JP2004279856A

JP2004279856A - 波長可変型光フィルターモジュール

Info

Publication number: JP2004279856A
Application number: JP2003072890A
Authority: JP
Inventors: Shin Noguchi; 伸野口; Toshio Kobayashi; 俊雄小林; Takayuki Ando; 貴之安藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】非常に厳しい狭帯域透過特性が要求される波長多重光通信（ＤＷＤＭ）用の波長可変フィルターモジュールでは、入射光のビームスポット内に膜厚分布に起因した中心波長の分布があるため、分光特性の形状が崩れてＤＷＤＭシステムで必要とされる台形形状の分光特性が得られないという問題があった。
【解決手段】入射光を従来から使用されていた平行ビームではなく適度な角度をもった収束光または発散光とすることによりビームスポット内の膜厚分布による中心波長の分布を入射角度による中心波長の変化によって打ち消す。その結果、出力光の分光特性をＤＷＤＭシステムで求められる台形形状にすることができる。入射光を収束光または発散光とする手段として片側球面ＧＲＩＮレンズを使用する。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信システム等で使用される波長可変型光フィルターモジュールの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
世界的規模で増大する情報通信量に対応するため、光通信の分野では波長分割多重通信の開発が行われている。この方式は異なる波長の光に別々の信号を乗せて１本の光ファイバーを通す事により、新たな光ファイバーの増設無しに通信容量を飛躍的に向上させる事ができる。最近では、隣接する波長（チャンネル）の間隔が０．８ｎｍや０．４ｎｍといった非常に細かいピッチで波長を多重させるＤＷＤＭ（ＤｅｎｓｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式の開発が進められている。波長間隔０．８ｎｍのＤＷＤＭは周波数間隔で表記して１００ＧＨｚＤＷＤＭと呼ばれる。同様に波長間隔０．４ｎｍのものは５０ＧＨｚＤＷＤＭと呼ばれる。
【０００３】
ＤＷＤＭ方式において情報の受け手側では、多重された複数のチャンネルの中から目的とするチャンネルの光を取り出す必要がある。従来は特定の波長のみを透過するＮＢＰＦ（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）特性の光学フィルターを各チャンネルごとに用意し、それらをカスケード状に組み合わせた分波器が使用されてきた。しかし、この方法ではＤＷＤＭのようにチャンネル数が多い場合にはそれに応じて多数の光学フィルターが必要なためコストが高まり、分波器も大型化するという短所があった。
【０００４】
これに対して、１つの光学フィルター内に場所によって違う波長を透過する特性を持たせ、このフィルターを移動させることにより任意のチャンネルを取り出すという波長可変フィルターが提案されている（例えば、特許文献１、２）。この方式だとチャンネル数が増えても部品点数は少なくて済むので小型化・低コスト化に有利である。
【０００５】
また、必要な波長の光だけに対して自由に光通信経路の変更ができるようにするＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ光通信システムを実現する上でも波長可変フィルターは重要である。さらに、波長可変フィルターは波長を選択的に取り出すことができることから光解析器や光信号モニター用途に広く使用されることが期待される。
【０００６】
図１には特許文献２記載の波長可変フィルターの断面図を示す。波長可変フィルター１は、裏面に反射防止膜４が成膜されたガラス基板２上に低屈折率層と高屈折率層を交互に積層したＮＢＰＦ特性を有する多層膜３からなる。ＮＢＰＦ多層膜３は膜厚を傾斜させている事が特徴である。ＮＢＰＦ多層膜３はファブリペロー型と呼ばれるものでエタロン層３２をミラー層３１および３３で挟みこんだ基本構造を有する。ミラー層３１、３２はそれぞれ高屈折率層３１Ｈおよび３３Ｈ、低屈折率層３１Ｌおよび３３Ｌの積層体である。このようなファブリペロー型の光学フィルターは、エタロン層３２の光学膜厚（屈折率と膜厚の積）の偶数倍に相当する波長近傍でのみ透過率が高く、それ以外の波長で透過率が低い（即ち反射する）という特性を示す。従って上記の波長可変フィルターを使用した場合、光が当っている部分の膜厚に適合する波長のみが透過するので、フィルターをスライドさせることによって目的のチャンネルを選び出すことができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０５−２８１４８０号公報（第４頁、図２、第５頁、図１）
【特許文献２】
特開平０６−２６５７２２号公報（第８頁、図１、図４）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
波長可変フィルターには、図２に示したような台形型の分光特性が必要である。これは、隣接するチャンネルとの混信を防ぐために分光特性の裾の幅を小さくする必要があることと、目的とするチャンネルの波長が温度等で多少変動しても出力レベルに変動をきたさない様にするため分光特性の頂上付近を平らにする必要があるからである。透過率が−０．５ｄＢでの分光特性の幅をパスバンド、透過率−２５ｄＢでの幅をストップバンドと呼ぶ。１００ＧＨｚＤＷＤＭシステムではパスバンドが０．４ｎｍ以上、ストップバンドが１．２ｎｍ以下といった特性が一般的に必要とされている。５０ＧＨｚのＤＷＤＭシステムではパスバンドが０．２ｎｍ以上、ストップバンドが０．６ｎｍ以下とさらに急峻な分光特性が必要とされる。
【０００９】
波長可変フィルターでは、膜厚が傾斜しているのでフィルター内で入射光を当てる位置によって透過する波長（中心波長）が変化する。このとき、分光特性の形状は図２の台形形状を保ったまま、フィルターをスライドさせることにより中心波長のみが変化することが望ましい。
【００１０】
しかしながら、波長可変フィルターにおいてより小さなサイズでより広い波長領域をカバーしようとする場合、膜厚傾斜の勾配が急になるため、入射光のビームスポット内での膜厚分布の影響が無視できなくなる。即ち、このような場合ビームスポット内の各場所で異なる波長が透過してしまうので、出力光の分光特性が崩れてしまうという問題がある。一例として１００ＧＨｚＤＷＤＭシステム用に試作した波長可変フィルターの分光特性を図９に示す。フィルターの長さ２０ｍｍでＣバンドをほぼ全域カバーできる波長可変領域３５ｎｍの特性を持たせたフィルターを使用した場合、図９のような丸い分光特性となり、パスバンド、ストップバンドともに仕様値から大きく外れる結果となった。
【００１１】
この問題は、波長可変フィルターの膜厚勾配が急であるほど、また要求される分光特性が急峻になるほどより顕著になる。したがって、波長可変フィルターの小型化、あるいはＤＷＤＭのようなシステムに波長可変フィルターを適用するうえでの大きな問題であった。
【００１２】
これを回避するためには、膜厚勾配を小さくすることが考えられるが、そのためにはフィルターサイズを大きくしなければならず、波長可変フィルターの特徴である小型化という側面を犠牲にすることになる。さらに上記のような極めて急峻な分光特性を得るためには通常、１００〜２００層の誘電体層を積層した多層膜が必要であり、各層の層厚も１０^−４以下の誤差で成膜する必要があるため、フィルターサイズが大きくなるほどその全面にわたって高精度の成膜を行うことが難しくなる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
［１］本発明の波長可変型光フィルターモジュールは、光学膜厚が一方向に連続的に変化する誘電体多層膜光フィルターを有し、前記誘電体多層膜光フィルターを移動させることにより透過波長を選択することができる波長可変型光フィルターモジュールにおいて、入射光が光フィルター面に対して傾いて入射し、かつ前記光フィルター面上における入射光が収束光または発散光であることを特徴とする。光フィルター面とは、誘電体多層膜光フィルターの表面に相当する。
【００１４】
［２］上記［１］の波長可変型光フィルターモジュールにおいて、前記入射光は収束光であって、かつ前記光フィルター面の垂線に対して光学膜厚の厚い側より入射することを特徴とする。ここで、光学膜厚とは、光がフィルターに入射してから出射されるまでの距離に相当する。
【００１５】
［３］上記［１］の波長可変型光フィルターモジュールにおいて、前記入射光は発散光であって、かつ前記光フィルター面の垂線に対して光学膜厚の薄い側より入射することを特徴とする。
【００１６】
［４］本発明の波長可変型光フィルターモジュールは、上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の波長可変型光フィルターモジュールであり、前記光フィルター面上に照射された前記入射光のビームスポット内において、任意の点での入射角度が０°〜３°の範囲にあることを特徴とする。
【００１７】
［５］本発明の波長可変型光フィルターモジュールは、上記［１］乃至［４］のいずれかに記載の波長可変型光フィルターモジュールであり、前記入射光を収束光または発散光にする手段として片側球面ＧＲＩＮレンズを使用することを特徴とする。
【００１８】
本発明者らは、波長可変フィルターの分光特性について検討を重ねた結果、入射光の角度が０°〜３°程度（即ち０〜３度程度）の範囲であれば分光特性の形状を保ったまま中心波長だけがシフトすることに着目し、入射光を従来から使用されていた平行ビームではなく適度な角度をもった収束光または発散光とすることで上記課題が解決できることを見出した。即ち、入射光を収束光または発散光にすればビームスポット内の膜厚分布による中心波長の分布を、入射角度による中心波長の変化によって打ち消すことが可能となる。これにより、ビームスポット内の中心波長を一致させることができ、出力光の分光特性をＤＷＤＭシステムで求められる台形形状にすることができる。
【００１９】
図３には、膜厚分布が無い場合における中心波長、パスバンド、ストップバンドおよび挿入損失の入射角度依存性を示した。入射角度０度は垂直入射を意味する。入射角度が大きくなると中心波長は単調に減少するが、それ以外の特性値はほとんど変化せず、入射角度３度以上で挿入損失が若干増大するのみである。このことは入射角度によって透過波長を±０．４ｎｍ程度の範囲であれば調整できることを示している。
【００２０】
波長可変フィルターを真横から見た断面図を図４に示した。多層膜３の膜厚はＸ軸の正方向に行くに従って直線的に増加しており、それに伴い中心波長も位置座標Ｘに比例して増加する。Ｚ軸は基板２に対して垂直方向にとる。Ｙ軸方向には多層膜３の膜厚は一定である。入射光５はＸ−Ｚ平面内にあり、その中心はＺ軸に対してθ０の角度で入射する。
【００２１】
多層膜３の面上でのビームスポット中央では入射角はθ０であるが、入射光５が収束光、または発散光である場合にはビームスポット右端での入射角θＡと左端での入射角θＢはθ０とは異なる値となる。ビームスポット右端ではビームスポット中央よりも膜厚が厚いため中心波長が長い。そこでθＡ＞θ０であれば、図３に示した中心波長の入射角度依存性によりビームスポット右端での中心波長が短波長側にシフトするので、ビームスポット中央での中心波長に近づけることが出来る。逆にビームスポット中央よりも膜厚の薄い左端では、θＢ＜θ０の場合に中心波長が長波長側にシフトするので、やはりスポット中央での中心波長に近づけることが出来る。従って、膜厚分布による中心波長のシフトを打ち消すにはθＡ＞θ０＞θＢという関係が望ましい。
【００２２】
そのような関係を実現するためには、Ｘ−Ｚ平面の第１象限から入射光５を照射する場合には収束光とし、Ｘ−Ｚ平面の第２象限から入射光５を照射する場合には発散光とするのが効果的である。言い換えると、多層膜３の膜厚が厚くなっている側から光を入射する場合には収束光に、膜厚が薄くなっている側から入射する場合には発散光にすることが有効である。
【００２３】
図４では分かり易くするために多層膜３の傾斜を誇張して描いた。しかし、基板面に対する多層膜面の角度は０．００３°程度であり、１〜３°程度のθ０、θＡ、θＢに比べて十分小さいので、傾斜による光線の屈折などの影響は無視できる。
【００２４】
入射光を収束光または発散光とする手段としては、光フィルターに対向する面が球面となった片側球面のＧＲＩＮレンズを使用することが有効である。ＧＲＩＮレンズの長さ、球面の曲率半径、入射光ファイバの接続位置を調整することにより、必要とする収束光や発散光を得ることができる。平行光線では直径０．３ｍｍのビームスポット内で中心波長が０．６ｎｍも異なるような波長可変フィルターを用いた場合でも、上記の手段を用いることによりビームスポット内の中心波長分布を０．０５ｎｍ以内に抑えることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。図５は、１００ＧＨｚＤＷＤＭシステム用に作製した波長可変フィルターモジュールの構成を示す模式図である。波長可変フィルター１は、厚さ２．５ｍｍのガラス基板と、その片面に成膜されたＮＢＰＦ多層膜３および裏面に成膜された反射防止膜４からなる。ＮＢＰＦ多層膜３と反射防止膜４は、いずれも低屈折率層としてＳｉＯ_２、高屈折率層としてＴａ_２Ｏ_５を使用し、直視式の光学膜厚計を備えたイオンアシスト蒸着法により成膜した。ＳｉＯ_２の屈折率は１．４６、Ｔａ_２Ｏ_５の屈折率は２．１４である。また、使用したガラス基板の屈折率は１．６５８である。
【００２６】
ＮＢＰＦ多層膜３の膜構成は次の通りである。基板／（ＨＬ）７Ｈ６ＬＨ（ＬＨ）７Ｌ（ＨＬ）７Ｈ６ＬＨ（ＬＨ）７Ｌ（ＨＬ）８Ｈ４ＬＨ（ＬＨ）８Ｌ（ＨＬ）６Ｈ６ＬＨ（ＬＨ）６２Ｌ／空気。ここでＨ、Ｌはそれぞれ光学膜厚計のモニター光の１／４波長に相当する光学膜厚を有するＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２である。また、（ＨＬ）７という表記は、ＨとＬが７回繰り返して積層されているという意味である。６Ｌという表記は１／４波長の６倍の光学膜厚を持ったＳｉＯ_２層という意味である。このＮＢＰＦ多層膜は、理論値としてパスバンド０．５３ｎｍ、ストップバンド１．０５ｎｍの特性を示す。
【００２７】
反射防止膜４の膜構成は同様の表記を用いると、基板／１．７７５Ｈ／１．５２０Ｌ／１．４１２Ｈ／０．７６３Ｈ／空気という構成のものでモニター光の波長に対して反射率０．０１％以下という特性を有する。
【００２８】
本実施例では、このＮＢＰＦ多層膜に幅広い可変領域を持たせるため、次の成膜法を用いた。３００ｍｍφガラス基板の半径９０ｍｍの位置に波長１５６５ｎｍの第一モニター光、半径１１０ｍｍの位置に波長１５３０ｎｍの第二モニター光を照射し、基板を１２００ｒｐｍで回転させながらＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を交互に蒸着する。その際、第一、第二のモニター光が同じ変化をするように基板直下に設けた可変の膜厚補正板をリアルタイムに調整し、光量が同時にピークを迎えた時点で層を切り替えた。この方法により２つのモニター位置の間では直線的に膜厚が変化する膜厚傾斜膜を作製することができた。この基板を裏面から削って１ｍｍまで薄くしたうえで反射防止膜を同様の方法で成膜し、さらに半径方向を長手方向とする短冊状に切り出した。以上により長さ２０ｍｍで波長可変領域３５ｎｍの波長可変フィルター１を得た。
【００２９】
この波長可変フィルター１を、ステッピングモーター１６でＸ軸方向にスライドさせることの出来る可動ステージに取り付けた。このとき、図５のようにＸ軸の正方向に膜厚が厚くなるように波長可変フィルター１をセットした。複数の波長を含んだ入力光１３はフェルール７に保持された光ファイバー１０を通って片側球面のＧＲＩＮレンズ６に射出される。ＧＲＩＮレンズ６には、直径１．８ｍｍ、中心屈折率ｎ０＝１．５９０、屈折率分布係数（Ａ）^１／２＝０．３２６、長さ４．８２ｍｍ（１／４ピッチ）、球面の曲率半径６．０ｍｍのものを使用した。入力用光ファイバー１０は、ＧＲＩＮレンズ６の中心軸に対して６０μｍだけＸ軸正方向に離れた位置に接続した。また、ＧＲＩＮレンズ先端とＮＢＰＦ多層膜面との間隔は０．２ｍｍとした。以上の配置により入射光５は、膜面上でビームスポット径０．３ｍｍ（強度１／ｅ２で切った値）、ビーム中央での入射角１．８°、ビーム右端での入射角２．６°、ビーム左端での入射角０．９°の収束光となった。
【００３０】
本実施例で使用した波長可変フィルターの場合、上記のビームスポット内には中心波長が最大で０．５ｎｍ程度異なる場所が含まれる。しかし入射光が収束光であるため、ビーム内の入射角度変化で場所による中心波長変化を打ち消すことが出来る。図６にはビームスポット内での中心波長の分布を示す。本実施例ではビームスポット内で中心波長が０．０５ｎｍ程度しか変化しておらず、膜厚傾斜による元の中心波長分布の１／１０にまで分布を低減することができた。
【００３１】
波長可変フィルター１を透過した単一波長の透過光５２は受光側ＧＲＩＮレンズ８に入射し、フェルール９に保持された光ファイバー１２に集光して出力光１５となる。本実施例では、ＧＲＩＮレンズ８として、直径１．８ｍｍ、ｎ０＝１．５９０、（Ａ）^１／２＝０．３２６、長さ３．９１ｍｍ（０．２０ピッチ）の両側平面ＧＲＩＮレンズを使用し、出力光量が最大となるように位置と角度を調整した。
【００３２】
一方、多層膜面で反射された光５３は再び片側球面ＧＲＩＮレンズ６に入射し、反射光用光ファイバー１１に集光する。本実施例では反射光用光ファイバー１１をＧＲＩＮレンズ中心軸よりＸ軸負方向に６２μｍの位置に接合した。
【００３３】
図７には本実施例の分光特性の一例を示す。この分光特性は入力光１３に波長可変光源を接続し、出力光１５の強度をパワーメーターでモニターしたものである。図のように分光特性の形状は、膜厚勾配をもった波長可変フィルターであるにもかかわらず良好な台形形状を示し、パスバンド０．４８ｎｍ、ストップバンド１．０７ｎｍと１００ＧＨｚＤＷＤＭシステム用として十分な特性が得られた。
【００３４】
上記の実施例では入射光が収束光の場合を説明したが、発散光にしても同様の効果が得られる。発散光の場合は入射側ＧＲＩＮレンズ６として凹形状の片側球面ＧＲＩＮレンズを使用し、ＮＢＰＦ多層膜３の膜厚の薄い側から入射する配置にすれば良い。
【００３５】
比較例として、入射光を平行ビームとした波長可変フィルターモジュールを作製した。構成の模式図を図８に示す。波長可変フィルター１には実施例で使用したものと同一のものを使用した。実施例と異なるのは入射側のＧＩＲＮレンズ６として従来から使用されている長さ０．２５ピッチの両側平面ＧＲＩＮレンズを使用したことで、これにより多層膜面に入射する入射光５は平行光線となる。１／ｅ２で切ったビームスポット径は実施例と同じ０．３ｍｍである。その結果、図６に示したように比較例ではビームスポット内で中心波長が０．５ｎｍ程度分布する。入射光が平行ビームの場合にはこれらの特性がそのまま足し合わされるので結果として出力光の分光特性は崩れた形状となる。一例を図９に示す。図のように比較例では台形形状が得られず、パスバンド０．１ｎｍ、ストップバンド１．５ｎｍと１００ＧＨｚＤＷＤＭシステムには不適合な特性しか得られなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、波長可変フィルターモジュールにおいて波長多重光通信システムに適した台形形状の分光特性が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長可変フィルターの構造を示す断面図である。
【図２】狭帯域バンドパスフィルター（ＮＢＰＦ）の分光特性を示す模式図である。
【図３】光の入射角度に対する、中心波長、ストップバンド、パスバンドおよび挿入損失の変化を示すグラフである。
【図４】波長可変フィルターと入射光の関係を示す模式図である。
【図５】本実施例で作製した波長可変フィルターモジュールの波長可変フィルター、ＧＲＩＮレンズ、光ファイバーおよび光ビームの関係を示す平面図である。
【図６】入射光のビームスポット内における中心波長の分布を実施例と比較例で比較したグラフである。
【図７】実施例の分光特性を示すグラフである。
【図８】比較例として作製した波長可変フィルターモジュールの波長可変フィルター、ＧＲＩＮレンズ、光ファイバーおよび光ビームの関係を示す平面図である。
【図９】比較例の分光特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１波長可変フィルター、２ガラス基板、
３狭帯域バンドパスフィルター（ＮＢＰＦ）多層膜、４反射防止膜、
５入射光ビーム、６入射側ＧＲＩＮレンズ、７入射側フェルール、
８受光側ＧＲＩＮレンズ、９受光側フェルール、
１０入射光ファイバー、１１反射光ファイバー、
１２透過光ファイバー、１３入力光、１４反射光、
１５出力光、１６ステッピングモーター、３１下側ミラー層、
３２エタロン層、３３上側ミラー層、３１Ｈ高屈折率層、
３３Ｈ高屈折率層、３１Ｌ低屈折率層、３３Ｌ低屈折率層、
５２透過光ビーム、５３反射光ビーム

Claims

光学膜厚が一方向に連続的に変化する誘電体多層膜光フィルターを有し、前記誘電体多層膜光フィルターを移動させることにより透過波長を選択することができる波長可変型光フィルターモジュールにおいて、入射光が光フィルター面に対して傾いて入射し、かつ前記光フィルター面上における入射光が収束光または発散光であることを特徴とする波長可変型光フィルターモジュール。
請求項１の波長可変型光フィルターモジュールにおいて、前記入射光は収束光であって、かつ前記光フィルター面の垂線に対して光学膜厚の厚い側より入射することを特徴とする波長可変型光フィルターモジュール。
請求項１の波長可変型光フィルターモジュールにおいて、前記入射光は発散光であって、かつ前記光フィルター面の垂線に対して光学膜厚の薄い側より入射することを特徴とする波長可変型光フィルターモジュール。
前記光フィルター面上に照射された前記入射光のビームスポット内において、任意の点での入射角度が０°〜３°の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長可変型光フィルターモジュール。
前記入射光を収束光または発散光にする手段として片側球面ＧＲＩＮレンズを使用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変型光フィルターモジュール。