(57)【要約】【課題】実際入手可能な光学薄膜材料で目標の特性の光学フィルタを実現する。【解決手段】２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る多重薄膜光学フィルタであって、屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、前記屈折率の高い光学薄膜を偶数回重ねて多層化したスペーサ層と、前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化し、さらにその少なくとも一方の端部の単位キャビティ層の外側に前記連絡層を重ねて構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る光学薄膜フィルタであって、
屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、
前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、
前記屈折率の高い光学薄膜を偶数回重ねて多層化したスペーサ層と、
前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、
前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化し、さらにその少なくとも一方の端部の単位キャビティ層の外側に前記連絡層を重ねて構成したことを特徴とする光学薄膜フィルタ。
【請求項２】
２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る光学薄膜フィルタであって、
屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、
前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、
前記屈折率の高い光学薄膜を奇数回と前記屈折率の低い光学薄膜を偶数回と前記屈折率の高い光学薄膜を奇数回この順に重ねて多層化したスペーサ層と、
前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、
前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化したことを特徴とする光学薄膜フィルタ。
【請求項３】
複数回多層化した前記単位キャビティ層の、少なくとも一方の端部の外側に前記連絡層を重ねて構成したことを特徴とする請求項２記載の光学薄膜フィルタ。
【請求項４】
フィルタ特性が、複素周波数ｓのフルビッツ多項式により決められる透過特性及び反射特性に応じた基準化低域通過型フィルタの特性を周波数変換した特性となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学薄膜フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長多重（ＷＤＭ）方式の光ファイバー通信網等に用いるフィルタに関し、特に反射される信号に対し直線歪みを軽減した光学薄膜フィルタの実現を容易にする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重方式（ＷＤＭ）の光ファイバー通信網では、それぞれの波長の光信号を分離抽出あるいは合波するため光学的な挿入分岐器（ＡＤＭ：ａｄｄ／ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）が用いられ、その機能を実現するために波長分離用光学フィルタが用いられる。
【０００３】
従来、その為のフィルタとしては、主に図１１に示すＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）、図１２に示すＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ，  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）、図１３に示す光学薄膜フィルタの３種類の光学フィルタが用いられている。
【０００４】
図１１に示すＦＢＧにおいては、フィルタ端面２１からの入射光はグレイティング部１５で波長選択されて反射して反射光としてフィルタ端面２１より取り出される。図１２に示すＡＷＧにおいては、入射波は分波部１６で分波されて移相部１７を通り、波長選択部１８で波長分離されて取り出される。図１３に示す光学薄膜フィルタにおいては、多層の薄膜からなる反射鏡１９、スペーサ１４、反射鏡２０を積層して構成され、各層に垂直に光が入射、透過する。
【０００５】
これらのフィルタを使用した場合、透過する光信号の伝送速度が上がった場合、おもに群遅延の偏差により透過信号の波形歪みを受けることが問題にされ始めている。
【０００６】
従来例の図１１、１２に示すＦＢＧやＡＷＧでは、透過特性の群遅延の偏差までは考慮されておらず、もっぱら透過の振幅特性のみを考慮するか、あるいは一部のＡＷＧでは透過の振幅特性をあまり考慮せずに、透過位相の単純な傾斜の位相補正に利用するのみであった。
【０００７】
この点に鑑み、本発明者はすでに、任意の特性を有する光学薄膜フィルタの膜構成を発明し、図１０に示すような群遅延偏差の少ないフィルタを提案している（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５８０３６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す光学薄膜フィルタは、現実の屈折率や膜構成で構成しなければならない。即ち、光学薄膜材料や基板ガラスの屈折率は固定されており、また層数は整数である。このため、任意の帯域幅、減衰、群遅延などの特性のフィルタが実現出来る訳ではなく、いかに目標に近い特性の層構成にするかが課題であった。また、低屈折率の材料と高屈折率の材料では光学特性の波長依存性やその他に熱膨張率や強度、成膜の容易さ、屈折率と層数や膜構造の組み合わせの容易さなどまだ改善の余地があった。
【００１０】
図１０の光学薄膜フィルタは、スペーサ層９は屈折率の高い材料のみで構成され、また連絡層１４はキャビティ層１０、１１、１２、１３の間のみにあり、これと同じ特性の他の組み合わせの層構成は含まれていなかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では前発明の設計概念を踏襲しながら、屈折率や膜数など固定された条件の中で同じ特性を維持したまま異なる膜の組み合わせで、実現上の制約の緩和をはかり、特性の向上も図り、理想特性に近い光学薄膜フィルタを実現するようにした。
【００１２】
本発明は、２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る光学薄膜フィルタであって、
屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、
前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、
前記屈折率の高い光学薄膜を偶数回重ねて多層化したスペーサ層と、
前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、
前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化し、さらにその少なくとも一方の端部の単位キャビティ層の外側に前記連絡層を重ねて構成したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る光学薄膜フィルタであって、
屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、
前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、
前記屈折率の高い光学薄膜を奇数回と前記屈折率の低い光学薄膜を偶数回と前記屈折率の高い光学薄膜を奇数回この順に重ねて多層化したスペーサ層と、
前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、
前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化したことを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明は、複数回多層化した前記単位キャビティ層の、少なくとも一方の端部の外側に前記連絡層を重ねて構成したことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、以上のフィルタにおいて、その特性が、複素周波数ｓのフルビッツ多項式により決められる透過特性及び反射特性に応じた基準化低域通過型フィルタの特性を周波数変換した特性となっていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明の光学薄膜フィルタにより、既存の材料と成膜プロセスで目標の設計値に近い光学薄膜フィルタを実現することができる。この結果、波形歪みを抑えたＡＤＭなどの波長選択機能を実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく以下、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【００１８】
まず、図１、図２、図３に本発明の光学薄膜フィルタの具体例を示す。ガラス基板２５上に第１反射鏡層２、４、６、８、第２反射鏡層１、３、５、７とスペーサ層９あるいは等価スペーサ層３０を積層してなる複数のキャビティ層１０、１１、１２、１３を連絡層１４を介して多重化してある。
【００１９】
上記第１反射鏡層２、４、６、８は、屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化したものであり、上記第２反射鏡層１、３、５、７は屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化したものである。
【００２０】
上記スペーサ層９は屈折率の高い光学薄膜を偶数回重ねたものであり、等価スペーサ層３０は屈折率の高い光学薄膜を奇数回と屈折率の低い光学薄膜を偶数回と屈折率の高い光学薄膜を奇数回この順に重ねて多層化したものである。
【００２１】
上記連絡層１４は屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化したものであり、上記単位キャビティ層１０、１１、１２、１３は第１反射鏡層２、４、６、８と前記第２反射鏡層１、３、５、７との間に前記スペーサ層９を挟んで構成したものである。
【００２２】
そして、図１の実施形態は、図１０に示す従来の光学薄膜フィルタに比べて、端部のキャビティ層１０の外側にも連絡層３４を重ねた構成としたものである。
【００２３】
また、図２の実施形態は、図１０に示す従来の光学薄膜フィルタに比べて、スペーサ層９を等価スペーサ層３０で置き換えたものであり、図３の実施形態は、端部のキャビティ層１０の外側にも連絡層３４を重ねるとともに、スペーサ層９を等価スペーサ層３０で置き換えたものである。
【００２４】
図４に三層の構造による等価スペーサ層３０の構成を示す。等価スペーサ層３０は、屈折率が低い層３３の前後に屈折率が高い層３１、３２を配置することで等価的に屈折率を高めた材料のスペーサ層に等価変換したものである。屈折率が高い層３１、３２の材料の屈折率をＨ、屈折率が低い層３３の材料の屈折率をＬとすると、等価スペーサ層３０は屈折率がＨ２／Ｌのスペーサ層と等価となる。
【００２５】
また同様に、図１、図３の連絡層３４はガラス基板２５の屈折率γをＬ２／γに等価変換したものである。
【００２６】
これらの等価変換により材料定数の自由度が増し、また製造が容易になる可能性が増える。
【００２７】
図５、図６、図７、図８にそれぞれ本発明による光学薄膜フィルタの透過振幅特性、透過群遅延特性、および反射振幅特性、反射群遅延特性を示す。
【００２８】
以下に本発明の原理を説明する。電気回路のフィルタ理論における複素周波数ｓのフルビッツ多項式より、求めるフィルターの透過特性及び反射特性が定まるものとすると、このフルビッツ多項式より基準化低域通過型フィルタの素子値が定まり、該基準化低域通過型フィルタを周波数変換、等価変換することにより、図１、図２、図３に示す本発明の多重薄膜光学フィルタの層構成を定めることができる（詳細は特許文献１参照）。
【００２９】
即ち、光学薄膜フィルタの特性は数１に示されるＳパラメータにより表現できる。数２、数３に示すように、透過特性を表すｓ２１の分母多項式のｇ（ｓ）はフルビッツの多項式を示し、分子多項式のｆ（ｓ）は数４に示すように、この場合１である。透過特性はこのフルビッツの多項式のみで決まることから、群遅延偏差の少ないフルビッツの多項式を選ぶことで目的の透過特性のフィルタを実現することができる。
【００３０】
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【数４】
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通過帯域で群遅延が最大平坦である基準化低域通過型の４次のベッセルフィルタの多項式を採用するものとする。通常は通過帯域の中心周波数での透過係数は１、反射係数は０となるように各多項式の係数は選ばれる。
【００３１】
光学薄膜フィルタの反射特性は数５のようにｓ１１の分母多項式ｇ（ｓ）と分子多項式ｈ（ｓ）とで定まる。分母多項式ｇ（ｓ）はｓ２１の分母多項式と同じである。一方、ｈ（ｓ）は分子多項式はユニタリ条件の数６よりｇ（ｓ）とｆ（ｓ）が与えられればそれに伴い決められる。
【００３２】
【数５】
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【数６】
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透過特性の群遅延時間は数７で与えられる。
【００３３】
【数７】
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またポート１の反射特性の群遅延時間は数８で与えられる。またｈ（ｓ）が定まるとポート２の反射係数は数９に示すように、分子多項式の複素周波数を異符号にすることで与えられる。
【００３４】
【数８】
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【数９】
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これらの数式より定まる本発明による光学薄膜フィルタの透過振幅特性を図５に、透過群遅延特性を図６に、反射振幅特性を図７に、反射群遅延特性を図８にそれぞれ示す。
【００３５】
特許文献１によれば、これらの多項式を用いれば、与えられた光学薄膜材料とガラス基板材料を用いて、目標の中心周波数、通過帯域幅の光学薄膜フィルタの膜構成を設計できた。しかし、その膜構成の層数は計算上は任意の数となるが、実際は整数でしか実現できない。
【００３６】
そこで、こうした制約を緩和する為に、本発明では、図１〜４で説明したように、三層による等価スペーサ層３０や連絡層３４を導入したものである。
【００３７】
本発明のフィルタの特性を決める回路網関数から導かれた等価回路を図９に示す。終端抵抗８０、８１の間に、キャビティ６７、６８、６９が虚ジャイレータ６６を介して接続されている。それぞれのキャビティは共振器７６、７７、７８とその前後に接続された理想トランス７０、７１、７２、７３、７４、７５から成り立つ。
【００３８】
以上は、図１０の従来例を用いて等価回路の各部と光学薄膜フィルタの膜構成との対応を示したが、図１、図２、図３に示す本発明実施形態に関しても同じ対応となる。即ち、連絡層１４が虚ジャイレータ６６に、反射鏡層２〜８が理想トランス７０〜７５に、スペーサ層９あるいは等価スペーサ層３０が共振器７６〜７８にキャビティ層１０〜１３がキャビティ６７〜６９に対応する。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る多重薄膜光学フィルタであって、屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、前記屈折率の高い光学薄膜を偶数回重ねて多層化したスペーサ層と、前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化し、さらにその少なくとも一方の端部の単位キャビティ層の外側に前記連絡層を重ねて構成したことによって、目標の特性に近い特性のフィルタを現有の材料で実現できる。
【００４０】
また、本発明によれば、２種の屈折率の異なる多層の光学薄膜から成る多重薄膜光学フィルタであって、屈折率の高い光学薄膜と屈折率の低い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第１単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第１反射鏡層と、前記屈折率の低い光学薄膜と屈折率の高い光学薄膜を、この順に１層づつ重ねて２層とした第２単位反射鏡層を複数回重ねて多層化した第２反射鏡層と、前記屈折率の高い光学薄膜を奇数回と前記屈折率の低い光学薄膜を偶数回と前記屈折率の高い光学薄膜を奇数回この順に重ねて多層化したスペーサ層と、前記屈折率の低い光学薄膜を１回あるいは奇数回重ねて多層化した連絡層からなり、前記第１反射鏡層と前記第２反射鏡層との間に前記スペーサ層をはさんで構成した単位キャビティ層を前記連絡層を介して複数回多層化したことによって、目標の特性に近い特性のフィルタを現有の材料で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学薄膜フィルタの構成を示す図である。
【図２】本発明の光学薄膜フィルタの構成を示す図である。
【図３】本発明の光学薄膜フィルタの構成を示す図である。
【図４】本発明の光学薄膜フィルタに用いる等価スペーサ層を示す図である。
【図５】本発明の光学薄膜フィルタの透過振幅特性を示す図である。
【図６】本発明の光学薄膜フィルタの透過群遅延特性を示す図である。
【図７】本発明の光学薄膜反射振幅特性を示す図である。
【図８】本発明の光学薄膜フィルタの反射群遅延特性を示す図である。
【図９】本発明の光学薄膜フィルタの等価回路を示す図である。
【図１０】従来の光学薄膜フィルタの膜構成を示す図である。
【図１１】従来のＦＢＧを示す図である。
【図１２】従来のＡＷＧを示す図である。
【図１３】従来の光学薄膜フィルタを示す図である。
【符号の説明】
１、３、５、７：第２反射鏡層
２、４、６、８：第１反射鏡層
９：スペーサ層
１０、１１、１２、１３：キャビティ層
１４：連絡層
１５：グレーティング部
１６：分波部
１７：移相部
１８：波長選択部
２１：フィルタ端面
２５：ガラス基板
３０：等価スペーサ層
３１、３２、３３：光学薄膜
３４：連絡層
５１、５２、５３、５４、５５：群遅延特性
６６：虚ジャイレータ
６７、６８、６９：キャビティ
７０、７１、７２、７３、７４、７５：理想トランス
７６、７７、７８：共振器
８０、８１：終端抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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