JP2004205646A - Optical thin film filter - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長多重(WDM)方式の光ファイバー通信網等に用いるフィルタに関し、特に反射される信号に対し直線歪みを軽減した光学薄膜フィルタの実現を容易にする技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
波長多重方式(WDM)の光ファイバー通信網では、それぞれの波長の光信号を分離抽出あるいは合波するため光学的な挿入分岐器(ADM:add/drop multiplexer)が用いられ、その機能を実現するために波長分離用光学フィルタが用いられる。
【0003】
従来、その為のフィルタとしては、主に図10に示すFBG(Fiber Bragg Grating)、図11に示すAWG(Arrayed, Waveguide Grating)、図12示す光学薄膜フィルタの3種類の光学フィルタが用いられている。
【0004】
図10に示すFBGにおいては、フィルタ端面21からの入射光はグレイティング部15で波長選択されて反射して反射光としてフィルタ端面21より取り出される。図11に示すAWGにおいては、入射波は分波部16で分波されて移相部17を通り、波長選択部18で波長分離されて取り出される。図12に示す光学薄膜フィルタにおいては、多層の薄膜からなる反射鏡19、スペーサ14、反射鏡20を積層して構成され、各層に垂直に光が入射、透過する。
【0005】
【特許文献1】特開2002−258036号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
これらのフィルタを使用した場合、透過する光信号の伝送速度が上がった場合、おもに群遅延の偏差により透過信号の波形歪みを受けることが問題にされ始めている。
【0007】
従来例の図10、11に示すFBGやAWGでは、透過特性の群遅延の偏差までは考慮されておらず、もっぱら透過の振幅特性のみを考慮するか、あるいは一部のAWGでは透過の振幅特性をあまり考慮せずに、透過位相の単純な傾斜の位相補正に利用するのみであった。
【0008】
一方、図12に示す光学薄膜フィルタは、現実の屈折率や膜構成で構成しなければならない。即ち、光学薄膜材料や基板ガラスの屈折率は固定されており、また層数は整数である。このため、任意の帯域幅、減衰、群遅延などの特性のフィルタが実現出来る訳ではなく、いかに目標に近い特性の層構成にするかが課題であった。
【0009】
そこで本発明者は透過特性の群遅延の偏差が少ない帯域通過特性の光学薄膜フィルタを提案している(特許文献1)が、実際に上記の制約までを緩和する手段には触れていない。
【0010】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では理想の条件で設計し、それに通過帯域の中心周波数において僅かに反射を許して設計値の素子感度を緩和し、実際の製造誤差の許容範囲が大きく製造しやすい設計値とすることで理想特性に近い光学薄膜フィルタを実現する。
【0011】
その為に、屈折率の異なる複数の光学薄膜を多層化した反射鏡層とスペーサ層からキャビティ層を形成し、複数のキャビティ層を連絡層を介して多段化し、複素周波数sのフルビッツ多項式における透過特性を表す分母多項式と分子多項式、及び反射特性を表す分母多項式と分子多項式から、求める透過特性及び反射特性に応じて層構成を定めた帯域通過型光学薄膜フィルタであって、上記透過特性、反射特性を示すフルビッツ多項式に絶対値が1より小さく0.95よりも大きい定数の逆数を乗じ、これらの新多項式から層構成を定めたことを特徴とする。
【0012】
【作用】
本発明の光学薄膜フィルタにより、既存の材料と成膜プロセスで目標の設計値に近い光学薄膜フィルタを実現することが出来る。この結果、波形歪みを抑えたADMなどの波長選択機能を実現できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく以下、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【0014】
まず、図1に本発明の光学薄膜フィルタの具体例を示す。ガラス基板1上に反射鏡層2、3、4、5、6、7、8とスペーサ層9からなる複数のキャビティ層10、11、12、13を連絡層14を介して多重化してある。上記反射鏡層2、3、4、5、6、7、8、スペーサ層9、連絡層14はそれぞれ屈折率の異なる複数の光学薄膜を多層化して形成したものである。図2、図3、図4に本発明による光学薄膜フィルタの透過群遅延特性、透過振幅特性および反射振幅特性を示す。
【0015】
以下に本発明の原理を説明する。電気回路のフィルタ理論における複素周波数sのフルビッツ多項式より、求めるフィルターの透過特性及び反射特性が定まるものとすると、このフルビッツ多項式より基準化低域通過型フィルタの素子値が定まり、該基準化低域通過型フィルタを周波数変換、等価変換することにより、図1に示す本発明の多重薄膜光学フィルタの層構成を定めることができる(詳細は特許文献1参照)。
【0016】
即ち、光学薄膜フィルタの特性は数1に示されるSパラメータにより表現できる。数2、数3に示すように、透過特性を表すs21の分母多項式のg(s)はフルビッツの多項式を示し、分子多項式のf(s)は数4に示すように、この場合1である。透過特性はこのフルビッツの多項式のみで決まることから、群遅延偏差の少ないフルビッツの多項式を選ぶことで目的の透過特性のフィルタを実現することができる。
【0017】
【数1】
【0018】
【数2】
【0019】
【数3】
【0020】
【数4】
【0021】
図5と図6に通過帯域で群遅延が最大平坦である基準化低域通過型の4次のベッセルフィルタの振幅特性と群遅延特性を示す。通常は通過帯域の中心周波数での透過係数は1、反射係数は0となるように各多項式の係数は選ばれる。即ち数3のrの値は1としてある。なおrは図9の等価回路の負荷抵抗81に相当する。
【0022】
光学薄膜フィルタの反射特性は数5のようにs11の分母多項式g(s)と分子多項式h(s)とで定まる。分母多項式g(s)はs21の分母多項式と同じである。一方、分子多項式はユニタリ条件の数6よりg(s)とf(s)が与えられればそれに伴い決められる。
【0023】
【数5】
【0024】
【数6】
【0025】
透過特性の群遅延時間は数7で与えられる。
【0026】
【数7】
【0027】
またポート1の反射特性の群遅延時間は数8で与えられる。またh(s)が定まるとポート2の反射係数は数9に示すように、分子多項式の複素周波数を異符号にすることで与えられる。
【0028】
【数8】
【0029】
【数9】
【0030】
1によれば、これらの多項式を用いれば、与えられた光学薄膜材料とガラス基板材料を用いて、目標の中心周波数、通過帯域幅の光学薄膜フィルタの膜構成を設計できた。
【0031】
しかし、その膜構成の層数は計算上は任意の数となるが、実際は整数でしか実現できず、それを補う幾つかの手法を用いても目標の設計値に対していくらかの偏差が残る。特に群遅延時間の偏差はクリティカルである。
【0032】
図7と図8に従来の特許文献1の設計法による4次のベッセルフィルタの振幅特性と群遅延特性を示す。膜構成と屈折率の制約で、図5と図6の基準化低域通過型フィルタの特性と比べると、透過振幅特性と透過群遅延時間に偏差が生じ、特に群遅延時間の偏差が大きい。
【0033】
そこで本発明はベッセルフィルタのフルビッツ多項式の各係数に僅かに1より大きい定数を乗じると透過群遅延特性は変化せずに、透過振幅特性は1より僅かに小さい値にシフトし、その分反射振幅特性は僅かに増加することを利用すれば偏差の緩和が可能なことを見出した。
【0034】
透過振幅特性が1の設計値では、現実の素子値に誤差がある場合には受動素子であるために透過振幅特性は必ず1より小さくなる特性偏差となり、また予め1より大きな値で補う設計も出来ず、設計した値は不安定な定数になりやすい。しかし、透過振幅を1より僅かに小さい値としておくと、プラスマイナスの透過振幅の補正が出来、また素子誤差に対してトレランスが大きくなり、実現しやすい。
【0035】
透過振幅特性、透過群遅延特性を変化させずにこの操作を行うには、透過特性、反射特性を示すフルビッツ多項式に絶対値が1より小さく0.95よりも大きい定数の逆数を乗じたものとすれば良い。そのためには数3のrの値を1からずらして、数3の定数項である(r+1)/2√rが0.95から1の間の値の逆数となるようにする。そのためにはrは0.5241から1.9080の間の値とすればよい。
【0036】
以上より、実際のベッセルフィルタのフルビッツの多項式を修正して、再度特許文献1による設計を行うことで、元の目標に近い特性の光学薄膜フィルタを実際の光学薄膜材料とガラス基板で安定に実現できる。
【0037】
以上の説明で示される回路網関数から導かれた等価回路を図9に示す。終端抵抗80、81の間に、キャビティ67、68、69が虚ジャイレータ66を介して接続されている。それぞれのキャビティは共振器76、77、78とその前後に接続された理想トランス70、71、72、73、74、75から成り立つ。図1の実施例の各部と図9の等価回路の各部との関係は連絡層14が虚ジャイレータ66に、反射鏡層2〜8が理想トランス70〜75に、スペーサ層9が共振器76〜78にキャビティ層10〜13がキャビティ67〜69に対応する。
【0038】
【実施例】
本発明の実施例として、数3のrを0.7として分母多項式g(s)に乗ずる定数(r+1)/2√rを1.016とする。即ちs11、s21 のフルビッツ多項式に乗ずる定数を0.984とする。この等価回路から特許文献1による設計を行い光学薄膜フィルタを実現しその特性を図2〜図4に示す。この結果、中心周波数の透過振幅は0.13dD悪化し、反射特性は−15dDに増加するが、群遅延特性は目標どおりに実現できる。透過振幅の悪化は実用上問題ないレベルである。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、屈折率の異なる複数の光学薄膜を多層化した反射鏡層とスペーサ層からキャビティ層を形成し、複数のキャビティー層を連絡層を介して多段化し、複素周波数sのフルビッツ多項式における透過特性を表す分母多項式と分子多項式、及び反射特性を表す分母多項式と分子多項式から、求める透過特性及び反射特性に応じて層構成を定めた帯域通過型光学薄膜フィルタであって、通過帯域の中心周波数における透過係数の絶対値が1である元の分子多項式と分母多項式の組み合わせに対し、透過係数に1より小さく0.95よりも大きい定数を乗じた透過係数をあらたな透過係数として、反射係数の多項式を新たに定め、これらのあらたな多項式から層構成を定めたことで、目標の特性に近い特性のフィルタを現有の材料で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学薄膜フィルタの構成を示す図である。
【図2】本発明の光学薄膜フィルタの透過振幅特性を示す図である。
【図3】本発明の光学薄膜フィルタの透過群遅延特性を示す図である。
【図4】本発明の光学薄膜フィルタの反射振幅特性を示す図である。
【図5】ベッセルフィルタの多項式による透過群遅延特性を示す図である。
【図6】ベッセルフィルタの多項式による透過振幅特性を示す図である。
【図7】従来の設計による光学薄膜フィルタの透過群遅延特性を示す図である。
【図8】従来の設計による光学薄膜フィルタの透過振幅特性を示す図である。
【図9】光学薄膜フィルタの等価回路を示す図である。
【図10】従来のFBGを示す図である。
【図11】従来のAWGを示す図である。
【図12】従来の光学薄膜のフィルタを示す図である。
【符号の説明】
1:ガラス基板
2、3、4、5、6、7、8、19、20:反射鏡層
9:スペーサ層
10、11、12、13:キャビティ層
14:連絡層
15:グレーティング部
16:分波部
17:移相部
18:波長選択部
21:フィルタ端面
51、52、53、54、55:群遅延特性
66:虚ジャイレータ
67、68、69:キャビティ
70、71、72、73、74、75:理想トランス
76、77、78:共振器
80、81:終端抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a filter used in a wavelength division multiplexing (WDM) type optical fiber communication network or the like, and more particularly to a technique for facilitating the realization of an optical thin film filter that reduces linear distortion with respect to a reflected signal.
[0002]
[Prior art]
In a wavelength division multiplexing (WDM) optical fiber communication network, an optical add / drop multiplexer (ADM) is used to separate and extract or combine optical signals of respective wavelengths. An optical filter for wavelength separation is used.
[0003]
Conventionally, three types of optical filters have been used as filters for this purpose: an FBG (Fiber Bragg Grating) shown in FIG. 10, an AWG (Arrayed, Waveguide Grating) shown in FIG. 11, and an optical thin film filter shown in FIG. I have.
[0004]
In the FBG shown in FIG. 10, the incident light from the
[0005]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-258036
[Problems to be solved by the invention]
When these filters are used, when the transmission speed of the transmitted optical signal is increased, the problem that the waveform of the transmitted signal is distorted mainly due to the deviation of the group delay has begun to be a problem.
[0007]
In the conventional FBGs and AWGs shown in FIGS. 10 and 11, the deviation of the group delay of the transmission characteristics is not considered, and only the transmission amplitude characteristics are considered, or the transmission amplitude characteristics are used in some AWGs. Is used only for phase correction of a simple inclination of the transmission phase without much consideration.
[0008]
On the other hand, the optical thin-film filter shown in FIG. 12 must be configured with the actual refractive index and film configuration. That is, the refractive index of the optical thin film material or the substrate glass is fixed, and the number of layers is an integer. For this reason, it is not always possible to realize a filter having characteristics such as an arbitrary bandwidth, attenuation, and group delay, and it has been a problem how to make a layer configuration having characteristics close to a target.
[0009]
The present inventor has proposed an optical thin-film filter having a band-pass characteristic in which the deviation of the group delay of the transmission characteristic is small (Patent Document 1), but does not mention means for actually reducing the above-mentioned restrictions.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, the design is performed under ideal conditions, the device sensitivity of the design value is relaxed by allowing a slight reflection at the center frequency of the pass band, and the design value has a large allowable range of the actual manufacturing error and is easy to manufacture. This realizes an optical thin-film filter having almost ideal characteristics.
[0011]
For this purpose, a cavity layer is formed from a reflector layer and a spacer layer in which a plurality of optical thin films having different refractive indices are multi-layered, and a plurality of cavity layers are multistaged via a communication layer, and the transmission in the Hurwitz polynomial of the complex frequency s is performed. From the denominator polynomial and the numerator polynomial representing the characteristic, and the denominator polynomial and the numerator polynomial representing the reflection characteristic, a band-pass optical thin-film filter having a layer configuration determined according to transmission characteristics and reflection characteristics to be obtained. It is characterized in that a layer configuration is determined from these new polynomials by multiplying a Hurwitz polynomial exhibiting characteristics by a reciprocal of a constant whose absolute value is smaller than 1 and larger than 0.95.
[0012]
[Action]
With the optical thin film filter of the present invention, it is possible to realize an optical thin film filter close to a target design value with existing materials and a film forming process. As a result, a wavelength selection function such as ADM with suppressed waveform distortion can be realized.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following examples, and modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
[0014]
First, FIG. 1 shows a specific example of the optical thin film filter of the present invention. A plurality of
[0015]
Hereinafter, the principle of the present invention will be described. Assuming that the transmission characteristic and the reflection characteristic of the filter to be obtained are determined from the Hurwitz polynomial of the complex frequency s in the filter theory of the electric circuit, the element value of the standardized low-pass filter is determined from this Hurwitz polynomial, and By performing frequency conversion and equivalent conversion of the pass-type filter, the layer configuration of the multiple thin film optical filter of the present invention shown in FIG. 1 can be determined (for details, see Patent Document 1).
[0016]
That is, the characteristics of the optical thin film filter can be expressed by the S parameter shown in
[0017]
(Equation 1)
[0018]
(Equation 2)
[0019]
[Equation 3]
[0020]
(Equation 4)
[0021]
FIGS. 5 and 6 show the amplitude characteristic and the group delay characteristic of the normalized low-pass type fourth-order Bessel filter having the maximum flat group delay in the pass band. Normally, the coefficients of each polynomial are selected so that the transmission coefficient at the center frequency of the pass band is 1 and the reflection coefficient is 0. That is, the value of r in
[0022]
The reflection characteristic of the optical thin film filter is determined by the denominator polynomial g (s) of s11 and the numerator polynomial h (s) as shown in
[0023]
(Equation 5)
[0024]
(Equation 6)
[0025]
The group delay time of the transmission characteristic is given by
[0026]
(Equation 7)
[0027]
The group delay time of the reflection characteristic of the
[0028]
(Equation 8)
[0029]
(Equation 9)
[0030]
According to No. 1, by using these polynomials, it was possible to design a film configuration of an optical thin-film filter having a target center frequency and a passband using a given optical thin-film material and glass substrate material.
[0031]
However, although the number of layers of the film configuration is an arbitrary number in the calculation, it can be actually realized only with an integer, and some deviation from the target design value remains even if some methods for complementing it are used . Especially, the deviation of the group delay time is critical.
[0032]
7 and 8 show amplitude characteristics and group delay characteristics of a fourth-order Bessel filter according to the conventional design method of
[0033]
Therefore, according to the present invention, when each coefficient of the Hurwitz polynomial of the Bessel filter is multiplied by a constant slightly larger than 1, the transmission group delay characteristic is not changed, and the transmission amplitude characteristic is shifted to a value slightly smaller than 1, and the reflection amplitude is accordingly reduced. It has been found that the deviation can be alleviated by utilizing the fact that the characteristic slightly increases.
[0034]
If the transmission amplitude characteristic has a design value of 1, if there is an error in the actual element value, the transmission amplitude characteristic always becomes a characteristic deviation that becomes smaller than 1 because it is a passive element. No, the designed value is likely to be an unstable constant. However, if the transmission amplitude is set to a value slightly smaller than 1, the transmission amplitude can be corrected in plus and minus, and the tolerance for the element error increases, which is easy to realize.
[0035]
To perform this operation without changing the transmission amplitude characteristic and the transmission group delay characteristic, it is necessary to multiply the Fulbitz polynomial representing the transmission characteristic and the reflection characteristic by the reciprocal of a constant whose absolute value is smaller than 1 and larger than 0.95. Just do it. For this purpose, the value of r in
[0036]
As described above, by correcting the Hurwitz polynomial of the actual Bessel filter and performing the design according to
[0037]
FIG. 9 shows an equivalent circuit derived from the circuit network function shown in the above description. The
[0038]
【Example】
As an embodiment of the present invention, the constant (r + 1) / 2√r multiplied by the denominator polynomial g (s) is set to 1.016, where r in
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, a cavity layer is formed from a reflector layer and a spacer layer in which a plurality of optical thin films having different refractive indices are multilayered, and the plurality of cavity layers are multistaged via a communication layer, and a Hurwitz of complex frequency s is formed. From the denominator polynomial and the numerator polynomial representing the transmission characteristic in the polynomial, and the denominator polynomial and the numerator polynomial representing the reflection characteristic, a band-pass optical thin film filter having a layer configuration determined according to the transmission characteristic and the reflection characteristic to be obtained, For the combination of the original numerator polynomial and the denominator polynomial in which the absolute value of the transmission coefficient at the center frequency is 1, the transmission coefficient obtained by multiplying the transmission coefficient by a constant smaller than 1 and larger than 0.95 is defined as a new transmission coefficient. By defining a new polynomial for the reflection coefficient and defining the layer configuration from these new polynomials, a filter with characteristics close to the target characteristics can be implemented using existing materials. It can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical thin film filter of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing transmission amplitude characteristics of the optical thin film filter of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing transmission group delay characteristics of the optical thin film filter of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a reflection amplitude characteristic of the optical thin film filter of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a transmission group delay characteristic of a Bessel filter by a polynomial.
FIG. 6 is a diagram illustrating a transmission amplitude characteristic of a Bessel filter using a polynomial.
FIG. 7 is a diagram showing transmission group delay characteristics of an optical thin film filter according to a conventional design.
FIG. 8 is a diagram showing transmission amplitude characteristics of an optical thin film filter according to a conventional design.
FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of the optical thin film filter.
FIG. 10 is a diagram showing a conventional FBG.
FIG. 11 is a diagram showing a conventional AWG.
FIG. 12 is a diagram showing a conventional optical thin film filter.
[Explanation of symbols]
1:
Claims (1)
上記透過特性、反射特性を示すフルビッツ多項式に絶対値が1より小さく0.95よりも大きい定数の逆数を乗じ、これらの新たな多項式から層構成を定めたことを特徴とする光学薄膜フィルタ。A cavity layer is formed from a reflector layer and a spacer layer in which a plurality of optical thin films having different refractive indices are multilayered, and a plurality of cavity layers are multistaged via a communication layer, and a denominator representing a transmission characteristic in a Hurwitz polynomial of a complex frequency s. From a polynomial and a numerator polynomial, and a denominator polynomial and a numerator polynomial representing a reflection characteristic, a band-pass optical thin-film filter in which a layer configuration is determined in accordance with a desired transmission characteristic and a reflection characteristic,
An optical thin-film filter characterized by multiplying a Hurwitz polynomial representing the transmission characteristics and reflection characteristics by a reciprocal of a constant having an absolute value smaller than 1 and larger than 0.95, and determining a layer configuration from these new polynomials.
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