CN1598622A - 波长合分波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波长合分波器。用于改善光的合分波时的特性。将各个波长频带的中心波长设为λ1、λ2、λ3时，使用由同一组件内的一个或多个光学基板支承的2个具有不同特性的光学滤波器一体形成的波长合分波器，将具有0.92≤λ2/λ1≤1.08， 0.20≤λ3/λ1≤0.92或1.08≤λ3/λ1≤5.00关系的3波长多路光分波或/和合波为各个频带时，将3波长多路光导入滤波器A，滤波器A将3波长多路光分离为λ3频带以及λ1和λ2的2波长多路光，再将所述2波长多路光导入第2滤波器B，滤波器B将2波长多路光分离为λ1频带和λ2频带的光，其中，该滤波器A采用光学流线式滤波器，该滤波器B采用光学带通滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及波长合分波器。
背景技术
电介质多层膜一般作为防反射膜涂覆在眼镜镜片表面上，或者涂覆在玻璃基板上以作为TV的分色过滤器等。另一方面，由近年来机器小型化的观点出发，例如作为在液晶投影仪或照相机等使用的分色过滤器，或者在DVD(数字通用盘)装置等中使用的激光检测用反射镜，必须采用的结构为：在2个棱形玻璃基板之间挟持电介质多层膜，使光以一定角度入射至电介质多层膜。另外，在通信领域中，为了应对通信量随网络的发展的增加，应引入波长多路光通信技术，其中，为了分离不同波长的光，必须采用在玻璃基板上形成构成流线式滤波器或带通滤波器的电介质多层膜的滤波器。
在光通信中，应考虑：虽然通过将3端子模块组合成级联，可以实现多个波长的合分波，但是，必需采用等于合分波数量的模块，从而导致装置成本提高，容纳面积也增大，设置成本也会增加。另外，虽然专利文献1—日本特开平8-82711号公报和非专利文献1(藤井阳一著[光工学]アグネ承风社，1993年，169页)披露了在单一模块中装入多个带通滤波器、流线式滤波器，以对多个波长实现合分波的模块，但是，由于光的分离角较小，因此，如果装入发送用激光器、接收用二极管，则存在的问题是，光学路径必须较长，从而导致装置大型化，提高设置成本等。如果要使装置现小型化，则必须使用激光/二极管阵列，从而引起成本增加。若既要使装置实现小型化而成本又不增加，则必须加大光的分离角，但是，在这种情况下，出射光的P及S波的乖离会增大，则引起合分波特性恶化之类的问题。
为了改善该高乖离角、即依赖于高入射角度时的P及S偏振光的特性恶化问题，即出射光的振幅波长特性与入射光的偏振光方向相比形成极大乖离的问题，在专利文献2—日本特开2000-162413号公报中，在所述电介质多层膜滤波器的高折射率层中使用了Si。如果在高折射率层中使用折射率高的Si、Ge、Zns、ZnSe等虽可以改善振幅特性的特性差，但是如上述专利文献2所披露的那样，如果在低折射率层中使用TiO2、SiO2并将其长时间放置在85℃、85％RH的高温高湿条件下时，TiO2、SiO2中的氧扩散到高折射率层，则会使Si、Ge层的折射率降低，因低折射率层的折射率上升引起的波长位移、光学特性变化。此外，对于Zns、ZnSe来说，由于它们与TiO2、SiO2之间的粘合性差，因此，会引发易于剥离的问题。
如果入射介质是折射率为1的空气，虽可以减小因偏振光方向不同引起的特性差，但是，近年来的光学部件为实现小型化而提高集成度，滤波器常常与其它的光学部件、纤维毛细管、棱镜、透镜、光波导直接接合后使用。在这种情况下，由于入射介质为空气，因此，需要采用空气夹层式结构。在采用空气夹层式结构的情况下，为了抑制因多重反射引起的振幅变化，在接合面之间应形成防反射膜。由于该防反射膜最适于折射率为1的空气，若在接合时的树脂等蔓延至光通过面而使透射特性恶化，所以必须采用树脂不会蔓延那样的接合构造，成为成本增加的重要原因。此外，如果仅进行树脂接合，则合格率会降低。
如上所述，为了消除上述因偏振光面造成的特性差，虽可以采用使入射光的偏振光面一致的方法，但是，如果使用偏振光元件仅仅挑出某一种偏振光，则导致光量的降低。另外，如果在分离为S波及P波之后，再将S波变换为P波，或者将P波变换为S波以使偏振光状态一致，则必须新增加偏振光面转换部件，从而导致装置大型化，使成本上升。
发明内容
鉴于上述状况而完成了本发明，其目的在于提供多层膜滤波器及合分波用光学部件，它们能够改善使用一个光学部件进行3波以上的光的合分波时因偏振光面而引起的特性恶化，同时体积小，合分波特性优良并且保存特性优良。
本发明发现，在设各个波长频带的中心波长为λ1、λ2、λ3时，使用利用同一组件内的一个或多个光学基板支承的2个具有不同特性的光学滤波器一体形成的波长合分波器，将具有0.92≤λ2/λ1≤1.08，0.20≤λ3/λ1≤0.92或1.08≤λ3/λ1≤5.00关系的3波长多路光分波或/和合波为各个频带时，如图8所示，将3波长多路光导入第1滤波器A，滤波器A将3波长多路光分离为λ3频带以及λ1与λ2的2波长多路光，将所述2波长多路光导入第2滤波器B，在滤波器B将2波长多路光分离为λ1频带和λ2频带的光时，通过使滤波器A采用光学流线式滤波器，滤波器B采用光学带通滤波器，从而能够改善因入射光的偏振光面、S波、P波造成出射光的振幅波长特性乖离的问题。
这时，滤波器A反射3波长多路光的λ3频带，透射λ1与λ2的2波长多路光，在透射滤波器A的2波长多路光中，滤波器B反射λ2频带而透射λ1频带，设滤波器A的入射介质的折射率为nA，导向滤波器A的3波长多路光与滤波器A面的法线形成的角为θA，同样，设滤波器B的入射介质的折射率为nB，导向滤波器B的2波长多路光与滤波器B面的法线形成的角为θB时，最好θA≥15度，nA·SinθA≤0.95，θB≤15度并且nB·SinθB≤0.85。
另外，在设滤波器A与滤波器B形成的角为α时，则60度≤α≤120度。如果θA的角度小于15度，则由于3波长多路光与1310nm的发送光之间的角度差很小，因此，各个元件非常接近以致难以布置，因此，θA最好大于15度。另一方面，如果将θA加大，则对滤波器A的入射角也会加大，因此，成膜于滤波器A上的流线式滤波器的P偏振光的反射率会降低。经过发明人等人的研究发现：θA的上限与基板A的折射率nA相关，如果不使nA·SinθA小于0.95，那么P偏振光就不能获得足够的反射率。
因此，在nA较小时，θA的设计自由度较大；另外，如果使用同样的θA，由于nA越低P偏振光的反射率越大，因此nA最好较小。入射角度θA最好在20度以上，nA·SinθA最好小于0.8。此外，如果滤波器A的出射介质与滤波器B的入射介质均为空气时，则可以通过下面所述的(公式1)求出用于获得入射角θB的α。
α＝θB+arcsin(nA·SinθA) (公式1)
因此，，如果设定基板A的折射率nA和对滤波器A的入射角θA，那么就可以通过计算求出用于获得理想θB的滤波器A与滤波器B形成的角α。经过笔者等人的研究发现：α的有效范围是60度≤α≤120度，最好为70度≤α≤100度。
作为本发明的高折射率膜的材料，可以采用从氧化钽、氧化钛、氧化铈、氧化铪、氧化锆、氧化铌、氧化钇、氧化铬等氧化物，氮化硅、氮化锗等氮化物，碳化硅等碳化物，Zns、ZnSe、GaP、InP、GaAs、GaAl、GaN等半导体以及它们的混合材料中选出的至少一种；作为低折射率膜的材料，可以采用从氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锗等氧化物，氟化钙、氟化钡、氟化铈、氟化镁、氟化钠、氟化钕、Na5Al3F14、Na3AlF6等氟化物，以及它们的混合材料中选出的至少一种。虽然各种折射率膜最好使用同种物质，但是，如果采用折射率相近的材料，则其一部分也可以用其它材料构成的折射率膜代替。此外，为了提高高温高湿环境下的保存特性，最好使用氧化物、氮化物、碳化物、氟化物。
本发明的电介质多层薄膜滤波器是通过真空成膜法制成的。在真空成膜法中，可以使用真空蒸镀法、溅射法、化学气相生长法、精确激光(レ-ザブレイシヨン)法等各种成膜法。在使用真空蒸镀法时，为了改善膜质，在使一部分蒸汽流离子化的同时在基板上施加偏压的离子电镀法，群离子束法或使用离子枪使离子照射到基板上的离子辅助蒸镀法均是有效的方法。作为溅射法，可采用DC反应性溅射法、RF溅射法、离子束溅射法等。作为化学气相生长法，可采用等离子体聚合法、光辅助气相法、热分解法、有机金属化学气相法等。另外，通过改变膜形成时的蒸发时间等，各折射率膜的膜厚可获得所希望的膜厚。
另外，基板除了使用石英玻璃、硼硅酸玻璃等光学玻璃，结晶化玻璃以外，只要是使用频带透明的基板，以下各种均可使用：Si晶片、GaAs晶片、GaIn晶片、SiC晶片等半导体基板，LiNbO3、LiTaO3、TiO2、SrTiO3、Al2O3、MgO等氧化物单晶、多晶基板，CaF2、MgF2、BaF2、LiF等氟化物单晶基板、多晶基板，NaCl、KBr、KCl等氯化物、溴化物单晶、多晶基板，丙烯、非晶态聚烯烃、聚碳酸酯等塑料等均适用于。
采用本发明，能够以低成本提供性能优良的波长合分波器，其能够将3波长多路光分波及/或合波为3频带信号光。
附图说明
图1为表示波长合分波器的视图。
图2为表示波长合分波器的视图。
图3为表示波长合分波器的视图。
图4为表示光学流线式滤波器的特性图。
图5为表示光学带通滤波器的特性图。
图6为表示波长合分波器的发送信号特性图。
图7为表示波长合分波器的接收信号特性图。
图8为表示波长合分波器的视图。
具体实施方式
下面，虽参照附图对本发明的实施例进行说明，但本发明不受这些实施例的任何限定。实施例中说明的滤波器所使用的材料采用了折射率为1.46的氧化硅、折射率为2.21的氧化铌，基板采用了石英玻璃(折射率为1.44)。空气的折射率设为1.00。
此外，本实施例的波长合分波器所处理的频带为表1中所列。
表1
| 项目 | 波长范围(nm) | 中心波长(nm) | 信号方向 |
| λ1 | 1540-1560 | 1550 | 接收 |
| λ2 | 1480-1500 | 1490 | 接收 |
| λ3 | 1260-1360 | 1310 | 发送 |
即，λ1的频带在接收中使用1540-1560nm范围的光，其中心波长为1550nm。同样，λ2的频带在接收中使用1480-1500nm范围的光，其中心波长为1490nm。进而，λ3的频带在发送中使用1260-1360nm范围的光，其
中心波长为1310nm。并且，在采用的各个频带的中心波长之间，存在λ2/λ1＝0.96、λ3/λ1＝0.85的关系。
实施例1
在处理具有如表1的关系的3个频带的波长合分波器中，必须采取能够对接近的λ1与λ2频带和与它们远离的λ3频带分别进行顺利处理的结构。一般来说，在分离处于0.92≤λ2/λ1≤1.08范围中的接近的2个频带时，与光学流线式滤波器相比，使用光学带通滤波器可使透射/反射的跃迁幅度变得陡峭。
但是，当在这种光学带通滤波器中投入与λ1·λ2频带远离的λ3频带时可见，不易获得高透射率和反射率，且特性不稳定。
另一方面，光学流线式滤波器适用于使离开的2个波的频带的光分离，虽然透射频带可以非常宽，但是，在要分离接近的2个波的情况下，层数越多，制造越难而不适于使用。因此，发明人考虑到：在分离如表1所示的与接近的2个波λ1·λ2远离的1个波λ3时，首先用光学流线式滤波器分离λ3，再将剩下的λ1与λ2导入光学带通滤波器中，以此进行两者的分离，则能以低成本实现性能优良的波长合分波器。
图1是为了实现以上的设想而设计的本发明的波长合分波器的一个例子。波长合分波器1由2块光学基板构成，通过粘结等方法、以交角α将基板A和基板B固定成V字形。将滤波器A设置在基板A的V字形内侧面上，将滤波器B设置在另一基板B的V字形内侧面上，将基板A与基板B固定为一体。作为入射出射光的3波长多路光首先用滤波器A分离λ3的频带，使作为分离后剩下的λ1与λ2频带的2波长多路光导入滤波器B，用滤波器B将其分离为λ1与λ2频带的光。
此处，将长波长透射型光学流线式滤波器设置为滤波器A，将光学带通滤波器设置为滤波器B。在图1中，虽将滤波器B设置在基板A与基板B的接合面上，但是，也可以不在该接合面上设置滤波器B。滤波器A和滤波器B以前面所述的真空镀膜法形成于基板上。
为了易于投射3波长多路光，虽在基板A上设有切削面A，但是也可不设置切削面A。在设置了切削面A时，切削面A的角度可以垂直于3波长多路光或者由其倾斜1-10度的角度。使作为与波长合分波器1相连的发送接收光的3波长多路光入射或出射到在切削面A上。其中可以采用的方法包括：使用平行光管透镜等将通过光纤等导入的3波长多路光变成平行光并将其导入滤波器A的方法，或者使用通过粘合或熔接等方法将光纤的线圈管固定到切削面A上从而具有由光纤的NA决定的广角的扩散光导入滤波器A的方法。
作为输入输出信号光的3波长多路光的设定使其与滤波器A的法线成θA的角度入射。此时，3波长多路光中的1550nm与1490nm频带的光透过滤波器A导入滤波器B。如果1310nm频带的光混入3波长多路光中的情况下，则会以角度θA反射，并从基板A出射。发送时使用的1310nm频带的光的角度设置为，使其透过光学基板A，以角度θA入射至滤波器A，并以角度θA反射后入射至传输3波长多路光的光纤中。
如果θA的角度小于15度，由于3波长多路光与1310nm的发送光之间的角度差很小，因此，各个元件非常接近而难以布置，因此，θA最好大于15度。另一方面，如果加大θA，由于向滤波器A的入射角也加大，因此，成膜于滤波器A上的流线式滤波器对P偏振光的反射率将降低。
根据研究发现，θA的上限与基板A的折射率nA相关，如果不使nA·SinθA小于0.95，则P偏振光就得不到足够的反射率。因此，nA较小时θA的设计自由度较大。另外，如果使用同样的θA，由于nA越低，P偏振光的反射率越大，因此，nA最好较小。入射角度θA最好在20度以上，nA·SinθA最好在0.8以下。
在本实施例中，光学基板采用石英，将θA设定为30度。这样，nA·SinθA＝0.72。另外，为了能降低基板表面的反射并能减少发送损失，最好1310nm频带的发送光对基板入射P偏振光。
此外，为了使1310nm频带的发送光在基板A的表面折射后再入射至滤波器B，必须通过估算其角度来确定发送光对基板表面的入射角。因此，基板A的折射率nA的离散越小越好。如果在估算nA的离散必定达到某一程度时，则可以通过设定角度使滤波器A的背面与发送光的入射光垂直，从而能够抑制因基板A折射率的离散带来的发送光入射角的变化。
另一方面，透过滤波器A变为1550nm和1490nm的2波长多路光的光，以与滤波器B表面的法线成θB的角度入射至滤波器B。滤波器B通过采用可透射1550nm与1490nm频带中的任一个，反射另一个的光学带通滤波器，可分离2波长透射光。在本实施例中，以可透射1550nm频带的光、反射1490nm频带的光的方式设计带通滤波器。
如果θB的角度小于15度，由于λ2频带光与滤波器B之间的角度差很小，且3波长多路光与λ2的角度差很小而难以布置元件，因此θB最好在15度以上。另一方面，如果将θB加大，由于向滤波器B的入射角也变大，因此，成膜于滤波器B上的带通滤波器的特性将恶化。根据笔者等人的研究发现，θB的上限与滤波器B的入射介质的折射率nB有关，如果不使nB·SinθA小于0.85，则难以使带通滤波器的透射频带的特性平坦，并且不能得到P偏振光的反射率足够的值。此处，滤波器B的入射介质的折射率nB越小，θB的设计自由度就越大，而且，由于可以提高滤波器B的透射频带的平坦性或反射频带的P偏振光的反射率，因此，滤波器B的入射介质的折射率nB最好较小。入射角度θB最好为20度以上，nB·SinθB最好为0.7以下。在本实施例中，由于滤波器B的入射介质是空气，因此，nB＝1，如果θB为30度，那么nB·SinθB为0.5。
如本实施例所示，在滤波器A的出射介质与滤波器B的入射介质均为空气时，可通过(公式1)求出用于获得入射角θB的α。
因此，如果设定基板A的折射率nA和对滤波器A的入射角θA，则可以通过计算求出用于获得理想θB的滤波器A与滤波器B所形成的角α。根据笔者等人的研究发现：α的有效范围是60度≤α≤120度，最好为70度≤α≤100度。
在本实施例中，由于θA＝30度，nA＝1.44，因此，为了使θB为30度，α应为76.1度。在此，nB·SinθB＝0.5。
另外，在本实施例中，虽然滤波器A的出射介质与滤波器B的入射介质均设为空气，但是，也可以通过采取在滤波器B的出射面上布置其它的光学基板等光学元件等的结构，从而使滤波器A的出射介质与滤波器B的入射介质不同，在这种情况下，可以通过布置在该处的光学元件的折射率及形状改变θB的角度。
另外，透过滤波器B的λ1频带的光在背面B、以反射率数的百分比比例反射后，透过滤波器B到达λ2方向，所述λ1频带的光与λ2的受光元件混合时，可能会产生交调失真。在所述交调失真成为问题的情况下，可以采用在背面B上实施AR涂层，或者以切削面B的形状将基板B切削成粗糙面以使背面B反射的光予以散射的方法。作为对策，两者都是有效的，并且可以选择成本较低的方法。
另外，基板B的折射率会影响1550nm频带的光的λ1的出射角。在基板B的折射率的离散较大时，由于λ1的出射角也会离散，因此，基板B所使用的材料应采用折射率的离散较小的材料。就基板B的折射率的值而言，由于不影响滤波器A及滤波器B的特性，因而不存在特别的问题。但是，在背面B未涂覆AR涂层的情况下，为了抑制背面B的反射，基板B的折射率最好较低。
图4表示的是在本实施例的滤波器A中使用的长波长透射型光学流线式滤波器的特性。入射介质为石英(折射率1.44)，入射角度θA＝30度，出射介质为空气。使用的低折射率材料是折射率为1.46的氧化硅，高折射率材料为折射率是2.21的氧化铌。
图5表示的是在本实施例的滤波器B中使用的光学带通滤波器的特性。入射介质为空气，入射角度θB＝30度，出射介质为石英，高折射率材料为氧化铌，低折射率材料为氧化硅。对于使用的材料的折射率而言，高折射率膜为2.21，低折射率膜为1.46，石英为1.44。
图6表示的是在本实施例的波长合分波器中，1310nm频带的发送信号的特性。在使用的频带1260-1360nm的范围内，P偏振光及S偏振光的透射损失均较低，从而形成了良好的合波特性。此外，S偏振光的透射损失以大约0dB变化。
图7表示的是在本实施例的波长合分波器中，1490nm与1550nm频带的接收信号的特性。1490nm的接收光中是在1480-1300nm的范围内。而1550nm的接收光是在1540-1560nm的范围内，两个频带的P偏振光及S偏振光的透射损失均较低，具有良好的分波特性。
实施例2
图2表示实施本发明的另一个例子。虽然V字的组成方法不同，但在光学上均与图1相同。因此，在本实施例中，仍能获得与实施例1同样的光学特性。
实施例3
图3为实施本发明的另一个例子。
基板A为石英，对滤波器A的入射角为30度，基板B为石英，对滤波器B的入射角为30度，滤波器A与滤波器B的交角α为60度。在本实施例中，也能获得与上述实施例1及2同样的效果。
本发明可适用于对3种不同的波长进行合波及/或分波的波长合分波器。
Claims (3)
1.一种波长合分波器，其具有将由3个波长频带构成的3波长多路光分波和/或合波为各个频带的功能，在设各个波长频带的中心波长为λ1、λ2、λ3时，存在0.92≤λ2/λ1≤1.08、0.20≤λ3/λ1≤0.92或者1.08≤λ3/λ1≤5.00的关系，并将利用一个或多个光学基板支承的2个具有不同特性的光学滤波器形成一体，其特征在于：将3波长多路光导入第1滤波器A，所述滤波器A将3波长多路光分离为λ3频带以及λ1和λ2的2波长多路光，再将2波长多路光导入第2滤波器B，所述滤波器B将2波长多路光分离为λ1频带和λ2频带的光时，所述滤波器A采用光学流线式滤波器，所述滤波器B采用光学带通滤波器。
2.根据权利要求1所述的波长合分波器，其特征在于：所述滤波器A反射3波长多路光的λ3频带，并使λ1与λ2的2波长多路光透射，在透射所述滤波器A的2波长多路光中，所述滤波器B反射λ2频带，并透射λ1的频带，设所述滤波器A的入射介质的折射率为nA，导入所述滤波器A的3波长多路光与滤波器A面的法线形成的角为θA，同样，设所述滤波器B的入射介质的折射率为nB，导入所述滤波器B的2波长多路光与滤波器B面的法线形成的角为θB时，θA≥15度，nA·SinθA≤0.95，θB≤15度，nB·SinθB≤0.85。
3.根据权利要求2所述的波长合分波器，其特征在于：设所述滤波器A与所述滤波器B形成的角为α时，60度≤α≤120度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090325 Termination date: 20130915 |