JP2004233710A - 光モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】入力光を回折した出力光を出力する光モジュールにおいて、入力光の波長が変化した場合における出力光の損失の変化を低減する。
【解決手段】外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールは、前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を低減させた第１出力光を出射する第１補正プリズムとを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールは、前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を低減させた第１出力光を出射する第１補正プリズムとを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールに関する。特に本発明は、外部から入力される入力光を、音響光学素子により回折した出力光を出力する光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光偏向器、光変調器、光周波数シフタ、又は光スイッチ等の光モジュールを、音響光学素子を用いて実現する方法が提案されている（非特許文献１参照。）。光ファイバを介した入出力を行う場合、従来の音響光学素子を用いた光モジュールにおいては、入力側の光ファイバから入力される入力光を、コリメートレンズを介して音響光学素子に入射させ、音響光学素子から出射された回折光を、コリメートレンズを介して出力側の光ファイバに出力させる構成を採るのが一般的であった。
【０００３】
【非特許文献１】
小沼稔・吉田信也・柴田光義著、「オプトエレクトロニクスとその材料」、初版、工学図書株式会社、平成７年７月１５日、ｐ．２１９−２２３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
音響光学素子は、当該音響光学素子に入射される入射光の波長に応じて、回折光を出射する出射角度が異なる。このため、上記の構成においては、音響光学素子に対して、ある波長の入力光について最適な相対位置及び相対角でコリメートレンズを配置した場合、異なる波長の入力光が入力された際の出力光の損失が大きくなるという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる光モジュールを提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の第１の形態によると、外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールであって、前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を低減させた第１出力光を出射する第１補正プリズムとを備えることを特徴とする光モジュールを提供する。
【０００７】
前記第１補正プリズムは、前記回折光を、前記音響光学素子に入射された前記入力光のうち回折されずに出射される非回折光の光路からより離れる方向に偏向した前記第１出力光を出射してもよい。
【０００８】
また、前記光モジュールに接続された光ファイバに対して前記第１出力光を出力する第１レンズを更に備えてもよい。
【０００９】
また、前記入力光を入射し、前記入力光の波長に応じて異なる角度で出射することにより、前記入力光を、前記音響光学素子による回折効率がより高くなる角度で前記音響光学素子に入射させる入射プリズムを更に備えてもよい。
【００１０】
また、前記入射プリズムは、前記入力光の波長に対応して定められる、前記音響光学素子に対するブラッグ回折角と略同一の入射角度に前記入力光を偏向し、前記音響光学素子に入射させてもよい。
【００１１】
また、前記入射プリズムにより前記音響光学素子に入射された前記入力光が、回折されずに前記音響光学素子から出射される非回折光における、前記入射プリズムが入力光の波長に応じて変化させた角度の差を、前記非回折光と比較し低減させた第２出力光を出射する第２補正プリズムを更に備えてもよい。
【００１２】
また、前記第１補正プリズムは、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を、略０に補正した前記第１出力光を出射してもよい。
【００１３】
本発明の第２の形態によると、外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールであって、前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、前記入力光を入射し、前記入力光の波長に応じて異なる角度で出射することにより、前記入力光を、前記音響光学素子による回折効率がより高くなる角度で前記音響光学素子に入射させる入射プリズムとを備えることを特徴とする光モジュールを提供する。
【００１４】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る光モジュール１００の構成を示す。光モジュール１００は、外部から入力光ファイバ１０５を介して入力される入力光を音響光学素子１２０により回折した第１出力光を、第１出力光ファイバ１１０へ出力すると共に、入力光のうち音響光学素子１２０により回折されない第２出力光を、第２出力光ファイバ１１５へ出力する。本実施形態に係る光モジュール１００は、入力光が音響光学素子１２０に対して入射される入射角度を入力光の波長に応じて調整すると共に、入力光の波長に応じて異なる角度で音響光学素子１２０から出射される回折光の出射角度を調整し、入力光の波長が異なる場合における出力光の損失の変化を低減することを目的とする。
【００１７】
光モジュール１００は、入力レンズ１３０と、入射プリズム１３５と、音響光学素子１２０と、第１補正プリズム１４０と、第１出力レンズ１４５と、第２補正プリズム１５０と、第２出力レンズ１５５とを備える。入力レンズ１３０は、入力光ファイバ１０５を介して入力される入力光を、略平行な入力光に補正する。
入射プリズム１３５は、入力レンズ１３０により補正された入力光が入射され、入力光の波長に応じて異なる角度で出射する。入射プリズム１３５は、入力レンズ１３０により補正された入力光を、音響光学素子１２０の方向により近づく方向へ偏角θ１偏向させ、入力光が音響光学素子１２０に入射される入射角度θ２をより０に近づける構成をとってよい。この場合、偏角θ１は、入力光の波長が長い場合、入力光の波長がより短い場合と比較し小さくなる。これにより、入射プリズム１３５は、入力レンズ１３０により補正された入力光を、音響光学素子１２０による回折効率がより高くなる角度で音響光学素子１２０へ入射させる。
【００１８】
音響光学素子１２０は、入力光を回折した回折光を、入力光の波長に応じて異なる出射角度θ３で第１補正プリズム１４０に対して出射する。より具体的には、音響光学素子１２０は、発振器１２５により印加された超音波によって生じる歪の周期的な疎密により入射プリズム１３５から入射された入力光を回折する、例えばＴｅＯ２、ＬｉＮｂＯ３、又はＰｂＭｏＯ４等の素子である。ここで、出射角度θ３は、入力光の波長が長い場合に、入力光の波長がより短い場合と比較し大きくなる。また、音響光学素子１２０は、入射プリズム１３５により入射された入力光のうち音響光学素子１２０により回折されない非回折光を第２補正プリズム１５０に対して出射する。
【００１９】
第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０から出射される回折光を入射し、回折光における波長に応じた出射角度θ３の差を低減させた第１出力光を出射する。より具体的には、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０により出射された回折光を、回折光が生じた超音波波面１６０からより遠ざかる方向へ偏角θ４偏向させた第１出力光を出射する。これにより、第１補正プリズム１４０は、回折光を、音響光学素子１２０に入射された入力光のうち回折されずに出射される非回折光の光路からより離れる方向に偏向した第１出力光を出射する。
【００２０】
ここで、音響光学素子１２０に関連して説明したように、入力光の波長が長い場合、入力光の波長がより短い場合と比較して回折光の出射角度θ３はより大きくなる。一方、偏角θ４は、回折光の波長が長い場合、回折光の波長がより短い場合と比較し小さくなる。従って、第１補正プリズム１４０は、入力光の波長が長い場合により大きな出射角度θ３で出射される回折光をより小さな偏角θ４だけ出射角度θ３と同じ方向へ偏向する。一方、入力光の波長が短い場合により小さな出射角度θ３で出射される回折光をより大きな偏角θ４だけ出射角度θ３と同じ方向へ偏向する。これにより、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０から出射される回折光における、波長に応じた出射角度の差を低減させることができる。また、第１補正プリズム１４０は、光モジュール１００が使用される入力光の波長域において、出射角度θ３と偏角θ４の和が略０となるような頂角を有してよい。この場合、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０から出射される回折光における波長に応じた出射角度の差を、略０に補正した第１出力光を出射することができる。
【００２１】
また、第１補正プリズム１４０は、回折光を、非回折光の光路からより離れる方向に偏向することにより、第１出力レンズ１４５と第２出力レンズ１５５の間の距離をより大きくさせることができる。
【００２２】
第１出力レンズ１４５は、光モジュール１００に接続された第１出力光ファイバ１１０に対して、第１補正プリズム１４０により偏向された第１出力光を出力する。
【００２３】
第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズムが入力光の波長に応じて変化させた角度の差を、非回折光と比較し低減させた第２出力光を出射する。より具体的には、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光を、当該入射光の回折光が生じた超音波波面１６０からより遠ざかる方向へ偏角θ５偏向させた第２出射光を出射する。これにより、第２補正プリズム１５０は、非回折光を、音響光学素子１２０に入射された入力光のうち回折されて出射される回折光の光路からより離れる方向に偏向した第２出力光を出射する。
【００２４】
ここで、入射プリズム１３５に関連して説明したように、入力光の波長が長い場合、入力光の波長がより短い場合と比較して偏角θ１はより小さくなる。一方、偏角θ５は、変更された入力光のうち回折されずに音響光学素子１２０を通過した非回折光の波長が長い場合、非回折光の波長が短い場合と比較し小さくなる。従って、第２補正プリズム１５０は、入力光の波長が長い場合により大きな小さな偏角θ１で出射される回折光をより小さな偏角θ５だけ偏角θ１と反対方向へ偏向する。一方、入力光の波長が短い場合により小さな出射角度θ３で出射される回折光をより大きな偏角θ５だけ偏角θ１と反対方向へ偏向する。これにより、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズム１３５が入力光の波長に応じて変化させた出射角度の差を低減させることができる。また、第２補正プリズム１５０は、光モジュール１００が使用される入力光の波長域において、偏角θ１と偏角θ５が略同一となるような頂角を有してよい。この場合、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズム１３５が入力光の波長に応じて変化させた出射角度の差を略０に補正することができる。
【００２５】
また、第２補正プリズム１５０は、回折光を、回折光の光路からより離れる方向に偏向することにより、第２出力レンズ１５５と第１出力レンズ１４５の間の距離をより大きくさせることができる。
【００２６】
第２出力レンズ１５５は、光モジュール１００に接続された第２出力光ファイバ１１５に対して、第２補正プリズム１５０により偏向された第２出力光を出力する。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る音響光学素子１２０における回折効率の一例を示すグラフである。より具体的には、ＰｂＭｏＯ４による音響光学素子１２０に１５０ＭＨｚの超音波を印加した場合において、入力光の波長が１５７０ｎｍのときに回折効率が最大となる入射角度により入力光を音響光学素子１２０に入射させた場合における、回折効率の波長依存性を示す。
【００２８】
本実施形態に係る光モジュール１００は、回折効率の波長依存性を低減するために、入力光が音響光学素子１２０に入射される入射角度を補正する入射プリズム１３５を備える。ここで、入力光の波長をλ、音響光学素子１２０中における超音波の波長をΛとすると、回折効率が最大となる入射角度であるブラック回折角θＢは、以下の式（１）により近似される。
【００２９】
【数１】
【００３０】
ここで、光モジュール１００に対する入力光の波長域の中心をセンター波長λＣとすると、入射プリズム１３５は、センター波長λＣの入力光を、センター波長λＣに対応して式（１）により定まるブラック回折角と略同一の角度で音響光学素子１２０に入射させる様に、入射プリズム１３５に対する入力光の入射角度及び入射プリズム１３５の頂角が調整される。また、センター波長と異なる波長λの入力光が入力された場合における入射プリズム１３５による偏角の変化量Δθ１＝θ１（λ）−θ１（λＣ）と、音響光学素子１２０のブラック回折角の変化量ΔθＢ＝θＢ（λ）−θＢ（λＣ）について、例えば光モジュール１００に対する入力光の波長域においてΔθ１と―ΔθＢとが略同一となる様に、入射プリズム１３５の材質又は入射プリズム１３５の頂角が調整される。これにより、入射プリズム１３５は、入力光の波長に対応して定められる、音響光学素子１２０に対するブラック回折角と略同一の入射角度に入力光を偏向し、音響光学素子１２０に入射させることができる。
【００３１】
図３は、本実施形態に係る第１出力レンズ１４５及び第２出力レンズ１５５における結合損失の一例を示すグラフである。より具体的には、図３は、あるコリメートレンズに対して異なる入射角度で光を入射させた場合における、光結合損失を実験により求めた結果を、入射角度０度で光を入射させた場合における光結合損失に対する相対値により示したものである。
【００３２】
ここで、音響光学素子１２０の結晶中における光の入射角度をα、音響光学素子１２０の結晶中においてブラック回折により回折する角度をβ、音響光学素子１２０の屈折率をｎとすると、βは以下の式（２）で表せる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここで、音速をｖ、発振器１２５の発振周波数をｆｓとすると、音響光学素子１２０中における超音波の波長はｖ／ｆｓとなることから、式（２）は式（３）に変形できる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
従って、音響光学素子１２０への入射角度θ２と音響光学素子１２０からの出射角度θ３との関係は、スネルの法則により、以下の式（４）となる。
【００３７】
【数４】
【００３８】
以上の式（４）によれば、ＰｂＭｏＯ４による音響光学素子１２０に１５０ＭＨｚの超音波を印加した場合において、入力光の波長域を１５２０〜１６２０ｎｍとすると、約０．１３度の角度変化が生じることが算出できる。第１補正プリズム１４０を設けない場合、図３によれば、波長域１５２０〜１６２０ｎｍの範囲において結合損失の波長依存は約１ｄＢ以上に達することがわかる。
【００３９】
一方、第１補正プリズム１４０は、センター波長λＣと異なる波長λの入力光が入力された場合における音響光学素子１２０の出射角度の変化量Δθ３＝θ３（λ）−θ３（λＣ）と、第１補正プリズム１４０における偏角の変化量Δθ４＝θ４（λ）−θ４（λＣ）について、例えば光モジュール１００に対する入力光の波長域においてΔθ３と―Δθ４とが略同一となる様に、第１補正プリズム１４０の材質又は第１補正プリズム１４０の頂角が調整される。これにより、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０が出射する回折光の波長に応じた出射角度の差を、略０に補正することができる。なお、上記式（３）のα及び式（４）のθ２は、入射プリズム１３５を設けない場合、入力光ファイバ１０５から光モジュール１００に対して入力光を入射する角度に基づく固定値となる。一方、入射プリズム１３５を設けた場合、これらの値は、αの値が入力光の波長に応じて定まるブラック回折角となる様に変化する。この場合、第１補正プリズム１４０は、入射プリズム１３５及び音響光学素子１２０により生じた回折光における波長に応じた出射角度の差を、回折光と比較し低減し又は略０とする様に材質又は頂角が調節されてよい。
【００４０】
例えば、ＴｅＯ２による音響光学素子１２０に１５０ＭＨｚの超音波を印加した場合において、入力光の波長が１５２０〜１６２０ｎｍまでを補正する場合、第１補正プリズム１４０として、フリントガラス（Ｆ２）で頂角が６０度〜７０度、より望ましくは略６４度のプリズムを用いることができる。ここで、第１補正プリズム１４０から第１出力レンズ１４５へ出力される第１出力光は、波長が変化した場合においても光線の角度は変化せず、微小量平行移動する。ここで、コリメートレンズは、入力される光線の平行移動に対する結合損失の変化は小さく、例えば１００μｍ程度の平行移動によっては結合損失はほとんど変動しない。したがって、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０により回折された回折光を、波長に依存しない一定の結合損失で第１出力光ファイバ１１０に対して出力することができる。
【００４１】
以上と同様に、第２補正プリズム１５０は、センター波長λＣと異なる波長λの入力光が入力された場合における入射プリズム１３５の偏角の変化量Δθ１＝θ１（λ）−θ１（λＣ）と、第２補正プリズム１５０における偏角の変化量Δθ５＝θ５（λ）−θ５（λＣ）について、例えば光モジュール１００に対する入力光の波長域においてΔθ１とΔθ５とが略同一となる様に、第２補正プリズム１５０の材質又は第２補正プリズム１５０の頂角が調整される。これにより、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズム１３５が入力光の波長に応じて変化させた出射角度の差を略０に補正することができる。
【００４２】
図４は、本実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失の一例を示すグラフである。ここで、図４は、入射プリズム１３５を備えない場合において、第１補正プリズム１４０を備える場合及び備えない場合における第１出力光ファイバ１１０の結合損失、すなわち第１出力光ファイバ１１０に第１出力光を挿入する挿入損失を実験により測定した結果を示す。図４に示す様に、第１補正プリズム１４０を備えることにより、波長域１５２０〜１６２０ｎｍにおいて挿入損失の波長依存性が約２ｄＢ程度から０．６ｄＢ程度に低減することがわかる。図４に示した挿入損失は、入射プリズム１３５を備えることにより、更に低減される。
【００４３】
図５は、本実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失と、他の方法による挿入損失との比較結果を示すグラフである。挿入損失Ａ５００は、本実施形態に係る光モジュール１００において、入射プリズム１３５を備えない場合における第１出力光の挿入損失を実験により測定した結果を示す。挿入損失Ｂ５１０は、入射プリズム１３５及び第１補正プリズム１４０を備えない場合において、超音波の伝播速度が速いＴｅＯ２等の音響光学素子を用いることにより、式（１）におけるブラック回折角の波長依存性を低減した形態における挿入損失を実験により測定した結果を示す。挿入損失Ｃ５２０は、入射プリズム１３５及び第１補正プリズム１４０を備えない場合において、発振器１２５が発生する超音波の周波数ｆｓを入力光の波長に応じて変化させた形態における挿入損失を実験により測定した結果を示す。
【００４４】
挿入損失Ａ５００は、挿入損失Ｂ５１０及び挿入損失Ｃ５２０と比較し、挿入損失の波長依存性が小さく、光モジュール１００に入射プリズム１３５を更に備えることにより更に低減することができる。また、挿入損失Ｃ５２０の形態においては、入力波の波長に応じた音響光学素子１２０からの出射角度が、超音波の周波数の変化に応じて変化してしまうため、波長分散測定等の高い波長精度が必要となる測定には用いることが困難となる。また、超音波の周波数をＶＣＯ等により生成した場合、十分な精度が得られない可能性がある。
これに対し、光モジュール１００においては、超音波の周波数を一定とした場合においても、挿入損失Ａ５００の波長依存性を小さく抑えることができ、挿入損失の波長依存性の低減と、高い波長精度の維持を両立することができる。
【００４５】
図６は、本実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光及び第２出力光の挿入損失の差を示すグラフである。ここで、図６は、入射プリズム１３５を備えない場合において、第１出力光ファイバ１１０に出力される第１出力光及び第２出力光ファイバ１１５に出力される第２出力光の挿入損失を実験により測定した結果を示す。平均挿入損失６２０は、第１出力光及び第２出力光の平均の挿入損失を示す。
本実施形態に係る光モジュール１００によれば、図６に示す様に、入力光の波長域１５２０〜１６２０ｎｍにおいて、第１出力光及び第２出力光の挿入損失の差を小さく抑えることができる。
【００４６】
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４７】
例えば、光モジュール１００は、入射プリズム１３５及び第２補正プリズム１５０を備えない構成を採ってもよく、第１補正プリズム１４０及び第２補正プリズム１５０を備えない構成を採ってもよく、第１補正プリズム１４０又は第２補正プリズム１５０の一方を備えない構成を採ってもよい。また、入射プリズム１３５、第１補正プリズム１４０、及び第２補正プリズム１５０は、入射光を波長に応じて異なる角度で出射させる光学系により実現されてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、入力光を回折した出力光を出力する光モジュールにおいて、入力光の波長が変化した場合における出力光の損失の変化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光モジュール１００の構成を示す。
【図２】本発明の実施形態に係る音響光学素子１２０における回折効率の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る第１出力レンズ１４５及び第２出力レンズ１５５における結合損失の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失と、他の方法による挿入損失との比較結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光及び第２出力光の挿入損失の差を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ 光モジュール
１０５ 入力光ファイバ
１１０ 第１出力光ファイバ
１１５ 第２出力光ファイバ
１２０ 音響光学素子
１２５ 発振器
１３０ 入力レンズ
１３５ 入射プリズム
１４０ 第１補正プリズム
１４５ 第１出力レンズ
１５０ 第２補正プリズム
１５５ 第２出力レンズ
１６０ 超音波波面
５００ 挿入損失Ａ
５１０ 挿入損失Ｂ
５２０ 挿入損失Ｃ
６２０ 平均挿入損失
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールに関する。特に本発明は、外部から入力される入力光を、音響光学素子により回折した出力光を出力する光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光偏向器、光変調器、光周波数シフタ、又は光スイッチ等の光モジュールを、音響光学素子を用いて実現する方法が提案されている（非特許文献１参照。）。光ファイバを介した入出力を行う場合、従来の音響光学素子を用いた光モジュールにおいては、入力側の光ファイバから入力される入力光を、コリメートレンズを介して音響光学素子に入射させ、音響光学素子から出射された回折光を、コリメートレンズを介して出力側の光ファイバに出力させる構成を採るのが一般的であった。
【０００３】
【非特許文献１】
小沼稔・吉田信也・柴田光義著、「オプトエレクトロニクスとその材料」、初版、工学図書株式会社、平成７年７月１５日、ｐ．２１９−２２３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
音響光学素子は、当該音響光学素子に入射される入射光の波長に応じて、回折光を出射する出射角度が異なる。このため、上記の構成においては、音響光学素子に対して、ある波長の入力光について最適な相対位置及び相対角でコリメートレンズを配置した場合、異なる波長の入力光が入力された際の出力光の損失が大きくなるという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる光モジュールを提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の第１の形態によると、外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールであって、前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を低減させた第１出力光を出射する第１補正プリズムとを備えることを特徴とする光モジュールを提供する。
【０００７】
前記第１補正プリズムは、前記回折光を、前記音響光学素子に入射された前記入力光のうち回折されずに出射される非回折光の光路からより離れる方向に偏向した前記第１出力光を出射してもよい。
【０００８】
また、前記光モジュールに接続された光ファイバに対して前記第１出力光を出力する第１レンズを更に備えてもよい。
【０００９】
また、前記入力光を入射し、前記入力光の波長に応じて異なる角度で出射することにより、前記入力光を、前記音響光学素子による回折効率がより高くなる角度で前記音響光学素子に入射させる入射プリズムを更に備えてもよい。
【００１０】
また、前記入射プリズムは、前記入力光の波長に対応して定められる、前記音響光学素子に対するブラッグ回折角と略同一の入射角度に前記入力光を偏向し、前記音響光学素子に入射させてもよい。
【００１１】
また、前記入射プリズムにより前記音響光学素子に入射された前記入力光が、回折されずに前記音響光学素子から出射される非回折光における、前記入射プリズムが入力光の波長に応じて変化させた角度の差を、前記非回折光と比較し低減させた第２出力光を出射する第２補正プリズムを更に備えてもよい。
【００１２】
また、前記第１補正プリズムは、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を、略０に補正した前記第１出力光を出射してもよい。
【００１３】
本発明の第２の形態によると、外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールであって、前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、前記入力光を入射し、前記入力光の波長に応じて異なる角度で出射することにより、前記入力光を、前記音響光学素子による回折効率がより高くなる角度で前記音響光学素子に入射させる入射プリズムとを備えることを特徴とする光モジュールを提供する。
【００１４】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る光モジュール１００の構成を示す。光モジュール１００は、外部から入力光ファイバ１０５を介して入力される入力光を音響光学素子１２０により回折した第１出力光を、第１出力光ファイバ１１０へ出力すると共に、入力光のうち音響光学素子１２０により回折されない第２出力光を、第２出力光ファイバ１１５へ出力する。本実施形態に係る光モジュール１００は、入力光が音響光学素子１２０に対して入射される入射角度を入力光の波長に応じて調整すると共に、入力光の波長に応じて異なる角度で音響光学素子１２０から出射される回折光の出射角度を調整し、入力光の波長が異なる場合における出力光の損失の変化を低減することを目的とする。
【００１７】
光モジュール１００は、入力レンズ１３０と、入射プリズム１３５と、音響光学素子１２０と、第１補正プリズム１４０と、第１出力レンズ１４５と、第２補正プリズム１５０と、第２出力レンズ１５５とを備える。入力レンズ１３０は、入力光ファイバ１０５を介して入力される入力光を、略平行な入力光に補正する。
入射プリズム１３５は、入力レンズ１３０により補正された入力光が入射され、入力光の波長に応じて異なる角度で出射する。入射プリズム１３５は、入力レンズ１３０により補正された入力光を、音響光学素子１２０の方向により近づく方向へ偏角θ１偏向させ、入力光が音響光学素子１２０に入射される入射角度θ２をより０に近づける構成をとってよい。この場合、偏角θ１は、入力光の波長が長い場合、入力光の波長がより短い場合と比較し小さくなる。これにより、入射プリズム１３５は、入力レンズ１３０により補正された入力光を、音響光学素子１２０による回折効率がより高くなる角度で音響光学素子１２０へ入射させる。
【００１８】
音響光学素子１２０は、入力光を回折した回折光を、入力光の波長に応じて異なる出射角度θ３で第１補正プリズム１４０に対して出射する。より具体的には、音響光学素子１２０は、発振器１２５により印加された超音波によって生じる歪の周期的な疎密により入射プリズム１３５から入射された入力光を回折する、例えばＴｅＯ２、ＬｉＮｂＯ３、又はＰｂＭｏＯ４等の素子である。ここで、出射角度θ３は、入力光の波長が長い場合に、入力光の波長がより短い場合と比較し大きくなる。また、音響光学素子１２０は、入射プリズム１３５により入射された入力光のうち音響光学素子１２０により回折されない非回折光を第２補正プリズム１５０に対して出射する。
【００１９】
第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０から出射される回折光を入射し、回折光における波長に応じた出射角度θ３の差を低減させた第１出力光を出射する。より具体的には、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０により出射された回折光を、回折光が生じた超音波波面１６０からより遠ざかる方向へ偏角θ４偏向させた第１出力光を出射する。これにより、第１補正プリズム１４０は、回折光を、音響光学素子１２０に入射された入力光のうち回折されずに出射される非回折光の光路からより離れる方向に偏向した第１出力光を出射する。
【００２０】
ここで、音響光学素子１２０に関連して説明したように、入力光の波長が長い場合、入力光の波長がより短い場合と比較して回折光の出射角度θ３はより大きくなる。一方、偏角θ４は、回折光の波長が長い場合、回折光の波長がより短い場合と比較し小さくなる。従って、第１補正プリズム１４０は、入力光の波長が長い場合により大きな出射角度θ３で出射される回折光をより小さな偏角θ４だけ出射角度θ３と同じ方向へ偏向する。一方、入力光の波長が短い場合により小さな出射角度θ３で出射される回折光をより大きな偏角θ４だけ出射角度θ３と同じ方向へ偏向する。これにより、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０から出射される回折光における、波長に応じた出射角度の差を低減させることができる。また、第１補正プリズム１４０は、光モジュール１００が使用される入力光の波長域において、出射角度θ３と偏角θ４の和が略０となるような頂角を有してよい。この場合、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０から出射される回折光における波長に応じた出射角度の差を、略０に補正した第１出力光を出射することができる。
【００２１】
また、第１補正プリズム１４０は、回折光を、非回折光の光路からより離れる方向に偏向することにより、第１出力レンズ１４５と第２出力レンズ１５５の間の距離をより大きくさせることができる。
【００２２】
第１出力レンズ１４５は、光モジュール１００に接続された第１出力光ファイバ１１０に対して、第１補正プリズム１４０により偏向された第１出力光を出力する。
【００２３】
第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズムが入力光の波長に応じて変化させた角度の差を、非回折光と比較し低減させた第２出力光を出射する。より具体的には、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光を、当該入射光の回折光が生じた超音波波面１６０からより遠ざかる方向へ偏角θ５偏向させた第２出射光を出射する。これにより、第２補正プリズム１５０は、非回折光を、音響光学素子１２０に入射された入力光のうち回折されて出射される回折光の光路からより離れる方向に偏向した第２出力光を出射する。
【００２４】
ここで、入射プリズム１３５に関連して説明したように、入力光の波長が長い場合、入力光の波長がより短い場合と比較して偏角θ１はより小さくなる。一方、偏角θ５は、変更された入力光のうち回折されずに音響光学素子１２０を通過した非回折光の波長が長い場合、非回折光の波長が短い場合と比較し小さくなる。従って、第２補正プリズム１５０は、入力光の波長が長い場合により大きな小さな偏角θ１で出射される回折光をより小さな偏角θ５だけ偏角θ１と反対方向へ偏向する。一方、入力光の波長が短い場合により小さな出射角度θ３で出射される回折光をより大きな偏角θ５だけ偏角θ１と反対方向へ偏向する。これにより、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズム１３５が入力光の波長に応じて変化させた出射角度の差を低減させることができる。また、第２補正プリズム１５０は、光モジュール１００が使用される入力光の波長域において、偏角θ１と偏角θ５が略同一となるような頂角を有してよい。この場合、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズム１３５が入力光の波長に応じて変化させた出射角度の差を略０に補正することができる。
【００２５】
また、第２補正プリズム１５０は、回折光を、回折光の光路からより離れる方向に偏向することにより、第２出力レンズ１５５と第１出力レンズ１４５の間の距離をより大きくさせることができる。
【００２６】
第２出力レンズ１５５は、光モジュール１００に接続された第２出力光ファイバ１１５に対して、第２補正プリズム１５０により偏向された第２出力光を出力する。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る音響光学素子１２０における回折効率の一例を示すグラフである。より具体的には、ＰｂＭｏＯ４による音響光学素子１２０に１５０ＭＨｚの超音波を印加した場合において、入力光の波長が１５７０ｎｍのときに回折効率が最大となる入射角度により入力光を音響光学素子１２０に入射させた場合における、回折効率の波長依存性を示す。
【００２８】
本実施形態に係る光モジュール１００は、回折効率の波長依存性を低減するために、入力光が音響光学素子１２０に入射される入射角度を補正する入射プリズム１３５を備える。ここで、入力光の波長をλ、音響光学素子１２０中における超音波の波長をΛとすると、回折効率が最大となる入射角度であるブラック回折角θＢは、以下の式（１）により近似される。
【００２９】
【数１】
ここで、光モジュール１００に対する入力光の波長域の中心をセンター波長λＣとすると、入射プリズム１３５は、センター波長λＣの入力光を、センター波長λＣに対応して式（１）により定まるブラック回折角と略同一の角度で音響光学素子１２０に入射させる様に、入射プリズム１３５に対する入力光の入射角度及び入射プリズム１３５の頂角が調整される。また、センター波長と異なる波長λの入力光が入力された場合における入射プリズム１３５による偏角の変化量Δθ１＝θ１（λ）−θ１（λＣ）と、音響光学素子１２０のブラック回折角の変化量ΔθＢ＝θＢ（λ）−θＢ（λＣ）について、例えば光モジュール１００に対する入力光の波長域においてΔθ１と―ΔθＢとが略同一となる様に、入射プリズム１３５の材質又は入射プリズム１３５の頂角が調整される。これにより、入射プリズム１３５は、入力光の波長に対応して定められる、音響光学素子１２０に対するブラック回折角と略同一の入射角度に入力光を偏向し、音響光学素子１２０に入射させることができる。
【００３１】
図３は、本実施形態に係る第１出力レンズ１４５及び第２出力レンズ１５５における結合損失の一例を示すグラフである。より具体的には、図３は、あるコリメートレンズに対して異なる入射角度で光を入射させた場合における、光結合損失を実験により求めた結果を、入射角度０度で光を入射させた場合における光結合損失に対する相対値により示したものである。
【００３２】
ここで、音響光学素子１２０の結晶中における光の入射角度をα、音響光学素子１２０の結晶中においてブラック回折により回折する角度をβ、音響光学素子１２０の屈折率をｎとすると、βは以下の式（２）で表せる。
【００３３】
【数２】
ここで、音速をｖ、発振器１２５の発振周波数をｆｓとすると、音響光学素子１２０中における超音波の波長はｖ／ｆｓとなることから、式（２）は式（３）に変形できる。
【００３５】
【数３】
従って、音響光学素子１２０への入射角度θ２と音響光学素子１２０からの出射角度θ３との関係は、スネルの法則により、以下の式（４）となる。
【００３７】
【数４】
以上の式（４）によれば、ＰｂＭｏＯ４による音響光学素子１２０に１５０ＭＨｚの超音波を印加した場合において、入力光の波長域を１５２０〜１６２０ｎｍとすると、約０．１３度の角度変化が生じることが算出できる。第１補正プリズム１４０を設けない場合、図３によれば、波長域１５２０〜１６２０ｎｍの範囲において結合損失の波長依存は約１ｄＢ以上に達することがわかる。
【００３９】
一方、第１補正プリズム１４０は、センター波長λＣと異なる波長λの入力光が入力された場合における音響光学素子１２０の出射角度の変化量Δθ３＝θ３（λ）−θ３（λＣ）と、第１補正プリズム１４０における偏角の変化量Δθ４＝θ４（λ）−θ４（λＣ）について、例えば光モジュール１００に対する入力光の波長域においてΔθ３と―Δθ４とが略同一となる様に、第１補正プリズム１４０の材質又は第１補正プリズム１４０の頂角が調整される。これにより、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０が出射する回折光の波長に応じた出射角度の差を、略０に補正することができる。なお、上記式（３）のα及び式（４）のθ２は、入射プリズム１３５を設けない場合、入力光ファイバ１０５から光モジュール１００に対して入力光を入射する角度に基づく固定値となる。一方、入射プリズム１３５を設けた場合、これらの値は、αの値が入力光の波長に応じて定まるブラック回折角となる様に変化する。この場合、第１補正プリズム１４０は、入射プリズム１３５及び音響光学素子１２０により生じた回折光における波長に応じた出射角度の差を、回折光と比較し低減し又は略０とする様に材質又は頂角が調節されてよい。
【００４０】
例えば、ＴｅＯ２による音響光学素子１２０に１５０ＭＨｚの超音波を印加した場合において、入力光の波長が１５２０〜１６２０ｎｍまでを補正する場合、第１補正プリズム１４０として、フリントガラス（Ｆ２）で頂角が６０度〜７０度、より望ましくは略６４度のプリズムを用いることができる。ここで、第１補正プリズム１４０から第１出力レンズ１４５へ出力される第１出力光は、波長が変化した場合においても光線の角度は変化せず、微小量平行移動する。ここで、コリメートレンズは、入力される光線の平行移動に対する結合損失の変化は小さく、例えば１００μｍ程度の平行移動によっては結合損失はほとんど変動しない。したがって、第１補正プリズム１４０は、音響光学素子１２０により回折された回折光を、波長に依存しない一定の結合損失で第１出力光ファイバ１１０に対して出力することができる。
【００４１】
以上と同様に、第２補正プリズム１５０は、センター波長λＣと異なる波長λの入力光が入力された場合における入射プリズム１３５の偏角の変化量Δθ１＝θ１（λ）−θ１（λＣ）と、第２補正プリズム１５０における偏角の変化量Δθ５＝θ５（λ）−θ５（λＣ）について、例えば光モジュール１００に対する入力光の波長域においてΔθ１とΔθ５とが略同一となる様に、第２補正プリズム１５０の材質又は第２補正プリズム１５０の頂角が調整される。これにより、第２補正プリズム１５０は、音響光学素子１２０から出射される非回折光における、入射プリズム１３５が入力光の波長に応じて変化させた出射角度の差を略０に補正することができる。
【００４２】
図４は、本実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失の一例を示すグラフである。ここで、図４は、入射プリズム１３５を備えない場合において、第１補正プリズム１４０を備える場合及び備えない場合における第１出力光ファイバ１１０の結合損失、すなわち第１出力光ファイバ１１０に第１出力光を挿入する挿入損失を実験により測定した結果を示す。図４に示す様に、第１補正プリズム１４０を備えることにより、波長域１５２０〜１６２０ｎｍにおいて挿入損失の波長依存性が約２ｄＢ程度から０．６ｄＢ程度に低減することがわかる。図４に示した挿入損失は、入射プリズム１３５を備えることにより、更に低減される。
【００４３】
図５は、本実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失と、他の方法による挿入損失との比較結果を示すグラフである。挿入損失Ａ５００は、本実施形態に係る光モジュール１００において、入射プリズム１３５を備えない場合における第１出力光の挿入損失を実験により測定した結果を示す。挿入損失Ｂ５１０は、入射プリズム１３５及び第１補正プリズム１４０を備えない場合において、超音波の伝播速度が速いＴｅＯ２等の音響光学素子を用いることにより、式（１）におけるブラック回折角の波長依存性を低減した形態における挿入損失を実験により測定した結果を示す。挿入損失Ｃ５２０は、入射プリズム１３５及び第１補正プリズム１４０を備えない場合において、発振器１２５が発生する超音波の周波数ｆｓを入力光の波長に応じて変化させた形態における挿入損失を実験により測定した結果を示す。
【００４４】
挿入損失Ａ５００は、挿入損失Ｂ５１０及び挿入損失Ｃ５２０と比較し、挿入損失の波長依存性が小さく、光モジュール１００に入射プリズム１３５を更に備えることにより更に低減することができる。また、挿入損失Ｃ５２０の形態においては、入力波の波長に応じた音響光学素子１２０からの出射角度が、超音波の周波数の変化に応じて変化してしまうため、波長分散測定等の高い波長精度が必要となる測定には用いることが困難となる。また、超音波の周波数をＶＣＯ等により生成した場合、十分な精度が得られない可能性がある。
これに対し、光モジュール１００においては、超音波の周波数を一定とした場合においても、挿入損失Ａ５００の波長依存性を小さく抑えることができ、挿入損失の波長依存性の低減と、高い波長精度の維持を両立することができる。
【００４５】
図６は、本実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光及び第２出力光の挿入損失の差を示すグラフである。ここで、図６は、入射プリズム１３５を備えない場合において、第１出力光ファイバ１１０に出力される第１出力光及び第２出力光ファイバ１１５に出力される第２出力光の挿入損失を実験により測定した結果を示す。平均挿入損失６２０は、第１出力光及び第２出力光の平均の挿入損失を示す。
本実施形態に係る光モジュール１００によれば、図６に示す様に、入力光の波長域１５２０〜１６２０ｎｍにおいて、第１出力光及び第２出力光の挿入損失の差を小さく抑えることができる。
【００４６】
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４７】
例えば、光モジュール１００は、入射プリズム１３５及び第２補正プリズム１５０を備えない構成を採ってもよく、第１補正プリズム１４０及び第２補正プリズム１５０を備えない構成を採ってもよく、第１補正プリズム１４０又は第２補正プリズム１５０の一方を備えない構成を採ってもよい。また、入射プリズム１３５、第１補正プリズム１４０、及び第２補正プリズム１５０は、入射光を波長に応じて異なる角度で出射させる光学系により実現されてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、入力光を回折した出力光を出力する光モジュールにおいて、入力光の波長が変化した場合における出力光の損失の変化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光モジュール１００の構成を示す。
【図２】本発明の実施形態に係る音響光学素子１２０における回折効率の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る第１出力レンズ１４５及び第２出力レンズ１５５における結合損失の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光の挿入損失と、他の方法による挿入損失との比較結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る光モジュール１００による第１出力光及び第２出力光の挿入損失の差を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ 光モジュール
１０５ 入力光ファイバ
１１０ 第１出力光ファイバ
１１５ 第２出力光ファイバ
１２０ 音響光学素子
１２５ 発振器
１３０ 入力レンズ
１３５ 入射プリズム
１４０ 第１補正プリズム
１４５ 第１出力レンズ
１５０ 第２補正プリズム
１５５ 第２出力レンズ
１６０ 超音波波面
５００ 挿入損失Ａ
５１０ 挿入損失Ｂ
５２０ 挿入損失Ｃ
６２０ 平均挿入損失
Claims (8)
- 外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールであって、
前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、
前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を低減させた第１出力光を出射する第１補正プリズムと
を備えることを特徴とする光モジュール。 - 前記第１補正プリズムは、前記回折光を、前記音響光学素子に入射された前記入力光のうち回折されずに出射される非回折光の光路からより離れる方向に偏向した前記第１出力光を出射することを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
- 前記光モジュールに接続された光ファイバに対して前記第１出力光を出力する第１レンズを更に備えることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
- 前記入力光を入射し、前記入力光の波長に応じて異なる角度で出射することにより、前記入力光を、前記音響光学素子による回折効率がより高くなる角度で前記音響光学素子に入射させる入射プリズムを更に備えることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
- 前記入射プリズムは、前記入力光の波長に対応して定められる、前記音響光学素子に対するブラッグ回折角と略同一の入射角度に前記入力光を偏向し、前記音響光学素子に入射させることを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
- 前記入射プリズムにより前記音響光学素子に入射された前記入力光が、回折されずに前記音響光学素子から出射される非回折光における、前記入射プリズムが入力光の波長に応じて変化させた角度の差を、前記非回折光と比較し低減させた第２出力光を出射する第２補正プリズムを更に備えることを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
- 前記第１補正プリズムは、前記回折光における前記波長に応じた出射角度の差を、略０に補正した前記第１出力光を出射することを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
- 外部から入力される入力光を回折した出力光を出力する光モジュールであって、
前記入力光を回折した回折光を、前記入力光の波長に応じて異なる出射角度で出射する音響光学素子と、
前記入力光を入射し、前記入力光の波長に応じて異なる角度で出射することにより、前記入力光を、前記音響光学素子による回折効率がより高くなる角度で前記音響光学素子に入射させる入射プリズムと
を備えることを特徴とする光モジュール。
Priority Applications (7)
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