JP2000147221A

JP2000147221A - 光分離プリズム

Info

Publication number: JP2000147221A
Application number: JP32225098A
Authority: JP
Inventors: Satoru Monma; 哲門馬; Kazuyuki Nakasendou; 和之中仙道
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2000-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】２つの三角柱状のプリズム片を波長分離膜を
介して接合することにより立方体に構成した従来の光分
離プリズムにおいて、不純物を含んだガラス材料を用い
ることに起因して発生する屈折率の増大とそれに起因し
た透過率上の問題と、波長分離膜の粗密精度にばらつき
があることに起因した良品率の低下、コストアップとい
う不具合を解決することができる光分離プリズムを提供
する。【解決手段】２つの直角三角柱状のプリズム片２１、
２２の傾斜面同士を、波長分離膜２３を介して接合一体
化して六面体状に構成された光分離プリズムにおいて、
プリズム片を純度の高い石英により構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光分離プリズムの改
良に関し、入射光の内の所定周波数成分を１００％透過
する一方で、他の所定周波数成分を全反射することがで
きる波長分離性能に優れた光分離プリズムに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学デバイスとしての光分離プリズムの
一例として、図３(a) に示すように２つの三角柱状のガ
ラスプリズム２、３を波長分離膜４を介して接合するこ
とにより立方体に構成したものが周知であり、同図(b)
に示すような光通信システムに用いられる。光分離プリ
ズム１は光源５からの出射光、或は光ファイバー６から
の出力光のうちの所定の波長成分を透過する一方で、そ
れ以外の波長成分を反射する機能を備えている。この例
では、光源５から出射された光のうちの波長１．３μｍ
の成分は波長分離膜４を透過して光ファイバー６に入射
され、光ファイバー６から出射した波長１．５μｍの成
分は波長分離膜４にて反射して受光素子７にて受光され
る。このタイプの光分離プリズム１は、波長分離膜４の
水平面に対する傾斜角度θが４５度に設定されている。
この光分離プリズムの特性は、例えば波長が１．３μｍ
の光を１００％透過させる一方で、波長が１．５μｍの
光を全反射するように構成することが理想的であり、図
４の特性図中の曲線アの様に１．３μｍの波長領域では
Ｓ、Ｐ両偏光成分について１００％の透過率を確保する
一方で、１．５μｍの波長領域ではＳ、Ｐ両偏光成分に
ついて０％の透過率を確保するような特性が理想的であ
る。しかし、実際には、波長分離膜４の傾斜角度を４５
度に設定して上記理想の特性に近づけるためには、波長
分離膜を構成する高屈折率層と低屈折率層の積層数を８
０層以上とする必要があり、製造工程の増大とコストア
ップが避けられなかった。これを詳述すると、図３(a)
に示した光分離プリズム１において波長分離膜４を構成
する層数を２５層程度に低減すると、Ｓ偏光成分は曲線
イのように立ち下がり部分が緩やかに傾斜し、Ｐ偏光成
分は曲線ウの如く立ち下がり部分が緩やかに傾斜する。
このため、Ｓ偏光成分については１．３μｍ波長の透過
率が低下し、Ｐ偏光成分については１．５μｍ波長の透
過率が高まるという不具合が発生する。また、層数を８
０層に増やした場合には、Ｓ偏光成分は曲線エの様に、
またＰ偏光成分は曲線オのように急峻な立ち下がりとな
るが、Ｓ偏光成分に関しては透過率１００％から立ち下
がり始める境界領域が１．３μｍの近傍に位置している
為、製造誤差等によって常に１００％の透過率を確保で
きるとは限られなくなる。また、Ｐ偏光成分について
も、透過率が０％を越えた状態から０％になる境界領域
が１．５μｍの近傍に位置している為、製造誤差等によ
って常に０％の透過率を確保できるとは限られなくな
る。

【０００３】このような不具合を解消する為には、例え
ば図５に示す様にビームスプリッタ膜４を底面に対して
４５度よりも大きい角度θにて設定することが有効であ
り、高屈折率層と低屈折率層の積層数を２５層程度に大
幅に減らしつつ理想的な光分離プリズム特性を確保する
ことができる。即ち、層数が２５層程度に減る場合に
は、図４中の曲線イ、ウの如く、立ち下がり部が緩やか
な曲線となるが、波長分離膜４の角度θが４５度を越え
る場合には、仮に層数が２５層程度と少なかったとして
も、図４中の曲線イ、ウが夫々曲線ア側に寄った状態と
なる為、１．３μｍは１００％透過し、１．５μｍは通
さない領域を確保することができる。しかし、このタイ
プの光分離プリズムにあっては、図５に示すように波長
分離膜４にて反射した光の出射方向が入射光に対して垂
直方向にならないため、受光素子を配置する位置との関
係でアセンブリする際の光軸合わせが問題となり、既存
装置の光分離プリズムだけを交換することによる改良を
図ることができないため、実用性が少なかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように波長分離膜
の角度θが４５度を越える場合には光分離プリズムの実
用性が低下するため、あくまでも波長分離膜が４５度の
傾斜角度を有しながらも透過率と反射率に関する上記不
具合が存在しない構成を備えたプリズムに対する需要が
大きい。本発明者が、このような従来にない特性を備え
た光分離プリズムについて種々考究したところ、ＢＫガ
ラスを用いたガラスプリズムにあってはＢＫガラス中に
主成分であるＳｉＯ₂の他に不純物が含まれているため
に屈折率が１．５１程度に高くなっており、この高い屈
折率が上記不具合をもたらしていることが判明した。即
ち、Ｓ偏光成分は曲線エの様に、またＰ偏光成分は曲線
オのように急峻な立ち下がりとなるが、ＢＫガラス部分
に含まれる不純物の存在によって屈折率が１．５１程度
に高くなっている為、Ｓ偏光成分に関しては透過率１０
０％から立ち下がり始める境界領域が１．３μｍの波長
域の近傍に位置しており、製造誤差等によって常に１０
０％の透過率を確保できるとは限らなくなる。また、Ｐ
偏光成分についても、透過率が０％を越えた状態から０
％になる境界領域が１．５μｍの波長域の近傍に位置し
ている為、製造誤差等によって常に０％の透過率を確保
できるとは限らなくなる。また、最近の光通信に使用さ
れる光分離プリズムに求められるスペックとしては、
１．５〜１．６μｍの波長帯域において確実に光透過率
が０％となることを挙げることができるが、Ｐ偏光成分
については曲線カに示すように１．６μｍの波長域につ
いても透過率が０％からそれ以上になる境界領域が１．
６μｍの波長域の近傍に位置している。このため、ガラ
スプリズム中の不純物の存在による屈折率の増大、反射
防止膜４への入射角のばらつき、反射防止膜の材質等の
原因によって、１．６μｍの波長域での透過率が０％に
なるとは限らなくなる。つまり、１．５〜１．６μｍの
波長帯域において透過率が０％となるような光分離プリ
ズムを製造することは困難であった。

【０００５】更に、反射防止膜４の精度が低い為に、膜
の粗密にバラツキがある場合には、曲線エ、オの立ち下
がり部は夫々曲線エ’、オ’のように緩やかな立ち下が
りとなり、１．３μｍの波長域における透過率の低下
と、１．５μｍの波長域における透過率の増大（反射率
の低下）を更に助長する結果をもたらすことが判明し
た。また、曲線オの立上り部についても、同様の理由か
ら立上りが曲線オ’のように穏やかとなり、１．６μｍ
の波長域における透過率の増大をもたらしている。この
ような不具合を解消する為に仮に波長分離膜を構成する
高屈折率膜と低屈折率膜の積層枚数を更に増やすことも
考えられるが、工数の増大によるコストアップを招くデ
メリットがある割りには特性を満足することができない
のが現実である。このように本発明者は、このタイプの
光分離プリズムにおける透過率、反射率の良否は、光分
離膜４の精度、特性と、ガラス部分の屈折率に依存する
ところが多く、光分離膜４を構成する高屈折率膜と低屈
折率膜の積層枚数が６０層〜１００層程度と多い場合に
は、比較的急峻な立ち下がりを有した曲線を得ることが
でき、ガラス部分の屈折率が低い程理想的な特性に近づ
くことに気づいた。しかし、実際に低価格で購入できる
ガラス材料中には不純物が存在するため、ガラス材料を
使用する限り、理想に近い特性を備えた光分離プリズム
を製作することが困難であることが判明した。本発明が
解決しようとする課題は、２つの三角柱状のプリズム片
を波長分離膜を介して接合することにより立方体に構成
した従来の光分離プリズムにおいて、不純物を含んだガ
ラス材料を用いることに起因して発生する屈折率の増大
とそれに起因した透過率上の問題と、波長分離膜の粗密
精度にばらつきがあることに起因した良品率の低下、コ
ストアップという不具合を解決することができる光分離
プリズムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為、
請求項１の発明は、２つの直角三角柱状のプリズム片の
傾斜面同士を、波長分離膜を介して接合一体化して六面
体状に構成された光分離プリズムにおいて、上記プリズ
ム片を純度の高い石英により構成したことを特徴とす
る。請求項２の発明では、上記光分離プリズムは、立方
体であることを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示した形態
例により詳細に説明する。図１は本発明の一形態例の光
分離プリズムの外観斜視図であり、この光分離プリズム
２０は純度の高い合成石英からなる直角三角柱状の石英
片２１、２２を、波長分離膜２３を介して、傾斜面同志
で接合一体化した構成が特徴的である。この光分離プリ
ズム２０は立方体であるため、波長分離膜２３の角度θ
は４５度である。この光分離プリズム２０は、不純物を
含まない立方体状の合成石英（成分ＳｉＯ₂）の対角面
に沿って波長分離膜２３を形成した構成を備えているた
め、石英部分の屈折率は１．４４となり、不純物を含ん
だＢＫガラスの屈折率１．５１よりも小さくなる。ま
た、製造誤差に起因して波長分離膜２３の粗密精度にバ
ラツキがあったとしても、光分離性能に与える影響が少
ない為、良品として使用することができる。これを図２
に示した特性図に基づいて説明すると、例えば上記構成
の光分離プリズムについて、その特性を、波長が１．３
μｍの光を１００％透過させる一方で、波長が１．５〜
１．６μｍの光を全反射するように構成することを理想
とする場合には、図２の特性図中の理想曲線Ａの様に
１．３μｍの波長領域ではＳ、Ｐ両偏光成分について１
００％の透過率を確保する一方で、１．５〜１．６μｍ
の波長領域ではＳ、Ｐ両偏光成分について０％の透過率
を確保することが理想である。プリズム片２０、２１を
純粋石英にて構成した場合には、屈折率が低い為、Ｓ偏
光成分は曲線Ｂの立ち下がり部のように、Ｐ偏光成分は
曲線Ｃの立ち下がり部のように理想の曲線Ａ側に夫々大
きく接近する。しかも、各曲線Ｂ、Ｃの立ち下がりは急
峻となっている。このため、１．３μｍの波長域での反
射率の低下と、１．５μｍの波長域での反射率の増大が
防止される。更に、Ｐ偏光成分の曲線Ｃの立上り部が曲
線Ａの立上り部に接近する方向に大きく偏位するため
１．６μｍの波長域での反射率の増大が確実に防止さ
れ、その結果として１．５〜１．６μｍの波長帯域にお
ける透過率を確実に０％に抑えることが可能となる。ま
た、波分離膜２３の製造誤差に起因して粗密バラツキが
ある場合には、各曲線Ｂ、Ｃの立ち下がり部分の傾斜が
より緩やかになることもあるが（曲線Ｂ’、Ｃ’参
照）、いずれの曲線Ｂ’、Ｃ’も十分に理想曲線Ａ側に
偏位しているので、各波長域１．３μｍ、１．５μｍに
干渉する虞れは皆無となる。更に、曲線Ｃの立上り部も
同様の理由から曲線Ｃ’の立上り部のように傾斜が緩や
かになるが、理想曲線Ａの立上り部に十分に偏位してい
るため、波長域１．６μｍに緩衝する虞れがなくなる。

【０００８】従来のガラスプリズムに使用するガラス材
料は、ＢＫガラスと称される低価格のガラス材料であ
り、このガラス材料は主成分であるＳｉＯ₂中に不純物
を含む為に、融点、及び軟化点が５００〜６００℃程度
と低く、加工性がよく、入手し易いという利点を有す
る。しかし、不純物を含む為、その屈折率は１．５１程
度と大きく、波長分離膜４の角度θが４５度である場
合、図４中にエ、オで示したＳ偏光成分、Ｐ偏光成分の
曲線が夫々理想的な曲線アから離間する方向に変位し、
１．３μｍ波長域におけるＳ偏光成分の透過率が低下す
る一方で、１．５μｍ波長域におけるＰ偏光成分の透過
率が０％以上になり、更に１．６μｍ波長域でのＰ偏光
成分の透過率も０％を越える。また、波長分離膜４の加
工精度（粗密の精度）のばらつきによって分離性能がば
らついている場合には、上記曲線エ、オの立ち下がり部
が夫々エ’、オ’の如く緩やかになり、曲線オの立上り
部がオ’のように緩やかになるため、上記不具合がさら
に著しいものとなり、使用に耐え得ない不良品となる。
このため、良品率が低下し、コストアップが増大すると
いう不具合があった。これに対して本発明者は、波長分
離膜の角度を４５度に維持しつつ、屈折率を低下させる
方法について研究したところ、従来の不純物が含まれた
ガラス材料に代えて純度の高い石英をプリズム材料とし
て使用することに想到した。純度の高い合成石英を使用
することにより、屈折率を小さくして所望波長に対する
透過率を高め、他の所望波長に対する反射率を高めるこ
とができる。また、使用する波長分離膜の精度にバラツ
キがあったとしても、所望の特性を維持する上で問題が
ないので、良品として使用することができる。石英のコ
ストはガラスよりも僅かに高いものの、膜の精度の良否
に関係なく良品として使用できる率が高まることを考慮
すれば、トータルな良品率を高めることができる。更
に、波長分離膜を構成する高屈折率膜、低屈折率膜の積
層数を増大させずに上記課題を解決できるので、製造コ
ストの増大を抑えることができる。更に、Ｐ偏光成分の
全反射領域を十分に広く確保することができるようにな
り、製造バラツキに起因した不良品発生率が少なくな
る。また、これまで波長分離膜の積層数が８０層であっ
たものを７０層程度までに低減しても所望の性能を確保
できるようになる。

【０００９】

【発明の効果】本発明によれば、２つの三角柱状のプリ
ズム片を波長分離膜を介して接合することにより立方体
に構成した従来の光分離プリズムにおいて、不純物を含
んだガラス材料を用いることに起因して発生する屈折率
の増大とそれに起因した透過率上の問題と、波長分離膜
の粗密精度にばらつきがあることに起因した良品率の低
下、コストアップという不具合を解決することができ
る。即ち、従来のプリズム片に使用するガラス（ＢＫガ
ラス）は、主成分であるＳｉＯ₂中に不純物を含む為
に、融点、及び軟化点が低く、加工性がよく、入手し易
いという利点を有する一方で、不純物を含む為、その屈
折率は１．５１程度と大きく、波長分離膜の角度θが４
５度である場合、Ｓ偏光成分、Ｐ偏光成分の曲線が夫々
理想的な曲線から離間する方向に変位し、１００％の透
過率を確保したい波長域におけるＳ偏光成分の透過率が
低下する一方で、１００％の反射率を確保したい波長域
におけるＰ偏光成分の透過率が０％を越える。また、波
長分離膜の加工精度（粗密の精度）のばらつきによって
分離性能がばらついている場合には、上記不具合がさら
に著しいものとなり、使用に耐え得ない不良品となる。
このため、良品率が低下し、コストアップが増大すると
いう不具合があった。これに対して本発明では、プリズ
ム片として不純物を含まない合成石英を用いたので、１
００％の透過率を確保したい波長域におけるＳ偏光成分
の透過率を１００％確保できる一方で、１００％の反射
率を確保したい波長域におけるＰ偏光成分の透過率を０
％に抑えることができる。仮に、波長分離膜の精度誤差
によりその特性のバラツキがあったとしても、その影響
を受けずに十分な特性を満足する製品を提供することが
できることとなる。このため、ガラスに比べて多少コス
トの高い石英を用いたとしても、良品率が大幅に高まる
為、トータルのコストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一形態例の光分離プリズムの構成説明
図。

【図２】本発明の光分離プリズムの特性を説明する図。

【図３】(a) は従来の光分離プリズムの構成を示す斜視
図、(b) はその使用例を示す図。

【図４】従来の光分離プリズムの特性を説明する為の
図。

【図５】他の従来例の説明図。

【符号の説明】

２０光分離プリズム、２１、２２石英片、２３波
長分離膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの直角三角柱状のプリズム片の傾斜
面同士を、波長分離膜を介して接合一体化して六面体状
に構成された光分離プリズムにおいて、上記プリズム片を純度の高い石英により構成したことを
特徴とする光分離プリズム。
【請求項２】上記光分離プリズムは、立方体であるこ
とを特徴とする光分離プリズム。