JP2002148115A

JP2002148115A - 分光器およびそれを用いた光波長多重器

Info

Publication number: JP2002148115A
Application number: JP2000341836A
Authority: JP
Inventors: Terutaka Tokumaru; 照高徳丸; Toshihiko Takano; 俊彦高野
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-22
Also published as: EP1209453A2; US20020136488A1; US6636660B2; EP1209453A3

Abstract

(57)【要約】【目的】挿入損失、偏光依存性が小さく、波長帯域幅
が広く、かつ小型で低コストな光波長多重器を提供す
る。【構成】光波長多重器に用いるグレーティングを、グ
ルーブへの入射光が再帰反射し、各グルーブからの出射
光が入射した光線の方向において干渉効果で強めあい、
グルーブ内のエバネッセント波の波面がグレーティング
の法線方向に平行にあり、かつ、グループ内のエバネッ
セント波の移送がグルーブ管で整合するような構成とす
る。【効果】数次以下の回折次数においても、ＴＭ、ＴＥ
両偏光共に高い回折効率をうることが可能となり、その
結果、波長帯域幅が広く、かつ、補償手段を用いず偏光
依存性を極めて小さくしたものが可能となる。

Description

【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(WDM: Wavele
ngth Division Multiplexing) 伝送に用いる光波長多重
器に関し、特に、挿入損失が小さく、偏光依存性が小さ
く、波長帯域幅が広く、小型でかつ低コストな光波長多
重器に関する。

【０００２】

【従来の技術】WDM 光伝送においては、複数の波長の光
信号を光波長多重器(Multiplexer) を用いて合波して伝
送路に送信し、伝送路から受信した光信号を光波長多重
器(Demultiplexer) を用いて各々の波長に分波する。WD
M において一つの伝送路で伝送可能な信号容量は、一つ
の波長の帯域幅と波長の分割数の積になる。一つの波長
において変調可能な帯域幅は、現状では数10 GHz程度で
あり、伝送容量を大きくするには、分割数は多い方が好
ましい。

【０００３】光波長多重器に関する一例として、Jing-J
ong Pan らのUSP-5,748,350(May.5,(1998)) には、誘電
体多層膜フィルターを用いて、波長を１波ずつ分波或い
は合波させる方式が用いられている。この方式は、構成
が単純なので小型化や低コスト化に有利である反面、分
波或いは合波させる波長数と同じ数の誘電体多層膜フィ
ルターを用いなければならないので、波長数が数波程度
ならよいが、数十波程度になると部品数が多く、小型化
や低コスト化が困難になるという欠点を持つ。

【０００４】また、Ernest Eisenhardt BerbmannらのUS
P-6,112,000(Aug.29,(2000))によれば AWG(Arrayed Wav
eguid Grating)を用いて、波長を一括して分波或いは合
波させる方式が用いている。この方式は、アレイ状の各
導波路間で位相差を生じさせ、その位相差が波長によっ
て異なるために回折角が異なるという原理を用いてい
る。この方式においては、導波路自体が高価な半導体プ
ロセスを用いて作製され、さらにＬＳＩと比べて厚膜で
かつ広面積なために非常にコスト高であり、かつ、原理
上、各導波路中を導波する光の速度が温度分散の影響を
受けやすいために、各導波路間の位相差を制御するに
は、高精度な温度制御が必要であり、さらに高価になっ
てしまうという欠点を持つ。

【０００５】また、別の例として、自由空間でグレーテ
ィングを用いて、波長を一括して分波或いは合波させる
方式が用いられている。この方式は AWGと同様に、グレ
ーティングで位相差を生じさせ、その位相差が波長によ
って異なるために回折角が異なるという原理を用いてい
る。用いる光学部品が低コストで生産可能なグレーティ
ングとレンズであり、さらに、光が通過する経路が空気
中であるために、その原理上、温度分散がほとんど生じ
なく、高精度な温度制御が不要であるという長所を持
つ。しかし、この方式で用いられるグレーティングに関
しては、グルーブに垂直な方向に電界の振動方向を持つ
TM偏光に対してはほぼ 100％に近い回折効率が得られて
いるが、グルーブに平行な方向に電界の振動方向を持つ
TE偏光に対しての回折効率は低いためにグレーティング
の偏光依存性に対する対応が必要である。

【０００６】このような偏光依存性を改善した光波長多
重器の従来技術に関する一例として、Herve Lefevre ら
のUSP-5,886,785(Mar.23,(1999))がある。この提案によ
れば、グレーティングに入射する前に偏光分離素子を用
いてTM、TE各偏光成分に分離し、TE偏光に対しては 1/2
波長板を用いてTM偏光に変換してグレーティングに入射
させている。このような機構を用いれば、波長多重器に
入射する偏光状態がどのような状態であっても、グレー
ティングに入射する偏光成分はTM偏光だけになるので、
グレーティングでの回折効率をほぼ 100％にすることが
できる。しかし、その反面、偏光分離素子と 1/2波長板
を用いるためにコスト高になるという欠点を持つ。

【０００７】また、このような偏光依存性を改善した光
波長多重器の従来技術に関するもう一つの例として、
「Dipak Chowdhury, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS
INQUANTUM ELECTRONICS, Vol.6, No.2, pp233-239(200
0) 」（以下「文献１」と記す）によれば、数十次の回
折次数を持つグレーティングを用いることにより、偏光
依存性を改善している。

【０００８】「草川ら訳、『光学の原理』、東海大学出
版会、ｐ608 」（以下「文献２」と記す）によれば、特
定の回折次数が非常に高く得られるグレーティングはブ
レーズドグレーティングと呼ばれており、一般的には数
次以下のごく低次の、特に１次のものが多く用いられて
いる。これに対し、数十次の回折次数を持つグレーティ
ングはエシェレット(Echelette) と呼ばれている。前述
の文献１によれば、エシェレットにおいてTM、TE偏光共
に、高い回折効率が得られている。しかし、この数十次
の回折次数を持つグレーティングにおいても、TE偏光に
対してはほぼ 100％に近い回折効率は得られていない。
さらに、このような高次の回折次数を持つグレーティン
グにおいては、次数が高ければ高いほど反射帯域幅が狭
くなるという欠点を持つ。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、自由空
間でグレーティングを用いて、波長を一括して分波或い
は合波させる光波長多重器においては、数十波以上の多
波長においても小型で安価なものが作製可能であるが、
偏光依存性に対する対応が必要であり、コスト高になっ
てしまうか、或いは、挿入損失、偏光依存性、波長帯域
幅という特性面が劣化してしまう等の欠点があった。こ
のような事由を鑑み、本発明の目的は、挿入損失が小さ
く、偏光依存性が小さく、波長帯域幅が広く、かつ小型
で低コストな光波長多重器を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、挿入損失が
小さく、偏光依存性が小さく、波長帯域幅が広く、かつ
小型で低コストな光波長多重器の開発を鋭意検討した結
果、自由空間でグレーティングを用いる方法において
も、偏光無依存型の分光器構成が存在することを発見
し、これに基づいて本発明に到達した。

【００１１】すなわち、本発明は、グレーティングへ入
射する光の入射角と該グレーティングから出射する回折
光の出射角が一致する分光器において、該グレーティン
グが平面基板に２つの平面によって構成される直線状グ
ルーブを等周期で形成してなるものであり、該グルーブ
を構成する一方の平面の法線と該基板平面の法線との成
す角度をθa 、該グルーブを構成する他方の平面の法線
と前記基板平面の法線との成す角度をθb 、該グレーテ
ィングへ入射する光の該基板平面への入射角をφとした
ときに、これらの３つの角度が下記式１、２の関係を満
たし、かつ、回折次数をｍとし、n₁、n₂を自然数とした
ときに、該入射角φが下記式３、４の関係を満たすこと
を特徴とする分光器である。式１ θa ＝π/4＋φ/2 式２ θb ＝π/4−φ/2 式３ sinφ＝m/(2n₁＋m) 式４ sinφ＝m/(2n₂−m)

【００１２】また、本発明は、複数の波長の光信号を合
波して光波長多重（ＷＤＭ）信号を送受信して通信を行
うＷＤＭ光伝送システムに用いる光波長多重器におい
て、ファイバーとの光入出力手段、上記に記載の分光器
および該光入出力手段と該分光器との間の光路上に配置
された集光手段を有することを特徴とする光波長多重器
である。

【００１３】以下に本発明の構成を説明する。ここで、
理解を用意とするためにまず、従来の分光器構成に用い
られているブレーズドグレーティングでの作用を説明す
る。次に、本発明の分光器について、このブレーズドグ
レーティングとの作用の違いなどについてそれぞれ図面
を用いながら説明する。図２は、従来のブレーズドグレ
ーティングを説明するための図面であり、ブレーズドグ
レーティング(23)の断面の一部を拡大して示している。
ブレーズドグレーティング(23)は、グルーブは２つの平
面(24)、(25)によって構成される。平面(24)の法線方向
(26)は、光の入射方向(29)および回折光の出射方向(30)
と一致するように設定される。このように入射光と回折
光の方向が一致するような構成はLittrow's Mounting C
onfiguration と呼ばれている。

【００１４】この Littrow's Mounting Configuration
においては、波長：λとグルーブのピッチ：Ｐ (波長λ
と同じ長さの単位) との関係は、各グルーブからの反射
波が干渉作用によって光の入射および出射方向(29,30)
で強め合うように設定され、この関係式は下記の式５で
表される。式５中のφは光の入射方向(29)とグレーティ
ングの法線方向(25)との成す角度であり、ｍは回折次数
である。式５ sinφ＝ mλ/(2P) このブレーズドグレーティング(23)にTM偏光(31)を入射
した場合の回折効率は非常に高く、特に金のように赤外
光において非常に高い反射率を持つ金属をグルーブの表
面に蒸着したものでは回折効率はほぼ 100％になる。し
かしながら、TE偏光(32)に関しては、回折次数が小さい
場合には、回折効率は50〜60％程度である。

【００１５】このような偏光依存性が生じる理由に関し
ては、TM偏光(31)に関しては平面(25)での入射波と反射
波の位相が一致するために、平面(25)の影響はほとんど
生じないが、TE偏光(32)に関しては平面(25)での入射波
と反射波の位相がπ異なるために平面25の法線方向(27)
を中心に放出する電磁波成分が生じるので、平面(25)の
法線方向(27)に近い他の回折次数の回折光を生じさせて
しまい、目的の次数の回折効率が低下してしまうと考え
られる。

【００１６】このブレーズドグレーティング(23)と全く
同じ光学原理を用いて、TE偏光(32)の回折効率の低下を
改善する方法が前述の文献１に開示されている。文献１
のグレーティングはブレーズドグレーティングと全く同
じ光学原理であるが回折次数が数十次のエシェレットで
ある。このエシェレットにおいてTE偏光(32)の回折効率
が高い理由に関しては、平面(25)の影響は平面(25)から
の距離が波長の数倍程度までであり、回折次数に比例し
てグルーブピッチが長くなるので、エシェレットのよう
に回折次数が大きいグレーティングにおいては平面(25)
の影響の効果が相対的に小さくなり、目的の次数の回折
効率が改善されることによると考えられる。

【００１７】次に、本発明者らが見出した偏光無依存型
の分光器構成に関して説明する。本発明の分光器におけ
るグレーティングの一部の断面拡大図を図１に示した。
図１のグレーティング(11)において、平面(12)に入射し
た光線(17)は、平面(12)によって反射されてグレーティ
ング内の光線(18)となり、もう一方の平面(13)に入射
し、平面(13)で反射されて出射光線(19)となる。他方、
平面(13)に入射した光線(20)は、平面(13)によって反射
されてグレーティング内の光線(21)となり、もう一方の
平面(12)に入射し、平面(12)で反射されて出射光線(22)
となる。

【００１８】従来のグレーティング構成においては、平
面(24)の法線方向(26)がグレーティングの法線方向(25)
と成す角（ブレーズ角）と入射光線(29)がグレーティン
グの法線方向(25)と成す角が一致するとき、すなわち、
平面(24)の法線方向(26)と入射光線(29)の方向が平行な
とき、に良好な特性が得られる。これに対して、本発明
の分光器においては、式１〜４で表される関係のときに
良好な特性が得られる。その結果として、本発明の分光
器構成においてTM、TE両偏光の回折効率が非常に高いも
のとできる。この理由は、以下のように考えられる。

【００１９】本発明のグレーティング構成において、グ
ルーブを形成する平面(12)の法線方向(14)とグレーティ
ングの法線方向(16)の成す角度をθa 、平面(13)の法線
方向(15)とグレーティングの法線方向(16)の成す角度を
θb 、入射光線(17,20) とグレーティングの法線方向(1
6)の成す角度をφとするとき、これらの３つの角度につ
いての関係が式１、２を満たす場合には、グルーブを形
成する２つの平面の成す角度はちょうど90°になり、か
つ、グレーティング内の光線(18,21) はグレーティング
に対して平行な方向になる。このことにより平面(12,1
3) のいずれかに入射した光線は、一方の平面で反射し
た後に必ず他の一方の平面に入射することになる。この
ことにより、全ての入射光線が必ず入射光線の方向に出
射することになる。

【００２０】さらに、ｍを回折次数、n₁、n₂を自然数と
したとき、前記入射角φが式３、４の関係を満たす場合
においては、周期的に形成されている各々のグルーブ間
におけるグレーティング内の光線(18,21) は互いに位相
が整合している。この様子を図３、図４に示す。図３に
おいて隣り合ったグルーブにおける入射光線(17)の平面
(12)への入射点(33)を比較したときに、グルーブ内の光
線(18)の位相が互いに整合しているためには、P をグル
ーブピッチ、φを入射角、λを下式５の関係が必要であ
る。式６ P(1-sinφ) ＝n₁λ

【００２１】また、図４において、隣り合ったグルーブ
における入射光線(20)の平面(13)への入射点(34)を比較
したときに、グルーブ内の光線(21)の位相が互いに整合
しているためには、下式の関係が必要である。式７ P(1+sinφ）＝n₂λ 式５および６、式５および７より入射角に関してそれぞ
れ式３、４の関係が得られる。

【００２２】このグレーティング構成での一連の作用を
まとめると、グルーブ内で再帰反射をし、各グルーブか
らの出射光が入射した光線の方向において干渉効果で強
め合い、かつ、グルーブ内のエバネッセント波の位相が
グルーブ間で整合する点にある。このグレーティング構
成で生じる作用は、従来のブレーズドグレーティングの
作用とは全く異なる作用であり、また、式１〜４で特徴
付けられる構成も従来の構成とは全く異なっている。ま
た、その効果においても、従来のブレーズドグレーティ
ングのTE偏光における反射率に関しては、回折次数が小
さいときに低下してしまうのに対して、本発明のグレー
ティング構成においては、低次の回折次数においてもT
M、TE両偏光共に非常に高い回折効率が得られている。

【００２３】このように、低次の回折次数において、両
偏光共に高回折効率が得られるということは非常に重要
な意味を持つ。前述のように、グレーティングにおいて
は波長帯域幅：Δλ／λと回折次数：ｍとには密接な関
連があり、それらの値と回折効率：γとの関係を示す式
は、前出の文献１によれば式８で表される。式８ γ＝｛sin (mπΔλ／λ) ／(mπΔλ／λ) ｝² 式８から波長帯域幅は回折次数に反比例して低下するこ
とがわかる。本発明のグレーティング構成においては、
低次においても両偏光共に非常に高い回折効率を得るこ
とが可能である。このことにより、広い波長帯域幅を同
時に得ることが可能と思われる。

【００２４】従来のブレーズドグレーティングの構成に
おいてのブレーズ角は、グルーブのピッチと波長と回折
次数によって関連づけられる角度、すなわち、リトロー
構成での入射角に調整される。ブレーズドグレーティン
グにおいては多くの場合、波長分散能に関係するグルー
ブピッチに主眼が置かれるために、まず、グルーブピッ
チが設定され、その後に、ある波長の 1次回折光が最も
強くなるようにブレーズ角が設定されるので、ブレーズ
角のことをブレーズ波長と呼ぶ場合もある。

【００２５】式１〜４の関係式において特筆すべき点
は、一般的なブレーズドグレーティングの構成において
のブレーズ角はピッチと波長と回折次数によって関連づ
けられる角度に調整されるのに対して、本発明のグレー
ティング構成のブレーズ角に関しては、回折次数によっ
てのみ関連づけられるものである。それゆえに、従来の
ブレーズドグレーティングの構成においては、ブレーズ
角に対応したリトロー構成での入射角において、TM偏光
の回折効率の高くなる波長が、すべてのブレーズ角に対
して必ず存在する。これに対し、本発明のグレーティン
グ構成においては回折次数によってのみ関連づけられる
特定のブレーズ角以外のブレーズ角においては、TM、TE
両偏光とも高い回折効率が得られる効果を得ることはで
きない。このような点から、式１〜４の関係式は本発明
の効果である、TM、TE両偏光とも高い回折効率を得られ
るという効果を得られる条件を示している。

【００２６】上記に説明した本発明の分光器(42)に用い
るグレーティングの基材(35)に関しては、基材の温度変
化に対する伸縮の影響を無くする或いはより小さくする
ことが好ましく、この点からグレーティングの基材には
石英ガラスや十分に熱膨張係数の小さい材質を用いるこ
とが好ましい。また、コスト面においてマスターから転
写されたレプリカを用いることが好ましく、このように
作製されるグレーティングの断面拡大図を図４に示す。
石英ガラスあるいは十分に熱膨張係数の小さい材質から
なる基材(35)上に、グルーブが形成されている樹脂層(3
6)があり、樹脂層36上には金等の反射率の高い金属薄膜
(37)が形成されている。

【００２７】次に、本発明の光波長多重器について図面
を用いて説明する。本発明の光波長多重器の概略図を図
７に示す。本発明の光波長多重器は、アレイ状に光ファ
イバーが束ねられているファイバーテープ(44)との光入
出力手段(41)と偏光無依存型の分光器(42)と集光手段(4
3)を備えている。ファイバーテープ(44)との光入出力手
段(41)は、光ファイバー中を導波してきた光を自由空間
に放出、あるいは、自由空間からの光を光ファイバー中
の導波モードに変換させる部分である。偏光無依存型の
分光器(42)は、光を波長毎に異なる角度の出射光に変換
するための部分である。集光手段(43)は、光ファイバー
中を導波し自由空間に放出された発散光(45)がコリメー
ト光(46)に変換して分光器(42)に入射、或いは、分光器
(42)から出射したコリメート光(47)を光ファイバーに結
合できる収束光(48)に変換させるためのレンズである。

【００２８】光入出力手段(41)、分光器(42)および集光
手段(43)の配置は、集光手段(43)の無限共役においての
焦点距離に光入出力手段(41)と分光器(42)とを配置す
る。この配置において、光入出力手段(41)の各々の波長
の光入出力手段に入射するすべてのビームは各々の波長
の光入出力手段に対して垂直に入射する。このために図
７における発散光(45)の中心軸と収束光(48)の中心軸は
平行になっている。このことは自由空間中のビームと各
々の波長の光入出力手段との結合効率において重要な意
味を持つ。自由空間中のビームと各々の波長の光入出力
手段の結合においては、『河野著、光デバイスのための
光結合系の基礎と応用、現代工学社、ｐ29』（以下「文
献３」と記す) に開示されているように、互いに界分布
の重なり積分によって結合効率が定まる。このために、
結合効率は、光入出力手段とビームの位置の差や角度の
差がある場合にはそれらの差に対して指数関数的に減少
してしまう。

【００２９】特に、光入出力手段(41)に、シングルモー
ドファイバーのモードフィールド径を広げる目的でレン
ズアレイが用いられている場合には、ビーム発散角はビ
ームの拡大比に反比例して小さくなるので、光入出力手
段(41)と自由空間中のビームの角度差が結合効率に対す
る影響は極めて大きくなり、高い結合効率を得るために
は、角度差を極めて小さくする必要がある。この点にお
いて、集光手段(43)の無限共役においての焦点距離に光
入出力手段(41)と分光器(42)を配置することにより、高
い結合効率を得ることが可能である。

【００３０】光入出力手段(41)は光波長多重器を用いて
合波・分波する各々の波長の間隔比に相当する間隔で各
々の波長の光ファイバーへの光入出力手段がアレイ状に
配列される。光ファイバーと自由空間との間の光入出力
手段は光ファイバー端面での結合を用いるのが一般的で
あるが、グレーティング結合等を用いても良い。光波長
多重器の温度安定性の面から、光入出力手段の材質に
は、十分に熱膨張率が小さいものが好ましく、または光
ファイバーが石英ガラス製である点から、石英ガラスや
十分に熱膨張係数の小さい結晶化ガラス等が用いられ
る。

【００３１】光入出力手段(41)において、各々の波長の
光入出力手段におけるモードフィールド径とアレイ状に
配列している配列の間隔の比率は、各チャネルの波長帯
域幅と隣接チャネル間隔の比率と一致する。隣接チャネ
ル間隔を波長帯域幅で除算した値は、通信容量から見れ
ば小さい方が好ましいが、隣接チャネル間のクロストー
クで見れば大きい方が好ましい。このために互いに隣り
合った各々の波長における光入出力手段の間隔を光入出
力手段のモードフィールド径で除算した値は、1.5 〜2.
5 の範囲で選ぶことが好ましい。しかしながら、一般的
なシングルモードファイバーのファイバー径は 125μm
であり、そのシングルモードファイバーのモードフィー
ルド径はシングルモードファイバーのコア径とほぼ一致
し10μm 程度であるので、線上に稠密に配置したファイ
バーアレイの場合でも、隣り合ったシングルモードファ
イバーの間隔をモードフィールド径で除算した値は12.5
であり、適切な範囲の値に対して 5倍以上大きな値であ
る。

【００３２】このために、この比率を改善するための工
夫が肝要である。この工夫の一つとして各々の波長にお
ける光入出力手段のモードフィールド径をレンズで拡大
する方法がある。シングルモードファイバーの端面での
結合を考えた場合、端面での界分布はほぼガウス型の分
布をしており、モードフィールド径はガウスビームのビ
ームウエスト径（直径）と近似的に等しい。前出の文献
３(p50) に開示されているように、ビームウエスト径は
レンズを用いて、その径を変換することが可能であるの
で、ファイバーアレイに対して、このようなマイクロレ
ンズアレイを配置することにより、ファイバーアレイの
各々のファイバーの間隔をビームウエスト径で除算した
値が 1.5〜2.5 であるような光入出力手段を形成するこ
とが可能である。

【００３３】このビームウエスト径を変換するためのレ
ンズに屈折率分布型のレンズを用いることもできる。特
に、グレーテッドインデックス型のマルチモードファイ
バーの屈折率分布は２乗型の分布形状をしており、シン
グルモードファイバーと端面結合したときには、周期的
にビーム径が収束と発散を繰り返す。この１周期の長さ
に対して、ちょうど 1/2の奇数倍の長さにおいては、ビ
ーム径は最大の大きさになる。すなわち、この長さのマ
ルチモードファイバーはビームウエスト径の変換機能を
有している。マルチモードファイバーの長さに関して
は、マルチモードファイバーアレイが短すぎても扱いに
くく、また、長すぎてもモジュールサイズが大型化して
しまうことから、両ファイバーアレイ間の接合に適した
長さを選択することが可能である。

【００３４】また、もう一つの工夫の一つとして、片側
の端面がファイバーアレイの各々のファイバーの間隔と
同一の間隔で導波路が形成されており、もう一方の端面
において、各々の導波路の間隔を導波路のモードフィー
ルド径で除算した値が 1.5〜2.5 であるような間隔で導
波路が形成されている導波路アレイをファイバーアレイ
に接合することにより、光入出力手段を形成することが
可能である。

【００３５】本発明の分光器(42)は上記に説明した通り
である。集光手段(43)に関しては、光入出力手段(41)か
ら出射したビームが通過し、分光器(42)に入射、回折
し、その後に再びビームが通過できるための十分な開口
部を持つと共に、光入出力手段(41)の各々の波長の光入
出力手段に十分な効率をもって結合できるような集光特
性が要求される。この集光特性は、レンズ特性の主に軸
外収差を低減することによって実現される。この軸外収
差を低減することを意図してレンズは設計される。十分
に軸外収差を低減しうる適切なレンズ構成は多重化する
波長数等によって異なる。集光手段(43)には屈折型のレ
ンズを用いても良く、反射型のレンズを用いても良い。
集光手段(43)は、波長数が少ないときには適切に設計さ
れた２枚の球面レンズからなるダブレット構成において
十分な結合効率を得ることが可能であるが、波長数が多
いときには３枚以上、あるいは、非球面形状を持つ単数
あるいは複数のレンズによって構成される。

【００３６】

【実施の態様】本発明のようなグレーティング形状の光
学特性をシュミレーションする方法は多く知られてい
る。そして、それらのシュミレーション結果は、それぞ
れの適用範囲内において作製物の実際の特性測定結果と
十分な精度で一致することが知られている。このような
シュミレーション手法の一つとして P.M. van den Ber
g, Journalof the Optical Society of America, Vol.
71, No.10.pp1224-1229(1981) にRayliegh method と呼
ばれる回折効率の計算法が開示されている。Raylieghme
thod は、グレーティング表面が完全導体である場合に
おいて、グレーティングで生じる電磁波の解析解を、グ
レーティングから出射可能な各々の回折波とグレーティ
ングからは出射できないエバネッセント波からなる級数
で表現し、それらの複素振幅をグレーティング表面でそ
れらの電磁波が境界条件を満たすように決定する方法で
あり、この級数が収束するときには解析解に収束するこ
とが立証されている。また、上記の電磁波解析における
「完全導体」との仮定は、グレーティング表面の材質
を、赤外線で非常に反射率の高い金のような材質とし、
これを赤外光で用いる場合においては、十分な整合性を
保って成立するものと思われる。

【００３７】そこで、本発明者は、本分光器に用いるグ
レーティング構成に対して、文献３のシュミレーション
法によって、TM,TE 各偏光成分の回折効率の解析を行っ
た。波長1.55μｍの入射光における解析結果を表１に示
した。表１において、No.1-12 は本発明の分光器構成で
あり、No.13-15は、比較のための例であって、式１、２
の条件を満たし、式３、４の条件を満たさない場合であ
る。No.1-12 では、何れも TM,TE両偏光共に 100％の回
折効率が得られた。このとき回折波とエバネッセント波
からなる級数は収束し、本シュミレーションにおいては
十分な計算精度がえられていることが確認できた。ま
た、回折効率が 100％であることから、式１〜４を同時
に満たす構成は TM,TE両偏光共 100％の回折効率を得る
ための解析解になっていると考えることができる。これ
に対して、No.13-15では、TE偏光の回折効率は低く、60
％以下であった。

【００３８】表１式3,4 式3 式4 ブレーズグルーブ入射角偏光の回折効率No ｍ n₁ n₂ 角[deg] ピッチ [deg] TM TE 1 １１２ 35.3 430 19.5 100 100 2 ２１３ 30.0 323 30.0 100 100 3 １２３ 39.2 258 11.5 100 100 4 ２２４ 35.3 215 19.5 100 100 5 ３２５ 32.3 184 25.4 100 100 6 ４２６ 30.0 161 30.0 100 100 7 １３４ 40.9 184 8.2 100 100 8 ２３５ 37.8 161 14.5 100 100 9 ３３６ 35.3 143 19.5 100 100 10 ４３７ 33.2 129 23.6 100 100 11 ５３８ 31.5 117 27.0 100 100 12 ６３９ 30.0 108 30.0 100 100 13 １ 0.5 1.5 30.0 645 30.0 未確認 60以下 14 ３ 1.5 4.5 30.0 215 30.0 未確認 60以下15 ５ 2.5 7.5 30.0 129 30.0 未確認 60以下注) グループピッチ：lines/mm

【００３９】

【発明の効果】偏光依存性が極めて小さく、波長帯域幅
が広く、かつ小型で低コストな分光器を提供することが
可能になり、複数の波長の光信号を合波して光波長多重
（ＷＤＭ）信号を送受信して通信を行うＷＤＭ光伝送シ
ステムに用いる光波長多重器において、挿入損失が小さ
く、偏光依存性が小さく、波長帯域幅が広く、かつ小型
で低コストな光波長多重器を提供することが可能になっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のグレーティング構成を説明する模式
図。

【図２】従来のグレーティング構成を説明する模式図。

【図３】本発明のグレーティング構成におけるエパネッ
セント波を説明する模式図。

【図４】本発明のグレーティング構成におけるエパネッ
セント波を説明する模式図。

【図５】グレーティングの構造を模式的に示す断面図。

【図６】本発明の波長多重器の配置図

【符号の説明】

11：グレーティング、 12, 13：グルーブを構成する傾
斜面、14：傾斜面12の法線方向、 15：傾斜面13の法線
方向、16：グレーティング11の法線方向、17, 20：入射
光、 18, 21：エバネッセント光、 19, 22：回折光、
23：グレーティング、 24, 25：グルーブを構成する傾
斜面、26：傾斜面24の法線方向、 27：傾斜面25の法線
方向、28：グレーティング23の法線方向、29：入射光、
30：回折光、 31：TM偏光、 32：TE偏光、33：入射
光線17の傾斜面12への入射点、34：入射光線20の傾斜面
13への入射点、35：グレーティングの基材、 36：樹脂
層、 37：金属薄膜、41：光入出力手段、 42：分光
器、 43：集光手段、 44 ：ファイバーテープ、45：光
入出力手段から出射した発散光、 46：集光手段通過後
のコリメート光、47：グレーティングから出射したコリ
メート光、48：集光手段通過後の収束光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】グレーティングへ入射する光の入射角と
該グレーティングから出射する回折光の出射角が一致す
る分光器において、該グレーティングが平面基板に２つ
の平面によって構成される直線状グルーブを等周期で形
成してなるものであり、該グルーブを構成する一方の平
面の法線と該基板平面の法線との成す角度をθa 、該グ
ルーブを構成する他方の平面の法線と前記基板平面の法
線との成す角度をθb 、該グレーティングへ入射する光
の該基板平面への入射角をφとしたときに、これらの３
つの角度が下記式１、２の関係を満たし、かつ、回折次
数をｍとし、n₁、n₂を自然数としたときに、該入射角φ
が下記式３、４の関係を満たすことを特徴とする分光
器。式１ θa ＝π/4＋φ/2 式２ θb ＝π/4−φ/2 式３ sinφ＝m/(2n₁＋m) 式４ sinφ＝m/(2n₂−m)
【請求項２】複数の波長の光信号を合波して光波長多
重（ＷＤＭ）信号を送受信して通信を行うＷＤＭ光伝送
システムに用いる光波長多重器において、ファイバーと
の光入出力手段、請求項１に記載の分光器および該光入
出力手段と該分光器との間の光路上に配置された集光手
段を有することを特徴とする光波長多重器。