JP2004029298A

JP2004029298A - Optical demultiplexer/ multiplexer

Info

Publication number: JP2004029298A
Application number: JP2002184435A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Katsunuma; 勝沼　淳
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Also published as: AU2003241730A1; WO2004001485A1

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical demultiplexer/multiplexer of which coupling efficiency is enhanced by reducing the occurrence of an anamorphosis caused by a grating and a geometrical optic aberration caused in a constituting optical system. <P>SOLUTION: An optical fiber for light incidence 50 is connected to the light incident port 12 of a case 10 possessing an inside space 11, and a plurality of optical fibers for light-emission 60 are connected to the light exiting port 13 of the case 10. A collimator 20 to convert light made incident in the inside space 11 through the optical fiber for the incidence 50 into parallel light by reflecting it, the grating 30 to spectrally split the light converted into the parallel light by the collimator 20 to several light beams having different wavelengths, and an imaging mirror 40 to make the light spectrally split by the grating 30 incident on the optical fiber for the light-emission 60 are provided in the inside space 11 of the case 10. The light incident port 12 and the light exiting port 13 are provided in a direction in which a diffraction groove 31 is extended in the grating 30 by holding the grating 30 in between. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分割多重光を用いて行う光通信において、通信用光の分波若しくは合波を行う光分波合波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術と知られるＷＤＭ（波長分割多重）光通信における光分波合波器は、例えば誘電体多層膜ダイクロイックミラー、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）、グレーティング分光器、ＡＷＧ（アレイ導波路グレーティング）を用いたもの等が実用化されている。このうち誘電体多層膜ダイクロイックミラー、ファイバーブラッググレーティングを用いたものはチャネル数が４程度であり、ＡＷＧを用いたものは主として数十チャネル程度である。グレーティング分光器形の光分波合波器では数チャネルから数十チャネルまでのものが実現できるが、ＡＷＧ形の光分波合波器ほどチャネル数を必要としない、ＷＤＭ光通信用に適していると考えられており、過去に幾つかの試みがなされている。
【０００３】
ＷＤＭ光通信用の光分波合波器には、何よりも小型で低損失なことが要求される。この点を考慮した例として、例えば図２４に示すように、屈折率分布型ロッドレンズ１０１をいわゆるリトローレンズとして用い、これと光ファイバーアレイ１０２及びグレーティング１０３を一体構造として構成した光分波合波器が考案されている。しかしながら、このような構成の光分波合波器では、ロッドレンズの製造上の制約や光学設計上の制約が大きく最適化設計に困難が伴うため、多チャンネルに適用できるだけの十分な性能を発揮させることが難しいと考えられる。また、図２５に示すように、均一媒質からなる第１のレンズ１１１と第２のレンズ１１２とを用いて２レンズ構成とし、第１のレンズ１１１に光ファイバーアレイ１１３を、また第２のレンズ１１２に回折格子１１４を設けたリトロー形光分波合波器も考案されている。このタイプの光分波合波器は上述のロッドレンズ方式より設計の自由度が大きいという利点があるが、損失を小さくして必要な性能を発揮させるには、光通信の現場で要求される寸法よりもかなり大型なものとなってしまうため、あまり現実的ではないといえる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
グレーティング分光器形の光分波合波器におけるスループットを決める主原因は、グレーティングの回折効率と、グレーティングによって生ずるアナモルフィック効果及び構成光学系において発生する幾何光学的収差の大きさであるが、グレーティングの回折効率についてはなるべく回折効率の高いものを用いるしかないため、小型で低損失な光分波合波器を実現するためには、グレーティングによって生ずるアナモルフィック効果の低減及び構成光学系において発生する幾何光学的収差を小さくすることが必要となる。
【０００５】
本発明においては、グレーティングによって生ずるアナモルフィック効果を低減すること及び構成光学系おいて発生する幾何光学的収差を小さくすることにより、小型でありながら低損失な性能が得られる光分波合波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】
本発明に係る光分波合波器は、内部空間及びこの内部空間と繋がる光入射口及び光出射口を有して構成されるケースと、ケースの光入射口に接続された入射用光伝送路と、ケースの光出射口に接続された複数の出射用光伝送路と、ケースの内部空間内に設けられ、入射用光伝送路を介して内部空間内に入射された波長分割多重光を反射させて平行光にする第１の凹面反射面と、ケースに固定され、第１の凹面反射面において平行光にされた波長分割多重光を複数の直線状の回折溝が等間隔に並べられてなる平面形の反射回折面において波長の異なる複数の光に分光するグレーティングと、ケースの内部空間内に設けられ、グレーティングにおいて分光された光を出射用光伝送路に入射させる第２の凹面反射面とを備え、光入射口と光出射口とは、グレーティングにおける回折溝の延びる方向に、グレーティングを挟んで設けられている。
【０００７】
本発明に係る光分波合波器では、入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射した波長分割多重光は、第１の凹面反射面において反射されて平行光となり、グレーティングに入射する。グレーティングに入射した光は波長の異なる複数の光に分光され、それぞれ第２の凹面反射面において反射したうえで、それぞれ対応する出射用光伝送路へ出射される。ここで、グレーティングは、複数の直線状の回折溝が等間隔に並べられてなる平面形の反射回折面を有しており、入射した波長分割多重光を波長の異なる複数の光に分光するのであるが、光入射口と光出射口とが、このグレーティングにおける回折溝の延びる方向に、グレーティングを挟んで設けられているため、グレーティングへの入射光束とグレーティングからの反射回折光束とがなす、反射回折後の光が分散する方向についての角度を極めて小さくすることができ、反射回折の前後における光のアナモルフィック効果を大幅に低減させることができる。
【０００８】
このため本発明に係る光分波合波器では、入射した波長分割多重光とグレーティングにおける反射回折後の波長ごとに分波された各光との間のＮＡの差は極めて小さいものとなり（すなわちＮＡが高レベルに保存され）、小型でありながら低損失な性能が得られる。また、このような性能を備えることにより、本分波合波器をＷＤＭ光通信に適用した場合、従来技術のうち誘電体多層膜ダイクロイックミラー方式やファイバーブラッググレーティング方式が４波程度の分波・合波が普通なのに対し、小型ながらより多くの波長チャネルを同時に扱うことが可能となる。
【０００９】
ここで、上記光分波合波器においては、ケースの内部空間内が透明な固体媒質で満たされており、入射用光伝送路の端面及び出射用光伝送路の端面がそれぞれ上記固体媒質に接合されていることが好ましい。このようにすれば、光の進行に伴って生じる散乱損失を小さく抑えることができ、光分波合波器全体としての損失を更に低減することが可能である。また、このような構成によれば、予め所定の形状にした透明な固体媒質に第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面を取り付けてこれらを一体構造（モノリシックな構成）とした上で固体媒質をケースにより覆い、これに入射用光伝送路及び出射用光伝送路を取り付けるという手順で本光分波合波器を製造することができるので、製造工程が大変簡易になる。
【００１０】
また、上記光分波合波器では、上記反射回折面が空気を隔ててケースの内部空間と対向しており、第１の凹面鏡において反射された光はケースに設けられた開口及び空気を通って反射回折面に入射し、反射回折面において反射回折した光は空気及び上記開口を通って第２の凹面鏡に至るようになっていることが好ましい。その理由は、空気はガラスなどの媒質に比べて屈折率の温度変化が小さいため、光の波長変動も小さくなるからである。勿論真空なら更によい。光の波長変動が大きいと、グレーティング回折角度も大きく変動し、結像位置のドリフトを招くため好ましくない。
【００１１】
また、上記光分波合波器では、第２の凹面反射面の焦点がグレーティングの反射回折面上若しくはその近傍位置に位置していることが好ましい。このような構成であれば、グレーティングの反射回折面において反射回折されて波長ごとに分光された各光束は、第２の凹面反射面において反射した後、各波長ごとの光の主光線は互いに平行となる（テレセントリックな結像態様となる）ため、ケースの光出射口に繋がる複数の出射用光伝送路が平行に配列されており、かつ、各出射用光伝送路の端面カットの角度が全て同じで互いに平行になるように処理されているのであれば、各波長ごとの光の結像光線（の主光線）はほぼ等しい角度で、対応する出射用光伝送路に入射することになる。したがって、第２の凹面反射面において反射した波長ごとの光の出射用光伝送路への入射角度を最適値に調節すれば、出射用光伝送路との間の結合損失を低減させて、本光分波合波器全体としての損失をより一層低減させることが可能となる。
【００１２】
或いは、第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面がそれぞれ同一の回転放物面上の異なる一部分となっており、回転放物面の生成回転軸が入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射した光の主光線に対して平行となり、かつ、回転放物面の焦点がグレーティングの反射回折面上若しくはその近傍位置に位置するように第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面の配置がなされていることが好ましい。このような構成であれば、入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射し、最終的に第２の凹面反射面において反射した光の主光線は回転放物面の生成回転軸、及び光の主光線の光軸と平行になる（テレセントリックな結像態様となる）ため、上記した第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面をそれぞれ同一の回転放物面上の異なる一部分とした場合と同様の効果を得ることができる。
【００１３】
或いはまた、第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面がそれぞれ同一のトーリック面上の異なる一部分となっており、トーリック面の生成回転軸を通る平面を経面、生成軸に垂直な平面のうちトーリック面との交円が大円となる平面を赤道面としたときに、トーリック面を赤道面により切断したときに得られる交円が１つである場合には、第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面は、▲１▼これら両凹面反射面を含むトーリック面の経面のうち選択された一つが入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射する光の主光線の光軸に対して平行になるとともに、▲２▼選択された経面内方向の焦点が反射回折面上若しくはその近傍位置に位置し、かつ、▲３▼上記選択された経面が、入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射した光の主光線を含んでグレーティングの回折溝と平行な方向に延びる平面と０°ないし４５°の範囲で交わる位置に設けられ、トーリック面を赤道面により切断したときに得られる交円が２つである場合には、第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面は、▲１▼これら両凹面反射面を含むトーリック面の赤道面のうち選択された一つが入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射する光の主光線の光軸に対して平行になるとともに、▲２▼選択された赤道面内方向の焦点が反射回折面上若しくはその近傍位置に位置し、かつ、▲３▼上記選択された赤道面が、入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射した光の主光線を含んでグレーティングの回折溝と平行な方向に延びる平面と０°ないし４５°の範囲で交わる位置に設けられていることが好ましい。このような構成であれば、入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射し、最終的に第２の凹面反射面において反射した光の主光線はトーリック面の生成回転軸、及び光の主光線の光軸と平行になる（テレセントリックな結像態様となる）ため、上記した第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面をそれぞれ同一の回転放物面上の異なる一部分とした場合と同様の効果を得ることができる。
【００１４】
また、この場合、第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面を含むトーリック面についての２つの曲率半径のうち大きい方の曲率半径をＲｔ、小さい方の曲率半径をＲｓとし、入射用光伝送路を介してケースの内部空間内に入射した光の主光線が第１の凹面反射面に至るときの光軸と第１の凹面反射面において反射した後の光軸とが形成する角度を２θとしたときに、式Ｒｓ／Ｒｔ＝ｃｏｓ^２θが満足されることが好ましい。このような構成であれば、第１の凹面反射面及び第２の凹面反射面において反射する光の非点収差の発生が抑えられることになり、非点収差による像の伸び変形が発生しない。したがって、受光側でファイバ結合率を高く維持でき、損失をより小さく抑えることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る光分波合波器は光分波器及び光合波器として用いられるが、ここでは光分波器としての作用のみを述べる。本光分波合波器を光合波器として用いる場合は、光の光路が全く逆になるだけである。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係る光分波合波器１の斜視図を示しており、図２（Ａ）はこの光分波合波器１の正面図、図２（Ｂ）は右側面図、図２（Ｃ）は平面図、図２（Ｄ）は左側面図（但し、右側面図とは上下が逆）である。本光分波合波器１は、内部空間１１及びこの内部空間１１と繋がる光入射口１２及び光出射口１３を有して構成されるケース１０と、このケース１０の内部空間１１内に設けられた凹面反射面からなるコリメータ２０と、ケース１０に固定され、複数の直線状の回折溝３１が等間隔に並べられてなる平面形の反射回折面３２を有するグレーティング３０と、ケース１０の内部空間１１内に設けられた凹面反射面からなるイメージングミラー４０と、ケース１０の光入射口１２に接続された入射用光伝送路としての１本の入射用光ファイバ５０と、ケース１０の光出射口１３に接続された出射用光伝送路としての複数の出射用光ファイバ６０とを備えて構成される。以下、説明の便宜上、図２（Ａ）における紙面の左右方向をケース１０の左右（幅）方向、図２（Ｂ）における紙面の上下方向をケース１０の上下方向、図２（Ｂ）における紙面の左右方向をケース１０の左右方向（紙面の左側が前方、右側が後方）として説明する。また、ケース１０の左右方向にＸ軸を、ケース１０の上下方向にＹ軸を、またケース１０の前後方向にＺ軸を当てることにする。
【００１７】
図１及び図２に示すように、コリメータ２０とイメージングミラー４０とはケース１０の後部に上下に並んで設けられており（コリメータ２０が上方、イメージングミラー４０が下方）、グレーティング３０の回折溝３１はこのコリメータ２０とイメージングミラー４０とが並ぶ方向、すなわち上下方向に延びて設けられている。また、ケース１０の内部空間１１は光透過性のよい透明な固体媒質（例えば石英ガラス）Ｔｍにより満たされた状態となっている。
【００１８】
ケース１０の前方中央部にはＺ軸と垂直に位置する壁部１４が設けられており、この壁部１４の前方下方には、壁部１４に対して垂直（すなわちＸＺ面に平行）に延びたグレーティング載置部１５が設けられている。グレーティング３０はこのグレーティング載置部１５に回折溝３１が上下方向に延びる姿勢で載置されており、その反射回折面３２は空気を挟んで壁部１４に（すなわちケース１０の内部空間１１に）対向している。ここで、グレーティング３０は、その反射回折面３２が壁部１４と平行になるように設置されるのではなく、図２（Ｃ）に示すように、反射回折面３２の法線ＧＶがＺ軸（図２（Ｃ）では軸ＺＸで示す）に対して或る程度の角度φだけ傾いた姿勢になるように設置される。
【００１９】
壁部１４には、グレーティング３０の反射回折面３２を壁部１４に投影したときに形成される反射回折面３２の投影像とほぼ同じ大きさの開口１６が設けられている。
【００２０】
光入射口１２と光出射口１３とは、グレーティング３０の回折溝３１の延びる方向（ここでは上下方向）にグレーティング３０を挟んで、しかもグレーティング３０からの距離がほぼ等距離になるように設けられている。光入射口１２はグレーティング３０の上方であって、コリメータ２０とＺ軸方向に沿って対向する位置に、また光出射口１３はグレーティング３０の下方であって、イメージングミラー４０とＺ軸方向に沿って対向する位置に設けられている。
【００２１】
光入射口１２には１本の入射用光ファイバ５０が取り付けられており、光出射口１３には入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射される波長分割多重光に含まれる波長数、言い換えると、本分波合波器１により分波しようとする波長数分の本数の出射用光ファイバ６０がケース１０の幅方向（Ｘ軸方向）に整列して取り付けられている。
【００２２】
ここで、図３（Ａ）に示すように、入射用光ファイバ５０の端面はケース１０の光入射口１２から差し込まれた状態で内部空間１１内の固体媒質Ｔｍの表面に接合されるが、その接合面は、入射用光ファイバ５０の中心軸線ＣＸ１の延びる方向（ここではＺ軸方向）に垂直な面に対して所定の角度δ１（例えばδ１＝８°）だけ傾斜していることが多い。これは、ファイバ切断面での反射光の戻りを防止するためである。したがって、入射用光ファイバ５０からの射出光束は屈折作用を受けて偏向するが、これを相殺するだけの傾きを、固体媒質Ｔｍの入射部に持たせてある。
【００２３】
また同様に、図３（Ｂ）に示すように、各出射用光ファイバ６０の端面はケース１０の光出射口１３から差し込まれた状態で内部空間１１内の固体媒質Ｔｍの表面に接合されるが、その接合面は、出射用光ファイバ６０の中心軸線ＣＸ２の延びる方向（ここではＺ軸方向）に垂直な面に対して所定の角度δ２（例えばδ２＝８°）だけ傾斜していることが多い。これに応じて固体媒質Ｔｍの射出部も入射部同様傾けている。
【００２４】
入射用光ファイバ５０及び出射用光ファイバ６０は、それぞれケース１０の光入射口１２或いは光出射口１３に取り付けた、反射損失の少ない材料からなる接着剤ＢＤにより固着されている。ここで、入射用光ファイバ５０と固体媒質Ｔｍとの間の接合面、及び出射用光ファイバ６０と固体媒質Ｔｍとの間の接合面に屈折率マッチング用のゲル剤を充填させておいてもよい。また、このように屈折率マッチング用のゲル剤が充填される場合には、出射用光ファイバ６０をケース１０の光出射口１３に完全に固定することなく、光出射口１３に差し込んだ状態の出射用光ファイバ６０の中心軸線ＣＸ２方向に微小量だけ移動自在としておくことが好ましい。このようにすることにより、波長ごとに分波された各光が対応する出射用光ファイバ６０に入射する際のピント合わせを精度良く行うことができるようになる。
【００２５】
このような構成の光分波合波器１において、入射用光ファイバ５０より光が入射された場合における光の光路について、図１及び図２に図４を加えて説明する。ここで、図４は本光分波合波器１におけるケース１０内の構成品を模式的に示すとともに光の進行状況を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の順に示したものであり、図の左側の列はケース１０内部の右側面図を示し、図の右側の列はケース１０内部の平面図（但し、光の光路を示し易くするため、構成品の一部を適宜省略している）を示している。入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内に入った波長分割多重光は、ケース１０の内部空間１１を占める固体媒質Ｔｍ内を後方に進んでコリメータ２０に入射する（図４（Ａ）参照。この光をＬ１とする。図１、図２では主光線の光軸で示す）。この光Ｌ１は光入射口１２を頂点とする円錐状の光束であるが、コリメータ２０に反射されて平行光となり、固体媒質Ｔｍ内を前下方に進んで壁部１４の開口１６を通り、更に空気層を透過してグレーティング３０の反射回折面３２に至る（図４（Ｂ）参照この光をＬ２とする。図１、図２においては主光線の光軸で示す）。
【００２６】
グレーティング３０の反射回折面３２に至った光はそこで反射回折されて波長の異なる複数の光に分光（分波）され、空気層及び開口１６を通ってケース１０の内部空間１１内に入り、固体媒質Ｔｍ内を後下方に進んでイメージングミラー４０に入射する（図４（Ｃ）参照。この光をＬ３とする。図１、図２においては主光線の光軸で示す）。ここで、グレーティング３０に入射する光Ｌ２は平行光であるが、グレーティング３０の反射回折面３２は平面形で直線状の回折溝３１を有するタイプであるので、その反射回折光Ｌ３もおおむね平行光のままとなる。なお、この反射回折光Ｌ３は入射光Ｌ１に含まれる波長ごとに分離して存在する。
【００２７】
グレーティング３０において反射した波長ごとの光は上述のように各々平行光であるが、イメージングミラー４０において反射されて円錐状の光束となり、グレーティング３０において分波された波長数を備えるスペクトラルイメージを形成して固体媒質Ｔｍ内を前方に進み、それぞれに対応する各出射用光ファイバ６０の端面に至る（図４（Ｄ）参照この光をＬ４とする。図１、図２においては主光線の光軸で示す）。このように、本光分波合波器１においては、入射用光ファイバ５０より入射された波長分割多重光は、波長ごとに分波された状態で出射用光ファイバ６０より出射される。
【００２８】
上記のように、本実施形態に係る光分波合波器１では、グレーティング３０の反射回折面３２は空気中に晒された回折面で光の回折を行う表面回折形であるが、反射回折面がこのような表面回折形であるか、後述する裏面反射形であるかを問わず、一般に反射回折面を有するグレーティングでは、光が反射回折される際に図５に示すようなアナモルフォシスが発生する。すなわち、図５（Ａ）に示すように、グレーティングＧへ入射するビームＷ１のビーム幅とグレーティングＧで反射回折作用を受けた後のビームＷ２ビーム幅とが大きく異なってしまう。例えば、グレーティングＧへ入射する光の断面形状（光軸に垂直な断面形状）が円形であった場合には、図示のように像面においては楕円形に変形することになり、図示はしないが、併せてビームの集光ＮＡ（開口数）も変形作用を受けることになる。したがって、グレーティングへの反射回折前後で光のアナモルフォシスが発生すると（アナモルフィック効果を受けると）、反射回折後の光を光ファイバへ入射させた際に大きな結合損失が発生してしまうことになる。
【００２９】
これに対し、図５（Ｂ）に示すように、グレーティングＧへ入射するビームＷ１のビーム幅とグレーティングＧでの反射回折作用を受けた後のビームＷ２のビーム幅とに大きな差異が発生しなければ、上記のようなアナモルフォシスの発生を小さく抑えることができる（このとき、グレーティングＧへ入射する光の断面帰依状が円形であった場合には、像面においてもほぼ円形となる）。すなわち、グレーティングは反射回折前後において光を等倍結合する構成であることが好ましい。このようにすれば、光分波合波器に光を入射させる側の光ファイバと光分波合波器より光を出射させる側の光ファイバとを同じもの（同じ材質、同じ径）にしたときには、原理的に高い結合効率が得られることになる。
【００３０】
このような考え方から、本光分波合波器１においては、光入射口１２と光出射口１３とがグレーティング３０の回折溝３１の延びる方向に、グレーティング３０を挟むように配設されている。このような構成によれば、グレーティング３０へ入射する光束とグレーティング３０において反射回折した光束とがなす角度（但し、反射回折後の光が分散する方向についての角度）を極めて小さくすることができ、その結果、反射回折前後におけるの光の断面形状の変形は小さくなり、グレーティング３０において発生するアナモルフィック効果を大幅に低減させることができる
【００３１】
このため本光分波合波器１では、入射した波長分割多重光とグレーティング３０における反射回折後の波長ごとに分波された各光との間のＮＡの差は極めて小さいものとなり（すなわちＮＡが高レベルに保存され）、小型でありながら低損失な性能が得られる。また、このような性能を備えることにより、本分波合波器１をＷＤＭ光通信に適用した場合、従来技術のうち誘電体多層膜ダイクロイックミラー方式やファイバーブラッググレーティング方式が４波程度の分波・合波が普通なのに対し、小型ながらより多くの波長チャネルを同時に扱うことが可能となる。更に、アナモルフォシスの発生を抑えた結果、イメージ（像）の変形が小さくなり、例えば等倍の像に結像させた場合、入射側光ファイバ端のモードフィールド像がイメージとしてよく再現され、同時に光ファイバのＮＡも忠実に再現されることになる。更に本分波合波器１によれば、後述する実施例において示すように、像点における収差が良好に補正される。
【００３２】
また、これらの特徴は、従来のグレーティング分光器方式のものよりも光ファイバへの光エネルギーの結合効率を高める効果があり、使用波長域にグレーティングのブレーズ波長域が合致した場合、従来のいずれの方式にもない、低い内部損失での分波・合波を実現できる可能性を秘めている。また、非常に小型化されるという特徴は、省スペースが強く要求される光通信アクセス系の光学部品として適している。更に、本分波合波器１は、光ファイバアレイ以外は一体構造となっているので、機械的安定性が抜群に良い分波・合波が実現できる点も光通信アクセス系の光学部品として適している。
【００３３】
また、本光分波合波器１で、上述したように、ケース１０の内部空間１１内は光透過性のよい固体媒質Ｔｍにより満たされている。なお、ここでは内部空間１１内に満たされる透明媒質は固体であるが、これは光透過性のよい液体（ゲル状の物質を含む）であってもよい。或いは、ケース１０の内部空間１１は単なる空洞であってもよい。但し、この場合には内部は真空状態であることがより好ましい。また、このようにケース１０の内部空間１１が空洞或いは液体で満たされるときには、光入射用光ファイバ５０の端面及び光出射用光ファイバ６０の端面は、内部空間１１内或いは液体内に晒された状態となる。
【００３４】
ここで、本光分波合波器１のように、内部空間１１を透明な固体媒質Ｔｍが満たす構成であるときには、予め所定の形状にした固体媒質Ｔｍにコリメータ２０及びイメージングミラー４０を取り付けてこれらを一体構造（モノリシックな構成）とした上で固体媒質Ｔｍをケース１０により覆い、これに入射用光ファイバ５０及び出射用光ファイバ６０を取り付けるという手順で本光分波合波器１を製造することができるので、製造工程が大変簡易になる。
【００３５】
また、本光分波合波器１では、上述したように、入射用光ファイバ５０と固体媒質Ｔｍとの接続面、及び出射用光ファイバ６０と固体媒質Ｔｍとの接続面にはともに傾斜が付けられていたが、これら双方の接続面は互いに平行であることが好ましい。例えば、アライメントエラーにより入射用光ファイバ５０の固体媒質Ｔｍ表面上への取り付け位置が本来の位置よりも上方にずれてしまった場合には、入射光束Ｌ１の主光線が上方にずれるとともに、出射光束Ｌ４の主光線も同じ量だけ下方にずれるのであるが、ここで、図３に示すような方向の傾斜が上記両接続面に平行に設けられているとすると、入射用光ファイバ５０の取り付け位置が上方にずれたときには上記傾斜により光の入射口１２は入射用光ファイバ５０側（図３では紙面の左方）にもずれており、光の入射点はコリメータ２０から僅かに遠ざかることになる。一方、これにより像点はイメージングミラー４０に近づくことになるが、上記のようにこの像点は光の入射点が上方にずれた分だけ下方にずれるので、ちょうど出射用光ファイバ６０と固体媒質Ｔｍとの接続面上に位置して結像することになる。このように、入射用光ファイバ５０と固体媒質Ｔｍとの接続面、及び出射用光ファイバ６０と固体媒質Ｔｍとの接続面が互いに平行であれば、アライメントエラーにより生ずる結像点の位置ずれは自動的に修正される。
【００３６】
また、本光分波合波器１においては、イメージングミラー４０の焦点がグレーティング３０の反射回折面３２上（若しくはその近傍位置）に位置していることが好ましい。イメージングミラー４０がこのように配置されているのならば、グレーティング３０の反射回折面３２において反射回折されて波長ごとに分光（分波）された各光束は、グレーティング３０を上方より見た図６より分かるように、イメージングミラー４０において反射した後、各波長ごとの光の主光線は互いに平行となる（すなわちテレセントリックな結像態様となる）。
【００３７】
ここで、ケース１０の光出射口１３繋がる複数の出射用光ファイバ６０が平行に配列されており、かつ、上記した各出射用光ファイバ６０の端面カットの角度が全て同じで互いに平行になるように処理されているのであれば、各波長ごとの光の結像光線（の主光線）はほぼ等しい角度で、対応する出射用光ファイバ６０のコア６１に入射することになる。したがって、イメージングミラー４０において反射した波長ごとの光Ｌ４の出射用光ファイバ６０への入射角度を最適値に調節すれば、固体媒質Ｔｍと出射用光ファイバ６０との間の結合損失を低減させて、本光分波合波器１全体としての損失をより一層低減させることが可能となる。
【００３８】
また、上記実施形態において示したグレーティング３０は、空気中に晒された反射回折面３２において反射回折を行う表面反射形のグレーティングであったが、このような表面反射形のグレーティングを用いれば、ケース１０の内部空間１１内を占める媒質（固体とは限らない）の屈折率の温度変化が問題となる場合において有効となる。すなわち、一般にガラスなどの固体、液体からなる媒質は屈折率の温度変化が気体に比べて大きく、屈折率が変化すると上記媒質内を伝播中の光の波長が変化してしまう。その結果、グレーティングによる回折角度に変動が生じ、像点位置のドリフトが生じる虞がある。ここで、上記実施形態において示したように、グレーティングの反射回折面を空気中に晒し、空気層を介して光の反射回折を行うようにすることにより、温度変化による像点ドリフトを大幅に軽減させることができる。
【００３９】
また、コリメータ２０及びイメージングミラー４０は上述したように、ともに凹面反射面であるが、本光分波合波器１ではこれを特に回転放物面形状とすることにより、波長ごとに分波した各光Ｌ４を対応する出射用光ファイバ６０へ結合させるときに生じる結合損失を低減させて本分波合波器１全体としての損失を低下させることができる。具体的には、図７に示すように、コリメータ２０及びイメージングミラー４０がそれぞれ同一の回転放物面ＰＳ上の異なる一部分となるようにするとともに、回転放物面ＰＳの生成回転軸ＰＸが入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射した光Ｌ１の主光線に対して平行となり、かつ、回転放物面ＰＳの焦点ＰＦがグレーティング３０の反射回折面３２上（若しくはその近傍位置）に位置するようにコリメータ２０及びイメージングミラー４０を配置する。
【００４０】
コリメータ２０及びイメージングミラー４０が上記のように配置された場合、入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射した光Ｌ１がコリメータ２０において反射した光Ｌ２の主光線はグレーティング３０の反射回折面３２上に至るが、この光Ｌ２の主光線の光軸が反射回折面３２と交わる点は、コリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を含んでなる回転放物面ＰＳの生成回転軸ＰＸ上に位置し、しかも、その回転放物面ＰＳの焦点ＰＦに一致（或いはほぼ一致）する。このとき、グレーティング３０の反射回折面３２において反射回折した光Ｌ３は回転放物面ＰＳの焦点ＰＦより発する光となるため、その回転放物面ＰＳの一部であるイメージングミラー４０において反射した光Ｌ４の主光線は回転放物面ＰＳの生成回転軸ＰＸ、及び光Ｌ１の主光線の光軸と平行になる（テレセントリックな結像態様となる）。
【００４１】
ここで、上述したように、ケース１０の光出射口１３に繋がる複数の出射用光ファイバ６０の列が平行に配列されており、かつ、上記した各出射用光ファイバ６０の端面カットの角度が全て同じで互いに平行になるように処理されているのであれば、各波長ごとの光の結像光線（の主光線）はほぼ等しい角度で、対応する出射用光ファイバ６０のコア６１に入射することになるため、イメージングミラー４０において反射した波長ごとの光Ｌ４の出射用光ファイバ６０への入射角度を最適値に調節すれば、固体媒質Ｔｍと出射用光ファイバ６０との間の結合損失を低減させて、本光分波合波器１全体としての損失をより一層低減させることが可能となる。
【００４２】
ここでもし、グレーティング３０をただの平面ミラーに置き換えて、その反射面をコリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を含んでなる回転放物面ＰＳの生成回転軸ＰＸに垂直に設置するならば、入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射し、コリメータ２０、平面ミラー、イメージングミラー４０を経て、出射用光ファイバ６０の端面にできる入射用光ファイバ５０の端面像は、おおよそアプラナティックな結像をすることになり、幾何光学的収差が非常に小さくなる。本光分波合波器１のようにグレーティング３０をグレーティングとして作用させてもその傾向は残るので、やはり幾何光学的収差は大変小さくなる。
【００４３】
また、上記のようにコリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状が回転放物面となるようにする代わりに、コリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状がをトーリック面となるようにすることによっても、波長ごとに分波した各光Ｌ４を対応する出射用光ファイバ６０へ結合させるときに生じる結合損失を低減させて本分波合波器１全体としての損失を低下させることができる。
【００４４】
具体的な説明に入る前に、先ずトーリック面について説明する。トーリック面には図８に示すように２つのタイプがあり、そのトーリック面の生成回転軸ＡＸを通る平面を経面Ｍ、生成軸ＡＸに垂直な平面のうちトーリック面との交円が大円となる平面を赤道面Ｅとした場合、赤道面Ｅによりトーリック面自身を切断したときに交円が１つ得られるタイプのもの（第１のタイプのトーリック面とする）と、赤道面Ｅによりトーリック面自身を切断したときに交円が２つ得られるタイプのもの（第２のタイプのトーリック面とする）とが存在する。図８（Ａ）は前者の例を示しており、図８（Ｂ）は後者の例を示している。これら両タイプのトーリック面とも大きさの異なる２つの曲率半径を有しているが、このうち大きい方の曲率半径をタンジェンシャル（メリジオナル）方向の曲率半径Ｒｔ、小さい方の曲率半径がサジタル方向の曲率半径Ｒｓとする。
【００４５】
ここで、コリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を含むトーリック面として上記第１のタイプを採用する場合には、図９に示すように、コリメータ２０及びイメージングミラー４０がそれぞれ同一のトーリック面ＴＳ上の異なる一部分となるようにしたうえで、これらコリメータ２０及びイメージングミラー４０を、▲１▼そのトーリック面ＴＳの経面Ｍのうち選択された一つ（経面Ｍ１とする）が入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射する光Ｌ１の主光線の光軸に対して平行になるとともに、▲２▼その選択された経面Ｍ１内方向の焦点ＲＭＦが反射回折面３２上（若しくはその近傍位置）に位置し、かつ、▲３▼上記選択された経面Ｍ１が、上記光Ｌ１の主光線を含んでグレーティング３０の回折溝３１と平行な方向に延びる平面ＢＳ１と０°ないし４５°の範囲で交わる（図９中に示す角度Ψ１が０≦Ψ１≦４５°の範囲となる）位置に設ける。
【００４６】
一方、コリメータ２０及びイメージングミラー４０を含むトーリック面として上記第２のタイプを採用する場合には、図１０に示すように、コリメータ２０及びイメージングミラー４０がそれぞれ同一のトーリック面ＴＳ上の異なる一部分となるようにしたうえで、これらコリメータ２０及びイメージングミラー４０を、▲１▼そのトーリック面ＴＳの赤道面Ｅのうち選択された一つ（赤道面Ｅ１とする）が上記光Ｌ１の主光線の光軸に対して平行になるとともに、▲２▼その選択された赤道面Ｅ１内方向の焦点ＲＥＦが反射回折面３２上（若しくはその近傍位置）に位置し、かつ、▲３▼上記選択された赤道面Ｅ１が、上記光Ｌ１を含んでグレーティング３０の回折溝３１と平行な方向に延びる平面ＢＳ２と０°ないし４５°の範囲で交わる（図１０中に示す角度Ψ２が０≦Ψ２≦４５°の範囲となる）位置に設ける。
【００４７】
コリメータ２０及びイメージングミラー４０が上記のように配置された場合、トーリック面ＴＳが第１のタイプであるときには、入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射した光Ｌ１がコリメータ２０において反射した光Ｌ２の主光線はグレーティング３０の反射回折面３２上に至るが、この光Ｌ２の主光線の光軸が反射回折面３２と交わる点は、コリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を含んでなるトーリック面ＴＳの生成回転軸ＡＸ上に位置し、しかも、そのトーリック面ＴＳの選択された経面Ｍ１内方向の焦点ＲＭＦに一致（或いはほぼ一致）する。このとき、グレーティング３０の反射回折面３２において反射回折した光Ｌ３はトーリック面ＴＳの上記焦点ＲＭＦより発する光となるため、そのトーリック面ＴＳの一部であるイメージングミラー４０において反射した光Ｌ４の主光線はトーリック面ＴＳの生成回転軸ＡＸ、及び光Ｌ１の主光線の光軸と平行になる（テレセントリックな結像態様となる）。
【００４８】
また、トーリック面ＴＳが第２のタイプであるときには、入射用光ファイバ５０を介してケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射した光Ｌ１がコリメータ２０において反射した光Ｌ２の主光線はグレーティング３０の反射回折面３２上に至るが、この光Ｌ２の主光線の光軸が反射回折面３２と交わる点は、コリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を含んでなるトーリック面ＴＳの生成回転軸ＡＸ上に位置し、しかも、そのトーリック面ＴＳの選択された赤道面Ｅ１内方向の焦点ＲＥＦに一致（或いはほぼ一致）する。このとき、グレーティング３０の反射回折面３２において反射回折した光Ｌ３はトーリック面ＴＳの上記焦点ＲＥＦより発する光となるため、そのトーリック面ＴＳの一部であるイメージングミラー４０において反射した光Ｌ４の主光線はトーリック面ＴＳが第１のタイプである場合と同様、トーリック面ＴＳの生成回転軸ＡＸ、及び光Ｌ１の主光線の光軸と平行になる（テレセントリックな結像態様となる）。
【００４９】
ここで、上述したコリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を回転放物面とする場合と同様、ケース１０の光出射口１３に繋がる複数の出射用光ファイバ６０の列が平行に配列されており、かつ、上記した各出射用光ファイバ６０の端面カットの角度が全て同じで互いに平行になるように処理されているのであれば、各波長ごとの光の結像光線（の主光線）はほぼ等しい角度で、それぞれに対応する出射用光ファイバ６０のコア６１に入射することになるため、イメージングミラー４０において反射した波長ごとの光Ｌ４の出射用光ファイバ６０への入射角度を最適値に調節すれば、固体媒質Ｔｍと出射用光ファイバ６０との間の結合損失を低減させて、本光分波合波器１全体としての損失をより一層低減させることが可能となる。
【００５０】
ここで、トーリック面が第１のタイプであるか第２のタイプであるかに拘わらず、光Ｌ１の主光線の光軸がコリメータ２０上の反射点法線となす角をθ１とすると、光Ｌ２の主光線の光軸が上記コリメータ２０上の反射点法線となす角もθ１となり、光Ｌ３の主光線の光軸がイメージングミラー４０上の反射点法線となすをθ２とすると、光Ｌ４の主光線の光軸が上記イメージングミラー４０上の反射点法線となす角もθ２となる。グレーティング３０の反射回折面３２に入射した光の入射角度と、反射回折面３２において反射した光の出射角度はほぼ等しいことから、上記θ１とθ２とはほぼ等しくなり（θ１≒θ２）、その角度をθとおくと、光Ｌ１の主光線の光軸と光Ｌ２の主光線の光軸とがなす角度は２θとなり、光Ｌ３の主光線の光軸と光Ｌ４の主光線の光軸とがなす角度も２θとなる（図９及び図１０参照）。
【００５１】
また、上記のようにコリメータ２０及びイメージングミラー４０をトーリック面とする場合、更に下に示す条件を満たすようにすることにより、コリメータ２０及びイメージングミラー４０において光が反射することにより生ずる幾何光学的収差を容易に抑えることが可能である。その具体的な説明に入る前に、先ず、図１１を用いて凹トーリック反射面のパワーについて説明する。
【００５２】
図１１は、凹トーリック反射面ＭＳの反射点Ｒｐでの法線ＲｐＶに対して角度θで平行光束が入射して反射する様子を示している。ここで、光束Ｌｔは上記平行光束の凹トーリック反射面ＭＳのタンジェンシャル方向（メリジオナル）入射成分、光速Ｌｓは上記平行光束の凹トーリック反射面ＭＳのサジタル方向入射成分である。凹トーリック反射面ＭＳに、反射点Ｒｐでの法線ＲｐＶに対して角度θで入射する光束について、タンジェンシャル方向（図中にＴで示す方向）の焦点距離とサジタル方向での焦点距離を一致させるためには、その凹面反射面ＭＳの反射点Ｒｐでの２つの曲率半径Ｒｔ，Ｒｓ（図９及び図１０も参照）について、焦点距離をｆとしたときに（この焦点距離ｆは、図１１における反射点Ｒｐと光の集光点ＢＦとの間の距離となる）、下式（１），（２）が満たされるようにすればよい。
【００５３】
【数１】
タンジェンシャル方向：　Ｒｔ＝２・ｆ／ｃｏｓθ　…　（１）
サジタル方向：　Ｒｓ＝２・ｆ・ｃｏｓθ　…　（２）
【００５４】
上記両式（１），（２）より、下式（３）が導かれる。
【００５５】
【数２】
Ｒｓ／Ｒｔ＝ｃｏｓ^２θ　…　（３）
【００５６】
図９及び図１０において示したθの値を上式（３）に当てはめてこれが成り立つとき、コリメータ２０及びイメージングミラー４０において反射する光の非点収差の発生が抑えられることになるので、非点収差による像の伸び変形が発生しない。したがって、受光側でファイバ結合効率を高く維持でき、損失をより小さく抑えることが可能となる。
【００５７】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に示したものに限定されない。例えば、上述の実施形態では、コリメータ２０とイメージングミラー４０とを別部材からなっていたが、これらは一体に形成されるものであってもよい。特に、コリメータ２０及びイメージングミラー４０の表面形状を回転放物面、或いはトーリック面とする場合には、製作及び構成が非常に簡単になる。
【００５８】
また、上述の実施形態においては、グレーティング３０の反射回折面３２は空気を隔ててケース１０の内部空間１１（固体媒質Ｔｍ）と対向するようになっていたが、反射回折面３２は必ずしも空気を隔ててケース１０の内部空間と対向するようになっている必要はない。例えば、図１２及び図１３に示すように、グレーティング３０’が複数の直線状の回折溝３１’が等間隔に並べられてなる反射回折面３２’を有しており、この反射回折面３２’が、グレーティング３０’を構成する媒質内に形成されているところの、裏面反射形であってもよい。このとき、コリメータ２０において反射された光Ｌ２は、固体媒質Ｔｍよりグレーティング３０を構成する材質（例えば石英ガラス）を透過して反射回折面３２’に至り、反射回折後の光は再びグレーティング３０を構成する材質を透過して固体媒質Ｔｍ内に入り、イメージングミラー４０に至る光路をとることになる（このときのグレーティング３０’は裏面反射形のグレーティングとなる）。なお、図１２はこのような変形例に係る光分波合波器１’の斜視図であり、図１３（Ａ）はこの光分波合波器１’の正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図、（Ｄ）は左側面図（但し、右側面図とは上下が逆）である。また、これら両図では、上述の実施形態と同じ構成のものには同じ符号を付している。なお、表面反射形であってもこれをケース１０の内部空間１１内（或いはこの内部空間１１を満たす固体媒質Ｔｍ内）に位置させることもできる。
【００５９】
また、本発明に係る光分波合波器を光合波器として用いた場合には、光の入出力方向が全く逆になる。すなわち、上記各出射用光ファイバ６０よりケース１０の内部空間１１内（固体媒質Ｔｍ内）に入射された、異なる波長を有する複数の光は、イメージングミラー４０において反射された後、グレーティング３０の反射回折面３２に至って反射回折され、一つの光に合波された状態となってコリメータ２０に至り、ここで反射されて入射用光ファイバ５０に入射されることになる。また、本光分波合波器は、上述のように、波長分割多重光の分波及び波長分割多重光への合波に用いることができるが、その用途は必ずしもこれら光の分波・合波に限定されるものではない。
【００６０】
【実施例】
以下、本発明に係る分波合波器の具体的な実施例について示す。
【００６１】
（第１実施例）
図１４は本発明の第１実施例に係る光分波合波器を示すものであり、（Ａ）は分波合波器の正面図（但し、入射光用光ファイバ５０と出射用光ファイバ６０のみを示す）、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図である。この第１実施例に係る光分波合波器では、コリメータ２０及びイメージングミラー４０を回転放物面から形成しており、ケース１０の内部空間１１内は後記する屈折率特性を有する固体媒質Ｔｍで満たした。グレーティング３０は裏面反射形であり（上述の実施形態の変形例に係る光分波合波器１’に相当）、反射回折面３２’と対向する側の面はケース１０の壁部１４に設けた貫通穴（図示せず）を介して固体媒質Ｔｍと接合させた。また、グレーティング３０上の光の反射点を原点として、ＸＹＺ座標系を図１４のように設定した。主要諸元及び入射点、像点の座標データを下の表１に示す。
【００６２】
【表１】
主要部寸法：　Ａ＝３０．５ｍｍ，　　Ｂ＝３０ｍｍ
固体媒質の波長に対する屈折率特性：図１５の表に示す
分波波長：　　１３７１ｍｍ，１３９１ｍｍ，１４１１ｍｍ，１４３１ｍｍ，１４６１ｍｍ，１４９１ｍｍ，１５１１ｍｍ，１５３１ｍｍ，１５５１ｍｍ，１５７１ｍｍ，１５９１ｍｍ，１６１１ｍｍ，１６３１ｍｍ，１６５１ｍｍ，１６７１ｍｍ，１６９１ｍｍの１６波
グレーティング
格子定数：１／４００ｍｍ
回折字数：１次
溝方向：Ｙ軸に平行
反射回折面の法線ＧＶがＺ軸となす角度φ：　１１．９０７°
入射点の座標：　　　Ｘ＝−０．５ｍｍ，　　Ｙ＝５．５ｍｍ
像点の座標：　　　　図１６の表に示す
【００６３】
像点での結像性能の一例を図１７に示す。この結像性能を示す図は、上記１６の分波波長より選択した波長１５７１ｍｍの光の像点における強度分布を立体表示（図１７（Ａ））とコンター表示（図１７（Ｂ））にて示したものである（単位デシベル）。図１７（Ｂ）においてコンター表示は、頂点を０ｄＢとし、−３０ｄＢまで３ｄＢ刻みで示した。なお、本実施例では、光の入射面及び像面は、回転放物面の生成回転軸に垂直な平面であるとした。
【００６４】
（第２実施例）
図１８は本発明の第２実施例に係る光分波合波器を示すものであり、（Ａ）は分波合波器の正面図（但し、入射光用光ファイバ５０と出射用光ファイバ６０のみを示す）、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図、（Ｄ）は左側面図（但し、右側面図とは上下が逆）である。この第２実施例に係る光分波合波器では、コリメータ２０及びイメージングミラー４０を回転放物面から形成しており、ケース１０の内部空間１１内は上記第１実施例と同じ屈折率特性を有する固体媒質Ｔｍで満たした。グレーティング３０は表面反射形であり（上述の実施形態に係る光分波合波器１に相当）、反射回折面３２は空気を隔てて固体媒質Ｔｍと対向するように位置させた。また、グレーティング３０上の光の反射点を原点として、ＸＹＺ座標系を図１８のように設定した。主要諸元及び入射点、像点の座標データを下の表２に示す。
【００６５】
【表２】
主要部寸法：　Ａ＝３０．５１ｍｍ，　　Ｂ＝２７．５ｍｍ，　　Ｃ＝１．７ｍｍ
固体媒質の波長に対する屈折率特性：図１５の表と同じ
分波波長：　　第１実施例と同じ１６波
グレーティング
格子定数：１／４００ｍｍ
回折字数：１次
溝方向：Ｙ軸に平行
反射回折面の法線ＧＹがＺ軸となす角度φ：　１７．５°
入射点の座標：　　　Ｘ＝−０．５ｍｍ，　　Ｙ＝５．５ｍｍ
像点の座標：　　　　図１９の表に示す
【００６６】
像点での結像性能の一例を図２０に示す。この結像性能を示す図は、上記１６の分波波長より選択した波長１５７１ｍｍの光の像点における強度分布を立体表示（図２０（Ａ））とコンター表示（図２０（Ｂ））にて示したものである（単位デシベル）。図２０（Ｂ）においてコンター表示は、頂点を０ｄＢとし、−３０ｄＢまで３ｄＢ刻みで示した。なお、本実施例では、光の入射面及び像面は、回転放物面の生成回転軸に垂直な平面であるとした。
【００６７】
（第３実施例）
図２１は本発明の第３実施例に係る光分波合波器を示すものであり、（Ａ）は分波合波器の正面図（但し、入射光用光ファイバ５０と出射用光ファイバ６０のみを示す）、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図である。この第３実施例に係る光分波合波器では、コリメータ２０及びイメージングミラー４０を前述した第２のタイプのトーリック面から形成しており、ケース１０の内部空間１１内は上記第１実施例と同じ屈折率特性を有する固体媒質Ｔｍで満たした。グレーティング３０は裏面反射形であり（上述の実施形態の変形例に係る光分波合波器１’に相当）、反射回折面３２’と対向する側の面はケース１０の壁部１４に設けた貫通穴（図示せず）を介して固体媒質Ｔｍと接合させた。また、グレーティング３０上の光の反射点を原点として、ＸＹＺ座標系を図２１のように設定した。主要諸元及び入射点、像点の座標データ等を下の表３に示す。
【００６８】
【表３】
主要部寸法：　Ａ＝３０．３１ｍｍ，　　Ｂ＝３０ｍｍ
固体媒質の波長に対する屈折率特性：図１５の表と同じ
分波波長：　　第１実施例と同じ１６波
トーリック面
曲率半径：Ｒｔ＝６０．４０４ｍｍ，Ｒｓ＝６０ｍｍ（Ｒｓ／Ｒｔ＝０．９９３）
グレーティング
格子定数：１／４００ｍｍ
回折字数：１次
溝方向：Ｙ軸に平行
反射回折面の法線ＧＶがＺ軸となす角度φ：１２°
入射点の座標：　　　Ｘ＝−０．５ｍｍ，　　Ｙ＝５．５ｍｍ
像点の座標：　　　　図２２の表に示す
図１０中に示す角度Ψ２：　９０°
図２１中に示す角度θ：　５．２°（ｃｏｓ^２θ＝０．９９２≒Ｒｓ／Ｒｔ）
【００６９】
像点での結像性能の一例を図２３に示す。この結像性能を示す図は、上記１６の分波波長より選択した波長１５７１ｍｍの光の像点における強度分布を立体表示（図２３（Ａ））とコンター表示（図２３（Ｂ））にて示したものである（単位デシベル）。図２３（Ｂ）においてコンター表示は、頂点を０ｄＢとし、−３０ｄＢまで３ｄＢ刻みで示した。なお、本実施例では、光の入射面及び像面は、回転放物面の生成回転軸に垂直な平面であるとした。
【００７０】
上記第１〜第３実施例についての結果を見ると、分波後の波長は、中央部の光強度が周辺部の光強度よりも際立って高い、ガウスビーム形の強度分布となっている。また、収差も良好に補正されている。これらのことから、本発明に係る光分波合波器は、入射から出射までＮＡが高レベルに保存されて損失が小さく抑えられ、多波長（これら実施例では１６波長）を扱いながらも良好な結像性能を有していることが分かる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光分波合波器では、光入射口と光出射口とが、グレーティングにおける回折溝の延びる方向に、グレーティングを挟んで設けられているため、グレーティングへの入射光束とグレーティングからの反射回折光束とがなす、反射回折後の光が分散する方向についての角度を極めて小さくすることができ、反射回折の前後における光のアナモルフィック効果を大幅に低減させることができる。このため、入射した波長分割多重光とグレーティングにおける反射回折後の波長ごとに分波された各光との間のＮＡの差は極めて小さいものとなり（すなわちＮＡが高レベルに保存され）、小型でありながら低損失な性能が得られる。また、このような性能を備えることにより、本光分波合波器をＷＤＭ光通信に適用した場合、従来技術のうち誘電体多層膜ダイクロイックミラー方式やファイバーブラッググレーティング方式が４波程度の分波・合波が普通なのに対し、小型ながらより多くの波長チャネルを同時に扱うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光分波合波器の斜視図である。
【図２】光分波合成器を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図、（Ｄ）は左側面図である。
【図３】（Ａ）は入射用光ファイバと固体媒質との接合部を示すケースの部分拡大側面図であり、（Ｂ）は各出射用光ファイバと固体媒質との接合部を示すケースの部分拡大側面図である。
【図４】光分波合波器１におけるケース内の構成品を模式的に示すとともに光の進行状況を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の順に示したものであり、左側の列はケース内部の右側面図を示し、右側の列はケース内部の平面図を示している。
【図５】グレーティングにおいて光が反射回折される際に生じるアナモルフォシスの発生を説明する図であり、（Ａ）はグレーティングへ入射するビームのビーム幅とグレーティングで回折作用を受けた後のビームのビーム幅とが大きく異なる場合の例、（Ｂ）は上記両ビーム幅に大きな差異が生じない場合の例である。
【図６】グレーティングの反射回折面において反射回折されて波長ごとに分光された各光束が互いに平行となる様子を示す、グレーティングを上方から見た図である。
【図７】コリメータ及びイメージングミラーがそれぞれ同一の回転放物上の異なる一部分となるようにした場合の光の光路を示すケース内部の簡略側面図である。
【図８】トーリック面の２つのタイプを示す図であり、（Ａ）は赤道面によりトーリック面自身を切断したときに交円が１つ得られる第１のタイプのトーリック面を示し、（Ｂ）は赤道面によりトーリック面自身を切断したときに交円が２つ得られる第２のタイプのトーリック面を示している
【図９】第１のタイプのトーリック面を採用した場合のコリメータ及びイメージングミラーの配置を説明するための図である。
【図１０】第２のタイプのトーリック面を採用した場合のコリメータ及びイメージングミラーの配置を説明するための図である。
【図１１】凹トーリック反射面のパワーについて説明するための図である。
【図１２】変形例に係る光分波合波器の斜視図である。
【図１３】変形例に係る光分波合波器を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図、（Ｄ）は左側面図である。
【図１４】本発明の第１実施例に係る光分波合波器を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図である。
【図１５】第１実施例において用いられる固体媒質の波長に対する屈折率特性を示す図表である。
【図１６】第１実施例において得られる像点の座標を示す図表である。
【図１７】第１実施例において得られる像点での結像性能の一例を示す図であり、（Ａ）は波長１５７１ｍｍの光の像点における強度分布を立体表示したもの、（Ｂ）はこれをコンター表示したものである。
【図１８】本発明の第２実施例に係る光分波合波器を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図、（Ｄ）は左側面図である。
【図１９】第２実施例において得られる像点の座標を示す図表である。
【図２０】第２実施例において得られる像点での結像性能の一例を示す図であり、（Ａ）は波長１５７１ｍｍの光の像点における強度分布を立体表示したもの、（Ｂ）はこれをコンター表示したものである。
【図２１】本発明の第３実施例に係る光分波合波器を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２２】第３実施例において得られる像点の座標を示す図表である。
【図２３】第３実施例において得られる像点での結像性能の一例を示す図であり、（Ａ）は波長１５７１ｍｍの光の像点における強度分布を立体表示したもの、（Ｂ）はこれをコンター表示したものである。
【図２４】従来の光分波合波器の第１例を示す図である。
【図２５】従来の光分波合波器の第２例を示す図である。
【符号の説明】
１　　　光分波合波器
１０　　ケース
１１　　内部空間
１２　　光入射口
１３　　光出射口
１５　　グレーティング載置部
２０　　コリメータ
３０　　グレーティング
３１　　回折溝
３２　　反射回折面
４０　　イメージングミラー
５０　　入射用光ファイバ
６０　　出射用光ファイバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical demultiplexer / demultiplexer that demultiplexes or multiplexes communication light in optical communication performed using wavelength division multiplexed light.
[0002]
[Prior art]
An optical demultiplexer / multiplexer in WDM (wavelength division multiplexing) optical communication known as a conventional technique uses, for example, a dielectric multilayer dichroic mirror, a fiber Bragg grating (FBG), a grating spectroscope, and an AWG (array waveguide grating). Have been put to practical use. Among them, those using a dielectric multilayer dichroic mirror and a fiber Bragg grating have about 4 channels, and those using AWG mainly have about tens of channels. A grating spectroscope-type optical demultiplexer / multiplexer can realize several channels to several tens of channels, but is suitable for WDM optical communication, which does not require as many channels as an AWG type optical demultiplexer / multiplexer. And some attempts have been made in the past.
[0003]
An optical demultiplexer / multiplexer for WDM optical communication is required to have, above all, a small size and low loss. As an example taking this point into consideration, for example, as shown in FIG. 24, an optical demultiplexer / multiplexer using a gradient index rod lens 101 as a so-called Littrow lens, and an optical fiber array 102 and a grating 103 as an integrated structure is known. Has been devised. However, the optical demultiplexer / multiplexer with such a configuration has limitations in manufacturing rod lenses and optical design, which makes it difficult to optimize the design. It is thought that it is difficult to make it. Further, as shown in FIG. 25, a first lens 111 and a second lens 112 made of a uniform medium are used to form a two-lens structure, and the first lens 111 has an optical fiber array 113, and the second lens 112 has A Littrow optical demultiplexer / multiplexer provided with a diffraction grating 114 has also been devised. This type of optical demultiplexer / multiplexer has the advantage that the degree of freedom in design is greater than that of the rod lens system described above, but it is required in the field of optical communication to reduce the loss and achieve the required performance. It is not very realistic because it will be much larger than the dimensions.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The main factors that determine the throughput in the optical splitter / multiplexer of the grating spectroscope type are the diffraction efficiency of the grating, the anamorphic effect caused by the grating, and the magnitude of the geometrical optical aberration generated in the constituent optical system. Since the diffraction efficiency of the grating must be as high as possible, it is necessary to reduce the anamorphic effect caused by the grating and to realize a compact, low-loss optical demultiplexer / multiplexer. It is necessary to reduce the generated geometrical optical aberration.
[0005]
In the present invention, by reducing the anamorphic effect caused by the grating and reducing the geometrical optical aberration generated in the constituent optical system, an optical demultiplexing / multiplexing that can obtain a small-size but low-loss performance is achieved. The purpose is to provide a vessel.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
An optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention includes a case having an internal space, a light entrance and a light exit which are connected to the internal space, and an optical transmission for incidence connected to the light entrance of the case. Path, a plurality of outgoing light transmission paths connected to the light output port of the case, and a wavelength division multiplexed light that is provided in the inner space of the case and is incident on the inner space through the incident light transmission path. A first concave reflecting surface that reflects the light into parallel light, and a plurality of linear diffraction grooves fixed to the case and arranged to convert the wavelength division multiplexed light parallelized on the first concave reflecting surface into a plurality of linear diffraction grooves. A grating that splits the light into a plurality of lights having different wavelengths on a planar reflection / diffraction surface, and a second concave reflection that is provided in the internal space of the case and causes the light split by the grating to enter the light transmission path for emission. A light entrance and a light exit. , The extending direction of diffraction grooves on the grating, is provided across the grating.
[0007]
In the optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention, the wavelength division multiplexed light that has entered the internal space of the case via the incident light transmission path is reflected by the first concave reflecting surface to become parallel light, and is converted into a parallel light by the grating. Incident. The light incident on the grating is split into a plurality of lights having different wavelengths, reflected on the second concave reflecting surface, and then emitted to the corresponding emission optical transmission lines. Here, the grating has a planar reflection diffraction surface in which a plurality of linear diffraction grooves are arranged at equal intervals, and splits the incident wavelength division multiplexed light into a plurality of lights having different wavelengths. However, since the light entrance and the light exit are provided with the grating interposed therebetween in the direction in which the diffraction groove in the grating extends, the light flux incident on the grating and the diffracted light flux reflected from the grating make a reflection. The angle in the direction in which the diffracted light is dispersed can be made extremely small, and the anamorphic effect of light before and after reflection diffraction can be greatly reduced.
[0008]
For this reason, in the optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention, the difference in NA between the incident wavelength division multiplexed light and each light demultiplexed for each wavelength after reflection and diffraction in the grating is extremely small (that is, the difference in NA). NA is preserved at a high level), and a small size and low loss performance can be obtained. Also, by providing such a performance, when the present demultiplexer / demultiplexer is applied to WDM optical communication, the dielectric multilayer dichroic mirror method and the fiber Bragg grating method among the conventional techniques are capable of demultiplexing about four waves. While multiplexing is common, it is possible to handle more wavelength channels at the same time while being small.
[0009]
Here, in the optical demultiplexer / demultiplexer, the interior space of the case is filled with a transparent solid medium, and the end face of the light transmission path for incidence and the end face of the light transmission path for emission are respectively connected to the solid medium. Preferably, they are joined. In this way, the scattering loss caused by the progress of light can be reduced, and the loss of the entire optical demultiplexer / multiplexer can be further reduced. According to such a configuration, the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are attached to a transparent solid medium having a predetermined shape in advance to form an integral structure (monolithic structure). The optical demultiplexer / multiplexer can be manufactured by covering the solid medium with a case, and attaching the incident light transmission path and the output light transmission path to the solid medium, thereby greatly simplifying the manufacturing process.
[0010]
In the optical demultiplexer / multiplexer, the reflection / diffraction surface faces the internal space of the case via the air, and the light reflected by the first concave mirror passes through the opening provided in the case and the air. It is preferable that the light incident on the reflection diffraction surface and reflected and diffracted by the reflection diffraction surface reaches the second concave mirror through the air and the opening. The reason is that air has a small change in refractive index with temperature as compared with a medium such as glass, so that the wavelength fluctuation of light is also small. Of course, a vacuum is even better. If the wavelength fluctuation of the light is large, the diffraction angle of the grating also fluctuates greatly, which causes a drift of the image forming position, which is not preferable.
[0011]
In the optical demultiplexer / multiplexer, it is preferable that the focal point of the second concave reflecting surface is located on or near the reflection diffraction surface of the grating. With such a configuration, each light flux reflected and diffracted on the reflection diffraction surface of the grating and separated for each wavelength is reflected on the second concave reflection surface, and the principal rays of light for each wavelength are parallel to each other. (A telecentric imaging mode), a plurality of output light transmission paths connected to the light output port of the case are arranged in parallel, and the angle of the end face cut of each output light transmission path is all If they are processed so as to be parallel to each other, (the chief ray of) the image-forming light beam of each wavelength enters the corresponding output light transmission path at substantially the same angle. Therefore, by adjusting the angle of incidence of the light for each wavelength reflected on the second concave reflecting surface to the emission optical transmission line to an optimum value, the coupling loss between the light and the emission optical transmission line can be reduced, and It is possible to further reduce the loss of the entire optical demultiplexer / multiplexer.
[0012]
Alternatively, the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are respectively different portions on the same paraboloid of revolution, and the generated rotation axis of the paraboloid of revolution is a case via the incident optical transmission path. The first concave reflecting surface and the second concave surface such that the parabolic surface of revolution is parallel to the principal ray of light incident on the inner space of the grating and the focal point of the paraboloid of revolution is located on or near the reflecting diffraction surface of the grating. It is preferable that the concave reflecting surface is arranged. With such a configuration, the principal ray of the light that enters the internal space of the case via the incident light transmission path and is finally reflected on the second concave reflecting surface is generated by the rotation axis of the paraboloid of revolution. , And become parallel to the optical axis of the principal ray of light (a telecentric imaging mode), so that the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are different on the same paraboloid of revolution. The same effect as in the case of a part can be obtained.
[0013]
Alternatively, the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are respectively different portions on the same toric surface, a plane passing through a generation rotation axis of the toric surface, and a plane perpendicular to the generation axis. When the plane where the intersection circle with the toric surface is a great circle is the equatorial plane, and the intersection circle obtained by cutting the toric surface by the equatorial plane is one, the first concave reflection The surface and the second concave reflecting surface are as follows: {circle around (1)} A selected one of the meridional surfaces of the toric surface including the two concave reflecting surfaces is for light incident on the interior space of the case via the incident light transmission path. Being parallel to the optical axis of the principal ray, (2) the selected focal point in the in-plane direction is located on or near the reflection diffraction surface, and (3) the selected Incident on the internal space of the case via the incident optical transmission line. Two intersecting circles are provided when the toric plane is cut along the equatorial plane at a position that intersects a plane extending in the direction parallel to the diffraction groove of the grating including the principal ray of light within a range of 0 ° to 45 °. In the case of (1), the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are: (1) one of the toric equatorial surfaces including these concave reflecting surfaces is transmitted through the incident optical transmission line. In parallel with the optical axis of the principal ray of light entering the interior space of the case, and (2) the selected focal point in the in-equatorial plane direction is located on or near the reflection diffraction surface, and {Circle around (3)} The selected equatorial plane is at 0 ° or less with a plane extending in a direction parallel to the diffraction groove of the grating including the principal ray of light incident into the internal space of the case via the incident light transmission path. It is provided at the position where it intersects within Is preferred. With such a configuration, the principal ray of the light that enters the internal space of the case via the incident light transmission path and is finally reflected on the second concave reflecting surface is the generated rotation axis of the toric surface, and Since the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are parallel to the optical axis of the principal ray of light (a telecentric imaging mode), each of the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface is different from each other on the same paraboloid of revolution. The same effect can be obtained as in the case of
[0014]
In this case, the larger one of the two radii of curvature of the toric surface including the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface is Rt, the smaller one is Rs, and the incident light is The angle formed by the optical axis when the principal ray of the light incident into the internal space of the case via the transmission path reaches the first concave reflecting surface and the optical axis after being reflected by the first concave reflecting surface is defined as When 2θ, the formula Rs / Rt = cos ² It is preferable that θ is satisfied. With such a configuration, the generation of astigmatism of light reflected on the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface is suppressed, and the elongation deformation of the image due to astigmatism does not occur. Therefore, the fiber coupling ratio can be maintained high on the light receiving side, and the loss can be further reduced.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention is used as an optical demultiplexer and an optical multiplexer. Here, only the operation as the optical demultiplexer will be described. When the present optical demultiplexer / multiplexer is used as an optical multiplexer, the optical path of light is simply reversed.
[0016]
FIG. 1 is a perspective view of an optical demultiplexer / demultiplexer 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a front view of the optical demultiplexer / demultiplexer 1, and FIG. A right side view, FIG. 2C is a plan view, and FIG. 2D is a left side view (however, upside down from the right side view). The optical demultiplexer / multiplexer 1 is provided in a case 10 having an internal space 11, a light entrance 12 and a light exit 13 connected to the internal space 11, and provided in the internal space 11 of the case 10. A collimator 20 having a concave reflective surface, a grating 30 fixed to the case 10 and having a planar reflective diffraction surface 32 in which a plurality of linear diffraction grooves 31 are arranged at equal intervals; An imaging mirror 40 having a concave reflecting surface provided in the space 11, one incident optical fiber 50 as an incident light transmission path connected to the light entrance 12 of the case 10, and light emission of the case 10 A plurality of outgoing optical fibers 60 as outgoing optical transmission lines connected to the port 13 are provided. Hereinafter, for convenience of explanation, the horizontal direction of the paper surface in FIG. 2A is the left-right (width) direction of the case 10, the vertical direction of the paper surface in FIG. 2B is the vertical direction of the case 10, and the paper surface in FIG. Is described as the left-right direction of the case 10 (the left side of the paper is the front, the right side is the back). In addition, the X axis is applied in the left-right direction of the case 10, the Y axis is applied in the vertical direction of the case 10, and the Z axis is applied in the front-rear direction of the case 10.
[0017]
As shown in FIGS. 1 and 2, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are vertically arranged at the rear part of the case 10 (the collimator 20 is at the upper side, and the imaging mirror 40 is at the lower side). Is provided so as to extend in the direction in which the collimator 20 and the imaging mirror 40 are arranged, that is, in the up-down direction. The inner space 11 of the case 10 is filled with a transparent solid medium (for example, quartz glass) Tm having good light transmittance.
[0018]
A wall 14 is provided at the front center of the case 10 and is perpendicular to the Z axis. The wall 14 extends vertically below the wall 14 (ie, parallel to the XZ plane). The grating mounting section 15 is provided. The grating 30 is mounted on the grating mounting portion 15 in such a manner that the diffraction groove 31 extends in the vertical direction, and the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 is placed on the wall portion 14 (ie, in the internal space 11 of the case 10) with air interposed therebetween. They are facing each other. Here, the grating 30 is not installed so that the reflection diffraction surface 32 is parallel to the wall portion 14, and the normal GV of the reflection diffraction surface 32 is Z-axis as shown in FIG. It is installed so as to be inclined at a certain angle φ with respect to the axis (indicated by the axis ZX in FIG. 2C).
[0019]
The wall portion 14 is provided with an opening 16 having substantially the same size as a projected image of the reflection diffraction surface 32 formed when the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 is projected on the wall portion 14.
[0020]
The light entrance 12 and the light exit 13 are provided so that the grating 30 is sandwiched in the direction in which the diffraction groove 31 of the grating 30 extends (here, the vertical direction), and that the distance from the grating 30 is substantially equal. ing. The light entrance 12 is above the grating 30 and at a position facing the collimator 20 along the Z-axis direction, and the light exit 13 is below the grating 30 and is along the imaging mirror 40 along the Z-axis direction. And are provided at positions facing each other.
[0021]
One incident optical fiber 50 is attached to the light entrance 12, and the light exit 13 enters the interior space 11 (the solid medium Tm) of the case 10 via the incident optical fiber 50. The number of output optical fibers 60 corresponding to the number of wavelengths included in the wavelength division multiplexed light, that is, the number of wavelengths to be demultiplexed by the demultiplexer / demultiplexer 1 is in the width direction (X-axis direction) of the case 10. Installed in line.
[0022]
Here, as shown in FIG. 3A, the end face of the incident optical fiber 50 is joined to the surface of the solid medium Tm in the internal space 11 while being inserted from the light entrance 12 of the case 10, The bonding surface is often inclined by a predetermined angle δ1 (for example, δ1 = 8 °) with respect to a plane perpendicular to the direction in which the central axis CX1 of the incident optical fiber 50 extends (here, the Z-axis direction). . This is to prevent the reflected light from returning at the fiber cut surface. Therefore, the light beam emitted from the incident optical fiber 50 is deflected by the refraction effect, but the incident portion of the solid medium Tm has a tilt that cancels out the light beam.
[0023]
Similarly, as shown in FIG. 3B, the end face of each output optical fiber 60 is joined to the surface of the solid medium Tm in the internal space 11 while being inserted from the light output port 13 of the case 10. However, the bonding surface is inclined by a predetermined angle δ2 (for example, δ2 = 8 °) with respect to a plane perpendicular to the direction in which the central axis CX2 of the emission optical fiber 60 extends (here, the Z-axis direction). There are many. Accordingly, the exit portion of the solid medium Tm is also inclined like the entrance portion.
[0024]
The input optical fiber 50 and the output optical fiber 60 are fixed to the light input port 12 or the light output port 13 of the case 10, respectively, by an adhesive BD made of a material having a small reflection loss. Here, the bonding surface between the incident optical fiber 50 and the solid medium Tm and the bonding surface between the output optical fiber 60 and the solid medium Tm may be filled with a gel agent for refractive index matching. Good. When the gel material for refractive index matching is filled in this way, the optical fiber for emission 60 is not completely fixed to the light emission port 13 of the case 10 but is inserted into the light emission port 13. It is preferable to be able to move by a small amount in the direction of the central axis CX2 of the emission optical fiber 60. By doing so, it becomes possible to accurately perform focusing when each light demultiplexed for each wavelength enters the corresponding output optical fiber 60.
[0025]
In the optical demultiplexer / multiplexer 1 having such a configuration, an optical path of light when light is incident from the incident optical fiber 50 will be described with reference to FIGS. 1 and 2 and FIG. Here, FIG. 4 schematically shows components in the case 10 of the optical demultiplexer / multiplexer 1, and shows the progress of light in the order of (A), (B), (C), and (D). The left column in the figure shows a right side view inside the case 10, and the right column in the figure shows a plan view inside the case 10 (however, in order to easily show the optical path of light, some of the components are shown). Are omitted as appropriate). The wavelength division multiplexed light that has entered the internal space 11 of the case 10 via the incident optical fiber 50 travels backward in the solid medium Tm occupying the internal space 11 of the case 10 and enters the collimator 20 (FIG. 4 ( A), and this light is denoted by L1, which is indicated by the optical axis of the principal ray in FIGS. This light L1 is a conical light flux having the light incident port 12 as an apex, but is reflected by the collimator 20 to become parallel light, proceeds forward and downward in the solid medium Tm, passes through the opening 16 of the wall 14, and furthermore, The light passes through the air layer and reaches the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 (refer to FIG. 4B, this light is denoted by L2, and is shown by the optical axis of the principal ray in FIGS. 1 and 2).
[0026]
The light that has reached the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 is reflected and diffracted there, and is split (demultiplexed) into a plurality of lights having different wavelengths, enters the internal space 11 of the case 10 through the air layer and the opening 16, and The light travels backward and downward in the medium Tm and enters the imaging mirror 40 (refer to FIG. 4C. This light is denoted by L3. In FIGS. 1 and 2, the light is indicated by the optical axis of the principal ray). Here, the light L2 incident on the grating 30 is a parallel light, but since the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 is of a type having a planar and linear diffraction groove 31, the reflection diffraction light L3 is also substantially a parallel light. Will remain. The reflected diffracted light L3 exists separately for each wavelength included in the incident light L1.
[0027]
The light of each wavelength reflected by the grating 30 is parallel light as described above, but is reflected by the imaging mirror 40 to form a conical light flux, and forms a spectral image having the number of wavelengths demultiplexed by the grating 30. Then, the light travels forward in the solid medium Tm and reaches the end faces of the corresponding output optical fibers 60 (refer to FIG. 4D. This light is denoted by L4. In FIGS. 1 and 2, the optical axis of the principal ray is used). ). As described above, in the present optical demultiplexer / demultiplexer 1, the wavelength division multiplexed light incident from the input optical fiber 50 is output from the output optical fiber 60 in a state where it is demultiplexed for each wavelength.
[0028]
As described above, in the optical demultiplexer / multiplexer 1 according to the present embodiment, the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 is a surface diffraction type that diffracts light on a diffraction surface exposed to air. Regardless of whether the surface is of such a surface diffractive type or of a back-reflective type, a grating having a reflective diffractive surface is generally anamorphic as shown in FIG. 5 when light is reflected and diffracted. Occurs. That is, as shown in FIG. 5A, the beam width of the beam W1 incident on the grating G greatly differs from the beam width of the beam W2 after being subjected to the reflection and diffraction action by the grating G. For example, if the cross-sectional shape (cross-sectional shape perpendicular to the optical axis) of the light incident on the grating G is circular, it will be deformed into an elliptical shape on the image plane as shown in the figure, but not shown. At the same time, the converging NA (numerical aperture) of the beam also undergoes a deformation action. Therefore, if light anamorphosis occurs before and after reflection diffraction on the grating (subject to the anamorphic effect), a large coupling loss occurs when the light after reflection diffraction is incident on the optical fiber. become.
[0029]
On the other hand, as shown in FIG. 5B, a large difference must be generated between the beam width of the beam W1 incident on the grating G and the beam width of the beam W2 subjected to the reflection and diffraction action at the grating G. Thus, the occurrence of anamorphosis as described above can be suppressed to a small value (at this time, if the cross-sectional dependence of the light incident on the grating G is circular, the image plane is also substantially circular). That is, it is preferable that the grating is configured to combine light at equal magnification before and after reflection diffraction. With this configuration, the optical fiber on the side where light enters the optical demultiplexer / multiplexer and the optical fiber on the side where light is emitted from the optical demultiplexer / demultiplexer are made the same (the same material and the same diameter). At times, a high coupling efficiency is obtained in principle.
[0030]
From such a concept, in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, the light entrance 12 and the light exit 13 are arranged so as to sandwich the grating 30 in the direction in which the diffraction groove 31 of the grating 30 extends. . According to such a configuration, the angle between the light beam incident on the grating 30 and the light beam reflected and diffracted by the grating 30 (however, the angle in the direction in which the light after reflection and diffraction is dispersed) can be made extremely small. As a result, deformation of the cross-sectional shape of light before and after reflection diffraction is reduced, and the anamorphic effect generated in the grating 30 can be significantly reduced.
[0031]
For this reason, in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, the difference in NA between the incident wavelength division multiplexed light and each light demultiplexed for each wavelength after reflection and diffraction at the grating 30 becomes extremely small (that is, NA). Is stored at a high level), and a small-size, low-loss performance is obtained. Also, by providing such a performance, when the present multiplexer / demultiplexer 1 is applied to WDM optical communication, the dielectric multilayer dichroic mirror system and the fiber Bragg grating system of the prior art have about four wavelengths. -While multiplexing is common, it is possible to handle more wavelength channels simultaneously, albeit compact. Furthermore, as a result of suppressing the occurrence of anamorphosis, the deformation of the image (image) is reduced. For example, when the image is formed into an image of the same magnification, the mode field image at the end of the optical fiber on the incident side is well reproduced as an image. At the same time, the NA of the optical fiber is faithfully reproduced. Further, according to the present demultiplexer / demultiplexer 1, the aberration at the image point is satisfactorily corrected, as will be described in the embodiments described later.
[0032]
In addition, these features have the effect of increasing the coupling efficiency of optical energy to the optical fiber as compared with the conventional grating spectrometer type, and when the blazed wavelength range of the grating matches the used wavelength range, any of the conventional It has the potential to realize demultiplexing and multiplexing with low internal loss that is not available in the system. In addition, the feature of being extremely miniaturized is suitable as an optical component of an optical communication access system that requires strong space saving. Further, since the present demultiplexer / multiplexer 1 has an integral structure other than the optical fiber array, it can realize demultiplexing / multiplexing with excellent mechanical stability as an optical component of the optical communication access system. Are suitable.
[0033]
Further, in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, as described above, the interior space 11 of the case 10 is filled with the solid medium Tm having good light transmittance. Here, the transparent medium filled in the internal space 11 is a solid, but may be a liquid having a good light transmission property (including a gel-like substance). Alternatively, the internal space 11 of the case 10 may be a simple hollow. However, in this case, it is more preferable that the inside is in a vacuum state. When the internal space 11 of the case 10 is thus filled with a cavity or a liquid, the end face of the optical fiber 50 for light incidence and the end face of the optical fiber 60 for light emission are exposed to the interior space 11 or the liquid. State.
[0034]
Here, when the internal space 11 is configured to be filled with the transparent solid medium Tm as in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are attached to the solid medium Tm having a predetermined shape in advance. The optical demultiplexer / demultiplexer 1 is manufactured by a procedure of forming these into an integral structure (monolithic configuration), covering the solid medium Tm with the case 10, and attaching the input optical fiber 50 and the output optical fiber 60 thereto. Therefore, the manufacturing process is greatly simplified.
[0035]
Further, in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, as described above, both the connection surface between the input optical fiber 50 and the solid medium Tm and the connection surface between the output optical fiber 60 and the solid medium Tm have slopes. Although attached, it is preferable that both connecting surfaces be parallel to each other. For example, when the mounting position of the incident optical fiber 50 on the surface of the solid medium Tm is shifted above the original position due to an alignment error, the principal ray of the incident light beam L1 shifts upward and the outgoing light beam The chief ray of L4 also shifts downward by the same amount. Here, assuming that the inclination in the direction as shown in FIG. 3 is provided in parallel to the two connection surfaces, the mounting position of the incident optical fiber 50 is set. Is shifted upward, the light entrance 12 is also shifted to the side of the incident optical fiber 50 (to the left of the paper in FIG. 3) due to the above inclination, and the light incident point is slightly away from the collimator 20. . On the other hand, this causes the image point to approach the imaging mirror 40. However, as described above, this image point shifts downward by the amount by which the light incident point shifts upward. An image is formed on the connection surface with Tm. As described above, if the connection surface between the input optical fiber 50 and the solid medium Tm and the connection surface between the output optical fiber 60 and the solid medium Tm are parallel to each other, the positional shift of the imaging point caused by the alignment error will be small. Corrected automatically.
[0036]
In the present optical demultiplexer / multiplexer 1, it is preferable that the focal point of the imaging mirror 40 is located on the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 (or a position near the reflection diffraction surface 32). If the imaging mirror 40 is arranged in this manner, each light flux reflected and diffracted on the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 and separated (demultiplexed) for each wavelength is shown in FIG. As can be seen, after being reflected by the imaging mirror 40, the principal rays of the light of each wavelength become parallel to each other (that is, a telecentric imaging mode).
[0037]
Here, the plurality of output optical fibers 60 connected to the light output port 13 of the case 10 are arranged in parallel, and the angles of the end face cuts of the respective output optical fibers 60 are all the same and parallel to each other. In this case, the imaging light rays (main light rays) of the light of each wavelength enter the corresponding cores 61 of the output optical fibers 60 at substantially the same angle. Therefore, by adjusting the incident angle of the light L4 for each wavelength reflected by the imaging mirror 40 to the output optical fiber 60 to an optimum value, the coupling loss between the solid medium Tm and the output optical fiber 60 can be reduced. In addition, it is possible to further reduce the loss of the entire optical demultiplexer / multiplexer 1.
[0038]
Further, the grating 30 shown in the above embodiment is a surface reflection type grating that performs reflection and diffraction on the reflection diffraction surface 32 exposed to the air. However, if such a surface reflection type grating is used, a case This is effective when the temperature change of the refractive index of a medium (not necessarily a solid) occupying the inside space 11 of the 10 becomes a problem. That is, a medium made of a solid or liquid such as glass generally has a large change in the refractive index with temperature as compared with a gas, and when the refractive index changes, the wavelength of light propagating in the medium changes. As a result, the diffraction angle varies due to the grating, and the image point position may drift. Here, as shown in the above embodiment, by exposing the reflection / diffraction surface of the grating to air and performing reflection / diffraction of light through the air layer, image point drift due to temperature change is greatly reduced. Can be done.
[0039]
As described above, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are both concave reflection surfaces. However, in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, the light is demultiplexed for each wavelength by using a paraboloid of revolution in particular. The coupling loss that occurs when each light L4 is coupled to the corresponding output optical fiber 60 can be reduced, and the loss of the entire multiplexer / demultiplexer 1 can be reduced. Specifically, as shown in FIG. 7, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are respectively different portions on the same paraboloid of revolution PS, and the generated rotation axis PX of the paraboloid of revolution PS is incident. Is parallel to the principal ray of the light L1 that has entered the internal space 11 (the solid medium Tm) of the case 10 via the optical fiber 50 for use, and the focal point PF of the paraboloid of revolution PS is reflected and diffracted by the grating 30. The collimator 20 and the imaging mirror 40 are arranged so as to be located on the surface 32 (or in the vicinity thereof).
[0040]
When the collimator 20 and the imaging mirror 40 are arranged as described above, the light L1 that has entered the internal space 11 of the case 10 (inside the solid medium Tm) via the incident optical fiber 50 is the light L2 reflected by the collimator 20. Reaches the reflection diffraction surface 32 of the grating 30, and the point at which the optical axis of the light L <b> 2 intersects the reflection diffraction surface 32 is determined by the rotation of the light beam including the surface shapes of the collimator 20 and the imaging mirror 40. It is located on the generated rotation axis PX of the object plane PS, and coincides (or substantially coincides) with the focal point PF of the rotation paraboloid PS. At this time, since the light L3 reflected and diffracted on the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 becomes light emitted from the focal point PF of the paraboloid of revolution PS, the light reflected on the imaging mirror 40 which is a part of the paraboloid of revolution PS. The chief ray of L4 is parallel to the generated rotation axis PX of the paraboloid of revolution PS and the optical axis of the chief ray of the light L1 (a telecentric imaging mode).
[0041]
Here, as described above, the rows of the plurality of output optical fibers 60 connected to the light output port 13 of the case 10 are arranged in parallel, and the angle of the end face cut of each output optical fiber 60 described above is If they are all the same and are processed so as to be parallel to each other, (the chief rays thereof) of the light rays of each wavelength enter the corresponding cores 61 of the output optical fibers 60 at substantially the same angle. Therefore, by adjusting the incident angle of the light L4 for each wavelength reflected by the imaging mirror 40 to the output optical fiber 60 to an optimum value, the coupling loss between the solid medium Tm and the output optical fiber 60 can be reduced. It is possible to further reduce the loss of the entire optical demultiplexer / multiplexer 1 by reducing the power loss.
[0042]
Here, if the grating 30 is replaced with a mere plane mirror and its reflection surface is set perpendicular to the rotation axis PX of the paraboloid of revolution PS including the surface shapes of the collimator 20 and the imaging mirror 40, An incident optical fiber that enters the internal space 11 (in the solid medium Tm) of the case 10 via the incident optical fiber 50, passes through the collimator 20, the plane mirror, and the imaging mirror 40 and is formed on the end face of the exit optical fiber 60. The end face image of 50 will form an approximately aplanatic image, with very little geometrical optical aberration. Even if the grating 30 acts as a grating as in the present optical demultiplexer / multiplexer 1, the tendency remains, so that the geometrical optical aberrations are very small.
[0043]
Also, instead of making the surface shape of the collimator 20 and the imaging mirror 40 a paraboloid of revolution as described above, by making the surface shape of the collimator 20 and the imaging mirror 40 a toric surface, The coupling loss generated when each light L4 demultiplexed for each wavelength is coupled to the corresponding output optical fiber 60 can be reduced, so that the loss of the entire demultiplexer / multiplexer 1 can be reduced.
[0044]
Before entering a specific description, the toric surface will be described first. As shown in FIG. 8, there are two types of toric surfaces. A plane passing through the generation rotation axis AX of the toric surface has a meridional surface M. Of the planes perpendicular to the generation axis AX, an intersection circle with the toric surface is a great circle. When the plane which becomes is the equatorial plane E, a type in which one intersecting circle is obtained when the toric plane itself is cut by the equatorial plane E (referred to as a first type of toric plane), There is a type in which two intersecting circles are obtained when the toric surface itself is cut (hereinafter referred to as a second type of toric surface). FIG. 8A shows the former example, and FIG. 8B shows the latter example. Both types of toric surfaces have two different radii of curvature, of which the larger radius of curvature is the radius of curvature Rt in the tangential (meridional) direction, and the smaller radius of curvature is the radius of curvature in the sagittal direction. The radius of curvature is set to Rs.
[0045]
Here, when the above-mentioned first type is adopted as the toric surface including the surface shapes of the collimator 20 and the imaging mirror 40, as shown in FIG. 9, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are respectively on the same toric surface TS. And the collimator 20 and the imaging mirror 40 are replaced by (1) a selected one of the meridional surfaces M of the toric surface TS (referred to as a meridional surface M1). The light L1 entering the interior space 11 of the case 10 (inside the solid medium Tm) via the central axis 50 becomes parallel to the optical axis of the chief ray of the light L1, and (2) the focal point of the selected meridian M1 in the inward direction. The RMF is located on (or near) the reflection diffraction surface 32, and (3) the selected meridional surface M1 includes the principal ray of the light L1. It is no plane BS1 and 0 ° extending in a direction parallel to the diffraction groove 31 of computing 30 intersect in the range of 45 ° (angle .PSI.1 shown in FIG. 9 is in a range of 0 ≦ Ψ1 ≦ 45 °) provided at a position.
[0046]
On the other hand, when the above-mentioned second type is adopted as the toric surface including the collimator 20 and the imaging mirror 40, as shown in FIG. 10, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are different from each other on the same toric surface TS. Then, one of the collimator 20 and the imaging mirror 40 is selected from the equatorial plane E of the toric surface TS (referred to as the equatorial plane E1) by the main light of the light L1. And (2) the selected focal point REF in the inward direction of the equatorial plane E1 is located on (or near) the reflection diffraction surface 32, and (3) the selected equatorial plane. The plane E1 intersects a plane BS2 including the light L1 and extending in a direction parallel to the diffraction groove 31 of the grating 30 in a range of 0 ° to 45 °. (The angle Ψ2 shown in FIG. 10 is in the range of 0 ≦ Ψ2 ≦ 45 °).
[0047]
When the collimator 20 and the imaging mirror 40 are arranged as described above, and the toric surface TS is of the first type, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are placed in the internal space 11 (in the solid medium Tm) of the case 10 via the incident optical fiber 50. The principal ray of the light L2 reflected by the collimator 20 from the incident light L1 reaches the reflection diffraction surface 32 of the grating 30. The point at which the optical axis of the principal ray of the light L2 intersects the reflection diffraction surface 32 is that It is located on the generated rotation axis AX of the toric surface TS including the surface shape of the imaging mirror 40, and coincides (or substantially coincides) with the focal point RMF of the toric surface TS in the selected inward direction of the meridian M1. At this time, the light L3 reflected and diffracted on the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 becomes light emitted from the focal point RMF of the toric surface TS. The light beam becomes parallel to the generated rotation axis AX of the toric surface TS and the optical axis of the principal ray of the light L1 (a telecentric imaging mode).
[0048]
When the toric surface TS is of the second type, the light L1 that has entered the internal space 11 (the solid medium Tm) of the case 10 via the incident optical fiber 50 is mainly the light L2 reflected by the collimator 20. The light beam reaches the reflection diffraction surface 32 of the grating 30. The point at which the optical axis of the principal ray of the light L2 intersects the reflection diffraction surface 32 is defined by the toric surface TS including the surface shapes of the collimator 20 and the imaging mirror 40. It is located on the generated rotation axis AX, and coincides (or substantially coincides) with the focal point REF of the toric plane TS in the selected equatorial plane E1. At this time, the light L3 reflected and diffracted on the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 becomes light emitted from the focal point REF of the toric surface TS. The light beam is parallel to the generated rotation axis AX of the toric surface TS and the optical axis of the principal ray of the light L1 as in the case where the toric surface TS is of the first type (a telecentric imaging mode).
[0049]
Here, similarly to the case where the surface shape of the collimator 20 and the imaging mirror 40 is a paraboloid of revolution, rows of the plurality of output optical fibers 60 connected to the light output port 13 of the case 10 are arranged in parallel. And if the angles of the end face cuts of the respective outgoing optical fibers 60 are all the same and are processed so as to be parallel to each other, the image-forming light (the main light) of the light for each wavelength is almost equal. Since the light enters the core 61 of the corresponding output optical fiber 60 at an equal angle, the incident angle of the light L4 for each wavelength reflected by the imaging mirror 40 to the output optical fiber 60 is adjusted to an optimum value. Then, it is possible to reduce the coupling loss between the solid medium Tm and the output optical fiber 60, and to further reduce the loss of the optical demultiplexer / multiplexer 1 as a whole. .
[0050]
Here, irrespective of whether the toric surface is of the first type or the second type, if the angle between the optical axis of the principal ray of the light L1 and the normal of the reflection point on the collimator 20 is θ1, the light Assuming that the angle between the optical axis of the principal ray of L2 and the normal of the reflection point on the collimator 20 is θ1, and that the optical axis of the principal ray of the light L3 and the normal of the reflection point on the imaging mirror 40 is θ2, The angle between the optical axis of the principal ray of L4 and the normal of the reflection point on the imaging mirror 40 is also θ2. Since the incident angle of the light incident on the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 and the emission angle of the light reflected on the reflection diffraction surface 32 are substantially equal, the above θ1 and θ2 are substantially equal (θ1 ≒ θ2), and the angle Is θ, the angle between the optical axis of the principal ray of light L1 and the optical axis of the principal ray of light L2 is 2θ, and the optical axis of the principal ray of light L3 and the optical axis of the principal ray of light L4 are The angle formed is also 2θ (see FIGS. 9 and 10).
[0051]
When the collimator 20 and the imaging mirror 40 are toric surfaces as described above, by satisfying the following condition, the geometric optical aberration caused by the reflection of the light by the collimator 20 and the imaging mirror 40 is satisfied. Can be easily suppressed. Prior to the specific description, first, the power of the concave toric reflection surface will be described with reference to FIG.
[0052]
FIG. 11 shows how a parallel light beam is incident and reflected at an angle θ with respect to a normal RpV at a reflection point Rp of the concave toric reflection surface MS. Here, the light beam Lt is a tangential (meridional) incident component of the parallel light beam on the concave toric reflecting surface MS, and the light speed Ls is a sagittal incident component of the parallel light beam on the concave toric reflecting surface MS. The focal length in the tangential direction (the direction indicated by T in the drawing) and the focal length in the sagittal direction of the light beam incident on the concave toric reflection surface MS at an angle θ with respect to the normal line RpV at the reflection point Rp match. In order to make the focal length f of the two curvature radii Rt and Rs (see also FIG. 9 and FIG. 10) at the reflection point Rp of the concave reflecting surface MS, the focal length is set to f. 11 is the distance between the reflection point Rp and the light converging point BF), and the following expressions (1) and (2) may be satisfied.
[0053]
(Equation 1)
Tangential direction: Rt = 2 · f / cos θ (1)
Sagittal direction: Rs = 2 · f · cos θ (2)
[0054]
The following equation (3) is derived from the above equations (1) and (2).
[0055]
(Equation 2)
Rs / Rt = cos ² θ ... (3)
[0056]
When the value of θ shown in FIGS. 9 and 10 is applied to the above equation (3) and this holds, the generation of astigmatism of the light reflected by the collimator 20 and the imaging mirror 40 is suppressed, so that the astigmatism is obtained. Elongation deformation of the image due to aberration does not occur. Therefore, the fiber coupling efficiency can be kept high on the light receiving side, and the loss can be further reduced.
[0057]
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above-described embodiment, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are formed of different members, but they may be formed integrally. In particular, when the surface shapes of the collimator 20 and the imaging mirror 40 are a paraboloid of revolution or a toric surface, the manufacture and the configuration become very simple.
[0058]
Further, in the above-described embodiment, the reflection diffraction surface 32 of the grating 30 is opposed to the internal space 11 (solid medium Tm) of the case 10 with the air interposed therebetween. It is not necessary to be opposed to the internal space of the case 10 at a distance. For example, as shown in FIGS. 12 and 13, the grating 30 ′ has a reflection diffraction surface 32 ′ in which a plurality of linear diffraction grooves 31 ′ are arranged at equal intervals. May be of a back-reflection type formed in the medium constituting the grating 30 ′. At this time, the light L2 reflected by the collimator 20 passes through the material (for example, quartz glass) constituting the grating 30 from the solid medium Tm and reaches the reflection diffraction surface 32 ', and the light after the reflection diffraction passes through the grating 30 again. The light passes through the constituent material, enters the solid medium Tm, and takes an optical path to the imaging mirror 40 (the grating 30 'at this time is a back-reflection grating). FIG. 12 is a perspective view of an optical multiplexer / demultiplexer 1 'according to such a modification, FIG. 13 (A) is a front view of the optical multiplexer / demultiplexer 1', and FIG. (C) is a plan view, (D) is a left side view (however, upside down is the right side view). In both figures, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. In addition, even if it is a surface reflection type, it can be located in the internal space 11 of the case 10 (or in the solid medium Tm that fills the internal space 11).
[0059]
When the optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention is used as an optical multiplexer, the light input / output directions are completely reversed. That is, a plurality of lights having different wavelengths, which are incident on the internal space 11 (in the solid medium Tm) of the case 10 from the respective output optical fibers 60, are reflected by the imaging mirror 40 and then reflected by the grating 30. The light reaches the diffraction surface 32, is reflected and diffracted, is multiplexed into one light, reaches the collimator 20, is reflected there, and enters the incident optical fiber 50. As described above, the present optical demultiplexer / demultiplexer can be used for demultiplexing wavelength-division multiplexed light and multiplexing into wavelength-division multiplexed light. It is not limited to waves.
[0060]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the multiplexer / demultiplexer according to the present invention will be described.
[0061]
(First embodiment)
14A and 14B show an optical demultiplexer / demultiplexer according to a first embodiment of the present invention. FIG. 14A is a front view of the demultiplexer / demultiplexer (provided that an optical fiber 50 for incident light and an optical fiber for output are shown). 60B), (B) is a right side view, and (C) is a plan view. In the optical multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are formed of a paraboloid of revolution, and the interior space 11 of the case 10 has a solid medium Tm having a refractive index characteristic described later. Filled with. The grating 30 is of a back-reflection type (corresponding to the optical demultiplexer / multiplexer 1 ′ according to the modification of the above-described embodiment), and a surface facing the reflection diffraction surface 32 ′ is provided on the wall portion 14 of the case 10. Through a through hole (not shown). The XYZ coordinate system was set as shown in FIG. 14 with the light reflection point on the grating 30 as the origin. Table 1 below shows the main specifications and the coordinate data of the incident point and the image point.
[0062]
[Table 1]
Main dimensions: A = 30.5mm, B = 30mm
Refractive index characteristics with respect to wavelength of solid medium: shown in the table of FIG.
Demultiplexed wavelength: 1371 mm, 1391 mm, 1411 mm, 1431 mm, 1461 mm, 1491 mm, 1511 mm, 1531 mm, 1551 mm, 1571 mm, 1591 mm, 1611 mm, 1631 mm, 1651 mm, 1671 mm, 1691 mm 16 waves
Grating
Lattice constant: 1 / 400mm
Number of diffraction letters: 1st order
Groove direction: parallel to Y axis
Angle φ between the normal GV of the reflection diffraction surface and the Z axis: 11.907 °
Coordinate of incident point: X = −0.5 mm, Y = 5.5 mm
Image point coordinates: shown in the table of FIG.
[0063]
FIG. 17 shows an example of the imaging performance at the image point. The figure showing the image forming performance shows the intensity distribution at the image point of the light having a wavelength of 1571 mm selected from the above 16 demultiplexed wavelengths in a three-dimensional display (FIG. 17A) and a contour display (FIG. 17B). It is shown (unit: dB). In FIG. 17B, the contour display shows the vertex at 0 dB, and shows the value at −3 dB in increments of 3 dB. In the present embodiment, it is assumed that the light incident surface and the image surface are planes perpendicular to the generated rotation axis of the paraboloid of revolution.
[0064]
(Second embodiment)
FIG. 18 shows an optical demultiplexer / demultiplexer according to a second embodiment of the present invention. FIG. 18A is a front view of the demultiplexer / demultiplexer (provided that the optical fiber 50 for incident light and the optical fiber for output are shown). 60 is shown), (B) is a right side view, (C) is a plan view, and (D) is a left side view (however, upside down from the right side view). In the optical demultiplexer / multiplexer according to the second embodiment, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are formed from a paraboloid of revolution, and the interior space 11 of the case 10 has the same refractive index characteristics as the first embodiment. Was filled with a solid medium Tm having the following formula: The grating 30 is a surface reflection type (corresponding to the optical demultiplexer / demultiplexer 1 according to the above-described embodiment), and the reflection diffraction surface 32 is positioned so as to face the solid medium Tm with the air therebetween. The XYZ coordinate system was set as shown in FIG. 18 with the light reflection point on the grating 30 as the origin. Table 2 below shows the main data and coordinate data of the incident point and the image point.
[0065]
[Table 2]
Main dimensions: A = 30.51 mm, B = 27.5 mm, C = 1.7 mm
Refractive index characteristics with respect to wavelength of solid medium: same as the table in FIG.
Demultiplexed wavelength: 16 waves as in the first embodiment
Grating
Lattice constant: 1 / 400mm
Number of diffraction letters: 1st order
Groove direction: parallel to Y axis
Angle φ between the normal GY of the reflection diffraction surface and the Z axis: 17.5 °
Coordinate of incident point: X = −0.5 mm, Y = 5.5 mm
Image point coordinates: shown in the table of FIG.
[0066]
FIG. 20 shows an example of the imaging performance at the image point. The image showing the imaging performance is shown in three-dimensional display (FIG. 20 (A)) and contour display (FIG. 20 (B)) of the intensity distribution at the image point of light having a wavelength of 1571 mm selected from the above 16 demultiplexed wavelengths. It is shown (unit: dB). In FIG. 20B, the contour display shows the vertex at 0 dB, and shows it in steps of 3 dB up to -30 dB. In the present embodiment, it is assumed that the light incident surface and the image surface are planes perpendicular to the generated rotation axis of the paraboloid of revolution.
[0067]
(Third embodiment)
FIG. 21 shows an optical demultiplexer / demultiplexer according to a third embodiment of the present invention. FIG. 21 (A) is a front view of the demultiplexer / demultiplexer (provided that an optical fiber 50 for incident light and an optical fiber for output are shown). 60B), (B) is a right side view, and (C) is a plan view. In the optical demultiplexer / multiplexer according to the third embodiment, the collimator 20 and the imaging mirror 40 are formed from the toric surface of the second type described above. And filled with a solid medium Tm having the same refractive index properties as The grating 30 is of a back-reflection type (corresponding to the optical demultiplexer / multiplexer 1 ′ according to the modification of the above-described embodiment), and a surface facing the reflection diffraction surface 32 ′ is provided on the wall portion 14 of the case 10. Through a through hole (not shown). The XYZ coordinate system was set as shown in FIG. 21 with the light reflection point on the grating 30 as the origin. Table 3 below shows the main data and the coordinate data of the incident point and the image point.
[0068]
[Table 3]
Main dimensions: A = 30.31 mm, B = 30 mm
Refractive index characteristics with respect to wavelength of solid medium: same as the table in FIG.
Demultiplexed wavelength: 16 waves as in the first embodiment
Toric surface
Radius of curvature: Rt = 60.404 mm, Rs = 60 mm (Rs / Rt = 0.993)
Grating
Lattice constant: 1 / 400mm
Number of diffraction letters: 1st order
Groove direction: parallel to Y axis
Angle φ: 12 ° between normal GV of reflection diffraction surface and Z axis
Coordinate of incident point: X = −0.5 mm, Y = 5.5 mm
Image point coordinates: shown in the table of FIG.
Angle Ψ2 shown in FIG. 10: 90 °
Angle θ shown in FIG. 21: 5.2 ° (cos ² θ = 0.92 ≒ Rs / Rt)
[0069]
FIG. 23 shows an example of the imaging performance at the image point. The figure showing the image forming performance shows a three-dimensional display (FIG. 23 (A)) and a contour display (FIG. 23 (B)) of the intensity distribution at the image point of the light having a wavelength of 1571 mm selected from the above 16 demultiplexed wavelengths. It is shown (unit: dB). In FIG. 23 (B), the contour display shows the vertex at 0 dB, and shows up to −30 dB in 3 dB steps. In the present embodiment, it is assumed that the light incident surface and the image surface are planes perpendicular to the generated rotation axis of the paraboloid of revolution.
[0070]
Looking at the results of the first to third embodiments, the wavelength after demultiplexing has a Gaussian beam-shaped intensity distribution in which the light intensity at the center is significantly higher than the light intensity at the periphery. In addition, aberrations are well corrected. From these facts, in the optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention, the NA is maintained at a high level from the input to the output, the loss is suppressed to a small level, and the optical demultiplexer / demultiplexer is good while handling multiple wavelengths (16 wavelengths in these embodiments). It can be seen that it has excellent imaging performance.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, in the optical demultiplexer / multiplexer according to the present invention, the light entrance and the light exit are provided with the grating interposed therebetween in the direction in which the diffraction grooves extend in the grating. The angle between the incident light beam and the reflected and diffracted light beam from the grating in the direction in which the reflected and diffracted light is dispersed can be made extremely small, and the anamorphic effect of the light before and after the reflection and diffraction is greatly reduced. Can be. For this reason, the difference in NA between the incident wavelength division multiplexed light and each light demultiplexed for each wavelength after reflection and diffraction at the grating is extremely small (that is, NA is kept at a high level), and the size is small. Despite this, low loss performance can be obtained. Also, by providing such performance, when the present optical demultiplexer / demultiplexer is applied to WDM optical communication, the dielectric multi-layer dichroic mirror system and the fiber Bragg grating system out of the conventional technologies have about four demultiplexers. -While multiplexing is common, it is possible to handle more wavelength channels simultaneously, albeit compact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an optical demultiplexer / multiplexer according to an embodiment of the present invention.
2 (A) is a front view, FIG. 2 (B) is a right side view, FIG. 2 (C) is a plan view, and FIG. 2 (D) is a left side view.
FIG. 3A is a partially enlarged side view of a case showing a joint between an incident optical fiber and a solid medium, and FIG. 3B is a case showing a joint between each outgoing optical fiber and a solid medium. It is a partial enlarged side view.
FIG. 4 schematically shows components in a case in the optical demultiplexer / multiplexer 1, and shows the progress of light in the order of (A), (B), (C), and (D). The left column shows a right side view inside the case, and the right column shows a plan view inside the case.
5A and 5B are diagrams illustrating the occurrence of anamorphosis that occurs when light is reflected and diffracted in a grating, and FIG. 5A is a diagram illustrating a beam width of a beam incident on the grating and a beam after being subjected to diffraction by the grating. (B) is an example in which there is no significant difference between the two beam widths.
FIG. 6 is a diagram of the grating viewed from above, showing a state in which light beams reflected and diffracted on the reflection diffraction surface of the grating and separated by wavelength are parallel to each other.
FIG. 7 is a simplified side view of the inside of the case showing the optical path of light when the collimator and the imaging mirror are respectively different parts on the same paraboloid of revolution.
8A and 8B are diagrams showing two types of toric surfaces, and FIG. 8A shows a first type of toric surface in which one intersecting circle is obtained when the toric surface itself is cut by the equatorial plane, and FIG. ) Indicates a second type of toric surface in which two intersecting circles are obtained when the toric surface itself is cut by the equatorial plane.
FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement of a collimator and an imaging mirror when a first type of toric surface is employed.
FIG. 10 is a diagram for explaining the arrangement of a collimator and an imaging mirror when a second type of toric surface is employed.
FIG. 11 is a diagram for explaining the power of the concave toric reflection surface.
FIG. 12 is a perspective view of an optical demultiplexer / multiplexer according to a modification.
13A and 13B are diagrams showing an optical demultiplexer / multiplexer according to a modification, wherein FIG. 13A is a front view, FIG. 13B is a right side view, FIG. 13C is a plan view, and FIG. is there.
14A and 14B are diagrams showing an optical demultiplexer / multiplexer according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 14A is a front view, FIG. 14B is a right side view, and FIG. 14C is a plan view.
FIG. 15 is a table showing a refractive index characteristic with respect to a wavelength of a solid medium used in the first embodiment.
FIG. 16 is a table showing coordinates of image points obtained in the first embodiment.
17A and 17B are diagrams illustrating an example of imaging performance at an image point obtained in the first example, where FIG. 17A is a three-dimensional display of an intensity distribution at an image point of light having a wavelength of 1571 mm, and FIG. This is a contour display.
18A and 18B are diagrams illustrating an optical demultiplexer / multiplexer according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 18A is a front view, FIG. 18B is a right side view, FIG. 18C is a plan view, and FIG. Is a left side view.
FIG. 19 is a table showing coordinates of image points obtained in the second embodiment.
20A and 20B are diagrams illustrating an example of an imaging performance at an image point obtained in the second embodiment, in which FIG. 20A is a three-dimensional display of an intensity distribution at an image point of light having a wavelength of 1571 mm, and FIG. This is a contour display.
21A and 21B are diagrams showing an optical demultiplexer / multiplexer according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 21A is a front view, FIG. 21B is a right side view, and FIG. 21C is a plan view.
FIG. 22 is a table showing coordinates of image points obtained in the third embodiment.
23A and 23B are diagrams illustrating an example of image forming performance at an image point obtained in the third embodiment, where FIG. 23A is a three-dimensional display of an intensity distribution at an image point of light having a wavelength of 1571 mm, and FIG. This is a contour display.
FIG. 24 is a diagram showing a first example of a conventional optical demultiplexer / multiplexer.
FIG. 25 is a diagram illustrating a second example of a conventional optical demultiplexer / multiplexer.
[Explanation of symbols]
1 Optical demultiplexer / multiplexer
10 cases
11 Internal space
12 Light entrance
13 Light exit
15 Grating mounting part
20 collimator
30 grating
31 diffraction groove
32 reflection diffraction surface
40 Imaging mirror
50 Optical fiber for incidence
60 Outgoing optical fiber

Claims

A case configured having an internal space and a light entrance and a light exit that are connected to the internal space,
An incident light transmission path connected to the light entrance of the case,
A plurality of output light transmission paths connected to the light output port of the case,
A first concave reflecting surface that is provided in the internal space of the case and reflects the wavelength division multiplexed light that has entered the internal space via the incident light transmission path into parallel light;
The wavelength-division multiplexed light fixed to the case and converted into parallel light on the first concave reflection surface has different wavelengths on a planar reflection diffraction surface in which a plurality of linear diffraction grooves are arranged at equal intervals. A grating that splits the light into multiple lights,
A second concave reflecting surface that is provided in the internal space of the case, and that causes light split by the grating to be incident on the emission light transmission path;
An optical demultiplexer / multiplexer, wherein the light entrance and the light exit are provided with the grating therebetween in a direction in which the diffraction groove extends in the grating.

The interior space of the case is filled with a transparent solid medium, and an end face of the light transmission path for incidence and an end face of the light transmission path for emission are respectively joined to the solid medium. The optical demultiplexer / demultiplexer according to claim 1.

The reflection / diffraction surface faces the internal space of the case via air, and light reflected by the first concave mirror enters the reflection / diffraction surface through an opening provided in the case and air. 3. The optical demultiplexer / multiplexer according to claim 1, wherein the light reflected and diffracted by the reflection / diffusion surface passes through the air and the opening to reach the second concave mirror.

The optical demultiplexer / multiplexer according to any one of claims 1 to 3, wherein a focal point of the second concave reflection surface is located on the reflection diffraction surface of the grating or a position near the reflection diffraction surface.

The first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are respectively different portions on the same paraboloid of revolution, and the generated rotation axis of the paraboloid of revolution passes through the incident light transmission path. The second direction is parallel to the principal ray of light incident into the internal space of the case, and the focal point of the paraboloid of revolution is located on the reflection diffraction surface of the grating or at a position near the reflection diffraction surface. The optical demultiplexer / multiplexer according to any one of claims 1 to 3, wherein the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are arranged.

The first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface are respectively different portions on the same toric surface,
When a plane passing through a generation rotation axis of the toric surface passes through a plane perpendicular to the generation axis and an intersecting circle with the toric surface becomes a great circle as an equatorial plane,
When the toric surface is cut by the equatorial plane and the number of intersection circles obtained is one, the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface include the toric surface including these two concave reflecting surfaces. A selected one of the meridional surfaces of the surfaces is parallel to an optical axis of a principal ray of light incident into the internal space of the case via the incident light transmission path, and the selected one is selected. The focal point in the in-plane direction is located on or near the reflective diffraction surface, and the selected meridional surface enters the interior space of the case via the incident light transmission path. Is provided at a position that intersects a plane extending in a direction parallel to the diffraction groove of the grating including the principal ray of the grating within a range of 0 ° to 45 °,
When the toric surface is cut by the equatorial plane and the number of the intersecting circles obtained is two, the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface include the toric surface including these two concave reflecting surfaces. A selected one of the equatorial planes of the plane is parallel to an optical axis of a principal ray of light incident into the internal space of the case via the light transmission path for incidence, and the selected one is selected. The focal point in the equatorial plane direction is located on or near the reflective diffraction surface, and the selected equatorial plane is incident on the internal space of the case via the incident light transmission path. 4. A grating according to any one of claims 1 to 3, wherein the grating is provided at a position which intersects a plane extending in a direction parallel to the diffraction groove of the grating in a range of 0 ° to 45 °. Optical demultiplexer / multiplexer.

The incident light transmission path, wherein the larger one of the two radii of curvature of the toric surface including the first concave reflecting surface and the second concave reflecting surface is Rt, the smaller one is Rs, An optical axis when a principal ray of light incident into the internal space of the case via the first optical element reaches the first concave reflecting surface and an optical axis after being reflected by the first concave reflecting surface are formed. the angle is taken as 2 [theta], wherein Rs / Rt = cos ² θ
The optical demultiplexer / multiplexer according to claim 6, wherein the following is satisfied.