(57)【要約】【課題】出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができる光学装置を提供する。【解決手段】光学装置１は、互いに離間した第１光学系１０と第２光学系２０とを備える。第２光学系２０は、互いに離間した前群光学系２１と後群光学系２２とに区分される。第１光学系１０は、第１位置Ｚ０にビームウェスト（半径ｗ０）を有するガウシアンビームＬ０を入力して、中間位置Ｚ１にビームウェスト（半径ｗ１）を有するガウシアンビームＬ１を出力する。第２光学系２０は、中間位置Ｚ１の後段に設けられていて、第１光学系１０から出力されたガウシアンビームＬ１を入力して、第２位置Ｚ２にビームウェスト（半径ｗ２）を有するガウシアンビームＬ２を出力する。ビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）は幾何光学的横倍率より小さい。【選択図】  図１
2004271743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１位置にビームウェスト（半径ｗ１）を有するガウシアンビームを入力して、第２位置にビームウェスト（半径ｗ２）を有するガウシアンビームを出力する光学装置であって、ビームウェスト径比（ｗ２／ｗ１）が幾何光学的横倍率より小さいことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前群光学系と後群光学系とに区分され、前記前群光学系と前記後群光学系とが互いに離間している、ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
第１位置にビームウェスト（半径ｗ０）を有するガウシアンビームを入力して、中間位置にビームウェスト（半径ｗ１）を有するガウシアンビームを出力する第１光学系と、
前記中間位置より後段に設けられ、前記第１光学系から出力されたガウシアンビームを入力して、第２位置にビームウェスト（半径ｗ２）を有するガウシアンビームを出力する第２光学系と、
を備え、
ビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）が幾何光学的横倍率より小さい、
ことを特徴とする光学装置。
【請求項４】
前記第２光学系が前群光学系と後群光学系とに区分され、前記前群光学系と前記後群光学系とが互いに離間している、ことを特徴とする請求項３記載の光学装置。
【請求項５】
レンズ系のみの透過損失がＣバンドにおいて０．７ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１または３に記載の光学装置。
【請求項６】
前記前群光学系と前記後群光学系との間の距離および前記後群光学系の屈折力の積に基づいて、前記後群光学系から出力されるガウシアンビームのビームウェストの半径および位置が設定されている、ことを特徴とする請求項２または４に記載の光学装置。
【請求項７】
前記前群光学系および前記後群光学系それぞれの屈折力が正であることを特徴とする請求項２または４に記載の光学装置。
【請求項８】
前記後群光学系から出力されるガウシアンビームの主光線が前記後群光学系の光軸に平行であることを特徴とする請求項２または４に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第２位置に設けられ、前記第２光学系から出力されたガウシアンビームを前記第２光学系へ反射させる反射鏡と、
前記反射鏡により反射されて前記第２光学系を経たガウシアンビームを入力して、第３位置にビームウェストを有するガウシアンビームを出力する第３光学系と、
を備え、
前記第３光学系の光軸がガウシアンビームの主光線と平行である、
ことを特徴とする請求項４記載の光学装置。
【請求項１０】
前記第１光学系と前記第２光学系との間に設けられた波長分岐素子を更に備えることを特徴とする請求項４記載の光学装置。
【請求項１１】
前記波長分岐素子が回折格子素子であることを特徴とする請求項１０記載の光学装置。
【請求項１２】
前記波長分岐素子により分岐される光の波長に応じて前記第２位置に設けられ、前記第２光学系から出力された各波長のガウシアンビームを前記第２光学系へ反射させる複数の反射鏡と、
前記複数の反射鏡のうちの何れかの反射鏡により反射されて前記第２光学系および前記波長分岐素子を経たガウシアンビームを入力して、第３位置にビームウェストを有するガウシアンビームを出力する第３光学系と、
を更に備えることを特徴とする請求項１０記載の光学装置。
【請求項１３】
前記反射鏡の反射面の傾斜角が可変であることを特徴とする請求項１２記載の光学装置。
【請求項１４】
入出射ポートの数が７以上であることを特徴とする請求項１０記載の光学装置。
【請求項１５】
互いに離間する前群光学系と後群光学系とに区分される光学装置を設計する方法であって、
前記前群光学系と前記後群光学系との間の距離および前記後群光学系の屈折力の積に基づいて、前記後群光学系から出力されるガウシアンビームのビームウェストの半径および位置を所望値に設計する、
ことを特徴とする光学装置設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガウシアンビームを入出射する光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に光通信分野で用いられる光学装置の多くは、光ファイバの端面から出射した光を入力し、この光に対して何らかの加工を加えて出力し、その出力した光を他の光ファイバの端面に入射させる。
【０００３】
例えば、非特許文献１に記載された光学装置は、波長分割多重（ＷＤＭ：  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光通信システムにおいて光スイッチとして用いられるものであり、入射ポートの光ファイバ端面から出射した光を入力し、回折格子素子により波長に応じた回折角で光を回折させ、その回折した各波長の光を出力して、その出力した光を出射ポートの他の光ファイバ端面に入射させる。より具体的には、入射ポートから出力ポートへ至るまでに、光は、第１光学系、回折格子素子、第２光学系、反射鏡、第２光学系、回折格子素子、第１光学系を順に経る。なお、以下では、入射ポートの光ファイバ端面から反射鏡に至るまでの光路を往路と呼び、反射鏡から出射ポートの光ファイバ端面に至るまでの光路を復路と呼ぶ。往路と復路とでは光は共通の光学系を互いに逆方向に進む。
【０００４】
これらのうち、第１光学系は、往路においては入射ポートの光ファイバ端面から出射した光をコリメートして回折格子素子に入射させ、また、復路においては回折格子素子により回折された光を出射ポートの光ファイバ端面に集光する。第２光学系は、往路においては回折格子素子により回折された光を反射鏡に集光し、復路においては反射鏡により反射された光をコリメートして回折格子素子に入射させる。なお、非特許文献１に記載された光学装置では、第２光学系は第１光学系の一部と共通である。往路から復路への折り返し点にある反射鏡は、回折格子素子により回折されるべき光の波長（チャンネル）毎に設けられており、また、反射面の傾斜角が可変のものとされている。また、出射ポートの光ファイバは、チャンネル毎に設けられている。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｄ．  Ｍ．  Ｍａｒｏｍ，  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  １ｘ４  ｓｗｉｔｃｈ  ｆｏｒ  １２８  ＷＤＭ  ｃｈａｎｎｅｌｓ  ａｔ  ５０  ＧＨｚ  ｓｐａｃｉｎｇ”，  ＯＦＣ２００２  Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ  Ｐａｐｅｒｓ，  ＦＢ７  （２００２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような光学装置は小型であることが要求されており、このことから、反射面の傾斜角が可変の反射鏡はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により作成されたものが用いられる。また、１チャンネル当たりの波長帯域幅が広いことが要求され、また、チャンネル数が多いこと（すなわち、入出射ポート数が多いこと）も要求される。しかし、上記のような光学装置では、これらの要求に応えるには限界がある。その理由について以下に詳細に説明する。
【０００７】
入射ポートの光ファイバ端面から出射される光は、その端面位置にビームウェストを有するガウシアンビームであり、そのビームウェストの半径をｗ０とする。また、第１光学系の焦点距離をｆ０とし、第２光学系の焦点距離をｆ１とする。このとき、反射鏡に集光されるビームの半径は、幾何光学理論から得られ、ｗ０ｆ１／ｆ０  となる。また、回折格子素子において１チャンネル離れた波長での回折角の差をθとすると、第２光学系による各チャンネルのビームの集光の位置の間隔は  ｆ１ｔａｎθ  となるから、各反射鏡の幅は、この集光位置間隔の程度まで小さくすることができる。
【０００８】
以上のことから、１チャンネル当たりの波長帯域幅を充分に小さくするには、各チャンネルのビーム集光位置の間隔（ｆ１ｔａｎθ）より、反射鏡に集光されるビームの半径（ｗ０ｆ１／ｆ０）を充分に小さくすることが必要である。すなわち、ｗ０／（ｆ０ｔａｎθ）  を１より充分に小さくすることが必要である。そして、この為には、第１光学系の焦点距離ｆ０を大きくすることが考えられる。
【０００９】
しかし、これでは、入射ポートの光ファイバ端から出射されて第１光学系によりコリメートされたビームの径が大きくなり、したがって、第２光学系は、非常に大きな開口数を有することが必要となり、或いは、焦点距離ｆ１が大きいことが必要となる。非常に大きな開口数を有する第２光学系を実現するのは困難であり、また、焦点距離ｆ１が大きい第２光学系を用いると光学装置が大型となって、何れも現実的では無い。
【００１０】
また、入出射ポート数を増やすと、第１光学系と回折格子素子との間のビーム束が太くなるので、上記と同様の問題が生じる。非特許文献１に記載されているように、入出射ポート数は５〜６が限界である。
【００１１】
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、出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができる光学装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光学装置は、第１位置にビームウェスト（半径ｗ１）を有するガウシアンビームを入力して、第２位置にビームウェスト（半径ｗ２）を有するガウシアンビームを出力する光学装置であって、ビームウェスト径比（ｗ２／ｗ１）が幾何光学的横倍率より小さいことを特徴とする。この光学装置は、出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができるので、小型であっても、１チャンネル当たりの波長帯域幅を広くすることができ、入出射ポート数を多くすることができる。上記のようなビームウェスト径比を実現するには、この光学装置が前群光学系と後群光学系とに区分され、前群光学系と後群光学系とが互いに離間しているのが好適である。
【００１３】
本発明に係る光学装置は、（１）  第１位置にビームウェスト（半径ｗ０）を有するガウシアンビームを入力して、中間位置にビームウェスト（半径ｗ１）を有するガウシアンビームを出力する第１光学系と、（２）  中間位置より後段に設けられ、第１光学系から出力されたガウシアンビームを入力して、第２位置にビームウェスト（半径ｗ２）を有するガウシアンビームを出力する第２光学系とを備え、更に、ビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）が幾何光学的横倍率より小さいことを特徴とする。この光学装置では、第１位置にビームウェスト（半径ｗ０）を有するガウシアンビームが入射すると、その光は、第１光学系を経て中間位置に到達し、その中間位置においてビームウェスト（半径ｗ１）を有する。さらに、その光は、第２光学系を経て第２位置に到達し、その第２位置においてビームウェスト（半径ｗ２）を有する。この光学装置は、出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができるので、小型であっても、１チャンネル当たりの波長帯域幅を広くすることができ、入出射ポート数を多くすることができる。また、この光学装置は、第１光学系と第２光学系との間の中間位置においてガウシアンビームのビームウェストが存在するので、この位置に他の光学素子を挿入するのに好適である。上記のようなビームウェスト径比を実現するには、第２光学系が前群光学系と後群光学系とに区分され、前群光学系と後群光学系とが互いに離間しているのが好適である。
【００１４】
本発明に係る光学装置は、レンズ系のみの内部吸収に因る透過損失や、表面反射に因る反射・散乱損失が、Ｃバンドにおいて０．７ｄＢ以下であるのが好適である。この場合、この光学装置は、他の光学素子（例えば波長分岐素子）が挿入される場合であっても、透過損失および反射損失が全体として充分に小さいので、例えば光通信において好適に用いられ得る。
【００１５】
本発明に係る光学装置は、前群光学系と後群光学系との間の距離ｄ１および後群光学系の屈折力Ｐ２の積（ｄ１Ｐ２）に基づいて、後群光学系から出力されるガウシアンビームのビームウェストの半径および位置が設定されているのが好適である。また、前群光学系および後群光学系それぞれの屈折力が正であるのが好適である。これらの場合には、入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比を幾何光学的横倍率より小さくする上で好都合である。
【００１６】
本発明に係る光学装置は、後群光学系から出力されるガウシアンビームの主光線が後群光学系の光軸に平行であるのが好適である。この場合には、出射ガウシアンビームのビームウェスト位置である第２位置に他の光学素子を設ける上で好都合である。
【００１７】
本発明に係る光学装置は、（１）  第２位置に設けられ、第２光学系から出力されたガウシアンビームを第２光学系へ反射させる反射鏡と、（２）  反射鏡により反射されて第２光学系を経たガウシアンビームを入力して、第３位置にビームウェストを有するガウシアンビームを出力する第３光学系とを備え、更に、第３光学系の光軸がガウシアンビームの主光線と平行であるのが好適である。この場合、第１位置にビームウェストを有するガウシアンビームが入射すると、その光は、第１光学系および第２光学系を経て反射鏡に到達し、その反射鏡位置（第２位置）においてビームウェストを有する。反射鏡により反射された光は、第２光学系および第３光学系を経て第３位置に到達し、その第３位置においてビームウェストを有する。ここで、第３光学系の光軸は、第１光学系の光軸とは必ずしも平行ではなく、ガウシアンビームの主光線と平行とされているので、光結合効率が優れる。
【００１８】
本発明に係る光学装置は、第１光学系と第２光学系との間に設けられた波長分岐素子を更に備えるのが好適であり、また、この波長分岐素子が回折格子素子であるのが好適である。この場合、この光学装置は、光分波器または光合波器として動作し得る。
【００１９】
本発明に係る光学装置は、（１）  波長分岐素子により分岐される光の波長に応じて第２位置に設けられ、第２光学系から出力された各波長のガウシアンビームを第２光学系へ反射させる複数の反射鏡と、（２）  複数の反射鏡のうちの何れかの反射鏡により反射されて第２光学系および波長分岐素子を経たガウシアンビームを入力して、第３位置にビームウェストを有するガウシアンビームを出力する第３光学系と、を更に備えるのが好適である。この場合、第１位置にビームウェストを有するガウシアンビームが入射すると、その光は、第１光学系、波長分岐素子および第２光学系を経て反射鏡に到達し、その反射鏡位置（第２位置）においてビームウェストを有する。反射鏡により反射された光は、第２光学系、波長分岐素子および第３光学系を経て第３位置に到達し、その第３位置においてビームウェストを有する。
【００２０】
本発明に係る光学装置は、反射鏡の反射面の傾斜角が可変であるのが好適であり、この場合、入出射ポートに入出力する光の波長を可変とすることができる。また、本発明に係る光学装置は、入出射ポートの数が７以上であり、この場合には、小型であっても、光合分波することができるチャンネル数を増やすことができる。
【００２１】
本発明に係る光学装置設計方法は、互いに離間する前群光学系と後群光学系とに区分される光学装置を設計する方法であって、前群光学系と後群光学系との間の距離ｄ１および後群光学系の屈折力Ｐ２の積（ｄ１Ｐ２）に基づいて、後群光学系から出力されるガウシアンビームのビームウェストの半径および位置を所望値に設計することを特徴とする。この光学装置設計方法では、積（ｄ１Ｐ２）に基づいて、後群光学系から出力されるガウシアンビームのビームウェストの半径および位置を所望値に設計することにより、入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比が幾何光学的横倍率より小さい光学装置を実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施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。
【００２３】
（第１実施形態）
先ず、本発明に係る光学装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光学装置１の説明図である。この図に示される光学装置１は、互いに離間した第１光学系１０と第２光学系２０とを備えている。また、第２光学系２０は、互いに離間した前群光学系２１と後群光学系２２とに区分される。
【００２４】
第１光学系１０は、第１位置Ｚ０にビームウェスト（半径ｗ０）を有するガウシアンビームＬ０を入力して、中間位置Ｚ１にビームウェスト（半径ｗ１）を有するガウシアンビームＬ１を出力する。第２光学系２０は、中間位置Ｚ１の後段に設けられていて、第１光学系１０から出力されたガウシアンビームＬ１を入力して、第２位置Ｚ２にビームウェスト（半径ｗ２）を有するガウシアンビームＬ２を出力する。
【００２５】
第１光学系１０の屈折力（焦点距離の逆数）をＰ０とする。第２光学系２０のうち前群光学系２１の屈折力をＰ１とし、後群光学系２２の屈折力をＰ２とする。また、中間位置Ｚ１と前群光学系２１との間の光学的距離をｄ０とし、前群光学系２１と後群光学系２２との間の光学的距離をｄ１とし、後群光学系２２と第２位置Ｚ２の間の光学的距離をｄ２とする。
【００２６】
このとき、第２光学系２０全体の屈折力Ｐは次式で表される。
【００２７】
【数１】
2004271743.tif 000003
また、光学装置１の幾何光学的横倍率β１、および、第２光学系２０の幾何光学的横倍率β２０それぞれは、次式で表される。
【００２８】
【数２】
2004271743.tif 000004
そして、光学装置１および第２光学系２０それぞれにおいて、入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比が幾何光学的横倍率より小さいこと、すなわち、次式の関係式が成り立つことを特徴としている。
【００２９】
【数３】
2004271743.tif 000005
なお、仮に、第１光学系および第２光学系の双方が単レンズであって共焦点配置されているとすれば、入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比は幾何光学的横倍率と一致する。また、共焦点配置でない場合は、入射ガウシアンビーム径と比較して単レンズの焦点距離が充分に長ければ、ビームウェスト径比は幾何光学的横倍率と略一致する。したがって、第１光学系および第２光学系の双方が単レンズである場合には、出射ガウシアンビーム径は第１光学系および第２光学系それぞれの屈折力の比によって一意に決定されるので、第２光学系として焦点距離が長いレンズを用い且つ出射ガウシアンビーム径を小さくすることは困難である。
【００３０】
これに対して、本実施形態では、上記（３）式で表されるように入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比が幾何光学的横倍率より小さいので、出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができる。以下で更に詳細に説明する。
【００３１】
第２光学系２０の光線行列を次式で表す。
【００３２】
【数４】
2004271743.tif 000006
この光線行列の各要素は次式で表される。
【００３３】
【数５】
2004271743.tif 000007
この光線行列の各要素を用いると、第２光学系２０における入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ２／ｗ１）は次式で表される。
【００３４】
【数６】
2004271743.tif 000008
また、第１光学系１０における入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ１／ｗ０）は次式で表される。
【００３５】
【数７】
2004271743.tif 000009
そして、上記（６）式および（７）式から、光学装置１における入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）は次式で表される。
【００３６】
【数８】
2004271743.tif 000010
図２は、第１実施形態に係る光学装置１における入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）と積（ｄ１Ｐ２）との関係を示すグラフである。ここでは、各パラメータは以下のように設定された。
【００３７】
【数９】
2004271743.tif 000011
この図から判るように、第２光学系２０の屈折力Ｐが一定であっても、光学装置１における入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）は、前群光学系２１と後群光学系２２との間の距離ｄ１および後群光学系２２の屈折力Ｐ２の積（ｄ１Ｐ２）の値に大きく依存しており、幾何光学的横倍率と比べて充分に小さくなり得る。すなわち、積（ｄ１Ｐ２）の値に基づいて、後群光学系２２から出力されるガウシアンビームＬ２のビームウェスト半径ｗ２および第２位置Ｚ２を所望値に設定する。積（ｄ１Ｐ２）の値が適切に設定されることにより、出射ガウシアンビームＬ２のビームウェスト半径ｗ２は、幾何光学的横倍率から決定されるビ−ムウェスト半径と比べて充分に小さくなり得る。出射ガウシアンビームＬ２のビームウェスト半径ｗ２を充分に小さくするには、積（ｄ１Ｐ２）の絶対値は、大きいほど好ましく、２以上であるのが好適であり、３以上であれば更に好適である。
【００３８】
なお、第２光学系２０から出力されるガウシアンビームＬ２のビームウェスト位置（すなわち第２位置Ｚ２）は幾何光学的な焦点位置とは異なり、後群光学系２２と第２位置Ｚ２の間の光学的距離ｄ２が負となる場合（すなわち、虚像系となる場合）も有り得る。
【００３９】
距離ｄ２が負となる場合には、実空間内にビームウェストを形成するレンズ系を組むことができないので、距離ｄ２は正であることが必要である。距離ｄ２は次式で表される。
【００４０】
【数１０】
2004271743.tif 000012
この（１０）式から、距離ｄ２が正となる条件を求めると、次式が満たされることが必要であることが判る。
【００４１】
【数１１】
2004271743.tif 000013
この（１１）式から、前群光学系２１と後群光学系２２との間の光学的距離ｄ１は正であるから、後群光学系２２の屈折力Ｐ２は正でなければならない。すなわち、光学装置１を現実の系とするとともに、出射ガウシアンビームＬ２のビームウェスト半径ｗ２を充分に小さくするには、後群光学系２２の屈折力Ｐ２は正の大きな値を有する必要がある。
【００４２】
また、上記（１）式を変形すると、前群光学系２１の屈折力Ｐ１は次式で表される。
【００４３】
【数１２】
2004271743.tif 000014
この（１２）式から、Ｃの値は１より大きいので、出射ガウシアンビームＬ２のビームウェスト半径ｗ２を充分に小さくするには、前群光学系２１の屈折力Ｐ１も正の値を有する必要がある。
【００４４】
例えば、第２光学系２０において、前群光学系２１の屈折力Ｐ１を０．０２６７／ｍｍとし、後群光学系２２の屈折力Ｐ２を０．０５／ｍｍとし、前群光学系２１と後群光学系２２との間の光学的距離ｄ１を５０ｍｍとする。第１光学系１０の屈折力Ｐ０を１／ｍｍとし、パラメータα（上記（９ｅ）式）の値を１とし、光学装置１の幾何光学的横倍率β１を１００とする。このとき、積（ｄ１Ｐ２）の値は２．５であり、入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）は、３程度であって、幾何光学的横倍率β１と比較して格段に小さい。
【００４５】
また、このように出射ガウシアンビームＬ２のビームウェスト半径ｗ２を小さくするには、第１光学系１０、前群光学系２１および後群光学系２２それぞれは、収差が充分に小さいことが好ましい。この観点から、第１光学系１０、前群光学系２１および後群光学系２２それぞれは、複数のレンズを組み合わせたものであるのが好適であり、また、非球面レンズを含むのも好適である。
【００４６】
また、この光学装置１は、第１位置Ｚ０から第２位置Ｚ２に至るまでの光路上に挿入された他の光学素子をも備えることが可能である。例えば、第１光学系１０から出力されるガウシアンビームＬ１のビームウェストの位置である中間位置Ｚ１に、光フィルタや波長分岐素子などの光学素子が挿入されていてもよい。このような場合であっても、第１位置Ｚ０から第２位置Ｚ２に至るまでに光が被る損失は小さいことが好ましい。したがって、この観点から、光学装置１に含まれるレンズ系のみの透過損失は、一般に光通信で用いられる信号光波長帯域であるＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）において０．７ｄＢ以下であるのが好適である。また、このように透過損失を低減するには、光学装置１に含まれるレンズは、低損失の材料からなるのが好適であり、また、反射を低減するコーティングが施されているのが好適である。
【００４７】
また、出射ガウシアンビームＬ２の主光線は、図１では後群光学系２２の光軸と一致しているが、必ずしも後群光学系２２の光軸と一致している必要は無い。しかし、出射ガウシアンビームＬ２の主光線は、後群光学系２２の光軸と平行であるのが好ましい。このようにすることにより、出射ガウシアンビームＬ２のビームウェスト位置である第２位置Ｚ２に他の光学素子を設ける上で好都合である。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る光学装置の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光学装置２の構成図である。この図に示される第２実施形態に係る光学装置２は、上述した第１実施形態に係る光学装置１に加えて、第３光学系３１〜３７、回折格子素子４０および反射鏡５１〜５７を更に備え、光ファイバ８０，９１〜９７とともに用いられる。
【００４９】
なお、図３には説明の便宜の為にｘｙｚ直交座標系が示されている。このｘｙｚ直交座標系におけるｚ軸の方向は、光ファイバ８０，９１〜９７と回折格子素子４０との間においては第１光学系１０の光軸に平行な方向であり、回折格子素子４０と反射鏡５１〜５７との間においては第２光学系２０の光軸に平行な方向である。ｘ軸の方向は、第１光学系１０および第２光学系２０それぞれで共通である。同図（ａ）は、ｘ軸に平行な方向に光学装置２を見たときの図である。また、同図（ｂ）は、ｙ軸に平行な方向に光学装置２を見たときの図である。
【００５０】
光ファイバ８０は、第１光学系１０の前側焦点位置である第１位置Ｚ０に端面を有しており、その端面から光を出力する。この光ファイバ８０の端面から出力される光は、その端面位置にビームウェストを有するガウシアンビームとして近似され得るものであり、ｚ軸方向に平行に進む。第１光学系は、光ファイバ８０の端面から出力されたガウシアンビーム（すなわち、第１位置Ｚ０にビームウェストを有するガウシアンビーム）を入力して、中間位置Ｚ１にビームウェストを有するガウシアンビームを出力する。
【００５１】
回折格子素子４０は、透過型のものであって、第１光学系１０と第２光学系２０との間の中間位置Ｚ１に設けられている。この回折格子素子４０は、第１光学系１０から出力されたガウシアンビームを入力して、そのガウシアンビームを波長に応じた回折角で回折させ、その回折させた各波長のガウシアンビームを第２光学系２０へ出力する。この回折格子素子４０から第２光学系２０へ出力される各波長のガウシアンビームは、ｙｚ平面に平行に進む。
【００５２】
第２光学系２０は、回折格子素子４０から出力された各波長のガウシアンビームを入力して、第２位置Ｚ２にビームウェストを有する各波長のガウシアンビームを出力する。この第２光学系２０は、互いに離間する前群光学系２１と後群光学系２２とに区分される。第２光学系２０から出力される各波長のガウシアンビームの主光線は、第２光学系２０の光軸と平行であるのが好ましい。このようにすることにより、出射ガウシアンビームのビームウェスト位置である第２位置Ｚ２に反射鏡５１〜５７を設ける上で好都合である。
【００５３】
反射鏡５１〜５７それぞれは、第２光学系２０から出力される各波長のガウシアンビームのビームウェストの位置（第２位置Ｚ２）に、ｙ軸に平行な方向に並んで設けられている。反射鏡５１〜５７それぞれの反射面はｙ軸に平行である。また、反射鏡５１〜５７それぞれの反射面は、第２位置Ｚ２を通りｙ軸に平行な直線を中心として傾斜角が可変であるのが好適である。
【００５４】
反射鏡５１は、第２光学系２０から出力された波長λ１のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。反射鏡５２は、第２光学系２０から出力された波長λ２のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。反射鏡５３は、第２光学系２０から出力された波長λ３のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。反射鏡５４は、第２光学系２０から出力された波長λ４のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。反射鏡５５は、第２光学系２０から出力された波長λ５のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。反射鏡５６は、第２光学系２０から出力された波長λ６のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。また、反射鏡５７は、第２光学系２０から出力された波長λ７のガウシアンビームを第２光学系２０へ反射させる。
【００５５】
第３光学系３１〜３７それぞれは、反射鏡５１〜５７のうちの何れかの反射鏡により反射されて第２光学系２０および回折格子素子４０を経たガウシアンビームを入力して、後側焦点位置である第３位置にビームウェストを有するガウシアンビームを出力する。なお、第３光学系３１〜３７それぞれの光軸は、第１光学系１０の光軸とは必ずしも平行ではなく、回折格子素子４０から入射するガウシアンビームの主光線と平行とされていることにより、光結合効率が優れる。
【００５６】
光ファイバ９１は、第３光学系３１の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３１から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。光ファイバ９２は、第３光学系３２の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３２から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。光ファイバ９３は、第３光学系３３の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３３から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。光ファイバ９４は、第３光学系３４の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３４から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。光ファイバ９５は、第３光学系３５の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３５から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。光ファイバ９６は、第３光学系３６の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３６から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。また、光ファイバ９７は、第３光学系３７の後側焦点位置に端面を有しており、第３光学系３７から出力されたガウシアンビームを該端面に入力する。
【００５７】
この光学装置２では、反射鏡５１〜５７それぞれの反射面の傾斜角が適切に設定されていることにより、光分波器または光合波器として動作し得る。すなわち、多重化された７波長λ１〜λ７の光が光ファイバ８０を伝搬してきて端面に達すると、この多重化された光は、光ファイバ８０の端面位置にビームウェストを有するガウシアンビームとして該端面から出力され、第１光学系１０に入力する。そして、第１光学系１０から出力された光は、回折格子素子４０の設置位置にビームウェストを有するガウシアンビームとされて回折格子素子４０に入力し、この回折格子素子４０により波長に応じた回折角で回折される。回折格子素子４０により回折されて出力された各波長の光は、第２光学系２０に入力する。そして、第２光学系２０から出力された各波長の光は、反射鏡５１〜５７のうちの何れか反射鏡の反射面の位置にビームウェストを有するガウシアンビームとされて該反射面に入力し、該反射面において反射される。
【００５８】
反射鏡５１により反射された波長λ１の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３１を経て光ファイバ９１の端面に達し、その端面から光ファイバ９１に入力して、光ファイバ９１を伝搬していく。反射鏡５２により反射された波長λ２の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３２を経て光ファイバ９２の端面に達し、その端面から光ファイバ９２１に入力して、光ファイバ９２を伝搬していく。反射鏡５３により反射された波長λ３の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３３を経て光ファイバ９３の端面に達し、その端面から光ファイバ９３に入力して、光ファイバ９３を伝搬していく。反射鏡５４により反射された波長λ４の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３４を経て光ファイバ９４の端面に達し、その端面から光ファイバ９４に入力して、光ファイバ９４を伝搬していく。反射鏡５５により反射された波長λ５の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３５を経て光ファイバ９５の端面に達し、その端面から光ファイバ９５に入力して、光ファイバ９５を伝搬していく。反射鏡５６により反射された波長λ６の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３６を経て光ファイバ９６の端面に達し、その端面から光ファイバ９６に入力して、光ファイバ９６を伝搬していく。また、反射鏡５７により反射された波長λ７の光は、第２光学系２０、回折格子素子４０および第３光学系３７を経て光ファイバ９７の端面に達し、その端面から光ファイバ９７に入力して、光ファイバ９７を伝搬していく。
【００５９】
反射鏡５１から光ファイバ９１の端面へ至るまでの光路においても、波長λ１の光は、ガウシアンビームとして進み、反射鏡５１の反射面位置、回折格子素子４０の設置位置、および、光ファイバ９１の端面位置それぞれに、ビームウェストを有する。そして、第３光学系３１および第２光学系２０は、第１実施形態において説明した第１光学系１０および第２光学系２０が有する関係と同様の関係を有している。他の波長の光についても同様である。
【００６０】
以上のように、この光学装置２は、光分波器として動作することができ、光ファイバ８０の端面から出射した光を入力して分波し、その分波した各波長の光を出力して光ファイバ９１〜９７の何れかの端面に入力させることができる。また、上記とは逆の方向に光が進む場合には、この光学装置２は、光合波器として動作することもでき、光ファイバ９１〜９７それぞれの端面から出射した光を入力して合波し、その合波した多波長の光を出力して光ファイバ８０の端面に入力させることができる。
【００６１】
この光学装置２に含まれる第１光学系１０および第２光学系２０は、第１実施形態に係る光学装置１に含まれるものと同様のものであって、第１光学系１０の前側焦点位置（第１位置Ｚ０）に入射ポートとしての光ファイバ８０が設けられ、第２光学系２０の後側焦点位置（第２位置Ｚ２）に反射鏡５１〜５７が設けられている。したがって、上記（３）式で表されるように入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比が幾何光学的横倍率より小さいので、反射鏡５１〜５７の反射面位置における出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができる。
【００６２】
反射鏡５１〜５７はＭＥＭＳ技術により作成することができ、光学装置２を小型のものとすることができる。また、１チャンネル当たりの波長帯域幅を広くすることができ、チャンネル数（すなわち、入出射ポート数）を多くすることができる。本実施形態では入出射ポート数（光ファイバ８０，９１〜９７の数）は８であったが、入出射ポート数は７以上であるのが好適であり、小型の光学装置２であっても、光合分波することができるチャンネル数を増やすことができる。
【００６３】
例えば、回折格子素子４０における格子周期を１μｍとし、第１光学系１０の屈折力Ｐ０を１／ｍｍとし、第２光学系２０の屈折力Ｐを０．０１／ｍｍとする。光ファイバ８０の端面から出射される光をＣバンド内の光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔約０．８ｎｍ）の７波長の光とし、光ファイバ８０のモードフィールド径（直径）を１０μｍとすると、光ファイバ８０の端面位置（第１位置Ｚ０）におけるガウシアンビームのビームウェスト半径ｗ０は５μｍであり、反射鏡５１〜５７の反射面位置（第２位置Ｚ２）におけるガウシアンビームのビームウェスト半径ｗ２は１５μｍ程度である。また、反射鏡５１〜５７の配置のピッチは１００μｍ程度が好適である。
【００６４】
図４は、第２実施形態に係る光学装置２の特性例を示す図である。この図には、上記数値例の場合における光分波特性が実線で示されている。また、通常の幾何光学系の焦点位置を反射鏡５１〜５７の反射面位置に一致させた比較例についても光分波特性が破線で示されている。この図に示されるように、比較例（破線）と比較して、本実施形態（実線）では、１チャンネル当たりの波長帯域幅が広い。また、一般に光ファイバ端面における開口数が０．１２であり、第１光学系１０の焦点距離が１ｍｍであり、第１光学系１０と第２光学系２０との間のガウシアンビームの直径は０．２４ｍｍ（＝０．１２×２×１ｍｍ）と小さいから、光学装置２が小型のままで入出射ポート数を増やすことができる。
【００６５】
なお、上述したように、反射鏡５１〜５７それぞれの反射面の傾斜角が可変であるのが好適である。この場合には、光ファイバ９１〜９７それぞれの端面に入出力する光の波長を可変とすることができ、入出射ポート可変の光学装置２を実現することができる。
【００６６】
（変形例）
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。第２実施形態に係る光学装置２を光合分波器として説明したが、上記の光学装置２と同様の構成により、光フィルタや分散調整器などの光信号処理装置を実現することもできる。
【００６７】
例えば、回折格子素子４０から第３光学系３１〜３７へ至るまでの各光路上に、その光路を進む光に対して損失を与える光損失付与素子を挿入することにより、波長に応じた損失を光に与えることができる光フィルタを実現することができる。この光フィルタは、光増幅器の利得を等化する利得等化器として用いられ得る。光損失付与素子（例えば液晶素子）により付与される損失が可変であれば、この光フィルタの透過スペクトルは可変のものとなる。或いは、光損失付与素子により付与される損失が固定であっても、反射鏡５１〜５７から第３光学系３１〜３７へ至るまでの各光路によって損失が異なるように設定されていれば、反射鏡５１〜５７それぞれの反射面の傾斜角を可変とすることで、この光フィルタの透過スペクトルは可変のものとなる。
【００６８】
また、反射鏡５１〜５７それぞれの反射面を曲面とすることにより、反射鏡５１〜５７それぞれに入射する光の波長分散を調整することができる分散調整器を実現することができる。すなわち、反射鏡５１〜５７それぞれについて、その反射面上に光が入射するが、その光は一般に或る程度の波長広がりを有しているので、その光の中心波長成分が中心位置に入射し、中心波長から離れた波長成分は、中心位置から離れた位置に入射する。そこで、反射面が曲面形状となっていることにより、その反射面に入射して反射される光は、波長に応じた群遅延を有することになって、波長分散が調整される。また、反射面の曲面形状が可変であれば、分散調整量も可変となる。このような反射面が曲面であって可変の反射鏡もＭＥＭＳ技術により作成され得る。
【００６９】
これら光フィルタおよび分散調整器などの光信号処理装置も、上記実施形態と同様の第１光学系および第２光学系を有する構成とすることにより、信号処理部分でのビーム径を小さくすることができ、波長分解能が高められ、精度よく光信号処理を行なうことができる。
【００７０】
第２実施形態において第３光学系３１〜３７および光ファイバ９１〜９７の配列方向は任意である。すなわち、第３光学系３１〜３７および光ファイバ９１〜９７は、上記の説明では回折格子素子４０による波長分岐方向と直交する方向（ｘ軸に平行な方向）に配列されていたが、回折格子素子４０による波長分岐方向（ｙ軸に平行な方向）に配列されていてもよい。第３光学系３１〜３７および光ファイバ９１〜９７の配置に応じて、反射鏡５１〜５７それぞれの反射面の傾斜角が適切に調整される。
【００７１】
また、上記実施形態では波数を７としたが、反射鏡の個数を増やすことにより、波数を増やすこともできる。この場合、１つのポートに複数の波長の光を結合させることができる。また、入力ポート側の光ファイバを複数にすれば、再構築が可能な光ＡＤＭ（Ａｄｄ  Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）として機能することができる。
【００７２】
波長分岐する波長分岐素子としての回折格子素子は、上記実施形態では透過型のものあったが、反射型のものであってもよい。また、波長分岐素子として、回折格子素子に替えて、フォトニック結晶が用いられてもよい。フォトニック結晶は、多重化された多波長の光を入力すると、各波長の光を波長に応じて空間的に異なる光路へ出力することができ、この点で回折格子素子と同様の作用を奏する。また、チャンネル数、入出射ポート数および反射鏡数は、上記実施形態で説明したものに限られない。
【００７３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比が幾何光学的横倍率より小さく、出射ガウシアンビーム径をより小さくすることができるので、小型であっても、１チャンネル当たりの波長帯域幅を広くすることができ、入出射ポート数を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光学装置１の説明図である。
【図２】第１実施形態に係る光学装置１における入出射ガウシアンビームのビームウェスト径比（ｗ２／ｗ０）と積（ｄ１Ｐ２）との関係を示すグラフである。
【図３】第２実施形態に係る光学装置２の構成図である。
【図４】第２実施形態に係る光学装置２の特性例を示す図である。
【符号の説明】
１，２…光学装置、１０…第１光学系、２０…第２光学系、２１…前群光学系、２２…後群光学系、３１〜３７…第３光学系、４０…回折格子素子、５１〜５７…反射鏡、８０，９１〜９７…光ファイバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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