JP6356619B2

JP6356619B2 - 波長フィルタ

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Publication number: JP6356619B2
Application number: JP2015042150A
Authority: JP
Inventors: 平林　克彦; 克彦平林; 井藤　幹隆; 幹隆井藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: JP2016161845A

Description

本発明は、フィルタ波長が可変な導波路型の波長フィルタに関する。

光通信分野における基幹部品の１つに、可変は超フィルタがある。例えば、ファイバが接続されたファイバピッグテール型可変波長フィルタとして、透過波長が場所によって異なるフィルタを回転・移動して波長可変する可変波長フィルタがある。また、グレーティングを回転させる可変波長フィルタや、ピエゾを用いたＡＯ（Acoustic Optics）フィルタがある。また、エタロン干渉計のギャップをメカニカルに変え、液晶を充填して電圧制御する可変波長フィルタなどがある。また、面型の可変波長フィルタとしては、液晶を偏光子で挾んだ構成の可変波長フィルタなどがある。

しかし、透過スペクトル／バンド幅と可変波長幅は１００程度であり、スペクトル幅が狭く、消光比が高く、大きく可変できる可変波長フィルタはない。また、上述した可変波長フィルタは、波長が可変できるため、温度変化に対してもフィルタの透過波長が大きく変化してしまうという欠点を有していた。また、これらの可変波長フィルタは、消光比が低いという欠点があった。

一方、光通信で用いられる波長固定のフィルタであるアレイ導波路格子は、スペクトルバンド幅を非常に狭くすることも可能であり、スペクトルの形状を導波路の設計によって調整可能である。また、アレイ導波路格子は、フィルタの消光比は６０ｄＢ以上と非常に高く、広く通信の分野で用いられている。さらに、アレイ導波路格子に三角の溝を設け、樹脂を充填したアサーマルアレイ導波路格子は、温度が変化してもスペクトルの透過波長は変化しないという優れた特徴を有している（特許文献１参照）。

特許第３４３６９３７号公報

しかしながら、上述したアレイ導波路格子では、これまで固定のフィルタしか作製できなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、アレイ導波路格子によりフィルタ波長が可変な波長フィルタが構成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る波長フィルタは、クラッドおよびコアから構成されて基板の上に形成された導波路から構成され、一定の光路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路、アレイ導波路の光入出力端に接続された２つのスラブ導波路を備えたアレイ導波路格子と、アレイ導波路またはスラブ導波路に導波方向を横切る方向に延在して形成された溝部と、溝部の導波方向に向かい合う２つの側壁に形成された配向膜と、配向膜の内側の溝部に充填された液晶と、溝部が延在する長手方向を横切る方向の電界を液晶に印加する電界印加手段とを備え、溝部は、アレイ導波路の導波路長が長くなる外側ほど平面視の幅が広く形成されている。

上記波長フィルタにおいて、２つの溝部を備え、一方の溝部に充填された液晶の配向方向と、他方の溝部に充填された液晶の配向方向とは、導波方向に垂直な面上で互いに垂直な関係とされ、電界印加手段は、導波方向に電界を印加すればよい。

上記波長フィルタにおいて、電界印加手段は、基板の法線方向に電界を印加する構成としても良い。

上記波長フィルタは、複数の溝部を備え、隣り合う導波路の長さの差をΔＬ_WGとし、溝部の隣り合う導波路部分の幅の差をΔＬ_LCとしたとき、液晶を充填した溝部を備えるアレイ導波路格子のピーク波長λ_cを与える以下の式（Ａ）における整数ｍを用いた以下の式（Ｂ）を満足する。

上記波長フィルタにおいて、液晶は、ネマチック液晶または強誘電性液晶であればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、アレイ導波路格子によりフィルタ波長が可変な波長フィルタが構成できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における波長フィルタの構成を示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態１における波長フィルタの一部構成を示す断面図である。図３は、電極層１１３ａ，１１３ｂに対する電圧印加の構成を示す構成図である。図４は、液晶１１４の配向状態を説明するための説明図である。図５は、液晶１１４の配向状態を説明するための斜視図である。図６は、実施の形態１における波長フィルタの波長の電圧依存性を示す特性図である。図７は、本発明の実施の形態２における波長フィルタの構成を示す平面図である。図８は、本発明の実施の形態２における波長フィルタの一部構成を示す断面図である。図９は、液晶２１４の配向状態を説明するための説明図である。図１０は、実施の形態２における偏波毎の波長変化を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１，図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における波長フィルタの構成を示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態１における波長フィルタの一部構成を示す断面図である。なお、図２では、導波路断面を簡略化して示している。

この波長フィルタは、基板１０１の上に形成されたアレイ導波路１０２、アレイ導波路１０２の光入出力端に接続された２つのスラブ導波路１０３，スラブ導波路１０４を備えたアレイ導波路格子より構成されている。また、スラブ導波路１０３には入力用チャネル導波路１０５が接続している。一方、スラブ導波路１０４には、出力用チャネル導波路１０６が接続している。これらの導波路は、クラッドおよびコアから構成されて基板１０１の上に形成された導波路から構成されている。また、移相用のアレイ導波路１０２は、一定の光路長差を有する複数のチャネル導波路から構成されている。

また、この波長フィルタは、スラブ導波路１０３の導波方向１５１を横切る方向に延在して形成された溝部１１１ａ，１１１ｂを備える。実施の形態１では、スラブ導波路１０３に溝部１１１ａ，１１１ｂを備える場合について示しているが、これに限るものではなく、アレイ導波路１０２，スラブ導波路１０４に溝部を設けるようにしてもよい。

ここで、溝部１１１ａ，１１１ｂは、アレイ導波路１０２の導波路長が長くなる外側ほど平面視の幅が広く形成されている。例えば、平面視で三角形とされていれば良い。この場合、アレイ導波路１０２の導波路長が短くなる方向の内側端においては、幅が０となる。

また、溝部１１１ａ，１１１ｂの導波方向１５１に向かい合う２つの側壁には、配向膜１１２ａ，１１２ｂが形成され、配向膜１１２の内側の溝部１１１ａ，１１１ｂには、液晶１１４が充填されている。また、実施の形態１では、上述した向かい合う２つの側壁の各々において、配向膜１１２ａ，１１２ｂと側壁との間に、電極層１１３ａ，１１３ｂが形成されている。電極層１１３ａ，電極層１１３ｂにより、これらに挾まれた液晶１１４に電界を印加可能としている。これら電極層により、溝部１１１ａ，１１１ｂの溝が延在する長手方向を横切る方向の電界を液晶１１４に印加する電界印加手段を構成している。

上述した実施の形態１の波長フィルタは、アサーマルアレイ導波路格子のアサーマル溝に、樹脂の代わりに液晶を充填し、ここに電界を印加可能とした構成である。

ここで、実施の形態１における波長フィルタの製造方法について、簡単に説明する。まず、よく知られた作製技術により、基板１０１の上に、アレイ導波路１０２、スラブ導波路１０３、スラブ導波路１０４、入力用チャネル導波路１０５、出力用チャネル導波路１０６を形成する。例えば、シリコン細線導波路から構成する場合、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、埋め込み絶縁層を下部ラッドとし、表面シリコン層を公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングして各コア形状を形成し、この上に、酸化シリコンを堆積して上部クラッドとすれば良い。

次いで、所定の箇所に溝部を形成する。実施の形態１では、スラブ導波路１０３に、溝部１１１ａ，１１１ｂを形成する。次に、スパッタ法などにより全域に透明電極材料層を形成する。透明電極材料としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）であればよい。スパッタのプラズマの回り込みにより、溝部１１１ａ，１１１ｂの壁面にも透明電極材料の層が形成され、電極層１１３ａ，１１３ｂとなる。溝幅が５０μｍ以下で、溝深さが４０μｍ以上となると、透明電極材料は溝部１１１ａ，１１１ｂの底面では、膜が形成されるが、酸素不足により非常に高抵抗となり、壁面の電極層１１３ａ，１１３ｂは、ショートすることはない。

次に、光配向膜材料を回転塗布法により塗布し、乾燥および硬化させることで光配向膜を形成する。光配向膜材料としては、例えば、よく知られたポリイミドによる配向膜材料を標準条件で塗布した。回転塗布法により、均一に溝壁面に配向膜１１２ａ，１１２ｂが形成できる。

次に、基板１０１の平面の法線方向に対して斜め上２０°〜３０°の角度で、溝部１１１ａ，１１１ｂに水平および垂直な紫外線の直線偏波を照射する。この照射において、実施の形態１では、一方の溝部１１１ａには垂直、他方の溝部１１１ｂには水平の偏波を照射する。これらの照射領域の区別は、遮光マスクを用いて光を遮断して、各々片方のみに照射することで実施すれば良い。

光照射は空気中よりもガラスに屈折率が近い液体中で行うと、効率よくＵＶ光を溝壁面に照射できる。光照射が終了したら、導波路上に封止ガラスを配置し、周囲を樹脂封止する。次に、一部の封止ガラスに開けた穴から、液晶ディスプレイで用いられるネマチック液晶を溝部１１１ａ，１１１ｂに充填する。

充填した液晶１１４は、配向膜の配向方向に対して垂直に配向する。従って、溝部１１１ａの液晶１１４は、導波方向に垂直な面上で溝延在方向に配向し、溝部１１１ｂの液晶は、導波方向に垂直な面上で基板１０１に垂直な方向に配向する。なお、溝部１１１ａの液晶１１４の配向方向と、溝部１１１ｂの液晶１１４と配向方向は、導波方向に垂直な面上で互いに垂直な関係とされていれば良い。

以上の説明から分かるように、実施の形態１では、充填されている液晶の配向方向が互いに垂直な関係となっている１対の溝部１１１ａ，溝部１１１ｂを備え、各々の溝部において導波方向に電界が印加可能とされていることが重要である。なお、１対の溝部１１１ａ，溝部１１１ｂは、１組に限らず、複数組設けてもよい。また、図３の（ａ）に示すように、溝毎に分かれている電極層１１３ａ，１１３ｂに対し、直列に電圧を印加してもよく、図３の（ｂ）に示すように、各電極層１１３ａ，１１３ｂに対し、並列に電圧を印加してもよい。

上述したように各々配向している液晶１１４に、電極層１１３ａ，１１３ｂを用いて電圧（電界）を数Ｖ印加すると、図４，図５に示すように、液晶が傾く。図４の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、基板１０１平面に対して法線方向に配向している液晶１１４が、電圧印加によって傾いていく状態を示す、導波方向に垂直な断面図。また、図４の（ａ’），（ｂ’），（ｃ’），（ｄ’）は、液晶１１４が基板１０１の平面に平行な平面内で溝延在方向に配向している液晶が電圧印加によって傾いていく状態を示す、基板平面に平行な断面図である。また、図５の（ａ）は、溝延在方向に平行に配向している液晶分子５０１の状態を示す斜視図、図５の（ｂ）は、基板平面の法線方向に配向している液晶分子５０１の状態を示す斜視図である。

上述した各図により、電圧を印加することによって液晶が傾いていく様子が分かる。ここで、導波路に入った光にはＴＥとＴＭとがあり、ＴＥ偏波は溝に平行な液晶の屈折率を感じ、ＴＭ偏波は基板に垂直はな偏波を感じる。従って、どちらの偏波でも屈折率の変化を感じることにより、偏波無依存でフィルタの透過スペクトルを変えることができる。

液晶１１４の屈折率ｎｅの温度依存性は、ｄｎ／ｄＴ＝４〜１０×１０^-4であるので、以下の式（１）の関係を満足させることにより、アサーマルの効果を発現し、温度を変化させても波長は変化しないが、電圧を変えると波長が変化させることができる。

ΔＬ_WGは隣接導波路との光路長差、ΔＬ_LCは溝部における隣接導波路との光路長差、ｎ_eLCは液晶の異常光の屈折率、ｎ_cは導波路コアの屈折率、Ｔは温度である。

式（１）において、ｄｎ／ｄＴは、それぞれの屈折率の温度依存性であり、石英ガラスからなるコアのｄｎ／ｄＴは８×１０^-8／℃、液晶のｄｎ／ｄＴは−４〜−１０×１０^-6／℃である。従って、ΔＬ_WG／ΔＬ_LCを５０〜１００に設定することにより、液晶を充填しても、アサーマル化を図ることができる。

しかしアサーマルの条件内ではΔＬ_Lcを大きくできないので、可変波長幅は１０ｎｍ以下と制限される。

ここで、液晶をアサーマル溝に充填したアサーマルＡＷＧ（arrayed waveguide grating）の透過スペクトルのピーク波長は、以下の式（２）で与えられる。

ΔＬ_WGは隣り合う導波路の長さの差、ΔＬ_LCは、溝部の隣り合う導波路部分の幅の差、ｎｅ_LCは、溝部に充填されている液晶の異常光の屈折率、ｎ_cは導波路を構成するコアの屈折率である。また、ｍは、整数である。

例えば、通信波長帯では、各パラメータを次に示すように設定する。ΔＬ_WG＝３５μｍ、ΔＬ_LC＝３５／３４μｍ、ｍ＝３０〜３４，比較的Δｎの大きな液晶例えば、シアノ系ネマチック液晶（メルク社製 BL-009）の屈折率ｎｅ_LC＝１．８０９８，通常光の屈折率ｎｏ_LC＝１．５２８８であるので、電圧を印加すると屈折率は、１．８０９８〜１．５２８８に変化させることができる。通常、ピーク波長は１５２０〜１５６０ｎｍの範囲であるので、この範囲に入るのはｍ＝３４であることが分かる。

アサーマル条件から外れても構わなければ、ΔＬ_LCを大きくすると可変幅は大きくできる。可変波長幅を広くするには、このアサーマルの条件を取り払ってしまえば、可変波長幅を数１０ｎｍとすることもできる。液晶１１４としてメルク社製 BL-009を用い、波長が温度に依存しない条件とした場合の波長と印加電圧との関係を図６の（ａ）に示す。また波長が温度に依存する条件とした場合の波長と印加電圧との関係を図６の（ｂ）に示す。これらは、実施の形態１における波長フィルタの波長の電圧依存性である。温度無依存とすると、可変幅は約９ｎｍであり、温度無依存の条件としない場合、５０ｎｍ以上可変することができる。

上述した温度無為損の条件では、液晶の屈折率の温度依存性はアレイ導波路の石英ガラスの屈折率の温度依存性により補償されて、温度が変化しても波長は変化せず、電圧のみで透過波長は変化する。この場合、液晶と石英ガラスの温度依存性は互いに相殺される。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、いわゆるアサーマル溝に液晶を充填するようにしたので、アレイ導波路格子によりフィルタ波長が可変な波長フィルタが構成できるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図７，図８を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態２における波長フィルタの構成を示す平面図である。また、図８は、本発明の実施の形態２における波長フィルタの一部構成を示す断面図である。なお、図８では、導波路断面を簡略化して示している。

この波長フィルタは、基板２０１の上に形成されたアレイ導波路１０２、アレイ導波路１０２の光入出力端に接続された２つのスラブ導波路１０３，スラブ導波路１０４を備えたアレイ導波路格子より構成されている。また、スラブ導波路１０３には入力用チャネル導波路１０５が接続している。一方、スラブ導波路１０４には、出力用チャネル導波路１０６が接続している。これら導波路の構成は、前述した実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、スラブ導波路１０３の導波方向１５１を横切る方向に延在して形成された溝部２１１を備える。溝部２１１は、スラブ導波路１０３に形成している。なお、溝部２１１は、アレイ導波路１０２，スラブ導波路１０４に溝部を設けるようにしてもよい。

ここで、溝部２１１は、アレイ導波路１０２の導波路長が長くなる外側ほど平面視の幅が広く形成されている。例えば、平面視で三角形とされていれば良い。この場合、アレイ導波路１０２の導波路長が短くなる方向の内側端においては、幅が０となる。

また、溝部２１１の導波方向１５１に向かい合う２つの側壁には、配向膜１１２ａ，１１２ｂが形成され、配向膜１１２の内側の溝部２１１には、液晶２１４が充填されている。また、実施の形態２では、溝部２１１を形成したスラブ導波路１０３の上に電極層２０２を形成している。電極層２０２の上には、封止ガラス２０３を配置している。例えば、電極層２０２を形成した封止ガラス２０３を用いれば良い。

また、実施の形態２では、例えば導電性シリコンから基板２０１を構成し、基板２０１を、電極層２０２に対向する他方の電極としている。実施の形態２では、電極層２０２と基板２０１とにより、これらに挾まれた液晶２１４に電界を印加可能としている。これらの電極構造により、溝部２１１の溝が延在する長手方向を横切る方向の電界を液晶２１４に印加する電界印加手段を構成している。

上述した実施の形態２の波長フィルタも、アサーマルアレイ導波路格子のアサーマル溝に、樹脂の代わりに液晶を充填し、ここに電界を印加可能とした構成である。また、実施の形態２では、溝部２１１の延在する方向に液晶２１４を配向させる。この状態では、液晶２１４は、基板２０１の平面に平行に配向した状態となる。

前述した実施の形態１と同様に、溝部２１１を形成した後、光配向膜材料を塗布し、乾燥および硬化させることで光配向膜を形成し、紫外線照射により、液晶２１４を溝延在方向に光配向させる。また、基板２０１をグランド電極とし、電極層２０２に電圧を印加する。

実施の形態２において、電界を印加していない状態では、図９の（ａ）に示すように、基板２０１の平面に平行な方向に配向している。これに対し、電界を印加すると、印加した電圧（電界）が大きくなるにつれ、図９の（ｂ），（ｃ）と、配向方向が変化し、図９の（ｄ）に示すように、基板２０１の平面に対して法線方向に配向する。このため、ＴＥ偏波は、液晶２０１の屈折率が通常光ｎｏ→異常光ｎｅとなるように感じ、ＴＭ偏波は液晶の屈折率がｎｅ→ｎｏとなるように感じる。このため、実施の形態２におけるアレイ導波路格子は、ＴＥ，偏波とＴＭ偏波で透過波長が異なり、各々が電圧を印加するにしたがって、λ１→λ２、λ２→λ１と変化する。この変化を、図１０に示す。図１０において、（ａ）は、ＴＥ偏波の波長変化を示し、（ｂ）は、ＴＭ偏波の波長変化を示している。

以上に示したように、実施の形態２においても、いわゆるアサーマル溝に液晶を充填するようにしたので、アレイ導波路格子によりフィルタ波長が可変な波長フィルタが構成できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、アレイ導波路格子によりフィルタ波長が可変な波長フィルタが構成できるようになる。本発明では、従来のアサーマルＡＷＧの樹脂を充填するための溝部に液晶を充填し、電極を形成することより、温度が変化しても波長がシフトせず、電圧を印加すると波長が変化する導波路型可変の波長フィルタが実現できる。また、アサーマル条件としない場合においても、スペクトル幅が狭く、消光比が高いフィルタを５０ｎｍ以上可変できる可変波長フィルタを実現できる。また、実施の形態１に示したように、隣り合う溝部における液晶を、各々垂直に配向した状態とすることで、偏波無依存とすることができる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。導波路は、シリコン細線導波路に限らず、ガラス導波路から構成しても良いことは、言うまでも無い。また、液晶は、ネマチック液晶に限らず、強誘電性液晶であってもよい。

１０１…基板、１０２…アレイ導波路、１０３…スラブ導波路、１０４…スラブ導波路、１０５…入力用チャネル導波路、１０６…出力用チャネル導波路、１１１ａ，１１１ｂ…溝部、１１２ａ，１１２ｂ…配向膜、１１３ａ，１１３ｂ…電極層、１１４…液晶。

Claims

クラッドおよびコアから構成されて基板の上に形成された導波路から構成され、一定の光路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路、前記アレイ導波路の光入出力端に接続された２つのスラブ導波路を備えたアレイ導波路格子と、
前記アレイ導波路または前記スラブ導波路に導波方向を横切る方向に延在して形成された溝部と、
前記溝部の導波方向に向かい合う２つの側壁に形成された配向膜と、
前記配向膜の内側の前記溝部に充填された液晶と、
前記溝部が延在する長手方向を横切る方向の電界を前記液晶に印加する電界印加手段と
を備え、
前記溝部は、前記アレイ導波路の導波路長が長くなる外側ほど平面視の幅が広く形成され、
複数の前記溝部を備え、
隣り合う導波路の長さの差をΔＬ _WG とし、前記溝部の隣り合う導波路部分の幅の差をΔＬ _LC としたとき、
液晶を充填した前記溝部を備える前記アレイ導波路格子のピーク波長λ _c を与える以下の式（Ａ）における整数ｍを用いた以下の式（Ｂ）を満足する
ことを特徴とする波長フィルタ。
請求項１記載の波長フィルタにおいて、
２つの前記溝部を備え、
一方の前記溝部に充填された液晶の配向方向と、他方の前記溝部に充填された液晶の配向方向とは、導波方向に垂直な面上で互いに垂直な関係とされ、
前記電界印加手段は、導波方向に電界を印加する
ことを特徴とする波長フィルタ。
請求項１記載の波長フィルタにおいて、
前記電界印加手段は、前記基板の法線方向に電界を印加する
ことを特徴とする波長フィルタ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長フィルタにおいて、
前記液晶は、ネマチック液晶または強誘電性液晶である
ことを特徴とする波長フィルタ。