JP2005345841A - 光合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が可能であって特性劣化を抑制することができる可変の光合分波器を提供する。
【解決手段】 光合分波器１は、光学系１１１、回折格子素子１２１、光学系１１２および光路変更部１３１〜１３３を備える。光合分波器１は、光ファイバ１１〜１４それぞれの端面位置に入出力ポートを有していて、これら４つのポートのうちの何れかのポートに光を入力したときに、その光に含まれる各波長の光を４つのポートのうちの何れかのポートから出力する。光路変更部１３１〜１３３は、光学系１１２により集光された各波長の光を入力し、その入力した光の入力光路と平行であって同一直線上にない出力光路に該光を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長分割多重光通信システム等において信号光を合波または分波する光合分波器に関するものである。

多波長の信号光を多重化して光伝送路により伝送する波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing）光通信システムでは、多波長の信号光を合波または分波する光合分波器が用いられる。特許文献１に開示された光合分波器は、各波長の光を入力または出力するポートを選択することが可能であり、信号光伝送経路や信号光波長がフレキシブルな光通信ネットワークにおいて好適に用いられる。

この特許文献１に開示された光合分波器は、入力ポートに入力した光に含まれる各波長の光を空間的に分岐する波長分岐素子と、この波長分岐素子により分岐された各波長の光を出力する先の出力ポートを任意に選択する回転ミラーと、を備える。すなわち、各波長の光の出力先である出力ポートは、回転ミラーの回転角によって決定される。

図８は、特許文献１に開示された従来の光合分波器９の構成図である。この光合分波器９では、光ファイバ１１の端面から出射された光は、光学系１１１によりコリメートされて回折格子素子１２１に入力し、この回折格子素子１２１により波長毎に異なる回折角で回折されて、波長毎に異なる光路へ出力される。回折格子素子１２１から出力された各波長（図ではλ１〜λ３）の光は光学系１１２により集光される。

光学系１１２により集光された波長λ１の光は、その集光位置に配置された反射鏡１３１により反射されて、再び光学系１１２に入力する。光学系１１２により集光された波長λ２の光は、その集光位置に配置された反射鏡１３２により反射されて、再び光学系１１２に入力する。また、光学系１１２により集光された波長λ３の光は、その集光位置に配置された反射鏡１３３により反射されて、再び光学系１１２に入力する。

反射鏡１３１〜１３３により反射されて光学系１１２に入力した各波長の光は、光学系１１２によりコリメートされて回折格子素子１２１に入力し、この回折格子素子１２１により回折されて光学系１１１に入力する。回折格子素子１２１から光学系１１１に入力した各波長の光は、この光学系１１１に集光されて、光ファイバ１１〜１３のうちの何れの光ファイバの端面に入射する。

この光合分波器９は、或る光ファイバ端面から出射された各波長の光を何れかの光ファイバ端面に入射させることができ、反射鏡１３１〜１３３の傾斜角を設定することにより入出射光ファイバを任意に選択することができる。
米国特許第５９６０１３３号明細書

しかしながら、上記特許文献１に開示された光合分波器では、以下に説明するような問題点を有している。図９は、従来の光合分波器９の問題点を説明する図である。この図は、反射鏡１３１〜１３３それぞれの反射面における光学系１１２による集光の様子を示している。反射鏡１３１〜１３３のうちの中央にある反射鏡１３２について説明すると、光学系１１２により集光されて反射鏡１３２に到達する光は、中心波長λ２の光だけでなく、その近傍の波長の光も含まれる。また、反射鏡１３２に到達する特定の単一波長の光のみについて注目したときに、反射鏡１３２の反射面における集光は、理想的な点とはならず、或る大きさφの拡がりを有している。このことから、反射鏡１３２の反射特性は、中心波長λ２から離れた波長では反射率が低くなる。その結果、この光合分波器９の特性が劣化することとなる。

この特性劣化を抑制するには、光ファイバ１１〜１３それぞれに対応して設けられた光学系１１１の各レンズとして、焦点距離ｆが長く径が大きいものを使用すればよい。このようにすることにより、回折格子素子１２１から光学系１１２に入射する光束の径が大きくなって、反射鏡１３１〜１３３それぞれの反射面における集光径が小さくなり、光合分波器９の特性の劣化が防止され得る。

しかし、このように光学系１１１において焦点距離ｆが長く径が大きいレンズを用いると、光学系１１１が長くなることに加えて、光学系１１１を伝搬する光の全体の幅ｗが大きくなり、光合分波器９が大型のものとなる。また、光学系１１１を構成する各レンズの設計や加工に際しては高度な技術が要求される。

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、小型化が可能であって特性劣化を抑制することができる可変の光合分波器を提供することを目的とする。

本発明に係る光合分波器は、複数のポートのうちの何れかのポートに光を入力したときに、その光に含まれる各波長の光を複数のポートのうちの何れかのポートから出力する光合分波器であって、(1) 複数のポートのうちの何れかのポートに入力した光を出力する第１光学系と、(2) 第１光学系により出力された光を入力し、その光に含まれる各波長の光を空間的に分岐して、その分岐した各波長の光を互いに異なる光路へ出力する第１波長分岐素子と、(3) 第１波長分岐素子から出力された各波長の光を集光する第２光学系と、(4) 第２光学系により集光された各波長の光を入力し、その入力した光の入力光路と同一直線上にない出力光路に該光を出力するとともに、その出力光路が可変である光路変更部と、(5) 光路変更部から出力された光を入力し、その光を出力する第３光学系と、(6) 第３光学系により出力された各波長の光を入力し、波長に応じて進行方向を変更して該光を出力する第２波長分岐素子と、(7) 第２波長分岐素子から出力された各波長の光を入力して集光し、複数のポートのうちの何れかのポートから各波長の光を出力させる第４光学系と、を備えることを特徴とする。ここで、第１光学系および第３光学系の双方または何れか一方が、入力した光をコリメートして出力するものであるのが好適である。また、第１，第３の光学系は、それぞれ焦点が、入射光の入射方向に対して、逆側にある、のが好ましい。さらに、第１波長分岐素子および第２波長分岐素子の双方または何れか一方が回折格子素子を含むのが好適である。

この光合分波器では、複数のポートのうちの何れかのポートに入力した光は、第１光学系によりコリメートされた後、第１波長分岐素子により各波長の光に空間的に分岐されて、各波長の光が互いに異なる光路へ出力される。第１波長分岐素子から出力された各波長の光は、第２光学系により集光され、光路変更部により光路が変更される。光路変更部から出力される光の出力光路は、光路変更部に入力する光の入力光路と平行であって同一直線上になく、可変である。光路変更部から出力された光は、第３光学系によりコリメートされた後、第２波長分岐素子により波長に応じた進行方向に変更され、第４光学系により集光されて互いに平行な光路を経て複数のポートのうちの何れかのポートから出力される。

本発明に係る光合分波器では、第１光学系と第４光学系とが互いに共通の光学系であり、第２光学系と第３光学系とが互いに共通の光学系であり、第１波長分岐素子と第２波長分岐素子とが互いに共通の素子であり、光路変更部が入力光路を折り返して出力光路とするのが好適である。また、このとき、光路変更部が、互いに実質的に垂直な第１反射面および第２反射面を含み、第１反射面および第２反射面それぞれが、同一ポートから出力され第１光学系，第１波長分岐素子および第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して傾斜可能であるとともに、第２光学系の光軸に対しても傾斜可能であり、第１反射面および第２反射面により光を順次に反射させることで光路を折り返すのが好適である。

本発明に係る光合分波器では、第１光学系と第４光学系とが互いに別個の光学系であり、第２光学系と第３光学系とが互いに別個の光学系であり、第１波長分岐素子と第２波長分岐素子とが互いに別個の素子であり、光路変更部が入力光路を実質的に平行移動させて出力光路とするのが好適である。また、このとき、光路変更部が、互いに実質的に平行な第１反射面および第２反射面を含み、第１反射面および第２反射面それぞれが、同一ポートから出力され第１光学系，第１波長分岐素子および第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して傾斜可能であるとともに、第２光学系の光軸に対しても傾斜可能であり、第１反射面および第２反射面により光を順次に反射させることで光路を実質的に平行移動させるのが好適である。

本発明に係る光合分波器では、光路変更部の第１反射面および第２反射面それぞれが、同一ポートから出力され第１光学系，第１波長分岐素子および第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して実質的に垂直な方向に移動可能であり、この移動により出力光路を可変とするのが好適である。光路変更部の第１反射面および第２反射面の相対的位置関係が固定されているのが好適である。光路変更部の第１反射面と第２反射面との中間地点に集光位置があるのが好適である。第１反射面と集光位置との間に第１集光光学系が設けられるとともに、第２反射面と集光位置との間に第２集光光学系が設けられていて、第１反射面および第２反射面それぞれにも集光位置があるのが好適である。また、複数のポートが、同一ポートから出力され第１光学系，第１波長分岐素子および第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して垂直な方向に配列されているのが好適である。

本発明によれば、小型化が可能であって特性劣化を抑制することができる可変の光合分波器を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る光合分波器の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光合分波器１の構成図である。この図に示される光合分波器１は、光学系１１１、回折格子素子１２１、光学系１１２および光路変更部１３１〜１３３を備えている。この光合分波器１は、光ファイバ１１〜１４それぞれの端面位置に入出力ポートを有していて、これら４つのポートのうちの何れかのポートに光を入力したときに、その光に含まれる各波長の光を４つのポートのうちの何れかのポートから出力する。

光ファイバ１１〜１４と回折格子素子１２１との間では、ｘｙｚ直交座標系を設定し、光学系１１１の光軸に平行にｚ軸を設定する。回折格子素子１２１と光路変更部１３１〜１３３との間では、ｘｙ'ｚ'直交座標系を設定し、光学系１１２の光軸に平行にｚ'軸を設定する。また、回折格子素子１２１における各格子が延びる方向に平行にｘ軸を設定する。

図１（ａ）は、ｙｚ（ｙ'ｚ'）平面への投影図である。図１（ｂ）は、光ファイバ１１〜１４と回折格子素子１２１との間ではｘｚ平面への投影図であり、回折格子素子１２１と光路変更部１３１〜１３３との間ではｘｚ'平面への投影図である。

光ファイバ１１〜１４は、ｘｚ平面に平行な共通の平面上に並列配置されている。光ファイバ１１〜１４それぞれの端面に入出射する光はｚ軸方向に平行に進む。

光学系１１１は、光ファイバ１１〜１４のうちの何れかの端面から光が出射されると、その光を入力しコリメートして出力する。このとき光学系１１１によりコリメートされて出力された光はｘｚ平面に平行に進む。

回折格子素子１２１は、波長分岐素子として作用し、光学系１１１によりコリメートされた光を入力し、その光に含まれる各波長（本実施形態では３波長λ１〜λ３）の光を空間的に分岐して、その分岐した各波長の光を互いに異なる光路へ出力する。この回折格子素子１２１の各格子がｘ軸方向に延びている。

この往路において回折格子素子１２１から出力された各波長の光は、図１（ｂ）に示されるようにｘｚ（ｘｚ'）平面へ投影したときには、回折格子素子１２１への入力の際の方向と同一の方向に進むが、図１（ａ）に示されるようにｙｚ（ｙ'ｚ'）平面へ投影したときには、波長によって異なる方向に進む。

光学系１１２は、回折格子素子１２１から出力された各波長の光を集光する。このとき光学系１１２から集光されて出力された各波長の光は、ｙ'ｚ'平面に平行な方向に進む。また、各波長の光の集光位置は、光学系１１２の後焦点面Ｐ上にあって、ｙ'軸方向に平行な直線上に並ぶ。

光路変更部１３１は、光学系１１２により集光された波長λ１の光を入力し、その入力した光の入力光路と平行であって同一直線上にない出力光路に該光を出力する。光路変更部１３２は、光学系１１２により集光された波長λ２の光を入力し、その入力した光の入力光路と平行であって同一直線上にない出力光路に該光を出力する。また、光路変更部１３３は、光学系１１２により集光された波長λ３の光を入力し、その入力した光の入力光路と平行であって同一直線上にない出力光路に該光を出力する。光路変更部１３１〜１３３それぞれは、出力光路を変更することができる。特に、本実施形態では、光路変更部１３１〜１３３それぞれは、入力光路を折り返して出力光路とする。

図２は、光路変更部１３１の構成を説明する斜視図である。なお、光路変更部１３１〜１３３それぞれは共通の構成を有している。光路変更部１３１は、互いに垂直な第１反射面１３１Ａおよび第２反射面１３１Ｂを含んでいる。第１反射面１３１Ａおよび第２反射面１３１Ｂそれぞれは、交線Ｌで直交し、同一ポートから出力され光学系１１１，回折格子素子１２１および光学系１１２を経た各波長の光の主光線を含む平面（すなわち、ｙ'ｚ'平面に平行な面）に対して４５度傾斜しているとともに、光学系１１２の光軸（すなわち、ｚ'軸方向に平行な直線）に対しても４５度傾斜している。そして、光路変更部１３１は、第１反射面１３１Ａおよび第２反射面１３１Ｂにより光を順次に反射させることで光路を折り返す。

光路変更部１３１〜１３３それぞれにおいて、第１反射面および第２反射面それぞれは、同一ポートから出力され光学系１１１，回折格子素子１２１および光学系１１２を経た各波長の光の主光線を含む平面（すなわち、ｙ'ｚ'平面に平行な面）に対して垂直な方向（すなわち、ｘ軸方向に平行な方向）に移動可能であり、この移動により出力光路を可変とする。また、光路変更部１３１〜１３３それぞれにおいて、第１反射面および第２反射面それぞれは、両者間の相対的位置関係が固定されていて、両者が一体としてｘ軸方向に平行な方向に移動可能であるのが好適である。光路変更部１３１〜１３３それぞれにおいて、第１反射面と第２反射面との間の中央地点に集光位置がある。

再び図１を用いて説明すると、光学系１１２は、光路変更部１３１〜１３３それぞれにより光路を折り返された光を入力し、その光をコリメートして出力する。回折格子素子１２１は、光学系１１２によりコリメートされた各波長の光を入力し、波長に応じて進行方向を変更して該光を出力する。

この復路において回折格子素子１２１から出力された各波長の光は、図１（ｂ）に示されるようにｘｚ（ｘｚ'）平面へ投影したときには、回折格子素子１２１への入力の際の方向と同一の方向に進むが、図１（ａ）に示されるようにｙｚ（ｙ'ｚ'）平面へ投影したときには、波長によって異なる方向に進む。

また、往路と復路とを比較すると、回折格子素子１２１の前後における光の光路は、図１（ａ）に示されるようにｙｚ（ｙ'ｚ'）平面へ投影したときには同一（ただし、光進行方向が相違する）であり、図１（ｂ）に示されるようにｘｚ（ｘｚ'）平面へ投影したときには相違する。

そして、光学系１１１は、回折格子素子１２１から出力された各波長の光を入力して集光し、ｚ軸方向に平行な光路を経て光ファイバ１１〜１４のうちの何れかの光ファイバの端面に入射させる。

次に、第１実施形態に係る光合分波器１の動作について図１を用いて説明する。図１（ｂ）において、位置ｘ１は、光ファイバ１１の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。また、位置ｘ２は、光ファイバ１２の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。

すなわち、光路変更部１３１が無い場合には、光ファイバ１１の端面から出射された波長λ１の光は、光学系１１１，回折格子素子１２１および光学系１１２を順に経て、光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ１に集光される。また、光路変更部１３１が無い場合には、光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ２から発した波長λ１の光は、光学系１１２，回折格子素子１２１および光学系１１１を順に経て、光ファイバ１２の端面に集光されて入射される。

図１（ｂ）に示されるように、光路変更部１３１の交線Ｌは、光学系１１２の後焦点面Ｐ上であって、位置ｘ１と位置ｘ２との中間位置（(ｘ１＋ｘ２)／２）にあるものとする。このとき、光ファイバ１１の端面から出射されて往路を経た波長λ１の光は、光路変更部１３１の第１反射面と第２反射面との間の中央地点に集光され、光路変更部１３１により光路が折り返される。この光路が折り返された後の光は、光路変更部１３１が無い場合に光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ２から発した光と同様に進んで、復路を経て光ファイバ１２の端面に集光入射される。

この波長λ１の光の往路と復路とは、光路変更部１３１と光学系１１２との間では互いに平行であり、光学系１１２と回折格子素子１２１との間ではｙ’ｚ’平面に対する角度が互いに異なり、回折格子素子１２１と光学系１１１との間ではｙｚ平面に対する角度が互いに異なり、光学系１１１と光ファイバ１１，１２との間では互いに平行である。また、光学系１１１と光ファイバ１１，１２との間における往路と復路との間の間隔は、光路変更部１３１と光学系１１２との間における往路と復路との間の間隔に応じたものとなる。

したがって、光路変更部１３１と光学系１１２との間における往路と復路との間の間隔を変更することができれば、光ファイバ１１の端面から出射した光を、光ファイバ１２〜１４のうちの何れかの光ファイバの端面に選択的に入射させることができる。つまり、光路変更部１３１をｘ軸方向に移動可能として、その光路変更部１３１の位置が適切に設定されることで、入出力ポートを選択することができる。他の光路変更部１３２，１３３についても同様である。

以上のように構成される光合分波器１は、４つの入出力ポート（すなわち、４本の光ファイバ１１〜１４）に対して光学系１１１として共通のものを使用することができる。したがって、光学系１１１の焦点距離を長くして、光路変更部１３１〜１３３における集光径を小さくすることで、特性劣化を抑制することができ、しかも、その場合であっても、光学系１１１を伝搬する光の全体の幅を小さくすることができ、小型化が可能である。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る光合分波器の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光合分波器２の構成図である。この図に示される光合分波器２は、光学系１１１、回折格子素子（不図示）、光学系１１２および光路変更部１３１〜１３３を備えている。これらの構成は、第１実施形態の場合と同様である。また、第１実施形態の場合と同様に第２実施形態でもｘｙｚ直交座標系およびｘｙ'ｚ'直交座標系を設定する、

この光合分波器２は、光ファイバ１１〜１６それぞれの端面位置に入出力ポートを有していて、これら６つのポートのうちの何れかのポートに光を入力したときに、その光に含まれる各波長の光を６つのポートのうちの何れかのポートから出力する。光合分波器２は光ＡＤＭ（Add Drop Multiplexer）として用いられ得る。

同図（ａ）〜（ｃ）それぞれは、光ファイバ１１〜１６と回折格子素子との間ではｘｚ平面への投影図であり、回折格子素子と光路変更部１３１〜１３３との間ではｘｚ'平面への投影図である。なお、ｙｚ（ｙ'ｚ'）平面への投影図は、図１（ａ）と同様であるので、ここでは図示を省略する。

同図（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて、位置ｘ１は、光ファイバ１１の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。位置ｘ２は、光ファイバ１２の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。位置ｘ３は、光ファイバ１３の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。位置ｘ４は、光ファイバ１４の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。位置ｘ５は、光ファイバ１５の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。また、位置ｘ６は、光ファイバ１６の端面から出射した光が光学系１１２により集光される位置（ｘ座標値）である。

図３（ａ）では、光路変更部１３１〜１３３それぞれの交線Ｌは、光学系１１２の後焦点面Ｐ上であって、位置ｘ３と位置ｘ４との中間位置（(ｘ３＋ｘ４)／２）にある。このとき、光ファイバ１３の端面から出射されて往路を経た各波長の光は、光学系１１１を経た後に回折格子素子により波長分岐されて光学系１１２により集光され、波長に対応する光路変更部１３１〜１３３の何れかにより光路が折り返される。この光路が折り返された後の光は、光路変更部１３１〜１３３が無い場合に光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ４から発した光と同様に進んで、復路を経て光ファイバ１４の端面に集光入射される。

図３（ｂ）では、光路変更部１３１，１３２それぞれの交線Ｌは、光学系１１２の後焦点面Ｐ上であって、位置ｘ３と位置ｘ４との中間位置（(ｘ３＋ｘ４)／２）にある。一方、光路変更部１３３の交線Ｌは、光学系１１２の後焦点面Ｐ上であって、位置ｘ４と位置ｘ５との中間位置（(ｘ４＋ｘ５)／２）にある。

このとき、光ファイバ１３の端面から出射された波長λ１〜λ３の光のうち波長λ１，λ２の光は、光路変更部１３１，１３２により光路が折り返されて、光ファイバ１４の端面に集光入射される。一方、光ファイバ１３の端面から出射された波長λ１〜λ３の光のうち波長λ３の光は、光路変更部１３３により光路が折り返されて、光路変更部１３３が無い場合に光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ６から発した光と同様に進んで、復路を経て光ファイバ１６の端面に集光入射される。

また、光ファイバ１５の端面から波長λ３の光が出射されると、その光は、光路変更部１３３により光路が折り返されて、光路変更部１３３が無い場合に光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ４から発した光と同様に進んで、復路を経て光ファイバ１４の端面に集光入射される。このように、光ファイバ１３の端面から出射された波長λ１〜λ３のうち、波長λ３の光は光ファイバ１６の端面に集光入射され、波長λ１，λ２の光は、光ファイバ１５の端面から出射された波長λ３の光とともに、光ファイバ１４の端面に集光入射される。

図３（ｃ）では、光路変更部１３１，１３３それぞれの交線Ｌは、光学系１１２の後焦点面Ｐ上であって、位置ｘ３と位置ｘ４との中間位置（(ｘ３＋ｘ４)／２）にある。一方、光路変更部１３２の交線Ｌは、光学系１１２の後焦点面Ｐ上であって、位置ｘ２と位置ｘ３との中間位置（(ｘ２＋ｘ３)／２）にある。

このとき、光ファイバ１３の端面から出射された波長λ１〜λ３の光のうち波長λ１，λ３の光は、光路変更部１３１，１３３により光路が折り返されて、光ファイバ１４の端面に集光入射される。一方、光ファイバ１３の端面から出射された波長λ１〜λ３の光のうち波長λ２の光は、光路変更部１３２により光路が折り返されて、光路変更部１３２が無い場合に光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ２から発した光と同様に進んで、復路を経て光ファイバ１２の端面に集光入射される。

また、光ファイバ１１の端面から波長λ２の光が出射されると、その光は、光路変更部１３２により光路が折り返されて、光路変更部１３２が無い場合に光学系１１２の後焦点面Ｐ上の位置ｘ４から発した光と同様に進んで、復路を経て光ファイバ１４の端面に集光入射される。このように、光ファイバ１３の端面から出射された波長λ１〜λ３のうち、波長λ２の光は光ファイバ１２の端面に集光入射され、波長λ１，λ３の光は、光ファイバ１１の端面から出射された波長λ２の光とともに、光ファイバ１４の端面に集光入射される。

以上のように、この光合分波器２は、光路変更部１３１〜１３３それぞれのＸ軸方向についての位置を変更することにより、各波長の光についての入出力ポートを選択することができ、可変の光ＡＤＭとして用いられる。なお、光路変更部の可動範囲を大きくすることにより、入出力ポートの数を増やすことができる。また、光路変更部の個数を増やすことにより、合波または分波することができる光の波長の数を増やすことができる。

光学系１１１の焦点距離をｆ_１とし、光学系１１２の焦点距離をｆ_２とする。また、光ファイバ１１〜１６の配置のピッチをΔｘ_ｆとし、光路変更部１３１〜１３３の配置のピッチをΔｘ_ｍ（＝ｘ１−ｘ２＝ｘ２−ｘ３＝・・・＝ｘ５−ｘ６）とする。このとき、これらのパラメータの間には以下の式で表される関係がある。
Δｘ_ｆ／ｆ_１＝Δｘ_ｍ／ｆ_２ …(1)

光を入出射する２つの光ファイバの間の間隔の最大値をΔｘ_{ｆ,ｍａｘ}とすると、ｘ軸方向についての光路変更部１３１〜１３３それぞれの幅は、Δｘ_{ｆ,ｍａｘ}ｆ_２／ｆ_１ より充分に大きいことが必要である。

また、光路変更部１３１〜１３３それぞれにおいて、第１反射面および第２反射面それぞれでの反射位置と光学系１１２の後焦点面Ｐとの間の距離は、往路と復路との間の距離の半分である。光路が折り返される際の光の損失を小さくするには、ｘ軸方向についての光路変更部１３１〜１３３それぞれの幅は、反射位置での光束径を考慮して充分に大きいことが必要である。

また、光ファイバ端面位置（すなわち、入出力ポート位置）が連続的ではなく離散的に配置されているので、光路変更部１３１〜１３３それぞれにおいて交線Ｌ付近には光は入射しない。したがって、光路変更部１３１〜１３３それぞれは、図４に示されるように、第１反射面と第２反射面とが直接に互いに直交していなくてもよい。

光学系１１１から光路変更部１３１〜１３３の１回目の反射位置までの各光束の中心と、光路変更部１３１〜１３３の２回目の反射位置から光学系１１１までの各光束に中心とは、各々平行であることが好ましく、光学系１１２の後焦点面Ｐに対してテレセントリック光学系となるように光学系１１２が設計されていることが好ましい。同様に、光ファイバ１１〜１６と光学系１１２の間の各光束の中心は、各々平行であることが好ましく、光ファイバ１１〜１６の端面位置を含みｘｙ平面に平行な面対してテレセントリック光学系となるように光学系１１２が設計されていることが好ましい。

図４は、光路変更部１３１の他の構成を説明する斜視図である。前述の図２に示されたものと比較すると、この図４に示される構成のものは、第１反射面１３１Ａおよび第２反射面１３１Ｂは、互いに垂直ではあるものの、各反射面が直接に互いに直交しているのではなく、各反射面を延長した面が互いに交線Ｌで直交するようになっている。なお、光を入出射する２つの光ファイバの間の間隔の最小値をΔｘ_{ｆ,ｍｉｎ}とすると、ｘ軸方向についての第１反射面１３１Ａと第２反射面１３１Ｂとの間の間隔ｄ１は、Δｘ_{ｆ,ｍｉｎ}ｆ_２／ｆ_１ から反射位置での光束径を減じた値より小さいことが必要である。また、ｘ軸方向についての第１反射面１３１Ａおよび第２反射面１３１Ｂの全体幅ｄ２は、上記の Δｘ_{ｆ,ｍａｘ}ｆ_２／ｆ_１ に反射位置での光束径を加えた値より大きいことが必要である。

図５は、光路変更部１３１の更に他の構成を説明する斜視図である。この図に示される光路変更部１３１は、図４に示された構成に加えて、レンズ１３１Ｃ〜１３１Ｆを更に含んでいる。この光路変更部１３１では、第１反射面１３１Ａでの反射位置において光が集光され、第１反射面１３１Ｂでの反射位置において光が集光され、また、第１反射面１３１Ａおよび第１反射面１３１Ｂそれぞれでの反射位置の中央位置においても光が集光される。

レンズ１３１Ｃおよび１３１Ｄは、第１反射面１３１Ａでの反射位置と中央地点との間に設けられた第１集光光学系として作用し、第１反射面１３１Ａ上で集光された光を中央位置で再び集光する。レンズ１３１Ｃとレンズ１３１Ｄとの間では光は平行光とされる。

また、レンズ１３１Ｅおよび１３１Ｆは、第２反射面１３１Ｂでの反射位置と中央地点との間に設けられた第２集光光学系として作用し、中央位置で集光された光を第２反射面１３１Ｂ上で再び集光する。レンズ１３１Ｅとレンズ１３１Ｆとの間では光は平行光とされる。

レンズ１３１Ｃとレンズ１３１Ｄとの間の距離を変更するとともに、レンズ１３１Ｅとレンズ１３１Ｆとの間の距離を変更することにより、集光位置を調整することができる。中央位置でも集光しているのは、ｙ’軸方向に各波長の光の集光位置が配列されるが、中央位置での集光では波長の配列方向が逆になるため、もう一度コリメートおよび集光して、波長の配列方向を元に戻すためである。

この図５に示された構成では、光路変更部１３１〜１３３は、第１反射面および第２反射面それぞれでの反射位置における光束径が小さいので、端部の波長の光の損失が小さく、光合分波器２の特性が向上する。

（第３実施形態）

次に、本発明に係る光合分波器の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係る光合分波器３の構成図である。この図に示される光合分波器３は、光学系１１１、回折格子素子１２１、光学系１１２、複数の光路変更部（図中では光路変更部１４１のみが示されている）、光学系１１３、回折格子素子１２２および光学系１１４を備えている。この光合分波器３は、光ファイバ１１〜１３，２１〜２３それぞれの端面位置に入出力ポートを有していて、何れかのポートに光を入力したときに、その光に含まれる各波長の光を何れかのポートから出力する。

光ファイバ１１〜１３と回折格子素子１２１との間、および、回折格子素子１２２と光ファイバ２１〜２３との間では、ｘｙｚ直交座標系を設定し、光学系１１１，１１４の光軸に平行にｚ軸を設定する。回折格子素子１２１と回折格子素子１２２との間では、ｘｙ'ｚ'直交座標系を設定し、光学系１１２，１１３の光軸に平行にｚ'軸を設定する。また、回折格子素子１２１および回折格子素子１２２それぞれにおける各格子が延びる方向に平行にｘ軸を設定する。

同図は、光ファイバ１１〜１３と回折格子素子１２１との間、および、回折格子素子１２２と光ファイバ２１〜２３との間では、ｘｚ平面への投影図であり、回折格子素子１２１と回折格子素子１２２との間ではｘｚ'平面への投影図である。なお、ｙｚ（ｙ'ｚ'）平面への投影図は、図１（ａ）と略同様であるので、ここでは図示を省略する。

光ファイバ１１〜１３は、ｘｚ平面に平行な共通の平面上に並列配置されている。同様に、光ファイバ２１〜２３は、ｘｚ平面に平行な共通の平面上に並列配置されている。光ファイバ１１〜１３，２１〜２３それぞれの端面に入出射する光はｚ軸方向に平行に進む。

光学系１１１は、光ファイバ１１〜１３のうちの何れかの端面から光が出射されると、その光を入力しコリメートして出力する。このとき光学系１１１によりコリメートされて出力された光はｘｚ平面に平行に進む。

回折格子素子１２１は、波長分岐素子として作用し、光学系１１１によりコリメートされた光を入力し、その光に含まれる各波長の光を空間的に分岐して、その分岐した各波長の光を互いに異なる光路へ出力する。この回折格子素子１２１の各格子がｘ軸方向に延びている。

このとき回折格子素子１２１から出力された各波長の光は、ｘｚ（ｘｚ'）平面へ投影したときには、回折格子素子１２１への入力の際の方向と同一の方向に進むが、ｙｚ（ｙ'ｚ'）平面へ投影したときには、波長によって異なる方向に進む。

光学系１１２は、回折格子素子１２１から出力された各波長の光を集光する。このとき光学系１１２から集光されて出力された各波長の光は、ｙ'ｚ'平面に平行な方向に進む。また、各波長の光の集光位置は、光学系１１２の後焦点面Ｐ上にあって、ｙ'軸方向に平行な直線上に並ぶ。

光路変更部１４１は、光学系１１２により集光された波長λ１の光を入力し、その入力した光の入力光路と平行であって同一直線上にない出力光路に該光を出力する。他の光路変更部についても同様である。各光路変更部は、出力光路を変更することができる。特に、本実施形態では、各光路変更部は、入力光路を平行移動させて出力光路とする。

図７は、光路変更部１４１の構成を説明する図である。光路変更部１４１は、互いに平行な第１反射面１４１Ａおよび第２反射面１４１Ｂを含み、レンズ１４１Ｃ〜１４１Ｆを更に含んでいる。第１反射面１４１Ａおよび第２反射面１４１Ｂそれぞれは、同一ポートから出力され光学系１１１，回折格子素子１２１および光学系１１２を経た各波長の光の主光線を含む平面（すなわち、ｙ'ｚ'平面に平行な面）に対して４５度傾斜しているとともに、光学系１１２の光軸（すなわち、ｚ'軸方向に平行な直線）に対しても４５度傾斜している。そして、光路変更部１４１は、第１反射面１４１Ａおよび第２反射面１４１Ｂにより光を順次に反射させることで光路を平行移動させる。

また、この光路変更部１４１では、第１反射面１４１Ａでの反射位置において光が集光され、第１反射面１４１Ｂでの反射位置において光が集光され、また、第１反射面１４１Ａおよび第１反射面１４１Ｂそれぞれでの反射位置の中央位置においても光が集光される。

レンズ１４１Ｃおよび１４１Ｄは、第１反射面１４１Ａでの反射位置と中央地点との間に設けられた第１集光光学系として作用し、第１反射面１４１Ａ上で集光された光を中央位置で再び集光する。レンズ１４１Ｃとレンズ１４１Ｄとの間では光は平行光とされる。

また、レンズ１４１Ｅおよび１４１Ｆは、第２反射面１４１Ｂでの反射位置と中央地点との間に設けられた第２集光光学系として作用し、中央位置で集光された光を第２反射面１４１Ｂ上で再び集光する。レンズ１４１Ｅとレンズ１４１Ｆとの間では光は平行光とされる。

レンズ１４１Ｃとレンズ１４１Ｄとの間の距離を変更するとともに、レンズ１４１Ｅとレンズ１４１Ｆとの間の距離を変更することにより、集光位置を調整することができる。この図７に示された構成でも、各光路変更部は、第１反射面および第２反射面それぞれでの反射位置における光束径が小さいので、端部の波長の光の損失が小さく、光合分波器３の特性が向上する。

各光路変更部において、第１反射面および第２反射面それぞれは、同一ポートから出力され光学系１１１，回折格子素子１２１および光学系１１２を経た各波長の光の主光線を含む平面（すなわち、ｙ'ｚ'平面に平行な面）に対して垂直な方向（すなわち、ｘ軸方向に平行な方向）に移動可能であり、この移動により出力光路を可変とする。また、各光路変更部において、第１反射面および第２反射面それぞれは、両者間の相対的位置関係が固定されていて、両者が一体としてｘ軸方向に平行な方向に移動可能であるのが好適である。各光路変更部において、第１反射面上および第２反射面上それぞれに集光位置がある。

再び図６を用いて説明すると、光学系１１３は、光路変更部により光路を平行移動された光を入力し、その光をコリメートして出力する。回折格子素子１２２は、光学系１１３によりコリメートされた各波長の光を入力し、波長に応じて進行方向を変更して該光を出力する。

このとき回折格子素子１２２から出力された各波長の光は、ｘｚ（ｘｚ'）平面へ投影したときには、回折格子素子１２２への入力の際の方向と同一の方向に進むが、ｙｚ（ｙ'ｚ'）平面へ投影したときには、波長によって異なる方向に進む。

また、光路変更部の前後で比較すると、回折格子素子１２１の前後における光の光路と、回折格子素子１２２の前後における光の光路とは、ｙｚ（ｙ'ｚ'）平面へ投影したときには同一（ただし、光進行方向が相違する）であり、ｘｚ（ｘｚ'）平面へ投影したときには相違する。

そして、光学系１１４は、回折格子素子１２２から出力された各波長の光を入力して集光し、ｚ軸方向に平行な光路を経て光ファイバ２１〜２３のうちの何れかの光ファイバの端面に入射させる。

この第３実施形態に係る光合分波器３は、前述の光合分波器１，２と比較すると、光路変更部により光路が折り返されるのではなく、光路変更部により光路が平行移動される点で相違するが、略同様に動作し、同様の効果を奏することができる。

（変形例）

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、光路変更部としてフォトニック結晶も用いられ得る。波長分岐素子して用いられる回折格子素子は、透過型のものであってもよいし、反射型のものであってもよく、後者の場合には、光学系１１１と光学系１１２とを共通の光学系とすることができる。光ファイバに替えて、平面基板に形成された光導波路が用いられてもよい。

第１実施形態に係る光合分波器１の構成図である。 光路変更部１３１の構成を説明する斜視図である。 第２実施形態に係る光合分波器２の構成図である。 光路変更部１３１の他の構成を説明する斜視図である。 光路変更部１３１の更に他の構成を説明する斜視図である。 第３実施形態に係る光合分波器３の構成図である。 光路変更部１４１の構成を説明する図である。 従来の光合分波器９の構成図である。 従来の光合分波器９の問題点を説明する図である。

符号の説明

１〜３…光合分波器、１１〜１６…光ファイバ、２１〜２３…光ファイバ、１１１〜１１４…光学系、１２１，１２２…回折格子素子、１３１〜１３３，１４１…光路変更部。

Claims (12)

1. 複数のポートのうちの何れかのポートに光を入力したときに、その光に含まれる各波長の光を前記複数のポートのうちの何れかのポートから出力する光合分波器であって、
   前記複数のポートのうちの何れかのポートに入力した光を出力する第１光学系と、
   前記第１光学系により出力された光を入力し、その光に含まれる各波長の光を空間的に分岐して、その分岐した各波長の光を互いに異なる光路へ出力する第１波長分岐素子と、
   前記第１波長分岐素子から出力された各波長の光を集光する第２光学系と、
   前記第２光学系により集光された各波長の光を入力し、その入力した光の入力光路と同一直線上にない出力光路に該光を出力するとともに、その出力光路が可変である光路変更部と、
   前記光路変更部から出力された光を入力し、その光を出力する第３光学系と、
   前記第３光学系により出力された各波長の光を入力し、波長に応じて進行方向を変更して該光を出力する第２波長分岐素子と、
   前記第２波長分岐素子から出力された各波長の光を入力して集光し、前記複数のポートのうちの何れかのポートから各波長の光を出力させる第４光学系と、
   を備えることを特徴とする光合分波器。
2. 前記第１光学系および前記第３光学系の双方または何れか一方が、入力した光をコリメートして出力するものである、ことを特徴とする請求項１記載の光合分波器。
3. 前記第１波長分岐素子および前記第２波長分岐素子の双方または何れか一方が回折格子素子を含むことを特徴とする請求項２記載の光合分波器。
4. 前記第１光学系と前記第４光学系とが互いに共通の光学系であり、前記第２光学系と前記第３光学系とが互いに共通の光学系であり、前記第１波長分岐素子と前記第２波長分岐素子とが互いに共通の素子であり、前記光路変更部が前記入力光路を折り返して前記出力光路とする、ことを特徴とする請求項１記載の光合分波器。
5. 前記光路変更部が、
   互いに実質的に垂直な第１反射面および第２反射面を含み、
   前記第１反射面および前記第２反射面それぞれが、同一ポートから出力され前記第１光学系，前記第１波長分岐素子および前記第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して傾斜可能であるとともに、前記第２光学系の光軸に対しても傾斜可能であり、
   前記第１反射面および前記第２反射面により光を順次に反射させることで光路を折り返す、
   ことを特徴とする請求項４記載の光合分波器。
6. 前記第１光学系と前記第４光学系とが互いに別個の光学系であり、前記第２光学系と前記第３光学系とが互いに別個の光学系であり、前記第１波長分岐素子と前記第２波長分岐素子とが互いに別個の素子であり、前記光路変更部が前記入力光路を実質的に平行移動させて前記出力光路とする、ことを特徴とする請求項１記載の光合分波器。
7. 前記光路変更部が、
   互いに実質的に平行な第１反射面および第２反射面を含み、
   前記第１反射面および前記第２反射面それぞれが、同一ポートから出力され前記第１光学系，前記第１波長分岐素子および前記第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して傾斜可能であるとともに、前記第２光学系の光軸に対しても傾斜可能であり、
   前記第１反射面および前記第２反射面により光を順次に反射させることで光路を実質的に平行移動させる、
   ことを特徴とする請求項６記載の光合分波器。
8. 前記光路変更部の前記第１反射面および前記第２反射面それぞれが、同一ポートから出力され前記第１光学系，前記第１波長分岐素子および前記第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して実質的に垂直な方向に移動可能であり、この移動により出力光路を可変とする、ことを特徴とする請求項４または６の何れか１項に記載の光合分波器。
9. 前記光路変更部の前記第１反射面および前記第２反射面の相対的位置関係が固定されていることを特徴とする請求項４または６の何れか１項に記載の光合分波器。
10. 前記光路変更部の前記第１反射面と前記第２反射面との中間地点に集光位置があることを特徴とする請求項４または６の何れか１項に記載の光合分波器。
11. 前記第１反射面と前記集光位置との間に第１集光光学系が設けられるとともに、前記第２反射面と前記集光位置との間に第２集光光学系が設けられていて、前記第１反射面および前記第２反射面それぞれにも集光位置がある、ことを特徴とする請求項１０記載の光合分波器。
12. 前記複数のポートが、同一ポートから出力され前記第１光学系，前記第１波長分岐素子および前記第２光学系を経た各波長の光の主光線を含む平面に対して垂直な方向に配列されている、ことを特徴とする請求項４または６の何れか１項に記載の光合分波器。
    

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