(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交する２つの偏光の一方を反射し、もう一方を透過させる誘電体多層膜が形成された偏光分離素子（ＰＢＳ）キューブを含む偏光分離素子であって、
第１のＰＢＳキューブの光の入射面と直交する面に、平行平板を介して第１の偏光回転反射器が接合された第１の光学ブロックであって、前記第１の偏光回転反射器は、入射された偏光を９０度回転させ、かつ光ビームの進行方向を反転させる、第１の光学ブロックと、
第２のＰＢＳキューブの光の入射面と対向する面に、第２の偏光回転反射器が接合された第２の光学ブロックであって、前記第１の偏光回転反射器は、入射された偏光を９０度回転させ、かつ光ビームの進行方向を反転させ、前記第１の光学ブロックの前記第１のＰＢＳキューブの光の入射面と対向する面と、前記第２のＰＢＳキューブの光の入射面とが接合され、前記第１のＰＢＳキューブの偏光分離面と前記第２のＰＢＳキューブの偏光分離面とが平行である、第２の光学ブロックとを備え、
前記第１のＰＢＳキューブの光の入射面に入射された光の進行方向の厚さ、および偏光分離面により直交する光の進行方向の厚さをＬとしたとき、前記第２のＰＢＳキューブの光の入射面に入射された光の進行方向の厚さ、および偏光分離面により直交する光の進行方向の厚さもＬであり、前記平行平板の厚さは、１／２Ｌであり、前記第１および第２の偏光回転反射器は、１／４波長板とミラーとを含むことを特徴とする偏光分離素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波分離素子に関し、より詳細には、波長選択スイッチなどの光回路において偏波ダイバーシティを実現する偏波分離素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットなどのデータ通信ネットワークの爆発的な普及により、光通信ネットワークの大容量化の要求がますます強くなっている。このようなネットワーク需要の拡大に対応するために、空間的に光ビーム経路を構築する空間型光モジュールが実用化されている。このような光モジュールの内部では、光を直交する２つの偏波成分に分離する機能を有する偏波分離素子（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）がしばしば用いられる。
【０００３】
例えば、波長選択スイッチなどによく用いられる、液晶を用いた位相変調素子であるＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）は、特定の向きの直線偏波でのみ動作する。そのため、入力光を直交する２つの直線偏波に分離し、そのうち片方の偏光の向きを９０度回転させて、ＬＣＯＳが動作する偏波に等化するためにＰＢＳが用いられる。ＬＣＯＳのように偏波に依存する素子を用いながらも、波長選択スイッチ全体としては、双方の偏波を利用した動作を実現する仕組みを偏波ダイバーシティと呼ぶ。
【０００４】
図１に、従来の偏波分離素子（ＰＢＳ）の構成を示す。誘電体多層膜フィルタとブリュースタ効果とを組み合わせたキューブ型ＰＢＳ１０１（以下、ＰＢＳキューブともいう）の一例である。キューブ型ＰＢＳ１０１は、三角柱形状の２つのガラスブロック（４５°プリズム）１０２，１０３を貼り合せて四角柱の形状とし、その接合面に誘電体多層膜１０４が形成されている。誘電体多層膜１０４は、直交する２つの偏波の一方（以下、Ｓ偏光という）を反射し、もう一方（以下、Ｐ偏光という）を透過するよう設計されており、ｘｙ平面の一方の面から入射された光ビームは、誘電体多層膜１０４で偏波分離され、対向するｘｙ平面からＰ偏光が出射され、ｘｚ平面の一方の面からＳ偏光が出射される。
【０００５】
図２に、従来のキューブ型ＰＢＳを用いた偏波ダイバーシティの例を示す。非特許文献１に開示されている波長選択スイッチには、上述したキューブ型ＰＢＳ１０１と４５°プリズム２０２とを貼り合せたＰＢＳ２０１が使用されている。４５°プリズム２０２により、キューブ型ＰＢＳ１０１のｘｚ平面から出射されたＳ偏光の光路を９０度変換して、Ｐ偏光およびＳ偏光の光軸がｚ軸と平行になるようにする。これにより、２つの偏波を、レンズ、ＬＣＯＳからなる１つの空間光学系を用いて処理することができる。
【０００６】
図３に、従来のケスタープリズム型ＰＢＳの構成を示す。波長分離用途に一般的に用いられるケスタープリズムと呼ばれるプリズムを、偏波分離用途に応用したものである。ケスタープリズム型ＰＢＳ３０１は、断面が直角三角形の２つの三角柱のガラスブロック３０２，３０３を貼り合せて三角柱形状とし、その接合面に誘電体多層膜３０４が形成されている。ガラスブロック３０３の斜面から入射された光ビームは、誘電体多層膜３０４で偏波分離され、ガラスブロック３０２のｘｙ平面からＰ偏光が出射され、ガラスブロック３０３のｘｙ平面からＳ偏光が出射される。
【０００７】
ケスタープリズム型ＰＢＳ３０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光の光軸がｚ軸と平行になり、かつ偏波分離した点からＰＢＳの出射端面までの両偏波の光路長が等しいという特徴を有している。
【０００８】
その他の従来のＰＢＳとして、複屈折結晶を用いた素子、偏光分離版（ディスプレーサ）、サヴァール板、ウォラストンプリズム、ロションプリズムなどが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】K. Suzuki, Y. Ikuma, E. Hashimoto, K. Yamaguchi, M. Itoh, T. Takahashi, “Ultra-High Port Count Wavelength Selective Switch Employing Waveguide-Based I/O Frontend”, presented at the Opt. Fiber Commun. Conf., Los Angeles, CA, USA, 2015, Paper Tu3A.7.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に開示されている波長選択スイッチの光学系においては、両偏波ビームの光路長が異なっているという問題がある。図２から明らかなように、ＰＢＳ２０１において、Ｓ偏光は４５°プリズム２０２を経由して出射されるが、Ｐ偏光はキューブ型ＰＢＳ１０１から出射される。キューブ型ＰＢＳ１０１のｙ軸、ｚ軸の一辺の長さをＬとすれば、両偏波ビームの光路長はＬだけ異なった状態で出射されることになる。
【００１１】
この光路長差は、波長選択スイッチの光学特性を劣化させる場合がある。例えば、非特許文献１の図２に示されているように、両偏波ビームは、同一のＬＣＯＳ上に焦点を結ぶが、伝搬した距離が偏波ごとに異なるため、両偏波のビームウェスト位置がＬＣＯＳ上で一致することはない。そのために、過剰損失が発生するという問題があった。また、ＬＣＯＳ面上において、両偏波ビーム間でビーム径が異なることに起因して、透過帯域特性にも劣化が発生する。この光路長差を補正するために、光路長補正用の基板を挿入することが考えられるが、新たな部品を追加することになり、コスト増加の要因となる。
【００１２】
一方、ケスタープリズム型ＰＢＳ３０１は、両偏波の光路長が等しいという特徴を有しているため、これを用いた光学系では上記のような光路長差に起因する問題は発生しない。しかしながら、入射する光ビームのビーム径に対して、誘電体多層膜３０４の面積が大きいため、誘電体多層膜の成膜コストが高いという問題があった。
【００１３】
また、ガラスブロック３０３においては、入射面となる斜面が反射面も兼ねているため、光ビームが入射する位置には無反射コート、Ｓ偏光が反射する位置には高反射率コートを施す必要がある。つまり、同一の面において、位置によって異なる表面加工を施す必要があり、コスト増加の要因となる。
【００１４】
以上述べたように、ＰＢＳを用いた光学系において、両偏波の光路長差を等しくするためには、新たな部品の追加、成膜コスト、加工コストなどの製造コストが高くなるという問題が生じていた。
【００１５】
さらに、ケスタープリズム型ＰＢＳ３０１では、両偏波がＰＢＳ内で経験する反射の回数が異なるという問題がある。図３から明らかなように、Ｓ偏光は誘電体多層膜３０４で１回、ガラスブロック３０３の斜面で１回の計２回反射するのに対して、Ｐ偏光はガラスブロック３０２の斜面で１回だけ反射する。この差は、ケスタープリズム型ＰＢＳ３０１から出射されるとき、両偏波の間で光ビーム像が反転することを意味している。光ビーム像が反転する場合、光学系によっては不都合が生じる場合がある。
【００１６】
例えば、ＰＢＳの前段に回折格子が配置され、波長によって伝搬角度が異なっている光線を偏波分離する光学系では、両偏波の間で波長の長短が逆転してしまう。これを解消するためには、どちらかの偏波の出射ビームに、光ビーム像を反転させるためのダブプリズムを挿入することが考えられるが、新たな部品を追加することになり、コスト増加の要因となる。
【００１７】
図４に、従来の改良されたＰＢＳの一例を示す。両偏波の間で反射回数の差が偶数回であれば、両偏波の間で光ビーム像の反転は起きない。そこで、図２に示したキューブ型ＰＢＳ１０１と４５°プリズム２０１とを組合せた構成を改良したＰＢＳ４０１を示す。Ｓ偏光は、ガラスブロック４０２，４０３の接合面に形成された誘電体多層膜４０４で偏波分離され、反射されて、さらにガラスブロック４０５の内部で反射して、ｚ軸方向に出射される。Ｐ偏光は、誘電体多層膜４０４を透過して、ガラスブロック４０３，４５°プリズム４０６において２回反射して、ｚ軸方向に出射される。
【００１８】
加えて、ガラスブロックの各々を図に示した形状とすることにより、両偏波ビームの光路長（誘電体多層膜４０４の偏波分離点から、ガラスブロック４０５，４５°プリズム４０６のそれぞれの出射面までの長さ）を等しくすることができる。ガラスブロック４０２のｙ軸の一辺の長さをＬとすれば、両偏波ビームの光路長は、それぞれ２．５Ｌとなって等しい。
【００１９】
この構成によれば、両偏波の間で反射の回数が等しいので、光ビーム像の反転がなく、光路長も等しいＰＢＳを実現することができる。しかしながら、ガラスブロックを組み合わせた全体の大きさが大きくなってしまい、各々のガラスブロックの形状が複雑であり、製造が難しいという問題が生じる。また、両偏波の出力ビームの間隔は、図２の構成ではＬだが、図４の構成では２Ｌと広くなってしまう。出力ビームの間隔が広がると、後段に設置される光学系の間隔も広くせざるを得ず、波長選択スイッチ等のサイズも大きくなってしまうという問題点もある。
【００２０】
以上述べたように、従来のＰＢＳにおいては、（１）両偏波の間で光路長差を生じる、（２）両偏波の間で光ビーム像が反転する、（３）両偏波の出力ビームの間隔が広い、（４）製造コストが高いといった問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の目的は、上述した（１）〜（４）の少なくとも２以上の問題点を解消し、光学特性の良い偏波分離素子（ＰＢＳ）を提供することにある。
【００２２】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、直交する２つの偏波（偏光）の一方を反射し、もう一方を透過させる誘電体多層膜が形成された偏波（偏光）分離素子（ＰＢＳ）キューブを含む偏波（偏光）分離素子であって、第１のＰＢＳキューブの光の入射面と直交する面に、平行平板を介して第１の偏光回転反射器が接合された第１の光学ブロックであって、前記第１の偏光回転反射器は、入射された偏光を９０度回転させ、かつ光ビームの進行方向を反転させる、第１の光学ブロックと、第２のＰＢＳキューブの光の入射面と対向する面に、第２の偏光回転反射器が接合された第２の光学ブロックであって、前記第２の偏光回転反射器は、入射された偏光を９０度回転させ、かつ光ビームの進行方向を反転させ、前記第１の光学ブロックの前記第１のＰＢＳキューブの光の入射面と対向する面と、前記第２のＰＢＳキューブの光の入射面とが接合され、前記第１のＰＢＳキューブの偏波（偏光）分離面と前記第２のＰＢＳキューブの偏波（偏光）分離面とが平行である、第２の光学ブロックとを備え、前記第１のＰＢＳキューブの光の入射面に入射された光の進行方向の厚さ、および偏光分離面により直交する光の進行方向の厚さをＬとしたとき、前記第２のＰＢＳキューブの光の入射面に入射された光の進行方向の厚さ、および偏光分離面により直交する光の進行方向の厚さもＬであり、前記平行平板の厚さは、１／２Ｌであり、前記第１および第２の偏光回転反射器は、１／４波長板とミラーとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、一実施態様によれば、誘電体多層膜の偏波分離点から、４５°プリズムの出射面までの光路長は両偏波の間で等しく、偏波分離素子から出射される両偏波の出力ビームの間隔が広がることがなく、光学特性の良い偏波分離素子を実現することができる。また、４５°プリズムの形状の構成要素のみからなるので製造も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の偏波分離素子（ＰＢＳ）の構成を示す図である。
【図２】従来のキューブ型ＰＢＳを用いた偏波ダイバーシティの例を示す図である。
【図３】従来のケスタープリズム型ＰＢＳの構成を示す図である。
【図４】従来の改良されたＰＢＳの一例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかるＰＢＳの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかるＰＢＳの構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかるＰＢＳの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図５に、本発明の第１の実施形態にかかるＰＢＳの構成を示す。ＰＢＳ５０１は、光学ブロック５１１と４５°プリズム５０５とから構成され、光学ブロック５１１は、三角柱形状の２つのガラスブロック（４５°プリズム）５０２，５０３を貼り合せて四角柱の形状とし、その接合面に誘電体多層膜５０４が形成されたＰＢＳキューブである。ＰＢＳキューブには、さらに、ガラスブロック５０２のｘｙ平面に偏光回転反射器５０６が形成されている。偏光回転反射器５０６は、入射された偏光を９０度回転させ、かつ光ビームの進行方向を反転させる機能を有する。具体的には、１／４波長板とミラーとを結合した構成である。
【００２８】
ガラスブロック５０２のｘｚ平面から入射された光ビームは、誘電体多層膜５０４で偏波分離される。Ｓ偏光は、誘電体多層膜５０４で反射され、偏光回転反射器５０６によって、Ｐ偏光に変換され、かつ光ビームの進行方向が反転する。再びガラスブロック５０２を透過し、誘電体多層膜５０４も透過して、ガラスブロック５０３のｘｙ平面から出射される。ガラスブロック５０２のｙ軸、ｚ軸の一辺の長さをＬとすれば、Ｓ→Ｐ偏光の光路長は、誘電体多層膜５０４の偏波分離点から、ガラスブロック５０３の出射面まで１．５Ｌである。
【００２９】
一方、Ｐ偏光は、誘電体多層膜５０４を透過し、４５°プリズム５０５において光路が９０度変換され、４５°プリズム５０５のｘｙ平面から出射される。Ｐ偏光の光路長も１．５Ｌであり、両偏波の光軸がｚ軸と平行になる。ＰＢＳ５０１から出射された２つの光ビームは、Ｐ偏波にそろっているので、偏波を等化する必要のある偏波ダイバーシティの用途に適用することができる。誘電体多層膜５０４の偏波分離点から、４５°プリズム５０５の出射面までの光路長も１．５Ｌであり、両偏波の光路長は等しい。また、両偏波の出力ビームの間隔はＬである。
【００３０】
従来例で示したように、Ｓ偏光とＰ偏光を出力するＰＢＳとして使用したい場合には、ガラスブロック５０３の出射面または４５°プリズム５０５の出射面に１／２波長板を形成して、いずれか一方の偏波を変換すればよい。
【００３１】
なお、入射された両偏波がＰＢＳ内で経験する反射の回数は、Ｓ偏光は２回、Ｐ偏光は１回であるから、ＰＢＳ５０１から出射された２つの光ビームは、光ビーム像が反転している。
【００３２】
第１の実施形態にかかるＰＢＳは、上述したケスタープリズム型ＰＢＳと比較して、誘電体多層膜の面積が小さく、同一の面において、位置によって異なる表面加工を施す必要もない。また、構成要素となるガラスブロックは、全て４５°プリズムの形状でよいので、製造が容易である。
【００３３】
（第２の実施形態）
図６に、本発明の第２の実施形態にかかるＰＢＳの構成を示す。ＰＢＳ５０１は、第１の実施形態と同じであり、光ビームの入射方向が異なる。ガラスブロック５０３のｘｙ平面から入射された光ビームは、誘電体多層膜５０４で偏波分離される。Ｓ偏光は、誘電体多層膜５０４で反射され、４５°プリズム５０５において光路が９０度変換され、４５°プリズム５０５のｘｙ平面から出射される。
【００３４】
一方、Ｐ偏光は、誘電体多層膜５０４を透過し、偏光回転反射器５０６によって、Ｓ偏光に変換され、かつ光ビームの進行方向が反転する。再びガラスブロック５０２を透過し、誘電体多層膜５０４で反射され、ガラスブロック５０２のｘｚ平面から出射される。ＰＢＳ５０１から出射された２つの光ビームは、Ｓ偏波にそろっており、偏波分離点から出射面までの光路長は、１．５Ｌで等しい。
【００３５】
また、入射された両偏波がＰＢＳ内で経験する反射の回数も２回となって等しい。しかしながら、ＰＢＳ５０１から出射された２つの光ビームは、ｚ軸とｙ軸の異なる方向に出射されてしまう。
【００３６】
（第３の実施形態）
図７に、本発明の第３の実施形態にかかるＰＢＳの構成を示す。ＰＢＳ６０１は、光学ブロック６１１と光学ブロック６１２とから構成されている。光学ブロック６１１は、三角柱形状の２つのガラスブロック（４５°プリズム）６０７，６０８を貼り合せて四角柱の形状とし、その接合面に誘電体多層膜６０９が形成されたＰＢＳキューブである。ＰＢＳキューブには、さらに、ガラスブロック６０８のｘｚ平面に偏光回転反射器６１０が形成されている。
【００３７】
光学ブロック６１２は、三角柱形状の２つのガラスブロック（４５°プリズム）６０２，６０３を貼り合せて四角柱の形状とし、その接合面に誘電体多層膜６０４が形成されたＰＢＳキューブである。ＰＢＳキューブには、さらに、ガラスブロック６０２のｘｙ平面に、平行平板６０５と偏光回転反射器６０６とが順に接合されている。ガラスブロック６０２のｙ軸、ｚ軸の一辺の長さをＬとすれば、平行平板６０５の厚さはＬ／２である。
【００３８】
ＰＢＳ６０１は、光学ブロック６１１のガラスブロック６０７のｘｚ平面と、光学ブロック６１２のガラスブロック６０３のｘｚ平面とが接合されている。図７に示したように、ｘ軸方向から見て、誘電体多層膜６０４，６０９が平行となるように接続されている。
【００３９】
ガラスブロック６０２のｘｚ平面から入射された光ビームは、誘電体多層膜６０４で偏波分離される。Ｓ偏光は、誘電体多層膜６０４で反射され、平行平板６０５を透過して、偏光回転反射器６０６によりＰ偏光に変換され、かつ光ビームの進行方向が反転する。再び平行平板６０５とガラスブロック６０２とを透過し、誘電体多層膜６０４も透過して、ガラスブロック６０３のｘｙ平面から出射される。Ｓ→Ｐ偏光の光路長は、誘電体多層膜６０４の偏波分離点から、ガラスブロック６０３の出射面まで２．５Ｌである。
【００４０】
一方、Ｐ偏光は、誘電体多層膜６０４を透過し、光学ブロック６１１の誘電体多層膜６０９も透過し、偏光回転反射器６１０によりＳ偏光に変換され、かつ光ビームの進行方向が反転する。再びガラスブロック６０８を透過し、誘電体多層膜６０９で反射して、ガラスブロック６０８のｘｙ平面から出射される。Ｐ→Ｓ偏光の光路長は、誘電体多層膜６０４の偏波分離点から、ガラスブロック６０８の出射面まで２．５Ｌであり、両偏波の光路長は等しい。また、両偏波の出力ビームの間隔はＬである。
【００４１】
第１の実施形態で示したように、同じ偏波を出力するＰＢＳとして使用したい場合には、ガラスブロック６０３の出射面またはガラスブロック６０８の出射面に１／２波長板を形成して、いずれか一方の偏波を変換すればよい。
【００４２】
また、入射された両偏波がＰＢＳ６０１内で経験する反射の回数は、Ｓ偏光は２回、Ｐ偏光も２回であるから、ＰＢＳ６０１から出射された２つの光ビームの光ビーム像は反転しない。
【００４３】
第２の実施形態にかかるＰＢＳは、上述したケスタープリズム型ＰＢＳと比較して、誘電体多層膜の面積が小さく、同一の面において、位置によって異なる表面加工を施す必要もない。また、構成要素となるガラスブロックは、４５°プリズムと平行平板のみでよいので、製造が容易である。
【符号の説明】
【００４４】
１０１，４０１，５０１，６０１  キューブ型ＰＢＳ
１０２，１０３，３０２，３０３，４０２，４０３，４０５，５０２，５０３，６０２，６０３，６０７，６０８  ガラスブロック
１０４，３０４，４０４，５０４，６０４，６０９  誘電体多層膜
２０１，４０６，５０５  ４５°プリズム
３０１  ケスタープリズム型ＰＢＳ
５０６，６０６，６１０  偏光回転反射器
５１１，６１１，６１２  光学ブロック
６０５  平行平板
【図１】
0006577797.tif 000002
【図２】
0006577797.tif 000003
【図３】
0006577797.tif 000004
【図４】
0006577797.tif 000005
【図５】
0006577797.tif 000006
【図６】
0006577797.tif 000007
【図７】
0006577797.tif 000008