JP2009053460A - 波長フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の波長フィルタのパスバンドの中心波長は構成部品である光導波路部材の長さ及び屈折率で決まり、光導波路部材の長さのばらつきがそのまま中心波長のばらつきとなるため、極めて高精度の全長制御が必要である。そのため、従来のエタロン波長フィルタの製造には高精度の組み立て技術が求められ、製造が困難という課題もあった。本発明は、部品数が少なく、高度な製造技術が不要で製造コストが低減でき、パスバンド中心波長の設定に対する汎用性が高く、温度依存性が小さい波長フィルタを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る波長フィルタは、エタロンとして、シングルモードファイバの先端に屈折率分布型レンズを取り付け、その前面に誘電体多層膜ミラーを配置して、これを対向させることとした。
【選択図】図７

Description

本発明は、シングルモードファイバを対向させたファブリペローエタロンの波長フィルタに関するものである。

従来のファブリペローエタロンの波長フィルタは、図１のように、内部にファイバが挿入されたフェルールである光導波路部材１４の両端に反射膜１６を直接成膜し、これを円筒スリーブ１５に挿入し、両側から光ファイバ１１がフェルール１２に挿入された光ファイバプラグ１３で挟んだ構造である（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００７−１２１７８７号公報

しかし、従来のファブリペローエタロン（以下、「ファブリペローエタロン」を「エタロン」と略記する。）の波長フィルタは、特許文献１のように構成部品が多く製造コストがかさむという課題があった。

また、従来の波長フィルタのパスバンドの中心波長は構成部品である図１の光導波路部材１４の長さ及び屈折率で決まり、光導波路部材１４の長さのばらつきがそのまま中心波長のばらつきとなるため、極めて高精度の全長制御が必要である。そのため、従来のエタロン波長フィルタの製造には高精度の製造技術が求められ、製造が困難という課題もあった。

さらに、光導波路部材１４は、波長フィルタのパスバンドの中心波長に応じた長さで作られており、パスバンド毎の専用品のため、波長フィルタのパスバンドの中心波長を変更することが困難で汎用性に課題があった。また、環境温度が変化した場合、光導波路部材１４の屈折率や熱膨張収縮による長さの変化により、パスバンドの中心波長の温度依存性が大きいという課題もあった。

そこで、前記課題を解決するため、本発明は、部品数が少なく、高度な製造技術が不要で製造コストが低減でき、パスバンド中心波長の設定に対する汎用性が高く、温度依存性が小さい波長フィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る波長フィルタは、エタロンとして、シングルモードファイバの先端に屈折率分布型レンズを取り付け、その前面に誘電体多層膜ミラーを配置して、これを対向させることとした。

具体的には、本発明に係る波長フィルタは、中心軸から外周に向けて屈折率が低減する屈折率分布型レンズと、前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の一端に取り付けられた誘電体多層膜ミラーと、前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の他端に互いの光軸が揃うように接続されたシングルモード光ファイバと、を有する導波路２つで形成された光学系を備える波長フィルタであって、前記光学系は、前記導波路の前記誘電体多層膜ミラーがギャップを介して対向しており、一方の前記導波路を伝搬する光の一部を前記ギャップを介して他方の前記導波路に結合することを特徴とする。

本発明に係る波長フィルタは、エタロンを屈折率分布型レンズの先端に付した誘電体多層膜ミラーで構成している。そのため、高度の製造技術が求められ、パスバンド中心波長の設定に対する汎用性が低く、温度依存性が高かった図１の光導波路部材１４が不要である。さらに、光ファイバプラグ１３も不要であり、構成部品を少なくすることができる。また、導波路間のギャップを調整することでパスバンドの中心波長を容易に変更することができる。

従って、本発明は、部品数が少なく、高度な製造技術が不要で製造コストが低減でき、パスバンド中心波長の設定に対する汎用性が高く、温度依存性が小さい波長フィルタを提供することができる。さらに、屈折率分布型レンズを備えることで、導波路間のギャップの長さ、光軸ずれ及び角度ずれに対する許容範囲が広くなる。

本発明に係る波長フィルタは、前記導波路が両端から挿入され、内部で前記光学系が形成されるキャピラリをさらに備え、前記光学系の前記導波路は、それぞれ前記キャピラリ内に固定されることが好ましい。

導波路を寸法精度の高いキャピラリに挿入することで、屈折率分布型レンズによる調芯許容範囲の広さから特に調芯を必要とせず、十分に実用範囲の結合損失を得ることができる。そのため、高度な組み立て技術を全く用いないで容易にコリメート光学系を形成できる。従って、キャピラリを備えることで、無調芯で波長フィルタを組み立てでき、高歩留まりとすることができる。

本発明に係る波長フィルタは、前記誘電体多層膜ミラー間のギャップに封入された不活性ガスと、前記キャピラリの温度を制御する温度制御手段と、をさらに備えることが好ましい。ギャップ内部を不活性ガスで封止すると外部環境（特に湿度）の変化にして安定したエタロンが構成できる。さらに、温度制御手段でキャピラリの温度を一定にすれば、完全に温度無依存の波長フィルタとすることができる。

本発明に係る波長フィルタは、前記導波路が両端から挿入され、内部で前記光学系が形成されるキャピラリと、前記キャピラリの一端に接続された負の膨張係数の伸縮部材と、をさらに備え、前記光学系の一方の前記導波路は前記伸縮部材に固定されており、前記光学系の他方の前記導波路は前記キャピラリ内に固定されていることが好ましい。

本発明に係る波長フィルタは、キャピラリの伸縮方向とキャピラリに直列に接続された伸縮部材の伸縮方向とが逆であるため、全体として熱変動による導波路間のギャップ（キャビティ長）の変化をキャンセルすることができる。

本発明に係る波長フィルタは、前記導波路が両端から挿入され、内部で前記光学系が形成されるキャピラリと、前記キャピラリの一端に接続され、前記キャピラリ内部に挿入する挿入部を有する正の膨張係数の伸縮部材と、をさらに備え、前記光学系の一方の前記導波路は前記伸縮部材の前記挿入部に固定されており、前記光学系の他方の前記導波路は前記キャピラリ内に固定されていることが好ましい。

本発明に係る波長フィルタは、キャピラリに挿入された伸縮部材の伸縮方向がキャピラリの伸縮方向と逆であるため、全体として熱変動による導波路間のギャップ（キャビティ長）の変化をキャンセルすることができる。

本発明に係る波長フィルタの前記キャピラリは、内部に形成される前記光学系が複数であってもよい。

１つの波長フィルタで複数の光学系をもつことができ、部品数の低減を図ることができる。

本発明によれば、高度な組み立て技術が不要で製造コストが低減でき、要求されるパスバンド中心波長の設定に対する汎用性が高く、温度依存性が小さい波長フィルタを提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。

（実施の形態１）
図２は、本実施形態の波長フィルタ３０１の構成を示す図である。波長フィルタ３０１は、中心軸から外周に向けて屈折率が低減する屈折率分布型レンズ５１と、屈折率分布型レンズ５１の中心軸方向の一端に取り付けられた誘電体多層膜ミラー５２と、屈折率分布型レンズ５１の中心軸方向の他端に互いの光軸が揃うように接続されたシングルモード光ファイバ５３と、を有する導波路６１を２つで形成された光学系を備える。この光学系は、導波路６１の誘電体多層膜ミラー５２がギャップＬｃを介して対向しており、一方の導波路６１を伝搬する光の一部がギャップＬｃを介して他方の導波路６１に結合することを特徴とする。

屈折率分布型レンズ５１は、例えば、ＧＲＩＮレンズ又はグレーデッドインデックスファイバを一定の長さで切り出したものである。誘電体多層膜ミラー５２は、例えば、ハーフミラーである。ＳｉＯ_２やＴｉＯ_２を蒸着又はスパッタすることで形成できる。

導波路６１は、シングルモード光ファイバ５３の先端に屈折率分布型レンズ５１を融着接続した後に、屈折率分布型レンズ５１を適当な長さでカットして製造する。屈折率分布型レンズ５１の屈折率分布と長さを適当にするとシングルモード光ファイバ５３から屈折率分布型レンズ５１に入った光はコリメート光として導波路６１から出射される。２本の導波路６１の屈折率分布型レンズ５１を対向させると極めて結合損失の小さいコリメート光学系が構成できる。

対向させた屈折率分布型レンズ５１の両方の先端に誘電体多層膜ミラー５２を形成すると、エアギャップのエタロンが構成できる。最小損失を与える両誘電体多層膜ミラー５２間のギャップＬｃの距離は屈折率分布型レンズ５１の開口率（ＮＡ）や長さで決定されるが、レンズ作用のため光軸方向のギャップＬｃの距離が変化しても大きな損失変化が生じないという特徴がある。この結果、波長フィルタ３０１は、ギャップＬｃの距離を変化させることで、目的とするパスバンドの中心波長を容易に低損失のまま調整でき、パスバンド中心波長の設定に対する汎用性が高い波長フィルタとすることができる。

波長フィルタ３０１は、屈折率分布型レンズの先端でエタロンを構成するため、図１で説明した光導波路部材１４や光ファイバプラグ１３が不要である。波長フィルタ３０１は構成部品が少なく、製造コストを低減できる。また、波長フィルタ３０１は、光導波路部材１４や光ファイバプラグ１３を作る高度の製造技術が不要であり、製造が容易である。また、波長フィルタ３０１は、光導波路部材１４を使用しないため、モジュール構造を工夫することでパスバンドの中心波長の温度依存性も小さくすることができる。さらに、屈折率分布型レンズを備えたことによりギャップの長さ、光軸ずれ及び角度ずれに対する実装許容範囲が広がり、高度の組み立て技術が不要で製造が容易である。

シングルモード光ファイバ５３の径と屈折率分布型レンズ５１の径とは等しくなくてもよい。図３は、屈折率分布型レンズ５１の径の方が大きい場合の導波路６２で形成した波長フィルタ３０２を示している。図４は屈折率分布型レンズ５１の径の方が小さい場合の導波路６３で形成した波長フィルタ３０３を示している。また、図５、図６はそれぞれ屈折率分布型レンズ５１としてグレーデッドインデックスファイバを一定の長さで切り出したものを用いた波長フィルタ３０４、波長フィルタ３０５を示している。後述するキャピラリに図３の導波路６１及び図６の導波路６５を挿入する場合、屈折率分布型レンズ５１が入る大きさのキャピラリを選択する。図３の導波路６２、図４の導波路６３及び図６の導波路６５の場合、シングルモード光ファイバ５３と屈折率分布型レンズ５１とを融着させたときに、ふくらみが生じてもキャピラリへの挿入に影響しない。

（実施の形態２）
波長フィルタを容易に構成する方法として、キャピラリ内で導波路６１を対向させてエタロンを構成する方法がある。図７は、本実施形態の波長フィルタ３１１の構成を示す図である。波長フィルタ３１１は、導波路６１ａ及び導波路６１ｂの誘電体多層膜ミラーが互いに対向するようにキャピラリ７１に両端から挿入され、内部で前記光学系が形成される構成を備える。導波路６１ａ及び導波路６１ｂは図２で説明した導波路６１と同じ構成である。

キャピラリ７１は、内径寸法公差が小さい精密ガラスキャピラリが好ましい。キャピラリ７１に導波路６１ａ及び導波路６１ｂを挿入するので、キャピラリ７１の内径はシングルモード光ファイバ５３の外径より若干大きい。また、図４の波長フィルタ３０３のように屈折率分布型レンズ５１の外径は、シングルモード光ファイバ５３の外径より小さいことが好ましい。具体的には、シングルモード光ファイバ５３のコア径は１０μｍ、外径は１２５±０．５μｍである。キャピラリ７１の内径は１２６μｍ以上１２７μｍ以下である。

キャピラリ７１の両端から導波路６１ａ及び導波路６１ｂを挿入し、キャピラリ７１内部で誘電体多層膜ミラー５２を対向させてギャップＬｃを形成すると低損失のコリメート光学系が構成でき、エタロンが容易に構成できる。波長フィルタ３１１は、所望のパスバンド中心波長となるギャップＬｃとなるように導波路６１ａ及び導波路６１ｂをキャピラリ７１の内面に固定される。導波路６１ａとキャピラリ７１との固定部を接着層７６で示す。

導波路６１ａ、導波路６１ｂ、キャピラリ７１及び接着剤があれば、無調芯で簡単に波長フィルタを組み立てでき、低コストであるとともにパスバンドの中心波長を簡単に変えることができるために顧客の要求に合わせた製品の大量製造が可能となる。

（実施の形態３）
図８は、本実施形態の波長フィルタ３１２の構成を示す図である。波長フィルタ３１２と図７の波長フィルタ３１１との違いは、波長フィルタ３１２が温度制御手段７２を備え、ギャップＬｃに不活性ガスが封入されていることである。

シングルモード光ファイバ５３（石英ファイバ）及び屈折率分布型レンズ５１の熱膨張係数は０．５４×１０^−６／Ｋである。一方、キャピラリ７１（ガラスキャピラリ）の熱膨張係数は５．１×１０^−６／Ｋである。例えば、周囲温度が２５℃から８５℃まで変化したとき、２５℃のキャピラリ７１の長さを１０ｍｍとすると、温度上昇によるキャピラリ７１の伸びは３．０６μｍとなる。一方、導波路６１ａと導波路６１ｂとを合わせた伸びは０．３２μｍである。したがって、エタロンのギャップＬｃの長さは、２５℃で１０μｍにセットした場合、８５℃で２．７４μｍだけ伸びて１２．７４μｍとなる。このように、従来の波長フィルタが使用していた光導波路部材１４以外にも、環境温度上昇によるキャピラリ７１や導波路６１自身の伸びで、パスバンドの中心波長は変化する。

そこで、波長フィルタ３１２は、キャピラリ７１の温度を制御する温度制御手段７２を備える。温度制御手段７２は、例えば、ペルチェ素子である。温度制御手段７２により、キャピラリ７１、導波路６１ａ及び導波路６１ｂの温度は一定となる。従って、波長フィルタ３１２は、温度制御手段７２によりキャピラリ７１、導波路６１ａ及び６１ｂの伸縮を防ぎ、ギャップＬｃの長さを一定にすることで、パスバンドの中心波長を環境温度に無依存としている。さらに、ギャップＬｃ内部を不活性ガスで封止すると外部環境（特に湿度）の変化にして安定したエタロンが構成できる。不活性ガスは、例えば、窒素ガスである。波長フィルタ３１２は、パスバンドの中心波長が環境から影響を受けない安定した波長フィルタとすることができる。

（実施の形態４）
図９は、本実施形態の波長フィルタ３１３の構成を示す図である。波長フィルタ３１３と図７の波長フィルタ３１１との違いは、キャピラリ７１の一端に接続された負の膨張係数の伸縮部材７３を備えていることである。導波路６１ｂは伸縮部材７３に固定されており、導波路６１ａはキャピラリ７１内に固定されている。

図９の波長フィルタ３１３は、負の膨張係数の伸縮部材７３によりキャピラリ７１、導波路６１ａ及び導波路６１ｂの伸縮をキャンセルしてギャップＬｃの長さを一定にすることで、パスバンドの中心波長を環境温度に無依存としている。具体例を次に示す。

図９のように、キャピラリ７１の一方の端に一定の長さの伸縮部材７３を接着する。さらに、伸縮部材７３のキャピラリ７１との接着点と反対側で導波路６１ｂを接着している。ここで、キャピラリ７１との接着点と導波路６１ｂとの接着点との間の光軸方向の距離を伸縮部材７３の長さとする。セラミックを伸縮部材７３として使用できる。例えば、伸縮部材７３は、商品名 ＣＲＥＳＡＴ（日本電気硝子製）である。典型的なＣＲＥＳＡＴの熱膨張係数は−０．８２×１０^−６／Ｋである。ＣＲＥＳＡＴの長さを調整して温度変化分をキャンセルさせる。

例えば、先の例で示したように２５℃から８５℃への温度変化でギャップＬｃの長さが２．７４μｍ伸びた場合、２．７４μｍだけ収縮するようにするとギャップＬｃの長さは温度で変化せず、この結果パスバンドの中心波長も温度で変化しない。すなわち温度無依存の波長フィルタとすることができる。具体的には、ＣＲＥＳＡＴの長さを５．５６ｍｍとするとギャップＬｃの長さは温度無依存となる。この結果、温度無依存の波長フィルタが実現できた。なお、この５．５６ｍｍは接着部などを考慮せずに計算した値であり、実際のモジュールでは事前試作で温度無依存になる長さを実験的に求める必要がある。

（実施の形態５）
図１０は、本実施形態の波長フィルタ３１４の構成を示す図である。波長フィルタ３１４と図７の波長フィルタ３１１との違いは、キャピラリ７１の一端に接続され、キャピラリ７１内部に挿入する挿入部７４ｅを有する正の膨張係数の伸縮部材７４を備えていることである。導波路６１ｂは伸縮部材７４の挿入部７４ｅに固定されており、導波路６１ａはキャピラリ７１内に固定されている。

図１０の波長フィルタ３１４は、挿入部７４ｅの伸縮方向がキャピラリ７１の伸縮方向と逆の方向であることを利用している。波長フィルタ３１４は、正の膨張係数の伸縮部材７４によりキャピラリ７１、導波路６１ａ及び導波路６１ｂの伸びをキャンセルしてギャップＬｃの長さを一定にすることで、パスバンドの中心波長を環境温度に無依存としている。具体例を次に示す。

図１０のように、キャピラリ７１の一方の端から内部に挿入部７４ｅを挿入して伸縮部材７４をはめ込む。伸縮部材７４とキャピラリ７１との接着点はキャピラリ７１の一方の端である。伸縮部材７４と導波路６１ｂとの接着点は、挿入部７４ｅの先端である。ここで、キャピラリ７１との接着点と導波路６１ｂとの接着点との間の光軸方向の距離を素材７４の長さとする。伸縮部材７４の熱膨張による導波路６１ｂとの接着点の移動方向がキャピラリ７１の熱膨張による伸びの方向と逆であることを利用して、キャピラリ７１、導波路６１ａ及び導波路６１ｂの伸びをキャンセルしてギャップＬｃの長さを一定にする。例えば、キャピラリ７１の長さを１３．５８ｍｍとする。伸縮部材７４としてＳＵＳ３０３又はＳＵＳ３０４（熱膨張係数１７．３×１０^−６／Ｋ）を用いた場合、伸縮部材７４の長さを３．５８ｍｍとするとギャップＬｃの長さは温度無依存となる。この結果、温度無依存の波長フィルタが実現できた。なお、この３．５８ｍｍは接着部などを考慮せずに計算した値であり、実際のモジュールでは事前試作で温度無依存になる長さを実験的に求める必要がある。

キャピラリ７１と伸縮部材７４との接着部では温度変化で大きな応力を発生する。応力を緩和するための手段として、例えば伸縮部材７４の熱膨張係数をキャピラリ７１の値に近い値とし、伸縮部材７４の長さの伸縮量を大きくするために挿入部７４ｅの長さを長くしておく。また、応力を緩和するための他の手段として、接着層７６にＫＯＶＡＲなどキャピラリ７１に近い熱膨張係数の伸縮部材を利用することもできる。

（実施の形態６）
図１１は、本実施形態の波長フィルタ３１５の構成を示す図である。波長フィルタ３１５と図７の波長フィルタ３１１との違いは、キャピラリ９１の内部に形成される光学系が複数であることである。キャピラリ９１は図７で説明したキャピラリ７１と同様であるが、導波路を挿入する孔を２つ有している。キャピラリ９１の光軸方向に垂直な面での断面図を図１２に示す。キャピラリ９１は、例えば、直径１．８ｍｍであり、導波路を挿入する孔８２の内径が１２７μｍである。また、キャピラリ９１の孔８２は３つ以上であってもよい。さらに、キャピラリ９１の孔８２は図１３や図１４に示すように複数の導波路が差し込める形状であってもよい。

図１１では、両光学系ともギャップＬｃの長さを等しくしているが、互いに異なるギャップＬｃの長さとしてもよい。異なる中心波長のパスバンドをもつ波長フィルタとすることができる。波長フィルタ３１５の両光学系のギャップＬｃの長さを同じにして、図１５のように両光学系を直列に接続すれば、よりシャープなエッジを持つ波長フィルタが構成できる。直列接続にする手段は、図１５のようにファイバ間を融着接続する手段以外に、コネクタで接続する手段がある。

本発明の波長フィルタは、ギャップＬｃの長さを積極的に変化させることでパスバンドの中心波長を変化させる可変波長フィルタとすることができる。

従来の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの断面を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの断面を示した図である。 本実施形態の波長フィルタの断面を示した図である。 ２つの光学系をシングルモード光ファイバで接続した本実施形態の波長フィルタの構成を示した図である。

符号の説明

３０１〜３０５、３１１〜３１７：波長フィルタ
１１：光ファイバ
１２：フェルール
１２ａ：内孔
１３：光ファイバプラグ
１４：光導波路部材
１５：円筒スリーブ
１６：反射膜
３０：コア
３１：クラッド
５１：屈折率分布型レンズ
５２：誘電体多層膜ミラー
５３、５５：シングルモード光ファイバ
６１、６１ａ、６１ｂ、６２、６３、６４、６５：導波路
７１、９１：キャピラリ
７２：温度制御手段
７３：負の膨張係数を有する伸縮部材
７４：正の膨張係数を有する伸縮部材
７４ｅ：挿入部
７６：接着層
８２：孔
Ｌｃ：ギャップ

Claims (6)

1. 中心軸から外周に向けて屈折率が低減する屈折率分布型レンズと、
   前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の一端に取り付けられた誘電体多層膜ミラーと、
   前記屈折率分布型レンズの中心軸方向の他端に互いの光軸が揃うように接続されたシングルモード光ファイバと、
   を有する導波路２つで形成された光学系を備える波長フィルタであって、
   前記光学系は、前記導波路の前記誘電体多層膜ミラーがギャップを介して対向しており、一方の前記導波路を伝搬する光の一部を前記ギャップを介して他方の前記導波路に結合することを特徴とする波長フィルタ。
2. 前記導波路が両端から挿入され、内部で前記光学系が形成されるキャピラリをさらに備え、
   前記光学系の前記導波路は、それぞれ前記キャピラリ内に固定されることを特徴とする請求項１に記載の波長フィルタ。
3. 前記誘電体多層膜ミラー間のギャップに封入された不活性ガスと、
   前記キャピラリの温度を制御する温度制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の波長フィルタ。
4. 前記導波路が両端から挿入され、内部で前記光学系が形成されるキャピラリと、
   前記キャピラリの一端に接続された負の膨張係数の伸縮部材と、
   をさらに備え、前記光学系の一方の前記導波路は前記伸縮部材に固定されており、前記光学系の他方の前記導波路は前記キャピラリ内に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長フィルタ。
5. 前記導波路が両端から挿入され、内部で前記光学系が形成されるキャピラリと、
   前記キャピラリの一端に接続され、前記キャピラリ内部に挿入する挿入部を有する正の膨張係数の伸縮部材と、
   をさらに備え、前記光学系の一方の前記導波路は前記伸縮部材の前記挿入部に固定されており、前記光学系の他方の前記導波路は前記キャピラリ内に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長フィルタ。
6. 前記キャピラリは、内部に形成される前記光学系が複数であることを特徴とする請求項２から５に記載のいずれかの波長フィルタ。

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