WO2004027493A1

WO2004027493A1 - 回折格子を用いた分光装置

Info

Publication number: WO2004027493A1
Application number: PCT/JP2003/012048
Authority: WO
Inventors: Junji Nishii; Tatsuhiro Nakazawa; Shigeo Kittaka; Keiji Tsunetomo; Kazuaki Oya
Original assignee: Nippon Sheet Glass Company, Limited; National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2004-04-01
Also published as: AU2003264540A1; JPWO2004027493A1; AU2003264540A8; US20060023212A1; US7170600B2

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

明細書回折格子を用いた分光装置技術分野

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。背景技術

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（WD M) 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、集積ィ匕、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、波長フィル夕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 3 012048

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 1 0— 3 0 0 9 7 6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 1 3 Aはブレーズ格子を有する透過型回折格子 1 0 3 aの構成を示す断面図であり、図 1 3 Bはブレーズ格子を有する反射型回折格子 1 0 3 bの構成を示す断面図である。図 1 3 Aに示すように透過型回折格子 1 0 3 aは、溝 1 0 4 aが形成された面の反対面から複数波長の光 1 0 7 aが入射すると、溝 1 0 4 a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 1 0 8 aおよび 1 0 9 aが出射される。

また、図 1 3 Bに示すように反射型回折格子 1 0 3 bは、溝 1 0 4 b が形成された面から複数波長の光 1 0 7 bが入射すると、反射して、溝 1 0 4 b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 1 0 8 bおよび 1 0 9 bが出射される。反射型回折格子 1 0 3 bは透過型回折格子 1 0 3 a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 1 0 3 bが用いられている。しかし、反射型回折格子 1 0 3 bは、表面を反射面に加工する必要がある。

透過型回折格子 1 0 3 aおよび反射型回折格子 1 0 3 b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（T E 偏光または T M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。発明の開示

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、前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズの有効径を dとし、前記コリメ一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 N A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 g _v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 g p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 λ iおよび λ ₂とし、前記各波長 λェおよび λ ₂の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を (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 λ。は、

λ ₀= ( λ！ + λ ₂ ) Ζ 2で表される。

d≥ a

g _v≥a / c o s (i)

g P≥ a

(ただし、 aは、 9 λ。Z ( π Δ ）および 3 f · N A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、前記コリメ一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、前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズの焦点距離を f とし、前記コリメ一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とし、前記面光源の開口数を N A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 g _v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 g _P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 λ および λ ₂とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ （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≥ 2 f · Ν Α

ί≥ 2 w ₁ / Α -φ

g _ν≥ 2 f · Ν A / c ο s

g P≥ 2 f · N A

L≥D Z A

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、前記コリメ一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ぴ前記集光レンズの有効径を dとし、前記コリメ一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 N A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 g _v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 g _Pとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すベき隣接入射光の各波長を λ iおよび λ ₂とし、前記波長 λ および λ ₂の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λ iおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を (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 λ。は、 λ ₀= ( λ！ + λ ₂ ) / 2で表される。

d ^ a

g _v≥ a / c o s φ

g P≥ a

s = f - Δ -

(ただし、 aは、 9 λ。/ ( ττ Δ ）および 3 f · N A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、前記コリメ一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とし、前記面光源の半径をとし、前記面光源の開口数を N A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 g _v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 g p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 λ iおよび λ ₂とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を△ゆ（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≥ 2 f · N A

f ≥ 2 W i Δ ψ '' g _v≥ 2 f · N A Z c o s

g P≥ 2 f · N A

s = f · △

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一トレンズとを有する光入射部と、前記コリメ一卜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、前記コリメ一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、前記コリメ一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 ―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かとし、前記入射側光導波路の開口数を N Aおよび前記出射側導波路の開口数を N A ' 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 g _v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 g _P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 λ iおよび λ ₂とし、前記各波長 λェおよび λ ₂の前記隣接入射光の平均波長を λ _Qとし、前記波長 λ iおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ （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

g a / c o s Φ

g P≥ a

f ' = f ( Ν Α / Ν Α ' )

L≥D ' / Α -

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、前記コリメ一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、前記コリメ一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、前記コリメ一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 g_v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 g p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 λェおよび λ ₂とし、前記波長 λ iおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を△ (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≥ 2 f · ΝΑ

d ' ≥ 2 f ' · ΝΑ'

f ≥ 2 φ

g _v≥ 2 f · N AZ c o s

g_P≥ 2 f · NA

f ' = f (ΝΑ/ΝΑ' ) ' L≥D ' /Α- 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一トレンズとを有する光入射部と、前記コリメ一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、前記コリメ一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、前記コリメ一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 N Aおよび前記出射側導波路の開口数を N A ' 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 g _v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 g _P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 λェおよび λ ₂とし、前記波長 λェおよび λ ₂の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を (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

g _v ^ a / c o s ^

g P≥ a

f ' = f (Ν Α/ Ν Α ' )

s = f ' - Δ -

' (ただし、 aは、 9 。/ ( △ ）および 3 f · N A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、前記コリメ一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、前記コリメ一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とし、前記面光源の開口数を N Aおよび前記出射側導波路の開口数を N Α' 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 g_v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 g_P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 λ iおよび λ ₂とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ （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≥ 2 f · ΝΑ

ά ' ≥2 ί ' · ΝΑ'

f ≥ 2wノ

f ' = f (ΝΑ/ΝΑ' )

g v≥ 2 f · N A/ c o s φ

g_P≥ 2 f · NA

s = f ' · Δ - 図面の簡単な説明図 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、厶 ≥ 3 6>。である場合の光束の関係を示す模式図である。図 3は、 Λ = 2 Θ。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、. 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 6 A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 6 Bは、図 6 A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ダラフである。

図 8は、入射する光束の波長に対する P D L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 1 O A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 1 0 B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 1 0 C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 1 0 D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 1 1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 1 2は、 S E Mにより撮影した回折格子である。

図 1 3 A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 1 3 B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。発明を実施するための最良の形態

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、単一モ一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、コリメ一卜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さる。

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 1 0 0の構成を示した模式図である。実施の形態 1の分光装置 1 0 0は、光入射部 1 0と回折格子 2 0と光出射部 3 0とを備えている。

光入射部 1 0は、入射側光導波路である光ファイバ 1 1と、光束を略平行光束に変換するコリメートレンズ 1 2とを有する。光ファイバ 1 1 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 N Aである。光ファイバ 1 1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 Z e ²となる遠視野広がり角により N Aは定義されている。

コリメ一トレンズ 1 2は光ファイバ 1 1の出射端面に設置されている光ファイバ 1 1中を伝搬している光束は、光ファイバ 1 1から出射され、コリメートレンズ 1 2に入射して、略平行光束に変換される。

光ファイバ 1 1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。コリメ一トレンズ 1 2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 —ムである光束 4に変換される。

回折格子 2 0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 2 1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 —トレンズ 1 2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 2 0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 2 0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 2 0に対して垂直に入射する場合は、回折格子 2 0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 2 0に対して垂直以外で入射する場合は、回折格子 2 0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 2 0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 2 0を低コストで作製することができる。なお、回折格子 2 0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 2 0を低コス卜で作製することができる。

光出射部 3 0は集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bと出射側光ファイバ 3 2 aおよび 3 2 bとを備えている。集光レンズ 3 l aおよび 3 l bと、出射側光ファイバ 3 2 aおよび 3 2 bとは、回折格子 2 0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 3 1 aおよび 3 1 b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 3 1 aおよび 3 1 bにより集光され、それぞれ出射側光ファイバ 3 2 aおよび 3 2 bに結合される。光束 5の波長を λェとし、光束 6の波長を λ ₂とする。回折格子 2 0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 λェおよび λ ₂であり、これら隣接入射光の平均波長 λ。は、

λ ₀ = ( λ _χ + λ ₂ ) / 2

で表わすことができる。

また、回折格子 2 0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 Δ (単位はラジアン）とする。

コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 2 0と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの間隔を Lとする。

コリメ一トレンズ 1 2から回折格子 2 0に向けて出射される光束 4のビームウェスト半径は w。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、ビームゥェスト半径 w。は充分に大きく、コリメ一トレンズ 1 2から集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 / e ²となる半径）はビームウェスト半径 w₀に等しい一定値であるとみなすことができる。

ビームウェスト半径が w。である光束 4の、遠視野における広がり角 Θ。は、以下の式で表わされる。

t a n 0₀ = λ ₀/ (TTW₀)

ただし、 0 _Qは微小角なので

0。= λ ₀/ ( 7tW₀) ( 1 )

としても差し支えない。

波長 λェおよび λ ₂の光束 5および 6に対する回折角の角度差が Δ なので、波長 λ iの光束 5と波長 λ ₂の光束 6を明確に分離するには、 Δ ≥ 3 0。（2)

であることが望ましい。（1)、 (2) 式より、

w。≥ 3 A。/ (7T A ）（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、 Δ ≥ 3 S。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、 △ゆ = 2 0。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 6>。の、光束 5および光束 6が Δゆ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 5 aおよびガウシアン分布 6 aからわかるように 0 。は、各光束 5および 6の最大パワー I。の 1 3. 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。厶 ≥ 3 0。である図 2からわかるように、ガウシアン分布 5 aおよび 6 a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、 Δ ≥ 3 Θ。ではなく、 Δ = 2 0 _Qである図 3からわかるように、 Δ = 2 Θ。である場合には、ガウシアン分布 5 aおよび 6 a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 λ iの光束 5と波長 λ ₂の光束 6とを明確に分離するには、 A ip≥ 3 Θ ₀ (式（2 ) ) の条件が必要である。

一方、ビームウェスト半径 w。に対して、光束のケラレを充分小さくするには、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの有効径 dは、 3 w。以上必要である。また、光束 4が回折格子 2 0に垂直に入射する場合は、上述のように、回折格子 2 0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 2 0に入射するためには、溝 2 1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 2 0の長さ g _Pおよび溝 2 1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 2 0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 2 0の長さ g _vは、ともに 3 W。以上必要である。ここで、回折格子 2 0の長さ g _Pおよび g _vのうち小さい方の値を G。とする。すなわち、溝 2 1に対して平行な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g _Pおよび溝 2 1に対して垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g _vは G。以上である。

上記のように、有効径 dと回折格子 2 0の長さ g _Pおよび g _vとが 3 W 。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、ビームウェスト半径 w。よりも広がっているためである。つまり、光束 4のすベ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 2 0の長さ g _Pおよび g _vとが 3 W。以上である必要がある。したって、（3) 式より、

d≥ 9 λ。Ζ (π厶） (4)

σ。≥ 9 λ。/ (π Δ ) ( 5)

が得られる。

ところで、光ファイバ 1 1の開口数 Ν Αと、コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの焦点距離 f とより、光ファイバ 1 1 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 1 2の有効径 dとして

d = 3 f · NA (6)

が必要である。なお、コリメートレンズ 1 2の半径が f · NA、すなわちコリメートレンズ 1 2の直径が 2 f · 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、

3 f · NA> 9え。 Ζ (π Δ φ)

の場合には、

a = 3 f · 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、

3 f · NA< 9 λ。/ (π Δ ）

とすると、光量ロスはないものの、光束が 9 λ。Ζ (π Δ 〉よりも細くなるので、分解能が悪くなつてしまう。そこで、 aの値としては、 3 f · NA≥ 9 λ。 (π Δ Φ) の関係を満たすことを前提として、

a = 3 f · N A

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 2 0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 2 0に対して垂直に入射しない場合には、回折格子 2 0の入射面での、溝 2 1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 2 0の入射面での、溝 2 1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 2 1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 2 0の光束 4が入射する面の方向）に沿った回折格子 2 0の長さ g _vは以下の条件を満たす必要がある。すなわち、

g V≥ G 0 / c 0 s φ

である。また、溝 2 1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 2 0の長さ g _Pは G。に等しいので、 '

g P≥ a

である。これらにより、光束 4がすべて回折格子 2 0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 2 0で分光した光束 5および 6が、それぞれ集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 3 1 aおよび 3 1 b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 2 0と集光レンズ

3 1 aおよび 3 1 b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 - t a n A ^≥D

関係が成り立つ。また、回折角の角度差も微小角なので、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 1 1を光入射部 1 0に用いた場合、すなわち入射光束である光束 4がガウシアンビ一ムとみなせ、かつ平均波長 λ。と回折角の角度差とが定まっている場合の分光装置 1 0 0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) コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの有効径 dの最小値は、 9 λ ₀/ (π Δゆ）および 3 f · N Aのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 ίは、

f = 3 λ ₀/ (τΐ Α φ · ΝΑ)

とすればよい。

(b) 回折格子 2 0 (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 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 a Zc o s ci)となる。また、溝 2 1に対.して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_Pは aとなる。

( c ) 回折格子 2 0と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの距離 Lの最小値は、 D Z Δ となる。

(d) コリメ一トレンズ 1 2と回折格子 2 0との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。

(e ) コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの物理的外径 Dの最小値は、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 0 0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、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 0 0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 1 1の開口数と出射側光ファイバ 3 2 aおよび 3 2 bの開口数とが異なる場合には、コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとが異なる場合の、分光装置 1 0 0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 1 1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 3 2 aおよび 3 2 bの開口数は NA' とする。このとき、コリメートレンズ 1 2は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ 1 2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 3 l aおよび 3 1 bは上述したものとは異なり、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 0 0が最小化する条件を以下に示す。

(a) コリメートレンズ 1 2の有効径 dの最小値は、 9 λ。/ (ττ Δゆ）および 3 f · NAのうちの大きい方の値である。また、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの有効径 d ' の最小値も同様に、 9 λ ₀Ζ (π Α φ ) および 3 f · NAのうちの大きい方の値である。集光レンズ 3 1 aおよび 3 l bの焦点距離 f ' は、入射側であるコリメートレンズ 1 2の焦点距離 f と対応させることが望ましいので、

f - NA= f ' - ΝΑ'

となり、すなわち、 f ' = f (ΝΑ/ΝΑ' )

とすればよい。

(b) 回折格子 2 0 (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 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 a /c o s *となる。また、溝 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_Pは aとなる。

(c) 回折格子 2 0と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの距離 Lの最小値は、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの物理的外径 D' を用いて、 D' / A となる。

(d) コリメートレンズ 1 2と回折格子 2 0との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。

(e) コリメ一トレンズ 1 2の物理的外径 Dの最小値は、コリメ一トレンズ 1 2の有効径 dと等しい。また、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの物理的外径 D' は、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 0 0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 2 0を用いた分光装置 2 0 0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 2 0 0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 2 0 0と実施の形態 1の分光装置 1 0 0との異なる点は、単一モードファイバである光ファイバ 1 1の替わりに、多モードファイバである光ファイバ 1 1 a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 1 0における、光ファイバ 1 1 aは、多モードファイバであるため、光ファイバ 1 1 a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 1 1 a) からの出射光とみなせる。この場合の分光装置 2 0 0の最小条件について以下に示す。光ファイバ 1 1 aのコア半径（すなわち面光源の大きさ）を Wiとし、面光源である光ファイバ 1 1 a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 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 0 （半角）は、以下の式で表わされる。

t a η Θ！ = w！ / f

ただし、 6^は微小角なので

Θ ₁=w₁/ f (7)

としても差し支えない。

波長えおよび λ ₂の光束 5および 6が回折される角度の差が Δゆであるから、波長 λ の光束 5と波長 λ ₂の光束 6を明確に分離するには、

Αφ≥ 2 θ ₁ (8 )

であることが望ましい。したがって（7) および（8) 式より、

Α ≥ 2w₁/ f

が得られ、コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの焦点距離 f は、

f ≥ 2 ψ (9)

の条件を満たすことが必要となる。

コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの有効径 d と溝 2 1に対して平行な方向（図 4の紙面に対して垂直な方向）に沿つた回折格子 2 0の長さ g_Pおよび溝 2 1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 2 0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 2 0の長さ g_vとは、光束 4の直径以上必要である。ここで、回折格子 2 0の長さ g_Pおよび g_vのうち小さい方の値を G 。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≥ 2 f · NA ( 1 0)

G。≥ 2 f · NA (1 1)

が得られ、コリメ一トレンズ 1 2の有効径 dと回折格子 2 0の長さ g_P および g_vの最小値がわかる。ただし、（ 1 1) 式は光束 4が回折格子 2 0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 2 0に対して、入射角 Φで入射する場合の回折格子 2 0の長さ g_vは、

g_v≥G。Z c o s Φ

で表される。

回折格子 2 0と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 ,· t a η Δ ^≥ D

となる。ここで、 Δ は微小角なので、

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 1 1 aを光入射部 1 0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 1 1 a) からの出射光とみなせ、かつ平均波長 λ。と回折角の角度差 Δ とが定まっている場合の分光装置 2 0 0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 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの有効径 dの最小値は、 2 f · NAである。

(b) コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの焦点距離 f の最小値は、

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 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 2 f · NA/c o s φである。また、溝 2 1に対して、平行な方向に沿つた回折格子 20の長さ g_Pは、 2 f ' NAである。

(d) 回折格子 20と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bとの距離 Lの最小値は、 D/Δ となる。

(e) コリメートレンズ 1 2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 3 l aおよび 3 l bとの物理的外径 Dの最小値は、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 1 aの開口数と出射側光ファイバ 32 aおよび 32 bとの開口数が異なる場合には、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 l bとが異なる場合の、分光装置 2 00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 1 1 a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 32 a および 32 bの開口数は NA' とする。このとき、コリメ一トレンズ 1 2は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ 1 2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 3 l aおよび 3 1 bは上述したものとは異なり、集光レンズ 3 l aおよび 3 l b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 2 00が最小化する条件を以下に示す。

(a)コリメ一トレンズ 1 2の有効径 dの最小値は、 2 f ·ΝΑである。また、集光レンズ 3 l aおよび 3 l bの有効径 d ' の最小値は、 2 f ' · ΝΑ' である。

(b) コリメ一トレンズ 1 2の焦点距離 f の最小値は、

である。また、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの焦点距離 f ' の最小値は、 f (ΝΑ/ΝΑ' ) となる。

溝 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 2 f ' NA/c o s *である。また、溝 2 1に対して、平行な方向に沿つた回折格子 20の長さ g_Pは、 2 f ■ NAである。

(d) 回折格子 20と集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの距離 Lの最小値は、集光レンズ 3 1 aおよび 3 l bの物理的外径 D' を用いて、 D' / Δ となる。

(e) コリメ一トレンズ 1 2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 1 2の物理的外径 Dの最小値は、コリメ一トレンズ 1 2の有効径 dと等しい。また、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 bの物理的外径 D' は、集光レンズ 3 1 aおよび 3 1 b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 1 2と集光レンズ 3 1 aおよび 3 l b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 2 0 0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 3 0 0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 3 0 0の構成を示した模式図である。実施の形態 3の分光装置 3 0 0 と実施の形態 1の分光装置 1 0 0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 3 3が 1つだけ設置されている点である。集光レンズ 3 3の出射端には、出射側光ファイバ 3 4 aおよび 3 4 bが設置されている。また、実施の形態 3の分光装置 3 0 0は、実施の形態 1 で示した単一モード光ファイバ 1 1であっても、実施の形態 2で示した多モード光ファイバ 1 1 aのどちらかである。実施の形態 3に係る分光装置 3 0 0と実施の形態 1の分光装置 1 0 0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 3 0 0においては、回折格子 2 0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 3 3に入射する。各光束 5および 6は集光レンズ 3 3に入射した後、集光レンズ 3 3の出射端側に並べて設置された出射側光ファイバ 3 4 aおよび 3 4 bにそれぞれ結合される。なお、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 3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 1 0が単一モードの光ファイバ 1 1を有する場合における実施の形態 3に係る分光装置 3 0 0の最小値について説明する。なお、光ファイバ 1 1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 / e ²となる遠視野広がり角により N Aは定義されている。実施の形態 3の分光装置 3 0 0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 1 2と集光レンズ 3 3との有効径 dの最小値は、 9 λ。 (π Α - ) および 3 f · ΝΑのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 3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 = 3 λ₀/ (ττ Δ · NA)

とすればよい。

また、回折格子 2 0 (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 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 a Zc o s *となる。また、溝 2 1に対して、平行な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g p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アイバ 3 4 aおよび 3 4 b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 1 2および集光レンズ 3 3の焦点距離を f として、

s = f · Δゆ

の条件が必要である。

ここで、コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 3とが異なる場合の、分光装置 3 0 0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 1 1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 34 aおよび 34 bの開口数は NA' とする。このとき、コリメートレンズ 1 2は上述した場合と同様であり、コリメ一トレンズ 1 2の有効径を dとし、焦点距離を ίとし、物理的外径を Dとする。集光レンズ 3 3は上述したものとは異なり、集光レンズ 3 3の有効径を d ' とし、焦点距離をとし、物理的外径を D' とする。

まず、コリメートレンズ 1 2の有効径 dの最小値は、 9 λ。// (ττΔ φ) および 3 f · N Aのうちの大きい方の値である。集光レンズ 3 3の有効径 d ' の最小値は、同様に、 9 λ。Ζ (πΔψ) および 3 f · NA のうちの大きい方の値である。集光レンズ 3 3の焦点距離 f ' は、 f (N Α/ΝΑ' ) とすればよい。

溝 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 a ノ c o s Ψとなる。また、溝 2 1に対して、平行な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g p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 34 aおよび 34 bのそれぞれの光軸間隔 sに関する条件は、

s = f - Δ - とすればよい。

また、光入射部 1 0が多モードファイバである光ファイバ 1 1 aを有する場合における実施の形態 3に係る分光装置 3 0 0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 1 1 a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 1 2と集光レンズ 3 3との焦点距離を f とする。また、コリメートレンズ 1 2と集光レンズ 3 3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 3 0 0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 1 2と集光レンズ 3 3との有効径 dの最小値は、 2 f · NAである。

また、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 3との焦点距離 f の最小値は、

ipである。

また、回折格子 2 0 (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 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 2 f · NA/ c o s φである。また、溝 2 1 に対して、平行な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g _Pは、 2 f · 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アイバ 3 4 aおよび 3 4 bのそれぞれの光軸間隔 sに関する条件が加わる。つまり、コリメ一トレンズ 1 2および集光レンズ 3 3の焦点距離を f として、

s = f - Δ φ

の条件が必要である。

ここで、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 3とが異なる場合の、分光装置 3 0 0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 1 1 a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 3 4 aおよび 3 4 bの開口数は NA' とする。このとき、コリメートレンズ 1 2は上述した場合と同様であり、コリメ一トレンズ 1 2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 3 3は上述したものとは異なり、集光レンズ 3 3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 1 2の有効径 dの最小値は、 2 f · NAである。また、集光レンズ 3 3の有効径 d ' の最小値も同様に、 2 f ' · Ν A' である。

また、コリメ一トレンズ 1 2と集光レンズ 3 3との焦点距離 f の最小値は、である。また、集光レンズ 3 3の焦点距離 f ' は、 f (ΝΑ/ΝΑ' ) となる。

また、回折格子 2 0 (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 2 1に対して、垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_vは、 2 i ' NAZc o s (i)である。また、溝 2 1 に対して、平行な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_Pは、 2 ί · NA である。

s = f ' · Δゆ

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 3 0 0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 34 aおよび 34 bを並ベて保持するためには、複数光ファイバ用のフエルールを用いる方法または V溝アレイに光ファイバ 34 aおよび 34 b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におけるコリメ一トレンズ 1 2と、集光レンズ 3 1 a、 3 l bおよび 3 3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 2 mm以下の小径で高性能なレンズを安価 3 012048

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ア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

1 2と集光レンズ 3 1 a、 3 1 bおよび 3 3としてこのレンズを用いることが望ましい。

なお、コリメ一トレンズ 1 2と、集光レンズ 3 l a、 3 1 bおよび 3 3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のコリメ一トレンズ 1 2と、集光レンズ 3 1 a、 3 l bおよび 3 3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、コリメ一トレンズ 1 2と、集光レンズ 3 1 a、 3 1 bおよび 3 3とを異なるレンズとして分光装置 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0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 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0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 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0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 1 0 0、' 2 0 0および 3 0 0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 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0を最小の大きさとすることができる。

図 6 A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 6 Bは図 6 A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 6 Aに示すような溝 2 1の断面形状が矩形状である回折格子 2 0 (以下、深溝型と呼ぶ）を用いている。図 6 Aに示されているのは、透過型の回折格子 2 0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 2 0について説明する。回折格子 2 0において、溝深さ、溝幅および周期が図 6 B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 1 0 0 %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、 1 9 7 8年、参照）。

深溝型回折格子 2 0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 G_p ： 1 40 0 nm

溝幅 G_w： 5 3 0 nm

溝深さ G_d ： 3 2 0 0 nm

回折格子 2 0への光束の入射角度

計算には R CWA(R i g 0 r o u s C o u p l e d Wa v e A n a 1 y s i s ) 法によるプログラム（G r a t i n g S o l v e r D e v e 1 o pme n t社製 G S OLVER v e r 4. 2 0 b) 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、 1 3 0 0 nm ( 1.3 m) 〜 1 6 0 0 nm ( 1.6 zm) の非常に広い波長域にわたって破線で表した TE偏光おょぴ実線で表した TM偏光共に 8 9 %以上の高い回折効率が確保されていることがわか 8

る。

また偏光依存損失 (P o l a r i z a t i o n D e p e n d e n t L o s s , 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= 1 0 X l o g _{1 Q} (TM偏光回折効率 ZTE偏光回折効率）図 8に入射する光束の波長に対する P D Lの計算結果を示す。図 8より P D Lは上記波長帯域 1 3 0 0 nm ( 1.3 m) 〜 1 6 0 0 nm ( l. 6 m) にわたつて 0. 2 3 d B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 2 0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、従来はァスぺクト比の大きい矩形状溝の加工は困難であつたが、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 2 0を用いることが望ましい。

また、回折格子 2 0を形成する基板材料を工夫することで、高ァスぺ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ァスぺクト比であつ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 2 0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 2 0の基板 2 2上に第 1層 2 3および第 2層 2 4が交互に積層されて形成された周期構造多層膜 2 5を形成してから、周期構造多層膜 2 5にエッチングを施して溝 2 1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 2 0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 2 0のァスぺク卜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 2 0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 2 0の深溝格子の形成方法について図 1 0 A〜図 1 0 D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一によるパタ一ニングと気相エッチングによる溝加工を用いる。図 1 0 A〜図 1 0 D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 4 2上にフォトレジスト 4 6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 1 0 A；)。

このときの露光の光源は当然フォトレジスト 4 6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、 H e — C d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 4 7を成膜する（図 1 0 B )。成膜手法は、例えばスパッ夕や真空蒸着等を用いればよい。また、金属膜 4 7 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 1 0 C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ゃパ夕一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 4 7を成膜後リフトオフ法により不要な金属膜 4 7をフオトレジスト 4 6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 1 0 C )。図 1 0 Aに示した工程と図 1 0 B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 4 7によるマスクのパ夕一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、高ァスぺ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 1 0 A〜図 1 0 D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 4 1の加工を行う（図 1 0 D )。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（ I C P ) や磁気中性線放電（N L D ) のような高密度プラズマによる反応性イオンエツチングを用いることが望ましい。最後に、残存する金属膜 4 7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（W D M) 通信に使用することができる。なかでもメトロネットヮ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（C WD M) 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 D V D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へ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。この場合へ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 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0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 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0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レ^ しかし、光通信用としては 1 0 0 0〜 1 6 0 0 n m、光ディスク用であれば 2 0 0〜8 0 0 n m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 1 0および光出射部 3 0は、光ファイノ（光ファイバ 1 1および 1 1 aと、出射側光ファイバ 3 2 a、 3 2 b、 3 4 aおよび 3 4 b ) とレンズ（コリメートレンズ 1 2と、集光レンズ 3 1 a、 3 l bおよび 3 3 ) 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アイパの代わりに使用してもよい。また光入射部 1 0は、多波長光源の光をコリメ一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 )

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 1 1を用いて説明する。図 1 1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 5 1および出射側光ファイバ 5 6は、可視光波長域用の屈折率分布型多モード光ファイバ（コア径ノクラッド径 = 1 0 0/ 140 m、 NA= 0. 2 9、コ一ニング社製）である。コリメ一トレンズ 52と集光レンズ 5 5 aおよび 5 5 b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。コリメ一トレンズ 5 2は入射側光ファイバ 5 1の先端に固定されている。また、集光レンズ集光レンズ 5 5 aおよび 5 5 bは出射側光ファィパ 5 6 aおよび 5 6 bの先端にそれぞれ固定されている。

コリメ一トレンズ 5 2および集光レンズ 5 5 aおよび 5 5 b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 lmmの合成石英板の片側に、エッチングにより深溝形状を 3 X 3 mmの面積の範囲に形成し、図 6 Aに示す回折格子 2 0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 6 Bに示したとおりである。回折格子 54において溝周期は 6 0 0 nm、溝幅 G_wは 3 3 0 nmおよび溝深さ G_dは 1 1 0 0 nm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一トした後、電子線描画により周期 6 0 0 nm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 1 1 0 0 nm 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（S EM) にて確認した。図 1 2は、 S EMにより撮影した回折格子 54の写真である。図 1 2に示すように、黒く写つている溝 5 7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 5 1には、波長 A = 6 3 5 nmと λ ₂= 5 3 2 nm 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 5 2からの光束を、コリメ一トレンズ 5 2から 1. 1mm離して設置した回折格子 54に、入射角 2 9 ° で入射した。回折格子 54による 1次光の出射角は、波長 λェおよび λ ₂のそれぞれの光束に対してそれぞれ 3 5. 0 ° および 2 3. 7 ° であった。

回折格子 54から距離 L= 14 mm離れたところに出射側の集光レンズ 5 5 aおよび 5 5 b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 5 6 aおよび 5 6 bに結合した。集光レンズ 5 5 a および 5 5 bの間隔（光軸の間隔）は 2. 8 mmとした。これらの光学系を金属製の筐体 5 0に組み込んだ。図 1 1に示すように、例えば、筐体 5 0は、 L i = 3 0 mmおよび L ₂= 1 mm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)

波長

偏光の向き入 ₂

0 ° (TE偏光） 8 3 % 7 6 %

45。 7 9 % 8 3 %

9 0 ° (TM偏光） 74 % 8 9 % 2003/012048

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 2)

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 5 5 aおよび 55 bはさらに小型化する余地がある（図 1 1)。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 5 1と出射側光ファイバ 56 aおよび 5 6 bと回折格子 54とを用いて、コリメ一トレンズ 52および集光レンズ 55 aおよび 5 5 b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 1 1で示されるので、図 1 1を用いて実施例 2について説明する。

入射側光ファイバ 5 1および出射側光ファイバ 56 aおよび 56 bには、 NA= 0. 2 9およびコア半径 Wi= 0. 0 5mmの多モ一ド光ファィバを使用した。また、分離すべき二つの光束の波長は、 λ _{1 =}6 3 5 nmと λ ₂= 532 nmであり（平均波長. λ₀= 583. 5 nm)、回折角の角度差△ゆ = 1 1. 3 ° である。

このとき、実施の形態 2で示した条件より、コリメ一トレンズ 52および集光レンズ 55 aおよび 55 bの焦点距離 f の最小値は、

Φ = 0. 50 7 mmとなり、コリメートレンズ 52および集光レンズ 5

5 aおよび 5 5 bの有効径 dの最小値は、 2 f ' 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 g_v= 0. 2 94/ c o s = 0. 3 3 6mm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 g p== 0. 294 mmとなる。集光レンズ 5 5 aおよび 5 5 bの物理的外径 Dを有効径ょりもひとまわり大きい 0. 3 mmとすると、回折格子と集光レンズの間隔 Lは、 D Z A = 1. 5 2mmが最小となる。

(実施例 3)

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 1 1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 λ != 1 54 5 nmと A ₂= 1 5 5 5 nm (平均波長 λ₀= 1 5 5 0 nm) とし、回折角の角度差 Δ = 0. 6 ° とする。

光出射部 3 0は集光レンズ 3 3がーつで、出射側光ファイバ 34 aおよび 34 bはそれぞれの光軸の間隔 s = 1 2 5 mで密着して並べた。この場合、コリメートレンズ 1 2および集光レンズ 3 3の焦点距離 f は、 s/Δ = 1 1. 94mmが必要である。コリメ一トレンズ 1 2および集光レンズ 3 3の有効径 dの最小値は、 9 0 (π Α φ) = 0. 4 24mmおよび 3 f · ΝΑ= 3. 5 8 mmの大きい方をとるので、 3. 5 8 mm以上が必要である。

回折格子 2 0の最低限必要な大きさは、入射角 Φ = 4 5 ° として溝 2 1に対して垂直な方向に沿った回折格子 2 0の長さ g_v= 3. 5 8/ο ο 8 = 5. 0 6 mmであり、溝 2 1に対して平行な方向に沿つた回折格子 2 0の長さ g_P= 3. 5 8 mmである。

以上より、 f = 1 2mm、 d = 3. 6 mmのコリメートレンズ 1 2および集光レンズ 3 3を採用し、例えば 1 6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 2 0の大きさは 6 X 4 mm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 1 0 0、 2 0 0および 3 0 0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。産業上の利用可能性

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、あるいは光デイスク用ピックアップ装置等に用いられる。

Claims

請求の範囲

1 . 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一トレンズとを有する光入射部と、前記コリメ一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、

前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズの有効径を dとし、前記コリメ一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 N A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 g _v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 g _P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 λ およびえ ₂とし、前記各波長 λ および λ ₂ の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を△

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

g _v≥a / c o s φ

g _P≥ a

L≥D / A

(ただし、 aは、 9 λ。Z ( 7Τ Δ ）および 3 f · N Aのうちいずれか大きい値とする） 2 . 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一トレンズとを有する光入射部と、

前記コリメ一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、

前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズの有効径を dとし、前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズの焦点距離を f とし、前記コリメ一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 _{W l}とし、前記面光源の開口数を N A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 g _v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 g _P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ぇェおよび λ ₂とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を厶 (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≥ 2 f · Ν Α

f ≥ 2 g v≥ 2 f · N A/ c o s

g P≥ 2 f · N A

L≥D / A 3 . 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、前記コリメ一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 (ί>とし、前記入射側光導波路の開口数を Ν Α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 g _v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 g _P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 λェおよび λ ₂とし、前記波長 λ iおよび λ ₂ の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ

₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δゆ

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 g _v≥ a / c o s φ

g P≥ a

s = f · Δ -φ

(ただし、 aは、 9 λ。/ ( 7Τ Δゆ）および 3 f · N Aのうちいずれか大きい値とする）

4 . 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、

前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズの有効径を dとし、前記コリメ一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 Λ ^とし、前記面光源の開口数を N A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 g _v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 g _P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ェおよび λ ₂とし、前記波長 λ および前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ (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≥ 2 f · N A

f ≥ 2 wノ△ゆ

g v≥ 2 f · N A / c o s

g P≥ 2 f · N A

s = f - Α φ

5 . 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、前記コリメ一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 T 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 N Aおよび前記出射側導波路の開口数を N A ' 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 g _v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 g _P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 λ iおよび λ ₂とし、前記各波長 λ iおよび λ ₂の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λ iおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ （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

g v≥ a / c o s φ

g P≥ a

f ' = f (Ν Α/ Ν Α ' )

L≥D ' / Δ ψ

(ただし、 aは、 9 λ。/ (冗 Δ ）および 3 f · N Aのうちいずれか大きい値とする）

6 . 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一トレンズとを有する光入射部と、

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 IT 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とし、前記面光源の開口数を N Aおよび前記出射側導波路の開口数を N Α' 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 g _v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 g_P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 λェおよび λ ₂とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ (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≥ 2 f · ΝΑ

d ' ≥ 2 f ' · ΝΑ'

f ≥ 2 w_x/A -ψ

g _v≥ 2 f · N A/ c o s

g_P≥2 f · NA

f ' = f (ΝΑ/ΝΑ' )

L≥D ' / M>

7. 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、前記コリメ一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、

前記コリメ一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つた前記回折格子の長さを g_v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 g_P.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および λ ₂とし、前記波長および λ ₂の前記隣接入射光の平均波長を λ。とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を (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

aノ c o s φ

a

f ' = f (NA/NA' )

s = f ' - Δ φ

(ただし、 aは、 9 λ。/ (πΔ ）および 3 f · NAのうちいずれか大きい値とする）

8. —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 ί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 ψとし、前記面光源の半径を _Wl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 N A' 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 g_v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 g p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 λェおよび λ ₂とし、前記波長 λェおよび前記波長 λ ₂の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差を Δ (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≥ 2 f · ΝΑ

d ' ≥ 2 f ' · N A'

i≥2w /

f ' = f (ΝΑ/ΝΑ' )

g _v≥ 2 f · N AZ c o s

g_P≥ 2 f · NA

s = f ' · Δ ψ

9. 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

1 0 . 前記コリメ一トレンズおよび前記集光レンズは、半径方向に沿つ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。

1 1 . 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つて、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。

1 2 . 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。