JP2006251787A

JP2006251787A - 回折格子部材及び光通信モジュール

Info

Publication number: JP2006251787A
Application number: JP2006032537A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Mori; 伸芳森
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離し３波長を利用可能な光通信モジュール及び３波長を利用可能なように波長の異なる光を十分な回折角で分離可能な回折格子部材を提供する。
【解決手段】この光通信モジュール１は、半導体レーザ１１と、半導体レーザから射出する波長λ１の光を光ファイバ１４へ結合させるための結合光学系１６と、光ファイバの端面から出射される２つの波長λ２、λ３の光を受光する２つの受光素子１２，１３と、を有し、結合光学系は、光ファイバと半導体レーザ及び２つの受光素子との間に配置され、かつ、結合光学系の少なくとも１面に回折構造１５を有し、３つの波長の光を異なる向きに相対的に屈曲させることで、半導体レーザから射出する波長λ１の光は光ファイバに入射し結合し、光ファイバから射出される２つの波長λ２、λ３の光はそれぞれ離れて配置された２つの受光素子へ入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子部材及び光通信モジュールに関するものである。

従来の、ＣＤ及びＤＶＤの２種の媒体からの信号を読み取る光ピックアップ用の回折格子部材では、ＣＤの読み取りに用いられる波長７８５ｎｍのレーザ光とＤＶＤの読み取りに用いられる波長６５５ｎｍのレーザ光を対象とし、ＣＤ用波長のレーザ光とＤＶＤ用波長のレーザ光の光軸を同軸化し１つの受光素子で信号検出するために、隣接する回折面部の光路差が一定の波長と同等とし、６面形成された階段状格子が使用されている。

また、光通信分野において、２つの波長をそれぞれ受信側と送信側に用い、２つの波長を分離し、半導体レーザからの光を光ファイバに結合させ、光ファイバからの光を受光素子に結合させる光通信モジュールが公知であり、下記特許文献１では、半導体レーザの波長を１３１０ｎｍとし光ファイバからの波長を１５５０ｎｍとし、隣接する回折面部の光路差が一定の波長と同等とし、３面形成された階段状格子が使われている。
特開２００３−３４４７１５号公報

上述のような階段状格子では２つの波長を分離できるが、さらに多波長の光を分離することができない。特に、光通信分野では半導体レーザからの光を波長の多少の変動に影響を受けずに安定的に光ファイバに結合させ、かつ光ファイバからの２つの波長の光を分離し別の受光素子へ導く３波長の光通信モジュールを達成するためには従来の階段状格子では光ファイバからの光を十分に分離できなかった。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離し３波長を利用可能な光通信モジュール及び３波長を利用可能なように波長の異なる光を十分な回折角で分離可能な回折格子部材を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による光通信モジュールは、半導体レーザと、前記半導体レーザから射出する波長λ１の光を光ファイバへ結合させるための結合光学系と、前記光ファイバの端面から出射される少なくとも２つの波長λ２、λ３の光を受光する２つの受光素子と、を有する光通信モジュールであって、前記結合光学系は、前記光ファイバと前記半導体レーザ及び前記２つの受光素子との間に配置され、かつ、前記結合光学系の少なくとも１面に回折構造を有し、３つの波長の光を異なる向きに相対的に屈曲させることで、前記半導体レーザから射出する波長λ１の光は前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから射出される２つの波長λ２、λ３の光はそれぞれ離れて配置された前記２つの受光素子へ入射するように構成したことを特徴とする。

この光通信モジュールによれば、結合光学系の少なくとも１面に設けた回折構造により、半導体レーザからの波長λ１の光が光ファイバに入射し、光ファイバからの少なくとも２つの波長λ２、λ３の各光が離れて配置された２つの受光素子へ入射でき、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離し３波長を利用可能となる。

上記光通信モジュールにおいて前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記回折構造は、光軸方向に沿った立ち上がり面部と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が光軸と直交する方向に繰り返し形成されることで構成され、前記階段状格子部において、前記段部は、隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の整数倍の光路差を与え、前記回折面部が１２面であることが好ましい。これにより、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、３つの波長の各光の回折効率がよくなる。

この場合、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の約２倍の光路差を与えることが好ましい。または、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の約１倍の光路差を与えることが好ましい。

更に、前記段部は、前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式（１）または（２）を満足するように決めることで、回折光量が調整可能となる。
０．９＜Ｍ＜１．１（１）
１．９＜Ｍ＜２．１（２）

更に、前記結合光学系の前記回折構造により、波長の異なる３つの波長の光に対し、それぞれ異なる次数の回折光を発生させることが好ましい。これにより、３つの波長の光を異なる向きに相対的に屈曲して分離できる。特に、光ファイバからの波長の異なる光に対し、回折効率が最大となる回折次数がそれぞれ異なる回折光を発生させることで、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できる。さらに、長波長ほど大きな回折次数で回折すると、各波長間の回折角の差を十分に大きくすることができるのでより好ましい。

例えば、前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記結合光学系中の回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し３次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し４次回折光が最大の回折効率で発生するように構成されることで、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、回折光の光量が大きくなる。

また、前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し１次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し２次回折光が最大の回折効率で発生するように構成されることで、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、回折光の光量が大きくなる。

また、前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記回折構造は、光軸方向に沿った立ち上がり面部と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が光軸と直交する方向に繰り返し形成されることで構成され、前記階段状格子部において、前記段部は、隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の整数倍の光路差を与え、前記回折面部が９面であることが好ましい。これにより、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、３つの波長の各光の回折効率がよくなる。

この場合、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の約２倍の光路差を与えることが好ましい。

更に、前記段部は、前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式（２）を満足するように決めることで、回折光量が調整可能となる。
１．９＜Ｍ＜２．１（２）

また、前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記結合光学系中の回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し２次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し３次回折光が最大の回折効率で発生するように構成されることで、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、回折光の光量が大きくなる。

また、前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記回折構造は、光軸方向に沿った立ち上がり面部と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が光軸と直交する方向に繰り返し形成されることで構成され、前記階段状格子部において、前記段部は、隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の整数倍の光路差を与え、前記回折面部が１１面であることが好ましい。これにより、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、３つの波長の各光の回折効率がよくなる。

この場合、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の約１倍の光路差を与えることが好ましい。

更に、前記段部は、前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式（１）を満足するように決めることで、回折光量が調整可能となる。
０．９＜Ｍ＜１．１（１）

また、前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し１次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し２次回折光が最大の回折効率で発生するように構成されることで、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、回折光の光量が大きくなる。

また、前記回折面部は前記階段状格子部の高さが増加する方向に高さが減少するように傾斜して形成され、波長λ１の入射光を直進させ、波長λ２とλ３の入射光を異なる回折次数で回折させることで、光ファイバからの波長の異なる光を更に十分な回折角で分離できる。

本発明による回折格子部材は、異なる波長の光を分波する回折格子部材であって、光軸と直交する面に回折格子部が形成され、前記回折格子部には光軸方向に沿った立ち上がり面と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が繰り返し形成され、前記階段状格子部において、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する一つの入射光に対し、入射光波長の整数倍とした光路差を与え、前記回折面部が９面、１１面または１２面であることを特徴とする。

この回折格子部材によれば、階段状格子部が光軸方向に沿った立ち上がり面とこの立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えて繰り返し形成され、前記段部は、隣接する回折面部を通過する一つの入射光に対し、入射光波長の整数倍とした光路差を与え、回折面部が９面、１１面または１２面であることにより、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、３つの波長の各光の回折効率がよくなり、３波長を利用可能となる。

上記回折格子部材において以下の３つの波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ、
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ、
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ、
前記波長λ１の光に対し、前記段部は、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１の約整数倍の光路差を与えることが好ましい。このとき、λ２、λ３に対しては、前記隣接する回折面部を通過する光に各波長λ２、λ３の非整数倍の光路差を与えることがさらに好ましい。

この場合、前記波長λ１の光に対し、前記段部は、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式（１）または（２）を満足するように決めることで、回折光量が調整可能となる。
０．９＜Ｍ＜１．１（１）
１．９＜Ｍ＜２．１（２）

また、前記立ち上がり面部のうち、前記階段状格子部の末端または終端の最も大きい段差を与える立ち上がり面部が前記階段状格子部の階段を下る方向に傾斜していることが好ましい。これにより、回折格子部材を射出成形により生産するときに歩留まりを向上できる。

上記光通信モジュールにおいて、前記光ファイバの端面から出射される少なくとも３つの波長λ２、λ３、λ４の光を受光する３つの受光素子を備え、前記波長λ１、λ２、λ３、λ４が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
１６００ｎｍ≦λ４≦１６２０ｎｍ
前記回折構造は、光軸方向に沿った立ち上がり面部と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が光軸と直交する方向に繰り返し形成されることで構成され、前記階段状格子部において、前記段部は、隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の整数倍の光路差を与え、前記回折面部が１２面、１３面または１４面であることが好ましい。

この場合、上記光通信モジュールにおいて、前記回折構造の前記段部は、前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式（２）を満足する。
１．９＜Ｍ＜２．１（２）

さらに、上記光通信モジュールにおいて、前記波長λ１、λ２、λ３、λ４が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
１６００ｎｍ≦λ４≦１６２０ｎｍ
前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し３次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し４次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ４の光に対し５次回折光が最大の回折効率で発生することが好ましい。

また、上記光通信モジュールにおいて、前記回折面部は前記階段状格子部の高さが増加する方向に前記回折構造の厚みが減少するように傾斜して形成され、波長λ１の入射光を直進させ、波長λ２、λ３とλ４の入射光を異なる回折次数で回折させることが好ましい。

本発明に係る、異なる波長の光を分波する回折格子部材は、光軸と直交する面に回折格子部が形成され、前記回折格子部には光軸方向に沿った立ち上がり面と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が繰り返し形成され、前記段部は、隣接する前記回折面部を通過する一つの入射光に対し、入射光波長の整数倍とした光路差を与え、前記回折面部が１２面、１３面または１４面であることを特徴とする。

上記回折格子部材において、以下の４つの波長λ１、λ２、λ３、λ４が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
１６００ｎｍ≦λ４≦１６２０ｎｍ
前記波長λ１の光に対し、前記段部は、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１の約整数倍の光路差を与えることが好ましい。この時、λ2、λ3、λ４に対しては、前記隣接する回折面部を通過する光に各波長λ2、λ3、λ４の非整数倍の光路差を与えることがさらに好ましい。

また、上記回折格子部材において、前記波長λ１の光に対し、前記段部は、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
１．９＜Ｍ＜２．１（２）

また、前記立ち上がり面部のうち、前記階段状格子部の末端または終端の最も大きい段差を与える立ち上がり面部が前記階段状格子部の階段を下る方向に傾斜していることが好ましい。

本発明の光通信モジュールによれば、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに、それぞれの波長の各光の回折効率がよくなり、３波長および４波長を利用可能となる。これにより、従来よりも小さな光学系で光ファイバからの波長の異なる光を分離できるので、光通信モジュールの小型化を実現できる。

本発明の回折格子部材によれば、階段状格子部の回折面部を９，１１または１２面とすることで、波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに３つの波長の各光の回折効率がよくなり、３波長を利用可能となる。同様に、階段状格子部の回折面部を１２，１３または１４面とすることで、波長の異なる光を十分な回折角で分離できるとともに４つの波長の各光の回折効率がよくなり、４波長を利用可能となる。従って、従来よりも小さな光学系で波長の異なる光を分離できるので、光通信モジュールに適用することで光通信モジュールの小型化を実現できる。

〈実施形態１〉

以下、本発明を実施するための最良の形態としての実施形態１について図面を用いて説明する。図１は本実施形態１による回折格子部材を用いた光通信モジュールを概念的に示す図である。図２は本実施形態１による回折格子部材を用いたもう１つの光通信モジュールを概念的に示す図である。図３は本実施形態１による回折格子部材の形状の説明図である。図４は図３の回折格子部材により３つの波長の光が分離したときの角度の定義についての説明図である。

図１に示すように、光通信モジュール１は、結合光学系１６と回折格子部材１５とを挟んで光ファイバ１４と、半導体レーザ１１・受光素子１２・受光素子１３とが対向するようにして筐体１８内に配置されることで構成される。半導体レーザ１１、受光素子１２、受光素子１３は固定部材２ａで筐体１８に固定され、カップリングレンズ１７は固定部材２ｂで筐体１８に固定され、また光ファイバ１４は固定部材２ｃで筐体１８に固定されている。

結合光学系１６はカップリングレンズ１７からなり、また、回折格子部材１５（回折構造）はカップリングレンズ１７の光ファイバ１４側の面１７ａに設けられた複数の階段状格子部１５ａから構成される。各階段状格子部１５ａは、光軸Ｐと直交する方向に繰り返して配列されて面１７ａ上に形成されている。

半導体レーザ１１から出射する波長λ１のレーザ光がカップリングレンズ１７を透過し、その透過光（０次光）が光ファイバ１４の端面１４ａに結像し、また、光ファイバ１４の端面１４ａから出射する波長λ２の光（図１の破線で示す）及び波長λ３（λ２＜λ３）の光（図１の一点鎖線で示す）が回折格子部材１５で回折されて受光素子１２と受光素子１３にそれぞれ入射するようになっている。

即ち、受光素子１２と受光素子１３は、半導体レーザ１１に対し回折格子部材１５の各階段状格子部１５ａが配列する方向に光軸Ｐからより離れるように配置されている。光ファイバ１４の端面１４ａから射出される波長λ２、λ３のうち長い波長λ３用の受光素子１３は、受光素子１２よりも半導体レーザ１１から離れた位置に配置される。このように、受光素子１２，１３は、波長が長くなるにつれカップリングレンズ１７から光軸Ｐの方向に離れるように配置される。

また、上述の波長λ１、λ２、λ３は以下の範囲内であり、例えば、λ１が１３１０ｎｍ、λ２が１４９０ｎｍ、λ３が１５５０ｎｍである。
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ

また、図２に示す光通信モジュール１０は、結合光学系１６にボールレンズ１９を半導体レーザ１１の近傍に配置するようにして追加し、階段状格子部１５ａが結合光学系１６のカップリングレンズ１７の半導体レーザ１１側の面１７ｂに設けられている点が相違する以外は、図１のものと基本的には同じ構成であり、同じように機能する。

次に、図１，図２の回折格子部材１５の階段状格子部１５ａについて図３を参照して説明する。図３のように、各階段状格子部１５ａは、図１，図２の光軸Ｐの方向（図３の縦方向）に沿った立ち上がり面部１５ｂと、立ち上がり面部１５ｂから張り出して形成された回折面部１５ｃより構成された段部を複数備えている。

各階段状格子部１５ａは、図３の複数の段部が各段差高さｄの立ち上がり面部１５ｂ及び回折面部１５ｃで階段形状に形成され、その階段形状が周期的に繰返して配置されることで、全体の長さ（ピッチ）Λでかつ全体の段差Ｄで構成される。また、各立ち上がり面部１５ｂの内、階段の周期の端にある１周期中最も大きい段差Ｄの立ち上がり面部１５ｂが回折面部１５ｃの面積を狭くする方向、即ち階段形状格子部１５ａの階段を下る方向に小さい角度φで傾斜して形成されている。

図１〜図３の回折格子部材１５を３つの波長λ１、λ２、λ３に対して用いた場合の光の屈曲状況について図４を参照して説明する。

図４のように、複数の階段状格子部１５ａから構成される回折格子部材１５において、図１，図２の半導体レーザ１１からの入射光λ１と、光ファイバ１４からの入射光λ２、λ３とは、互いに反対方向から入射し、入射光λ１は回折せずそのまま透過する。なお、λ１は垂直に入射する必要はなく、１０度以下の画角をもって入射するレイアウトでもよいが、ここでは垂直入射として説明する。一方、波長λ２とλ３（λ２＜λ３）の光は回折し、λ２の回折角をθ、λ３の回折角をθ’とすると、θ＜θ’となるように回折する。

次に、図３，図４の回折格子部材１５の具体例１〜４について図５乃至図９を参照して説明する。図６〜図９は図３，図４の回折格子部材１５の具体例１〜４をそれぞれ示す図である。

ここで、図３，図４において、回折格子部材１５の屈折率をｎとすると、立ち上がり面部１５ｂの各段差高さｄと波長λ１との間には、Ｍをパラメータとして以下の関係式（３）が成り立つ。

（ｎ−１）ｄ＝Ｍ・λ１（３）
ここで、Ｍはほぼ整数となるように定められる。

図６の具体例１は、上記関係式（３）においてＭ＝２で回折面部が１２面を有する形状の回折格子部材である。図７の具体例２は、Ｍ＝２で回折面部が９面を有する形状の回折格子部材である。図８の具体例３は、Ｍ＝１で回折面部が１２面を有する形状の回折格子部材である。図９の具体例４は、Ｍ＝１で回折面部が１１面を有する形状の回折格子部材である。

図５〜図９において、上記関係式（３）でＭ＝２の場合、各段部は隣接する回折面部を通過する波長λ１の２倍の光路差を与え、Ｍ＝１の場合、各段部は隣接する回折面部を通過する波長λ１の１倍の光路差を与える。図５の例は、Ｍ＝２で回折面部を３面有している。

また、一般に回折格子部材のピッチをΛとすると、波長をλ、回折角をθとするとｍを回折次数として以下の関係式（４）が成り立つ。

ｓｉｎθ＝ｍλ／Λ （４）

図５の例ではλ２とλ３の回折次数が同じで回折角θ、θ’の比は比較的小さいのに対し、図６〜図９の具体例１〜４ではλ２とλ３の回折次数がそれぞれ異なり、回折角θ、θ’の比は図５の例よりも大きくなる。従って、図１，図２の各光通信モジュール１，１０において、光ファイバ１４からの波長λ２とλ３の各光を十分な回折角で分離し、図１，図２の筐体１８の光軸方向の長さが長くならずに、３波長λ１〜λ３が利用可能となる。このことから、光ファイバからの波長の異なる光λ２とλ３に対し、それぞれ異なる次数の回折光を発生させることが好ましく、このことにより、光ファイバからの波長の異なる光を十分な回折角で分離できる。

以上のように、図６〜図９の具体例１〜４の回折格子部材によれば、図３の階段状格子部１５ａの回折面部１５ｃを９，１１または１２面とすることで、３つの波長の各光を回折効率が良くかつ回折光の角度の分離幅も十分大きくすることができ、従来例に比較し小さな光学系で波長の異なる２つの光を分離できるので、送信・受信可能な光通信モジュールを小型化できる。

また、本実施形態の回折格子部材は、従来例に比べ段差Ｄが高いため、プラスチックの射出成形で製造する場合、成形品を冷却し金型から離型する際に収縮により回折面の端部が破損するおそれがあるが、図３のように階段状格子部１５ａの末端または終端の最も大きい段差Ｄを与える立ち上がり面部１５ｂを角度φだけ傾けることで、かかる回折面端部の破損を防ぐことができる。成形条件をいろいろ変えて実験したところ、０．２°＜φ＜２°とすると、回折効率を損なうことなく、また、回折面端部の破損率を１％以下に抑えることができることが判明した。上述のように、回折面端部の破損を防ぐことで、回折格子部材１５を射出成形により生産するときに歩留まりを向上できる。

次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。

実施例１，２，３，４，５は、図５〜図９にそれぞれ対応する形状を有し、次の表１に示す条件の回折格子部材である。実施例２〜５の各回折格子部材を１３１０ｎｍ、１４９０ｎｍ、１５５０ｎｍの３つの波長（λ１，λ２，λ３）に適用したときの回折角の比として、ｓｉｎθ’／ｓｉｎθを比較し、各波長の回折効率を比較した。以下の実施例の回折効率は、スカラー近似を用いて計算されている。回折効率は１３１０ｎｍ（λ１）に対する０次回折光を１００％とした。即ち、回折面部を適切に傾斜させるか、または、各段差の高さ（Ｍの値）を調整することで、λ１の０次回折光の効率と他の波長の回折効率をバランスさせることができるが、ここでは、効率と回折作用の説明のため、１３１０ｎｍを１００％とする。

表１から分かるように、実施例１では波長λ２とλ３の回折次数が同じで回折角の比（ｓｉｎθ’／ｓｉｎθ）はわずか１．０４であり、実施例１の回折格子部材で、λ２とλ３の各光を分離すると、分離のために必要とする距離が大きくなり、光学系が極端に大きくなり、光通信モジュールが光軸方向に長くなってしまうのに対し、実施例２〜５では、波長λ２とλ３の回折次数が異なり回折角の比（ｓｉｎθ’／ｓｉｎθ）が約１．４以上であり、小さな分離距離で波長λ２とλ３の分離が可能になり、光通信モジュールが光軸方向に短くなる。また、回折効率も十分である。

これらの実施例からわかるように、回折効率が最大となる回折次数が各波長と異なり、長波長ほど大きな回折次数で回折することにより、各波長間の回折角の差を十分に大きくすることができる。

実施例４では波長λ２の場合の回折効率が３９％と低いが、次の表２に示すように実施例６，７で実施例４に対し段差の高さを調整し、回折効率を調整した。

表２のように、関係式（１）のＭの値を調整することで回折効率の配分も極端に低くなるところがないようにできる。このように、各波長の必要とする光量に応じて、段差高さを選べばよい。

図１，図２において、波長λ１の光は半導体レーザ１１を射出したあと回折格子部材１５を含む結合光学系１６を通り、光ファイバ１４の端面１４ａに入射するが、ここで結合損失が生じ、回折効率と結合効率の両方を考慮する必要があるため、λ１の回折効率の選び方は重要である。関係式（３）におけるＭは、上述の条件式（１）または（２）の範囲内に選ぶと、λ１の０次回折光の光量が小さくなりすぎず、光ファイバとの結合効率を考慮しても十分な光量を伝送することができる。

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１の結合光学系１６に図２と同様にボールレンズ１９を半導体レーザ１１の近傍に配置するようにしてもよい。

また、回折格子部材１５は、図１，図２では、カップリングレンズ１７と一体的な構成としたが、本発明はこれに限定されず、結合光学系１６においてカップリングレンズ１７とは別の独立した部材としてもよい。

また、回折格子部材１５における各回折面部１５ｃを傾斜させるように構成してもよい。例えば、図１０のように、階段状格子部１５ａの高さが増加する方向に、各回折面部１５ｃをその高さが減少するよう傾斜させる。即ち、階段状格子部１５ａの各回折面部１５ｃを光軸方向（図１０の縦方向）に直交する方向に傾斜させることで、波長λ２，λ３の光について、ｓｉｎθ’／ｓｉｎθを更に大きくでき、波長λ２，λ３の異なる光を更に十分な回折角で分離できる。

〈実施形態２〉

前述した実施形態１では光ファイバからの波長の異なる光が２つの波長λ２、λ３の例を説明したが、本発明はこの２つの波長λ２、λ３に限定されずに多波長に応用できる。

実施形態２にて、光ファイバからの波長の異なる光が３つの波長λ２、λ３、λ４の例を説明する。

図１１は４波長用の光通信モジュール３０で図１の光通信モジュール１同様に構成されている。但し本実施形態２では、図１１に示すように、光ファイバからの波長の異なる光が３つの波長λ２、λ３、λ４を分離するための回折格子部材３５を有す結合光学系３７と、分離された３つの波長λ２、λ３、λ４の光をそれぞれ受光するための受光素子３２・受光素子３３・受光素子３４が筐体内に配置される。

レーザからの波長λ１を含め、波長が以下の４つ波長の場合、表３に示すような回折格子部材を回折格子部材３５として用いると、３波長の場合の実施例と同様に半導体レーザから出射する波長λ１のレーザ光は回折格子部材１５で回折されることなく（０次光）透過し、カップリングレンズで集光され光ファイバ１４の端面１４ａに結像し、光ファイバー１４から射出される波長λ２、λ３、λ４の光は回折格子部材でそれぞれ異なる方向θ、θ’、θ'' （θ＜θ’＜θ''）へ回折され、それぞれ異なる受光素子３２、３３、３４に入射させることができる。

上記４つの波長が、λ１＝１３１０ｎｍ、λ２＝１４９０ｎｍ、λ３＝１５５０ｎｍ、λ４＝１６１０ｎｍの場合の実施例を表３に示す。尚、図１２は４波長に対する回折角の説明図であり、図１３、図１４、図１５はそれぞれ表３の実施例８，９，１０の回折格子部材３５の模式的な断面図である。

これらの実施例８、９，１０でも、回折効率が最大となる回折次数が各波長と異なり、長波長ほど大きな回折次数で回折されるため、各波長間の回折角の差を十分に大きくすることができる。

本実施形態による回折格子部材を用いた光通信モジュールを概念的に示す図である。本実施形態による回折格子部材を用いたもう１つの光通信モジュールを概念的に示す図である。本実施形態による回折格子部材の形状を説明するための模式的な断面図である。図３の回折格子部材により３つの波長の光が分離したときの角度の定義についての説明図である。回折格子部材の模式的な断面図である。図３，図４の回折格子部材１５の具体例１を示す模式的な断面図である。図３，図４の回折格子部材１５の具体例２を示す模式的な断面図である。図３，図４の回折格子部材１５の具体例３を示す模式的な断面図である。図３，図４の回折格子部材１５の具体例４を示す模式的な断面図である。図３の回折格子部材１５において各回折面部１５ｃを傾斜させた変形例を示す模式的な断面図である。４波長を利用可能とする光通信モジュールの概念図である。４波長に対する回折角の説明図である。実施例８の回折格子部材１５の模式的な断面図である。実施例９の回折格子部材１５の模式的な断面図である。実施例１０の回折格子部材１５の模式的な断面図である。

符号の説明

１，１０各光通信モジュール
１１半導体レーザ
１２，１３受光素子
１４光ファイバ
１４ａ端面
１５回折格子部材
１５ａ階段状格子部
１５ｂ立ち上がり面部
１５ｃ回折面部
１６結合光学系
１７カップリングレンズ
１８筐体
１９ボールレンズ
Λ ピッチ
θ、θ’ 回折角
Ｄ段差
ｄ段差高さ
Ｐ光軸

Claims

半導体レーザと、前記半導体レーザから射出する波長λ１の光を光ファイバへ結合させるための結合光学系と、前記光ファイバの端面から出射される少なくとも２つの波長λ２、λ３の光を受光する２つの受光素子と、を有する光通信モジュールであって、
前記結合光学系は、前記光ファイバと前記半導体レーザ及び前記２つの受光素子との間に配置され、かつ、前記結合光学系の少なくとも１面に回折構造を有し、３つの波長の光を異なる向きに相対的に屈曲させることで、前記半導体レーザから射出する波長λ１の光は前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから射出される少なくとも２つの波長λ２、λ３の光はそれぞれ離れて配置された前記２つの受光素子へ入射するように構成したことを特徴とする光通信モジュール。
前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
前記回折構造は、光軸方向に沿った立ち上がり面部と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が光軸と直交する方向に繰り返し形成されることで構成され、
前記階段状格子部において、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の約整数倍の光路差を与え、前記回折面部が９面、１１面または１２面であることを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
前記階段状格子部は前記回折面部が９面または１２面であり、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の約２倍の光路差を与えることを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
前記階段状格子部は前記回折面部が１１面または１２面であり、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する光に波長λ１の約１倍の光路差を与えることを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
前記階段状格子部は前記回折面部が１２面であり、前記波長λ１の光に対し、前記段部は前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
０．９＜Ｍ＜１．１または１．９＜Ｍ＜２．１
前記階段状格子部は前記回折面部が９面であり、前記段部は前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
１．９＜Ｍ＜２．１
前記階段状格子部は前記回折面部が１１面であり、前記段部は前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
０．９＜Ｍ＜１．１
前記階段状格子部は前記回折面部が１１面であり、前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し１次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し２次回折光が最大の回折効率で発生することを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
前記回折構造は光ファイバからの波長λ２、λ３に対し、回折効率が最大となる回折次数がそれぞれ異なる回折光を発生させることを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
前記回折構造は長波長ほど大きな回折次数の回折光を発生させることを特徴とする請求項９に記載の光通信モジュール。
前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し３次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し４次回折光が最大の回折効率で発生することを特徴とする請求項９に記載の光通信モジュール。
前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し１次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し２次回折光が最大の回折効率で発生することを特徴とする請求項９に記載の光通信モジュール。
前記波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し２次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し３次回折光が最大の回折効率で発生することを特徴とする請求項９に記載の光通信モジュール。
前記回折面部は前記階段状格子部の高さが増加する方向について高さがが減少するように傾斜して形成され、波長λ１の入射光を直進させ、波長λ２とλ３の入射光を異なる回折次数で回折させることを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
異なる波長の光を分波する回折格子部材であって、
光軸と直交する面に回折格子部が形成され、前記回折格子部には光軸方向に沿った立ち上がり面と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が繰り返し形成され、前記階段状格子部において、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する一つの入射光に対し、入射光波長の整数倍とした光路差を与え、前記回折面部が９面、１１面または１２面であることを特徴とする回折格子部材。
以下の３つの波長λ１、λ２、λ３が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
前記波長λ１の光に対し、前記段部は前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１の約整数倍の光路差を与えることを特徴とする請求項１５に記載の回折格子部材。
前記段部は前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１６に記載の回折格子部材。
０．９＜Ｍ＜１．１または１．９＜Ｍ＜２．１
前記立ち上がり面部のうち、前記階段状格子部の末端または終端の最も大きい段差を与える立ち上がり面部が前記階段状格子部の階段を下る方向に傾斜していることを特徴とする請求項１５，１６または１７に記載の回折格子部材。
前記光ファイバの端面から出射される少なくとも３つの波長λ２、λ３、λ４の光を受光する３つの受光素子を備え、前記波長λ１、λ２、λ３、λ４が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
１６００ｎｍ≦λ４≦１６２０ｎｍ
前記回折構造は、光軸方向に沿った立ち上がり面部と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が光軸と直交する方向に繰り返し形成されることで構成され、
前記階段状格子部において、前記段部は、隣接する前記回折面部を通過する波長λ１の光に波長の整数倍の光路差を与え、前記回折面部が１２面、１３面または１４面であることを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
前記回折構造の前記段部は、前記波長λ１の光に対し、前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１９に記載の光通信モジュール。
１．９＜Ｍ＜２．１
前記波長λ１、λ２、λ３、λ４が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
１６００ｎｍ≦λ４≦１６２０ｎｍ
前記回折構造が、前記波長λ１の光に対し０次の回折光（透過波）を発生させ、波長λ２の光に対し３次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ３の光に対し４次回折光が最大の回折効率で発生し、波長λ４の光に対し５次回折光が最大の回折効率で発生することを特徴とする請求項１９に記載の光通信モジュール。
前記回折面部は前記階段状格子部の高さが増加する方向に前記回折構造の厚みが減少するように傾斜して形成され、波長λ１の入射光を直進させ、波長λ２、λ３とλ４の入射光を異なる回折次数で回折させることを特徴とする請求項１９に記載の光通信モジュール。
異なる波長の光を分波する回折格子部材であって、
光軸と直交する面に回折格子部が形成され、前記回折格子部には光軸方向に沿った立ち上がり面と前記立ち上がり面部から張り出して形成された回折面部とを有する段部を所定の段数備えた階段状格子部が繰り返し形成され、前記階段状格子部において、前記段部は隣接する前記回折面部を通過する一つの入射光に対し、入射光波長の整数倍とした光路差を与え、前記回折面部が１２面、１３面または１４面であることを特徴とする回折格子部材。
以下の４つの波長λ１、λ２、λ３、λ４が以下の条件を満足するとき、
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ
１６００ｎｍ≦λ４≦１６２０ｎｍ
前記段部は前記波長λ１の光に対し、前記段部は前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１の約整数倍の光路差を与えるることを特徴とする請求項２３に記載の回折格子部材。
前記波長λ１の光に対し、前記段部は前記隣接する回折面部を通過する光に波長λ１のＭ倍の光路差を与え、Ｍが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２４に記載の回折格子部材。
１．９＜Ｍ＜２．１
前記立ち上がり面部のうち、前記階段状格子部の末端または終端の最も大きい段差を与える立ち上がり面部が前記階段状格子部の階段を下る方向に傾斜していることを特徴とする請求項２３，２４または２５に記載の回折格子部材。