JP6201672B2 - 合波用光学素子および合波器 - Google Patents

Description

本発明は、特に光通信の用途に好適に用いられる合波プリズムなどの合波用光学素子および合波器に関するものである。

従来、この種の合波用光学素子としては、複数の光学基板からなる積層体に複数の波長選択フィルターが互いに平行に配置したものが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。この合波用光学素子では、光源が配設される入射面と、光ファイバーが配設される射出面とが、積層体の同じ側に位置するように構成されている。

特開２００２−１６９０５４号公報

しかしながら、こうした合波用光学素子では、入射面と射出面とが積層体の同じ側に位置することから、合波器の構成部品として使用する際に、入射側の装置（光源など）と射出側の装置（光ファイバーなど）とを互いに干渉しない位置に配置できるようにするため、合波用光学素子の入射面と射出面とを離れた部位に設けざるを得ない。その結果、必然的に合波用光学素子の幅が広くなり、合波用光学素子の小型化に対応しにくいという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑み、小型化に対応しやすい合波用光学素子を提供することを第１の目的とする。また、このような合波用光学素子を用いた合波器を提供することを第２の目的とする。

本発明に係る第１の合波用光学素子は、波長が異なる複数の光を多重化する板状の合波用光学素子（４）であって、前記板状の合波用光学素子の一方に入射面（４２）が形成されるとともに、この入射面と対向する面に射出面（４３）が形成され、それぞれ特定波長の光だけを透過または反射させる透過特性を有する複数のフィルター（Ｆ１〜Ｆ４）により、前記複数の光が前記入射面から斜めに入射したときに、これらの光が、当該フィルターを透過または反射して合波された後、前記射出面から射出するように構成され、前記各フィルターは、前記複数の光を波長の順番に並べたときに、反射する光についてＰ偏光を反射するフィルターとＳ偏光を反射するフィルターとが交互に並ぶように設計され、前記複数のフィルターは、前記射出面側に設けられた第１のフィルター（Ｆ１）と、前記入射面側に設けられた第２のフィルター（Ｆ４）と、前記第１のフィルターと前記第２のフィルターとの間に設けられた第３のフィルター（Ｆ２、Ｆ３）とを含み、前記入射面から入射したＰ偏光またはＳ偏光の第１の光は、前記第１のフィルターで反射され、前記第３のフィルターを透過し、前記第２のフィルターで反射され、前記入射面から入射したＰ偏光またはＳ偏光の第２の光は、前記第３のフィルターで反射され、前記第２のフィルターで反射され、前記第２のフィルターで反射された前記第１の光および前記第２の光が、合波されて前記射出面に導かれるように構成されている合波用光学素子としたことを特徴とする。

本発明に係る第１の合波器は、波長が異なる複数の光を光源（２）から受光し、これらの光を多重化して光ファイバー（６）に案内する合波器（１）であって、前記複数の光をＰ偏光またはＳ偏光に変換する偏光子（３）に、上記合波用光学素子（４）が光学的に接続され、前記複数の光は、前記偏光子により、波長の隣り合う任意の２つの光が、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光のいずれか一方と他方とに変換され、前記合波用光学素子において、前記入射面（４２）から斜めに入射し、前記フィルター（Ｆ１〜Ｆ４）を透過または反射して合波された後、前記射出面（４３）から射出するように構成されている合波器としたことを特徴とする。

なお、ここでは、本発明をわかりやすく説明するため、実施の形態を表す図面の符号に対応づけて説明したが、本発明が実施の形態に限定されるものでないことは言及するまでもない。

本発明によれば、合波用光学素子の表裏両面（反対側）に入射面と射出面とが形成されているので、合波用光学素子を合波器の構成部品として使用する際に、入射側の装置と射出側の装置との干渉を考慮する必要がなくなる。その結果、合波用光学素子の幅を狭くすることができ、合波用光学素子の小型化に対応しやすくなる。

本発明の実施の形態１に係る合波器を示す構成図である。 図１に示す合波器の合波用光学素子を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその右側面図である。 図２に示す合波用光学素子のフィルターＦ１の透過特性を示すグラフである。 図２に示す合波用光学素子のフィルターＦ２の透過特性を示すグラフである。 図２に示す合波用光学素子のフィルターＦ３の透過特性を示すグラフである。 図２に示す合波用光学素子のフィルターＦ４の透過特性を示すグラフである。 図２に示す合波用光学素子の製造方法の一例を示す工程図であって、（ａ）は光学基板準備工程の斜視図、（ｂ）は積層板作製工程の斜視図、（ｃ）は積層体作製工程の斜視図、（ｄ）は積層片作製工程の正面図、（ｅ）は光学ブロック準備工程の正面図、（ｆ）は光学片作製工程の正面図、（ｇ）は合体工程の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］
図１乃至図７は、本発明の実施の形態１に係る図である。

この実施の形態１に係る合波器１は、図１、図２に示すように、光源２からの波長が異なる４つの光（例えば、波長λ１＝１２９５．５６±１．０３ｎｍ、波長λ２＝１３００．０５±１．０３ｎｍ、波長λ３＝１３０４．５８±１．０４ｎｍおよび波長λ４＝１３０９．１４±１．０５ｎｍの４つの信号光）をＰ偏光またはＳ偏光に変換する偏光子３と、この偏光子３によってＰ偏光またはＳ偏光に変換された４つの光を合波して多重化する合波用光学素子４と、この合波用光学素子４から射出した光を平行光線にして光ファイバー６に入射させるコリメーターレンズ５とが、順に光学的に接続されて構成されている。

この合波用光学素子４は、図２に示すように、所定のサイズ（例えば、幅Ｌ１＝３．３ｍｍ、奥行きＬ２＝０．８ｍｍ、高さＬ３＝３．０ｍｍ）の直方体状に形成された石英ガラス製の光学支持体４１を有している。この光学支持体４１は、その中央に位置する六面体状のフィルター埋設部４１ａと、このフィルター埋設部４１ａの左右両側に位置する一対の六面体状のフィルター非埋設部４１ｂ、４１ｃとから構成されている。光学支持体４１には、その表面（図２上面）に入射面４２が形成されているとともに、その裏面（図２下面）に射出面４３が入射面４２と対向して形成されている。

また、光学支持体４１のフィルター埋設部４１ａには、図２に示すように、４個のフィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４が互いに平行に配置して埋設されている。これらのフィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は、光学支持体４１の表面に略平行な面内での位置が、フィルターＦ１で反射した光の光路に沿ってずれるように、かつ、光学支持体４１の高さ方向（図２上下方向）に離間して設けられている。なお、フィルターＦ１は、第１のフィルターの一例として用いられているものであり、光学支持体４１の射出面４３に設けられている。また、フィルターＦ４は、第２のフィルターの一例として用いられているものであり、光学支持体４１の入射面４２に設けられている。さらに、フィルターＦ２、Ｆ３はいずれも、第３のフィルターの一例として用いられているものであり、フィルターＦ１とフィルターＦ４との間に順に設けられている。

ここで、フィルターＦ１は、図３に示すように、波長１２９０〜１３１５ｎｍの全領域でＳ偏光をほとんど透過せず、ほぼ１００％反射する透過特性を有している。また、フィルターＦ２は、図４に示すように、波長１２９５．５６ｎｍの近傍領域（波長１２９２〜１２９９ｎｍ）でＳ偏光をほぼ１００％透過するとともに、波長１３０４．５８ｎｍの近傍領域（波長１３０１〜１３１５ｎｍ）でＳ偏光をほとんど透過せず、ほぼ１００％反射する透過特性を有している。また、フィルターＦ３は、図５に示すように、波長１２９５．５６ｎｍおよび１３０４．５８ｎｍの近傍領域（波長１２９０〜１３０９ｎｍ）でＳ偏光をほぼ１００％透過するとともに、波長１３００．０５ｎｍの近傍領域（波長１２９７〜１３１５ｎｍ）でＰ偏光をほとんど透過せず、ほぼ１００％反射する透過特性を有している。さらに、フィルターＦ４は、図６に示すように、波長１２９５．５６ｎｍおよび１３０４．５８ｎｍの近傍領域（波長１２９０〜１３０８ｎｍ）でＳ偏光をほとんど透過せず、ほぼ１００％反射するとともに、波長１３００．０５ｎｍの近傍領域（波長１２９０〜１３０３ｎｍ）でＰ偏光をほとんど透過せず、波長１３０９．１４ｎｍの近傍領域（波長１３０６〜１３１３ｎｍ）でＰ偏光をほぼ１００％透過する透過特性を有している。なお、図３〜図６の各グラフにおいて、横軸は波長（単位：ｎｍ）を表し、縦軸は透過率（単位：％）を表す。

そして、各フィルターＦ１〜Ｆ４は、上述した４つの光を波長の順番に並べたときに、反射する光についてＰ偏光を反射するフィルターＦとＳ偏光を反射するフィルターＦとが交互に並ぶように設計されている。そのため、後述する合波器１の使用時において、通信速度の向上などを目的として４つの信号光の波長が入り組んでいても（隣り合う信号光の波長が接近していても）、或いは、４つの信号光の入射角を小さくしても、これらの信号光が互いに干渉してしまう事態の発生を未然に防ぐことができる。したがって、フィルターＦ１〜Ｆ４の透過特性の自由度を高めることができ、ひいては合波用光学素子４を低廉に製造することが可能となる。

このような合波用光学素子４においては、上述したとおり、入射面４２と射出面４３とが光学支持体４１の表裏両面にそれぞれ反対側になるように互いに対向して形成されているので、この合波用光学素子４を合波器１の構成部品として使用する際に、入射側の装置（光源２など）と射出側の装置（光ファイバー６など）との干渉を考慮する必要がなくなる。その結果、合波用光学素子４の幅Ｌ１を狭くすることができ、合波用光学素子４の小型化に対応しやすくなる。

次に、以上のような構成を有する合波器１の使用方法について説明する。

この合波器１を用いて、波長λ１＝１２９５．５６±１．０３ｎｍ、波長λ２＝１３００．０５±１．０３ｎｍ、波長λ３＝１３０４．５８±１．０４ｎｍおよび波長λ４＝１３０９．１４±１．０５ｎｍの４つの信号光を多重化して光ファイバー６に案内する際には、図２（ａ）に示すように、これら４つの信号光を波長λ１、波長λ３、波長λ２、波長λ４の順番に並べた状態で光源２から偏光子３に向けて互いに所定の間隔（例えば、０．５２ｍｍ）で平行に発光させる。すると、これら４つの信号光のうち、波長λ１、λ３の２つの信号光は、偏光子３でＳ偏光に変換された後、合波用光学素子４の入射面４２に所定の入射角（例えば、２３．３８±０．３°）で斜めに入射する。また、波長λ２、λ４の２つの信号光は、Ｐ偏光に変換された後、合波用光学素子４の入射面４２に同じ入射角で斜めに入射する。

なお、合波用光学素子４に対する信号光の入射角は、合波用光学素子４の小型化を目的とする観点から、１２〜３５°であることが好ましい。すなわち、この入射角が１２°未満だと、光学支持体４１の幅Ｌ１に対する高さＬ３の比率が大きくなり、合波用光学素子４が所定のサイズに納まらなくなってしまう。逆に、この入射角が３５°を超えると、光学支持体４１の高さＬ３に対する幅Ｌ１の比率が大きくなり、合波用光学素子４が所定のサイズに納まらなくなってしまう。さらに、例えば入射角が４５°以上になると、透過率が波長に対して急激に変化するエッジがなだらかになる傾向があるため、使用する光の波長の間隔を狭くすることが難しくなる傾向があることから、入射角は３５°以下であることが好ましい。

そして、これら４つの信号光は、以下に述べるように、合波用光学素子４の光学支持体４１の内部で合波されて多重化された後、合波用光学素子４の射出面４３から光学支持体４１の外部へ射出する。

すなわち、波長λ１の信号光のＳ偏光は、合波用光学素子４の入射面４２から光学支持体４１の内部へ入射してフィルター非埋設部４１ｃ内を斜め下方へフィルターＦ１に向かって進む。その後、フィルターＦ１でほぼ１００％反射されて、光学支持体４１のフィルター埋設部４１ａ内を斜め上方へフィルターＦ２に向かって進む。さらに、２個のフィルターＦ２、Ｆ３を順に斜め上方へほぼ１００％透過した後、フィルターＦ４でほぼ１００％反射されて、光学支持体４１のフィルター非埋設部４１ｂ内を斜め下方へ進み、合波用光学素子４の射出面４３から光学支持体４１の外部へ射出する。

また、波長λ２の信号光のＰ偏光は、合波用光学素子４の入射面４２から光学支持体４１の内部へ入射してフィルター非埋設部４１ｃ内を斜め下方へフィルターＦ３に向かって進む。その後、フィルターＦ３でほぼ１００％反射されて、光学支持体４１のフィルター埋設部４１ａ内を斜め上方へフィルターＦ４に向かって進む。さらに、フィルターＦ４でほぼ１００％反射されて、光学支持体４１のフィルター非埋設部４１ｂ内を斜め下方へ進み、合波用光学素子４の射出面４３から光学支持体４１の外部へ射出する。

また、波長λ３の信号光のＳ偏光は、合波用光学素子４の入射面４２から光学支持体４１の内部へ入射してフィルター非埋設部４１ｃ内を斜め下方へフィルターＦ２に向かって進む。その後、フィルターＦ２でほぼ１００％反射されて、光学支持体４１のフィルター埋設部４１ａ内を斜め上方へフィルターＦ３に向かって進む。さらに、フィルターＦ３を斜め上方へほぼ１００％透過した後、フィルターＦ４でほぼ１００％反射されて、光学支持体４１のフィルター非埋設部４１ｂ内を斜め下方へ進み、合波用光学素子４の射出面４３から光学支持体４１の外部へ射出する。

さらに、波長λ４の信号光のＰ偏光は、フィルターＦ４をほぼ１００％透過し、合波用光学素子４の入射面４２から光学支持体４１の内部へ入射した後、光学支持体４１のフィルター非埋設部４１ｂ内を斜め下方へ進み、合波用光学素子４の射出面４３から光学支持体４１の外部へ射出する。

その結果、これら４つの信号光（波長λ１〜λ４の信号光）は、合波用光学素子４の光学支持体４１の内部で合波されて多重化された後、合波用光学素子４の射出面４３から光学支持体４１の外部へ射出する。

こうして多重化されて合波用光学素子４から射出した４つの信号光は、コリメーターレンズ５により、光ファイバー６の光軸に沿うように平行光線になった後、光ファイバー６に入射する。

次に、合波用光学素子４の製造方法の一例について説明する。

まず、光学基板準備工程で、図７（ａ）に示すように、石英ガラスからなる３枚の平板状の光学基板７（第１の光学基板７Ａ、第２の光学基板７Ｂおよび第３の光学基板７Ｃ）を用意する。ここで、第１の光学基板７Ａには、その表面全面にフィルターＦ１が貼り付けられている。また、第２の光学基板７Ｂには、その表面全面にフィルターＦ２が貼り付けられている。さらに、第３の光学基板７Ｃには、その表面全面にフィルターＦ３が貼り付けられているとともに、その裏面全面にフィルターＦ４が貼り付けられている。なお、各光学基板７の厚さはいずれも、製造すべき合波用光学素子４の高さＬ３の１／３に等しい。

その後、積層板作製工程に移行し、図７（ｂ）に示すように、これら３枚の光学基板７を積層して積層板８を作製する。この積層板８の厚さは、製造すべき合波用光学素子４の高さＬ３に等しくなる。

次いで、積層体作製工程に移行し、図７（ｃ）に示すように、この積層板８を所定の切断幅で切断して複数の積層体９を作製する。このとき、製造すべき合波用光学素子４の奥行きＬ２に各積層体９の幅が等しくなるように切断する。なお、図７（ｂ）における破線は、このときの切断面を示している。

その後、積層片作製工程に移行し、図７（ｄ）に示すように、各積層体９をそれぞれ所定の切断幅および切断角度で斜めに切断して複数の積層片１０を作製する。このとき、製造すべき合波用光学素子４のフィルター埋設部４１ａの形状に各積層片１０が合致するように切断する。

一方、光学ブロック準備工程で、図７（ｅ）に示すように、所定のサイズの直方体状の石英ガラスからなる光学ブロック１１を用意する。ここで、光学ブロック１１の形状は、製造すべき合波用光学素子４の一対のフィルター非埋設部４１ｂ、４１ｃを合体させた形状（直方体）に合致している。また、光学ブロック１１の表面全面には、迷光の防止や透過率の向上を目的として、反射防止膜が形成されている。

その後、光学片作製工程に移行し、図７（ｆ）に示すように、この光学ブロック１１を所定の切断位置および切断角度で斜めに切断して２個の光学片１２を作製する。このとき、製造すべき合波用光学素子４の一対のフィルター非埋設部４１ｂ、４１ｃに２個の光学片１２が合致するように切断する。なお、図７（ｅ）における破線は、このときの切断面を示している。

最後に、合体工程に移行し、図７（ｇ）に示すように、積層片１０を左右両側から２個の光学片１２で挟み込むようにして、積層片１０の左右両側にそれぞれ各光学片１２を接着して合体する。すると、積層片１０および２個の光学片１２からなる合波用光学素子４が得られる。

ここで、合波用光学素子４の製造方法が終了する。

このような製造方法によれば、３枚の光学基板７および光学ブロック１１から多数の合波用光学素子４を効率よく製造することができる。
［発明のその他の実施の形態］
なお、上述した実施の形態１では、石英ガラス製の光学支持体４１を有する合波用光学素子４について説明したが、光学支持体４１の材料は石英ガラスに限るわけではない。

また、上述した実施の形態１では、フィルターＦ１、Ｆ４がそれぞれ光学支持体４１の射出面４３、入射面４２に設けられている場合について説明した。しかし、フィルターＦ１は、必ずしも光学支持体４１の射出面４３に設ける必要はなく、光学支持体４１の射出面４３側に設ければよい。また、フィルターＦ４は、必ずしも光学支持体４１の入射面４２に設ける必要はなく、光学支持体４１の入射面４２側に設ければよい。

また、上述した実施の形態１では、光学支持体４１に４個のフィルターＦ１〜Ｆ４が埋設された合波用光学素子４について説明した。しかし、これらのフィルターＦ１〜Ｆ４を所定の位置で支持できる限り、光学支持体４１を省くことも可能である。

また、上述した実施の形態１では、図２（ａ）に示すように、４つの信号光を波長λ１（Ｓ偏光）、波長λ３（Ｓ偏光）、波長λ２（Ｐ偏光）、波長λ４（Ｐ偏光）の順番に並べた状態で合波用光学素子４に入射させる場合について説明した。しかし、これら４つの信号光を波長の順番に並べたときに、反射する光についてＰ偏光を反射するフィルターＦとＳ偏光を反射するフィルターＦとが交互に並ぶ限り、４つの信号光の順番は任意である。例えば、波長λ１（Ｐ偏光）、波長λ３（Ｐ偏光）、波長λ２（Ｓ偏光）、波長λ４（Ｓ偏光）の順番に並べてもよい。また、波長λ１（Ｓ偏光）、波長λ２（Ｐ偏光）、波長λ３（Ｓ偏光）、波長λ４（Ｐ偏光）の順番に並べてもよい。さらに、波長λ１（Ｐ偏光）、波長λ２（Ｓ偏光）、波長λ３（Ｐ偏光）、波長λ４（Ｓ偏光）の順番に並べてもよい。

また、上述した実施の形態１では、コリメーターレンズ５を備えた合波器１について説明したが、合波用光学素子４から射出した光が光ファイバー６に入射するときに、この光を平行光線にする必要がない場合には、コリメーターレンズ５を省いても構わない。

さらに、上述した実施の形態１では、４個のフィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４（つまり、第１および第２のフィルターの他に、２個の第３のフィルター）を有する合波用光学素子４を用いて、４つの光を多重化する場合について説明した。しかし、２つ、３つ、または５つ以上の光を多重化する場合に本発明を同様に適用することも可能である。このとき、第３のフィルターの個数は、多重化すべき光の数に応じて適宜増減させる。例えば、３つの光を多重化する場合には、第３のフィルターを１個だけ設ければ足りる。また、８つの光を多重化する場合には、第３のフィルターを６個設ければ十分である。

本発明は、光通信の用途に好適に用いることができる。

１……合波器
２……光源
３……偏光子
４……合波用光学素子
５……コリメーターレンズ
６……光ファイバー
４１……光学支持体
４２……入射面
４３……射出面
Ｆ１……フィルター（第１のフィルター）
Ｆ２、Ｆ３……フィルター（第３のフィルター）
Ｆ４……フィルター（第２のフィルター）

Claims (5)

1. 波長が異なる複数の光を多重化する板状の合波用光学素子であって、
   前記板状の合波用光学素子の一方に入射面が形成されるとともに、この入射面と対向する面に射出面が形成され、
   それぞれ特定波長の光だけを透過または反射させる透過特性を有する複数のフィルターにより、前記複数の光が前記入射面から斜めに入射したときに、これらの光が、当該フィルターを透過または反射して合波された後、前記射出面から射出するように構成され、
   前記各フィルターは、前記複数の光を波長の順番に並べたときに、反射する光についてＰ偏光を反射するフィルターとＳ偏光を反射するフィルターとが交互に並ぶように設計され、
   前記複数のフィルターは、前記射出面側に設けられた第１のフィルターと、前記入射面側に設けられた第２のフィルターと、前記第１のフィルターと前記第２のフィルターとの間に設けられた第３のフィルターとを含み、
   前記入射面から入射したＰ偏光またはＳ偏光の第１の光は、前記第１のフィルターで反射され、前記第３のフィルターを透過し、前記第２のフィルターで反射され、
   前記入射面から入射したＰ偏光またはＳ偏光の第２の光は、前記第３のフィルターで反射され、前記第２のフィルターで反射され、
   前記第２のフィルターで反射された前記第１の光および前記第２の光が、合波されて前記射出面に導かれるように構成されていることを特徴とする合波用光学素子。
2. 前記第２のフィルターは、前記入射面から入射したＰ偏光またはＳ偏光の第３の光を透過させて前記第１の光および前記第２の光と合波するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の合波用光学素子。
3. 波長が異なる複数の光を光源から受光し、これらの光を多重化して光ファイバーに案内する合波器であって、
   前記複数の光をＰ偏光またはＳ偏光に変換する偏光子に、請求項１または２に記載の合波用光学素子が光学的に接続され、
   前記複数の光は、前記偏光子により、波長の隣り合う任意の２つの光が、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光のいずれか一方と他方とに変換され、前記合波用光学素子において、前記入射面から斜めに入射し、前記フィルターを透過または反射して合波された後、前記射出面から射出するように構成されていることを特徴とする合波器。
4. 前記合波用光学素子の前記射出面から射出した光を平行光線にして前記光ファイバーに入射させるコリメーターレンズが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の合波器。
5. 前記複数の光は、前記合波用光学素子に対する入射角が１２〜３５°であることを特徴とする請求項３または４に記載の合波器。

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