JP6476247B1 - 波長フィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】フォトニック結晶を利用した波長フィルタを提供する。
【解決手段】交互に直列に接続された、n個(nは2以上の整数)のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。モード変換部には、第1空孔群及び第2空孔群を含むフォトニック結晶が形成されている。空孔は、モード変換部の上面から厚さ方向の中途までモード変換部を掘り込んで形成されている。フォトニック結晶は、特定の波長λに対し、第1空孔群及び第2空孔群の周期をΛ、p(pはp≧0の整数)次モードに対する等価屈折率をnp、q(qはq≧0かつq≠pの整数)次モードに対する等価屈折率をnqとして、2π/Λ=2π(np+nq)/λを満たす。キャビティ部は、当該キャビティ部を伝播する、p次モードの特定の波長の光の位相を整合させる。
【選択図】図1
【解決手段】交互に直列に接続された、n個(nは2以上の整数)のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。モード変換部には、第1空孔群及び第2空孔群を含むフォトニック結晶が形成されている。空孔は、モード変換部の上面から厚さ方向の中途までモード変換部を掘り込んで形成されている。フォトニック結晶は、特定の波長λに対し、第1空孔群及び第2空孔群の周期をΛ、p(pはp≧0の整数)次モードに対する等価屈折率をnp、q(qはq≧0かつq≠pの整数)次モードに対する等価屈折率をnqとして、2π/Λ=2π(np+nq)/λを満たす。キャビティ部は、当該キャビティ部を伝播する、p次モードの特定の波長の光の位相を整合させる。
【選択図】図1
Description
近年、小型化や量産性に有利な光デバイスの開発に当たり、Si(シリコン)を導波路の材料として用いるSi導波路が注目を集めている。
Si導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Siを材料として形成する。そして、Siよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば1μm程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。
また、Si導波路では、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合(シリコンフォトニクス)の実現が期待されている。
ところで、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplex)方式を利用した受動型光加入者ネットワーク(PON:Passive Optical Network)では、加入者側装置(ONU:Optical Network Unit)毎に異なる受信波長が割り当てられる。局側装置(OLT:Optical Line Terminal)は、各ONUへの下り光信号を、送り先の受信波長に対応した送信波長でそれぞれ生成し、これらを多重して送信する。各ONUは、複数の波長で多重された下り光信号から、自身に割り当てられた受信波長の光信号を選択的に受信する。ONUでは、各々の受信波長の下り光信号を選択的に受信するために、波長フィルタが使用される。そして、波長フィルタを、上述したSi導波路によって構成する技術が実現されている。
Si導波路を用いる波長フィルタとしては、例えば、マッハツェンダー干渉器を用いたものやアレイ導波路グレーティングを用いたものがある。また、Si導波路を用いる波長フィルタとして、リング共振器(例えば特許文献1〜3参照)や、グレーティング型(例えば特許文献4参照)又は方向性結合器型(例えば特許文献5参照)の波長フィルタがある。これらの波長フィルタは、電極を設け、電極の発熱を利用することによって、出力波長を可変にできるという利点がある。
ここで、グレーティング型又は方向性結合器型の波長フィルタでは、出力光の波長ピークが単峰性である。これに対し、リング共振器は、出力光の波長ピークが多峰性である。そのため、リング共振器では、出力光の複数の波長ピークを利用したバーニア効果によって、波長可変域を拡大することができるという利点がある。さらに、グレーティングと同様に、光を回折させることによって、特定の波長を逆方向に反射させる素子として、フォトニック結晶と呼ばれる構造がある。
フォトニック結晶は高い回折効率を有するため、波長フィルタとして利用した場合、高効率に波長分離できることが期待される。しかしながら、従来のフォトニック結晶は、基本モード間の逆方向への回折を行う構造であり、機能が限られている。そして、入力された光を異なるモードに変換して反射するフォトニック結晶については知られておらず、フォトニック結晶を波長フィルタに利用した例はなかった。
そこで、この発明の目的は、フォトニック結晶を利用した波長フィルタを提供することにある。
上述した目的を達成するために、この発明による波長フィルタは、交互に直列に接続された、n個(nは2以上の整数)のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。モード変換部は、第1仮想線分、及び第1仮想線分と離間しかつ平行な第2仮想線分に沿い、かつ第1仮想線分及び第2仮想線分と重なる位置に、第1仮想線分及び第2仮想線分の延在方向とこのモード変換部の光伝播方向を一致させて設けられている。モード変換部には、第1仮想線分と重なる位置に配列して周期的に形成された複数の空孔を含む第1空孔群、及び第2仮想線分と重なる位置に配列して、第1空孔群と同一周期で形成された複数の空孔を含む第2空孔群を含むフォトニック結晶が形成されている。第1空孔群及び第2空孔群に含まれる空孔は、モード変換部の上面から、このモード変換部の厚さに対して55%の掘り込み深さで、このモード変換部を掘り込んで形成されており、空孔の内壁面は、モード変換部の側面と不連続である。フォトニック結晶は、特定の波長λに対し、第1空孔群及び第2空孔群の周期をΛ、p(pはp≧0の整数)次モードに対する等価屈折率をnp、q(qはq≧0かつq≠pの整数)次モードに対する等価屈折率をnqとして、2π/Λ=2π(np+nq)/λを満たす。キャビティ部は、当該キャビティ部を伝播する、p次モードの特定の波長の光の位相を整合させる。
この発明の波長フィルタでは、モード変換部に、2列の空孔群(第1空孔群及び第2空孔群)を含むフォトニック結晶を形成することによって、特定の波長のp次モード及びq次モードの一方の光を、他方のモードの光に変換して反射することができる。そして、この発明の波長フィルタは、キャビティ部を伝播する光のうち、キャビティ部の長さに応じて位相が整合する波長の光を出力する、波長フィルタとして使用することができる。
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
(第1の波長フィルタ)
図1を参照して、この発明の第1の実施の形態による波長フィルタ(以下、第1の波長フィルタとも称する)について説明する。図1(A)は、第1の波長フィルタを示す概略的平面図である。図1(B)は、図1(A)に示す第1の波長フィルタをI−I線で切り取った概略的端面図である。図1(C)は、図1(A)に示す第1の波長フィルタをII−II線で切り取った概略的端面図である。なお、図1(A)では、後述する光導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。
図1を参照して、この発明の第1の実施の形態による波長フィルタ(以下、第1の波長フィルタとも称する)について説明する。図1(A)は、第1の波長フィルタを示す概略的平面図である。図1(B)は、図1(A)に示す第1の波長フィルタをI−I線で切り取った概略的端面図である。図1(C)は、図1(A)に示す第1の波長フィルタをII−II線で切り取った概略的端面図である。なお、図1(A)では、後述する光導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。
なお、以下の説明では、各構成要素について、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。
第1の波長フィルタ100は、支持基板10、クラッド20、光導波路コア30及び電極40を備えて構成されている。
支持基板10は、例えば単結晶シリコン(Si)を材料とした平板状体で構成されている。
クラッド20は、支持基板10上に、支持基板10の上面10aを被覆し、かつ光導波路コア30を包含して形成されている。クラッド20は、例えば酸化シリコン(SiO2)を材料として形成されている。
光導波路コア30は、クラッド20よりも高い屈折率を有する例えばSiを材料として形成されている。その結果、光導波路コア30は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が光導波路コア30の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア30は、伝播する光が支持基板10へ逃げるのを防止するために、支持基板10から例えば少なくとも1μm以上離間して形成されているのが好ましい。
また、ここでは、光導波路コア30の厚さは、厚さ方向でシングルモード条件を達成すべく、例えば200〜500nmとするのが好ましい。
また、光導波路コア30は、入力導波路部31、入力側テーパ部32、第1モード変換部33、キャビティ部34、第2モード変換部35、出力側テーパ部36及び出力導波路部37がこの順に直列に接続されて構成されている。
入力導波路部31は、TE(Transverse Electric)偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、入力導波路部31は、基本モードの光を伝播させる。
入力側テーパ部32は、入力導波路部31と接続された一端32aから、第1モード変換部33と接続された他端32bへ、連続的に幅が拡大する。そして、入力側テーパ部32の一端32aの幅は、入力導波路部31の幅と等しく設定されている。従って、入力側テーパ部32は、一端32aにおいて、TE偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成するように設定されている。
第1モード変換部33は、第1点P1と第2点P2とを結ぶ第1仮想線分L1、第3点P3と第4点P4とを結ぶ第2仮想線分L2に沿い、かつこれら第1仮想線分L1及び第2仮想線分L2と重なる位置に設けられている。なお、第2仮想線分L2は、第1仮想線分L1と平行である。
第1モード変換部33にはフォトニック結晶が形成されている。フォトニック結晶は、第1モード変換部33に、第1空孔群61及び第2空孔群62が形成されることによって構成される。
第1空孔群61は、第1仮想線分L1と重なる位置に配列して周期的に形成された複数の空孔51を含む。また、第2空孔群62は、第2仮想線分L2と重なる位置に配列して、第1空孔群61と同一周期で形成された複数の空孔52を含む。そして、第1空孔群61に含まれる空孔51と第2空孔群62に含まれる空孔52とは、互いに半周期ずれた位置に形成されている。
空孔51及び52は、第1モード変換部33の上面33aからこの第1モード変換部33の厚さ方向の中途まで、第1モード変換部33を掘り込んで形成されている。また、ここでは、空孔51及び52は、厚さ方向に直交する断面形状が円形とされている。
フォトニック結晶は、入力される特定の波長のTE偏波の光を、基本モードから1次モードに変換して反射する。また、フォトニック結晶は、その他の波長の光を、基本モードのままで透過させる。
フォトニック結晶における位相整合条件は、空孔51及び52の形成周期をΛ、基本モードのTE偏波に対する等価屈折率をn0、1次モードのTE偏波に対する等価屈折率n1として、下式(1)で表される。
2π/Λ=2π(n0+n1)/λ ・・・(1)
フォトニック結晶では、上式(1)が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長のTE偏波がブラッグ反射される。従って、第1モード変換部33の幅、空孔51及び52の周期は、所望の反射すべき波長λに対して上式(1)が成立するように設計される。
フォトニック結晶では、上式(1)が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長のTE偏波がブラッグ反射される。従って、第1モード変換部33の幅、空孔51及び52の周期は、所望の反射すべき波長λに対して上式(1)が成立するように設計される。
ここで、フォトニック結晶の変形例として、空孔51及び52がそれぞれ固有の直径を持ち、直径に少なくとも2以上の値がある構成とすることができる。図2を参照して、フォトニック結晶の変形例について説明する。図2は、フォトニック結晶の変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図2では、クラッド、支持基板及び電極を省略して示してある。
図2に示す構成例では、第1周期目の空孔51及び52の直径に対して、周期ごとに直径が増加する。空孔51及び52の直径は、モード変換部38の長さ方向における中心付近の空孔51及び52で最大となる。そして、空孔51及び52の直径は、最大となる空孔51及び52以降減少する。
このように、空孔51及び52の直径が異なる値を持つことによって、フォトニック結晶における光の散乱を抑制することができる。なお、空孔51及び52の直径の変化量は、反射すべき波長λ及び回折効率に応じて設計される。
第2モード変換部35には、第1モード変換部33と同様のフォトニック結晶が全域に渡って形成されている。このフォトニック結晶により、第2モード変換部35は、入力される特定の波長のTE偏波の伝播光を、基本モードから1次モードに変換して反射する。また、第2モード変換部35は、その他の波長の伝播光を、基本モードのままで透過させる。
フォトニック結晶が形成された第2モード変換部35の幅、空孔51及び52の周期、並びに空孔51及び52の直径は、第1モード変換部33のフォトニック結晶と同じ条件で、反射すべき波長λに対して上式(1)を満たすように設計される。
なお、第1モード変換部33と第2モード変換部35とで、フォトニック結晶の空孔51及び52の個数を異ならせることもできる。
出力側テーパ部36は、第2モード変換部35と接続された一端36aから、出力導波路部37と接続された他端36bへ、連続的に幅が縮小する。そして、出力側テーパ部36の他端36bの幅は、出力導波路部37の幅と等しく設定されている。出力側テーパ部36は、他端36bにおいて、TE偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成するように設定されている。
出力導波路部37は、TE偏波に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、出力導波路部37は、基本モードの光を伝播させる。
電極40は、クラッド20を介して、キャビティ部34を被覆する位置に形成される。電極40に電流を流すことでジュール熱を発生させることができる。そして、この発熱による熱光学効果によって、キャビティ部34の屈折率を変化させることができる。その結果、キャビティ部34によって位相整合させる波長を変化させることができる。
第1の波長フィルタ100では、入力導波路部31から入力され、第1モード変換部33を透過するTE偏波、及び第2モード変換部35のフォトニック結晶で反射され、さらに第1モード変換部33で反射されるTE偏波のうち、キャビティ部34の長さに応じて位相が整合する波長の光が、出力導波路部37から出力される。
一方、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶によってモード変換されつつ反射された1次モードのTE偏波の伝播光のうち、キャビティ部34の長さに応じて位相が整合する波長の光が、入力側テーパ部32に入力される。反射光は、入力側テーパ部32を、入力導波路部31に向かって伝播する。しかし、上述したように、入力側テーパ部32の一端32aの幅は、TE偏波に対してシングルモード条件を満たすように設定されている。そのため、反射光は、入力導波路部31に移行することなく放射する。
従って、第1の波長フィルタ100は、キャビティ部34によって位相整合する、特定の波長の光を取り出す波長フィルタとして使用することができる。
また、キャビティ部34を、基本モード及び回折された1次モードの光に対してπの整数倍の位相が生じる長さとすることによって、キャビティ部34を伝播する基本モード及び回折された1次モードの光に対して、複数の波長の位相を整合させることができる。従って、第1の波長フィルタ100は、出力光の波長ピークを多峰性とすることができる。
また、第1の波長フィルタ100では、電極40を用いてキャビティ部34に熱を与えることができる。そのため、キャビティ部34が位相整合させる波長を変化させることができる。従って、第1の波長フィルタ100は、出力波長が可変である。
また、第1の波長フィルタ100は、リング共振器と等価な波長フィルタと見なすことができる。この場合、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶が、リング共振器の方向性結合器部分に対応する。また、キャビティ部34が、リング共振器のリング導波路部分に対応する。ここで、リング共振器は、方向性結合器部分において作製誤差の影響を受けやすい。これに対し、第1の波長フィルタ100は、方向性結合器を構成として含まない。従って、第1の波長フィルタ100は、リング共振器と等価な機能を有しつつ、リング共振器と比べて作製誤差の影響を受けにくい。
さらに、第1の波長フィルタ100では、フォトニック結晶の空孔51及び52は、第1モード変換部33及び第2モード変換部35を貫通させずに、第1モード変換部33及び第2モード変換部35の厚さ方向の中途まで掘り込んで形成されている。この結果、出力光の波長ピークに分裂が生じるのを防ぐことができる。
なお、この実施の形態では、第1の波長フィルタ100が、TE偏波に対して特定の波長の光を出力する構成について説明した。しかし、第1の波長フィルタ100は、TM(Transverse Magnetic)偏波に対して特定の波長の光を出力する構成とすることもできる。その場合には、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶を、反射すべき波長λに応じ、TM偏波に対して上式(1)が成立するように設計する。また、空孔51及び52の、厚さ方向に直交する断面形状を円形以外とすることができる。そして、キャビティ部34を伝播するTM偏波のうち、出力導波路部37から出力させる波長が位相整合するように、キャビティ部34の長さを設定する。
また、この実施の形態では、第1の波長フィルタ100が、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶において、特定の波長の伝播光を、基本モードから1次モードに変換して反射する構成について説明した。しかし、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶が、p次モード(pはp≧0の整数)の特定の波長の光を、q次モード(qはq>pの整数)に変換して反射する構成とすることもできる。その場合には、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶における位相整合条件は、空孔51及び52の形成周期をΛ、p次モードの光に対する等価屈折率をnp、q次モードの光に対する等価屈折率をnqとして、下式(2)で表される。
2π/Λ=2π(np+nq)/λ ・・・(2)
フォトニック結晶では、上式(2)が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長の光がブラッグ反射される。フォトニック結晶は、TE偏波又はTM偏波について、反射すべき波長λに対して上式(2)が成立するように設計される。そして、キャビティ部34を伝播するp次モードの光のうち、出力導波路部37から出力させる波長が位相整合するように、キャビティ部34の長さを設定する。さらに、入力側テーパ部32の一端32aの幅を、p次モードに対応する幅に設定することによって、q次モードの反射光を、入力導波路部31に移行することなく放射させることができる。
フォトニック結晶では、上式(2)が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長の光がブラッグ反射される。フォトニック結晶は、TE偏波又はTM偏波について、反射すべき波長λに対して上式(2)が成立するように設計される。そして、キャビティ部34を伝播するp次モードの光のうち、出力導波路部37から出力させる波長が位相整合するように、キャビティ部34の長さを設定する。さらに、入力側テーパ部32の一端32aの幅を、p次モードに対応する幅に設定することによって、q次モードの反射光を、入力導波路部31に移行することなく放射させることができる。
また、この実施の形態では、光導波路コア30が、2つのモード変換部(第1モード変換部33及び第2モード変換部35)と1つのキャビティ部34を含む構成について説明した。しかし、光導波路コア30が、n個(nは2以上の整数)のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む構成とすることもできる。図3を参照して、第1の波長フィルタの変形例として、n個のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む場合の構成について説明する。図3は、n個のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む第1の波長フィルタの変形例(波長フィルタ150)の概略的平面図である。なお、図3では、クラッド、支持基板及び電極を省略して示してある。
n個のモード変換部160とn−1個のキャビティ部165とは、入力側テーパ部32及び出力側テーパ部36間で、交互に直列に接続される。
各モード変換部160には、上述した第1モード変換部33及び第2モード変換部35と同様のフォトニック結晶が全域に渡って形成されている。このフォトニック結晶により、各モード変換部160は、入力される特定の波長の伝播光を、p次モードからq次モードに変換して反射する。また、各モード変換部160は、その他の波長の伝播光を、p次モードのままで透過させる。各モード変換部160のフォトニック結晶の空孔51及び52の周期は、共通の条件で、反射すべき波長λに対して上式(2)を満たすように設計される。
なお、各モード変換部160におけるフォトニック結晶の空孔51及び52の個数は、一部又は全部が異なるように設定することができる。この場合には、透過光の波長ピークのフラットトップ特性を向上させることができる。
各キャビティ部165は、これら各キャビティ部165を伝播するTE偏波のうち、キャビティ部165の長さに応じた特定の波長の光の位相を整合させる。
このように、モード変換部160及びキャビティ部165を多段に接続することによって、出力導波路部37から出力される光の波長ピークのフラットトップ特性を向上させることができる。
(特性評価)
発明者は、FDTD(Finite Differential Time Domain)を用いて、第1の波長フィルタ100の特性を評価する第1、第2及び第3のシミュレーションを行った。
発明者は、FDTD(Finite Differential Time Domain)を用いて、第1の波長フィルタ100の特性を評価する第1、第2及び第3のシミュレーションを行った。
このシミュレーションでは、図1に示す構成例の第1の波長フィルタ100の第1モード変換部33、キャビティ部34及び第2モード変換部35について、第1モード変換部33に基本モードのTE偏波を入力し、第1モード変換部33及び第2モード変換部35を透過して出力される出力光(透過光)、及び第1モード変換部33及び第2モード変換部35で反射されて出力される出力光(反射光)の強度を解析した。
また、このシミュレーションでは、第1モード変換部33及び第2モード変換部35において、第1モード変換部33及び第2モード変換部35を厚さ方向に貫通して空孔51及び52を形成した比較用波長フィルタについても同様の解析を行った。そして、第1の波長フィルタ100と比較用波長フィルタとで特性を比較した。
以下のように第1の波長フィルタ100の第1モード変換部33、キャビティ部34及び第2モード変換部35を設計した。すなわち、光導波路コア30を、全体的に厚さを200nmとした。また、第1モード変換部33、キャビティ部34及び第2モード変換部35の幅を一定の1000nmとした。また、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶における空孔51及び52それぞれの個数を20個、空孔51及び52の形成周期Λを394nm、空孔51と空孔52との中心間距離Dを500nm、空孔51及び52の直径を100nmとした。また、空孔51及び52を、第1モード変換部33及び第2モード変換部35の上面から、厚さ方向に110nmまでの掘り込み深さで形成した。また、キャビティ部34の長さを9850nmとした。
一方、比較用波長フィルタは、空孔51及び52を、第1モード変換部33及び第2モード変換部35を厚さ方向に貫通して形成した。その他の設計条件については、第1の波長フィルタ100と同様とした。
シミュレーションの結果を、図4(A)及び(B)に示す。図4(A)及び(B)では、縦軸に、出力光の強度をdB目盛で、また、横軸に波長をμm単位でとって示してある。図4(A)における曲線401及び図4(B)における曲線501は、基本モードのTE偏波の透過光の強度を示している。また、図4(A)における曲線403及び図4(B)における曲線503は、基本モードのTE偏波の反射光の強度を示している。また、図4(A)における曲線405及び図4(B)における曲線505は、1次モードのTE偏波の反射光の強度を示している。
図4(A)に示すように、第1の波長フィルタ100では、基本モードのTE偏波の透過光として、複数のフラットトップの波長ピークが確認できる。そして、これら透過光の波長ピークは、分裂が抑えられ、シャープな形状となっていることが確認される。また、基本モードのTE偏波の透過光の波長において、1次モードのTE偏波の反射光の強度は、十分に抑えられていることが確認できる。また、基本モードのTE偏波の反射光の強度も、十分に抑えられていることが確認できる。
一方、図4(B)に示すように、比較用波長フィルタでは、第1の波長フィルタ100と比較して、透過光の波長ピークに分裂が生じていることが確認された。
この結果より、フォトニック結晶の空孔51及び52の掘り込み深さを、第1モード変換部33及び第2モード変換部35の厚さ方向の中途までとすることによって、出力される透過光の波長ピークの分裂が抑えられることが確認された。
(第2の波長フィルタ)
図5を参照して、この発明の第2の実施の形態による波長フィルタ(以下、第2の波長フィルタとも称する)について説明する。図5は、第2の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図5では、光導波路コア及び後述する出力導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。また、第1の波長フィルタ100と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図5を参照して、この発明の第2の実施の形態による波長フィルタ(以下、第2の波長フィルタとも称する)について説明する。図5は、第2の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図5では、光導波路コア及び後述する出力導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。また、第1の波長フィルタ100と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
第2の波長フィルタ200は、上述した第1の波長フィルタ100に、出力導波路コア70を追加して構成されている。
また、光導波路コア90は、第1の波長フィルタ100の光導波路コア30(図1参照)に追加して、入力側テーパ部32と第1モード変換部33との間に、これら入力側テーパ部32及び第1モード変換部33と直列に接続された多モード導波路部39を含んでいる。
多モード導波路部39は、基本モード及び1次モードのTE偏波を伝播させる。
出力導波路コア70は、光導波路コア90と同様に、クラッド20よりも高い屈折率を有する例えばSiを材料として形成されている。また、出力導波路コア70は、伝播する光が支持基板10へ逃げるのを防止するために、支持基板10から例えば少なくとも1μm以上離間して形成されているのが好ましい。
ここでは、出力導波路コア70の厚さは、厚さ方向でシングルモード条件を達成すべく、例えば200〜500nmとするのが好ましい。
また、出力導波路コア70は、結合部71と出力部72とを含んでいる。
結合部71は、光導波路コア90の多モード導波路部39と、互いに離間し、かつ並んで配置されている。そして、光導波路コア90の多モード導波路部39と、出力導波路コア70の結合部71とが、互いに離間しかつ並んで配置された結合領域80として設定されている。なお、出力部72は、結合領域80を挟んで、第1モード変換部33と反対側で結合部71と接続されている。
結合領域80において、多モード導波路部39及び結合部71は、それぞれの中心軸が平行となるように配設されている。
また、結合部71は、一端71aから出力部72と接続された他端71bへ、幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。結合部71の一端71a及び他端71bの幅は、基本モードのTE偏波を伝播可能な等価屈折率に対応して設定されている。そして、結合部71は、一端71aから他端71bまでの間に、多モード導波路部39を伝播する1次モードのTE偏波に対する等価屈折率と、結合部71を伝播する基本モードのTE偏波に対する等価屈折率とが一致する幅を含んでいる。
その結果、結合領域80では、多モード導波路部39を伝播する1次モードのTE偏波と、結合部71を伝播する基本モードのTE偏波とを結合することができる。
出力部72は、TE偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。
ここで、図5では省略しているが、光導波路コア90及び出力導波路コア70は、上述した第1の波長フィルタ100と同様にクラッドによって包含されている。また、クラッドを介してキャビティ部34を被覆する位置に、キャビティ部34に熱を与えるための電極が形成されている。
第2の波長フィルタ200では、基本モードの光信号が、光導波路コア90の入力導波路部31に入力され、入力側テーパ部32及び多モード導波路部39を経て第1モード変換部33に送られる。
第1モード変換部33を透過するTE偏波、及び第2モード変換部35のフォトニック結晶で反射され、さらに第1モード変換部33で反射されるTE偏波のうち、キャビティ部34の長さに応じて位相が整合する波長の光が、出力導波路部37から出力される。
一方、第1モード変換部33及び第2モード変換部35のフォトニック結晶によってモード変換されつつ反射された1次モードのTE偏波の伝播光のうち、キャビティ部34の長さに応じて位相が整合する波長の光が、多モード導波路部39に入力される。
多モード導波路部39を伝播する1次モードのTE偏波は、結合領域80において、基本モードに変換されつつ、出力導波路コア70の結合部71へ移行する。結合部71へ移行した基本モードのTE偏波は、出力部72から出力される。
このように、第2の波長フィルタ200は、特定の波長とその他の波長とを分離し、経路を切り替えて取り出す波長フィルタとして使用することができる。そして、第1モード変換部33及び第2モード変換部35においてフォトニック結晶を利用することによって、高い回折効率で特定の波長の光を反射させることができる。従って、高効率に波長分離及び経路切替を行うことができる。
なお、この実施の形態では、第2の波長フィルタ200が、TE偏波に対して特定の波長の経路を切り替える構成について説明した。しかし、第2の波長フィルタ200は、TM偏波に対して特定の波長の光を出力する構成とすることもできる。その場合には、モード変換部のフォトニック結晶を、反射すべき波長λに応じ、TM偏波に対して上式(1)が成立するように設計する。これによって、フォトニック結晶により、特定の波長の基本モードのTM偏波を、1次モードに変換して反射することができる。その場合には、第2の波長フィルタ200を、TM偏波に対して、経路切替を行う波長フィルタとして使用することができる。
また、この実施の形態では、モード変換部のフォトニック結晶において、特定の波長の光を、基本モードから1次モードに変換して反射する構成について説明した。しかし、上式(2)を満たすようにフォトニック結晶を形成することによって、フォトニック結晶が、p次モードの特定の波長の光を、q次モードに変換して反射する構成とすることもできる。
また、結合領域80において、多モード導波路部39及び結合部71間で結合する光についても、基本モードと1次モードとに限定されない。結合部71の一端71a及び他端71bの幅を、r(rはr≧0の整数)次モードの光を伝播可能な等価屈折率に対応して設定し、結合部71が、一端71aから他端71bまでの間に、多モード導波路部39を伝播するq次モードの光に対する等価屈折率と、結合部71を伝播するr次モードの光に対する等価屈折率とが一致する幅を含むように設計することもできる。その場合には、結合領域80において、多モード導波路部39を伝播するq次モードの光と、結合部71を伝播するr次モードの光とを結合することができる。
さらに、この実施の形態では、光導波路コア90が、2つのモード変換部(第1モード変換部33及び第2モード変換部35)と1つのキャビティ部34を含む構成について説明した。しかし、第1の波長フィルタ100と同様に、光導波路コア90が、n個(nは2以上の整数)のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む構成とすることもできる(図3参照)。
(製造方法)
上述した第1の波長フィルタ100及び第2の波長フィルタ200は、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、一例として第1の波長フィルタ100の製造方法について説明する。
上述した第1の波長フィルタ100及び第2の波長フィルタ200は、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、一例として第1の波長フィルタ100の製造方法について説明する。
すなわち、まず、支持基板層、SiO2層、及びSi層が順次積層されて構成されたSOI基板を用意する。次に、例えばエッチング技術を用い、Si層をパターニングすることによって、光導波路コア30を形成する。この際、フォトニック結晶の空孔については、ハーフエッチングにより、Si層を厚さ方向の中途まで掘り込むことで形成する。その結果、支持基板10としての支持基板層上にSiO2層が積層され、さらにSiO2層上に光導波路コア30が形成された構造体を得ることができる。次に、例えば化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法を用いて、SiO2層上に、SiO2を、光導波路コア30を被覆して形成する。その結果、SiO2のクラッド20によって光導波路コア30が包含される。次に、クラッド20上に電極40を形成して、第1の波長フィルタ100を製造することができる。
10:支持基板
20:クラッド
30,90:光導波路コア
31:入力導波路部
32:入力側テーパ部
33:第1モード変換部
34:キャビティ部
35:第2モード変換部
36:出力側テーパ部
37:出力導波路部
38:モード変換部
39:多モード導波路部
40:電極
51,52:空孔
61:第1空孔群
62:第2空孔群
70:出力導波路コア
71:結合部
72:出力部
80:結合領域
100:第1の波長フィルタ
150:変形例に係る第1の波長フィルタ
200:第2の波長フィルタ
20:クラッド
30,90:光導波路コア
31:入力導波路部
32:入力側テーパ部
33:第1モード変換部
34:キャビティ部
35:第2モード変換部
36:出力側テーパ部
37:出力導波路部
38:モード変換部
39:多モード導波路部
40:電極
51,52:空孔
61:第1空孔群
62:第2空孔群
70:出力導波路コア
71:結合部
72:出力部
80:結合領域
100:第1の波長フィルタ
150:変形例に係る第1の波長フィルタ
200:第2の波長フィルタ
Claims (5)
- 交互に直列に接続された、n個(nは2以上の整数)のモード変換部とn−1個のキャビティ部とを含む光導波路コアと、
前記光導波路コアを包含するクラッドと
を備え、
前記モード変換部は、第1仮想線分、及び前記第1仮想線分と離間しかつ平行な第2仮想線分に沿い、かつ前記第1仮想線分及び前記第2仮想線分と重なる位置に、前記第1仮想線分及び前記第2仮想線分の延在方向と当該モード変換部の光伝播方向を一致させて設けられ、
前記モード変換部には、前記第1仮想線分と重なる位置に配列して周期的に形成された複数の空孔を含む第1空孔群、及び前記第2仮想線分と重なる位置に配列して、前記第1空孔群と同一周期で形成された複数の空孔を含む第2空孔群を含むフォトニック結晶が形成されており、
前記第1空孔群及び前記第2空孔群に含まれる前記空孔は、前記モード変換部の上面から、該モード変換部の厚さに対して55%の掘り込み深さで、該モード変換部を掘り込んで形成されており、前記空孔の内壁面は、前記モード変換部の側面と不連続であり、
前記フォトニック結晶は、特定の波長λに対し、前記第1空孔群及び前記第2空孔群の周期をΛ、p(pはp≧0の整数)次モードに対する等価屈折率をnp、q(qはq≧0かつq≠pの整数)次モードに対する等価屈折率をnqとして、2π/Λ=2π(np+nq)/λを満たし、
前記キャビティ部は、当該キャビティ部を伝播する、p次モードの特定の波長の光の位相を整合させる
ことを特徴とする波長フィルタ。 - 前記第1空孔群及び前記第2空孔群に含まれる空孔はそれぞれ固有の直径を持ち、該直径には、少なくとも2以上の値がある
ことを特徴とする請求項1に記載の波長フィルタ。 - 前記クラッドを介して前記キャビティ部を被覆する位置に、前記キャビティ部に熱を与えるための電極が形成されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の波長フィルタ。 - 前記光導波路コアは、最端に配置された前記モード変換部に直列に接続された入力側テーパ部をさらに含み、
前記入力側テーパ部は、一端から前記最端に配置されたモード変換部と接続された他端へ、連続的に幅が拡大し、
前記入力側テーパ部の一端は、p次モードに対応する幅に設定されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の波長フィルタ。 - 結合部を含む出力導波路コアをさらに備え、
前記光導波路コアは、前記モード変換部と直列に接続され、p次モード及びq次モードの光を伝播させる多モード導波路部をさらに含み、
前記クラッドは、前記光導波路コア及び前記出力導波路コアを包含し、
前記多モード導波路部と前記結合部とが、互いに離間しかつ並んで配置された結合領域が設定されており、
前記結合領域では、前記多モード導波路部を伝播するq次モードの光と、前記結合部を伝播するr(rはr≧0の整数)次モードの光とが結合される
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の波長フィルタ。
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