(57)【要約】複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、入射側光導波路の出射側に設置され、入射側光導波路から出射されたガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。
2004027493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をＤとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記各波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
Ｌ≧Ｄ／Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
【請求項２】
一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をＤとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
Ｌ≧Ｄ／Δψ
【請求項３】
複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
ｓ＝ｆ・Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
【請求項４】
一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
ｓ＝ｆ・Δψ
【請求項５】
複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をＤおよび前記集光レンズの物理的外径をＤ′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記各波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧ａ
ｄ′≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
Ｌ≧Ｄ′／Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
【請求項６】
一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をＤおよび前記集光レンズの物理的外径をＤ′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｄ′≧２ｆ′・ＮＡ′
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
Ｌ≧Ｄ′／Δψ
【請求項７】
複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧ａ
ｄ′≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
ｓ＝ｆ′・Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
【請求項８】
一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、
前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、
前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、
前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たす回折格子を用いた分光装置。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｄ′≧２ｆ′・ＮＡ′
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
ｓ＝ｆ′・Δψ
【請求項９】
前記回折格子の、光束が入射される面は、略矩形状または略楕円形状である、請求の範囲１〜８のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
【請求項１０】
前記コリメートレンズおよび前記集光レンズは、半径方向に沿った屈折率分布を有するロッドレンズである、請求の範囲１〜８のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
【請求項１１】
前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有した基板であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である、請求の範囲１〜８のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
【請求項１２】
前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有する２次元フォトニック結晶であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である、請求の範囲１〜８のいずれかに記載の回折格子を用いた分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、波長の異なる光を分離する、回折格子を用いた分光装置に関する。
【背景技術】  近年、インターネットの急速な普及により、光ファイバ通信網の情報伝送容量の増大が強く求められており、その手段として波長多重（ＷＤＭ）方式の開発が急速に進められている。波長多重方式の光通信においては、わずかな波長差の各光が個別の情報を伝達することから、波長選択性の良い光分波器、フィルタ、アイソレータといった光学機能素子を用いる必要がある。これら機能素子においては、量産性、小型化、集積化、安定性などが強く求められている。
分光装置は、波長多重光通信のように人為的に複数の波長が多重化された光信号を分波・検出するために用いられる。また、分光装置は、分光測定のように被測定光のスペクトル解析等にも用いられる。あるいは複数波長の光源を利用する光ディスクシステムなどにおいても分光装置が用いられる。この分光装置には、プリズム、波長フィルタまたは回折格子等の分光素子が必要である。
特に回折格子は代表的な分光素子である。回折格子は、例えば、石英やシリコン基板などの表面に周期的なブレーズ状の微細凹凸構造を形成することで作製される。その周期的凹凸構造によって発生する回折光は互いに干渉し、ある特定波長の光が特定の方向に出射される。回折格子は、このような特性を有するため、分光素子として利用されている。このような分光素子は、例えば、特開平１０−３００９７６号公報に開示されている。
回折格子による波長分解力は、回折光の次数と格子数の積に比例することが一般的に知られている。実際の分光素子において有効であるのは、光束が通過する範囲の回折格子の周期数である。つまり、回折格子の分解力を向上させるためには光束の直径を大きくする必要がある。光束の直径を大きくするためには、それに伴って光学系に必要な各部品も大きくしなければならない。
しかし、回折格子やレンズ等の光学部品を大きくすることはコストの上昇につながる。また、光束が太くなりレンズ径が大きくなると、収差が増大する傾向があるため、収差補正の手段を設ける必要がある。そのため、分光装置が大型化してしまうという問題もある。
分光を目的とする回折格子としては、断面形状が三角形のブレーズ格子が使用されることが多い。ブレーズ格子を有する回折格子には、反射型と透過型とがある。図１３Ａはブレーズ格子を有する透過型回折格子１０３ａの構成を示す断面図であり、図１３Ｂはブレーズ格子を有する反射型回折格子１０３ｂの構成を示す断面図である。図１３Ａに示すように透過型回折格子１０３ａは、溝１０４ａが形成された面の反対面から複数波長の光１０７ａが入射すると、溝１０４ａが形成された面から出射方向が互いに異なることで分光された複数の回折光１０８ａおよび１０９ａが出射される。
また、図１３Ｂに示すように反射型回折格子１０３ｂは、溝１０４ｂが形成された面から複数波長の光１０７ｂが入射すると、反射して、溝１０４ｂが形成された面から反射方向が互いに異なることで分光された複数の回折光１０８ｂおよび１０９ｂが出射される。反射型回折格子１０３ｂは透過型回折格子１０３ａよりも高い回折効率が得られるので、通常は反射型回折格子１０３ｂが用いられている。しかし、反射型回折格子１０３ｂは、表面を反射面に加工する必要がある。
透過型回折格子１０３ａおよび反射型回折格子１０３ｂのいずれの方式であっても、格子周期と光の波長が接近してくると、偏光方向（ＴＥ偏光またはＴＭ偏光）による効率の差などが生じる。そのため、高い回折効率を得るためにはブレーズ形状などの精密な設計と高度な加工技術が必要になる。
【発明の開示】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、波長分解力が高く、かつ小型化が可能な分光装置を提供することを目的とする。
本発明は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をＤとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記各波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。なお、平均波長λ０は、
λ０＝（λ１＋λ２）／２で表される。
ｄ≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
Ｌ≧Ｄ／Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの物理的外径をＤとし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
Ｌ≧Ｄ／Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。なお、平均波長λ０は、
λ０＝（λ１＋λ２）／２で表される。
ｄ≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
ｓ＝ｆ・Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備えている。また、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの有効径をｄとし、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡとし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
ｓ＝ｆ・Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する、複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をＤおよび前記集光レンズの物理的外径をＤ′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記各波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧ａ
ｄ′≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
Ｌ≧Ｄ′／Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射された複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束をそれぞれ集光する複数の集光レンズと該集光レンズから出射される光が入射する出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記コリメートレンズの物理的外径をＤおよび前記集光レンズの物理的外径をＤ′とし、前記回折格子と前記各集光レンズとの間隔をＬとし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｄ′≧２ｆ′・ＮＡ′
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
Ｌ≧Ｄ′／Δψ
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を出射する入射側光導波路と、該入射側光導波路の出射側に設置され、前記入射側光導波路から出射された前記ガウシアンビームで近似される光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記入射側光導波路の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿った前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１およびλ２の前記隣接入射光の平均波長をλ０とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧ａ
ｄ′≧ａ
ｇＶ≧ａ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧ａ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
ｓ＝ｆ′・Δψ
（ただし、ａは、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちいずれか大きい値とする）
また、本発明の他の回折格子を用いた分光装置は、一様な光強度をもつ面光源と、該面光源から出射される複数の波長成分を有する光束を、略平行光束に変換するコリメートレンズとを有する光入射部と、前記コリメートレンズにより略平行光束に変換された光束が入射され、波長ごとに出射方向の異なる光束を出射することで前記光束を分光する、表面に溝を有する回折格子と、前記回折格子によって分光された各光束を集光する、単一の集光レンズと、該集光レンズによって集光された各光束がそれぞれ伝搬する、複数の出射側光導波路とを有する光出射部とを備え、前記コリメートレンズの有効径をｄおよび前記集光レンズの有効径をｄ′とし、前記コリメートレンズの焦点距離をｆおよび前記集光レンズの焦点距離をｆ′とし、前記光束が前記回折格子に入射する際の前記回折格子に対する前記光束の入射角をφとし、前記面光源の半径をｗ１とし、前記面光源の開口数をＮＡおよび前記出射側導波路の開口数をＮＡ′とし、隣接する前記出射側光導波路同士の間隔をｓとし、前記溝に対して垂直な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＶとし、前記溝に対して平行な方向に沿って前記回折格子の長さをｇＰとし、前記回折格子に入射する光束の内、分離すべき隣接入射光の各波長をλ１およびλ２とし、前記波長λ１および前記波長λ２の光同士の、前記回折格子による回折角の角度差をΔψ（ラジアン）とした場合に、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧２ｆ・ＮＡ
ｄ′≧２ｆ′・ＮＡ′
ｆ≧２ｗ１／Δψ
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
ｇＶ≧２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφ
ｇＰ≧２ｆ・ＮＡ
ｓ＝ｆ′・Δψ
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施の形態１に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図２は、Δψ≧３θ０である場合の光束の関係を示す模式図である。
図３は、Δψ＝２θ０である場合の光束の関係を示す模式図である。
図４は、本発明の実施の形態２に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図５は、４本発明の実施の形態３に係る回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図６Ａは、断面形状が矩形状である回折格子の構成を示す断面図である。
図６Ｂは、図６Ａの回折格子の拡大図である。
図７は、入射する光束の波長に対する回折効率の計算結果を示すグラフである。
図８は、入射する光束の波長に対するＰＤＬの計算結果を示すグラフである。
図９は、２次元フォトニック結晶構造の回折格子の構成を示す断面図である。
図１０Ａは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図１０Ｂは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図１０Ｃは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図１０Ｄは、回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
図１１は、実施例１の回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
図１２は、ＳＥＭにより撮影した回折格子である。
図１３Ａは、ブレーズ格子を有する従来の透過型回折格子の構成を示す断面図である。
図１３Ｂは、ブレーズ格子を有する従来の反射型回折格子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本実施の形態の回折格子を用いた分光装置は、単一モード光ファイバからの出射光などのガウシアンビームとみなせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が決まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、単一モード光ファイバからの出射光などガウシアンビームと見なせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、単一モード光ファイバからの出射光などのガウシアンビームとみなせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束をそれぞれ別個の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が決まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、単一モード光ファイバからの出射光などガウシアンビームと見なせる光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、本実施の形態の他の回折格子を用いた分光装置は、コリメートレンズと集光レンズとが異なるものであって、多モード光ファイバ端面など点光源の集合した面光源と見なせる光源からの出射光束を回折格子に入射し、回折格子によって分光された光束を共通の集光レンズで集光する構成の分光装置で、その分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である上、小型化が可能である。
また、好ましくは、前記回折格子の、光束が入射される面は、略矩形状または略楕円形状である。それにより、回折格子の有効面積の割合が増える。つまり、回折格子において、光束が入射しない箇所の面積を小さくすることができる。そのため、回折格子を低コストで作製することができる。
また、好ましくは、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズは、半径方向に沿った屈折率分布を有するロッドレンズである。それにより、ロッドレンズは、形状的に光ファイバとの整合性がよいため、ロッドレンズと光ファイバとを結合する場合に、組立調芯を容易にすることができる。
また、好ましくは、前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有した基板であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である。それにより、溝を精度よく作製することができ、回折格子は、高い回折効率を得ることができる。
また、好ましくは、前記回折格子は、互いに平行な凹凸溝を表面に有する２次元フォトニック結晶であって、前記溝の垂直断面形状は、略矩形形状である。それにより、回折格子は、高い回折効率を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の回折格子を用いた分光装置について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る分光装置１００の構成を示した模式図である。実施の形態１の分光装置１００は、光入射部１０と回折格子２０と光出射部３０とを備えている。
光入射部１０は、入射側光導波路である光ファイバ１１と、光束を略平行光束に変換するコリメートレンズ１２とを有する。光ファイバ１１は、単一モードファイバ（偏波面保存ファイバを含む）であり、開口数はＮＡである。光ファイバ１１は、複数の波長成分を含んでいてガウシアンビームで近似される光束を伝搬している。ただし、ガウシアンビームの強度が中心の１／ｅ２となる遠視野広がり角によりＮＡは定義されている。
コリメートレンズ１２は光ファイバ１１の出射端面に設置されている。光ファイバ１１中を伝搬している光束は、光ファイバ１１から出射され、コリメートレンズ１２に入射して、略平行光束に変換される。
光ファイバ１１の端面から出射される光束はガウシアンビームとみなせ、広がり角が大きく、複数の波長成分を含んでいる。コリメートレンズ１２によって、この光束は広がり角が小さく光束の太いガウシアンビームである光束４に変換される。
回折格子２０は、光束４が入射される側の面の形状が略矩形状もしくは略楕円形状が望ましく、表面に溝２１が形成され、入射した光束を互いに異なる波長の光束ごとに出射方向を変えることで分光する。コリメートレンズ１２から出射されたガウシアンビームである光束４は回折格子２０に入射し、波長成分ごとに方向の互いに異なる光束５および６に分光される。
ここで、回折格子２０の形状が略矩形状もしくは略楕円形状が望ましい理由を説明する。光束４が円形のビームであれば、光束４が回折格子２０に対して垂直に入射する場合は、回折格子２０の入射面において光束４は円形である。また、光束４が回折格子２０に対して垂直以外で入射する場合は、回折格子２０の入射面において光束４は楕円形状になる。したがって、回折格子２０の形状は略楕円形状である方が、光束４が入射しない無駄な箇所がないため、回折格子２０を低コストで作製することができる。なお、回折格子２０の光束４が入射される面の形状が略矩形状であっても、無駄な箇所が少ない形状であるため、回折格子２０を低コストで作製することができる。
光出射部３０は集光レンズ３１ａおよび３１ｂと出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂとを備えている。集光レンズ３１ａおよび３１ｂと、出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂとは、回折格子２０で分光された光束の数だけ設置されている。実施の形態１では二つの光束５および６に分光しているので、集光レンズ３１ａおよび３１ｂが設置されている。光束５および６のそれぞれが集光レンズ３１ａおよび３１ｂにより集光され、それぞれ出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂに結合される。
光束５の波長をλ１とし、光束６の波長をλ２とする。回折格子２０に入射される光束４は、光束５と光束６とが混合された光である。このとき、隣接入射光の波長はλ１およびλ２であり、これら隣接入射光の平均波長λ０は、
λ０＝（λ１＋λ２）／２
で表わすことができる。
また、回折格子２０により回折されて分光された光束５と光束６とのそれぞれの回折角度の差をΔψ（単位はラジアン）とする。
コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとは焦点距離および大きさが互いに等しい屈折率分布型ロッドレンズであり、その有効径はｄで、物理的な外径はＤとする。また、回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの間隔をＬとする。
コリメートレンズ１２から回折格子２０に向けて出射される光束４のビームウエスト半径はｗ０である。光束４の光束はガウシアンビームなので、厳密にはその半径は位置によって変化する。しかし、ビームウエスト半径ｗ０は充分に大きく、コリメートレンズ１２から集光レンズ３１ａおよび３１ｂまでの光束４、５および６の半径（ガウシアンビームの光強度が光軸位置の１／ｅ２となる半径）はビームウエスト半径ｗ０に等しい一定値であるとみなすことができる。
ビームウエスト半径がｗ０である光束４の、遠視野における広がり角θ０は、以下の式で表わされる。
ｔａｎθ０＝λ０／（πｗ０）
ただし、θ０は微小角なので
θ０＝λ０／（πｗ０）                  （１）
としても差し支えない。
波長λ１およびλ２の光束５および６に対する回折角の角度差がΔψなので、波長λ１の光束５と波長λ２の光束６を明確に分離するには、
Δψ≧３θ０                            （２）
であることが望ましい。（１）、（２）式より、
ｗ０≧３λ０／（πΔψ）                （３）
の関係が得られる。
ここで、（２）式の条件が必要である理由について図２および図３を用いて説明する。図２は、Δψ≧３θ０である場合の光束５および６の関係を示す模式図である。また、図３は、Δψ＝２θ０である場合の光束５および６の関係を示す模式図である。図２において、広がり角θ０の、光束５および光束６がΔψの角度差を有している。光束５および光束６の各ガウシアン分布５ａおよびガウシアン分布６ａからわかるようにθ０は、各光束５および６の最大パワーＩ０の１３．５％の値の箇所と各光束５および６の中心軸とのなす角度である。Δψ≧３θ０である図２からわかるように、ガウシアン分布５ａおよび６ａとが重なっていないので、光束５および光束６は明確に分離されている。
しかし、Δψ≧３θ０ではなく、Δψ＝２θ０である図３からわかるように、Δψ＝２θ０である場合には、ガウシアン分布５ａおよび６ａとが重なる箇所が出てくる。そのため、光束５および光束６は充分に分離されていない。
以上のように、波長λ１の光束５と波長λ２の光束６とを明確に分離するには、Δψ≧３θ０（式（２））の条件が必要である。
一方、ビームウエスト半径ｗ０に対して、光束のケラレを充分小さくするには、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの有効径ｄは、３ｗ０以上必要である。また、光束４が回折格子２０に垂直に入射する場合は、上述のように、回折格子２０の入射面において光束４は円形である。したがって、光束４がすべて回折格子２０に入射するためには、溝２１に対して平行な方向（図１の紙面に対して垂直な方向）に沿った回折格子２０の長さｇＰおよび溝２１に対して垂直な方向（図１の紙面に平行であって、回折格子２０の光束４が入射する側の面に沿った方向）に沿った回折格子２０の長さｇＶは、ともに３Ｗ０以上必要である。ここで、回折格子２０の長さｇＰおよびｇＶのうち小さい方の値をＧ０とする。すなわち、溝２１に対して平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰおよび溝２１に対して垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶはＧ０以上である。
上記のように、有効径ｄと回折格子２０の長さｇＰおよびｇＶとが３Ｗ０以上を条件とするのは、ガウシアンビームの実際の広がりは、ビームウエスト半径ｗ０よりも広がっているためである。つまり、光束４のすべてのエネルギーを用いるためには、上述のように有効径ｄと回折格子２０の長さｇＰおよびｇＶとが３Ｗ０以上である必要がある。
したがって、（３）式より、
ｄ≧９λ０／（πΔψ）                  （４）
Ｇ０≧９λ０／（πΔψ）                （５）
が得られる。
ところで、光ファイバ１１の開口数ＮＡと、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの焦点距離ｆとより、光ファイバ１１から出射されるガウシアンビームである光束４を少ない損失で取り込むためには、コリメートレンズ１２の有効径ｄとして
ｄ＝３ｆ・ＮＡ                          （６）
が必要である。なお、コリメートレンズ１２の半径がｆ・ＮＡ、すなわちコリメートレンズ１２の直径が２ｆ・ＮＡとしたのでは、光束４の外側部分の光を取り込むことができず、損失が生じる。
したがって、（４）、（５）および（６）式より最小限必要なレンズ有効径および回折格子の大きさは、
ｄ≧ａ
Ｇ０≧ａ
となる。ただし、
３ｆ・ＮＡ＞９λ０／（πΔψ）
の場合には、
ａ＝３ｆ・ＮＡ
とすればよい。この場合は、光量ロスがなく分解能も確保される。ただし、
３ｆ・ＮＡ＜９λ０／（πΔψ）
とすると、光量ロスはないものの、光束が９λ０／（πΔψ）よりも細くなるので、分解能が悪くなってしまう。そこで、ａの値としては、
３ｆ・ＮＡ≧９λ０／（πΔψ）
の関係を満たすことを前提として、
ａ＝３ｆ・ＮＡ
とする。
ただし、上述の各式は入射する光束４の光束が回折格子２０に対して、垂直入射する場合に相当している。
ここで、図１に示すように、光束４が回折格子２０に対して垂直に入射しない場合には、回折格子２０の入射面での、溝２１に対して平行な方向に沿った光束４の長さは変化しない。しかし、回折格子２０の入射面での、溝２１に対して垂直な方向に沿った光束４の長さは大きくなる。すなわち、溝２１に対して垂直な方向（図１の紙面に平行であって、回折格子２０の光束４が入射する面の方向）に沿った回折格子２０の長さｇＶは以下の条件を満たす必要がある。すなわち、
ｇＶ≧Ｇ０／ｃｏｓφ
である。また、溝２１に対して平行な方向（図１の紙面に対して垂直な方向）に沿った回折格子２０の長さｇＰはＧ０に等しいので、
ｇＰ≧ａ
である。これらにより、光束４がすべて回折格子２０に入射することができる。そのため、損失が生じることがない。
回折格子２０で分光した光束５および６が、それぞれ集光レンズ３１ａおよび３１ｂに入射するためには、光束５および６どうしの間隔が、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの物理的外径Ｄ以上である必要がある。すなわち、光束５および６どうしの間隔を、回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの間隔であるＬで表し、これが物理的外径Ｄ以上であるため、
Ｌ・ｔａｎΔψ≧Ｄ
関係が成り立つ。また、回折角の角度差Δψも微小角なので、
Ｌ≧Ｄ／Δψ
となる。これにより、Ｌの最小値が得られる。
以上の結果より、単一モード光ファイバ１１を光入射部１０に用いた場合、すなわち入射光束である光束４がガウシアンビームとみなせ、かつ平均波長λ０と回折角の角度差Δψとが定まっている場合の分光装置１００の各部材および全体の最小限の大きさを求めることができる。これらを以下に示す。
（ａ）コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径ｄの最小値は、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの焦点距離ｆが自由に選択できるのであれば、両者が等しくなる場合、すなわち焦点距離ｆは、
ｆ＝３λ０／（πΔψ・ＮＡ）
とすればよい。
（ｂ）回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。
溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、ａ／ｃｏｓφとなる。また、溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰはａとなる。
（ｃ）回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂの距離Ｌの最小値は、Ｄ／Δψとなる。
（ｄ）コリメートレンズ１２と回折格子２０との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
（ｅ）コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの物理的外径Ｄの最小値は、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの有効径ｄと等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態１の回折格子を用いた分光装置１００は、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
上述の説明は、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが同一の焦点距離および大きさを有する場合の分光装置１００を最小化するための条件についてであった。ここで、入射側の光ファイバ１１の開口数と出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂの開口数とが異なる場合には、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが異なる場合の、分光装置１００を最小化するための条件について図１を用いて、以下に説明する。光ファイバ１１の開口数は上述した場合と同様でＮＡとし、出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂの開口数はＮＡ′とする。このとき、コリメートレンズ１２は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ１２の有効径をｄとし、焦点距離をｆとし、物理的外径をＤとする。集光レンズ３１ａおよび３１ｂは上述したものとは異なり、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径をｄ′とし、焦点距離をｆ′とし、物理的外径をＤ′とする。このときの分構装置１００が最小化する条件を以下に示す。
（ａ）コリメートレンズ１２の有効径ｄの最小値は、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちの大きい方の値である。また、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径ｄ′の最小値も同様に、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちの大きい方の値である。集光レンズ３１ａおよび３１ｂの焦点距離ｆ′は、入射側であるコリメートレンズ１２の焦点距離ｆと対応させることが望ましいので、
ｆ・ＮＡ＝ｆ′・ＮＡ′
となり、すなわち、
ｆ′＝ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）
とすればよい。
（ｂ）回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は上述と同様に、以下のようになる。
溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、ａ／ｃｏｓφとなる。また、溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰはａとなる。
（ｃ）回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂの距離Ｌの最小値は、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの物理的外径Ｄ′を用いて、Ｄ′／Δψとなる。
（ｄ）コリメートレンズ１２と回折格子２０との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
（ｅ）コリメートレンズ１２の物理的外径Ｄの最小値は、コリメートレンズ１２の有効径ｄと等しい。また、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの物理的外径Ｄ′は、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径ｄ′と等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが異なる場合に、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である分光装置１００を最小化することができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る回折格子２０を用いた分光装置２００について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る分光装置２００の構成を示した模式図である。実施の形態２に係る分光装置２００と実施の形態１の分光装置１００との異なる点は、単一モードファイバである光ファイバ１１の替わりに、多モードファイバである光ファイバ１１ａを用いている点で、その他の構成はほぼ同様である。そのため、同一部材については同一の符号を付し、説明を省略している。
実施の形態２の光入射部１０における、光ファイバ１１ａは、多モードファイバであるため、光ファイバ１１ａ中を伝搬して、出射される光は、均一な光強度をもつ面光源（光ファイバ１１ａ）からの出射光とみなせる。この場合の分光装置２００の最小条件について以下に示す。
光ファイバ１１ａのコア半径（すなわち面光源の大きさ）をｗ１とし、面光源である光ファイバ１１ａの開口数をＮＡ、同一の形状のレンズであるコリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの焦点距離をｆとすると、コリメートされた光束４の広がり角θ１（半角）は、以下の式で表わされる。
ｔａｎθ１＝ｗ１／ｆ
ただし、θ１は微小角なので
θ１＝ｗ１／ｆ                          （７）
としても差し支えない。
波長λ１およびλ２の光束５および６が回折される角度の差がΔψであるから、波長λ１の光束５と波長λ２の光束６を明確に分離するには、
Δψ≧２θ１                            （８）
であることが望ましい。したがって（７）および（８）式より、
Δψ≧２ｗ１／ｆ
が得られ、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの焦点距離ｆは、
ｆ≧２ｗ１／Δψ                        （９）
の条件を満たすことが必要となる。
コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの有効径ｄと溝２１に対して平行な方向（図４の紙面に対して垂直な方向）に沿った回折格子２０の長さｇＰおよび溝２１に対して垂直な方向（図４の紙面に平行であって、回折格子２０の光束４が入射する側の面に沿った方向）に沿った回折格子２０の長さｇＶとは、光束４の直径以上必要である。ここで、回折格子２０の長さｇＰおよびｇＶのうち小さい方の値をＧ０とする。また、この場合の光束の半径はｆ・ＮＡで表わされるから、
ｄ≧２ｆ・ＮＡ                        （１０）
Ｇ０≧２ｆ・ＮＡ                      （１１）
が得られ、コリメートレンズ１２の有効径ｄと回折格子２０の長さｇＰおよびｇＶの最小値がわかる。ただし、（１１）式は光束４が回折格子２０に対して、垂直入射する場合に相当する。光束４が回折格子２０に対して、入射角φで入射する場合の回折格子２０の長さｇＶは、
ｇＶ≧Ｇ０／ｃｏｓφ
で表される。
回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの間隔であるＬの満たすべき条件は、実施の形態１の場合と同様であり、
Ｌ・ｔａｎΔψ≧Ｄ
となる。ここで、Δψは微小角なので、
Ｌ≧Ｄ／Δψ
がＬの満たすべき条件となる。
以上の結果より、多モード光ファイバ１１ａを光入射部１０に用いた場合、すなわち、入射光束である光束４が均一な光強度をもつ面光源（光ファイバ１１ａ）からの出射光とみなせ、かつ平均波長λ０と回折角の角度差Δψとが定まっている場合の分光装置２００の各部材および全体の最小限の大きさを求めることができる。これらを以下に示す。
（ａ）コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの有効径ｄの最小値は、２ｆ・ＮＡである。
（ｂ）コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの焦点距離ｆの最小値は、２ｗ１／Δψである。
（ｃ）回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。
溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφである。また、溝２１に対して、平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰは、２ｆ・ＮＡである。
（ｄ）回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの距離Ｌの最小値は、Ｄ／Δψとなる。
（ｅ）コリメートレンズ１２と回折格子２０の間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
（ｆ）コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの物理的外径Ｄの最小値は、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとの有効径ｄと等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態２の回折格子を用いた分光装置は、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
上述の説明は、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが同一の焦点距離および大きさを有する場合の分光装置２００を最小化するための条件についてであった。ここで、入射側の光ファイバ１１ａの開口数と出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂとの開口数が異なる場合には、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが異なる物とする必要がある。そこで、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが異なる場合の、分光装置２００を最小化するための条件について図４を用いて、以下に説明する。光ファイバ１１ａの開口数は上述した場合と同様でＮＡとし、出射側光ファイバ３２ａおよび３２ｂの開口数はＮＡ′とする。このとき、コリメートレンズ１２は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ１２の有効径をｄとし、焦点距離をｆとし、物理的外径をＤとする。集光レンズ３１ａおよび３１ｂは上述したものとは異なり、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径をｄ′とし、焦点距離をｆ′とし、物理的外径をＤ′とする。このときの分構装置２００が最小化する条件を以下に示す。
（ａ）コリメートレンズ１２の有効径ｄの最小値は、２ｆ・ＮＡである。また、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径ｄ′の最小値は、２ｆ′・ＮＡ′である。
（ｂ）コリメートレンズ１２の焦点距離ｆの最小値は、２ｗ１／Δψである。また、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの焦点距離ｆ′の最小値は、ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）となる。
（ｃ）回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。
溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφである。また、溝２１に対して、平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰは、２ｆ・ＮＡである。
（ｄ）回折格子２０と集光レンズ３１ａおよび３１ｂの距離Ｌの最小値は、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの物理的外径Ｄ′を用いて、Ｄ′／Δψとなる。
（ｅ）コリメートレンズ１２と回折格子２０との間隔には制限がない。したがって、短いほどよい。
（ｆ）コリメートレンズ１２の物理的外径Ｄの最小値は、コリメートレンズ１２の有効径ｄと等しい。また、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの物理的外径Ｄ′は、集光レンズ３１ａおよび３１ｂの有効径ｄ′と等しくすればよい。
以上の条件を満たすことで、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａおよび３１ｂとが異なる場合に、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である分光装置２００を最小化することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る回折格子を用いた分光装置３００について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３に係る分光装置３００の構成を示した模式図である。実施の形態３の分光装置３００と実施の形態１の分光装置１００との異なる点は、波長の異なる各光束に対して共通の集光レンズ３３が１つだけ設置されている点である。集光レンズ３３の出射端には、出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂが設置されている。また、実施の形態３の分光装置３００は、実施の形態１で示した単一モード光ファイバ１１であっても、実施の形態２で示した多モード光ファイバ１１ａのどちらかである。実施の形態３に係る分光装置３００と実施の形態１の分光装置１００とのその他の構成はほぼ同様である。そのため、同一部材については同一の符号を付し、説明を省略している。
実施の形態３の分光装置３００においては、回折格子２０によって互いに異なる波長の光束ごとに出射方向を変えることで分光したのち、分光された各光束５および６はすべて集光レンズ３３に入射する。各光束５および６は集光レンズ３３に入射した後、集光レンズ３３の出射端側に並べて設置された出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂにそれぞれ結合される。なお、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３とは同一形状のレンズであり、その焦点距離はｆであり、有効径はｄであり、物理的外径はＤである。
まず、光入射部１０が単一モードの光ファイバ１１を有する場合における実施の形態３に係る分光装置３００の最小値について説明する。なお、光ファイバ１１は、単一モードファイバ（偏波面保存ファイバを含む）であり、開口数はＮＡである。ただし、ガウシアンビームの強度が中心の１／ｅ２となる遠視野広がり角によりＮＡは定義されている。実施の形態３の分光装置３００が最小値になる条件は、実施の形態１に記載した、（ａ）および（ｂ）の条件と同様に求めることができる。具体的には、以下の条件が必要である。
まず、同一形状のレンズであるコリメートレンズ１２と集光レンズ３３との有効径ｄの最小値は、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちの大きい方の値である。コリメートレンズ１２と集光レンズ３３との焦点距離ｆが自由に選択できるのであれば、両者が等しくなる場合、すなわち焦点距離ｆは、
ｆ＝３λ０／（πΔψ・ＮＡ）
とすればよい。
また、回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。
溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、ａ／ｃｏｓφとなる。また、溝２１に対して、平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰはａとなる。
上述の条件の他に、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂのそれぞれの光軸間隔ｓに関する条件が加わる。
つまり、コリメートレンズ１２および集光レンズ３３の焦点距離をｆとして、
ｓ＝ｆ・Δψ
の条件が必要である。
ここで、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３とが異なる場合の、分光装置３００を最小化するための条件について図５を用いて、以下に説明する。光ファイバ１１の開口数は上述した場合と同様でＮＡとし、出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂの開口数はＮＡ′とする。このとき、コリメートレンズ１２は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ１２の有効径をｄとし、焦点距離をｆとし、物理的外径をＤとする。集光レンズ３３は上述したものとは異なり、集光レンズ３３の有効径をｄ′とし、焦点距離をｆ′とし、物理的外径をＤ′とする。
まず、コリメートレンズ１２の有効径ｄの最小値は、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちの大きい方の値である。集光レンズ３３の有効径ｄ′の最小値は、同様に、９λ０／（πΔψ）および３ｆ・ＮＡのうちの大きい方の値である。集光レンズ３３の焦点距離ｆ′は、ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）とすればよい。
また、回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。
溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、ａ／ｃｏｓφとなる。また、溝２１に対して、平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰはａとなる。
さらに、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂのそれぞれの光軸間隔ｓに関する条件は、
ｓ＝ｆ′・Δψ
とすればよい。
また、光入射部１０が多モードファイバである光ファイバ１１ａを有する場合における実施の形態３に係る分光装置３００の最小値について説明する。なお、面光源である光ファイバ１１ａの開口数をＮＡ、同一の形状のレンズであるコリメートレンズ１２と集光レンズ３３との焦点距離をｆとする。また、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３の有効径はｄであり、これらの物理的外径はＤである。
実施の形態３の分光装置３００が最小値になる条件は、実施の形態２に記載した、（ａ）および（ｂ）の条件と同様に求めることができる。具体的には、以下の条件が必要である。
まず、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３との有効径ｄの最小値は、２ｆ・ＮＡである。
また、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３との焦点距離ｆの最小値は、２ｗ１／Δψである。
また、回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφである。また、溝２１に対して、平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰは、２ｆ・ＮＡである。
上述の条件の他に、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂのそれぞれの光軸間隔ｓに関する条件が加わる。
つまり、コリメートレンズ１２および集光レンズ３３の焦点距離をｆとして、
ｓ＝ｆ・Δψ
の条件が必要である。
ここで、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３とが異なる場合の、分光装置３００を最小化するための条件について図５を用いて、以下に説明する。光ファイバ１１ａの開口数は上述した場合と同様でＮＡとし、出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂの開口数はＮＡ′とする。このとき、コリメートレンズ１２は上述した場合と同様であり、コリメートレンズ１２の有効径をｄとし、焦点距離をｆとし、物理的外径をＤとする。集光レンズ３３は上述したものとは異なり、集光レンズ３３の有効径をｄ′とし、焦点距離をｆ′とし、物理的外径をＤ′とする。
まず、コリメートレンズ１２の有効径ｄの最小値は、２ｆ・ＮＡである。また、集光レンズ３３の有効径ｄ′の最小値も同様に、２ｆ′・ＮＡ′である。
また、コリメートレンズ１２と集光レンズ３３との焦点距離ｆの最小値は、２ｗ１／Δψである。また、集光レンズ３３の焦点距離ｆ′は、ｆ（ＮＡ／ＮＡ′）となる。
また、回折格子２０（略矩形状あるいは略楕円形状とする）の大きさの最小値は以下のようになる。溝２１に対して、垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶは、２ｆ・ＮＡ／ｃｏｓφである。また、溝２１に対して、平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰは、２ｆ・ＮＡである。
さらに、隣接する集光点の間隔、すなわち出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂのそれぞれの光軸間隔ｓに関する条件は、
ｓ＝ｆ′・Δψ
とすればよい。
以上の条件を満たすことで、実施の形態３の回折格子を用いた分光装置３００は、分離すべき隣接波長と、それによる回折格子の分解力が定まっているとき、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であり、最小化することができる。
実施の形態３のように、具体的に光ファイバ３４ａおよび３４ｂを並べて保持するためには、複数光ファイバ用のフェルールを用いる方法またはＶ溝アレイに光ファイバ３４ａおよび３４ｂを並べるといった方法が知られており、容易に実現できる。
実施の形態１〜３におけるコリメートレンズ１２と、集光レンズ３１ａ、３１ｂおよび３３とには、屈折率分布型レンズを用いた。屈折率分布型レンズは、通常、均質ガラスロッドのイオン交換により作製することができる。そのため、外径２ｍｍ以下の小径で高性能なレンズを安価に量産することができる。また、このレンズはロッド状であるので光ファイバとの結合と光軸調整が容易である。そのため、コリメートレンズ１２と集光レンズ３１ａ、３１ｂおよび３３としてこのレンズを用いることが望ましい。
なお、コリメートレンズ１２と、集光レンズ３１ａ、３１ｂおよび３３として、均質ガラスあるいはプラスチックを材料とした球面レンズを複数枚組み合わせたレンズ系、非球面レンズおよび球レンズ等を使用してもよい。
実施の形態１〜３のコリメートレンズ１２と、集光レンズ３１ａ、３１ｂおよび３３とは、同一種類で同等の形状および特性を持つものを用いるのが光学的にも、また製造上の便宜からも望ましい。しかし上述のように、各条件を満たしていれば、コリメートレンズ１２と、集光レンズ３１ａ、３１ｂおよび３３とを異なるレンズとして分光装置１００、２００および３００を構成することは可能である。
なお、実施の形態１〜３の分光装置１００、２００および３００は、光束４を二つの光束５および６に分光するが、分光する光束の数がさらに増えてもよい。その際に、分光する隣接波長の各間隔が実質的に一定とみなせる場合には、距離Ｌおよび光軸間隔ｓを上述した最小となる条件で統一すればよい。それにより、分光装置１００、２００および３００を最小の大きさとすることができる。また、隣接波長の間隔が一定でない場合は、隣接波長ごとに、分光装置１００、２００および３００を最小とする上述の各条件を個別で満たすように設定すればよい。それにより、分光装置１００、２００および３００を最小の大きさとすることができる。
図６Ａは断面形状が矩形状である回折格子の構成を示す断面図を、図６Ｂは図６Ａの回折格子のさらに拡大図を示している。実施の形態１〜３では、図６Ａに示すような溝２１の断面形状が矩形状である回折格子２０（以下、深溝型と呼ぶ）を用いている。図６Ａに示されているのは、透過型の回折格子２０であり、２つの波長を含む平行光束４が入射されると入射された面と反対側の面から、それぞれ出射角度が互いに異なる分波された光束５および６が出射される。
次に、実施の形態１〜３で用いる回折格子２０について説明する。回折格子２０において、溝深さ、溝幅および周期が図６Ｂで示されているとき、溝幅とアスペクト比（溝深さと溝幅との比）とを最適化すると、広い波長域にわたって理論的に１００％に近い回折効率が得られ、また偏光方向（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光）による効率の差もほとんどないことが一般的に知られている（小山次郎、西原浩著「光波電子光学」第４章、コロナ社、１９７８年、参照）。
深溝型回折格子２０による１次光の回折効率を、例えば、以下の条件で計算した。
基板材料：石英（屈折率１．４６）
溝周期Ｇｐ：１４００ｎｍ
溝幅Ｇｗ：５３０ｎｍ
溝深さＧｄ：３２００ｎｍ
回折格子２０への光束の入射角度：３１°
計算にはＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）法によるプログラム（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｏｌｖｅｒ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社製ＧＳＯＬＶＥＲ  ｖｅｒ４．２０ｂ）を使用した。図７に、入射する光束の波長に対する回折効率の計算結果を示す。
図７より、１３００ｎｍ（１．３μｍ）〜１６００ｎｍ（１．６μｍ）の非常に広い波長域にわたって破線で表したＴＥ偏光および実線で表したＴＭ偏光共に８９％以上の高い回折効率が確保されていることがわかる。
また偏光依存損失（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｌｏｓｓ、ＰＤＬ）についても計算により評価した。ＰＤＬはＴＭ偏光およびＴＥ偏光の効率の差により発生し、下式で表される。
ＰＤＬ＝１０×ｌｏｇ１０（ＴＭ偏光回折効率／ＴＥ偏光回折効率）
図８に入射する光束の波長に対するＰＤＬの計算結果を示す。図８よりＰＤＬは上記波長帯域１３００ｎｍ（１．３μｍ）〜１６００ｎｍ（１．６μｍ）にわたって０．２３ｄＢ以下となっていることがわかる。
光ファイバより導かれる光は光ファイバの状態によって様々な偏光状態にあり、現実的にその偏光状態を予測することは困難である。そのため、回折格子を用いた分光装置の応用分野を光通信に向けると、偏波方向を制御する部品をシステムに付加しなければならず、コスト上昇につながる。しかし、実施の形態１〜３のように回折格子２０に深溝型を用いることにより、図８に示したように偏波による損失を抑えることができ、システム構築に非常に有利である。
なお、従来はアスペクト比の大きい矩形状溝の加工は困難であったが、最近のエッチング技術の向上により精度の良いものが作製できるようになってきた。さらに、実施の形態１〜３では、回折効率が高いことが望ましいので、深溝型の回折格子２０を用いることが望ましい。
また、回折格子２０を形成する基板材料を工夫することで、高アスペクト比加工の負担を軽減させることができる。具体的には基板材料として、より高屈折率の材料を用いることで比較的低いアスペクト比であっても同等の特性を得ることができる。高屈折率材料としてはシリコンの他に、例えば、酸化チタンや酸化タンタルといった金属酸化物、あるいは窒化シリコン等が挙げられる。
さらに、回折格子２０は、いわゆる２次元フォトニック結晶構造としてもよい。図９は２次元フォトニック結晶構造の回折格子の構成を示す断面図である。具体的には、回折格子２０の基板２２上に第１層２３および第２層２４が交互に積層されて形成された周期構造多層膜２５を形成してから、周期構造多層膜２５にエッチングを施して溝２１を形成することで、２次元フォトニック結晶構造の回折格子２０を作製することができる。このような構造としてもよい。それにより、回折格子２０のアスペクト比の低減が可能である。
いずれにしても、使用目的によって回折格子２０の材料は適宜選定すればよい。材料は光束の使用波長域における透明性が確保できることを前提として特に限定はない。しかし、例えば紫外光レーザによるパルス波のような高エネルギー照射に用いる場合には高エネルギー耐性をもつ石英が望ましい。また、高エネルギー照射のような過酷な条件下で使用されないならば、高屈折率材料を用いればよく、それにより加工プロセスの負荷を軽減させることができる。
ここで、回折格子２０の深溝格子の形成方法について図１０Ａ〜図１０Ｄを用いて説明する。一般的に深溝格子の形成にはフォトリソグラフィーによるパターニングと気相エッチングによる溝加工を用いる。図１０Ａ〜図１０Ｄは回折格子の深溝格子の形成方法を示す工程図である。
石英基板４２上にフォトレジスト４６をスピンコートした後、露光により所望の周期のラインパターンを形成する（図１０Ａ）。
このときの露光の光源は当然フォトレジスト４６の感光波長を有するものである。例えばｇ線、ｉ線ランプのような紫外光を用いたマスク露光や、Ｈｅ−Ｃｄレーザのような紫外光レーザを用いた直接描画またはマスク露光、２光束干渉露光および電子線を用いた直接描画等を用いればよい。コストとパターンの周期幅を考慮して使い分けることが好ましい。
次にレジストパターン上に金属膜４７を成膜する（図１０Ｂ）。成膜手法は、例えばスパッタや真空蒸着等を用いればよい。また、金属膜４７は、例えばクロムやニッケル等を用いることができる。特に、後述する図１０Ｃに示す工程においてリフトオフを用いる場合には、フォトレジストの損傷やパターニング精度の向上の観点から真空蒸着を用いることが望ましい。
金属膜４７を成膜後リフトオフ法により不要な金属膜４７をフォトレジスト４６とともに除去することで金属マスクパターンが形成される（図１０Ｃ）。図１０Ａに示した工程と図１０Ｂに示した工程との順番を入れ替えて、エッチングにより金属膜４７によるマスクのパターンを形成させる手法も当然可能である。しかし、本発明者らが検討した結果、高アスペクト比の加工にはリフトオフによる厚膜金属マスクを用いた方法（図１０Ａ〜図１０Ｄの工程を順次行う方法）がより好適であることがわかった。
次に、イオンエッチング装置を用いて垂直深溝４１の加工を行う（図１０Ｄ）。エッチング装置は被加工材料に適したものを選択すべきであるが、大面積を能率良く加工するには誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）や磁気中性線放電（ＮＬＤ）のような高密度プラズマによる反応性イオンエッチングを用いることが望ましい。最後に、残存する金属膜４７によるマスクは腐食液等で除去すればよい。
本発明による分光装置は、光線の向きを逆とすれば複数波長の光を単一の光ファイバに送りこむ合波装置として使用することもできる。
なお、実施の形態１〜３の分光装置は、情報通信分野における、波長多重（ＷＤＭ）通信に使用することができる。なかでもメトロネットワークに導入される多重波長間隔が比較的広い低密度波長多重（ＣＷＤＭ）通信では部品の低コスト化が重要である。実施の形態１〜３の分光装置はコンパクト化、低コスト化が可能であり、このようなシステムへの導入に非常に好適である。
一方、光記録分野では近年ＤＶＤをはじめとして、大容量化を目指した記録デバイスの開発が進められている。このような記録情報の大容量化にともない記録・読み出し速度の高速化が求められることは明らかである。
そのひとつとして多波長による同時記録・読み出しが挙げられる。これは複数の波長を多重した光を光ヘッドへと導きそこで分波することで複数波長の光による書き込みあるいは読み込みを行ない、情報の平行処理を可能とするシステムである。この場合ヘッド材料はディスクの上を走査させることを考えれば小型であることが必須であり、実施の形態１〜３で示した分光装置１００、２００および３００はこのようなシステムへの組み込みに好適である。
実施の形態１〜３の分光装置１００、２００および３００が応用できる波長域は、光学素子の透過率さえ確保できるのであれば特に制限はない。しかし、光通信用としては１０００〜１６００ｎｍ、光ディスク用であれば２００〜８００ｎｍといった波長域で使用することができる。
実施の形態１〜３ではいずれも光入射部１０および光出射部３０は、光ファイバ（光ファイバ１１および１１ａと、出射側光ファイバ３２ａ、３２ｂ、３４ａおよび３４ｂ）とレンズ（コリメートレンズ１２と、集光レンズ３１ａ、３１ｂおよび３３）の組合せで構成されている。しかし、これ以外の構成でもかまわない。例えば、平板光導波路を光ファイバの代わりに使用してもよい。また光入射部１０は、多波長光源の光をコリメートレンズを介して使用する構成としてもよい。また、光出射部２には受光素子を設けて、波長ごとの光強度を測定するモニターとすることもできる。
以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
【実施例１】  実施例１では、実施の形態２の分光装置の構成例について図１１を用いて説明する。図１１は実施例１の回折格子を用いた分光装置の構成を示す模式図である。
入射側光ファイバ５１および出射側光ファイバ５６は、可視光波長域用の屈折率分布型多モード光ファイバ（コア径／クラッド径＝１００／１４０μｍ、ＮＡ＝０．２９、コーニング社製）である。コリメートレンズ５２と集光レンズ５５ａおよび５５ｂとは、日本板硝子社製の屈折率分布型ロッドレンズ（外径１．８ｍｍ、焦点距離１．８４ｍｍ）である。コリメートレンズ５２は入射側光ファイバ５１の先端に固定されている。また、集光レンズ集光レンズ５５ａおよび５５ｂは出射側光ファイバ５６ａおよび５６ｂの先端にそれぞれ固定されている。
コリメートレンズ５２および集光レンズ５５ａおよび５５ｂの外側はステンレス製の鞘におおわれているので、物理的外径Ｄは２．４ｍｍである。
回折格子５４は、厚さ１ｍｍの合成石英板の片側に、エッチングにより深溝形状を３×３ｍｍの面積の範囲に形成し、図６Ａに示す回折格子２０と同様の構成とする。つまり、回折格子５４の各寸法である溝周期、溝幅および溝深さは、図６Ｂに示したとおりである。回折格子５４において溝周期は６００ｎｍ、溝幅Ｇｗは３３０ｎｍおよび溝深さＧｄは１１００ｎｍとした。
この際のエッチングの手順を以下に説明する。石英基板上に電子線レジストをスピンコートした後、電子線描画により周期６００ｎｍのラインパターンを形成する。リフトオフ法によりレジストパターンを金属マスクに転写した後、反応性イオンエッチングを用いて深さ１１００ｎｍまでエッチングを行った。こうして作製された回折格子５４の断面形状を走査型電子線顕微鏡（ＳＥＭ）にて確認した。図１２は、ＳＥＭにより撮影した回折格子５４の写真である。図１２に示すように、黒く写っている溝５７が規則正しく並んでおり、ほぼ設計通りの構造を得られていることがわかる。
入射側光ファイバ５１には、波長λ１＝６３５ｎｍとλ２＝５３２ｎｍの半導体レーザ光を合波して送り込んだ。コリメートレンズ５２からの光束を、コリメートレンズ５２から１．１ｍｍ離して設置した回折格子５４に、入射角２９°で入射した。回折格子５４による１次光の出射角は、波長λ１およびλ２のそれぞれの光束に対してそれぞれ３５．０°および２３．７°であった。
回折格子５４から距離Ｌ＝１４ｍｍ離れたところに出射側の集光レンズ５５ａおよび５５ｂを並べて、分光されたそれぞれの波長の光束を取り込み、光ファイバ５６ａおよび５６ｂに結合した。集光レンズ５５ａおよび５５ｂの間隔（光軸の間隔）は２．８ｍｍとした。これらの光学系を金属製の筐体５０に組み込んだ。図１１に示すように、例えば、筐体５０は、Ｌ１＝３０ｍｍおよびＬ２＝１７ｍｍの大きさとすることができ、小型化されている。
実施例１における回折格子５４による１次光の回折効率を、入射光の偏光の向きを変えて測定した結果は、表１に示す通りである。
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表１よりわかるように、１次光の回折効率が非常に高く、偏光による差が小さい。
【実施例２】  実施例１では、実施の形態２の条件を満たした分光装置の具体例を示したが、コリメートレンズ５２および集光レンズ５５ａおよび５５ｂはさらに小型化する余地がある（図１１）。実施例２は実施例１と同様の構成であって、入射側光ファイバ５１と出射側光ファイバ５６ａおよび５６ｂと回折格子５４とを用いて、コリメートレンズ５２および集光レンズ５５ａおよび５５ｂを最小限まで小型化した設計例である。実施例２の分光装置の構造も図１１で示されるので、図１１を用いて実施例２について説明する。
入射側光ファイバ５１および出射側光ファイバ５６ａおよび５６ｂには、ＮＡ＝０．２９およびコア半径ｗ１＝０．０５ｍｍの多モード光ファイバを使用した。また、分離すべき二つの光束の波長は、λ１＝６３５ｎｍとλ２＝５３２ｎｍであり（平均波長λ０＝５８３．５ｎｍ）、回折角の角度差Δψ＝１１．３°である。
このとき、実施の形態２で示した条件より、コリメートレンズ５２および集光レンズ５５ａおよび５５ｂの焦点距離ｆの最小値は、２ｗ１／Δψ＝０．５０７ｍｍとなり、コリメートレンズ５２および集光レンズ５５ａおよび５５ｂの有効径ｄの最小値は、２ｆ・ＮＡ＝０．２９４ｍｍとなる。
回折格子５４の最低限必要な大きさは、入射角φ＝２９°とすると、溝に対して垂直な方向に沿った回折格子５４の長さｇＶ＝０．２９４／ｃｏｓφ＝０．３３６ｍｍであり、溝に対して平行な方向に沿った回折格子５４の長さｇＰ＝０．２９４ｍｍとなる。集光レンズ５５ａおよび５５ｂの物理的外径Ｄを有効径よりもひとまわり大きい０．３ｍｍとすると、回折格子と集光レンズの間隔Ｌは、Ｄ／Δψ＝１．５２ｍｍが最小となる。
【実施例３】  実施例３では、実施の形態３の分光装置の構成例について図５を用いて説明する。実施例３の分光装置において、光ファイバ１１は、ＮＡ＝０．１の単一モード光ファイバを使用した。分離すべき光束の波長はそれぞれλ１＝１５４５ｎｍとλ２＝１５５５ｎｍ（平均波長λ０＝１５５０ｎｍ）とし、回折角の角度差Δψ＝０．６°とする。
光出射部３０は集光レンズ３３が一つで、出射側光ファイバ３４ａおよび３４ｂはそれぞれの光軸の間隔ｓ＝１２５μｍで密着して並べた。
この場合、コリメートレンズ１２および集光レンズ３３の焦点距離ｆは、ｓ／Δψ＝１１．９４ｍｍが必要である。コリメートレンズ１２および集光レンズ３３の有効径ｄの最小値は、９λ０／（πΔψ）＝０．４２４ｍｍおよび３ｆ・ＮＡ＝３．５８ｍｍの大きい方をとるので、３．５８ｍｍ以上が必要である。
回折格子２０の最低限必要な大きさは、入射角φ＝４５°として
溝２１に対して垂直な方向に沿った回折格子２０の長さｇＶ＝３．５８／ｃｏｓφ＝５．０６ｍｍであり、溝２１に対して平行な方向に沿った回折格子２０の長さｇＰ＝３．５８ｍｍである。
以上より、ｆ＝１２ｍｍ、ｄ＝３．６ｍｍのコリメートレンズ１２および集光レンズ３３を採用し、例えば１６チャンネルの分波装置が構成できる。このときの回折格子２０の大きさは６×４ｍｍである。
以上により、実施の形態１〜３の回折格子を用いた分光装置１００、２００および３００は、小型化することが可能であり、その上、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能である。
【産業上の利用可能性】  本発明の回折格子を用いた分光装置は、小型であり、高い効率で偏光依存の少ない波長分離が可能であるため、通信システム、あるいは光ディスク用ピックアップ装置等に用いられる。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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