JP2004053992A - 回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールを提供する。
【解決手段】回折格子５は、円筒面上に形成された複数の格子溝１０からなり、各格子溝１０が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置している。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。この結果、光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールを得ることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】回折格子５は、円筒面上に形成された複数の格子溝１０からなり、各格子溝１０が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置している。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。この結果、光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールを得ることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭５９−１７０８１５号公報に、球面上に回折格子が形成された凹面回折格子を用い、入力用光ファイバから入力された光信号を凹面回折格子で回折し、入力された光信号を複数の出力用光ファイバに分波する回折格子型分波器が開示されている。
【０００３】
同様な凹面型回折格子を用いた技術として、アプライドオプティクス誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）１９巻３５８８ページ（１９８０年）に、スラブ導波路を伝搬（伝播）させた波長多重ビームを凹面型回折格子で集光・分離する光学デマルチプレクサ（デマルチプレクサ）が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の分波器・光学デマルチプレクサに用いられた凹面回折格子はルーリングエンジン（高密度刻線機、ダイヤモンド工具により、被加工体の表面に微細な溝「マイクログローブ」をナノメートルオーダで制御して加工できる微細加工装置である。）を用いて作製されていたため、凹面回折格子を形成する球面の曲率半径を小さくすることができなかった。そのため、凹面回折格子を用いた光分波器も大きくなるという問題があった。また、ルーリングエンジンで回折格子を加工する場合、入射角度に合わせてブレーズ角度を変えることができず、回折効率が低くなる（損失が大きくなる）という問題があった。そのため、従来の光学デマルチプレクサでは、回折格子を３領域に分割し、各領域内ではブレーズ角を一定とし、領域ごとにブレーズ角を変えることにより回折効率の向上を図っていた。
【０００５】
しかしながら、凹面形状の回折格子において領域ごとにブレーズ角を変えて加工する場合、領域を精密に接続することが難しく、凹面回折格子の集光特性の劣化が起こりやすいという問題があった。また、いわゆるチャープ回折格子のように格子定数が変化するような回折格子においては、領域に分割してブレーズ角を変えることによる回折効率の向上は不十分であった。
【０００６】
またさらに、従来の光学デマルチプレクサにおけるように、スラブ導波路を用い一方向の光を閉じ込めることにより、この光閉じ込め方向に対して凹面の曲率を大きくすることができ、回折格子に曲率を持たせずに平面とすることもできる。
【０００７】
しかし、この光閉じ込め方向に対して回折格子に角度をもって入射した光線は入射角度によって回折方向が変化するため、拡がり角度の大きな光信号が入射した場合には分波した光信号を十分に小さな範囲に集光できず、隣接する波長チャネルとのクロストークが生じるという問題があった。特に、マルチモード光ファイバを用いて光信号を入射した場合には、出射ビームの拡がり角が大きいため、特に問題であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、円筒面上に形成された複数の格子溝からなる回折格子であって、各格子溝が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置しているものである。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、格子溝の円弧の曲率半径が互いに略等しいのが好ましい。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、格子溝の円弧の曲率半径が円筒面の曲率半径に略等しいのが好ましい。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、複数の格子溝がブレーズ化された回折格子において、各格子溝のブレーズ角が不連続部を有すると共に、格子定数の不連続部を有するものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４に記載の構成に加え、格子定数の不連続部がブレーズ角の不連続部と一致していてもよい。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項５に記載の構成に加え、格子溝が略平面上に形成され、格子定数の不連続部間において格子定数が連続的に変化するチャープ型回折格子であってもよい。このように構成することにより、回折格子に集光性を持たせることができる。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項４から６のいずれかに記載の構成に加え、ブレーズ角が不連続に変化した領域を４箇所以上有するのが好ましい。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項４から７のいずれかに記載の構成に加え、各格子溝が各格子溝を横切る方向に分割され、各格子溝が略円弧形状に並ぶように各格子溝の方向が分割領域ごとに変化しているのが好ましい。
【００１７】
請求項９の発明は、波長多重信号光が入射される光入射部と、光入射部からの波長多重信号光を分離する回折格子と、回折格子で分離された光ビームを検出する複数の光検出器とを有する波長合分波器において、請求項１から８のいずれかに記載の回折格子を用いたものである。
【００１８】
請求項１０の発明は、波長多重信号光が入射される光入射部と、光入射部からの波長多重信号光を分離する回折格子と、回折格子で分離された光ビームを検出する複数の光検出器とを有する波長合分波器において、回折格子は各格子溝が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置し、各格子溝の円弧の曲率半径が互いに略等しく、かつ、各光検出器で検出される波長多重信号光の各回折格子での回折次数をｍとし、格子定数をｄとし、各波長多重信号光の中心波長をλとすると数１式を満たすものである。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項９または１０に記載の構成に加え、回折格子が光学ブロックに一体的に形成されているか、あるいは固定されており、光学ブロックを通して回折格子に波長多重信号光が入射されるのが好ましい。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の構成に加え、光学ブロック及び回折格子の少なくとも一部がプラスチックからなるのが好ましい。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項９から１２のいずれかに記載の構成に加え、回折格子から光検出器への光路中に、回折格子で回折された光ビームを光検出器に絞り込むビーム縮小手段を設けるのが好ましい。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の構成に加え、ビーム縮小手段は、光検出器に向かって断面積が減少するテーパ形状を有するコアからなるのが好ましい。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項９から１４のいずれかに記載の構成に加え、波長多重信号光が入射される光ファイバから回折格子に至る光路中、あるいは回折格子から光検出器に至る光路中に、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材を設けてもよい。
【００２４】
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の構成に加え、光学部材は、焦点位置が入射光の光軸と交差する方向に入射光の波長に応じて変化するようにしてもよい。
【００２５】
請求項１７の発明は、波長多重信号光が入射される信号伝送用光ファイバとの接合部と、波長多重信号光を分離する波長合分波器と、波長合分波器で分離された光ビームを検出する光検出器アレイと、光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路とを有する波長多重信号光伝送モジュールにおいて、波長合分波器が請求項９から１６のいずれかに記載の波長合分波器であり、接合部がマルチモールド光ファイバで接続されているものである。このように構成することにより、光損失が少なく、小型の波長多重伝送光モジュールが得られる。
【００２６】
請求項１８の発明は、波長多重信号光が入射される信号伝送用光ファイバとの接合部と、波長多重信号光を分離する波長合分波器と、波長合分波器で分離された光ビームを検出する光検出器アレイと、光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路と、光源アレイと、光源アレイを駆動する送信回路と、光源アレイからの光信号を合波する他の波長合分波器とを有する波長多重信号光伝送モジュールにおいて、波長合分波器が請求項９から１６のいずれかに記載の波長合分波器であり、接合部と波長合分波器との間がマルチモード光ファイバで接続され、接合部と他の波長合分波器との間がシングルモード光ファイバで接続されているものである。このように構成することにより、光損失が少なく、小型の波長多重伝送光モジュールが得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２８】
図１は本発明の回折格子を用いた波長合分波器の一実施の形態を示す外観斜視図である。
【００２９】
この波長合分波器としてのデマルチプレクサは、光ファイバ２からの波長多重信号光３（矢印３ａ方向）が入射される光入射部４と、光入射部４からの波長多重信号光３を分離する円筒面状の回折格子５と、回折格子５で分離された回折光線（光ビーム）６（矢印６ａ方向）を受光導波路アレイ７を介して検出する複数の光検出器からなる光検出器アレイ８とを有するデマルチプレクサであって、回折格子光学ブロック９の円筒面上に形成された複数の格子溝１０からなり、各格子溝１０が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置している回折格子５を用いたものである。
【００３０】
すなわち、このデマルチプレクサは、光ファイバ２、回折格子光学ブロック９に回折格子５が形成された波長分離デバイス１、受光導波路アレイ７及び光検出器アレイ８で構成されたものである。
【００３１】
波長多重信号光３が光ファイバ２から波長分離デバイス１の光入射部４に入射すると、波長多重信号光３は、回折格子５によって波長ごとに異なった回折角度をもって回折され、回折された光ビーム６はそれぞれ異なった位置（受光導波路アレイ７のいずれかの受光導波路）に集光される。集光された光ビーム６は、受光導波路アレイ７を介して、波長多重光信号３の各信号光の数に対応した数の受光部を有する光検出器アレイ８に入射し、検出され、電気信号として出力される。
【００３２】
このデマルチプレクサは、光ファイバ２として、例えばコア径が約６２．５μｍ、開口数が約０．２７５のＧＩ（グレーテッドインデックス）型マルチモード光ファイバが用いられている。光ファイバ２の一端（図では左端）は、回折格子光学ブロック９に接着固定されている（光入射部４）。但し、光ファイバ２を回折格子光学ブロック９に固定せずに波長分離デバイス１に着脱自在に挿入される光信号伝送用の光ファイバ（図示せず。）を用いてもよい。この着脱自在な光信号伝送用の光ファイバを用いる場合には、挿入ガイド（図示せず。）等を用いることにより、光コネクタ（図示せず。）に固定された光ファイバが引き抜かれても所定の位置に突き合わされるようにする必要がある。
【００３３】
図１に示した光ファイバ２の一端を回折格子光学ブロック９に固定することにより、光学特性の長期安定性を得ることができる。また、光ファイバ２の一端を波長分離デバイス１に固定した場合には、図示しない伝送用光ファイバを光ファイバ２の他端に突き合わせて波長分離デバイス１に波長多重信号光を入射すればよい。この場合、伝送用光ファイバの開口数及び径は、光ファイバ２の開口数及び径と等しいか小さければよい。
【００３４】
従って光ファイバ２と同じＧＩ（グレーテッドインデックス）型マルチモード光ファイバを光ファイバ２の他端に接続してもよく、ファイバ径・開口数の小さなシングルモード光ファイバを光ファイバ２の他端に接続してもよい。
【００３５】
受光導波路アレイ７は、光ビーム６の進行方向について入射側から出射側にむかって断面積が減少するテーパ形状とし、入射した光ビーム６を光検出器アレイ８に絞り込む導波路構造としている。入射光ビーム３を光検出器アレイ８まで効率よく伝搬させるためには、受光導波路アレイ７の開口数ＮＡは大きい方が望ましく、特に開口数ＮＡが０．５以上になるように受光導波路アレイ７のコア及びクラッドの屈折率を選択することが望ましい。さらに、クラッドの外側に金属膜を形成することで、仮に光ビーム６の角度がコアとクラッドとの界面の臨界角を超えて光ビーム６がクラッドを透過しても、金属膜で反射して光検出器アレイ８の各光検出器に至るため、検出効率を向上させることができる。
【００３６】
本実施の形態では、波長分離デバイス１の入射側の入射光径を直径約２５０μｍとし、出射側、すなわち光検出器アレイ８側の出射光径を直径約８０μｍとした。このように、受光導波路アレイ７を用いて波長分離した光ビーム６を光検出器アレイ８に絞り込むことにより、応答速度が速く、受光面積が小さな光検出器を用いることができ、高速な光通信に適用することができる。
【００３７】
本実施の形態のように、波長多重信号光３を回折格子光学ブロック９のような光学ブロックの中を伝搬させて回折格子５に照射する場合には、空気中に比べて回折格子光学ブロック９の屈折率が大きいため、光ファイバ２からの波長多重信号光３のビーム拡がり角は空気中での拡がり角よりも小さくなる。つまり、プラスチックやガラスの屈折率は１．５前後のものが多く、屈折率１．５の媒体を用いた場合には、ビーム拡がり角が空気中に比べて６７％小さくなるためである。
【００３８】
従って、回折格子光学ブロック９を通して回折格子５に波長多重信号光３を照射することは、回折格子５に入射するビーム拡がり角を低減する効果があり、デマルチプレクサを小型化することができるという効果が得られる。但し、光ファイバ２からの波長多重信号光３の拡がり角が小さい場合には、回折格子光学ブロック９を用いずに直接回折格子５に照射するようにしてもよい。
【００３９】
光検出器アレイ８には、受光部の直径約８０μｍの光検出器を４個約２５０μｍピッチで配置したものを用いた。受光導波路アレイ７に入射した光ビーム６が光検出器アレイ８の各受光部に効率よく結合するように受光導波路アレイ７の位置を調整し、受光導波路アレイ７を回折格子光学ブロック９に接着固定した。
【００４０】
尚、受光導波路アレイ７の代わりにレンズを用いても回折格子光学ブロック９からの光ビーム６を光検出器アレイ８に集光することができるため、受光導波路アレイ７に代えてレンズを用いてもよい。但し、受光導波路アレイ７を用いることにより、光検出器アレイ８を回折格子光学ブロック９と一体化することができるため、位置調整が容易となり、特性の長期安定性が期待できる。
【００４１】
このデマルチプレクサに用いられる回折格子光学ブロック９は、透明ポリマ材料を用いて射出成型により作製し、射出成型の際に回折格子５を一体的に形成したものである。回折格子５の格子面に金、銀、アルミ等の金属膜を蒸着して反射面とした。本実施の形態では金属膜を用いたが、金属膜の代わりに誘電体多層膜を用いてもよく、回折格子５と金属膜との間に誘電体膜を形成して反射率を向上させてもよい。
【００４２】
本実施の形態では、回折格子光学ブロック９の成型用ポリマ材料としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、屈折率１．４９）を用いた。その他、受光導波路アレイ７のコア材としては、ポリカーボネート（ＰＣ、屈折率１．５９）や、赤外波長においてより損失の少ないトリフルオロエチルメタクリレート樹脂（屈折率１．４０）等のフッ素化アクリル樹脂、６フッ化プロピレン／４フッ化エチレン／２フッ化ビニリデン共重合体（屈折率１．３６）、フッ素化ポリイミド（屈折率１．５５）等のフッ素系のプラスチック、重水素化したプラスチック材料等を用いることができる。これらフッ素系の材料を用いた場合には、波長１３００ｎｍ帯において０．１〜０．２ｄＢ／ｃｍ以下の伝送損失を実現でき、デマルチプレクサ１において２０ｍｍの伝送距離をとっても、０．２〜０．４ｄＢの損失に抑えることができる。
【００４３】
図２は図１に示した波長合分波器に用いられる回折格子の回折格子面の成型に用いた金型を示す外観斜視図である。図３（ａ）は図２に示した金型の正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。
【００４４】
デマルチプレクサ（図１参照）に用いられている回折格子５（図１参照）の格子溝１０（図１参照）の断面形状は、三角形のいわゆるエシェレット型であり、ブレーズ角は回折効率を大きくできるように入射光ビームの入射角に合わせて変化させている。このため、図２、３（ａ）、（ｂ）に示す金型１１の格子溝１２もエシェレット型形状を有しており、波長多重信号光の光ビーム３を金型１１の格子溝１２に照射すると、図２に示すように分離されて波長ごとに光ビーム６として反射される。
【００４５】
本実施の形態においては、波長多重信号光の波長中心においてＴＥ偏光（電場方向が格子溝と平行な偏光）と、ＴＭ偏光（電場方向が格子溝に垂直な偏光）との回折効率が略等しくなるようにブレーズ角度を定めた。このブレーズ角度は、回折効率をシミュレーションすることにより定めることができる。このようにＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率を略等しくすることにより、入射光ビームの偏光状態が変化しても検出光量の変動を小さくすることができる。光ファイバから無偏光あるいは円偏光が入射する場合には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との平均回折効率が最大となるようにブレーズ角を定めればよい。
【００４６】
次に図２及び図３（ａ）、（ｂ）を参照して回折格子の円弧形状について説明する。
【００４７】
回折格子５（図１参照）は、回折格子面内において円弧状に湾曲した格子溝１０を有することに特徴がある。各格子溝１０は各円弧の中心が回折格子５の円筒の周面上に周方向に一列に位置している。
【００４８】
このような回折格子５を作製するための図３（ａ）、（ｂ）に示す金型１１は、格子溝１０（図１参照）を形成するための円弧状の格子溝１２の円弧の曲率半径Ｒと、回折格子円筒面の曲率半径ｒとが略等しくなっている（Ｒ＝ｒ）。
【００４９】
ここで、回折格子５の中心での格子定数をｄとし、回折次数をｍとし、波長多重信号光の中心波長をλとし、数１式を満足するように回折格子５を形成した。また、円弧の中心は波長多重信号光３の入射位置の近傍に位置するようにした。このように円弧の曲率半径Ｒと、格子定数ｄとを定めることにより、回折格子５の格子溝１０の曲率半径Ｒの大きさによって生じる位相差は、曲率半径Ｒの球面上に形成した、いわゆる等間隔凹面回折格子と同等の集光特性を持たせることができることを見出した。但し、格子定数ｄは、等間隔凹面回折格子と同様に、円筒面の中心での平面に格子溝を投影した場合に等間隔になるようにした。
【００５０】
従って、このような金型１１を用いて作製したデマルチプレクサ（図１参照）において、回折格子５に接する直径Ｒのいわゆるローランド円上に波長多重信号光３の入射点を設定すると、回折した光ビーム６はローランド円上に集光されることになり、このローランド円上に受光導波路アレイ７の入射光ビーム６が位置するように配置すればよい。
【００５１】
このような金型１１を用いて作製されたデマルチプレクサにより、分光された波長多重信号光３の集光点がローランド円上に並ぶため、出射方向に対して垂直に近く並ぶようにすることができる。また、円弧の曲率半径Ｒと円筒面の曲率半径ｒとは厳密に等しくする必要はなく、所望の集光特性が得られる範囲とすればよい。また、波長多重信号光３の波長範囲の中で、格子定数ｄが数１式を満足すればよい。
【００５２】
本実施の形態においては、波長多重信号光３の中心波長１２７５．７ｎｍ、１３００．２ｎｍ及び１３４９．２ｎｍの４波長を分離する構成とした。これらの光信号の中心波長に対して、光源の製造・温度・スペクトル分布による波長ばらつきにより、最大±５．７ｎｍ変動するものとした。
【００５３】
従って隣接するチャネル間の波長間隔は約１３．１ｎｍであり、おおよそ伝送波長中心１３１２．５ｎｍの１％に設定した。これらの波長は伝送用光ファイバに用いられる石英コアの損失の少ない帯域にあり、低損失に光伝送できる範囲のものである。波長ばらつきは、光源の作製・特性により決まるものであり、特に厳しい光源の選別を必要としない範囲として必要なものである。また、波長分離デバイスの波長分離特性から隣接する波長帯の間隔を中心波長１３１２．５ｎｍの１％とすることにより、中心波長の間隔は、上記のように２４．５ｎｍにする必要があるものである。
【００５４】
本実施の形態においては、金型１１の曲率半径ｒを１８ｍｍとした。また、波長λを１３１２．５ｎｍ（１．３１２５μｍ）とし、回折次数ｍを３としたため、格子定数ｄを３．９４μｍとした。
【００５５】
本実施の形態では、３次の回折光を用いたが、高次の回折光を用いることにより、格子定数ｄが大きくなり、格子溝１０の本数が少なくなるので、金型の加工が容易になると共に、回折効率の偏光依存性を小さくすることができる。
【００５６】
しかし、回折次数ｍが大きくなると、回折効率の波長依存性が大きくなると共に、ピークの回折効率も低下するので、用いる回折次数ｍは２〜４が望ましい。
【００５７】
次に波長多重信号光をクロストークなく分離するための条件について示す。
【００５８】
図１に示す回折格子５で回折された光ビーム６が受光位置で十分に集光されないと、隣接するチャネルに光が漏れ込み、クロストークが生じる。受光側の集光点における光ビーム６の拡がりを決めるパラメータとして、光ファイバ２のコア径、光学系倍率がある。また、回折格子５の分解能、光学系の収差・回折等により、さらにビーム径が広がる。さらに、図示しない送信側の光源発振波長のばらつきによって光ビーム６の集光位置そのものが変動することもクロストークの原因となる。上記要因のうち、回折格子５の分解能による光ビーム６の拡がりは、光ビーム６が照射される範囲に含まれる回折格子５の格子溝１０の本数の逆数に比例する。
【００５９】
本実施の形態のように、隣接する波長チャネルの間隔が中心波長の１％である場合には、回折格子５の格子溝１０の本数を１００本以上とすることが望ましく、回折格子５の格子溝１０の本数を５００本以上とすることにより、回折格子５の分解能による拡がりは送信側の光源発振波長のばらつきに比べて十分に小さくなる。
【００６０】
本実施の形態では、格子定数ｄを５μｍ以下とすれば、回折格子５の分解能による拡がりは無視できる。従って、クロストークを抑えるには、光ファイバ２のコア直径Ｄ、光学系倍率Ｂに対して、受光部において隣接する波長帯で集光ビーム６が重なり合わない条件を満たす必要があり、その条件は数２式で表される。
【００６１】
【数２】
ＤＢ／ｐ＋ｄλ／（δλ）＜１
但し、ｐは光検出器アレイ８のピッチ、δλは波長間隔、ｄλは光源波長の許容ばらつきをそれぞれ示す。特に本実施の形態においては、数３式を満たす必要がある。
【００６２】
【数３】
ＤＢ／ｐ＜０．５３５
また、光検出器アレイ８の各光検出器のピッチｐは数４式を満たす必要がある。
【００６３】
【数４】
ｐ＝ｍＬｄλ／（ｄｃｏｓθ）
但し、ｍは回折次数、ｄは格子ピッチ、θは回折角度、Ｌは回折格子５から集光位置（光検出器アレイ８の各受光面）までの距離をそれぞれ示す。倍率「１」において、シングルモード光ファイバ２からの波長多重信号光３が照射される回折格子５の格子溝１０の本数を１００本以上とするには、距離Ｌを１．８ｍｍ以上、格子溝１０の本数を５００本以上とするには距離Ｌを８．９ｍｍ以上とする必要がある。
【００６４】
また、数４式より回折角度θを大きくすることにより、所望の出射口ピッチｐを得る回折格子５から集光位置までの距離Ｌを短縮することができる。
【００６５】
図４は本発明の回折格子を作製するための金型を加工する加工機の模式図である。
【００６６】
この加工機２０は、矢印２１ａ方向に回転する水平な回転中心軸２１を有する主軸台２２と、主軸台２２のワーク側面２２ａに径方向（図では上下方向）に移動自在に設けられ、金型となる少なくとも一対のワーク２３ａ、２３ｂを保持する少なくとも一対の移動ステージ２４ａ、２４ｂと、主軸台２２の中心に各移動ステージ２４ａ、２４ｂ側に対して約４５度傾斜して配置された少なくとも一対のワーク側ミラー２５ａ、２５ｂと、主軸台２２の回転中心軸２１のワーク側の延長線上に約４５度傾斜して配置されたレーザビーム側ミラー２６と、ワーク側ミラー２５ａ、２５ｂ及びレーザビーム側ミラー２６で少なくとも一対のレーザビーム２７ａ、２７ｂを反射させて各移動ステージ２４ａ、２４ｂの主軸台２２に対する径方向（矢印２８ａ、２８ｂ方向）の移動量を検出する図示しない干渉計と、干渉計からの信号により各移動ステージ２４ａ、２４ｂを所定の量だけ移動させる移動ステージ移動手段（図示せず）と、各移動ステージ２４ａ、２４ｂに保持されたワーク２３ａ、２３ｂのうち、格子溝形成位置が設定されたワーク２３ａ（２３ｂ）に格子溝を形成するためのバイト２９と、バイト２９を保持すると共に主軸台２２の回転中心軸２１に平行な方向（矢印３０方向）に所定量だけ移動自在に保持する刃物台３１とで構成されている。
【００６７】
加工機２０は、干渉計で検出された移動量を用いてフィードバック制御することで、ワーク２３ａ（２３ｂ）に所望の格子溝形状が得られるように移動ステージ２４ａ、２４ｂの移動量を調整する。バイト２９から回転中心軸２１に降ろした垂線の長さが変わらないようにすることで、ワーク２３ａ（２３ｂ）に曲率半径の等しい円弧状の格子溝を形成することができる。また、本加工機２０を用いることにより曲率半径の小さな円筒面状の回折格子を加工することができ、凹面回折格子では加工の難しい小型の回折格子を得ることができる。さらに、移動ステージ２４ａ、２４ｂと刃物台３１との微動により、所望の格子溝形状を形成することができるので、回折格子の位置を合わせて最適なブレーズ角を有する回折格子を形成することができ、回折効率を大幅に向上させることができる。またさらに、本加工機２０を用いることにより、回折格子の格子定数も自由な値に加工することができるため、不等間隔の回折格子も作製することができる。つまり、等間隔の回折格子で生じる非点収差を補正するように、不等間隔回折格子を加工することができる。
【００６８】
本実施の形態では、移動ステージ２４ａ、２４ｂ及びワーク２３ａ、２３ｂが２つの場合を示したが、主軸台２２の回転による偏心や振動が生じないようにワーク２３ａ、２３ｂを配置すれば、加工数を増加させることができる。本加工機２０を用いることにより、同時に複数のワーク２３ａ、２３ｂを作製することができるので、光学ブロックを用いずに加工した回折格子をそのまま用いてデマルチプレクサを作製してもよい。
【００６９】
円筒面上に円弧状の格子パターンを加工する加工機は、本実施の形態に限定されるものではなく、例えば円筒面上に感光体を塗布し、入射位置と出射位置となる位置からレーザビームを照射して感光体に干渉縞が生じるように露光し、ホログラムを形成することにより回折格子を作製してもよい。ホログラム回折格子を用いることにより、収差が少なく、出射位置に十分に絞って集光することができる。また、図示しない３次元加工機を用いても本実施の形態のような円筒面状の回折格子を加工することができる。
【００７０】
図５は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図であり、図６は図５に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。尚、図１に示した実施の形態と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００７１】
図１に示した実施の形態との相違点は、波長分離デバイス４２が回折格子光学ブロック９ａと、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材としてのグレーティングレンズ４３とで構成されており、コーン型受光部４５を用いた点である。
【００７２】
図５に示す円筒面状の回折格子５ａは、図６に示す円筒面状の回折格子金型４１を精密ＮＣ旋盤（図示せず）を用いて加工したものである。回折格子５ａを形成するための格子溝４０は、精密ＮＣ旋盤の回転軸を中心とする円弧形状となり、格子溝４０ごとに曲率半径Ｒが異なっている。
【００７３】
図６に示す金型４１の格子溝４０の中心の円弧の曲率半径Ｒを円筒面の曲率半径ｒ（図３（ａ）参照）に等しくなるように回転中心を定めた。格子定数ｄも回折格子５ａの中心において数１式を満たすように定めた。
【００７４】
図５に示す波長合分波器としてのデマルチプレクサにおいては、回折格子５ａの格子溝１０ａの円弧の曲率半径がその位置によって変化するため、この曲率半径の変化をグレーティングレンズ４３を用いて補正した。光ファイバ２からの波長多重信号光３は、入出射光学ブロック４４に入射し、グレーティングレンズ４３を通って回折格子光学ブロック９ａに入射する。回折格子光学ブロック９ａに入射した入射光は、回折格子５ａによって波長ごとに異なった回折角度をもって回折される。回折された光ビーム６は、非対称シリンドリカルレンズとして作用するグレーティングレンズ４３で回折格子による収差が補正され、入出射光学ブロック４４に入射し、波長ごとにコーン型受光部４５の異なった位置に集光される。分離・集光された光ビーム６は、コーン型受光部４５を介して波長ごとに受光部を有する光検出器アレイ８に入射し、検出される。
【００７５】
回折格子光学ブロック９ａ及び入出射光学ブロック４４からなる波長分離デバイス４２は、透明ポリマ材料を用いて射出成型により作製した。射出成型の際に、回折格子５ａは回折格子光学ブロック９ａに、グレーティングレンズ４３は入出射光学ブロック４４に一体的に形成した。回折格子５ａの表面に金、銀等の金属膜を蒸着し、反射面とした。グレーティングレンズ４３は、回折格子５ａで生じる収差を補正するためのものであり、レンズのパワー（倍率）は小さくてよい。グレーティングレンズ４３は回折格子５ａの格子溝１０ａの補正量が位置によって異なるため、補正量に合わせてレンズの焦点距離を変化させた非対称なグレーティングレンズとした。グレーティングレンズ４３はグレーティングのピッチを狭めていくことにより、非対称化することができる。グレーティングレンズ４３は焦点距離が長く、グレーティングのピッチが広いので作製しやすい。
【００７６】
このデマルチプレクサにおいては、回折格子光学ブロック９ａが空気層を介して入出射光学ブロック４４に固定されている。回折格子光学ブロック９ａを入出射光学ブロック４４に固定する際に、光検出器アレイ８に入射する光量が大きくなるように、回折格子光学ブロック９ａと入出射光学ブロック４４との相対位置を調整した。グレーティングレンズ４３の焦点距離は長いので、回折格子光学ブロック９ａと入出射光学ブロック４４とを屈折率の異なる材料を用いて作製し、回折格子光学ブロック９ａと略等しい屈折率を有する接着剤を用いて接合してもよい。
【００７７】
また、本デマルチプレクサは、対称なグレーティングレンズを光ビーム６に対して傾斜して配置することで、非対称性を生じさせてもよい。
【００７８】
本実施の形態においては、グレーティングレンズ４３を非対称シリンドリカルレンズとして用いたが、曲率半径の違いによる集光点の拡がりが問題とならない場合は、グレーティングレンズ４３を用いる必要はない。
【００７９】
本デマルチプレクサは、グレーティングレンズ４３を用いるため、光ファイバ２、光検出器アレイ８を固定したコーン型受光部４５を入出射光学ブロック４４に固定することができ、さらに、入出射光学ブロック４４と回折格子光学ブロック９ａとを一体化することにより、波長分離デバイス４２を一体構造とすることができ、調整が容易となると共に、長期安定性が向上する。
【００８０】
図７は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【００８１】
この波長合分波器としてのデマルチプレクサは、図５に示したデマルチプレクサと同様の回折格子５ａを用いており、図５に示したグレーティングレンズ４３の代わりに、焦点位置が入射光の光軸と交差する方向に入射光の波長に応じて変化する光学部材としての非対称シリンドリカルミラー５０を用いていることを特徴とする。
【００８２】
このデマルチプレクサは、回折格子５ａの格子溝の曲率半径の変化を補正するために非対称シリンドリカルミラー５０を用いたものである。光ファイバ２からの波長多重信号光３は、入出射光学ブロック５１に入射し、非対称シリンドリカルミラー５０で反射し、回折格子光学ブロック５２に入射する。回折格子光学ブロック５２に入射した波長多重信号光３は、回折格子５ａによって波長ごとに異なった回折角度をもって回折される。回折された光ビーム６は、入出射光学ブロック５１に入射し、非対称シリンドリカルミラー５０で反射して、回折格子５ａによる収差が補正され、波長ごとに異なった位置に集光される。分離・集光された光ビーム６は、受光導波路アレイ７ａを介して、波長ごとに受光部を有する光検出器アレイ８に入射し、検出される。
【００８３】
回折格子５ａが形成された回折格子光学ブロック５２からなる波長分離デバイス５３及び入出射光学ブロック５１は、透明ポリマ材料を用いて射出成型により作製した。成型の際に、回折格子５ａは回折格子光学ブロック５２に、非対称シリンドリカルミラー５０は入出射光学ブロック５１にそれぞれ一体的に形成した。非対称シリンドリカルミラー５０には、多層膜ミラーまたは金属膜を蒸着し反射ミラーとした。回折格子５ａからの回折光の収差補正量が集光位置によって異なるため、補正量に合わせて曲率が非対称になるように形成した。
【００８４】
本実施の形態のように、非対称シリンドリカルミラー５０を用いて収差を補正することにより、光路中に屈折率の異なる界面が存在せず、界面での反射損失が発生しないようにすることができるため、光損失を低減することができる。
【００８５】
入出射光学ブロック５１は、シリンドリカルミラー５０の代わりに、シリンドリカルレンズを用いてもよい。シリンドリカルレンズを用いても、レンズの曲率半径が大きいため作製が容易である。この場合には、界面に反射防止膜を設けることにより、反射損失を低減することができる。
【００８６】
図８は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図であり、図９は図８に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。
【００８７】
図８に示した波長合分波器としてのデマルチプレクサは、格子間隔を連続的に変化させてチャープ化した平面回折格子（チャープ型回折格子）６０の集光作用を利用したものである。
【００８８】
このデマルチプレクサは、平面回折格子６０を多数に分割し、各分割領域内で格子溝を平行な直線状の溝とし、分割領域ごとに格子溝の傾きを変化させることで近似的に円弧状に湾曲させた回折格子を有する。すなわち、回折格子光学ブロック６１に多数の平面回折格子の格子溝６４ａ〜６４ｆが形成された波長分離デバイス６２に光ファイバ２及び受光導波路アレイ７を接続し、受光導波路アレイ７に光検出器アレイ８を接続したものである。
【００８９】
図８に示す波長分離デバイス６２は、図９に示した金型６３を用いて作製したものである。この金型６３は、多数の平行な直線で格子溝６４ａ〜６４ｆを形成した分割回折格子金型６５ａ〜６５ｆを組み合わせて、所望の円弧形状を近似した格子溝としたものである。直線状の格子溝６４ａ〜６４ｆを有するチャープ型回折格子６０は、いわゆるルーリングエンジンを用いて作製することができるため、ピッチの精度のよい格子を形成することができる。傾斜している部分の金型は、金型用部材を所望の角度に傾斜させて格子溝を形成してもよく、また、大きめの金型部材に格子溝を形成した後、所望の角度となるように切り出してもよい。
【００９０】
本実施の形態においては、分割回折格子金型６３の格子溝６４ａ〜６４ｆを厳密に一致させて接続する必要はなく、必要な集光特性が得られる範囲で位置ずれがあってもよい。本実施の形態においては、回折格子を平面上に形成することができ、金型を用いた成型が容易である。
【００９１】
連続して円弧状の回折格子が得られる場合には、本実施の形態のように回折格子を分割する必要はなく、連続した回折溝とすればよい。例えば、格子の断面形状に合わせてドーズ量を制御した電子ビームでレジストを露光し、露光量の違いによるエッチング量の違いを利用して三角形の断面形状を有する回折格子を形成してもよい。この場合は、回折格子溝が円弧状になるように露光位置を制御すればよい。あるいは、３次元加工機を用いても円弧状で三角形断面形状の回折格子を加工することができる。
【００９２】
図１０は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【００９３】
本波長合分波器としてのデマルチプレクサは、平行な直線状格子溝を有しチャープ化した平面回折格子７０を用いたものである。この平面回折格子７０は、格子溝に平行な方向には集光特性がないため、シリンドリカルレンズ７１ａ、７１ｂを用いて集光するようになっている。
【００９４】
光ファイバ２から広がって出射される波長多重信号光３は、入出射光学ブロック７２に入射し、入出射光学ブロック７２に一体的に形成されたシリンドリカルレンズ７１ａから平面回折格子７０の格子溝方向について略平行化されて出射され、平面回折格子７０に入射する。
【００９５】
入出射光学ブロック７２は、入射側の矩形断面形状の光学ブロックと出射側の三角断面形状の光学ブロックとが所定の角度θだけ傾斜した状態で一体化されたものである。角度θは平面回折格子７０と入出射光学ブロック７２との間の距離と、光ファイバ２の光軸と平面回折格子７０との間の角度と、光検出器アレイ７４の位置とで決定される。入出射光学ブロック７２の出射側が三角断面形状となっているのは、平面回折格子７０からの光ビーム６が受光導波路アレイ７３に入射する際に余分な光が入るのを除去するためである。
【００９６】
平面回折格子７０に照射された波長多重信号光３は、波長ごとに異なった回折角度をもって回折される。平面回折格子７０で回折された光ビーム６は、平面回折格子７０の格子溝に垂直な面内において平面回折格子７０のチャーピングにより集光される。平面回折格子７０の格子溝の方向については、シリンドリカルレンズ７１ｂで集光されて再び入出射光学ブロック７２に入射し、波長ごとに異なった位置に集光されるように設定されている。分離・集光された光信号６は、受光導波路アレイ７３を介して、波長ごとに受光部を有する光検出器アレイ７４に入射し、光検出器アレイ８で検出される。
【００９７】
本実施の形態においては、入出射光学ブロック７２にシリンドリカルレンズ７１ａ、７１ｂを一体的に形成し、入射用の光ファイバ２及び受光導波路アレイ７３を入出射光学ブロック７２に固定することで、平面回折格子７０以外の光学部材を一体化することができる。
【００９８】
従って、この入出射光学系を予め組み立てておき、所望の分波特性が得られるように入出射光学系と平面回折格子７０との相対位置を調整することができるため、組立・調整が容易となる。シリンドリカルレンズ７１ａ、７１ｂは、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材であればよく、シリンドリカルミラー等を用いてもよい。
【００９９】
図１１は本発明の回折格子の格子位置、格子定数及びブレーズ角間の関係を示す図であり、左縦軸が格子周期を示し、右縦軸がブレーズ角を示し、横軸が格子位置を示している。
【０１００】
ルーリングエンジンを用いて光学ブロックを平面回折格子に加工することにより、回折格子を複数の領域に分割することができ、分割された領域内では一定のブレーズ角で加工し、領域ごとにブレーズ角を変化させることによって回折効率の向上を図ることができる。
【０１０１】
図１１において、正反射条件として示したのは、回折格子への入射光線がブレーズ面で正反射する方向と回折方向とが一致するブレーズ角であり、一般には両者が一致するブレーズ角度にすると、回折効率が高いとされるブレーズ角度である。
【０１０２】
波長多重信号光のＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率の差を抑えて、全体の回折効率を大きくするために、分割された回折格子の各領域の中心での正反射条件から決まるブレーズ角より２〜１０°大きなブレーズ角とした。この差は、格子定数が小さい程大きくすることが望ましい。さらに回折格子の格子定数ｄが小さくなると、回折格子に入射する波長多重信号光のＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率の差が大きくなるため、領域ごとにこの差が小さく、かつ、回折効率が高くなるように利用する回折次数を選択した。
【０１０３】
格子定数の大きな領域では−１次の回折光を用い、格子定数ｄの小さな領域では−２次の回折光を用いるように途中から不連続に格子定数ｄを２倍とした。このように格子定数ｄが小さい場合には、高次の回折光を用いることが望ましく、おおよそ入射波長程度以下の格子定数ｄで高次の回折光を用いることが望ましい。隣接する領域で回折次数ｍが等しい場合には、領域を跨っても連続的に格子定数ｄがチャーピングするように加工することにより、所望の位置に回折した光ビームが集光するようにした。この回折次数ｍの切換は、ブレーズ角の切換位置で行うことにより、回折格子の分割数を増加することなく、格子定数ｄを切り換えることができる。
【０１０４】
図１１を作成するために用いた回折格子は、領域の分割数を６としたが、分割数は多くするほど、理想的なブレーズ角度分布とすることができる。
【０１０５】
図１２は本発明の回折格子の分割数と損失との関係を示す図であり、横軸が分割数を示し、縦軸が損失を示している。
【０１０６】
同図より、回折格子の分割数を４以上とすると損失が低下し、分割数が６以上では略損失は一定となっていることが分かる。このように分割数を大きくしても、ある一定の分割数を超えると損失の低下は顕著ではなくなる。しかも、分割数をあまり多くすると、ブレーズ角を変更する回数も増加し、加工精度が低下して損失が低下するおそれがある。
【０１０７】
従って、分割数は４〜９が望ましく、特に６〜９が望ましい。領域の相対的な位置ずれ誤差は、集光位置でのスポット径の増加となる。スポット径は、おおよそ、位置ずれの２倍だけ増加するため、各位置ずれ誤差を２０μｍ以下とし、全体で５０μｍ以下とすれば他の要因によるスポット径増加と同程度以下となり、望ましい。
【０１０８】
回折格子溝を平面上に加工する場合には、回折格子溝の加工において領域の接続部での平面方向及び垂直方向の位置ずれが生じにくく、精度よく加工することができる。
【０１０９】
図１３は本発明の回折格子の平均損失の波長依存性を示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が平均損失を示す。
【０１１０】
同図より、平均損失の偏光依存性が小さく、波長依存性も小さいことが分かる。平均損失は１．５ｄＢ以下であり、７０％以上の回折効率が得られる。本実施の形態では、ブレーズ角、回折次数を変化させることにより、チャープによる焦点距離を短くしても回折格子の損失を低減し、偏光依存性も小さくすることができる。
【０１１１】
図１３を作成するために用いた回折格子においては、空気を介して平面回折格子に光が入射するようにしたが、樹脂等の光学媒体から回折格子に光が入射するようにしてもよい。この場合は、光学媒体の屈折率に合わせて、格子定数を変更すればよく、またブレーズ角も回折効率が高くなるように調整することが望ましい。
【０１１２】
このように、回折格子を領域分割し、領域ごとにブレーズ角と格子定数とを変化させて回折効率を大きくさせることは、図８、図９に示した回折格子にも適用することができるものである。
【０１１３】
ここまで、本発明の波長合分波器としてのデマルチプレクサの波長分離について説明したが、本発明の波長合分波器は光検出器を配置した側に光源アレイを設けることにより光を合波するマルチプレクサとしても用いることができる。
【０１１４】
図１４は本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの一実施の形態を示す断面図である。
【０１１５】
本実施の形態ではテーパ導波路８０のアレイを結合部で結合した形状とした。テーパ導波路８０及びテーパ導波路８０の結合部８１は、樹脂の射出成型により一体的に形成した。テーパ導波路８０は、樹脂と空気との界面での全反射を用いて光を光検出器アレイ８２に結合するものとした。テーパ導波路８０の入射側（図では上側）に入射した光ビームは、樹脂と空気との界面（周面）で反射を繰り返し、光ビーム径が小さくなって出射側（この場合下側）の光検出器アレイ８２で検出される。テーパ導波路８０の入射側のコーン径は、波長変動による集光位置の変動及び集光ビームの拡がりによって決まる範囲よりも大きく定める。また、テーパ導波路８０の出射側のコーン径は光検出器アレイ８２の受光部の径内に収まる大きさとする。本実施の形態では、高速な光信号を受光するように受光径を８０μｍとし、入射側は波長分離ピッチに合わせて２５０μｍとしたが限定されるものではない。
【０１１６】
図１５は図１４に示したテーパ導波路の長さと光損失との関係を示す図であり、縦軸が損失を示し、横軸が導波路長さを示す。
【０１１７】
入射ビームの位置が入射部の中央と周辺とを示す。損失は入射ビームの位置によっても変化するが、テーパ長を０．５ｍｍ以上とすれば、損失は略一定となり、望ましい。
【０１１８】
図１４に示すテーパ導波路８０はテーパ導波路８０の材料よりも屈折率の低い材料を用いてクラッドを形成してもよい。このテーパ導波路８０のコアとクラッドとの屈折率差、つまり導波路の開口数は０．５以上が望ましい。さらに、クラッドの外側に金属膜を形成することで、仮に光ビームの角度がコアとクラッドとの界面の臨界角を超えてクラッドを透過しても金属膜で反射して光検出器に至るため、検出効率を向上させることができる。
【０１１９】
図１６は本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの他の実施の形態を示す断面図である。
【０１２０】
本実施の形態は、平板状の保持部材９０にコーン型受光部９１を形成したものである。コーン型受光部９１を有する保持部材９０は、樹脂の射出成型により形成したものである。コーン型受光部９１内には金属膜９２を蒸着し反射面とした。９３は光検出器アレイであり、９４は光検出器アレイ９３の受光部である。保持部材９０、コーン型受光部９１及び金属膜９２で受光導波路アレイ９５が形成されている。
【０１２１】
図１７は図１６に示した受光導波路アレイにおけるコーン型受光部の長さと光損失との関係を示し、縦軸は損失を示し、横軸はコーン長を示す。
【０１２２】
入射ビームの位置が入射部の中央と周辺とを示す。損失は入射ビームの位置によっても変化するが、おおよそ０．７〜０．８ｍｍで損失は最小となる。コーン長０．５〜１．７ｍｍとすれば損失は０．４ｄＢ以下となり、望ましい。
【０１２３】
図１８は本発明の波長多重信号光伝送モジュールの一実施の形態を示す構成図である。
【０１２４】
同図に示す波長多重信号光伝送モジュール１００は、受信部１０１、送信部１０２及び光コネクタ１０３が１枚の基板１０４上に設けられたものである。
【０１２５】
受信部１０１は、外部からの波長多重信号光を分離する波長合分波器としてのデマルチプレクサ１０５と、デマルチプレクサ１０５で分離された光ビームを受光して電気信号に変換する光検出器アレイ１０６と、光検出器アレイ１０６からの電気信号を増幅、波形整形する受信回路１０７と、受信回路１０７からのパラレル信号をシリアル信号に変換するパラレル−シリアル変換回路１０８とで構成されたものである。
【０１２６】
送信部１０２は、外部からのシリアル信号をパラレル信号に変換するシリアル−パラレル変換回路１０９と、シリアル−パラレル変換回路１０９からのパラレル信号よりレーザダイオードアレイ１１０を駆動する信号を発生する送信回路１１１と、送信回路１１１からの駆動信号により異なる波長で駆動するレーザダイオードアレイ１１０と、レーザダイオードアレイ１１０からの波長の異なる光ビームを合波して波長多重信号光とするマルチプレクサ１１２とで構成されたものである。
【０１２７】
受信部１０１の波長分離デバイス１０５と光コネクタ１０３との間はマルチモード光ファイバ１１３で接続され、送信部１０２のマルチプレクサ１１２と光コネクタ１０３との間はシングルモード光ファイバ１１４で接続されている。
【０１２８】
１１５ａ、１１５ｂは伝送用光ファイバである。
【０１２９】
次に本波長多重信号光伝送モジュール１００の動作について説明する。
【０１３０】
受信用の伝送用光ファイバ１１５ａを伝搬してきた波長多重信号光は、伝送用光ファイバ１１５ａに突き合わされたマルチモード光ファイバ１１３に入射し、本発明の波長合分波器としてのデマルチプレクサ１０５で波長ごとに分離されて光検出器アレイ１０６で検出される。検出された信号は、受信回路１０７で増幅、波形整形される。さらに、パラレル−シリアル変換回路１０８でパラレル信号をシリアル信号に変換して出力する。
【０１３１】
本波長多重信号光伝送モジュール１００が送信する場合には、入力されたシリアル信号をシリアル−パラレル変換回路１０９でパラレル信号に変換し、送信回路１１１で信号ごとにレーザダイオードアレイ１１０の各光源を駆動し、波長の異なる光信号とする。各光信号は、シングルモードの光カプラで構成されるマルチプレクサ１１２で多重化され、波長多重信号光としてシングルモード光ファイバ１１４に出力する。波長多重信号光はシングルモード光ファイバ１１４を通して、送信用の伝送用光ファイバ１１５ｂに入射される。
【０１３２】
本波長多重信号光伝送モジュール１００は、シングルモード光ファイバ１１４及びマルチモード光ファイバ１１３を用いて伝送用光ファイバ１１５ａ、１１５ｂと結合しているので、伝送用光ファイバ１１５ａ、１１５ｂにはマルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバのいずれも用いることができる。
【０１３３】
本実施の形態では、シングルモード光ファイバ１１４にコア径６２．５μｍのＧＩ（グレーデッドインデックス）型マルチモード光ファイバを用いているため、伝送用光ファイバ１１５ａ、１１５ｂとしてシングルモード光ファイバ、コア径５０μｍ及び６２．５μｍのマルチモード光ファイバ等を用いることができる。
【０１３４】
本実施の形態においては、１波長で２．５Ｇｂｐｓの速度で光信号を送信し、４波長で１０Ｇｂｐｓの伝送速度とした。この伝送速度において、多重化された各信号をエラーレート１０−１２以下で受信するためには、光検出器アレイ１０６における受光量を−２０ｄＢｍ以上とする必要がある。また、光ファイバからの信号は、光ファイバを伝送する際に減少し、最小の出力は−１６．５ｄＢｍとなる。
【０１３５】
従って、波長多重分離光デバイスにおける損失は、３．５ｄＢ以下とする必要があり、さらに、光ファイバを伝送することによる波形ひずみが１．５ｄＢ程度発生するため、波長多重分離光デバイスにおける損失は、２．０ｄＢ以下とすることが望ましい。
【０１３６】
本発明の波長合分波器としてのデマルチプレクサにおいては、損失が低減でき、優れた波長分離特性を得ることができた。従って、本実施の形態におけるように、２Ｇｂｐｓ以上の高速な波長多重信号光を分離・受信することができる。
【０１３７】
本実施の形態では、送信と受信との両方の機能を有する波長多重信号光伝送モジュールについて示したが、受信部のみを有する波長多重信号光伝送モジュールとしても同様の効果が得られる。
【０１３８】
以上において、本発明の回折格子により、ブレーズ角と格子定数とを不連続に変化させることで、小型で光損失が少なく光集光特性を有する回折格子及びこの回折格子を用いた小型のデマルチプレクサ、波長多重信号光伝送モジュールを提供することができる。
【０１３９】
また、本発明の回折格子により、平面又は円筒面上に集光特性を有する回折格子を形成することにより、曲率半径が小さく、かつ、球面上に形成した凹面回折格子と同等の機能を有する小型の凹面回折格子及びこの回折格子を用いた小型のデマルチプレクサや波長多重信号光伝送モジュールを提供することができる。
【０１４０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折格子を用いた波長合分波器の一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】図１に示した波長合分波器に用いられる回折格子の回折格子面の成型に用いた金型を示す外観斜視図である。
【図３】（ａ）は図２に示した金型の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図４】本発明の回折格子を作製するための金型を加工する加工機の模式図である。
【図５】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図である。
【図６】図５に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。
【図７】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図８】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図である。
【図９】図８に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。
【図１０】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図１１】本発明の回折格子の格子位置、格子定数及びブレーズ角間の関係を示す図である。
【図１２】本発明の回折格子の分割数と損失との関係を示す図である。
【図１３】本発明の回折格子の平均損失の波長依存性を示す図である。
【図１４】本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの一実施の形態を示す断面図である。
【図１５】図１４に示したテーパ導波路の長さと光損失との関係を示す図である。
【図１６】本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの他の実施の形態を示す断面図である。
【図１７】図１６に示した受光導波路アレイにおけるコーン型受光部の長さと光損失との関係を示す図である。
【図１８】本発明の波長多重信号光伝送モジュールの一実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 波長分離デバイス
２ 光ファイバ
３ 波長多重信号光
４ 入射部
５ 回折格子
６ 光ビーム
７ 受光導波路アレイ
８ 光検出器アレイ
９ 回折格子光学ブロック
１０ 格子溝
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭５９−１７０８１５号公報に、球面上に回折格子が形成された凹面回折格子を用い、入力用光ファイバから入力された光信号を凹面回折格子で回折し、入力された光信号を複数の出力用光ファイバに分波する回折格子型分波器が開示されている。
【０００３】
同様な凹面型回折格子を用いた技術として、アプライドオプティクス誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）１９巻３５８８ページ（１９８０年）に、スラブ導波路を伝搬（伝播）させた波長多重ビームを凹面型回折格子で集光・分離する光学デマルチプレクサ（デマルチプレクサ）が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の分波器・光学デマルチプレクサに用いられた凹面回折格子はルーリングエンジン（高密度刻線機、ダイヤモンド工具により、被加工体の表面に微細な溝「マイクログローブ」をナノメートルオーダで制御して加工できる微細加工装置である。）を用いて作製されていたため、凹面回折格子を形成する球面の曲率半径を小さくすることができなかった。そのため、凹面回折格子を用いた光分波器も大きくなるという問題があった。また、ルーリングエンジンで回折格子を加工する場合、入射角度に合わせてブレーズ角度を変えることができず、回折効率が低くなる（損失が大きくなる）という問題があった。そのため、従来の光学デマルチプレクサでは、回折格子を３領域に分割し、各領域内ではブレーズ角を一定とし、領域ごとにブレーズ角を変えることにより回折効率の向上を図っていた。
【０００５】
しかしながら、凹面形状の回折格子において領域ごとにブレーズ角を変えて加工する場合、領域を精密に接続することが難しく、凹面回折格子の集光特性の劣化が起こりやすいという問題があった。また、いわゆるチャープ回折格子のように格子定数が変化するような回折格子においては、領域に分割してブレーズ角を変えることによる回折効率の向上は不十分であった。
【０００６】
またさらに、従来の光学デマルチプレクサにおけるように、スラブ導波路を用い一方向の光を閉じ込めることにより、この光閉じ込め方向に対して凹面の曲率を大きくすることができ、回折格子に曲率を持たせずに平面とすることもできる。
【０００７】
しかし、この光閉じ込め方向に対して回折格子に角度をもって入射した光線は入射角度によって回折方向が変化するため、拡がり角度の大きな光信号が入射した場合には分波した光信号を十分に小さな範囲に集光できず、隣接する波長チャネルとのクロストークが生じるという問題があった。特に、マルチモード光ファイバを用いて光信号を入射した場合には、出射ビームの拡がり角が大きいため、特に問題であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、円筒面上に形成された複数の格子溝からなる回折格子であって、各格子溝が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置しているものである。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、格子溝の円弧の曲率半径が互いに略等しいのが好ましい。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、格子溝の円弧の曲率半径が円筒面の曲率半径に略等しいのが好ましい。このように構成することにより、同一の曲率半径・格子定数を有する凹面回折格子と同等の集光特性を得ることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、複数の格子溝がブレーズ化された回折格子において、各格子溝のブレーズ角が不連続部を有すると共に、格子定数の不連続部を有するものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４に記載の構成に加え、格子定数の不連続部がブレーズ角の不連続部と一致していてもよい。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項５に記載の構成に加え、格子溝が略平面上に形成され、格子定数の不連続部間において格子定数が連続的に変化するチャープ型回折格子であってもよい。このように構成することにより、回折格子に集光性を持たせることができる。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項４から６のいずれかに記載の構成に加え、ブレーズ角が不連続に変化した領域を４箇所以上有するのが好ましい。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項４から７のいずれかに記載の構成に加え、各格子溝が各格子溝を横切る方向に分割され、各格子溝が略円弧形状に並ぶように各格子溝の方向が分割領域ごとに変化しているのが好ましい。
【００１７】
請求項９の発明は、波長多重信号光が入射される光入射部と、光入射部からの波長多重信号光を分離する回折格子と、回折格子で分離された光ビームを検出する複数の光検出器とを有する波長合分波器において、請求項１から８のいずれかに記載の回折格子を用いたものである。
【００１８】
請求項１０の発明は、波長多重信号光が入射される光入射部と、光入射部からの波長多重信号光を分離する回折格子と、回折格子で分離された光ビームを検出する複数の光検出器とを有する波長合分波器において、回折格子は各格子溝が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置し、各格子溝の円弧の曲率半径が互いに略等しく、かつ、各光検出器で検出される波長多重信号光の各回折格子での回折次数をｍとし、格子定数をｄとし、各波長多重信号光の中心波長をλとすると数１式を満たすものである。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項９または１０に記載の構成に加え、回折格子が光学ブロックに一体的に形成されているか、あるいは固定されており、光学ブロックを通して回折格子に波長多重信号光が入射されるのが好ましい。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の構成に加え、光学ブロック及び回折格子の少なくとも一部がプラスチックからなるのが好ましい。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項９から１２のいずれかに記載の構成に加え、回折格子から光検出器への光路中に、回折格子で回折された光ビームを光検出器に絞り込むビーム縮小手段を設けるのが好ましい。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の構成に加え、ビーム縮小手段は、光検出器に向かって断面積が減少するテーパ形状を有するコアからなるのが好ましい。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項９から１４のいずれかに記載の構成に加え、波長多重信号光が入射される光ファイバから回折格子に至る光路中、あるいは回折格子から光検出器に至る光路中に、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材を設けてもよい。
【００２４】
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の構成に加え、光学部材は、焦点位置が入射光の光軸と交差する方向に入射光の波長に応じて変化するようにしてもよい。
【００２５】
請求項１７の発明は、波長多重信号光が入射される信号伝送用光ファイバとの接合部と、波長多重信号光を分離する波長合分波器と、波長合分波器で分離された光ビームを検出する光検出器アレイと、光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路とを有する波長多重信号光伝送モジュールにおいて、波長合分波器が請求項９から１６のいずれかに記載の波長合分波器であり、接合部がマルチモールド光ファイバで接続されているものである。このように構成することにより、光損失が少なく、小型の波長多重伝送光モジュールが得られる。
【００２６】
請求項１８の発明は、波長多重信号光が入射される信号伝送用光ファイバとの接合部と、波長多重信号光を分離する波長合分波器と、波長合分波器で分離された光ビームを検出する光検出器アレイと、光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路と、光源アレイと、光源アレイを駆動する送信回路と、光源アレイからの光信号を合波する他の波長合分波器とを有する波長多重信号光伝送モジュールにおいて、波長合分波器が請求項９から１６のいずれかに記載の波長合分波器であり、接合部と波長合分波器との間がマルチモード光ファイバで接続され、接合部と他の波長合分波器との間がシングルモード光ファイバで接続されているものである。このように構成することにより、光損失が少なく、小型の波長多重伝送光モジュールが得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２８】
図１は本発明の回折格子を用いた波長合分波器の一実施の形態を示す外観斜視図である。
【００２９】
この波長合分波器としてのデマルチプレクサは、光ファイバ２からの波長多重信号光３（矢印３ａ方向）が入射される光入射部４と、光入射部４からの波長多重信号光３を分離する円筒面状の回折格子５と、回折格子５で分離された回折光線（光ビーム）６（矢印６ａ方向）を受光導波路アレイ７を介して検出する複数の光検出器からなる光検出器アレイ８とを有するデマルチプレクサであって、回折格子光学ブロック９の円筒面上に形成された複数の格子溝１０からなり、各格子溝１０が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が円筒の周面上に周方向に一列に位置している回折格子５を用いたものである。
【００３０】
すなわち、このデマルチプレクサは、光ファイバ２、回折格子光学ブロック９に回折格子５が形成された波長分離デバイス１、受光導波路アレイ７及び光検出器アレイ８で構成されたものである。
【００３１】
波長多重信号光３が光ファイバ２から波長分離デバイス１の光入射部４に入射すると、波長多重信号光３は、回折格子５によって波長ごとに異なった回折角度をもって回折され、回折された光ビーム６はそれぞれ異なった位置（受光導波路アレイ７のいずれかの受光導波路）に集光される。集光された光ビーム６は、受光導波路アレイ７を介して、波長多重光信号３の各信号光の数に対応した数の受光部を有する光検出器アレイ８に入射し、検出され、電気信号として出力される。
【００３２】
このデマルチプレクサは、光ファイバ２として、例えばコア径が約６２．５μｍ、開口数が約０．２７５のＧＩ（グレーテッドインデックス）型マルチモード光ファイバが用いられている。光ファイバ２の一端（図では左端）は、回折格子光学ブロック９に接着固定されている（光入射部４）。但し、光ファイバ２を回折格子光学ブロック９に固定せずに波長分離デバイス１に着脱自在に挿入される光信号伝送用の光ファイバ（図示せず。）を用いてもよい。この着脱自在な光信号伝送用の光ファイバを用いる場合には、挿入ガイド（図示せず。）等を用いることにより、光コネクタ（図示せず。）に固定された光ファイバが引き抜かれても所定の位置に突き合わされるようにする必要がある。
【００３３】
図１に示した光ファイバ２の一端を回折格子光学ブロック９に固定することにより、光学特性の長期安定性を得ることができる。また、光ファイバ２の一端を波長分離デバイス１に固定した場合には、図示しない伝送用光ファイバを光ファイバ２の他端に突き合わせて波長分離デバイス１に波長多重信号光を入射すればよい。この場合、伝送用光ファイバの開口数及び径は、光ファイバ２の開口数及び径と等しいか小さければよい。
【００３４】
従って光ファイバ２と同じＧＩ（グレーテッドインデックス）型マルチモード光ファイバを光ファイバ２の他端に接続してもよく、ファイバ径・開口数の小さなシングルモード光ファイバを光ファイバ２の他端に接続してもよい。
【００３５】
受光導波路アレイ７は、光ビーム６の進行方向について入射側から出射側にむかって断面積が減少するテーパ形状とし、入射した光ビーム６を光検出器アレイ８に絞り込む導波路構造としている。入射光ビーム３を光検出器アレイ８まで効率よく伝搬させるためには、受光導波路アレイ７の開口数ＮＡは大きい方が望ましく、特に開口数ＮＡが０．５以上になるように受光導波路アレイ７のコア及びクラッドの屈折率を選択することが望ましい。さらに、クラッドの外側に金属膜を形成することで、仮に光ビーム６の角度がコアとクラッドとの界面の臨界角を超えて光ビーム６がクラッドを透過しても、金属膜で反射して光検出器アレイ８の各光検出器に至るため、検出効率を向上させることができる。
【００３６】
本実施の形態では、波長分離デバイス１の入射側の入射光径を直径約２５０μｍとし、出射側、すなわち光検出器アレイ８側の出射光径を直径約８０μｍとした。このように、受光導波路アレイ７を用いて波長分離した光ビーム６を光検出器アレイ８に絞り込むことにより、応答速度が速く、受光面積が小さな光検出器を用いることができ、高速な光通信に適用することができる。
【００３７】
本実施の形態のように、波長多重信号光３を回折格子光学ブロック９のような光学ブロックの中を伝搬させて回折格子５に照射する場合には、空気中に比べて回折格子光学ブロック９の屈折率が大きいため、光ファイバ２からの波長多重信号光３のビーム拡がり角は空気中での拡がり角よりも小さくなる。つまり、プラスチックやガラスの屈折率は１．５前後のものが多く、屈折率１．５の媒体を用いた場合には、ビーム拡がり角が空気中に比べて６７％小さくなるためである。
【００３８】
従って、回折格子光学ブロック９を通して回折格子５に波長多重信号光３を照射することは、回折格子５に入射するビーム拡がり角を低減する効果があり、デマルチプレクサを小型化することができるという効果が得られる。但し、光ファイバ２からの波長多重信号光３の拡がり角が小さい場合には、回折格子光学ブロック９を用いずに直接回折格子５に照射するようにしてもよい。
【００３９】
光検出器アレイ８には、受光部の直径約８０μｍの光検出器を４個約２５０μｍピッチで配置したものを用いた。受光導波路アレイ７に入射した光ビーム６が光検出器アレイ８の各受光部に効率よく結合するように受光導波路アレイ７の位置を調整し、受光導波路アレイ７を回折格子光学ブロック９に接着固定した。
【００４０】
尚、受光導波路アレイ７の代わりにレンズを用いても回折格子光学ブロック９からの光ビーム６を光検出器アレイ８に集光することができるため、受光導波路アレイ７に代えてレンズを用いてもよい。但し、受光導波路アレイ７を用いることにより、光検出器アレイ８を回折格子光学ブロック９と一体化することができるため、位置調整が容易となり、特性の長期安定性が期待できる。
【００４１】
このデマルチプレクサに用いられる回折格子光学ブロック９は、透明ポリマ材料を用いて射出成型により作製し、射出成型の際に回折格子５を一体的に形成したものである。回折格子５の格子面に金、銀、アルミ等の金属膜を蒸着して反射面とした。本実施の形態では金属膜を用いたが、金属膜の代わりに誘電体多層膜を用いてもよく、回折格子５と金属膜との間に誘電体膜を形成して反射率を向上させてもよい。
【００４２】
本実施の形態では、回折格子光学ブロック９の成型用ポリマ材料としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、屈折率１．４９）を用いた。その他、受光導波路アレイ７のコア材としては、ポリカーボネート（ＰＣ、屈折率１．５９）や、赤外波長においてより損失の少ないトリフルオロエチルメタクリレート樹脂（屈折率１．４０）等のフッ素化アクリル樹脂、６フッ化プロピレン／４フッ化エチレン／２フッ化ビニリデン共重合体（屈折率１．３６）、フッ素化ポリイミド（屈折率１．５５）等のフッ素系のプラスチック、重水素化したプラスチック材料等を用いることができる。これらフッ素系の材料を用いた場合には、波長１３００ｎｍ帯において０．１〜０．２ｄＢ／ｃｍ以下の伝送損失を実現でき、デマルチプレクサ１において２０ｍｍの伝送距離をとっても、０．２〜０．４ｄＢの損失に抑えることができる。
【００４３】
図２は図１に示した波長合分波器に用いられる回折格子の回折格子面の成型に用いた金型を示す外観斜視図である。図３（ａ）は図２に示した金型の正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。
【００４４】
デマルチプレクサ（図１参照）に用いられている回折格子５（図１参照）の格子溝１０（図１参照）の断面形状は、三角形のいわゆるエシェレット型であり、ブレーズ角は回折効率を大きくできるように入射光ビームの入射角に合わせて変化させている。このため、図２、３（ａ）、（ｂ）に示す金型１１の格子溝１２もエシェレット型形状を有しており、波長多重信号光の光ビーム３を金型１１の格子溝１２に照射すると、図２に示すように分離されて波長ごとに光ビーム６として反射される。
【００４５】
本実施の形態においては、波長多重信号光の波長中心においてＴＥ偏光（電場方向が格子溝と平行な偏光）と、ＴＭ偏光（電場方向が格子溝に垂直な偏光）との回折効率が略等しくなるようにブレーズ角度を定めた。このブレーズ角度は、回折効率をシミュレーションすることにより定めることができる。このようにＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率を略等しくすることにより、入射光ビームの偏光状態が変化しても検出光量の変動を小さくすることができる。光ファイバから無偏光あるいは円偏光が入射する場合には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との平均回折効率が最大となるようにブレーズ角を定めればよい。
【００４６】
次に図２及び図３（ａ）、（ｂ）を参照して回折格子の円弧形状について説明する。
【００４７】
回折格子５（図１参照）は、回折格子面内において円弧状に湾曲した格子溝１０を有することに特徴がある。各格子溝１０は各円弧の中心が回折格子５の円筒の周面上に周方向に一列に位置している。
【００４８】
このような回折格子５を作製するための図３（ａ）、（ｂ）に示す金型１１は、格子溝１０（図１参照）を形成するための円弧状の格子溝１２の円弧の曲率半径Ｒと、回折格子円筒面の曲率半径ｒとが略等しくなっている（Ｒ＝ｒ）。
【００４９】
ここで、回折格子５の中心での格子定数をｄとし、回折次数をｍとし、波長多重信号光の中心波長をλとし、数１式を満足するように回折格子５を形成した。また、円弧の中心は波長多重信号光３の入射位置の近傍に位置するようにした。このように円弧の曲率半径Ｒと、格子定数ｄとを定めることにより、回折格子５の格子溝１０の曲率半径Ｒの大きさによって生じる位相差は、曲率半径Ｒの球面上に形成した、いわゆる等間隔凹面回折格子と同等の集光特性を持たせることができることを見出した。但し、格子定数ｄは、等間隔凹面回折格子と同様に、円筒面の中心での平面に格子溝を投影した場合に等間隔になるようにした。
【００５０】
従って、このような金型１１を用いて作製したデマルチプレクサ（図１参照）において、回折格子５に接する直径Ｒのいわゆるローランド円上に波長多重信号光３の入射点を設定すると、回折した光ビーム６はローランド円上に集光されることになり、このローランド円上に受光導波路アレイ７の入射光ビーム６が位置するように配置すればよい。
【００５１】
このような金型１１を用いて作製されたデマルチプレクサにより、分光された波長多重信号光３の集光点がローランド円上に並ぶため、出射方向に対して垂直に近く並ぶようにすることができる。また、円弧の曲率半径Ｒと円筒面の曲率半径ｒとは厳密に等しくする必要はなく、所望の集光特性が得られる範囲とすればよい。また、波長多重信号光３の波長範囲の中で、格子定数ｄが数１式を満足すればよい。
【００５２】
本実施の形態においては、波長多重信号光３の中心波長１２７５．７ｎｍ、１３００．２ｎｍ及び１３４９．２ｎｍの４波長を分離する構成とした。これらの光信号の中心波長に対して、光源の製造・温度・スペクトル分布による波長ばらつきにより、最大±５．７ｎｍ変動するものとした。
【００５３】
従って隣接するチャネル間の波長間隔は約１３．１ｎｍであり、おおよそ伝送波長中心１３１２．５ｎｍの１％に設定した。これらの波長は伝送用光ファイバに用いられる石英コアの損失の少ない帯域にあり、低損失に光伝送できる範囲のものである。波長ばらつきは、光源の作製・特性により決まるものであり、特に厳しい光源の選別を必要としない範囲として必要なものである。また、波長分離デバイスの波長分離特性から隣接する波長帯の間隔を中心波長１３１２．５ｎｍの１％とすることにより、中心波長の間隔は、上記のように２４．５ｎｍにする必要があるものである。
【００５４】
本実施の形態においては、金型１１の曲率半径ｒを１８ｍｍとした。また、波長λを１３１２．５ｎｍ（１．３１２５μｍ）とし、回折次数ｍを３としたため、格子定数ｄを３．９４μｍとした。
【００５５】
本実施の形態では、３次の回折光を用いたが、高次の回折光を用いることにより、格子定数ｄが大きくなり、格子溝１０の本数が少なくなるので、金型の加工が容易になると共に、回折効率の偏光依存性を小さくすることができる。
【００５６】
しかし、回折次数ｍが大きくなると、回折効率の波長依存性が大きくなると共に、ピークの回折効率も低下するので、用いる回折次数ｍは２〜４が望ましい。
【００５７】
次に波長多重信号光をクロストークなく分離するための条件について示す。
【００５８】
図１に示す回折格子５で回折された光ビーム６が受光位置で十分に集光されないと、隣接するチャネルに光が漏れ込み、クロストークが生じる。受光側の集光点における光ビーム６の拡がりを決めるパラメータとして、光ファイバ２のコア径、光学系倍率がある。また、回折格子５の分解能、光学系の収差・回折等により、さらにビーム径が広がる。さらに、図示しない送信側の光源発振波長のばらつきによって光ビーム６の集光位置そのものが変動することもクロストークの原因となる。上記要因のうち、回折格子５の分解能による光ビーム６の拡がりは、光ビーム６が照射される範囲に含まれる回折格子５の格子溝１０の本数の逆数に比例する。
【００５９】
本実施の形態のように、隣接する波長チャネルの間隔が中心波長の１％である場合には、回折格子５の格子溝１０の本数を１００本以上とすることが望ましく、回折格子５の格子溝１０の本数を５００本以上とすることにより、回折格子５の分解能による拡がりは送信側の光源発振波長のばらつきに比べて十分に小さくなる。
【００６０】
本実施の形態では、格子定数ｄを５μｍ以下とすれば、回折格子５の分解能による拡がりは無視できる。従って、クロストークを抑えるには、光ファイバ２のコア直径Ｄ、光学系倍率Ｂに対して、受光部において隣接する波長帯で集光ビーム６が重なり合わない条件を満たす必要があり、その条件は数２式で表される。
【００６１】
【数２】
ＤＢ／ｐ＋ｄλ／（δλ）＜１
但し、ｐは光検出器アレイ８のピッチ、δλは波長間隔、ｄλは光源波長の許容ばらつきをそれぞれ示す。特に本実施の形態においては、数３式を満たす必要がある。
【００６２】
【数３】
ＤＢ／ｐ＜０．５３５
また、光検出器アレイ８の各光検出器のピッチｐは数４式を満たす必要がある。
【００６３】
【数４】
ｐ＝ｍＬｄλ／（ｄｃｏｓθ）
但し、ｍは回折次数、ｄは格子ピッチ、θは回折角度、Ｌは回折格子５から集光位置（光検出器アレイ８の各受光面）までの距離をそれぞれ示す。倍率「１」において、シングルモード光ファイバ２からの波長多重信号光３が照射される回折格子５の格子溝１０の本数を１００本以上とするには、距離Ｌを１．８ｍｍ以上、格子溝１０の本数を５００本以上とするには距離Ｌを８．９ｍｍ以上とする必要がある。
【００６４】
また、数４式より回折角度θを大きくすることにより、所望の出射口ピッチｐを得る回折格子５から集光位置までの距離Ｌを短縮することができる。
【００６５】
図４は本発明の回折格子を作製するための金型を加工する加工機の模式図である。
【００６６】
この加工機２０は、矢印２１ａ方向に回転する水平な回転中心軸２１を有する主軸台２２と、主軸台２２のワーク側面２２ａに径方向（図では上下方向）に移動自在に設けられ、金型となる少なくとも一対のワーク２３ａ、２３ｂを保持する少なくとも一対の移動ステージ２４ａ、２４ｂと、主軸台２２の中心に各移動ステージ２４ａ、２４ｂ側に対して約４５度傾斜して配置された少なくとも一対のワーク側ミラー２５ａ、２５ｂと、主軸台２２の回転中心軸２１のワーク側の延長線上に約４５度傾斜して配置されたレーザビーム側ミラー２６と、ワーク側ミラー２５ａ、２５ｂ及びレーザビーム側ミラー２６で少なくとも一対のレーザビーム２７ａ、２７ｂを反射させて各移動ステージ２４ａ、２４ｂの主軸台２２に対する径方向（矢印２８ａ、２８ｂ方向）の移動量を検出する図示しない干渉計と、干渉計からの信号により各移動ステージ２４ａ、２４ｂを所定の量だけ移動させる移動ステージ移動手段（図示せず）と、各移動ステージ２４ａ、２４ｂに保持されたワーク２３ａ、２３ｂのうち、格子溝形成位置が設定されたワーク２３ａ（２３ｂ）に格子溝を形成するためのバイト２９と、バイト２９を保持すると共に主軸台２２の回転中心軸２１に平行な方向（矢印３０方向）に所定量だけ移動自在に保持する刃物台３１とで構成されている。
【００６７】
加工機２０は、干渉計で検出された移動量を用いてフィードバック制御することで、ワーク２３ａ（２３ｂ）に所望の格子溝形状が得られるように移動ステージ２４ａ、２４ｂの移動量を調整する。バイト２９から回転中心軸２１に降ろした垂線の長さが変わらないようにすることで、ワーク２３ａ（２３ｂ）に曲率半径の等しい円弧状の格子溝を形成することができる。また、本加工機２０を用いることにより曲率半径の小さな円筒面状の回折格子を加工することができ、凹面回折格子では加工の難しい小型の回折格子を得ることができる。さらに、移動ステージ２４ａ、２４ｂと刃物台３１との微動により、所望の格子溝形状を形成することができるので、回折格子の位置を合わせて最適なブレーズ角を有する回折格子を形成することができ、回折効率を大幅に向上させることができる。またさらに、本加工機２０を用いることにより、回折格子の格子定数も自由な値に加工することができるため、不等間隔の回折格子も作製することができる。つまり、等間隔の回折格子で生じる非点収差を補正するように、不等間隔回折格子を加工することができる。
【００６８】
本実施の形態では、移動ステージ２４ａ、２４ｂ及びワーク２３ａ、２３ｂが２つの場合を示したが、主軸台２２の回転による偏心や振動が生じないようにワーク２３ａ、２３ｂを配置すれば、加工数を増加させることができる。本加工機２０を用いることにより、同時に複数のワーク２３ａ、２３ｂを作製することができるので、光学ブロックを用いずに加工した回折格子をそのまま用いてデマルチプレクサを作製してもよい。
【００６９】
円筒面上に円弧状の格子パターンを加工する加工機は、本実施の形態に限定されるものではなく、例えば円筒面上に感光体を塗布し、入射位置と出射位置となる位置からレーザビームを照射して感光体に干渉縞が生じるように露光し、ホログラムを形成することにより回折格子を作製してもよい。ホログラム回折格子を用いることにより、収差が少なく、出射位置に十分に絞って集光することができる。また、図示しない３次元加工機を用いても本実施の形態のような円筒面状の回折格子を加工することができる。
【００７０】
図５は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図であり、図６は図５に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。尚、図１に示した実施の形態と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００７１】
図１に示した実施の形態との相違点は、波長分離デバイス４２が回折格子光学ブロック９ａと、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材としてのグレーティングレンズ４３とで構成されており、コーン型受光部４５を用いた点である。
【００７２】
図５に示す円筒面状の回折格子５ａは、図６に示す円筒面状の回折格子金型４１を精密ＮＣ旋盤（図示せず）を用いて加工したものである。回折格子５ａを形成するための格子溝４０は、精密ＮＣ旋盤の回転軸を中心とする円弧形状となり、格子溝４０ごとに曲率半径Ｒが異なっている。
【００７３】
図６に示す金型４１の格子溝４０の中心の円弧の曲率半径Ｒを円筒面の曲率半径ｒ（図３（ａ）参照）に等しくなるように回転中心を定めた。格子定数ｄも回折格子５ａの中心において数１式を満たすように定めた。
【００７４】
図５に示す波長合分波器としてのデマルチプレクサにおいては、回折格子５ａの格子溝１０ａの円弧の曲率半径がその位置によって変化するため、この曲率半径の変化をグレーティングレンズ４３を用いて補正した。光ファイバ２からの波長多重信号光３は、入出射光学ブロック４４に入射し、グレーティングレンズ４３を通って回折格子光学ブロック９ａに入射する。回折格子光学ブロック９ａに入射した入射光は、回折格子５ａによって波長ごとに異なった回折角度をもって回折される。回折された光ビーム６は、非対称シリンドリカルレンズとして作用するグレーティングレンズ４３で回折格子による収差が補正され、入出射光学ブロック４４に入射し、波長ごとにコーン型受光部４５の異なった位置に集光される。分離・集光された光ビーム６は、コーン型受光部４５を介して波長ごとに受光部を有する光検出器アレイ８に入射し、検出される。
【００７５】
回折格子光学ブロック９ａ及び入出射光学ブロック４４からなる波長分離デバイス４２は、透明ポリマ材料を用いて射出成型により作製した。射出成型の際に、回折格子５ａは回折格子光学ブロック９ａに、グレーティングレンズ４３は入出射光学ブロック４４に一体的に形成した。回折格子５ａの表面に金、銀等の金属膜を蒸着し、反射面とした。グレーティングレンズ４３は、回折格子５ａで生じる収差を補正するためのものであり、レンズのパワー（倍率）は小さくてよい。グレーティングレンズ４３は回折格子５ａの格子溝１０ａの補正量が位置によって異なるため、補正量に合わせてレンズの焦点距離を変化させた非対称なグレーティングレンズとした。グレーティングレンズ４３はグレーティングのピッチを狭めていくことにより、非対称化することができる。グレーティングレンズ４３は焦点距離が長く、グレーティングのピッチが広いので作製しやすい。
【００７６】
このデマルチプレクサにおいては、回折格子光学ブロック９ａが空気層を介して入出射光学ブロック４４に固定されている。回折格子光学ブロック９ａを入出射光学ブロック４４に固定する際に、光検出器アレイ８に入射する光量が大きくなるように、回折格子光学ブロック９ａと入出射光学ブロック４４との相対位置を調整した。グレーティングレンズ４３の焦点距離は長いので、回折格子光学ブロック９ａと入出射光学ブロック４４とを屈折率の異なる材料を用いて作製し、回折格子光学ブロック９ａと略等しい屈折率を有する接着剤を用いて接合してもよい。
【００７７】
また、本デマルチプレクサは、対称なグレーティングレンズを光ビーム６に対して傾斜して配置することで、非対称性を生じさせてもよい。
【００７８】
本実施の形態においては、グレーティングレンズ４３を非対称シリンドリカルレンズとして用いたが、曲率半径の違いによる集光点の拡がりが問題とならない場合は、グレーティングレンズ４３を用いる必要はない。
【００７９】
本デマルチプレクサは、グレーティングレンズ４３を用いるため、光ファイバ２、光検出器アレイ８を固定したコーン型受光部４５を入出射光学ブロック４４に固定することができ、さらに、入出射光学ブロック４４と回折格子光学ブロック９ａとを一体化することにより、波長分離デバイス４２を一体構造とすることができ、調整が容易となると共に、長期安定性が向上する。
【００８０】
図７は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【００８１】
この波長合分波器としてのデマルチプレクサは、図５に示したデマルチプレクサと同様の回折格子５ａを用いており、図５に示したグレーティングレンズ４３の代わりに、焦点位置が入射光の光軸と交差する方向に入射光の波長に応じて変化する光学部材としての非対称シリンドリカルミラー５０を用いていることを特徴とする。
【００８２】
このデマルチプレクサは、回折格子５ａの格子溝の曲率半径の変化を補正するために非対称シリンドリカルミラー５０を用いたものである。光ファイバ２からの波長多重信号光３は、入出射光学ブロック５１に入射し、非対称シリンドリカルミラー５０で反射し、回折格子光学ブロック５２に入射する。回折格子光学ブロック５２に入射した波長多重信号光３は、回折格子５ａによって波長ごとに異なった回折角度をもって回折される。回折された光ビーム６は、入出射光学ブロック５１に入射し、非対称シリンドリカルミラー５０で反射して、回折格子５ａによる収差が補正され、波長ごとに異なった位置に集光される。分離・集光された光ビーム６は、受光導波路アレイ７ａを介して、波長ごとに受光部を有する光検出器アレイ８に入射し、検出される。
【００８３】
回折格子５ａが形成された回折格子光学ブロック５２からなる波長分離デバイス５３及び入出射光学ブロック５１は、透明ポリマ材料を用いて射出成型により作製した。成型の際に、回折格子５ａは回折格子光学ブロック５２に、非対称シリンドリカルミラー５０は入出射光学ブロック５１にそれぞれ一体的に形成した。非対称シリンドリカルミラー５０には、多層膜ミラーまたは金属膜を蒸着し反射ミラーとした。回折格子５ａからの回折光の収差補正量が集光位置によって異なるため、補正量に合わせて曲率が非対称になるように形成した。
【００８４】
本実施の形態のように、非対称シリンドリカルミラー５０を用いて収差を補正することにより、光路中に屈折率の異なる界面が存在せず、界面での反射損失が発生しないようにすることができるため、光損失を低減することができる。
【００８５】
入出射光学ブロック５１は、シリンドリカルミラー５０の代わりに、シリンドリカルレンズを用いてもよい。シリンドリカルレンズを用いても、レンズの曲率半径が大きいため作製が容易である。この場合には、界面に反射防止膜を設けることにより、反射損失を低減することができる。
【００８６】
図８は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図であり、図９は図８に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。
【００８７】
図８に示した波長合分波器としてのデマルチプレクサは、格子間隔を連続的に変化させてチャープ化した平面回折格子（チャープ型回折格子）６０の集光作用を利用したものである。
【００８８】
このデマルチプレクサは、平面回折格子６０を多数に分割し、各分割領域内で格子溝を平行な直線状の溝とし、分割領域ごとに格子溝の傾きを変化させることで近似的に円弧状に湾曲させた回折格子を有する。すなわち、回折格子光学ブロック６１に多数の平面回折格子の格子溝６４ａ〜６４ｆが形成された波長分離デバイス６２に光ファイバ２及び受光導波路アレイ７を接続し、受光導波路アレイ７に光検出器アレイ８を接続したものである。
【００８９】
図８に示す波長分離デバイス６２は、図９に示した金型６３を用いて作製したものである。この金型６３は、多数の平行な直線で格子溝６４ａ〜６４ｆを形成した分割回折格子金型６５ａ〜６５ｆを組み合わせて、所望の円弧形状を近似した格子溝としたものである。直線状の格子溝６４ａ〜６４ｆを有するチャープ型回折格子６０は、いわゆるルーリングエンジンを用いて作製することができるため、ピッチの精度のよい格子を形成することができる。傾斜している部分の金型は、金型用部材を所望の角度に傾斜させて格子溝を形成してもよく、また、大きめの金型部材に格子溝を形成した後、所望の角度となるように切り出してもよい。
【００９０】
本実施の形態においては、分割回折格子金型６３の格子溝６４ａ〜６４ｆを厳密に一致させて接続する必要はなく、必要な集光特性が得られる範囲で位置ずれがあってもよい。本実施の形態においては、回折格子を平面上に形成することができ、金型を用いた成型が容易である。
【００９１】
連続して円弧状の回折格子が得られる場合には、本実施の形態のように回折格子を分割する必要はなく、連続した回折溝とすればよい。例えば、格子の断面形状に合わせてドーズ量を制御した電子ビームでレジストを露光し、露光量の違いによるエッチング量の違いを利用して三角形の断面形状を有する回折格子を形成してもよい。この場合は、回折格子溝が円弧状になるように露光位置を制御すればよい。あるいは、３次元加工機を用いても円弧状で三角形断面形状の回折格子を加工することができる。
【００９２】
図１０は本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【００９３】
本波長合分波器としてのデマルチプレクサは、平行な直線状格子溝を有しチャープ化した平面回折格子７０を用いたものである。この平面回折格子７０は、格子溝に平行な方向には集光特性がないため、シリンドリカルレンズ７１ａ、７１ｂを用いて集光するようになっている。
【００９４】
光ファイバ２から広がって出射される波長多重信号光３は、入出射光学ブロック７２に入射し、入出射光学ブロック７２に一体的に形成されたシリンドリカルレンズ７１ａから平面回折格子７０の格子溝方向について略平行化されて出射され、平面回折格子７０に入射する。
【００９５】
入出射光学ブロック７２は、入射側の矩形断面形状の光学ブロックと出射側の三角断面形状の光学ブロックとが所定の角度θだけ傾斜した状態で一体化されたものである。角度θは平面回折格子７０と入出射光学ブロック７２との間の距離と、光ファイバ２の光軸と平面回折格子７０との間の角度と、光検出器アレイ７４の位置とで決定される。入出射光学ブロック７２の出射側が三角断面形状となっているのは、平面回折格子７０からの光ビーム６が受光導波路アレイ７３に入射する際に余分な光が入るのを除去するためである。
【００９６】
平面回折格子７０に照射された波長多重信号光３は、波長ごとに異なった回折角度をもって回折される。平面回折格子７０で回折された光ビーム６は、平面回折格子７０の格子溝に垂直な面内において平面回折格子７０のチャーピングにより集光される。平面回折格子７０の格子溝の方向については、シリンドリカルレンズ７１ｂで集光されて再び入出射光学ブロック７２に入射し、波長ごとに異なった位置に集光されるように設定されている。分離・集光された光信号６は、受光導波路アレイ７３を介して、波長ごとに受光部を有する光検出器アレイ７４に入射し、光検出器アレイ８で検出される。
【００９７】
本実施の形態においては、入出射光学ブロック７２にシリンドリカルレンズ７１ａ、７１ｂを一体的に形成し、入射用の光ファイバ２及び受光導波路アレイ７３を入出射光学ブロック７２に固定することで、平面回折格子７０以外の光学部材を一体化することができる。
【００９８】
従って、この入出射光学系を予め組み立てておき、所望の分波特性が得られるように入出射光学系と平面回折格子７０との相対位置を調整することができるため、組立・調整が容易となる。シリンドリカルレンズ７１ａ、７１ｂは、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材であればよく、シリンドリカルミラー等を用いてもよい。
【００９９】
図１１は本発明の回折格子の格子位置、格子定数及びブレーズ角間の関係を示す図であり、左縦軸が格子周期を示し、右縦軸がブレーズ角を示し、横軸が格子位置を示している。
【０１００】
ルーリングエンジンを用いて光学ブロックを平面回折格子に加工することにより、回折格子を複数の領域に分割することができ、分割された領域内では一定のブレーズ角で加工し、領域ごとにブレーズ角を変化させることによって回折効率の向上を図ることができる。
【０１０１】
図１１において、正反射条件として示したのは、回折格子への入射光線がブレーズ面で正反射する方向と回折方向とが一致するブレーズ角であり、一般には両者が一致するブレーズ角度にすると、回折効率が高いとされるブレーズ角度である。
【０１０２】
波長多重信号光のＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率の差を抑えて、全体の回折効率を大きくするために、分割された回折格子の各領域の中心での正反射条件から決まるブレーズ角より２〜１０°大きなブレーズ角とした。この差は、格子定数が小さい程大きくすることが望ましい。さらに回折格子の格子定数ｄが小さくなると、回折格子に入射する波長多重信号光のＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率の差が大きくなるため、領域ごとにこの差が小さく、かつ、回折効率が高くなるように利用する回折次数を選択した。
【０１０３】
格子定数の大きな領域では−１次の回折光を用い、格子定数ｄの小さな領域では−２次の回折光を用いるように途中から不連続に格子定数ｄを２倍とした。このように格子定数ｄが小さい場合には、高次の回折光を用いることが望ましく、おおよそ入射波長程度以下の格子定数ｄで高次の回折光を用いることが望ましい。隣接する領域で回折次数ｍが等しい場合には、領域を跨っても連続的に格子定数ｄがチャーピングするように加工することにより、所望の位置に回折した光ビームが集光するようにした。この回折次数ｍの切換は、ブレーズ角の切換位置で行うことにより、回折格子の分割数を増加することなく、格子定数ｄを切り換えることができる。
【０１０４】
図１１を作成するために用いた回折格子は、領域の分割数を６としたが、分割数は多くするほど、理想的なブレーズ角度分布とすることができる。
【０１０５】
図１２は本発明の回折格子の分割数と損失との関係を示す図であり、横軸が分割数を示し、縦軸が損失を示している。
【０１０６】
同図より、回折格子の分割数を４以上とすると損失が低下し、分割数が６以上では略損失は一定となっていることが分かる。このように分割数を大きくしても、ある一定の分割数を超えると損失の低下は顕著ではなくなる。しかも、分割数をあまり多くすると、ブレーズ角を変更する回数も増加し、加工精度が低下して損失が低下するおそれがある。
【０１０７】
従って、分割数は４〜９が望ましく、特に６〜９が望ましい。領域の相対的な位置ずれ誤差は、集光位置でのスポット径の増加となる。スポット径は、おおよそ、位置ずれの２倍だけ増加するため、各位置ずれ誤差を２０μｍ以下とし、全体で５０μｍ以下とすれば他の要因によるスポット径増加と同程度以下となり、望ましい。
【０１０８】
回折格子溝を平面上に加工する場合には、回折格子溝の加工において領域の接続部での平面方向及び垂直方向の位置ずれが生じにくく、精度よく加工することができる。
【０１０９】
図１３は本発明の回折格子の平均損失の波長依存性を示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が平均損失を示す。
【０１１０】
同図より、平均損失の偏光依存性が小さく、波長依存性も小さいことが分かる。平均損失は１．５ｄＢ以下であり、７０％以上の回折効率が得られる。本実施の形態では、ブレーズ角、回折次数を変化させることにより、チャープによる焦点距離を短くしても回折格子の損失を低減し、偏光依存性も小さくすることができる。
【０１１１】
図１３を作成するために用いた回折格子においては、空気を介して平面回折格子に光が入射するようにしたが、樹脂等の光学媒体から回折格子に光が入射するようにしてもよい。この場合は、光学媒体の屈折率に合わせて、格子定数を変更すればよく、またブレーズ角も回折効率が高くなるように調整することが望ましい。
【０１１２】
このように、回折格子を領域分割し、領域ごとにブレーズ角と格子定数とを変化させて回折効率を大きくさせることは、図８、図９に示した回折格子にも適用することができるものである。
【０１１３】
ここまで、本発明の波長合分波器としてのデマルチプレクサの波長分離について説明したが、本発明の波長合分波器は光検出器を配置した側に光源アレイを設けることにより光を合波するマルチプレクサとしても用いることができる。
【０１１４】
図１４は本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの一実施の形態を示す断面図である。
【０１１５】
本実施の形態ではテーパ導波路８０のアレイを結合部で結合した形状とした。テーパ導波路８０及びテーパ導波路８０の結合部８１は、樹脂の射出成型により一体的に形成した。テーパ導波路８０は、樹脂と空気との界面での全反射を用いて光を光検出器アレイ８２に結合するものとした。テーパ導波路８０の入射側（図では上側）に入射した光ビームは、樹脂と空気との界面（周面）で反射を繰り返し、光ビーム径が小さくなって出射側（この場合下側）の光検出器アレイ８２で検出される。テーパ導波路８０の入射側のコーン径は、波長変動による集光位置の変動及び集光ビームの拡がりによって決まる範囲よりも大きく定める。また、テーパ導波路８０の出射側のコーン径は光検出器アレイ８２の受光部の径内に収まる大きさとする。本実施の形態では、高速な光信号を受光するように受光径を８０μｍとし、入射側は波長分離ピッチに合わせて２５０μｍとしたが限定されるものではない。
【０１１６】
図１５は図１４に示したテーパ導波路の長さと光損失との関係を示す図であり、縦軸が損失を示し、横軸が導波路長さを示す。
【０１１７】
入射ビームの位置が入射部の中央と周辺とを示す。損失は入射ビームの位置によっても変化するが、テーパ長を０．５ｍｍ以上とすれば、損失は略一定となり、望ましい。
【０１１８】
図１４に示すテーパ導波路８０はテーパ導波路８０の材料よりも屈折率の低い材料を用いてクラッドを形成してもよい。このテーパ導波路８０のコアとクラッドとの屈折率差、つまり導波路の開口数は０．５以上が望ましい。さらに、クラッドの外側に金属膜を形成することで、仮に光ビームの角度がコアとクラッドとの界面の臨界角を超えてクラッドを透過しても金属膜で反射して光検出器に至るため、検出効率を向上させることができる。
【０１１９】
図１６は本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの他の実施の形態を示す断面図である。
【０１２０】
本実施の形態は、平板状の保持部材９０にコーン型受光部９１を形成したものである。コーン型受光部９１を有する保持部材９０は、樹脂の射出成型により形成したものである。コーン型受光部９１内には金属膜９２を蒸着し反射面とした。９３は光検出器アレイであり、９４は光検出器アレイ９３の受光部である。保持部材９０、コーン型受光部９１及び金属膜９２で受光導波路アレイ９５が形成されている。
【０１２１】
図１７は図１６に示した受光導波路アレイにおけるコーン型受光部の長さと光損失との関係を示し、縦軸は損失を示し、横軸はコーン長を示す。
【０１２２】
入射ビームの位置が入射部の中央と周辺とを示す。損失は入射ビームの位置によっても変化するが、おおよそ０．７〜０．８ｍｍで損失は最小となる。コーン長０．５〜１．７ｍｍとすれば損失は０．４ｄＢ以下となり、望ましい。
【０１２３】
図１８は本発明の波長多重信号光伝送モジュールの一実施の形態を示す構成図である。
【０１２４】
同図に示す波長多重信号光伝送モジュール１００は、受信部１０１、送信部１０２及び光コネクタ１０３が１枚の基板１０４上に設けられたものである。
【０１２５】
受信部１０１は、外部からの波長多重信号光を分離する波長合分波器としてのデマルチプレクサ１０５と、デマルチプレクサ１０５で分離された光ビームを受光して電気信号に変換する光検出器アレイ１０６と、光検出器アレイ１０６からの電気信号を増幅、波形整形する受信回路１０７と、受信回路１０７からのパラレル信号をシリアル信号に変換するパラレル−シリアル変換回路１０８とで構成されたものである。
【０１２６】
送信部１０２は、外部からのシリアル信号をパラレル信号に変換するシリアル−パラレル変換回路１０９と、シリアル−パラレル変換回路１０９からのパラレル信号よりレーザダイオードアレイ１１０を駆動する信号を発生する送信回路１１１と、送信回路１１１からの駆動信号により異なる波長で駆動するレーザダイオードアレイ１１０と、レーザダイオードアレイ１１０からの波長の異なる光ビームを合波して波長多重信号光とするマルチプレクサ１１２とで構成されたものである。
【０１２７】
受信部１０１の波長分離デバイス１０５と光コネクタ１０３との間はマルチモード光ファイバ１１３で接続され、送信部１０２のマルチプレクサ１１２と光コネクタ１０３との間はシングルモード光ファイバ１１４で接続されている。
【０１２８】
１１５ａ、１１５ｂは伝送用光ファイバである。
【０１２９】
次に本波長多重信号光伝送モジュール１００の動作について説明する。
【０１３０】
受信用の伝送用光ファイバ１１５ａを伝搬してきた波長多重信号光は、伝送用光ファイバ１１５ａに突き合わされたマルチモード光ファイバ１１３に入射し、本発明の波長合分波器としてのデマルチプレクサ１０５で波長ごとに分離されて光検出器アレイ１０６で検出される。検出された信号は、受信回路１０７で増幅、波形整形される。さらに、パラレル−シリアル変換回路１０８でパラレル信号をシリアル信号に変換して出力する。
【０１３１】
本波長多重信号光伝送モジュール１００が送信する場合には、入力されたシリアル信号をシリアル−パラレル変換回路１０９でパラレル信号に変換し、送信回路１１１で信号ごとにレーザダイオードアレイ１１０の各光源を駆動し、波長の異なる光信号とする。各光信号は、シングルモードの光カプラで構成されるマルチプレクサ１１２で多重化され、波長多重信号光としてシングルモード光ファイバ１１４に出力する。波長多重信号光はシングルモード光ファイバ１１４を通して、送信用の伝送用光ファイバ１１５ｂに入射される。
【０１３２】
本波長多重信号光伝送モジュール１００は、シングルモード光ファイバ１１４及びマルチモード光ファイバ１１３を用いて伝送用光ファイバ１１５ａ、１１５ｂと結合しているので、伝送用光ファイバ１１５ａ、１１５ｂにはマルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバのいずれも用いることができる。
【０１３３】
本実施の形態では、シングルモード光ファイバ１１４にコア径６２．５μｍのＧＩ（グレーデッドインデックス）型マルチモード光ファイバを用いているため、伝送用光ファイバ１１５ａ、１１５ｂとしてシングルモード光ファイバ、コア径５０μｍ及び６２．５μｍのマルチモード光ファイバ等を用いることができる。
【０１３４】
本実施の形態においては、１波長で２．５Ｇｂｐｓの速度で光信号を送信し、４波長で１０Ｇｂｐｓの伝送速度とした。この伝送速度において、多重化された各信号をエラーレート１０−１２以下で受信するためには、光検出器アレイ１０６における受光量を−２０ｄＢｍ以上とする必要がある。また、光ファイバからの信号は、光ファイバを伝送する際に減少し、最小の出力は−１６．５ｄＢｍとなる。
【０１３５】
従って、波長多重分離光デバイスにおける損失は、３．５ｄＢ以下とする必要があり、さらに、光ファイバを伝送することによる波形ひずみが１．５ｄＢ程度発生するため、波長多重分離光デバイスにおける損失は、２．０ｄＢ以下とすることが望ましい。
【０１３６】
本発明の波長合分波器としてのデマルチプレクサにおいては、損失が低減でき、優れた波長分離特性を得ることができた。従って、本実施の形態におけるように、２Ｇｂｐｓ以上の高速な波長多重信号光を分離・受信することができる。
【０１３７】
本実施の形態では、送信と受信との両方の機能を有する波長多重信号光伝送モジュールについて示したが、受信部のみを有する波長多重信号光伝送モジュールとしても同様の効果が得られる。
【０１３８】
以上において、本発明の回折格子により、ブレーズ角と格子定数とを不連続に変化させることで、小型で光損失が少なく光集光特性を有する回折格子及びこの回折格子を用いた小型のデマルチプレクサ、波長多重信号光伝送モジュールを提供することができる。
【０１３９】
また、本発明の回折格子により、平面又は円筒面上に集光特性を有する回折格子を形成することにより、曲率半径が小さく、かつ、球面上に形成した凹面回折格子と同等の機能を有する小型の凹面回折格子及びこの回折格子を用いた小型のデマルチプレクサや波長多重信号光伝送モジュールを提供することができる。
【０１４０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、光集光特性を有し、光損失が少なく、小型化可能な回折格子、波長合分波器及びこれらを用いた波長多重信号光伝送モジュールの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折格子を用いた波長合分波器の一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】図１に示した波長合分波器に用いられる回折格子の回折格子面の成型に用いた金型を示す外観斜視図である。
【図３】（ａ）は図２に示した金型の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図４】本発明の回折格子を作製するための金型を加工する加工機の模式図である。
【図５】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図である。
【図６】図５に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。
【図７】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図８】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す外観斜視図である。
【図９】図８に示した波長合分波器に用いられる回折格子を作製するための金型の正面図である。
【図１０】本発明の波長合分波器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図１１】本発明の回折格子の格子位置、格子定数及びブレーズ角間の関係を示す図である。
【図１２】本発明の回折格子の分割数と損失との関係を示す図である。
【図１３】本発明の回折格子の平均損失の波長依存性を示す図である。
【図１４】本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの一実施の形態を示す断面図である。
【図１５】図１４に示したテーパ導波路の長さと光損失との関係を示す図である。
【図１６】本発明の波長合分波器の受光導波路アレイの他の実施の形態を示す断面図である。
【図１７】図１６に示した受光導波路アレイにおけるコーン型受光部の長さと光損失との関係を示す図である。
【図１８】本発明の波長多重信号光伝送モジュールの一実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 波長分離デバイス
２ 光ファイバ
３ 波長多重信号光
４ 入射部
５ 回折格子
６ 光ビーム
７ 受光導波路アレイ
８ 光検出器アレイ
９ 回折格子光学ブロック
１０ 格子溝
Claims (18)
- 円筒面上に形成された複数の格子溝からなる回折格子であって、各格子溝が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が上記円筒の周面上に周方向に一列に位置していることを特徴とする回折格子。
- 上記格子溝の円弧の曲率半径が互いに略等しい請求項１に記載の回折格子。
- 上記格子溝の円弧の曲率半径が上記円筒面の曲率半径に略等しい請求項１または２に記載の回折格子。
- 複数の格子溝がブレーズ化された回折格子において、各格子溝のブレーズ角が不連続部を有すると共に、格子定数の不連続部を有することを特徴とする回折格子。
- 上記格子定数の不連続部が上記ブレーズ角の不連続部と一致している請求項４に記載の回折格子。
- 上記格子溝が略平面上に形成され、上記格子定数の不連続部間において格子定数が連続的に変化するチャープ型回折格子である請求項５に記載の回折格子。
- 上記ブレーズ角が不連続に変化した領域を４箇所以上有する請求項４から６のいずれかに記載の回折格子。
- 上記各格子溝が各格子溝を横切る方向に分割され、各格子溝が略円弧形状に並ぶように各格子溝の方向が分割領域ごとに変化している請求項４から７のいずれかに記載の回折格子。
- 波長多重信号光が入射される光入射部と、該光入射部からの波長多重信号光を分離する回折格子と、該回折格子で分離された光ビームを検出する複数の光検出器とを有する波長合分波器において、請求項１から８のいずれかに記載の回折格子を用いたことを特徴とする波長合分波器。
- 波長多重信号光が入射される光入射部と、該光入射部からの波長多重信号光を分離する回折格子と、該回折格子で分離された光ビームを検出する複数の光検出器とを有する波長合分波器において、上記回折格子は各格子溝が円弧形状を有すると共に各円弧の中心が上記円筒の周面上に周方向に一列に位置し、各格子溝の円弧の曲率半径が互いに略等しく、かつ、各光検出器で検出される波長多重信号光の各回折格子での回折次数をｍとし、格子定数をｄとし、各波長多重信号光の中心波長をλとすると数１式
- 上記回折格子が光学ブロックに一体的に形成されているか、あるいは固定されており、上記光学ブロックを通して上記回折格子に上記波長多重信号光が入射される請求項９または１０に記載の波長合分波器。
- 上記光学ブロック及び上記回折格子の少なくとも一部がプラスチックからなる請求項１１に記載の波長合分波器。
- 上記回折格子から上記光検出器への光路中に、上記回折格子で回折された光ビームを上記光検出器に絞り込むビーム縮小手段を設けた請求項９から１２のいずれかに記載の波長合分波器。
- 上記ビーム縮小手段は、上記光検出器に向かって断面積が減少するテーパ形状を有するコアからなる請求項１３に記載の波長合分波器。
- 波長多重信号光が入射される光ファイバから上記回折格子に至る光路中、あるいは上記回折格子から上記光検出器に至る光路中に、１つの軸方向に集光特性を有する光学部材を設けた請求項９から１４のいずれかに記載の波長合分波器。
- 上記光学部材は、焦点位置が入射光の光軸と交差する方向に入射光の波長に応じて変化する請求項１５に記載の波長合分波器。
- 波長多重信号光が入射される信号伝送用光ファイバとの接合部と、上記波長多重信号光を分離する波長合分波器と、該波長合分波器で分離された光ビームを検出する光検出器アレイと、該光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路とを有する波長多重信号光伝送モジュールにおいて、上記波長合分波器が請求項９から１６のいずれかに記載の波長合分波器であり、上記接合部がマルチモールド光ファイバで接続されていることを特徴とする波長多重信号光伝送モジュール。
- 波長多重信号光が入射される信号伝送用光ファイバとの接合部と、上記波長多重信号光を分離する波長合分波器と、該波長合分波器で分離された光ビームを検出する光検出器アレイと、該光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路と、光源アレイと、該光源アレイを駆動する送信回路と、上記光源アレイからの光信号を合波する他の波長合分波器とを有する波長多重信号光伝送モジュールにおいて、上記波長合分波器が請求項９から１６のいずれかに記載の波長合分波器であり、上記接合部と上記波長合分波器との間がマルチモード光ファイバで接続され、上記接合部と上記他の波長合分波器との間がシングルモード光ファイバで接続されていることを特徴とする波長多重信号光伝送モジュール。
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