JP2005025017A - 合分波器 - Google Patents
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Abstract
【課題】伝播ビームを多重反射させる方式により、特定の波長のビームを、複数の光伝送路に対して抽出又は挿入する合分波器の部品製造トレランス低下、部品実装トレランス低下、パワー損失増大などを解決する。
【解決手段】ガウシアンビームが光反射集光素子108-111に入反射し、その反射ビームが波長選択素子105-107に入反射し、波長選択素子からの反射ビームが、前記とは別の光反射集光素子に入反射する合分波器であって、光反射集光素子と波長選択素子が、平行に対向する二つの仮想平面114,115上に配置されており、波長選択素子からの反射ビームは、二つの仮想平面で反射を繰り返しながら伝搬する多重反射ビームとなり、一つの波長選択素子から隣接する別の波長選択素子までの光路長が何れも等しく、多重反射ビームが、一つの波長選択素子から別の波長選択素子まで伝播される際に、複数の光反射集光素子からの反射を経ることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】ガウシアンビームが光反射集光素子108-111に入反射し、その反射ビームが波長選択素子105-107に入反射し、波長選択素子からの反射ビームが、前記とは別の光反射集光素子に入反射する合分波器であって、光反射集光素子と波長選択素子が、平行に対向する二つの仮想平面114,115上に配置されており、波長選択素子からの反射ビームは、二つの仮想平面で反射を繰り返しながら伝搬する多重反射ビームとなり、一つの波長選択素子から隣接する別の波長選択素子までの光路長が何れも等しく、多重反射ビームが、一つの波長選択素子から別の波長選択素子まで伝播される際に、複数の光反射集光素子からの反射を経ることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられる合分波器に関するものであり、より詳細には、波長多重光伝送などで利用され、複数の光伝送路を有する装置において、特定の波長の光信号を、各光伝送路に対して抽出又は挿入することを可能とする合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の、波長多重伝送技術の発展に伴い、複数の光伝送路（ポート）をもつ機能デバイスに注目が集まっている。
【０００３】
特に、一つの共通ポート（コモンポート）と複数の入出力ポート（チャネルポート）を有し、それぞれのチャネルポートから、特定の波長の光信号を抽出又は挿入することができる合分波素子は、小型低コスト化、低損失化などの特性を実現するために、多様な方式及び構造のものが提案されている。
【０００４】
合分波器に関する技術の例を図９に示す（特許文献１参照）。
【０００５】
この合分波器は、図９に具体的に示すように、光学ブロックの表面に、特定の波長の光線のみを透過させ、それ以外の波長の光線を反射させる波長特定フィルタ０１〜０４を複数配置し、光学ブロックの別の表面に収束リフレクタ０５〜０７を複数形成する構成となっている。
【０００６】
従って、入射光０１２のうちの特定波長は、各波長特定フィルタ０１〜０４で反射され、その光線が収束リフレクタ０５〜０７により反射され、他の波長特定フィルタ０１〜０４に向かって再収束し、リレー式に光線を伝播させる方式である。
【０００７】
一方、各波長フィルタ０１〜０４を透過した光線は、各波長特定フィルタ０１〜０４ごとに用意された検出器０８〜０１１又は光ファイバにおいて、単一波長の光信号として検出される。
【０００８】
この合分波器の内部を伝播するビームが、マルチモードファイバやフォトダイオードなどに結合する場合は、伝播ビームは幾何光線とみなして設計できるため、ビームの焦点の挙動も設計値からのずれに対して急激に変化することはなかった。
【０００９】
またこれらの検出器（受光部品）０８〜０１１の受光径は比較的大きいため、光学ブロック製造上の許容誤差はそれほど厳しくなかった。
【００１０】
ところが、この合分波器にシングルモードファイバを実装しビームを出射又は受光する場合や、各チャネルに端面発光型のＬＤなどを配置し合波動作させる場合などは、伝播ビームはガウシアンビームとみなす方が妥当であり、ビームウェスト付近のビームの挙動を波動光学的に考慮する必要がある。
【００１１】
更に、製造誤差、実験誤差がわずかに発生するだけで、ビーム結合効率が急激に低下するため、光学設計どおりの部品を入手・製造するコスト、部品を設計どおりにアライメントする実装コストが増大してしまうという問題があり、具体例を以下に示す。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１６２４６６
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
１）例えば、各チャネルに端面発光型のＬＤやシングルモードファイバなどを実装し、合波器として利用する場合、合波器の内部を伝播するビームは、収束リフレクタにより各チャネルのフィルタに向かって収束させられており、全てのフィルタ付近にビームウェストが形成されている。
【００１４】
各チャネルポートから出射されるそれぞれのビームのビームウェスト及びスポットサイズが、前記伝播ビームのビームウェスト形成位置及びスポットサイズと一致しなければ、各チャネルポートから出射されるそれぞれのビームがコモンポートに結合する際の結合効率が低下したり、チャネル間ばらつきが発生したりする問題を招く。
【００１５】
従って、これらのビームウェスト形成位置及びスポットサイズが一致するように設計・実装するのが望ましいが、設計どおりに各チャネルのＬＤ、シングルモードファイバ、レンズ系などの部品を製造・実装するためには非常に高い精度が要求されるため、各チャネルにＰＤやマルチモードファイバを配置して分波器として利用する場合よりも、トレランスが厳しくなるという問題があった。
【００１６】
また、市販の部品を利用してチャネルポートを構成することもできるが、その場合は光学部品のサイズに制約があるため、小型化できないという問題があった。
２）合分波器の内部を伝播するビームは、収束リフレクタによりフィルタに向かって収束させられているため、光学ブロックを製造する際のわずかな誤差により、フィルタ付近に形成されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまう。
【００１７】
従って、チャネル数増大に従い伝播ビームが急激に拡散し、収束リフレクタの有効直径より伝播ビームのスポットサイズが大きくなってしまい、パワー損失が発生し、結合効率が低下してしまうという問題があった。
【００１８】
本発明は、以上述べたような課題、即ち、合分波器内部の伝播ビームを多重反射させる方式により、特定の波長のビームを、複数の光伝送路に対して抽出又は挿入する場合に発生する、
１）部品製造トレランス低下
２）部品実装トレランス低下
３）パワー損失増大
などの課題を解決することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
（１）第１の発明は、ガウシアンビーム等の光線（以下、単に、ガウシアンビームという）が、特定の位置にビームウェストを形成するように反射させる光反射集光素子に入反射し、上記光反射集光素子からの反射ビームが、特定の波長域のビームを透過させそれ以外の波長域のビームを反射させる波長選択素子に入反射し、上記波長選択素子からの反射ビームが、前記光反射集光素子とは別の光反射集光素子に入反射するように光学設計されている合分波器であって、前記光反射集光素子と前記波長選択素子は、平行に対向する二つの仮想平面上に配置されており、波長選択素子からの反射ビームは、二つの仮想平面で反射を繰り返しながら伝搬する多重反射ビームとなり、一つの波長選択素子から仮想平面の反射を経て隣接する別の波長選択素子までに入射する多重反射ビームの光路長が何れも等しく、かつ、一つの波長選択素子から別の波長選択素子に入射する反射ビームが複数の光反射集光素子による反射を経ることを特徴とする合分波器である。
ここで、「ガウシアンビーム」とは、一般的にいえば、強度分布がガウス分布であることを特徴としており、ビーム光軸、ビームウェスト位置、スポットサイズ、ビーム波面曲率半径などを正確に定義できる単一モードのガウシアンビームのことを指している。
【００２０】
従って、端面発光型レーザダイオードやシングルモードファイバから出射されるビームは単一モードのガウシアンビームとして扱えるが、面発光型レーザダイオードやマルチモードファイバから出射されるビームは、厳密には単一モードのガウシアンビームとして扱うことはできない。
【００２１】
しかし、これらのビームも、場合によっては単一モードのガウシアンビームを出射する点光源の重ね合わせとして扱うことも可能である。
【００２２】
よって、本発明におけるガウシアンビームは、対象とする光学系のそれぞれの場合に応じて、単一モードガウシアンビームの特徴を有するビームとみなすことができるような、広義のビームを想定している。
【００２３】
ガウシアンビームの複素ビームパラメータ（ｑ）とは、波長（λ）、円周率（π）、ビームウェストからの距離（ｚ）、スポットサイズ（ｗ（ｚ））、ビーム波面曲率半径（Ｒ（ｚ））を用いて下式（１）のように表現され、ガウシアンビームの特性を示すｗ（ｚ）とＲ（ｚ）を、一つの複素数（ｑ）で表示することができるものとして知られている。
１／ｑ＝１／Ｒ（ｚ）−ｉλ／（π・ｗ（ｚ）２） …（１）
以降の詳細説明の便宜のため、
合分波器外部からの信号を、ガウシアンビームとして内部に出射する部分を「出射点」、合分波器内部の伝播ビームを受光し、外部に信号として伝える部分を「受光点」、出射点、及び、出射点からのビームを効率よく合分波器内部に伝播させるためのレンズ系から構成される部品を「送信ポート」、受光点、及び、合分波器内部の伝播ビームを効率よく受光点に結合させるためのレンズ系から構成される部品を「受信ポート」、単一波長の光信号を入出力するための送信又は受信ポートを「チャネルポート」、波長多重化された光信号を入出力するための送信又は受信ポートを「コモンポート」と定義する。
【００２４】
出射点又は受光点の具体例としては、シングルモードファイバの端面、マルチモードファイバの端面、先球ファイバの先端などが考えられる。
【００２５】
また、出射点にはレーザダイオード、受光点にはフォトダイオードを利用し、合分波器外部に入出力する信号を電気信号とすることもできる。
【００２６】
送信ポート又は受信ポートを構成するレンズ系の具体例としては、ポールレンズ、平凸レンズ、両凸レンズ、非球面レンズ、ＧＲＩＮレンズなどの光学レンズ、及び、それらの光学レンズが複数組み合わせられたものが考えられる。
【００２７】
波長選択素子の具体例としては、特定の波長を固定して利用する場合は、誘電体多層膜を利用したバンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタなどが考えられる。
【００２８】
また、透過させる波長は外部からの制御によりそれぞれ独立に変化させてもよい。
【００２９】
その場合は、電気光学効果又は熱光学効果を利用した波長可変フィルタ、ＭＥＭＳ技術を利用したエタロンフィルタなどが考えられる。
【００３０】
また、波長選択素子が透過させる波長帯が、入射光線の全ての波長帯を含む場合も考えられ、その場合は光学的な透過窓に相当する。
【００３１】
逆に、入射光線の全ての波長帯を透過させない場合は、平面ミラーと同等の機能を有する。
【００３２】
光反射集光素子の具体例としては、凹面ミラー、平凸レンズの平面側の表面に反射膜を形成したもの、フレネルレンズの原理を応用したフレネルミラーなどが考えられる。
【００３３】
上記の部品群の配置を決定するため、平行に対向させられた二つの平面を考え「仮想平面」と定義する。
【００３４】
送信ポートから出射されたビームが、仮想平面を透過し、受信ポートに伝播されるように、送信ポート、受信ポートが配置されており、少なくとも一組の送信ポートと受信ポートについては、送信ポートから出射されたビームが、二つの仮想平面の間をジグザグ状に反射する「多重反射ビーム」となり、そのビームが受信ポートに伝播されるように配置されており、多重反射ビームの仮想平面における反射点には、波長選択素子、光反射集光素子、平面状の反射面のいずれかの「制御素子」が配置されている。
【００３５】
また、多重反射ビームの光路上において、隣接する波長選択素子の間に配置されている制御素子の全体を「リレイ光学系」と定義する。
【００３６】
対向させられた二つの仮想平面の間の領域は、伝播ビームが多重反射する領域であるが、空間中をビームが多重反射する場合は、複数の制御素子が表面に形成されたアレイ素子搭載ブロックを二つ用意し、それらを平行に対向させる構成が考えられる。
【００３７】
ガラス又は透明樹脂などの媒質中をビームが多重反射する場合は、ガラス又は透明樹脂などで形成された平板状の光導波ブロックの両方の表面に、複数の制御素子を形成する構成が考えられる。
【００３８】
本発明の分波動作の原理は以下のとおりである。
【００３９】
コモンポートは送信ポートであり、複数のチャネルポートは受信ポートであり、コモンポートから出力された波長多重光信号が、それぞれの波長選択素子が透過させる波長域に応じて、複数のチャネルポートに分波される。
【００４０】
即ち、送信ポートから出射されたビームは、仮想平面を通過して、第一の波長選択素子に到達する。
【００４１】
ビームが第一の波長選択素子に到達するまでに、複数の制御素子からの反射を経ることもある。
【００４２】
第一の波長選択素子において、特定の波長域のビームは透過され、受信ポートに向けて出射される。
【００４３】
それ以外の波長域のビームは反射され、対向する仮想平面の別の制御素子に届けられ、複数の光反射集光素子からの反射を経て、第二の波長選択素子に到達する。
【００４４】
以上のような動作を繰り返しおこなうように、送受信ポートの設置位置と設置角度、仮想平面に配置された制御素子を光学設計する。
【００４５】
また、本発明の合波動作の原理は以下のとおりである。
【００４６】
複数のチャネルポートは送信ポートであり、コモンポートは受信ポートであり、チャネルポートから出力された複数の単一波長の光信号が、それぞれの波長選択素子が透過させる波長域に応じて、コモンポートに合波される。
【００４７】
即ち、第一の送信ポートから出射されたビームは、第一の仮想平面上に形成された第一の波長選択素子に到達する。
【００４８】
第一の波長選択素子において、特定の波長域のビームは透過され、第二の仮想平面上に形成された制御素子に向けて出射される。
【００４９】
それ以外の波長域のビームは反射され合波されることはない。
【００５０】
第二の仮想平面に到達した前記透過ビームは多重反射ビームとなり、第二の波長選択素子に到達するが、到達までには、少なくとも一つの光反射集光素子からの反射を経る。
【００５１】
前記多重反射ビームは、第二の送信ポートから出射され第二の波長選択素子を透過するビームと合波され、再び多重反射ビームとなり、第三の波長選択素子に到達する。
【００５２】
以上のような動作を繰り返しおこなうように、送受信ポートの設置位置と設置角度、仮想平面に配置された制御素子を光学設計する。
【００５３】
第１の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【００５４】
多重反射ビームの光路上において、複数の光反射集光素子の間には波長選択素子が配置されており、チャネルポートから出力されるビーム、或いは、チャネルポートに入力するビーム（以下、「チャネルポート入出力ビーム」と呼ぶ）は、その波長選択素子を通過する。
【００５５】
前記のチャネルポート入出力ビームと多重反射ビームは同一のリレイ光学系を伝播することになるため、それらのビームの伝播状態が一致していなければ、送受信ポート間の結合効率が低下したり、結合効率にチャネルポート間のばらつきが発生してしまう。
【００５６】
従って、これらの現象を防ぐためには、チャネルポート入出力ビームのビームウェストの位置やスポットサイズと、多重反射ビームのビームウェストの位置やスポットサイズが一致するように、チャネルポート光学系やリレイ光学系を設計する必要がある。
【００５７】
このとき、全てのチャネルポート光学系、及び、リレイ光学系のうち各チャネルポートに対応する光反射集光素子などの光学系（以下、「チャネル光学系」と呼ぶ）を別々に光学設計すると、設計どおりの部品を入手・製造するコスト、設計どおりに部品を実装するコストなどが増大してしまう。
【００５８】
従って、全てのチャネル光学系を同一化する光学設計、或いは、数種類のチャネル光学系を準備しチャネル数に対して周期的に再利用できる光学設計が望ましい。
【００５９】
これは、多重反射ビームの伝播状態に注目すると、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化するか、チャネル数に対して周期的に変動させることに相当する。以下、この伝播状態を多重反射ビームの「同一化・周期化」と呼ぶ。
【００６０】
しかし、波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、上記のように全ての波長選択素子上で「同一化・周期化」するためには、すべての光反射集光素子の光学パラメータを同一化し、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間の距離を等間隔にし、複数の光反射集光素子間の中間点にビームウェストを形成する必要がある。
【００６１】
この場合、チャネルポート入出力ビームのビームウェストも、前記複数の光反射集光素子間の中間点に形成されるように、チャネルポート光学系を設計しなければならないので、設計どおりの部品を入手・製造するコストなどが増大するという問題があった。
【００６２】
また、市販の部品を利用してチャネルポートを構成することもできるが、その場合は光学部品のサイズに制約があるため、小型化できないという問題があった。
【００６３】
図７は、多重反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て別の波長選択素子に入射する場合の合分波器の概略構成図である。
【００６４】
尚、同図には、合分波器内部を伝播するガウシアンビームを概念的に示してある。
【００６５】
図中において、７０１はコモンポート、７０２−７０５はチャネルポート、７０６−７０９は波長選択素子、７１０−７１２は光反射集光素子、７１３−７１４は平行に対向させられた仮想平面である。
【００６６】
第一の仮想平面７１３には複数の波長選択素子７０６−７０９が等間隔にアレイ状に配置されており、第二の仮想平面７１４には複数の光反射集光素子７１０−７１２がアレイ状に等間隔に配置されている。
【００６７】
波長選択素子７０６−７０９及び光反射集光素子７１０−７１２について、伝播ビームが入反射する反射面はすべて互いに平行であり、仮想平面７１３−７１４とも平行に配置させることもできる。
【００６８】
また、仮想平面上における波長選択素子７０６−７０９の配置間隔、光反射集光素子７１０−７１２の配置間隔はそれぞれ同一である。
【００６９】
また、多重反射ビームの光路上で、波長選択素子７０６−７０９の間に配置された光反射集光素子７１０−７１２は「リレイ光学系」に相当する。
【００７０】
この合分波器を、分波器として利用する場合、送信ポート７０１から出射された波長多重化信号であるガウシアンビームが、仮想平面７１４を通過し、第一の波長選択素子７０６に入射する。
【００７１】
第一の波長選択素子７０６において、特定の波長域を含むビームが第一の波長選択素子を透過し、第一の受信ポート７０２に伝播される。
【００７２】
第一の波長選択素子７０６において透過されない波長域を含むビームは反射され、第一の光反射集光素子７１０に入反射し、隣接する第二の波長選択素子７０７に伝播される。
【００７３】
図８は、図７に示された合分波器における多重反射ビームの伝播原理を説明するための概念図である。
【００７４】
尚、この図面では光反射集光手段は光学レンズに置き換えられ、多重反射ビームの伝播光軸は直線に展開されている。
【００７５】
点線が多重反射ビームの伝播光軸、破線が多重反射ビームのビーム直径をあらわしている。
【００７６】
図中において、８０１−８１０は波長選択素子、８１１−８１８は光反射集光手段に相当する光学レンズ、８１９−８２８は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【００７７】
図８（ａ）は、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度が一致している場合に相当する。
【００７８】
従って、波長選択素子８０２−８０４は複数の光反射集光素子８１１−８１４の中間点に位置している。
【００７９】
図８（ｂ）は、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度が一致していない場合に相当し、例えば、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とが直交している場合などに相当する。
【００８０】
従って、波長選択素子８０７−８０９は複数の光反射集光素子８１５−８１８の中間点と一致していない。
【００８１】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化するためには、すべての光反射集光素子の光学パラメータを同一化し、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間の距離を等間隔にし、複数の光反射集光素子間の中間点にビームウェストを形成する必要がある。
【００８２】
従って、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とが直交している場合は、波長選択素子上にビームウェストを形成することができず、ビームウェストを波長選択素子上に形成する場合は、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度とを一致させなければならないため、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とを直交させることはできない。
【００８３】
ところが、波長選択素子からの反射ビームが、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間のリレイ光学系を基本単位として同一化・周期化することで、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化・周期化する光学設計が可能である。
【００８４】
この場合、多重反射ビームのビームウェストは、必ずしも複数の光反射集光素子間の中間点には形成されず、数種類の光反射集光素子の光学パラメータの設定の仕方により、ビームウェストの位置とスポットサイズを制御できる。
【００８５】
従って、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とが直交している場合でも、波長選択素子上にビームウェストを形成する光学設計が可能であり、ビームウェストを波長選択素子上に形成する場合でも、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度とを一致させる必要は無く、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とを直交させる光学設計が可能である。
【００８６】
上記の効果を一般化して考えると、チャネルポートの光学系のコスト上、サイズ上、製造上などの制約条件から、チャネルポート入出力ビームのビームウェストの位置とスポットサイズが制限されていても、数種類の光反射集光素子の光学パラメータを設計することで、多重反射ビームとチャネルポート入出力ビームのビームウェストの位置とスポットサイズを整合させるような光学設計が可能であることを意味している。
【００８７】
これにより、送受信ポート間の結合効率の低下やチャネルポート間の結合効率のばらつきを防ぐことができるため、例えば、チャネルポートを構成するレンズ系や出射点・受光点に市販部品を適用する場合や、チャネルポートを構成するレンズ系にサイズ上の制約がある場合など、チャネルポート入出力ビームのビームウェスト位置が自由に設計できなくても、リレイ光学系の設計により多重反射ビームのビームウェストを制御し、これらのビームウェスト位置とスポットサイズを整合させることで、送受信ポート間の結合効率の低下やばらつきを防ぐことができる。
【００８８】
従って、市販部品が利用できるため部品コストの低減が可能であり、小さなレンズ系を有するチャネルポートを利用できるため、チャネルポートを小型化できる。
【００８９】
波長選択素子からの反射ビームが、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間のリレイ光学系を基本単位として同一化することで、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化する光学設計が可能である。
【００９０】
従って、複数のチャネルポートのレンズ系や出射点・受光点を同一化しても結合効率のチャネル間ばらつきが発生せず、アレイ状のレンズ、ファイバ、ＬＤ，ＰＤなどを適用し、複数のチャネルポートを一括形成できる。
【００９１】
従って、各チャネルポートの部品を組立ててアライメントするための実装コストを低減できる。
【００９２】
波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの光路上において、隣接する二つの光反射集光素子の光路間について、ビームウェストが配置されていない光路間が存在すると、二つの当該光反射集光素子上における多重反射ビームの複素ビームパラメータが互いに異なるため、前記光反射集光素子から同一距離離れた地点に配置されている二つの波長選択素子上の複素ビームパラメータも互いに異なる。
【００９３】
つまり、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化するためには、隣接する二つの光反射集光素子の光路間には必ずビームウェストを配置することが前提となる。
【００９４】
しかしこの場合、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差など、リレイ光学系を製造する際のわずかな誤差が発生するだけで、光反射集光素子の光路間に配置されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまう。
【００９５】
従って、チャネル数増大に従い多重反射ビームが急激に拡散し、光反射集光素子の有効直径より伝播ビームのスポットサイズが大きくなってしまい、パワー損失が発生し、結合効率が低下してしまう。
【００９６】
ところが波長選択素子からの反射ビームが、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、リレイ光学系を構成し、多重反射ビームの光路上で隣接する二つの光反射集光手段の光路間のうち、一部の光路間にビームウェストを配置しなくても、多重反射ビームの複素ビームパラメータを全ての波長選択素子上で同一化する光学設計が可能である。
【００９７】
例えば、ある二つの光反射集光手段の光路間を伝播する多重反射ビームについて、スポットサイズが十分大きくなるように設計し、当該光路間にビームウェストを配置しない場合などが考えられる。
【００９８】
この場合、当該光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズはほぼ一定とみなすことができる。
【００９９】
従って、隣接する二つの光反射集光素子の光路間に必ずビームウェストが配置されている場合と比べると、当該光路間付近に配置された光反射集光素子の光学パラメータ誤差や、当該光路間の光路長誤差が発生しても、前記光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズの変化を十分小さくみなすことが可能である。
【０１００】
よって、多重反射ビームの急激な拡散を抑制し、パワー損失を発生させない光学設計が可能である。
【０１０１】
また、波長選択素子上のスポットサイズを、コモンポートからの光路長に応じて周期的に変動させ発散させないようにすることもできる。
【０１０２】
更に、チャネルポートの光学設計によっては、各チャネルポートとコモンポートの間の結合効率を、コモンポートからの光路長に応じて周期的に変動させ単調減少させないようにすることも可能である。
【０１０３】
上記のような光学設計がされている場合、リレイ光学系を構成する光反射集光手段の光学パラメータの誤差や、各制御素子間の光路長の誤差が発生しても、送受信ポート間の結合効率の低下やばらつきを防ぐことができる。
【０１０４】
従って、リレイ光学系を構成する部品を製造する際のトレランスを拡大できるため、部品コストを低減することができる。
【０１０５】
波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合よりも、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合の方が、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間の距離を拡大できる。
【０１０６】
よって、各波長選択素子に入反射する多重反射ビームの入射角及び反射角が同一であれば、仮想平面上の各波長選択素子の配置間隔が拡大できる。
【０１０７】
従って、波長選択素子やチャネルポート光学系のサイズを拡大することが可能であり、部品製造上の許容誤差も拡大できるので部品コストを低減することができる。
【０１０８】
更に、チャネルポートを実装する際の作業性も向上できる。
【０１０９】
また逆に、仮想平面上の各波長選択素子の配置間隔が同一であれば、各波長選択素子に入反射する多重反射ビームの入射角及び反射角を低減できる。
【０１１０】
従って、波長選択素子を透過するビームのフィルタ特性向上や、光反射集光素子に入反射するビームのコマ収差低減にとって有利である。
【０１１１】
（２）第２の発明は、請求項１に記載の合分波器において、波長選択素子に到達するビームの複素ビームパラメータが、すべての波長選択素子上で同一になるように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器である。
【０１１２】
第２の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１１３】
全てのチャネルビームパラメータが同一になるように、制御素子が配置及び光学設計されているので、受光又は出射点、受信又は送信レンズ系、波長選択素子のそれぞれの素子について、素子間距離の組合せを全てのチャネルポートで同一化し、チャネルポートの送信又は受信レンズ系を全てのチャネルポートで同一化しても、各チャネルポートにおける光損失のポート間ばらつきが発生しない。
【０１１４】
従って、各チャネルポートのそれぞれについて、光損失を低減し、ポート間ばらつきをなくすための光学設計コスト、設計どおりの部品を入手するための部品コスト、それらの部品を設計どおりに位置決めするための実装コストなどを大幅に低減できる。
【０１１５】
上記の効果により、レンズアレイ、ファイバアレイ、ＬＤアレイ、ＰＤアレイなどの、同一の出射又は受光点、同一のレンズ系がアレイ状に一体形成されてある部品を利用し、複数のチャネルポートを一括形成することが可能である。
【０１１６】
従って、設計どおりの部品を入手する際の製造公差低減、各チャネルポートごとに部品を位置決めするための実装コストを低減できる。
【０１１７】
上記の効果により、レンズファイバモジュール、ＬＤレンズ内蔵型ＣＡＮパッケージモジュールなどの、送信又は受信レンズ系と、出射又は受光点が一体形成されてある同一部品を複数利用することが可能である。
【０１１８】
従って、各チャネルポートを構成する部品を位置決めするための実装コストを低減できる。
【０１１９】
（３）第３の発明は、請求項１に記載の合分波器において、多重反射ビームのスポットサイズとビーム波面曲率半径の絶対値が全ての波長選択素子上で同一であり、多重反射ビームのビーム波面曲率半径は、多重反射ビームの光路上で隣接する波長選択素子上において、符号が交互に変化するように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器である。
【０１２０】
これは、第１の発明において、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、チャネル数に対して周期的に変動させる場合に相当している。
【０１２１】
第３の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１２２】
波長選択素子上にビームウェストが形成されていなくても、すべての波長選択素子上に到達する多重反射ビームのスポットサイズを同一化できる。
【０１２３】
従って、フィルタ特性に関するチャネルポート間のばらつきが抑制できる。
【０１２４】
すべての波長選択素子上に到達する多重反射ビームの複素ビームパラメータを二種類に制限できる。
【０１２５】
二種類の当該ビームパラメータは、進行方向が異なるだけで同一の伝播状態のビームをあらわしているため、一方のビームパラメータを有する波長選択素子に送信ポートのチャネルポートを対応させ、他方のビームパラメータを有する波長選択素子に受信ポートのチャネルポートを対応させることができる。
【０１２６】
その際に、それらのチャネルポートと各波長選択素子までの光路長を同一にして、送信ポートと受信ポートに同一構成の光学系からなるチャネルポートを適用しても、結合効率のばらつきが発生しない。
【０１２７】
従って、一つの合分波器に送受信用のチャネルポートが共存し、それらが交互に配置されている場合、チャネルポートの入手・製造のためのコスト低減が可能である。
【０１２８】
また、受光点又は出射点が光ファイバの場合は、すべてのチャネルポートのレンズ系も同一化できるため、レンズ系の入手・製造・実装コストの低減が可能である。
【０１２９】
（４）第４の発明は、請求項１乃至３に記載の合分波器において、すべての波長選択素子は、二つの仮想平面の一方に配置されていることを特徴とする合分波器である。
【０１３０】
第４の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１３１】
波長選択素子は全て一つの仮想平面に配置されているので、全てのチャネルポートをひとつの仮想平面の片側に配置することができる。
【０１３２】
従って、複数のチャネルポートを一括形成することができ、アライメントの作業性を向上させることができ、実装スペースを節約することができるため、部品コスト、実装コストを低減できる。
【０１３３】
（５）第５の発明は、請求項１乃至４に記載の合分波器において、合分波器内部を伝播するビームが、波長選択素子上でビームウェストを形成するように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器である。
【０１３４】
第５の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１３５】
波長選択素子の配置点に多重反射ビームのビームウェストを形成することで、波長選択素子に入射するビームはほぼ平面波とみなすことができる。
【０１３６】
従って、波長選択手段に入射するビーム波面はほぼ単一角度で入射するとみなせるため、均質なフィルタ特性を得ることができる。
【０１３７】
波長選択素子上に多重反射ビームのビームウェストを形成することで、多重反射ビームの光軸ずれに対して、波長選択素子の表面における面内の光軸位置ずれが低減できる。
【０１３８】
従って、波長選択素子を小型化することが可能であり、かつ、波長選択素子のフィルタ特性の面内依存性の影響を低減することができる。
【０１３９】
コモンポートが送信ポートで、複数のチャネルポートを有する分波器として利用する場合、コモンポートを実装する際に光軸ずれが発生すると、チャネル数の増大に伴い、コモンポートからそれぞれの波長選択素子までの光路長が増大するため、一般的に波長選択素子上における多重反射ビームの光軸ずれ量は増大する。
【０１４０】
しかし、それぞれの波長選択素子上に多重反射ビームのビームウェストを形成し、波長選択素子に入射する多重反射ビームの光軸角度ずれと光軸位置ずれの両方が同時に増幅されないように光学設計することが可能である。
【０１４１】
また、光軸角度ずれと光軸位置ずれのずれ量は、コモンポートからの光路長にしたがいそれぞれ周期的に変動するため、チャネルポートの数が増大しても、フィルタ特性の劣化が単調増大することはない。
【０１４２】
（６）第６の発明は、請求項１乃至５に記載の合分波器において、光反射集光素子の少なくとも一つが、球面状のミラーであることを特徴とする合分波器である。
【０１４３】
第６の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１４４】
球面ミラーを利用することで、光反射集光素子において反射される光線の波長依存性を無視することができる。
【０１４５】
従って、合分波器内部の伝播ビームの可用波長帯を広帯域化することが可能である。
【０１４６】
球面ミラーを利用することで、光反射集光素子の光学設計パラメータは曲率半径のみに限られる。
【０１４７】
従って、部品製造トレランス設計を容易化でき、設計時間を短縮することが可能であり、これらのことから製造コストを低減できる。
【０１４８】
球面ミラーを利用すると、ミラー表面に入射するビームを平行移動し、入射位置を微小変化させることで、曲率半径などの光学パラメータを維持しつつ、反射ビームの光軸方向を三次元的に変化させることができる。
【０１４９】
従って、合分波器内部の伝播ビームの光軸設計自由度を大幅に向上させることができる。
【０１５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を具体的に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【０１５１】
尚、同図には、合分波器内部を伝播するガウシアンビームを概念的に示してある。
【０１５２】
図中において、１０１はコモンポート、１０２−１０４はチャネルポート、１０５−１０７は波長選択素子、１０８−１１１は光反射集光素子、１１２−１１３は平面状の反射面、１１４−１１５は平行に対向させられた仮想平面である。
【０１５３】
コモンポート１０１及びチャネルポート１０２−１０４は、出射点又は受光点１１６−１１９及びレンズ系１２０−１２３から構成されている。
【０１５４】
第一の仮想平面１１４には複数の波長選択素子１０５−１０７と平面状の反射面１１２−１１３が交互に等間隔にアレイ状に配置されており、第二の仮想平面１１５には複数の光反射集光素子１０８−１１１がアレイ状に等間隔に配置されている。
【０１５５】
波長選択素子１０５−１０７、平面状の反射面１１２−１１３、及び光反射集光素子１０８−１１１について、伝播ビームが入反射する反射面は、すべて仮想平面１１４−１１５と平行に配置されているため、伝播ビームの光軸と仮想平面のなす入射角及び反射角はすべて同一であり、波長選択素子１０５−１０７の配置間隔、光反射集光素子１０８−１１１の配置間隔はそれぞれ同一である。
【０１５６】
また、多重反射ビームの光路上で、波長選択素子１０５−１０７の間に配置された制御素子１０８−１１３は「リレイ光学系」に相当する。
【０１５７】
以下具体例として、本実施形態に係る合分波器を、分波器として利用する場合の動作原理を説明する。
【０１５８】
送信ポート１０１から出射された波長多重化信号であるガウシアンビームが、仮想平面１１５を通過し、第一の波長選択素子１０５に入射する。
【０１５９】
第一の波長選択素子１０５において、特定の波長域を含むビームが第一の波長選択素子を透過し、第一の受信ポート１０２に伝播される。
【０１６０】
第一の波長選択素子１０５において透過されない波長域を含むビームは反射され、第一の光反射集光素子１０８に入反射し、平面状の反射面１１２に入反射し、第二の光反射集光素子１０９に入反射し、隣接する第二の波長選択素子１０６に伝播される。
【０１６１】
このように、多重反射ビームは、それぞれの波長選択素子に入射するたびに、特定の波長を含むビームが受信ポートに向けて出射され、それ以外の波長を含むビームは反射され、複数の光反射集光素子を経由して、隣接する波長選択素子に伝播される。
【０１６２】
これらの過程を繰り返すことにより、伝播ビームが分波される。
【０１６３】
上記のように分波器として利用する場合のビームの進行方向を逆向きにすることで、合波器として利用することもできる。
【０１６４】
即ち、複数の送信ポート１０２−１０４から出射されたビームを、複数の波長選択素子１０５−１０７を通過するように互いに平行に入射させる。
【０１６５】
その際に、波長選択素子１０５−１０７を透過し、内部に入射した特定の波長を含むビームが、光反射集光素子１０８−１１１により複数回反射され、その反射ビームが隣接する波長選択素子に入射するような入射角度に設置する。
【０１６６】
このようにして、複数の送信ポート１０２−１０４からの出射ビームが内部を多重反射することにより重ね合わせられ、受信ポート１０１にむけて一本の伝播ビームとなって伝播されることにより合波される。
【０１６７】
但し、合波器としての利用形態の場合は、送信ポート１０２−１０４から波長選択素子１０５−１０７に入射したビームのうち、反射される波長域を含むビーム、及び、伝播ビームが内部を多重反射する際に、別の波長選択素子により透過させられ、多重反射ビームとならない波長域のビームは、合波されない。
【０１６８】
上記の合分波器としての利用例において、波長選択素子の数は３個、光反射集光素子の数は３個、チャネルポートの数は３個であるが、これらの数は限定するものではない。
【０１６９】
チャネルポート１０２−１０４がすべて送信ポートの場合、コモンポート１０１は受信ポートとなるため、合波器として動作するが、チャネルポート１０２−１０４がすべて受信ポートの場合、コモンポート１０１は送信ポートとなるため、分波器として動作する。
【０１７０】
また、チャネルポートとして送信ポートと受信ポートが両方含まれる場合、一つのコモンポートを有する一つの合分波器によって合波動作と分波動作の両方を同時に実現することが可能である。
【０１７１】
この場合、分波動作用の波長選択素子と合波動作用の波長選択素子の間に、合分波動作の波長の干渉を防止するための波長選択素子を配置し、合分波動作で不要な波長域のビームを合分波器外部に出射することもできる。
【０１７２】
図２は、図１に示された本発明の第１の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【０１７３】
尚、この図面では光反射集光手段は光学レンズに置き換えられ、多重反射ビームの伝播光軸は直線に展開されている。
【０１７４】
点線が多重反射ビームの伝播光軸、破線が多重反射ビームのスポットサイズをあらわしている。
【０１７５】
また、波長選択素子を透過するビームのうち、特定の波長域のビームはチャネルポートに入力するビーム、又は、チャネルポートから出力されるビームに相当するが、この図面には表現されていない。
【０１７６】
図中において、２０１−２０９は波長選択素子、２１０−２２３は光反射集光手段に相当する光学レンズ、２２４−２３３は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【０１７７】
図２（ａ）は、複数の光反射集光素子間に常にビームウェストが形成されている場合の概念図であり、図２（ｂ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にはビームウェストが形成されていない場合の概念図であり、図２（ｃ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にのみビームウェストが形成されている場合の概念図である。
１）図２（ａ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子２０１−２０３上で同一化する場合、複数の光反射集光素子２１１−２１４の光路の中間点に波長選択素子２０２−２０３を配置して、複数の波長選択素子２０１−２０３の光路間に含まれる二つの光反射集光素子２１０−２１３の光学パラメータが交互に変化するようにして一方の光反射集光素子２１１，２１３から見た前後の等距離地点にビームウェスト２２５−２２８を形成するよう光学設計することができる。
【０１７８】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当する。
【０１７９】
この場合、リレイ光学系を製造する際のわずかな誤差が発生するだけで、複数の光反射集光素子の間に配置されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまうという問題はあるが、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生しても、全ての光反射集光素子の光路間にビームウェストが配置されているため、これら全ての光路間で前記位置ずれや角度ずれの増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
２）また、図２（ｂ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化する場合、複数の光反射集光素子２１６−２１９の光路の中間点に波長選択素子２０５−２０６を配置して、複数の波長選択素子２０４−２０６の光路間に含まれる二つの光反射集光素子２１５−２１８の光学パラメータが交互に変化するようにして、複数の光反射集光素子光路間のうち、波長選択素子２０５−２０６が含まれている光路間にはビームウェストが形成されないようにして、波長選択素子が含まれていない光路間にビームウェスト２２９−２３０が形成されるように光学設計することができる。
【０１８０】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子上のビームのスポットサイズとビーム波面曲率半径を制御することに相当する。
【０１８１】
この場合、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生すると、複数の光反射集光素子光路間のうち、ビームウェストが形成されていない光路間においては、特定の場合に前記位置ずれや角度ずれが増幅されてしまうという問題はあるが、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
【０１８２】
また、チャネルポートの光学系の制限により、チャネルポート入出力ビームのビームウェストをチャネルポート近傍に形成できない場合、チャネルポートと波長選択素子の距離を変化させる手法により、多重反射ビームのビームウェストとチャネルポート入出力ビームのビームウェスト形成地点を一致させる必要が無く、光反射集光素子の光学設計により、ビームウェストの位置を制御する手法により対応できる。
【０１８３】
従って、合分波器のサイズ増大や光軸ずれトレランスの低下を防ぐことができる。
３）また、図２（ｃ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化する場合、複数の光反射集光素子２２１−２２２の光路の中間点に波長選択素子２０８を配置して、複数の波長選択素子２０７−２０９の光路間に含まれる二つの光反射集光素子２２０−２２３の光学パラメータが交互に変化するようにして、複数の光反射集光素子光路間のうち、波長選択素子２０７−２０８が含まれている光路間にビームウェスト２３１−２３２が形成されるようにして、波長選択素子が含まれていない光路間にはビームウェストが形成されないように光学設計することができる。
【０１８４】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当する。
【０１８５】
この場合も、前述したように、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
【０１８６】
また、チャネルポートの光学系の制限により、チャネルポート入出力ビームのビームウェスト形成位置に制約がある場合などでも、光反射集光素子の光学設計により、ビームウェストの位置を制御することで、多重反射ビームのビームウェストとチャネルポート入出力ビームのビームウェスト形成地点、及びそのスポットサイズを一致させることができる。
【０１８７】
従って、合分波器の結合効率の低下を防ぐことができる。
【０１８８】
［実施例２］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る合分波器の概略構成図であり、図１に示した第１の実施形態の応用例である。
【０１８９】
以下、第１の実施形態の場合と異なる点について説明する。
【０１９０】
図中、波長選択素子３０５−３０７、平面状の反射面３１２−３１３、及び光反射集光素子３０８−３１１について、伝播ビームが入反射する微小反射平面は、すべて互いに平行であるが、仮想平面３１４−３１５とは平行に配置されていない。
【０１９１】
これらの制御素子は、波長選択素子３０５−３０７を透過しチャネルポート３０２−３０４に入出力するビームの光軸が、仮想平面３１４−３１５と直交するように形成されている。
【０１９２】
図４は、図３に示された本発明の第２の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【０１９３】
図面上の記号は図２の場合と同様である。
【０１９４】
４０１−４０６は波長選択素子、４０７−４１５は光反射集光手段に相当する光学レンズ、４１６−４２３は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【０１９５】
図４（ａ）は、複数の光反射集光素子間に常にビームウェストが形成されている場合の概念図であり、図４（ｂ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にのみビームウェストが形成されている場合の概念図である。
１）図４（ａ）に示されているように、一つの波長選択素子から、その直近に配置された二つの光反射集光素子への光路長が異なるため、複数の光反射集光素子４０８−４１１の光路の中間点に波長選択素子４０２−４０３を配置することができない。
【０１９６】
しかし、複数の波長選択素子４０１−４０３の光路間に含まれる二つの光反射集光素子４０７−４１０の光学パラメータが交互に変化するようにして、一方の光反射集牢素子４０８，４１０から見た前後の等距離地点にビームウェスト４１７−４２０を形成するように光学設計することができる。
【０１９７】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当するため、ビームウェスト形成位置を波長選択素子の配置点と一致させ、かつ、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子４０１−４０３上で同一化することができる。
【０１９８】
この場合、リレイ光学系を製造する際のわずかな誤差が発生するだけで、複数の光反射集光素子の間に配置されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまうという問題はあるが、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生しても、全ての光反射集光素子の光路間にビームウェストが配置されているため、これら全ての光路間で前記位置ずれや角度ずれの増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
２）図４（ｂ）に示されているように、一つの波長選択素子から、その直近に配置された二つの光反射集光素子への光路長が異なるため、複数の光反射集光素子４１３−４１４の光路の中間点に波長選択素子４２２を配置することができない。
【０１９９】
しかし、複数の波長選択素子４２１−４２３の光路間に含まれる二つの光反射集光素子４１２−４１５の光学パラメータが交互に変化するようにして、複数の光反射集光素子光路間のうち、波長選択素子４０４−４０６が含まれている光路間にビームウェスト４２１−４２３が形成されるようにして、波長選択素子が含まれていない光路間にはビームウェストが形成されないように光学設計することができる。
【０２００】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当するため、ビームウェスト形成位置を波長選択素子の配置点と一致させ、かつ、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子４０４−４０６上で同一化することができる。
【０２０１】
この場合、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生すると、複数の光反射集光素子光路間のうち、ビームウェストが形成されていない光路間においては、特定の場合に前記位置ずれや角度ずれが増幅されてしまうという問題はあるが、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
３）図４（ａ）に示されている場合も、図４（ｂ）に示されている場合も、チャネルポートから入出力されるビーム光軸の設置角度を仮想平面に対して直交させることができるため、チャネルポートやコモンポートの設置角度を単純化一同一化することができ、アライメントのための実装コストを低減することができる。
【０２０２】
また、各種のアレイ状部品を利用することもできるため、複数のチャネルポートの位置及び角度あわせを一括しておこなうことが可能であり、アライメントのための実装コストを低減することができる。
【０２０３】
［実施例３］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る合分波器の概略構成図であり、図１に示した第１の実施形態の応用例である。
【０２０４】
以下、第１の実施形態の場合と異なる点について説明する。
【０２０５】
図中において、５０１−５０３はチャネルポートであり、送信用チャネルポート５０２と受信用チャネルポート５０１，５０３が交互に隣接するように一つの仮想平面側に配置されている。
【０２０６】
チャネルポートとして送信ポートと受信ポートが共存しているため、送信用及び受信用の二つのコモンポートを有する一つの合分波器によって、合波動作と分波動作の両方を同時に実現することが可能であり、波長多重通信用アドドロップマルチプレクサを小型低コストに実現できる。
【０２０７】
また、送信用チャネルポートと受信用チャネルポートが隣接しているため、これらの二つのチャネルポートを組み合わせ一体型送受信モジュールを構成し、合分波器に対して着脱可能とすることもできる。
【０２０８】
図６は、図５に示された本発明の第３の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【０２０９】
図面上の記号は図２の場合と同様である。
【０２１０】
図中において、６０１−６０６は波長選択素子、６０７−６１５は光反射集光手段に相当する光学レンズ、６１６−６２０は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【０２１１】
図６（ａ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にのみビームウェストが形成されている場合の概念図であり、図６（ｂ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にはビームウェストが形成されていない場合の概念図である。
【０２１２】
１）図６（ａ）に示されているように、全ての波長選択素子６０１−６０３上に多重反射ビームのビームウェスト６１６−６１８を配置する場合、複数の光反射集光素子６０８−６０９の光路の中間点に波長選択素子６０２を配置して、三つの波長選択素子６０１−６０３の光路間に含まれる四つの光反射集光素子６０７−６１０の光学パラメータを二種類に制限して、第二の波長選択素子６０２直近に配置された二つの光反射集光素子６０８−６０９の光学パラメータを同一にして、第一及び第三の波長選択素子６０１，６０３直近に配置された二つの光反射集光素子６０７，６１０の光学パラメータを同一にするように光学設計することができる。
【０２１３】
この場合、隣接する波長選択素子上に形成されるスポットサイズは交互に変化するが、その大きさの比については特定の範囲内で制御することができ、それぞれ送信用チャネルポート、受信用チャネルポートの光学系に対応させることができる。
【０２１４】
従って、チャネルポートの光学系の制約によりチャネル入出力ビームのビームウェストのスポットサイズを自由に設計することができなくても、多重反射ビームのビームウェストのスポットサイズを制御することで両者のスポットサイズを特定の範囲で一致させることができる。
【０２１５】
従って、合分波器の結合効率の低下を防ぐことができる。
２）図６（ｂ）に示されているように、全ての波長選択素子６０４−６０６上で多重反射ビームが同一のスポットサイズを有し、ビーム波面曲率半径の符号のみが交番変化する場合、複数の光反射集光素子６１２−６１５の光路の中間点に波長選択素子６０５−６０６を配置して、三つの波長選択素子６０４−６０６の光路間に含まれる四つの光反射集光素子６１１−６１４の光学パラメータを二種類に制限して、第一の波長選択素子６０４と第二の波長選択素子６０５の間の光路に配置された二つの光反射集光素子６１１−６１２一の光学パラメータを同一にして、第三の波長選択素子６０６と第二の波長選択素子６０５の間の光路に配置された二つの光反射集光素子６１３−６１４の光学パラメータを同一にして、第一の波長選択素子６０４と第二の波長選択素子６０５の中間地点、及び、第三の波長選択素子６０６と第二の波長選択素子６０５の中間地点にビームウェスト６１９−６２０を形成するように光学設計することができる。
【０２１６】
この場合、送信ポートと受信ポートに同一構成の光学系からなるチャネルポートを適用する場合、光学系の制約からチャネル入出力ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径が自由に制御できなくても、全ての波長選択素子で形成される多重反射ビームのスポットサイズ、及び、ビーム波面曲率半径の絶対値を特定の範囲内で制御できるため、結合効率のばらつき・低下を抑制する光学設計が可能である。
３）図６（ａ）に示されている場合も、図６（ｂ）に示されている場合も、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生すると、複数の光反射集光素子光路間のうち、ビームウェストが形成されていない光路間においては、特定の場合に前記位置ずれや角度ずれが増幅されてしまうという問題はあるが、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
【０２１７】
以上の説明のとおり、本発明は、平行に対向する２つの仮想平面上に配置された光反射集光素子と波長選択素子とにより光ビームを仮想平面間で多重反射させながら伝播させる間に波長選択素子から特定の波長の光ビーム（光信号）を抽出たり、あるいは波長選択素子から特定の波長の光ビーム（光信号）を挿入することで光信号を合分波させるもので、波長選択素子からの反射ビームが隣接する別の波長選択素子に入射する間に複数の光反射集光素子からの反射を経るよう光反射集光素子と波長選択素子を配置したことを主構成とするので、送受信ポート間の結合効率の低下やチャネルポート間の結合効率ばらつきを防ぐことが容易となり、高精度、低コストの合分波器が実現される。
【０２１８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る合分波器によれば、合分波器内部の伝播ビームを多重反射させる方式により、特定の波長のビームを、複数の光伝送路に対して抽出又は挿入する場合に発生する課題を解決することが可能であり、
１）光学設計コスト低減
２）市販品利用、製造公差低減、部品一括形成などにより、設計どおりの部品を入手するための部品コスト低減
３）アライメントの作業性向上、複数のチャネルポートの一括形成などによる、部品を設計どおりに位置決めするための実装コスト低減
４）チャネルポートの小型化、高精度化
５）チャネルポート数増大にともなう特性劣化の抑制
６）波長選択素子の小型化、面内依存性低減、均質なフィルタ特性
７）伝播ビームの可用波長帯の広帯域化
８）伝播ビームの光軸設計自由度向上
９）伝播ビームの光軸位置ずれ・光軸角度ずれのトレランス最適化
等の効果を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【図２】図１に示された本発明の第１の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【図４】図３に示された本発明の第２の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【図６】図５に示された本発明の第３の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【図７】多重反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て別の波長選択素子に入射する場合の合分波器の概略構成図である。
【図８】波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合の多重反射ビームの伝播原理を説明するための概念図である。
【図９】特許文献１に記載される合分波器の具体例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１ コモンポート
１０２−１０４ チャネルポート
１０５−１０７ 波長選択素子
１０８−１１１ 光反射集光素子
１１２−１１３ 平面状の反射面
１１４−１１５ 仮想平面
１１６−１１９ 出射点又は受光点
１２０−１２３ レンズ系
２０１−２０９ 波長選択素子
２１０−２２３ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
２２４−２３３ ビームウェスト位置
３０１ コモンポート
３０２−３０４ チャネルポート
３０５−３０７ 波長選択素子
３０８−３１１ 光反射集光素子
３１２−３１３ 平面状の反射面
３１４−３１５ 仮想平面
４０１−４０６ 波長選択素子
４０７−４１５ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
４１６−４２３ ビームウェスト位置
５０１−５０３ チャネルポート
５０４−５０６ 波長選択素子
５０７−５１２ 光反射集光素子
５１３−５１５ 平面状の反射面
６０１−６０６ 波長選択素子
６０７−６１５ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
６１６−６２０ ビームウェスト位置
７０１ コモンポート
７０２−７０５ チャネルポート
７０６−７０９ 波長選択素子
７１０−７１２ 光反射集光素子
７１３−７１４ 仮想平面
８０１−８１０ 波長選択素子
８１１−８１８ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
８１９−８２８ ビームウェスト位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられる合分波器に関するものであり、より詳細には、波長多重光伝送などで利用され、複数の光伝送路を有する装置において、特定の波長の光信号を、各光伝送路に対して抽出又は挿入することを可能とする合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の、波長多重伝送技術の発展に伴い、複数の光伝送路（ポート）をもつ機能デバイスに注目が集まっている。
【０００３】
特に、一つの共通ポート（コモンポート）と複数の入出力ポート（チャネルポート）を有し、それぞれのチャネルポートから、特定の波長の光信号を抽出又は挿入することができる合分波素子は、小型低コスト化、低損失化などの特性を実現するために、多様な方式及び構造のものが提案されている。
【０００４】
合分波器に関する技術の例を図９に示す（特許文献１参照）。
【０００５】
この合分波器は、図９に具体的に示すように、光学ブロックの表面に、特定の波長の光線のみを透過させ、それ以外の波長の光線を反射させる波長特定フィルタ０１〜０４を複数配置し、光学ブロックの別の表面に収束リフレクタ０５〜０７を複数形成する構成となっている。
【０００６】
従って、入射光０１２のうちの特定波長は、各波長特定フィルタ０１〜０４で反射され、その光線が収束リフレクタ０５〜０７により反射され、他の波長特定フィルタ０１〜０４に向かって再収束し、リレー式に光線を伝播させる方式である。
【０００７】
一方、各波長フィルタ０１〜０４を透過した光線は、各波長特定フィルタ０１〜０４ごとに用意された検出器０８〜０１１又は光ファイバにおいて、単一波長の光信号として検出される。
【０００８】
この合分波器の内部を伝播するビームが、マルチモードファイバやフォトダイオードなどに結合する場合は、伝播ビームは幾何光線とみなして設計できるため、ビームの焦点の挙動も設計値からのずれに対して急激に変化することはなかった。
【０００９】
またこれらの検出器（受光部品）０８〜０１１の受光径は比較的大きいため、光学ブロック製造上の許容誤差はそれほど厳しくなかった。
【００１０】
ところが、この合分波器にシングルモードファイバを実装しビームを出射又は受光する場合や、各チャネルに端面発光型のＬＤなどを配置し合波動作させる場合などは、伝播ビームはガウシアンビームとみなす方が妥当であり、ビームウェスト付近のビームの挙動を波動光学的に考慮する必要がある。
【００１１】
更に、製造誤差、実験誤差がわずかに発生するだけで、ビーム結合効率が急激に低下するため、光学設計どおりの部品を入手・製造するコスト、部品を設計どおりにアライメントする実装コストが増大してしまうという問題があり、具体例を以下に示す。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１６２４６６
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
１）例えば、各チャネルに端面発光型のＬＤやシングルモードファイバなどを実装し、合波器として利用する場合、合波器の内部を伝播するビームは、収束リフレクタにより各チャネルのフィルタに向かって収束させられており、全てのフィルタ付近にビームウェストが形成されている。
【００１４】
各チャネルポートから出射されるそれぞれのビームのビームウェスト及びスポットサイズが、前記伝播ビームのビームウェスト形成位置及びスポットサイズと一致しなければ、各チャネルポートから出射されるそれぞれのビームがコモンポートに結合する際の結合効率が低下したり、チャネル間ばらつきが発生したりする問題を招く。
【００１５】
従って、これらのビームウェスト形成位置及びスポットサイズが一致するように設計・実装するのが望ましいが、設計どおりに各チャネルのＬＤ、シングルモードファイバ、レンズ系などの部品を製造・実装するためには非常に高い精度が要求されるため、各チャネルにＰＤやマルチモードファイバを配置して分波器として利用する場合よりも、トレランスが厳しくなるという問題があった。
【００１６】
また、市販の部品を利用してチャネルポートを構成することもできるが、その場合は光学部品のサイズに制約があるため、小型化できないという問題があった。
２）合分波器の内部を伝播するビームは、収束リフレクタによりフィルタに向かって収束させられているため、光学ブロックを製造する際のわずかな誤差により、フィルタ付近に形成されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまう。
【００１７】
従って、チャネル数増大に従い伝播ビームが急激に拡散し、収束リフレクタの有効直径より伝播ビームのスポットサイズが大きくなってしまい、パワー損失が発生し、結合効率が低下してしまうという問題があった。
【００１８】
本発明は、以上述べたような課題、即ち、合分波器内部の伝播ビームを多重反射させる方式により、特定の波長のビームを、複数の光伝送路に対して抽出又は挿入する場合に発生する、
１）部品製造トレランス低下
２）部品実装トレランス低下
３）パワー損失増大
などの課題を解決することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
（１）第１の発明は、ガウシアンビーム等の光線（以下、単に、ガウシアンビームという）が、特定の位置にビームウェストを形成するように反射させる光反射集光素子に入反射し、上記光反射集光素子からの反射ビームが、特定の波長域のビームを透過させそれ以外の波長域のビームを反射させる波長選択素子に入反射し、上記波長選択素子からの反射ビームが、前記光反射集光素子とは別の光反射集光素子に入反射するように光学設計されている合分波器であって、前記光反射集光素子と前記波長選択素子は、平行に対向する二つの仮想平面上に配置されており、波長選択素子からの反射ビームは、二つの仮想平面で反射を繰り返しながら伝搬する多重反射ビームとなり、一つの波長選択素子から仮想平面の反射を経て隣接する別の波長選択素子までに入射する多重反射ビームの光路長が何れも等しく、かつ、一つの波長選択素子から別の波長選択素子に入射する反射ビームが複数の光反射集光素子による反射を経ることを特徴とする合分波器である。
ここで、「ガウシアンビーム」とは、一般的にいえば、強度分布がガウス分布であることを特徴としており、ビーム光軸、ビームウェスト位置、スポットサイズ、ビーム波面曲率半径などを正確に定義できる単一モードのガウシアンビームのことを指している。
【００２０】
従って、端面発光型レーザダイオードやシングルモードファイバから出射されるビームは単一モードのガウシアンビームとして扱えるが、面発光型レーザダイオードやマルチモードファイバから出射されるビームは、厳密には単一モードのガウシアンビームとして扱うことはできない。
【００２１】
しかし、これらのビームも、場合によっては単一モードのガウシアンビームを出射する点光源の重ね合わせとして扱うことも可能である。
【００２２】
よって、本発明におけるガウシアンビームは、対象とする光学系のそれぞれの場合に応じて、単一モードガウシアンビームの特徴を有するビームとみなすことができるような、広義のビームを想定している。
【００２３】
ガウシアンビームの複素ビームパラメータ（ｑ）とは、波長（λ）、円周率（π）、ビームウェストからの距離（ｚ）、スポットサイズ（ｗ（ｚ））、ビーム波面曲率半径（Ｒ（ｚ））を用いて下式（１）のように表現され、ガウシアンビームの特性を示すｗ（ｚ）とＲ（ｚ）を、一つの複素数（ｑ）で表示することができるものとして知られている。
１／ｑ＝１／Ｒ（ｚ）−ｉλ／（π・ｗ（ｚ）２） …（１）
以降の詳細説明の便宜のため、
合分波器外部からの信号を、ガウシアンビームとして内部に出射する部分を「出射点」、合分波器内部の伝播ビームを受光し、外部に信号として伝える部分を「受光点」、出射点、及び、出射点からのビームを効率よく合分波器内部に伝播させるためのレンズ系から構成される部品を「送信ポート」、受光点、及び、合分波器内部の伝播ビームを効率よく受光点に結合させるためのレンズ系から構成される部品を「受信ポート」、単一波長の光信号を入出力するための送信又は受信ポートを「チャネルポート」、波長多重化された光信号を入出力するための送信又は受信ポートを「コモンポート」と定義する。
【００２４】
出射点又は受光点の具体例としては、シングルモードファイバの端面、マルチモードファイバの端面、先球ファイバの先端などが考えられる。
【００２５】
また、出射点にはレーザダイオード、受光点にはフォトダイオードを利用し、合分波器外部に入出力する信号を電気信号とすることもできる。
【００２６】
送信ポート又は受信ポートを構成するレンズ系の具体例としては、ポールレンズ、平凸レンズ、両凸レンズ、非球面レンズ、ＧＲＩＮレンズなどの光学レンズ、及び、それらの光学レンズが複数組み合わせられたものが考えられる。
【００２７】
波長選択素子の具体例としては、特定の波長を固定して利用する場合は、誘電体多層膜を利用したバンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタなどが考えられる。
【００２８】
また、透過させる波長は外部からの制御によりそれぞれ独立に変化させてもよい。
【００２９】
その場合は、電気光学効果又は熱光学効果を利用した波長可変フィルタ、ＭＥＭＳ技術を利用したエタロンフィルタなどが考えられる。
【００３０】
また、波長選択素子が透過させる波長帯が、入射光線の全ての波長帯を含む場合も考えられ、その場合は光学的な透過窓に相当する。
【００３１】
逆に、入射光線の全ての波長帯を透過させない場合は、平面ミラーと同等の機能を有する。
【００３２】
光反射集光素子の具体例としては、凹面ミラー、平凸レンズの平面側の表面に反射膜を形成したもの、フレネルレンズの原理を応用したフレネルミラーなどが考えられる。
【００３３】
上記の部品群の配置を決定するため、平行に対向させられた二つの平面を考え「仮想平面」と定義する。
【００３４】
送信ポートから出射されたビームが、仮想平面を透過し、受信ポートに伝播されるように、送信ポート、受信ポートが配置されており、少なくとも一組の送信ポートと受信ポートについては、送信ポートから出射されたビームが、二つの仮想平面の間をジグザグ状に反射する「多重反射ビーム」となり、そのビームが受信ポートに伝播されるように配置されており、多重反射ビームの仮想平面における反射点には、波長選択素子、光反射集光素子、平面状の反射面のいずれかの「制御素子」が配置されている。
【００３５】
また、多重反射ビームの光路上において、隣接する波長選択素子の間に配置されている制御素子の全体を「リレイ光学系」と定義する。
【００３６】
対向させられた二つの仮想平面の間の領域は、伝播ビームが多重反射する領域であるが、空間中をビームが多重反射する場合は、複数の制御素子が表面に形成されたアレイ素子搭載ブロックを二つ用意し、それらを平行に対向させる構成が考えられる。
【００３７】
ガラス又は透明樹脂などの媒質中をビームが多重反射する場合は、ガラス又は透明樹脂などで形成された平板状の光導波ブロックの両方の表面に、複数の制御素子を形成する構成が考えられる。
【００３８】
本発明の分波動作の原理は以下のとおりである。
【００３９】
コモンポートは送信ポートであり、複数のチャネルポートは受信ポートであり、コモンポートから出力された波長多重光信号が、それぞれの波長選択素子が透過させる波長域に応じて、複数のチャネルポートに分波される。
【００４０】
即ち、送信ポートから出射されたビームは、仮想平面を通過して、第一の波長選択素子に到達する。
【００４１】
ビームが第一の波長選択素子に到達するまでに、複数の制御素子からの反射を経ることもある。
【００４２】
第一の波長選択素子において、特定の波長域のビームは透過され、受信ポートに向けて出射される。
【００４３】
それ以外の波長域のビームは反射され、対向する仮想平面の別の制御素子に届けられ、複数の光反射集光素子からの反射を経て、第二の波長選択素子に到達する。
【００４４】
以上のような動作を繰り返しおこなうように、送受信ポートの設置位置と設置角度、仮想平面に配置された制御素子を光学設計する。
【００４５】
また、本発明の合波動作の原理は以下のとおりである。
【００４６】
複数のチャネルポートは送信ポートであり、コモンポートは受信ポートであり、チャネルポートから出力された複数の単一波長の光信号が、それぞれの波長選択素子が透過させる波長域に応じて、コモンポートに合波される。
【００４７】
即ち、第一の送信ポートから出射されたビームは、第一の仮想平面上に形成された第一の波長選択素子に到達する。
【００４８】
第一の波長選択素子において、特定の波長域のビームは透過され、第二の仮想平面上に形成された制御素子に向けて出射される。
【００４９】
それ以外の波長域のビームは反射され合波されることはない。
【００５０】
第二の仮想平面に到達した前記透過ビームは多重反射ビームとなり、第二の波長選択素子に到達するが、到達までには、少なくとも一つの光反射集光素子からの反射を経る。
【００５１】
前記多重反射ビームは、第二の送信ポートから出射され第二の波長選択素子を透過するビームと合波され、再び多重反射ビームとなり、第三の波長選択素子に到達する。
【００５２】
以上のような動作を繰り返しおこなうように、送受信ポートの設置位置と設置角度、仮想平面に配置された制御素子を光学設計する。
【００５３】
第１の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【００５４】
多重反射ビームの光路上において、複数の光反射集光素子の間には波長選択素子が配置されており、チャネルポートから出力されるビーム、或いは、チャネルポートに入力するビーム（以下、「チャネルポート入出力ビーム」と呼ぶ）は、その波長選択素子を通過する。
【００５５】
前記のチャネルポート入出力ビームと多重反射ビームは同一のリレイ光学系を伝播することになるため、それらのビームの伝播状態が一致していなければ、送受信ポート間の結合効率が低下したり、結合効率にチャネルポート間のばらつきが発生してしまう。
【００５６】
従って、これらの現象を防ぐためには、チャネルポート入出力ビームのビームウェストの位置やスポットサイズと、多重反射ビームのビームウェストの位置やスポットサイズが一致するように、チャネルポート光学系やリレイ光学系を設計する必要がある。
【００５７】
このとき、全てのチャネルポート光学系、及び、リレイ光学系のうち各チャネルポートに対応する光反射集光素子などの光学系（以下、「チャネル光学系」と呼ぶ）を別々に光学設計すると、設計どおりの部品を入手・製造するコスト、設計どおりに部品を実装するコストなどが増大してしまう。
【００５８】
従って、全てのチャネル光学系を同一化する光学設計、或いは、数種類のチャネル光学系を準備しチャネル数に対して周期的に再利用できる光学設計が望ましい。
【００５９】
これは、多重反射ビームの伝播状態に注目すると、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化するか、チャネル数に対して周期的に変動させることに相当する。以下、この伝播状態を多重反射ビームの「同一化・周期化」と呼ぶ。
【００６０】
しかし、波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、上記のように全ての波長選択素子上で「同一化・周期化」するためには、すべての光反射集光素子の光学パラメータを同一化し、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間の距離を等間隔にし、複数の光反射集光素子間の中間点にビームウェストを形成する必要がある。
【００６１】
この場合、チャネルポート入出力ビームのビームウェストも、前記複数の光反射集光素子間の中間点に形成されるように、チャネルポート光学系を設計しなければならないので、設計どおりの部品を入手・製造するコストなどが増大するという問題があった。
【００６２】
また、市販の部品を利用してチャネルポートを構成することもできるが、その場合は光学部品のサイズに制約があるため、小型化できないという問題があった。
【００６３】
図７は、多重反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て別の波長選択素子に入射する場合の合分波器の概略構成図である。
【００６４】
尚、同図には、合分波器内部を伝播するガウシアンビームを概念的に示してある。
【００６５】
図中において、７０１はコモンポート、７０２−７０５はチャネルポート、７０６−７０９は波長選択素子、７１０−７１２は光反射集光素子、７１３−７１４は平行に対向させられた仮想平面である。
【００６６】
第一の仮想平面７１３には複数の波長選択素子７０６−７０９が等間隔にアレイ状に配置されており、第二の仮想平面７１４には複数の光反射集光素子７１０−７１２がアレイ状に等間隔に配置されている。
【００６７】
波長選択素子７０６−７０９及び光反射集光素子７１０−７１２について、伝播ビームが入反射する反射面はすべて互いに平行であり、仮想平面７１３−７１４とも平行に配置させることもできる。
【００６８】
また、仮想平面上における波長選択素子７０６−７０９の配置間隔、光反射集光素子７１０−７１２の配置間隔はそれぞれ同一である。
【００６９】
また、多重反射ビームの光路上で、波長選択素子７０６−７０９の間に配置された光反射集光素子７１０−７１２は「リレイ光学系」に相当する。
【００７０】
この合分波器を、分波器として利用する場合、送信ポート７０１から出射された波長多重化信号であるガウシアンビームが、仮想平面７１４を通過し、第一の波長選択素子７０６に入射する。
【００７１】
第一の波長選択素子７０６において、特定の波長域を含むビームが第一の波長選択素子を透過し、第一の受信ポート７０２に伝播される。
【００７２】
第一の波長選択素子７０６において透過されない波長域を含むビームは反射され、第一の光反射集光素子７１０に入反射し、隣接する第二の波長選択素子７０７に伝播される。
【００７３】
図８は、図７に示された合分波器における多重反射ビームの伝播原理を説明するための概念図である。
【００７４】
尚、この図面では光反射集光手段は光学レンズに置き換えられ、多重反射ビームの伝播光軸は直線に展開されている。
【００７５】
点線が多重反射ビームの伝播光軸、破線が多重反射ビームのビーム直径をあらわしている。
【００７６】
図中において、８０１−８１０は波長選択素子、８１１−８１８は光反射集光手段に相当する光学レンズ、８１９−８２８は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【００７７】
図８（ａ）は、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度が一致している場合に相当する。
【００７８】
従って、波長選択素子８０２−８０４は複数の光反射集光素子８１１−８１４の中間点に位置している。
【００７９】
図８（ｂ）は、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度が一致していない場合に相当し、例えば、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とが直交している場合などに相当する。
【００８０】
従って、波長選択素子８０７−８０９は複数の光反射集光素子８１５−８１８の中間点と一致していない。
【００８１】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化するためには、すべての光反射集光素子の光学パラメータを同一化し、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間の距離を等間隔にし、複数の光反射集光素子間の中間点にビームウェストを形成する必要がある。
【００８２】
従って、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とが直交している場合は、波長選択素子上にビームウェストを形成することができず、ビームウェストを波長選択素子上に形成する場合は、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度とを一致させなければならないため、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とを直交させることはできない。
【００８３】
ところが、波長選択素子からの反射ビームが、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間のリレイ光学系を基本単位として同一化・周期化することで、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化・周期化する光学設計が可能である。
【００８４】
この場合、多重反射ビームのビームウェストは、必ずしも複数の光反射集光素子間の中間点には形成されず、数種類の光反射集光素子の光学パラメータの設定の仕方により、ビームウェストの位置とスポットサイズを制御できる。
【００８５】
従って、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とが直交している場合でも、波長選択素子上にビームウェストを形成する光学設計が可能であり、ビームウェストを波長選択素子上に形成する場合でも、制御素子に入射する入射光軸と仮想平面の成す角度と、制御素子から反射される反射光軸と仮想平面の成す角度とを一致させる必要は無く、チャネルポート入出力ビームの光軸と制御素子が配置されている仮想平面とを直交させる光学設計が可能である。
【００８６】
上記の効果を一般化して考えると、チャネルポートの光学系のコスト上、サイズ上、製造上などの制約条件から、チャネルポート入出力ビームのビームウェストの位置とスポットサイズが制限されていても、数種類の光反射集光素子の光学パラメータを設計することで、多重反射ビームとチャネルポート入出力ビームのビームウェストの位置とスポットサイズを整合させるような光学設計が可能であることを意味している。
【００８７】
これにより、送受信ポート間の結合効率の低下やチャネルポート間の結合効率のばらつきを防ぐことができるため、例えば、チャネルポートを構成するレンズ系や出射点・受光点に市販部品を適用する場合や、チャネルポートを構成するレンズ系にサイズ上の制約がある場合など、チャネルポート入出力ビームのビームウェスト位置が自由に設計できなくても、リレイ光学系の設計により多重反射ビームのビームウェストを制御し、これらのビームウェスト位置とスポットサイズを整合させることで、送受信ポート間の結合効率の低下やばらつきを防ぐことができる。
【００８８】
従って、市販部品が利用できるため部品コストの低減が可能であり、小さなレンズ系を有するチャネルポートを利用できるため、チャネルポートを小型化できる。
【００８９】
波長選択素子からの反射ビームが、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間のリレイ光学系を基本単位として同一化することで、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化する光学設計が可能である。
【００９０】
従って、複数のチャネルポートのレンズ系や出射点・受光点を同一化しても結合効率のチャネル間ばらつきが発生せず、アレイ状のレンズ、ファイバ、ＬＤ，ＰＤなどを適用し、複数のチャネルポートを一括形成できる。
【００９１】
従って、各チャネルポートの部品を組立ててアライメントするための実装コストを低減できる。
【００９２】
波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、多重反射ビームの光路上において、隣接する二つの光反射集光素子の光路間について、ビームウェストが配置されていない光路間が存在すると、二つの当該光反射集光素子上における多重反射ビームの複素ビームパラメータが互いに異なるため、前記光反射集光素子から同一距離離れた地点に配置されている二つの波長選択素子上の複素ビームパラメータも互いに異なる。
【００９３】
つまり、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化するためには、隣接する二つの光反射集光素子の光路間には必ずビームウェストを配置することが前提となる。
【００９４】
しかしこの場合、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差など、リレイ光学系を製造する際のわずかな誤差が発生するだけで、光反射集光素子の光路間に配置されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまう。
【００９５】
従って、チャネル数増大に従い多重反射ビームが急激に拡散し、光反射集光素子の有効直径より伝播ビームのスポットサイズが大きくなってしまい、パワー損失が発生し、結合効率が低下してしまう。
【００９６】
ところが波長選択素子からの反射ビームが、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合、リレイ光学系を構成し、多重反射ビームの光路上で隣接する二つの光反射集光手段の光路間のうち、一部の光路間にビームウェストを配置しなくても、多重反射ビームの複素ビームパラメータを全ての波長選択素子上で同一化する光学設計が可能である。
【００９７】
例えば、ある二つの光反射集光手段の光路間を伝播する多重反射ビームについて、スポットサイズが十分大きくなるように設計し、当該光路間にビームウェストを配置しない場合などが考えられる。
【００９８】
この場合、当該光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズはほぼ一定とみなすことができる。
【００９９】
従って、隣接する二つの光反射集光素子の光路間に必ずビームウェストが配置されている場合と比べると、当該光路間付近に配置された光反射集光素子の光学パラメータ誤差や、当該光路間の光路長誤差が発生しても、前記光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズの変化を十分小さくみなすことが可能である。
【０１００】
よって、多重反射ビームの急激な拡散を抑制し、パワー損失を発生させない光学設計が可能である。
【０１０１】
また、波長選択素子上のスポットサイズを、コモンポートからの光路長に応じて周期的に変動させ発散させないようにすることもできる。
【０１０２】
更に、チャネルポートの光学設計によっては、各チャネルポートとコモンポートの間の結合効率を、コモンポートからの光路長に応じて周期的に変動させ単調減少させないようにすることも可能である。
【０１０３】
上記のような光学設計がされている場合、リレイ光学系を構成する光反射集光手段の光学パラメータの誤差や、各制御素子間の光路長の誤差が発生しても、送受信ポート間の結合効率の低下やばらつきを防ぐことができる。
【０１０４】
従って、リレイ光学系を構成する部品を製造する際のトレランスを拡大できるため、部品コストを低減することができる。
【０１０５】
波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合よりも、複数の光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合の方が、多重反射ビームの光路上における複数の波長選択素子間の距離を拡大できる。
【０１０６】
よって、各波長選択素子に入反射する多重反射ビームの入射角及び反射角が同一であれば、仮想平面上の各波長選択素子の配置間隔が拡大できる。
【０１０７】
従って、波長選択素子やチャネルポート光学系のサイズを拡大することが可能であり、部品製造上の許容誤差も拡大できるので部品コストを低減することができる。
【０１０８】
更に、チャネルポートを実装する際の作業性も向上できる。
【０１０９】
また逆に、仮想平面上の各波長選択素子の配置間隔が同一であれば、各波長選択素子に入反射する多重反射ビームの入射角及び反射角を低減できる。
【０１１０】
従って、波長選択素子を透過するビームのフィルタ特性向上や、光反射集光素子に入反射するビームのコマ収差低減にとって有利である。
【０１１１】
（２）第２の発明は、請求項１に記載の合分波器において、波長選択素子に到達するビームの複素ビームパラメータが、すべての波長選択素子上で同一になるように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器である。
【０１１２】
第２の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１１３】
全てのチャネルビームパラメータが同一になるように、制御素子が配置及び光学設計されているので、受光又は出射点、受信又は送信レンズ系、波長選択素子のそれぞれの素子について、素子間距離の組合せを全てのチャネルポートで同一化し、チャネルポートの送信又は受信レンズ系を全てのチャネルポートで同一化しても、各チャネルポートにおける光損失のポート間ばらつきが発生しない。
【０１１４】
従って、各チャネルポートのそれぞれについて、光損失を低減し、ポート間ばらつきをなくすための光学設計コスト、設計どおりの部品を入手するための部品コスト、それらの部品を設計どおりに位置決めするための実装コストなどを大幅に低減できる。
【０１１５】
上記の効果により、レンズアレイ、ファイバアレイ、ＬＤアレイ、ＰＤアレイなどの、同一の出射又は受光点、同一のレンズ系がアレイ状に一体形成されてある部品を利用し、複数のチャネルポートを一括形成することが可能である。
【０１１６】
従って、設計どおりの部品を入手する際の製造公差低減、各チャネルポートごとに部品を位置決めするための実装コストを低減できる。
【０１１７】
上記の効果により、レンズファイバモジュール、ＬＤレンズ内蔵型ＣＡＮパッケージモジュールなどの、送信又は受信レンズ系と、出射又は受光点が一体形成されてある同一部品を複数利用することが可能である。
【０１１８】
従って、各チャネルポートを構成する部品を位置決めするための実装コストを低減できる。
【０１１９】
（３）第３の発明は、請求項１に記載の合分波器において、多重反射ビームのスポットサイズとビーム波面曲率半径の絶対値が全ての波長選択素子上で同一であり、多重反射ビームのビーム波面曲率半径は、多重反射ビームの光路上で隣接する波長選択素子上において、符号が交互に変化するように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器である。
【０１２０】
これは、第１の発明において、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、チャネル数に対して周期的に変動させる場合に相当している。
【０１２１】
第３の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１２２】
波長選択素子上にビームウェストが形成されていなくても、すべての波長選択素子上に到達する多重反射ビームのスポットサイズを同一化できる。
【０１２３】
従って、フィルタ特性に関するチャネルポート間のばらつきが抑制できる。
【０１２４】
すべての波長選択素子上に到達する多重反射ビームの複素ビームパラメータを二種類に制限できる。
【０１２５】
二種類の当該ビームパラメータは、進行方向が異なるだけで同一の伝播状態のビームをあらわしているため、一方のビームパラメータを有する波長選択素子に送信ポートのチャネルポートを対応させ、他方のビームパラメータを有する波長選択素子に受信ポートのチャネルポートを対応させることができる。
【０１２６】
その際に、それらのチャネルポートと各波長選択素子までの光路長を同一にして、送信ポートと受信ポートに同一構成の光学系からなるチャネルポートを適用しても、結合効率のばらつきが発生しない。
【０１２７】
従って、一つの合分波器に送受信用のチャネルポートが共存し、それらが交互に配置されている場合、チャネルポートの入手・製造のためのコスト低減が可能である。
【０１２８】
また、受光点又は出射点が光ファイバの場合は、すべてのチャネルポートのレンズ系も同一化できるため、レンズ系の入手・製造・実装コストの低減が可能である。
【０１２９】
（４）第４の発明は、請求項１乃至３に記載の合分波器において、すべての波長選択素子は、二つの仮想平面の一方に配置されていることを特徴とする合分波器である。
【０１３０】
第４の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１３１】
波長選択素子は全て一つの仮想平面に配置されているので、全てのチャネルポートをひとつの仮想平面の片側に配置することができる。
【０１３２】
従って、複数のチャネルポートを一括形成することができ、アライメントの作業性を向上させることができ、実装スペースを節約することができるため、部品コスト、実装コストを低減できる。
【０１３３】
（５）第５の発明は、請求項１乃至４に記載の合分波器において、合分波器内部を伝播するビームが、波長選択素子上でビームウェストを形成するように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器である。
【０１３４】
第５の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１３５】
波長選択素子の配置点に多重反射ビームのビームウェストを形成することで、波長選択素子に入射するビームはほぼ平面波とみなすことができる。
【０１３６】
従って、波長選択手段に入射するビーム波面はほぼ単一角度で入射するとみなせるため、均質なフィルタ特性を得ることができる。
【０１３７】
波長選択素子上に多重反射ビームのビームウェストを形成することで、多重反射ビームの光軸ずれに対して、波長選択素子の表面における面内の光軸位置ずれが低減できる。
【０１３８】
従って、波長選択素子を小型化することが可能であり、かつ、波長選択素子のフィルタ特性の面内依存性の影響を低減することができる。
【０１３９】
コモンポートが送信ポートで、複数のチャネルポートを有する分波器として利用する場合、コモンポートを実装する際に光軸ずれが発生すると、チャネル数の増大に伴い、コモンポートからそれぞれの波長選択素子までの光路長が増大するため、一般的に波長選択素子上における多重反射ビームの光軸ずれ量は増大する。
【０１４０】
しかし、それぞれの波長選択素子上に多重反射ビームのビームウェストを形成し、波長選択素子に入射する多重反射ビームの光軸角度ずれと光軸位置ずれの両方が同時に増幅されないように光学設計することが可能である。
【０１４１】
また、光軸角度ずれと光軸位置ずれのずれ量は、コモンポートからの光路長にしたがいそれぞれ周期的に変動するため、チャネルポートの数が増大しても、フィルタ特性の劣化が単調増大することはない。
【０１４２】
（６）第６の発明は、請求項１乃至５に記載の合分波器において、光反射集光素子の少なくとも一つが、球面状のミラーであることを特徴とする合分波器である。
【０１４３】
第６の発明が奏する作用・効果は以下のとおりである。
【０１４４】
球面ミラーを利用することで、光反射集光素子において反射される光線の波長依存性を無視することができる。
【０１４５】
従って、合分波器内部の伝播ビームの可用波長帯を広帯域化することが可能である。
【０１４６】
球面ミラーを利用することで、光反射集光素子の光学設計パラメータは曲率半径のみに限られる。
【０１４７】
従って、部品製造トレランス設計を容易化でき、設計時間を短縮することが可能であり、これらのことから製造コストを低減できる。
【０１４８】
球面ミラーを利用すると、ミラー表面に入射するビームを平行移動し、入射位置を微小変化させることで、曲率半径などの光学パラメータを維持しつつ、反射ビームの光軸方向を三次元的に変化させることができる。
【０１４９】
従って、合分波器内部の伝播ビームの光軸設計自由度を大幅に向上させることができる。
【０１５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を具体的に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【０１５１】
尚、同図には、合分波器内部を伝播するガウシアンビームを概念的に示してある。
【０１５２】
図中において、１０１はコモンポート、１０２−１０４はチャネルポート、１０５−１０７は波長選択素子、１０８−１１１は光反射集光素子、１１２−１１３は平面状の反射面、１１４−１１５は平行に対向させられた仮想平面である。
【０１５３】
コモンポート１０１及びチャネルポート１０２−１０４は、出射点又は受光点１１６−１１９及びレンズ系１２０−１２３から構成されている。
【０１５４】
第一の仮想平面１１４には複数の波長選択素子１０５−１０７と平面状の反射面１１２−１１３が交互に等間隔にアレイ状に配置されており、第二の仮想平面１１５には複数の光反射集光素子１０８−１１１がアレイ状に等間隔に配置されている。
【０１５５】
波長選択素子１０５−１０７、平面状の反射面１１２−１１３、及び光反射集光素子１０８−１１１について、伝播ビームが入反射する反射面は、すべて仮想平面１１４−１１５と平行に配置されているため、伝播ビームの光軸と仮想平面のなす入射角及び反射角はすべて同一であり、波長選択素子１０５−１０７の配置間隔、光反射集光素子１０８−１１１の配置間隔はそれぞれ同一である。
【０１５６】
また、多重反射ビームの光路上で、波長選択素子１０５−１０７の間に配置された制御素子１０８−１１３は「リレイ光学系」に相当する。
【０１５７】
以下具体例として、本実施形態に係る合分波器を、分波器として利用する場合の動作原理を説明する。
【０１５８】
送信ポート１０１から出射された波長多重化信号であるガウシアンビームが、仮想平面１１５を通過し、第一の波長選択素子１０５に入射する。
【０１５９】
第一の波長選択素子１０５において、特定の波長域を含むビームが第一の波長選択素子を透過し、第一の受信ポート１０２に伝播される。
【０１６０】
第一の波長選択素子１０５において透過されない波長域を含むビームは反射され、第一の光反射集光素子１０８に入反射し、平面状の反射面１１２に入反射し、第二の光反射集光素子１０９に入反射し、隣接する第二の波長選択素子１０６に伝播される。
【０１６１】
このように、多重反射ビームは、それぞれの波長選択素子に入射するたびに、特定の波長を含むビームが受信ポートに向けて出射され、それ以外の波長を含むビームは反射され、複数の光反射集光素子を経由して、隣接する波長選択素子に伝播される。
【０１６２】
これらの過程を繰り返すことにより、伝播ビームが分波される。
【０１６３】
上記のように分波器として利用する場合のビームの進行方向を逆向きにすることで、合波器として利用することもできる。
【０１６４】
即ち、複数の送信ポート１０２−１０４から出射されたビームを、複数の波長選択素子１０５−１０７を通過するように互いに平行に入射させる。
【０１６５】
その際に、波長選択素子１０５−１０７を透過し、内部に入射した特定の波長を含むビームが、光反射集光素子１０８−１１１により複数回反射され、その反射ビームが隣接する波長選択素子に入射するような入射角度に設置する。
【０１６６】
このようにして、複数の送信ポート１０２−１０４からの出射ビームが内部を多重反射することにより重ね合わせられ、受信ポート１０１にむけて一本の伝播ビームとなって伝播されることにより合波される。
【０１６７】
但し、合波器としての利用形態の場合は、送信ポート１０２−１０４から波長選択素子１０５−１０７に入射したビームのうち、反射される波長域を含むビーム、及び、伝播ビームが内部を多重反射する際に、別の波長選択素子により透過させられ、多重反射ビームとならない波長域のビームは、合波されない。
【０１６８】
上記の合分波器としての利用例において、波長選択素子の数は３個、光反射集光素子の数は３個、チャネルポートの数は３個であるが、これらの数は限定するものではない。
【０１６９】
チャネルポート１０２−１０４がすべて送信ポートの場合、コモンポート１０１は受信ポートとなるため、合波器として動作するが、チャネルポート１０２−１０４がすべて受信ポートの場合、コモンポート１０１は送信ポートとなるため、分波器として動作する。
【０１７０】
また、チャネルポートとして送信ポートと受信ポートが両方含まれる場合、一つのコモンポートを有する一つの合分波器によって合波動作と分波動作の両方を同時に実現することが可能である。
【０１７１】
この場合、分波動作用の波長選択素子と合波動作用の波長選択素子の間に、合分波動作の波長の干渉を防止するための波長選択素子を配置し、合分波動作で不要な波長域のビームを合分波器外部に出射することもできる。
【０１７２】
図２は、図１に示された本発明の第１の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【０１７３】
尚、この図面では光反射集光手段は光学レンズに置き換えられ、多重反射ビームの伝播光軸は直線に展開されている。
【０１７４】
点線が多重反射ビームの伝播光軸、破線が多重反射ビームのスポットサイズをあらわしている。
【０１７５】
また、波長選択素子を透過するビームのうち、特定の波長域のビームはチャネルポートに入力するビーム、又は、チャネルポートから出力されるビームに相当するが、この図面には表現されていない。
【０１７６】
図中において、２０１−２０９は波長選択素子、２１０−２２３は光反射集光手段に相当する光学レンズ、２２４−２３３は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【０１７７】
図２（ａ）は、複数の光反射集光素子間に常にビームウェストが形成されている場合の概念図であり、図２（ｂ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にはビームウェストが形成されていない場合の概念図であり、図２（ｃ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にのみビームウェストが形成されている場合の概念図である。
１）図２（ａ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子２０１−２０３上で同一化する場合、複数の光反射集光素子２１１−２１４の光路の中間点に波長選択素子２０２−２０３を配置して、複数の波長選択素子２０１−２０３の光路間に含まれる二つの光反射集光素子２１０−２１３の光学パラメータが交互に変化するようにして一方の光反射集光素子２１１，２１３から見た前後の等距離地点にビームウェスト２２５−２２８を形成するよう光学設計することができる。
【０１７８】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当する。
【０１７９】
この場合、リレイ光学系を製造する際のわずかな誤差が発生するだけで、複数の光反射集光素子の間に配置されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまうという問題はあるが、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生しても、全ての光反射集光素子の光路間にビームウェストが配置されているため、これら全ての光路間で前記位置ずれや角度ずれの増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
２）また、図２（ｂ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化する場合、複数の光反射集光素子２１６−２１９の光路の中間点に波長選択素子２０５−２０６を配置して、複数の波長選択素子２０４−２０６の光路間に含まれる二つの光反射集光素子２１５−２１８の光学パラメータが交互に変化するようにして、複数の光反射集光素子光路間のうち、波長選択素子２０５−２０６が含まれている光路間にはビームウェストが形成されないようにして、波長選択素子が含まれていない光路間にビームウェスト２２９−２３０が形成されるように光学設計することができる。
【０１８０】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子上のビームのスポットサイズとビーム波面曲率半径を制御することに相当する。
【０１８１】
この場合、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生すると、複数の光反射集光素子光路間のうち、ビームウェストが形成されていない光路間においては、特定の場合に前記位置ずれや角度ずれが増幅されてしまうという問題はあるが、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
【０１８２】
また、チャネルポートの光学系の制限により、チャネルポート入出力ビームのビームウェストをチャネルポート近傍に形成できない場合、チャネルポートと波長選択素子の距離を変化させる手法により、多重反射ビームのビームウェストとチャネルポート入出力ビームのビームウェスト形成地点を一致させる必要が無く、光反射集光素子の光学設計により、ビームウェストの位置を制御する手法により対応できる。
【０１８３】
従って、合分波器のサイズ増大や光軸ずれトレランスの低下を防ぐことができる。
３）また、図２（ｃ）に示されているように、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子上で同一化する場合、複数の光反射集光素子２２１−２２２の光路の中間点に波長選択素子２０８を配置して、複数の波長選択素子２０７−２０９の光路間に含まれる二つの光反射集光素子２２０−２２３の光学パラメータが交互に変化するようにして、複数の光反射集光素子光路間のうち、波長選択素子２０７−２０８が含まれている光路間にビームウェスト２３１−２３２が形成されるようにして、波長選択素子が含まれていない光路間にはビームウェストが形成されないように光学設計することができる。
【０１８４】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当する。
【０１８５】
この場合も、前述したように、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
【０１８６】
また、チャネルポートの光学系の制限により、チャネルポート入出力ビームのビームウェスト形成位置に制約がある場合などでも、光反射集光素子の光学設計により、ビームウェストの位置を制御することで、多重反射ビームのビームウェストとチャネルポート入出力ビームのビームウェスト形成地点、及びそのスポットサイズを一致させることができる。
【０１８７】
従って、合分波器の結合効率の低下を防ぐことができる。
【０１８８】
［実施例２］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る合分波器の概略構成図であり、図１に示した第１の実施形態の応用例である。
【０１８９】
以下、第１の実施形態の場合と異なる点について説明する。
【０１９０】
図中、波長選択素子３０５−３０７、平面状の反射面３１２−３１３、及び光反射集光素子３０８−３１１について、伝播ビームが入反射する微小反射平面は、すべて互いに平行であるが、仮想平面３１４−３１５とは平行に配置されていない。
【０１９１】
これらの制御素子は、波長選択素子３０５−３０７を透過しチャネルポート３０２−３０４に入出力するビームの光軸が、仮想平面３１４−３１５と直交するように形成されている。
【０１９２】
図４は、図３に示された本発明の第２の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【０１９３】
図面上の記号は図２の場合と同様である。
【０１９４】
４０１−４０６は波長選択素子、４０７−４１５は光反射集光手段に相当する光学レンズ、４１６−４２３は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【０１９５】
図４（ａ）は、複数の光反射集光素子間に常にビームウェストが形成されている場合の概念図であり、図４（ｂ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にのみビームウェストが形成されている場合の概念図である。
１）図４（ａ）に示されているように、一つの波長選択素子から、その直近に配置された二つの光反射集光素子への光路長が異なるため、複数の光反射集光素子４０８−４１１の光路の中間点に波長選択素子４０２−４０３を配置することができない。
【０１９６】
しかし、複数の波長選択素子４０１−４０３の光路間に含まれる二つの光反射集光素子４０７−４１０の光学パラメータが交互に変化するようにして、一方の光反射集牢素子４０８，４１０から見た前後の等距離地点にビームウェスト４１７−４２０を形成するように光学設計することができる。
【０１９７】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当するため、ビームウェスト形成位置を波長選択素子の配置点と一致させ、かつ、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子４０１−４０３上で同一化することができる。
【０１９８】
この場合、リレイ光学系を製造する際のわずかな誤差が発生するだけで、複数の光反射集光素子の間に配置されたビームウェストの位置やスポットサイズが、設計値から急激に変化してしまうという問題はあるが、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生しても、全ての光反射集光素子の光路間にビームウェストが配置されているため、これら全ての光路間で前記位置ずれや角度ずれの増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
２）図４（ｂ）に示されているように、一つの波長選択素子から、その直近に配置された二つの光反射集光素子への光路長が異なるため、複数の光反射集光素子４１３−４１４の光路の中間点に波長選択素子４２２を配置することができない。
【０１９９】
しかし、複数の波長選択素子４２１−４２３の光路間に含まれる二つの光反射集光素子４１２−４１５の光学パラメータが交互に変化するようにして、複数の光反射集光素子光路間のうち、波長選択素子４０４−４０６が含まれている光路間にビームウェスト４２１−４２３が形成されるようにして、波長選択素子が含まれていない光路間にはビームウェストが形成されないように光学設計することができる。
【０２００】
光反射集光素子からビームウェストまでの距離を制御することは、波長選択素子からビームウェストまでの距離を制御することに相当するため、ビームウェスト形成位置を波長選択素子の配置点と一致させ、かつ、多重反射ビームの複素ビームパラメータを、全ての波長選択素子４０４−４０６上で同一化することができる。
【０２０１】
この場合、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生すると、複数の光反射集光素子光路間のうち、ビームウェストが形成されていない光路間においては、特定の場合に前記位置ずれや角度ずれが増幅されてしまうという問題はあるが、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
３）図４（ａ）に示されている場合も、図４（ｂ）に示されている場合も、チャネルポートから入出力されるビーム光軸の設置角度を仮想平面に対して直交させることができるため、チャネルポートやコモンポートの設置角度を単純化一同一化することができ、アライメントのための実装コストを低減することができる。
【０２０２】
また、各種のアレイ状部品を利用することもできるため、複数のチャネルポートの位置及び角度あわせを一括しておこなうことが可能であり、アライメントのための実装コストを低減することができる。
【０２０３】
［実施例３］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る合分波器の概略構成図であり、図１に示した第１の実施形態の応用例である。
【０２０４】
以下、第１の実施形態の場合と異なる点について説明する。
【０２０５】
図中において、５０１−５０３はチャネルポートであり、送信用チャネルポート５０２と受信用チャネルポート５０１，５０３が交互に隣接するように一つの仮想平面側に配置されている。
【０２０６】
チャネルポートとして送信ポートと受信ポートが共存しているため、送信用及び受信用の二つのコモンポートを有する一つの合分波器によって、合波動作と分波動作の両方を同時に実現することが可能であり、波長多重通信用アドドロップマルチプレクサを小型低コストに実現できる。
【０２０７】
また、送信用チャネルポートと受信用チャネルポートが隣接しているため、これらの二つのチャネルポートを組み合わせ一体型送受信モジュールを構成し、合分波器に対して着脱可能とすることもできる。
【０２０８】
図６は、図５に示された本発明の第３の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【０２０９】
図面上の記号は図２の場合と同様である。
【０２１０】
図中において、６０１−６０６は波長選択素子、６０７−６１５は光反射集光手段に相当する光学レンズ、６１６−６２０は実際に伝播するビームのビームウェスト位置を表す矢印である。
【０２１１】
図６（ａ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にのみビームウェストが形成されている場合の概念図であり、図６（ｂ）は、波長選択素子が光路間に含まれている光反射集光素子間にはビームウェストが形成されていない場合の概念図である。
【０２１２】
１）図６（ａ）に示されているように、全ての波長選択素子６０１−６０３上に多重反射ビームのビームウェスト６１６−６１８を配置する場合、複数の光反射集光素子６０８−６０９の光路の中間点に波長選択素子６０２を配置して、三つの波長選択素子６０１−６０３の光路間に含まれる四つの光反射集光素子６０７−６１０の光学パラメータを二種類に制限して、第二の波長選択素子６０２直近に配置された二つの光反射集光素子６０８−６０９の光学パラメータを同一にして、第一及び第三の波長選択素子６０１，６０３直近に配置された二つの光反射集光素子６０７，６１０の光学パラメータを同一にするように光学設計することができる。
【０２１３】
この場合、隣接する波長選択素子上に形成されるスポットサイズは交互に変化するが、その大きさの比については特定の範囲内で制御することができ、それぞれ送信用チャネルポート、受信用チャネルポートの光学系に対応させることができる。
【０２１４】
従って、チャネルポートの光学系の制約によりチャネル入出力ビームのビームウェストのスポットサイズを自由に設計することができなくても、多重反射ビームのビームウェストのスポットサイズを制御することで両者のスポットサイズを特定の範囲で一致させることができる。
【０２１５】
従って、合分波器の結合効率の低下を防ぐことができる。
２）図６（ｂ）に示されているように、全ての波長選択素子６０４−６０６上で多重反射ビームが同一のスポットサイズを有し、ビーム波面曲率半径の符号のみが交番変化する場合、複数の光反射集光素子６１２−６１５の光路の中間点に波長選択素子６０５−６０６を配置して、三つの波長選択素子６０４−６０６の光路間に含まれる四つの光反射集光素子６１１−６１４の光学パラメータを二種類に制限して、第一の波長選択素子６０４と第二の波長選択素子６０５の間の光路に配置された二つの光反射集光素子６１１−６１２一の光学パラメータを同一にして、第三の波長選択素子６０６と第二の波長選択素子６０５の間の光路に配置された二つの光反射集光素子６１３−６１４の光学パラメータを同一にして、第一の波長選択素子６０４と第二の波長選択素子６０５の中間地点、及び、第三の波長選択素子６０６と第二の波長選択素子６０５の中間地点にビームウェスト６１９−６２０を形成するように光学設計することができる。
【０２１６】
この場合、送信ポートと受信ポートに同一構成の光学系からなるチャネルポートを適用する場合、光学系の制約からチャネル入出力ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径が自由に制御できなくても、全ての波長選択素子で形成される多重反射ビームのスポットサイズ、及び、ビーム波面曲率半径の絶対値を特定の範囲内で制御できるため、結合効率のばらつき・低下を抑制する光学設計が可能である。
３）図６（ａ）に示されている場合も、図６（ｂ）に示されている場合も、送信ポートを実装する際に伝播ビーム光軸の位置ずれや角度ずれが発生すると、複数の光反射集光素子光路間のうち、ビームウェストが形成されていない光路間においては、特定の場合に前記位置ずれや角度ずれが増幅されてしまうという問題はあるが、光反射集光素子の光学パラメータの誤差や光反射集光素子間の光路長の誤差が発生しても、ビームウェストが形成されていない光路間を伝播する多重反射ビームのスポットサイズやビーム波面曲率半径の変化は、誤差に対して十分小さいとみなすことができるので、これらの光路間で前記誤差の増幅を防ぐことができ、全てのチャネルポートに伝播されるビームのパワー損失の増大を防ぐことができる。
【０２１７】
以上の説明のとおり、本発明は、平行に対向する２つの仮想平面上に配置された光反射集光素子と波長選択素子とにより光ビームを仮想平面間で多重反射させながら伝播させる間に波長選択素子から特定の波長の光ビーム（光信号）を抽出たり、あるいは波長選択素子から特定の波長の光ビーム（光信号）を挿入することで光信号を合分波させるもので、波長選択素子からの反射ビームが隣接する別の波長選択素子に入射する間に複数の光反射集光素子からの反射を経るよう光反射集光素子と波長選択素子を配置したことを主構成とするので、送受信ポート間の結合効率の低下やチャネルポート間の結合効率ばらつきを防ぐことが容易となり、高精度、低コストの合分波器が実現される。
【０２１８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る合分波器によれば、合分波器内部の伝播ビームを多重反射させる方式により、特定の波長のビームを、複数の光伝送路に対して抽出又は挿入する場合に発生する課題を解決することが可能であり、
１）光学設計コスト低減
２）市販品利用、製造公差低減、部品一括形成などにより、設計どおりの部品を入手するための部品コスト低減
３）アライメントの作業性向上、複数のチャネルポートの一括形成などによる、部品を設計どおりに位置決めするための実装コスト低減
４）チャネルポートの小型化、高精度化
５）チャネルポート数増大にともなう特性劣化の抑制
６）波長選択素子の小型化、面内依存性低減、均質なフィルタ特性
７）伝播ビームの可用波長帯の広帯域化
８）伝播ビームの光軸設計自由度向上
９）伝播ビームの光軸位置ずれ・光軸角度ずれのトレランス最適化
等の効果を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【図２】図１に示された本発明の第１の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【図４】図３に示された本発明の第２の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る合分波器の概略構成図である。
【図６】図５に示された本発明の第３の実施形態に係る合分波器についての、多重反射ビームの伝播状態を示す光学系の概念図である。
【図７】多重反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て別の波長選択素子に入射する場合の合分波器の概略構成図である。
【図８】波長選択素子からの反射ビームが、一つの光反射集光素子からの反射を経て、別の波長選択素子に入射する場合の多重反射ビームの伝播原理を説明するための概念図である。
【図９】特許文献１に記載される合分波器の具体例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１ コモンポート
１０２−１０４ チャネルポート
１０５−１０７ 波長選択素子
１０８−１１１ 光反射集光素子
１１２−１１３ 平面状の反射面
１１４−１１５ 仮想平面
１１６−１１９ 出射点又は受光点
１２０−１２３ レンズ系
２０１−２０９ 波長選択素子
２１０−２２３ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
２２４−２３３ ビームウェスト位置
３０１ コモンポート
３０２−３０４ チャネルポート
３０５−３０７ 波長選択素子
３０８−３１１ 光反射集光素子
３１２−３１３ 平面状の反射面
３１４−３１５ 仮想平面
４０１−４０６ 波長選択素子
４０７−４１５ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
４１６−４２３ ビームウェスト位置
５０１−５０３ チャネルポート
５０４−５０６ 波長選択素子
５０７−５１２ 光反射集光素子
５１３−５１５ 平面状の反射面
６０１−６０６ 波長選択素子
６０７−６１５ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
６１６−６２０ ビームウェスト位置
７０１ コモンポート
７０２−７０５ チャネルポート
７０６−７０９ 波長選択素子
７１０−７１２ 光反射集光素子
７１３−７１４ 仮想平面
８０１−８１０ 波長選択素子
８１１−８１８ 光反射集光素子に相当する光学レンズ
８１９−８２８ ビームウェスト位置
Claims (6)
- ガウシアンビーム等の光線が、特定の位置にビームウェストを形成するように反射させる光反射集光素子に入反射し、上記光反射集光素子からの反射ビームが、特定の波長域のビームを透過させそれ以外の波長域のビームを反射させる波長選択素子に入反射し、上記波長選択素子からの反射ビームが、前記光反射集光素子とは別の光反射集光素子に入反射するように光学設計されている合分波器であって、前記光反射集光素子と前記波長選択素子は、平行に対向する二つの仮想平面上に配置されており、波長選択素子からの反射ビームは、二つの仮想平面で反射を繰り返しながら伝搬される多重反射ビームとなり、一つの波長選択素子から、多重反射ビームの光路上で隣接する別の波長選択素子までの光路長が何れも等しく、多重反射ビームが、一つの波長選択素子から別の波長選択素子まで伝播される際に、複数の光反射集光素子からの反射を経ることを特徴とする合分波器。
- 請求項１に記載の合分波器において、波長選択素子に到達するビームの複素ビームパラメータが、すべての波長選択素子上で同一になるように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器。
- 請求項１に記載の合分波器において、多重反射ビームのスポットサイズとビーム波面曲率半径の絶対値が全ての波長選択素子上で同一であり、多重反射ビームのビーム波面曲率半径は、多重反射ビームの光路上で隣接する波長選択素子上において、符号が交互に変化するように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器。
- 請求項１乃至３に記載の合分波器において、すべての波長選択素子は、二つの仮想平面の一方に配置されていることを特徴とする合分波器。
- 請求項１乃至４に記載の合分波器において、合分波器内部を伝播するビームが、波長選択素子上でビームウェストを形成するように光反射集光素子の光学パラメータが光学設計されていることを特徴とする合分波器。
- 請求項１乃至５に記載の合分波器において、光反射集光素子の少なくとも一つが、球面状のミラーであることを特徴とする合分波器。
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