JP2015222447A - 光処理デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造体により損失を抑制することができる光処理デバイスを提供すること。
【解決手段】複数の光ファイバを含むビーム放出部分と、複数の光ファイバのうちの１つの光ファイバから放出されたビームを分散させる分散要素と、分散要素を通過するビームを集中させる集光レンズと、ビームが複数の光ファイバのうちの他の光ファイバの１つに入射するように、集光レンズを通過するビームの光路を変換する光路変換光学系とを含む光処理デバイスが提供される。集光レンズの光軸は、ビーム放出部分から光路変換光学系までの光軸方向に対して傾けられる。分散要素によって得られた異なる波長を有する複数のビームの焦点深度の最大差が小さくなるように、傾き角が設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、波長選択光処理デバイスに関する。

伝統的に、入力路からのビーム信号を分散させる分散要素（例えば、回折格子）と、分散ビームの各々が複数の出力路のいずれかに入射することができるようする光路変換光学系とを含む光処理デバイスが使用されている。

そのような光路変換光学系として、各々が別々に作動し得る複数のマイクロミラー要素を含むＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ＤＭＤは、ミラー要素の方向を調整してビームの反射方向を制御するような方法で、反射ビームの光路を多数の出力路のうちの任意の１つに選択的に切り替えることができる。

しかし、従来の光処理デバイスによれば、分散要素によって波長に対して分散されたビームは波長に応じた異なる焦点深度位置を有するので、損失が波長に応じて増加することがある。

この問題は異なる波長依存性を有する多数のレンズを組み合わせることによって解決することができるが、この場合、光学系が複雑になるので、コストなどに関して問題が生じる。

本発明はそのような状況に鑑みて行われ、本発明の目的は、簡単な構造体により損失を抑制することができる光処理デバイスを提供することである。

本発明による光処理デバイスは、複数の光ファイバを含むビーム放出部分と、複数の光ファイバのうちの１つの光ファイバから放出されたビームを分散させる分散要素と、分散要素を通過するビームを集中させる集光レンズと、ビームが複数の光ファイバのうちの他の光ファイバの１つに入射するように、集光レンズを通過するビームの光路を変換する光路変換光学系であり、集光レンズの光軸がビーム放出部分から光路変換光学系までの光軸方向に対して傾けられ、傾き角は、分散要素によって得られた異なる波長を有する複数のビームの焦点深度の最大差が小さくなるように設定される、光路変換光学系とを含む。

光路変換光学系は、第１の反射点でビームを反射するミラー要素と、ミラー要素から反射されたビームを中間反射点で反射する中間ミラーとを含むことができ、ミラー要素は中間ミラーから反射されたビームを第２の反射点で反射し、集光レンズはビームの焦点を第１の反射点で形成する。

光路変換光学系があるので、分散要素によって分散されたビームの各々はビームの波長に応じて他の光ファイバの異なる１つに入射できるようになる。

本発明によれば、集光レンズの光軸が傾けられ、傾き角は、分散要素によって得られた異なる波長を有する複数のビームの焦点深度位置の最大差が小さくなるように設定される。したがって、複数のビームの焦点位置の変動を減少させることができ、その結果、反射損失を光路変換光学系において抑制することができる。

したがって、光学系を複雑にすることなしに高い結合効率を広い波長領域で得ることができ、その結果、出力特性を改善することができる。

本発明の一実施形態による光処理デバイスを示す概略図である。 図１の光処理デバイスのレンズ（集光レンズ）を示す概略図である。 図１の光処理デバイスの光路変換光学系と光ファイバの前端部部分とを示す概略図である。 図１の光処理デバイスの光路変換光学系を示す概略図である。 図１の光処理デバイスの光路変換光学系を示す概略図である。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。 図１の光処理デバイスの特定の構成の一例を示す構成図である。

以下、本発明の一実施形態による光処理デバイスを、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態による光処理デバイス１０を示す概略図である。図２は、光処理デバイス１０のレンズ６（スキャンレンズ）（集光レンズ）を示す概略図である。図３は、光処理デバイス１０の光路変換光学系７と光ファイバ２の前端部部分とを示す概略図である。図４は、光処理デバイス１０の光路変換光学系７を示す概略図である。

図１に示されるように、光処理デバイス１０は、複数の光ファイバ２を含むビーム放出部分１と、レンズ３および４（コリメートレンズ）と、レンズ３および４を通過するビームを分散させる回折格子５（分散要素）と、回折格子５を通過するビームを合焦するレンズ６（スキャンレンズ）（集光レンズ）と、レンズ６を通過するビームの光路を変換する光路変換光学系７とを含む。

図１および３に示されるように、ビーム放出部分１は、外部デバイスに入力され、それから出力されるビームを伝搬させる複数の光ファイバ２と、幅方向に１列に配列されたファイバを保持する保持部分２０とを含む。ビーム放出部分１として、例えば、光ファイバアレイを有するビーム放出部分を使用することができる。

図３に示されるように、光ファイバ２（２Ａから２Ｆ）は複数の光ファイバグループ９（９Ａおよび９Ｂ）を含むことができる。

光ファイバグループ９は、互いに光学的に結合することができる複数の光ファイバ２を含む。図面に示された例では、光ファイバ２Ａから２Ｃは第１の光ファイバグループ９Ａを構成し、光ファイバ２Ｄから２Ｆは第２の光ファイバグループ９Ｂを構成する。図面に示された例では、光ファイバグループ９の各々は３つの光ファイバ２を含むが、本発明はそれに限定されない。例えば、光ファイバグループは２つ以上の光ファイバ２を含むことができる。

光ファイバグループ９Ａにおいて、光ファイバ２Ｂから放出されたビームＬ１の光路（入力路）は光路変換光学系７で変換することができ、その結果、ビームは戻りビームＬ２として光ファイバ２Ａおよび２Ｃ（出力路）に入射することができる。光ファイバグループ９Ｂにおいて、光ファイバ２Ｅから放出されたビームＬ１の光路（入力路）は光路変換光学系７によって変換することができ、その結果、ビームは戻りビームＬ２として光ファイバ２Ｄおよび２Ｆ（出力路）に入射することができる。

入力路としての光ファイバ２の前端部表面２ａと、出力路としての光ファイバ２の前端部表面２ａとは光路方向において同じ位置に配置されることが望ましい。図面に示された例では、すべての光ファイバ２（２Ａから２Ｆ）の前端部表面２ａは光路方向において同じ位置に配置されている。

回折格子５は、光ファイバ２から放出されたビームＬ（ビームＬ１）を、異なる波長をもつ異なるビームＬ_λ１からＬ_λ７を有する多数のビームに分散させることができる（図２を参照）。回折格子５のビーム放出方向に波長依存性があり、回折格子５は光路変換光学系７に関して波長ごとに異なるビーム入射位置を設定することが望ましい。

図１および２に示されるように、レンズ６（スキャンレンズ）は回折格子５を通過する放出ビームＬ１を合焦し、光路変換光学系７の内部に焦点を形成することができる。

レンズ６（スキャンレンズ）は異なる波長を有する多数のビームＬ_λ１からＬ_λ７をコリメートする。

図２に示されるように、レンズ６の光軸方向Ｄ１は、ビーム放出部分１から光路変換光学系７までの光軸方向Ｄ２に対して傾けられる。図２において、光軸方向Ｄ１が傾けられているレンズ６は実線で示される。比較のために、傾けられていないレンズ６は二点鎖線で示される。

この例では、光軸方向Ｄ２は、光路変換光学系７の方に移動するようにレンズ６によってコリメートされるビームの方向と位置合わせされる。

光軸方向Ｄ２に対するレンズ６の光軸方向Ｄ１の傾き角Ａ１は、以下で説明するように、異なる波長を有するビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点深度位置の最大差が、レンズ６が傾けられていない（図２の二点鎖線で示されるような）場合と比較して、小さくなるように設定される。ビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点深度位置の最大差が最小になるように傾き角Ａ１が設定されることが望ましい。

図３および４に示されるように、光路変換光学系７は、複数の光ファイバ２のうちの１つの光ファイバ２から放出されたビームＬ１の光路を変換し、その結果、そのビームは戻りビームＬ２（ビームＬ）として他の光ファイバ２に入射する。

光路変換光学系７は、本体部分１１と、本体部分１１の戻り方向側（図３および４の左側）に本体部分１１に対してある間隙をもって設置される中間反射部分１２とを含む。

本体部分１１は、支持体部分１３と、支持体部分１３の戻り方向側の表面に設置される複数のミラー要素１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、…）とを含む。ミラー要素１５は支持体部分１３の戻り方向側の表面に沿った区域に平行に配設することができ、それによって、ミラー要素アセンブリ１５Ａが形成される。

ミラー要素１５の各々の傾きは調整可能であり、傾きを調整することによってビームの反射方向が制御されるとき反射ビームの光路を設定することができる。

本体部分１１として、各々を別々に作動させることができる複数のマイクロミラー要素を有するＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）を使用することができる。

中間反射部分１２には、複数の窓部分１７を有し、ビームがそれを通過できるようにするフレーム１８と、フレーム１８に設置された複数の中間ミラー１９（１９ａから１９ｄ）とを含む。

中間ミラー１９は、ミラー要素１５から反射されたビームが別のミラー要素１５の方に反射されるようにフレーム１８の放出方向（図３および４の右側）の表面に設置される。中間ミラー１９は、図３および４の垂直方向に、ある間隔で設置される。図面に示された例では、各窓部分１７は垂直方向に互いに隣接する中間ミラー１９間に形成される。

光路変換光学系７は回折格子５によって分散されたビームの光路をミラー要素１５に応じて異なる光路に変換し、その結果、戻りビームＬ２は光ファイバ２の任意の１つに入射することができる。

例えば、戻りビームＬ２は各波長に応じて異なる光ファイバ２に入射することができる。このため、光路変換光学系７はスイッチ光学系として機能することができる。この場合、光処理デバイス１０は波長選択スイッチとして機能する。

光路変換光学系７は光ファイバ２に入射しないようにビームの方向を制御することができるので、光路変換光学系は、各波長のビームが他の光ファイバ２のうちの１つに別々に入射するか、または他の光ファイバ２のどれにも入射しないかを選択することができる。

このため、光路変換光学系７は遮断光学系としても機能することができる。この場合、光処理デバイス１０は波長ブロッカとして機能する。

光路変換光学系７は、各波長のビームを所定の減衰率で減衰させてビームが光ファイバ２に入射するように光路を変換することができる。例えば、所定の波長のビームは、ミラー要素１５を使用して反射量を調整することによってビームを減衰させながら光ファイバ２に入射することができる。

このため、光路変換光学系７はフィルタ光学系としても機能することができる。この場合、光処理デバイス１０は波長フィルタとして機能する。

図１から３に示されるように、光ファイバ２の内部を伝搬するビームおよび光ファイバ２から放出されたビームＬ１は、異なる波長を有する多数の信号ビームを含む波長多重光とすることができる。

光ファイバ２の前端部表面２ａから放出されたビームＬ１はレンズ３および４（コリメータレンズ）によってコリメートされ、次に、回折格子５によって異なる波長を有する多数のビームに分散される。

分散された放出ビームＬ１は、光路変換光学系７の方に移動すると同時にレンズ６（スキャンレンズ）によって合焦される。

図３および４に示されるように、光路変換光学系７において、放出ビームＬ１は中間反射部分１２の各窓部分１７を通過し、各ミラー要素１５に到達し、ミラー要素１５から反射されたビームは中間ミラー１９の方に移動する。

例えば、図４に示されるように、光ファイバ２Ｂから放出されたビームＬ１はミラー要素１５ｂで反射され、次に、異なる波長を有する反射ビームＬ３およびＬ４はそれぞれ中間ミラー１９ａおよび１９ｂの方に移動することができる。放出ビームＬ１がミラー要素１５によって最初は反射される点は、第１の反射点Ｒ１と呼ばれる（図４を参照）。この例では、第１の反射点Ｒ１はミラー要素１５ｂである。

反射ビームＬ３およびＬ４はそれぞれ中間ミラー１９ａおよび１９ｂで反射され、反射ビームＬ５およびＬ６はそれぞれミラー要素１５ａおよび１５ｃの方に移動してミラー要素１５ａおよび１５ｃで反射され、次に、反射ビーム（戻りビームＬ２）は中間反射部分１２の窓部分１７を通過して光ファイバ２Ａおよび２Ｃ（出力路）の方に移動する（図３を参照）。

図４に示されるように、ビームＬ３およびＬ４が中間ミラー１９（１９ａおよび１９ｂ）で反射される点は中間反射点Ｒｉと呼ばれる。

中間ミラー１９から反射されたビームＬ５およびＬ６がミラー要素１５で反射される点は第２の反射点Ｒ２と呼ばれる。この例では、第２の反射点Ｒ２はミラー要素１５ａおよび１５ｃである。

図１、２および５に示されるように、放出ビームＬ１は、異なる波長を有するビームＬ_λ１からＬ_λ７に回折格子５によって分散され、合焦され、光路変換光学系７に到達する（特に、図５を参照）。

図５には明確に示されていないが、ビームの焦点深度位置は波長に依存するので、ビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点深度位置は互いに異なることがある。深度方向は図１から５において右向きの方向を示す。

図４に示されるように、放出ビームＬ１（ビームＬ_λ１からＬ_λ７）の焦点位置は第１の反射点Ｒ１またはその近傍であることが望ましい。

光処理デバイス１０において、図２に示されるレンズ６の傾き角Ａ１は、ビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点深度位置の最大差が、レンズ６が傾斜されていない（図２の二点鎖線で示されるような）場合と比較して、小さくなるように設定される。ビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点深度位置の最大差が最小になるように傾き角Ａ１が設定されることが望ましい。

一例として、レンズ６が傾けられず、ビームＬ_λ１からＬ_λ７うちのビームＬ_λ１の焦点位置が最も浅く、ビームＬ_λ５の焦点位置が最も深い場合が説明される。

レンズ６を傾ける（図２の実線で示されるように）ことによって、光路変換光学系７までの光路はビームＬ_λ１に関して短くなり、光路はビームＬ_λ５に関して長くなる。このため、ビームＬ_λ１の焦点位置とビームＬ_λ５の焦点位置との間の差（深度方向の距離）を減少させることができる。

ビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点深度位置の変動（最大値と最小値との間の差）が減少するので、ビームＬ_λ１からＬ_λ７の焦点をミラー要素１５に隣接する位置で形成することができる。

このため、反射時の損失は、ミラー要素１５に入射するビームＬ_λ１からＬ_λ７のビーム直径を減少させることによって減少させることができる。

したがって、光学系を複雑にすることなしに高い結合効率を広い波長領域で得ることができ、その結果、出力特性を改善することができる。

図１および２に示されるように、戻りビームＬ２はレンズ６によってコリメートされ、レンズ３および４によって合焦され、光ファイバ２の前端部表面２ａに入射する。

図６は、レンズ６の傾き角Ａ１に関するシミュレーション結果を示すグラフである。ビームの焦点位置をミラー要素１５の最適位置に設定することによって、深度方向における基準点から最適位置までの距離がビームＬ_λ１からＬ_λ７の各々に対して得られている。

レンズ６が傾けられない例２（二点鎖線で示されたような）では、ビームＬ_λ１からＬ_λ７１の最適位置の変動が増加するが、例１（図２の実線で示されたような）では、ビームＬ_λ１からＬ_λ７の最適位置の変動はレンズ６を傾けることによって減少する。

例１では、最も浅い最適位置と最も深い最適位置との間の差は実質的に最小である。

図７は、レンズ６の傾き角Ａ１に関するシミュレーション結果を示すグラフである。光ファイバ２（出力路）に対する結合効率が、ビームＬ_λ１からＬ_λ７（それぞれ波長λ１からλ７を有する）の各々に対して得られている。

レンズ６が傾けられない例２では、ビームＬ_λ１からＬ_λ７の結合効率の変動が増加するが、例１では、ビームＬ_λ１からＬ_λ７の結合効率の変動はレンズ６を傾けることによって減少する。このため、例１では、高い結合効率が広い波長領域で得られ、その結果、出力特性を改善することができる。

図８は、光処理デバイス１０の特定の構成の一例を示す。図面に示された光処理デバイス１０は、ビーム放出部分１と、レンズ３および４（コリメートレンズ）と、レンズ３および４からのビームを分散させる回折格子５Ａおよび５Ｂと、レンズ６（スキャンレンズ）と、光路変換光学系７とを備えるケース２１を含む。記号２２から２４はミラーを示す。

ビーム放出部分１の光ファイバの数は特に限定されず、任意とすることができ、例えば、３つ以上とすることができる。さらに、光路変換光学系のミラー要素の数は１つまたは複数に任意に設定することができる。さらにミラー要素および中間ミラーでビームを反射する回数は上述の例に限定されない。

１ ビーム放出部分
２ 光ファイバ
３、４ レンズ（コリメートレンズ）
５ 回折格子（分散要素）
６ レンズ（集光レンズ）
７ 光路変換光学系
８ 光路長調整部分
１５ ミラー要素
１９ 中間ミラー
Ｌ１ 放出ビーム
Ｌ２ 戻りビーム
Ｄ１ レンズ（集光レンズ）の光軸方向
Ｄ２ ビーム放出部分から光路変換光学系までの光軸方向
Ｒ１ 第１の反射点
Ｒ２ 第２の反射点
Ｒｉ 中間反射点
Ａ１ レンズ（集光レンズ）の光軸方向の傾き角

Claims (9)

1. 複数の光ポートと、
   前記光ポートから受け取った光ビームを複数の波長成分に空間的に分散させるための分散要素と、
   前記複数の波長成分を受け取り、前記波長成分のうちの少なくとも１つを前記光ポートのうちの１つに選択的に誘導するための光路変換系と、
   前記光路変換系によって受け取られた前記複数の波長成分の各々を合焦するための少なくとも第１の光学要素と、
   を備え、
   前記光路変換系および前記少なくとも第１の光学要素が、前記波長成分のうちの１つが前記第１の光学要素によって合焦される第１の焦点面と他の波長成分の任意のものが合焦される第２の焦点面との間の距離であって、焦点距離の波長への固有の依存から生じる前記第１の焦点面と前記第２の焦点面との間の距離を減少させるように配置され、
   第１の焦点面と第２の焦点面との間の距離が減少するように、前記第１の光学要素の光軸が前記光ポートの光軸に対して傾けられており、
   前記第１の光学要素は単一のレンズからなり、前記第１の光学要素と前記分散要素との間にはレンズが配置されていない光処理デバイス。
2. 前記第１の光学要素が、それを通る光ビームの光路をその光軸に垂直な方向に変更するように構成される、請求項１に記載の光処理デバイス。
3. 前記光路変換系は、少なくとも１つの波長成分が光ポートのうちの選択された１つに誘導される前に少なくとも２回反射されるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を含む、請求項１に記載の光処理デバイス。
4. 前記ＤＭＤが前記波長成分を選択的に反射するための別々に作動可能なミラー要素のアレイを含み、前記光路変換系には、前記ＤＭＤからの反射波長成分を受け取り、それらを前記ＤＭＤの前記ミラー要素のうちの選択されたものに誘導して戻すための第２の光学要素がさらに含まれる、請求項３に記載の光処理デバイス。
5. 複数の波長成分の各々が合焦される前記第１の焦点面および前記第２の焦点面が前記作動可能なミラー要素とほぼ一致する、請求項１に記載の光処理デバイス。
6. 前記第１の光学要素が集光レンズを含む、請求項１に記載の光処理デバイス。
7. 前記第２の光学要素が、前記ＤＭＤの前記ミラー要素の反射表面と向き合う反射表面を有する複数の平面ミラーを含む、請求項４に記載の光処理デバイス。
8. 前記光路変換系が、前記波長成分の各々を前記光ポートのうちの異なるものに選択的に誘導するように構成される、請求項１に記載の光処理デバイス。
9. 前記少なくとも第１の光学要素が複数の光学要素を含む、請求項１に記載の光処理デバイス。

Images