JP2012145402A - Spectroscope and wavelength selection switch using the same - Google Patents

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俊朗 岡村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectroscope in which variation of dispersion characteristic is sufficiently small even under a temperature change, and a wavelength selection switch using the same.SOLUTION: The spectroscope includes a dispersion element, a prism in which an angle of emission light beam changes by the temperature change, and a light beam angle expansion optical system that is arranged between the prism and the dispersion element and emits a light beam with an angle obtained by proportionally expanding an incident angle of an incident light beam. The wavelength selection switch is configured by including the spectroscope. Consequently, the change of dispersion characteristic is made sufficiently small even under the temperature change.

Description

本発明は、分光器及びそれを用いた波長選択スイッチに関するものである。   The present invention relates to a spectroscope and a wavelength selective switch using the spectrometer.

従来、分光技術を用いた装置が数多く提案されている。
特許文献1には回折格子を用いた分光装置(分光計)が、特許文献2には回折格子を用いた内視鏡(分光内視鏡)がそれぞれ開示されている。また、特許文献3には、プリズムとデジタルマイクロミラーを用いて分光を行う顕微鏡(分光顕微鏡)が開示されている。
Conventionally, many apparatuses using spectroscopic techniques have been proposed.
Patent Document 1 discloses a spectroscopic device (spectrometer) using a diffraction grating, and Patent Document 2 discloses an endoscope (spectral endoscope) using a diffraction grating. Patent Document 3 discloses a microscope (spectral microscope) that performs spectroscopy using a prism and a digital micromirror.

また、特許文献4には光アドドロップ多重化装置という名称で、波長選択スイッチ(WSS:Wavelength Selection Switch)の基本的な構成が開示されている。   Patent Document 4 discloses a basic configuration of a wavelength selective switch (WSS) under the name of an optical add / drop multiplexer.

ここで、波長選択スイッチとは、ROADM(大容量ネットワークに用いられる、波長多重化された光信号を、光信号のまま分岐/挿入が行えるシステムや技術)におけるノードにおかれるデバイスで、波長多重されている光信号の伝送経路の切換えを波長毎に行う光スイッチである。   Here, the wavelength selective switch is a device placed at a node in ROADM (a system or technology that can be used for branching / inserting a wavelength-multiplexed optical signal used in a large-capacity network). This is an optical switch that switches the transmission path of the optical signal that is used for each wavelength.

各ノードでは波長選択スイッチによって、波長多重された光信号から任意の波長の光信号を取り出すことや、波長多重された光信号に任意の波長の光を加えることが可能である。この波長選択スイッチにおいても回折格子が用いられている。   In each node, an optical signal having an arbitrary wavelength can be extracted from an optical signal that has been wavelength-multiplexed by using a wavelength selective switch, and light having an arbitrary wavelength can be added to the optical signal that has been wavelength-multiplexed. This wavelength selective switch also uses a diffraction grating.

また、特許文献5においては、光分散装置(分散素子)であって、プリズムに隣接して貼り付けられた回折素子を備えている。回折格子の膨張と隣接するプリズムの屈折率変化によって効果が相殺し、出射角度が変化を補正している。   Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 is a light dispersion device (dispersion element), which includes a diffraction element attached adjacent to a prism. The effect is offset by the expansion of the diffraction grating and the change in the refractive index of the adjacent prism, and the emission angle corrects the change.

特許文献6、7は、光分散素子として回折格子を用いた波長選択スイッチ(WSS+補正プリズム)が開示されている。光路中にプリズムを配置することにより温度変化による分散角の変化を補正している。   Patent Documents 6 and 7 disclose a wavelength selective switch (WSS + correction prism) using a diffraction grating as a light dispersion element. By disposing a prism in the optical path, changes in the dispersion angle due to temperature changes are corrected.

特開2007−187550号公報JP 2007-187550 A 特開2007−135989号公報JP 2007-135989 A 特開2000−199855号公報JP 2000-199855 A 特許第3937403号公報Japanese Patent No. 3937403 特表2003−509714号公報Special table 2003-509714 gazette 米国特許第7,058,251号明細書US Pat. No. 7,058,251 米国特許第7,630,599号明細書US Pat. No. 7,630,599

特許文献1〜4に記載の従来技術では、温度が変化した際の出射角度の変化についての記述がない。   In the prior arts described in Patent Documents 1 to 4, there is no description about the change in the emission angle when the temperature changes.

特許文献5〜7に記載の従来技術では、温度変化によって分散特性が変化することを課題としてあげその対策を行っている。しかし、温度変化によって分散特性が変化することの主たる原因を回折格子の基板の熱膨張に求めているが、大気の屈折率の変化や分散素子内を光線が通る場合は、温度変化による分散素子自身の屈折率の変化が、分散特性の変化の主たる原因となりうる。   In the prior arts described in Patent Documents 5 to 7, a countermeasure is taken up that the dispersion characteristics change due to temperature change. However, the main cause of the change in dispersion characteristics due to temperature changes is sought in the thermal expansion of the substrate of the diffraction grating, but if the refractive index of the atmosphere changes or light passes through the dispersion element, the dispersion element due to temperature change Changes in its own refractive index can be a major cause of changes in dispersion characteristics.

特に高い屈折率をもつ材料を分散素子に使用している場合はその変化が大きい。このような理由で、従来の分光器では、温度変化に対する安定した分散特性をもつことは困難であった。   The change is particularly great when a material having a high refractive index is used for the dispersive element. For this reason, it has been difficult for conventional spectrometers to have stable dispersion characteristics with respect to temperature changes.

屈折率が高いシリコンを材料としたグリズムを分散素子として使用した分光計の例を図1に示す。
グリズム150は図16に示すようにプリズム152の斜辺に回折格子151を形成したものである。出射角度θ11が回折角θ9の約プリズムの屈折率倍になるので通常の回折格子より分散角を大きくできる。より分散角を大きくするには、プリズムの屈折率を大きくすれば良いので、赤外ではシリコンプリズムなどが使われている。図17に示すように、シリコンプリズム170に、回折格子171を形成したシリコンチップ172を接合したグリズムなどが使用されている。
An example of a spectrometer using a grism made of silicon having a high refractive index as a dispersive element is shown in FIG.
The grism 150 has a diffraction grating 151 formed on the hypotenuse of the prism 152 as shown in FIG. Since the exit angle θ11 is approximately the refractive index times of the prism of the diffraction angle θ9, the dispersion angle can be made larger than that of a normal diffraction grating. In order to further increase the dispersion angle, it is only necessary to increase the refractive index of the prism, so a silicon prism or the like is used in the infrared. As shown in FIG. 17, a grism or the like in which a silicon chip 172 having a diffraction grating 171 formed thereon is bonded to a silicon prism 170 is used.

図1の分光計は、入射した光線はスリット101を通過し、コリメータ102で平行光になりシリコングリズム150に入射する。シリコングリズム150の回折格子面151で回折し、分光される。   In the spectrometer of FIG. 1, incident light passes through the slit 101, becomes parallel light by the collimator 102, and enters the silicon grism 150. The light is diffracted by the diffraction grating surface 151 of the silicon grism 150 and separated.

分光した光はコリメータ102により、受光素子アレイ105上に各波長ごとに集光される。受光素子105アレイの各素子の出力を見ることによりスペクトル強度を得ることができる。   The dispersed light is condensed by the collimator 102 on the light receiving element array 105 for each wavelength. By looking at the output of each element of the light receiving element 105 array, the spectral intensity can be obtained.

上記したようにグリズムは屈折率の高いシリコンを使用しているので、分散角を大きくとることができ分解能が高い。しかし、シリコンの屈折率は温度変化により大きく変化するため、温度によりグリズムから出射光線の角度が変化し、スペクトル分布が波長方向にシフトする。   As described above, since the grism uses silicon having a high refractive index, the dispersion angle can be increased and the resolution is high. However, since the refractive index of silicon changes greatly with changes in temperature, the angle of the emitted light changes from the grism with temperature, and the spectral distribution shifts in the wavelength direction.

シリコンの屈折率と屈折率の温度係数を表1に示す。たとえば波長1.55μm、温度T°Cでの屈折率n(T, 1.55)は
n(T,1.55) = 0.00018 ×(T - 20) + 3.478
で計算できる。
Table 1 shows the refractive index of silicon and the temperature coefficient of the refractive index. For example, the refractive index n (T, 1.55) at a wavelength of 1.55μm and temperature T ° C is
n (T, 1.55) = 0.00018 × (T-20) + 3.478
It can be calculated with

また、図3に示すように各角度を定義する。
θ7 = Asin( sin( θ6 ) / n)
θ8 = α2 - θ7
θ9 = Asin(λ / n / p - Sin( θ8 ) )
θ10 = θ9 - α2
θ11 = Asin( n sin( θ10 ) )
Further, each angle is defined as shown in FIG.
θ7 = Asin (sin (θ6) / n)
θ8 = α2-θ7
θ9 = Asin (λ / n / p-Sin (θ8))
θ10 = θ9-α2
θ11 = Asin (n sin (θ10))

ここで、
n:各波長各温度での屈折率、
p:グリズム回折格子面の格子ピッチ、
である。
here,
n: Refractive index at each wavelength and temperature,
p: grating pitch of grism diffraction grating surface,
It is.

表2に示す値を使用して、グリズムからの出射角度(θ11)を計算すると表3に示すようになる。また、以下の数式に示すよう波長シフト量δλを計算した結果を、表4に掲げる。グラフにするとグラフ1(図18参照)のようになる。   Using the values shown in Table 2, the emission angle from the grism (θ11) is calculated as shown in Table 3. Table 4 shows the results of calculating the wavelength shift amount δλ as shown in the following formula. The graph is as shown in graph 1 (see FIG. 18).

10°Cで0.75nm程度のシフト量になる。たとえばWDM等の光通信では、1チャンネルの波長幅が約0.8nmまたは0.4nm程度であるので、光通信用機器での計測等で使用する分光器としては、非常に大きなシフト量になる。   The shift amount is about 0.75 nm at 10 ° C. For example, in optical communication such as WDM, the wavelength width of one channel is about 0.8 nm or about 0.4 nm, so that the amount of shift is very large as a spectroscope used for measurement in an optical communication device. .

また、図2には特許文献6,7に記載されている方法と同様に補正プリズムを使用して補正する例を示している。グリズムに入射する角度を補正プリズムによって温度とともに変化させ、グリズムから出射する角度を温度によらず一定になるようにしている。   FIG. 2 shows an example in which correction is performed using a correction prism in the same manner as the methods described in Patent Documents 6 and 7. The angle incident on the grism is changed with the temperature by the correction prism so that the angle emitted from the grism is constant regardless of the temperature.

図4に示すように各角度を定義する。スネルの法則と回折の法則から下記の関係がある。
θ2 = Asin( sin( θ1 ) / n )
θ3 = α1 - θ2
θ4 = Asin( n sin( θ3 ) )
θ6 = θ4 - θ5
θ7 = Asin( sin( θ6 ) / n)
θ8 = α2 - θ7
θ9 = Asin(λ / n / p - Sin( θ8 ) )
θ10 = θ9 - α2
θ11 = Asin( n sin( θ10 ) )
ここで、
n:各波長各温度での屈折率
p:グリズム回折格子面の格子ピッチ
θ5:基準波長、基準温度(ここでは20°C、1.55μm)のときのθ6が、グリズムの効率が高くなる値に定めている。
θ6=17度、θ5 = θ4(20°C、1.55μmのときの)−17度
となる。
Each angle is defined as shown in FIG. From Snell's law and diffraction law, there is the following relationship.
θ2 = Asin (sin (θ1) / n)
θ3 = α1-θ2
θ4 = Asin (n sin (θ3))
θ6 = θ4-θ5
θ7 = Asin (sin (θ6) / n)
θ8 = α2-θ7
θ9 = Asin (λ / n / p-Sin (θ8))
θ10 = θ9-α2
θ11 = Asin (n sin (θ10))
here,
n: Refractive index at each wavelength at each temperature p: Grating pitch of the grism diffraction grating surface θ5: θ6 at the reference wavelength and reference temperature (20 ° C, 1.55 μm here) is a value that increases the efficiency of the grism It is stipulated in.
θ6 = 17 degrees, θ5 = θ4 (at 20 ° C., 1.55 μm) −17 degrees.

表5、表6に示す値を使用して、温度に対する、グリズムからの出射角度θ11を計算する。補正プリズムの入射角度θ1と頂角α1は、温度変化に対してグリズムからの出射角度θ11の変化が最小かつ補正プリズムの入射角θ1と出射角θ4がほぼ等しくなるように、設定している。   Using the values shown in Tables 5 and 6, the emission angle θ11 from the grism with respect to the temperature is calculated. The incident angle θ1 and the apex angle α1 of the correction prism are set so that the change of the emission angle θ11 from the grism is minimal with respect to the temperature change, and the incident angle θ1 and the emission angle θ4 of the correction prism are substantially equal.

結果を表7に示す。そして、上述の[数1]に示したように、波長シフト量δλを計算する。   The results are shown in Table 7. Then, as shown in the above [Equation 1], the wavelength shift amount δλ is calculated.

この結果として波長シフト量を表8に掲げる。グラフにするとグラフ2(図19参照)のようになる。-20から60°Cで0.05nm程度の波長シフト量となる。この分光装置を波長選択スイッチ等に使用した場合、波長シフトは一つのチャンネルの帯域を減少させることになる。1チャンネルが50GHz幅のWDMシステムの場合、波長に換算すると1チャンネルは0.4nm程度の幅になる。0.05nmのシフトは10%程度、帯域を制限することになる。   As a result, the wavelength shift amount is listed in Table 8. The graph is as shown in graph 2 (see FIG. 19). The wavelength shift amount is about 0.05 nm at -20 to 60 ° C. When this spectroscopic device is used for a wavelength selective switch or the like, the wavelength shift reduces the band of one channel. In the case of a WDM system in which one channel is 50 GHz wide, when converted to a wavelength, one channel has a width of about 0.4 nm. The 0.05 nm shift limits the bandwidth by about 10%.

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、温度変化があっても分散特性の変化が十分に小さい分光装置とそのような分光装置を使用した波長選択スイッチを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a spectroscopic device in which a change in dispersion characteristics is sufficiently small even when there is a temperature change, and a wavelength selective switch using such a spectroscopic device. .

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る分光器は、
分散素子と、
温度変化に対して出射光線の角度が変化するプリズムと、
前記プリズムと分散素子の間に配置された入射光線の入射角度を比例拡大した角度で光線を出射する光線角度拡大光学系と、
を備えることを特徴とする。
なお、分散素子とは、光を分散させる素子で、屈折率が波長によって変化する素子(光をスペクトルに分ける機能を有する素子)であって、例えば、プリズム、回折格子、グリズム等の光学要素が一例として相当する。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a spectrometer according to the present invention includes:
A dispersive element;
A prism in which the angle of the emitted light changes with respect to temperature changes;
A light beam angle expanding optical system that emits a light beam at an angle that is obtained by proportionally expanding the incident angle of the incident light beam disposed between the prism and the dispersion element;
It is characterized by providing.
A dispersive element is an element that disperses light and whose refractive index changes according to wavelength (an element having a function of dividing light into a spectrum). For example, an optical element such as a prism, a diffraction grating, or a grism is used. It corresponds as an example.

本発明において、前記分散素子がシリコングリズムであり、前記プリズムがシリコンプリズムであり、光線角度拡大光学系がアフォーカル光学系であることを特徴とすることができる。   In the present invention, the dispersive element may be a silicon grism, the prism may be a silicon prism, and the light beam angle expanding optical system may be an afocal optical system.

また、本発明に係る分光器は、
分散素子と、
温度変化に対して出射光線の角度が変化するプリズムと、
補正光学系と分散素子の間に配置されたアフォーカル光学系と、
を備え、
前記分散素子、前記アフォーカル光学系、前記補正光学系をそれぞれ、前記プリズムからの出射する光線が温度変化によって出射角度が変化するときの回転中心と、分散素子に入射する光線が温度変化によって変化するときの回転中心と、が共役の関係になるように、配置したことを特徴とする。
The spectroscope according to the present invention is
A dispersive element;
A prism in which the angle of the emitted light changes with respect to temperature changes;
An afocal optical system disposed between the correction optical system and the dispersive element;
With
The dispersion element, the afocal optical system, and the correction optical system respectively change the rotation center when the light beam emitted from the prism changes its emission angle due to a temperature change, and change the light beam incident on the dispersion element with a temperature change. It is characterized in that it is arranged so as to have a conjugate relationship with the center of rotation.

また、本発明において、前記分散素子がシリコングリズムであり、前記補正光学系がシリコンプリズムであることを特徴とすることができる。   In the present invention, the dispersive element may be a silicon grism, and the correction optical system may be a silicon prism.

本発明に係る波長選択スイッチは、
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、
温度変化に対して出射光線の角度が変化するプリズムと、
前記光を分散させる分散素子と、
前記プリズムと分散素子の間に配置されたアフォーカル光学系と、
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、
を備えていることを特徴とする。
The wavelength selective switch according to the present invention is:
At least one input unit for receiving wavelength-multiplexed light;
A prism in which the angle of the emitted light changes with respect to temperature changes;
A dispersing element for dispersing the light;
An afocal optical system disposed between the prism and the dispersive element;
A condensing element for condensing light for each dispersed wavelength;
A light deflecting member having a plurality of deflecting elements capable of independently deflecting the light for each wavelength from the condensing element for each wavelength;
An output unit for receiving the light of each wavelength deflected by the light deflection member;
It is characterized by having.

本発明は、温度変化があっても分散特性の変化が十分に小さい分光器とそのような分光装置を使用した波長選択スイッチを提供することができる。   The present invention can provide a spectrometer having a sufficiently small change in dispersion characteristics even when there is a temperature change, and a wavelength selective switch using such a spectrometer.

屈折率が高いシリコンを材料としたグリズムを分散素子として使用した分光計の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spectrometer which used the grism made from the silicon | silicone with a high refractive index as a dispersive element. 補正プリズムを使用して温度変化を補正する一例を示す図である。It is a figure which shows an example which correct | amends a temperature change using a correction prism. グリズムの構成例と各角度を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a grism, and each angle. 補正プリズムを含む構成例と各角度を示す図である。It is a figure which shows the structural example containing a correction prism, and each angle. 本発明の第1の実施形態に係る分光装置の全体的な構成例を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically showing an overall configuration example of a spectroscopic device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 同上実施形態に係る分光部の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the spectroscopy part which concerns on embodiment same as the above. 同上実施形態において各角度を定義する図である。It is a figure which defines each angle in embodiment same as the above. 同上実施形態に係るアフォーカル光学系を説明する図である。It is a figure explaining the afocal optical system which concerns on embodiment same as the above. 波長シフト量δλの算出について説明する図である。It is a figure explaining calculation of wavelength shift amount deltalambda. 同上実施形態に係るアフォーカル光学系において回転中心(P1)と回転中心(P2)とが共役の関係にない場合に、温度変化があったとき、グリズムからの出射光線が角度変化はないが平行移動する様子を示す図である。In the afocal optical system according to the embodiment, when the rotation center (P1) and the rotation center (P2) are not in a conjugate relationship, when there is a temperature change, the emitted light from the grism does not change the angle but is parallel. It is a figure which shows a mode that it moves. 同上実施形態に係るアフォーカル光学系において回転中心(P1)と回転中心(P2)とを共役の関係にセットした場合に、温度変化があっても、グリズムからの出射光線が角度変化や平行移動なく出射する様子を示す図である。In the afocal optical system according to the above embodiment, when the rotation center (P1) and the rotation center (P2) are set in a conjugate relationship, even if there is a temperature change, the emitted light from the grism changes in angle or translates. It is a figure which shows a mode that it radiates | emits without. 同上実施形態に係るアフォーカル光学系において回転中心(P1)と回転中心(P2)とが共役の関係にない場合に、温度変化があったとき、受光素子アレイに対して角度を持って入射する様子を示す図である。In the afocal optical system according to the same embodiment, when the rotation center (P1) and the rotation center (P2) are not in a conjugate relationship, when there is a temperature change, the light enters the light receiving element array at an angle. It is a figure which shows a mode. 同上実施形態に係るアフォーカル光学系において、回折レンズを組み合わせた場合の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example at the time of combining a diffractive lens in the afocal optical system which concerns on embodiment same as the above. 本発明の第2の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the wavelength selective switch which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 同上実施形態に係る波長選択スイッチのミラーアレイの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the mirror array of the wavelength selection switch which concerns on embodiment same as the above. グリズムの構成例と各角度を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a grism, and each angle. シリコンプリズムに、回折格子を形成したシリコンチップを接合したグリズムの構成例と各角度を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a grism which joined the silicon | silicone chip | tip which formed the diffraction grating to the silicon prism, and each angle. グラフ1を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a graph 1; グラフ2を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a graph 2; グラフ3を示す図である。FIG. グラフ4を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a graph 4; グラフ5を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a graph 5;

以下に、本発明に係る実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。また、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the same reference numerals denote the same or corresponding parts throughout the drawings. Further, the present invention is not limited to the embodiments.

<第1の実施形態>
(構成)
本実施形態のプリズム(分光装置)300は、図5に示すように、以下の構成を備えている。
すなわち、光線が入力する入射スリット101と、入射スリット191より入射する複数波長の光線を略平行光にするコリメータ102と、後述の分光部103と、分光された光をそれぞれ集光するコリメータ104と、予め分割された、それぞれの波長帯の光を受光する受光素子アレイ105と、を含んで構成されている。
<First Embodiment>
(Constitution)
As shown in FIG. 5, the prism (spectral device) 300 of the present embodiment has the following configuration.
That is, an incident slit 101 into which a light beam is input, a collimator 102 that converts light beams of a plurality of wavelengths incident from the incident slit 191 into substantially parallel light, a later-described spectroscopic unit 103, and a collimator 104 that collects the dispersed light, respectively. , And a light receiving element array 105 that receives light of each wavelength band divided in advance.

分光部は、図6に示すように、以下の構成を備えている。
屈折率nの媒質からなる、頂角α1の補正プリズム140と、屈折率nの媒質からなる、頂角α2、ピッチp、回折次数1のグリズム150と、補正プリズム140とグリズム150の間にアフォーカル倍率mのアフォーカル光学系ALと、を含んで構成されている。
As shown in FIG. 6, the spectroscopic unit has the following configuration.
A correction prism 140 having an apex angle α1 made of a medium having a refractive index n, a grism 150 having an apex angle α2, a pitch p, and a diffraction order 1 made of a medium having a refractive index n, and a correction prism 140 and the grism 150 being arranged between them. And an afocal optical system AL having a focal magnification m.

アフォーカル光学系ALは以下の構成を備えている。
焦点距離f1を持つレンズL1と、焦点距離f2を持つレンズL2と、を含んで構成されている。アフォーカル倍率mは図8に示す構成において、以下の数式により、m=f1/f2となる。
The afocal optical system AL has the following configuration.
The lens L1 includes a lens L1 having a focal length f1 and a lens L2 having a focal length f2. The afocal magnification m is m = f1 / f2 in the configuration shown in FIG.

アフォーカル光学系ALの光軸は基準温度、基準波長のときの光線としている。ここでは、基準温度20°C、基準波長1.55μmとしている。温度が変化すると光線が光軸から傾く。その傾きをアフォーカル光学系ALへ入射するときをθ41、出射するときをθ61としている。   The optical axis of the afocal optical system AL is a light beam at a reference temperature and a reference wavelength. Here, the reference temperature is 20 ° C. and the reference wavelength is 1.55 μm. When the temperature changes, the light beam tilts from the optical axis. The inclination is θ41 when incident on the afocal optical system AL and θ61 when emitted.

θ41は補正プリズム140から出射するときの出射角の、基準光線からの変化量である。変化量は、非常に小さいのでsinθをθで近似できる。アフォーカル光学系ALは通常の光学ガラスを材料としている。通常の光学ガラスの屈折率の温度係数はシリコンと比較すると2桁小さく無視できる。   θ41 is the amount of change from the reference ray of the exit angle when exiting from the correction prism 140. Since the amount of change is very small, sin θ can be approximated by θ. The afocal optical system AL is made of ordinary optical glass. The temperature coefficient of refractive index of ordinary optical glass is negligible by two orders of magnitude compared with silicon.

光通信でのシステムでの測定または、装置として使用する場合、波長帯域も狭いので、通常の光学ガラスでは屈折率はほとんど変化しない。ここでは、屈折率はほとんど変化しないと考えて、アフォーカル光学系ALに使用しているレンズの焦点距離fは一定として計算している。   When the optical communication system is used for measurement or as an apparatus, since the wavelength band is narrow, the refractive index hardly changes in ordinary optical glass. Here, it is assumed that the refractive index hardly changes, and the focal length f of the lens used in the afocal optical system AL is assumed to be constant.

補正プリズム140には図5のコリメータ102から出た光が入射する。プリズム140は入射光25(図6)の当たる順に第1面、第2面を持つ。補正プリズム140を出た光はアフォーカル光学系ALに入射する。   The light emitted from the collimator 102 in FIG. 5 enters the correction prism 140. The prism 140 has a first surface and a second surface in the order in which the incident light 25 (FIG. 6) strikes. The light exiting the correction prism 140 enters the afocal optical system AL.

グリズム150はアフォーカル光学系を通過した後の光が当たる順に、第1面、回折格子面である第2面、第1面と共通の第3面23(図7)を持つ。グレーティング第3面を出た光は、主に第2面により分光されていて、図5のコリメータ102に向かう。   The grism 150 has a first surface, a second surface that is a diffraction grating surface, and a third surface 23 that is common to the first surface (FIG. 7) in the order in which light after passing through the afocal optical system strikes. The light exiting from the third surface of the grating is mainly split by the second surface and travels to the collimator 102 in FIG.

図7に示すように角度を定義するとスネルの法則と回折の法則から下記の関係がある。
θ2 = Asin( sin( θ1 ) / n )
θ3 = α1 - θ2
θ4 = Asin( n sin( θ3 ) )
θ41 = θ4(T°C、λのときの) - θ4(基準温度、基準波長のとき(ここでは20°C、1.55μm))
θ61 = m θ41
θ6 = 180-θ61 - θ4(基準温度、基準波長のとき)- θ5
θ7 = Asin( sin( θ6 ) / n)
θ8 = α2 - θ7
θ9 = Asin(λ / n / p - Sin( θ8 ) )
θ10 = θ9 - α2
θ11 = Asin( n sin( θ10 ) )
When the angle is defined as shown in FIG. 7, there is the following relationship from Snell's law and diffraction law.
θ2 = Asin (sin (θ1) / n)
θ3 = α1-θ2
θ4 = Asin (n sin (θ3))
θ41 = θ4 (at T ° C, λ)-θ4 (at reference temperature and reference wavelength (here 20 ° C, 1.55μm))
θ61 = m θ41
θ6 = 180-θ61-θ4 (at reference temperature and reference wavelength)-θ5
θ7 = Asin (sin (θ6) / n)
θ8 = α2-θ7
θ9 = Asin (λ / n / p-Sin (θ8))
θ10 = θ9-α2
θ11 = Asin (n sin (θ10))

ここで、
n:各波長各温度での屈折率、
p:グリズム回折格子面の格子ピッチ、
θ5は基準波長、基準温度(ここでは20°C、1.55μm)のときのθ6が、グリズムの効率が高くなる値に定めている。
ここではθ6=17度、基準温度、基準波長ではθ61 = 0 だから
θ5 = 180 - θ4(20°C、1.55μmのときの) - 17
補正プリズム140の入射角θ1、頂角α1とアフォーカル倍率mを適当な値にすることにより、グリズム150からの光線の出射角度θ11を温度によらず一定にできる。
here,
n: Refractive index at each wavelength and temperature,
p: grating pitch of grism diffraction grating surface,
θ5 is determined such that θ6 at the reference wavelength and the reference temperature (here, 20 ° C., 1.55 μm) increases the efficiency of the grism.
Here θ6 = 17 degrees, reference temperature, and reference wavelength θ61 = 0, so θ5 = 180-θ4 (at 20 ° C, 1.55μm)-17
By setting the incident angle θ1, the apex angle α1, and the afocal magnification m of the correction prism 140 to appropriate values, the light emission angle θ11 from the grism 150 can be made constant regardless of the temperature.

表9、表10、表11の値を使用して、グリズムから光線の出射角度を計算すると表12のようになる。上述の[数1]に示すように波長シフト量を計算した結果を表13に示す。グラフをグラフ3(図20参照)に示す。   Using the values in Tables 9, 10, and 11, the light output angle is calculated from the grism as shown in Table 12. Table 13 shows the result of calculating the wavelength shift amount as shown in [Equation 1] above. The graph is shown in graph 3 (see FIG. 20).

波長シフト量は0.003nm程度である。この分光装置をチャンネル幅50GHzのWDMシステムに使用する波長選択スイッチに応用した場合、波長シフトによる1チャンネルの制限は1%程度に抑えることができる。   The amount of wavelength shift is about 0.003 nm. When this spectroscopic device is applied to a wavelength selective switch used in a WDM system with a channel width of 50 GHz, the limitation of one channel due to wavelength shift can be suppressed to about 1%.

(作用効果)
補正プリズムのみで、温度補償した場合、グラフ2(図19)に示すように、温度と波長シフトの関係が上に凸のグラフになる。補正プリズムとアフォーカル光学系を使用した場合、グラフ3、4、5(図20、21、22)に示すように、アフォーカル倍率によって、形状が異なる。アフォーカル光学系に入射する光線角度は1度に満たない角度なので、図8に示すように線形に角度変化を拡大している。倍率を低くすれば、補正プリズムのみの場合に近づく。倍率を大きくするとグリズムに入射する光線の角度変化が温度に対して線形に変化することになる。
(Function and effect)
When temperature compensation is performed using only the correction prism, as shown in graph 2 (FIG. 19), the relationship between temperature and wavelength shift becomes a convex graph. When the correction prism and the afocal optical system are used, the shapes differ depending on the afocal magnification, as shown in graphs 3, 4, and 5 (FIGS. 20, 21, and 22). Since the angle of the light beam incident on the afocal optical system is less than 1 degree, the angle change is linearly expanded as shown in FIG. If the magnification is lowered, the case of only the correction prism is approached. When the magnification is increased, the angle change of the light ray incident on the grism changes linearly with respect to the temperature.

倍率が低いとき(-3倍)グラフ4(図21参照)に示すように上に凸のグラフとなり、補正プリズムと同じ形状になっている(シフト量は小さい)。   When the magnification is low (−3 times), the graph is convex upward as shown in graph 4 (see FIG. 21), and has the same shape as the correction prism (the shift amount is small).

倍率が大きいとき(5倍)グラフ5(図22参照)に示すように下に凸の形状をしている。補正プリズムでは上に凸になり、グリズムでは下に凸になる。補正プリズムのみでは、線形成分と非線形成分を独立して動かすことができないため、線形成分を補正すると非線形成分が残り、非線形成分を補正すると線形成分が残る。   When the magnification is large (5 times), a downwardly convex shape is formed as shown in graph 5 (see FIG. 22). The correction prism is convex upward, and the grism is convex downward. Since only the correction prism cannot move the linear component and the nonlinear component independently, when the linear component is corrected, the nonlinear component remains, and when the nonlinear component is corrected, the linear component remains.

補正プリズムとアフォーカル光学系を組み合わせると、アフォーカル倍率と補正プリズムの頂角を動かすことで、線形成分と非線形成分を独立して動かすことができるため、一つの波長に対しては完全に補正することができる。波長に対して、独立して補正をかけることはできないので、基準波長、中心波長の線形成分を補正することでバランスをとることができる。   When the correction prism and afocal optical system are combined, the linear component and nonlinear component can be moved independently by moving the afocal magnification and the apex angle of the correction prism. can do. Since the wavelength cannot be corrected independently, a balance can be achieved by correcting the linear components of the reference wavelength and the center wavelength.

以上のことから、補正プリズムとアフォーカル光学系で温度補正をすることで、温度変化に対する波長シフトを補正プリズムなしの1/1000、補正プリズムのみの1/10にすることができる。   From the above, by performing temperature correction with the correction prism and the afocal optical system, the wavelength shift with respect to temperature change can be reduced to 1/1000 without the correction prism and 1/10 with only the correction prism.

(変形例)
アフォーカル光学系は図13に示すように回折レンズ160を組み合わせてもよい。レンズは球面で光線を曲げるのに対して、回折格子160は、平面で光線を曲げている。このため、同じ光束径でも焦点距離を短くできるので、アフォーカル光学系の全長を短くできる利点がある。
(Modification)
The afocal optical system may be combined with a diffractive lens 160 as shown in FIG. The lens bends light rays with a spherical surface, whereas the diffraction grating 160 bends light rays with a flat surface. For this reason, since the focal length can be shortened even with the same light beam diameter, there is an advantage that the total length of the afocal optical system can be shortened.

図11に示すように、補正プリズム140から射出する光線が温度変化によって回転する回転中心(P1)と、グリズム150に入射する光線が温度変化によって回転する回転中心(P2)が、アフォーカル光学系で共役の関係になるように構成する。   As shown in FIG. 11, the rotation center (P1) where the light beam emitted from the correction prism 140 rotates due to temperature change and the rotation center (P2) where the light beam incident on the grism 150 rotates due to temperature change are an afocal optical system. It is configured to have a conjugate relationship.

共役の関係でないと、図10に示すように、温度変化があったとき、グリズム150からの出射光線は、角度変化はないが平行移動する。これに対して、図12に示すように角度変化が無いので、波長シフトはないが、受光素子アレイ105に対して角度を持って入射することになる。PD(フォトダイオード)の感度は角度依存性があるためスペクトル分布を正しく測定できない。共役にしてあれば、平行移動もないので、受光素子アレイ105に対して角度を持つことはなく、スペクトル分布を正しく測定できる。   If the relationship is not conjugated, as shown in FIG. 10, when there is a temperature change, the outgoing light from the grism 150 moves in parallel without changing the angle. On the other hand, as shown in FIG. 12, since there is no change in angle, there is no wavelength shift, but the light is incident on the light receiving element array 105 with an angle. Since the sensitivity of PD (photodiode) has angle dependency, the spectrum distribution cannot be measured correctly. If it is conjugated, there is no parallel movement, so there is no angle with respect to the light receiving element array 105, and the spectral distribution can be measured correctly.

<第2の実施形態>
(構成)
第2の実施形態の波長選択スイッチは、図14に示すように、以下の構成を備えている。
すなわち、ファイバアレイ502と、レンズアレイ501と、分光部103と、コリメータ504と、ミラーアレイ505と、を含んで構成されている。
<Second Embodiment>
(Constitution)
As shown in FIG. 14, the wavelength selective switch of the second embodiment has the following configuration.
That is, it is configured to include a fiber array 502, a lens array 501, a spectroscopic unit 103, a collimator 504, and a mirror array 505.

ミラーアレイ505は図15に示すように、任意のミラーMをY軸周りに回転することができる。   As shown in FIG. 15, the mirror array 505 can rotate an arbitrary mirror M around the Y axis.

図14に示したように、1本のファイバから出力された複数の波長を持つ光線は、レンズアレイ502で平行光にされ、分光部103へ入射する。分光部103から分光されて光が出射され、コリメータ504によりミラーアレイ505上に各波長ごとに集光する。   As shown in FIG. 14, light beams having a plurality of wavelengths output from one fiber are converted into parallel light by the lens array 502 and enter the spectroscopic unit 103. Light is emitted after being split from the spectroscopic unit 103, and is collected on the mirror array 505 for each wavelength by the collimator 504.

ミラーアレイ505で反射した光線は、コリメータ504で平行光にされ、分光部103へ戻る。ミラーアレイ505を回転させることにより、戻りの光線の高さを変えることができて、任意のレンズアレイ502に入射することができる。レンズアレイ502によって、ファイバー501に光線を結合し任意のファイバ501に任意の波長の光線を伝達することができる。   The light beam reflected by the mirror array 505 is converted into parallel light by the collimator 504 and returns to the spectroscopic unit 103. By rotating the mirror array 505, the height of the returning light beam can be changed, and the light can enter the arbitrary lens array 502. The lens array 502 can couple a light beam to the fiber 501 and transmit a light beam having an arbitrary wavelength to an arbitrary fiber 501.

分光部103には、第1の実施形態で説明した分光部を利用することができる。
すなわち、温度が変化しても分光部103から出射する光線の角度はほとんど変化しない。従って同一波長の光は、ミラーアレイ505上に固定されシフトしない。光線がミラーアレイ505上でシフトすると、その分帯域が狭くなるが、本実施形態では、ほとんど帯域が狭くならない。
As the spectroscopic unit 103, the spectroscopic unit described in the first embodiment can be used.
That is, even if the temperature changes, the angle of the light beam emitted from the spectroscopic unit 103 hardly changes. Accordingly, light of the same wavelength is fixed on the mirror array 505 and does not shift. When the light beam is shifted on the mirror array 505, the band is narrowed accordingly, but in the present embodiment, the band is hardly narrowed.

(作用効果)
温度変化によって、射出光線の射出角度がほとんど変化しない分光器を使用することによって、1チャンネルの帯域の広い波長選択スイッチを実現することができる。
(Function and effect)
A wavelength selective switch having a wide band of one channel can be realized by using a spectroscope in which the emission angle of the emitted light hardly changes due to temperature change.

本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得るものである。   The present invention is not limited to the embodiment of the invention described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

以上のように、本発明は、温度変化があっても分散特性の変化が十分に小さい分光器とそのような分光装置を使用した波長選択スイッチを提供することができ、例えば光学系の分野において有用である。   As described above, the present invention can provide a spectroscope having a sufficiently small change in dispersion characteristics even when there is a temperature change, and a wavelength selective switch using such a spectroscopic device, for example, in the field of optical systems. Useful.

101 スリット
102 コリメータ
103 分光部
104 コリメータ
105 受光素子アレイ
140 補正プリズム
150 グリズム
151 光学回折面
160 回折レンズ
300 分光器
Lλ1、Lλ2 光束
AL アフォーカス光学系
L1、L2 レンズ
M ミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Slit 102 Collimator 103 Spectrometer 104 Collimator 105 Light receiving element array 140 Correction prism 150 Grism 151 Optical diffraction surface 160 Diffraction lens 300 Spectrometer Lλ1, Lλ2 Light flux AL Afocus optical system L1, L2 Lens M Mirror

Claims (5)

分散素子と、
温度変化に対して出射光線の角度が変化するプリズムと、
前記プリズムと前記分散素子の間に配置された入射光線の入射角度を比例拡大した角度で光線を出射する光線角度拡大光学系と、
を備えることを特徴とする分光器。
A dispersive element;
A prism in which the angle of the emitted light changes with respect to temperature changes;
A light beam angle expanding optical system that emits a light beam at an angle obtained by proportionally expanding the incident angle of the incident light beam disposed between the prism and the dispersion element;
A spectroscope comprising:
前記分散素子がシリコングリズムであり、
前記プリズムがシリコンプリズムであり、
光線角度拡大光学系がアフォーカル光学系であることを特徴とする請求項1に記載の分光器。
The dispersive element is a silicon grism;
The prism is a silicon prism;
2. The spectroscope according to claim 1, wherein the light beam angle expanding optical system is an afocal optical system.
分散素子と、
温度変化に対して出射光線の角度が変化するプリズムと、
補正光学系と分散素子の間に配置されたアフォーカル光学系と、
を備え、
前記分散素子、前記アフォーカル光学系、前記補正光学系をそれぞれ、前記プリズムからの出射する光線が温度変化によって出射角度が変化するときの回転中心と、分散素子に入射する光線が温度変化によって変化するときの回転中心と、が共役の関係になるように、配置したことを特徴とする分光器。
A dispersive element;
A prism in which the angle of the emitted light changes with respect to temperature changes;
An afocal optical system disposed between the correction optical system and the dispersive element;
With
The dispersion element, the afocal optical system, and the correction optical system respectively change the rotation center when the light beam emitted from the prism changes its emission angle due to a temperature change, and change the light beam incident on the dispersion element with a temperature change. A spectroscope characterized by being arranged so as to have a conjugate relationship with the rotation center.
前記分散素子がシリコングリズムであり、
前記補正光学系がシリコンプリズムであることを特徴とする請求項3に記載の分光器。
The dispersive element is a silicon grism;
The spectroscope according to claim 3, wherein the correction optical system is a silicon prism.
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、
温度変化に対して出射光線の角度が変化するプリズムと、
前記光を分散させる分散素子と、
前記プリズムと分散素子の間に配置されたアフォーカル光学系と、
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、
を備えていることを特徴とする波長選択スイッチ。
At least one input unit for receiving wavelength-multiplexed light;
A prism in which the angle of the emitted light changes with respect to temperature changes;
A dispersing element for dispersing the light;
An afocal optical system disposed between the prism and the dispersive element;
A condensing element for condensing light for each dispersed wavelength;
A light deflecting member having a plurality of deflecting elements capable of independently deflecting the light for each wavelength from the condensing element for each wavelength;
An output unit for receiving the light of each wavelength deflected by the light deflection member;
A wavelength selective switch comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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