JP2019035854A - 波長フィルタ - Google Patents

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

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。

特開２００３−２１５５１５号公報 特開２０１３−０９３６２７号公報 特開２００６−２７８７７０号公報 特開２００６−３３０１０４号公報 特開２００２−３５３５５６号公報

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方向の中途まで、この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ｎ_ｐ、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ｎ_ｑとして、２π／Λ＝２π（ｎ_ｐ＋ｎ_ｑ）／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。

（Ａ）は、第１の波長フィルタを示す概略的平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第１の波長フィルタを示す概略的端面図である。 フォトニック結晶の変形例を示す概略的平面図である。 第１の波長フィルタの変形例を示す概略的平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第１の波長フィルタの特性を評価するシミュレーションの結果を示す図である。 第２の波長フィルタを示す概略的平面図である。

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。

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（ＳｉＯ_２）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ｎ_０、１次モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率ｎ_１として、下式（１）で表される。

２π／Λ＝２π（ｎ_０＋ｎ_１）／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。

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***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ｎ_ｐ、ｑ次モードの光に対する等価屈折率をｎ_ｑとして、下式（２）で表される。

２π／Λ＝２π（ｎ_ｐ＋ｎ_ｑ）／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。

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。

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、***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***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***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。

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。

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層が積層され、さらにＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_２を、光導波路コア３０を被覆して形成する。その結果、ＳｉＯ_２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

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ｎ_ｐ、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ｎ_ｑとして、２π／Λ＝２π（ｎ_ｐ＋ｎ_ｑ）／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。

Claims (5)

1. 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方向の中途まで、該モード変換部を掘り込んで形成されており、
   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ｎ_ｐ、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ｎ_ｑとして、２π／Λ＝２π（ｎ_ｐ＋ｎ_ｑ）／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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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