JP4193518B2

JP4193518B2 - Demultiplexer and wavelength division multiplexing optical transmission module

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Publication number: JP4193518B2
Application number: JP2003049742A
Authority: JP
Inventors: 辰哉杉田; 光樹平野; 富也阿部; 雄三伊藤; 裕紀安田; 剛真牛渡
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004258389A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて送信された波長多重光信号を波長ごとに分離・分波、または合波する光学デバイスに関し、特に、波長分離に用いる回折格子、回折格子を用いて波長を分離するデマルチプレクサ、及び波長多重光伝送モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、非球面波と球面波の干渉によるホログラムを平面状の回折格子として用いて回折分波する光合波・分波器がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６２−２５７１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光合波・分波器においては、いわゆる回折格子のアノマリ（特定の波長で鋭い光吸収、回折効率の変化が起こる現象）が発生する可能性があり、アノマリが発生した場合に回折効率が低減するという問題点があった。従来例の回折格子は、格子定数が回折格子の位置によって連続的に変化するいわゆるチャープ型の回折格子に相当する。アノマリの生じる条件は格子定数、光入射角度、波長の組合せによって決まるが、チャープ型回折格子は、回折格子の位置により格子定数、光入射角度が変化するため、回折格子の特定の位置でアノマリが生じる条件を満たす可能性が高い。アノマリが生じると損失及び偏光依存性が増大し、光合分波特性が劣化してしまうという問題点がある。このアノマリが生じない範囲でチャープ型回折格子を用いようとすると、拡がり角の狭い入射光線を用いる必要がありマルチモード光ファイバ等からの拡がり角の大きな光線を分波・分離することができないという問題点もあった。加えて、光合波・分波器が大きくなる問題点もあった。
【０００５】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、アノマリによる特性変動を抑制したチャープ型回折格子、及びこの回折格子を用いたデマルチプレクサ、波長多重伝送モジュールを提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、チャープ型回折格子を用いた小型で拡がり角の大きな入射光線も分離できるデマルチプレクサ、及び波長多重伝送モジュールを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、光入射部と、光入射部から入射した波長多重光信号を分離するチャープ型回折格子と、分離された波長多重信号を検出する複数の光検出器とを有するデマルチプレクサにおいて、前記チャープ型回折格子が、ブレーズ化されており、前記チャープ型回折格子内に、各格子位置の正反射ブレーズ角度の増加に対し、ブレーズ角度と前記正反射ブレーズ角度との差が減少する領域を有していることを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１３】
請求項２の発明は、光入射部と、光入射部から入射した波長多重光信号を分離するチャープ型回折格子と、分離された波長多重信号を検出する複数の光検出器とを有するデマルチプレクサにおいて、前記チャープ型回折格子が、ブレーズ化されており、各格子位置の正反射ブレーズ角度の増加に対し、ブレーズ波長と正反射ブレーズ波長との比が減少する領域を有していることを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１４】
請求項３の発明は、光入射部と、光入射部から入射した波長多重光信号を分離するチャープ型回折格子と、分離された波長多重信号を検出する複数の光検出器とを有するデマルチプレクサにおいて、前記チャープ型回折格子が、領域分割され、前記領域の境界において、ブレーズ角度が不連続に変化し、前記領域内では、ブレーズ角度が略一定であり、前記領域の前記ブレーズ角度と中心部での正反射ブレーズ角度との差が、隣接する領域よりも減少する領域を有することを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１５】
請求項４の発明は、光入射部と、光入射部から入射した波長多重光信号を分離するチャープ型回折格子と、分離された波長多重信号を検出する複数の光検出器とを有するデマルチプレクサにおいて、前記チャープ型回折格子が、回折次数の消失する条件を満たすアノマリ発生位置を含み、前記アノマリ位置を含む領域のブレーズ角度と正反射ブレーズ角度との差を、隣接する位置のブレーズ角度と正反射ブレーズ角度との差よりも小さくすることを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１から４記載のデマルチプレクサにおいて、前記チャープ型回折格子が、格子位置により所定の回折次数を前記光検出器側に回折し、前記チャープ型回折格子内で複数の前記回折次数を用いることを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１から５記載のデマルチプレクサにおいて、前記回折格子から前記光検出器への前記光路中に、前記回折格子で回折した光ビームを前記光検出器に絞り込むビーム縮小手段を有していることを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項６記載のデマルチプレクサにおいて、前記ビーム縮小手段が、光検出器に向かってコア断面積が減少するテーパ形状を有していることを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項１から７記載のデマルチプレクサにおいて、前記光入射部にマルチモード光ファイバを接続し、前記マルチモード光ファイバからの光線を前記チャープ型回折格子に照射することを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項１から８記載のデマルチプレクサにおいて、前記光ファイバから前記回折格子にいたる光路、または、前記回折格子から前記光検出器にいたる光路中に、一軸方向に集光特性を有する光学部材を有することを特徴とするデマルチプレクサを提供する。
【００２１】
請求項１０の発明は、信号伝送用光ファイバとの接合部と、波長多重された光信号を分離するデマルチプレクサと、光検出器アレイと、前記光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路とを有する波長多重受信光モジュールにおいて、前記デマルチプレクサが請求項１から９記載のデマルチプレクサであり、前記接合部と前記デマルチプレクサとをマルチモード光ファイバで接続することを特徴とする波長多重受信光モジュールを提供する。
【００２２】
請求項１１の発明は、信号伝送用光ファイバとの接合部と、波長多重された光信号を分離するデマルチプレクサと、光検出器アレイと、前記光検出器アレイからの信号を増幅し、波形整形する受信回路と光源アレイと前記光源アレイを駆動する送信回路と前記光源アレイからの光信号を合波する波長合波デバイスとを有する波長多重光伝送モジュールにおいて、前記デマルチプレクサが請求項１から９記載のデマルチプレクサであり、前記接合部と前記デマルチプレクサとをマルチモード光ファイバで接続し、前記接合部と前記波長合波デバイスとをシングルモード光ファイバで接続することを特徴とする波長多重光伝送モジュールを提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
はじめに、本発明の第１の実施形態を図１から図４を用いて説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態のデマルチプレクサに係わる実施例を示す上面図である。本実施例においては、チャープ型回折格子１４として平行な直線格子溝を持ちチャープ化した平面回折格子を用いた。波長多重化されて伝送してきた光信号は、光ファイバ１０より出射される。光ファイバ１０より拡がって出射された入射光線３０は、シリンドリカルレンズ１２ａにより紙面に対して垂直方向（チャープ型回折格子１４の刻線方向）について拡がりが低減されてほぼ平行光となり、チャープ型回折格子１４に入射する。チャープ型回折格子１４は拡がって入射した入射光線３０を出射位置に集光するように格子間隔を変化させており、チャープ型回折格子１４で回折された出射光線３２は紙面内において波長ごとに異なる位置に集光される。チャープ型回折格子１４により回折し集光された光線は、シリンドリカルレンズ１２ｂにより紙面に垂直方向について受光用光導波路２０に入射するように入射端面に集光される。受光用光導波路２０は、入射部側にスラブ導波路部２２、その後段にテーパ導波路部２４を有している。スラブ導波路部２２に入射した光線は、紙面に垂直な方向はスラブ導波路に閉じ込められて伝搬し、紙面内についてはチャープ型回折格子１４の集光作用により、波長ごとに設けられたテーパ導波路２４の入射端に集光される。分離集光された光線は、それぞれの波長に対応するテーパ導波路部２４に入射し、波長毎に受光部を有する光検出器アレイ２６により検出される。チャープ方回折格子１４、シリンドリカルレンズ１２、受光用光導波路２８は、ベース２８上に固定されている。
【００２５】
図２に本実施例のチャープ型回折格子１４の正面図を示す。表１には、チャープ型回折格子１４の仕様を示す。表１の領域ａ〜ｆは、領域１８ａ〜１８ｆに対応している。高い回折効率が得られるように、チャープ型回折格子１４として格子溝の断面形状が直角三角形をしたいわゆるエシュレット型を用いた。チャープ型回折格子１４の格子定数は、所望の集光性能を有するように格子の場所の関数としてチャープさせた。個々の格子溝の位置は、光線の入射位置及び出射位置から定めることができる。チャープに加えて、回折効率を大きくするためにブレーズ角も各格子位置での入出射角度に合わせて変化させることが望ましい。そこで本実施例では、回折格子を複数の領域に分割し、領域内では一定のブレーズ角度とし、領域ごとにブレーズ角を変えることによって回折効率の向上を図った。本実施例では、分割数を６としている。さらに、回折効率が高くかつ偏光依存性が小さくなるように領域ごとに利用する回折次数も選んだ。本実施例においては、格子定数の大きな領域１８ａから１８ｄで回折次数を１次とし、格子定数の小さな領域１８ｅと１８ｆは２次回折光を用いるように領域１８ｄと１８ｅの境界で不連続に格子定数を２倍とした。このように格子定数が小さい場合には、高次の回折光を用いることが望ましく、おおよそ入射波長程度以下の格子定数で高次の回折光を用いることが望ましい。格子定数は、同じ回折次数を用いる複数の領域において領域を跨っても連続的に格子定数がチャーピングするように加工することにより、所望の位置に回折ビームが集光されるようにした。また、本実施例のように回折次数の切替えをブレーズ角度の切替え位置で行うことにより、回折格子の分割数を増やすことなく格子定数を切り替えることができて望ましい。
【００２６】
【表１】

【００２７】
ブレーズ角度は、領域ごとにＴＥ偏光（電場方向が格子の刻線方向の偏光）とＴＭ偏光（電場方向が刻線に垂直な偏光）の回折効率の差が小さくなるように定めた。ＴＭ偏光は、入射光線３０がブレーズ面で正反射する方向と出射光線３２の回折方向とが一致する正反射条件を満たす正反射ブレーズ角において回折効率が最大となり、ＴＥ偏光は正反射ブレーズ角よりも大きなブレーズ角度で回折効率が最大となる。そのため、偏光依存性を小さくするためには、各領域の中心付近において、正反射ブレーズ角度よりも大きく、ＴＥ偏光が最大となるブレーズ角度よりも小さくなるようにブレーズ角を選べばよい。この正反射ブレーズ角度αは、入射角度ｉ、格子定数ｄ、回折次数ｍ、光導波部の屈折率ｎとすると、
【００２８】
【数１】

【００２９】
により求めることができる。
【００３０】
表１に、領域の中心位置における正反射ブレーズ角αｃと、各領域でのブレーズ角εと正反射ブレーズ角αｃとの差（ε−αｃ）を示した。上記のように、ブレーズ角度εは、正反射ブレーズ角αが大きくなるにしたがって大きくすることにより偏光による回折効率の差を小さくできる。さらに、アノマリの影響のない範囲では（ε−αｃ）も大きくすればよい。一方、アノマリの影響がある場合には、通常ＴＭ偏光の回折効率が低下するため、（ε−αｃ）を小さくすることにより偏光による回折効率の差を小さくすることができる。本実施例では、領域ｃにおいてアノマリが生じるため、隣接する領域ｂ、ｄよりも（ε−αｃ）を小さく定めた。同様に、領域ｆにおいても隣接する領域ｅよりも（ε−αｃ）を小さく定めた。このように、アノマリの生じるチャープ型回折格子においては、アノマリの影響のない領域では中心正反射ブレーズ角の増加に応じて、（ε−αｃ）を増加させるとともに、アノマリの影響する領域においては、隣接する領域よりも（ε−αｃ）を小さくすることにより、回折効率を向上し、偏光依存性を低下することができる。
【００３１】
アノマリは、特定の波長で鋭い光吸収、回折効率の変化が起こる現象で、特にＴＭ偏光に生じることが多い。アノマリは種々の要因により生じるが、アノマリの生じる条件の一つとして、所望の回折次数ｍと異なる次数ｍ’（≠ｍ）の回折光が消失する場合が揚げられる。このアノマリは、
【００３２】
【数２】

【００３３】
または、
【００３４】
【数３】

【００３５】
の条件を満たす付近において生じる。ただし、ｉは入射角度、ｄは格子定数、λは入射波長である。また、アノマリの生じる別の要因のとして、金属反射面を用いた場合の表面プラズモン吸収がある。しかし、近赤外から赤外の波長においては金属の反射率が高いため、この表面プラズモン吸収の起こる条件は、回折光が消失する条件とほぼ等しい。したがって、通常の光通信波長については、（２）式または（３）式よりアノマリの生じる位置を求めることができ、この条件を満たす格子位置を含む領域において、アノマリに対して考慮すれば良い。（２）式または（３）式に従えば、同一回折次数の領域で格子定数が２倍以上変化するチャープ型回折格子においては、アノマリが生じる条件を満たすことが分かり、本発明の回折格子を用いることが有効である。さらに、格子定数が３倍以上変化するチャープ型回折格子においては、アノマリの生じる位置を光強度の弱い回折格子の端に来るようにすることができなくなり、光強度の強い部分にアノマリが生じることとなるため、本発明の回折格子を用いることが特に有効である。
【００３６】
可視光より短波長では金属反射膜の反射率が反射膜材料に依存するため、表面プラズモン吸収の生じる条件が回折光の消失する条件からずれるが、表面プラズモンの分散関係を計算することによりアノマリの生じる条件を特定できる。
【００３７】
分割数については、多くするほど理想的なブレーズ角度分布に近い角度分布とすることができる。図３に領域分割数と損失の測定結果を示す。分割数を４以上とすると損失が低下しており、６以上ではほぼ損失は一定となっている。このように、分割数を大きくしても、ある一定の分割数を超えると損失の低下は顕著ではなくなる。しかも、領域を余り多くすると、ブレーズ角を変更する回数も増え、領域のつなぎ部の加工精度が落ちて損失が低下する可能性がある。本実施例では、回折格子溝を平面上に加工しているため、回折格子溝の加工において領域のつなぎ部での平面方向及び垂直方向の位置ずれが生じにくく、精度良く加工することができる。それでも、９分割より多くするとつなぎ部での誤差が積み重なり集光特性の劣化が顕著となった。したがって、分割数としては、４〜９、特に６〜９が望ましい。
【００３８】
加工方法によっては領域のつなぎ部にずれが生じ、チャープ型回折格子の格子定数が若干不連続となるが、実質的には連続とみなすことができる。
【００３９】
図４に本実施例の回折格子と比較例について損失の波長依存性の測定結果を示す。比較例の回折格子は、表１に示したように中心正反射ブレーズ角度の増加に合わせて（ε−αｃ）も単調に増加させたものである。比較例では、ＴＭ偏光の損失が大きく、さらにＴＥ偏光とＴＭ偏光との損失差も大きい。一方、本実施例の回折格子は、回折損失が小さく（回折効率が高く）偏光による損失の差も小さくなっている。損失は１.５ｄＢ以下であり、７０％以上の回折効率が得られている。偏波依存性も０．５ｄＢ以下に納まっている。
【００４０】
エシュレット型回折格子では、波長λ、格子定数ｄとしたとき、λ／ｄが０．６から１．０、ブレーズ角度を２５°から３５°の範囲に選ぶと、特に偏光依存性が小さく回折効率を大きくすることができる。この場合、入射角度ｉと出射角度θとを、
【００４１】
【数４】

【００４２】
とする必要がある。なお、入射角度ｉと出射角度θとの間には、
【００４３】
【数５】

【００４４】
の関係がある。光強度の強い主光線の当たる付近において、この格子定数、ブレーズ角を満たすように配置するとさらに回折損失、偏光依存性の低減が図れ、望ましい。
【００４５】
本実施例の回折格子の作成には、ルーリングエンジンを用いた。ルーリングエンジンを用いて領域ごとに一定のブレーズ角度で格子定数を変化させながら加工した。デマルチプレクサにはこの回折格子をマスターとして作成したレプリカを用いた。
【００４６】
本実施例のように、低次回折光を用いると格子定数の小さくなる領域で、高次の回折光を用いることにより、格子定数を大きくすることができ、また格子の本数を少なくできるのでルーリングエンジンでの回折格子の加工が容易となる効果もある。しかし、ブレーズ角度の大きな領域で回折次数を大きくすると回折効率の波長依存性が大きるとともに、ピークの回折効率も低下するので、回折次数としては４以下が望ましい。
【００４７】
格子パターンの加工は、本実施例に用いたルーリングエンジンの他にも、３次元ＮＣ加工機を用いても加工してもよく、またさらに、フォトリソグラフィの手法を用いて、Ｓｉ等の基板に連続的にブレーズ化したチャープ回折格子を作成することもできる。
【００４８】
本実施例においては、光ファイバ１０として、コア径６２.５μｍ、開口数０．２７５のグレーテッドインデックス（ＧＩ）型マルチモード（ＭＭ）光ファイバを用いた。マルチモード光ファイバは開口数が大きく、入射光線３０の拡がり角が大きい。本実施例の場合、開口数から求まる拡がり角は±１６°となる。そのため、チャープ型回折格子１４の格子定数を広範囲で変化させる必要があり、チャープ型回折格子１４にアノマリが生じることが避けられない。本実施例では、１次回折光の範囲で約３．５倍変化しており、アノマリが必然的に生じる。したがって、本発明は、特にマルチモード光ファイバを入射用光ファイバ１０として用いる場合に有効であると言える。
【００４９】
本実施例では、光ファイバ１０を光学ブロック２０に接着し固定した。ただし、光ファイバ１０を固定せずデマルチプレクサ１に挿抜される光信号伝送用の光ファイバを用いてもよい。その場合には、挿入ガイド等を用いることにより、光コネクタに固定された光ファイバ１０が挿抜されても所定の位置に突き合わされるようにすればよい。但し、光ファイバ１０を回折格子光学ブロック２０に固定することにより、特性の長期安定性に優れ、望ましい。また、光ファイバ１０を固定した場合は、伝送用光ファイバを光ファイバ１０のもう一端側に突き合わせてデマルチプレクサ１に光を入射すればよい。その場合、伝送用光ファイバの開口数及び径は、光ファイバ１０と等しいか小さければよい。したがって、光ファイバ１０には、光ファイバ１０と同じＧＩ型マルチモード光ファイバを接続してもよく、ファイバ径・開口数の小さなシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）やコア径５０μｍのマルチモード光ファイバ（５０ＭＭＦ）を接続することもできる。
【００５０】
また本実施例では、シリンドリカルレンズ１２として円柱状のものを用いた。本実施例よりもリトロー配置に近く配置した場合には、１個のシリンドリカルレンズで入射と出射の光線の集光を兼用しても良い。また、本実施例においては、空気を介して平面回折格子に光が入射するようにしたが、ガラス、プラスチック等の光学部材に回折格子を形成し、さらに光学部材にシリンドリカルレンズを一体化し、光学部材を通して光線を入射してもよい。その場合は、光学媒体の屈折率に合わせて、格子定数を変更すればよく、またブレーズ角も合わせて調整すればよい。
【００５１】
受光用光導波路２０は、上記のようにスラブ導波路部２２とテーパ導波路部２４で構成される。光検出器の径に合わせ、光検出器に信号光が効率よく結合するように光導波路の厚さを定めた。テーパ導波路部２４は、紙面内において光入射側から出射側にかけてコアの幅が減少するテーパ形状とし、光検出器アレイ２６に光を絞り込む構造としている。効率よく光検出器アレイ２６までビームを伝搬するためには、スラブ導波路部２４の開口数ＮＡ、特に側面の開口数は大きいほうが望ましく、特にＮＡ０．５以上とすることが望ましい。さらに、薄層のクラッドの外側に金属膜を形成すると、仮に光線がクラッドを透過しても金属膜で反射して光検出器に到るため、検出効率を向上できる。本実施例においては、テーパ導波路部２４の入射側の幅は、スラブ導波路３０と接合される側で光検出器アレイ２６のピッチと同じくし、光検出器アレイ２４側で光検出器に効率良く結合できる幅となるようにした。このように、波長分離したビームを光検出器に絞り込むことにより、応答速度の速い受光面積の小さな光検出器を用いることができ、高速な光通信に適用することができるようになる。光検出器アレイ２６は、テーパ導波路部２４からのビームが光検出器に効率よく結合するように位置を調整し、テーパ導波路部２４に接着固定した。
【００５２】
本発明の第２の実施形態を図５から図８を用いて説明する。
【００５３】
図５は本実施形態に用いたチャープ型回折格子の実施例の正面図を示す。デマルチプレクサの構成は、図１と同じとした。本実施例では、同じ回折次数においては、格子定数とともにブレーズ角度も連続的に変化させた。チャープ型回折格子１４を回折次数の異なる２領域に分離し、格子定数の大きな領域１８ａで回折次数を１次、格子定数の小さな領域１８ｂで２次とした。
【００５４】
図６に格子位置とブレーズ角度の関係を示す。回折格子位置のゼロ点は、光ファイバからの入射光線３０について光強度の一番強い主光線の当たる位置とした。本実施形態においても、ブレーズ角を正反射ブレーズ角度よりも大きくすることにより、偏光依存性を低減した。さらに、アノマリが生じ問題となる位置においては、ブレーズ角度εと正反射ブレーズ角度αとの差（ε−α）を小さくし、アノマリによる損失増加を抑制した。
【００５５】
本実施例のチャープ型回折格子１４は、３次元ＮＣ加工機を用いて格子溝ごとに格子ピッチ、ブレーズ角度を変えて加工した。
【００５６】
図７に本実施例のチャープ型回折格子について、正反射ブレーズ角度αに対する、ブレーズ角度εと正反射ブレーズ角度αとの差（ε−α）の関係を示す。1次回折光において正反射ブレーズ角度２３°付近と、２次回折光については３７°付近でアノマリが生じたため、（ε−α）を小さくした。そのため、アノマリが問題とならない領域では、正反射ブレーズ角を大きくするにしたがって（ε−α）を大きくし、アノマリが生じる領域では、正反射ブレーズ角を大きくするに対し、（ε−α）を減少させた。
【００５７】
図８には、ブレーズ角度をブレーズ波長に変換し、正反射ブレーズ角度に対するブレーズ波長λｂと正反射ブレーズ波長λＭと比λｂ/λＭの関係を示した。ブレーズ波長λｂは、ブレーズ角度ε、入射角度ｉから、
【００５８】
【数６】

【００５９】
により求めることができる。また、正反射ブレーズ波長λＭは、正反射ブレーズ角度αを用いて
【００６０】
【数７】

【００６１】
により決まる波長である。ブレーズ角度と同様に、１次回折光においては、アノマリが問題とならない領域では正反射ブレーズ角を大きくするにしたがってλｂ/λＭを大きくし、アノマリが生じる領域では正反射ブレーズ角を大きくするに対してλｂ/λＭを減少させた。また、２次回折光において、正反射ブレーズ角を大きくするにしたがってλｂ/λＭを単純に減少させている。
【００６２】
図９に本実施例のチャープ型回折格子の格子位置に対する損失の測定結果を示す。アノマリ部のブレーズ角度を小さくすることにより、チャープ型回折格子の全域で、偏光依存性が小さく、さらに損失も低くできた。
【００６３】
本実施例においては、格子位置ごとに偏光依存性を低減し、回折効率を向上するようにブレーズ角度、格子溝形状を最適化することができ、回折格子全体としても最良の性能を得ることができる。
【００６４】
本発明の第３の実施形態を図１０から図１１を用いて説明する。
【００６５】
図１０は本実施形態に用いたチャープ型回折格子の実施例の正面図を示す。また、図１１には、本実施例のチャープ型回折格子の格子位置とブレーズ角度の関係を示す。デマルチプレクサの構成は、図１と同じとした。本実施例では、アノマリが生じ問題となる領域を分割し、ブレーズ角を不連続に変化させた。さらに、回折次数もアノマリの生じない、またはアノマリの影響の少ない次数に変化させた。また、回折次数の異なる領域でも分離し、やはりブレーズ角度を不連続に変化させた。
【００６６】
本実施例においては、アノマリの生じない領域では、偏光依存性を低減し回折効率を向上するようにブレーズ角を連続的に変化させ、一方アノマリの生じる領域では、アノマリの発生を抑制するようにブレーズ角度を隣接する領域とは不連続に変化させることにより、アノマリによる損失増加、波長依存性の増加を抑制した。
【００６７】
本実施例のチャープ型回折格子１４も、３次元ＮＣ加工機を用いて格子溝ごとに格子ピッチ、ブレーズ角度を変えて加工した。
【００６８】
本実施例においては、アノマリの問題ない範囲では、格子位置ごとに偏光依存性を低減し、回折効率を向上するようにブレーズ角度、格子溝形状を最適化することができ、アノマリの生じる領域では、領域の平均として偏光依存性を低減し、回折効率を向上するブレーズ角度を選ぶことができるため、格子全体としても性能向上を図れると共に、アノマリの生じる領域での最適ブレーズ角度を格子位置ごとに決める必要がないため、回折格子の設計、加工が容易となる。
【００６９】
ここまでエシュレット型回折格子について本発明のチャープ型回折格子を説明したが、エシュレット格子に限らず、波型形状や、矩形状のバイナリ回折格子の場合や、その他任意の溝形状の回折格子にも適用できるものである。波型形状やバイナリ回折格子等の場合には、エシュレット格子のブレーズ角度を小さくしてアノマリを抑制するのに代えて、格子溝の深さを小さく調整してアノマリの発生を抑制すればよい。
【００７０】
また回折格子については、本実施例に用いた平面状のチャープ型回折格子に限らず、凹面回折格子についてもアノマリの生いる場合に同様に適用できるものである。
【００７１】
またここまで、本発明のデマルチプレクサについて説明したが、本発明の波長多重分離光デバイスは光検出器を配している側に光源アレイを設ければマルチプレクサとしても用いることができる。マルチプレクサに用いる場合は、光ファイバ１０の前に光を絞り込むように形成されたテーパを設けることが望ましい。
【００７２】
また本発明は、波長間隔の狭いいわゆるＤＷＤＭにおけるデマルチプレクサにも用いることができる。
【００７３】
本発明の第４の実施形態を図１２を用いて説明する。
【００７４】
図１２は、本実施形態に係わる波長多重伝送モジュールの実施例を示す構成図である。伝送用光ファイバ６４ａ、６４ｂは、コネクタ９６により光伝送モジュール８０に接続され、それぞれ光ファイバ１０、シングルモード光ファイバ１１と突き合わせられる。受信用の伝送用光ファイバ６４ａを伝送してきた波長多重信号は、伝送用光ファイバ６４ａに突き合わされたマルチモードの光ファイバ１０に入射し、本発明のデマルチプレクサ１で波長ごとに分離されて光検出器アレイ２４で検出される。検出された信号は、受信回路８６により増幅され、波形整形される。さらに、パラレルーシリアル変換回路９０により、波長多重化されて伝送されてきた信号をシリアル信号に変換して出力する。送信する場合には、入力された信号をシリアルーパラレル変換回路９２で信号を分離し、送信回路８８で信号ごとにレーザダイオードアレイ９４の各光源を駆動し、波長の異なる光信号とする。各光信号は、シングルモードの光カプラにより構成される波長合波デバイス８４で多重化し、シングルモード光ファイバ１１に出力する。シングルモード光ファイバ１１を通して、送信用の伝送用光ファイバ６４ｂに結合され、送信される。シングルモード光ファイバ１１及びマルチモードの光ファイバ１０を用いて伝送用光ファイバ６４ａ、６４ｂと結合しているため、伝送用光ファイバ６４ａ、６４ｂにはマルチモードファイバ、シングルモードファイバのどちらでも用いることができる。本実施例では、光ファイバ１０にコア径６２．５μｍのＧＩ型マルチモードファイバを用いているため、伝送用光ファイバ６４ａ、６４ｂとして、シングルモード光ファイバ、コア５０μｍ及び６２．５μｍのマルチモード光ファイバ等を用いることができる。
【００７５】
本実施例においては、多重化されて伝送されてきた中心波長１２７５.７、１３００．２、１３２４.７、１３４９.２nmの４波長を分離する構成とした。この中心波長に対して、光源の製造・温度・スペクトル分布による波長ばらつきにより、最大±５．７nm変動するものとした。したがって、隣り合うチャネル間の波長スペースは、１３.１nmであり、おおよそ伝送波長中心１３１２．５nmの１％に設定した。これら波長は伝送用光ファイバに用いられる石英コアの損失の少ない帯域にあり、低損失に光伝送できる範囲のものである。波長ばらつきは、光源の作成・特性により決まるものであり、特に厳しい光源の選別を必要としない範囲として必要なものである。また波長多重分離光学デバイスの波長分離特性から隣あう波長帯のスペースを中心波長１３１２．５nmの１％とすることにより、中心波長の間隔は、上記のごとく２４．５nmにする必要があるものである。
【００７６】
このように波長範囲が広い場合には、やはりアノマリが生じやすくなるため、本発明のチャープ型回折格子を用いることにより波長分離特性を向上できる。
【００７７】
本実施例では、送信と受信の両方の機能を有する波長多重伝送モジュールについて示したが、受信部のみを有する波長多重受信光モジュールとしても本発明の効果を得られるものである。
【００７８】
【発明の効果】
上記のごとく、アノマリの生じる領域でブレーズ角度を小さくした本発明の回折格子により、アノマリによる特性変動を抑制したチャープ型回折格子、及びこの回折格子を用いたデマルチプレクサ、波長多重伝送モジュールを提供できるようになった。
【００７９】
また、本発明の回折格子により、アノマリの生じる格子条件を満たすチャープ型回折格子を用いても特性変動を抑制できたため、小型で拡がり角の大きな入射光線も分離できるデマルチプレクサ、及び波長多重伝送モジュールを提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるデマルチプレクサの上面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる回折格子の正面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる回折格子の分割数と損失の測定結果を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係わる回折格子と比較例について損失の波長依存性の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わるデマルチプレクサに用いた回折格子の正面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係わる回折格子の格子位置とブレーズ角度の関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係わる回折格子の正反射ブレーズ角度に対する、ブレーズ角度と正反射ブレーズ角度との差の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係わる回折格子の正反射ブレーズ角度に対する、ブレーズ波長とリトローブレーズ波長と比の関係を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係わる回折格子の格子位置に対する損失の測定結果を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係わるデマルチプレクサに用いた回折格子の正面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係わる回折格子の格子位置とブレーズ角度の関係を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係わる光伝送モジュールの構成図である。
【符号の説明】
１デマルチプレクサ
１０光ファイバ
１１シングルモード光ファイバ
１２ａ、１２ｂシリンドリカルレンズ
１４チャープ型回折格子
１６回折格子面
１８ａ〜ｆ回折格子領域
２０受光用光導波路
２２スラブ導波路部
２４テーパ導波路部
２６光検出器アレイ
２８ベース
３０入射光線
３２出射光線
７４ａ、７４ｂ伝送用光ファイバ
８０光伝送装置
８２波長多重分離デバイス
８４波長合波デバイス
８６受信回路
８８送信回路
９０パラレルーシリアル変換回路
９２シリアルーパラレル変換回路
９４レーザダイオードアレイ
９６光コネクタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical device that separates, demultiplexes, or multiplexes wavelength-division multiplexed optical signals transmitted using an optical fiber for each wavelength, and in particular, separates wavelengths using diffraction gratings and diffraction gratings used for wavelength separation. The present invention relates to a demultiplexer and a wavelength division multiplexing optical transmission module.
[0002]
[Prior art]
As a conventional technique, there is an optical multiplexer / demultiplexer that diffracts and demultiplexes a hologram based on interference between an aspheric wave and a spherical wave as a planar diffraction grating (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-62-25710
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional optical multiplexer / demultiplexer, a so-called diffraction grating anomaly (a phenomenon in which sharp light absorption and a change in diffraction efficiency occur at a specific wavelength) may occur, and diffraction occurs when an anomaly occurs. There was a problem that efficiency was reduced. The conventional diffraction grating corresponds to a so-called chirped diffraction grating in which the grating constant continuously changes depending on the position of the diffraction grating. The conditions for anomaly are determined by the combination of grating constant, light incident angle, and wavelength. However, chirped diffraction gratings change the grating constant and light incident angle depending on the position of the diffraction grating. It is likely that the resulting condition will be met. When anomaly occurs, there is a problem that loss and polarization dependency increase, and optical multiplexing / demultiplexing characteristics deteriorate. If a chirped diffraction grating is used in a range where this anomaly does not occur, it is necessary to use incident light with a narrow divergence angle, and it is impossible to demultiplex / separate light beams with a large divergence angle from a multimode optical fiber or the like. There was also a problem. In addition, there is a problem that the optical multiplexer / demultiplexer becomes large.
[0005]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a chirped diffraction grating that suppresses characteristic fluctuation due to anomaly, a demultiplexer using the diffraction grating, and a wavelength multiplexing transmission module. Is to provide.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a demultiplexer and a wavelength division multiplex transmission module that use a chirped diffraction grating and can separate incident light having a large divergence angle.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention of claim 1In the demultiplexer comprising: a light incident part; a chirped diffraction grating that separates the wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part; and a plurality of photodetectors that detect the separated wavelength multiplexed signal; However, the chirped diffraction grating has a region in which the difference between the blaze angle and the specular reflection blaze angle decreases as the specular reflection blaze angle increases at each grating position. A demultiplexer is provided.
[0013]
  Claim2The present invention relates to a demultiplexer including a light incident part, a chirped diffraction grating that separates a wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part, and a plurality of photodetectors that detect the separated wavelength multiplexed signal. The chirped diffraction grating is blazed and has a region in which the ratio of the blaze wavelength to the specular reflection blaze wavelength decreases as the specular reflection blaze angle increases at each grating position. A multiplexer is provided.
[0014]
  Claim3The present invention relates to a demultiplexer including a light incident part, a chirped diffraction grating that separates a wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part, and a plurality of photodetectors that detect the separated wavelength multiplexed signal. The chirped diffraction grating is divided into regions, the blaze angle changes discontinuously at the boundary of the region, the blaze angle is substantially constant within the region, and the blaze angle of the region and the positive at the center There is provided a demultiplexer characterized in that it has a region in which a difference from a reflection blaze angle is smaller than an adjacent region.
[0015]
  Claim4The present invention relates to a demultiplexer including a light incident part, a chirped diffraction grating that separates a wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part, and a plurality of photodetectors that detect the separated wavelength multiplexed signal. The chirped diffraction grating includes an anomaly occurrence position that satisfies the condition that the diffraction order disappears, and the difference between the blaze angle and the specular reflection blaze angle of the region including the anomaly position is determined by comparing the blaze angle and the specular reflection blaze angle at the adjacent positions. The demultiplexer is characterized in that the difference is smaller than the difference.
[0016]
  Claim5The invention of claim1From4The demultiplexer according to claim 1, wherein the chirped diffraction grating diffracts a predetermined diffraction order toward the photodetector depending on a grating position, and uses the plurality of diffraction orders in the chirped diffraction grating. A multiplexer is provided.
[0017]
  Claim6The invention of claim1From5The demultiplexer according to claim 1, further comprising: a beam reducing unit that narrows the light beam diffracted by the diffraction grating to the photodetector in the optical path from the diffraction grating to the photodetector. A multiplexer is provided.
[0018]
  Claim7The invention of claim6The demultiplexer according to claim 1, wherein the beam contracting means has a tapered shape in which the core cross-sectional area decreases toward the photodetector.
[0019]
  Claim8The invention of claim1From7In the demultiplexer described above, a demultiplexer is provided, wherein a multimode optical fiber is connected to the light incident portion, and light from the multimode optical fiber is irradiated onto the chirped diffraction grating.
[0020]
  Claim9The invention of claim1From8In the described demultiplexer, an optical member having a condensing characteristic in a uniaxial direction is provided in an optical path from the optical fiber to the diffraction grating, or in an optical path from the diffraction grating to the photodetector. A demultiplexer is provided.
[0021]
  Claim10The invention includes a junction with an optical fiber for signal transmission, a demultiplexer that separates wavelength-multiplexed optical signals, a photodetector array, and a receiver that amplifies the signal from the photodetector array and shapes the waveform. A wavelength division multiplexing optical module having a circuit, wherein the demultiplexer is claimed.1From9It is a demultiplexer as described above, The wavelength division multiplexing optical module characterized by connecting the said junction part and the said demultiplexer with a multimode optical fiber is provided.
[0022]
  Claim11The invention includes a junction with an optical fiber for signal transmission, a demultiplexer that separates wavelength-multiplexed optical signals, a photodetector array, and a receiver that amplifies the signal from the photodetector array and shapes the waveform. A wavelength division multiplexing optical transmission module comprising: a circuit; a light source array; a transmission circuit that drives the light source array; and a wavelength multiplexing device that combines optical signals from the light source array.1From9The wavelength division multiplexed light, wherein the junction and the demultiplexer are connected by a multimode optical fiber, and the junction and the wavelength multiplexing device are connected by a single mode optical fiber. A transmission module is provided.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0024]
FIG. 1 is a top view showing an example relating to the demultiplexer of the present embodiment. In this example, a chirped planar diffraction grating having parallel linear grating grooves and being chirped was used. The optical signal transmitted after being wavelength-multiplexed is emitted from the optical fiber 10. The incident light beam 30 that has spread out from the optical fiber 10 is reduced in the vertical direction (the engraving direction of the chirped diffraction grating 14) with respect to the paper surface by the cylindrical lens 12a to become substantially parallel light, and the chirped diffraction grating. 14 is incident. The chirped diffraction grating 14 has a grating interval changed so as to collect the incident light beam 30 that has been spread and incident at the output position, and the emitted light beam 32 diffracted by the chirped diffraction grating 14 varies with the wavelength within the plane of the paper. Focused on the position. The light beam diffracted and collected by the chirped diffraction grating 14 is collected by the cylindrical lens 12b on the incident end face so as to enter the light receiving optical waveguide 20 in the direction perpendicular to the paper surface. The light receiving optical waveguide 20 has a slab waveguide portion 22 on the incident portion side and a tapered waveguide portion 24 on the subsequent stage. The light beam incident on the slab waveguide portion 22 propagates by being confined in the slab waveguide in the direction perpendicular to the paper surface, and in the paper surface, the light is guided by a tapered guide provided for each wavelength by the condensing action of the chirped diffraction grating 14. The light is collected at the incident end of the waveguide 24. The separated and condensed light rays enter the tapered waveguide portion 24 corresponding to each wavelength, and are detected by the photodetector array 26 having a light receiving portion for each wavelength. The chirped diffraction grating 14, the cylindrical lens 12, and the light receiving optical waveguide 28 are fixed on the base 28.
[0025]
FIG. 2 shows a front view of the chirped diffraction grating 14 of this embodiment. Table 1 shows the specifications of the chirped diffraction grating 14. The areas a to f in Table 1 correspond to the areas 18 a to 18 f. In order to obtain high diffraction efficiency, a so-called Eschlet type in which the cross-sectional shape of the grating grooves is a right triangle is used as the chirped diffraction grating 14. The grating constant of the chirped diffraction grating 14 was chirped as a function of the grating location so as to have the desired light collection performance. The position of each grating groove can be determined from the incident position and the outgoing position of the light beam. In addition to the chirp, it is desirable to change the blaze angle in accordance with the incident / exit angle at each grating position in order to increase the diffraction efficiency. Therefore, in this embodiment, the diffraction grating is divided into a plurality of regions, a constant blaze angle is set within the region, and the diffraction efficiency is improved by changing the blaze angle for each region. In this embodiment, the number of divisions is 6. Furthermore, the diffraction order used for each region was also selected so that the diffraction efficiency was high and the polarization dependence was small. In the present embodiment, the diffraction order is set to the first order in the regions 18a to 18d having a large lattice constant, and the

regions

18e and 18f having a small lattice constant are discontinuously latticed at the boundary between the

regions

18d and 18e so that the second-order diffracted light is used. Was doubled. When the lattice constant is small as described above, it is desirable to use high-order diffracted light, and it is desirable to use high-order diffracted light with a lattice constant approximately equal to or less than the incident wavelength. The grating constant is processed so that the grating constant continuously chirps across a plurality of regions using the same diffraction order so that the diffracted beam is focused at a desired position. Further, it is desirable that the diffraction constant can be switched without increasing the number of divisions of the diffraction grating by switching the diffraction order at the blaze angle switching position as in this embodiment.
[0026]
[Table 1]

[0027]
The blaze angle was determined so that the difference in diffraction efficiency between TE-polarized light (polarized light with the electric field direction perpendicular to the grating line) and TM-polarized light (polarized light with the electric field direction perpendicular to the marked line) was small for each region. The TM polarized light has the maximum diffraction efficiency at the specular reflection blaze angle that satisfies the specular reflection condition in which the direction in which the incident light beam 30 is specularly reflected by the blazed surface and the diffraction direction of the outgoing light beam 32 coincides. The diffraction efficiency is maximized at a large blaze angle. Therefore, in order to reduce the polarization dependence, the blaze angle should be selected so that it is larger than the specular reflection blaze angle and smaller than the blaze angle at which TE polarization is maximum near the center of each region. The specular reflection blaze angle α is defined as an incident angle i, a lattice constant d, a diffraction order m, and a refractive index n of the optical waveguide.
[0028]
[Expression 1]

[0029]
It can ask for.
[0030]
Table 1 shows the specular reflection blaze angle αc at the center position of the region and the difference (ε−αc) between the blaze angle ε and the specular reflection blaze angle αc in each region. As described above, the difference in diffraction efficiency due to polarized light can be reduced by increasing the blaze angle ε as the specular reflection blaze angle α increases. Furthermore, (ε−αc) may be increased within a range not affected by anomalies. On the other hand, when there is an anomaly effect, the diffraction efficiency of TM-polarized light usually decreases. Therefore, the difference in diffraction efficiency due to polarized light can be reduced by reducing (ε−αc). In this embodiment, since anomalies occur in the region c, (ε−αc) is set smaller than the adjacent regions b and d. Similarly, in the region f, (ε−αc) is set smaller than the adjacent region e. As described above, in the chirped diffraction grating in which the anomaly occurs, in the region not affected by the anomaly, (ε−αc) is increased in accordance with the increase of the central specular blaze angle, and in the region affected by the anomaly, By making (ε−αc) smaller than the adjacent region, the diffraction efficiency can be improved and the polarization dependence can be lowered.
[0031]
Anomaly is a phenomenon in which sharp light absorption and change in diffraction efficiency occur at a specific wavelength, and often occurs particularly in TM polarized light. Anomalies are caused by various factors. One of the conditions for anomalies is that the diffracted light of the order m ′ (≠ m) different from the desired diffraction order m disappears. This anomaly is
[0032]
[Expression 2]

[0033]
Or
[0034]
[Equation 3]

[0035]
It occurs in the vicinity that satisfies the condition. However, i is an incident angle, d is a lattice constant, and λ is an incident wavelength. Another factor causing anomalies is surface plasmon absorption when a metal reflecting surface is used. However, since the reflectivity of the metal is high in the near-infrared to infrared wavelengths, the conditions under which this surface plasmon absorption occurs are almost equal to the conditions under which the diffracted light disappears. Therefore, for the normal optical communication wavelength, the position where the anomaly occurs can be obtained from the equation (2) or (3), and the anomaly may be considered in the region including the lattice position satisfying this condition. According to the equation (2) or (3), it can be seen that a chirped diffraction grating whose lattice constant changes twice or more in the region of the same diffraction order satisfies the condition for causing anomaly. It is effective to use. Furthermore, in a chirped diffraction grating whose grating constant changes by three times or more, the position where the anomaly occurs cannot be located at the end of the diffraction grating where the light intensity is low, and an anomaly occurs in a portion where the light intensity is strong. Therefore, it is particularly effective to use the diffraction grating of the present invention.
[0036]
At wavelengths shorter than visible light, the reflectivity of the metal reflective film depends on the reflective film material, so the conditions for surface plasmon absorption differ from the conditions for the disappearance of diffracted light, but by calculating the dispersion relation of surface plasmons, The conditions that occur can be identified.
[0037]
As for the number of divisions, an angle distribution closer to the ideal blaze angle distribution can be obtained as the number increases. FIG. 3 shows the number of area divisions and the measurement results of loss. When the number of divisions is 4 or more, the loss is reduced, and when it is 6 or more, the loss is almost constant. As described above, even if the number of divisions is increased, the loss is not significantly reduced when a certain number of divisions is exceeded. In addition, if the area is increased too much, the number of times of changing the blaze angle is increased, and the processing accuracy of the connecting portions of the areas may be reduced, and the loss may be reduced. In this embodiment, since the diffraction grating grooves are processed on a flat surface, positional displacement in the plane direction and the vertical direction at the connecting portions of the regions hardly occurs in the processing of the diffraction grating grooves, and the processing can be performed with high accuracy. Nevertheless, when the number of divisions is more than nine, errors at the joints accumulate and the condensing characteristics are significantly deteriorated. Therefore, the number of divisions is preferably 4 to 9, particularly 6 to 9.
[0038]
Depending on the processing method, the connecting portions of the regions are displaced, and the lattice constant of the chirped diffraction grating becomes slightly discontinuous, but can be considered substantially continuous.
[0039]
FIG. 4 shows the measurement results of the wavelength dependence of loss for the diffraction grating of this example and the comparative example. As shown in Table 1, the diffraction grating of the comparative example is such that (ε−αc) is monotonously increased as the central specular reflection blaze angle is increased. In the comparative example, the loss of TM polarization is large, and the loss difference between TE polarization and TM polarization is also large. On the other hand, the diffraction grating of this embodiment has a small diffraction loss (high diffraction efficiency) and a small difference in loss due to polarized light. The loss is 1.5 dB or less, and a diffraction efficiency of 70% or more is obtained. The polarization dependence is also within 0.5 dB.
[0040]
In the Eschlett type diffraction grating, when the wavelength λ and the grating constant d are set, if λ / d is selected within the range of 0.6 to 1.0 and the blaze angle is set within the range of 25 ° to 35 °, the polarization dependence is particularly small and the diffraction efficiency Can be increased. In this case, the incident angle i and the outgoing angle θ are
[0041]
[Expression 4]

[0042]
It is necessary to. In addition, between the incident angle i and the outgoing angle θ,
[0043]
[Equation 5]

[0044]
There is a relationship. It is desirable that the diffraction constant and the polarization dependence be further reduced if it is arranged so as to satisfy the lattice constant and the blaze angle in the vicinity of the principal ray having a high light intensity.
[0045]
A ruling engine was used to create the diffraction grating of this example. Processing was performed while changing the lattice constant at a constant blaze angle for each region using a ruling engine. A replica made using this diffraction grating as a master was used for the demultiplexer.
[0046]
As in this embodiment, the use of low-order diffracted light makes it possible to increase the lattice constant by using high-order diffracted light in a region where the lattice constant becomes small, and the number of gratings can be reduced. There is also an effect that the processing of the diffraction grating is easy. However, if the diffraction order is increased in a region where the blaze angle is large, the wavelength dependency of the diffraction efficiency is increased and the diffraction efficiency of the peak is also lowered. Therefore, the diffraction order is preferably 4 or less.
[0047]
In addition to the ruling engine used in the present embodiment, the lattice pattern may be processed by using a three-dimensional NC processing machine, or by using a photolithography technique on a substrate such as Si. A continuously blazed chirped diffraction grating can also be created.
[0048]
In this embodiment, a graded index (GI) multimode (MM) optical fiber having a core diameter of 62.5 μm and a numerical aperture of 0.275 was used as the optical fiber 10. The multimode optical fiber has a large numerical aperture and a large divergence angle of the incident light beam 30. In the case of the present embodiment, the divergence angle obtained from the numerical aperture is ± 16 °. Therefore, it is necessary to change the lattice constant of the chirped diffraction grating 14 over a wide range, and it is inevitable that anomalies occur in the chirped diffraction grating 14. In the present embodiment, the variation is about 3.5 times in the range of the first-order diffracted light, and anomaly inevitably occurs. Therefore, it can be said that the present invention is particularly effective when a multimode optical fiber is used as the incident optical fiber 10.
[0049]
In this embodiment, the optical fiber 10 is bonded and fixed to the optical block 20. However, an optical fiber for optical signal transmission that is inserted into and removed from the demultiplexer 1 without fixing the optical fiber 10 may be used. In that case, an insertion guide or the like may be used so that the optical fiber 10 fixed to the optical connector is abutted at a predetermined position even when the optical fiber 10 is inserted or removed. However, fixing the optical fiber 10 to the diffraction grating optical block 20 is preferable because of excellent long-term stability of characteristics. When the optical fiber 10 is fixed, the transmission optical fiber may be abutted against the other end of the optical fiber 10 and light may be incident on the demultiplexer 1. In that case, the numerical aperture and diameter of the transmission optical fiber may be equal to or smaller than those of the optical fiber 10. Therefore, the same GI type multimode optical fiber as the optical fiber 10 may be connected to the optical fiber 10, and a single mode optical fiber (SMF) having a small fiber diameter / numerical aperture or a multimode optical fiber having a core diameter of 50 μm ( 50MMF) can also be connected.
[0050]
In this embodiment, a cylindrical lens 12 is used as the cylindrical lens 12. When arranged closer to the Littrow arrangement than in this embodiment, a single cylindrical lens may be used for condensing incident and outgoing rays. In this embodiment, the light is incident on the plane diffraction grating through air, but the diffraction grating is formed on an optical member such as glass or plastic, and a cylindrical lens is integrated with the optical member, so that the optical A light beam may be incident through the member. In that case, the lattice constant may be changed according to the refractive index of the optical medium, and the blaze angle may be adjusted accordingly.
[0051]
The light receiving optical waveguide 20 includes the slab waveguide portion 22 and the tapered waveguide portion 24 as described above. In accordance with the diameter of the photodetector, the thickness of the optical waveguide is determined so that the signal light is efficiently coupled to the photodetector. The tapered waveguide portion 24 has a tapered shape in which the width of the core decreases from the light incident side to the light emitting side in the paper surface, and has a structure for narrowing the light to the photodetector array 26. In order to efficiently propagate the beam to the photodetector array 26, it is desirable that the numerical aperture NA of the slab waveguide portion 24, particularly the numerical aperture of the side surface is large, and it is particularly desirable that NA be 0.5 or more. Further, when a metal film is formed outside the thin clad, even if light passes through the clad, it is reflected by the metal film and reaches the photodetector, so that the detection efficiency can be improved. In the present embodiment, the width of the tapered waveguide portion 24 on the incident side is the same as the pitch of the photodetector array 26 on the side joined to the slab waveguide 30, and the photodetector is arranged on the photodetector array 24 side. The width is such that it can be combined efficiently. In this manner, by narrowing down the wavelength-separated beam to the photodetector, a photodetector with a fast response speed and a small light receiving area can be used, and can be applied to high-speed optical communication. The position of the photodetector array 26 was adjusted so that the beam from the tapered waveguide portion 24 was efficiently coupled to the photodetector, and the optical detector array 26 was bonded and fixed to the tapered waveguide portion 24.
[0052]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0053]
FIG. 5 shows a front view of an example of the chirped diffraction grating used in this embodiment. The configuration of the demultiplexer was the same as in FIG. In this example, at the same diffraction order, the blaze angle was continuously changed along with the lattice constant. The chirped diffraction grating 14 is separated into two regions having different diffraction orders, and the diffraction order is first order in the region 18a having a large lattice constant and second order in the region 18b having a small lattice constant.
[0054]
FIG. 6 shows the relationship between the lattice position and the blaze angle. The zero point of the diffraction grating position is the position where the principal ray having the highest light intensity hits the incident ray 30 from the optical fiber. Also in this embodiment, the polarization dependence is reduced by making the blaze angle larger than the specular reflection blaze angle. Further, at a position where an anomaly occurs and causes a problem, the difference (ε−α) between the blaze angle ε and the specular reflection blaze angle α is reduced to suppress an increase in loss due to the anomaly.
[0055]
The chirped diffraction grating 14 of this example was processed by changing the grating pitch and blaze angle for each grating groove using a three-dimensional NC processing machine.
[0056]
FIG. 7 shows the relationship between the specular reflection blaze angle α and the difference (ε−α) between the blaze angle ε and the specular reflection blaze angle α with respect to the chirped diffraction grating of this example. Since the anomaly occurred near the specular reflection blaze angle of 23 ° in the first-order diffracted light and 37 ° for the second-order diffracted light, (ε−α) was reduced. Therefore, in a region where anomaly is not a problem, (ε−α) is increased as the specular reflection blaze angle is increased, and in a region where an anomaly occurs, (ε−α) is increased while increasing the specular reflection blaze angle. Decreased.
[0057]
FIG. 8 shows the relationship between the blaze wavelength λb, the specular reflection blaze wavelength λM, and the ratio λb / λM with respect to the specular reflection blaze angle by converting the blaze angle into a blaze wavelength. The blaze wavelength λb is determined from the blaze angle ε and the incident angle i.
[0058]
[Formula 6]

[0059]
It can ask for. The specular reflection blaze wavelength λM is obtained by using the specular reflection blaze angle α.
[0060]
[Expression 7]

[0061]
The wavelength determined by Similar to the blaze angle, in the first-order diffracted light, λb / λM is increased as the specular reflection blaze angle is increased in the region where the anomaly is not a problem, and the specular reflection blaze angle is increased in the region where the anomaly occurs. λb / λM was decreased. In the second-order diffracted light, λb / λM is simply decreased as the specular reflection blaze angle is increased.
[0062]
FIG. 9 shows the measurement results of the loss with respect to the grating position of the chirped diffraction grating of this example. By reducing the blaze angle of the anomaly part, the polarization dependence is small and the loss can be reduced over the entire area of the chirped diffraction grating.
[0063]
In this embodiment, it is possible to optimize the blaze angle and the grating groove shape so as to reduce the polarization dependency for each grating position and improve the diffraction efficiency, and to obtain the best performance as a whole diffraction grating. it can.
[0064]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0065]
FIG. 10 is a front view of an example of the chirped diffraction grating used in the present embodiment. FIG. 11 shows the relationship between the grating position and the blaze angle of the chirped diffraction grating of this example. The configuration of the demultiplexer was the same as in FIG. In the present embodiment, an anomaly occurs and a problematic area is divided, and the blaze angle is changed discontinuously. Furthermore, the diffraction order was also changed to an order with no anomaly or less anomaly effects. Also, the regions having different diffraction orders were separated, and the blaze angle was changed discontinuously.
[0066]
In this embodiment, in the region where no anomaly occurs, the blaze angle is continuously changed so as to reduce the polarization dependency and improve the diffraction efficiency. On the other hand, in the region where the anomaly occurs, the anomaly is suppressed. By changing the blaze angle discontinuously from the adjacent region, an increase in loss due to anomaly and an increase in wavelength dependence were suppressed.
[0067]
The chirped diffraction grating 14 of this example was also processed by changing the grating pitch and blaze angle for each grating groove using a three-dimensional NC processing machine.
[0068]
In this embodiment, within the range where there is no problem with anomaly, it is possible to optimize the blaze angle and the grating groove shape so as to reduce the polarization dependence for each grating position and improve the diffraction efficiency. Because it is possible to select a blaze angle that reduces polarization dependence and improves diffraction efficiency as an average of the area, it is possible to improve the performance of the entire grating, and the optimum blaze angle in the area where anomalies occur is determined for each grating position. Since it is not necessary to decide, the design and processing of the diffraction grating becomes easy.
[0069]
So far, the chirped diffraction grating of the present invention has been described with respect to the echelette diffraction grating. However, the present invention is not limited to the eschlet grating, but also in the case of a wave shape, a rectangular binary diffraction grating, or any other groove-shaped diffraction grating. Applicable. In the case of a corrugated shape, a binary diffraction grating, or the like, instead of reducing the blaze angle of the echlet grating to suppress the anomaly, the depth of the grating groove may be adjusted to reduce the anomaly.
[0070]
The diffraction grating is not limited to the planar chirped diffraction grating used in the present embodiment, but can also be applied to concave diffraction gratings when anomalies occur.
[0071]
Although the demultiplexer of the present invention has been described so far, the wavelength division multiplexing optical device of the present invention can be used as a multiplexer if a light source array is provided on the side where the photodetector is arranged. When used in a multiplexer, it is desirable to provide a taper formed so as to narrow the light before the optical fiber 10.
[0072]
The present invention can also be used for a demultiplexer in so-called DWDM with a narrow wavelength interval.
[0073]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0074]
FIG. 12 is a configuration diagram illustrating an example of a wavelength division multiplexing transmission module according to the present embodiment. The transmission optical fibers 64a and 64b are connected to the optical transmission module 80 by a connector 96, and are abutted with the optical fiber 10 and the single mode optical fiber 11, respectively. The wavelength multiplexed signal transmitted through the transmission optical fiber 64a for reception enters the multimode optical fiber 10 abutted against the transmission optical fiber 64a, and is separated for each wavelength by the demultiplexer 1 of the present invention. It is detected by the detector array 24. The detected signal is amplified by the receiving circuit 86 and shaped in waveform. Further, the parallel-serial conversion circuit 90 converts the wavelength-multiplexed signal transmitted into a serial signal and outputs it. In the case of transmission, the input signal is separated by the serial-parallel conversion circuit 92, and each light source of the laser diode array 94 is driven for each signal by the transmission circuit 88 to obtain an optical signal having a different wavelength. Each optical signal is multiplexed by a wavelength multiplexing device 84 constituted by a single mode optical coupler and output to the single mode optical fiber 11. The single mode optical fiber 11 is coupled to the transmission optical fiber 64b for transmission and transmitted. Since the single mode optical fiber 11 and the multimode optical fiber 10 are used to couple to the transmission optical fibers 64a and 64b, the transmission optical fibers 64a and 64b may be either a multimode fiber or a single mode fiber. Can do. In this embodiment, since a GI type multimode fiber having a core diameter of 62.5 μm is used for the optical fiber 10, a single mode optical fiber, multimode light having a core of 50 μm and 62.5 μm is used as the transmission optical fibers 64 a and 64 b. A fiber or the like can be used.
[0075]
In the present embodiment, the four wavelengths of the center wavelengths 1275.7, 1300.2, 1324.7, and 1349.2 nm that have been transmitted after being multiplexed are separated. With respect to this central wavelength, the maximum fluctuation of ± 5.7 nm was assumed due to wavelength variations due to the manufacture of the light source, temperature, and spectral distribution. Therefore, the wavelength space between adjacent channels is 13.1 nm, which is set to approximately 1% of the transmission wavelength center 1312.5 nm. These wavelengths are in a band where the loss of the quartz core used in the transmission optical fiber is small, and is within a range where light transmission can be performed with low loss. The wavelength variation is determined by the creation and characteristics of the light source, and is necessary as a range that does not require strict selection of the light source. In addition, by setting the adjacent wavelength band space to 1% of the center wavelength 1312.5 nm from the wavelength separation characteristics of the wavelength multiplexing optical device, the center wavelength interval needs to be 24.5 nm as described above. is there.
[0076]
In this way, when the wavelength range is wide, anomalies are likely to occur. Therefore, the wavelength separation characteristic can be improved by using the chirped diffraction grating of the present invention.
[0077]
In the present embodiment, the wavelength multiplexing transmission module having both transmission and reception functions has been described. However, the effect of the present invention can also be obtained as a wavelength multiplexing reception optical module having only a receiving section.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, it is possible to provide a chirped diffraction grating that suppresses characteristic fluctuation due to anomaly, a demultiplexer using the diffraction grating, and a wavelength division multiplexing module by using the diffraction grating of the present invention in which the blaze angle is reduced in a region where anomaly occurs. It became so.
[0079]
In addition, the diffraction grating according to the present invention can suppress fluctuations in characteristics even when a chirped diffraction grating that satisfies the anomaly-occurring grating condition is used. Therefore, a demultiplexer that can separate incident light having a small divergence angle and a wavelength division multiplexing transmission module. Can now be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a demultiplexer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the diffraction grating according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing measurement results of the number of divisions and loss of the diffraction grating according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing measurement results of wavelength dependence of loss for the diffraction grating and the comparative example according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a front view of a diffraction grating used in a demultiplexer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a grating position of a diffraction grating and a blaze angle according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a difference between a blaze angle and a regular reflection blaze angle with respect to a regular reflection blaze angle of a diffraction grating according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a blaze wavelength and a retrobe raise wavelength with respect to a specular reflection blaze angle of a diffraction grating according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a measurement result of loss with respect to the grating position of the diffraction grating according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a front view of a diffraction grating used in a demultiplexer according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a grating position of a diffraction grating and a blaze angle according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram of an optical transmission module according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Demultiplexer
10 Optical fiber
11 Single mode optical fiber
12a, 12b Cylindrical lens
14 Chirped diffraction grating
16 Diffraction grating surface
18a-f diffraction grating region
20 Optical waveguide for light reception
22 Slab waveguide section
24 Tapered waveguide section
26 Photodetector array
28 base
30 Incident rays
32 Outgoing rays
74a, 74b Transmission optical fiber
80 Optical transmission equipment
82 Wavelength demultiplexing device
84 Wavelength multiplexing device
86 Receiver circuit
88 Transmitter circuit
90 Parallel-serial conversion circuit
92 Serial-parallel conversion circuit
94 Laser diode array
96 Optical connector

Claims

A light incident part;
A chirped diffraction grating that separates the wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part; and
In a demultiplexer having a plurality of photodetectors for detecting separated wavelength multiplexed signals,
The chirped diffraction grating is blazed,
The demultiplexer characterized in that the chirped diffraction grating has a region in which the difference between the blaze angle and the specular reflection blaze angle decreases as the specular reflection blaze angle increases at each grating position.

A light incident part;
A chirped diffraction grating that separates the wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part; and
In a demultiplexer having a plurality of photodetectors for detecting separated wavelength multiplexed signals,
The chirped diffraction grating is blazed and has a region in which the ratio of the blaze wavelength to the specular reflection blaze wavelength decreases as the specular reflection blaze angle at each grating position increases. Demultiplexer.

A light incident part;
A chirped diffraction grating that separates the wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part; and
In a demultiplexer having a plurality of photodetectors for detecting separated wavelength multiplexed signals,
The chirped diffraction grating is divided into regions,
At the boundary of the region, the blaze angle changes discontinuously,
Within the region, the blaze angle is substantially constant,
The demultiplexer characterized in that a difference between the blaze angle of the region and the specular reflection blaze angle at the central portion is smaller than that of an adjacent region.

A light incident part;
A chirped diffraction grating that separates the wavelength multiplexed optical signal incident from the light incident part; and
In a demultiplexer having a plurality of photodetectors for detecting separated wavelength multiplexed signals,
The chirped diffraction grating includes an anomaly occurrence position that satisfies a condition that the diffraction order disappears;
A demultiplexer characterized in that a difference between a blaze angle and a specular reflection blaze angle in a region including the anomaly position is made smaller than a difference between a blaze angle and a specular reflection blaze angle at an adjacent position.

Demultiplexer according to claims 1 to 4 ,
The chirped diffraction grating diffracts a predetermined diffraction order to the photodetector side according to the grating position,
A demultiplexer using a plurality of diffraction orders in the chirped diffraction grating.

Demultiplexer according to claims 1 to 5 ,
A demultiplexer comprising a beam reduction means for narrowing the light beam diffracted by the diffraction grating to the photodetector in the optical path from the diffraction grating to the photodetector.

The demultiplexer according to claim 6 , wherein
The demultiplexer according to claim 1, wherein the beam contracting means has a tapered shape in which a core cross-sectional area decreases toward the photodetector.

Demultiplexer according to claims 1 to 7 ,
A multimode optical fiber is connected to the light incident portion;
A demultiplexer characterized in that the chirped diffraction grating is irradiated with light from the multimode optical fiber.

The demultiplexer 8 according to claims 1,
A demultiplexer comprising an optical member having a condensing characteristic in a uniaxial direction in an optical path from the optical fiber to the diffraction grating or in an optical path from the diffraction grating to the photodetector.

A junction with an optical fiber for signal transmission;
A demultiplexer for separating the wavelength-multiplexed optical signal;
A photodetector array;
In a wavelength division multiplex receiving optical module having a receiving circuit for amplifying a signal from the photodetector array and shaping the waveform
The demultiplexer according to claims 1 to 9, wherein the demultiplexer is
A wavelength division multiplexing optical module, wherein the junction and the demultiplexer are connected by a multimode optical fiber.

A junction with an optical fiber for signal transmission;
A demultiplexer for separating the wavelength-multiplexed optical signal;
A photodetector array;
Wavelength multiplexing having a receiving circuit that amplifies a signal from the photodetector array and shapes the waveform, a light source array, a transmission circuit that drives the light source array, and a wavelength multiplexing device that combines the optical signals from the light source array In the optical transmission module,
The demultiplexer according to claims 1 to 9, wherein the demultiplexer is
The junction and the demultiplexer are connected by a multimode optical fiber,
A wavelength division multiplexing optical transmission module, wherein the junction and the wavelength multiplexing device are connected by a single mode optical fiber.