(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂成形により形成され、入射面と、この入射面を透過した光を反射させる反射面と、この反射面で反射した光を出射させる出射面を持つ光透過性の基体を備え、この基体の入射面の上に基体の樹脂材よりも高屈折率の格子パターン層を形成して共振モード格子フィルタである反射格子を形成することにより、入射面に斜交して入射した光の共振波長に対応する成分が反射により取り出され、他の成分が透過して反射面で反射し、出射面から射出されるようにした光分離器を、分離する光の波長の数だけ連続配置して、前段の光分離器の出射面から出た光が次段の入射面に入射するようにすると共に、各光分離器の各入射面の共振波長を分離する光の異なる波長に夫々一致させた波長分離フィルタにおいて、
各光分離器は、入射面を透過した光が反射面で全反射して出射面から入射方向と同方向に出射するように、入射面と出射面を反射面に斜交させたＤＯＶＥプリズム形状にすると共に、反射面側の部分で連結一体化して樹脂成形したことを特徴とする波長分離フィルタ。
【請求項２】
各光分離器の配置間隔を入射面で反射した分離光が隣接した光分離器に当たらない長さとした請求項１に記載の波長分離フィルタ。
【請求項３】
入射面の上に形成される反射格子の反射方向を、前記透過光の反射面と直交させた請求項１に記載の波長分離フィルタ。
【請求項４】
樹脂成形により形成され、入射面と、この入射面を透過した光を反射させる反射面と、この反射面で反射した光を出射させる出射面を持つ光透過性の基体を備え、この基体の入射面の上に基体の樹脂材よりも高屈折率の格子パターン層を形成して共振モード格子フィルタである反射格子を形成することにより、入射面に斜交して入射した光の共振波長に対応する成分が反射により取り出され、他の成分が透過して反射面で反射し、出射面から射出されるようにした光分離器を、分離する光の波長の数だけ連続配置して、前段の光分離器の出射面から出た光が次段の入射面に入射するようにすると共に、各光分離器の各入射面の共振波長を分離する光の異なる波長に夫々一致させた波長分離フィルタの製造方法において、
各光分離器は、入射面を透過した光が反射面で全反射して出射面から入射方向と同方向に出射するように、入射面と出射面を反射面に斜交させたＤＯＶＥプリズム形状にすると共に、反射面側の部分で連結一体化して樹脂成形し、
前記光分離器の反射格子は、光分離器の連結一体化と同時に光の波長と同等若しくはそれ以下のピッチで回折格子パターンが形成された金型で樹脂成形することにより、このパターンを入射面に転写する工程と、この転写パターンが形成された入射面に高屈折層を蒸着形成する工程とを経て、共振波長の光を反射し残りの光が透過するように形成することを特徴とする波長分離フィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光波長多重方式（ＷＤＭ）等に用いる波長分離フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２１世紀初頭に広帯域マルチメディアサービスが本格的に普及すると、幹線系の通信容量は現状よりもさらに２桁大きいテラビット（Ｔビット／秒）級のシステムが必要になると予想される。財団法人光産業技術振興協会の資料によれば、光通信の通信容量は２００５年には１００ＧＢ／秒、２０１０年には１ＴＢ／秒となり、２０１３年頃には全光ネットワークが完成するとある。その時、全家庭で１００ＭＢ／秒、大口ユーザーで１ＧＢ／秒の通信容量が実現する。
【０００３】
このような通信容量増大化の要求に対し、光波長多重方式（ＷＤＭ）が次世代の通信技術として期待されている。
【０００４】
この光波長多重方式（ＷＤＭ）は、異なる複数の波長の光を波長軸上に多重化して一本の光ファイバで伝送することにより、大容量伝送を可能とするもので、信号の分岐・挿入を、光フィルタ等の光受動デバイスにより光−電気変換することなく光レベルで行い、ネット信号形態や伝送速度によらず種々の信号が同時に伝送可能になるという特徴を有する。
【０００５】
このＷＤＭ方式の普及を図るに当って、波長の異なる信号を分岐させる波長分離フィルタは必要、不可欠な光学素子となる。従来は、この波長分離フィルタを、光学結晶体を研磨することで複屈折偏光子を作成し、誘電体の薄膜を何層にも積み重ねることで（７０から８０層を超えるものもある）狭帯域な波長フィルタを製作していた。例えば、４波長狭城バンドパスフィルタは３０層を超える光学多層膜コーテイングが必要でガラス製である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＷＤＭ用の波長分離フィルタは、光学多層膜によって作られガラス製である。従って、生産性が低くコストも高くなる。通信の主回線用としては、それでもよかったが、加入者レべルではとても購入できる値段ではなく、―般消費者、企業等の加入者に普及を図る上で大きな障害となる。
【０００７】
なお、ガラスに代え成形容易なプラスチックで、この薄膜フィルタを製作することも考えられるが、多層の薄膜層に、線膨張係数の違いによるマイクロクラックが発生し、面荒れ或いは剥れの原因となるため、この採用は不適当である。
【０００８】
これに対し、光の波長と同程度の格子を表面に作成することにより、前記薄膜フィルタと同様のフィルタを実現できることが報告されている。
【０００９】
これは、一定の共振条件を満たすように格子ピッチを決めると共振現象が発生し、強い反射が起こることを利用したもので、これによって、共振モード格子フィルタと呼ばれる非常に帯域の狭い反射型の波長フィルタを作成することができる。
【００１０】
この格子構造でＷＤＭ用の波長分離フィルタを作成しようとすると、分岐させる光を取り出すため、格子面に斜めから入射させる必要がある。この場合に偏光が生じ、要求性能を満たせないという問題が生じる。
【００１１】
この偏光依存性の問題は、格子面内に２つの等価な共振光の波数べクトルを生じさせるように、二次元に配列された格子構造を有する格子層を備え、前記２つの共振光の波数べクトルを、入射光の入射面に対して対称とすることにより解決できる。この構造を、次に説明する。
【００１２】
図６は、この共振モード格子フィルタの構成を示す斜視図であり、図７は、図６に示す共振モード格子フィルタと入射光との関係を説明するための説明図であり、図８は、図６に示す共振モード格子フィルタにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図であり、図９は、図６に示す共振モード格子フィルタの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【００１３】
図６に示すように、共振モード格子フィルタは、格子層１、導波層２、及び基板３を備える。基板３の上には、導波層２が形成され、導波層２の上には、格子層１が形成される。格子層１には、格子状に所定ピッチで複数の矩形の凹部４が形成され、凹部４、例えば空気と、凹部４以外の部分の低屈折率の媒質とから格子層１が構成され、高屈折率の導波層２が導波路となる。なお、格子層１は、凹部４の代わりに複数の凸部からなる格子層を用いてもよく、凹部部分に屈折率の異なる他の媒質を充填してもよい。格子層１に形成される凹部又は山部の形状は、格子面内に２つの等価な共振波数べクトルを生じさせるために、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、正方形であることが好ましいが、円形、楕円形、瓢箪形等の他の形状であってもよい。なお、本明細書において、回転対称な形状とは、該形状を１８０度回転させたときに元の形状に重なる形状をいう。
【００１４】
図７に示すように、格子層１と直交する方向に対して角度θだけ傾けて入射される入射光Iの入射面Ｐは、以下に説明する２つの共振光の波数べクトルが入射光の入射面に対して対称になるように、方位角４５°（入射面が格子の正方形の一辺となす角度）になるように設定される。このとき、入射光Ｉは、格子層１により共振を起こし、特定波長の反射光Ｒが反射される。以下の説明では、入射光がＴＥモード（層に対し電場が平行に振動しながら進むモード）で伝搬する場合について説明するが、ＴＭモード（層に対し磁場が平行に振動しながら進むモード）で伝搬する場合にも同様に適用することができる。
【００１５】
上記の場合、図８に示すように、ｐ偏光入射の光は、右上及び右下にそれぞれＴＥモードで伝播し、ｓ偏光入射の光も、同じ方向にＴＥモードで伝播する。本形態では、ｐ偏光人射で伝播する伝播定数をｐ―βとし、ｓ偏光入射で伝播する伝播定数をｓ―βとし、入射光の波数べクトルの接線成分をｋとし、二つの共振光の波数べクトルである格子べクトルをＫとすると、ｋとＫのべクトルの和が、ｐ―β及びｓ―βに等しくなるように格子ピッチＡ（=２π／Ｋ）が設定されている。従って、入射光の入射面に対して対称な２つの等価な共振波数べクトルを格子面内を生じさせることができ、ｐ偏光入射及びｓ偏光入射の共振波長を一致させるとともに、共振波長の半値幅を―致させることができる。この結果、入射光が格子面に対して斜めから入射する場合に偏光依存性をなくすことができる。また、入射光の入射角度を調整することにより、所望の波長で共振を得ることができ、また、中心波長を移動させることもできる。
【００１６】
しかし、この共振モード格子フィルタの製法として、従来知られている方法は、石英の基板の上に、導波層２としてＳｉＯ2膜を形成し、さらに、その上に電子線レジスト層を塗布形成し、電子ビーム描画装置によるパターンを約５時間かけて描画した後に現像を行い、格子パターンを作成するものである。なお、導波層２としてＴｉＯ2膜を形成する場合もある。
【００１７】
このように、従来の共振モード格子フィルタの製法は、製造時間を考慮に入れない実験レベルに止まり、これを量産し素子を効率的に製造する方法については、ほとんど研究開発が進んでいない。このため実用化は困難であった。
【００１８】
また、上記従来の共振モード格子フィルタは、導波層２に透過した光が利用できないため、１種類の波長の光しか分離できず、ＷＤＭ用の素子として用いることはできない。
【００１９】
そこで、本発明は共振モード格子フィルタを用いたプラスチック波長分離フィルタを、従来と比べ格段に低価格かつ量産容易な構造で提供することを目的とする。
【００２０】
本発明の請求項１にかかる波長分離フィルタは、樹脂成形により形成され、入射面と、この入射面を透過した光を反射させる反射面と、この反射面で反射した光を出射させる出射面を持つ光透過性の基体を備え、この基体の入射面の上に基体の樹脂材よりも高屈折率の格子パターン層を形成して共振モード格子フィルタである反射格子を形成することにより、入射面に斜交して入射した光の共振波長に対応する成分が反射により取り出され、他の成分が透過して反射面で反射し、出射面から射出されるようにした光分離器を、分離する光の波長の数だけ連続配置して、前段の光分離器の出射面から出た光が次段の入射面に入射するようにすると共に、各光分離器の各入射面の共振波長を分離する光の異なる波長に夫々一致させた波長分離フィルタにおいて、
各光分離器は、入射面を透過した光が反射面で全反射して出射面から入射方向と同方向に出射するように、入射面と出射面を反射面に斜交させたＤＯＶＥプリズム形状にすると共に、反射面側の部分で連結一体化して樹脂成形したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項２にかかる発明は、請求項１に記載した波長分離フィルタにおいて、各光分離器の配置間隔を、入射面で反射した分離光が隣接した光分離器に当たらない長さとしたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項３にかかる発明は、請求項１に記載した波長分離フィルタにおいて、入射面の上に形成される反射格子の反射方向を、前記透過光の反射面と直交させたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項４にかかる波長分離フィルタの製造方法は、樹脂成形により形成され、入射面と、この入射面を透過した光を反射させる反射面と、この反射面で反射した光を出射させる出射面を持つ光透過性の基体を備え、この基体の入射面の上に基体の樹脂材よりも高屈折率の格子パターン層を形成して共振モード格子フィルタである反射格子を形成することにより、入射面に斜交して入射した光の共振波長に対応する成分が反射により取り出され、他の成分が透過して反射面で反射し、出射面から射出されるようにした光分離器を、分離する光の波長の数だけ連続配置して、前段の光分離器の出射面から出た光が次段の入射面に入射するようにすると共に、各光分離器の各入射面の共振波長を分離する光の異なる波長に夫々一致させた波長分離フィルタの製造方法において、各光分離器は、反射面側の部分で連結一体化して樹脂成形すると共に、入射面を透過した光が反射面で全反射して出射面から入射方向と同方向に出射するように、入射面と出射面を反射面に斜交させたＤＯＶＥプリズム形状にすると共に、反射面側の部分で連結一体化して樹脂成形し、前記光分離器の反射格子は、光分離器の連結一体化と同時に光の波長と同等若しくはそれ以下のピッチで回折格子パターンが形成された金型で樹脂成形することにより、このパターンを入射面に転写する工程と、この転写パターンが形成された入射面に高屈折層を蒸着形成する工程とを経て、共振波長の光を反射し残りの光が透過するように形成することを特徴とする。
【００２６】
【実施形態】
図１に、本発明の一実施形態である４波長狭域バンドパスフィルタ７の縦断面図を示す。これは、４つの光分離器８を連結した形状で樹脂成形により一体成形したものである。このフィルタ７の紙面と垂直方向の幅は、分離されるビーム光が通過できる大きさである。光分離器８は、反射面１０の両側に対向配置した入射面９と出射面１１の間隔が反射面１０から離れるに従って狭くなるように傾斜させたＤＯＶＥプリズム構造を持つ。図１のＡ部を拡大して示す図２に示すように、このＤＯＶＥプリズム構造は、反射面と平行（入射面に斜交）に入射した光を入射面９で屈折させて反射面１０に当て、反射面で全反射させて出射面１１で屈折させて入射方向と同一方向に出射させるものである。この入射面に共振モード格子フィルタ（色分解フィルタ）を形成すると、この回折格子で共振する波長の光は反射し、残りの光は透過し屈折する。
【００２７】
この入射面に形成する回折格子は、樹脂成形金型に形成した微細形状を転写して作られる。樹脂成形に用いる材料は、例えばポリカーネート樹脂を使用し、各入射面の共振モード格子フィルタの反射波長λ1、λ2、λ3、λ4は、例えば１２８０,１３００,１３２０,１３４０ｎｍとする。
【００２８】
この格子構造は、凹部又は山部を格子状に複数配列したもので、この凹部又は凸部は、格子面内に２つの等価な共振波数べクトルを生じさせるために、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、凹部又は山部の二等分線上に前記入射光の入射面を位置させることが好ましい。凹部又は山部の形状は、正方形又はひし形であることが好ましいが、円形、楕円形、瓢箪形等の他の形状であってもよい。前記凹部又は凸部の配列は、例えば市松模様状とする。
【００２９】
入射光λは、例えば、波長が１２８０，１３００，１３２０，１３４０ｎｍの光が合成されたもので、反射面１０と平行に入射する。入射面９は、回折格子の反射を効率良く行える角度（例えば１０°）があるため、この角度θだけ反射面１０に対して傾斜させてある。
【００３０】
入射光λの光軸と出射面１１から出射する光の光軸を一致させるため、入射面９の傾きに応じて、反射面１０の光軸方向の長さ（光分離器の一単位）と出射面１１の傾き（入射面の傾きと大きさが同じで方向が異なる）が定まる。
【００３１】
上記実施形態では、４つの光分離器８を直線状に連結しているので、入射面９で反射させて得た分離光が隣接する光分離器８で妨げられないようにする必要がある。そこで各光分離器８の配置間隔を、この目的に合わせて決定する。この構造によって、転写によって入射面の格子パターンを作りながら、複数の光分離器を同時に一体成形することが可能になり、光分離器を独立して樹脂成形し、これらが一定の配置関係になるように位置決め固定する作業を不要として、コストを削減することができる。
【００３２】
上記実施形態における入射面９の反射角度θは、透過光の反射面１０に対して傾斜する方向に分離光を反射させるものであった。この反射角度θは、反射格子の構造により、一定の範囲で任意に決めることができものであり、分離光の受光部（光電変換素子等のディテクタ）の配置の便を考慮して適宜定めることができる。
【００３３】
図３及び図４は、入射面９に入射した光を透過光の反射面１０と直交する方向に反射させるものである。これによって、分離光のディテクタを反射面１０と平行に配置して組み立て構造を簡素化し、各光分離器８の配置間隔を最小にし、小型化を図ることができる。
【００３４】
入射面９に共振モード格子フィルタを構成するための高屈折率層を形成する方法として、図５（ａ）に示すように、樹脂成形された入射面９に蒸着によりＴｉＯ2膜やＳｉＯ2膜等を形成し、これに電子ビーム露光技術とエッチング加工技術により格子パターンを形成する方法と、図５（ｂ）に示すように、金型に微細加工により形成した格子パターンを、樹脂成形時に入射面９に直接転写した後、その転写面の凹部と凸部にＴｉＯ2膜等を蒸着により一様に形成する方法がある。図５（ｂ）に示す方法は、転写によって一時に成形を行うので、図５（ａ）に示す方法に比べて加工コストを低減することができる。この転写に用いる金型は、入射面９に対応する部分に、例えば、金型の金属面にサブミクロン単位で設計された格子パターンをレーザー描画することによって直接に成形したものを用いる。この金型のパターンは繰り返し転写が可能であり、低コストに波長分離フィルタを製作できる。
【００３５】
なお、図１及び図３に示す実施形態は、４種の波長成分を分離するＷＤＭ用の波長分離フィルタとして構成したものを示したが、この直列数は分離を行う波長成分の数に合わせて、必要数だけ連結して製作できる。
【００３６】
また、本発明は、ダイクロイックミラー等の他の波長分離フィルタに代えて使用することも可能である。例えば光をＲＧＢの３原色に分離するダイクロイックミラーに代えて使用する場合は、前記光分離器を３つ直列に一体成形したものを用いることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の請求項１にかかる波長分離フィルタは、樹脂成形により成形される基体の入射面に、共振モード格子フィルタである反射格子を形成するので、光学薄膜を使用した反射層を形成する場合に比べ製造コストを１／１００以下に低減できる。また、光分離器を複数個用いて、複数の波長成分を同時に分離するフィルタを安価に提供でき、例えばＷＤＭ用の波長分離フィルタとして製作した場合は、一般消費者への高速、快適な通信環境の普及を容易に行うことができる。さらに、光分離器は、ＤＯＶＥプリズム形状とすると共に、反射面側の部分で連結一体化して樹脂成形するため、複数波長の分離フィルタを一体成形でき、これにより、部品の組立てコストの低減を図ることができる。
【００４０】
本発明の請求項２にかかる発明は、部品の小型化を図ることができる。
【００４１】
本発明の請求項３にかかる発明は、複数波長の分離フィルタを一体成形する構造において、入射面９に入射した光を、透過光の反射面１０と直交する方向に反射させることにより、組立て構造の簡素化及び小型化を図ることができる。
【００４２】
本発明の請求項４にかかる発明は、光分離器の連結一体化と同時に金型からの転写によって入射面に格子パターンを造り込み、全面に高屈折層の蒸着を行うだけで反射格子を入射面に形成するので、波長分離フィルタの製造コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である光分離フィルタの構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態である光分離フィルタの構成を示す断面図である。
【図４】図３のＢ部を拡大して示す断面図である。
【図５】図１の波長分離フィルタの製造法を説明する断面図である。
【図６】本発明の前提となる共振モード格子フィルタの構成を示す斜視図である。
【図７】図６に示す共振モード格子フィルタと入射光との関係を説明するための説明図である。
【図８】図６に示す共振モード格子フィルタにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図である。
【図９】図６に示す共振モード格子フィルタの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
７  波長分離フィルタ（４波長狭域バンドパスフィルタ）
８  光分離器
９  入射面
１０  反射面
１１  出射面
【図１】
0004435406.tif 000002
【図２】
0004435406.tif 000003
【図３】
0004435406.tif 000004
【図４】
0004435406.tif 000005
【図５】
0004435406.tif 000006
【図６】
0004435406.tif 000007
【図７】
0004435406.tif 000008
【図８】
0004435406.tif 000009
【図９】
0004435406.tif 000010