JP4071996B2 - 光学薄膜フィルタ - Google Patents

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、特に直線歪みを軽減した光学薄膜フィルタに関する。
【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５に示すＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）、図６に示すＡＷＧ(Arrayed, Waveguide Grating)、図７に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５に示すＦＢＧにおいては、フィルタ端面４からの入射光はグレイティング部５で波長選択されて反射して反射光としてフィルタ端面４より取り出される。
【０００５】
図６に示すＡＷＧにおいては、入射波は分波部６で分波されて移相部７を通り、波長選択部８で波長分離されて取り出される。
【０００６】
図７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１、スペーサ２、反射鏡３を積層して構成され、各層に垂直に光が入射、透過する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す例は、ファイバーと同じ形状をしており、ファイバシステムに組み込み易いが、反射を利用することからフィルタ特性に制約がつき、また円柱状の構造であるためアレイ化するとかさばり、また製造過程が複雑で量産、低価格化が困難である。
【０００８】
また図６に示す例は、多チャネル化には適しているが、平面上の位置に関する分散を利用した原理であるため、信号が分散特性に束縛されて劣化しやすく、また平板構造に束縛され、熱などに対してクリティカルで不安定である、等の問題点がある。
【０００９】
さらに図７の光学フィルタは比較的単純な構造であり、熱的に安定で比較的低価格で実現できるが、設計法がまだ原始的であった。すなわち、反射鏡１、スペーサ２、反射鏡３を積層してキャビティとなる膜構成とし、透過振幅特性が最大平坦特性となるような層構成を見つけ出し、さらに波長選択特性を急峻にするには、この最大平坦特性のキャビティを単純な構成としながら経験則的に重ねなければなかった。
【００１０】
即ち図９に構造を、図８に特性をそれぞれ示すように、一般にガラス基板１２上に複数のキャビティ１４、１５、１６、１７を連絡層９、１０、１１を介して重ねるフィルタの場合、フィルタの中心の連絡層９から入力端側と出力端側とを見たときに、互いに軸対称、軸相反の層構造となる構造としながら、経験的に層構成を決めていた。
【００１１】
そして、全体の整合を取って反射を抑えるために空気との間に調整層１３を設け、その部分のみ軸対称、軸相反からずらした層構成にしていた。さらに上記条件を守りながら、経験的にスペーサ層２の厚みを変化させながら、群遅延特性の変化をなだらかにしている改善法もある。しかし、それは試行錯誤的なものでまた設計自由度が少なかった。
【００１２】
このように図９のフィルタは経験則で作成された単純な特性のものしか得ることができず、任意の振幅や位相あるいは郡遅延特性のフィルタなど複雑高度な特性のフィルタの実現が困難である。
【００１３】
以上のようにいずれのフィルタも問題点を有しているが、実際の使用条件とこれらの性質を総合的に判断してフィルタの種類が決められ、ＡＤＭが構成されていた。
【００１４】
一方、光ファイバー通信網の伝送容量は益々増加しており、Ｄ−ＷＤＭなど高容量のネットワークが実用化されるようになってきた。Ｄ−ＷＤＭにおいては、狭帯域の波長選択特性のフィルタが求められる。従来例に挙げた手法により狭帯域のフィルタを実現する試みがなされているが、フィルタの設計法がまだ原始的な段階であり、選択特性のみを満足しているが、分散による通過する光信号へ与える直線歪までは考慮されていない。そのため、フィルタの通過帯域外の阻止域の妨害信号を抑圧する選択特性はなんとか満たしても、フィルタを透過し選択抽出される希望信号に劣化を与えてしまう。
【００１５】
特にフィルタの通過帯域の全域を信号スペクトラムが占有するような高速、広帯域変調された光信号を選択抽出するような厳しい使用条件では、フィルタの分散特性が希望信号の大きな波形歪を引き起こす。その結果、復調される信号の品質が劣化する等の問題もある。
【００１６】
本発明者は上記従来技術における問題点に鑑み、簡単な構造で実現でき、熱などの使用条件に対し安定で、かつ信号の伝送特性をも考慮した合理的な設計法による分散の少ないフィルタを提案した。これは図１０に示すように４つのキャビティ１８、１９、２０、２１が連絡層２２、２３、２４を介してガラス基板１２に形成されたもので、その特性は図１１に示すように、群遅延時間が通過帯域で平坦であり、波形歪みを生じにくい。
【００１７】
このフィルタにおいては、図１２に示す等価回路から導く厳密な設計法により目的の特性を正確に実現できるが、フィルタ構造が複雑になり、それに伴い製造にも同様に厳密なプロセスが必要であり、専用の複雑かつ高精度な製造装置や製造プロセスのプログラムを新たに構築する必要があった。即ち、このフィルタは図１２に示される等価回路から導かれる層構造である為、図９より分かるように、おのおののキャビティ１８〜２１は独立した定数で決められる。その結果、フィルタの中心の連絡層２２から入力端側と出力端側とを見たときに、互いに軸対称、軸相反の構成とならず、製造により高度の技術が必要である。
【００１８】
本発明はこれに鑑みなされたものであり、従来の薄膜フィルタの設計、製造技術に僅かの修正を加えるだけで、波形歪みの特性を持つ光学薄膜フィルタを実現するものであり、フィルタの最大平坦の選択特性をある程度なだらかな特性となるように層構成を修正することで、群遅延偏差を減少させ、ある程度の波形歪みの低減効果を有する低価格な波長選択フィルタ素子さらにアドドロップモジュールを実現する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑みて本発明は、光学基板材料上に、反射鏡層およびスペーサ層からなる複数のキャビティー層と、このキャビティー層同士の間に配置される連絡層とを多段化して積層した帯域通過型の光学薄膜フィルタであって、少なくとも１つの前記反射鏡層の中の一層及び／又は連絡層に３層の等価屈折率層を有するか、さらに少なくとも１つの前記連絡層及び／又は前記スペーサ層が残りとは異なる厚みであるか、さらに少なくとも空気に接する最外層が１／４波長とは異なる厚みの調整層となっていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の光学薄膜フィルタは、−０．５ｄＢの通過帯域幅と−３ｄＢの通過帯域幅の比が１．５〜２．５の間であり、かつ中心波長におけるフィルタの挿入損失が０．５ｄＢよりも大きいことを特徴とする。
【００２１】
この結果、通過帯域内の群遅延偏差を抑圧し、波形歪をおさえた光学薄膜フィルタとなる。
【００２２】
【作用】
本発明の光学薄膜フィルタは、通過帯域の波長選択特性を振幅最大平坦から、ある程度なだらかな特性に修正することにより帯域内の群遅延の偏差を減少させ、フィルタを通過することで生じる信号の波形歪を軽減する低波形歪フィルタを低価格で実現するものである。これにより、従来の波長選択特性が平坦な光学フィルタと比較して低波形歪のフィルタを、また従来の低波形歪フィルタと比較してより低価格で低波形歪フィルタを実現でき、低価格で波形歪みの少ないアドドロップモジュールを実現できる。
【００２３】
【本発明の実施の形態】
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。
【００２４】
まず、図１に本発明の光学薄膜フィルタの具体例を示す。光学基板材料であるガラス基板１２上に反射鏡層３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９とスペーサ層２からなる複数のキャビティ層２５、２６、２７、２８と、連絡層２９、３０、３１とを交互に積層し、空気と接する最外層に調整層１３を設けてある。
【００２５】
そして、本発明の光学薄膜フィルタは、以下の３つの要件のうち、少なくとも一つを満足することを特徴とする。即ち、上記反射鏡層３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９及び／又は連絡層２９、３０、３１のうち少なくとも１つに３層の等価屈折率層を有しているか、または上記連絡層２９、３０、３１及び／又はスペーサ層２のうち少なくとも１つが残りとは異なる厚みであるか、少なくとも空気に接する最外層が１／４波長とは異なる厚みの調整層１３となっている。本発明の光学薄膜フィルタはこの３つの要件の少なくとも一つを満足すればよいが、全ての要件を満たすことがさらに好ましい。
【００２６】
また、本発明の光学薄膜フィルタは、−３ｄＢの通過帯域幅と−０．５ｄＢの通過帯域幅の比が１．５〜２．５の間であり、かつ中心波長におけるフィルタの挿入損失が０．５ｄＢよりも大きいことが好ましい。
【００２７】
図２に本発明の実施例の振幅特性を示す。中心波長のまわりでなだらかに減衰しており、最大値から−０．５の帯域幅をＢ、−３ｄＢの帯域幅Ｃとすると、本発明のフィルタは、上記帯域幅の比Ｃ／Ｂが１．５〜２．５の間となることが好ましい。比の値がこれ未満の場合は、群遅延時間の偏差が大きくなり波形歪みが無視できなくなる。また比の値がこれより大きい場合は設計、製造に特別な操作を必要とするか、または反射が大きくなり反射損が無視できなくなる。
【００２８】
図３に本発明の実施形態の群遅延時間の例を示す。振幅特性が前記の条件を満たしていれば、通過帯域内での群遅延時間の偏差Ｅは波形歪の発生を目的の値以下にできる値となる。
【００２９】
次に、図４に示すように、３層による等価屈折層とは、屈折率ｎ１、厚さｔ１の層４０、４１と、屈折率ｎ２、厚さｔ２の層４２を積層したものである。厚さｔ１とｔ２を適切に選ぶことで、この３層による等価屈折率層は屈折率がｎ１とｎ２の間で厚みがλ₀／４の層と狭帯域でほぼ等しい性質をもつことができる。この性質を利用して、上記反射鏡層３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９及び／又は連絡層２９、３０、３１のうち少なくとも１つに３層の等価屈折率層を有することで、任意の屈折率にすることができる。
【００３０】
本発明によるフィルタは、従来技術の振幅最大平坦フィルタを修正することで実現できる。図９に従来例の振幅最大平坦フィルタを示す。その特性は図８に示すように、振幅は最大平坦となっているが、群遅延時間はカットオフ周波数近辺で急激に上昇する。この群遅延のピークの為波形歪みが生じる。
【００３１】
これに対し図１０に示すフィルタの特性は、図１１から明らかなように群遅延時間は最大平坦であり波形歪みを生じないが、設計製造が図９の振幅最大平坦のフィルタよりもかなり難しくなる。これを解決して、設計製造が比較的容易で、低価格で実現でき、性能は図８と図１１の中間のものがあれば、使用目的、要求スペックによっては効果的なフィルタとなる。
【００３２】
本発明の特性の一例を図２に振幅特性、図３に群遅延特性を示すように、群遅延は図１１の群遅延最大平坦に比べるとピークの緩やかな双峰の特性を持ち、振幅特性は図８の振幅最大平坦にくらべ穏やかなロールオフ特性をもつ。光学薄膜フィルタの場合、こうした振幅特性と群遅延時間特性との関係は１対１で対応しており、どちらかが決まれば、それに応じてもう一方も決まる。従って、図８の特性と図１１の特性を両極端として、どちらかの振幅特性から出発して膜構成を修正しながらもう一方の振幅特性に近づけていくならば、それに対応して郡遅延特性ももう一方に近づいていく。
【００３３】
よって、本発明のフィルタの設計では、すでに膜構造、定数が知られている図９に示す振幅最大平坦フィルタを出発点として、膜構成を変えながら図１１の群遅延最大平坦フィルタの特性に近づけるものとする。これは理論的に厳密なものではないが、シミュレータなどで比較的小規模の演算処理で行える。
【００３４】
図９に示す振幅最大平坦フィルタは連絡層９に対し軸対称の形をしている。既に従来、この構造から出発して、変数として反射鏡層の厚さを変える方法は試みられている。本発明では、変数として、反射鏡層全体の膜数や膜の等価屈折率法による屈折率、連絡層の厚さや等価屈折率法により屈折率、さらに膜構成を修正変化させることにより生じる反射特性の劣化を抑える調整層を設けることを特長としている。
【００３５】
図１に示す本発明のフィルタにおいて、反射鏡層３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９の１つ以上のなかの層の数を変えながら振幅と群遅延が図２、図３の特性になるようにする。または、上述したように、反射鏡層３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９の中の一層を、あるいは連絡層２９、３０、３１のなかの１つ以上を図４に示す３層による等価屈折率層で置き換えることで同様の処理をすることができる。
【００３６】
あるいは、連絡層２９、３０、３１あるいはスペーサ層２のうち少なくとも一つの厚さを変えることでも同様の処理をすることができる。
【００３７】
以上の処理は図１２に示す等価回路の各素子の値を調整したことに相当し、振幅特性、群遅延時間の特性が調整された効果となる。即ち、図１２の等価回路はフィルタと同じ特性の回路であり、この等価回路をフィルタに合成することを本件出願人は先に提案したが、本発明では、厳密な設計製造手法によらずに、従来の振幅最大平坦のフィルタの膜構成を修正して、特性を見ながら目的の特性に近いフィルタ構成を決めるもので、逆に図１２の等価回路としてみると、フィルタ４４の定数を最大平坦の特性の定数から出発して、特性を見ながら定数を変えたことに相当している。
【００３８】
また、本発明のフィルタは、最外層反射鏡層３２の少なくとも空気に接する数層分の各層の厚さを１／４波長とは異なる値の多層膜である調整層１３とすることで反射を抑える。これは先の操作で図１２のフィルタ４４の定数を変えたことにより、負荷４３の条件が変わり、それに対応して負荷４３も調整したことに相当する。これらの処理により、フィルタの軸対称性が損なわれる部分が生じる。
【００３９】
振幅特性は最大平坦ではなくなる為、−０．５ｄＢと−３ｄＢの帯域幅の比Ｃ／Ｂにより振幅特性のロールオフの程度を規定するものとする。図１１に示す郡遅延最大平坦のフィルタにおいては−０．５ｄＢと−３ｄＢの帯域幅の比Ｃ／Ｂは１０程度である。これに対し，実用的に許される群遅延偏差は、中心周波数における群遅延値Ｄに対し、双峰のピーク値となる増加分Ｅが１０％程度であり、この状態では、−０．５ｄＢと−３ｄＢの帯域幅の比Ｃ／Ｂは２程度となる。
【００４０】
よって、図２に示すように目的のロールオフの特性は、−０．５ｄＢの通過帯域幅Ｂと−３ｄＢの通過帯域幅Ｃの比Ｃ／Ｂを１．５〜２．５とする。
【００４１】
この設計法では、反射の特性までは考慮しながら膜構造を調整していない為、反射特性が劣化する。調整層１３である程度は反射を抑えられるが、群遅延特性に無視できない影響を与えてしまうので反射を抑えきれない。その残留反射による透過特性の挿入損失は０．５ｄＢ以下にならない。そのため、本発明によるフィルタでは図２のＡに示すように０．５ｄＢ以上の挿入損失がある。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の光学フィルタモジュールによれば、光学基板上に、反射鏡層とスペーサ層からなる複数のキャビティー層と、連絡層とを多段化して積層した帯域通過型の光学薄膜フィルタであって、少なくとも１つの反射鏡層の中の一層及び／又は連絡層に３層の等価屈折率層を有するか、さらに少なくとも１つの連絡層及び／又はスペーサが残りとは異なる厚みであるか、さらに少なくとも空気に接する最外層を１／４波長とは異なる厚みの調整層とすることによって、従来の薄膜フィルタの設計、製造技術に僅かの修正を加えるだけで、波形歪みの特性を持つ光学薄膜フィルタを実現できる。
【００４３】
また、フィルタの最大平坦の選択特性をある程度なだらかに修正することで、群遅延偏差を減少させ、ある程度の波形歪みの低減効果を有する低価格な波長選択フィルタ素子さらにアドドロップモジュールを実現することができる。さらに、妨害信号を排除する一方で、希望信号に直線歪の劣化を与えないので、優れた通信品質を維持することができる光学フィルタモジュールを得ることができる。
【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】３層による等価屈折率膜構造を示す図である。
【図５】従来のＦＢＧを示す図である。
【図６】従来のＡＷＧを示す図である。
【図７】従来の光学薄膜フィルタを示す図である。
【図８】従来の振幅最大平坦フィルタの特性を示す図である。
【図９】従来の振幅最大平坦フィルタを示す図である。
【図１０】従来の群遅延最大平坦フィルタを示す図である。
【図１１】従来の群遅延最大平坦フィルタの特性を示す図である。
【図１２】フィルタの等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１、３、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９：反射鏡層
２：スペーサ層
４：入力端
５：グレーティング部
６：分波部
７：移相部
８：波長選択部
９、１０、１１、２２、２３、２４、２９、３０、３１：連絡層
１２：ガラス基板
１３：調整層
１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２５、２６、２７、２８：キャビティ
４０、４１：光学薄膜
４２：光学薄膜
４３：負荷抵抗
４４：低域通過フィルタ

Claims (3)

1. 光学基板材料上に、反射鏡層およびスペーサ層からなる複数のキャビティー層と、該キャビティー層同士の間に配置される連絡層とを多段化して積層した帯域通過型の光学薄膜フィルタであって、少なくとも１つの前記反射鏡層の中の一層及び／又は前記連絡層に３層の等価屈折率層を有することを特徴とする光学薄膜フィルタ。
2. 少なくとも１つの前記連絡層及び／又は前記スペーサ層が残りとは異なる厚みであることを特徴とする請求項１記載の光学薄膜フィルタ。
3. 少なくとも空気に接する最外層が１／４波長とは異なる厚みの調整層となっていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学薄膜フィルタ。

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