可変波長フィルタのためのNb₂O₅を用いた細線リング共振器の基礎研究

近年、スマートフォンやIoTなどの普及により通信トラフィックが急増しています。これらの需要に対応するため、光通信ネットワークの高速・大容量化の実現が求められています。キーデバイスの一つである波長フィルタは、特定の光の波長を分ける事ができ、このような素子の集積化や低消費電力化が求められています。本研究室では、光導波路形の光フィルタと大きな屈折率変化を持つ液晶を組み合わせた研究を行ってきました。私の研究では、素子サイズがum程度なリング共振器構造を用いた可変波長フィルタの実現を目指して研究を行いました。

リング共振器の構造図を図１に示します。リング共振器は直線導波路とリング導波路から形成されています。Inputから光を入射すると光はリング導波路と結合し、いくらかの光がリング導波路に入射します。リング導波路に入射された光は、リング導波路内を周回すると光路差により位相が変わることにより、直線導波路とリング導波路の光が結合する際に、リング共振器に入射された光の波長が打ち消され周期的に共振ピークが現れます。

素子の製作プロセスを図２に示します。始めに、熱酸化シリコン基板に、光導波路のコア層となる五酸化ニオブ(Nb₂O₅)を成膜します。その後、レジストを塗布し、細かいパターニングが可能な電子線描画装置を用いて、導波路のパターニングを行います。金属のクロムを蒸着し、余分なクロムを薬品を用いて取り除きます。RIE 装置を用いてドライエッチングを行い、Nb₂O₅を導波路のパターン通りに削ります。最後に、クロムを薬品を用いて取り除くことにより、導波路を形成します。

導波路幅を 1[μm]として、半径30[μm]のリング共振器を製作し、波長透過率測定を行いました。実際に製作したリング共振器の SEM 画像を図3、波長透過率特性を図4に示します。測定は上部クラッドをAirの状態で行い、基板の長さは17.1[mm]でした。直線導波路とリング共振器の間のGapが300[nm]で、ThroughとDropの両ポートの波長特性においてリング共振器の特徴である周期的に鋭い共振ピークを持つ共振波長特性を得られました。Gapが300[nm]において、共振周波数間隔がThroughが5.4 [nm]、dropが5.1[nm]でした。ThroughとDropの差が0.3[nm]でほぼ同じであることからリング共振器の特性が得られたと考えられます。

さらなる素子の小型化を目指して、導波路幅を600[nm]として、半径5[μm]のリング共振器を製作し、波長透過率測定を行いました。測定は上部クラッドを Air の状態で行い、基盤の長さは11.3[mm]でした。Gapが250[nm]の時の波長透過率特性を図5に示します。Gapが250[nm]の時に、Throughで周期的な落ち込みを確認することができました。Throughでの共振周波数間隔は30.4[nm]でした。Dropでの波長特性が得られなかったので、有限差分時間領域法を用いて解析を行いました。解析による理論波長特性を図6に示します。理論波長特性の共振周波数間隔は30.5[nm]でした。実際の素子の測定結果と解析結果の共振周波数間隔がほぼ同じであることから、半径5[μm]のリング共振器でリング共振器の共振特性を得られたと考えられます。

Nb₂O₅を用いたFLC装荷導波路形リング共振器の提案を行いました。リング共振器の設計を行い、解析により理論波長特性を明らかにしました。そして、素子製作を行い、半径30[μm]・半径5[μm]のリング共振器で共振特性を得ることができました。今後の課題として、波長特性の向上と、リング共振器に液晶を装荷し波長フィルタの動作実証を行う事が挙げられます。