JP4700698B2 - 波長同調可能な選択性オプトエレクトロニックフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、特に、波長分割多重（ＷＤＭ）タイプまたは高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）タイプの光電気通信システムのさまざまなチャンネルの波長逆多重化に適用可能である、選択性の、波長同調可能なオプトエレクトロニックフィルタに関する。

選択性の、波長同調可能なフィルタは、微小光電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）の構成要素でできているものが知られており、その構成要素は従来の微小技術方法を使用して製作されることができ、フィルタはそれら構成要素の材料を機械的に変形することによって同調されることができる。このようなフィルタは、ファブリペロタイプのものであり、ブラッグミラーのような平行する２つの部分反射装置の間に配置されている空気の層または「プレート」によって形成されている共振空洞を備える。共振波長は、反射装置の少なくとも１つを弾力変形が可能な方式で装着することによって、また２つの部分反射装置の間に制御電圧を与えることで生成される静電圧力を用いてその反射装置を動かすことによって同調可能である。その動きが、共振空洞の厚さの変化、したがってフィルタの中心波長の変化につながる。

共振空洞を画定する反射装置が平坦で横方向寸法が小さなものであるとき、０．５ナノメートル（ｎｍ）より良いスペクトル選択性を得ることは可能でないが、ＤＷＤＭタイプの信号を逆多重化するときには、０．２ｎｍ以下の値を得ようとする必要がある。

この制約は、平らな空洞では光ビームの自然拡散により、空洞から横方向に逃げることなくビームが反射装置間でたどることができる往復移動可能の回数が制限される事実に起因している。これは、「空洞不安定性」として知られている現象である。

このような選択性を改善する１つの知られている方法は、適切な初期の正曲率を２つの部分反射装置の１つに課して、各往復移動可能で電磁波を再焦点合わせすることであり、それによって電磁波が、大幅に減衰することなく共振空洞内をたどることができる往復移動可能の数が増加する。その技法は、文献ＵＳ−Ａ−６６４５７８４（Ｔａｙｅｂａｔｉ他）に説明されているが非常に複雑であり実行するのに高価である。

本発明の具体的な一目的は、上記に指定したタイプのフィルタのスペクトル選択性を改善するその問題に、簡単で効果的でありかつ安価な解決策を提供することである。

そのために、本発明は、２つの部分反射装置の間に形成された共振空洞を備え、各部分反射装置が、使用される波長で透過性である層の積重ねと、フィルタを波長同調するために反射装置の端子に電界を与える手段とによって構成された、波長同調可能な選択性オプトエレクトロニックフィルタであって、共振空洞が、前記波長において透過性であり高い屈折率を有する固体材料のディスクで構成され、反射装置の間で導波管を形成すること、および、反射装置の第１のものが、少なくとも部分的に移動可能または変形可能であり、空気のプレートによって共振空洞を形成するディスクから分離されることを特徴とする、オプトエレクトロニックフィルタを提供する。

屈折率の高い透過性である固体材料のディスクによって形成され共振空洞を構成する導波管は、電磁波が部分反射装置間の往復移動可能に従う間にその電磁波を横方向で閉じ込め、したがって共振空洞の端部にわたって横方向の損失を回避する。この損失の減少がフィルタのスペクトル選択性の著しい改善につながる。

さらに、前述の移動可能なまたは変形可能な部分を動かす結果としてディスクに隣接する空気のプレートの厚さを変えることにより、波長においてフィルタを同調することが可能になる。なぜなら、前述のディスクによって形成されている共振空洞の有効厚さが、反射波の一部が反射装置に浸透することによってディスクの厚さより大きくなるからである。

共振空洞を構成する高屈折率材料のディスクは、共振波の伝播が準モノモードであることを保証し、ならびに可能にするように一般的に１０マイクロメートル（μｍ）程度である小さな直径を有し有利である。

一般的に、第１および第２の部分反射装置は、使用される波長において透過性である材料の各積重ねによって構成されており、反射装置の１つまたは反射装置の各々で前記層の１つまたは前記層のグループが移動可能または変形可能であり、空気のプレートによって共振空洞のディスクから分離される。

本発明の特に有利な実施形態では、第１の反射装置は半導体材料と空気の層の交互層でできており、ｐタイプのドーピング（またはｎタイプ）をもつ移動可能または変形可能である半導体プレートを含み、そのタイプのドーピングは前記第１の反射装置の他方の半導体材料の層と反対のドーピングタイプである。

共振空洞を形成するディスクも、反射装置の移動可能プレートのものとは反対のタイプのドーピングを有する半導体材料でできている。

有利なことに、第２の部分反射装置も、使用される波長において透過性である半導体材料の層の積重ねを備え、半導体材料の層の１つまたは前記層のグループが移動可能または変形可能なプレートを形成しており、そのプレートが空洞を形成するディスクから空気の層によって分離され、前記移動可能または変形可能なプレートのドーピングが第２の部分反射装置の半導体材料のもう一方の層のものとは反対のタイプのものである。

こうした状況では前記移動可能または変形可能なプレート双方のドーピングは同じタイプのものである。

本発明の具体的な一実施形態では、前記移動可能または変形可能な各プレートは、適正な寸法の弾性変形可能なアームによって、固定された周辺支持体に連結されている懸垂プレートである。

前記部分反射装置の半導体材料の層の全部および共振空洞を形成するディスクは、懸垂タイプのものであり、必要に応じて剛性のまたは弾性変形可能なアームによって固定された周辺支持体に連結されていることが好ましい。

第１の実施形態では、フィルタの波長同調のための手段は、共振空洞を形成しているディスクのいずれかの側部に位置している部分反射装置の半導体材料の静止層および移動可能プレートに接続された２つの電極を、前記電極間に制御電圧を与えるための手段と共に備える。

反射装置、移動可能プレート、および共振空洞の半導体材料層のドーピングは、反対方向に接続された２つのダイオードの構造を生成し、したがって与えられた電圧の極性に依存して移動可能プレートを反射装置の静止部分（それが反射装置の部分を形成している）に向かって変形させるか、または共振空洞に向かって変形させることを可能にしている。これが双方向性の作動を与えようとすることを可能にし、したがってその初期値に対して共振波長が延長されまたは縮小されることを可能にしている。

本発明のフィルタの他方の部分反射装置も移動可能または変形可能なプレートを含むとき、波長同調手段は、前記ディスクならびにディスクのいずれかの側部およびそれぞれの移動可能プレート上に位置している反射装置の半導体材料の２つの静止層に接続されている３つの電極を、ディスクに連結された電極と前記静止層に連結された電極の間に同一電圧を与えるための手段と共に備える。

このような状況では、共振空洞のいずれかの側部に位置している移動可能プレートを両方同時に変形させることが可能であり、それによって波長同調範囲を倍化させ、したがって例えばＷＤＭタイプの電気通信システムのＣおよびＬバンド（１５２５ｎｍ〜１５６２ｎｍ、および１５７０ｎｍ〜１６１５ｎｍ）の両方をカバーすることを可能にしている。

例として作成された下記説明を読み、添付図面を参照すれば本発明がより良く理解されることができ、本発明のその他の詳細、特徴および利点がより明確になる。

先ず本発明のフィルタの全体構造を示す略図である図１を参照するが、前記フィルタの構造は、基本的に、基板１４により担持された２つのブラッグミラー１０および１２を備え、前記ブラッグミラーの間に位置する高い屈折率を有し当該の波長において共振空洞を構成する固体材料のディスク１６（ディスクはｋ．λ／２に等しい厚さを有し、ここにｋは本例では３に等しい）を有することを考慮している。

図１の頂部ブラッグミラー１０は、１／４波長プレートを形成している半導体材料の交互層１８、２０、２２を備え、その交互層は互いに、かつ共振ディスク１６から空気の１／４波長プレート２４によって分離されており、底部ブラッグミラー１２は、半導体材料の層２６、２８、および３０からできており、それらの層は１／４波長プレートであり相互におよび共振ディスク１６からそれぞれの空気の１／４波長プレート３２、３４、３６、および３８によって分離されている。

ブラッグミラー内の半導体材料のさまざまな層は静止している、つまりそれらは移動可能ではない、または変形可能ではないが、ディスク１６に隣接する１つの層、例えば底部ブラッグミラー１２の層２６は例外で、その層は軸方向にディスク１６に向かっておよびディスクから離れるように移動可能または変形可能である。

ブラッグミラーを形成する半導体材料のさまざまな層の厚さが図１で与えられており、それらは（２ｋ＋１）λ／４に等しく、ｋは本例では機械的な最適化のために２または３に等しい。本例では、空気のプレートは（２ｋ＋１）λ／４に等しい厚さを有し、ｋ＝０であるが、ブラッグミラー１２の移動可能プレート２６のいずれかの側部に位置するプレート３２および３４は例外で、これらのプレートは３λ／４に等しい厚さを有する。

移動可能プレート２６は、例えば頂部ブラッグミラー１０にしっかりと固定されている頂部コンタクト４０と、例えば底部ブラッグミラー１２の基板１４または半導体プレートにしっかりと固定された底部コンタクト４２との間に与えられた電圧の制御の下に１方向または他方向に動かされるが、移動可能プレート２６が移動する方向は与えられた電圧の極性に依存する。ブラッグミラー１０および１２のさまざまな半導体プレートは、すべて同じタイプのドーピング（例えばｎ）を有するが、移動可能プレート２６は例外で反対のタイプ（例えばｐ）のドーピングを有する。

移動可能プレート２６の１方向または他方向への移動が、前記移動可能プレート２６と共振ディスクの間にある空気プレート３２の厚さを加減し、それによって、本発明のフィルタに対する透過中心波長を変えるが、これは反射波が底部ブラッグミラー１２に部分的に浸透することによって、前記フィルタの共振空洞の有効厚さがディスク１６の厚さより大きくなるためである。

そのしっかりした構造およびその高い屈折率ゆえに共振ディスク１６はブラッグミラー１０と１２の間で導波管を構成し、それによって横方向の漏洩による共振電磁波からの損失を大幅に制限している。

波が共振ディスク１６内を準モノモードで伝播することを確実にするために、ディスクの直径は比較的小さな値、例えば約１０μｍに選定される。

共振空洞からの横方向損失を減少させることはブラッグミラーの反射率を、したがって共振波の往復移動数を増加させ、それによって本発明のフィルタに対するより良い選択性が得られる。

移動可能プレート２６は有利には、例えば図２に示される形で懸垂される構造である。

本例では、移動可能プレート２６は、円形外形のディスクの形態であり約１０μｍの直径を有し、４つのアーム４６によりアンカースタッド４４に連結されており、そのアーム４６は互いに９０°の角度でディスク２６より外側に向いて延びており弾性的に曲げ変形が可能である。

図３に概略的に示されている実施形態では、ブラッグミラー１０および１２のすべてのプレートは、ならびに共振ディスク１６も、約１０μｍの直径を有し、直線的な平行六面体の形状の固定フレーム４８から、フレーム４８の内側で対角線状に延びているアーム５０により懸垂されている中央ディスクをそれぞれ備えており、これらのアームは幅が約５μｍであり長さが５０μｍ〜７０μｍのものである。

図３に示されている構造は、ディープイオンエッチングと選択的化学エッチングの組合せによって得られる。

図４に概略的に示されているフィルタの実施形態では、共振ディスク１６のいずれかの側部に位置しているブラッグミラー１０および１２の２つの半導体プレート２２および２６は、移動可能プレートでありそれらは共振ディスク１６からそれぞれ空気プレート２４および３４によって分離されており、その各々の厚さは３λ／４に等しい。

２つのブラッグミラーの静止半導体プレート１８、２０、２８、３０およびディスク１６はｎタイプのドーピングを有し、一方移動可能プレート２２および２６はｐタイプのドーピングを有する。これが第１のブラッグミラー１０の半導体プレート２０、２２、共振ディスク１６の間、および第２のブラッグミラー１２の半導体プレート２６、２８の間で反対方向に装着されたダイオード５２の構造を生成する。制御電極５４、５６、５８は、２つの電圧Ｖを電極５４と５６の間および電極５６と５８の間に与えるためのもので（この２つの電圧は共通の電極５６に対して同一である）、一例として第１のブラッグミラー１０の半導体層２０、共振ディスク１６、および第２のブラッグミラー１２の半導体層２８に接続されている。

電圧Ｖの極性に依存して、移動可能プレート２２および２６は、同時に共振ディスク１６から離れて行き、それによって共振波長を長くし、または同時に共振ディスク１６に近寄り、それによって共振波長を短くする。

これが、本発明のフィルタの波長同調範囲を２倍にすることを可能にしている。

フィルタは、低屈折率を有する材料、例えばＳｉＯ_２、および高屈折率を有する材料、例えばＴｉＯ_２の層を使用して作製されることができる。図１の構造を有するフィルタは、次いで下記光学公式に対応することができる：
Ｌ（ＨＬ）^∧９ ６Ｈ ＡＡＡ （ＨＬ）^∧７Ｈ
ここにＬはＳｉＯ_２のλ／４層を表わし、ＨはＴｉＯ_２のλ／４層を表わし、Ａは空気のλ／４層を表わし、Ｌ（ＨＬ）^∧９は９つの異なるプレートを有する頂部ブラッグミラー１０を表わし、６Ｈは高屈折率および３λに等しい厚さを有する共振ディスクを表わし、ＡＡＡ （ＨＬ）^∧７Ｈは、その調整可能な厚さの空気プレートＡＡＡを伴う底部ブラッグミラー１２を表わす。

このような構造は１５５０ｎｍの中心波長に対して０．１ｎｍの選択性をもたらす。その同調範囲は、選択性の損失を伴わずに５０ｎｍである。

図４に概略的に示されている構造を有する本発明のフィルタは、次いで下記の光学公式を満足する：
（ＨＬ）^∧６Ｈ ＡＡＡ ６Ｈ ＡＡＡ （ＨＬ）^∧７Ｈ
このフィルタは１５５０ｎｍの中心波長に対して約０．１ｎｍの選択性をもたらし、その同調範囲は中心波長の周りで１００ｎｍを超える。

一変形形態では、本発明のフィルタは、図４で与えられている厚さを有し、λ／４に等しい厚さを有する空気のプレート（共振ディスク１６のいずれかの側部の上にあるプレートは例外で、これは３λ／４に等しい厚さを有する）と交互に配置されているリン化インジウム（ＩｎＰ）のプレートでできていていることもあり、ディスク１６も同様にリン化インジウムである。この実施形態では、リン化インジウムのさまざまなプレートはＩｎＧａＡｓのスペーサによって互いに分離されている。

同調範囲は１００ｎｍより大きく、ＷＤＭタイプの電気通信システムのＣおよびＬバンドをカバーしようとすることを可能にしている。

図５は、本発明のフィルタの透過率を波長の関数として示すグラフであり、そのフィルタは図１に概略的に示されている構造を有する。破線の曲線Ｃ１は理論的な曲線であり、一方実線の曲線Ｃ２は、リン化インジウム（ＩｎＰ）でできているその半導体層およびディスク１６をもつ図１のフィルタを使用して得られた実験的な曲線である。２つの曲線Ｃ１、Ｃ２が互いに非常に近接しており、−３ｄＢで測定した透過帯域が０．１５ｎｍより小さいことが見られることができる。−２０ｄＢの拒絶が中心波長の±０．４５ｎｍで得られ、最大拒絶は２５ｄＢより良好である。

図６のグラフで曲線Ｃ３が、図１のフィルタの中心波長の変化を電極４０と４２の間の電圧Ｖの関数として示し、曲線Ｃ４が−３ｄＢでの変化または半値全幅（ＦＷＨＭ）透過帯域の変化を制御電圧Ｖの関数として表わしている。

曲線Ｃ３は、波長同調が、著しい選択性の低下を伴うことなく−６ボルトから＋６ボルトの範囲にある制御電圧Ｖに対して４５ｎｍの範囲にわたって得られることを示している。これらの曲線Ｃ３およびＣ４は、図１の構造のフィルタでの実験的な測定からプロットされたもので、そのフィルタの構造ではブラッグミラーおよび共振ディスクが前述のようにリン化インジウムの層で形成されていた。

本発明のフィルタの構造を示す略図である。 フィルタの一要素の平面略図である。 一変形実施形態の透視略図である。 本発明のフィルタの一変形形態の全体構造を示す略図である。 本発明のフィルタの透過率の理論値および測定値を示すグラフである。 本発明のフィルタの−３ｄＢ透過帯域の中心波長の変化を制御電圧の関数として示すグラフである。

Claims (12)

1. ２つの部分反射装置（１０、１２）の間に形成された共振空洞を備え、各部分反射装置が、使用される波長で透過性である層の積重ねと、フィルタを波長同調するために反射装置（１０、１２）の端子に電界を与える手段とによって構成された、波長同調可能な選択性オプトエレクトロニックフィルタであって、共振空洞が、前記波長において透過性であり高い屈折率を有する固体材料のディスク（１６）で構成され、該ディスクが２つの反射装置（１０、１２）の間で導波管を形成すること、および、反射装置の少なくとも一方が、空気と、前記波長に対して透過性である複数の固体材料の層またはプレートとの交互層からなり、かつ、空気の層（３２）によってディスク（１６）から分離される固体材料の移動可能または変形可能な層（２６）を含んでおり、前記反射装置における複数の固体材料の層が、半導体材料の複数の層であり、前述した反射装置の移動可能な層が、該反射装置の固体材料の他の層のドーピングとは反対のタイプのドーピングを有することを特徴とする、オプトエレクトロニックフィルタ。
2. 第２の反射装置が、少なくとも部分的に移動可能または変形可能であり、空気の層（２４）によって共振空洞を形成するディスク（１６）から分離されることを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ。
3. 高屈折率材料のディスク（１６）が、共振波が準モノモードで伝播するように例えば１０μｍ程度の小さな直径を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルタ。
4. ２つの反射装置がともに、空気と、前記波長で透過性である固体材料の層またはプレートとの交互層を備え、固体材料の前記層の１つ（２２）が、空気の層によって共振空洞のディスク（１６）から分離される移動可能または変形可能なプレートを形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のフィルタ。
5. 両方の移動層（２２、２６）のドーピングが同じタイプであることを特徴とする、請求項４に記載のフィルタ。
6. 各移動層（２２、２６）が懸垂された層であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のフィルタ。
7. 共振空洞を形成するディスク（１６）を移動層（２２、２６）から分離する空気の層（２４、３２）が、（２ｋ＋１）λ／４に等しい厚さを有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のフィルタ。
8. 共振空洞を形成するディスク（１６）が、ｋ．λ／２に等しい厚さを有することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のフィルタ。
9. 共振空洞を形成するディスク（１６）が円形外形のものであることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のフィルタ。
10. ２つの部分反射装置（１０、１２）の固体材料の層全部および共振空洞を形成するディスク（１６）が懸垂されること、および、フィルタがイオンエッチングによって、また選択的化学エッチングによって作製されることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載のフィルタ。
11. 波長同調手段が、ディスク（１６）の対辺に位置している半導体材料の層および前記移動層（２６）に接続されている電極（４０、４２）と、前記電極に制御電圧を与えるための手段とを備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のフィルタ。
12. 波長同調手段が、反射装置のうちの１つの半導体材料の静止層に接続された第１の電極（５４）と、共振空洞を形成するディスク（１６）に接続された電極（５６）と、他方の反射装置の半導体材料の静止層に接続された第３の電極（５８）と、第２と第１の電極（５６、５４）間ならびに第２と第３の電極（５６、５８）間に同一電圧を与えるための手段とを備えることを特徴とする、請求項４から１０のいずれか一項に記載のフィルタ。

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