JP4776227B2 - 光フィルタ部品 - Google Patents

Description

本発明は、１つの波長を中心とする狭いスペクトル帯域の光を透過し、この帯域外の波長を反射する波長選択光部品に関するものである。狭いスペクトル帯域の中心波長の調整は電気手段によって行なうことができる。

「光」という用語は広義の意味を有し、特に以下の記載から分かるように赤外領域のスペクトル帯域を含む。本発明の主要用途は、１．３〜１．６１ミクロンの種々の光ファイバ通信帯域の光を通過させることである。

これらの１．３〜１．６１ミクロン帯域の利点は、ガラスから形成される現在の光ファイバが低減衰を示し、従って光信号を非常に長い距離に亘って伝送することができるという事実によるものである。以下においては、本発明をこのスペクトル帯域に関して説明するが、必要であれば、異なる帯域に適する材料を使用することにより、本発明を他の帯域に適用することができることを理解されたい。

光ファイバ通信ネットワークにおいては、複数の光ファイバを含むケーブルを使用して複数の異なる伝送チャネルを形成することができる。情報を時分割多重して同じ目的を達成することも可能である。これによりネットワークの情報配信容量が更に増えることが期待されるが、現在のトレンドは、複数の光波長を同時に同じ光ファイバを通して伝送するというものであり、この場合、これらの光波長は互いに独立に変調され、且つ各々が一の情報チャネルを定義する。ＩＴＵ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｎｉｏｎ：国際電気通信連合）標準６９２は、１００ＧＨｚの光スペクトル帯域幅の隣接チャネルを定義することを提案しており、これらの隣接チャネルはＮ個の隣接正規化光周波数を中心とし、これらの隣接正規化光周波数は、２００テラヘルツ、１９９．９テラヘルツ、１９９．８テラヘルツ、などの値を有しており、１．５２ミクロンから１．６１ミクロンまでのＮ個の波長に対応する。この帯域幅のチャネルにおいては、光を秒当たり１０〜４０ギガビットで変調することができ、その際、直ぐ傍の隣接スペクトル帯域間の干渉が生じる危険はさほど大きくはならない（ガウス波形の変調パルスを使用してこの変調によって占有される透過帯域を最小化する）。この周波数分割多重技術はＤＷＤＭと呼ばれ、「高密度波長分割多重（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＤＷＤＭ）」を意味する。

従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隣接チャネルの光を妨害することなく収集する機能である。例えば、チャネルｉの情報の送受信に割り当てられたネットワークの伝送ノードでは、中心周波数Ｆ_１〜Ｆ_Ｎが互いに非常に近接している場合でもこれらの周波数を変調する形の光伝送妨害が生じないように中心周波数Ｆ_ｉ（波長λ_ｉ）の光を収集することができなければならない。

これを実現するには、高度な光波長選択性を有し、且つ中心光周波数Ｆ_ｉ及びこの周波数の両側５０ＧＨｚ未満の狭帯域にある周波数を透過し、さらに他の帯域を遮断する機能を有する光フィルタ部品を形成する必要がある。このようなフィルタの出力では、チャネルｉの光のみが収集され、この光を復調して有用な情報を収集するか、又はこの情報をネットワークの他の分岐に送信することができる。

ファブリペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計の原理で動作するフィルタ部品を形成することが既に提案されており、この場合フィルタ部品は、選択する波長λ_ｉに従って較正された厚さのエアギャップによって互いに分離される半導体層を堆積させることにより形成される。実際、干渉計は、高反射係数を有する積層構造の誘電体層から成る２つのミラー（ブラッグミラー：Ｂｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒｓ）を備え、これらの誘電体層は光学厚さｋλ_ｉ／２（ゾーンがエアギャップの場合、これが実際の厚さｋλ_ｉ／２となる）を有する透明ゾーンにより分離される。ここで、ｋは干渉フィルタの次数を定義する整数である。リン化インジウム（ＩｎＰ）はこのような実施形態に極めて良好に適合させることができる。というのは、特に、着目する波長の透過度が高く、屈折率が非常に高く、良好に制御された厚さのエピタキシャル層を堆積することが可能であるからである。

これらの層の厚さ、及びこれらの層の間の間隔が非常に良好に制御され、且つ材料が高屈折率を有する場合、このようなフィルタが高度な選択性を示すことが分かる。

このような実施形態は、A. Spisser等による記事「Highly Selective 1.55 micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter for optical communications」（Electronics Letters, No.34(5),453-454頁, 1998）に記載されている。マイクロマシン技術を用いて加工されるシリコン及び砒化ガリウムをベースとする合金から作製する他の実施形態が提案されている。

フィルタ部品の形成が不完全であること、及び信号変調によるスペクトル幅に起因して、中心波長近傍の光の一部がフィルタ部品によって反射される。この現象は、この部分が信号の約１％未満である場合にのみ許容される。何故ならば、ほぼ同じ中心波長近傍で大きな変調を受ける置換照射光が部品によって反射される照射光に付加されるときに、この反射が反射信号に対する干渉の原因となると考えられるからである。この要件を一定のフィルタ部品で満たすために、２つのフィルタを使用し、そのうちの第１フィルタが反射する照射光を再度第２フィルタで反射するように配置することが可能である。

このように配置することにより、部品の出力チャネルの中心波長を中心とする残留照射光を無くすことができ、且つ大きな光学的問題を生じることがない。というのは、これらのフィルタ部品は広いので、小さな開口を通過してきたビームに対して動作することができ、この場合大きなレイリー長（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｌｅｎｇｔｈ）によって経路を折り返すことができるからである。

チャネル群の中心波長は標準（高密度波長分割多重のＩＴＵ６９２）によって定義される。「高密度波長分割多重」の場合、チャネル群がこれらのチャネルのスペクトル幅よりわずかに広い幅だけ離れているとき、外部光源を使用することにより、チャネルを形成するレーザのような各光源は必ずＩＴＵ周波数にロックされ、数ギガヘルツ内の周波数に収まる。少数チャネルで短距離通信を行なう場合、チャネル群をずっと大きく、例えば２０ｎｍ（＝２５００ＧＨｚ）離す別のコンセプトがよく用いられる。このコンセプトはまた、ＩＴＵ６９２標準により定義され、「粗密度波長分割多重」と命名されている。次に間隔は、例えばレーザの発振周波数のドリフト及び熱変動などよりもずっと大きい。これらのドリフトは数百ギガヘルツのオーダーである。従って、ずっと安価なレーザを使用することが可能である。というのは、これらの安価なレーザの周波数追従性に対する要求が緩和されるからである。勿論、抽出波長と置換照射光の波長との間には何ら相関はない。入射波長の追跡機能を備える調整可能な狭帯域フィルタを使用すると、所定の中心波長の照射光を抽出することができるが、フィルタは通常置換照射光を透過しないため、置換照射光を空いているチャネルに注入することはできない。従って、置換照射光の波長に調整可能な第２フィルタは、抽出照射光の中心波長を中心とする残留照射光を遮断せず、上述した原理は実行するのが難しい。

従って問題は、マルチプレクサで波長追跡を行なう調整可能な狭帯域フィルタを使用し、同時に抽出波長光を良好に遮断し、且つ置換波長光を良好に注入することのできる構成を考案することである。

本発明の目的は、同一の調整可能なフィルタを通る複光路を生成する光フィルタ部品を提供することによりこの問題を解決することにある。更に詳細には、本発明は、光フィルタ部品に関するものであり、所定波長を中心とする狭い光スペクトル帯域の光を透過する機能及び前記帯域の外側の波長を有する光を反射する機能を有する調整可能な波長選択フィルタと、照射光をフィルタに導く入力ガイドとを含み、本光フィルタ部品は、入力ガイドにより照射光が前記フィルタに導かれてフィルタを１回目に通過させることと、部品が、１回目の通過の間にフィルタが反射する照射光の第１部分を戻す手段を有し、それにより照射光がフィルタを２回目に通過することを特徴とする。

調整可能なフィルタは通常、意図的に所定波長を中心とするように設定される固定フィルタの寸法よりもずっと小さな寸法を有する。

固定フィルタ、すなわち意図的に所定波長を中心とするように設定されるフィルタの場合、複光路は、フィルタの各入力及び各出力について１の導波路を使用することにより行なわれる。調整可能なフィルタを有するこのような実施形態を直接実施すると、限られたスペース内にそれら導波路を配置するという大きな問題が生じる。本発明はこの問題も、互いに対して配置されることになる部品の数を減らすことにより解決する。

ここで、照射光の第１部分が照射光の主要部であることに注目されたい。更に正確には、照射光は複数のチャネルを含み、各チャネルは１の波長を中心とする。フィルタによって、チャネルの一つを抽出し、他のチャネルを反射することが可能になる。これら他のチャネルは照射光の第１部分を形成する。

有利には、部品は所定波長を調整する手段を含む。換言すれば、本発明はフィルタが調整可能である場合に特に効果的である。

添付図面に示す本発明の例示的実施例の後述の詳細な説明により、本発明が一層明瞭に理解され、他の利点が明らかになるものと思われる。

図１に示す光フィルタ部品は波長選択フィルタ１を含み、このフィルタは狭い光スペクトル帯域の光を透過し、この帯域外の波長の光を遮断する機能を備える。フィルタ１は、例えば上に引用したA. Spisserによる記事の内容に従って形成される。この光部品はさらに入力ガイド２を含み、このガイドが照射光３をフィルタ１に導くことによりこの光がフィルタを１回目に通過する。この１回目の通過が行なわれた後、フィルタ１の選択性に従って照射光３の第１部分４がフィルタ１によって反射され、同時に照射光３の第２部分５がフィルタ１を透過する。この部品はさらに戻し手段６を含む。この戻し手段６は照射光３の第１部分４を収集し、この部分をフィルタ１に戻すことにより、この部分がフィルタを２回目に通過する。戻し手段６の出力では、照射光３の第１部分４の経路がセグメント７により形成される。

光フィルタ部品は第１出力ガイド及び関連する集光手段を含み、これらの素子は照射光３の第２部分５を導く。照射光３の第３部分９は、２回目の通過の間にフィルタ１を透過する。この第３部分９は、照射光３の第１部分４のフィルタによって取り除かれた後の残留部分を構成する。光フィルタ部品はまた、照射光３の第４部分１１を導く第２出力ガイド１０を含み、この部分１１はフィルタ１の２回目の通過の間にフィルタ１によって反射される。照射光３の第４部分１１は、取り除かれた第３部分９を第１部分４から差し引くことによって形成される。

有利には、戻し手段６は、入力ガイドからの入射と同じ入射で照射光３の第１部分４をフィルタ１に振り向ける。

フィルタ１が透過する光スペクトル帯域の中心波長は、照射光がフィルタ１に入る入射角に依存する。換言すれば、入射角が等しければ、フィルタを通る両方の通過に関して、フィルタは同じ伝達関数を維持することができる。従って、通過７の間における照射光３及び照射光の第１部分４の入射角を等しくすることは有利である。

勿論、入射角が等しいというのは製造許容誤差内での話である。フィルタ１が、狭い透過ピークを示すことが望ましい場合、複光路の間のこれらの入射角の等価性の精度を高めなければならない。例えば、透過ピークの半値幅が０．５ｎｍである場合、複光路の間のシフトの許容範囲は最大で０．１ｎｍである。これはフィルタ１に垂直な入射に近い入射角に対して数ミリラジアンの入射角変動に相当する。

照射光が精度良くコリメートされた形でフィルタに入射するためには、部品は、入力ガイド２、戻し手段６、及び第２出力ガイド１０に共通のコリメート手段を含むと有利である。更に正確には、部品はレンズ１２を含み、このレンズは一方にフィルタ１を、他方に入力ガイド２、戻し手段６、及び第２出力ガイド１０を配する形でこれらの素子の間に配置される。

光ファイバの部品に使用されるような短焦点レンズ１２（１ミリメートルオーダーの焦点距離）を用いる場合、光ファイバを一の平面、例えばレンズ１２の焦点面に配置し、同時に上述の入射角の同一性を満たすことは、ファイバの直径が大きすぎるため不可能である。ファイバを剥がしてコアだけにすることが考えられるが、こうすると、これらのファイバを細心の注意を払って扱う必要が出てくる。以下に記載する実施形態の主要構成は、３次元全てを利用することにより、この問題の解決を可能にしている。

位置決め精度１μｍ未満が保証されるガラスプレートフォトリソグラフィ法とイオン交換により光ファイバに対する適性の高い１５００ｎｍのオーダーの波長用の導波路を製造し、屈折率を局所的に変えることにより形成されることが知られている。特に、図２に示すように、２つの平行なガイドを約１０μｍの深さに埋め込み、互いに数十ミクロン離して形成する方法が知られている。また、図３に示すように、戻しビームの生成を可能にする約５ｍｍの半径の曲線を形成する方法も知られている。このような戻し機構は、図４に示すように、２つの面を約４５°の角度に研磨し、全体として反射を実現する（２面角）ことにより形成することができる。

導波路を重ね合わせながら図２に示すようなプレートと図３に示すようなプレートを組み立てることにより、戻し手段６を形成することができる。同じ結果は、図２に示すプレートと図４に示すプレートを組み立てることにより得られる。次に、戻し手段６のガイドの入力端及び出力端を正確にレンズ１２の焦点面に位置させることが必要になる。

有利には、戻し手段６、入力ガイド２及び第２出力ガイド１０を互いに対して動かないように固定することにより、フィルタ１に対向する面１４を有するブロック１３を形成することができる。レンズ１２は面１４とフィルタ１との間に配置する。ブロック１３は、例えば、間に導波路が形成されているガラスプレートを接着接合させることにより組み立てる。接着接合は面１４に垂直な面１５にて行なわれる。導波路は面１５から数十ミクロンの位置に形成され、この構成によってガイドを互いに良好に分離することができる。この分離は、接着接合の前に、不透明層、例えば金属層又はフィラー充填樹脂層をガラスプレートの一方の面、すなわち面１５を形成する面に堆積させると向上する。

レンズ１２は、ＧＲＩＮレンズという用語で広く知られている屈折率傾斜レンズとすると有利である。このタイプのレンズは２つの平面を有するという利点を生かしている。有利には、レンズ１２は、このレンズの対物焦点面がレンズ１２の入射面と一致するように選択される。この構成によって、例えば顕微鏡を使用してレンズ１２を通して面１４を観察することにより、レンズ１２をブロック１３の面１４の上に位置させることができる。

レンズ１２の位置決めは複雑であり、次のようにして行なわれる。

レンズ１２（ＧＲＩＮタイプレンズなど）はまず、面１４の平面に含まれるｘ軸及びｙ軸に沿って移動させて位置決めし、ガイドに対して正確に位置するように設計したブロック１３のこれらの面を基準としながら、機械手段によりガイドを含むブロック１３に対して固定する。この位置決めは、約十ミクロン未満の許容誤差の精度で行なうことが可能である。同じようにして、レンズ１２を固定する前にキャピラリを配置することができ、このキャピラリではレンズ１２をｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸に沿ってスライドさせてレンズの位置決めを行なうことができる。

次に入射面２を通して光ビームを入射させ、フィルタ１の背面２５を光学手段、例えば赤外線カメラで観察しながら、フィルタ１をほぼｘ軸及びｙ軸に沿って移動させてコリメートビームに当たるように位置させる。フィルタの背面２５は照射光３を受ける側とは反対の側に位置する。

ｘ軸及びｙ軸を中心としたフィルタ１の方向、すなわちそれぞれ角度θ及びφは、従来のアルゴリズムによる能動位置決めによって、例えばスパイラルスキャンを使用して受信信号を探索して最適化することにより得ることができる。特に、図５に示すように、フィルタ１での最初の反射の後のレンズ１２の焦点面における入力ガイド２の像１５は、レンズ１２の中心を通るフィルタ１の法線１６について入力ガイド２と対称である。同様に、照射光３の第１部分４を焦点面に到達させてフィルタ１を通る２回目の通過を行なわせる戻し手段６の出力１８の像１７も、フィルタ１の法線１６について戻し手段６の出力１８と対称である。この模式図によれば、追加される自由度がないため、フィルタ１を通る複光路を単一の通過として一致させることができることが分かる。

角度θ及びφの最適値が分かったら、ｘ方向及びｙ方向に沿った信号最大値を求め、フィルタ１を固定する。

有利には、光フィルタ部品は、抽出照射光の所定波長をほぼ中心とする波長を有する置換照射光を第２出力ガイド１０に挿入する手段を含む。換言すれば、部品は抽出照射光によって空いたチャネルに置換照射光を挿入する手段を含む。

抽出波長に近い（が、抽出照射光と置換照射光の光源は別であり、しかもこれらの照射光の種々のドリフトに対する制御が何ら行なわれないので、必ずしも抽出波長とは相互に関連しない）波長の置換照射光を挿入するには、結合器２０を第２出力ガイド１０に設ける必要がある。結合器２０は、本発明において既に使用している埋め込みガイド技術の中で容易に形成することができ、それにより図６に示すようなブロック１３のガイドを形成することができる。この技術は「導波路技術」ページのインターネットサイト「www.teamphotonics.com」に掲載されている。

次に、出力ファイバ２１を結合器２０の出力に、機能可能に配置する必要がある。

希土類元素をドープしたガラスにガラス中に光ガイドを設ける技術を適用することも可能であり、これにより、ポンプレーザから送出される短波長によって希土類元素が励起されると照射光を増幅することができる。この技術は１９９８年出版のD. Barbierによる「Net Gain of 27dB with a 8.6 cm-long Er-Yb-doped glass-planar-amplifier」と題する記事に記載されており、この記事は「technical articles」ページのインターネットサイト「www.teamphotonics.com」に引用されている。

希土類元素を添加したガラスにガイドを形成し、余計な光部品を経路に設けることなく部品の挿入損失を補償することができる。そのために、入力光学系を部品の一方の側に設けることが必要であり、これにより励起ビームをガイドに送出し、そこで照射光を循環させ、さらに１０センチメートルオーダーの適切な長さの共通経路を設ける必要がある。換言すれば、部品はフィルタが反射する照射光を増幅する手段を含む。

ここで、この場合、適切なフィードバック手法を用いることにより、フィルタ１の調整手段を使用して励起パワーを従動させることも可能になり、従って確実に抽出照射光のレベルを一定に維持することができることに注目されたい。

本発明による光フィルタ部品を通る光路の実施例を示している。 戻し手段を形成する導波路の実施例を示している。 戻し手段を形成する導波路の別の実施例を示している。 戻し手段を形成する導波路のまた別の実施例を示している。 戻し手段とフィルタとの位置合わせを示している。 光フィルタ部品の出力における置換照射光の注入を示している。

Claims (8)

1. 所定波長を中心とする狭い光スペクトル帯域の光を透過する機能と、前記帯域の外側の波長を有する光を反射する機能とを備える波長選択フィルタ１と、
   照射光３を当該フィルタに導き、第１回目の透過及び反射をさせる入力ガイド２と、
   前記フィルタで反射された光４を当該フィルタに導く、戻す手段６と、
   当該戻す手段により前記フィルタに導かれ、第２回目の透過及び反射により反射された光１１を導く、第２出力ガイド１０と、
   一方に前記フィルタを、他方に前記入力ガイド、戻す手段、及び第２出力ガイドを配する形で、これらの素子の間に配置され、前記入力ガイドから前記フィルタへ前記照射光を導く単一のレンズ１２と、
   を含む光フィルタ部品であって、
   前記レンズが更に、前記フィルタで反射された前記光４を前記戻す手段に導き、当該戻す手段から出力された光を前記フィルタに導き、当該フィルタによって反射された前記光１１を前記第２出力ガイドに導くことを特徴とする光フィルタ部品。
2. 前記レンズが、屈折率傾斜レンズであることを特徴とする請求項１記載の光フィルタ部品。
3. 前記レンズはその対物焦点面に、前記入力ガイドから前記フィルタに導かれる前記照射光３及び前記戻す手段から前記フィルタに導かれる光が、入射されるように配置されることを特徴とする請求項２記載の光フィルタ部品。
4. 前記戻す手段は、前記フィルタで反射された前記光４を、前記入力ガイドが前記照射光３を前記フィルタに導く入射角と実質的に同一の入射角で前記フィルタに導くことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光フィルタ部品。
5. 前記フィルタが、所定波長の調整手段を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光フィルタ部品。
6. 所定波長を中心とする波長を有し、前記光１１とは異なる照射光の挿入手段２０を、前記第２出力ガイドに含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光フィルタ部品。
7. 前記入力ガイド、戻す手段及び第２出力ガイドは、ガラスプレートフォトリソグラフィ法及びイオン交換により形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光フィルタ部品。
8. 前記戻す手段及び/又は前記第２出力ガイドが、前記フィルタが反射する光の増幅手段を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光フィルタ部品。

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