JP2006189672A - 光学モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光信号が伝搬する光路を９０°折り曲げ、この光路と平行な基板表面に実装した面型光学素子に入射させる９０°光路変換光学系を利用する光学モジュールにおいて、光学系の機械精度を緩和し、組立工程を容易にした光学モジュールを提供する。
【解決手段】 本発明の光学モジュールは、透過型回折格子１０を用いて特定波長５０の入射光の光軸を略９０°折り曲げる光学系を実現する。この透過型回折格子の基板１２を入射光の設計入射角αに対して±５°の範囲の角度で取り付ける。この光学系は光合分波モジュールに適用することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は波長多重光通信技術や分光分析技術の分野で使用される光学モジュールに関し、とくに光学モジュール内の光路変換光学系に関する。

近年、従来電気信号のみで行っていた装置間または装置内の信号伝送および信号処理を少なくとも部分的に光信号による伝送、処理に置き換える技術の開発が進展している。このような技術には光信号と電気信号のそれぞれの伝送、処理手段に加えて光信号と電気信号の間の相互変換手段が必要となる。そこでこれらの機能を担う光学素子と電子素子を１基板に混載し、同一基板上で光信号、電気信号両者の伝送、処理、相互変換を行うことができれば信号処理の効率化、装置の小型化など多くの利点を享受できる。このような光学素子と電子素子が混載されたいわゆる光電気混載基板では、主に光信号と電気信号の変換部分で、光ファイバや光導波路などの導光体中を伝搬する光あるいは空間を伝播する光を、基板上に実装した面型受光素子に受光させたり、基板上に実装した面型発光素子からの出射光を導光体や空間光路に取り出したりするための光学系が必要となる。

光ファイバや光導波路、空間光路は、取り回しの簡便性や実装スペースの問題から、それらの光軸が基板と平行に配置されることが望ましい。一方、光信号と電気信号を相互変換する光学素子は基板上に実装される。そこでこのような光学配置を有する光学系では、光学素子の入出射面を基板面に平行にしたいわゆる面型光学素子を使用し、基板と平行な光路を９０°折り曲げて基板上に実装した面型光学素子に垂直に結合させることが好ましい。

このような光路変換は９０°以外の鋭角、鈍角でも可能であるが、その場合、光学素子への入出射が傾斜角をもつので、効率が低下し、また調整が難しくなる。光学素子へ垂直入出射させようとすると伝搬光路と基板面が平行にできないので、装置の構成が複雑になり、また大型化する。

ただし、光路変換角度は正確に９０°である必要はない。設計折り曲げ角度を９０°から数度変えて選んでも各光学要素の取り付け構造をその角度に合わせて設計すれば、上記のような問題点はそれほど顕在化しない。以下の９０°光路変換はこのような数度の幅を含んだ略９０°光路変換を意味する。

９０°光路変換は光の反射を利用すれば実現でき、一般にミラーまたはプリズムを用いて行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−８５９１３号公報

光電気混載基板では、扱う光のビーム径や結合すべき導光体のコア径、面型受光素子の受光面の面積などが小さいため、わずかな光路のずれが、大きな光の損失につながる。このため９０°光路変換を行うためには、取り付け角度または反射面の角度、面精度に精密さが要求され、組立工程または作製の工程が煩雑になるという問題がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、９０°光路変換光学系における機械精度を緩和し、組立工程を容易にした光学モジュールを提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するため、本発明の光学モジュールにおいては、回折光学素子を用いて特定波長の入射光の光軸を略９０°折り曲げる光学系を備える。回折光学素子としては透過型回折格子が望ましい。回折を利用した光路の折り曲げは波長が特定できる場合には反射による光路の折り曲げより取り付け、組立が容易になる。

上記の透過型回折格子の溝本数Ｎは、特定波長λの入射光を入射角αで入射させｍ次回折光を利用する場合に、
Ｎ＝±（cosα＋sinα）／（ｍλ）
で与えられる値とする。ただし式中の±はｍの符号と同じ符号をとるものとする。この透過型回折格子は、入射角αで波長λの光を入射すると、９０°光路変換したｍ次回折光を出射する。

さらに透過型回折格子の基板が入射光に対してα±５°の範囲の角度で取り付けられていることが望ましい。この角度範囲内に回折格子が固定されることにより、損失の少ない光学モジュールが提供できる。

上記光学モジュールにおいて、透過型回折格子の基板が入射光に対してα＋Δθの範囲の角度で取り付けられ、この透過型回折格子で回折された回折光は、焦点距離ｆのレンズで集光され、入射光の方向に沿った幅がＷである受光面を有する受光手段に入射される。ただし、
tan｜Δθ｜≦Ｗ／（２ｆ）
の関係が満たされるようにする。幅Ｗの受光面をもつ受光手段を用いる場合に、この角度範囲内に回折格子が固定されることにより、損失の少ない光学モジュールが提供できる。

本発明の光学モジュールは上記の構成を備え、複数波長が多重化された入射光を、この複数波長の波長範囲内にある１波長を特定波長とする透過型回折格子に入射する手段と、透過型回折格子により分波され、透過型回折格子から出射される各単一波長の光をそれぞれ受光する手段と、を備える。この構成により組立が容易で、小型な分波モジュールが構成できる。

さらに入射光を透過型回折格子に入射する手段が光ファイバまたは光導波路であり、光ファイバまたは光導波路はその光軸が基板に平行になるように固定されており、透過型回折格子は特定波長の光が入射されたとき、その光を基板に略垂直な方向に出射するように固定され、透過型回折格子から出射される各単一波長の光をそれぞれ受光する手段は、透過型回折格子から出射される各単一波長の光がそれぞれ基板上に到達する各位置に前記光軸に平行な方向に配列された複数の面型受光素子であることが望ましい。このような構成要素を採用することにより、組立が容易で、小型な分波モジュールが提供できる。

また互いに異なる波長の光を発光する複数の発光手段と、この複数の発光手段が発光する光が透過型回折格子により合波され、透過型回折格子から出射される複数波長が多重化された光を受光する手段とを備え、特定波長が複数波長の波長範囲内にあるようにする。この構成により組立が容易で、小型な合波モジュールが構成できる。

また所定波長範囲の連続波長スペクトルからなる入射光を透過型回折格子に入射する手段と、透過型回折格子により分光され、透過型回折格子から出射される所定波長の光を受光する手段とを備え、特定波長が入射光の所定波長範囲内にあるようにする。このような構成要素を採用することにより、組立が容易で、小型な分光モジュールが提供できる。

なお、本発明の光学モジュールは回折光学素子への入射光を略平行光にするための手段を有することが望ましい。まあ回折光学素子からの出射光を集光する手段を有することが望ましい。

本発明の構成をとることにより、ミラーを用いた場合に比べ、素子の取り付け角度に必要とされる精度を大幅に緩和することができ、組立工程を容易化することができる。
また、入射波長が複数である場合、光路変換と同時に分波を行うことができるため、分光素子とミラーを集積化し、部品点数を減らすことができる。

本発明の実施形態の基本構成を図１に示す。本発明では光路変換に回折光学素子を用いる。図１に示す例では、回折光学素子として平板状透明基板１２上に周期的な溝（格子）１４を形成した透過型回折格子１０を使用している。

回折格子の場合、回折格子基板面の垂線１と入射光５０のなす角である入射角αと回折格子基板面の垂線１と出射光（回折光）５２のなす角である出射角（回折角）βの間に次の式が成り立つ。
sinβ＝sinα＋Ｎｍλ （１）
ここで、Ｎは回折格子の溝本数、ｍは回折次数、λは波長である。

光路を９０°変換する場合には、
α＋｜β｜＝９０° （２）
の関係が満たされる必要がある。（２）式は言い換えれば、sinβ＝−cosαであるから、この関係を（１）式に代入すると、回折格子の溝本数Ｎは次式で与えられる。
Ｎ＝−（cosα＋sinα）／（ｍλ） （３）

すなわち、設計値として入射角α、特定波長λ、使用する回折次数ｍが与えられれば、上式より回折格子の溝本数が決定できる。例えば、入射光を透過型回折格子の格子面側にα＝４５°の入射角で入射させる場合、
Ｎ＝√２／λ （４）
の溝本数の回折格子を使用すると、基板裏面からβ＝−４５°の回折角で−１次回折光を取り出せ、９０°の光路変換が実現される。

一方、図７はミラー１００を使って入射光線１５０の光路を９０°折り曲げた反射光線１５４を得る従来の光学系を示している。ミラーの場合は９０°の光路変換を実現するためにはα＝β＝４５°の条件が必要である。

上記のような光学系を実現するためには、回折格子の基板あるいはミラーを入射光の方向に対してαの角度となるように正確に固定することが必要である。この取り付け角度がΔθだけずれた場合を考える。

回折格子の場合は図２に示すように、入射光５０の入射角αがα＋Δθとなったとき、回折光５２の出射角β’は（１）式より
sinβ’＝sin（α＋Δθ）＋Ｎｍλ （５）
で与えられるだけ変化する。素子の取り付け角度がΔθだけずれた場合の入射角α＋Δθ、出射角β’、入射光と出射光のなす角を（５）式より計算して表１に示す。

ただし、回折格子１０の溝本数はＮ＝９００本／ｍｍとし、入射光はコリメートされたλ＝１５７０ｎｍの波長の光とした。この場合、α＝｜β｜＝４５°とすると、−１次回折光（ｍ＝−１）は（４）式を満たしている。この回折格子の場合は取り付け角度が３°までずれても光路変換量は９０°のまま保たれることがわかる。すなわち、取り付け角度がα±３°の範囲であればβ’はほぼβ−Δθに等しく保たれる。折り曲げ角度の範囲が９０°±２°程度まで許容されるとすれば、取り付け角度はα±５°程度の範囲まで許容される。

一方、ミラーの場合は図８に示すうように、取り付け角度が入射光軸に対し４５°からΔθだけずれ４５°＋Δθとなると、反射角も４５°からΔθだけずれ、４５°＋Δθとなってしまい、入射光線と出射光線のなす角は９０°から２Δθだけずれる。ミラーの場合について回折格子の場合と比較するため、同様の数値を表２に示す。Δθが３°のとき、光路変換量が９６°にずれることがわかる。

本発明の光学モジュールでは、９０°折り曲げた光を受光手段２０に入射する。この受光手段は例えばフォトダイオードなどの受光素子、あるいは光ファイバであってもよい。回折格子に入射角αで入射した入射光は９０°折り曲げられるので、その回折光が入射する位置に受光素子の受光面を設置すればよい。

回折格子またはミラーから受光手段２０の受光面までの距離をＺとすると、例えばＺ＝３ｍｍのとき、取り付け角度のずれΔθに対する受光面上における光軸の位置ずれΔ≡は、回折格子の場合は無視できるのに対し、ミラーの場合は３１５μｍにもなる。この結果から、ミラーに比べ回折格子は取り付け角度の許容誤差が十分に大きいことが分かる。

ここで用いる受光手段２０の有効受光面２２の幅をWとする。ここで有効受光面２２の幅は入射光５０の方向に沿った幅である。受光面が光束に比べて小さい場合は、図３に示すように回折格子１０と受光手段２０の間にレンズ等の集光手段３０を設けることが望ましい。上述のように回折格子の場合、入射角がΔθずれた場合、出射角はほぼ−Δθだけずれる。したがって集光手段（レンズ）３０へ入射する光の光軸もレンズの主軸に対して−Δθだけずれることになる。この光はレンズの焦点距離がｆのとき、レンズの軸上からｆ×tan（Δθ）だけずれた位置に焦点を結ぶ。

レンズの主軸上にフォトダイオードなどの受光手段の有効受光面の中心が来るように配置し、レンズと受光手段の間での損失が３ｄＢ以内に収まるようにするためには、スポットの位置ずれはＷ／２以内である必要がある。したがって回折格子の取り付け角のずれΔθによる損失が３ｄＢ以内となるのは
｜tan(Δθ)｜≦ Ｗ／（２ｆ） （６）
が成り立つ範囲である。なお、この関係は反射光の角度ずれがΔθに一致する場合のミラーにも適用できる。

以下に具体例により上記の取り付け角のずれが及ぼす効果について説明する。
回折光をレンズによって集光させ、有効受光面が３５μm×１００μmの受光素子（フォトダイオード）に受光させる（Ｗ＝３５μｍ）。集光レンズの焦点距離ｆは７．９６ｍｍで、波長λ＝１５７０ｎｍの光のベストフォーカス位置でのスポット径は約１４μｍである。

取り付け角度ずれとスポット位置のずれ量の関係を図４に示す。レンズとフォトダイオードの間での損失が３ｄＢ以内に収まるようにするためには、回折格子の取り付け角度ずれは約±３°以内、ミラーは約±０．０７°以内が要求される。このことから回折格子はミラーに対して４０倍以上の許容角度誤差があることが分かる。

以下に本発明の光学系を用いた応用例について説明する。光路変換に透過型回折格子を用いるが、透過型回折格子は周知の通り、波長によって異なる回折角を有する分光機能をもつので、光路変換に合わせて分光機能をも利用する例を示す。図５は第１の応用例の形態を示している。

この実施形態は、光ファイバ１６０、コリメータレンズ１３２、透過型回折格子１１０、集光レンズ１３０、受光素子アレイ１２０によって構成される分波モジュールである。
コリメータレンズ１３２、および集光レンズ１３０としては直径が４ｍｍ、焦点距離ｆが１５５０ｎｍの波長に対し７．９６ｍｍである平凸レンズを使用した。回折格子１１０には有効面積を４×６ｍｍ、溝本数を９００本／ｍｍとした深溝のラミナー型回折格子を使用した。格子部分はＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の２層構造であり、溝の深さは約１．４５μｍ、溝のピッチに対する溝の幅の占める割合（デューティ比）は０．５とした。受光素子アレイ１２０は３５μｍ×１００μｍの有効受光面を有する受光素子１２２が２００μｍ間隔で配列されているものを使用した。

光ファイバ１６０中を伝搬した１５１０ｎｍ、１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ及び１５７０ｎｍの波長が多重化された光５１が、光ファイバ端面１６０ｂより出射してコリメータレンズ１３２に入射する。光ファイバ端面１６０ａからコリメータレンズの第１面１３２ａまでの距離は約６．２１ｍｍとして第２面１３２ｂから出る光を略平行光５３とし、回折格子面へ約４５°の入射角で入射させる。回折格子１１０で回折された出射光５４は波長ごとに異なる角度で回折格子の基板面１１０ｂから出射する。

この基板面１１０ｂには誘電体多層膜により構成された減反射膜（図示を省略）が設けられている。出射光５４は集光レンズ１３０に入射し、集光されて受光素子アレイ１２０の各受光素子１２２に波長ごとに入射する。ここで受光素子アレイを実装した基板１２４の表面、すなわち受光素子の受光面１２２ａは光ファイバ１６０の光軸に平行に固定し、集光レンズの第２面１３０ｂから受光素子１２２の受光面１２２ａまでの距離は約６．１７ｍｍとした。

このとき、回折格子の溝本数が上述の回折格子と同じであるので、波長１５７０ｎｍの入射光と出射光のなす角はほぼ９０°となる。すなわち以上のような構成を用いることにより、分波と同時に９０°光路変換が実現できる。ミラーを用いる必要がないので、部品点数を減らすことができ、また光学系の組立調芯が容易になる。また、コリメータレンズ、回折格子、集光レンズは１０×１０ｍｍの面内に実装でき、分波モジュールのサイズを大幅に小型化することができた。

上記の例は入射光の波長が離散的な場合であるが、連続波長スペクトルの場合であっても本発明は適用できる。この場合、回折光の出射角は連続的に変化するが、所定位置に受光素子を置くことにより、所定波長の光を検出できる。

以上は光分波モジュールの構成例を示したが、図６に示すような光合波モジュールも同様な光学系を用いて構成できる。光学系の構成要素は図５において受光素子アレイを発光素子アレイに置き換える。

発光素子アレイ２７０は直径５０μｍの有効発光面を有する面発光型半導体レーザ素子２７２が２００μｍ間隔で４素子配列されている。各レーザ素子はそれぞれ１５１０ｎｍ、１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ及び１５７０ｎｍの波長の光を発光する。各レーザ素子２７２からの出射光５５はコリメータレンズ２３２で略平行光５６に変換され、回折格子面へ約４５°の入射角で入射される。回折格子２１０で回折された各波長の光は合波され波長多重光として出射される。出射光５７は集光レンズ２３０に入射し、集光されて光ファイバ２６０の端面に結合される。

以上のような構成を用いることにより、合波と同時に９０°光路変換が実現できる。ミラーを用いる必要がないので、部品点数を減らすことができ、また光学系の組立調芯が容易になる。また、コリメータレンズ、回折格子、集光レンズは１０×１０ｍｍの面内に実装でき、分波モジュールのサイズを大幅に小型化することができた。

図５と図６の構成を組み合わせて用いることもできる。すなわち、光分波モジュールにより光ファイバを伝搬してきた波長多重光を分波し、波長ごとに電気的な変調などの処理を施した後、光合波モジュールによって再度、波長多重光として光ファイバに結合することができる。この場合、受光素子と発光素子、および電子回路を同一基板に集積化しいわゆる光電気混載基板を構成することにより、光学モジュール全体を小型化することができる。

図１は本発明の９０°光路変換光学系を示す図である。 図２は本発明の光学系の主要部を示す拡大図である。 図３は本発明の光学モジュールの基本光学系を示す図である。 図４は回折格子またはミラーの取り付け角の許容誤差を示す図である。 図５は本発明の９０°光路変換光学系を用いた光分波モジュールの構成を示す図である。 図６は本発明の９０°光路変換光学系を用いた光合波モジュールの構成を示す図である。 図７は従来の９０°光路変換光学系を示す図である。 図８は従来の光学系の主要部を示す拡大図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０ 透過型回折格子
２０ 受光手段
２２ 有効受光面
３０ 集光手段
４０ ミラー
５０ 入射光
５２、５４、５７ 出射光
１２０ 受光素子アレイ
１２２ 受光素子
１３０、２３０ 集光レンズ
１３２、２３２ コリメートレンズ
１６０、２６０ 光ファイバ
２７０ 発光素子アレイ
２７２ 面発光型半導体レーザ素子

Claims (11)

1. 回折光学素子を用いて特定波長の入射光の光軸を略９０°折り曲げる光学系を備えたことを特徴とする光学モジュール。
2. 前記回折光学素子は透過型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記透過型回折格子の溝本数Ｎは、前記特定波長λの入射光を入射角αで入射させｍ次回折光を利用する場合に、
   Ｎ＝±（cosα＋sinα）／（ｍλ） （ただし式中の±はｍの符号と同じ符号をとる。）
   であることを特徴とする請求項２に記載の光学モジュール。
4. 前記透過型回折格子の基板が前記入射光に対してα±５°の範囲の角度で取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の光学モジュール。
5. 前記透過型回折格子の基板が前記入射光に対してα＋Δθの範囲の角度で取り付けられ、前記透過型回折格子で回折された回折光を焦点距離ｆのレンズで集光し、前記入射光の方向に沿った幅がＷである受光面を有する受光手段に入射する前記光学モジュールであって
   tan｜Δθ｜≦Ｗ／（２ｆ）
   の関係が満たされていることを特徴とする請求項４に記載の光学モジュール。
6. 複数波長が多重化された入射光を、該複数波長の波長範囲内にある１波長を前記特定波長とする前記透過型回折格子に入射する手段と、該透過型回折格子により分波され、該透過型回折格子から出射される各単一波長の光をそれぞれ受光する複数の受光手段と、を備えたことを特徴とする請求項５に記載の光学モジュール。
7. 前記入射光を前記透過型回折格子に入射する手段が光ファイバまたは光導波路であり、該光ファイバまたは光導波路はその光軸が基板に平行になるように固定されており、前記透過型回折格子は前記特定波長の光が入射されたとき、その光を基板に略垂直な方向に出射するように固定され、前記透過型回折格子から出射される各単一波長の光をそれぞれ受光する手段は、前記透過型回折格子から出射される各単一波長の光がそれぞれ基板上に到達する各位置に前記光軸に平行な方向に配列された複数の面型受光素子であることを特徴とする請求項６に記載の光学モジュール。
8. 互いに異なる波長の光を発光する複数の発光手段と、該複数の発光手段が発光する光が前記透過型回折格子により合波され、該透過型回折格子から出射される複数波長が多重化された光を受光する手段とを備え、前記特定波長が前記複数波長の波長範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載の光学モジュール。
9. 所定波長範囲の連続波長スペクトルからなる入射光を前記透過型回折格子に入射する手段と、前記透過型回折格子により分光され、該透過型回折格子から出射される所定波長の光を受光する手段とを備え、前記特定波長が前記入射光の所定波長範囲内にあることを特徴とする請求項４または５に記載の光学モジュール。
10. 前記回折光学素子への入射光を略平行光にするための手段を有する請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学モジュール。
11. 前記回折光学素子からの出射光を集光する手段を有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学モジュール。

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