JP4305961B2 - 光フィルタを有する光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光フィルタを有する光モジュールに関する。

大容量の情報をより早く伝送する手段として、１つの光ファイバに複数の波長の光を伝送するＷＤＭ（wavelength division multiplexing）伝送が注目され、それに関わる数多くのシステム、光モジュール等が開発、製品化されている。ＷＤＭ伝送用光モジュールに関しては、集積化・小型化が可能な光導波路を使用した光合分波器に注目が集められており、この光合分波器は、光導波路と誘電体多層膜タイプの薄膜光フィルタとを組合せることによって波長を合分波させる構造を有している。ＷＤＭ伝送用光モジュールに例示されるように、従来、無機物等からなる高屈折率層と低屈折率層とを交互に多数積層した多層膜を光フィルタ（薄膜光フィルタ）として用いる光モジュールが知られている。

図６は、かかる光フィルタに光導波路のコアが斜めに接続された光モジュールを示す概略図である。図６に示すように、光モジュール１００は、互いにほぼ平行な入射面１０２と出射面１０４とを有する光フィルタ１０６と、入射面１０２に接続された入射側コア１０８と、出射面１０４に接続された出射側コア１１０と、入射側コア１０８及び出射側コア１１０の周りにそれぞれ配置されたクラッド１１２、１１３とを有している。入射側コア１０８は、入射軸線１０８ａを有し、入射軸線１０８ａと入射面１０２との交点である入射位置１１４において、所定の入射角θ_iをなすように入射面に接続されている。同様に、出射側コア１１０は、出射軸線１１０ａを有し、出射軸線１１０ａと出射面１０４との交点である出射位置１１６において、所定の出射角θ_oをなすように出射面１０４に接続されている。入射側コア１０８から入射した光は入射面１０２及び出射面１０４等で屈折して出射側コア１１０に出射されるので、入射軸線１０８ａと出射軸線１１０ａとは、出射面１０４において所定の距離Ｌだけずらされて配置されている。入射側コア１０８と出射側コア１１０の屈折率が等しく、クラッド１１２、１１３の屈折率が等しい場合、図６に示すように、入射角θ_iと出射角θ_oは等しくなる。

所定の距離Ｌを定めるのに、スネルの法則を用いる方法が知られている。図７は、スネルの法則の説明図である。図７に示すように、界面Ｓの入射側の屈折率ｎ₁と出射側の屈折率ｎ₂が異なるとき、界面Ｓにおける法線Ｓａにたいする光の入射角θ₁と出射角θ₂との間には、式６に示す関係がある。

図８は、スネルの法則を用いて距離Ｌを定めた光モジュールの概略図である。図８において、図６と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
図８に示すように、光モジュール１００’は、光フィルタ１０６’を有し、光フィルタ１０６’は、高屈折率層１０６Ｈと低屈折率層１０６Ｌを交互に界面１１８を介して多数積層した構造を有している。各高屈折率層１０６Ｈは、屈折率ｎ_Hを有し、各高屈折率層１０６Ｈの厚さを合計した厚さを、以下ｔ_Hと表す。各低屈折率層１０６Ｌは、屈折率ｎ_Lを有し、各低屈折率層１０６Ｌの厚さを合計した厚さを、以下ｔ_Lと表す。入射側コア１０８は、屈折率ｎ_iを有している。光フィルタ１０６’の入射面１０２、各界面１１８及び出射面１０４において、スネルの法則を適用することにより、スネルの法則に従って光が伝搬したときの出射面１０４における出射位置であるスネル出射位置１２０が求められる。

しかしながら、光の実際の出射位置が、スネルの法則によって求められた出射位置１２０と異なっていることが知られている（特許文献１参照）。図８に、光の実際の出射位置１３０に配置された出射側コア１３２を示す。特許文献１は、実際の出射位置１３０とスネル出射位置１２０との間の距離δを式７により定めている。

この式７で、Ａは、入射する光の波長ごとに定められた値であり、例えば、波長が１３００ｎｍのＳ偏波に対して、０．０６６〜０．０７５である。

特開２００５−３１３９８号公報

式７のＡは、高屈折率層１０６Ｈ及び低屈折率層１０６Ｌの屈折率及び厚さ等から定められる膜厚構成が予め決まっている光フィルタを実際にいくつか製作した後に求められた値である。従って、式７を全ての光フィルタに対して適用できるわけではなく、実際には、膜厚構成、特に膜厚構成比が変わった場合に適用できない。膜厚構成比とは、高屈折率層の総膜厚と低屈折率層の総膜厚との比である。
また、光の波長が異なれば、δが異なる値となるので、１つの波長に出射位置１３０が合っているとしても、その出射位置１３が別の波長では合わないことになる。その結果、出射位置が合わない波長の光の損失が大きくなり、光の多重伝送を行うに問題が生じ得る。

そこで、本発明の第１の目的は、膜厚構成を定める設計段階において全ての光フィルタに適用可能な、光フィルタを有する光モジュールの出射側コアの出射位置を定める方法及びその方法により出射側コアの出射位置が定められた光モジュールを提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、光フィルタを有し且つ光の多重伝送に許容される光モジュールを提供することにある。

本発明は、出願人が、出射側コアの出射位置を設計段階で定めること可能にするために鋭意努力し、出射位置が光フィルタの群遅延と深く関連していることを見出したことに基づく発明である。
本発明の目的を達成するために、本発明による光モジュールは、入射面及び出射面を有し且つ多層膜からなる光フィルタと、入射面に接続された入射側コアと、出射面に接続された出射側コアとを有し、入射側コアは、入射軸線を有し、入射軸線と入射面とは入射位置において斜めに交差し、出射側コアは、出射軸線を有し、出射軸線と出射面とは出射位置において交差し、入射位置から入射した所定の波長の光がスネルの法則に従って伝搬して出射面から出射される位置をスネル出射位置とし、光フィルタの等価屈折率をｎ_fとし且つ入射面における等価出射角をθ_fとし、光フィルタの群遅延をＧＤとし、光速度をｃとし、αを定数としたとき、出射位置は、入射位置から遠ざかる方向にスネル出射位置と距離Ｄ_f離れ、この距離Ｄ_fは、

であり、定数αは、３〜１４であることを特徴としている。定数αの値は、好ましくは５〜１２であり、より好ましくは７〜１０であり、更に好ましくは８〜９である。

このように構成された光モジュールによれば、設計段階において、光フィルタの構成が定まれば、入射位置とスネル出射位置との間を所定の光が直線で伝搬する等価光フィルタにおける等価屈折率ｎ_f及び入射面における等価出射角をθ_fを算出することができると共に、光フィルタの群遅延も算出することができる。その結果、設計段階において、出射側コアの出射位置が定められた光モジュールを提供することができる。

この光モジュールの実施形態において、好ましくは、出射位置とスネル出射位置との間の距離Ｄ_fは、光フィルタに入射される少なくとも２つの所定の波長の光に対して同じである。
この光モジュールでは、少なくとも２つの所定の波長の光に対して、入射位置と出射位置が同じになる。光の多重伝送に許容される光モジュールを提供することができる。

また、本発明の目的を達成するために、本発明による光モジュールは、入射面及び出射面を有し且つ多層膜からなる光フィルタと、入射面に接続された入射側コアと、出射面に接続された出射側コアとを有し、入射側コアは、入射軸線を有し、入射軸線と入射面とは入射位置において斜めに交差し、出射側コアは、出射軸線を有し、出射軸線と出射面とは出射位置において交差し、入射位置から入射した少なくとも２つの波長の光の前記出射面における出射位置が実質的に同一であることを特徴としている。
このように構成された光モジュールは、光の多重伝送に許容される。

また、本発明の目的を達成するために、本発明による方法は、入射面及び出射面を有し且つ多層膜からなる光フィルタと、入射面に接続された入射側コアと、出射面に接続された出射側コアとを有し、入射側コアは、入射軸線を有し、入射軸線と入射面とは入射位置において斜めに交差し、出射側コアは、出射軸線を有し、出射軸線と出射面とは出射位置において交差する光モジュールの出射位置を定める方法であって、入射位置から入射した所定の光がスネルの法則に従って伝搬して出射面から出射されるスネル出射位置を定める段階と、光フィルタの等価屈折率ｎ_fと入射面における等価出射角θ_fとを定める段階と、出射位置とスネル出射位置との間の距離Ｄ_fを式

よって定める段階と、を有し、ここで、ＧＤは群遅延、ｃは光速度、αは３〜１４の定数であり、更に、出射位置を、入射位置から遠ざかる方向にスネル出射位置と距離Ｄ_f離れた位置に定める段階と、を有することを特徴としている。定数αの値は、好ましくは５〜１２であり、より好ましくは７〜１０であり、更に好ましくは８〜９である。

本発明により、設計段階で全ての光フィルタに適用可能な、光フィルタを有する光モジュールの出射側コアの出射位置を定める方法及びその方法により出射側コアの出射位置が定められた光モジュールを提供することができる。
また、本発明により、光フィルタを有し且つ光の多重伝送に許容される光モジュールを提供することができる。

上述したように、本発明は、光フィルタの群遅延に着目してなし得た発明である。光フィルタの群遅延は、伝搬光が光フィルタの中に余分に閉じ込められる時間である。図１は、光の波長に対する光フィルタの透過率及び群遅延ＧＤの関係の一例を示す図である。図１に示すように、光フィルタの群遅延ＧＤは、伝搬定数を角周波数で微分して伝搬距離を掛けることにより算出可能である。例えば、図１では横軸を波長とした場合を示し、図１より、光フィルタの透過率が変化する程度に合わせて群遅延ＧＤが発生することが分かる。

以下、図面を参照して、本発明による光モジュールを説明する。図２は、本発明による光モジュールを示す概略図である。図２に示すように、光モジュール１は、互いにほぼ平行な入射面２及び出射面４を有する光フィルタ６と、入射面２に接続された入射側コア８と、出射面４に接続された出射側コア１０と、入射側コア８及び出射側コア１０の周りにそれぞれ配置されたクラッド１２、１３とを有している。入射側コア８は、入射軸線８ａ及び屈折率ｎａを有している。入射軸線８ａと入射面２とは、それらの交点である入射位置１４において、入射軸線８ａが入射面２の法線２ａに対して入射角θａをなすように斜めに交差している。同様に、出射側コア１０は、出射軸線１０ａ及び屈折率ｎｂを有している。出射軸線１０ａと出射面４とは、それらの交点である出射位置１６において、出射軸線１０ａが出射面４の法線４ａに対して出射角θｂをなすように斜めに交差している。
入射側コア８と出射側コア１０の屈折率が等しく、クラッド１２、１３の屈折率が等しい場合、入射角θａと出射角θｂは等しくなる（図示せず）。

光フィルタ６は、高屈折率層６Ｈ１、６Ｈ２、・・・、６Ｈｎと低屈折率層６Ｌ１、Ｌ２、・・・、６Ｌｎを交互に界面１８を介して多数積層した多層膜からなる。高屈折率層６Ｈ１、６Ｈ２、・・・、６Ｈｎはそれぞれ、厚さｔＨ１、ｔＨ２、・・・、ｔＨｎを有し、共通の屈折率ｎＨを有している。同様に、低屈折率層６Ｌ１、６Ｌ２、・・・、６Ｌｎはそれぞれ、厚さｔＬ１、ｔＬ２、・・・、ｔＬｎを有し、共通の屈折率ｎＬを有している。
入射位置１４から入射した所定の波長の光がスネルの法則に従って伝搬して出射面４から出射される位置をスネル出射位置２０とする。出射位置１６は、入射位置１４から遠ざかる方向にスネル出射位置２０と距離Ｄ離れている。また、法線２ａと出射面４の交点を入射対応位置２２とする。

図３は、図２の光モジュールと等価な光モジュールの概略図である。図２と共通の構成要素には、同じ参照符号を付し、その説明を省略する。図３の等価光モジュール１’は、光フィルタ６’が高屈折率層６Ｈと低屈折率層６Ｌの２層からなる。高屈折率層６Ｈは、厚さｔ_H及び屈折率ｎ_Hを有する。厚さｔ_Hは、図１のｔ_H1、ｔ_H2、・・・、ｔ_Hnの合計と等しい。同様に、低屈折率層６Ｌは、厚さｔ_L及び屈折率ｎ_Lを有する。厚さｔ_Lは、図１のｔ_L1、ｔ_L2、・・・、ｔ_Lnの合計と等しい。

図３において、高屈折率層６Ｈ内におけるスネルの法則に従う光の経路をＬＨで示し、低屈折率層６Ｌ内におけるスネルの法則に従う光の経路をＬＬで示す。光の経路ＬＨの入射面２における出射角θ_H及び光の経路ＬＬの界面１８における出射角θ_Lは、式１に示す関係から計算される。また、スネルの法則により計算される光の出射位置２０と出射側コア１０出射位置１６との間の距離Ｄ_HLは、式２により計算される。式２において、ＧＤは、群遅延であり、ｃは、光速度であり、α₁とα₂は、定数である。α₁とα₂の値は３〜１４でそれぞれ別個に定められ、好ましくは５〜１２であり、より好ましくは７〜１０であり、更に好ましくは８〜９である。

図４は、図２及び図３の光モジュールと等価な光モジュールの概略図である。図２と共通の構成要素には、同じ参照符号を付し、その説明を省略する。図４の等価光モジュール１”は、等価光フィルタ６”を有し、等価光フィルタ６”は１つ層からなる。等価光フィルタ６”は、厚さｔ_f及び等価屈折率ｎ_fを有する。厚さｔ_fは、図１のｔ_H1、ｔ_H2、・・・、ｔ_Hn及びｔ_L1、ｔ_L2、・・・、ｔ_Lnの合計であり、即ち、ｔ_Hとｔ_Lの合計である。光フィルタ６”の等価屈折率ｎ_fは、式３により計算される。

図４において、入射位置１４から入射した所定の波長の光がスネルの法則に従って伝搬して出射面４におけるスネル出射位置２０から出射するとき、入射位置１４とスネル出射位置２０との間を所定の光が直線で伝搬する等価経路をＬＦで示す。光の等価経路ＬＦの入射面２における等価出射角θ_fは、式４に示す関係から計算される。出射側コア１０出射位置１６とスネル出射位置２０の間の距離Ｄ_fは、式５により計算される。式５において、ＧＤは、群遅延であり、ｃは、光速度であり、αは、定数である。αの値は３〜１４であり、好ましくは５〜１２であり、より好ましくは７〜１０であり、更に好ましくは８〜９である。出射位置１６は、入射位置１４から遠ざかる方向にスネル出射位置２０と距離Ｄ_f離れている。出射位置１６とスネル出射位置２０との間の距離Ｄ_fは、光フィルタ６に入射される少なくとも２つの所定の波長の光に対して同じであることが好ましい。

光モジュール１、１’、１”において、入射側コア８の入射位置１４から入射した光は、光フィルタ６、６’、６”を伝搬して、出射側コア１０の出射位置１６から出射される。

次に、光モジュールの設計方法を、光の波長１３１０ｎｍ、１４９０ｎｍ、１５５０ｎｍの光を伝搬させる場合を例にあげて説明する。光フィルタ６は波長１３１０ｎｍと波長１４９０ｎｍを透過し、波長１５５０ｎｍを反射するＳＰＦ（shortwave length pass filter）を使用する。
光フィルタ６の膜厚構成がいったん定まったら、式３及び式４を用いて、等価屈折率ｎ_f及び等価出射角θ_fを算出する。また、光フィルタ６を透過する波長１３１０ｎｍ及び波長１４９０ｎｍに対応する角周波数から、光フィルター６についてのそれぞれの波長の群遅延ＧＤを算出する。算出した等価屈折率ｎ_f、等価出射角θ_f、群遅延ＧＤを式５に代入して、距離Ｄ_fを算出する。
光の波長１３１０ｎｍ、１４９０ｎｍに対応する距離Ｄ_fが異なっていたら、距離Ｄ_fが同じになるように光フィルタ６の群遅延ＧＤの値を調整する。具体的には、図１において、透過率が急激に変化し始める波長λ及び／又は波長の変化に対する透過率の変化率（傾き）Ｐを変化させるように、光フィルタ６の特性（膜厚構成）を調整する。
それにより、入射位置１４から入射した１３１０ｎｍ及び１４９０ｎｍの両方の波長の光が出射位置１６から出射する。

光フィルタ６の種類をＳＰＦとし、波長１３１０ｎｍと波長１４９０ｎｍの群遅延を調整して、両方の波長の光に対して距離Ｄ_fが同じになるようにした光フィルタ６を使用した場合、両波長とも低損失な特性を得ることができた。

図５は、図２の光モジュールの光フィルタ６と入射側コア８及び出射側コア１０との間に接着剤を介在させた光モジュールの概略図である。光モジュール５０の入射側コア８と入射面２との間、及び、出射面４と出射側コア１０との間にそれぞれ、接着剤５２、５４が介在している。接着剤５２、５４はそれぞれ、入射面２’及び出射面４’を有すると共に、屈折率ｎｃを有している。入射軸線８ａと入射面２’とは、それらの交点である入射位置１４において、入射軸線８ａが入射面２’の法線２ａに対して入射角θａをなすように斜めに交差している。同様に、出射軸線１０ａと出射面４’とは、それらの交点である出射位置１６において、軸線１０ａが出射面４’の法線４ａに対して出射角θｂをなすように斜めに交差している。入射位置１４から入射した所定の波長の光がスネルの法則に従って伝搬して出射面４’から出射される位置をスネル出射位置２０とする。
図５に示す光モジュール５０において、接着剤５２、５４内を伝搬する光には、スネルの法則を適用し、光フィルタ６内を伝搬する光には、図２〜図５を参照して説明した計算方法を適用することによって、出射位置１６とスネル出射位置２０との間の距離Ｄ、Ｄ_HL、Ｄ_fを求めることができる。

次に、特許文献１に記載された光モジュールの計算結果を示す。光の波長が１３００ｎｍ、１４９０ｎｍ、１５００ｎｍのときの、入射側コア１０８の屈折率ｎ_i、高屈折率層１０６Ｈの屈折率ｎ_H、低屈折率層１０６Ｌの屈折率ｎ_L、及びｔ_H＝６μｍ、ｔ_L＝１２μｍ、θ_i＝８°としたときに式７を用いて計算した距離δを表１に示す。表１から分かるように、光の波長に応じて、距離δが大きく変化し、２つ以上の波長の光を低損失で伝搬させるのに適していないことが分かる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
上記実施形態では、入射面２が高屈折率層６Ｈ１で構成され、出射面４が低屈折率層６Ｌｎで構成されていたが、入射面２が低屈折率層６Ｌ１で構成されていてもよいし、出射面４が高屈折率層６Ｈｎで構成されていてもよい。
入射側コア８の屈折率と出射側コア１０の屈折率は同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、入射側のクラッド１２の屈折率と出射側のクラッド１３の屈折率は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、入射側コアと出射側コアとしては、光導波路、光ファイバー等のコアが利用可能である。例えば、入射側のコア８とクラッド１２の組合せがガラスブロック付き光ファイバで、出射側のコア１０とクラッド１３の組合せが光導波路であってもよい。

光フィルタの透過率と群遅延の関係の一例を示す図である。 本発明による光モジュールを示す概略図である。 図２の光モジュールと等価な光モジュールの概略図である。 図２の光モジュールと等価な光モジュールの概略図である。 図２の光モジュールに接着剤を介在させた光モジュールの概略図である。 光フィルタに光導波路のコアが斜めに接続された従来の光モジュールを示す概略図である。 スネルの法則の説明図である。 スネルの法則を用いて距離Ｌを定めた光モジュールの概略図である。

符号の説明

１、１’、１”、５０ 光モジュール
２、２’ 入射面
４、４’ 出射面
６ 光フィルタ
６” 等価光フィルタ
８ 入射側コア
８ａ 入射軸線
１０ 出射側コア
１０ａ 出射軸線
１４ 入射位置
１６ 出射位置
２０ スネル出射位置
ｃ 光速度
Ｄ_f 距離
ＧＤ 群遅延
ｎ_f 等価屈折率
θ_f 等価出射角

Claims (2)

1. 入射面及び出射面を有し且つ多層膜からなる光フィルタと、前記入射面に接続された入射側コアと、前記出射面に接続された出射側コアとを有し、前記入射側コアは、入射軸線を有し、前記入射軸線と前記入射面とは入射位置において斜めに交差し、前記出射側コアは、出射軸線を有し、前記出射軸線と前記出射面とは出射位置において交差する光モジュールの前記出射位置を定める方法であって、
   前記入射位置から入射した所定の光がスネルの法則に従って伝搬して前記出射面から出射されるスネル出射位置を定める段階と、
   前記光フィルタの等価屈折率ｎ_fと前記入射面における等価出射角θ_fとを定める段階と、
   前記出射位置と前記スネル出射位置との間の距離Ｄ_fを式
   

   

   によって定める段階と、を有し、ここで、ＧＤは群遅延、ｃは光速度、αは３〜１４の定数であり、
   更に、前記出射位置を、前記入射位置から遠ざかる方向に前記スネル出射位置と距離Ｄ_f離れた位置に定める段階と、を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法によって定めた前記出射位置に前記出射側コアを配置することを含む、前記光モジュールを製造する方法。

Images