(57)【要約】【課題】  光束の波長の変化をほぼ線形に結像面に写像できる光学系、及び波長分割多重方式による光通信システムでで送られてきた波長の変化した光信号の光束をほぼ線形に受光素子アレイ等の結像面に写像でき、波長の異なる光束の検出を精度よく行うことができる光通信用モジュールを提供する。【解決手段】  この光学系は、分光機能を有するグレーティング素子３と、グレーティング素子からの各回折光ｂ１〜ｂ３が入力し、その入力角に実質的に比例する位置座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に各回折光が焦点を結ぶように配置されたｆθレンズ４と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光機能を有するグレーティング素子と、前記グレーティング素子からの各回折光が入力し、その入力角に少なくとも実質的に比例する位置座標に前記各回折光が焦点を結ぶように配置されたレンズと、を含むことを特徴とする光学系。
【請求項２】
光ファイバの端面から前記グレーティング素子に光束が入射するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記レンズがｆθレンズまたはオルソグラフィックレンズから構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
【請求項４】
入力部に配置された光ファイバと、
分光機能を有し前記光ファイバの端面からの光束が入射するグレーティング素子と、
前記グレーティング素子からの各回折光を入力させ、その入力角に少なくとも実質的に比例する位置座標に前記各回折光が焦点を結ぶように配置されたレンズと、
前記レンズの焦点面に等間隔に複数の受光部が配置された受光手段と、を備えることを特徴とする光通信用モジュール。
【請求項５】
前記複数の受光部が前記レンズの焦点面に前記グレーティングで規定される分解能に対応した間隔に並べられることを特徴とする請求項４に記載の光通信用モジュール。
【請求項６】
前記受光手段は、複数の受光素子が等間隔に並べられた受光素子アレイまたは複数の光ファイバ端末が等間隔に並べられた光ファイバアレイであることを特徴とする請求項４または５に記載の光通信用モジュール。
【請求項７】
前記グレーティング素子と前記レンズとを一体化したことを特徴とする請求項４，５または６に記載の光通信用モジュール。
【請求項８】
前記レンズがｆθレンズまたはオルソグラフィックレンズから構成されたことを特徴とする請求項４，５，６または７に記載の光通信用モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分割多重方式による光通信システムにおいて光信号を波長毎に検出する光通信用モジュール及び光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＷＤＭ（波長分割多重方式）による光通信システムでは光信号の受信端末に受光素子等を配置し、受信した波長の異なる光信号を分波してモニタしている。例えば、下記特許文献１に記載の光分波器は、図４のように、単芯の入力ファイバ１００、コリメータレンズ１２０、回折格子１４０及び光検出器である受光素子アレイ１６０から構成されている。入力ファイバ１００から連結部２２０を介して円筒体１８０内部に導入された発散光束はコリメータレンズ１２０で平行光束に変換されてから回折格子１４０に到達する。回折格子１４０の波長分散特性に応じて波長毎に分離された光束は、コリメータレンズ１２０によって分波波長毎に収束光束に変換され、受光素子アレイ１６０で一列に等間隔に並んだ各受光素子に入射することで、各波長毎の光検出が行われる。
【０００３】
図５のように、２つの異なる波長λ１，λ２に対して回折格子１４０からの各回折光が回折角θ１，θ２で受光素子アレイ１６０の結像面１６１に集光される場合、回折角変化Δθは回折光の波長変化Δλに比例するが、結像面１６１上の位置変化量Δｘは、回折角θ１，θ２に関し、ｓｉｎθ＝ｎ・λ／ｄ(ｎ＝１)を考慮して次式のようになる。
【０００４】
Δｘ＝ｆ(ｔａｎθ１−ｔａｎθ２)
＝ｆ{ｔａｎ(ｓｉｎ−１(λ１／ｄ))−ｔａｎ(ｓｉｎ−１(λ２／ｄ))}
但し、ｄ：回折格子のピッチ
ｆ：回折格子と結像面との間の距離
【０００５】
上式では、λ１／ｄ、λ２／ｄが大きくなると、ｔａｎ関数の線形性がくずれ、位置変化量Δｘは波長変化に比例しなくなる。このため、図４、図５のように、結像面１６１上に等間隔に各受光素子が並べられた受光素子アレイ１６０では、波長範囲の両側において位置変化の誤差が大きくなってしまい、図４のような従来の光分波器を用いたＷＤＭ（波長分割多重方式）の光通信システム用のモジュールでは、検出誤差が大きくなる問題が発生する。
【特許文献１】特開２０００−３４９３０５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、光束の波長の変化を正確に線形に結像面に写像できる光学系、及び波長分割多重方式による光通信システムでで送られてきた波長の変化した光信号の光束をほぼ線形に受光素子アレイ等の結像面に写像でき、波長の異なる光束の検出を精度よく行うことができる光通信用モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明による光学系は、分光機能を有するグレーティング素子と、前記グレーティング素子からの各回折光が入力し、その入力角に少なくとも実質的に比例する位置座標に前記各回折光が焦点を結ぶように配置されたレンズと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
この光学系によれば、グレーティング素子で回折され波長の異なる回折光がレンズにより入力角に少なくとも実質的に比例した位置座標に焦点を結ぶので、波長の異なる各回折光を各位置座標に対応する結像面に対し少なくともほぼ線形に写像することができる。
【０００９】
上記光学系において光ファイバの端面から前記グレーティング素子に光束が入射するように構成できる。これにより、本発明の光学系を波長分割多重方式による光通信システムで送られてきた波長の異なる光信号の光束を分離して検出する光通信用モジュールに適用できる。
【００１０】
また、前記レンズがｆθレンズまたはオルソグラフィックレンズから構成されることで、入力角に実質的に比例した位置座標に焦点を結ぶことができる。ｆθレンズによれば、安価に提供でき、本発明の光学系を簡易に実現できる。なお、ｆθレンズとは、像高がｆθで表されるような歪曲特性を持ったレンズであり、球面レンズ＋トロイダルレンズで実現され、レーザプリンタ等の走査光学系で広く用いられている。また、オルソグラフィックレンズとは、その像高が、２ｆｓｉｎ(θ／２)、により表され、魚眼レンズにｆθレンズとともによく用いられるものである。
【００１１】
本発明による光通信用モジュールは、入力部に配置された光ファイバと、分光機能を有し前記光ファイバの端面からの光束が入射するグレーティング素子と、前記グレーティング素子からの各回折光を入力させ、その入力角に少なくとも実質的に比例する位置座標に前記各回折光が焦点を結ぶように配置されたレンズと、前記レンズの焦点面に等間隔に複数の受光部が配置された受光手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この光通信用モジュールによれば、波長分割多重方式による光通信システムで送られてきた波長の異なる光信号の光束がグレーティング素子で回折され、波長の異なる各回折光がレンズにより入力角に少なくとも実質的に比例した位置座標に焦点を結ぶので、各回折光を各位置座標に対応した焦点面に対し少なくともほぼ線形に写像することができる。この焦点面に複数の受光部が等間隔に配置されているので、波長の異なる各回折光を線形に受光素子アレイ等の結像面に写像でき、波長の異なる光束の検出を精度よく行うことができる。
【００１３】
上記光通信用モジュールにおいて前記複数の受光部が前記レンズの焦点面に前記グレーティングで規定される分解能に対応した間隔に並べられることが好ましい。
【００１４】
また、前記受光手段は、複数の受光素子が等間隔に並べられた受光素子アレイまたは複数の光ファイバ端末が等間隔に並べられた光ファイバアレイから構成できる。
【００１５】
また、前記グレーティング素子と前記レンズとを円筒状体等により一体化することが好ましい。これにより、グレーティング素子とレンズとの軸合わせが不要となり、また、光ファイバ端末とグレーティング素子との軸合わせを円筒状体の外形寸法で行うことができるので、光学系の調芯を無くすかまたは簡単に行うことができる。
【００１６】
また、前記レンズがｆθレンズから構成されることで、本発明の光通信用モジュールを安価かつ簡易に実現できる。また、前記レンズはオルソグラフィックレンズから構成してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光学系によれば、光束の波長の変化を少なくともほぼ線形に結像面に写像できる。また、本発明の光通信用モジュールによれば、波長分割多重方式による光通信システムで送られてきた波長の変化した光信号の光束を少なくともほぼ線形に受光素子アレイや光ファイバアレイ等の結像面に写像でき、広い波長域にわたって波長の異なる光束の検出を精度よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
〈第１の実施の形態〉
【００２０】
図１は第１の実施の形態による光学系を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施の形態の光学系は、光ファイバ１の端面２から出射した光束が入射するグレーティング素子３と、グレーティング素子３からの各回折光ｂ１，ｂ２，ｂ３が入力し、その入力角に比例する結像面５上の位置座標に各回折光ｂ１〜ｂ３が焦点を結ぶように配置されたｆθレンズ４と、を含む。グレーティング素子３は、像面側に回折格子の形成された回折面３ａを有し、回折面３ａにより分光機能を有する。
【００２１】
図１のように、光ファイバ１の端面２から出射した光束が例えば、波長λ１の光束ｂ１と、波長λ２の光束ｂ２と、波長λ３の光束ｂ３とを多重に含む場合（λ１＜λ２＜λ３）、グレーティング素子３に入射した光束はグレーティング素子３で回折されて回折光ｂ１，ｂ２，ｂ３に分離するが、各回折光ｂ１〜ｂ３がｆθレンズ４に入力するときの入力角に実質的に比例した結像面５上の位置座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に焦点を結ぶ。
【００２２】
位置座標Ｐ１とＰ２の間隔Δｘａは波長差Δλａ（＝λ２−λ１）と実質的に比例し、位置座標Ｐ２とＰ３の間隔Δｘｂは波長差Δλｂ（＝λ３−λ２）と実質的に比例するので、波長の異なる各回折光ｂ１〜ｂ３を各位置座標に対応する結像面５においてほぼ線形に写像することができる。
【００２３】
また、分光素子にグレーティングを用いることで光学系の回路設計が容易となり、新しい回折ビーム集光機能を有する光学系を実現できる。また、ｆθレンズはレーザプリンタ等の走査光学系で走査速度を一定にするために広く用いられており、図１の光学系を安価にかつ簡易に構成できる。
【００２４】
次に、図１の光学系におけるｆθレンズ４の効果を従来のレンズと比較して図６を参照して説明する。ｆθレンズの像高がｆθで表される場合、ｆｔａｎθで像高が表されるものを従来のレンズとする。また、像高が２ｆｓｉｎ(θ／２)で表されるオルソグラフィックレンズについて併せて説明する。
【００２５】
ｆθレンズの像高の変数θ(＝ａｒｃｓｉｎ(λ／ｄ))の値、オルソグラフィックレンズの像高の変数２ｓｉｎ(θ／２)(＝ｓｉｎ(ａｒｃｓｉｎ(λ／２ｄ))）の値、及び従来のレンズの像高の変数ｔａｎθ(＝ｔａｎ(ａｒｃｓｉｎ(λ／ｄ))）の値を計算により、それぞれ変移量として求めた結果を下の表１に示す。表１には、ｆθレンズ及び従来のレンズについて各変移量と理想値(λ／ｄ)から次式で求めた歪率を併せて示す。
歪率＝(変移量−理想値）／理想値
【００２６】
【表１】
2005148267.tif 000003
【００２７】
表１における正規化波長（λ／ｄ）と各変移量との関係を図６に示す。但し、λは波長、ｄは回折格子のピッチである。
【００２８】
表１及び図６から、正規化波長（λ／ｄ）が小さい場合は、ｆθレンズも従来のレンズも歪率が小さく両者の差は少ないが、正規化波長（λ／ｄ）が約０．３を越えて大きくなると、従来のレンズはｆθレンズよりも歪率がかなり大きくなることが分かる。このため、従来のレンズでは結像面において位置変化の誤差が大きくなるのに対し、ｆθレンズでは位置変化の誤差が小さくなるので、図１においてｆθレンズ４により波長の異なる回折光ｂ１〜ｂ３を結像面５でほぼ線形に写像できるのである。また、オルソグラフィックレンズは、位置変化の誤差がｆθレンズよりも僅かであるが小さくなるので、ｆθレンズの代わりにオルソグラフィックレンズを用いることで、位置変化の誤差を更に小さくすることができる。
【００２９】
〈第２の実施の形態〉
【００３０】
次に、上述の光学系を波長分割多重方式による光通信システムで送られてきた波長の異なる光信号の光束を分離して検出する光通信用モジュールに適用した第２の実施の形態について図２を参照して説明する。
【００３１】
図２は第２の実施の形態による光通信用モジュールを概略的に示す図（ａ）及びＣＣＤアレイの代わりに配置可能な光ファイバアレイを概略的に示す図（ｂ）である。
【００３２】
図２に示すように、本実施の形態の光通信用モジュールは、図１の光学系を含み、図１の結像面５に受光手段としてのＣＣＤアレイ６が位置するように配置されている。
【００３３】
即ち、光通信用モジュール１０は、光ファイバ１の端面２から出射した光束が入射するグレーティング素子３と、グレーティング素子３からの各回折光ｂ１，ｂ２，ｂ３が入力し、その入力角に比例する結像面５上の位置座標に各回折光ｂ１〜ｂ３が焦点を結ぶように配置されたｆθレンズ４と、結像面５に受光面６ａが位置するように配置されたＣＣＤアレイ６と、を含む。グレーティング素子３は、像面側に回折格子の形成された回折面３ａを有し、回折面３ａにより分光機能を有する。
【００３４】
ＣＣＤアレイ６の受光面６ａには図２（ａ）のｘ方向に直線状に複数の受光素子が等間隔に並べて配置されている。
【００３５】
図２（ａ）のように、波長分割多重方式による光通信システムから波長の異なる光信号が送られてきて、光ファイバ１の端面２から出射すると、その光束が例えば、波長λ１の光束ｂ１と、波長λ２の光束ｂ２と、波長λ３の光束ｂ３とを多重に含む場合（λ１＜λ２＜λ３）、グレーティング素子３に入射した光束はグレーティング素子３で回折されて回折光ｂ１，ｂ２，ｂ３に分離し、各回折光ｂ１〜ｂ３がｆθレンズ４に入力するときの入力角に比例した結像面５上の位置座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に焦点を結ぶ。
【００３６】
位置座標Ｐ１とＰ２の間隔である位置変化量Δｘａは波長差Δλａ（＝λ２−λ１）と比例し、位置座標Ｐ２とＰ３の位置変化量Δｘｂは波長差Δλｂ（＝λ３−λ２）と比例するので、波長の異なる各回折光ｂ１〜ｂ３を各位置座標に対応する結像面５においてほぼ線形に写像することができる。従って、各回折光ｂ１〜ｂ３が結像面５に位置するＣＣＤアレイ６の受光面６ａに直線状に等間隔に並んだ各発光素子に入射することで、波長の異なる光束ｂ１〜ｂ３を精度よく検出できる。従って、光通信用モジュール１０によれば、波長分割多重方式による光通信システムからの光信号を波長毎に精度よく検出できる。
【００３７】
従来は、特に回折角が大きくなると、位置変化量Δｘが波長変化に比例しなくなり、波長範囲の両側において位置変化の誤差が大きくなったのに対し、本実施の形態では、各回折光の入力角に比例する受光面６ａ上の位置座標に各回折光が焦点を結ぶようにｆθレンズ４を配置しているので、各回折光をほぼ線形に受光面６ａに写像でき、検出誤差を低減できる。
【００３８】
また、ＣＣＤアレイ６の受光面６ａに配置される複数の受光素子は、グレーティング素子３の分解能に対応した間隔に並べられるが、例えばこの分解能に対応するために、図６におけるｆθレンズの変移量を更に理想値に近づける必要がある場合には、追加のレンズを配置したり、またｆθレンズをオルソグラフィックレンズに代えたりしてもよい。また、ｆθレンズを理想値となるように設計したレンズに代えてもよい。
【００３９】
また、図２（ｂ）のように、図２（ａ）のＣＣＤアレイ６の代わりに、光ファイバアレイ７を各端面７ａが結像面５に位置するように配置してもよい。光ファイバアレイ７は複数本の光ファイバを等間隔に並べて構成されている。光ファイバアレイ７の反対側の各端面７ｂ側にＣＣＤアレイ等を配置することで、各回折光を検出できる。
【００４０】
次に、図２（ａ）の光通信用モジュール１０においてグレーティング素子３とｆθレンズ４とを一体化した例を図３により説明する。図３は図２（ａ）のグレーティング素子３とｆθレンズ４とを円筒体で一体化した例を示す図である。
【００４１】
図３のように、グレーティング素子３が保持部材９を介して円筒体８の一端８ａに取り付けられて保持されている。また、ｆθレンズ４が円筒体８の他端８ｂに取り付けられて保持されている。
【００４２】
レーティング素子３及びｆθレンズ４は円筒体８の中心軸ａに対し軸対象となるように取り付けられるので、レーティング素子３とｆθレンズ４との軸合わせは不要であり、また、光通信用モジュール１０に組み込むときは、中心軸ａを例えば図３の破線で示す光ファイバ１の端面２に対し軸合わせするだけでよいので、組み立て及び調整が容易となる。
【００４３】
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図１の光学系及び図２（ａ）の光通信用モジュールでは、グレーティング素子と、ｆθレンズとを別々に構成したが、ｆθレンズとグレーティング素子とを一体化する際に、例えば、ｆθレンズのレンズ面にグレーティングを形成することで一体化するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施の形態による光学系を概略的に示す図である。。
【図２】第２の実施の形態による光通信用モジュールを概略的に示す図（ａ）、及びＣＣＤアレイの代わりに配置可能な光ファイバアレイを概略的に示す図（ｂ）である。
【図３】図２（ａ）のレーティング素子３とｆθレンズ４とを円筒体で一体化した例を示す図である。
【図４】従来の光通信システムのモニタ用光分波器を示す図である。
【図５】図４の光分波器における回折角と結像位置との関係を説明するための図である。
【図６】図１の光学系においてｆθレンズ及びオルソグラフィックレンズの効果を従来のレンズと比較して示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 光ファイバ
２ 端面
３ グレーティング素子
３ａ 回折面
４ ｆθレンズ
５ 結像面（焦点面）
６ ＣＣＤアレイ
６ａ 受光面
７ 光ファイバアレイ
８ 円筒体
１０ 光通信用モジュール
Δλａ 波長差
Δλｂ 波長差
Δｘａ 間隔、位置変化量
Δｘｂ 間隔、位置変化量
λ１、λ２、λ３ 波長
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 位置座標
ａ 中心軸
ｂ１，ｂ２，ｂ３ 回折光
【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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