JP4316504B2 - フラットトップ光フィルタ処理コンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、１つの波長を中心とする狭幅光スペクトル帯域の光の通過を許し且つこの帯域外の光を反射する、波長選択性の光フィルタ処理コンポーネントに関する。この狭幅光スペクトル帯域の中心周波数を電気的手段によって調整できる。

用語「光」は、広義に解釈されるものとし、詳しくは、下に述べるように赤外線中のスペクトル帯域を含み、本発明の主たる用途は、１．３〜１．６１ミクロンの種々の光ファイバ電気通信帯域における光のフィルタ処理である。

１．３〜１．６１ミクロンのこれら帯域の利点は、電気通信ネットワークに用いられるガラス製の現用光ファイバは減衰が低いという特性を有することに由来し、したがって光信号を非常に長い距離にわたって送信できることである。以下の記述においては、本発明をこのスペクトル帯域に関して説明するが、本発明は、必要が生じれば他の帯域についても、本記述と異なるこれら他の帯域に適した材料を用いてこれら他の帯域での使用に置き換えることも可能であることを理解されたい。又、本発明は電気通信の分野に限られるものではなく、例えば、石油化学産業分野（炭化水素検知器として）や生物学分野（血液分析における）等の、スペクトル分析を必要とするあらゆる分野に適用が可能である。

光ファイバ電気通信ネットワークにおいては何本かの光ファイバからなるケーブルを用いて何本かの異なる送信チャネルが生成される。同じ効果を得るために、データの時分割多重化を行うことも又可能である。しかし、ネットワークのデータレート容量を更に増大させるために、現在の傾向は、それぞれが１つのデータチャネルを定義するいくつかの波長の光を互いに独立して変調し、同一の光ファイバ上で同時に送信する方式である。ＩＴＵ（国際電気通信連合）規格６９２では、隣接するＮ個の規格化光周波数を中心とする１００ＧＨｚ幅の光スペクトル帯域を用いて隣接チャネルを定義することが提案されている。これら周波数の値は、１．５２〜１．６１ミクロンのＮ個の周波数に対応して、２００ＴＨｚ、１９９．９ＴＨｚ、１９９．８ＴＨｚ等である。この帯域の１つのチャネルでは、１０〜４０Ｇｂ／ｓの光変調が、直接隣接するスペクトル帯域のチャネルと干渉することについての過度の危険を冒すことなく可能である（この変調で占有される帯域幅を最小にするためにガウス型変調パルスを用いる）。この周波数分割多重化手法は又、ＤＷＤＭ（高密度波長分割多重方式）とも称される。

したがって、電気通信ネットワークにおいては問題は、所定のチャネルに対応する光を、近傍のチャネルにおける光を妨げずに収集できるかどうかということである。例えば、ネットワークにおけるチャネルｉへのデータ送信及び同チャネルからのデータ受信に割り当てられた送信ノードにおいては、中心周波数Ｆ_ｉ（波長λ_ｉ）の光の収集を、Ｆ_１ からＦ_Ｎの中心周波数を変調する光の送信を妨げることなく実行できなければならないが、これらの光周波数は非常に近接している。

これを実行するためには、中心周波数Ｆ_ｉ 及びこの周波数の両側にそれぞれ５０ＧＨｚ未満の狭幅内に位置する周波数を通過させ且つ他の帯域を阻止することができる高い光波長選択性を有する光フィルタ処理コンポーネントを生成する必要がある。このようなフィルタの出力部においては、チャネルｉからの光のみが収集され、この収集された光を復調することにより、有用なデータを収集するか、又はネットワークの別の枝路へ送ることができる。

より正確にいえば、光通信ネットワークに用いられるためにはフィルタ処理コンポーネントは２つの主要な特性を満足させる必要がある。
そのうちの一方の特性は、１つのチャネル内での変調最大値である。この変調最大値は実際には、多くて０．５ｄＢ程度でなければならない。この変調は文献でリプルとして知られるもので、問題のチャネルのスペクトル帯域にわたってフィルタ処理コンポーネントによって出力される信号の最大変化である。
他方の特性は、隣接する２つのチャネル間のアイソレーション最小値である。このアイソレーション最小値は実際には、少なくとも２０ｄＢ程度でなければならない。このアイソレーションは、問題のチャネルにおいてフィルタ処理コンポーネントによって出力される信号の最小振幅と、隣接するチャネルにおける最大振幅との間で計測される差異として定義される。

選択すべき波長λ_ｉ に関してその厚さが較正されるエアギャップによって相互に分離される半導体層を沈積製膜させることによって生成されるファブリペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計の原理で作動するフィルタ処理コンポーネントを用いることは既に提案されている。実際には、干渉計は、重合した誘電層からなる高反射係数の２つの鏡（ブラッグ・ミラー）で構成され、これら２つのミラーは、光学的厚さｋλ_ｉ／２ の透明板（透明板がエアギャップの場合には実際の厚さがｋλ_ｉ／２となる）によって分離される。ここで、ｋは干渉フィルタの規模を定義する整数である。これらのミラーはその間を分離する空間と共に一体として空洞と称される。特に問題の波長における透過性がよいこと、屈折率が高いこと、層厚をよく制御しながら層を成長させ得ること、及びＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層との間で選択的に微細加工（マイクロマシニング）する手法を使用し得ることから、燐化インジウム（ＩｎＰ）がこれらミラーの実施に非常に適する。

もし層厚及び層間の間隙が非常によく制御され且つ、もし材料に大きな屈折率差がある場合、このようなフィルタは、少数の層又はＩｎＰ／空気を有し、選択性が非常に高いことが判る。

このような構成は、論文「Highly Selective 1.55 micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter for optical communications」（A. Spisser等、Electronics Letters, N^o34(5), pages 453-454, 1998）に述べられている。微細加工されたシリコン製及びガリウムヒ素に基づく合金製の他の構成も提案されている。

単純なファブリペロー干渉計をフィルタ処理コンポーネントとして用いた場合に、本質的な制約が生じる。このようなコンポーネントでは、ＤＷＤＭ型の多重手法を用いる光通信ネットワークで用いる場合に、１つのチャネル内での最小リプルと、隣接する２つのチャネル間の充分なアイソレーションとを同時に達成することができない。この制約は、図１からよく理解る。図１においては、それぞれ反射率Ｒ_ａ及びＲ_ｂを有する２つのミラーａ及びｂが、ファブリペロー空洞を定義する。２つのミラーａ及びｂは、距離ｄだけ相互に離間される。光線が、フィルタ処理コンポーネントを入射角θで透過する。原理説明を簡単化するために、ミラーａ及びｂは無限と考える。対称的空洞（Ｒ_ａ＝Ｒ_ｂ＝Ｒ）という特例において、係数λ及びθはそれぞれ空洞内の光線の波長及び入射角を表す。その波長λの関数としての透過曲線Ｔ(λ)はエアリー関数で、次式で表現できる。

ここに、Ｍ＝４Ｒ／(１−Ｒ)^２ であり、ｎは空洞媒体の光インデックスである。

表記を簡単にするために、ここでは空気を挟む空気空洞を考える。もちろん、本発明は空気空洞に限られるものではなく、１と異なるインデックスｎを有するどのような光学材料を用いてもよい。

共鳴条件が満足されるとき、すなわち波長λ_ｐ に対してｄｃｏｓθ＝λ_ｐ／２ （ｐは干渉規模を表す整数）の場合、透過は最大であり、１００％に等しい。

フィルタとしてファブリペロー空洞が用いられる場合、干渉規模は固定できる。これで、連続する２つの透過ピークを隔てる間隔によって境界を設定される波長可変範囲を得ることが可能である。このインタバルは、自由スペクトルインタバル（ＦＳＩ）と称される。波長可変性は、空洞の長さｄを変化させることによって達成される。

単純なファブリペロー空洞の制約を例示するために、次の数値例が選択される。
・直入射（θ＝０）の波長λ：λ_０ ＝１５５０ｎｍ；
・干渉規模：ｐ＝４；
・空洞長さｄ_０＝２λ_０ ＝２×１５５０ｎｍ；
・Ｒ＝９９．６％。

目的は、上に述べたように、１００ＧＨｚだけ離れたチャネルと、チャネル帯域幅０．２ｎｍ（２５ＧＨｚ）に対応する１０Ｇｂ／ｓのデータレート（転送速度）を有する光通信用のフィルタを得ることである。

直入射におけるフィルタのスペクトル応答の形を図２に示す。λ_０ ＝１５５０ｎｍに中心が置かれている。これはローレンツ形で、信号の帯域幅全体の通過を許しそれ以外は全て遮断するという理想的なフィルタの形からは全く異なる。この場合、得られるリプル値は約０．７ｄＢで、要件とされる０．５ｄＢの特性をかろうじて満足しているが、隣接するチャネルに関する拒絶に関しては−１０ｄＢの規模であるため要件の−２０ｄＢを満足しない。したがって、エアリー関数に対応するピークの形は、意図した用途には不満足である。

本発明の目的は、ＤＷＤＭ周波数分割多重方式の手法を用いる光通信ネットワークで使用可能なファブリペロー空洞を用いたフィルタ処理コンポーネントを提案することにより上記の問題を解決することにある。本発明の原理は、スペクトル的にオフセットされたファブリペローフィルタの２つの伝達関数の乗法（掛け算）の効果に基づく。

より正確には、本発明の主題は、波長選択性の光フィルタ処理コンポーネントであって、所定の波長を中心とする狭幅光スペクトル帯域の光を透過でき且つこの帯域外の波長を有する光を反射でき、このコンポーネントの伝達関数が、スペクトル的にオフセットされたファブリペローフィルタの２つの伝達関数の乗法によって定義されるような波長選択性の光フィルタ処理コンポーネントである。このような波長選択性の光フィルタ処理コンポーネントは、ファブリペロー空洞；第１の入射角でこの空洞内へ放射光を搬送してこの空洞の第１の通過をなすための入力導波路；及びこの第１の通過の間にこの空洞を透過した放射光を戻して第２の入射角でこの空洞を通して第２の通過をなすための戻し手段；を含むこと、及び第２の入射角が第１の入射角と異なることを特徴とする。

本発明に基づくフィルタ処理コンポーネントによれば、波長の関数としてその透過曲線が狭幅光スペクトル帯域にわたる矩形形状を有するような光フィルタを生成することが可能になる。このような形の曲線を有するフィルタは、頂部平坦フィルタと称され文献において周知である。本発明によれば、このようなフィルタを特に簡単且つ廉価な方法で生成することが可能になる。

本発明は、例示的な一実施例についての詳細説明及び説明に関連する添付図面を参照することにより、よりよく理解される。その更なる利点も明らかになるであろう。

本発明によれば、伝達関数が、スペクトル的にオフセットされたファブリペローフィルタの２つの伝達関数の乗法によって定義されるような光フィルタ処理コンポーネントが生成される。後述の説明は、ファブリペロー空洞を１つだけ用いることによってこのスペクトル的オフセットを得ることが可能な一実施例に関するものである。

図３に示すように、光コンポーネントは、２つのミラーａ及びｂによって境界を設定されるファブリペロー空洞１、第１の入射角θ_１ で空洞１内へ放射光２を搬送して空洞１の第１の通過をなす入力導波路５、及び第１の通過の間に空洞１を透過した放射光を戻して第２の入射角θ_２ で空洞１の第２の通過をなすための戻し手段３、からなる。第２の入射角θ_２ は第１の入射角θ_１ と異なる。

有利には、戻し手段３は、戻し手段３内での比較的高度に結合された寄生反射を避けるために光アイソレータ４を含む。しかし、異なる２つの入射角θ_１ 及びθ_２ を有することがこの寄生反射を最小化するのに有利であり、入射角θ_１ 及びθ_２ の差が大きいほど効果も大きい。

本発明をよりよく理解するために、入射角が空洞１に及ぼす効果について述べる。式（１）から、入射角θに対して得られる透過ピークの波長λ(θ)を次式（２）で表すことができる。
λ(θ)＝λ_０ｃｏｓθ （２）
ここで、λ_０ ＝２ｄ／ｐ、λ_０はゼロ入射角θ_０ に対する透過ピークの波長、ｐは空洞の規模、ｄは２つのミラー間の距離である。

式（２）から、入射角θが増加するとフィルタの透過曲線は短い波長の方へオフセットされることが導き出される。その結果として、異なる入射角で空洞を２回通過することにより、スペクトル的にオフセットされたファブリペローフィルタの２つの伝達関数の乗法がまさに得られる。

より正確には、第１の通過の場合の透過Ｔ_１(λ) 及び第２の通過の場合の透過Ｔ_２(λ) は式（２）から定められる。これらの透過は、それぞれ次式で表されるλ_１ 及びλ_２ を中心としている。
λ_１ ＝λ_０ｃｏｓθ_１
λ_２ ＝λ_０ｃｏｓθ_２
ここで、λ_０ ＝２ｄ／ｐ（ｐ＝空洞の規模）である。

２回の通過に対する、全体としての透過（Ｔ_１、２(λ)で表す）は次式（３）で表すことができる。

この全透過Ｔ_{１，２（λ）}の一例を図４に示す。中心波長λ_ｃ は、λ_１ とλ_２ とが図上で交差する位置の波長に相当する。

θ_１ とθ_２ との差が減少すると、これらの曲線が互いに近接して中心波長に対するＴ_１、２(λ)が増大し、それぞれの透過Ｔ_１(λ)及びＴ_２(λ)に対する最大値に近づく。所定のファブリペロー空洞（所定の規模及び所定の反射係数）に対して、２つの入射角θ_１ 及びθ_２ が、１つの送信チャネルにおいてほぼ平坦な応答が得られるように、つまり矩形にできるだけ近い形の曲線が得られるように選択される。

有利には、この光コンポーネントは、放射光を空洞１内へ集束するためのレンズ７を含む。第１の放射光が入力導波路を出てレンズ７の方向に進み、第２の放射光が戻し手段を出てレンズ７の方向に進む。第１の放射光及び第２の放射光は、レンズ７の光軸８に概略平行であり、且つレンズ７の光軸８から横方向にオフセットされた位置にある。第１の放射光のオフセット距離は、第２の放射光のオフセット距離と異なる。この差により、異なる入射角θ_１ 及びθ_２を得ることが可能になる。

より正確に説明するため、図５に、各々が放射光を空洞１内へ搬送する入力導波路５及び６を含む一実施例を示す。導波路５は、第１の入射角θ_１ で空洞１の第１の通過をなすために用いられ、導波路６は、第２の入射角θ_２ で空洞１の第２の通過をなすために用いられる。光ファイバに非常に適した波長である１５００ｎｍ規模の波長用の導波路をガラス又はシリコンのシート上にフォトリソグラフィ手段により生成する方法が知られている。この手段によれば、１ミクロンよりもよい位置決め精度とイオン交換とが確保され、屈折率を局部的に修正することができる。導波路５及び６を生成するには他の手法も考えられる。例えば、２本の光ファイバを長さ方向に研磨してこれらの光ファイバのコアを隔てる距離を調整する手法である。

図５に示す実施例において入射角θ_１ 及びθ_２ は、焦点距離ｆの光集束手段７の前面で導波路５及び６を光集束手段７の光軸８に対して横方向に距離ｘ_１ 及びｘ_２ だけオフセットさせることによって得られる。光集束手段７は空洞１に対して、光集束手段７の焦点Ｆが空洞１のほぼ中心に位置するように配置される。横方向のオフセット距離は、例えば平面光学又は誘導技術により、１００ｎｍの規模の高精度で得ることが可能である。

入射角θ_１ 及びθ_２ が小さいと、その正接値はそれらの角度自体に近似できる。したがって、次式（４）が成立する。

導波路間に７０ｄＢよりも良好な隔離を得るには、（ｘ_１＋ｘ_２）の最小値は、導波路が搬送する光ビームのウェスト半径の約５倍、すなわちウェスト半径５μｍの平面導波路の場合には２５μｍである。

要件とされる横方向のオフセット距離が約２０〜３０μｍと小さい場合、１ｍｍ規模の焦点距離を有するレンズ７のフィールド収差は無視できることを注記したい。

ここに述べた動作原理には、入射角θ_１ 及びθ_２ の精度が要求される。したがって、入射角θ_１ 及びθ_２ の不確実性を実際的な方法で定量化する必要がある。これを行うために、次のことを想定する。
・焦点距離が１ｍｍのレンズ生産に伴う焦点距離の不確実性Δｆ／ｆが２％のレンズ；
・位置決め精度０．１μｍの導波路５の１゜の規模のおよそ１つの入射角θ_１を得るための横方向オフセット距離ｘ_１が１８μｍ。
式（４）から、ただ１つの導波路に対して入射角の不確実性は次式で表される。

すなわち、Δθ＝０．０２６゜≒０．０３゜である。

加えて、入射角θが大きくなるほど、所定の許容間隔内での入射角の変化の、光コンポーネントの品質に及ぼす影響が大きいことが判っている。例えば、２゜を超える入射角に対して、入射角が０．０３゜変化したとき、−０．５ｄＢにおける帯域幅の変化は、（意図した値０．２ｎｍに対して）０．１ｎｍよりも大きくなり、他方、１゜の入射角に対して、−０．５ｄＢにおける帯域幅の変化は、０．０５ｎｍよりも小さくなる。

本発明を実現するためのもう１つのパラメータも考慮する。これは、導波対５及び６を出る光ビームのウェスト半径である。考慮を要する理由は、光ビームのウェスト半径が小さくなるほど、任意の入射角における透過損失が増大することが判ったからである。更に、光ビームのウェスト半径が減少するほど、フィルタの透過ピークがスペクトル的に短い波長の方へオフセットされるので、光コンポーネントを設計する際にこのオフセットを考慮する必要がある。

したがって、最近では、入射角入射角θ_１ 及びθ_２ を制限し（これは、入射角の許容値に関連して既に判っている）、且つ導波路５及び６により出力される光ビームのウェスト半径を最大化する。

空洞への入射角の差によって得られるスペクトル的オフセットはウェスト半径を修正することによっても得られるので、これにより別の実施例が提供される。しかし、この効果は、スペクトル的オフセットに伴う、透過損失という本質的品質低下をもたらすことになる。

導波路５及び６により出力される光ビームの偏光化の、この光コンポーネントの特性への影響も又検討した。例示的一実施例（Ｒａ＝Ｒｂ＝０．９９６；規模ｐ＝４；λ_０ ＝１５５０ｎｍ；θ_１ ＝０．６゜及びθ_２ ＝１．３５゜）において、偏光の影響測定値は、−０．５ｄＢの帯域幅にわたって約０．０５ｎｍであった。この影響値は、光通信の用途に対しては全く許容可能である。光ビームの特定の偏光によるこの光コンポーネントの性能の変化は実質的に無い。

空洞１の２回の通過の間の挿入損失の影響も検討した。ここでも同様に、高度の損失、例えば、２回の通過の間で３ｄＢの損失があっても、−０．５ｄＢの帯域幅にわたって何の影響も観察されなかった。その上、この光コンポーネントによる拒絶が３ｄＢも改善された。したがって、この光コンポーネントの性能が空洞１の２回の通過の間の挿入損失によって変わることはない。

有利にはこの光コンポーネントは波長可変である。より正確には、この光コンポーネントはその中心波長λ_ｃ を調整するための手段を含む。これらの手段は例えば、空洞１の２つのミラーａ及びｂを静電的に充電することによって生成される。これら２つのミラーの間に掛けられた電圧を変えることによって、電荷によって生成された力が修正され、その結果として空洞の長さｄが修正され、したがって波長λ_ｃ が修正される。

空洞のミラーと直角の方向に対して入射角θをなす放射光により照射されるファブリペロー空洞を示す。 図１に示す空洞の透過曲線を波長の関数として示す。 本発明に基づく光コンポーネントを通過する放射光の光路を略図的に示す。 図３に示す光コンポーネントの透過曲線を示す。 図３に示す光コンポーネントの一部の一実施例である。

Claims (3)

1. 所定の波長（λ_ｃ）を中心とする狭幅光スペクトル帯域の光を透過でき、且つ前記帯域外の波長を有する光を反射でき、その伝達関数（Ｔ_１，２(λ)）がスペクトル的にオフセットされたファブリペローフィルタの２つの伝達関数の乗法によって定義されるような波長選択性の光フィルタ処理コンポーネントであって、
   ファブリペロー空洞（１）、第１の入射角（θ_１）で該空洞（１）内へ放射光を搬送して該空洞（１）の第１の通過をなすための入力導波路（５）、該第１の通過の間に該空洞（１）を透過した放射光を戻して第２の入射角（θ_２）で該空洞（１）の第２の通過をなすための戻し手段（３）、及び、放射光を該空洞（１）内へ集束するためのレンズ（７）を含むことと、
   第２の入射角（θ_２）は第１の入射角（θ_１）とは異なることと、
   第１の放射光は入力導波路（５）を出てレンズ（７）の方向に進むことと、
   第２の放射光は戻し手段（３）を出て該レンズ（７）の方向に進むことと、
   第１の放射光と第２の放射光はレンズ（７）の光軸（８）に概略平行であり、且つレンズ（７）の光軸（８）から横方向にオフセットされた位置にあることと、
   第１の放射光のオフセット距離（ｘ _１ ）は第２の放射光のオフセット距離（ｘ _２ ）とは異なることと、
   を特徴とする、光フィルタ処理コンポーネント。
2. 戻し手段（３）が光アイソレータ（４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光フィルタ処理コンポーネント。
3. コンポーネントの波長が可変であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光フィルタ処理コンポーネント。

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