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JP4468867B2 - Multilayer filter and optical wavelength filter having in-plane confinement structure - Google Patents

Multilayer filter and optical wavelength filter having in-plane confinement structure Download PDF

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JP4468867B2 JP2005199917A JP2005199917A JP4468867B2 JP 4468867 B2 JP4468867 B2 JP 4468867B2 JP 2005199917 A JP2005199917 A JP 2005199917A JP 2005199917 A JP2005199917 A JP 2005199917A JP 4468867 B2 JP4468867 B2 JP 4468867B2
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Description

本発明は、面内閉じ込め構造を有する多層膜フィルタおよび光波長フィルタに関し、より詳細には、平面基板上の光導波路もしくは光ファイバ中に設けたギャップに挿入される多層膜フィルタおよびそれにより形成される光波長フィルタに関するものである。   The present invention relates to a multilayer filter and an optical wavelength filter having an in-plane confinement structure. More specifically, the present invention relates to a multilayer filter inserted into a gap provided in an optical waveguide or an optical fiber on a flat substrate, and formed by the multilayer filter. The present invention relates to an optical wavelength filter.

現在、インターネットやデータ通信の普及により、アクセス網の高速化・光化が進んでいる。例えば、ITU-T勧告G.983.1で標準化が行われているB-PONシステムでは、図1に示すように、加入者1から局2への通信は、1260-1360nmの波長の光を用い、局2から加入者1への通信は1480-1580nmの波長の光を使用し、双方の波長帯の光を、同一の光ファイバ3中を双方向に通信することが決められている。この場合、加入者側および局側で2つの光をフィルタ4、5で合分波して送受信する必要がある。   Currently, with the spread of the Internet and data communication, access networks are becoming faster and lighter. For example, in the B-PON system standardized by ITU-T recommendation G.983.1, as shown in FIG. 1, the communication from the subscriber 1 to the station 2 uses light having a wavelength of 1260-1360 nm, Communication from the station 2 to the subscriber 1 uses light having a wavelength of 1480 to 1580 nm, and it is determined that light in both wavelength bands is bidirectionally transmitted through the same optical fiber 3. In this case, it is necessary to multiplex and demultiplex the two lights by the filters 4 and 5 and transmit / receive them on the subscriber side and the station side.

図1において、フィルタ4には、波長λ(1260-1360nm)の光を発振するLD6と、波長λ(1480-1580nm)の光を受光するPD7が接続されている。よって、加入者1は、波長λの光を局2へと送信し、波長λの光を受光する。一方、フィルタ5には、波長λの光を発振するLD8と、波長λの光を受光するPD9が接続されている。よって、局2は、波長λの光を加入者1へと送信し、波長λの光を受光する。 In FIG. 1, an LD 6 that oscillates light having a wavelength λ 1 (1260-1360 nm) and a PD 7 that receives light having a wavelength λ 2 (1480-1580 nm) are connected to the filter 4. Therefore, the subscriber 1 transmits the light with the wavelength λ 1 to the station 2 and receives the light with the wavelength λ 2 . On the other hand, the filter 5 is connected to an LD 8 that oscillates light of wavelength λ 2 and a PD 9 that receives light of wavelength λ 1 . Therefore, the station 2 transmits the light having the wavelength λ 2 to the subscriber 1 and receives the light having the wavelength λ 1 .

そのための光送受信モジュールの一例が特許文献1に示されている。特許文献1に記載されている光モジュールのように、平面光導波路上にLDやPD、多層膜フィルタをハイブリッド実装したWDM光送受信モジュールは、小型で安価にできるため開発が盛んに進められている。
最近、図2に示すように、希望する加入者には別の波長に付加的な信号を重畳してサービスを提供するシステムが検討されている。図2において、加入者21は、フィルタ24を備えている。フィルタ24には、波長λの光を発振するLD26と、波長λの光を受光するPD27と、波長λ(1550-1560nm)の光を受光するPD28とが接続されている。一方、局22は、フィルタ25を備えている。フィルタ25には、波長λの光を発振するLD29と、波長λの光を発振するLD30と、波長λの光を受光するPD31とが接続されている。
An example of an optical transmission / reception module for this purpose is shown in Patent Document 1. As in the optical module described in Patent Document 1, a WDM optical transmission / reception module in which LD, PD, and a multilayer filter are hybrid-mounted on a planar optical waveguide is being developed actively because it can be made small and inexpensive. .
Recently, as shown in FIG. 2, a system for providing a service by superimposing an additional signal on another wavelength to a desired subscriber has been studied. In FIG. 2, the subscriber 21 includes a filter 24. The filter 24, the LD26 for oscillating light of a wavelength lambda 1, the PD27 for receiving the light of the wavelength lambda 2, the PD28 for receiving the light of wavelength λ 3 (1550-1560nm) is connected. On the other hand, the station 22 includes a filter 25. The filter 25, the LD29 for oscillating the light of the wavelength lambda 2, the LD30 for oscillating light of wavelength lambda 3, and PD31 are connected for receiving the light of wavelength lambda 1.

図2では、このような構成で、加入者21および局22との間の信号のやり取りは、光ファイバ23を介して行われる。   In FIG. 2, with such a configuration, signal exchange between the subscriber 21 and the station 22 is performed via the optical fiber 23.

このように異なる波長で異なるサービスを提供するという形態が増えていき、その波長数は増えていくものと予想される。特許文献1では異なる波長の光を、光導波路中に挿入した多層膜フィルタで合分波する方法が記述されている。この方式は、レンズなどを必要とせず、小型で集積性・量産性に適した光部品の形態である。   Thus, the form of providing different services at different wavelengths is increasing, and the number of wavelengths is expected to increase. Patent Document 1 describes a method of multiplexing and demultiplexing light of different wavelengths with a multilayer filter inserted in an optical waveguide. This system does not require a lens or the like, and is a compact optical component suitable for integration and mass production.

特開平11−68705号公報JP-A-11-68705

しかしながら、特許文献1に記載の方式を、図2に示すシステムに適用しようとすると問題が生じる。図1に示すシステムでは多層膜フィルタで合分波する光の波長λとλとの間に120nmのガードバンドがある。よって多層膜フィルタはこのガードバンドで透過と反射の特性が入れ替わるように作製すればよく、クロストークの小さな良好な光送受信モジュールが実現できた。 However, a problem arises when the method described in Patent Document 1 is applied to the system shown in FIG. In the system shown in FIG. 1, there is a 120 nm guard band between the wavelengths λ 1 and λ 2 of the light multiplexed / demultiplexed by the multilayer filter. Therefore, the multilayer filter may be manufactured so that the transmission and reflection characteristics are switched in this guard band, and a good optical transceiver module with small crosstalk can be realized.

しかしながら、図2に示すシステムでは、波長λとλの間に50nmのガードバンドしかない。更に将来、上述の波長λ〜λとは別の波長を使用するようになると、このガードバンド波長はより狭くなっていく場合がある。ガードバンドが、50nm以下になると、多少膜フィルタの遮断特性が不十分で、上記多層膜フィルタに入射された2つの光を十分に分波できなくなり、クロストークが生じることがある。その結果、光送受信モジュールの動作が不安定になるという問題が生じる。 However, in the system shown in FIG. 2, there is only a 50 nm guard band between wavelengths λ 2 and λ 3 . Further, in the future, when a wavelength different from the above-described wavelengths λ 1 to λ 3 is used, the guard band wavelength may become narrower. When the guard band is 50 nm or less, the cutoff characteristic of the membrane filter is somewhat insufficient, the two lights incident on the multilayer filter cannot be sufficiently demultiplexed, and crosstalk may occur. As a result, there arises a problem that the operation of the optical transceiver module becomes unstable.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レンズを用いずに光導波路中に挿入した多層膜フィルタの遮断波長特性が十分に急峻ではないという現状の問題を解消して、クロストークを小さく抑えた光送受信モジュールを実現する、面内閉じ込め構造を有する多層膜フィルタおよび光波長フィルタを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is that the cutoff wavelength characteristic of a multilayer filter inserted into an optical waveguide without using a lens is not sufficiently steep. An object of the present invention is to provide a multilayer filter and an optical wavelength filter having an in-plane confinement structure that solves the problem and realizes an optical transceiver module with reduced crosstalk.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1記載の発明は、基板と、該基板上に形成された、少なくとも2種類の光学薄膜を多層に積層して形成された多層膜であって、前記光学薄膜の少なくとも1種類は、該光学薄膜の少なくとも1種類の面内方向において、所定の領域の屈折率が、該所定の領域の周囲の屈折率よりも高い面内屈折率分布を有する多層膜とを備え、前記基板の垂直方向に対して所定の角度で、少なくとも前記面内屈折率分布が形成された領域に入射した光が、前記多層膜中に閉じ込められて前記多層膜中を伝搬するようにしたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a multilayer film formed by laminating a substrate and at least two types of optical thin films formed on the substrate in multiple layers. The at least one optical thin film has an in-plane refractive index in which the refractive index of a predetermined region is higher than the refractive index around the predetermined region in at least one in-plane direction of the optical thin film. A multilayer film having a distribution, and at least a light incident on a region where the in-plane refractive index distribution is formed at a predetermined angle with respect to a vertical direction of the substrate is confined in the multilayer film and the multilayer film It is characterized by propagating through the film.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記面内屈折率分布は、前記所定の領域の周囲よりも屈折率の高い領域が、前記所定の領域中の所定の一点を中心とした2次元的な分布であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the in-plane refractive index distribution is such that a region having a higher refractive index than the periphery of the predetermined region is centered on a predetermined point in the predetermined region. It is characterized by the two-dimensional distribution.

請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記面内屈折率分布は、前記所定の領域の周囲よりも屈折率の高い領域が、直線状の1次元的な分布であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the in-plane refractive index distribution is such that a region having a higher refractive index than the periphery of the predetermined region is a linear one-dimensional distribution. It is characterized by.

請求項4記載の発明は、請求項2記載の多層膜フィルタと、交差型の光導波路とを備え、前記光導波路の交差部において、前記光導波路が有する導波路コアの長手方向に略垂直方向に溝が形成されており、前記多層膜フィルタの前記所定の領域と前記導波路コアとの位置がほぼ一致するように、前記多層膜フィルタが前記溝に挿入されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, the multilayer filter according to the second aspect of the present invention and a cross-type optical waveguide are provided, and a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide core of the optical waveguide at the intersection of the optical waveguide. The multilayer filter is inserted into the groove so that the predetermined region of the multilayer filter and the waveguide core substantially coincide with each other.

請求項5記載の発明は、請求項3記載の多層膜フィルタと、交差型の光導波路とを備え、前記光導波路の交差部において、前記光導波路が有する導波路コアの長手方向に略垂直方向に溝が形成されており、前記交差部近傍における前記導波路コアの幅が、前記導波路コアの、前記交差部近傍以外の幅よりも広く、前記導波路コアの高さと、前記所定の領域の高さとがほぼ一致するように、前記多層膜フィルタが前記幅に挿入されていることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, the multilayer filter according to the third aspect of the present invention and an intersecting optical waveguide are provided, and at a crossing portion of the optical waveguide, a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide core of the optical waveguide And the width of the waveguide core in the vicinity of the intersection is wider than the width of the waveguide core other than in the vicinity of the intersection, the height of the waveguide core, and the predetermined region The multilayer filter is inserted in the width so that the height of the filter substantially coincides.

以上説明したように、本発明によれば、少なくとも2種類の光学薄膜を多層に積層して形成された多層膜において、光学薄膜の少なくとも1種類は、光学薄膜の少なくとも1種類の面内方向において、所定の領域の屈折率が、該所定の領域の周囲の屈折率よりも高いという面内屈折率分布を有するようにしたので、レンズを用いなくても、急峻な遮断波長特性を実現でき、クロストークを小さく抑えた光モジュールを実現することができる。   As described above, according to the present invention, in a multilayer film formed by laminating at least two types of optical thin films, at least one of the optical thin films is in at least one in-plane direction of the optical thin film. Since the refractive index of the predetermined region has an in-plane refractive index distribution that is higher than the refractive index around the predetermined region, a steep cutoff wavelength characteristic can be realized without using a lens, An optical module with reduced crosstalk can be realized.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
まず、光導波路中に挿入した多層膜フィルタの遮断波長特性が充分に急峻でない原因を解析する。空間でレンズを用いてコリメートした光ビーム中に多層膜フィルタを挿入した場合の遮断波長特性の一例を図3に示す。図3において、2本の波長スペクトルは、透過スペクトルと反射スペクトルに相当する。この場合、急峻な遮断波長特性を示しており、4nm程度のガードバンドで透過と反射の特性が入れ替わっていることが分かる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
First, the reason why the cutoff wavelength characteristic of the multilayer filter inserted in the optical waveguide is not sufficiently steep is analyzed. FIG. 3 shows an example of a cutoff wavelength characteristic when a multilayer filter is inserted into a light beam collimated using a lens in space. In FIG. 3, two wavelength spectra correspond to a transmission spectrum and a reflection spectrum. In this case, a steep cutoff wavelength characteristic is shown, and it can be seen that the transmission and reflection characteristics are switched in a guard band of about 4 nm.

次に、多層膜フィルタを光導波路中に挿入したときの遮断波長特性を図4に示す。図4において、2本の波長スペクトルは、透過スペクトルと反射スペクトルに相当する。図4は、図3と比較して大幅に遮断波長特性がなまっているのが分かる。   Next, FIG. 4 shows the cutoff wavelength characteristics when the multilayer filter is inserted into the optical waveguide. In FIG. 4, two wavelength spectra correspond to a transmission spectrum and a reflection spectrum. FIG. 4 shows that the cut-off wavelength characteristic is greatly reduced compared to FIG.

この遮断波長特性がなまる原因は、次のように考えることができる。コリメートされて平面波に近い状態になった光は多層膜中の共振器で何回反射しても散逸せずに強い共振状態を実現する。これに対して、多層膜フィルタを導波路中に挿入した場合は、多層膜中で光は回折して散逸していくため強い共振状態を実現することができない。よって、導波路中に挿入した多層膜フィルタで、図3の示すような、急峻な波長特性を実現するには、ビームサイズを広げて擬似的にコリメートビームに近い状態を実現すればよい。平面光導波路中のビームサイズについて、基板と水平方向のビームサイズはコア幅を広げることで容易に拡大できる。   The cause of the loss of the cutoff wavelength characteristic can be considered as follows. The light that is collimated and is in a state close to a plane wave realizes a strong resonance state without being dissipated no matter how many times it is reflected by the resonator in the multilayer film. On the other hand, when a multilayer filter is inserted into the waveguide, light is diffracted and dissipated in the multilayer film, so that a strong resonance state cannot be realized. Therefore, in order to realize a steep wavelength characteristic as shown in FIG. 3 with the multilayer filter inserted in the waveguide, it is only necessary to realize a state close to a collimated beam by expanding the beam size. Regarding the beam size in the planar optical waveguide, the beam size in the horizontal direction with respect to the substrate can be easily increased by increasing the core width.

しかしながら、基板と垂直方向のビームサイズを拡大することは、プロセス的に負担が大きい。具体的には多層膜フィルタと交差する部分のコア厚を厚くすることで基板と垂直方向のビームサイズを広げることができる。しかしながら厚いコアを堆積することや、そのコアに高さ方向のテーパを形成することは作製工程上負担が大きく、作製コストが高くなる。そこで本発明の一実施形態では、光導波路中のビームサイズを広げる代わりに、多層膜フィルタに光閉じ込め構造を作製することで、高い共振状態を実現する。   However, enlarging the beam size in the direction perpendicular to the substrate is burdensome in terms of process. Specifically, the beam size in the direction perpendicular to the substrate can be increased by increasing the core thickness at the portion intersecting the multilayer filter. However, depositing a thick core and forming a taper in the height direction on the core imposes a heavy burden on the manufacturing process and increases the manufacturing cost. Therefore, in one embodiment of the present invention, a high resonance state is realized by creating an optical confinement structure in the multilayer filter instead of expanding the beam size in the optical waveguide.

(第1の実施形態)
図5に、本発明の第1の実施形態に係る2次元的な面内屈折率分布を有する多層膜フィルタを示す。なお、図5において、ポリイミド基板51および多層膜52の面内方向の2方向をx、y軸方向とし、高さ方向をz軸方向としている。
(First embodiment)
FIG. 5 shows a multilayer filter having a two-dimensional in-plane refractive index distribution according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, two in-plane directions of the polyimide substrate 51 and the multilayer film 52 are the x and y axis directions, and the height direction is the z axis direction.

本実施形態に係る多層膜フィルタ50の基板としては、膜厚の薄いポリイミド膜を使用している。これは、本実施形態に係る多層膜フィルタ50が、レンズを用いずに導波路中に挿入して使用することを想定しているため、その際の回折損失を抑制する目的で、数μmの厚みが実現できるポリイミド膜を用いているのである。本実施形態のポリイミド膜厚は5μmとしている。   A thin polyimide film is used as the substrate of the multilayer filter 50 according to the present embodiment. This is because the multilayer filter 50 according to the present embodiment is assumed to be used by being inserted into a waveguide without using a lens. Therefore, in order to suppress diffraction loss at that time, several μm The polyimide film that can realize the thickness is used. The polyimide film thickness of this embodiment is 5 μm.

このようなポリイミド膜からなるポリイミド基板51には、SiO2/Ta2O5多層膜52が形成している。この多層膜52としては、一般的に使用されているSiO2とTa2O5とを積層したものを用いている。この多層膜52は、イオンアシスト真空蒸着法でポリイミド基板1上に堆積している。多層膜52の膜厚は20μmである。多層膜52を堆積した後、多層膜52の上面の所定の領域に紫外線を照射することで、その周囲に比べて屈折率が高い領域である高屈折率領域53を形成し、多層膜中に面内(x、y軸方向)屈折率分布を形成する。 A SiO 2 / Ta 2 O 5 multilayer film 52 is formed on a polyimide substrate 51 made of such a polyimide film. As the multilayer film 52, a laminated film of commonly used SiO 2 and Ta 2 O 5 is used. The multilayer film 52 is deposited on the polyimide substrate 1 by ion-assisted vacuum evaporation. The film thickness of the multilayer film 52 is 20 μm. After the multilayer film 52 is deposited, a predetermined region on the upper surface of the multilayer film 52 is irradiated with ultraviolet rays to form a high refractive index region 53 that is a region having a higher refractive index than the surroundings, and the multilayer film 52 An in-plane (x, y-axis direction) refractive index distribution is formed.

なお、本実施形態では、SiO2とTa2O5との2種類の光学薄膜を積層して多層膜52を形成しているが、これに限定されない。すなわち、材料の組成や積層する材料の数が本質ではなく、後述のように、多層膜52に、その周囲よりも高い屈折率の領域を設けることによって面内閉じ込め構造を形成することが重要である。よって、多層膜52を形成する材料として、他の光学薄膜を用いても良いし、また、光学薄膜数も少なくとも2種類以上あれば良い。 In the present embodiment, the multilayer film 52 is formed by laminating two types of optical thin films of SiO 2 and Ta 2 O 5 , but the present invention is not limited to this. That is, the composition of the material and the number of materials to be laminated are not essential, and it is important to form an in-plane confinement structure by providing the multilayer film 52 with a region having a higher refractive index than the periphery thereof, as will be described later. is there. Therefore, other optical thin films may be used as a material for forming the multilayer film 52, and the number of optical thin films may be at least two kinds.

図6(a)および(b)に、本実施形態に係る多層膜フィルタの屈折率分布を示す。図6(a)は、本実施形態に係る、Ta2O5層の面内屈折率分布を示す図であり、図6(b)は、本実施形態に係る、SiO2層の内屈折率分布を示す図であり、図6(c)は、多層膜の膜厚方向(z軸方向)の屈折率分布を示す図である。 6A and 6B show the refractive index distribution of the multilayer filter according to the present embodiment. FIG. 6A is a diagram showing an in-plane refractive index distribution of the Ta 2 O 5 layer according to this embodiment, and FIG. 6B is an internal refractive index of the SiO 2 layer according to this embodiment. FIG. 6C is a diagram showing the refractive index distribution in the film thickness direction (z-axis direction) of the multilayer film.

本実施形態では、多層膜52に含まれる、SiO2層とTa2O5層との双方にそれぞれ、紫外線照射による、面内屈折率分布が形成されている。SiO2とTa2O5層とについて、紫外線を照射した場所とその周辺部との屈折率差は、Ta2O5層で0.5%、SiO2層で0.1%と、両者の間に差が生じている。この面内屈折率分布は、多層膜にほぼ垂直に入射された光を面内方向に閉じ込めることを目的に形成しているため、2つの層の少なくとも何れか一方にのみ形成されていても機能する。 In the present embodiment, in-plane refractive index distributions are formed on both the SiO 2 layer and the Ta 2 O 5 layer included in the multilayer film 52 by ultraviolet irradiation. Regarding the SiO 2 and Ta 2 O 5 layers, the difference in refractive index between the UV-irradiated place and the surrounding area is 0.5% for the Ta 2 O 5 layer and 0.1% for the SiO 2 layer, and there is a difference between them. Has occurred. This in-plane refractive index distribution is formed for the purpose of confining light incident substantially perpendicularly to the multilayer film in the in-plane direction, and therefore functions even if it is formed only in at least one of the two layers. To do.

また、本実施形態のように、SiO2層と、Ta2O5層とで屈折率差に違いがあっても機能する。更には、SiO2層とTa2O5層との面内屈折率は、図6(a)および(b)に示す矩形型の屈折率分布でも良いし、山形のなだらかな屈折率分布でも構わない。本実施形態において重要なことは、SiO2層/Ta2O5層の面内方向に閉じ込められた光のモードフィールドが、入出力に用いる光導波路のモードフィールドに近いことである。 Moreover, even if there is a difference in refractive index between the SiO 2 layer and the Ta 2 O 5 layer as in the present embodiment, it functions. Furthermore, the in-plane refractive index of the SiO 2 layer and the Ta 2 O 5 layer may be a rectangular refractive index distribution shown in FIGS. 6A and 6B, or may be a mountain-shaped gentle refractive index distribution. Absent. What is important in this embodiment is that the mode field of light confined in the in-plane direction of the SiO 2 layer / Ta 2 O 5 layer is close to the mode field of the optical waveguide used for input and output.

本実施形態では、屈折率の高い部分が、後述の図8における、光の入射角6°に合わせて、多層膜フィルタ50の深さ方向(z軸方向)に斜めに形成されるように、上記紫外線を、多層膜52の面内鉛直方向から入射角6°で照射している。   In the present embodiment, the portion having a high refractive index is formed obliquely in the depth direction (z-axis direction) of the multilayer filter 50 in accordance with the incident angle of light 6 ° in FIG. 8 described later. The ultraviolet rays are irradiated from the vertical direction in the plane of the multilayer film 52 at an incident angle of 6 °.

上述のような面内屈折率分布が形成された多層膜フィルタ50は、最後にダイシング・ソーでチップに切り出す。多層膜フィルタチップは、最終的に光導波路中に設けた溝に挿入する。その際、光導波路のコアと多層膜52の高屈折率領域53(多層膜52の屈折率が高い部分)との位置合わせが重要である。   The multilayer filter 50 in which the in-plane refractive index distribution as described above is formed is finally cut into chips with a dicing saw. The multilayer filter chip is finally inserted into a groove provided in the optical waveguide. At that time, it is important to align the core of the optical waveguide with the high refractive index region 53 of the multilayer film 52 (the portion where the refractive index of the multilayer film 52 is high).

このために、本実施形態では、2つの工夫を行った。図7は、この工夫を説明するための多層膜フィルタチップの平面図である。1つ目の工夫は、多層膜フィルタ50をチップに切り出す際に、チップの端から高屈折率領域53までの距離が、所定の値になるようにチップの切断を行うことである。ここで、所定の値とは、光導波路中に設けた、チップを挿入するための溝の底から光導波路のコアまでの距離を意味する。なお、チップを挿入するための溝は、導波路のコアを貫通するように形成されている。   For this reason, in the present embodiment, two ideas have been made. FIG. 7 is a plan view of a multilayer filter chip for explaining this device. The first idea is to cut the chip so that the distance from the end of the chip to the high refractive index region 53 becomes a predetermined value when the multilayer filter 50 is cut into the chip. Here, the predetermined value means the distance from the bottom of the groove for inserting the chip provided in the optical waveguide to the core of the optical waveguide. In addition, the groove | channel for inserting a chip | tip is formed so that the core of a waveguide may be penetrated.

こうして形成された、多層膜フィルタチップ71をチップを挿入するための溝に挿入した際、チップ71の端を溝に突き当てることで、自動的にコアと高屈折率領域53の高さ方向の位置合わせが実現される。具体的には、本実施形態では、チップを挿入するための溝の光導波路上面からの深さを150ミクロン、コアの、光導波路の上面からの深さを25ミクロンとしている。よって、溝の底からコアまでの高さは125ミクロンである。このため、多層膜フィルタチップ71の端(溝と接する側)から高屈折率領域53までの距離を125ミクロンと設計している。   When the multilayer filter chip 71 formed in this way is inserted into the groove for inserting the chip, the end of the chip 71 is abutted against the groove, so that the core and the high refractive index region 53 in the height direction automatically. Alignment is realized. Specifically, in this embodiment, the depth of the groove for inserting the chip from the upper surface of the optical waveguide is 150 microns, and the depth of the core from the upper surface of the optical waveguide is 25 microns. Therefore, the height from the bottom of the groove to the core is 125 microns. Therefore, the distance from the end of the multilayer filter chip 71 (the side in contact with the groove) to the high refractive index region 53 is designed to be 125 microns.

2つ目の工夫は、紫外線で高屈折率領域53を形成した際に、その近傍に同じ紫外線を強く当てることで目印としての穴を形成することである。本実施形態では、高屈折率領域53近傍に紫外線を強く当てることで穴をチップ71の端に形成した。本実施形態では、この穴をマーカ(位置合わせ用のマーカ)として用いることで、高屈折率領域53とコアとの位置合わせを行う。図7では、このような位置合わせ用のマーカとして、マーカ72aおよび72bが形成されている。実際の位置合わせ時に用いるマーカは、マーカ72aである。マーカ72bは、チップ71の、高屈折率領域53が形成されている側の隣のチップに、位置合わせ用のマーカを形成する際に形成されたものである。   The second contrivance is to form a hole as a mark by strongly applying the same ultraviolet ray in the vicinity thereof when the high refractive index region 53 is formed with the ultraviolet ray. In this embodiment, the hole is formed at the end of the chip 71 by strongly irradiating ultraviolet rays near the high refractive index region 53. In the present embodiment, this hole is used as a marker (alignment marker), thereby aligning the high refractive index region 53 and the core. In FIG. 7, markers 72a and 72b are formed as such positioning markers. The marker used at the time of actual alignment is the marker 72a. The marker 72b is formed when a marker for alignment is formed on a chip adjacent to the chip 71 on the side where the high refractive index region 53 is formed.

図8に多層膜フィルタチップが光導波路中に挿入された合分波器の斜視図であり、図9は、図8に示した合分波器の上面図であり、図10は、図9のA−A’線切断断面図である。   8 is a perspective view of the multiplexer / demultiplexer in which the multilayer filter chip is inserted into the optical waveguide, FIG. 9 is a top view of the multiplexer / demultiplexer shown in FIG. 8, and FIG. It is AA 'line cutting | disconnection sectional drawing of.

図8〜10において、合分波器81は、シリコン基板82、シリコン基板81上に形成されたクラッド83、およびクラッド83に埋め込まれたY分岐型の導波路コア84を備えている。Y分岐型の導波路コア84の2つに分岐した一方の出力端は反射ポート87であり、他方の出力端はコモンポート88である。また、Y分岐型の導波路コア84の分岐していない方の出力端は透過ポート89である。   8 to 10, the multiplexer / demultiplexer 81 includes a silicon substrate 82, a clad 83 formed on the silicon substrate 81, and a Y-branch waveguide core 84 embedded in the clad 83. One output end branched into two of the Y-branch type waveguide core 84 is a reflection port 87, and the other output end is a common port 88. Further, the non-branched output end of the Y-branch waveguide core 84 is a transmission port 89.

合分波器81の上面側(クラッド83)には、導波路コア84の分岐点において、導波路コア84の長手方向に略垂直方向に、チップを挿入するための挿入溝85が形成されている。なお、挿入溝85の深さは、クラッド83の上面から導波路コア84を貫通し、導波路コア84から距離dの位置に溝の底面86がくるように設定されている。   An insertion groove 85 for inserting a chip is formed on the upper surface side (cladding 83) of the multiplexer / demultiplexer 81 at a branch point of the waveguide core 84 in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide core 84. Yes. The depth of the insertion groove 85 is set so as to penetrate the waveguide core 84 from the top surface of the clad 83 and the bottom surface 86 of the groove is at a distance d from the waveguide core 84.

挿入溝85には、挿入側の端面から高屈折率領域53までの距離が距離dに設定された、多層膜フィルタチップ71が挿入されている。多層膜フィルタチップ71の位置決めは、位置合わせ用のマーカ72aによって行う。すなわち、多層膜フィルタチップ71において、マーカ72aは、高屈折率領域53の垂直上側に形成されているので、マーカ72aを導波路コア84に合うようにチップ71を挿入溝85中で移動させて位置決めを行えば、導波路コア84と高屈折率領域53との基板面内方向の位置決めを高精度に行うことができる。また、チップ71の挿入側の端面から高屈折率領域53までの距離と、導波路コア84から溝の底面86までの距離とが距離dに設定されているので、導波路コア84と高屈折率領域53との高さ方向の位置決めも高精度に行うことができる。   In the insertion groove 85, a multilayer filter chip 71 in which the distance from the end surface on the insertion side to the high refractive index region 53 is set to the distance d is inserted. The multilayer filter chip 71 is positioned by a positioning marker 72a. That is, in the multilayer filter chip 71, since the marker 72a is formed vertically above the high refractive index region 53, the chip 71 is moved in the insertion groove 85 so that the marker 72a is aligned with the waveguide core 84. If the positioning is performed, the waveguide core 84 and the high refractive index region 53 can be positioned in the substrate in-plane direction with high accuracy. Further, since the distance from the end surface on the insertion side of the chip 71 to the high refractive index region 53 and the distance from the waveguide core 84 to the bottom surface 86 of the groove are set to the distance d, the waveguide core 84 and the high refractive index are set. Positioning in the height direction with the rate region 53 can also be performed with high accuracy.

導波路コア84と高屈折率領域53との位置決めを行った後に、多層膜フィルタチップ71を接着剤によって固定する。このように、光導波路に多層膜フィルタチップを挿入することによって光波長フィルタを形成する。このとき、図8〜図10から分かるように、本実施形態では、多層膜フィルタチップ71と導波路コア84との間にレンズは設けられていない。   After positioning the waveguide core 84 and the high refractive index region 53, the multilayer filter chip 71 is fixed with an adhesive. Thus, the optical wavelength filter is formed by inserting the multilayer filter chip into the optical waveguide. At this time, as can be seen from FIGS. 8 to 10, in this embodiment, no lens is provided between the multilayer filter chip 71 and the waveguide core 84.

本実施形態では、導波路コア84から多層膜フィルタチップ71に入射した光は、高屈折率領域53へと入射される。よって、多層膜フィルタチップ71中では、光は、高屈折率領域によって閉じ込められることになるので、高い共振状態を実現することができる。よって、多層膜フィルタの遮断波長特性の急峻性を向上することが可能となる。   In the present embodiment, light incident on the multilayer filter chip 71 from the waveguide core 84 is incident on the high refractive index region 53. Therefore, in the multilayer filter chip 71, light is confined by the high refractive index region, so that a high resonance state can be realized. Therefore, it is possible to improve the steepness of the cutoff wavelength characteristic of the multilayer filter.

このような構成の合分波器において、コモンポート88から透過ポート89及び反射ポート87への透過波長スペクトルを図11に示す。本実施形態では、図11に示されるように、図4の面内屈折率分布を持たない多層膜フィルタを用いた場合に比べて、遮断波長特性が急峻になっていることが分かる。面内屈折率分布の最適化により更に遮断波長特性を急峻にすることも可能である。   In the multiplexer / demultiplexer having such a configuration, a transmission wavelength spectrum from the common port 88 to the transmission port 89 and the reflection port 87 is shown in FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 11, it can be seen that the cut-off wavelength characteristics are steeper than in the case of using the multilayer filter having no in-plane refractive index distribution of FIG. It is also possible to make the cutoff wavelength characteristic steep by optimizing the in-plane refractive index distribution.

このように、本実施形態に係る多層膜フィルタを用いることにより、多層膜フィルタと光導波路との間にレンズを設けなくても、急峻な遮断波長特性を有する集積型合分波フィルタを実現することができる。   As described above, by using the multilayer filter according to the present embodiment, an integrated multiplexing / demultiplexing filter having a steep cutoff wavelength characteristic can be realized without providing a lens between the multilayer filter and the optical waveguide. be able to.

(第2の実施形態)
図12に本発明の第2の実施形態に係る、1次元的な面内屈折率分布を有する多層膜フィルタを示す。本実施形態に係る多層膜フィルタ120は基本的に第1の実施形態で用いた多層膜フィルタ50と同じ構成である。両者の違いは、多層膜52における、屈折率の高い部分の形状が、第1の実施形態では、2次元的な分布をしているのに対して、本実施形態では、図12に示すように直線上の1次元的な分布をしている点である。すなわち、図12に示されるように、その周囲に比べて屈折率が高い領域である高屈折率領域121は、多層膜フィルタを光導波路に挿入した際の基板垂直面内の、基板と水平方向に、屈折率分を有している。このように、1次元的な屈折率分布を有する多層膜フィルタの上面図を図13に示す。それ以外の、膜厚、屈折率を上げる方法等は第1の実施形態と同様であるので、説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 12 shows a multilayer filter having a one-dimensional in-plane refractive index distribution according to the second embodiment of the present invention. The multilayer filter 120 according to the present embodiment has basically the same configuration as the multilayer filter 50 used in the first embodiment. The difference between the two is that the shape of the portion having a high refractive index in the multilayer film 52 has a two-dimensional distribution in the first embodiment, whereas in this embodiment, as shown in FIG. This is a point having a one-dimensional distribution on a straight line. That is, as shown in FIG. 12, the high refractive index region 121, which is a region having a higher refractive index than the surrounding area, is in the horizontal direction with respect to the substrate in the vertical plane of the substrate when the multilayer filter is inserted into the optical waveguide. And has a refractive index component. FIG. 13 shows a top view of a multilayer filter having a one-dimensional refractive index distribution in this way. Other methods for increasing the film thickness, refractive index, and the like are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

本実施形態の多層膜フィルタ120の構成では、横方向の閉じ込めが無いため、交差導波路に多層膜フィルタを挿入する際、横方向(図12では、x軸方向)の位置合わせが不要になり、フィルタ挿入作業が大幅に軽減される。本実施形態で重要なことは、導波路コアと、高屈折率領域121との位置合わせを高精度に行うために、唯一、チップを挿入するための溝の底面から導波路コアまでの距離と、多層膜フィルタの溝への挿入側の端から高屈折率領域121までの距離とが同一であることが必要である。   In the configuration of the multilayer filter 120 of the present embodiment, since there is no lateral confinement, alignment in the lateral direction (in the x-axis direction in FIG. 12) becomes unnecessary when the multilayer filter is inserted into the intersecting waveguide. The filter insertion work is greatly reduced. What is important in the present embodiment is that the distance from the bottom surface of the groove for inserting the chip to the waveguide core is the only thing in order to align the waveguide core and the high refractive index region 121 with high accuracy. The distance from the end on the insertion side to the groove of the multilayer filter to the high refractive index region 121 needs to be the same.

ただし、本実施形態では、縦方向(図12では、y軸方向)には閉じ込め効果を有するが、横方向(図12では、x軸方向)には閉じ込め効果を有さない。よって、このままでは、横方向の回折を抑制することが困難である。そこで、本実施形態では、多層膜フィルタ120を挿入する光導波路部分の導波路コアにおいて、導波路コアの幅を、導波路コアの接続部分以外の導波路コアの幅よりも大きくしている。図14(a)は、本実施形態に係る、導波路コアと高屈折率領域との接続部分付近を示す上面図であり、図14(b)は、図14(a)のB−B’線切断断面図である。   However, in this embodiment, there is a confinement effect in the vertical direction (y-axis direction in FIG. 12), but no confinement effect in the horizontal direction (x-axis direction in FIG. 12). Therefore, it is difficult to suppress lateral diffraction in this state. Therefore, in the present embodiment, in the waveguide core of the optical waveguide portion where the multilayer filter 120 is inserted, the width of the waveguide core is made larger than the width of the waveguide core other than the connection portion of the waveguide core. FIG. 14A is a top view showing the vicinity of the connection portion between the waveguide core and the high refractive index region according to the present embodiment, and FIG. 14B is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. FIG.

図14(a)に示されるように、本実施形態では、導波路コア141の、多層膜フィルタの高屈折率領域143との接続部においては、テーパ状の導波路コア142としている。すなわち、導波路コアにおいて、高屈折率領域143との接続部付近の導波路コアの幅を、それ以外の導波路コアの幅よりも広くすることによって、上記接続部の導波路コアの幅を、それ以外の導波路コアの幅よりも広くして、導波路コアの幅方向(図12では、x軸方向)の回折を抑制している。また、図14(b)に示されるように、テーパ状の導波路コア142の幅は、その高さに比べて広くなっている。通常、導波路コアの幅は、数ミクロン程度であるので、その場合は、上記接続部の導波路コアの幅を20〜30ミクロン程度とすればよい。   As shown in FIG. 14A, in this embodiment, the waveguide core 141 has a tapered waveguide core 142 at the connection portion between the waveguide core 141 and the high refractive index region 143 of the multilayer filter. That is, in the waveguide core, the width of the waveguide core in the vicinity of the connection portion with the high refractive index region 143 is made wider than the width of the other waveguide cores, thereby reducing the width of the waveguide core in the connection portion. Further, the width of the waveguide core is made wider than that of the other waveguide cores to suppress diffraction in the width direction of the waveguide cores (the x-axis direction in FIG. 12). Further, as shown in FIG. 14B, the width of the tapered waveguide core 142 is wider than its height. Usually, the width of the waveguide core is about several microns. In this case, the width of the waveguide core of the connecting portion may be about 20 to 30 microns.

本実施形態では、ウエハ状態で多層膜フィルタ120に紫外線を照射して1次元的に屈折率の高い部分を形成して、多層膜52に高屈折率領域121を形成する。その後、ダイシングソーにて多層膜フィルタチップに切り出しを行う。この切断時に、多層膜フィルタチップの、溝への挿入側の端から高屈折率領域121までの距離が、チップを挿入するための溝底面から導波路コアまでの距離に一致するよう切断を行う。そのように多層膜フィルタ120を切断することで、多層膜フィルタチップを溝に挿入しただけで、高屈折率領域121がチップの面内の横方向(チップを挿入するための溝の長手方向)に直線上に一次元的に分布しているので、導波路コアと多層膜フィルタチップの高屈折率領域121の高さ方向の位置合わせができる。   In this embodiment, the multilayer filter 120 is irradiated with ultraviolet rays in a wafer state to form a one-dimensionally high refractive index portion, and the high refractive index region 121 is formed in the multilayer film 52. Then, it cuts out into a multilayer filter chip with a dicing saw. At the time of this cutting, cutting is performed so that the distance from the end of the multilayer filter chip on the insertion side to the groove to the high refractive index region 121 matches the distance from the groove bottom surface for inserting the chip to the waveguide core. . By cutting the multilayer filter 120 in such a manner, the high refractive index region 121 is in the lateral direction in the plane of the chip (longitudinal direction of the groove for inserting the chip) just by inserting the multilayer filter chip into the groove. Therefore, the waveguide core and the high refractive index region 121 of the multilayer filter chip can be aligned in the height direction.

本実施形態に係る多層膜フィルタチップを、図8のように構成された合分波器に挿入した場合の、コモンポートから透過ポート及び反射ポートへの透過波長スペクトルを図14に示す。図15から分かるように、本実施形態では、図4に示す、従来技術の透過スペクトルに比べると、遮断波長特性が急峻になっていることが分かる。   FIG. 14 shows a transmission wavelength spectrum from the common port to the transmission port and the reflection port when the multilayer filter chip according to the present embodiment is inserted into the multiplexer / demultiplexer configured as shown in FIG. As can be seen from FIG. 15, in this embodiment, the cut-off wavelength characteristic is sharper than the transmission spectrum of the prior art shown in FIG.

従来の、光アクセスシステムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional optical access system. 従来の、光アクセスシステムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional optical access system. 空間でレンズを用いてコリメートした光ビーム中に多層膜フィルタを挿入した場合の遮断波長特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cutoff wavelength characteristic at the time of inserting a multilayer filter in the light beam collimated using the lens in space. 多層膜フィルタを光導波路中に挿入したときの遮断波長特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cutoff wavelength characteristic when a multilayer filter is inserted in an optical waveguide. 本発明の一実施形態に係る、多層膜フィルタを示す図である。It is a figure which shows the multilayer filter based on one Embodiment of this invention. (a)は、本発明の一実施形態に係る、Ta2O5層の面内屈折率分布を示す図であり、(b)は、本発明の一実施形態に係る、SiO層の面内屈折率分布を示す図であり、(c)は、多層膜の膜厚方向の屈折率分布を示す図である。(A), according to an embodiment of the present invention is a diagram showing an in-plane refractive index distribution of the Ta 2 O 5 layer, (b), according to an embodiment of the present invention, the surface of the SiO 2 layer It is a figure which shows an internal refractive index distribution, (c) is a figure which shows the refractive index distribution of the film thickness direction of a multilayer film. 本発明の一実施形態に係る、光導波路のコアと多層膜の高屈折率領域との位置合わせを説明するための多層膜フィルタチップの平面図である。It is a top view of the multilayer filter chip for demonstrating alignment with the core of an optical waveguide, and the high refractive index area | region of a multilayer film based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、多層膜フィルタチップが光導波路中に挿入された合分波器の斜視図である。1 is a perspective view of a multiplexer / demultiplexer in which a multilayer filter chip is inserted into an optical waveguide according to an embodiment of the present invention. 図8に示した合分波器の上面図である。FIG. 9 is a top view of the multiplexer / demultiplexer shown in FIG. 8. 図9のA−A’線切断断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 9. 本発明の一実施形態に係る、コモンポートから透過ポート及び反射ポートへの透過波長スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the transmission wavelength spectrum from the common port to the transmission port and reflection port based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、多層膜フィルタを示す図である。It is a figure which shows the multilayer filter based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、多層膜フィルタの上面を示す図である。It is a figure showing the upper surface of a multilayer filter concerning one embodiment of the present invention. (a)は、本発明の一実施形態に係る、導波路コアと高屈折率領域との接続部分付近を示す上面図であり、(b)は、(a)のB−B’線切断断面図である。(A) is a top view which shows the connection part vicinity of a waveguide core and high refractive index area | region based on one Embodiment of this invention, (b) is a BB 'line | wire cross section of (a). FIG. 本発明の一実施形態に係る、コモンポートから透過ポート及び反射ポートへの透過波長スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the transmission wavelength spectrum from the common port to the transmission port and reflection port based on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

51 ポリイミド基板
52 多層膜
53 高屈折率領域
51 Polyimide substrate 52 Multilayer film 53 High refractive index region

Claims (2)

基板と、
該基板上に形成された、少なくとも2種類の光学薄膜を多層に積層して形成された多層膜であって、前記光学薄膜の少なくとも1種類は、該光学薄膜の面内方向において、所定の領域の屈折率が、該所定の領域の周囲の屈折率よりも高い面内屈折率分布を有し、当該面内屈折率分布が前記所定の領域中の所定の一点を中心とした2次元的な面内屈折率分布である多層膜を有する多層膜フィルタと
交差型の光導波路とを備え、
前記多層膜フィルタは、前記基板の垂直方向に対して所定の角度で、少なくとも前記面内屈折率分布が形成された領域に入射した光が、前記多層膜中に閉じ込められて前記多層膜中を伝搬する面内閉じ込め構造を有し、
前記光導波路の交差部において、前記光導波路が有する導波路コアの長手方向に略垂直方向に溝が形成されており、
前記多層膜フィルタの前記所定の領域と前記導波路コアとの位置がほぼ一致するように、前記多層膜フィルタが前記溝に挿入されていることを特徴とする光波長フィルタ
A substrate,
A multilayer film formed on the substrate by laminating at least two types of optical thin films in multiple layers, wherein at least one of the optical thin films is a predetermined region in the in-plane direction of the optical thin film Has an in-plane refractive index distribution higher than the refractive index around the predetermined region, and the in- plane refractive index distribution is a two-dimensional centered on a predetermined point in the predetermined region. A multilayer filter having a multilayer film having an in-plane refractive index distribution ;
With a crossed optical waveguide,
In the multilayer filter, light incident on at least a region where the in-plane refractive index distribution is formed at a predetermined angle with respect to a vertical direction of the substrate is confined in the multilayer film and passes through the multilayer film. have a plane confinement structure you propagation,
At the intersection of the optical waveguide, a groove is formed in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide core of the optical waveguide,
The optical wavelength filter, wherein the multilayer filter is inserted into the groove so that the predetermined region of the multilayer filter and the waveguide core substantially coincide with each other .
基板と、
該基板上に形成された、少なくとも2種類の光学薄膜を多層に積層して形成された多層膜であって、前記光学薄膜の少なくとも1種類は、該光学薄膜の面内方向において、所定の領域の屈折率が、該所定の領域の周囲の屈折率よりも高い面内屈折率分布を有し、当該面内屈折率分布が直線状の1次元的な面内屈折率分布である多層膜を有する多層膜フィルタと
交差型の光導波路とを備え、
前記多層膜フィルタは、前記基板の垂直方向に対して所定の角度で、少なくとも前記面内屈折率分布が形成された領域に入射した光が、前記多層膜中に閉じ込められて前記多層膜中を伝搬する面内閉じ込め構造を有し、
前記光導波路の交差部において、前記光導波路が有する導波路コアの長手方向に略垂直方向に溝が形成されており、
前記交差部近傍における前記導波路コアの幅が、前記導波路コアの、前記交差部近傍以外の幅よりも広く、
前記導波路コアの高さと、前記所定の領域の高さとがほぼ一致するように、前記多層膜フィルタが前記幅に挿入されていることを特徴とする光波長フィルタ
A substrate,
A multilayer film formed on the substrate by laminating at least two types of optical thin films in multiple layers, wherein at least one of the optical thin films is a predetermined region in the in-plane direction of the optical thin film the refractive index has a plane refractive index distribution higher than the refractive index of the periphery of the predetermined region, the plane refractive index profile of the multilayer film is a one-dimensional in-plane refractive index distribution of the linear A multilayer filter having ,
With a crossed optical waveguide,
In the multilayer filter, light incident on at least a region where the in-plane refractive index distribution is formed at a predetermined angle with respect to a vertical direction of the substrate is confined in the multilayer film and passes through the multilayer film. have a plane confinement structure you propagation,
At the intersection of the optical waveguide, a groove is formed in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide core of the optical waveguide,
The width of the waveguide core in the vicinity of the intersection is wider than the width of the waveguide core other than in the vicinity of the intersection,
The optical wavelength filter, wherein the multilayer filter is inserted in the width so that a height of the waveguide core and a height of the predetermined region substantially coincide with each other .
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