JPWO2008041448A1 - 音響光学フィルタ - Google Patents

Abstract

基板（１０）の上に光導波路（１１，１２）を形成し、基板表面に光学的に光導波路（１１，１２）より低屈折率の薄膜（１３）を形成し、この薄膜（１３）の上に弾性表面波導波路（１６）を、光導波路（１１，１２）を斜めに過るように形成する。光導波路（１１，１２）はＳＡＷ導波路（１６）の位置に直接影響されずに光導波路の位相整合条件が変化せず、ＳＡＷ強度重み付けによる光学フィルタのサイドローブ特性が悪化することがない。

Description

この発明は、音響光学効果を利用した音響光学フィルタに関するものである。

近年のインターネットの爆発的な普及や企業内ＬＡＮ間間接需要の急増等データトラフィックが急速に増大している。それに伴い、大容量通信が可能な光通信は基幹系をはじめアクセス系にまで普及し始めている。光通信の大容量化には、光伝送速度の高速化や光波長多重化がある。光波長多重化を実現するための重要な構成部品として光波長フィルタがある。これは、ある特定波長の光をフィルタリングするものであり、光波長多重通信のキーデバイスである。高密度に多重化する場合、特定の波長をフィルタリングする際、隣接チャンネルは遮断する必要がある。そのために、必要な光波長フィルタのフィルタ特性は隣接チャンネルをある程度以上遮断するような低サイドローブであることが必要になる。

上記サイドローブを抑圧するようにした音響光学フィルタは特許文献１，２に示されている。

図１は特許文献１に示されている音響光学フィルタの構成を示す平面図である。この音響光学フィルタは、ｘカットのＬｉＮｂＯ₃基板１１０にｙ軸方向に延びる光導波路１１１，１１２が形成されている。この光導波路１１１，１１２の上に、光学的に透明で基板１１０よりも屈折率が低い薄膜からなるＳＡＷ導波路１１８が光導波路１１１，１１２を斜めに過ぎるように形成されている。

ＳＡＷ導波路１１８の一方の端部には弾性表面波を発生させる櫛型電極からなるトランスデューサ１１５が形成されている。また、ＳＡＷ導波路１１８の一方の端部との間でトランスデューサ１１５を挟む位置にレジストからなるＳＡＷ吸収体１１９が形成されている。さらに、ＳＡＷ導波路１１８の他方の端部（終点）にレジストからなるＳＡＷ吸収体１２０が形成されている。

このように光導波路１１１，１１２に対して斜めに交差するようにＳＡＷ導波路を配置することによって、光導波路１１１，１１２を伝搬する光のＴＥ−ＴＭのモード変換が光導波路の進行方向に対してガウス分布的な重み付けがなされることになり、フィルタ特性におけるサイドローブが低減される。

一方、図２は特許文献２に示されている音響光学フィルタの構成を示す平面図である。この音響光学フィルタは、ｘカットのＬｉＮｂＯ₃基板２１０に弾性表面波を励起するためのトランスデューサ２１２が形成されている。基板２１０の上には２本の平行なＳＡＷ導波路壁部２１４ａ，２１４ｂによって区画された領域であるＳＡＷ導波路２１６が形成されて、このＳＡＷ導波路２１６に沿って光導波路２１８が設けられている。ＳＡＷ導波路の両端にはＳＡＷ吸収体２２０ａ，２２０ｂが形成されている。

また、この音響光学フィルタには、特定方向の偏波（ＴＥ波）のみを信号光として光導波路２１８に結合させる入射光用偏光子２２２を備えている。この偏光子２２２によって分離されたＴＥ波はＳＡＷの波長に応じた特定の波長の信号光のみＴＭ波に変換される。その結果、ＴＥ波の偏光方向と直交する偏光方向のＴＭ波に変換された信号光が出射光用偏光子２２４によって出射光から分離される。

このように直線の光導波路２１８を挟んで２本の平行なＳＡＷ導波路壁部２１４ａ，２１４ｂを光導波路２１８の延在する方向に対して斜めに設けているので、光導波路に沿った結合係数を急激に変化させることなくＴＥ−ＴＭモード変換を行うことができる。
特開平１１−６４８０９号公報 特開平８−１１４７７６号公報

特許文献１に示されている音響光学フィルタでは、ＴＥ−ＴＭのモード変換の重み付けを光導波路の進行方向に対してガウス分布的にすることによってフィルタ特性におけるサイドローブが低減できるが、実際に装置を作成して特性を測定したところ、サイドローブ低減効果は理論値よりかなり小さいことが分かった。図３はその特性を示している。この例では波長１５７５ｎｍの光が通過し、それ以外の波長は遮断されるが最大サイドローブ比の理論値が−４０ｄＢであるのに対し、実際は−１５．６ｄＢ程度しか得られていない。このような場合でも従来のＳＡＷ強度重み付けを行わない場合の９ｄＢ程度に比べてサイドローブ抑圧効果は見られるが、光波長多重化を高める上で上記サイドローブを更に抑圧する必要が生じてきている。

この発明の目的は、フィルタ特性におけるサイドローブを更に低減した音響光学フィルタを提供することにある。

この発明の発明者は、前記サイドローブの低減効果の悪化原因を見いだし、その原因を解消する構成に想到した。すなわちこの発明の音響光学フィルタは、光導波路がＳＡＷ導波路の影響を受けて光導波路の光伝搬定数が変化していることと推測して、光導波路がＳＡＷ導波路の影響を受けないようにしたものである。

この発明は、基板上に、交差する光導波路と弾性表面波導波路とを備え、前記弾性表面波導波路の作用領域の開始部と終了部で前記光導波路と前記弾性表面波導波路は離れていて、少なくとも前記作用領域内で前記光導波路上部が光学的に一定な構造としたことを特徴としている。

例えば、光伝送路の上部に光導波路より低屈折率の薄膜を形成して前記光学的に一定な構造とする。

また前記弾性表面波導波路は、例えば前記薄膜上に形成した薄膜の弾性表面波導波路とする。

前記弾性表面波導波路は、例えば前記薄膜上に２つの薄膜の弾性表面波障壁部を形成することにより、その２つの薄膜の弾性表面波障壁部で挟まれる領域に設ける。

作用領域内での光導波路上に直接弾性表面波導波路が配置されている場合には光導波路の伝搬定数が変化してしまうが、この発明によれば、弾性表面波導波路の作用領域内で光導波路上部が弾性表面波導波路の配置（位置関係）にかかわらず光学的に一定であるため、光の伝搬定数が光導波路上で変化せず、位相整合条件が変化しない。その結果、ＳＡＷ強度重み付けを行うことによるサイドローブの低減効果が大きくなって低サイドローブの音響光学フィルタが得られる。

また、前記光導波路の上部にその光導波路より低屈折率の薄膜を形成することによって光導波路上部が弾性表面波導波路の配置に係わらず光学的に一定とすることにより構造が単純にでき製造が容易となる。

また、前記薄膜上に薄膜の弾性表面波導波路を形成すれば構造が単純化され、製造が容易となる。

また、前記薄膜上に２つの薄膜の弾性表面波障壁部を形成することにより、その弾性表面波障壁部で挟まれる領域を弾性表面波導波路として構成すれば構造が単純化され、製造が容易となる。

特許文献１に示されている音響光学フィルタの平面図である。 特許文献２に示されている音響光学フィルタの平面図である。 位相整合条件の変化によるフィルタ特性のサイドローブ特性の例を示す図である。 第１の実施形態に係る音響光学フィルタの平面図である。 同音響光学フィルタの各部の断面図である。 ＳＡＷ導波路の強度分布の例を示す図である。 ＳＡＷ導波路の強度分布の例を示す図である。 第２の実施形態に係る音響光学フィルタの平面図である。 同音響光学フィルタの各部の断面図である。 第３の実施形態に係る音響光学フィルタの各部の断面図である。

符号の説明

１１，１２，２１−光導波路
１４，１５−ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）
１６，３６−ＳＡＷ導波路
１７，２７−トランスデューサ
１８，１９，２８，２９−ＳＡＷ吸収体
１０，２０−基板
１３，２３，３３−薄膜
２４，２５−ＳＡＷ導波路壁部

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る音響光学フィルタについて図４〜図７を参照して説明する。
図４は第１の実施形態に係る音響光学フィルタの平面図である。また図５は図４におけるＡ，Ｂ，Ｃ部分の断面図である。

この音響光学フィルタは、基板１０にｙ軸方向に延びる光導波路１１，１２およびＰＢＳ１４，１５を形成している。この光導波路１１，１２の上部には薄膜１３を形成している。さらに、この薄膜１３の上面に、ＳＡＷ導波路１６を光導波路１１，１２に対して斜めに過ぎるように形成している。

ＳＡＷ導波路１６の一方の端部には弾性表面波を発生させる櫛型電極からなるトランスデューサ１７を形成している。また、ＳＡＷ導波路１６の一方の端部との間でトランスデューサ１７を挟む位置にレジストからなるＳＡＷ吸収体１８を形成している。さらに、ＳＡＷ導波路１６の他方の端部（終点）にレジストからなるＳＡＷ吸収体１９を形成している。

具体的には、ｘカットｙ方向伝搬のＬｉＮｂＯ₃基板１０に深さ９０ｎｍのＴｉ拡散光導波路１１，１２を形成している。この光導波路１１，１２は１０４０℃で８時間熱拡散させることによって形成したものである。トランスデューサ１７は波長λ＝２０μｍ、交差幅６０μｍであり、周波数１７０〜１８０ＭＨｚで駆動する。

図中Ａ−Ｂの区間が作用領域であり、この作用領域の光導波路に沿った長さは４０ｍｍである。また光導波路１１，１２とＳＡＷ導波路１６との交差角は０．２９°である。

基板１０の上面には上記作用領域を含む範囲に厚さ０．３μｍのＺｎＯの薄膜１３を形成している。この薄膜１３としては光導波路１１，１２の光伝搬損失が大きくならないもので、且つＳＡＷ伝搬損失が小さなものが望ましい。たとえばＺｎＯ以外にＳｉＯ₂等を用いる。

上記薄膜１３の上面には厚さ０．３μｍのＺｎＯからなるＳＡＷ導波路１６を形成している。このＳＡＷ導波路１６は弾性表面波の伝搬損失の小さなものが望ましく、ＺｎＯ膜以外に金属膜も使える。

図４において、ＰＢＳ１４，１５は、ＴＥモード光を直進方向に通過させ、ＴＭモード光を交差方向に通過させる偏波分離器である。２つの光導波路１１，１２を伝搬する光は、作用領域を通過するうちにＳＡＷ導波路１６を伝搬する弾性表面波の波長に応じて、偏波面が回転するので、ポート＃１から入射した光のうち、ＳＡＷ導波路を伝搬する弾性表面波の波長に応じた光がポート＃４から出射されることになる。

図６は図５（Ｃ）に示したＳＡＷ導波路１６のＳＡＷ強度の分布を示している。ここで横軸はＳＡＷ導波路の中間から幅方向への距離［ａｕ］、縦軸は規格化強度［ａｕ］である。この例ではＳＡＷ導波路の中間から幅方向への距離がａ，−ａの位置で規格化強度分布が０．５である例を示している。弾性表面波が実際にＳＡＷ導波路を伝搬するのは、そのＳＡＷ導波路部分だけではなく図６に示したようないわゆるしみだしが生じる。このしみだし量が図７に示すようにＳＡＷ導波路内外のＳＡＷの音速差やＳＡＷ導波路の幅によって決まる。そのため、このしみだし部分も含め、光導波路を伝搬する光に、ＳＡＷ導波路を伝搬する弾性表面波によるモード変換（偏波面の回転）が生じる。

次に、作用領域の位相整合条件について示す。
ここで、光の波長をλ、ＴＥ，ＴＭモードの伝搬定数をβａ，βｂ、実効屈折率をＮａ，Ｎｂとし、弾性表面波の位相速度をΛとすると、位相整合条件は
｜βａ−βｂ｜＝（２π／λ）｜Ｎａ−Ｎｂ｜＝２π／Λ
で表される。

図４に示した作用領域における光導波路上の位相定数βａ，βｂは、薄膜１３を形成したことによりほぼ一定であるので、上記位相整合条件が変化せず、ＳＡＷ強度重み付けを行うことによるサイドローブの低減効果が大きくなって低サイドローブの音響光学フィルタが得られる。

《第２の実施形態》
図８は第２の実施形態に係る音響光学フィルタの平面図である。また、図９は図８におけるＡ，Ｂ，Ｃ部分の断面図である。

この音響光学フィルタは、基板２０にｙ軸方向に延びる光導波路２１を形成している。この光導波路２１の上部には薄膜２３を形成している。さらに、この薄膜２３の上面に、ＳＡＷ導波路壁部２４，２５を光導波路２１に対して斜めに過ぎるように形成している。

ＳＡＷ導波路壁部２４，２５で挟まれるＳＡＷ導波路の一方の端部には弾性表面波を発生させる櫛型電極からなるトランスデューサ２７を形成している。また、ＳＡＷ導波路の一方の端部との間でトランスデューサ２７を挟む位置にレジストからなるＳＡＷ吸収体２８を形成している。さらに、ＳＡＷ導波路の他方の端部（終点）にレジストからなるＳＡＷ吸収体２９を形成している。

具体的には、ｘカットｙ方向伝搬のＬｉＮｂＯ₃基板１０に深さ９０ｎｍのＴｉ拡散光導波路１１，１２を形成している。この光導波路１１，１２は１０４０℃で８時間熱拡散させることによって形成したものである。トランスデューサ１７は波長λ＝２０μｍ、交差幅６０μｍであり、周波数１７０〜１８０ＭＨｚで駆動する。

図中Ａ−Ｂの区間が作用領域であり、この作用領域の光導波路に沿った長さは４０ｍｍである。また光導波路２１とＳＡＷ導波路との交差角は０．２９°である。

基板２０の上面には上記作用領域を含む範囲に厚さ０．３μｍのＺｎＯの薄膜２３を形成している。この薄膜２３としては光導波路２１の光伝搬損失が大きくならないもので、且つＳＡＷ伝搬損失が小さなものが望ましい。たとえばＺｎＯ以外にＳｉＯ₂等を用いる。

上記薄膜２３の上面には厚さ０．３μｍのＳｉＮからなるＳＡＷ導波路壁部２４，２５を形成している。このＳＡＷ導波路壁部２４，２５は、その形成により弾性表面波の伝搬速度が速くなる必要があり、且つ弾性表面波の伝搬損失の小さなものが望ましい。ＳｉＮ膜以外にＡｌＮ膜も使える。

このように光導波路２１の上には薄膜２３を形成して、光学的に一定（屈折率が一様な状態）になっている。そのため、光導波路の位相定数は一定となる。したがってＳＡＷ強度分布の設計に応じたサイドローブを得ることができる。

なお、薄膜２３上にＳＡＷ導波路壁部２４，２５を形成し、光導波路２１の上には薄膜２３しか形成していない（図９（Ｃ））ため、ＳＡＷ伝搬損失は第１の実施形態に比べて低く抑えられる。

《第３の実施形態》
図１０は第３の実施形態に係る音響光学フィルタの断面図である。この音響光学フィルタの平面図は図４に示したものと同様の構成となる。但し、ＳＡＷ導波路３６を基板１０の表面に直接形成し、このＳＡＷ導波路３６を含む基板１０の上面の全面（作用領域）に薄膜３３を形成している。ここで薄膜３３はＳＡＷ導波路３６と光学的屈折率がほぼ等しい材料である。

このような構成であるため、図１０に示した（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のいずれの断面領域においても光導波路１１，１２の伝搬定数はほぼ一定であり、位相整合条件が変化することがなく、ＳＡＷ強度の重み付けによるサイドローブの抑制が悪化することなく、低サイドローブの音響光学フィルタが得られる。

Claims (4)

1. 基板上に、交差している光導波路と弾性表面波導波路とを備え、前記弾性表面波導波路の作用領域の開始部と終了部で前記光導波路と前記弾性表面波導波路は離れていて、少なくとも前記作用領域内で前記光導波路上部が光学的に一定な構造である音響光学フィルタ。
2. 前記光学的に一定な構造は、前記光導波路の上部に前記光導波路より低屈折率の薄膜を形成したものである請求項１に記載の音響光学フィルタ。
3. 前記弾性表面波導波路は、前記薄膜上に形成した薄膜の弾性表面波導波路である請求項２に記載の音響光学フィルタ。
4. 前記弾性表面波導波路は、前記薄膜上に２つの薄膜の弾性表面波障壁部を形成することにより、該２つの薄膜の弾性表面波障壁部で挟まれる領域に設けてなる請求項２に記載の音響光学フィルタ。

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