JP4138321B2 - 光分離方法および光合成方法および光分離合成光学素子および光分離カップリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光分離方法、光合成方法および光分離合成光学素子および光分離カップリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信やコンピュータによる情報処理の分野において、光による信号伝達が日常化し、信号伝達する光として、複数の波長成分の光を用い、波長ごとに異なる情報を伝送することが行われている。このような波長の異なる複数の光による信号伝達に於いては、複数の波長成分を持つ光を各波長成分の光に分離したり（光分離）、逆に波長が互いに異なる複数の光を、これらを波長成分とする単一の光に合成したり（光合成）する必要が生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、新規な光分離方法、光合成方法と、これら光分離方法・光合成方法を実現するための構成簡素な光分離合成光学素子の実現を課題とする。
この発明はまた、光分離合成光学素子を用いた光分離カップリング装置の実現を課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明の光分離方法は「複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する方法」であって、以下の如き特徴を有する。
【０００５】
即ち、「板状透明体の厚みを介して対向する１対の平面の一方に反射型回折格子を形成してなる光分離合成光学素子」に入力光を入射させ、入射した入力光を反射型回折格子で内部反射させると共に回折させ、成分波長ごとの回折角の差により各成分波長の光の進行方向を異ならせる。入射光は平行光束とする。平行光束は厳密な平行光束ではなく、実質的に平行光束と看做しうる程度の「弱い発散性モスクは弱い収束性の光束」であることができる。
【０００６】
反射型回折格子で回折された各成分波長の光を、光分離合成光学素子の１対の平面により順次、複数回内部反射させたのち「板状透明体の平端面（厚みをなす平坦な端面）として形成された分離光射出面」から射出させる（請求項１）。入力光は平行光束であり、内部反射は平面での反射であるから、分離されて射出する各成分波長の光も平行光束であり、放射状に分離している。
【０００７】
この請求項１記載の光分離方法において、入力光を「光分離合成光学素子の厚みを介して対向する１対の平面の一方から所定の入射角で入射させ、厚みを介して反射型回折格子に」入射させることができる（請求項２）。勿論、入力光の入射は、光分離合成光学素子の厚みをなす（上記分離光射出面とは異なる）端面から入射させるようにしてもよい。
【０００８】
この発明の光分離合成光学素子は「請求項１記載の光分離方法の実施に用いる光分離合成光学素子」であって、以下の如き特徴を有する。
【０００９】
即ち、光分離合成光学素子は「板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する１対の平面の一方における所定の位置に反射型回折格子が形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面が、上記１対の平面の少なくとも一方に対して斜めに交わる平端面として形成された」ことを特徴とする（請求項３）。
【００１０】
この請求項３記載の光分離合成光学素子の反射型回折格子は「ブレーズ型回折格子」として形成することができる（請求項４）。
請求項３または４記載の光分離合成光学素子の「厚さを介して対向する１対の平面」は、互いに非平行で角をなすようにすることもできるが、これら１対の平面を「互いに平行」とすることができる（請求項５）。
【００１１】
上記請求項３または４または５記載の光分離合成光学素子において「入力光の入射位置」を、１対の平面の一方に設定することができる（請求項６）。上記入力光の入射位置はまた、光分離合成光学素子の厚みをなす（上記分離光射出面とは異なる）端面に設定することもできる。
【００１２】
請求項３または４または５または６記載の光分離合成光学素子はまた「反射型回折格子により内部反射された回折光が、分離光射出面に向う光路において内部反射する部位に反射膜を設けた」構成とすることができる（請求項７）。
【００１３】
この発明の光合成方法は「請求項３〜７の任意の１に記載の光分離合成光学素子を用い、互いに異なる所定波長を持つ複数の光を、単一の出力光として合成する方法」であって、以下の如き特徴を有する（請求項８）。
【００１４】
即ち、互いに異なる所定波長を持つ複数の光を、光分離合成光学素子の分離光射出面に、それぞれ所定の入射角で平行光束として入射させ、光分離合成光学素子の１対の平面で順次、複数回内部反射させたのち、反射型回折格子の略同一部位に入射させて内部反射させ、波長ごとの回折角の差により各波長の光の進行方向を揃え、光分離合成光学素子から、単一の平行光束の出力光として射出させる。
【００１５】
即ち、この発明の光合成方法は、光分離合成光学素子を「光分離を行うときと光の進行方向を逆の向き」にして用いるのである。
【００１６】
若干補足すると、一般に、信号伝達に用いられる、複数の波長成分を持つ光の成分光の波長相互は近接していることが多く、このような光を回折格子で回折させた場合、各波長の光の回折角もまた近接している。従って、単に回折を利用することにより光分離を行っても各回折光の進行方向の分離角が小さく、光分離の効率を高めるのが難しいが、この発明においては、回折を板状透明透明体の内部で行うため、板状透明体の屈折率により、上記分離角を有効に大きくすることができる。
【００１７】
また、回折により進行方向の分離した成分光を光分離合成光学素子の内部で、複数回反射させるので、分離光射出面までの光路長を稼ぐことができ、良好に分離した成分光を取り出すことができる。
【００１８】
この発明の光分離カップリング装置は「複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離して成分光とし、これら成分光を、空間的に分離して配置された複数の受光部に、各成分光と受光部を１：１に対応させて入射させる光分離カップリング装置」であって、上記請求項２〜７の任意の１に記載の「光分離合成光学素子」を用いて、複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離することを特徴とする（請求項９）。
【００１９】
この発明の光分離カップリング装置は、光分離すべき入力光が非平行光束として与えられる場合、この非平行光束を平行光束とするべく、光分離合成光学素子の前段にコリメート光学系を有し、平行光束かされた光を「光分離合成光学素子への入力光」とすることができる（請求項１０）。コリメート光学系は、レンズ系若しくはミラー系、あるいはミラーとレンズとの合成系として構成することができる。入力光が発散光束である場合にはコリメート光学系は正のパワーを持ち、入力光が集束光であるときにはコリメート光学系は負のパワーを持つ。
【００２０】
請求項１１記載の光分離カップリング装置は請求項９記載の光分離カップリング装置において、コリメート光学系を「コリメートレンズ」としたことを特徴とする（請求項１１）。
【００２１】
請求項９または１０または１１記載の光分離カップリング装置はまた「光分離合成光学素子により空間的に分離された平行光束状の各成分光を、対応する受光部へ向けて集光する集光手段」を有することができる（請求項１２）。この集光手段は「各成分光に応じて集光性のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイ」として好適に構成することができる（請求項１３）。
【００２２】
請求項１３記載の光分離カップリング装置は、コリメートレンズと、光分離合成光学素子と、マイクロレンズアレイとを有し、光ファイバから射出する入力光を成分光に分離して、各成分光を対応する導波路の入射端へカップリングさせる装置として構成できる（請求項１４）。
【００２３】
「コリメートレンズ」は、光ファイバから射出する入力光を平行光束化する。「光分離合成光学素子」は、コリメートレンズにより平行光束化された入力光を入射され、成分光に分離する。
「マイクロレンズアレイ」は、光分離合成光学素子から射出した各成分光を、対応する受光部である導波路入射端へ向けて集光する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を説明する。
図１に示す光分離合成光学素子１０は、板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する１対の平面１０Ａ、１０Ｂの一方である平面１０Ｂにおける所定の位置に反射型回折格子１０Ｃが形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面１０Ｆが、１対の平面１０Ａ、１０Ｂに対して斜めに交わる平端面として形成されている（請求項３）。
【００２５】
光分離合成光学素子１０の、厚さを介して対向する平面１０Ａ、１０Ｂは互いに平行であり（請求項５）。入力光の入射位置は、１対の平面の一方である平面１０Ａに設定されている（請求項６）。
【００２６】
また、反射型回折格子１０Ｃにより内部反射された回折光が、分離光射出面１０Ｆに向う光路において内部反射する部位に反射膜１０Ｄ、１０Ｅが設けられている（請求項７）。
【００２７】
図２に示す光分離合成光学素子２０は、板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する１対の平面２０Ａ、２０Ｂの一方である平面２０Ｂにおける所定の位置に反射型回折格子２０Ｃが形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面２０Ｆが、１対の平面２０Ａ、２０Ｂに対して斜めに交わる平端面として形成されている（請求項３）。
【００２８】
光分離合成光学素子２０の、厚さ介して対向する平面２０Ａ、２０Ｂは互いに非平行である。入力光の入射位置は、１対の平面の一方である平面２０Ａに設定されている（請求項６）。また、反射型回折格子２０Ｃにより内部反射された回折光が、分離光射出面２０Ｆに向う光路において内部反射する部位に反射膜２０Ｄ、２０Ｅが設けられている（請求項７）。
【００２９】
図３に示すのは上記実施の形態の変形例の特徴部分である。
図３（ａ）に示す光分離合成光学素子１０’は、図１に示した光分離合成光学素子１０と同タイプのもので、入力光の入射する部分で平面１０Ａ’を切り欠き、平面１０Ａ’に対してテーパを持った入射面１０ａとした点を特徴とする。
【００３０】
図３（ｂ）に示す光分離合成光学素子２０’は、図２に示した光分離合成光学素子２０と同タイプのもので、入力光の入射する部分で平面２０Ａ’を切り欠いき、平面２０Ａ’に対してテーパを持った入射面２０ａとした点を特徴とする。符号１０Ｃ’、２０Ｃ’は反射型回折格子を示す。
【００３１】
以下「光分離」を説明する。光分離の説明は、図１の光分離合成光学素子１０の場合と、図２の光分離合成光学素子２０の場合とで共通する部分が多いので、光分離合成光学素子１０、２０に共通の部分の説明では、光分離合成光学素子１０の符号を参照しつつ説明を行い、光分離合成光学素子２０に関する符号を括弧内に記することとする。
【００３２】
複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する方法は、以下のように行われる。
板状透明体の厚みを介して対向する１対の平面１０Ａ、１０Ｂ（２０Ａ、２０Ｂ）の一方に反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）を形成してなる光分離合成光学素子１０（２０）に入力光を入射させる。
【００３３】
入力光は「複数の所定波長の光」を成分として含み、光束形態としては平行光束もしくは弱い収束性あるいは弱い発散性の光束とされている。入力光は、平面１０Ａ（２０Ａ）から入射され、反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）に入射し、内部反射されると共に回折される。
【００３４】
図１、図２において、符号Ｌ１は、入力光に含まれる光のうち「波長の最も短い光」を表し、符号Ｌ２は、入力光に含まれる光のうち「波長の最も長い光」を示している。図３においても同様である。
【００３５】
入力光に含まれる波長：λの光を考えて見ると、反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）により回折された回折光の回折角：βは、入射角：α、回折次数：ｍ、波長：λ、格子ピッチ：ｄ、光分離合成光学素子１０（２０）の材質の屈折率：Ｎととともに、関係：
ｓｉｎβ＝ｍλ／（Ｎ・ｄ）−ｓｉｎα
を満足する。
【００３６】
この式において、左辺の回折角：βは負であるので、入射角：α、回折次数：ｍ、格子ピッチ：ｄを同一として空気中におかれた反射型回折格子により回折を行う場合よりも大きな回折角を実現することができる。回折次数：ｍとしては適宜のものを設計条件として選択することができるが、反射型回折格子をブレーズ型回折格子として形成することにより（請求項４）、選択された回折次数の回折光の光強度を他の次数の光に対して、有効に大きくすることができる。
【００３７】
入力光は、反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）で内部反射・回折されると、成分波長ごとの回折角の差により各成分波長の光Ｌ１、…、Ｌ２の進行方向が互いに異なるようになる。これら回折された各成分波長の光Ｌ１、…、Ｌ２は、光分離合成光学素子１０（２０）の１対の平面１０Ａ、１０Ｂ（２０Ａ、２０Ｂ）により順次、複数回内部反射されたのち、分離光射出面１０Ｆ（２０Ｆ）から射出する（請求項１）。
【００３８】
分離光射出面１０Ｆ（２０Ｆ）から射出した光は、恰も反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）の回折位置から放射するように互いに進行方向が異なり、相互に光分離されている。
【００３９】
図１、図２の実施の各形態においては、反射型回折格子により内部反射された回折光Ｌ１、…、Ｌ２が、分離光射出面に向う光路において内部反射する部位に反射膜１０Ｄ、１０Ｅ（２０Ｄ、２０Ｅ）を設けたが、この部分での反射を全反射とすることも可能である。
【００４０】
それには、回折角をしかるべく大きくして、平面１０Ａ、１０Ｂ（２０Ａ、２０Ｂ）への入射角を大きくすれば良いが、図２に示す光分離合成光学素子２０のように、平面２０Ａ、２０Ｂを非平行とすることにより、上記入射角を大きくすることができる。
【００４１】
このように回折光Ｌ１、…、Ｌ２の、平面２０Ａ、２０Ｂへの入射角を大きくすることにより、反射膜２０Ａ、２０Ｂを省略するようにできることに、光分離合成光学素子の「厚みを介して対向する１対の平面」を非平行にする技術的意義がある。一方、光分離合成光学素子１０のように、１対の平面を互いに平行にする場合には、材料としての透明平行平板に分離光射出面を斜めに形成するのみで作製できるので、製造が容易であるという技術的利点がある。
【００４２】
また、上記実施の各形態では、入力光は「光分離合成光学素子１０（２０）の厚みを介して対向する１対の平面の一方１０Ａ（２０Ａ）から所定の入射角で入射され、上記厚みを介して反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）に入射」されている（請求項２）。
【００４３】
上には、入力光を互いに波長の異なる成分光Ｌ１、…、Ｌ２に分離する場合を説明したが、上記と光の進行方向を逆転させ、光分離合成光学素子１０（２０）を用い、互いに異なる所定波長を持つ複数の光Ｌ１、…、Ｌ２を、光分離合成光学素子１０（２０）の分離光射出面１０Ｆ（２０Ｆ）に、それぞれ所定の入射角（光分離の場合の射出角）で入射させ、光分離合成光学素子１０（２０）の１対の平面１０Ｂ，１０Ａ（２０Ｂ、２０Ａ）で順次、複数回内部反射させたのち、反射型回折格子１０Ｃ（２０Ｃ）の略同一部位に入射させて内部反射させ、波長ごとの回折角の差により各波長の光の進行方向を揃え、光分離合成光学素子１０（２０）から、「単一の出力光」として射出させる光合成方法（請求項８）を実施することができる。
【００４４】
【実施例】
以下、光分離合成光学素子の具体的な実施例を２例挙げる。これら実施例は、光分離を行う場合の例である。図４（ａ）に示すのは、図１に即して説明した光分離合成光学素子１０と同様のタイプのものであるので、各部を示す符号として図１におけると同一のものを用いている。
【００４５】
各部の寸法は、以下の記号で表す。
即ち、光分離合成光学素子１０の厚み：Ｔ、平面１０Ａの（図の左右方向の）長さ：ＬＵ、平面１０Ｂの（図の左右方向の）長さ：ＬＤ、光分離合成光学素子１０の入力光の入射側（左側）端面から反射膜１０Ｄの左端までの距離：ＬＭ１、反射膜１０Ｄの幅：ＬＭＵ、光分離合成光学素子１０の入力光の入射側（左側）端面から反射膜１０Ｅの左端までの距離：ＬＭ２、反射膜１０Ｅの幅：ＬＭＤ、光分離合成光学素子１０の左側端面から反射型回折格子１０Ｃの左側端部までの距離：Ｄ１、反射型回折格子１０Ｃの幅：Ｄ２（反射型回折格子１０Ｃは、一辺：Ｄ２の正方形領域に形成されている。）、入力光の中心光線の入射位置と光分離合成光学素子１０の左側端面との距離：ＩＮとする。
【００４６】
また、入力光の平面１０Ａへの入射角：θ１、平面１０Ａから入射した入力光の反射型回折格子１０Ｃへの入射角：θ２、分離光射出面１０Ｆの傾斜角：θ３、入力光の反射型回折格子１０Ｃへの入射位置（中心光線の入射位置）と光分離合成光学素子１０の左側端面との距離：Ｄ３とする。なお、図２（ａ）において符号３０は楔状の断面形状を持つ透過体であり、光分離された成分光の方向を揃えるために用いられる。
【００４７】
反射型回折格子１０Ｃは、図４（ｂ）に示すようにブレーズ型回折格子として形成され、その外側面には反射膜（図示されず）が形成されている。ブレーズ型回折格子における格子ピッチを「ｄ」、溝斜面の傾斜角を短い斜面につき「η」、長いほうの斜面につき「ζ」とする。
【００４８】
実施例１
波長差：０．０２μｍ（２０ｎｍ）を持った４種の光、即ち、波長：１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍ、１．５９μｍを波長成分とする４種の光を含み、光束径：８０μｍで平行光束の入力光を、各波長成分の光に分離するための光分離合成光学素子を以下のように構成した。
【００４９】
材質：石英ガラス（上記波長領域における屈折率：１．４４４０２）
光分離合成光学素子１０の厚み：Ｔ＝１．４ｍｍ
平面１０Ａの長さ：ＬＵ＝９．３ｍｍ
平面１０Ｂの長さ：ＬＤ＝１０．４９１８ｍｍ
入射側端面から反射膜１０Ｄの左端までの距離：ＬＭ１＝２．５ｍｍ
反射膜１０Ｄの幅：ＬＭＵ＝４．５ｍｍ
入射側端面から反射膜１０Ｅの左端までの距離：ＬＭ２＝５ｍｍ
反射膜１０Ｅの幅：ＬＭＤ＝５．４９１８ｍｍ
左側端面から反射型回折格子１０Ｃの左側端部までの距離：Ｄ１＝０．４１ｍｍ
入力光入射位置と光分離合成光学素子１０の左側端面との距離：ＩＮ＝１ｍｍ
分離光射出面１０Ｆの傾斜角：θ３＝５０度
反射型回折格子１０Ｃの幅：Ｄ２＝１．５ｍｍ
入力光の反射型回折格子１０Ｃへの入射位置と光分離合成光学素子１０の左側端面との距離：Ｄ３＝１．１５５９ｍｍ
反射型回折格子１０Ｃの格子幅：ｄ＝０．００１３ｍｍ
溝斜面の傾斜角：ζ＝３０．３３７８度、η＝６０度
回折の次数：ｍ＝１
また、入力光の入射状態を以下のように設定した。
【００５０】
入力光の平面１０Ａへの入射角：θ１＝９．２度
入力光の反射型回折格子１０Ｃへの入射角：θ２＝６．３５３６度
このとき、上記波長の異なる４成分光を、その進行方向が互いに等角度差となるように光分離することができた。
【００５１】
透過体３０として基部の厚さ：１ｍｍのシリコンを用い、入射側面の傾き角を５度に設定し、図の距離：Ｌ０を１０ｍｍに設定したところ、透過体３０の射出側で、上記４成分光を互いに１２５μｍだけ分離することができた。
【００５２】
従って、上記透過体３０の右方に、径：１２５μｍの光ファイバの入射端面を１２５μｍピッチで４個配置すれば、光分離された各成分光を、個別の光ファイバに光結合させることができる。
【００５３】
実施例２
波長差：０．０２μｍ（２０ｎｍ）を持った８種の光、即ち、波長：１．４９μｍ、１．５１μｍ、１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍ、１．５９μｍ、１．６１μｍ、１．６３μｍを波長成分とする８種に光を含み、光束径：８０μｍで平行光束の入力光を、各波長成分の光に分離するための光分離合成光学素子を以下のように構成した。
【００５４】
材質：石英ガラス（上記波長領域における屈折率：１．４４４０２）
光分離合成光学素子１０の厚み：Ｔ＝１．４ｍｍ
平面１０Ａの長さ：ＬＵ＝９．３ｍｍ
平面１０Ｂの長さ：ＬＤ＝１０．４９１８ｍｍ
入射側端面から反射膜１０Ｄの左端までの距離：ＬＭ１＝２．５ｍｍ
反射膜１０Ｄの幅：ＬＭＵ＝４．５ｍｍ
入射側端面から反射膜１０Ｅの左端までの距離：ＬＭ２＝５ｍｍ
反射膜１０Ｅの幅：ＬＭＤ＝５．４９１８ｍｍ
左側端面から反射型回折格子１０Ｃの左側端部までの距離：Ｄ１＝０．６６ｍｍ
入力光入射位置と光分離合成光学素子１０の左側端面との距離：ＩＮ＝１ｍｍ
分離光射出面１０Ｆの傾斜角：θ３＝５０度
反射型回折格子１０Ｃの幅：Ｄ２＝１．５ｍｍ
入力光の反射型回折格子１０Ｃへの入射位置と光分離合成光学素子１０の左側端面との距離：Ｄ３＝１．４１０７ｍｍ
反射型回折格子１０Ｃの格子幅：ｄ＝０．００１７ｍｍ
溝斜面の傾斜角：ζ＝２５．０４８１度、η＝６０度
回折の次数：ｍ＝１
また、入力光の入射状態を以下のように設定した。
【００５５】
入力光の平面１０Ａへの入射角：θ１＝２４度
入力光の反射型回折格子１０Ｃへの入射角：θ２＝１６．３５度
このとき、上記波長の異なる８成分光を、その進行方向が互いに等角度差となるように光分離することができた。
【００５６】
透過体３０として基部の厚さが１ｍｍのシリコンを用い、入射側面の傾き角を５度に設定し、図の距離：Ｌ０を１０ｍｍに設定したところ、透過体３０の射出側で、上記８成分光を互いに１２５μｍだけ分離することができた。
【００５７】
従って、上記透過体３０の右方に、径：１２５μｍの光ファイバの入射端面を１２５μｍピッチで８個配置すれば、光分離された各成分光を、個別の光ファイバに光結合させることができる。
【００５８】
なお、上の各実施例において、透過体の入射側面における、分離された各光の入射部の傾き角を互いに異なるように調整して、透過体から射出する各光が互いに平行に進行するようにすることができる。
【００５９】
また、上には反射型回折格子で内部反射され、回折された各波長の回折光の、光分離合成光学素子内での内部反射の回数を２回としたが、勿論３回以上内部反射させるようにしてもよい。
【００６０】
【発明の実施の形態】
図５はこの発明の光分離カップリング装置の実施の１形態を示す図である。
【００６１】
即ち、この光分離カップリング装置は、複数の所定波長の光を成分として含む入力光ＩＬを、成分波長をもった光ごとに光分離して成分光ＣＬ１、ＣＬ２、．．とし、これら成分光を、空間的に分離して配置された複数の受光部７１、７２、．．に、各成分光と受光部を１：１に対応させて入射させる光分離カップリング装置であって、上に説明した光分離合成光学素子１０を用いて、複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する（請求項９）。
【００６２】
また、入力光ＩＬが非平行光束として与えられ、この非平行光束を平行光束とするべく、光分離合成光学素子１０の前段にコリメート光学系５０を有し（請求項１０）、コリメート光学系５０がコリメートレンズである（請求項１１）。
【００６３】
また、光分離合成光学素子１０により空間的に分離された各成分光ＣＬ１、ＣＬ２．．を、対応する受光部７１、７２、．．へ向けて集光する集光手段６０を有するが（請求項１２）、この集光手段６０は、各成分光に応じて集光性のマイクロレンズ６１、６２、．．を配列したマイクロレンズアレイである（請求項１３）。
【００６４】
また、コリメートレンズ５０は、光ファイバ４０から射出する発散性の入力光を平行光束化し、光分離合成光学素子１０は、コリメートレンズ５０により平行光束化された入力光を入射され、成分光ＣＬ１、ＣＬ２、．．に分離し、マイクロレンズアレイ６０は、光分離合成光学素子１０から射出した各成分光ＣＬ１、ＣＬ２、．．を、対応する受光部である導波路入射端７１、７２、．．へ向けて集光する（請求項１４）。
【００６５】
【実施例】
図５に示す光分離カップリング装置の具体的な実施例を挙げる。
入力光ＩＬを射出する光ファイバ４０は「シングルモードファイバ」であり、そのコア径は１０μｍである。入力光は設計波長を１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍ、１．５９μｍとする４波長の光を含むが、各波長は設計波長を中心として±４．５ｎｍの範囲で波長変動もしくは波長のバラツキを含むものとする。
【００６６】
入力光ＩＬをコリメートするコリメートレンズ５０は、入射側（光ファイバ４０側）が平面、射出側（光分離合成光学素子１０側）が非球面で単一の凸レンズで、肉厚：Ｄ＝０．６５ｍｍ、有効径：ＤＥＦ＝０．６ｍｍで、材質はシリコン（波長：１５５０ｎｍに対する屈折率：Ｎ_１５５０＝３．４７７７２）である。
【００６７】
上記非球面は、光軸方向の座標：Ｘ、主走査方向の座標：Ｙ、近軸曲率半径：Ｒ、円錐定数：Ｋを用いて、周知の非球面式：
Ｘ＝（Ｙ^２／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）^２｝
において、近軸曲率半径：Ｒ＝−４．５８２ｍｍ、円錐定数：Ｋ＝−４．６７２として特定される形状である。
【００６８】
光分離合成光学素子１０は、上に実施例２として説明したものである。
マイクロレンズアレイ６０は、入射側（光分離合成光学素子１０側）が非球面で、射出側（受光部材７０側）が平面である４つのマイクロレンズを、光分離合成光学素子１０により分離された成分光ＣＬ１（波長：１．５３μｍ）、ＬＣ２（波長：１．５５μｍ）、ＬＣ３（波長：１．５７μｍ）、ＬＣ４（波長：１．５９μｍ）に対応して配列形成したものであり、材質はシリコン（波長：１５５０ｎｍに対する屈折率：Ｎ_１５５０＝３．４７７７２）である。
【００６９】
マイクロレンズアレイ６０の各マイクロレンズにおける非球面の形状は、上記非球面式における近軸曲率半径：Ｒ＝５ｍｍ、円錐定数：Ｋ＝−５．５５１１５で特定され、肉厚：Ｄ＝０．６５ｍｍ、有効径：ＤＥＦ＝０．６４ｍｍである。４個のマイクロレンズ６１〜６４の配列ピッチは０．６８ｍｍである。
【００７０】
受光部材７０の受光面には、受光部である導波路入射端７１〜７４が、それぞれ成分光ＣＬ１〜ＣＬ４を受光するように配置されている。導波路入射端は一辺の長さ：２０μｍの正方形形状であり、ＮＡ＝０．１８である。
【００７１】
光ファイバ４０、コリメートレンズ５０、光分離合成光学素子１０、マイクロレンズアレイ６０、受光部材７０の相対的な配置は、図５に示す寸法に従う。図５における左右方向の配置の基準線５００からマイクロレンズアレイ６０におけるマイクロレンズ６３に至る図の横方向の距離は２３．９６８ｍｍ、同じく基準線５００から導波路入射端７１に至る図の横方向の距離は２６．３２４ｍｍである。
【００７２】
マイクロレンズアレイ６０、受光部材７０の受光面は共に、図に示されたように、基準面ＳＳに立てた垂線に対して１０度傾いている。マイクロレンズ６３の光軸位置の基準面ＳＳからの高さは２．８８１ｍｍである。マイクロレンズ６１〜６４の配列は等間隔で配列ピッチ：０．６８ｍｍであるから、基準面ＳＳからマイクロレンズ６１、６２、６４の光軸位置までの高さはそれぞれ、２．８８１＋２×０．６８ｃｏｓ１０度、２．８８１＋０．６８ｃｏｓ１０度、２．８８１―０．６８ｃｏｓ１０度となる。
【００７３】
導波路入射端７１〜７４の、基準面ＳＳからの高さはそれぞれ、４．７８４ｍｍ、４．０４２ｍｍ、３．２９５ｍｍ、２．５４６ｍｍである。
【００７４】
入力光を構成する各成分光の光源としては一般に半導体レーザが用いられるが、半導体レーザには周知の「モードホッピング」による波長変動が存在し、また、個体間での波長も必ずしも設計通りのものにはならない。
【００７５】
そこで、前述の如く、入力光に含まれる設計波長：１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍ、１．５９μｍが、設計波長を中心として±４．５ｎｍの範囲で波長変動もしくは波長のバラツキを含むものとし、この範囲の波長変化に対して各成分光の結合効率を示すと以下の如くになる。
【００７６】
設計波長：１．５３μｍの成分光の結合効率
波長（ｎｍ） 結合効率：％（括弧内はｄＢ）
１５２５．５ ６５．８（−１．８２）
１５２７ ７４．３（−１．２９）
１５２８．５ ７７．１（−１．１３）
１５３０ ７７．７（−１．１０）
１５３１．５ ７７．４（−１．１１）
１５３３ ７６．７（−１．１５）
１５３４．５ ６５．７（−１．８３） 。
【００７７】
設計波長：１．５５μｍの成分光の結合効率
波長（ｎｍ） 結合効率：％（括弧内はｄＢ）
１５４５．５ ６８．８（−１．６３）
１５４７ ７５．３（−１．２３）
１５４８．５ ７６．６（−１．１６）
１５５０ ７９．５（−０．９９）
１５５１．５ ７８．８（−１．０４）
１５５３ ７３．１（−１．３６）
１５５４．５ ６７．４（−１．７１） 。
【００７８】
設計波長：１．５７μｍの成分光の結合効率
波長（ｎｍ） 結合効率：％（括弧内はｄＢ）
１５６５．５ ６４．６（−１．８９）
１５６７ ７３．４（−１．３４）
１５６８．５ ７６．３（−１．１７）
１５７０ ７７．０（−１．１３）
１５７１．５ ７６．１（−１．１９）
１５７３ ７３．９（−１．３２）
１５７４．５ ６６．０（−１．８１） 。
【００７９】
設計波長：１．５９μｍの成分光の結合効率
波長（ｎｍ） 結合効率：％（括弧内はｄＢ）
１５８５．５ ６１．５（−２．１１）
１５８７ ７３．６（−１．３３）
１５８８．５ ７６．０（−１．１９）
１５９０ ７６．９（−１．１４）
１５９１．５ ７６．０（−１．１９）
１５９３ ７１．２（−１．４７）
１５９４．５ ６１．２（−２．１３） 。
【００８０】
各設計波長に対する波長変動に対する結合効率（ｄＢ値）を図６に示す。この結果から分かるように、実施例の光分離カップリング装置は、成分光の波長変動に対し結合効率の変化が小さく、波長変動に対して安定性が良い。
【００８１】
また、温度変化に対する各設計波長における結合効率の変化を一覧にすると以下の如くになる。
【００８２】
温度変化に対する結合効率（％、括弧内はｄＢ）の変化
温度（℃） １５３０ｎｍ １５５０ｎｍ １５７０ｎｍ １５９０ｎｍ
０ 78.7(-1.04) 80.8(-0.93) 78.3(-1.06) 78.1(-1.07)
１０ 78.1(-1.07) 80.2(-0.96) 77.8(-1.09) 77.5(-1.11)
２０ 77.7(-1.10) 79.5(-0.99) 77.0(-1.13) 76.9(-1.14)
３０ 77.0(-1.13) 78.7(-1.04) 76.4(-1.17) 76.2(-1.18)
４０ 76.3(-1.18) 78.2(-1.07) 75.6(-1.22) 75.4(-1.23)
５０ 75.7(-1.21) 74.6(-1.27) 74.8(-1.26) 74.6(-1.27)
６０ 75.3(-1.23) 74.0(-1.31) 74.2(-1.30) 74.0(-1.31) 。
【００８３】
この温度変化による結合効率の変化を図示すると、図７に示す如くになる。 実施例の光分離カップリング装置は、０〜６０度という広い温度範囲においてきわめて安定した結合効率を実現している。温度変化による結合効率の変化は、コリメートレンズ５０、光分離合成光学素子１０、マイクロレンズアレイ６０の材質の「屈折率や寸法」が温度により変化することに起因しているが、これらの材質であるシリコンや石英ガラスの屈折率・寸法の温度依存性はきわめて低いため、上記の如く、広い温度範囲において結合効率には実質的な変化が生じない。
【００８４】
従って、実施例の光分離カップリング装置は、通常の環境下では、温度調整等を必要とせずに使用することができる。なお、図５の光分離カップリング装置は、光の進行の向きを逆にすれば、波長の異なる複数の光を単一の出力光として合成するのに利用できる。
【００８５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、新規な光分離方法・光合成方法および光分離合成光学素子および光分離カップリング装置を実現できる。この発明の光分離合成光学素子は上述の如く極めて簡素な構造を持つから安価に製造でき、これを用いることにより、良好な光分離、光合成を実現できる光分離方法・光合成方法を実施することができる。
【００８６】
また、この発明の光分離合成光学素子を用いることにより、入力光を成分光に分離して、各成分光に対応した受光部にカップリングさせる光分離カップリング装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光分離合成光学素子の実施の１形態と、これを用いる光分離方法を説明するための図である。
【図２】光分離合成光学素子の実施の別形態と、これを用いる光分離方法を説明するための図である。
【図３】光分離合成光学素子の実施の形態の変形例を特徴部分のみ示す図である。
【図４】実施例を説明するための図である。
【図５】光分離カップリング装置の実施の１形態を示す図である。
【図６】光分離カップリング装置の１実施例における波長変動に伴なう結合効率の変化を示す図である。
【図７】光分離カップリング装置の上記実施例における温度変化に伴なう結合効率の変化を示す図である。
【符号の説明】
１０ 光分離合成光学素子
１０Ａ 平面
１０Ｂ 平面
１０Ｃ 反射型回折格子
１０Ｄ 反射膜
１０Ｅ 反射膜
１０Ｆ 分離光射出面

Claims (14)

1. 複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離する方法であって、
   板状透明体の厚みを介して対向する１対の平面の一方に反射型回折格子を形成してなる光分離合成光学素子に入力光を平行光束として入射させ、入射した入力光を上記反射型回折格子で内部反射させると共に回折させ、成分波長ごとの回折角の差により各成分波長の光の進行方向を異ならせ、上記反射型回折格子で回折された各成分波長の光を、光分離合成光学素子の上記１対の平面により順次、複数回内部反射させたのち、上記板状透明体の上記厚みをなす平端面として形成された分離光射出面から、互いに放射状に分離した平行光束として射出させることを特徴とする光分離方法。
2. 請求項１記載の光分離方法において、
   入力光を、光分離合成光学素子の厚みを介して対向する１対の平面の一方から所定の入射角で入射させ、上記厚みを介して反射型回折格子に入射させることを特徴とする光分離方法。
3. 請求項１記載の光分離方法の実施に用いる光分離合成光学素子であって、
   板状透明体として形成され、板状透明体の厚さを介して対向する１対の平面の一方における所定の位置に反射型回折格子が形成され、成分波長ごとに分離された光が射出する分離光射出面が、上記１対の平面の少なくとも一方に対して斜めに交わる平端面として形成されたことを特徴とする光分離合成光学素子。
4. 請求項３記載の光分離合成光学素子において、
   反射型回折格子がブレーズ型回折格子として形成されたことを特徴とする光分離合成光学素子。
5. 請求項３または４記載の光分離合成光学素子において、
   厚みを介して対向する１対の平面が互いに平行であることを特徴とする光分離合成光学素子。
6. 請求項３または４または５記載の光分離合成光学素子において、
   入力光の入射位置が、１対の平面の一方に設定されたことを特徴とする光分離合成光学素子。
7. 請求項３または４または５または６記載の光分離合成光学素子において、
   反射型回折格子により内部反射された回折光が、分離光射出面に向う光路において内部反射する部位に反射膜を設けたことを特徴とする光分離合成光学素子。
8. 請求項３〜７の任意の１に記載の光分離合成光学素子を用い、互いに異なる所定波長を持つ複数の光を、単一の出力光として合成する方法であって、
   互いに異なる所定波長を持つ複数の平行光束を、光分離合成光学素子の分離光射出面に、それぞれ所定の入射角で入射させ、上記光分離合成光学素子の１対の平面で順次、複数回内部反射させたのち、反射型回折格子の略同一部位に入射させて内部反射させ、波長ごとの回折角の差により各波長の光の進行方向を揃え、上記光分離合成光学素子から、単一の平行光束の出力光として射出させることを特徴とする光合成方法。
9. 複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離して成分光とし、これら成分光を、空間的に分離して配置された複数の受光部に、各成分光と受光部を１：１に対応させて入射させる光分離カップリング装置であって、
   請求項２〜７の任意の１に記載の光分離合成光学素子を用いて、複数の所定波長の光を成分として含む入力光を、成分波長をもった光ごとに光分離することを特徴とする光分離カップリング装置。
10. 請求項９記載の光分離カップリング装置において、
    光分離すべき入力光が非平行光束として与えられ、この非平行光束を平行光束とするべく、光分離合成光学素子の前段にコリメート光学系を有し、上記光分離合成光学素子への入力光とすることを特徴とする光分離カップリング装置。
11. 請求項９記載の光分離カップリング装置において、
    コリメート光学系がコリメートレンズであることを特徴とする光分離カップリング装置。
12. 請求項９または１０または１１記載の光分離カップリング装置において、
    光分離合成光学素子により空間的に分離された平行光束状の各成分光を、対応する受光部へ向けて集光する集光手段を有することを特徴とする光分離カップリング装置。
13. 請求項１２記載の光分離カップリング装置において、
    集光手段が、各成分光に応じて集光性のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイであることを特徴とする光分離カップリング装置。
14. 請求項１３記載の光分離カップリング装置において、
    光ファイバから射出する、発散性の入力光を、平行光束化するコリメートレンズと、
    このコリメートレンズにより平行光束化された入力光を入射され、成分光に分離する光分離合成光学素子と、
    この光分離合成光学素子から射出した各成分光を、対応する受光部である導波路入射端へ向けて集光するマイクロレンズアレイとを有することを特徴とする光分離カップリング装置。

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