JP4569017B2

JP4569017B2 - Optical device

Info

Publication number: JP4569017B2
Application number: JP2001065137A
Authority: JP
Inventors: 知己佐野; 寛菅沼; 享井上; 学塩崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: JP2002267950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複屈折材料の透過特性を利用する光デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複屈折材料の透過特性を利用する光デバイスとして、例えば図７に示される構成のものが挙げられる。この図に示された光デバイス１は、偏光ビームスプリッタ１１，１２、ミラー２１，２２および複屈折材料３０を備えている。なお、この図に示されたｘｙｚ直交座標系において、複屈折材料３０を光がｚ軸方向に通過する。また、複屈折材料３０のＣ軸は、ｘｙ平面に平行であって、ｘ軸に対して４５度だけ傾斜している。
【０００３】
入力ポート１ａより入力した光は、偏光ビームスプリッタ１１により、第１方位（ｘ軸方向）および第２方位（ｙ軸方向）それぞれの偏光成分に分離されて、第１方位の偏光成分が第１経路Ｐ₁へ出力され、第２方位の偏光成分が第２経路Ｐ₂へ出力される。なお、第１経路Ｐ₁は、偏光ビームスプリッタ１１よりミラー２２を経て偏光ビームスプリッタ１２へ到るまでの経路である。一方、第２経路Ｐ₂は、偏光ビームスプリッタ１１よりミラー２１を経て偏光ビームスプリッタ１２へ到るまでの経路である。
【０００４】
偏光ビームスプリッタ１１より第１経路Ｐ₁へ出力された第１方位の偏光成分の光は、複屈折材料３０を通過することで、波長λに応じた割合で第２方位の偏光成分に変換され、ミラー２２により反射されて偏光ビームスプリッタ１２へ入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１１より第２経路Ｐ₂へ出力された第２方位の偏光成分の光は、ミラー２１により反射された後に複屈折材料３０を通過することで、波長λに応じた割合で第１方位の偏光成分に変換され、偏光ビームスプリッタ１２へ入射する。
【０００５】
そして、偏光ビームスプリッタ１２により、第１経路Ｐ₁より到達した第１方位の偏光成分と、第２経路Ｐ₂より到達した第２方位の偏光成分とが偏波合成され、この合成された光が第１出力ポート１ｂより出力される。また、偏光ビームスプリッタ１２により、第１経路Ｐ₁より到達した第２方位の偏光成分と、第２経路Ｐ₂より到達した第１方位の偏光成分とが偏波合成され、この合成された光が第２出力ポート１ｃより出力される。
【０００６】
図８は、光デバイス１の透過特性を示す図である。この図に示すように、光デバイス１の入力ポート１ａから第１出力ポート１ｂへの光の透過率の波長依存性Ｔ₁(λ)（図中で実線で示したもの）は周期的である。同様に、光デバイス１の入力ポート１ａから第２出力ポート１ｃへの光の透過率の波長依存性Ｔ₂(λ)（図中で破線で示したもの）も周期的である。また、透過率Ｔ₁(λ)が極大となる波長と、透過率Ｔ₂(λ)が極大となる波長とは、交互に存在する。すなわち、この光デバイス１は、多波長信号光を分波するインターリーバとして動作する。なお、透過率Ｔ₁(λ)（または透過率Ｔ₂(λ)）が極大となる波長のうち隣合う２つの波長の周波数間隔はＦＳＲ（Free Spectral Range）と呼ばれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような複屈折材料３０を含む光デバイス１の透過特性Ｔ(λ)（Ｔ₁(λ)またはＴ₂(λ)）は、
【数１】

なる式で表される。ここで、Ｌは複屈折材料３０のｚ軸方向の厚みであり、ｎ_eは複屈折材料３０の異常光線に対する屈折率であり、ｎ_oは複屈折材料３０の常光線に対する屈折率である。ｊは虚数である。
【０００８】
また、これらのパラメータＬ、ｎ_eおよびｎ_oそれぞれは温度に依存している。
基準温度に対して温度がΔＴだけ変化したときの各パラメータは、
【数２】

なる式で表される。ここで、Ｌ_iは基準温度における複屈折材料３０のｚ軸方向の厚みであり、ｋ_Lは複屈折材料３０の線膨張係数である。ｎ_eiは基準温度における複屈折材料３０の異常光線に対する屈折率であり、ｋ_eは複屈折材料３０の異常光線に対する屈折率の温度係数である。また、ｎ_oiは基準温度における複屈折材料３０の常光線に対する屈折率であり、ｋ_oは複屈折材料３０の常光線に対する屈折率の温度係数である。
【０００９】
したがって、複屈折材料３０の温度が変動すると、複屈折材料３０の屈折率ｎ_eおよびｎ_oならびに厚みＬそれぞれが変動するので、透過特性Ｔ(λ)も変動する。もし、この光デバイス１がインターリーバとして用いられるのであれば、温度変動に因り多波長信号光が正しく分波されず、この光デバイス１を含む光通信システムにおいては信号光の受信ができなくなる事態が生じる場合がある。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、温度変動が生じても安定した透過特性を有する光デバイスを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光デバイスは、複屈折材料を含み、この複屈折材料の透過特性を利用する光デバイスであって、温度変化に因り透過特性が変化する複屈折材料と、複屈折材料の温度変化に応じて複屈折材料の光路長を調整することで、複屈折材料の透過特性の変化を補償する光路長調整手段を備え、複屈折材料は、光軸に直交する所定方向に沿って光軸方向の厚みが変化している楔型部材を含み、光路長調整手段は、複屈折材料とは別体の部材として設けられ、温度変化に応じて膨張・収縮することで所定方向に複屈折材料の楔型部材を移動させる伸縮部材を含むことを特徴とする。この光デバイスでは、温度変化に因り、複屈折材料の膨張・収縮や屈折率変化が生じる一方で、複屈折材料の光路長が調整される。この光路長の調整により補償されることで、温度変化に因る透過特性の変化は小さくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
初めに、本願発明の基本的な事項について説明する。基準温度に対して温度がΔＴだけ変化したときの位相変化δ(ΔＴ)は、上記(2a)〜(2c)式を上記(1b)式に代入することで得られ、
【数３】

なる式で表される。この(3)式の最右辺の第１項は温度変化ΔＴに依存せず一定であるのに対して、第２項は温度変化ΔＴの寄与分を表している。しかし、温度変化ΔＴに応じて第１項の値を調整することで第２項の値の変化を相殺することができれば、温度変動が生じても光デバイスは安定した透過特性を有することができる。或いは、第１の複屈折材料と第２の複屈折材料とを組み合わせて、温度変化に因る第１および第２の複屈折材料それぞれの透過特性の変化が互いに相殺するようにすることができれば、温度変動が生じても光デバイスは安定した透過特性を有することができる。以下では、光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺について説明するが、光デバイスは例えば図７に示した構成を有している。
【００１６】
（第１実施形態）
次に、本発明に係る光デバイスの第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す図である。なお、この図に示されたｘｙｚ直交座標系において光はｚ軸方向に通過する。この図に示すように、本実施形態に係る光デバイスは、３つの複屈折材料１３１〜１３３（図７中の複屈折材料３０に相当）、伸縮部材１４１，１４２および固定部材１５１，１５２を含んでいる。
【００１７】
複屈折材料１３１〜１３３それぞれは、光軸上に順に配置されている。複屈折材料１３１〜１３３それぞれのＣ軸は、ｘｙ平面に平行であって、ｘ軸に対して４５度だけ傾斜している。これらは、例えば、方解石（ＣａＣＯ₃）、ルチル（ＴｉＯ₂）、ＹＶＯ₄、ＬｉＮｂＯ₃等からなる。
【００１８】
複屈折材料１３１の光入射面１３１ａ、複屈折材料１３２の光出射面１３２ｂ、ならびに、複屈折材料１３３の光入射面１３３ａおよび光出射面１３３ｂそれぞれは、ｘｙ平面に平行である。しかし、複屈折材料１３１の光出射面１３１ｂおよび複屈折材料１３２の光入射面１３２ａそれぞれは、互いに平行であって、ｘ軸方向に対して平行ではあるが、ｘｙ平面に対しては平行ではない。すなわち、複屈折材料１３１は、ｙ座標値が大きいほどｚ軸方向の厚みが小さくなっていて、ｙ軸方向に沿ってｚ軸方向の厚みが変化している楔型部材となっている。一方、複屈折材料１３２は、ｙ座標値が大きいほどｚ軸方向の厚みが大きくなっていて、ｙ軸方向に沿ってｚ軸方向の厚みが変化している楔型部材となっている。
【００１９】
伸縮部材１４１，１４２それぞれは、線膨張係数が比較的大きい材料からなり、例えばアルミニウム（線膨張係数２．３１×１０^-5／℃）等からなる。固定部材１５１，１５２それぞれは、伸縮部材１４１，１４２より小さい線膨張係数を有する材料からなり、例えばインバール（線膨張係数１．２０×１０^-6／℃）等からなる。固定部材１５１，１５２それぞれは光軸を挟んで対向して配置されており、固定部材１５１の配置位置のｙ座標値は、固定部材１５２の配置位置のｙ座標値より大きい。固定部材１５１，１５２それぞれは複屈折材料１３３を直接に挟んでいる。伸縮部材１４１は、ｙ軸方向に関して固定部材１５１と複屈折材料１３１との間に設けられ、固定部材１５１および複屈折材料１３１それぞれと固定されている。また、伸縮部材１４２は、ｙ軸方向に関して固定部材１５２と複屈折材料１３２との間に設けられ、固定部材１５２および複屈折材料１３２それぞれと固定されている。
【００２０】
このような構成の複屈折材料１３１〜１３３等を含む光デバイスでは、温度変化ΔＴに因り、複屈折材料１３１〜１３３それぞれが膨張・収縮し（上記(2a)式）、また、複屈折材料１３１〜１３３それぞれの屈折率ｎ_eおよびｎ_oの値が変動する（上記(2b)式，(2c)式）。さらに、温度変化ΔＴに因り、伸縮部材１４１，１４２それぞれが膨張・収縮し、複屈折材料１３１，１３２それぞれがｙ軸方向に移動して、光路長が変化する。例えば、温度変化ΔＴが正（温度上昇）であれば、伸縮部材１４１，１４２それぞれが膨張して、複屈折材料１３１が−ｙ方向に移動し、複屈折材料１３２が＋ｙ方向に移動するので、このことに因り、複屈折材料１３１，１３２それぞれの光軸上の厚みが小さくなり、光路長が短くなる。したがって、この光デバイスでは、温度変化に因り、上記(3)式の最右辺の第２項の値が変化するだけでなく、第１項の値も変化する。そして、上記(3)式の最右辺の第１項の値の変化が第２項の値の変化を相殺することにより、位相変化δ(ΔＴ)の絶対値が小さくなり、光デバイスは安定した透過特性を有することができる。
【００２１】
図２は、第１実施形態に係る光デバイスにおける複屈折材料１３１の光出射面１３１ｂの傾斜角度θと伸縮部材１４１，１４２それぞれの長さとの関係を示すグラフである。複屈折材料１３１の光出射面１３１ｂの傾斜角度θは、ｘｙ平面との間の角度であり、複屈折材料１３２の光入射面１３２ａの傾斜角度と等しい。伸縮部材１４１，１４２それぞれの材料はアルミニウムであるとし、伸縮部材１４１，１４２それぞれの長さ（ｙ軸方向の長さ）は互いに等しいとした。固定部材１５１，１５２それぞれの材料はインバールであるとした。この図は、複屈折材料１３１〜１３３の材料がＴｉＯ₂およびＹＶＯ₄それぞれである場合について、位相変化δ(ΔＴ)が０となるときの傾斜角度θと伸縮部材１４１，１４２それぞれの長さとの関係を示している。この図から判るように、傾斜角度θの値に応じて伸縮部材１４１，１４２それぞれの長さを適切に設定することで、位相変化δ(ΔＴ)の絶対値を小さくすることができ、安定した透過特性を有する光デバイスを実現することができる。
【００２２】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る光デバイスの第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す図である。なお、この図に示されたｘｙｚ直交座標系において光はｚ軸方向に通過する。この図に示すように、本実施形態に係る光デバイスは、３つの複屈折材料２３１〜２３３（図７中の複屈折材料３０に相当）、伸縮部材２４０および固定部材２５０を含んでいる。
【００２３】
複屈折材料２３１〜２３３それぞれは、光軸上に順に配置されている。複屈折材料２３１〜２３３それぞれのＣ軸は、ｘｙ平面に平行であって、ｘ軸に対して４５度だけ傾斜している。これらは、例えば、方解石（ＣａＣＯ₃）、ルチル（ＴｉＯ₂）、ＹＶＯ₄、ＬｉＮｂＯ₃等からなる。
【００２４】
複屈折材料２３１の光入射面２３１ａおよび複屈折材料２３３の光出射面２３３ｂそれぞれは、ｘｙ平面に平行である。しかし、複屈折材料２３１の光出射面２３１ｂおよび複屈折材料２３２の光入射面２３２ａそれぞれは、互いに平行であって、ｘ軸方向に対して平行ではあるが、ｘｙ平面に対しては平行ではない。
複屈折材料２３２の光出射面２３２ｂおよび複屈折材料２３３の光入射面２３３ａそれぞれは、互いに平行であって、ｘ軸方向に対して平行ではあるが、ｘｙ平面に対しては平行ではない。すなわち、複屈折材料２３１および２３３それぞれは、ｙ座標値が大きいほどｚ軸方向の厚みが小さくなっていて、ｙ軸方向に沿ってｚ軸方向の厚みが変化している楔型部材となっている。一方、複屈折材料２３２は、ｙ座標値が大きいほどｚ軸方向の厚みが大きくなっていて、ｙ軸方向に沿ってｚ軸方向の厚みが変化している楔型部材となっている。
【００２５】
伸縮部材２４０は、線膨張係数が比較的大きい材料からなり、例えばアルミニウム等からなる。固定部材２５０は、伸縮部材２４０より小さい線膨張係数を有する材料からなり、例えばインバール等からなる。複屈折材料２３１および２３３それぞれは固定部材２５０に直接に固定されている。伸縮部材２４０は、ｙ軸方向に関して固定部材２５０と複屈折材料２３２との間に設けられ、固定部材２５０および複屈折材料２３２それぞれと固定されている。
【００２６】
このような構成の複屈折材料２３１〜２３３等を含む光デバイスでは、温度変化ΔＴに因り、複屈折材料２３１〜２３３それぞれが膨張・収縮し（上記(2a)式）、また、複屈折材料２３１〜２３３それぞれの屈折率ｎ_eおよびｎ_oの値が変動する（上記(2b)式，(2c)式）。さらに、温度変化ΔＴに因り、伸縮部材２４０が膨張・収縮し、複屈折材料２３２がｙ軸方向に移動して、光路長が変化する。例えば、温度変化ΔＴが正（温度上昇）であれば、伸縮部材２４０が膨張して、複屈折材料２３２が＋ｙ方向に移動するので、このことに因り、複屈折材料２３２の光軸上の厚みが小さくなり、光路長が短くなる。したがって、この光デバイスでは、温度変化に因り、上記(3)式の最右辺の第２項の値が変化するだけでなく、第１項の値も変化する。そして、上記(3)式の最右辺の第１項の値の変化が第２項の値の変化を相殺することにより、位相変化δ(ΔＴ)の絶対値が小さくなり、光デバイスは安定した透過特性を有することができる。
【００２７】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る光デバイスの第３実施形態について説明する。図４は、第３実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す斜視図である。
図５は、第３実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す断面図である。図５の断面図は、光軸を含む面で切断したときのものである。なお、これらの図において光はｚ軸方向に通過する。この図に示すように、本実施形態に係る光デバイスは、複屈折材料３３０（図７中の複屈折材料３０に相当）、伸縮部材３４１，３４２および固定部材３５０を含んでいる。
【００２８】
伸縮部材３４１，３４２それぞれは、線膨張係数が比較的大きい材料からなり、例えばアルミニウム等からなる。固定部材３５０は、伸縮部材３４１，３４２より小さい線膨張係数を有する材料からなり、例えばインバール等からなる。伸縮部材３４１および３４２は、ｚ軸に対して垂直な方向に複屈折材料３３０を挟んでいる。固定部材３５０は、ｚ軸方向に貫通する孔を有しており、その貫通孔の中に複屈折材料３３０および伸縮部材３４１，３４２が挿入されている。
【００２９】
このような構成の複屈折材料３３０等を含む光デバイスでは、温度変化ΔＴに因り、複屈折材料３３０が膨張・収縮し（上記(2a)式）、また、複屈折材料３３０の屈折率ｎ_eおよびｎ_oの値が変動する（上記(2b)式，(2c)式）。さらに、温度変化ΔＴに因り、伸縮部材３４１，３４２それぞれが膨張・収縮し、複屈折材料３３０に対して加えられる応力が変化して、複屈折材料３３０の屈折率ｎ_e，ｎ_oそれぞれの値が変化する。したがって、この光デバイスでは、温度変化に因り、上記(3)式の最右辺の第２項の値が変化するだけでなく、第１項の値も変化する。そして、上記(3)式の最右辺の第１項の値の変化が第２項の値の変化を相殺することにより、位相変化δ(ΔＴ)の絶対値が小さくなり、光デバイスは安定した透過特性を有することができる。
【００３０】
（第４実施形態）
次に、本発明に係る光デバイスの第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す図である。なお、この図に示されたｘｙｚ直交座標系において光はｚ軸方向に通過する。この図に示すように、本実施形態に係る光デバイスは、２つの複屈折材料４３１，４３２（図７中の複屈折材料３０に相当）を含んでいる。
【００３１】
第１の複屈折材料４３１および第２の複屈折材料４３２それぞれは、互いに異なる材料からなり、光軸上に順に配置されている。複屈折材料４３１，４３２それぞれのＣ軸は、ｘｙ平面に平行であって、ｘ軸に対して４５度だけ傾斜しており、また、互いに直交している。これらは、例えば、方解石（ＣａＣＯ₃）、ルチル（ＴｉＯ₂）、ＹＶＯ₄、ＬｉＮｂＯ₃等からなる。
【００３２】
このような構成の複屈折材料４３１，４３２を含む光デバイスでは、温度変化ΔＴに因り、複屈折材料４３１，４３２それぞれは、膨張・収縮し（上記(2a)式）、また、屈折率ｎ_eおよびｎ_oの値が変動して、（上記(2b)式，(2c)式）、位相変化δ(ΔＴ)が変動する（上記(3)式）。しかし、本実施形態では、温度変化ΔＴに因る第１の複屈折材料４３１の位相変化δ₁(ΔＴ)と、温度変化ΔＴに因る第２の複屈折材料４３２の位相変化δ₂(ΔＴ)とが、互いに相殺するように構成されている。したがって、全体の位相変化（δ₁(ΔＴ)＋δ₂(ΔＴ)）の絶対値が小さくなり、光デバイスは安定した透過特性を有することができる。
【００３３】
次に、第４実施形態の光デバイスの具体的な実施例について説明する。この実施例では、第１の複屈折材料４３１として方解石を用い、第２の複屈折材料４３２としてルチルを用いる。方解石は、ｎ_oi＝１．６３４５７、ｎ_ei＝１．４７７４４、ｋ_o＝２．１０×１０^-6、ｋ_e＝１．１８×１０^-5、ｋ_L＝５．５４×１０^-6 である。一方、ルチルは、ｎ_oi＝２．４５３１８、ｎ_ei＝２．７０９３０、ｋ_o＝−５．９５×１０^-5、ｋ_e＝−８．３８×１０^-5、ｋ_L＝７．１４×１０^-6 である。これらの値に基づいて、上記(3)式の最右辺の第２項の中に現れる因子［(ｋ_e−ｋ_o)＋ｋ_L・(ｎ_ei−ｎ_oi)］の値を求めると、方解石の場合には＋８．８２９×１０^-6であり、ルチルの場合には−２．２４７×１０^-5であって、両者の符号が異なる。
【００３４】
方解石の光軸方向の厚みをＬ₁とし、ルチルの光軸方向の厚みをＬ₂とすると、
【数４】

なる関係式が成り立てば、全体の位相変化が０となり、光デバイスは安定した透過特性を有することができる。この(4)式より、方解石の厚みＬ₁とルチルの厚みＬ₂との比は、
【数５】

なる式で表される。すなわち、ルチルの厚みＬ₂を方解石の厚みＬ₁の０．３９２９倍に設定すれば、全体の位相変化が０となり、光デバイスは安定した透過特性を有することができる。このとき、常光線および異常光線それぞれの光路長の差は、上記の各パラメータの値を用いると、０．０５６５０・Ｌ₁ である。また、ＦＳＲ＝１００ＧＨｚとすると、方解石の厚みＬ₁は５３．１ｍｍとなり、ルチルの厚みＬ₂は２０．９ｍｍとなる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光デバイスは、複屈折材料の温度変化に応じて複屈折材料の光路長を調整することで、その温度変化に因る透過特性の変化を補償する光路長調整手段を備えている。したがって、この光デバイスでは、温度変化に因り、複屈折材料の膨張・収縮や屈折率変化が生じる一方で、複屈折材料の光路長が調整される。この光路長の調整により補償されることで、温度変化に因る透過特性の変化は小さくなる。
【００３６】
また、他の本発明に係る光デバイスは、複屈折材料の温度変化に応じて複屈折材料の応力を調整することで、その温度変化に因る透過特性の変化を補償する応力調整手段を備えている。したがって、この光デバイスでは、温度変化に因り、複屈折材料の膨張・収縮や屈折率変化が生じる一方で、複屈折材料の応力が調整される。この応力の調整により補償されることで、温度変化に因る透過特性の変化は小さくなる。
【００３７】
さらに他の本発明に係る光デバイスは、第１の複屈折材料および第２の複屈折材料を含み、これらの複屈折材料の透過特性を利用する光デバイスであって、温度変化に因る第１の複屈折材料の透過特性の変化と、その温度変化に因る第２の複屈折材料の透過特性の変化とが、互いに相殺するものである。したがって、この光デバイスでは、第１および第２の複屈折材料それぞれの透過特性の変化が互いに相殺するので、温度変化に因る全体の透過特性の変化は小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る光デバイスにおける複屈折材料１３１の光出射面１３１ｂの傾斜角度θと伸縮部材１４１，１４２それぞれの長さとの関係を示すグラフである。
【図３】第２実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す図である。
【図４】第３実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す斜視図である。
【図５】第３実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す断面図である。
【図６】第６実施形態に係る光デバイスに含まれる複屈折材料の周辺を示す断面図である。
【図７】複屈折材料の透過特性を利用する光デバイス１の構成図である。
【図８】光デバイス１の透過特性を示す図である。
【符号の説明】
１…光デバイス、１１，１２…偏光ビームスプリッタ、２１，２２…ミラー、３０…複屈折材料、１３１〜１３３…複屈折材料、１４１，１４２…伸縮部材、１５１，１５２…固定部材、２３１〜２３３…複屈折材料、２４０…伸縮部材、２５０…固定部材、３３０…複屈折材料、３４１，３４２…伸縮部材、３５０…固定部材、４３１…第１の複屈折材料、４３２…第２の複屈折材料。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical device that utilizes the transmission characteristics of a birefringent material.
[0002]
[Prior art]
An example of an optical device that utilizes the transmission characteristics of a birefringent material is the one shown in FIG. The optical device 1 shown in this figure includes

polarization beam splitters

11 and 12,

mirrors

21 and 22, and a birefringent material 30. In the xyz orthogonal coordinate system shown in this figure, light passes through the birefringent material 30 in the z-axis direction. The C axis of the birefringent material 30 is parallel to the xy plane and is inclined by 45 degrees with respect to the x axis.
[0003]
The light input from the input port 1a is separated into polarization components in the first azimuth (x-axis direction) and the second azimuth (y-axis direction) by the polarization beam splitter 11, and the polarization component in the first azimuth is the first. Output to the path P _1, and the polarization component in the second direction is output to the second path P ₂ . The first path P ₁ is a path from the polarizing beam splitter 11 to the polarizing beam splitter 12 via the mirror 22. On the other hand, the second path P ₂ is a path from the polarization beam splitter 11 to the polarization beam splitter 12 via the mirror 21.
[0004]
The light having the first azimuth polarization component output from the polarization beam splitter 11 to the first path P ₁ is converted into the second azimuth polarization component at a rate corresponding to the wavelength λ by passing through the birefringent material 30. The light is reflected by the mirror 22 and enters the polarization beam splitter 12. On the other hand, the light of the polarization component of the second azimuth output from the polarization beam splitter 11 to the second path P ₂ is reflected by the mirror 21 and then passes through the birefringent material 30, so that the ratio of the light depends on the wavelength λ. It is converted into a polarized light component in the first direction and enters the polarizing beam splitter 12.
[0005]
Then, the polarization beam splitter 12 synthesizes the polarization of the polarization component in the first azimuth that has arrived from the first path P ₁ and the polarization component in the second azimuth that has arrived from the second path P ₂ , and the synthesized light. Is output from the first output port 1b. Further, the polarization beam splitter 12 performs polarization synthesis of the polarization component in the second direction that has arrived from the first path P ₁ and the polarization component in the first direction that has arrived from the second path P ₂ , and the synthesized light. Is output from the second output port 1c.
[0006]
FIG. 8 is a diagram showing the transmission characteristics of the optical device 1. As shown in this figure, the wavelength dependency T ₁ (λ) of light transmittance from the input port 1a to the first output port 1b of the optical device 1 (shown by a solid line in the figure) is periodic. . Similarly, the wavelength dependence T ₂ (λ) of the light transmittance from the input port 1a to the second output port 1c of the optical device 1 (shown by a broken line in the figure) is also periodic. Further, the wavelength at which the transmittance T ₁ (λ) is maximized and the wavelength at which the transmittance T ₂ (λ) is maximized alternately exist. That is, the optical device 1 operates as an interleaver that demultiplexes multi-wavelength signal light. Note that the frequency interval between two adjacent wavelengths among the wavelengths where the transmittance T ₁ (λ) (or the transmittance T ₂ (λ)) is maximized is called FSR (Free Spectral Range).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The transmission characteristic T (λ) (T ₁ (λ) or T ₂ (λ)) of the optical device 1 including the birefringent material 30 as described above is
[Expression 1]

It is expressed by the formula Here, L is the z-axis direction of the thickness of the birefringent material 30, n _e is the refractive index for extraordinary ray of the birefringence material 30, n _o is the refractive index for ordinary ray of the birefringent material 30. j is an imaginary number.
[0008]
These parameters L, respectively n _e and n _o is dependent on the temperature.
Each parameter when the temperature changes by ΔT with respect to the reference temperature is
[Expression 2]

It is expressed by the formula Here, L _i is the thickness of the birefringent material 30 in the z-axis direction at the reference temperature, and k _L is the linear expansion coefficient of the birefringent material 30. n _ei is the refractive index of the birefringent material 30 for extraordinary rays at the reference temperature, and k _e is the temperature coefficient of the refractive index of the birefringent material 30 for extraordinary rays. N _oi is the refractive index of the birefringent material 30 with respect to ordinary light at the reference temperature, and k _o is the temperature coefficient of the refractive index of the birefringent material 30 with respect to ordinary light.
[0009]
Therefore, when varying the temperature of the birefringent material 30, since each index n _e and n _o and the thickness L of the birefringent material 30 is varied, the transmission characteristic T (lambda) also varies. If this optical device 1 is used as an interleaver, multi-wavelength signal light is not correctly demultiplexed due to temperature fluctuations, and signal light cannot be received in an optical communication system including this optical device 1. May occur.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical device having stable transmission characteristics even when temperature fluctuation occurs.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
An optical device according to the present invention is an optical device that includes a birefringent material and uses the transmission characteristics of the birefringent material, the birefringent material changing the transmission characteristics due to a temperature change, and the temperature change of the birefringent material By adjusting the optical path length of the birefringent material in accordance with the optical path length adjusting means for compensating for the change in the transmission characteristics of the birefringent material , the birefringent material has an optical axis along a predetermined direction orthogonal to the optical axis. includes a wedge-shaped member in which the direction of thickness is changing the optical path length adjusting means, the birefringent material is provided as a separate member, the birefringent material in a predetermined direction by expansion and contraction in response to temperature change An elastic member for moving the wedge-shaped member is included . In this optical device, expansion and contraction of the birefringent material and a change in refractive index occur due to temperature change, while the optical path length of the birefringent material is adjusted. Compensation by adjustment of the optical path length reduces the change in transmission characteristics due to temperature change.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0015]
First, basic matters of the present invention will be described. The phase change δ (ΔT) when the temperature changes by ΔT with respect to the reference temperature is obtained by substituting the above equations (2a) to (2c) into the above equation (1b),
[Equation 3]

It is expressed by the formula The first term on the rightmost side of the equation (3) is constant without depending on the temperature change ΔT, whereas the second term represents the contribution of the temperature change ΔT. However, if the change in the value of the second term can be offset by adjusting the value of the first term in accordance with the temperature change ΔT, the optical device can have stable transmission characteristics even if the temperature fluctuates. . Alternatively, if the first birefringent material and the second birefringent material can be combined so that changes in the transmission characteristics of the first and second birefringent materials due to temperature changes cancel each other. Even if the temperature fluctuates, the optical device can have stable transmission characteristics. Hereinafter, the periphery of the birefringent material included in the optical device will be described. The optical device has, for example, the configuration shown in FIG.
[0016]
(First embodiment)
Next, a first embodiment of the optical device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a view showing the periphery of a birefringent material included in the optical device according to the first embodiment. In the xyz orthogonal coordinate system shown in this figure, light passes in the z-axis direction. As shown in this figure, the optical device according to this embodiment includes three birefringent materials 131 to 133 (corresponding to the birefringent material 30 in FIG. 7),

elastic members

141 and 142, and fixing

members

151 and 152. It is out.
[0017]
Each of the birefringent materials 131 to 133 is sequentially arranged on the optical axis. The C-axis of each of the birefringent materials 131 to 133 is parallel to the xy plane and is inclined by 45 degrees with respect to the x-axis. These include, for example, calcite (CaCO ₃ ), rutile (TiO ₂ ), YVO ₄ , LiNbO _{3 and the} like.
[0018]
The light incident surface 131a of the birefringent material 131, the light emitting surface 132b of the birefringent material 132, and the light incident surface 133a and the light emitting surface 133b of the birefringent material 133 are parallel to the xy plane. However, the light exit surface 131b of the birefringent material 131 and the light incident surface 132a of the birefringent material 132 are parallel to each other and parallel to the x-axis direction, but not parallel to the xy plane. . That is, the birefringent material 131 is a wedge-shaped member in which the thickness in the z-axis direction is smaller as the y coordinate value is larger, and the thickness in the z-axis direction is changing along the y-axis direction. On the other hand, the birefringent material 132 is a wedge-shaped member in which the thickness in the z-axis direction increases as the y-coordinate value increases, and the thickness in the z-axis direction varies along the y-axis direction.
[0019]
Each of the

elastic members

141 and 142 is made of a material having a relatively large linear expansion coefficient, for example, aluminum (linear expansion coefficient 2.31 × 10 ⁻⁵ / ° C.) or the like. Each of the fixing

members

151 and 152 is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than the

elastic members

141 and 142, and is made of, for example, invar (linear expansion coefficient 1.20 × 10 ⁻⁶ / ° C.). The fixing

members

151 and 152 are arranged to face each other across the optical axis, and the y coordinate value of the arrangement position of the fixing member 151 is larger than the y coordinate value of the arrangement position of the fixing member 152. Each of the fixing

members

151 and 152 directly sandwiches the birefringent material 133. The elastic member 141 is provided between the fixing member 151 and the birefringent material 131 in the y-axis direction, and is fixed to the fixing member 151 and the birefringent material 131, respectively. The elastic member 142 is provided between the fixed member 152 and the birefringent material 132 in the y-axis direction, and is fixed to the fixed member 152 and the birefringent material 132, respectively.
[0020]
In the optical device including the birefringent materials 131 to 133 having such a configuration, each of the birefringent materials 131 to 133 expands and contracts due to the temperature change ΔT (the above formula (2a)). to 133 values of the respective refractive indices n _e and n _o varies (above (2b) formula, (2c) expression). Furthermore, due to the temperature change ΔT, the

elastic members

141 and 142 expand and contract, the

birefringent materials

131 and 132 move in the y-axis direction, and the optical path length changes. For example, if the temperature change ΔT is positive (temperature rise), each of the

elastic members

141 and 142 expands, the birefringent material 131 moves in the −y direction, and the birefringent material 132 moves in the + y direction. Due to this, the thickness on the optical axis of each of the

birefringent materials

131 and 132 is reduced, and the optical path length is shortened. Therefore, in this optical device, not only the value of the second term on the rightmost side of the above equation (3) changes but also the value of the first term changes due to the temperature change. Then, the change in the value of the first term on the rightmost side of the above equation (3) cancels the change in the value of the second term, so that the absolute value of the phase change δ (ΔT) is reduced and the optical device is stabilized. It can have transmission characteristics.
[0021]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the inclination angle θ of the light exit surface 131b of the birefringent material 131 and the lengths of the

elastic members

141 and 142 in the optical device according to the first embodiment. The inclination angle θ of the light exit surface 131b of the birefringent material 131 is an angle with respect to the xy plane, and is equal to the inclination angle of the light incident surface 132a of the birefringent material 132. The materials of the

elastic members

141 and 142 are aluminum, and the lengths (lengths in the y-axis direction) of the

elastic members

141 and 142 are equal to each other. The material of each of the fixing

members

151 and 152 is invar. This figure shows that when the materials of the birefringent materials 131 to 133 are TiO ₂ and YVO ₄ , the inclination angle θ when the phase change δ (ΔT) is 0 and the lengths of the

elastic members

141 and 142, respectively. Showing the relationship. As can be seen from this figure, the absolute value of the phase change δ (ΔT) can be reduced by appropriately setting the length of each of the

elastic members

141 and 142 in accordance with the value of the inclination angle θ, and stable. An optical device having transmission characteristics can be realized.
[0022]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the optical device according to the present invention will be described. FIG. 3 is a view showing the periphery of a birefringent material included in the optical device according to the second embodiment. In the xyz orthogonal coordinate system shown in this figure, light passes in the z-axis direction. As shown in this figure, the optical device according to the present embodiment includes three birefringent materials 231 to 233 (corresponding to the birefringent material 30 in FIG. 7), an elastic member 240 and a fixing member 250.
[0023]
Each of the birefringent materials 231 to 233 is sequentially arranged on the optical axis. The C axis of each of the birefringent materials 231 to 233 is parallel to the xy plane and is inclined by 45 degrees with respect to the x axis. These include, for example, calcite (CaCO ₃ ), rutile (TiO ₂ ), YVO ₄ , LiNbO _{3 and the} like.
[0024]
Each of the light incident surface 231a of the birefringent material 231 and the light emitting surface 233b of the birefringent material 233 is parallel to the xy plane. However, the light exit surface 231b of the birefringent material 231 and the light incident surface 232a of the birefringent material 232 are parallel to each other and parallel to the x-axis direction, but not parallel to the xy plane. .
The light exit surface 232b of the birefringent material 232 and the light incident surface 233a of the birefringent material 233 are parallel to each other and parallel to the x-axis direction, but not parallel to the xy plane. That is, each of the

birefringent materials

231 and 233 is a wedge-shaped member in which the thickness in the z-axis direction is reduced as the y-coordinate value is increased, and the thickness in the z-axis direction is changed along the y-axis direction. Yes. On the other hand, the birefringent material 232 is a wedge-shaped member in which the thickness in the z-axis direction increases as the y-coordinate value increases, and the thickness in the z-axis direction varies along the y-axis direction.
[0025]
The expansion / contraction member 240 is made of a material having a relatively large linear expansion coefficient, for example, aluminum. The fixing member 250 is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than the elastic member 240, and is made of, for example, Invar. Each of the

birefringent materials

231 and 233 is directly fixed to the fixing member 250. The elastic member 240 is provided between the fixing member 250 and the birefringent material 232 in the y-axis direction, and is fixed to the fixing member 250 and the birefringent material 232, respectively.
[0026]
In an optical device including the birefringent materials 231 to 233 having such a configuration, each of the birefringent materials 231 to 233 expands and contracts due to the temperature change ΔT (the above formula (2a)). ～233 value of respective refractive index n _e and n _o varies (above (2b) formula, (2c) expression). Furthermore, due to the temperature change ΔT, the elastic member 240 expands and contracts, the birefringent material 232 moves in the y-axis direction, and the optical path length changes. For example, if the temperature change ΔT is positive (temperature rise), the elastic member 240 expands and the birefringent material 232 moves in the + y direction, which causes the thickness of the birefringent material 232 on the optical axis. Becomes smaller and the optical path length becomes shorter. Therefore, in this optical device, not only the value of the second term on the rightmost side of the above equation (3) changes but also the value of the first term changes due to the temperature change. Then, the change in the value of the first term on the rightmost side of the above equation (3) cancels the change in the value of the second term, so that the absolute value of the phase change δ (ΔT) is reduced and the optical device is stabilized. It can have transmission characteristics.
[0027]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the optical device according to the present invention will be described. FIG. 4 is a perspective view showing the periphery of the birefringent material included in the optical device according to the third embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the periphery of the birefringent material included in the optical device according to the third embodiment. The cross-sectional view of FIG. 5 is taken along a plane including the optical axis. In these figures, light passes in the z-axis direction. As shown in this figure, the optical device according to this embodiment includes a birefringent material 330 (corresponding to the birefringent material 30 in FIG. 7),

elastic members

341 and 342, and a fixing member 350.
[0028]
Each of the

elastic members

341 and 342 is made of a material having a relatively large linear expansion coefficient, for example, aluminum. The fixing member 350 is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than the

elastic members

341 and 342, and is made of, for example, Invar. The

elastic members

341 and 342 sandwich the birefringent material 330 in a direction perpendicular to the z-axis. The fixing member 350 has a hole penetrating in the z-axis direction, and the birefringent material 330 and the

elastic members

341 and 342 are inserted into the through hole.
[0029]
In this configuration an optical device comprising a birefringent material 330 or the like, due to the temperature change [Delta] T, the birefringent material 330 expands or contracts (the expression (2a)), The refractive index n _e of the birefringent material 330 And the value of n _o fluctuates (the above formulas (2b) and (2c)). Furthermore, due to the temperature change [Delta] T, and

elastic members

341 and 342 respectively expands and contracts, and change the stresses exerted on the birefringent material 330, the refractive index n _e, n _o each value of the birefringent material 330 Changes. Therefore, in this optical device, due to the temperature change, not only the value of the second term on the rightmost side of the above equation (3) changes but also the value of the first term changes. Then, the change in the value of the first term on the rightmost side of the above equation (3) cancels the change in the value of the second term, so that the absolute value of the phase change δ (ΔT) is reduced and the optical device is stabilized. It can have transmission characteristics.
[0030]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the optical device according to the invention will be described. FIG. 6 is a view showing the periphery of the birefringent material included in the optical device according to the fourth embodiment. In the xyz orthogonal coordinate system shown in this figure, light passes in the z-axis direction. As shown in this figure, the optical device according to this embodiment includes two birefringent materials 431 and 432 (corresponding to the birefringent material 30 in FIG. 7).
[0031]
Each of the first birefringent material 431 and the second birefringent material 432 is made of a material different from each other, and is sequentially arranged on the optical axis. The C-axis of each of the

birefringent materials

431 and 432 is parallel to the xy plane, is inclined by 45 degrees with respect to the x-axis, and is orthogonal to each other. These include, for example, calcite (CaCO ₃ ), rutile (TiO ₂ ), YVO ₄ , LiNbO _{3 and the} like.
[0032]
In the optical device including the

birefringent material

431 and 432 having such a configuration, each of the

birefringent materials

431 and 432 expands and contracts due to the temperature change ΔT (the above formula (2a)), and the refractive index _ne. and the value of n _o varies, (the (2b) formula, (2c) expression), a phase change [delta] ([Delta] T) is varied (equation (3) above). However, in the present embodiment, the phase change δ ₁ (ΔT) of the first birefringent material 431 due to the temperature change ΔT and the phase change δ ₂ (ΔT of the second birefringent material 432 due to the temperature change ΔT. ) Are configured to cancel each other. Therefore, the absolute value of the overall phase change (δ ₁ (ΔT) + δ ₂ (ΔT)) is reduced, and the optical device can have stable transmission characteristics.
[0033]
Next, specific examples of the optical device according to the fourth embodiment will be described. In this embodiment, calcite is used as the first birefringent material 431 and rutile is used as the second birefringent material 432. The calcite is n _oi = 1.63457, n _ei = 1.47744, k _o = 2.10 × 10 ^-6 , k _e = 1.18 × 10 ^-5 , k _L = 5.54 × 10 ^-6 is there. On the other hand, rutile has n _oi = 2.445318, n _ei = 2.70930, k _o = −5.95 × 10 ⁻⁵ , k _e = −8.38 × 10 ⁻⁵ , k _L = 7.14 ×. 10 ⁻⁶ . Based on these values, the determined value of the (3) factors appearing in the second term of the rightmost side of equation _{_{[(k e -k o) +}} k L · (n ei -n oi)], calcite In this case, it is + 8.829 × 10 ⁻⁶ , and in the case of rutile, it is −2.247 × 10 ⁻⁵ .
[0034]
When the thickness of the calcite in the optical axis direction is L ₁ and the thickness of the rutile in the optical axis direction is L ₂ ,
[Expression 4]

If the following relational expression holds, the entire phase change becomes 0, and the optical device can have stable transmission characteristics. From this equation (4), the ratio of the calcite thickness L ₁ to the rutile thickness L ₂ is
[Equation 5]

It is expressed by the formula That is, if the rutile thickness L ₂ is set to 0.3929 times the calcite thickness L ₁ , the overall phase change becomes 0, and the optical device can have stable transmission characteristics. At this time, the difference in optical path length between the ordinary ray and the extraordinary ray is 0.05650 · L ₁ when the values of the above parameters are used. When FSR = 100 GHz, the calcite thickness L ₁ is 53.1 mm, and the rutile thickness L ₂ is 20.9 mm.
[0035]
【The invention's effect】
As described above in detail, the optical device according to the present invention compensates for the change in the transmission characteristics due to the temperature change by adjusting the optical path length of the birefringent material according to the temperature change of the birefringent material. Optical path length adjusting means is provided. Therefore, in this optical device, the optical path length of the birefringent material is adjusted while the expansion / contraction of the birefringent material and the refractive index change occur due to the temperature change. Compensation by adjustment of the optical path length reduces the change in transmission characteristics due to temperature change.
[0036]
In addition, another optical device according to the present invention includes a stress adjusting unit that adjusts the stress of the birefringent material according to the temperature change of the birefringent material, thereby compensating for the change in transmission characteristics due to the temperature change. ing. Therefore, in this optical device, the stress of the birefringent material is adjusted while expansion and contraction of the birefringent material and a change in refractive index occur due to the temperature change. By compensating for this stress adjustment, the change in the transmission characteristics due to the temperature change is reduced.
[0037]
Still another optical device according to the present invention is an optical device that includes a first birefringent material and a second birefringent material, and that utilizes the transmission characteristics of these birefringent materials, and is based on a temperature change. The change in the transmission characteristics of the first birefringent material and the change in the transmission characteristics of the second birefringent material due to the temperature change cancel each other. Therefore, in this optical device, the changes in the transmission characteristics of the first and second birefringent materials cancel each other, so that the change in the overall transmission characteristics due to the temperature change becomes small.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing the periphery of a birefringent material included in an optical device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the inclination angle θ of the light exit surface 131b of the birefringent material 131 and the lengths of the

elastic members

141 and 142 in the optical device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a view showing the periphery of a birefringent material included in an optical device according to a second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing the periphery of a birefringent material included in an optical device according to a third embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the periphery of a birefringent material included in an optical device according to a third embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the periphery of a birefringent material included in an optical device according to a sixth embodiment.
FIG. 7 is a configuration diagram of an optical device 1 that utilizes the transmission characteristics of a birefringent material.
FIG. 8 is a diagram showing the transmission characteristics of the optical device 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical device, 11, 12 ... Polarizing beam splitter, 21, 22 ... Mirror, 30 ... Birefringent material, 131-133 ... Birefringent material, 141, 142 ... Elastic member, 151, 152 ... Fixed member, 231-233 ... birefringent material, 240 ... elastic member, 250 ... fixed member, 330 ... birefringent material, 341, 342 ... elastic member, 350 ... fixed member, 431 ... first birefringent material, 432 ... second birefringent material .

Claims

An optical device comprising a birefringent material and utilizing the transmission characteristics of the birefringent material,
Said birefringent material the transmission characteristics due to the temperature change varies,
By adjusting the optical path length of the birefringent material according to the temperature change of the birefringent material, the optical path length adjusting means for compensating for the change in the transmission characteristics of the birefringent material,
The birefringent material includes a wedge-shaped member whose thickness in the optical axis direction changes along a predetermined direction orthogonal to the optical axis,
The optical path length adjusting means, wherein the birefringent material is provided as a separate member, elastic member for moving the wedge member of the birefringent material in the predetermined direction by expansion and contraction in response to temperature change including,
An optical device characterized by that.