(57)【要約】【課題】大きな角分散および優れた回折特性を得ることができる回折格子素子を提供する。【解決手段】回折格子素子１は、埋め込み構造型のものであって、屈折率ｎ１の第１媒質１１と屈折率ｎ２の第２媒質１２との間の界面に回折格子が形成されている。第１媒質１１および第２媒質１２のうち、一方は固体であって、他方は固体または液体である。第１媒質１１の回折格子が形成されていない面に反射低減膜１３が形成され、その反射低減膜１３が屈折率ｎ０の媒質１５に接している。また、第２媒質１２の回折格子が形成されていない面に反射低減膜１４が形成され、その反射低減膜１４が屈折率ｎ０の媒質１６に接している。各媒質の屈折率の大小関係は「ｎ１＞ｎ２＞ｎ０」である。回折格子のパラメータが所定の範囲にある。【選択図】  図４
2004309650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率ｎ１の第１媒質と屈折率ｎ２（ただし、ｎ１＞ｎ２）の第２媒質との間の界面に回折格子が形成され、
前記第１媒質および前記第２媒質のうち、一方が固体であって、他方が固体または液体であり、
前記回折格子の周期をΛとし、前記回折格子の高さをＨとし、前記回折格子における周期Λに対する前記第１媒質の幅のデューティ比をｆとし、（ｎ１／ｎ２−１）Ｈ／Λ  で表される規格化高さをＨｎｏｒｍとしたときに、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが、位置（０．５０，０．３２），位置（０．５０，０．７５），位置（２．００，０．９０），位置（４．００，０．９０），位置（２．２０，０．７６），位置（０．７５，０．３２）および位置（０．５０，０．３２）を順に線分で結んで囲われる領域内、または、位置（２．２５，０．２０），位置（２．２５，０．４４），位置（２．７５，０．４４），位置（２．７５，０．２０）および位置（２．２５，０．２０）を順に線分で結んで囲われる領域内にある、
ことを特徴とする回折格子素子。
【請求項２】
（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが、位置（０．６０，０．５０），位置（０．６０，０．７５），位置（２．００，０．８８），位置（２．４０，０．８８），位置（１．５０，０．７０），位置（１．１０，０．５０）および位置（０．６０，０．５０）を順に線分で結んで囲われる領域内にあることを特徴とする請求項１記載の回折格子素子。
【請求項３】
（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが、位置（０．８０，０．６２），位置（０．８０，０．６５），位置（１．００，０．７５），位置（１．６０，０．８２），位置（１．７５，０．８２），位置（０．９６，０．６０）および位置（０．８０，０．６２）を順に線分で結んで囲われる領域内にあることを特徴とする請求項１記載の回折格子素子。
【請求項４】
周期Λが１．４６μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の回折格子素子。
【請求項５】
屈折率比（ｎ１／ｎ２）が１．２５以上１．６以下であることを特徴とする請求項１記載の回折格子素子。
【請求項６】
請求項１記載の回折格子素子を含み、この回折格子素子により光を合波または分波することを特徴とする光学モジュール。
【請求項７】
前記回折格子素子の前記第２媒質における光の入射角または回折角が６０度以下であることを特徴とする請求項６記載の光学モジュール。
【請求項８】
前記回折格子素子の前記第２媒質における光の入射角または回折角が２５度以上３５度以下であることを特徴とする請求項６記載の光学モジュール。
【請求項９】
請求項６記載の光学モジュールを含み、信号光を伝送するとともに、この光学モジュールにおいて信号光を合波または分波することを特徴とする光通信システム。
【請求項１０】
前記光学モジュールに含まれる前記回折格子素子における回折格子のブラッグ条件を信号光波長帯域内の何れかの波長において満たすことを特徴とする請求項９記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を波長に応じた角度で回折させる回折格子素子、この回折格子素子を含む光学モジュール、および、この光学モジュールを含む光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子素子は、透明平板の一方の面または内部に回折格子が形成されたものである。この回折格子素子では、回折格子に入射した光は、その回折格子により回折される。そのときの光の回折角は波長によって異なる。したがって、この回折格子素子は、入射した光を分波して出射する光分波器として用いられ得る。また、この回折格子素子は、上記の場合とは逆の方向に光を導く場合には、入射した光を合波して出射する光合波器として用いられ得る。さらに、回折格子素子と他の光学素子とを組み合わせることで、例えば、波長に応じて光の群遅延時間を調整する分散調整器を構成することもできる。したがって、回折格子素子は、多波長の信号光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ：  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光通信システムにおいて重要な光デバイスの１つとなっている。
【０００３】
一般の回折格子素子は、透明平板に一方の面に回折格子が形成されたもの（以下「表面レリーフ型回折格子素子」という。）であり、その回折格子の形状を最適化することで、ＴＥ偏波光およびＴＭ偏波光の双方に対して高い回折効率を実現することができる。また、特許文献１に開示された回折格子素子は、上記の表面レリーフ型回折格子素子の回折格子面に他の透明平板を張り合わせたもの（以下「貼り合せ構造型回折格子素子」という。）であり、ＴＥ偏波光およびＴＭ偏波光の双方に対して高い回折効率を実現することができるとされている。また、特許文献２に開示された回折格子素子は、第１媒質と第２媒質との間の界面に回折格子が形成されたもの（以下「埋め込み構造型回折格子素子」という。）であり、このような構造とすることで回折効率の改善を意図したものである。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許出願公開第２００２／０１３５８７６号明細書
【０００５】
【特許文献２】
特開昭５８−１９８００６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、表面レリーフ型回折格子素子では、大きな角分散を得ようとすると、回折効率が低下し、また、偏波依存性および波長依存性が大きくなって、回折特性が悪化する。特許文献１に開示された貼り合せ構造型回折格子素子では、中心波長においてＴＥ偏波光およびＴＭ偏波光の双方に対して高い回折効率を得るための具体的な設計例が示されているが、波長帯域全域での回折特性を考慮しておらず、波長帯域を有するＷＤＭ光通信に用いるには不適切である。また、貼り合せ構造の一形態として埋め込み構造も開示されているが、ＴＥ偏波光およびＴＭ偏波光の双方に対して高い回折効率を得る為の具体的な設計例は示されていない。また、特許文献２に開示された埋め込み構造型回折格子素子では、回折効率の改善を意図したとはいうものの、得られている回折効率は４５％と低く、更に高い回折効率を得る為の具体的な設計例は示されていない。
【０００７】
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、大きな角分散および優れた回折特性を得ることができる回折格子素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回折格子素子は、（１）  屈折率ｎ１の第１媒質と屈折率ｎ２（ただし、ｎ１＞ｎ２）の第２媒質との間の界面に回折格子が形成され、（２）  第１媒質および第２媒質のうち、一方が固体であって、他方が固体または液体であり、（３）  回折格子の周期をΛとし、回折格子の高さをＨとし、回折格子における周期Λに対する第１媒質の幅のデューティ比をｆとし、（ｎ１／ｎ２−１）Ｈ／Λ  で表される規格化高さをＨｎｏｒｍとしたときに、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが、位置（０．５０，０．３２），位置（０．５０，０．７５），位置（２．００，０．９０），位置（４．００，０．９０），位置（２．２０，０．７６），位置（０．７５，０．３２）および位置（０．５０，０．３２）を順に線分で結んで囲われる領域内、または、位置（２．２５，０．２０），位置（２．２５，０．４４），位置（２．７５，０．４４），位置（２．７５，０．２０）および位置（２．２５，０．２０）を順に線分で結んで囲われる領域内にあることを特徴とする。このような回折格子素子は、角分散が大きく、Ｃバンドで優れた回折特性を有することができる。
【０００９】
また、本発明に係る回折格子素子は、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが、位置（０．６０，０．５０），位置（０．６０，０．７５），位置（２．００，０．８８），位置（２．４０，０．８８），位置（１．５０，０．７０），位置（１．１０，０．５０）および位置（０．６０，０．５０）を順に線分で結んで囲われる領域内にあるのが好適である。この場合には、回折格子素子は、角分散が大きく、ＣバンドだけでなくＬバンドでも優れた回折特性を有する。
【００１０】
また、本発明に係る回折格子素子は、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが、位置（０．８０，０．６２），位置（０．８０，０．６５），位置（１．００，０．７５），位置（１．６０，０．８２），位置（１．７５，０．８２），位置（０．９６，０．６０）および位置（０．８０，０．６２）を順に線分で結んで囲われる領域内にあるのが好適である。この場合には、回折格子素子は、更に優れた回折特性を有する。
【００１１】
また、本発明に係る回折格子素子は、周期Λが１．４６μｍ以下であるのが好適である。この場合には、入射角が３５度以上となって、埋め込み構造による効果が大きい。
【００１２】
また、本発明に係る回折格子素子は、屈折率比（ｎ１／ｎ２）が１．２５以上１．６以下であることのが好適である。この場合には、回折特性が特に優れる。
【００１３】
本発明に係る光学モジュールは、上記の本発明に係る回折格子素子を含み、この回折格子素子により光を合波または分波することを特徴とする。この光学モジュールは、角分散が大きく優れた回折特性を有する回折格子素子を含むものであることから、小型であって、損失、偏波依存性および波長依存性が小さい。
【００１４】
また、本発明に係る光学モジュールは、回折格子素子の第２媒質における光の入射角または回折角が６０度以下であるのが好適であり、また、２５度以上３５度以下であるのが更に好適である。この場合には、回折格子素子の回折特性が特に優れるので、光学モジュールの損失、偏波依存性および波長依存性が更に小さい。
【００１５】
本発明に係る光通信システムは、上記の本発明に係る光学モジュールを含み、信号光を伝送するとともに、この光学モジュールにおいて信号光を合波または分波することを特徴とする。この光通信システムは、損失、偏波依存性および波長依存性が小さい光学モジュールを含むものであるので、高品質の光通信が可能である。
【００１６】
また、本発明に係る光通信システムは、光学モジュールに含まれる回折格子素子における回折格子のブラッグ条件を信号光波長帯域内の何れかの波長において満たすのが好適である。この場合には、更に高品質の光通信が可能である。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は、表面レリーフ型回折格子素子９の説明図である。この図は、回折光格子における各格子が延びる方向に回折格子素子９を見たときのものである。この図に示される回折格子素子９は、屈折率ｎ１の透明な平板である媒質９１の一方の面に回折格子が形成されていて、その回折格子が形成されている面が屈折率ｎ０の媒質９６に接し、他方の面に反射低減膜９３が形成され、その反射低減膜９３が屈折率ｎ０の媒質９５に接している。
【００１９】
この回折格子素子９において、回折格子の格子周期をΛとし、回折格子の高さをＨとし、回折格子における周期Λに対する媒質９１の幅のデューティ比をｆとする。また、媒質９６から回折格子へ入射する光の入射角をθとし、媒質９１から反射低減膜９３を経て媒質９５へ出射する透過１次回折光の回折角をφとする。
【００２０】
図２は、表面レリーフ型回折格子素子９の角分散と入射角θとの関係を示すグラフである。ここで、角分散は透過１次回折光についてのものである。入射光の真空中での波長λを１．５５μｍとした。回折格子の周期Λは、入射光の入射角θがブラッグ条件（すなわち、透過０次光および透過１次回折光それぞれの出射角が互いに等しくなる条件）を満たすように設定された。
【００２１】
ブラッグ条件は、
【００２２】
【数１】
2004309650.tif 000003
なる式で表される。また、角分散Ｄは、
【００２３】
【数２】
2004309650.tif 000004
なる式で表される。
【００２４】
なお、ここで、ブラッグ条件を採用した理由は、回折格子では一般にブラッグ条件が満たされるときに高い回折効率が得られるからであり、また、透過０次光および透過１次回折光それぞれの出射角が互いに等しいことから、反射低減膜９３の形成が容易であるからである。
【００２５】
この図２から判るように、入射角θが大きいほど、角分散は大きく、回折格子素子９からの距離が短くでも所望の波長分解能が得られる。したがって、入射角θが大きいほど、回折格子素子を含む光学モジュール（例えば、光分波器、光合波器、光フィルタ、分散調整器、など）を小型化することができる。
【００２６】
図３は、表面レリーフ型回折格子素子９の回折特性と入射角θとの関係を示すグラフである。ここで、回折特性は、
【００２７】
【数３】
2004309650.tif 000005
なる式で表される評価関数の値で評価された。この評価関数の中のηｍａｘ，ηｍｉｎは、Ｃバンド（波長１．５３μｍ〜１．５６５μｍ）内の全波長および全偏波での透過１次回折光の回折効率の最大値，最小値である。評価関数値が小さいほど、回折特性が優れる。評価関数値が１以下であれば、通常のＷＤＭ光通信において要求される回折効率８０％以上および偏波依存性５％以下を満たす。
【００２８】
また、この図３では、回折格子の周期Λは、Ｃバンドの中心波長λ０においてブラッグ条件を満たすよう設定された。媒質９５および媒質９６それぞれの屈折率ｎ０を１とした。入射角θを２０度から８０度までの間で５度刻みとし、媒質９１の屈折率ｎ１を１．０５から３．０までの間で０．０５刻みとし、中心波長で規格化した高さＨ／λ０を０から５．０までの間で０．０５刻みとし、デューティ比ｆを０から１までの間で０．０２刻みとした。そして、これらのパラメータの各値の全ての組合せで、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いたシミュレーションを行って評価関数値を求め、入射角θの各値について評価関数値の最小値を求めた。
【００２９】
この図３から判るように、ＷＤＭ光通信に用いるには入射角θを６０度以下にしなければならず、特に入射角θが３５度以上となると、回折特性の悪化が顕著になる。すなわち、信号光波長帯域１．２６μｍ〜１．６７５μｍにおいては、上記（１）式から、回折格子の周期Λが１．４６μｍ以下である場合に、回折特性の悪化が顕著になる。
【００３０】
図４は、本実施形態に係る回折格子素子１の説明図である。この図は、回折光格子における各格子が延びる方向に回折格子素子１を見たときのものである。この図に示される回折格子素子１は、埋め込み構造型のものであって、屈折率ｎ１の第１媒質１１と屈折率ｎ２の第２媒質１２との間の界面に回折格子が形成されている。第１媒質１１および第２媒質１２のうち、一方は固体であって、他方は固体または液体である。第１媒質１１の回折格子が形成されていない面に反射低減膜１３が形成され、その反射低減膜１３が屈折率ｎ０の媒質１５に接している。また、第２媒質１２の回折格子が形成されていない面に反射低減膜１４が形成され、その反射低減膜１４が屈折率ｎ０の媒質１６に接している。各媒質の屈折率の大小関係は「ｎ１＞ｎ２＞ｎ０」である。
【００３１】
この回折格子素子１において、回折格子の格子周期をΛとし、回折格子の断面形状を矩形として、回折格子の高さをＨとし、回折格子における周期Λに対する第１媒質１１の幅のデューティ比をｆとする。また、媒質１６から反射低減膜１４へ入射する光の入射角をθとし、第２媒質１２から回折格子へ入射する光の入射角をθ’とし、第１媒質１１から反射低減膜１３を経て媒質１５へ出射する透過１次回折光の回折角をφとする。
【００３２】
この図４に示された埋め込み構造型の回折格子素子１と、先に図１に示された表面レリーフ型の回折格子素子９とで、回折格子の周期Λが等しく、入射光の波長λが等しく、媒質１５，１６，９５．９６それぞれの屈折率ｎ０が等しく、また、媒質１６，９６からの光の入射角θが等しければ、媒質１５，９５へ出射される透過１次回折光の回折角および角分散も等しくなる。第２媒質１２の屈折率ｎ２は、媒質１６の屈折率ｎ０より大きいから、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’は、媒質１６からの光の入射角θより小さい。このことから、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’を６０度以下にすることができ、特に、この入射角θ’を２５度〜３５度とすることで、図３から判るように、この回折格子素子１の回折特性および角分散を優れたものとすることができる。なお、図３は、ｎ０＝１、ｎ１＝１．０５〜３  の場合の計算の結果であるが、図１のｎ１を図４のｎ１／ｎ２に置き替えるとともに、図１のθを図４のθ’に置き替えることで、図４に示された回折格子素子１の構成にも当てはまる。
【００３３】
図５は、本実施形態に係る回折格子素子１において優れた回折特性が得られる規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆの範囲を示す図である。ここで、規格化高さＨｎｏｒｍは、
【００３４】
【数４】
2004309650.tif 000006
なる式で定義される。この式で、Ｈ／Λに（ｎ１／ｎ２−１）を乗じているのは、屈折率ｎ１とｎ２との差が大きいほど、回折格子の高さＨが低くても高い回折効率を得ることができるからである。
【００３５】
ここでは、回折格子の周期ΛはＣバンドの中心波長λ０においてブラッグ条件を満たすよう設定し、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’を２０度から８０度までの間で５度刻みとし、屈折率比（ｎ１／ｎ２）を１．０５から３．０までの間で０．０５刻みとし、中心波長で規格した高さｎ２Ｈ／λ０を０から５．０までの間で０．０５刻みとし、デューティ比ｆを０から１までの間で０．０２刻みとした。そして、これらのパラメータの各値の全ての組合せでＲＣＷＡ法を用いたシミュレーションを行なって、ηｍｉｎおよびΔη（＝ηｍａｘ−ηｍｉｎ）それぞれを計算した。ηｍａｘ，ηｍｉｎは、Ｃバンド内の全波長および全偏波での透過１次回折光の回折効率の最大値，最小値である。そして、ηｍｉｎが０．８以上でΔηが０．０５以下となる条件を求めた。
【００３６】
図５中の点は、優れた回折特性（ηｍｉｎ＞０．８，Δη＜０．０５）が得られた条件（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）の位置を示し、図５中の領域Ａ１および領域Ｂそれぞれは、上記の回折特性が得られた条件の範囲を示す。領域Ａ１は、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、位置（０．５０，０．３２），位置（０．５０，０．７５），位置（２．００，０．９０），位置（４．００，０．９０），位置（２．２０，０．７６），位置（０．７５，０．３２）および位置（０．５０，０．３２）を順に線分で結んで囲われる領域である。また、領域Ｂは、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、位置（２．２５，０．２０），位置（２．２５，０．４４），位置（２．７５，０．４４），位置（２．７５，０．２０）および位置（２．２５，０．２０）を順に線分で結んで囲われる領域である。したがって、これら領域Ａ１内または領域Ｂ内に規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが含まれるように各パラメータを設計することにより、Ｃバンドで優れた回折特性を有する回折格子素子１を実現することができる。
【００３７】
図６は、本実施形態に係る回折格子素子１の回折特性と屈折率比（ｎ１／ｎ２）との関係を示すグラフである。ここで、回折特性は、上記（３）式で表される評価関数の値で評価された。この評価関数の中のηｍａｘ，ηｍｉｎは、Ｃバンド内の全波長および全偏波での透過１次回折光の回折効率の最大値，最小値である。また、この図６でも、回折格子の周期Λは、Ｃバンドの中心波長λ０においてブラッグ条件を満たすよう設定された。第２媒質１２から回折格子への入射角θ’を２０度から８０度までの間で５度刻みとし、屈折率比（ｎ１／ｎ２）を１．０５から３．０までの間で０．０５刻みとし、中心波長で規格化した高さｎ２Ｈ／λ０を０から５．０までの間で０．０５刻みとし、デューティ比ｆを０から１までの間で０．０２刻みとした。そして、これらのパラメータの各値の全ての組合せで、ＲＣＷＡ法を用いたシミュレーションを行って評価関数値を求め、屈折率比（ｎ１／ｎ２）の各値について評価関数値の最小値を求めた。この図６から判るように、屈折率比（ｎ１／ｎ２）が１．８５以下であれば、評価関数値が小さく好適であり、屈折率比（ｎ１／ｎ２）が１．２５〜１．６であるのが更に好適である。
【００３８】
本実施形態に係る回折格子素子１は具体的には以下の手順で設計される。使用波長λおよび角分散の要求値から、回折格子の周期Λおよび媒質１６からの光の入射角θが決定され、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’が決定され、更に、回折特性（図６）および製造性の観点から所要の屈折率を有する第１媒質１１および第２媒質１２それぞれの材料が決定される。このようにして設計される回折格子素子１は、領域Ａ１または領域Ｂに規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆが含まれて、優れた回折特性を有するものとなる。また、これまでの説明では入射光の波長帯域をＣバンドとしたが、回折格子の各パラメータは相似則（例えば、中心波長が２倍になれば、周期Λや高さＨも２倍にすればよい。）を有するので、入射光の波長帯域を他のバンドとすることも容易である。
【００３９】
図７は、本実施形態に係る回折格子素子１において更に優れた回折特性が得られる規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆの範囲を示す図である。この図中の領域Ａ２は、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、位置（０．６０，０．５０），位置（０．６０，０．７５），位置（２．００，０．８８），位置（２．４０，０．８８），位置（１．５０，０．７０），位置（１．１０，０．５０）および位置（０．６０，０．５０）を順に線分で結んで囲われる領域である。この領域Ａ２は、Ｃバンドでηｍｉｎが０．９以上でΔηが０．０２５以下となる条件の範囲を示し、Ｌ（波長１．５６５μｍ〜１．６２５μｍ）バンドでηｍｉｎが０．８５以上でΔηが０．０３５以下となる条件の範囲を示し、ＣバンドおよびＬバンドの双方に亘ってηｍｉｎが０．８以上でΔηが０．０５以下となる条件の範囲を示す。このような条件を満たす回折格子素子１を用いることにより、Ｃバンドだけでなく、Ｌバンドでも使用可能であり、また、ＣバンドおよびＬバンドの双方に亘っても使用可能であり、さらに、Ｃバンドで高い回折効率を得ることができ、他の光学素子とともに用いられる場合に該光学素子が損失を有しても、全体としての損失を抑制することができ、通信エラーを抑制することができる。
【００４０】
また、図７中の領域Ａ３は、（Ｈｎｏｒｍ，ｆ）を座標値とする二次元平面上において、位置（０．８０，０．６２），位置（０．８０，０．６５），位置（１．００，０．７５），位置（１．６０，０．８２），位置（１．７５，０．８２），位置（０．９６，０．６０）および位置（０．８０，０．６２）を順に線分で結んで囲われる領域である。この領域Ａ３は、Ｃバンドでηｍｉｎが０．９７以上となる条件の範囲を示し、Ｌバンドでηｍｉｎが０．９６５以上となる条件の範囲を示し、ＣバンドおよびＬバンドの双方に亘ってηｍｉｎが０．９５以上となる条件の範囲を示す。これらの場合の全てにおいて、ηｍｉｎが０．９５以上であるので、Δηが０．０５以下である。このような条件を満たす回折格子素子１を用いることにより、他の光学素子とともに用いられる場合に該光学素子が損失を有しても、全体としての損失を充分に抑制することができ、通信エラーを格段に抑制することができる。
【００４１】
なお、以上では第２媒質１２から第１媒質１１へ光が進む場合について説明したが、第１媒質１１から第２媒質１２へ光が進む場合についても同様である。また、以上ではブラッグ条件に限定して説明したが、これに限定されるものではなく、上記の領域Ａ１，Ａ２もしくはＡ３またはＢに含まれる条件を満たすよう各パラメータを設計すれば、ブラッグ条件から外れていても、高い回折特性を有する回折格子素子を実現することができる。実際、以上の説明でも、中心波長ではブラッグ条件を満たすものの、中心波長と異なる波長ではブラッグ条件を満たしておらず、それでも、ＣバンドまたはＬバンドで優れた回折特性が得られている。
【００４２】
しかし、ブラッグ条件またはその近傍を満たすように設計すると、高い回折特性が得られる他、また、透過０次光、透過１次回折光および反射１次回折光それぞれの出射角が互いに等しいことから、反射低減膜１３，１４の形成が容易である。ただし、ブラッグ条件を満たす波長では、反射１次回折光は入射光の進行方向と逆に進むので、これが実際の使用の上で不都合な場合がある。そこで、使用波長帯域内の何れかの波長でブラッグ条件を満たすものの、使用波長ではブラッグ条件を満たさないようにするのが好適である。例えば、使用波長を昇順に  λ１，λ２，λ３，…，λｎ，λｎ＋１，…，λＮ  とすると、ブラッグ条件を満たす波長を  （λｎ＋λｎ＋１）／２  とすればよい。
【００４３】
また、ブラッグ条件またはその近傍を満たすように設計するとともに、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’を２０度以上として、第１媒質１１および第２媒質１２それぞれの屈折率を
【００４４】
【数５】
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なる関係式を満たすようにすることで、第１媒質１１および第２媒質１２で透過０次光，透過１次回折光および反射１次回折光のみが発生するので、反射低減膜１３，１４での他の回折光の反射に因る悪影響を抑制でき、この点でも優れた特性を得ることができる。また、第１媒質１１および第２媒質１２それぞれを波長と比べて充分に厚くする（例えば通信波長帯域の場合に厚みを５μｍ以上とする）ことで、反射低減膜１３，１４でのエバネッセント波の反射に因る悪影響を抑制でき、この点でも優れた特性を得ることができる。
【００４５】
次に、本実施形態に係る回折格子素子１の製造方法および具体的構成について説明する。透明な固体材料からなる第１媒質１１の表面にエッチングで溝加工し、透明な液体材料からなる第２媒質１２で溝を埋め、或いは、透明な固体材料からなる第２媒質１２を蒸着して溝を埋める。逆に、透明な固体材料からなる第２媒質１２の表面にエッチングで溝加工し、透明な固体または液体の材料からなる第１媒質１１で溝を埋めてもよい。なお、蒸着により溝を埋める場合には、溝の形状の影響により、蒸着された媒質の表面も周期的な凹凸が生じ易いので、蒸着された媒質の表面を研磨等して平坦にするのが好ましい。
【００４６】
例えば、第２媒質１２を石英ガラス（屈折率ｎ２＝１．４５）からなるものとし、第１媒質１１をＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５またはＮｂ２Ｏ５（何れの材料でも屈折率ｎ１＝２．０〜２．２）からなるものとする。屈折率比（ｎ１／ｎ２）が１．４〜１．５となり、図６より、評価関数値が小さく、回折特性が優れたものとなって好適である。媒質１５，１６を空気（屈折率ｎ０＝１）とすると、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’は、媒質１６から反射低減膜１４への光の入射角θより小さくなり、表面レリーフ型回折格子素子の場合と比較して、高い回折効率が得られる。特に、媒質１６から反射低減膜１４への光の入射角θが４０度〜５５度であれば、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’が２５度〜３５度となり、図３より、評価関数値が小さく、回折特性が優れたものとなって好適である。
【００４７】
また、第１媒質１１として更に屈折率が高い材料（例えば半導体）を用い、この第１媒質１１の表面にエッチングで溝加工し、第２媒質１２を蒸着してもよい。例えば、第１媒質１１は半導体（例えば屈折率ｎ１＝３．５のシリコン）からなり、第２媒質１２はＴｉＯ２（屈折率ｎ２＝２．２）からなる。このとき、屈折率比（ｎ１／ｎ２）が１．６であり、媒質１６から反射低減膜１４への光の入射角θが６８度以上であれば、第２媒質１２から回折格子への光の入射角θ’が２５度〜３０度となり、図３より、評価関数値が小さく、回折特性が優れたものとなり、また、更に大きな角分散が得られるので、好適である。
【００４８】
以上の説明では、第１媒質１１より屈折率が小さい第２媒質１２から光が回折格子へ入射する場合について説明したが、第１媒質１１から光が回折格子へ入射する場合についても同様である。また、以上の説明では、回折格子素子１が光分波器として動作するものとして回折格子素子１を説明してきたが、上記とは逆方向に光が進む場合には、この回折格子素子１は光合波器として動作することができる。このように、回折格子素子１は、光を入射または出射する光入出射ポートとともに、光学モジュールとして光分波器または光合波器を構成することができる。
【００４９】
また、図８に示されるように、第１媒質１１から媒質１５へ出射する光を反射させる反射鏡３１〜３４とともに回折格子素子１が用いられる場合には、この回折格子素子１および反射鏡３１〜３４を含む光学モジュール２は、入射した光を回折格子素子１により分波した後に、その分波した各波長の光を反射鏡３１〜３４により反射させ、その反射した光を回折格子素子１により合波する。このとき、分波から合波に至るまでの各波長の光路長（すなわち、反射鏡３１〜３４の位置）を適切に設定することにより、この光学モジュール２は、各波長の光の群遅延時間を調整する分散調整器として用いられ得る。なお、この光学モジュール２は光サーキュレータとともに用いられる（図１１参照）。
【００５０】
また、図９に示されるように、第１媒質１１から媒質１５へ出射する光のパワーを検出する受光素子４１〜４４とともに回折格子素子１が用いられる場合には、この回折格子素子１および受光素子４１〜４４を含む光学モジュール３は、各波長の光のパワーを検出するスペクトル検出装置として用いられ得る。
【００５１】
また、図１０に示されるように、上記の回折格子素子１と同様の構成の２つの回折格子素子１ａ，１ｂならびに光アッテネータ５１〜５４を含む光学モジュール４は、入射した光を回折格子素子１ａ（光分波器）により分波した後に、その分波した各波長の光に対して所定の損失を光アッテネータ５１〜５４により付与し、その後に各波長の光を回折格子素子１ｂ（光合波器）により合波する。この光学モジュール４は、光フィルタとして用いられ、また、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。なお、図８に示される構成において、回折格子素子１と反射鏡３１〜３４との間に光アッテネータを挿入することでも、光フィルタを実現することができる。
【００５２】
上述したような光学モジュールは、光分波器、光合波器、分散調整器、スペクトル検出装置および光フィルタ等として、ＷＤＭ光通信システムにおいて好適に用いられる。これらの光学モジュールは、上記のような大きな角分散および優れた回折特性を有する本実施形態に係る回折格子素子１を含むものであることから、小型であって、損失、偏波依存性および波長依存性が小さい。
【００５３】
また、これらの光学モジュールに含まれる回折格子素子１において、第１媒質１１より屈折率が小さい第２媒質１２における光の入射角または回折角が６０度以下であるのが好適であり、第２媒質１２における光の入射角または回折角が２５度以上３５度以下であれば更に好適である。これらの場合には、回折格子素子１の回折特性が特に優れるので、光学モジュールの損失、偏波依存性および波長依存性が更に小さい。
【００５４】
次に、本発明に係る光通信システムの実施形態について説明する。図１１は、本実施形態に係る光通信システム１００の構成図である。この図に示される光通信システム１００は、光送信器１１０、光中継器１２０および光受信器１３０を備えていて、光送信器１１０と光中継器１２０の間に光ファイバ伝送路１４０が敷設され、光中継器１２０と光受信器１３０の間に光ファイバ伝送路１５０が敷設されたものである。
【００５５】
光送信器１１０は、光源１１１〜１１４および光合波器１１５を備える。光源１１１〜１１４は、互いに異なる波長の信号光を出力する。光合波器１１５は、これら光源１１１〜１１４から出力された信号光を合波して、その合波した多波長の信号光を光ファイバ伝送路１４０へ出力する。
【００５６】
光中継器１２０は、光増幅器１２１、利得等化器１２２、光カプラ１２３およびスペクトル検出装置１２４を備える。光増幅器１２１は、光ファイバ伝送路１４０により伝送されて到達した信号光を入力し、この信号光を光増幅して出力する。利得等化器１２２は、光増幅器１２１から出力された信号光を入力して、その信号光に対して波長に応じた損失を付与することで、光増幅器１２１の利得を等化する。光カプラ１２３は、利得等化器１２２から出力された信号光の一部を分岐してスペクトル検出装置１２４へ出力するとともに、残部を光ファイバ伝送路１５０へ出力する。スペクトル検出装置１２４は、光カプラ１２３から到達した信号光のパワーを波長毎にモニタする。そして、スペクトル検出装置１２４によるモニタ結果に基づいて、光増幅器１２１および利得等化器１２２それぞれの動作が制御される。
【００５７】
光受信器１３０は、受光部１３１〜１３４、光分波器１３５、光サーキュレータ１３６および分散調整器１３７を備える。光サーキュレータ１３６は、光ファイバ伝送路１５０により伝送されて到達した信号光を入力して、その信号光を分散調整器１３７へ出力する。また、光サーキュレータ１３６は、分散調整器１３７から到達した信号光を入力して、その信号光を光分波器１３５へ出力する。光分波器１３５は、分散調整器１３７から出力された多波長の信号光を入力し、その信号光を波長毎に分波して、各波長の信号光を受光部１３１〜１３４へ出力する。受光部１３１〜１３４は、光分波器１３５から到達した信号光を受信する。
【００５８】
この光通信システム１００は以下のように動作する。光送信器１１０においては、光源１１１〜１１４それぞれから出力された信号光は、光合波器１１５により合波されて、光ファイバ伝送路１４０に出力される。光中継器１２０においては、光ファイバ伝送路１４０により伝送されて到達した多波長の信号光は、光増幅器１２１により光増幅され、利得等化器１２２により波長毎のパワーが均一にされて、光ファイバ伝送路１５０に出力される。また、光ファイバ伝送路１５０に出力される各波長の信号光のパワーがスペクトル検出装置１２４によりモニタされ、そのモニタ結果に基づいて光増幅器１２１および利得等化器１２２それぞれの動作が制御されて、光中継器１２０に到達する信号光の波数が変動した場合などにおいても、光ファイバ伝送路１５０に出力される各波長の信号光のパワーが均一にされる。光受信器１３０においては、光ファイバ伝送路１５０により伝送されて到達した多波長の信号光は、光サーキュレータ１３６を経て分散調整器１３７に入力し、この分散調整器１３７により分散補償され、再び光サーキュレータ１３６を経て光分波器１３５に入力する。光分波器１３５に入力した多波長の信号光は、光分波器１３５により波長毎に分波されて、受光部１３１〜１３４により受信される。
【００５９】
このような光通信システム１００において、光合波器１１５および光分波器１３５それぞれとして上記の回折格子素子１が用いられ、利得等化器１２２として上記の光学モジュール４が用いられ、スペクトル検出装置１２４として上記の光学モジュール３が用いられ、また、分散調整器１３７として上記の光学モジュール２が用いられる。したがって、この光通信システム１は、各光学モジュールの損失、偏波依存性および波長依存性が小さいので、高品質の光通信が可能である。また、光通信システム１００において、信号光波長帯域内の何れかの波長において、各光学モジュールに含まれる回折格子素子１における回折格子のブラッグ条件を満たすのが好適であり、この場合には、更に高品質の光通信が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る回折格子素子は、角分散が大きく、所定の波長帯域で優れた回折特性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面レリーフ型回折格子素子９の説明図である。
【図２】表面レリーフ型回折格子素子９の角分散と入射角θとの関係を示すグラフである。
【図３】表面レリーフ型回折格子素子９の回折特性と入射角θとの関係を示すグラフである。
【図４】本実施形態に係る回折格子素子１の説明図である。
【図５】本実施形態に係る回折格子素子１において優れた回折特性が得られる規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆの範囲を示す図である。
【図６】本実施形態に係る回折格子素子１の回折特性と屈折率比（ｎ１／ｎ２）との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態に係る回折格子素子１において更に優れた回折特性が得られる規格化高さＨｎｏｒｍおよびデューティ比ｆの範囲を示す図である。
【図８】本実施形態に係る光学モジュール２の構成図である。
【図９】本実施形態に係る光学モジュール３の構成図である。
【図１０】本実施形態に係る光学モジュール４の構成図である。
【図１１】本実施形態に係る光通信システム１００の構成図である。
【符号の説明】
１…回折格子素子、２〜４…光学モジュール、１１…第１媒質、１２…第２媒質、１００…光通信システム。
【図１】
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【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】
2004309650.tif 000013
【図７】
2004309650.tif 000014
【図８】
2004309650.tif 000015
【図９】
2004309650.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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