JP5145656B2

JP5145656B2 - 光通信用光学系及び光通信装置

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Publication number: JP5145656B2
Application number: JP2006152713A
Authority: JP
Inventors: 滋人大森
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007322739A

Description

本発明は光通信用光学系とそれを備えた光通信装置に関するものであり、例えば、離散的に異なる複数のチャンネル周波数(channel wavelength)を分岐・結合する光通信用光学系と、それを備えた光通信装置に関するものである。

離散的に異なる複数のチャンネル周波数を分岐・結合する光通信用光学系として、多層膜フィルターの波長に対する透過・反射特性を利用したもの、回折格子やＡＷＧ(Arrayed-waveguide grating)の波長分散作用を利用したもの等が従来より知られている(例えば、非特許文献１，２参照。)。
樋口，「光導波路を用いた光パッシブデバイス」，光通信技術の最新資料集Ｖ，オプトロニクス社，ｐ．７８−８３高橋，「ＷＤＭ用ＡＷＧ波長合分波器」，光通信技術の最新資料集Ｖ，オプトロニクス社，ｐ．８４−８８

しかし、従来の光通信用光学系には問題がある。例えば、多層膜フィルタは作製工程が複雑であり、また、１フィルターあたり２分岐する構成であるため、多チャンネル分岐を実現しようとするとフィルター枚数が増大してしまう。したがって、多層膜フィルタを用いた光学系にはコストが高くなるという問題がある。また、入射光と正反射光とを空間的に分離するために、フィルターへの入射角度を垂直にすることができない。したがって、フィルターが斜めになる分、光路長が長くなってしまう。さらに、多分岐のために複数のフィルターが必要なこともあり、サイズが大きくなることも問題である。ＡＷＧは数十以上の多チャンネルに分岐する場合に適しているが、分岐数が少ない場合には構成が複雑なことによりコスト及び損失が大きくなるという問題がある。

一方、回折格子としては、体積型回折格子の波長選択性を利用した分岐による構成が知られているが(例えばONDAX社製品)、１つの体積型回折格子で２分岐する構成であるため、多チャンネル分岐を実現しようとすると体積型回折格子の枚数が増大してしまう。したがって、体積型回折格子を用いた光学系にはコストが高くなるという問題がある。また、体積型回折格子への入射角度が垂直ではないため、体積型回折格子が斜めになる分、光路長が長くなりサイズが大きくなるという問題もある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、体積型回折格子を用いて離散的に異なる複数の波長帯域を分岐することの可能な小型で低コストの光通信用光学系と、それを備えた光通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の光通信用光学系は、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光通信用光学系であって、周期的な屈折率変調により回折を行う体積型回折格子を有し、その屈折率変調の方向が回折格子基板面の法線に対して垂直ではなく、前記複数の波長帯域における任意の光線の波長について、短波長帯域の光が前記体積型回折格子を非回折で透過し、長波長帯域の光が前記体積型回折格子で回折され、前記体積型回折格子に対する各波長帯域の入射光及び短波長帯域の透過光が回折格子基板面に対して垂直又は略垂直であることを特徴とする。

第２の発明の光通信用光学系は、上記第１の発明において、前記屈折率変調の方向が回折格子基板面の法線に対して６０°〜８０°であり、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
10000＜ｈ／(Δｎ・Λ)＜15000 …(1)
ただし、
ｈ：体積型回折格子の基板厚み、
Λ：体積型回折格子の屈折率変調の周期、
Δｎ：体積型回折格子の屈折率変調量、
である。

第３の発明の光通信用光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記体積型回折格子が、フィルムを積層し圧延することにより構成されていることを特徴とする。

第４の発明の光通信用光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記体積型回折格子が、塗布により形成されるフィルムの積層により構成されていることを特徴とする。

第５の発明の光通信用光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記体積型回折格子が、２種類以上の屈折率変調を有することを特徴とする。

第６の発明の光通信装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係る光通信用光学系を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、体積型回折格子に対する各波長帯域の入射光及び短波長帯域の透過光が回折格子基板面に対して垂直又は略垂直な構成になっているため、体積型回折格子を用いているにもかかわらず小型・低コストであり、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐することの可能な光通信用光学系と、それを備えた光通信装置を実現することができる。

以下、本発明を実施した光通信用光学系，光通信装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、その用途は光通信に限らず、光情報の伝送を行う他の技術(例えば、光情報の記録・再生技術)にも応用可能である。

図１に、光通信用光学系，光通信装置の一実施の形態を模式的に示す。光通信装置１は、基地局と末端機との間での光通信に用いられる末端機側の送受信用装置であり、光通信用光学系２，発光制御部７，信号検出部８等で構成されている。光学系２は、光ファイバ３，体積型回折格子４，発光部５，受光部６等を備えており、光ファイバ３は、送信情報を有する光束Ｓ１を外部に伝送し、受信情報を有する光束Ｌ１，Ｌ２を外部から取り込む構成になっている。体積型回折格子４は、発光部５からの光束Ｓ１を光ファイバ３に入射させ、光ファイバ３からの光束Ｌ１，Ｌ２を分岐して受光部６に入射させる。光束Ｓ１，Ｌ１，Ｌ２の波長帯域は互いに異なっており、光束Ｓ１は短波長帯域の光から成っており、光束Ｌ１，Ｌ２は長波長帯域の光から成っている。つまり、発光部５から体積型回折格子４に対し短波長帯域の光束Ｓ１が射出され、光ファイバ３から体積型回折格子４に対し長波長帯域の光束Ｌ１，Ｌ２が射出される。なお、各波長帯域の数は上記場合に限るものではなく、採用する規格に応じて設定される。

発光部５は、例えばＬＤ(laser diode)等により構成され、その発光の制御を発光制御部７が行うことにより、発光部５から射出する光束Ｓ１に送信情報を載せる。受光部６は、光束Ｌ１，Ｌ２を受ける光学要素であり、２チャンネルの波長帯域の光に対応可能となっている。例えば、受光部６に光ファイバを用いる場合、２本の光ファイバを並べて、それらの端面で受光面を構成する。受光面から光ファイバに入射した光束Ｌ１，Ｌ２は、例えば、ＰＤ(photodiode)等の光電変換素子で受光量を表す信号に変換され、その出力信号を信号検出部８が検出することにより、光束Ｌ１，Ｌ２の受信情報を電気信号として出力する。光ファイバを用いずに、２つの光電変換素子(ＰＤ等)で受光部６の受光面を構成してもよい。その場合、光電変換素子は受光素子面で光束Ｌ１，Ｌ２を直接受光し、受光量を表す信号を出力する。その出力信号を信号検出部８が検出して、光束Ｌ１，Ｌ２が持っている受信情報を電気信号として出力する。

ここで、図１の実施の形態で採用している、光通信分野での３波ＢＩＤＩ規格を説明する。図２に、３波ＢＩＤＩ規格の通信において分岐・結合される波長帯域を示す。３波ＢＩＤＩ規格は上り１波，下り２波の通信規格である。上りは末端機から基地局への送信であって、１３１０ｎｍチャンネル，帯域幅(bandwidth)１００ｎｍ(１２６０〜１３６０ｎｍ)である。一方、下りは基地局から末端機への送信であって、１４９０ｎｍチャンネル，帯域幅２０ｎｍ；１５５５ｎｍチャンネル，帯域幅１０ｎｍである。

離散的に異なる複数のチャンネル周波数を分岐・結合するのに適した体積型回折格子４の構成を以下に検討する。体積型回折格子において、等間隔平行の層構造による屈折率変調の周期(層の間隔)と、格子面に入射する角度と、をブラッグ回折となるようにすれば、回折効率を大きくすることができる。そのとき、回折格子基板面の向き又は回折格子基板面の法線方向とブラッグ回折とは無関係である。したがって、回折格子基板面の向きと独立して体積型回折格子の層方向を設定することにより、入射光及び回折光の回折格子基板面に対する方向を任意に定めることが可能である。そして、この特性を利用することにより、体積型回折格子の回折格子基板面に対して垂直又は略垂直に入射する光線を波長分岐することが可能となり、これにより光路長を短縮することができるため光学系の小型化が可能となる。また、そのような体積型回折格子を複数枚重ねて配置することにより、多チャンネル分岐をコンパクトな構成で実現することが可能となる。

表１に、屈折率ｎ＝１．５，屈折率変調量Δｎ＝０．０１で構成された体積型回折格子４Ａの仕様と性能を示し、図３に、体積型回折格子４Ａと光束Ｓ１，Ｌ１，Ｌ２との関係を示す。体積型回折格子４Ａの格子傾き角度αは、回折格子基板面４ｓの法線から左回りを正とする。回折格子基板面４ｓの法線に対して屈折率変調の方向が成す角度をβとすると、｜α｜＋｜β｜＝９０度である。図３に示すように、周期Λは回折格子基板面４ｓに対し平行な方向にとっており、表１中のΔｎ幅は(ｎ＋Δｎ)の屈折率を有する媒質の幅に相当する。また、ＰＤＬ(Polarization Dependent Loss)は偏光依存性を評価する数値であり、これは偏光の効率比の(１０を底とする)対数の１０倍(絶対値)で表される。ＰＤＬは小さいほど良く、実用的には下り信号について１〜２程度以下が必要である。

図３に示すように、上り信号の光束Ｓ１及び下り信号の光束Ｌ１，Ｌ２は、いずれも回折格子基板面４ｓに対して垂直に入射する。直進する非回折光(透過光)が１３１０ｎｍチャンネルの上り信号であり、正方向に偏向する回折光が１４９０ｎｍチャンネルの下り信号であり、負方向に偏向する回折光が１５５５ｎｍチャンネルの下り信号である。体積型回折格子４Ａの材料内には、格子傾き角度αが正負の２種類の方向の屈折率変調があるため、一方の屈折率変調による回折光に対して他方の屈折率変調による回折光は異なる象限に回折されることになる。ここでは、一方の回折光が１４９０ｎｍチャンネルに相当し、他方の回折光が１５５５ｎｍチャンネルに相当する。なお、回折格子仕様に対応する、単一方向の屈折率変調の体積型回折格子を２枚積層しても同等の特性が得られる。

図４に、体積型回折格子４Ａでの各回折光の波長と効率との関係をグラフで示す。それぞれ波長依存性が大きく効率が大きくなる箇所でチャンネル中心波長程度となる。なお凡例中のｐ，ｓは偏光を示している。

図５に、上述した体積型回折格子４Ａ(第１のタイプの体積型回折格子)を有する光通信用光学系２の一例を示す。図５において、Ｃ０〜Ｃ３はコリメータレンズ(例えばボールレンズ)であり、受光部６ａ，６ｂは前記受光部６(図１)に相当するものである。

基地局へとつながる光ファイバ３の端面からは下り信号の光束Ｌ１，Ｌ２が発散し、コリメータレンズＣ０(ボールレンズ等)でコリメートされた後、体積型回折格子４Ａに入射する。そして、体積型回折格子４Ａにより回折されて、１４９０ｎｍチャンネル帯域の光束Ｌ１と１５５５ｎｍチャンネル帯域の光束Ｌ２とに分光される。回折後の光束Ｌ１，Ｌ２は、コリメータレンズ(ボールレンズ等)Ｃ２，Ｃ３によりそれぞれ集光され、受光部６ａ，６ｂに対してそれぞれ結像する。つまり、光束Ｌ１はコリメータレンズＣ２での集光により受光部６ａへと結合され、光束Ｌ２はコリメータレンズＣ３での集光により受光部６ｂへと結合される。なお、受光部６ａ，６ｂとしては、例えば光ファイバ又は光電変換素子が用いられる。

一方、上り信号を構成する発光部(例えばＬＤ)５ａから発散される１３１０ｎｍチャンネル帯域の光束Ｓ１は、コリメータレンズＣ１(ボールレンズ等)でコリメートされた後、体積型回折格子４Ａを非回折で透過する。そして、コリメータレンズＣ０(ボールレンズ等)で集光された後、光ファイバ３の端面で結像する。このとき、１３１０ｎｍチャンネル帯域の光束Ｓ１は非回折であるため、波長分散によるスポットの拡大が生じない。このため、シングルモードファイバ等のコア径(つまりファイバ受光部)の小さな物に対しても効率良い結合が可能となる。

次に、体積型回折格子４の作製方法を説明する。その作製方法は２種類考えられ、第１の作製方法は二光束干渉露光法であり、第２の作製方法は異なる屈折率の層を積層する方法である。二光束干渉露光法は、互いにコヒーレントな光束の干渉縞を感光性ポリマー材料中に記録することにより行われる。露光波長又は干渉角度(二光束のなす角度)、基板に対する入射角度を変えることにより、任意の周期と格子傾き角度を有する屈折率変調の体積型回折格子を作製することが可能である。二光束の入射角度を異なるように配置することにより、回折格子基板面に対して傾いた格子角度とすることが可能である。また、体積型回折格子４Ａのように１つの基板中に複数の屈折率変調を有するものは、それぞれの屈折率変調を二光束干渉露光で形成することにより作製可能である。

第２の作製方法は、屈折率の異なる厚み１〜２μｍの層を積層することにより行われる。積層方法としては２種類考えられる。第１の積層方法は塗布によるものであり、２種類の屈折率材料を厚み１〜２μｍで交互に塗布することで積層が行われる。第２の積層方法はフィルムの積層によるものであり、２種類の屈折率材料フィルム(厚み２０μｍ程度)を接着又は融着で積層し、圧延工程により所望の厚みとすることで積層が行われる。これらの積層方法により積層されたものを所望の厚みと方向で切り出すことにより、任意の周期と格子傾き角度を有する屈折率変調の体積型回折格子を作製することが可能である。また、そのような体積型回折格子を複数枚重ねて配置することにより、多チャンネル分岐をコンパクトな構成で実現することが可能となる。

図６に、１種類の屈折率変調を有する体積型回折格子を２枚積層して成る体積型回折格子４Ｂ(第２のタイプの体積型回折格子)を有する光通信用光学系２の一例を示す。図６に示す光通信用光学系２は、体積型回折格子のタイプが異なるほかは図５に示すものと同じ構成を有している。体積型回折格子４Ｂは、１４９０ｎｍチャンネル帯域の光束Ｌ１を分離するための体積型回折格子Ｂ１と、１５５５ｎｍチャンネル帯域の光束Ｌ２を分離するための体積型回折格子Ｂ２と、から成っている。表２に、体積型回折格子Ｂ１，Ｂ２の仕様と性能を示す。

以上説明した各形態の特徴は、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光学系，それを備えた光通信装置における適用において一般化が可能である。例えば光通信用光学系は、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光通信用光学系であって、周期的な屈折率変調により回折を行う体積型回折格子を有し、その屈折率変調の方向が回折格子基板面の法線に対して垂直ではなく、前記複数の波長帯域における任意の光線の波長について、短波長帯域の光が前記体積型回折格子を非回折で透過し、長波長帯域の光が前記体積型回折格子で回折され、前記体積型回折格子に対する各波長帯域の入射光及び短波長帯域の透過光が回折格子基板面に対して垂直又は略垂直であることが望ましい。

この構成により、光路長を縮小することができるため、体積型回折格子を用いても小型化・低コスト化が可能であり、離散的に異なる複数の波長帯域を分岐することが可能である。また、短波長帯域の光が体積型回折格子を非回折で透過する構成では、例えば、光通信における上り短波長帯域でのスポット径を小さくして良好な光結合を達成することが可能となる。

前記屈折率変調の方向が回折格子基板面の法線に対して６０°〜８０°であり、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
10000＜ｈ／(Δｎ・Λ)＜15000 …(1)
ただし、
ｈ：体積型回折格子の基板厚み、
Λ：体積型回折格子の屈折率変調の周期、
Δｎ：体積型回折格子の屈折率変調量、
である。

図３において、屈折率変調の方向が回折格子基板面４ｓの法線に対して成す角度βは、９０°−｜α｜に相当するので、例えば、α＝１６．９７°の場合にはβ＝７３．０３°、α＝−１７．８４°の場合にはβ＝７２．１６°である。この条件範囲の下限値(６０°)を下回ると、回折効率を高くするために周期Λを小さくする必要が生じるため、体積型回折格子の作製が困難になる。逆に、条件範囲の上限値(８０°)を上回ると、回折効率を高くするために回折格子基板を傾けて構成する必要が生じるため、光路長が長くなることにより光学系の小型化が阻害されてしまう。

また、条件式(1)の下限を下回ると、波長選択性が弱くなるため、透過光である１３１０ｎｍチャンネルの効率低下を招くことになる。逆に、条件式(1)の上限を上回ると、波長選択性が強くなりすぎるため、帯域幅の上限・下限で回折効率の低下が発生する。なお、前述した具体的な数値：Λ＝１．７９(μｍ)，ｈ＝２３３(μｍ)，Δｎ＝０．０１を用いた条件式(1)の対応値：ｈ／(Λ・Δｎ)＝１３０１７である。

体積型回折格子は、前述したように、フィルムを積層し圧延することにより作製可能であり、塗布により形成されるフィルムの積層により作製可能である。また、体積型回折格子が２種類以上の屈折率変調を有することにより多分岐が可能となり、光学系の小型化を効果的に達成することが可能となる。その場合、１つの材料中に２種類以上の屈折率変調を有する構成でもよく、１つの材料中に１種類の屈折率変調を有する体積型回折格子を２以上積層する構成でもよい。

光通信用光学系及び光通信装置の一実施の形態を示すブロック図。図１の実施の形態により分岐・結合される複数の波長帯域の一例を示す模式図。体積型回折格子と光束との関係を示す模式図。回折光の波長と効率との関係を体積型回折格子の一例について示すグラフ。第１のタイプの体積型回折格子を備えた光通信用光学系を示す光学構成図。第２のタイプの体積型回折格子を備えた光通信用光学系を示す光学構成図。

符号の説明

１光通信装置
２光通信用光学系
３光ファイバ
４，４Ａ，４Ｂ体積型回折格子
４ｓ回折格子基板面
５発光部(ＬＤ)
６，６ａ，６ｂ受光部(ＰＤ，光ファイバ)
７発光制御部
８信号検出部
Ｃ０〜Ｃ３コリメータレンズ(ボールレンズ)
Ｓ１短波長帯域の光束
Ｌ１，Ｌ２長波長帯域の光束

Claims

離散的に異なる複数の波長帯域を分岐・結合する光通信用光学系であって、２種類以上の周期的な屈折率変調により複数の回折を行う体積型回折格子を有し、その屈折率変調の方向がいずれも回折格子基板面の法線に対して垂直ではなく、前記複数の波長帯域における任意の光線の波長について、短波長帯域の光が前記体積型回折格子を非回折で透過し、複数の長波長帯域の光が前記体積型回折格子で回折され、前記体積型回折格子に対する各波長帯域の入射光及び短波長帯域の透過光が回折格子基板面に対して垂直又は略垂直であり、前記屈折率変調の方向がいずれも回折格子基板面の法線に対して６０°〜８０°であり、いずれの屈折率変調についても以下の条件式(1)を満足することを特徴とする光通信用光学系；
10000＜ｈ／(Δｎ・Λ)＜15000 …(1)
ただし、
ｈ：体積型回折格子の基板厚み、
Λ：体積型回折格子の屈折率変調の周期、
Δｎ：体積型回折格子の屈折率変調量、
である。
さらに、長波長帯域の光を射出する光ファイバと、短波長帯域の光を射出する発光部と、複数の異なる長波長帯域の光に対応した受光部と、を有し、前記体積型回折格子が、前記光ファイバからの射出光を複数の異なる長波長帯域の光に分岐して前記受光部に入射させ、前記発光部からの射出光を前記光ファイバに入射させることを特徴とする請求項１記載の光通信用光学系。
さらに、前記光ファイバからの射出光をコリメートし、かつ、前記体積型回折格子を非回折で透過した射出光を前記光ファイバの端面で結像させるコリメータレンズを有することを特徴とする請求項２記載の光通信用光学系。
前記体積型回折格子が、フィルムを積層し圧延することにより構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光通信用光学系。
前記体積型回折格子が、塗布により形成されるフィルムの積層により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光通信用光学系。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光通信用光学系を備えたことを特徴とする光通信装置。