(57)【要約】【課題】コリメートレンズの波長分散による光合分波器の損失を低減する。【解決手段】第１および第２のコリメートレンズ２、４と、これらのコリメートレンズ２、４の一方の端面２ｂ、４ｂ間に挿入された光合分波素子３と、第１のコリメートレンズ２の他方の端面２ａ側に配置された第１および第２のポート５、６と、第２のコリメートレンズ４の他方の端面４ａ側に配置された第３のポート７とを備え、第１のポート５から光合分波素子３に反射されて第２のポート６に至るまでの第１の光路、および、第１のポート５から光合分波素子３を透過して第３のポート７に至るまでの第２の光路の２つの光路を有し、これら２つの光路および光合分波素子３を用いて波長の異なる光を合分波する光合分波器１において、第１および第２のコリメートレンズ２、４の波長分散の大きさに合わせて、第１および第２の光路の光路長差を変化させる。【選択図】　図１
2004093990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のコリメートレンズと、
これらのコリメートレンズの一方の端面間に挿入された光合分波素子と、
前記第１のコリメートレンズの他方の端面側に配置された第１および第２のポートと、
前記第２のコリメートレンズの他方の端面側に配置された第３のポートとを備え、
第１のポートから光合分波素子に反射されて第２のポートに至るまでの第１の光路、および、第１のポートから光合分波素子を透過して第３のポートに至るまでの第２の光路の２つの光路を有し、これら２つの光路および前記光合分波素子を用いて波長の異なる光を合分波する光合分波器であって、
前記第１および第２のコリメートレンズの波長分散による前記波長の異なる光の焦点距離の差に合わせて、前記第１および第２の光路の光路長に差を設けたことを特徴とする光合分波器。
【請求項２】
前記第１および第２のコリメートレンズが屈折率分布型レンズであり、
これらのコリメートレンズは、前記各ポートに向かい合う側の端面が斜めに研磨されているとともに、これらの斜め研磨端面が互いに平行になるように配置され、前記第１および第２の光路の光路長が異なるようになっており、
前記波長の異なる光のうち、前記屈折率分布型レンズ中の焦点距離が長くなる方の波長の光が、前記２つの光路のうち、光路長の長い方の光路を通るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項３】
前記第１および第２の屈折率分布型レンズの長さは、前記屈折率分布型レンズ中の焦点距離が長くなる方の波長に対するピッチ長の０．２３〜０．２５倍にしたことを特徴とする請求項２に記載の光合分波器。
【請求項４】
前記第１および第２のポートが二心ファイバピグテイルの各光ファイバであって、この二心ファイバピグテイルの前記第１のコリメートレンズに対向する側の端面を所定の角度で斜めに研磨されたものとすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光計測分野において使用される光合分波部品に関し、特に、２個の屈折率分布型レンズの間に誘電体多層膜などからなる光合分波素子を配置してなる光合分波部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体多層膜などからなる光合分波素子を有する光合分波部品の一種として、光合分波素子や光分岐フィルタなどの光合分波素子を、２個のコリメートレンズの一方の端面の間に挿入するとともに、各コリメートレンズの他方の端面側に、光ファイバからなる入出力ポートを配置したものがある。
【０００３】
図８に、光合分波器の概略構成の一例を示す（例えば、米国特許６３４７１７０号公報を参照）。
同図に示す光合分波器１は、誘電体多層膜などからなる光合分波素子３と、この光合分波素子３の両側に配置された第１および第２のコリメートレンズ２、４とを備えている。第１のコリメートレンズ２の、光合分波素子３に対して反対側の端面２ａには、光ファイバからなる第１のポート５および第２のポート６が接続されている。また、第２のコリメートレンズ４の、光合分波素子３に対して反対側の端面には、光ファイバからなる第３のポート７が接続されている。
これにより、第１のポート５から波長多重化された光を入射させると、この光は、第１のコリメートレンズ２を介して、光合分波素子３に照射され、光合分波素子３により合分波されて、波長に応じて、第２および第３のポート６、７のいずれかに出射されるようになる。
【０００４】
この光合分波器１においては、第１および第２のコリメートレンズ２、４としては、約０．２５ピッチの屈折率分布型レンズが用いられている。ただし、屈折率分布型レンズにおける１ピッチの長さとは、該屈折率分布型レンズ内を進行する光線の蛇行周期である。
これにより、第１のポートから光合分波素子３に反射されて第２のポートに至るまでのレンズ内の光路長、および、第１のポートから光合分波素子３を通過して第３のポートに至るまでのレンズ内の光路長（空間および光合分波素子３のところを伝播する光路長は含まない）は、いずれも、０．５ピッチとなる。従って、第１のポートから発散して入射した光は、レンズ端面上に集束するので、各ポート５〜７の位置を適切に選択すれば、各コリメートレンズ２、４と各ポート５〜７とを、高効率に結合させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、通信容量を拡大する要望が強くあり、このため、通信に用いる波長域が拡大してきている。波長差の大きい信号光の間では、コリメートレンズ２、４の波長分散により、波長間の焦点距離の差が無視できない。このため、コリメートレンズ２、４からの出射光が、ポート５〜７の端面からズレた位置に集束するようになり、損失の増加をもたらすという問題が生じている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コリメートレンズの波長分散による損失を低減できる光合分波器を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、第１および第２のコリメートレンズと、
これらのコリメートレンズの一方の端面間に挿入された光合分波素子と、
前記第１のコリメートレンズの他方の端面側に配置された第１および第２のポートと、
前記第２のコリメートレンズの他方の端面側に配置された第３のポートとを備え、
第１のポートから光合分波素子に反射されて第２のポートに至るまでの第１の光路、および、第１のポートから光合分波素子を透過して第３のポートに至るまでの第２の光路の２つの光路を有し、これら２つの光路および前記光合分波素子を用いて波長の異なる光を合分波する光合分波器であって、
前記第１および第２のコリメートレンズの波長分散による前記波長の異なる光の焦点距離の差に合わせて、前記第１および第２の光路の光路長に差を設けたことを特徴とする光合分波器を提供する。
【０００８】
このような光合分波器としては、前記第１および第２のコリメートレンズが屈折率分布型レンズであり、
これらのコリメートレンズは、前記各ポートに向かい合う側の端面が斜めに研磨されているとともに、これらの斜め研磨端面が互いに平行になるように配置され、前記第１および第２の光路の光路長が異なるようになっており、
前記波長の異なる光のうち、前記屈折率分布型レンズ中の焦点距離が長くなる方の波長の光が、前記２つの光路のうち、光路長の長い方の光路を通るようにしたものを好適に用いることができる。この場合、前記第１および第２の屈折率分布型レンズの長さは、前記屈折率分布型レンズ中の焦点距離が長くなる方の波長に対するピッチ長の０．２３〜０．２５倍にすることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１は、本実施の形態の光合分波器を示す図である。この光合分波器１においては、コリメートレンズ２、４として、屈折率分布型レンズが用いられており、第１の屈折率分布型レンズ２と、光合分波素子３と、第２の屈折率分布型レンズ４とが、この順序で配列されている。
【００１０】
第１の屈折率分布型レンズ２の、光合分波素子３に対して反対側の端面２ａには、光ファイバからなる第１のポート５および第２のポート６がそれぞれ接続されている。また、第２の屈折率分布型レンズ４の、光合分波素子３に対して反対側の端面４ａには、光ファイバからなる第３のポート７が接続されている。
これらのポート５〜７は、図１に示す実施の形態においては、ガラスキャピラリ（毛細管）１０、１１に固定されて支持されている。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、各ポート５〜７を支持する手段として、Ｖ溝基板などを用いてもよいし、光ファイバがレンズ２、４と直接融着接続されていてもよい。
【００１１】
第１のポート５と第２のポート６との位置関係は、第１のポート５から入射した光が、光合分波素子３に反射されたとき、第２のポート６から出射されるように決定されている。また、第１のポート５と第３のポート７との位置関係は、第１のポート５から入射した光が、光合分波素子３を透過したとき、第３のポート７から出射されるように決定されている。
【００１２】
第１および第２の屈折率分布型レンズ２、４は、径方向に屈折率分布を有する円柱状のレンズであり、ＧＲＩＮレンズまたはロッドレンズとも呼ばれる種類のレンズである。これらの屈折率分布型レンズ２、４としては、Ｓｅｌｆｏｃ（日本板硝子社の商標）など多成分ガラスからなるものの他、本出願人が出願し、特願２００１−１０４９２９号に記載の石英系ガラスからなる屈折率分布型レンズなどを、特に制限なく用いることができる。
一般に、屈折率分布型レンズでは、長さが０．２５ピッチのときに平行光が１点に集束し、また逆に、１点から入射された光が平行光として出射されるようになる。本実施の形態においては、０．２５ピッチに相当する長さを、屈折率分布型レンズの焦点距離ということにする。
【００１３】
第１および第２の屈折率分布型レンズ２、４は、図１および図２に示すように、ポート５〜７に対向する側の端面２ａ、４ａが、光軸Ｚに対して所定の角度傾斜するように斜め研磨されている。
本発明において、屈折率分布型レンズの長さは、光軸上における長さＬとレンズのピッチ長との比であり、屈折率分布型レンズの斜め研磨された端面の傾斜角は、該端面の法線Ｎと光軸Ｚとのなす角θとして定義する。
本実施の形態の光合分波器１においては、第１および第２の屈折率分布型レンズ２、４の長さおよび傾斜角θが互いに等しく、レンズ長は０．２３〜０．２５ピッチであり、傾斜角θは、６〜８°である。
【００１４】
光合分波素子３は、誘電体多層膜からなり、所定の波長帯の光を反射し、他の所定の波長帯の光を透過する性質を有するフィルタ素子である。一般に、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などの誘電体から、高屈折率成分と低屈折率成分とを適宜選択して用い、所定の膜厚にて、交互に数〜数百層積層したものが用いられる。
【００１５】
さらに本実施の形態の光合分波器１においては、図１に示すように、第１および第２の屈折率分布型レンズ２、４は、斜め研磨された端面２ａ、４ａが平行になるように配置されている。また、光合分波素子３として、所定の長波長成分λ１を透過し、かつ、所定の短波長成分λ２を反射するものが用いられる。そして、第１および第３のポート５、７は、それぞれ、屈折率分布型レンズ２、４の長辺側に配置され、第２のポート６は、第１の屈折率分布型レンズ２の短辺側に配置されている。
【００１６】
これにより、第１のポート５から光合分波素子３に反射されて第２のポート６に至るまでのレンズ内における第１の光路の光路長（図１中、ＡＤ＋ＤＢの光路長）は、第１のポート５から光合分波素子３を透過して第３のポート７に至るまでのレンズ内における第２の光路の光路長（図１中、ＡＤ＋ＥＣの光路長）より短くなる。第１および第２のポート５、６をなす光ファイバのコアの距離をｄとし、第１および第２の屈折率分布型レンズ２、４の斜め研磨端面の傾斜角をθとすると、第１の光路の光路長と第２の光路の光路長との差ΔＬ（ＤＢとＥＣの差に等しい）は、下記式（１）により表される。
【００１７】
ΔＬ＝ｄｔａｎθ　　　…………　（１）
【００１８】
本実施の形態の光合分波器においては、この光路長差ΔＬにより、屈折率分布型レンズ２、４の焦点距離のズレを補償する。
【００１９】
図３に、石英を主成分とするガラスからなる屈折率分布型レンズの軸上屈折率の波長依存性の一例を示し、また、図４に、波長分散による最適な光路長の長さ（０．５ピッチ、すなわち焦点距離の２倍）を示す。
λ１が１５５０ｎｍ、λ２が１４８０ｎｍであるとすると、０．５ピッチの長さは、λ１に対して約３．２９ｍｍ、λ２に対して約３．２７ｍｍであるから、波長分散による光路長差は、約０．０２ｍｍである。
そこで、波長分散による焦点距離のズレを補償するためには、ΔＬを約２０μｍとする。例えば、ｄ＝１２５μｍ、θ＝８°とすれば、式（１）により、ΔＬ＝約１７．５μｍとなる。
【００２０】
これにより、第１の光路の光路長（ＡＤ＋ＤＢ）が波長λ２に対してほぼ０．５ピッチとなるので、第１のポート５から入射した波長λ２の成分は、光合分波素子３に反射されて第１の屈折率分布型レンズ２の端面２ａ上に集束するようになる。しかも、第２の光路の光路長（ＡＤ＋ＥＣ）が波長λ１に対してほぼ０．５ピッチとなるので、第１のポート５から入射した波長λ１の成分は、光合分波素子３を透過して第２の屈折率分布型レンズ４の端面４ａ上に集束するようになる。
【００２１】
従って、第２のポート６と第１の屈折率分布型レンズ２、ならびに、第３のポート７と第２の屈折率分布型レンズ４との結合効率を向上させ、各コリメートレンズとポートの端面間距離を極めて小さくすることができるので、損失の低下を抑制することができるとともに、端面間を接着剤で充填する構造においては、接着剤の使用量を低減して、接着剤の膜厚が薄くすることができるようになる。従って、接着部の機械的強度が増し、温度変化に対する安定性が向上する。
【００２２】
次に、上述の光合分波器１の製造方法を説明する。なお、以下に示す手順は一例に過ぎず、本発明を何ら限定するものではない。
まず、所定の寸法および特性を有する屈折率分布型レンズ２、４および光合分波素子３を用意し、第１の屈折率分布型レンズ２と、光合分波素子３と、第２の屈折率分布型レンズ４とを、この順序でエポキシ系などの接着剤を用いて固定する。この際、屈折率分布型レンズ２や第２の屈折率分布型レンズ４の端面２ａ、４ａの傾斜面の向きをＣＣＤカメラにより観察しながら、これらの端面２ａ、４ａが平行になるように、該屈折率分布型レンズ２、４を光軸を中心にして回転させて、向きを調節する。
【００２３】
次いで、第１の屈折率分布型レンズ２の端面２ａ上の所定の位置に、第１のポート５を接着して固定する。さらに、第２のポート６の位置を決めて接着するが、この際、第１のポート５から光を入射させながら、第２のポート６を第１の屈折率分布型レンズ２の一方の端面２ａに近づけ、第２のポート６から出射される光の強度が最大となるように調心して、その位置に第２のポート６を接着する。同様に、第１のポート５から光を入射させながら、第３のポート７を第２の屈折率分布型レンズ４の一方の端面４ａに近づけ、第３のポート７から出射される光の強度が最大となるように調心して、その位置に第３のポート７を接着する。このような手順を用いることにより、各ポート５、６、７を、挿入損失が最も小さくなるように調心することができ、挿入損失が極めて小さい光合分波器１を製造することができる。
【００２４】
図５は、第２の実施の形態の光合分波器を示す図である。この光合分波器１は、光合分波素子３として、長波長成分λ１を反射し、短波長成分λ２を透過させるものを用いた点で、第１の実施の形態の光合分波器と異なる。また、透過側の第３のポート７は、第２の屈折率分布型レンズ４の短辺側に配置されている。
これにより、長波長成分λ１は、第１のポート５から光合分波素子３に反射されて第２のポート６に至るまでの第１の光路（図５中、ＡＤ＋ＤＢの光路長）を通り、短波長成分λ２は、第１のポート５から光合分波素子３を透過して第３のポート７に至るまでの第２の光路（図５中、ＡＤ＋ＥＣの光路長）を通るようになるとともに、ＡＤ＋ＤＢの光路長をＡＤ＋ＥＣの光路長より長くすることができる。
図４に示すように、長波長成分λ１は短波長成分λ２より焦点距離が長いので、第１の実施の形態の光合分波器１と同様の手法により、各屈折率分布型レンズ２、４と各ポート５〜７との間の結合効率を向上させ、損失を低減することができる。
【００２５】
さらに、第１の実施の形態において説明したように、第１および第２のポート５、６のコア間距離ｄと、第１の屈折率分布型レンズ２の斜め研磨された端面２ａの傾斜角θを適切に設計することにより、第１および第２の光路の光路長（ＡＤ＋ＤＢ、ＡＤ＋ＥＣ）を、それぞれの光路を通る光の波長λ１、λ２に対して、いずれもほぼ０．５ピッチとなるようにすることができる。
これにより、各屈折率分布型レンズ２、４と各ポート５〜７との端面間間隔を小さくし、接着剤の使用量を低減して、接着剤の膜厚が薄くすることができるようになる。従って、接着部の機械的強度が増し、温度変化に対する安定性が向上する。
【００２６】
図６は、本発明の第３の実施の形態の光合分波器の要部を示す図である。同図に示す光合分波器１においては、第１および第２のポート５、６として、二心ファイバピグテイル１２が用いられている。この二心ファイバピグテイル１２の端面は、光軸に対する傾斜角をθ２として斜めに研磨されている。そしてこの傾斜角θ２は、第１の屈折率分布型レンズ２の斜め研磨端面の傾斜角θ１とは所定の差が付けられている。
図６には図示していないが、第２の屈折率分布型レンズ４の光合分波素子３と反対側には、第３のポートが配置されている。
【００２７】
この場合、第１のポート５と第１の屈折率分布型レンズ２との端面間間隔はＬ１であり、第２のポート６と第１の屈折率分布型レンズ２との端面間間隔はＬ２である。θ１≠θ２であるから、Ｌ１≠Ｌ２である。従って、Ｌ１とＬ２の差は、光路長差ΔＬとなる。
【００２８】
本実施の形態によれば、第１および第２の屈折率分布型レンズ２、４として、同じ長さのレンズを用いても、前記傾斜角θ１、θ２の差により、第１のポート５から光合分波素子３に反射されて第２のポート６に至るまでの第１の光路と、第１のポート５から光合分波素子３を透過して第３のポート（不図示）に至るまでの第２の光路とに、光路長差ΔＬを設けることができる。
従って、θ１、θ２を適切に調整して、必要な光路長差ΔＬを設けることにより、屈折率分布型レンズの波長分散による焦点距離のズレを補償することができる。従って、レンズとポートとの結合効率を向上し、光合分波器１の損失を低減することができる。
【００２９】
図７は、本発明の第４の実施の形態の光合分波器を示す概略構成図である。この光合分波器１においては、コリメートレンズ２、４として、非球面レンズが用いられている。コリメートレンズ２、４の一方の端面の間には、光合分波素子３が配置されている。第１のコリメートレンズ２の他方の端面側には、第１および第２のポート５、６を備える二心ファイバピグテイル１２が配置されている。また、第２のコリメートレンズ４の他方の端面側には、第３のポート７を備える単心ファイバピグテイル１３が配置されている。
なお、図７には、第１および第２のコリメートレンズ２として、非球面レンズを用いた構成を図示したが、これに代えて、球（ボール）レンズや、球面レンズなどを用いることもできる。
【００３０】
このような光合分波器１においては、第１のポート５からは波長の異なる光λ１とλ２とが入射されるのに対して、第２のポート６からは分波されたλ１のみが出射される。コリメートレンズ２の波長分散により、波長λ１の光と、波長λ２の光とでは、コリメートレンズ２の焦点距離が異なる。この焦点距離の差を補償しないと、反射光の損失が大きくなることになる。
【００３１】
そこで、本実施の形態においては、二心ファイバピグテイル１２の第１のコリメートレンズ２に対向する端面１２ａを、斜めに研磨されたものとする。この際、第１のポート５の先端と第２のポート６の先端との光軸方向の距離ΔＬは、二心ファイバピグテイル１２の端面１２ａの傾斜角をθ、第１のポート５のコアと第２のポート６のコアとの間隔をｄとするとき、下記式（２）により表される。
【００３２】
ΔＬ＝ｄｔａｎθ　…………　（２）
【００３３】
そこで、ΔＬが前記焦点距離の差に等しくなるように、傾斜角θおよびコア間間隔ｄを適切な大きさとすることにより、第１および第２のポート５、６の調心が容易になり、損失を低減することができる。
第１および第２のポート５、６の調心は、例えば、以下の手順により行うことができる。まず、第１のポート５に光源を、第２のポート６に出力モニタを接続する。この光源からの入力光を第１のポート５から出射させながら、第１のポート５を第１のコリメートレンズ２に近づける。このとき、二心ファイバピグテイル１２を動かし、光合分波素子３からの反射光が、最も強い強度で第２のポート６に出射されるような位置を見つけたら、その位置に合わせる。このように調心することにより、反射光の損失が極めて低い光合分波器１を容易に製造することができる。
【００３４】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施の形態のみに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、上記実施の形態では、可逆性を有する光合分波素子を用いた光合分波器について説明したが、可逆性をもたず、合波または分波の一方の機能のみを有する素子を用いて、光合波器または光分波器とする構成も可能である。
また、第１および第２のポート５、６として、二心ファイバピグテイル１２を用いる代わりに、２本の単心ファイバピグテイルを用いることもできる。これにより、各単心ファイバピグテイルの端面の位置を個別に調心することができる。
【００３５】
【実施例】
図１に示す光合分波器１において、光合分波素子３の透過波長λ１を１５５０ｎｍ、反射波長λ２を１４８０ｎｍとした。また、屈折率分布型レンズ２、４の長さを０．２５ピッチとし、斜め端面の傾斜角θを８°とした。第１および第２のポート５、６のコア間隔ｄを１２５μｍとした。
第１および第２の光路の光路長差ΔＬは、式（１）から、１７．５μｍである。また、ここで用いた屈折率分布型レンズ２、４の、λ１とλ２との焦点距離の差は、約２０μｍであった。
【００３６】
反射光の損失を、第１のポート５を伝搬する波長１４８０ｎｍの強度と、第３のポート７に出射された波長１４８０ｎｍの強度との比から求めたところ、０．０９ｄＢであった。
透過光の損失を、第１のポート５を伝搬する波長１５５０ｎｍの強度と、第３のポート７に出射された波長１５５０ｎｍの強度との比から求めたところ、０．１５ｄＢであった。
このように、反射光および透過光の損失をいずれも極めて小さくすることができた。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光合分波器によれば、第１のポートから光合分波素子に反射されて第２のポートに至るまでの第１の光路の光路長と、第１のポートから光合分波素子を透過して第３のポートに至るまでの第２の光路の光路長との差を用いて、それぞれの光路を通る互いに波長が異なる光の焦点距離の差を補償するようにしたので、ポートとコリメートレンズとの間の結合効率を向上させ、光合分波器の損失の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光合分波器の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】屈折率分布型レンズの長さおよび傾斜角を説明する斜視図である。
【図３】屈折率分布型レンズの軸上屈折率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図４】屈折率分布型レンズの０．５ピッチ長の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の光合分波器の第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図６】本発明の光合分波器の第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明の光合分波器の第４の実施の形態を示す概略構成図である。
【図８】従来の光合分波器の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…光合分波器、２…第１の屈折率分布型レンズ（コリメートレンズ）、２ａ…第１の屈折率分布型レンズの斜め研磨端面、３…光合分波素子、４…第２の屈折率分布型レンズ（コリメートレンズ）、４ａ…第２の屈折率分布型レンズの斜め研磨端面、５…第１のポート、６…第２のポート、７…第３のポート、１２…二心ファイバピグテイル。
【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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