JP5981888B2 - Beam splitter and optical signal processing apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、光通信分野で用いられる小型高速大容量の光送信機および光送信モジュールに用いられる光学部品に関する。 The present invention relates to a small, high-speed, large-capacity optical transmitter used in the field of optical communication and an optical component used in an optical transmission module.
近年、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)、ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer)など、光波長多重通信技術を用いた通信技術が基幹幹線を中心に広く用いられている。光波長多重通信技術は(非特許文献1)、一本の光ファイバーケーブルに、波長の異なる複数の光周波数の光信号を同時に乗せることによって、高速かつ大容量の情報通信を実現する。この技術を用いるためには、非常に高度な波長安定化技術が必要である。 In recent years, communication techniques using optical wavelength multiplexing communication techniques such as wavelength division multiplexing (WDM) and ROADM (Reconfigurable Optical Add / Drop Multiplexer) have been widely used mainly on trunk lines. The optical wavelength division multiplexing technology (Non-patent Document 1) realizes high-speed and large-capacity information communication by simultaneously placing optical signals having a plurality of optical frequencies having different wavelengths on one optical fiber cable. In order to use this technique, a very advanced wavelength stabilization technique is required.
現在、光波長多重通信用の送信機としては、使用する波長の並びを変更することが可能なROADMに対応する必要性があるため、波長可変半導体レーザモジュールが用いられている。波長可変半導体レーザモジュールの内部には、波長安定性を向上するために、波長ロッカーが備えられている。波長ロッカーは、波長フィルタを用いた波長モニター機能およびパワーモニター機能を持つユニットである。これらの光送信機は、現在から十年数年前では基幹通信網などに用いられる高級な送信機であった。しかしながら、近年では、メトロアクセス系などのより下層のネットワークで広く用いられるようになり、低コストを意識した設計が求められるようになった。 Currently, a wavelength tunable semiconductor laser module is used as a transmitter for optical wavelength division multiplexing communication because it needs to be compatible with ROADM capable of changing the arrangement of wavelengths to be used. A wavelength locker is provided inside the wavelength tunable semiconductor laser module in order to improve wavelength stability. The wavelength locker is a unit having a wavelength monitoring function and a power monitoring function using a wavelength filter. These optical transmitters were high-grade transmitters used for backbone communication networks and the like several decades ago. However, in recent years, it has been widely used in lower-layer networks such as metro access systems, and a design conscious of low cost has been demanded.
特に、光送信機の中に使用される波長可変レーザモジュールの低コスト化の要請は著しく、波長可変レーザモジュールの内部に使用される各光部品を含めて、いっそうの低コスト化が望まれている。 In particular, there is a significant demand for cost reduction of the wavelength tunable laser module used in the optical transmitter, and further cost reduction is desired including each optical component used in the wavelength tunable laser module. Yes.
図1は、従来技術の代表的な波長可変レーザモジュールの構造を示す図である。図1は、半導体レーザモジュール16の内部の構成を模式的に表したもので(非特許文献2を参照)、モジュール16は、キーデバイスである波長可変レーザーチップ1、第1レンズ2、広帯域のアイソレータ素子3、波長ロッカー9、第2レンズ10、および光ファイバー11で構成されている。波長ロッカー9は、発振光のパワーおよび波長をモニターする機能を持っている。すなわち、波長ロッカー9は、パワーモニター用の第1ビームスプリッタ4、その反射先にあるモニター用フォトダイオード6を備える。さらに、波長ロッカー9は、波長モニター用の第2ビームスプリッタ5、その反射先にあるエタロンフィルタ7および波長モニター用フォトダイオード8も備える。第1ビームスプリッタ4および第2ビームスプリッタ5を透過していった主ビーム15は、第2レンズ10に到達し、集光されて、光ファイバー11へと結合される。
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a typical tunable laser module of the prior art. FIG. 1 schematically shows an internal configuration of a semiconductor laser module 16 (see Non-Patent Document 2). The
図1においては、ビームスプリッタとして代表的なキューブ型のビームスプリッタ4、5が示されている。キューブ型のビームスプリッタは、機械的に安定で、通過する光に角度が付かないため、近年まで好んで用いられていた。しかしながら、この構造のビームスプリッタは、少なくとも3面の無反射(AR)コーティング、内部の反射膜コーティング、および、接着材などによる接着工程が必要な構造である。この複雑な製造工程のため、キューブ型のビームスプリッタは低価格化することが難しい光部品である。また、このような構造部品では、特許文献1に開示されているように、干渉縞が発生し、発振光のモニター品質に影響を与えることが知られている。
In FIG. 1, cube-
図2は、ウエッジ型の平板ビームスプリッタの構造を示した図である。ウエッジ型の平板ビームスプリッタ20は、キューブ型ビームスプリッタに対して低価格化が期待できる構造を持っている。ウエッジ型のビームスプリッタ20は、表面19(第1の面)に反射膜が、および、裏面18(第2の面)に無反射コート膜がそれぞれ施され、入射面19(第1の面)と裏面18(第2の面)が平行ではなく、数度オフ角が与えられていることに特徴がある。図2では、第1の面19と第2の面18が平行でなく、平行から数度傾いているウエッジ構造において生じる様々な効果を示している。
FIG. 2 is a view showing the structure of a wedge-type flat beam splitter. The wedge-type
通常、ビームスプリッタは光が入射する面(第1の面)には、有限な反射率を持つ反射面を持ち、光が出射する面(第2の面)には、無反射コートを施した無反射コート面を持つ。しかしながら、この無反射コートであっても、光の波長や入射角度によっては微小ながら反射率を持ってしまうことが多く、これが多重反射の原因となり光の干渉を引き起こすことがある。この問題を避けるために、第1の面(表面)に対して第2の面(裏面)の角度を数度オフしたウエッジ構造を用いることが多い。ウエッジ構造を用いると、図2からもわかるように、第1の面19における反射光22と、第1の面19を透過した後に第2の面18で反射した内部1回反射光24とは、ウエッジ面の効果により異なる光線角度で反射する。このため、反射光22と内部一回反射の反射光24はお互いに干渉することなく、第1の面19上の空間を進むにつれ両者は次第に分離される。反射光の延長線上にあるフォトダイオードで光を受信する時には、反射光22のみがフォトダイオードに入射するようにその配置を設計することもできる。同様に透過光についても、主ビーム23および内部2回反射光25は、一定の角度差を持って出射するため、お互いに干渉しない。
Usually, a beam splitter has a reflective surface having a finite reflectance on a surface on which light is incident (first surface), and a non-reflective coating is applied on a surface from which light is emitted (second surface). Has a non-reflective coating surface. However, even this non-reflective coating often has a small reflectance depending on the wavelength and incident angle of light, which may cause multiple reflections and cause light interference. In order to avoid this problem, a wedge structure is often used in which the angle of the second surface (back surface) with respect to the first surface (front surface) is turned off by several degrees. When the wedge structure is used, as can be seen from FIG. 2, the
図3は、実際に用いられているウエッジ型のビームスプリッタの配置構成例を示した図である。図3の配置構成30は、波長ロッカーを構成する場合の代表的なビームスプリッタ配置であり、1度のオフ角を持つウエッジ構造が用いられている。波長ロッカーを構成するため、まず、第1ビームスプリッタ32は、反射面(第1の面)が入射光35の進行方向に対して45度で配置され、フォトダイオード31に対してパワーモニター用の光として入射光の数%を、主ビームから90度上方の方向に分波している。反射されずこの第1ビームスプリッタ32を通過した光は、次に第2ビームスプリッタ33に入射する。第2ビームスプリッタ33は、エタロンなどの波長フィルタ34を配置した側に、図3の下方90度の角度で分波するために、−44.6度の角度で配置されている。
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement configuration example of a wedge-type beam splitter that is actually used. The
図3の構成例では、ファイバー結合の効率が低下しないように、2つのビームスプリッタ32、33でそれぞれウエッジの方向を変えることによって、透過する光線に生じる角度ズレや光軸のシフトを最小にしている。
In the configuration example of FIG. 3, the angle deviation and the optical axis shift generated in the transmitted light beam are minimized by changing the directions of the wedges with the two
しかしながら、図3に示したウエッジ型のビームスプリッタは、対向する2つの面がわずかにオフした面を持つ構造のため、透過した光には、入射角度と異なる微小な角度ズレが発生する。図3の例では、1度のオフ角を持つ第1ビームスプリッタ32において、出射光36は、その光軸が200μm程度下方にシフトした上に、0.8度だけわずかに上方に傾いて第1ビームスプリッタ32を出射している。このため、この出射光線36を再び、進行方向の垂直方向へ分岐するために、第2ビームスプリッタ33は、−44.6度の傾きで配置されている。
However, since the wedge-type beam splitter shown in FIG. 3 has a structure in which two opposing surfaces are slightly off, a slight angle deviation different from the incident angle occurs in the transmitted light. In the example of FIG. 3, in the
上述のように、ウエッジ型のビームスプリッタを使用するためには、その搭載位置や搭載角度の高精度な制御が必要である。図3の例のように、複数回ウエッジ面を光が通過すると、完全に角度ズレを補正できないため、ビームスプリッタの配置構成30を透過する光37には多少の角度ズレが残ってしまう問題もある。さらに、このウエッジ板を用いたビームスプリッタ構造は、その製造の段階において、投入する材料に対して収率が低いという問題がある。
As described above, in order to use the wedge-type beam splitter, it is necessary to control the mounting position and the mounting angle with high accuracy. As in the example of FIG. 3, when the light passes through the wedge surface a plurality of times, the angle deviation cannot be completely corrected. Therefore, there is a problem that some angle deviation remains in the
図4は、ウエッジ型のビームスプリッタ製造時の切断箇所と厚さの関係を説明する図である。ウエッジ型のビームスプリッタの製造過程においては、正確に数度オフした大判の板40がまず作成される。その板に反射膜および無反射膜をコーティングした後で、所望のサイズおよび形状に切断して個々のビームスプリッタとして用いる。大判の板40は、表面45および裏面46を数度オフして形成されているため、切断場所によって、それぞれ厚さ41、42、43が変わることになる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the cut portion and the thickness when manufacturing the wedge-type beam splitter. In the manufacturing process of the wedge-type beam splitter, a large-
通常、波長可変レーザモジュールなどで使用されているウエッジ型のビームスプリッタでは、例えば、0.4mmから0.7mmまでの範囲の厚さを許容している。このような場合でも、製造した大判の材料板40の一部しか使用できない。したがって、大判板40の材料をすべて使用することができず、投入する材料の実際の利用率、すなわち収率が低い。その上に、ビームスップリッタを通過する光は、この厚さの差異のため、通過する光線の軸は、通過の前後で、数百μmもその位置がシフトする。このため、図3のビームスプリッタの配置構成において、−44.6度に配置する第2ビームスプリッタ33の搭載位置を、最初に配置された第1ビームスプリッタ32の厚さに応じて、その都度調整しなくてはならない。
Normally, a wedge-type beam splitter used in a wavelength tunable laser module or the like allows a thickness in a range from 0.4 mm to 0.7 mm, for example. Even in such a case, only a part of the manufactured large-sized
ビームスプリッタ部品の個々によって、またビームスプリッタ部品の製造ロット毎に、透過光線の平行シフトや角度ずれがあれば、波長ロッカー等の装置の製造工程のさまざまな場所で、搭載位置や角度を補正しなくてはならない。この補正作業が、新たな不具合の原因となる場合もある。上述のように、ウエッジ型のビームスプリッタは、多重反射による光学干渉の抑制効果はあるものの、部品として製造する時の収率が悪い。さらには、波長ロッカーの機能を担う部品として使用する場合にも、細かな搭載位置調整などを必要とする。このため、ビームスプリッタ部品単体の価格だけではなく、ビームスプリッタを含むデバイス・ユニット・装置全体の製造工程の複雑・煩雑さ増加および歩留まり低下という観点で、価格を下げる際の障害として大きく影響を与えている。 If there is a parallel shift or angle shift of the transmitted light for each beam splitter component or for each production lot of beam splitter components, the mounting position and angle are corrected at various locations in the device manufacturing process such as wavelength lockers. Must-have. This correction work may cause a new problem. As described above, the wedge-type beam splitter has an effect of suppressing optical interference due to multiple reflection, but has a poor yield when manufactured as a part. Furthermore, even when used as a component that functions as a wavelength locker, fine mounting position adjustment is required. For this reason, not only the price of a beam splitter component alone, but also an increase in the complexity and complexity of the manufacturing process of the entire device, unit, and equipment including the beam splitter, and a reduction in yield, this has a significant impact on reducing prices. ing.
発明者らは、上述のウエッジ型のビームスプリッタの問題を解決するよりも、平行平板型ビームスプリッタの問題点を解決するほうが、波長可変レーザモジュールの低コスト化の要請に応えることができるのではないかとの着想に至った。平行平板型ビームスプリッタは大判加工が可能であり、同一の厚さでほぼ全面から採用できる、このため、投入する材料に対する製品の収率が高く、工程が簡素であるため製造コストが安いというメリットがある。加えて、平行平板であるため、入射光と出射光の間で角度が保存され、角度ズレは生じない。光軸のシフトについては、ビームスプリッタの厚さ分だけ平行に位置シフトを起こすが、厚さによってシフト量を予測および制御ができる。このため、その厚さを精度良く作製すれば、通過する光線行路も反射する光線行路も変化せず、安定したデバイス製作が可能となる。 The inventors can meet the demand for cost reduction of the wavelength tunable laser module by solving the problem of the parallel plate type beam splitter rather than solving the above problem of the wedge type beam splitter. I came up with the idea of being there. Parallel plate beam splitters can be processed in large format and can be adopted from almost the same thickness, so that the product yield is high for the materials to be added and the manufacturing process is simple and the manufacturing cost is low. There is. In addition, since it is a parallel plate, the angle is preserved between the incident light and the emitted light, and no angular deviation occurs. Regarding the shift of the optical axis, a position shift is caused in parallel by the thickness of the beam splitter, but the shift amount can be predicted and controlled by the thickness. For this reason, if the thickness is manufactured with high accuracy, neither the light beam path that passes through nor the light beam path that reflects is changed, and a stable device can be manufactured.
しかしながら、平行平板であるがため、裏面(第2の面)の無反射コートの精度や使用する光の波長によっては多重反射が起きる。ビームスプリッタ内で多重反射が起こると、必ず、主透過ビームや主反射ビームとそれぞれ同じ角度で多重反射光が飛び出す。このため、反射光や透過光には、光の干渉により周期的な光強度の振動が観測されることになる。特に至近距離に設置したモニター用フォトダイオードには、この振動が現れることが多く、波長安定化およびパワーの安定化に影響を与える。 However, since it is a parallel plate, multiple reflection occurs depending on the accuracy of the non-reflective coating on the back surface (second surface) and the wavelength of light used. When multiple reflections occur in the beam splitter, the multiple reflected light always comes out at the same angle as the main transmitted beam and the main reflected beam. For this reason, periodic light intensity oscillations are observed in reflected light and transmitted light due to light interference. In particular, this vibration often appears in a monitoring photodiode installed at a close distance, which affects wavelength stabilization and power stabilization.
上述の平行平板のビームスプリッタにおける多重反射の問題を解決できれば、多くの問題があるウエッジ型のビームスプリッタを使用する必要性がなくなり、ビームスプリッタ単品のコスト削減とともに、光モジュールなどデバイスの製造時間短縮や歩留向上も可能となる。本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、平行平板型ビームスプリッタ構造における、多重反射光の問題を解決するところにある。また、平行平板ビームスプリッタ単体、平行平板ビームスプリッタを用いたユニット・装置のコストを低減し、製造時間短縮および歩留向上を実現する。 If the problem of multiple reflection in the parallel plate beam splitter described above can be solved, there is no need to use a wedge-type beam splitter that has many problems, reducing the cost of a single beam splitter and shortening the manufacturing time of devices such as optical modules. And the yield can be improved. The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to solve the problem of multiple reflected light in a parallel plate beam splitter structure. In addition, the cost of the parallel plate beam splitter alone and the unit and apparatus using the parallel plate beam splitter are reduced, and the manufacturing time is shortened and the yield is improved.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、入射光の一部を反射する第1の面と、前記第1の面に平行であって前記入射光が透過する第2の面とを有する平行平板型のビームスプリッタにおいて、前記第1の面の法線と前記入射光とがなす入射角度をθ0、前記入射光のスポットサイズをω0、空気の屈折率をn0、ビームスプリッタの材料屈折率をn1、とするとき、 In order to achieve the above object, according to the present invention, a first surface that reflects a part of incident light is parallel to the first surface and the incident light is reflected. in There beam splitter parallel plate and a second surface which transmits said first normal and the incident angle of the incident light forms a surface theta 0, the spot size of the incident light omega 0, air Where n 0 is the refractive index of the beam splitter and n 1 is the material refractive index of the beam splitter,
で決定される前記第1の面と前記第2の面と間の厚さtを有し、前記入射光および前記第1の面での反射光によって規定される第3の面に垂直であって、前記第1の面上に、前記第3の面に対して垂直な第1の交線を形成し、前記第2の面における前記入射光の内部反射光が到達することのできる傾斜端面を備え、前記傾斜端面は、前記内部反射光を拡散または吸収するよう動作し、前記入射光の前記ビームスプリッタ内部を透過する透過角 The thickness t between the first surface and the second surface and possess THAT determined, a perpendicular to the third plane defined by the light reflected by the incident light and the first surface An inclined end face that forms a first intersecting line perpendicular to the third face on the first face and allows the internally reflected light of the incident light to reach the second face. The inclined end face operates to diffuse or absorb the internally reflected light, and transmits the incident light through the beam splitter.
と同じ傾斜角度を有するよう構成されていることを特徴とするビームスプリッタである。ここで、スポットサイズとは、光のビームの空間的な強度分布をガウス型とした場合に、最大強度から1/e 2 の強度となる範囲の半径を言う。 It is comprised so that it may have the same inclination angle, It is a beam splitter characterized by the above-mentioned. Here, the spot size refers to a radius in a range from the maximum intensity to the intensity of 1 / e 2 when the spatial intensity distribution of the light beam is a Gaussian type .
請求項2の発明は、請求項1のビームスプリッタであって、前記傾斜端面と平行な第2の傾斜端面であって、前記第1の面での前記反射光と同一の光路を経た戻り光を拡散または吸収するよう動作し、前記第1の交線と、該第2の傾斜端面および前記第1の面で形成される第2の交線との間に、前記入射光のビームスポットを配置することができる第2の傾斜端面をさらに備えたことを特徴とする。ここで、戻り光は、例えば、モニター回路のフィルタ素子や光検出素子から生じる。前記第1の交線、前記第2の交線、および前記2つの傾斜端面を切る断面は、平行四辺形となる。
Invention of
請求項3の発明は、請求項2のビームスプリッタであって、前記第1の交線と前記第2の交線との間の距離は、3ω0以上であることを特徴とする。
A third aspect of the present invention, a beam splitter of
請求項4の発明は、請求項2のビームスプリッタであって、前記第1の交線と前記第2の交線との間の距離は、4ω0以上であることを特徴とする。前記3ω0または4ω0は、発明の詳細な説明における有効幅に対応する。
The invention according to claim 4 is the beam splitter according to
請求項5の発明は、光源の発振光を分岐するために使用される、請求項1乃至4いずれかに記載のビームスプリッタを備えたことを特徴とする波長ロッカーである。本発明のビームスプリッタは、波長可変レーザモジュールに適用することもできる。 A fifth aspect of the present invention is a wavelength locker comprising the beam splitter according to any one of the first to fourth aspects, which is used to branch the oscillation light of a light source. The beam splitter of the present invention can also be applied to a wavelength tunable laser module.
以上説明したように、本発明により、平行平板型ビームスプリッタ構造における、従来技術の多重反射光の問題を解決し、ビームスプリッタ単品のコストを削減するとともに、ビームスプリッタを内部に備えたユニット、光モジュール、光送信機、光信号処理装置などの装置・デバイスの製造時間短縮や歩留向上を実現することができる。 As described above, the present invention solves the problem of the multiple reflected light of the prior art in the parallel plate beam splitter structure, reduces the cost of a single beam splitter, and includes a unit, an optical It is possible to reduce the manufacturing time and improve the yield of devices and devices such as modules, optical transmitters, and optical signal processors.
本発明では、小型で低価格が期待できる、平行平板型ビームスプリッタに直目し、従来技術における、スプリッタの裏面(第2の面)の無反射コートの不十分さから生じる干渉の影響を抑制した新しい平行平板型ビームスプリッタの構成およびその設計手法を提案する。さらに、本発明の平行平板ビームスプリッタを用いた波長ブロッカーなどのユニット、光モジュール、光送信機、光信号処理装置も含む。 In the present invention, the parallel plate beam splitter that can be expected to be small in size and low cost is conspicuous, and the influence of interference caused by insufficient antireflection coating on the back surface (second surface) of the splitter in the prior art is suppressed. We propose a new parallel plate beam splitter and its design method. Furthermore, a unit such as a wavelength blocker using the parallel plate beam splitter of the present invention, an optical module, an optical transmitter, and an optical signal processing device are also included.
本発明により、多重反射に起因した周期的な光強度の振動が抑えられ、波長安定化やパワーの安定化に影響を与える問題点を解消した平行平板型ビームスプリッタが提供される。本発明では、幾何光学的な設計を用い、平行平板ビームスプリッタの厚さと側面の形状を調整する。ビームスプリッタの内部で反射する光を吸収拡散し、干渉などによって本来の透過光や反射光に与える影響を少なくするとともに、作製出来る最小の形状を提案し、低価格化および小型化を両立する。以下、最初に、行平板型ビームスプリッタの問題点を詳細に説明し、その後、本発明の新しい平行平板型ビームスプリッタの構成および設計手法について説明する。 According to the present invention, there is provided a parallel plate beam splitter in which periodic light intensity vibrations caused by multiple reflections are suppressed, and problems that affect wavelength stabilization and power stabilization are solved. In the present invention, the geometrical optical design is used to adjust the thickness and side shape of the parallel plate beam splitter. It absorbs and diffuses the light reflected inside the beam splitter, reduces the influence on the original transmitted light and reflected light due to interference, etc., and proposes the smallest shape that can be manufactured, thereby achieving both low cost and small size. Hereinafter, first, the problems of the row plate beam splitter will be described in detail, and then the configuration and design method of the new parallel plate beam splitter of the present invention will be described.
図5は、従来技術の構成の平行平板型ビームスプリッタにおける問題点を説明する図である。図5の(a)は、1本の光線について多重反射光を示した図であり、図5の(b)は、ビームに分布(幅)がある場合の多重反射光を示した図である。図5に示したビームスプリッタは、入射光52、56が入射する表面である反射面の第1の面50と、裏面である無反射コートされた第2の面51から構成される平行平板型のビームスプリッタである。図5の(a)を参照すれば、このビームスプリッタの第1の面50および第2の面51を垂直に貫く各矢印は、各面の法線を表している。法線と入射光52とがなす角、すなわち入射角はθ0であり、第1の面50で反射した反射光53が法線となす角度、すなわち反射角もθ0となる。
FIG. 5 is a diagram for explaining a problem in the parallel plate beam splitter having the configuration of the prior art. FIG. 5A is a diagram showing multiple reflected light for one light beam, and FIG. 5B is a diagram showing multiple reflected light when the beam has a distribution (width). . The beam splitter shown in FIG. 5 is a parallel plate type composed of a
また、ビームスプリッタの材料としては、通常、透過する光の波長帯域で吸収効果の少ない、石英ガラス材等が用いられている。石英ガラス材等の硝材の屈折率n1は、空気の屈折率n0よりも高いため、光は入射角度によらずビームスプリッタの内部を透過できる。この時、ビームスプリッタ内部の屈折角θ1は、スネルの法則によって、入射角度θ0、外側の空気の屈折率n0および内部の材料の屈折率n1から、次式の関係から求められる。 Further, as a material of the beam splitter, a quartz glass material or the like having a small absorption effect in the wavelength band of transmitted light is usually used. Since the refractive index n 1 of a glass material such as quartz glass material is higher than the refractive index n 0 of air, light can pass through the inside of the beam splitter regardless of the incident angle. At this time, the refraction angle theta 1 of the internal beam splitter, by Snell's law, an incident angle theta 0, the refractive index n 1 of the refractive index n 0 and the material inside the outer air is determined from the following relationship.
第1の面50からビームスプリッタの内部に透過した光は、平行平板であるため、入射角度θ1で裏面の第2の面51まで到達し、主ビームは第2の面51から空気中に屈折角θ0で飛び出していく。入射角および出射角が同じとなり、平行平板のビームスプリッタでは、光線の角度は保存されるという特徴があることがわかる。これは、平行平板型のビームスプリッタを採用する1つの利点である。
Since the light transmitted from the
裏面の第2の面51には、通常無反射コートが施され、反射率は十分に低下している。しかしながら、完全に反射率を0とすることはできない。使用する波長帯域が広ければ、使用する波長によっては0.1%オーダーの反射率が残ってしまう。このような場合、入射角度θ1で第2の面51に到達した主ビームの一部は、第2の面51の法線に対して同じ角度θ1で反射され、ビームスプリッタの内部を透過して第1の面50まで到達する。この時、第1の面50の反射面に入射する入射角も、平行平板であるためθ1となる。第1の面50に到達したビームの一部は、第1の面に反射率が設定されているため、入射角と同等のθ1で再び反射され、その他は、反射光55として、屈折角θ0で空気中に飛び出す。
The
ビームスプリッタの内部に再び反射された光は、その後、同様の反射を繰り返す。しかし、複数回反射してビームスプリッタ内部を進むと、光の強度は直ちに−60dB以下まで低下し、無視できるレベルとなる。問題となるのは、1回目の内部反射光55である。第1の面50が反射率3%程度の反射面であって、第2の面51の無反射コート面からの反射が0.1%程度あったとすると、第2の面51における最初の内部反射光(1回目の内部反射光と呼ぶ)は、その大半がそのまま外に出てくることになる。すなわち内部反射光55は、反射光全体(主反射光53および内部反射光55の合計)の3%程度を占めることになる。
The light reflected again inside the beam splitter then repeats the same reflection. However, if the light is reflected a plurality of times and proceeds inside the beam splitter, the light intensity immediately decreases to −60 dB or less, and becomes a negligible level. The problem is the first internally reflected
図5の(b)は、入射光が所定の幅の分布を持っている場合の多重反射光を示している。入射光56は、主光56aの位置を中心として、補助光線56bから補助光線56cの範囲に分布している。図5の(a)の場合とくらべて、矢印の数が増えている点が相違しているが、主反射光57、ビームスプリッタを透過した主ビーム58、および多重反射光59の相互の関係は、図5の(a)と同様である。図5の(b)では、主反射光57の図面右側部分と、多重反射光59の図面左側部分とが完全に重なっており、フォトダイオードで検出されるモニター光は、完全に多重反射光の干渉を受けている。
FIG. 5B shows the multiple reflected light when the incident light has a distribution with a predetermined width. The
このように、従来技術の平行平板ビームスプリッタにおいては、主反射光に、数%程度の比率で、反射経路の違う光が混ざった状態となる。さらに、平行平板ビームスプリッタが使用される実際の波長可変レーザモジュール等のモジュールにおける問題点について、以下説明する。 Thus, in the conventional parallel plate beam splitter, the main reflected light is mixed with light having different reflection paths at a ratio of several percent. Further, problems in a module such as an actual wavelength tunable laser module in which a parallel plate beam splitter is used will be described below.
図6は、ビームスプリッタが使用される実際の波長可変レーザモジュールの構成の概要を示す図である。図6のモジュール65は、近年、多く用いられている光パッケージ(tunable用)と呼ばれる波長可変レーザ用の小型パッケージで(非特許文献4)、内部に半導体レーザや波長ロッカーを内蔵する。この小型パッケージは、従来のバタフライの形状のスタンダードパッケージと比べ、幅が約半分に縮小され、電極ピンが後ろ面の一辺上に配置されているところに特徴がある。パッケージ65の内部には、レーザ素子67、レンズ68および波長ロッカー69が備えられている。波長ロッカー69では、ビームスプリッタの1つによって、主ビームから2%〜5%程度の光を分岐し、その分岐光を使って光パワーをモニターし、同時に光の波長もモニターする仕組みとなっている。
FIG. 6 is a diagram showing an outline of the configuration of an actual wavelength tunable laser module in which a beam splitter is used. The
このような小型波長可変レーザパッケージ65内または波長ロッカー69内で、平行平板型ビームスプリッタを用いた場合には、波長可変レーザからの発振光波長が変わる度に、モニター用に利用する主反射光と、数%の比率で含まれる異なる経路を経た反射光とが干渉し、干渉縞、すなわち数%程度の光の強度揺らぎが観測されることになる。これが、平行平板型ビームスプリッタを用いるときの1つの問題点である。
When a parallel plate beam splitter is used in such a small wavelength
既に述べたように、この干渉の問題の原因となっているのは、第2の面で最初(1回目)の内部反射によって生じる内部反射光である。この1回目の内部反射光を減らす手段としては、ビームスプリッタの厚さを増やす方法がある。しかしながら、ビームスプリッタを厚くするにしたがって、別の、光軸のシフト量71の問題が生じる。
As described above, the cause of this interference problem is the internally reflected light generated by the first (first) internal reflection on the second surface. As a means for reducing the first internally reflected light, there is a method of increasing the thickness of the beam splitter. However, as the beam splitter becomes thicker, another problem of the
図7は、平行平板ビームスプリッタの厚さを変えた場合の光軸のシフトを説明する図である。図7の(a)および(b)は、平行平板ビームスプリッタの第1の面に入射した光72が、スプリッタ内部を透過して、主ビームとしての出射光73、74がそれぞれ得られる場合を示す。(a)のビームスプリッタの厚さt1の場合の出射光と入射光との間の光軸のシフト量71aと、(b)のビームスプリッタの厚さt2の場合の出射光と入射光との間の光軸のシフト量71bとは、明らかに異なる。すなわち、ビームスプリッタがより厚い図7の(b)の場合に、光軸のシフト量71bはより大きくなる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the shift of the optical axis when the thickness of the parallel plate beam splitter is changed. (A) and (b) of FIG. 7 show the case where the light 72 incident on the first surface of the parallel plate beam splitter is transmitted through the inside of the splitter, and the emitted
図8は、平行平板ビームスプリッタの厚さを変えることによる干渉軽減の効果を説明する図である。図8のビームスプリッタ80は、入射光83の一部が反射光84として反射し、残りの入射光はビームスプリッタを透過して、出射光85としてスプリッタから空間へ出射する構成を持つ。入射ビーム83が補助光線83bから補助光線83cの範囲の幅を持って分布している場合を示している。図8に示すように、ビームスプリッタ80の厚さtが大きくなれば、内部反射光86の位置は、図8で向かって右側にシフトし、主反射光84および内部反射光86を、空間的に分離することが可能になる。ただし、厚さtを無制限に大きくすると、ビームスプリッタを透過する前後で、図7によって説明した光軸のシフトが生じる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the effect of reducing interference by changing the thickness of the parallel plate beam splitter. The
さらに、図6で説明をした波長可変レーザモジュールにおいては、ビームスプリッタを含む波長ロッカー69を透過して進む主ビームの光軸の位置が、図6の図面上で、下方向へシフトするシフト量71が増えてしまう。図6に示したような、より小型化が進んだ光パッケージ65内に波長ロッカーを搭載する際には、主ビームの光線行路を確保することが難しくなる問題を生じる。図6に示した小型パッケージ65は、幅が6mmから8mm程度の大きさで、パッケージ内側の幅は最小で5mm程度である。もし、入射光に対して45度に設置したビームスプリッタが1mm程度の厚さを持つとき、ビームスプリッタの材料屈折率を1.5とすれば、透過した光のビームの光軸は約0.5mmシフトする。パッケージ65中心にビームスプリッタが位置するように搭載をしたとすると、0.5mmのシフト量は、パッケージ全体の大きさに対して大きな値である。
Further, in the wavelength tunable laser module described with reference to FIG. 6, the shift amount by which the position of the optical axis of the main beam traveling through the
ビームスプリッタを通過した光(主ビーム)が中心から0.5mmシフトしたとき、パッケージの内壁までの距離は2mm、外壁までの距離は2.5mmとなる。このため、小型パッケージ65に実装される第2のレンズ70の搭載位置も0.5mmシフトさせる必要がある。この場合、小型パッケージ65の外形の幅を6mmとすれば、使用できるレンズの外形寸法は半径2.5mm、直径5mm以下でなければならない。実際のモジュール作製工程では、レンズ位置調整のためのマージンも必要なため、調整量を+/−0.2mmとすれば直径4.6mm以下のレンズを用いることを強いられることになる。このようにビームスプリッタの厚さの設定は他の部品設計にまで影響を与え、場合によってはパッケージサイズ自体の小型化を制限する可能性さえある。したがって、平行平板型のビームスプリッタにおいては、内部反射光を主反射光から分離するのに必要なビームスプリッタ厚の最小値を決めることが重要である。
When the light (main beam) that has passed through the beam splitter is shifted by 0.5 mm from the center, the distance to the inner wall of the package is 2 mm, and the distance to the outer wall is 2.5 mm. For this reason, it is necessary to shift the mounting position of the
本発明によって、上述の平行平板ビームスプリッタの内部反射光の干渉および光軸のシフトを考慮した新たなビームスプリッタの構造の設計方法を提供する。後述する本発明の平行平板ビームスプリッタの厚さtは、内部反射光と主反射光とを空間的に分離するための最小の厚さを規定する。以下、図8に示した各パラメータを使いながら、本発明の平行平板ビームスプリッタの設計方法について説明する。 According to the present invention, there is provided a new beam splitter structure design method in consideration of interference of internally reflected light and shift of the optical axis of the parallel plate beam splitter. The thickness t of the parallel plate beam splitter of the present invention described later defines the minimum thickness for spatially separating the internally reflected light and the main reflected light. Hereinafter, a method of designing the parallel plate beam splitter of the present invention will be described using each parameter shown in FIG.
図8を再び参照すると、平行平板ビームスプリッタ80の第1の面81に入射する主ビーム83のスポットサイズをω0とする。ここで、スポットサイズとは、光のビームの空間的な強度分布をガウス型とした場合に、最大強度から1/e2の強度となる範囲の半径を言う。透過光および反射光の量を計算するにあたって、スポットサイズω0の約1.5倍の範囲を考慮すれば、ビームパワーの98%以上が含まれることになる。この幅を実効的に透過する光の範囲とみなし、ビームスプリッタに入射する主ビームの有効幅を1.5ω0の2倍(直径に換算)、すなわち、3ω0とする。3ω0の有効幅によって、ビームスプリッタを通り抜ける、ほとんどの光の分布を考慮したことになる。図8では、主ビームの中心83aに対して、補助光線83bおよび補助光線83cの間の範囲が、有効幅3ω0に対応する。上述のように、有効幅は、ビームパワーの大部分(例えば98%)が含まれるビームの幅を意味しており、半径に対応するスポットサイズω0ではなくて、ビームの直径に対応することに留意されたい。
Referring again to FIG. 8, the spot size of the
有効幅3ω0の幅の光が入射角θ0で平行平板ビームスプリッタに入射したとすれば、第1の面81(反射面)上の光入射領域2ω1は、次式で求められる。 If light having an effective width 3ω 0 is incident on the parallel plate beam splitter at an incident angle θ 0 , the light incident region 2ω 1 on the first surface 81 (reflection surface) can be obtained by the following equation.
また、有効幅をより広く取って、スポットサイズω0の約2倍の範囲を考慮した4ω0の幅の光が入射角θ0で入射したとすれば、光入射領域2ω1は、次式で求められる。 Also, taking more widely effective width, if the light of the width of 4Omega 0 Considering approximately twice the range of the spot size omega 0 is incident at an incident angle theta 0, the light entrance region 2 [omega 1, the following equation Is required.
ただし上式において、θ0は第1の面81への入射角である。第1の面からビームスプリッタ80の内部へ入る屈折角θ1は、スネルの法則より次式によって求められる。
However, in the above equation, θ 0 is the angle of incidence on the
ここで、n0は、空気の屈折率であり、n1がビームスプリッタの材料屈折率である。 Here, n 0 is the refractive index of air, and n 1 is the material refractive index of the beam splitter.
図8において、この補助光線83bが第1の面81に到達する点をR0、補助光線83bがビームスプリッタ内部に屈折角θ1で侵入し、第2の面82の裏面に到達した点をR1'とする。さらに、そのR1'から第2の面82に垂直に垂線(法線)を引いて、第1の面81と交わる点をR1、第2の面82に到達した補助光線83bが、第2の面82で反射し、再び、第1の面81に到達する点をR2とする。反射の原理から、R1’およびR1を通る、2つの面の法線と、反射光とのなす反射角もθ1となる。したがって、幾何学的に合同となる直角三角形R0R1’R1および直角三角形R1’R1R2の対応する2辺、R0R1およびR1R2の長さは等しく、この長さLは次式によって表される。
8, the point at which the
Lは、有効ビーム幅に対応する第1の面上で換算したビーム幅を表す。ここでLがω1よりも大きければ(2L>2ω1)、主反射光84および内部反射光86は交わり部分が無くなり、空間的に分離される。この関係は、Lに関する不等式で次のように表せる。
L represents the beam width converted on the first surface corresponding to the effective beam width. Here, if L is larger than ω 1 (2L> 2ω 1 ), the main reflected
式(6)の不等式が成り立つビームスプリッタの厚さtを見つければ良いことになる。式(2)(有効幅が、スポットサイズの約1.5倍の範囲の場合)および式(5)を式(6)に用いると、厚さtについての不等式として変形して、次式が得られる。 It is only necessary to find the thickness t of the beam splitter where the inequality of equation (6) holds. When Expression (2) (when the effective width is in the range of about 1.5 times the spot size) and Expression (5) are used in Expression (6), the following expression is transformed as an inequality for thickness t. can get.
式(7)によってビームスプリッタの厚さtを決定すれば、主反射光84および内部反射光86を空間的に分離し、かつ最小の厚さの平行平板型ビームスプリッタを製作することができる。
If the thickness t of the beam splitter is determined by the equation (7), the
したがって、本発明は、入射光の一部を反射する第1の面と、前記第1の面に平行であって前記入射光が透過する第2の面とを有する平行平板型ビームスプリッタにおいて、前記第1の面の法線と前記入射光とがなす入射角度をθ0、前記入射光のスポットサイズをω0、空気の屈折率をn0、ビームスプリッタの材料屈折率をn1、とするとき、 Accordingly, the present invention provides a parallel plate beam splitter having a first surface that reflects a part of incident light and a second surface that is parallel to the first surface and transmits the incident light. The incident angle between the normal of the first surface and the incident light is θ 0 , the spot size of the incident light is ω 0 , the refractive index of air is n 0 , and the material refractive index of the beam splitter is n 1 . and when,
しかしながら、ビームスプリッタの厚さだけを規定したこの構造では、主反射光84および内部反射光86は隣接して分布しており、依然として、光を受光するフォトダイオードの大きさや位置によっては、同時に二つの光を受光することできる。また、フォトダイオードで直接受光されないとしても、内部反射光86はビームスプリッタから空間に出射してしまう。内部反射光86は、図6に示したようなパッケージ内の壁面などで反射し、他のモニタフォトダイオードに到達することもある。したがって、平行平板ビームスプリッタにおける多重反射による干渉をより効果的に抑えるためには、ビームスプリッタ内部から出射する反射光そのものを除去し、または、拡散することが必要となる。
However, in this structure which defines only the thickness of the bi chromatography beam splitter, a main reflected
式(7)によって与えられた最小値のビームスプリッタ厚tを持つビームスプリッタ内部では、主ビームが第1の面81および第2の面82を透過する経路と、内部反射光の反射経路とは、一応の分離がされている。ここで、第2の面82で発生する内部反射光が再び第1の面81に到達するまでの領域自体を無くしてしまえば、内部反射光がビームスプリッタの外に放出されなくなり、主反射光84と同一の行路を通ることもなくなる。
Inside the beam splitter having the minimum beam splitter thickness t given by equation (7), the path through which the main beam passes through the
図9は、本発明の平行平板ビームスプリッタにおいて、内部反射光が出射する領域を除去した構成を説明する図である。図9のビームスプリッタ90は、入射光93の一部が反射光94として反射し、残りの入射光はビームスプリッタを透過して、出射光95としてスプリッタから空間へ出射する構成を持つ。平行平板ビームスプリッタ90への入射光93の入射角θ0、第2の面92における内部反射光の反射角θ1、各点を表す符合R0、R1、R2等は図8と同様である。すなわち、図9において、ビームスプリッタ90に入射する主ビーム93の有効幅に対応する補助光線93bがビームスプリッタの内部を透過して、第2の面92で反射し、再び第1の面91に戻る位置R2とする。R2は、内部反射光96が第1の面91から出射しようとするときの、最も主反射光94に近い限界位置である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a configuration in which a region where internally reflected light is emitted is removed in the parallel plate beam splitter of the present invention. The
図9に示すように、R2点より右側の部分を内部屈折角θ1でと平行な傾斜端面97を形成するように加工すれば、主ビームは、損失なくビームスプリッタ90を通過するが、内部反射光96はこの加工した傾斜端面97により拡散吸収され遮断される。ビームスプリッタによって分岐された先から反射光が戻ってこない場合には、図9の構成によって、入射光が平行平板ビームスプリッタを通過するときに生じる多重内部反射光96を十分に除去することができる。
As shown in FIG. 9, when machining the right part than R2 points so as to form an internal refraction angle theta 1 between parallel
したがって、図9に示した本発明のビームスプリッタの構成は、入射光93および第1の面91での反射光94によって規定される第3の面に垂直であって、第1の面91上に、前記第3の面に対して垂直な第1の交線を形成し、第2の面92における前記入射光の内部反射光96が到達することのできる傾斜端面97を備え、この傾斜端面97は、内部反射光96を拡散または吸収するよう動作し、入射光93のビームスプリッタ内部を透過する透過角
Therefore, the configuration of the beam splitter of the present invention shown in FIG. 9 is perpendicular to the third surface defined by the
と同じ傾斜角度を有するよう構成されている。第3の面は、入射光93および反射光94を含む面と言うこともできる。また第1の交線は、図9のR2の位置に対応する、第1の面と傾斜端面97との稜線に対応する。
It is comprised so that it may have the same inclination angle. It can be said that the third surface is a surface including the
図9の構成のビームスプリッタ90に入射する主ビーム93の位置は制御されている必要がある。有効幅をスポットサイズの約1.5倍の範囲とした場合、主ビーム93のビームスプリッタへの入射位置は、図9でR2点より、左側に2Lだけ戻った点R0からビームの有効幅1.5ω0以上R2方向に戻した点までの範囲である必要がある。また、有効幅をスポットサイズの約2倍の範囲とした場合は、図9でR2点より、左側に2Lだけ戻った点R0からビームの有効幅2ω0分だけ以上R2方向に戻した点である必要がある。このとき、式(3)(有効幅が、スポットサイズの約2倍の範囲の場合)および式(5)を式(6)に用いて、式(7)に対応する次式を利用してビームスプリッタの厚さtを決定する点に留意されたい。
The position of the
図9の構成によって、平行平板ビームスプリッタにおける多重内部反射光を十分に除去することができる。平行平板型のビームスプリッタを使用することで、ウエッジ型のビームスプリッタの必要性がなくなり、ビームスプリッタ自体の製造における収率が大幅に向上する。ビームスプリッタ単品のコスト削減とともに、個別のスプリッタに対応した位置・角度調整が大幅に簡単化され、光モジュールなどデバイスまたは装置における製造時間の短縮や歩留向上が可能となる。 With the configuration of FIG. 9, the multiple internally reflected light in the parallel plate beam splitter can be sufficiently removed. By using a parallel plate type beam splitter, the need for a wedge type beam splitter is eliminated, and the yield in manufacturing the beam splitter itself is greatly improved. In addition to reducing the cost of a single beam splitter, position and angle adjustments corresponding to individual splitters are greatly simplified, making it possible to shorten manufacturing time and improve yield in devices or apparatuses such as optical modules.
上述のように図9に示した構成によって平行平板ビームスプリッタの第2の面で生じる内部反射光をビームスプリッタの外部に出さないようにできる。これによって、主反射光のモニター時において、光の干渉により周期的な光強度の振動が観測されることもなくなる。しかしながら、図9の構成のビームスプリッタを波長ロッカー等に使用した場合、波長ロッカー内に搭載したエタロンフィルタ等からの反射光が、主反射光94と同一光線行路で戻り光として戻ってくる。この戻り光に対応するために、図9の構成をさらに修正することが好ましい。
As described above, the configuration shown in FIG. 9 can prevent the internally reflected light generated on the second surface of the parallel plate beam splitter from being emitted to the outside of the beam splitter. As a result, when monitoring the main reflected light, periodic light intensity oscillations are not observed due to light interference. However, when the beam splitter having the configuration shown in FIG. 9 is used for a wavelength locker or the like, reflected light from an etalon filter or the like mounted in the wavelength locker returns as return light on the same ray path as the main reflected
図10は、本発明の主反射光の戻り光にも対処した平行平板ビームスプリッタの構成を示す図である。図10の平行平板ビームスプリッタ100は、入射光103の一部が反射光104として反射し、残りの入射光はビームスプリッタを透過して、出射光105としてスプリッタから空間へ出射する構成を持つ。平行平板ビームスプリッタ100は、さらに、主反射光104の先にある光部品からの戻り光に対する多重反射防止する構成を持つ。すなわち、内部反射光が到達する方向の傾斜端面107だけでなく、図10に示すように、反対側の側面も第2の傾斜端面108として同様の屈折角θ1でビームスプリッタを切断するのが好ましい。傾斜端面108の切断位置は、主ビーム103の補助光線103cが第1の面101の反射面に到達した点R0’から、式(5)で導き出した長さLの2倍の、2L分だけ左側にあるR3となる。R3の位置から切断することによって、主ビーム対する内部反射光の除去効果とほぼ同様の、戻り光除去効果を得ることができる。第2の傾斜端面108は、加工した傾斜端面107と同様に、光を拡散吸収して遮断するよう動作する。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a parallel plate beam splitter that also copes with the return light of the main reflected light according to the present invention. 10 has a configuration in which a part of
したがって、図10のビームスプリッタは、傾斜端面107と平行な第2の傾斜端面108であって、第1の面101での反射光104と同一の光路を経た戻り光106を拡散または吸収するよう動作し、第1の交線と、この第2の傾斜端面108および第1の面101で形成される第2の交線との間に、前記入射光103のビームスポットを配置することができる第2の傾斜端面108をさらに備えている。ここで、第2の交線は、第2の傾斜端面108および第1の面101で形成される稜線であって、図10のR3の位置に対応することになる。
Accordingly, the beam splitter of FIG. 10 is a second
図10の構成とすることによって、ビームスプリッタを製造する場合の2次切断の方向が、平行な2つの面107、108となるため、1種類の傾斜端面で済む。このために、一方のみを傾斜端面で切断するために異なる2種類の切断方向を持つ図9の構成とくらべて、ビームスプリッタの製造コストを抑えることができる。その製造工程は、平行平板の光学研磨加工で済むため、厚さの作製バラつきもなく、ロット依存性も少ない。透過後の光軸の位置についても、ビームスプリッタの個体によって変動することがなく、ロット間の依存性も少ない。さらに、本発明の平行平板ビームスプリッタを備えた波長ロッカーの製造工程も簡単化され、ユニット作製のコストを減らし、波長ロッカー全体の歩留まりも大幅に向上できる。
With the configuration shown in FIG. 10, since the secondary cutting direction in the case of manufacturing the beam splitter is two
搭載するパッケージサイズが大きく搭載する部品のサイズを大きくできる場合や、搭載位置決めのマージンを確保する場合は、主ビームの有効幅をより広く取ることができる。すなわち、主ビームの有効幅をスポットサイズω0の1.5倍の1.5ω0(有効幅は、直径換算して3ω0)まで考慮した式(2)の最小設計に基づいて、第1の面での換算ビーム幅Lおよびビームスプリッタ厚さtを計算するのではなく、主ビームの有効幅をスポットサイズω0の2倍の2ω0(有効幅は、直径換算して4ω0)までに拡大した式(3)の設計に基づいて計算することができる。小型化の要請が強くない場合は、余裕を持ってスポットサイズω0の2倍程度まで考慮して、より広い有効幅を採用するのが適切である。この場合は、既に、式(8)として示した。 When the package size to be mounted is large and the size of components to be mounted can be increased, or when a margin for mounting positioning is ensured, the effective width of the main beam can be made wider. That is, 1.5 times the 1.5Omega 0 spot size omega 0 a effective width of the main beam (effective width, 3 [omega] 0 and equivalent diameter) based on the minimum design of the formula (2) with consideration of the first rather than computing the conversion beam width L and the beam splitter thickness t in terms twice the 2 [omega 0 spot size omega 0 a effective width of the main beam (effective width, 4Omega 0 to equivalent diameter) to It can be calculated based on the design of equation (3) expanded to When the demand for downsizing is not strong, it is appropriate to adopt a wider effective width in consideration of up to about twice the spot size ω 0 with a margin. This case has already been shown as equation (8).
さらに、より広い範囲のビーム幅を許容することができる場合、例えば、主ビームの幅としてスポットサイズω0のN倍までの範囲を考慮すると場合は、ビームスプリッタの厚さtは次式のように一般化できる。 Furthermore, when a wider range of beam widths can be tolerated, for example, when considering a range up to N times the spot size ω 0 as the width of the main beam, the thickness t of the beam splitter is given by Can be generalized to:
ビームスプリッタの側面の切断位置等を決めるLは、上式で求められた最小の厚さtに対して同様に式(5)を用いれば、最小のLの値を求めることができる。ビームスプリッタの内部反射光を効率良く除去し、主ビーム光を損失無く反射および透過させ、いわゆるケラレの生じない平行平板型ビームスプリッタを製作することができる。以下、本発明の設計方法によって得られた平行平板ビームスプリッタのより具体的な実施例について説明する。 L, which determines the cutting position of the side surface of the beam splitter, can be obtained as a minimum L value by using the same equation (5) for the minimum thickness t obtained by the above equation. A parallel plate type beam splitter that does not cause so-called vignetting can be manufactured by efficiently removing the internally reflected light of the beam splitter and reflecting and transmitting the main beam light without loss. Hereinafter, more specific examples of the parallel plate beam splitter obtained by the designing method of the present invention will be described.
図11は、本発明の設計方法を用いて製作した平行平板ビームスプリッタを搭載した波長ロッカーの構成を示す図である。波長ロッカー110は、約4mm角の窒化アルミ基板上にアイソレータ、第1の平行四辺形型ビームスプリッタ112、第2の平行四辺形型ビームスプリッタ113、エタロンフィルタ114、および2つのフォトダイオード115、116を搭載した構成になっている。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a wavelength locker equipped with a parallel plate beam splitter manufactured using the design method of the present invention. The
主ビーム117aが、図面左から波長ロッカー110に入射し、検光子、ファラデー回転子、検光子、ファラデー回転子、検光子の順に積層した1.5段アイソレータ111を通過し、さらに、第1の面を45度に配置した第1の平行四辺形型ビームスプリッタ112に到達する。第1の平行四辺形型ビームスプリッタ112の第1の面の表面には、5%の反射膜が配置され、入射光の95%はそのまま第1の平行四辺形型ビームスプリッタ112を貫いて、波長ロッカー110外部のレンズおよび光ファイバーへと結合される。第1の平行四辺形型ビームスプリッタ112で垂直方向(図面上向き)に反射された5%の光は、続いて−45度に配置された第2の平行四辺形型ビームスプリッタ113に到達する。
The
第2の平行四辺形型ビームスプリッタ113では、2:1の比率、すなわち反射67%透過33%の割合で光線を分岐する。67%の反射光は、エタロンフィルタ114へ、さらに、波長モニター用フォトダイオード115へと導かれる。一方、33%の分岐光119は、第2の平行四辺形型ビームスプリッタ113を貫いて、パワーモニター用のフォトダイオード116に導かれる。
The second
本発明の平行四辺形型ビームスプリッタ112、113を使用することによって、内部反射光121は傾斜端面で吸収拡散され、また、エタロンフィルタ114からの戻り光122も傾斜端面で吸収拡散される。入射光117aのソースである半導体レーザ(図11には示さず)は、その出射角(ファーフィールドパターン)が、縦方向(図11の図面に垂直方向)について35度、横方向(図11の図面の面内で入射光117aに垂直方向)について19度の半値全幅の広がり角を持つ。開口数NAが0.6のレンズとの組み合わせによって作り出されるコリメータビーム径のスポットサイズは、縦方向が約0.4mm、横方向が約0.2mmとなる。
By using the
図11の波長ロッカーでは横方向へ分岐するビームスプリッタ112、113が必要であり、入射光117aの横方向のスポットサイズ約0.2mmである。したがって、有効ビーム径をスポットサイズω0の1.5倍の0.3mmの場合、および、スポットサイズω0の2倍の0.4mmの場合の2通りについて設計した。ビームスプリッタの材料(硝材)として、屈折率が波長1550nmで約1.5の鉛フリーガラスを用いた。入射角が45度の平行平板スプリッタを想定すると、45度傾いた第1の面上では、式(2)および式(3)からそれぞれ、ω1が、0.4243mmおよび0.5657mmと求まる。
The wavelength locker of FIG. 11 requires
スプリッタの幅(主ビームおよび主反射光を含む面と第1の面との交線の長さ)は少なくても2ω1が必要であることから、有効ビーム径がスポットサイズω0の1.5倍および2倍の2通りについて、それぞれ0.8486mmおよび1.1314 mm以上が必要となる。式(7)および式(8)から、ビームスプリッタの厚さtの最小値は、約0.8mmおよび約1.05mmとなる。この時、ビームスプリッタ112、113を通過する各光線の光軸がシフトする量は、それぞれ0.43mmおよび0.56mmとなる。光軸のシフト量が0.5mmを超えると、先にも説明した出力光線の位置の制限を受ける。このため、本実施例では、部品搭載のマージンはやや少ないものの、2つの設計のいずれも厚さ0.8mmでビームスプリッタを製作した。
Since the splitter width (length of the line of intersection of the main beam and the surface of the first surface including a main reflection light) is required 2 [omega 1 be less effective beam diameter of the
図12は、実施例1で実際に搭載したビームスプリッタの構造を示す図である。図12の(a)は第1のビームスプリッタ112を、(b)は第2のビームスプリッタ113を示す。図12の(a)で第1のビームスプリッタの面124は入射面であり、反射率5%の反射膜をコーティングした。また、(b)で第2のビームスプリッタの面125は入射面であり、66%の反射膜をコーティングした。面124、125の各対向面123は、無反射コーティングされている。入射面124、125の幅は、搭載時の作業性も考慮して1mmと多少広く設計している。側面の加工は屈折率から計算した屈折角28度を考慮して、内角62度および118度の組み合わせとした。
FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of the beam splitter actually mounted in the first embodiment. 12A shows the
図13は、実施例1の波長ロッカーをパッケージ内に収容した光モジュールの構成を示す図である。光パッケージの内部には、レーザ131、第1のレンズ132、波長ロッカー133が含まれる。第2のレンズ136から出力光135が出射する。波長ロッカー133には、本発明の平行平板ビームスプリッタ134が含まれている。図13の構成では、本発明の平行平板ビームスプリッタ134の部品が一定の形状で作製されるので、光軸のシフト量のばらつきは非常に少なく、ほぼ一定である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of an optical module in which the wavelength locker of Example 1 is accommodated in a package. Inside the optical package, a
図11に示した波長ロッカーの挿入損失は、第1の平行四辺形型ビームスプリッタ112の反射率分に対応する5%相当(0.2dB)となる。作製した波長ロッカーの挿入損失の実測値は約5.8%(0.26dB)であり、0.8%程度(0.06dB)の過剰損失があるが、ほぼ理論どおりの挿入損失が得られた。また、反射した5%のモニター光のうちフォトダイオードには全体で約1/4の光が入射する設計で、1mWの入射光117aを与えた。フォトダイオードのピーク強度は、それぞれ、第1のビームスプリッタ112で5μA、第2のビームスプリッタ113で12μAとなり、ほぼ理論通りの受光レベルが得られた。また、波長を1530nm〜1560nmの範囲で掃引したが、波長モニター用フォトダイオード115で観測された波長依存の振幅変動は、測定限界以下でほとんど観測されなかった。
The insertion loss of the wavelength locker shown in FIG. 11 is equivalent to 5% (0.2 dB) corresponding to the reflectance of the first
上述のように、本発明の平行平板型ビームスプリッタの設計方法を用いて作製した平行四辺形化した平行平板ビームスプリッタは、十分な性能で波長ロッカー用に機能することが確認できた。ビームスプリッタを平行四辺形化することによって、投入される材料に対する収率も大幅に向上し、製造工程自体が簡単化されるために、ビームスプリッタの製造コストを抑えることができる。本発明のビームスプリッタは平行平板の光学研磨加工によって作製できるため、厚さのバラつきもなく、製造ロットの依存性も少ない。透過光の光軸の位置がビームスプリッタの個体、製造ロットによって変動することがない。さらに、本発明のビームスプリッタを内部に備えた波長ロッカー等のユニット・装置の製造工程も簡単化される。本発明のビームスプリッタによって、波長ロッカー作製のコストを減らし、波長ロッカー全体の歩留まりも大幅に向上できた。 As described above, it was confirmed that the parallelogram-shaped parallel plate beam splitter manufactured using the parallel plate beam splitter design method of the present invention functions as a wavelength locker with sufficient performance. By making the beam splitter into a parallelogram, the yield with respect to the material to be introduced is greatly improved and the manufacturing process itself is simplified, so that the manufacturing cost of the beam splitter can be suppressed. Since the beam splitter of the present invention can be manufactured by optical polishing processing of parallel plates, there is no variation in thickness and the dependence on the production lot is small. The position of the optical axis of the transmitted light does not vary depending on the individual beam splitter and the production lot. Furthermore, the manufacturing process of a unit / device such as a wavelength locker provided with the beam splitter of the present invention is simplified. With the beam splitter of the present invention, the cost of manufacturing the wavelength locker can be reduced, and the overall yield of the wavelength locker can be greatly improved.
以上詳細に述べたように、本発明により、従来技術の平行平板型ビームスプリッタ構造における、多重反射光の問題を解決し、ビームスプリッタ単体のコストを削減するとともに、ビームスプリッタを内部に備えたユニット、光モジュール、光送信機、光信号処理装置などの装置・デバイスの製造時間短縮や歩留向上を実現することができる。 As described above in detail, the present invention solves the problem of multiple reflected light in the parallel plate beam splitter structure of the prior art, reduces the cost of the beam splitter alone, and includes the unit having the beam splitter inside. It is possible to reduce the manufacturing time and improve the yield of devices and devices such as optical modules, optical transmitters, and optical signal processors.
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、光送信機および光送信モジュールに用いられる。 The present invention is generally applicable to an optical communication system. In particular, it is used for an optical transmitter and an optical transmission module.
1、67、131 レーザ光源
2、10、132、136 レンズ
20、32、33、40 ウエッジ型ビームスプリッタ
21、83、93、103 入射光
22、84、94、104 反射光
23、85、95、105 出射光
50、81、91、101 第1の面
51、82、92、102 第2の面
80、90,100 平行平板型ビームスプリッタ
97、107、108 傾斜端面
110、133 波長ロッカー
114 エタロン
115、116 フォトダイオード
1, 67, 131 Laser
Claims (5)
前記第1の面の法線と前記入射光とがなす入射角度をθ0、前記入射光のスポットサイズをω0、空気の屈折率をn0、ビームスプリッタの材料屈折率をn1、とするとき、
で決定される前記第1の面と前記第2の面と間の厚さtを有し、
前記入射光および前記第1の面での反射光によって規定される第3の面に垂直であって、前記第1の面上に、前記第3の面に対して垂直な第1の交線を形成し、前記第2の面における前記入射光の内部反射光が到達することのできる傾斜端面を備え、
前記傾斜端面は、前記内部反射光を拡散または吸収するよう動作し、前記入射光の前記ビームスプリッタ内部を透過する透過角
と同じ傾斜角度を有するよう構成されていること
を特徴とするビームスプリッタ。 A first surface for reflecting a portion of the incident light, the beam splitter of said parallel plate and a second surface on which the incident light is transmitted which is parallel to the first surface,
The incident angle formed by the normal of the first surface and the incident light is θ 0 , the spot size of the incident light is ω 0 , the refractive index of air is n 0 , and the material refractive index of the beam splitter is n 1 . and when,
The thickness t between the first surface and the second surface possess THAT determined,
A first intersection line that is perpendicular to the third surface defined by the incident light and the reflected light at the first surface and is perpendicular to the third surface on the first surface Comprising an inclined end surface that can be internally reflected by the incident light on the second surface,
The inclined end surface operates to diffuse or absorb the internally reflected light, and transmits a transmission angle of the incident light that passes through the beam splitter.
The beam splitter is configured to have the same tilt angle .
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