（ｂ）は格子定数の異なる領域を有するフォトニック結晶フィルタの構造図であり、（ｃ）は（ｂ）に示したフォトニック結晶フィルタの透過中心波長の波長透過率特性を示す図である。

符号の説明

１００ 凹凸
１０１ フィルタ用基板
１０２ 高屈折率媒質層
１０３ 低屈折率媒質層
１０５ 格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ（フォトニック結晶フィルタ）
１１０，１１１ ミラー部
１１２ キャビティ部
１１３ フォトニック結晶

Claims (7)

1. 透明なフィルタ用基板の一方の主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層が交互に積層されて３次元的に周期構造を有するフォトニック結晶が用いられ、上記主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタにおいて、上記フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が上記分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させたことを特徴とする格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ。
2. 上記フォトニック結晶は誘電体多層膜からなる請求項１に記載の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタ。
3. アレイ型波長合分波器本体と、透明なフィルタ用基板の一方の主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層が交互に積層されて３次元的に周期構造を有するフォトニック結晶が用いられ、上記主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせたアレイ型波長合分波器において、上記フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が上記分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させたことを特徴とするアレイ型波長合分波器。
4. 透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力するように上記主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層を交互に積層して３次元的に周期構造を有するフォトニック結晶を形成する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの製造方法において、上記フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が上記分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させることを特徴とする格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの製造方法。
5. デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法により上記フォトニック結晶を作製する請求項４に記載の格子変調型フォトニック結晶波長フィルタの製造方法。
6. アレイ型波長合分波器本体を準備し、透明なフィルタ用基板の一方の主面に対し垂直もしくは斜めに入力した波長多重光信号を波長選択して透過中心波長の光信号を出力するように上記主面に屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層および低屈折率媒質層を交互に積層して３次元的に周期構造を有する格子変調型フォトニック結晶波長フィルタを得、上記アレイ型波長合分波器本体と該格子変調型フォトニック結晶波長フィルタとを組み合わせるアレイ型波長合分波器の製造方法において、上記フォトニック結晶の格子定数と透過中心波長との関係を示す分散曲線群における透過中心波長の分散曲線が上記分散曲線群のうちの最長波長側の分散曲線（１次）と最短波長側の分散曲線（２次）との間のバンドギャップ内の周波数換算の中点からなる分散曲線以外に位置するように、かつ上記最長波長側の分散曲線（１次）、或いは上記最短波長側の分散曲線（２次）の近傍に位置するようにキャビティとなる層の膜厚をｄ＝λ／２ｎ（ｄ：膜厚，λ：波長，ｎ：屈折率）から１．５％変化させることを特徴とするアレイ型波長合分波器の製造方法。
7. デポジッション速度とエッチング速度との比率を適正化する自己クローニング法により上記フォトニック結晶を作製する請求項６に記載のアレイ型波長合分波器の製造方法。

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