(57)【要約】  【課題】  透過中心波長での損失の増大を伴うことなく通過波長帯域幅を狭くする。  【解決手段】  光ファイバ２Ａおよび集光レンズ３Ａの組と光ファイバ２Ｂおよび集光レンズ３Ｂの組とにより設定した集光ビーム１の焦点位置に、波長可変光フィルタ４を位置させる。【選択図】  図３
2005172976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
楔形の共振器層を有する誘電体多層膜から成り光ビームの透過波長が当該光ビームの透過位置に応じて変化する波長可変光フィルタと、
光ファイバ端面にレンズを配置した機構を互いに対向させて該両レンズ間に焦点をもつ光ビームを生成する光学系とを備え、
前記波長可変光フィルタと前記光ビームの焦点とが一致するように前記波長可変光フィルタと前記光学系の位置関係を設定したことを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波長可変光フィルタ装置において、
前記光学系は、前記光ビームの焦点深度が前記波長可変フィルタの前記誘電体多層膜の厚みを超えるよう設定されていることを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の波長可変光フィルタ装置において、
前記波長可変光フィルタは、前記光ビームの焦点位置のビーム断面内で透過中心波長の変化量が半値全幅を超えないことを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の波長可変光フィルタ装置において、
前記光ビームの焦点の位置を前記波長可変光フィルタの前記誘電体多層膜に垂直な方向に位置決め制御する位置制御手段を備えたことを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の波長可変光フィルタ装置において、
前記波長可変光フィルタへの入力光ファイバの側に前記波長可変光フィルタで反射された反射光を取り出す第１の反射光取出手段を備えたことを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【請求項６】
請求項４に記載の波長可変光フィルタ装置において、
前記位置制御手段は、前記波長可変光フィルタに入力する以前の光ビームをコリメートビームに変換する手段と、該コリメートビーム内に設置され前記波長可変光フィルタからの反射光を取り出す第２の反射光取出手段と、該第２の反射光取出手段で取り出された反射光をシリンドリカルレンズを介して入射する４分割光検出手段と、該４分割光検出器の出力信号を処理して得た焦点誤差信号により前記波長可変光フィルタと前記光ビームの焦点位置の関係を制御する駆動手段と、を具備することを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１つに記載の波長可変光フィルタ装置において、
前記波長可変光フィルタが回転ディスクからなり、前記光ビームの焦点の位置決め制御は、前記回転ディスクの回転角に応じて最適位置が記載されたテーブルを参照して定めた目標位置に対して行われることを特徴とする波長可変光フィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度波長多重光通信システムに使用される波長可変光フィルタに係り、特に、光ビームの透過中心波長の損失が少なく、かつ透過波長帯域幅が狭く、また安定に反射光を確保できるようにした波長可変光フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長多重された光信号の中から任意の光信号を分離抽出できる波長可変光フィルタ（以下では、単に「光フィルタ」と呼ぶ場合がある。）は、波長多重光通信システムの要素技術のひとつである。光フィルタは、誘電体多層膜から成る多層構造を基本構造として持つ。具体的には、半波長膜の共振器層の両面を、屈折率が異なる２種類の１／４波長膜の交互重ね合わせから成る高反射ミラーで挟むことにより構成される。共振器層の屈折率は高くても低くてもよい。高屈折率の１／４波長膜をＨ、低屈折率の１／４波長膜をＬとすると、フィルタの層構造はたとえば、
ＨＬＨＬＨＬ・・・ＬＨＬＬＨＬＨＬＨ＝[(ＨＬ)Ｈm-1][ＬＬ][Ｈ(ＬＨ)m-1]
などで与えられる。ｍは層の数である。
【０００３】
この光フィルタの構造は、位相が１／４波長ずれた２つの高反射ミラーを縦列接続して接続部に生じた位相シフト領域を共振器部とする共鳴トンネルの基本構造と同じである。このような構造は、共振器層ＬＬの厚みに整合する波長の光を透過させ、他の波長成分の光は反射するというフィルタリング特性を与える。
【０００４】
透過波長帯域が狭くかつ反射する波長帯域（ストップバンド幅）が広いほど、多くの波長多重信号のなかから１波長成分だけの信号光を分離抽出できることになる。通過波長帯域幅およびストップバンド幅は、高低２つの屈折率および層の数ｍにより決まる。
【０００５】
屈折率は誘電体材料に依存するので任意には決定できないが、屈折率1.2〜３の範囲であれば、種々の誘電体材料が利用可能である。たとえば、高反射率膜として屈折率2.16のTa2O3、低反射率膜として屈折率1.46のSiO2が利用されている。これらの２つの屈折率の組み合わせでは、たとえば、設定波長を1.55μmとすると、ストップバンドはその波長を中心に300ｎｍ程度の範囲に形成される。また、多層膜の膜数ｍを増大させると、透過波長幅を狭くすることができる。たとえば、ｍ＝20のとき、半値全幅（ＦＷＨＭ）は0.1ｎｍであり、0.4ｎｍ間隔の高密度波長多重に対しても対応可能である。
【０００６】
このような誘電体多層膜からなる光フィルタは、図１０に示すように配置して動作させる。つまり、光ファイバ４１の端部に焦点距離ｆだけ離してコリメートレンズ４２を配置してコリメートビーム４３を生成し、このような光学系の２組（Ａ側とＢ側）を図１１に示すように互いに対抗するよう配置して、そのコリメートビーム４３の光路中に光フィルタ４４を挿入して動作させる。
【０００７】
すなわち、光通信システムでは、通常コア径が約10μｍの単一モード光ファイバが利用され、このような光ファイバ４１の端面にコリメートレンズ４２を配置すると、直径が500〜800μｍ程度のコリメートビーム４３を形成することができる。このような光ファイバコリメータ（光ファイバ４１とコリメートレンズ４２から構成される。）を対向させアラインメントを最適化すると、低損失で光エネルギーを一方の光ファイバ４１Ｂから他方の光ファイバ４１Ａヘ移送することができる。前記のビーム系では50ｎｍ程度の空間伝播距離で損失を１ｄＢ以下とすることも可能である。
【０００８】
光フィルタ４４の透過波長は、共振器層の厚みを変える一方で、その他の部分（表裏面の高反射ミラー）は変えないことにより可変とすることができる。この方法によれば、ストップバンドの波長帯を変えずに透過波長だけ変えることができる。従って、この方法は、波長多重光信号の分離抽出に適している。透過中心波長の制御に必要な共振器層の厚みの制御量は、もとの長さのおよそ70〜140％である。共振器層を形成する媒質の屈折率を1.46とすると、必要な長さの制御範囲は370〜740ｎｍである。
【０００９】
光フィルタ４４の共振器層の厚さを変える手段の１つは、図９に示すような楔形共振器層４４ａを用いる方法である。４４ｂ，４４ｃは表裏面の高反射ミラーである。共振器層４４ａの楔の傾斜が十分緩い場合には、コリメートビーム４３の通過する領域で共振器層４４ａの厚みはほぼ一様とみなせ、その厚みは図９に示すように光が通過する場所によって変えることができる。従って、コリメートビーム４３が透過する位置を制御することにより、光フィルタ４４の透過中心波長を制御することが可能となる。
【００１０】
また、光フィルタ４４の面をコリメートビーム４３に対して垂直となるように配置すれば、常に垂直入射の条件を満足した状態で透過中心波長の制御が可能となる。このとき、光フィルタ４４からの反射光は、相反定理により、入力側の光ファイバに戻る。従って、光ファイバに反射光を分離抽出する手段、たとえば、光サーキュレータや方向性結合器などを設けておけば、反射光を取り出すことができる。
【００１１】
多層膜における散乱損失および吸収損失を無視すると、透過は相反定理により反射と１対１に結びついていて、両者の和は常に１となる。従って、光フィルタの反射スペクトル応答は透過スペクトル応答を補償する形、すなわち、ノッチ形となる。従って、波長多重光信号を入力すると、任意の波長の信号光だけが抽出された残りの波長多重信号を反射光として得ることができる。
【００１２】
このような楔形の共振器層をもつ光フィルタを実現する手段としては、直線的に楔が形成されて透過位置を直線的に制御する方法（特許文献１）と、円周にそって楔が同心円状に形成されて透過位置を回転により制御する方法（特許文献２）が利用できる。
【特許文献１】特開平６−２８１８１２号公報
【特許文献２】特許第３１９８２７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
光フィルタの楔形の共振器層の傾斜角は、十分緩く光軸に対してほとんど影響を及ぼすことはないが、コリメートビームの透過断面において中心波長が変化することによりフィルタ特性が劣化することが問題となっていた。すなわち、フィルタ特性の断面内での変化は、波長透帯域過幅を増大させると同時に透過中心波長での損失を増大させるという問題があった。
【００１４】
また、反射光の取得効率は反射光の光軸の僅かなずれに対して急峻に劣化する（図１１参照）。光ビームの透過位置を変えて透過中心波長を制御する波長可変光フィルタでは、位置制御機構に機械的擾乱が生じる。光フィルタが平行平面基板上に形成されていれば透過光の光軸はずれないので、機械的擾乱があっても透過効率はほとんど劣化しないが、反射光の光軸は機械的擾乱によりずれる。従って、任意の波長を分離抽出しようと透過位置を制御すると反射光強度が減衰し、分離抽出した残りの波長多重信号を消失させてしまうという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、透過中心波長での損失の増大を伴うことなく通過波長帯域幅が狭くでき、また安定に反射光を確保できるようにした波長可変光フィルタ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１にかかる発明の波長可変光フィルタ装置は、楔形の共振器層を有する誘電体多層膜から成り光ビームの透過波長が当該光ビームの透過位置に応じて変化する波長可変光フィルタと、光ファイバ端面にレンズを配置した機構を互いに対向させて該両レンズ間に焦点をもつ光ビームを生成する光学系とを備え、前記波長可変光フィルタと前記光ビームの焦点とが一致するように前記波長可変光フィルタと前記光学系の位置関係を設定したことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の波長可変光フィルタ装置において、前記光学系は、前記光ビームの焦点深度が前記波長可変フィルタの前記誘電体多層膜の厚みを超えるよう設定されていることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の波長可変光フィルタ装置において、前記波長可変光フィルタは、前記光ビームの焦点位置のビーム断面内で透過中心波長の変化量が半値全幅を超えないことを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の波長可変光フィルタ装置において、前記光ビームの焦点の位置を前記波長可変光フィルタの前記誘電体多層膜に垂直な方向に位置決め制御する位置制御手段を備えたことを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の波長可変光フィルタ装置において、前記波長可変光フィルタへの入力光ファイバの側に前記波長可変光フィルタで反射された反射光を取り出す第１の反射光取出手段を備えたことを特徴とする。
請求項６にかかる発明は、請求項４に記載の波長可変光フィルタ装置において、前記位置制御手段は、前記波長可変光フィルタに入力する以前の光ビームをコリメートビームに変換する手段と、該コリメートビーム内に設置され前記波長可変光フィルタからの反射光を取り出す第２の反射光取出手段と、該第２の反射光取出手段で取り出された反射光をシリンドリカルレンズを介して入射する４分割光検出手段と、該４分割光検出器の出力信号を処理して得た焦点誤差信号により前記波長可変光フィルタと前記光ビームの焦点位置の関係を制御する駆動手段と、を具備することを特徴とする。
請求項７にかかる発明は、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の波長可変光フィルタ装置において、前記波長可変光フィルタが回転ディスクからなり、前記光ビームの焦点の位置決め制御は、前記回転ディスクの回転角に応じて最適位置が記載されたテーブルを参照して定めた目標位置に対して行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光ビームの焦点位置に波長可変光フィルタが位置するので、透過中心波長での損失の増大を伴うことなく通過波長帯域幅が狭くでき、また、反射光取出手段を設けることにより、透過により分離した光信号の残りの信号を反射光として常に確保することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図２に示すように、集光ビーム１は、光ファイバ２の端にレンズ３を配置し、レンズ３の焦点から端面を遠ざけることにより容易に得られる。たとえば、レンズ３の焦点をｆとし、レンズ３と光ファイバ２の端面との距離をａとすると1/f＝1/a＋1/bを満たす距離ｂの位置に光ファイバ端の像が結像する。このような集光ビーム１は、１枚のレンズ２からなる光学系のみならず、非球面レンズやいくつかのレンズを組み合わせて形成できる。いずれの光学系も有用であるが、非球面レンズや組み合わせレンズには、集光ビーム１の焦点の寸法（スポット径）や深度を任意に設計できる利点がある。
【００１９】
図３に示すように、光ファイバ２とレンズ３から成る集光ビーム系をＡ側（光ファイバ２Ａとレンズ３Ａ）とＢ側（光ファイバ２Ｂとレンズ３Ｂ）で対向させて結合系を構成し、その焦点近傍に、平行平面透明基板上にフィルタ面が形成された光フィルタ４の当該フィルタ面（前記した共振器層とその両面に形成された高反射ミラーからなる）を配置すると、このような光学系では、フィルタ面（面の法線）が光軸から僅かにずれた場合、つまりフィルタ面が僅かに傾いた場合でも、入射光側のファイバを出て光フィルタ４を透過する光は、出力側の光ファイバ端面に集光されるので高効率で出力側の光ファイバに結合する。また、反射光はレンズ３の像からのものであるから、フィルタ面のずれに無頓着に入射側の光ファイバ端面に再び集光され、高効率で反射光をもとの光ファイバに結合することができる。
【００２０】
図４に示すように、集光ビーム１のスポット部分（焦点部分）では、擬似的に平面波として光が伝播する領域が存在する。その存在領域の光軸方向の厚みは焦点深度とも呼ばれている。この領域に光フィルタ４を配置すれば、集光ビーム系においても、平面波近似で期待されるようなフィルタの光学特性を得ることができる。なお、平面波とフィルタ面とはほぼ平行であり、垂直入射の条件は満たされている。このため、すべての透過波長帯域において、過剰損失や透過波長の偏波依存性を発生させない。
【００２１】
このような集光ビームに対する誘電体多層膜からなる光フィルタのスペクトル応答特性を計算してみる。集光ビームの焦点では光ビームは空間的に存在領域を制限された平面波であるとみなせるので、ガウスビームにより近似することとする。
【００２２】
一般に誘電体多層膜からなる光フィルタのスペクトル応答特性はローレンツ形の関数であり、一般には次のように書ける。
【数１】
2005172976.tif 000003
ここで、λは透過波長、λ0は透過中心波長、Δλは光フィルタの半値全幅（ＦＷＨＭ）である。楔形の共振器層の厚みが位置に対して線形に変化すると仮定すると、
【数２】
2005172976.tif 000004
と書ける。ここで、ｘは共振器層の厚みが変化する方向の位置を示すパラメータ（１次元の変化を考えれば十分なので、スカラー量である。）、ｋは位置ｘに対する中心波長の変化量である。たとえば、10ｍｍの移動で波長が100ｎｍ変化するフィルタでは、ｋ＝10ｎｍ／ｍｍとなる。
【００２３】
ここで、図５に示すように、簡単のため長さ（ビーム径）Ｄに渡って分布する等方的なガウスビームを考える。ビームが伝播する方向をｚ軸（紙面に垂直方向）とすると、このビームはビームウエスト近傍（焦点近傍）で近似的に次のように書ける。
【数３】
2005172976.tif 000005
ここで、Ｗ0は振幅が1/eとなるビーム径の１／２に等しく、また、
【数４】
2005172976.tif 000006
である。ｒはｚ軸からのずれの距離で、
【数５】
2005172976.tif 000007
と書ける。
【００２４】
透過中心波長λ0が変化する方向をｘとする。簡単のため、ｒ＜D/2となる円内部で光ビームのエネルギーが１００％となると仮定する。このときの規格化パラメータＡは円内部でのガウスビーム強度であり、次のように定義される。
【数６】
2005172976.tif 000008
このような光ビームに対してスペクトル応答は次のように修正される。
【数７】
2005172976.tif 000009
【００２５】
図６は、半値全幅（ＦＷＨＭ）Δλが0.1ｎｍでｚ方向の透過中心波長の変化率が10ｎｍ／ｍｍ（１ｍｍあたり集光ビームの位置を移動すると波長が１０ｎｍ変化するということ）である波長可変光フィルタに対して、ビーム径Ｄを10，20，50，100，200μｍと変えた場合のスペクトル応答関数を計算したものである。
【００２６】
半値全幅Δλに相当する0.1ｎｍは集光ビーム位置において10μｍに対応する。従って、Ｄ＝10μｍで確かに損失はほぼ０（透過率がほぼ１）となっている。一方、ビーム径Ｄがそれよりも大きくなるにつれ損失は増大し、それに従って半値全幅も増大する。Ｄ＝200μｍでは透過率は0.6であって、半値全幅は見かけ上0.2ｎｍともとのフィルタの２倍である。
【実施例１】
【００２７】
図１は本発明の実施例１の波長可変光フィルタ装置の概略構成を示す図である。楔形の共振器層を持つ光フィルタ１１は、円周方向に沿って線形にその共振器層の厚みが変わるディスク型の波長可変光フィルタであって、ロータリーアクチュエータ１２による回転機構に組み込まれている。つまり、この光フィルタ１１は透明体円盤からなる透明ディスクの上面にフィルタ面（共振器層とその両面の高反射率ミラーからなる波長可変光フィルタ本体）１１ａが形成されている。回転角は光フィルタ１１の周縁部に付与されたマーク（図示せず）を位置センサ１３により検出することにより決定される。
【００２８】
集光ビーム１は、２枚のレンズ１４，１５により形成される。集光ビーム１はプリズムミラー１６，１７を介してコの字形の経路をトレースする。光フィルタ１１はその経路中に挿入されており、かつ焦点がフィルタ面１１ａに一致するように設定されている。以上により集光ビーム１は、光フィルタ１１のフィルタ面１１ａに集光する。
【００２９】
入力側の２枚のレンズ１４，１８の間ではコリメートビーム１９Ａが形成され、その経路中にはビームスプリッタ（又はハーフミラー）（第２の反射光取出手段）２０が配置され、光フィルタ１１のフィルタ面１１ａからの反射光の一部を分離して取り出せるようになっている。分離した反射光はシリンドリカルレンズ２１と集光レンズ２２を経て４分割光検出器２３に集光される。残りの反射光は入力側の光ファイバ２４に結合し、光サーキュレータ（又は光方向性結合器）（第１の反射光取出手段）２５により光ファイバ２６の側に分離抽出できるようになっている。出力側のコリメートビーム１９Ｂは、レンズ２７により光ファイバ２８に取り出される。
【００３０】
４分割光検出器２３は、集光ビーム１の焦点とフィルタ面１１ａとのずれ（誤差）を検出するものであり、そのずれが０となるようにその誤差信号をリニアアクチュエータ２９に負帰還させることにより、常に焦点がフィルタ面１１ａにくるように最適制御される。
【００３１】
具体的には、図７に示すように、４分割光検出器２３上で光ビームの像は、ジャストフォーカスのときには円形Ｓ１となるが、焦点位置がフィルタ面１１ａで前後すると像は楕円Ｓ２，Ｓ３となる。楕円の長軸（または短軸）の方向は焦点位置のずれの方向に依存している。従って、４分割光検出器２３を構成する４つの光検出器Ｐ１〜Ｐ４の出力を演算処理することにより、ずれの方向と量を検出することが可能となる。たとえば、光検出器Ｐ１〜Ｐ４の出力信号をＰ１〜Ｐ４とすると、Ｐ１＋Ｐ４−（Ｐ２＋Ｐ３）という信号は焦点誤差信号に相当し、図８に示すように、ずれに対してほぼリニアな誤差信号の特性を提供する。この誤差信号を使って、リニアアクチュエータ２９を制御することにより光学系を図１において上下方向に移動させて、集光ビーム１の焦点位置を最適制御することが可能となる。このような制御機構により、光フィルタ１１の透過中心波長を制御するために必要な光フィルタ１１のディスク回転の際に発生するアライメントのずれを補償することができる。
【００３２】
なお、あらかじめ光フィルタ１１の回転角と当該回転角に対応した焦点の最適位置を参照テーブル等に記憶させておくことにより、センサ１３により検出した回転角に基づいてその参照テーブルを参照して、リニアアクチュエータ２９を最適制御して焦点の位置合わせを行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例1の波長可変光フィルタ装置の概略構成図である。
【図２】集光ビームの説明図である。
【図３】集光ビームの対向結合系に光フィルタを装着した光学系の説明図である。
【図４】集光ビームの焦点近傍での波面と光フィルタとの関係を示す説明図である。
【図５】集光ビームのビーム断面の説明図である。
【図６】集光ビームのスポット内の透過中心波長の場所依存性を考慮した光スペクトル応答の特性図である。
【図７】４分割光検出器での焦点位置検出の説明図である。
【図８】４分割光検出器を使用した焦点誤差信号の特性図である。
【図９】楔形共振器層をもつ光フィルタの概念図である。
【図１０】コリメートビームの説明図である。
【図１１】対向コリメート結合系に光フィルタを装着した光学系の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：集光ビーム
２，２Ａ，２Ｂ：光ファイバ
３、３Ａ，３Ｂ：集光レンズ
４：光フィルタ
１１：光フィルタ（ディスク型），１１ａ：フィルタ面
１２：ロータリアクチュエータ
１３：位置センサ
１４，１５：コリメートレンズ
１６，１７：プリズムミラー
１８：コリメートレンズ
１９Ａ，１９Ｂ：コリメートビーム
２０：ビームスプリッタ（又はハーフミラー）
２１：シリンドリカルレンズ
２２：集光レンズ
２３：４分割光検出器
２４：光ファイバ
２５：光サーキュレータ（又は光方向性結合器）
２６：光ファイバ
２７：コリメートレンズ
２８：光ファイバ
２９：リニアアクチュエータ
【図１】
2005172976.tif 000010
【図２】
2005172976.tif 000011
【図３】
2005172976.tif 000012
【図４】
2005172976.tif 000013
【図５】
2005172976.tif 000014
【図６】
2005172976.tif 000015
【図７】
2005172976.tif 000016
【図８】
2005172976.tif 000017
【図９】
2005172976.tif 000018
【図１０】
2005172976.tif 000019
【図１１】
2005172976.tif 000020