JP2011081132A - 分散素子、分光装置、及び波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】波長を変化させたときに出射光が強度変調を起こさない分散素子、並びに、それを用いた分光装置及び波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】相対する第１透過面と第２透過面とを有するプリズムと、相対する第３透過面と回折格子が形成された回折光学面とを有する光学素子とを備えた分散素子であって、プリズムと光学素子とが、第１透過面と第３透過面との接合により一体に構成され、回折格子の溝に垂直な面内において、第３透過面と回折光学面とが、非平行に形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、分散素子、分光装置、及び波長選択スイッチに関するものである。

非特許文献１において、イマージョングレーティング（分散素子）の作成方法が開示されている。シリコンのウェハ上にフェイズシフトマスクにてグレーティングパターンを施し、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いた結晶性のエッチング（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｔｃｈ）にて溝を作成する。この溝は、きわめて高精度な平行平面板であるウェハの一方の面に微細に刻まれている。以後、溝が形成されたシリコンウェハをチップと呼ぶ。

また、従来の波長選択スイッチとして、反射型の波長選択スイッチが、特許文献１に提案されている。

図１６、図１７は、従来のイマージョングレーティング（分散素子）の内部における光の進み方を示す図である。
図１６、図１７に示す従来のイマージョングレーティングは、チップ９００の溝のない面９０２と、別に用意したプリズム９２０の側面９２１とを接合している。チップ９００には、接合された面９０２に対向する面９０１に上述の溝が形成されている。このイマージョングレーティングには、プリズム９２０の別の側面９２２から光を入射する。

米国特許第６７０７９５９号明細書

Ｌｏｗ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｅｍｕｌｔｉｍｌｅｘｉｎｇ， Ｅ． Ｐｏｐｏｖ、 ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ． １２， Ｉｓｓｕｅ ２， ｐｐ． ２６９−２７５

しかしながら、前述のチップとプリズムの接合には、従来の接合材を用いることができない。これは、シリコンの屈折率が近赤外線の波長において３を超えて高くなることから、適切な接合材が存在しないためである。

したがってチップとプリズムの接合には、オプティカルコンタクト、活性化接合などの常温接合が用いることが好ましい。

図１６、図１７に示すイマージョングレーティングに入射した光Ｌ８０、Ｌ９０の大部分は回折面である面９０１で分光され、その後、チップ９００とプリズム９２０との接合面である、面９０２及び側面９２１で反射することなくプリズム９２０に入射し、入射面兼出射面である側面９２２から射出される。このように側面９２２から射出される光Ｌ８１（図１６の実線）、Ｌ９１（図１７の実線）を正規光と呼ぶ。

これに対して、チップ９００とプリズム９２０との接合が完全でなく、接合面に不純物などが混入していた場合、接合面をはさむ両方の媒質が同一であったとしても、接合面を透過して面９０１で分光された光の一部は接合面にて反射する。接合面で反射した光のうち、回折面９０１で一度だけ回折を起こした光Ｌ８２（図１６の点線）、Ｌ９２（図１７の点線）はプリズム９２０の側面９２２から、前述の正規光Ｌ８１、Ｌ９１と同様の方向に射出される。ここで、接合面で反射した後に側面９２２から射出される光Ｌ８２、Ｌ９２をノイズ光と呼ぶ。

このようなイマージョングレーティングがディテクタアレイを有する分光装置に使われる場合を想定すると、正規光とノイズ光はイマージョングレーティングを出たあと平行に飛び、レンズもしくは反射光で集光され、同じディテクタに入射する。

また、上述のイマージョングレーティングが波長選択スイッチに使われる場合を想定すると、正規光とノイズ光は同じチャネルのスイッチング素子に入射する。

イマージョングレーティングへの入射光としてコヒーレントな光を用いていると、正規光（信号光）とノイズ光は互いに光路差を持っているので干渉を起こし強度変調が発生する。また、波長により光路長が異なるため波長に対して強度が振幅する。これは分光装置もしくは波長選択スイッチとしては望ましくない。

さらに、上記の現象はシリコン同士の接合に限らず、高屈折率光学材料の接合においても同様に生じる。

本発明は、これらの点に着目し、波長を変化させたときに出射光が強度変調を起こさない分散素子、並びに、それを用いた分光装置及び波長選択スイッチを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る分散素子は、相対する第１透過面と第２透過面とを有するプリズムと、相対する第３透過面と回折格子が形成された回折光学面とを有する光学素子とを備えた分散素子であって、プリズムと光学素子とが、第１透過面と第３透過面との接合により一体に構成され、回折格子の溝に垂直な面内において、第３透過面と回折光学面とが、非平行に形成されていることを特徴としている。

本発明に係る分散素子において、回折光学面は反射型であって、第３透過面と回折光学面とのなす角Δθ（ｒａｄ）が以下の式（１）を満たすことが好ましい。
λ／（ｎＷ）＜Δθ＜α ・・・（１）
ここで、
λは使用波長、
ｎは光学素子の媒質の屈折率、
Ｗは回折光学面の溝に垂直方向の有効な長さ、
αはプリズムの頂角（ｒａｄ）、
である。

本発明に係る分散素子において、回折光学面は反射型であって、第３透過面と回折光学面とのなす角Δθが以下の式（２）を満たすことが好ましい。
｜（ｍΔλ）／（ｎｄ）｜＜Δθ＜α ・・・（２）
ここで、
ｍは光学素子によって起こる回折の回折次数、
Δλは分散素子によって分解する波長の差、
ｎは光学素子の媒質の屈折率、
ｄは光学素子に形成された溝のピッチ、
αはプリズムの頂角、
である。

本発明に係る分光装置は、光が入射する入射部と、入射部の光出射側に配置された分散素子と、分散素子による分散光のそれぞれの波長に対応する複数の受光部と、分散素子と受光部との間に配置された光学系と、を備えた分光装置であって、分散素子が上述のいずれかの分散素子であることを特徴としている。

本発明に係る波長選択スイッチは、波長選択スイッチ内に波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、光を分散させる分散素子と、分散された波長ごとに光を集光する集光要素と、集光要素からの波長ごとの光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の偏向素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された波長ごとの光を受光する出力部と、を備えており、分散素子が上述のいずれかの分散素子であることを特徴としている。

本発明に係る分散素子、分光装置、及び波長選択スイッチは、波長を変化させたときに出射光が強度変調を起こさないという効果を奏する。

本発明の実施形態に係るチップの構成を示す側面図である。 図１のＩＩ部分を拡大した側面図である。 本発明の実施形態に係るチップの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプリズムの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る分散素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る分散素子の内部における光の進み方を示す図である。 図６のＶＩＩ部分を拡大した図である。 本発明の実施形態に係る分散素子の内部における光の進み方の一例を拡大して示す図である。 本発明の実施形態に係る分散素子の内部における光の進み方の別の例を拡大して示す図である。 本発明の実施形態に係る分散素子を用いた分光装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る分光装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る波長選択スイッチが備えるマイクロミラーアレイの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態の変形例に係る分散素子の内部における光の進み方を示す図である。 図１４のＸＶ部分を拡大した図である。 従来の分散素子の内部における光の進み方を示す図である。 従来の分散素子の内部における光の進み方を示す図である。

以下に、本発明に係る分散素子の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態に係る光学素子としてのチップ１００の構成を示す側面図である。図２は、図１のＩＩ部分を拡大した側面図である。図３は、本実施形態に係るチップ１００の構成を示す斜視図である。

チップ１００は、例えばシリコンのウェハであって、互いに平行であった２平面を加工することにより、第１面１０１と第２面１０２（第３透過面）としている。第１面１０１と第２面１０２は互いに非平行であり、底面１０３から離れるほど互いに近づくような形状を備える。第１面１０１には、互いに平行な溝１１２（図２）が形成されている。溝１１２（回折格子）は、例えば、フェイズシフトマスクを用いて第１面１０１の表面１１１（図２）にグレーティングパターンを施した後に、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドによって結晶性のエッチングを行うことにより形成する。溝１１２の形状は、分散素子の特性に合わせて設定し、例えば、ピッチを０．４μｍ、溝１１２のある領域の高さ（図１、図２の左右方向における長さ）を１４ｍｍとする。

溝加工の後に、第１面１０１には金コートが施される。また、第２面１０２は、チップ１００上の溝１１２と平行な軸に対し所定角度傾斜した面となるように研磨される。これにより、チップ１００は、全体としてくさび形状となる（図３）。チップ１００のくさびの頂角１０４の角度は例えば０．２度である。

図４は、本実施形態に係るプリズム１２０の構成を示す斜視図である。図４に示すプリズム１２０は、チップ１００に合わせた材質及び形状を備えたものを用意する。チップ１００として、上述のような頂角１０４の角度が０．２度のシリコンウェハを用いる場合、プリズム１２０は、底面１２３から離れるほど第１面１２１（第１透過面）と第２面１２２（第２透過面）とが互いに近づくくさび形状とし、その頂角１２４の角度を３５度、材質はシリコンとすることが好ましい。チップ１００とプリズム１２０に用いる材料として、同一のもの、又は、屈折率の差が小さい組合せとすることにより入射光の全反射を抑えることができる。

図５は、本実施形態に係る分散素子１３０の構成の一例を示す斜視図である。チップ１００とプリズム１２０をオプティカルコンタクト、活性化接合などの常温接合法により、第２面１０２と第１面１２１とを互いに接合する。（図５）。接合は、図５に示すように、チップ１００の底面１０３とプリズム１２０の底面１２３を対応させるとともに、チップ１００の頂角１０４とプリズム１２０の頂角１２４を対応させように行う。これに対して、図６に示すように、チップ１００の頂角１０４とプリズム１２０の底面１２３を対応させるとともに、チップ１００の底面１０３とプリズム１２０の頂角１２４を対応させることもできる。

図６のように接合してできた分散素子（以下、イマージョングレーティングと呼ぶことがある）の特性に関して図６、図７を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る分散素子の内部における光の進み方を示す図である。図７は、図６のＶＩＩ部分を拡大した図である。

プリズム１２０の透過面である第２面１２２から入射した光線Ｌ０は、チップ１００の接合面である第２面１０２を透過し、チップ１００の反射回折光学面である第１面１０１にて回折する成分Ｌ１と正反射する成分Ｌ２に分かれる。回折する成分Ｌ１を正規光と呼び、図６、図７中では実線で表すことにする。正規光Ｌ１は接合面１０２を再度透過して透過面１２２からイマージョングレーティングの外に出射する。

一方、正規光Ｌ１と分離して反射回折光学面１０１にて正反射した成分Ｌ２をノイズ光と呼ぶことにする。ノイズ光Ｌ２は接合面１０２にてさらに一部が反射される。この反射した成分Ｌ２は再び反射回折光学面１０１に向かう。反射回折光学面１０１に向かった成分Ｌ２の大部分はそこでさらに回折する。図６、図７では破線で表している。

つまり正規光Ｌ１に比べてノイズ光Ｌ２は２回多く正反射を行っている。２回の正反射が起こる接合面１０２と反射回折光学面１０１は平行ではないので、正規光Ｌ１とノイズ光Ｌ２の透過面１２２に対する入射角は異なる。したがって、透過面１２２から出射するときの角度も正規光Ｌ１とノイズ光Ｌ２とでは異なり、出射後図示しないレンズなどにて集光させられたとしても異なる点に集光する。このため正規光Ｌ１とノイズ光Ｌ２が重ならないので強度変調は起こらない。

次に、図８を参照して、くさび角（チップ１００の頂角１０４の角度）に関して説明する。
図８は、本実施形態に係る分散素子の内部における光の進み方の一例を拡大して示す図である。図８は、反射回折光学面１０１と接合面１０２の近傍の光線の振舞いを示している。

接合面１０２と反射回折光学面１０１のなす角をΔθ（ｒａｄ）とする。絶対屈折率ｎの媒質で満たされている空間を真空中の波長λの入射光Ｌ１０が接合面１０２を透過し反射回折光学面１０１に入射角θ_１で入射する。反射回折光学面１０１により回折角θ_２で回折された入射光は、接合面１０２を透過し正規光Ｌ１１になる成分と、接合面１０２で反射してさらに反射回折光学面１０１において反射角θ_４で正反射して接合面１０２を透過するノイズ光Ｌ１２とに分離される。

分離したい２つの光の波長をそれぞれλとλ＋Δλとする。λ＋Δλの波長の光が反射回折光学面１０１で回折され正規光Ｌ１１になるときの回折角をθ_３（図示せず）とする。回折次数をｍ、グレーティングのピッチをｄ、屈折率をｎとし、λとλ＋Δλ（Δλ＞０）とでｎが変わらないとすると、回折の式より次式（３）、（４）が成り立つ。
ｎｓｉｎθ_１−ｎｓｉｎθ_２＝（ｍλ）／ｄ ・・・（３）
ｎｓｉｎθ_１−ｎｓｉｎθ_３＝［ｍ（λ＋Δλ）］／ｄ ・・・（４）

上式（３）、（４）より
ｓｉｎθ_３−ｓｉｎθ_２＝−（ｍΔλ）／（ｎｄ） ・・・（５）
ここで０＜θ_１＜θ_２とすればｍ＜０であり、式（５）の右辺が正となるため次式が成り立つ。
０＜θ_１＜θ_２＜θ_３

また、
ｓｉｎθ_４＝ｓｉｎ（θ_２＋２Δθ）
において、｜２Δθ｜＜＜１ とすると、
ｓｉｎθ_４＝ｓｉｎθ_２＋２Δθｃｏｓθ_２
となり、さらに次式（６）に変形できる。
ｓｉｎθ_４―ｓｉｎθ_２＝２Δθｃｏｓθ_２ ・・・（６）

上式（５）、（６）から次式（７）が導かれる。
ｓｉｎθ_４―ｓｉｎθ_３＝２Δθｃｏｓθ_２＋［（ｍΔλ）／（ｎｄ）］ ・・・（７）
ここで、
θ_２＜θ_３＜θ_４
のときに波長をλの正規光とノイズ光が混ざらないので、上式（７）より、
２Δθｃｏｓθ_２＋［（ｍΔλ）／（ｎｄ）］＞０

となる。したがって次式（８）が成り立つ。
Δθ＞−（ｍΔλ）／（２ｎｄｃｏｓθ_２） ・・・（８）

次に、図９を参照して、ノイズ光が出る別のパターンについて、くさび角に関して説明する。図９は、本実施形態に係る分散素子の内部における光の進み方の別の例を拡大して示す図である。

この例においても、接合面１０２と反射回折光学面１０１のなす角をΔθとする。屈折率ｎの媒質で満たされている空間を真空中の波長λの入射光Ｌ２０が接合面１０２を透過し反射回折光学面１０１に入射角θ_１で入射する。この入射光Ｌ２０は主に２つの成分Ｌ２１、Ｌ２２に分離される。すわなち、反射回折光学面１０１により回折角θ_２で回折され接合面１０２を透過し正規光Ｌ２１になる成分と、反射回折光学面１０１で正反射してさらに接合面１０２において正反射して、再び反射回折光学面１０１に角度θ_１＋２Δθで入射し、回折角θ_５で回折し、接合面１０２を透過しノイズ光Ｌ２２になる成分である。

分離したい２つの光の波長をそれぞれλとλ＋Δλとする。λ＋Δの波長の光が反射回折光学面１０１で回折され正規光Ｌ２１になるときの回折角をθ_３（図示せず）とする。また、回折次数をｍ、グレーティングのピッチをｄ、屈折率をｎとし、λとλ＋Δλ（Δλ＞０）とでｎが変わらないとする。上式（４）はこの場合でも成り立っている。ノイズ光Ｌ２２についての回折の式より、
ｎｓｉｎ（θ_１＋２Δθ）−ｎｓｉｎθ_５＝（ｍλ）／ｄ
であり、
｜２Δθ｜＜＜１
とすると次式（９）が成り立つ。
ｓｉｎθ_１＋２Δθｃｏｓθ_１−ｓｉｎθ_５＝（ｍλ）／（ｎｄ） ・・・（９）

上式（４）、（９）から次式（１０）が導かれる。
ｓｉｎθ_５−ｓｉｎθ_３＝２Δθｃｏｓθ_１＋［（ｍΔλ）／（ｎｄ）］ ・・・（１０）
ここで、θ_２＜θ_３＜θ_５のときに、波長λの正規光Ｌ２１とノイズ光Ｌ２２は互いに混ざらないので、式（１０）より、
２Δθｃｏｓθ_１＋［（ｍΔλ）／（ｎｄ）］＞０
となる。したがって次式（１１）が成り立つ。
Δθ＞−（ｍΔλ）／（２ｎｄｃｏｓθ_１） ・・・（１１）

ここで、上式（８）、（１１）のΔλが回折格子で分光できる最小のΔλ_０である場合について考察する。
まず、回折格子の波長分解能Ｒは有効な溝の本数をＮとして次式（１２）を満たすことが知られている。
Ｒ＝｜ｍＮ｜ ・・・（１２）

また、一般的に波長分解能は次式（１３）で定義できる。
Ｒ＝λ／（Δλ_０） ・・・（１３）

さらに、溝１１２のある領域の幅をＷとすると次式（１４）が成り立つ。
Ｗ＝Ｎｄ ・・・（１４）

上式（１２）、（１３）、（１４）より次式（１５）が導かれる。
｜（ｍΔλ_０）／ｄ｜＝λ／Ｗ ・・・（１５）
ここで、上式（１５）を上式（１１）に代入すると次式（１６）となる。
Δθ＞λ／（２ｎＷｃｏｓθ_１） ・・・（１６）

さらに、上式（１５）を上式（８）に代入すると次式（１７）が導かれる。
Δθ＞λ／（２ｎＷｃｏｓθ_２） ・・・（１７）

式（１６）、（１７）のθ_１、θ_２が実際に取る値を０から６０°程度とすると次式（１８）が成り立つ。
λ／（ｎＷ）＜Δθ ・・・（１８）
本実施形態の分散素子が、式（１８）を満たすΔθのくさび角を持つ場合、上式（１２）の波長分解能において正規光Ｌ２１とノイズ光Ｒ２２が互いに重なることはない。

一方、くさび角は元のイマージョングレーティングの形状を定めるがプリズム１２０の頂角の角度α（ｒａｄ）を超えることはない。したがってプリズムの頂角をとするとき、次式（１９）が成り立つ。
Δθ＜α ・・・（１９）

上式（１８）、（１９）より、次式（１）が導かれる。
λ／（ｎＷ）＜Δθ＜α ・・・（１）

また、分離したい２つの光の波長があらかじめλとλ＋Δλに定まっているときは、θ１、θ２が実際に取る値は０から６０°程度であることを考慮して、上式（８）、（１１）より次式（２０）が導かれる。
Δθ＞｜（ｍΔλ）／（ｎｄ）｜ ・・・（２０）

上式（１９）、（２０）より、次式（２）が求められる。
｜（ｍΔλ）／（ｎｄ）｜＜Δθ＜α ・・・（２）

ここで、くさび角Δθの上限は、α／１０よりも小さいことが好ましく、α／３０とするとより好ましい。さらに、α／１００とすることが好ましい。

接合面１０２と反射回折光学面１０１のなす角Δθ、すなわちくさび角が、式（１）や式（２）を満たすように分散素子の形状及び材質を設計すれば、波長λのノイズ光Ｌ２２は、波長λの正規光Ｌ２１から見て波長λ＋Δλの正規光よりも離れた位置を通る。このため、正規光Ｌ２１が、強度変調を起こすような干渉を起こすことがない。

例えば、λ＝１．５５μｍ、ｎ＝３．４５、Ｗ＝１４ｍｍ、α＝３５度＝３５π／１８０（ｒａｄ）とするとき、式（１）のλ／（ｎＷ）は約３．２×１０^−５となる。一方、Δθ＝０．２度＝０．２π／１８０（ｒａｄ）より、Δθは約３．５×１０^−３である。したがって、式（１）の左側のλ／（ｎＷ）＜Δθを満たす。このとき、式（１）の右側のΔθ＜αも満たしている。

また、ｍ＝−１、Δλ＝０．８ｎｍ、ｎ＝３．４５、ｄ＝４００ｎｍ、α＝３５度＝３５π／１８０（ｒａｄ）とするとき、式（２）の｜（ｍΔλ）／（ｎｄ）｜は約５．８×１０^−４となる。一方、Δθ＝０．２度＝０．２π／１８０であるので、Δθは約３．５×１０^−３となって、式（２）の左側の｜（ｍΔλ）／（ｎｄ）｜＜Δθを満たすことが分かる。このとき、式（２）の右側のΔθ＜αも満たしている。

図８及び図９では、反射回折光学面１０１で１度のｍ次の回折が起こる正規光Ｌ１１、Ｌ２１に対し、異なるパターンでノイズ光Ｌ１２、Ｌ２２が出る例を説明した。いずれも接合面１０２と反射回折光学面１０１の間で光線が２往復し、反射回折光学面１０１により１度のｍ次の回折と１度の正反射（すなわち０次の回折）が起こるパターンである。

これに対して、ノイズ光は、図８及び図９以外のパターンでも発生しうる。例えば、接合面１０２と反射回折光学面１０１の間で光線が３往復し、反射回折光学面１０１により１度のｍ次の回折と２度の正反射（すなわち０次の回折）が起こるパターンである。これらの光線も接合面１０２と反射回折光学面１０１の間の角度が上述のΔθとなるように分散素子を設計することによって、ノイズ光を正規光とは異なる方向へ飛ばすことができ強度変調を防ぐことができる。

また、ノイズ光が接合面１０２と反射回折光学面１０１の間で光線が２往復するが、ｌとｍが同一ではないときに、１度のｍ次の回折と１度のｌ次の回折が起こるパターンでは、正規光と回折角が異なるので、接合面１０２と反射回折光学面１０１の間の角度Δθをつけるまでもなく、強度変調を起こすような干渉は起こらない。

上述の例ではチップ１００のくさび角を０．２度にしたが、くさび角は、これに限らず上式（１）、（２）を満たすものであればよい。また、チップ１００とプリズム１２０の媒質もシリコンに限らず、使用波長の光に対して透明な性質を持つ光学材料であればよい。

次に、本実施形態に係る分光装置について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る分散素子を用いた分光装置の構成を示す図である。

光の入射部１４１はスリット、ピンホール、もしくは光ファイバからの光を分光する場合には、光ファイバの出射端が固定できるようになっている。入射部１４１からの光は分散素子１３０に入射する。この分散素子１３０は図５に示す分散素子である。また、入射部１４１と分散素子１３０との間に入射部１４１からの光をコリメートするための光学系が置くことが好ましい。

分散素子１３０で分光された各波長の光は、透過光学系１４２により、ディテクタアレイ１４３の各ディテクタ上にそれぞれ集光する。この分光装置は、全体として透過型分光装置となっている。

この分光装置においては、分散素子１３０の接合面１０２と反射回折光学面１０１とのなす角Δθと、ディテクタアレイ１４３の隣り合う各ディテクタが受け取る波長の間隔Δλと、が式（２）を満たすように設定している。これにより、ある波長の正規光が到達するディテクタと、同一波長のノイズ光が到達するディテクタと、は隣かそれ以上に離れており、同一とはならない。したがって、光の強度を測定するときに正規光とノイズ光が干渉して強度変調を起こすことはない。

つづいて、本実施形態の変形例に係る分光装置について図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態の変形例に係る分光装置の構成を示す図である。

図１１に示す分光装置は、分散素子１３０で分光された各波長の光を、反射光学系１５２によって、ディテクタアレイ１５３の各ディテクタ上に集光させる点が図１０に示す分光装置と異なる。入射部１５１、分散素子１３０、及び、ディテクタアレイ１５３の構成及び配置は、図１０に示す分光装置と同様である。

この分光装置においても、分散素子１３０の接合面１０２と反射回折光学面１０１のなす角Δθと、ディテクタアレイ１５３の隣り合う各ディテクタが受け取る波長の間隔Δλと、が式（２）を満たすように設定することにより、正規光とノイズ光が干渉して強度変調を起こすことを防ぐことができる。

次に、本実施形態に係る波長選択スイッチについて図１２、図１３を用いて説明する。図１２は、本実施形態に係る分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。図１３は、本実施形態に係る波長選択スイッチが備えるマイクロミラーアレイの構成を示す斜視図である。

図１２に示す波長選択スイッチは、いわゆる透過型の波長選択スイッチである。この波長選択スイッチは、複数の光ファイバからなるファイバアレイ１６１と、マイクロレンズアレイ１６２と、分散素子１３０と、レンズ１６４と、ＭＥＭＳモジュール（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓモジュール）であるＭＥＭＳミラーアレイ１６５と、を備えている。分散素子１３０は図５に示す分散素子である。

ファイバアレイ１６１内の各光ファイバと、マイクロレンズアレイ１６２内の各マイクロレンズと、はそれぞれ対になっている。これらの対がアレイ状に配置されている。ファイバアレイ１６１は光の入力部兼出力部として機能する。入力部となる光ファイバ（以下、「第１の光ファイバ」という。）から、波長多重された信号光が、分散素子１３０に向けて出射される。光ファイバから出射した光は、マイクロレンズアレイ１６２で平行光束に変換される。

マイクロレンズアレイ１６２から出射した光は、分散素子１３０に入射する。分散素子１３０は、波長多重光を帯状に分散する。
レンズ１６４は集光要素であって、分散素子１３０によって分散された光を、光偏向部材であるＭＥＭＳミラーアレイ１６５の波長ごとの所定位置に導く。

ＭＥＭＳモジュールであるＭＥＭＳミラーアレイ１６５は、分散素子１３０で帯状に分散された各波長の光にそれぞれ対応する複数のマイクロミラー１６６のアレイ（ＭＥＭＳミラーアレイ）を有する（図１３）。

マイクロミラー１６６は、それぞれのミラーがローカルのｘ軸とｙ軸の周りに回転が可能で、主にｙ軸に関する回転により、入射した光を入射方向とは異なる方向へ反射する。ここで、ｙ軸はミラーが配列された方向であり、ｘ軸はミラーの面内でｙ軸に垂直な方向である。

ＭＥＭＳミラーアレイ１６５の複数のマイクロミラー１６６により反射された光は、その進行方向が、入射方向とは異なり、かつ、互いに同じＤ方向であるときは、レンズ１６４により分散素子１３０上に統合され、分散素子１３０での回折後は再び多波長成分の同一光束となる。

これに対して、各マイクロミラー１６６により反射された光のうち、入射方向とも上記Ｄ方向とも異なる方向に反射された光は、レンズ１６４により分散素子１３０上にリレーされ、回折されるが、Ｄ方向に反射された光とは統合されない。

マイクロミラー１６６によって反射された光は、ファイバアレイ１６１の入力部以外の、異なるファイバに入射する。入射したファイバ（第２の光ファイバ）は出力部として機能する。
このように、第１の光ファイバから出射した多波長成分の光は、波長ごとにＭＥＭＳミラーアレイ１６５のマイクロミラー１６６のそれぞれの傾き角により選択的に他のファイバに入射させることができる。
なお、この例ではひとつの光入力部から複数の光出力部へ結合する場合に関して説明したが、複数の光入力部からひとつの光出力部への結合を行うことも可能である。

図１２に示す波長選択スイッチでは、マイクロミラー１６６の間隔は分散素子１３０によって分解する光の波長の差Δλに対応させている。分散素子１３０内の接合面１０２と反射回折光学面１０１のなす角Δθが上式（２）を満たしているときには、正規光が当たるマイクロミラーとノイズ光が当たるマイクロミラーは同一ではない。さらに、これらのマイクロミラーが同一の方向を向いていたとしても、マイクロミラー１６６での反射後の復路における分散素子１３０への入射角が正規光とノイズ光で異なる。このため、ノイズ光が分散素子１３０を通った後は、往路の光路とは重ならず、ファイバアレイ１６１まで戻ることはない。したがって、正規光とノイズ光が重なって干渉を起こし強度変調を起こすことはない。

なお、本実施形態の波長選択スイッチでは、分散素子１３０とＭＥＭＳミラーアレイ１６５の間に透過光学系としてレンズ１６４を配置したが、これに代えて反射光学系としてもよい。

次に、本実施形態の変形例に係る分散素子について、図１４、図１５を参照して説明する。図１４は、本実施形態の変形例に係る分散素子の内部における光の進み方を示す図である。図１５は、図１４のＸＶ部分を拡大した図である。

図５に示す分散素子１３０では、反射型の回折光学面１０１を有するチップ１００を用いたが、これに代えて、図１４、図１５に示すような透過型の回折光学面２０１を持つチップ２００を用いることもできる。プリズム１２０は図４に示すものを用いる。

チップ２００は、透過性を有する材料で構成し、回折光学面としての第１面２０１と第２面２０２（第３透過面）は互いに非平行であり、底面２０３から離れるほど互いに近づくような形状に加工される。第１面２０１には、チップ１００の溝１１２と同様に、互いに平行な溝（不図示）が形成されている。また、第２面２０２は、チップ２００上の溝と平行な軸に対し所定角度傾斜した面となるように研磨される。これにより、チップ２００は、全体としてくさび形状となる（図１４）。

図１４に示す分散素子では、プリズム１２０の透過面である第２面１２２から入射した光線Ｌ３０は、チップ２００の接合面である第２面２０２を透過し、チップ２００の透過回折光学面である第１面２０１にて回折する成分Ｌ３１（実線）と正反射する成分Ｌ３２（破線）に分かれる。以下、回折する成分Ｌ３１を正規光と呼ぶことにする。正規光Ｌ３１はプリズム１２０にもどることなく第１面２０１からイマージョングレーティングの外に出射する。

一方、正規光Ｌ３１と分離して透過回折光学面２０１にて正反射した成分Ｌ３２をノイズ光と呼ぶことにする。ノイズ光Ｌ３２は接合面２０２にてさらに一部が反射される。この反射した成分Ｌ３２は再び透過回折光学面２０１に向かう。透過回折光学面２０１に向かった成分Ｌ３２の大部分はそこでさらに回折し、透過回折光学面２０１からイマージョングレーティングの外に出射する。

このように、正規光Ｌ３１に比べてノイズ光Ｌ３２は２回多く正反射を行っている。２回の正反射が起こる接合面２０２と透過回折光学面２０１は平行ではないので、正規光Ｌ３１とノイズ光Ｌ３２の透過回折光学面２０１からの出射角は互いに異なる。このため、出射後、図示しないレンズなどにて集光させられたとしても異なる点に集光する。このため正規光Ｌ３１とノイズ光Ｌ３２が重ならないので強度変調は起こらない。

以上の実施形態及び変形例では、くさび形状の光学素子（チップ）とプリズムとを互いに接合した例を示したが、本発明の分散素子は、くさび形状の透過型グレーティング（光学素子）を２つのプリズムに挟んだ形で接合した形態をとることもできる。

以上のように、本発明に係る分散素子は、波長を変化させたときに出射光が強度変調を起こさないことを要求される分光装置及び波長選択スイッチに有用である。

１００ チップ（光学素子）
１０１ 第１面（反射回折光学面）
１０２ 第２面（第３透過面、接合面）
１０３ 底面
１０４ 頂角
１１２ 溝（回折格子）
１２０ プリズム
１２１ 第１面（第１透過面）
１２２ 第２面（第２透過面）
１２３ 底面
１２４ 頂角
１３０ 分散素子
１４１ 入射部
１４２ 透過光学系
１４３ ディテクタアレイ
１５１ 入射部
１５２ 反射光学系
１５３ ディテクタアレイ
１６１ ファイバアレイ
１６２ マイクロレンズアレイ
１６４ レンズ
１６５ ＭＥＭＳミラーアレイ
１６６ マイクロミラー
２００ チップ（光学素子）
２０１ 第１面（透過回折光学面）
２０２ 第２面（第３透過面、接合面）
２０３ 底面

Claims (5)

1. 相対する第１透過面と第２透過面とを有するプリズムと、
   相対する第３透過面と回折格子が形成された回折光学面とを有する光学素子と、
   を備えた分散素子であって、
   前記プリズムと前記光学素子とが、前記第１透過面と前記第３透過面との接合により一体に構成され、
   前記回折格子の溝に垂直な面内において、前記第３透過面と前記回折光学面とが、非平行に形成されていることを特徴とする分散素子。
2. 前記回折光学面は反射型であって、
   前記第３透過面と前記回折光学面とのなす角Δθが以下の式（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の分散素子。
   λ／（ｎＷ）＜Δθ＜α ・・・（１）
   ここで、
   λは使用波長、
   ｎは前記光学素子の媒質の屈折率、
   Ｗは前記回折光学面の溝に垂直方向の有効な長さ、
   αは前記プリズムの頂角、
   である。
3. 前記回折光学面は反射型であって、
   前記第３透過面と前記回折光学面とのなす角Δθが以下の式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の分散素子。
   ｜（ｍΔλ）／（ｎｄ）｜＜Δθ＜α ・・・（２）
   ここで、
   ｍは前記光学素子によって起こる回折の回折次数、
   Δλは前記分散素子によって分解する波長の差、
   ｎは前記光学素子の媒質の屈折率、
   ｄは前記光学素子に形成された溝のピッチ、
   αは前記プリズムの頂角、
   である。
4. 光が入射する入射部と、
   前記入射部の光出射側に配置された分散素子と、
   前記分散素子による分散光のそれぞれの波長に対応する複数の受光部と、
   前記分散素子と前記受光部との間に配置された光学系と、
   を備えた分光装置であって、
   前記分散素子が請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分散素子であることを特徴とする分光装置。
5. 波長選択スイッチにおいて、
   前記波長選択スイッチ内に波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
   前記入力部からの前記光を受光し、前記光を分散させる分散素子と、
   分散された波長ごとに光を集光する集光要素と、
   前記集光要素からの前記波長ごとの光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の偏向素子を有する光偏向部材と、
   前記光偏向部材によって偏向された前記波長ごとの光を受光する出力部と、
   を備えており、
   前記分散素子が請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分散素子であることを特徴とする波長選択スイッチ。

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