JP3460023B2 - 光分波器 - Google Patents

光分波器

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JP3460023B2 JP53359899A JP53359899A JP3460023B2 JP 3460023 B2 JP3460023 B2 JP 3460023B2 JP 53359899 A JP53359899 A JP 53359899A JP 53359899 A JP53359899 A JP 53359899A JP 3460023 B2 JP3460023 B2 JP 3460023B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、主に波長多重光通信に用いる光分波器に関
するものである。
背景技術 従来この種の光分波器としては、光入出力に光ファイ
バを使用した例（特開平９−243855号）、入力に光ファ
イバ、出力に光導波路を使用した例（特開平８−75948
号）、入力に光ファイバ、出力にフォトディテクタアレ
イを使用した例（特開平７−30485号）等が報告されて
いた。
ところが、例えば光入出力に光ファイバを使用した場
合は、集光スポットが軸外収差等で変形したり、ファイ
バの間隔がその外径よりも近接させることができないた
めにファイバ入力面の軸外に結像せざるを得なくなり、
大きな結合損失が発生したり、集光位置の微小な位置ず
れによって発生する損失変動が大きくなり、低損失で動
作の安定した光分波器を実現することが困難であった。
また、光入力に光ファイバ、光出力に光導波路を用い
た場合は、軸外収差に起因する結合損失量を相当減らす
ことが可能になるが、隣接チャンネル間隔が狭くなるた
め、チャンネル間クロストークが大きくなり、分波性能
が低下する問題があった。
さらに、上記特開平７−30485号では、光入力に光フ
ァイバ、出力に受光素子アレイを用いて、隣接チャンネ
ル間で発生したクロストークを受光素子アレイに接続す
るニューラルネットワーク回路で処理する構成を開示し
ている。しかしながらこの構成では、モジュール構造が
複雑になり、高価格化する問題があった。そして、光学
系としての軸外収差を補正する思想がなく、単に配列し
た受光素子アレイからの出力を論理回路で処理するとい
う設計コンセプトに基づくものであるため、結合損失に
対しては何ら対策がなされておらず、クロストークに対
しても論理回路に頼っているため、収差補正されたシス
テムに対して劣ったものであった。
そこで本発明は、上述した軸外収差に起因する結合損
失等の問題を光学設計以外の構成で解決することを目的
とする。
具体的には、受光素子アレイを用いた光分波器におい
て、受光素子アレイの素子の形状や配列に特徴を有する
光分波器の提供を目的とする。
発明の開示 上記目的を達成するために、本発明に係る光分波器
は、 光ファイバと、単一のコリメータレンズと、回折格子
と、複数の受光素子を含む受光素子アレイとを備え、 光ファイバからの出射光がコリメータレンズ及び回折
格子を介して分波されてから再度前記コリメータレンズ
を介して、前記光分波器の光学系の収差に起因する変形
を被ったスポットとして前記受光素子に集光しており、 前記受光素子アレイが前記変形集光スポットを実質的
に全て包含して受光できるように構成されていることを
特徴としている。
前記受光素子アレイは、複数の受光素子が線形的に配
列されて成る受光素子アレイとすることが可能である。
特に前記受光素子アレイが、前記回折格子によって光が
分波される方向に沿って分波チャンネル数と同数の受光
素子が線形的に配列されていると共に、 前記回折格子の次数をｍ、格子定数をｄ、前記受光素
子の配列方向の中心間隔をｐ、前記コリメータレンズの
焦点距離をｆ、使用波長をλ０、分波するチャンネルの
波長間隔をΔλとする場合に、 前記受光素子の配列方向の前記中心間隔ｐが次式： を満足していることが好ましい。また、前記受光素子の
前記配列方向の幅Wyを0.2pから0.9pとし、前記配列と直
交する方向の幅Wxを1Wy〜10Wyとすることが好ましい。
さらに、前記受光素子アレイは、複数の受光素子がマ
トリックス状に配列されて成る受光素子マトリックス状
アレイとすることも可能である。特に前記受光素子アレ
イが１行×ｋ列のマトリックス形態であり、 前記回折格子によって光が分波される方向における分波
チャンネル数をｎとしたとき、α＝（ｋ・cosθ）/nと
し（ただしθは、前記光が分波拡散する方向と、ｋ列方
向のなす角度とする）、 前記回折格子の次数をｍ、格子定数をｄ、前記受光素
子の配列方向の中心間隔をｐ、前記コリメータレンズの
焦点距離をｆ、使用波長をλ０、分波するチャンネルの
波長間隔をΔλとする場合、前記受光素子の配列方向の
前記中心間隔ｐが次式： を満足することが好ましい。この場合には、分波するチ
ャンネルに相当する複数の集光スポットの形状に合わせ
て複数の受光素子を組合せて所望の大きなフォトディテ
クタと等価な動作をさせることで、軸外収差を電気的に
補正できるようにすることが望まれる。それ故に、前記
受光素子アレイの受光素子は、前記回折格子によって光
が分波される方向に沿って分波チャンネル数のα倍以上
配列されていること（α≧２乃至５）が好ましい。ま
た、分波するチャンネル方向と直交する方向における受
光素子アレイの受光素子列数は、特に制約はないが、微
小な受光素子を組み合わせて大きいフォトディテクタと
して使用することから、分波するチャンネル方向と同一
の数とするか、２列以上でα列以下配列されていること
が好ましい。
本発明に係る光分波器は、少なくとも、光ファイバ
と、単一のコリメータレンズと、回折格子と、受光素子
アレイとを具備することを特徴としている。受光手段と
して、受光素子アレイを用いたので光ファイバや受光素
子１個１個の封止実装を不要としている。その結果、分
波器の小型化、低コスト化を行うことが可能となってい
る。さらに本発明では、受光素子アレイは、それぞれが
配列方向の幅よりも配列方向に直交する方向の幅の方が
広い受光有効面を有する複数の受光素子を含むことを特
徴としている。こうして、光学系で発生する軸外収差を
光学系に特別な設計を持ち込んで補正・修正することな
く、その収差に起因する変形スポットを包含できるよう
に受光素子アレイを適合させるだけで済ませており、軸
外収差を可及的に善処している。
また、受光素子アレイをマトリックス状とした場合に
は、受光素子を分波チャンネル数のα倍以上を分波拡散
方向に沿って配列し（αとしてはα≧２、より好ましく
はα≧５とする）、光を分波する方向と直交する方向
に、２行以上、α行以下配列している。これによって、
入力光が複数に分波されてそれぞれが軸外収差を被って
変形した各集光スポットの受光は、その変形スポットが
投影されると共に該変形スポットを実質的に全て包含す
る受光素子サブアレイで行われる。こうしたサブアレイ
は変形スポットの形状に自在に対応した任意な形状で受
光素子マトリックス状アレイ内に実現されるものであ
り、結果的には低結合損失の光分波器を提供できる。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の第１実施例に係る４チャンネルの光
分波器の概略全体構成図である。
図2aは、図１に示された受光素子アレイを８チャンネ
ルとした場合の平面図である。
図2bは、図2aにおける各受光素子の受光面の拡大図で
あり、光ファイバが受光素子アレイに対してオフセット
配置された場合に生ずる軸外収差を受けた状態での各受
光素子の受光面上における変形された集光スポットを示
す。
図2cは、図2bの受光素子の受光面寸法Wy,Wxと隣接受
光面の中心間隔ｐとを説明する説明図である。
図３は、本発明の第２実施例に係る４チャンネルの光
分波器の概略全体構成図である。
図4aは、図３に示された受光素子アレイを８チャンネ
ルとした場合の平面図である。
図4bは、受光素子マトリックス状アレイ内における任
意数の受光素子から成る受光素子サブアレイに軸外収差
を受けた集光スポットが投影された状態を示す平面図で
ある。
図4cは、図4bに示された受光素子マトリックス状アレ
イ全体が回折格子によって光が分波拡散された方向と角
度θで傾斜した場合を示す平面図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の好適実施例を図面を参照して詳細に説
明する。
図１は、本発明の第１実施例に係る光分波器の概略構
成を示す。図１の光分波器において、光ファイバ１の出
射面はコリメータレンズ２の光軸上の焦点面20に配置さ
れている。光ファイバ１からの出射光10は光ファイバ１
の開口数に応じて広がり、コリメータレンズ２で平行光
11に変換されて回折格子３に入射する。回折格子３は反
射コーティング領域31でカバーされた反射型回折格子で
あるため、各チャンネルの光はこの回折格子３で波長分
散特性に応じて分光反射される。この際、回折格子３の
回折次数をｍ、格子定数をｄ、使用波長をλ０とし、回
折格子３を形成した面の法線33と光軸５とのなす角をθ
ｉとし、sinθｉ＝−ｍλ0/（2d）となるように回折格
子３を配置し、波長λ０の光が光軸５を逆進するように
する。このような配置をとることにより、分光反射され
た光12は光軸５と波長分散に応じた角度を保持しつつ再
度コリメータレンズ２に到達しコリメータレンズの軸外
の焦点面20上に分離集光され各チャンネルごとの集光ス
ポット群13を形成する。この焦点面20上には受光素子ア
レイ４が配置されている。受光素子アレイ４としては、
これら集光スポット群13のそれぞれ対応するように配置
された受光素子（即ち、受光素子の有効受光面）40が線
形アレイ状に配列されて構成されている。この第１実施
例において、受光素子アレイ４における受光素子数は、
分波チャンネル数と等しくされている。尚、図１の例示
では、４チャンネルに分波されている。
ここで、受光素子40の集光スポット群13が配列する方
向における該受光素子中心間隔（ピッチ）をｐ、コリメ
ータレンズ２の焦点距離をｆ、並びに、分波するチャン
ネルの波長間隔をΔλとして、下記の次式（１）： を満たすようにすれば、分波した各チャンネルの光線の
集光スポットに関しての隣接スポット間の中心間隔（ピ
ッチ）は、受光素子40のピッチｐに等しくなるため、使
用波長のうち最短波長のチャンネルと最長波長のチャン
ネルの２点でアライメント調整するだけで良好な結合特
性が得られるようになる。
特に受光素子40の配列方向の幅は、隣接チャンネルと
のクロストークとアライメントずれに対する過剰損失の
許容度に影響を与え、配列方向に直交する方向の幅は、
軸外収差で変形した集光スポットとの結合損失を低減す
るのに影響を与える。例えば、光ファイバ１は受光素子
アレイ４の封止パッケージの都合により、複数の受光素
子40の配列方向に直交する方向において、受光素子アレ
イ４からオフセットして置かれる（図2a参照）。このオ
フセット光学系では、光ファイバ１を出射した光が分波
されて受光素子素子アレイ４の表面に収束する場合、コ
マ収差を中心とする軸外収差を受け、それら集光スポッ
トが上記配列方向と直交する方向に延伸される（図2b参
照）。従ってこのような軸外収差の影響を相殺するため
には、該配列方向に直交する方向の幅を集光スポットの
縦横比に併せてチューニングすることが望ましい。一般
的な光学系では、オフセット量が数mm〜10mm弱程度であ
る。
これらの特性を考慮すると、受光素子40の配列方向の
幅Wyは0.2pから0.9p、望ましくは、0.4pから0.6pの間で
あればよく、配列方向と直交する方向の幅Wxが1Wy〜10W
y、望ましくは、3Wy〜5Wyであればよい（図2c参照）。
尚、図２には図１とは異なる８チャンネル用の受光素
子アレイの平面図が示されている。その具体的構成を以
下に記す。
・光ファイバ：コア径＝９μｍ、開口数＝0.1、単一モ
ード ・コリメータレンズ：口径＝20mm、焦点距離＝50mm ・入力光：波長範囲＝1550〜1561.2nm、チャネル数＝
８、波長間隔＝1.6nm ・回折格子：サイズ＝25mm角、回折次数ｍ＝１次、格子
定数ｄ＝1.8μｍ ・受光素子アレイ：エピタックス（EPITAXX）社製ETX10
0MLA、22pin−DIPパッケージ、有効受光面積（Active E
lement Size）＝100×30μm2、受光素子の中心間隔ｐ＝
50μｍ（図2b参照） 次に本発明の第２実施例に係る光分波器の概略構成を
図３に示す。この光分波器は、図１に示される第１実施
例に係る光分波器とほぼ同一の全体構成であり、光軸５
上には、焦点面20上の光ファイバ１、コリメータレンズ
２、並びに、回折格子３がそれぞれ配置され、コリメー
タレンズ２で分離集光され各チャンネルごとの集光スポ
ット群13が形成される焦点面20上には受光素子アレイ4'
が配置されている。即ち、第１の構成例と同様に、波長
λ０、ｍ次の回折光が光軸５を逆進するように回折格子
３を配置すると、分光反射された光12は光軸５と波長分
散に応じた角度を保持して再度コリメータレンズ２に到
達しコリメータレンズ２の焦点面20の軸外に配置された
受光素子アレイ4'上に分離集光され集光スポット群13を
形成する。特にこの第２実施例に係る光分波器では、そ
の受光素子アレイ4'に特徴を有するものであり、前記受
光素子アレイの受光素子数が前記回折格子が光を分波す
る方向に分波チャンネル数のα倍以上配列され（αとし
ては、α≧２、より望ましくはα≧５）、光を分波する
方向と直交する方向に、２行以上、α行以下配列されて
おり、前記回折格子の次数をｍ、格子定数をｄ、前記受
光素子の配列方向の中心間隔をｐ、前記コリメータレン
ズの焦点距離をｆ、使用波長をλ０、分波するチャンネ
ルの波長間隔をΔλとする場合、前記受光素子の配列方
向の前記中心間隔ｐが次式（２）を満足することを特徴
としたものである。
この実施例では、分波するチャンネルに相当する複数
の集光スポットの形状に合わせて複数の受光素子を組合
せて所望の大きなフォトディテクタと等価な動作をさせ
ることで、軸外収差を電気的に補正できるように、αは
２以上、望ましくは５以上であることが望ましい。ま
た、分波するチャンネル方向と直交する方向には、特に
制約がないが、微小な受光素子を組み合わせて大きいフ
ォトディテクタとして使用することから、分波するチャ
ンネル方向と同一の大きさであることが望ましい。尚、
図4aには、８チャンネル分波用の受光素子のマトリック
ス状アレイの平面図を示しており、この図示例の場合に
おいて、回折格子が光を分波する方向に配列される受光
素子数は、分波チャンネル数の２倍（16行）、分波方向
に直交する方向に沿って並列する配列数は４列とされて
いる。このマトリックス内において、変形した集光スポ
ットを内包するように各チャンネルごとに割り当てる受
光素子を決定することが望ましい。即ち、この実施例で
は、こうして割り当てられた受光素子は、複数の受光素
子から成るマトリックス状アレイの内の一部の受光素子
を用いたサブアレイ形態をとる。これによって、入力光
が複数に分波されてそれぞれが軸外収差を被って変形し
た各集光スポットの受光は、それら変形スポットが分散
した状態でマトリックス状アレイに投影されて、それら
変形スポット各々を実質的に全て包含する各サブアレイ
内の受光素子で行われる。こうしたサブアレイは変形ス
ポットの形状に自在に対応した任意な形状でマトリック
ス状アレイ内に実現されるものである。それ故にこうし
たサブアレイで、投影される変形スポットを部分的に欠
くことなく実質的にその全てを包含することとなって、
結果的には低結合損失を実現することができる。
尚、図4bは、受光素子アレイがマトリックス形態（１
行×ｋ列）で配列された複数の受光素子40から構成され
た場合の部分的詳細図であり、各変形スポットがマトリ
ックス状アレイ内の各サブアレイで受光されている状態
を示す。本発明はこの図4bに示されるように、マトリッ
クス状アレイが入力光の分波拡散する方向に対して平行
して配置されていることを必須要件とすることなく、図
4cに示されるようにマトリックス状アレイが入力光の分
波拡散する方向に対して角度θをもって傾斜して配置さ
れている例にも適用可能である。この場合、各変形スポ
ットをマトリックス状アレイ内における各受光素子サブ
アレイで過不足なく内包すべく、変形スポットの分散ピ
ッチとマトリックス・ピッチとをマトリックスアレイ内
において傾斜状態で一致させるようにする。そこで上記
αを、前記回折格子による光の分波方向における分波チ
ャンネル数をｎとした場合、α＝（ｋ・cosθ）/nと定
義する。（但し、図4cに図示の如くにθは、前記光が分
波拡散する方向と、ｋ列方向のなす角度とする）。ここ
で、（ｋ・cosθ）/nが小数の場合、αは近似的にその
整数部とする。また、θは（ｋ・cosθ）/nが整数にな
るような角度とすることが好ましい。
産業上の利用可能性 本発明の光分波器は、収差に起因する変形集光スポッ
トを欠くことなく全て包含するような形態の受光素子ア
レイを用いることで、優れた低結合損失性を実現すると
共に高分波性能を発揮でき、波長多重光通信の分野にお
いて有用である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光ファイバと、単一のコリメータレンズ
    と、回折格子と、複数の受光素子を含む受光素子アレイ
    とを備える光分波器において、 光ファイバからの出射光がコリメータレンズ及び回折格
    子を介して分波されてから再度前記コリメータレンズを
    介して、前記光分波器の光学系の収差に起因する変形を
    被ったスポットとして前記受光素子に集光しており、 前記受光素子アレイとして、前記回折格子によって光が
    分波される方向に沿って分波チャンネル数と同数の受光
    素子が線形的に配列されていると共に、前記受光素子ア
    レイが前記変形集光スポットを実質的に全て包含して受
    光できるように、且つ、前記受光素子アレイを構成する
    各受光素子がその配列方向の幅より配列方向に直交する
    方向の幅が広い受光有効面を有するように、 前記回折格子の次数をｍ、格子定数をｄ、前記受光素子
    の配列方向の中心間隔をｐ、前記コリメータレンズの焦
    点距離をｆ、使用波長をλ０、分波するチャンネルの波
    長間隔をΔλとする場合に、 前記受光素子の配列方向の前記中心間隔ｐが次式： を満足すると共に、前記受光素子の前記配列方向の幅Wy
    を0.2pから0.9pとし、前記配列と直交する方向の幅Wxを
    1Wy〜10Wyとしたことを特徴とする光分波器。
  2. 【請求項２】前記幅Wyが、0.4pから0.6pの範囲内であ
    り、前記幅Wxが、3Wyから5Wyの範囲内であることを特徴
    とする、請求項１に記載の光分波器。
  3. 【請求項３】前記受光素子アレイがマトリックス状に配
    列された複数の受光素子から成り、 前記受光素子アレイを前記収差を補正するように前記集
    光スポットの形状に合わせて複数の受光素子を組み合わ
    せて動作させ、 前記受光素子アレイが１行×ｋ列のマトリックス形態で
    あり、 前記回折格子によって光が分波される方向における分波
    チャンネル数をｎとしたとき、α＝（ｋ・cosθ）/nと
    し（ただしθは、前記光が分波拡散する方向と、ｋ列方
    向のなす角度とする）、 前記回折格子の次数をｍ、格子定数をｄ、前記受光素子
    の配列方向の中心間隔をｐ、前記コリメータレンズの焦
    点距離をｆ、使用波長をλ０、分波するチャンネルの波
    長間隔をΔλとする場合、前記受光素子の配列方向の前
    記中心間隔ｐが次式： を満足することを特徴とする、請求項１に記載の光分波
    器。
  4. 【請求項４】前記受光素子アレイの受光素子が、前記回
    折格子によって光が分波される方向に沿って分波チャン
    ネル数のα倍以上配列されていること（α≧２乃至５）
    を特徴とする、請求項３に記載の光分波器。
  5. 【請求項５】前記受光素子アレイの受光素子が、前記回
    折格子によって光が分波される方向に直交する方向に、
    ２列以上でα列以下配列されていることを特徴とする、
    請求項３に記載の光分波器。
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