CN103201667B - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

光学装置（1）具有光输入输出部（10）、透过型衍射光栅（21）、透镜（30）及反射镜阵列（40）。透过型衍射光栅（21）是使在X轴方向上延伸的光栅以一定周期形成而构成的，对向输入端口输入的光进行波长分支而输出。透过型衍射光栅（21）可围绕规定轴自由转动。透过型衍射光栅（21）将各波长的光向与转动轴垂直且与波长相对应的方向输出。透镜（30）将通过透过型衍射光栅（21）进行波长分支而输出的各波长的光汇聚在彼此不同的位置处。

Description

光学装置
技术领域
本发明涉及一种光学装置。
背景技术
在专利文献1中公开了作为光合波器、光分波器及波长选择开关等而使用的光学装置。在该文献所记载的光学装置中，向输入端口输入的光通过反射型衍射光栅进行波长分支，将各波长的光从该反射型衍射光栅向与波长相对应的方向输出，从该反射型衍射光栅输出的各波长的光通过聚光光学***汇聚在彼此不同的位置处。在通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置处设有反射方向可变的多个反射镜，到达至该反射镜的光被反射而经由聚光光学***及反射型衍射光栅从某个输出端口输出。
输入至上述光学装置的光，例如是对ITU栅格的各波长的光进行多重化而成的。与ITU栅格的各波长、聚光光学***的焦距、反射型衍射光栅的光栅周期及射入至反射型衍射光栅的光的入射角等相对应，设计多个反射镜的排列间距。通过调整各反射镜上的光的反射方向，从而能够设定从多个输出端口中的哪个输出端口输出何种波长的光。
在上述的光学装置中，如果射入至反射型衍射光栅的光的入射角、反射型衍射光栅的光栅周期及聚光光学***的焦距中的任一者与设计值不同，则通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间距与多个反射镜的排列间距不同。其结果，光学装置的透过特性发生恶化。在专利文献1中公开了以解决上述问题为目的的发明。
在专利文献1中公开的光学装置，作为聚光光学***而具有焦距不同的多个透镜，其中至少一个透镜能够在光轴方向上平行移动。通过调整该透镜的位置，从而能够使得通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间距与多个反射镜的排列间距相等，其结果，能够抑制光学装置的透过特性的恶化。
专利文献1：日本特开2007－101670号公报
发明内容
在专利文献1中公开的光学装置中，例如聚光光学***具有两个透镜，这两个透镜的间隔为20mm，合成焦距为100mm，反射镜阵列侧的透镜的焦距是反射型衍射光栅侧的透镜焦距的10倍，反射镜阵列侧的透镜能够在光轴方向上进行平行移动。此时，为了针对通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间距，校正1%的误差，而只要使反射镜阵列侧的透镜移动大约12mm即可。
然而，伴随该透镜的12mm的移动，聚光位置从反射镜阵列沿光轴方向偏移大约2mm，其结果，由于散焦而发生光损失。为了消除该光损失，需要采用在透镜移动的同时也使反射镜阵列移动，或者即使合成焦距发生变化聚光位置也不会变化这样的复杂的聚光光学***。不管怎样，专利文献1所公开的光学装置的结构变得复杂。
本发明就是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种光学装置，其能够容易地将通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间隔调整至规定间距。
本发明的光学装置具有：（1）波长分支部，其包含可围绕规定轴自由转动的透过型衍射光栅，该波长分支部对向输入端口中输入的光进行波长分支，将各波长的光向与规定轴垂直且与波长相对应的方向输出；（2）聚光光学***，其将通过波长分支部进行波长分支而输出的各波长的光汇聚在彼此不同的位置处；以及（3）光学元件阵列，其包含多个光学元件，它们设置在通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置处。
本发明的光学装置也可以形成为，波长分支部包含多个透过型衍射光栅，在上述多个透过型衍射光栅中，在光路上位于与聚光光学***相距最远位置处的透过型衍射光栅能够围绕规定轴自由转动。另外，本发明的光学装置也可以形成为，波长分支部包含多个透过型衍射光栅，在上述多个透过型衍射光栅中，在光路上位于与聚光光学***相距最近位置处的透过型衍射光栅能够围绕规定轴自由转动。在本发明的光学装置中，也可以使规定轴通过向输入端口中输入的光所到达的位置。也可以是光学元件阵列使到达各光学元件的光透过或反射而从输出端口输出。也可以是在光学元件阵列中，作为光学元件而包含光的反射方向可变的反射镜，光学元件阵列使到达该反射镜的光反射，经由聚光光学***及波长分支部而从输出端口输出。
发明的效果
本发明的光学装置能够容易地将通过聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间距调整至规定间距。
附图说明
图1是第1实施方式的光学装置的结构图。
图2是第2实施方式的光学装置的结构图。
图3是第3实施方式的光学装置的结构图。
具体实施方式
下面，参照附图，对用于实施本发明的方式详细地进行说明。此外，在附图的说明中，对相同要素标注相同的标号并省略重复说明。
图1是第1实施方式的光学装置的结构图。在图1中，为了便于说明，示出xyz正交坐标系。光学装置1具有光输入输出部10、透过型衍射光栅21、透镜30及反射镜阵列40。
光输入输出部10包含在x轴方向上排列的多个端口。多个端口各自有时作为用于输入光的输入端口而使用，另外，有时作为用于输出光的输出端口而使用。多个端口分别与相对应的光纤12连接，另外，具有相对应的准直透镜（collimatedlens）。输入端口利用准直透镜对从光纤12传送来的光进行准直处理而输出至透过型衍射光栅21。输出端口将来自透过型衍射光栅21的光汇聚而入射至光纤12的端面，利用光纤12对该光进行传送。在光输入输出部10中包含的多个端口各自与透过型衍射光栅21之间的光路，位于与xz平面平行的共同的平面上，并与z轴方向平行。
作为波长分支部的透过型衍射光栅21，是使在x轴方向上延伸的光栅以一定周期形成而构成的，用于对向输入端口输入的光进行波长分支而输出。透过型衍射光栅21可围绕规定轴自由转动。该转动轴与x轴方向平行，优选通过向输入端口输入的光所到达的位置。透过型衍射光栅21将各波长的光向与转动轴垂直（平行于yz平面）且与波长相对应的方向输出。作为聚光光学***的透镜30将通过透过型衍射光栅21进行波长分支而输出的各波长的光汇聚在彼此不同的位置处。
作为光学元件阵列的反射镜阵列40包含多个反射镜411至41n，它们作为多个光学元件而设置在通过透镜30进行汇聚的各波长的光的聚光位置处。反射镜411至41n排列在与yz平面平行的直线上。在波长λ1的光的聚光位置处设置有反射镜411，在波长λm的光的聚光位置处设置有反射镜41m，在波长λn的光的聚光位置处设置有反射镜41n。反射镜411至41n各自的光的反射方向是可变的。优选反射镜411至41n分别通过MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）技术而制成。反射镜411至41n也可以分别为DMD（DigitalMicromirrorDevice）或DLP（DigitalLightProcessing）。
在上述的光学装置1中，如果向光输入输出部10的输入端口输入多重化的多波长λ1至λn的光，则该光从输入端口在准直化后到达至透过型衍射光栅21。到达至透过型衍射光栅21的光通过透过型衍射光栅21进行波长分支，该分支后的各波长的光从透过型衍射光栅21向彼此不同的方向输出。通过透过型衍射光栅21进行波长分支而输出的各波长的光，由透镜30汇聚至彼此不同的位置处。在该聚光位置处配置有反射镜41，通过透镜30汇聚至反射镜41上的光由该反射镜41进行反射。通过反射镜41进行反射的光，经过透镜30及透过型衍射光栅21，从光输入输出部10的某一个输出端口输出。
由于反射镜41处的光的反射方向是可变的，因此，能够设定从多个输出端口中的哪个输出端口输出何种波长的光。为了针对某个波长的光而变更其输出端口，只要变更位于该波长的光通过透镜30进行汇聚的位置处的透镜41的反射面的方位即可。在变更透镜41的反射面的方位时，在仅通过1个轴进行变更的情况下，有时在其变更的过程中光从中途的输出端口输出，但在通过两个轴进行变更的情况下，由于在其变更的过程中光不从中途的输出端口输出，因此优选该方式。
在上述的光学装置1中，如果从输入端***入至透过型衍射光栅21的光的入射角、透过型衍射光栅21的光栅周期及透镜30的焦距中的任一者与设计值不同，则通过透镜30使各波长λ1至λn的光汇聚的聚光位置的排列间距与反射镜411至41n的排列间距不同。为了解决该问题，在光学装置1中，通过使透过型衍射光栅21围绕与x轴方向平行的转动轴转动，从而使通过透镜30汇聚的各波长λ1至λn的光的聚光位置的排列间距与反射镜411至41n的排列间距相等。此时，无需使透镜30和反射镜阵列40移动。因此，能够容易地将通过透镜30汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间隔调整至规定间隔。
例如如果将光栅数量设为1200根/mm，则布拉格波长（braggwavelength）下的透过型衍射光栅的波长位移量是反射型衍射光栅的波长位移量的1/150。通过将透过型衍射光栅21转动0.3度，从而能够校正色散或焦距的误差的1%，此时的波长位移量为2.6GHz。因此，无需使透镜30和反射镜阵列40移动。更加优选为，在安装反射镜阵列时，测量间距的偏差量，与伴随衍射光栅旋转的波长位移量相对应，预先将反射镜阵列位置错开。
如果以在输入光波长范围λ1至λn的中心附近的波长λm处满足透过型衍射光栅21中的布拉格条件的方式，对从输入端口向透过型衍射光栅21射入的光的入射角进行设定，则即使透过型衍射光栅21转动，来自透过型衍射光栅21的波长λm的光的输出方向也几乎不发生变化，通过透镜30汇聚的波长λm的光的聚光位置几乎不发生变化。另一方面，通过透镜30汇聚的波长范围λ1至λn的各波长的光的聚光位置的排列间距发生变化。
图2是第2实施方式的光学装置的结构图。在图2中，为了便于说明，示出xyz正交坐标系。光学装置2具有光输入输出部10、波长分支部20、透镜30及反射镜阵列40。如果与图1所示的第1实施方式的光学装置1的结构进行比较，则图2所示的第2实施方式的光学装置2的不同点是，设有包含两个透过型衍射光栅21、22的波长分支部20。
两个透过型衍射光栅21、22双方或任意一方可围绕规定轴自由转动。该转动轴通过向输入端口输入的光所达到的位置，与x轴方向平行。包含两个透过型衍射光栅21、22的波长分支部20将各波长的光向与转动轴垂直（与yz平面平行）且与波长相对应的方向输出。如果与使用1个透过型衍射光栅的情况相比较，则在使用两个透过型衍射光栅21、22的情况下，能够提高波长分辨率，使装置小型化。
优选在透过型衍射光栅21、22中，在光路上位于与透镜30相距最远位置处的透过型衍射光栅21能够围绕规定轴自由转动。在此情况下，能够对通过透镜30汇聚的各波长λ1至λn的光的聚光位置的排列间距进行微调。另一方面，在透过型衍射光栅21、22中，在光路上位于与透镜30相距最近位置处的透过型衍射光栅22能够围绕规定轴自由转动的情况下，能够对通过透镜30汇聚的各波长λ1至λn的光的聚光位置的排列间距进行粗调。
图3是第3实施方式的光学装置的结构图。在图3中，为了便于说明，也示出xyz正交坐标系。光学装置3具有光输入输出部10、透过型衍射光栅21、透镜30及光电二极管阵列50。如果与图1所示的第1实施方式的光学装置1的结构进行比较，则图3所示的第3实施方式的光学装置3的不同点是，代替反射镜阵列40而具有光电二极管阵列50。
作为光学元件阵列的光电二极管阵列50包含有作为多个光学元件的多个光电二极管511至51n，它们设置在通过透镜30汇聚的各波长的光的聚光位置处。光电二极管511至51n排列在与yz平面平行的直线上。在波长λ1的光的聚光位置处设置有光电二极管511，在波长λm的光的聚光位置处设置有光电二极管51m，在波长λn的光的聚光位置处设置有光电二极管51n。
在上述的光学装置3中，如果向光输入输出部10的输入端口输入多重化的多波长λ1至λn的光，则该光从输入端口在准直化后到达至透过型衍射光栅21。到达至透过型衍射光栅21的光通过透过型衍射光栅21进行波长分支，该分支后的各波长的光从透过型衍射光栅21向彼此不同的方向输出。通过透过型衍射光栅21进行波长分支而输出的各波长的光由透镜30汇聚至彼此不同的位置处。在该聚光位置处配置有光电二极管51，通过透镜30汇聚至光电二极管51上的光被该光电二极管51受光。从光电二极管51输出与该受光强度相对应的值的电信号。
在上述的光学装置3中，如果从输入端口向透过型衍射光栅21射入的光的入射角、透过型衍射光栅21的光栅周期及透镜30的焦距中的任一者与设计值不同，则通过透镜30汇聚的各波长λ1至λn的光的聚光位置的排列间距与光电二极管511至51n的排列间距不同。为了解决该问题，在光学装置3中，通过使透过型衍射光栅21围绕与x轴方向平行的转动轴转动，从而使通过透镜30汇聚的各波长λ1至λn的光的聚光位置的排列间距与光电二极管511至51n的排列间距相等。此时，无需使透镜30和光电二极管阵列50移动。因此，能够容易地将通过透镜30汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间距调整至规定间距。
本发明并不限定为上述实施方式，能够进行各种变形。例如波长分支部可以包含至少1个可自由转动的透过型衍射光栅，并在此基础上包含反射型衍射光栅。
作为包含多个光学元件的光学元件阵列，除了第1及第2实施方式的情况下的反射镜阵列40、或第3实施方式的情况下的光电二极管阵列50以外，还能够采用各种方式，其中，上述多个光学元件设置在通过作为聚光光学***的透镜30进行汇聚的各波长的光的聚光位置处。
例如作为光学元件阵列而可以使用透过型或反射型的液晶元件阵列。反射型的液晶元件阵列中作为多个光学元件而分别包含液晶元件及在后方设置的反射镜，聚光位置位于该反射镜上。通过由液晶元件阵列形成的相位图案控制反射方向，或者根据由液晶元件阵列控制的光的偏振状态，利用设置在液晶元件阵列的前段处的双折射晶体对光路进行切换。对于透过型的液晶元件阵列，聚光位置位于其液晶元件上，在后方配置透镜及输出端口。利用由液晶元件阵列形成的相位图案控制光线方向，或者根据由液晶元件阵列控制的光的偏振状态，利用在液晶元件阵列的后方设置的双折射晶体对光路进行切换。
另外，例如作为光学元件阵列可以使用光纤阵列或形成在基板上的光波导阵列。在光学元件阵列中包含的多个光学元件可以是等间距，也可以是非等间距。为了防止光经过反射而返回至输入端口，也可以使衍射光栅围绕与yz平面平行的轴稍微倾斜。在此情况下，分波后的光不完全与规定的转动轴垂直。但是，例如在使光栅数量为1200根/mm的衍射光栅的角度倾斜1度的情况下，光线相对于与yz平面平行的面的偏角在C波带（波长1530至1570nm）的两端波长间为4分左右，因此，实际上没有问题。如果使衍射光栅围绕通过向输入端口输入的光所达到的位置的规定轴旋转，则分波位置的变化较小，因此优选，但由于进行间距的偏差校正时的旋转角较小，因此，轴的位置也可以不是上述位置。
工业实用性
本发明的光学装置能够作为例如光合波器、光分波器及波长选择开关等光学装置而进行利用。
标号的说明
1至3…光学装置，10…光输入输出部，20…波长分支部，21、22…透过型衍射光栅，30…透镜，40…反射镜阵列，41…反射镜，50…光电二极管阵列，51…光电二极管。

Claims (5)

1.一种光学装置，其具有：
波长分支部，其包含可围绕规定轴自由转动的透过型衍射光栅，该波长分支部对向输入端口中输入的光进行波长分支，将各波长的光向与所述规定轴垂直且与波长相对应的方向输出；
聚光光学***，其将通过所述波长分支部进行波长分支而输出的各波长的光汇聚在彼此不同的位置处；以及
光学元件阵列，其包含多个光学元件，它们设置在通过所述聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置处，
所述规定轴通过向所述输入端口中输入的光所到达的位置，并且，以在向所述输入端口中输入的光的光波长范围中的中心附近的波长处满足所述透过型衍射光栅中的布拉格条件的方式，对从所述输入端口向所述透过型衍射光栅射入的光的入射角进行设定，
通过使所述透过型衍射光栅围绕所述规定轴转动，从而使通过所述聚光光学***汇聚的各波长的光的聚光位置的排列间距与所述光学元件阵列的排列间距相等。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述波长分支部包含多个透过型衍射光栅，在所述多个透过型衍射光栅中，在光路上位于与所述聚光光学***相距最远位置处的透过型衍射光栅能够围绕所述规定轴自由转动。
3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其中，
所述波长分支部包含多个透过型衍射光栅，在所述多个透过型衍射光栅中，在光路上位于与所述聚光光学***相距最近位置处的透过型衍射光栅能够围绕所述规定轴自由转动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其中，
所述光学元件阵列使到达各光学元件的光透过或反射而从输出端口输出。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其中，
在所述光学元件阵列中，作为所述光学元件而包含光的反射方向可变的反射镜，所述光学元件阵列使到达该反射镜的光反射，经由所述聚光光学***及所述波长分支部而从输出端口输出。
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