(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を複数の光束に分岐して、その分岐された複数の光束それぞれを直線上の離散点に集光する光分岐素子であって、
入射した光を平行光として出力する入射光学系と、
透過する光に対し位相差を与える厚みの変化が２次元的に分布した基本パターンが２次元配列しており、前記入射光学系から平行光として出力された光を入力して回折させ、互いに同一平面上であって互いに異なる方向に進む複数の回折光に分岐する回折格子と、
前記回折格子から出力された前記複数の回折光それぞれを直線上の離散点に集光する集光光学系と、
を備えることを特徴とする光分岐素子。
【請求項２】
前記入射光学系は、光を伝搬させ端面から出射させる光ファイバと、前記光ファイバの端面から出射された光を入力し平行光とするレンズ系と、を備えることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【請求項３】
前記入射光学系は、光を出射する点光源と、前記点光源から出射された光を入力し平行光とするレンズ系と、を備えることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【請求項４】
前記直線上の離散点のうちの何れかに端面が配された光ファイバを更に備えることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【請求項５】
前記直線上の離散点のうちの何れかに受光面が配された受光素子を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【請求項６】
前記回折格子は、前記厚みの変化が一定値の整数倍であることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【請求項７】
前記回折格子は、前記厚みの変化がドライエッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【請求項８】
前記直線上の離散点の間隔が一定値の整数倍であることを特徴とする請求項１記載の光分岐素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を複数の光束に分岐して、その分岐された複数の光束それぞれを直線上の離散点に集光する光分岐素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信システムにおいて用いられる光分岐素子として、導波路型光分岐素子、方向性結合器、部分反射鏡およびスターカプラが知られている（例えば、特開平８−１３６７６１号公報の従来の技術の欄を参照）。しかし、これらは、光の多分岐が可能な構成とすると素子サイズが大きくなり、また、等分配するのが困難であるという問題点を有している。
【０００３】
例えば、これらのうち導波路型光分岐素子は、ツリー状の光回路から構成されるが、導波光が放射しないように曲率半径が充分に大きい曲線導波路を用いる必要がある。したがって、この導波路型光分岐素子により、曲率半径５０ｍｍのＳ字型導波路や直線導波路等を組み合わせて出射ポート間隔が２５０μｍのツリー状の１×８分岐素子を構成すると、その全長は３０〜４０ｍｍ程度にもなる。
【０００４】
そこで、このような問題点を解消すべく、回折格子を用いた光分岐素子が提案されている（U.Killat, et al., "Binary Phase Gratings for Star Couplers with High Splitting Ratio", Fiber and Integrated Optics, Vol.4, No.2, pp.159-167 (1982)を参照）。この文献に記載された光分岐素子は、回折格子により光を回折させて分岐するものであり、上記従来の光分岐素子と比較すると小型のものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、U.Killat等の文献に記載された光分岐素子は、回折により分岐された回折光（分岐光）相互間の強度ばらつきが大きく、また、回折効率が小さいという問題点がある。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、分岐光相互間の強度ばらつきが小さく、回折効率が大きい光分岐素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光分岐素子は、入射した光を複数の光束に分岐して、その分岐された複数の光束それぞれを直線上の離散点に集光する光分岐素子であって、(1)入射した光を平行光として出力する入射光学系と、(2) 透過する光に対し位相差を与える厚みの変化が２次元的に分布した基本パターンが２次元配列しており、入射光学系から平行光として出力された光を入力して回折させ、互いに同一平面上であって互いに異なる方向に進む複数の回折光に分岐する回折格子と、(3) 回折格子から出力された複数の回折光それぞれを直線上の離散点に集光する集光光学系と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この光分岐素子によれば、入射した光は、入射光学系により平行光として出力されて回折格子に入力し、透過する光に対し位相差を与える厚みの変化が２次元的に分布している回折格子により回折される。その回折された各回折光は、互いに同一平面上であって互いに異なる方向に進み、直線上の離散点に集光光学系により集光される。
【０００８】
また、本発明に係る光分岐素子の入射光学系は、光を伝搬させ端面から出射させる光ファイバと、光ファイバの端面から出射された光を入力し平行光とするレンズ系とを備えることを特徴とする。この場合、光ファイバの端面から出射された光は、レンズ系により平行光とされて、回折格子に入力する。
【０００９】
また、本発明に係る光分岐素子の入射光学系は、光を出射する点光源と、点光源から出射された光を入力し平行光とするレンズ系とを備えることを特徴とする。この場合、点光源から出射された光は、レンズ系により平行光とされて、回折格子に入力する。
【００１０】
また、本発明に係る光分岐素子では、直線上の離散点のうちの何れかに端面が配された光ファイバを更に備えることを特徴とする。この場合には、回折格子により回折された回折光の何れかは、光ファイバに端面に入力し、その光ファイバを伝搬して行く。
【００１１】
また、本発明に係る光分岐素子では、直線上の離散点のうちの何れかに受光面が配された受光素子を更に備えることを特徴とする。この場合には、回折格子により回折された回折光の何れかは、受光素子の受光面に入力し、その受光素子により受光される。
【００１２】
また、本発明に係る光分岐素子の回折格子は、厚みの変化が一定値の整数倍であることを特徴とする場合には、回折格子の設計が容易である。また、本発明に係る光分岐素子の回折格子は、厚みの変化がドライエッチングにより形成されたものであることを特徴とする場合には、回折格子の製造が容易であり高精度となる。また、本発明に係る光分岐素子では、上記直線上の離散点の間隔が一定値の整数倍であることを特徴とする場合には、回折格子の設計が容易である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
（第１の実施形態）
先ず、本発明に係る光分岐素子の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光分岐素子の構成図である。この光分岐素子は、入射用の光ファイバ１０、レンズ２０、回折格子３０、レンズ４０および出射用の光ファイバ５１〜５３を備えて構成される。
【００１５】
入射用の光ファイバ１０は、光を伝搬させ、その光を端面１０ａから出射させる。この光ファイバ１０は、シングルモードであってもよいし、マルチモードであってもよい。また、光ファイバ１０は、石英系のものであってよいし、プラスチック系のものであってもよい。
【００１６】
レンズ２０は、光ファイバ１０の端面１０ａから出射された光を入力し、この光の光束径を拡げて、平行光として出力する。このレンズ２０は、単一のレンズであってもよいし、ビームエクスパンダとコリメートレンズとを組み合わせたものであってもよい。また、レンズ２０は、光ファイバ１０の端面１０ａに接して設けられたＧＩレンズであってもよく、この場合には光分岐素子の小型化に好適である。例えば、レンズ２０として用いられるＧＩレンズの長さが２ｍｍ以下で、光ファイバ１０としてのシングルモード石英系光ファイバを伝搬してきた波長１．３μｍの光の光束径を数百μｍへ拡大することができる。光の光束径を拡げるのは、回折格子３０における光の回折ピークを鋭くするためである。なお、光ファイバ１０がプラスチック系のものである場合のようにコア径が５００〜１０００μｍと大きいときには、レンズ２０は不要である。
【００１７】
回折格子３０は、光ファイバ１０を伝搬しレンズ２０により平行光とされた光に対して透明性の優れた材料からなり、例えば、光の波長が１．３μｍ帯や１．５５μ帯であれば石英ガラスからなるのが好適である。回折格子３０は、この光に対し位相差を与える厚みの変化が２次元的に分布しているものであり、レンズ２０から平行光として出力された光を入力して回折させ、互いに同一平面上であって互いに異なる方向に進む複数の回折光に分岐する。詳細は後述する。
【００１８】
レンズ４０は、回折格子３０から出力された複数の回折光を入力し、その複数の回折光それぞれを、直線上の離散点に配置された光ファイバ５１〜５３それぞれの入射端面５１ａ〜５３ａに集光する。この直線上の離散点の相互間の間隔が一定値の整数倍であれば、回折格子３０を設計する上で好適である。
【００１９】
出射用の光ファイバ５１〜５３それぞれは、入射端面５１ａ〜５３ａに入射した各回折光を入力し伝搬させるものである。これら光ファイバ５１〜５３それぞれは、シングルモードであってもよいし、マルチモードであってもよく、また、石英系のものであってよいし、プラスチック系のものであってもよい。ここでも、ＧＩレンズ５１ｂ〜５３ｂを用いることは、光分岐素子の小型化に好適である。また、光ファイバ５１〜５３それぞれがプラスチック系のものである場合のようにコア径が５００〜１０００μｍと大きいときには、ＧＩレンズ５１ｂ〜５３ｂは不要である。
【００２０】
このように構成される光分岐素子では、光ファイバ１０を伝搬して来た光は、光ファイバ１０の端面１０ａから出射され、レンズ２０により平行光とされて回折格子３０に入力し、回折格子３０により回折される。回折格子３０により回折された各回折光は、レンズ４０により光ファイバ５１〜５３それぞれの端面５１ａ〜５３ａに入射し、光ファイバ５１〜５３それぞれを伝搬して行く。
【００２１】
次に、回折格子３０について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る光分岐素子における回折格子の基本パターンの説明図である。同図（ａ）は、回折格子３０の基本パターンの平面図であって、Ｍ×Ｍ個の各セルにおける厚みの違いが白色、黒色、ハッチングで示されている。また、同図（ｂ）は、回折格子３０の基本パターンのＡ−Ａ’断面図である。回折格子３０は、この図に示す基本パターンが２次元配列されたものである。
【００２２】
回折格子３０の基本パターンは、その辺の長さが例えば０．４μｍ〜１．０μｍ程度であり、一辺の長さがｃの正方形のセルがＭ×Ｍ個だけ２次元配列されており、各セルそれぞれが所定の厚みとされて透過する光に対し位相差を与える。Ｍ×Ｍ個の各セルそれぞれの厚みの変化の段差数をＮとし、回折格子３０の材料の屈折率をｎとし、光の波長をλとすると、厚み変化の１段の高さＤを、
【数１】
0003876541.tif 000002
とする。ここで、Ｎは、段差数であり整数である。特に段差数Ｎの値を２，４，８，１６等の２のべき乗とすると、ドライエッチング等により容易に製造することができる。また、ドライエッチングにより高精度の回折格子３０を製造することができる。
【００２３】
回折格子３０の出力面における光の複素振幅をＨ(X,Y) とすると、レンズ４０の像面における光の複素振幅ｈ(x,y) は、
【数２】
0003876541.tif 000003
なる式で表される。図２に示したように回折格子３０の基本パターンがＭ×Ｍ個のセルからなる場合には、上記 (2)式は、
【数３】
0003876541.tif 000004
なる式で表され、レンズ４０の像面における光の複素振幅ｈ(x,y) は離散化される。ここで、Ｈklは、回折格子３０の出力面の位置 (k,l)での位相であり、ｈklは、レンズ４０の像面での位置 (k,l)での複素振幅である。
【００２４】
回折格子３０の基本パターンのセルサイズｃおよび各セルの厚みは、レンズ４０の像面での位置 (k,l)での複素振幅ｈklが所望の分布となるように設計される。レンズ４０による離散的な集光点（光ファイバ５１〜５３それぞれの端面位置）の相互間の距離をｄとし、レンズ４０の焦点距離をｆとすると、セルサイズｃは、
【数４】
0003876541.tif 000005
なる式で表される。また、各セルの厚みは、
【数５】
0003876541.tif 000006
で表される評価関数に基づいて算出される。ここで、ω1 ,ω2 およびω3 それぞれは係数である。
【００２５】
Ｅ1 は、回折効率についての評価関数であり、
【数６】
0003876541.tif 000007
なる式で表される。ここで、Ｎは、光の分岐数であり、ηobj は、回折効率の目標値であり、ηは、上記 (3)式に基づいて計算される回折効率である。
【００２６】
Ｅ2 は、回折光の強度ばらつきについての評価関数であり、
【数７】
0003876541.tif 000008
なる式で表される。ここで、Ｉavは、各回折光の強度の平均値であり、Ｉm は、ｍ番目の回折光の強度である。ここでの総和は、回折光を集光したい各位置それぞれにおける強度の総和である。
【００２７】
Ｅ3 は、ノイズについての評価関数であり、
【数８】
0003876541.tif 000009
なる式で表される。ここでの総和は、回折光を集光したくない（すなわち、回折光が到達すればノイズとなる）各位置それぞれにおける強度の総和である。また、光強度（すなわち、ノイズ強度）が許容値以下であれば加算しなくてもよい。
【００２８】
そして、回折格子３０の基本パターンの各セルそれぞれの厚みをランダムに設定したものを初期状態として、上記 (5)式で表される評価関数の値が小さくなるように、各セルそれぞれの厚みを更新していく。評価関数の値が極小値に達したと判断されるまで、このような計算を繰り返し、そのときの基本パターンの各セルそれぞれの厚み及び評価関数の値を記憶しておく。これを数十回〜数百回繰り返し、各回に得られた基本パターンの各セルそれぞれの厚み及び評価関数の値に基づいて、これらのうち最も小さい評価関数の値が得られたときの基本パターンの各セルそれぞれの厚みを、最終的な回折格子３０の基本パターンとする。
【００２９】
例えば、光を８分岐する光分岐素子について、基本パターンの一方向のセル数Ｍを１２８とし、段差数Ｎを１６とし、屈折率ｎを１．４５とし、波長λを１．３１μｍとし、レンズ４０による離散的な集光点の相互間の距離ｄを２５０μｍとし、レンズ４０の焦点距離ｆを１０ｍｍとして、上記の計算を行った。この計算の結果、セルサイズｃは０．８１８μｍであり、１段の高さＤは０．１８１９μｍであった。また、回折効率ηは９３．４７％であり、回折光の強度偏差（平均値からの最大ずれ）は０．０２％であった。
【００３０】
この本実施形態に係る光分岐素子を、従来技術の欄に示したU.Killat等の文献に記載された光分岐素子と比較する。U.Killat等の文献には、回折格子は１次元の厚みの変化が設けられたものであり、段差数Ｎは２であって、このとき、第１の光分岐素子の回折効率は７８．９％であり回折光の強度偏差は１．３％であり、また、第２の光分岐素子の回折効率は６７．６％であり回折光の強度偏差は０．４％である、と記載されている。これに対して、本実施形態に係る光分岐素子は、２次元の厚みの変化が設けられたものである点を除いては、U.Killat等の文献に記載されたものと同一の条件として、上記評価関数に基づく計算を行った結果、回折効率が７５．９３％であり、回折光の強度偏差が０．４％であった。すなわち、本実施形態に係る光分岐素子は、分岐光（回折光）相互間の強度偏差が小さく、且つ、回折効率が大きい。
【００３１】
また、本実施形態に係る光分岐素子について、回折格子３０の基本パターンの一方向のセル数Ｍおよび段差数Ｎそれぞれを種々変更して、回折光の強度偏差および回折効率を求めた。その結果、Ｍが大きいほど、また、Ｎが大きいほど、回折光の強度偏差が小さくなり、且つ、回折効率が大きくなった。一方、製造工程の手間を考慮すると、基本パターンの一方向のセル数Ｍまたは段差数Ｎを大きくするのは適当ではない。しかし、Ｍを３２，６４または１２８程度とし、Ｎを２，４，８または１６程度としても、回折光の強度偏差は充分に小さく、且つ、回折効率は充分に大きい。
【００３２】
さらに、本実施形態に係る光分岐素子は小型化が容易である。光ファイバ１０の出射端面から光ファイバ５１〜５３それぞれの入射端面までの距離を１０ｍｍ程度にすることが可能である。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る光分岐素子の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る光分岐素子の構成図である。この光分岐素子は、点光源６０、レンズ２０、回折格子３０、レンズ４０、光ファイバ５１および５２、ならびに受光素子７０を備えて構成される。
【００３４】
本実施形態では、第１の実施形態における入射用の光ファイバ１０に替えて半導体レーザ光源等の点光源６０が設けられ、第１の実施形態における出射用の光ファイバ５３に替えてフォトダイオード等の受光素子７０が設けられている。他の要素は、第１の実施形態における要素と同様のものである。
【００３５】
この光分岐素子では、点光源６０から出射された光は、レンズ２０により平行光とされて回折格子３０に入力し、回折格子３０により回折される。回折格子３０により回折された各回折光のうち、レンズ４０により光ファイバ５１，５２それぞれの端面５１ａ，５２ａに入射したものは、光ファイバ５１，５２それぞれを伝搬して行く。また、レンズ４０により受光素子７０の受光面７０ａに入射したものは、受光素子７０により受光され、その光量に応じた電流信号が出力される。すなわち、点光源６０から出射された光の強度を受光素子７０により監視しつつ、点光源６０から出射された光を光ファイバ５１および５２それぞれへ２分岐することができる。
【００３６】
本実施形態における回折格子３０も、第１の実施形態と同様に、回折光の強度偏差は充分に小さく、且つ、回折効率は充分に大きくなるように設計することができる。また、本実施形態では、評価関数において、受光素子７０へ入射する回折光については、光ファイバ５１および５２それぞれへ入射する回折光と異なる扱いをすることにより、光ファイバ５１および５２それぞれへ入射する回折光の強度ばらつきを小さくし、受光素子７０へ入射する回折光の強度を異なるものとすることもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光分岐素子に入射した光は、入射光学系により平行光として出力されて回折格子に入力し、透過する光に対し位相差を与える厚みの変化が２次元的に分布した基本パターンが２次元配列している回折格子により回折される。その回折された各回折光は、互いに同一平面上であって互いに異なる方向に進み、直線上の離散点に集光光学系により集光される。このような構成としたことにより、分岐光相互間の強度ばらつきは小さく、回折効率は大きくなる。また、小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光分岐素子の構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る光分岐素子における回折格子の基本パターンの説明図である。
【図３】第２の実施形態に係る光分岐素子の構成図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ、２０…レンズ、３０…回折格子、４０…レンズ、５１〜５３…光ファイバ、６０…点光源、７０…受光素子。
【図１】
0003876541.tif 000010
【図２】
0003876541.tif 000011
【図３】
0003876541.tif 000012