JP2007322737A - 表面反射回折格子を用いた光学系及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子を用いて離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する機能を保持しつつ、所定の波長帯域の光束の広がりを抑えることの可能な光学系と、それを備えた光学装置を提供する。
【解決手段】離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光学系２であって、表面の周期的な凹凸により回折反射を行う反射型の回折格子４を有する。回折格子４の表面は反射率を大きくするための材料で構成されており、入射面に平行な面での回折格子断面形状は矩形形状又は略矩形形状である。複数の波長帯域における任意の光線の波長について、回折格子４により短波長帯域の光Ｓ１が正反射し長波長帯域の光Ｌ１〜Ｌ８が回折反射するように、条件式：0.6＜λS／Λ＜0.85，0.85＜λL／Λ＜1.1，0.55＜ｈ／Λ＜0.75(λS：短波長帯域の最も長い波長、λL：長波長帯域の最も短い波長(λS＜λL)、ｈ：回折格子の高さ、Λ：回折格子表面の凹凸の周期)を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は表面反射回折格子を用いた光学系とそれを備えた光学装置に関するものであり、例えば、離散的に異なる複数のチャンネル周波数(channel wavelength)を分岐・結合する光通信用光学系と、それを備えた光学装置に関するものである。

離散的に異なる複数のチャンネル周波数を分岐・結合する光通信用光学系として、多層膜フィルターの波長に対する透過・反射特性を利用したもの、回折格子やＡＷＧ(Arrayed-waveguide grating)の波長分散作用を利用したもの等が従来より知られている(例えば、非特許文献１，２参照。)。
樋口，「光導波路を用いた光パッシブデバイス」，光通信技術の最新資料集Ｖ，オプトロニクス社，ｐ．７８−８３ 高橋，「ＷＤＭ用ＡＷＧ波長合分波器」，光通信技術の最新資料集Ｖ，オプトロニクス社，ｐ．８４−８８

しかし、従来の光通信用光学系には問題がある。例えば、多層膜フィルタは作製工程が複雑であり、また、１フィルターあたり２分岐する構成であるため、多チャンネル分岐を実現しようとするとフィルター枚数が増大してしまう。したがって、多層膜フィルタを用いた光学系にはコストが高くなるという問題がある。ＡＷＧは数十以上の多チャンネルに分岐する場合に適しているが、分岐数が少ない場合には構成が複雑なことによりコスト及び損失が大きくなるという問題がある。

一方、回折格子では表面の凹凸形状で分岐・結合機能を得ることができるため、樹脂成形での作製が可能である。したがって、大量生産に適しコスト的に有利である。また、回折格子の有する波長分散作用を用いれば、単一の回折格子で多チャンネル分岐が可能となる。しかし、回折格子の有する波長分散作用を用いて、離散的に異なる複数のチャンネル周波数をチャンネル間隔(wavelength grid)に応じて空間的に大きく分離するためには、回折格子周期を小さくする必要がある。回折格子周期が小さいほど光束には広がりが生じてしまい、また、チャンネル周波数には帯域幅(bandwidth)があるが、その帯域幅が大きいほど光束に広がりが生じてしまう。光束に広がりがあると、光伝送部材(例えば光ファイバ)に対して光の一部が入射できなくなる等の問題が発生する。それを避けるために光学部材を追加すると、光学系全体の大型化やコストアップを招いてしまう。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、回折格子を用いて離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する機能を保持しつつ、所定の波長帯域の光束の広がりを抑えることの可能な光学系と、それを備えた光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の光学系は、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光学系であって、表面の周期的な凹凸により回折反射を行う反射型の回折格子を有し、その回折格子の表面が反射率を大きくするための材料で構成されており、入射面に平行な面での回折格子断面形状が矩形形状又は略矩形形状であり、前記複数の波長帯域における任意の光線の波長について、前記回折格子により短波長帯域の光が正反射し長波長帯域の光が回折反射するように、以下の条件式(1)〜(3)を満足することを特徴とする。
0.6＜λS／Λ＜0.85 …(1)
0.85＜λL／Λ＜1.1 …(2)
0.55＜ｈ／Λ＜0.75 …(3)
ただし、
λS：短波長帯域の最も長い波長、
λL：長波長帯域の最も短い波長(λS＜λL)、
ｈ：回折格子の高さ、
Λ：回折格子表面の凹凸の周期、
である。

第２の発明の光学系は、上記第１の発明において、以下の条件式(4)及び(5)を満足することを特徴とする。
1000nm＜λS＜1420nm …(4)
1420nm＜λL＜1840nm …(5)
ただし、
λS：短波長帯域の最も長い波長、
λL：長波長帯域の最も短い波長(λS＜λL)、
である。

第３の発明の光学装置は、長波長帯域の光を射出する光ファイバと、短波長帯域の光を射出する発光部と、複数の異なる波長帯域の光に対応した受光部と、上記第１又は第２の発明に係る光学系と、を備え、前記回折格子が凹形状曲面上に位置する凹面回折格子であり、前記光ファイバからの射出光を複数の異なる波長帯域の光に分岐して前記受光部に入射させ、前記発光部からの射出光を前記光ファイバに入射させることを特徴とする。

第４の発明の光学装置は、上記第３の発明において、前記凹形状曲面の回折格子中心での曲率半径を直径とする球面円周位置又はその近傍に、前記光ファイバの入射端面、前記発光部及び前記受光部が位置することを特徴とする。

第５の発明の光学装置は、上記第３又は第４の発明において、前記受光部が以下の条件式(6)を満足する複数の光ファイバを並べることにより構成されていることを特徴とする。
Ｄ／ｄ＜５ …(6)
ただし、
Ｄ：光ファイバの外径、
ｄ：光ファイバのコア径、
である。

第６の発明の光学装置は、上記第３又は第４の発明において、前記受光部が光電変換素子で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回折格子により短波長帯域の光が正反射し長波長帯域の光が回折反射するように所定の条件を満足する構成になっているため、回折格子を用いて離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する機能を保持しつつ、所定の波長帯域の光束の広がりを抑えることができる。

以下、本発明を実施した光通信用の光学系，光学装置等を、図面を参照しつつ説明する。ただし、その用途は光通信に限らず、光情報の伝送を行う他の技術(例えば、光情報の記録・再生技術)にも適用可能である。

図１に、光通信用光学系，光学装置の一実施の形態を模式的に示す。光学装置１は、基地局と末端機との間での光通信に用いられる末端機側の送受信用装置であり、光学系２，発光制御部７，信号検出部８等で構成されている。光学系２は、光ファイバ３，回折格子４，発光部５，受光部６等を備えており、光ファイバ３は、送信情報を有する光束Ｓ１を外部に伝送し、受信情報を有する光束Ｌ１〜Ｌ８を外部から取り込む構成になっている。回折格子４は、発光部５からの光束Ｓ１を光ファイバ３に入射させ、光ファイバ３からの光束Ｌ１〜Ｌ８を分岐して受光部６に入射させる。光束Ｓ１，Ｌ１〜Ｌ８の波長帯域は互いに異なっており、光束Ｓ１は短波長帯域の光から成っており、光束Ｌ１〜Ｌ８は長波長帯域の光から成っている。つまり、発光部５から回折格子４に対し短波長帯域の光束Ｓ１が射出され、光ファイバ３から回折格子４に対し長波長帯域の光束Ｌ１〜Ｌ８が射出される。なお、各波長帯域の数は上記場合に限るものではなく、規格に応じて設定される。

発光部５は、例えばＬＤ(laser diode)等により構成され、その発光の制御を発光制御部７が行うことにより、発光部５から射出する光束Ｓ１に送信情報を載せる。受光部６は、光束Ｌ１〜Ｌ８を受ける光学要素であり、８チャンネルの波長帯域の光に対応可能となっている。例えば、受光部６に光ファイバを用いる場合、８本の光ファイバを並べて、それらの端面で受光面を構成する。受光面から光ファイバに入射した光束Ｌ１〜Ｌ８は、例えば、ＰＤ(photodiode)等の光電変換素子で受光量を表す信号に変換され、その出力信号を信号検出部８が検出することにより、光束Ｌ１〜Ｌ８の受信情報を電気信号として出力する。光ファイバを用いずに、８つの光電変換素子(ＰＤ等)で受光部６の受光面を構成してもよい。その場合、光電変換素子は受光素子面で光束Ｌ１〜Ｌ８を直接受光し、受光量を表す信号を出力する。その出力信号を信号検出部８が検出して、光束Ｌ１〜Ｌ８が持っている受信情報を電気信号として出力する。

ここで、図１の実施の形態で採用している、光通信分野での上り１波，下り８波の通信規格を説明する。図２に、上り１波，下り８波の通信において分岐・結合される波長帯域を示す。上りは末端機から基地局への送信であって、１３１０ｎｍチャンネル，帯域幅１００ｎｍ(１２６０〜１３６０ｎｍ)である。一方、下りは基地局から末端機への送信であって、規格「ITU-T Standards Update-G.695&G694.2」に従えば１４７１〜１６１１ｎｍに８チャンネル，チャンネル間隔２０ｎｍ，帯域幅１３ｎｍである。光ファイバ３への１３１０ｎｍチャンネルの結合と、光ファイバ３からの１４７１〜１６１１ｎｍの８チャンネルの分離と、を行う末端機への応用を考えた場合、下りの帯域幅に比べて上りの帯域幅ははるかに大きく、これが光ファイバ３に対する光束Ｓ１の結合を困難にする。これに関しては後で詳しく説明する。

上記上り１波，下り８波の通信への応用を考慮して、離散的に異なる複数のチャンネル周波数を分岐・結合するのに適した回折格子の構成について以下に検討する。最初に、任意形状の回折格子について回折効率を評価する。対象とする回折格子は、格子材料として銀を採用した(表面)反射型の回折格子である。このタイプの回折格子は、樹脂材料等で凹凸を形成し、その上に、蒸着，スパッタ等の方法を用いて格子材料(銀等)を付着することにより作製可能である。なお、以下の回折効率等の数値計算においては、銀の光学常数として波長１５００ｎｍでの(ｎ，ｋ)=(０．３０５，１０．６)を用いるものとする。

また、対象とする回折格子の形状は、矩形，ブレーズ(格子の断面を直角三角形の直交する二辺以外を含む格子)及びエシュレット(格子の断面を直角三角形の直交する二辺とする格子)の３種類の形状である。図３に回折格子の矩形断面形状を示し、図４に回折格子のブレーズ断面形状を示し、図５に回折格子のエシュレット断面形状を示す(ｈ：高さ，Λ：周期，Δ：凸幅，θ：入射角度，βブレーズ角度，Δ／Λ＝０．５，θ＝β)。回折光の方向が入射光の方向と一致する、いわゆるリトロー(Littrow)・マウンティングの配置で偏光について評価を行うものとし、ブレーズ形状及びエシュレット形状では、長い方の斜面の法線が入射光と同じ象限にある配置とする。また、入射角度θと波長，周期，次数ｍの関係は、式：sinθ＝(ｍ／２)・(波長／周期)で表される。

光通信においては、下り８チャンネルを回折格子の波長分散を用いて分離する場合、回折効率が高いと光利用効率が高くなるため望ましい。また、下り信号は偏光が不特定なため、ｐ偏光とｓ偏光とで同程度の回折効率であること(偏光依存性が小さいこと)が望ましい。したがって、下り８チャンネルを効率よく分岐する上で適当な回折格子の形状であるか否かは、回折効率と偏光依存性に基づいて判断することができる。

図６〜図９に、矩形形状，ｍ＝１について(波長／周期)と−１次回折効率との関係を示す。図６〜図９は、(波長／周期)に対して回折効率が振動する様子を、(格子高さ／周期)＝０．４(図６)，０．５(図７)，０．６(図８)，０．７(図９)のそれぞれについて示している。偏光によりその波形は異なっているが、アスペクト(格子高さ／周期)を０．６にすると(図８)、(波長／周期)が０．９程度(図８中の○印)で両偏光の回折効率がほぼ同程度の高いレベルになることが分かる。このことから、下り８チャンネルにおいて高い回折効率であれば、光通信への応用に適当であると予測される。

図１０〜図１３に、ブレーズ形状，ｍ＝１について(波長／周期)と−１次回折効率との関係を示す。図１０〜図１３は、(波長／周期)に対して回折効率が変化する様子を、(格子高さ／周期)＝０．４(図１０)，０．５(図１１)，０．６(図１２)，０．７(図１３)のそれぞれについて示している。両偏光の回折効率曲線が交差する付近では、(波長／周期)に対して回折効率の変化方向がｐ偏光とｓ偏光とで逆になっている。そのため、波長での偏光依存性の変動が大きいと予測され、光通信への応用には適当でないと考えられる。

図１４〜図１６に、エシュレット形状，ｍ＝１，２，４について(波長／周期)と−ｍ次回折効率との関係を示す。図１４〜図１６は、(波長／周期)に対して回折効率が変化する様子を、ｍ＝１(図１４)，２(図１５)，４(図１６)のそれぞれについて示している。ｍ＝１で両偏光の回折効率曲線が交差する付近では、(波長／周期)に対して回折効率の変化方向がｐ偏光とｓ偏光とで同方向になっている。そのため、波長での偏光依存性の変動は小さいと予測され、したがって、光通信の下り８チャンネルを分岐するような応用に適当であると予測される。

以上の評価結果から分かるように、下り信号に関しては８チャンネルを効率良く分岐する上で、使用する回折格子の断面形状は矩形形状又はエシュレット形状が適当である。次に、光通信における上り信号について考える。上り信号は下り信号に比べて帯域幅が７〜８倍程度大きい。したがって、回折作用により結合する場合、波長分散により回折角度が大きく変化する(つまり光束が広がる)ため、それに応じて大きな受光面が光ファイバに必要となる。しかし、光通信で用いられる光ファイバでは上り信号を受光するためのファイバ径が小さいため、帯域幅に対応した受光を行うことができない。したがって、上り信号の結合には非回折である、透過又は反射(すなわち正反射)を用いることになる。ここでは反射型の回折格子を想定しているので、正反射での結合可能性を以下に評価する。

ここで適用を想定している光通信の規格では、下り信号よりも上り信号の波長が短いので(図２)、前述の(波長／周期)と−１次回折効率との関係を示すグラフにおいて、ｐ偏光及びｓ偏光の回折効率が高くなるところよりも(波長／周期)が小さい側で、ｐ偏光，ｓ偏光のうちの少なくとも一方の回折効率は小さくなることが必要である(図８等参照。)。これは、−１次回折効率が小さくなる場合には他の次数、この場合ｍ＝０(正反射)又はｍ＝２(−２次回折)の回折効率が大きくなることを意味する。上り信号の発生装置(例えば発光部５)としてはＬＤ(laser diode)が一般的であり、その発生光は偏光である。したがって、ＬＤの組み付け方向を適切に設定して結合時の偏光依存性に適合させることは容易であり、結果として、回折効率の偏光依存性が大きくても問題はない。

エシュレット形状では、グラフ(図１４〜図１６)から分かるように(波長／周期)の小さい側で落ち込む変化がない。したがって、以上の要件を満たすのは矩形形状であって、そのアスペクト(格子高さ／周期)＝０．６程度である。そして、適用する光通信規格に沿って詳細に検討した結果、離散的に異なる複数のチャンネル周波数を分岐・結合するのに適した回折格子の一例として、表１に示す回折格子が適当であるという結論を得た。

表１中、適用する光通信規格での性能をあわせて示す。ここで、入射角度は回折格子面の垂線と入射光線との間の角度であり、回折格子面の垂線と入射光線とで張られる平面を入射面(plane of incidence)と呼ぶと、位相角度は[回折格子溝の垂線]と[入射面と回折格子面との交線]との間の角度である。また、ＰＤＬ(Polarization Dependent Loss)は偏光依存性を評価する数値であり、これは偏光の効率比の(１０を底とする)対数の１０倍(絶対値)で表される。ＰＤＬは小さいほど良く、実用的には下り信号について１〜２程度以下が必要である。表１に示す回折格子では回折効率が０．８以上、下りＰＤＬが１以下であり、優れた性能が得られていることが分かる。

図１７〜図２２に、上記性能(表１)をグラフで更に詳細に示す。図１７〜図２０は下り信号の性能、図２１及び図２２は上り信号の性能を示しており、図１７，図１９及び図２１中の各曲線は対応する入射角度(°)についての性能、図１８，図２０及び図２２中の各曲線は対応する位相角度(°)についての性能をそれぞれ示している。また性能としては、図１７及び図１８がｐ，ｓ平均回折効率、図１９，図２０がＰＤＬ、図２１及び図２２がｓ偏光の反射率(正反射率)をそれぞれ示している。図１７〜図２２から、いずれも角度変化に対しては比較的同様な曲線になっており、角度変化に対して性能劣化は小さいことが分かる。

表２に、上記回折格子(表１)を３波ＢＩＤＩ規格に対応させた場合の性能を示す。３波ＢＩＤＩ規格は上り１波，下り２波の通信規格である。上りは末端機から基地局への送信であって、１３１０ｎｍチャンネル，帯域幅１００ｎｍ(１２６０〜１３６０ｎｍ)である。一方、下りは基地局から末端機への送信であって、１４９０ｎｍチャンネル，帯域幅２０ｎｍ；１５５５ｎｍチャンネル，帯域幅１０ｎｍである。上記表１の場合と同様、優れた性能が得られていることが分かる。

次に、上述した回折格子を用いて成る光通信用合分波モジュール光学系について説明する。図２３に、発散光を回折するタイプのモジュール光学系の一例を示す。図２３において、(Ａ)は正面図、(Ｂ)は上面図、(Ｃ)は側面図であり、光ファイバ３ａ，回折格子４ａ，発光部５ａ，受光部６ａは、図１における光ファイバ３，回折格子４，発光部５，受光部６にそれぞれ相当するものである。この光学系では、凹面(球面鏡)上に回折格子４ａを有する構成(すなわち凹面回折格子)としており、その凹面の曲率半径を直径とする球面ＲＤ(ローランド円)上に基地局へとつながる光ファイバ３ａの端面，下り信号を受光する受光部６ａ(例えば光ファイバ)，上り信号を発生する発光部５ａ(例えばＬＤ)が配置されている。

発光・受光用の光学要素をローランド球面ＲＤ上に配置することにより、上り信号を構成する発光部５ａからの発散光が回折格子４ａの凹面で集光され(波長，偏光により回折格子４ａは回折作用を発生しないため正反射し、凹面による集光のみが作用する。)、基地局への光ファイバ３ａの端面で結像する。一方、基地局からの下り信号の光は光ファイバ３ａの端面から発散し、凹面回折格子４ａでの回折により分光・集光され各チャンネルの受光部６ａへと結合される。下り信号の回折による分光ではリトロー配置が回折効率的に優れるが、本用法においては光ファイバ３ａと受光部６ａとが空間的に重なるため配置できない。このため、図２３の正面図(Ａ)及び側面図(Ｃ)から分かるように、位相角度を有することで空間的に重ならない構成としている。なお、収差補正のために凹面を任意の曲面を含む非球面としてもよい。

次に、受光部６ａを説明する。表３に、性能を与える入射角度で回折格子４ａを用いた場合の、８波下り信号の回折角度(射出角度)を示す。また図２５に、複数の光ファイバを並べることにより構成された受光部６ａの受光面の一部(光ファイバ３本分)を示す。なお、図２５中のコア径ｃは、光ファイバ３ａのコア端面が回折格子４ａにより等倍投影されて成る像(帯域幅両端の２つの等倍投影像)に相当する。

受光部６ａの受光面はローランド球面ＲＤ上に位置しており、ローランド球面ＲＤの直径(＝凹面鏡の曲率半径)を９．２ｍｍとした場合、チャンネル間隔(２０ｎｍ)での回折角度に相当する像高(すなわち分離幅)は１２５μｍ、帯域幅(１３ｎｍ)での回折角度に相当する像高は±４０μｍ(つまり素子幅８０μｍ)である。光ファイバ３ａのコア径ｃ＝１０μｍとすると、ファイバ外径Ｄ＝１２５μｍ，コア径ｄ＝９０μｍの光ファイバをローランド球面ＲＤに沿って複数並べることにより受光部６ａを構成すれば、分岐信号の受光が可能となる。受光部６ａ用の光ファイバとしては、東洋ガラス製シリカグリン(ファイバ外径Ｄ＝１２５μｍ，コア径ｄ＝８０μｍ)等の、ファイバ外径Ｄに対するコア径ｄの比の大きいものが適している。なかでも後述する条件式(6)を満たすものが好ましい。また、３波ＢＩＤＩ(上り１波，下り２波)の場合、下り信号のチャンネル間隔は６５ｎｍ、帯域幅は２０ｎｍ及び１０ｎｍであるため、マルチモードファイバ(ファイバ外径１２５μｍ，コア径５０μｍ)又は東洋ガラス製シリカグリン(ファイバ外径１２５μｍ，コア径８０μｍ)を受光面に並べて受信することが可能となる。

受光部６ａに光電変換素子を用いてもよい。その一例として図２６に、ＰＤ(photodiode)等の光電変換素子を複数並べることにより構成された受光部６ａの受光面の一部(光電変換素子３つ分)を示す。光電変換素子から成る受光部６ａでは、受光素子面６ｂの形状を自由に変えられるため、帯域幅に比べてチャンネル間隔が小さい場合でも対応が容易である。また、凹面回折格子４ａによる投影像が収差等で変形する場合でも受光素子面形状を変えることで効率良く受信することができる。ローランド球面ＲＤ上に光学要素を配置する場合、受光部６ａではコマ収差のため、入射面に対して垂直方向に投影像が伸びることになる。これを解消するには受光素子面６ｂの形状を縦長とすることが好ましく、これにより効率を高くすることが可能となる。したがって、受光部６ａに光電変換素子を用いた構成でも、下り８波及び３波ＢＩＤＩでの対応は容易である。

図２４に、コリメート光を回折するタイプのモジュール光学系の一例を示す。この光学系は、コリメート光を回折するために集光素子９(例えばボールレンズ)を備えている。光ファイバ３ａからの射出光は、集光素子９でコリメートされた後、凹面上の回折格子４ａで受光部６ａ上へと分岐・集光される。なお、収差補正のために凹面を任意の曲面を含む非球面としてもよい。また、上り信号を構成する発光部５ａからの発散光は、回折格子４ａの凹面で反射及びコリメートされた後、集光素子９へ入射し、集光素子により光ファイバ３ａの端面で結像する。

コリメート光を回折するタイプのモジュール光学系においても、性能を与える入射角度で回折格子４ａを用いた場合の、８波下り信号の回折角度(射出角度)は、表３に示すものと同じになる。また、回折格子４ａを構成する凹面鏡の焦点距離を９．２ｍｍ(曲率半径１８．４ｍｍ)とした場合、チャンネル間隔での回折角度に相当する像高は±１２５μｍ、帯域幅での回折角度に相当する像高は±４０μｍとなり、ローランド球面ＲＤ(図２３)上と同等である。したがって、受光態様についても発散光を回折するタイプのモジュール光学系(図２３)と同様であり、また３波ＢＩＤＩについても同様である。

以上説明した各形態の特徴は、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光学系，それを備えた光学装置における適用において一般化が可能である。例えば光学系は、表面の周期的な凹凸により回折反射を行う反射型の回折格子を有し、その回折格子の表面が反射率を大きくするための材料で構成されており、入射面に平行な面での回折格子断面形状が矩形形状又は略矩形形状であり、前記複数の波長帯域における任意の光線の波長について、前記回折格子により短波長帯域の光が正反射し長波長帯域の光が回折反射するように、以下の条件式(1)〜(3)を満足することが望ましい。
0.6＜λS／Λ＜0.85 …(1)
0.85＜λL／Λ＜1.1 …(2)
0.55＜ｈ／Λ＜0.75 …(3)
ただし、
λS：短波長帯域の最も長い波長、
λL：長波長帯域の最も短い波長(λS＜λL)、
ｈ：回折格子の高さ、
Λ：回折格子表面の凹凸の周期、
である。

条件式(1)〜(3)を満たすことにより、短波長帯域の最も長い波長λSで回折させずに、長波長帯域の最も短い波長λLで回折させることが可能となる。したがって、回折格子を用いて離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する機能を保持しつつ、所定の波長帯域の光束の広がりを抑えることができる。条件式(1)の条件範囲を外れると、短波長帯域の波長の光は回折反射される傾向となるため、短波長帯域の波長の光の(正反射の)反射率低下による光利用効率低下が問題となる。条件式(2)の条件範囲を外れると、長波長帯域の波長の光は正反射される傾向となるため、長波長帯域の波長の光の反射回折効率低下による光利用効率低下が問題となる。条件式(3)の条件範囲を外れると、長波長帯域の波長の光の偏光依存性による反射回折効率低下が問題となる。

短波長帯域の最も長い波長λSと長波長帯域の最も短い波長λLに関しては、以下の条件式(4)及び(5)を満足することが望ましい。
1000nm＜λS＜1420nm …(4)
1420nm＜λL＜1840nm …(5)

条件式(4)の条件範囲を外れると、短波長帯域の波長の光の反射率低下による光利用効率低下が問題となる。条件式(5)の条件範囲を外れると、長波長帯域の波長の光の反射回折効率低下による光利用効率低下が問題となる。

光通信用の光学装置は、長波長帯域の光を射出する光ファイバと、短波長帯域の光を射出する発光部と、複数の異なる波長帯域の光に対応した受光部と、前記光学系と、を備え、前記回折格子が凹形状曲面上に位置する凹面回折格子であり、前記光ファイバからの射出光を複数の異なる波長帯域の光に分岐して前記受光部に入射させ、前記発光部からの射出光を前記光ファイバに入射させることが望ましい。また、凹形状曲面の回折格子中心での曲率半径を直径とする球面円周位置又はその近傍に、前記光ファイバの入射端面、前記発光部及び前記受光部が位置することが望ましい。これら光学要素の存在により凹形状曲面による集光作用が得られる。

受光部は以下の条件式(6)を満足する複数の光ファイバを並べることにより構成されていることが望ましい。条件式(6)の条件範囲を外れると、光通信規格に適合できなくなるため相応しくない。また、長波長帯域の帯域幅全体にわたる受光が困難になる。
Ｄ／ｄ＜５ …(6)
ただし、
Ｄ：光ファイバの外径、
ｄ：光ファイバのコア径、
である。

また、受光部は光電変換素子で構成されてもよい。光電変換素子で構成されることにより、容易く高効率に受光を行うことが可能となる。光ファイバの場合、受光が円形状に制限されるが、光電変換素子であれば任意の形状で対応できる。また、光ファイバ外径とコア径との関係がないので、結果として高効率化が可能となる。

前述した具体的な数値を用いて、以下に各条件式の対応値を挙げる。
λS＝１３６０ｎｍ(条件式(4)の対応値)
λL＝１４６４．５ｎｍ(下り８波の場合，条件式(5)の対応値)
λL＝１４８０ｎｍ(３波ＢＩＤＩの場合，条件式(5)の対応値)
Λ＝１６７０ｎｍ
ｈ＝１０４４ｎｍ
条件式(1)の対応値：λS／Λ＝０．８１４
条件式(2)の対応値：λL／Λ＝０．８８(下り８波の場合)
条件式(2)の対応値：λL／Λ＝０．８９(３波ＢＩＤＩの場合)
条件式(3)の対応値：ｈ／Λ＝０．６３
条件式(6)の対応値：Ｄ／ｄ＝２．５(マルチモードファイバの場合)
条件式(6)の対応値：Ｄ／ｄ＝１．５６(シリカグリンの場合)

通信用の光学系及び光学装置の一実施の形態を示すブロック図。 図１の実施の形態により分岐・結合される複数の波長帯域の一例を示す模式図。 断面が矩形形状の回折格子を示す図。 断面がブレーズ形状の回折格子を示す図。 断面がエシュレット形状の回折格子を示す図。 ｈ／Λ＝０．４の矩形形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．５の矩形形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．６の矩形形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．７の矩形形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．４のブレーズ形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．５のブレーズ形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．６のブレーズ形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 ｈ／Λ＝０．７のブレーズ形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 エシュレット形状回折格子の−１次回折効率を示すグラフ。 エシュレット形状回折格子の−２次回折効率を示すグラフ。 エシュレット形状回折格子の−４次回折効率を示すグラフ。 矩形形状回折格子に対する下り信号の入射角度変化とｐ，ｓ平均回折効率との関係を示すグラフ。 矩形形状回折格子に対する下り信号の位相角度変化とｐ，ｓ平均回折効率との関係を示すグラフ。 矩形形状回折格子に対する下り信号の入射角度変化とＰＤＬとの関係を示すグラフ。 矩形形状回折格子に対する下り信号の位相角度変化とＰＤＬとの関係を示すグラフ。 矩形形状回折格子に対する上り信号の入射角度変化とｓ偏光正反射率との関係を示すグラフ。 矩形形状回折格子に対する上り信号の位相角度変化とｓ偏光正反射率との関係を示すグラフ。 発散光を回折するタイプの光通信用合分波モジュール光学系を示す光学構成図。 コリメート光を回折するタイプの光通信用合分波モジュール光学系を示す光学構成図。 受光面が光ファイバを並べることにより構成された受光部を示す模式図。 受光面がＰＤを並べることにより構成された受光部を示す模式図。

符号の説明

１ 光学装置
２ 光学系
３，３ａ 光ファイバ
４，４ａ 回折格子
５，５ａ 発光部(ＬＤ)
６，６ａ 受光部(ＰＤ，光ファイバ)
６ｂ 受光素子面
７ 発光制御部
８ 信号検出部
９ 集光素子(ボールレンズ)
Ｓ１ 短波長帯域の光束
Ｌ１〜Ｌ８ 長波長帯域の光束
ＲＤ ローランド球面

Claims (6)

1. 離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光学系であって、表面の周期的な凹凸により回折反射を行う反射型の回折格子を有し、その回折格子の表面が反射率を大きくするための材料で構成されており、入射面に平行な面での回折格子断面形状が矩形形状又は略矩形形状であり、前記複数の波長帯域における任意の光線の波長について、前記回折格子により短波長帯域の光が正反射し長波長帯域の光が回折反射するように、以下の条件式(1)〜(3)を満足することを特徴とする光学系；
   0.6＜λS／Λ＜0.85 …(1)
   0.85＜λL／Λ＜1.1 …(2)
   0.55＜ｈ／Λ＜0.75 …(3)
   ただし、
   λS：短波長帯域の最も長い波長、
   λL：長波長帯域の最も短い波長(λS＜λL)、
   ｈ：回折格子の高さ、
   Λ：回折格子表面の凹凸の周期、
   である。
2. 以下の条件式(4)及び(5)を満足することを特徴とする請求項１記載の光学系；
   1000nm＜λS＜1420nm …(4)
   1420nm＜λL＜1840nm …(5)
   ただし、
   λS：短波長帯域の最も長い波長、
   λL：長波長帯域の最も短い波長(λS＜λL)、
   である。
3. 長波長帯域の光を射出する光ファイバと、短波長帯域の光を射出する発光部と、複数の異なる波長帯域の光に対応した受光部と、請求項１又は２記載の光学系と、を備え、前記回折格子が凹形状曲面上に位置する凹面回折格子であり、前記光ファイバからの射出光を複数の異なる波長帯域の光に分岐して前記受光部に入射させ、前記発光部からの射出光を前記光ファイバに入射させることを特徴とする光通信用の光学装置。
4. 前記凹形状曲面の回折格子中心での曲率半径を直径とする球面円周位置又はその近傍に、前記光ファイバの入射端面、前記発光部及び前記受光部が位置することを特徴とする請求項３記載の光学装置。
5. 前記受光部が以下の条件式(6)を満足する複数の光ファイバを並べることにより構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の光学装置；
   Ｄ／ｄ＜５ …(6)
   ただし、
   Ｄ：光ファイバの外径、
   ｄ：光ファイバのコア径、
   である。
6. 前記受光部が光電変換素子で構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の光学装置。

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