JP3687363B2 - 光分岐素子および光分岐装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つの光信号を複数の光信号に分岐する光分岐素子および光分岐装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の通信、情報処理分野において、取り扱う情報量の大容量化やシステムの高速化に対応するためにチップ間、ボード間、ファイバ間における、空間多重化された光信号によるデータの送受信を行うための光分配器が提案されている。
【０００３】
従来、光分配器として、スターカプラや分岐型導波路などが知られているが、スターカプラは、容易に多入力多出力の光分岐装置を実現することができるものの、挿入損失が大きく、光分岐強度のばらつきも比較的大きいという問題がある。また、分岐型導波路は、Ｙ分岐方式（１入力２出力）であれば、ほぼ等しい光分岐強度が得られるが、３分岐以上の多分岐を実現しようとすると、光分岐強度の均一化の点で、また分岐部における放射損失が比較的大きいという点で問題がある。
【０００４】
また、特開昭５８−４２３３３号公報には、複数のハーフミラーを用いた光分配器、特開平４−１３４４１５号公報には、面型の導波路の表面上に複数個のレンズを設けた光分配器がそれぞれ開示されているが、いずれも構造上、１入力多出力の光分配器であり、さらに光分岐強度のばらつきも大きいという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑み、光分岐強度が均一で挿入損失が小さい光分岐素子、およびこの光分岐素子を複数用いて構成した多入力多出力型の光分岐装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の光分岐素子は、
入射光に含まれる一方の偏光成分からなる第１の光を所定の透過側に透過させるとともに、他方の偏光成分からなる第２の光を反射させて、上記透過側に対し横を向いた反射側に出射する偏光分離器、
上記偏光分離器からの上記第２の光の出射側、もしくは出射側に対し偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、上記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、λ／４波長板を透過した第２の光を、中心軸に対して反対側に、かつ第２の光の光路の、中心軸からの距離と等しい距離だけ光路をシフトさせて反射する光路変換素子とからなる第１の反射ブロック、および
上記第１の反射ブロックに対し上記偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、上記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、λ／４波長板を透過した第２の光を同一光路に反射する反射素子とからなる第２の反射ブロックを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、上記の目的を達成する本発明の光分岐装置は、
入射光に含まれる一方の偏光成分からなる第１の光を所定の透過側に透過させるとともに、他方の偏光成分からなる第２の光を反射させて、上記透過側に対し横を向いた反射側に出射する偏光分離器、
上記偏光分離器からの上記第２の光の出射側、もしくは出射側に対し偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、上記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、λ／４波長板を透過した第２の光を、中心軸に対して反対側に、かつ第２の光の光路の、中心軸からの距離と等しい距離だけ光路をシフトさせて反射する光路変換素子とからなる第１の反射ブロック、および
上記第１の反射ブロックに対し上記偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、上記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、λ／４波長板を透過した第２の光を同一光路に反射する反射素子とからなる第２の反射ブロックを備えた光分岐素子であって、上記光路変換素子による光路シフト量が相互に異なるものである複数の光分岐素子が、透過側に順次直列に配列されてなり、さらに、
上記複数ののうちの２つの光分岐素子に挟まれた各位置に、上記第１の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第１の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板を備えたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本発明の光分岐素子の一実施形態を示す概略構成図である。
【００１０】
図１に示すように、この光分岐素子１は、偏光ビームスプリッタ２、第１の反射ブロック３、および第２の反射ブロック６を備えている。
【００１１】
偏光ビームスプリッタ２は、入射光Ｌに含まれるＰ偏光とＳ偏光とを分離し、一方のＰ偏光成分からなる第１の光を透過側ａ方向に透過させるとともに、他方のＳ偏光成分からなる第２の光を反射させて上記ａ方向に対し横を向いた反射側ｂ方向に出射する。
【００１２】
第１の反射ブロック３は、偏光ビームスプリッタ２からの第２の光の出射側に配備された、第２の光に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板４と、λ／４波長板４を透過した第２の光を、中心軸に対して反対側に、かつ第２の光の光路の、中心軸からの距離だけ光路をシフトさせて反射するレンズ５＿１および反射鏡５＿２からなる光路変換素子５とから構成されている。
【００１３】
第２の反射ブロック６は、第１の反射ブロック３に対し偏光ビームスプリッタ２を挟んだ反対側に配備された、第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板７と、λ／４波長板７を透過した第２の光を同一光路に反射する反射鏡８とから構成されている。
図１に示した本実施形態の光分岐素子１に備えられている偏光ビームスプリッタ２は、本発明にいう偏光分離器に相当するものであり、反射鏡８は、本発明にいう反射素子に相当するものである。
【００１４】
なお、本実施形態の光分岐素子１では、第１の反射ブロック３が偏光ビームスプリッタ２からの第２の光の出射側に配備されているが、光分岐素子１を偏光ビームスプリッタ２からの第２の光の出射側に対し偏光ビームスプリッタ２を挟んだ反対側に配備するようにしてもよい。
【００１５】
次に、この光分岐素子１の動作について説明する。
【００１６】
光分岐素子１の第１の入出力ポートＰ１から入射した円偏光（実線矢印として図示する）である入射光Ｌは、偏光ビームスプリッタ２により円偏光に含まれている直交する２つの直線偏光、すなわちＰ偏光（破線矢印として図示する）およびＳ偏光（１点鎖線矢印として図示する）に分離される。Ｐ偏光成分からなる第１の光は矢印ａで示す透過側に透過して第３の入出力ポートＰ３から出力されるとともに、Ｓ偏光成分からなる第２の光は偏光ビームスプリッタ２により反射されて上記ａ方向に対し横を向いた反射側ｂ方向に出射される。ｂ方向に出射された第２の光は第１の反射ブロック３のλ／４波長板２に入射する。λ／４波長板４は、Ｓ偏光成分からなる第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されており、第２の光はλ／４波長板４を通過することによりＳ偏光から円偏光に変換されて光路変換素子５に入射される。光路変換素子５には、反射鏡５＿２および反射鏡５＿２上に焦点を有するレンズ５＿１が備えられており、λ／４波長板４から出射された第２の光を、中心軸に対して反対側に、かつこの円偏光の光路の、中心軸からの距離と等しい距離だけ光路をシフトさせて反射する。光路変換素子５から反射された第２の光は、再びλ／４波長板４に入射し、円偏光からＰ偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ２に入射される。
第１の反射ブロック３から反射されて偏光ビームスプリッタ２に入射された第２の光は、偏光ビームスプリッタ２を透過して第２の反射ブロック６に向かい、第２の反射ブロック６に備えられた、第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板７に入射する。λ／４波長板７に入射した第２の光はＰ偏光から円偏光に変換されて反射鏡８に入射する。反射鏡８に入射した第２の光は光路変換されることなく、入射時の光路と同一光路に反射された後、λ／４波長板７に入射され、円偏光からＳ偏光に変換されてから偏光ビームスプリッタ２に入射される。偏光ビームスプリッタ２に入射された第２の光は、偏光ビームスプリッタ２で反射されて第４の入出力ポートＰ４から出力される。
【００１７】
上記説明では、光分岐素子１の第１の入出力ポートＰ１から光が入射された場合について説明したが、光分岐素子１の第４の入出力ポートＰ４に対向する位置に設けられた第２の入出力ポートＰ２から光が入射された場合も、上記とほぼ同様の動作により第４の入出力ポートＰ４から第１の光が出力され、第３の入出力ポートＰ３から第２の光が出力される。
【００１８】
また、第３の入出力ポートＰ３から光が入射された場合は、入射側と出射側とが入れ替わる以外は上記とほぼ同様の動作により、第１の入出力ポートＰ１から第１の光が出力され、第２の入出力ポートＰ２から第２の光が出力される。さらに、第４入出力ポートＰ４から光が入射された場合も、上記とほぼ同様の動作により、第２の入出力ポートＰ２から第１の光が出力され、第１の入出力ポートＰ１から第２の光が出力される。
【００１９】
このように、本実施形態の光分岐素子の４つの入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４のうちの、いずれの入出力ポートから光を入射しても入射側に対応する出射側の２つの入出力ポートからそれぞれ分岐光が出力される。すなわち、本実施形態の光分岐素子１は、２入力２出力型のかつ双方向性の光分岐素子として動作する。ここで、出力側の２つの入出力ポートの光強度の比率は、入射光に含まれるＰ偏光成分とＳ偏光成分の比率で決定されるので、入射光を円偏光もしくは非偏光とすることにより、分岐光の光強度を等しくすることができる。また、本発明における光分岐素子の光分岐に伴う損失の要因は、各部材における吸収損失だけであり、極めて小さいので光分岐素子としての挿入損失はほとんどない。
【００２０】
図２は、本発明の光分岐装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【００２１】
図２に示すように、この光分岐装置１００は、本発明の光分岐素子が３段積み重ねられて構成されている。これら３つの光分岐素子１，１１，２１は透過側に順次直列に配列されるとともに、これら３つの光分岐素子１，１１，２１のうちの２つの光分岐素子に挟まれた各位置に、第１の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が第１の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板９，１９がそれぞれ備えられている。
【００２２】
光分岐素子１，１１，２１のうちの１段目の光分岐素子１には、図１に示した実施形態の光分岐素子１と同一の光分岐素子が用いられているが、２段目および３段目の光分岐素子１１，２１には、光分岐素子１とは若干構成の異なる光路変換素子が用いられている。すなわち、光分岐素子１の第１の反射ブロック３に備えられたレンズ５＿１は単一のレンズであるが、光分岐素子１１，２１の第１の反射ブロック１３，２３にはそれぞれレンズ数２およびレンズ数４のレンズアレイ１５＿１，２５＿１が用いられている。すなわち、各段の第１の反射ブロックに備えられた光路変換素子のレンズ数は、１，２，４，…というように光分岐素子の段数のべき乗となっている。このように、第１の反射ブロックの光路変換素子のレンズ構成が相違している以外は、光分岐素子１，１１，２１は全て同様の構成を有している。
【００２３】
次に、図２を参照しながらこの光分岐装置１００の動作について説明する。
【００２４】
光分岐装置１００の第５の入出力ポートＰ５から入射した円偏光である入射光Ｌは、偏光ビームスプリッタ２によりＰ偏光とＳ偏光に分離され、Ｐ偏光成分からなる第１の光は偏光ビームスプリッタ２を透過し、入射側と対向する出射側から出力され、λ／４波長板９により円偏光に変換されて２段目の光分岐素子１１の偏光ビームスプリッタ１２のＱ１部分に入射される。
【００２５】
一方、１段目の光分岐素子１の偏光ビームスプリッタ２で分離されたＳ偏光成分からなる第２の光は反射されて第１の反射ブロック３へと向かい、第１の反射ブロック３によりＳ偏光からＰ偏光に変換されるとともに光路がシフトされて偏光ビームスプリッタ２に入射する。この光は偏光ビームスプリッタ２を透過して第２の反射ブロック６に入射され、第２の反射ブロック６によりＰ偏光からＳ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ２に入射される。この光は偏光ビームスプリッタ２により反射され、１段目の光分岐素子１と２段目の光分岐素子１１に挟まれた位置に備えられたλ／４波長板９を通過することによりＳ偏光からＰ偏光に変換されて、２段目の光分岐素子１１の偏光ビームスプリッタ１２のＱ２部分に入射する。
【００２６】
こうして、１段目の光分岐素子１により入射光Ｌは２分岐される。
【００２７】
２段目の偏光ビームスプリッタ１２のＱ１部分に入射した円偏光は１段目の時と同様にＰ偏光とＳ偏光に分離され、Ｐ偏光成分からなる第１の光は偏光ビームスプリッタ１２を透過して、入射側と対向する出射側から出力され、λ／４波長板１９により円偏光に変換されて、３段目の光分岐素子２１の偏光ビームスプリッタ２２のＲ１部分に入射される。 一方、２段目の光分岐素子１１の偏光ビームスプリッタ１２で分離されたＳ偏光成分からなる第２の光は反射されて第１の反射ブロック１３へと向かい、第１の反射ブロック１３によりＳ偏光からＰ偏光に変換されるとともに光路がシフトされて偏光ビームスプリッタ１２に入射する。この光は偏光ビームスプリッタ１２を透過して第２の反射ブロック１６に入射され、第２の反射ブロック１６によりＰ偏光からＳ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１２に入射される。この光は偏光ビームスプリッタ１２により反射され、２段目の光分岐素子１１と３段目の光分岐素子２１に挟まれた位置に備えられたλ／４波長板１９を通過することによりＳ偏光からＰ偏光に変換されて、３段目の光分岐素子２１の偏光ビームスプリッタ２２のＲ２部分に入射する。
【００２８】
また、２段目の光分岐素子１１の偏光ビームスプリッタ１２のＱ２部分に入射した円偏光は、上記Ｑ１部分に入射した円偏光と同様に２分岐された後λ／４波長板１９を経て３段目の光分岐素子２１の偏光ビームスプリッタ２２のＲ３部分およびＲ４部分にそれぞれ入射される。
【００２９】
こうして、１段目の光分岐素子１および２段目の光分岐素子１１により入射光Ｌは４分岐される。
以下同様にして、３段目の光分岐素子２１の偏光ビームスプリッタ２２のＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４部分に入射した円偏光がそれぞれ２分岐され、第１の反射ブロック２３および第２の反射ブロック２６を通過することにより、この光分岐装置１００に入射した入射光Ｌは８分岐されて、入射側と対向する出射側の入出力ポートＰ９〜Ｐ１６から出力される。 なお、この光分岐装置１００では、各段における第１の反射ブロックのレンズの大きさは互いに相違しており、レンズに入射する光路の中心軸からの距離が互いに相違しているため、各段ごとに第１の反射ブロックの光路のシフト量は異なっている。従って、１段目の光分岐素子１に入射され偏光ビームスプリッタ２により２分岐された光は、１段目の光分岐素子１内の互いに異なる光路を通って出力される。同様に、２段目の光分岐素子１１に入射され偏光ビームスプリッタ１２により２分岐されて合計４つとなった光は、２段目の光分岐素子１１内の互いに異なる光路を通って出力される。また、３段目の光分岐素子２１に入射され偏光ビームスプリッタ２２により２分岐されて合計８つとなった光は、３段目の光分岐素子２１内の互いに異なる光路を通って出力される。
【００３０】
このようにして、本実施形態の光分岐装置１００では、図２に示す第１から第８までの８つの入出力ポートＰ１〜Ｐ８のいずれの入出力ポートから光を入射しても入射された側の反対側の８つの入出力ポートＰ９〜Ｐ１６に分岐光が出力される。また、図１を参照して説明したように、本発明の光分岐素子は双方向性を有しているので、入出力ポートＰ９〜Ｐ１６のいずれの入出力ポートから光を入射しても入射された側の反対側の８つの入出力ポートＰ１〜Ｐ８に分岐光が出力される。このように、図１に示した基本構成を有する本発明の光分岐素子を直列にＭ段接続することにより、Ｎ入力Ｎ出力（Ｎ＝２^M 、Ｍは自然数）の光分岐装置を構成することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光分岐強度が均一で挿入損失が小さい光分岐素子、およびこの光分岐素子を複数用いて構成した多入力多出力型でかつ双方向性の光分岐装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光分岐素子の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の光分岐装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１，１１，２１ 光分岐素子
２，１２，２２ 偏光ビームスプリッタ
３，１３，２３ 第１の反射ブロック
４ λ／４波長板
５ 光路変換素子
５＿１ レンズ
５＿２ 反射鏡
６，１６，２６ 第２の反射ブロック
７ λ／４波長板
８ 反射鏡
９，１９ λ／４波長板
１５＿１，２５＿１ レンズアレイ
１００ 光分岐装置

Claims (4)

1. 入射光に含まれる一方の偏光成分からなる第１の光を所定の透過側に透過させるとともに、他方の偏光成分からなる第２の光を反射させて、該透過側に対し横を向いた反射側に出射する偏光分離器、
   該偏光分離器からの前記第２の光の出射側、もしくは該出射側に対し該偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、前記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が該第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、該λ／４波長板を透過した第２の光を、中心軸に対して反対側に、かつ該第２の光の光路の、中心軸からの距離と等しい距離だけ光路をシフトさせて反射する光路変換素子とからなる第１の反射ブロック、および
   前記第１の反射ブロックに対し前記偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、前記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が該第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、該λ／４波長板を透過した第２の光を同一光路に反射する反射素子とからなる第２の反射ブロックを備えたことを特徴とする光分岐素子。
2. 前記光路変換素子が、反射鏡と反射鏡上に焦点を有するレンズからなることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
3. 入射光を非偏光または円偏光に変換する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
4. 入射光に含まれる一方の偏光成分からなる第１の光を所定の透過側に透過させるとともに、他方の偏光成分からなる第２の光を反射させて、該透過側に対し横を向いた反射側に出射する偏光分離器、
   該偏光分離器からの前記第２の光の出射側、もしくは該出射側に対し該偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、前記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が該第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、該λ／４波長板を透過した第２の光を、中心軸に対して反対側に、かつ該第２の光の光路の、中心軸からの距離と等しい距離だけ光路をシフトさせて反射する光路変換素子とからなる第１の反射ブロック、および
   前記第１の反射ブロックに対し前記偏光分離器を挟んだ反対側に配備された、前記第２の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が該第２の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板と、該λ／４波長板を透過した第２の光を同一光路に反射する反射素子とからなる第２の反射ブロックを備えた光分岐素子であって、前記光路変換素子による光路シフト量が相互に異なるものである複数の光分岐素子が、透過側に順次直列に配列されてなり、さらに、
   前記複数の光分岐素子のうちの２つの光分岐素子に挟まれた各位置に、前記第１の光の光路に対し垂直に、かつ光軸が該第１の光の偏光方向に対し４５度をなすように配置されたλ／４波長板を備えたことを特徴とする光分岐装置。

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