JP2004020653A

JP2004020653A - Dielectric multilayer film filter element and optical part using the same

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Publication number: JP2004020653A
Application number: JP2002171960A
Authority: JP
Inventors: Toshisada Sekiguchi; 関口　利貞; Yoshikiyo Noguchi; 野口　善清; Kazuki Arai; 荒井　和貴; Hideyuki Hosoya; 細谷　英行
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dielectric multilayer film filter element 1 in which the number of layers and the total film thickness of a dielectric multilayer film filter 3 can be decreased compared to a conventional one, the filter can be easily manufactured and the cost for materials and manufacturing can be reduced. <P>SOLUTION: The dielectric multilayer film filter element 1 has one dielectric multilayer film filter 3 formed on one surface of a substrate 2 and a reflecting film 4 formed on the other surface. The incident light entering the dielectric multilayer film filter element 1 is reflected by the reflecting film 4 and passes twice through the dielectric multilayer film filter 3 during entering and outgoing, thereby improving the optical characteristics of the dielectric multilayer film filter element 1. As for the dielectric multilayer film filter 3, one of a band separation filter, a band-pass filter and a gain equalizer filter is preferably used. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば波長多重（ＷＤＭ）伝送システムなどの光通信システムにおいて、帯域分離フィルタ、バンドパスフィルタ、利得等化フィルタ等の光学フィルタとして用いられる誘電体多層膜フィルタ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野においては、例えば、光結合器、光分岐器、光合波器、光分波器、利得等化器などの光部品は、一般に、所定の特性を有する誘電体多層膜フィルタ素子と、光ファイバやレンズ等とを適宜組み合わせることにより構成されている。
【０００３】
図１２に、従来の誘電体多層膜フィルタ素子１の一例の概略断面図を示す。この誘電体多層膜フィルタ素子１は、光学ガラスなどからなる基板２の上に、誘電体多層膜からなる誘電体多層膜フィルタ３が形成されたものである。
誘電体多層膜とは、屈折率の異なる２種類以上の誘電体を薄膜とし、所定の膜厚および総膜数にて順次積層することによって得られる多層膜である。光の干渉現象に基づいて、用いる誘電体の屈折率、層数、各層の膜厚などを適切に設計することにより、フィルタ特性、ミラー特性などの所望の光学特性を有する誘電体多層膜を得ることができる。
本明細書においては、フィルタ特性を有する誘電体多層膜を誘電体多層膜フィルタ３と称する。
【０００４】
次に、ＷＤＭ伝送において、一般的に使用される各種の誘電体多層膜フィルタ３のいくつかを例示し、それらの光学特性について説明する。
まず、帯域分離フィルタ（エッジフィルタ）は、所定の波長以下または以上の光を通過し、他の波長の光を阻止するような特性を有する誘電体多層膜フィルタ３である。図１３に帯域分離フィルタの損失スペクトルの一例を示す。図１３に示すように、光の損失が所定の第１の値α以下となる帯域を透過域といい、光の損失が所定の第２の値β以上となる帯域を阻止域という。帯域分離フィルタにおいては、阻止域から透過域への立ち上がり特性が重要であり、具体的には、損失スペクトルの透過域と阻止域との間が急峻であるほど、すなわち、透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄが小さいほど、透過域と阻止域のアイソレーションが向上するので好ましい。透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄが大きく、透過域と阻止域のアイソレーションが低いと、例えば、光増幅器の励起光を阻止し、信号光のみを通過させる帯域分離フィルタの場合、励起光に基づく雑音が増加するなどの問題が生じるおそれがある。
【０００５】
また、帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）は、所定の帯域の光を通過し、他の波長の光を阻止するような特性を有する誘電体多層膜フィルタ３である。図１４にバンドパスフィルタの損失スペクトルの一例を示す。図１４に示すように、光の損失が所定の第１の値α以下となる帯域を透過域といい、光の損失が所定の第２の値β以上となる帯域を阻止域という。バンドパスフィルタにおいては、損失スペクトルの形状が矩形に近いほど、すなわち、透過域の帯域幅Ｂに比して、透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄが小さいほど、透過域の透過率が向上し、かつ、阻止域の透過率が減少するので、好ましいとされる。前記透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄが大きいと、ＷＤＭ伝送の波長間のクロストークが増加するなどの問題が生じるおそれがある。
【０００６】
また、利得等化フィルタは、所定の光増幅器の利得スペクトルに対して、該利得スペクトルの変動を相殺するような損失スペクトルを有する誘電体多層膜フィルタ３である。利得等化フィルタにおいては、その損失スペクトルと、目的とする光増幅器の利得スペクトルとの差、すなわち利得残差が小さいことが好ましい。この利得残差が大きいと、利得スペクトルの波長依存性を十分に解消することができないため、ＷＤＭ伝送の波長間のクロストークが増加したり、受信機の受光レベル設定が困難になったりするなどの問題が発生するおそれがある。
【０００７】
上述の誘電体多層膜フィルタ素子１は、一般的に、基板２となるガラス板上に、スパッタリング法や真空蒸着法などの手法を用いて、誘電体多層膜フィルタ３を形成したのち、該ガラス板を、所定の厚さまで研磨したり、所定の寸法に切断したりなどすることによって製造されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光通信技術の発展に伴い、この種の誘電体多層膜フィルタ素子１の損失特性を一層向上させることが要求されている。
一般に、誘電体多層膜フィルタ３の各層は正弦波状の損失特性を有するので、誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルを上述のような好適な形状とするためには、誘電体多層膜フィルタ３の損失スペクトルを、目的とする損失スペクトルのフーリエ展開における高次の近似とすること、換言すれば、誘電体多層膜フィルタ３の層数を増加させることが好ましい。
しかしながら、誘電体多層膜フィルタ３の層数が増加すると、誘電体多層膜フィルタ３の総膜厚が増大するので、誘電体多層膜フィルタ３の応力が大きくなり、基板２が引っ張られて反り返りやすくなる。
【０００９】
以下、誘電体多層膜フィルタ３の総膜厚と、基板２の反りの関係について、式を用いて説明する。
誘電体多層膜フィルタ３の総膜厚および総応力をそれぞれｄ_Ｆ、σ_Ｆとし、基板２の厚さ、ヤング率、ポアソン比を、それぞれＤ_Ｓ、Ｅ_Ｓ、ν_Ｓとおくと、反り返った基板２の曲率半径Ｒは、Ｓｔｏｎｅｙの式を用いて、下記式（１）により表すことができる。
【００１０】
Ｒ＝Ｅ_ＳＤ_Ｓ ^２／｛６ｄ_Ｆ（１−ν_Ｓ）σ_Ｆ｝　……　（１）
【００１１】
また、基板２の反り量δは、基板２の半径ｒと曲率半径Ｒと、下記式（２）に示す関係にある。
【００１２】
Ｒ≒ｒ^２／２δ　（ただし、δ≪ｒとする）　……　（２）
【００１３】
従って、δ∝ｄ_Ｆであるから、誘電体多層膜フィルタ３の総膜厚ｄ_Ｆが厚いほど、基板２の反り（反り量δ）が大きくなる。
【００１４】
このように基板２の反りが大きくなると、誘電体多層膜フィルタ３にクラックが発生したり、誘電体多層膜フィルタ３の一部が基板２から剥落したりするおそれが生じる。また、成膜中に誘電体多層膜の膜厚の制御を、例えば透過光の干渉現象を利用して行う場合、成膜中に基板２が反り返ると、膜厚にバラツキが発生し、得られる誘電体多層膜フィルタ３の特性が著しく低下するおそれがある。
【００１５】
この問題に対処するため、図１５に示すように、基板２の両面に第１および第２の誘電体多層膜フィルタ３ａ、３ｂを形成することにより、片面当りに形成される誘電体多層膜フィルタ３ａ、３ｂの膜数を低減した構成が提案されている。このような誘電体多層膜フィルタ素子１によれば、第１の誘電体多層膜フィルタ３ａの応力と、第２の誘電体多層膜フィルタ３ｂの応力とが釣り合うため、基板２の反り返りが抑制されるものと考えられる。
【００１６】
しかしながら、このような誘電体多層膜フィルタ素子１を製造する際、まず、基板２の一方の面に第１の誘電体多層膜フィルタ３ａを形成し、次いで、他方の面に第２の誘電体多層膜フィルタ３ｂを形成するようにした場合、基板２の一方の面に第１の誘電体多層膜フィルタ３ａを形成した時点では、第１の誘電体多層膜フィルタ３ａの圧縮応力は釣り合っていないので、その圧縮応力により基板２が反り返り、引き続いてなされる第２の誘電体多層膜フィルタ３ｂの形成を高い精度にて成膜することができないという問題がある。
【００１７】
この問題に関しては、特開平９−３３７１９号公報に開示されているように、基板２を自在に反転することができる製造装置を用いて、前記第１および第２の誘電体多層膜フィルタ３ａ、３ｂの形成を複数の工程に分け、各工程ごとに基板２を反転して、第１の誘電体多層膜フィルタ３ａと、第２の誘電体多層膜フィルタ３ｂとを徐々に交互に形成するようにした製造方法も提案されている。しかしながら、この製造方法に用いられる製造装置は、特殊な基板反転機構を必要とするので、実施が容易ではない。
【００１８】
いずれにせよ、基板２の両面に、第１および第２の誘電体多層膜フィルタ３ａ、３ｂを形成した構成の誘電体多層膜フィルタ素子１においては、第１および第２の誘電体多層膜フィルタ３ａ、３ｂを合計すると層膜数は多くなるので、材料費や製造コストが増大する。
また、第１および第２の誘電体多層膜フィルタ３ａ、３ｂの光学特性に不一致があると、得られる誘電体多層膜フィルタ素子１の光学特性が劣化するので、製造工程が複雑になり、生産性や歩留まりが低下するという問題がある。
【００１９】
これに対して、図１６に示すように、第１および第２の基板２、２′を用意し、第１の基板２の一方の面に第１の誘電体多層膜フィルタ３を形成し、そして、第２の基板２′の一方の面に第２の誘電体多層膜フィルタ３′を形成したのち、前記第１および第２の基板２、２′を接着剤９などを用いて貼り合わせることにより誘電体多層膜フィルタ素子１を製造する方法も知られている。
【００２０】
この製造方法は、比較的容易に実施することができるが、第１および第２の誘電体多層膜フィルタ３、３′の特性には多少のバラツキがあるので、貼り合わせ工程の前に、所望の特性が得られるような第１および第２の基板２、２′の組み合わせを決定するための検査を行い、さらに、貼り合わせ工程の後に所望の特性が得られたか確認するため、得られた誘電体多層膜フィルタ素子１の検査を行う必要がある。このように検査の回数が増加するので、製造コストや生産性が増大するという問題がある。
また、第１および第２の基板２、２′の部分を合わせた厚さは、通常の約２倍となるため、これらの２枚の基板２、２′による光路のズレが大きくなり、透過損失が増大するという問題もある。
【００２１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、誘電体多層膜フィルタの層数および総膜厚を従来に比して低減することができ、製造が容易であって、材料費や製造コストを削減することが可能な誘電体多層膜フィルタ素子を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、基板の一方の面に１個の誘電体多層膜フィルタを形成し、他方の面に反射膜を形成した誘電体多層膜フィルタ素子によって解決される。
このような誘電体多層膜フィルタ素子を用いることにより、前記誘電体多層膜フィルタ素子に入射する入射光は、前記反射膜によって反射し、入射時と出射時の２回、同一の前記誘電体多層膜フィルタを通過するようになる。これにより、誘電体多層膜フィルタの層数を増加させたのと同等な効果が得られるので、誘電体多層膜フィルタ素子の光学特性が著しく改善される。
前記誘電体多層膜フィルタとしては、帯域分離フィルタ、バンドパスフィルタ、利得等化フィルタのいずれかを用いることが好ましい。
【００２３】
上述の誘電体多層膜フィルタ素子を、誘電体多層膜フィルタが設けられている側の面を接着面として、ＧＲＩＮレンズの一方の端面に接着することにより、光部品が得られる。
この場合、ＧＲＩＮレンズの他方の端面上の所定の位置に、入力用光ファイバおよび出力用光ファイバを接続することが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の誘電体多層膜フィルタ素子１の一例を示す概略断面図である。この誘電体多層膜フィルタ素子１においては、基板２の一方の面に１個の誘電体多層膜フィルタ３が形成されており、他方の面に反射膜４が形成されている。ここで、誘電体多層膜フィルタ３とは、誘電体多層膜を有する種々の干渉フィルタであり、特に、所定の帯域の光を阻止する帯域分離フィルタ、所定波長帯域の光を通過させるバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）、所定の光増幅器の利得スペクトルを相殺するような損失スペクトルを有する利得等化フィルタが例示される。本発明においては、帯域分離フィルタは、所定波長より長波長の光を通過させるハイパスフィルタ（高域通過フィルタ）と、所定波長より短波長の光を通過させるローパスフィルタ（低域通過フィルタ）の総称とする。
【００２５】
このような構成とすることにより、図２に示すように、該誘電体多層膜フィルタ素子１に、誘電体多層膜フィルタ３の側の面から入射した光は、反射膜４にて反射されて、入射時に通過したものと同一の誘電体多層膜フィルタ３を介して出射するようになる。
【００２６】
誘電体多層膜フィルタ３として、帯域分離フィルタを用いた場合に本発明によって奏される効果について、図３を参照して説明する。
従来の誘電体多層膜フィルタ素子１が、図３の破線に示すような損失スペクトルを示す場合、誘電体多層膜フィルタ３の特性が同等であれば、本実施の形態の誘電体多層膜フィルタ素子１によれば、入射光は誘電体多層膜フィルタ素子１内で反射して、入射時と出射時の２回、同一の前記誘電体多層膜フィルタ３を通過するので、光の損失は約２倍になる。従って、本実施の形態の誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルは、図３の実線に示すようなものとなる。
すなわち、誘電体多層膜フィルタ素子１に反射膜４を設けることにより、誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルがより急峻となり、波長帯域を分離する特性が向上すると考えられる。
【００２７】
また、誘電体多層膜フィルタ３として、バンドパスフィルタを用いた場合についても、同様な考察が成立する（図４参照）。
すなわち、従来の誘電体多層膜フィルタ素子１が、図４の破線に示すような損失スペクトルを示す場合、誘電体多層膜フィルタ３の特性が同等であれば、本実施の形態の誘電体多層膜フィルタ素子１によれば、入射光は誘電体多層膜フィルタ素子１内で反射して、入射時と出射時の２回、同一の前記誘電体多層膜フィルタ３を通過するので、光の損失は約２倍になる。従って、本実施の形態の誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルは、図４の実線に示すようなものとなる。すなわち、誘電体多層膜フィルタ素子１に反射膜４を設けることにより、その損失スペクトルがより急峻となり、波長帯域を選択する特性が向上すると考えられる。
【００２８】
また、誘電体多層膜フィルタ３として、利得等化フィルタを用いた場合の効果は、以下のように考えられる。本実施の形態の誘電体多層膜フィルタ素子１によれば、入射光は誘電体多層膜フィルタ素子１内で反射して、入射時と出射時の２回、同一の前記誘電体多層膜フィルタ３を通過するので、誘電体多層膜フィルタ３の実質的な層数は、実際の層数の２倍となる。このため、光増幅器の利得スペクトルの近似がより良好になるので、利得等化フィルタの利得平坦化特性が向上する。
【００２９】
本実施の形態においては、前記誘電体多層膜フィルタ３は、２種類以上の屈折率の異なる誘電体を、所定の膜厚および膜数にて積層することにより製造することができる。誘電体多層膜フィルタ３の総膜数および各膜の材料は、用途等に応じて種々の条件を設定することができるが、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５などの誘電体を７０〜１００層積層し、総膜厚を１３〜１８μｍとしたものとすることができる。
【００３０】
誘電体多層膜フィルタ３を構成するそれぞれの膜の材料や膜厚は、用途等に応じて種々の条件を設定することができ、また、例えば、コンピュータを用いた計算によって適切に設計することができる。
また、バンドパスフィルタにおいては、該バンドパスフィルタの中心波長をλ_０とするとき、光学的膜厚（幾何学的膜厚×屈折率）が、λ_０／４である高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層し、その間に、適宜、低屈折率誘電体からなり、光学的膜厚がλ_０／４より大きい（一般的には、λ_０／２またはその整数倍）キャビティを設けることによって製造することができる。
【００３１】
このような誘電体多層膜フィルタ３を基板２上に形成するためには、スパッタリング法、イオンアシスト法、真空蒸着法などの公知の適切な方法を用いて、厚さが２〜１５ｍｍ、縦横の長さが５０〜４００ｍｍ程度であり、円形、矩形などの所定の形状のガラス板上に誘電体多層膜を積層させたのち、ガラス板を、所定の厚さまで研磨したり、所定の寸法に切断したりなどすることによって製造することができる。前記ガラス板としては、石英ガラスやホウケイ酸ガラスなど、適切な光学ガラスからなるガラス板を用いることができる。
【００３２】
基板２の材料として、特許３１０７３０４号公報、特許３２０２９８１号公報、特開２００１−３１８２２２号公報、特開２００１−０６６４２５号公報に開示されているように、誘電体多層膜の誘電体よりも熱膨張係数の高いガラスを用いれば、成膜後に基板２が冷却されて収縮することにより、膜が圧縮応力を受けて誘電体の充填率が向上し、屈折率の温度変化が小さい誘電体多層膜を得ることができるので、特に好ましい。
より具体的には、−２０〜＋７０℃における熱膨張係数が９５×１０^−７／℃〜１４０×１０^−７／℃、ヤング率が８５ＧＰａ以上であり、二珪酸リチウムやα−石英、α−クリストバライトなどからなる結晶相を析出させた結晶化ガラスからなるものが好ましく、例えば、株式会社オハラのＷＭＳシリーズ（商標名）が例示される。
【００３３】
反射膜４は、誘電体多層膜フィルタ３の透過域に含まれる所定の波長帯の光を全反射する特性を有する膜である。反射膜４としては、誘電体多層膜ミラー、金属膜ミラー、誘電体多層膜と金属膜からなる複合膜ミラーなどが例示される。
特に、反射膜４による光の吸収は少ないことが好ましいので、誘電体多層膜からなる誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましく、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５などの誘電体を２０層以上積層し、総膜厚を４〜１５μｍとしたものを用いることができる。
【００３４】
誘電体多層膜ミラーは、例えば、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜において、各膜の光学的膜厚（厚さ×屈折率）を、使用波長帯域の中心波長の１／４倍とすることによって製造することができる。誘電体多層膜ミラーにおいては、膜厚の精度に１〜５％程度の誤差があっても、実用に適するものが得られるため、膜厚を制御するためには、該膜厚をセンサなどにて直接測定することなく、成膜に要した時間から膜厚を推定して制御するようにしても製造することができる。また、誘電体多層膜フィルタ３としての所定の寸法に切断し、研磨したあとの基板２上に直接成膜することもできる。
【００３５】
反射膜４として、金属膜を用いる場合は、銀、金、アルミニウムなどの金属を蒸着などの方法により厚さ０．０５〜２μｍに成膜することによって反射膜４を形成することができる。また、誘電体多層膜と金属膜からなる複合膜ミラーは、誘電体多層膜と、金属膜を所定の順序で形成することによって製造することができる。
【００３６】
本実施の形態の誘電体多層膜フィルタ素子１を製造するためには、例えば、以下の手順によることができる。
まず、基板２となるガラス板上に、スパッタリング法や真空蒸着法などの手法を用いて、誘電体多層膜フィルタ３を形成し、次いで、ガラス板の裏面に反射膜４を形成したのち、該ガラス板を所定の寸法に切断または研磨する。
または、まず、ガラス板上に誘電体多層膜フィルタ３を形成し、次いで、該ガラス板を所定の寸法に切断または研磨したのち、ガラス板の裏面に反射膜４を形成する手順によっても製造することが可能である。
【００３７】
本発明の誘電体多層膜フィルタ素子１は、光が入射または出射する際の損失を低減するため、適切な入力ポートおよび出力ポートを設けて光部品とすることが好ましい。このような入力ポートおよび出力ポートは、入力用光ファイバおよび出力用光ファイバと、コリメータレンズとを用いることによって得ることができる。コリメータレンズとしては、球面レンズ、非球面レンズなど、いかなるものも使用することができるが、特に、ＧＲＩＮレンズを用いることが好ましい。
【００３８】
図５は、本発明の光部品の第１の実施の形態を示す概略構成図である。図５において、符号１は誘電体多層膜フィルタ素子である。誘電体多層膜フィルタ素子１は、誘電体多層膜フィルタ３が形成されている側の面を接着面として、ＧＲＩＮレンズ１０の一方の端面に接着されている。このＧＲＩＮレンズ１０の他方の端面には、それぞれ所定の位置に、入力用光ファイバ１１と出力用光ファイバ１２とが接着または融着などの適切な方法により接続されている。
【００３９】
入力用光ファイバ１１と出力用光ファイバ１２の位置関係は、入力用光ファイバ１１から入射した光が、ＧＲＩＮレンズ１０と誘電体多層膜フィルタ３を介して誘電体多層膜フィルタ素子１に入射し、反射膜４により反射されたのち再び誘電体多層膜フィルタ３を介して誘電体多層膜フィルタ素子１から出射し、ＧＲＩＮレンズ１０を介して出力用光ファイバ１２に出射するような位置に調整される。ＧＲＩＮレンズ１０と誘電体多層膜フィルタ素子１とを接着する接着剤としては、一般的なエポキシ系またはアクリル系の光学接着剤を用いることができる。
【００４０】
ＧＲＩＮレンズ１０は、概略、直径０．２〜３．０ｍｍ、長さ１〜５ｍｍ程度の円筒形状を有し、該円筒の底面を入射端面および出射端面として用いるレンズであり、光ファイバ用コリメータレンズとして幅広く用いられている。この種のＧＲＩＮレンズ１０には、半径方向に軸を中心とした屈折率分布が形成されている。これにより、平行光を光ファイバの一端面上に集束したり、光ファイバの一端から発散された光を平行化したりすることができる。
【００４１】
ＧＲＩＮレンズ１０には、端面が軸に垂直な平面であるもの、斜面となっているもの、曲面であるものなどが知られており、いずれのものも本発明の誘電体多層膜フィルタ素子１と組み合わせて使用することはできるが、本実施の形態の光部品においては、端面が軸に垂直な平面であるＧＲＩＮレンズ１０を用いることが好ましい。これにより、誘電体多層膜フィルタ素子１を直接ＧＲＩＮレンズ１０の端面に接着することができ、光部品の構成が単純になる。従って、製造が容易になるとともに、ＧＲＩＮレンズ１０または誘電体多層膜フィルタ素子１の端面における反射および損失を抑制することができる。
【００４２】
このような構成によれば、入力用光ファイバ１１から入射された光ａは、誘電体多層膜フィルタ素子１によって所望のスペクトルを有する光とされるので、この出射光ｂは、出力用光ファイバ１２を介して受け取ることができる。また、誘電体多層膜フィルタ素子１の誘電体多層膜フィルタ３によって阻止されて反射された反射光ｃは、ＧＲＩＮレンズ１０を通過して、出力用光ファイバ１２が接続されている位置とは異なる位置に出射されるので、クロストークが極めて低くなる。
【００４３】
図６は、本発明の光部品の第２の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態の光部品が、前記第１の実施の形態の光部品と異なる点は、出力用光ファイバ１２が２本設けられていることである。第１の出力用光ファイバ１２ａは、入力用光ファイバ１１から入射した光ａが、ＧＲＩＮレンズ１０を介して誘電体多層膜フィルタ素子１に入射し、反射膜４により反射されたのち再び誘電体多層膜フィルタ３を通過し、ＧＲＩＮレンズ１０を介して、出力用光ファイバ１２ａに出射する位置に接続されている。これに対して、第２の出力用光ファイバ１２ｂは、誘電体多層膜フィルタ３を通過せずに反射された光ｃを受け取る位置に接続されている。
【００４４】
このような構成によれば、入射光ａは、誘電体多層膜フィルタ素子１によって、所望のスペクトルを有する光ｂとされたのち、出力用光ファイバ１２を介して受け取ることができる。また、誘電体多層膜フィルタ３に阻止されて反射された反射光ｃは、第２の出力用光ファイバ１２ｂが接続されている位置に出射される。このように反射光ｃを受け取ることができるようにすれば、入射光ａの分波や、モニタリングをすることができるので、極めて有用である。
【００４５】
本実施の形態の光部品によれば、図７に示すように、第１の出力用光ファイバ１２ａに出力されるべき透過光は、誘電体多層膜フィルタ３を２回通過することにより、阻止域の損失が増大するので、阻止域の光の混入が減少し、アイソレーションが向上する。一方、第２の出力用光ファイバ１２ｂに出力されるべき反射光は、誘電体多層膜フィルタ３の総膜厚が薄くなることにより、透過域の損失が減少し、反射減衰量を低減することができる。また、誘電体多層膜フィルタ３の反りが小さくなるので、クラックの発生や基板２からの剥落が抑制される。
【００４６】
また、本発明の光部品の他の実施の形態としては、図８に示すように、コリメータレンズとして、球面レンズまたは非球面レンズ等１４を用いたものが例示される。この場合は、前記球面レンズまたは非球面レンズ等１４は、適切な支持部材など（図示せず）を用いて、誘電体多層膜フィルタ素子１と、入力用光ファイバ１１または出力用光ファイバ１２との間の適切な位置に配置される。
このような形態によっても、誘電体多層膜フィルタ素子１に入射または出射する光の損失を低減することができる。
【００４７】
次に、本発明を、具体例に基づいて説明するが、これらの具体例は本発明を何ら制限するものではない。
【００４８】
［帯域分離フィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子］
以下のように、誘電体多層膜フィルタ３として、１４８０ｎｍの励起光と１５５０ｎｍの信号光とを合分波する帯域分離フィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子１を製造した。
従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１２に示すような構造のものであって、誘電体多層膜フィルタ３の層数は８１層であり、総膜厚は約１８μｍである。
従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１２に示すような構造のものであって、誘電体多層膜フィルタ３の層数は５７層であり、総膜厚は約１３μｍである。
実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１に示すような構造のものであって、誘電体多層膜フィルタ３の層数は５７層であり、総膜厚は約１３μｍである。
基板２としては、ＢＫ７（ホウケイ酸ガラスの一種）からなるものを用いた。また、誘電体多層膜フィルタ３の高屈折率材料としてＴａ_２Ｏ_５、低屈折率材料としてＳｉＯ_２を用いた。また、反射膜４は、Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とからなる２０層以上の誘電体多層膜ミラーである。
【００４９】
これらの帯域分離フィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルを測定した。この結果を図９に示す。図９において、「８１層」とは、従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１を示し、「５７層」とは、従来例の誘電体多層膜フィルタ素子１を示し、「５７層×２」とは、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１を示す。
【００５０】
図１３に示す、帯域分離フィルタの透過域を規定する損失値αを０．１ｄＢとし、また、阻止域を規定する損失値βを３０ｄＢとして、透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄを求めた。このＤの値は、この従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１では１８ｎｍであり、従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子１では３３ｎｍであり、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１では１８ｎｍであった。すなわち、従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子より、総膜数が約３０％少ないにもかかわらず、透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄを同程度にすることができた。また、従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子と比較すると、反射膜を設けることによって、透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄを半分以下にすることができた。
【００５１】
誘電体多層膜フィルタ３として、１５５０ｎｍを中心とし、透過域の帯域幅Ｂが約０．８ｎｍである狭帯域バンドパスフィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子１を製造し、特性を比較した。
従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１２に示すような構造のものであって、狭帯域バンドパスフィルタのキャビティ層の個数は４個である。
従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１２に示すような構造のものであって、狭帯域バンドパスフィルタのキャビティ層の個数は３個である。
実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１に示すような構造のものであって、狭帯域バンドパスフィルタのキャビティ層の個数は３個である。
基板２としては、ＷＭＳ−１３（株式会社オハラ製の結晶化ガラス）からなるものを用いた。また、誘電体多層膜フィルタ３の高屈折率材料としてＴａ_２Ｏ_５、低屈折率材料としてＳｉＯ_２を用いた。また、反射膜４は、Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とからなる２０層の誘電体多層膜ミラーである。
【００５２】
これらの誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルを測定した。この結果を図１０に示す。図１０において、「４ｃａｖｉｔｙ」とは、従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１を示し、「３ｃａｖｉｔｙ」とは、従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子１を示し、「３ｃａｖｉｔｙ×２」とは、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１を示す。
【００５３】
それぞれの誘電体多層膜フィルタ素子１について、図１４に示す、狭帯域バンドパスフィルタの透過域を規定する損失値αを０．５ｄＢとし、また、阻止域を規定する損失値βを２５ｄＢとして、透過域と阻止域との間の立ち上がり幅Ｄを求めた。このＤの値は、従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１では０．４０ｎｍであり、従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子１では０．８２ｎｍであり、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１では０．４０ｎｍであった。すなわち、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１は、従来例の第１の誘電体多層膜フィルタ素子１よりキャビティ層の個数が少ないにもかかわらず、前記Ｄの値を同程度とすることができた。また、従来例の第２の誘電体多層膜フィルタ素子１と比較すると、反射膜４を設けることによって、前記Ｄの値を半分以下にすることができた。
【００５４】
［利得等化フィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子］
誘電体多層膜フィルタ３として、利得差が約６ｄＢであるＣバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）用エルビウム添加光ファイバ光増幅器（ＦＤＦＡ）の利得を等化する誘電体多層膜フィルタ素子１を製造し、特性を比較した。
従来例の誘電体多層膜フィルタ素子１は、図１２に示すような構造のものであって、層膜数は１０２層であり、総膜厚は約２７μｍである。
実施例の利得等化フィルタ素子は、図１２に示すような構造のものであって、層膜数は８２層であり、総膜厚は約１５μｍである。
基板２としては、ＷＭＳ−１３（株式会社オハラ製の結晶化ガラス）からなるものを用いた。また、誘電体多層膜フィルタ３の高屈折率材料としてＴａ_２Ｏ_５、低屈折率材料としてＳｉＯ_２を用いた。また、反射膜４は、Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とからなる２０層以上の誘電体多層膜ミラーである。
【００５５】
これらの誘電体多層膜フィルタ素子１の損失スペクトルを測定したところ、図１１に示すようになった。
従来例の誘電体多層膜フィルタ素子１における利得残差は、０．１８ｄＢであるのに対し、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１における利得残差は、０．１８ｄＢであった。
この結果から明らかなように、実施例の誘電体多層膜フィルタ素子１によれば、従来例の誘電体多層膜フィルタ素子１と、実用的に同等の利得等化特性を得ることができ、しかも層膜数および総膜厚を大幅に減少させることができた。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の誘電体多層膜フィルタ素子１によれば、該誘電体多層膜フィルタ素子１に、誘電体多層膜フィルタ３の側の面から入射した光は、反射膜４にて反射されて、入射時に通過したものと同一の誘電体多層膜フィルタ３を介して出射するようになるので、誘電体多層膜フィルタの層数を増加させたのと同等の効果が得られる。従って、層数が同じ従来の誘電体多層膜フィルタと比較すれば、誘電体多層膜フィルタ３の特性を著しく向上させることができる。また、特性が同等の従来の誘電体多層膜フィルタと比較すれば、誘電体多層膜フィルタの層数および総膜厚が大幅に減少させられる。
【００５７】
誘電体多層膜フィルタ３の層数が従来に比して少なくなり、反射膜４は、製造が極めて容易なものであるので、本発明の誘電体多層膜フィルタ素子１の製造は容易に実施可能である。しかも、誘電体多層膜フィルタ素子１の材料費や製造コストが低減され、歩留まりも向上する。また、誘電体多層膜フィルタ３の膜厚が薄くなることにより、誘電体多層膜フィルタ３の反りが小さくなり、クラックの発生や基板からの剥落が抑制される。
【００５８】
本発明の光部品によれば、誘電体多層膜フィルタ素子１への光の入射または出射に伴う損失が低減される。誘電体多層膜フィルタ素子１をＧＲＩＮレンズ１０の端面に接着することにより、光部品の構成が単純になり、製造が容易になるとともに、ＧＲＩＮレンズ１０または誘電体多層膜フィルタ素子１の端面における反射および損失を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体多層膜フィルタ素子の一例の概略断面図である。
【図２】本発明の誘電体多層膜フィルタ素子の作用を説明する図である。
【図３】誘電体多層膜フィルタとして、帯域分離フィルタを用いた場合に、本発明によって奏される効果を説明する図である。
【図４】誘電体多層膜フィルタとして、バンドパスフィルタを用いた場合に、本発明によって奏される効果を説明する図である。
【図５】本発明の光部品の第１の実施の形態の概略構成図である。
【図６】本発明の光部品の第２の実施の形態の概略構成図である。
【図７】本発明の光部品の第２の実施の形態によって奏される効果を説明する図である。
【図８】本発明の光部品の他の実施の形態の概略構成図である。
【図９】帯域分離フィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子の損失スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１０】狭帯域バンドパスフィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子の損失スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１１】利得等化フィルタを有する誘電体多層膜フィルタ素子の損失スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１２】従来の誘電体多層膜フィルタ素子の第１の例の概略断面図である。
【図１３】従来の帯域分離フィルタの損失スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１４】従来のバンドパスフィルタの損失スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１５】従来の誘電体多層膜フィルタ素子の第２の例の概略断面図である。
【図１６】従来の誘電体多層膜フィルタ素子の第３の例の概略断面図である。
【符号の説明】
１…誘電体多層膜フィルタ素子、２…基板、３…誘電体多層膜フィルタ、４…反射膜、１０…ＧＲＩＮレンズ、１１…入力用光ファイバ、１２…出力用光ファイバ、１２ａ…第１の出力用光ファイバ、１２ｂ…第２の出力用光ファイバ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dielectric multilayer filter element used as an optical filter such as a band separation filter, a bandpass filter, and a gain equalization filter in an optical communication system such as a wavelength division multiplexing (WDM) transmission system.
[0002]
[Prior art]
In the optical communication field, for example, optical components such as an optical coupler, an optical splitter, an optical multiplexer, an optical demultiplexer, and a gain equalizer are generally a dielectric multilayer filter element having predetermined characteristics, It is configured by appropriately combining an optical fiber, a lens, and the like.
[0003]
FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of an example of a conventional dielectric multilayer filter element 1. This dielectric multilayer filter element 1 has a structure in which a dielectric multilayer filter 3 made of a dielectric multilayer film is formed on a substrate 2 made of optical glass or the like.
The dielectric multilayer film is a multilayer film obtained by forming two or more types of dielectric materials having different refractive indexes into thin films and sequentially stacking them at a predetermined film thickness and a total number of films. By appropriately designing the refractive index, the number of layers, and the thickness of each layer of the dielectric to be used based on the light interference phenomenon, a dielectric multilayer film having desired optical characteristics such as filter characteristics and mirror characteristics is obtained. be able to.
In this specification, a dielectric multilayer film having filter characteristics is referred to as a dielectric multilayer filter 3.
[0004]
Next, some examples of various dielectric multilayer filters 3 generally used in WDM transmission will be exemplified, and their optical characteristics will be described.
First, the band separation filter (edge filter) is a dielectric multilayer filter 3 having a characteristic of passing light of a predetermined wavelength or less or more and blocking light of another wavelength. FIG. 13 shows an example of a loss spectrum of the band separation filter. As shown in FIG. 13, a band in which light loss is equal to or less than a predetermined first value α is called a transmission band, and a band in which light loss is equal to or more than a predetermined second value β is called a blocking band. In the band separation filter, the rise characteristic from the stop band to the transmission band is important. Specifically, the steeper between the transmission band and the stop band of the loss spectrum, that is, the transmission band and the stop band The smaller the rise width D is, the better the isolation between the transmission region and the blocking region is improved. If the rising width D between the transmission band and the stop band is large and the isolation between the transmission band and the stop band is low, for example, in the case of a band separation filter that blocks the pump light of the optical amplifier and passes only the signal light, Problems such as an increase in noise based on the excitation light may occur.
[0005]
The band-pass filter (band-pass filter) is a dielectric multilayer filter 3 having a characteristic of passing light in a predetermined band and blocking light of another wavelength. FIG. 14 shows an example of a loss spectrum of the band-pass filter. As shown in FIG. 14, a band in which light loss is equal to or less than a predetermined first value α is called a transmission band, and a band in which light loss is equal to or more than a predetermined second value β is called a blocking band. In the band-pass filter, the transmittance of the transmission band becomes smaller as the shape of the loss spectrum becomes closer to a rectangle, that is, as the rising width D between the transmission band and the stop band becomes smaller than the bandwidth B of the transmission band. Is improved, and the transmittance in the stop zone is reduced. If the rising width D between the transmission band and the blocking band is large, a problem such as an increase in crosstalk between wavelengths of WDM transmission may occur.
[0006]
Further, the gain equalizing filter is a dielectric multilayer filter 3 having a loss spectrum that cancels the fluctuation of the gain spectrum of a predetermined optical amplifier. In the gain equalizing filter, it is preferable that the difference between the loss spectrum and the gain spectrum of the target optical amplifier, that is, the gain residual is small. If the gain residual is large, the wavelength dependence of the gain spectrum cannot be sufficiently eliminated, so that the crosstalk between wavelengths of WDM transmission increases, and it becomes difficult to set the light receiving level of the receiver. Problem may occur.
[0007]
The above-described dielectric multilayer filter element 1 is generally formed by forming a dielectric multilayer filter 3 on a glass plate serving as a substrate 2 by using a method such as a sputtering method or a vacuum deposition method, and then forming the glass substrate. It is manufactured by polishing a plate to a predetermined thickness, cutting the plate to a predetermined size, and the like.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, with the development of optical communication technology, it has been required to further improve the loss characteristics of this type of dielectric multilayer filter element 1.
Generally, since each layer of the dielectric multilayer filter 3 has a sinusoidal loss characteristic, in order to make the loss spectrum of the dielectric multilayer filter element 1 a suitable shape as described above, the dielectric multilayer filter 3 is required. Is preferably a higher-order approximation in the Fourier expansion of the target loss spectrum, in other words, it is preferable to increase the number of layers of the dielectric multilayer filter 3.
However, when the number of layers of the dielectric multilayer filter 3 increases, the total thickness of the dielectric multilayer filter 3 increases, so that the stress of the dielectric multilayer filter 3 increases, and the substrate 2 is easily pulled and warped. Become.
[0009]
Hereinafter, the relationship between the total thickness of the dielectric multilayer filter 3 and the warpage of the substrate 2 will be described using equations.
The total film thickness and the total stress of the dielectric multilayer filter 3 are represented by d, respectively._F, Σ_FAnd the thickness, Young's modulus, and Poisson's ratio of the substrate 2 are D_S, E_S, Ν_SIn other words, the curvature radius R of the warped substrate 2 can be expressed by the following equation (1) using the Stoney equation.
[0010]
R = E_SD_S ²/ $ 6d_F(1-ν_S) Σ_F｝ …… (1)
[0011]
Further, the warpage amount δ of the substrate 2 has a relationship shown by the following equation (2) with the radius r and the radius of curvature R of the substrate 2.
[0012]
R ≒ r²/ 2δ (where δ≪r) ... (2)
[0013]
Therefore, δ∝d_FTherefore, the total thickness d of the dielectric multilayer filter 3_FThe larger the thickness, the greater the warpage (warpage amount δ) of the substrate 2.
[0014]
When the warpage of the substrate 2 is increased as described above, cracks may occur in the dielectric multilayer filter 3 or a part of the dielectric multilayer filter 3 may peel off from the substrate 2. In the case where the thickness of the dielectric multilayer film is controlled during the film formation, for example, by utilizing the interference phenomenon of transmitted light, if the substrate 2 is warped during the film formation, the film thickness varies, which is obtained. There is a possibility that the characteristics of the dielectric multilayer filter 3 may be significantly reduced.
[0015]
In order to deal with this problem, as shown in FIG. 15, by forming first and second dielectric multilayer filters 3a and 3b on both surfaces of the substrate 2, the dielectric multilayer filter formed on one side is formed. A configuration in which the number of films 3a and 3b is reduced has been proposed. According to such a dielectric multilayer filter element 1, since the stress of the first dielectric multilayer filter 3a and the stress of the second dielectric multilayer filter 3b are balanced, the warpage of the substrate 2 is suppressed. It is considered to be.
[0016]
However, when manufacturing such a dielectric multilayer filter element 1, first, the first dielectric multilayer filter 3a is formed on one surface of the substrate 2, and then the second dielectric filter 3a is formed on the other surface. When the multilayer filter 3b is formed, when the first dielectric multilayer filter 3a is formed on one surface of the substrate 2, the compressive stress of the first dielectric multilayer filter 3a is not balanced. Therefore, there is a problem that the substrate 2 warps due to the compressive stress, and the subsequent formation of the second dielectric multilayer filter 3b cannot be performed with high accuracy.
[0017]
Regarding this problem, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-33719, the first and second dielectric multilayer filters 3a, 3d are manufactured by using a manufacturing apparatus capable of freely reversing the substrate 2. The formation of 3b is divided into a plurality of steps, and the substrate 2 is inverted in each step so that the first dielectric multilayer filter 3a and the second dielectric multilayer filter 3b are formed gradually and alternately. Production methods have also been proposed. However, the manufacturing apparatus used in this manufacturing method requires a special substrate reversing mechanism, and is not easy to implement.
[0018]
In any case, in the dielectric multilayer filter element 1 in which the first and second dielectric multilayer filters 3a and 3b are formed on both surfaces of the substrate 2, the first and second dielectric multilayer filters are formed. The sum of 3a and 3b increases the number of layer films, so that material costs and manufacturing costs increase.
In addition, if the optical characteristics of the first and second dielectric multilayer filters 3a and 3b are inconsistent, the optical characteristics of the obtained dielectric multilayer filter element 1 are deteriorated. There is a problem that the properties and yield are reduced.
[0019]
On the other hand, as shown in FIG. 16, first and second substrates 2 and 2 ′ are prepared, and a first dielectric multilayer filter 3 is formed on one surface of the first substrate 2. After a second dielectric multilayer filter 3 'is formed on one surface of the second substrate 2', the first and second substrates 2, 2 'are bonded together using an adhesive 9 or the like. There is also known a method of manufacturing the dielectric multilayer filter element 1 by doing so.
[0020]
Although this manufacturing method can be implemented relatively easily, the characteristics of the first and second dielectric multilayer filters 3, 3 'vary somewhat, so that the desired An inspection was performed to determine the combination of the first and second substrates 2 and 2 ′ such that the characteristics described above were obtained, and further, after the bonding step, the obtained characteristics were obtained in order to confirm whether the desired characteristics were obtained. Inspection of the dielectric multilayer filter element 1 needs to be performed. Since the number of inspections increases as described above, there is a problem that manufacturing costs and productivity increase.
In addition, the total thickness of the first and second substrates 2 and 2 'is about twice as large as that of a normal substrate. There is also a problem that the loss increases.
[0021]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to reduce the number of layers and the total film thickness of a dielectric multilayer filter as compared with the related art, and it is easy to manufacture, and material cost and cost are reduced. An object of the present invention is to provide a dielectric multilayer filter element capable of reducing the manufacturing cost.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The above problem is solved by a dielectric multilayer filter element in which one dielectric multilayer filter is formed on one surface of a substrate and a reflection film is formed on the other surface.
By using such a dielectric multilayer filter element, incident light incident on the dielectric multilayer filter element is reflected by the reflection film, and the same dielectric multilayer filter is used twice at the time of incidence and at the time of emission. It passes through the membrane filter. As a result, an effect equivalent to increasing the number of layers of the dielectric multilayer filter can be obtained, so that the optical characteristics of the dielectric multilayer filter element are significantly improved.
It is preferable to use any of a band separation filter, a bandpass filter, and a gain equalization filter as the dielectric multilayer filter.
[0023]
An optical component can be obtained by bonding the above-described dielectric multilayer filter element to one end surface of a GRIN lens with the surface on the side where the dielectric multilayer filter is provided as an adhesive surface.
In this case, it is preferable to connect an input optical fiber and an output optical fiber to predetermined positions on the other end surface of the GRIN lens.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the dielectric multilayer filter element 1 of the present invention. In this dielectric multilayer filter element 1, one dielectric multilayer filter 3 is formed on one surface of a substrate 2, and a reflection film 4 is formed on the other surface. Here, the dielectric multilayer filter 3 is various interference filters having a dielectric multilayer film, and in particular, a band separation filter that blocks light in a predetermined band, and a bandpass filter that passes light in a predetermined wavelength band. (Bandpass filter) and a gain equalizing filter having a loss spectrum that cancels the gain spectrum of a predetermined optical amplifier are exemplified. In the present invention, the band separation filter is a general term for a high-pass filter (high-pass filter) that passes light having a wavelength longer than a predetermined wavelength and a low-pass filter (low-pass filter) that passes light having a wavelength shorter than the predetermined wavelength. And
[0025]
With such a configuration, as shown in FIG. 2, light incident on the dielectric multilayer filter element 1 from the surface on the side of the dielectric multilayer filter 3 is reflected by the reflective film 4. Then, the light is emitted through the same dielectric multilayer filter 3 that has passed at the time of incidence.
[0026]
The effects achieved by the present invention when a band separation filter is used as the dielectric multilayer filter 3 will be described with reference to FIG.
In the case where the conventional dielectric multilayer filter element 1 exhibits a loss spectrum as shown by a broken line in FIG. 3, if the characteristics of the dielectric multilayer filter 3 are equal, the dielectric multilayer filter element of the present embodiment is used. According to No. 1, incident light is reflected in the dielectric multilayer filter element 1 and passes through the same dielectric multilayer filter 3 twice at the time of incidence and at the time of emission. Double. Accordingly, the loss spectrum of the dielectric multilayer filter element 1 of the present embodiment is as shown by the solid line in FIG.
That is, it is considered that the provision of the reflective film 4 on the dielectric multilayer filter element 1 makes the loss spectrum of the dielectric multilayer filter element 1 steeper and improves the characteristic of separating the wavelength band.
[0027]
Similar considerations hold when a bandpass filter is used as the dielectric multilayer filter 3 (see FIG. 4).
That is, when the conventional dielectric multilayer filter element 1 exhibits a loss spectrum as shown by the broken line in FIG. 4, if the characteristics of the dielectric multilayer filter 3 are equivalent, the dielectric multilayer film of the present embodiment is used. According to the filter element 1, the incident light is reflected in the dielectric multilayer filter element 1 and passes through the same dielectric multilayer filter 3 twice at the time of incidence and at the time of emission. Approximately double. Accordingly, the loss spectrum of the dielectric multilayer filter element 1 of the present embodiment is as shown by the solid line in FIG. That is, it is considered that the provision of the reflective film 4 in the dielectric multilayer filter element 1 makes the loss spectrum steeper and improves the characteristic of selecting a wavelength band.
[0028]
The effect when a gain equalizing filter is used as the dielectric multilayer filter 3 is considered as follows. According to the dielectric multilayer filter element 1 of the present embodiment, the incident light is reflected in the dielectric multilayer filter element 1, and the same dielectric multilayer filter 3 is used twice at the time of incidence and at the time of emission. , The substantial number of layers of the dielectric multilayer filter 3 is twice the actual number of layers. As a result, the gain spectrum of the optical amplifier is better approximated, and the gain flattening characteristics of the gain equalizing filter are improved.
[0029]
In the present embodiment, the dielectric multilayer filter 3 can be manufactured by laminating two or more types of dielectrics having different refractive indexes with a predetermined thickness and a predetermined number of films. Various conditions can be set for the total number of films of the dielectric multilayer film filter 3 and the material of each film according to the application and the like.₂, TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅70 to 100 layers of such a dielectric material can be laminated to have a total film thickness of 13 to 18 μm.
[0030]
Various conditions can be set for the material and film thickness of each film constituting the dielectric multilayer film filter 3 according to the application and the like. For example, it can be appropriately designed by calculation using a computer. it can.
In a bandpass filter, the center wavelength of the bandpass filter is λ₀When the optical film thickness (geometric film thickness × refractive index) is λ₀/ 4 high-refractive-index dielectric films and low-refractive-index dielectric films are alternately laminated, between which a low-refractive-index dielectric is appropriately formed, and the optical film thickness is λ.₀/ 4 (generally, λ₀/ 2 or an integer multiple thereof).
[0031]
In order to form such a dielectric multilayer filter 3 on the substrate 2, a known appropriate method such as a sputtering method, an ion assist method, or a vacuum deposition method is used, and the thickness is 2 to 15 mm, After laminating a dielectric multilayer film on a glass plate of a predetermined shape such as a circle or a rectangle having a length of about 50 to 400 mm, the glass plate is polished to a predetermined thickness or cut to a predetermined size. It can be manufactured by doing. As the glass plate, a glass plate made of a suitable optical glass such as quartz glass or borosilicate glass can be used.
[0032]
As disclosed in JP-A-3107304, JP-A-3202981, JP-A-2001-318222, and JP-A-2001-066425, the material of the substrate 2 is more thermally expanded than the dielectric of the dielectric multilayer film. When a glass having a high coefficient is used, the substrate 2 is cooled and shrunk after the film is formed, whereby the film is subjected to a compressive stress, the filling factor of the dielectric is improved, and the dielectric multilayer film having a small temperature change in the refractive index is formed. It is particularly preferred because it can be obtained.
More specifically, the coefficient of thermal expansion at −20 to + 70 ° C. is 95 × 10^-7/ ℃ ～ 140 × 10^-7/ C and a Young's modulus of 85 GPa or more, and preferably made of crystallized glass in which a crystal phase composed of lithium disilicate, α-quartz, α-cristobalite, or the like is precipitated. Name) is exemplified.
[0033]
The reflection film 4 is a film having a characteristic of totally reflecting light in a predetermined wavelength band included in the transmission region of the dielectric multilayer filter 3. Examples of the reflection film 4 include a dielectric multilayer mirror, a metal mirror, and a composite mirror including a dielectric multilayer film and a metal film.
In particular, since it is preferable that light absorption by the reflection film 4 is small, it is preferable to use a dielectric multilayer mirror composed of a dielectric multilayer film.₂, TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅A dielectric having a total thickness of 4 to 15 [mu] m can be used.
[0034]
For example, in a dielectric multilayer film in which a low-refractive-index material and a high-refractive-index material are alternately laminated, an optical film thickness (thickness × refractive index) of each film is set to a value corresponding to a wavelength in a used wavelength band. It can be manufactured by making it 1/4 times the center wavelength. In the dielectric multilayer mirror, even if there is an error of about 1 to 5% in the accuracy of the film thickness, a mirror suitable for practical use can be obtained. It is also possible to manufacture by estimating and controlling the film thickness from the time required for film formation without directly measuring the film thickness. Alternatively, the dielectric multilayer filter 3 can be formed into a film directly on the substrate 2 after being cut into predetermined dimensions and polished.
[0035]
When a metal film is used as the reflection film 4, the reflection film 4 can be formed by depositing a metal such as silver, gold, or aluminum to a thickness of 0.05 to 2 μm by a method such as evaporation. Further, the composite film mirror including the dielectric multilayer film and the metal film can be manufactured by forming the dielectric multilayer film and the metal film in a predetermined order.
[0036]
In order to manufacture the dielectric multilayer filter element 1 of the present embodiment, for example, the following procedure can be performed.
First, a dielectric multilayer filter 3 is formed on a glass plate serving as the substrate 2 by using a method such as a sputtering method or a vacuum deposition method, and then a reflective film 4 is formed on the back surface of the glass plate. The glass plate is cut or polished to a predetermined size.
Alternatively, first, the dielectric multilayer filter 3 is formed on a glass plate, and then the glass plate is cut or polished to a predetermined size, and then the reflective film 4 is formed on the back surface of the glass plate. It is possible.
[0037]
It is preferable that the dielectric multilayer filter element 1 of the present invention is provided with an appropriate input port and output port as an optical component in order to reduce a loss when light enters or exits. Such an input port and an output port can be obtained by using an input optical fiber and an output optical fiber, and a collimator lens. As the collimator lens, any one such as a spherical lens and an aspherical lens can be used, but it is particularly preferable to use a GRIN lens.
[0038]
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the optical component of the present invention. In FIG. 5, reference numeral 1 denotes a dielectric multilayer filter element. The dielectric multilayer filter element 1 is bonded to one end surface of the GRIN lens 10 with the surface on which the dielectric multilayer filter 3 is formed as an adhesive surface. An input optical fiber 11 and an output optical fiber 12 are connected to predetermined positions on the other end surfaces of the GRIN lens 10 by an appropriate method such as adhesion or fusion.
[0039]
The positional relationship between the input optical fiber 11 and the output optical fiber 12 is such that light incident from the input optical fiber 11 is incident on the dielectric multilayer filter element 1 via the GRIN lens 10 and the dielectric multilayer filter 3. After being reflected by the reflection film 4, the light is again emitted from the dielectric multilayer filter element 1 via the dielectric multilayer filter 3 and adjusted to a position where it is emitted to the output optical fiber 12 via the GRIN lens 10. You. As the adhesive for bonding the GRIN lens 10 and the dielectric multilayer filter element 1, a general epoxy-based or acrylic-based optical adhesive can be used.
[0040]
The GRIN lens 10 has a cylindrical shape having a diameter of about 0.2 to 3.0 mm and a length of about 1 to 5 mm, and uses the bottom surface of the cylinder as an input end face and an output end face. Widely used as. This kind of GRIN lens 10 has a refractive index distribution centered on the axis in the radial direction. Thereby, the parallel light can be focused on one end surface of the optical fiber, and the light diverged from one end of the optical fiber can be parallelized.
[0041]
The GRIN lens 10 is known to have a plane whose end face is a plane perpendicular to the axis, a sloped plane, a curved plane, and the like. All of them are the same as the dielectric multilayer filter element 1 of the present invention. Although they can be used in combination, it is preferable to use the GRIN lens 10 whose end face is a plane perpendicular to the axis in the optical component of the present embodiment. Thereby, the dielectric multilayer filter element 1 can be directly bonded to the end face of the GRIN lens 10, and the configuration of the optical component is simplified. Therefore, the manufacture becomes easy, and the reflection and the loss at the end face of the GRIN lens 10 or the dielectric multilayer filter element 1 can be suppressed.
[0042]
According to such a configuration, since the light a incident from the input optical fiber 11 is converted into light having a desired spectrum by the dielectric multilayer filter element 1, the output light b is output from the output optical fiber 11. 12 can be received. The reflected light c blocked and reflected by the dielectric multilayer filter 3 of the dielectric multilayer filter element 1 passes through the GRIN lens 10 and is different from the position where the output optical fiber 12 is connected. Since the light is emitted to the position, the crosstalk is extremely low.
[0043]
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the optical component of the present invention. The optical component of the present embodiment differs from the optical component of the first embodiment in that two output optical fibers 12 are provided. In the first output optical fiber 12a, the light a incident from the input optical fiber 11 is incident on the dielectric multilayer filter element 1 via the GRIN lens 10, and is reflected by the reflection film 4, and then returns to the dielectric material. It is connected to a position where the light passes through the multilayer filter 3 and exits to the output optical fiber 12a via the GRIN lens 10. On the other hand, the second output optical fiber 12b is connected to a position for receiving the light c reflected without passing through the dielectric multilayer filter 3.
[0044]
According to such a configuration, the incident light “a” can be converted into the light “b” having a desired spectrum by the dielectric multilayer filter element 1 and then received via the output optical fiber 12. Further, the reflected light c blocked and reflected by the dielectric multilayer filter 3 is emitted to a position where the second output optical fiber 12b is connected. If the reflected light c can be received in this manner, the demultiplexing and monitoring of the incident light a can be performed, which is extremely useful.
[0045]
According to the optical component of the present embodiment, as shown in FIG. 7, transmitted light to be output to the first output optical fiber 12a is blocked by passing through the dielectric multilayer filter 3 twice. Since the loss of the band increases, the light mixing in the stop band is reduced, and the isolation is improved. On the other hand, the reflected light to be output to the second output optical fiber 12b reduces the loss in the transmission region and the return loss by reducing the total thickness of the dielectric multilayer filter 3. Can be. Further, since the warpage of the dielectric multilayer filter 3 is reduced, the occurrence of cracks and the separation from the substrate 2 are suppressed.
[0046]
Further, as another embodiment of the optical component of the present invention, as shown in FIG. 8, a collimator lens using a spherical lens or an aspherical lens 14 is exemplified. In this case, the spherical lens or the aspherical lens 14 is connected to the dielectric multilayer filter element 1 and the input optical fiber 11 or the output optical fiber 12 by using an appropriate support member or the like (not shown). It is placed in an appropriate position between.
With such an embodiment, it is possible to reduce the loss of light that enters or exits the dielectric multilayer filter element 1.
[0047]
Next, the present invention will be described based on specific examples, but these specific examples do not limit the present invention at all.
[0048]
[Dielectric multilayer filter element having band separation filter]
As described below, a dielectric multilayer filter element 1 having a band separation filter for multiplexing and demultiplexing 1480 nm excitation light and 1550 nm signal light was manufactured as the dielectric multilayer filter 3.
The first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example has a structure as shown in FIG. 12, in which the number of layers of the dielectric multilayer filter 3 is 81, and the total film thickness is about 18 μm. is there.
The second dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example has a structure as shown in FIG. 12, in which the number of layers of the dielectric multilayer filter 3 is 57, and the total film thickness is about 13 μm. is there.
The dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment has a structure as shown in FIG. 1, and the number of layers of the dielectric multilayer filter 3 is 57, and the total film thickness is about 13 μm.
As the substrate 2, a substrate made of BK7 (a type of borosilicate glass) was used. Further, Ta is used as a high refractive index material for the dielectric multilayer filter 3.₂O₅, SiO as a low refractive index material₂Was used. The reflection film 4 is made of Ta.₂O₅And SiO₂And a dielectric multilayer mirror having 20 or more layers.
[0049]
The loss spectrum of the dielectric multilayer filter element 1 having these band separation filters was measured. The result is shown in FIG. In FIG. 9, “81 layers” indicates the first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example, “57 layers” indicates the conventional dielectric multilayer filter element 1, and “57 layers” “× 2” indicates the dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment.
[0050]
The loss value α defining the transmission band of the band separation filter shown in FIG. 13 is set to 0.1 dB, the loss value β defining the stop band is set to 30 dB, and the rising width D between the transmission band and the stop band is set. I asked. The value of D is 18 nm in the first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example, and 33 nm in the second dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example. The filter element 1 had a thickness of 18 nm. That is, the rise width D between the transmission region and the stop region can be made substantially the same, although the total number of films is about 30% smaller than the first dielectric multilayer filter element of the conventional example. . In addition, as compared with the second conventional dielectric multilayer filter element, the rise width D between the transmission area and the stop area can be reduced to half or less by providing the reflection film.
[0051]
As the dielectric multilayer filter 3, a dielectric multilayer filter element 1 having a narrow band-pass filter centered on 1550 nm and having a transmission band width B of about 0.8 nm was manufactured, and the characteristics were compared.
The first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example has a structure as shown in FIG. 12, and the number of the cavity layers of the narrow bandpass filter is four.
The conventional second dielectric multilayer filter element 1 has a structure as shown in FIG. 12, and the number of the cavity layers of the narrow bandpass filter is three.
The dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment has a structure as shown in FIG. 1, and the number of the cavity layers of the narrow bandpass filter is three.
As the substrate 2, a substrate made of WMS-13 (crystallized glass manufactured by OHARA CORPORATION) was used. Further, Ta is used as a high refractive index material for the dielectric multilayer filter 3.₂O₅, SiO as a low refractive index material₂Was used. The reflection film 4 is made of Ta.₂O₅And SiO₂This is a 20-layer dielectric multilayer mirror consisting of:
[0052]
The loss spectra of these dielectric multilayer filter elements 1 were measured. The result is shown in FIG. In FIG. 10, “4cavity” indicates the first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example, “3cavity” indicates the second dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example, and “3cavity”. “× 2” indicates the dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment.
[0053]
For each dielectric multilayer filter element 1, as shown in FIG. 14, the loss value α defining the transmission band of the narrow band pass filter is set to 0.5 dB, and the loss value β defining the stop band is set to 25 dB. The rising width D between the transmission region and the blocking region was determined. The value of D is 0.40 nm in the first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example, and 0.82 nm in the second dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example. It was 0.40 nm in the case of the multilayer filter element 1. That is, in the dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment, the value of D is substantially the same, although the number of cavity layers is smaller than that of the first dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example. did it. In addition, as compared with the second conventional dielectric multilayer filter element 1, the value of D could be reduced to half or less by providing the reflective film 4.
[0054]
[Dielectric multilayer filter element having gain equalizing filter]
As the dielectric multilayer filter 3, a dielectric multilayer filter element 1 for equalizing the gain of an erbium-doped optical fiber optical amplifier (FDFA) for the C band (1530 to 1565 nm) having a gain difference of about 6 dB is manufactured. Were compared.
The conventional dielectric multilayer filter element 1 has a structure as shown in FIG. 12, and has 102 layers and a total thickness of about 27 μm.
The gain equalizing filter element of the embodiment has a structure as shown in FIG. 12, and has 82 layers and a total film thickness of about 15 μm.
As the substrate 2, a substrate made of WMS-13 (crystallized glass manufactured by OHARA CORPORATION) was used. Further, Ta is used as a high refractive index material for the dielectric multilayer filter 3.₂O₅, SiO as a low refractive index material₂Was used. The reflection film 4 is made of Ta.₂O₅And SiO₂And a dielectric multilayer mirror having 20 or more layers.
[0055]
When the loss spectrum of these dielectric multilayer filter elements 1 was measured, the results were as shown in FIG.
The gain residual in the dielectric multilayer filter element 1 of the conventional example was 0.18 dB, whereas the gain residual in the dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment was 0.18 dB.
As is clear from these results, according to the dielectric multilayer filter element 1 of the embodiment, the gain equalization characteristic practically equivalent to that of the conventional dielectric multilayer filter element 1 can be obtained. The number of layer films and the total film thickness could be significantly reduced.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the dielectric multilayer filter element 1 of the present invention, light incident on the dielectric multilayer filter element 1 from the surface on the side of the dielectric multilayer filter 3 Then, the light is reflected and exits through the same dielectric multilayer filter 3 that has passed at the time of incidence, so that an effect equivalent to increasing the number of layers of the dielectric multilayer filter can be obtained. Therefore, as compared with the conventional dielectric multilayer filter having the same number of layers, the characteristics of the dielectric multilayer filter 3 can be significantly improved. Also, as compared with a conventional dielectric multilayer filter having the same characteristics, the number of layers and the total film thickness of the dielectric multilayer filter can be greatly reduced.
[0057]
Since the number of layers of the dielectric multilayer filter 3 is smaller than that of the related art, and the reflective film 4 is extremely easy to manufacture, the dielectric multilayer filter element 1 of the present invention can be easily manufactured. It is. In addition, the material cost and manufacturing cost of the dielectric multilayer filter element 1 are reduced, and the yield is improved. In addition, since the thickness of the dielectric multilayer filter 3 is reduced, the warpage of the dielectric multilayer filter 3 is reduced, and the occurrence of cracks and the separation from the substrate are suppressed.
[0058]
According to the optical component of the present invention, the loss caused by the light entering or exiting the dielectric multilayer filter element 1 is reduced. By adhering the dielectric multilayer filter element 1 to the end face of the GRIN lens 10, the configuration of the optical component is simplified, the manufacture becomes easy, and the reflection at the end face of the GRIN lens 10 or the dielectric multilayer filter element 1 is achieved. And loss can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of one example of a dielectric multilayer filter element of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the dielectric multilayer filter element of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an effect achieved by the present invention when a band separation filter is used as a dielectric multilayer filter.
FIG. 4 is a diagram illustrating an effect achieved by the present invention when a bandpass filter is used as a dielectric multilayer filter.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of the optical component of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the optical component of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an effect produced by a second embodiment of the optical component of the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of another embodiment of the optical component of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing an example of a loss spectrum of a dielectric multilayer filter element having a band separation filter.
FIG. 10 is a graph showing an example of a loss spectrum of a dielectric multilayer filter element having a narrow band pass filter.
FIG. 11 is a graph showing an example of a loss spectrum of a dielectric multilayer filter element having a gain equalizing filter.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a first example of a conventional dielectric multilayer filter element.
FIG. 13 is a graph showing an example of a loss spectrum of a conventional band separation filter.
FIG. 14 is a graph showing an example of a loss spectrum of a conventional bandpass filter.
FIG. 15 is a schematic sectional view of a second example of a conventional dielectric multilayer filter element.
FIG. 16 is a schematic sectional view of a third example of a conventional dielectric multilayer filter element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dielectric multilayer filter element, 2 ... Substrate, 3 ... Dielectric multilayer filter, 4 ... Reflection film, 10 ... GRIN lens, 11 ... Input optical fiber, 12 ... Output optical fiber, 12a ... 1st Output optical fiber, 12b... Second output optical fiber.

Claims

A dielectric multilayer filter element, wherein one dielectric multilayer filter is formed on one surface of a substrate and a reflection film is formed on the other surface.

One dielectric multilayer filter is formed on one surface of the substrate and a reflective film is formed on the other surface, and incident light incident on the dielectric multilayer filter element is reflected by the reflective film, A dielectric multilayer filter element characterized in that it passes through the same dielectric multilayer filter twice at the time of incidence and at the time of emission.

The dielectric multilayer filter element according to claim 1, wherein the dielectric multilayer filter is a band separation filter.

The dielectric multilayer filter element according to claim 1, wherein the dielectric multilayer filter is a band-pass filter.

3. The dielectric multilayer filter element according to claim 1, wherein the dielectric multilayer filter is a gain equalizing filter.

The dielectric multilayer filter element according to any one of claims 1 to 5, wherein the dielectric multilayer filter element is bonded to one end surface of a GRIN lens with a surface on which the dielectric multilayer filter is provided as an adhesive surface. Characteristic optical components.

The dielectric multilayer filter element according to any one of claims 1 to 5, wherein the dielectric multilayer filter element is bonded to one end surface of the GRIN lens with a surface on which the dielectric multilayer filter is provided as an adhesive surface, An optical component, wherein an input optical fiber and an output optical fiber are connected at predetermined positions on the other end surface of the GRIN lens.