JP3274058B2

JP3274058B2 - 光ディバイス

Info

Publication number: JP3274058B2
Application number: JP06671896A
Authority: JP
Inventors: 正孝白▲崎▼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: KR100260677B1; CN1081800C; CN1162122A; US5838849A; JPH09258056A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ディバイスに係
り、特には、光波長に対する角分散を有する光素子の透
過波長帯域拡大構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マルチメディア通信網が注目され
るに到り、光通信を実用化するための研究開発が盛んに
行われている。特に、一度に多量の情報を送信するため
光信号の波長分割多重方式が有力になっている。このよ
うな、波長分割多重方式においては、波長の異なる光信
号を合波する技術あるいは分波する技術が重要になる。
現在、光通信において想定されている光分割多重の度合
いは、光アンプを使った狭い帯域のシステムにおいて、
１０ｎｍの帯域に４波から８波の波長の異なる光信号を
多重する程度のものである。このように、高密度に光信
号を多重する場合、これらの光を合波する合波器や光を
分波する分波器には高い性能が要求される。

【０００３】図１５は、光通信システムの概略構成図で
ある。送信機１５０１−１〜１５０１−４はそれぞれ異
なる波長λ₁〜λ₄の搬送波に乗せて光信号を送出す
る。これら異なる搬送波の波長を有する光信号は合波器
１５０３で合波され、４波が波長分割多重された信号が
光ファイバ１５０５を介して送出される。光ファイバ１
５０５を介して送信された光信号は、分波器１５０４に
入力される。分波器１５０４では搬送波の波長がλ₁〜
λ₄の光信号に分波され、それぞれの受信機１５０２−
１〜１５０２−４に入力されて検出される。

【０００４】このようなシステムにおいては、前述した
ように狭い帯域に４波あるいは８波の波長の異なる光信
号を波長分割多重するため非常に高い精度が要求され
る。このような合波器１５０３や分波器１５０４では波
長に依存した角分散を有する素子が使用される。

【０００５】図１６は、従来の分波器の一構成を示す図
である。入力ファイバ１６０１からは、図１５の光ファ
イバ１５０５を伝送されてきた光信号が出射され、コリ
メートレンズ１６０２によって平行光線にコリメートさ
れる。この平行光線は例えば４つの搬送波の波長の異な
る光信号が含まれている。コリメートレンズ１６０２で
平行光線になった光信号は、波長角分散素子１６０３に
入力される。

【０００６】波長角分散素子１６０３は、例えば、回折
格子等であり、光の波長の違いにより異なる方向に光束
を出力する機能を有するものである。このような波長角
分散素子１６０３としては、回折格子の他に、例えば、
特願平７−１９０５３５号に記載された分波器が使用可
能である。この分波器は、透明体からなるスペーサと、
その両面に設けられた反射膜と、入射光が入射する入射
窓とからなっている。反射膜の反射率は、例えば、一方
の反射膜が１００％で、もう一方の反射膜が９５％であ
る。入射窓から入射される入射光は入射窓のあたりで一
旦線状に集光され、スペーサ内部を広がりながら伝搬
し、多重反射を起こす。９５％の反射率を持つ反射膜の
側からは多重反射の度に一部の光が出射光として出力さ
れる。出射側では、多重反射の度に出射される出射光が
互いに干渉しあい、波長に依存して異なる方向に光束を
形成する。このようにして形成される光束を受光するこ
とによって、複数の波長が重ね合わされて送信されてき
た入射光をそれぞれの波長に分けて受光する。このよう
な上記特許出願に記載された素子を以下においては、Ｖ
ＩＰＡと呼ぶことにする。また、ＶＩＰＡ素子に関して
は、ＭＯＣ９５学会マイクロオプティクスコン
フェレンス広島ＰＤ−３１０月２０日発表の文献
に詳細が記載されている。

【０００７】波長角分散素子１６０３では、搬送波の波
長毎に異なる方向に光信号が出力される。これを集光レ
ンズ１６０４で集光し、それぞれの波長の光信号を受信
するために複数設けられた出力ファイバ１６０５に出力
する。例えば、波長角分散素子１６０３からの方向に
出射された光はの出力ファイバへ、の方向に出射さ
れた光はの出力ファイバへというように、異なる波長
を有し、波長角分散素子１６０３によって異なる方向に
出射される光信号は異なる出力ファイバ１６０５に出力
され、各波長毎の受光が行われる。従って、複数の波長
の分割多重を行って送信されてきた光信号を受信する場
合には、出力ファイバを、というように複数並べて
光を入力する構成となる。

【０００８】なお、図１６では、分波器として説明した
が、合波器においては、上記光信号の進行方向を逆にす
れば、同じ構成で合波作用が得られる。図１７は、波長
角分散素子を使用した合分波器の透過帯域を説明する図
である。

【０００９】同図（ａ）には、図１６の分波器の集光レ
ンズ１６０４から出力側の構成が示されており、集光レ
ンズ１６０４が集光する光の強度分布と出力ファイバ１
６０５内部の電界分布を示している。

【００１０】出力ファイバ１６０５の電界分布とは、出
力ファイバ１６０５内部を光が伝搬する場合の固有モー
ドを示している。従って、集光レンズ１６０４から光が
入射される場合も、任意の光強度分布で出力ファイバ１
６０５内を伝搬することは出来ず、光の進行方向に垂直
な方向への光の強度分布が同図（ａ）に示すようになっ
ていなければならない。

【００１１】同図（ｂ）は、集光レンズ１６０４による
集束光が出力ファイバ１６０５に入力される様子を説明
する図である。なお、同図（ｂ）においては横軸に光の
進行方向に垂直な方向への距離ｘをとっている。

【００１２】同図（ｂ）の左に記載されているのは集束
光の光強度分布と出力ファイバ内の電界分布の関係であ
る。同図（ｂ）の矢印で示されているように集束光は光
の波長によって左右に移動する。出力ファイバ１６０５
内に入力される光は、出力ファイバ内の電界分布と集束
光の光強度分布とが重なった分だけであるので、集束光
の光強度分布が左右に移動するに連れて、出力ファイバ
内の電界分布との重なりが大きくなり、次に、重なりが
小さくなっていき、集束光の出力ファイバへの透過率は
同図（ｂ）の右側に示されるような形になる。ここで、
同図（ｂ）の右には、横軸を波長、縦軸を透過率として
出力ファイバに入力される集束光の波長依存性を示して
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図１７（ｂ）に示され
るように、出力ファイバに入力される集束光は透過率の
高い部分が尖った形をしており波長の透過帯域が狭い。
従って、搬送波に周波数変調等によって送信信号が重さ
ね合わされている場合には、搬送波の周波数を中心に高
低方向に変化するので、中心の波長からずれる分スペク
トルが広がり、スペクトルの成分の内、中心波長からず
れた光の透過率が下がってしまう。

【００１４】また、実用的にも、集光レンズから所定の
周波数の光が出てくる方向に正確に出力ファイバを設け
ることは非常に難しく、僅かのずれを許容するように構
成されていることが望ましい。

【００１５】しかしながら、図１７（ｂ）に示されてい
るように、出力ファイバへの透過率が波長に対して鋭く
尖った波長依存性を有していると、出力ファイバの位置
が少しずれただけでも出力ファイバに入力される光の透
過率が低くなり、光のロスを生じてしまう。

【００１６】従って、本発明の課題は、波長角分散素子
によって異なる方向に出力された光を出力光ファイバに
入力する際の光の透過帯域を拡大することができる構成
を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の構成は、光の波
長に依存して進行方向が変化する、波長に対する角分散
を有する波長角分散素子から出射する光を集光して光出
力路に結合する光ディバイスを前提とする。

【００１８】そして、本発明の第１の構成においては、
光を受ける光出力路端面での電界分布が、波長角分散素
子の光の分散方向に双峰形状をなすことを特徴とする。
集光された光が光出力路に結合する場合、集光された光
の光強度分布と光出力路端面での電界分布との重なった
部分が光出力内部に透過されていく。従って、光出力路
端面での電界分布を双峰形状とすることにより、山型を
した透過率の頂上付近が平らになり、結合するべき光の
波長が僅かにずれても、高い透過率で光出力路に透過さ
せることができる。

【００１９】これにより、逆に光出力路の位置が僅かに
ずれたとしても透過すべき波長の光を高い透過率で透過
させることができると共に、光が変調を受けスペクトル
が広がったとしても、広がったスペクトル全体を高い透
過率で透過させ受光することができる。

【００２０】また、本発明の第２の構成においては、光
出力路の先端部分における光の強度分布が前記波長角分
散素子の光の分散方向に双峰形状になるよう、波長角分
散素子の光の分散方向に垂直な方向に対して透過光の進
行方向を変えるフィルタを設けたことを特徴とする。

【００２１】このようにすることによって、集光光学系
によって集光される光は光出力路の先端部分において、
光の強度分布が波長角分散素子の分散方向に双峰形状と
なる。前述したように、光出力路への光の透過は、集光
された光の強度分布と光出力路の電界分布の重なる部分
に依存するので、上記構成と同様の作用を得ることがで
きる。

【００２２】本発明の第３の構成においては、集光光学
系と光出力路との間に、集光光学系側から見て光出力路
端面での電界分布が、波長角分散素子の光の分散方向に
双峰形状に見えるように光の経路を調整する位相マスク
系を設けたことを特徴とする。

【００２３】位相マスク系は光の位相を少なくとも部分
的に変化させることにより、位相マスク系の集光光学系
側において、光出力路の電界分布が実効的に、波長角分
散素子の光の分散方向に双峰形状とすることができる。
これにより第１、第２の構成と同様の作用を得ることが
できる。

【００２４】本発明の第４の構成においては、光出力路
の先端部分における光の強度分布が、波長角分散素子の
光の分散方向に双峰形状になるように光の特性を変化さ
せるフィルタを設けたことを特徴とする。

【００２５】このフィルタは例えば、光の位相を変化さ
せる位相マスクであり、あるいは、光の透過を制御する
強度マスクである。このようなフィルタを設けることに
より、光出力路の先端部分における光の強度分布が波長
角分散素子の光の分散方向に双峰形状とすることができ
る。従って、第１〜第３の構成と同様の作用を得ること
ができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の原理を説明する
図である。本発明においては、出力光ファイバの電界分
布を集束光が入射する方向から見た場合、光を波長によ
って角分散する素子の分散方向に実質的に双峰形状の分
布になっているように構成する。このように、出力光フ
ァイバの電界分布を集束光が入射する方向から見たと
き、双峰形状の分布になっている場合、これを以後、実
効的に双峰形状となっていると呼ぶ。

【００２７】同図（ａ）には、出力ファイバ内の電界分
布の実効的形状と集光レンズからの出力光の光強度分布
を示している。同図（ａ）の矢印に示されているよう
に、集束光の光強度分布は、光を波長に従って角分散す
る素子を通過しているので、光信号の周波数が変化する
に連れて移動する。この移動に連れて、集束光の光強度
分布は出力ファイバ内の実効的電界分布と重なる。この
ように重なることによって、集束光が出力ファイバ内に
入力される。

【００２８】出力ファイバ内の実効的電界分布を光の入
射方向から見た場合に、集束光が波長の変化に伴って移
動する方向に単峰形状ではなく、双峰形状とすることに
よって透過帯域を広げることができる。すなわち、出力
ファイバの実効的電界分布と集束光の光強度分布とが重
なる部分が広くなるとともに、電界分布が双峰形状をし
ていることにより、高い透過率を示す周波数範囲が広が
る。

【００２９】同図（ｂ）は双峰形状の電界分布に集束光
を入力する場合に得られる透過率の波長依存性を示して
いる。同図（ｂ）に示されるように、出力ファイバ内の
電界分布を集束光の入力側から見た形が双峰形状とした
場合には、透過率の周波数依存性が透過率の最も高い部
分が尖った形ではなく平らになる。すなわち、透過率の
波長依存性の形状は、理想的には矩形であるが、この矩
形に実際の透過率を近づけることができる。これによ
り、中心周波数から少しずれた周波数の光も高い透過率
で出力ファイバ内に入力することができる。また、出力
ファイバの設定位置が僅かにずれたとしても、目的の周
波数を有する光信号を効率よく出力ファイバに入力する
ことができる。

【００３０】同図（ｃ）には、本発明の別の原理を示
す。同図（ａ）の場合は出力ファイバの実効的電界分布
を集束光が波長の変化に伴って移動する方向に双峰形状
としたが、全く同じ作用が集束光の光強度分布を集束光
が波長の変化に伴って移動する方向に双峰形状にするこ
とによっても得られる。すなわち、同図（ｃ）に示され
るように、出力ファイバ内の電界分布は通常の単峰形状
をしているが、集束光の光強度分布を位相マスク等を用
いて双峰形状としてやる。このようにすれば、出力ファ
イバの電界分布と集束光の光強度分布との重なりが一番
大きくなるあたりで一定となり、同図（ｂ）に示すよう
な出力ファイバへの透過率を得ることが出来る。

【００３１】図２は、本発明の第１の実施例の全体構成
図である。同図に示すのは、光分波器の要部構成であ
り、入力ファイバ２０４から入力された光信号はコリメ
ートレンズ２０５によって平行光にされる。この光信号
を波長角分散素子２０１によって角分散する。波長角分
散素子２０１としては回折格子や前述のＶＩＰＡ型素子
等が使用可能である。コリメートレンズ２０５によって
平行にされた光信号は波長角分散素子２０１で角分散を
受け、波長毎に異なった方向に光束を形成する。波長角
分散素子２０１から出力された光信号は波長毎に異なっ
た方向に伝搬しながら、集光レンズ２０２によって集光
される。集光レンズ２０２によって集光された光信号は
波長毎に異なった場所に集光し、集光点に設けられた出
力ファイバ２０３−１〜２０３−３に入力され、不図示
の受光器によって受光される。出力ファイバ２０３−１
〜２０３−３は、同図においては３個設けられている
が、実際には、波長分割多重によって多重される波長の
数だけ設けられ、それぞれが、１つの波長に対応する光
信号を入力するように構成される。

【００３２】第１の実施例においては、これら複数設け
られる出力ファイバ２０３−１〜２０３−３の先端部分
が２つに分かれた構成をしており、集光レンズ２０２か
らの集束光の出力ファイバ２０３−１〜２０３−３への
透過帯域を広げる作用を有する。

【００３３】以下に、第１の実施例の作用について説明
する。図３は、本発明の第１の実施例の作用を説明する
図であり、光分波器の波長角分散素子より出力側を記載
した構成図である。なお、以下の説明において、波長角
分散素子２０１の光の分散方向は図面の紙面に平行な方
向であるとする。

【００３４】波長角分散素子２０１で角分散を受けた光
は集光レンズ２０２を介して出力ファイバ２０３に入力
される。なお、同図においては、出力ファイバ２０３を
一本のみ記載しているが、実際には分波される光の数だ
け出力ファイバが設けられており、それぞれの光を受光
するように構成されているが、同図においては、これら
は省略されている。

【００３５】出力ファイバ２０３の先端は２つに分かれ
ており出力ファイバ２０３の電界分布が波長角分散素子
２０１の光の分散方向に双峰形状になるように構成され
ている。例えば、幅Ａは５μｍ、幅Ｂは４μｍとなって
おり、先端２０４と先端２０５が離れすぎないように構
成されている。

【００３６】先端２０４と先端２０５が離れすぎると、
先端の部分での出力ファイバ２０３の電界分布が双峰形
状とはならず、２つの単峰形からなるようになってしま
う。このように２つの単峰形状からなる電界分布を有す
る場合には、集束光の光強度分布が単峰形であるため、
出力ファイバ２０３への入力光の透過率が頂点部分が平
らになった形状とはならず、２つの単峰形状が並んだ形
になってしまい、当初の目的を達成することができな
い。

【００３７】したがって、出力ファイバ２０３の先端２
０４と２０５の間は離れすぎないように設計する必要が
ある。出力ファイバ２０３の先端２０４と２０５は、別
のファイバを２本形成するというよりは、実質的に先端
部分が２つに割れている状態と同様に形成する。ここ
で、実質的に先端部分が２つに割れているとは、出力フ
ァイバ２０３の先端２０４と２０５の部分での電界分布
が互いに重なって、双峰形状をなす程度に、先端２０４
と２０５がわずかに離れているという意味である。

【００３８】このように出力ファイバ２０３の先端を２
つに割れた形状とすることにより、出力ファイバ２０３
の先端２０４、２０５における電界分布は双峰形状とな
る。このような双峰形状の電界分布を持つ出力ファイバ
２０３に集光レンズ２０２からの集束光が入射すると、
出力ファイバ２０３の電界分布と集束光の光強度分布の
重なりあう部分が透過光として出力ファイバに入力され
るので、光信号の波長に対する透過率の形状が、透過率
の高い部分で平らになった形状が得られる。従って、前
述したように、透過率の最大となる中心周波数よりずれ
た波長においてもほぼ透過率の最大値と同じ透過率を得
ることができる。

【００３９】出力ファイバ２０３は先端２０４、２０５
で双峰形状の電界分布を有しているが、この先端が２つ
に割れた構成は次第に１本の出力ファイバとして結合さ
れ、出力ファイバ２０３の後方では単峰形状の電界分布
を有するようになる。

【００４０】このように、本実施例によれば、出力ファ
イバ２０３の先端２０４、２０５を２つに割ったような
形状に形成することにより、集束光の出力ファイバ２０
３への透過帯域を広げることが可能となる。

【００４１】図４は、本発明の第２の実施例の全体構成
図である。第１の実施例と同じ構成要素には同じ参照番
号を付してある。同図は図２と同様に分波器の構成を示
す。入力ファイバ２０４から入力される光信号は波長分
割多重されており、複数の波長の光信号を含んでいる。
入力ファイバ２０４から出力される光信号はコリメート
レンズ２０５によって平行光にされる。波長角分散素子
２０１は波長分割多重された光信号を波長毎に分散し、
異なる波長の光信号の光束を異なる方向に形成する。波
長角分散素子２０１から出力された光信号は、位相マス
ク３０２によって位相および進行方向が変化させられ、
集光レンズ２０２によって集光される。集光レンズ２０
２によって集光される光信号の集光点は光信号の波長に
よって異なり、それぞれの集光点に出力ファイバ３０１
−１〜３０１−３を設け、各波長の光信号を入力する。

【００４２】第２の実施例においては、出力ファイバ３
０１−１〜３０１−３の端面における集束光の光強度分
布は波長角分散素子２０１の角分散の方向に双峰形状を
しており、出力ファイバ３０１−１〜３０１−３の先端
部分は第１の実施例と異なり２本に分かれてはいない。

【００４３】以下に、第２の実施例の作用について説明
する。図５は、本発明の第２の実施例の作用を説明する
図である。同図においては、出力ファイバ３０１を一本
のみ記載しているが、実際には分波される光の数だけ出
力ファイバが設けられており、それぞれの光を受光する
ように構成されているが、同図においては、これらは省
略されている。

【００４４】本実施例においては、波長角分散素子２０
１と集光レンズ２０２との間に位相マスク３０２が設け
られている。波長角分散素子２０１から出力された光信
号は、位相マスク３０２によって位相が変化させられ、
集光レンズ２０２によって集光される。このように形成
することによって、今度は、集束光の光強度分布が、波
長角分散素子２０１の分散方向に双峰形状となる。この
場合には、出力ファイバの電界分布は単峰形状である。

【００４５】このように、集束光の光強度分布が双峰形
状となることによって、出力ファイバ３０１の先端３０
３が割れておらず、電界分布が単峰形状となっていて
も、透過率は集束光の光強度分布と出力ファイバ３０１
の電界分布との重なりの量に依存するので第１の実施例
と同じ効果を得ることができる。

【００４６】位相マスク３０２としては、様々な形状が
考えられるが、集光レンズ２０２によって集光される集
束光の光強度分布が、波長角分散素子２０１の光の分散
方向に双峰形状となるものならば、どのようなものでも
よい。

【００４７】例えば、本実施例においては、位相マスク
の形状として、同図に示すような中心が盛り上がって、
三角形状をしたものが考えられる。このような形状の位
相マスクの場合、端の厚さに比べ、中央の厚さが１〜２
μｍ厚くなっている程度の形状となっている。同図に示
す位相マスク３０２は、位相マスク３０２を横からみた
もので、図面に垂直な方向には同じ断面を有するもので
ある。

【００４８】このような位相マスク３０２の作用を同図
の矢印で示す。すなわち、波長角分散素子２０１から出
力された光は位相マスク３０２の上方で屈折を受け、斜
め下向きの光となって集光レンズ２０２に入る。この様
子は同図のによって示されている。また、位相マスク
３０２の下側を通った光は上方に屈折され集光レンズ２
０２に入力される。この様子は同図のによって示され
る。のようにして集光レンズ２０２に入力された光
は、として集光レンズ２０２の焦点まで進み、のよ
うにして集光レンズ２０２に入力された光はとして集
光レンズ２０２の焦点まで進む。これにより、焦点にお
いては光で形成される光強度の強い部分と、光で形
成される光強度の強い部分とが形成され、同図に集束光
の光強度分布として示すような双峰形状の光強度分布を
形成する。

【００４９】この他の位相マスク３０２の形状として
は、スリット状に位相マスク３０２の厚さが厚くなって
いる形状等が使用可能である。このような位相マスクの
例として、同図に位相マスク３０４として記載してあ
る。この場合も位相マスク３０４を横から見た断面を示
しており図面に垂直な方向には同じ断面を有するもので
ある。また、このような位相マスク３０４の場合には、
厚さの厚い部分と薄い部分とで光の位相差がπになるよ
うに構成されているものが一般的である。

【００５０】位相マスクは、一般に全体が透明体ででき
ており、透明体の厚さを変化させることによって、光の
位相を変化させるものであるが、位相マスク３０２ある
いは３０４の代わりに強度マスク３０５を用いることも
可能である。

【００５１】強度マスクは同図に３０５として示してい
るように、透明体の一部を光が透過出来ないようにして
おり、通過した光の干渉によって、集束光が双峰形状の
光強度分布を有するように形成する。このような強度マ
スク３０５の構成としては、光の通過出来ない部分をス
リット状に形成するものであって、同図の強度マスク３
０５は横方向から見た様子が示されている。

【００５２】このように、波長角分散素子２０１から波
長によって角分散された光を位相マスク３０２、３０４
あるいは強度マスク３０５によって光の強度分布や位相
分布を変えることによって、集光レンズ２０２によって
集束される集束光の光強度分布を、波長角分散素子２０
１の光の分散方向に双峰形状とすることができ、出力フ
ァイバ３０１への透過帯域を拡大することができる。

【００５３】なお、位相マスク３０２、３０４の代わり
に強度マスク３０５を使用可能であるが、強度マスク３
０５は透過しようとする光の一部を遮断するように作用
するので、光のロスがあり、位相マスク３０２、３０４
よりこの点でやや劣る面を有している。

【００５４】図６は、本発明の第３の実施例の全体構成
図である。同図の分波器においては、第２の実施例と異
なり、位相マスク６０１−１〜６０１−３が集光レンズ
２０２と出力ファイバ３０１−１〜３０１−３との間に
設けられている。入力ファイバ２０４から出力される光
信号は波長分割多重されており、コリメートレンズ２０
５によって平行光にされる。平行にされた光信号は波長
角分散素子２０１によって角分散を受け、集光レンズ２
０２によって集光される。集光された光信号は波長毎に
異なる点に集光され、それぞれの光信号の光路の途中に
は位相マスク６０１−１〜６０１−３が配置されてい
る。位相マスク６０１−１〜６０１−３は、同図では３
個のみ記載されているが、実際には波長が多重されてい
る数だけ設けられる。それぞれの位相マスク６０１−１
〜６０１−３においては、光信号の位相や進行方向を変
更し、それぞれ対応する出力ファイバ３０１−１〜３０
１−３の端面に光信号を導く。

【００５５】出力ファイバ３０１−１〜３０１−３は、
位相マスク６０１−１〜６０１−３と対応して設けら
れ、波長の多重数と同数設けられる。位相マスク６０１
−１〜６０１−３は一体成形することが可能であり、こ
のようにすることによって、精密なアライメントを行わ
なくても良好な光合分波器機能を得ることができる。例
えば、同図に位相マスク６０１−１〜６０１−３までを
一体成形した位相マスク６０２が示されている。このよ
うに、モールド加工された位相マスク６０２を使用する
ことによって、位相マスク６０１−１〜６０１−３を１
つずつ位置合わせする必要がなく、モールド加工された
位相マスク６０２全体の配置を決定すれば、横方向のア
ライメントを行わなくても良くなる。通常は、このよう
に位相マスク６０１−１〜６０１−３を横方向に一体成
形した、モールド加工された位相マスク６０２を使用す
る。この場合も、波長分割多重された多重数だけ位相マ
スクがならんだ構成に一体成形を行う。

【００５６】以下に、第３の実施例の作用の説明を行
う。図７は、本発明の第３の実施例の作用を説明する図
である。なお、第１、２の実施例と同じ構成要素には同
じ参照番号を付してある。また、同図においては、出力
ファイバ３０１を一本のみ記載しているが、実際には分
波される光の数だけ出力ファイバが設けられており、そ
れぞれの光を受光するように構成されているが、同図に
おいては、これらは省略されている。

【００５７】本実施例においては、波長角分散素子２０
１から出力された光は集光レンズ２０２で集光され、位
相マスク６０１を通過する。位相マスク６０１では、光
の位相が変化させられ、光線の進行方向が変化する。同
図で位相マスク６０１の上側を通過する光は、の矢印
で示される方向に進行し、位相マスク６０１の下側を通
過する光は、の矢印で示される方向に進行する。従っ
て、光が出力ファイバ３０１に入射する場合には、光の
強度分布は波長角分散素子２０１の光の分散方向に双峰
形状をなすようになり、単峰形状の出力ファイバの電界
分布との重なりの結果得られる透過率は、透過率の高い
部分が平らになった形状を示すようになる。

【００５８】位相マスク６０１を設ける位置は、集光レ
ンズ２０２からの光信号の波面の湾曲が無くなり、平面
波の波面のように集光レンズ２０２に平行になるあたり
に設ける。位相マスク６０１に波面が平行の光信号を入
力するようにしたことにより、位相マスク６０１の作用
が予測したものに近いものとなり、得られる集束光の光
強度分布も好ましい双峰形状のものとすることができ
る。

【００５９】図８は、本発明の第４の実施例の全体構成
図である。同図において、第１〜第３の実施例と同じ構
成要素には同じ参照番号が付してある。同図は分波器で
あり、入力ファイバ２０４からは波長分割多重された光
信号が入力される。入力ファイバ２０４から出力された
光信号はコリメートレンズ２０５によって平行にされ
る。平行にされた光信号は波長角分散素子２０１によっ
て角分散を受け、出力される。出力された光信号は集光
レンズ２０２によって波長に依存した点に集光される。
集光レンズ２０２による集束光は、一旦集光したあと、
それぞれ波長毎に設けられた位相マスク系８０１−１〜
８０１−３に入射され、位相及び進行方向が変更されて
出力ファイバ３０１−１〜３０１−３に入射される。出
力ファイバ３０１−１〜３０１−３は、位相マスク系８
０１−１〜８０１−３に１対１に設けられ、多重された
それぞれの波長の光信号を受光するように、波長の多重
数と同数設けられる。また、位相マスク系８０１−１〜
８０１−３は、一体成形することが可能であり、このよ
うにすることによって、精密なアライメントを行わなく
ても良好な光合分波器機能を得ることができる。このよ
うに、モールド加工された位相マスク系８０２を使用す
ることによって、位相マスク系８０１−１〜８０１−３
を１つずつ位置合わせする必要がなく、モールド加工さ
れた位相マスク系８０２全体の配置を決定すれば、横方
向のアライメントを行わなくても良くなる。通常は、こ
のように位相マスク系８０１−１〜８０１−３を横方向
に一体成形した、モールド加工された位相マスク系８０
２を使用する。この場合も、波長分割多重された多重数
だけ位相マスク系がならんだ構成に一体成形を行う。

【００６０】以下に、第４の実施例の作用を説明する。
図９は、本発明の第４の実施例の作用を説明する図であ
る。同図においては、位相マスク系８０１が集光レンズ
２０２と出力ファイバ３０１の間に設けられている。位
相マスク系８０１は、レンズや位相マスク等を一体形成
したものである。また、同図においては、出力ファイバ
３０１を一本のみ記載しているが、実際には分波される
光の数だけ出力ファイバが設けられており、それぞれの
光を受光するように構成されているが、同図において
は、これらは省略されている。また、位相マスク系８０
１も、これら省略されている出力ファイバ１本１本に対
応して設けられるが、これも図面を明確にするために、
１対の位相マスク系８０１と出力ファイバ３０１のみを
示す。

【００６１】位相マスク系８０１は、例えば、レンズと
位相マスクとを一体成形したものであって、レンズの集
光作用と位相マスクの位相および光の進行方向を変化さ
せる作用を有するものである。この位相マスク系８０１
に関しては後述する。位相マスク系８０１の役割は、出
力ファイバ３０１内部の電界分布を光の入射方向から見
たとき、出力ファイバの電界分布が２重に見え、位相マ
クス系８０１の前方において、出力ファイバ３０１の電
界分布が実効的に、波長角分散素子２０１の光の分散方
向に双峰形状となるようにするものである。このように
形成すると、位相マスク系８０１の前方において、集束
光の光強度分布と集束光の入射側から見た出力ファイバ
の電界分布との重なりが前述の実施例と同じになる。従
って、光の透過率の波長依存性は透過率の高い部分が平
らになった形状をすることになる。すなわち、本実施例
では、集光レンズ２０２から位相マスク系８０１への光
結合の透過帯域が広がっていることになる。位相マスク
系８０１へ入力した光は出力ファイバ３０１に入力され
るので、結果として、出力ファイバ３０１と集光レンズ
２０２からの集束光との結合が広帯域となる。

【００６２】位相マスク系８０１の前方で実効的に出力
ファイバ３０１の電界分布が双峰形状となるというの
は、例えば、出力ファイバ３０１側から光を入射し、位
相マスク系８０１を透過させた場合、得られる電界分布
が双峰形状を成していることを示している。このよう
に、出力ファイバ３０１の先端を割れたように形成しな
くても位相マスク系８０１を設けたことにより実効的
に、出力ファイバ３０１の先端を割れたように形成した
場合と同じ効果を得ることが出来る。

【００６３】図１０は、位相マスク系の実施例を示す図
である。同図に示されるように、位相マスク系には様々
な形成方法があり、設計時点で適切に設計されるべきも
のであるが、例えば、同図に示すような形状が考えられ
る。

【００６４】同図（ａ）は、レンズ１００１とレンズ作
用付位相マスク１００２とが一体成形される構成を示し
ている。レンズ１００１はレンズとしての作用のみを担
うが、レンズ作用付位相マスク１００２は位相マスクと
して実効的に出力ファイバ内の電界分布を双峰形状とす
るとともに、出力ファイバの先端に光を集光させる機能
を合わせ持つ。

【００６５】あるいは、同図（ｂ）に示されるように、
位相マスク系をレンズ作用付位相マスク１００２のみで
構成することも可能である。このような位相マスクを使
用する場合には、より一体成形が容易となり、また非常
に精密なアライメントをする必要もなく、精度のよい光
分波器を形成することが可能となる。

【００６６】同図（ｃ）は、レンズ作用付位相マスクの
別の例である。このような形状によれば、レンズ作用を
有する部分がそれぞれ２つあり、レンズ作用部１００３
で作用を受けた光とレンズ作用部１００４で作用を受け
た光とは分裂したように進むので、出力ファイバの電界
分布は実効的に双峰形状とすることができる。また、同
図（ｂ）の場合と同じように、単体でレンズ作用と位相
マスク作用を有しているので、一体成形に有利であり、
非常に精密なアライメントを行わなくても十分使用に耐
える光分波器を製造することができる。

【００６７】図１１は、ＶＩＰＡ型素子の場合の本発明
の作用を説明する図である。同図（ａ）はＶＩＰＡ型素
子から出力される光束の光強度分布を示している。ＶＩ
ＰＡ型素子の場合、出力される光束は同図（ａ）に示す
ような光強度分布を示しているが、この単峰形状の裾野
の方は、光の位相が激しく回転している。即ち、裾野の
方では、少し位置が異なるだけで光の位相が大きく変化
する。そこで、本発明においては、出力ファイバの電界
分布が双峰形状をなすように構成しているが、同図
（ｂ）に示すように、位相が反対向きの光を取り込むよ
うに、出力ファイバの電界分布を形成する。このように
することによって、位相の反転した光が出力ファイバ内
を進むに従い、両者は互いに合波され、打ち消し合うよ
うになる。これから、ＶＩＰＡ型素子の出力光の裾野が
出力ファイバに入力されたとしても、互いに打ち消し合
うように作用するため、実質的にＶＩＰＡ型素子の出力
光の裾野部分の影響を受けないようにすることができ
る。

【００６８】すなわち、波長角分散素子としてＶＩＰＡ
型素子を使った光分波器の場合、出力ファイバは、複数
の波長の光を受光するために、複数配列されるが、出力
ファイバの電界分布が単峰形状の場合には、異なる波長
でも同図（ａ）に示すように、裾野の広がりがあったた
め、入力されるべきでない光がクロストークとして入力
されていた。しかし、出力ファイバの電界分布を同図
（ｂ）のように、裾野の部分で光が互いに弱めあうよう
にすることができるので、クロストークを小さく抑える
ことができる。

【００６９】同図（ｃ）は、ＶＩＰＡ型素子に本発明を
使用した場合の出力ファイバへの光の透過率を表したも
のである。同図（ｃ）に示されているように、ＶＩＰＡ
型素子を用いる場合において、同図（ｂ）に示すような
電界分布を実効的に持つ出力ファイバを形成すると、透
過率の裾野の方は光が互いに打ち消し合うことになり、
透過率が低くなる。これにより、透過率を理想形状であ
る矩形に近づけることができる。これは、第１〜４の実
施例のいずれの構成についても言えることである。

【００７０】図１２は、位相マスクによって光強度およ
び光位相がどのようになるかをシミュレーションする際
の設定状況を示す図である。同図に示されるように、本
シミュレーションにおいては、位相マスク１２０３を設
けるとともに不図示の集光レンズから出射された光が一
旦集光した点から距離ｆ₁のところにある集光レンズ１
２０２によって集光され、位相マスク１２０３による位
相及び進行方向の変化を受けた後、集光レンズ１２０４
によって集光され、集光レンズ１２０４から距離ｆ₂離
れた出力ファイバ１２０５に結合される状況を想定す
る。ここで、距離ｆ₁は集光レンズ１２０２の焦点距離
であり、距離ｆ₂は集光レンズ１２０４の焦点距離とな
っている。更に、同図に示されるように、集光レンズ１
２０２から来る集束光の中心線と位相マスク１２０３か
ら出射される光の中心線とのなす角を偏向角とする。す
なわち、同図に示される位相マスク１２０３はプリズム
を２つ合わせた構成となっているため、位相マクス１２
０３によるプリズム効果により、集光レンズ１２０２か
ら放出された光は進行方向を変えられる。位相マスク１
２０３によって光が進行方向を変化させられる角度を偏
向角としている。

【００７１】なお、同図においては、位相マスク１２０
３として凹型のものを用いたが、凸型のものも同様に使
用可能である。更に、同図には、集光レンズ１２０２か
ら距離ｆ₁のところの集光面１２０６における、実効的
電界分布が双峰形状になっていることが示されている。
これは、集光面１２０６から集光レンズ１２０２、位相
マスク１２０３、集光レンズ１２０４を介して出力ファ
イバ１２０５の電界分布を見たときに、出力ファイバ１
２０５の光を受ける端面における電界分布が双峰形状に
見えることを示している。集光面１２０６における実効
的電界分布が双峰形状となることから分かるとおり、こ
の集光面１２０６における位置が第１の実施例の二又に
なった出力ファイバの光を受ける端面に対応する。本シ
ミュレーションでは、この集光面１２０６上で、出力フ
ァイバ１２０５の電界分布がどのように見えるかを示す
ものである。

【００７２】また、各パラメータの数値は図１３に示さ
れているように、ｆ₁が２００μｍ、ｆ₂が５００μ
ｍ、偏向角は３．８°と設定した。図１３は図１２の設
定状況のもとで集光面１２０６における光振幅と光位相
の様子を示すシミュレーション結果である。

【００７３】同図の縦軸は、振幅と位相を表し、振幅は
相対値であり、位相の単位はラジアンである。また、横
軸は図１２の集光面１２０６上の位置を表し、単位はμ
ｍである。また、ｆ₁、ｆ₂は、図１２で説明した集光
レンズ１２０２及び集光レンズ１２０４の焦点距離であ
り、偏向角は、図１２で説明したように、集光レンズ１
２０２からの光の中心線と位相マスク１２０３から出射
される光の中心線とがなす角度である。

【００７４】なお、実際のシミュレーションでは、出力
ファイバ１２０５から光を入射し、集光面１２０６上で
どのような光強度および位相が得られるかを調べた。同
図に点線で示されるのが、集光面１２０６上における位
相の変化であり、位置が中心からずれるに従い、大きく
位相が変化することが示されている。同図に実線で示さ
れるのは、集光面１２０６上における光強度分布であ
り、前述したように、双峰形状の光強度分布を示してい
る。このように、位相マスク１２０３を使用した場合、
光の位相は光強度分布の裾野の方で激しく変化してい
る。しかし、光強度分布に示されているように、位相の
激しく変化する位置においては、光強度が無視できるほ
どに小さいので出力ファイバへの結合にはほとんど影響
しない。

【００７５】双峰形状の光強度分布をしている中心あた
りでは、位相はほとんど変化しておらず、出力ファイバ
の先端を二又にした構造とほぼ同じ効果を得ることがで
きる。

【００７６】図１４は、本発明の効果を示すシミュレー
ション実験の結果である。同図（ａ）、（ｃ）において
は、横軸を集束光の位置と出力ファイバの位置のずれと
し、縦軸を集束光の出力ファイバへの結合効率（透過率
と同等）としている。

【００７７】同図（ａ）に示すのは、本発明を使用しな
い場合の結合効率を表す。同図（ａ）に図示されている
ように、本発明を利用しない場合は結合効率は裾野の広
がった山型をしており、頂上付近は尖った形をしてい
る。このように、結合効率の高い部分が尖った形をして
いると、集束光の位置と出力ファイバの位置のずれがわ
ずかでもあると結合効率が落ちてしまう。また、光が変
調されてスペクトルが広がっている場合には、全ての信
号を効率よく出力ファイバに入力することができない。

【００７８】更に、裾野が広がっているために、波長の
異なる、隣の出力ファイバで受光されるべき光が紛れ込
んでくる可能性が高く、ＶＩＰＡ型素子や回折格子等の
クロストークが生じていた。

【００７９】同図（ｂ）は、本発明の効果を評価するた
めに設定した出力ファイバあるいは導波路の設定内容を
示す図である。本発明の構成としては第１の実施例の構
成を採用し、出力ファイバ又は出力導波路１４５０の先
端が二又に分割されている構成とした。出力ファイバ又
は出力導波路１４５０の先端は５μｍの太さとし、二又
に分かれた出力ファイバ又は出力導波路１４５０の間は
４μｍとした。また、出力ファイバ又は出力導波路１４
５０の光伝搬部の屈折率を１．５とし、伝搬部と周囲の
屈折率の差を０．００４とした。また、同図（ｂ）に示
されているように、入力される光の位相は出力ファイバ
または出力導波路１４５０の端面で、一定になっている
状況を想定した。このような設定の下に、同図（ｂ）に
は出力ファイバまたは出力導波路１４５０の屈折率分布
と電界分布が示されている。位置は、出力ファイバある
いは出力導波路１４５０の中心位置から波長角分散素子
の光の角分散の方向に測った距離である。

【００８０】同図（ｂ）に示されているように、電界分
布は波長角分散素子の光の角分散の方向に双峰形状をな
し、第１の実施例で説明した電界分布と同じ形状となっ
ている。このような電界分布の出力ファイバの先端に集
束光を結合するシミュレーションを行った。

【００８１】同図（ｃ）は本発明を使った出力ファイバ
を設けた場合の集束光の出力ファイバへの結合効率を示
したものである。同図（ｃ）に示されるように、結合効
率の高い部分が平らになっているのが示されている。こ
のように、結合効率の高い部分が幅をもっていることに
より、光が変調によってスペクトルが広がったようにな
っている場合にも変調された光信号を高い効率で出力フ
ァイバに結合させることができる。また、出力ファイバ
のアライメントが僅かにずれたとしても、ずれていない
場合と同じ結合効率で光信号を受光することができるの
で、実用的にも優れている。

【００８２】また、同図（ｃ）のグラフでは、結合効率
の山型のグラフの裾野が小さくなっており、集束光が出
力ファイバの位置よりもかなりずれた場合には結合効率
が非常に小さくなり、光が入力されないようになってい
る。従って、波長分割多重通信において、複数の波長の
光が同時に送信されてきて、波長角分散素子によって、
角分散を受けた場合に、出力ファイバのある位置からず
れた位置に到る光束とは結合しない。従って、隣の出力
ファイバに入力されるべき光が入力されることによって
クロストークを生じる可能性が小さくなり、より質のよ
い受光を行うことが出来る。

【００８３】なお、上記実施例の説明においては、波長
角分散素子を用いた光分波器についてのみ述べたが、そ
の他の多くの光素子に本発明は適用可能である。また、
集光レンズから光が入力される部分は出力ファイバは光
ファイバであることを前提に説明したが、必ずしも光フ
ァイバである必要はなく、入力ファイバ、出力ファイバ
とも光導波路として形成されていてもよい。

【００８４】

【発明の効果】光出力路の電界分布を実効的に双峰形状
とする、あるいは、光出力路に入力する集束光の光の強
度分布を双峰形状とすることにより、光の波長が僅かに
変化したり、光が変調されてスペクトルが拡大しても、
高い効率で波長角分散素子から出力された光を光出力路
に透過させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】本発明の第１の実施例の全体構成図である。

【図３】本発明の第１の実施例の作用を説明する図であ
り、光分波器の波長角分散素子より出力側を記載した構
成図である。

【図４】本発明の第２の実施例の全体構成図である。

【図５】本発明の第２の実施例の作用を説明する図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施例の全体構成図である。

【図７】本発明の第３の実施例の作用を説明する図であ
る。

【図８】本発明の第４の実施例の全体構成図である。

【図９】本発明の第４の実施例の作用を説明する図であ
る。

【図１０】位相マスク系の実施例を示す図である。

【図１１】ＶＩＰＡ型素子の場合の本発明の作用を説明
する図である。

【図１２】位相マスクによって光強度および光位相がど
のようになるかをシミュレーションする際の設定状況を
示す図である。

【図１３】図１２の設定状況のもとで集光面における光
振幅と光位相の様子を示すシミュレーション結果であ
る。

【図１４】本発明の効果を示すシミュレーション実験の
結果である。

【図１５】光通信システムの概略構成図である。

【図１６】従来の分波器の一構成を示す図である。

【図１７】波長角分散素子を使用した合分波器の透過帯
域を説明する図である。

【符号の説明】

２０１波長角分散素子２０２、２０６、８０４、１２０２、１２０４
集光レンズ２０３、２０３−１〜２０３−３、３０１、３０１−１〜３０１−３、８０５、１２０５出
力ファイバ２０４、１２０１入力ファイバ２０５コリメートレンズ３０２、３０４、６０１、６０１−１〜６０１−３、１
２０３位相マスク３０３先端３０５強度マスク６０２モールド加工された位相マスク８０１、８０１−１〜８０１−３位相マスク系８０２モールド加工された位相マスク系１００１レンズ１００２レンズ作用付位相マスク１００３、１００４レンズ作用部１４５０出力ファイバまたは出力導波路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光の波長に依存して進行方向が変化する、
波長に対する角分散を有する波長角分散素子から出射す
る光を集光して光出力路に結合する光ディバイスにおい
て、前記光出力路の光を受ける端面での電界分布が、前記波
長角分散素子の光の分散方向に双峰形状をなすことを特
徴とする光ディバイス。
【請求項２】前記光を受ける光出力路の端面の近傍にお
いて光出力路が２つに割れていることにより、前記電界
分布が双峰形状になることを特徴とする請求項１記載の
光ディバイス。
【請求項３】前記光出力路は、光ファイバであることを
特徴とする請求項１記載の光ディバイス。
【請求項４】前記光出力路は、光導波路であることを特
徴とする請求項１記載の光ディバイス。
【請求項５】光の波長に依存して進行方向が変化する、
波長に対する角分散を有する波長角分散素子から出射す
る光を集光光学系によって集光して光出力路に結合する
光ディバイスにおいて、前記光出力路の光を受ける端面における光の強度分布が
前記波長角分散素子の光の分散方向に双峰形状になるよ
う、前記波長角分散素子の光の分散方向に垂直な方向に
対して透過光の進行方向を変える位相マスクを設けたこ
とを特徴とする光ディバイス。
【請求項６】前記位相マスクは、透明体の板の少なくと
も１面に傾斜を付けて形成することを特徴とする請求項
５記載の光ディバイス。
【請求項７】前記光出力路は、光ファイバであることを
特徴とする請求項５記載の光ディバイス。
【請求項８】前記光出力路は、光導波路であることを特
徴とする請求項５記載の光ディバイス。
【請求項９】前記位相マスクは前記波長角分散素子と前
記集光光学系との間に設けられていることを特徴とする
請求項５記載の光ディバイス。
【請求項１０】前記位相マスクは前記集光光学系と前記
光出力路との間に設けられていることを特徴とする請求
項５記載の光ディバイス。
【請求項１１】光の波長に依存して進行方向が変化す
る、波長に対する角分散を有する波長角分散素子から出
射する光を集光光学系によって集光して光出力路に結合
する光ディバイスにおいて、前記集光光学系と前記光出力路との間に、前記集光光学
系側から見て前記光出力路の光を受ける端面での電界分
布が、前記波長角分散素子の光の分散方向に双峰形状に
見えるように光の経路を調整する位相マスク系を設けた
ことを特徴とする光ディバイス。
【請求項１２】前記位相マスク系はレンズと光の位相を
変化させる位相マスクとが一体成形されていることを特
徴とする請求項１１記載の光ディバイス。
【請求項１３】前記位相マスク系は光の位相を変化させ
る位相マスクとレンズからなることを特徴とする請求項
１１記載の光ディバイス。
【請求項１４】前記光出力路は、光ファイバであること
を特徴とする請求項１１記載の光ディバイス。
【請求項１５】前記光出力路は、光導波路であることを
特徴とする請求項１１記載の光ディバイス。
【請求項１６】光の波長に依存して進行方向が変化す
る、波長に対する角分散を有する波長角分散素子から出
射する光を集光光学系によって集光して光出力路に結合
する光ディバイスにおいて、前記光出力路の光を受ける端面における光の強度分布
が、前記波長角分散素子の光の分散方向に双峰形状にな
るように光の透過率を少なくとも部分的に変化させる強
度マスクを設けたことを特徴とする光ディバイス。
【請求項１７】前記光出力路は、光ファイバであること
を特徴とする請求項１６記載の光ディバイス。
【請求項１８】前記光出力路は、光導波路であることを
特徴とする請求項１６記載の光ディバイス。
【請求項１９】前記強度マスクは前記波長角分散素子と
前記集光光学系との間に設けられていることを特徴とす
る請求項１６記載の光ディバイス。
【請求項２０】前記強度マスクは前記集光光学系と前記
光出力路との間に設けられていることを特徴とする請求
項１６記載の光ディバイス。