JPH10504912A - スプリットビームフーリエフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の光導波管（３）、第２の光導波管（６）、第１の光導波管からの光をビームに拡張する手段（４）と、光の一部が各光学平板を通過するようにビームに部分的に挿入された少なくとも１つの光学平板（１）と、光を第２の光導波管に結焦する手段（７）とからなる光学フィルタ。最も簡単な型態で、デバイスはマッハ−ツェーンダ（正弦波）伝送特性を有する。フィルタは波長および減衰の両方において機械的もしくは電気的に調整される。より複雑な（非正弦波の）特性も得ることができる。多数の装置が開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 スプリットビームフーリエフィルタ 技術分野 この発明は光学フィルタリング、光学フィルタリングを製作する手段並びに方 法及びかかる手段並びに方法を用いる装置に関する。より詳細には、この発明は 、光ファイバ等の光導波管により案内される光の光学フィルタリングに関する。背景技術 種々の異なるタイプのフィルタが提案されている。これらのなかには、吸収型 フィルタ、単層もしくは多層誘電体フィルタ、干渉型フィルタ｛ファブリペロー （Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）、マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）、マッハー ツェーンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）等｝の 種々のタイプが含まれている。 従来（先行技術）のマッハ−ツェーンダフィルタは、入力光を２つの経路に分 けるビームスプリッタ（又はカップラ）と、光を再び結合するビームコンバイナ （又はカップラ）とからなる。上記２つの経路が異なる長さを有するならば、マ ッハ−ツェーンダフィルタは波長依存性の伝送特性を有する。 本書において記述されるスプリットビームフーリエフィルタ（ＳＢＦＦ）はビ ームの異なる部分が異なる光路長で伝送されるように、適当な１又は複数の透明 要素を備えたファイバビームエキスパンダのビームを単に分けることによって、 マッハ−ツェーンダフィルタと同じ伝送特性並びにより多くの複雑な特性を与え ることができる特殊なタイプのフィルタである。このフィルタは高度に安定した パフォーマンスを与えるとともに単一モードファイバビームエキスパンダ内にお ける協働に理想的に適合している。作動の原理 スプリットビームフーリエフィルタは、ファイバビームエキスパンダ内におい て適切に配置された複数のガラス板からなる。１つのビームエキスパンダ（単一 ステージ）における１つのガラス板（単一要素）の場合、波長特性は、ガラス板 の厚みに依存する波長周期をもつ正弦波のマッハ−ツェーンダフィルタのそれで ある。優れた損失と減衰が得られており、特性（波長及び減衰の両方）の機械的 調節は直線である。複数要素の使用はより複雑なフィルタ特性を可能にする。第 １図は単一ステージのスプリットビームフーリエフィルタを構成する諸要素を示 している。フィルタは、板の表面に垂直に精密に研磨されたエッジ（２）を備え たガラス平板（１）であり、このエッジはファイバビームエキスパンダのビーム を分ける。ガラス板を通過する光は、ガラス板を通過しない光と比較したときに 、波長依存性の位相変移を持つ。位相変移が零か又は２πの整数倍であるときに は、ビームは不変で伝送効率は最大（１００％）である。位相変移がπであれば 、電界（Ｅ ｆｉｅｌｄ）はビームの半分において他の半分に胎仔反転され、ビ ーム内に反対称な電界分布を与える。出力ファイバチップにおける結果は同じく 反対称関数であるビーム電界の２次元フーリエ変換である電界分布となる。この 分布と基本ファイバモードとの重畳はゼロとなり、ファイバが単一モードであれ ば、いかなる光もファイバ内に進入しない。分析によれば、伝送効率Ｔは以下の 式で与えられる： Ｔ＝１−ｓ・ｓｉｎ²（Δφ／２） （１） ここで、Δφ＝２π（ｎ−１）Ｌ／λは位相差であり、ｎは屈折率、Ｌはガラ ス板の厚み、λは波長、ｓはガラス板を通過するビームの割合に依存する減衰抑 制係数（ガラス板がビームを正確に二等分するときにはｓ＝１である）である。図面の簡単な説明 第１図は単一要素、単一ステージのスプリットビームフーリエフィルタの模式 図である。 第２図はスプリットビームフーリエフィルタの種々の減衰および中心波長での 伝送特性である。 第３図は組合せ特性を与えるための２板の板の位置（ビームに沿って見た）を 示す。 第４図は４枚板への拡張を示す。 第５図は複雑なフィルタリング特性を達成するための他の板配置を示す。 第６図は第５図のものの２次元への拡張を示す。 第７図は電気的に調節可能な位相板の構成を示す。 第８図は切替え式スプリットビームフーリエフィルタを示す。 第９図はスプリットビームモードコンバータを示す。 第１０図はゲイン平坦化のためスプリットビームフーリエフィルタと協働する 光学増幅器を示す。 第１１図はスプリットビームフーリエフィルタ付またはなしのエルビウム（Ｅ ｒｂｉｕｍ）拡散ファイバ増幅器の飽和ゲイン特性を示す。詳細な説明 第１図は単一ステージスプリットビームフーリエフィルタの一実施例を構成す る要素を示している。フィルタは、板の表面に対し垂直に精密に研磨した一つの エッジ（２）を持ったガラス平板（１）であり、このエッジは、透明接着剤（５ ）でレンズ（４）に接着した第１のファイバ（３）と第２のファイバ（６）、レ ンズ（７）および接着剤（８）からなるファイバビームエキスパンダのビームを 分ける。レンズおよび板に施した反射防止コーティング（９）は伝送特性を改善 し、空調共振を抑制する。 ガラス板を通過しようとする光は、ガラス板を通過しない光と比較して波長に 依存する位相変移を受ける。位相変移がゼロか２πの整数倍であると、ビームは 変化されず伝送効率は最高（１００％）である。位相変移が１πであるならば、 電界はビームの半分で他の半分に対して反転されて、ビーム内に反対称な電界分 布を与える。出力ファイバチップにおける結果は、同じく反対称関数であるビー ム電界の２次元フーリエ変換である電界分布となる。この分布と基本ファイバモ ードとの重畳はゼロとなり、ファイバが単一モードであるとき、いかなる光もフ ァイバ内には進入しない。位相変移は波長依存性であるので、装置送信は波長依 存性である。 この種のフィルタは、ファイバビームエキスパンダと９２μｍ厚の光学的にフ ラットなガラス板を用いて構成され、該ガラス板はエッジが研磨され、矢印（１ ０）の方向にビームに挿入可能で軸（１１）の廻りで回転可能とするポジショナ に装着されている。３５ｄＢより大きい最大減衰と０．２０ｄＢの伝送損失が観 察された（１ｍｍのビーム直径を用いて）。波長周期は５４ｎｍであった。１波 長周期以上に渡る調整が矢印で示される軸（１０）の廻りにガラス板を傾動する ことにより、無視できる程度の損失の増大を伴って実現された。偏光依存性は０ ．１ｄＢ以下であることが測定された。 第２図はスプリットビームフーリエフィルタの伝送特性を種々の減衰および中 心周波数とともに示している。全ての特性は、３２ｎｍの自由スペクトル領域（ ＦＳＲ）を有する。（３２）でラベル付けした特性は１５５０ｎｍで１００％の 減衰を与え、（３３）の特性は１５５０ｎｍで４０％の減衰を与え、（３４）の 特性は１５６４ｎｍで７０％の減衰を与える。 第３図は組合された特性を与えるための２枚のガラス板（１２）の位置取り｛ ビーム（１３）に沿って見た｝を示している。 第４図は４枚ガラス板（１４）への拡張を示す。 第５図は複雑なフィルタリング特性を実現するための他のひとつのガラス板分 布を示す。 第６図は第５図の２次元版である。 第７図は電気的に調整可能な位相板の構成を示す。電気信号に応答してガラス 板を移動させるため、多くの手段が存在する（電気ステップモータ、ピエゾ電気 ポジショナ等）。幾つかの場合、要素を固定して、移動なしに電気的調整をする ことがより好ましい。このことは要素が電気光学素子であれば、電気光学効果に より、ビーム内の要素の一方又は両方の面の光路長を変えることにより達成され る。 典型的な電気光学結晶については、大電圧を必要とするが、液晶フィルムが用 いられる場合には光路の大きな変化を適当な電圧（ＩＯＶ以下）で達成できる。 第７図は偏光に独立な操作を達成するため液晶の２つの薄層（１５）を用いた 好ましい実施例を示している。ガラス板（１６）には、透明導電物質（１７）（ 例えば、インジウム−ティン−オキサイド ＩＴＯ）でコートされるとともに、 典 型的には１０μｍ厚のスペーサ（１８）によって隔てられている。導電物質は電 界が存在しない場合、層１の液晶はｘ軸に沿って整列し、層２の液晶はｙ軸に沿 って整列するように処理されている。電界を印加することにより、両方の層の液 晶はｚ軸に沿って整列し、ビーム（１９）が伝送される光路における偏光に独立 した変化をもたらす。適当な動作点では、光路又は位相の変化はほぼ印加された 電圧に線形に依存するようになる。 第８図は単一要素の切替え可能なスプリットビームフーリエフィルタを示す。 構成は標準のＳＢＦＦと同様であるが、要素（光学平板）２０は、電気−機械的 に、又は他の方法で矢印で示すように、ビームの外の位置（２１）からビーム（ ２２）内の位置（２２）に切替えることができるようになっており、これによっ て必要なフィルタ特性を与える。 第９図はスプリットモードコンバータを示しており、上記ＳＢＦＦとの唯一の 相異はファイバ（２３，２４）が２又はそれ以上のモードをサポートし、要素が ビームをほぼ２等分する点である。２つのモード（ＬＰ₀₁とＬＰ₁₁）をサポート するファイバが単一モードファイバに代えて使用される場合、ＳＢＦＦがモード コンバータとして有効に使用することができる（入力ファイバ（２３）のＬＰ₀₁ モードにおけるパワーを出力ファイバ（２４）のＬＰ₁₁モードにおけるパワーに 変換するか光が反対方向から入射する場合はその逆）。 第１０図はゲインを平坦化するため出力においてスプリットビームフーリエフ ィルタ（２９）と協働する光学増幅器（２８）を示す。フィルタは出力もしくは 増幅器内の中間ステージにおいても協働しうる。 第１１図はスプリットビームフーリエフィルタ有（３０）又は無（３１）のエ ルビウム拡散ファイバ増幅器の飽和ゲイン特性を示す。応用 種々の光ファイバへの応用が存在し、ＳＢＦＦはマッハ−ツェーンダ伝送特性 が要求される全てのファイバ応用にとりわけ適している。以下の節ではＳＢＦＦ が理想的に適合する数多くの応用を述べる。 ・フィルタリング：マッハ−ツェーンダ伝送特性が要求される全てのファイバ 応用 ・エルビウム拡散ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）におけるゲイン平坦化：ＥＤＦ Ａと直列のＳＢＦＦは上述したように、ＥＤＦＡのゲインの平坦化のための適切 な特性（これは波長分割多重化多重増幅器において重要である）を与えることが できる。 ・ＥＤＦＡ内のノッチフィルタ：ＳＢＦＦは１５３３ｎｍのＡＳＥピークを減 衰するため、２ステージＥＤＦＡにおけるノッチフィルタとして使用することが できる。これはＥＤＦＡの全ゲインバンド幅にわたってより大きいゲインバンド 幅積とゲインの低下無しの低ノイズ特性を与える。 ・モードコンバータ：ファイバが単一モードファイバに代えて２つのモード（ ＬＰ₀₁とＬＰ₁₁）をサポートするファイバが用いられる場合、ＳＢＦＦはモード コンバータとして有効に用いることができる（入力ファイバのＬＰ₀₁モードにお けるパワーを出力ファイバのＬＰ₁₁モードにおけるパワーに変換するかその逆） 。 これは以下のものを含む種々の用途に用いることができる： モードカップラを備えた空間分離−これは３ポート装置でポート１からポート２ への伝送は単なる標準ＳＢＦＦの伝送であるが、通常拒絶されたパワーは横断し てポート３に結合されたＬＰ₁₁モードの故に、ポート３に向けられている。 ＬＰ₁₁モードを用いた拡散補償−［１］もし、２モードファイバのＬＰ₁₁モー ドでパワーが搬送されるならば、大きな負の拡散パラメータＤを１５５０ｎｍ波 長で使用される場合、標準単一モードファイバの散乱を補償するのに好適に達成 される。ＳＢＦＦは単一モード入力ファイバの基本モード（ＬＰ₀₁）から２モー ド出力ファイバのＬＰ₁₁モードへのパワーを効率的に変換するものとして理想的 な装置である。また、それは補償後にこのパワーを単一モードファイバの基本モ ードへ戻す変換のためにも理想的である。 ・摺動／案内フィルタ：サイクリックな波長特性を有するフィルタが提案され、 ソリトンの長距離多重増幅伝送について実証されている［２」。これらの実証に おいては低減衰ファブリ−ペロ−フィルタが用いられた。ＳＢＦＦは改善さ れた損失と特性制御を備えたより簡単な代替物を提供する。 ・拡散補償と信号処理のための横断／格子フィルタ：カスケード型マッハ−ツェ ーンダフィルタが提案され、拡散補償を含む光学的信号処理について実証された ［３］。これらの実証において、一体型シリカ導波管装置が用いられた。多重要 素ＳＢＦＦはかかる装置にとってより大きな制御とより良好なパフォーマンスを 確実に提供する。 ・アテネータ（Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）：偏光独立アテネータはＳＢＦＦを用い ることによって製作することができる。アテネーションの中心波長は減衰波長で ある。この装置は位相を２つの半分の間でπだけ変移させる要素を用いることに よって広帯域化され、これにより、中心周波数の約１％で３０ｄＢのバンド幅を 与える。バンド幅におけるさらなる増大は同様の要素の多重的な使用によって達 成される。 ・調整可能な偏光依存性アテネータ：調整可能な偏光依存性アテネータを光学平 板が１／２波長板であるＳＢＦＦを用いて製作することができる。この場合、１ ／２波長板の一つの軸方向に偏光された光に対してマッハ−ツェーンダの中心波 長（最大減衰の波長）が１／２波長板の中心波長にほぼ等しく調整されると、ビ ーム内へのこの要素の挿入はこの偏光のみを減衰する。かかる装置は偏光依存性 の損失を補償する、もしくは光学伝送システムにおける偏光依存性損失を得るた めに使用することができる。 本発明に関連して多くの実施例が説明されているが、本発明の思想は他の実 施例において種々の他の方法に応用しうることは当業者にとって自明のことであ る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 7/00 Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｚ Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｇ０２Ｂ 6/28 Ｃ (72)発明者 フリスケン，スティーブン・ジェイムズ オーストラリア2035ニュー・サウス・ウェ ールズ州 マルーブラ、ロッチ・マリー・ ストリート43番 (72)発明者 ウォン，ダニー・ワイ−ブーン オーストラリア2031ニュー・サウス・ウェ ールズ州 ランドウィック、オベロン・ス トリート12／44番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の光導波管、第２の光導波管、第１の光導波管からの光をビームに拡張 する手段と、光の一部が各光学平板を通過するようにビームに部分的に挿入され た少なくとも１つの光学平板と、光を第２の光導波管に結焦する手段とからなる 光学フィルタ。 ２．入力および出力導波管は単一モード光ファイバからなる、請求項１に記載の 光学フィルタ。 ３．上記拡張手段と結焦手段は、傾斜屈折率レンズ（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄ ｅｘ ｌｅｎｓ）からなる、先行する請求項のいずれかに記載の光学フィルタ。 ４．上記結焦手段は上記拡張手段であり、光学反射器が上記手段をビームが２回 通過するのを可能にするために用いられている、先行する請求項のいずれかに記 載の光学フィルタ。 ５．上記第１導波管と第２導波管は平行導波管である、請求項４に記載の光学フ ィルタ。 ６．第１導波管が第２光導波管であり、第２導波管が第１導波管である、先行す る請求項のいずれかに記載の光学フィルタ。 ７．上記光導波管が垂直でない角度で終端させられており、ファイバは背面反射 を減少させるためレンズ系の中心から僅かにオフセットされている、先行する請 求項のいずれかに記載の光学フィルタ。 ８．上記光学平板は３０μｍ〜１０００μｍ厚の研磨ガラス平板からなり、一方 のエッジは表面にほぼ垂直に研磨もしくは切り開かれており、平板を通過する光 と平板を通過しない光との間の干渉を与える、先行する請求項のいずれかに記載 の光学フィルタ。 ９．上記光学平板はファブリーペロー共鳴を減少するために反射防止塗装が施さ れている、先行するいずれかの請求項に記載の光学フィルタ。 １０．１又はそれ以上の光学平板の確度および／又は１又はそれ以上の光学平板 の垂直変位量を変化することによって調整が行われる、先行するいずれかの請求 項に記載の光学フィルタ。 １１．波長の調整は、僅かなくさび形又は階段状の光学要素を用いることおよび ビーム内での光学平板の変位とは独立してその位置を変化することにより変化す る、先行するいずれかの請求項に記載の光学フィルタ。 １２．製造時にビーム内での光学平板の角度および位置を設定することにより調 整が固定されている、先行するいずれかの請求項に記載の光学フィルタ。 １３．光学平板の物質として温度に関し負の屈折率係数を有し、温度に関し正の 膨張係数を有するものを用いることによって提言された温度感度を与える、先行 するいずれかの請求項に記載の光学フィルタ。 １４．ほぼ平行なインターフェースを持った２枚の光学平板を用いることによっ て、非正弦波フィルタリング機能が達成される、先行するいずれかの請求項に記 載の光学フィルタ。 １５．１又はそれ以上の光学平板はその又はそれらの位置に移動することができ 、切替式フィルタを構成した、先行するいずれかの請求項に記載の光学フィルタ 。 １６．適当な電気光学又は磁気光学物質を用いるとともに電界又は磁界を変化さ せることにより、１又は複数の要素を通る光学経路を変化させることにより調整 が行われる、先行するいずれかの請求項に記載の光学フィルタ。 １７．第１の光導波管、第２の光導波管及び第１の光導波管からの光をビームに 拡張する手段、および光の一部が各光学平板を通過するようにビームに部分的に 挿入された少なくとも１つの光学平板と、光を第２光導波管に結焦する手段とか らなり、上記第１、第２光導波管は１より多いモードをサポートするものである モードコンバータ。 １８．第１光導波管は単一モードで第２光導波管は第１の２つの光学モードのみ をサポートし、かつビームをほぼ２等分する唯一の光学平板が用いられている、 請求項１７に記載のモードコンバータ。この装置は第１導波管の基本モードに搬 送されるパワーを第２導波管の第１のより高い次数のモードにおけるパワーに変 換し、逆向きで使用されるときはその逆である。 １９．請求項１に記載のスプリットビームフーリエフィルタからなり、ファイバ によって導かれる中心波長における減衰を利用する光学アテネータ。 ２０．装置は、πラジアンの位相変化をもたらすステップを有する光学平板を用 いることにより、広帯域で動作するように製作されている、請求項１９に記載の 光学アテネータ。 ２１．第１の光導波管、第２の光導波管、第１の光導波管からの光をビームに拡 張する手段と、光の一部が各光学平板を通過するようにビームに部分的に挿入さ れた少なくとも１つの光学平板と、光を第２の光導波管に結焦する手段とからな る可変偏光依存性損失を与えるデバイス。 ２２．ゲイン平坦化即ちゲインの均等化のため入力、出力もしくは中間ステージ にスプリットビームフーリエフィルタを含む光増幅器。 ２３．上記光増幅器はエルビウム拡散ファイバ増幅器又はブラセオジミウム拡散 ファイバ増幅器である、請求項２２に記載の光増幅器。 ２４．上記スプリットビームフーリエフィルタは、上記増幅器がゲイン平坦化の ために最適化された状態から、出力パワーのために最適化された状態に切替える ことができる、請求項２３に記載の光増幅器。