JP2004280027A - 回折格子素子 - Google Patents

Abstract

【課題】温度制御機構を不要化または簡略化することができる回折格子素子を提供する。
【解決手段】回折格子素子１は、各々が媒質２１，２２に接していて互いに平行な第１面１０Ａおよび第２面１０Ｂを有する透明平板１０において第１面１０Ａに回折格子が形成されたものである。この第１面１０Ａに形成された回折格子は、格子方向がｙ軸方向に平行であり、ｘ軸方向に周期Λで凹凸が周期的に形成されたものである。媒質２１，２２は例えば空気であり、透明平板１０は例えば石英ガラスからなる。温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において、回折格子の周期Λの線膨張係数と媒質２１，２２の屈折率の温度係数との和が０である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明平板の一方の面に回折格子が形成された回折格子素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子素子は、一般に、互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面に回折格子が形成されたものである（例えば非特許文献１を参照）。この回折格子素子では、例えば、第１面に接する媒質から該第１面に光が一定入射角で入射すると、その光は、第１面に形成された回折格子により回折され、透明平板の内部を通過して、第２面に接する媒質へ出射される。透明平板の第２面から出射されるときの光の回折角は、波長によって異なる。
【０００３】
このように、この回折格子素子は、入射した光を分波して出射する光分波器として用いられ得る。また、この回折格子素子は、上記の場合とは逆の方向に光を導く場合には、入射した光を合波して出射する光合波器として用いられ得る。さらに、回折格子素子と他の光学素子とを組み合わせることで、例えば、波長に応じて光の群遅延時間を調整する分散調整器を構成することもできる。したがって、回折格子素子は、多波長の信号光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ： Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光通信システムにおいて重要な光デバイスの１つとなっている。
【０００４】
【非特許文献１】
小舘香椎子、「回折光学の発展と新展開」、日本女子大学紀要、理学部、第１０号、ｐｐ．７−２４， （２００２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折格子素子に入射する光の波長および入射角が一定であっても、温度に依存して回折角が変化する。ＷＤＭ光通信システムで用いられる場合に、回折格子素子における回折角が変化すると、これに因り、信号光の損失が大きくなり、或いは、信号光の波形が劣化して、通信エラーが生じる場合がある。このような通信エラーを抑制するために、従来では、回折格子素子の温度を一定に制御するアクティブな温度制御機構を設ける必要があった。しかし、温度制御機構を設けることはシステムコストの増加を引き起こし、また、温度制御機構に対する電力供給が必要であることからもシステムコストの増加を引き起こしていた。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、温度制御機構を不要化または簡略化することができる回折格子素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回折格子素子は、各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面または第１面に平行に内部に回折格子が形成され、温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において回折格子の周期の線膨張係数と媒質の屈折率の温度係数との和が０であることを特徴とする。この回折格子素子は、光通信システムにおいて一般的な環境温度範囲−２０℃〜＋８０℃で用いられる場合に、温度制御機構を不要とすることができ、或いは、温度制御機構を簡略化することができる。本発明に係る回折格子素子は、媒質が空気であって、回折格子の周期の線膨張係数が０．６３×１０^−６／Ｋ〜１．２３×１０^−６／Ｋであるのが好適であり、この場合には、温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において、大気圧下で、回折格子の周期の線膨張係数と媒質の屈折率の温度係数との和が０となる。
【０００８】
本発明に係る回折格子素子は、各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面または第１面に平行に内部に回折格子が形成され、媒質が空気であって、回折格子の周期の線膨張係数が０．６５×１０^−６／Ｋ〜１．１１×１０^−６／Ｋであることを特徴とする。この回折格子素子は、温度範囲−２０℃〜＋８０℃で大気圧下での最大波長シフト量が０．０４ｎｍ以下となり、多波長信号光の光周波数間隔が１００ＧＨｚであるＷＤＭ光通信システムにおいて好適に用いられ得る。
【０００９】
本発明に係る回折格子素子は、互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面または第１面に平行に内部に回折格子が形成され、透明平板が気密封止されたガス中または真空中に配置され、回折格子の周期の線膨張係数が２．４×１０^−７／Ｋ以下であることを特徴とする。この回折格子素子は、温度範囲−２０℃〜＋８０℃で気密封止下または真空での最大波長シフト量が０．０４ｎｍ以下となり、多波長信号光の光周波数間隔が１００ＧＨｚであるＷＤＭ光通信システムにおいて好適に用いられ得る。
【００１０】
本発明に係る回折格子素子は、各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面または第１面に平行に内部に回折格子が形成され、媒質が空気であって、回折格子の周期の線膨張係数が０．８０×１０^−６／Ｋ〜０．９５×１０^−６／Ｋであることを特徴とする。この回折格子素子は、温度範囲−２０℃〜＋８０℃で大気圧下での最大波長シフト量が０．０２ｎｍ以下となり、多波長信号光の光周波数間隔が５０ＧＨｚであるＷＤＭ光通信システムにおいて好適に用いられ得る。
【００１１】
本発明に係る回折格子素子は、互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面または第１面に平行に内部に回折格子が形成され、透明平板が気密封止されたガス中または真空中に配置され、回折格子の周期の線膨張係数が１．２×１０^−７／Ｋ以下であることを特徴とする。この回折格子素子は、温度範囲−２０℃〜＋８０℃で気密封止下または真空での最大波長シフト量が０．０２ｎｍ以下となり、多波長信号光の光周波数間隔が５０ＧＨｚであるＷＤＭ光通信システムにおいて好適に用いられ得る。
【００１２】
本発明に係る回折格子素子は、透明平板が不純物を添加された石英ガラスからなるのも好適であり、透明平板が不純物を添加された石英ガラスまたは結晶化ガラスからなるのも好適であり、透明平板が異なる線膨張係数を有する複数の光学ガラスが積層されてなるのも好適であり、或いは、透明平板が厚み方向に異なる濃度で不純物を添加された石英ガラスからなるのも好適である。
【００１３】
透明平板に不純物が添加される場合、その不純物がＧｅ，ＰおよびＢの何れかの元素であるのが好適であり、或いは、その不純物がＴｉ元素であるであるのも好適であり、例えばＶＡＤ法やＣＶＤ法により適切な濃度の不純物が添加されることにより、透明平板に形成される回折格子の周期の線膨張係数を所望値とすることができる。透明平板の回折格子形成部が石英ガラスからなるのが好適であり、この場合には、回折格子を形成する際に加工性が優れる。
【００１４】
本発明に係る回折格子素子は、透明平板の厚み方向における線膨張係数分布が対称であるのが好適であり、この場合には、温度変化があっても、透明平板の反りの発生が抑制される。さらに、回折格子が透明平板の厚み方向の中央に形成されているのが好適であり、この場合には、光の出射位置の温度依存性も低減される。
【００１５】
本発明に係る回折格子素子は、回折効率が実質的に偏波無依存であるのが好適であり、この場合には、入射する光の偏波状態が一定で無い場合であっても、従来では必要であった他の光学素子（偏波分離素子や偏波合成素子など）を用いることなく、入射光を一定の回折効率で回折することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図において説明の便宜の為にｘｙｚ直交座標系が示されている場合がある。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る回折格子素子１の断面図である。この図に示される回折格子素子１は、各々が媒質２１，２２に接していて互いに平行な第１面１０Ａおよび第２面１０Ｂを有する透明平板１０において第１面１０Ａに回折格子が形成されたものである。この第１面１０Ａに形成された回折格子は、格子方向がｙ軸方向に平行であり、ｘ軸方向に周期Λで凹凸が周期的に形成されたものである。また、第２面１０Ｂには反射低減膜が設けられているのが好適であり、この場合には、回折効率が優れる。なお、媒質２１，２２は、例えば空気であるが、これに限られない。また、透明平板１０は、例えば石英ガラスからなるが、これに限られない。
【００１８】
このような回折格子素子１において、媒質２１から透明平板１０の第１面１０Ａに光が入射する。入射面はｘｚ平面に平行である。その光は、第１面１０Ａに形成された回折格子により回折され、透明平板１０の内部を通過して、第２面１０Ｂに接する媒質２２へ出射される。
【００１９】
透明平板１０の第２面１０Ｂから出射されるｍ次の回折光の回折角θ_ｍは、
【００２０】
【数１】

なる式で表される。ここで、θは入射角であり、λは真空中の光の波長であり、ｎは媒質２１，２２の屈折率である。この式から判るように、回折角θ_ｍが波長λに依存していることから、回折格子素子１は、例えば、光分波器または光合波器として用いられ、或いは、分散調整器の一構成要素としても用いられ得る。
【００２１】
ところで、温度Ｔが変化すると、次に説明するような問題が生じる。図２は、回折格子素子の問題点を説明する図である。一般に、媒質２１，２２の屈折率ｎは温度Ｔの関数であり、また、回折格子の周期Λも温度Ｔの関数であるから、回折角θ_ｍは温度Ｔにより異なる。もし、図２に示されるように、入射光が波長成分λ_１〜λ_３を含むものとして、０次以外の回折光のうちの波長λ_２の成分を光学素子３０（例えば、フォトダイオード、ミラー、等）で受光するように光学系が調整されていたとすると、温度Ｔが変化して回折角θ_ｍが変化したときに、光学素子３０に入射する光の波長がシフトする。それ故、従来では、回折格子素子の温度を一定に制御するアクティブな温度制御機構を設ける必要があった。
【００２２】
本実施形態に係る回折格子素子１は、このような問題点を解決することができるものである。すなわち、上記（１）式の右辺にある温度依存成分である積（ｎΛ）を温度Ｔで微分すると、
【００２３】
【数２】

なる式が得られる。この（２）式の右辺が０であれば、積（ｎΛ） は温度Ｔに依らず一定となり、したがって、回折角θ_ｍは温度Ｔに依らず一定となる。
【００２４】
ここで、上記（２）式右辺の括弧内の第２項は、
【００２５】
【数３】

なる式で定義される回折格子の周期Λの線膨張係数αである。また、上記（２）式右辺の括弧内の第１項は、
【００２６】
【数４】

なる式で定義される媒質２１，２２の屈折率ｎの温度係数βである。したがって、回折格子の周期Λの線膨張係数αと、媒質２１，２２の屈折率ｎの温度係数βとの和が０となれば、すなわち、
【００２７】
【数５】

なる関係式が成り立てば、回折角θ_ｍは温度Ｔに依らず一定となる。
【００２８】
そして、本実施形態に係る回折格子素子１では、温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において、回折格子の周期Λの線膨張係数αと媒質２１，２２の屈折率ｎの温度係数βとの和が０となっている。これにより、この回折格子素子１は、光通信システムにおいて一般的な環境温度範囲−２０℃〜＋８０℃で用いられる場合に、温度制御機構を不要とすることができ、或いは、温度制御機構を簡略化することができる。
【００２９】
以下では、媒質２１，２２が空気である場合について説明する。図３は、大気圧下での空気の屈折率ｎの温度係数βと温度Ｔとの関係を示すグラフである。この図に示されるように、空気の屈折率ｎは、温度Ｔへの依存性が小さく殆ど値１に等しいが、空気の屈折率ｎの温度係数βは、温度Ｔに依存して大きく変化する。また、回折格子の周期Λの線膨張係数α（単位：１／Ｋ）が
【００３０】
【数６】

なる数値範囲内にあれば、温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において大気圧下で上記（５）式の関係が成り立つ。また、回折格子の周期Λの線膨張係数αが０．８９×１０^−６／Ｋであれば、通常の使用温度である２５℃付近で大気圧下で上記（５）式の関係が成り立つ。
【００３１】
また、図２を用いて説明したように、一般に、温度Ｔが変化すると光学素子３０に入射する回折光の波長がシフトする。図４は、温度範囲−２０℃〜＋８０℃での最大波長シフト量と回折格子の周期Λの線膨張係数αとの関係を示すグラフである。この図には、波長λが１．３μｍ，１．５μｍおよび１．７μｍそれぞれの場合について示されている。なお、一般に、ＷＤＭ光通信システムでは、信号光波長帯として波長１．７μｍ以下の波長帯が用いられる。
【００３２】
ＷＤＭ光通信システムにおける多波長信号光の光周波数間隔が１００ＧＨｚである場合、温度範囲−２０℃〜＋８０℃で大気圧下での最大波長シフト量が０．０４ｎｍ以下であることが必要であり、したがって、図４より、回折格子の周期Λの線膨張係数α（単位：１／Ｋ）は
【００３３】
【数７】

なる数値範囲内にあればよい。また、多波長信号光の光周波数間隔が５０ＧＨｚである場合、温度範囲−２０℃〜＋８０℃で大気圧下での最大波長シフト量が０．０２ｎｍ以下であることが必要であり、したがって、回折格子の周期Λの線膨張係数α（単位：１／Ｋ）は
【００３４】
【数８】

なる数値範囲内にあればよい。
【００３５】
以上のように、本実施形態に係る回折格子素子１は、回折格子の周期Λの線膨張係数αが好適範囲にあることにより、温度範囲−２０℃〜＋８０℃におけるＷＤＭ光通信での要求精度を満たすことができて、温度制御機構を不要とすることができ、或いは、温度制御機構を簡略化することができる。ただし、多波長信号光の波長域や光周波数間隔によって要求精度は異なる。
【００３６】
次に、回折格子の周期Λの線膨張係数αを所望のものに実現する方法について説明する。その第１の方法として、石英ガラスに不純物（Ｇｅ，ＰおよびＢなど）を添加したものを透明平板１０とすればよい。石英ガラスの線膨張係数は０．５×１０^−６／Ｋであって上記数値範囲外であるが、石英ガラスに添加される不純物の添加濃度を適切に設定することで、その石英ガラスの線膨張係数を所望のものに実現することができる。
【００３７】
例えば、石英ガラスに添加される不純物がＧｅである場合、その石英ガラスの線膨張係数α（単位：１／Ｋ）は、Ｇｅ添加濃度Ｍ_Ｇｅ（単位：ｍｏｌ％）に対して、
【００３８】
【数９】

なる関係式で表される。したがって、上記（６）式で表される線膨張係数αの数値範囲とするには、Ｇｅ添加濃度Ｍ_Ｇｅは１．７ｍｏｌ％〜９．６ｍｏｌ％であればよい。また、上記（８）式で表される線膨張係数αの数値範囲とするには、Ｇｅ添加濃度Ｍ_Ｇｅは３．９ｍｏｌ％〜５．９ｍｏｌ％であればよい。
【００３９】
Ｇｅ以外の他の不純物（Ｐ，Ｂ，その他）が添加される場合にも、添加濃度を適切に設定することで、その石英ガラスの線膨張係数を所望のものに実現することができる。また、透明平板１０の製造性を考慮すると、石英ガラスに複数種類の不純物が添加されるのも好適である。なお、製造は例えばＶＡＤ法やＣＶＤ法により可能である。
【００４０】
回折格子の周期Λの線膨張係数αを所望のものに実現する第２の方法として、異なる線膨張係数を有する複数の光学ガラスを積層したものを透明平板１０としてもよい。図５は、本実施形態に係る回折格子素子１の他の構成例の説明図である。この図に示される回折格子素子１では、透明平板１０は、３枚の光学ガラス１１〜１３が順に積層されたものとなっている。光学ガラス１１が媒質２１と接し、光学ガラス１３が媒質２２と接していて、光学ガラス１１と光学ガラス１３との間に光学ガラス１２が挟まれている。
【００４１】
また、透明平板１０の厚み方向における線膨張係数分布が対称であるのが好適であり、この場合には、温度変化があっても、透明平板１０の反りの発生が抑制される。光学ガラス１１および１３それぞれは、厚みがｔ_１／２であり、ヤング率がＥ_１であり、ポアソン比がν_１であり、線膨張係数がα_１であるとする。光学ガラス１２は、厚みがｔ_２であり、ヤング率がＥ_２であり、ポアソン比がν_２であり、線膨張係数がα_２であるとする。このとき、透明平板１０の線膨張係数（すなわち、回折格子の周期Λの線膨張係数α）は、
【００４２】
【数１０】

なる式で表される。なお、光学ガラス１１〜１３それぞれの厚みは回折格子の凹凸の深さより充分に大きいので、回折格子の凹凸の影響を無視することができる。
【００４３】
また、光学ガラス１１および光学ガラス１３それぞれは、回折格子を形成する為に加工性が優れるのが好適であり、光学ガラス１２は、上記（１０）式に従って回折格子の周期Λの線膨張係数αが所望値のものとなるように、物性および厚みが適切に設定されるのが好適である。例えば、光学ガラス１１および光学ガラス１３それぞれは石英ガラスからなるのが好適である。また、光学ガラス１２は、不純物としてＧｅが添加された石英ガラスからなるのが好適である。
【００４４】
図６は、回折格子の周期Λの線膨張係数αと厚み比（ｔ_２／ｔ_１）との関係を示すグラフである。ここでは、光学ガラス１２に添加される不純物がＧｅであって、その添加濃度が１０ｍｏｌ％および１５ｍｏｌ％それぞれとした。この図から判るように、光学ガラス１２の不純物添加濃度および厚みを適切に設定することにより、回折格子の周期Λの線膨張係数αを所望値とすることができる。
【００４５】
ここで、光学ガラス１１，１３と光学ガラス１２との屈折率差が大きいと、これらの光学ガラスの界面での光の反射が大きくなり、回折効率が悪くなる。したがって、界面での反射を抑制する為に、上記屈折率差は小さい方が好ましい。光学ガラス１１，１３が石英ガラスであって、光学ガラス１２がＧｅ添加濃度１５ｍｏｌ％の石英ガラスである場合、屈折率差が０．０２２であって非常に小さいので、界面での反射が抑制される。
【００４６】
光学ガラス１１〜１３の貼り合わせには接着剤が用いられる。この接着剤の屈折率も、光学ガラス１１〜１３それぞれの屈折率に近いのが好ましい。また、光学ガラス１１〜１３の貼り合わせに陽極接合も用いられるが、この場合には、接着剤が不要であるので、接着剤の線膨張の影響が無く、この点でも好ましい。
【００４７】
回折格子の周期Λの線膨張係数αを所望のものに実現する第３の方法として、厚み方向に異なる濃度で不純物（Ｇｅ，ＰおよびＢなど）を添加された石英ガラスからなるものを透明平板１０としてもよい。図７は、本実施形態に係る回折格子素子１の更に他の構成例の説明図である。この図は、透明平板１０の厚み方向におけるＧｅ添加濃度分布を示している。この図に示される回折格子素子１では、透明平板１０は、第１面１０Ａおよび第２面１０Ｂそれぞれを含む近傍領域では石英ガラスであり、中間領域では不純物としてＧｅが添加されている。このような透明平板１０は、ＶＡＤ法やＣＶＤ法により製造される。
【００４８】
この場合にも、透明平板１０の厚み方向における線膨張係数分布が対称であるのが好適であり、温度変化があっても、透明平板１０の反りの発生が抑制される。透明平板１０の線膨張係数（すなわち、回折格子の周期Λの線膨張係数α）は、
【００４９】
【数１１】

なる式で表される。ここで、ｌは、透明平板１０の厚みであり、第２面１０Ｂのｚ座標値を０としている。
【００５０】
第１面１０Ａおよび第２面１０Ｂそれぞれを含む近傍領域では石英ガラスであるから、回折格子を形成する為に加工性が優れるのが好適である。上記（１１）式に従って、不純物添加濃度および厚みを適切に設定することにより、回折格子の周期Λの線膨張係数αを所望値とすることができる。また、厚み方向に不純物添加濃度が滑らかに変化するようにすることにより、厚み方向に屈折率が滑らかに変化するようにでき、屈折率変化部分での光の反射を抑制することができる。
【００５１】
回折格子の周期Λの線膨張係数αを所望のものに実現する第４の方法として、透明平板１０の一方の面の上に膜形成およびエッチングにより回折格子を形成してもよい。図８および図９それぞれは、本実施形態に係る回折格子素子１の更に他の構成例の説明図である。これらの図に示される回折格子素子１では、透明平板１０は、例えば、Ｇｅ元素またはＴｉ元素などの不純物を添加した石英ガラスからなる。図８に示される回折格子素子１は、透明平板１０の一方の面の上に、単層の膜１０ａを蒸着した後、パターニングを行なってエッチングすることで、周期Λのパターンで膜１０ａを残して、これを回折格子としたものである。図９に示される回折格子素子１は、透明平板１０の一方の面の上に、多層の膜１０ａ，１０ｂおよび１０ｃを蒸着した後、パターニングを行なってエッチングすることで、周期Λのパターンで膜１０ａ，１０ｂを残して、これを回折格子としたものである。
【００５２】
この回折格子素子１では、透明平板１０に添加された不純物の添加濃度が適切に調整されることで、回折格子の周期Λの線膨張係数αが所望値とされる。また、この場合、透明平板１０のエッチングが困難であっても、その一方の面の上に形成する膜の材料を適切に選択することで、回折格子を容易に形成することができる。また、特に図９に示された回折格子素子１では、膜１０ａ，１０ｂおよび１０ｃそれぞれの屈折率を適切に選択することにより、広波長帯域で回折特性の偏波依存性を低減することができる。
【００５３】
以上までの実施形態の説明では、回折格子素子１は大気圧下に置かれるものとし、媒質２１，２２が大気圧のガスであるとした。しかし、回折格子素子１が筐体内に気密封止される場合があり、この場合には、温度が変化するとガスの圧力が変化して、この圧力変化によりガスの屈折率が変化する。以下では、気密封止される場合について説明する。
【００５４】
本実施形態に係る回折格子素子１は、光分波器や光合波器として用いられるだけでなく、分散調整器、スペクトル検出装置および光フィルタ等の光学モジュールの構成部品として、ＷＤＭ光通信システムにおいて好適に用いられる。また、これらの光学モジュールにおいては、レーザダイオード、フォトダイオードおよびＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）などの半導体部品とともに、筐体内に回折格子素子１が設けられる場合がある。ところで、一般に、半導体部品は、水素や水蒸気の影響に因る劣化を防止するため、気密封止される。また、半導体部品を含まない光学モジュールでも、気密封止することにより、回折格子素子１への異物の付着を抑制することで、良好な特性を維持することができる。以下では、気密封止による回折特性の温度依存性の低減について具体例を示す。
【００５５】
ガスの屈折率ｎは、一般に
【００５６】
【数１２】

なる式で表される。ここで、Δｎは、真空の屈折率との差を表しており、ガスにより異なり、Ｈｅ，Ｎｅ，ＡｒおよびＮ_２それぞれについては温度０℃で１気圧のときの値が
【００５７】
【数１３】

のとおりである。
【００５８】
温度または圧力が変化すると、ガスの密度に略比例してΔｎが変化する。気密封止時におけるガス密度をρ_０とし、気密封止時におけるガス温度をＴ_０とし、ガスの体積膨張率をγとする。このとき、温度Ｔの時のガスの屈折率ｎは、
【００５９】
【数１４】

なる式で表され、温度Ｔの時のガスの密度ρは、
【００６０】
【数１５】

なる式で表される。よって、気密封止時のガスの屈折率の温度係数βは、
【００６１】
【数１６】

なる式で表される。
【００６２】
回折格子素子１（および半導体部品）を収納して封止する筐体の材質がＡｌである場合、その筐体の線膨張係数が２３×１０^−６／℃であるので、その筐体の内部にあるガスの体積膨張率γは６９×１０^−６／℃（＝３ｘ２３ｘ１０^−６）となる。よって、気密封止時のガスの屈折率の温度係数βは、Ｈｅガスの場合には−０．０２４×１０^−７／℃であり、Ｎ_２ガスの場合には−０．２０×１０^−７／℃である。
【００６３】
これらの気密封止時のガスの屈折率の温度係数βの値は、石英ガラスの線膨張係数５×１０^−７／℃と比較して、絶対値が１桁以上も小さい。また、大気圧中では、ガスの体積膨張率は、絶対温度に反比例し、例えば温度０℃では３．７×１０^−３／℃（＝１／２７３）であるから、Ａｌの筐体で気密封止されたガスの体積膨張率γは、大気圧中でのガスの体積膨張率と比較して、絶対値が２桁以上も小さい。
【００６４】
回折格子素子１が大気圧中に置かれた場合と比較して、このように回折格子素子１が気密封止された場合には、ガス（媒質２１，２２）の屈折率ｎの温度係数βは小さく、また、温度係数βの温度依存性も小さいので、回折格子の周期Λの線膨張係数αの好適範囲は異なる。
【００６５】
ＷＤＭ光通信システムにおいて無温調で回折格子素子１を用いる場合、多波長信号光の光周波数間隔が１００ＧＨｚであるときには、単位温度変化当たりの回折格子の波長シフト量は０．４ｐｍ／℃以下（温度範囲−２０℃〜＋８０℃で波長シフト量が０．０４ｎｍ以下）であることが望まれ、また、多波長信号光の光周波数間隔が５０ＧＨｚであるときには、単位温度変化当たりの回折格子の波長シフト量は０．２ｐｍ／℃以下（温度範囲−２０℃〜＋８０℃で波長シフト量が０．０２ｎｍ以下）であることが望まれる。なお、多波長信号光の波長域や光周波数間隔によって要求精度は異なる。
【００６６】
ここで、単位温度変化当たりの回折格子の波長シフト量は、
【００６７】
【数１７】

なる式で表される。
【００６８】
一般にＷＤＭ光通信で用いられる信号光の波長は１．７μｍ以下であるので、信号光波長帯域の全域で波長シフト量が０．４ｐｍ／℃以下（または０．２ｐｍ／℃以下）となるためには、
【００６９】
【数１８】

なる条件を満たせばよい。
【００７０】
この（１８）式の右辺の値は、気密封止時のガスの屈折率ｎの温度係数βと比べると、約１桁大きい。Ａｌのような線膨張係数が大きい材料からなる筐体を用いても、その筐体内に回折格子素子１を気密封止すれば、ガス（媒質２１，２２）の屈折率ｎの温度係数βを無視することができる。したがって、筐体内が真空である場合も含めて、回折格子の周期Λの線膨張係数αは、光周波数間隔が１００ＧＨｚおよび５０ＧＨｚそれぞれの場合で、
【００７１】
【数１９】

なる条件を満たせばよい。なお、封止される場合であっても、封止する筐体の材質が樹脂のように線膨張係数が大きい場合には、気密封止時のガスの屈折率の温度係数βを考慮して上記（１８ａ）式または（１８ｂ）式を満たす必要がある。
【００７２】
気密封止する場合には、回折格子の周期Λの線膨張係数αは、石英ガラスの線膨張係数（５×１０^−７／℃）より小さいことが必要である。これを実現するには、透明平板１０として結晶化ガラスを用いるのが好適であり、或いは、透明平板１０としてＴｉ元素を添加した石英ガラスを用いるのが好適である。結晶化ガラスの場合には結晶化の程度を調整することにより、また、Ｔｉ元素を添加した石英ガラスの場合にはＴｉ添加量を調整することにより、線膨張係数を例えば−２０×１０^−７／℃〜＋５×１０^−７／℃の範囲の値とすることができる。また、実質的に熱膨張しないガラスを透明平板１０として用いると、なお好適である。また、図５に示された構成で、光学ガラス１１，１３として石英ガラスを用い、光学ガラス１２として線膨張係数が負であるガラスを用いてもよい。
【００７３】
以上までの実施形態の回折格子素子１は、透明平板１０の一方の表面に回折格子が形成されたものであった。しかし、透明平板の表面に平行に内部に回折格子が形成されてもよい。以下では、透明平板の内部に回折格子が形成され回折格子素子について説明する。
【００７４】
図１０は、本実施形態に係る回折格子素子２の断面図である。この図に示される回折格子素子２は、各々が媒質２１，２２に接していて互いに平行な第１面１０Ａおよび第２面１０Ｂを有する透明平板１０において、第１面１０Ａに平行に内部に回折格子１０ａが形成されたものである。透明平板１０は、例えば、Ｇｅ元素またはＴｉ元素を添加された石英ガラスである。回折格子１０ａは、透明平板１０の厚み方向（ｚ軸方向）について中央に形成されていて、上下対称の構造であり、格子方向がｙ軸に平行であり、ｘ軸方向に周期Λで周期的に形成されたものである。また、第１面１０Ａおよび第２面１０Ｂそれぞれには反射低減膜が設けられているのが好適である。この回折格子素子２でも、回折格子の周期Λの線膨張係数αは、大気圧中に置かれる場合には上記（５）式〜（８）式の何れかを満たし、或いは、気密封止される場合には上記（１８ａ）式または（１８ｂ）式を満たす。この回折格子素子２は、第１面１０Ａに回折格子が形成されている既述の回折格子素子１と同様に、回折角の温度依存性が低減される。
【００７５】
また、回折格子素子２は、一般に高い回折効率が得られるブラッグ条件での使用時に、第２面１０Ｂからの光の出射位置の温度依存性も抑制される。すなわち、媒質２１から第１面１０Ａへの光の入射角をθとし、その光の波長をλとし、回折格子の周期をΛとし、媒質２１，２２の屈折率をｎすると、ｍ次回折光のブラッグ条件は、
【００７６】
【数２０】

なる式で表される。ブラッグ条件では、入射角と回折角とが逆符号で各々の絶対値が互いに等しい。また、透明平板１０が透明平板１０の厚み方向（ｚ軸方向）について中央に形成されていて上下対称の構造である。したがって、ｘ軸方向に関して、第２面１０Ｂからの光の出射位置は、第１面１０Ａへの光の入射位置と等しい。仮に上記（２０）式中の積（ｎΛ）の温度依存性が無くなれば、第１面１０Ａへの光の入射位置の温度依存性は無いから、温度に依らずに常にブラッグ条件を満たし、第２面１０Ｂからの光の出射位置の温度依存性も無くなる。したがって、上記（２０）式中の温度依存成分である積（ｎΛ）の温度依存性を低減すれば、回折角の温度依存性を低減することができるだけでなく、出射位置の温度依存性をも低減することができる。
【００７７】
図１１は、本実施形態に係る回折格子素子３の断面図である。この図に示される回折格子素子３は、既述した回折格子素子２の変形例であって、３枚の光学ガラス１１〜１３が順に積層されて透明平板１０が構成されたものである。この回折格子素子３における３枚の光学ガラス１１〜１３は、図５に示された構成と同様である。中央の光学ガラス１２は例えば石英ガラスであり、両側の光学ガラス１１，１３それぞれは例えばＧｅ元素またはＴｉ元素を添加された石英ガラスである。回折格子１０ａは、中央の光学ガラス１２の厚み方向（ｚ軸方向）について中央に形成されていて、上下対称の構造であり、格子方向がｙ軸に平行であり、ｘ軸方向に周期Λで周期的に形成されたものである。また、光学ガラス１１，１３それぞれの表面には反射低減膜が設けられているのが好適である。この回折格子素子３でも、回折格子の周期Λの線膨張係数αは、大気圧中に置かれる場合には上記（５）式〜（８）式の何れかを満たし、或いは、気密封止される場合には上記（１８ａ）式または（１８ｂ）式を満たす。この回折格子素子３は、既述の回折格子素子２と同様に、積（ｎΛ）の温度依存性を低減すれば、回折角の温度依存性が低減され、また、出射位置の温度依存性も低減される。
【００７８】
回折格子素子２，３は以下のようにして製造される。エッチング等により表面に回折格子が形成された透明ガラスの回折格子面に対し、両面が平坦な他の透明ガラスを貼り合せ、この張り合わせたものを、回折格子素子２の透明平板１０または回折格子素子３の光学ガラス１２とする。或いは、エッチング等により表面に回折格子が形成された透明ガラスの回折格子面に対し、その格子の溝を蒸着等によりＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５およびＮｂ_２Ｏ_５等の高屈折率材で埋め、その後に、両面が平坦な他の透明ガラスを貼り合せ、この張り合わせたものを、回折格子素子２の透明平板１０または回折格子素子３の光学ガラス１２としてもよい。後者の場合には、回折格子面が全て固体であるから、貼り合せ作業が容易である。また、後者の場合には、高屈折率材料で埋めた後に研磨等の表面処理を行なうと、貼り合せ作業が更に容易となり好適である。
【００７９】
図１２は、本実施形態に係る回折格子素子４の断面図である。この図に示される回折格子素子４では、透明平板１０は、光学ガラス１１と光学ガラス１２との間に挟まれた領域に回折格子が形成されたものであり、その回折格子は、媒質１４ａと媒質１４ｂとがｘ軸方向に周期Λで交互に設けられたものである。
【００８０】
また、図１３は、本実施形態に係る回折格子素子５の断面図である。この図に示される回折格子素子５では、透明平板１０は、光学ガラス１１と光学ガラス１２との間に挟まれた領域に膜１５〜１８が順に形成されていて、膜１６と膜１７との間に回折格子が形成されたものであり、その回折格子は、媒質１４ａと媒質１４ｂとがｘ軸方向に周期Λで交互に設けられたものである。
【００８１】
これらの回折格子素子４，５でも、回折格子の周期Λの線膨張係数αは、大気圧中に置かれる場合には上記（５）式〜（８）式の何れかを満たし、或いは、気密封止される場合には上記（１８ａ）式または（１８ｂ）式を満たす。これらの回折格子素子４，５は、既述の回折格子素子２と同様に、積（ｎΛ）の温度依存性を低減すれば、回折角の温度依存性が低減され、また、出射位置の温度依存性も低減される。
【００８２】
これらの回折格子素子４，５は、より広い波長帯域で回折効率の向上が可能である。また、回折格子素子４，５は偏波依存性の抑制が可能であり、このことから、回折格子素子とは別に偏波分離素子や偏波合成素子を設ける必要がないので、これら偏波分離素子や偏波合成素子における偏波分離・合成の温度依存性の影響を排除することができる。
【００８３】
なお、回折格子素子５では、膜１５〜１８および媒質１４ａ，１４ｂは、通常の場合には充分に薄く、透明平板１０の線膨張係数への影響が殆ど無いから、この部分では上下対称でなくてもよい。
【００８４】
以上では、回折格子素子単体の温度依存性の抑制について説明してきた。ところで、一般に、回折格子素子は他の光学素子とともに用いられる場合がある。例えば、入射する光の偏波状態が一定で無い場合には、回折格子素子は、偏波分離素子、偏波回転素子および偏波合成素子とともに用いられる。この場合、入射した光は、偏波分離素子により偏波分離されて、互いに偏波面が直交する２つの直線偏光とされる。偏波分離された２つの直線偏光の光は、そのうち一方の偏波面が９０°だけ偏波回転素子により回転されて、同一方位の直線偏光とされて、回折格子素子に入射して回折される。回折格子素子により回折された２つの直線偏光の光は、そのうち一方の偏波面が９０°だけ他の偏波回転素子により回転されて、互いに偏波面が直交する直線偏光とされ、そして、偏波合成素子により偏波合成されて出射される。
【００８５】
このような場合、回折格子素子の単体で温度依存性が抑制されるだけでなく、他の光学素子（偏波分離素子、偏波合成素子、偏波回転素子）についても、一般に温度依存性を有していることから温度制御機構が必要である。しかし、他の光学素子については温度制御の負荷が大きいとなると、回折格子素子について温度制御機構の不要化または簡略化がなされた意義が半減する。
【００８６】
そこで、本実施形態に係る回折格子素子１は、温度依存性が抑制されたものであるだけでなく、回折効率の偏波依存性も抑制されたものであるのが好適である。このようにすることにより、入射する光の偏波状態が一定で無い場合であっても、上述した他の光学素子（偏波分離素子、偏波合成素子、偏波回転素子）を用いることなく、回折格子素子１のみで、入射光を一定の回折効率で回折することができる。
【００８７】
例えば、図１４に示されるように、回折格子の断面が矩形状の凹凸であって、周期Λが１．５５μｍであり、凸条部の高さＨが３．７２μｍであり、凸条部の幅Ｗと周期Λとの比（Ｗ／Λ）が０．６６であるとする。透明平板１０が石英ガラスからなり、媒質２１，２２が空気であるとする。また、透明平板１０の第２面１０Ｂには無反射コーティングが形成されているとする。このとき、媒質２１から第１面１０Ａへ入射する光の波長が１．５５μｍであって、入射角θが３０°であるとすると、ＴＥ偏波光およびＴＭ偏波光それぞれの回折効率は９８％程度となり、回折効率は実質的に偏波無依存となる。
【００８８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る回折格子素子は、各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において第１面または第１面に平行に内部に回折格子が形成され、温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において回折格子の周期の線膨張係数と媒質の屈折率の温度係数との和が０である。この回折格子素子は、光通信システムにおいて一般的な環境温度範囲−２０℃〜＋８０℃で用いられる場合に、温度制御機構を不要とすることができ、或いは、温度制御機構を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る回折格子素子１の断面図である。
【図２】回折格子素子の問題点を説明する図である。
【図３】空気の屈折率ｎの温度係数と温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【図４】温度範囲−２０℃〜＋８０℃での最大波長シフト量と回折格子の周期Λの線膨張係数αとの関係を示すグラフである。
【図５】本実施形態に係る回折格子素子１の他の構成例の説明図である。
【図６】回折格子の周期Λの線膨張係数αと厚み比（ｔ_２／ｔ_１）との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態に係る回折格子素子１の更に他の構成例の説明図である。
【図８】本実施形態に係る回折格子素子１の更に他の構成例の説明図である。
【図９】本実施形態に係る回折格子素子１の更に他の構成例の説明図である。
【図１０】本実施形態に係る回折格子素子２の断面図である。
【図１１】本実施形態に係る回折格子素子３の断面図である。
【図１２】本実施形態に係る回折格子素子４の断面図である。
【図１３】本実施形態に係る回折格子素子５の断面図である。
【図１４】本実施形態に係る回折格子素子１の偏波無依存性の実現方法を説明する図である。
【符号の説明】
１〜５…回折格子素子、１０…透明平板、１０Ａ…第１面、１０Ｂ…第２面、１１〜１３…光学ガラス、２１，２２…媒質。

Claims (16)

1. 各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において前記第１面または前記第１面に平行に内部に回折格子が形成され、
   温度範囲−２０℃〜＋８０℃に含まれる何れかの温度において前記回折格子の周期の線膨張係数と前記媒質の屈折率の温度係数との和が０である、
   ことを特徴とする回折格子素子。
2. 前記媒質が空気であって、前記回折格子の周期の線膨張係数が０．６３×１０^−６／Ｋ〜１．２３×１０^−６／Ｋである、ことを特徴とする請求項１記載の回折格子素子。
3. 各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において前記第１面または前記第１面に平行に内部に回折格子が形成され、
   前記媒質が空気であって、前記回折格子の周期の線膨張係数が０．６５×１０^−６／Ｋ〜１．１１×１０^−６／Ｋである、
   ことを特徴とする回折格子素子。
4. 互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において前記第１面または前記第１面に平行に内部に回折格子が形成され、
   前記透明平板が気密封止されたガス中または真空中に配置され、
   前記回折格子の周期の線膨張係数が２．４×１０^−７／Ｋ以下である、
   ことを特徴とする回折格子素子。
5. 各々が媒質に接していて互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において前記第１面または前記第１面に平行に内部に回折格子が形成され、
   前記媒質が空気であって、前記回折格子の周期の線膨張係数が０．８０×１０^−６／Ｋ〜０．９５×１０^−６／Ｋである、
   ことを特徴とする回折格子素子。
6. 互いに平行な第１面および第２面を有する透明平板において前記第１面または前記第１面に平行に内部に回折格子が形成され、
   前記透明平板が気密封止されたガス中または真空中に配置され、
   前記回折格子の周期の線膨張係数が１．２×１０^−７／Ｋ以下である、
   ことを特徴とする回折格子素子。
7. 前記透明平板が不純物を添加された石英ガラスからなる、ことを特徴とする請求項１，３および５の何れか１項に記載の回折格子素子。
8. 前記透明平板が不純物を添加された石英ガラスまたは結晶化ガラスからなる、ことを特徴とする請求項１，４および６の何れか１項に記載の回折格子素子。
9. 前記透明平板が異なる線膨張係数を有する複数の光学ガラスが積層されてなる、ことを特徴とする請求項１，３，４，５および６の何れか１項に記載の回折格子素子。
10. 前記透明平板が厚み方向に異なる濃度で不純物を添加された石英ガラスからなる、ことを特徴とする請求項１，３および５の何れか１項に記載の回折格子素子。
11. 前記不純物がＧｅ，ＰおよびＢの何れかの元素であることを特徴とする請求項７または１０に記載の回折格子素子。
12. 前記不純物がＴｉ元素であることを特徴とする請求項８記載の回折格子素子。
13. 前記透明平板の回折格子形成部が石英ガラスからなることを特徴とする請求項９または１０に記載の回折格子素子。
14. 前記透明平板の厚み方向における材質の分布が対称であることを特徴とする請求項９または１０に記載の回折格子素子。
15. 前記回折格子が前記透明平板の厚み方向の中央に形成されていることを特徴とする請求項１４記載の回折格子素子。
16. 回折効率が実質的に偏波無依存であることを特徴とする請求項１，３，４，５および６の何れか１項に記載の回折格子素子。

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