(57)【要約】【課題】分散と分散スロープを同時に補償できて挿入損失が少ない。【解決手段】光ファイバー２を射出した光を、シリンドリカルレンズ４で一軸方向に集光させてファブリペロー干渉計５に入射させ、この干渉計５で波長によって射出する角度を変化させＸ軸方向に分布させる。更に集光レンズ６で焦点位置Ａで結像させ、凹面回折格子７で反射させて波長によって偏向角を異ならせ、反射ミラー８の反射面８ａで反射させ、光路を逆方向へ走行させる。ファブリペロー干渉計５と凹面回折格子７とで光をＹ−Ｚ面とＸ−Ｚ面とにおける射出角を波長毎に異ならせる。集光位置Ａと反射面８ａとは凹面回折格子の反射面の半径Ｒを直径とするローランド円の円周上にある。反射面８ａをＹ−Ｚ面とＸ−Ｚ面とで異なる自由曲面に形成して波長毎の反射位置をずらすことで、波長毎に光路長差を持たせて分散と分散スロープを補償する。【選択図】　図１
2004037840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝送するための光伝達素子を射出した光の波長によって射出する角度を変化させる角分散素子と、少なくとも凹面形状の反射面を有していて回折作用を有する回折光学素子と、全光学系における焦点位置近傍に配備され且つ光が波長に応じて分散する方向に形状が変化する反射面を有する反射ミラーとを備えたことを特徴とする分散補償器。
【請求項２】
光を伝送するための光伝達素子を射出した光の波長によって射出する角度を変化させる角分散素子と、集光作用を有する光学素子と、少なくとも凹面形状の反射面を有していて回折作用を有する回折光学素子と、全光学系における焦点位置近傍に配備され且つ光が波長に応じて分散する方向に形状が変化する反射面を有する反射ミラーとを備えたことを特徴とする分散補償器。
【請求項３】
請求項２記載の分散補償器において、前記光学素子によって形成された焦点位置と前記反射ミラーの反射面とは、前記回折光学素子における凹面形状の反射面の曲率半径を直径とする円周上に位置する分散補償器。
【請求項４】
光を伝送するための光伝達素子を射出した光の波長によって射出する角度を変化させる角分散素子と、集光作用を有する光学素子と、該光学素子を射出した光の焦点位置近傍で光を偏向させる光偏向器と、少なくとも凹面形状の反射面を有していて回折作用を有する回折光学素子と、全光学系における焦点位置近傍に配備され且つ光が波長に応じて分散する方向に形状が変化する反射面を有する反射ミラーとを備えたことを特徴とする分散補償器。
【請求項５】
請求項４記載の分散補償器において、前記光偏向器の反射面と前記反射ミラーの反射面とは、前記回折光学素子の凹面形状の反射面の曲率半径を直径とする円周上に位置する分散補償器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載の分散補償器において、前記凹面光学素子は凹面回折格子であり、前記凹面回折格子の格子ピッチは凹面形状の反射面上の領域によって相違する分散補償器。
【請求項７】
請求項６記載の分散補償器において、前記凹面回折格子の格子ピッチは凹面形状の反射面上の前記角分散素子による波長分散方向に直交する方向の領域で相違する分散補償器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか記載の分散補償器において、前記回折光学素子は凹面回折格子であり、その回折格子はブレーズ角を有する面を備えた分散補償器。
【請求項９】
請求項２、３、６乃至８のいずれか記載の分散補償器において、前記光学素子によって形成された焦点位置と前記反射ミラーの反射面とは、前記回折光学素子の凹面の曲率半径を直径とする円周上に位置する関係を保ちながら移動可能とされた分散補償器。
【請求項１０】
請求項９記載の分散補償器において、前記回折光学素子はその反射面の曲率中心を支点として回転可能とされた分散補償器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向に直交する面内においてパワーを有する分散補償器。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内においてパワーを有する分散補償器。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は回転非対称な自由曲面である分散補償器。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内において入射光軸に対して傾斜した面を有する分散補償器。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は入射光軸に対して略垂直な方向に移動可能である分散補償器。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内において移動可能である分散補償器。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれか記載の分散補償器において、前記反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向に直交する面内において移動可能である分散補償器。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子から反射ミラーの反射面に到る光路中に少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学面または光学部材が配備されている分散補償器。
【請求項１９】
請求項１８記載の分散補償器において、前記角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学面は、前記凹面回折格子の反射面である請求項１７記載の分散補償器。
【請求項２０】
請求項１９記載の分散補償器において、前記凹面回折格子の反射面はアナモルフィック面である分散補償器。
【請求項２１】
請求項１９記載の分散補償器において、前記凹面回折格子の反射面は回転非対称な自由曲面である分散補償器。
【請求項２２】
請求項１８記載の分散補償器において、前記角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学部材は、前記角分散素子と反射ミラーとの間に配設されたシリンドリカルレンズである分散補償器。
【請求項２３】
請求項１８記載の分散補償器において、前記角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学部材は、前記角分散素子と反射ミラーとの間に配設されたアナモルフィックレンズである分散補償器。
【請求項２４】
請求項１８記載の分散補償器において、前記角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学部材は、前記角分散素子と反射ミラーとの間に配設された自由曲面レンズである分散補償器。
【請求項２５】
請求項２、３、６乃至２４のいずれか記載の分散補償器において、前記光学素子は正のパワーを有する反射面を備えた光偏向器である分散補償器。
【請求項２６】
請求項２５記載の分散補償器において、光偏向器は反射型回折格子である分散補償器。
【請求項２７】
請求項２、３、６乃至２４のいずれか記載の分散補償器において、前記光学素子は前記角分散素子と回折光学素子の間に配置された正のパワーを有する凹面鏡である分散補償器。
【請求項２８】
請求項２７記載の分散補償器において、前記凹面鏡はアナモルフィック凹面鏡である分散補償器。
【請求項２９】
請求項２、３、６乃至２４のいずれか記載の分散補償器において、前記光学素子は前記角分散素子と回折光学素子の間に配置された自由曲面の反射面を有している分散補償器。
【請求項３０】
請求項１乃至２９のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子は干渉計である分散補償器。
【請求項３１】
請求項１乃至２９のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子はファブリペロー干渉計である分散補償器。
【請求項３２】
請求項１乃至２９のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子はエタロンである分散補償器。
【請求項３３】
請求項１乃至２９のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子はＶＩＰＡである分散補償器。
【請求項３４】
請求項１乃至２９のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子は回折格子である分散補償器。
【請求項３５】
請求項３４記載の分散補償器において、前記回折格子はブレーズ角を有する面を備えている分散補償器。
【請求項３６】
請求項１乃至２９のいずれか記載の分散補償器において、前記角分散素子はプリズムである分散補償器。
【請求項３７】
請求項１乃至３６のいずれか記載の分散補償器と、該分散補償器から射出された光を監視して光の分散情報と分散スロープ情報の少なくとも一方を含む信号を出力する信号モニタと、該信号モニタから出力された前記信号に基づいて分散量及び分散スロープ量の少なくとも一方を減らすよう前記反射ミラーの移動を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする分散補償システム。
【請求項３８】
請求項１乃至３６のいずれか記載の分散補償器と、該分散補償器から射出された光を監視して光の分散情報と分散スロープ情報の少なくとも一方を含む信号を出力する信号モニタと、該信号モニタから出力された前記信号に基づいて分散量及び分散スロープ量の少なくとも一方を減らすよう前記回折光学素子の移動を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする分散補償システム。
【請求項３９】
請求項３乃至３６のいずれか記載の分散補償器と、該分散補償器から射出された光を監視して光の分散情報と分散スロープ情報の少なくとも一方を含む信号を出力する信号モニタと、該信号モニタから出力された前記信号に基づいて分散量及び分散スロープ量の少なくとも一方を減らすよう前記光偏向器の偏向角を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする分散補償システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信に用いられる光ファイバー等の光伝達素子内で光の伝送中に発生する分散による光信号の劣化を補償する分散補償器に関し、特に光伝達素子内で発生する波長分散および分散スローブを補償することのできる分散補償器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの急速な拡大による通信トラフィックの増大に応じ、光通信システムの大容量化の必要性が増している。従来、通信の大容量化は電子回路の速度向上に伴う伝送スピードの高速化によっていたが、近年、通信トラフィックの増大の要求は電子回路の高速度化を超えるレベルであり、波長分割多重化技術（ＷＤＭ；Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍａｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）による並列化の併用が不可欠となってきた。
現在、商用化されている光伝送速度は１０Ｇｂ／ｓが限界であるが、化合物半導体を用いた電子デバイスの進歩によって次第に４０Ｇｂ／ｓでの伝送が実験室レベルで実現している。伝送する媒体に関しては、１０Ｇｂ／ｓを起える高速伝送では、媒質中の光の伝播速度が光の波長や偏波状態によって変化する、分散による伝送パルス幅の広がりが深刻な問題であり、光の伝送するシステム全体において分散をゼロに近づけることが必要である，
波長分散に関しては、ファイバーの零分散波長を伝送波長に近づける分散シフトファイバーを用いてファイバー自体の分散を減少させる技術、光ファイバー（通常シングルモードファイバー：ＳＭＦ）と逆の特性を持った分散補償ファイバー（ＤＣＦ：Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｆｉｂｅｒ）を一定間隔で配置する分散制御技術が一般的に用いられてきた。
一方、４０Ｇｂ／ｓの速度になると、分散制御に対する要求が非常に厳しく、温度変化に伴う光ファイバーの分散の変化をダイナミックに補正する必要が生じてきた。
【０００３】
これらの要求のためには、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）や、ＶＩＰＡ（Ｖｉｒｔｕａｌｌｙ　ｌｍａｇｅｄ　Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ）が提案されている。ＶＩＰＡを用いた分散補償器として、例えば特表２０００−５１１６５５公報に記載されたものがある。この分散補償器は、光ファイバーから射出した光をコリメートした後に集光させ、その焦点位置に配置したＶＩＰＡを通過させることで波長毎に判別可能な光速を生成して平行光とする。そして、この平行光を集光させて焦点位置に配設させた反射ミラーで反射させ、同一の光学系を逆方向に走行させることで光ファイバーに戻すようにしている。
この分散補償器によれば、ＶＩＰＡから出力された光を反射ミラーの異なる点に集光させ、その際に反射ミラーの反射面の形状を変化させておくことで、波長毎に光路差を生じさせることができ、異なる波長毎に異なる距離を伝播することで波長分散を補償するようにしている。
ところで、光ファイバーによる光通信の劣化特性には、分散と同時に分散スロープが存在するが、上記の分散補償器では、波長分散と共に起こる分散スロープまでは改善できないという欠点がある。
この分散スロープを補償する手段として米国特許第６３０１０４８号公報に開示された分散補償器が提案されている。この補償器では、ＶＩＰＡと回折格子を用いて分散及び分散スロープを同時に補償する方法を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この分散補償器においては、回折格子を備えて回折格子から射出した光を反射ミラーで反射するように構成しているが、ＶＩＰＡ以外に１枚または２枚の回折格子とレンズとを用いた構成となっているため、光が走行する光学素子の界面が４枚以上となり、それぞれの光学素子における吸収や界面における光の損失が大きくなり、装置全体の挿入損失が大きいものになる不具合が生じている。
また、各波長に対して最適な光路差を生成させる表面形状となるよう反射ミラーを調整する必要があるので、反射ミラーを可動ステージで移動させる場合にはスペースが必要となる。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みて、波長分散と分散スロープを補償できて挿入損失が少ない分散補償器を提供することを目的とする。
本発明の更なる目的は、補償する分散量及び分散スロープ量を可変にするにあたり大きなスペースを必要としない分散補償器と分散補償システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による分散補償器は、光を伝送するための光伝達素子を射出した光の波長によって射出する角度を変化させる角分散素子と、少なくとも凹面形状の反射面を有していて回折作用を有する回折光学素子と、全光学系における焦点位置近傍に配備され且つ光が波長に応じて分散する方向に形状が変化する反射面を有する反射ミラーとを備えたことを特徴とする。
本発明は、光ファイバー等の光伝達素子を伝送して変調された光を取り出し、角分散素子と回折光学素子とによって、互いに直交または交差する方向においてそれぞれ波長によって射出角を異ならせて反射ミラーの反射面で反射させることで、光伝達素子のもつ分散及び分散スロープによる光信号の劣化を補償する。特に、凹面形状の反射面を有していて回折作用を発揮する回折光学素子を構成したことにより、挿入損失が小さいと共に部品点数が少なく装置の小型化を実現できる。しかも波長多重分割技術（ＷＤＭ）を用いた光通信システムにおいて、分散補償と同時に分散スロープを補償することを実現し、補償する分散量と分散スロープ量とにかかわらず、挿入損失が少ない光学系を得られる。
【０００７】
本発明において、角分散素子としては、入射される光の波長によって射出する光の射出角が異なるものであればよい。例えば、光学伝達素子から射出した光は、一軸方向にのみ集光した光となって角分散素子に入射され、一軸方向にのみ集光した光が集光した方向を含む面内方向にのみ波長によって射出角の異なる光として射出する。この波長による射出角の異なる射出光は、角分散素子による波長分散方向を含む面内の反射位置の異なる反射面を有する反射ミラーで反射されて光路を逆方向に戻る。反射ミラーのこの反射面が、例えば分散値に対応した光路長差を有する自由曲面形状であると、反射位置による全光路長の差を持たせることができる。それゆえ、波長による群遅延差は光路長差を持たせることで補償することができる。
角分散素子の分散量が小さければ、反射ミラーまでの距離を長くする必要があるため装置の大型化を招く。そうでなければ波長分離できず、分散補償することが困難となるため、角分散素子の分散量はある程度大きいものが好ましい。
他方、角分散素子から射出した光はある波長を１つだけ取り出すと略平行光となっており、この光を回折光学素子に入射させる。そして回折光学素子にて反射した光は波長によって射出角の異なった収束する回折光となり、反射ミラーの反射面上の反射点に集光する。
反射ミラーは、角分散素子による波長分散方向と直交する面内においては、回折光学素子から射出して波長によって射出角の異なる光線を反射することで分散スロープを補償する反射面形状を有している。この反射面は角分散素子による波長分散方向を含む面内とは異なった断面形状で、角分散素子による波長分散方向と直交する面内での、上記凹面回折格子からの波長によって射出角の異なる射出光の反射位置が異なる面である。
【０００８】
また本発明による分散補償器は、光を伝送するための光伝達素子を射出した光の波長によって射出する角度を変化させる角分散素子と、集光作用を有する光学素子と、少なくとも凹面形状の反射面を有していて回折作用を有する回折光学素子と、全光学系における焦点位置近傍に配備され且つ光が波長に応じて分散する方向に形状が変化する反射面を有する反射ミラーとを備えたことを特徴とする。本発明においても、角分散素子と回折光学素子とによって、互いに直交または交差する方向においてそれぞれ波長によって射出角を異ならせて反射ミラーの反射面で反射させることで、光伝達素子のもつ分散及び分散スロープによる光信号の劣化を補償する。
本発明においても上述の分散補償器と同様の作用を呈している。特に本発明では、角分散素子から射出した光はある波長を１つだけ取り出すと略平行光となっていて、光学素子を通過した光は収束光となって焦点距離の位置に焦点を結ぶ。そしてこの焦点位置（１次結像点）から再び発散光となって進み、回折光学素子に入射する。回折光学素子にて反射した光は波長によって射出角の異なった収束する回折光となり、反射ミラーの反射面上の反射点に集光する。
【０００９】
また、光学素子によって形成された焦点位置と反射ミラーの反射面とは、回折光学素子における凹面形状の反射面の曲率半径を直径とする円周上に位置する。１次像位置、回折光学素子の反射点及び反射ミラーの反射面は１つの円周上にあり、その円の直径は回折光学素子の曲率半径であることが重要である。これらの幾何学的な位置関係はローランド円と呼ばれ、回折光学素子が回折効果と結像性能を同時に満たす。この回折光学素子は単体で分光作用と結像作用を持ち、一次像位置をローランド円上に設けているので、回折光学素子で分光された回折像は格子定数、波長、次数をどう選択しても、必ず同じローランド円上に生じ、しかも非点収差以外は実用的に無収差とみなせる。従って、従来の透過型の回折光学素子を反射型の回折光学素子に替えることにより、界面が少なく透過による光の吸収が低減され且つ収差を少なくして反射ミラーへ向けて集光できるので、装置全体の挿入損失が小さく高精度の分散補償と分散スロープ補償を行うことができる。
【００１０】
また本発明による分散補償器は、光を伝送するための光伝達素子を射出した光の波長によって射出する角度を変化させる角分散素子と、集光作用を有する光学素子と、該光学素子を射出した光の焦点位置近傍で光を偏向させる光偏向器と、少なくとも凹面形状の反射面を有していて回折作用を有する回折光学素子と、全光学系における焦点位置近傍に配備され且つ光が波長に応じて分散する方向に形状が変化する反射面を有する反射ミラーとを備えたことを特徴とする。
本発明は、上述した角分散素子と回折光学素子による各波長分散作用に加えて、光偏向器によって光束を走査して回折光学素子へ入射する光束の位置を変えることができるため、回折光学素子の回折周期を領域によって異ならせることで、分散値を変化させることができ、分散スロープを可変にすることができる。
尚、光偏向器を角分散素子による波長分散方向に直交する面内と波長分散方向を含む面内とのいずれか一方の１軸または両方の２軸で回転可能としてもよく、装置を大型化することなく大きなスペースを必要とせずに分散や分散スロープを可変にできる。
また、光偏向器の反射面と反射ミラーの反射面とは、回折光学素子の凹面形状の反射面の曲率半径を直径とする円周上に位置する。
１次像位置、回折光学素子の反射点及び反射ミラーの反射面は１つの円周上にあり、その円の直径は回折光学素子の曲率半径である。これらの幾何学的な位置関係はローランド円と呼ばれ、回折光学素子が回折効果と結像性能を同時に満たす。この回折光学素子は単体で分光作用と結像作用を持ち、一次像位置をローランド円上に設けているので、回折光学素子で分光された回折像は格子定数、波長、次数をどう選択しても、必ず同じローランド円上に生じ、しかも非点収差以外は実用的に無収差とみなせる。従って、従来の透過型の回折光学素子を反射型の回折光学素子に替えることにより、透過による光の吸収が低減され且つ収差を少なくして反射ミラーへ向けて集光できるので、装置全体の挿入損失が小さく高精度の分散補償と分散スロープ補償を行うことができる。
【００１１】
また回折光学素子は凹面回折格子であり、凹面回折格子の格子ピッチは凹面形状の反射面上の領域によって相違していてもよい。また、凹面回折格子の格子ピッチは凹面形状の反射面上の角分散素子による波長分散方向に直交する方向の領域で相違していてもよい。
凹面回折格子の格子ピッチを、凹面形状の反射面の延在方向に分周した領域毎に異なるように形成すると、段階的に格子周期が異なるものになり、角分散値を変えることで、補償する分散スロープ値を可変にすることができる。
凹面回折格子の回折格子はブレーズ角を有する面を有していてもよい。
本発明の分散補償器においては、凹面回折格子における回折において、一次回折光のみを用いるようにできれば、損失を小さくすることができるため、ブレーズ角を有する回折格子を用いることが望ましい。このときのブレーズ波長は分散補償器に挿入する入力光の中心波長であることが望ましい。角分散素子として回折格子を用いる場合でも、同様にその回折格子はブレーズ角を有する面を有していてもよく、この場合も同一の作用効果を得られる。
【００１２】
また、光学素子によって形成された焦点位置と反射ミラーの反射面とは、回折光学素子の凹面の曲率半径を直径とする円周上に位置する関係を保ちながら移動可能であってもよい。
そのため、光が回折光学素子に入射する位置に関わらず、回折光学素子による焦点位置は常に反射ミラーの反射面上の１点に形成される。
また、回折光学素子はその凹面の曲率半径を直径とする円の中心を支点として回転可能としてもよい。
回折光学素子は凹面形状の反射面の曲率中心を支点として回転することで、格子ピッチを変更しても、光学素子の焦点位置（一次結像点）、回折光学素子、反射ミラーの反射面が幾何学的にはローランド円上にあるため、回折光学素子の反射点はいつも反射面上の１点になり、高精度な補償を実現できる。
【００１３】
また、反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向に直交する面内においてパワーを有していてもよい。
反射ミラーの反射面は、回折光学素子で回折された光の波長による反射角の変化に伴って光路長を変化させ、必要な補償をする分散スロープ値にすることができる。
また、反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内においてパワーを有していてもよい。反射ミラーの反射面は、角分散素子による射出角の異なる光の光路長を変化させて、必要な補償をする分散値にすることができる。
また、反射ミラーの反射面は回転非対称な自由曲面であってもよい。
反射ミラーの反射面は、補償する分散量または分散スロープ量にあわせた曲面形状になり、より高精度な補償が可能となる。
また、反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内において入射光軸に対して傾斜した面を有していてもよい。
反射ミラーの反射面を傾斜した面とすることで、回折光学素子で回折された光の波長による反射角の変化に伴って光路長を変化させる効果があり、しかも形状が単純なために製造コストが低い。
【００１４】
また、反射ミラーの反射面は入射光軸に対して略垂直な方向に移動可能にしてもよい。
補償する分散値及び分散スロープ値によって反射面の反射位置を変更する場合、反射面は光軸に対して略垂直な方向に移動することで反射率の変化を抑えることができる。
また、反射ミラーの反射面は少なくとも角分散素子による波長分散方向に直交する面内において移動可能であってもよく、補償する分散値を可変にすることができる。そして／或いは、反射ミラーの反射面は角分散素子による波長分散方向を含む面内において移動可能であってもよく、補償する分散スロープ値を可変にすることができる。
【００１５】
また、光学素子から反射ミラーの反射面に到る光路中に少なくとも角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学面または光学部材が配設されていてもよく、回折光学素子として凹面回折格子を用いた場合、ローランド円の関係で生じる角分散素子による波長分散方向を含む面内で、前述した凹面回折格子によって発生する非点収差を補正することができる。
また、角分散素子による波長分散方向を含む面内に正のパワーを有する光学面は、凹面回折格子の反射面であってもよく、この場合には、凹面回折格子のみで収差補正ができ、損失の少ない系を実現できる。
この場合、凹面回折格子の反射面はアナモルフィック面であってもよく、この場合には、角分散素子による波長分散方向を含む面内において、波長分散方向に直交する面内の反射面とパワーを異なるものにすることができるため、非点収差を補正することができる。
或いは、凹面回折格子の反射面は回転非対称な自由曲面であってもよく、この場合には、非点収差のみならず、光学系全系で発生する収差を補正することが可能である。
また、角分散素子による波長分散方向を含む面内で正のパワーを有する光学部材は、角分散素子と反射ミラーとの間に配設されたシリンドリカルレンズであってもよい。或いはアナモルフィックレンズ、または自由曲面レンズであってもよい。凹面回折格子の加工が困難で、アナモルフィック面や自由曲面形状を形成できない場含には、別個に配設したシリンドリカルレンズやアナモルフィックレンズや自由曲面レンズ等によっても非点収差の補正が可能である。
【００１６】
また、光学素子は正のパワーを有する反射面を設けた光偏向器であってもよい。
集光作用を有する光学素子として、光偏向器の反射面を正のパワーを有する面とすることで、光を反射させて回折光学素子に向けて偏向させると共に集光させることができ、レンズ枚数を削減し、損失を抑えることができる。
また、光偏向器は反射型回折格子であってもよい。
角分散素子と回折光学素子の間に光偏光器を配備し、この光偏光器として反射型回折格子面を用いることで、回折光学素子とこの反射型回折格子の分散値の和として角分散を得ることができ、大きな波長分散を必要とする場合に有効である。
また、光学素子は角分散素子と回折光学素子の間に配置された正のパワーを有する凹面鏡であってもよい。
集光作用を有する光学素子として、角分散素子と回折光学素子の間に凹面鏡を配設することで、レンズ枚数を削減し、損失を抑えることができる。
また、この凹面鏡はアナモルフィック凹面鏡であってもよく、この場合には、回折光学素子でローランド円の関係で生じる非点収差を補正することができる。また、光学素子は角分散素子と回折光学素子の間に配置された自由曲面の反射面を有していてもよく、この場合には、回折光学素子でローランド円の関係で生じる非点収差を補正すると同時に光学系全系の収差補正を行うことが可能である。
【００１７】
尚、角分散素子として、干渉計、ファブリペロー干渉計、エタロン、ＶＩＰＡ、回折格子、或いはプリズム等を用いてもよい。
また、角分散素子が回折格子である場合、ブレーズ角を有する面を備えていることが好ましい。
【００１８】
本発明による分散補償システムは、上述した本発明による分散補償器と、該分散補償器から射出された光を監視して光の分散情報と分散スロープ情報の少なくとも一方を含む信号を出力する信号モニタと、この信号モニタから出力された前記信号に基づいて分散量及び分散スロープ量の少なくとも一方を減らすよう反射ミラーの移動を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、分散補償器により波長分散と分散スロープの少なくとも一方を補償された光の分散情報や分散スロープ情報が信号モニタから出力され、その情報に基づく制御装置の作動により反射ミラーの移動位置が制御される。従って、光伝送素子の長さ等が決定された状態で波長分散量や分散スロープ量の少なくとも一方が決定し、それによって適正な補償が得られるような反射ミラーの位置が決定された場合であっても、他の要因によって波長分散量または分散スロープ量が変動した場合には、その都度、補償されることになる。
また分散補償システムにおいて、波長分散量や分散スロープ量の少なくとも一方を自動調整するために、反射ミラーに代えて、光偏向器の偏向角を制御するようにしてもよい。或いは回折光学素子の位置を制御するようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１乃至図４は本発明の第一の実施の形態を示すもので、図１は実施の形態による分散補償器の構成を示す図で、（ａ）はＹ−Ｚ面内から見た光学系の構成図、（ｂ）はＸ−Ｚ面内から見た光学系の構成図、図２は図１（ｂ）におけるファブリペロー干渉計を通過する光の波長分散を説明する部分拡大図、図３は凹面回折格子の反射面の一例の部分拡大断面図、図４は反射ミラーの反射面形状を示す図である。
尚、図１を含む各図において、ＸＹＺ座標系は、紙面に沿って右側を正方向とするＺ座標を配した直交座標系である。図１（ａ）はＹ−Ｚ面、図１（ｂ）はＸ−Ｚ面における光学系を示している。しかしながら全ての図面において、Ｘ座標とＹ座標とを入れ換えても分散補償器１の光学系を縦に配置するか横に配置するかの違いにすぎず、いずれの座標系を採用しても本発明の本質に変わりはない。また各図において示された光路は、特定の波長の光のみを抽出して描いたものである。
図１に示す分散補償器１は、光通信システムにおいて光ファイバー（光伝達素子）を伝送された光について波長分散と分散スロープを補償するものであり、光ファイバー２から射出された光を平行光にするコリメータレンズ３と、この平行光をＸ−Ｚ面内でのみ正のパワーを有していて一軸方向即ちＸ−Ｚ面内でのみ集光させるシリンドリカルレンズ４と、シリンドリカルレンズ４による集光位置近傍に配設されたファブリペロー干渉計５（角分散素子）と、ファブリペロー干渉計５内で波長毎に分散して射出された略平行光束を焦点位置Ａで集光させる集光レンズ６（光学素子）と、焦点位置Ａで集光した光束が拡散して波長毎に回折角を異ならせて反射させる凹面回折格子７（回折光学素子）と、この反射光が集光する反射面８ａで反射させて上述した往光路を逆行させる反射ミラー８とを有している。
これらの構成は分散補償器１の光学系の基本構成である。
【００２０】
分散補償器１の光学系のうち、ファブリペロー干渉計５について図２により説明する。
ファブリペロー干渉計５は媒質が例えば屈折率ｎで略板状をなす光学ガラス１０であり、その両面に第一反射膜１１ａと第二反射膜１１ｂとが略平行に配設されている。光の入射側に位置する第一反射膜１１ａは略１００％の反射率を有する反射面とされ、射出側に位置する第二反射膜１１ｂは第一反射膜１１ａより小さい反射率即ち例えば９５％程度で略１００％より小さい反射率を有する反射面とされている。ファブリペロー干渉計５はＶＩＰＡと同一と考えてよく、この干渉計５に代えてＶＩＰＡを配設してもよい。
第一反射膜１１ａのうち、シリンドリカルレンズ４からの収束する光が入射する入射窓１２の部分は切除されており、入射窓１２では入射光の透過率はほぼ１００％に近く設定されている。そのために、収束光が入射角θで入射窓１２からファプリペロー干渉計５の光学ガラス１０内に入射すると、好ましくは第二反射膜１１ｂ上で一軸方向に焦点を結び、図２に示すように、第一及び第二反射膜１１ａ、１１ｂ間で繰り返し反射して多重反射する。入射光の多重反射によって自己干渉を生じさせ、それにより射出光を生じさせる。射出光は連続する波長領域内の他の波長を有する入射光について形成された射出光と空間的に判別可能である。射出光は波長毎に射出する角度に違いが生じ、互いに干渉する。
図１、２において、ファブリペロー干渉計５から射出する光は波長毎にＸ−Ｚ面内に分散されている。本明細書では、このＸ−Ｚ面を、角分散素子による波長分散方向を含む面といい、Ｙ−Ｚ面を角分散素子による波長分散方向に直交する面という。
ファブリペロー干渉計５から射出した光は略平行光束と考えることができ、通常の平行光として取り扱うことができる。
【００２１】
ここで、ファブリペロー干渉計５（またはＶＩＰＡ）について、光学ガラス１０の間隔（厚さ）をｔとすると、第二反射膜１１ｂを透過して射出する多重透過光の隣り合った光の光路長差Ｌ＝２ｎｔｃｏｓθとなる。干渉によるｍ次の明るい縞の波長をλとすると、ｍλ＝２ｎｔｃｏｓθで与えられる。この式を波長λで微分すると、角分散Ｄｆは
Ｄｆ＝ｄθ／ｄλ＝ｍ／２ｎｔｃｏｓθ＝１／λ・ｃｏｔθとなる。
この角分散によって、入射された光の波長の違いによって射出する角度が異なる略平行光が形成される。また、厚さｔの媒質について光学ガラス１０に代えて空気を採用し、媒質を挟んで第一及び第二反射膜１１ａ、１１ｂを配設して構成されていても、当然、同様の効果が得られる。この場合、媒質内での光路が空気であるため温度による影響を受けにくい状態となる。
また射出光で形成する干渉縞について述べる。
次数の重なり合わない領域を自由スペクトル領域（ｆｒｅｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒａｎｇｅ）△λＲという。ｍ次の干渉縞が、ｍλ＝２ｎｔｃｏｓθを満足する方向θにできているとき、（ｍ＋１）次の干渉縞は（θ−△θ）方向にできる。すなわち、
（ｍ＋１）λ＝２ｎｔｃｏｓ（θ−△θ）となる。
ここで、仮に（θ−△θ）方向に波長（λ＋△λ）のｍ次の光が干渉縞を作ったとすると、次式が成り立つ。
ｍ（λ＋△λ）＝２ｎｔｃｏｓ（θ−△θ）
上式は、波長λの干渉縞の次数が１だけ異なるときの方向の違い△θＲを与える。
△λＲ＝ｄλ／ｄθ△θＲ＝λ２／２ｎｔｃｏｓθ≒λ２／２ｎｔ
すなわち、自由スペクトル領域△λＲは、ｎｔが小さいほど大きい。例えば波長１５５０ｎｍで、ｔ＝０．８ｍｍ、ｎ＝１．６５の場合には、△λＲ≒１ｎｍとなり、この波長幅において射出角の変化する出力光が繰り返し得られることになる。
【００２２】
ファブリペロー干渉計５を通過した光は略平行光束となり、集光レンズ６を通過してその焦点距離の位置Ａ（一次結像点）に焦点を結ぶ。この焦点位置Ａの近傍にスリット１３を配設すれば、不要光を排除できる。
凹面回折格子７は、曲率を有し、格子溝ｋまた突起が形成された反射型回折格子である。即ち、凹面回折格子７の反射面７ａは、角分散素子（ファブリペロー干渉計５）による光の波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）で曲率半径Ｒの円弧を描く凹曲面からなる凹面を形成している。反射面７ａは角分散素子による波長分散方向を含む面内（Ｘ−Ｚ面内）では自由曲面を形成している。そして角分散素子による波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）において回折作用を有するように格子溝（または格子突起部）ｋがＸ軸方向に形成されている。即ち、Ｙ−Ｚ面内において反射面７ａ上の複数の格子溝ｋはＸ軸方向に略平行に延びて配列されている。
【００２３】
尚、図３は凹面回折格子７の一例を示すもので、凹面回折格子７の凹面状反射面７ａに形成した格子溝ｋの形が、格子溝ｋの延在方向に直交する断面視で、図のように階段状になっているＥｅｈｅｌｅｔｔｅ回折格子の場合には、入射角ｉと回折角βの間にｉ±β＝２α（αは回折格子面と長い溝面とのなす角）の関係、すなわち溝面に対して鏡面反射の条件にあるような波長の光に対しては、その方向に最も強く回折を起こし、他の次数にはほとんど回折されない。この方向は入射角ｉによって異なるが、ｉ＝βの場合には回折格子の式からｍλ０＝ω（ｓｉｎｉ＋ｓｉｎβ）＝２ωｓｉｎαとなって波長が決まってしまう。ｍ＝１のときのλ０をブレーズ波長、αをブレーズ角という。
溝面に対する鏡面反射のとき回折強度最大の条件は、ある波長λ０だけに対して成り立つが、幾何学的な反射でないから、λ０を中心としたかなり広い波長域に対しても成り立つ。ｍ、λ０を一定とすると、格子ピッチωを小さくし、αを大きくすると分解能を高くすることが可能となる。
本発明の分散補償器においては、角分散素子として回折格子を用いる場合にも、凹面回折格子７における回折においても一次回折光のみを用いるようにできれば、損失を小さくすることができるため、ブレーズ角を有する回折格子を用いることは望ましい。このときのブレーズ波長は分散補償器に挿入する入力光の中心波長であることが望ましい。
また回折光学素子として、凹面回折格子７に限定されることなく、レーザ光の干渉を利用したホログラフィック格子、ＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）等であってもよい。
【００２４】
反射ミラー８の反射面８ａは、座標系が反射面で変換され光軸方向をＺ軸とすると、互いに直交するＹ−Ｚ面方向とＸ−Ｚ面方向とでそれぞれ波長によって射出角の異なる光線を反射させて分散補償と分散スロープ補償とを同時に行う曲面形状を有しており、そのために例えばＹ−Ｚ面方向とＸ−Ｚ面方向とで形状の異なる自由曲面を形成している。一例をいえば、図１（ａ）で、反射面８ａはＥ−Ｅ線断面視で凸曲面形状が形成され（図４（ａ）参照）、Ｆ−Ｆ線断面視で凹曲面形状が形成され（図４（ｂ）参照）、両者間で断面形状が滑らかに連続して変化する自由曲面になる。
尚、反射ミラー８の反射面８ａは、例えばアナモルフィック面、トーリック面、曲面、球面、平面傾斜面でもよく、補償すべき分散量及び分散スロープ量に対応していればどのような形状でもかまわない。
本実施の形態における反射ミラー８の自由曲面は、例えば次式により表される。尚、この式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２５】
【数１】
2004037840.tif 000003
【００２６】
但し、数１の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。また球面項中、ｃは頂点の曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）である。
自由曲面項は、以下に示す数２のように展開することができる。但し、Ｃｊ（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００２７】
【数２】
2004037840.tif 000004
【００２８】
また図１（ａ）で示すＹ−Ｚ面内で、分散補償器１において、焦点位置Ａ、凹面回折格子７の反射面７ａにおける発散光の反射点、反射ミラー８の反射面８ａは、反射面７ａの曲率半径Ｒを直径とする円Ｃの円周上にある。これらの幾何学的な位置関係を備えた円Ｃはローランド円と呼ばれ、凹面回折格子７が回折効果と結像効果を同時に満たすものとして知られている。
この凹面回折格子７は単体で分光作用と結像作用を持ち、本実施の形態のように焦点位置Ａで一次像点をローランド円Ｃ上に設ければ、凹面回折格子７で分光された回折像は格子定数、波長、次数をどう選んでも、必ず同じローランド円上に生じ、しかも実用的に無収差とみなせる。但し、上記特性は、角分散素子による波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）でのみ適用されるものであり、角分散素子による波長分散方向を含む面内（Ｘ−Ｚ面内）では、ローランド円から遠くずれた位置に焦点を結ぶ非点収差が発生する。
従って、この非点収差を補正するために、例えば凹面回折格子７の反射面７ａの形状を角分散素子による波長分散方向を含む面内（Ｘ−Ｚ面内）と角分散素子による波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）とで曲率を変化させて、アナモルフィック面または自由曲面とする。ここでは、光の波長分散方向を含む面内（Ｘ−Ｚ面内）における凹面形状の反射面７ａについて非点収差を補正する曲面とすることで、反射ミラー８の反射面８ａ上の焦点Ｂにおける結像性能を向上させることができる。
あるいは、１次結像点Ａから反射ミラー８の反射面８ａの焦点Ｂへの光路中に、Ｘ−Ｚ面内でパワーの異なる光学素子を配設することで、反射ミラー８上の焦点Ｂにおける結像性能を向上させることができる。
【００２９】
上述の構成によって、分散補償器１では、Ｘ−Ｚ面内において、凹面回折格子７の反射面７ａで反射した反射光はファブリベロー干渉計５からの影響で波長によって射出角の異なる収束光として反射ミラー８の自由曲面である反射面８ａに集光することで、各波長による光路長差を補償し、波長分散を補償する。即ち、反射面８ａ上においてＸ軸方向に異なる位置で反射する光に与える光路長差は、光ファイバー２を伝送されてきた光の波長分散量によって定まる。そのため、これらの光の反射面８ａ上の反射位置を波長分散量によって定まるＺ軸方向の所定位置に設定することで、波長分散量を適性に補償する光路長差を光に与えることができ、正分散または負分散のどちらに対しても補償できる。
尚、補償する分散量を可変にする場合には、光が反射ミラー８に入射する位置を分散量によって変化させる必要がある。この場合には、図１（ａ）の矢印で示すように、角分散素子による波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）で反射ミラー８を移動させて反射点を自由曲面からなる反射面８ａに対して相対移動させればよい。
また分散スロープ補償について述べれば、Ｙ−Ｚ面内では、凹面回折格子７の反射面７ａは曲率半径Ｒを有しＹ−Ｚ面内に格子溝（位相部）ｋを有する１次元の回折格子であるために、格子溝ｋで反射した光は、波長によって射出角の異なる収束光（回折光）となり、反射ミラー８の自由曲面である反射面８ａの反射点に集光することで、各波長による分散スロープを補償する。反射面８ａ上においてＹ軸方向に異なる位置で反射する光に与える光路長差は、光ファイバー２を伝送されてきた光の各波長の分散スロープ量によって定まる。そのため、これらの光の反射面８ａ上の反射位置を各波長の分散スロープ量によって定まるＹ軸方向の所定位置に設定することで、分散スロープ量を適性に補償する光路長差を光に与えることができる。
尚、補償する分散スロープ量を可変にする場合には、図１（ａ）のＹ−Ｚ面に直交するＸ軸方向に反射ミラー８を移動させて反射点を自由曲面からなる反射面８ａに対して相対移動させればよい。
【００３０】
本実施の形態による分散補償器は上述の構成を備えており、次に作用を説明する。
光通信システムにおいて、長距離に及ぶ光ファイバー２内を伝送されてきた光信号は、波長分散と分散スロープが生じ、群遅延が生じている。図１において、光ファイバー２から射出された光は、光ファイバー２のＮＡで決まる発散角で広がりながら分散補償器１内に進む。
そして分散補償器１のコリメータレンズ３で平行光とされた光束はシリンドリカルレンズ４によって一軸方向（図１ではＸ−Ｚ面内）にのみ集光しつつファブリペロー干渉計５に入射窓１２から入射角度θを以て入射し、ガラス面１０内を進んで第二反射膜１１ｂで集光する。
ファブリペロー干渉計５内では、入射光は第一及び第二反射膜１１ａ、１１ｂ間で多重反射を起こし、波長毎に干渉した光が第二反射膜１１ｂから射出する角度に違いを生じて射出光となる。射出光は連続する波長領域内の他の波長を有する入射光について形成された射出光と空間的に判別可能である。そして互いに干渉する複数の射出光がファブリペロー干渉計５から出射し、略平行光束となる。この光束は集光レンズ５を通過して収束光となり、焦点位置Ａ（一次結像点）で焦点を結ぶ。そして、スリット１３で不要光を排除された光束は再び発散光となって進み、凹面回折格子７に入射する。凹面回折格子７の反射面７ａで反射した光は波長によって射出角の異なる回折光として収束し、反射ミラー８の反射面８ａ上で集光する。
【００３１】
そして、反射ミラー８の反射面８ａで反射した光は凹面回折格子７，集光レンズ６、ファブリペロー干渉計５、シリンドリカルレンズ４、コリメータレンズ３を経由し、往工程の光路をたどって逆方向に進んで光ファイバー２に戻ることになる。
ここで、ファブリペロー干渉計５によって波長毎にＸ軸方向に分布する入射光は、Ｘ軸方向の射出角度を異ならせているために、反射ミラー８の反射面８ａへの入射位置は光の波長によって決定されている。反射ミラー８の反射面８ａは波長分散方向を含む面内（Ｘ−Ｚ面内）においてＸ軸方向に沿って適切な自由曲面とされているから、波長毎にＸ軸方向に分布する入射光は、反射面８ａ上におけるＸ軸方向の反射位置に応じてファブリペロー干渉計５との間で分散値に応じた異なる光路長を与えられることになる。従って、ファブリペロー干渉計５と反射面８ａとの間で、遅れている波長の光に対する光路長を短く設定し、進んでいる波長の光に対する光路長を長く設定することによって波長分散を補償し、群遅延を解消できることになる。
【００３２】
一方、角分散素子による波長分散方向に直交する方向の面内（Ｙ−Ｚ面内）においては、ローランド円Ｃ上の焦点位置Ａ（一次結像点）で焦点を結んだ光は、発散しつつ凹面回折格子７の反射面７ａで波長によって射出角の異なる回折光となって反射し、反射ミラー８の反射面８ａの集光点Ｂで反射される。凹面回折格子７の反射面７ａにはＸ軸方向に格子溝ｋが所定ピッチで形成されているために波長毎に射出角を異ならせて角度分散させることができ、各波長の分散スロープに応じて反射ミラー８の反射面８ａ上のＹ−Ｚ面内の異なる位置に集光させて反射させることになる。
この反射面８ａは、角分散素子による波長分散方向に直交する方向の面内（Ｙ−Ｚ面内）において、上述したＸ−Ｚ面内の自由曲面とは異なる形状の自由曲面に形成されているために、各波長毎に光路長差を与えられることになる。そのために、凹面回折格子７の凹曲面状の反射面７ａと反射ミラー８の反射面８ａとの間で、各波長の分散スロープを補償できる。
ファブリペロー干渉計５によって補償できる分散値は通常一定であるために分散スロープまでは補償できないが、この光の方向と直交する方向で凹面回折格子７によって分散スロープを同時に補償することができる。
【００３３】
上述のように本実施の形態による分散補償器１によれば、波長多重分割技術（ＷＤＭ）を用いた光通信システムにおいて、波長分散と分散スロープを同時に補償できる。しかもローランド円Ｃの関係を採用することで凹面回折格子７単体で回折と集光を同時に満たすことができて光学系の構成が簡単でコンパクトであり、補償する波長分散量と分散スロープ量に関わらず、ファブリペロー干渉計５から光が通過する光学素子の界面が３枚であり、挿入損失の変化が少ないという利点がある。
その点、上述した米国特許第６３０１０４８号公報による従来の分散補償器では、ＶＩＰＡと回折格子と集光レンズを光路に配設して光を通過させる構成であるために、ＶＩＰＡから光が通過する光学素子の界面が４枚以上となって光の挿入損失が大きいという欠点がある。
【００３４】
以下、本発明の別の実施の形態や変形例について添付図面により説明するが、上述の第一の実施の形態と同一または同様の部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。
反射ミラー８の反射面８ａは数１で規定する自由曲面に限定されることなく、他の形状、例えば精度の高い分散補償や分散プローブ補償を要求されない場合には、反射面８ａのＸ−Ｚ面内の形状とＹ−Ｚ面内の形状の一方または両方を図４（ｃ）に示すような平面状の傾斜面としてもよい。この場合、反射面８ａを入射光軸に対して直交する方向にＹ−Ｚ面内やＸ−Ｚ面内を移動可能とすれば、分散値や分散スロープを調整することができる。
また図５は第一の実施の形態による分散補償器１の変形例であり、この分散補償器１Ａでは、集光レンズ６とその焦点位置Ａとの間に光路を偏向する第二反射ミラー１１（光偏向器）が配設されており、集光レンズ６を射出した収束光が集光する前に第二反射ミラー１１によって光路を偏向されて焦点位置Ａで結像した後で発散して凹面回折格子７に入射するようになっている。図５に示す例では、集光レンズ６から射出された光束の光軸をＹ−Ｚ面内で略９０°折り曲げるように構成されている。
この分散補償器１Ａでは装置の全長を短く設定できる。
【００３５】
また、さらなる変形例として、第二反射ミラー１１に代えて反射型回折格子（光偏向器）を設けても良く、この場合、分散補償器１Ａでは反射型回折格子は直交する２軸を中心にＹ−Ｚ面内及びＸ−Ｚ面内（Ｚ軸回り）で回転可能としてもよい。この場合、分散補償器１Ａでは集光レンズ６で集光された光はローランド円Ｃ上の反射型回折格子の反射面上で結像し（第一結像点）、その反射光が発散しつつ凹面回折格子７に向かうことになる。ここで反射型回折格子を回転可能とすることにより、第一結像点は厳密にはローランド円Ｃ上から外れることになるが、そのズレ量は条件を適切に設定することにより微小となり実質上無視することができる。
この反射型回折格子で角分散素子による波長分散効果を増大させるためには、Ｘ−Ｚ面内のみの回折効果を与えるためにＹ軸方向にのみ格子溝（格子突起）を形成する。また反射型回折格子によって凹面回折格子７の分散効果を増強させるためには、Ｘ軸方向にのみ格子溝（格子突起）を形成すればよい。また反射型回折格子によって、角分散素子と凹面回折格子７の両方の分散効果を増強させる場合には、２次元の回折格子を構成する必要があり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに格子溝（格子突起）を形成すればよい。
尚、上述した反射型回折格子は、後述する第三の実施の形態の図８に示す分散補償器１６の光学系における第三反射ミラー１８の反射面上に配設してもよい。この場合にも、反射型回折格子の格子溝（格子突起）を形成する方向をＸ軸方向とＹ軸方向の一方または両方に形成することで同様の作用効果を奏することになる。
【００３６】
次に本発明の第二の実施の形態による分散補償器１４を図６により説明する。図６（ａ）、（ｂ）において、光ファイバー２からファブリペロー干渉計５までの構成は図１に示す分散補償器１と同一であるために省略されており、集光レンズ６から反射ミラー８までの構成に関してのみ説明する。
図６において、集光レンズ６を通過した収束光の結像する焦点位置Ａ′（一次結像点）には回転ミラー１５（光偏向器）が配設されている。回転ミラー１５は焦点位置Ａ′においてＹ−Ｚ面内でＸ軸回りに回転可能であると共にＸ−Ｚ面内でＺ軸（図６（ｂ）で光軸に重なる軸）回りに回転可能とされ、直交する２軸で回転可能とされている。回転ミラー１５で反射された光は発散して凹面回折格子７の反射面７ａで反射され、反射ミラー８の反射面８ａで集光して反射されることになる。
ここで、焦点位置Ａ′（一次像の結像位置）である回転ミラー１５の反射位置、凹面回折格子７の反射面７ａ及び反射ミラー８の反射面８ａはローランド円Ｃの円周上に位置する。凹面回折格子７の曲率半径Ｒはローランド円Ｃの直径である。
【００３７】
そして図７に示すように、凹面回折格子７はＹ−Ｚ面内における凹面状の反射面７ａで複数の格子溝（または格子突起）ｋがＸ軸方向に平行に配列されている。しかも凹面状の反射面７ａはその延在方向に複数領域、例えば６領域に分割されており、各分割領域Ｄ１、Ｄ２、…、Ｄ６相互間で格子溝（格子突起）ｋの配列ピッチがそれぞれ異なるように形成されて回折定数を変化させている。これによって回転ミラー１５をＹ−Ｚ面内で回転させて光の偏向角を調整することで、凹面回折格子７における各波長の回折角を適宜選択することができる。そのため、選択された任意の分割領域Ｄ１、Ｄ２、…で光を反射させることで回折角を変更し、反射ミラー８の自由曲面による反射面８ａに対する集光反射位置を変化できる。従って、光路長差を調整できて、種々の分散に対して補償することが可能になる。
また回転ミラー１５をＸ−Ｚ面内でＺ軸回りに回転させることで、ファブリペロー干渉計５で波長分散させた入射光について凹面回折格子７で反射する部分を選択することができ、これによって要求される分散スロープ補償量を選択できる。
尚、反射ミラー８の反射面８ａはＹ−Ｚ面内とＸ−Ｚ面内とでそれぞれ異形状の自由曲面を形成することは第一の実施の形態と同一であるが、本実施の形態においては、回転ミラー１５を２軸回りにそれぞれ回転可能とすることで、凹面回折格子７の反射面７ａで反射する波長の入射領域を選択できるから、反射ミラー８は固定配置できる。この場合、Ｘ−Ｚ面内で凹面回折格子７の反射面７ａのＸ軸方向両側領域の曲率を（中央領域より）大きく設定することで、反射面７ａにおける反射光を確実に反射ミラー８の反射面８ａに集光させて分散補償を行える。
【００３８】
ここで、ローランド円Ｃの関係においては、Ｙ−Ｚ面内では収差の発生がほとんどないが、Ｘ−Ｚ面内では上述したようにＹ−Ｚ面内での焦点位置よりローランド円から遠くずれた位置に焦点を結ぶ非点収差を生じる。これを補正するために次の手段を選択的に採用できる。
本実施形態では、例えば凹面回折格子７の反射面７ａの形状をＸ−Ｚ面内で非点収差を補正する程度に（Ｙ−Ｚ面と異なる）曲率を設定して正のパワーを有するようにする。例えば反射面７ａをアナモルフィック面または自由曲面とすることで反射ミラー８上の焦点Ｂにおける結像性能を向上できる。
或いは、別の手段として、一次結像点から反射ミラー８までの間にＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面とで面内のパワーの異なる光学素子を挿入してもよい。例えば、少なくともＸ−Ｚ面内に正のパワーを有するレンズ、例えばシリンドリカルレンズやアナモルフィックレンズや自由曲面を含むレンズ等を配備してもよい。
また、凹面回折格子７と反射ミラー８との間に、少なくともＸ−Ｚ面内に、正のパワーを有するミラーを配設して、その反射光を反射ミラー８に入射させるようにしてもよい。この場合のミラーはシリンドリカルミラーやアナモルフィックミラー、或いは自由曲面を含むミラーであってもよい。
【００３９】
次に本発明の第三の実施の形態を図８により説明する。
図８に示す分散補償器１６の光学系において、光の進行方向に光ファイバー２、コリメータレンズ３、シリンドリカルレンズ４、干渉計の配列構成については、上述の実施の形態によるものと同一であり、本実施の形態では干渉計としてファブリペロー干渉計５に代えてファブリペローエタロン（以下、エタロンという）１７（角分散素子）が配設されている。エタロン１７はファブリペロー干渉計５と同様の構成を有しており、波長によって射出角度を変化させてＸ軸方向に波長に応じて分布させた光を出射させて略平行光束として走行させることになる。第三反射ミラー１８は、エタロン１７から射出した光を反射させて光路を凹面回折格子７の反射面７ａに向けて折り曲げると共に集光させる正のパワーを有している。図に示す例では、第三反射ミラー１８は反射面１８ａが凹曲面を形成しており、反射面１８ａで反射した略光束は光路を折り曲げて集光して焦点位置Ａ”で結像し、更に発散して凹面回折格子７の反射面７ａで反射して反射ミラー８の反射面８ａで焦点Ｂを結んで反射され、同一光路を逆方向に走行することになる。
ここで、本実施の形態においても、焦点位置Ａ”、凹面回折格子７，反射ミラー８の反射面８ａはローランド円Ｃの円周上に位置し、この円Ｃの直径は凹面回折格子７の曲率半径Ｒである。また焦点位置Ａ”近傍に不要光を排除するスリット１３を設けても良い。
【００４０】
更に本実施の形態による分散補償器１６では、凹面回折格子７は図７に示すようにＹ−Ｚ面内で凹面状の反射面７ａの延在方向に複数の分割領域Ｄ１、Ｄ２…間で相互に各複数の格子溝（格子突起）ｋのピッチがそれぞれ変化している。しかも、凹面回折格子７は反射面７ａの曲率中心である点Ｔを支点として回転可能とされている。
そのため、凹面回折格子７を支点Ｔを中心に回転運動させることで、固定保持された反射ミラー８の反射面８ａに結像する反射光について第三反射ミラー１８から反射する光の波長分散領域を選択することができ、要求される様々な分散スロープに対して補償することが可能になる。この場合、反射ミラー８の反射面８ａは上述した他の実施形態と同様に自由曲面を含む曲面として、広い波長域に対する分散スロープ補償を行うことができる。
【００４１】
尚、角分散素子として、ファブリペロー干渉計５やエタロン１７に限定されることなく他の干渉計や回折格子やプリズム等を採用してもよい。
例えば、角分散素子が回折格子の場合について説明する。
回折格子において、回折格子ピッチをω、入射角ｉ、回折角θｇとすると、回折の式は
ω（ｓｉｎθｇ＋ｓｉｎｉ）＝ｍλ　　（ｍは回折次数）
である。ここで角分散は、波長△λ異なるスペクトルが角度でどれだけ離れるかをあらわす量であり、角分散Ｄｇとすると、上式を波長λで微分して、
Ｄｇ＝ｄθ／ｄλ＝ｍ／ωｃｏｓθｇ
となる。したがって、もしも分散量を大きくしたい場合には、ωを小さくすればよい。
また、角分散素子に用いることのできる回折格子は、上述したＥｃｈｅｌｅｔｔｅ回折格子のような形状に限らず、溝状の線を引いた格子、階段格子、正弦波格子、台形格子等でもよく、また、レーザ光の干渉を利用したホログラフィック格子、ＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）であってもよい。
【００４２】
また角分散素子はプリズムであってもよい。
図９に示すように分散補償器２２の光学系において、上述の実施の形態による凹面回折格子７に代えてプリズム２３を用いた場合、角分散Ｄｐは、次式であらわされる。
Ｄｐ＝ｄθ／ｄλ＝２ｓｉｎ（φ／２）／（１−ｎ２ｓｉｎ２（φ／２））１／２
・ｄｎ／ｄλ
ただし、θｐはふれ角、φはブリズムの頂角、ｄｎ／ｄλは材料の分散である。
角分散Ｄｐは上式からわかるように、プリズムの頂角φ、材料の屈折率ｎ及び分散ｄｎ／ｄλで決まる。頂角φは用いる材料に応じて最適角があって、これは種々の頂角に対する角分散Ｄｐの大小と、利用されるエネルギーの大小を比較して決められる。一般に屈折率ｎの小さい材料のプリズム角は大きくしたほうがよい。したがって角分散Ｄｐは屈折率ｎとｓｉｎ（φ／２）の積の大きいほどよいことになる。
【００４３】
次に本発明の第四の実施の形態を図１０により説明する。
図１０に示す分散補償器２４において、光ファイバー２から射出した光の進行方向に、コリメータレンズ３、シリンドリカルレンズ４、エタロン１７が順次配列された光学系の構成については、上述の第三の実施の形態によるものと同一である。エタロン１７から射出した光は、波長によって射出角度を変化させてＸ軸方向に波長に応じて分布させた光を出射させて略平行光束として走行させることになる。
そしてエタロン１７から射出した光を反射させる凹面回折格子７が配設され、この凹面回折格子７による反射光は反射ミラー８の反射面８ａで反射させることになる。凹面回折格子７の反射面７ａは反射ミラー８に向けて折り曲げると共に集光させる正のパワーを有している。
【００４４】
凹面回折格子７は、曲率を有し、格子溝ｋまた突起が形成された反射型回折格子である。即ち、凹面回折格子７の反射面７ａはＹ−Ｚ面内で所定の曲率半径の円弧を描く凹曲面からなる凹面を形成している。反射面７ａはＸ−Ｚ面内では自由曲面を形成している。そして角分散素子（エタロン１７）による波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）において回折作用を有するように格子溝（または格子突起部）ｋがＸ軸方向に形成されている。
反射ミラー８の反射面８ａは上述したものと同一構成を有しており、座標系が反射面で変換され光軸方向をＺ軸とすると、例えばＹ−Ｚ面方向とＸ−Ｚ面方向とで形状の異なる自由曲面を形成している。補償する分散量を可変にする場合には、光が反射ミラー８に入射する位置を分散量によって変化させる必要があり、例えば図１０の矢印で示すように、角分散素子による波長分散方向に直交する面内（Ｙ−Ｚ面内）で入射光軸に直交する方向に反射ミラー８を反射点に対して相対移動可能にすればよい。また、補償する分散スロープ量を可変にする場合には、図１０のＹ−Ｚ面に直交するＸ軸方向に反射ミラー８を相対移動させればよい。
上述の構成を採用すれば、分散補償器２０の部品点数が一層減少してコンパクト化でき、しかも角分散素子以降の界面が２面であるから挿入損失が一層小さいという利点がある。
【００４５】
次に本発明による分散補償システム３０について、図１１により説明する。
本実施の形態による分散補償システム３０は、図１１に示すように、例えば第一の実施の形態による分散補償器１と、この分散補償器１から射出された光を監視する信号モニタ３１と、信号モニタ３１からの出力に基づいて反射ミラー１のＹ−Ｚ面内及びＸ−Ｚ面内での移動位置を制御する制御装置３２とを備えている。
尚、この分散補償システム３０において、サーキュレータ３３が光ファイバー２と分散補償器１との間に配設され、光ファイバー２から射出された光と分散補償器１から戻る光とを分けて分散補償器１から戻る光を取り出すようになっている。またサーキュレータ３３と信号モニタ３１との間に分光器３４が設けられており、サーキュレータ３３から出力されて分散補償された光の一部を取り出して信号モニタ３１にフィードバックしている。
信号モニタ３１は、分散補償器１から出力され分散補償された光を入力することで、この光を分析することによって波長分散量のような分散情報と分散スロープ量のような分散スロープ情報とを含む信号Ｓ１を抽出することができるようになっている。制御装置３２では信号モニタ３１から出力された信号Ｓ１に基づいて波長分散と分散スロープとを補償するように反射ミラー８に対する移動指令信号Ｓ２を出力するようになっている。
【００４６】
上述の構成を備えた分散補償システム３０によれば、分散補償器１の作動により、光ファイバー２を伝送されてきた光の波長分散と分散スロープが補償されると波長分散量と分散スロープ量がゼロになるので、制御装置３２から反射ミラー８への移動指令信号Ｓ２もゼロになり、反射ミラー８はそのときの移動位置に保持される。すなわち、光ファイバー２を伝送されている光の波長分散と分散スロープが一定して生じている場合には、一旦補償が完了するとその状態に維持されることになる。
しかしながら、温度や振動のような光ファイバー２の配設されている環境や、光ファイバー２内を伝送されてくる光信号の周波数帯域が変化した場合には、光信号内に含まれる波長分散量や分散スロープ量も変化する。このような場合には、分散補償器１を出力した補償済みの光信号内に、新たにどの程度の波長分散と分散スロープが発生したのかという各情報を含む信号Ｓ１が信号モニタ３１から出力される。
そして制御装置３２は、この信号Ｓ１の大きさに応じた距離だけ、反射ミラー８をＹ−Ｚ面内または／及びＸ−Ｚ面内を移動させるよう制御する。すなわち、反射ミラー８の位置と、そのときに選択される反射ミラー８の反射面８ａ形状に応じた分散補償量と分散スロープ補償量とを予め対応づけておくだけで、波長分散と分散スロープが常に最小限に抑えられるように自動調整されることになる。
【００４７】
このように本実施の形態による分散補償システム３０によれば、波長分散量と分散スロープ量とが最小限となるように自動調整されるので、将来的に光信号の伝送速度が増大して波長分散量と分散スロープ量とが、温度や振動のような外的要因により変動しやすくなった場合においても、光信号の損失を制御することができるという効果がある。
尚、上述の実施の形態による分散補償システム３０では、反射ミラー８をＹ−Ｚ面内及びＸ−Ｚ面内を移動可能として波長分散量と分散スロープ量とを補償するようにしたが、いずれか一方の面内に移動させて波長分散量と分散スロープ量の一方のみを補償するようにしてもよい。
また分散補償システム３０において、反射ミラー８に代えて、分散補償器１Ａにおける第二反射ミラー１１やこのミラー１１に代えて設けた反射型回折格子、分散補償器１４における回転ミラー１５、分散補償器１６における第三回転ミラー１８等を光偏向器として採用して回転可能に配備してもよい。
或いは分散補償器１６や分散補償器２４における凹面回折格子７を移動させることで分散スロープ量等を最小にするよう自動調整してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
上述のように本発明による分散補償器によれば、波長分散と分散スロープを同時に補償できると共に、回折光学素子で回折と集光を同時に満たすことができて部品点数が少なく装置の小型化を実現でき、補償する波長分散量と分散スロープ量に関わらず挿入損失の変化が少ないという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による分散補償器の光学系を示すもので、（ａ）はＹ−Ｚ面内から見た分散補償器の構成図、（ｂ）はＸ−Ｚ面内から見た分散補償器の構成図である。
【図２】図１（ｂ）におけるファブリペロー干渉計を通過する光の波長分散を説明する部分拡大図である。
【図３】凹面回折格子の反射面におけるブレーズ角を示す部分拡断面大図である。
【図４】反射ミラーの断面図であり、（ａ）は図１（ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図、（ｂ）は同じくＦ−Ｆ線断面図、（ｃ）は反射ミラーの変形例についての断面図である。
【図５】第一の実施の形態による分散補償器の変形例を示すもので、（ａ）はＹ−Ｚ面内から見た分散補償器の構成図、（ｂ）はＸ−Ｚ面内から見た分散補償器の構成図である。
【図６】第二の実施の形態による分散補償器を示すもので、（ａ）はＹ−Ｚ面内から見た分散補償器の構成図、（ｂ）はＸ−Ｚ面内から見た分散補償器の構成図である。
【図７】図６（ａ）に示す凹面回折格子の拡大図である。
【図８】第三の実施の形態による分散補償器をＹ−Ｚ面内から見た構成図である。
【図９】ファブリペロー干渉計に代えてプリズムを用いた分散補償器を示す図である。
【図１０】第四の実施の形態による分散補償器をＹ−Ｚ面内から見た構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態による分散補償システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１４，１６　分散補償器
５　ファブリペロー干渉計（角分散素子）
６　集光レンズ（光学素子）
７　凹面回折格子（回折光学素子）
８　反射ミラー
１１　第二反射ミラー
１５　回転ミラー（光偏向器）
１７　エタロン（角分散素子）
１８　反射型回折格子（光学素子）
３０　分散補償システム
ｋ　格子溝
【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】
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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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