JPWO2001086328A1

JPWO2001086328A1 - 光学部品とその分散補償方法

Info

Publication number: JPWO2001086328A1
Application number: JP2001583219A
Authority: JP
Inventors: 菊池　和朗; 多久島　裕一; ジャボロンスキー　マーク　ケンネス; 田中　佑一; 片岡　春樹; 時田　宏典; 古城　健司; 東　伸; 佐藤　一也; 山下　史郎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2004-03-04
Also published as: US6943951B2; WO2001086328A1; AU2001256681A1; US20030161045A1

Abstract

本発明の光学部品は、多層膜を利用して分散補償を行うことができる光分散補償素子を、波長選択フィルタなどの機能素子と光路中にて直列に接続したものであり、３次の分散を含めた分散補償を低損失で行うことができる。

Description

技術分野
本発明は、波長分散（以下、単に、分散ともいう）を補償された波長選択フィルタなどの光学素子を有する光学部品とその分散補償方法に関する。本発明の以下の説明において、分散とは波長分散の意味であり、光分散補償のことを単に分散補償とも称し、光分散補償素子のことを単に分散補償素子とも称し、光分散補償方法のことを単に分散補償方法とも称す。
本発明は、伝送路に光ファイバを用いる光通信において生ずる２次以上（後述）の分散を補償可能な素子（以下、２次の分散を変えることができる素子、あるいは、２次分散補償素子ともいう。また、後述の３次の分散を補償可能な素子についても、これと同様に、３次の分散を変えることができる素子、あるいは、３次分散補償素子ともいう。）を有する分散補償素子ならびにその素子を用いた分散補償方法に関する。
より具体的には、本発明は、特に、３次以上の分散を補償することが出来る分散補償素子、あるいは、２次と３次以上の分散補償を行うことが出来る分散補償素子とその素子を用いた分散補償方法に関する。そして、本発明の分散補償方法で用いる分散補償素子は、前記の３次分散補償素子だけの場合もあり、また、後述の入射面内における入射光の入射位置を変化させる手段を含む場合もあり、また、３次以上の分散補償のみならず、２次の分散補償も可能なように構成されている場合もあり、ケースに実装されている場合もあり、ケースに実装されていないいわゆるチップ状やウェハー状の場合もある。本発明の分散補償素子は、これらのすべての形態を含んでおり、使用や販売などの目的に応じて、種々の形態をとることができるものである。
本発明では、２次の分散補償とは「図７Ａを用いて後述する波長−時間特性曲線の分散の傾きを補償すること」を意味し、３次の分散補償とは「図７Ａを用いて後述する波長−時間特性曲線の曲がりを補償すること」を意味する。
背景技術
通信伝送路に光ファイバを用いる光通信においては、利用技術の進展および利用範囲の拡大とともに、通信伝送路の長距離化や通信ビットレートの高速化が求められている。このような環境下では、光ファイバを伝送するときに生じる分散が大きな問題となり、分散の補償が種々試みられている。現在、２次の分散が大きな問題となり、その補償が種々提案され、そのうちのいくつかの提案が限定的ではあるがある程度効果をあげている。
しかし、光通信に対する要求が高度になるにつれて、送信中の２次の分散の補償だけでは不充分になり、３次の分散の補償が課題になりつつある。
以下、図７Ａ〜Ｃおよび図８を使用して、従来の２次の分散補償方法を説明する。
図８は、シングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦとも称す）と分散補償ファイバ、および分散シフトファイバ（以下、ＤＳＦともいう）の分散−波長特性を説明する図である。図８において、符号６０１はＳＭＦの分散−波長特性を示すグラフ、６０２は分散補償ファイバの分散−波長特性を示すグラフ、６０３はＤＳＦの分散−波長特性を示すグラフで、縦軸を分散、横軸を波長にとったグラフである。
図８で明らかなように，ＳＭＦでは、ファイバに入力する光の波長が１．３μｍから１．８μへと長くなるにつれて分散は増大し，分散補償ファイバでは，入力光の波長が１．３μｍから１．７μｍへと長くなるにつれて分散は減少する。また、ＤＳＦでは、入力光の波長が１．２μｍから１．５５μｍ付近へと長くなるにつれて分散は小さくなり、入力光の波長が１．５５μｍ付近から１．８μｍへと長くなるにつれて分散が増大する。そして、ＤＳＦでは、従来の２．５Ｇｂｐｓ（毎秒２．５ギガビット）程度の通信ビットレートの光通信においては、入力光の波長が１．５５μｍ付近では、分散による支障は生じない。
図７Ａ〜Ｃは、主として２次の分散の補償方法を説明する図であり、図７Ａは波長−時間特性と光強度−時間特性を、図７ＢはＳＭＦと分散補償ファイバを用いて２次の分散補償を行った伝送路での伝送例を、図７ＣはＳＭＦだけで構成した伝送路での伝送例を説明する図である。
図７Ａ〜Ｃにおいて、符号５０１と５１１は伝送路に入力する前の信号光の特性を示すグラフを、５３０はＳＭＦ５３１で構成された伝送路を、５０２と５１２は、符号５０１と５１１で示したグラフの特性を有する信号光が伝送路５３０を伝送されて伝送路５３０から出力されたときの信号光の特性を示すグラフを、５２０は分散補償ファイバ５２１とＳＭＦ５２２から構成された伝送路を、５０３と５１３は、符号５０１と５１１で示したグラフの特性を有する信号光が伝送路５２０を伝送されて伝送路５２０から出力されたときの信号光の特性を示すグラフである。符号５０４および５１４は、符号５０１と５１１で示したグラフの特性を有する信号光が伝送路５２０を伝送されて伝送路５２０から出力されて後、本発明によって、後述の望ましい３次分散補償を施したときの信号光の特性を示すグラフであり、符号５０１および５１１で示したグラフとほとんど一致している。また、グラフ５０１、５０２、５０３、５０４はそれぞれ縦軸を波長、横軸を時間（または時刻）にとったグラフであり、グラフ５１１、５１２、５１３、５１４はそれぞれ縦軸を光強度、横軸を時間（または時刻）にとったグラフである。なお、符号５２４と５３４は送信器、５２５と５３５は受信器である。
従来のＳＭＦは、前述のように、信号光の波長が１．３μｍから１．８μへと長くなるにつれて分散が増加するため、高速通信や長距離伝送の際には、分散による群速度遅延を生じる。ＳＭＦで構成された伝送路５３０では、信号光は伝送中に長波長側が短波長側に比べ大きく遅延して、グラフ５０２と５１２に示すようになる。このように変化した信号光は、たとえば高速通信・長距離伝送においては、前後の信号光と重なって正確な信号として受信できない場合がある。
このような問題を解決するため、従来は、たとえば、図７Ｂに示すように分散補償ファイバを用いて分散を補償（以下、補正ともいう）している。従来の分散補償ファイバは、波長が１．３μｍから１．８μへと長くなるにつれて分散が増加するというＳＭＦの問題点を解決するため、前述のように、波長が１．３μｍから１．８μへと長くなるにつれて分散が減少するように作られている。分散補償ファイバは、たとえば、図７Ｂの伝送路５２０で示すように、ＳＭＦ５２２に分散補償ファイバ５２１を接続して用いることができる。上記伝送路５２０では、信号光は、ＳＭＦ５２２では長波長側が短波長側に比べて大きく遅延し、分散補償ファイバ５２１では短波長側が長波長側に比べて大きく遅延することにより、グラフ５０３と５１３に示すように、グラフ５０２と５１２に示す変化よりも変化量を小さく抑えることが出来る。
しかし、分散補償ファイバを使用した上記従来の２次の波長分散の補償方法では、伝送路を伝送した信号光の波長分散を、伝送路に入力する前の信号光の状態、すなわち、グラフ５０１の形までには分散補償することはできず、グラフ５０３の形まで補償するのが限界である。グラフ５０３に示すように、分散補償ファイバを使用した従来の２次の波長分散の補償方法では、信号光の中心波長の光が短波長側の光および長波長側の光に比べて遅延せず、信号光の中心波長成分の光より短波長側および長波長側の成分の光のみが遅延する。そして、グラフ５１３に示すようにグラフの一部にリップルが生じることがある。
そして、前記の如き通信伝送路に用いている光ファイバに生じる分散だけでなく、波長選択フィルタなどの光学部品においても分散が生じることが本発明者らの測定の結果明らかになった。これらの光学部品を光通信に用いたり、光学的装置に用いたりするときには、やはり信号光に分散を生じることになる。
これらの現象は、光通信の伝送距離の長距離化と通信速度の高速化のニーズが高まるに従い、正確な信号受信ができなくなるなどの大きな問題となりつつある。たとえば、通信ビットレートが４０Ｇｂｐｓ（毎秒４０ギガビット）で１万ｋｍを送信する高速通信や８０Ｇｂｐｓで千ｋｍオーダーの距離を送信する高速通信においては、これらの現象がかなり心配されており、極めて重大な課題として心配されている。そして、このような高速通信においては、従来の光ファイバ通信システムを使用することは困難と考えられており、たとえば、光ファイバ自体の材質も変える必要が叫ばれるなど、システム構築の経済的な観点からも重大問題となっている。
このような分散補償を行うには、２次の分散補償だけでは困難であり、３次以上の分散補償が必要になる。
従来、波長が１．５５μｍ付近の光に対して２次の分散が少なくなるような光ファイバ（以下、光ファイバのことを、単に、ファイバともいう）としてＤＳＦがあるが、このファイバでは、図７Ａ，図８の特性からも明らかなように本発明の課題とする３次の分散補償はできない。
光通信の高速通信化、長距離通信化を実現するにあたり、３次の分散は大きな問題として次第に認識され、その補償が重要な課題となりつつある。３次の分散の補償問題を解決すべく、多くの試みが行なわれているが、従来の課題を十分に解決することができる３次分散補償素子や補償方法はまだ実用化されていない。３次の分散を補償する方法として回折格子を形成したファイバを用いた例が報告されているが、必要な補償ができなく、損失が大きく、形状寸法が大きいなど致命的な欠点を有しており、さらに、価格も高く、実用化は期待されていない。
前記の３次分散の補償に用いる光分散補償素子の一例として本発明者らが、本発明とは別に提案した誘電体などの多層膜を用いた分散補償素子は、３次の分散補償に成功し、従来の光通信技術を大きく前進させることが出来た。しかし、光通信の高速化と長距離通信化からの要望として、たとえば通信ビットレートを４０Ｇｂｐｓ、８０Ｇｂｐｓなどのように高速化した場合の３次の分散補償を理想的に行ったり、複数チャンネルの光通信における３次の分散の補償を十分に行うには、さらに広い波長域において、２次と３次の分散を十分に補償できる分散補償素子や分散補償方法の実現が望まれている。
現在、光ファイバを用いた伝送路における分散が大きな問題であるために、波長選択フィルタなどの光学部品の問題まで大きく取り上げられていないが、前記の如く、本発明者らの研究の結果によれば、光学部品の分散も光通信の高速・長距離化、光学装置の機能・性能の向上にとって重要な課題である。現在このような観点から分散補償された波長選択フィルタなどの光学部品は市販されていない。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、光学部品を光ファイバを伝送路に用いる光通信システムや諸光学装置などに用いたときにその光路の光に生じる分散を効果的に補償した光学部品とその光分散補償方法を提供することにある。
発明の開示
本発明は多層膜を用いた分散補償素子と波長選択フィルタ素子などの光学素子を組み合わせた光学部品に関するものであり、より具体的には、波長選択フィルタ素子などの光学素子を通る光の分散を補償することができる機能を備えた光学部品に関するものであるとともに、分散補償素子と光学素子を組み合わせて実質的に前記本発明の光学部品と等価に構成して分散を補償する分散補償方法に関するものである。したがって、本発明をより正確に記述するため、以下の説明では、本発明の光学部品に用いる分散補償素子の内容を本発明に用いる分散補償素子として説明し、あわせて本発明の分散補償方法の説明も兼ねることにする。
本発明の目的の達成を図るため、本発明の光学部品の最大の特徴は、波長選択フィルタ素子などの光学素子を有する光学部品において、前記光学素子とたとえば前記光学素子によって信号光に生じる波長分散としての分散を補償することができる多層膜を用いた光分散補償素子とを信号光の光路に配置したことを特徴としている。
本発明の目的の達成を図るため、本発明の光学部品の例は、前記光分散補償素子が光通信に用いられる波長範囲において少なくとも１つの極値を有する群速度遅延時間−波長特性曲線を有する多層膜を利用して分散補償を行うことが出来る素子であることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記多層膜が、光学的性質が異なる積層膜を少なくとも５種類すなわち、光の反射率や膜厚などの光学的な性質の異なる積層膜を少なくとも５層有する多層膜であり、前記多層膜が、光の反射率が互いに異なる少なくとも３種類の反射層を有するとともに、前記３種類の反射層の他に少なくとも２つの光透過層を有し、前記反射層と前記光透過層の各１層とが交互に配置されており、前記多層膜が、膜の厚み方向の一方の側から順に、第１の反射層である第１層、第１の光透過層である第２層、第２の反射層である第３層、第２の光透過層である第４層、第３の反射層である第５層の順に構成されており、入射光の中心波長をλとして、前記第１〜第５層において、入射光の中心波長λの光に対する光路長として考えたときの前記多層膜各層の膜厚が、λ／４の整数倍±３％の範囲の値の意味でλ／４のほぼ整数倍の膜厚であり、かつ、前記多層膜が、膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が高い方の層である層Ｈと膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が低い方の層である層Ｌを組み合わせた層の複数組で構成されており、各反射層の入射光の中心波長λの光に対する反射率が、膜の厚み方向の一方の側から順に大きな値になっていることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記多層膜の少なくとも１つの積層膜の膜厚が、前記多層膜の光の入射面に平行な断面における面内方向すなわち入射面内方向において変化していることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記多層膜に係合して、前記多層膜の少なくとも１つの積層膜の膜厚を調整する調整手段、あるいは、前記多層膜の入射面における光の入射位置を変える手段が設けられていることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記層Ｈが主としてＳｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５のいずれかから成る層で形成されていることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記層Ｌが、層Ｈに使用されている材質よりも屈折率の低い材質主としてを用いて形成されていることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記層ＬがＳｉＯ_２から成る層で形成されていることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記光学素子と前記光分散補償素子とが同一のケースに実装されていることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記光学部品への光信号の入力と出力が光ファイバを介して行われることを特徴としている。
本発明の光学部品の例は、前記光学素子と前記光分散補償素子とが互いに別のケースに実装されており、前記実装された光学素子と前記実装された光分散補償素子とが光ファイバによって光結合されていることを特徴としている。
そして、本発明の目的の達成を図るため、本発明の分散補償方法の最大の特徴は、本発明の光学部品の例は、前記光学素子と波長分散としての分散を補償することができる多層膜を有する光分散補償素子とを信号光の光路に配置して補償が必要な分散を補償することを特徴としている。
本発明の分散補償方法の例は、前記光分散補償素子が光通信に用いられる波長範囲あるいは前記光学部品が用いられる光学装置において用いられる波長範囲において少なくとも１つの極値を有する群速度遅延時間−波長特性曲線を有する多層膜を利用した光分散補償素子であることを特徴としている。
本発明の分散補償方法の例は、前記多層膜が光の反射率が互いに異なる少なくとも３つの反射層と、前記反射層の間に形成された少なくとも２つの光透過層を有することを特徴としている。
本発明の分散補償方法の例は、前記多層膜が、光学的性質が異なる積層膜を少なくとも５種類すなわち、光の反射率や膜厚などの光学的な性質の異なる積層膜を少なくとも５層有する多層膜であり、前記多層膜が、光の反射率が互いに異なる少なくとも３種類の反射層を有するとともに、前記３種類の反射層の他に少なくとも２つの光透過層を有し、前記反射層と前記光透過層の各１層とが交互に配置されており、前記多層膜が、膜の厚み方向の一方の側から順に、第１の反射層である第１層、第１の光透過層である第２層、第２の反射層である第３層、第２の光透過層である第４層、第３の反射層である第５層の順に構成されており、入射光の中心波長をλとして、前記第１〜第５層において、入射光の中心波長λの光に対する光路長として考えたときの前記多層膜各層の膜厚が、λ／４の整数倍±３％の範囲の値の意味でのλ／４のほぼ整数倍の膜厚であり、かつ、前記多層膜が、膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が高い方の層である層Ｈと膜厚がλの１／４倍で屈折率が低い方の層である層Ｌを組み合わせた層の複数組で構成されており、各反射層の入射光の中心波長λの光に対する反射率が、膜の厚み方向に一方の側から順に大きな値になっていることを特徴としている。
本発明の目的の達成を図るため、本発明の分散補償に用いる分散補償素子の特徴は、分散補償を行うことが出来る素子を少なくとも２つ、あるいは、分散補償を行うことが出来る素子の部分を少なくとも２箇所（以下、前記分散補償を行うことが出来る素子と分散補償を行うことが出来る素子の部分を総称して分散補償を行うことが出来る素子ともいう）、信号光の光路に沿って直列に接続して構成されていることにあり、多層膜を用いた分散補償素子（以下、単に、多層膜素子ともいう。）を有していることである。
そして、本発明の目的の達成を図るため、本発明の光分散補償に用いる光分散補償素子は、前記分散補償を行うことが出来る素子が、多層膜の群速度遅延時間−波長特性を利用して分散補償を行うことが出来る光分散補償素子であり、そして、前記多層膜の群速度遅延時間−波長特性曲線が分散補償対象波長帯域あるいはその近傍の波長域において、少なくとも１つの極値を有することを特徴としており、本発明の光分散補償方法に用いる光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性曲線と本発明の光分散補償方法に用いる光分散補償素子を構成する各分散補償を行うことが出来る素子の群速度遅延時間−波長特性曲線とは、通常、その形が異なっている。
本発明に用いる光分散補償素子の例は、前記光分散補償素子が光学的性質が異なる積層膜を少なくとも５種類、すなわち、光の反射率や膜厚などの光学的な性質の異なる積層膜を少なくとも５層、有する多層膜を有し、前記多層膜が、光の反射率が互いに異なる少なくとも２種類の反射層を含む少なくとも３種類の反射層を有するとともに、前記３種類の反射層の他に少なくとも２つの光透過層を有し、前記３種類の反射層の各１層と前記２つの光透過層の各１層とが交互に配置されており、前記多層膜が、膜の厚み方向の一方の側から順に、第１の反射層である第１層、第１の光透過層である第２層、第２の反射層である第３層、第２の光透過層である第４層、第３の反射層である第５層から構成されており、入射光の中心波長をλとして、前記第１〜第５層において、入射光の中心波長λの光に対する光路長として考えたときの前記多層膜各層の膜厚が、λ／４の整数倍±３％、より好ましくはλ／４の整数倍±１％の範囲の値の意味でλ／４のほぼ整数倍との膜厚であり、かつ、前記多層膜が、膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が高い方の層である層Ｈと膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が低い方の層である層Ｌを組み合わせた層の複数組で構成されており、前記第１の反射層である第１層の反射率をＲ１、第２の反射層である第３層の反射率をＲ３、第３の反射層である第５層の反射率をＲ５とするとき、Ｒ１≦Ｒ３≦Ｒ５であることを特徴としている。
本発明の光分散補償素子の例は、前記複数個の分散補償を行うことが出来る素子の接続方法または接続経路が複数通りあることを特徴としている。
本発明の光分散補償素子の例は、前記複数個の分散補償を行うことが出来る素子の接続方法または接続経路を光分散補償素子の外部から選択することができることを特徴としている。
本発明の光分散補償素子の例は、前記複数個の分散補償を行うことが出来る素子の接続方法または接続経路を光分散補償素子の外部から選択する手段が、電気的手段であることを特徴としている。
本発明の光分散補償方法の例は、信号光の光路における分散補償を行うことが出来る素子の接続の仕方を複数通り選択することができることを特徴としている。
本発明の光分散補償方法に用いる光分散補償素子の例においては、前記多層膜として、後述の多層膜Ａ〜Ｈの少なくとも１種類の多層膜を用いることが出来る。
すなわち、光学的性質が異なる積層膜を少なくとも５種類（すなわち、光の反射率や膜厚などの光学的な性質の異なる積層膜を少なくとも５層）有する多層膜を有し、前記多層膜が光の反射率が互いに異なる少なくとも２種類の反射層を含む少なくとも３種類の反射層を有するとともに、前記３種類の反射層の他に少なくとも２つの光透過層を有し、前記３種類の反射層の各１層と前記２つの光透過層の各１層とが交互に配置されており、前記多層膜が、膜の厚み方向の一方の側から順に、第１の反射層である第１層、第１の光透過層である第２層、第２の反射層である第３層、第２の光透過層である第４層、第３の反射層である第５層から構成されており、
多層膜Ａを、前記５層の積層膜すなわち前記第１〜第５層が、前記多層膜の厚み方向の一方の側から順に、層Ｈ、層Ｌの順に各１層ずつ組み合わせた層（以下、ＨＬの層ともいう）を３セット（層Ｈ１層と層Ｌ１層とを組み合わせた層をＨＬの層１セットと称する。以下同様）積層して構成される第１層、層Ｈと層Ｈを組み合わせた層（すなわち、層Ｈを２層重ねて形成した層。以下、ＨＨの層ともいう）を１０セット積層して構成される第２層、層Ｌを１層とＨＬの層を７セットとを積層して構成される第３層、ＨＨの層を３８セット積層して構成される第４層、層Ｌを１層とＨＬの層を１３セットとを積層して構成される第５層でそれぞれ形成されている多層膜とし、
多層膜Ｂを、前記多層膜ＡのＨＨの層を１０セット積層して形成されている第２層の代わりに、前記第２層が、多層膜Ａの場合と同じ方向の「膜の厚み方向の一方の側から順に」、ＨＨの層を３セット、層Ｌと層Ｌを組み合わせた層（すなわち、層Ｌを２層重ねて形成した層。以下、ＬＬの層ともいう）を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を２セット、ＨＨの層を１セットをこの順に積層して構成される積層膜で形成されている多層膜とし、
多層膜Ｃを、前記多層膜ＡまたはＢのＨＨの層を３８セット積層して形成されている第４層の代わりに、前記第４層が、多層膜Ａの場合と同じ方向の「膜の厚み方向の一方の側から順に」、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を２セットをこの順に積層して構成される積層膜で形成されている多層膜とし、
多層膜Ｄを、前記５層の積層膜すなわち前記第１〜第５層が、前記多層膜の厚み方向の一方の側から順に、層Ｌ、層Ｈの順に各１層ずつ組み合わせた層（以下、ＬＨの層ともいう）を５セット積層して構成される第１層、ＬＬの層を７セット積層して構成される第２層、層Ｈを１層とＬＨの層を７セットとを積層して構成される第３層、ＬＬの層を５７セット積層して構成される第４層、層Ｈを１層とＬＨの層を１３セットとを積層して構成される第５層でそれぞれ形成されている多層膜とし、
多層膜Ｅを、前記５層の積層膜すなわち前記第１〜第５層が、前記多層膜の厚み方向の一方の側から順に、ＨＬの層を２セット積層して構成される第１層、ＨＨの層を１４セット積層して構成される第２層、層Ｌを１層とＨＬの層を６セットとを積層して構成される第３層、ＨＨの層を２４セット積層して構成される第４層、層Ｌを１層とＨＬの層を１３セットとを積層して構成される第５層でそれぞれ形成されている多層膜とし、
多層膜Ｆを、前記多層膜ＥのＨＨの層を１４セット積層して形成されている第２層の代わりに、前記第２層が、多層膜Ｅの場合と同じ方向の「膜の厚み方向の一方の側から順に」、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を２セット、ＬＬの層を１セット、ＨＨの層を１セットをこの順に積層して構成される積層膜で形成されている多層膜とし、
多層膜Ｇを、前記多層膜ＥまたはＦのＨＨの層を２４セット積層して形成されている第４層の代わりに、前記第４層が、多層膜Ｅの場合と同じ方向の膜の厚み方向の一方の側から順に、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を３セット、ＬＬの層を３セット、ＨＨの層を２セット、ＬＬの層を１セット、ＨＨの層を１セットをこの順に積層して構成される積層膜で形成されている多層膜とし、
多層膜Ｈを、前記５層の積層膜すなわち前記第１〜第５層が、前記多層膜の厚み方向の一方の側から順に、ＬＨの層を４セット積層して構成される第１層、ＬＬの層を９セット積層して構成される第２層、層Ｈを１層とＬＨの層を６セットとを積層して構成される第３層、ＬＬの層を３５セット積層して構成される第４層、層Ｈを１層とＬＨの層を１３セットとを積層して構成される第５層でそれぞれ形成されている多層膜とする。
以下、本発明の光学部品の説明は、その分散補償に用いる光分散補償素子を中心に説明する。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。そして本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、本発明の説明に用いる図は、必ずしも実施例などの実物や記述と相似形でない場合もある。また、各図において、同様な構成成分については同一の番号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。
図１は光ファイバを伝送路に用いた通信において生じた分散を光分散補償素子で補償する方法を説明する図で、符号１１０１は２次の分散を補償して残った信号光の３次分散を示す群速度遅延時間−波長特性曲線、１１０２は分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性曲線で、１１０３は、曲線１１０１の分散特性を有する信号光の分散を、曲線１１０２の分散特性を有する分散補償素子で補償したあとの補償対象波長帯域λ_１〜λ_２の間の群速度遅延時間−波長特性曲線で、縦軸は群速度遅延時間、横軸は波長である。
図２〜図４は、本発明による光分散補償素子を説明する図で、図２は後述の多層膜の断面図、図３は膜厚を変化させた多層膜の斜視図、図４は多層膜の群速度遅延時間−波長特性曲線である。
図２は本発明の３次分散補償素子の例として用いる多層膜の断面をモデル的に説明する図である。図２において、符号１００は本発明の光分散補償素子の例としての多層膜、１０１は入射光の方向を示す矢印、１０２は出射光の方向を示す矢印、１０３、１０４は反射率が１００％未満の反射層（以下、反射膜ともいう）、１０５は反射率が９８〜１００％の反射層、１０８、１０９は光透過層、１１１、１１２はキャビティである。また、符号１０７は基板で、たとえば、ＢＫ−７ガラス（ドイツ国ショット社の商品名）を使用している。
図２の各反射層１０３、１０４、１０５の反射率Ｒ（１０３）、Ｒ（１０４）、Ｒ（１０５）は、Ｒ（１０３）≦Ｒ（１０４）≦Ｒ（１０５）の関係にある。そして、各層の反射率を少なくとも光透過層を挟んで隣り合う反射層間において互いに異なるように設定することが量産上好ましい。すなわち、入射光が入射する側から多層膜の厚み方向に向かって、入射光の中心波長λに対する各反射層の反射率が次第に大きくなるように形成する。そして、各反射層の前記波長λの光に対する反射率を、６０％≦Ｒ（１０３）≦７７％、９６％≦Ｒ（１０４）≦９９．８％、９８％≦Ｒ（１０５）の範囲にとって、前記Ｒ（１０３）、Ｒ（１０４）、Ｒ（１０５）の関係を満たすように構成することにより、後述の図５Ａ〜Ｄに示すような群速度遅延時間−波長特性曲線を得ることができる。そして、Ｒ（１０３）＜Ｒ（１０４）＜Ｒ（１０５）にすることがより好ましく、Ｒ（１０５）を１００％に近づけるか１００％にすることがより好ましく、本発明の光分散補償素子の性能を一層高めることができる。
そして、本発明の光分散補償素子をより製造し易くするために、隣り合う各反射層間の光路長として考えたときの間隔がそれぞれ異なるように各反射層の形成条件を選ぶことが好ましく、各反射層の反射率の設計精度をゆるめることができ、膜厚が波長λの４分の１の単位膜の組み合わせ（λ／４の整数倍の膜厚の膜）で本発明の３次分散補償素子に用いられる多層膜を形成することができ、信頼性が高く、量産性が優れた３次分散補償素子を安価に提供することができる。
なお、前記多層膜の単位膜の膜厚が波長λの４分の１であると記載したが、これは、前記の如く、量産における膜の形成で許容される誤差の範囲内においてλ／４という意味であり、具体的には、λ／４±３％、より好ましくはλ／４±１％において本発明でいうλ／４の膜厚を意味しており、この範囲においても本発明は特に大きな効果を発する。そこで、本発明ではこの範囲の膜厚をλ／４の厚みということにした。特に、上記単位膜の厚みをλ／４±０．５％（この場合のλ／４は誤差無しのλ／４の意味）にすることにより、量産性を損なわずに、バラツキが少なく、信頼性の高い多層膜を形成することができ、図５Ａ〜Ｄで後述するような光分散補償素子を安価に提供することができる。
また、本発明における多層膜が膜厚がλ／４の単位膜を積層して形成すると説明しているが、これは、１つの単位膜を形成してから次の単位膜を形成するという方法を繰り返して多層膜を形成することもできるが、これに限らず、一般的にはλ／４の整数倍の膜厚の膜を、連続的に形成することが多く、このような多層膜も当然のことながら本発明の多層膜に含まれるものである。そして、前記反射層と前記透過層を連続的に形成する膜形成工程を用いて本発明の多層膜のいくつかの例を形成することができる。
図３は、図２の多層膜１００の後述する入射面２２０の面内方向において、前記多層膜１００の膜厚を変化させた例を説明する図である。
図３において、符号２００は本発明の光分散補償素子の一例としての多層膜、２０１は第１の反射層、２０２は第２の反射層、２０３は第３の反射層、２０５は基板、２０６は第１の光透過層、２０７は第２の光透過層、２１１は第１のキャビティ、２１２は第２のキャビティ、２２０は光入射面、２３０は入射光の方向を示す矢印、２４０は出射光の方向を示す矢印、２５０は第１の膜厚変化方向を示す矢印、２６０は第２の膜厚変化方向を示す矢印、２７０，２７１は入射光の入射位置を移動させる方向を示す矢印である。
図３において、たとえば、ＢＫ−７ガラスなどから成る基板２０５の上に、第３の反射層２０３，第２の光透過層２０７、第２の反射層２０２、第１の光透過層２０６、第１の反射層２０１が、順次形成されている。
第１の光透過層２０６の厚みが図３の矢印２５０で示す方向に変化する（図の右から左の方向に次第に厚くなっている）ように、そして、第２の光透過層２０７の厚みが矢印２６０で示す方向に変化する（図の手前から向こう側に次第に厚くなっている）ように、前記多層膜を形成する。第１から第３の反射層の厚みは、第１および第２のキャビティの共振波長が一致したときの波長が入射光の中心波長λに一致したときに、第１、第２、第３の各反射層の反射率が、前記Ｒ（１０３）、Ｒ（１０４）、Ｒ（１０５）の条件を満たすような膜厚に形成する。
図４は、本発明の光分散補償素子の例としての多層膜（以下、光分散補償素子ともいう）２００の入射面２２０において、図３の矢印２３０の方向から入射光を入射し、矢印２４０の方向に出射光を得るようにし、入射光の入射位置を後述のように図３の矢印２７０あるいは２７１の方向に移動した時の、群速度遅延時間−波長特性曲線の変化する様子を説明するものである。
また、前記波長調整（波長選択）および前記曲線調整（曲線選択）のために、入射光の入射位置を変更する手段としては、入射光の位置に対して、光分散補償素子２００あるいは入射光の少なくとも一方を移動させることによって実現した。前記光分散補償素子または入射光を移動させる手段としては、光分散補償素子の使用される事情、コストあるいは特性などの条件など、事情によって種々選択することができる。たとえば、コスト上あるいは装置の事情から、ネジなどの手動的手段により行う方法を用いることができ、また、正確に調整するため、あるいは手動で調整することができない時にも調整することができるようにするためには、たとえば電磁的なステップモータや連続駆動モータを用いることが効果的であり、また、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを用いた圧電モーターを使用することも効果的である。また、これらの方法と組み合わせることもできるプリズムや二芯コリメータなどを用いたり、光導波路を利用するなどの光学的手段によって入射位置を選択することにより、容易に、正確に入射位置を選択することができた。
図４は、入射位置２８０〜２８２に中心波長λの入射光を入射させたときの群速度遅延時間−波長特性曲線を示し、縦軸は群速度遅延時間、横軸は波長である。
反射層２０１〜２０３および光透過層２０６と２０７の各矢印２５０と２６０で示す方向に膜厚を変化させる条件を適切に選ぶことによって、前記入射光の入射面２２０における入射位置を矢印２７０で示す方向に移動させたとき、群速度遅延時間−波長特性曲線の形状をほぼ同様の形に維持しつつ、群速度遅延時間−波長特性曲線の帯域中心波長λ_０（たとえば、図４のほぼ左右対称の形状の群速度遅延時間−波長特性曲線２８０１における極値を与える波長）が変化し、そして、その位置から矢印２７１で示す方向に前記入射位置を移動させたとき、前記波長λ_０はほとんど変わらずに、群速度遅延時間−波長特性曲線の形状を、図４の曲線２８１１、２８１２のように変化させることができる。図４の各曲線は、図３の矢印２５０と２６０の方向へそれぞれ各当該膜の膜厚を単調に増大するように形成した時のものである。
曲線２８０１〜２８１２における帯域中心波長λ_０は、分散補償の目的によって、たとえば図４のグラフの適切な波長のところに設定するが、たとえば、図４に図示の曲線の波長の範囲のほぼ中央値にとってもよく、分散補償の目的に応じて適宜定めても良い。また、曲線２８０１〜２８１２の間のそれぞれの極値波長など曲線の各特徴点の波長の対応関係をあらかじめ調べておくことなどはここに記載しなくても当然のことである。
このようにして、たとえば、まず、分散補償すべき入射光の中心波長λに該当する帯域中心波長λ_０を一致させるように、入射光の入射位置を図３の矢印２７０の方向に移動して決め、分散補償すべき保障の内容、すなわち、入射光の分散状況に適合して、分散補償に用いる群速度遅延時間−波長特性曲線の形状を、たとえば図４の各曲線などから選択し、それに応じて、図３の矢印２７１で示す方向に前記入射位置をたとえば符号２８０〜２８２で示す各点などのように選択することにより、信号光に求められる分散補償を効果的に行うことができる。
図４の群速度遅延時間−波長特性曲線の形状からも明らかなように、本発明の光分散補償素子を用いて、たとえば、曲線２８０１を用いて３次分散補償を行うことができ、曲線２８１１または２８１２の比較的直線成分に近い部分を用いて、２次の微少な分散補償を行うことができる。
以上、図２〜図４を用いて説明したのは本発明に用いる「分散補償素子を行うことが出来る素子」であるが、この「分散補償素子を行うことが出来る素子」を用いれば、３次の分散をある程度補償することが出来ることは、図４の各曲線の説明から明白である。
しかし、「分散補償素子を行うことが出来る素子」単独で補償できる分散補償の波長帯域幅は、波長が１．５５μｍ近傍の信号光について、１．５ｎｍ前後、群速度遅延時間は３ｐｓ（ピコ秒）位の場合が多く、また、複数チャンネルの光通信に対応するために分散補償の波長帯域幅を広くすると、分散補償を十分に行うことが出来る程度の群速度遅延時間を得ることが難しく、現実の通信に広く使い勝手よく用いるには、さらなる改善がなされることが望ましい。そこで、本発明を図５Ａ〜Ｄ、を用いてさらに詳しく説明する。
図５Ａ〜Ｄは、たとえば前記のごとき分散補償を行うことが出来る素子を複数個用いて群速度遅延時間−波長特性を改善する方法を説明する図であり、図５Ａは本発明に用いる分散補償を行うことが出来る素子が１個の群速度遅延時間−波長特性、図５Ｂは群速度遅延時間−波長特性曲線の形がほぼ同じで、群速度遅延時間−波長特性曲線のピーク値（以下、極値ともいう）を与える波長（以下、極値波長ともいう）が異なる分散補償を行うことが出来る素子を２個直列に接続した本発明の光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性を、図５Ｃは群速度遅延時間−波長特性曲線がほぼ同じで極値波長が異なる分散補償を行うことが出来る素子を３個直列に接続した本発明の光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性を、図５Ｄは群速度遅延時間−波長特性曲線の形も極値波長も異なる分散補償を行うことが出来る素子を３個直列に接続した本発明の光分散補償方法に用いる光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性を表すグラフであり、いずれも縦軸が群速度遅延時間、横軸が波長である。
図５Ａ〜Ｄにおいて、符号３０１〜３０９は本発明に用いる分散補償を行うことが出来る素子１個の各群速度遅延時間−波長特性曲線、３１０は前記本発明に用いる群速度遅延時間−波長特性曲線の形がほぼ同じで極値波長が異なる分散補償を行うことが出来る素子を２個を直列に接続した場合の群速度遅延時間−波長特性曲線、３１１は前記本発明に用いる群速度遅延時間−波長特性曲線の形がほぼ同じで極値波長が異なる分散補償を行うことが出来る素子を３個直列に接続した場合の群速度遅延時間−波長特性曲線、３１２は群速度遅延時間−波長特性曲線の形も極値波長も異なる分散補償を行うことが出来る素子を３個直列に接続した場合の群速度遅延時間−波長特性曲線である。図５Ａで符号ａは分散補償対象波長帯域、ｂは群速度遅延時間の極値である。
図５Ｂと図５Ｃにおいて、群速度遅延時間−波長特性曲線３１０の群速度遅延時間の極値は、分散補償を行うことが出来る素子１個の場合の１．６倍、分散補償対象波長帯域は約１．８倍になっており、群速度遅延時間−波長特性曲線３１１の群速度遅延時間の極値は１個の場合の約２．３倍、分散補償対象波長帯域は分散補償を行うことが出来る素子１個の場合の約２．５倍になっている。図５Ｄにおいては、群速度遅延時間−波長特性曲線３１２の曲線の群速度遅延時間の極値が分散補償を行うことが出来る素子１個の場合の約３倍、分散補償対象波長帯域は分散補償を行うことが出来る素子１個の場合の約２．３倍になっている。
図２〜図４において説明したような多層膜を用いた分散補償を行うことが出来る素子の群速度遅延時間−波長特性曲線の群速度遅延時間の極値と分散補償対象波長帯域は、前記多層膜の各反射層と各光透過層の構成条件によって変化し、たとえば、図５Ｄの曲線３０７のような分散補償対象波長帯域が比較的広いが群速度遅延時間の極値があまり大きくない群速度遅延時間−波長特性曲線や、曲線３０８のように分散補償対象波長帯域が狭いが群速度遅延時間の極値は大きい群速度遅延時間−波長特性曲線のように、種々の特性を有する分散補償を行うことが出来る素子を実現することが出来る。
このような分散補償を行うことが出来る素子に用いる多層膜としては、たとえば、前記「発明の開示」の項に記載した多層膜Ａ〜多層膜Ｈがあげられる。この多層膜Ａ〜Ｈを用いて、分散補償を行うことが出来る素子を作成したところ、波長が約１．５５μｍの信号光に対して、群速度遅延時間の極値が３ｐｓ（ピコ秒）で分散補償対象波長帯域が１．３〜２．０ｎｍの群速度遅延時間−波長特性曲線を実現することが出来た。
そして、この分散補償を行うことが出来る素子を複数個直列に接続して、光ファイバ伝送による分散を補償することができる群速度遅延−波長特性を有する分散補償対象波長帯域が１５ｎｍの光分散補償素子を実現することが出来た。この光分散補償素子を波長が１．５５μｍ近傍で、各チャンネルの帯域波長幅０．５ｎｍ、３０チャンネルの通信システムの３次分散補償を行う素子として用い、１００Ｇｂｐｓ相当で６０ｋｍ送信の光通信を行ったところ、３次分散が全く害にならずに通信を行うことが出来た。
また、図４における群速度遅延時間−波長特性曲線や、図５Ｄにおける群速度遅延時間−波長特性曲線の種々の形など、直列に接続して用いる分散補償を行うことが出来る素子の群速度遅延時間−波長特性を適宜工夫して選択することにより、３次の分散のみならず２次の分散をも補償することが出来た。
本発明の分散補償を行うことが出来る素子を少なくとも２個直列に接続した光分散補償素子の例においては、３次以上の分散を補償するのに必要な群速度遅延時間−波長特性を有する光分散補償素子を実現するために分散補償対象波長域において極値を有する群速度遅延時間−波長特性の分散補償を行うことが出来る素子を少なくとも１つ用いることが望ましい。
また、通信伝送路の分散補償をより効果的に行うには、光分散補償素子としての群速度遅延時間−波長特性曲線をよりよいものにすることが望ましい。そのための１つの方法として、分散補償を行うことが出来る素子の群速度遅延時間−波長特性を調整できる手段を有する方法がある。
その方法として、図２、図３を用いて説明したような、多層膜の光透過層と反射層の膜厚を入射面内方向において変化させ、分散補償を行うことが出来る素子における信号光の相対的な入射位置を変えて、分散補償を行うことが出来る素子の群速度遅延時間−波長特性を変えることがあげられる。この入射光の入射位置を変更する手段としては、入射光の位置に対して、光分散補償素子２００あるいは入射光の入射位置そのものの少なくとも一方を移動させることによって実現した。前記光分散補償素子または入射光を移動させる手段としては、光分散補償素子の使用される事情、コストあるいは特性などの条件など、事情によって種々選択することができる。たとえば、コスト上あるいは装置の事情から、ネジなどの手動的手段により行う方法を用いることができ、また、正確に調整するため、あるいは手動で調整することができない時にも調整することができるようにするためには、たとえば電磁的なステップモータや連続駆動モータを用いることが効果的であり、また、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを用いた圧電モーターを使用することも効果的である。また、これらの方法と組み合わせることもできるプリズムや二芯コリメータなどを用いたり、光導波路を利用するなどの光学的手段によって入射位置を選択することにより、容易に、正確に入射位置を選択することができる。
前記本発明の光分散補償素子に用いる分散補償を行うことが出来る素子の多層膜の各層は、厚みが４分の１波長のＳｉＯ_２のイオンアシスト蒸着で作成した膜（以下、イオンアシスト膜ともいう）で形成された層Ｌと、厚みが４分の１波長のＴｉＯ_２のイオンアシスト膜で形成された層Ｈとから構成されている。前記ＳｉＯ_２のイオンアシスト膜（層Ｌ）１層とＴｉＯ_２のイオンアシスト膜（層Ｈ）１層の組みあわせ層でＬＨの層１セットと称し、たとえば、「ＬＨの層５セット積層して」とは、「層Ｌ・層Ｈ・層Ｌ・層Ｈ・層Ｌ・層Ｈ・層Ｌ・層Ｈ・層Ｌ・層Ｈの順に各層をそれぞれ１層ずつ重ねて形成して」ということを意味する。
同様に、前記ＬＬの層は、厚みが４分の１波長のＳｉＯ_２のイオンアシスト膜で構成されている層Ｌを２層重ねて形成した層をＬＬの層１セットと称す。したがって、たとえば、「ＬＬの層を３セット積層して」とは、「層Ｌを６層重ねて形成して」を意味する。
なお、層Ｈを形成する膜の組成として、誘電体の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＴｉＯ_２と同じ誘電体材料としてはＴｉＯ_２の他に、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５などを用いることができ、さらに、誘電体材料の他に、ＳｉやＧｅを用いて層Ｈを形成することもできる。ＳｉやＧｅを用いて層Ｈを形成した場合、光学的性質より層Ｈを薄く形成することができるという利点を有する。また、層Ｌの組成としてＳｉＯ_２の例を示したが、ＳｉＯ_２は安価にしかも信頼性高く層Ｌを形成できる利点があるが、本発明はこれに限定されるものではなく、層Ｈの屈折率よりも屈折率が低くなる材質によって層Ｌを形成すれば、本発明の上記効果を発揮する光分散補償素子を実現することができる。
また、本実施例では、前記多層膜を構成する層Ｌと層Ｈをイオンアシスト蒸着で形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通常の蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングその他の方法で形成した多層膜を用いても本発明は大きな効果を発揮するものである。
本発明の光分散補償素子は、図３に示す光分散補償素子としての多層膜２００のように、ウェハー状のものを適当に保持して用いることもでき、また、入射面２２０内での必要な部分を含むように、厚み方向に、すなわち、入射面２２０から基板２０５方向に、たとえば垂直に、小さく切断したチップ状にして、たとえばファイバコリメータとともに筒状のケースに実装して光分散補償素子として用いることもできるなど、その形態は多様な可能性を有するものであり、そのいずれの場合においても、本発明で説明する主たる効果をもたらすものである。
波長選択フィルタなどの光学部品は、従来、分散が全く調べられておらず問題にされなかったが、前記のように本発明者らの調査の結果、用途によって大きな問題になることが予測される。
そこで、この課題を解決するため、本発明では前記分散補償を行うことができる素子やそれを複数個直列に接続した光分散補償素子を用いて光学部品の前記分散の補償を行った。
図６Ａおよび図６Ｂは、分散補償を施された本発明の光学部品とその分散補償方法を説明する図で、図６Ａは光学部品に組み込まれている光学素子としての波長選択フィルタと光分散補償素子を同一のケースに組み込んだ例を、図６Ｂは光学素子としての波長選択フィルタと光分散補償素子をを別々のケースに組み込んだ例を示す図である。
図６Ａ、図６Ｂにおいて、符号４００，４５０は分散補償を施された本発明の光学部品、４０１，４５１は波長選択フィルタ素子、４１０、４７０は光分散補償素子、４０２、４０３、４５２、４５３、４５４は光ファイバ、４０５、４５６〜４５８はレンズ、４０９と４６５から４６７は光ファイバとレンズで構成されるコリメータ、４０４、４５５、４６０、４６１は光ファイバを保持している保持具、４０６、４５９、４６２はケース４７７〜４８０は入出力用コリメータである。
図６Ａの光学部品４００において、入出力用コリメータ４７７から入射した信号光は光ファイバ４０２を進行し、レンズ４０５を経て波長選択フィルタ素子４０１を通り光分散補償素子４１０に入射する。光分散補償素子４１０に入射した信号光は、波長選択フィルタ素子４０１で生じた分散とは逆の分散を施されて光分散補償素子から出射され、再び波長選択フィルタ４０１を通過し、今度はレンズ４０５を経て波長選択フィルタ４０３に入射し、入出力用コリメータ４７８から出射される。波長選択フィルタ素子４０１と光分散補償素子４１０は逆の傾向の群速度遅延時間−波長特性を有し、かつ、たとえば、分散補償波長域での光分散補償素子４１０の群速度遅延時間の絶対値は波長選択フィルタ素子４０１の群速度遅延時間の絶対値の少なくとも２倍の値を有するものを用いることにより、波長選択フィルタ素子により、信号光に生じる分散を完全に補償することができる。
図６Ａのコリメータ４０９は、光ファイバ４０２および４０３とレンズ４０５からなる二芯コリメータで、保持具４０４を有して４０６に実装されている。
図６Ｂの光学部品４５０において、入出用コリメータ４７９から入射した信号光は、光ファイバ４５２を進行し、レンズ４５６から波長選択フィルタ素子４５１を通過し、レンズ４５７から光ファイバ４５３に進行し、レンズ４５８を経て光分散補償素子４７０に入射して、分散補償を施されて再び４５８を経て今度は光ファイバ４５４に進み、入出力用コリメータ４８０から出射される。光分散補償素子の分散補償量を波長選択フィルタ素子４５１で生じた分散量に等しくしておけば、光学部品４５０からの出力光は分散が補償された信号光となる。
図６Ｂのコリメータ４６５は光ファイバ４５２とレンズ４５６で構成され、保持具４５５を介してケース４５９に実装され、コリメータ４６６は光ファイバ４５３とレンズ４５７で構成され、保持具４６１を介してケース４５９に実装されコリメータ４６７は光ファイバ４５３および４５４とレンズ４５８とで二芯コリメータを構成され保持具４６０を介してケース４６２に実装されている。
以上、説明したように、本発明の光学部品は、たとえば波長選択フィルタ素子と本発明の光分散補償素子とを信号光の光路に沿って直列に接続して、波長選択フィルタ素子によって信号光に生じた分散を補償することができる。ここで、図６Ａおよび図６Ｂの光分散補償素子の分散補償量を波長選択フィルタ素子により、信号光に生じる分散を補償する量よりも大きくすることにより、この光学部品をこれと同じ傾向の分散を生じさせる光伝送路を用いた通信システムに用いた場合、光分散補償素子としての働きもさせることができる。
以上の説明からもわかるように、本発明による光学部品の分散補償方法は、光学部品のたとえば図６Ａおよび図６Ｂの例での波長選択フィルタ素子のような機能素子と光分散補償素子を光路に沿って直列に、すなわち、前記機能素子を通り分散を生じて前記光分散補償素子を通って分散を補償されるように接続することにより分散を補償することを特徴としている。
なお、分散補償の施され方は、分散補償を行うことが出来る素子の群速度遅延時間−波長特性によって異なるものであることは上記説明より明らかである。
また、本発明の光分散補償素子４７０に用いる分散補償を行うことが出来る素子として、図３を用いて説明した多層膜の入射面内方向において膜厚が変化している多層膜を使用することができ、入射位置を調整する手段を、たとえばケース４６２に設けることができ、ケースに制御回路を装置して入射位置を調整することが出来る。
このような構成の本発明による光分散補償素子を用いて分散補償を行うと、少なくとも光学部品により生じる分散を確実に補償できる上に、、信号光が光分散補償素子を透過することによるによる損失は０．５ｄＢ以下ときわめて低い値であった。この損失は、従来のファイバグレーティングを用いた２次の分散補償素子に比較して、きわめて優れたものである。
産業上の利用可能性
以上、本発明の光分散補償素子の説明を中心に、本発明の光分散補償素子を用いて分散補償された光学部品とその光分散補償素子を用いた光学部品の分散補償方法を説明した。
本発明で信号光の分散を補償するのに用いた多層膜を用いた光分散補償素子は、特に３次の分散の良好な分散補償をも行うことが出来、その分散補償で生じる信号光の損失はきわめて小さく、その光分散補償素子を組み込んだ光学部品は、小型で量産に適しており、安価であるという大きな利点を有している。そして、本発明の光分散補償素子による分散補償は、３次以上の分散補償において特に大きな効果をもたらすことに加えて、群速度遅延時間−波長特性の適切な調整によって、２次の分散補償をも行い得るものである。
そして、本発明の光分散補償素子を用いることにより、既存の光通信システムの多くを利用することを可能にする点で、社会的経済的効果が多大なものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による光分散補償を説明する図である。
図２は、本発明の多層膜の断面図である。
図３は、本発明の多層膜の斜視図である。
図４は、本発明の多層膜の群速度遅延時間−波長特性曲線である。
図５Ａは、本発明の分散補償素子の基本となる分散補償を行うことが出来る素子１個の群速度遅延時間−波長特性を表すグラフである。
図５Ｂは、本発明の、分散補償を行うことが出来る素子を複数個用いて群速度遅延時間−波長特性を改善する方法を説明する図で、分散補償を行うことが出来る素子を２個直列に接続した本発明の光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性を表すグラフである。
図５Ｃは、本発明の、分散補償を行うことが出来る素子を複数個用いて群速度遅延時間−波長特性を改善する方法を説明する図で、分散補償を行うことが出来る素子を３個直列に接続した本発明の光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性を表すグラフである。
図５Ｄは、本発明の、分散補償を行うことが出来る素子を複数個用いて群速度遅延時間−波長特性を改善する方法を説明する図で、分散補償を行うことが出来る素子を３個直列に接続した本発明の光分散補償素子の群速度遅延時間−波長特性を表すグラフである。
図６Ａは、分散補償を施された本発明の光学部品とその分散補償方法を説明する図であり、光学素子としての波長選択フィルタと光分散補償素子を同一のケースに組み込んだ例を示す図である。
図６Ｂは、光学素子としての波長選択フィルタと光分散補償素子を別々のケースに組込み光ファイバで接続した例を示す図である。
図７Ａは、２次と３次の波長分散の補償方法を説明する図であり、波長−時間特性と光強度−時間特性を説明する図である。
図７Ｂは、２次と３次の波長分散の補償方法を説明する図であり、伝送路を説明する図である。
図７Ｃは、２次と３次の波長分散の補償方法を説明する図であり、伝送路を説明する図である。
図８は、従来の光ファイバの分散−波長特性を示すグラフである。

Claims

波長選択フィルタ素子などの光学素子を有する光学部品において、前記光学素子と波長分散としての分散を補償することができる多層膜を用いた光分散補償素子とを信号光の光路に配置したことを特徴とする光学部品。
請求項１に記載の光学部品において、前記光分散補償素子が光通信に用いられる波長範囲において少なくとも１つの極値を有する群速度遅延時間−波長特性曲線を有する多層膜を利用して分散補償を行うことが出来る素子であることを特徴とする光学部品。
請求項１に記載の光学部品において、前記多層膜が光の反射率が互いに異なる少なくとも３つの反射層と、前記反射層の間に形成された少なくとも２つの光透過層を有することを特徴とする光学部品。
請求項１に記載の光学部品において、前記多層膜が、光学的性質が異なる積層膜を少なくとも５種類すなわち、光の反射率や膜厚などの光学的な性質の異なる積層膜を少なくとも５層有する多層膜であり、前記多層膜が、光の反射率が互いに異なる少なくとも３種類の反射層を有するとともに、前記３種類の反射層の他に少なくとも２つの光透過層を有し、前記反射層と前記光透過層の各１層とが交互に配置されており、前記多層膜が、膜の厚み方向の一方の側から順に、第１の反射層である第１層、第１の光透過層である第２層、第２の反射層である第３層、第２の光透過層である第４層、第３の反射層である第５層の順に構成されており、入射光の中心波長をλとして、前記第１〜第５層において、入射光の中心波長λの光に対する光路長として考えたときの前記多層膜各層の膜厚が、λ／４の整数倍±３％の範囲の値の意味でλ／４のほぼ整数倍の膜厚であり、かつ、前記多層膜が、膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が高い方の層である層Ｈと膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が低い方の層である層Ｌを組み合わせた層の複数組で構成されており、各反射層の入射光の中心波長λの光に対する反射率が、膜の厚み方向の一方の側から順に大きな値になっていることを特徴とする光学部品。
請求項１に記載の光学部品において、前記多層膜の少なくとも１つの積層膜の膜厚が、前記多層膜の光の入射面に平行な断面における面内方向すなわち入射面内方向において変化していることを特徴とする光学部品。
請求項５に記載の光学部品において、前記多層膜に係合して、前記多層膜の少なくとも１つの積層膜の膜厚を調整する調整手段、あるいは、前記多層膜の入射面における光の入射位置を変える手段が設けられていることを特徴とする光学部品。
請求項４に記載の光学部品において、前記層Ｈが主としてＳｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５のいずれかから成る層で形成されていることを特徴とする光学部品。
請求項４に記載の光学部品において、前記層Ｌが、層Ｈに使用されている材質よりも屈折率の低い材質主としてを用いて形成されていることを特徴とする光学部品。
請求項４に記載の光学部品において、前記層ＬがＳｉＯ_２から成る層で形成されていることを特徴とする光学部品。
請求項１に記載の光学部品において、前記光学素子と前記光分散補償素子とが同一のケースに実装されていることを特徴とする光学部品。
請求項１０に記載の光学部品において、前記光学部品への光信号の入力と出力が光ファイバを介して行われることを特徴とする光学部品。
請求項１に記載の光学部品において、前記光学素子と前記光分散補償素子とが互いに別のケースに実装されており、前記実装された光学素子と前記実装された光分散補償素子とが光ファイバによって光結合されていることを特徴とする光学部品。
波長選択フィルタ素子などの光学素子を有する光学部品の分散補償方法において、前記光学素子と波長分散としての分散を補償することができる多層膜を有する光分散補償素子とを信号光の光路に配置して分散を補償することを特徴とする光学部品の分散補償方法。
請求項１３に記載の光学部品の分散補償方法において、前記光分散補償素子が光通信に用いられる波長範囲あるいは前記光学部品が用いられる光学装置において用いられる波長範囲において少なくとも１つの極値を有する群速度遅延時間−波長特性曲線を有する多層膜を利用した光分散補償素子であることを特徴とする光学部品の分散補償方法。
請求項１３に記載の光学部品の分散補償方法において、前記多層膜が光の反射率が互いに異なる少なくとも３つの反射層と、前記反射層の間に形成された少なくとも２つの光透過層を有することを特徴とする光学部品の分散補償方法。
請求項１３に記載の光学部品の分散補償方法において、前記多層膜が、光学的性質が異なる積層膜を少なくとも５種類、すなわち、光の反射率や膜厚などの光学的な性質の異なる積層膜を少なくとも５層有する多層膜であり、前記多層膜が、光の反射率が互いに異なる少なくとも３種類の反射層を有するとともに、前記９種類の反射層の他に少なくとも２つの光透過層を有し、前記反射層と前記光透過層の各１層とが交互に配置されており、前記多層膜が、膜の厚み方向の一方の側から順に、第１の反射層である第１層、第１の光透過層である第２層、第２の反射層である第３層、第２の光透過層である第４層、第３の反射層である第５層の順に構成されており、入射光の中心波長をλとして、前記第１〜第５層において、入射光の中心波長λの光に対する光路長として考えたときの前記多層膜各層の膜厚が、λ／４の整数倍±３％の範囲の値の意味でのλ／４のほぼ整数倍の膜厚であり、かつ、前記多層膜が、膜厚がλのほぼ１／４倍で屈折率が高い方の層である層Ｈと膜厚がλの１／４倍で屈折率が低い方の層である層Ｌを組み合わせた層の複数組で構成されており、各反射層の入射光の中心波長λの光に対する反射率が、膜の厚み方向に一方の側から順に大きな値になっていることを特徴とする光学部品の分散補償方法。
請求項１３に記載の光学部品の分散補償方法において、前記多層膜の少なくとも１つの積層膜の膜厚が、前記多層膜の光の入射面に平行な断面における面内方向、すなわち入射面内方向、において変化していることを特徴とする光学部品の分散補償方法。
請求項１７に記載の光学部品の分散補償方法において、前記多層膜に係合して、前記多層膜の少なくとも１つの積層膜の膜厚を調整する調整手段、あるいは、前記多層膜の入射面における光の入射位置を変える手段が設けられている光分散補償素子を用いることを特徴とする光学部品の分散補償方法。