JP5965099B2 - 光学装置およびその調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置およびその調整方法に関するものである。

光合波器，光分波器および波長選択スイッチ等として用いられる光学装置の発明が特許文献１に開示されている。この文献に記載された光学装置では、入力ポートに入力された光は反射型回折格子により波長分岐され、この反射型回折格子から波長に応じた方向に各波長の光が出力され、この反射型回折格子から出力された各波長の光が集光光学系により互いに異なる位置に集光される。集光光学系による各波長の光の集光位置には反射方向が可変の複数のミラーが設けられており、該ミラーに到達した光は、反射されて集光光学系および反射型回折格子を経て何れかの出力ポートから出力される。

このような光学装置に入力される光は、例えばＩＴＵグリッドの各波長の光が多重化されたものである。また、ＩＴＵグリッドの各波長、集光光学系の焦点距離、反射型回折格子の格子周期および反射型回折格子への光の入射角などに応じて、複数のミラーの配列ピッチが設計される。各ミラーにおける光の反射方向が調整されることにより、複数の出力ポートのうちの何れの出力ポートから何れの波長の光が出力されるかが設定される。

このような光学装置では、反射型回折格子への光の入射角，反射型回折格子の格子周期および集光光学系の焦点距離のうちの何れかが設計値と異なると、集光光学系による各波長の光の集光位置の配列ピッチは複数のミラーの配列ピッチと異なることになる。その結果、光学装置の透過特性は劣化する。特許文献１には、このような問題を解消することを意図した発明が開示されている。

特許文献１に開示された発明の光学装置は、集光光学系として焦点距離が異なる複数枚のレンズを有し、そのうちの少なくとも１枚のレンズを光軸方向に平行移動可能とする。このレンズの位置が調整されることにより、集光光学系による各波長の光の集光位置の配列ピッチは複数のミラーの配列ピッチと等しくなり得て、その結果、光学装置の透過特性の劣化が抑制され得るとされている。

特開２００７−１０１６７０号公報

特許文献１に開示された発明の光学装置において、例えば、集光光学系が２枚のレンズを有し、これら２枚のレンズの間隔が２０ｍｍであり、合成焦点距離が１００ｍｍであり、ミラーアレイ側のレンズの焦点距離が反射型回折格子側のレンズの焦点距離の１０倍であり、ミラーアレイ側のレンズが光軸方向に平行移動可能であるとする。このとき、集光光学系による各波長の光の集光位置の配列ピッチに関し誤差１％分を補正するには、ミラーアレイ側のレンズを約１２ｍｍ移動させればよい。

しかしながら、このレンズの１２ｍｍの移動に伴い、集光位置がミラーアレイから光軸方向に約２ｍｍずれて、その結果、ピンボケに因るロスが発生する。このロスを無くすには、レンズの移動と同時にミラーアレイも移動させるか、合成焦点距離が変化しても集光位置が変わらないような複雑な集光光学系を採用する必要がある。何れにしても、特許文献１に開示された発明の光学装置は複雑な構成となる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、集光光学系による各波長の光の集光位置の配列ピッチを所定ピッチに容易に調整することできる光学装置およびその調整方法を提供することを目的とする。

本発明の光学装置は、(1) 所定軸の周りに回動自在な透過型回折格子を含み、入力ポートに入力された光を波長分岐して、所定軸に垂直で波長に応じた方向に各波長の光を出力する波長分岐部と、(2) 波長分岐部により波長分岐されて出力された各波長の光を互いに異なる位置に集光する集光光学系と、(3) 集光光学系により集光される各波長の光の集光位置に設けられた複数の光学素子を含む光学素子アレイと、を備えることを特徴とする。
本発明の光学装置は、入力ポートに入力された光が到達する位置を所定軸が通り、かつ、入力ポートに入力された光の波長範囲のうち所定波長において透過型回折格子でのブラッグ条件が満たされるように、入力ポートから透過型回折格子への光入射角が設定され、集光光学系による所定波長の光の集光位置に、複数の光学素子のうち所定波長の光に対応する光学素子が配置されていることを特徴とする。
本発明の光学装置の調整方法は、上記の波長分岐部、集光光学系および光学素子アレイを用意し、入力ポートに入力された光が到達する位置を所定軸が通り、かつ、入力ポートに入力された光の波長範囲のうち所定波長において透過型回折格子でのブラッグ条件が満たされるように、入力ポートから透過型回折格子への光入射角を設定し、集光光学系による所定波長の光の集光位置に、複数の光学素子のうち所定波長の光に対応する光学素子を配置し、透過型回折格子を所定軸の周りに回動させて、所定波長以外の波長の光の集光位置の配列ピッチを調整することを特徴とする。

本発明の光学装置は、波長分岐部が複数個の透過型回折格子を含み、これら複数個の透過型回折格子のうち集光光学系から光路的に最も遠い位置にある透過型回折格子が所定軸の周りに回動自在であるのが好適である。所定軸は入力ポートに入力された光が到達する位置を通るのが好適である。光学素子アレイは、各光学素子に到達した光を透過または反射させて出力ポートから出力させるのが好適である。また、光学素子アレイは、光の反射方向が可変のミラーを光学素子として含み、該ミラーに到達した光を反射させて集光光学系および波長分岐部を経て出力ポートから出力させるのが好適である。

本発明の光学装置は、集光光学系による各波長の光の集光位置の配列ピッチを所定ピッチに容易に調整することができる。

第１実施形態の光学装置１の構成図である。 第２実施形態の光学装置２の構成図である。 第３実施形態の光学装置３の構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、第１実施形態の光学装置１の構成図である。この図には、説明の便宜のためにｘｙｚ直交座標系が示されている。この光学装置１は、光入出力部１０，透過型回折格子２１，レンズ３０およびミラーアレイ４０を備える。

光入出力部１０は、ｘ軸方向に配列された複数のポートを含む。複数のポートそれぞれは、光を入力する入力ポートとして用いられる場合があり、また、光を出力する出力ポートとして用いられる場合もある。複数のポートそれぞれは、対応する光ファイバ２と接続され、また、対応するコリメートレンズを有している。入力ポートは、光ファイバ２から伝送されてきた光をコリメートレンズによりコリメートして透過型回折格子２１へ出力する。出力ポートは、透過型回折格子２１から到達した光を集光して光ファイバ２の端面に入射させて、その光を光ファイバ２により伝送させる。光入出力部１０に含まれる複数のポートそれぞれと透過型回折格子２１との間の光路は、ｘｚ平面に平行な共通の平面上にあり、ｚ軸方向に平行である。

波長分岐部としての透過型回折格子２１は、ｘ軸方向に延在する格子が一定周期で形成されたものであり、入力ポートに入力された光を波長分岐して出力する。透過型回折格子２１は、所定軸の周りに回動自在である。この回動軸は、ｘ軸方向に平行であるが、入力ポートに入力された光が到達する位置を通るのが好適である。透過型回折格子２１は、回動軸に垂直（ｙｚ平面に平行）で波長に応じた方向に各波長の光を出力する。集光光学系としてのレンズ３０は、透過型回折格子２１により波長分岐されて出力された各波長の光を互いに異なる位置に集光する。

光学素子アレイとしてのミラーアレイ４０は、レンズ３０により集光される各波長の光の集光位置に設けられた複数の光学素子として複数のミラー４１_１〜４１_ｎを含む。ミラー４１_１〜４１_ｎは、ｙｚ平面に平行な直線上に配列されている。波長λ_１の光の集光位置にミラー４１_１が設けられ、波長λ_ｍの光の集光位置にミラー４１_ｍが設けられ、波長λ_ｎの光の集光位置にミラー４１_ｎが設けられている。ミラー４１_１〜４１_ｎそれぞれは、光の反射方向が可変である。ミラー４１_１〜４１_ｎそれぞれは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作成されたものであるのが好適である。ミラー４１_１〜４１_ｎそれぞれは、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）であってもよいし、ＤＬＰ（DigitalLight Processing）であってもよい。

このような光学装置１において、光入出力部１０の入力ポートに多重化された多波長λ_１〜λ_ｎの光が入力されると、その光は入力ポートからコリメートされて透過型回折格子２１に到達する。透過型回折格子２１に到達した光は透過型回折格子２１により波長分岐されて、その分岐された各波長の光は透過型回折格子２１から互いに異なる方向へ出力される。透過型回折格子２１により波長分岐されて出力された各波長の光は、レンズ３０により互いに異なる位置に集光される。その集光位置にミラー４１が配置されており、レンズ３０によりミラー４１に集光された光は、そのミラー４１により反射される。ミラー４１により反射された光は、レンズ３０および透過型回折格子２１を経て、光入出力部１０の何れかの出力ポートから出力される。

ミラー４１における光の反射方向が可変であるので、複数の出力ポートのうちの何れの出力ポートから何れの波長の光が出力されるか設定され得る。或る波長の光について出力ポートを変更するには、その波長の光がレンズ３０により集光される位置にあるレンズ４１の反射面の方位を変更すればよい。レンズ４１の反射面の方位を変更する際に、１軸のみで変更する場合には、その変更の過程で途中の出力ポートから光が出力される場合があるが、２軸で変更する場合には、その変更の過程で途中の出力ポートから光が出力されることはないので好ましい。

このような光学装置１において、入力ポートから透過型回折格子２１への光の入射角，透過型回折格子２１の格子周期およびレンズ３０の焦点距離のうちの何れかが設計値と異なると、レンズ３０による各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置の配列ピッチはミラー４１_１〜４１_ｎの配列ピッチと異なることになる。この問題を解消するため、光学装置１においては、ｘ軸方向に平行な回動軸の周りに透過型回折格子２１を回動させることで、レンズ３０による各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置の配列ピッチをミラー４１_１〜４１_ｎの配列ピッチと等しくする。この際、レンズ３０やミラーアレイ４０を移動させる必要はない。したがって、レンズ３０による各波長の光の集光位置の配列ピッチを所定ピッチに容易に調整することができる。

例えば、格子本数が１２００本／ｍｍであるとすると、ブラッグ波長での透過型回折格子の波長シフト量は反射型回折格子の波長シフト量の１／１５０である。０.３度だけ透過型回折格子２１を回動することで、分散や焦点距離の誤差１％分の補正をすることができ、その際の波長シフトは２.６ＧＨｚである。したがって、レンズ３０やミラーアレイ４０を移動させる必要はない。なお、ミラーアレイ実装時に、ピッチズレ量を測定し、回折格子回転に伴う波長シフト量の分、ミラーアレイ位置を予めずらしておくと、さらに好適である。

入力光波長範囲λ_１〜λ_ｎの中心付近の波長λ_ｍで透過型回折格子２１でのブラッグ条件が満たされるように、入力ポートから透過型回折格子２１への光入射角が設定されていると、透過型回折格子２１が回動されても、透過型回折格子２１からの波長λ_ｍの光の出力方向は殆ど変化せず、レンズ３０による波長λ_ｍの光の集光位置は殆ど変化しない。その一方で、レンズ３０による波長範囲λ_１〜λ_ｎの各波長の光の集光位置の配列ピッチは変化する。

図２は、第２実施形態の光学装置２の構成図である。この図にも、説明の便宜のためにｘｙｚ直交座標系が示されている。この光学装置２は、光入出力部１０，波長分岐部２０，レンズ３０およびミラーアレイ４０を備える。図１に示された第１実施形態の光学装置１の構成と比較すると、この図２に示される第２実施形態の光学装置２は、２個の透過型回折格子２１，２２を含む波長分岐部２０が設けられている点で相違する。

２個の透過型回折格子２１，２２の双方または何れか一方は、所定軸の周りに回動自在である。この回動軸は、入力ポートに入力された光が到達する位置を通り、ｘ軸方向に平行である。２個の透過型回折格子２１，２２を含む波長分岐部２０は、回動軸に垂直（ｙｚ平面に平行）で波長に応じた方向に各波長の光を出力する。１個の透過型回折格子を用いる場合と比較すると、２個の透過型回折格子２１，２２を用いる場合には、波長分解能が向上し、装置の小型化が可能となる。

透過型回折格子２１，２２のうちレンズ３０から光路的に最も遠い位置にある透過型回折格子２１が所定軸の周りに回動自在であるのが好適である。この場合には、レンズ３０による各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置の配列ピッチの微調整が可能である。一方、透過型回折格子２１，２２のうちレンズ３０から光路的に最も近い位置にある透過型回折格子２２が所定軸の周りに回動自在である場合には、レンズ３０による各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置の配列ピッチの粗調整が可能である。

図３は、第３実施形態の光学装置３の構成図である。この図にも、説明の便宜のためにｘｙｚ直交座標系が示されている。この光学装置３は、光入出力部１０，透過型回折格子２１，レンズ３０およびフォトダイオードアレイ５０を備える。図１に示された第１実施形態の光学装置１の構成と比較すると、この図３に示される第３実施形態の光学装置２は、ミラーアレイ４０に替えてフォトダイオードアレイ５０を備える点で相違する。

光学素子アレイとしてのフォトダイオードアレイ５０は、レンズ３０により集光される各波長の光の集光位置に設けられた複数の光学素子として複数のフォトダイオード５１_１〜５１_ｎを含む。フォトダイオード５１_１〜５１_ｎは、ｙｚ平面に平行な直線上に配列されている。波長λ_１の光の集光位置にフォトダイオード５１_１が設けられ、波長λ_ｍの光の集光位置にフォトダイオード５１_ｍが設けられ、波長λ_ｎの光の集光位置にフォトダイオード５１_ｎが設けられている。

このような光学装置３において、光入出力部１０の入力ポートに多重化された多波長λ_１〜λ_ｎの光が入力されると、その光は入力ポートからコリメートされて透過型回折格子２１に到達する。透過型回折格子２１に到達した光は透過型回折格子２１により波長分岐されて、その分岐された各波長の光は透過型回折格子２１から互いに異なる方向へ出力される。透過型回折格子２１により波長分岐されて出力された各波長の光は、レンズ３０により互いに異なる位置に集光される。その集光位置にフォトダイオード５１が配置されており、レンズ３０によりフォトダイオード５１に集光された光は、そのフォトダイオード５１により受光される。その受光強度に応じた値の電気信号がフォトダイオード５１から出力される。

このような光学装置３において、入力ポートから透過型回折格子２１への光の入射角，透過型回折格子２１の格子周期およびレンズ３０の焦点距離のうちの何れかが設計値と異なると、レンズ３０による各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置の配列ピッチはフォトダイオード５１_１〜５１_ｎの配列ピッチと異なることになる。この問題を解消するため、光学装置３においては、ｘ軸方向に平行な回動軸の周りに透過型回折格子２１を回動させることで、レンズ３０による各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置の配列ピッチをフォトダイオード５１_１〜５１_ｎの配列ピッチと等しくする。この際、レンズ３０やフォトダイオードアレイ５０を移動させる必要はない。したがって、レンズ３０による各波長の光の集光位置の配列ピッチを所定ピッチに容易に調整することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、波長分岐部は、少なくとも１個の回動自在な透過型回折格子を含み、これに加えて反射型回折格子を含んでいてもよい。

集光光学系であるレンズ３０により集光される各波長の光の集光位置に設けられた複数の光学素子を含む光学素子アレイとしては、第１および第２の実施形態の場合のミラーアレイ４０や、第３実施形態の場合のフォトダイオードアレイ５０の他に、様々な態様のものが採用され得る。

例えば、光学素子アレイとして透過型または反射型の液晶素子アレイが用いられてもよい。反射型の液晶素子アレイは、複数の光学素子それぞれとして液晶素子および後方に設けられたミラーを含み、そのミラーに集光位置がある。液晶素子アレイによって形成された位相パターンにより反射方向を制御したり、液晶素子アレイにより制御された光の偏光状態によって液晶素子アレイの前段に設置された複屈折結晶により光路を切り替える。透過型の液晶素子アレイは、その液晶素子に集光位置があり、後方にレンズおよび出力ポートが配置される。液晶素子アレイによって形成された位相パターンにより光線方向を制御したり、液晶素子アレイにより制御された光の偏光状態によって液晶素子アレイの後方に設置された複屈折結晶により光路を切り替える。

また、例えば、光学素子アレイとして、光ファイバアレイや、基板上に形成された光導波路アレイが用いられてもよい。光学素子アレイに含まれる複数の光学素子は、等ピッチであってもよいし、不等ピッチであってもよい。なお、入力ポートへの反射戻り光防止のため、回折格子を、yz面に平行な軸周りに僅かに傾けても良い。この場合、分波した光は、所定回動軸と完全に垂直ではない。しかし、例えば、格子本数が１２００本／ｍｍの回折格子を角度1度傾けた場合、yz平面と平行な面からの光線のズレ角は、Cバンド帯（波長1530〜1570nm）の両端波長間でも4分ほどなので、実質的に問題ない。また、回折格子は、入力ポートに入力された光が到達する位置を通る所定軸の周りに回転させると、分波位置の変化が小さく好適であるが、ピッチずれ補正時の回転角は小さいので、軸の位置は上記の位置でなくても良い。

１〜３…光学装置、１０…光入出力部、２０…波長分岐部、２１，２２…透過型回折格子、３０…レンズ、４０…ミラーアレイ、４１…ミラー、５０…フォトダイオードアレイ、５１…フォトダイオード。

Claims (6)

1. 複数個の透過型回折格子を含み、前記複数個の透過型回折格子のうち何れかの透過型回折格子が所定軸の周りに回動自在であり、入力ポートに入力された光を波長分岐して、前記所定軸に垂直で波長に応じた方向に各波長の光を出力する波長分岐部と、
   前記波長分岐部により波長分岐されて出力された各波長の光を互いに異なる位置に集光する集光光学系と、
   前記集光光学系により集光される各波長の光の集光位置に設けられた複数の光学素子を含む光学素子アレイと、
   を用意し、
   前記複数個の透過型回折格子のうち前記集光光学系から光路的に最も遠い位置にある透過型回折格子が前記所定軸の周りに回動自在とし、
   前記入力ポートに入力された光が到達する位置を前記所定軸が通り、かつ、前記入力ポートに入力された光の波長範囲のうち所定波長において前記透過型回折格子でのブラッグ条件が満たされるように、前記入力ポートから前記透過型回折格子への光入射角を設定し、
   前記集光光学系による前記所定波長の光の集光位置に、前記複数の光学素子のうち前記所定波長の光に対応する光学素子を配置し、
   前記透過型回折格子を前記所定軸の周りに回動させて、前記所定波長以外の波長の光の集光位置の配列ピッチを調整する、
   ことを特徴とする光学装置の調整方法。
2. 前記複数個の透過型回折格子のうち前記集光光学系から光路的に最も近い位置にある透過型回折格子を前記所定軸の周りに回動させて、前記所定波長以外の波長の光の集光位置の配列ピッチを粗調整し、
   前記複数個の透過型回折格子のうち前記集光光学系から光路的に最も遠い位置にある透過型回折格子を前記所定軸の周りに回動させて、前記所定波長以外の波長の光の集光位置の配列ピッチを微調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置の調整方法。
3. 前記光学素子アレイが、各光学素子に到達した光を透過または反射させて出力ポートから出力させる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置の調整方法。
4. 前記光学素子アレイが、光の反射方向が可変のミラーを前記光学素子として含み、該ミラーに到達した光を反射させて前記集光光学系および前記波長分岐部を経て出力ポートから出力させる、ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置の調整方法。
5. 複数個の透過型回折格子を含み、前記複数個の透過型回折格子のうち何れかの透過型回折格子が所定軸の周りに回動自在であり、入力ポートに入力された光を波長分岐して、前記所定軸に垂直で波長に応じた方向に各波長の光を出力する波長分岐部と、
   前記波長分岐部により波長分岐されて出力された各波長の光を互いに異なる位置に集光する集光光学系と、
   前記集光光学系により集光される各波長の光の集光位置に設けられた複数の光学素子を含む光学素子アレイと、
   を備え、
   前記複数個の透過型回折格子のうち前記集光光学系から光路的に最も遠い位置にある透過型回折格子が前記所定軸の周りに回動自在であり、
   前記入力ポートに入力された光が到達する位置を前記所定軸が通り、かつ、前記入力ポートに入力された光の波長範囲のうち所定波長において前記透過型回折格子でのブラッグ条件が満たされるように、前記入力ポートから前記透過型回折格子への光入射角が設定され、
   前記集光光学系による前記所定波長の光の集光位置に、前記複数の光学素子のうち前記所定波長の光に対応する光学素子が配置されている、
   ことを特徴とする光学装置。
6. 前記複数個の透過型回折格子のうち前記集光光学系から光路的に最も近い位置にある透過型回折格子が前記所定軸の周りに回動自在である、ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。

Images