JP6337478B2

JP6337478B2 - 分波素子

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Publication number: JP6337478B2
Application number: JP2014011289A
Authority: JP
Inventors: 青木　和男; 和男青木; 仁工藤; 真悦加藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: JP2015138237A

Description

本発明は、特に光通信の用途に好適に用いられる分波素子（光分波器）に関するものである。

従来、この種の分波素子１としては、図３に示すように、直方体状のガラスブロック７を有し、このガラスブロック７の上面に４個のフィルターＦ（第１のフィルターＦ１、第２のフィルターＦ２、第３のフィルターＦ３、第４のフィルターＦ４）が並んで配置されるとともに、ガラスブロック７の下面にミラー３が４個のフィルターＦに対向して配置されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

そして、この分波素子１を用いて、異なる４つの波長域（第１〜第４の波長域）の光を成分として含む入射光Ｒを波長域ごとに分離して射出する際には、図３に示すように、この入射光Ｒをガラスブロック７の下面からガラスブロック７内に所定の入射角で入射させる。すると、この入射光Ｒは、まず、第１のフィルターＦ１において、第１の波長域の光Ｒ１のみが透過するとともに、残り３つの波長域（第２〜第４の波長域）の光が反射した後、この反射光は、ミラー３で反射されて第２のフィルターＦ２に導かれる。次に、第２のフィルターＦ２において、第２の波長域の光Ｒ２のみが透過するとともに、残り２つの波長域（第３、第４の波長域）の光が反射した後、この反射光は、ミラー３で反射されて第３のフィルターＦ３に導かれる。その後、第３のフィルターＦ３において、第３の波長域の光Ｒ３のみが透過するとともに、残りの波長域（第４の波長域）の光が反射した後、この反射光は、ミラー３で反射されて第４のフィルターＦ４に導かれる。最後に、第４のフィルターＦ４において、第４の波長域の光Ｒ４のみが透過する。その結果、入射光Ｒは、分波素子１により、第１〜第４の波長域ごとに分離されて射出されることになる。

特開２００７−０５８１０２号公報（段落〔０００２〕の欄、図５）

近年、通信速度の向上に伴い、分波素子１に対する要求性能が高まっている。例えば、赤外領域の４つの波長域の光を通信に使用する用途においては、各波長域の中心波長の間隔を５ｎｍ以下にしなければならない場合もある。

このように、分離すべき複数の光の波長が近接してくると、フィルターＦの光学特性がますます高精度であること（エッジが急峻で肩がブロードでないこと）が要求されるばかりでなく、光がフィルターＦに入射する角度の制御や各フィルターＦの取付精度についても、さらに高精度（公差が狭いこと）が要求される。これは、フィルターＦに対する光の入射角が大きくなるほど、透過率がピークとなる波長がＰ偏光とＳ偏光で大きく分離して波長の幅が広がるという角度入射特性をフィルターＦが備えているためである。

しかしながら、上述した従来のガラスブロック７を有する分波素子１では、ガラスの屈折率が空気の屈折率の約１．５倍であるため、フィルターＦに対する光の入射角を小さくすることができない。その結果、フィルターＦの角度入射特性による影響をまともに受け、分離すべき複数の光の波長が近接している場合に、これらの光を高精度に分離できなくなる恐れがあった。

本発明は、このような事情に鑑み、分離すべき複数の光の波長が近接している場合でも、これらの光を高精度に分離することが可能な分波素子を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の分波素子は、それぞれ異なる波長域の光だけを透過する複数のフィルター（Ｆ１〜Ｆ４）が配置されるとともに、これらのフィルターに対向してミラー（３）が配置され、異なる複数の波長域の光（Ｒ１〜Ｒ４）を成分として含む入射光（Ｒ）が前記各フィルターおよび前記ミラーによる反射を繰り返すように構成することにより、この入射光を波長域ごとに分離して射出する分波素子（１）であって、熱膨張しにくい支持体（２）を有し、この支持体には、前記複数のフィルターおよび前記ミラーによる前記入射光の反射が所定の角度で行われるように、当該複数のフィルターおよび当該ミラーが所定の間隔（Ｌ１）を置いて互いに対向して配置され、前記複数のフィルターと前記ミラーとの間には、前記入射光の光路として使用される部分に屈折率１．０１以下の媒質（５）が充填されている分波素子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、複数のフィルターが配置された分波素子において、フィルターに対する光の入射角を小さくすることができるので、フィルターの角度入射特性による影響を最小限に抑えることが可能となる。したがって、分離すべき複数の光の波長が近接している場合でも、これらの光を高精度に分離することができる。

本発明の実施の形態１に係る分波素子を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその底面図である。同実施の形態１に係る分波素子の使用状態を示す斜視図である。従来の分波素子の使用状態を示す斜視図である。

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および図２は、本発明の実施の形態１に係る図である。なお、図２においては、わかりやすさを重視して、分波素子の支持体の図示を省略している。

この実施の形態１に係る分波素子１は、図１に示すように、セラミックスなどの結晶材や、ガラスなどの非結晶材からなる略四角筒状の支持体２を有している。

この支持体２の一方（図１（ａ）上側）の開口部２ａには、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、平板状の透明板６が開口部２ａを塞ぐように接着によって取り付けられているとともに、この透明板６の下面に、それぞれ異なる波長域の光だけを透過する４個のフィルターＦ（第１のフィルターＦ１、第２のフィルターＦ２、第３のフィルターＦ３、第４のフィルターＦ４）が、オプティカルコンタクトによって接合されて取り付けられている。これらのフィルターＦは、その反射面が同一平面上に位置するように一列に並んで配置されている。また、この支持体２の一方の開口部２ａには、透明板６が取り付けられる透明板取付部２ｃが支持体２の端面に水平に設けられているとともに、４個のフィルターＦを挿入可能な略Ｕ字形の切り欠き部２ｄが支持体２の側壁に形成され、さらに、４個のフィルターＦの挿入完了状態で、これらのフィルターＦを位置決めするフィルター位置決め部２ｅが支持体２の内周面に垂直に設けられている。

また、支持体２の他方（図１（ａ）下側）の開口部２ｂには、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、その端部に入射光取込口部２ｆが形成されているとともに、入射光を反射するミラー３が、４個のフィルターＦおよびミラー３による入射光の反射が所定の角度で行われるように、所定の間隔Ｌ１（例えば、Ｌ１＝２．５ｍｍ）を置いて４個のフィルターＦの下方に対向して取り付けられている。このミラー３の反射面は、４個のフィルターＦの反射面と平行になるように配置されている。

そして、４個のフィルターＦとミラー３との間には、少なくとも入射光の光路として使用される部分に、図１に示すように、媒質として空気（大気）５が充填されている。

分波素子１は以上のような構成を有するので、その組立に際しては、図１に示すように、まず、支持体２の透明板取付部２ｃに透明板６を接着して取り付ける。すると、支持体２の一方の開口部２ａが透明板６で塞がれた状態になる。次に、支持体２の切り欠き部２ｄから４個のフィルターＦを水平に挿入して透明板６の下側に位置決めする。このとき、４個のフィルターＦを支持体２のフィルター位置決め部２ｅに接触させる。すると、４個のフィルターＦは、一列に並んで配置された状態になる。最後に、これらのフィルターＦの上面を透明板６の下面にオプティカルコンタクトさせる。一方、支持体２の他方の開口部２ｂにミラー３を接着して取り付ける。これにより、４個のフィルターＦおよびミラー３が所定の間隔Ｌ１を置いて平行に取り付けられ、分波素子１が完成する。このようにすれば、分波素子１を簡単かつ高精度に組み立てることができる。

なお、分波素子１の組立方法は、上述した方法以外にも種々考えられる。例えば、複数の分波素子１に用いる透明板６を並べたサイズの透明大板（図示せず）に対して、同数の分波素子１に用いる各フィルターＦをオプティカルコンタクトさせた後、これを切り出すことにより、各分波素子１に用いる透明板６およびフィルターＦを効率よく作製してもよい。

また、この分波素子１を用いて、図２に示すように、異なる４つの波長域（第１〜第４の波長域）の光Ｒ１〜Ｒ４を成分として含む入射光Ｒを波長域ごとに分離して射出する際には、この入射光Ｒを分波素子１の支持体２の入射光取込口部２ｆから支持体２内に所定の入射角で入射させる。すると、この入射光Ｒは、以下に述べるように、４個のフィルターＦおよびミラー３による反射を空気５中で繰り返すことにより、第１〜第４の波長域ごとに分離されて射出される。

すなわち、この入射光Ｒは、図２に示すように、まず、第１のフィルターＦ１において、第１の波長域の光Ｒ１のみが斜め上方へ透過するとともに、残り３つの波長域（第２〜第４の波長域）の光が空気５中を斜め下方へ反射した後、この反射光は、ミラー３で反射されて空気５中を第２のフィルターＦ２に導かれる。

次に、第２のフィルターＦ２において、第２の波長域の光Ｒ２のみが斜め上方へ透過するとともに、残り２つの波長域（第３、第４の波長域）の光が空気５中を斜め下方へ反射した後、この反射光は、ミラー３で反射されて空気５中を第３のフィルターＦ３に導かれる。

その後、第３のフィルターＦ３において、第３の波長域の光Ｒ３のみが斜め上方へ透過するとともに、残りの波長域（第４の波長域）の光が空気５中を斜め下方へ反射した後、この反射光は、ミラー３で反射されて空気５中を第４のフィルターＦ４に導かれる。

最後に、第４のフィルターＦ４において、第４の波長域の光Ｒ４のみが斜め上方へ透過する。

その結果、入射光Ｒは、分波素子１により、第１〜第４の波長域ごとに分離されて射出されることになる。

このように、この分波素子１を用いて入射光Ｒを分波すると、入射光Ｒの光路に存在する媒質が空気５であるため、従来のガラスブロック７を有する分波素子１（図３参照）に比べて、フィルターＦに対する光の入射角を小さくすることができる。その結果、フィルターＦの角度入射特性（つまり、フィルターＦに対する光の入射角が大きくなるほど、透過率がピークとなる波長がＰ偏光とＳ偏光で大きく分離して波長の幅が広がるという特性）による影響を最小限に抑えることが可能となる。したがって、分離すべき４つの光の波長が近接している場合でも、これらの光を高精度に分離することができる。

これに加えて、この分波素子１では、支持体２の入射光取込口部２ｆから入射させる入射光Ｒの許容角度を大きくすることができる。例えば、従来のガラスブロック７を有する分波素子１（図３参照）では、通常、この入射光Ｒの許容角度が±０．１°程度であるのに対して、この実施の形態１に係る分波素子１では、この入射光Ｒの許容角度を±０．４°程度（つまり、従来品の約４倍）に拡大することができる。これは、媒質の空気５の屈折率を低くすることにより、フィルターＦの表面の物質の屈折率と媒質の屈折率の差が大きくなるという理由によるものである。その結果、光ファイバーなどの光放出手段（図示せず）の前方に分波素子１を設置する際に、その設置が容易となる。

さらに、分波素子１の媒質が空気５であるため、媒質の材料費および組付費を節約することができ、その分だけ分波素子１の製造コストを削減することが可能となる。

また、分波素子１の支持体２の材料は、上述したとおり、セラミックスなどの結晶材や、ガラスなどの非結晶材であり、温度０℃〜８０℃における線膨張係数（線膨張率）が概ね７４×１０^-7〜１１０×１０^-7／Ｋであるため、同温度範囲内において支持体２の熱膨張を抑えることができる。その結果、分波素子１の使用温度（環境温度）が変動しても、ミラー３の反射面に対する各フィルターＦの反射面の平行度、ひいては高精度の分波素子１としての品質を維持することが可能となる。

しかも、分波素子１は、上述したとおり、支持体２が略四角筒状を呈しているため、その内部に入射光Ｒの光路を確保しつつ、軽量で剛性の高いものを実現することができる。

また、分波素子１では、上述したとおり、すべてのフィルターＦがオプティカルコンタクトによって透明板６に接合されているので、フィルターＦが接着剤で透明板６に接着されている場合と異なり、入射光Ｒが各フィルターＦおよびミラー３による反射を繰り返すうちに入射光Ｒの光路がずれるという不都合を招く恐れはない。すなわち、フィルターＦが接着剤で透明板６に接着されている場合は、その接着剤の厚さの不均一（むら）や変動が誤差要因となり、より高精度が要求される場合には入射光Ｒの光路がずれるという不都合を生じる。これに対して、フィルターＦがオプティカルコンタクトによって透明板６に接合されている場合は、フィルターＦと透明板６との接合に接着剤を使わなくて済むため、そのような不都合の発生を未然に回避することができる。なお、フィルターＦと透明板６との接合に接着剤を用いる場合であっても、その接着剤が粘度０．７Ｐａ・ｓ（７００ｃＰ）以下のものであれば、接着剤の厚さの不均一や変動による誤差がほとんど生じないため、上記のような不都合が発生する恐れはない。
［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、分波素子１の支持体２が結晶材や非結晶材からなる場合について説明した。しかし、この支持体２の材料としては、温度０℃〜８０℃における線膨張係数が６０×１０^-7〜１２０×１０^-7／Ｋであるもの（例えば、結晶化ガラスや合金など）を採用することが可能である。

また、上述した実施の形態１では、分波素子１の支持体２が略四角筒状を呈する場合について説明した。しかし、この支持体２の形状としては、フィルターＦとミラー３とを互いに対向して配置できる限り、どのような形状でもよく、例えば、円筒状、略六角筒状、フィルターＦとミラー３それぞれの位置出しが可能な柱状の突起を有する形状など）を採用することもできる。

また、上述した実施の形態１では、入射光Ｒの光路に存在する媒質が空気５である分波素子１について説明した。しかし、この媒質としては、屈折率１．０１以下のものであれば、空気５の代わりに用いることが可能である。

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を有する分波素子１を用いて、入射光Ｒを４つの波長域の光Ｒ１〜Ｒ４に分波する場合について説明した。しかし、入射光Ｒを複数（２つ以上）の波長域の光に分波する場合に本発明を同様に適用することも勿論できる。

本発明は、光通信その他の用途（例えば、色温度計等の受光センサー）に用いることができる。

１……分波素子
２……支持体
２ａ……一方の開口部（開口部）
２ｂ……他方の開口部
２ｃ……透明板取付部
２ｄ……切り欠き部
２ｅ……フィルター位置決め部
２ｆ……入射光取込口部
３……ミラー
５……空気（媒質）
６……透明板
７……ガラスブロック
Ｆ１……第１のフィルター
Ｆ２……第２のフィルター
Ｆ３……第３のフィルター
Ｆ４……第４のフィルター
Ｌ１……間隔
Ｒ……入射光

Claims

それぞれ異なる波長域の光だけを透過する複数のフィルターが配置されるとともに、これらのフィルターに対向してミラーが配置され、異なる複数の波長域の光を成分として含む入射光が前記各フィルターおよび前記ミラーによる反射を繰り返すように構成することにより、この入射光を波長域ごとに分離して射出する分波素子であって、
筒状を呈し、温度０℃〜８０℃における線膨張係数が６０×１０ ^-7 〜１２０×１０ ^-7 ／Ｋである支持体を有し、
この支持体には、前記複数のフィルターおよび前記ミラーによる前記入射光の反射が所定の角度で行われるように、当該複数のフィルターおよび当該ミラーが所定の間隔を置いて互いに対向して配置され、
筒状の前記支持体の内部の前記複数のフィルターと前記ミラーとの間には、前記入射光の光路として使用される部分に屈折率１．０１以下の媒質が充填され、
前記入射光を透過する透明板が前記支持体に設けられ、前記透明板に前記複数のフィルターが取り付けられ、
前記支持体の開口部には、前記透明板が取り付けられる透明板取付部が設けられ、前記複数のフィルターを位置決めするフィルター位置決め部が設けられていることを特徴とする分波素子。
前記支持体が結晶材からなることを特徴とする請求項１に記載の分波素子。
前記媒質が空気であることを特徴とする請求項１または２に記載の分波素子。
前記複数のフィルターおよび前記ミラーは、当該フィルターの反射面と当該ミラーの反射面とが互いに平行になるように設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分波素子。
前記支持体の一方の開口部に前記複数のフィルターが並んで配置されるとともに、前記支持体の他方の開口部に前記ミラーが配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分波素子。
前記透明板に前記複数のフィルターがオプティカルコンタクトによって接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分波素子。
前記透明板に前記複数のフィルターが粘度０．７Ｐａ・ｓ以下の接着剤で接着されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分波素子。
前記支持体の開口部には、前記複数のフィルターを挿入可能な切り欠き部が側壁に形成され、
フィルター位置決め部は、前記複数のフィルターの挿入完了状態で当該複数のフィルターを位置決めするように設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の分波素子。