(57)【要約】【課題】  簡素な構成の光合分波器および光合波ユニットを提供する。【解決手段】  使用波長域で透明な光学材料からなる基板１１と、基板の厚さ方向に対向する２つの面１Ａ,１Ｂのうち一方に設けられ、使用波長域での分光特性が光線の入射角度により変わる特性を示すフィルタ膜１２と、２つの面のうち他方に設けられ、フィルタ膜の第１の部位（例えば部位２Ａ）から基板の内部に向けて第１の角度で伝搬する光を反射して、第１の部位とは異なるフィルタ膜の第２の部位（例えば部位２Ｂ）に、第１の角度とは異なる第２の角度で入射させる反射部１３とを備える。【選択図】      図１
2007058102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用波長域で透明な光学材料からなる基板と、
前記基板の厚さ方向に対向する２つの面のうち一方に設けられ、前記使用波長域での分光特性が光線の入射角度により変わる特性を示すフィルタ膜と、
前記２つの面のうち他方に設けられ、前記フィルタ膜の第１の部位から前記基板の内部に向けて第１の角度で伝搬する光を反射して、前記第１の部位とは異なる前記フィルタ膜の第２の部位に前記第１の角度とは異なる第２の角度で入射させる反射部とを備えた
ことを特徴とする光合分波器。
【請求項２】
請求項１に記載の光合分波器において、
前記フィルタ膜は、前記基板内を伝搬し前記反射部での一回の反射により前記フィルタ膜への入射角が変化する入射角の変化量に対し、ある帯域の光線の帯域幅よりもエッジ波長の変化が大きい
ことを特徴とする光合分波器。
【請求項３】
請求項２に記載の光合分波器において、
前記フィルタ膜は、前記第１の部位と前記第２の部位とを含む複数の部位で合波または分波を行い、前記複数の部位から前記基板の内部に向けて互いに非平行な光を発生し、
前記反射部は、前記複数の部位から発生した前記非平行な光をそれぞれ反射すると共に、反射後の光が互いに非平行となるように反射する
ことを特徴とする光合分波器。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光合分波器において、
前記基板は、ウエッジ状の基板であり、
前記反射部は、前記使用波長域の光を反射する反射膜である
ことを特徴とする光合分波器。
【請求項５】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光合分波器において、
前記基板は、平行平面状の基板であり、
前記反射部は、複数の微小プリズムからなる
ことを特徴とする光合分波器。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光合分波器と、
前記フィルタ膜の少なくとも前記第１の部位と前記第２の部位とを介して前記基板の内部に波長の異なる光を入射させる光源手段とを備えた
ことを特徴とする光合波ユニット。
【請求項７】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光合分波器と、
前記フィルタ膜の少なくとも前記第１の部位または前記第２の部位を透過する光を集光する光学素子とを備えた
ことを特徴とする光合波ユニット。                                                                              
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の合波または分波の何れか一方を行う光合分波器および光合波ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば１.５μｍ帯の４波長の光の合波または分波を行う光合分波器として、図５に示すような構成が知られている（例えば特許文献１を参照）。図５には分波の際の光路を矢印付きの線で示す。この線で矢印の向きを逆にすれば合波の際の光路となる。図５の光合分波器では、平行平板状の基板３１,３２の間に分光特性の異なる４枚のフィルタ３３〜３６を配置すると共に、一方の基板３２の表面に反射膜３７を配置し、他方の基板３１の表面を光の入射面および出射面とする。このような光合分波器によれば、４枚のフィルタ３３〜３６の各分光特性に応じて４波長の光の合波や分波を行うことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の光合分波器には、４枚のフィルタ３３〜３６が必要であり、複雑な構成となっていた。このため、製造時の工数が多く、歩留まりも悪く、高価な部品となる。
本発明の目的は、簡素な構成の光合分波器および光合波ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の光合分波器は、使用波長域で透明な光学材料からなる基板と、前記基板の厚さ方向に対向する２つの面のうち一方に設けられ、前記使用波長域での分光特性が光線の入射角度により変わる特性を示すフィルタ膜と、前記２つの面のうち他方に設けられ、前記フィルタ膜の第１の部位から前記基板の内部に向けて第１の角度で伝搬する光を反射して、前記第１の部位とは異なる前記フィルタ膜の第２の部位に前記第１の角度とは異なる第２の角度で入射させる反射部とを備えたものである。
【０００５】
また、前記フィルタ膜は、前記基板内を伝搬し前記反射部での一回の反射により前記フィルタ膜への入射角が変化する入射角の変化量に対し、ある帯域の光線の帯域幅よりもエッジ波長の変化が大きいことが好ましい。
また、前記フィルタ膜は、前記第１の部位と前記第２の部位とを含む複数の部位で合波または分波を行い、前記複数の部位から前記基板の内部に向けて互いに非平行な光を発生し、前記反射部は、前記複数の部位から発生した前記非平行な光をそれぞれ反射すると共に、反射後の光が互いに非平行となるように反射することが好ましい。
【０００６】
また、前記基板は、ウエッジ状の基板であり、前記反射部は、前記使用波長域の光を反射する反射膜であることが好ましい。
また、前記基板は、平行平面状の基板であり、前記反射部は、複数の微小プリズムからなることが好ましい。
本発明の光合波ユニットは、上記の光合分波器と、前記フィルタ膜の少なくとも前記第１の部位と前記第２の部位とを介して前記基板の内部に波長の異なる光を入射させる光源手段とを備えたものである。
【０００７】
また、本発明の光合波ユニットは、上記の光合分波器と、前記フィルタ膜の少なくとも前記第１の部位または前記第２の部位を透過する光を集光する光学素子とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡素な構成の光合分波器および光合波ユニットを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の光合分波器１０は、図１に示す通り、ウエッジ状の基板１１と、１枚のフィルタ膜１２と、反射膜１３とで構成される。この光合分波器１０は、例えば１.３μｍ帯の中に４つの中心波長（λ1＝1348nm，λ2＝1324nm，λ3＝1300nm，λ4＝1276nm）を持ち、中心波長ごとに異なる帯域を有する光信号の合波や分波をする光学部品である。また、光合分波器１０は、例えば光ファイバを用いた10Gビット/秒のEthernet（登録商標）システムにおいて、１.３μｍ帯の４波長λ1〜λ4の光を多重化して通信する規格（ＬＸ４）のトランシーバやレシーバに用いられる。
【００１０】
基板１１は、使用波長域（上記の１.３μｍ帯）で透明な光学材料（例えばＢＫ７など）からなる。基板１１の厚さ方向に対向する２つの平面１Ａ,１Ｂは非平行であり、２つの平面１Ａ,１Ｂの成す角θ（ウエッジ角）は例えば１.５°である。基板１１のＢＫ７の屈折率は1.5271である。
フィルタ膜１２は、基板１１の一方の平面１Ａ上に、高屈折率層と低屈折率層とを交互に重ねて形成した光学多層膜である。高屈折率層は、例えば五酸化ニオブ（Ｎb2Ｏ5）である。低屈折率層は、例えば二酸化ケイ素（ＳiＯ2）である。これらの成膜には、スパッタ法や真空蒸着法などを用いればよい。なお、屈折率は、高屈折率層のＮb2Ｏ5が2.233、低屈折率層のＳiＯ2が1.459である。フィルタ膜１２の層数は例えば１２０層である。
【００１１】
また、フィルタ膜１２は、所定波長より長波長側を透過して短波長側を反射するような分光特性を有し（エッジフィルタ）、この分光特性が使用波長域（上記の１.３μｍ帯）で図２(ａ)〜(ｄ)に示すような分光透過率特性を示す。図２(ａ)〜(ｄ)は、それぞれ、基板１１の側からフィルタ膜１２に入射するときの角度が２０°,２３°,２６°,２９°の場合の分光透過率特性である。実線はｓ偏光、点線はｐ偏光の場合に対応する。図２の横軸は波長(ｎｍ)、左側の縦軸は透過率(％)、右側の縦軸は反射率(％)を表す。
【００１２】
図２から分かるように、各入射角とも、フィルタ膜１２の分光特性は、偏光状態に拘わらずほぼ同じである。また、長波長側の透過域と短波長側の反射域との境界（以下「エッジ波長」）は、入射角が大きいほど短波長側へシフトする。また、入射角の変化に対するエッジ波長の変化量は、反射膜１３での一回の反射で変化するフィルタ膜１２への入射角の変化により、エッジ波長は１つの中心波長帯における光信号の帯域幅よりも大きく変化するようにしている。
【００１３】
具体的に説明すると、入射角２０°の場合のエッジ波長はλ1＝1348nmとλ2＝1324nmとの間にあり、中心波長をλ1とする光信号は十分に透過し、その他の帯域の光信号は反射する。入射角２３°の場合のエッジ波長はλ2＝1324nmとλ3＝1300nmとの間にあり、中心波長をλ1およびλ2とする光信号は十分に透過し、その他の帯域の光信号は反射する。入射角２６°の場合のエッジ波長はλ3＝1300nmとλ4＝1276nmとの間にあり、中心波長をλ4とする光信号は反射し、その他の帯域の光信号は反射する。入射角２９°の場合のエッジ波長はλ4＝1276nmより短波長側にあり、全ての帯域の光信号を透過する。
【００１４】
さらに、反射膜１３（図１）は、基板１１の他方の平面１Ｂに設けられ、使用波長域（上記の１.３μｍ帯）の光を偏光状態に拘わらず同程度の反射率で反射するように構成される。少なくとも波長1276nm〜1324nm（λ2〜λ4）の光が、少なくとも２１.５°〜２７.５°で入射したときには、これを反射するように構成することが好ましい。
本実施形態の光合分波器１０では、基板１１の平面１Ｂのうち、平面１Ａからの距離が近く、かつ、反射膜１３の形成されない部分（開口部１Ｃ）を、分波の際の光の入射面とする。分波の際、開口部１Ｃには、不図示の光ファイバからの４つの帯域の光信号が合波された光束（４波長λ1〜λ4の光を含む）が導かれる。この光束の偏光状態は定まっていない。また、この光束の入射角は、開口部１Ｃを介して基板１１の内部に入射した光が、基板１１の内部からフィルタ膜１２の部位２Ａに入射角２０°で入射するように設定される。
【００１５】
そして、フィルタ膜１２の部位２Ａに入射角２０°で入射した光（λ1〜λ4）は、フィルタ膜１２の入射角２０°での分光特性（図２(ａ)）にしたがって分波される。つまり、エッジ波長より長波長側の光（λ1＝1348nm）は部位２Ａを透過し、エッジ波長より短波長側の光（λ2＝1324nm,λ3＝1300nm,λ4＝1276nm）は部位２Ａで反射する。そして、部位２Ａを透過した光（λ1）は、１つ目の分波光として不図示のディテクタなどに導かれる。
【００１６】
一方、部位２Ａで反射した光（λ2〜λ4）は、部位２Ａから基板１１の内部に向けて反射角２０°で伝搬し、反射膜１３の部位３Ａに入射する。基板１１のウエッジ角（２つの平面１Ａ,２Ｂの成す角θ）が１.５°のため、反射膜１３の部位３Ａには入射角２１.５°で入射する。反射膜１３は、この光（λ2〜λ4）を反射して、フィルタ膜１２の部位２Ａとは異なる部位２Ｂに上記の入射角２０°とは異なる入射角２３°で入射させる。
【００１７】
このとき、フィルタ膜１２の部位２Ｂに入射角２３°で入射した光（λ2〜λ4）は、フィルタ膜１２の入射角２３°での分光特性（図２(ｂ)）にしたがって分波される。つまり、光（λ2〜λ4）のうち、エッジ波長より長波長側の光（λ2＝1324nm）は部位２Ｂを透過し、エッジ波長より短波長側の光（λ3＝1300nm,λ4＝1276nm）は部位２Ｂで反射する。そして、部位２Ｂを透過した光（λ2）は、２つ目の分波光として不図示のディテクタなどに導かれる。
【００１８】
さらに、部位２Ｂで反射した光（λ3,λ4）は、部位２Ｂから基板１１の内部に向けて反射角２３°で伝搬し、反射膜１３の部位３Ｂに入射角２４.５°で入射する。反射膜１３は、この光（λ3,λ4）を反射して、フィルタ膜１２の部位２Ａ,２Ｂとは異なる部位２Ｃに上記の入射角２０°,２３°とは異なる入射角２６°で入射させる。
このとき、フィルタ膜１２の部位２Ｃに入射角２６°で入射した光（λ3,λ4）は、フィルタ膜１２の入射角２６°での分光特性（図２(ｃ)）にしたがって分波される。つまり、光（λ3,λ4）のうち、エッジ波長より長波長側の光（λ3＝1300nm）は部位２Ｃを透過し、エッジ波長より短波長側の光（λ4＝1276nm）は部位２Ｃで反射する。そして、部位２Ｃを透過した光（λ3）は、３つ目の分波光として不図示のディテクタなどに導かれる。
【００１９】
さらに、部位２Ｃで反射した光（λ4）は、部位２Ｃから基板１１の内部に向けて反射角２６°で伝搬し、反射膜１３の部位３Ｃに入射角２７.５°で入射する。反射膜１３は、この光（λ4）を反射して、フィルタ膜１２の部位２Ａ,２Ｂ,２Ｃとは異なる部位２Ｄに上記の入射角２０°,２３°,２６°とは異なる入射角２９°で入射させる。
このとき、フィルタ膜１２の部位２Ｄに入射角２９°で入射した光（λ4）は、フィルタ膜１２の入射角２９°での分光特性（図２(ｄ)）にしたがって分波される。ただし、ここでは、入射した光（λ4）がエッジ波長より長波長側の光（λ4＝1276nm）のみであるため、部位２Ｄで反射する光はなく、そのまま部位２Ｄを透過する。そして、部位２Ｄを透過した光（λ4）は、４つ目の分波光として不図示のディテクタなどに導かれる。
【００２０】
このように、本実施形態の光合分波器１０において、フィルタ膜１２は、部位２Ａ〜２Ｄで４波長（λ1〜λ4）の分波を行う。また、反射膜１３は、フィルタ膜１２の部位２Ａ〜２Ｃから反射した光束をそれぞれ部位３Ａ〜３Ｃで反射すると共に、それぞれの部位での反射後の光が互いに非平行となる（さらに部位２Ａへの入射光とも非平行となる）ように反射して、互いに異なる角度でフィルタ膜１２に入射させる。
【００２１】
なお、基板１１の内部からフィルタ膜１２の部位２Ａ〜２Ｄや反射膜１３の部位３Ａ〜３Ｃへ入射する光の角度は、全反射しないように、臨界角より小さくする必要がある。
また、フィルタ膜１２の部位２Ａ〜２Ｄでの入射角は、分波の際、反射回数が増えるにつれて大きくなる（２０°→２３°→２６°→２９°）。したがって、フィルタ膜１２の分光特性が図２(ａ)〜(ｄ)のような角度依存性を示し、入射角が大きいほどエッジ波長が短波長側へシフトする（反射域が狭くなる）ことを利用すれば、１枚のフィルタ膜１２による４波長（λ1〜λ4）の分波を実現することができる。
【００２２】
本実施形態の光合分波器１０では、１枚のフィルタ膜１２を用いて４波長（λ1〜λ4）を分波することができるため、部品点数の削減が図られ、簡素な構成となる。その結果、製造時の工数を削減でき（例えば成膜工程は１回のみとなる）、歩留まりが向上し、低コスト化が図られる。
さらに、本実施形態の光合分波器１０では、上記した分波の際の光路（図１の矢印付きの線）を逆にたどると、４波長（λ1〜λ4）の光を合波することもできる。合波の際には、図３に示す通り、光合分波器１０のフィルタ膜１２の部位２Ａ〜２Ｄの近傍に、それぞれ、レーザダイオード（ＬＤ）や信号光が伝搬する光ファイバーの射出端などの光源１４〜１７が配置され、光合波ユニットを構成する。
【００２３】
この光合波ユニットでは、光源１７からの光（λ4）がフィルタ膜１２の部位２Ｄを介して角度２９°で基板１１の内部に入射する。同様に、光源１６からの光（λ3）が部位２Ｃを介して角度２６°で入射し、光源１５からの光（λ2）が部位２Ｂを介して角度２３°で入射し、光源１４からの光（λ1）が部位２Ａを介して角度２０°で入射する。
そして、フィルタ膜１２は、部位２Ａ〜２Ｄで４波長（λ1〜λ4）の合波を行う。また、反射膜１３は、フィルタ膜１２の部位２Ａを除く部位２Ｂ〜２Ｄに入射した光束をそれぞれ部位３Ａ〜３Ｃで反射すると共に、それぞれの部位での反射後の光束が、それぞれの信号光の帯域に見合った分光透過率特性を呈する角度でフィルタ膜１２に入射させる。
【００２４】
さらに、部位２Ａ〜２Ｄから基板１１の内部へ伝搬するときの角度は、合波の際、反射回数が増えるにつれて小さくなる（２９°→２６°→２３°→２０°）。したがって、フィルタ膜１２の分光特性が図２(ａ)〜(ｄ)のような角度依存性を示し、入射角が小さいほどエッジ波長が長波長側へシフトする（反射域が広くなる）ことを利用すれば、１枚のフィルタ膜１２による４波長（λ1〜λ4）の合波を実現することができる。合波した後の光は基板１１の開口部１Ｃから出射される。
【００２５】
このように、１枚のフィルタ膜１２を用いて４波長（λ1〜λ4）を合波することができるため、部品点数の削減が図られ、簡素な構成となる。その結果、製造時の工数を削減でき（例えば成膜工程は１回のみとなる）、歩留まりが向上し、低コスト化が図られる。
また、図３の光合波ユニットでは、光源１４〜１７としてレーザダイオード（ＬＤ）を用いた場合、光源１４〜１７からの光（λ1〜λ4）の偏光状態を自由に設定することができ、フィルタ膜１２に入射する際の偏光状態を各波長ごとに揃えることができる（ｓ偏光でもｐ偏光でも構わない）。このように偏光状態を予め決めて各波長ごとに揃える場合、フィルタ膜１２の設計が容易になり、フィルタ膜１２の層数を上記の１２０層（ｓ偏光にもｐ偏光にも対応可能とした場合の層数）より少なくできる。さらに、各波長ごとの偏光状態をｓ偏光に揃える場合、より少ない層数で高い反射率を得ることができるため好ましい。
【００２６】
さらに、本実施形態の光合分波器１０では、４波長（λ1〜λ4）を合波／分波する際に各波長の光を同じ面（フィルタ膜１２の表面）から入射／出射させるので、上記の光源１４〜１７や、出射光を集光するマイクロプリズム、集光光を検知するディテクタなどを、アレイ状に構成して光合分波器１０のフィルタ膜１２の近傍に配置することができる。したがって、光合分波器１０とアレイ状の光学部品との組み合わせを１つの光合波および／または分波ユニットとして考えたときにコンパクトな構成となる。
【００２７】
（第２実施形態）
第２実施形態の光合分波器２０は、図４(ａ),(ｂ)に示す通り、上記の基板１１に代えて平行平板状の基板２１を設け、上記の反射膜１３に代えて複数の微小プリズム２２〜２４を設けたものである。基板２１の厚さ方向に対向する２つの平面１Ｄ,１Ｅは平行である。基板２１の一方の平面１Ｄには上記と同様のフィルタ膜１２が設けられ、他方の平面１Ｅには複数の微小プリズム２２〜２４が設けられる。
【００２８】
微小プリズム２２〜２４は、使用波長域（上記の１.３μｍ帯）で透明な光学材料からなり、例えば成形品である。そして、この微小プリズム２２〜２４を基板１１の平面１Ｅに接合（接着）することにより、両者を一体化させることができる。また、平面１Ｅのうち、微小プリズム２２〜２４のない一端側の部分（開口部１Ｆ）が、分波の際の入射面、合波の際の出射面となる。
【００２９】
微小プリズム２２〜２４の具体的な形状は、図４(ｂ)に示す通り、基板２１と接触している側の２つの頂点２５,２６の角度が３５°と３３.５°であり、残りの頂点２７の角度が１１１.５°となっている。基板１１から微小プリズム２２〜２４に入射した光は、分波の際、まず頂点２５,２７の間の斜面２８で全反射し、その後、頂点２６,２７の間の斜面２９で全反射して、再び基板１１の内部に導かれる。
【００３０】
分波の際、微小プリズム２２〜２４は、フィルタ膜１２の部位２Ａ〜２Ｃから発生した非平行な光をそれぞれ斜面２８,２９で全反射すると共に、全反射後の光が互いに非平行となる（さらに部位２Ａへの入射光とも非平行となる）ように反射して、互いに異なる角度でフィルタ膜１２に入射させる。また、フィルタ膜１２の部位２Ａ〜２Ｄでの入射角は、反射回数が増えるにつれて大きくなる（２０°→２３°→２６°→２９°）。
【００３１】
したがって、第２実施形態の光合分波器２０でも、１枚のフィルタ膜１２を用いて４波長（λ1〜λ4）を分波することができる。また、上記した分波の際の光路（図４の矢印付きの線）を逆にたどると、４波長（λ1〜λ4）の光を合波することもできる。このため、部品点数の削減が図られ、簡素な構成となる。その結果、製造時の工数を削減でき（例えば成膜工程は１回のみとなる）、歩留まりが向上し、低コスト化が図られる。
【００３２】
（変形例）
なお、上記した実施形態では、長波長透過型の分光特性（図２）のフィルタ膜１２を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。それとは逆に、短波長透過型の分光特性のフィルタ膜を用いる場合にも、本発明を適用できる。この場合でも、分光特性が角度依存性を示し、図２と同様、エッジ波長は入射角が大きいほど短波長側へシフトする。ただし、フィルタ膜の各部位での入射角は、分波の際、反射回数が増えるにつれて小さくなるように設定する必要がある。
【００３３】
このように設定すれば、分波の際、反射回数が増えるにつれてフィルタ膜での入射角が小さくなり、エッジ波長は長波長側へシフトする（反射域が狭くなる）ため、１枚のフィルタ膜による４波長（λ1〜λ4）の分波を実現することができる。
同様に、合波の際には、反射回数が増えるにつれてフィルタ膜での入射角が大きくなり、エッジ波長は短波長側へシフトする（反射域が広くなる）ため、１枚のフィルタ膜による４波長（λ1〜λ4）の合波を実現することができる。
【００３４】
また、上記した実施形態では、４波長（λ1〜λ4）を合波／分波する際に各波長の光を同じ面（フィルタ膜１２の表面）から入射／出射させる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。分波の際には最後に分波される光（λ4）、合波の際には最初に合波される光（λ4）を、基板１１の平面１Ｂ（または基板２１の平面１Ｅ）から入射／出射させてもよい。
【００３５】
さらに、上記した実施形態では、１.３μｍ帯の４波長（λ1〜λ4）の光の合波や分波を行う例で説明したが、その他の波長帯の４波長でも同様に合波／分波することができる。
また、合波／分波の波長数は４つに限らない。複数の波長を含む多波長の合波／分波を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態の光合分波器１０の全体構成と光路を示す図である。
【図２】フィルタ膜１２の分光特性を示す図である。
【図３】光合波ユニットの構成を示す図である。
【図４】第２実施形態の光合分波器２０の全体構成と光路を示す図である。
【図５】従来の光合分波器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０,２０  光合分波器  ；  １１,２１  基板  ；  １Ａ,１Ｂ,１Ｄ,１Ｅ  平面  ；
１２  フィルタ膜  ；  １３  反射膜  ；  ２２〜２４  微小プリズム  ；
１４〜１７  光源                                                                                
【図１】
2007058102.tif 000003
【図２】
2007058102.tif 000004
【図３】
2007058102.tif 000005
【図４】
2007058102.tif 000006
【図５】
2007058102.tif 000007