CN100594396C - 具有滤光片的光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明的光学模块(1)具有：具有入射面(2)及出射面(4)的滤光片(6)；连接在入射面(2)上的入射侧芯(8)；以及连接在出射面(4)上的出射侧芯(10)。将从入射位置(14)入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从出射面(4)射出的位置作为斯内尔出射位置(20)。在等效滤光片(6”)中，出射位置(16)向远离入射位置(14)的方向与斯内尔出射位置(20)相隔与群延迟相关的距离(D)。

Description

具有滤光片的光学模块

技术领域

本发明涉及具有滤光片的光学模块。

背景技术

作为更快地传播大容量的信息的方案，在一个光纤中传播多个波长的光的WDM(wavelength division multiplexing，波分复周)传播受到关注，与其相关的多种系统、光学模块等进行着开发和产品化。关于WDM传播用光学模块，使用了可以集成化、小型化的光波导的光合分波器受到关注，该光合分波器具有通过组合光波导和电介质多层膜类型的薄膜滤光片对波长进行合分波的结构。如WDM传播用光学模块中所说明的那样，以往已知作为滤光片(薄膜滤光片)使用将由无机物等构成的高折射率层和低折射率层相互层叠了多个的多层膜的光学模块。

图6是表示将光波导的芯倾斜地连接在该滤光片上的光学模块的概要图。如图6所示，光学模块100具有：具有相互大致平行的入射面102和出射面104的滤光片106；连接在入射面102上的入射侧芯108；连接在出射面104上的出射侧芯110；以及分别配置在入射侧芯108及出射侧芯110的周围的包层112、113。入射侧芯108具有入射轴线108a，并在入射轴线108a和入射面102的交点即入射位置114，以构成规定入射角θ_i的方式连接在入射面上。同样地，出射侧芯110具有出射轴线110a，并在出射轴线110a和出射面104的交点即出射位置116，以构成规定入射角θ。的方式连接在出射面104上。从入射侧芯108入射了的光在入射面102及出射面104等上折射并向出射侧芯110射出，所以入射轴线108a和出射轴线110a在出射面104上仅错开规定距离L进行配置。在入射侧芯108和出射侧芯110的折射率相等，且包层112、113的折射率相等的场合，如图6所示，入射角θ_i和出射角θ。相等。

要决定规定的距离L，已知使用斯内尔定律的方法。图7是斯内尔定律的说明图。如图7所示，在界面S的入射侧的折射率n₁和出射侧的折射率n₂不同时，相对于界面S上的法线Sa的光的入射角θ₁和出射角θ₂之间存在如公式6所示的关系。

n₁×sinθ₁＝n₂×sinθ₂...(公式6)

图8是利用斯内尔定律决定距离L的光学模块的概要图。在图8中，与图6相同的构成元件标注了相同的参照符号，省略其说明。

如图8所示，光学模块1’具有滤光片106’，滤光片106’具有将高折射率106H和低折射率层106L通过界面118相互层叠多个的结构。各高折射率层106H具有折射率n_H，将各高折射率层106H的总厚度以下用t_H表示。各低折射率层106L具有折射率n_L，将各低折射率层106L的总厚度以下用t_L表示。入射侧芯108具有折射率n_i。在滤光片106’的入射面102、各界面118及出射面104上，通过应用斯内尔定律，可求出在光按照斯内尔定律传播时的出射面104上的出射位置即斯内尔出射位置120。

但是，已知光的实际出射位置与通过斯内尔定律求出的出射位置120不同(参照专利文献1：日本特开2005-31398号公报)。图8表示配置在光的实际出射位置130上的出射侧芯132。专利文献1通过公式7决定实际出射位置130和斯内尔出射位置120之间的距离δ。

$\mathrm{\δ}=A\×{\tan \mathrm{\θ}}_i\×(t_H\frac{n_i}{n_H}+t_L\frac{n_i}{n_L})$ ...(公式7)

在该公式7中，A是对每个入射的光的波长所规定的数值，例如，对波长为1300nm的S偏振波来说为0.066～0.075。

公式7的A是在实际制作几个预先决定由高折射率层106H及低折射率层106L的折射率及厚度等决定的膜后结构的滤光片之后求出的数值。因此，公式7并不是对所有的滤光片都可适用，实际上，膜后结构尤其是膜厚结构比发生了变化的情况无法适用。膜厚结构比是指高折射率层的总膜厚和低折射率层的总膜厚的比。

另外，由于光的波长不同，则δ便为不同的数值，所以即使在一个波长中出射位置130一致，在其它波长中该出射位置130也不会一致。其结果，出射位置不一致的波长的光的损失变大，在进行光的多路传播中出现问题。

发明内容

于是，本发明的第一目的是提供在决定膜厚结构的设计阶段，决定可应用在所有的滤光片中的具有滤光片的光学模块的出射侧芯的出射位置的方法及利用该方法决定了出射侧芯的出射位置的光学模块。

另外，本发明的第二目的是提供具有滤光片且允许光的多路传播的光学模块。

本发明是申请人为了可以在设计阶段决定出射侧芯的出射位置而专心努力，并基于发现出射位置与滤光片的群延迟的深刻关联而做出的发明。

为了达到本发明的目的，本发明的光学模块，其特征在于，具有：具有入射面及出射面并由多层膜构成的滤光片；连接在入射面上的入射侧芯；以及连接在出射面上的出射侧芯，入射侧芯具有入射轴线，入射轴线和入射面在入射位置上倾斜相交，出射侧芯具有出射轴线，出射轴线和出射面在出射位置上相交，将从入射位置入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从出射面射出的位置作为斯内尔出射位置，在设定滤光片的等效折射率为n_f，且在入射面上的等效出射角为θ_f，滤光片的群延迟为GD，光速为c，α为常数时，出射位置向远离入射位置的方向与斯内尔出射位置相隔距离D_f，该距离D_f为

常数α为3～14。常数α的数值最好为5～12，更好为7～10，优选为8～9。

根据这种结构的光学模块，在设计阶段，如果决定滤光片的结构，则可算出规定的光以直线在入射位置和斯内尔出射位置之间传播的等效滤光片中的等效折射率n_f及入射面上的等效出射角θ_f，而且还可算出滤光片的群延迟。其结果，可提供在设计阶段，可决定出射侧芯的出射位置的光学模块。

在该光学模块的实施方式中，出射位置和斯内尔出射位置之间的距离D_f最好是对入射到滤光片中的至少两个规定波长的光相同。

在该光学模块中，对至少两个规定波长的光，入射位置和出射位置相同。可提供允许光的多路传播的光学模块。

另外，为了达到本发明的目的，本发明的光学模块，其特征在于，具有：具有入射面和出射面并由多层膜构成的滤光片；连接在入射面上的入射侧芯；以及连接在出射面上的出射侧芯，入射侧芯具有入射轴线，入射轴线和入射面在入射位置上倾斜相交，出射侧芯具有出射轴线，出射轴线和出射面在出射位置上相交，从入射位置入射的至少两个规定波长的光的在上述出射面上的出射位置实质上相同，在将从上述入射位置入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从上述出射面射出的位置作为斯内尔出射位置，并设定上述滤光片的等效折射率为n_f且在上述入射面上的等效出射角为θ_f，上述滤光片的群延迟为GD，光速为c，α为常数时，上述出射位置向远离上述入射位置的方向与上述斯内尔出射位置相隔距离D_f，该距离D_f为

常数α为3～14。。

这种结构的光学模块可允许光的多路传播。

另外，为了达到本发明的目的，根据本发明的方法是决定光学模块的出射位置的方法，该光学模块具有：具有入射面和出射面并由多层膜构成的滤光片；连接在入射面上的入射侧芯；以及连接在出射面上的出射侧芯，入射侧芯具有入射轴线，入射轴线和入射面在入射位置上倾斜相交，出射侧芯具有出射轴线，出射轴线和出射面在出射位置上相交，其特征在于，具有：决定从入射位置入射的规定的光按照斯内尔定律传播并从出射面射出的斯内尔出射位置的阶段；决定滤光片的等效折射率n_f和在入射面上的等效出射角θ_f的阶段；以及通过公式

决定出射位置和斯内尔出射位置之间的距离D_f的阶段，在这里，GD为群延迟，c为光速，α为3～14的常数，而且，还具有将出射位置定位于向远离入射位置的方向与斯内尔出射位置相隔距离D_f的位置上的阶段。常数α的数值最好为5～12，更好则为7～10，优选为8～9。

对本发明的效果进行说明。

根据本发明，可提供在设计阶段决定可应用在所有的滤光片中的具有滤光片的光学模块的出射侧芯的出射位置的方法及利用该方法决定了出射侧芯的出射位置的光学模块。

另外，根据本发明，可提供具有滤光片且允许光的多路传播的光学模块。

具体实施方式

如上所述，本发明是着眼于滤光片的群延迟而得到的发明。滤光片的群延迟是传播光在滤光片中被额外关闭的时间。图1是表示滤光片对光波长的透射率及群延迟GD的关系的一例的图。如图1所示，滤光片的群延迟GD可通过以角频率对传播常数进行微分再乘以传播距离而算出。例如，在图1中，表示横轴为波长的场合，根据图1可知，与滤光片的透射率变化程度相符地发生群延迟。

以下，参照附图，对根据本发明的光学模块进行说明。图2是表示根据本发明的光学模块的概要图。如图2所示，光学模块1具有相互大致平行的入射面2及出射面4的滤光片6；连接在入射面2上的入射侧芯8；连接在出射面4上的出射侧芯10；以及分别配置在入射侧芯8和出射侧芯10的周围的包层12、13。入射例芯8具有入射轴线8a及折射率na。入射轴线8a和入射面2在它们的交点即入射位置14，以入射轴线8a相对于入射面2的法线2a成入射角θa的方式倾斜相交。同样地，出射侧芯10具有出射轴线10a及折射率nb。出射轴线10a和出射面4在它们的交点即出射位置16，以出射轴线10a相对于出射面4的法线4a成出射角θb的方式倾斜相交。

在入射侧芯8和出射侧芯10的折射率相等，且包层12、13的折射率相等的场合，入射角θa和出射角θb相等(未图示)。

滤光片6由将高折射率层6H1、6H2、...、6Hn和低折射率层6L1、6L2、...、6Ln通过界面18相互层叠多个的多层膜构成。高折射率层6H1、6H2、...、6Hn分别具有厚度tH1、tH2、...、tHn，并具有共同的折射率nH。同样地，低折射率层6L1、6L2、...、6Ln分别具有厚度tL1、tL2、...、tLn，并具有共同的折射率nL。

将从入射位置14入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从出射面4射出的位置作为斯内尔出射位置20。出射位置16向远离入射位置14的方向与斯内尔出射位置20相隔距离D。另外，法线2a和出射面4的交点作为入射对应位置22。

图3是与图2的光学模块等效的光学模块的概要图。与图2共同的构成元件标注了相同的参照符号，省略其说明。图3的等效光学模块1’的滤光片6’由高折射率层6H和低折射率层6L这两层构成。高折射率层6H具有厚度t_H及折射率n_H。厚度t_H与图1的t_H1、t_H2、...、t_Hn的总和相等。同样地，低折射率层6L具有厚度t_L及折射率n_L。厚度t_L与图1的t_L1、t_L2、...、t_Ln的总和相等。

在图3中，用LH表示在高折射率层6H内的按照斯内尔定律的光的路径，用LL表示在低折射率层6L内的按照斯内尔定律的光的路径。光的路径LH的在入射面2上的出射角θ_H及光的路径LL的在界面18上的出射角θ_L根据公式1所示的关系计算。另外，利用斯内尔定律计算的光的出射位置20和出射侧芯10的出射位置16之间的距离D_HL根据公式2计算。在公式2中，GD为群延迟，c为光速，α₁和α₂为常数。α₁和α₂的值为3～14，分别另行决定，最好为5～12，更好则为7～10，优选为8～9。

n_a×sinθ_a＝n_H×sinθ_H＝n_L×sinθ_L...(公式1)

$D_{\mathrm{HL}}=\frac{\mathrm{GD}\×c}{n_H\×{\mathrm{\α}}_1}\·\frac{t_H}{t_H+t_L}{\tan \mathrm{\θ}}_H+\frac{\mathrm{GD}\×c}{n_L\×{\mathrm{\α}}_2}\·\frac{t_L}{t_H+t_L}{\tan \mathrm{\θ}}_L$ ...(公式2)

图4是与图2及图3的光学模块等效的光学模块的概要图。与图2共同的构成元件标注了相同的参照符号，省略其说明。图4的等效光学模块1”具有等效滤光片6”，等效滤光片6”由一个层构成。等效滤光片6”具有厚度t_f和等效折射率n_f。厚度t_f是图1的t_H1、t_H2、...、t_Hn及t_L1、t_L2、...、t_Ln的总和，即t_H和t_L的总和。等效滤光片6”的等效折射率n_f根据公式3计算。

$n_f=n_H\×\frac{t_H}{t_H+t_L}+n_L\×\frac{t_{L:}}{t_H+t_L}$ ...(公式3)

在图4中，在从入射位置14入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从出射面4上的斯内尔出射位置20射出时，用LF表示规定的光以直线在入射位置14和斯内尔出射位置20之间传播的等效路径。光的等效路径LF的在入射面2上的等效出射角θ_f根据公式4所示的关系计算。出射侧芯10的出射位置16和斯内尔出射位置20之间的距离D_f根据公式5计算。在公式5中，GD为群延迟，c为光速，α为常数。α的值为3～14，最好为5～12，更好则为7～10，优选为8～9。出射位置16向远离入射位置14的方向与斯内尔出射位置20相隔距离D_f。出射位置16和斯内尔出射位置20之间的距离D_f最好是对入射到滤光片6中的至少两个规定波长的光是相同的。

n_a×sinθ_a＝n_f×sinθ_f...(公式4)

$D_f=\frac{\mathrm{GD}\×c}{n_f\×\mathrm{\α}}\·\tan {\mathrm{\θ}}_f$ ...(公式5)

在光学模块1、1’、1”中，从入射侧芯8的入射位置14入射的光在滤光片6、6’、6”中传播，并从出射侧芯10的出射位置16射出。

其次，以传播光波长为1310nm、1490nm、1550nm的光的场合为例说明光学模块的设计方法。滤光片6使用透射波长1310nm和波长1490nm，且反射波长1550nm的SPF(shortwave length pass filter)。

一旦决定滤光片6的膜厚结构，则利用公式3及公式4算出等效折射率n_f及等效出射角θ_f。另外，根据对应透射滤光片6的波长1310nm及波长1490nm的角频率，算出关于滤光片6的各波长的群延迟GD。将所算出的等效折射率n_f、等效折射角θ_f、群延迟GD代入公式5中，算出距离D_f。

如果对应光波长1310nm、1490nm的距离D_f不同，则调整滤光片6的群延迟GD的值以使距离D_f相同。具体来讲，在图1中，调整滤光片6的特性(膜厚结构)，以使透射率开始急剧变化的波长λ及/或相对于波长的变化的透射率的变化率(斜率)P变化。

由此，从入射位置14入射的1310nm及1490nm的双方的波长的光从出射位置16射出。

在使用了滤光片6的种类为SPF，且调整波长1310nm和波长1490nm的群延迟，而使对于双方的波长的光来说距离D_f相同的滤光片6的场合，两种波长都能够得到低损失的特性。

图5是使粘接剂介于图2的光学模块的滤光片6与入射侧芯8及出射侧芯10之间的光学模块的概要图。在光学模块50的入射侧芯8与入射面2之间及出射面4与出射侧芯10之间分别设有粘接剂52、54。粘接剂52、54分别具有入射面2’和出射面4’，且具有折射率nc。入射轴线8a和入射面2’在它们的交点即入射位置14，以入射轴线8a相对于入射面2’的法线2a成入射角θa方式倾斜相交。同样地，出射轴线10a和出射面4’在它们的交点即出射位置16，以轴线10a相对于出射面4’的法线4a成出射角θb的方式倾斜相交。将从入射位置14入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从出射面4’射出的位置作为斯内尔出射位置20。

在图5所示的光学模块50中，在粘接剂52、54中传播的光适用斯内尔定律，在滤光片6内传播的光通过适用参照图2～图5说明的计算方法，可求出出射位置16和斯内尔定律20之间的距离D、D_HL、D_f。

其次，表示专利文献1所记载的光学模块的计算结果。在光的波长为1300nm、1490nm、1500nm时的入射侧芯108的折射率n_i，高折射率层106H的折射率n_H，低折射率层106L的折射率n_L，以及t_H＝6μm、t_L＝12μm、θ_i＝8°时，利用公式7计算出的距离δ用表1表示。如表1可知，对应于光的波长，距离δ变化较大，不适用于以低损失传播两个以上波长的光。

表1

光的波长	1300nm	1490nm	1500nm
				n<sub>H</sub>	2.232	2.227	2.227
n<sub>L</sub>	1.459	1.458	1.458
				n<sub>i</sub>	1.485	1.483	1.483
A(S偏振波)	0.066～0.075	0.40～0.50	0.06～0.09
				δ	0.15～0.17μm	0.91～1.14μm	1.37～2.05μm

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于以上实施方式，只要记载在权利要求书范围内的发明范围内可进行各种变更，当然这些变更应包含于本发明的范围内。

在上述实施方式中，入射面2用高折射率层6H1构成，出射面4用低折射率层6Ln构成，但也可以是入射面2用低折射率层6L1构成，出射面4用高折射率层6H1构成。

入射侧芯8的折射率和出射侧芯10的折射率可以相同，也可以不同。另外，入射侧的包层12的折射率和出射侧的包层13的折射率可以相同，也可以不同。另外，作为入射侧芯和出射侧芯，可利用光波导、光纤等的芯。例如，可以是入射侧芯8和包层12的组合是带有玻璃片的光纤，出射侧芯10和包层13的组合是光波导。

附图说明

图1是表示滤光片的透射率和群延迟的关系的一例的图。

图2是表示根据本发明的光学模块的概要图。

图3是与图2的光学模块等效的光学模块的概要图。

图4是与图2的光学模块等效的光学模块的概要图。

图5是使粘接剂介于图2的光学模块中的光学模块的概要图。

图6是表示将光波导的芯倾斜连接在滤光片上的现有的光学模块的概要图。

图7是斯内尔定律的说明图。

图8是利用斯内尔定律决定距离L的光学模块的概要图。

图中：

1、1’、1”、50-光学模块；2、2’-入射面；4、4’-出射面；6-滤光片；6”-等效滤光片；8-入射侧芯；8a-入射轴线；10-出射侧芯；10a-出射轴线；14-入射位置；16-出射位置；20-斯内尔出射位置；c-光速；D_f-距离；GD-群延迟；n_f-等效折射率；θ_f-等效出射角。

Claims (4)

1.一种光学模块，其特征在于，

具有：具有入射面及出射面并由多层膜构成的滤光片；连接在上述入射面上的入射侧芯；以及连接在上述出射面上的出射侧芯，

上述入射侧芯具有入射轴线，上述入射轴线和上述入射面在入射位置上倾斜相交，

上述出射侧芯具有出射轴线，上述出射轴线和上述出射面在出射位置上相交，

在将从上述入射位置入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从上述出射面射出的位置作为斯内尔出射位置，并设定上述滤光片的等效折射率为n_f且在上述入射面上的等效出射角为θ_f，上述滤光片的群延迟为GD，光速为c，α为常数时，上述出射位置向远离上述入射位置的方向与上述斯内尔出射位置相隔距离D_f，该距离D_f为

常数α为3～14。

2.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，

上述出射位置和上述斯内尔出射位置之间的距离D_f，对入射到上述滤光片的至少两个规定波长的光相同。

3.一种光学模块，其特征在于，

具有：具有入射面及出射面并由多层膜构成的滤光片；连接在上述入射面上的入射侧芯；以及连接在上述出射面上的出射侧芯，

上述入射侧芯具有入射轴线，上述入射轴线和上述入射面在入射位置上倾斜相交，

上述出射侧芯具有出射轴线，上述出射轴线和上述出射面在出射位置上相交，

从上述入射位置入射的至少两个波长的光在上述出射面上的出射位置实质上相同，在将从上述入射位置入射的规定波长的光按照斯内尔定律传播并从上述出射面射出的位置作为斯内尔出射位置，并设定上述滤光片的等效折射率为n_f且在上述入射面上的等效出射角为θ_f，上述滤光片的群延迟为GD，光速为c，α为常数时，上述出射位置向远离上述入射位置的方向与上述斯内尔出射位置相隔距离D_f，该距离D_f为常数α为3～14。

4.一种决定光学模块的出射位置的方法，该光学模块具有：具有入射面及出射面并由多层膜构成的滤光片；连接在上述入射面上的入射侧芯；以及连接在上述出射面上的出射侧芯，上述入射侧芯具有入射轴线，上述入射轴线和上述入射面在入射位置上倾斜相交，上述出射侧芯具有出射轴线，上述出射轴线和上述出射面在出射位置上相交，其特征在于，

具有：决定从上述入射位置入射的规定的光按照斯内尔定律传播并从上述出射面射出的斯内尔出射位置的阶段；

决定上述滤光片的等效折射率n_f和在上述入射面上的等效出射角θ_f的阶段；以及，

通过公式

决定上述出射位置和上述斯内尔出射位置之间的距离D_f的阶段，在这里，GD为群延迟，c为光速，α为3～14的常数，

还具有将上述出射位置定位于向远离上述入射位置的方向与上述斯内尔出射位置相隔距离D_f的位置上的阶段。

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