JP2634979B2

JP2634979B2 - 光合分波器

Info

Publication number: JP2634979B2
Application number: JP3245850A
Authority: JP
Inventors: 一弘織田; 弘鳥羽; 恭井上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-09-25
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPH0580274A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光周波数分割多重伝送
用の光合分波器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来の回折格子形光合分波器の
基本構成を示す図である。図２において、λ１〜λｎは
光波長、Ｆ１は入力用光ファイバ、Ｆ２，Ｆ３，…，Ｆ
ｎ（ｎ≠１）は出力用光ファイバ、１はコリメーティン
グレンズ、２は回折格子、３はフォーカシングレンズで
ある。一般に、光合分波器は光分波器として機能する場
合の光入出力の方向を逆転させて使用することにより、
光合波器としても使用可能になるという特徴をもつた
め、以下には光分波器としての構成に対してのみ説明す
る。図２の光合分波器は、分波時は以下のように動作す
る。

【０００３】まず、入力用光ファイバＦ１に波長多重さ
れた中心周波数がλ１〜λｎの光波群が入力される。次
に、それらの光波群はコリメーティングレンズ１によっ
て平行光に変換され、回折格子２に入射される。回折格
子２に入射された光波群は、それぞれ回折格子２によっ
て回折されるが、その回折角度は入射光波の中心波長に
応じて異なる。従って、回折作用を受けた光波群をフォ
ーカシングレンズ３に入射すると、各光波は自身の波長
に応じて各々異なる点に集光される。各光波が集光され
る点には、あらかじめ出力用光ファイバＦ２，Ｆ３，
…，Ｆｎが設置されており、これにより各光波を波長に
応じて取り出すことが可能になる。すなわち、分波する
ことが可能になる。

【０００４】図３は、上述の回折格子形光合分波器の分
波時の波長−損失特性を説明するための図であり、焦平
面上における光ビームスポット（以下、光スポットとい
う）ＳＰとコアＣＲの位置関係、及びこれに対応する各
光ファイバの波長−損失特性を示したものである。回折
格子形光分波器の波長−損失特性の説明の詳細は、『小
山、箕輪、藤井、“光通信回路とシステム”、ｐ６６、
オーム社』に記載されている。

【０００５】図３において、波長λ１の光スポットＳＰ
は位置アにあり、光ファイバＦ２，Ｆ３，Ｆ４…のいず
れにも結合せず、損失は大きい。波長λ２の光スポット
ＳＰは位置イにあり、光ファイバＦ２に完全に結合する
ため、損失は最小になる。波長λ３とウの場合も同様で
ある。しかし、波長λ４とスポット位置エの場合には光
の一部のみが光ファイバＦ２に結合するだけなので、損
失は大きくなる。さらに、波長λ５、スポット位置オの
位置になると、もはや光ファイバＦ２には結合せず、光
ファイバＦ３に光の一部が結合しはじめる。そして、波
長λ６、スポット位置カまでいくと、光ファイバＦ３に
対する損失は最小になる。波長λ７、スポット位置キの
場合も同様に、光ファイバＦ３に対する損失は最小にな
る。

【０００６】以上のように、従来の回折格子形光合分波
器では、波長により集光位置が変化し、光ファイバとの
結合効率が変わる特性を利用して分波特性を得ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光合分波器では、フォーカシングレンズ３により集
光された光ビームのスポットサイズは、入力用光ファイ
バＦ１のモードフィールド径と同程度となるため、出力
用光ファイバＦ２，Ｆ３，…，Ｆｎのモードフィールド
径が入力用光ファイバＦ１のモードフィールド径と同じ
である場合には、図３に示すような平坦な通過帯域特性
を得ることはできない。

【０００８】従来の光合分波器の通過帯域幅特性を広
く、かつ平坦にするためには、出力用光ファイバＦ２，
Ｆ３，…，Ｆｎのモードフィールド径を入力用光ファイ
バＦ１のモードフィールド径よりも大きくする必要があ
る。そのため、入出力用光ファイバをともに単一モード
光ファイバにした場合、光合分波器の通過帯域幅を広く
することは困難であった。

【０００９】また、図４は、従来の光合分波器の代表的
な波長損失特性例を示す図で、横軸は入射光波の波長変
化量を、縦軸は損失をそれぞれ表している。なお、図４
に示された光合分波器の詳細は、『J. Hegarty et al.,
Electronics Letters, 1984, vol. 20, No. 17, pp685
-686. 』に記載されている。

【００１０】この場合、入出力用光ファイバに単一モー
ド光ファイバ、レンズの焦点距離25.6mm、回折格子の格
子間隔600 （１／mm＝1.67μｍ）、ブレーズ波長1.6 μ
ｍを用い、本来外径125 μｍの出力用単一モード光ファ
イバのクラッド層を薄くすることで、コア間距離を３６
μｍにとり、挿入損失1.5dB 、チャネル波長間隔２nm、
通過帯域幅0.2nm を実現している。

【００１１】図４からも明らかなように、従来の回折格
子形光合分波器の場合には、入出力用光ファイバとし
て、単一モード光ファイバを使用しつつ、光合分波器の
通過帯域幅を広くすることは困難であった。

【００１２】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、入出力用光ファイバとして同じ
モードフィールド径のファイバを使用しても、通過帯域
幅が広く、かつ、通過帯域特性が平坦な光合分波器を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するため、周波数多重された光波群を導く入力用光
ファイバと、前記周波数多重された光波群を回折させる
ための一つの回折格子と、前記回折格子により回折され
た光波群の波面を所定の帯域毎に分割して回折格子にそ
れぞれ異なる入射角度で再入射させる波面分割素子と、
前記回折格子により回折された光波群の波面を反転させ
て前記波面分割素子に入射させる波面反転手段と、回折
格子により回折された複数の分割光波をそれぞれ取り出
すための複数の出力用光ファイバとを備えた。

【００１４】

【作用】本発明によれば、入力用光ファイバから入力さ
れた光波群は、回折格子に入射する。回折格子において
は、各光波の受ける回折角度が波長に依存して異なるた
め、各光波は空間的に分離される。回折格子により回折
された各光波は、波面反転手段によりその波面が反転さ
れ波面分割素子に入射する。波面が反転された光波は、
波面分割素子により所定の帯域毎に分割される。波面の
分割作用を受けた各光波は、再度回折格子に、分割され
た波面毎に異なる入射角度で入射する。

【００１５】これにより、各光波の分割された波面内の
波長成分に対する分散特性が解消され、かつ、分割され
た波面毎に異なる出射角度で回折格子より出射されて空
間的に分離され、各々の光波はそれぞれ出力用光ァイバ
により取り出される。

【００１６】

【前提例】図１は、本発明の光合分波器の前提となる例
を示す構成図である。図１において、λｉ（ｉ＝１，
２，３，…）はある帯域幅を有する光波群の中心波長、
１１は導波路基板、１２は単一モード光ファイバＦ１か
らなる入力用光ファイバ、１３は複数の単一モード光フ
ァイバＦ２，Ｆ３，Ｆ４，…からなる出力用光ファイバ
群、Ｌ１，Ｌ２はレンズ、Ｇ１，Ｇ２は互いに逆の分散
特性を有する回折格子、Ｒ１は反射鏡、Ｒ２は波面分割
反射鏡、ｆはレンズＬ１，Ｌ２の焦点距離、Ｘ軸は入力
用光ファイバ１２の光軸に対して垂直方向の軸、Ｚ軸は
入力用光ファイバ１２の光軸に対して平行な軸、Ｘinは
入力用光ファイバ１２のＸ座標、Ｘoutｉはλｉのチャ
ネルに対応する出力用光ファイバのＸ座標、ΔＸout は
出力用光ファイバのコア間距離、Ｘｈはレンズ中心から
開口端までの距離、δＸ１は反射鏡Ｒ１上におけるビー
ムスポット間距離のＸ座標上の長さ、δＸ２は波面分割
反射鏡Ｒ２上におけるビームスポット間距離のＸ座標上
の長さ、ｄαは回折格子Ｇ２に入射する光波の入射角度
変化分、−ｄβは回折格子Ｇ１から回折する光波の回折
角度変化分、ｄγは回折格子Ｇ２から回折する光波の回
折角度変化分、ｌ1iはλｉに対するレンズＬ１から反射
鏡Ｒ１までの光路長、ｌ2iはｉ番目のチャネルの光波に
対する反射鏡Ｒ１から波面分割反射鏡Ｒ２までの光路長
である。

【００１７】図１の光合分波器は、長さ２ｆの導波路基
板１１の長さ方向の一端面に互いに逆分散特性を有する
導波路形の回折格子Ｇ１，Ｇ２を並設し、導波路基板１
１の他端面の回折格子Ｇ１に対向する所定の位置（座標
Ｘinの位置）には入力用光ファイバ１２の端面を配置す
るとともに、回折格子Ｇ２に対向する所定の位置（座標
Ｘout ｉの位置）には出力用の光ファイバＦ２，Ｆ３，
…の端面を配置し、さらに、回折格子Ｇ１と入力用光フ
ァイバ１２の端面間のほぼ導波路基板１１の中央部にレ
ンズＬ１を配置するとともに、回折格子Ｇ２と出力用光
ファイバ群１３の端面間のほぼ導波路基板１１の中央部
にレンズＬ２を配置し、加えてレンズＬ１と導波路基板
１１の他端面間に反射鏡Ｒ１を配置するとともに、レン
ズＬ２と導波路基板１１の他端面間の反射鏡Ｒ１の反射
光路に、その反射光路をレンズＬ２側に変更するように
波面分割反射鏡Ｒ２を配置することにより構成されてい
る。

【００１８】次に、上記構成による各部機能並びに動作
を説明する。

【００１９】入力用光ファイバ１２から出力されたある
帯域幅を有する光波群｛中心波長：λｉ（ｉ＝１，２，
３…）｝は、レンズＬ１によって平行光に変換され、回
折格子Ｇ１に入射し、回折される。ここで、回折格子Ｇ
１のブレーズ角度がθB のとき、入射波長λｉがブレー
ズ波長λB に等しく、回折格子Ｇ１の設置角度がいわゆ
るリトロ配置構成であれば、ブレーズ波長λB に対する
回折角度は入射角度と等しくθB となる。また、各光波
の中心波長λｉとブレーズ波長λB との差に応じて、各
光波の回折角はθB より−ｄβだけずれる。

【００２０】回折格子Ｇ１によって回折された各光波
は、レンズＬ１を再度通過し、集光される。そのとき、
波長によって回折角度が異なるので、各光波はそれぞれ
反射鏡Ｒ１の異なる位置に入射される。反射鏡Ｒ１で反
射された各光波は、次に波面分割反射鏡Ｒ２に入射され
るが、やはり波長の違いによって、ビームスポットを形
成する位置が各光波によって異なる。このとき、Ｘ軸方
向に波面分割反射鏡Ｒ２の反射面に段差が設けてあるた
めに、反射鏡Ｒ１上におけるビームスポット間距離のＸ
座標上の長さδＸ１と、波面分割反射鏡Ｒ２上における
ビームスポット間距離のＸ座標上の長さδＸ２が異な
る。

【００２１】もし、反射鏡Ｒ２に段差がついておらず、
反射鏡Ｒ１と波面分割反射鏡Ｒ２が同じ構造であるなら
ば、光の伝搬特性が可逆的であることから、各光波は各
々の波長に関係無く座標（Ｘ，Ｚ）＝（−Ｘin，０）の
位置に集光されることになる。しかし、波面分割反射鏡
Ｒ２には分割すべき帯域毎に反射面に段差が設けられて
いるので、波面分割反射鏡Ｒ２の同じ反射面で反射され
た波長帯域成分に関しては、波長に対する回折角度の分
散特性は解消されて同じ位置に集光されるが、波面分割
反射鏡Ｒ２の異なる反射面で反射された光波に対して
は、δＸ１とδＸ２の差分に応じて異なる位置に集光さ
れることになる。

【００２２】これらの光波を出力用光ファイバ群１３の
各光ファイバＦ２，Ｆ３，Ｆ４，…によって取り出すこ
とにより、分波が可能になる。このとき、波面分割反射
鏡Ｒ２の同じ反射面上で反射された光波は、反射面の長
さに応じた波長帯域毎に同じスポット位置に集光される
ので、入力用光ファイバ１２と同じモードフィールド径
の出力光ファイバであっても、分割された波面内の波長
帯域成分は一様に光ファイバに結合する。すなわち、図
１の光合分波器の通過帯域特性は広く、かつ、平坦にな
る。

【００２３】次に、図５を用いて反射鏡Ｒ１，波面分割
反射鏡Ｒ２の構造並びに機能についてさらに詳細に説明
する。図５において、Ｘｍは波面分割反射鏡Ｒ２の反射
面のＸ軸上の長さ、δＸ２は波面分割反射鏡Ｒ２上にお
けるビームスポット間距離のＸ座標上の長さ、Ｘｇは波
面分割反射鏡Ｒ２のＺ軸方向に光波を反射しない領域の
Ｘ軸上の長さ、ΔＸは波面分割反射鏡Ｒ２の反射面の終
端部から次の反射面の終端部までのＸ軸上の長さ、Ｘｓ
は波面分割反射鏡Ｒ２の反射面の始点のＸ座標、Ｐｉは
λｉに対応するビームスポットの反射鏡Ｒ１上の座標、
Ｑｉはλｉに対応するビームスポットの波面分割反射鏡
Ｒ２上の座標である。

【００２４】回折格子Ｇ１による回折によって、反射鏡
Ｒ１上にブレーズ波長に近い波長を有する光波がビーム
スポットを形成する点のＸ座標の波長依存性は、次式の
ようになる。

【００２５】ｄＸ／ｄλ≡ｆ／｛ｎ・Λ・cos(θB)｝ …(1) ここでは、近軸近似を用いている。λは入射光波の波
長、Λは格子間隔、ｎは実効屈折率、ｆはレンズＬ１，
Ｌ２の焦点距離、θB は回折格子Ｇ１，Ｇ２のブレーズ
角である。故に、チャネル波長間隔をΔλc とすると、
反射鏡Ｒ１上に形成されるビームスポット間のＸ座標距
離δＸ１は次式のようになる。

【００２６】 δＸ１≡［ｆ／｛ｎ・Λ・cos(θB)｝］Δλc …(2) 次に、波面分割反射鏡Ｒ２上では、ビームスポット間の
Ｘ座標距離δＸ２は次式で与えられる。

【００２７】 δＸ２＝（Ｘm ＋ΔＸ−Ｘg ）＝δＸ1 ＋δ …(3) さらに、出力用光ファイバのコア間隔ΔＸout は、δＸ
１とδＸ２との間に差があることにより生じることから ΔＸout ＝δ …(4) とおくことができる。

【００２８】また、(2) 式から、０ｄＢ通過帯域幅Δλ
p 、阻止帯域幅Δλg 、チャネル波長間隔Δλc はそれ
ぞれ以下のように与えられる。

【００２９】 Δλp ＝［｛ｎ・Λ・cos(θB)｝／ｆ］（Ｘm −Ｄ） …(5) Δλg ＝［｛ｎ・Λ・cos(θB)｝／ｆ］（Ｘg ＋Ｄ） …(6) Δλc ＝［｛ｎ・Λ・cos(θB)｝／ｆ］（Ｘm ＋Ｘg ） …(7) ここで、Ｄは波面分割反射鏡Ｒ２上での、ビームスポッ
ト直径である。

【００３０】図５及び上記(2) ，(3) ，(7) 式から、出
力用光ファイバのコア間隔は、 ΔＸout ＝ΔＸ−２Ｘg …(8) となる。また、レンズＬ１から反射鏡Ｒ１までの光路長
ｌ1iと反射鏡Ｒ１と波面分割反射鏡Ｒ２間の光路長ｌ2i
（ｉ＝１，２，３）との間には、分波された光波が出力
用光ファイバに効率良く結合するための条件である次式
をほぼ満たす必要がある。

【００３１】２ｌ1i＋ｌ2i＝２ｆ …(9) 図６は、上記(5) 〜(7) 式より求められる図１の光合分
波器の波長−損失特性と波面分割反射鏡Ｒ２の構造との
関係を示す図である。波長−損失特性は、波面分割反射
鏡Ｒ２のＺ軸方向への投影面形状とビームスポット位置
により説明することができる。

【００３２】例えば、反射領域Ｘｍ内アの位置にビーム
スポットの中心がある場合には、入射光がすべて出力用
光ファイバ群１３の光ファイバＦ２に結合するので、０
dB帯域に相当する。さらに、波長の変化に従いビームス
ポットの中心位置がイの点まで移動してもやはり、入射
光がすべて出力用の光ファイバＦ２に結合するため、０
dB帯域に相当する。しかし、イの点を過ぎると、ビーム
スポットは阻止領域Ｘｇ内に移動し、入力光は光ファイ
バＦ２に完全には結合しなくなり、逆に光ファイバＦ３
に結合し始める。そして、ウの点まで来たときに、光フ
ァイバＦ２と光ファイバＦ３に対して同じ結合効率とな
る。さらに、ビーム位置が移動すると、光ファイバＦ３
に完全に結合するようになり、その状態は点エまで続
く。点エを過ぎると、またビームスポットは阻止領域Ｘ
ｇ内に移動し、光ファイバＦ３への結合は弱くなってい
き、光ファイバＦ４への結合が強まる。点オまで移動す
ると、光ファイバＦ４の０dB帯域内に入っていく。

【００３３】以上のような特性が、繰り返し現われる。
この分波器のチャネル数ｉは、波面分割反射鏡Ｒ２の反
射面が、レンズの開口からはみだすことによって制限さ
れ、次式で与えられる。ｉ≦［｛Ｘｈ−（Ｘｓ＋Ｘｍ）｝／｛δ＋（Ｘｍ＋Ｘｇ）｝］＋１ …(10) 図７は、図１の光合分波器の波長−損失特性の具体例を
示す図である。図７においては、格子間隔1.67μｍ、ブ
レーズ波長1.55μｍ、レンズ焦点距離ｆ＝25.4mm、ファ
イバモードフィールド径１０μｍ、波面分割反射鏡の反
射面の長さＸｍ＝117.5 μｍ、阻止領域の長さＸｇ＝6
9.2μｍ、レンズ開口の半径Ｘｈ＝22.9mm、出力用光フ
ァイバのコア間隔ΔＸout ＝４０μｍ、導波路の実効屈
折率ｎ＝1.45である。

【００３４】これらのパラメータで構成された光合分波
器の主要特性は、チャネル数４５ｃｈ、チャネル間隔Δ
λc ＝15.3nm、通過帯域幅Δλp ＝8.01nm、阻止帯域幅
Δλg ＝7.33nm、チャネル間クロストークの最悪値＝-2
1.5dB である。

【００３５】図７より明らかなように、図１の構成によ
る光合分波器は、従来の光合分波器と比較して、単一モ
ード光ファイバを使用しながら、入射光波の波長間隔に
対して、通過帯域幅を広く、かつ、通過域特性を平坦に
できるという利点がある。また、２次元平面上に構成で
きるため、導波路化が可能であるという特徴がある。

【００３６】以上に説明したような光合分波器は、バル
ク形デバイスでも構成できるが、安定性や精度を考慮す
ると導波路形で構成することが望ましい。また、レンズ
は所要の特性を満たすならば、モードインデックスレン
ズ、ルネブルクレンズ、ジオデシックレンズ、フレネル
レンズ、グレーティングレンズ等のうちのいずれを用い
ても良い。

【００３７】また、光弾性定数の大きな導波路基板材料
を使用することにより、レンズと回折格子との間にＲＦ
用のトランスデューサを設けることにより、音響光学効
果を用いた可同調分波器も構成することが可能となる。

【００３８】

【実施例】図８は、本発明に係る光合分波器の一実施例
を示す構成図である。本実施例が前提例と異なる点は、
回折格子として互いに逆分散特性をもつ導波路形回折格
子を２個用いることなく、一つの回折格子Ｇ１を用い、
これに対応して設けた一つのレンズＬ１で構成したこと
にある。この場合、分散の影響を解消するため、反射鏡
Ｒ１を波面反転手段として用い、回折格子Ｇ１による回
折光の波面を反転、具体的には位相の進んでいる部分と
遅れている部分とを逆転させて波面分割反射鏡Ｒ２を通
じて回折格子Ｇ１に分割光波を入射させるように構成さ
れている。

【００３９】本実施例の動作自体は、前述した前提例と
同様であるので、ここでは省略する。本実施例によれ
ば、２枚のレンズと逆分散特性をもつ回折格子の組み合
わせによる前提例の場合に比べ、レンズ１枚、回折格子
１個と部品点数を少なくできるという利点がある。

【００４０】また、入力用光ファイバ１２と出力用光フ
ァイバ群１３の位置関係を逆転させた構成でも実現可能
であることはいうまでもない。

【００４１】

【変形例１】図９は、本発明の光合分波器の第１の変形
例を示す構成図である。本例が前提と異なる点は、回折
格子として反射形の代わりに透過形のものを用い、か
つ、回折格子Ｇ１の回折光をレンズにより集光すること
をせずに、直接波面分割反射鏡Ｒ２に入射させ、さらに
回折格子Ｇ２の回折光を分割光波毎に対応して設けたレ
ンズＬ１，Ｌ２により集光し出力用の光ファイバＦ２，
Ｆ３に導波させるように構成したことにある。

【００４２】本例によれば、波面分割反射鏡Ｒ２の直前
にレンズを挿入しなくてすむので、実施例と同様に、前
提例の場合に比べて部品点数を減らせる利点がある。な
お、本例では、透過形回折格子を使用しているが反射形
回折格子でも構成できることは言うまでもない。

【００４３】

【変形例２】図１０は、本発明の光合分波器の第２の変
形例を示す構成図である。本例では、回折格子として導
波路アレイ形で互いに逆分散特性をもつものを２個用い
ている。なお、回折格子Ｇ１，Ｇ２と波面分割反射鏡Ｒ
２との間にはレンズＬ４を配置している。

【００４４】本例によれば、導波路アレイ形の回折格子
を用いたので、簡易な構成で低損失に光波を回折させる
ことが可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
通過帯域を広く、かつ、平坦に設定できる。従って、本
発明の光合分波器を光波長分割多重通信に利用すること
で、光波長帯域を有効に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光合分波器の前提例を示す構成図

【図２】従来の光合分波器の構成図

【図３】従来構成の分波器の動作原理説明図

【図４】従来の光合分波器の波長損失特性例を示す図

【図５】図１の反射鏡の拡大構造図

【図６】図１の波面分割反射鏡の構造と波長損失特性を
示す図

【図７】図１の光合分波器の波長損失特性の具体例を示
す図

【図８】本発明の光合分波器の一実施例を示す構成図

【図９】本発明の光合分波器の第１の変形例を示す構成
図

【図１０】本発明の光合分波器の第２の変形例を示す構
成図

【符号の説明】

λｉ（ｉ＝１，２，３…）…ある帯域幅を有する光波群
の中心波長、１１…導波路基板、１２…入力用単一モー
ド光ファイバ（Ｆ１）、１３…出力用単一モード光ファ
イバ群（Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４
…レンズ、Ｇ１，Ｇ２…回折格子、Ｒ１…反射鏡、Ｒ２
…波面分割反射鏡。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数多重された光波群を導く入力用光
ファイバと、前記周波数多重された光波群を回折させるための一つの
回折格子と、前記回折格子により回折された光波群の波面を所定の帯
域毎に分割して回折格子にそれぞれ異なる入射角度で再
入射させる波面分割素子と、前記回折格子により回折された光波群の波面を反転させ
て前記波面分割素子に入射させる波面反転手段と、回折格子により回折された複数の分割光波をそれぞれ取
り出すための複数の出力用光ファイバとを備えたことを
特徴とする光合分波器。