JP2006079095A - 空間的アポダイゼーションを使用して光学装置のダイナミックレンジを改善する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学装置のダイナミックレンジを改善する。
【解決手段】多波長光ビームおよび単一波長光ビームを処理するための装置および方法が提供される。一実施形態では、スペクトルフィルタ（２００）は、コリメーティング要素（２３０）、集束光学要素（２６０）、アポダイゼーションフィルタ（２２０）、回折格子（２４０）、および空間フィルタ（２６０）を備える。コリメーティング要素は、入力光を平行にし、アポダイゼーションフィルタは、該ビームを空間的にフィルタリングする。回折格子は、該ビームを回折し、これは、集束要素によって空間フィルタ上に集束され、出力ビームを生成する。アポダイゼーションフィルタは、該フィルタ上の所定位置からの距離に従って変化する所定範囲の透過率を有する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、空間的アポダイゼーションを使用して光学装置のダイナミックレンジを改善する技術に関する。

最新の研究および技術は、多くの人々の生活を大きく変化させてきた。その顕著な例は、光ファイバ通信である。過去２０年間にわたって、光ファイバ線が優勢になり、長距離電話業界を変貌させてきた。また、光ファイバは、インターネットを世界中で使用可能にする際の主要な役割を果たしている。長距離通話およびインターネットトラフィックに関して光ファイバが銅線に置き換わると、コストが大幅に下がり、情報を伝えることができる速度が早くなる。

帯域幅すなわち情報を伝送できる速度を最大にするには、一般に、複数の情報ストリームを、複数の光信号を使って同じ光ファイバで伝えることが好ましい。各光信号は、光ファイバを共用する光信号間で固有の波長を有する光ビームである。光通信システムは、単一の光信号を含む単波長光ビームと複数の光信号を含む多波長光ビームとで動作する光学装置に依存している。そのような光学装置は、例えばスペクトルフィルタを含む。

スペクトルフィルタは、様々な波長を有する複数のスペクトル成分を含む入力光ビームを受け取る。このフィルタは、狭い範囲内の波長を有する入力光ビーム成分だけを選択し出力する。この範囲は、スペクトルフィルタの特性によって決まる。該範囲の中心は、スペクトルフィルタの波長を定義する。

スペクトルフィルタが、わずかな波長差しかない光ビーム成分を分離することが望ましい。例えば、従来のすなわち「Ｃ」光通信帯域が、増分約２００ギガヘルツ（ＧＨｚ）で波長が分離された最大約４０の独立した光信号しかサポートできないので、光ビーム成分の波長差は小さいことが望ましい。しかしながら、光通信システムが、わずか約２５ＧＨｚしか異ならない波長をサポートすることができれば、「Ｃ」帯域は、１５０を超える独立した信号をサポートすることができるようになる。

小さい波長増分で分離された光ビーム成分を、密に束ねられた多波長光ビームに結合することができる。光通信システムは、そのような光ビームを使用することによって、単一光ファイバで大量の情報を伝えることができる。しかしながら、そのような密な収束は、光ビームの厳密な組み合わせ、分離、および他の操作を必要とする。

図１Ａは、例示的なスペクトルフィルタの透過スペクトル上に重ねた多波長光ビームを示すグラフである。透過スペクトル１１０は、光の波長に対する、スペクトルフィルタにより透過される光の強度の対数としてグラフ化されている。

図１Ａに示した多波長光ビームは、２つの光ビーム成分１２０と１３０を有する。各光ビーム成分１２０と１３０は、単一波長を有し、各成分は、該成分の特定の波長における該成分の強度の対数としてグラフ化されている。明らかに、成分１２０の強度は、実質的に、成分１３０より低い。

透過スペクトル１１０は、１つの主ピーク１１２といくつかのサイドローブ１１４を含む。主ピーク１１２の中心が、スペクトルフィルタ波長である。光ビーム成分１２０の波長は、スペクトルフィルタ波長と一致する。主ピーク１１２は、スペクトルフィルタ波長の光ビームが、強度の実質的な低下なしに、スペクトルフィルタを通過することを可能にする。

光の波長が変化したときに周期的パターンで生じる透過スペクトル１１０内のサイドローブ１１４が示されている。サイドローブ１１４は、或る特定のサイドローブと主ピーク１１２の間の波長差が大きくなるにつれ、強度が低下する。強い方のサイドローブのうちの１つと一致する成分１３０の波長が示されている。

サイドローブ１１４は、望ましくない波長の光がスペクトルフィルタを通過することを可能にするので、システム性能に影響を及ぼすことがある。例えば、図１Ａに示した透過スペクトルを有するスペクトルフィルタに送られる成分１２０と１３０で示される、図１Ａに示す多波長光ビームのシナリオを検討してみる。スペクトルフィルタからの望ましい出力は、光ビーム成分１２０のすべてであり、光ビーム成分１３０のすべてが阻止されることである。しかしながら、図１Ｂに示したように、これは必ずしも起こるとは限らない。

図１Ｂは、図１Ａに示した透過スペクトルを有するスペクトルフィルタを透過した光の強度を示すグラフである。光ビーム成分１２１と１３１の強度は、スペクトルフィルタによって提供される出力を表す。

スペクトルフィルタの波長は、特定の波長のすべての入力光を実質的に透過するので、出力成分１２１は、典型的には、入力成分１２０とほぼ同じ強度を有する。しかしながら、出力成分１３１は、入力成分１３０よりもかなり低い強度を有する。これは、スペクトルフィルタが、出力成分１３１の波長の光を実質的に減衰させるからである。入力成分１３０が入力成分１２０よりも実質的に高い強度を有するので、出力成分１３１は、出力成分１２１よりもある程度高い強度を有する。一般に、成分１３１による妨害のために、入力成分１２１の検出が困難または不可能となるので、図１Ａに示したスペクトルフィルタは、多波長入力光ビームで容易に使用されることができない。さらに、多くの従来のスペクトルフィルタは、最新の光通信システムの要件を満たさない、限られた透過幅および阻止形状（rejection shape）を有する。

いくつかの実施形態によれば、スペクトルフィルタは、コリメーティングおよび集束光学要素、アポダイゼーションフィルタ、回折格子、および空間フィルタを含むことができる。コリメーティング光学要素は、入力光ビームを平行にし、アポダイゼーションフィルタは、この光ビームを空間的にフィルタリングする。一般に、アポダイゼーションフィルタは、該アポダイゼーションフィルタ上の所定の位置からの距離に従って変化する所定範囲の透過率を含む。回折格子は、集束光学要素によって空間フィルタ上に集束された入力光ビームを回折して、フィルタ済み出力光ビームを生成する。本発明の実施形態は、スペクトルフィルタ、光スペクトル分析器、光マルチプレクサ、光デマルチプレクサなどとして使用されることができる。

本発明の上記および他の態様、特徴および利点は、図面と関連して行われる好ましい実施形態の以下の説明を検討することにより明らかになるであろう。

以下の詳細な説明では、説明の一部を構成しまた本発明の例示的な特定の実施形態として示す図面を参照する。他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲を逸脱することなく構造的変更、電気的変更および手順変更を行うことができる。

図２Ａは、本発明の一実施形態によるスペクトルフィルタ２００を示すブロック図である。フィルタ２００は、一般に、アポダイゼーションフィルタ２２０、結像要素２３０と２６０の間に光学的に配置された回折格子２４０、および、空間フィルタ２７０を含む。アポダイゼーションフィルタは、入力ソース２０９と結像要素２３０の間に位置決めされて示されており、入力光ビームをアポダイズ（apodize）することができる様々な光学装置のいずれかを使用して実現されることができる。一般に、アポダイゼーションフィルタは、アポダイゼーションフィルタ上の所定の位置からの距離に従って変化する所定範囲の透過率を有する。使用中、該フィルタは、入力光ビームを、様々な範囲の透過率(transmissivity)によって空間的にフィルタリングする。フィルタ２３０を実現するのに使用することができる適切なアポダイゼーションフィルタの特定の一例が図６Ａに示されており、該図を参照してより詳細に後述される。

図２Ａをさらに参照すると、入力ソース２０９は、空間的に限られた光を含む入力光ビーム２１０を、スペクトルフィルタに導入する適切な任意の装置でよい。例えば、入力ソースは、ピンホールまたはスリット、光導波路、シングルモードまたはマルチモードの光ファイバなどを有するフィルタリング装置である。結像要素２３０は、発散光ビームを平行にするコリメーティング光学装置であり、結像要素２６０は、平行にされた光ビームを集束する光学装置である。典型的には、選択された光ビーム成分が空間的に単一点に重なる前に出力光ビーム２５０が進まなければならない距離を短縮するように、出力結像要素２６０は実現される。また、出力結像要素２６０は、ファイバへの効率的な結合のために、例えばフィルタリングされた出力光ビームのサイズを、光ファイバのモードサイズと一致するように制御する。この距離の短縮は、出力光ビームを空間フィルタ２７０上に集束することによって達成されることができる。出力光ビームの進む距離を短くすることで、より小さいサイズの空間フィルタの製作が可能になる。

空間フィルタ２７０は、出力ビーム２５０を空間的にフィルタリングして、フィルタ済み出力光ビーム２８０を生成する光学装置であり、様々な従来のフィルタ装置のいずれかを使用して実現されることができる。図２Ａに示したような特定の例は、不透明な体積または面に形成されたスリットを有するフィルタである。この構成において、スリットは、Ｙ−Ｚ面に直線または曲線を形成する。

実施形態によっては、空間フィルタ２７０は、光ビーム成分間のひずみ、クロストーク、スピルオーバー（spillover、溢れ）などの望ましくない影響なしに、多波長光ビームと単波長光ビームの結合および分離を容易にするために使用されることができる。例えば、空間フィルタ２７０は、光を捕捉または検出することができ、Ｙ方向に規定された寸法を有する光学装置を使用して、実現される。適切な光検出装置の特定の例には、例えば、光検出器、光検出器のアレイ、ＣＣＤ、光導波路、写真フィルム等がある。これらのタイプの光学装置は、特定の波長またはある範囲の波長を分解して、出力光ビームを空間的に制限し、スペクトル的にフィルタリングされた出力光ビーム２８０を生成するよう、構成されることができる。

図２Ａをさらに参照すると、アポダイゼーションフィルタ２２０に入力光ビーム２１０を提供する入力ソース２０９が示されている。結像要素２３０は、アポダイズされた入力光ビームを平行にし、この光ビームを回折格子２４０に導く。回折格子２４０は、該光ビームを、出力光ビーム２５０として回折する。回折された出力光ビームは、結像要素２６０によって受け取られ、該結像要素は、該光ビームを空間フィルタ２７０上に集束させる。その結果、フィルタ済み出力光ビーム２８０が得られる。

フィルタ２００は、スペクトルフィルタまたは光スペクトル分析器として機能することができる。図１Ａと図１Ｂを参照して説明したように、スペクトルフィルタとして動作すると、フィルタ済み出力光ビーム２８０は、スペクトルフィルタによって定義された波長を有する多波長入力光ビームの成分である。

入力光ビーム中にどの成分の光ビームが存在するかに依存して、スペクトルフィルタによって提供されるフィルタ済み出力光ビームは、入力ビーム２１０の複数の成分を含むことがあり、それぞれの成分は、スペクトルフィルタ２００によって選択された範囲の波長、通常は狭い範囲の波長を有する。

光スペクトル分析器は、一般にチューナブルスペクトルフィルタ（ｔｕｎａｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｌｔｅｒ）と呼ばれる特定タイプのスペクトルフィルタとして分類されることがある。典型的な光スペクトル分析器は、スペクトルフィルタを、所望の波長またはある範囲の波長に同調させることにより動作する。必要な同調（チューニング）は、適切な位置決め機構を使用して達成されることができ、この機構については、図２Ｃを参照して詳細に説明する。

図２Ａは、実質的に平面の格子として実現される回折格子２４０を示すが、他の設計も可能である。例えば、光結像要素（例えば、結像要素２３０および２６０）の必要性を減らす、または無くすために、平坦でない回折格子を使用することができる。入力光ビームに対して凹状になった回折格子は、収束する球状波面を空間フィルタに伝える。

結像要素２３０および２６０は、光ビームを収束することができる従来の光学装置を使用して実現されることができる。結像要素２３０および２６０に使用することのできる適切な装置の一例は、屈折率分布型（ＧＲＩＮ(gradient index)）レンズである。

典型的なＧＲＩＮレンズの光学特性は、レンズ内の屈折率の空間的勾配、またはレンズの形状と屈折率の空間的勾配の両方の組み合わせによって決定される。ＧＲＩＮレンズによっては、レンズの屈折率が、レンズの中心において最大値を取り、該レンズの中心から距離が遠くなるほど減少する。また、レンズが入力光ビームをアポダイズするよう、該レンズの光透過は、該レンズの中心から距離が遠くなるほど減少する。

特定のタイプのＧＲＩＮレンズは、ピッチ制御されたＧＲＩＮレンズとして知られている。そのようなレンズの長さは、例えばレンズを進む光のピッチの、たとえば２５％といった特定の比となる。４分の１ピッチ（すなわち２５％ピッチ）ＧＲＩＮレンズは、発散光ビームを平行にし、または平行にされた光ビームを集束させる。２５％より少し小さいピッチは、発散光ビームの発散を小さくし、２５％より少し大きいピッチは、発散光ビームを集束させる。

結像要素２３０および２６０を実現するために使用することのできる他のタイプの結像装置には、例えば、単一の個別のレンズ、複数のレンズのアセンブリ、球面または非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、放物線状のレンズ(parabolic lens)、軸からずれた放物線状のレンズ(off-axis parabolic lens)、円錐形レンズ（conic shaped lens）、湾曲反射器、ビーム拡大器（beam expander）、または、これらの装置の複数の組み合わせがある。

図２Ａは、結像要素２３０と入力ソース２０９の間に配置されたアポダイゼーションフィルタ２２０を使用するスペクトルフィルタの一例を提供する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、代替的な構成が可能である。例えば、図２Ｂは、結像要素２３０と回折格子２４０の間に光学的に配置されたアポダイゼーションフィルタ２２０を有するスペクトルフィルタ２０１を示す。この設計では、アポダイゼーションフィルタは、結像要素の隣りに配置されている。図２Ｃに示すように、別の代替形態では、回折格子の隣りにアポダイゼーションフィルタを配置してもよい。

図２Ｃは、また、任意選択の位置決め機構２９０を有するスペクトルフィルタ２０２を示す。位置決め機構は、一般に、スペクトルフィルタが光スペクトル分析器として使用されるときに実装される。位置決め機構２９０を使用して、光学格子２４０と出力フィルタ２７０の間の角度関係を調整することができ、それにより、最終的にはフィルタ済み出力ビーム２８０となる、入力ビーム２１０内の成分の波長を選択する。

光が回折格子２４０を透過する角度は、回折格子への光の入射角、格子の線の間隔、および、光の波長に依存する。こうして、結像要素２３０および回折格子２４０の軸の間の角度を修正することにより、または回折格子の軸と空間フィルタ２７０の間の角度を修正することにより、またはこれらの両方の角度を修正することにより、スペクトルフィルタ２０２の波長を選択することができる。したがって、スペクトルフィルタ２０２の波長を、空間フィルタ２７０のＸおよびＹ座標を両方調整することにより、結像要素２３０または２６０の位置を調整することにより、Ｘ−Ｙ平面の回折格子の角度を調整することにより、回折格子２４０上の入射点を中心とする弧に沿って空間フィルタを調整することにより、または、スペクトルフィルタ２０２の様々な要素間の角度関係の他の調整を行うことにより、選択することができる。

結像要素２６０または空間フィルタ２７０が、回折格子２４０に対して、回折格子の中心を中心とする弧に沿っていない位置に配置された場合には、画像の焦点ずれおよびクロストークなどの望ましくない影響が生じることがある。このような影響によって、選択された光ビームの成分に存在する光に損失が生じることがある。そのような影響を補うため、結像要素２３０および２６０を、例えばある角度変位にわたって、焦点ずれおよびクロストークを減少させるように構成することができる。

図２Ｄは、図２Ａ〜図２Ｃに示したフィルタと多くの点で類似したスペクトルフィルタ２０４を示すブロック図である。これらのフィルタの主な違いは、スペクトルフィルタを実現するために使用される回折格子の種類に関係する。図２Ａ〜図２Ｃに示したスペクトルフィルタは、入力光ビームの少なくとも一部が格子を通過することを可能にする透過回折格子２４０を利用している。一方、図２Ｄに示したスペクトルフィルタ２０４は、反射回折格子２４１を実現する。反射回折格子２４１は、格子に入射する入力光ビームの一部またはすべてを反射することができる既知の格子素子を使用して実現されることができる。

動作中、入力ソース２０９は、入力光ビーム２１０をアポダイゼーションフィルタ２２０に提供する。結像要素２３０は、次に、アポダイズされた入力光ビームを平行にし、該光ビームを回折格子２４１上に導き、そこで、該ビームは、出力光ビーム２５０として反射される。反射された出力光ビームは、結像要素２６０によって受け取られ、該結像要素２６０は、該出力光ビームを空間フィルタ２７０上に集束させる。結果として、フィルタ済み出力光ビーム２８０が得られる。

図２Ａ〜図２Ｄに示した様々なスペクトルフィルタおよび図４Ａ〜図４Ｃと図５に示した多重化装置（マルチプレサ装置）と多重分離装置（デマルチプレクサ装置）によって、アポダイゼーションフィルタは、入力光ソースと回折格子の間に光学的に配置された別個の要素として実現される。しかしながら、アポダイゼーションフィルタの機能が結像要素２３０または回折格子２４０と一体化された他の設計の構成を使用することもできる。図６Ａ〜図６Ｂ、図７Ａ〜図７Ｃと図８を参照して、入力光ビームを回折させアポダイズすることができる様々な種類の回折格子を説明する。

図３は、図１Ａの透過スペクトルを、図２Ａ〜図２Ｄのスペクトルフィルタのいずれかから得た透過スペクトルと比較したグラフである。それぞれの透過スペクトルは、入力光ビームの波長に対する、スペクトルフィルタの透過の相対強度の対数としてグラフ化されている。

図１Ａに関して前述したように、例示的な従来技術のスペクトルフィルタの透過スペクトル１１０は、１つの主ピーク１１２といくつかのサイドローブ１１４を含む。従来技術のスペクトルフィルタは、強度差３２０を有し、これは、主ピーク１１２と最も強いサイドローブ１１４との間の透過強度の差である。同様に、図２Ａ〜図２Ｄに示したスペクトルフィルタの任意の透過スペクトル３１０が、１つの主ピーク３１２といくつかのサイドローブ３１４を含む。図２Ａ〜図２Ｄに示したスペクトルフィルタは、強度差３３０を有し、これは、主ピーク３１２と最も強いサイドローブ３１４との間の透過強度の差である。強度差３２０および３３０は、対応するスペクトルフィルタの最大ダイナミックレンジを示す。

２つの透過スペクトルを比較すると、最も強いサイドローブ３１４は、最も強いサイドローブ１１４より透過強度がかなり低い。図２Ａ〜図２Ｄに示したスペクトルフィルタの強度差３３０は、透過スペクトルを図１Ａに示した従来技術のスペクトルフィルタの強度差３２０よりも実質的に大きい。このように、図２Ａ〜図２Ｄに示したスペクトルフィルタの最大ダイナミックレンジは、実質的に、図１Ａの従来技術のスペクトルフィルタよりも大きい。

さらに、各サイドローブ３１４は、対応するサイドローブ１１４よりも、かなり狭い波長範囲とかなり小さい最大透過強度を有する。透過スペクトル１１０と比較すると、透過スペクトル３１０は、望ましくない波長の入力光ビーム成分がスペクトルフィルタの出力に漏れる可能性を小さくする。

さらに、主ピーク３１２は、主ピーク１１２よりもかなり広く、これにより、スペクトルフィルタは、多少広い範囲の所望の波長を選択することができる。スペクトルレンジが広いので、光通信システムにおける多波長光ビームの成分として使用される波長の許容範囲を大きくすることができる。スペクトルフィルタの波長についての話が一般的であるが、スペクトルフィルタは、実際、或る範囲の波長を通す。

本発明によるスペクトルフィルタの透過スペクトルは、設計パラメータの組み合わせに依存する。そのような設計パラメータには、例えば、回折格子の回折線の形状、サイズ、ピッチ、および光学特性、スペクトルフィルタ内の光学要素の相対的な角度位置、および、結像要素の光学特性が含まれる。いくつかの実施形態において、例えば回折格子が入力光ビームをアポダイズするときは、そのような設計パラメータに、図７Ａ〜図７Ｃと図８を参照してより詳細に説明するような回折線の空間変調を含めることができる。また、スペクトルフィルタの透過スペクトルは、回折格子の回折機能による、アポダイゼーションフィルタのアポダイゼーション機能の畳み込み(convolution)として数学的にモデル化されてもよい。

理想的なアポダイゼーション機能および理想的な回折機能を想定すると、主ピーク３１２の帯域幅を任意の目標値に設定することができる。同様に、サイドローブ３１４の最大強度を任意の目標値に設定することができる（これは、該ローブを無視できるほど小さくすることを含む）。しかしながら、市販のスペクトルフィルタの場合は、様々な限定要因によって、実際のスペクトルフィルタで得られる波長範囲およびダイナミックレンジが制限される。したがって、製造コストまたは他の設計パラメータ（例えば、主ピーク３１２の最大透過効率の値を含む）とのトレードオフとして、単にサイドローブの振幅を小さくすることが望ましいことがある。

図４Ａは、本発明の一実施形態による、光デマルチプレクサ４００を示すブロック図である。デマルチプレクサ４００は、一般に、アポダイゼーションフィルタ２２０、結像要素２３０および２６０の間に光学的に配置された回折格子２４０、および、空間フィルタアレイ４７１を含む。アポダイゼーションフィルタは、入力ソース２０９および結像要素２３０の間に配置される。この実施形態において、入力ソース２０９は、多波長入力光ビーム４５０をデマルチプレクサ４００に導入する。

空間フィルタアレイ４７１は、出力光ビーム４５１を、多重分離された光ビーム４８１に分離する、個々の空間フィルタで構成され示されている。多重分離された光ビームのそれぞれは、異なる波長の入力光ビーム４５０の成分、または様々な波長範囲内の入力光ビームの成分を含む。空間フィルタアレイ４７１は、空間フィルタ２７０に関して説明した光学装置のいずれかを使用して実現されることができる。

動作中、入力ソース２０９は、多波長入力光ビーム４５０をアポダイゼーションフィルタ２２０に提供する。結像要素２３０は、アポダイズされた入力光ビームを平行にし、その光ビームを回折格子２４０上に導く。次に、回折された入力光ビームは、結像要素２６０によって受け取られ、該結像要素２６０は、出力光ビーム４５１を空間フィルタアレイ４７１上に集束させる。その結果、多重分離された複数の光ビーム４８１が得られる。

図２Ａに示したスペクトルフィルタと同じように、デマルチプレクサ４００は、結像要素２３０および入力ソース２０９の間に位置決めされたアポダイゼーションフィルタを利用する。しかしながら、アポダイゼーションフィルタが結像要素２３０および回折格子２４０の間に光学的に配置された、他の構成が可能である。例えば、図４Ｂは、結像要素２３０および回折格子２４０の間にアポダイゼーションフィルタ２２０を光学的に配置したスペクトルフィルタ４０１を示す。この設計では、アポダイゼーションフィルタは、結像要素の隣りにある。図４Ｃに示したように、回折格子の隣りにアポダイゼーションフィルタを配置する別の代替形態も可能である。

図５は、本発明の一実施形態による光マルチプレクサ５００を示すブロック図である。光マルチプレクサ５００を構成する様々な構成要素は、本質的に、光デマルチプレクサ４００を構成する構成要素の逆である。例えば、光マルチプレクサ５００は、アポダイゼーションフィルタ２２０および関連した結像要素２３０を有するように示され、複数の結像要素２３０と結像要素２６０の間に回折格子２４０が光学的に配置される。集束された出力光ビーム５５０を受け取る空間フィルタ２７０も示されている。

動作中、入力ソース２０９は、単波長入力光ビーム２１０を、関連したアポダイゼーションフィルタ２２０に提供する。次に、結像要素２３０が、関連したアポダイズされた入力光ビームを平行にし、その光ビームを回折格子２４０に導く。入力光ビームのそれぞれは、回折格子によって回折され、その結果、単一出力光ビーム５５０として図５に示される、回折され空間的に重ねられた出力光ビームが得られる。単一出力光ビームは、単波長入力光ビームのそれぞれを含む多波長光ビームである。結像要素２６０は、多波長出力光ビームを空間フィルタ２７０上に集束させ、その結果、多重化されフィルタリングされた出力光ビーム２８０が得られる。

マルチプレクサ５００は、結像要素２３０および関連した入力ソース２０９の間にアポダイゼーションフィルタが配置された状態で示されているが、アポダイゼーションフィルタが結像要素２３０と回折格子２４０の間のほぼ任意の位置に光学的に配置された他の構成が可能である。別の代替形態では、図５に示した結像要素２３０のアレイを、入力光ビーム２１０のアレイのそれぞれを平行にする単一の結像要素２３０で置き変えることができる。

図６Ａは、本発明の様々な実施形態において実現することができる１つのタイプのアポダイゼーションフィルタの正面図である。アポダイゼーションフィルタ６００は、半径に依存した透過率を有するフィルタである。図示したように、アポダイゼーションフィルタは、フィルタの中心における最大透過率と、フィルタの縁における最小透過率の間に、一連の個別の領域を有する。使用において、Ｘ軸に沿ってアポダイゼーションフィルタに当たる光ビームが、フィルタによってアポダイズされる。

一般に入力光ビームの軸を中心とする（しかし、必ずしもそうでなくてもよい）円形領域として形成された最大透過率領域６５０が示されている。入力光ビームの領域６５０に入射する部分は、最小の減衰でフィルタ６００を透過する。第１の中間透過率領域６４０は、領域６５０によって内側が規定され、第２の中間透過率領域６３０によって外側が規定された環状領域であり、第２の中間透過率領域６３０は、第３の中間透過率領域６２０によって規定されている。最後の透過率領域６１０によって規定された領域６２０が示されている。領域６１０は、この領域に入射する光のすべてまたは実質的にすべてが阻止される減衰が最大の領域である。領域６１０のサイズは、入力光ビームの望ましくない部分が回折格子に達しないように決められる。

図６Ｂは、図６Ａのアポダイゼーションフィルタの透過率関数のグラフである。この図において、透過率関数６７０は、フィルタの中心からの半径方向の距離に対する、アポダイゼーションフィルタの透過率として、グラフ化されている。透過率関数６７０は、フィルタの中心またはその近くに入射する入力光ビームの最大透過率から対称的に変化し、フィルタの中心からの半径方向の距離が大きくなるほど透過率が下がる。

透過率関数６７０は、透過率領域の数およびフィルタに利用されている様々な領域の透過率関数に依存する。図６Ａに示したフィルタは、次第に小さくなる透過率関数の一連の環状透過率領域を含み、こうして、実質的に対称的な透過率関数６７０が提供される。

図６Ａに、いくつかの透過率領域および関連した透過率関数を有するフィルタを示したが、特定の数の領域および特定の透過率関数は、必要ではなく、また望ましくもない。アポダイゼーションフィルタは、典型的には、フィルタリングする光ビームのサイズと幾何学形状に基づいて選択される。例えば、図６Ａに示したフィルタのような一連の環状領域を有するフィルタは、典型的に、円形光ビームをフィルタリングするために実現される。同様に、例えば異なる透過率関数の一連の長方形または楕円形領域を有するフィルタを、例えば長方形または楕円形光ビームをフィルタリングするために利用することができる。

フィルタ６００にはまた、入力光ビームの歪みまたは偏向を補償ないし修正するために、様々な幾何学形状の透過率領域が形成されてもよい。例えば、入力光ビームは、該光ビームが、完全な球状の波面および円形のビームを有しないような、非対称的なものでもよい。図３を参照すると、そのような光ビームは、サイドローブ３１４の変調、およびそれに対応する強度差３３０の変調を引き起こす。この非対称性を修正するために、フィルタには、入力光ビームの非対称性に対応しこれを修正する透過率領域を形成することができる。

図７Ａは、本発明に従って利用することができる回折格子７００の正面図である。図７Ｂおよび図７Ｃは、それぞれ、線７Ｂ−７Ｂおよび７Ｃ−７Ｃに沿って切断された格子７００の側面図である。格子７００は、以下に説明するように、入力光ビームを回折しアポダイズすることができる回折格子の一例である。

回折格子７００は、等しい間隔でかつ実質的に平行な複数の回折溝７１０を有するように示されている。図７Ｂと図７Ｃに示したように、回折溝７１０は、突出する２つの平面によって画定される。回折溝が集まった断面は、のこぎり歯形である。

従来の格子とは対照的に、格子７００は、様々な深さの回折溝を含む。例えば、格子７００は、中心７６０（図７Ｂ）またはその中心近くで最も大きな深さを有し、これらの溝の深さが中心７６０から半径方向に外側になるほど浅くなる溝を有するように示されている。光学格子７００の回折効率（すなわち、回折光の量）は、溝の深さ、格子への光の入射角、および光の波長などの因子に依存する。したがって、これらの因子の１つまたは複数を変更することによって、回折効率を変化させたり調節したりすることができる。

１つの例において、所定のポイント７６０は、光ビームの中心が回折格子７００に入射する位置を定義する。ポイント７６０が、比較的深い溝線内にあるので、光ビームのこの部分の最大回折が達成される。光ビームの残りの部分は、ポイント７６０から離れた所にある比較的浅い溝線に入射する。溝線が浅くなるので、光ビームの残りの部分の方が、少ない回折を受ける。

したがって、回折格子７００を構成する溝の可変する深さは、格子に入射する光ビームの回折効率を変化させることができる。回折効率のこの変化によって、光ビームに空間的アポダイゼーションが生じる。例えば、浅い溝は、一般に、深い溝よりも光の回折の効率が小さい。或る特定の溝に入射する光の一部は、ストレイ角（stray angle）すなわち最大深さを有する溝部分から入射光が出る角度以外の角度で出る。したがって、所定のポイント７６０から該或る特定の溝部分までの距離が遠くなるほど、それに対応してストレイ角で回折される入射光の量が増える。

ストレイ光(stray light, 迷光)が出力ビームの一部にならないように注意しなければならない。迷光は、ビーム経路にある光学要素による偽の反射によって生じることがある。また、迷光は、ゼロ次（回折されていない）ビームと回折したビームの空間的な重なりによって生じることがある。これは、格子ピッチを小さくしすぎて、それにより回折していないビームと回折したビームの間の角度が小さくなりすぎた場合に起こる可能性がある。

回折格子の特定の例を図７Ａ〜図７Ｃに示したが、他の多くの設計も可能である。例えば、回折溝の断面形状は、急に上昇する面、それに続く頂上面、それに続く急に下降する面、それに続く底面、を有する長方形の溝と、斜めに上昇する面、それに続く頂上面、それに続く斜めに下降する面、それに続く底面、を有するメサ型(mesa)の溝と、湾曲した溝と、正弦波形または傾斜した正弦波形の溝と、を含む、様々な形状を使用して形成されることができる。回折溝の断面形状の可能な変更には、溝の面に沿った角度の変更、溝の面のサイズの変更、溝の曲率パラメータの変更、および、単一の格子に様々なタイプの溝形を実現すること、がある。

さらに、回折溝は、基板の面上の物理的な溝でなくてもよい。代わりに、溝は、基板中の屈折率が異なる領域でもよい。屈折率の差は、光学格子の回折効率を変調するよう変更されることができ、こうして、入力光ビームのアポダイゼーションが提供される。

必要に応じて、回折溝の反射率を変化させて、格子の回折効率を変調することができる。これを行う１つの方法は、例えば、回折格子の一部を構成する反射金属層の厚さを変化させることである。この実施形態において、入射光を完全に反射させるため、金属層は、十分な表皮効果(skin effect)に対応するよう、所定のポイント７６０で十分厚くされる。金属層の厚さは、該所定のポイントからの距離に基づいて小さくされることができる。こうして、光学格子の部分によっては、入射光の一部が金属層を通過し、反射されないことがある。

図８は、回折格子製作システム８００を示すブロック図である。該システムは、一般に、レーザ８１０、ビーム拡大器８２０、空間フィルタ８３０、およびビームスプリッタ８４０を含む。ミラー８５８および８５２は、それぞれ、結像要素８６１および８６２に関連付けられている。

動作中、レーザ８１０は、ビーム拡大器によって拡大され、空間フィルタ８３０によって空間的にフィルタリングされた、露光ビーム(exposure beam)を生成する。露光ビームは、ビームスプリッタ８４０に入り、そこで、ビームは、２つの露光ビーム８７１および８７２に分かれる。各露光ビーム８７１および８７２は、それぞれ、ミラー８５８および８５２によって反射される。結像要素８６１および８６２は、それぞれ、露光ビーム８７１および８７２を、基板８９０の表面８８０に導く。この光学的構成により、光波干渉およびホログラフィ(holography)の周知の原理に従って、露光ビーム８７１および８７２は、互いに再結合して干渉する。

表面８８０は、適切なポジまたはネガのフォトレジストで被覆される。一般に、フォトレジストは、露光ビーム８７１および８７２によって生成された干渉縞にさらされたときに、該干渉縞を記録する。適切なネガフォトレジストの現像プロセスを使用して、例えばフォトレジストの一部が除去され、干渉縞にさらされたフォトレジストの部分が残る。基板は、さらに、例えば図７Ａ〜図７Ｃに示したような一連の回折溝を形成するエッチングによって処理されることができる。残ったフォトレジストは、使用の前に除去されてもよいが、これは必要条件ではない。反射型回折格子が必要とされる場合には、パターン形成した基板上に金属層を形成することができる。

入力光ビームを回折しアポダイズすることができる回折格子を作成するために、ビーム拡大器８２０または空間フィルタ８３０、あるいはこの両方を調整することによって、露光ビーム８７１および８７２の強度が、光ビームの半径方向の変位が大きくなるほど小さくなるように、前述のプロセスを修正することができる。必要に応じて、露光ビーム８７１、露光ビーム８７２、またはこれらのビームの両方の経路に、アポダイゼーションフィルタを追加してもよい。

各露光ビームは、ガウス関数(Gaussian function)でもよく、したがって、半径方向のガウスアポダイゼーション機能を有する回折格子を製作する単純な方法は、露光ビームの一方または両方を非効率的に拡張することである。これにより、面８８０全体にわたる露光強度が不均一になる。代替として、露光ビーム８７１が基板８８０に当たったときに完全に平行化されないように、ミラー８５８または結像要素８６１あるいはその両方を調整することができる。この構成によって生成される干渉縞は、不規則な溝のパターン（すなわち、直線でない溝、平行でない溝、間隔が均一でない溝、深さが均一でない溝など）を画定する。

図９は、アポダイゼーションフィルタ２２０を強化または置き換えるために利用することができる位相板(phase plate)９００の正面図である。アポダイゼーションフィルタ２２０と同様に、位相板は、入力光ソース２０９および回折格子２４０の間に光学的に配置される別個の要素として実現されることができる。代替として、位相板の機能は、結像要素２３０、回折格子２４０、またはアポダイゼーションフィルタ２２０と一体化されてもよい。

一般に、位相板は、ビームが回折される前にビームの一部の位相を変化させることによって、入射光ビームをアポダイズする。位相の変化量は、空間に依存する。空間に依存する位相変化は、光の方向と垂直な面における基準点からの位相変化であり、半径方向の変位または線形的な変位に依存する。

位相変化は、ビームの光路長を空間に依存したやり方で変更する様々な従来の位相変化方法および装置のいずれかを使用して成し遂げることができる。換言すると、光路長の変化は、光ビーム全体にわたって均一でない。光路は、その積が光路長となる２つの要素からなる。そのような２つの要素とは、物理的経路長と屈折率である。この２つの要素を掛けると（物理的経路に関して積分すると）、位相変化が得られる。したがって、空間に依存する位相変化は、装置全体にわたる屈折率の空間に依存する変化によって、または装置全体にわたる物理的厚さの変化によって、またはこの両方の組み合わせによって、実現されることができる。

図９をさらに参照すると、板の中心９１０で始まり、半径方向に外方に進行する一連の不連続な屈折率領域を有する位相板を示す。一般に、入力光ビームの軸を中心とする（しかし、必ずしもそうではない）円形領域として形成された屈折率領域９２０を示す。領域９６０によって限られた一連の環状領域として形成された一連の不連続屈折率領域９２０、９３０、９４０および９５０を示す。それぞれの屈折率領域は、異なる屈折率を有し、領域９６０のサイズは、入力光ビームの望ましくない部分が回折格子に達するのを防ぐよう決められる。

空間に依存する位相を有する入力光ビームが回折格子によって回折されたとき、回折されている光ビーム部分の位相は、出力光ビームのその部分の通信に影響を及ぼす。典型的に、入力光ビームの空間に依存する位相の変化に基づくアポダイゼーション技術は、比較的狭い周波数範囲の入力光ビームで動作する。

開示した実施形態に関して本発明を詳細に説明したが、本発明の範囲内の様々な修正が明らかであろう。１つの実施形態に関して説明した特徴は、他の実施形態にも適用されることを理解されたい。したがって、本発明は、特許請求の範囲を参照して適切に解釈されるべきである。

例示的なスペクトルフィルタの透過スペクトルに重ねた多波長光ビームを示すグラフ。 図１Ａに示した透過スペクトルのスペクトルフィルタによってフィルタリングした後の図１Ａの多波長光ビームのスペクトルを示すグラフ。 本発明の実施形態によるスペクトルフィルタを示すブロック図。 本発明の代替の実施形態によるスペクトルフィルタを示すブロック図。 本発明のもう１つの代替の実施形態によるスペクトルフィルタを示すブロック図。 反射回折格子を有するスペクトルフィルタを示すブロック図。 図１Ａの透過スペクトルを、図２Ａ〜図２Ｄのスペクトルフィルタのいずれかから得た透過スペクトルと比較したグラフである。 本発明による光デマルチプレクサを示すブロック図。 本発明の代替の実施形態による光デマルチプレクサを示すブロック図。 本発明のもう１つの代替の実施形態による光デマルチプレクサを示すブロック図。 本発明による光マルチプレクサを示すブロック図である。 本発明において実現することができる１つのタイプのアポダイゼーションフィルタの正面図。 図６Ａのアポダイゼーションフィルタの透過率関数のグラフ。 本発明において実施することができる光格子の正面図。 本発明において実施することができる光格子の、線７Ｂ−７Ｂに沿って切断した側面図。 本発明において実施することができる光格子の、線７Ｃ−７Ｃに沿って切断した側面図。 入力光ビームを回折させアポダイズする光格子を製作するための構成要素を示すブロック図。 アポダイゼーションフィルタを強化または置換するために本発明において実施することができるアポダイジング位相板の正面図。

符号の説明

２００ スペクトルフィルタ
２０９ 入力ソース
２１０ 入力光ビーム
２２０ アポダイゼーションフィルタ
２３０、２６０ 結像要素
２４０ 回折格子
２５０ 出力光ビーム
２７０ 空間フィルタ
２８０ 出力光ビーム

Claims (13)

1. スペクトルフィルタ（２００）であって、
   入力光ビーム（２１０）を受け取るよう構成されたコリメーティング光学要素（２３０）と、
   前記入力光ビームを空間的にフィルタリングするよう構成されたアポダイゼーションフィルタ（２２０）であって、該アポダイゼーションフィルタ上の所定の位置からの距離に従って変化する一連の透過率を有するアポダイゼーションフィルタと、
   前記入力光ビームを受け取り、回折光ビーム（２５０）を生成するよう構成された回折格子（２４０）と、
   前記回折光ビームを集束するように構成された収束光学要素（２６０）と、
   前記集束された回折光ビームを受け取るよう構成された空間フィルタ（２７０）と、
   を備える、スペクトルフィルタ。
2. 前記スペクトルフィルタは、さらに、前記回折格子および前記空間フィルタの間の相対的な角度関係を調整するよう構成された位置決め機構（２９０）を含む、
   請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
3. 前記スペクトルフィルタは、さらに、前記回折格子および前記コリメーティング光学要素の間の相対的な角度関係を調整するよう構成された位置決め機構（２９０）を含む、
   請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
4. 前記スペクトルフィルタは、さらに、
   前記集束された回折光ビームを受けるよう構成された複数の空間フィルタ（４７１）を含み、該複数の空間フィルタのそれぞれは、前記集束された回折光ビームをフィルタリングして、対応する複数の多重分離光ビーム（４８１）を生成する、
   請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
5. 前記スペクトルフィルタは、さらに、
   別個の波長を有する関連した入力光ビーム（２１０）を受け取るよう、それぞれが配列されたコリメーティング光学要素（２３０）と、
   前記関連した入力光ビームを空間的にフィルタリングするよう、それぞれが構成されたアポダイジングフィルタ（２２０）であって、該アポダイゼーションフィルタ上の所定の位置からの距離に従って変化する一連の透過率をそれぞれが有するアポダイゼーションフィルタと、を備え、
   前記回折格子は、前記アポダイゼーションフィルタのそれぞれから前記入力光ビームを受け取って、前記集束された回折光ビームを生成するよう構成される、
   請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
6. 前記スペクトルフィルタは、さらに、
   前記入力光ビームを空間的にフィルタリングするよう構成されたアポダイジング位相板（９００）を含み、
   該位相板は、前記アポダイジング位相板上の所定の位置からの距離に従って変化する屈折率を含む、
   請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
7. 前記スペクトルフィルタは、さらに、
   前記入力光ビームをさらに空間的にフィルタリングするよう構成されたアポダイジング位相板（９００）を備え、
   該アポダイジング位相板は、前記アポダイジング位相板上の所定の位置からの距離に従って変化する厚さを有する、
   請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
8. 光をフィルタリングするための方法であって、
   空間的に制限された入力光ビーム（２１０）を平行にするステップと、
   前記入力光ビームをアポダイズするステップと、
   前記入力光ビームを回折して回折光ビーム（２５０）を生成するステップと、
   前記回折光ビームを集束させて集束光ビームを生成するステップと、
   前記集束光ビームを空間的にフィルタリングして、空間的にフィルタリングされた出力光ビーム（２８０）を生成するステップと、
   を含む、方法。
9. さらに、前記回折光ビームを生成するステップと前記空間的にフィルタリングされた出力光ビームを生成するステップとの間に、相対的な角度関係を調整するステップを含む、
   請求項８に記載の方法。
10. さらに、
    前記回折光ビームを生成するステップと前記平行にするステップの間に、相対的な角度関係を調整するステップを含む、
    請求項８に記載の方法。
11. さらに、
    少なくとも１つの追加の入力光ビームを平行にするステップと、
    前記少なくとも１つの追加の入力光ビームをアポダイズするステップと、
    前記少なくとも１つの追加の入力光ビームを回折して、前記回折光ビームを生成するステップと、
    を含む、請求項８に記載の方法。
12. スペクトルフィルタ（２００）であって、
    入力光ビーム（２１０）を受け取るよう構成されたコリメーティング光学要素（２３０）と、
    前記入力光ビームを空間的にフィルタリングするよう構成されたアポダイジング位相板（９００）であって、該位相板上の所定の位置からの距離に従って変化する屈折率を含む、アポダイジング位相板（９００）と、
    前記入力光ビームを受け取り、回折光ビーム（２５０）を生成するよう構成された回折格子（２４０）と、
    前記回折光ビームを集束するよう構成された集束光学要素（２６０）と、
    前記集束された回折光ビームを受け取るよう構成された空間フィルタ（２７０）と、
    を備える、スペクトルフィルタ。
13. 前記位相板は、さらに、該位相板上の所定の位置からの距離に従って変化する厚さを有する、
    請求項１２に記載のスペクトルフィルタ。
    

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