JP2012098513A - Wavelength selection filter, and filter device and laser device provided with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光デバイスの基板上に面状に形成された波長選択フィルタであって、入射光を透過光と反射光に分離することでフィルタリングする波長選択フィルタに関し、また、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置に関する。 The present invention relates to a wavelength selective filter formed in a planar shape on a substrate of an optical device, the wavelength selective filter filtering incident light by separating it into transmitted light and reflected light, and such wavelength selection The present invention relates to a filter device including a filter and a laser device.
光デバイスのためのフィルタとして、例えば、特許文献1〜4に開示されたものが知られ、また、特許文献5〜6及び非特許文献1〜5に開示された導波モード共鳴フィルタ(GMRF: Guided Mode Resonance Filter)が知られている。
As filters for optical devices, for example, those disclosed in
GMRFは、基板上に導波路とサブ波長の周期構造とを設けることで、基板に垂直に入射する光波に対して、ある波長において急峻な反射特性もしくは透過特性を示す光学フィルタである。この急峻な波長依存性は、周期構造がグレーティングカップラ(GC: Grating Coupler)として機能する波長において、励振された導波光が再度放射光に結合する際に、入射光の透過もしくは反射を相殺する現象として理解される。高い反射率もしくは透過率を得るためには、放射モード光を相殺して消滅させるのに十分な導波光の励振及び放射が必要であるので、結合係数が小さなGCを用いる場合ではGCの面積及び入射光のビーム径を大きくすること(例えば数mm)が前提となる。 The GMRF is an optical filter that exhibits steep reflection characteristics or transmission characteristics at a certain wavelength with respect to a light wave incident perpendicularly to the substrate by providing a waveguide and a sub-wavelength periodic structure on the substrate. This steep wavelength dependence is a phenomenon that cancels the transmission or reflection of incident light when the excited guided light is coupled to the emitted light again at a wavelength where the periodic structure functions as a grating coupler (GC). As understood. In order to obtain a high reflectance or transmittance, it is necessary to sufficiently excite and emit guided light to cancel and extinguish the radiation mode light. Therefore, when a GC having a small coupling coefficient is used, the GC area and It is assumed that the beam diameter of incident light is increased (for example, several mm).
光ファイバの端面から出力される光は、例えば10μm程度のビーム径を有するので、GCへの入射光のビーム径を数mmにするためにはレンズが必要になる。一方、波長選択フィルタを使用する上では、多くの場合、光導波路や光ファイバから出力された光をレンズレスで結合できること、すなわち、数μm〜数十μm程度のビーム径を有する入射光をそのままフィルタリングできることが求められる。 Since the light output from the end face of the optical fiber has a beam diameter of, for example, about 10 μm, a lens is required to reduce the beam diameter of the incident light to the GC to several millimeters. On the other hand, when using a wavelength selective filter, in many cases, light output from an optical waveguide or an optical fiber can be coupled without a lens, that is, incident light having a beam diameter of about several μm to several tens of μm is left as it is. It must be able to be filtered.
また、従来のフィルタは、グレーティングのために高屈折率の材料を必要とする場合があるが(例えば、特許文献1、非特許文献5)、このような要件なしに材料を柔軟に選択できることが好ましい。
Moreover, although the conventional filter may require a material with a high refractive index for the grating (for example,
また、従来のフィルタは、レーザ光源の活性層などと一体化して形成され、フィルタリングにより所望波長の光のみを出力するように使用される場合がある(例えば、特許文献6、非特許文献5)。しかしながら、フィルタリングにより、所望波長の光と、それ以外の波長の光を別個に取り出せることが好ましい。
Further, a conventional filter is formed integrally with an active layer of a laser light source, and may be used so as to output only light having a desired wavelength by filtering (for example,
本発明の目的は、以上の課題を解決し、従来のGMRFよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供し、さらに、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-described problems, and can be coupled with incident light in a smaller area than conventional GMRF, does not require a material with a high refractive index, and has light of a desired wavelength and light of other wavelengths. And a laser device provided with such a wavelength selection filter.
本発明の第1の態様に係る波長選択フィルタは、
互いに逆方向の第1及び第2の導波方向を有する導波路であって、上記第1の導波方向に沿って延在しかつ互いに対向する第1及び第2の面の間に設けられた導波路と、
上記第1の導波方向に沿って順に、上記導波路に設けられた第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段とを備え、
上記回折手段は、上記第1の導波方向に沿ってグレーティング周期を有し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第1の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第1の導波方向に伝搬する導波光を励振し、上記回折手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第1及び第2の面から放射させ、
上記第2の反射手段は、上記第1の導波方向に伝搬した導波光を上記第2の伝搬方向に反射し、
上記第1の反射手段は、上記第2の導波方向に伝搬した導波光を上記第1の伝搬方向に反射し、
上記第1の位相調整区間は、上記第2の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第1の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第1の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第1の波長の光及び上記第1の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第1の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第1の波長の光を反射し、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第2の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第1の波長の光を相殺し、
上記第1の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする。
The wavelength selective filter according to the first aspect of the present invention includes:
A waveguide having first and second waveguide directions opposite to each other, and is provided between first and second surfaces extending along the first waveguide direction and facing each other. Waveguides,
A first reflecting means, a first phase adjusting section, a diffracting means, a second phase adjusting section, and a second reflecting means provided in the waveguide in order along the first waveguide direction. Prepared,
The diffraction means has a grating period along the first waveguide direction,
The diffracting means is guided light that propagates in the first waveguide direction in the waveguide when incident light including light having a first wavelength corresponding to the grating period of the diffracting means is incident on the diffracting means. The diffracting means diffracts the guided light propagating in the first waveguide direction and radiates it from the first and second surfaces of the waveguide,
The second reflecting means reflects the guided light propagated in the first waveguide direction in the second propagation direction,
The first reflecting means reflects the guided light propagated in the second waveguide direction in the first propagation direction,
In the first phase adjustment section, when guided light propagating in the second propagation direction is reflected by the first reflecting means, the reflected guided light is reflected by incident light incident on the diffracting means. Having a length set to have the same phase as the phase of the guided light propagating in the first propagation direction,
When incident light including light having a wavelength other than the first wavelength and light having a wavelength other than the first wavelength is incident on the diffraction unit,
By diffracting the guided light propagating in the first waveguide direction by the diffracting means and emitting it from the first surface of the waveguide, the light having the first wavelength incident on the diffracting means is reflected. ,
By diffracting the guided light propagating in the first waveguide direction by the diffracting means and radiating it from the second surface of the waveguide, the first light that is incident on the diffracting means and transmitted through the waveguide is transmitted. Cancel the light of
Light having a wavelength other than the first wavelength is transmitted through the waveguide.
上記波長選択フィルタにおいて、
上記入射光は、上記導波路の第1の面に対して垂直になるように上記回折手段に入射し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第1の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第1の導波方向に伝搬する導波光と上記第2の導波方向に伝搬する導波光とを励振し、上記回折手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第1及び第2の面から放射させ、上記第2の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第1及び第2の面から放射させ、
上記第2の位相調整区間は、上記第1の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第2の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第2の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第1の波長の光及び上記第1の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第1の面から放射させ、かつ上記第2の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第1の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第1の波長の光を反射し、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第2の面から放射させ、かつ上記第2の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第2の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第1の波長の光を相殺し、
上記第1の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする。
In the wavelength selective filter,
The incident light is incident on the diffracting means so as to be perpendicular to the first surface of the waveguide;
The diffracting means is guided light that propagates in the first waveguide direction in the waveguide when incident light including light having a first wavelength corresponding to the grating period of the diffracting means is incident on the diffracting means. And the guided light propagating in the second waveguide direction, and the diffracting means diffracts the guided light propagating in the first waveguide direction to diffract the first and second surfaces of the waveguide. Diffracted guided light propagating in the second waveguide direction and radiated from the first and second surfaces of the waveguide,
In the second phase adjustment section, when the guided light propagating in the first propagation direction is reflected by the second reflecting means, the reflected guided light is reflected by incident light incident on the diffracting means. Having a length set to have the same phase as the phase of the guided light propagating in the second propagation direction,
When incident light including light having a wavelength other than the first wavelength and light having a wavelength other than the first wavelength is incident on the diffraction unit,
The guided light propagating in the first waveguide direction is diffracted by the diffracting means and radiated from the first surface of the waveguide, and the guided light propagating in the second waveguide direction is diffracted by the diffracting means. By diffracting and radiating from the first surface of the waveguide, the light of the first wavelength incident on the diffracting means is reflected,
The guided light propagating in the first waveguide direction is diffracted by the diffracting means and radiated from the second surface of the waveguide, and the guided light propagating in the second waveguide direction is diffracted by the diffracting means. By diffracting and radiating from the second surface of the waveguide, the light of the first wavelength incident on the diffracting means and transmitted through the waveguide is canceled,
Light having a wavelength other than the first wavelength is transmitted through the waveguide.
上記波長選択フィルタにおいて、上記第1の反射手段及び上記第2の反射手段のそれぞれは、上記第1の導波方向に沿ってグレーティング周期を有する分布ブラッグ反射器であることを特徴とする。 In the wavelength selective filter, each of the first reflecting means and the second reflecting means is a distributed Bragg reflector having a grating period along the first waveguide direction.
上記波長選択フィルタにおいて、上記第1の反射手段及び上記第2の反射手段のそれぞれは、金属ミラーであることを特徴とする。 In the wavelength selective filter, each of the first reflecting means and the second reflecting means is a metal mirror.
上記波長選択フィルタにおいて、上記回折手段は無反射構造を有することを特徴とする。 In the wavelength selective filter, the diffraction means has a non-reflective structure.
上記波長選択フィルタにおいて、上記入射光は、上記導波路の第1の面に対して垂直な方向から上記第1の反射手段の側に傾いた所定入射角を有して上記回折手段に入射し、
上記回折手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光と結合するように、かつ上記第2の導波方向に伝搬する導波光と結合しないように、上記導波路の第1の面及び第2の面の間において上記導波路の第1の面から所定距離を有して設けられ、
上記第1及び第2の反射手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光及び上記第2の導波方向に伝搬する導波光の両方と結合するように、上記導波路の第1の面及び第2の面の間において上記導波路の第1の面から所定距離を有して設けられることを特徴とする。
In the wavelength selective filter, the incident light is incident on the diffractive means with a predetermined incident angle inclined toward the first reflecting means from a direction perpendicular to the first surface of the waveguide. ,
The diffracting means is coupled to the waveguide light propagating in the first waveguide direction and not coupled to the waveguide light propagating in the second waveguide direction. And a predetermined distance from the first surface of the waveguide between the second surface and the second surface,
The first and second reflecting means are coupled to both the guided light propagating in the first waveguide direction and the guided light propagating in the second waveguide direction. And a predetermined distance from the first surface of the waveguide between the first surface and the second surface.
本発明の第2の態様に係るフィルタ装置は、本発明の第1の態様に係る波長選択フィルタを2つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、互いに対向しかつ互いに平行な第1及び第2の面を有する基板をさらに備え、
上記基板の第1の面に、上記2つの波長選択フィルタのうちの第1の波長選択フィルタが形成され、
上記基板の第2の面に、上記2つの波長選択フィルタのうちの第2の波長選択フィルタが形成され、上記第2の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向は、上記基板の第2の面に平行な平面内にあって、上記第1の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向と直交することを特徴とする。
A filter device according to a second aspect of the present invention is a filter device including two wavelength selective filters according to the first aspect of the present invention,
The filter device further includes a substrate having first and second surfaces facing each other and parallel to each other,
A first wavelength selection filter of the two wavelength selection filters is formed on the first surface of the substrate,
A second wavelength selection filter of the two wavelength selection filters is formed on the second surface of the substrate, and the first and second waveguide directions of the waveguide of the second wavelength selection filter are: It is in a plane parallel to the second surface of the substrate and is orthogonal to the first and second waveguide directions of the waveguide of the first wavelength selective filter.
また、本発明の第3の態様に係るフィルタ装置は、本発明の第1の態様に係る波長選択フィルタを2つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第1及び第2の面の間に設けられた1つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第1の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第1の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記導波路の第2の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第2の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記第2の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向は、上記導波路の第1及び第2の面に平行な平面内にあって、上記第1の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向と直交することを特徴とする。
A filter device according to a third aspect of the present invention is a filter device including two wavelength selective filters according to the first aspect of the present invention,
The filter device is
One common waveguide provided between the first and second surfaces facing each other and parallel to each other;
In the first surface of the waveguide, the first reflecting means, the first phase adjusting section, the diffracting means, the second phase adjusting section of the first wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters, and Comprising second reflecting means;
A first reflecting means, a first phase adjusting section, a diffracting means, a second phase adjusting section of the second wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters; Comprising second reflecting means;
The first and second waveguide directions of the waveguide of the second wavelength selective filter are in a plane parallel to the first and second surfaces of the waveguide, and the first wavelength selective filter It is characterized by being orthogonal to the first and second waveguide directions of the waveguide.
また、本発明の第4の態様に係るフィルタ装置は、本発明の第1の態様に係る波長選択フィルタを2つ備えたフィルタ装置であって、
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第1及び第2の面の間に設けられた1つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第1の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第1の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記導波路の第2の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第2の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記第2の波長選択フィルタの回折手段は、上記第1の導波方向に沿って、上記第1の波長選択フィルタの回折手段のグレーティング周期とは異なるグレーティング周期を有することを特徴とする。
The filter device according to the fourth aspect of the present invention is a filter device including two wavelength selective filters according to the first aspect of the present invention,
The filter device is
One common waveguide provided between the first and second surfaces facing each other and parallel to each other;
In the first surface of the waveguide, the first reflecting means, the first phase adjusting section, the diffracting means, the second phase adjusting section of the first wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters, and Comprising second reflecting means;
A first reflecting means, a first phase adjusting section, a diffracting means, a second phase adjusting section of the second wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters; Comprising second reflecting means;
The diffractive means of the second wavelength selective filter has a grating period different from the grating period of the diffractive means of the first wavelength selective filter along the first waveguide direction.
本発明の第5の態様に係るレーザ装置は、上記波長選択フィルタを外部ミラーとして備えたことを特徴とする。 A laser apparatus according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that the wavelength selection filter is provided as an external mirror.
本発明の波長選択フィルタによれば、従来のGMRFよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。さらに、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置を提供することができる。 According to the wavelength selective filter of the present invention, it is possible to couple with incident light in a smaller area than that of the conventional GMRF, and it is not necessary to use a material with a high refractive index, so that light of a desired wavelength and light of other wavelengths are separated. It is possible to provide a wavelength selective filter that can be taken out. Further, it is possible to provide a filter device and a laser device provided with such a wavelength selection filter.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。各図面を通じて、同様の構成要素は同じ参照番号で表す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Throughout the drawings, similar components are denoted by the same reference numerals.
第1の実施形態.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る波長選択フィルタ100の構成を示す断面図であり、図2は、図1のGC10の近傍の詳細構成を示す断面図である。図1他において、図面内に示したXYZ座標を参照する。本実施形態の波長選択フィルタ100は、透明な誘電体材料から形成された基板1と、基板1上に形成された導波コア2と、さらに導波コア2上に形成されたグレーティングカップラ(GC)10及び分布ブラッグ反射器(DBR: Distributed Bragg Reflector)11,12とを備える。GC10及びDBR11,12はそれぞれ、Z軸方向に沿って所定のグレーティング周期を有する(すなわち凹凸が周期的に並ぶ)グレーティングから構成される。DBR11は、GC10の−Z方向に位置するように、GC10との間に所定の位相調整区間p1を挟んで形成され、同様に、DBR12は、GC10の+Z方向に位置するように、GC10との間に所定の位相調整区間p2を挟んで形成される。本実施形態の波長選択フィルタ100は、−X方向からGC10に入射光が入射したときに、所望波長の光を−X方向に反射させ、それ以外の波長の光を+X方向に透過させることを特徴とする。
First embodiment.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of the wavelength
GC10は、Z軸方向の長さLとして、従来技術のように数mmにわたる大きな長さを必要とせず、例えば、光ファイバ又は他の光導波路の端面から出力される光のビーム径と同等の長さ(例えば長さL=10μm)を有する。GC10のグレーティングは、入射光のうちの所望波長の成分に対応するZ軸方向のグレーティング周期Λ(例えばΛ=950nm)を有し、GC10のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Z軸方向に約Λ/2の長さを有する。グレーティング周期Λに応じた所望波長を含む入射光がGC10に−X方向から垂直に入射したとき、導波コア2において、グレーティング周期Λに応じた所定の導波路内波長を有し、+Z方向及び−Z方向に伝搬する導波光(すなわち、図2の矢印d1の方向に伝搬する導波光及び矢印d2の方向に伝搬する導波光)が励振される。DBR11,12はそれぞれ、Z軸方向の長さとして、GC10の位置から導波コア2を伝搬してきた導波光を元のGC10の位置に向かって完全に反射するのに十分な長さ(例えば170μm)を有する。DBR11,12のグレーティングは、Z軸方向にグレーティング周期Λ/2を有し、DBR11,12のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Z軸方向に約Λ/4の長さを有する。また、GC10とDBR11,12との間の位相調整区間p1,p2のZ軸方向の長さを条件として、導波コア2において導波光が往復して重畳され、入射光のうちの所望波長の成分に対応する導波光が導波コア2において共振する。GC10とDBR11との間に形成された位相調整区間p1のZ軸方向の長さは、DBR11によって反射されて+Z方向に伝搬する導波光が、GC10に入射した入射光によって励振されて+Z方向に伝搬する導波光と同じ位相を有するように決定される。GC10とDBR12との間に形成された位相調整区間p2のZ軸方向の長さは、DBR12によって反射されて−Z方向に伝搬する導波光が、GC10に入射した入射光によって励振されて−Z方向に伝搬する導波光と同じ位相を有するように決定される。これらの位相調整区間p1,p2は、例えばZ軸方向の長さL1=Λ/8を有する。導波コア2は、X軸方向の厚さTcとして、1つの導波モードが発生する程度の厚さTc(例えばTc=275nm)を有する。GC10及びDBR11,12のグレーティングの凸部は、X軸方向の厚さTgとして、例えば厚さTg=150nmを有する。
The
導波コア2の屈折率は、基板1、GC10及びDBR11,12の屈折率よりも高くされる。例えば、導波コア2はシリコンナイトライドからなり、基板1、GC10及びDBR11,12は石英からなる。以下の説明では、導波コア2の屈折率は2.0であり、基板1、GC10及びDBR11,12の屈折率は1.5であるとする。
The refractive index of the
本実施形態の波長選択フィルタ100は、DBR11,12の間に、結合長の短いGC10を挿入した構成を有する。GC10の実効結合長は、通常は、結合の強さを表す放射損失係数αの逆数で与えられる。入射光のうちの所望波長の成分の真空中での波長をλ0とし、導波コア2の実効屈折率をNとし、GC10のグレーティング周期をΛとすると、次式を満たす波長λ0を含む入射光がGC10に垂直に入射した場合、導波コア2を+Z方向及び−Z方向に伝搬する導波光が励振される。
The
ここで、βは導波光の伝搬定数であり、KGCはグレーティングベクトルの大きさである。 Here, β is the propagation constant of guided light, and K GC is the magnitude of the grating vector.
図3(a)は図1の波長選択フィルタ100に入射する入射光のうちの所望波長の成分を示し、図3(b)は図1の波長選択フィルタ100に入射する入射光のうちの所望波長以外の成分を示す概略図である。図3(a)及び(b)は図1及び図2と同様の断面図であるが、説明のためにハッチングを省略する。前述のように、入射光がGC10に−X方向から入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分は、導波コア2において、+Z方向及び−Z方向に伝搬する導波光を励振させる。+Z方向に伝搬する導波光は、GC10によって回折されることにより、−X方向の放射光及び+X方向の放射光(すなわち、導波コア2の−X方向の面及び+X方向の面に垂直な放射光)を発生し、−Z方向に伝搬する導波光もまた、GC10によって回折されることにより、−X方向の放射光及び+X方向の放射光(すなわち、導波コア2の−X方向の面及び+X方向の面に垂直な放射光)を発生する。−X方向の放射光は、入射光に対する反射光となる。+X方向の放射光は、−X方向からGC10に入射して基板1の側に透過する透過光と逆位相を有するので、透過光と相殺する。一方、入射光がGC10に−X方向から入射したとき、入射光のうちの所望波長以外の成分は、導波光を励振させることなく、そのまま基板1の側に透過する。このように、本実施形態の波長選択フィルタ100は、入射光がGC10に−X方向から入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分を反射光として−X方向に反射し、入射光のうちの所望波長以外の成分を透過光として+X方向に透過させる。従って、本実施形態の波長選択フィルタ100は、入射光を透過光と反射光に分離することでフィルタリングすることができる。
3A shows a desired wavelength component of the incident light incident on the wavelength
本実施形態の波長選択フィルタ100について、FDTD(時間領域差分)法によりそのフィルタリング機能を検証した。図4は、図1の波長選択フィルタ100についてシミュレーションされた反射スペクトル及び透過スペクトルを示すグラフであり、図6は、図1の波長選択フィルタ100に入射光が入射した場合の電界プロファイルを示す図である。図4において、丸のプロットは反射率を示し、四角形のプロットは透過率を示す。図4のシミュレーションでは、GC10の開口と同サイズのビーム径(10μm)を有し、かつ一様な強度を有する矩形波ビームの入射光を入射した場合を想定した。図4によれば、共鳴波長1.5518μm付近において、95%の反射率及び半値全幅1.5nmが得られている。DBR11,12の反射率をほぼ100%にしたことにより、するどい反射スペクトルのピークが得られた。図6は、1.5518μmの波長を有する入射光が入射したときの波長選択フィルタ100の近傍における電界プロファイル(正規化された電界強度)である。図6は、図1〜図3と同じ断面の一部を、X軸方向とZ軸方向とで異なる縮尺で示す。Z軸方向の「185μm」の位置に設けられたGC10(図示せず。)に、−X方向から入射光が入射している。GC10の−Z方向と+Z方向には、DBR11,12(図示せず。)がそれぞれ設けられる。導波コア2において、導波光は、DBR11,12による反射により、GC10から所定距離内に閉じこめられる。図6を参照すると、波長選択フィルタ100の外部では、GC10の位置(すなわち、Z軸方向の「185μm」の位置)よりも−X方向の領域の電界(GC10の位置への入射光と、GC10の位置からの反射光とを含む)が最も強い。一方、導波コア2よりも+X方向では、透過光と放射光とが相殺し、電界は次第に弱くなっている。
The filtering function of the wavelength
以下、本実施形態の波長選択フィルタ100の特性を、モード結合理論に基づく解析モデルを参照して説明する。
Hereinafter, the characteristics of the wavelength
(入射光の放射モード表記)
空気中及び基板中での波数をそれぞれka及びksとし、Z軸方向波数をβνとする。ほぼ垂直(βν≒0)に入射する入射光を空気側及び基板側放射モードで表すことを考える。Z軸方向波数βν=0と近似して、入射平面波の界分布EIN(x)を次式で表す。
(Incident light emission mode notation)
The wave numbers in the air and the substrate are k a and k s respectively, and the wave number in the Z-axis direction is β v . Consider that incident light that is incident substantially vertically (β v ≈0) is expressed in the air-side and substrate-side radiation modes. The field distribution E IN (x) of the incident plane wave is expressed by the following equation by approximating the wave number β ν = 0 in the Z-axis direction.
ここで、aINは所定の振幅係数であり、rIN及びtINは反射係数及び透過係数である。空気側放射モードの界分布Ea(x)は、上式の位相共役(時間反転波)で与えられる。すなわち、所定の振幅係数aaを用いて、次式で表される。 Here, a IN is a predetermined amplitude coefficient, and r IN and t IN are a reflection coefficient and a transmission coefficient. The field distribution E a (x) of the air side radiation mode is given by the phase conjugate (time reversal wave) of the above equation. That is, using a predetermined amplitude coefficient a a, it is expressed by the following equation.
ここで、上付きの「*」は複素共役を示す。 Here, the superscript “*” indicates a complex conjugate.
同様に、基板側放射モードの界分布Es(x)は、基板1からの仮想入射光の位相共役で与えられる。すなわち、所定の振幅係数asを用いて、次式で表される。
Similarly, the field distribution E s (x) of the substrate-side radiation mode is given by the phase conjugate of the virtual incident light from the
入射平面波の界分布EIN(x)を空気側放射モードの界分布Ea(x)と基板側放射モードの界分布Es(x)の重ね合わせで表そうとすると、aatIN *+asrs *=0かつaarIN *+asts *=aINが成り立たなければならない。これより、次式が得られる。 When an incident plane wave field distribution E IN (x) to attempt is made to represent a superposition of the field distribution E a (x) and the field distribution E s of the substrate-side radiation mode (x) of the air-side radiation mode, a a t IN * + a s r s * = 0 and a a r IN * + a s t s * = a IN must hold. From this, the following equation is obtained.
GC10の領域(0<z<L)に一様な振幅分布で入射する光波の場合は、所定の振幅係数a0を用いて、そのスペクトル成分aINは次式で表される。 GC10 area when the light wave incident at (0 <z <L) to a uniform amplitude distribution, using a predetermined amplitude coefficient a 0, the spectral components a IN is expressed by the following equation.
(モード結合方程式)
+Z方向伝搬導波モードをA(z)とし、−Z方向伝搬導波モードをB(z)とし、空気側及び基板側放射モードをそれぞれ、aνa(z)及びaνs(z)とする。伝搬導波モードA(z)及びB(z)のZ軸方向伝搬定数をそれぞれ、βA及びβB(=−βA)とし、グレーティングベクトルの大きさをKGC=2π/Λとする。モード結合方程式は以下のように表される。
(Mode coupling equation)
The + Z direction propagation waveguide mode is A (z), the −Z direction propagation waveguide mode is B (z), and the air side and substrate side radiation modes are a νa (z) and a νs (z), respectively. . The propagation constants of propagation waveguide modes A (z) and B (z) in the Z-axis direction are β A and β B (= −β A ), respectively, and the magnitude of the grating vector is K GC = 2π / Λ. The mode coupling equation is expressed as follows.
ここで、パラメータiは、a(空気中)又はs(基板中)を示す。Eνi(x)及びEg(x)はそれぞれ、放射モード及び導波モードの規格化電界である。また、ε0、ω及びΔεはそれぞれ、真空中の誘電率、角周波数、GC10の構造を表す比誘電率である。数10の左辺の複合はZ軸方向波数βνの正負に対応する。2ΔA=βν−(βA−KGC)、2ΔB=βν−(βg+KGC)を導入すると、数8及び数9は以下のようにまとめられる。
Here, the parameter i indicates a (in the air) or s (in the substrate). E ν i (x) and E g (x) are the normalized electric fields of the radiation mode and the waveguide mode, respectively. Further, ε 0 , ω, and Δε are a dielectric constant in vacuum, an angular frequency, and a relative dielectric constant representing the structure of GC10. The composite on the left side of
(一般解)
次式のA’(z)及びB’(z)を導入する。
(General solution)
The following formulas A ′ (z) and B ′ (z) are introduced.
対象を0<z<Lに限定すると、数17よりS(s,L)=1であるから、数12及び数13は次式に変形される。
When the target is limited to 0 <z <L, S (s, L) = 1 from Equation 17, and
数20〜数22は、A’(z)、B’(z)に関する非同次線形連立微分方程式である。その一般解は、
放射モード振幅は、数10をβνに関して積分して次式が得られる。
The radiation mode amplitude is obtained by integrating
透過光パワーPsub及び反射光パワーPairはそれぞれ次式で与えられる。 The transmitted light power P sub and the reflected light power P air are given by the following equations, respectively.
構造から放散される全パワーをPtotalとすると、入射光のパワー透過率及びパワー反射率はそれぞれPsub/Ptotal及びPair/Ptotalで得られる。 Assuming that the total power dissipated from the structure is P total , the power transmittance and power reflectance of the incident light can be obtained by P sub / P total and P air / P total , respectively.
(境界条件の適用)
境界条件としてA(0)=1、A(0)/B(0)=rDRB、B(L)/A(L)=rDRBを導入すると、次式が得られる。
(Applying boundary conditions)
When A (0) = 1, A (0) / B (0) = r DRB and B (L) / A (L) = r DRB are introduced as boundary conditions, the following equation is obtained.
従って、c1、c2、αEXは、次式で表される。 Therefore, c 1 , c 2 , and α EX are expressed by the following equations.
(計算例)
図5は、図1の波長選択フィルタ100の解析モデルから計算された反射スペクトル及び透過スペクトルを示すグラフである。図5のグラフが図4のFDTD法のシミュレーションの結果によく一致していることがわかる。
(Calculation example)
FIG. 5 is a graph showing the reflection spectrum and the transmission spectrum calculated from the analysis model of the wavelength
以上説明したように、本実施形態の波長選択フィルタ100によれば、従来のGMRFよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。本実施形態の波長選択フィルタ100は、GC10の結合長は短くとも、大きな面積を有する従来技術のGMRFと同等の機能が期待できる。
As described above, according to the wavelength
以上の説明では、導波コア2と、GC10及びDBR11,12とを異なる屈折率の材料により形成するとしたが、これらを同じ材料により形成してもよい。この場合、波長選択フィルタ100は、例えば、化学気相成長法などで導波コア2を基板1上に堆積し、その上にレジストを塗布して、マスク露光や電子ビーム直接描画露光などでレジストにグレーティングの凹凸パターンを形成し、そのパターンをドライエッチング等により導波路材質に転写するという方法で得ることができる。また、基板1上に導波コア2とGC10及びDBR11,12とを形成することに限定されるものではなく、導波コア2上にGC10及びDBR11,12を本実施形態の波長選択フィルタ100と同様に形成すれば、本実施形態の波長選択フィルタ100と同様の機能を実現することができる。
In the above description, the
第1の実施形態の変形例.
図14は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ110の構成を示す断面図であり、図15は、図14のGC10の近傍の詳細構成を示す断面図である。本発明の実施形態は、入射光がGC10に垂直に入射される場合に限定されず、入射光は、GC10に垂直な方向から所定入射角を有して入射してもよい。
Modification of the first embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of the wavelength
本変形例の波長選択フィルタ110は、透明な誘電体材料から形成された基板1と、基板1上に形成された導波コア2と、さらに、導波コア2において導波コア2の−X方向の面からX軸方向に所定距離を有してそれぞれ形成されたGC10及びDBR11,12とを備える。本変形例の波長選択フィルタ110では、GC10は、導波コア2において導波コア2の−X方向の面からX軸方向に距離0を有して形成され(すなわち導波コア2の−X方向の面に形成され)、DBR11,12は、導波コア2において導波コア2の−X方向の面からX軸方向に、導波コア2の厚さと同じ距離Tcを有して形成される(すなわち導波コア2の+X方向の面に形成される)。DBR11は、GC10の−Z方向に位置するように、GC10との間に所定の位相調整区間p1を挟んで形成され、同様に、DBR12は、GC10の+Z方向に位置するように、GC10との間に所定の位相調整区間p2を挟んで形成される。
The wavelength
本変形例の波長選択フィルタ110では、図16に示すように、導波コア2の表面に対して垂直な方向(−X方向)からZX面内で所定入射角θを有して(すなわち、DBR11の側に傾いた入射角θを有して)、入射光がGC10に入射する。GC10のグレーティングは、この入射角θと入射光のうちの所望波長の成分とに対応するグレーティング周期Λ3を有し、所望波長の成分を含む入射光がこの入射角θでGC10に入射したときに限って、導波光が励振される。ただし、本変形例の波長選択フィルタ110は、GC10に入射した入射光により、−Z方向及び+Z方向に伝搬する導波光のうちの一方(本変形例では+Z方向に伝搬する導波光)のみを励振するように構成されることを特徴とする。+Z方向に伝搬する導波光は、DBR12で反射されて−Z方向に伝搬し、この−Z方向に伝搬する導波光は、DBR11で反射されて再び+Z方向に伝搬する。本変形例では+Z方向に伝搬する導波光と−Z方向に伝搬する導波光とではその導波モードが異なり、その電界プロファイル(分布)も異なる。従って、導波コア2の屈折率分布を適切に設計し、導波コア2の−X方向の面からのGC10の距離を、−Z方向に伝搬する導波光の電界が0となる位置に合わせて決定すると、GC10に入射する入射光により−Z方向に伝搬する導波光が励振されることがなく、さらに、−Z方向に伝搬する導波光がGC10により回折されることで放射光が発生することもない。すなわち、導波コア2、GC10及びDBR11,12を上述のように構成した場合、GC10に入射する入射光により+Z方向に伝搬する導波光のみが励振され、さらに、+Z方向に伝搬する導波光のみがGC10により回折されて放射光になる。DBR11,12は、導波光を反射するために、導波コア2の−X方向の面と+X方向の面との間において、+Z方向に伝搬する導波光及び−Z方向に伝搬する導波光の両方の電界が十分な強度で存在する位置に形成される。従って、導波コア2の−X方向の面からのDBR11,12の距離は、導波コア2の−X方向の面からのGC10の距離とは異なる。本変形例の波長選択フィルタ110は、入射角θを有してGC10に入射した入射光によって動作するので、本変形例の波長選択フィルタ110におけるGC10のグレーティング周期Λ3は、第1の実施形態の波長選択フィルタ100におけるGC10のグレーティング周期Λとは異なる。本変形例の波長選択フィルタ110におけるDBR11,12のグレーティング周期Λ4は、+Z方向に伝搬する導波光と−Z方向に伝搬する導波光で導波モードが異なるため、第1の実施形態の波長選択フィルタ100におけるDBR11,12のグレーティング周期Λ/2とは異なる。GC10のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Z軸方向に約Λ3/2の長さを有し、DBR11,12のグレーティングを形成する凹部及び凸部はそれぞれ、Z軸方向に約Λ4/2の長さを有する。GC10とDBR11との間に形成された位相調整区間p1のZ軸方向の長さは、DBR11によって反射されて+Z方向に伝搬する導波光が、GC10に入射した入射光によって励振されて+Z方向に伝搬する導波光と同じ位相を有するように決定される。
In the wavelength
図16(a)は図14の波長選択フィルタ110に入射する入射光のうちの所望波長の成分を示し、図16(b)は図14の波長選択フィルタ110に入射する入射光のうちの所望波長以外の成分を示す概略図である。図16(a)及び(b)は図14及び図15と同様の断面図であるが、説明のためにハッチングを省略する。前述のように、入射光がGC10に入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分は、+Z方向に伝搬する導波光のみを励振させる。+Z方向に伝搬する導波光は、GC10によって回折されることにより、−X方向の面及び+X方向の面からそれぞれ放射光を放射する。−X方向の面から放射される放射光は、導波コア2の表面に対して垂直な方向(−X方向)からZX面内で所定反射角θを有し、入射光に対する反射光となる。+X方向の面から放射される放射光は、GC10に入射して基板1の側に透過する透過光と逆位相を有するので、透過光と相殺する。一方、入射光がGC10に入射したとき、入射光のうちの所望波長以外の成分は、導波光を励振させることなく、そのまま基板1の側に透過する。このように、本変形例の波長選択フィルタ110は、入射光がGC10に入射したとき、入射光のうちの所望波長の成分を反射光として反射し、入射光のうちの所望波長以外の成分を透過光として透過させる。従って、本変形例の波長選択フィルタ110は、入射光を透過光と反射光に分離することでフィルタリングすることができる。
FIG. 16A shows a desired wavelength component of the incident light incident on the wavelength
なお、GC10及びDBR11,12の位置は、図14〜図16に示したように導波コア2の−X方向の面及び+X方向の面に限定されるものではなく、GC10が、−Z方向及び+Z方向に伝搬する導波光のうちの一方のみに結合し、DBR11,12が、−Z方向及び+Z方向に伝搬する導波光の両方に結合するのであれば、任意の位置に形成可能である。例えば、GC10が、導波コア2の+X方向の面に形成され、DBR11,12が、導波コア2の−X方向の面に形成されてもよく、GC10及びDBR11,12が、導波コア2の−X方向の面と+X方向の面との間の所定位置に形成されてもよい。導波コア2の厚さと屈折率分布は、GC10及びDBR11,12と導波光とのこのような結合を可能にするように決定される。
The positions of the
以上説明したように、本変形例の波長選択フィルタ110によれば、入射光がGC10に垂直に入射される場合に限定されず、入射光がGC10に垂直な方向から所定入射角を有して入射する場合であっても、従来のGMRFよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。さらに、本変形例の波長選択フィルタ110によれば、GC10が、+Z方向に伝搬する導波光のみに結合するので、−Z方向に伝搬する導波光がGC10により回折されることで余分な角度に放射される放射光が発生することを抑制することができる。
As described above, according to the wavelength
第2の実施形態.
図7は、本発明の第2の実施形態に係る波長選択フィルタ101の構成を示す断面図である。本実施形態の波長選択フィルタ101は、第1の実施形態におけるDBR11,12に代えて、金属ミラー21,22を備えたことを特徴とする。
Second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the wavelength
本実施形態の波長選択フィルタ101において、GC10は、第1の実施形態のGC10と同様に構成される。GC10の−Z方向に位置するように、金属ミラー21が、GC10との間に所定の位相調整区間p1を挟んで形成され、同様に、GC10の+Z方向に位置するように、金属ミラー22が、GC10との間に所定の位相調整区間p2を挟んで形成される。金属ミラー21,22は、例えば、複素屈折率n=1.44−j16.0のアルミニウムからなる。図7では、金属ミラー21,22を導波コア2の−Z方向の端部と+Z方向の端部に密着させるように示しているが、例えば、導波コア2(又は、導波コア2及び基板1)においてX軸方向の溝を形成して、この溝に金属材料(例えばアルミニウム)を流し込むことによって金属ミラー21,22を形成してもよい。本実施形態の波長選択フィルタ101によれば、第1の実施形態の波長選択フィルタ100に比較して、波長選択フィルタ101のZ軸方向のサイズを大幅に削減することができる。
In the
図8は、図7の波長選択フィルタ101に入射光が入射した場合の電界プロファイルを示す図である。図8は、1.5518μmの波長を有する入射光が入射したときの電界プロファイル(正規化された電界強度)である。図8は、図7と同じ断面の一部を、X軸方向とZ軸方向とで異なる縮尺で示す。導波コア2において、金属ミラー21,22(図示せず。)間の反射により、定在波が発生している。この定在波は、GC10のグレーティングを形成する凹部及び凸部の位置に応じて発生する。本実施形態の波長選択フィルタ101の反射率は、58%と計算された。
FIG. 8 is a diagram showing an electric field profile when incident light is incident on the wavelength
第2の実施形態によれば、第1の実施形態よりも波長選択フィルタ101のサイズを小さくすることができるが、波長選択フィルタ101の反射率は第1の実施形態の波長選択フィルタ100の方が良好である。従って、第1の実施形態でのDBRと、第2の実施形態での金属ミラーとを組み合わせてもよい。この場合、GC10の−Z方向と+Z方向のそれぞれにおいて、Z軸方向に短縮されたDBR及び金属ミラーを形成する。このような構成によれば、利用可能な基板面積に応じて、十分な反射率を達成する波長選択フィルタを実現することができる。
According to the second embodiment, the size of the
第3の実施形態.
図9は、本発明の第3の実施形態に係る波長選択フィルタ102の構成を示す断面図である。反射スペクトルの消光比を高めるためには、所望波長以外での反射率を低減させることが有効である。そのためには、入射光が入射するGCの面に、例えば非特許文献6〜7に記載のような無反射構造(「moth-eye」構造ともいう。)を導入すればよい。例えば非特許文献7では、三角形の断面形状を有するグレーティングが高屈折率の薄いフィルムでコーティングされた構造を有するGMRFを開示している。本実施形態の波長選択フィルタ102は、第1の実施形態の波長選択フィルタ100における矩形断面形状を有するGC10に代えて、三角形の断面形状を有する無反射GC30を備えたことを特徴とする。三角形の断面形状を有することにより、屈折率境界に起因するフレネル反射を低減させることができる。屈折率1.5を有する媒質からの鏡面反射が4%程度であるのに対して、本実施形態の構造を採用することにより鏡面反射を原理的に0とすることが可能である。本実施形態の波長選択フィルタ102によれば、入射光のうちの所望波長の成分は、導波コア2における導波光が無反射GC30により回折されることにより、−X方向の放射光として放射される(すなわち、入射光に対する反射光となる)。入射光のうちの所望波長以外の成分は、無反射GC30を無反射で通過して、基板1の側に透過する。
Third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the wavelength
第4の実施形態.
図10は、本発明の第4の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。GMRFは導波モードを利用するので、一般的には偏光方向に依存する。これは以上に説明した実施形態の波長選択フィルタ100〜102でも同じである。しかしながら、場合によっては、偏光方向に依存しない波長選択フィルタを提供することが望ましい。このため、本実施形態のフィルタ装置は、基板1の−X方向の面及び+X方向の面の両方に、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様の2つの波長選択フィルタ103,104を形成したことを特徴とする。詳しくは、本実施形態のフィルタ装置は、基板1の−X方向の面において、導波コア2と、Z軸方向に凹凸が周期的に並んだGC10とを備え、基板1の+X方向の面において、導波コア3と、Y軸方向に凹凸が周期的に並んだGC13とを備える。GC10,13の凹凸の周期(グレーティング周期)は、互いに同じにする。GC10,13が上記の向きを有することにより、グレーティング周期に応じた所望波長を含む入射光がGC10に−X方向から入射したとき、導波コア2において、GC10のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、+Z方向及び−Z方向に伝搬する導波光(すなわち、図10の矢印d1の方向に伝搬する導波光及び矢印d2の方向に伝搬する導波光)が励振され、導波コア3において、GC13のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、+Y方向及び−Y方向に伝搬する導波光(すなわち、図10の矢印d1’の方向に伝搬する導波光及び矢印d2’の方向に伝搬する導波光)が励振される。図示の簡単化のために省略したが、GC10の−Z方向及び+Z方向には、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様の位相調整区間及びDBRをそれぞれ形成し、GC13の−Y方向及び+Y方向にも、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様の位相調整区間及びDBRをそれぞれ形成する必要がある。基板1及び導波コア2,3は、これらの位相調整区間及びDBRを支持するために十分なサイズを有するものとする。第2の実施形態と同様に、DBRに代えて金属ミラーを備えてもよい。また、第3の実施形態と同様に、矩形断面形状のGCに代えて三角形の断面形状を有する無反射GCを備えてもよい。本実施形態のフィルタ装置によれば、グレーティングの向きが互いに直交したGC10,13を備えたことにより、偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供することができる。
Fourth embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a filter device according to the fourth embodiment of the present invention. Since GMRF uses a guided mode, it generally depends on the polarization direction. This also applies to the wavelength
第5の実施形態.
図11は、本発明の第5の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。本実施形態のフィルタ装置もまた、第4の実施形態のフィルタ装置と同様に偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供する。このため、本実施形態のフィルタ装置は、導波コア2の−X方向の面及び+X方向の面の両方に、向きの異なるGCを形成したことを特徴とする。詳しくは、本実施形態のフィルタ装置は、導波コア2の−X方向の面において、Z軸方向に凹凸が周期的に並んだGC10を備え、導波コア2の+X方向の面(すなわち、基板1と導波コア2との間の層)において、Y軸方向に凹凸が周期的に並んだGC14を備える。導波コア2及びGC10が第1の波長選択フィルタ105として機能し、導波コア2及びGC14が第2の波長選択フィルタ106として機能する。GC10,14の凹凸の周期(グレーティング周期)は、互いに同じにする。GC10,14が上記の向きを有することにより、グレーティング周期に応じた所望波長を含む入射光がGC10に−X方向から入射したとき、導波コア2において、GC10のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、+Z方向及び−Z方向に伝搬する導波光(すなわち、図11の矢印d1の方向に伝搬する導波光及び矢印d2の方向に伝搬する導波光)が励振される一方、導波コア2において、GC14のグレーティング周期に応じた所定の導波路内波長を有し、+Y方向及び−Y方向に伝搬する導波光(すなわち、図11の矢印d1’の方向に伝搬する導波光及び矢印d2’の方向に伝搬する導波光)が励振される。図示の簡単化のために省略したが、GC10の−Z方向及び+Z方向には、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様のDBRをそれぞれ形成し、GC14の−Y方向及び+Y方向にも、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様のDBRをそれぞれ形成する必要がある。基板1及び導波コア2は、これらのDBRを支持するために十分なサイズを有するものとする。第2の実施形態と同様に、DBRに代えて金属ミラーを備えてもよい。また、第3の実施形態と同様に、矩形断面形状のGCに代えて三角形の断面形状を有する無反射GCを備えてもよい。本実施形態のフィルタ装置によれば、グレーティングの向きが互いに直交したGC10,14を備えたことにより、偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供することができる。
Fifth embodiment.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a filter device according to the fifth embodiment of the present invention. The filter device of the present embodiment also provides a filter device that does not depend on the polarization direction, like the filter device of the fourth embodiment. For this reason, the filter device of the present embodiment is characterized in that GCs having different directions are formed on both the −X direction surface and the + X direction surface of the
第6の実施形態.
図12は、本発明の第6の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す断面図である。ある周波数の光波について、同じ媒質であっても、TE波とTM波とで媒質の屈折率は異なり、従って媒質中の波長も異なる。このため、あるグレーティング周期を有するGCについて、TE波とTM波とでは反射スペクトル及び透過スペクトルが相違することになる。本実施形態のフィルタ装置は、直交偏光のそれぞれに対して同一波長で共鳴するように、異なるグレーティング周期を有する2つのGC10,15を導波コア2の−X方向の面及び+X方向の面に形成することを特徴とする。詳しくは、本実施形態のフィルタ装置は、導波コア2の−X方向の面において、グレーティング周期Λ1を有するGC10を備え、導波コア2の+X方向の面(すなわち、基板1と導波コア2との間の層)において、グレーティング周期Λ1とは異なるグレーティング周期Λ2を有するGC15を備える。導波コア2及びGC10が第1の波長選択フィルタ107として機能し、導波コア2及びGC15が第2の波長選択フィルタ108として機能する。GC10,15はいずれも、Z軸方向に凹凸が周期的に並ぶように形成される。図示の簡単化のために省略したが、GC10の−Z方向及び+Z方向には、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様のDBRをそれぞれ形成し、GC15の−Z方向及び+Z方向にも、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様のDBRをそれぞれ形成する必要がある。基板1及び導波コア2は、これらのDBRを支持するために十分なサイズを有するものとする。第2の実施形態と同様に、DBRに代えて金属ミラーを備えてもよい。また、第3の実施形態と同様に、矩形断面形状のGCに代えて三角形の断面形状を有する無反射GCを備えてもよい。本実施形態のフィルタ装置によれば、グレーティングの向きが平行で異なる周期のGC10,15を備えたことにより、偏光方向に依存しないフィルタ装置を提供することができる。
Sixth embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a filter device according to the sixth embodiment of the present invention. For a light wave of a certain frequency, even if it is the same medium, the refractive index of the medium is different between the TE wave and the TM wave, and the wavelength in the medium is also different. For this reason, for the GC having a certain grating period, the reflection spectrum and the transmission spectrum are different between the TE wave and the TM wave. In the filter device of this embodiment, two
第7の実施形態.
図13は、本発明の第7の実施形態に係るVCSELレーザ装置の構成を示す断面図である。VCSEL(垂直共振器面発光レーザ)は、例えば非特許文献5にも開示されている。本実施形態のVCSELレーザ装置は、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様の波長選択フィルタ109を、レーザ光源40のための外部ミラーとして用いることを特徴とする。このとき、波長選択フィルタ109における偏光方向の依存性を利用して偏光制御したレーザ発振を得ることができる。レーザ光源40は、活性層41及び多層膜ミラー42を備え、活性層41で発生した光のうちの所定波長の成分は、多層膜ミラー42と波長選択フィルタ109との間で反射を繰り返すことにより共振する。この所定波長の成分は、第1の実施形態の波長選択フィルタ100と同様に、導波コア2において導波光を励振させる。DBR11,12のうちの一方(本実施形態ではDBR11)は、Z軸方向の長さを短縮することにより反射率を100%よりも低下させられている。本実施形態のVCSELレーザ装置は、そのレーザ出力として、DBR11の一端から導波光の一部を出力する。本実施形態のレーザ装置で用いる波長選択フィルタとして、第1の実施形態の波長選択フィルタ100に代えて、第3の実施形態の波長選択フィルタ102を用いてもよい。本実施形態のVCSELレーザ装置によれば、発生した光のうちの所定波長の成分のみを共振させ、この所定波長の成分のみを効果的に出力することができる。
Seventh embodiment.
FIG. 13: is sectional drawing which shows the structure of the VCSEL laser apparatus based on the 7th Embodiment of this invention. A VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) is also disclosed in Non-Patent Document 5, for example. The VCSEL laser device of this embodiment is characterized in that a
本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、従来技術に比較して以下のような特有の効果を有する。例えば特許文献1及び非特許文献5のグレーティングは高屈折率の材料を必要としているが、本発明の実施形態の波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、そのような要求なしに高効率の結合を可能にする。また、例えば非特許文献4のGMRFは、GMRFと光ファイバの結合のためのレンズを必要としているが、本発明の実施形態の波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、そのような要求なしに高効率の結合を可能にする。また、例えば非特許文献5のグレーティングは、基板にDBR反射層を形成しているが、本発明の実施形態の波長選択フィルタ及びフィルタ装置は、そのような構造を必要とせず、基板の側に透過光を透過させることができる。
The wavelength selective filter and filter device according to the embodiment of the present invention have the following specific effects as compared with the prior art. For example, although the gratings of
特許文献5のGCは、GCと、その両側に形成された2つのDBRとを備えているという点で、本発明の実施形態の波長選択フィルタと最も類似したものであるが、本発明の実施形態に係る波長選択フィルタは、以下のような特有の効果を有する。特許文献5のGCは、導波光と空間光を短い結合長で高効率結合することを目的とし、このため、基板には高反射率の材料を用いている。従って、特許文献5のGCは、基板の側から透過光を取り出すことができず、本発明の実施形態の波長選択フィルタのように入射光のうちの所望波長の成分とそれ以外の波長の成分とを別個に取り出すことができない。さらに、特許文献5のGCは、単に導波光と空間光とを結合することを目的としているので、その動作原理は、入射光のうちの所望波長の成分とそれ以外の波長の成分とを別個に取り出すことを目的とする本発明の実施形態の波長選択フィルタの動作原理とはまったく異なる。 The GC of Patent Document 5 is most similar to the wavelength selective filter according to the embodiment of the present invention in that it includes a GC and two DBRs formed on both sides of the GC. The wavelength selective filter according to the embodiment has the following specific effects. The GC of Patent Document 5 aims at high-efficiency coupling between guided light and spatial light with a short coupling length. For this reason, a highly reflective material is used for the substrate. Therefore, the GC of Patent Document 5 cannot extract transmitted light from the substrate side, and the desired wavelength component and the other wavelength components of the incident light as in the wavelength selection filter of the embodiment of the present invention. Cannot be taken out separately. Furthermore, since the GC of Patent Document 5 is simply intended to couple the guided light and the spatial light, the principle of operation is that the components of the desired wavelength and the components of the other wavelengths of the incident light are separated. This is completely different from the operation principle of the wavelength selective filter of the embodiment of the present invention intended to be extracted.
このように、本実施形態の波長選択フィルタによれば、従来のGMRFよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。 As described above, according to the wavelength selective filter of the present embodiment, it is possible to couple with incident light in a smaller area than the conventional GMRF, and a light having a desired wavelength and other wavelengths can be combined without requiring a high refractive index material. It is possible to provide a wavelength selective filter that can extract the light separately.
本発明の実施形態の波長選択フィルタは、GCとDBRとを集積した新規な構成を備えたことにより、共振器集積導波モード共鳴フィルタ(CRIGF: Cavity-resonator-integrated Guided-mode-resonance Filter)と呼ぶことができる。 The wavelength selective filter according to the embodiment of the present invention has a novel configuration in which GC and DBR are integrated, and therefore, a resonator-integrated guided-mode resonance filter (CRIGF). Can be called.
本発明の波長選択フィルタによれば、従来のGMRFよりも小さな面積で入射光と結合可能であり、高屈折率の材料を必要とせず、所望波長の光とそれ以外の波長の光とを別個に取り出すことができる波長選択フィルタを提供することができる。さらに、そのような波長選択フィルタを備えたフィルタ装置及びレーザ装置を提供することができる。 According to the wavelength selective filter of the present invention, it is possible to couple with incident light in a smaller area than that of the conventional GMRF, and it is not necessary to use a material with a high refractive index, so that light of a desired wavelength and light of other wavelengths are separated. It is possible to provide a wavelength selective filter that can be taken out. Further, it is possible to provide a filter device and a laser device provided with such a wavelength selection filter.
1…基板、
2,3…導波コア、
10,13,14,15…グレーティングカップラ(GC)、
11,12…DBR、
p1,p2…位相調整区間、
21,22…金属ミラー、
30…無反射GC、
40…レーザ光源、
41…活性層、
42…多層膜ミラー、
100〜110…波長選択フィルタ。
1 ... substrate,
2, 3 ... Waveguide core,
10, 13, 14, 15 ... grating coupler (GC),
11, 12 ... DBR,
p1, p2 ... phase adjustment interval,
21,22 ... Metal mirror,
30: Non-reflective GC,
40 ... Laser light source,
41 ... active layer,
42 ... multilayer mirror,
100 to 110: Wavelength selection filter.
Claims (10)
互いに逆方向の第1及び第2の導波方向を有する導波路であって、上記第1の導波方向に沿って延在しかつ互いに対向する第1及び第2の面の間に設けられた導波路と、
上記第1の導波方向に沿って順に、上記導波路に設けられた第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段とを備え、
上記回折手段は、上記第1の導波方向に沿ってグレーティング周期を有し、
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第1の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第1の導波方向に伝搬する導波光を励振し、上記回折手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第1及び第2の面から放射させ、
上記第2の反射手段は、上記第1の導波方向に伝搬した導波光を上記第2の伝搬方向に反射し、
上記第1の反射手段は、上記第2の導波方向に伝搬した導波光を上記第1の伝搬方向に反射し、
上記第1の位相調整区間は、上記第2の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第1の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第1の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第1の波長の光及び上記第1の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第1の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第1の波長の光を反射し、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第2の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第1の波長の光を相殺し、
上記第1の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする波長選択フィルタ。 A wavelength selective filter, wherein the wavelength selective filter is:
A waveguide having first and second waveguide directions opposite to each other, and is provided between first and second surfaces extending along the first waveguide direction and facing each other. Waveguides,
A first reflecting means, a first phase adjusting section, a diffracting means, a second phase adjusting section, and a second reflecting means provided in the waveguide in order along the first waveguide direction. Prepared,
The diffraction means has a grating period along the first waveguide direction,
The diffracting means is guided light that propagates in the first waveguide direction in the waveguide when incident light including light having a first wavelength corresponding to the grating period of the diffracting means is incident on the diffracting means. The diffracting means diffracts the guided light propagating in the first waveguide direction and radiates it from the first and second surfaces of the waveguide,
The second reflecting means reflects the guided light propagated in the first waveguide direction in the second propagation direction,
The first reflecting means reflects the guided light propagated in the second waveguide direction in the first propagation direction,
In the first phase adjustment section, when guided light propagating in the second propagation direction is reflected by the first reflecting means, the reflected guided light is reflected by incident light incident on the diffracting means. Having a length set to have the same phase as the phase of the guided light propagating in the first propagation direction,
When incident light including light having a wavelength other than the first wavelength and light having a wavelength other than the first wavelength is incident on the diffraction unit,
By diffracting the guided light propagating in the first waveguide direction by the diffracting means and emitting it from the first surface of the waveguide, the light having the first wavelength incident on the diffracting means is reflected. ,
By diffracting the guided light propagating in the first waveguide direction by the diffracting means and radiating it from the second surface of the waveguide, the first light that is incident on the diffracting means and transmitted through the waveguide is transmitted. Cancel the light of
A wavelength selective filter, wherein light having a wavelength other than the first wavelength is transmitted through the waveguide.
上記回折手段は、上記回折手段のグレーティング周期に対応する第1の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、上記導波路において、上記第1の導波方向に伝搬する導波光と上記第2の導波方向に伝搬する導波光とを励振し、上記回折手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第1及び第2の面から放射させ、上記第2の導波方向に伝搬する導波光を回折して上記導波路の第1及び第2の面から放射させ、
上記第2の位相調整区間は、上記第1の伝搬方向に伝搬する導波光が上記第2の反射手段によって反射されたとき、当該反射された導波光が、上記回折手段に入射した入射光により励振された上記第2の伝搬方向に伝搬する導波光の位相と同じ位相を有するように設定された長さを有し、
上記第1の波長の光及び上記第1の波長以外の波長の光を含む入射光が上記回折手段に入射したとき、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第1の面から放射させ、かつ上記第2の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第1の面から放射させることにより、上記回折手段に入射した上記第1の波長の光を反射し、
上記第1の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第2の面から放射させ、かつ上記第2の導波方向に伝搬する導波光を上記回折手段により回折して上記導波路の第2の面から放射させることにより、上記回折手段に入射して上記導波路を透過した上記第1の波長の光を相殺し、
上記第1の波長以外の波長の光は上記導波路を透過することを特徴とする請求項1記載の波長選択フィルタ。 The incident light is incident on the diffracting means so as to be perpendicular to the first surface of the waveguide;
The diffracting means is guided light that propagates in the first waveguide direction in the waveguide when incident light including light having a first wavelength corresponding to the grating period of the diffracting means is incident on the diffracting means. And the guided light propagating in the second waveguide direction, and the diffracting means diffracts the guided light propagating in the first waveguide direction to diffract the first and second surfaces of the waveguide. Diffracted guided light propagating in the second waveguide direction and radiated from the first and second surfaces of the waveguide,
In the second phase adjustment section, when the guided light propagating in the first propagation direction is reflected by the second reflecting means, the reflected guided light is reflected by incident light incident on the diffracting means. Having a length set to have the same phase as the phase of the guided light propagating in the second propagation direction,
When incident light including light having a wavelength other than the first wavelength and light having a wavelength other than the first wavelength is incident on the diffraction unit,
The guided light propagating in the first waveguide direction is diffracted by the diffracting means and radiated from the first surface of the waveguide, and the guided light propagating in the second waveguide direction is diffracted by the diffracting means. By diffracting and radiating from the first surface of the waveguide, the light of the first wavelength incident on the diffracting means is reflected,
The guided light propagating in the first waveguide direction is diffracted by the diffracting means and radiated from the second surface of the waveguide, and the guided light propagating in the second waveguide direction is diffracted by the diffracting means. By diffracting and radiating from the second surface of the waveguide, the light of the first wavelength incident on the diffracting means and transmitted through the waveguide is canceled,
2. The wavelength selective filter according to claim 1, wherein light having a wavelength other than the first wavelength is transmitted through the waveguide.
上記回折手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光と結合するように、かつ上記第2の導波方向に伝搬する導波光と結合しないように、上記導波路の第1の面及び第2の面の間において上記導波路の第1の面から所定距離を有して設けられ、
上記第1及び第2の反射手段は、上記第1の導波方向に伝搬する導波光及び上記第2の導波方向に伝搬する導波光の両方と結合するように、上記導波路の第1の面及び第2の面の間において上記導波路の第1の面から所定距離を有して設けられることを特徴とする請求項1記載の波長選択フィルタ。 The incident light is incident on the diffracting means with a predetermined incident angle inclined toward the first reflecting means from a direction perpendicular to the first surface of the waveguide;
The diffracting means is coupled to the waveguide light propagating in the first waveguide direction and not coupled to the waveguide light propagating in the second waveguide direction. And a predetermined distance from the first surface of the waveguide between the second surface and the second surface,
The first and second reflecting means are coupled to both the guided light propagating in the first waveguide direction and the guided light propagating in the second waveguide direction. 2. The wavelength selective filter according to claim 1, wherein the wavelength selective filter is provided between the first surface and the second surface with a predetermined distance from the first surface of the waveguide.
上記フィルタ装置は、互いに対向しかつ互いに平行な第1及び第2の面を有する基板をさらに備え、
上記基板の第1の面に、上記2つの波長選択フィルタのうちの第1の波長選択フィルタが形成され、
上記基板の第2の面に、上記2つの波長選択フィルタのうちの第2の波長選択フィルタが形成され、上記第2の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向は、上記基板の第2の面に平行な平面内にあって、上記第1の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向と直交することを特徴とするフィルタ装置。 A filter device comprising two wavelength selective filters according to any one of claims 1 to 5,
The filter device further includes a substrate having first and second surfaces facing each other and parallel to each other,
A first wavelength selection filter of the two wavelength selection filters is formed on the first surface of the substrate,
A second wavelength selection filter of the two wavelength selection filters is formed on the second surface of the substrate, and the first and second waveguide directions of the waveguide of the second wavelength selection filter are: A filter device, wherein the filter device is in a plane parallel to the second surface of the substrate and is orthogonal to the first and second waveguide directions of the waveguide of the first wavelength selective filter.
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第1及び第2の面の間に設けられた1つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第1の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第1の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記導波路の第2の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第2の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記第2の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向は、上記導波路の第1及び第2の面に平行な平面内にあって、上記第1の波長選択フィルタの導波路の第1及び第2の導波方向と直交することを特徴とするフィルタ装置。 A filter device comprising two wavelength selective filters according to any one of claims 1 to 5,
The filter device is
One common waveguide provided between the first and second surfaces facing each other and parallel to each other;
In the first surface of the waveguide, the first reflecting means, the first phase adjusting section, the diffracting means, the second phase adjusting section of the first wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters, and Comprising second reflecting means;
A first reflecting means, a first phase adjusting section, a diffracting means, a second phase adjusting section of the second wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters; Comprising second reflecting means;
The first and second waveguide directions of the waveguide of the second wavelength selective filter are in a plane parallel to the first and second surfaces of the waveguide, and the first wavelength selective filter A filter device characterized by being orthogonal to the first and second waveguide directions of the waveguide.
上記フィルタ装置は、
互いに対向しかつ互いに平行な第1及び第2の面の間に設けられた1つの共通の導波路を備え、
上記導波路の第1の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第1の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記導波路の第2の面において、上記2つの波長選択フィルタのうちの第2の波長選択フィルタの第1の反射手段、第1の位相調整区間、回折手段、第2の位相調整区間、及び第2の反射手段を備え、
上記第2の波長選択フィルタの回折手段は、上記第1の導波方向に沿って、上記第1の波長選択フィルタの回折手段のグレーティング周期とは異なるグレーティング周期を有することを特徴とするフィルタ装置。 A filter device comprising two wavelength selective filters according to any one of claims 1 to 5,
The filter device is
One common waveguide provided between the first and second surfaces facing each other and parallel to each other;
In the first surface of the waveguide, the first reflecting means, the first phase adjusting section, the diffracting means, the second phase adjusting section of the first wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters, and Comprising second reflecting means;
A first reflecting means, a first phase adjusting section, a diffracting means, a second phase adjusting section of the second wavelength selecting filter of the two wavelength selecting filters; Comprising second reflecting means;
The diffractive means of the second wavelength selective filter has a grating period different from the grating period of the diffractive means of the first wavelength selective filter along the first waveguide direction. .
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