JP4330560B2 - 光分波器及び波長多重光伝送モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の波長を波長毎に分離する光学デバイスに関し、特に、光ファイバを用いて送信されてきた波長多重光信号を回折格子により分波する光分波器及び波長多重光伝送モジュールに関するものである。

下記特許文献１には、内部空間及びこの内部空間と繋がる光入射口及び光出射口を有するケースと、ケースの光入射口に接続された入射用光伝送路と、ケースの光出射口に接続された複数の出射用光伝送路と、ケースの内部空間内に設けられ、入射用光伝送路を介して内部空間内に入射された波長分割多重光を反射させて平行光にする第１の凹面反射面と、ケースに固定され、第１の凹面反射面において平行光にされた波長分割多重光を複数の直線状の回折溝が等間隔に並べられてなる平面形の反射回折面において波長の異なる複数の光に分光するグレーティングと、ケースの内部空間内に設けられ、グレーティングにおいて分光された光を出射用光伝送路に入射させる第２の凹面反射面とを備え、光入射口と光出射口とは、グレーティングにおける回折溝の延びる方向に、グレーティングを挟んで設けられている光分波合波器が開示されている。

下記特許文献２には、少なくとも２つの回折作用と集光作用を有する不等周期平面回折格子を有し、第１の回折格子で回折された光が第２の回折格子に導かれ、第２の回折格子により更に回折されるように構成された光通信用分波器が開示されている。

ここで、下記特許文献１に開示された光分波合波器は、回折格子と凹面反射面を用いたレンズ系と光伝送媒体とを一体化した一体型構造を用いている。この凹面反射面は、光ファイバから入射した光ビームを平行化して回折格子に照射し、さらに回折格子から回折した平行な光ビームを光出射部に集光する機能を有するものである。

しかし、このように平行光として回折格子に光ビームを入射する場合、回折格子に入射する光ビームが円形となるため回折格子に照射される光ビームの面積が大きくなる。そのため、光分波合波器も回折格子の大きさに合わせて大きくする必要あり、光分波合波器が大きくなるという問題点があった。

さらに、光入射部と光出射部が同じ側にあるため直接光ビームを入出射することが難しく、下記特許文献１においては、入射用光伝送路及び出射用光伝送路、具体的な実施例としては光ファイバを用いて光ビームの入出射を行っていた。

また、下記特許文献２では、光導波路中に光ビームを閉じ込め、不等周期平面回折格子、いわゆるチャープ型回折格子を用いて分波を行っている。

しかし、光導波路を用いて波長の異なる光信号を分解能良く分離できるのは、シングルモードの光ビームを入射した場合のみであり、マルチモードの光ビームを用いる必要がある場合には、回折格子への入射角度によって回折角度が変わるために分解能が低下し、十分な波長分離特性を得ることができなかった。

また、チャープ型回折格子を２個用いているため、光の入射部と出射部が異なる方向とすることができるが、回折格子を２個用いると回折格子の回折効率を高くすることは難しく、光損失が大きくなるという問題点があった。

また、特許文献３及び４には、ＵＶ光を照射することによってコアを形成した光導波路及び光導波路形成方法が開示されている。
特開２００４−２９２９８号公報 特開昭６１−２２３７１１号公報 特開２００２−２５８０７７号公報 特開２００４−２５８４９３号公報

本発明は、小型で、光入射部と光出射部への光部品の接続を容易とし、さらに開口数の大きな光伝送媒体を用いて光を入射しても波長分離特性の良い光分波器、及び、この光分波器を用いた波長多重光伝送デバイスを実現することである。

本発明の光分波器は、波長多重された光ビームが入射する光入射部と、該光入射部に入射した光ビームを伝送する光路と、該光路で伝送される前記光ビームを照射して波長毎に光信号を分離する回折格子と、分離された前記光信号を取り出す光出射部と、を有する光分波器において、前記光入射部から入射した前記光ビームの光路を曲げる第一の光路変換部材と、前記回折格子の溝方向の拡がり角度を低減するように一軸方向に光集光性を持つ凹面鏡と、前記凹面鏡で一軸方向の拡がり角を低減された前記光ビームを照射され、前記凹面鏡の集光軸とは異なる一軸方向について光集光性を有した前記回折格子と、前記光出射部に至る前記光ビームの光路を曲げる第二の光路変換部材と、を有し、前記光入射部と前記光出射部とが、その間に前記第一の光路変換部材または前記第二の光路変換部材が来るように配置されていることを特徴とする。

また、本発明の光分波器は、波長多重された光ビームが入射する光入射部と、該光入射部に入射した光ビームを伝送する光路と、該光路で伝送される前記光ビームを照射して波長毎に光信号を分離する回折格子と、分離された前記光信号を取り出す光出射部と、を有する光分波器において、前記光路中に前記光ビームの光路を曲げる光路変換部材と、前記回折格子の溝方向の拡がり角度を低減するように一軸方向に光集光性を持つ凹面鏡と、を有し、前記凹面鏡により拡がり角度を低減した前記光ビームを前記凹面鏡の集光軸とは異なる一軸方向について光集光性を有する前記回折格子に照射し、前記光路変換部材を用いて、前記光入射部から入射する前記光ビームの進行方向と、前記光出射部から出射する前記光ビームの進行方向とのなす角度が９０°以上となるように配置したことを特徴とする。

光ビームの通る光路は、全体を透明な光学部材で形成することも、また、空気中を伝播する光路を設けることもできる。光集光性を有する回折格子としては、略平面上に形成されたチャープ型を用いることができる。

また、回折格子の中心におけるブレーズ角度は２１°以上３４°以下であり、回折格子の格子定数と使用波長との比が０．８８以上１．４１以下であることが好ましい。

光入射部に接続する光伝送媒体には、マルチモードの光伝送媒体を用いることが好ましい。光出射部には、光導波路を有することが好ましい。

このとき、光ビームとして入射する波長範囲の中で最も波長の長い光ビームが、回折格子で集光される最良像点位置と、凹面鏡で集光される位置とが略等しく、光導波路の入射端面上に来ることが好ましい。また、光導波路が回折格子に入出射する前記光ビームと略平行に配置されていることが好ましい。

またさらに、光導波路からの光ビームを光検出器で受光し、光検出器からの電気信号を増幅する増幅回路を設ける場合に、増幅回路を、光導波路を形成した基板上、または、前記光導波路と略平行に配置された回路基板上に設けることが好ましい。

本発明の光分波器は、波長多重光受信モジュール又は波長多重光伝送モジュールに適用できるものであり、その場合に、信号伝送用光ファイバと光分波器との接合部との間をマルチモード光伝送媒体で接続し、信号伝送用光ファイバと光合波器との間をシングルモード光伝送媒体で接続することができる。

本発明の光分波器は、光路を反射又は屈折により光路を曲げる光路変換部材を用いて光ビームの入射・出射位置を分離したため、光入射部と光出射部への光部品の接続を容易にできる。

さらに、本発明によると、略一軸方法に集光性を持つ凹面鏡を用いて一軸方向の光ビームを平行化し、集光性を有する回折格子に照射したため、光ビームの透過する光路を、光学部材を用いて構成でき、開口数の大きな光伝送媒体を用いて光ビームを入射しても波長分離特性の良い小型な分波器を提供できる。

本発明の実施の形態を、図１〜図５を用いて説明する。

図１は、本発明に係わる光分波器を説明する図であり、図１（ａ）は光分波器の上面図、図１（ｂ）は側面図である。波長多重化されて伝送してきた光ビームは、光伝送媒体である光ファイバ１０の端面から光入射部５０を介して光分波器１に入射する。この波長多重光ビームは、波長分離手段であるチャープ型回折格子１２に入射して波長毎に異なる角度に回折される。

チャープ型回折格子１２には、略平面上にｙ方向に沿って平行な直線格子溝が形成されており、ｘ−ｚ面内において拡がって入射した光ビーム４２を回折し集光するように格子間隔を変化させた不等間隔回折格子（チャープ型回折格子）を用いている。ここでは、４波長が多重されて、それを分離する場合について図示しているが、波長多重数を限定するものではない。

光ファイバ１０から入射した光ビームは、まず、第一の光路変換部材としてのプリズム１６ａで反射して光路を変え、凹面鏡１４に入射する。凹面鏡１４は、ｘ方向についてはほぼ同一の断面形状を持ったいわゆるシリンドリカル形状をしており、ｙ方向（格子溝の刻線方向）の一軸のみ光ビーム４２の拡がり角度を小さくしほぼ平行光として反射するものである。

ｘ方向については、凹面鏡１４で反射しても入射前とほぼ同じ拡がり角度を保っている。凹面鏡１４で反射した光ビーム４２は、光学ブロック１８中を伝搬してチャープ型回折格子１２に入射し、波長によって異なった角度に回折される。

さらに、チャープ型回折格子１２のチャープの効果により、回折した光ビーム４３はｘ−ｚ平面内で集光するように回折される。

チャープ型回折格子１２により回折し集光された光信号は、入射時とは逆の光路を通り、凹面鏡１４によって一軸方向が集光され、第二の光路変換部材としてのプリズム１６ｂで反射した後、受光用光導波路２８の入射端４４に光結合される。

受光用光導波路２８は、入射部側にスラブ導波路部３８、その後段にテーパ導波路部４０を有している。光ビーム４３は凹面鏡１４により入射端４４に集光され、スラブ導波路部３８に効率良く光結合される。

スラブ導波路部３８に入射した光ビーム４３は、ｙ方向についてはスラブ導波路３８に閉じ込められて伝搬し、スラブ導波路部３８面（ｘ−ｚ面）内についてはチャープ型回折格子１２の集光作用により、波長帯毎に設けられたテーパ導波路４０との接合部４６に集光される。

このように分離集光された光信号はテーパ導波路部４０に入射し、それぞれの波長帯に対応した受光部を有する光検出器アレイ２６により検出される。

光ファイバ１０の光入射部５０と受光用光導波路２８の入射端面４４を凹面鏡１４の焦点位置付近に設けることにより、一つの凹面鏡１４を用いて入射光の一方向（ｙ軸方向）の平行化と回折光の一軸集光を行うことができる。

また、反射面を有する光路変換部材としてのプリズム１６を設けることで光入射部と光出射部とを分離し、光入射部と光出射部とをプリズム１６を挟んで対向する位置とすることができた。

そのため、本形態においては、プリズム１６ａの光入射部から入射する光ビームの進行方向とプリズム１６ｂの光出射部から出射する光ビームの進行方向とを同じ方向とすることができ、受光用光導波路２８及び光検出器アレイ２６を含む受光部をプリズム１６に対して光ファイバ１０とは逆側に配置することができた。

受光部を光ファイバ１０と離して配置できるため分波器の配置が容易となり、余分な光伝送媒体を用いることなく分波器１への光入射及び光検出器での光検出が可能となった。

必ずしもプリズム１６ａの光入射部から入射する光ビームの進行方向と、プリズム１６ｂの光出射部から出射する光ビームの進行方向とを同じ方向とする必要はなく、受光部が配置しやすいようにプリズム１６による反射の方向は選ぶことができる。

また、入射と出射の両方にプリズム１６ａと１６ｂを用いる必要もなく、入射と出射のどちらかに用いることで、光入射部と光出射部を分離してもよい。本形態では、光入射方向と光出射方向がほぼ同じ方向としているが、これら方向の間に約１８０°の角度があることになる。そこで、プリズム１６ａを省略または他の光学部材を用いて、光出射方向に対しての光入射方向を０°以上９０°以下とすると、光ファイバ１０を受光部に接続する際に、光ファイバ１０が受光部に直接ぶつかることがなく、接続が容易となるため望ましい。すなわち、プリズムは、入射及び出射光ビームの光路を曲げる光路変換部材の機能を持つものであるが、このプリズムによる光の反射のみならず、他の屈折、回折等の光学部材を用いて光路を曲げることもできる。

本形態では、光学ブロック１８を用いることで光入射端５０から凹面鏡１４、回折格子１２、受光用光導波路２８までを一体化した。そのため、空気中を伝播させ光ビームの集光にレンズ等を用い場合に生じる界面反射を低減することができ、光ビームの損失が低減できる。

また、界面での反射を防止する反射防止膜等を設ける必要がなく、作成が容易となる。さらに、一体構造としたことにより、部品間の位置ずれがおきにくく、環境変化、長期安定性に優れている。

以下、さらに各部の詳細について説明する。

本発明においては、光ファイバ１０から出射された拡散光ビーム４２の集光を、集光方向によってチャープ型回折格子１２と凹面鏡１４とに分担して行った。

つまり、チャープ型回折格子１２の刻線方向（ｙ方向）については凹面鏡１４を用い、ｘ−ｚ平面内においてはチャープ型回折格子１２により集光した。

このようにｙ方向については凹面鏡１４により平行化してチャープ型回折格子１２に光ビーム４２を照射するため、チャープ型回折格子１２に当たる光ビーム４２のｙ方向の高さφを小さくすることができ、光学ブロック１８、延いては分波器１を薄くすることができた。

このように分波器１のｙ方向の厚さを薄くすることができたため、光学ブロック１８にプリズム１６を設けたり、光学ブロック１８上に受光用光導波路２８や光検出器アレイ２６を配置したりしても分波器１を薄くでき、小型化できた。

さらに、本発明ではチャープ型回折格子１２を用いているために、波長の分離幅がチャープ型回折格子１２から集光点までの距離で決まる。

一方、従来の分波器、例えば、特許文献１の光分波器においては、波長の分離幅が凹面鏡の焦点距離に比例するため、回折格子から凹面鏡までの距離が余分に必要となり、分波器が大きくなる。

したがって、本分波器は、従来の分波器に比べて凹面鏡１４から集光点までの距離を短くできるため、小型化できる。

凹面鏡１４は、入射光ビームを所望の平行度とするものであり、凹面鏡１４の一例として断面形状が放物面をした放物面鏡を用いることができる。

光ファイバ１０の端面と受光用光導波路２８の入射端面４４を放物面鏡の焦点位置付近に設ければｚ方向についてほぼ平行な光ビームを得ることができる。

光ファイバ１０としてマルチモード光ファイバを用いる場合には、入射端が広がりを有しており完全な平行光は得られないため、所望のチャープ型回折格子１２の集光性能及び受光用光導波路２８との光結合効率が得られるように凹面鏡１４の形状を定める必要がある。

放物面鏡を用いる場合には、必要な集光性能が得られるように放物面鏡のサイズを定めることが望ましい。凹面鏡１４としては所望の平行度が得られるものであればよく、放物面に加えて別の非球面形状を用いてもよい。

ここでは、一つの凹面鏡１４を用いて光ファイバ１０から入射した光ビーム４２の平行化とチャープ型回折格子１２で回折した光ビーム４３の集光とを兼用した。

入射光と出射光の集光をそれぞれ別の凹面鏡を用いて実現してもよく、例えば、プリズム１６の反射面を凹面形状としてもよい。この場合には、それぞれの凹面鏡の曲率を変えて焦点距離を異なるようにすることもできる。

プリズム１６、凹面鏡１４及び回折格子１２の反射面には、所望の反射率が得られるようにコーティングを行う。コーティング材としては、金、アルミニウム、銀等の金属反射膜を用いることができる。

さらに高い反射率を必要とする場合には、誘電体多層膜を用いた反射コーティングを用いればよい。また、プリズム１６や凹面鏡１４への光入射角度を大きくし、界面において全反射を起こす場合には、特にコーティングせずに用いることもできる。

次にチャープ型回折格子１２について説明する。

分波器１の幅を小型化する、つまり光学ブロック１８の幅を小さくするためには、光入射位置とチャープ型回折格子１２の集光位置とを近くに配置することが望ましい。つまり、チャープ型回折格子１２中心において、入射方向に回折するリトロー配置に近いことが望ましい。

さらに、チャープ型回折格子１２の特性として、使用する波長範囲で回折効率が高いことが望ましく、加えて入射する光ビームが偏光している場合には、回折効率の偏光依存性が小さいことが望ましい。

図２に、リトロー配置において、ブレーズ角度をパラメータとし、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の回折効率が等しくなる場合の回折効率とそのときの格子定数／波長の関係を示す。

図２において、ブレーズ角度を大きくすると格子定数を小さくすることができ、チャープ型回折格子の波長分散を大きくできるため、分波器を小さくできるという利点がある。しかし、一方では、回折効率が低下することが分かる。

ただし、ブレーズ角度２１°〜３４°の間で特異的に回折効率が向上している。したがって、チャープ型回折格子１２の中心においてブレーズ角度を２１°以上３４°以下とすると、低偏光依存性・高回折効率と、光分波器の小型化を両立でき、望ましい。

このとき、チャープ型回折格子１２の中心での格子定数と波長の比は、０．８８以上１．４１以下となる。この場合の波長としては、チャープ型回折格子１２の設計波長、または分波器を使用する波長範囲に含まれる波長とすればよい。

チャープ型回折格子１２の焦点距離は、波長によって変化し、波長が長いほど焦点距離は短くなる特性がある。

受光用光導波路２８において、波長間のクロストークを小さく波長を分離するためには、使用波長領範囲内でチャープ型回折格子１２による集光位置が受光用光導波路２８の中に来るようにする必要がある。

一方で、効率良く受光用光導波路２８に光入射するために、受光用光導波路２８の入射端面４４が、凹面鏡１４の焦点位置にくるよう配置する必要がある。したがって、使用する波長範囲の中で最も長い波長に対するチャープ型回折格子１２の集光位置が、凹面鏡１４の焦点位置と同じか、またはより遠くにある必要がある。

つまり、チャープ型回折格子１２での集光位置がプリズム１６ｂの出射端面上、或いは出射端面上よりも外側に焦点を結ぶように格子定数を変化させる必要がある。

一般的には、受光用光導波路２８において生じる単位長さ当たりの光損失のほうが、光学ブロック１８で生じる光損失よりも大きいため、光損失を低減するためには、受光用光導波路２８を短くすることが望ましい。

そのためには、使用する波長範囲の中で最も長い波長について、チャープ型回折格子１２で集光される位置が、凹面鏡１４の焦点位置とほぼ等しくなるようにし、この位置に受光用光導波路２８の入射端面４４がくるように配置することが望ましい。

チャープ型回折格子１２の収差のために、近軸焦点位置とスポット径が最小となる最良像点位置が異なる場合には、チャープ型回折格子１２の最良像点位置と凹面鏡１４の焦点位置とがほぼ等しくなるようにすればよい。

チャープ型回折格子１２の格子定数は、所望の集光性能を有するように、回折格子の場所の関数として変化させた。個々の格子溝の位置は、光ビームの入射位置及び集光位置から定めることができる。

一般的には、ある特定の波長（設計波長）について、最良の集光性能が得られるように格子定数を定めている。

チャープ型回折格子１２の溝形状としては、高い回折効率が得られるように、格子溝の断面形状が直角三角形をしたいわゆるエシュレット型を用いることが望ましい。

回折効率を大きくするためには、各格子位置での入出射角度に合わせてブレーズ角を変化させることが望ましい。

光ビーム４２，２３は、光学ブロック１８中を伝播することにより空気中を伝搬させる場合に比べて拡がり角が小さくなる。そのため、ｘ−ｚ面内においてチャープ型回折格子１２に当たる光ビーム４２，４３の照射幅ｗが狭くなる。

その結果、チャープ型回折格子が小さくて済み、回折格子の加工が容易になるとともに、チャープ型回折格子１２の回折効率を高くすることができる。

さらに、チャープ型回折格子１２への照射範囲が小さくなったことによって、入射波長がチャープ型回折格子１２の設計波長から変化した場合に生じる収差が小さくなる。

そのため、入射波長が設計波長から変化してもスポット径の変化が小さくなり、波長間のクロストークの発生が抑制され、波長の透過帯域幅を広くすることができる。

チャープ型回折格子１２は、別途作成したものを光学ブロック１８に貼り付けてもよく、光学ブロック１８と一体成型してもよい。

回折格子としては、一軸方向に集光性を有する回折格子を用いればよく、本形態に示した平面状のチャープ型回折格子に限らず円筒面に形成した凹面回折格子を用いることもできる。

凹面回折格子を用いる場合には、受光用光導波路２８にスラブ導波路部３８を設けなくてもよく、テーパ導波路部４０のみとすることができる。或いは、受光用光導波路２８を設けず、直接プリズム１６ｂの出射面に光検出器アレイ２６や出射用の光ファイバアレイを設けることもできる。

光学ブロック１８は、使用する波長領域で透明な材料を用いて構成すればよく、ガラスやポリマー材料を用いることができる。

受光効率を大きくするためには、使用波長で光吸収の少ない材料を用いることが望ましく、ポリマー材料としては、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、非晶質脂環式ポリオレフィン、ポリスチレン等を用いることができる。

光学ブロック１８は、各部を別に加工し部品を組合せて作成してもよく、一体形成してもよい。例えば、ポリマー材料を用いる場合には、射出成型により、プリズム１６、凹面鏡１４を含めて一体に形成することもでき、さらには、チャープ型回折格子１２も同時に成型することもできる。

ここでは、凹面鏡１４による集光特性が入射と出射の光ビームでほぼ等しくなるように、図１（ａ）に示すように、プリズム１６ａの入射面に対して光ファイバ１０を傾けて接続することで凹面鏡１４に対して光ビームが略対称に入出射するようにしている。

なお、入射と出射の光ビームが凹面鏡１４に入射する角度の差が小さい場合には、光ファイバ１０をプリズム１６ａの入射面に対して略垂直となるようにすることもできる。この場合、分波器１を光モジュール内に実装する際に配置が容易となる。

或いは、光ビームがプリズム１６ａの入射面に対して略垂直となるように、プリズム１６ａの入射面を傾けてもよい。

本形態のように、光学ブロック１８にチャープ型回折格子１２を固定すると、温度変化等の環境変化に伴い、屈折率の変化、伸縮等が起き、特性変動に影響することが考えられる。

そこで、光学ブロック１８の屈折率をｎとチャープ型回折格子１２の格子定数をｄとすると、この積ｎｄの変動を小さければ回折格子の特性変動は小さくなる。一般的には、温度が上昇すると回折格子は熱膨張し格子定数ｄは大きくなるが、光学材料の屈折率ｎは減少する。

したがって、光学ブロック１８にチャープ型回折格子１２を固定することにより、温度変化に伴う特性変化を抑制することができる。

次に、受光用光導波路２８について説明する。

図３に、受光用光導波路２８の上面図を示す。受光用光導波路２８は、スラブ導波路部３８、テーパ導波路部４０で構成される。

本形態では、チャープ型回折格子１２を用いているため、光信号の波長によって集光点が横方向（ｘ方向）に移動するとともに焦点距離の変化（ｚ方向への移動）も起こる。

そこで、スラブ導波路部３８により波長変動に伴う焦点距離変化（ｚ方向）に対応し、テーパ導波路部４０により回折角度変化による横方向（ｘ方向）の集光位置移動に対応する構成としている。

チャープ型回折格子１２により回折された光信号は、凹面鏡１４によりスラブ導波路部３８の入射端４４に集光され、受光用光導波路２８に入射する。そのため、受光用光導波路２８の厚さは、凹面鏡１４による光結合と光検出器アレイ２６との光結合の両方を考慮して定める必要がある。

スラブ導波路部３８の形状は、チャープ型回折格子１２で集光された光ビームが、スラブ導波路部３８とテーパ導波路部４０との接合部４６に焦点を結ぶように定めた。

すなわち、波長が短いほどチャープ型回折格子１２の焦点距離が長くなるため、短波長側ほど入射端４４から接合部４６までの距離を長くした。

テーパ導波路部４０は、接合部４６側から光の進行方向に沿ってコア幅が減少するテーパ形状をしており、波長変動によって接合部４６上を集光位置が変動しても所定の光検出器アレイ２６に結合することができるようにしている。

スラブ導波路部３８、テーパ導波路部４０は、同一の光導波路基板３４上に一括して形成し、コアの厚さは一定とすることができる。

本形態においては、テーパ導波路部４０を用いているために受光径の小さな光検出器アレイ２６にも効率良く光ビームを結合できるとともに、受光径を小さくすることで、光検出器アレイ２６の光検出器間を離すことができるので、電気的なクロストークを低減でき高速変調された光信号を受光することができる。

テーパ導波路部４０内においては、テーパ部で反射する毎に光の入射角度が大きくなるために光損失が生じ易くなる。この光損失を抑えるためには、受光用光導波路２８の開口数、特にテーパ導波路部４０側面の開口数は大きいほうが望ましい。そのため、テーパ側面にはクラッド層を設けず、空気と直接接するようにすることが望ましい。

また、図１（ｂ）に示すように、光導波路基板３４とは逆側のコア３０の下側にも、クラッドを形成せずに用いることができる。このように、テーパ側面にはクラッドを形成せずに、コア３０上のみにクラッドを形成できる場合には、コア３０上にもクラッド３２を形成することが望ましい。

図４は、図１，３に示す受光用光導波路２８の断面図であって、図４（ａ）は、図３の光導波路出射端面４５側から見た断面図、図４（ｂ）は、図３の光導波路入射面４４付近の側面断面図である。

受光用光導波路２８は、導波路基板３４上に導波路クラッド３２を設け、その上に導波路コア３０を形成している。この場合の導波路コア３０上面（導波路基板３４とは反対側）にはクラッドを設けていない。そのため、受光用光導波路２８の導波路コア３０上へのゴミ等の付着を抑えることが望ましい。

そこで、受光用光導波路２８は、光学ブロック１８上に設けた空洞部４８を有する台２０に、導波路コア３０を空洞部４８側にして設置している。

このように、空洞部４８を有する台２０を設けて導波路コア３０を覆って保護することでゴミ等の付着を抑制し、クラッドを設けなくても光導波路の長期的な安定性を確保できる。

また、台２０を基準面にして台２０とクラッド３２が接するようにすることで、光導波路コアの高さ方向（ｙ方向）の位置決めをすることができる。

プリズム１６ｂと光導波路入射端４４面との間は、反射による光損失を低減するために、光学接着剤３６あるいは屈折率マッチング剤を用いて反射を小さくすることが望ましい。

上部クラッド層を設けない場合においても、コアの屈折率よりも十分に小さな屈折率のものを用いて屈折率マッチングを取ることにより、スラブ導波路部３８の導波路コア３０上に光学接着剤３６あるいは屈折率マッチング剤がはみ出してもコアより光が漏れることがなく、上部クラッドを設けなくても光損失を生じることなく受光用光導波路２８を接続できる。

光検出器アレイ２６は、受光用光導波路部２８からのビームが光検出器に効率よく結合するように位置を調整し、受光用光導波路部２８の出射端４５に接着固定することが望ましい。この光検出器の信頼性を向上するために、光検出器アレイ２６がパッケージングされている場合には、光ビームが直接光検出器アレイ２６に入射するようにすればよい。

本形態の受光用光導波路２８としては、例えば、特許文献３、４に開示されているように、光露光により作成したポリマー光導波路を用いることができる。あるいは、フォトリソグラフィ法により反応性イオンエッチング等のエッチングにより形成することもでき、導波路材料も、ガラス等の無機材料を用いても作製できる。

ここでは、図１に示すように、プリズム１６ｂの出射面に対して受光用光導波路２８が傾いている場合を示している。この場合、受光用光導波路２８の入射端面と出射端面が略平行となるようにすると、受光用光導波路２８が作成しやすくなり、望ましい。

図５に、光検出器アレイ２６から出力される電流信号を電圧信号に変換し、増幅する増幅回路としてプリアンプ２２を設けた分波器の実施形態を示す。

図５（ａ）は、分波器の側面図、図５（ｂ）は分波器の上面図である。高速な光信号を受信する場合には、プリアンプ２２をなるべく光検出器アレイ２６近くに配置することが、ノイズの混入を抑制する上で望ましい。

ここでは、プリアンプ２２用の回路基板２４を分波器１上に配置することで、プリアンプ２２を光検出器アレイ２６に近接して配置した。そのため、高速な光信号を受信する場合でもノイズの混入によるＳ／Ｎ比の劣化を抑制した。なお、光導波路基板３４と回路基板２４を別の基板とした場合について示しているが、光導波路基板３４と回路基板２４とを兼用することもできる。

そこで、回路基板２４上に光導波路を形成する場合には、回路基板２４の凹凸を平坦化する平坦化層を設けることによりその上に光導波路を形成することが可能である。

したがって、例えば、回路基板２４の片側にプリント配線を形成して電気部品を実装し、逆の面には平坦化層を形成した上に受光用光導波路２８を形成することもできる。この平坦化層を受光用光導波路２８のクラッド層としてもよく、あるいは平坦化層の上にさらにクラッド層を設けてもよい。

本形態においては、光分波器を薄型化できたことと、分波した光の出射方向と光の入射方向とを揃え、プリズムを挟んで対向する位置に配置したため、分波器１上に受光用光導波路２８に加えて、回路基板２４を配置することが可能となった。なお、回路基板２４は、プリズム１６ｂを用いて支持することが可能である。

また、本形態において、入射用の光ファイバ１０は、特に限定するものではないが、光ファイバのコア径・開口数が大きくなるほど所望の特性が得られるように、凹面鏡１４の形状、回折格子１２の仕様、受光用光導波路２８のコア厚・コア形状を吟味して定める必要がある。したがって、マルチモード光ファイバを用いる場合に、特にこれら条件が厳しくなる。

一般的に、高速な光通信に用いられている光ファイバの中で、コア径・開口数の大きなものとして、コア径６２．５μｍ、開口数０．２７５のＧＩ型マルチモード光ファイバが挙げられる。この光ファイバに対応できるようにすれば、コア径・開口数のより小さな光ファイバについては、特性を劣化させることなく受光することが可能となる。

マルチモード光ファイバのように開口数の大きな光ファイバ１０を用いる場合、チャープ型回折格子１２への光照射幅が大きくなり、チャープ型回折格子１２よって生じる収差が大きくなるという課題がある。

本形態のように光学部材１８中を伝搬させた場合、光学部材１８の屈折率により光ビームの拡がり角度が低減し、チャープ型回折格子１２への光照射幅ｗが小さくなる。

チャープ型回折格子により生じる３次のコマ収差は、おおよそ、この光照射幅ｗの３乗に比例するため、光学部材中を伝搬させてチャープ型回折格子に照射することは、チャープ型回折格子により生じる収差の低減に大きな効果がある。

このように、光学部材中を伝搬させることは、開口数の大きな光ファイバを用いたときに収差低減の効果が大きく、そのためマルチモード光ファイバを用いる場合に有効である。

本発明の別の実施の形態を、図６を用いて説明する。

図６は、本発明に係わる光分波器を説明する図であり、図６（ａ）は光分波器の上面図、図６（ｂ）は光分波器のＡ−Ａ’断面図である。

本形態では、凹面鏡１４からチャープ型回折格子１２の間に空隙部５２を設け、光ビーム４２，４３が空気中を通るようにした。他の構成は図１と同様であり、同じ符号を用いている。

空隙部５２を設けたことにより、ある程度光吸収のある光学材料を用いて光学ブロック１８を形成することができる。赤外波長領域では、一般的に、ポリマー材料の光吸収が大きくなり、光学ブロック１８により光伝搬損失が生じるようになる。しかし、空隙部５２を設けたことにより、ポリマー材料を用いて光学ブロック１８を形成しても、特に赤外波長の光信号を受信する場合に光損失を低減することができる。

このように、ポリマー材料を用いると、射出整形により光学ブロック１８を作成することが容易となり、プリズム１６、凹面鏡１４を一体として光学ブロック１８を作成することができる。

さらに、チャープ型回折格子１２も同時に成型することもできる。光ビームが空気中を伝搬するため、光学ブロック１８の屈折率変化による特性変動は小さくなる。

以上、分波器に用いる場合について説明したが、光検出器側から光を入射させることで光合波器として用いることもできる。また、光入射用の光伝送媒体として光ファイバを用いている場合を示しているが、当然光導波路に置き換えることもできる。

以下、本発明の実施例について、説明する。

光分波器の実施形態として、図１に示した形態を用いた。本実施例においては、１０ＧＢＡＳＥ−ＬＸ４規格に対応した波長多重信号を分波するようにした。

つまり、中心波長１２７５.７、１３００．２、１３２４.７、１３４９.２ｎｍの２４．５ｎｍ間隔の４波長を分離するものとし、入射信号は各中心波長に対して±６.７ｎｍの波長ずれが許容される。この仕様に合わせて分波器を作成した。

光入射部５０からチャープ型回折格子１２の中心までの距離を１２ｍｍ、入射角度を３０°とした。このとき使用波長範囲での回折角度は、２０．７〜２４．３°となり、各中心波長はｘ方向について約２５０μｍ離れた位置に集光される。

また、分波器の小型化と高回折効率・低偏波依存性とを両立できるように、チャープ型回折格子１２中心でのブレーズ角度は３２°とした。

チャープ型回折格子１２の設計波長は、使用する波長範囲の中心波長である１３１２ｎｍを用い、チャープ型回折格子１２中心での格子定数と設計波長との比は１．１８とした。

光学ブロック１８は、ガラスを用いて作成した。本実施例においては、凹面鏡１４、プリズム１６、チャープ型回折格子１２を張り合わせることで一体構造の分波器とした。

光ファイバ１０として、コア径６２．５μｍの屈折率分布（ＧＩ）型マルチモード光ファイバ（開口数０．２７５）に対応できるようにした。

この光ファイバ１０から出射される光ビームの空気中での拡がり角は±１６°であるが、光学ブロック１８中では光学ブロック１８の屈折率（１．５１）により、±１０．５°に低減される。

そのため、チャープ型回折格子１２への光照射幅ｗは、光学ブロック１８を用いることにより、空気中を伝搬させた場合の８．２ｍｍから５．２ｍｍに低減された。

チャープ型回折格子１２よって生じる収差は、概ねこの照射幅ｗの３乗に比例するため、特に開口数の大きな光ファイバを用いた場合に収差の影響を強く受ける。つまり、照射幅ｗを小さくできることは、特に開口数が大きなマルチモード光ファイバを用いる場合に収差を低減する上で有効である。

さらに、収差は設計波長から波長の変動が大きい場合に大きくなるため、本実施例のように波長幅が広いＣＤＷＭ（Coarse Wavelength Division Multiplexing）に適用する場合に有効である。

本実施例では、使用する波長範囲の中で最も長い波長、つまり、波長１３５５．９ｎｍの光ビームが、チャープ型回折格子１２で集光される位置を、凹面鏡１４の焦点位置と等しくなるようにし、この位置に受光用光導波路２８の入射端面４４がくるように配置した。この集光位置は、チャープ型回折格子１２で生じる収差を考慮し、スポット径が最小となる最良像点位置とした。

この分波器光学系は約１倍の横倍率となるため、受光用光導波路２８に、効率よく光結合するためには、受光用光導波路２８のコア厚を光ファイバ１０のコア径と同程度あるいはコア径よりも厚くすることが望ましい。

一方、高速変調された光信号を検出するためには、光検出器の受光径は小さいことが望ましく、光検出器の受光径に合わせて、受光用光導波路２８のコア厚を小さくすることが望ましい。本実施例では、光ファイバのコア径にほぼ合わせてコア厚を６５μｍとした。

図７に、光ファイバ１０としてコア径６２．５μｍのＧＩ型マルチモード光ファイバを用い、受光用光導波路２８のコア厚を６５μｍとした場合の凹面鏡１４の曲率半径Ｒと光結合損失及びビーム高さφの関係を示す。ここで、曲率半径をＲとしたとき、放物面形状はｚ＝ｙ²/２Ｒと表される。この曲率半径Ｒは、放物面中心での曲率半径を示している。

図７より、凹面鏡１４の曲率半径Ｒを大きくするにしたがって、結合損失が減少する。曲率半径Ｒを３ｍｍ以上とすればほぼ損失０とできる。曲率半径Ｒを２ｍｍ以上とすれば実用的には十分小さな損失となる。しかし、曲率半径Ｒを大きくするとビーム高さφが大きくなり、光学ブロック１８を厚くする必要がある。そのため、光分波器が大きくなるため、曲率半径Ｒは小さいことが望ましい。したがって、本実施例では４ｍｍとした。

本実施例のチャープ型回折格子１２は、回折格子を領域に区切り、領域内では一定のブレーズ角度とし、領域毎にブレーズ角度を最適化することにより回折効率が高くなるようにした。このような回折格子は、ルーリングエンジンを用いて領域毎に一定のブレーズ角度で格子定数を変化させながら加工した。光分波器１にはこの回折格子をマスターとして作成したレプリカを用いた。

本実施例では、光ファイバ１０に光信号伝送用の光ファイバをそのまま用い、光ファイバ１０を分波器１に固定せず挿抜するようにした。その場合には、挿入ガイド等を用いることにより、光コネクタに固定された光ファイバ１０が挿抜されても所定の位置に突き合わされるようにすればよい。また、入射面には反射防止膜を設け、反射による光損失を低減した。

以上のように、マルチモード光ファイバに合わせて所望の特性が得られるようにしたため、光ファイバ１０として所定のマルチモード光ファイバよりも開口数またはコア径の小さな光ファイバを接続した場合にも、所定のマルチモード光ファイバを接続した場合と同等以上の特性が得られる。そのため、接続する光ファイバ１０は、所定のマルチモード光ファイバに限定するものではなく、開口数またはコア径の小さな光ファイバを接続してもよい。

本実施例においては、６２．５μｍのＧＩ型マルチモード光ファイバに換えてシングルモード光ファイバや、例えば、コア径５０μｍのマルチモード光ファイバ等を接続することもできる。光ファイバ１０はプリズム１６ａに接着してもよい。

光ファイバ１０を固定した場合は、伝送用光ファイバを光ファイバ１０のもう一端側に突き合わせて分波器に光を入射すればよい。その場合にも、伝送用光ファイバの開口数及び径は、光ファイバ１０と等しいか光ファイバ１０よりも小さければよい。

したがって、光ファイバ１０には、光ファイバ１０と同じＧＩ型マルチモード光ファイバを接続してもよく、ファイバ径・開口数の小さなシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）やコア径５０μｍのマルチモード光ファイバを接続することもできる。

また、コア径６２．５μｍのＧＩ型マルチモード光ファイバに変えて、他のＧＩ型マルチモード光ファイバに対応するように仕様を定めることもできる。ＧＩ型マルチモード光ファイバのコア径及び開口数は、それぞれ５０μｍ以上、０．２以上が一般的に用いられているため、望ましい。

６２．５μｍのマルチモード光ファイバ以外では、５０μｍのマルチモード光ファイバや、ＧＩ型に限らずステップインデックス（ＳＩ）型でもよく、またさらにコア径の大きなプラスチック光ファイバ等を用いることもできる。

波長多重信号の多重数、波長間隔についても、所定の仕様に合わせて所望の特性が得られるようにすればよく、波長間隔２０ｎｍのＩＴＵ−Ｔ６９４．２に準拠させることも可能であり、また、本実施例のようにＣＷＤＭに限定するものではなく、ＤＷＤＭへの適用も可能である。

本発明に係る光分波器の実施例として、図６に示した形態を用いた。

本実施例では、光学ブロック１８としてポリカーボネートを用いて射出成型した。同時に、チャープ型回折格子１２も射出成型した。

チャープ型回折格子１２は、支持部５４を介して光学ブロック１８と一体化している。光ビーム４２，４３は、光学ブロック１８と屈折率の違う空隙部５２を通るため、チャープ型回折格子１２の格子定数を変調し、所望の集光性能が得られるようにした。

図８は、本発明に係る波長多重光伝送モジュールの実施例を示す構成図である。伝送用光ファイバ７４ａ、７４ｂは、コネクタ９６により光伝送モジュール８０に接続される。

光ファイバ７４ｂはさらにシングルモード光ファイバ１１と突き合わせられる。受信用の伝送用光ファイバ７４ａを通して伝送されてきた波長多重信号は、直接分波器１に入射し、波長毎に分離されて光検出器アレイ２６で検出される。この検出信号は、プリンアンプ２２で増幅され、さらに、受信回路８６により増幅され、波形整形される。そして、パラレル／シリアル変換回路９０により、分離されたパラレル信号をシリアル信号に変換して出力する。

送信する場合には、入力された信号をシリアル／パラレル変換回路９２で信号を分離し、送信回路８８で信号毎にレーザダイオードアレイ９４の各光源を駆動し、波長の異なる光信号とする。

各光信号は、シングルモードの光カプラにより構成される合波器８４で多重化し、シングルモード光ファイバ１１に出力する。シングルモード光ファイバ１１を通して送信用の伝送用光ファイバ７４ｂに結合され、送信される。

シングルモード光ファイバ１１を用いて伝送用光ファイバ７４ｂと結合しているため、伝送用光ファイバ７４ａ、７４ｂにはマルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバのどちらでも用いることができる。

本実施例では、光ファイバ１０に、コア径６２．５μｍのＧＩ型マルチモードファイバを用いているため、伝送用光ファイバ７４ａ、７４ｂとして、シングルモード光ファイバ、コア径５０μｍ及び６２．５μｍのマルチモード光ファイバ等を用いることができる。

本実施例においては、１０ＧＢＡＳＥ−ＬＸ４規格に対応して多重化されて伝送されてきた中心波長１２７５.７、１３００．２、１３２４.７、１３４９.２ｎｍの２４．５ｎｍ間隔の４波長を分離する構成とした。

本実施例では、合波器８４と伝送用光ファイバ７４ｂとの間をシングルモード光ファイバ１１で結合したが、伝送用光ファイバ７４ｂにマルチモード光ファイバのみを用いる場合には、シングルモード光ファイバ１１にかえてマルチモード光ファイバを用いればよく、その場合は、合波器８４にもマルチモードの光導波路を用いればよい。

マルチモード光導波路を用いることにより、合波器８４とレーザダイオードアレイ９４との調整が容易になる。また、シングルモード光ファイバ１１を用いずに合波器８４から伝送用光ファイバ７４ｂに直接光信号を入力してもよい。

本実施例では、送信と受信の両方の機能を有する波長多重伝送モジュールについて示したが、受信部のみを有する波長多重光受信モジュールとしても本発明の効果を得られるものである。

本実施例は、マルチモード光ファイバにより送信された光信号を受信するのに適しており、上記のようにＣＷＤＭに適したものである。ただし、ＤＷＤＭ（Dense ＷＤＭ）への適用を制限するものではない。また、波長多重数４の場合について説明したが、多重数を限定するものではなく、用いるシステムに合わせて適宜選定すればよい。

以上、本発明に用いた光分波器に入力する光信号は、必ずしも変調されていなくてもよく、また同時に複数の波長を含まなくてもよいため、単に波長を分離して光強度を検出または光信号を分離して取り出す分光器にも適用できる。

本発明に係る分波器の上面図と側面図 図１におけるチャープ型回折格子のブレーズ角度と回折効率及び格子定数／波長の関係図 図１における受光用光導波路２８の上面図 図１，３における受光用光導波路２８の断面図と側面断面図 本発明に係る分波器にプリアンプ２２を設けた上面図と側面図 本発明に係る他の分波器の上面図と側面図 本発明における凹面鏡１４の曲率半径と受光用光導波路との結合損失及びビーム高さの関係図 波長多重光伝送モジュールの構成図

符号の説明

１…分波器、１０…光ファイバ、１１…シングルモード光ファイバ、１２…チャープ型回折格子、１４…凹面鏡、１６…プリズム（光路変換部材）、１６ａ，１６ｂ…第１、第２プリズム（第一、第二の光路変換部材）、１８…光学ブロック、２０…台、２２…プリアンプ、２４…回路基板、２６…光検出器アレイ、２８…受光用光導波路、３０…導波路コア、３２…導波路クラッド、３４…導波路基板、３６…接着剤、３８…スラブ導波路部、４０…テーパ導波路部、４２，４３…光ビーム、４４…光導波路入射端面、４５…光導波路出射端面、４６…接合部、４８…空洞部、５０…光入射部、５２…空隙部、５４…支持部、７４ａ、７４ｂ…伝送用光ファイバ、８０…光伝送装置、８４…合波器、８６…受信回路、８８…送信回路、９０…パラレル／シリアル変換回路、９２…シリアル／パラレル変換回路、９４…レーザダイオードアレイ、９６…光コネクタ

Claims (13)

1. 波長多重された光ビームが入射する光入射部と、該光入射部に入射した光ビームを伝送する光路と、該光路で伝送される光ビームが照射されて波長毎に光信号を分離する回折格子と、該回折格子で分離された光信号を取り出す光出射部とを有する光分波器において、
   前記光入射部から入射した光ビームの光路を曲げる第一の光路変換部材と、
   前記第一の光路変換部材からの光ビームを、回折格子の溝方向の拡がり角度を低減するように一軸方向に光集光する凹面鏡と、
   前記回折格子は、凹面鏡で一軸方向の拡がり角が低減された光ビームを、凹面鏡の集光軸とは異なる一軸方向に光集光し、
   前記回折格子で波長毎に分離された光信号の光路を曲げる第二の光路変換部材とを有し、
   前記光入射部と光出射部との間に、前記第一の光路変換部材と第二の光路変換部材とが配置されているおり、
   前記第二の光路変換部材からの光信号が光出射部まで伝播することを特徴とする光分波器。
2. 波長多重された光ビームが入射する光入射部と、該光入射部に入射した光ビームを伝送する光路と、該光路で伝送される光ビームが照射されて波長毎に光信号を分離する回折格子と、該回折格子で分離された光信号を取り出す光出射部とを有する光分波器において、
   前記光路において光ビームの光路を曲げる光路変換部材と、
   前記回折格子の溝方向の拡がり角度を低減するように一軸方向に光集光する凹面鏡と、
   前記回折格子は、凹面鏡で一軸方向の拡がり角度が低減された光ビームを、凹面鏡の集光軸とは異なる一軸方向に光集光し、
   前記光路変換部材は、前記光出射部から出射する光ビームの進行方向に対しての前記光入射部から入射する光ビームの進行方向の角度が、０°以上９０°以下となるように形成されていることを特徴とする光分波器。
3. 請求項１又は２に記載の光分波器において、
   前記光路が、透明な光学部材で形成されており、
   前記光ビームは、光入射部から光出射部まで前記光学部材中を伝播することを特徴とする光分波器。
4. 請求項１又は２に記載の光分波器において、
   前記光路の一部が、透明な光学部材で形成されており、
   前記光ビームは、光入射部から光出射部までに空気中を伝播することを特徴とする光分波器。
5. 請求項１又は２に記載の光分波器において、
   前記回折格子が、略平面上に形成されたチャープ型であることを特徴とする光分波器。
6. 請求項１又は２に記載の光分波器において、
   前記光入射部に、マルチモードの光伝送媒体を接続して光ビームを入射することを特徴とする光分波器。
7. 請求項１又は２に記載の光分波器において、
   前記回折格子の中心におけるブレーズ角度が、２１°以上３４°以下であり、回折格子の格子定数と使用波長との比が、０．８８以上１．４１以下であることを特徴とする光分波器。
8. 請求項１又は２に記載の光分波器において、
   前記光出射部に接続された光導波路を有することを特徴とする光分波器。
9. 請求項８に記載の光分波器において、
   前記光ビームとして入射する波長範囲の中で最も波長の長い光ビームが、回折格子で集光される最良像点位置と、凹面鏡で集光される焦点位置とが略等しく、光導波路の入射端面上にくることを特徴とする光分波器。
10. 請求項８に記載の光分波器において、
    前記光導波路が、回折格子に入出射する光ビームと略平行に配置されていることを特徴とする光分波器。
11. 請求項８に記載の光分波器において、
    前記光導波路からの光ビームを受光する光検出器と、
    前記光検出器からの電気信号を増幅する増幅回路とを有し、
    前記増幅回路が、光導波路を形成した基板上、又は、光導波路と略平行に配置された回路基板上に設けられていることを特徴とする光分波器。
12. 信号伝送用光ファイバとの接合部と、光分波器と、光検出器アレイと、光検出器アレイからの信号を増幅して波形整形する受信回路とを有する波長多重光受信モジュールにおいて、
    前記光分波器として、請求項１から１１に記載のいずれか一つの光分波器を用い、接合部と光分波器とをマルチモード光伝送媒体で接続したことを特徴とする波長多重光受信モジュール。
13. 信号伝送用光ファイバとの接合部と、光分波器と、光検出器アレイと、光検出器アレイからの信号を増幅して波形整形する受信回路と、光源アレイと、光源アレイを駆動する送信回路と、光源アレイからの光信号を合波する光合波器とを有する波長多重光伝送モジュールにおいて、
    前記光分波器として、請求項１から１１に記載のいずれか一つの光分波器を用い、接合部と光分波器とをマルチモード光伝送媒体で接続し、接合部と光合波器とをシングルモード光伝送媒体で接続したことを特徴とする波長多重光伝送モジュール。

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