KR100748896B1 - 파장 합분파기 - Google Patents

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야스유키 이노우에
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야스히로 히다
모토하야 이시이
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Abstract

하나의 파장 대역의 끝(end)과 다른 파장 대역의 끝(end)이 소정 길이 이하의 간격으로 배치되어 있는 2개의 파장 대역을 분리하기 위한 파장 합분파기가 개시되어 있다. 서로 교차하는 2개의 광도파로의 교차부에, 유전체 다층막을 설치하고, 상기 유전체 다층막으로의 입사광을 투과광과 반사광으로 분리한다. 여기서, 상기 유전체 다층막의 광입사측의 다층막 표면으로부터 상기 교차하는 2개의 광도파로의 중심의 교점까지의 거리 X가, 0≤X≤d/2(d는 상기 유전체 다층막의 두께)이도록 설정되어 있다. 이와 같은 구성에 의해 파장 간격이 좁은 2파장에 대해서도 컷오프 특성이 좋은 파장 합분파기를 실현할 수 있다.
합분파기, 광도파로, 다층막, 입사광, 투과광, 반사광, 광입사측, 컷오프

Description

파장 합분파기{Wavelength Multi/demultiplexer}
본 발명은 광통신 등에 사용되는 파장 합분파기에 관한 것으로, 특히, 좁은 파장 간격의 파장 대역(band) 끼리를 간단하고 용이한 구성으로 분리할 수가 있는 광파장 합분파기에 관한 것이다.
대용량 전송이나 양방향 동시 전송을 가능하게 하기 위해서, 복수의 파장의 광을 하나의 전송로로 전송하는 광파장 다중 방식이 사용되고 있다. 파장 다중 방식에서, 다중광의 합분파의 기능을 하는 합분파기에는 여러 종류가 있고, 가입자계(액세스(access)계)의 합분파기로서는 낮은 가격의 부품 구성이 필요하다.
도 14는 종래의 파장 합분파기(500)를 나타내는 도이다.
종래의 파장 합분파기(500)는 낮은 가격의 합분파기이고, 1.3㎛와 1.55㎛의 2파장을 합분파하는 것이다(예를 들면, 특허문헌1 참조). 또, 광통신에 사용되는 「파장 합분파기」는 다른 파장의 신호를 함께 하거나 분리하거나 하는 소자이다.
종래의 파장 합분파기(500)는 단일(single) 모드 광도파로(2, 3, 2')와, 광도파로(2와 3)가 교차하는 위치에 설치되어 있는 홈(groove)(4)과, 유전체 다층막(5)을 가지고, 유전체 다층막(5)은 홈(4) 내에 삽입되고, 1.55㎛ 대역에 반사 대역을 가지고, 1.31㎛ 대역에 투과 대역을 가지고 있다.
유전체 다층막(5)은 광도파로(2와 3)가 이루는 교차각의 2등분선에 수직으로, 또한, 그 반사면이 광도파로(2와 3)의 교차점에 위치하도록 설정되어 있다.
이와 같이 광도파로(2, 3)와 유전체 다층막(5)에 의해 기하학적 반사 구조를 가지게 하고, 또한, 광도파로(2')를 유전체 다층막(5)의 투과광 상에 배치한다. 이에 의해 광섬유(도시하지 않음)를 통해 광도파로(2)를 전파하는 1.31㎛와 1.55㎛의 파장 다중광 중에서, 1.55㎛ 광을 유전체 다층막(5)에서 반사시키고, 광도파로(3)로 출력한다. 또, 1.31㎛ 광은 유전체 다층막(5)을 투과시키고, 광도파로(2')로 출력한다.
이 구조에서는 유전체 다층막(5)에서 반사하는 1.55㎛ 광이 결합하는 광도파로(3)가 단일 모드 광도파로이므로, 그 결합 손실을 어떻게 하여 저손실로 억제할지가 중요한 과제이다. 이를 실현하는 유전체 다층막(5)의 설정 위치, 광도파로(2와 3)의 교차각, 고정밀도 홈(groove) 가공을 위한 마커(marker) 위치 등이 최적화 되고, 소요 손실의 합분파기가 실현되어 있다(예를 들면, 특허문헌1 참조).
또, 종래의 파장 합분파기(500)에서는 광도파로(2')가 Y분기 하고, 분기된 광도파로의 각각에 레이저다이오드 또는 포토다이오드가 탑재되어 있는 송수신 모듈(module)이 나타나 있다.
또, 상기 Y분기 광도파로, 레이저다이오드, 포토다이오드를 도 14에서는 생략하고 있다.
최근, 액세스계에서 서비스의 다양화가 진행되어 분파해야할 파장 간격도 좁아지는 경향이 있다. 예를 들면, 1심(single fiber) 양방향(bidirectional) 통신을 하는 PON(Passive　Optical Network) 시스템에서, 하향 신호로서 사용되는 1480∼1580nm 대역을, 1480∼1500nm 대역과 1550∼1560nm 대역의 2개로 분할한다. 그리고, 후자를 영상 전달 등 장래적인 별도 서비스에 할당하는 방식이 제안되어 있다(예를 들면, 비특허문헌1 참조).
이 종래예에 의하면, 1480∼1500nm 대역과 1550∼1560nm 대역을 분리하기 위한 분파기에는, 파장 간격이 가장 근접하는 1500nm와 1550nm의 2파장을 분리하는 성능이 필요하다.
또, 다른 종래예로서 통신 파장과는 다른 파장을 시험광으로 사용하여 각종 광선로 시험을 하는 시스템에서, 통신 파장 대역의 상한 파장인 1625nm에 대해서 1650nm를 시험 파장으로서 사용하는 것이 있다(예를 들면, 특허문헌2 참조). 이 경우에는, 25nm로 근접한 신호광과 시험광을 분파할 필요가 있다.
이와 같은 좁은 간격으로 배치되는 2파장을 종래의 교차 광도파로를 사용한 부품 구성으로 실현될 수 있으면, 파장 합분파기의 저가격화에 유리하다.
상기 교차 광도파로에 의해 파장 합분파기를 구성하는 경우, 유전체 다층막(5)으로의 입사광이 발산광인 것에 기인하여, 얻어지는 합분파 특성의 투과 대역으로부터 차단 대역에 이르는 컷오프(cut off) 영역의 경사가 열화(degrade)한다. 그 때문에, 분파 간격이 좁은 경우에는, 상기 컷오프(cut off) 영역의 경사의 열화를 무시할 수가 없다. 또, 분파 간격을 좁게 하기 위해서는 유전체 다층막을 두껍게 할 필요가 있지만, 이에 의해 발산광에 의한 스펙트럼 열화에의 영향이 보다 강하게 나타나게 된다.
도 15는 상기 종래예에서의 파장 합분파기(500)의 특성을 나타내는 도이다.
발명자들은 광도파로 비굴절률 차를 실용적인 하한값 0.3% 정도로 설정하여 시작 검토를 진행시켰더니, 광도파로(2)로부터 광도파로(3)에 이르는 반사 경로에서, 도 15에 나타내는 것 같은 스펙트럼의 열화가 있고, 파장 합분파기를 실현하는데 장해가 되었다.
이 스펙트럼의 열화는 컷오프 파장 부근에서 손실이 최소로 되는 피크(peak) P를 가지고, 그 장파측에서 손실이 증가하는 형상이고, 유전체 다층막(5)의 특성으로부터는 예상할 수 없는 것이다.
또, 합분파 스펙트럼에서 투과 대역으로부터 차단 대역에 이르는 컷오프 특성에 대해서도 충분하다고는 말할 수 없다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 파장 간격이 좁은 2파장에 대해서도 스펙트럼 열화가 없고, 또한, 컷오프 특성이 양호한 광도파로 교차형의 파장 합분파기를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
특허문헌1 : 일본 특개평8-190026호 공보
특허문헌2 : 일본 특개2002-368695호 공보
비특허문헌1 : NTT 기술저널, 2003년 1월, Vol.15, No.1, p.24-27
본 발명은 하나의 파장 대역의 끝(end)과 다른 파장 대역의 끝(end)이 소정 길이 이하의 간격으로 배치되어 있는 2개의 파장 대역을 분리하기 위한 파장 합분파기이다. 서로 교차하는 2개의 광도파로의 교차부에, 유전체 다층막을 설치하고, 상기 유전체 다층막으로의 입사광을 투과광과 반사광으로 분리한다. 여기서, 상기 유전체 다층막의 광입사측의 다층막 표면으로부터 상기 교차하는 2개의 광도파로의 중심의 교점까지의 거리 X가, 0≤X≤d/2(d는 상기 유전체 다층막의 두께)이도록 설정된다.
즉, 본 발명에서, 거리 X가 0∼d/2인 범위에서는, 반사 경로에서의 스펙트럼 특성이 거의 구형(rectangular)이므로, 컷오프 파장보다도 장파장측에서, 반사 손실이 극단적으로 증가하는 일은 없다. 즉, 도 15에 나타내는 종래예에서의 현저한 손실 최소 피크 P는 존재하지 않는다.
또, 본 발명에서, 거리 X가, d/10≤X≤2d/5인 범위에서는, 반사 경로에서의 스펙트럼 특성이 보다 구형에 가까워지므로 좁은 간격으로 배치되는 파장에 대해서의 분리도가 향상한다. 또한, 컷오프 파장보다도 장파장측에서의 반사 손실의 증가가 생기지 않는다.
본 발명에 의하면, 광도파로 교차형의 파장 합분파기에서, 파장 간격이 좁은 2파장에 대해서도 스펙트럼 열화가 없고, 또한, 컷오프 특성도 양호하다고 하는 효과를 나타낸다.
도 1A는 본 발명의 실시예 1의 파장 합분파기(100)를 나타내는 평면도이다.
도 1B는 본 발명의 실시예 1의 파장 합분파기(100)를 나타내는 정면도이다.
도 1C는 본 발명의 실시예 1의 파장 합분파기(100)를 나타내는 우측면도이다
도 2A는 파장 합분파기(100)에서 유전체 다층막(5)의 다층막 표면(5s)으로부 터 광도파로(2와 3)의 교차점 C1까지의 거리 X가 0으로 되는 위치 관계를 나타내는 도이다.
도 2B는 파장 합분파기(100)에서 유전체 다층막(5)의 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로(2와 3)의 교차점 C1까지의 거리 X가 0∼d로 되는 위치 관계를 나타내는 도이다.
도 2C는 파장 합분파기(100)에서 유전체 다층막(5)의 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로(2와 3)의 교차점 C1까지의 거리 X가 d로 되는 위치 관계를 나타내는 도이다.
도 3은 파장 합분파기(100)에서 유전체 다층막(5)의 근방(광도파로 교차부 C1의 근방)을 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 얻어진 분파 특성을 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 유전체 다층막(5)의 다층막 표면(5s)으로부터 교차점 C1까지의 거리 X와 광도파로(2)로부터 광도파로(3)에 이르는 반사 스펙트럼과의 관계를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 광도파로(2)로부터 광도파로(3)에 이르는 반사 스펙트럼이 손실 0.7dB로 되는 파장과 20dB로 되는 파장의 간격과 거리 X와의 관계를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 컷오프 파장보다도 장파장측에서의 반사 손실과 거리 X와의 관계를 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에서 교차부에서의 광도파로 폭 W2를 8㎛, 20㎛로 하고, 교차각 2θ를 8, 10, 12도로 한 경우의 설정 거리 X의 적정 범위를 정리한 도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에서 광도파로의 비굴절률 차가 0.45%로 설정되고, 유전체 다층막(5)의 컷오프 파장 1620nm 근방에 설정된 SiO2와 Ta2O5 교호 다층막(두께 약 40㎛)으로 바꾼 경우를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에서 유전체 다층막(5)의 두께를 25㎛로 얇게 하는 경우에 컷오프 파장보다도 장파장측의 반사 손실과 거리 X와의 관계를 나타내는 도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에서 광도파로 교차각 2θ 에 대한 반사 감쇠량을 폭 확대된 광도파로 폭 W2를 파라미터(parameter)로 하여 나타내는 도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에서 교차각을 파라미터로 하고 광도파로 폭 확대된 구조가 있는 경우(실선)와 없는 경우(점선)에 있어서 반사 스펙트럼을 그 컷오프(cut off) 영역에서 비교한 도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2의 파장 합분파기(200)를 나타내는 도이고, 유전체 다층막(5)의 근방(광도파로 교차부 C1의 근방)을 나타내는 도이다.
도 14는 종래의 파장 합분파기(500)를 나타내는 도이다.
도 15는 종래의 파장 합분파기(500)의 특성을 나타내는 도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태는 이하의 실시예이다.
<실시예 1>
도 1A는 본 발명의 실시예 1의 파장 합분파기(100)를 나타내는 평면도이고, 도 1B는 그 정면도, 도 1C는 그 우측면도이다.
도 2A는 파장 합분파기(100)에서 유전체 다층막(5)의 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로(2와 3)의 교차점 C1까지의 거리 X가 0이 되는 위치 관계를 나타내는 도이다. 또, 도 2B는 거리 X가 0∼d로 되는 위치 관계를 나타내는 도이고, 도 2C는 거리 X가 d로 되는 위치 관계를 나타내는 도이다.
파장 합분파기(100)는 실리콘 기판(1)과, 단일 모드 광도파로(2, 3, 2')와, 홈(4)과, 유전체 다층막(5)을 가진다.
단일 모드 광도파로(2, 3, 2')는 석영계의 유리(glass)로 형성되어 있는 코어(core)와 클래드(clad)를 구비한다. 유전체 다층막(5)은 홈(4) 내에 설치되어 있다.
광도파로(2, 3)는 기판(1)의 중앙부에서 교차점 C1을 구비하고 있는 교차 광도파로를 형성하고, 유전체 다층막(5)에서의 반사광을 광도파로(3)로 가이드(guide) 한다. 또, 광도파로(2')의 광축을 광도파로(2)의 광축과 일치시키고, 유전체 다층막(5)을 투과한 투과광을 광도파로(2')로 가이드(guide) 한다. 광도파로(2와 3)가 교차하는 위치에는 홈(4)이 설치되고, 그 내에 유전체 다층막(5)이 삽입되고, 접착제(도시하지 않음)로 고정되어 있다.
유전체 다층막(5)은 파장 1260∼1500nm에 투과 대역을 가지고, 파장 1550∼ 1600nm에 반사 대역을 가지는 단파장 대역 통과형이고, 두께 약 5㎛의 폴리이미드(polyimide) 박막 기판(기판부(51)) 상에, SiO2와 Ta2O5와의 교호 다층막이 약 30㎛의 두께로 형성되어 있는 다층막이다.
따라서, 광도파로(2)에 입력된 파장 대역 1260∼1500nm 대역의 광과 파장 대역 1550∼1600nm 대역의 광 중에서, 파장 대역 1260∼1500nm 대역의 광을 투과시켜 광도파로(2')에 결합시키고, 파장 대역 1550∼1600nm 대역의 광을 반사시켜 광도파로(3)에 결합시킬 수가 있다.
유전체 다층막(5)은 그 다층막 표면(5s) 측이 광입사측을 향하도록 설정되고, 또 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로 교차점 C1까지의 거리 X가 6㎛이도록 설정되어 있다.
상기와 같이 유전체 다층막(5)의 두께가 30㎛이고, 기판부(51)의 두께가 5㎛이고, 유전체 다층막(5)과 기판부(51)가 홈(4)에 수납된다. 그 때문에 이 합계의 두께 30㎛+5㎛=35㎛의 반인 17.5㎛가 다층막 표면(5s)으로부터 기판(51)을 포함하는 유전체 다층막 필터의 중심까지의 거리이다. 또, 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로 교차점 C1까지의 거리 X=6㎛이므로, 광도파로 교차점 C1로부터 기판(51)을 포함하는 유전체 다층막 필터의 중심까지의 거리는 17.5㎛-6㎛=11.5㎛이다.
즉, 광도파로 교차점 C1에 대해서 11.5㎛만큼 떨어진 거리에 기판(51)을 포함하는 유전체 다층막 필터의 중심이 위치하고, 한편, 광도파로(2)와 광도파로(3)의 수직 2등분선에 수직으로, 또한, 유전체 다층막(5) 전체의 두께보다 2∼3㎛ 넓은 폭으로 홈(4)이 설정되어 있다.
실시예 1에서 홈(4)은 다이싱 소우(dicing saw)로 형성한 홈이고, 홈(4)의 형성시에 위치 기준으로 되는 금속 마커가 광도파로 칩(실리콘 기판(1)) 상에 설치되어 있으므로, 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로 교차점 C1까지의 거리 X를 6㎛±3㎛로 수납할 수가 있다.
또, 도 2A는 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로 교차점 C1까지의 거리 X가 0인 위치 관계를 나타내고, 도 2B는 거리 X가, 0≤X≤d인 위치 관계를 나타내고(d는 유전체 다층막(5)의 두께), 도 2C는 거리 X가 유전체 다층막(5)의 두께 d와 같은 위치 관계를 나타내고 있다.
도 3은 파장 합분파기(100)에서 유전체 다층막(5)의 근방(광도파로 교차부 C1의 근방)을 나타내는 도이다.
단일 모드 광도파로(2, 3, 2')가 교차하는 광도파로 교차부 C1에는 유전체 다층막(5)이 설치되어 있다.
또, 이후의 설명에서는 단일 모드 광도파로(2)를 입력 광도파로(2)로 표현하고, 단일 모드 광도파로(3)를 출력 광도파로(3)로 표현하고, 단일 모드 광도파로(2')를 출력 광도파로(2')로 표현한다.
입력 광도파로(2)는 입력광을 가이드 하는 광도파로이고, 출력 광도파로(3)는 유전체 다층막(5)에서의 반사광을 가이드 하는 광도파로이고, 출력 광도파로(2')는 유전체 다층막(5)에서의 투과광을 가이드(guide) 하는 광도파로이다.
후술하는 이유에 의해, 유전체 다층막(5)으로 입사하는 광 빔의 발산각은 작을수록 좋기 때문에, 광도파로의 비굴절률 차를 0.3%∼0.45% 정도로 억제하고, 또한, 홈(4)에 접하는 영역에서는 광도파로 폭을 폭 확대하고, 모드(mode) 필드 (field) 직경을 크게 한다.
즉, 입력광을 가이드 하는 입력 광도파로(2)는 입력 광도파로(2a)와, 테이퍼 광도파로(tapered optical waveguide)(2b)와, 폭 확대된 광도파로(2c)에 의해 구성되어 있다. 즉, 입력 광도파로(2a)는 테이퍼 광도파로(2b)를 통해 광도파로 폭이 넓어지고, 폭 확대된 광도파로(2c)와 접속되어 있다.
출력 광도파로(2')는 출력 광도파로(2'a)와, 테이퍼 광도파로(2'b)와, 폭 확대된 광도파로(2'c)에 의해 구성되어 있다. 즉, 출력 광도파로(2'a)는 테이퍼 광도파로(2'b)를 통해 광도파로 폭이 넓어지고, 폭 확대된 광도파로(2'c)와 접속되어 있다.
그리고, 입력 광도파로(2)와의 광결합을 유지하도록, 입력 광도파로(2a), 테이퍼 광도파로(2b), 폭 확대된 광도파로(2c)에 대해서 점대칭으로 되는 위치에, 출력 광도파로(2'a), 테이퍼 광도파로(2'b), 폭 확대된 광도파로(2'c)가 배치되어 있다.
출력 광도파로(3)는 출력 광도파로(3a)와, 테이퍼 광도파로(3b)와, 폭 확대된 광도파로(3c)에 의해 구성되어 있다. 즉, 출력 광도파로(3a)는 테이퍼 광도파로(3b)를 통해 광도파로 폭이 넓어지고, 폭 확대된 광도파로(3c)와 접속되어 있다.
그리고, 입력 광도파로(2)와의 광결합을 유지하도록, 입력 광도파로(2a), 테이퍼 광도파로(2b), 폭 확대된 광도파로(2c)에 대해서 거울(mirror) 대칭이 되는 위치에 출력 광도파로(3a), 테이퍼 광도파로(3b), 폭 확대된 광도파로(3c)가 배치되어 있다.
상기 실시예에서 광도파로는 비굴절률 차 0.3%이고, 광의 입출력 단부에서의 광도파로 폭(2a, 3a, 2'a)을 8㎛로 하고, 테이퍼 광도파로(2b, 3b, 2'b)에 의해 광도파로 폭이 25㎛까지 넓혀져 있다. 또, 광도파로(2 및 3)는 교차각 12도로 교차되어 있다.
상기 실시예에서 교차부 C1에서의 광도파로 폭이 확대된 영역에서는, 테이퍼 광도파로에서 확대된 광의 모드가 안정되도록, 그 광도파로 폭이 일정 길이 등폭으로 유지되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 교차부 C1에서의 광도파로 폭이 확대된 영역에서는, 교차하는 다른 한편의 광도파로와 접촉하는 위치, 혹은 그 외측까지 상기 광도파로의 폭이 동등한 것이 바람직하다.
본 발명자들이 반사 스펙트럼의 열화의 원인에 대해서 실험 검토를 진행시킨 결과, 광도파로 교차부 C1에 대해서 유전체 다층막(5)을 설정하는 위치에 의해 스펙트럼의 형상이 현저하게 변화하는 것이 밝혀졌다.
도 4는 실시예 1에 의해 얻어진 분파 특성을 나타내는 도이다.
광도파로(2)로부터 광도파로(3)에 이르는 반사에 의해 얻어지는 분파 특성 중에서, 1550㎚보다도 장파장 부분에서의 특성은, 도 4에 나타내듯이, 평탄하고 저손실인 특성을 가지고, 종래예에서 문제로 되고 있는 장파장 대역의 손실 증가가 해결되어 있다.
도 4에서 1250nm∼1500nm의 파장 대역과 1550nm∼1600nm의 파장 대역을 분파하는 경우를 검토한다. 이 경우, 각 통과 대역에서 광원 파장이 가장 근접하는 파장 1500nm와 파장 1550nm에서 손실은 1.5dB 이하의 양호한 특성인 것을 알 수 있 다.
또, 상대 파장의 누화를 저지하는 저지량에 대해서, 광도파로(2→2')에서는 50dB 이상으로 충분하지만, 광도파로(2→3)에서는 유전체 다층막(5)의 투과 대역 리플(ripple) 때문에 20dB 정도로 제한된다. 이것은 실시예 1의 파장 합분파기(100)의 구성에 기인하는 것은 아니고, 유전체 다층막(5)으로부터 반사광을 취출하는 다른 빔 형태의 파장 합분파기의 구성 등에서도 보여지는 일반적인 것이다.
또한, 분파해야할 파장 간격이 근접하고, 그 파장 간격이 25nm가 되어도 충분히 실용 가능한 레벨(level)에 있다. 예를 들어 파장 1250nm∼1515nm와 파장 1540nm∼1600nm의 대역을 분파하는 경우, 손실 2dB 이하, 저지량 30dB(광도파로(2→2'))가 확보된다.
도 5는 상기 실시예에서 유전체 다층막(5)의 다층막 표면(5s)으로부터 교차점 C1까지의 거리 X와 광도파로(2)→광도파로(3)에 이르는 반사 스펙트럼과의 관계를 나타내는 도이다.
상기 「거리 X」는, 도 2A∼2C에 나타내듯이, 광이 입사하는 측의 다층막 표면(5s)으로부터 광도파로 중심이 교차하는 점(교차점 C1)까지의 거리이고, 이하에서는 설정 거리 X로도 표현한다.
실험에서는, 교차점 C1이 다층막 표면(5s)과 일치하는 위치(도 2A, 거리 X=0)로부터 교차점 C1이 다층막(5)과 기판부(51)의 경계와 일치하는 위치(도 2C, 거리 X=d)까지 유전체 다층막(5)의 설치 위치를 변화시켰다. 유전체 다층막(5)은 5㎛ 두께의 폴리이미드막(polyimide film) 기판(기판부(51)) 상에, 30㎛ 두께의 SiO2와 Ta2O5와의 교호 다층막을 적층한 단파장 투과형 필터(filter)이고, 그 컷오프 파장은 1530nm 부근에 설정되어 있다.
또, 광도파로에서 비굴절률 차는 0.3%이고, 표준 폭 W1=8㎛, 폭 확대된 폭 W2=20㎛, 교차각 2θ=12도이다.
도 5에 나타내는 예에 의하면, 거리 X=0∼12㎛의 범위에서는, 거리 X가 증가함과 동시에 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성이 개선되어 보다 급경사의 구형에 가까운 형태로 되어 있다. 그러나, 설정 거리 X가 한층 더 증가하고, 설정 거리 X=15∼30㎛로 되면, 컷오프 파장 부근에서 손실이 최소로 되는 피크가 나타난다. 또, 장파장측에서는 손실이 증가하는 경향을 나타내고, 설정 거리 X의 증가에 수반하여 이 경향은 현저하게 된다.
장파장측에서의 손실 증가는 비교적 급격하고, 이 범위에서는 유전체 다층막(5)에서 반사하는 빔의 광도파로(3)에의 결합이 급속히 저하하고 있다고 볼 수 있다. 사전 검토에서 인정된 도 15에 나타내는 특성(피크 P)은 이 영역의 것으로 추측할 수 있다. 이와 같은 특성을 나타내는 이유는, 명확하지 않지만, 1개에는 유전체 다층막(5)으로부터의 반사의 대부분은 다층막 표면(5s) 부근으로부터의 반사파로 정해지기 때문이다. 반면 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성은 다층부 전체로부터 반사파로 정해지기 때문이라고 생각된다.
그리고, 이와 같은 현상은 급경사의 경사 특성을 실현하기 위해서 적층수를 증가시킨 두꺼운 다층막에서 현저하게 나타난다고 생각되고, 본 실시예에서 사용하고 있는 단파장 투과형 엣지(edge) 필터뿐만이 아니고, 장파장 투과형 엣지(edge) 필터나 밴드(band) 패스형(pass type) 필터에서도 마찬가지이다.
도 6은 도 5에 나타내는 반사 스펙트럼에서 손실이 0.7dB로 되는 파장과 20dB로 되는 파장의 간격을 나타내는 도이고, 이 파장 간격이 작을수록 스펙트럼의 급경사성은 좋은 것을 나타내고 있다.
여기서, 거리 X=0∼12㎛의 범위에서는 X=12㎛로 약간의 피크가 존재하지만, 거리 X가 증가함과 함께 파장 간격이 작아지고, 특성이 보다 급경사의 구형 모양으로 되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또, 파장 간격이 좁은 2개의 파장 대역을 분리하는 것을 상정하면, 설정 거리 X는 3㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또, 설정 거리 X=15∼30㎛에서는 컷오프 파장 부근에서 손실이 최소로 되는 피크로부터 장파장측으로 감에 따라 손실이 증가하고, 1dB를 넘는 스펙트럼 형상으로 되고 있다(도 5). 그 때문에, 도 6에는 이 영역의 거리 X에 대해서는 도시하고 있지 않다.
도 7은 컷오프 파장보다도 장파장측에서의 반사 손실과 거리 X와의 관계를 나타내는 도이다.
가로축은 유전체 다층막 표면으로부터 광도파로 교차점까지의 거리 X를 나타내고, 세로축은 파장 1550nm에서의 반사 손실을 나타낸다. 거리 X가 0∼15㎛까지의 범위에서는 반사 손실이 극단적으로 증가하는 일은 없고, 반사 손실은 1dB 이하이 다. 또한, 거리 X가 3㎛∼12㎛의 범위에서는 반사 손실이 최소치를 취한다.
이상의 실험 결과에 의하면, 설정 거리 X가 0으로부터 유전체 다층막의 두께의 1/2에 해당하는 15㎛까지의 범위에서는, 장파장측에서, 반사 손실이 극단적으로 증가하는 일은 없고, 장파장측에서의 반사 손실은 1dB 이내이다. 또한, 설정 거리 X가 유전체 다층막의 두께의 1/10에 해당하는 3㎛로부터 유전체 다층막의 2/5에 해당하는 12㎛까지의 범위에서는, 컷오프 특성이 보다 구형에 가깝고, 좁은 간격으로 배치되는 파장에 대해서는 분리도가 향상한다.
즉, 설정 거리 X=3∼12㎛의 범위가 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성과 반사 손실이 양립하는 최적인 범위이다. 이 경향은 교차 광도파로의 파라미터를 바꾼 다른 경우에도 거의 마찬가지로 생기는 현상이다.
상기 실시예에서는, 종래예에서 과제인 반사 스펙트럼의 열화를 억제하기 위해서, 광도파로 교차부 C1에 대한 유전체 다층막(5)의 설정 거리 X를 소정의 범위로 제어하는 점이 최대의 특징이다.
도 8은 교차부에서의 광도파로 폭 W2를 8㎛, 20㎛로 하고, 교차각 2θ를 8, 10, 12도로 하는 경우에 설정 거리 X의 적정 범위를 정리한 도이다.
여기서, 20㎛/12도는 도 5의 경우에 해당하는 것이다. 또, 광도파로 폭 W2=8㎛은 교차부 C1에서 광도파로의 폭 확대되지 않고 전 영역에서 8㎛의 광도파로로 구성된 경우이고, 광도파로 폭 20㎛은 교차부 C1에서 8㎛의 표준 광도파로 폭이 20㎛로 폭 확대되어 있는 경우를 나타낸다.
도 8에서 ○표시는 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성과 반사 손실이 양립하는 최적 범위인 것을 나타내고, △표시는 반사 손실을 허용할 수 있는 범위 내인 것을 나타내고, ×표시는 설정 거리 X로서 부적당한 거리인 것을 나타내고 있다. 광도파로 폭, 교차각은 관계가 없는 것으로 도 5에 나타내는 경우와 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다.
도 9는 광도파로의 비굴절률 차를 0.45%로 설정하고, 유전체 다층막(5)의 컷오프 파장 1620nm 근방에 설정된 SiO2와 Ta2O5 교호 다층막 약 40㎛의 것으로 바꾼 경우를 나타내는 도이다.
도 9에 나타내는 경우의 결과는 도 8에 나타내는 경우와 마찬가지의 결과가 된다.
도 10은 유전체 다층막(5)의 두께를 25㎛로 얇게 하는 경우에 컷오프 파장보다도 장파장측의 반사 손실과 거리 X와의 관계를 나타내는 도이다.
가로축은 유전체 다층막 표면으로부터 광도파로 교차점까지의 거리 X를 나타내고, 세로축은 파장 1550nm에서의 반사 손실을 나타낸다. 사용한 유전체 다층막의 컷오프 파장은 1530nm이고, 광도파로의 교차각 2θ는 12도이고, 비굴절률 차는 0.3%이고, 광도파로의 표준 폭, 폭 확대된 폭은 각각 8㎛, 25㎛이다. 설정 거리 X가 0으로부터 다층막 두께의 1/2에 해당하는 12.5㎛까지의 범위에서는 반사 손실이 1dB 이하로 양호한 특성을 나타내고 있다. 또한, 다층막 두께의 1/10에 해당하는 2.5㎛로부터 다층막 두께의 2/5에 해당하는 10㎛까지의 범위에서는 보다 저손실인 특성을 얻을 수 있다.
상기 결과를 정리하면, 손실 증가를 초래하지 않기 위해서는 광입사측으로부터 유전체 다층막(5)의 두께의 반까지의 영역을 광도파로 교차점 C1에 일치시키는 것이 필요하다(즉, 0≤X≤d/2이다).
또, 손실 및 컷오프 특성을 모두 함께 양호하게 하는데는 상기 영역 중에서 다층막 두께의 10% 정도분(程度分), 내부에 제한된 영역에, 설정 거리 X를 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 손실 및 컷오프 특성을 모두 함께 양호하게 하는데는 d/10≤X≤2d/5인 것이 바람직하다.
즉, 상기 실시예에서는 유전체 다층막의 광입사측의 다층막 표면으로부터 교차하는 2개의 광도파로의 중심의 교점까지의 거리 X가, 0≤X≤d/2(d는 상기 유전체 다층막의 두께)로 설정되어 있는 예이다.
다음에, 광도파로 파라미터가 합분파 특성에 미치는 영향에 대해서 설명하고, 적정한 광도파로 파라미터의 범위에 대해서 설명한다.
광도파로간에 유전체 다층막(5)을 설치하는 파장 합분파기(100)에서는, 광도파로로부터 홈(4)의 영역으로 출사하고, 유전체 다층막(5)으로 입사하는 광은 발산광으로 된다. 이것은 평행광 입사를 전제로 하는 유전체 다층막(5)의 특성을 열화시키게 된다.
발산광의 경우, 유전체 다층막(5)으로의 입사각은, 광도파로 교차각으로 정해지는 각도를 중심으로 하여 발산각의 분(分)만 확대를 가지고, 서로 다른 각도로 유전체 다층막(5)으로 입사한다. 이와 같이 서로 다른 각도로 유전체 다층막(5)으 로 입사하므로 상기 특성의 열화가 생긴다. 이것은 다른 입사각에 의해 컷오프 파장이 조금씩 어긋나므로, 그 중첩으로서 나타나는 유전체 다층막(5)의 응답에서의 컷오프(cut off) 영역의 경사가 평행광 입사와 비교하여 무디어지기 때문이다.
이 영향을 작게 하기 위해서는 낮은 비굴절률 차의 광도파로를 사용하고, 또, 홈(4)에 접하는 광도파로 폭을 확대하는 것이 유효하다. 이와 같이 낮은 비굴절률 차의 광도파로를 사용하고 홈(4)에 접하는 광도파로 폭을 확대함에 따라, 홈(4)에 접하는 광도파로의 모드 필드 직경이 국소적으로 넓어지고, 유전체 다층막(5)으로 출사하는 광 빔의 발산각이 작아진다.
비굴절률 차가 0.3% 미만이면, 표준적인 접속용 파이버의 비굴절률 차와 정합하지 않게 되고, 또, 광도파로의 허용 굽음(bending) 반경이 증대하고 광도파로 치수가 커지므로, 비굴절률 차를 0.3% 미만으로 하는 것은 실용적이지 않다. 한편, 비굴절률 차가 0.45% 이상이면, 유전체 다층막(5)의 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성이 열화하므로 목적으로 하는 파장 분리도를 얻을 수 없다.
따라서, 비굴절률 차는 0.3%∼0.45% 정도가 좋다.
또, 폭 확대된 광도파로의 바람직한 치수 W2는 비굴절률 차가 0.3%∼0.45%인 경우, 입출력 광도파로(2a)의 표준 폭 W1=7∼8㎛에 대해서 폭 W2가 18㎛ 이상인 것이 좋다. 이것은 입출력 광도파로의 폭 W2가 18㎛보다 작으면, 모드 필드 직경의 확대 효과가 충분하지 않기 때문이다.
또한, 광도파로를 구성하는 코어의 두께를 7∼10㎛로 설정하고, 입출력 광도 파로(2a)의 단면을 대략 구형의 코어 형상으로 하지만, 코어 두께를 약간 두껍게 설정함으로써 광도파로의 굽음 손실을 억제할 수가 있다. 이와 같이 하면 굽음부(bending part)의 곡율을 작게 하고, 광도파로를 소형으로 하는 경우에 유리하다.
테이퍼 광도파로(2b)의 길이 l1은, 테이퍼 각도가 편측 1도 이하로 하는 것이 좋고, 이와 같이 함으로써 테이퍼가 완만하게 되고, 모드 필드 직경이 서서히 확대되므로 과잉 손실의 발생을 억제할 수가 있다. 폭 확대된 광도파로(2c)를, 일정 길이의 등폭으로 늘리는 것이 좋고, 폭 확대된 광도파로(2c)의 길이 l2는 교차하는 다른 한편의 광도파로와 접촉하는 위치보다도 길쭉하게 취해져 있다. 폭 확대된 광도파로(2c)의 길이 l2로서 일정 길이를 확보함으로써 폭 확대된 광도파로(2c) 내를 전파하는 모드가 안정화 된다. 이에 의해 유전체 다층막(5)으로 출사하는 광 빔의 중심이 광도파로 중심과 일치하고, 반사 특성도 안정하게 유지된다.
컷오프(cut off) 영역의 경사 특성은 도 3에 나타내는 광도파로 교차각 2θ에도 의존한다. 이것은 유전체 다층막(5)의 컷오프 파장이 cosθ에 비례하므로, 발산광에 의한 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성의 열화가 유전체 다층막(5)으로의 입사각 θ가 클수록 현저하게 나타난다. 그 때문에, 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성이 광도파로 교차각 2θ에 의존하게 된다.
따라서, 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성을 열화하지 않도록 하기 위해서는, 교차각 2θ를 작게 하는 것이 좋다. 교차각 2θ를 작게 하면, 유전체 다층막(5)에서의 반사 감쇠 특성이 열화하지만, 폭 확대된 광도파로 구성을 채용함으로써 해당 반사 감쇠 특성의 열화를 경감할 수가 있다.
도 11은 상기 실시예에서 광도파로 교차각 2θ에 대한 반사 감쇠량을 폭 확대된 광도파로 폭 W2를 파라미터로 하여 나타내는 도이다.
여기서, 비굴절률 차는 0.3% 정도의 광도파로를 사용하고 있다.
도 11로부터 광도파로 교차각 2θ를 작게 설정하면, 반사 감쇠 특성이 열화하지만, 같은 광도파로 교차각 2θ에서도 광도파로 폭 W2가 큰 경우에는, 반사 감쇠량이 크다. 그리고, 광도파로 교차각을 8∼12도로 설정하고, 광도파로 폭 W2를 20㎛ 이상으로 하면, 반사 감쇠 특성으로서 대체로 양호한 35dB 이상이 얻어지는 것을 알 수 있다. 이 경향은 비굴절률 차가 0.45% 정도인 광도파로의 경우도 마찬가지이고, 광도파로 폭 W2를 조정함으로써 광도파로 교차각을 8∼12도의 범위로 설정할 수가 있다.
도 12는 상기 실시예에서 교차각을 파라미터로 하고 광도파로 폭 확대된 구조가 있는 경우(실선)와 없는 경우(점선)에 있어서 반사 스펙트럼을 그 컷오프(cut off) 영역에서 비교한 도이다.
도 12는 상기 폭 확대된 광도파로의 도입과 교차각의 설정이 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성에 미치는 영향을 나타내는 도이다. 컷오프의 경사는 교차각이 16도의 경우보다도 교차각이 12도의 경우에 개선되고, 교차각을 12도 또는 16도로 일정하게 하면, 광도파로 폭을 20㎛로 폭 확대함으로써 컷오프의 경사가 보다 급경사로 되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 컷오프(cut off) 영역의 경사 특성의 개선 효과는 광도파로(2)로부터 광도파로(2')에 이르는 투과 특성에서도 얻어진다.
상기 실시예는 하나의 파장 대역의 끝(end)과 다른 파장 대역의 끝(end)이 50nm 정도 이하의 간격으로 배치되어 있는 2개의 파장 대역을 분리하기 위한 파장 합분파기이다. 서로 교차하는 2개의 광도파로의 교차부에, 유전체 다층막을 설치하고, 상기 유전체 다층막으로의 입사광을 투과광과 반사광으로 분리한다. 여기서, 상기 유전체 다층막의 광입사측의 다층막 표면으로부터 상기 교차하는 2개의 광도파로의 중심의 교점까지의 거리 X가, 0≤X≤d/2(d는 상기 유전체 다층막의 두께)이도록 설정되어 있는 예이다.
또, 유전체 다층막(5)의 다층막 두께가 20㎛ 이상으로 두꺼워지는 경우에 상기의 거리 X의 설정이 특히 유효하게 된다.
<실시예 2>
도 13은 본 발명의 실시예 2의 파장 합분파기(200)를 나타내는 도이고, 유전체 다층막(5)의 근방(광도파로 교차부 C1의 근방)을 나타내는 도이다.
파장 합분파기(200)는 기본적으로는 파장 합분파기(100)와 같지만, 출력 광도파로(3)에 대해서 점대칭 위치에 광도파로(3')가 설치되어 있는 점만이 파장 합분파기(100)와는 다르다.
출력 광도파로(3')는 출력 광도파로(3'a)와, 테이퍼 광도파로(3'b)와, 폭 확대된 광도파로(3'c)에 의해 구성되어 있다. 즉, 출력 광도파로(3'a)는 테이퍼 광도파로(3'b)를 통해 광도파로 폭이 넓어지고, 폭 확대된 광도파로(3'c)와 접속되어 있다.
또, 광도파로(3')를 모니터용 단자 등으로서 사용하도록 해도 좋고, 또, 광도파로(3')를 사용하지 않고 개방단으로 하여도 좋다.

Claims (7)

  1. 서로 교차하는 2개의 광도파로의 교차부에, 유전체 다층막을 설치하고, 상기 유전체 다층막으로의 입사광을 투과광과 반사광으로 분리하는 파장 합분파기에 있어서,
    상기 유전체 다층막의 다층막 두께 d가 20㎛ 보다 크고, 상기 유전체 다층막의 광입사측의 다층막 표면으로부터 상기 교차하는 2개의 광도파로의 중심의 교점까지의 거리 X가, 0≤X≤d/2인 것을 특징으로 하는 파장 합분파기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교차하는 2개의 광도파로는, 상기 교차부를 향해 광도파로 폭이 적어도 18㎛로 확대되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 합분파기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 확대된 광도파로 폭은, 상기 교차부 근방에서 일정한 것을 특징으로 하는 파장 합분파기.
  5. 제1항, 제3항, 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광도파로의 비굴절률 차는, 0.3%∼0.45%로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 합분파기.
  6. 제1항, 제3항, 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거리 X가, d/10≤X≤2d/5인 것을 특징으로 하는 파장 합분파기.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 교차하는 2개의 광도파로의 교차각이, 8∼12도인 것을 특징으로 하는 파장 합분파기.
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