JP4329989B2

JP4329989B2 - Design method of optical multilayer filter

Info

Publication number: JP4329989B2
Application number: JP2003125658A
Authority: JP
Inventors: 拓行阿部
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP2004333580A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率物質層と低屈折率物質層とを交互に積層して構成され、光通信等に用いられる光学多層膜フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネット通信等の普及および利用が進み、通信ラインの通信量が急速に増大しつつある。現在は通信容量の大きな光ファイバを用いた光通信が主流であるが、各光ファイバを介して伝達できる容量を増加させることが要求され、光通信技術の中でも通信容量の大容量化が容易な波長分割多重通信技術（ＷＤＭ通信方式：Wavelength Division Multplexing 通信方式）が使用されるようになってきている。
【０００３】
ＷＤＭ通信方式では、多チャンネルの信号光から任意のチャンネル数の信号光を分波したり、もしくは、伝送されている信号光に任意のチャンネル数の信号光を合波したりする必要がある。これら信号光の合分波のためには、ＢＰＦ（バンドパスフィルター：Band Pass Filter）等の光学多層膜フィルタが必要とされる。
【０００４】
また、このような光通信技術において、長距離伝送を行うに際しては、信号光を増幅器により増幅する必要がある。増幅器の種類、伝送システムの構成によっては、増幅率が波長に依存して変動してしまう場合があり、この増幅率を平坦化するためには、ＧＦＦ（利得平坦化フィルタ：Gain Flattening Filter）等の光学多層膜フィルタが必要とされる。
【０００５】
上述したように、光学多層膜フィルタは、光通信技術において有効な一つのデバイスである。以下に光学多層膜フィルタについて説明する。
【０００６】
ＢＰＦの構造は、図１に示すように、光学基板上に複数のCavityを、Coupling層を介して積層してなる。上記Cavityは、その中央に配置されるSpacer層(2λ/4の整数倍の膜厚)と、このSpacer層の両側に高屈折率層及び低屈折率層を交互に対称に配置されたミラーペア群(各λ/4の膜厚)とからなる構造が公知(特開平０７−１０４１２３号公報、特開平０７−１０４１２２号公報)である。
【０００７】
このような構造を応用することで、多様な特性をもつ光学多層膜フィルタの設計が可能である。たとえば、WDMで用いられる、単一信号分（一チャンネル分）の波長帯を分波・合波する狭帯域Band-Pass-Filter(NBPF)や、WDMの信号数波長分を一括して分波・合波するBand-Separatorや、広帯域の波長域を２つの帯域に分ける、C/Lフィルタ、B/Rフィルタなどが、この構成によって製作可能である。この他、LWPF（）、SWPF（）といった、いわゆる「エッジフィルタ」の代用としても、この構成の光学多層膜フィルタを使用することが可能である。さらに、光増幅器で信号光を増幅させる際に発生する利得偏差を相殺するためのＧＦＦにも、この構成の光学多層膜フィルタを使用することが可能である。
【０００８】
ＷＤＭ伝送方式では、光伝送の高機能化が進むにつれ、光学多層膜フィルタに求められる光学特性は、より高度なものが要求されている。図１に示したように、フィルタチップに入射される光線のスポット径は、ある程度の大きさ（通常0.3〜0.5mm）をもつため、フィルタチップ面内における反射・透過波長の中心波長分布が大きくなるほど全体的な光学特性が劣化する。このため、フィルタチップ面内の中心波長分布はできるだけ小さいことが要求され、成膜プロセスの観点からこのような中心波長分布を低減させるような技術を開発している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０７−１０４１２３号公報。
【特許文献２】
特開平０７−１０４１２２号公報。
【特許文献３】
特開２００２−１９６１２９号公報。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような成膜プロセスからのアプローチは信頼性をその都度確認する必要があるため作業性が困難であり、また、装置・手順等の変更によるコスト高になってしまうというが問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、前記従来技術の課題を鑑みてなされたもので、設計の観点から中心波長分布を低減することにした。設計のみの変更であれば、上記のような問題点は特に考慮する必要が無い。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、透過波長帯域の中心波長をλ₀とするとき、光学基板上に複数のCavityを、光学膜厚がλ₀／４の１以上の奇数倍であるCoupling層を介して積層してなる光学多層膜フィルタにおいて、前記Cavityは、その中央に配置される光学膜厚がλ₀／２の１以上の整数倍であるSpacer層と、該Spacer層の両側に光学膜厚がλ₀／４の１以上の奇数倍である高屈折率層及び低屈折率層を交互に対称に配置してなるミラーペア群とから構成され、チップ面内の中心波長分布が小さくなるように各CavityのSpacer層の厚さを薄くしてミラーペアの数を増やす調整するものである。
【００１３】
このため、本発明の光学多層膜フィルターは、各cavityのSpacer層の厚さおよびミラーペアの数を調整することで、反射・透過の面内波長分布の小さい設計を実現するものである。
【００１４】
また、第２の態様によれば、第一の態様に記載された光学多層膜フィルタを設計するプログラムであって、Spacer層の厚さおよびミラーペア群の数を調整し、チップ面内の中心波長分布が小さくなるような設計を自動的に算出する。
【００１５】
このため、本発明の光学多層膜フィルターは、自動的に反射・透過の面内波長分布の小さい設計を短時間で算出することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
光学多層膜フィルタの設計について、従来例と本発明を比較しながら説明する。なお、ここでは主にバンドパスフィルタの説明を行うが、他の光学多層膜フィルタ、例えば上述したエッジフィルタ、ＧＦＦ等についても同様のことが言える。まず最初に、従来の光学多層膜フィルタの設計について説明する。
【００１８】
高屈折率物質と、低屈折率物質の中心波長の四分の一の光学膜厚の層をそれぞれＨおよびＬとすると、従来設計によるバンドパスフィルタは、下記のように表現される。
従来設計（全185層，Spacer層：18L，ミラーペア群：6および7）
空気 / L (HL)⁶H18LH(LH)⁶ L [(HL)⁷H18LH(LH)⁷]⁴ L (HL)⁶H18LH(LH)⁶ L / 基板
【００１９】
次に本発明の一実施形態である設計について説明する。
バンドパスフィルタの透過・反射、アイソレーション等の波長特性は、各cavityにおけるSpacer層の厚さおよびミラーペアの数を変えることによって自由に変化させることができる。また、Spacer層の厚さとミラーペア群の数は独立して変えることができることから、同じ波長特性を示すようなSpacer層厚さとミラーペア数の組み合わせは複数存在する。それらの組み合わせの中から最も中心波長分布が小さくなる設計を選択すれば良いことになる。
【００２０】
本実施例では、上記の従来設計と理論的にはほぼ同一の波長特性が得られると考えられる下記の２つの設計について中心波長分布シミュレーションを行った。
本発明の設計(1)（全209層，Spacer層：6L，ミラーペア数：7および8）
空気 / L (HL)⁷H6LH(LH)⁷ L [(HL)⁸H6LH(LH)⁸]⁴ L (HL)⁷H6LH(LH)⁷ L / 基板
本発明の設計(2)（全161層，Spacer層：42L，ミラーペア数：5および6）
空気 / L (HL)⁵H42LH(LH)⁵ L [(HL)⁶H42LH(LH)⁶]⁴ L (HL)⁵H42LH(LH)⁵ L / 基板
【００２１】
なお、シミュレーションの結果から、本発明の設計（１）では中心波長分布が改善されるが、本発明の設計（２）では悪化することが明らかになった。即ち、Spacer層を薄くしてミラーペア数を増やす程中心波長分布を低減できることが判明した。
【００２２】
シミュレーションで良好な結果が得られた本発明の設計（１）について、実際に成膜を行いチップの面内分布を測定した。図２は、従来設計および本発明の設計（１）により設計したバンドパスフィルタのスペーサ層の厚みとミラーペア数との関係を示したものである。図２において、左上の方の設計になればなるほど、スペーサ層が薄くなり、ミラーペア数が多くなることになる。
【００２３】
図３は、図２に対応したもので、従来設計および本発明の設計（１）により設計したバンドパスフィルタの反射・透過の中心波長分布の結果を示すものである。従来設計にくらべ、本発明の設計（１）による設計では、光線のスポット半径の平均値に相当する0.2mm内における中心波長分布が抑えられている（波長シフト量が小さい）。言い換えると、Spacer層を薄くしてミラーペア数を増やすと、中心波長分布が抑えられることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光学多層膜フィルターは、各cavityのSpacer層の厚さおよびミラーペアの数を調整する、即ち、Spacer層を薄くしてミラーペア数を増やす程、内波長分布の小さい設計を実現することができる。また、この設計手法をプログラム化することにより、自動的に最適な光学多層膜フィルタの設計を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学多層膜フィルタの一構成例を示す図である。
【図２】フィルタチップと入射光を示す説明図である。
【図３】本発明の光学多層膜フィルタの各設計におけるSpacer層厚とミラーペア数の組み合わせを示す図である。
【図４】図３の設計により作成された光学多層膜フィルタのフィルタチップの中心波長分布の測定結果と、従来の設計により作成された光学多層膜フィルタのフィルタチップの中心波長分布の測定結果を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical multilayer filter that is configured by alternately laminating high-refractive index material layers and low-refractive index material layers and used for optical communication or the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the spread and use of Internet communication and the like, the amount of communication on a communication line is rapidly increasing. Currently, optical communication using optical fibers with a large communication capacity is the mainstream, but it is required to increase the capacity that can be transmitted through each optical fiber, and it is easy to increase the communication capacity among optical communication technologies. Wavelength division multiplexing communication technology (WDM communication system: Wavelength Division Multplexing communication system) has come to be used.
[0003]
In the WDM communication system, it is necessary to demultiplex an arbitrary number of channels of signal light from a multi-channel signal light, or to combine an arbitrary number of channels of signal light with the transmitted signal light. In order to multiplex / demultiplex these signal lights, an optical multilayer filter such as a BPF (Band Pass Filter) is required.
[0004]
In such an optical communication technique, when performing long-distance transmission, it is necessary to amplify the signal light with an amplifier. Depending on the type of amplifier and the configuration of the transmission system, the amplification factor may vary depending on the wavelength. To flatten the amplification factor, GFF (Gain Flattening Filter) or the like is used. Optical multilayer filter is required.
[0005]
As described above, the optical multilayer filter is one device effective in optical communication technology. The optical multilayer filter will be described below.
[0006]
As shown in FIG. 1, the BPF structure is formed by laminating a plurality of cavities on an optical substrate via a coupling layer. The above-mentioned Cavity is a mirror pair group in which a Spacer layer (a film thickness that is an integral multiple of 2λ / 4) arranged in the center and a high refractive index layer and a low refractive index layer alternately arranged on both sides of this Spacer layer A structure composed of (film thickness of each λ / 4) is publicly known (Japanese Patent Laid-Open Nos. 07-104123 and 07-104122).
[0007]
By applying such a structure, it is possible to design an optical multilayer filter having various characteristics. For example, a narrowband Band-Pass-Filter (NBPF) that demultiplexes / combines the wavelength band of a single signal (for one channel) used in WDM, or demultiplexes the number of wavelengths of WDM signals at once.・ Band-Separator for multiplexing, C / L filter, B / R filter, etc. that divides a wide wavelength range into two bands can be manufactured with this configuration. In addition, the optical multilayer filter having this configuration can be used as a substitute for a so-called “edge filter” such as LWPF () and SWPF (). Furthermore, the optical multilayer filter having this configuration can also be used for the GFF for canceling the gain deviation generated when the signal light is amplified by the optical amplifier.
[0008]
In the WDM transmission system, as the function of optical transmission increases, more advanced optical characteristics are required for the optical multilayer filter. As shown in FIG. 1, since the spot diameter of the light beam incident on the filter chip has a certain size (usually 0.3 to 0.5 mm), the central wavelength distribution of reflection / transmission wavelengths in the filter chip surface is large. Indeed, the overall optical characteristics deteriorate. For this reason, the center wavelength distribution in the filter chip surface is required to be as small as possible, and a technique for reducing such a center wavelength distribution from the viewpoint of the film forming process is being developed.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-104123.
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-104122.
[Patent Document 3]
JP 2002-196129 A.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the approach from the film formation process as described above is difficult to work because it is necessary to check the reliability each time, and there is a problem that the cost increases due to changes in the apparatus and procedures. is there.
[0011]
The object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has decided to reduce the central wavelength distribution from the viewpoint of design. If the change is only in the design, the above problems need not be considered.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, when the center wavelength of the transmission wavelength band and the lambda _0, the plurality of Cavity on an optical substrate, an optical film thickness of 1 or more odd multiple of λ _0/4 Coupling in the optical multilayer filter formed by laminating through the layer, the Cavity includes a Spacer layer an optical film thickness of one or more integral multiple of lambda _0/2 disposed in the center, on both sides of the Spacer layer is composed of a mirror pair group optical film thickness disposed symmetrically alternating high refractive index layer and a low refractive index layer is in one or more odd multiple of λ _0/4, the center wavelength distribution in the chip surface is small In this way, the thickness of each Cavity Spacer layer is reduced to increase the number of mirror pairs.
[0013]
For this reason, the optical multilayer filter of the present invention realizes a design with a small in-plane wavelength distribution of reflection / transmission by adjusting the thickness of the Spacer layer of each cavity and the number of mirror pairs.
[0014]
Further, according to the second aspect, there is provided a program for designing the optical multilayer film filter described in the first aspect, wherein the thickness of the Spacer layer and the number of mirror pair groups are adjusted, and the center wavelength in the chip plane is adjusted. A design that reduces the distribution is automatically calculated.
[0015]
For this reason, the optical multilayer filter of the present invention can automatically calculate a design having a small in-plane wavelength distribution of reflection / transmission in a short time.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0017]
The design of the optical multilayer filter will be described comparing the conventional example with the present invention. Although the bandpass filter is mainly described here, the same can be said for other optical multilayer filters such as the above-described edge filter and GFF. First, the design of a conventional optical multilayer filter will be described.
[0018]
When the layers having an optical film thickness that is a quarter wavelength of the center wavelength of the high refractive index material and the low refractive index material are respectively H and L, the bandpass filter according to the conventional design is expressed as follows.
Conventional design (all 185 layers, Spacer layer: 18L, mirror pair group: 6 and 7)
Air / L (HL) ⁶ H18LH (LH) ⁶ L [(HL) ⁷ H18LH (LH) ⁷ ] ⁴ L (HL) ⁶ H18LH (LH) ⁶ L / Board
Next, the design which is one embodiment of the present invention will be described.
Wavelength characteristics such as transmission / reflection and isolation of the bandpass filter can be freely changed by changing the thickness of the Spacer layer and the number of mirror pairs in each cavity. In addition, since the thickness of the Spacer layer and the number of mirror pair groups can be changed independently, there are a plurality of combinations of the Spacer layer thickness and the number of mirror pairs that exhibit the same wavelength characteristics. A design with the smallest central wavelength distribution may be selected from these combinations.
[0020]
In this example, central wavelength distribution simulation was performed for the following two designs, which are considered to be capable of obtaining wavelength characteristics that are theoretically the same as those of the conventional design.
Design of the present invention (1) (total 209 layers, Spacer layer: 6L, number of mirror pairs: 7 and 8)
Air / L (HL) ⁷ H6LH (LH) ⁷ L [(HL) ⁸ H6LH (LH) ⁸ ] ⁴ L (HL) ⁷ H6LH (LH) ⁷ L / Substrate Design of the present invention (2) (161 layers in total, Spacer layer: 42L, number of mirror pairs: 5 and 6)
Air / L (HL) ⁵ H42LH (LH) ⁵ L [(HL) ⁶ H42LH (LH) ⁶ ] ⁴ L (HL) ⁵ H42LH (LH) ⁵ L / Board
From the simulation results, it is clear that the center wavelength distribution is improved in the design (1) of the present invention, but is deteriorated in the design (2) of the present invention. That is, it was found that the central wavelength distribution can be reduced as the Spacer layer is made thinner and the number of mirror pairs is increased.
[0022]
With respect to the design (1) of the present invention in which good results were obtained by simulation, film formation was actually performed and the in-plane distribution of the chip was measured. FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the spacer layer and the number of mirror pairs of the bandpass filter designed by the conventional design and the design (1) of the present invention. In FIG. 2, the spacer layer becomes thinner and the number of mirror pairs increases as the design on the upper left becomes.
[0023]
FIG. 3 corresponds to FIG. 2 and shows the result of the central wavelength distribution of reflection / transmission of the bandpass filter designed by the conventional design and the design (1) of the present invention. Compared with the conventional design, in the design according to the design (1) of the present invention, the central wavelength distribution within 0.2 mm corresponding to the average value of the spot radius of the light beam is suppressed (the wavelength shift amount is small). In other words, the center wavelength distribution can be suppressed by thinning the Spacer layer and increasing the number of mirror pairs.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the optical multilayer filter adjusts the thickness of each spacer layer and the number of mirror pairs, that is, the thinner the spacer layer and the number of mirror pairs increases, the inner wavelength distribution increases. A small design can be realized. In addition, by programming this design method, an optimum optical multilayer filter design can be automatically obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical multilayer filter.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a filter chip and incident light.
FIG. 3 is a diagram showing combinations of the Spacer layer thickness and the number of mirror pairs in each design of the optical multilayer filter of the present invention.
4 shows the measurement result of the center wavelength distribution of the filter chip of the optical multilayer filter created by the design of FIG. 3 and the measurement result of the center wavelength distribution of the filter chip of the optical multilayer filter created by the conventional design. FIG.

Claims

Optical film thickness when the center wavelength of the wavelength band is lambda ₀ of the transmitted light through the Coupling layer is one or more odd multiple of lambda _0/4 formed by laminating a plurality of Cavity,
The cavity is
And Spacer layer an optical film thickness of one or more integral multiple of lambda _0/2 disposed in the center, on both sides of the Spacer layer, high an optical film thickness of 1 or more odd multiple of lambda _0/4 It consists of a mirror pair group arranged symmetrically via a refractive index layer,
The mirror pair group is:
Optical film thickness of lambda _0/4 of one or more high refractive index layer and a low refractive index layer and mirror pair the high refractive index layers and a plurality pairs stacked as a low refractive index layer is alternately made of which is an odd multiple An optical multilayer filter design method comprising:
The combination of the thickness of the cavity layer of the cavity and the number of the mirror pairs constituting the mirror pair group is calculated, and the combination of the thinner spacer layer and the larger number of mirror pairs among the combinations. In the combination, the center wavelength distribution of the optical multilayer filter, i.e., the distance between the center of the light incident surface of the optical multilayer filter and the incident position of the light beam in the light incident surface is selected. A method for designing an optical multilayer filter, wherein a combination having the smallest shift amount of the center wavelength is selected.