JP6195807B2 - 光合波器および光合波器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の光を合波する光合波器および光合波器の製造方法に関するものである。

光ファイバ通信の大容量化を実現するものとして、少なくとも３０ｄＢ以上（または４０ｄＢ以上）の高いサイドモード抑圧比（ｓｉｄｅ ｍｏｄｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ、ＳＭＳＲ）が得られる単一モードｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ（ＬＤ）を光源に複数用いて、波長の異なる複数の信号光を多重化することにより、１本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長多重光ファイバ通信システムが提案されている。

この波長多重光ファイバ通信システムの送信機においては、複数の光源からの信号光を１つの光ファイバに入力するため、信号光を合成する光合波器が用いられる。特に近年は、データ量の増大に伴い、アクセス系の光ファイバ網、または、局舎内の装置間接続などにも波長多重の適用が見込まれており、省スペース化および低コスト化の要求から、光源と光合波器とを１つのパッケージに収めた光送信モジュールが求められている。

従来から、光合波機能を有する空間光学系には、互いに直交する偏光面を有する２つの直線偏光の入射光を、偏光ビームスプリッタまたは複屈折結晶により合波する光学系、または、特定の波長を透過し他の波長を反射する波長フィルタを用いて合波する光学系が広く用いられている。

前者に関しては、例えば、特許文献１および特許文献３において、互いに直交する偏光面を有する２つの直線偏光の入射光を合波する光学系が開示されている。また、特許文献２においては、入射光を互いに直交する偏光に分波し、一方の偏光を回転させることで１つの方向に偏光した出力光を得る光学系が開示されている。なお、特許文献２の光学系は、逆方向から光を入射する場合、平行な偏光面を有する２つの直線偏光の入射光を合波する光合波器としての機能を有する。

特許文献４においては、波長フィルタを用いた光学系が開示されている。

特開２００２−１０７５７９号公報 特開２００８−０４６６０９号公報 特開２００３−０６６２６９号公報 特許第３７３６４３５号公報

光送信モジュールの光源には、レーザダイオード（ＬＤ）、または、ＬＤと変調器とを集積した光素子が用いられるが、１つの素子に複数の光源をアレイ状に集積した素子を用いる場合には、平行な偏光面を有する信号光が得られることになる。このため、従来の、互いに直交する偏光面を有する２つの直線偏光の入射光を合波する光学系を用いると、一方の信号光の偏光面を９０度回転させる必要がある。そのため、この光学部品を設置するスペースのため信号光の間隔が広がり、光素子の寸法または光学系の寸法が大型化するという問題があった。

また、従来の、波長フィルタを用いる光学系では、各入射光の波長にそれぞれ対応した複数の波長フィルタが必要となるため、フィルタコストが増大する問題があった。また、当該光学系は多重反射光学系である。そのため、光学系組み立て時のフィルタの設置角度にずれが発生すると、反射後の光路の進行方向がずれるため、出力光ファイバに入射できずロスが発生しやすい。よって、精密なフィルタ角度の調整が必要となり、組み立てコストが増大する問題があった。

また、波長フィルタを用いる光学系とともに、互いに直交する偏光面を有する２つの直線偏光の入射光を合波する光学系を用いて、２つずつの信号光を偏光により合波することで、波長フィルタにより合波する信号光の数を１／２とすることも考えられるが、この場合には、波長フィルタが互いに直交する偏光面を有する２つの直線偏光両方に対して機能するように、誘電体多層膜の構造と光の入射角度を設定する必要があるため、フィルタ製造コストが増大するとともに、入射角度の制限により光学系が大型化するという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、同一方向に直線偏光する複数の光を合波し、かつ、光学系の大型化を防ぐことができる光合波器を提供することを目的とする。

本発明の一態様に関する光合波器は、面形状の偏光スプリッタと、前記偏光スプリッタと平行に配置されるλ／２板と、前記偏光スプリッタと平行に配置され、かつ、光を反射する面形状の後方ミラーとを備え、前記偏光スプリッタには、あらかじめ定められた方向に進行する複数の光が入射され、あらかじめ定められた前記方向を、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、前記偏光スプリッタは、３次元法線ベクトルが（−１、０、１）であり、複数の前記光は、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光し、前記偏光スプリッタは、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させ、複数の前記光が前記偏光スプリッタに入射される前記方向に沿って、前記偏光スプリッタ、前記λ／２板および前記後方ミラーが順に配置され、前記λ／２板の進相軸または遅相軸を示す３次元単位ベクトルが（−１、１、０）、（１、１、０）、（０、１、１）または（０、１、−１）であり、前記偏光スプリッタと前記後方ミラーとの間の距離をＤとする場合、前記偏光スプリッタに入射される各前記光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる。

本発明の一態様に関する光合波器の製造方法は、光を反射する後方ミラー上に、第１ガラス基板、λ／２板、偏光スプリッタ、および、第２ガラス基板を順に積層させ、積層構造の側面を削り、ある特定の断面において前記積層構造の前記側面と各積層境界とがなす角を４５°とし、削られた前記積層構造の前記側面について、その積層方向を３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、前記第２ガラス基板の、前記偏光スプリッタと接触する側の反対側から、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向に進行する複数の光が入射され、複数の前記光の、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光し、前記偏光スプリッタは、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させ、前記λ／２板の進相軸または遅相軸を示す３次元単位ベクトルが（−１、１、０）、（１、１、０）、（０、１、１）または（０、１、−１）であり、前記第１ガラス基板の厚さをＤとする場合、前記第２ガラス基板に入射される各前記光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる。

本発明の上記態様によれば、偏光スプリッタに入射される前の光路において、個別にλ／２板を配置せずに、同一方向に直線偏光する複数の光を合波することができる。

また、個別にλ／２板を配置する必要がないため、複数の平行ビームの間隔を狭めることができ、光学系の大型化を防ぐことができる。

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施形態に関する光合波器の構成を示す図である。 実施形態に関する、λ／２板の外形を示す斜視図である。 実施形態に関する、λ／２板の外形を示す上面図である。 実施形態に関する光合波器の複屈折の様子を示す図である。 実施形態に関する光合波器の複屈折の様子を示す図である。 実施形態に関する光合波器の複屈折の様子を示す図である。 実施形態に関する光合波器における、光の光路を示す図である。 実施形態に関する光合波器における、光の光路を示す図である。 実施形態に関する光合波器における、光の光路を示す図である。 実施形態に関する光合波器における、光の光路を示す図である。 実施形態に関する光合波器の製造方法を示す図である。 光合波器を用いた、光送信モジュールの構成を示す図である。 前提技術に関する光合波器の構成を示す図である。 前提技術に関する光合波器の構成を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。

図１３は、前提技術に関する光合波器の構成を示す図である。当該光合成器では、互いに直交する直線偏光の光を合波する。

通常のガラスで形成された２つの三角形のプリズムの間に誘電体多層膜を挟んで貼り合わせた構造の偏光ビームスプリッタ２５（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ、ＰＢＳ）が用いられる。この偏光ビームスプリッタ２５では、誘電体多層膜（偏光ビームスプリッタ膜）への、すなわち、２つのプリズムの境界面への、入射面に対して偏光面が平行方向の光（Ｐ偏光）はそのまま透過するが、偏光面が垂直方向の光（Ｓ偏光）は反射されて別の方向に進む。

偏波保持ファイバ３５１（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ、ＰＭＦ）から出射され、コリメートレンズ３２１で平行光線にされた信号光５１と、偏波保持ファイバ３５２から出射され、コリメートレンズ３２２で平行光線にされた信号光５２とが、偏光ビームスプリッタ２５に入射する。偏波保持ファイバ３５１から入射される信号光５１をＰ偏光とし、偏波保持ファイバ３５２から入射される信号光５２をＳ偏光とすれば、偏光ビームスプリッタ２５の境界面において、信号光５１は直進し、信号光５２は反射される。そのため、２つの直線偏光は合波され、集光レンズ３３を介して出力光ファイバ３４に入射され、出力される。

図１４は、前提技術に関する光合波器の構成を示す図である。当該光合成器では、波長フィルタを用いて光を合波する。

ガラスで形成されたチップの表面に誘電体多層膜（波長フィルタ膜）を設けた複数の波長フィルタチップが用いられている。光ファイバ３５３から出射され、さらにコリメートレンズ３２１で平行光線にされた信号光５１は、信号光５１の波長を透過し他の波長を反射する波長フィルタチップ２７１に所定の角度で入射される。そして、信号光５１は、波長フィルタチップ２７１を透過した後、波長フィルタチップ２７１に対して平行に設置された反射ミラーチップ２６１で反射され、集光レンズ３３を介して出力光ファイバ３４に入射される。

光ファイバ３５４から出射され、さらにコリメートレンズ３２２で平行光線にされた信号光５２は、信号光５２の波長を透過し他の波長を反射する波長フィルタチップ２７２に所定の角度で入射される。そして、信号光５２は、波長フィルタチップ２７２を透過した後、波長フィルタチップ２７２に対して平行に設置された反射ミラーチップ２６２で反射される。さらに、信号光５２は、波長フィルタチップ２７１でも反射されて信号光５１と合波される。その後、信号光５２は、反射ミラーチップ２６１で反射され、集光レンズ３３を介して出力光ファイバ３４に入射される。

以下、波長フィルタチップと反射ミラーチップとを追加し多重反射光学系とすることで、複数の波長の信号光を合波することができる。

しかし、互いに直交する偏光面を有する２つの直線偏光の入射光を合波する光学系では、一方の信号光の偏光面を９０度回転させる必要がある。そのため、この光学部品を設置するスペースのため信号光の間隔が広がり、光素子の寸法または光学系の寸法が大型化するという問題があった。

また、波長フィルタを用いる光学系では、各入射光の波長にそれぞれ対応した複数の波長フィルタが必要となるため、フィルタコストが増大する問題があった。また、当該光学系は多重反射光学系である。そのため、光学系組み立て時のフィルタの設置角度にずれが発生すると、反射後の光路の進行方向がずれるため、出力光ファイバに入射できずロスが発生しやすい。よって、精密なフィルタ角度の調整が必要となり、組み立てコストが増大する問題があった。

以下に説明する実施形態は、上記のような問題を解決する光合波器および光合波器の製造方法に関するものである。

＜第１実施形態＞
＜構成＞
図１は、本実施形態に関する光合波器の構成を示す図である。また、図２は、本実施形態に関する光合波器のλ／２板の外形を示す斜視図である。また、図３は、本実施形態に関する光合波器のλ／２板の外形を示す上面図である。また、図４、図５および図６は、本実施形態に関する光合波器の複屈折の様子を示す図である。

図１に示されるように光合波器は、一軸性複屈折結晶からなるλ／２板１１と、ミラー膜２３が設けられたガラス基板１と、偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられたガラス基板２とを備える。

ガラス基板２は三角プリズムであり、その斜面に偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられる。偏光ビームスプリッタ膜２１は面形状であり、λ／２板１１に接着される。さらに、λ／２板１１の、偏光ビームスプリッタ膜２１に接着されていない側の面は、ガラス基板１に接着される。ガラス基板１の、λ／２板１１と接着される面に対向する面には、ミラー膜２３が設けられている。ミラー膜２３は面形状であり、光を反射する。また、ミラー膜２３は、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置される。本実施形態では、λ／２板１１として水晶を用いた場合が示される。

なお、λ／２板１１は、偏光ビームスプリッタ膜２１に接着されている必要はなく、偏光ビームスプリッタ膜２１とミラー膜２３との間において配置されていればよい。

まず、λ／２板１１の構成について述べる。

図２および図３に示されるように、ガラス基板２に入射される信号光の進行方向をｚ軸とし、直線偏光した信号光の偏光面に平行な方向をｘ軸とし、直線偏光した信号光の偏光面に垂直な方向をｙ軸とする。そして、それぞれの単位ベクトルをｘ＝（１、０、０）、ｙ＝（０、１、０）、ｚ＝（０、０、１）とする。

このとき、本実施形態のλ／２板１１は、外形をなす２つの平面の法線ベクトルが（−１、０、１）となるように設定され、かつ、水晶の結晶の光軸（進相軸または遅相軸）の方向が（−１、１、０）または（１、１、０）となるように設定される（図２参照）。

なお、λ／２板１１は、例えば、構成する水晶の光軸にあわせて板状に研磨したものを用いることが想定される。また、ガラス基板に水晶の結晶を積層する前に光軸を測定しておき、マーキングなどをしておいたものを用いてもよい。

図３に示されるように、平面の（０、１、０）方向の寸法は、信号光のビーム径以上に設定され、好ましくは同一に設定される。平面の（１、０、１）方向の寸法は、２つの信号光の光路間隔の２√２倍以上に設定され、好ましくは同一に設定される。また、複屈折結晶の底面の（０、０、１）方向の一辺の寸法をＬとする（平面間の距離はＬ／√２）。

図４、図５および図６は、このように設定された水晶結晶中を、光がｚ軸方向に進む場合の屈折率、および、ｘ軸方向に進む場合の屈折率について示す図である。図４、図５および図６においては、一軸性結晶の屈折率楕円体４１が示されている。本実施形態の構成では屈折率楕円体４１は、

で示される楕円体の長軸をｚ軸周りにπ／４回転した構成となる。ｚ軸方向に垂直な面における、屈折率楕円体の原点を通る断面４２では、長軸がｎ_ｅ、短軸がｎ_ｏの楕円であり、結晶の進相軸４４となる屈折率ｎ_ｏの短軸がｘ軸に対してπ／４回転した方向に延びる（図５参照）。なお、図５において、結晶の遅相軸４５も示されている。

一方、ｘ軸方向に垂直な面における、屈折率楕円体の原点を通る断面４３では、

の楕円であり、結晶の進相軸４６となる屈折率ｎ_ｏの短軸がｙ軸に対して平行となる（図６参照）。なお、図６において、結晶の遅相軸４７も示されている。

複屈折結晶をｘ軸、ｚ軸それぞれの方向に透過する光で、進相軸方向に偏光した光と遅相軸方向に偏光した光との間に生じる位相差は、

となる。

ここで、δｚがπとなるようにＬを設定する。波長１３２０［ｎｍ］の光に対する水晶の屈折率はｎ_ｏ＝１．５３０６８であり、ｎ_ｅ＝１．５３９２２であるので、Ｌを７７．３［μｍ］に設定すれば、ｚ軸方向に進む、偏光面が進相軸に平行な光と偏光面が遅相軸に平行な光との間の位相差δｚはπとなる。一方、ｘ軸方向に進む、偏光面が進相軸に平行な光と偏光面が遅相軸に平行な光との間の位相差δｘは０．４９πとなる。なお、他の複屈折材料および波長を用いる場合も、屈折率ｎ_ｏおよび屈折率ｎ_ｅに合わせてδｚがπとなるようにＬを設定すればよい。

結晶の進相軸が偏光面に対してθの角度をなし、進相軸に平行な偏光面をもつ光の位相がδ進む位相差のＪｏｎｅｓ行列は、

と表され、本実施形態の複屈折結晶においては、ｚ軸方向に進む、ｘ軸方向に偏光した光に対してδ＝π、θ＝π、ｘ軸方向に進む、ｙ軸方向に偏光した光に対してσ＝０．４９π、θ＝π／２となる。

したがって、複屈折結晶のｚ軸方向に進む光に対するＪｏｎｅｓ行列は、

となり、ｘ軸方向に進む光に対するＪｏｎｅｓ行列は、

となる。

本実施形態のガラス基板２は、その斜面の寸法がλ／２板１１の寸法と等しい、直角三角柱の三角プリズムである。ガラス基板２の、斜面以外の側面の寸法は、互いに平行な信号光の光路の間隔の２倍に設定される。そして、斜面以外の側面は、斜面以外の側面のうちの１つに平行な光路の、互いに平行な偏光面をもつ２つの信号光が、垂直に入射されるように配置される。なお、反射減衰量を確保するため、入射角を直角から数度程度傾けて配置してもよい。

ガラス基板２の斜面には、誘電体多層膜からなる偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられる。そして、偏光ビームスプリッタ膜２１は、さらにλ／２板１１と接着される。

本実施形態のガラス基板１は、その寸法がλ／２板１１の寸法と等しい、互いに平行な一対の面を有する。ガラス基板１は、当該一対の面のうちの１つの面にλ／２板１１が接着され、λ／２板１１に接触する面に対向する面には、誘電体多層膜からなるミラー膜２３が設けられる。

ガラス基板１、λ／２板１１およびガラス基板２は、ミラー膜２３と偏光ビームスプリッタ膜２１とが平行に配置されるように、互いに接着されている。ここで、ガラス基板１の厚さ寸法は、λ／２板１１の厚さＬの１／√２と接着材の厚みとを除いた上で、ミラー膜２３と偏光ビームスプリッタ膜２１との間の距離Ｄが２つの信号光の光路間隔の１／√２倍となるように設定されている。

偏光ビームスプリッタ膜２１は、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させる。

＜作用＞
図７は、本実施形態に関する、光合波器における光の光路を示す図である。ｚ軸方向に進行する、偏光面がｘ軸方向に沿って直線偏光した２つの信号光が、ｘ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ガラス基板２の側面に入射されるように、光合波器を設置する。なお、信号光は、１つの半導体素子上にアレイ状に配置された光源から出力され、レンズアレイによりビーム直径が２００［μｍ］以上４００［μｍ］以下の平行光にコリメートされることで得られるものである。また、素子サイズ、および、光源間のアイソレーションに応じて、２つの信号光の間隔は一般に数百［μｍ］以上１［ｍｍ］以下程度に設定される。

このとき、互いに平行にｚ軸方向に進む、信号光５１と信号光５２とは、偏光ビームスプリッタ膜２１に対して、

となるため、これらの光はガラス基板２に入射した後、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過する。

信号光５１は、λ／２板１１をｚ軸方向に透過し、

の変換を受けた後、ミラー膜２３で反射され、ｘ軸方向に進行方向を折り曲げられる。

さらに、信号光５１は、λ／２板１１をｘ軸方向に透過し、

の変換を受けた後、ガラス基板１側から再度偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される。

以上から、信号光５１のガラス基板１側からの偏光ビームスプリッタ膜２１への入射時の偏光状態は、入射前の偏光状態に、λ／２板（ｚ軸方向）透過、ミラー反射およびλ／２板（ｘ軸方向）透過の効果を加えた、

と表され、ｙ軸方向に直線偏光している。このとき、偏光ビームスプリッタ膜２１に対してＳ偏光となるため、ガラス基板１側に反射される。

偏光ビームスプリッタ膜２１で反射された後の信号光５１について考えると、信号光５１の光路のｘ軸方向の位置は１／√２Ｄとなる。よって、ガラス基板１の厚さを調整し、ミラー膜２３と偏光ビームスプリッタ膜２１との間の距離Ｄを、２つの信号光の光路間隔の１／√２倍とすれば、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過した信号光５２と光路を重ねることができる。

光路を重ねられた信号光５１と信号光５２とは、λ／２板１１で再度偏光方向をｚ軸周りに９０度回転した後、ミラー膜２３で反射され、ガラス基板１の側面から射出される。

なお、ｙ軸方向については、ｘ軸方向に透過する時、信号光は結晶に対して異常光線となるため、光路はｙ軸方向に、

だけ移動するが、Ｌが数十［μｍ］と十分小さいため、信号光をファイバに結合する光学系でのロスへの影響は小さい。なお、光合波器に入射する入射光の光路の、ｙ軸方向の位置を、ｙ軸方向の移動を打ち消すよう配置してもよい。

以上のように、ｘ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｚ軸方向に進行する、偏光面がｘ軸方向に直線偏光した２つの信号光を、ｘ軸方向に進む１つの射出光に合波することができる。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、光合波器が、面形状の偏光スプリッタとしての偏光ビームスプリッタ膜２１と、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置されるλ／２板１１と、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置され、かつ、光を反射する面形状の後方ミラーとしてのミラー膜２３とを備える。

偏光ビームスプリッタ膜２１には、あらかじめ定められた方向に進行する複数の光が入射される。

あらかじめ定められた方向を、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、偏光ビームスプリッタ膜２１は、３次元法線ベクトルが（−１、０、１）であり、複数の光は、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する。

偏光ビームスプリッタ膜２１は、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させる。

複数の光が偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される方向に沿って、偏光ビームスプリッタ膜２１、λ／２板１１およびミラー膜２３は順に配置される。

λ／２板１１の進相軸または遅相軸を示す３次元単位ベクトルは（−１、１、０）または（１、１、０）である。

偏光ビームスプリッタ膜２１とミラー膜２３との間の距離をＤとする場合、偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される各光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる。

このような構成によれば、偏光ビームスプリッタ膜２１に入射された信号光５１は、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過した後に、λ／２板１１においてｙ軸方向に沿う直線偏光に変換されるが、ミラー膜２３で反射され、再度λ／２板１１に入射される際には、直線偏光は変換されない。これは、屈折率楕円体の断面の進相軸と信号光５１の偏光方向とが直交しているためである。よって、再び偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される際にはｙ軸方向に沿う直線偏光であるため、信号光５１は偏光ビームスプリッタ膜２１において反射され、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過した信号光５２と合波される。

なお、信号光が入射される方向に対し、偏光ビームスプリッタ膜２１の３次元法線ベクトルは（−１、０、１）と規定されているが、当該法線ベクトルの方向は厳密に当該方向に限定されるわけではなく、角度にして数度程度の範囲で当該方向からずれることは許容される。すなわち、そのような場合には、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過した後の信号光が、一度λ／２板１１からミラー膜２３を経由し、再度λ／２板１１に入射される際、偏光方向が回転する。そのため、再び偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される際に、反射されずに透過してしまう成分が増えることになるが、透過してしまう成分の割合が十分に少ない範囲であれば、信号光５１と信号光５２を合波する効果を生じさせることができる。

以上より、偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される前の光路において、個別にλ／２板を配置せずに、同一方向に直線偏光する複数の光を合波することができる。

また、個別にλ／２板を配置する必要がないため、複数の平行ビームの間隔を狭めることができ、光学系の大型化を防ぐことができる。

また、波長フィルタと組み合わせて使用する場合でも、必要とするフィルタの数を削減し、また、一方の偏光方向のみに機能する波長フィルタを使用することができる。

また、平行な２面を有するガラス基板を貼り合わせることによって組み立てることができるため、組み立て精度がよい。また、当該理由により、組み立てコストを低減できる。

なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本実施形態に示された任意の構成を適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。

＜第２実施形態＞
＜構成＞
以下では、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。

図８は、本実施形態に関する、光合波器における光の光路を示す図である。本実施形態に関する光合波器は、一軸性複屈折結晶からなるλ／２板１１ａと、ミラー膜２３が設けられたガラス基板１と、偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられたガラス基板２とを備える。

ガラス基板２は三角プリズムであり、その斜面に偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられる。偏光ビームスプリッタ膜２１は、λ／２板１１ａに接着される。さらに、λ／２板１１ａの、偏光ビームスプリッタ膜２１に接着されていない側の面は、ガラス基板１に接着される。ガラス基板１の、λ／２板１１ａと接着される面に対向する面には、ミラー膜２３が設けられている。

本実施形態のλ／２板１１ａは、外形をなす２つの平面の法線ベクトルが（−１、０、１）となるよう設定され、かつ、水晶の結晶の光軸の方向が（０、１、１）または（０、１、−１）となるように設定される。

平面の（０、１、０）方向の寸法は、信号光のビーム径以上に設定され、好ましくは同一に設定される。平面の（１、０、１）方向の寸法は、２つの信号光の光路間隔の２√２倍以上に設定され、好ましくは同一に設定される。また、複屈折結晶の底面の（０、０、１）方向の一辺の寸法をＬとする（平面間の距離はＬ／√２）。

本実施形態の構成では屈折率楕円体は、

で示される楕円体の長軸をｘ軸周りにπ／４回転した構成となる。ｘ軸方向に垂直な面における、屈折率楕円体の原点を通る断面では、長軸がｎ_ｅ、短軸がｎ_ｏの楕円であり、結晶の進相軸となる屈折率ｎ_ｏの短軸がｚ軸に対してπ／４回転した方向に延びる。

一方、ｘ軸方向に垂直な面における、屈折率楕円体の原点を通る断面では、

の楕円であり、結晶の進相軸となる屈折率ｎ_ｏの短軸がｚ軸に対して平行となる。

以上のように、第１実施形態に対してｘ軸とｚ軸とが入れ替わった構成となる。

したがって、複屈折結晶のｘ軸方向に進む光に対するＪｏｎｅｓ行列は

となり、ｚ軸方向に進む光に対するＪｏｎｅｓ行列は

となる。

以上から、信号光５１のガラス基板１側からの偏光ビームスプリッタ膜２１への入射時の偏光状態は、入射前の偏光状態に、λ／２板（ｚ軸方向）透過、ミラー反射およびλ／２板（ｘ軸方向）透過の効果を加えた、

と表され、ｙ軸方向に直線偏光している。このとき、偏光ビームスプリッタ膜２１に対してＳ偏光となるため、ガラス基板１側に反射される。

よって、ｘ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｚ軸方向に進行する、偏光面がｘ軸方向に直線偏光した２つの信号光を、ｘ軸方向に進む１つの射出光に合波することができる。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、光合波器が、面形状の偏光スプリッタとしての偏光ビームスプリッタ膜２１と、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置されるλ／２板１１ａと、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置され、かつ、光を反射する面形状の後方ミラーとしてのミラー膜２３とを備える。

偏光ビームスプリッタ膜２１には、あらかじめ定められた方向に進行する複数の光が入射される。

あらかじめ定められた方向を、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、偏光ビームスプリッタ膜２１は、３次元法線ベクトルが（−１、０、１）であり、複数の光は、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する。

偏光ビームスプリッタ膜２１は、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させる。

複数の光が偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される方向に沿って、偏光ビームスプリッタ膜２１、λ／２板１１ａおよびミラー膜２３は順に配置される。

λ／２板１１ａの進相軸または遅相軸を示す３次元単位ベクトルは（０、１、１）または（０、１、−１）である。

偏光ビームスプリッタ膜２１とミラー膜２３との間の距離をＤとする場合、偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される各光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる。

このような構成によれば、偏光ビームスプリッタ膜２１に入射された信号光５１は、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過した後に、λ／２板１１ａにおいてｙ軸方向に沿う直線偏光に変換されるが、ミラー膜２３で反射され、再度λ／２板１１ａに入射される際には、直線偏光は変換されない。よって、再び偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される際にはｙ軸方向に沿う直線偏光であるため、信号光５１は偏光ビームスプリッタ膜２１において反射され、偏光ビームスプリッタ膜２１を透過した信号光５２と合波される。

以上より、偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される前の光路において、個別にλ／２板を配置せずに、同一方向に直線偏光する複数の光を合波することができる。

また、個別にλ／２板を配置する必要がないため、複数の平行ビームの間隔を狭めることができ、光学系の大型化を防ぐことができる。

また、波長フィルタと組み合わせて使用する場合でも、必要とするフィルタの数を削減し、また、一方の偏光方向のみに機能する波長フィルタを使用することができる。

また、平行な２面を有するガラス基板を貼り合わせることによって組み立てることができるため、組み立て精度がよい。また、当該理由により、組み立てコストを低減できる。

なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本実施形態に示された任意の構成を適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。

＜第３実施形態＞
＜構成＞
図９は、本実施形態に関する、光合波器における光の光路を示す図である。本実施形態に関する光合波器は、一軸性複屈折結晶からなるλ／２板１１と、ミラー膜２３が設けられたガラス基板１と、偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられたガラス基板２ｂと、波長フィルタ膜２２が設けられたガラス基板３とを備える。

ガラス基板２ｂは、底面が平行四辺形の四角柱であり、その一側面に偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられる。ガラス基板３は三角プリズムであり、その斜面に波長フィルタ膜２２が設けられる。波長フィルタ膜２２は、偏光ビームスプリッタ膜２１が接着される側面に対向するガラス基板２ｂの側面に接着される。偏光ビームスプリッタ膜２１は、λ／２板１１に接着される。さらに、λ／２板１１の、偏光ビームスプリッタ膜２１に接着されていない側の面は、ガラス基板１に接着される。ガラス基板１の、λ／２板１１と接着される面に対向する面には、ミラー膜２３が設けられている。

ｘ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｚ軸方向に進行する、偏光面がｘ軸方向に直線偏光した信号光５４および信号光５３と、ｚ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｘ軸方向に進行する、偏光面がｚ軸方向に直線偏光した信号光５１および信号光５２とが、波長フィルタ膜２２上でそれぞれ直交するように配置する。

波長フィルタ膜２２は、光の波長に応じて異なる透過率および反射率を有する。波長フィルタ膜２２の反射率が高い波長帯域を、信号光５１の波長および信号光５２の波長を含むように設定し、波長フィルタ膜２２の反射率の低い波長帯域を、信号光５３の波長および信号光５４の波長を含むように設定する。そのようにすることで、信号光５１と信号光５４とが波長フィルタ膜２２において合波され、かつ、信号光５２と信号光５３とが波長フィルタ膜２２において合波される。さらに、信号光５２と信号光５３とが合波された信号光は、ミラー膜２３で反射されて、信号光５１と信号光５４とが合波された信号光と合波される。よって、ｘ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｚ軸方向に進行する、偏光面がｘ軸方向に直線偏光した２つの信号光と、ｚ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｘ軸方向に進行する、偏光面がｚ軸方向に直線偏光した２つの信号光とを、ｘ軸方向に進む１つの射出光に合波することができる。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、光合波器が、光の波長に応じて異なる透過率および反射率を有する波長フィルタ膜２２を備える。

複数の光が偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される方向に沿って、波長フィルタ膜２２、偏光ビームスプリッタ膜２１、λ／２板１１およびミラー膜２３は順に配置される。

偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される複数の光には、波長フィルタ膜２２において合波された光が含まれる。

このような構成によれば、同一方向に直線偏光する３以上の光を合波することができる。なお、上記実施形態においては、入射される光は４つとされているが、例えば、信号光５３および信号光５４のいずれか一方のみが入射される場合を想定してもよいし、さらに他の信号光が入射される場合を想定してもよい。

また、偏光依存性を有する波長フィルタ膜を使用することができるため、入射角度の制限が緩和される。よって、フィルタコスト削減および光学系の小型化が可能となる。

＜第４実施形態＞
＜構成＞
図１０は、本実施形態に関する、光合波器における光の光路を示す図である。本実施形態に関する光合波器は、一軸性複屈折結晶からなるλ／２板１１と、ミラー膜２３が設けられたガラス基板１と、偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられたガラス基板２ｂと、波長フィルタ膜２２が設けられたガラス基板３ｃとを備える。

ガラス基板２ｂは、底面が平行四辺形の四角柱であり、その一側面に偏光ビームスプリッタ膜２１が設けられる。ガラス基板３ｃは、底面が平行四辺形の四角柱であり、その一側面に波長フィルタ膜２２が設けられる。また、ガラス基板３ｃの、波長フィルタ膜２２が設けられる側面に対向する側面には、ミラー膜２４が設けられる。光を反射するミラー膜２４は、面形状であり、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置される。波長フィルタ膜２２は、偏光ビームスプリッタ膜２１が接着される側面に対向するガラス基板２ｂの側面に接着される。波長フィルタ膜２２は、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置される。偏光ビームスプリッタ膜２１は、λ／２板１１に接着される。さらに、λ／２板１１の、偏光ビームスプリッタ膜２１に接着されていない側の面は、ガラス基板１に接着される。ガラス基板１の、λ／２板１１と接着される面に対向する面には、ミラー膜２３が設けられている。

ｚ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｘ軸方向に進行する、偏光面がｚ軸方向に直線偏光した信号光５１および信号光５２、信号光５３および信号光５４のうち、信号光５１と信号光５２とがガラス基板２ｂの側面に入射され、信号光５３と信号光５４とがガラス基板３ｃの側面（ミラー膜２４および波長フィルタ膜２２が設けられていない側面）から入射されるように配置する。

ガラス基板３ｃの、ミラー膜２４および波長フィルタ膜２２が設けられていない側面の寸法Ｌ２を、信号光の間隔√２Ｄの２倍に設定すれば（すなわち、波長フィルタ膜２２とミラー膜２４との間の距離を２Ｄとする）、信号光５１および信号光５２とともに等間隔で入射される平行光線である、信号光５３および信号光５４が、ミラー膜２４で反射され、以下、第３実施形態と同様に合波される。すなわち、信号光５１と信号光５３とが合波され、かつ、信号光５２と信号光５４とが合波される。ここで、信号光５１および信号光５２は、波長フィルタ膜２２において反射された光であり、信号光５３および信号光５４は、ミラー膜２４で反射され、かつ、波長フィルタ膜２２において透過された光である。

さらに、信号光５２と信号光５４とが合波された信号光は、ミラー膜２３で反射されて、信号光５１と信号光５３とが合波された信号光と合波される。よって、ｚ軸方向に√２Ｄの間隔をおいた互いに平行な光路で、ｘ軸方向に進行する、偏光面がｚ軸方向に直線偏光した４つの信号光を、ｘ軸方向に進む１つの射出光に合波することができる。

なお、光合波器全体のサイズの増大を抑制する観点、および、信号光を進行させる距離を抑制する観点から、偏光ビームスプリッタ膜２１と波長フィルタ膜２２との間の距離も、可能な限り短いことが望ましい。√２Ｄの間隔で入射される信号光に対応するため、例えば、偏光ビームスプリッタ膜２１と波長フィルタ膜２２との間の距離を２Ｄとすることが望ましい。

図１１は、本実施形態に関する光合波器の製造方法を示す図である。

厚さＤ−Ｌ／√２のガラス基板１０１上に、厚さＬ／√２の複屈折結晶基板１１１、偏光ビームスプリッタ膜１２１、ガラス基板１０２、厚さ２Ｄのガラス基板１０２、波長フィルタ膜２２、および、厚さ２Ｄのガラス基板３を順に、それぞれの平面が平行となるように接着する。

そして、ガラス基板１０１下にはミラー膜１２３を設け、ガラス基板３上にはミラー膜１２４を設ける。

形成された積層構造から、側面が平面に対して４５度傾斜し、かつ、平面に沿う方向の長さが２√２Ｄである構造を切り取ることで、第４実施形態に関する光合波器（プリズム）を得ることができる。さらに、切断面を研磨後、無反射コーティング膜を設けてもよい。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、光合波器が、偏光ビームスプリッタ膜２１と平行に配置され、かつ、光を反射する面形状の前方ミラーとしてのミラー膜２４を備える。

複数の光が偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される方向に沿って、ミラー膜２４、波長フィルタ膜２２、偏光ビームスプリッタ膜２１、λ／２板１１およびミラー膜２３は順に配置される。

偏光ビームスプリッタ膜２１に入射される複数の光は、波長フィルタ膜２２において反射された光、および、ミラー膜２４で反射され、かつ、波長フィルタ膜２２において透過された光からなる。

このような構成によれば、入射される光として、同一方向に直線偏光する平行光線を用いることができる。

また、本実施形態によれば、波長フィルタ膜２２とミラー膜２４との間の距離が２Ｄである。

このような構成によれば、入射される光として、等間隔で入射される平行光線を用いることができる。

また、各光路に個別の光学部品を配置する必要がないため、光路間の間隔を狭めることができる。よって、光源がアレイ上に配置される光素子である場合、その大きさを縮小することができる。

また、本実施形態によれば、光合波器の製造方法において、光を反射するミラー膜２３上に、第１ガラス基板としてのガラス基板１０１、λ／２板としての複屈折結晶基板１１１、偏光スプリッタとしての偏光ビームスプリッタ膜１２１、および、第２ガラス基板としてのガラス基板１０２を順に積層させ、積層構造の側面を削り、ある特定の断面において積層構造の側面と各積層境界とがなす角を４５°とする。

削られた積層構造の側面について、その積層方向を３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、ガラス基板１０２の、偏光ビームスプリッタ膜１２１と接触する側の反対側から、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向に進行する複数の光が入射され、複数の光の、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する。

ガラス基板１０１の厚さをＤとする場合、ガラス基板１０２に入射される各光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる。

このような構成によれば、複数のガラス基板を貼り合わせることによって製造されるため、容易に高精度なプリズムを作成することができる。

また、大面積の積層構造からの切り出すことにより、多数のプリズムを一括して製造することができるため、製造コストを低減することができる。

なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本実施形態に示された任意の構成を適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。

＜第５実施形態＞
＜構成＞
図１２は、第４実施形態に示された光合波器を用いた、光送信モジュールの構成を示す図である。本実施形態に関する光送信モジュールは、半導体レーザまたは変調器が√２Ｄの間隔でアレイ状に配置された光素子３１と、レンズ中心が√２Ｄの間隔でアレイ状に配置されたレンズアレイ３２と、第４実施形態で示された光合波器と、集光レンズ３３と、出力光ファイバ３４とを備える。

光合波器のガラス基板２ｂの側面とガラス基板３ｃの側面とにそれぞれ２つのレンズが配置されるように、光合波器とレンズアレイ３２とが接着され、光素子３１の出力光がレンズアレイのレンズそれぞれの中心に垂直に入射するように配置されている。さらに、合波器の出力光がレンズ中心に入射するように集光レンズ３３が配置され、信号光の集点に出力光ファイバ３４の端面が配置される。

以上の構成により、光素子３１から出力される水平方向に偏光した４つの信号光を、出力光ファイバ３４に結合することができる。

なお、本実施形態では、光合波器への入射角度を垂直となる構成としているが、反射戻り光を削減するため、ｘ軸回りに数度傾斜してプリズムを配置してもよい。

上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載している場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本発明が記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例（任意の構成要素を変形する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施形態の構成要素と組み合わせる場合を含む）が、本発明の範囲内において想定される。

１，２，２ｂ，３，３ｃ，１０１，１０２ ガラス基板、１１，１１ａ λ／２板、２１，１２１ 偏光ビームスプリッタ膜、２２ 波長フィルタ膜、２３，２４，１２３，１２４ ミラー膜、２５ 偏光ビームスプリッタ、２７１，２７２ 波長フィルタチップ、３１ 光素子、３２ レンズアレイ、３３ 集光レンズ、３４ 出力光ファイバ、４１ 屈折率楕円体、４２，４３ 断面、４４，４６ 進相軸、４５，４７ 遅相軸、５１，５２，５３，５４ 信号光、１１１ 複屈折結晶基板、２６１，２６２ 反射ミラーチップ、３２１，３２２ コリメートレンズ、３５１，３５２ 偏波保持ファイバ、３５３，３５４ 光ファイバ。

Claims (5)

1. 面形状の偏光スプリッタと、
   前記偏光スプリッタと平行に配置されるλ／２板と、
   前記偏光スプリッタと平行に配置され、かつ、光を反射する面形状の後方ミラーとを備え、
   前記偏光スプリッタには、あらかじめ定められた方向に進行する複数の光が入射され、
   あらかじめ定められた前記方向を、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、
   前記偏光スプリッタは、３次元法線ベクトルが（−１、０、１）であり、
   複数の前記光は、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光し、
   前記偏光スプリッタは、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させ、
   複数の前記光が前記偏光スプリッタに入射される前記方向に沿って、前記偏光スプリッタ、前記λ／２板および前記後方ミラーが順に配置され、
   前記λ／２板の進相軸または遅相軸を示す３次元単位ベクトルが（−１、１、０）、（１、１、０）、（０、１、１）または（０、１、−１）であり、
   前記偏光スプリッタと前記後方ミラーとの間の距離をＤとする場合、前記偏光スプリッタに入射される各前記光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる、
   光合波器。
2. 光の波長に応じて異なる透過率および反射率を有する波長フィルタをさらに備え、
   複数の前記光が前記偏光スプリッタに入射される前記方向に沿って、前記波長フィルタ、前記偏光スプリッタ、前記λ／２板および前記後方ミラーが順に配置され、
   前記偏光スプリッタに入射される複数の前記光には、前記波長フィルタにおいて合波された光が含まれる、
   請求項１に記載の光合波器。
3. 前記偏光スプリッタと平行に配置され、かつ、光を反射する面形状の前方ミラーをさらに備え、
   複数の前記光が前記偏光スプリッタに入射される前記方向に沿って、前記前方ミラー、前記波長フィルタ、前記偏光スプリッタ、前記λ／２板および前記後方ミラーが順に配置され、
   前記波長フィルタは、前記偏光スプリッタと平行に配置され、
   前記偏光スプリッタに入射される複数の前記光は、
   前記波長フィルタにおいて反射された光、および、前記前方ミラーで反射され、かつ、前記波長フィルタにおいて透過された光からなる、
   請求項２に記載の光合波器。
4. 前記波長フィルタと前記前方ミラーとの間の距離が２Ｄである、
   請求項３に記載の光合波器。
5. 光を反射する後方ミラー上に、第１ガラス基板、λ／２板、偏光スプリッタ、および、第２ガラス基板を順に積層させ、
   積層構造の側面を削り、ある特定の断面において前記積層構造の前記側面と各積層境界とがなす角を４５°とし、
   削られた前記積層構造の前記側面について、その積層方向を３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向とする場合、
   前記第２ガラス基板の、前記偏光スプリッタと接触する側の反対側から、３次元軸方向のうちのｚ軸方向に沿う方向に進行する複数の光が入射され、
   複数の前記光の、そのすべてが３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光し、
   前記偏光スプリッタは、３次元軸方向のうちのｘ軸方向に沿って直線偏光する光を透過させ、かつ、３次元軸方向のうちのｙ軸方向に沿って直線偏光する光を反射させ、
   前記λ／２板の進相軸または遅相軸を示す３次元単位ベクトルが（−１、１、０）、（１、１、０）、（０、１、１）または（０、１、−１）であり、
   前記第１ガラス基板の厚さをＤとする場合、前記第２ガラス基板に入射される各前記光は、ｘ軸方向において√２Ｄ隔てられる、
   光合波器の製造方法。

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