JP4715872B2 - 遅延干渉計 - Google Patents

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Description

本発明は、遅延干渉計の温度補償に関するものであり、ＤＱＰＳＫ変調またはＤＰＳＫ変調された光信号を安定且つ正確に復調するための遅延干渉計の透過中心波長変動の温度依存性を抑制した遅延干渉計の提供を目的とする。
マイケルソン型遅延干渉計等の空間光学系の光路長を微小調整する光学位相調整板により、透過中心波長変動の温度依存性を抑制する技術は周知であり、例えば特許文献１に詳細な技術開示がある。
図４は、マイケルソン型遅延干渉計に適用された光学位相調整板の動作を説明する機能ブロック図である。マイケルソン型遅延干渉計５００は、ビームスプリッタ５０１及び平面ミラー５０２，５０３を備える。
ビームスプリッタ５０１は、ガラス基板５０１ａ上に誘電体多層膜５０１ｂを形成してなる平板上の部材であり、所定の角度（４５°）で入射する入射光Ｌ５００を反射すると共に、透過させて所定の強度比（１：１）を有する分岐光Ｌ５０１，Ｌ５０２に分岐する。
このビームスプリッタ５０１は、平面ミラー５０２，５０３の夫々で反射された前記分岐光Ｌ５０１，Ｌ５０２を合波して干渉させると共に、干渉により得られた干渉光を所定の強度比（１：１）で分岐する。
このような構成において、分岐光Ｌ５０２の光路長よりも分岐光Ｌ５０１の光路長が所定長だけ長くなるように平面ミラー５０２，５０３の位置決めされている。このため、分岐光Ｌ５０１は分岐光５０２に対して所定時間だけ遅延する。
その後これら分岐光がビームスプリッタ５０１で合波されて干渉されることにより、分岐光Ｌ５０２と所定時間遅延した分岐光Ｌ５０２との位相比較が行われ、その比較結果に応じた強度を有する干渉光が出力光Ｌ５０３，Ｌ５０４として出力される。
光学位相調整板は、温度変動による遅延時間変動を補償する目的等で、ビームスプリッタ５０１と平面ミラー５０２の間に挿入され、分岐光Ｌ５０１の光路長さ、即ち遅延時間を微調整して空間光学系の光路の位相調整を実行する。
光学位相調整板の具体的な構成は、熱光学効果で屈折率を変えることのできるSi等の光学基板６００上に加熱手段としてチップヒータ７００を貼り付けた形態を備える。位相調整手段８００からの制御電流Ｉによりチップヒータ７００を過熱させ、光学基板６００の熱応答により透過する分岐光Ｌ５０１の光路長を調整する。
図５は、光学位相調整板を備えるマイケルソン型遅延干渉計の従来構成を示す平面図である。熱膨張係数の小さいコバール等のパッケージ１内に、ビームスプリッタ２、第１リフレクタ３、第２リフレクタ４、入力ポート５、第１出力ポート６、第２出力ポート７が実装されている。
ビームスプリッタ２と第１リフレクタ３間の距離をＬ１、ビームスプリッタ２と第２リフレクタ３間の距離をＬ２で示す。この距離の差により干渉を発生させる。この実施形態では、光学位相調整板８は、ビームスプリッタ２と第２リフレクタ４間に挿入されてこの光路長を温度により制御し、コバール等によるパッケージ１の温度膨張による光路変動を補償している。光学位相調整板８は、ビームスプリッタ２と第１リフレクタ３間に挿入することもできる。
このように、従来の温度補償の原理は、金属パッケージの熱膨張による光路長変動を、ビームスプリッタ２と第１リフレクタ３との間、若しくはビームスプリッタ２と第２リフレクタ４との間の少なくとも一方に、屈折率温度依存性を有する熱光学効果媒質からなる光学位相調整板８による補償材を配置して温度無依存化を実現している。
図６は、光学位相調整板による温度補正の理想概念を説明する特性図である。点線で示す金属パッケージの温度特性Ｆ１に対して、逆の温度特性Ｆ２を持つ補償材により光路長を調整することで、温度無依存化の特性Ｆ３を実現しようとするものである。
即ち、Ｌ１側の伸びを、Ｌ２側の伸びと光学位相調整板８の屈折率温度依存性で補償する。光学位相調整板８の材質として高屈折率媒質にSi単結晶を使用する場合の補償の論理的な解析は、特許文献１及び特許文献２に詳細な技術開示がある。
特許公開２００７−１５１０２６ 特許公開２００７−３０６３７１
従来手法による温度補償では、次のような問題がある。
（１）従来手法では、例えば、パッケージ材質のコバール（線膨張係数6×10-6/K）に対して、Si（屈折率温度依存係数10-4）による光学位相調整板を補償材として使用する。熱膨張や屈折率の温度依存性には、容易には計測できない高次成分が含まれているため、設計では、熱膨張や屈折率の温度依存性は１次関数的なパラメータと仮定して温度補償設計を行う。
図７は、この仮定に基づいて設計した補正後の現実の温度特性図である。現実には、図７（Ａ），図７（Ｂ）のような２次関数カーブとなり、0〜70℃で50pm程度の波長変動が発生する。
（２）パッケージに応力が加わると、これに固定されている光学部品に応力が伝わり、透過波長変動が起ってしまう問題がある。遅延干渉計は、単体で使用されることはなく、例えば光通信の送受信モジュールの中に組み込まれる。
送受信モジュールの基板に遅延干渉計を固定すると、締め付け固定による力、また温度変化による熱膨張・収縮が、遅延干渉計の金属パッケージに伝わり、透過波長変動が起こる。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、パッケージの温度変動による光学部品への影響を抑制し、光学位相調整板による補償効果を更に向上させることを可能とする遅延干渉計の実現を目的としている。
（１）光信号を分岐するビームスプリッタと、分岐した前記光信号を反射するリフレクタと、分岐した前記光信号の光路に挿入され、光路差について温度補償する光学位相調整板よりなる光学部品を有するマイケルソン型遅延干渉計ユニットを、コバール材のパッケージに実装した遅延干渉計において、
前記光学部品を接着して搭載した、0〜85℃で0.2X10-6/K以下の熱膨張係数を備えるガラス基板と、
このガラス基板に搭載された光学部品よりなる遅延干渉計ユニットと前記パッケージの底部との間に介在する弾性部材と、
を備え、
前記光学位相調整板は、前記分岐した光信号の光路の夫々に挿入されると共に、光軸方向の厚さが異なり、この厚さの差分に基づいて温度補償を実行し、
前記弾性部材は、前記ビームスプリッタ位置において、前記ガラス基板と前記パッケージの底部間、または前記ビームスプリッタと前記パッケージの底部間に介在することを特徴とする遅延干渉計。
本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）光学部品を接着して搭載したガラス基板を、ビームスプリッタ位置で弾性部材を介してパッケージに固定する構成により、パッケージの温度変動、応力の光学部品への影響を最小に抑制することができる。
（２）このような構成により、-5〜70℃の温度範囲において、従来構成では透過中心波長変動40〜60pm程度あったものが、10pm以下に低減する効果を得ることが可能となる。
（３）加工が難しい薄い光学位相調整板を必要とする場合、分岐した光信号の光路の夫々に挿入されている光学位相調整板の光軸方向の厚さを異ならせておくことで、この厚さの差分に基づいて温度補償を実行できる。これにより、薄い光学位相調整板を等価的に実現することが可能であり、コストダウンに貢献できる。
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した遅延干渉計の一実施形態を示す平面図、図２はその側面図である。図５で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
本発明の構成上の特徴の第１は、ビームスプリッタ、リフレクタ、光学位相調整板等の光学部品を、低熱膨張ガラス基板１００上に接着固定する。本発明に採用可能な低熱膨張ガラス材としては、SCHOTT社のZERODUR（登録商標）、若しくは、それに類する熱膨張率が極めて低いガラス（熱膨張係数は0.2×10-6/K以下が望ましい）を用いることができる。
本発明の構成上の特徴の第２は、図２に示すように光学部品を実装した低熱膨張ガラス基板１００を、弾性部材２００を介して、パッケージ底部に形成された支持部材９に固定する。
弾性部材２００によるパッケージ１への固定位置は、ビームスプリッタ２の低熱膨張ガラス基板１００への固定位置とすることで、パッケージ１に加わる外部の応力による透過波長変動を最小に抑制する。
本発明の構成上の特徴の第２は、同一材質（例えばSi）の光学位相調整板８１及び８２を、光路Ｌ１側及びＬ２側の双方に挿入し、光学位相調整板の温度屈折率変化を相殺させる。
分岐した光信号の光路の夫々に挿入されている光学位相調整板８１及び８２の光軸方向の厚さを異ならせておくことで、この厚さの差分に基づいて温度補償を実行することができる。
例えば、加工が難しい１００μｍの薄い光学位相調整板を必要とする場合、一方を１１００μｍ、他方を１０００μｍとすれば、等価的に１００μｍの薄い光学位相調整板を実現することが可能であり、コストダウンに貢献できる。
図３は、本発明を適用した遅延干渉計の他の実施形態を示す側面図である。この実施形態の特徴は、図２に示す低熱膨張ガラス基板１００上の光学部品を、上下反転配置させると共に、ビームスプリッタ２のブロックを、直接弾性部材２００を介してパッケージ１の底部に固定した構成にある。この構成による作用効果は、図２の構成と同一である。
本発明を適用した遅延干渉計の一実施形態を示す平面図である。 図１の側面図である。 本発明を適用した遅延干渉計の他の実施形態を示す側面図である。 マイケルソン型遅延干渉計に適用された光学位相調整板の動作を説明する機能ブロック図である。 マイケルソン型遅延干渉計の従来構成を示す平面図である。 光学位相調整板による温度補正の理想概念を説明する特性図である。 補正後の現実の温度特性図である。
符号の説明
１ パッケージ
２ ビームスプリッタ
３ 第１リフレクタ
４ 第２リフレクタ
５ 入力ポート
６ 第１出力ポート
７ 第２出力ポート
８１ 第１光学位相調整板
８２ 第２光学位相調整板
１００ 低熱膨張ガラス基板

Claims (1)

  1. 光信号を分岐するビームスプリッタと、分岐した前記光信号を反射するリフレクタと、分岐した前記光信号の光路に挿入され、光路差について温度補償する光学位相調整板よりなる光学部品を有するマイケルソン型遅延干渉計ユニットを、コバール材のパッケージに実装した遅延干渉計において、
    前記光学部品を接着して搭載した、0〜85℃で0.2X10-6/K以下の熱膨張係数を備えるガラス基板と、
    このガラス基板に搭載された光学部品よりなる遅延干渉計ユニットと前記パッケージの底部との間に介在する弾性部材と、
    を備え、
    前記光学位相調整板は、前記分岐した光信号の光路の夫々に挿入されると共に、光軸方向の厚さが異なり、この厚さの差分に基づいて温度補償を実行し、
    前記弾性部材は、前記ビームスプリッタ位置において、前記ガラス基板と前記パッケージの底部間、または前記ビームスプリッタと前記パッケージの底部間に介在することを特徴とする遅延干渉計。
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