JPWO2004027493A1 - 回折格子を用いた分光装置 - Google Patents
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Abstract
複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、入射側光導波路の出射側に設置され、入射側光導波路から出射されたガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。
Description
本発明は、波長の異なる光を分離する、回折格子を用いた分光装置に関する。
近年、インターネットの急速な普及により、光ファイバ通信網の情報伝送容量の増大が強く求められており、その手段として波長多重(WDM)方式の開発が急速に進められている。波長多重方式の光通信においては、わずかな波長差の各光が個別の情報を伝達することから、波長選択性の良い光分波器、フィルタ、アイソレータといった光学機能素子を用いる必要がある。これら機能素子においては、量産性、小型化、集積化、安定性などが強く求められている。
分光装置は、波長多重光通信のように人為的に複数の波長が多重化された光信号を分波・検出するために用いられる。また、分光装置は、分光測定のように被測定光のスペクトル解析等にも用いられる。あるいは複数波長の光源を利用する光ディスクシステムなどにおいても分光装置が用いられる。この分光装置には、プリズム、波長フィルタまたは回折格子等の分光素子が必要である。
特に回折格子は代表的な分光素子である。回折格子は、例えば、石英やシリコン基板などの表面に周期的なブレーズ状の微細凹凸構造を形成することで作製される。その周期的凹凸構造によって発生する回折光は互いに干渉し、ある特定波長の光が特定の方向に出射される。回折格子は、このような特性を有するため、分光素子として利用されている。このような分光素子は、例えば、特開平10−300976号公報に開示されている。
回折格子による波長分解力は、回折光の次数と格子数の積に比例することが一般的に知られている。実際の分光素子において有効であるのは、光束が通過する範囲の回折格子の周期数である。つまり、回折格子の分解力を向上させるためには光束の直径を大きくする必要がある。光束の直径を大きくするためには、それに伴って光学系に必要な各部品も大きくしなければならない。
しかし、回折格子やレンズ等の光学部品を大きくすることはコストの上昇につながる。また、光束が太くなりレンズ径が大きくなると、収差が増大する傾向があるため、収差補正の手段を設ける必要がある。そのため、分光装置が大型化してしまうという問題もある。
分光を目的とする回折格子としては、断面形状が三角形のブレーズ格子が使用されることが多い。ブレーズ格子を有する回折格子には、反射型と透過型とがある。図13Aはブレーズ格子を有する透過型回折格子103aの構成を示す断面図であり、図13Bはブレーズ格子を有する反射型回折格子103bの構成を示す断面図である。図13Aに示すように透過型回折格子103aは、溝104aが形成された面の反対面から複数波長の光107aが入射すると、溝104aが形成された面から出射方向が互いに異なることで分光された複数の回折光108aおよび109aが出射される。
また、図13Bに示すように反射型回折格子103bは、溝104bが形成された面から複数波長の光107bが入射すると、反射して、溝104bが形成された面から反射方向が互いに異なることで分光された複数の回折光108bおよび109bが出射される。反射型回折格子103bは透過型回折格子103aよりも高い回折効率が得られるので、通常は反射型回折格子103bが用いられている。しかし、反射型回折格子103bは、表面を反射面に加工する必要がある。
透過型回折格子103aおよび反射型回折格子103bのいずれの方式であっても、格子周期と光の波長が接近してくると、偏光方向(TE偏光またはTM偏光)による効率の差などが生じる。そのため、高い回折効率を得るためにはブレーズ形状などの精密な設計と高度な加工技術が必要になる。
分光装置は、波長多重光通信のように人為的に複数の波長が多重化された光信号を分波・検出するために用いられる。また、分光装置は、分光測定のように被測定光のスペクトル解析等にも用いられる。あるいは複数波長の光源を利用する光ディスクシステムなどにおいても分光装置が用いられる。この分光装置には、プリズム、波長フィルタまたは回折格子等の分光素子が必要である。
特に回折格子は代表的な分光素子である。回折格子は、例えば、石英やシリコン基板などの表面に周期的なブレーズ状の微細凹凸構造を形成することで作製される。その周期的凹凸構造によって発生する回折光は互いに干渉し、ある特定波長の光が特定の方向に出射される。回折格子は、このような特性を有するため、分光素子として利用されている。このような分光素子は、例えば、特開平10−300976号公報に開示されている。
回折格子による波長分解力は、回折光の次数と格子数の積に比例することが一般的に知られている。実際の分光素子において有効であるのは、光束が通過する範囲の回折格子の周期数である。つまり、回折格子の分解力を向上させるためには光束の直径を大きくする必要がある。光束の直径を大きくするためには、それに伴って光学系に必要な各部品も大きくしなければならない。
しかし、回折格子やレンズ等の光学部品を大きくすることはコストの上昇につながる。また、光束が太くなりレンズ径が大きくなると、収差が増大する傾向があるため、収差補正の手段を設ける必要がある。そのため、分光装置が大型化してしまうという問題もある。
分光を目的とする回折格子としては、断面形状が三角形のブレーズ格子が使用されることが多い。ブレーズ格子を有する回折格子には、反射型と透過型とがある。図13Aはブレーズ格子を有する透過型回折格子103aの構成を示す断面図であり、図13Bはブレーズ格子を有する反射型回折格子103bの構成を示す断面図である。図13Aに示すように透過型回折格子103aは、溝104aが形成された面の反対面から複数波長の光107aが入射すると、溝104aが形成された面から出射方向が互いに異なることで分光された複数の回折光108aおよび109aが出射される。
また、図13Bに示すように反射型回折格子103bは、溝104bが形成された面から複数波長の光107bが入射すると、反射して、溝104bが形成された面から反射方向が互いに異なることで分光された複数の回折光108bおよび109bが出射される。反射型回折格子103bは透過型回折格子103aよりも高い回折効率が得られるので、通常は反射型回折格子103bが用いられている。しかし、反射型回折格子103bは、表面を反射面に加工する必要がある。
透過型回折格子103aおよび反射型回折格子103bのいずれの方式であっても、格子周期と光の波長が接近してくると、偏光方向(TE偏光またはTM偏光)による効率の差などが生じる。そのため、高い回折効率を得るためにはブレーズ形状などの精密な設計と高度な加工技術が必要になる。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、波長分解力が高く、かつ小型化が可能な分光装置を提供することを目的とする。
本発明は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をDとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記各波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。なお、平均波長λ0は、
λ0=(λ1+λ2)/2で表される。
d≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
L≧D/Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をDとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
L≧D/Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。なお、平均波長λ0は、
λ0=(λ1+λ2)/2で表される。
d≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
s=f・Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
s=f・Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をDおよび前記集光レンズの物理的外径をD′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記各波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧a
d′≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
f′=f(NA/NA′)
L≧D′/Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をDおよび前記集光レンズの物理的外径をD′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
d′≧2f′・NA′
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
f′=f(NA/NA′)
L≧D′/Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧a
d′≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
f′=f(NA/NA′)
s=f′・Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
d′≧2f′・NA′
f≧2w1/Δψ
f′=f(NA/NA′)
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
s=f′・Δψ
本発明は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をDとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記各波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。なお、平均波長λ0は、
λ0=(λ1+λ2)/2で表される。
d≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
L≧D/Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をDとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
L≧D/Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。なお、平均波長λ0は、
λ0=(λ1+λ2)/2で表される。
d≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
s=f・Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
s=f・Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をDおよび前記集光レンズの物理的外径をD′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記各波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧a
d′≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
f′=f(NA/NA′)
L≧D′/Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をDおよび前記集光レンズの物理的外径をD′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
d′≧2f′・NA′
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
f′=f(NA/NA′)
L≧D′/Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧a
d′≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
f′=f(NA/NA′)
s=f′・Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする)
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
d≧2f・NA
d′≧2f′・NA′
f≧2w1/Δψ
f′=f(NA/NA′)
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
s=f′・Δψ
図1は、本発明の実施の形態1に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図2は、Δψ≧3θ0である場合の光束の関係を示す模式図である。
図3は、Δψ=2θ0である場合の光束の関係を示す模式図である。
図4は、本発明の実施の形態2に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図5は、4本発明の実施の形態3に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図6Aは、断面形状が矩形状である回折格子の構成を示す断面図である。
図6Bは、図6Aの回折格子の拡大図である。
図7は、入射する光束の波長に対する回折効率の計算結果を示すグラフである。
図8は、入射する光束の波長に対するPDLの計算結果を示すグラフである。
図9は、2次元フォトニック結晶構造の回折格子の構成を示す断面図である。
図10Aは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図10Bは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図10Cは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図10Dは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図11は、実施例1の回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図12は、SEMにより撮影した回折格子である。
図13Aは、ブレーズ格子を有する従来の透過型回折格子の構成を示す断面図である。
図13Bは、ブレーズ格子を有する従来の反射型回折格子の構成を示す断面図である。
図2は、Δψ≧3θ0である場合の光束の関係を示す模式図である。
図3は、Δψ=2θ0である場合の光束の関係を示す模式図である。
図4は、本発明の実施の形態2に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図5は、4本発明の実施の形態3に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図6Aは、断面形状が矩形状である回折格子の構成を示す断面図である。
図6Bは、図6Aの回折格子の拡大図である。
図7は、入射する光束の波長に対する回折効率の計算結果を示すグラフである。
図8は、入射する光束の波長に対するPDLの計算結果を示すグラフである。
図9は、2次元フォトニック結晶構造の回折格子の構成を示す断面図である。
図10Aは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図10Bは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図10Cは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図10Dは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図11は、実施例1の回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図12は、SEMにより撮影した回折格子である。
図13Aは、ブレーズ格子を有する従来の透過型回折格子の構成を示す断面図である。
図13Bは、ブレーズ格子を有する従来の反射型回折格子の構成を示す断面図である。
本実施の形態の回折格子を用いた分光装置は、単一モード光ファイバからの出射光などのガウシアンビームとみなせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が決まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、単一モード光ファイバからの出射光などガウシアンビームと見なせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、単一モード光ファイバからの出射光などのガウシアンビームとみなせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が決まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、単一モード光ファイバからの出射光などガウシアンビームと見なせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、好ましくは、前記回折格子の、光束が入射される面は、略矩形状または略楕円形状である。それにより、回折格子の有効面積の割合が増える。つまり、回折格子において、光束が入射しない箇所の面積を小さくすることができる。そのため、回折格子を低コストで作製することができる。
また、好ましくは、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズは、半径方向に沿った屈折率分布を有するロッドレンズである。それにより、ロッドレンズは、形状的に光ファイバとの整合性がよいため、ロッドレンズと光ファイバとを結合する場合に、組立調芯を容易にすることができる。
また、好ましくは、前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有した基板であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である。それにより、溝を精度よく作製することができ、回折格子は、高い回折効率を得ることができる。
また、好ましくは、前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有する2次元フォトニック結晶であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である。それにより、回折格子は、高い回折効率を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1の回折格子を用いた分光装置について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る分光装置100の構成を示した模式図である。実施の形態1の分光装置100は、光入射部10と回折格子20と光出射部30とを備えている。
光入射部10は、入射側光導波路である光ファイバ11と、光束を略平行光束に変換するコリメートレンズ12とを有する。光ファイバ11は、単一モードファイバ(偏波面保存ファイバを含む)であり、開口数はNAである。光ファイバ11は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を伝搬している。ただし、ガウシアンビームの強度が中心の1/e2となる遠視野広がり角によりNAは定義されている。
コリメートレンズ12は光ファイバ11の出射端面に設置されている。光ファイバ11中を伝搬している光束は、光ファイバ11から出射され、コリメートレンズ12に入射して、略平行光束に変換される。
光ファイバ11の端面から出射される光束はガウシアンビームとみなせ、広がり角が大きく、複数の波長成分を含んでいる。コリメートレンズ12によって、この光束は広がり角が小さく光束の太いガウシアンビームである光束4に変換される。
回折格子20は、光束4が入射される側の面の形状が略矩形状もしくは略楕円形状が望ましく、表面に溝21が形成され、入射した光束を互いに異なる波長の光束ごとに出射方向を変えることで分光する。コリメートレンズ12から出射されたガウシアンビームである光束4は回折格子20に入射し、波長成分ごとに方向の互いに異なる光束5および6に分光される。
ここで、回折格子20の形状が略矩形状もしくは略楕円形状が望ましい理由を説明する。光束4が円形のビームであれば、光束4が回折格子20に対して垂直に入射する場合は、回折格子20の入射面において光束4は円形である。また、光束4が回折格子20に対して垂直以外で入射する場合は、回折格子20の入射面において光束4は楕円形状になる。したがって、回折格子20の形状は略楕円形状である方が、光束4が入射しない無駄な箇所がないため、回折格子20を低コストで作製することができる。なお、回折格子20の光束4が入射される面の形状が略矩形状であっても、無駄な箇所が少ない形状であるため、回折格子20を低コストで作製することができる。
光出射部30は集光レンズ31aおよび31bと出射側光ファイバ32aおよび32bとを備えている。集光レンズ31aおよび31bと、出射側光ファイバ32aおよび32bとは、回折格子20で分光された光束の数だけ設置されている。実施の形態1では二つの光束5および6に分光しているので、集光レンズ31aおよび31bが設置されている。光束5および6のそれぞれが集光レンズ31aおよび31bにより集光され、それぞれ出射側光ファイバ32aおよび32bに結合される。
光束5の波長をλ1とし、光束6の波長をλ2とする。回折格子20に入射される光束4は、光束5と光束6とが混合された光である。このとき、隣接入射光の波長はλ1およびλ2であり、これら隣接入射光の平均波長λ0は、
λ0=(λ1+λ2)/2
で表わすことができる。
また、回折格子20により回折されて分光された光束5と光束6とのそれぞれの回折角度の差をΔψ(単位はラジアン)とする。
コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとは焦点距離および大きさが互いに等しい屈折率分布型ロッドレンズであり、その有効径はdで、物理的な外径はDとする。また、回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの間隔をLとする。
コリメートレンズ12から回折格子20に向けて出射される光束4のビームウエスト半径はw0である。光束4の光束はガウシアンビームなので、厳密にはその半径は位置によって変化する。しかし、ビームウエスト半径w0は充分に大きく、コリメートレンズ12から集光レンズ31aおよび31bまでの光束4、5および6の半径(ガウシアンビームの光強度が光軸位置の1/e2となる半径)はビームウエスト半径w0に等しい一定値であるとみなすことができる。
ビームウエスト半径がw0である光束4の、遠視野における広がり角θ0は、以下の式で表わされる。
tanθ0=λ0/(πw0)
ただし、θ0は微小角なので
θ0=λ0/(πw0) (1)
としても差し支えない。
波長λ1およびλ2の光束5および6に対する回折角の角度差がΔψなので、波長λ1の光束5と波長λ2の光束6を明確に分離するには、
Δψ≧3θ0 (2)
であることが望ましい。(1)、(2)式より、
w0≧3λ0/(πΔψ) (3)
の関係が得られる。
ここで、(2)式の条件が必要である理由について図2および図3を用いて説明する。図2は、Δψ≧3θ0である場合の光束5および6の関係を示す模式図である。また、図3は、Δψ=2θ0である場合の光束5および6の関係を示す模式図である。図2において、広がり角θ0の、光束5および光束6がΔψの角度差を有している。光束5および光束6の各ガウシアン分布5aおよびガウシアン分布6aからわかるようにθ0は、各光束5および6の最大パワーI0の13.5%の値の箇所と各光束5および6の中心軸とのなす角度である。Δψ≧3θ0である図2からわかるように、ガウシアン分布5aおよび6aとが重なっていないので、光束5および光束6は明確に分離されている。
しかし、Δψ≧3θ0ではなく、Δψ=2θ0である図3からわかるように、Δψ=2θ0である場合には、ガウシアン分布5aおよび6aとが重なる箇所が出てくる。そのため、光束5および光束6は充分に分離されていない。
以上のように、波長λ1の光束5と波長λ2の光束6とを明確に分離するには、Δψ≧3θ0(式(2))の条件が必要である。
一方、ビームウエスト半径w0に対して、光束のケラレを充分小さくするには、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dは、3w0以上必要である。また、光束4が回折格子20に垂直に入射する場合は、上述のように、回折格子20の入射面において光束4は円形である。したがって、光束4がすべて回折格子20に入射するためには、溝21に対して平行な方向(図1の紙面に対して垂直な方向)に沿った回折格子20の長さgPおよび溝21に対して垂直な方向(図1の紙面に平行であって、回折格子20の光束4が入射する側の面に沿った方向)に沿った回折格子20の長さgVは、ともに3W0以上必要である。ここで、回折格子20の長さgPおよびgVのうち小さい方の値をG0とする。すなわち、溝21に対して平行な方向に沿った回折格子20の長さgPおよび溝21に対して垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVはG0以上である。
上記のように、有効径dと回折格子20の長さgPおよびgVとが3W0以上を条件とするのは、ガウシアンビームの実際の広がりは、ビームウエスト半径w0よりも広がっているためである。つまり、光束4のすべてのエネルギーを用いるためには、上述のように有効径dと回折格子20の長さgPおよびgVとが3W0以上である必要がある。
したがって、(3)式より、
d≧9λ0/(πΔψ) (4)
G0≧9λ0/(πΔψ) (5)
が得られる。
ところで、光ファイバ11の開口数NAと、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fとより、光ファイバ11から出射されるガウシアンビームである光束4を少ない損失で取り込むためには、コリメートレンズ12の有効径dとして
d=3f・NA (6)
が必要である。なお、コリメートレンズ12の半径がf・NA、すなわちコリメートレンズ12の直径が2f・NAとしたのでは、光束4の外側部分の光を取り込むことができず、損失が生じる。
したがって、(4)、(5)および(6)式より最小限必要なレンズ有効径および回折格子の大きさは、
d≧a
G0≧a
となる。ただし、
3f・NA>9λ0/(πΔψ)
の場合には、
a=3f・NA
とすればよい。この場合は、光量ロスがなく分解能も確保される。ただし、
3f・NA<9λ0/(πΔψ)
とすると、光量ロスはないものの、光束が9λ0/(πΔψ)よりも細くなるので、分解能が悪くなってしまう。そこで、aの値としては、
3f・NA≧9λ0/(πΔψ)
の関係を満たすことを前提として、
a=3f・NA
とする。
ただし、上述の各式は入射する光束4の光束が回折格子20に対して、垂直入射する場合に相当している。
ここで、図1に示すように、光束4が回折格子20に対して垂直に入射しない場合には、回折格子20の入射面での、溝21に対して平行な方向に沿った光束4の長さは変化しない。しかし、回折格子20の入射面での、溝21に対して垂直な方向に沿った光束4の長さは大きくなる。すなわち、溝21に対して垂直な方向(図1の紙面に平行であって、回折格子20の光束4が入射する面の方向)に沿った回折格子20の長さgVは以下の条件を満たす必要がある。すなわち、
gV≧G0/cosφ
である。また、溝21に対して平行な方向(図1の紙面に対して垂直な方向)に沿った回折格子20の長さgPはG0に等しいので、
gP≧a
である。これらにより、光束4がすべて回折格子20に入射することができる。そのため、損失が生じることがない。
回折格子20で分光した光束5および6が、それぞれ集光レンズ31aおよび31bに入射するためには、光束5および6どうしの間隔が、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D以上である必要がある。すなわち、光束5および6どうしの間隔を、回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの間隔であるLで表し、これが物理的外径D以上であるため、
L・tanΔψ≧D
関係が成り立つ。また、回折角の角度差Δψも微小角なので、
L≧D/Δψ
となる。これにより、Lの最小値が得られる。
以上の結果より、単一モード光ファイバ11を光入射部10に用いた場合、すなわち入射光束である光束4がガウシアンビームとみなせ、かつ平均波長λ0と回折角の角度差Δψとが定まっている場合の分光装置100の各部材および全体の最小限の大きさを求めることができる。これらを以下に示す。
(a)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bの有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fが自由に選択できるのであれば、両者が等しくなる場合、すなわち焦点距離fは、
f=3λ0/(πΔψ・NA)
とすればよい。
(b)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
(c)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bの距離Lの最小値は、D/Δψとなる。
(d)コリメートレンズ12と回折格子20との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(e)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dと等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態1の回折格子を用いた分光装置100は、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
上述の説明は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが同一の焦点距離および大きさを有する場合の分光装置100を最小化するための条件についてであった。ここで、入射側の光ファイバ11の開口数と出射側光ファイバ32aおよび32bの開口数とが異なる場合には、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合の、分光装置100を最小化するための条件について図1を用いて、以下に説明する。光ファイバ11の開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ32aおよび32bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ31aおよび31bは上述したものとは異なり、集光レンズ31aおよび31bの有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。このときの分構装置100が最小化する条件を以下に示す。
(a)コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。また、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′の最小値も同様に、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ31aおよび31bの焦点距離f′は、入射側であるコリメートレンズ12の焦点距離fと対応させることが望ましいので、
f・NA=f′・NA′
となり、すなわち、
f′=f(NA/NA′)
とすればよい。
(b)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は上述と同様に、以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
(c)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bの距離Lの最小値は、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′を用いて、D′/Δψとなる。
(d)コリメートレンズ12と回折格子20との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(e)コリメートレンズ12の物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12の有効径dと等しい。また、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′は、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′と等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合に、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である分光装置100を最小化することができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る回折格子20を用いた分光装置200について図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態2に係る分光装置200の構成を示した模式図である。実施の形態2に係る分光装置200と実施の形態1の分光装置100との異なる点は、単一モードファイバである光ファイバ11の替わりに、多モードファイバである光ファイバ11aを用いている点で、その他の構成はほぼ同様である。そのため、同一部材については同一の符号を付し、説明を省略している。
実施の形態2の光入射部10における、光ファイバ11aは、多モードファイバであるため、光ファイバ11a中を伝搬して、出射される光は、均一な光強度をもつ面光源(光ファイバ11a)からの出射光とみなせる。この場合の分光装置200の最小条件について以下に示す。
光ファイバ11aのコア半径(すなわち面光源の大きさ)をw1とし、面光源である光ファイバ11aの開口数をNA、同一の形状のレンズであるコリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離をfとすると、コリメートされた光束4の広がり角θ1(半角)は、以下の式で表わされる。
tanθ1=w1/f
ただし、θ1は微小角なので
θ1=w1/f (7)
としても差し支えない。
波長λ1およびλ2の光束5および6が回折される角度の差がΔψであるから、波長λ1の光束5と波長λ2の光束6を明確に分離するには、
Δψ≧2θ1 (8)
であることが望ましい。したがって(7)および(8)式より、
Δψ≧2w1/f
が得られ、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fは、
f≧2w1/Δψ (9)
の条件を満たすことが必要となる。
コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dと溝21に対して平行な方向(図4の紙面に対して垂直な方向)に沿った回折格子20の長さgPおよび溝21に対して垂直な方向(図4の紙面に平行であって、回折格子20の光束4が入射する側の面に沿った方向)に沿った回折格子20の長さgVとは、光束4の直径以上必要である。ここで、回折格子20の長さgPおよびgVのうち小さい方の値をG0とする。また、この場合の光束の半径はf・NAで表わされるから、
d≧2f・NA (10)
G0≧2f・NA (11)
が得られ、コリメートレンズ12の有効径dと回折格子20の長さgPおよびgVの最小値がわかる。ただし、(11)式は光束4が回折格子20に対して、垂直入射する場合に相当する。光束4が回折格子20に対して、入射角φで入射する場合の回折格子20の長さgVは、
gV≧G0/cosφ
で表される。
回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの間隔であるLの満たすべき条件は、実施の形態1の場合と同様であり、
L・tanΔψ≧D
となる。ここで、Δψは微小角なので、
L≧D/Δψ
がLの満たすべき条件となる。
以上の結果より、多モード光ファイバ11aを光入射部10に用いた場合、すなわち、入射光束である光束4が均一な光強度をもつ面光源(光ファイバ11a)からの出射光とみなせ、かつ平均波長λ0と回折角の角度差Δψとが定まっている場合の分光装置200の各部材および全体の最小限の大きさを求めることができる。これらを以下に示す。
(a)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dの最小値は、2f・NAである。
(b)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。
(c)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
(d)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの距離Lの最小値は、D/Δψとなる。
(e)コリメートレンズ12と回折格子20の間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(f)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dと等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態2の回折格子を用いた分光装置は、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
上述の説明は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが同一の焦点距離および大きさを有する場合の分光装置200を最小化するための条件についてであった。ここで、入射側の光ファイバ11aの開口数と出射側光ファイバ32aおよび32bとの開口数が異なる場合には、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合の、分光装置200を最小化するための条件について図4を用いて、以下に説明する。光ファイバ11aの開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ32aおよび32bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ31aおよび31bは上述したものとは異なり、集光レンズ31aおよび31bの有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。このときの分構装置200が最小化する条件を以下に示す。
(a)コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、2f・NAである。また、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′の最小値は、2f′・NA′である。
(b)コリメートレンズ12の焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。また、集光レンズ31aおよび31bの焦点距離f′の最小値は、f(NA/NA′)となる。
(c)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
(d)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bの距離Lの最小値は、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′を用いて、D′/Δψとなる。
(e)コリメートレンズ12と回折格子20との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(f)コリメートレンズ12の物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12の有効径dと等しい。また、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′は、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′と等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合に、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である分光装置200を最小化することができる。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る回折格子を用いた分光装置300について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態3に係る分光装置300の構成を示した模式図である。実施の形態3の分光装置300と実施の形態1の分光装置100との異なる点は、波長の異なる各光束に対して共通の集光レンズ33が1つだけ設置されている点である。集光レンズ33の出射端には、出射側光ファイバ34aおよび34bが設置されている。また、実施の形態3の分光装置300は、実施の形態1で示した単一モード光ファイバ11であっても、実施の形態2で示した多モード光ファイバ11aのどちらかである。実施の形態3に係る分光装置300と実施の形態1の分光装置100とのその他の構成はほぼ同様である。そのため、同一部材については同一の符号を付し、説明を省略している。
実施の形態3の分光装置300においては、回折格子20によって互いに異なる波長の光束ごとに出射方向を変えることで分光したのち、分光された各光束5および6はすべて集光レンズ33に入射する。各光束5および6は集光レンズ33に入射した後、集光レンズ33の出射端側に並べて設置された出射側光ファイバ34aおよび34bにそれぞれ結合される。なお、コリメートレンズ12と集光レンズ33とは同一形状のレンズであり、その焦点距離はfであり、有効径はdであり、物理的外径はDである。
まず、光入射部10が単一モードの光ファイバ11を有する場合における実施の形態3に係る分光装置300の最小値について説明する。なお、光ファイバ11は、単一モードファイバ(偏波面保存ファイバを含む)であり、開口数はNAである。ただし、ガウシアンビームの強度が中心の1/e2となる遠視野広がり角によりNAは定義されている。実施の形態3の分光装置300が最小値になる条件は、実施の形態1に記載した、(a)および(b)の条件と同様に求めることができる。具体的には、以下の条件が必要である。
まず、同一形状のレンズであるコリメートレンズ12と集光レンズ33との有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離fが自由に選択できるのであれば、両者が等しくなる場合、すなわち焦点距離fは、
f=3λ0/(πΔψ・NA)
とすればよい。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
上述の条件の他に、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件が加わる。
つまり、コリメートレンズ12および集光レンズ33の焦点距離をfとして、
s=f・Δψ
の条件が必要である。
ここで、コリメートレンズ12と集光レンズ33とが異なる場合の、分光装置300を最小化するための条件について図5を用いて、以下に説明する。光ファイバ11の開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ34aおよび34bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ33は上述したものとは異なり、集光レンズ33の有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。
まず、コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ33の有効径d′の最小値は、同様に、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ33の焦点距離f′は、f(NA/NA′)とすればよい。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
さらに、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件は、
s=f′・Δψ
とすればよい。
また、光入射部10が多モードファイバである光ファイバ11aを有する場合における実施の形態3に係る分光装置300の最小値について説明する。なお、面光源である光ファイバ11aの開口数をNA、同一の形状のレンズであるコリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離をfとする。また、コリメートレンズ12と集光レンズ33の有効径はdであり、これらの物理的外径はDである。
実施の形態3の分光装置300が最小値になる条件は、実施の形態2に記載した、(a)および(b)の条件と同様に求めることができる。具体的には、以下の条件が必要である。
まず、コリメートレンズ12と集光レンズ33との有効径dの最小値は、2f・NAである。
また、コリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
上述の条件の他に、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件が加わる。
つまり、コリメートレンズ12および集光レンズ33の焦点距離をfとして、
s=f・Δψ
の条件が必要である。
ここで、コリメートレンズ12と集光レンズ33とが異なる場合の、分光装置300を最小化するための条件について図5を用いて、以下に説明する。光ファイバ11aの開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ34aおよび34bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ33は上述したものとは異なり、集光レンズ33の有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。
まず、コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、2f・NAである。また、集光レンズ33の有効径d′の最小値も同様に、2f′・NA′である。
また、コリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。また、集光レンズ33の焦点距離f′は、f(NA/NA′)となる。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
さらに、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件は、
s=f′・Δψ
とすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態3の回折格子を用いた分光装置300は、分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
実施の形態3のように、具体的に光ファイバ34aおよび34bを並べて保持するためには、複数光ファイバ用のフェルールを用いる方法またはV溝アレイに光ファイバ34aおよび34bを並べるといった方法が知られており、容易に実現できる。
実施の形態1〜3におけるコリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33とには、屈折率分布型レンズを用いた。屈折率分布型レンズは、通常、均質ガラスロッドのイオン交換により作製することができる。そのため、外径2mm以下の小径で高性能なレンズを安価に量産することができる。また、このレンズはロッド状であるので光ファイバとの結合と光軸調整が容易である。そのため、コリメートレンズ12と集光レンズ31a、31bおよび33としてこのレンズを用いることが望ましい。
なお、コリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33として、均質ガラスあるいはプラスチックを材料とした球面レンズを複数枚組み合わせたレンズ系、非球面レンズおよび球レンズ等を使用してもよい。
実施の形態1〜3のコリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33とは、同一種類で同等の形状および特性を持つものを用いるのが光学的にも、また製造上の便宜からも望ましい。しかし上述のように、各条件を満たしていれば、コリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33とを異なるレンズとして分光装置100、200および300を構成することは可能である。
なお、実施の形態1〜3の分光装置100、200および300は、光束4を二つの光束5および6に分光するが、分光する光束の数がさらに増えてもよい。その際に、分光する隣接波長の各間隔が実質的に一定とみなせる場合には、距離Lおよび光軸間隔sを上述した最小となる条件で統一すればよい。それにより、分光装置100、200および300を最小の大きさとすることができる。また、隣接波長の間隔が一定でない場合は、隣接波長ごとに、分光装置100、200および300を最小とする上述の各条件を個別で満たすように設定すればよい。それにより、分光装置100、200および300を最小の大きさとすることができる。
図6Aは断面形状が矩形状である回折格子の構成を示す断面図を、図6Bは図6Aの回折格子のさらに拡大図を示している。実施の形態1〜3では、図6Aに示すような溝21の断面形状が矩形状である回折格子20(以下、深溝型と呼ぶ)を用いている。図6Aに示されているのは、透過型の回折格子20であり、2つの波長を含む平行光束4が入射されると入射された面と反対側の面から、それぞれ出射角度が互いに異なる分波された光束5および6が出射される。
次に、実施の形態1〜3で用いる回折格子20について説明する。回折格子20において、溝深さ、溝幅および周期が図6Bで示されているとき、溝幅とアスペクト比(溝深さと溝幅との比)とを最適化すると、広い波長域にわたって理論的に100%に近い回折効率が得られ、また偏光方向(TE偏光、TM偏光)による効率の差もほとんどないことが一般的に知られている(小山次郎、西原浩著「光波電子光学」第4章、コロナ社、1978年、参照)。
深溝型回折格子20による1次光の回折効率を、例えば、以下の条件で計算した。
基板材料:石英(屈折率1.46)
溝周期Gp:1400nm
溝幅Gw:530nm
溝深さGd:3200nm
回折格子20への光束の入射角度:31°
計算にはRCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法によるプログラム(Grating Solver Development社製GSOLVER ver4.20b)を使用した。図7に、入射する光束の波長に対する回折効率の計算結果を示す。
図7より、1300nm(1.3μm)〜1600nm(1.6μm)の非常に広い波長域にわたって破線で表したTE偏光および実線で表したTM偏光共に89%以上の高い回折効率が確保されていることがわかる。
また偏光依存損失(Polarization Dependent Loss、PDL)についても計算により評価した。PDLはTM偏光およびTE偏光の効率の差により発生し、下式で表される。
PDL=10×log10(TM偏光回折効率/TE偏光回折効率)
図8に入射する光束の波長に対するPDLの計算結果を示す。図8よりPDLは上記波長帯域1300nm(1.3μm)〜1600nm(1.6μm)にわたって0.23dB以下となっていることがわかる。
光ファイバより導かれる光は光ファイバの状態によって様々な偏光状態にあり、現実的にその偏光状態を予測することは困難である。そのため、回折格子を用いた分光装置の応用分野を光通信に向けると、偏波方向を制御する部品をシステムに付加しなければならず、コスト上昇につながる。しかし、実施の形態1〜3のように回折格子20に深溝型を用いることにより、図8に示したように偏波による損失を抑えることができ、システム構築に非常に有利である。
なお、従来はアスペクト比の大きい矩形状溝の加工は困難であったが、最近のエッチング技術の向上により精度の良いものが作製できるようになってきた。さらに、実施の形態1〜3では、回折効率が高いことが望ましいので、深溝型の回折格子20を用いることが望ましい。
また、回折格子20を形成する基板材料を工夫することで、高アスペクト比加工の負担を軽減させることができる。具体的には基板材料として、より高屈折率の材料を用いることで比較的低いアスペクト比であっても同等の特性を得ることができる。高屈折率材料としてはシリコンの他に、例えば、酸化チタンや酸化タンタルといった金属酸化物、あるいは窒化シリコン等が挙げられる。
さらに、回折格子20は、いわゆる2次元フォトニック結晶構造としてもよい。図9は2次元フォトニック結晶構造の回折格子の構成を示す断面図である。具体的には、回折格子20の基板22上に第1層23および第2層24が交互に積層されて形成された周期構造多層膜25を形成してから、周期構造多層膜25にエッチングを施して溝21を形成することで、2次元フォトニック結晶構造の回折格子20を作製することができる。このような構造としてもよい。それにより、回折格子20のアスペクト比の低減が可能である。
いずれにしても、使用目的によって回折格子20の材料は適宜選定すればよい。材料は光束の使用波長域における透明性が確保できることを前提として特に限定はない。しかし、例えば紫外光レーザによるパルス波のような高エネルギー照射に用いる場合には高エネルギー耐性をもつ石英が望ましい。また、高エネルギー照射のような過酷な条件下で使用されないならば、高屈折率材料を用いればよく、それにより加工プロセスの負荷を軽減させることができる。
ここで、回折格子20の深溝格子の形成方法について図10A〜図10Dを用いて説明する。一般的に深溝格子の形成にはフォトリソグラフィーによるパターニングと気相エッチングによる溝加工を用いる。図10A〜図10Dは回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
石英基板42上にフォトレジスト46をスピンコートした後、露光により所望の周期のラインパターンを形成する(図10A)。
このときの露光の光源は当然フォトレジスト46の感光波長を有するものである。例えばg線、i線ランプのような紫外光を用いたマスク露光や、He−Cdレーザのような紫外光レーザを用いた直接描画またはマスク露光、2光束干渉露光および電子線を用いた直接描画等を用いればよい。コストとパターンの周期幅を考慮して使い分けることが好ましい。
次にレジストパターン上に金属膜47を成膜する(図10B)。成膜手法は、例えばスパッタや真空蒸着等を用いればよい。また、金属膜47は、例えばクロムやニッケル等を用いることができる。特に、後述する図10Cに示す工程においてリフトオフを用いる場合には、フォトレジストの損傷やパターニング精度の向上の観点から真空蒸着を用いることが望ましい。
金属膜47を成膜後リフトオフ法により不要な金属膜47をフォトレジスト46とともに除去することで金属マスクパターンが形成される(図10C)。図10Aに示した工程と図10Bに示した工程との順番を入れ替えて、エッチングにより金属膜47によるマスクのパターンを形成させる手法も当然可能である。しかし、本発明者らが検討した結果、高アスペクト比の加工にはリフトオフによる厚膜金属マスクを用いた方法(図10A〜図10Dの工程を順次行う方法)がより好適であることがわかった。
次に、イオンエッチング装置を用いて垂直深溝41の加工を行う(図10D)。エッチング装置は被加工材料に適したものを選択すべきであるが、大面積を能率良く加工するには誘導結合プラズマ(ICP)や磁気中性線放電(NLD)のような高密度プラズマによる反応性イオンエッチングを用いることが望ましい。最後に、残存する金属膜47によるマスクは腐食液等で除去すればよい。
本発明による分光装置は、光線の向きを逆とすれば複数波長の光を単一の光ファイバに送りこむ合波装置として使用することもできる。
なお、実施の形態1〜3の分光装置は、情報通信分野における、波長多重(WDM)通信に使用することができる。なかでもメトロネットワークに導入される多重波長間隔が比較的広い低密度波長多重(CWDM)通信では部品の低コスト化が重要である。実施の形態1〜3の分光装置はコンパクト化、低コスト化が可能であり、このようなシステムへの導入に非常に好適である。
一方、光記録分野では近年DVDをはじめとして、大容量化を目指した記録デバイスの開発が進められている。このような記録情報の大容量化にともない記録・読み出し速度の高速化が求められることは明らかである。
そのひとつとして多波長による同時記録・読み出しが挙げられる。これは複数の波長を多重した光を光ヘッドへと導きそこで分波することで複数波長の光による書き込みあるいは読み込みを行ない、情報の平行処理を可能とするシステムである。この場合ヘッド材料はディスクの上を走査させることを考えれば小型であることが必須であり、実施の形態1〜3で示した分光装置100、200および300はこのようなシステムへの組み込みに好適である。
実施の形態1〜3の分光装置100、200および300が応用できる波長域は、光学素子の透過率さえ確保できるのであれば特に制限はない。しかし、光通信用としては1000〜1600nm、光ディスク用であれば200〜800nmといった波長域で使用することができる。
実施の形態1〜3ではいずれも光入射部10および光出射部30は、光ファイバ(光ファイバ11および11aと、出射側光ファイバ32a、32b、34aおよび34b)とレンズ(コリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33)の組合せで構成されている。しかし、これ以外の構成でもかまわない。例えば、平板光導波路を光ファイバの代わりに使用してもよい。また光入射部10は、多波長光源の光をコリメートレンズを介して使用する構成としてもよい。また、光出射部2には受光素子を設けて、波長ごとの光強度を測定するモニターとすることもできる。
以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が決まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、単一モード光ファイバからの出射光などガウシアンビームと見なせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、単一モード光ファイバからの出射光などのガウシアンビームとみなせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が決まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、単一モード光ファイバからの出射光などガウシアンビームと見なせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、好ましくは、前記回折格子の、光束が入射される面は、略矩形状または略楕円形状である。それにより、回折格子の有効面積の割合が増える。つまり、回折格子において、光束が入射しない箇所の面積を小さくすることができる。そのため、回折格子を低コストで作製することができる。
また、好ましくは、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズは、半径方向に沿った屈折率分布を有するロッドレンズである。それにより、ロッドレンズは、形状的に光ファイバとの整合性がよいため、ロッドレンズと光ファイバとを結合する場合に、組立調芯を容易にすることができる。
また、好ましくは、前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有した基板であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である。それにより、溝を精度よく作製することができ、回折格子は、高い回折効率を得ることができる。
また、好ましくは、前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有する2次元フォトニック結晶であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である。それにより、回折格子は、高い回折効率を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1の回折格子を用いた分光装置について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る分光装置100の構成を示した模式図である。実施の形態1の分光装置100は、光入射部10と回折格子20と光出射部30とを備えている。
光入射部10は、入射側光導波路である光ファイバ11と、光束を略平行光束に変換するコリメートレンズ12とを有する。光ファイバ11は、単一モードファイバ(偏波面保存ファイバを含む)であり、開口数はNAである。光ファイバ11は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を伝搬している。ただし、ガウシアンビームの強度が中心の1/e2となる遠視野広がり角によりNAは定義されている。
コリメートレンズ12は光ファイバ11の出射端面に設置されている。光ファイバ11中を伝搬している光束は、光ファイバ11から出射され、コリメートレンズ12に入射して、略平行光束に変換される。
光ファイバ11の端面から出射される光束はガウシアンビームとみなせ、広がり角が大きく、複数の波長成分を含んでいる。コリメートレンズ12によって、この光束は広がり角が小さく光束の太いガウシアンビームである光束4に変換される。
回折格子20は、光束4が入射される側の面の形状が略矩形状もしくは略楕円形状が望ましく、表面に溝21が形成され、入射した光束を互いに異なる波長の光束ごとに出射方向を変えることで分光する。コリメートレンズ12から出射されたガウシアンビームである光束4は回折格子20に入射し、波長成分ごとに方向の互いに異なる光束5および6に分光される。
ここで、回折格子20の形状が略矩形状もしくは略楕円形状が望ましい理由を説明する。光束4が円形のビームであれば、光束4が回折格子20に対して垂直に入射する場合は、回折格子20の入射面において光束4は円形である。また、光束4が回折格子20に対して垂直以外で入射する場合は、回折格子20の入射面において光束4は楕円形状になる。したがって、回折格子20の形状は略楕円形状である方が、光束4が入射しない無駄な箇所がないため、回折格子20を低コストで作製することができる。なお、回折格子20の光束4が入射される面の形状が略矩形状であっても、無駄な箇所が少ない形状であるため、回折格子20を低コストで作製することができる。
光出射部30は集光レンズ31aおよび31bと出射側光ファイバ32aおよび32bとを備えている。集光レンズ31aおよび31bと、出射側光ファイバ32aおよび32bとは、回折格子20で分光された光束の数だけ設置されている。実施の形態1では二つの光束5および6に分光しているので、集光レンズ31aおよび31bが設置されている。光束5および6のそれぞれが集光レンズ31aおよび31bにより集光され、それぞれ出射側光ファイバ32aおよび32bに結合される。
光束5の波長をλ1とし、光束6の波長をλ2とする。回折格子20に入射される光束4は、光束5と光束6とが混合された光である。このとき、隣接入射光の波長はλ1およびλ2であり、これら隣接入射光の平均波長λ0は、
λ0=(λ1+λ2)/2
で表わすことができる。
また、回折格子20により回折されて分光された光束5と光束6とのそれぞれの回折角度の差をΔψ(単位はラジアン)とする。
コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとは焦点距離および大きさが互いに等しい屈折率分布型ロッドレンズであり、その有効径はdで、物理的な外径はDとする。また、回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの間隔をLとする。
コリメートレンズ12から回折格子20に向けて出射される光束4のビームウエスト半径はw0である。光束4の光束はガウシアンビームなので、厳密にはその半径は位置によって変化する。しかし、ビームウエスト半径w0は充分に大きく、コリメートレンズ12から集光レンズ31aおよび31bまでの光束4、5および6の半径(ガウシアンビームの光強度が光軸位置の1/e2となる半径)はビームウエスト半径w0に等しい一定値であるとみなすことができる。
ビームウエスト半径がw0である光束4の、遠視野における広がり角θ0は、以下の式で表わされる。
tanθ0=λ0/(πw0)
ただし、θ0は微小角なので
θ0=λ0/(πw0) (1)
としても差し支えない。
波長λ1およびλ2の光束5および6に対する回折角の角度差がΔψなので、波長λ1の光束5と波長λ2の光束6を明確に分離するには、
Δψ≧3θ0 (2)
であることが望ましい。(1)、(2)式より、
w0≧3λ0/(πΔψ) (3)
の関係が得られる。
ここで、(2)式の条件が必要である理由について図2および図3を用いて説明する。図2は、Δψ≧3θ0である場合の光束5および6の関係を示す模式図である。また、図3は、Δψ=2θ0である場合の光束5および6の関係を示す模式図である。図2において、広がり角θ0の、光束5および光束6がΔψの角度差を有している。光束5および光束6の各ガウシアン分布5aおよびガウシアン分布6aからわかるようにθ0は、各光束5および6の最大パワーI0の13.5%の値の箇所と各光束5および6の中心軸とのなす角度である。Δψ≧3θ0である図2からわかるように、ガウシアン分布5aおよび6aとが重なっていないので、光束5および光束6は明確に分離されている。
しかし、Δψ≧3θ0ではなく、Δψ=2θ0である図3からわかるように、Δψ=2θ0である場合には、ガウシアン分布5aおよび6aとが重なる箇所が出てくる。そのため、光束5および光束6は充分に分離されていない。
以上のように、波長λ1の光束5と波長λ2の光束6とを明確に分離するには、Δψ≧3θ0(式(2))の条件が必要である。
一方、ビームウエスト半径w0に対して、光束のケラレを充分小さくするには、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dは、3w0以上必要である。また、光束4が回折格子20に垂直に入射する場合は、上述のように、回折格子20の入射面において光束4は円形である。したがって、光束4がすべて回折格子20に入射するためには、溝21に対して平行な方向(図1の紙面に対して垂直な方向)に沿った回折格子20の長さgPおよび溝21に対して垂直な方向(図1の紙面に平行であって、回折格子20の光束4が入射する側の面に沿った方向)に沿った回折格子20の長さgVは、ともに3W0以上必要である。ここで、回折格子20の長さgPおよびgVのうち小さい方の値をG0とする。すなわち、溝21に対して平行な方向に沿った回折格子20の長さgPおよび溝21に対して垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVはG0以上である。
上記のように、有効径dと回折格子20の長さgPおよびgVとが3W0以上を条件とするのは、ガウシアンビームの実際の広がりは、ビームウエスト半径w0よりも広がっているためである。つまり、光束4のすべてのエネルギーを用いるためには、上述のように有効径dと回折格子20の長さgPおよびgVとが3W0以上である必要がある。
したがって、(3)式より、
d≧9λ0/(πΔψ) (4)
G0≧9λ0/(πΔψ) (5)
が得られる。
ところで、光ファイバ11の開口数NAと、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fとより、光ファイバ11から出射されるガウシアンビームである光束4を少ない損失で取り込むためには、コリメートレンズ12の有効径dとして
d=3f・NA (6)
が必要である。なお、コリメートレンズ12の半径がf・NA、すなわちコリメートレンズ12の直径が2f・NAとしたのでは、光束4の外側部分の光を取り込むことができず、損失が生じる。
したがって、(4)、(5)および(6)式より最小限必要なレンズ有効径および回折格子の大きさは、
d≧a
G0≧a
となる。ただし、
3f・NA>9λ0/(πΔψ)
の場合には、
a=3f・NA
とすればよい。この場合は、光量ロスがなく分解能も確保される。ただし、
3f・NA<9λ0/(πΔψ)
とすると、光量ロスはないものの、光束が9λ0/(πΔψ)よりも細くなるので、分解能が悪くなってしまう。そこで、aの値としては、
3f・NA≧9λ0/(πΔψ)
の関係を満たすことを前提として、
a=3f・NA
とする。
ただし、上述の各式は入射する光束4の光束が回折格子20に対して、垂直入射する場合に相当している。
ここで、図1に示すように、光束4が回折格子20に対して垂直に入射しない場合には、回折格子20の入射面での、溝21に対して平行な方向に沿った光束4の長さは変化しない。しかし、回折格子20の入射面での、溝21に対して垂直な方向に沿った光束4の長さは大きくなる。すなわち、溝21に対して垂直な方向(図1の紙面に平行であって、回折格子20の光束4が入射する面の方向)に沿った回折格子20の長さgVは以下の条件を満たす必要がある。すなわち、
gV≧G0/cosφ
である。また、溝21に対して平行な方向(図1の紙面に対して垂直な方向)に沿った回折格子20の長さgPはG0に等しいので、
gP≧a
である。これらにより、光束4がすべて回折格子20に入射することができる。そのため、損失が生じることがない。
回折格子20で分光した光束5および6が、それぞれ集光レンズ31aおよび31bに入射するためには、光束5および6どうしの間隔が、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D以上である必要がある。すなわち、光束5および6どうしの間隔を、回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの間隔であるLで表し、これが物理的外径D以上であるため、
L・tanΔψ≧D
関係が成り立つ。また、回折角の角度差Δψも微小角なので、
L≧D/Δψ
となる。これにより、Lの最小値が得られる。
以上の結果より、単一モード光ファイバ11を光入射部10に用いた場合、すなわち入射光束である光束4がガウシアンビームとみなせ、かつ平均波長λ0と回折角の角度差Δψとが定まっている場合の分光装置100の各部材および全体の最小限の大きさを求めることができる。これらを以下に示す。
(a)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bの有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fが自由に選択できるのであれば、両者が等しくなる場合、すなわち焦点距離fは、
f=3λ0/(πΔψ・NA)
とすればよい。
(b)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
(c)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bの距離Lの最小値は、D/Δψとなる。
(d)コリメートレンズ12と回折格子20との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(e)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dと等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態1の回折格子を用いた分光装置100は、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
上述の説明は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが同一の焦点距離および大きさを有する場合の分光装置100を最小化するための条件についてであった。ここで、入射側の光ファイバ11の開口数と出射側光ファイバ32aおよび32bの開口数とが異なる場合には、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合の、分光装置100を最小化するための条件について図1を用いて、以下に説明する。光ファイバ11の開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ32aおよび32bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ31aおよび31bは上述したものとは異なり、集光レンズ31aおよび31bの有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。このときの分構装置100が最小化する条件を以下に示す。
(a)コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。また、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′の最小値も同様に、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ31aおよび31bの焦点距離f′は、入射側であるコリメートレンズ12の焦点距離fと対応させることが望ましいので、
f・NA=f′・NA′
となり、すなわち、
f′=f(NA/NA′)
とすればよい。
(b)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は上述と同様に、以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
(c)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bの距離Lの最小値は、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′を用いて、D′/Δψとなる。
(d)コリメートレンズ12と回折格子20との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(e)コリメートレンズ12の物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12の有効径dと等しい。また、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′は、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′と等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合に、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である分光装置100を最小化することができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る回折格子20を用いた分光装置200について図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態2に係る分光装置200の構成を示した模式図である。実施の形態2に係る分光装置200と実施の形態1の分光装置100との異なる点は、単一モードファイバである光ファイバ11の替わりに、多モードファイバである光ファイバ11aを用いている点で、その他の構成はほぼ同様である。そのため、同一部材については同一の符号を付し、説明を省略している。
実施の形態2の光入射部10における、光ファイバ11aは、多モードファイバであるため、光ファイバ11a中を伝搬して、出射される光は、均一な光強度をもつ面光源(光ファイバ11a)からの出射光とみなせる。この場合の分光装置200の最小条件について以下に示す。
光ファイバ11aのコア半径(すなわち面光源の大きさ)をw1とし、面光源である光ファイバ11aの開口数をNA、同一の形状のレンズであるコリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離をfとすると、コリメートされた光束4の広がり角θ1(半角)は、以下の式で表わされる。
tanθ1=w1/f
ただし、θ1は微小角なので
θ1=w1/f (7)
としても差し支えない。
波長λ1およびλ2の光束5および6が回折される角度の差がΔψであるから、波長λ1の光束5と波長λ2の光束6を明確に分離するには、
Δψ≧2θ1 (8)
であることが望ましい。したがって(7)および(8)式より、
Δψ≧2w1/f
が得られ、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fは、
f≧2w1/Δψ (9)
の条件を満たすことが必要となる。
コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dと溝21に対して平行な方向(図4の紙面に対して垂直な方向)に沿った回折格子20の長さgPおよび溝21に対して垂直な方向(図4の紙面に平行であって、回折格子20の光束4が入射する側の面に沿った方向)に沿った回折格子20の長さgVとは、光束4の直径以上必要である。ここで、回折格子20の長さgPおよびgVのうち小さい方の値をG0とする。また、この場合の光束の半径はf・NAで表わされるから、
d≧2f・NA (10)
G0≧2f・NA (11)
が得られ、コリメートレンズ12の有効径dと回折格子20の長さgPおよびgVの最小値がわかる。ただし、(11)式は光束4が回折格子20に対して、垂直入射する場合に相当する。光束4が回折格子20に対して、入射角φで入射する場合の回折格子20の長さgVは、
gV≧G0/cosφ
で表される。
回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの間隔であるLの満たすべき条件は、実施の形態1の場合と同様であり、
L・tanΔψ≧D
となる。ここで、Δψは微小角なので、
L≧D/Δψ
がLの満たすべき条件となる。
以上の結果より、多モード光ファイバ11aを光入射部10に用いた場合、すなわち、入射光束である光束4が均一な光強度をもつ面光源(光ファイバ11a)からの出射光とみなせ、かつ平均波長λ0と回折角の角度差Δψとが定まっている場合の分光装置200の各部材および全体の最小限の大きさを求めることができる。これらを以下に示す。
(a)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dの最小値は、2f・NAである。
(b)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。
(c)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
(d)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bとの距離Lの最小値は、D/Δψとなる。
(e)コリメートレンズ12と回折格子20の間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(f)コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとの有効径dと等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態2の回折格子を用いた分光装置は、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
上述の説明は、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが同一の焦点距離および大きさを有する場合の分光装置200を最小化するための条件についてであった。ここで、入射側の光ファイバ11aの開口数と出射側光ファイバ32aおよび32bとの開口数が異なる場合には、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合の、分光装置200を最小化するための条件について図4を用いて、以下に説明する。光ファイバ11aの開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ32aおよび32bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ31aおよび31bは上述したものとは異なり、集光レンズ31aおよび31bの有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。このときの分構装置200が最小化する条件を以下に示す。
(a)コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、2f・NAである。また、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′の最小値は、2f′・NA′である。
(b)コリメートレンズ12の焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。また、集光レンズ31aおよび31bの焦点距離f′の最小値は、f(NA/NA′)となる。
(c)回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
(d)回折格子20と集光レンズ31aおよび31bの距離Lの最小値は、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′を用いて、D′/Δψとなる。
(e)コリメートレンズ12と回折格子20との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
(f)コリメートレンズ12の物理的外径Dの最小値は、コリメートレンズ12の有効径dと等しい。また、集光レンズ31aおよび31bの物理的外径D′は、集光レンズ31aおよび31bの有効径d′と等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、コリメートレンズ12と集光レンズ31aおよび31bとが異なる場合に、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である分光装置200を最小化することができる。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る回折格子を用いた分光装置300について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態3に係る分光装置300の構成を示した模式図である。実施の形態3の分光装置300と実施の形態1の分光装置100との異なる点は、波長の異なる各光束に対して共通の集光レンズ33が1つだけ設置されている点である。集光レンズ33の出射端には、出射側光ファイバ34aおよび34bが設置されている。また、実施の形態3の分光装置300は、実施の形態1で示した単一モード光ファイバ11であっても、実施の形態2で示した多モード光ファイバ11aのどちらかである。実施の形態3に係る分光装置300と実施の形態1の分光装置100とのその他の構成はほぼ同様である。そのため、同一部材については同一の符号を付し、説明を省略している。
実施の形態3の分光装置300においては、回折格子20によって互いに異なる波長の光束ごとに出射方向を変えることで分光したのち、分光された各光束5および6はすべて集光レンズ33に入射する。各光束5および6は集光レンズ33に入射した後、集光レンズ33の出射端側に並べて設置された出射側光ファイバ34aおよび34bにそれぞれ結合される。なお、コリメートレンズ12と集光レンズ33とは同一形状のレンズであり、その焦点距離はfであり、有効径はdであり、物理的外径はDである。
まず、光入射部10が単一モードの光ファイバ11を有する場合における実施の形態3に係る分光装置300の最小値について説明する。なお、光ファイバ11は、単一モードファイバ(偏波面保存ファイバを含む)であり、開口数はNAである。ただし、ガウシアンビームの強度が中心の1/e2となる遠視野広がり角によりNAは定義されている。実施の形態3の分光装置300が最小値になる条件は、実施の形態1に記載した、(a)および(b)の条件と同様に求めることができる。具体的には、以下の条件が必要である。
まず、同一形状のレンズであるコリメートレンズ12と集光レンズ33との有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離fが自由に選択できるのであれば、両者が等しくなる場合、すなわち焦点距離fは、
f=3λ0/(πΔψ・NA)
とすればよい。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
上述の条件の他に、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件が加わる。
つまり、コリメートレンズ12および集光レンズ33の焦点距離をfとして、
s=f・Δψ
の条件が必要である。
ここで、コリメートレンズ12と集光レンズ33とが異なる場合の、分光装置300を最小化するための条件について図5を用いて、以下に説明する。光ファイバ11の開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ34aおよび34bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ33は上述したものとは異なり、集光レンズ33の有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。
まず、コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ33の有効径d′の最小値は、同様に、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ33の焦点距離f′は、f(NA/NA′)とすればよい。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。
溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、a/cosφとなる。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPはaとなる。
さらに、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件は、
s=f′・Δψ
とすればよい。
また、光入射部10が多モードファイバである光ファイバ11aを有する場合における実施の形態3に係る分光装置300の最小値について説明する。なお、面光源である光ファイバ11aの開口数をNA、同一の形状のレンズであるコリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離をfとする。また、コリメートレンズ12と集光レンズ33の有効径はdであり、これらの物理的外径はDである。
実施の形態3の分光装置300が最小値になる条件は、実施の形態2に記載した、(a)および(b)の条件と同様に求めることができる。具体的には、以下の条件が必要である。
まず、コリメートレンズ12と集光レンズ33との有効径dの最小値は、2f・NAである。
また、コリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
上述の条件の他に、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件が加わる。
つまり、コリメートレンズ12および集光レンズ33の焦点距離をfとして、
s=f・Δψ
の条件が必要である。
ここで、コリメートレンズ12と集光レンズ33とが異なる場合の、分光装置300を最小化するための条件について図5を用いて、以下に説明する。光ファイバ11aの開口数は上述した場合と同様でNAとし、出射側光ファイバ34aおよび34bの開口数はNA′とする。このとき、コリメートレンズ12は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ12の有効径をdとし、焦点距離をfとし、物理的外径をDとする。集光レンズ33は上述したものとは異なり、集光レンズ33の有効径をd′とし、焦点距離をf′とし、物理的外径をD′とする。
まず、コリメートレンズ12の有効径dの最小値は、2f・NAである。また、集光レンズ33の有効径d′の最小値も同様に、2f′・NA′である。
また、コリメートレンズ12と集光レンズ33との焦点距離fの最小値は、2w1/Δψである。また、集光レンズ33の焦点距離f′は、f(NA/NA′)となる。
また、回折格子20(略矩形状あるいは略楕円形状とする)の大きさの最小値は以下のようになる。溝21に対して、垂直な方向に沿った回折格子20の長さgVは、2f・NA/cosφである。また、溝21に対して、平行な方向に沿った回折格子20の長さgPは、2f・NAである。
さらに、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ34aおよび34bのそれぞれの光軸間隔sに関する条件は、
s=f′・Δψ
とすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態3の回折格子を用いた分光装置300は、分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
実施の形態3のように、具体的に光ファイバ34aおよび34bを並べて保持するためには、複数光ファイバ用のフェルールを用いる方法またはV溝アレイに光ファイバ34aおよび34bを並べるといった方法が知られており、容易に実現できる。
実施の形態1〜3におけるコリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33とには、屈折率分布型レンズを用いた。屈折率分布型レンズは、通常、均質ガラスロッドのイオン交換により作製することができる。そのため、外径2mm以下の小径で高性能なレンズを安価に量産することができる。また、このレンズはロッド状であるので光ファイバとの結合と光軸調整が容易である。そのため、コリメートレンズ12と集光レンズ31a、31bおよび33としてこのレンズを用いることが望ましい。
なお、コリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33として、均質ガラスあるいはプラスチックを材料とした球面レンズを複数枚組み合わせたレンズ系、非球面レンズおよび球レンズ等を使用してもよい。
実施の形態1〜3のコリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33とは、同一種類で同等の形状および特性を持つものを用いるのが光学的にも、また製造上の便宜からも望ましい。しかし上述のように、各条件を満たしていれば、コリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33とを異なるレンズとして分光装置100、200および300を構成することは可能である。
なお、実施の形態1〜3の分光装置100、200および300は、光束4を二つの光束5および6に分光するが、分光する光束の数がさらに増えてもよい。その際に、分光する隣接波長の各間隔が実質的に一定とみなせる場合には、距離Lおよび光軸間隔sを上述した最小となる条件で統一すればよい。それにより、分光装置100、200および300を最小の大きさとすることができる。また、隣接波長の間隔が一定でない場合は、隣接波長ごとに、分光装置100、200および300を最小とする上述の各条件を個別で満たすように設定すればよい。それにより、分光装置100、200および300を最小の大きさとすることができる。
図6Aは断面形状が矩形状である回折格子の構成を示す断面図を、図6Bは図6Aの回折格子のさらに拡大図を示している。実施の形態1〜3では、図6Aに示すような溝21の断面形状が矩形状である回折格子20(以下、深溝型と呼ぶ)を用いている。図6Aに示されているのは、透過型の回折格子20であり、2つの波長を含む平行光束4が入射されると入射された面と反対側の面から、それぞれ出射角度が互いに異なる分波された光束5および6が出射される。
次に、実施の形態1〜3で用いる回折格子20について説明する。回折格子20において、溝深さ、溝幅および周期が図6Bで示されているとき、溝幅とアスペクト比(溝深さと溝幅との比)とを最適化すると、広い波長域にわたって理論的に100%に近い回折効率が得られ、また偏光方向(TE偏光、TM偏光)による効率の差もほとんどないことが一般的に知られている(小山次郎、西原浩著「光波電子光学」第4章、コロナ社、1978年、参照)。
深溝型回折格子20による1次光の回折効率を、例えば、以下の条件で計算した。
基板材料:石英(屈折率1.46)
溝周期Gp:1400nm
溝幅Gw:530nm
溝深さGd:3200nm
回折格子20への光束の入射角度:31°
計算にはRCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法によるプログラム(Grating Solver Development社製GSOLVER ver4.20b)を使用した。図7に、入射する光束の波長に対する回折効率の計算結果を示す。
図7より、1300nm(1.3μm)〜1600nm(1.6μm)の非常に広い波長域にわたって破線で表したTE偏光および実線で表したTM偏光共に89%以上の高い回折効率が確保されていることがわかる。
また偏光依存損失(Polarization Dependent Loss、PDL)についても計算により評価した。PDLはTM偏光およびTE偏光の効率の差により発生し、下式で表される。
PDL=10×log10(TM偏光回折効率/TE偏光回折効率)
図8に入射する光束の波長に対するPDLの計算結果を示す。図8よりPDLは上記波長帯域1300nm(1.3μm)〜1600nm(1.6μm)にわたって0.23dB以下となっていることがわかる。
光ファイバより導かれる光は光ファイバの状態によって様々な偏光状態にあり、現実的にその偏光状態を予測することは困難である。そのため、回折格子を用いた分光装置の応用分野を光通信に向けると、偏波方向を制御する部品をシステムに付加しなければならず、コスト上昇につながる。しかし、実施の形態1〜3のように回折格子20に深溝型を用いることにより、図8に示したように偏波による損失を抑えることができ、システム構築に非常に有利である。
なお、従来はアスペクト比の大きい矩形状溝の加工は困難であったが、最近のエッチング技術の向上により精度の良いものが作製できるようになってきた。さらに、実施の形態1〜3では、回折効率が高いことが望ましいので、深溝型の回折格子20を用いることが望ましい。
また、回折格子20を形成する基板材料を工夫することで、高アスペクト比加工の負担を軽減させることができる。具体的には基板材料として、より高屈折率の材料を用いることで比較的低いアスペクト比であっても同等の特性を得ることができる。高屈折率材料としてはシリコンの他に、例えば、酸化チタンや酸化タンタルといった金属酸化物、あるいは窒化シリコン等が挙げられる。
さらに、回折格子20は、いわゆる2次元フォトニック結晶構造としてもよい。図9は2次元フォトニック結晶構造の回折格子の構成を示す断面図である。具体的には、回折格子20の基板22上に第1層23および第2層24が交互に積層されて形成された周期構造多層膜25を形成してから、周期構造多層膜25にエッチングを施して溝21を形成することで、2次元フォトニック結晶構造の回折格子20を作製することができる。このような構造としてもよい。それにより、回折格子20のアスペクト比の低減が可能である。
いずれにしても、使用目的によって回折格子20の材料は適宜選定すればよい。材料は光束の使用波長域における透明性が確保できることを前提として特に限定はない。しかし、例えば紫外光レーザによるパルス波のような高エネルギー照射に用いる場合には高エネルギー耐性をもつ石英が望ましい。また、高エネルギー照射のような過酷な条件下で使用されないならば、高屈折率材料を用いればよく、それにより加工プロセスの負荷を軽減させることができる。
ここで、回折格子20の深溝格子の形成方法について図10A〜図10Dを用いて説明する。一般的に深溝格子の形成にはフォトリソグラフィーによるパターニングと気相エッチングによる溝加工を用いる。図10A〜図10Dは回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
石英基板42上にフォトレジスト46をスピンコートした後、露光により所望の周期のラインパターンを形成する(図10A)。
このときの露光の光源は当然フォトレジスト46の感光波長を有するものである。例えばg線、i線ランプのような紫外光を用いたマスク露光や、He−Cdレーザのような紫外光レーザを用いた直接描画またはマスク露光、2光束干渉露光および電子線を用いた直接描画等を用いればよい。コストとパターンの周期幅を考慮して使い分けることが好ましい。
次にレジストパターン上に金属膜47を成膜する(図10B)。成膜手法は、例えばスパッタや真空蒸着等を用いればよい。また、金属膜47は、例えばクロムやニッケル等を用いることができる。特に、後述する図10Cに示す工程においてリフトオフを用いる場合には、フォトレジストの損傷やパターニング精度の向上の観点から真空蒸着を用いることが望ましい。
金属膜47を成膜後リフトオフ法により不要な金属膜47をフォトレジスト46とともに除去することで金属マスクパターンが形成される(図10C)。図10Aに示した工程と図10Bに示した工程との順番を入れ替えて、エッチングにより金属膜47によるマスクのパターンを形成させる手法も当然可能である。しかし、本発明者らが検討した結果、高アスペクト比の加工にはリフトオフによる厚膜金属マスクを用いた方法(図10A〜図10Dの工程を順次行う方法)がより好適であることがわかった。
次に、イオンエッチング装置を用いて垂直深溝41の加工を行う(図10D)。エッチング装置は被加工材料に適したものを選択すべきであるが、大面積を能率良く加工するには誘導結合プラズマ(ICP)や磁気中性線放電(NLD)のような高密度プラズマによる反応性イオンエッチングを用いることが望ましい。最後に、残存する金属膜47によるマスクは腐食液等で除去すればよい。
本発明による分光装置は、光線の向きを逆とすれば複数波長の光を単一の光ファイバに送りこむ合波装置として使用することもできる。
なお、実施の形態1〜3の分光装置は、情報通信分野における、波長多重(WDM)通信に使用することができる。なかでもメトロネットワークに導入される多重波長間隔が比較的広い低密度波長多重(CWDM)通信では部品の低コスト化が重要である。実施の形態1〜3の分光装置はコンパクト化、低コスト化が可能であり、このようなシステムへの導入に非常に好適である。
一方、光記録分野では近年DVDをはじめとして、大容量化を目指した記録デバイスの開発が進められている。このような記録情報の大容量化にともない記録・読み出し速度の高速化が求められることは明らかである。
そのひとつとして多波長による同時記録・読み出しが挙げられる。これは複数の波長を多重した光を光ヘッドへと導きそこで分波することで複数波長の光による書き込みあるいは読み込みを行ない、情報の平行処理を可能とするシステムである。この場合ヘッド材料はディスクの上を走査させることを考えれば小型であることが必須であり、実施の形態1〜3で示した分光装置100、200および300はこのようなシステムへの組み込みに好適である。
実施の形態1〜3の分光装置100、200および300が応用できる波長域は、光学素子の透過率さえ確保できるのであれば特に制限はない。しかし、光通信用としては1000〜1600nm、光ディスク用であれば200〜800nmといった波長域で使用することができる。
実施の形態1〜3ではいずれも光入射部10および光出射部30は、光ファイバ(光ファイバ11および11aと、出射側光ファイバ32a、32b、34aおよび34b)とレンズ(コリメートレンズ12と、集光レンズ31a、31bおよび33)の組合せで構成されている。しかし、これ以外の構成でもかまわない。例えば、平板光導波路を光ファイバの代わりに使用してもよい。また光入射部10は、多波長光源の光をコリメートレンズを介して使用する構成としてもよい。また、光出射部2には受光素子を設けて、波長ごとの光強度を測定するモニターとすることもできる。
以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
実施例1では、実施の形態2の分光装置の構成例について図11を用いて説明する。図11は実施例1の回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
入射側光ファイバ51および出射側光ファイバ56は、可視光波長域用の屈折率分布型多モード光ファイバ(コア径/クラッド径=100/140μm、NA=0.29、コーニング社製)である。コリメートレンズ52と集光レンズ55aおよび55bとは、日本板硝子社製の屈折率分布型ロッドレンズ(外径1.8mm、焦点距離1.84mm)である。コリメートレンズ52は入射側光ファイバ51の先端に固定されている。また、集光レンズ集光レンズ55aおよび55bは出射側光ファイバ56aおよび56bの先端にそれぞれ固定されている。
コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bの外側はステンレス製の鞘におおわれているので、物理的外径Dは2.4mmである。
回折格子54は、厚さ1mmの合成石英板の片側に、エッチングにより深溝形状を3×3mmの面積の範囲に形成し、図6Aに示す回折格子20と同様の構成とする。つまり、回折格子54の各寸法である溝周期、溝幅および溝深さは、図6Bに示したとおりである。回折格子54において溝周期は600nm、溝幅Gwは330nmおよび溝深さGdは1100nmとした。
この際のエッチングの手順を以下に説明する。石英基板上に電子線レジストをスピンコートした後、電子線描画により周期600nmのラインパターンを形成する。リフトオフ法によりレジストパターンを金属マスクに転写した後、反応性イオンエッチングを用いて深さ1100nmまでエッチングを行った。こうして作製された回折格子54の断面形状を走査型電子線顕微鏡(SEM)にて確認した。図12は、SEMにより撮影した回折格子54の写真である。図12に示すように、黒く写っている溝57が規則正しく並んでおり、ほぼ設計通りの構造を得られていることがわかる。
入射側光ファイバ51には、波長λ1=635nmとλ2=532nmの半導体レーザ光を合波して送り込んだ。コリメートレンズ52からの光束を、コリメートレンズ52から1.1mm離して設置した回折格子54に、入射角29°で入射した。回折格子54による1次光の出射角は、波長λ1およびλ2のそれぞれの光束に対してそれぞれ35.0°および23.7°であった。
回折格子54から距離L=14mm離れたところに出射側の集光レンズ55aおよび55bを並べて、分光されたそれぞれの波長の光束を取り込み、光ファイバ56aおよび56bに結合した。集光レンズ55aおよび55bの間隔(光軸の間隔)は2.8mmとした。これらの光学系を金属製の筐体50に組み込んだ。図11に示すように、例えば、筐体50は、L1=30mmおよびL2=17mmの大きさとすることができ、小型化されている。
実施例1における回折格子54による1次光の回折効率を、入射光の偏光の向きを変えて測定した結果は、表1に示す通りである。
表1よりわかるように、1次光の回折効率が非常に高く、偏光による差が小さい。
入射側光ファイバ51および出射側光ファイバ56は、可視光波長域用の屈折率分布型多モード光ファイバ(コア径/クラッド径=100/140μm、NA=0.29、コーニング社製)である。コリメートレンズ52と集光レンズ55aおよび55bとは、日本板硝子社製の屈折率分布型ロッドレンズ(外径1.8mm、焦点距離1.84mm)である。コリメートレンズ52は入射側光ファイバ51の先端に固定されている。また、集光レンズ集光レンズ55aおよび55bは出射側光ファイバ56aおよび56bの先端にそれぞれ固定されている。
コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bの外側はステンレス製の鞘におおわれているので、物理的外径Dは2.4mmである。
回折格子54は、厚さ1mmの合成石英板の片側に、エッチングにより深溝形状を3×3mmの面積の範囲に形成し、図6Aに示す回折格子20と同様の構成とする。つまり、回折格子54の各寸法である溝周期、溝幅および溝深さは、図6Bに示したとおりである。回折格子54において溝周期は600nm、溝幅Gwは330nmおよび溝深さGdは1100nmとした。
この際のエッチングの手順を以下に説明する。石英基板上に電子線レジストをスピンコートした後、電子線描画により周期600nmのラインパターンを形成する。リフトオフ法によりレジストパターンを金属マスクに転写した後、反応性イオンエッチングを用いて深さ1100nmまでエッチングを行った。こうして作製された回折格子54の断面形状を走査型電子線顕微鏡(SEM)にて確認した。図12は、SEMにより撮影した回折格子54の写真である。図12に示すように、黒く写っている溝57が規則正しく並んでおり、ほぼ設計通りの構造を得られていることがわかる。
入射側光ファイバ51には、波長λ1=635nmとλ2=532nmの半導体レーザ光を合波して送り込んだ。コリメートレンズ52からの光束を、コリメートレンズ52から1.1mm離して設置した回折格子54に、入射角29°で入射した。回折格子54による1次光の出射角は、波長λ1およびλ2のそれぞれの光束に対してそれぞれ35.0°および23.7°であった。
回折格子54から距離L=14mm離れたところに出射側の集光レンズ55aおよび55bを並べて、分光されたそれぞれの波長の光束を取り込み、光ファイバ56aおよび56bに結合した。集光レンズ55aおよび55bの間隔(光軸の間隔)は2.8mmとした。これらの光学系を金属製の筐体50に組み込んだ。図11に示すように、例えば、筐体50は、L1=30mmおよびL2=17mmの大きさとすることができ、小型化されている。
実施例1における回折格子54による1次光の回折効率を、入射光の偏光の向きを変えて測定した結果は、表1に示す通りである。
表1よりわかるように、1次光の回折効率が非常に高く、偏光による差が小さい。
実施例1では、実施の形態2の条件を満たした分光装置の具体例を示したが、コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bはさらに小型化する余地がある(図11)。実施例2は実施例1と同様の構成であって、入射側光ファイバ51と出射側光ファイバ56aおよび56bと回折格子54とを用いて、コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bを最小限まで小型化した設計例である。実施例2の分光装置の構造も図11で示されるので、図11を用いて実施例2について説明する。
入射側光ファイバ51および出射側光ファイバ56aおよび56bには、NA=0.29およびコア半径w1=0.05mmの多モード光ファイバを使用した。また、分離すべき二つの光束の波長は、λ1=635nmとλ2=532nmであり(平均波長λ0=583.5nm)、回折角の角度差Δψ=11.3°である。
このとき、実施の形態2で示した条件より、コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bの焦点距離fの最小値は、2w1/Δψ=0.507mmとなり、コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bの有効径dの最小値は、2f・NA=0.294mmとなる。
回折格子54の最低限必要な大きさは、入射角φ=29°とすると、溝に対して垂直な方向に沿った回折格子54の長さgV=0.294/cosφ=0.336mmであり、溝に対して平行な方向に沿った回折格子54の長さgP=0.294mmとなる。集光レンズ55aおよび55bの物理的外径Dを有効径よりもひとまわり大きい0.3mmとすると、回折格子と集光レンズの間隔Lは、D/Δψ=1.52mmが最小となる。
入射側光ファイバ51および出射側光ファイバ56aおよび56bには、NA=0.29およびコア半径w1=0.05mmの多モード光ファイバを使用した。また、分離すべき二つの光束の波長は、λ1=635nmとλ2=532nmであり(平均波長λ0=583.5nm)、回折角の角度差Δψ=11.3°である。
このとき、実施の形態2で示した条件より、コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bの焦点距離fの最小値は、2w1/Δψ=0.507mmとなり、コリメートレンズ52および集光レンズ55aおよび55bの有効径dの最小値は、2f・NA=0.294mmとなる。
回折格子54の最低限必要な大きさは、入射角φ=29°とすると、溝に対して垂直な方向に沿った回折格子54の長さgV=0.294/cosφ=0.336mmであり、溝に対して平行な方向に沿った回折格子54の長さgP=0.294mmとなる。集光レンズ55aおよび55bの物理的外径Dを有効径よりもひとまわり大きい0.3mmとすると、回折格子と集光レンズの間隔Lは、D/Δψ=1.52mmが最小となる。
実施例3では、実施の形態3の分光装置の構成例について図5を用いて説明する。実施例3の分光装置において、光ファイバ11は、NA=0.1の単一モード光ファイバを使用した。分離すべき光束の波長はそれぞれλ1=1545nmとλ2=1555nm(平均波長λ0=1550nm)とし、回折角の角度差Δψ=0.6°とする。
光出射部30は集光レンズ33が一つで、出射側光ファイバ34aおよび34bはそれぞれの光軸の間隔s=125μmで密着して並べた。
この場合、コリメートレンズ12および集光レンズ33の焦点距離fは、s/Δψ=11.94mmが必要である。コリメートレンズ12および集光レンズ33の有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)=0.424mmおよび3f・NA=3.58mmの大きい方をとるので、3.58mm以上が必要である。
回折格子20の最低限必要な大きさは、入射角φ=45°として
溝21に対して垂直な方向に沿った回折格子20の長さgV=3.58/cosφ=5.06mmであり、溝21に対して平行な方向に沿った回折格子20の長さgP=3.58mmである。
以上より、f=12mm、d=3.6mmのコリメートレンズ12および集光レンズ33を採用し、例えば16チャンネルの分波装置が構成できる。このときの回折格子20の大きさは6×4mmである。
以上により、実施の形態1〜3の回折格子を用いた分光装置100、200および300は、小型化することが可能であり、その上、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である。
光出射部30は集光レンズ33が一つで、出射側光ファイバ34aおよび34bはそれぞれの光軸の間隔s=125μmで密着して並べた。
この場合、コリメートレンズ12および集光レンズ33の焦点距離fは、s/Δψ=11.94mmが必要である。コリメートレンズ12および集光レンズ33の有効径dの最小値は、9λ0/(πΔψ)=0.424mmおよび3f・NA=3.58mmの大きい方をとるので、3.58mm以上が必要である。
回折格子20の最低限必要な大きさは、入射角φ=45°として
溝21に対して垂直な方向に沿った回折格子20の長さgV=3.58/cosφ=5.06mmであり、溝21に対して平行な方向に沿った回折格子20の長さgP=3.58mmである。
以上より、f=12mm、d=3.6mmのコリメートレンズ12および集光レンズ33を採用し、例えば16チャンネルの分波装置が構成できる。このときの回折格子20の大きさは6×4mmである。
以上により、実施の形態1〜3の回折格子を用いた分光装置100、200および300は、小型化することが可能であり、その上、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である。
本発明の回折格子を用いた分光装置は、小型であり、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であるため、通信システム、あるいは光ディスク用ピックアップ装置等に用いられる。
Claims (12)
- 複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をDとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記各波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
L≧D/Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする) - 一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をDとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧2f・NA
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
L≧D/Δψ - 複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
s=f・Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする) - 一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をdとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧2f・NA
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
s=f・Δψ - 複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をDおよび前記集光レンズの物理的外径をD′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記各波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧a
d′≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
f′=f(NA/NA′)
L≧D′/Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする) - 一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をDおよび前記集光レンズの物理的外径をD′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をLとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧2f・NA
d′≧2f′・NA′
f≧2w1/Δψ
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
f′=f(NA/NA′)
L≧D′/Δψ - 複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1およびλ2の前記隣接入射光の平均波長をλ0とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧a
d′≧a
gV≧a/cosφ
gP≧a
f′=f(NA/NA′)
s=f′・Δψ
(ただし、aは、9λ0/(πΔψ)および3f・NAのうちいずれか大きい値とする) - 一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をdおよび前記集光レンズの有効径をd′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をfおよび前記集光レンズの焦点距離をf′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をw1とし、前記面光源の開口数をNAおよび前記出射側導波路の開口数をNA′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をsとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをgVとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをgPとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ1およびλ2とし、前記波長λ1および前記波長λ2の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ(ラジアン)とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
d≧2f・NA
d′≧2f′・NA′
f≧2w1/Δψ
f′=f(NA/NA′)
gV≧2f・NA/cosφ
gP≧2f・NA
s=f′・Δψ - 前記回折格子の、光束が入射される面は、略矩形状または略楕円形状である、請求の範囲1〜8のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
- 前記コリメートレンズおよび前記集光レンズは、半径方向に沿った屈折率分布を有するロッドレンズである、請求の範囲1〜8のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
- 前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有した基板であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である、請求の範囲1〜8のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
- 前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有する2次元フォトニック結晶であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である、請求の範囲1〜8のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
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