JP2005031321A - 光波長選択回路 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路を用いて、対向する２つの導光体開口の間に波長選択多層膜フィルタを挿入した光波長選択回路の実用化が検討されている。しかし、損失やＰＤＬも大きいのみならず、その製品毎のバラツキが極めて大きく、製造コストも高く、量産量産にはほど遠い状態にあった。
【解決手段】対向する２つの導光体開口の間に、そこに挿入されるフィルタと相互に適合する軸シフトを形成し、また、反射光を利用する側の導光体開口ではフィルタの仮想反射位置を設定して、出射側と入射側の導光体の光軸を合わせ、これらの管理を波長依存係数Ａ（λ）、Ｇ（λ）を管理してフィルタと導光体を選択できるようにして解決した。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の特定波長の光を反射し第２の特定波長の光を透過するというような光フィルタ機能を有する多層膜を用いた波長選択多層膜フィルタ（以下、単に、多層膜フィルタあるいはフィルタともいう）を、コリメートレンズなしで光波長選択回路中に用いたときに、光波長選択回路のフィルタ使用部分における透過損失、反射損失が小さく、透過損失、反射損失のバラツキが小さい光波長選択回路に関する。
【０００２】
【従来技術】
光通信は近年のブロ−ドバンドの要求により幹線系−メトロ系−アクセス系へと利用技術範囲を広げている。メトロ系から加入者に繋がるアクセス系では、加入者系の波長多重システムが導入され、そこではコスト低減と小型化のため、レンズなしで導波路や光ファイバからの光をフッ素化ポリイミド（以下、単に、ポリイミドともいう）薄膜を基板として、その上にフィルタ用の多層膜を形成したフッ素化ポリイミドフィルタ（単に、ポリイミドフィルタともいう）と呼ばれているフィルタによって透過あるいは反射させる光波長選択回路（波長合分波器ともいう）が提案されている。 ポリイミドフィルタについては、たとえば、特開平４−２１１２０３（特許第２６０８６３３号）（以下、文献１という）にその特徴と製造方法が詳しく述べられている。
【０００３】
幹線系−メトロ系に用いる光波長選択回路は、扱う波長間隔が狭いことなどにより高性能なものが必要とされている。
【０００４】
図２７は従来の光ファイバコリメータ（以下、光ファイバのことを単にファイバともいう）を用いた光波長選択回路を説明するための模式図である。図２７において、符号２０８は光波長選択回路、２０１および２０２は２芯光ファイバコリメータ２０３のファイバ芯線、２０４および２０６はレンズ、２０５はフィルタ、２０７は光ファイバ芯線である。
【０００５】
図２７において、レンズ２０４の焦点の付近にフィルタ２０５が配置されている。２芯光ファイバコリメータ２０３の一方のファイバ芯線２０１を伝送されてその端面から発散された光はレンズ２０４によって平行光にされた後に、その波長に応じてレンズ２０４の焦点付近に設置されたフィルタ２０５によって反射または透過される。透過光はレンズ２０６で光ファイバ芯線２０７に結合し、反射光は再びレンズ２０４を通過した後、光軸と平行に戻り、２芯光ファイバコリメータ２０３の他方の光ファイバ芯線２０２に光結合するように各光学系が配置されている。この際のフィルタ２０５を置く位置精度を見積もると、例えば光ファイバの開口数（以下、ＮＡともいう）が０．１、２芯光ファイバコリメータの光ファイバ芯線２０１と光ファイバ芯線２０２の中心間距離を１２５μｍ、レンズ２０４の焦点距離ｆを１．８ｍｍとしたとき、フィルタ２０５を置く位置の誤差を±１ｍｍとしても、光ファイバ芯線２０１と光ファイバ芯線２０２の間の損失は０．２ｄＢ程度で、フィルタ２０５の基板を除いた部分の厚さ１０〜２０μｍは、この範囲に十分に収まり、したがって、フィルタ２０５を置く位置の精度は全く問題にされていなかった。もちろん、衆知のように、実際の組み立て作業では、フィルタ２０５を置く位置の精度よりもフィルタの配置角度が反射損失に大きく作用する。
【０００６】
図２８は従来の光導波路（以下、単に、導波路ともいう）を用いた光波長選択回路を説明するための断面図で、ポリイミドフィルタを用いており、レンズを用いていない例である。
【０００７】
図２８において、符号２１０は光波長選択回路、２１１，２１２，２１６は光導波路のコア部、２１１ａ，２１２ａ，２１６ａはそれぞれコア部２１１，２１２，２１６の中心線、２１３はポリイミド薄膜を用いた多層膜フィルタ、２１３ａはポリイミドフィルタ２１３のフィルタ機能を有する多層膜、２１３ｂはフッ素化ポリイミド膜で形成されている基板、２１４は光波長選択回路２１０の入射面としての多層膜の表面、２１５ａ〜２１５ｃは信号光の向きを説明するための矢印、２１７は接着剤である。
【０００８】
図２８で、光導波路のコア部２１１内を、前記のように、進行してきた信号光は、フィルタ２１３によって透過または反射されて光導波路のコア部２１６または２１２に入射される。
【０００９】
しかし、レンズ無しでフッ素化ポリイミドフィルタ２１３を用いる光導波路を用いた光波長選択回路では、入射光ビームに対して所定角度だけ傾斜させて配置したフィルタ２１３に、コア部２１１からの光ビ−ムを直接当てるので、ビ−ム径はモ−ド径であるおおよそ１０μｍ程度の細さであり、フィルタ２１３で反射域の波長を有する入射光のフィルタ２１３での反射面が、たとえば、多層膜２１３ａの前面であるか後面であるかによって、反射光とそれを受けるコア部２１２との間に軸ずれを生じ、損失の増大を招く。
【００１０】
すなわち、反射面を図２８の多層膜２１３ａの表面２１４の位置である多層膜の前面と仮定して接着固定した場合には、実際の反射面が、仮に前面と後面の中間の位置であったときとの大きな損失差が生じてしまう。例えば、分岐角を１６度として、フィルタの周囲媒質（接着剤）換算厚さを１０μｍとすると、実際の反射面が、仮に前面と後面の中間の位置であったときとの前記損失差は理想的な計算値でも約０．４ｄＢとなる。
【００１１】
ポリイミドフィルタに関しては、前記のように、たとえば文献１に詳述されているので、ここでの詳しい記述は割愛するが、ポリイミドフィルタは、たとえばＢＫ−７ガラス（ドイツ国、ショット社の商品名）のような材料を用いた仮基板の上に、熱膨張の比較的小さい特性を有するフッ素化ポリイミドの薄膜（たとえば、厚さ５μｍ）を形成し、このフッ素化ポリイミドの薄膜の上に誘電体多層膜を形成し、その後前記仮基板から、上に誘電体多層膜を形成してあるフッ素化ポリイミドの薄膜を誘電体多層膜を付けた状態で剥離し、フッ素化ポリイミドの薄膜を基板とする誘電体多層膜フィルタを構成するようにしたものである。
【００１２】
このポリイミドフィルタは、基板を含めたフィルタ全体の厚みを薄くすることができ、光導波路の切断面に接着するなどして前記のような光波長選択回路を形成するなど、これからの有望な光部品として期待されている。
【００１３】
しかし、その活用は著についたばかりで、たとえば図２８のフィルタでは、透過波長域と反射波長域のリップルを小さくするとともに前記両波長域の境界部分のカットオフ特性をシャープにするなど、良好なフィルタ特性の実現が一つの重要な課題になっている。
【００１４】
前記透過波長域と反射波長域のリップルを小さくするなど、フィルタ特性を良くすることに関しては、たとえば、李正中著、（株）アルバック訳、アグネ技術センター発行、光学薄膜と成膜技術（２００２年９月２５日発行）、の１７８〜１８３ページ（以下、文献２という）に記載されている。
【００１５】
多層膜フィルタは、衆知のように、以下において層Ｈと定義する屈折率が高い方の層である層Ｈと、以下において層Ｌと定義する屈折率が低い方の層である層Ｌをそれぞれ単層積層膜と定義すると、基本的には膜厚が、物理的厚さ×屈折率である光路長で表現した、設計波長の１／４（４分の１）の屈折率の高い方の単層積層膜と屈折率の低い方の単層積層膜とを交互に積層した組合せ層で構成するが、前記リップルを少なくするなどフィルタ特性を良くするために多くの改善が施されている。リップルを少なくする一つの方法として、前記文献２に記されているように、多層膜の表面と裏面の近傍の単層積層膜の膜厚を１／４波長からずらす方法が知られている。しかし、この方法は基本的には適用できるが、実際に製造してみた結果から、フィルタ特性への要求が高まるにつれて、この方法を単に当てはめただけでは、フィルタ特性が製品としての仕様を満たすことができず、そこに多くの改善、工夫が要求されているのが現状である。
【００１６】
そして、フィルタにおける微妙な反射の条件まではまだ大きな問題にされない状態でポリイミドフィルタが導波路に応用されはじめている。
【００１７】
ただ、利用する側のシステムの都合から、光波長選択回路全体の損失を低減させることが要求されている。
【００１８】
フィルタを使用する光導波路については、たとえば、”ポリマ光導波路設計技術”（増田 宏、柴田智章、井戸立身、高橋 誠著、２００２年７月発行の日立化成テクニカルレポートＮｏ．３９の３７〜４０ページ）（以下、文献３という）に波長選択フィルタを使用した例について記載されている。
【００１９】
図２９と図３０は文献３に記載された従来の光導波路を説明する図で、図２９は波長が１．３μｍの光を反射し、１．５５μｍの光を透過するＬＰＦ（Ｌｏｎｇ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を使用した例であり、図３０は波長が１．３μｍの光を透過し、１．５５μｍの光を反射するＳＰＦ（Ｓｈｏｒｔ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を使用した例である。
【００２０】
図２９と図３０で、符号２３０は波長選択フィルタとしてのＬＰＦを挿入した光導波路、２５０は波長選択フィルタとしてのＳＰＦを挿入した光導波路、２３１はＬＰＦ、２５１はＳＰＦ、２３２〜２３４と２５２〜２５４は光導波路のコア部、２３５〜２３８と２５５〜２５８は光の進行を説明するための矢印である。
【００２１】
図２９で、導波路２３２を矢印２３５の方向に進行する波長が１．３μｍの光はＬＰＦ２３１で反射されて導波路２３３を矢印２３６の方向に進行し、導波路２３３を矢印２３７の方向に進行する波長が１．５５μｍの光はＬＰＦ２３１を透過して導波路２３４を矢印２３８の方向に進行する。
【００２２】
図３０で、導波路２５２を矢印２５５の方向に進行する波長が１．５５μｍの光はＳＰＦ２５１で反射されて導波路２５３を矢印２５６の方向に進行し、導波路２５３を矢印２５７の方向に進行する波長が１．３μｍの光はＳＰＦ２５１を透過して導波路２５４を矢印２５８の方向に進行する。
【００２３】
図２９と図３０で、フィルタはフッ素化ポリイミドフィルムを基板に用いた誘電体多層膜フィルタで、フィルタ全体の厚みは１４〜１６μｍである。また、導波路の設計上の注意点としては、分岐位置にはフィルタの屈折率を考慮し、光路にオフセットを設けてある。コアサイズは６．５μｍ×６．５μｍ、コアとクラッドの比屈折率差は０．４％、曲がり導波路はｒａｉｓｅｄ ｓｉｎｅ曲線とし、曲がりによる光の放射損失が０．１ｄＢ以下になるように設計が行われている。
【００２４】
そして、文献３では、光波長選択回路の特性を大きく左右する要因の一つがフィルタ挿入溝の加工位置精度であると指摘している。そのシミュレーションの結果によると、反射損失の増加を０．２ｄＢ以内に押さえるにはフィルタ挿入溝のダイシング加工の位置ズレを±４μｍ以内にする必要があるとしている。
【００２５】
文献３における実験の結果として、フィルタとしてＬＰＦを使用した図２９の場合、導波路２３２を進行してきた波長１．３μｍの入射光をフィルタ２３１で反射させ導波路２３３へ進行させたときの損失が１．５ｄＢ、偏波依存損失ＰＤＬが０．４０ｄＢ、導波路２３３を進行してきた波長１．５５μｍの入射光をフィルタ２３１を透過させ導波路２３４へ進行させたときの損失が１．４ｄＢ、ＰＤＬが０．１２ｄＢであり、フィルタとしてＳＰＦを使用した図３０の場合、導波路２５２を進行してきた波長１．５５μｍの入射光をフィルタ２５１で反射させ導波路２５３へ進行させたときの損失が１．６ｄＢ、偏波依存損失ＰＤＬが０．１６ｄＢ、導波路２５３を進行してきた波長１．３μｍの入射光をフィルタ２５１を透過させ導波路２５４へ進行させたときの損失が１．２ｄＢ、ＰＤＬが０．２５ｄＢであったと報告されている。
【００２６】
しかし、図２９，図３０のような構成の導波路を多数製造すると、損失が大きいだけでなくそのバラツキが大きく、光波長選択回路に実用できるレベルではなく、その一層の改善が要求されている。そして、損失が大きい原因とそのバラツキの原因は知られていない。
【００２７】
図２９と図３０では、導波路の設計上の注意点としては、分岐位置にはフィルタの屈折率を考慮し、光路にオフセットを設けてあることが記載されており、曲がり導波路はｒａｉｓｅｄ ｓｉｎｅ曲線としたことが記載されている。しかし、オフセットの内容については詳細が不明である。そこで、衆知のスネルの法則に基づくオフセットについて以下に記す。
【００２８】
図３１は、図２９と図３０のようなフィルタを挿入した光導波路におけるフィルタ挿入部分での光路における屈折率の変化による光路の変化を考慮したスネルの法則に基づく光路のシフト、すなわちオフセットについて説明する図で、物理寸法表示で示した図である。
【００２９】
図３１で、符号５３０は基板５３３の上に、厚みが４分の１波長で屈折率が比較的高い層（層Ｈ）と屈折率が比較的低い層（層Ｌ）を交互に積層して作成した誘電体多層膜フィルタ、透過光の入射面５４５と出射面５４６をそのまま表示し、入射面５４５と基板５３３の間の積層膜の層Ｈだけを集めて書いた層Ｈの集合５３１と層Ｌだけを集めて書いた層Ｌの集合５３２に分けて示した図で、５３６は入射光、５３５は入射光５３６が入射した位置における入射面５４５の法線、５３７〜５４０は入射光５３６がフィルタ５３０に入射してからの光路、５３６ａは入射光５３６を延長した点線、θ１〜θ５は入射光５３６およびそのフィルタ５３０に入射してからの光路５３７〜５４０と法線５３５とのなす角、５４７と５４８は矢印、ｄ１は入射光５３６が入射面５４５からフィルタに入射して屈折してフィルタ内を進行し、フィルタの出射面５４６から出射するときの出射位置と出射面５４６と点線５３６ａの交点との距離、５５０は入射光の入射点、５５１は出射光の出射点、５５２は点線５３６ａと出射面５４６の交点である。
【００３０】
フィルタ５３０は、実際には前記のように基板の上に層Ｌと層Ｈを交互に積層して形成されているが、オフセットを説明する都合上、層Ｈは層Ｈだけで集合させて図示し、層Ｌは層Ｌだけで集合させて図示して入射光のフィルタ内での屈折による進行を説明するのに便利なように図示してある。
【００３１】
図３１で、矢印５４７の方向へ進行してきた入射光５３６はフィルタ５３０に入射し、フィルタ５３０を構成する層Ｈ全体によって屈折させられて光路５３７へ進行し、フィルタ５３０を構成する層Ｌ全体によって屈折させられて光路５３８へ進行し、基板５３３によって屈折させられて光路５３９に進行し、出射面５４６から出射して光路５４０を矢印５４８の方向へ進行する。すなわち、フィルタ５３０がない場合には点線５３６ａのように進行するが、フィルタ５３０がある場合は、フィルタ５３の入射点５５０に入射した光は、フィルタ５３０の屈折率の作用で屈折した光路５３７〜５４０を進行して、点線５３６ａと出射面５４６の交点５５２から距離ｄ１だけ離れた位置にある出射点５５１から出射する。この各層での屈折はスネルの法則に従う。
【００３２】
しかし、実際にフィルタを用いて図２９や図３０のような導波路を作成すると、各伝送光の損失が大きくなることが多く、損失のバラツキが大きくなることが多いという大きな問題が生じている。
【００３３】
そこで、実際には、レンズ無しでフッ素化ポリイミドフィルタを用いる従来の光波長選択回路では、たとえば、導波路のポリイミドフィルタを挿入する部分のダイシングカット位置を多少変えたものを何通りも作成しておき、最小損失の位置を探すために、組立工程において、様々な技法により試行錯誤を繰り返して損失を測定しながら試作テストを行い、最小損失の位置を決定して、その状態でポリイミドフィルタと導波路を接着する接着剤を硬化させて光波長選択回路を構成していた。このような製造工程では、製造に非常に手間がかかり、同時に多数の試作品を作らなければならないので、製造コストが極めて高くなってしまっていた。さらに、接着剤の厚さなどにも影響されやすいため、均質な性能を示す光波長選択回路の作成は困難であった。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、フッ素化ポリイミドフィルタに代表される基板に薄膜を使用する多層膜フィルタや多層膜だけで用いる多層膜フィルタの場合、フィルタ全体の厚みが薄く、導波路などの光波長選択回路への利用が期待されている。
【００３５】
しかし、以上の説明からも推察できるように、フィルタ特性として、たとえばエッジフィルタでは透過波長域におけるリップルや透過波長域と反射波長域の境界のシャープさなどが大きな課題とされているが、それを用いる光回路、たとえば光波長選択回路への利用に際して、光波長選択回路としての損失とそのバラツキを小さくするための課題はまだ解決されていない。
【００３６】
そして、前記のように、従来のフッ素化ポリイミドフィルタを用いた光波長選択回路は、その製造コストが高く、損失が最小損失よりもかなり大きくなるのみならず、損失特性のバラツキが大きく、本格的実用化に対して大きな障害があった。
【００３７】
本発明は、このような点に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、上記の問題を解決して、多層膜フィルタを使用して損失が最小損失となるような光波長選択回路を量産に適した状態で提供することにある。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記課題を、フィルタの反射波に対する反射特性と透過特性をそろえた多層膜フィルタを作成するとともに、その検討結果から、導波路の設計方法を改善し、導波路としての課題を解決した。
【００３９】
本発明の光波長選択回路に使用する多層膜フィルタは、フィルタによる反射光とフィルタを透過して出射する透過光が従来のスネルの法則に基づくオフセットに基づく出射位置とは異なる位置から出射し、その出射位置が入射光の波長によって一定の狭い範囲になるように形成されており、本発明のフィルタを用いた光導波路は前記フィルタからの出射光の位置に適するようにコア部が形成されているところに特筆すべき特徴を有している。
【００４０】
本発明の目的を達成するため、請求項１に記載の本発明の光波長選択回路は、対向する少なくとも２個の導光体開口の間の光軸に対し傾斜した波長選択多層膜エッジフィルタ（以下、単に多層膜フィルタともいう）を配置する光波長選択回路であり、前記多層膜フィルタは波長が少なくとも１３００ｎｍと１４８０ｎｍと１５００ｎｍの３種類の光を透過するとともに波長が１５５０ｎｍの光を反射するフィルタであり、前記対向する２個の導光体の光軸を、前記多層膜フィルタの傾斜による膜面法線ベクトルの変化方向の逆方向を正として、前記多層膜フィルタの周囲媒質の屈折率をｎ（０）、低屈折率層（以下、層Ｌともいう）の屈折率をｎ（Ｌ）、高屈折率層（以下、層Ｈともいう）の屈折率をｎ（Ｈ）、多層膜フィルタが基板の上に形成された多層膜フィルタの場合、基板の屈折率をｎ（Ｓ）、多層膜フィルタが基板の上に形成された多層膜フィルタの場合には基板の物理厚さをｔ（Ｓ）、前記層Ｌ全層の物理厚さをｔ（Ｌ）、層Ｈ全層の物理厚さをｔ（Ｈ）、入射光線が入射点における前記多層膜フィルタ面法線となす角をθとし、入射光線の入射点における前記多層膜フィルタの前記導光体の光軸に対して傾斜した入射面の面法線と入射方向を含む平面に対して垂直方向の偏波をＳ偏波として、入射光の波長が１３００ｎｍのＳ偏波に対して０．０５８〜０．０７５の値を取り、入射光の波長が１４８０ｎｍのＳ偏波に対して０．４０〜０．５５の値を取り、入射光の波長が１５００ｎｍのＳ偏波に対して０．５５〜０．９１の値を取るように入射光の波長λに依存して変化する係数をＡ（λ）とし、前記多層膜フィルタの媒質換算厚みＴを
Ｔ＝ｔ（Ｈ）・ｎ（０）／ｎ（Ｈ）＋ｔ（Ｌ）・ｎ（０）／ｎ（Ｌ）
とするとき、
前記対向する導光体の光軸間に、
δ（２）＝Ａ（λ）・Ｔ・ｔａｎθの軸シフトを与えるように前記対向する導光体を配置したことを特徴としている。
【００４１】
請求項２に記載の本発明の光波長選択回路は、前記係数Ａ（λ）が、入射光の波長λが１３００ｎｍのＳ偏波に対して０．０５８〜０．０７３の範囲の値であり、入射光の波長λが１４８０ｎｍのＳ偏波に対して０．４２〜０．５３の範囲の値であり、入射光の波長λが１５００ｎｍのＳ偏波に対して０．６２〜０．９１の範囲の値であることを特徴としている。
【００４２】
請求項３に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項２に記載の光波長選択回路において、前記係数Ａ（λ）が、入射光の波長λが１３００ｎｍのＳ偏波に対して０．０６７〜０．０６９の範囲の値であり、入射光の波長λが１４８０ｎｍのＳ偏波に対して０．４２〜０．５１の範囲の値であり、入射光の波長λが１５００ｎｍのＳ偏波に対して０．６２５〜０．９００の範囲の値であることを特徴としている。
【００４３】
請求項４に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、ｐを自然数として、前記多層膜フィルタを透過させて利用する光信号が波長の異なる複数種類の信号であるとき、それらの各波長をλ１，λ２，λ３，・・・λｐとし、前記Ａ（λ）は、Ａ（λ１）〜Ａ（λｐ）の平均値であることを特徴としている。
【００４４】
請求項５に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、入射光の波長λに依存して変化する係数をＧ（λ）とし、前記Ｇ（λ）が入射光の波長が１５５０ｎｍのＳ偏波に対して０．４７〜０．９１の値を取り、前記多層膜フィルタの一方の側には、前記多層膜フィルタを挟んで対向している２つの導光体を含んで、少なくとも２個の導光体の開口が接近して配置されており、前記多層膜フィルタの一方の側に前記接近して配置されている２個の導光体の光軸が、前記接近して配置されている２個の導光体の一方から出射された光ビームが前記多層膜フィルタの多層膜の表面から、
Ｄ＝０．５ｎ（０）（ｔ（Ｌ）／ｎ（Ｌ）＋ｔ（Ｈ）／ｎ（Ｈ））Ｇ（λ）
で与えられる周囲媒質からの延長で測る見かけの深さ（媒質換算深さ）Ｄの深さで交差するように、前記波長選択多層膜フィルタの一方の側の接近して配置されている２個の導光体の開口が配置されていることを特徴としている。
【００４５】
請求項６に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項５に記載の光波長選択回路において、前記係数Ｇ（λ）が、入射光の波長λが１５５０ｎｍのＳ偏波に対して０．５５５〜０．８５５の範囲の値であることを特徴としている。
【００４６】
請求項７に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項５に記載の光波長選択回路において、前記係数Ｇ（λ）が、入射光の波長λが１５５０ｎｍのＳ偏波に対して０．５９〜０．７９の範囲の値であることを特徴としている。
【００４７】
請求項８に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項５〜７のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、ｑを自然数として、前記多層膜フィルタを透過させて利用する光信号が波長の異なる複数種類の信号であるとき、それらの各波長をλ１，λ２，λ３，・・・λｑとし、前記Ｇ（λ）は、Ｇ（λ１）〜Ｇ（λｑ）の平均値であることを特徴としている。
【００４８】
請求項９に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタが、光波長選択回路に使用された状態において該多層膜フィルタの多層膜を成長させた基板を有していないことを特徴としている。
【００４９】
請求項１０に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタが、光波長選択回路に使用された状態において該多層膜フィルタの多層膜を成長させた基板を有しており、その基板がフッ素化ポリイミド基板であることを特徴としている。
【００５０】
請求項１１に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１０に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタの基板の厚みが５μｍであることを特徴としている。
【００５１】
請求項１２に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタとその両側に対向して開口部が配置されている導光体の間にレンズが配置されていないことを特徴としている。
【００５２】
請求項１３に記載の本発明の光波長選択回路は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記角度θが６°〜１０°であることを特徴としている。
【００５３】
請求項１４に記載の本発明の光波長選択回路は、前記係数ＡＧ（λ）として、波長λが１４８０ｎｍのときの値を用いたことを特徴としている。
【００５４】
請求項１５に記載の本発明の光波長選択回路は、前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）として、Ｓ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値とＰ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値の平均値を用いたことを特徴としている。
【００５５】
請求項１６に記載の本発明の光波長選択回路は、前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）として、Ｓ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値とＰ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値の、Ｓ偏波とＰ偏波の入射光における偏波状況に応じた加重平均値を用いたことを特徴としている。
【００５６】
なお、本発明の前記課題を解決するための手段は、これらの例の特徴を適宜組み合わせた特徴を有することは前記の如くであるが、本発明で用いる多層膜フィルタは前記の如き特徴を有する技術に基づいた多くのバリエーションを可能とするものである。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明を理解できる程度に各構成要素の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。そして、本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、本発明に用いる図は、必ずしも実施の形態などの実物や記述と相似形でない場合もある。また、各図において、同様な構成要素については同一の番号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。
【００５８】
本発明の発明者らは、従来の導波路を用いた波長合分波器のような光波長選択回路における損失特性やＰＤＬ特性を改善し、それが使用される、たとえば、光通信の幹線から端末に至るまでの広い範囲において、光特性や価格など、使用される上での諸要求を満たすことを目標にして、多層膜フィルタの特性とその応用について詳しく検討した結果、新規の設計思想を取り入れた多層膜フィルタおよび光波長選択回路を得ることができた。以下に、その詳細を説明する。
【００５９】
図１は、光導波路に本発明の多層膜フィルタを用いた波長合分波器の例を説明するための図で、入射光の光路を含んでフッ素化ポリイミドフィルタの周辺の断面を拡大して模式的に表した図である。多層膜フィルタとしてポリイミドフィルタを用いており、レンズを用いていない例である。
【００６０】
図１において、符号１１は本発明の多層膜フィルタを用いた波長合分波器、１〜３は光導波路のコア部、１ａはコア部１とコア部２の端面（以下、導波路の端面あるいは光導波路の端面ともいう）、４は基板５の上に形成された多層膜、６は基板５と多層膜４で構成される多層膜フィルタ、７は多層膜フィルタ６を導波路の端面に接着するための接着剤、８〜１０は光導波路のコア部１〜３の中心線、８ａと９ａは信号光の進行方向を表すための矢印、４ａはコア部１から第１の特定波長である波長λａの光が多層膜フィルタ６に入射してコア部２の方向に反射されるときの反射の重心位置、４ｂは見かけの反射面と定義する想定した反射面、４ｃは多層膜４の表面であるとともに多層膜フィルタ６の一方の入射面、４ｃ１はコア部１を進行してきてフィルタ６に入射する光の入射点、４ｃ２はコア部１を進行してきてフィルタ６に入射した光がフィルタ６で反射されて入射面４ｃから出射するときの出射点、ｗ１はコア部１とコア部２の合流点からコア部１とコア部２の端面１ａまでの距離、ｗ２はコア部１とコア部２の端面１ａと多層膜４の表面４ｃの間隔、Ｄ、ｄｐｈ、ｄは多層膜４の表面４ｃから反射の重心位置４ａまでの距離で、Ｄは多層膜４を構成する単層積層膜の層数で表現した場合、ｄｐｈは物理的寸法で表現した場合、ｄは距離ｄｐｈを媒質の屈折率で割った空気換算厚みに周囲媒質である接着剤の屈折率を乗じた媒質換算寸法で表現した場合の距離である。符号Ｂ（ｂｐｈ、ｂ）は多層膜フィルタ６の一方の入射面４ｃと見かけの反射面４ｂの間の距離で、Ｂは多層膜４を構成する単層積層膜の層数で表現した場合、ｂｐｈは物理的寸法で表現した場合、ｂは距離ｂｐｈを媒質の屈折率で割った空気換算厚みに周囲媒質である接着剤の屈折率を乗じた媒質換算寸法で表現した場合の距離である。
【００６１】
図１で、コア部１とコア部２はθ１の角度をなして形成されており、コア部３は多層膜フィルタ６から見てコア部１およびコア部２とは反対側に設けられている。また、多層膜フィルタ６は、たとえばフッ素化ポリイミドフィルムの薄膜からなる基板５にイオンアシスト蒸着などの方法で多層膜４を形成することによって形成されており、多層膜フィルタ６は接着剤７によってコア部１およびコア部２の端面１ａに接着固定されている。
【００６２】
図１に示した角度θ１は、コア部１とコア部２の接近する部分での微妙な変化を除いて、コア部１とコア部２のそれぞれの光軸がなす角度に等しい。
【００６３】
なお、以下の説明において、多層膜挿入部としての導波路の切断面近傍において、特に限定なくコア部１とコア部２の光軸という場合は、コア部１とコア部２の接近する部分での微妙な変化を除いた光軸を指すものとする。
【００６４】
図１に示したような、光導波路に多層膜フィルタを用いた波長合分波器を作成する場合、コア部１を進行してきて多層膜フィルタ４により反射されてコア部２に進行させるべき光を、コア部１からコア部２に如何に低損失で入射させるかが重要な課題である。従来のように、コア部１から多層膜フィルタ６の多層膜４に入射して反射されてコア部２に進行する光の多層膜４における反射に関するたとえば反射の重心位置４ａのような情報を正確に設定できない場合、前記のように、コア部１とコア部２の合流点からコア部１とコア部２の端面１ａまでの距離ｗ１をできるだけ小さくするように多層膜フィルタ６を導波路の端面１ａに密着させるように接着剤の量をできるだけ少なくするようにしてきたが、反射の重心位置４ａの範囲がわかっている場合、それを基に見かけの反射面４ｂを設定することができるので、コア部１の中心線８とコア部２の中心線９の交点が見かけの反射面４ｂ上に来るように距離ｗ１を設定して導波路の端面１ａを切断しておけばよい。
【００６５】
このように設定された距離ｗ１を有する導波路の端面に多層膜４の表面４ｃを配置し、接着剤７によって接着固定する。
【００６６】
そして、光軸としてのコア部１の中心線８とコア部２の中心線９の交点が見かけの反射面４ｂ上に来るように前記距離ｗ１を設定することに代えて、多層膜フィルタ６の入射光の入射点４ｃ１とその入射光が多層膜フィルタ６で反射されて出射する出射点４ｃ２との距離を用いることができる。
【００６７】
この見かけの反射面は、本発明による入射光の波長λに依存して変化する係数をＧ（λ）の概念を導入することにより、適切に管理することができる。
【００６８】
本発明では、後述のように、見かけの反射面４ｂを管理することにより、光合分波器の損失特性とＰＤＬ特性を大きく改善することができた。
【００６９】
以上は多層膜フィルタにより反射される反射光に関して説明したが、多層膜フィルタを透過する透過光に関しても損失をできるだけ小さくすることが要求されている。
【００７０】
多層膜フィルタを用いた導波路において、図３１を用いて説明した従来のオフセットの考慮も、多層膜フィルタを透過する透過光の損失を小さくするための検討であったが、前記のように、これでは透過光の損失を真に低減できないだけでなく、損失のバラツキが大きく、その実用化に大きな問題を有していた。本発明は、このオフセットの検討だけでは損失を低減できないことを見出し、多層膜フィルタの透過光の出射位置を透過光の波長に応じて狭い範囲に限定して考えることにより透過光の損失をも極めて効果的に低減する方法を提案するものである。
【００７１】
図２は、本発明の透過光の損失を大幅に低減した多層膜フィルタを用いた光導波路の技術思想を説明する図で、物理寸法表示で表した図である。
【００７２】
図２で、符号２０は、基板２３の上に、厚みが４分の１波長で屈折率が比較的高い層（層Ｈ）と屈折率が比較的低い層（層Ｌ）を交互に積層して作成した誘電体多層膜フィルタを、透過光の入射面３７と出射面３８をそのまま表示し、入射面３７と基板２３の間の積層膜の層Ｈだけを集めて書いた層Ｈの集合２１と層Ｌだけを集めて書いた層Ｌの集合２２に分けて示した光波長選択回路、２４は入射光、２８は入射光２４が入射した位置すなわち入射点における入射面３７のフィルタ面法線（以下、単に法線ともいう）、３１は入射光２４の入射面３７への入射点、３２〜３４は入射光２４が光波長選択回路２０の多層膜フィルタに入射してからの光路を説明するための位置で、３４は出射点、２４ａは入射光２４を延長した点線で多層膜フィルタがない場合の入射光２４の進路に相当する線、θ１１〜θ１５は入射光２４およびその多層膜フィルタ２０への入射点３１と多層膜フィルタに入射してからの光路を説明するための位置３２〜３４を順次結んだ線分と法線２８とのなす角、２６と２７は矢印、ｄ１は入射光２４が多層膜フィルタ２０に入射して図３１の場合と同様な従来のスネルの法則に従ったオフセットの考え方で多層膜フィルタ内で屈折して多層膜フィルタ内を進行して多層膜フィルタ２０の出射面３８から出射すると仮定したときの仮定出射位置３９と出射面３８と点線２４ａの交点との距離、ｄ２は本発明の多層膜フィルタにおける入射光２４が入射面３７の入射点３１から多層膜フィルタ２０の入射し、出射面３８の出射点３４から出社したときの出射点３４と仮定出射点３９の距離、４０は点線２４ａと出射面３８の交点である。
【００７３】
多層膜フィルタ２０は、実際には前記のように基板の上に層Ｌと層Ｈを交互に積層して形成されているが、従来の考え方によるオフセットを説明する都合上と本発明の透過光の出射位置を説明する都合上、層Ｈは層Ｈだけで集合させて図示し、層Ｌは層Ｌだけで集合させて図示して入射光の多層膜フィルタ内での屈折による進行を説明するのに便利なように図示してある。
【００７４】
図２で、矢印２６の方向へ進行してきた入射光２４は、入射面３７の入射点３１から多層膜フィルタ２０に入射し、従来のオフセットの考え方では多層膜フィルタ２０を構成する層Ｈ全体２１によって屈折させられた分と多層膜フィルタ２０を構成する層Ｌ全体２２によって屈折させられた分と、さらに基板２３によって屈折させられた分の屈折現象によって、出射面３８の仮定出射点３９から出射するこおになる。しかし、本発明の多層膜フィルタにおいては、実際には、前記従来のオフセットを考慮した上に、さらに多層膜フィルタ内での多重反射の結果も加わり、図２で、矢印２６の方向へ進行してきた入射光２４は、入射面３７の入射点３１から多層膜フィルタ２０に入射した後、出射面３８の前記仮定出射位置３９から点線２４ａと出射面３８の交点４０の方向へｄ２だけ離れた出射点３４から出射する。
【００７５】
したがって、図１の本発明の光導波路では、光導波路のコア部３の中心線１０が図２の出射点３４の位置からの出射光の光路上になるように、かつ、出射面３８とコア部３の端面の媒質の屈折率の影響による出射光の進行を考慮して出射光を受光できるようにコア部３とその端面を形成した。
【００７６】
ここで、入射光の多層膜フィルタによる反射においても、多層膜フィルタを透過しての出射においても、入射光が多層膜フィルタに入射してから出射するまでの光路の詳細については、多重反射などによる極めて複雑な現象があって、その結果として出射光が得られるものであるが、厳密には解明されていないと見なされる。しかしながら、その現象に関する管理可能の因子があれば、工業的改善につなげて管理すべきものであり、本発明はこの観点に立つものである。
【００７７】
図３と図４は、本発明の推進のために、従来あまり重要視されなかった、ある開口数ＮＡを有する２つの導光体開口部を対向させたときの、開口部間距離と各導光体の軸ズレに関する結合損失について説明する図である。ここで、対向する２つの導光体は開口部の近くにおいて、直線状であるとする。
【００７８】
図３と図４で、符号６１と６２は導光体、６１ａと６２ａは導光体６１と６２の光軸、δ（０）は光軸６１ａと光軸６２ａの軸ズレ量、ｘは導光体６１と６２の開口部間距離、Ｌ（ｘ）は結合損失、７１〜７４は結合損失曲線である。
【００７９】
光波長選択回路における前記多層膜フィルタを挟んで対向配置する導光体として、たとえば、導波路を用いる場合、前記導光体の開口部の間に傾けては配置する多層膜フィルタを挿入するための溝を設ける場合は、導波路の開口部を斜めに切断して溝を形成する場合が多い。この場合、導波路の導光体すなわちコアの屈折率とフィルタを接着する接着剤の屈折率が一致していれば、開口部から出射されるビームの軸とコアの軸が一致する。しかし、両者の屈折率は、一般には異なる。たとえば、コアに石英を用いた場合の屈折率は約１．４６で、プラスチックで形成した場合は約１．５などのように、コア自体も材質によって屈折率が異なる。コアの屈折率と接着剤等媒質の屈折率が異なる場合、出射側の導光体の光軸と出射ビームの軸は厳密には一致しない。このような場合、本発明における光軸とは出射ビームの軸を意味している。入射側の導光体の光軸についても同様である。
【００８０】
すなわち、本発明でいう軸シフトδ（２）は発射ビームと入射ビームの導光体開口部における差を意味している。
【００８１】
図４は、図３で結合させる光の波長が１５５０ｎｍ、開口部の開口数ＮＡが０．１、両開口部間の媒質の屈折率が１．５６の時の計算結果で、曲線７１はδ（０）＝０μｍの時の曲線、曲線７２はδ（０）＝１μｍの時の曲線、曲線７３はδ（０）＝２μｍの時の曲線、曲線７４はδ（０）＝３μｍの時の曲線である。
【００８２】
図４のグラフからわかるように、結合損失Ｌ（ｘ）は開口部間距離ｘの関数であるが、軸ズレ量δ（０）の関数でもある。そして、変数ｘに対する変化よりも変数δ（０）に対する変化の方が極めて大きい。
【００８３】
したがって、従来、このような光結合系を用いて、その間に多層膜フィルタを波長選択素子として用いた光波長選択回路においては、結合損失を少なくするためにフッ素化ポリイミドフィルタを用いるなどにより、開口部間距離ｘを小さくすることに重点をおいてきたが、軸ズレの方をより重要視して、この低減に努めなければならないことがわかる。
【００８４】
本発明は、これらの基本的考え方に立って、実際に光波長選択回路に使用する多層膜フィルタとそれを用いる光結合系について種々の検討を行った。
【００８５】
その結果、前記のように、対向する少なくとも２個の導光体開口の間の光軸に対し傾斜した波長選択多層膜エッジフィルタ（以下、単に多層膜フィルタともいう）を配置する光波長選択回路において、前記多層膜フィルタが波長が少なくとも１３００ｎｍと１４８０ｎｍと１５００ｎｍの３種類の光を透過するとともに波長が１５５０ｎｍの光を反射するフィルタであり、前記対向する２個の導光体の光軸を、前記多層膜フィルタの傾斜による膜面法線ベクトルの変化方向の逆方向を正として、前記多層膜フィルタの周囲媒質の屈折率をｎ（０）、低屈折率層（以下、層Ｌともいう）の屈折率をｎ（Ｌ）、高屈折率層（以下、層Ｈともいう）の屈折率をｎ（Ｈ）、多層膜フィルタが基板の上に形成された多層膜フィルタの場合、基板の屈折率をｎ（Ｓ）、多層膜フィルタが基板の上に形成された多層膜フィルタの場合には基板の物理厚さをｔ（Ｓ）、前記層Ｌ全層の物理厚さをｔ（Ｌ）、層Ｈ全層の物理厚さをｔ（Ｈ）、入射光線が前記多層膜フィルタ面法線となす角をθとし、入射光の波長が１３００ｎｍのときには０．０５８〜０．０７５の値を取り、入射光の波長が１４８０ｎｍのときには０．４０〜０．５５の値を取り、入射光の波長が１５００ｎｍのときには０．５５〜０．９１の値を取るように入射光の波長λに依存して変化する係数をＡ（λ）とし、前記多層膜フィルタの媒質換算厚みＴを
Ｔ＝ｔ（Ｈ）・ｎ（０）／ｎ（Ｈ）＋ｔ（Ｌ）・ｎ（０）／ｎ（Ｌ）
とするとき、
前記対向する導光体の光軸間に、
δ（２）＝Ａ（λ）・Ｔ・ｔａｎθの軸シフトを与えるように前記対向する導光体を配置することによって、損失特性やＰＤＬ特性の優れた光波長選択回路を安価に提供することができることを見出した。
【００８６】
そして、この係数Ａ（λ）の条件は、広い使用範囲において適用できるものであるが、たとえば、これに狭く限定されないが、光通信における幹線用や中間装置用や端末用といった要求される仕様の程度が異なる用途に対して、そのコストを低減するために、上記係数Ａ（λ）の条件で製造したものから、仕様がより高度なもの用を選択するよりも、あらかじめ狭い範囲に係数Ａ（λ）の条件を設定しておいて製造すれば、損失特性やＰＤＬ特性の良好な光波長選択回路をよりやすいコストで提供することができる。
【００８７】
そのための係数Ａ（λ）のより厳しい条件は、前記係数Ａ（λ）が、波長λが１３００ｎｍの入射光に対して０．０５８〜０．０７３の範囲の値であり、波長λが１４８０ｎｍの入射光に対して０．４２〜０．５３の範囲の値であり、波長λが１５００ｎｍの入射光に対して、０．６２〜０．９１の範囲の値であることであり、さらに厳しい要求の仕様に対しては、前記係数Ａ（λ）が、波長λが１３００ｎｍの入射光に対して０．０６７〜０．０６９の範囲の値であり、波長λが１４８０ｎｍの入射光に対して０．４２〜０．５１の範囲の値であ波長λが１５００ｎｍの入射光に対して、０．６２５〜０．９００の範囲の値であることである。
【００８８】
そして、上記各条件に関して、ｐを自然数として、前記多層膜フィルタを透過させて利用する光信号が波長の異なる複数種類の信号であるとき、それらの各波長をλ１，λ２，λ３，・・・λｐとし、前記Ａ（λ）は、Ａ（λ１）〜Ａ（λｐ）の平均値を用いることが好ましい。
【００８９】
さらに、反射光に対しては、入射光の波長λに依存して変化する係数をＧ（λ）とし、前記Ｇ（λ）が入射光の波長が１５５０ｎｍのときに０．４７〜０．９１の値を取り、前記多層膜フィルタの一方の側には、前記多層膜フィルタを挟んで対向している２つの導光体を含んで、少なくとも２個の導光体の開口が接近して配置されており、前記多層膜フィルタの一方の側に前記接近して配置されている２個の導光体の光軸が、前記接近して配置されている２個の導光体の一方から出射された光ビームが前記多層膜フィルタの多層膜の表面から、
Ｄ＝ｎ（０）（ｔ（Ｌ）／ｎ（Ｌ）＋ｔ（Ｈ）／ｎ（Ｈ））Ｇ（λ）
で与えられる媒質換算深さＤの深さで交差するように、前記多層膜フィルタの一方の側の接近して配置されている２個の導光体の開口を配置されていることが好ましい。
【００９０】
前記係数Ａ（λ）とＧ（λ）は多層膜フィルタの透過特性と反射特性によって決められるべきものである。従来、多層膜フィルタに関して、これらの係数は管理されていなかった。しかしながら、本発明の発明者らが調べた結果、以下に説明するように、おおむね同じ厚みで多層膜の積層数も同じ多層膜フィルタにおいて、これらの係数は異なる値を有することが明らかになった。
【００９１】
図５〜図１５は、本発明に用いる前記多層膜フィルタの有する前記係数Ａ（λ）の例を説明する図で、各図とも縦軸に係数Ａ（λ）を横軸に波長λをとって表している。図５〜図１５で、符号７５〜８５は係数Ａ（λ）と波長λのＳ偏波の関係を示す曲線である。
【００９２】
入射光の波長が１３００ｎｍのＳ偏波に対して多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の値は、図５の曲線７５においては０．０６８、図６の曲線７６においては０．０５９、図７の曲線７７においては０．０９９、図８の曲線７８においては０．０６７、図９の曲線７９においては０．０６６、図１０の曲線８０においては０．１０５、図１１の曲線８１においては０．０６８、図１２の曲線８２においては０．０６９、図１３の曲線８３においては０．０７１、図１４の曲線８４においては０．０６８、図１５の曲線８５においては０．０６７である。
【００９３】
入射光の波長が１４８０ｎｍのＳ偏波に対して多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の値は、図５の曲線７５においては０．４３５、図６の曲線７６においては０．３８７、図７の曲線７７においては０．５３７、図８の曲線７８においては０．４２５、図９の曲線７９においては０．３９６、図１０の曲線８０においては０．５６３、図１１の曲線８１においては０．４５４、図１２の曲線８２においては０．４８９、図１３の曲線８３においては０．５３５、図１４の曲線８４においては０．４０６、図１５の曲線８５においては０．４０９である。
【００９４】
入射光の波長が１５００ｎｍのＳ偏波に対して多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の値は、図５の曲線７５においては０．６７７、図６の曲線７６においては０．５６７、図７の曲線７７においては０．８７２、図８の曲線７８においては０．６５８、図９の曲線７９においては０．５３４、図１０の曲線８０においては０．８９７、図１１の曲線８１においては０．７３８、図１２の曲線８２においては０．８６４、図１３の曲線８３においては１．０９４、図１４の曲線８４においては０．５９９、図１５の曲線８５においては０．６０３である。
【００９５】
図５〜図１５の各フィルタは、厚みが５μｍのフッ素化ポリイミド薄膜の上に層Ｌと層Ｈを交互に７１層積層して形成した多層膜で、その一例として、図５の多層膜フィルタは次のように形成されている。
【００９６】
すなわち、基板としてフッ素化ポリイミド薄膜を用い、その上に、層ＨとしてＴａ２Ｏ５（五酸化タンタル）を用いて形成した層を、層ＬとしてＳｉＯ２（二酸化ケイ素）を用いて形成した層を、設計基準波長をλｃを１８０５ｎｍとし、前記ｎの値が前記多層膜の基板側から表面の側へ順に、それぞれ層Ｌ、層Ｈの順に、１．１９，１．４３，０．７３，１．２８，１．０４，０．９５，１．１１，０．９９８，１．０２，０．９９８，１．０２，０．９９８，１．０２，０．９９８，１．０２，０．９９８，１．０２，０．９８，１．０２，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．００１，１．０２，０．９８，１．０１７，１．００１，１．０１７，１．００１，１．０１７，１．００１，１．０１７，１．００１，１．０１７，１．００１，１．０４，１．０３，１．０９，０．９２，１．３，０．７９，１．４１，１．２７になるように単層積層膜を７１層積層して多層膜を形成して多層膜フィルタを構成している。そしてその多層膜の厚さ（基板を含めない多層膜自体の厚さ）は、物理厚さで１８．１４μｍである。
【００９７】
図１６〜図２６は、本発明に用いる前記多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図で、各図とも縦軸に係数Ｇ（λ）を横軸に波長λをとって表している。図１６〜図２６で、符号８６〜９６は係数Ｇ（λ）と波長λのＳ偏波の関係を示す曲線である。
【００９８】
入射光の波長が１５５０ｎｍのＳ偏波に対して多層膜フィルタの有する係数Ｇ（λ）の値は、図１６の曲線８６においては０．６７９、図１７の曲線８７においては０．４８６、図１８の曲線８８においては０．８６１、図１９の曲線８９においては０．６９３、図２０の曲線９０においては０．３７５、図２１の曲線９１においては０．８６７、図２２の曲線９２においては０．６３０、図２３の曲線９３においては０．５９１、図２４の曲線９４においては０．５５５、図２５の曲線９５においては０．７８７、図２６の曲線９６においては０．７４６である。
【００９９】
図５から図２６において、符号７５ａ〜９６ａはＳ偏波に対する曲線７５〜１０１に対応するＰ偏波、すなわち、入射光線の入射点における前記多層膜フィルタの前記導光体の光軸に対して傾斜した入射面の面法線と入射方向を含む平面に平行な方向の偏波に対するＡ（λ）あるいはＧ（λ）特性を示す曲線である。
【０１００】
図５と図１６、図６と図１７、図７と図１８、図８と図１９、図９と図２０、図１０と図２１、図１１と図２２、図１２と図２３、図１３と図２４、図１４と図２５、図１５と図２６は、それぞれ同一の多層膜フィルタを用いた光波長選択回路の透過特性と反射特性である。
【０１０１】
本発明者らの調査の結果、次のことが明らかになった。すなわち、多層膜フィルタに入力したフィルタ透過光が多層膜（多層膜に基板がある場合には、基板を除いた多層膜部分）から出射する位置は、多層膜を構成する積層膜の層数と多層膜の厚味を一定にしても、多層膜によって大きくバラツク。しかも、入射光の波長によっても異なる。このことは、従来、あまり重要視されておらず、仮に、出射位置が多層膜によって異なることを感じても、それを重要視して、光波長選択回路として管理されていなかった。
【０１０２】
本発明の発明者らは、この出射位置を波長に依存する係数Ａ（λ）を導入して、係数Ａ（λ）の範囲を一定の範囲にするようにフィルタを作成し、それを用いる光波長選択回路の損失特性とＰＤＬ特性を大幅に改善できた。
【０１０３】
すなわち、前記のように本発明でいう多層膜フィルタは波長選択多層膜エッジフィルタであり、この多層膜フィルタを光波長選択回路に用いる場合、多層膜フィルタに対向する前記導光体の光軸を出射光にできるだけ合わせなければ、光波長選択回路の特性を望ましいレベルまで改善することができない。
【０１０４】
その一つの方法として、多層膜フィルタを挟んで対向する２個の導光体開口の間の光軸を多層膜フィルタからの出射光に合わせて配置することがあげられる。しかし、多層膜側に大きなバラツキがあっては、それを挿入する導光体を多数用意することになる。また、多層膜フィルタからの出射光の位置を不適切に管理すると、フィルタ特性を犠牲にしてしまうことになりかねない。
【０１０５】
本発明では、これらの点に留意して、他特性を犠牲にせずに、前記対向する２個の導光体開口の間の光軸を管理する方法を提案し、それを利用した優れた損失特性とＰＤＬ特性を有する光波長選択回路を提案した。
【０１０６】
本発明による光波長選択回路は、前記のように対向する導光体の光軸間に、
δ（２）＝Ａ（λ）・Ｔ・ｔａｎθの軸シフトを与えるように前記対向する導光体を配置することによって、実現することができた。
【０１０７】
本発明における前記係数Ａ（λ）とＧ（λ）の各波長における値は、図５〜図２６のグラフからわかるように、Ｓ偏波の場合の係数を示す曲線７５〜９６とＰ偏波の場合の係数を示す曲線７５ａ〜９６ａが比較的接近していることから、入射光のＳ偏波を取り扱うときはＳ偏波の係数Ａ（λ）、Ｇ（λ）を求めて用い、入射光のＰ偏波を取り扱うときはＰ偏波の係数Ａ（λ）、Ｇ（λ）を求めて用い、
Ｓ偏波とＰ偏波の双方を取り扱うときは、Ｓ偏波の係数Ａ（λ）、Ｇ（λ）とＰ偏波の係数Ａ（λ）、Ｇ（λ）を求めて、それらの平均を用いるか、Ｓ偏波とＰ偏波の偏波状況に応じた加重平均を用いることによって、諸特性が一層優れた光波長選択回路を実現することができる。
【０１０８】
図５と図１６、図６と図１７、図７と図１８、図８と図１９、図９と図２０、図１０と図２１は、基板が５μｍのフッ素化ポリイミドの上に、物理厚みｄ（以下、単に厚みｄともいう）が１８．１μｍ前後の多層膜を７１層形成した多層膜フィルタの例で、図５の多層膜の例としてあげた積層膜に準じて、細部の条件を多少違えて７１層の多層膜を形成した多層膜フィルタの例である。これらの中でも、前記係数Ａ（λ）とＧ（λ）の値は、前記のように広い範囲に分布している。
【０１０９】
図１１と図２２は、前記同様の基板の上に厚みｄが１５．６μｍ前後の多層膜を６１層形成した多層膜フィルタの例で、図１２と図２３は、前記同様の基板の上に厚みｄが１４．１μｍ前後の多層膜を５５層形成した多層膜フィルタの例で、図１３と図２４は、前記同様の基板の上に厚みｄが１３．１μｍ前後の多層膜を５１層形成した多層膜フィルタの例で、図１４と図２５は、前記同様の基板の上に厚みｄが２５．８μｍ前後の多層膜を１０１層形成した多層膜フィルタの例で、図１５と図２６は、前記同様の基板の上に厚みｄが２９．３μｍ前後の多層膜を１０１層形成した多層膜フィルタの例である。
【０１１０】
これらからわかるように、前記係数Ａ（λ）とＧ（λ）の値は、多層膜フィルタの層数や厚みによってもある範囲で変動する。本発明では、この変動の様子を調べ、前記課題を解決する手段のところに記した軸シフトと反射点の見かけの深さを設定し、多層膜フィルタを挿入した光波長選択回路を作成し、損失特性とＰＤＬ特性の大幅な改善を実現した。
【０１１１】
透過光波長や反射光波長が複数ある場合、前記係数Ａ（λ）とＧ（λ）の値はそれらの当該波長に対応する前記係数の平均値を用いることが好ましい。その場合、各波長における損失やＰＤＬの加重平均によって、係数の平均を求めてもよい。本発明の例として用いた図５から図２６の例では多層膜フィルタの透過波長が１３００ｎｍ〜１５００ｎｍであり、１３００ｎｍ，１４８０ｎｍ，１５００ｎｍを透過させる光波長選択回路として用いることができる。このような光波長選択回路の製造においては、前記データが示すように、１４８０ｎｍを前記係数を与える波長として用いることにより、良好な損失特性とＰＤＬ特性を有する光波長選択回路を製造歩留まりよく量産することができる。
【０１１２】
本発明による光波長選択回路の作成に当たっては、先ず、回路としてのフィルタへの要求仕様を満たす多層膜フィルタの中から、前記軸シフトと見かけの反射点を調べて回路構成を決め、フィルタの特性を真に生かした光波長選択回路の構造を決めることができる。
【０１１３】
本発明による損失特性とＰＤＬ特性は、従来の技術思想で作成したものの中からトップデータを抽出して報じられている現状と対比しても意味のないところであるが、量産における平均値で比較すると、５０％以上の改善が見られた。
【０１１４】
以上は、導光体として、導波路に溝を設けた例などを取り上げて、本発明の詳細を説明したが、本発明はこれに狭く限定されるものではなく、種々のバリエーションを可能とするものである。本発明の、光軸シフトと見かけの反射点の利用は、対向して配置する２つの導光体が一体である必要はなく、たとえば、２つの部分に分けた導波路に多層膜フィルタを挟み、一方の導波路に対して他方を動かして本発明の軸シフトを形成することも可能である。導光体が光ファイバでもよい。反射光を利用することに関しては、従来試行錯誤的に導光体をあてはめて行っていたものを、反射光側の導光体の端面の位置をきちんと決めることができ、特性の改善はもとより、歩留まりの大幅な改善ができたため、量産を可能にすることができた。
【０１１５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によって、多層膜フィルタを用いた光波長選択回路の損失特性とＰＤＬ特性を大幅に改善することができ、損失が小さくＰＤＬが小さく、さらに、それらのバラツキを小さく押さえることができ、波長合分波器等光波長選択回路の製造工程を簡素化でき、量産に適した部品として、安価に提供できるという大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路に多層膜フィルタを用いた波長合分波器の例を説明する図である。
【図２】本発明の技術思想を説明する図である。
【図３】２つの導光体開口部を対向させたときの、開口部間距離と各導光体の軸ズレに関する結合損失について説明する図である。
【図４】２つの導光体開口部を対向させたときの、開口部間距離と各導光体の軸ズレに関する結合損失について説明する図である。
【図５】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図６】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図７】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図８】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図９】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１０】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１１】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１２】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１３】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１４】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１５】本発明に用いる多層膜フィルタの有する係数Ａ（λ）の例を説明する図である。
【図１６】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図１７】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図１８】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図１９】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２０】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２１】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２２】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２３】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２４】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２５】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２６】本発明に用いる多層膜フィルタの有する前記係数Ｇ（λ）の例を説明する図である。
【図２７】従来の光ファイバコリメータを用いた光波長選択回路を説明する模式図である。
【図２８】従来の光導波路を用いた光波長選択回路を説明する図である。
【図２９】文献３に記載された従来の光導波路を説明する図である。
【図３０】文献３に記載された従来の光導波路を説明する図である。
【図３１】従来の多層膜フィルタを挿入した光導波路におけるスネルの法則による光路のシフト、すなわちオフセットについて説明する図である。
【符号の説明】
１〜３，２１１，２１２，２１６，２３２〜２３４，２５２〜２５４：光導波路のコア部
１ａ：コア部１とコア部２の端面
４，２１３ａ：多層膜
４ａ：反射の重心位置
４ｂ：見かけの反射面
４ｃ，３７，５４５：入射面
４ｃ１，３１，５５０：入射点
４ｃ２，３４，５５１：出射点
５，２３，２１３ｂ，５３３：基板
６，２１３：多層膜フィルタ
７，２１７：接着剤
８〜１０，２１１ａ，２１２ａ，２１６ａ：コア部の中心線
８ａ，９ａ，２６，２７，２１５ａ〜２１５ｃ，２３５〜２３８，２５５〜２５８，５４７，５４８：矢印
１１：波長合分波器
２０，２０８，２１０：光波長選択回路
２１，５３１：層Ｈの集合
２２，５３２：層Ｌの集合
２４，２１４，５３６：入射光
２４ａ，５３６ａ：入射光を延長した点線
２８：フィルタ面法線
３２〜３４：入射光の光路を説明するための位置
３８，５４６：出射面
３９：仮定出射位置
４０：点線２４ａと出射面３８の交点
６１，６２：導光体
６１ａ，６２ａ：光軸
７１〜７４：結合損失曲線
７５〜８５：係数Ａ（λ）と波長λのＳ偏波の関係を示す曲線
７５ａ〜８５ａ：係数Ａ（λ）と波長λのＰ偏波の関係を示す曲線
８６〜９６：係数Ｇ（λ）と波長λのＳ偏波の関係を示す曲線
８６ａ〜９６ａ：係数Ｇ（λ）と波長λのＰ偏波の関係を示す曲線
２０１，２０２，２０７：ファイバ芯線
２０３：２芯光ファイバコリメータ
２０４，２０６：レンズ
２０５：フィルタ
２３０，２５０：光導波路
２３１：ＬＰＦ
２５１：ＳＰＦ
５３５：入射面５４５の法線
５３７〜５４０：入射光の光路
５５２：点線５３６ａと出射面５４６の交点
Ｂ：多層膜フィルタの入射面と見かけの反射面の間の層数で表現した距離
Ｂ（ｂｐｈ）：多層膜フィルタの入射面と見かけの反射面の間の物理的寸法で表現した距離
Ｂ（ｂ）：多層膜フィルタの入射面と見かけの反射面の間の媒質換算寸法で表現した距離
Ｄ：層数で表現した多層膜表面から反射の重心位置までの距離
ｄｐｈ：物理的寸法で表現した多層膜表面から反射の重心位置までの距離
ｄ：媒質換算寸法で表現した多層膜表面から反射の重心位置までの距離
ｄ１：従来のスネルの法則に従ったオフセット
ｄ２：出射点３４と仮定出射点３９の距離
Ｌ（ｘ）：結合損失
ｗ１：コア部１とコア部２の合流点から端面までの距離
ｗ２：コア部１とコア部２の端面と多層膜表面の間隔、
ｘ：導光体の開口部間距離
δ（０）：軸ズレ量
θ１〜θ５，θ１１〜θ１５：角度

Claims (16)

1. 対向する少なくとも２個の導光体開口の間の光軸に対し傾斜した波長選択多層膜エッジフィルタ（以下、単に多層膜フィルタともいう）を配置する光波長選択回路において、前記多層膜フィルタは波長が少なくとも１３００ｎｍと１４８０ｎｍと１５００ｎｍの３種類の光を透過するとともに波長が１５５０ｎｍの光を反射するフィルタであり、前記対向する２個の導光体の光軸を、前記多層膜フィルタの傾斜による膜面法線ベクトルの変化方向の逆方向を正として、前記多層膜フィルタの周囲媒質の屈折率をｎ（０）、低屈折率層（以下、層Ｌともいう）の屈折率をｎ（Ｌ）、高屈折率層（以下、層Ｈともいう）の屈折率をｎ（Ｈ）、多層膜フィルタが基板の上に形成された多層膜フィルタの場合、基板の屈折率をｎ（Ｓ）、多層膜フィルタが基板の上に形成された多層膜フィルタの場合には基板の物理厚さをｔ（Ｓ）、前記層Ｌ全層の物理厚さをｔ（Ｌ）、層Ｈ全層の物理厚さをｔ（Ｈ）、入射光線が入射点における前記多層膜フィルタ面法線となす角をθとし、入射光線の入射点における前記多層膜フィルタの前記導光体の光軸に対して傾斜した入射面の面法線と入射方向を含む平面に対して垂直方向の偏波をＳ偏波として、入射光の波長が１３００ｎｍのＳ偏波に対して０．０５８〜０．０７５の値を取り、入射光の波長が１４８０ｎｍのＳ偏波に対して０．４０〜０．５５の値を取り、入射光の波長が１５００ｎｍのＳ偏波に対して０．５５〜０．９１の値を取るように入射光の波長λに依存して変化する係数をＡ（λ）とし、前記多層膜フィルタの媒質換算厚みＴを
   Ｔ＝ｔ（Ｈ）・ｎ（０）／ｎ（Ｈ）＋ｔ（Ｌ）・ｎ（０）／ｎ（Ｌ）
   とするとき、
   前記対向する導光体の光軸間に、
   δ（２）＝Ａ（λ）・Ｔ・ｔａｎθの軸シフトを与えるように前記対向する導光体を配置したことを特徴とする光波長選択回路。
2. 請求項１に記載の光波長選択回路において、前記係数Ａ（λ）が、入射光の波長λが１３００ｎｍのＳ偏波に対して０．０５８〜０．０７３の範囲の値であり、入射光の波長λが１４８０ｎｍのＳ偏波に対して０．４２〜０．５３の範囲の値であり、入射光の波長λが１５００ｎｍのＳ偏波に対して０．６２〜０．９１の範囲の値であることを特徴とする光波長選択回路。
3. 請求項２に記載の光波長選択回路において、前記係数Ａ（λ）が、入射光の波長λが１３００ｎｍのＳ偏波に対して０．０６７〜０．０６９の範囲の値であり、入射光の波長λが１４８０ｎｍのＳ偏波に対して０．４２〜０．５１の範囲の値であり、入射光の波長λが１５００ｎｍのＳ偏波に対して０．６２５〜０．９００の範囲の値であることを特徴とする光波長選択回路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、ｐを自然数として、前記多層膜フィルタを透過させて利用する光信号が波長の異なる複数種類の信号であるとき、それらの各波長をλ１，λ２，λ３，・・・λｐとし、前記Ａ（λ）は、Ａ（λ１）〜Ａ（λｐ）の平均値であることを特徴とする光波長選択回路。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、入射光の波長λに依存して変化する係数をＧ（λ）とし、前記Ｇ（λ）が入射光の波長が１５５０ｎｍのＳ偏波に対して０．４７〜０．９１の値を取り、前記多層膜フィルタの一方の側には、前記多層膜フィルタを挟んで対向している２つの導光体を含んで、少なくとも２個の導光体の開口が接近して配置されており、前記多層膜フィルタの一方の側に前記接近して配置されている２個の導光体の光軸が、前記接近して配置されている２個の導光体の一方から出射された光ビームが前記多層膜フィルタの多層膜の表面から、
   Ｄ＝０．５ｎ（０）（ｔ（Ｌ）／ｎ（Ｌ）＋ｔ（Ｈ）／ｎ（Ｈ））Ｇ（λ）
   で与えられる周囲媒質からの延長で測る見かけの深さ（媒質換算深さ）Ｄの深さで交差するように、前記波長選択多層膜フィルタの一方の側の接近して配置されている２個の導光体の開口が配置されていることを特徴とする光波長選択回路。
6. 請求項５に記載の光波長選択回路において、前記係数Ｇ（λ）が、入射光の波長λが１５５０ｎｍのＳ偏波に対して０．５５５〜０．８５５の範囲の値であることを特徴とする光波長選択回路。
7. 請求項５に記載の光波長選択回路において、前記係数Ｇ（λ）が、入射光の波長λが１５５０ｎｍのＳ偏波に対して０．５９〜０．７９の範囲の値であることを特徴とする光波長選択回路。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、ｑを自然数として、前記多層膜フィルタを透過させて利用する光信号が波長の異なる複数種類の信号であるとき、それらの各波長をλ１，λ２，λ３，・・・λｑとし、前記Ｇ（λ）は、Ｇ（λ１）〜Ｇ（λｑ）の平均値であることを特徴とする光波長選択回路。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタが、光波長選択回路に使用された状態において該多層膜フィルタの多層膜を成長させた基板を有していないことを特徴とする光波長選択回路。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタが、光波長選択回路に使用された状態において該多層膜フィルタの多層膜を成長させた基板を有しており、その基板がフッ素化ポリイミド基板であることを特徴とする光波長選択回路。
11. 請求項１０に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタの基板の厚みが５μｍであることを特徴とする光波長選択回路。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記多層膜フィルタとその両側に対向して開口部が配置されている導光体の間にレンズが配置されていないことを特徴とする光波長選択回路。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記角度θが６°〜１０°であることを特徴とする光波長選択回路。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記係数ＡＧ（λ）として、波長λが１４８０ｎｍのときの値を用いたことを特徴とする光波長選択回路。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）として、Ｓ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値とＰ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値の平均値を用いたことを特徴とする光波長選択回路。
16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光波長選択回路において、前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）として、Ｓ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値とＰ偏波に対する前記係数ＡＧ（λ）とＧ（λ）の値の、Ｓ偏波とＰ偏波の入射光における偏波状況に応じた加重平均値を用いたことを特徴とする光波長選択回路。

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