JP4407382B2

JP4407382B2 - 光フィルタ装置

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Publication number: JP4407382B2
Application number: JP2004157757A
Authority: JP
Inventors: 淳勝沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP2005338475A

Description

発明の属する技術分野

本発明は、入力光から特定の波長領域の光を得る光フィルタ装置に関する。

入力光から特定の波長領域の光を得る光フィルタ装置の代表的なものとして、薄膜干渉フィルタ装置がある。この薄膜干渉フィルタ装置は、光学系が比較的簡単であるため、製造コストを抑えることができるという利点がある。しかしながら、透過領域と不透過領域とのクロスオーバ領域の波長領域を狭くすることに一定の限界がある薄膜干渉フィルタ装置では、波長多重の間隔が２００GHz（約１．６ｎｍ）、１００ＧＨｚ（約０．８ｎｍ）、５０ＧＨｚ（約０．４ｎｍ）と段段に狭まる方向に進んでいるＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）光通信には対応しきれなくなってきている。

そこで、透過領域と不透過領域とのクロスオーバ領域の波長領域を極めて狭くする光フィルタ装置として、以下の特許文献１に記載されているものがある。

この光フィルタ装置は、１つの入力ポートと、入力ポートからの入力光を各波長帯域の光に分光する分光素子と、分光素子で分光された各波長帯域の光のうちで特定の波長帯域の光のみが透過できるように、スリットが形成されているフィルタと、フィルタのスリットを透過した特定波長帯域の光が入射する１つの出力ポートと、を備えている。

特開平５−２２４１５８号公報図１

近年のＷＤＭ光通信分野では、前述したように、波長多重域の領域を狭める方向に進んでいるために、クロスオーバ領域の波長帯域が狭い光フィルタ装置が求められている上に、複数の波長帯域の光を取り出すことができるフィルタ装置も求められている。

しかしながら、特許文献１に記載の光フィルタ装置では、１つの波長領域の光しか取り出すことができず、ＷＤＭ光通信分野での要望に応えることができない。

本発明は、以上の要望に応えるべく、クロスオーバ領域の波長帯域が狭く、しかも、複数の波長帯域の光を取り出すことができる光フィルタ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための請求項１に係る発明の光フィルタ装置は、
入力光を出射する入力ポートと、前記入力ポートからの前記入力光のうちで、互いに異なる特定の波長領域の光がそれぞれ入射する複数の出力ポートと、前記入力ポートからの前記入力光を各波長帯域の光に分光してスペクトラム像を形成する分光光学系と、前記スペクトラム像と共役な実像を形成するリレー光学系と、前記リレー光学系により形成される実像の位置又は該位置の近傍に配置され、前記分光光学系を経た光を反射して複数の前記出力ポートのうちの第１出力ポートに向わせることが可能な第１ミラーと、前記分光光学系と前記第1ミラーとの間であって前記スペクトラム像が形成される位置又は該位置の近傍に配置され、且つ前記分光光学系を経た光の一部を前記第１ミラーへ通過させる透過部が確保されるように配置され、該分光光学系を経た光のうちで該透過部を通過しない光を反射して、複数の出力ポートのうちの前記第１出力ポートを除く１以上の第２出力ポートに向わせることが可能な１以上の第２ミラーと、を備えていることを特徴とする。

請求項２に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系で前記入力光が分光される方向に、前記第２ミラーを移動させるミラー移動手段を備えていることを特徴とする。

請求項３に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１及び２のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
複数の前記第２ミラーを備え、複数の前記第２ミラーは、前記分光光学系で前記入力光が分光される方向に並び、複数の該第２ミラーの相互間が前記透過部を成すことを特徴とする。

請求項４に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項３に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系で前記入力光が分光される方向の、前記透過部の幅を変える透過幅変更手段を備えていることを特徴とする。

請求項５に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項３及び４のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記第２出力ポートを複数備え、複数の前記第２ミラーは、それぞれ、複数の前記第２出力ポートのうちのいずれかの第２出力ポートに反射した光を向わせることを特徴とする。

請求項６に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から５のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記透過部を通過してから前記第１出力ポートに向う光の量を調整できる第１遮蔽部材を備えていることを特徴とする。

請求項７に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項６に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系は、前記入力ポートからの前記入力光を各波長帯域の光に分光する分光素子を有し、前記第１遮蔽部材は、前記分光素子近傍で前記第１出力ポートに入射する光束を遮蔽可能な位置、又は該分光素子と光学的に共役な位置又は該位置の近傍に配置されていることを特徴とする。

請求項８に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から７のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系を経てから前記第２出力ポートに向う光の量を調整できる第２遮蔽部材を備えていることを特徴とする。

請求項９に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から５のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記第１ミラーの向きを変える第１ミラー角度変更手段を備えていることを特徴とする。

請求項１０に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から５、及び９のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記第２ミラーの向きを変える第２ミラー角度変更手段を備えていることを特徴とする。

請求項１１に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記入力ポートからの入力光のポート像を有限位置又は無限遠方に形成して、該入力光を前記分光光学系に向わせる一方で、前記第１ミラーからの光を前記第１出力ポートの位置又は該位置の近傍で結像させると共に、１以上の前記第２ミラーからのそれぞれの光を１以上の前記第２出力ポートの位置又は該位置の近傍で結像させるポート像合成光学系を備え、
前記ポート像合成光学系は、前記入力ポートの位置又は該位置の近傍に焦点が合っている入力ポート用光学素子と、前記第１出力ポートの位置又は該位置の近傍に焦点が合っている第１出力ポート用光学素子と、１以上の前記第２出力ポートの位置又は該位置の近傍に焦点がそれぞれ合っている１以上の第２出力ポート用光学素子と、前記入力ポート用光学素子、前記第１出力ポート用光学素子、１以上の前記第２出力ポート用光学素子のそれぞれから互いに平行な光束が出力された場合に、すべての光束を同一焦点に集光させる合成光学素子と、を備えていることを特徴とする。

請求項１２に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系は、凹面鏡と反射型グレーティングとを有し、
前記反射型グレーティングは、該反射型グレーティングの反射面が前記凹面鏡の反射面と向かい合い、且つ該反射型グレーティングの反射面内に該凹面鏡の焦点が実質的に存在するように配置され、前記凹面鏡の反射面は、前記入力ポートからの前記入力光を反射することでコリメートして、前記反射型グレーティングに導く第１の反射領域と、該反射型グレーティングからの各波長帯域の光を反射して前記スペクトラム像を形成する第２の反射領域と、を有する、ことを特徴とする。

請求項１３に係る発明の光フィルタ装置は、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記リレー光学系は、凹面鏡と平面鏡とを有し、
前記平面鏡は、該平面鏡の反射面が前記凹面鏡の反射面と向かい合い、且つ該平面鏡の反射面内に該凹面鏡の焦点が実質的に存在するように配置され、前記凹面鏡の反射面は、前記分光光学系からの光を反射することでコリメートして、前記平面鏡に導く第１の反射領域と、該平面鏡での反射光を反射して前記スペクトラム像と共役な実像を形成する第２の反射領域と、を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、入力光を分光光学系で分光した後、この分光光学系による入力ポートのスペクトラム像位置又はその近傍で、各波長帯域の光の遮蔽物となる第２ミラーの透過部を通過するか否かにより、分光された各波長帯域の光のうち一部を切り分けているので、クロスオーバ領域を狭めることができる。さらに、本発明では、分光された各波長帯域の光の遮蔽物を第２ミラーで形成し、この第２ミラーを一定の方向に傾けて、この第２ミラーで反射した光を１以上の第２出力ポートに入射させ、遮蔽物である第２ミラーを通過した光を第１ミラーで反射して第１出力ポートに入射させているので、複数の波長帯域の光を取り出すことができる。

また、第２ミラーを移動させるミラー移動手段を備えているものでは、第１出力ポートに入射する光の波長帯域及び第２出力ポートに入射する光の波長帯域を連続的に変えることができる。さらに、第２ミラーの透過部の幅を変える透過幅変更手段を備えているものでは、第１出力ポートに入射する光の波長帯域の幅及び第２出力ポートに入射する光の波長帯域の幅を連続的に変えることができる。

以下、本発明に係る光フィルタ装置の各種実施形態について説明する。

まず、本発明に係る第１の実施形態としての光フィルタ装置について、図１を用いて説明する。なお、図１において、同図（ｂ）は同図（ａ）が示す構成を側面から見た構成を示している。

本実施形態の光フィルタ装置は、入力光ファイバ１０ａと、第１出力光ファイバ１０ｂと、第２出力光ファイバ１０ｃと、入力光ファイバ１０ａの端部である入力ポートからの入力光のポート像を形成するポート像合成光学系２０と、入力光を各波長帯域の光に分光してスペクトラム像を形成する分光光学系３０と、スペクトラム像と共役な実像を形成するリレー光学系４０と、このリレー光学系４０により形成される実像の位置Ｉ３に配置されている第１ミラー５１と、分光光学系３０と第１ミラー５１との間であってスペクトラム像が形成される位置Ｉ２に配置されている２枚の第２ミラー６１を有する第２ミラー装置６０と、第１出力ファイバ１０ｂの出力ポートに向う光の一部を遮蔽する第１遮蔽装置７０と、第２出力光ファイバ１０ｃの出力ポートに向う光の一部を遮蔽する第２遮蔽装置７５と、を備えている。

各光ファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各ポートは、後述のＹ方向に並んでいる。

ポート像合成光学系２０は、入力光ファイバ１０ａ及び出力光ファイバ１０ｂ，１０ｃの各ポートの位置にそれぞれの焦点が合っているポート用光学素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、各ポート用光学素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃのそれぞれから互いに平行な平行光束が仮に出力された場合に、全ての光束を同一焦点Ｉ１に集光させて、合成ポート像を形成する合成光学素子２２と、を有している。

分光光学系３０は、前述の合成ポート像を形成する各光束を再び平行光束にした後に結像させる第１分光光学素子３１及び第２分光光学素子３２と、入力光を各波長帯域の光に分光する分光素子３３と、を有している。入力ポートからの入力光は、第１分光光学素子３１により、平行光束にされた後、分光素子３３により、各波長帯域の光に分波される。この各波長帯域の光は、第２分光光学素子３２により、スペクトラム像として結像される。なお、以下の都合上、図１において、分光素子３３に対して入力光が入射する方向、言い換えると、各光学系２０，３０，４０の光軸と平行な方向をＺ方向、このＺ方向に対して垂直で分光素子３３により分光された各波長帯域の光が広がる方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。

リレー光学系４０は、前述のスペクトラム像を形成する各光束を再び平行光束にした後に結像させる第１リレー光学素子４１及び第２リレー光学素子４２を備えている。分光光学系３０からの光は、第１リレー光学素子４１により平行光束にされた後、第２リレー光学素子４２により結像する。

第１ミラー５１は、ここに至った光が第１出力光ファイバ１０ｂの出力ポートに向うよう、Ｘ方向に平行なｘ_１軸を中心として傾けられている。

第２ミラー装置６０は、入力光が各波長帯域の光に分光される方向であるＸ方向に並んでいる２枚の第２ミラー６１と、２枚の第２ミラー６１を一体的にＸ方向に移動させるミラー移動機構６２と、２枚の第２ミラー６１の相互間隔を変える透過幅変更機構６３と、を備えている。２枚の第２ミラー６１の各ミラー面は、同一平面内にあり、ここに至った光が第２出力光ファイバ１０ｃの出力ポートに向うよう、Ｘ方向に平行なｘ_２軸を中心として傾けられている。２枚のミラー６１の相互間は、分光光学系３０からの光の一部を第１ミラー５１へ通過させる透過部６４を形成しており、透過幅変更機構６３は、この透過部６４のＸ方向の幅を変える。

第１遮蔽装置７０及び第２遮蔽装置７５は、いずれも、光路を遮る遮蔽材７１，７６と、この遮蔽材７１，７６を移動させる遮蔽移動機構７２，７７と、を有している。第１遮蔽装置７０の遮蔽材７１は、分光素子３３の近傍であって第１出力光ファイバ１０ｂに向う光束を遮蔽できる位置か、又は、リレー光学系４０内で分光素子３３と共役な位置に配置されている。また、第２遮蔽装置７５の遮蔽材７６は、第２ミラー６１の直前か、又は、分光素子３３の近傍で第２出力光ファイバ１０ｃに向う光を遮蔽できる位置に配置されている。

次に、以上で説明した本実施形態の光フィルタ装置の作用について説明する。

入力光ファイバ１０ａの入力ポートからの入力光は、ポート像合成光学系２０に入射する。そして、入力ポート用光学素子２０ａによりコリメートされ、次いで合成光学素子２２によって、位置Ｉ１で集光して入力ポート像を形成する。なお、本実施形態のポート像合成光学系２０は、ポート像を有限位置に形成するものであるが、ポート像合成光学系は、本実施形態のポート像合成光学系２０から合成光学素子２２を省いて、ポート像を無限遠方に形成するものであってもよい。この場合、分光光学系３０の第１分光光学素子３１を省き、ポート像合成光学系のポート用光学素子からの平行光束を直接分光素子３３に導くようにする。

ポート像合成光学系２０を通過した入力光は、分光光学系３０に入射し、その第１分光光学素子３１によりコリメートされる。コリメートされた入力光は、分光素子３３により分波作用を受けて、各波長帯域の光に分散する。ここで、第１出力光ファイバ１０ｂに入射させたい光の波長帯域をＢ１、それ以外の光の波長帯域をＢ２とする。各波長帯域Ｂ１及びＢ２の光は、第２分光光学素子３２によって、位置Ｉ２ａ，Ｉ２ｂで集光してスペクトラム像を形成する。なお、位置Ｉ２ａ，Ｉ２ｂは、Ｚ方向の位置が同じで、Ｘ方向の位置が異なっている。

波長帯域Ｂ１の光が集光する位置Ｉ２ａの部分は、第２ミラー装置６０の透過部６４に該当する部分である。このため、波長帯域Ｂ１の光は、第２ミラー装置６０の透過部６４を通過して、リレー光学系４０に向う。一方、分光光学系３０からの波長帯域Ｂ２の光、さらにその他の波長帯域の光は、第２ミラー装置６０の第２ミラー６１により反射される。

第２ミラー装置６０の透過部６４を通過した波長帯域Ｂ１の光は、リレー光学系４０により、第１ミラー５１上にスペクトラム像と共役な実像を形成する。そして、第１ミラー５１によって反射され、リレー光学系４０を逆進し、位置Ｉ２ａで再結像した後、分光光学系３０を逆進する。ところで、第１ミラー５１は、リレー光学系４０による結像位置Ｉ３に設置され、この結像位置Ｉ３と結像位置Ｉ２ａとは共役な位置関係であるので、この第１ミラー５１に反射してリレー光学系４０を逆進した波長帯域Ｂ１の光の再結像位置は、分光光学系３０を出てリレー光学系４０に入る前に結像した位置Ｉ２ａの位置になる。すなわち、波長帯域Ｂ１の光は、分光光学系３０から第２ミラー装置６０の透過部６４を通過して、第１ミラー５１で反射されると、再び、第２ミラー装置６０の透過部６４を通過して、分光光学系３０に入射する。波長帯域Ｂ１の光の光は、分光光学系３０を逆進する過程で、分光素子３３により、最初の分波作用とは逆の合波作用を受け、結像位置Ｉ１でいわゆる白色像として再結像する。

合波作用を受けた波長帯域Ｂ１の光は、その後、ポート像合成光学系２０の合成光学素子２２でコリメートされ平行光束となる。そして、前述したように、第１ミラー５１は、ここに至った光が第１出力光ファイバ１０ｂの出力ポートに向う向きになっているため、この波長帯域Ｂ１の光は、第１出力ポート用光学素子２１ｂに向い、これによって、第１出力光ファイバ１０ｂの出力ポートで結像して、この第１出力光ファイバ１０ｂに入射する。

一方、入力光が分光素子３３により分波作用を受けて得られた波長帯域Ｂ２の光、つまり、前述の波長帯域Ｂ１の光以外の全ての光は、第２ミラー装置６０の透過部６４を透過できず、第２ミラー６１で反射されて、分光光学系３０に入射する。この波長帯域Ｂ２の光の光は、分光光学系３０を逆進する過程で、分光素子３３により、最初の分波作用とは逆の合波作用を受け、結像位置Ｉ１でいわゆる白色像として再結像する。合波作用を受けた波長帯域Ｂ２の光は、その後、ポート像合成光学系２０の合成光学素子２２でコリメートされ平行光束となる。そして、前述したように、第２ミラー６１は、ここに至った光が第２出力光ファイバ１０ｃの出力ポートに向う向きになっているため、この波長帯域Ｂ２の光は、第２出力ポート用光学素子２１ｃに向い、これによって、第２出力光ファイバ１０ｃの出力ポートで結像して、この第２出力光ファイバ１０ｃに入射する。

以上のように、本実施形態では、入力光を分光素子３３で分光した後、分光光学系３０による入力ポートスペクトラム像の位置又はその近傍で、分光された各波長帯域の光の遮蔽物となる第２ミラー６１の透過部６４を通過するか否かにより、分光された各波長帯域の光のうち一部を切り分けているので、従来技術の欄で述べた特許文献１と同様に、クロスオーバ領域を狭めることができる。さらに、本実施形態では、分光された各波長帯域の光の遮蔽物を第２ミラー６１で形成し、この第２ミラー６１を一定の方向に傾けて、この第２ミラー６１で反射した光（波長帯域Ｂ２の光）を第２出力光ファイバ１０ｃに入射させ、遮蔽物である第２ミラー６１を通過した波長帯域Ｂ１の光を第１ミラー５１で反射して出力光ファイバ１０ｂに入射させているので、二種類の波長帯域の光を取り出すことができる。

なお、本実施形態では、第２ミラー装置６０の第２ミラー６１を２枚用いているが、１枚のみでも、基本的に同様の効果を得ることができる。また、以上では、２枚の第２ミラー６１を同じ向きに傾けているが、それぞれを異なる向きに傾け、さらに、出力用光ファイバを準備すれば、３種類の波長帯域の光を取り出すことができる。さらに、第２ミラー装置６０の第２ミラー６１を３枚以上設け、それぞれを異なる向きに向けて、これに対応する分の出力用光ファイバを準備すれば、より多くの種類の波長帯域の光を取り出すことができる。

ところで、本実施形態の第２ミラー装置６０は、ミラー移動機構６２を有し、２枚の第２ミラー６１を一体的にＸ方向に移動させることができる、つまり、２枚の第２ミラー６１間の透過部６４の位置を入力光の波長分散方向に移動させることができる。このため、透過部６４を通過する光の中心波長及び通過しない光の中心波長を変えることができる。つまり、本実施形態では、第１出力用光ファイバ１０ｂ及び第２出力用光ファイバ１０ｃに入射する光の波長帯域の連続的に変えることができる。さらに、本実施形態の第２ミラー装置６０は、透過幅変更機構６３を有し、透過部６４の幅を変えることができるので、透過部６４を通過する光の波長帯域の帯域幅及び通過しない光の波長帯域の帯域幅も変えることができる。

また、本実施形態は、第１ミラー５１に向う光の一部を遮蔽する第１遮蔽装置７０と、第２ミラー６１に向う光の一部を遮蔽する第２遮蔽装置７５とを備えているので、第１ミラー５１で反射して第１出力光ファイバ１０ｂに入射する光や、第２ミラー６１で反射して第２出力光ファイバ１０ｃに入射する光を一部遮蔽することによって、アッテネートすることができる。第１遮蔽装置７０の遮蔽材７１は、前述したように、分光素子３３の近傍で第１出力光ファイバ１０ｂに向う光束を遮蔽できる位置か、又は、分光素子３３と共役な位置又はその近傍に設けられているため、遮蔽材７１を移動させることで、波長に関わらず、概ね一様に波長帯域Ｂ１の光の一部を遮蔽することができる。また、第２遮蔽装置７５も、この第１遮蔽装置７０と同様である。以上のように、第１遮蔽装置７０及び第２遮蔽装置７５は、第１、第２出力光ファイバ１０ｂ，１０ｃへ入射する光の光量の調整に利用できるが、例えば、入力光中に出力したくない輝線等が含まれている場合に、この輝線等を排除するためにも利用できる。

さらに、本実施形態では、入力光が光通信におけるパルス信号である場合でも、パルス波形を崩すことなく、特定波長帯域の光を出力光ファイバ１０ｂ，１０ｃへ入射させることができる。ここで、この効果について説明するために、簡単に、光通信におけるパルス信号の時間方向形状特性について述べる。光の干渉や回折を利用した分光方式では、分光作用に伴い、時間軸方向の不確定性が増大するという現象が本質的に発生する。したがって、パルスの時間方向形状が崩れ、パルス周波数が増大するに従い、個々のパルスが徐々に分離不能に陥る。崩れたパルス波形をもとに戻すには、一度受けた分光作用の時間的に逆向き相当の作用を施す必要がある。本実施形態のような自由空間光学系で構成された逆分散型二重分光器または零分散分光器としての光フィルタ装置においては、最初の分光作用直後ではパルス波形は崩れているが、二回目の合波作用がまさに最初の分光作用の時間的に逆向き相当の作用となるため、崩れたパルス波形が元に復元される。このため、前述したように、入力光のパルス波形を崩すことなく、特定波長帯域の光を出力光ファイバ１０ｂ，１０ｃへ入射させることができる。

本実施形態の光フィルタ装置は、以上のような各効果を奏するため、光通信におけるビット周波数の増大への対応力が極めて高いと言える。

次に、本発明に係る光フィルタ装置の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。

本実施形態の光フィルタ装置は、第１の実施形態における第１遮蔽装置７０及び第２遮蔽装置７５の替わりに、第１ミラー５１の傾きを変える第１ミラー角度変更機構５５を設けると共に、第２ミラー６１の傾きを変える第２ミラー角度変更機構６５を設けたもので、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。

各ミラー角度変更機構５５，６５は、いずれもＸ方向に平行なｘ_１，ｘ_２軸回りに、各ミラー５１，６１を回転させるものである。このように、各ミラー５１，６１をＸ方向に平行なｘ_１，ｘ_２軸回りに傾けることで、第１ミラー５１に反射した波長帯域Ｂ１の光及び第２ミラー６１に反射した波長帯域Ｂ２の光の進行方向、言い換えると、Ｙ方向の位置を変えることができる。このため、第１の実施形態で出力光ファイバ１０ｂ，１０ｃの出力ポートに入射していた波長帯域Ｂ１，Ｂ２の光の一部を出力ポートに入射させないようにすることができ、アッテネーション効果を得ることができる。

なお、第１の実施形態における遮蔽装置７０，７５や、本実施形態におけるミラー角度変更機構５５，５６は、必ずしも必要なものではなく、必要に応じて設けるべきものである。また、第１遮蔽装置７０と第２ミラー角度変更機構６５とを組み合わせても、第２遮蔽装置７５と第１ミラー角度変更機構５５とを組み合わせても、以上と基本的に同様の効果を得ることができる。

次に、第１実施形態の変形例について、図３を用いて説明する。

本変形例の光フィルタ装置は、前述の第１実施形態と同様に、入力光ファイバ１０ａと、第１出力光ファイバ１０ｂと、第２出力光ファイバ１０ｃと、入力光ファイバ１０ａの端部である入力ポートからの入力光のポート像を形成するポート像合成光学系２０Ａと、入力光を各波長帯域の光に分光してスペクトラム像を形成する分光光学系３０Ａと、スペクトラム像と共役な実像を形成するリレー光学系４０Ａと、このリレー光学系４０Ａにより形成される実像の位置Ｉ３に配置されている第１ミラー５１と、分光光学系３０Ａとリレー光学系Ａとの間であってスペクトラム像が形成される位置Ｉ２に配置されている２枚の第２ミラーを有する第２ミラー装置６０Ａと、第１ミラー５１に向う光の一部を遮蔽する第１遮蔽装置７０Ａと、を備えている。本変形例の光フィルタ装置は、以上の他、さらに光の偏光方向を揃える偏光操作系８０を備えている。なお、この変形例においても、以上で説明した各実施形態と同様に、各光学系の光軸と平行な方向をＺ方向、このＺ方向に対して垂直で分光光学系３０Ａにより分光された各波長帯域の光が広がる方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。

各光ファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、いずれも同一仕様のシングルモードファイバである。また、各光ファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各ポートは、Ｙ方向に並んでいる。

ポート像合成光学系２０Ａは、入力光ファイバ１０ａ及び出力光ファイバ１０ｂ，１０ｃの各ポートの位置にそれぞれの焦点が合っているポート用光学素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、各ポートに対する光の光路を折り曲げる平面ミラー２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、各光束の幅及び各光束の相互間隔をＹ方向に狭めるためのアナモルフィックプリズム２４と、各ポート用光学素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃのそれぞれから互いに平行な平行光束が仮に出力された場合に、全ての光束を同一焦点Ｉ１に集光させて、合成ポート像を形成する合成光学素子２２と、を有している。

各ポート用光学素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、いずれも、正の光学的パワーを持つマイクロ屈折レンズである。また、合成光学素子２２も、正の光学的パワーを持つ屈折レンズである。入力ポート用マイクロレンズ２１ａと合成レンズ２２との間の光路長、第１出力ポート用マイクロレンズ２１ｂと合成レンズ２２との間の光路長、第２出力ポート用マクロレンズ２１ｃと合成レンズ２２との間の光路長は、いずれも等しく、各ポート用マイクロレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃの焦点距離と合成レンズ２２の焦点距離との和の長さになっている。このため、各光ファイバ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれから光が仮に出射された場合、各光は、それぞれ、各ポート用マイクロレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃより互いに平行な平行光束になり、その後、合成レンズ２２により、同一焦点Ｉ１に集光して、合成ポート像を形成する。

なお、この実施形態では、平面ミラー２３ａ，２３ｂ，２３ｃ及びアナモルフィックプリズム２４を設けているが、これらは必ずしも必要なものではなく、必要に応じて設ければよい。

分光光学系３０Ａは、凹放物面ミラー３５と反射型グレーティング３６とを備えている。凹放物面ミラー３５は、そのミラー面のほぼ半分の第１反射領域３５ａが第１実施形態の第１分光光学素子３１として機能し、残りのほぼ半分の第２反射領域３５ｂが第１実施形態の第２分光光学素子３２として機能する。反射型グレーティング３６は、等間隔直線溝が複数形成されている。この反射型グレーティング３６は、その溝がＹ方向と平行になるように向けられ、凹放物面ミラー３５の焦点の位置に配置されている。入力ポートからの入力光は、第１分光光学素子として機能する凹放物面ミラー３５の第１反射領域３５ａにより、平行光束にされた後、グレーティング３６により、各波長帯域の光に分波される。この際、各波長帯域の光は、グレーティング３６の溝が伸びているＹ方向に対して垂直なＸ方向に分散する。その後、各波長帯域の光は、第２分光光学素子として機能する凹放物面ミラー３５の第２反射領域３５ｂにより、スペクトラム像として結像される。

ここで、凹放物面ミラー３５の焦点を含み、凹放物面ミラー３５の回転中心軸に垂直な平面を想定すると、合成ポート像が形成される適切な位置Ｉ１及びスペクトラム像が形成される適切な位置Ｉ２は、この平面よりも僅かに凹放物面ミラー３５よりも遠いところになる。なお、ここで、像形成の適切な位置とは、収差の面から好ましい位置という意味である。

偏光操作系８０は、図４に示すように、偏光ディスプレーサ８１と、三つの１／２波長板８２ａ，８２ｂ，８２ｃとを有している。偏光ディスプレーサ８１は、複屈折結晶で形成されており、入力光ファイバ１０ａからの入力光（同図中、左側から右側へ向う光）に対しては、互いに直交する偏光成分に分解し、両偏光光束とも入力光束に平行に射出する。この両偏光光束のうち、一方の偏光光束は、１／２波長板８２ａで、その偏光方向を９０°回転し、他方の偏光光束の偏光方向と平行な偏光方向となる。また、第１出力光ファイバ１０ｂに入射する出力光（同図中、右側から左側へ向う光）は、偏光操作系８０に入射する前の時点では、偏光方向が互いに平行な直線偏光の２本の光束である。このうち一方の光束が１／２波長板８２ｂによって偏光方向を９０°回転させられ、偏光ディスプレーサ８１によって、他方の光束と合波され、１本の光束となって射出される。射出方向は、入射方向と平行である。また、第２出力光ファイバ１０ｃに入射する出力光も、以上と同様に、２本の光束として、偏光操作系８０に入射し、この偏光操作系８０により一本の光束に合波される。

このように、入力光は、偏光操作系８０により、偏光方向が揃った直線偏光の光となるため、前述のグレーティング３６により分光される際、このグレーティング３６の偏光特性の影響を回避することができる。

なお、ここでは、入力光を偏光方向が揃った直線偏光に変えているが、本来の目的がグレーティングの偏光特性の影響を回避するためであるから、必ずしも直線偏光にする必要はなく、例えば、円偏光やランダム偏光でもよい。

また、ここでは、偏光ディスプレーサ８１として単一の複屈折結晶で形成されたものを用いたが、この換わりに、サバール板あるいはサバールブロックを用いてもよい。このように、偏光ディスプレーサ８１を用いた場合、１／２波長板を用いなくとも、図５に示すように、サバール板等からの２本の分離光束のそれぞれの偏光方向ａ，ｂが、グレーティング３６の溝３６ａの伸びている方向に対して４５°を成すように、グレーティング３６を配置することにより、２本の分離光束に対するグレーティング３６での偏光状態を等価にすることができる。また、サバール板等からの２本の分離光束に対して、それぞれに、１／２波長板を通過させることでも、２本の分離光束に対するグレーティング３６での偏光状態を等価にすることができる。また、サバール板またはサバールブロックを用いると、偏光操作系８０を透過する光束の偏光成分間オプティカルパスを等しくすることができる。

第２ミラー装置６０Ａは、図６に示すように、グレーティング３６による光分光方向であるＸ方向に並んでいる２枚の第２ミラー６１と、２枚の第２ミラー６１を一体的に光分光方向であるＸ方向に移動させるミラーＸ方向移動機構６２ａと、２枚の第２ミラー６１をミラーＸ方向移動機構６２ａごとＹ方向に移動させるミラーＹ方向移動機構６３ａと、を備えている。２枚の第２ミラー６１の各ミラー面は、同一平面内にあり、ここに至った光が第２出力光ファイバ１０ｃの出力ポートに向うよう、Ｘ方向に平行な軸を中心として傾けられている。また、これら２枚の第２ミラー６１は、前述のスペクトラム像が形成される位置Ｉ２に配置されている（図３に示す）。２枚の第２ミラー６１の縁で、他方の第２ミラー側の縁６１ａは、直線で、しかも、（＋）Ｙ方向に向うに連れて他方の第２ミラー側に近づくように傾斜している。これら第２ミラー６１の各直線縁６１ａの相互間が三角形状の透過部６４を形成している。このように、第２ミラー６１の各直線縁６１ａが傾斜していることにより、ミラーＹ方向移動機構６３ａで２枚の第２ミラー６１を一体的にＹ方向に移動させることにより、ここに至った光束に対する透過部６４のＸ方向の幅が変化するので、この透過部６４を通過する光の波長帯域の帯域幅を変えることができる。つまり、ミラーＹ方向移動機構６３ａが第１実施形態における透過幅偏光機構６３の役目を担っている。また、ミラーＸ方向移動機構６４ａで２枚の第２ミラー６１を一体的にＸ方向に移動させることで、透過部６４を通過する光の波長帯域を変えることができる。２枚の第２ミラー６１は、前述したように、分光光学系３０Ａによるスペクトラム像が形成される位置I２に配置されているので、ここに、このスペクトラム像の一部として、入力光ファイバ１０ａの入力ポート像Ｉ２−１が形成される。この入力ポート像Ｉ２−１は、ほぼ単一波長であるとすれば、この像形はおおよそ点像状スポット形状であると考えられる。このため、透過部６４の形状が三角形状であっても、スポット部分だけならこの透過部６４を特定の幅を持つスリットとして機能すると考えて良い。

リレー光学系４０Ａは、図３に示すように、凹放物面ミラー４５と平面ミラー４６とを備えている。凹放物面ミラー４５は、そのミラー面のほぼ半分の第１反射領域４５ａが第１実施形態の第１リレー光学素子４１として機能し、残りのほぼ半分の第２反射領域４５ｂが第１実施形態の第２リレー光学素子４２として機能する。平面ミラー４６は、そのミラー面が凹放物面ミラー４５の回転中心軸に垂直になるように向けられ、且つ凹放物面ミラー４５の焦点の位置に配置されている。

第１遮蔽装置７０Ａは、図７に示すように、光路を遮る遮蔽材７１と、この遮蔽材７１を移動させる遮蔽材移動機構７２と、を有している。この遮蔽材７１は、リレー光学系４０Ａの平面ミラー４６の直前に配置されている。この遮蔽材７１は、膜状であって、Ｘ方向の端部に直線状の縁を持つ。この遮蔽材７１がＸ方向に移動して、光束を遮蔽することでしぼり効果を発揮する。直線状の縁の方向は、この遮蔽材７１をグレーティング３６上に投影した際、グレーティング溝３６ａに平行とになる方向、つまりＹ方向である。

図３に示すように、第２ミラー装置６０Ａの透過部６４を通過して、リレー光学系４０Ａに入射した光束は、第１リレー光学素子として機能する凹放物面ミラー４５の第１反射領域４５ａにより平行光束にされた後、第１遮蔽装置７０Ａの遮蔽材７１でしぼり効果を受けてから、平面ミラー４６で反射されて、第２リレー光学系として機能する凹放物面ミラー４５の第２反射領域４５ｂにより、スペクトラム像と共役な共役像を形成する。

ここで、凹放物面ミラー４５の焦点を含み、凹放物面ミラー４５の回転中心軸に垂直な平面を想定すると、共役像が形成される適切な位置Ｉ３は、この平面よりも僅かに凹放物面ミラー３５よりも遠いところになる。

第１ミラー６１は、平面ミラーで、そのミラー面は、リレー光学系４０Ａで形成される共役像の位置Ｉ３の位置に設置されている。また、第１ミラー６１は、ここに至った光が第１出力光ファイバ１０ｂの出力ポートに向うよう、Ｘ方向に平行な軸を中心として傾けられている。

この第１ミラー６１により反射された光束は、リレー光学系４０Ａを逆進して、前述のスペクトラム像の位置Ｉ２で且つ第２ミラー装置６０Ａの透過部６４の位置で再結像して、ここを通過する。さらに、この光束は、分光光学系３０Ａを逆進して、グレーティング３６により合波作用を受けて白色化され、前述の合成ポート像の位置Ｉ１で再結像される。そして、ポート像合成光学系２０Ａを経て、第１出力光ファイバ１０ｂの出力ポートに入射する。

一方、第２ミラー装置６０Ａの透過部６４を通過しない波長帯域の光束は、図６に示すように、第２ミラー６１のミラー面上にスペクトラム像Ｉ２−２を形成し、このミラー面で反射されて、分光光学系３０Ａに戻される。そして、この光束は、図３に示すように、分光光学系３０Ａを逆進して、グレーティング３６により合波作用を受けて白色化され、合成ポート像の位置Ｉ１で再結像された後、ポート像合成光学系２０Ａを経て、第２出力光ファイバ１０ｃの出力ポートに入射する。

なお、本変形例では、第１出力光ファイバ１０ｂに入射する光をアッテネートするために、第１遮蔽装置７０Ａを用いたが、この換わりに、第２実施形態のように、第１ミラー５１の傾きを変える第１ミラー角度変更機構５５を用いてもよい。

本発明に係る第１実施形態としての光フィルタ装置の構成を示す説明図である。本発明に係る第２実施形態としての光フィルタ装置の構成を示す説明図である。本発明に係る第１実施形態の変形例としての光フィルタ装置の構成を示す説明図である。図３に示す偏光操作系の構成を示す説明図である。本発明に係る第１の実施形態の変形例のグレーティングの溝の方向と入力光の偏光方向との関係を示す説明図である。本発明に係る第１の実施形態の変形例の第２ミラー装置の構成を示す説明図である。本発明に係る第１の実施形態の変形例の第１遮蔽装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０ａ：入力光ファイバ１０ｂ：第１出力光ファイバ
１０ｃ：第２出力光ファイバ２０：２０Ａ：合成ポート像光学系
２１ａ：入力ポート用光学素子２１ｂ：第１出力ポート用光学素子
２１ｃ：第２出力ポート用光学素子２２：合成光学素子
３０，３０Ａ：分光光学系３３：分光素子
３５：凹放物面ミラー３６：反射型グレーティング
３６ａ：第１反射領域３６ｂ：第２反射領域
４０，４０Ａ：リレー光学系４５：凹放物面ミラー
４５ａ：第１反射領域４５ｂ：第２反射領域
４６：平面ミラー５１：第１ミラー
５５：第１ミラー角度変更機構６０，６０Ａ：第２ミラー装置
６１：第２ミラー６２：ミラー移動機構
６２ａ：ミラーＸ方向移動機構６３：透過幅変更機構
６３ａ：ミラーＹ方向移動機構６５：第２ミラー角度変更機構
６４：透過部７０，７０Ａ：第１遮蔽装置
７５：第２遮蔽装置８０：偏光操作系

Claims

入力光から特定の波長帯域の光を得る光フィルタ装置において、
前記入力光を出射する入力ポートと、
前記入力ポートからの前記入力光のうちで、互いに異なる特定の波長領域の光がそれぞれ入射する複数の出力ポートと、
前記入力ポートからの前記入力光を各波長帯域の光に分光してスペクトラム像を形成する分光光学系と、
前記スペクトラム像と共役な実像を形成するリレー光学系と、
前記リレー光学系により形成される実像の位置又は該位置の近傍に配置され、前記分光光学系を経た光を反射して複数の前記出力ポートのうちの第１出力ポートに向わせることが可能な第１ミラーと、
前記分光光学系と前記第1ミラーとの間であって前記スペクトラム像が形成される位置又は該位置の近傍に配置され、且つ前記分光光学系を経た光の一部を前記第１ミラーへ通過させる透過部が確保されるように配置され、該分光光学系を経た光のうちで該透過部を通過しない光を反射して、複数の出力ポートのうちの前記第１出力ポートを除く１以上の第２出力ポートに向わせることが可能な１以上の第２ミラーと、
を備えていることを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系で前記入力光が分光される方向に、前記第２ミラーを移動させるミラー移動手段を備えている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１及び２のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
複数の前記第２ミラーを備え、
複数の前記第２ミラーは、前記分光光学系で前記入力光が分光される方向に並び、複数の該第２ミラーの相互間が前記透過部を成す、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項３に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系で前記入力光が分光される方向の、前記透過部の幅を変える透過幅変更手段を備えている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項３及び４のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記第２出力ポートを複数備え、
複数の前記第２ミラーは、それぞれ、複数の前記第２出力ポートのうちのいずれかの第２出力ポートに反射した光を向わせる、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記透過部を通過してから前記第１出力ポートに向う光の量を調整できる第１遮蔽部材を備えている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項６に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系は、前記入力ポートからの前記入力光を各波長帯域の光に分光する分光素子を有し、
前記第１遮蔽部材は、前記分光素子近傍で前記第１出力ポートに入射する光束を遮蔽可能な位置、又は該分光素子と光学的に共役な位置又は該位置の近傍に配置されている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から７のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系を経てから前記第２出力ポートに向う光の量を調整できる第２遮蔽部材を備えている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記第１ミラーの向きを変える第１ミラー角度変更手段を備えている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から５、及び９のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記第２ミラーの向きを変える第２ミラー角度変更手段を備えている、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記入力ポートからの入力光のポート像を有限位置又は無限遠方に形成して、該入力光を前記分光光学系に向わせる一方で、前記第１ミラーからの光を前記第１出力ポートの位置又は該位置の近傍で結像させると共に、１以上の前記第２ミラーからのそれぞれの光を１以上の前記第２出力ポートの位置又は該位置の近傍で結像させるポート像合成光学系を備え、
前記ポート像合成光学系は、
前記入力ポートの位置又は該位置の近傍に焦点が合っている入力ポート用光学素子と、
前記第１出力ポートの位置又は該位置の近傍に焦点が合っている第１出力ポート用光学素子と、
１以上の前記第２出力ポートの位置又は該位置の近傍に焦点がそれぞれ合っている１以上の第２出力ポート用光学素子と、
前記入力ポート用光学素子、前記第１出力ポート用光学素子、１以上の前記第２出力ポート用光学素子のそれぞれから互いに平行な光束が出力された場合に、すべての光束を同一焦点に集光させる合成光学素子と、
を備えていることを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から１１のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記分光光学系は、凹面鏡と反射型グレーティングとを有し、
前記反射型グレーティングは、該反射型グレーティングの反射面が前記凹面鏡の反射面と向かい合い、且つ該反射型グレーティングの反射面内に該凹面鏡の焦点が実質的に存在するように配置され、
前記凹面鏡の反射面は、前記入力ポートからの前記入力光を反射することでコリメートして、前記反射型グレーティングに導く第１の反射領域と、該反射型グレーティングからの各波長帯域の光を反射して前記スペクトラム像を形成する第２の反射領域と、を有する、
ことを特徴とする光フィルタ装置。
請求項１から１２のいずれか一項に記載の光フィルタ装置において、
前記リレー光学系は、凹面鏡と平面鏡とを有し、
前記平面鏡は、該平面鏡の反射面が前記凹面鏡の反射面と向かい合い、且つ該平面鏡の反射面内に該凹面鏡の焦点が実質的に存在するように配置され、
前記凹面鏡の反射面は、前記分光光学系からの光を反射することでコリメートして、前記平面鏡に導く第１の反射領域と、該平面鏡での反射光を反射して前記スペクトラム像と共役な実像を形成する第２の反射領域と、を有する、
ことを特徴とする光フィルタ装置。