JP2002014214A

JP2002014214A - 光分岐器

Info

Publication number: JP2002014214A
Application number: JP2001028939A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Sawada; 寿史澤田; Yuichi Masaki; 裕一正木
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】形状、構造が簡素で、必要とする光学要素が
少なくてすみ、従って、小型で、低コスト化が可能であ
り、しかも様々な形態の光分岐に対応する。【解決手段】光分岐器は、第一の光学系６と複数の第
二の光学系７との間に配置され、第一の光学系６から入
射した光を複数の第二の光学系７に分岐して入射させる
ものである。第一の光学系６に面した入射面２及び第二
の光学系７に面した出射面３の両方に、ホログラム回折
格子４、５を一体に形成した光学要素１を有し、前記第
一の光学系６からこの光学要素１に入射した光を前記ホ
ログラム回折格子４、５の何れかで分岐し、前記第二の
光学系７に入射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信技術分野、光
計測技術分野等で利用される光分岐器に関し、特に小型
で簡素な形状、構造を有し、あらゆる形態の分岐にも対
応できる光分岐器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光分岐器は、ビームスプリッタと
レンズとを組み合わせたものであった。光ファイバ等を
含む第一の光学系から出射した出射光を収束レンズで集
光し、さらにコリメータレンズで平行光束とし、その平
行光束をビームスプリッタに通し、２方向に分岐する。
さらに、分岐した光を収束レンズに通して収束し、それ
ぞれ光ファイバ等を含む分岐先の光学系に入射する。こ
のようにして、１本の光学系からの光が２系統の光学系
へと分岐される。３系統以上に分岐する場合は、２系統
の分岐された分岐光をさらにビームスプリッタで分岐す
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の分岐器で
は、ビームスプリッタが立方体形状であることから、分
岐部分でスペースが必要であり、光学系が大掛かりとな
る。また光を３系統以上に分岐する場合は、ビームスプ
リッタが２つ以上必要であり、より光学系が大掛かりと
なる。

【０００４】さらに、ビームスプリッタを通して分岐す
る前の光を処理するコリメートレンズや収束レンズが必
要な場合が多く、さらに分岐した光を第二の光学系に入
射する前に収束する収束レンズ等を必要とする。すなわ
ち、スプリッタに付随して、幾つかのコリメータレンズ
や収束レンズが必要となる。この点においても、光学系
が大掛かりになるという課題があった。

【０００５】本発明は、前記従来の光分岐器における課
題に鑑み、形状、構造が簡素で、必要とする光学要素が
少なくてすみ、従って、小型で、低コスト化が可能であ
り、しかも様々な形態の光分岐に対応することも可能の
光分岐器を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記の目的
を達成するため、ホログラム回折格子４、５を利用し、
単体の透明体からなる光学要素１に光ファイバ等の光学
系から入射してくる光をホログラム回折によってその光
学要素において分岐し、他の複数の光学系に入射できる
ようにした。さらに、ホログラム回折格子４、５は、回
折レンズとしての機能や、回折による分波機能を持たせ
ることもできるので、単一の光学要素１の中でそれらを
組み合わせることにより、様々な形態の光分岐に対応す
ることが出来るようにした。さらに光学要素１に前記ホ
ログラム回折格子４、５と共にレンズ部８、９を一体と
して形成し、ホログラム回折格子４、５とレンズ部８、
９との光学的調整を簡易化した。

【０００７】本発明による光分岐器は、第一の光学系６
に面した入射面２及び第二の光学系７に面した出射面３
の両方に、ホログラム回折格子４、５を形成した光学要
素１を有し、前記第一の光学系６からこの光学要素１に
入射した光を前記ホログラム回折格子４、５で分岐し、
前記第二の光学系７に入射させるものである。

【０００８】前記のようなホログラム回折格子４、５
は、それぞれ光学要素１の入射面と出射面３に同光学要
素１と一体に形成する。光学要素１の出射面３側のホロ
グラム回折格子５は、複数の第二の光学系７にそれぞれ
対とし、それらの入射端部にそれぞれ対向して設ける。
入射面２側のホログラム回折格子４で分岐された回折光
は、光学要素１の出射面３に形成されたホログラム回折
格子５を通してそれぞれの第二の光学系７に入射する。

【０００９】さらに別の形態としては、光学要素１の出
射面３側のホログラム回折格子５に光の分岐機能を持た
せるものである。出射面３側のホログラム回折格子５に
は、複数の第二の光学系７の入射端部を対向させる。光
学要素１の入射面２側にもホログラム回折格子４設け、
第一の光学系６から光学要素１に入射した光を入射面２
側のホログラム回折格子４で回折し、この回折光を出射
面３側のホログラム回折格子５で分岐して複数の第二の
光学系７へ入射させる。

【００１０】ホログラム回折格子４、５は、集光機能を
兼ね備えることができる。これにより、光学要素１とは
別体の収束レンズやコリメータレンズを使用しなくて
も、第一の光学系６からの光の入射や第二の光学系７へ
の光の入射等の形態に応じて、光学要素１のみで光の集
光やコリメートが可能となる。

【００１１】さらに、光学要素１の入射面２側のホログ
ラム回折格子４は、光の回折により、光の分岐と同時に
スペクトルに分離する形状に設計することも可能であ
る。これにより、必要に応じて、光学要素１の単体で、
光の分岐と分波が可能となる等、様々な形態の光の分
岐、分波が可能となる。このような光学要素１のホログ
ラム回折格子４、５は、レリーフ型による成型によって
極めて容易に形成することができる利点を有する。

【００１２】さらに、ホログラム回折格子４のより具体
的構造について述べると、ホログラム回折格子４を複数
のピクセルに分割し、各ピクセルのそれぞれに位相を与
え、それらの位相の分布により回折パターンを形成す
る。ホログラム回折格子４の二次元平面において、位相
が連続的に変化する曲面状のホログラム回折パターン
は、設計も容易ではなく、また製造も困難である。これ
に対し、ホログラム回折格子４の各ピクセル毎に段階的
な光学的位相を決めることは、コンピュータを使用した
計算機ホログラム技術により比較的容易に設計すること
ができる。また、マスクを用いたエッチング制御等によ
り、レリーフ型等も比較的簡単に作ることができる。特
に、ホログラム回折格子４の各ピクセルに与える位相配
分を、最適回転角法（Optimal Rotation Angle Metho
d：以下「ＯＲＡ法」と言う。）により最適化すること
により、最適な計算機ホログラム（Computer Generated
Hologram：以下「ＣＧＨ法」と言う。）が設計でき
る。

【００１３】さらに本発明による他の光分岐器は、少な
くとも第一の光学系６に面した入射面２または第二の光
学系７に面した出射面３の何れか一方に入射した光また
は出射した光を複数の回折光に分岐するホログラム回折
格子４、５を形成し、他方に入射した光を集光するレン
ズ部８、９を形成した光学要素１を有する。光学要素１
の入射面２側のホログラム回折格子４またはレンズ部８
から光学要素１に入射した光を、そのホログラム回折格
子４、５で分岐し、分岐した光を光学要素１の出射面３
側のホログラム回折格子５またはレンズ部９を通して第
二の光学系７に入射させる。

【００１４】このように、光学要素１に前記ホログラム
回折格子４、５と共にレンズ部８、９を一体として形成
することにより、光学素子１の製造段階で、そのホログ
ラム回折格子４、５とレンズ部８、９との光軸や相対的
位置を正確に設定しておくことにより、使用段階での光
軸合わせや距離、位置合わせ等の光学的調整を不要とす
ることができる。なお、この光分岐器において、光分岐
の形態やホログラム回折格子４、５の集光機能、スペク
トル分離機能、ピクセルによる回折パターンの形成手段
等は前述のホログラム回折格子４、５のみを使用した光
分岐器と全く同様である。

【００１５】前記のような光学要素１は、内部に空間を
有しない無空の透明なブロック体により形成する。この
ような光学要素１を使用することにより、その入射面２
側から出射面３側に光が透過するとき、光の屈折等によ
る光の損失を低減することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は一つの光学系６から３つの光学系７に光を分岐す
る場合を例として示している。すなわち、図１に示すよ
うに、同図において左側に第一の光学系６が配置され、
図１において右側に３系統の第二の光学系７が配置さ
れ、第一の光学系６から出射した光を第二の光学系７に
分岐して入射する。

【００１７】ここで、第一の光学系６と第二の光学系７
は、光ファイバ及びその他の光学要素を含む光伝送系統
を意味するものとする。この第一の光学系６と第二の光
学系７との間には、光学ガラス、光学樹脂等の内部に空
間の無い透明なブロック体からなる光学要素１が配置さ
れている。この光学要素１の第一の光学系６の出射端側
に面した入射面２には、第一の光学系６の出射端と対向
し、且つ近接してホログラム回折格子４が形成されてい
る。さらに、光学要素１の出射面３にも、前記第二の光
学系７の入射端と対向する位置にそれぞれホログラム回
折格子５が形成されている。

【００１８】前記光学要素１の入射面２と出射面３とに
それぞれ形成されたホログラム回折格子４、５は、表面
にホログラム回折格子パターンを形成したもので、この
ような光学要素１のホログラム回折格子４、５の回折格
子パターンは、光学透明材料から光学要素１を成型する
際に、レリーフ型による成型手段によって形成すること
ができる。

【００１９】このような光分岐器において、図２に示す
ように、第一の光学系６から出射した光は、ホログラム
回折格子４から光学要素１に入射するが、このとき、入
射した光はホログラム回折格子４において回折され、３
つの回折光に分岐され、光学要素１の出射面３側のホロ
グラム回折格子５に入射する。

【００２０】光学要素１の出射面３側のホログラム回折
格子５は、回折レンズとしての機能を有しており、これ
らのホログラム回折格子５から出射した光は、収束され
てそれぞれの第二の光学系７に入射し、伝送される。そ
れぞれの第二の光学系７の入射端とそれに対向したホロ
グラム回折格子５との間の距離は、ホログラム回折格子
５の焦点距離によって決める。

【００２１】前記の光学要素１の出射面３側のホログラ
ム素子５は、光学要素１の入射面２側のホログラム回折
格子４で分岐された光が出射面３に到達する位置に対向
して配置されている。光学要素１の入射面２側のホログ
ラム回折格子４で分岐され、光学要素１の出射面３側の
ホログラム素子５で収束された回折光が第二の光学系７
に入射し、それら第二の光学系７を介してそれぞれ所定
の箇所に伝送される。

【００２２】図３に示す実施形態は、図１に示す実施形
態において、光学要素１の入射面２側のホログラム回折
格子４を、入射光のホログラム回折による分岐と共に、
ホログラム回折によるスペクトルの分離がされるように
ホログラム回折格子４のパターンを設計した例を示す。
この結果、光学要素１の入射面２側のホログラム回折格
子４で分岐した光は、分岐と同時に異なる波長λ１、λ
２、λ３のスペクトルに分離され、それぞれ光学要素１
の出射面３側のホログラム素子５で収束されて第二の光
学系７に入射される。

【００２３】図４に示す実施形態は、図１により前述し
た実施形態において、光学要素１の出射面３側のホログ
ラム回折格子５に変えて突状のレンズ部９を設けたもの
である。第一の光学系６から出射され、光学要素１の入
射面２側のホログラム回折格子４から光学要素１に入射
した光は、ホログラム回折格子４で分岐され、レンズ部
９に達する。この分岐光は、レンズ部９で収束され、そ
れぞれの第二の光学系７に入射し、伝送される。この実
施形態においても、図３により前述した通り、ホログラ
ム回折格子４により３本の回折光に分岐するのと同時
に、それらの回折光をそれぞれ波長の異なるスペクトル
に分離するようホログラム回折格子４を設計することも
できる。

【００２４】前述の実施形態は、何れも光学要素１の光
の入射面２側のホログラム回折格子４により光を分岐す
る例である。これに対し図５と図６に示した実施形態
は、何れも光学素子１の光の出射面３側のホログラム回
折格子５に光の分岐機能を持たせ、光学素子１の光の出
射面３側のホログラム回折格子５で光を分岐するように
設計した例である。

【００２５】図５に示すように、光学要素１の入射面２
と出射面３の両方側にそれぞれホログラム回折格子４、
５を光学要素１と一体に設けている。出射面３側のホロ
グラム回折格子５には、複数の第二の光学系７の入射端
部を対向させる。第一の光学系６から光学要素１に入射
した光を入射面２側のホログラム回折格子４におけるホ
ログラム回折によるコリメートし、この回折光を出射面
３側のホログラム回折格子５で分岐し、かつ集光して複
数の第二の光学系７へ入射させる。

【００２６】図６は、光学要素１の入射面２側にホログ
ラム回折格子４に代えてレンズ部８を設けた例である。
この実施形態では、第一の光学系６から光学要素１に入
射した光を入射面２側のレンズ部６でコリメートし、こ
の集光した光を出射面３側のホログラム回折格子５で分
岐し、かつ集光して複数の第二の光学系７へ入射させ
る。これらの実施形態において、光学要素１の出射面３
側のホログラム回折格子５で３本の回折光に分岐するの
と同時に、それらの回折光をそれぞれ波長の異なるスペ
クトルに分離するようホログラム回折格子５を設計する
こともできる。

【００２７】以上の各実施形態は、第一の光学系６から
の光を３系統の第二の光学系７に分岐、分波する例であ
ったが、ホログラム回折格子４の設計により、第一の光
学系６からの光を２系統の第二の光学系７に、或いは第
一の光学系６からの光を４系統以上の第二の光学系７に
に分岐、分波することが出来ることはもちろんである。

【００２８】前述した各ホログラム回折格子４の回折パ
ターンは、ホログラム回折格子４の二次元平面におい
て、位相が連続的に変化する曲面状のものにより形成す
ることもできる。しかし、そのようなホログラム回折格
子４の回折パターンは、設計することも、また製造する
ことも困難であることが多い。

【００２９】そこで、ホログラム回折格子４を複数のピ
クセルに分け、それぞれのピクセルに最適な位相を与
え、そのピクセルの集合によりホログラム回折格子４の
回折パターンを形成する。ホログラム回折格子４の面積
がＡｃｍ²、そのピクセルの数がＮ個の場合、ピクセル
解像度はＮ／Ａｂｉｔ・ｍｍ^-2である。

【００３０】例えば、３ｍｍ×３ｍｍのホログラム回折
格子４を３００×３００個のピクセルに分解したとする
と、ピクセル解像度はＮ／Ａ＝１０，０００ｂｉｔ・ｍ
ｍ^-2である。すなわち、ピクセルサイズは、１０μｍ×
１０μｍである。また、これら各ピクセルに与える位相
の段階をＤとすると、位相深度はＤとなる。これらのＮ
／ＡやＤを無限大とすると、前述した曲面状の回折パタ
ーンに限りなく近づくことになる。このピクセル解像度
や位相深度は、必要な光学特性と設計や製造の容易性と
の兼ね合いから適宜決定する。

【００３１】例えば図７は、ホログラム回折格子４の或
る部分を断面し、その断面した方向に沿って４０〜１０
０のピクセルに与えた位相を示すグラフの例である。ホ
ログラム回折格子４の各ピクセル毎に光学的な位相を決
めることは、コンピュータを使用した計算機ホログラム
技術により比較的容易に設計することができる。特に、
ホログラム回折格子４の各ピクセルに与える位相配分
を、ＯＲＡ法により最適化することにより、最適なＣＧ
Ｈが設計できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による光分岐
器では、複数の光学要素を多数組み合わせることなく、
ホログラム回折格子４、５を備えた単一の光学要素１を
使用するだけで、様々な形態の光分岐、さらには光分岐
と同時に光分波が行えるようになる。これにより、光分
岐システムの簡素化、省スペース化が可能となる。さら
に、光学要素１のホログラム回折格子４は、光学透明材
料により光学要素１を成型する際に、レリーフ型によ
り、ホログラム回折格子やレンズ機能が一体となったも
のを容易に形成できるため、大量生産が容易で、コスト
の低減も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による光分岐器の概要を示
す概念図である。

【図２】同実施形態による光分岐器の光学要素のホログ
ラム回折格子付近を示す要部概念図である。

【図３】本発明の他の実施形態による光分岐器の概要を
示す概念図である。

【図４】本発明の他の実施形態による光分岐器の概要を
示す概念図である。

【図５】本発明の他の実施形態による光分岐器の概要を
示す概念図である。

【図６】本発明の他の実施形態による光分岐器の概要を
示す概念図である。

【図７】前記光分岐器のホログラム回折格子の断面の例
を、そのピクセル番号と位相とで表したグラフである。

【符号の説明】

１光学要素２光学要素の入射面３光学要素の出射面４光学要素の入射面側のホログラム回折格子５光学要素の出射面側のホログラム回折格子６第一の光学系７第二の光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも第一の光学系（６）と複数の
第二の光学系（７）との間に配置され、第一の光学系
（６）から入射した光を複数の第二の光学系（７）に分
岐して入射させる光分岐器において、第一の光学系
（６）に面した入射面（２）及び第二の光学系（７）に
面した出射面（３）の両方にホログラム回折格子
（４）、（５）を形成した光学要素（１）を有すること
を特徴とする光分岐器。
【請求項２】光学要素（１）の入射面（２）及び出射
面（３）の両方のホログラム回折格子（４）、（５）が
光学要素（１）と一体に形成されており、第一の光学系
（６）から入射した光を入射面側（２）のホログラム回
折格子（４）で分岐し、この分岐した回折光を、出射面
（３）側のホログラム回折格子（５）で回折して複数の
第二の光学系（７）に入射させることを特徴とする請求
項１に記載の光分岐器。
【請求項３】前記出射面（３）側のホログラム回折格
子は、前記複数の第二の光学系（７）と各々対になるよ
うに複数形成されていることを特徴とする請求項２に記
載の光分岐器。
【請求項４】光学要素（１）の入射面（２）と出射面
（３）の両方のホログラム回折格子（４）、（５）が光
学要素（１）と一体に形成されており、第一の光学系
（６）から光学要素（１）に入射した光を入射面（２）
側のホログラム回折格子（４）で回折し、この回折光を
出射面（３）側のホログラム回折格子（５）で分岐して
複数の第二の光学系（７）へ入射させることを特徴とす
る請求項１に記載の光分岐器。
【請求項５】入射面（２）側または出射面（３）側の
ホログラム回折格子（４）、（５）の少なくとも何れか
は、光の分岐と同時にスぺクトルに分離する機能を有す
ることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光分
岐器。
【請求項６】入射面（２）側または出射面（３）側の
ホログラム回折格子（４）、（５）の少なくとも何れか
は、集光機能を有することを特徴とする請求項１〜５の
何れかに記載の光分岐器。
【請求項７】ホログラム回折格子（４）、（５）が複
数のピクセルに分割され、各ピクセルに与えた位相の分
布により回折パターンが形成されていることを特徴とす
る請求項１〜６の何れかに記載の光分岐器。
【請求項８】ホログラム回折格子（４）、（５）の各
ピクセルに与えた位相配分が、最適回転角法により最適
化されていることを特徴とする請求項７に記載の光分岐
器。
【請求項９】少なくとも一つの第一の光学系（６）と
複数の第二の光学系（７）との間に配置され、第一の光
学系（６）から入射した光を複数の第二の光学系（７）
に分岐して入射させる光分岐器において、少なくとも第
一の光学系（６）に面した入射面（２）または第二の光
学系（７）に面した出射面（３）の何れか一方に入射し
た光を複数の回折光に分岐するホログラム回折格子
（４）、（５）を一体に形成し、かつ他方に入射した光
を集光するレンズ部（８）、（９）を一体に形成した光
学要素（１）を有することを特徴とする光分岐器。
【請求項１０】光学要素（１）の入射面（２）側にホ
ログラム回折格子（４）が同光学要素（１）と一体に形
成され、かつ光学要素（１）の出射面（３）側にレンズ
部（９）が同光学要素（１）と一体に形成されており、
第一の光学系（６）から光学要素（１）に入射した光を
入射面（２）側のホログラム回折格子（４）で分岐し、
この分岐した回折光を、出射面側のレンズ部（９）で集
光して複数の第二の光学系（７）へ入射させることを特
徴とする請求項１０に記載の光分岐器。
【請求項１１】前記出射面（３）側のレンズ部（９）
は、前記複数の第二の光学系（７）と各々対になるよう
に複数形成されていることを特徴とする請求項１０に記
載の光分岐器。
【請求項１２】光学要素（１）の入射面（２）側に同
光学要素（１）と一体にレンズ部（８）が形成され、か
つ光学要素（１）の出射面（３）側に同光学要素（１）
と一体にホログラム回折格子（５）が形成されており、
第一の光学系（６）から光学要素（１）に入射した光を
入射面（２）側のレンズ部（８）で集光し、この集光さ
れた光を出射面（３）側のホログラム回折格子（５）で
分岐して複数の第二の光学系（７）へ入射させることを
特徴とする請求項９に記載の光分岐器。
【請求項１３】ホログラム回折格子（４）、（５）
は、光を分岐すると同時にスペクトルに分離する機能を
有することを特徴とする請求項９〜１２の何れかに記載
の光分岐器。
【請求項１４】ホログラム回折格子（４）、（５）
は、集光機能を有することを特徴とする請求項９〜１３
のいずれかに記載の光分岐器。
【請求項１５】ホログラム回折格子（４）、（５）が
複数のピクセルに分割され、各ピクセルに与えた位相の
分布により回折パターンが形成されていることを特徴と
する請求項９〜１４の何れかに記載の光分岐器。
【請求項１６】ホログラム回折格子（４）、（５）の
各ピクセルに与えた位相配分が、最適回転角法により最
適化されていることを特徴とする請求項１５に記載の光
分岐器。
【請求項１７】光学要素（１）は、内部に空間の無い
透明なブロック体からなることを特徴とする請求項１〜
１９の何れかに記載の光分岐器。