JP2008276074A

JP2008276074A - 光通信用フィルタ及びこれを用いた光通信用モジュール

Info

Publication number: JP2008276074A
Application number: JP2007121889A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Maro; 毅麿
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】小型化可能で、分波特性及び生産性に優れる光通信用フィルタ及びそれを用いた光通信用モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明に係る光通信用フィルタ１００は、主面をｘｙ平面としてｘ方向とｙ方向とに所定のピッチの周期的凹凸形状が、当該主面上に形成された基板１０１と、前記主面上に形成され、低屈折率膜１０７と高屈折率膜１０６とを交互に積層した多層膜とを備え、周期的凹凸形状が、前記ピッチ毎に複数の領域１０２、１０３、１０４に分割して基板１０１上に形成されたものである。高屈率折膜１０６の屈折率が２．５以上であり、かつ、高屈折率膜１０６と低屈折率膜１０７との屈折率比が１．６以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用フィルタ及びこれを用いた光通信用モジュールに関し、特に、フォトニック結晶を用いた光通信用フィルタ及び光通信用モジュールに関する。

近年、通信分野において、波長多重光通信技術（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）の導入が進められている。光通信では、３端子モジュールをカスケードに組み合わせることにより、複数波長の帯域光の合分波が可能である。しかし、少なくとも合分波の数より１個少ない３端子モジュールが必要となり、小型化に限界があった。

これに対し、特許文献１には、単一モジュール内に複数のバンドパスフィルタ、エッジフィルタを組み込み、複数波長を合分波するモジュールが開示されている。従来、異なる波長の光通信用フィルタを同一基板上に形成するのは困難であっため、各波長の光通信用フィルタを別々に作成し、１枚の基板上に貼付していた。そのため、生産性に劣る問題があった。

係る状況下、異なる波長の光を分離するため、屈折率の異なる誘電体の多層膜からなるフォトニック結晶を基板上に形成した光通信用フィルタが注目されている（例えば、特許文献２〜５参照）。

特許文献２〜５に開示されているように、周期的な凹凸構造が形成された基板表面上に、所定の条件でフォトニック結晶を積層すると、この凹凸構造に対応した断面形状が三角波型の周期的構造を有するフォトニック結晶が形成される。この凹凸構造のピッチを変化させることにより、膜厚は一定のまま、透過帯域の中心波長を変化させることができる。従って、ピッチの異なる凹凸構造を１枚の基板上に複数領域に分割して形成し、この上にスパッタリングなどによりフォトニック結晶を積層することにより、１枚の基板上に複数の透過帯域を有する多波長フィルタを容易に形成することができる。
特開平８−８２７１１号公報特開２００３−２５５１６１号公報特開２００４−３２５９０２号公報特開２００４−３２５９０３号公報特開２００４−３４１５０６号公報

ところで、上記凹凸構造が形成された基板面をｘｙ平面とすると、ｘ方向の凹凸構造のピッチとｙ方向の凹凸構造のピッチとを同一とすることにより、偏波依存性を無くすことができる。他方、ｘ方向の凹凸構造のピッチとｙ方向の凹凸構造のピッチとを同一とすると、ピッチ変化量に対する透過帯域の中心波長のシフト量が小さくなり、分波特性に劣る問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、小型化可能で、分波特性及び生産性に優れる光通信用フィルタ及びそれを用いた光通信用モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光通信用フィルタは、主面をｘｙ平面としてｘ方向とｙ方向とに所定のピッチの周期的凹凸形状が、当該主面上に形成された基板と、前記主面上に形成され、低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層した多層膜とを備え、前記周期的凹凸形状が、前記ピッチ毎に複数の領域に分割して前記基板上に形成された光通信用フィルタであって、前記高屈折率膜の屈折率が２．５以上であり、かつ、前記高屈折率膜と前記低屈折率膜との屈折率比が１．６以上であるものである。

また、積層周期ａが３００〜８５０ｎｍであり、かつ、前記周期的凹凸形状のｘ方向のピッチｐ_ｘ及びｙ方向のピッチｐ_ｙと前記積層周期ａとの比ｐ_ｘ／ａ及びｐ_ｙ／ａがいずれも０．７５〜１．２５であり、０．５≦ｐ_ｘ／ｐ_ｙ≦２であることが好ましい。さらに、前記低屈折率膜がＳｉＯ_２又はＭｇＦ_２からなること、前記高屈折率膜がＳｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅのいずれかからなることが好ましい。そして、前記多層膜の積層数が３０組以上であることが好ましい。

また、本発明に係る光通信用モジュールは、上記光通信用フィルタと、当該フィルタの入射面に対向配置された反射部とを備えるものである。

本発明によれば、小型化可能で、分波特性及び生産性に優れる光通信用フィルタ及びそれを用いた光通信用モジュールを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化されている。

発明の実施の形態
まず、図１〜３を用いて本発明に係る光通信用フィルタについて説明する。図１は、本発明に係る光通信用フィルタを示す平面図である。図１に示すように、光通信用フィルタ１００は、基板１０１、第１の波長透過領域１０２、第２の波長透過領域１０３、第３の波長透過領域１０４の３つの透過領域が形成されている。すなわち、光通信用フィルタ１００は、１枚の基板で３つの透過帯域を備える。このように、本発明に係る光通信用フィルタは、１枚の基板上に複数の波長透過領域が形成された多波長フィルタであり、小型化に好適である。ここで、第１の波長透過領域１０２、第２の波長透過領域１０３、第３の波長透過領域１０４は使用波長のビーム径より大きくする必要があるが、小型化のためには概ね２ｍｍ角以下が望ましい。フィルタ形成部の形状は、円形、四角形状、六方形状でも構わない。

図２は、図１における第１の波長透過領域１０２の拡大平面図であり、基板１０１の表面に形成された周期的凹凸構造を示している。図２に示すように、基板１０１の主面の表面には、基板１０１の主面の法線方向から見て、正方形状の凹部１０５が多数形成されている。換言すれば、第１の波長透過領域１０２に、周期的凹凸形状が形成されている。

ここで、基板１０１としては、光通信で使用する波長帯域（１２００〜１６００ｎｍ）で透明な基板、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ等の半導体、ガラス等を用いればよい。また、凹部１０５は、詳細には後述するように、平坦な基板１０１上に、レジストパターンを形成した後、基板１０１をエッチングすることにより形成することができる。凹部１０５の深さは使用波長λとして、λ／４程度とする。

また、この凹部１０５は、図２に示すように、基板１０１の主面をｘｙ平面としてｘ方向とｙ方向とに概略同一ピッチで形成されている。すなわち、図２中に示すｘ方向のピッチｐ_ｘとｙ方向のピッチｐ_ｙとは略等く、ｐ_ｘ≒ｐ_ｙ≒ｐである。なお、この凹部１０５の形状は正方形に限定されることはなく、円形、正三角形や正六角形などの等方的形状であれば良い。

図３は図２のＸ−Ｘ断面図である。すなわち、光通信用フィルタ１００の第１の波長透過領域１０２の断面図である。図３に示すように、凹部１０５が周期的に形成された基板１０１の一方の主面上に、高屈折率膜１０６と低屈折率膜１０７とを交互に多数積層したフォトニック結晶が形成されている。

ここで、高屈折率膜１０６及び低屈折率膜１０７の膜厚は、使用波長をλとして、λ／(４・ｎ)又はλ／(２・ｎ)（ここでｎは各膜の屈折率）である。また、高屈折率膜１０６及び低屈折率膜１０７の積層数は３０周期すなわち３０組以上とすることが好ましい。３０組以上形成すれば、フィルタの反射領域での透過率が十分小さくなり、不要な帯域の光が漏れ込むクロストークを抑制することができる。積層途中にキャビティ層を設けてもよい。また、リップルを抑制するため、高屈折率膜１０６及び低屈折率膜１０７の膜厚をλ／(４・ｎ)又はλ／(２・ｎ)（ここでｎは各膜の屈折率）から±２０％程度ずらしてもよい。

上記の通り、基板１０１表面上に周期的な凹凸構造が形成されているため、この凹凸構造に対応した断面形状が三角波型の周期的構造を有するフォトニック結晶が形成されている。このような構成により、特定波長を透過することができる。

また、ｘ方向のピッチｐ_ｘとｙ方向のピッチｐ_ｙが略等しくｐ_ｘ≒ｐ_ｙであるため、偏波依存性がない。ここで、０．５≦ｐ_ｘ／ｐ_ｙ≦２であることが望ましい。また、図３に示すように、高屈折率膜と低屈折率膜との膜厚の和を積層膜の積層周期をａとすると、ａ＝３００〜８５０ｎｍであり、かつ、周期的凹凸形状のｘ方向のピッチｐ_ｘ及びｙ方向のピッチｐ_ｙと積層周期ａとの比ｐ_ｘ／ａ及びｐ_ｙ／ａがいずれも０．７５〜１．２５であることが好ましい。積層周期ａは、各層の膜厚が、使用波長λとして、のλ／(４・ｎ)ないしはλ／(２・ｎ)（ここでｎは各膜の屈折率）であるためａ＝３００〜８５０ｎｍとなる。３００ｎｍ未満、８５０ｎｍを超える場合、透過帯域が、光通信で良く使われる帯域、１２００〜１６００ｎｍの範囲から外れることとなる。すなわち、積層周期aは、使用する波長で決定される。また、設計上、使用する波長帯の平均波長とするのが有利である。光通信で通常使用される波長帯は１２００〜１６００ｎｍであり、平均波長は１４００ｎｍとなる。そこで、各フィルタの基板の凹凸ピッチｐ_ｘ、ｐ_ｙの膜の積層周期aに対する比であるｐ_ｘ／ａ及びｐ_ｙ／ａが、０．７５〜１．２５の範囲にあれば、各フィルタの透過特性を、１２００〜１６００ｎｍの範囲に入るよう設計できる。

また、高屈折率膜の屈折率は２．５以上であり、かつ、高屈折率膜と低屈折率膜との屈折率比が１．６以上である。従来、偏波依存性がない構成とすると、ピッチ変化量に対する透過帯域の中心波長のシフト量が小さくなり、分波特性が低下する問題があった。本発明により、偏波無依存構成のまま、分波特性を向上させることができる。

具体的には、高屈折率膜１０６は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅのいずれかからなることが好ましい。他方、低屈折率膜１０７はＳｉＯ_２又はＭｇＦ_２からなることが好ましい。これにより、上記条件を満たし、分波特性を向上させることができる。

また、周期的な凹凸構造のピッチを変化させることにより、透過帯域の中心波長を変化させることができる。具体的には、第１の波長透過領域１０２、第２の波長透過領域１０３、第３の波長透過領域１０４では、互に凹凸構造のピッチが異なる。換言すれば、周期的凹凸形状が、ピッチ毎に複数の領域１０２、１０３、１０４に分割して基板１０１上に形成されている。そのため、透過領域毎に異なる波長を透過することができる。

他方、いずれの波長透過領域においても、高屈折率膜１０６と低屈折率膜１０７とからなる多層膜の膜厚は一定である。そのため、本発明に係る光通信用フィルタは、スパッタリングや真空蒸着などの成膜方法により、複数の波長透過領域を１枚の基板上に一括形成することができ、生産性に優れる。従来は、各波長の光通信用フィルタを別々に作成し、１枚の基板上に貼付していたため、生産性に劣っていた。また、貼付していた各波長の光通信用フィルタは多層膜であるため、反りが生じやすく、それ自体の小型化にも限界があった。

次に、本発明に係る光通信用フィルタの製造方法について説明する。まず、ガラス基板１０１の一方の主面上に、凹部１０５形成部分を露出させたレジストパターンを形成する。レジストパターンは、ＬＳＩやＭＥＭＳデバイスの作製で通常用いられるフォトリソグラフィやナノインプリントにより形成することができる。

その後、ウェットエッチング又はドライエッチングすることにより基板１０１に凹部１０５を形成する。これにより、第１の波長透過領域１０２、第２の波長透過領域１０３、第３の波長透過領域１０４の各々に所望のピッチの凹部１０５を一括形成することができる。すなわち、本発明に係る光通信用フィルタは生産性に優れ、かつ、小型化することができる。

次に、一方の主面上に凹部１０５が形成された基板１０１の当該主面上に、スパッタリングや真空蒸着などにより、高屈折率膜１０６と低屈折率膜１０７とを交互に多数積層する。上記の通り、基板１０５上の凹凸構造に対応した断面形状が三角波型の周期的構造を形成するには、成膜方法としてＲＦスパッタリング、イオンビームスパッタ、イオンアシスト蒸着、ＲＦバイアス蒸着法を用いることが好ましい。上記特許文献２〜５などに記載の公知の成膜条件により、所望の周期的構造を形成することができる。

このように、ピッチの異なる凹凸構造を１枚の基板１０１上に複数領域に分割して形成した後、この上にスパッタリングなどによりフォトニック結晶を積層すれば、１枚の基板１０１上に複数の透過帯域を有する光通信用の多波長フィルタ１００を容易に一括形成することができる。

次に、図４を用いて本実施の形態に係る光通信用フィルタを用いた光通信用モジュールの一例について説明する。図４は本発明に係る光通信用モジュール２００を示す断面図である。図４に示すように、光通信用モジュール２００は、第１の波長透過領域１０２、第２の波長透過領域１０３、第３の波長透過領域１０４を有する光通信用フィルタ１００、光ファイバ２１１、２１２、２１３、２１４、レンズ２２１、２２２、２２３、２２４、反射板２３０を備える。

反射板２３０の反射面は光通信用フィルタ１００の入射面と対向配置されている。レンズ２２１は光ファイバ２１１の一端に光学的に接続され、光通信用フィルタ１００の入射面側に配置されている。一方、光ファイバ２１２、２１３、２１４、レンズ２２２、２２３、２２４は光通信用フィルタ１００の出射面側に配置されている。

より具体的には、レンズ２２２は光ファイバ２１２の一端に光学的に接続され、光通信用フィルタ１００の第１の波長透過領域１０２を透過した透過光が入射するように配置されている。同様に、レンズ２２３は光ファイバ２１３の一端に光学的に接続され、光通信用フィルタ１００の第２の波長透過領域１０３を透過した透過光が入射するように配置されている。レンズ２２４は光ファイバ２１４の一端に光学的に接続され、光通信用フィルタ１００の第３の波長透過領域１０４を透過した透過光が入射するように配置されている。

第１の波長λ_１、第２の波長λ_２、第３の波長λ_３を含む信号光が、光ファイバ２１１を介してレンズ２２１から出射する。この出射光は、光通信用フィルタ１００の第１の波長透過領域１０２に入射する。ここで、第１の波長λ_１のみが光通信用フィルタ１００を透過し、レンズ２２２に入射して光ファイバ２１２内を伝播する。他方、第１の波長λ_１以外の波長の光は、光通信用フィルタ１００で反射する。

当該反射光は、さらに反射板２３０で反射し、光通信用フィルタ１００の第２の波長透過領域１０４に入射する。ここで、第２の波長λ_２のみが光通信用フィルタ１００を透過し、レンズ２２３に入射して光ファイバ２１３内を伝播する。他方、第２の波長λ_２以外の波長の光は、光通信用フィルタ１００で反射する。

当該反射光は、さらに反射板２３０で反射し、光通信用フィルタ１００の第３の波長透過領域１０４に入射する。ここで、第３の波長λ_３が光通信用フィルタ１００を透過し、レンズ２２４に入射して光ファイバ２１４内を伝播する。

このように、本実施の形態に係る光通信用モジュールを用いることにより、第１の波長λ_１、第２の波長λ_２、第３の波長λ_３を含む信号光を各波長に分波することができる。

本発明に係る光通信用フィルタを示す平面図である。図１における第１の波長透過領域の拡大平面図である。図２のＸ−Ｘ断面図である。本発明に係る光通信用モジュールを示す断面図である。

符号の説明

１００光通信用フィルタ
１０１基板
１０２第１の波長透過領域
１０３第２の波長透過領域
１０４第３の波長透過領域
１０５凹部
１０６高屈折率膜
１０７低屈折率膜
２００光通信用モジュール
２１１、２１２、２１３、２１４光ファイバ
２２１、２２２、２２３、２２３レンズ
２３０反射板

Claims

主面をｘｙ平面としてｘ方向とｙ方向とに所定のピッチの周期的凹凸形状が、当該主面上に形成された基板と、
前記主面上に形成され、低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層した多層膜とを備え、
前記周期的凹凸形状が、前記ピッチ毎に複数の領域に分割して前記基板上に形成された光通信用フィルタであって、
前記高屈折率膜の屈折率が２．５以上であり、かつ、前記高屈折率膜と前記低屈折率膜との屈折率比が１．６以上である光通信用フィルタ。
積層周期ａが３００〜８５０ｎｍであり、前記周期的凹凸形状のｘ方向のピッチｐ_ｘ及びｙ方向のピッチｐ_ｙと前記積層周期ａとの比ｐ_ｘ／ａ及びｐ_ｙ／ａがいずれも０．７５〜１．２５であり、０．５≦ｐ_ｘ／ｐ_ｙ≦２であることを特徴とする請求項１に記載の光通信用フィルタ。
前記低屈折率膜がＳｉＯ_２又はＭｇＦ_２からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信用フィルタ。
前記高屈折率膜がＳｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅのいずれかからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光通信用フィルタ。
前記多層膜の積層数が３０組以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光通信用フィルタ。
請求項１から５のいずれかに記載の光通信用フィルタと、当該フィルタの入射面に対向配置された反射部とを備える光通信用モジュール。