JP5061876B2 - バンドパスフィルタ - Google Patents

Description

この発明は、ファブリ・ペロー型共振器を用いたバンドパスフィルタに関するものである。

従来、磁気光学体である１次元磁性フォトニック結晶を用いたバンドパスフィルタが考案されている。１次元磁性フォトニック結晶は、数種の誘電体がその厚さに規則性を持って交互に積層された誘電体多層膜と、磁性体からなる不規則層（欠陥層）とを備えたものである（特許文献１参照）。

図１は、従来の１次元磁性フォトニック結晶の構成を説明する図である。
磁気光学体１０は、２種類の誘電体（誘電体薄膜）１１，１２がその厚さに規則性をもって交互に積層された２つの多層膜１３，１４と、該２つの多層膜１３，１４の間に設けた磁性体１５（磁気光学薄膜）とからなっている。

多層膜１３，１４は、ファブリ・ペロー共振器の反射鏡の役割を果たすものであり、各誘電体１１，１２の膜厚は、光学長（実膜厚×屈折率）がλ／４（λは光の波長）となるように設計されている。また、光の局在が生じる磁性体１５からなる不規則層（欠陥層）の光学長は、ｍλ／２（ｍは正の整数）となっている。

この磁気光学体１０は、偏光子と検光子との間に配置されて光アイソレータを構成する
特開２００２−９０５２５号公報

磁気光学体１０を光アイソレータとして構成した場合、通過帯域の減衰量は偏光子と検光子との位置関係などによって定まる。偏光子と検光子との位置関係は通常は固定されており、そのため、従来は通過帯域の減衰量が固定で、減衰量を調整する機能が要求される用途には用いることができなかった。

そこで、この発明の目的は、通過帯域の減衰量を調整可能にしたバンドパスフィルタを提供することにある。

この発明のバンドパスフィルタは、ファブリ・ペロー型共振器と導波管と磁界印加手段と磁界強度変更手段とを備える。ファブリ・ペロー型共振器は、２つの反射器と共振層とを備える。反射器は、低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体層とが交互に積層配置されたものである。共振層は、２つの反射器の間に設けた磁性体からなり２つの反射器による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる。導波管は、ファブリ・ペロー型共振器を収容し、伝搬する電磁波を電界の振幅方向が特定の方向であるＴＥモードに制限する。磁界印加手段は、電磁波の伝搬方向に平行な直流磁界を、導波管の外部から共振層に印加する。磁界強度変更手段は、直流磁界の強度を変化させる。

この構成では、低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体層とがファブリ・ペロー干渉を起こし、フォトニック結晶におけるバンドギャップが生じる。これにより反射器が、電磁気的に帯域阻止フィルタとして作用する。共振層がフォトニック結晶における欠陥層として作用し、局在モードの共振を生じさせる。これにより、阻止帯域内に通過帯域が生じる。磁界印加手段が、共振層に電磁波の伝搬方向に平行な直流磁界を印加し、共振層を伝搬する電磁波の偏波面をファラデー効果により旋回させる。磁界強度変更手段が、直流磁界の強度を変化させ、導波管を伝搬する電磁波の偏波面の旋回角を変化させる。導波管が、ファブリ・ペロー型共振器を伝搬する電磁波のモードを、電界の振幅方向が特定方向であるＴＥモードに制限する。したがって、電磁波の偏波面の旋回角に応じてＴＥモードの電磁波の減衰量が変化し、通過帯域の電磁波の減衰量が、磁界強度変更手段の設定に応じて任意に可変制御される。

共振層は、その光路長が通過帯域のほぼ中心周波数で１／２波長であると好適である。共振層がファブリ・ペロー型共振器の共振層として作用するのは、その共振層の光路長が１／２波長の整数倍であるときであり、通過帯域の波長をλ、整数をｎとすると、共振層の光路長はｎ・λ／２で表され、ｎは２，３またはそれ以上であっても共振層として作用する。しかしながら、ｎ＝１、すなわち共振層の光路長を１／２波長とすることによって共振層が最も薄くなって、共振層における透過率が最も大きく、すなわち減衰量が最も小さくなるため、磁界強度変更手段の設定による減衰量の制御範囲を大きく確保できる。

低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体層の光路長は前記阻止帯域の波長でそれぞれほぼ１／４波長であると好適である。この場合、低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体層とでファブリ・ペロー干渉を起こしながら、各層の厚みを必要最低限に薄くできるので、磁界強度変更手段の設定による減衰量の制御範囲を大きく確保できる。

低誘電率誘電体層は樹脂であり、ファブリ・ペロー型共振器最外層が樹脂層であると好適である。この場合、ファブリ・ペロー型共振器の成形が光造形法によって容易となるためである。

共振層はフェライトからなると好適である。この場合、外部から与える直流磁界の変化に対するファラデー効果による偏波面の旋回角が大きく変化して、通過帯の電磁波の減衰量変化を大きくすることができるためである。

この発明によれば、電磁波の伝搬方向に平行な直流磁界を変化させることによって、共振層を伝搬する電磁波の偏波面の、ＴＥモードからの旋回角を変化させ、電磁波の減衰量を任意に可変制御できる。

まず、第１の実施形態に係るバンドパスフィルタについて説明する。
図２は第１の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるファブリ・ペロー型共振器の断面図である。
本実施形態に係るファブリ・ペロー型共振器２０は、高誘電率誘電体層をなすアルミナ層２１と、低誘電率誘電体層をなすエポキシ樹脂層２２と、最外層をなすエポキシ樹脂層２４と、共振層をなすフェライト層２３とを備える。各層は、一定方向に積層されている。ファブリ・ペロー型共振器２０の積層方向両端にはエポキシ樹脂層２４がそれぞれ設けられている。それらの内側には、多層膜２５がそれぞれ設けられている。多層膜２５は、３層のアルミナ層２１と３層のエポキシ樹脂層２２とを交互に配列したものである。ファブリ・ペロー型共振器２０の中央の、多層膜２５に挟まれた位置には、フェライト層２３が設けられている。

ファブリ・ペロー型共振器２０は１次元フォトニック結晶であり、アルミナ層２１とエポキシ樹脂層２２とがファブリ・ペロー干渉を起こし、バンドギャップが生じる。また、フェライト層２３はフォトニック結晶における欠陥層として作用し、局在モードの共振を生じさせる。これによりファブリ・ペロー型共振器２０は、電磁気的にはバンドギャップの阻止帯域内に欠陥層による通過帯域が存在する。

アルミナ層２１およびエポキシ樹脂層２２の厚み寸法は、ファブリ・ペロー型共振器２０のバンドギャップの中心周波数においてほぼ１／４波長となる寸法に定める。またフェライト層２３の厚み寸法は、通過帯域の中心周波数でほぼ１／２波長となる寸法に定める。なお、バンドギャップの中心周波数と通過帯域の中心周波数とを一致させてもよい。

また、基本的にエポキシ樹脂層はアルミナ層よりも屈折率が空気に近いため、反射による損失を抑制するために、ファブリ・ペロー型共振器２０の両端にアルミナ層２１ではなくエポキシ樹脂層２４を設けている。また、後述する光造形法で作製することを考慮すると最外層をアルミナ層２１ではなくエポキシ樹脂層２４にした方が作りやすいので、本構成はコスト的に有利でもある。

また、低誘電率誘電体層であるエポキシ樹脂層２２や高誘電率誘電体層であるアルミナ層２１は、光路長が１／４波長となる厚みにすることが原則である。そのため、エポキシ樹脂層２４もそのような厚みにしてもよい。しかし、空気との境界での反射などの影響によっては、エポキシ樹脂層２４の厚みが薄いほうがよい場合があり、そのため、本実施形態では、エポキシ樹脂層２４の厚み寸法をエポキシ樹脂層２２より薄く形成している。

ここで、各部寸法の設計法の一例を説明する。

ファブリ・ペロー型共振器によるバンドギャップの設計中心周波数を１３ＧＨｚとする場合、１３ＧＨｚの真空中の光路長（１波長）は約２３．０６ｍｍであり、その１／４波長は約５．７７ｍｍである。そこで、光路長（１／４波長）が約５．７７ｍｍとなるエポキシ樹脂層２２の厚みと、アルミナ層２１の厚みとを求める必要がある。求める厚み寸法は、必要とする光路長を、比誘電率の平方根で割った値となる。そのため、エポキシ樹脂層２２の比誘電率が約２．８の場合、エポキシ樹脂層２２の厚み寸法は約３．５ｍｍとなる。また、アルミナ層２１の比誘電率が約８．４の場合、アルミナ層２１の厚み寸法は約２．０ｍｍとなる。また、エポキシ樹脂層２４の厚み寸法は、エポキシ樹脂層２２よりも薄い方がよく、例えば約１．０ｍｍとすることができる。

また、ファブリ・ペロー型共振器による通過帯域の設計中心周波数を１３ＧＨｚとする場合、１３ＧＨｚの真空中の光路長の１／２波長は約１１．５３ｍｍである。そこで、光路長（１／２波長）が約１１．５３ｍｍとなるフェライト層の厚みを求める必要がある。フェライト層の比誘電率が約１１．８の場合、フェライト層の厚み寸法は約３．２ｍｍとなる。

なお、上記したエポキシ樹脂、アルミナ層、フェライト層の比誘電率はＳパラ法（Ｎｉｃｏｒｓｏｎ−Ｒｏｓｓ法）で測定したものを用いることができる。

図３はファブリ・ペロー型共振器２０の製造工程を説明する図である。
ファブリ・ペロー型共振器２０の実際の製造工程では、光造形装置（例えば、株式会社ディーメック製ＳＣＳ−３００Ｐ）を用い、紫外線硬化エポキシ樹脂（ＳＣＲ−７３０）を材料として、図３（Ａ）に示すような複数のスリット（窪み）４１，４２を有する直方体形状のエポキシ樹脂構造体４０を作成する。

続いて図３（Ｂ）のように、スリット４１に３枚のアルミナ板を挿入しアルミナ層２１を構成する。スリット４２には２枚のフェライト板を挿入しフェライト層２３を構成する。スリット４１，４２の厚み寸法はアルミナ層２１およびフェライト層２３の厚み寸法に合わせ、スリット４１，４２の間隔は、エポキシ樹脂層の厚み寸法に合わせておく。なお、アルミナ板やフェライト板は、複数枚により各層を構成しなくても単板で各層を構成してもよい。

次に、図３（Ｃ）に示すように図における上部にエポキシ樹脂を続けて造形してスリット４１，４２の隙間およびアルミナ層２１およびフェライト層２３の上部を樹脂封止する。

その後、図３（Ｄ）に示すように、アルミナ層２１およびフェライト層２３の端縁周囲の不要な樹脂をそれぞれ切断除去する。これによって四側面にアルミナ層２１およびフェライト層２３が露出した、アルミナ層２１、フェライト層２３およびエポキシ樹脂層２２，２４からなるファブリ・ペロー型共振器２０が構成されことになる。

なお、使用した部材の寸法・組成・特性の一例は次のとおりである。
アルミナ板
組成：純度９６％のアルミナ
寸法：１８．８×９．３×０．６３５ｍｍ
比誘電率：８．４
フェライト板
組成：ＹＩＧ （Ｙ Ｃａ）（Ｆｅ Ｖ Ａｌ Ｉｎ）Ｏ_１２系のフェライト
寸法：１８．９５×９．４５×１．９６２ｍｍ
比誘電率：１１．８
エポキシ樹脂
比誘電率：２．８
なお、フェライト板としては、スピネル系フェライト（Ｍｇ−Ｍｎフェライト、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ａｌフェライト、Ｌｉ−Ｆｅフェライト）や、ガーネット系フェライト（Ｙ−Ｆｅフェライト、Ｇｄ−Ｆｅフェライト）なども使用可能である。

図４はファブリ・ペロー型共振器２０を備えたバンドパスフィルタ全体の構成を示す断面図である。

バンドパスフィルタ１００は方形導波管５０とファブリ・ペロー型共振器２０と電磁石６０と磁界制御部７０とを備えている。

方形導波管５０は、伝搬する電磁波の電界振幅方向が上下方向であるＴＥモードのみを伝搬する。すなわち、電界の方向は同図中の上下方向であり、磁界ループの面は紙面に垂直な方向である。また、この方形導波管５０はＡｌ、Ｃｕ、または樹脂にＣｕやＡｇをメッキしたものを用いる。

ファブリ・ペロー型共振器２０は、方形導波管５０の内部に挿入（充填）されている。また、方形導波管５０の両端には信号入出力のためのプローブ５１をそれぞれ配置していて、同軸コネクタで信号の入出力を行うように構成している。

磁界制御部７０は、電磁石６０への入力電力を制御する。電磁石６０は、方形導波管５０の外部からファブリ・ペロー型共振器２０のフェライト層２３に対して直流磁界Ｈを印加する。直流磁界Ｈの方向は、方形導波管５０内部を伝搬する電磁波の伝搬方向である。このように方形導波管５０の外部から直流磁界Ｈを印加する都合上、方形導波管５０の少なくとも両端部は、例えばＦｅ等の磁気シールド性のある材質は基本的に使用できない。

プローブ５１から方形導波管を伝搬する電磁波のモードは、電界の振幅方向が特定方向であるＴＥモードに制限される。一方、フェライト層２３に直流磁界Ｈが印加されることで、ファラデー効果により共振層で電磁波の偏波面が旋回し、前記モードの減衰量が変化する。直流磁界Ｈの大きさを磁界制御部７０にて制御することにより、ファラデー効果による電磁波の偏波面の旋回角が変化し、前記モードの減衰量が調整できる。

次に、本実施形態のファブリ・ペロー型共振器２０の性能を確認するために行った、性能シミュレーションと実性能測定の結果を説明する。

図５は比較例として示すファブリ・ペロー型共振器３０の断面図である。
ファブリ・ペロー型共振器３０は、上述のフェライト層に代えてアルミナ層を備えた構成である。ファブリ・ペロー型共振器３０の両端にはエポキシ樹脂層３４が設けられる。それらの内側にはアルミナ層３１とエポキシ樹脂層３２とを交互に１３層配置した周期構造体である。換言すると比較例のファブリ・ペロー型共振器３０は、上述のファブリ・ペロー型共振器２０において中央のフェライト層２３を、高誘電率誘電体層であるアルミナ層３１に置換したものに等しい。比較例のファブリ・ペロー型共振器３０のアルミナ層３１およびエポキシ樹脂層３２，３４の厚み寸法は、ファブリ・ペロー型共振器２０と同様である。このファブリ・ペロー型共振器３０は、ファブリ・ペロー型共振器２０と同様に光造形法によりエポキシ樹脂製の構造体を作成し、中央のスリットにフェライト層ではなくアルミナ層３１を挿入することで構成する。

次に、バンドパスフィルタの特性について説明する。
図６（Ａ）はバンドパスフィルタ１００の伝送線路理論に基づくシミュレーションによる透過特性Ｓ２１を示す図である。同図（Ｂ）は、比較例のファブリ・ペロー型共振器３０を用いたバンドパスフィルタのシミュレーションによる透過特性Ｓ２１を示す図である。

同図（Ｂ）のように、フェライト層２３による欠陥層が存在しない場合には、約１１．０〜１６．０ＧＨｚの帯域で、フォトニック結晶におけるバンドギャップが観測された。また、ギャップ中心周波数は約１３．５ＧＨｚで約−３５ｄＢであった。これに対しフェライト層２３を備えたファブリ・ペロー型共振器２０を挿入した場合には、同図（Ａ）に示すように、約１０．０〜１６．５ＧＨｚの帯域で、フォトニック結晶におけるバンドギャップが観測された。また、欠陥層により生じる通過帯域の中心周波数、即ち欠陥周波数は約１３．１ＧＨｚで約−１２ｄＢであった。

図７（Ａ）は、バンドパスフィルタ１００の透過特性Ｓ２１を示す実測結果である。同図（Ｂ）は、比較例のファブリ・ペロー型共振器３０を用いたバンドパスフィルタの透過特性Ｓ２１を示す実測結果である。図６に示したシミュレーションの場合とほぼ同様の特性が観測された。なお、実測結果では、約１６ＧＨｚ付近に急峻な不透過スペクトルが生じているが、これは導波管の特性によるものである。

次に、電磁石６０によって、ファブリ・ペロー型共振器２０に直流磁界Ｈを印加した場合について説明する。

図８は、直流磁界Ｈとして、磁束密度を０．３８Ｔとした例でのバンドパスフィルタ１００の透過特性Ｓ２１を示す実測結果である。図９は、磁束密度を０．４０Ｔとした例でのバンドパスフィルタ１００の透過特性Ｓ２１を示す実測結果である。図１０は、磁束密度を０．４２Ｔとした例でのバンドパスフィルタ１００の透過特性Ｓ２１を示す実測結果である。図１１は、磁束密度を０．００Ｔ、０．３８Ｔ、０．４０Ｔ、および０．４２Ｔとした各例を比較する図である。

磁束密度を０．００Ｔとした例では、欠陥周波数は約１３．１ＧＨｚで約−１２ｄＢであった。磁束密度を０．３８Ｔとした例では、欠陥周波数は約１３．２ＧＨｚで約−１２ｄＢであり、周波数１３．１ＧＨｚでの減衰量は約−１５ｄＢであった。磁束密度を０．４０Ｔとした例では、欠陥周波数は約１３．３ＧＨｚで約−１６ｄＢであり、周波数１３．１ＧＨｚでの減衰量は約−２６ｄＢであった。磁束密度を０．３８Ｔとした例では、通過帯域がほとんど無くなり、周波数１３．１ＧＨｚでの減衰量は約−２８ｄＢであった。

このように、直流磁界Ｈを印加していない状態での欠陥周波数約１３．１ＧＨzでは、直流磁界Ｈにより印加される磁束密度が大きくなるに従い減衰量が増加していき、例えば、磁束密度０．３８Ｔから磁束密度０．４０Ｔに変化させた場合に減衰量が−１５ｄＢから−２６ｄＢへと変化したように、ある磁束密度で急峻な変化をすることが観測された。また、同様の結果はシミュレーションにても確認できた。このことは、誘電体の周期構造によって多重反射が生じて、主にフェライト層でファラデー効果によって大きな偏波面の旋回が得られ、導波管内の電磁波の伝搬が阻止されることによると考えられる。

なお、実施形態では１３．０ＧＨｚ帯で利用する例を挙げたが、この発明は１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ程度の周波数帯に適用できる。この周波数帯の主な用途は通信であり、周波数可変バンドバスフィルタはマルチバンド送信機のフィルタに利用できる。

また、実施形態では方形導波管を利用する例を挙げたが、本発明は、それ以外にも、特定の方向に電界の振幅方向が向くＴＥモードが立ち、偏波面の旋回角に応じて減衰量を変化させられる導波管であれば、円形状等の導波管であってもよく、多様な形状の導波管に適用できる。

特許文献１に示されている光アイソレータの構成を示す図である。 第１の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるファブリ・ペロー型共振器の断面図である。 同ファブリ・ペロー型共振器の製造方法を示す図である。 同バンドパスフィルタの構成を示す断面図である。 比較例のファブリ・ペロー型共振器の断面図である。 バンドパスフィルタの透過特性のシミュレーション結果を示す図である。 バンドパスフィルタの透過特性の実測結果を示す図である。 外部から直流磁界を印加する場合のバンドパスフィルタの透過特性の実測結果を示す図である。 外部から直流磁界を印加する場合のバンドパスフィルタの透過特性の実測結果を示す図である。 外部から直流磁界を印加する場合のバンドパスフィルタの透過特性の実測結果を示す図である。 外部から印加する直流磁界を変化させた場合のバンドパスフィルタの透過特性の実測結果を示す図である。

符号の説明

２１…アルミナ層
２２…エポキシ樹脂層
２２，２４…エポキシ樹脂層
２３…フェライト層
２４…エポキシ樹脂層
２５…多層膜
４０…エポキシ樹脂構造体
４１，４２…スリット
５０…方形導波管
５１…プローブ
６０…電磁石
７０…磁界制御部
１００…バンドパスフィルタ
Ｈ…直流磁界

Claims (5)

1. 低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体層とを交互に積層配置した２つの反射器と、この２つの反射器の間に設けた磁性体からなり前記２つの反射器による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる共振層と、を備えるファブリ・ペロー型共振器と、
   前記ファブリ・ペロー型共振器を収容し、伝搬する電磁波を電界の振幅方向が特定の方向であるＴＥモードに制限する導波管と、
   前記電磁波の伝搬方向に平行な直流磁界を、前記導波管の外部から前記共振層に印加する磁界印加手段と、
   前記直流磁界の強度を変化させる磁界強度変更手段と、を備えるバンドパスフィルタ。
2. 前記共振層は、その光路長が前記通過帯域のほぼ中心周波数で１／２波長である請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
3. 前記低誘電率誘電体層と前記高誘電率誘電体層の光路長は前記阻止帯域のほぼ中心周波数でそれぞれ１／４波長である請求項１または２に記載のバンドパスフィルタ。
4. 前記低誘電率誘電体層は樹脂であり、前記ファブリ・ペロー型共振器の最外層が樹脂層である請求項１〜３のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。
5. 前記共振層はフェライトからなる請求項１〜４のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。

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