(57)【要約】【課題】従来の光信号処理装置においては、単レンズを含む空間光学系において発生する光結合損失の低減が十分でなかった。性能の良いレンズは製作が難しく、高価であった。また、光信号処理装置の製造時における調整加工が複雑となり、製造コストが高いという問題点があった。さらに、光学系における反射減衰量を確保し、クロストーク量を低減する必要があった。【解決手段】ＴＡＳの低減に着目して、各レンズ面の屈折力（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）をパラメータとして、本発明のレンズ構成を見出した。従来技術の単レンズではなく、２群２枚レンズにおいて、２枚のレンズの焦点距離が近く（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ≒Ｄ３ｆ＋Ｄ４ｆ≒０．５）、かつ、第２の集光レンズが、凸側を第１の集光レンズ側に向けた平凸レンズである場合（Ｄ３ｆ≒０．５）に、波長依存の光結合損失が著しく小さくなることを見出した。【選択図】図１
2008275678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段により分光された前記光信号を集光する２つの球面集光レンズであって、  前記２つの球面集光レンズは、前記光信号の伝播光路上において、前記分光手段側に配置された第１の集光レンズ並びに前記信号処理手段側に配置された第２の集光レンズから構成され、前記第１の集光レンズの前記分光手段側の第１のレンズ面の曲率半径をＲ１、前記信号処理手段側の第２のレンズ面の曲率半径をＲ２、前記第２の集光レンズの前記分光手段側の第３のレンズ面の曲率半径をＲ３、前記信号処理手段側の第４のレンズ面の曲率半径をＲ４、前記第１の集光レンズの屈折率をｎ１、前記第２の集光レンズの屈折率をｎ２とし、前記第１のレンズ面屈折力をＤ１＝（ｎ１−１）／Ｒ１、前記第２のレンズ面屈折力をＤ２＝（１−ｎ１）／Ｒ２、前記第３のレンズ面屈折力をＤ３＝（ｎ２−１）／Ｒ３、前記第４のレンズ面屈折力をＤ４＝（１−ｎ２）／Ｒ４とし、前記２つの球面集光レンズの合成焦点距離をｆとすると、
（１）０．１５＜（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）＜０．７０
（２）０．２２＜Ｄ３ｆ＜０．７６
（３）−０．２５＜（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）＜１．０
の各条件を満たすことと、
前記２つの球面集光レンズによって集光された前記光信号を強度変調、位相変調または偏向する信号処理手段と
を備えることを特徴とする光信号処理装置。
【請求項２】
前記Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４は、
（４）０．３２＜（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）＜０．６２
（５）０．３２＜Ｄ３ｆ＜０．６２
（６）−０．０５＜（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）＜０．８０
の各条件をさらに満たすことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
【請求項３】
前記Ｄ１は、Ｄ１＞０の条件をさらに満たすことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項４】
前記第１の集光レンズはｎ１＜１．６、ならびに前記第２の集光レンズはｎ２＜１．６の各条件をさらに満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項５】
前記２つの球面集光レンズの間隔を調整して、前記２つの球面集光レンズの合成焦点距離を可変することにより前記信号処理手段上の前記光信号の集光点の位置を調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項６】
前記信号処理手段により変調された前記光信号を反射して、前記光信号の光路を曲げるミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項７】
前記分光手段は、グレーティング、プリズムまたはアレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項８】
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段により分光された前記光信号を集光する２つの球面集光レンズと、
前記２つの球面集光レンズによって集光された前記光信号を強度変調、位相変調または偏向する信号処理手段とを備え、
前記２つの球面集光レンズの間隔を調整して、前記２つの球面集光レンズの合成焦点距離を可変することにより前記信号処理手段上の前記光信号の集光点の位置を調整することを特徴とする光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理装置に関する。より詳細には、レンズを含む光信号処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送信号の処理に代表されるような光信号処理装置へのニーズも高まっている。例えば、多重化された光信号をノード間で経路切り替えする機能が要請されている。光−電気変換を経ないで、光信号のまま経路変換を行なうことで、光信号処理装置の高速化が進められている。
【０００３】
一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスを実現している。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＡＷＧなどを含む導波路型光回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの空間変調素子とを組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣおよびコリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。
【０００５】
図１１は、光信号処理装置の一例を概念図で示したものである。この光信号処理装置では、分光素子５１を経由して光信号が入出力される。分光素子５１は、異なる波長を持つ複数の光信号を、その波長に応じた出射角度θで分波する。分波された光信号は、集光レンズ５２へ向かって出射する。集光レンズ５２によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、強度変調、位相変調または偏向する機能を持つ信号処理素子５３の所定の位置の各集光点に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、光信号は信号処理素子の異なる位置に集光されることに留意をされたい。信号処理素子５３は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は強度変調などを受け、所定の信号処理機能が実現される。信号処理を受けた光信号は、ミラー５４で反射されて進行方向を反転させる。光信号はさらに集光レンズ５２を通って、再び分光素子５１において合波される。一般によく知られているように、分光素子５１は、進行方向によって光信号を合波することもできる。合波された各波長の光信号は、再び出力光として、光信号処理装置外へ出力される。
【０００６】
図１１において、分光素子５１は概念的に示したものであり、光信号の波長に応じて分波および合波をできるものであれば良い。例えば、分光素子には、グレーティング、プリズム、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）などがある。信号処理素子は、光信号の強度もしくは位相、または強度および位相を変調できるもの、または光信号の進行方向を偏向できるものであれば良い。例えば、信号処理素子には、液晶素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、非線形結晶などがある。
【０００７】
図１１に示した光信号処理装置は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つの分光素子によって光信号の分波および合波の両方を行なう構成である。この構成は、一般に反射型と呼ばれている。波長ブロック等の光信号処理を行なう装置は、この構成だけに限られない。例えば、図１１のミラーを使用せずに、信号処理素子を対称軸の位置とし、入射光路軸の延長線上であって入射系の反対側に、もう１つのレンズおよび分光素子からなる出射系を配置した構成も可能である。この構成は、独立した入射系および出射系を経由して、それぞれ光信号の分波および合波を行なう構成であり、透過型と呼ばれている。さらに、図１１の装置構成において、ミラーの向きを変えることによって、任意の位置に配置された、もう一つのレンズおよび分光素子からなる出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。例えば、ミラーの反射面を光信号の入射光路に対して４５度傾けて、入射光路に対して垂直方向に配置されたレンズおよび分光素子により出射系を構成することも可能である。また、信号処理素子が偏向機能を持つ場合は、出射系を複数備えることもできる。
【０００８】
図１１において、分光素子５１と集光レンズ５２とは、前焦点距離ＦＦＬだけ離して配置され、信号処理素子５３と集光レンズ５２とは後焦点距離ＢＦＬだけ離して配置される。集光レンズ５２によって集光される光の焦点は、使用するすべての波長においてミラー５４の面上になくてはならない。ミラー面上からずれると、入出力光間の結合損失を生じる問題が起こる。同時に、集光された光信号のビームスポット径が大きくなることから、波長分解能が低下する問題を生じる。
【０００９】
また、信号処理素子５３は、光信号の波長ごとに選択的に変調を行なうために、空間的に周期的な構造を備えている必要がある。例えば、信号処理素子５３が液晶素子の場合、液晶素子の要素素子の構造は、分光素子および集光レンズの光学特性に合わせて設計されなければならない。
【００１０】
より具体的には、信号処理素子上における集光位置の波長依存性は、分光素子の角度分散値に集光レンズの焦点距離を乗じたものに従うことが知られている。集光位置の波長依存性は、分光光学系の線分散値とも呼ばれる。分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値にずれがあれば、実際の光信号の集光点の位置は信号処理素子の個々の要素素子（例えば、液晶シャッター素子のピクセル）の位置と一致しなくなる。この不一致のため、処理される光信号の波長誤差が生じる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など）
【特許文献２】特開２００４−２３９９９１号公報
【特許文献３】特開平８−７５９４８号公報
【特許文献４】特開平９−９０２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の光信号処理装置では、レンズを含む光学系において発生する光結合損失の低減がまだ十分でない問題があった。図１１に示したように、従来の反射型の光信号処理装置は、分光素子および信号処理素子の間に集光レンズを１つ配置する構成であった。また、透過型の光信号処理装置においては、分波用の分光素子および信号処理素子間の光路ならびに信号処理素子および合波用の分光素子間の光路に、それぞれ集光レンズを１つずつ配置する構成であった。このような従来の光信号処理装置で使用されてきたレンズは、安価で一般的な単レンズである。一般の結像レンズは、上述の光信号処理装置の光学系に求められる光学特性を十分考慮して最適化がなされたものではなかった。
【００１３】
上述の空間変調素子を含む光信号処理装置においては、レンズの配置位置の観点から、次のような光学特性が必要とされる。通常の結像レンズにおいては、絞り位置はレンズ中央部、あるいは組レンズの内部にあるのが一般的である。これに対し、本光信号処理装置においては、分光素子の構造によって出射ビーム幅が決定される。したがって、分光素子の出射端に絞り位置があるとみなされるため、通常の結像レンズの場合とは異なるレンズ仕様の最適化が必要である。
【００１４】
本光信号処理装置は光結合系の構成であるため、光線は、信号処理素子およびミラーに対して垂直に入射する必要がある。結像レンズにおいては、像テレセントリックレンズがこの要請を満たすものである。この条件から、分光素子の出射端が絞り位置であるだけでなく、さらに集光レンズのＦＦＬ（前焦点）の位置となるように、集光レンズを配置する必要がある。
【００１５】
さらにレンズ固有の特性の観点から、色収差、歪曲、球面収差、および非点収差などの検討が必要である。特に、非点収差は、光軸上の信号処理素子の集光位置に影響を与えるため、光結合損失を大きく左右する。
【００１６】
図１２は、レンズの非点収差を説明する図である。図１２ａの左端Ｚ1は分光素子の出射端の位置に相当し、Ｚ2の位置に集光レンズ５２が、右端Ｚ3の位置にミラー５４がそれぞれ配置されている。簡単のため、信号処理素子は省略している。ＷＯｘは分光素子の出射ビーム半径、θｏは最大出射角度、Ｗｉｘは信号処理素子上で集光するビームスポット半径である。図１２ａでは、出射角度の異なる３つの光路５５ａ、５５ｂ、５５ｃが示されており、ｘ軸上の各点に集光する。これらの光路は、それぞれ異なる波長の光信号に対応している。
【００１７】
図１２ｂは、ミラー近傍において光信号が集光するビームスポットを拡大して示した図である。光路５５ａ、５５ｂ、５５ｃは、例えば、それぞれ波長１６０４ｎｍ、１５８７ｎｍ、１５７０ｎｍの光信号に対応している。集光レンズの中心を通っている光路５５ｂは、光信号処理装置が取り扱うシステム（通信波長帯）の中心波長λｃの光信号に対応している。光路５５ａ、５５ｃは、最大出射角度θｏの状態で分光素子から出射し、光信号処理装置が取り扱うシステムの両端の波長λｅにそれぞれ対応している。Ｈは、信号処理素子上における光軸中心位置（光路５５ａの集光点）からのビームスポット位置の最大変位である。非点収差（ＴＡＳ：Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  Ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）は、光信号がこの最大変位Ｈの状態で出射する場合に、ミラー面上ではなくミラー面より手前で焦点を結ぶことにより生じる収差である。ＴＡＳが原因で、ミラー面上の集光点が広がってしまう。これにより、ｘ軸上の集光点の位置によって、すなわち波長によって光結合損失が異なることとなる。したがって、光結合損失に波長依存性を生じる。
【００１８】
図１３は、従来の両球面単レンズのＴＡＳ特性の一例を示す図である。横軸はレンズの第２面の曲率半径Ｒ２、焦点距離をｆとした場合のベンディング（ｆ／Ｒ２）を示し、縦軸はＴＡＳ／ｆを示す。レンズ材質はＢＫ７（ｎ＝１．５）であり、画角を±２．４度としてＴＡＳを計算をしたものである。
【００１９】
図１３から明らかなように、ベンディングを最適化しても、｜ＴＡＳ｜／ｆの最小値は０．００５程度に止まる。１つのレンズに対してそのベンディングを最適化しても、ＴＡＳを十分に小さく抑えることは出来ない。例えば、ｆ=５０ｍｍ、｜ＴＡＳ｜／ｆ＝−０．００５の場合、レンズのＴＡＳに起因する最大結合損失は、２．５ｄＢと見積もられる。図１１の光信号処理装置の全体の過剰損失が６ｄＢ程度であることを考えると、ＴＡＳは全体の過剰損失の中で大きな割合を占め、ＴＡＳをさらに低減することが必要である。
【００２０】
他の従来技術には、高屈折率材料を用いたレンズがあり、収差が少ないことは良く知られている（特許文献３）。しかし、シリコンレンズ（ｎ≒３．５）は、加工が難しくレンズの製造コストは高い。個々の光学系に最適化した非球面をもつ非球面レンズも収差が少なくなるが、製造方法が複雑で高価である。球面収差が小さいレンズとして、アクロマティックダブレットが知られている。しかし、２種類の材料の貼り合わせが必要でありこれも加工が難しくレンズの製造コストが高い。さらには、３枚以上のレンズを使用する構成も提案されている（特許文献４）。上述のいずれの技術によるレンズも、球面の単レンズと比較してＴＡＳ性能を向上させたものであるが、高価である。
【００２１】
従来の光信号処理装置には、別の問題もあった。図１１に示したような光信号処理装置においては、光信号は、信号処理素子上で、光信号の波長毎に異なる位置に集光する。先にも述べたように、分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造を設計に用いた線分散値と十分に一致している必要がある。図１１に示したような１つの集光レンズからなる光学系で構成された光信号処理装置の場合において、たとえば、５ＧＨｚの分解能で１つの通信波長帯域（５０００ＧＨｚ）の信号処理をするときは、光学系の線分散値に少なくとも０．１％以下の誤差の精度が必要とされる。しかしながら、一般的な製造法による集光レンズの焦点距離の誤差は、１％程度に達する。このため、光学系の線分散値に対して０．１％以下の誤差の高い精度を得るために、光信号処理度装置の製造工程において、光学系の特殊な調整加工が必要となっていた。このため、光信号処理装置の製造コストが高くなる問題があった。
【００２２】
また、通信用の光信号処理装置では、結像を目的とする他の光学装置と異なり、反射減衰量が大きいこと、およびクロストークが小さいことが求められる。例えば、レンズの各面で反射した光が、入射ビームと結合すると、反射減衰量を低下させる。また、反射型の光信号処理装置の配置構成では、レンズの各面で反射した光が、出射ビームと結合するとクロストーク量を増加させる。したがって、反射減衰量が十分に大きく、クロストーク量が十分に小さい光信号処理が求められていた。
【００２３】
上述のように、従来の光信号処理装置においては、単レンズを含む空間光学系において発生する光結合損失の低減が十分でない問題点や、光信号処理装置の製造時における調整加工が複雑である問題点があった。また、装置や製造方法のコストが高いという問題点があった。さらに、光学系における反射減衰量を確保し、クロストーク量を低減する要請があった。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
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、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段により分光された前記光信号を集光する２つの球面集光レンズであって、前記２つの球面集光レンズは、前記光信号の伝播光路上において、前記分光手段側に配置された第１の集光レンズ並びに前記信号処理手段側に配置された第２の集光レンズから構成され、前記第１の集光レンズの前記分光手段側の第１のレンズ面の曲率半径をＲ１、前記信号処理手段側の第２のレンズ面の曲率半径をＲ２、前記第２の集光レンズの前記分光手段側の第３のレンズ面の曲率半径をＲ３、前記信号処理手段側の第４のレンズ面の曲率半径をＲ４、前記第１の集光レンズの屈折率をｎ１、前記第２の集光レンズの屈折率をｎ２とし、前記第１のレンズ面屈折力をＤ１＝（ｎ１−１）／Ｒ１、前記第２のレンズ面屈折力をＤ２＝（１−ｎ１）／Ｒ２、前記第３のレンズ面屈折力をＤ３＝（ｎ２−１）／Ｒ３、前記第４のレンズ面屈折力をＤ４＝（１−ｎ２）／Ｒ４とし、前記２つの球面集光レンズの合成焦点距離をｆとすると、（１）０．１５＜（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）＜０．７０、（２）０．２２＜Ｄ３ｆ＜０．７６、（３）−０．２５＜（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）＜１．０の各条件を満たすことと、前記２つの球面集光レンズによって集光された前記光信号を強度変調、位相変調または偏向する信号処理手段とを備えることを特徴とする光信号処理装置である。ＴＡＳを抑えて、光結合損失を大幅に減らして、波長依存性の極めて少ない光信号処理装置を実現できる。
【００２５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、前記Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４は、（４）０．３２＜（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）＜０．６２、（５）０．３２＜Ｄ３ｆ＜０．６２、（６）−０．０５＜（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）＜０．８０の各条件をさらに満たすことを特徴とする。
【００２６】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の信号処理装置において、前記Ｄ１は、Ｄ１＞０の条件をさらに満たすことを特徴とする。光信号処理装置において、反射減衰量を十分に大きく、クロストーク量を十分に小さくすることができる。
【００２７】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれにか記載の信号処理装置において、前記第１の集光レンズはｎ１＜１．６、ならびに前記第２の集光レンズはｎ２＜１．６の各条件をさらに満たすことを特徴とする。
【００２８】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の信号処理装置において、前記２つの球面集光レンズの間隔を調整して、前記２つの球面集光レンズの合成焦点距離を可変することにより前記信号処理手段上の前記光信号の集光点の位置を調整することを特徴とする。分光素子の波長分散特性の製造バラツキや中心波長の長期的な変動を、簡単な調整によって補償することが出来る。
【００２９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の信号処理装置において、前記分光手段は、グレーティング、プリズムまたはアレイ導波路回折格子であることを特徴とする。
【００３０】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の信号処理装置において、前記分光手段は、グレーティング、プリズムまたはアレイ導波路回折格子であることを特徴とする。
【００３１】
請求項８の発明は、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段により分光された前記光信号を集光する２つの球面集光レンズと、前記２つの球面集光レンズによって集光された前記光信号を強度変調、位相変調または偏向する信号処理手段とを備え、前記２つの球面集光レンズの間隔を調整して、前記２つの球面集光レンズの合成焦点距離を可変することにより前記信号処理手段上の前記光信号の集光点の位置を調整することを特徴とする光信号処理装置である。分光素子の波長分散特性の製造バラツキや中心波長の長期的な変動を、簡単な調整によって補償することが出来る。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、光信号処理装置の空間光学系における光結合損失を大幅に低減させることができる。また、光信号処理装置の調整を簡単にすることができる。さらに、光信号処理装置の反射減衰量を確保して、クロストーク量を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。本発明の光信号処理装置は、光学系に求められる特有の光学特性を十分考慮することによって、発明者が見出した特徴的な構成の集光レンズを含むことを特徴とする。以下、特にＴＡＳの低減に注目して、本発明に係る集光レンズの構成を説明する。
【００３４】
図１は、本発明の光信号処理装置の光学系の構成を概念的に示した図である。図１１および図１２に示した従来技術の構成とは、特定の曲率半径を有する２つの集光レンズを備えている点で異なっている。図１は、反射型の光信号処理装置の構成を示している。すなわち、分光素子１によって分波された各波長の光信号は、第１の集光レンズ２および第２の集光レンズ３により集光される。集光された各光信号は、信号処理素子４によって、波長ごとに選択的に、その強度もしくは位相または強度および位相、またはその進行方向を偏向される。信号処理素子４によって処理を受けた光信号は、ミラー５によって反射されて、進行方向を反転させる。反転後の動作は、従来技術と同様であるので省略する。
【００３５】
分光素子１には、例えばグレーティングまたはＡＷＧなどがある。信号処理素子４には、例えば液晶素子、ＭＥＭＳミラーまたは非線形結晶などがある。本発明の特徴は、その集光レンズの構成にある。図１に示した光信号処理装置は反射型の構成であるが、実施例として後述するように、透過型の構成にも適用可能であるのはいうまでもない。透過型の構成では、２つの分光素子を用いて、入射系および出射系の光学系を一直線上に配置することも可能である。また、入射系および出射系の光学系を異なる向きに配置することができる。本明細書では、信号処理素子には偏向素子も含まれることにも留意されたい。偏向素子を用いれば、複数の出射系を含む構成が可能となるため、本発明は、分光素子が装置全体で３つ以上ある場合も含むことに留意されたい。
【００３６】
上述のような本発明が適用可能な光信号処理装置は、分光素子、信号処理素子が持つ固有の光透過損失に起因して、一般に数ｄＢ以上の避けられない透過損失を持っている。このような光信号処理装置の設計においては、この透過損失と比べて１桁小さい程度の過剰損失であれば、設計損失値として許容することができる。数ＧＨｚの分解能で１通信波長帯域（５０００ＧＨｚ)の信号処理が出来るように、集光レンズの焦点距離、分光素子の角度分散値を設定した場合を考える。ここで、過剰損失を０．５ｄＢ以下に抑えるためには、｜ＴＡＳ｜／ｆ＜ ０．００２であることが必要とされる。ｆは集光レンズの焦点距離である。
【００３７】
本発明に係る光信号処理装置による信号処理においては、中心波長に対して通信波長帯の帯域幅は狭いので、色収差は問題にならない。また、本発明に係る信号処理において用いられる光信号は、周辺光の強度が小さい基本モードのガウスビームである。したがって、球面収差（ＬＡＳ：Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）は、非点収差（ＴＡＳ）よりも影響が小さく、｜ＬＳＡ｜は、｜ＴＡＳ｜と同程度以下であれば十分である。
【００３８】
発明者はＴＡＳの低減に着目して、各レンズ面の屈折力（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）をパラメータとして、本発明のレンズ構成を見出した。従来技術の単レンズではなく、２群２枚レンズにおいて、２枚のレンズの焦点距離が近く（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ≒Ｄ３ｆ＋Ｄ４ｆ≒０．５）、かつ、第２の集光レンズが、凸側を第１の集光レンズ側に向けた平凸レンズである場合（Ｄ３ｆ≒０．５）に、波長依存の光結合損失が著しく小さくなることを見出した。そこで、光結合損失の低減の効果が大きい範囲を求めるために、（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）をパラメータとして、ＴＡＳ値の（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）依存性およびＤ３ｆ依存性を光線追跡計算により求めた。Ｄ４ｆは、Ｄ１ｆ、Ｄ２ｆおよびＤ３ｆを決定することによって自動的に決定される。
【００３９】
光線追跡によるシミュレーション計算にあたって、使用するレンズ材料は、特に安価である汎用光学ガラス（≡ｎ＜１．６）で、球面レンズのみを検討した。図１に示すように、分光素子側に配置される第１の集光レンズの第１のレンズ面（分光素子側）の曲率半径をＲ１、その反対側の第２のレンズ面の曲率半径をＲ２、信号処理素子側に配置される第２の集光レンズの第３のレンズ面（分光素子側）の曲率半径をＲ３、その反対側の第４のレンズ面の曲率半径をＲ４とする。第１の集光レンズおよび第２の集光レンズの屈折率をそれぞれ、ｎ１、ｎ２とする。ここで、曲率半径の符号は、分光素子側に凸の場合にＲ＞０であり、信号処理素子側に凸の場合にＲ＜０とする。また、各レンズ面の屈折力Ｄｎは、式１−式４のように定義される。
Ｄ１＝（ｎ１−１）／Ｒ１                （式１）
Ｄ２＝（１−ｎ１）／Ｒ２                （式２）
Ｄ３＝（ｎ２−１）／Ｒ３                （式３）
Ｄ４＝（１−ｎ２）／Ｒ４                （式４）
【００４０】
図２および図３は、それぞれ、本発明に係る光信号処理装置に使用されるレンズのシミュレーション結果を示す図である。図２および図３のいずれも、横軸を（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）で、縦軸をＤ３ｆとした場合のＴＡＳ値分布をマップ化して表現したものである。ＴＡＳ／ｆの値を０．００１刻みで、０から０．０１０の範囲で示している。
【００４１】
図２ａ、図２ｂ、図２ｃは、それぞれ、Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ＝−０．０５、０．５０、０．８０とした場合のＴＡＳ分布を示している。矩形で表された領域は、｜ＴＡＳ｜／ｆ＜ ０．００２の条件を満たす領域である。
【００４２】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃは、それぞれ、Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ＝−０．２５、０．５０、１．０とした場合のＴＡＳ分布を示している。矩形で表された領域は、｜ＴＡＳ｜／ｆ＜ ０．００５の条件を満たす領域である。
【００４３】
図２および図３からわかるように、（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）、Ｄ３ｆ、（Ｄ２ｆ―Ｄ１ｆ）を３軸とする空間の中で、｜ＴＡＳ｜／ｆ＜ ０．００２の条件を満たす領域は、（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）軸方向に長いラグビーボール形状のような回転楕円体に近い形状をなすことが分かる。この領域を内包する直方体範囲、すなわち、０．３２＜（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）＜０．６２かつ０．３２＜Ｄ３ｆ＜０．６２かつ−０．０５＜（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）＜０．８０の範囲であれば、｜ＴＡＳ｜／ｆ＜ ０．００２の条件を満たす。同様に、０．１５＜（Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ）＜０．７０かつ０．２２＜Ｄ３ｆ＜０．７６かつ−０．２５＜（Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ）＜１．０の範囲であれば、従来技術の単レンズよりもＴＡＳは小さく、｜ＴＡＳ｜／ｆ＜ ０．００５の条件を満たす。
【００４４】
また、分光素子から第１の集光レンズへ伝播するビームは、平行もしくは、僅かに広がりを持っている。第１の集光レンズの第１面が平面（Ｄ１＝０)または凹面（Ｄ１＜０)の場合は、平行光または広がりを持つ光は、それぞれ分光素子側のビームと結合し易い。反射型の配置構成の光信号処理装置においては、第１の集光レンズの第１面が凸面（Ｄ１＞０)であれば、反射光の広がり角が大きくなって上述の結合を防ぎ、クロストーク量を低減させることができる効果がある。
【００４５】
上述の条件を満たす集光レンズを用いた本発明に係る光信号処理装置の様々な実施例について、以下詳細に説明する。
【００４６】
実施例１  ：図４は、本発明の実施例１に係る反射型の光信号処理度装置および光結合損失の測定系を示す図である。本実施例の光信号処理装置は、図１に示した構成と基本的に同じであるため、図１の構成との相違点のみを説明する。分光素子はＡＷＧ１であり、ＡＷＧ１の出射側には、コリメートレンズ６が配置されている。ＡＷＧ１によって分波され、コリメートレンズ６において平行光線とされた各波長の出射光は、第１の集光レンズ２および第２の集光レンズ３からなる集光レンズによって集光される。他の構成は、図１と同じである。図４ａは、ＡＷＧ１の分波面（ｘ−ｚ面）に向かって垂直方向からにみた上面図である。出射光は、ＡＷＧ１の出射端から波長に応じた出射角度でＺ軸方向に進行する。図４ｂは、側面図である。
【００４７】
本実施例の光信号処理装置の光結合損失を測定するために、サーキュレータ９を介して、さらに広帯域光源８および光スペクトラムアナライザ７がＡＷＧ１に接続されている。ＡＷＧ１の詳細なパラメータは、中心波長がＣバンド中心波長である１５４７．３ｎｍ、角度分散値が０．１４３５ｄｅｇ／ｎｍ、Ｘ軸方向の出射ビーム半径が３．０ｍｍ、Ｙ軸方向の出射ビーム半径が４．５μｍである。コリメートレンズ６のＹ軸焦点距離が０．９ｍｍである。
【００４８】
図５は、比較実験のために使用した従来型の単レンズ（ＡおよびＢ）と本発明の集光レンズ（Ｃ）の各設計値を比較した表を示す図である。レンズ材質は、いずれのレンズも最も安価なＢＫ７を使用している。Ｔ１は、レンズの厚みである。集光レンズＡは、従来型の両凸レンズである。集光レンズＢは、従来型の平凸レンズである。
【００４９】
光結合損失の評価を目的としているので、図４の構成による実際の測定では、信号処理素子４の代わりに、透明なガラス板をダミーとして配置した。設計中心波長（１５４７．３ｎｍ）において光結合損失が最低となる様に、ＡＷＧ１、コリメートレンズ６、集光レンズおよびミラー５の相対位置を調整した。更に、中心波長±１７ｎｍにおいて光結合損失が最小となる様に、コリメートレンズ６および集光レンズ間の距離を調整した。
【００５０】
図６は、従来の単レンズと比較して本発明に係る光信号処理装置の透過特性を示した図である。図６の各透過特性は、図５に示した各レンズに対応している。横軸に、Ｃバンド（１５３０−１５６５）の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光信号処理装置の光透過率（ｄＢ）を示す。ＡＷＧやコリメートレンズ、ミラーによる不可避な損失は約４ｄＢであり、中心波長においては透過損失値は３つのレンズ間でほぼ一致している。しかしながら、従来技術の集光レンズＡおよび集光レンズＢの場合は、Ｃバンドの両端の帯域で大幅に透過損失が増えている。すなわち、光結合損失には大きな波長依存性があることがわかる。例えば、長波長側の帯域端である１５６５ｎｍにおいては、中心波長と比較して、集光レンズＡでは３ｄＢ以上、集光レンズＢでは６ｄＢ以上も光結合損失が増えている。一方、本発明に係る集光レンズＣの場合には、Ｃバンドの全波長帯域を通じて、わずか０．１４ｄＢの偏差しかないことがわかる。
【００５１】
実施例２：  次に、本発明に係る光信号処理装置の構成に基づいた反射型波長ブロッカについて説明する。基本的な装置および評価系の構成は図４に示した構成と同一である。波長ブロッカの場合、信号処理素子４として液晶シャッター素子を使用する。
【００５２】
図７は、液晶シャッターおよびミラー近傍の構造図である。図７ａは、集光レンズ側から見た液晶シャッター素子の構造図である。液晶シャッター素子１０は、一定のピッチＷｐで液晶ピクセル１１が一列に配列されている。液晶ピクセルの各々は、通信波長帯域のチャンネルの各波長に対応している。ピッチＷｐは、分光光学系の波長分散値に応じて設計される（実施例１と同様に、角度分散値は０．１４３５ｄｅｇ／ｎｍ）。本実施例では、液晶ピクセルのピッチＷｐは０．１ｍｍであり、チャンネル数を４０とした。図７ｂは、液晶シャッター素子およびミラーの側面図である。
【００５３】
図８は、第１チャンネルにおける波長ブロッカの透過特性を示す図である。第１チャンネルの中心波長は１５３１．７３ｎｍである。図８の各透過特性は、図５に示した各レンズ（Ａ、Ｂ、Ｃ）に対応している。集光レンズＡおよび集光レンズＢの場合は、本発明に係る集光レンズＣと比べて光結合損失が大きく、さらにＴＡＳに起因する焦点ボケのため透過帯域幅が狭くなっていることがわかる。また、集光レンズＡ、ＢおよびＣいずれも、中心波長は１５３１．７３ｎｍからランダムにずれていることがわかる。
【００５４】
本発明に係る集光レンズＣによれば、２つのレンズの位置を容易に調整することができるため、図８に示すように透過スペクトルを所望の中心波長位置に調整することができる。例えば、図４に示したように、第１の集光レンズ２および第２の集光レンズ３の距離ｚ１を調整することで簡単に中心波長を調整することができる。
【００５５】
一般に、間隔ｄで配置された２枚のレンズ（焦点距離ｆ1、ｆ2）の合成焦点距離ｆは、近似的に次式５となることが知られている。
ｆ-1＝ｆ1-1＋ｆ2-1―ｄｆ1-1ｆ2-1        （式５）
２枚のレンズ間の間隔ｄを調整可能とすることによって、合成焦点距離ｆを高精度に調整することができる。たとえば、ｆ1＝ｆ2＝１００ｍｍの場合、合成焦点距離ｆを０．１％の誤差の精度で合わせるために必要なレンズ間距離ｄの調整精度は０．２ｍｍ程度である。したがって、通常の光信号処理装置の調整組み立て工程において実現できる調整精度で、簡単に調整が可能である。
【００５６】
上述したように、本発明に係る光信号処理装置の集光レンズ構成によれば、２つの集光レンズを組み合わせる構成としたことにより、通信チャンネルの中心波長を所望の値に容易に調整できるという優れた効果を発揮する。従来技術のアクロマティックダブレット、非球面単レンズ（１枚レンズ）は、焦点が固定されている。したがって、分光素子の波長分散特性と信号処理素子の波長分散特性を一致させるため、信号処理素子の波長方向ピッチを正確に合わせこむ必要がある。本発明に係る２枚構成の集光レンズでは、第１の集光レンズと第２の集光レンズの間隔を可変とすることによって、焦点距離を調整することができる。したがって、分光素子の波長分散特性の製造バラツキや中心波長の長期的な変動を簡単な調整により補償することが出来る。
【００５７】
実施例３：  次に、本発明に係る光信号処理装置の構成に基づいた波長選択スイッチについて説明する。本発明の光信号処理装置は、波長ごとに異なる出射角度で分波された光信号を集光させ、波長選択的に光信号を変調または偏向する動作を行なうものであれば、どのような形態の装置にも適用可能である。
【００５８】
図９は、本発明の光信号処理装置に基づいた波長選択スイッチの構成図である。図９ａは、ＭＥＭＥＳミラーが配列される面を垂直に見た上面図である。図９ｂは、側面図である。本波長選択スイッチは、分光素子として透過型回折格子１４、ミラーとしてＭＥＭＳ偏向ミラー１３を使用した反射型の構成を持つ。光信号は、複数の光ファイバ１６からファイバコリメータ１５を経由して、透過型回折格子１４に入力される。ＭＥＭＳ偏向ミラー１３によって選択的にスイッチされた光信号は、再び、逆方向に光ファイバ１６へ出力される。
【００５９】
上述の構成の波長選択スイッチにおいて、透過型回折格子１４からＭＥＭＳ偏向ミラー１３に向かって、各集光レンズ２、３の曲率半径を順にＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とする。
【００６０】
レンズ材質はＦ２、屈折率は１．５９、レンズ面曲率半径は、それぞれＲ１＝∞ｍｍ、Ｒ２＝−３５．４ｍｍ、Ｒ３＝３５．４ｍｍ、Ｒ４＝∞ｍｍ、焦点距離ｆは３０ｍｍである。この時、各レンズ面屈折力は、Ｄ１＝０．００００（ｍｍ-1）、Ｄ２＝０．０１６７（ｍｍ-1）、Ｄ３＝０．０１６７（ｍｍ-1）、Ｄ４＝０．００００（ｍｍ-1）である。本発明においてＴＡＳ値を規定する各評価関数値は、Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ＝０．５０、Ｄ３ｆ＝０．５０、Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ＝０．５０である。この時、非点収差ＴＡＳ／ｆは０．０００６７となる。回折格子の角度分散値は０．１４３５ｄｅｇ／ｎｍ、装置の中心波長は１５４７．３ｎｍ（Ｃバンド通信波長帯域）とした。
【００６１】
図９に示した波長選択スイッチにおいて、中心波長から最大２０ｎｍ離れたチャンネルにおける光結合損失の偏差は、０．１０ｄＢであった。従来技術のレンズを使用した波長選択スイッチの場合では、偏差が３ｄＢ以上であったのと比べて非常に小さい値に抑えられており、波長依存性の極めて少ない波長選択スイッチを実現できる。
【００６２】
実施例４：  本発明に係る光信号処理装置の透過型の構成について説明する。これまで反射型の構成を中心に説明してきたが、透過型の光信号処理装置に本発明が適応できるこことは言うまでも無い。透過型の構成においては、信号処理素子の位置を対称中心として、本発明に係る集光レンズを、入射系および出射系の両方にそれぞれ配置する。
【００６３】
図１０は、本発明の実施例４に係る透過型の光信号処理装置の構成図である。異なる波長を持つ複数の光信号は、光ファイバなどから第１のＡＷＧ２１に入力され波長ごとに分波される。分波された光信号はコリメートレンズ２２を経て、本発明にしたがって構成された第１の集光レンズ２３および第２の集光レンズ２４からなる入射側集光レンズ３０により集光される。集光された光信号は、各波長ごとに液晶シャッター素子２５の異なるピクセルにおいて強度変調を受ける。強度変調を受けて液晶シャッター素子２５を通過した光信号は、本発明にしたがって構成された第３の集光レンズ２６および第４の集光レンズ２７からなる出射側集光レンズ３１により再びコリメートされる。コリメートされた光信号は、第２のコリメートレンズ２８を経て、第２のＡＷＧ２９に入力され合波され、光出力として光ファイバへ出力される。
【００６４】
上述の透過型の光信号処理装置において、入射側集光レンズ３０および出射側集光レンズ３１をそれぞれ以下のような構成とした。ここで、入射側集光レンズ３０と出射側集光レンズ３１は、液晶シャッター素子２５を中心として左右対称の構成である。したがって、光信号が通過する順に曲率半径は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４（入射側）、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１（出射側）となる。
【００６５】
レンズ材質はＳｉＯ2、屈折率は１．４４、レンズ面曲率半径は、それぞれＲ１＝２６４ｍｍ、Ｒ２＝−２６４ｍｍ、Ｒ３＝２０６．２５ｍｍ、Ｒ４＝−３６６．５６ｍｍ、焦点距離ｆは１５０ｍｍである。この時、レンズ面屈折力は、Ｄ１＝０．００１７（ｍｍ-1）、Ｄ２＝０．００１７（ｍｍ-1）、Ｄ３＝０．００２１（ｍｍ-1）、Ｄ４＝０．００１２（ｍｍ-1）である。本発明でＴＡＳ値を規定する各評価関数値は、Ｄ１ｆ＋Ｄ２ｆ＝０．５０、Ｄ３ｆ＝０．３２、Ｄ２ｆ−Ｄ１ｆ＝０．００である。この時、非点収差ＴＡＳ／ｆは０．００１１となる。ＡＷＧの角度分散値は０．１４３５ｄｅｇ／ｎｍ、装置の中心波長は１５８７．０ｎｍ（Ｌバンド通信波長帯域）とした。
【００６６】
図１０の光信号処理装置において、中心波長から最大２０ｎｍだけ離れたチャンネルにおける光結合損失の偏差は、０．２６ｄＢであった。従来技術の集光レンズを用いた波長ブロッカの場合では、偏差が３ｄＢ以上であったのと比べて非常に小さい値に抑えられており、波長依存性の極めて少ない波長ブロッカを実現できる。
【００６７】
さらに、透過型構成の本実施例においては、Ｒ１＞０であり、反射減衰量は４０ｄＢ以上を確保することができた。
【００６８】
以上、詳細に述べたように、本発明の光信号処理装置によれば、空間光学系における光結合損失を大幅に低減させることができる。光結合損失の波長依存性を大幅に減らすことができる。また、光信号処理装置の調整を簡単にすることができる。さらに、光学系における反射減衰量を確保して、クロストーク量を減らすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、光通信に使用される光信号処理装置への利用ができる。波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の光信号処理装置の構成図である。
【図２】本発明の光信号処理装置に係るレンズのＴＡＳ分布を示す図である。
【図３】本発明の光信号処理装置に係るレンズのＴＡＳ分布を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る反射型の光信号処理装置の構成図である。
【図５】従来型の単レンズおよび本発明に係る集光レンズの設計値の比較表を示す図である。
【図６】実施例１の光信号処理装置の光透過スペクトルを示す図である。
【図７】液晶シャッターおよびミラーの構造図である。
【図８】実施例２に係る波長ブロッカの透過特性を示す図である。
【図９】実施例３に係る波長選択スイッチの構造図である。
【図１０】実施例４に係る透過型の波長ブロッカの構造図である。
【図１１】従来の光信号処理装置の概念的な構成図である。
【図１２】レンズの非点収差を説明する図である。
【図１３】従来の両球面単レンズのＴＡＳ特性を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１、５１  分光素子
２、３、２３、２４、２６、２７、５２  集光レンズ
４、１０、１３、２５、５３  信号処理素子
５、５４  ミラー
６、１５、２２、２８  コリメートレンズ
７  光スペクトラムアナライザ
８  広帯域光源
９  サーキュレータ
１４  透過型回折格子
２１、２９  ＡＷＧ
【図１】
2008275678.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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