JP2008151830A - 波長可変フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】アライメントを複雑化させることなく小型で挿入損失の少ない波長可変フィルタを提供すること。
【解決手段】入射光を回折格子１３に入射し、リットマン配置に選択された直角プリズム１４に向けて光を照射する。直角プリズムで光を２回反射して入射方向と平行で逆方向に光を再び回折格子に入射して回折格子で選択された光を出力する。これによって入出射光を分離する必要がなくなる。又コリメート光によって２回回折格子を通過させるため、アライメントが容易となり、高性能の波長可変フィルタが実現できる。
【選択図】図４

Description

本発明は複数の波長が含まれる光信号のうち所望の波長の光を選択し、選択波長を変化させることができる波長可変フィルタに関するものである。

現在の波長分割多重通信技術（ＷＤＭ）を用いた光通信ネットワークにおいては、ＩＴＵ（インターナショナルテレコミュニケーションユニオン）で定められた波長間隔で多数の波長の光を複数多重化して伝送容量の拡大を実現している。従来のＷＤＭ通信では、例えば１５５０ｎｍの波長帯において、０．８ｎｍ間隔の波長多重が実現されており、更により挟帯域の、例えば０．４ｎｍや０．２ｎｍといった狭い波長間隔のシステムの導入が検討されている。多重化されたＷＤＭ信号から任意の波長の信号を選択するために、波長可変フィルタが用いられる。又光計測機器や波長可変レーザにおいても波長可変フィルタが用いられる。

波長可変フィルタとしては、屈折率の異なる複数の材料を交互に多数積層した誘電体多層膜フィルタや、光ファイバのコア内に低屈折率と高屈折率のコアを交互に配置して回折格子とした光ファイバグレーティング、２つの反射鏡間の多重干渉を利用したファブリペローエタロンがある。

又特許文献１では、図１に示すように、光ファイバ１０１、コリメートレンズ１０２により出射した光ビームをプリズム等の波長分散素子１０３を用いて分波し、その分波した光をレンズ１０４で集束してその光の一部を焦点位置に配置したミラー１０５で反射する。そして反射光をレンズ１０４を介して反射光を再び分散素子１０３に入射すると共に、ミラー１０５を移動させることによって、波長を選択する波長可変フィルタが提案されている。選択された光はコリメートレンズ１０６を介して光ファイバ１０７に得られる。

特許文献２では、図２に示すように、２芯の光ファイバ１１１と集束レンズ１１２を用いて、レンズ１１２の中心に対して２つの光ファイバのコア中心を点対称にずらせている。レンズ１１２の光軸上には偏光子１１３、偏波回転素子１１４を配置し、更に偏光子で反射された光を反射するミラー１１５及び回折格子１１６を設ける。回折格子１１６はレンズ１１２の焦点位置にリトロー配置されたものであり、回転させることによって選択波長を変化させている。そして回折格子１１６で反射した光を折り返す光の経路をわずかにずらせることで入出力を異なるファイバに連結している。そして回折格子１１６の角度を変化させて、波長を変化させるようにした波長可変フィルタが提案されている。

更に特許文献３では、特許文献２の２芯ファイバ１１１に代えて入出力用の光ファイバを共通とし、光サーキュレータを用いて入出射光を分離し、コリメート光を回折格子に入射する波長可変フィルタが提案されている。
特開２００５−２６６６２５号公報 特開２００２−２６７９５１号公報 特開２００３−１６７２０４号公報

しかしながら特許文献１では、狭線幅化のため角度分散を大きくした場合に全ての波長を集光するためのレンズの径が大きくなり、波長可変フィルタ全体の形状が大型化するという問題点があった。又特許文献２では、集束レンズの焦点位置に回折格子を配置しておく必要があり、焦点距離の長いレンズを用いる必要があるという欠点があった。更に特許文献３では、集束レンズの焦点位置に回折格子を配置する必要がなく、焦点距離の長いレンズを用いる必要もないが、高価なサーキュレータを用いる必要があり、又サーキュレータは光ファイバを用いているため、フィルタ全体の形状が大型化し、挿入損失の増大が避けられないという欠点があった。

本発明はこのような従来の欠点に鑑みてなされたものであって、アライメントを複雑化させることなく小型で挿入損失の少ない波長可変フィルタを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長可変フィルタは、入力ポートと、前記入力ポートから光が入射され、入射された光を入射方向とは異なった方向に出射する回折格子と、前記回折格子から出射された光を受光する位置に配置され、少なくとも２回の反射によりその入射方向に平行で且つ入射方向とは逆方向に光を前記回折格子に向けて反射する反射部と、前記入力ポートと平行に配置され、前記反射部で反射され、前記回折格子で選択された光を出力する出力ポートと、前記回折格子及び反射部のうちの一方を回転させることにより、前記回折格子への入射角を変化させて選択波長を変化させる回転駆動部と、を有するものである。

ここで前記反射部は、直角プリズムとしてもよい。

ここで前記反射部は、直角をなすように配置した２枚のミラーで構成されるようにしてもよい。

ここで前記回折格子と、前記入力ポート及び出力ポートとの間に挿入され、光のビーム幅を拡大するビーム幅拡大部を更に有するようにしてもよい。

ここで前記回転駆動部は、ウエッジと、外部からの信号に応じて前記ウエッジを直線的に駆動する直線駆動部と、前記回折格子及び反射部のうちの一方に一旦が連結され、他端が前記ウエッジに付勢されて回動するアームと、具備するようにしてもよい。

以上詳細に説明したように本発明によれば、リットマン配置を用いて回折格子に光を２回入射するようにしているため、フィルタの波長分解能を向上させることができる。又光軸を変えて逆方向に光を反射する反射部を用いて入出射光の経路を分離しているため、集束レンズが不要となり、コリメート光を用いて回折格子や直角プリズムを通過させるため、アライメントが容易になる。更に高価なサーキュレータを用いる必要がなく、安価で高性能な波長可変フィルタを実現することができる。

（第１の実施の形態）
図３は本発明の第１の実施の形態による波長可変フィルタの構成を示すＹ軸方向から見た側面図、図４はこの実施の形態のＺ軸方向から見た側面図である。これらの図において、光ファイバ１１はＷＤＭ通信方式の入射用の光ファイバとする。ここでは波長多重光信号として波長λ１〜λｘまで０．４μｍ間隔で多数のチャンネルの波長が多重されている信号とする。光ファイバ１１からの出力はコリメートレンズ１２を介して透過型回折格子１３に入射される。コリメートレンズ１２は入射光を一定の径の平行光とするものである。光ファイバ１１、コリメートレンズ１２は光を入射する入力ポートである。透過型回折格子１３はその表面に所定のピッチで等間隔の格子が形成され、入射光をその波長に応じて異なった角度で透過するものである。この回折格子１３はリットマン配置で用いられ、光分波素子を構成している。透過型回折格子１３からの波長に応じて分波した光が入射する位置に直角プリズム１４が設けられる。

直角プリズム１４は三角柱状のプリズムであって、３つの側面１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうち１４ａが入射面、１４ｂ，１４ｃが反射面となり、反射面１４ｂ，１４ｃが互いに直角となっている。そしてこの直角プリズム１４は図３，図４に示すようにＹ軸を中心に回転駆動部により回動するように構成される。

次に直角プリズム１４の回転駆動部について説明する。直角プリズム１４は保持部１５Ａ，１５Ｂとシャフト１６によってＹ軸に沿って回転自在に保持されている。更にこの直角プリズム１４の下面には図３に示すようにアーム１７が連結されており、アーム１７の下端には円形の回転ガイド１８が回転自在に設けられる。回転ガイド１８がウエッジ板１９の斜面に当接するように、アーム１７にはばね２０によってＸ軸方向に与圧が与えられている。そしてこのウエッジ板１９には直線駆動ユニット２１が設けられる。このユニット２１には、めねじが切られた移動部２２、そのめねじに噛合するリードスクリュー２３、ステッピングモータ２４が設けられる。ステッピングモータ２４は外部からの入力信号に応じて回転し、リードスクリュー２３を駆動するものである。

又光ファイバ１１、コリメートレンズ１２の側方の直角プリズム１４から透過型回折格子１４を介して透過された光を受光する位置に、コリメートレンズ２５及び光ファイバ２６が設けられる。これらは選択された波長の光を出力する出力ポートである。

次に第１の実施の形態による波長可変フィルタの動作について説明する。光ファイバ１１には波長多重光が入射するものとする。波長多重光は波長λ１〜λｘまでの例えば１００チャンネル分の波長多重光が０．４ｎｍ間隔で等間隔に多重されている光とする。この光はコリメートレンズ１２によって平行光に変換され、透過型回折格子１３に加わる。回折格子１３では波長毎に透過方向が異なるため、波長λ１〜λｘの光が互いに異なった角度に透過される。透過された光のうち、直角プリズム１４の入射面１４ａに垂直に入射する波長の光のみが反射面１４ｂ，１４ｃで夫々反射されて、そして入射光と平行な光が透過型回折格子１３に再び逆方向に入射する。そしてその光はコリメートレンズ１２からの入射方向と平行に逆方向に透過され、コリメータ２５を介して光ファイバ２６に戻る。透過型回折格子１３によって波長が選択されるが、同一角度での入射、出射が２回行われるため、波長選択性を高めることができる。

さて選択波長を変化させる場合には、図示のようにステッピングモータ２４を駆動してリードスクリュー２３を回転させる。こうすれば移動部２２がＺ軸方向に移動し、それに伴ってウエッジ板１９をＺ軸方向に移動させる。これにより＋Ｘ軸方向に付勢されているアーム１７がＸ軸方向に移動し、直角プリズム１４をわずかにＹ軸を中心に回動させることができる。これによって直角プリズム１４に垂直に入射する光の波長が変化し、選択波長を変化させることができる。

ここで直角プリズム１４の回転角度と選択波長の関係について説明する。直角プリズム１４の回転角度（deg）に対する波長の変化を例えば１２．８ｎｍ／ｄｅｇ．とし、ＷＤＭでの波長の選択に必要な波長精度を例えば±０．０１６ｎｍ、波長では±２ＧＨｚであると仮定する。もし波長を±０．０１６ｎｍ変化させるためにパルスモータで直接駆動するとすれば、０．００１２５ｄｅｇ．／パルスのステッピングモータが必要となる。通常ステッピングモータにリードスクリューを組み合わせると、１パルス当たり１０μｍ直線的に移動させることができる。しかるにこの直線運動をアームを介して回転運動に変換して直角プリズムを回動させたとしても、アーム長が大きくなりすぎ実用的でない。そのため本実施の形態では、ウエッジ板１９による減速機構を用いている。例えばウエッジ板１９の頂角を５°、３°、１°に変化させたときに、アーム１７の長さに対する必要な角度分解能を図５に示す。このようにウエッジ板１９の頂角の角度を小さくすれば、アーム長を短くして必要分解能を得ることができる。例えばウエッジ板１９の頂角を１°とし、１パルス当たり１０μｍ変化するステッピングモータを用いる場合には、アーム長は約８ｍｍで足りる。

尚、この実施の形態では直角プリズム１４を反射部として用いているが、直角に設定された２枚のミラーを固定して回折格子からの光を入射方向と平行に逆方向に反射する反射部としてもよい。

ここでウエッジ板の斜面はこの実施の形態では直線状としているが、直角プリズムの回動の角度に応じて波長が非線形に変化する場合には、この変化を補正してステッピングモータへのパルス入力に応じて直線的に変化するようにウエッジ板の斜面を非直線的な傾きとすることができる。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。この実施の形態では、透過型回折格子に代えて反射型回折格子を用いたものである。図６Ａは第２の実施の形態の上面の概略図、図６Ｂはその概略斜視図であり、同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この場合には光ファイバ１１、コリメートレンズ１２と出射用のコリメートレンズ２５、光ファイバ２６を反射型回折格子３１に向けて同様に配置し、直角プリズム１４は反射型回折格子３１からの反射光を受光する位置に図示の点１４ｄを中心として回動自在に配置しておく。これにより反射型回折格子３１で選択され直角プリズム１４の入射面１４ａに直角に入射する光を選択して光ファイバ２６に出力することができる。そして直角プリズム１４を回動させることにより、選択波長を変化させることができる。その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様である。

（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について図７を用いて説明する。ここで第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では、透過型回折格子１３を入射部分１３ａを回転中心として微小角度回動自在とすると共に、直角プリズム１４を固定したものである。この場合にも透過型回折格子１３から直角プリズム１４の入射面１４ａに対して直角に入射する光ファイバのみを逆方向に反射させることによって、特定の波長を選択することができる。そして選択波長は透過型回折格子１３の回転角度によって変化させることができる。この場合にも透過型回折格子１３を回転駆動部によって減速することによって、アームを長くすることなく必要な角度分解能を得ることができる。

（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。この実施の形態では、コリメートレンズと回折格子との間にビーム径を拡大するためのプリズムを配置したものである。本発明では、回折格子に対して反射部をリットマン配置としている。リットマン配置においては、波長可変フィルタのスペクトルのフィルタ半値全幅Δλは、以下の式（１）のように記述することができる。
Δλ＝λ^２／（４・π・ｗ_Ｇ・tanθ_ｉ） ・・・（１）
λ：フィルタの中心波長
ｗ_Ｇ：入射ビーム径
θ_ｉ：回折格子入射角度

この式より明らかなように、入射ビームスポットサイズが大きくなれば半値全幅Δλは小さくなる。この実施の形態ではコリメートレンズと回折格子に入射するビーム径ｗ_Ｇを拡大することによって、波長選択特性を改善するようにしたものである。図８は２つのプリズム４１，４２をコリメートレンズ１２と回折格子１３との間に挿入した状態を示している。このとき図８に示すように回折格子１３と直角プリズム１４との間にλ／４波長板４３を設けておいてもよい。その他の構成については第１の実施の形態と同様である。

又図９は２つのプリズム４１，４２によるビーム径拡大の状態を示す図である。本実施の形態において前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。図８に示すように、光ファイバ１１から入射される出射光はコリメートレンズ１２によって平行光に変換され、プリズム４１の斜面に入射される。このとき、プリズム４１の斜面で反射した光はビーム径が拡大されてプリズム４１の他の面を垂直に透過し、第２のプリズム４２に斜面に入射する。そしてここで反射した光はビーム径が更に拡大されて回折格子１３に入射される。又回折格子１３を透過した光が直角プリズムで反射され波長が選択されて再び回折格子１３に加わる。この場合にはプリズム４２，４１を介してビーム径が縮小され、コリメートレンズ２５を介して光ファイバ２６に戻る。このようにプリズムを用いてビーム径を拡大して回折格子に入射することによって、式（１）に示す波長分解能Δλを小さくすることができ、波長選択性を高めることができる。又λ／４波長板４３は光が通過する際に光の偏波方向が変化するため、全体として入射光の偏波依存性を解消することができる。

尚この実施の形態では２つのプリズム４１，４２を用いており、これによって入射光と同一方向の光軸とし、且つビーム径を拡大できるようにしている。これに対して１つ又は３以上のプリズムを用いてビーム径を拡大することができることはいうまでもない。

尚前述した各実施の形態では、回折格子又は反射部の一方をウエッジ板を用いた減速機構によって微小角度回転可能としているが、これらの回転角度を微小に制御できるものであれば、他の形態の回転機構を用いることができる。

従来の波長可変フィルタの構成を示す概略図である。 従来の波長可変フィルタの他の例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態による波長可変フィルタの側面図である。 本実施の形態による波長可変フィルタの上面図である。 本実施の形態によるアーム長と分解能との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態による波長可変フィルタの上面図である。 本実施の形態による波長可変フィルタの斜視図である。 本発明の第３の実施の形態による波長可変フィルタの概略を示す上面図である。 本発明の第４の実施の形態による波長可変フィルタの概略を示す上面図である。 本実施の形態による光ビームの拡大の状態を示す概略図である。

符号の説明

１１，２６ 光ファイバ
１２，２５ コリメートレンズ
１３ 透過型回折格子
１４ 直角プリズム
１４ａ 入射面
１４ｂ，１４ｃ 反射面
１５ａ，１５ｂ 保持部
１６ シャフト
１７ アーム
１８ 回転ガイド
１９ ウエッジ板
２０ ばね
２１ 直線駆動ユニット
２２ 移動部
２３ リードスクリュー
２４ ステッピングモータ
３１ 反射型回折格子
４１，４２ プリズム
４３ λ／４波長板

Claims (5)

1. 入力ポートと、
   前記入力ポートから光が入射され、入射光を入射方向とは異なった方向に出射する回折格子と、
   前記回折格子から出射された光を受光する位置に配置され、少なくとも２回の反射によりその入射方向に平行で且つ入射方向とは逆方向に光を前記回折格子に向けて反射する反射部と、
   前記入力ポートと平行に配置され、前記反射部で反射され、前記回折格子で選択された光を出力する出力ポートと、
   前記回折格子及び反射部のうちの一方を回転させることにより、前記回折格子への入射角を変化させて選択波長を変化させる回転駆動部と、を有する波長可変フィルタ。
2. 前記反射部は、直角プリズムである請求項１記載の波長可変フィルタ。
3. 前記反射部は、直角をなすように配置した２枚のミラーで構成される請求項１記載の波長可変フィルタ。
4. 前記回折格子と、前記入力ポート及び出力ポートとの間に挿入され、光のビーム幅を拡大するビーム幅拡大部を更に有する請求項１記載の波長可変フィルタ。
5. 前記回転駆動部は、
   ウエッジと、
   外部からの信号に応じて前記ウエッジを直線的に駆動する直線駆動部と、
   前記回折格子及び反射部のうちの一方に一旦が連結され、他端が前記ウエッジに付勢されて回動するアームと、具備する請求項１記載の波長可変フィルタ。

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