JP4855065B2 - 光フィルタ及び光フィルタの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光フィルタ及び光フィルタの製造方法に関する。特に本発明は、従来と比較して応答速度が速い光フィルタ及び光フィルタの製造方法に関する。
波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークにおいて、波長を分離する光フィルタが必須である。従来の光フィルタの一例として、印加電圧によって透過する光の偏光を制御する液晶偏光制御素子と、光の偏光方向によって光を透過又は反射する偏光ビームスプリッタを組み合わせるたものがある。液晶偏光制御素子にはネマティック液晶が用いられる（例えば非特許文献１参照）。
Ｍ．Ｗ．ＭＡＥＤＡ，他４名、「Electronically Tunable Liquid-Crystal-Etalon Filter for High-Density WDM Systems」IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、１９９９年１１月、Vol.2、No.11、Ｐ．８２０−８２２
Ｍ．Ｗ．ＭＡＥＤＡ，他４名、「Electronically Tunable Liquid-Crystal-Etalon Filter for High-Density WDM Systems」IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、１９９９年１１月、Vol.2、No.11、Ｐ．８２０−８２２
上記した光フィルタは、ネマティック液晶の配向方向が切り替わることにより、光が透過するか否かが切り替わる。このため、応答速度は、ネマティック液晶の配向方向の切り替わり速度によって律速されている。従って、上記した光フィルタでは、十分な応答速度を得ることが難しい。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、従来と比較して応答速度が速い光フィルタ及び光フィルタの製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る光フィルタは、導波路と、
それぞれが前記導波路を分断する２つの溝と、
前記２つの溝の間に位置する導波路上に形成された強誘電性液晶と、
前記強誘電性液晶の配向方向を制御する電極とを具備する。
それぞれが前記導波路を分断する２つの溝と、
前記２つの溝の間に位置する導波路上に形成された強誘電性液晶と、
前記強誘電性液晶の配向方向を制御する電極とを具備する。
この光フィルタによれば、前記強誘電性液晶の配向方向を変化させることにより、前記２つの溝の間に位置する導波路の屈折率を変化させることができる。前記導波路の屈折率が変化すると、前記２つの溝の間に位置する導波路を透過できる光の波長が変化する。従って、前記電極に加える電圧を変化させることにより、光をフィルタリングすることができる。
この光フィルタの応答性は、前記強誘電性液晶の配向方向の応答性によって律速されるが、前記強誘電性液晶の配向方向の応答性は、１００μ秒程度と速い。従って、従来と比較して光フィルタの応答速度が速くなる。
前記溝はエッチングにより形成されていてもよい。また、前記電極と前記強誘電性液晶の間に位置する配向膜を更に具備し、前記強誘電性液晶は前記２つの溝の間に位置する導波路と直接接していてもよい。
本発明に係る光フィルタの製造方法は、下地膜上に光透過性を有する透光膜を形成する工程と、
前記透光膜を選択的に除去することにより、導波路と、それぞれが前記導波路を分断する２つの溝とを形成する工程と、
前記２つの溝の間に位置する導波路上に強誘電性液晶を配置するとともに、前記強誘電性液晶の配向方向を制御する電極を配置する工程とを具備する。
前記透光膜は、例えば半導体膜である。この場合、前記導波路を下部電極として使用することができる。
前記透光膜を選択的に除去することにより、導波路と、それぞれが前記導波路を分断する２つの溝とを形成する工程と、
前記２つの溝の間に位置する導波路上に強誘電性液晶を配置するとともに、前記強誘電性液晶の配向方向を制御する電極を配置する工程とを具備する。
前記透光膜は、例えば半導体膜である。この場合、前記導波路を下部電極として使用することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る光フィルタの構成を説明する為の概略図である。この光フィルタは、導波路１０と、それぞれが導波路１０を分断する２つの溝１０ａ，１０ｂを有している。
導波路１０は例えば不純物が導入された半導体膜（例えば不純物が導入されたシリコン膜）から形成されており、導電性を有している。溝１０ａ，１０ｂは導波路１０をエッチングすることにより形成されている。導波路１０のうち溝１０ａ，１０ｂの相互間に位置する領域は、共振器１２として機能する。共振器１２はFabry-perot共振器と同様の機能を有する。
共振器１２上には強誘電性液晶２０が配置されている。強誘電性液晶２０の配向方向は、強誘電性液晶２０上に形成された電極２２と共振器１２の間に印加される電圧によって制御される。この電圧は、電圧制御部３０とによって制御される。
導波路１０に光が入力されると、光は共振器１２の両端面で反射を繰り返しつつ、一部が透過する。このとき、共振器１２の長さＬに対する光の波長λが下記式（１）を満たしたとき、共振器１２を透過する光の強度は最大になる。
Φ＝２ｍπ＝（２π／λ）×２ｎeq×Ｌ・・・（１）
ただし、ｍは整数であり、ｎeqは共振器１２の屈折率である。
Φ＝２ｍπ＝（２π／λ）×２ｎeq×Ｌ・・・（１）
ただし、ｍは整数であり、ｎeqは共振器１２の屈折率である。
式（１）より、透過光のｍ次のピーク波長（以下、共振波長と記載）λmは、以下の式（２）に示す通りになる。
λm＝（２ｎeqＬ）／ｍ・・・（２）
λm＝（２ｎeqＬ）／ｍ・・・（２）
強誘電性液晶２０の配向方向が変化すると、詳細を後述するように、共振器１２の屈折率ｎeqが変化し、λmが変化する。このため、電圧制御部３０が電極２２と共振器１２の間の電圧を制御することにより、透過光のピーク波長を変化させ、入力された光が共振器１２を透過するか否かを制御することができる。このようにして、光フィルタは機能する。
図２のグラフは、導波路を透過している光のうちＴＥ基本モードの強度分布を示すシミュレーション結果を示している。本シミュレーションにおいて、導波路はＳｉ（厚さは０．５μｍ）で形成されており、下地膜はＳｉＯ２（厚さは∞）で形成されている。強誘電性液晶は、屈折率が１．６１５、厚さが∞として扱われている。本グラフから、導波路から強誘電性液晶に光の一部が染み出ていることが分かる。強誘電性液晶の配向方向が変化すると、強誘電性液晶の屈折率（誘電率）が変化する。この屈折率の変化は、導波路から強誘電性液晶に染み出た光の伝搬に影響を与える。この結果、導波路の屈折率が見かけ上変化する。
従って、電圧制御部３０が電極２２と共振器１２の間の電圧を制御することにより、強誘電性液晶２０の配向方向すなわち屈折率を変化させ、導波路１０の屈折率を見かけ上変化させることができる。
以上、本発明の第１の実施形態によれば、電圧制御部３０が電極２２と共振器１２の間の電圧を制御することにより、電極２２と共振器の間に位置する強誘電性液晶２０の配向方向すなわち屈折率を変化させ、共振器１２の透過光のピーク波長を変化させることができる。従って、電圧制御部３０が電極２２と共振器１２の間の電圧を制御することにより、入力された光が共振器１２を透過するか否かを制御することができる。
また、強誘電性液晶２０の応答時間はネマティック液晶よりも一桁以上速い１００μ秒程度である。従って、本実施形態に係る光フィルタの切り替わり速度は従来と比較して速い。
また、強誘電性液晶は双安定性（自己保持性）を有しており、印加電圧を切った後にも配向方向が保持される。従って、本実施形態に係る光フィルタの消費電力は低い。
また、共振器構造を用いているため、進行波を用いる素子と比較して光フィルタを小型化することができる。
図３及び図４は、本発明の第２の実施形態に係る光フィルタの製造方法を説明する為の図である。各図において、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。以下、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
まず、図３に示すように基板１００上に酸化シリコン膜１０２を形成し、さらに酸化シリコン膜１０２上に半導体膜１０４をＣＶＤ法により形成する。基板１００は、例えばシリコン基板である。半導体膜１０４は、例えば単結晶シリコン膜であるが、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、ＧａＡｓ系の半導体膜、又はＧａＩｎＡｓＰ系の半導体膜であっても良い。その後、半導体膜１０４に不純物を導入し、導電性を持たせる。不純物は、ｎ型の不純物及びｐ型の不純物のいずれであってもよい。
次いで、半導体膜１０４上にクロム膜２００をスパッタリング法により形成し、さらにクロム膜２００上にフォトレジスト膜２１０を塗布する。次いで、フォトレジスト膜２１０を露光及び現像する。これにより、フォトレジスト膜２１０には開口パターンが形成される。
次いで、フォトレジスト膜２１０をマスクとしてクロム膜２００をエッチングし、クロム膜２００に開口パターンを形成する。次いで、クロム膜２００をマスクとして半導体膜１０４をドライエッチングする。これにより、半導体膜１０４は選択的に除去され、導波路１０、溝１０ａ，１０ｂ、及び共振器１２が形成される。溝１０ａ，１０ｂの幅は、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。なお、半導体膜１０４は、下部電極として使用されるため、このドライエッチング工程において全面に薄く残される。
その後、図４に示すようにフォトレジスト膜２１０及びクロム膜２００を除去する。次いで、基板１００の上方に、電極２２及び配向膜１１０がこの順に積層された対向基板１２０を配置する。このとき、配向膜１１０が導波路１０及び共振器１２と向き合うようにする。なお、基板１００と対向基板１２０の間隔は、スペーサー１０８によって維持されているが、この間隔は０．２μm以上２．０μm以下であるのが好ましい。また、電極２２は、例えばＩＴＯ膜を選択的に除去することにより形成される。
次いで、基板１００と対向基板１２０の空間に強誘電性液晶２０を注入する。このようにして、光フィルタが形成される。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導波路１０及び溝１０ａ，１０ｂを、レジストパターンを用いたエッチングにより形成しているため、光フィルタの小型化及び高集積化を容易に行える。また、複数の光フィルタの相互間を接続する導波路の曲率を小さくすることができるため、高集積化に有利となる。
また、半導体膜１０４をエッチングすることにより導波路１０及び共振器１２を形成しているため、導波路１０及び共振器１２を形成する工程を、トランジスタ等の半導体素子を形成する工程の一部に含ませることができる。またこの場合、同一の基板１００上に光フィルタと半導体素子を形成することができるため、モノリシックな集積化が可能になる。
また、半導体膜１０４及び共振器１２を下部電極として使用しており、かつ半導体膜１０４は直接強誘電性液晶２０に接している。従って、半導体膜１０４と強誘電性液晶２０の間に配向膜を配置する場合と比較して、共振器１２の見かけ上の屈折率変化が大きくなり、光フィルタを高性能にすることができる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば第１及び第２の実施形態において、導波路１０及び共振器１２を構成する物質はシリコンに限定されず、導波路として機能するのであれば、他の物質であってもよい。また、強誘電性液晶２０と共振器１２の間に配向膜を配置しても良い。
１０…導波路、１０ａ，１０ｂ…溝、１２…共振器、２０…強誘電性液晶、２２…電極、３０…電圧制御部、１００…基板、１０２…酸化シリコン膜、１０４…半導体膜、１０８…スペーサー、１１０…は以降膜、１２０…対向基板、２００…クロム膜、２１０…フォトレジスト膜
Claims (6)
- 導波路と、
それぞれが前記導波路を分断する２つの溝と、
前記２つの溝の間に位置する導波路上に形成された強誘電性液晶と、
前記強誘電性液晶の配向方向を制御する電極と、
を具備する光フィルタ。 - 前記溝はエッチングにより形成されている請求項１に記載の光フィルタ。
- 前記電極と前記強誘電性液晶の間に位置する配向膜を更に具備し、
前記強誘電性液晶は前記２つの溝の間に位置する導波路と直接接している請求項１又は２に記載の光フィルタ。 - 前記導波路は導電性を有しており、前記電極とともに前記強誘電性液晶の配向方向を制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の光フィルタ。
- 下地膜上に光透過性を有する透光膜を形成する工程と、
前記透光膜を選択的に除去することにより、導波路と、それぞれが前記導波路を分断する２つの溝とを形成する工程と、
前記２つの溝の間に位置する導波路上に強誘電性液晶を配置するとともに、前記強誘電性液晶の配向方向を制御する電極を配置する工程と、
を具備する光フィルタの製造方法。 - 前記透光膜は半導体膜である請求項５に記載の光フィルタの製造方法。
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