JPS58186718A - 光波長処理デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は第一光ガイドと、少々くとも三個の別の光ガイ
ドと、該第−光ガイドから前記別の光ガイドに至る放射
路中に配置した位相格子とを有し、光波長のマルテプレ
クシング及びデマルチプレクシングの双方又はいずれか
一方を行う光波長処理デバイスに関する。

〔従来技術〕

斯様なデバイスは文献：　ｒ　０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　Ｊ第６巻、第１２号（１９８１年１２月）から
既知である０位相格子は多色光を単−回折次数一般には
一次の分散によって分離するものである。互いに相当接
近して存在する種々の波長（２０〜４０ｎｍ　）　　の
回折角間に十分な大きさの差をもたせるため、格子周期
（又は格子定数）を相当小さくする必要がある。これが
ため、斯様な位相格子の製造は非常に複雑となるという
欠点がある。また、光源として中心波長の辺りに約２’
Ｏｎｍの範囲の元を発光する既知の発光ダイオードを使
用することも考えられるが、発光ダイオードでは分散が
大きいため、光の相当部分がその波長の光を伝搬させよ
うとする光ガイド（ガラスファイバー）ニ到達しないよ
うな広い角度範囲にわたって光が放射されてしまうので
、この発光ダイオードは光源としては好ましくはなく、
従ってレーザのみが光源１として使用し得る。

〔発明の概要〕

本発明の目的は格子定数（又は格子周期）の相当大きな
位相格子を使用することができるようになした、光波長
のマルチブレクス及びデマルチプレクスの双方はいずれ
か一方を行なう光波長処理デバイスを提供することであ
る。

この目的の達成を図るため１本発明によれば、前記位相
格子を少なくとも四段の階段から成るディジタル位相格
子とし、該位相格子の格子周期を伝搬されるべき放射の
波長倍数とし、さらに前記位相格子の、段の高さ及び前
記格子周期当りの段数のようなパラメータを、各波長の
光が中央の回折次数の一つで主として回折されて異なっ
た波長が異なった回折次数に対応するように、選定して
成ることを特徴とする。

ここにおいて、「ディジタル位相格子」とは−格子周期
内においてプロフィールすなわち輪郭が階段状に変化し
ている格子を青味するものと解する。斯様な格子は文献
［Ｐｈｙｓｉｋ　ｉｎ　ｕｎｓｅｒｅｒＺｅｉｔ　Ｊ　
（１１、Ｊａｈｒｇａｎｇ　１９８０　第８３頁）に掲
載されたＨ、　Ｄａｍｍａｎｎの論文からも既知である
。

本発明によれば異なる波長の光は種々の中心回折次数に
分離されるが、公知のデバイスにおいては前述したよう
に分離は一つの回折次数内での分散によって得ら扛る。

そして、本発明によるデバイスにおいては、分散は著し
く小さくすなわち格子周期は相当大（１５０００ｎｍか
それ以上）となる。このように分散が小さいことにより
、光源としてレーザを使用する代わりに発光ダイオード
を使用することが可能となる。

さらに、前述した既知デバイスによれば、使用波長は等
間隔になっている必要がありしかも互いに相当接近して
存在していなければならないという制約があるが、本発
明によるデバイスは、互いに相当接近して存在する波長
のほかに、また他の波長とは可成り異った波長にも適用
出来る。

本発明の好適実施例においては、ディジタル位相格子を
反射形格子すなわちその表面に反射作用をもたせた格子
とすることができる。

原理的には本発明はディジタル透過形位相格子を採用し
てもよいが、反射形格子の方が次のような利点がある： ａ）異なる波長の光を案内する光ガイドを各々一つの波
長の光を案内する光ガイドとして位相格子の同一側に配
置し得ること。

ｂ）平面状の反射形位相格子の場合には、光の収束に唯
一個のレンズを使用し得るが、透過形格子の場合には一
般には二個のレンズを使用する必要があること、 Ｃ）反射形格子はこれを湾曲させてその湾曲によって年
来作用を得るようにしてレンズを使用しないようになし
得ること、 ｄ）反射形位相格子の階段の高さは透過形格子の場合の
（ｎ−１）倍となること（尚、ここにおいてｎは透過形
格子の屈折率である）。このため反射形位相格子の製造
が著しく簡単になる。

本発明の他の実施例によれば、階段の一段の高さを伝搬
すべき放射の波長の倍数とすることができる。さらに本
発明によるデバイスにおいては、一段の高さを使用波長
よりも大きくするので、波長は互いに接近していてもよ
い。階段の段数が増加するときにも、同様な効果が保持
されると共に、中心回折次数の回折効率が改善される〇
本発明の他の実施例においては、異なる次数のうち少な
くとも一つの次数で二つの実質的に異なる波長の光が回
折されるよう釦なしかつこれら二つの波長の各々の波長
に対し一個の光ガイドを夫夫備えるようにすることがで
きる。この実施例は所定の回折次数に対するディジタル
位相格子の場合には、この回折次数で放出される大部分
の光の波長は比較的間隔が大であるという事実を考慮し
て成されたものである０このように波長差が比較的大き
いので、ある一つの回折次数内の波長を、格子定数が大
きいにもかかわらず、位相格子で角分散によって分離す
ることができる。

〔実施例の＝ｐ明〕

以下、図面により本発明の実施例を詐１明する０第１ａ
図は格子周期すなわち格子定数ｇへ当り四段の階段から
成るディジタル位相格子１を示すｇこの階段の一段の高
さをｄで示し、これら階段の相互に垂直な表面は図の面
に垂直に延在すると共に格子面と垂直かこれと平行に延
在する。この格子の上側面に反射被膜を備えている。こ
のような規則的なディジタル反射形位相格子は、ｔｑ＝
　２ｄ／（２ｋ　＋　Ｃ１／１））　　　　（ｌｌなる
関係が満足される場合には、波長ｔ、の元をｑ次の回折
次数で（２）折する。ここにおいて、ｄは一段の高さで
あり、ｑけ回折次数の数であシ（これが正の数であると
きけ正の回折次数であり、負の数であるときは負の回折
次数であり及び零のときは零次の回折次数である）、ｋ
は正の整数夕は零（ｑが零でない場合のみ零）であり、
ｐけ格子周期当りの段数である。

この場合、回折効率ａ９は ａｑ＝　（ｐｓｒｎ＜ｙｒｑｙｐ＞／ｙｒｑ）２（２）
で与えられる。中心回折次数（ｑ−＋１．０又は−１）
に対する回折効率は特に高く、零次以外の回折次数の回
折効率は回折周期当りの段数ｐが増大するに従って増大
する。この場合回折角βはβ＝　ｑ−１９７ｇ　　　　
　　　　　（８１で与えられ、βを角度の大きさで表わ
し、ｇは格子周期である。回折角は回折格子の而すなわ
ち段の法線に対し該描する回折光の方向がなす角である
。β＝０（零次の回折次数）の場合には、第１ａ図にお
いては、光が垂直に入射するとすると、回折の方向は上
向の垂直方向である。β′−０の場合には、光は右上側
に回折され、βくＯの場合には光は左上側に回折される
。

この第１ａ図に示す反射形位相格子の好適実施例におい
ては、格子定数ｇ＝２５０００ｎｍであり、一段の高さ
ｄ＝１６００ｎｍである。この場合、式（１）から、＋
１次の回折次数に対して生ずる波長ｔ＋□けｔ＋□−７
５８１ｍであり、零次の回折次数に対しては波長り。−
ｓｏｏｎｍであり、−１次の回折次数に対しては波長ｔ
−□＝８５８ｎｍである。式（２）から、この＋１次及
び−１次の回折次数に対する回折効率は約８１％であり
、一方零次の回折次数に対する回折効率は１００％であ
るので、　波長ｔｏの光は＋１次及び−１次の回折次数
中には生じない。その上さらに、文献「Ｐｈｙｓｉｋ　
１ｎｕｎｓｕｒｅｒ　Ｚｅ！ｉｔ　Ｊ　（１１、Ｊａｈ
ｒｇａｎｇ　１９８０　、第８８頁）に掲載されている
理論によれば、波長ｔ＋□の光は一１次の回折次数及び
零次の回折次数中には生じ得ないし、又波長１−０の元
は＋１次の回折次数及び零次の回折次数中には生じ得な
いことがわかる。また、この理論から、このことは上述
した波長のみならず特定波長の周囲の狭いスペクトル帯
域にも適用できることがわかる。

第１ｂ図は光の波長デマルチプレクサを示す線図で、各
波長を分離するために第１ａ図につき説明した位相格子
を採用した例である。この実施例では、格子の方向は図
の面に垂直な方向に延在してあり、一段の高さは第１ａ
図に示す格子周期内で上端から下端へと下に行くに従っ
て減少するように配置されている。

光ファイバーＦから出射した光は格子ｌに入射しこれよ
り波長ｔ＋□、ｔｏ及びｔ〜□の光が得られる。このフ
ァイバーＦは他の三本の光ファイバーＦ−□、Ｆｏ　ｓ
　Ｆ＋１と相俟って、図に示したＪ１＠序で一平面内に
配設される。これらファイバーの端面からある距離のと
ころにレンズ２を配置する。この距離はこのレンズの焦
点距離ｆと等しくする。

このレンズはファイバーＦから出射した発散光を平行な
元ビームに変換してこれを反射形位相格子１へ入射させ
る。この格子は反射作用により回折平行光ビームを、こ
のレンズに戻し、このレンズによって光を収束させる。

この場合、このレンズの焦点面は光ファイバー（例えば
ガラス・ファイバー）Ｆ−０、Ｆｏｌ及びＦ＋、の端面
の面と一致する。

この格子１は、この格子が鏡として作用してファイバー
Ｆからの出射光が零次の回折次数においてはファイバー
Ｆ。に結合するように、配置する。

このようにするため、回折格子を光軸に対し正確に垂直
に配置しないで第１ｂ図の図の面に垂直な軸の回りに微
小角だけ傾向けて配置する。第１ｂ図に示す実施例では
、ファイバーＦの端面から出射し格子で反射された後に
光軸から僅かにずれてファイバーＦ、に向って偏向され
る光線についてのみ示しである。実際には、ファイバー
Ｆからの発散光は格子領域の相当広い部分を入射してそ
こから反射されてレンズ２に戻される。

ファイバーＦから出射する波長１．の光は格子１によっ
て微／Ｊ−角β−□（式（３））だけ上側に偏向され（
ずれること）レンズによって集光されそしてファイバー
ＦとＦ。との間に位置させたファイバーＦ−□に結合さ
れる。このファイバーＦから出射する波長ｔ　の光は角
βや□だけ下方にずれ、ファ＋１ イバーＦ＋□に結合される。第１０図には個々のファイ
バーの位置を示す。これらファイバーの中心−軸間の間
隔である、ファイバーＦ。からのファイバーＦ−０及び
Ｆ＋□の間隔はレンズ２の焦点距離ｆと式（８）による
回折角β−□又はβ＋１との積によって決まる。ｆｌｐ
及びｄの値を特定の値に選定することによって前述の距
離をｏ、＋７酊及び０．１５龍と夫々することができる
。

前述したように、第１ｂ図に示すデバイスはデマルチプ
レクサとして動作する。光路を逆にすると、このデバイ
スはマルチプレクサとして使用し得る。その場合には、
ファイバーＦ−０からの波長ｔ−□の光、ファイバーＦ
。からの波長ｔ。の光及び７アイ／（−Ｆ＋□からの波
長ｔ＋、の元がファイバーＦｏに結合される。　第二組
のファイバーを使用する場合には、格子１及びレンズ２
を、互いに独立して動作するマルチプレクサ及びデマル
チプレクサの組合わせデバイスの一部分として使用し得
る。

第２ａ図は格子周期当シ六段がら成るディジタル反射形
位相格子を示す線図である。この場合、格子周期ｇを４
８０００ｎｍとし、段の高さｄを４０００ｎｍとする。

この位相格子によって構成される第２ｂ図及び第２０図
に示すデマルチプレクサは第１ｂ図及び第１０図に示す
デマルチプレクサとは異なっており、特にファイバーＦ
は五本のファイバー８、・・・、７に分けられて向けら
れる五つの異なる波長の光を伝搬する。その上さらに、
ファイバーＦは第１図の場合とけ異なり、単色光を伝搬
するファイバー３、・・・、７と同一平面内に配置する
のではなく、中央のファイバー５の上側に配置してファ
イバーＦと５の夫々の中心軸を通る面がファイバー８、
・・・、７の夫々の中心軸によって規足される面に対し
直交するようになす。

ファイバーＦは波長７８７　ｎｍ、８００　ｎｍ。

８１８　ｎｍ　、　１２９７　ｎｍ及び１８７１ｎｍの
光を伝搬する。

この実施例では、波長８００ｎｍの光を零次の回折次数
で伝搬させ、レンズ２を経てファイバー５に結付させる
。このようにするため、格子ｌを図の面内に取った、光
軸ＯＫ面直交る軸に対して僅かに傾向け、零次回折次数
の光をこの回折次数に対し鏡として作用する格子１によ
って確実にファイバ−５へ反射させるようにする。式（
１１かられかるように、波長１８８８ｎｍの光を零次の
回折次数で伝搬させることができる。ファイバーＦかう
出射した波長７８７ｎｍの光を＋１次の回折次数で回折
させファイバー６へ結合させる。レンズ２の焦点距離を
１４闘とするとき、このファイバー６をファイバー５か
ら０．２８闘の距離のところに位置させる。

式［１１において、ｋ＝５の代わりにに＝８を適用する
ことによって、波長７８７ｎｍの元に加えて波長１２９
７ｎｍの光を１次回折次数で回折させることができる。

この＋１次の回折次数の各波長は相尚離れているので、
格子周期が４８０００１ｍという高い値であるにもかか
わらずこの格子の分散作用によってこれら二つの波長を
互いに空間的に十分に分離することができる。かくして
、１２９７ｎｍの波長の光をファイバー７に結付させる
。尚このファイバー７はファイバー５から０．１８ｉ＋
ｍの距離のところの位置にある。

波長ｓｉａｎｍ及び１８７１ｎｍの両光を一１次の回折
次数で回折する０波長８１３１ｍの光をファイバー４に
結合する。このファイバー４はファイバー５から０．２
８７朋離れている。一方、波長１８７１ｎｍの光をファ
イバー８に結合する。このファイバー８はファイバー５
から４００ｎｍ離れている。

原理的には、第２図に示す位相格子によって、二次の回
折次数で波長を分離することもできる。

しかしながら、この場合の回折効率（約６８％）は１次
の回折次数における回折効率（約９１％）よりも可成り
低い。

８００ｎｍ辺シの範囲の波長は第１ａ図〜第１０図につ
き説明したマルチプレクサにおける場合よシも互いに相
当接近している。その原因は段数が多いことと段の高さ
が大きいことにある。このような微小差の波長（隣接す
る二本のファイバーの場合には１８　ｎｍ　）　　は既
知のデマルチプレクサによっては処理することができな
い。

これに対し、第２ａ図〜第２Ｃ図に示すデマルチプレク
サは８００ｎｍ辺シの範囲及び１８００ｎｍ辺りの範囲
に位置する波長の光を処理することができる。このよう
な処理を行うことができることは色々な場合に有益であ
る。それはこれら波長の光に対する光源（例えばレーザ
ダイオドか逆いは発光ダイオード）が入手できること及
びこれら波長に対する元ファイバーでの減衰が著しく小
さいという理由でこれら波長の範囲に実際的に注目が集
まっているからである。

互いに接近している波長や互いに離れている波長を含む
波長の光を既知のデマルチプレクサで処理することが出
来ない。後者の互いに離れている波長の場合には波長の
差が実質的に一定であることが必要である。

本発明によるデマルチプレクサの他の利点は、既知のデ
マルチプレクサとは異なり、格子定数が相当大きいこと
により、デマルチプレクサの動作が偏光効果によって悪
影響を受けない点にある。

本発明によるマルチプレクサ及びデマルチプレクサの双
方又はいずれか一方におけるディジタル位相格子は第１
ａ図及び第２ａ図に示すような格子のように必らずしも
規則的にする必要はない。

ある格子周期内では位相格子は段の高さ及び又は幅を変
えてもよい。実際には図に示すような正確に直角な形状
の段を形成することができないので、製造できるディジ
タル位相格子のプロフィールは実際には理想的な形状と
は僅かに異っている。しかしながら、このことは、この
ような格子によって構成されるデマルチプレクサ及び又
はマルチプレクサのような光波長処理デバイスの動作に
は影響を与えるものではない。

反射形格子を湾曲（凹型）とする場合には、レンズ２を
省略し得る。

本発明は上述した実施例に駆足されるものではなく、多
くの変形又は変更を行い得ること明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１ａ１９はディジタル位相格子の第一実施例のプロフ
ィールを示す線図、 第１ｂ図はこのような位相格子を採用したデマルチプレ
クサを示す線図、 第１Ｃ図は光ガイドに対し垂直な平面内におけるこのデ
マルチプレクサ中の元ガイドの配置を示す線図、 第２ａ図は位相格子の第二実施例のプロフィールを示す
勝因、 第２ｂ図はこのような格子全採用するデマルチプレクサ
を示す線図、 第２Ｃ図は光ガイドに垂直な平面内におけるこのデマル
チプレクサ中の光ガイドの配置を示す線図である。 １・・位相格子　　　　　２・・レンズＦ、　　Ｆ　　
％　Ｆ　　１Ｆ　　・・・光ガイド（又は元ファイ−Ｉ
　　　　Ｏ＋１ バー）Ｏ １出願人　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイラン
ペンファブリケン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　第−光ガイドと、少なくとも三個の別の光ガイドと
   、該第−光ガイド惑ら前記別の光ガイドに至る放射路中
   に配置した位相格子とを有する光波長処理デバイスにお
   いて、前記位相格子ｆｌ＋を少なくとも四段の階段から
   成るディジタル位相格子とし、該位相格子の格子周期［
   ｇ＋を伝搬されるべき放射の波長（ｔ、）倍数とし、さ
   らに前記位相格子（１）の、段の高さくｄｌ及び前記格
   子周期当シの段数のようなパラメータを、各波長の光が
   中央の回折次数の一つ。 で主として回折されて異なった波長が異なった回折次数
   に対応するように、選定して成ることを特徴とする光波
   長処理デバイス。 ２　前記位相格子を反射形位相格子とすることを特徴と
   する特許請求の範囲１記載の光波長処理デバイス。 ＆　一段の高さく（１１を伝搬されるべき放射の波長の
   倍数とすることを特徴とする特許請求の範囲ｌ又は２記
   載の光波長処理デバイス。 表　７つの実質的に異なる波長の放射を少なくとも一つ
   の回折次数で回折し及びこれら二つの波長の各々に対し
   光ガイド（８，４及び６．７）を夫々備えたことを特徴
   とする特許請求の範囲１〜８のいずれか一つに記載の光
   波長処理デバイス。 ６　前記位相格子をマルチプレクサ及びデマルチプレク
   サの両者に使用することを特徴とする特許請求の範囲１
   〜４のいずれか一つに記載の光波長処理デバイス。 ６一平面内に全ての光ガイド（Ｆ、Ｆ＋０、Ｆｏ、　Ｆ
   −０’Ｉ　　を配置し、及び前記回折格子（１）をこの
   平面に垂直な軸に対し傾向けて配置したこと（第１ｂ図
   、第１Ｃ図）を特徴とする特許請求の範囲２記載の光波
   長処理デバイス。 ７、　前記別の光ガイド（８、・・・、７）を第一平面
   内に配設し、零次の回折次数に対する前記第−光ガイド
   （Ｆ）及び前記別の光ガイドの一つの光ガイド（５）を
   第二平面内に配設し、及び前記位相格子を前記第一平面
   に平行り軸に対（〜傾向けて成ることを特徴とする特許
   請求の範囲２記載の光波長処理デバイス。