(57)【要約】【課題】  フラットレスポンスと高いクロストーク性能を有する回折格子を実現する。【解決手段】  回折格子の複数の光路は、光の進行方向に沿った光路長Ｌｉが、Ｌｉ＝ｎ｛ｌ０＋（ｉ−１）ｌ＋Δｌｉ｝であって、ｎは屈折率、ｌ０は共通光路長、ｌは基本的な差分光路長、Δｌｉは領域の中の微少な光路長であり、ｍを１からＭの範囲の任意の整数とするとき、ΔｌｍおよびΔｌｍ＋1の符号が互いに異なる光路が、少なくとも２以上連続した光路を含む。このような回折格子が構成された光学媒質ブロック３により光合分波器を構成する。【選択図】  図１
2005338417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束を１以上の整数ｉで識別されるＭ個の多光束に分けるとともに、多光束干渉を利用して光信号の合分波を行う回折格子が構成された光学媒質ブロックにおいて、
前記回折格子の複数の光路は、光の進行方向に沿った光路長Ｌｉが、
Ｌｉ＝ｎ｛ｌ０＋（ｉ−１）ｌ＋Δｌｉ｝
であって、ｎは屈折率、ｌ０は共通光路長、ｌは基本的な差分光路長、Δｌｉは領域の中の微少な光路長であり、ｍを１からＭの範囲の任意の整数とするとき、ΔｌｍおよびΔｌｍ＋1の符号が互いに異なる光路が、少なくとも２以上連続した光路を含むことを特徴とする光学媒質ブロック。
【請求項２】
前記少なくとも２以上連続した光路は、前記回折格子を通過または反射する光のうち任意の光の波長λを用いて計算される
【数１】
2005338417.tif 000032
の最大値が、０．５＜Ｋｍ≦２の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学媒質ブロック。
【請求項３】
前記回折格子の複数の光路は、隣接する光路との位相差が一定である左一様部、前記少なくとも２以上連続した光路からなる左交代部、隣接する光路との位相差が一定である中央一様部、前記少なくとも２以上連続した光路からなる右交代部、および隣接する光路との位相差が一定である右一様部の順に５つの領域からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光学媒質ブロック。
【請求項４】
前記左一様部に、さらに左交代部と左一様部とが交互に少なくとも１以上隣接し、
前記右一様部に、さらに右交代部と右一様部とが交互に少なくとも１以上隣接し、
前記回折格子の複数の光路は、奇数個の領域からなることを特徴とする請求項３に記載の光学媒質ブロック。
【請求項５】
前記左交代部および前記右交代部における前記Ｋｍの値は、前記中央一様部に近づくにしたがい単調に減少することを特徴とする請求項３または４に記載の光学媒質ブロック。
【請求項６】
前記回折格子は、ＡＷＧであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光学媒質ブロック。
【請求項７】
前記回折格子は、階段格子であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光学媒質ブロック。
【請求項８】
前記回折格子は、透過型の階段格子であり、階段格子が形成されていない光の入出力端面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光学媒質ブロック。
【請求項９】
波長が異なる複数の光信号を多重化した１つの光信号を波長毎に異なる位置に分波し、波長毎に異なる位置から出射された複数の光信号を１つの光信号に多重化する光合分波器において、
前記１つの光信号を入出力する第１光信号入出力ポートと、
該第１光信号入出力ポートからの前記１つの光信号を平行化する第１レンズと、
前記複数の光信号を入出力する複数の第２光信号入出力ポートと、
該複数の第２光信号入出力ポートへ前記複数の光信号を集光する第２のレンズと、
前記第１レンズと前記第２のレンズとに光学的に接続され、多光束干渉を利用して光信号の合分波を行う回折格子であって、該回折格子の複数の光路は、光の進行方向に沿った光路長Ｌｉが、Ｌｉ＝ｎ｛ｌ０＋（ｉ−１）ｌ＋Δｌｉ｝であって、ｎは屈折率、ｌ０は共通光路長、ｌは基本的な差分光路長、Δｌｉは領域の中の微少な光路長であり、ｍを１からＭの範囲の任意の整数とするとき、ΔｌｍおよびΔｌｍ＋1の符号が互いに異なる光路が、少なくとも２以上連続した光路を含む光学媒質ブロックとを備え、
前記複数の第２光信号入出力ポートの導波路の端面における導波路径は、前記第１光信号入出力ポートの導波路径より大きいことを特徴とする光合分波器。
【請求項１０】
前記第１光信号入出力ポートは、前記第１レンズによって平行化された光信号の形状が、前記複数の第２光信号入出力ポートの配列方向と平行な方向に相対的に大きく、前記配列方向と直角をなす方向に相対的に小さくなる形状としたことを特徴とする請求項９に記載の光合分波器。
【請求項１１】
前記光学媒質ブロックと前記複数の第２光信号入出力ポートとの間に配置され、前記複数の光信号に対応した複数のレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学媒質ブロックおよび光合分波器に関し、より詳細には、入射された光信号からある範囲の波長を含む１または複数の光束を分波し、または、ある範囲の波長の１または複数の光束を１つの光束に合波する光合分波器と、この光合分波器に用いる光学媒質ブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムの発展には目覚ましいものがある。光通信システムに適用される波長１μｍ程度の光信号は、周波数が高いために、信号帯域を拡大し、搬送可能な信号数を拡大することができる。最近では、このような光通信の特徴に加え、一定の波長間隔で複数の波長の光信号を多重化する波長分割多重技術（ＷＤＭ：Wave Division Multiplexing）が実現されている。ＷＤＭ技術により、１本の伝送路において送ることのできる情報量が、飛躍的に増大した。また、光通信用のデバイスの高性能化、光通信システムの管理の高度化により、光信号の波長変動を抑制することが可能となった。これにより、極めて狭い波長間隔で数１０から数１００以上の光信号を多重化するＤＷＤＭ（Dense-ＷＤＭ）技術が、基幹回線を中心に導入されている。しかしながら、波長変動を抑制するためのコストは、非常に大きい。
【０００３】
一方、基幹回線のみならず、地域系ネットワーク、アクセス系ネットワークにおいてもＷＤＭ技術を利用することができれば、全てのネットワーク階層において同一のアーキテクチャを適用することができる。アーキテクチャの統合により、サービスやネットワークの多様化に対して柔軟かつ経済的な光通信システムを構築することかできる。しかしながら、地域系、アクセス系ネットワークにおいてＷＤＭ技術を導入することは、波長安定化のために必要なコストが増大する。従って、コストを低減するためには波長安定化を必要としないシステムを構築する必要がある。
【０００４】
そこで、ある程度の波長変動を許容するＷＤＭ技術が提案され、ＣＷＤＭ（Coarse ＷＤＭ）技術またはＷＷＤＭ（Wide-passband ＷＤＭ）技術と呼ばれている。ＣＷＤＭ技術の実用化には、必要な性能を有する光合分波器を、経済的に供給しなければならないという課題がある。ＣＷＤＭ技術においては、チャネルと呼ばれるある波長範囲に存在する光信号を、大きな損失変動を与えることなく通過させる必要がある。光信号を通過させる波長領域において損失変動が少ないことを、フラットレスポンスという。
【０００５】
現在市場にあるほとんどのＣＷＤＭ用光合分波器は、合分波用の回折格子として誘電体多層膜を用いている。誘電体多層膜を用いたＣＷＤＭ用光合分波器は、合分波する光信号の数だけ誘電体多層膜を光路中に挿入する。具体的には、複数の異なる波長を有する光信号が重畳された１つの光信号を第１の誘電体多層膜に導き、チャネル１として設定された特定の波長範囲に存在する光信号のみを反射させ、他の光信号を通過させる。第１の誘電体多層膜を通過した光信号は、第２の誘電体多層膜に導かれ、同様にチャネル２として設定された特定の波長範囲に存在する光信号のみを反射させ、他の光信号を通過させる。このようにして、波長と同じ数の誘電体多層膜を用意することにより、ＣＷＤＭ用の誘電体多層膜光合分波器を得ることができる。ここで説明した動作は分波動作であるが、その逆として、各チャネルに設定された特定の波長を有する光信号を入射させることにより、これらの異なる波長を有する複数の光信号が重畳された１つの光信号を得ることができ、これは合波動作と呼ばれる。
【０００６】
誘電体多層膜の他に、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）または階段格子を用いてＣＷＤＭフィルタを構成する方法が知られている。ＡＷＧを利用したＤＷＤＭ用号合分波器は、例えば、特許文献１に開示されている。また、回折格子として階段格子を用い、矩形上の通過帯域特性を保ったまま帯域幅を広げる方法が、例えば特許文献２に説明されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３３３４４７号公報
【特許文献２】特開平１１−１３３２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した誘電体多層膜、ＡＷＧまたは階段格子を用いる方法では、通過帯域を拡大することは困難であり、拡大することができたとしても高いクロストーク性能を獲得することが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、実効的に多光束干渉を利用して光信号の合分波を行う回折格子を用いて、フラットレスポンスと高いクロストーク性能を実現する光学媒質ブロックおよび光合分波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、入射光束を１以上の整数ｉで識別されるＭ個の多光束に分けるとともに、多光束干渉を利用して光信号の合分波を行う回折格子が構成された光学媒質ブロックにおいて、前記回折格子の複数の光路は、光の進行方向に沿った光路長Ｌｉが、Ｌｉ＝ｎ｛ｌ０＋（ｉ−１）ｌ＋Δｌｉ｝であって、ｎは屈折率、ｌ０は共通光路長、ｌは基本的な差分光路長、Δｌｉは領域の中の微少な光路長であり、ｍを１からＭの範囲の任意の整数とするとき、ΔｌｍおよびΔｌｍ＋1の符号が互いに異なる光路が、少なくとも２以上連続した光路を含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記少なくとも２以上連続した光路は、前記回折格子を通過または反射する光のうち任意の光の波長λを用いて計算されるＫｍの最大値が、０．５＜Ｋｍ≦２の範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記回折格子の複数の光路は、隣接する光路との位相差が一定である左一様部、前記少なくとも２以上連続した光路からなる左交代部、隣接する光路との位相差が一定である中央一様部、前記少なくとも２以上連続した光路からなる右交代部、および隣接する光路との位相差が一定である右一様部の順に５つの領域からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光学媒質ブロックにおいて、前記左一様部に、さらに左交代部と左一様部とが交互に少なくとも１以上隣接し、前記右一様部に、さらに右交代部と右一様部とが交互に少なくとも１以上隣接し、前記回折格子の複数の光路は、奇数個の領域からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の前記左交代部および前記右交代部における前記Ｋｍの値は、前記中央一様部に近づくにしたがい単調に減少することを特徴とする。
【００１５】
請求項１ないし５のいずれかに記載の前記回折格子は、ＡＷＧまたは階段格子であり、透過型の階段格子にあっては、階段格子が形成されていない光の入出力端面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、波長が異なる複数の光信号を多重化した１つの光信号を波長毎に異なる位置に分波し、波長毎に異なる位置から出射された複数の光信号を１つの光信号に多重化する光合分波器において、前記１つの光信号を入出力する第１光信号入出力ポートと、該第１光信号入出力ポートからの前記１つの光信号を平行化する第１レンズと、前記複数の光信号を入出力する複数の第２光信号入出力ポートと、該複数の第２光信号入出力ポートへ前記複数の光信号を集光する第２のレンズと、前記第１レンズと前記第２のレンズとに光学的に接続され、多光束干渉を利用して光信号の合分波を行う回折格子であって、該回折格子の複数の光路は、光の進行方向に沿った光路長Ｌｉが、Ｌｉ＝ｎ｛ｌ０＋（ｉ−１）ｌ＋Δｌｉ｝であって、ｎは屈折率、ｌ０は共通光路長、ｌは基本的な差分光路長、Δｌｉは領域の中の微少な光路長であり、ｍを１からＭの範囲の任意の整数とするとき、ΔｌｍおよびΔｌｍ＋1の符号が互いに異なる光路が、少なくとも２以上連続した光路を含む光学媒質ブロックとを備え、前記複数の第２光信号入出力ポートの導波路の端面における導波路径は、前記第１光信号入出力ポートの導波路径より大きいことを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の前記第１光信号入出力ポートは、前記第１レンズによって平行化された光信号の形状が、前記複数の第２光信号入出力ポートの配列方向と平行な方向に相対的に大きく、前記配列方向と直角をなす方向に相対的に小さくなる形状としたことを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載の光合分波器において、前記光学媒質ブロックと前記複数の第２光信号入出力ポートとの間に配置され、前記複数の光信号に対応した複数のレンズをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、光学媒質ブロックに構成された回折格子の複数の光路において、光の進行方向に沿った光路長を、隣接する光路との位相差を規定することにより、フラットレスポンスと高いクロストーク性能を実現するが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、多光束干渉を利用した階段格子を例として、光信号の合分波を説明する。ここで、光学媒質ブロックの領域を大まかにＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥの５つとする。しかし、この領域分けは、便宜的なものであり、数式の標記が簡便になるために採用したものである。例えば、左及び右の交代部においては、光路長を位相差に変換するときに、互いに隣接する階段間の位相差は、階段毎に変化している。従って、個々の階段を孤立した１つのグループと考えることもできる。また、階段の段数を実質的に制限する特別な条件も見いだされないので、グループ数を５以上の任意の奇数にとることができる。光束の端部は、光強度が小さく、全体としての動作に与える影響が少ない。そこで、光束の端部がかかる階段部分に、新たに１つの階段グループを付け加えることもできるので、グループ数を５以上の正の整数からとる任意の偶数、または奇数とすることもできる。
【００２１】
光学媒質ブロックの領域数を３に限定すると、通過帯域幅の拡大を達成できるものの、高いクロストーク性能を実現することができない。本発明の目的は、この課題を克服することにある。ここでは、入射光束を実質的に多光束に分割する透過型の光学媒質ブロックを考える。回折格子を構成する光学媒質ブロックにおいて、光の進行方向に沿った１つの光路長は、
【００２２】
【数１】
2005338417.tif 000003
【００２３】
と与えられる。ここで、ｉはＭ個の多光束を識別する１以上の整数、ｎは屈折率、ｌ０は共通光路長、ｌは基本的な差分光路長、
【００２４】
【数２】
2005338417.tif 000004
【００２５】
は、領域の中の階段毎に異なる微少な光路長である。α＝｛α｜Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ｝は、５つの領域の内の１つを表す指標である。この微小な光路長の指定に、本来αは必要なく、ｉのみで指定することができるが、ここでは理解を助けるために導入した。このような光学媒質ブロックを通過し、さらに集光レンズを経て焦点面上に結像する出力像Ｅ（ｒ）は、次のように表すことができる。
【００２６】
【数３】
2005338417.tif 000005
【００２７】
ここで、ｒは位置ベクトル、ｊは虚数単位、ｋは波数、Ｅｉは光強度、ｌ０およびΔｌは系の幾何学的形状と光学系の材料特性とにより決まる定数である。以下、光強度という言葉は、式（２）の複素強度分布を示すこととする。なお、実際に観測される光強度は、複素強度の絶対値の２乗に比例することが知られている。
【００２８】
ここで、観測位置を固定したときに得られる光強度を、波長ｋの関数としてとらえる。
【００２９】
【数４】
2005338417.tif 000006
【００３０】
ただし、
【００３１】
【数５】
2005338417.tif 000007
【００３２】
式（４）の展開の中間では、Δｌは定数なのでこの項をｌ０に繰り込んで表示した。ところで、式（３）で与えられる光強度は、干渉によって作られるものであるから、ｕ（ｋ）は、自由スペクトル領域（以下、ＦＳＲ（free spectral range）と略す）を周期に有する周期関数である。ここで、ＦＳＲをＷ、考えている光信号の中心周波数をｆ０、ｍを回折格子（ここでは階段格子）の回折次数とすれば、これら諸量の関係は次式によって与えられる。
【００３３】
【数６】
2005338417.tif 000008
【００３４】
さらに、実数として連続値をとることのできる波数ｋから、整数ａで識別される不連続値をとる波数ｋａを考え、その成分が光強度に及ぼす寄与を考える。すなわち、回折格子の段数Ｍによって式（３）の離散化を考える。これは、式（５）から次式のように表すことができる。
【００３５】
【数７】
2005338417.tif 000009
【００３６】
ただし、ｋａは次式のように与えられる。
【００３７】
【数８】
2005338417.tif 000010
【００３８】
ここで、Ｍ＝Ｋ＋１であり、簡単のためＫは偶数、すなわち階段数Ｍは奇数であるとする。この仮定は議論を簡単にするためであり、階段数Ｍを偶数としても同じ結論を導くことができる。また、整数ａの範囲は次のように与えられる。
【００３９】
【数９】
2005338417.tif 000011
【００４０】
これらの式から次式を導くことができる。
【００４１】
【数１０】
2005338417.tif 000012
【００４２】
ここで、ｕiは式を簡単にするために導入した量であり、次式により定義される。
【００４３】
【数１１】
2005338417.tif 000013
【００４４】
ところで、式（９）は、左辺の量が右辺のように離散フーリエ変換によって表せることを示している。従って、式（９）の離散逆フーリエ変換をとることによって、式（１０）のｕiを形式的に決定することができる。すなわち、
【００４５】
【数１２】
2005338417.tif 000014
【００４６】
ところで、ｕiは、式（７）と式（１０）を用いることにより次のように表すことができる。
【００４７】
【数１３】
2005338417.tif 000015
【００４８】
式（１１）が離散フーリエ変換であるならば、式（１２）の右辺は理論的に整数ｉのみに依存する量でなければならない。ところが、式（１２）の第２番目の位相項は、ｉとは独立なもう１つの整数ａ（または、ａで識別される波数ｋａと考えても良い）を含む。すなわち、第２の位相項が存在するために、式（１１）を離散フーリエ変換と見なすことはできない。このことは、フィルタ特性として理想的な必要な波長範囲においてのみ光信号を通過させるようなゲート関数応答を要求しても、階段格子を含む多光束干渉を利用する回折格子では、これを満たす解が存在しない。このため、要求した応答を導く光路長の変調
【００４９】
【数１４】
2005338417.tif 000016
【００５０】
を決定することはできないということを意味している。
【００５１】
すなわち、回折格子を通過した後の光強度分布を、特許文献２で述べられているように、式（３）のsinc関数とすることは原理的に不可能となる。また、特許文献１で述べられているように、離散フーリエ変換を利用してＡＷＧを利用する光信号合分波器でフラットレスポンスを実現することも基本的には不可能となる。
【００５２】
しかしながら、特許文献１の方法は、ＡＷＧを利用した光信号合分波器において有効である。その理由は、ＡＷＧを利用した光信号合分波器においては、回折次数ｍが大きく式（１２）の第２の指数関数項は、実質的に、
【００５３】
【数１５】
2005338417.tif 000017
【００５４】
と見なせることにある。
【００５５】
ＡＷＧをＤＷＤＭ用フィルタの回折格子として用いる場合には、この条件が成立する。しかし、回折次数ｍを大きくとると、広い波長範囲の中に設定される各チャネルで同じ強度の光信号を得ることが困難になる。ＣＷＤＭフィルタへの適用を考えると、チャネル間の波長差は２０ｎｍであるため、４チャネルを想定した光信号合分波器で扱うべき波長範囲は、１００ｎｍ程度と極めて広い。ＤＷＤＭフィルタの波長差は、１ｎｍ程度であるから、ＣＷＤＭの波長差は実にその２０倍もある。このため、ＡＷＧをＣＷＤＭ用フィルタの回折格子として用いる場合には、
【００５６】
【数１６】
2005338417.tif 000018
【００５７】
と見なせるような回折次数ｍを設定することはできない。また、ＣＷＤＭでは１つのチャネルにおいても１３ｎｍに渡るフラットレスポンスを実現する必要があるが、特許文献２の方法ではこれも実現できなくなる。すなわち、ＡＷＧを用いた光信号合分波器でＣＷＤＭフィルタを実現することは極めて困難である。さらに、特許文献２のようなフーリエ変換を利用してフラットレスポンスを得る方法では、光強度と位相差を多光束の各光束において制御することが必須であり、特に光強度の制御において３ｄＢ程度の挿入損失を免れないことが知られている。
【００５８】
このような原理的な困難性を克服して、階段格子あるいはＡＷＧなど、入射光束を実効的に多光束に分割する回折格子または光学媒質ブロックを用いて、ＣＷＤＭフィルタに必須の広い帯域幅と、高いクロストーク性能を実現する方法を示す。第１の条件として、光学媒質ブロックを５つの領域に分割して、各ブロック間で２πより大きく４π以下の位相差を与える。
【００５９】
第２の条件として、光の進行方向に沿った光路が、
Ｌｉ＝ｎ｛ｌ０＋（ｉ−１）ｌ＋Δｌｉ｝
と表される屈折率ｎを有する光学媒質ブロックにおいて、ｍを１からＭの範囲にある任意の整数とする。このとき、（１）ΔｌmおよびΔｌm+1の符号が互いに異なる多光束を構成する光路が少なくとも２つ以上連続していること、（２）その連続する任意の２つの多光束を構成する光路の光路長に関して、光学媒質ブロックを通過または反射する光のうち任意の光の波長λを用いて計算される量、
【００６０】
【数１７】
2005338417.tif 000019
【００６１】
の最大値が、０．５＜Ｋm≦２の範囲にあることを特徴とする光学媒質ブロックを用いる。
【００６２】
ここで述べた２つの条件は、ＣＷＤＭフィルタに必須の広い帯域幅と、高いクロストーク性能を実現するという目標から演繹的に導くことはできない。何故ならば、式（２）の右辺が、ただ１つのパラメータとしての整数ｉに依存しないからである。通常、ＡＷＧを用いたＤＷＤＭ用光合分波器の設計において、複数の導波路に与えられる位相差は、０ｒａｄであるかまたはπｒａｄである。しかしながら、上述したように、この位相差を使うことはできないので、あえてπｒａｄでない位相差を与えて、所望の条件を導く。与えるべき位相差が決まれば、その応答としての光信号強度は、式（２）を用いて計算することができる。その結果、与える位相差が、πｒａｄと同じか小さい範囲では、所望の条件を導くことはできないが、０．５＜Ｋm≦２の範囲の位相差を与えることにより、広帯域化を達成することができる。この条件の下、ΔｌmおよびΔｌm+1の符号が互いに異なる光路を構成することにより、クロストーク性能が向上する。
【００６３】
次に、上述した光学媒質ブロックを用いて、光合分波器を構成する。すなわち、異なる波長を有する複数の信号が多重化された入力光信号を、多重干渉を用いた光信号の分波手段により、異なる波長毎に異なる空間位置に光信号を分別する。光学媒質ブロックを用いた光合分波器において、分波された出力光信号の位置は、その光信号の波長の関数となる。
【００６４】
最初に回折格子として階段格子を選び、出力光の集光間隔を求める。階段格子は、透過型とし、屈折率をｎ、隣接する階段の光路差の差分をｌ、回折光の回折角をθ、隣接する階段を透過する光の集光位置までの光路差をＤとする。Ｄは、次式のように表すことができる。
【００６５】
【数１８】
2005338417.tif 000020
【００６６】
ここで、回折次数ｍを導入して上式を書き直すと
【００６７】
【数１９】
2005338417.tif 000021
【００６８】
ここで、λは対象とする光信号の波長であり、異なる複数の波長を有する光信号を扱う場合には、扱うべき波長範囲の中心波長または代表波長とする。散乱角θが小さく、また、屈折率の波長分散
【００６９】
【数２０】
2005338417.tif 000022
【００７０】
が小さい場合には、式（１３）および（１４）から次式を導くことができる。
【００７１】
【数２１】
2005338417.tif 000023
【００７２】
チャネル間隔に相当する波長差をΔλとして、回折格子を通過した光信号が焦点距離ｆ2のレンズにより集光されると考える。集光面上における光信号の集光間隔は、次式で与えられる。
【００７３】
【数２２】
2005338417.tif 000024
【００７４】
一方、回折格子に入射する光信号は、焦点距離ｆ1のレンズにより平行化されていると考える。このとき、コア径または出射端でのビーム半径がｒと表される光信号により、集光面上に作る集光ビームの半径Ｒは、次のように表される。
【００７５】
【数２３】
2005338417.tif 000025
【００７６】
レンズ倍率ｆ2／ｆ1＝１を選ぶと、Ｒ＝ｒとできる。しかし、出力光の集光ピッチＰは、一般に流通している光ファイバを使用できるほど大きくできない。従って、一般にレンズ倍率は、ｆ2／ｆ1＞１であることが必要であり、必然的にＲ＞ｒとなる。
【００７７】
上述したように、ＣＷＤＭ技術においては低コスト化のため光信号波長の厳密な制御を行わない。このためＣＷＤＭ用光合分波器では、通過帯域を広くし、フラットにする必要がある。ここで、回折格子として階段格子、ＡＷＧを利用したＣＷＤＭ用光合分波器において、分波動作における光信号のビーム径の変化を考える。複数の異なる波長を有する光信号が重畳された光信号は、平行化されて、階段格子および集光レンズを通過し、集光面上に結像する。このとき、本実施形態にかかる光合分波器では、集光されるビームの大きさは、集光用の複数の光ファイバまたは導波路が配列されている方向において、ほぼ集光ピッチまで拡大される。正確には、集光ピッチを若干超えて拡大する。導波路の配列方向と垂直な方向におけるビームの大きさは、上述したように、レンズ倍率で決定される値に留まる。このように、ビームの大きさは縦横で異なり、少なくとも光ビームの長軸方向ではＲ＞ｒとなる。従って、集光効率を増加させるためにも出力側の導波路径を入力側のそれよりも大きくする必要がある。
【００７８】
また、集光効率を増加させるために、出力側の集光面上でのビームの形状を対称とする。すなわち、出力側の集光面上でのビームの大きさが、縦横で同じとなるようにする。回折格子に入射する平行化されたビームの形状を、階段と平行な方向のビームの大きさが、階段と垂直な方向のビームの大きさと比較して、予め小さくなるようにしておく。
【００７９】
出力側の集光面上でのビームの形状を対称としても、上述したように、集光ビーム径は、波長が異なる複数の信号光が作る集光スポットの位置間隔とほぼ同じになる。一般に、光ファイバや導波路は、中心部のコアと外側を取り巻くクラッドから構成され、導光する光信号の集光サイズを、コアの大きさに合わせることにより結合効率を最大化している。このとき、信号光の集光半径をＲ０、信号光の間隔をｄ、コア半径をｒcore、クラッド半径をｒclａdとすると、ｄ≫Ｒ０かつｄ≧ｒcore＋ｒclａdが成立している。ただし、一般にｒclａd≫ｒcoreである。
【００８０】
一方、本実施形態の光合分波器の場合、厳密にはｄ≦Ｒ０である。そこで、結合効率を最大化して、挿入損失を最小に抑えるためにはｄ＝ｒcoreとすることが最も望ましい。しかしながら、この条件の下では、クラッド部を設けることができなくなり、光ファイバまたは導波路を用いて光信号入出力ポートを構成することが困難となる。このような条件での好適な手段は、階段格子と集光レンズを経て細径化された信号光を、信号光毎に再度ビーム径を絞り込み、ビーム径を絞り込まれた光信号を導く光ファイバまたは導波路との結合効率を最大化することである。
【００８１】
なお、階段格子と集光レンズを経て細径化された信号光の集光径と、信号光の位置間隔とは、独立に変化させることができない。このため１個のレンズではなく、信号光毎に複数のレンズが必要となり、信号光の数と同じだけのレンズを配置する必要がある。
【００８２】
ここでは透過型の階段格子を回折格子の例として取り上げたが、反射型の階段格子、またはＡＷＧ型の回折格子であっても適用することができる。なお、レンズという用語は、集光する光学部品または機構を表し、例えば、多光束部分の一つ一つにおいて出射する光の向きを変えることにより、集光効果を実現することも含まれる。
【実施例１】
【００８３】
表１に、本発明の実施例１として構成した階段格子の諸量の一例を示す。
【００８４】
【表１】
2005338417.tif 000026
【００８５】
階段番号ｍの各階段に対して位相差
【００８６】
【数２４】
2005338417.tif 000027
【００８７】
を与えた。上式において、
【００８８】
【数２５】
2005338417.tif 000028
【００８９】
という標記を用いたが、上述したように、微小な光路長の指定に、本来αは必要なく、ｉのみで指定することができるが、ここでは理解を助けるために導入した。
【００９０】
この階段格子は、１．５５μｍ帯において動作するように構成されているが、通信用の波長帯として広く用いられている１．３μｍ帯において動作する階段格子も、同様にして構成することができる。階段間の位相差は、
【００９１】
【数２６】
2005338417.tif 000029
【００９２】
として計算でき、この値から
【００９３】
【数２７】
2005338417.tif 000030
【００９４】
を満たしていることが分かる。さらに、階段の中心であり光軸に一致すべき階段番号４１に近づくに従って、Ｋｍ値が減少していることがわかる。ここで、階段番号１から１３を左一様部、階段番号１４から２７を左交代部、階段番号２８から５８を中央一様部、階段番号５９から７２を右交代部、階段番号７３から８１を右一様部という。本実施例の場合には、左交代部及び右交代部において、それぞれ１４個の互いに隣接する光路のΔｌmおよびΔｌm+1の符号が異なる。
【実施例２】
【００９５】
図１に、本発明の実施例２にかかる光合分波器の構成を示す。光合分波器は、光信号入出力ポート１から入射した入力光信号を、光学媒質ブロックとしての階段格子３に結合する第１レンズ２と、階段格子３の出力光信号入出力ポート５に結合する第２レンズ４とから構成されている。
【００９６】
λ1，λ2，λ3およびλ4の異なる４つの波長を有する光信号が重畳された入力光信号は、光信号入出力ポート１から射出され、第１レンズ２によってコリメート化されて階段格子３に入射される。階段格子３は回折格子として作用し、４つの異なる波長の光信号を波長毎に別々のチャネルに分波する。分波された光信号は、第２レンズ４を介して光信号入出力ポート５に出力される。この動作は、４つの異なる波長を有する光信号が重畳された入力光信号から、波長毎に光信号を別々のポートの出力するための分波と呼ばれる。
【００９７】
この構成において、分波動作と逆の動作を行うこともできる。すなわち、４つの異なる波長の光信号を、４つのチャネルから構成される光信号入出力ポート５に入力する。第２レンズ４によってコリメート化された光信号は、階段格子３において、４つの異なる波長を有する光信号が重畳された出力光信号となる。出力光信号は、第１レンズ２を経て光信号入出力ポート１に出力される。この動作は、４つの異なる波長を有する光信号を、１つの出力光信号にまとめるための合波と呼ばれる。
【００９８】
光信号入出力ポート１は、コア径１０μｍ、外径寸法１２５μｍの一般的な光ファイバを用いて構成する。光信号入出力ポート５は、コア径が２５μｍのコア拡大化光ファイバ４本により構成する。また、階段格子４は、階段が形成されていない側の光信号入射面に、反射防止膜８が形成されている。
【００９９】
図２に、光合分波器のフィルタ特性を示す。実施例１の表１に基づいて作製した光学媒質ブロック（階段格子）を用いて、図１に示した光信号合分波器を構成する。光信号入出力ポート５の１つから出力される光信号強度を、光信号入出力ポート１に入力する光信号の波長を変えながら測定した結果である。
【０１００】
図３に、比較のために作成した光合分波器のフィルタ特性を示す。この光合分波器は、Ｋｍ＝０．５の条件のもとに、フーリエ変換の手法により設計した光学媒質ブロック（階段格子）を用いて、図１に示した光信号合分波器を構成した。図４に、設計変更した光合分波器の第１例のフィルタ特性を示す。表１に示した光学媒質ブロックの左および右交代部においてＫm＝２．０２３となるように設計した。図５に、設計変更した光合分波器の第２例のフィルタ特性を示す。表１に示した光学媒質ブロックの左および右交代部においてＫｍ＝０．５となるように設計した。
【０１０１】
図２に示した光合分波器は、ＣＷＤＭフィルタに必要なフラットレスポンスと２０ｄＢ程度のクロストーク性能が得られている。図３、４および５に示した光学媒質ブロックを用いた場合には、ＣＷＤＭフィルタに必要な特性が得られていない。従って、
【０１０２】
【数２８】
2005338417.tif 000031
【０１０３】
の最大値を、０．５＜Ｋｍ≦２の範囲にすることが好適である。０．５＜Ｋｍ≦２の範囲内のいずれの値に求めるかは、設計上の問題であり一意に決定することはできない。
【０１０４】
なお、実施例２の反射防止膜８は、分波動作時における過剰損失を低減することができる。逆向きの合波動作時のフィルタ特性は、図２とほぼ同じであるから、反射防止膜８は、合波動作、分波動作のいずれにおいても同等のフィルタ特性を達成する。
【０１０５】
図６に、実施例２によって得られる焦点面上における光信号の集光サイズを示す。実施例１で示した諸量に基づいて構成した階段格子を含む光合分波器の光信号強度の分布を、焦点面上で計算した結果である。図６では、１チャネル分の光信号しかプロットしていないが、複数の光信号は、ｙ軸に沿ってプロットされる。光信号の集光スポットの大きさを考えると、ｘ軸方向の大きさはレンズ倍率で決まるが、ｙ軸方向は、ｘ軸方向の大きさと比較して拡がっていることが分かる。
【実施例３】
【０１０６】
図７に、本発明の実施例３にかかる光合分波器の構成を示す。実施例２と比較すると、光合分波器は、光信号入出力ポート６のみが異なる。光信号入出力ポート６は、光ファイバのコア部を含む導波路の端面を、くさび状に研磨したくさび形光ファイバが用いる。くさび形光ファイバの研磨は、第１レンズ２によって平行化された光ビームの形状が、紙面と平行な方向に大きく、紙面とは垂直な方向に小さくなるように行う。なお、光信号入出力ポート５は、４本の光ファイバで構成され、実施例２と同様にコア拡大化光ファイバである。
【０１０７】
図８に、実施例３によって得られる焦点面上における光信号の集光サイズを示す。実施例３において、くさび形光ファイバは、階段格子を照明する光ビームの大きさがｙ軸方向に比べｘ軸方向で１／２まで小さくなるように調整されている。その結果、焦点面上での光信号の集光スポットの大きさがｘ軸およびｙ軸でほぼ等しくなっている。
【０１０８】
実施例２と実施例３のいずれの場合も、光信号入出力ポート６の端面におけるビーム径または導波路径と比較して、焦点面上での集光スポットの少なくとも１つの軸におけるビーム径が大きくなっていることが分かる。このことは、光合分波器の挿入損失を低減するためには、光信号入出力ポート６の端面におけるビーム径または導波路径と比較して、光信号入出力ポート５におけるビーム径または導波路径を大きくすることが、極めて有効であることを示している。
【実施例４】
【０１０９】
図９に、本発明の実施例３にかかる光合分波器の構成を示す。実施例３の構成に加えて、光合分波器は、複数配列レンズ７をさらに備えている。光信号入出力ポート６は、実施例３と同様にくさび形光ファイバを用いる。階段格子３を経た光信号は、第２レンズ４により集光され、複数配列レンズ７により信号光毎により小さなサイズに集光されて、光信号入出力ポート５に導かれる。光信号入出力ポート５は、４本の光ファイバで構成され、実施例２と同様にコア拡大化光ファイバである。
【０１１０】
図１０に、実施例４によって得られる焦点面上における光信号の集光サイズを示す。集光スポットは、光信号入出力ポート６の端面におけるビーム径または導波路径と比較して大きいが、光信号入出力ポート５におけるビーム径または導波路径にほぼ等しい大きさとなっており、高い結合効率を得ることができる。
【０１１１】
以上述べた実施例においては、全て透過型の階段格子を用い、光信号入出力ポートを構成する導波路として光ファイバを用いた。本発明は、反射型の階段格子やＡＷＧなど、一般的に入射光を実質的に多光束に分け、これら多光束の間の干渉を利用するような回折格子を用いる光信号合分波器にも適用できる。また、より柔軟な形状が実現可能な導波路により、光信号入出力ポートを構成した光信号合分波器においても有効である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施例２にかかる光合分波器の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２にかかる光合分波器のフィルタ特性を示す図である。
【図３】比較のために作成した光合分波器のフィルタ特性を示す図である。
【図４】設計変更した光合分波器の第１例のフィルタ特性を示す図である。
【図５】設計変更した光合分波器の第２例のフィルタ特性を示す図である。
【図６】実施例２によって得られる焦点面上における光信号の集光サイズを示す図である。
【図７】本発明の実施例３にかかる光合分波器の構成を示す図である。
【図８】実施例３によって得られる焦点面上における光信号の集光サイズを示す図である。
【図９】本発明の実施例４にかかる光合分波器の構成を示す図である。
【図１０】実施例４によって得られる焦点面上における光信号の集光サイズを示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１，５，６  光信号入出力ポート
２  第１レンズ
３  階段格子
４  第２レンズ
７  複数配列レンズ
【図１】
2005338417.tif 000033
【図２】
2005338417.tif 000034
【図３】
2005338417.tif 000035
【図４】
2005338417.tif 000036
【図５】
2005338417.tif 000037
【図６】
2005338417.tif 000038
【図７】
2005338417.tif 000039
【図８】
2005338417.tif 000040
【図９】
2005338417.tif 000041
【図１０】
2005338417.tif 000042