JP2015169730A - 光ビーム分岐素子 - Google Patents

Abstract

【課題】分岐した２つの光ビーム成分間の光路長差を発生させず、光ビーム成分の分離距離を容易に変えることのできる光ビーム分岐素子を提供する。
【解決手段】断面が直角三角形の三角柱のプリズムであって、断面が二等辺三角形となるように接合された２つのプリズムと、前記２つのプリズムが接合される面に形成された分離薄膜層とを備え、第１のプリズムの第１の斜面から入射された前記光ビームは、前記分離薄膜層にて反射または透過により分岐され、分岐された２つの光ビーム成分は、前記第１のプリズムの前記第１の斜面および第２のプリズムの第２の斜面でそれぞれ内部全反射され、前記二等辺三角形の底辺から出射される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ビーム分岐素子に関し、より詳細には、光通信ネットワークに用いられ、光ビームを偏波、波長または光強度により分岐することができる光ビーム分岐素子に関する。

インターネットなどのデータ通信ネットワークの爆発的な普及により、光通信ネットワークの大容量化の要求がますます強くなっている。このような需要の拡大に対応するため、光ファイバ心線１本当たりの伝送容量を増大させるために、波長分割多重、偏波多重等の技術が適用されている。このような光通信ネットワークにおける光送受信器においては、波長分割多重光、偏波多重光、波長または偏波ごとの光を処理するために、空間的な光ビームの経路を構築する空間型光モジュールが実用化されている。空間型光モジュールでは、１つの光ビームを複数の光ビームに分割、あるいは合流する光カプラ／光スプリッタが多用されている。また、１つのビームを偏波または波長に応じて複数の光ビームに分波または合波する光合分波器も多用されている。

図１に、従来のキューブ型偏波分離素子の構成を示す。一般的な偏波分離素子は、誘電体多層膜フィルタを含み、ブリュースタ効果を利用している。偏波分離素子１０は、キューブ形状をしており、内部に設けられた４５°の斜面には誘電体多層膜１１が形成されている。入射された光ビームのうち、第１の偏波状態の光ビーム成分（図の上下方向の矢印）１２は通過し、第２の偏波状態の光ビーム成分（丸印）１３は反射される。第１および第２の光ビーム成分の偏波状態は互いに直交しており、それぞれキューブの異なる面から出射される。両者の伝搬方向は互いに９０°分離しているため、このような偏波分離素子は、（キューブ型）偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と呼ばれる。

偏波分離素子として、様々な種類の素子が提案されている。例えば、特許文献１には、複屈折率層を２つのプリズムで挟んだ構成が開示されている。複屈折率層の屈折率が偏波状態によって異なることを利用している。プリズムの屈折率を適切に選択することによって、第１の偏波状態の光ビーム成分はプリズムと複屈折率層の界面で全反射し、第２の偏波状態の光ビーム成分は界面を透過させることができる。第１および第２の光ビーム成分の偏波状態は互いに直交しており、大きな分離角で偏波を分離することができる。なお、複屈折率層としては、配向方向を適切に揃えてポリマー化した液晶、屈折率の異なる２種類の薄膜を層状に重ねることにより等価的に一軸性結晶とみなせる多層膜構造などを用いることができる。

図２に、従来のバルク型偏波分離素子の構成を示す。偏波分離素子２０は、バルクの複屈折結晶からなる。入射された光ビームは、複屈折結晶内において常光と異常光とが、異なる屈折率の影響を受けて角度分離して伝搬する。結晶を出射すると、２つの光ビーム成分は、複屈折結晶の異なる出射位置から出射され再び平行光となる。このような偏波分離素子は、ディスプレーサと呼ばれる。

従来の偏波分離素子を用いて光通信用光学系を構成した例が、特許文献２に開示されている。キューブ型ＰＢＳと４５°プリズムとを貼り合せた偏光ビームスプリッタを用いて、光ファイバから出射された光ビームを偏波分離し、２つの偏波ビーム成分の光軸を平行にして出射している。２つの偏波ビーム成分を同じ方向に平行に伝搬させることにより、回折格子、レンズ、偏光回転要素からなる光学系を共通化している。このような光学系により、スイッチングをはじめとする光通信デバイスに必要とされる機能を実現することができる。

米国特許第６３８４９７４号明細書 特許４３６５６８０号公報

しかしながら、特許文献２に記載された光学系のように、従来の偏波分離素子を用いた光学系では、２つの偏波ビーム成分の光路長が異なっている。誘電体多層膜で反射された第１の偏波状態の光ビーム成分は、４５°プリズムを経由して出射されるが、誘電体多層膜を透過する第２の偏波状態の光ビーム成分は、４５°プリズムを介さずに出射される。従って、キューブ型ＰＢＳの一辺の長さをＬとすれば、２つの偏波ビーム成分の光路長はＬだけ異なることになる。

このような光路長差は、光学特性を劣化させる場合がある。例えば、特許文献２に記載された光学系では、２つの偏波ビーム成分は、偏光回転要素である液晶アレイ面の同じ場所に入射される。入射するまでに伝搬した距離が偏波ごとに異なるため、液晶アレイ面上において、ともにビームウェストとすることはできない。そのために、過剰損失が発生するという問題があった。また、液晶アレイ面上において、２つの偏波ビーム成分間でビーム径が異なることに起因して、透過帯域特性にも劣化が発生する。

この光路長差を補正するために、光路長補正用の基板を挿入することも考えられるが、新たな部品を追加することになり、コスト増加となる。また、２つの偏波ビーム成分の分離距離を変更しようとした場合、偏波分離素子のサイズを変更しなければならない。これは、分離距離がキューブのサイズによって一意に決定されるためである。

このような問題点は、ディスプレーサを用いたとしても同様である。図２に示したように、２つの光ビーム成分間には光路長差があり、分離距離を変更するためには、ディスプレーサを長手方向に伸縮させる必要がある。

本発明の目的は、分岐した２つの光ビーム成分間の光路長差を発生させず、光ビーム成分の分離距離を容易に変えることのできる光ビーム分岐素子を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、入射された光ビームを分岐する光ビーム分岐素子であって、断面が直角三角形の三角柱のプリズムであって、断面が二等辺三角形となるように接合された２つのプリズムと、前記２つのプリズムが接合される面に形成された分離薄膜層とを備え、第１のプリズムの第１の斜面から入射された前記光ビームは、前記分離薄膜層にて反射または透過により分岐され、分岐された２つの光ビーム成分は、前記第１のプリズムの前記第１の斜面および第２のプリズムの第２の斜面でそれぞれ内部全反射され、前記二等辺三角形の底辺から出射されることを特徴とする。

前記分離薄膜層は、偏波分離薄膜層、波長分離薄膜層または光パワー分離薄膜層とすることができる。また、第１の実施態様の光ビーム分岐素子を複数備え、第１の光ビーム分岐素子の出力を、第２の光ビーム分岐素子の入力とし、複数の光ビーム分岐素子を光学的に縦続接続した構成とすることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、光ビーム分岐素子は、分離薄膜層を中心に対称な形状となるため、分岐された２つの光ビーム成分がプリズム内を伝搬する距離は等しくなる。伝搬する距離は、光ビームの入射角、入射位置、すなわち分離距離に依存せずに維持されるので、分岐した２つの光ビーム成分間の光路長差を発生させず、光ビーム成分の分離距離を容易に変えることができる。従って、過剰損失、透過帯域特性等の劣化を発生させることがない。

従来のキューブ型偏波分離素子の構成を示す図である。 従来のバルク型偏波分離素子の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す図である。 光ビーム分岐素子のプリズムの第１の斜面における全反射条件を説明するための図である。 光ビームの入射位置を変えたときの２つの光ビーム成分の分離距離の変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す図である。 光ビーム分岐素子の波長フィルタの設計法を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態・偏波ビームスプリッタ）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す。光ビーム分岐素子１００は、２つのプリズム１０１，１０２が、偏波分離薄膜層１０３を挟んで貼り合わされている。プリズム１０１，１０２は、断面が直角三角形の三角柱のプリズム（直角プリズム）であって、頂角φ、屈折率ｎ１である。プリズム１０１，１０２は、貼り合わされた状態で、断面が頂角２・φの二等辺三角形のプリズムを形成している。偏波分離薄膜層１０３は、入射光を偏波によって分離する。

任意の偏波状態をもつ光ビームは、光ビーム分岐素子１００の第１の斜面１０４に、入射角αで入射され、界面で屈折したのち、偏波分離薄膜層１０３に対して角度γで入射される。入射された前記光ビームは、偏波分離薄膜層１０３において反射または透過により分岐され、第１の偏波状態の光ビーム成分１０７は、図中の点線で示すように反射され、第２の偏波状態の光ビーム成分１０８は、実線で示されるように透過する。第１および第２の光ビーム成分の偏波状態は互いに直交しており、ここでは、第１の偏波状態を水平偏波（紙面に平行）、第２の偏波状態を垂直偏波（紙面に垂直）としている。

第１の偏波状態の光ビーム成分１０７は、プリズム１０１の第１の斜面１０４に入射角θ１で内部から入射し、内部全反射される。反射された光ビームは、第３の斜面１０６（二等辺三角形の底辺）に入射し、出射角β１でプリズムから出射される。一方、第２の偏波状態の光ビーム成分１０８は、プリズム１０２の第２の斜面１０５に入射角θ２で入射し、内部全反射されたのちに、第３の斜面１０６から出射角β２で出射される。

本実施形態では、プリズム内部での光ビームの伝搬と分岐に特徴があるため、これ以降、入射角αは９０°（第１の斜面１０４に対して垂直入射）として説明を行う。ただし、入射角αは９０°に限定されるものではなく、本発明の効果はαによらず作用する。このときγ＝φである。偏波分離薄膜層１０３で反射された水平偏波成分（１０７）は、プリズム１０１の第１の斜面１０４に入射角θ１で内部入射する。このときに内部全反射される条件は以下のように表される。

幾何学的な関係から、θ１＝２φであるから、上式は次のように表すことができる。

図４を参照して、プリズム１０１の第１の斜面１０４における全反射条件を説明する。様々な屈折率ｎ１に対して、上式の関係が成立する範囲を、図４に示すとともに、各プロットの数値を下表に示す。屈折率ｎ１＝１．５の硝材を用いる場合には、プリズム１０１の頂角φ１＞２０．９°とすることにより、全反射条件が満たされる。

実際の構成としては、例えば、プリズム１０１，１０２として、
プリズム材質：ＢＫ−７（屈折率ｎ１＝１．５００（波長１．５５μｍ））
プリズム頂角：φ１＝３０°
を用いることができる。頂角３０°の直角プリズムは、一般に容易に入手できる。このとき、光ビーム分岐素子１００全体の形状は、頂角６０°の正三角プリズムとなる。従って、プリズム１０２の第３の斜面１０６から出射される第１および第２の偏波状態の光ビーム成分１０７，１０８は、いずれも出射面に対して垂直に出射される（出射角β１＝β２＝９０°）ため、２つの光ビームは互いに平行となる。

次に、２つの光ビーム成分の分離距離Ｘ１について述べる。分離距離Ｘ１を、それぞれの内部全反射点がプリズム対称軸から離れる距離Ｘ１（Ｈ）とＸ１（Ｖ）とを用いて表すと、

となる。ここで、頂角から光ビームが入射される位置までの第１の斜面１０４上の距離ｘ０とすると、幾何学的な関係から、Ｘ１（Ｖ），Ｘ１（Ｈ）は次式の通り表される。

従って、２つの光ビーム成分間の距離は次式で表される。

ここから、頂角φまたは距離ｘ０を変えることにより、分離距離ｘ１を調整できることがわかる。特に、入射位置（距離ｘ０）を変えるだけで、分離距離ｘ１を変更できる点は、従来の偏波分離素子ではなし得ない特徴である。

図５に、光ビームの入射位置を変えたときの２つの光ビーム成分の分離距離の変化を示す。図３に示したに入射位置に入射された光ビーム１２１は、第１の偏波状態の光ビーム成分１２２と第２の偏波状態の光ビーム成分１２３とに分離される。距離ｘ０を短くすると（光ビーム１３１）、２つの光ビーム成分（１３２，１３３）間の分離距離ｘ１も短くなる。一方、距離ｘ０を長くすると（光ビーム１４１）、２つの光ビーム成分（１４２，１４３）間の分離距離ｘ１も長くなることがわかる。

入射面（第１の斜面１０４）および出射面（第３の斜面１０６）における反射光が、入射される信号光に混入することを防ぐために、それぞれの斜面に無反射コーティングを施すことが有効である。反射防止のためには、第３の斜面１０６を偏波分離薄膜層１０３に対してわずかに傾斜させることも有効である。

第１の実施形態の光ビーム分岐素子は、偏波分離薄膜層１０３を中心に対称な形状となるため、分岐された２つの光ビーム成分がプリズム内を伝搬する距離は等しくなる。伝搬する距離は、入射角α、入射位置（距離ｘ０）、すなわち分離距離ｘ１に依存せずに維持される。従って、分岐した２つの光ビーム成分間の光路長差を発生させず、光ビーム成分の分離距離を容易に変えることができる。

このような光ビーム分岐素子を光学モジュールに組み込んで用いる場合、上述した過剰損失、透過帯域特性等の劣化を発生させることがない。また、第１の実施形態では、プリズム１０１とプリズム１０２とが密着した状態の図を用いて説明したが、プリズム１０１とプリズム１０２との間に、間隙が存在しても同様の機能を発揮できる。偏光分離薄膜層１０３としては、例えば、誘電体多層膜を用いる。

（第２の実施形態・反射膜形成プリズム）
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す。光ビーム分岐素子２００は、２つのプリズム２０１，２０２が、偏波分離薄膜層２０３を挟んで貼り合わされている。偏波分離薄膜層２０３は、入射光を偏波によって分離する。任意の偏波状態をもつ光ビームは、光ビーム分岐素子２００の第１の斜面２０４に入射され、偏波分離薄膜層２０３において反射または透過により分岐され、第１の偏波状態の光ビーム成分２０７は、図中の点線で示すように出射され、第２の偏波状態の光ビーム成分２０８は、実線で示すように出射される。

第１の偏波状態の光ビーム成分２０７は、第１の斜面２０４において内部全反射されるが、この照射位置には、反射膜コーティング２１１が形成されている。一方、第２の偏波状態の光ビーム成分２０８は、第２の斜面２０５において内部全反射されるが、この照射位置には、反射膜コーティング２１２が形成されている。

反射膜コーティング２１１，２１２は、金属薄膜、誘電体多層膜を適用することができる。ただし、第１の斜面２０４には、入射ビームが透過するところには反射膜コーティングがなされていない。第２の実施形態によれば、第１の実施形態における全反射条件を満たす必要がないため、プリズム２０１，２０２の頂角φ、プリズム材質の屈折率ｎ１をより広い範囲で選択することが可能となる。

（第３の実施形態・偏波ダイバーシティ）
図７に、本発明の第３の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す。光ビーム分岐素子３００は、２つのプリズム３０１，３０２が、偏波分離薄膜層３０３を挟んで貼り合わされている。偏波分離薄膜層３０３は、入射光を偏波によって分離する。プリズム３０２の出射面（第３の斜面３０６）には、１／２波長板３１１が貼り合されている。１／２波長板３１１は、その結晶軸方位が、透過する光の偏波方向に対して４５°傾いている。

任意の偏波状態をもつ光ビーム３２１は、光ビーム分岐素子３００の第１の斜面３０４に入射され、偏波分離薄膜層３０３において反射または透過により分岐され、第１の偏波状態の光ビーム成分３０７は、水平偏波のまま第３の斜面３０６出射される（３２２）。一方、第２の偏波状態の光ビーム成分３０８は、垂直偏波のまま第３の斜面３０６に出射され、１／２波長板３１１で水平偏波に変換されて出射される（３０８’）。このようにして、同じ偏波状態（水平偏波）をもつ２つの光ビーム成分が平行に出射される。

第１の実施形態と同様に、距離ｘ０を短くすると（光ビーム３３１）、２つの光ビーム成分（３３２，３３３）間の分離距離ｘ１も短くなる。一方、距離ｘ０を長くすると（光ビーム３４１）、２つの光ビーム成分（３４２，３４３）間の分離距離ｘ１も長くなる。

１／２波長板３１１は、プリズム３０１の第３の斜面３０６に貼り付けてもよい。この場合には、光ビーム分岐素子３００から出射される２つの光ビーム成分は、ともに垂直偏波となる。このような光ビーム分岐素子を、偏波ダイバーシティを必要とする光デバイスに適用することができる。具体的には、液晶空間変調器を用いる波長選択光スイッチ（ＷＳＳ）、分散補償器（ＴＯＤＣ）、ダイナミックチャネルイコライザ（ＤＣＥ）などに用いられる。

（第４の実施形態・波長フィルタ）
第１〜３の実施形態の光ビーム分岐素子における２つのプリズムの間の偏波分離薄膜層の代わりに、波長フィルタ機能を有する分離薄膜層を用いることもできる。この分離薄膜層を、予め定めた波長範囲の光ビームを透過し、それ以外の波長範囲の光ビームを反射するように設計する。これによって、第１〜３の実施形態と同様に、入射された光ビームは、２つの光ビーム成分に分岐され、出射される。この光ビーム分岐素子を複数個用意して、第１の光ビーム分岐素子の出力を、第２の光ビーム分岐素子の入力とし、光学的に縦続接続していく。それぞれの光ビーム分岐素子の波長フィルタについて、透過・反射帯域を適切に設計することにより、多波長の波長フィルタを構成することができる。

図８に、本発明の第４の実施形態にかかる光ビーム分岐素子を示す。光ビーム分岐素子４００ａ−ｂは、２つのプリズム４０１ａ−ｂ，４０２ａ−ｂから構成され、波長フィルタ機能を有する波長分離薄膜層４０３ａ−ｂを挟んで貼り合わされている。光ビーム分岐素子４００ａにおいて、入射された光ビーム４２１は、波長分離薄膜層４０３ａにおいて反射または透過により分岐され、第１の波長帯の光ビーム成分４２２と第２の波長帯の光ビーム成分４２３とに分離される。光ビーム成分４２２，４２３は、光ビーム分岐素子４００ｂにおいて、それぞれ２つの波長帯の光ビーム成分に分岐される。

図９を参照して、光ビーム分岐素子の波長フィルタの設計法を説明する。図９（ａ）は、波長分離薄膜層４０３ａの波長フィルタの透過・反射帯域特性を示す。入射された光ビーム４２１は、第１の波長帯（反射帯域）の光ビーム成分４２２と第２の波長帯（透過帯域）の光ビーム成分４２３とに分離される。図９（ｂ）は、波長分離薄膜層４０３ｂの波長フィルタの透過・反射帯域特性を示す。光ビーム成分４２２は、光ビーム分岐素子４００ｂにおいて、２つの波長帯の光ビーム成分（図９（ｃ）に示す光ビーム成分４３１，４３２）に分岐され、光ビーム分岐素子４００ｂから出射される。光ビーム成分４２３は、光ビーム分岐素子４００ｂにおいて、２つの波長帯の光ビーム成分（図９（ｃ）に示す光ビーム成分４３３，４３４）に分岐され、光ビーム分岐素子４００ｂから出射される。

第４の実施形態では、２個の光ビーム分岐素子からなる４波長の波長フィルタの例を示したが、光ビーム分岐素子を４個に増やせば８波長の波長フィルタを構成するができる。このような波長フィルタを、波長分割多重信号を扱う光通信デバイスに適用することができる。波長分割多重の処理を行う際にも、波長ごとに光路長差があると、分散特性を劣化させることになる。従って、本実施形態の光ビーム分岐素子の適用は、波長フィルタ素子にも有効である。

（第５の実施形態・パワースプリッタ）
同様にして、入射する光ビームを透過と反射とに分けるビームスプリッタ機能を有する光パワー分離薄膜層を用いることもできる。光パワー分離薄膜層を、予め定めた光パワーの分岐比により光ビームを透過し、それ以外の光ビームを反射するように設計する。これによって、第１〜３の実施形態と同様に、入射された光ビームは、２つの光ビーム成分に分岐され、出射される。具体的な構成は、図８に示した第４の実施形態に同じである。

１００，２００，３００，４００ 光ビーム分岐素子
１０１，１０２，２０１，２０２，３０１，３０２，４０１，４０２ プリズム
１０３，２０３，３０３ 偏波分離薄膜層
１０４，２０４，３０４ 第１の斜面
１０５，２０５，３０５ 第２の斜面
１０６，２０６，３０６ 第３の斜面
１０７，２０７，３０７ 第１の偏波状態の光ビーム成分
１０８，２０８，３０８ 第２の偏波状態の光ビーム成分
２１１，２１２ 反射膜コーティング
３１１ １／２波長板
４０３ 波長分離薄膜層

Claims (8)

1. 入射された光ビームを分岐する光ビーム分岐素子であって、
   断面が直角三角形の三角柱のプリズムであって、断面が二等辺三角形となるように接合された２つのプリズムと、
   前記２つのプリズムが接合される面に形成された分離薄膜層とを備え、
   第１のプリズムの第１の斜面から入射された前記光ビームは、前記分離薄膜層にて反射または透過により分岐され、分岐された２つの光ビーム成分は、前記第１のプリズムの前記第１の斜面および第２のプリズムの第２の斜面でそれぞれ内部全反射され、前記二等辺三角形の底辺から出射されることを特徴とする光ビーム分岐素子。
2. 前記分離薄膜層は、偏波分離薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の光ビーム分岐素子。
3. 前記二等辺三角形の底辺の一部に、波長板が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光ビーム分岐素子。
4. 前記分離薄膜層は、波長分離薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の光ビーム分岐素子。
5. 前記分離薄膜層は、光パワー分離薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の光ビーム分岐素子。
6. 前記第１の斜面および前記第２の斜面の前記分岐された２つの光ビーム成分が内部全反射する部分に、反射膜コーティングが形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光ビーム分岐素子。
7. 前記プリズムの直角三角形の頂角が３０°であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光ビーム分岐素子。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の光ビーム分岐素子を複数備え、
   第１の光ビーム分岐素子の出力を、第２の光ビーム分岐素子の入力とし、複数の光ビーム分岐素子が光学的に縦続接続されたことを特徴とする光ビーム分岐素子。

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