JP2008009125A - 波長分離膜及びそれを用いた光通信用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】積層する膜の総数を少なくすることができ、かつ積層する各層の厚みを薄くすることができるとともに、光の入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができ、かつ阻止帯域を従来よりも広くすることができる波長分離膜及びそれを用いた光通信用フィルタを得る。
【解決手段】高屈折率材料からなる第１の薄膜と低屈折率材料からなる第２の薄膜とを交互に積層した構成を備える波長分離膜であって、第１の薄膜がＳｉ薄膜であり、第２の薄膜が、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜、ＺｒＯ_２薄膜、またはＡｌ_２Ｏ_３薄膜であることを特徴としている。
【選択図】図５

Description

本発明は、透過帯域の波長の光を透過させ、阻止帯域の波長の光を反射させることができる波長分離膜及びそれを用いた光通信用フィルタに関するものである。

光ファイバにより双方向に伝送される光を送受信する光送受信モジュールとして、光ファイバの先端面の光軸上に第１の波長の光を光軸方向に通過させ、かつ第２の波長の光を光軸と垂直方向に反射させる光分離プリズムが設けられたモジュールが知られている（特許文献１など）。光分離プリズム内には、光の入射方向に対して４５度に傾斜して波長分離膜が設けられている。このような波長分離膜は、高屈折率材料からなる第１の薄膜と低屈折率材料からなる第２の薄膜とを交互に積層することにより構成されている。従来は一般に、高屈折率の第１の薄膜としてＴｉＯ_２が用いられ、低屈折率の第２の薄膜としてＳｉＯ_２が用いられており、これらの薄膜を交互に６０層程度積層して波長分離膜が形成されている。

しかしながら、このようなＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の薄膜を積層して構成された波長分離膜においては、波長分離膜に対する光の入射角度にずれが生じると、透過帯域及び阻止帯域に大きなずれが生じ、所望の光学特性が得られないという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献２においては、ＴｉＯ_２薄膜またはＳｉＯ_２薄膜と、Ｓｉ薄膜とを交互に積層した波長分離膜を用いた光分離プリズムが提案されている。しかしながら、これらの積層薄膜においても、高屈折率薄膜と低屈折率薄膜の積層数を減少させていくと、阻止帯域が狭くなったり、光入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅が大きくなるという問題があった。
特開２０００−１８０６７１号公報 特開２０００−１６２４１３号公報

本発明の目的は、積層する膜の総数を少なくすることができ、かつ積層する各膜の厚みを薄くすることができるとともに、光の入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができ、かつ阻止帯域を従来よりも広くすることができる波長分離膜及びそれを用いた光通信用フィルタを提供することにある。

本発明の波長分離膜は、高屈折率材料からなる第１の薄膜と低屈折率材料からなる第２の薄膜とを交互に積層した構成を備える波長分離膜であって、第１の薄膜がＳｉ薄膜であり、第２の薄膜が、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜、ＺｒＯ_２薄膜、またはＡｌ_２Ｏ_３薄膜であることを特徴としている。

本発明の波長分離膜においては、Ｓｉ薄膜からなる第１の薄膜と、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜、ＺｒＯ_２薄膜、またはＡｌ_２Ｏ_３薄膜からなる第２の薄膜とを交互に積層して波長分離膜としている。本発明においては、第１の薄膜及び第２の薄膜として、それぞれ屈折率の大きな材料を用いているので、各薄膜の厚みを薄くすることができ、その結果として、従来よりも膜全体の厚みを薄くすることができる。また、第１の薄膜（Ｓｉ薄膜）と、第２の薄膜（Ｔａ_２Ｏ_５薄膜等）との屈折率の差が大きいため、積層する膜の総数を少なくすることができる。例えば、従来のＳｉ薄膜とＴｉＯ_２薄膜の積層膜から波長分離膜を構成する場合、積層数が４４層であり、厚みが１０μｍ程度であったものを、本発明では、２７層の積層数にすることができ、全体の厚みを４μｍ程度にすることができる。

本発明によれば、積層する各膜の厚みを薄くすることができ、かつ積層する膜の総数を少なくすることができるので、従来よりも製造工程を簡略化することができる。また、ＴｉＯ_２薄膜はＴｉＯ_２の結晶化により、しばしば光散乱による透過損失が発生するが、本発明においては、ＴｉＯ_２薄膜を用いていないので、このような問題を解消することができる。

また、第１の薄膜及び第２の薄膜のそれぞれに、従来に比べ屈折率の高い材料を用いているので、光の入射角による透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができる。また、第１の薄膜と第２の薄膜の屈折率の差が大きいため、阻止帯域を拡げることが可能となる。

本発明において、第１の薄膜及び第２の薄膜の各薄膜の厚みは、透過帯域及び阻止帯域の設定により適宜選択されるものであるが、一般には５０〜２５０ｎｍの膜厚の範囲内で選択される。また、積層する膜の総数は、特に限定されるものではないが、例えば、２０〜４０層の範囲とするのが一般的である。

本発明の光通信用フィルタは、上記本発明の波長分離膜を光入射方向に対して傾斜して配置し、波長分離膜の透過帯域の波長の光を透過させ、阻止帯域の波長の光を反射させることを特徴としている。

本発明の光通信用フィルタにおいて、波長分離膜は、光入射方向に対して実質的に４５度に傾斜して配置されることが好ましい。実質的に４５度とは、４５度±２度を意味している。

本発明の光通信用フィルタとしては、後述するような波長分離プリズム、波長分離平板などが挙げられる。

本発明によれば、積層する膜の総数を少なくすることができ、かつ積層する各膜の厚みを薄くすることができる。従って、波長分離膜全体の厚みを薄くすることができる。

また、本発明によれば、光の入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができ、かつ阻止帯域を従来よりも広くすることができる。

以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明に従う光通信用フィルタの一実施例である波長分離プリズムを示す模式的断面図である。図１に示すように、波長分離プリズム１は、直角二等辺三角柱状のガラスなどからなるプリズム片２及び３を、波長分離膜４を介して傾斜面同士で貼り合わせることにより構成されている。貼り合わせには、例えば紫外線硬化型接着剤を用いることができる。貼り合わせるプリズム片の一方の傾斜面上に、本発明に従う波長分離膜４を形成することにより、プリズム片２及び３の傾斜面に波長分離膜４を配置することができる。

図２は、図１に示す波長分離プリズムを用いた光送受信モジュールを示す模式的断面図である。波長分離プリズム１は、紫外線硬化型接着剤を用いて、フェルール１０の先端に接合されている。フェルール１０内には、光ファイバ１１が設けられている。発光素子であるレーザーダイオード（ＬＤ）１３から出射された波長１４９０ｎｍの光は、レンズ１２により集光され、波長分離プリズム１に入射する。波長分離プリズム１に入射した光は、波長分離膜４の透過帯域の光であるので、波長分離膜４を透過し、光ファイバ１１の端部から入射し、光ファイバ１１内を伝搬する。

一方、光ファイバ１１から出射された波長１３１０ｎｍの光は、波長分離プリズム１に入射し、波長分離膜４の阻止帯域の光であるので、波長分離膜４で反射し、下方に設けられたレンズ１４を通り、受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１５に入射する。

以上のように、ＬＤ１３から出射した光を透過し、光ファイバ１１から出射した光を反射するように波長分離プリズム１の波長分離膜４を設定しておくことにより、光ファイバ１１を用いた双方向の通信が可能となる。

波長分離プリズム１において、波長分離膜４は、４５度に傾斜するように配置されている。しかしながら、ＬＤ１３から出射した光はレンズ１２により集光され光ファイバ１１に入射するが、広がりをもった状態で波長分離膜４に入射する。例えば、入射角４５度を中心に±２度の広がりをもった光として入射する。波長分離膜４に対して、入射角４５度±２度の広がりで光が入射するため、光の入射角のずれにより透過帯域及び阻止帯域が大きくシフトすると、所望の光学特性が得られない場合がある。

本発明の波長分離膜は、上述のように光入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができるので、光の入射角のずれによる光学特性の影響を低減することができる。また、阻止帯域を従来よりも広くすることができるので、設計上及び管理上の許容度を大きくすることでき、所望の光学特性を容易に得ることができる。

図３は、本発明に従う波長分離膜を用いた波長分離平板を示す模式的断面図である。図３に示すように、波長分離平板５は、ガラスなどからなる透光性基板７の一方面上に波長分離膜４を形成し、他方面上に反射防止膜（ＡＲ膜）を形成することにより構成されている。波長分離膜４としては、本発明に従う波長分離膜を形成することができ、反射防止膜６としては、例えば、ＴｉＯ_２もしくはＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の４層交互層からなる膜を形成することができる。なお、図２に示す波長分離プリズム１においても、波長分離膜４のＬＤ１３側に反射防止膜を形成することが好ましい。

図４は、図３に示す波長分離平板５を用いた光送受信モジュールを示す模式的断面図である。図４に示す光送受信モジュールにおいては、光ファイバ１１とＬＤ１３を結ぶ光軸に対して、波長分離膜４及びＡＲ膜６が４５度に傾斜するように波長分離平板５が設置されている。図４に示す光送受信モジュールにおいても、図２に示す光送受信モジュールと同様に、ＬＤ１３から出射された光を光ファイバ１１内に入射し伝搬させることができ、光ファイバ１１から出射される光を波長分離膜４で反射して、ＰＤ１５に入射させることができる。

図４に示す光送受信モジュールにおいても、波長分離平板５の波長分離膜４に入射する光は、入射角４５度を中心に、例えば±２度の広がりをもった光が入射するが、本発明に従う波長分離膜を用いることにより、光の入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができるので、入射角のずれによる光学特性の低下を抑制することができる。また、阻止帯域を従来よりも広くすることができるので、所望の光学特性を容易に得ることができる。

（実施例１）
ガラス基板の上に、Ｓｉ薄膜とＴａ_２Ｏ_５薄膜とを交互に２７層積層し、本発明に従う波長分離膜を形成した。従って、波長分離膜の最外層はＳｉ薄膜が形成された。Ｓｉ薄膜の各厚み、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。

なお、Ｓｉ薄膜及びＴａ_２Ｏ_５薄膜は、真空蒸着法により形成した。以下の実施例及び比較例においても、各薄膜は同様の方法で形成した。

以上のようにして作製した波長分離膜について、４５度入射時の波長と透過率の関係及び４３度入射時の波長と透過率の関係について評価した。

図５は、横軸が波長（ｎｍ）を示し、縦軸が透過率（％）を示している。太線（長波長側の線）は、４３度の入射角のときの光学特性を示しており、細線（短波長側の線）は、４５度の入射角のときの光学特性を示している。

（実施例２）
第２の薄膜として、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜に代えて、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜を形成する以外は、上記実施例１と同様に波長分離膜を形成した。Ｓｉ薄膜の各厚み、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。図６に光学特性を示した。

（実施例３）
第２の薄膜として、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜に代えて、Ａｌ_２Ｏ_３薄膜を形成する以外は、上記実施例１と同様に波長分離膜を形成した。Ｓｉ薄膜の各厚み、Ａｌ_２Ｏ_３薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。図７に光学特性を示した。

（実施例４）
第２の薄膜として、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜に代えて、ＺｒＯ_２薄膜を形成する以外は、上記実施例１と同様に波長分離膜を形成した。Ｓｉ薄膜の各厚み、ＺｒＯ_２薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。図８に光学特性を示した。

（比較例１）
第２の薄膜として、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜に代えて、ＴｉＯ_２薄膜を形成する以外は、上記実施例１と同様に波長分離膜を形成した。Ｓｉ薄膜の各厚み、ＴｉＯ_２薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。図９に光学特性を示した。

（比較例２）
第２の薄膜として、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜に代えて、ＳｉＯ_２薄膜を形成する以外は、上記実施例１と同様に波長分離膜を形成した。Ｓｉ薄膜の各厚み、ＳｉＯ_２薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。図１０に光学特性を示した。

（比較例３）
ガラス基板の上に、第１の薄膜としてＴｉＯ_２薄膜を形成し、第２の薄膜としてＳｉＯ_２薄膜を形成した。ＴｉＯ_２薄膜とＳｉＯ_２薄膜を交互に４４層積層した。ガラス基板の上にはＴｉＯ_２薄膜を形成し、最外層にはＳｉＯ_２薄膜を形成した。ＳｉＯ_２薄膜の各厚み、ＴｉＯ_２薄膜の各厚み及び波長分離膜全体の厚みは表１に示す通りであった。光学特性を評価し、図１１に示した。

なお、上記各実施例及び各比較例において用いた各薄膜の波長１４９０ｎｍにおける屈折率は、以下の通りである。

Ｓｉ薄膜：３．０８
Ｔａ_２Ｏ_５薄膜：２．１４
Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜：２．２３
Ａｌ_２Ｏ_３薄膜：１．６０
ＺｒＯ_２薄膜：２．０２
ＴｉＯ_２薄膜：２．３１
ＳｉＯ_２薄膜：１．４５
本発明に従う実施例１〜４の光学特性を示す図５〜図８と、比較例１〜３の光学特性を示す図９〜図１１を比較すると、本発明に従う実施例１〜４においては、４３度の光学特性を示す曲線と４５度の光学特性を示す曲線のシフト幅が比較例２（図１０）及び比較例３（図１１）と比べ小さくなっていることがわかる。特に、第２の薄膜としてＴａ_２Ｏ_５薄膜、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜、及びＺｒＯ_２薄膜を用いた場合にシフト幅が著しく小さくなっていることがわかる。

また、実施例１〜４（図５〜図８）は、比較例１（図９）及び比較例３（図１１）に比べ、阻止帯域が広くなっていることがわかる。

Ｓｉ薄膜とＴｉＯ_２薄膜を積層した比較例１の波長分離膜においては、第１の薄膜と第２の薄膜の屈折率の差が小さいため、阻止帯域が狭くなっていることがわかる。

また、Ｓｉ薄膜とＳｉＯ_２薄膜を積層した比較例２においては、膜全体の屈折率が低くなっているため、光の入射角のずれによるシフト幅が大きくなっていることがわかる。

以上のように、本発明に従えば、積層する膜の総数を少なくすることができ、かつ積層する各膜の厚みを薄くすることができるので、波長分離膜全体の厚みを薄くすることができる。また、本発明によれば、光の入射角のずれによる透過帯域及び阻止帯域のシフト幅を小さくすることができ、かつ阻止帯域を従来よりも広くすることができる。

本発明に従う光通信用フィルタの一実施例である波長分離プリズムを示す模式的断面図。 図１に示す実施例の波長分離プリズムを用いた光送受信モジュールを示す模式的断面図。 本発明に従う光通信用フィルタの他の実施例である波長分離平板を示す模式的断面図。 図３に示す実施例の波長分離平板を用いた光送受信モジュールを示す模式的断面図。 本発明に従う実施例１の波長分離膜の光学特性を示す図。 本発明に従う実施例２の波長分離膜の光学特性を示す図。 本発明に従う実施例３の波長分離膜の光学特性を示す図。 本発明に従う実施例４の波長分離膜の光学特性を示す図。 比較例１の波長分離膜の光学特性を示す図。 比較例２の波長分離膜の光学特性を示す図。 比較例３の波長分離膜の光学特性を示す図。

符号の説明

１…波長分離プリズム
２，３…プリズム片
４…波長分離膜
５…波長分離平板
６…反射防止膜
７…透光性基板
１０…フェルール
１１…光ファイバ
１２…レンズ
１３…レーザーダイオード（ＬＤ）
１４…レンズ
１５…フォトダイオード（ＰＤ）

Claims (3)

1. 高屈折率材料からなる第１の薄膜と低屈折率材料からなる第２の薄膜とを交互に積層した構成を備える波長分離膜であって、
   前記第１の薄膜がＳｉ薄膜であり、前記第２の薄膜が、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜、Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜、ＺｒＯ_２薄膜、またはＡｌ_２Ｏ_３薄膜であることを特徴とする波長分離膜。
2. 請求項１に記載の波長分離膜を光の入射方向に対して傾斜して配置し、前記波長分離膜の透過帯域の波長の光を透過させ、阻止帯域の波長の光を反射させることを特徴とする光通信用フィルタ。
3. 前記波長分離膜が光入射方向に対して実質的に４５度に傾斜して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光通信用フィルタ。

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