JP5330886B2 - 光方向転換エレメントを用いたスペクトル・ビーム合体及び波長多重化システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム方向転換エレメントを用いたスペクトル・ビームの合体並びに波長多重化及び多重分離のためにシステム及び方法に関する。更に特定すれば、本発明は、ビーム方向転換エレメントを用いて、受入帯域幅を広くしスペクトル密度を高くする、スペクトル・ビーム合体並びに波長多重化及び多重分離のためのシステム及び方法に関する。

レーザ技術の分野では、レーザ・ビームの品質を維持しつつ、以前よりも一層強力なレーザを創作することが常に求められている。レーザ・ビームの品質は、通常、レーザ・ビームをどれだけ緊密にターゲット上に合焦することができるかによって測定される。回折制限ビームとは、最良の品質を有し、したがってターゲット上に緊密に合焦することができるビームのことを言う。レーザ・ビームの品質を維持しつつビーム・パワーを高める一つの方法は、スペクトル・ビーム合体（ＳＢＣ：Spectral Beam Combining）を用いることである。スペクトル・ビーム合体では、スペクトル分散エレメントを用いて、波長が異なる複数のレーザ・ビームを１本のビームに合体する必要がある。

また、スペクトル・ビーム合体は、波長分割マルチプレックス及びデマルチプレックス（ＷＤＭ）の分野においても用いることができる。波長分割マルチプレックス用の光ファイバ・システムは、１本のファイバを通じて多数の波長信号を長距離送信する。送信機端、受信機端、及びアド−ドロップ・ノード(add-drop node)において、波長を合体（マルチプレックス）及び／又は分離（デマルチプレックス）する必要がある。波長分割マルチプレックス及びデマルチプレックスは、許容帯域幅を広く取って、即ち、デバイスによる光損失が広い波長範囲で変動しないように行わなければならない。

現在のＳＢＣ技法では、波長が狭く精度良く固定されているレーザに対してのみ、回折制限ビームが得られる。広帯域レーザでは、ＳＢＣを実行すると、各ビームにおける異なるスペクトル成分が異なる方向に分散し、その結果得られる出力ビームの品質が低下する。これは、空間チャーピング(spatial chirping)として知られている。更に、ＳＢＣを実行するときに用いるレーザの波長が正しく制御されていない場合、又は時間と共にドリフトする場合、合体ビームは回折制限されない。現在のＳＢＣ設計では、この問題を軽減するにあたって、レーザ波長のドリフトに関して隣接するエレメント間の波長を広く分離している。その結果、現在のＳＢＣ技法は波長を緊密に集結することができず、その結果、利用可能なスペクトルの利用度が低くなったり、あるいはスペクトルの利用密度が低くなる。したがって、本技術分野においては、許容帯域幅が広く、スペクトル密度が高くなるようにビームを合体し、多数のエレメントを組み合わせて強力な回折制限出力ビームを生成可能にすることが求められている。

本方法及びシステムの一実施形態はスペクトル・ビーム合体方法であり、波長が異なる複数のレーザ・ビームレットを第１スペクトル分散エレメント上に投射するステップと、第１スペクトル分散エレメントによって、複数のビームレットに空間チャープが発生するステップと、ビーム方向転換エレメントによって、空間チャープが発生したビームレットを並び換えるステップと、第２スペクトル分散エレメントによって、ビームレットを１本の出力ビームに合体するステップとを備えている。

本方法及びシステムの別の実施形態はシステムを含み、このシステムは、複数のレーザ・ビームレットと、第１スペクトル分散エレメントと、第２スペクトル分散エレメントと、ビーム方向転換エレメントとを備えている。そして、複数のレーザ・ビームレットが第１スペクトル分散エレメント上に投射され、ビームレットに空間チャープが生じ、空間チャープが発生したビームレットがビーム方向転換エレメント上に投射され、第２スペクトル分散エレメントによって、空間チャープが発生したビームレットを並び換えて１つの出力ビームとするよう構成されている。

従来の数種類のスペクトル・ビーム合体システム及び方法を説明するための図である。 スペクトル・ビーム合体及び波長多重化システムの一実施形態の全体像である図である。 本システムの一実施形態を伝搬する広帯域レーザ・ビームの中心光線を示す図である。 単一周波数又は狭波長レーザ・ビームのビーム・サイズが、どのように本システムの実施形態を伝搬することができるかを示す図である。 ２ステップの階段ミラー上におけるビーム・フットプリントの仮想図である。 どのようにして階段ミラーの物理パラメータを決定するかを示す図である。 本システムの一実施形態を伝搬する広帯域レーザ・ビームの中心光線を示す図である。 ファイバ・レーザ・ビームの狭波長成分のビーム・サイズが、どのように本システムの実施形態を伝搬するかを示す図である。 スペクトル・ビーム合体並びに波長多重化及び多重分離に用いることができるシステムの一実施形態を示す図である。

以下に、本方法及び装置の実施形態を添付図面を参照して説明する。なお、図面中、同様の参照番号は同様の要素を表すものとする。
本方法及びシステムの実施形態は、ビーム方向転換エレメントを用いて、スペクトル・ビーム合体及び波長多重化を実行する。

前述のように、レーザ技術の分野では、レーザ・ビームの品質を維持しつつ、レーザ出力パワーを高めることが望ましい。この目標を達成する１つの方法は、スペクトル分散エレメントを用いて、波長が異なる複数のレーザ・ビームを１つのビームに合体することである。スペクトル分散エレメントを用いてレーザ・ビームを合体すると、合体した出力ビームにおいて空間チャーピングが発生する可能性がある。空間チャーピングがレーザ・ビームにおいて発生するのは、ビームの波長が該ビームを横断する方向に変動するときである。また、空間チャーピングのために、システムの有用なスペクトル密度が制限され、ビーム波長を合体することができる緊密さが損なわれる。

図１において、ａ〜ｄは、従来例のＳＢＣ方法及びシステムの一部を示し、更に現行のＳＢＣシステム及び方法を用いると遭遇する可能性がある問題の一部を強調して示している。図１においては、反射型スペクトル分散エレメントを用いて示しているが、図中で示している問題は、透過型スペクトル分散エレメントや、その他のスペクトル分散エレメントでも生ずる可能性がある。

図１のａは、複数の単一周波数精密安定及び狭波長レーザ・ビーム１０を示し、これらはスペクトル分散エレメント１１０から回折している。スペクトル分散エレメント１１０は、回折格子とすればよい。この例では、ビーム１０５は精密、高精度、狭波長ビーム１０５である。この種のビームは、反射型回折格子１１０によって合体すると、最少の空間チャーピングを呈する回折制限出力ビーム１１５を生成することができる。しかしながら、回折制限ビーム１１５は、単一周波数の精密波長１０５を用いる場合、今日の技術では、スペクトル分散エレメント１１０によってでなければ生成することができない。

図１のｂは、スペクトル分散エレメント１２５に衝突する広帯域レーザ・ビーム１２０を示す。ビーム１２０がスペクトル分散エレメント１２５から回折すると、出力ビーム１３０におけるスペクトル成分は異なる方向に分散する。言い換えると、得られる出力ビーム１３０の周波数は、得られたビーム１３０を横切る方向に変動する。端的に言うと、得られた出力ビーム１３０には空間チャーピングが発生する。つまり、得られた出力ビーム１３０は、品質が低下している可能性がある。図１のｃは、精密な中心波長を有する４本の広帯域レーザ・ビーム１３５を示す。これらは、スペクトル分散エレメント１４０に衝突し反射する。ビーム１３４は精密な中心波長を有するが、スペクトル分散エレメント１４０から回折するとき各ビームレット(beamlet)には多少の空間チャーピングが発生しているので、得られるビーム１４５は分散する。その結果、得られたビーム１４５は品質が低下している可能性がある。

図１のｄは、波長誤差１４０を有する複数の単一周波数レーザ・ビームを示し、これらはスペクトル分散エレメント１５５に衝突する。ビーム１５０の波長は、正しく制御されていないか、又は時と共にドリフトする恐れがある。その結果、得られる合体ビーム１６０が回折制限されない可能性し、品質が低下している可能性がある。

図２は、合体ビーム２２５における空間チャープの量を最少に抑えるスペクトル・ビーム合体システム及び方法２００の全体図である。波長が異なる複数のレーザ・ビームレット２０５を、第１スペクトル分散エレメント２１０上に投射する。図示したレーザ・ビームレット２０５は、広帯域レーザ、狭帯域レーザ、ファイバ・レーザ、連続波レーザ、パルス状レーザ、あるいはレーザ・ビーム又はレーザ・ビームレットを発生するために用いることができるデバイス又は方法であれば、そのいずれによって発生してもよい。

図示する最初のスペクトル分散エレメント２１０は透過型スペクトル分散エレメントであるが、スペクトル分散エレメント２１０は、反射型でも透過型でもよい。本システム及び方法において用いることができるスペクトル分散エレメントの種類には、回折格子、立体ブラグ格子(volume Bragg grating)、プリズム、又はグリズム(grism)を含むことができる。回折格子は、透過型、反射型、線織(ruled)、又はホログラフのいずれでもよい。

スペクトル分散エレメント２１０は、ビームレット２０５上に空間チャープを生ずる可能性がある。空間チャープが発生したビームレット２０５は、ビーム方向転換エレメント２１５によって、配列し直すことができる。ビーム方向転換エレメント２１５は、空間チャープが発生したビーム間で、ビームレットがそれらの適正な方向に伝搬して合体するように、角度的分離を設定し直すことができる。ビーム方向転換エレメント２１５は、第１光学エレメント、階段ミラー、及び第２光学エレメントで構成することができる。第１光学エレメント及び第２光学エレメントは、レンズ又は凹状ミラーのような、合焦光学部品とすることができる。合焦光学部品は、放物線状、非球面、球面、又は円筒状のいずれでもよい。ビーム方向転換エレメント２１５は、空間チャープが発生したビームの方向を、第２スペクトル分散エレメント２２０に向けて転換することができる。第２スペクトル分散エレメント２２０は、空間チャープが発生したビームを１つの出力ビーム２２５に合体する合体エレメントとして作用することができる。第１及び第２スペクトル分散エレメント２１０、２２０は、合体出力ビーム２２５において生ずる空間チャープが最小量となり、その結果、回折制限される出力ビーム２２５が得られるように選択するとよい。第１及び第２空間分散エレメント２１０、２２０は、同一の分散エレメントとしてもよい。

図３は、スペクトル・ビーム合体及び波長多重化システム３００の一実施形態を示しており、システム３００を伝搬するレーザ・ビームの中心光線を示す。当業者であれば容易に認められるように、レーザ・ビームは、多数の光線又は多数の光線束で構成されている。図３は、３本の光線３０５を示し、各光線３４０、３４５、３５０は、広帯域レーザ・ビームの中心光線である。光線３０５は、各中心光線内における異なる波長がどのように回折するのかの一例として示されており、更にシステム３００を伝搬する間に中心光線が回折し得る角度も示されている。

図示した実施形態は、第１スペクトル分散エレメント３１０、第２スペクトル分散エレメント３１５、及び破線のボックスで囲まれたビーム方向転換エレメント３２０で構成されている。第１スペクトル分散エレメント３１０は、反射型回折格子とすればよい。第２スペクトル分散エレメント３１５も、反射型回折格子とすればよく、ビーム方向転換エレメント３２０は、階段ミラー３２５、第１ミラー３３０、及び第２レンズ３３５で構成することができる。階段ミラー３２５は、超研磨板(super-polished plate)に高反射型被膜を積層することによって製造することができる。

波長が異なる複数のレーザ・ビームレット又は中心光線３０５を、第１スペクトル分散エレメント３１０上に投射することができる。角度依存収差を回避するために、第１分散エレメント３１０において、ビームレット３０５をコリメイト又はほぼコリメイトする。コリメイトされたレーザ・ビームは、ビーム・サイズの増大が実質的にないまま長距離にわたって伝搬することは、当業者には理解されるであろう。ここでは、中心光線３０５の相対的な位置が、ビームレット、ビーム又は光線が進行する方向の視野(perspective)から見たものとなっている。つまり、図３の中心光線３０５を見るとき、視点(viewing perspective)は、ビームレット３０５の原点から第１スペクトル分散エレメント３１０に向かって見ているようになる。この視点から、左から右に、第１中心光線３４０が左側に現れ、第２中心光線３４５が中央に現れ、第３中心光線が右側３５０に現れればよい。中心光線３０５は、左から右に、ビームレット３０５の波長が減少するように配列することができる。つまり、第１ビームレット３４０の波長が最長となるようにすることができる。第２ビームレット３４５の波長は、第１ビームレット３４０よりも短くすることができ、第３ビームレット３５０の波長は、第１及び第２ビームレット３４０、３４５よりも短くすることができる。ビームレット３０５は、第１スペクトル分散エレメント３１０において、これらのビームレット３０５が重複するように投射することができる。

第１スペクトル分散エレメント３１０は、ビームレット３０５を回折し、ビームレット３０５上に空間チャープを生ずる可能性がある。光線３４０、３４５、３５０が第１スペクトル分散エレメント３１０から回折した後に、中心光線３４０、３４５、３５０を広げることによって、各広帯域中心光線３４０、３４５、３５０のスペクトル内容を、図示のように多少異なる角度で分散させることができる。空間チャープが発生したビームレット３０５は、ビーム方向転換エレメント３２０の第１レンズ３３０を通過することができる。第１レンズ３３０は、各ビームレット３４０、３４５、３５０を、階段ミラー３２５のステップ上に投射する。第１レンズ３３０は、図３に示すように、各ビームレット３０５の種々のスペクトル成分を平行化することができる。また、第１レンズは、図４に示すように、各ビームレットの個々のスペクトル成分を合焦することもできる。

ビームレット３０５が第１スペクトル分散エレメント３１０から回折された後、そして空間チャープが発生したビームレット３０５が階段ミラー３２５に衝突する前では、空間チャープが発生したビームレット３０５は、第１スペクトル分散エレメント３１０に近づきつつあるときのビームレットと同じ相対的順序となっている。前述の視野を用いてビームレット３０５を左から右を見ると、空間チャープが発生したビームレット３０５は、ビームレット３０５の波長が増大するように配列されたままとなっていればよい。第１スペクトル分散エレメント３１０から回折した後、波長が最も長い第１ビームレット３４０は左側にあり続け、第２ビームレット３４５は中央にあり続け、波長が最も短い第３ビームレット３５０は右側にあり続ける。

第１スペクトル分散エレメント３１０によって生じた空間チャープは、各ビームレット３４０、３４５、３５０に影響を及ぼし、各ビームレット３４０、３４５、３５０が、短い波長の右側部分３６０よりも長い波長の左側部分３５５を有することになる可能性がある。ビームレットが階段ミラーに近づくに連れて、ビームレットの波長及び波長成分は平行化され、左から右に波長が短くなる順序に配列される。しかしながら、ビームレットは、ビームが第２格子上で合体するには、適正な間隔が取られていない。階段ミラーは、ビーム合体のために適正な間隔を取ったビームレットの集合を生成する。空間チャープが発生したビームレット３０５が階段(staircase)ミラー３２５から反射した後、ビームレットはしかるべく分離され、ビームレット及びそれらのスペクトル成分は、１本のビームに合体するのに適した波長順序となる。

空間チャープが発生したビーム３０５が階段ミラー３２５を反射すると、ビーム方向転換エレメント３２０の第２レンズ３３５に向かって進行する。第２レンズ３３５は、ビームレットを、それらのスペクトル内容全てと共に、第２スペクトル分散エレメント３１５上の一点に向けて射出する。第２スペクトル分散エレメント３１５は、ビームレットを１本の出力ビーム３６５に合体する。

ビームレット３０５が第２スペクトル分散エレメント３１５に近づく際、ビームレット３０５の相対的位置は、第１スペクトル分散エレメント３１０に近づいたときとのビームレット３０５の位置とは逆になる。更に、ビームレット３４０、３４５、３５０の左側３５５は、右側３６０よりも波長が短い。ビームレット３４０、３４５、３５０が第２スペクトル分散エレメント３１５から屈折するとき、即ち、これによって合体するとき、第２スペクトル分散エレメント３１５はビームレット３４０、３４５、３５０上に、第１スペクトル分散エレメント３１０によって生じた空間チャープとは逆の空間チャープを生ずる。言い換えると、第２スペクトル分散エレメント３１５は、第１スペクトル分散エレメント３１０によって生じた空間チャープを補償することができる。この結果、出力ビーム３６５は回折制限ビームとなる。第１スペクトル分散エレメント３１０によって生じた空間チャープを補償して回折制限出力ビーム３６５を生成することにより、許容帯域幅を広げることに対処することができる。

図４は、単一周波数レーザ・ビーム又は狭波長線幅を有するレーザ・ビームのビーム・サイズが、図３に示した実施形態をどのように伝搬するかを示している。単一周波数のレーザ・ビーム４０５又は狭波長線幅を有するレーザ・ビームは、図３に示したのと同様に、システム４００を伝搬する。前述のようにレーザ・ビームは物理的サイズを有する。ビームの物理的サイズは、多くの光線が纏まって束になっていると考えることができる。発生点において、ビーム４０５が図３の光線３０５よりも太いのは、そのためである。

図示の実施形態は、第１スペクトル分散エレメント４１０、第２スペクトル分散エレメント４１５、及びビーム方向転換エレメント４２０で構成されている。第１スペクトル分散エレメント４１０は、反射型回折格子とすればよい。第２スペクトル分散エレメント４１５も、反射型回折格子とすればよく、ビーム方向転換エレメントは、階段ミラー４２５、第１ミラー４３０、及び第２レンズ４３５で構成することができる。

波長が異なる３本のレーザ・ビーム４０５を、第１スペクトル分散エレメント４１０上に投射すると、ビーム４０５が第１スペクトル分散エレメント４１０に入射する際、ビーム４０５はコリメイト又はほぼコリメイトされている。ビーム４０５が第１スペクトル分散エレメント４１０上で重複するように、ビーム４０５を投射する。

左から右に、第１ビーム４４０が左側に現れ、第２ビーム４４５が中央に現れ、第３ビーム４５０が右側に現れる。ビーム４０５は、左から右に、ビーム４０５の波長が短くなるように配列する。つまり、第１ビーム４４０の波長が一番長くなるようにする。第２ビーム４４５の波長は第１ビームよりも短く、第３ビーム４５０の波長は第１及び第２ビーム４４０、４４５よりも短い。

第１スペクトル分散エレメント４１０は、ビーム４０５を回折し、ビーム４０５上に空間チャープを生ずる可能性がある。各ビームレット４４０、４４５、４５０内における狭波長のビーム・サイズは、第１分散エレメント４１０から回折した後も変わらずコリメイトされたままであり、第１レンズ４３０によって階段ミラー４２５のステップ上で合焦される。階段ミラー４２５は、先に図３において説明したように、ビーム４０５のスペクトル内容を配列し直される。階段ミラー４２５は、第１レンズ４３０から、第１レンズ４３０の焦点距離にほぼ等しいところに配置しなければならない。階段ミラー４２５を第１レンズ４３０から焦点距離のところに配置することによって、ビームが階段ミラー４２５の縁で切り詰められ、最大の許容帯域幅を制限することができる。また、階段ミラー４２５は、第２レンズ４３５から、第２レンズ４３５の焦点距離にほぼ等しいところに配置する必要がある。

空間チャープが発生したビーム４０５は、階段ミラー４２５から反射すると、ビーム方向転換エレメント４２０の第２レンズに向かって進行する。第２レンズ４３５は、個々の空間成分を各ビーム４４０、４４５、４６０と平行化し、ビーム４４０、４４５、４５０を、全てのスペクトル内容と共に、第２スペクトル分散エレメント４１５上の一点に向けて出射する。第２スペクトル分散エレメント４１５は、ビーム４０５を１つの出力ビーム４６５に合体する。

前述のように、第２スペクトル分散エレメント４１５は、第１スペクトル分散エレメント４１０によって生じた空間チャープを補償することができる。この結果、出力ビーム４６５は回折制限ビームとなる。第１スペクトル分散エレメント４１０によって生じた空間チャープを補償して回折制限出力ビーム４６５を生成することによって、大きな許容帯域幅を得ることが可能となる。

図５は、階段ミラー５００上にあるビーム・フットプリント５０５、５１０、５１５の仮想図(overhead view)を示しており、階段ミラー５００の３つのステップが示されている。各ステップ５２０、５２５、５３０には、ビーム・フットプリント５０５、５１０、５１５が収まっている。階段ミラー５００に衝突すると、広帯域レーザ・ビームは、５０５、５１０、５１５で示すビーム・フットプリントを発生する。フットプリント５０５、５１０、５１５は、ビームの物理的広がり及びスペクトル範囲を示す。階段ミラー５００に衝突するビームは、ビーム３０５が図３の階段ミラー３２５に衝突する際の、図３に図示したビーム３０５である。

第１ステップ５２０上の第１ビーム・フットプリント５０５を見ると、ビーム・フットプリント５０５の波長がステップ５２０上に拡散している。ビームが階段ミラー５００に近づくと、ビームに空間チャープが発生する可能性がある。このために、ビームの波長が各ビームを横切る方向に変動する恐れがある。したがって、各ビーム・フットプリント５０５、５１０、５１５の波長は、各フットプリント５２０を横切る方向に変動する恐れがある。例えば、第１ビーム・フットプリント５０５を左から右に（矢印５１２）横切って見ると、第１ビーム・フットプリント５０５の左側５３５の波長の方が短く、ビーム・フットプリント５０５の右側５４０の波長の方が長い。つまり、第１ビーム・フットプリント５ｔ０５を見たときに、左側５３５の色は濃い青になり、右側５４０の色は濃い赤になる。第２及び第３フットプリント５１０、５１５の波長も同様に変動する。階段ミラー５００の縁において波長を切り詰めることによって、システムに入力されるビームの許容波長を規定することができる。

図６は、隣接する入力チャネル間の波長分離、並びに第１及び第２スペクトル分散エレメントの分散特性が与えられたときに、階段ミラー６２５の物理的パラメータをどのように決定するかが示されている。図６は、階段ミラー６２５の２つのステップ６１５、６２０に衝突する２本の光線６０５、６１０を示す。２本の光線６０５、６１０は、２つの隣接するビームレット・チャネルに対す波長通過帯域内の中心波長に対応することができる。２本の光線６０５、６１０間における初期分離は、「ｘ」６３０で示されており、これらの波長分離、及び第１スペクトル分散エレメントの分散特性によって決定される。

同様に、反射ビーム６４０、６４５間における所望の分離は、「ｓ」６３５で示されており、２つの隣接するビームレット・チャネル間の波長分離、及び第２スペクトル分散エレメントの分散特性によって決定される。反射ビーム６４０、６４５は、第２スペクトル分散エレメントがビーム６４０、６４５を１本の出力ビームに合体できるように、距離「ｓ」６３５だけ分離していなければならない。

各ステップ６１５、６２０の高さ「ｈ」６５０は、次の式によって決定される。
ｈ＝（ｘ−ｓ）／２ｓｉｎ（α）
各ステップ６１５、６２０の幅「ｗ」６６５は、次の式によって決定される。
ｗ＝（ｘ＋ｓ）／２ｃｏｓ（α）

上記式において、アルファ（「α」）６６０は、入射点に対する法線と入射ビームとの間の角度である。例えば、第１入射ビーム６０５を見ると、入射点は、入射ビーム６０５が階段ミラー６２５のステップ６１５と衝突する点となる。この入射点に対する法線６６５は、ステップ６１５から上に向かって投射する線であり、入射点において階段ミラー６２５のステップ６１５に対して垂直になっている。つまり、「α」６６０は、入射点に対する法線６６５と入射ビームレット６０５との間の角度となる。入射角度「α」６６０は、自由な設計パラメータであり、階段ミラー６２５を容易に製造できるように選択する。更に、距離「ｔ」６６７は、２つの連続するステップ上における入射点に対する２本の法線間の距離である。距離「ｔ」６６７は、距離「ｗ」６６５と同一とすればよい。

図７は、スペクトル・ビーム合体及び波長多重化システム７００の別の実施形態を通過する広帯域レーザ・ビームの中心光線の伝搬を示す。図示した実施形態は、第１スペクトル分散エレメント７１０、第２スペクトル分散エレメント７１５、及びビーム方向転換エレメント７２０で構成される。第１スペクトル分散エレメント７１０は、反射型回折格子であり、第２スペクトル分散エレメント７１５も反射型回折格子である。ビーム方向転換エレメント７２０は、階段ミラー７２５、第１レンズ７３０、及び第２レンズ７３５で構成される。システム７００は、更に、平行化レンズ７７０を備えている。

３つのファイバ・レーザ７０５が、異なる波長のレーザ・ビームレット７４０、７４５、７５０を放出する。例示の目的のために、ビームレット７４０、７４５、７５０の中心光線のみを図示する。光線７４０、７４５、７５０は、コリメイト・レンズ７７０を通じて放射され、第１分散エレメント７１０においてビームレット７４０、７４５、７５０がコリメイト又はほぼコリメイトされる。ビームレット７４０、７４５、７５０は、角度依存収差を回避するために、第１分散エレメント７１０においてコリメイト又はほぼコリメイトされる。ファイバ７０５の分離が、第１スペクトル分散エレメント７１０上における中心光線７４０、７４５、７５０の入射角度を決定する。

左から右に、第１光線７４０が左側に現れ、第２光線７４５が中央位置に現れ、第３光線７５０が右側に現れる。光線７４０、７４５、７６０は、左から右に、光線７４０、７４５、７５０の波長が短くなるように配列する。つまり、第１光線７４０の波長が最も長い。第２光線７４５の波長は、第１光線７４０よりも短く、第３光線７５０の波長は第１及び第２光線７４０、７４５よりも短い。

第１スペクトル分散エレメント７１０は、光線７４０、７４５、７５０を回折し、光線７４０、７４５、７５０に空間チャープを生ずる可能性がある。光線７４０、７４５、７５０が第１分散エレメント７１０から回折した後、図３を参照して説明したように、光線７４０、７４５、７５０はシステム７００を伝搬する。つまり、光線７４０、７４５、７５０を階段ミラー７２５上に投射し、階段ミラー７２５から反射した後、光線７４０、７４５、７５０は、光線７４０、７４５、７５０が階段ミラー７２５に接近した際の光線７４０、７４５、７５０の位置に関して逆の位置となる。

第２レンズ７４５は、光線７４０、７４５、７５０を、これらのスペクトル内容全てと共に、第２スペクトル分散エレメント７１５上の点に向けて出射することができる。第２スペクトル分散エレメント７１５は、第１スペクトル分散エレメント７１０によって生じた空間チャープを補償することができ、第２スペクトル分散エレメント７１５は光線７４０、７４５、７５０を１本の出力ビーム７６５に合体することができる。第１スペクトル分散エレメント７１０によって生じた空間チャープを補償することによって、回折制限出力ビーム７６５を生成することができ、広い受入帯域幅及び高いスペクトル密度が得られる。

図８は、各ファイバ・レーザからの狭波長成分のビーム・サイズが、どのように図７に示した実施形態を伝搬するのかを示している。周波数が１つのレーザ・ビーム８４０、８４５、８５０、又は狭波長線幅を有するレーザ・ビームは、図７に示したのと同様に、システム８００を伝搬する。ファイバ・レーザ８０５は、この実施形態において示すレーザ・ビーム８４０、８４５、８５０を放出する。

図示の実施形態は、第１スペクトル分散エレメント８１０、第２スペクトル分散エレメント８１５、及びビーム方向転換エレメント８２０で構成されている。第１スペクトル分散エレメント８１０は、反射型回折格子であり、第２スペクトル分散エレメント８１５も反射型回折格子である。ビーム方向転換エレメント８２０は、階段ミラー８２５、第１レンズ８３０、及び第２レンズ８３５で構成される。また、本実施形態は平行化レンズ８７０を有する。

複数のファイバ・レーザ８０５は、異なる波長の広帯域レーザ・ビーム８４０、８４５、８５０を放出する。ビーム８４０、８４５、８５０は、ビーム８４０、８４５、８５０が第１スペクトル分散エレメント８１０に入射する際に、ビーム８４０、８４５、８５０がコリメイト又はほぼコリメイトするように、平行化レンズ８７０を通じて投射される。更に、ビーム８４０、８４５、８５０は、ビーム８４０、８４５、８５０が第１スペクトル分散エレメント８１０上で重複することができるように投射される。

左から右に、第１ビーム８４０は左側に現れ、第２ビーム８４５は中央位置に現れ、第３ビーム８５０は右側に現れることができる。ビーム８４０、８４５、８５０は、左から右に、ビーム８４０、８４５、８５０の波長が長くなるように配列される。システム８００の構成要素間の距離は、図４と関連付けて説明したように設定すればよい。更に、ビーム８４０、８４５、８５０は、図４と関連して説明したように、システム８００を伝搬する。

ビーム８４０、８４５、８５０がシステム８００を伝搬する際、ビーム８４０、８４５、８５０は階段ミラー８２５から反射すると、順序が入れ代わる。ビーム８４０、８４５、８５０が第２分散エレメント８１５に近づく際、ビーム８４０、８４５、８５０は、ビーム８４０、８４５、８５０が第１スペクトル分散エレメント８１０に近づく際のビーム８４０、８４５、８５０の位置とは逆となる。第２スペクトル分散エレメント８１５は、ビーム８４０、８４５、８５０を１本の出力ビーム８６５に合体する。

前述のように、第２スペクトル分散エレメント８１５は、第１スペクトル分散エレメント８１０によって生じた空間チャープを補償することができる。この結果、出力ビーム８６５は回折制限ビームとなることができる。第１スペクトル分散エレメント８１０によって生じた空間チャープを補償して回折制限出力ビーム８６５を生成することにより、広い許容帯域幅を得ることができる。

図９は、光ファイバ遠隔通信システムにおいて多数の波長信号をマルチプレックス又はデマルチプレックスするために用いることができる、スペクトル・ビーム合体及び波長多重化システム９００の実施形態の図である。システム９００は、許容帯域幅を広くして波長信号を合体するために用いることができ、光ファイバ・ケーブルを通じて波長信号を長距離送信することができる。波長は、送信端、受信端、又はアド−ドロップ・ノードにおいて合体（マルチプレックス）及び／又は分離（デマルチプレックス）される。

図９に示す実施形態は、図７の実施形態に示したのと同じエレメントに、レンズ９７５及び光ファイバ９８０を追加して構成したものである。図７に示す実施形態において３本のビームレット７４０、７４５、７５０が伝搬したように、３本のビームレット９４０、９４５、９５０が図９に示す実施形態を伝搬する。ビームレット９４０、９４５、９５０は、波長が異なっている。図９の実施形態では、出力ビーム９６５が１つのレンズ（又は凹状ミラー）９７５によって光ファイバ９８０に結合されている。出力ビーム９６５は、波長が異なるビームレット９４０、９４５、９５０で構成された１本のビームである。更に、出力ビーム９６５は、多重化信号であり、光ファイバ９８０を伝搬する。

尚、図示しないが、光方向転換エレメントを用いてスペクトル・ビームを合体し波長を多重化するシステム及び方法は、リトロー(Littrow)構成を用いても実施することができる。リトロー構成とは、格子から回折した特定の波長の光が、入射ビームの方向に沿って逆行する幾何学的配置であることは、当業者には明らかであろう。

Claims (32)

1. スペクトル・ビームを合体する方法であって、
   波長が異なる複数のレーザ・ビームレットを第１スペクトル分散エレメント上に投射するステップと、
   前記第１スペクトル分散エレメントによって、前記複数のビームレットに空間チャープが発生するステップと、
   ビーム方向転換エレメントによって、前記空間チャープが発生したビームレットを並び換えるステップと、
   第２スペクトル分散エレメントによって、前記ビームレットを１本の出力ビームに合体するステップと
   を備えていることを特徴とするスペクトル・ビーム合体方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記複数のレーザ・ビームレットは、複数のファイバ・レーザ、複数の光ファイバ、及び複数のダイオード・レーザの内少なくとも１つによって放出されることを特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法において、前記複数のレーザ・ビームレットを前記第１スペクトル分散エレメント上に投射するステップにおいて、前記ビームレットは前記スペクトル分散エレメント上で重複されるよう投射されることを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法において、前記複数のレーザ・ビームレットを前記第１スペクトル分散エレメント上に投射するステップにおいて、前記複数のレーザ・ビームレットはコリメイトされることを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の方法において、該方法はさらに、前記ビームレットが合体された出力ビームを光ファイバに結合するステップを含んでいることを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法において、ビーム方向転換エレメントによって、前記空間チャープが発生したビームレットを並び換えるステップは、前記空間チャープが発生したビーム間の角度分離を設定し直すステップを含むことを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、ビーム方向転換エレメントは、第１光学エレメントと、階段ミラーと、第２光学エレメントとを備えていることを特徴とする方法。
8. 請求項７記載の方法において、前記階段ミラーは、複数のステップ（段）を備えていることを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、前記階段ミラーは、第１入射ビームの入射角度と、前記第１入射ビームと第２入射ビームとの間の近似距離と、第１反射ビームと第２反射ビームとの間の近似距離とに関係するステップ高さを有することを特徴とする方法。
10. 請求項９記載の方法において、ステップ幅は、第１入射ビームの入射角度と、前記第１入射ビームと第２入射ビームとの間の距離と、第１反射ビームと第２反射ビームとの間の距離とに関係していることを特徴とする方法。
11. 請求項７記載の方法において、前記第１光学エレメントは第１レンズであり、前記第２光学エレメントは第２レンズであることを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法において、前記第１レンズは円筒レンズであり、前記第２レンズは円筒レンズであることを特徴とする方法。
13. 請求項１１記載の方法において、前記第１レンズは球面レンズであり、前記第２レンズは球面レンズであることを特徴とする方法。
14. 請求項７記載の方法において、前記第１光学エレメントは円錐曲線ミラーであり、前記第２光学エレメントは円錐曲線ミラーであることを特徴とする方法。
15. 請求項１記載の方法において、前記第１スペクトル分散エレメント及び第２スペクトル分散エレメントは、各々、回折格子、立体ブラグ格子、プリズム、及びグリズムの内少なくとも１つであることを特徴とする方法。
16. 請求項１５記載の方法において、前記回折格子は、透過型回折格子、反射型回折格子、線織回折格子、及びホログラフ回折格子の内少なくとも１つであることを特徴とする方法。
17. 複数のレーザ・ビームレットと、第１スペクトル分散エレメントと、第２スペクトル分散エレメントと、ビーム方向転換エレメントとを備えているシステムであって、
    前記複数のレーザ・ビームレットを前記第１スペクトル分散エレメント上に投射し、前記ビームレットに空間チャープが生じ、
    前記空間チャープが発生したビームレットを前記ビーム方向転換エレメント上に投射し、前記第２スペクトル分散エレメントによって、前記空間チャープが発生したビームレットを並び換えて１つの出力ビームとする
    よう構成されていることを特徴とするシステム。
18. 請求項１７記載のシステムにおいて、前記複数のレーザ・ビームレットは、複数のファイバ・レーザ、複数の光ファイバ、及び複数のダイオード・レーザの内少なくとも１つによって放出されることを特徴とするシステム。
19. 請求項１８記載のシステムにおいて、前記複数のレーザ・ビームレットを前記第１スペクトル分散エレメント上に投射する際に、前記ビームレットが前記スペクトル分散エレメント上で重複するように投影するよう構成されていることを特徴とするシステム。
20. 請求項１９記載のシステムにおいて、前記複数のレーザ・ビームレットを前記第１スペクトル分散エレメント上に投射する際に、前記複数のレーザ・ビームレットがコリメイトされるように投影するよう構成されていることを特徴とするシステム。
21. 請求項２０記載のシステムにおいて、前記ビームレットが合体された前記出力ビームを光ファイバに結合するよう構成されていることを特徴とするシステム。
22. 請求項２１記載のシステムにおいて、ビーム方向転換エレメントは、前記空間チャープが発生したビームレットを並び換える際、前記空間チャープが発生したビーム間の角度分離を設定し直すよう構成されていることを特徴とするシステム。
23. 請求項２２記載のシステムにおいて、ビーム方向転換エレメントは、第１光学エレメントと、階段ミラーと、第２光学エレメントとを備えていることを特徴とするシステム。
24. 請求項２３記載のシステムにおいて、前記階段ミラーは、複数のステップ（段）を備えていることを特徴とするシステム。
25. 請求項２４記載のシステムにおいて、前記階段ミラーは、第１入射ビームの入射角度と、前記第１入射ビームと第２入射ビームとの間の近似距離と、第１反射ビームと第２反射ビームとの間の近似距離とに関係するステップ高（段高）を有することを特徴とするシステム。
26. 請求項２４記載のシステムにおいて、ステップ幅は、第１入射ビームの入射角度と、前記第１入射ビームと第２入射ビームとの間の距離と、第１反射ビームと第２反射ビームとの間の距離とに関係することを特徴とするシステム。
27. 請求項２３記載のシステムにおいて、前記第１光学エレメントは第１レンズであり、前記第２光学エレメントは第２レンズであることを特徴とするシステム。
28. 請求項２７記載のシステムにおいて、前記第１レンズは円筒レンズであり、前記第２レンズは円筒レンズであることを特徴とするシステム。
29. 請求項２８記載のシステムにおいて、前記第１レンズは球面レンズであり、前記第２レンズは球面レンズであることを特徴とするシステム。
30. 請求項２３記載のシステムにおいて、前記第１光学エレメントは円錐曲線ミラーであり、前記第２光学エレメントは円錐曲線ミラーであることを特徴とするシステム。
31. 請求項１７記載のシステムにおいて、前記第１スペクトル分散エレメント及び第２スペクトル分散エレメントは、各々、回折格子、立体ブラグ格子、プリズム、及びグリズムの内少なくとも１つであることを特徴とするシステム。
32. 請求項３１記載のシステムにおいて、前記回折格子は、透過型回折格子、反射型回折格子、線織回折格子、及びホログラフ回折格子の内少なくとも１つであることを特徴とするシステム。

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