JP4138321B2 - Light separation method, light synthesis method, light separation / synthesis optical element, and light separation coupling device - Google Patents

Light separation method, light synthesis method, light separation / synthesis optical element, and light separation coupling device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光分離方法、光合成方法および光分離合成光学素子および光分離カップリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
通信やコンピュータによる情報処理の分野において、光による信号伝達が日常化し、信号伝達する光として、複数の波長成分の光を用い、波長ごとに異なる情報を伝送することが行われている。このような波長の異なる複数の光による信号伝達に於いては、複数の波長成分を持つ光を各波長成分の光に分離したり(光分離)、逆に波長が互いに異なる複数の光を、これらを波長成分とする単一の光に合成したり(光合成)する必要が生じる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、新規な光分離方法、光合成方法と、これら光分離方法・光合成方法を実現するための構成簡素な光分離合成光学素子の実現を課題とする。
この発明はまた、光分離合成光学素子を用いた光分離カップリング装置の実現を課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明の光分離方法は「複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する方法」であって、以下の如き特徴を有する。
【0005】
即ち、「板状透明体の厚みを介して対向する1対の平面の一方に反射型回折格子を形成してなる光分離合成光学素子」に入力光を入射させ、入射した入力光を反射型回折格子で内部反射させると共に回折させ、成分波長ごとの回折角の差により各成分波長の光の進行方向を異ならせる。入射光は平行光束とする。平行光束は厳密な平行光束ではなく、実質的に平行光束と看做しうる程度の「弱い発散性モスクは弱い収束性の光束」であることができる。
【0006】
反射型回折格子で回折された各成分波長の光を、光分離合成光学素子の1対の平面により順次、複数回内部反射させたのち「板状透明体の平端面(厚みをなす平坦な端面)として形成された分離光射出面」から射出させる(請求項1)。入力光は平行光束であり、内部反射は平面での反射であるから、分離されて射出する各成分波長の光も平行光束であり、放射状に分離している。
【0007】
この請求項1記載の光分離方法において、入力光を「光分離合成光学素子の厚みを介して対向する1対の平面の一方から所定の入射角で入射させ、厚みを介して反射型回折格子に」入射させることができる(請求項2)。勿論、入力光の入射は、光分離合成光学素子の厚みをなす(上記分離光射出面とは異なる)端面から入射させるようにしてもよい。
【0008】
この発明の光分離合成光学素子は「請求項1記載の光分離方法の実施に用いる光分離合成光学素子」であって、以下の如き特徴を有する。
【0009】
即ち、光分離合成光学素子は「板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する1対の平面の一方における所定の位置に反射型回折格子が形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面が、上記1対の平面の少なくとも一方に対して斜めに交わる平端面として形成された」ことを特徴とする(請求項3)。
【0010】
この請求項3記載の光分離合成光学素子の反射型回折格子は「ブレーズ型回折格子」として形成することができる(請求項4)。
請求項3または4記載の光分離合成光学素子の「厚さを介して対向する1対の平面」は、互いに非平行で角をなすようにすることもできるが、これら1対の平面を「互いに平行」とすることができる(請求項5)。
【0011】
上記請求項3または4または5記載の光分離合成光学素子において「入力光の入射位置」を、1対の平面の一方に設定することができる(請求項6)。上記入力光の入射位置はまた、光分離合成光学素子の厚みをなす(上記分離光射出面とは異なる)端面に設定することもできる。
【0012】
請求項3または4または5または6記載の光分離合成光学素子はまた「反射型回折格子により内部反射された回折光が、分離光射出面に向う光路において内部反射する部位に反射膜を設けた」構成とすることができる(請求項7)。
【0013】
この発明の光合成方法は「請求項3〜7の任意の1に記載の光分離合成光学素子を用い、互いに異なる所定波長を持つ複数の光を、単一の出力光として合成する方法」であって、以下の如き特徴を有する(請求項8)。
【0014】
即ち、互いに異なる所定波長を持つ複数の光を、光分離合成光学素子の分離光射出面に、それぞれ所定の入射角で平行光束として入射させ、光分離合成光学素子の1対の平面で順次、複数回内部反射させたのち、反射型回折格子の略同一部位に入射させて内部反射させ、波長ごとの回折角の差により各波長の光の進行方向を揃え、光分離合成光学素子から、単一の平行光束の出力光として射出させる。
【0015】
即ち、この発明の光合成方法は、光分離合成光学素子を「光分離を行うときと光の進行方向を逆の向き」にして用いるのである。
【0016】
若干補足すると、一般に、信号伝達に用いられる、複数の波長成分を持つ光の成分光の波長相互は近接していることが多く、このような光を回折格子で回折させた場合、各波長の光の回折角もまた近接している。従って、単に回折を利用することにより光分離を行っても各回折光の進行方向の分離角が小さく、光分離の効率を高めるのが難しいが、この発明においては、回折を板状透明透明体の内部で行うため、板状透明体の屈折率により、上記分離角を有効に大きくすることができる。
【0017】
また、回折により進行方向の分離した成分光を光分離合成光学素子の内部で、複数回反射させるので、分離光射出面までの光路長を稼ぐことができ、良好に分離した成分光を取り出すことができる。
【0018】
この発明の光分離カップリング装置は「複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離して成分光とし、これら成分光を、空間的に分離して配置された複数の受光部に、各成分光と受光部を1:1に対応させて入射させる光分離カップリング装置」であって、上記請求項2〜7の任意の1に記載の「光分離合成光学素子」を用いて、複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離することを特徴とする(請求項9)。
【0019】
この発明の光分離カップリング装置は、光分離すべき入力光が非平行光束として与えられる場合、この非平行光束を平行光束とするべく、光分離合成光学素子の前段にコリメート光学系を有し、平行光束かされた光を「光分離合成光学素子への入力光」とすることができる(請求項10)。コリメート光学系は、レンズ系若しくはミラー系、あるいはミラーとレンズとの合成系として構成することができる。入力光が発散光束である場合にはコリメート光学系は正のパワーを持ち、入力光が集束光であるときにはコリメート光学系は負のパワーを持つ。
【0020】
請求項11記載の光分離カップリング装置は請求項9記載の光分離カップリング装置において、コリメート光学系を「コリメートレンズ」としたことを特徴とする(請求項11)。
【0021】
請求項9または10または11記載の光分離カップリング装置はまた「光分離合成光学素子により空間的に分離された平行光束状の各成分光を、対応する受光部へ向けて集光する集光手段」を有することができる(請求項12)。この集光手段は「各成分光に応じて集光性のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイ」として好適に構成することができる(請求項13)。
【0022】
請求項13記載の光分離カップリング装置は、コリメートレンズと、光分離合成光学素子と、マイクロレンズアレイとを有し、光ファイバから射出する入力光を成分光に分離して、各成分光を対応する導波路の入射端へカップリングさせる装置として構成できる(請求項14)。
【0023】
「コリメートレンズ」は、光ファイバから射出する入力光を平行光束化する。「光分離合成光学素子」は、コリメートレンズにより平行光束化された入力光を入射され、成分光に分離する。
「マイクロレンズアレイ」は、光分離合成光学素子から射出した各成分光を、対応する受光部である導波路入射端へ向けて集光する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を説明する。
図1に示す光分離合成光学素子10は、板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する1対の平面10A、10Bの一方である平面10Bにおける所定の位置に反射型回折格子10Cが形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面10Fが、1対の平面10A、10Bに対して斜めに交わる平端面として形成されている(請求項3)。
【0025】
光分離合成光学素子10の、厚さを介して対向する平面10A、10Bは互いに平行であり(請求項5)。入力光の入射位置は、1対の平面の一方である平面10Aに設定されている(請求項6)。
【0026】
また、反射型回折格子10Cにより内部反射された回折光が、分離光射出面10Fに向う光路において内部反射する部位に反射膜10D、10Eが設けられている(請求項7)。
【0027】
図2に示す光分離合成光学素子20は、板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する1対の平面20A、20Bの一方である平面20Bにおける所定の位置に反射型回折格子20Cが形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面20Fが、1対の平面20A、20Bに対して斜めに交わる平端面として形成されている(請求項3)。
【0028】
光分離合成光学素子20の、厚さ介して対向する平面20A、20Bは互いに非平行である。入力光の入射位置は、1対の平面の一方である平面20Aに設定されている(請求項6)。また、反射型回折格子20Cにより内部反射された回折光が、分離光射出面20Fに向う光路において内部反射する部位に反射膜20D、20Eが設けられている(請求項7)。
【0029】
図3に示すのは上記実施の形態の変形例の特徴部分である。
図3(a)に示す光分離合成光学素子10’は、図1に示した光分離合成光学素子10と同タイプのもので、入力光の入射する部分で平面10A’を切り欠き、平面10A’に対してテーパを持った入射面10aとした点を特徴とする。
【0030】
図3(b)に示す光分離合成光学素子20’は、図2に示した光分離合成光学素子20と同タイプのもので、入力光の入射する部分で平面20A’を切り欠いき、平面20A’に対してテーパを持った入射面20aとした点を特徴とする。符号10C’、20C’は反射型回折格子を示す。
【0031】
以下「光分離」を説明する。光分離の説明は、図1の光分離合成光学素子10の場合と、図2の光分離合成光学素子20の場合とで共通する部分が多いので、光分離合成光学素子10、20に共通の部分の説明では、光分離合成光学素子10の符号を参照しつつ説明を行い、光分離合成光学素子20に関する符号を括弧内に記することとする。
【0032】
複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する方法は、以下のように行われる。
板状透明体の厚みを介して対向する1対の平面10A、10B(20A、20B)の一方に反射型回折格子10C(20C)を形成してなる光分離合成光学素子10(20)に入力光を入射させる。
【0033】
入力光は「複数の所定波長の光」を成分として含み、光束形態としては平行光束もしくは弱い収束性あるいは弱い発散性の光束とされている。入力光は、平面10A(20A)から入射され、反射型回折格子10C(20C)に入射し、内部反射されると共に回折される。
【0034】
図1、図2において、符号L1は、入力光に含まれる光のうち「波長の最も短い光」を表し、符号L2は、入力光に含まれる光のうち「波長の最も長い光」を示している。図3においても同様である。
【0035】
入力光に含まれる波長:λの光を考えて見ると、反射型回折格子10C(20C)により回折された回折光の回折角:βは、入射角:α、回折次数:m、波長:λ、格子ピッチ:d、光分離合成光学素子10(20)の材質の屈折率:Nととともに、関係:
sinβ=mλ/(N・d)−sinα
を満足する。
【0036】
この式において、左辺の回折角:βは負であるので、入射角:α、回折次数:m、格子ピッチ:dを同一として空気中におかれた反射型回折格子により回折を行う場合よりも大きな回折角を実現することができる。回折次数:mとしては適宜のものを設計条件として選択することができるが、反射型回折格子をブレーズ型回折格子として形成することにより(請求項4)、選択された回折次数の回折光の光強度を他の次数の光に対して、有効に大きくすることができる。
【0037】
入力光は、反射型回折格子10C(20C)で内部反射・回折されると、成分波長ごとの回折角の差により各成分波長の光L1、…、L2の進行方向が互いに異なるようになる。これら回折された各成分波長の光L1、…、L2は、光分離合成光学素子10(20)の1対の平面10A、10B(20A、20B)により順次、複数回内部反射されたのち、分離光射出面10F(20F)から射出する(請求項1)。
【0038】
分離光射出面10F(20F)から射出した光は、恰も反射型回折格子10C(20C)の回折位置から放射するように互いに進行方向が異なり、相互に光分離されている。
【0039】
図1、図2の実施の各形態においては、反射型回折格子により内部反射された回折光L1、…、L2が、分離光射出面に向う光路において内部反射する部位に反射膜10D、10E(20D、20E)を設けたが、この部分での反射を全反射とすることも可能である。
【0040】
それには、回折角をしかるべく大きくして、平面10A、10B(20A、20B)への入射角を大きくすれば良いが、図2に示す光分離合成光学素子20のように、平面20A、20Bを非平行とすることにより、上記入射角を大きくすることができる。
【0041】
このように回折光L1、…、L2の、平面20A、20Bへの入射角を大きくすることにより、反射膜20A、20Bを省略するようにできることに、光分離合成光学素子の「厚みを介して対向する1対の平面」を非平行にする技術的意義がある。一方、光分離合成光学素子10のように、1対の平面を互いに平行にする場合には、材料としての透明平行平板に分離光射出面を斜めに形成するのみで作製できるので、製造が容易であるという技術的利点がある。
【0042】
また、上記実施の各形態では、入力光は「光分離合成光学素子10(20)の厚みを介して対向する1対の平面の一方10A(20A)から所定の入射角で入射され、上記厚みを介して反射型回折格子10C(20C)に入射」されている(請求項2)。
【0043】
上には、入力光を互いに波長の異なる成分光L1、…、L2に分離する場合を説明したが、上記と光の進行方向を逆転させ、光分離合成光学素子10(20)を用い、互いに異なる所定波長を持つ複数の光L1、…、L2を、光分離合成光学素子10(20)の分離光射出面10F(20F)に、それぞれ所定の入射角(光分離の場合の射出角)で入射させ、光分離合成光学素子10(20)の1対の平面10B,10A(20B、20A)で順次、複数回内部反射させたのち、反射型回折格子10C(20C)の略同一部位に入射させて内部反射させ、波長ごとの回折角の差により各波長の光の進行方向を揃え、光分離合成光学素子10(20)から、「単一の出力光」として射出させる光合成方法(請求項8)を実施することができる。
【0044】
【実施例】
以下、光分離合成光学素子の具体的な実施例を2例挙げる。これら実施例は、光分離を行う場合の例である。図4(a)に示すのは、図1に即して説明した光分離合成光学素子10と同様のタイプのものであるので、各部を示す符号として図1におけると同一のものを用いている。
【0045】
各部の寸法は、以下の記号で表す。
即ち、光分離合成光学素子10の厚み:T、平面10Aの(図の左右方向の)長さ:LU、平面10Bの(図の左右方向の)長さ:LD、光分離合成光学素子10の入力光の入射側(左側)端面から反射膜10Dの左端までの距離:LM1、反射膜10Dの幅:LMU、光分離合成光学素子10の入力光の入射側(左側)端面から反射膜10Eの左端までの距離:LM2、反射膜10Eの幅:LMD、光分離合成光学素子10の左側端面から反射型回折格子10Cの左側端部までの距離:D1、反射型回折格子10Cの幅:D2(反射型回折格子10Cは、一辺:D2の正方形領域に形成されている。)、入力光の中心光線の入射位置と光分離合成光学素子10の左側端面との距離:INとする。
【0046】
また、入力光の平面10Aへの入射角:θ1、平面10Aから入射した入力光の反射型回折格子10Cへの入射角:θ2、分離光射出面10Fの傾斜角:θ3、入力光の反射型回折格子10Cへの入射位置(中心光線の入射位置)と光分離合成光学素子10の左側端面との距離:D3とする。なお、図2(a)において符号30は楔状の断面形状を持つ透過体であり、光分離された成分光の方向を揃えるために用いられる。
【0047】
反射型回折格子10Cは、図4(b)に示すようにブレーズ型回折格子として形成され、その外側面には反射膜(図示されず)が形成されている。ブレーズ型回折格子における格子ピッチを「d」、溝斜面の傾斜角を短い斜面につき「η」、長いほうの斜面につき「ζ」とする。
【0048】
実施例1
波長差:0.02μm(20nm)を持った4種の光、即ち、波長:1.53μm、1.55μm、1.57μm、1.59μmを波長成分とする4種の光を含み、光束径:80μmで平行光束の入力光を、各波長成分の光に分離するための光分離合成光学素子を以下のように構成した。
【0049】
材質:石英ガラス(上記波長領域における屈折率:1.44402)
光分離合成光学素子10の厚み:T=1.4mm
平面10Aの長さ:LU=9.3mm
平面10Bの長さ:LD=10.4918mm
入射側端面から反射膜10Dの左端までの距離:LM1=2.5mm
反射膜10Dの幅:LMU=4.5mm
入射側端面から反射膜10Eの左端までの距離:LM2=5mm
反射膜10Eの幅:LMD=5.4918mm
左側端面から反射型回折格子10Cの左側端部までの距離:D1=0.41mm
入力光入射位置と光分離合成光学素子10の左側端面との距離:IN=1mm
分離光射出面10Fの傾斜角:θ3=50度
反射型回折格子10Cの幅:D2=1.5mm
入力光の反射型回折格子10Cへの入射位置と光分離合成光学素子10の左側端面との距離:D3=1.1559mm
反射型回折格子10Cの格子幅:d=0.0013mm
溝斜面の傾斜角:ζ=30.3378度、η=60度
回折の次数:m=1
また、入力光の入射状態を以下のように設定した。
【0050】
入力光の平面10Aへの入射角:θ1=9.2度
入力光の反射型回折格子10Cへの入射角:θ2=6.3536度
このとき、上記波長の異なる4成分光を、その進行方向が互いに等角度差となるように光分離することができた。
【0051】
透過体30として基部の厚さ:1mmのシリコンを用い、入射側面の傾き角を5度に設定し、図の距離:L0を10mmに設定したところ、透過体30の射出側で、上記4成分光を互いに125μmだけ分離することができた。
【0052】
従って、上記透過体30の右方に、径:125μmの光ファイバの入射端面を125μmピッチで4個配置すれば、光分離された各成分光を、個別の光ファイバに光結合させることができる。
【0053】
実施例2
波長差:0.02μm(20nm)を持った8種の光、即ち、波長:1.49μm、1.51μm、1.53μm、1.55μm、1.57μm、1.59μm、1.61μm、1.63μmを波長成分とする8種に光を含み、光束径:80μmで平行光束の入力光を、各波長成分の光に分離するための光分離合成光学素子を以下のように構成した。
【0054】
材質:石英ガラス(上記波長領域における屈折率:1.44402)
光分離合成光学素子10の厚み:T=1.4mm
平面10Aの長さ:LU=9.3mm
平面10Bの長さ:LD=10.4918mm
入射側端面から反射膜10Dの左端までの距離:LM1=2.5mm
反射膜10Dの幅:LMU=4.5mm
入射側端面から反射膜10Eの左端までの距離:LM2=5mm
反射膜10Eの幅:LMD=5.4918mm
左側端面から反射型回折格子10Cの左側端部までの距離:D1=0.66mm
入力光入射位置と光分離合成光学素子10の左側端面との距離:IN=1mm
分離光射出面10Fの傾斜角:θ3=50度
反射型回折格子10Cの幅:D2=1.5mm
入力光の反射型回折格子10Cへの入射位置と光分離合成光学素子10の左側端面との距離:D3=1.4107mm
反射型回折格子10Cの格子幅:d=0.0017mm
溝斜面の傾斜角:ζ=25.0481度、η=60度
回折の次数:m=1
また、入力光の入射状態を以下のように設定した。
【0055】
入力光の平面10Aへの入射角:θ1=24度
入力光の反射型回折格子10Cへの入射角:θ2=16.35度
このとき、上記波長の異なる8成分光を、その進行方向が互いに等角度差となるように光分離することができた。
【0056】
透過体30として基部の厚さが1mmのシリコンを用い、入射側面の傾き角を5度に設定し、図の距離:L0を10mmに設定したところ、透過体30の射出側で、上記8成分光を互いに125μだけ分離することができた。
【0057】
従って、上記透過体30の右方に、径:125μmの光ファイバの入射端面を125μmピッチで8個配置すれば、光分離された各成分光を、個別の光ファイバに光結合させることができる。
【0058】
なお、上の各実施例において、透過体の入射側面における、分離された各光の入射部の傾き角を互いに異なるように調整して、透過体から射出する各光が互いに平行に進行するようにすることができる。
【0059】
また、上には反射型回折格子で内部反射され、回折された各波長の回折光の、光分離合成光学素子内での内部反射の回数を2回としたが、勿論3回以上内部反射させるようにしてもよい。
【0060】
【発明の実施の形態】
図5はこの発明の光分離カップリング装置の実施の1形態を示す図である。
【0061】
即ち、この光分離カップリング装置は、複数の所定波長の光を成分として含む入力光ILを、成分波長をもった光ごとに光分離して成分光CL1、CL2、..とし、これら成分光を、空間的に分離して配置された複数の受光部71、72、..に、各成分光と受光部を1:1に対応させて入射させる光分離カップリング装置であって、上に説明した光分離合成光学素子10を用いて、複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する(請求項9)。
【0062】
また、入力光ILが非平行光束として与えられ、この非平行光束を平行光束とするべく、光分離合成光学素子10の前段にコリメート光学系50を有し(請求項10)、コリメート光学系50がコリメートレンズである(請求項11)。
【0063】
また、光分離合成光学素子10により空間的に分離された各成分光CL1、CL2..を、対応する受光部71、72、..へ向けて集光する集光手段60を有するが(請求項12)、この集光手段60は、各成分光に応じて集光性のマイクロレンズ61、62、..を配列したマイクロレンズアレイである(請求項13)。
【0064】
また、コリメートレンズ50は、光ファイバ40から射出する発散性の入力光を平行光束化し、光分離合成光学素子10は、コリメートレンズ50により平行光束化された入力光を入射され、成分光CL1、CL2、..に分離し、マイクロレンズアレイ60は、光分離合成光学素子10から射出した各成分光CL1、CL2、..を、対応する受光部である導波路入射端71、72、..へ向けて集光する(請求項14)。
【0065】
【実施例】
図5に示す光分離カップリング装置の具体的な実施例を挙げる。
入力光ILを射出する光ファイバ40は「シングルモードファイバ」であり、そのコア径は10μmである。入力光は設計波長を1.53μm、1.55μm、1.57μm、1.59μmとする4波長の光を含むが、各波長は設計波長を中心として±4.5nmの範囲で波長変動もしくは波長のバラツキを含むものとする。
【0066】
入力光ILをコリメートするコリメートレンズ50は、入射側(光ファイバ40側)が平面、射出側(光分離合成光学素子10側)が非球面で単一の凸レンズで、肉厚:D=0.65mm、有効径:DEF=0.6mmで、材質はシリコン(波長:1550nmに対する屈折率:N1550=3.47772)である。
【0067】
上記非球面は、光軸方向の座標:X、主走査方向の座標:Y、近軸曲率半径:R、円錐定数:Kを用いて、周知の非球面式:
X=(Y/R)/[1+√{1−(1+K)(Y/R)
において、近軸曲率半径:R=−4.582mm、円錐定数:K=−4.672として特定される形状である。
【0068】
光分離合成光学素子10は、上に実施例2として説明したものである。
マイクロレンズアレイ60は、入射側(光分離合成光学素子10側)が非球面で、射出側(受光部材70側)が平面である4つのマイクロレンズを、光分離合成光学素子10により分離された成分光CL1(波長:1.53μm)、LC2(波長:1.55μm)、LC3(波長:1.57μm)、LC4(波長:1.59μm)に対応して配列形成したものであり、材質はシリコン(波長:1550nmに対する屈折率:N1550=3.47772)である。
【0069】
マイクロレンズアレイ60の各マイクロレンズにおける非球面の形状は、上記非球面式における近軸曲率半径:R=5mm、円錐定数:K=−5.55115で特定され、肉厚:D=0.65mm、有効径:DEF=0.64mmである。4個のマイクロレンズ61〜64の配列ピッチは0.68mmである。
【0070】
受光部材70の受光面には、受光部である導波路入射端71〜74が、それぞれ成分光CL1〜CL4を受光するように配置されている。導波路入射端は一辺の長さ:20μmの正方形形状であり、NA=0.18である。
【0071】
光ファイバ40、コリメートレンズ50、光分離合成光学素子10、マイクロレンズアレイ60、受光部材70の相対的な配置は、図5に示す寸法に従う。図5における左右方向の配置の基準線500からマイクロレンズアレイ60におけるマイクロレンズ63に至る図の横方向の距離は23.968mm、同じく基準線500から導波路入射端71に至る図の横方向の距離は26.324mmである。
【0072】
マイクロレンズアレイ60、受光部材70の受光面は共に、図に示されたように、基準面SSに立てた垂線に対して10度傾いている。マイクロレンズ63の光軸位置の基準面SSからの高さは2.881mmである。マイクロレンズ61〜64の配列は等間隔で配列ピッチ:0.68mmであるから、基準面SSからマイクロレンズ61、62、64の光軸位置までの高さはそれぞれ、2.881+2×0.68cos10度、2.881+0.68cos10度、2.881―0.68cos10度となる。
【0073】
導波路入射端71〜74の、基準面SSからの高さはそれぞれ、4.784mm、4.042mm、3.295mm、2.546mmである。
【0074】
入力光を構成する各成分光の光源としては一般に半導体レーザが用いられるが、半導体レーザには周知の「モードホッピング」による波長変動が存在し、また、個体間での波長も必ずしも設計通りのものにはならない。
【0075】
そこで、前述の如く、入力光に含まれる設計波長:1.53μm、1.55μm、1.57μm、1.59μmが、設計波長を中心として±4.5nmの範囲で波長変動もしくは波長のバラツキを含むものとし、この範囲の波長変化に対して各成分光の結合効率を示すと以下の如くになる。
【0076】
設計波長:1.53μmの成分光の結合効率
波長(nm) 結合効率:%(括弧内はdB)
1525.5 65.8(−1.82)
1527 74.3(−1.29)
1528.5 77.1(−1.13)
1530 77.7(−1.10)
1531.5 77.4(−1.11)
1533 76.7(−1.15)
1534.5 65.7(−1.83) 。
【0077】
設計波長:1.55μmの成分光の結合効率
波長(nm) 結合効率:%(括弧内はdB)
1545.5 68.8(−1.63)
1547 75.3(−1.23)
1548.5 76.6(−1.16)
1550 79.5(−0.99)
1551.5 78.8(−1.04)
1553 73.1(−1.36)
1554.5 67.4(−1.71) 。
【0078】
設計波長:1.57μmの成分光の結合効率
波長(nm) 結合効率:%(括弧内はdB)
1565.5 64.6(−1.89)
1567 73.4(−1.34)
1568.5 76.3(−1.17)
1570 77.0(−1.13)
1571.5 76.1(−1.19)
1573 73.9(−1.32)
1574.5 66.0(−1.81) 。
【0079】
設計波長:1.59μmの成分光の結合効率
波長(nm) 結合効率:%(括弧内はdB)
1585.5 61.5(−2.11)
1587 73.6(−1.33)
1588.5 76.0(−1.19)
1590 76.9(−1.14)
1591.5 76.0(−1.19)
1593 71.2(−1.47)
1594.5 61.2(−2.13) 。
【0080】
各設計波長に対する波長変動に対する結合効率(dB値)を図6に示す。この結果から分かるように、実施例の光分離カップリング装置は、成分光の波長変動に対し結合効率の変化が小さく、波長変動に対して安定性が良い。
【0081】
また、温度変化に対する各設計波長における結合効率の変化を一覧にすると以下の如くになる。
【0082】
温度変化に対する結合効率(%、括弧内はdB)の変化
温度(℃) 1530nm 1550nm 1570nm 1590nm
0 78.7(-1.04) 80.8(-0.93) 78.3(-1.06) 78.1(-1.07)
10 78.1(-1.07) 80.2(-0.96) 77.8(-1.09) 77.5(-1.11)
20 77.7(-1.10) 79.5(-0.99) 77.0(-1.13) 76.9(-1.14)
30 77.0(-1.13) 78.7(-1.04) 76.4(-1.17) 76.2(-1.18)
40 76.3(-1.18) 78.2(-1.07) 75.6(-1.22) 75.4(-1.23)
50 75.7(-1.21) 74.6(-1.27) 74.8(-1.26) 74.6(-1.27)
60 75.3(-1.23) 74.0(-1.31) 74.2(-1.30) 74.0(-1.31) 。
【0083】
この温度変化による結合効率の変化を図示すると、図7に示す如くになる。 実施例の光分離カップリング装置は、0〜60度という広い温度範囲においてきわめて安定した結合効率を実現している。温度変化による結合効率の変化は、コリメートレンズ50、光分離合成光学素子10、マイクロレンズアレイ60の材質の「屈折率や寸法」が温度により変化することに起因しているが、これらの材質であるシリコンや石英ガラスの屈折率・寸法の温度依存性はきわめて低いため、上記の如く、広い温度範囲において結合効率には実質的な変化が生じない。
【0084】
従って、実施例の光分離カップリング装置は、通常の環境下では、温度調整等を必要とせずに使用することができる。なお、図5の光分離カップリング装置は、光の進行の向きを逆にすれば、波長の異なる複数の光を単一の出力光として合成するのに利用できる。
【0085】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、新規な光分離方法・光合成方法および光分離合成光学素子および光分離カップリング装置を実現できる。この発明の光分離合成光学素子は上述の如く極めて簡素な構造を持つから安価に製造でき、これを用いることにより、良好な光分離、光合成を実現できる光分離方法・光合成方法を実施することができる。
【0086】
また、この発明の光分離合成光学素子を用いることにより、入力光を成分光に分離して、各成分光に対応した受光部にカップリングさせる光分離カップリング装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光分離合成光学素子の実施の1形態と、これを用いる光分離方法を説明するための図である。
【図2】光分離合成光学素子の実施の別形態と、これを用いる光分離方法を説明するための図である。
【図3】光分離合成光学素子の実施の形態の変形例を特徴部分のみ示す図である。
【図4】実施例を説明するための図である。
【図5】光分離カップリング装置の実施の1形態を示す図である。
【図6】光分離カップリング装置の1実施例における波長変動に伴なう結合効率の変化を示す図である。
【図7】光分離カップリング装置の上記実施例における温度変化に伴なう結合効率の変化を示す図である。
【符号の説明】
10 光分離合成光学素子
10A 平面
10B 平面
10C 反射型回折格子
10D 反射膜
10E 反射膜
10F 分離光射出面
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light separation method, a light synthesis method, a light separation / synthesis optical element, and a light separation coupling device.
[0002]
[Prior art]
In the field of communication and information processing by computers, signal transmission by light has become commonplace, and light having a plurality of wavelength components is used as light for signal transmission, and different information is transmitted for each wavelength. In such signal transmission using a plurality of lights having different wavelengths, light having a plurality of wavelength components is separated into light of each wavelength component (light separation), or conversely, a plurality of lights having different wavelengths from each other, It is necessary to synthesize these into a single light having a wavelength component (photosynthesis).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to realize a novel light separation method, a light synthesis method, and a light separation / synthesis optical element having a simple configuration for realizing the light separation method and the light synthesis method.
Another object of the present invention is to realize a light separation coupling device using a light separation / synthesis optical element.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The light separation method of the present invention is “a method for separating input light including light of a plurality of predetermined wavelengths as components for each light having component wavelengths”, and has the following characteristics.
[0005]
  That is, input light is incident on a “light separating / synthesizing optical element formed with a reflective diffraction grating on one of a pair of planes facing each other through the thickness of a plate-like transparent body”, and the incident input light is reflected. The light is internally reflected and diffracted by the diffraction grating, and the traveling direction of the light of each component wavelength is varied depending on the difference in diffraction angle for each component wavelength.The incident light is a parallel light beam. The parallel light flux is not a strict parallel light flux but can be a “weakly divergent mosque is a weakly convergent light flux” that can be regarded as a substantially parallel light flux.
[0006]
  The component wavelength light diffracted by the reflective diffraction grating is sequentially internally reflected by a pair of planes of the light separating / combining optical element a plurality of times, and then the “flat end surface of the plate-like transparent body (ThicknessThe light is emitted from a separated light exit surface formed as a flat end surface (claim 1).Since the input light is a parallel light beam and the internal reflection is a reflection on a flat surface, the light of each component wavelength that is separated and emitted is also a parallel light beam and is separated radially.
[0007]
2. The light separating method according to claim 1, wherein the input light is made incident at a predetermined incident angle from one of a pair of planes facing each other through the thickness of the light separating / combining optical element, and reflected through the thickness. Can be made incident on (claim 2). Of course, the input light may be incident from an end surface (different from the above-described separated light exit surface) that forms the thickness of the light separating / combining optical element.
[0008]
The light separating / combining optical element of the present invention is a “light separating / combining optical element used for carrying out the light separating method according to claim 1”, and has the following characteristics.
[0009]
That is, the light separating / combining optical element is “formed as a plate-like transparent body, and a reflection diffraction grating is formed at a predetermined position in one of a pair of planes facing each other through the thickness of the plate-like transparent body. The separated light exit surface from which the light separated every time is emitted is formed as a flat end surface that obliquely intersects at least one of the pair of planes ”(claim 3).
[0010]
The reflective diffraction grating of the light separating / combining optical element according to claim 3 can be formed as a “blazed diffraction grating” (claim 4).
The “one pair of planes facing each other through the thickness” of the light separating / combining optical element according to claim 3 or 4 may be non-parallel to each other and form an angle. "Parallel to each other" (claim 5).
[0011]
In the light separating / combining optical element according to claim 3, 4 or 5, the "incident position of input light" can be set to one of a pair of planes (claim 6). The incident position of the input light can also be set at an end surface (different from the separated light exit surface) that forms the thickness of the light separating / combining optical element.
[0012]
The light separating / combining optical element according to claim 3 or 4 or 5 or 6 is also provided: "A reflection film is provided at a site where the diffracted light internally reflected by the reflective diffraction grating is internally reflected in the optical path toward the separated light exit surface". (Claim 7).
[0013]
The photosynthesis method of the present invention is “a method of synthesizing a plurality of lights having predetermined wavelengths different from each other as a single output light by using the light separating and synthesizing optical element according to any one of claims 3 to 7”. Thus, it has the following characteristics (claim 8).
[0014]
  That is, a plurality of lights having predetermined wavelengths different from each other are respectively incident on the separated light exit surface of the light separating / combining optical element at a predetermined incident angle.As parallel light fluxIncidence and sequentially internally reflected a plurality of times on a pair of planes of the light separating / combining optical element, then incident on substantially the same part of the reflective diffraction grating and internally reflected, and each wavelength depending on the difference in diffraction angle for each wavelength Align the light traveling direction of theParallel luminous fluxIt is emitted as output light.
[0015]
In other words, the light synthesizing method of the present invention uses the light separating / synthesizing optical element with “the light traveling direction is opposite to the direction of light separation”.
[0016]
To supplement a little, in general, the wavelengths of light components having a plurality of wavelength components used for signal transmission are often close to each other, and when such light is diffracted by a diffraction grating, The diffraction angle of light is also close. Therefore, even if light separation is performed simply by using diffraction, the separation angle in the traveling direction of each diffracted light is small, and it is difficult to increase the efficiency of light separation. Therefore, the separation angle can be effectively increased by the refractive index of the plate-like transparent body.
[0017]
In addition, the component light separated in the traveling direction by diffraction is reflected a plurality of times inside the light separation / combination optical element, so that the optical path length to the separation light exit surface can be increased, and the well-separated component light can be extracted. Can do.
[0018]
The light separation coupling device according to the present invention is described as follows. “Input light including a plurality of light components having a predetermined wavelength is separated into light components having component wavelengths, and the component light components are spatially separated. An optical separation coupling device that makes each component light and the light receiving portion incident in a 1: 1 ratio to a plurality of light receiving portions arranged in the manner described above. By using a “light separating / combining optical element”, input light including a plurality of light components having a predetermined wavelength is separated into light components having component wavelengths (claim 9).
[0019]
  The light separation coupling device of the present invention comprises:Should be light-separatedWhen the input light is given as a non-parallel light beam, a collimating optical system is provided in front of the light separating / combining optical element to make this non-parallel light beam a parallel light beam.The light that has been converted into a parallel light beam is referred to as “input light to the light-separating and combining optical element”.(Claim 10). The collimating optical system can be configured as a lens system, a mirror system, or a combination system of a mirror and a lens. When the input light is a divergent light beam, the collimating optical system has a positive power, and when the input light is a focused light, the collimating optical system has a negative power.
[0020]
The light separation coupling device according to claim 11 is the light separation coupling device according to claim 9, wherein the collimating optical system is a “collimating lens” (claim 11).
[0021]
  The light separation coupling device according to claim 9, 10, or 11 is also “split spatially separated by a light separation / synthesis optical element”.Parallel luminous fluxIt can have a condensing means for condensing each component light toward the corresponding light receiving section (claim 12). This condensing means can be suitably configured as “a microlens array in which condensing microlenses are arranged according to each component light” (claim 13).
[0022]
The light separation coupling device according to claim 13 includes a collimator lens, a light separation / synthesis optical element, and a microlens array, and separates the input light emitted from the optical fiber into component lights, and each component light is separated. It can be configured as a device for coupling to the incident end of the corresponding waveguide.
[0023]
The “collimating lens” converts the input light emitted from the optical fiber into a parallel beam. The “light separating / combining optical element” receives input light that has been converted into a parallel light beam by a collimating lens and separates it into component light.
The “microlens array” condenses each component light emitted from the light separating / combining optical element toward a waveguide incident end which is a corresponding light receiving unit.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments will be described.
The light separating / combining optical element 10 shown in FIG. 1 is formed as a plate-like transparent body, and is placed at a predetermined position on the plane 10B which is one of a pair of planes 10A and 10B facing each other through the thickness of the plate-like transparent body. A reflection diffraction grating 10C is formed, and a separated light exit surface 10F from which light separated for each component wavelength is emitted is formed as a flat end surface that obliquely intersects the pair of planes 10A and 10B. 3).
[0025]
The planes 10A and 10B of the light separating / combining optical element 10 facing each other through the thickness are parallel to each other (Claim 5). The incident position of the input light is set to a plane 10A which is one of a pair of planes (Claim 6).
[0026]
Reflective films 10D and 10E are provided at portions where the diffracted light internally reflected by the reflective diffraction grating 10C is internally reflected in the optical path toward the separated light exit surface 10F.
[0027]
The light separating / combining optical element 20 shown in FIG. 2 is formed as a plate-like transparent body, and is located at a predetermined position on the plane 20B which is one of a pair of planes 20A and 20B facing each other through the thickness of the plate-like transparent body. A reflection type diffraction grating 20C is formed, and a separated light exit surface 20F from which light separated for each component wavelength is emitted is formed as a flat end surface that obliquely intersects the pair of planes 20A and 20B. 3).
[0028]
The planes 20A and 20B opposed to each other through the thickness of the light separating / combining optical element 20 are not parallel to each other. The incident position of the input light is set to a plane 20A which is one of a pair of planes (Claim 6). Further, reflection films 20D and 20E are provided at portions where the diffracted light internally reflected by the reflection type diffraction grating 20C is internally reflected in the optical path toward the separated light exit surface 20F.
[0029]
FIG. 3 shows a characteristic part of a modification of the above embodiment.
The light separating / combining optical element 10 ′ shown in FIG. 3A is of the same type as the light separating / combining optical element 10 shown in FIG. 1, and the plane 10A ′ is cut out at the portion where the input light is incident. It is characterized in that the incident surface 10a is tapered with respect to '.
[0030]
The light separating / combining optical element 20 ′ shown in FIG. 3B is of the same type as the light separating / combining optical element 20 shown in FIG. 2, and the plane 20A ′ is cut out at the portion where the input light is incident. It is characterized in that the incident surface 20a is tapered with respect to 20A ′. Reference numerals 10C 'and 20C' denote reflective diffraction gratings.
[0031]
Hereinafter, “light separation” will be described. The description of light separation is common to the light separation / combination optical element 10 in FIG. 2 and the light separation / combination optical element 20 in FIG. In the description of the portion, the description will be made with reference to the reference numerals of the light separating / combining optical element 10, and the reference numerals relating to the light separating / combining optical element 20 will be described in parentheses.
[0032]
A method of separating input light including light having a plurality of predetermined wavelengths as components for each light having component wavelengths is performed as follows.
Input to the light separating / combining optical element 10 (20) in which a reflective diffraction grating 10C (20C) is formed on one of a pair of planes 10A, 10B (20A, 20B) facing each other through the thickness of the plate-like transparent body. Make light incident.
[0033]
The input light includes “a plurality of light beams having a predetermined wavelength” as a component, and the light flux form is a parallel light flux or a weakly convergent or weakly divergent light flux. The input light enters from the plane 10A (20A), enters the reflective diffraction grating 10C (20C), is internally reflected, and is diffracted.
[0034]
1 and 2, the symbol L1 represents “light having the shortest wavelength” among the light included in the input light, and the symbol L2 represents “light having the longest wavelength” among the light included in the input light. ing. The same applies to FIG.
[0035]
Considering the light of wavelength: λ included in the input light, the diffraction angle: β of the diffracted light diffracted by the reflective diffraction grating 10C (20C) is incident angle: α, diffraction order: m, wavelength: λ. , Lattice pitch: d, refractive index of the material of the light separating / combining optical element 10 (20): N, and relationship:
sin β = mλ / (N · d) −sin α
Satisfied.
[0036]
In this equation, since the diffraction angle: β on the left side is negative, the incident angle: α, the diffraction order: m, and the grating pitch: d are the same as in the case where diffraction is performed by a reflective diffraction grating placed in the air. A large diffraction angle can be realized. A suitable diffraction order: m can be selected as a design condition. However, by forming the reflective diffraction grating as a blazed diffraction grating (claim 4), the light of the diffracted light of the selected diffraction order is used. The intensity can be effectively increased for other orders of light.
[0037]
When the input light is internally reflected and diffracted by the reflective diffraction grating 10C (20C), the traveling directions of the light beams L1,..., L2 of the respective component wavelengths are different from each other due to the difference in diffraction angle for each component wavelength. The diffracted light components L1,..., L2 are sequentially internally reflected a plurality of times by a pair of planes 10A, 10B (20A, 20B) of the light separating / combining optical element 10 (20), and then separated. The light exits from the light exit surface 10F (20F).
[0038]
The light emitted from the separated light exit surface 10F (20F) has a different traveling direction so that it is emitted from the diffraction position of the reflective diffraction grating 10C (20C), and is separated from each other.
[0039]
In each of the embodiments shown in FIGS. 1 and 2, the diffracted lights L1,..., L2 internally reflected by the reflective diffraction grating are reflected on the reflection films 10D, 10E ( 20D and 20E) are provided, but the reflection at this portion may be total reflection.
[0040]
For this purpose, it is sufficient to increase the diffraction angle and increase the incident angle to the planes 10A and 10B (20A and 20B). However, like the light separating / combining optical element 20 shown in FIG. Is made non-parallel, the incident angle can be increased.
[0041]
In this way, by increasing the incident angle of the diffracted lights L1,..., L2 to the planes 20A and 20B, the reflection films 20A and 20B can be omitted. There is a technical significance of making the “a pair of opposed planes” non-parallel. On the other hand, when the pair of planes are made parallel to each other as in the light separating / combining optical element 10, it can be manufactured simply by forming the separated light emitting surface obliquely on a transparent parallel plate as a material, and thus easy to manufacture. There is a technical advantage.
[0042]
In each of the above embodiments, the input light is incident at a predetermined incident angle from one of a pair of planes 10A (20A) facing each other through the thickness of the light separating / combining optical element 10 (20). Is incident on the reflective diffraction grating 10C (20C) ”.
[0043]
In the above description, the case where the input light is separated into the component lights L1,..., L2 having different wavelengths from each other has been described, but the traveling direction of the light is reversed and the light separation / synthesis optical element 10 (20) is used. A plurality of lights L1,..., L2 having different predetermined wavelengths are respectively incident on the separated light exit surface 10F (20F) of the light separating / combining optical element 10 (20) at a predetermined incident angle (emitted angle in the case of light separation). The light is incident and sequentially internally reflected a plurality of times by a pair of planes 10B and 10A (20B and 20A) of the light separating / combining optical element 10 (20), and then incident on substantially the same part of the reflective diffraction grating 10C (20C). And a light synthesis method in which the traveling direction of light of each wavelength is aligned by the difference in diffraction angle for each wavelength, and is emitted as “single output light” from the light separation / synthesis optical element 10 (20). 8) can be implemented.
[0044]
【Example】
Hereinafter, two specific examples of the light separating / combining optical element will be described. These examples are examples in the case of performing light separation. FIG. 4A shows the same type as the light separating / combining optical element 10 described with reference to FIG. 1, and the same reference numerals as those in FIG. .
[0045]
The dimensions of each part are represented by the following symbols.
That is, the thickness of the light separating / combining optical element 10: T, the length of the plane 10A (in the left-right direction in the figure): LU, the length of the plane 10B (in the left-right direction in the figure): LD, the light separating / combining optical element 10 Distance from the input light incident side (left side) end surface to the left end of the reflective film 10D: LM1, width of the reflective film 10D: LMU, input light incident side (left side) end surface of the light separating / combining optical element 10 to the reflective film 10E Distance to left end: LM2, width of reflective film 10E: LMD, distance from left end face of light separating / combining optical element 10 to left end of reflective diffraction grating 10C: D1, width of reflective diffraction grating 10C: D2 ( The reflection type diffraction grating 10 </ b> C is formed in a square region of one side: D <b> 2), and the distance between the incident position of the central ray of the input light and the left end face of the light separating / combining optical element 10 is IN.
[0046]
Further, the incident angle of the input light on the plane 10A: θ1, the incident angle of the input light incident from the plane 10A on the reflective diffraction grating 10C: θ2, the tilt angle of the separated light exit surface 10F: θ3, the input light reflecting type The distance between the incident position on the diffraction grating 10C (incident position of the central ray) and the left end face of the light separating / combining optical element 10 is D3. In FIG. 2 (a), reference numeral 30 denotes a transmissive body having a wedge-shaped cross section, which is used to align the directions of the component light components separated.
[0047]
The reflective diffraction grating 10C is formed as a blazed diffraction grating as shown in FIG. 4B, and a reflective film (not shown) is formed on the outer surface thereof. The grating pitch in the blazed diffraction grating is “d”, the inclination angle of the groove slope is “η” for the short slope, and “ζ” for the long slope.
[0048]
Example 1
4 types of light having a wavelength difference: 0.02 μm (20 nm), that is, 4 types of light having wavelengths: 1.53 μm, 1.55 μm, 1.57 μm, 1.59 μm as wavelength components, A light separating / synthesizing optical element for separating input light of a parallel light flux at 80 μm into light of each wavelength component was configured as follows.
[0049]
Material: Quartz glass (refractive index in the above-mentioned wavelength region: 1.444402)
Thickness of the light separating / synthesizing optical element 10: T = 1.4 mm
Length of plane 10A: LU = 9.3 mm
Length of plane 10B: LD = 10.4918mm
Distance from the incident side end face to the left end of the reflective film 10D: LM1 = 2.5 mm
Reflective film 10D width: LMU = 4.5 mm
Distance from the incident side end face to the left end of the reflective film 10E: LM2 = 5 mm
Reflective film 10E width: LMD = 5.4918 mm
Distance from left end face to left end of reflective diffraction grating 10C: D1 = 0.41 mm
Distance between input light incident position and left end face of light separating / combining optical element 10: IN = 1 mm
Inclination angle of separated light exit surface 10F: θ3 = 50 degrees
Reflective diffraction grating 10C width: D2 = 1.5 mm
Distance between input light incident on reflection type diffraction grating 10C and left end face of light separating / combining optical element 10: D3 = 1.559 mm
Grating width of the reflective diffraction grating 10C: d = 0.0013 mm
Inclination angle of groove slope: ζ = 30.3378 degrees, η = 60 degrees
Diffraction order: m = 1
Further, the incident state of the input light was set as follows.
[0050]
Angle of incidence of input light on plane 10A: θ1 = 9.2 degrees
Incident angle of input light to reflective diffraction grating 10C: θ2 = 6.3536 degrees
At this time, it was possible to separate the four-component lights having different wavelengths so that their traveling directions are equiangular.
[0051]
When the base 30 is made of silicon having a thickness of 1 mm as the transmission body 30, the inclination angle of the incident side surface is set to 5 degrees, and the distance L0 in the drawing is set to 10 mm, the above four components are formed on the emission side of the transmission body 30. The light could be separated from each other by 125 μm.
[0052]
Accordingly, if four incident end faces of an optical fiber having a diameter of 125 μm are arranged at a pitch of 125 μm on the right side of the transmission body 30, each of the separated component lights can be optically coupled to individual optical fibers. .
[0053]
Example 2
Wavelength difference: 8 kinds of light having 0.02 μm (20 nm), that is, wavelength: 1.49 μm, 1.51 μm, 1.53 μm, 1.55 μm, 1.57 μm, 1.59 μm, 1.61 μm, 1 A light separating / synthesizing optical element for separating input light of a parallel light flux having a light beam diameter of 80 μm into light of each wavelength component was configured as follows.
[0054]
Material: Quartz glass (refractive index in the above-mentioned wavelength region: 1.444402)
Thickness of the light separating / synthesizing optical element 10: T = 1.4 mm
Length of plane 10A: LU = 9.3 mm
Length of plane 10B: LD = 10.4918mm
Distance from the incident side end face to the left end of the reflective film 10D: LM1 = 2.5 mm
Reflective film 10D width: LMU = 4.5 mm
Distance from the incident side end face to the left end of the reflective film 10E: LM2 = 5 mm
Reflective film 10E width: LMD = 5.4918 mm
Distance from the left end surface to the left end portion of the reflective diffraction grating 10C: D1 = 0.66 mm
Distance between input light incident position and left end face of light separating / combining optical element 10: IN = 1 mm
Inclination angle of separated light exit surface 10F: θ3 = 50 degrees
Reflective diffraction grating 10C width: D2 = 1.5 mm
Distance between input light incident on reflection type diffraction grating 10C and left end face of light separating / combining optical element 10: D3 = 1.4107 mm
Grating width of the reflective diffraction grating 10C: d = 0.0001 mm
Inclination angle of groove slope: ζ = 25.0481 degrees, η = 60 degrees
Diffraction order: m = 1
Further, the incident state of the input light was set as follows.
[0055]
Angle of incidence of input light on plane 10A: θ1 = 24 degrees
Incident angle of input light to reflective diffraction grating 10C: θ2 = 16.35 degrees
At this time, it was possible to separate the eight component lights having different wavelengths so that their traveling directions are equiangular.
[0056]
  When silicon having a base thickness of 1 mm is used as the transmissive body 30, the inclination angle of the incident side surface is set to 5 degrees, and the distance L0 in the figure is set to 10 mm, the above-mentioned eight components are formed on the emission side of the transmissive body 30. 125μ light to each othermCould only be separated.
[0057]
Therefore, if eight incident end faces of an optical fiber having a diameter of 125 μm are arranged at a pitch of 125 μm on the right side of the transmission body 30, each component light component can be optically coupled to an individual optical fiber. .
[0058]
In each of the above embodiments, the inclination angles of the incident portions of the separated lights on the incident side surface of the transmissive body are adjusted to be different from each other so that the lights emitted from the transmissive body travel in parallel with each other. Can be.
[0059]
Also, the number of internal reflections of the diffracted light of each wavelength reflected and reflected by the reflection type diffraction grating in the light separating / combining optical element is set to 2 times above, but of course internally reflected three times or more. You may do it.
[0060]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of the light separation coupling device of the present invention.
[0061]
That is, the light separation coupling device separates the input light IL including a plurality of light components having a predetermined wavelength into light components having component wavelengths, and separates the component light beams CL1, CL2,. . , And a plurality of light receiving units 71, 72,. . In addition, a light separation coupling device that makes each component light and a light receiving unit incident in a 1: 1 ratio, and using the light separation / synthesis optical element 10 described above, a plurality of light components having a predetermined wavelength is used as a component. The included input light is separated for each light having a component wavelength.
[0062]
Further, the input light IL is given as a non-parallel light beam, and in order to make this non-parallel light beam a parallel light beam, a collimating optical system 50 is provided in front of the light separating / combining optical element 10 (claim 10). Is a collimating lens.
[0063]
Further, the component lights CL1, CL2,. . , Corresponding light receiving portions 71, 72,. . Condensing means 60 for condensing the light toward the light source (claim 12), the condensing means 60 comprises condensing microlenses 61, 62,. . A microlens array in which are arranged (claim 13).
[0064]
Further, the collimating lens 50 converts the divergent input light emitted from the optical fiber 40 into a parallel light beam, and the light separating / combining optical element 10 receives the input light converted into a parallel light beam by the collimating lens 50 and receives the component light CL1, CL2,. . And the microlens array 60 includes component light beams CL1, CL2,. . , Waveguide incident ends 71, 72,. . The light is condensed toward the head (claim 14).
[0065]
【Example】
A specific embodiment of the light separation coupling device shown in FIG. 5 will be given.
The optical fiber 40 that emits the input light IL is a “single mode fiber”, and its core diameter is 10 μm. Input light includes four wavelengths of light with a design wavelength of 1.53 μm, 1.55 μm, 1.57 μm, and 1.59 μm, but each wavelength varies or varies within a range of ± 4.5 nm around the design wavelength. It is assumed that the variation is included.
[0066]
The collimating lens 50 for collimating the input light IL is a single convex lens with the incident side (optical fiber 40 side) being flat and the exit side (light separating / combining optical element 10 side) being aspherical, with a thickness of D = 0. 65 mm, effective diameter: DEF = 0.6 mm, made of silicon (wavelength: refractive index with respect to 1550 nm: N1550= 3.47772).
[0067]
The aspherical surface is a well-known aspherical surface using a coordinate in the optical axis direction: X, a coordinate in the main scanning direction: Y, a paraxial radius of curvature: R, and a conic constant: K.
X = (Y2/ R) / [1 + √ {1- (1 + K) (Y / R)2}
, The paraxial curvature radius: R = −4.582 mm, and the conic constant: K = −4.672.
[0068]
The light separating / combining optical element 10 has been described above as the second embodiment.
In the microlens array 60, four microlenses whose incident side (the light separating / combining optical element 10 side) is aspherical and whose emission side (the light receiving member 70 side) is flat are separated by the light separating / combining optical element 10. The light source is composed of component light CL1 (wavelength: 1.53 μm), LC2 (wavelength: 1.55 μm), LC3 (wavelength: 1.57 μm), and LC4 (wavelength: 1.59 μm). Silicon (refractive index for wavelength: 1550 nm: N1550= 3.47772).
[0069]
The shape of the aspheric surface in each microlens of the microlens array 60 is specified by the paraxial radius of curvature: R = 5 mm, the conic constant: K = −5.515115, and the wall thickness: D = 0.65 mm. Effective diameter: DEF = 0.64 mm. The arrangement pitch of the four microlenses 61 to 64 is 0.68 mm.
[0070]
On the light receiving surface of the light receiving member 70, waveguide incident ends 71 to 74, which are light receiving portions, are arranged so as to receive the component lights CL1 to CL4, respectively. The waveguide entrance end has a square shape with a side length of 20 μm, and NA = 0.18.
[0071]
The relative arrangement of the optical fiber 40, the collimating lens 50, the light separating / combining optical element 10, the microlens array 60, and the light receiving member 70 follows the dimensions shown in FIG. The horizontal distance from the reference line 500 arranged in the left-right direction in FIG. 5 to the microlens 63 in the microlens array 60 is 23.968 mm, and the horizontal distance in the figure from the reference line 500 to the waveguide incident end 71 is also shown. The distance is 26.324 mm.
[0072]
Both the microlens array 60 and the light receiving surface of the light receiving member 70 are tilted by 10 degrees with respect to a perpendicular line standing on the reference surface SS, as shown in the figure. The height of the optical axis position of the microlens 63 from the reference surface SS is 2.881 mm. Since the arrangement of the microlenses 61 to 64 is at equal intervals and the arrangement pitch is 0.68 mm, the height from the reference plane SS to the optical axis positions of the microlenses 61, 62, and 64 is 2.881 + 2 × 0.68 cos10, respectively. The degree is 2.881 + 0.68 cos 10 degrees and 2.881-0.68 cos 10 degrees.
[0073]
The heights of the waveguide entrance ends 71 to 74 from the reference plane SS are 4.784 mm, 4.042 mm, 3.295 mm, and 2.546 mm, respectively.
[0074]
A semiconductor laser is generally used as the light source of each component light that constitutes the input light. However, the semiconductor laser has a wavelength variation due to the well-known “mode hopping”, and the wavelength between individuals is not necessarily as designed. It will not be.
[0075]
Therefore, as described above, the design wavelengths included in the input light: 1.53 μm, 1.55 μm, 1.57 μm, and 1.59 μm have wavelength fluctuations or wavelength variations in the range of ± 4.5 nm centering on the design wavelength. It is assumed that the coupling efficiency of each component light with respect to the wavelength change in this range is as follows.
[0076]
Design wavelength: 1.53 μm component light coupling efficiency
Wavelength (nm) Coupling efficiency:% (in parentheses are dB)
1525.5 65.8 (-1.82)
1527 74.3 (-1.29)
1528.5 77.1 (-1.13)
1530 77.7 (-1.10)
1531.5 77.4 (-1.11)
1533 76.7 (-1.15)
1534.5 65.7 (-1.83).
[0077]
Design wavelength: 1.55 μm component light coupling efficiency
Wavelength (nm) Coupling efficiency:% (in parentheses are dB)
1545.5 68.8 (-1.63)
1547 75.3 (-1.23)
1548.5 76.6 (-1.16)
1550 79.5 (-0.99)
1551.5 78.8 (-1.04)
1553 73.1 (-1.36)
1554.5 67.4 (-1.71).
[0078]
Design wavelength: coupling efficiency of component light of 1.57 μm
Wavelength (nm) Coupling efficiency:% (in parentheses are dB)
1565.5 64.6 (-1.89)
1567 73.4 (-1.43)
1568.5 76.3 (-1.17)
1570 77.0 (-1.13)
1571.5 76.1 (-1.19)
1573 73.9 (-1.32)
1574.5 66.0 (-1.81).
[0079]
Design wavelength: 1.59 μm component light coupling efficiency
Wavelength (nm) Coupling efficiency:% (in parentheses are dB)
1585.5 61.5 (-2.11)
1587 73.6 (-1.33)
1588.5 76.0 (-1.19)
1590 76.9 (-1.14)
1591.5 76.0 (-1.19)
1593 71.2 (-1.47)
1594.5 61.2 (-2.13).
[0080]
FIG. 6 shows the coupling efficiency (dB value) with respect to wavelength variation for each design wavelength. As can be seen from this result, the light separation coupling device of the example has a small change in the coupling efficiency with respect to the wavelength variation of the component light, and has good stability against the wavelength variation.
[0081]
The list of changes in coupling efficiency at each design wavelength with respect to temperature changes is as follows.
[0082]
Change in coupling efficiency (%, dB in parentheses) with temperature change
Temperature (° C.) 1530 nm 1550 nm 1570 nm 1590 nm
0 78.7 (-1.04) 80.8 (-0.93) 78.3 (-1.06) 78.1 (-1.07)
10 78.1 (-1.07) 80.2 (-0.96) 77.8 (-1.09) 77.5 (-1.11)
20 77.7 (-1.10) 79.5 (-0.99) 77.0 (-1.13) 76.9 (-1.14)
30 77.0 (-1.13) 78.7 (-1.04) 76.4 (-1.17) 76.2 (-1.18)
40 76.3 (-1.18) 78.2 (-1.07) 75.6 (-1.22) 75.4 (-1.23)
50 75.7 (-1.21) 74.6 (-1.27) 74.8 (-1.26) 74.6 (-1.27)
60 75.3 (-1.23) 74.0 (-1.31) 74.2 (-1.30) 74.0 (-1.31).
[0083]
The change in coupling efficiency due to this temperature change is shown in FIG. The light separation coupling device of the embodiment achieves extremely stable coupling efficiency in a wide temperature range of 0 to 60 degrees. The change in the coupling efficiency due to the temperature change is caused by the fact that the “refractive index and dimensions” of the materials of the collimating lens 50, the light separating / combining optical element 10, and the microlens array 60 change depending on the temperature. Since the temperature dependence of the refractive index and dimensions of a certain silicon or quartz glass is very low, the coupling efficiency does not substantially change over a wide temperature range as described above.
[0084]
Therefore, the light separation coupling device of the embodiment can be used without requiring temperature adjustment or the like under a normal environment. 5 can be used to synthesize a plurality of lights having different wavelengths as a single output light by reversing the traveling direction of the light.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a novel light separation method / light synthesis method, light separation / synthesis optical element, and light separation coupling device can be realized. Since the light separation / synthesis optical element of the present invention has an extremely simple structure as described above, it can be manufactured at a low cost. By using this, a light separation method and a light synthesis method capable of realizing good light separation and photosynthesis can be implemented. it can.
[0086]
In addition, by using the light separating / combining optical element of the present invention, it is possible to realize a light separating coupling device that separates input light into component light and couples it to a light receiving unit corresponding to each component light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of a light separating / combining optical element and a light separating method using the same.
FIG. 2 is a diagram for explaining another embodiment of the light separation / synthesis optical element and a light separation method using the same.
FIG. 3 is a diagram showing only a characteristic part of a modification of the embodiment of the light separating / combining optical element.
FIG. 4 is a diagram for explaining an embodiment;
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of a light separation coupling device.
FIG. 6 is a diagram showing a change in coupling efficiency accompanying a wavelength variation in one embodiment of the light separation coupling device.
FIG. 7 is a diagram showing a change in coupling efficiency accompanying a temperature change in the above embodiment of the light separation coupling device.
[Explanation of symbols]
10 Optical separation / synthesis optical element
10A plane
10B plane
10C reflective diffraction grating
10D reflective film
10E reflective film
10F Separation light exit surface

Claims (14)

複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する方法であって、
板状透明体の厚みを介して対向する1対の平面の一方に反射型回折格子を形成してなる光分離合成光学素子に入力光を平行光束として入射させ、入射した入力光を上記反射型回折格子で内部反射させると共に回折させ、成分波長ごとの回折角の差により各成分波長の光の進行方向を異ならせ、上記反射型回折格子で回折された各成分波長の光を、光分離合成光学素子の上記1対の平面により順次、複数回内部反射させたのち、上記板状透明体の上記厚みをなす平端面として形成された分離光射出面から、互いに放射状に分離した平行光束として射出させることを特徴とする光分離方法。
A method of separating input light including light of a plurality of predetermined wavelengths as components for each light having component wavelengths,
Input light is incident as a parallel light beam on a light separating / synthesizing optical element formed with a reflective diffraction grating on one of a pair of planes facing each other through the thickness of a plate-like transparent body. Internally reflected and diffracted by the diffraction grating, the traveling direction of the light of each component wavelength is changed by the difference in diffraction angle for each component wavelength, and the light of each component wavelength diffracted by the reflective diffraction grating is separated and synthesized After internally reflecting a plurality of times sequentially by the pair of planes of the optical element, it is emitted as a parallel light beam that is radially separated from the separated light emitting surface formed as the flat end surface having the thickness of the plate-like transparent body. A method for separating light.
請求項1記載の光分離方法において、
入力光を、光分離合成光学素子の厚みを介して対向する1対の平面の一方から所定の入射角で入射させ、上記厚みを介して反射型回折格子に入射させることを特徴とする光分離方法。
The light separation method according to claim 1,
Input light is made incident at a predetermined incident angle from one of a pair of opposing planes through the thickness of a light separating / combining optical element, and is made incident on a reflective diffraction grating through the thickness. Method.
請求項1記載の光分離方法の実施に用いる光分離合成光学素子であって、
板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する1対の平面の一方における所定の位置に反射型回折格子が形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面が、上記1対の平面の少なくとも一方に対して斜めに交わる平端面として形成されたことを特徴とする光分離合成光学素子。
A light separating / synthesizing optical element used for carrying out the light separating method according to claim 1,
A reflection-type diffraction grating is formed at a predetermined position on one of a pair of planes facing each other through a thickness of the plate-like transparent body, and light separated for each component wavelength is emitted. A light separating / combining optical element, wherein the separated light exit surface is formed as a flat end surface that obliquely intersects at least one of the pair of planes.
請求項3記載の光分離合成光学素子において、
反射型回折格子がブレーズ型回折格子として形成されたことを特徴とする光分離合成光学素子。
The light separating / combining optical element according to claim 3,
A light separating / synthesizing optical element, wherein the reflective diffraction grating is formed as a blazed diffraction grating.
請求項3または4記載の光分離合成光学素子において、
を介して対向する1対の平面が互いに平行であることを特徴とする光分離合成光学素子。
The light separation / synthesis optical element according to claim 3 or 4,
Light separation synthesizing optical element, wherein a pair of planes opposing each other via the Thickness are parallel to each other.
請求項3または4または5記載の光分離合成光学素子において、
入力光の入射位置が、1対の平面の一方に設定されたことを特徴とする光分離合成光学素子。
The light separating / combining optical element according to claim 3, 4 or 5,
A light separating / combining optical element, wherein an incident position of input light is set to one of a pair of planes.
請求項3または4または5または6記載の光分離合成光学素子において、
反射型回折格子により内部反射された回折光が、分離光射出面に向う光路において内部反射する部位に反射膜を設けたことを特徴とする光分離合成光学素子。
The light separating and synthesizing optical element according to claim 3, 4, 5 or 6,
A light separating / combining optical element characterized in that a reflecting film is provided at a site where the diffracted light internally reflected by the reflective diffraction grating is internally reflected in the optical path toward the separated light exit surface.
請求項3〜7の任意の1に記載の光分離合成光学素子を用い、互いに異なる所定波長を持つ複数の光を、単一の出力光として合成する方法であって、
互いに異なる所定波長を持つ複数の平行光束を、光分離合成光学素子の分離光射出面に、それぞれ所定の入射角で入射させ、上記光分離合成光学素子の1対の平面で順次、複数回内部反射させたのち、反射型回折格子の略同一部位に入射させて内部反射させ、波長ごとの回折角の差により各波長の光の進行方向を揃え、上記光分離合成光学素子から、単一の平行光束の出力光として射出させることを特徴とする光合成方法。
A method for synthesizing a plurality of lights having predetermined wavelengths different from each other as a single output light using the light separating / combining optical element according to any one of claims 3 to 7,
A plurality of parallel light fluxes having different predetermined wavelengths are incident on the separated light exit surface of the light separating / combining optical element at a predetermined incident angle, respectively, and sequentially inside the pair of planes of the light separating / combining optical element a plurality of times. After reflection, the light is incident on substantially the same part of the reflective diffraction grating and internally reflected, and the traveling direction of light of each wavelength is aligned by the difference in diffraction angle for each wavelength. A light synthesizing method, wherein the light is emitted as output light of a parallel light beam .
複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離して成分光とし、これら成分光を、空間的に分離して配置された複数の受光部に、各成分光と受光部を1:1に対応させて入射させる光分離カップリング装置であって、
請求項2〜7の任意の1に記載の光分離合成光学素子を用いて、複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離することを特徴とする光分離カップリング装置。
Input light including a plurality of light components having a predetermined wavelength as a component is separated into light components having component wavelengths to obtain component light, and these component lights are spatially separated and arranged in a plurality of light receiving units. A light separation coupling device that makes each component light and a light receiving unit incident in a 1: 1 ratio,
A light separating / synthesizing optical element according to any one of claims 2 to 7, wherein input light including a plurality of light components having a predetermined wavelength is separated into light components having component wavelengths. Optical separation coupling device.
請求項9記載の光分離カップリング装置において、
光分離すべき入力光が非平行光束として与えられ、この非平行光束を平行光束とするべく、光分離合成光学素子の前段にコリメート光学系を有し、上記光分離合成光学素子への入力光とすることを特徴とする光分離カップリング装置。
The light separation coupling device according to claim 9,
Input light to be light separation is given as a non-parallel light flux, so as to put the non-parallel light flux into a parallel light beam, have a collimating optical system in front of the light separating and synthesizing optical element, light input to the light splitting-combining optical element A light separation coupling device characterized by that.
請求項9記載の光分離カップリング装置において、
コリメート光学系がコリメートレンズであることを特徴とする光分離カップリング装置。
The light separation coupling device according to claim 9,
A light separation coupling device, wherein the collimating optical system is a collimating lens.
請求項9または10または11記載の光分離カップリング装置において、
光分離合成光学素子により空間的に分離された平行光束状の各成分光を、対応する受光部へ向けて集光する集光手段を有することを特徴とする光分離カップリング装置。
The light separating coupling device according to claim 9, 10 or 11,
A light separation coupling device, characterized by having condensing means for condensing each component light beam in a parallel luminous flux spatially separated by a light separation / synthesis optical element toward a corresponding light receiving section.
請求項12記載の光分離カップリング装置において、
集光手段が、各成分光に応じて集光性のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイであることを特徴とする光分離カップリング装置。
The light separating coupling device according to claim 12,
The light separating coupling device, wherein the light condensing means is a microlens array in which condensing microlenses are arranged according to each component light.
請求項13記載の光分離カップリング装置において、
光ファイバから射出する、発散性の入力光を、平行光束化するコリメートレンズと、
このコリメートレンズにより平行光束化された入力光を入射され、成分光に分離する光分離合成光学素子と、
この光分離合成光学素子から射出した各成分光を、対応する受光部である導波路入射端へ向けて集光するマイクロレンズアレイとを有することを特徴とする光分離カップリング装置。
The light separation coupling device according to claim 13,
A collimating lens that collimates the divergent input light emitted from the optical fiber;
A light separating / synthesizing optical element that receives input light that has been converted into a parallel beam by the collimator lens and separates the input light into component light; and
A light separation coupling device comprising: a microlens array for condensing each component light emitted from the light separation / synthesis optical element toward a waveguide incident end which is a corresponding light receiving portion.
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