JP2006039506A - 光学デバイス及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 より高い回折効率を得ることのできる光学デバイス及び光通信モジュールを提供する。
【解決手段】 この光学デバイスは、異なる波長を分波する回折格子１８を有し、回折格子は段面１８ａが少なくとも４段である階段状に構成されかつ基準線ｃに対し傾斜している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、階段状に構成された回折格子を有する光学デバイス及び双方向光通信のための光通信モジュールに関する。

光通信用送受信モジュールにおいては、回折格子により、異なる上り下りの波長を０次／１次光に分岐させ、受光素子（ＰＤ）、発光素子（ＬＤ）へ導く方法が公知である。この回折格子を階段状として回折効率を上げる方法が知られており、更に、階段を３段に斜めにすることでより高い効率を得ることが知られている（下記特許文献１，２参照）。しかし、特に、下り（受信）においてより高い効率を得る必要があり、これが光通信用送受信モジュールにおいて課題となっていた。
特開２００３−３４４７１５号公報 特開２００３−５７４２１号公報

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、光通信モジュール等においてより高い回折効率を得ることのできる光学デバイス及び光通信モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による光学デバイスは、異なる波長を分波する回折格子を有し、前記回折格子は段面が少なくとも４段である階段状に構成されかつ基準線に対し傾斜していることを特徴とする。

この光学デバイスによれば、回折格子を少なくとも４段の階段状に構成しかつ各段面を基準線に対し傾斜させることで、より高い回折効率を得ることができる。

上記光学デバイスにおいて前記段面の傾斜角が１．５乃至７．７度であると、回折効率が従来よりも高くなり、好ましい。また、前記段面の傾斜角が３乃至５度であることが更に好ましい。

本発明による別の光学デバイスは、異なる波長を分波する回折格子を有し、前記回折格子は段面が少なくとも４段である階段状に構成されかつ各段面が更に小階段状であることを特徴とする。

この光学デバイスによれば、回折格子を少なくとも４段の階段状に構成しかつ各段面を更に小階段状にすることで、より高い回折効率を得ることができる。また、各段面を斜めに形成する場合、加工精度を高くすることが難しいが、各段面を更に階段状とすることで、加工し易くなり、同等の性能を得ることができる。なお、小階段状の段数は３乃至５が好ましい。

前記回折格子が曲面状の基材上に構成されていることで、上記光学デバイスを回折機能を有するレンズ等にできる。

また、上記光学デバイスを１．３１μｍまたはその近傍の波長の光を０次光として透過させ、１．４９μｍまたはその近傍の波長の光を１次光とし回折させるように使用可能であり、１．４９μｍまたはその近傍の波長の光を回折させた回折光の回折効率を高くできるとともに、１．３１μｍまたはその近傍の波長の光の０次光の透過効率を高くできる。

また、前記回折格子が繰り返し形成され、前記回折格子の間隔が１９乃至３０μｍの範囲内であることが好ましい。回折格子の間隔が１９μｍ以上であると、回折効率を大きくでき、３０μｍ以下であると、回折角度が小さくなり過ぎずに光通信モジュールに用いたとき、モジュールサイズが大きくなり過ぎない。

本発明による光通信モジュールは、上述の光学デバイスを含むことを特徴とする。この光通信モジュールによれば、回折機能を有する光学デバイスがより高い回折効率を得ることができるので、高いモジュール性能を実現できる。

本発明による双方向用の光通信モジュールは、光ファイバの端末に向け光信号を送る発光素子と、前記光ファイバの端末からの光信号を受光する受光素子と、上述の光学デバイスからなる分光手段と、を備え、前記分光手段が前記各光信号の異なる波長により前記光ファイバの端末と前記発光素子との間の第１光路と、前記光ファイバの端末と前記受光素子との間の第２光路と、を分離するように構成した。

この双方向用の光通信モジュールによれば、回折機能を有する光学デバイスからなる分光手段がより高い回折効率・透過効率を得ることができるので、高いモジュール性能を実現できる。

本発明の光学デバイスによれば、より高い回折効率を得ることができる。本発明の光通信モジュールによれば、より高い回折効率・透過効率を得ることができるので、高いモジュール性能を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施の形態の双方向光通信モジュールを半割にして内部を示す斜視図である。図２は図１の双方向光通信モジュールの縦方向の要部断面図（ａ）、図１の結合レンズの面上に形成されたグレーティングを拡大して示す平面図（ｂ）及びそのグレーチング構造をＣ−Ｃ線方向に切断して見た概略的な断面図（ｃ）である。図３は、図２（ｃ）のエシュロン格子１８の傾斜した各段面を説明するための図である。図４は、格子１５において互いに反対方向に向いている波長λ０の０次回折光と波長λ１の高次回折光とを模式的に示す図である。

図１，図２（ａ）に示すように、双方向光通信モジュール１０は、細長い略円筒状の筐体１９内に、発光素子１１と、受光素子１２と、光学デバイスとしての結合レンズ１３と、を備える。発光素子１１と受光素子１２とは共通の基台１６上に設けられ、基台１６とともに筐体に固定されており、また、基台１６から外部に突き出た複数の接続ピン１７に電気的に接続している。

光ファイバ１を支持したファイバホルダ２が筐体１９内に挿入されて固定されており、光ファイバ１の端面３が筐体１９の内部に形成された空洞１４に露出している。光ファイバ１は波長多重方式による双方向光ファイバ通信のために外部の光ファイバ等の光伝送路に接続される。

結合レンズ１３は、筐体１９の空洞１４内に反対側の発光素子１１及び受光素子１２と対向するようにかつ光ファイバ１の端面３の近傍に配置されている。

結合レンズ１３の端面３側の面には、図２（ｂ）のように、格子１５が縞状に形成されている。格子１５は、図２（ｃ）の断面図に示すように、エシュロン格子１８が階段状に繰り返して形成されている。

発光素子１１が発光する光ビームｂ０は、結合レンズ１３及び格子１５を通過して１．３１μｍ程度の波長λ０の０次回折光として光ファイバ１の端面３に入射し、光ファイバ１を通して外部の光伝送路に送ることができる。

一方、外部から伝送されてきた光ファイバ１の端面３からの光ビームは、格子１５及び結合レンズ１３を通過して格子１５により回折され１．４９μｍ程度の波長λ１の１次回折光ｂ１になって受光素子１２に入射する。

上述のように、双方向光通信モジュール１０では、図１，図２（ａ）、図４のように、光ファイバ１の端面３では光ビームｂ０と高次（１次または−１次）回折光ｂ１とは合波状態であるが、結合レンズ１３上に形成された格子１５により分波し、波長λ０の光ビームｂ０が一点鎖線のような第１光路を進み、波長λ１の１次回折光ｂ１が破線のような第１光路とは反対方向に第２光路を進み、発光素子１１及び受光素子１２側において互いの光路が分離する。

図２（ｃ）の格子１５のエシュロン格子１８（階段状格子）は、図３に示すように、例えば、段数が４であり、各段面１８ａが図３の一点鎖線で示す基準線ｃに対し傾斜角（段角度）θで傾斜している。即ち、階段状のエシュロン格子１８の各段面１８ａは段面隅１８ｂから段面端１８ｃに向けて基準線ｃに対し交わる方向に傾斜角θで傾斜している。

エシュロン格子１８は、例えば、全体の高さＨが１５μｍ及び全体の幅Ｗが３８μｍや２６．５μｍであり、傾斜角θが４．２度である。エシュロン格子１８の各段面１８ａが傾斜することで、回折効率が高くなっている。なお、幅Ｗは１９乃至３０μｍの範囲内が好ましい（図９，図１０参照）。

なお、基準線ｃは筐体１９の中心軸や光ファイバ１の中心軸と平行である。また、格子１５の形成された結合レンズ１３はＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）または熱可塑性のポリイミド樹脂等から形成できる。

図６に図３のエシュロン格子の波長依存性を波長と回折効率との関係で示す。図６には比較のため同様に各段面が傾斜した３段のエシュロン格子の波長依存性も併せて示す。

図６から分かるように、図３のエシュロン格子１８によれば、１．４９μｍ近傍の波長λ１の光を回折させた１次光の回折効率をより高くできるとともに、１．３１μｍの近傍の波長λ０の光の０次光の透過効率を高くでき、３段の場合と比べて１次光と０次光の両方で効率が高くなっている。

本実施の形態の双方向光通信モジュール１０をＷＤＭ（波長分割多重方式）により波長の異なる複数の光信号を同時に光ファイバで伝送可能な光通信システムの送信・受信端末に用いることで、上り及び下りの双方向において、回折効率・透過効率が高くなり、モジュール性能が向上し、効率的な光信号の送信及び受信が可能となる。

次に、格子１５を有する結合レンズ１３の作製法について図５を参照して説明する。図５は図１〜図３の格子を有する結合レンズを電子ビーム描画法により作製する手順（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。

なお、電子ビーム描画法とは、本発明者等が、例えば、先に特開２００４−１０７７９３で提案したように、レンズのような光学デバイス等の面上に所望の描画パターンを電子ビームによる３次元描画でサブミクロンオーダーの高精度で形成できるものである。

まず、図５（ａ）のように、母型となる円柱状の樹脂材料からなる基材８０について基材８０の外径８１を基準として外周面８０ａを切削加工し、誤差０．５μｍ以下の精度で中心だしを行う。次に、図５（ｂ）のように、切削加工でレンズ形状となる凸型曲面８２（または凹型曲面）を加工する。

次に、図５（ｃ）のように、切削加工で外周面８０ａを基準として同心円線８３を加工してから、図５（ｄ）のように、同心円線８３を基準として凸型曲面８２の中心を合わせ、電子ビーム描画によって図２（ｃ）、図３のような格子パターンをレジスト上に形成する。必要に応じてＸ−Ｙ軸を決めるためのマークを加工する。

上述のようにして作製された基材８０には、図５（ｅ）の平面図のように、凸型曲面８２に回折パターンが形成される。

次に、プラズマシャワー等によるドライエッチングで、電子ビーム描画により形成されたレジストの格子パターンをマスクとして基材８０を加工する。このドライエッチングにより、基材８０上に格子パターンが転写される。

次に、ドライエッチングで成形した基材を母材として、電鋳金型を作製し、その金型により樹脂材料によりレンズ成形を行うことで、図１〜図３の格子１５を有する結合レンズ１３を得る。なお、基材を直接、母型金型として回折レンズを押圧成形するようにしてもよい。また、通常、このような回折格子を持つ光学デバイス成形用の金型は、機械加工により作製されるが、上述のような電子ビーム描画法により作製することで、より微細な格子を作製可能になり、また、曲面上への加工も可能になる。

次に、図３のような階段状のエシュロン格子における各段面の傾斜角（段角度）依存性及び４段よりも多段のエシュロン格子の回折効率について図７を参照して説明する。図７は図３の階段状のエシュロン格子における段角度と回折効率の関係を示す図である。図７には比較のため同様に各段面が傾斜した３段のエシュロン格子の場合も併せて示す。

図７から分かるように、図３の階段状のエシュロン格子１８では、段角度（傾斜角）が４度近傍が最も回折効率がよく、３乃至５度の範囲内が好ましく、３段のエシュロン格子よりも回折効率が高くなる。また、図３の階段状のエシュロン格子１８と同様の構成でありかつ段数が６の場合は、段角度が４．５度近傍が最も回折効率がよく、１．５乃至７．７度の範囲内が好ましく、３段のエシュロン格子よりも回折効率が高くなる。

次に、図３の階段状のエシュロン格子１８の幅（間隔）Ｗの好ましい範囲について図９，図１０を参照して説明する。図９は図３のエシュロン格子１８の間隔Ｗと回折効率（波長１．４９μｍの１次回折光及び波長１．３１μｍの０次回折光）との関係を示すグラフである。図１０は図３のエシュロン格子１８の間隔Ｗと１次回折角（波長１．４９μｍ）との関係を示すグラフである。

図９に示すように、図３のエシュロン格子１８の全体の高さＨを１４．６７μｍ、傾斜角（段角度）θを６．６°としたときに、エシュロン格子１８の間隔Ｗが１９μｍ以上であると、波長１．４９μｍの１次回折光の回折効率が６０％以上となり、波長１．３１μｍの０次回折光も４０％を越えることが分かる。

また、図１０に示すように、エシュロン格子１８の間隔Ｗが３０μｍ以下であると、１次回折角が３°以上となり、図４の波長λ０の光ビームｂ０の第１光路と、波長λ１の１次回折光ｂ１の第２光路とが充分に分離でき、両光路を長くしなくて済むので、モジュールサイズが大きくならない。

以上のように、図３のエシュロン格子１８の間隔Ｗは１９乃至３０μｍが好ましく、間隔Ｗがこの範囲内であると、回折効率を充分に得ることができるとともにモジュールサイズが大きくなり過ぎない。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図３では、エシュロン格子１８の段数を４としたが、５段またはそれ以上であってもよい。

また、図３では、エシュロン格子１８の各段面１８ａは直線状に傾斜して構成されたが、図８のように、各段面１８ａを傾斜させずに、各段面１８ａが複数の小段面１８ｄを有するように更に小階段状に構成されてもよい。各段面１８ａを図３のように斜めに形成する場合、加工精度を高くすることが難しいが、各段面１８ａを基準線ｃに対し略平行な小段面１８ｄのように階段状とすることで、加工し易くなり、同等の性能を得ることができる。小段面１８ｄの段数は加工のし易さ等を考慮して３乃至５が好ましい。

また、図１，図２の光通信モジュールでは、光学デバイスとして曲面状基材上に格子を形成した結合レンズを用いたが、格子を平面状基材上に別部材として形成し、回折格子からなる光学デバイスを別部材として配置してもよいことは勿論である。

本実施の形態の双方向光通信モジュールを半割にして内部を示す斜視図である。 図１の双方向光通信モジュールの縦方向の要部断面図（ａ）、図１の結合レンズの面上に形成されたグレーティングを拡大して示す平面図（ｂ）及びそのグレーチング構造をＣ−Ｃ線方向に切断して見た概略的な断面図（ｃ）である。 図２（ｃ）のエシュロン格子１８の傾斜した各段面を説明するための図である。 図２、図３の格子１５において互いに反対方向に向いている波長λ０の０次回折光と波長λ１の高次回折光とを模式的に示す図である。 図１〜図３の格子を有する結合レンズを電子ビーム描画法により作製する手順（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。 図３のエシュロン格子の波長依存性を波長と回折効率との関係で示す図である。 図３の階段状のエシュロン格子における段角度と回折効率の関係を示す図である。 図３のエシュロン格子の各段面１８ａを更に階段状に構成した変形例を示す図である。 図３のエシュロン格子１８の間隔Ｗと回折効率（波長１．４９μｍの１次回折光及び波長１．３１μｍの０次回折光）との関係を示すグラフである。 図３のエシュロン格子１８の間隔Ｗと１次回折角（波長１．４９μｍ）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 光ファイバ
１０ 双方向光通信モジュール
１１ 発光素子
１２ 受光素子
１３ 結合レンズ
１５ 格子
１８ エシュロン格子
１８ａ 各段面
１８ｂ 段面隅
１８ｃ 段面端
１８ｄ 小段面
θ 傾斜角、段角度
ｃ 基準線

Claims (9)

1. 異なる波長を分波する回折格子を有し、前記回折格子は段面が少なくとも４段である階段状に構成されかつ基準線に対し傾斜していることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記段面の傾斜角が１．５乃至７．７度である請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記段面の傾斜角が３乃至５度である請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 異なる波長を分波する回折格子を有し、前記回折格子は段面が少なくとも４段である階段状に構成されかつ各段面が更に小階段状であることを特徴とする光学デバイス。
5. 前記回折格子が曲面状の基材上に構成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
6. １．３１μｍまたはその近傍の波長の光を０次光として透過させ、１．４９μｍまたはその近傍の波長の光を１次光とし回折させる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記回折格子が繰り返し形成され、前記回折格子の間隔が１９乃至３０μｍの範囲内である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学デバイスを含むことを特徴とする光通信モジュール。
9. 光ファイバの端末に向け光信号を送る発光素子と、前記光ファイバの端末からの光信号を受光する受光素子と、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学デバイスからなる分光手段と、を備え、
   前記分光手段が前記各光信号の異なる波長により前記光ファイバの端末と前記発光素子との間の第１光路と、前記光ファイバの端末と前記受光素子との間の第２光路と、を分離するように構成した双方向用の光通信モジュール。
   
   

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