JP3666779B2 - Phased array spatial light filter - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェイズドアレイ空間光フィルタに関わり、特に、光通信システム、光交換システムあるいは光計測システムの分野において、光波長を選択（同調）あるいは分波する際に使用される光フィルタに適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システム、光交換システムあるいは光計測システムの分野において、光波長を選択（同調）あるいは分波する際に、光フィルタ、例えば、フェイズドアレイ空間光フィルタが使用される。
図８は、従来のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
同図において、２は入力用光ファイバ、３は第１の凸レンズ、４は第２の凸レンズ、５は出力用光ファイバ、９はガラス板である。
【０００３】
図８に示すフェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、入力用光ファイバ２からの入力光は、第１の凸レンズ３で平行光束に変換され、この平行光束は、一方が空気で、もう一方がガラス板９である２つの光路に分かれて伝搬する。
この２つの光路の光路長差による位相差を持った２つの光束は、第２のレンズ４で集光され干渉する。
このように、図８に示すフェイズドアレイ空間光フィルタは、その光路長差を利用した、一種のマッハツェンダー干渉計を構成している。
なお、このような技術は、「R.A.Betts,S.J.Frisken.and D.Wong: " Split-beam fourier filter and its application in a gain-flattened EDFA ",Proceedings of OFC'95 paper TuP4 」に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図８に示す従来のフェイズドアレイ空間光フィルタは、下記のような問題点があった。
（１）従来のフェイズドアレイ空間光フィルタの通過特性（透過特性）は、波長に対してコサイン特性となり、狭帯域なフィルタ特性を実現することは原理的に不可能であった。
（２）光入出力ポート数は各々１つで複数にする構成ではなかった。
（３）従来のフェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、その通過波長を可変することは可能であるが、通過帯域幅を可変することはできなかった。
（４）従来のフェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、矩形状のシャープな通過帯域特性を保ったまま帯域幅を広げるチャーピング特性を実現することはできなかった。
【０００５】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、フェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、多光束干渉を生じさせ、狭帯域な通過特性を容易に実現することが可能となる技術を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、フェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、選択できる波長間隔を任意に設定でき、フィルタ設計の自由度を大幅に向上させることが可能となる技術を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、フェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、通過波長および通過帯域を可変することが可能となる技術を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、フェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、光学系の構成を単純化し、光学調整を容易にすることが可能となる技術を提供することにある。
【００１０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００１２】
本発明は、少なくとも１本の入力用光ファイバと、第１の凸レンズと、前記第１の凸レンズの前記入力用光ファイバが設けられる側と反対の側に設けられる光学媒質と、前記光学媒質の前記第１の凸レンズが設けられる側と反対の側に設けられる第２の凸レンズと、前記第２の凸レンズの前記光学媒質が設けられる側と反対の側に設けられる少なくとも１本の出力用光ファイバとを備えるフェイズドアレイ空間光フィルタであって、
【００１３】
前記第１の凸レンズと前記光学媒質との間に、光の透過率を入射する光の場所により調整する光減衰器を備え、
【００１４】
前記光学媒質は、当該光学媒質に入射される光束の伝搬方向の屈折率あるいは厚みが部分的に異なっており、前記光学媒質を透過する光束の伝搬方向に垂直な方向の位置ｘに対して、前記光減衰器、次いで前記光学媒質を透過する光束の電界強度分布の包絡線形状が、Ｓｉｎｃ（ｘ）＝Ｓｉｎｘ／ｘの関数形にしたがって変化するように、位置ｘにおける屈折率と厚みとから求められる光路長と、位置ｘにおける光の透過率とが、前記光減衰器と前記光学媒質とによって調整された構造であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、光サーキュレータと、前記光サーキュレータの第１の端子に接続される入力用光ファイバと、前記光サーキュレータの第２の端子に接続される出力用光ファイバと、前記入力用光ファイバの前記光サーキュレータが設けられる側と反対の側に設けられる凸レンズと、前記凸レンズの前記入力用光ファイバが設けられる側と反対の側に設けられる光学媒質と、前記光学媒質の前記入力用光ファイバが設けられる側と反対の側に設けられる平面反射鏡とを備えるフェイズドアレイ空間光フィルタであって、
【００１６】
前記凸レンズと前記光学媒質との間に、光の透過率を入射する光の場所により調整する光減衰器を備え、
【００１７】
前記光学媒質は、当該光学媒質に入射される光束の伝搬方向の屈折率あるいは厚みが部分的に異なっており、前記光学媒質を透過する光束の伝搬方向に垂直な方向の位置ｘに対して、前記光減衰器、次いで前記光学媒質を透過する光束の電界強度分布の包絡線形状が、Ｓｉｎｃ（ｘ）＝Ｓｉｎｘ／ｘの関数形にしたがって変化するように、位置ｘにおける屈折率と厚みとから求められる光路長と、位置ｘにおける光の透過率とが、前記光減衰器と前記光学媒質とによって調整された構造であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明では、前記光学媒質は、電界、熱、あるいは超音波エネルギー印加により屈折率が変化する光学媒質であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
同図に示すように、本実施の形態は、第１の凸レンズ３および第２の凸レンズ４との間に、光減衰器８とフェイズドアレイ媒質１とが設けられる点で、図８に示す従来のフェイズドアレイ空間光フィルタと相違する。
このフェイズドアレイ媒質１は、例えば、石英系等のガラス基板をケミカルエッチング、リアクティブイオンエッチング、光学研磨、あるいは機械加工等で、厚さが△Ｌだけ異なるように、また幅が等間隔になるようにＮ（但し、Ｎは整数で、Ｎ≧１である。）個の階段状に加工したものである。
ただし、フェイズドアレイ媒質１の両端面には、反射防止のため、無反射コートが施されるか、あるいは、入出射端面に斜め研磨が施されている。
【００２２】
第１の凸レンズ３および第２の凸レンズ４は、球面あるいは非球面レンズで、石英系ガラス、ＢＫ７系ガラス、ＴＡＦ３系ガラス、サファイア系ガラス等の光学ガラス、プラスチック、あるいは高分子材料で作製される。
また、入力用光ファイバ２および出力用光ファイバ５は、単一モード光ファイバ、分散シフトファイバ、あるいは偏波保持ファイバ等が使用される。
光減衰器８は、空間的に透過率を変化させた金属膜蒸着のＮＤ（neutral density ）フィルタ、あるいはスリット等が使用される。
【００２３】
以下、本実施の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタの動作を詳細に説明する。
１本の入力用光ファイバ２からの入力光は、第１の凸レンズ３で平行光束に変換され、自由空間を伝搬後、△Ｌだけ厚さが異なるＮ個の階段状に加工されたフェイズドアレイ媒質１（階段付石英ガラス基板１０１）を通過する。
その際に、Ｎ個の階段に応じて平行光束がＮ本の光束に分岐される。
【００２４】
このとき、厚さが△Ｌずつ異なったところの石英ガラス基板１０１を通過した各平行光束は、石英ガラス基板１０１の厚さの差△Ｌと屈折率ｎとの積で決まる光路長差ｎ△Ｌに応じて互いに一定の位相差が付加される。
これらの平行光束は、第２の凸レンズ４で集光されて１本の出力用光ファイバ５に結合される。
そのとき、各光束により光学的な多光束干渉を生じ、この多光束干渉は通過帯域幅を非常に狭くする効果がある。
即ち、この干渉光波は第２の凸レンズ４の焦点において、光路長差が波長の整数倍のとき強め合い、１／２波長の整数倍のとき弱め合う。
ここでは、光路長差ｎ△Ｌを波長の整数倍に選んでいる。したがって、各光束の位相関係は同相である。
このため、本実施の形態では、狭帯域な通過帯域を有するフェイズドアレイ空間光フィルタを実現することが可能となる。
【００２５】
さらに、光減衰器８として、透過率が平行光束の入射する場所により異なるＮＤフィルタを平行光束中に設けることにより、平行光束の電界強度分布を調整することが可能となる。
【００２６】
一般に、入力用光ファイバ２および出力用光ファイバ５が単一モード光ファイバの場合に、平行ビームの断面内の電界強度分布は単一モードファイバのコア内の電界強度分布を反映してガウス型であるが、この光減衰器８を用いて、例えば、電界強度分布を｜Ｓｉｎｃ｜関数にすることが可能となる。
さらに、フェイズドアレイ媒質１の階段部分を伝搬する光の位相が、階段位置ｘ＝π〜２π、３π〜４π、‥‥の区間において、πだけ変位した領域を設けた構造、即ち、光路長差ｎ△Ｌをλ／２だけ変化させることにより、フェイズドアレイ媒質１を伝搬する平行光束の電界強度分布をＳｉｎｃ関数にすることができる。
数学的には、このＳｉｎｃ関数のフーリエ変換が矩形関数になることが知られており、この光学系はフーリエ変換を行うものと言える。
その結果、フェイズドアレイ空間光フィルタの光スペクトルの通過帯域形状も矩形になり通過帯域の平坦化も可能となる。
【００２７】
また、光減衰器８を用いなくても通過帯域の平坦化は可能である。
例えば、光軸近傍での階段の幅を初め広く、光軸から離れるにしたがって次第に狭く、ある点でゼロになり、さらに光軸から離れるとまた次第に広くというようにして、電界強度分布を｜Ｓｉｎｃ｜関数的にすることも可能となる。
その結果、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過帯域特性として、従来技術にない平坦な通過帯域特性を実現することが可能である。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタでは、従来例に比べて、極めて狭帯域な帯域通過特性を実現することが可能となる。
また、干渉する位置が波長によって変化するので、図１に示すように、予め多心のファイバアレイを焦点位置に配置しておけば、波長に応じて出力ポートを変えることができ、いわゆる分波機能を実現することが可能となる。
さらに、このフェイズドアレイ媒質１を平行光束に垂直な方向に回転すれば、即ち、フェイズドアレイ媒質１を平行光束に垂直な方向に傾ければ光路長が変化するので、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過波長を可変することが可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、フェイズドアレイ媒質１として、石英ガラス基板を使用したが、これに限定されるものではなく、フェイズドアレイ媒質１として、他の光学ガラス材料、プラスチック、あるいは高分子材料等を使用することも可能である。
【００３０】
図２は、本発明の参考例１のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示す図である。
図２に示すフェイズドアレイ空間光フィルタは、フェイズドアレイ媒質１の厚さを、光軸方向に不等間隔で変化させたものである。
図２に示すように、フェイズドアレイ媒質１の厚さを、光軸方向に不等間隔で変化させることにより、フェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、従来例では原理的に実現が不可能であった、矩形状の急峻な立ち上がり、立ち下がり特性を保ったまま通過帯域を増加させる、いわゆるチャーピング特性を実現することが可能となる。
【００３１】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
本実施の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタは、フェイズドアレイ媒質１として、屈折率が階段状に変化する屈折率変化ガラス基板１０４を使用した点で、前記実施の形態１と相違する。
【００３２】
この屈折率変化ガラス基板１０４は、例えば、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、５酸化燐（Ｐ２Ｏ５）、あるいは酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）のいずれかをドープした石英ガラス基板、あるいは高圧水素処理を施した石英ガラス基板に、例えば、エキシマレーザ等で発生させた紫外（ＵＶ）線を外部から照射し、光誘起効果による屈折率変化を生じさせて、ガラス基板の屈折率をＮ個の階段状に変化させたものである。
本実施の形態においても、前記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００３３】
さらに、本実施の形態のフェイズドアレイ媒質１として、フッ素化ポリイミド等の高分子材料に電子線、紫外線、あるいはＳＯＲ光を外部から照射して屈折率を階段状に変化させたものを使用することも可能である。
【００３４】
［参考例２］
図４は、本発明の参考例２のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
本参考例２の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタは、フェイズドアレイ媒質１として、コア直径が３μｍ程度と小さい短尺の単一モード光ファイバを多数束ねた光ファイバ集合体１０２を用いた点で、前記実施の形態１と相違する。
【００３５】
この光ファイバ集合体１０２は、隣り合う光ファイバとの間で一定の長さ△Ｌだけ光学長が異なるように、ある曲率で円弧状に曲げられている。
ただし、光ファイバ集合体１０２の両端面は、反射防止のために、無反射コートが施されているか、あるいは、入出射端面に斜め研磨が施されている。
【００３６】
本参考例２においても、光ファイバ集合体１０２の各光ファイバから出射する各光は、第２の凸レンズ４の焦点において多光束干渉する。
その結果、光路長差が波長の整数倍のとき強め合い、１／２波長の整数倍のとき弱め合うので、その点に出力用光ファイバ（例えば、単一モード光ファイバ）５を設けておけば、狭帯域な光フィルタ特性を実現することが可能となる。
【００３７】
以上説明したように、本参考例２のフェイズドアレイ光フィルタによれば、前記実施の形態１と同様、従来例に比べて狭帯域なフィルタ特性を容易に実現することが可能となる。
また、光ファイバ集合体１０２の曲率半径を変えると、光ファイバ集合体１０２の隣り合う光ファイバの光路長差△Ｌが大きくできるため、フェイズドアレイ空間光フィルタの選択できる波長間隔を任意に設定可能となる。
それにより、フェイズドアレイ空間光フィルタ設計の自由度を大幅に向上させることが可能となる。
また、光ファイバ集合体１０２を使用するため、挿入損失を低減することが可能である。
【００３８】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
本実施の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタでは、入力用光ファイバ２中に光サーキュレータ６を、またフェイズドアレイ媒質１の後に平面反射鏡７を設けた点で、前記実施の形態１と相違する。
【００３９】
本実施の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタにおいては、光サーキュレータ６の第３の端子６ｃに入力された入力光は、第１の端子６ａに接続された入力用光ファイバ２に入力される。
入力用光ファイバ２に入力された入力光は、第１の凸レンズ３で平行光束に変換され、自由空間を伝搬後、△Ｌだけ厚さが異なるＮ個の階段に加工されたフェイズドアレイ媒質１（石英ガラス基板１０１）を通過する。
この石英ガラス基板１０１を通過した平行光束は、平面反射鏡７で反射され、再度石英ガラス基板１０１、自由空間を伝搬後、第１の凸レンズ３で集光されて入力用光ファイバ２に結合される。
この入力用光ファイバ２に結合された光は、光サーキュレータ６の第２の端子６ｂを通過して出力用光ファイバ５から出力される。
【００４０】
本実施の形態においても、フェイズドアレイ媒質１を往復する平行光束は、第１の凸レンズ３の焦点において多光束干渉する。
その結果、光路長差が波長の整数倍のとき強め合い、１／２波長の整数倍のとき弱め合うので、狭帯域な光フィルタ特性を実現することが可能となる。
【００４１】
本実施の形態によれば、第２の凸レンズ４が不要となり、また、フェイズドアレイ媒質１の平行光束が出射される側に出力用光ファイバ５を設ける必要がないので、従来技術に比べて光軸調整が容易となる。
また、本実施の形態においては、平行光束は平面反射鏡７で反射してフェイズドアレイ媒質１を往復するので、光路長差を△Ｌ得るための段差は△Ｌ／２で済むため厚みを薄くできる利点がある。
また、本実施の形態において、フェイズドアレイ媒質１と平面反射鏡７とを一体化することも可能である。
【００４２】
［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の形態４のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
本実施の形態は、タングステン（Ｗ）やニクロム（ＮｉＣｒ）製等の割スリーブ形状の厚膜ヒータ１０等を用いて、フェイズドアレイ媒質１に熱を印加し、それにより、フェイズドアレイ媒質１の屈折率を、連続的に変化させるようにした点で、前記実施の形態１と相違する。
【００４３】
図６に示すように、厚膜ヒータ１０等を用いて、フェイズドアレイ媒質１を側面から均一に加熱すると、熱光学効果に基づく実効屈折率が変化し、その変化量は階段毎に等しくなる。
これは、等化的に光学長が階段毎にδｎ△Ｌ（ここで、δｎは屈折率変化量）の同じ量だけ微小増加することに相当する。
その結果、フェイズドアレイ媒質１を通過する多光束の干渉条件が他の波長に移るため、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過波長を変化させることが可能となる。
【００４４】
なお、本実施の形態４において、フェイズドアレイ媒質１として、石英ガラス以外の光学ガラス材料、フッ素化ポリイミド等の高分子（ポリマー）材料を使用してもよい。
また、本実施の形態において、フェイズドアレイ媒質１として、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ2）等を使用し、電界を印加することにより電気光学効果に基づいて実効屈折率を変化させ、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過波長を変化させるようにしてもよい。
あるいは、例えば、二酸化テルル（ＴｅＯ2）等を使用し、超音波を印加することにより音響光学効果に基づいて実効屈折率を変化させ、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過波長を変化させるようにしてもよい。
このように、本実施の形態のフェイズドアレイ空間光フィルタでは、フェイズドアレイ媒質１に、電界、または熱、あるいは超音波エネルギーを印加することにより、フェイズドアレイ媒質１の屈折率を、連続的に変化させることができるので、従来例では不可能だった、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過波長あるいは通過帯域を可変することが可能となる。
【００４５】
［参考例３］
図７は、本発明の参考例３のフェイズドアレイ空間光フィルタのフェイズドアレイ媒質１の概略構成を示す斜視図である。
本参考例３のフェイズドアレイ空間光フィルタは、フェイズドアレイ媒質１として、螺旋階段付石英ガラス基板１０３を使用した点で、前記実施の形態１と相違する。
【００４６】
この螺旋階段付石英ガラス基板１０３は、第１の凸レンズ３で変換された平行光束の光軸に対して、垂直方向の平面内において、光軸を中心とする半径方向に、その厚みが螺旋階段状に変化している。
これにより、本参考例３のフェイズドアレイ空間光フィルタでは、半径方向に階段が形成されるので、フェイズドアレイ空間光フィルタ全体を小型に構成することが可能となる。
【００４７】
なお、本参考例３のフェイズドアレイ空間光フィルタにおいて、フェイズドアレイ媒質１として、その屈折率が、第１の凸レンズ３で変換された平行光束の光軸に対して垂直方向の平面内において、光軸を中心とする半径方向に、屈折率を螺旋階段状に変化させるようにしてもよい。
【００４８】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００５０】
（１）本発明によれば、△Ｌだけ厚さが異なるようにＮ個の階段に加工したフェイズドアレイ媒質、あるいは屈折率がＮ個の階段上に変化するフェイズドアレイ媒質を使用するようにしたので、従来例に比べて、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過帯域を狭帯域にすることが可能となる。
【００５１】
（２）本発明によれば、第１の凸レンズと光学媒質との間に光減衰器を設け、また、光学媒質を、光学媒質を透過する光束の伝搬方向に垂直な方向の位置ｘに対して、光学媒質を透過する光束の電界強度分布の包絡線形状が、Ｓｉｎｃ（ｘ）＝Ｓｉｎｘ／ｘの関数形にしたがって変化する構造としたことにより、光スペクトルの通過帯域形状を矩形にすることができ、通過帯域を平坦化することが可能となる。
【００５２】
（３）本発明によれば、入力用光ファイバ中に光サーキュレータを、またフェイズドアレイ媒質の後に平面反射鏡を設けるようにしたので、従来例に比べてフェイズドアレイ空間光フィルタの光学系を単純化することができ、光学調整を容易にすることが可能となる。
【００５３】
（４）本発明によれば、フェイズドアレイ媒質の屈折率を、電界、熱、あるいは超音波印加により変化させるようにしたので、フェイズドアレイ空間光フィルタの光路長を連続的に変化させることができ、
【００５４】
これにより、フェイズドアレイ空間光フィルタの通過波長および通過帯域を可変することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の参考例１のフェイズドアレイ媒質の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の参考例２のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態３のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態４のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の参考例３のフェイズドアレイ空間光フィルタのフェイズドアレイ媒質の概略構成を示す斜視図である。
【図８】従来のフェイズドアレイ空間光フィルタの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…フェイズドアレイ媒質、２…入力用光ファイバ、３…第１の凸レンズ、４…第２の凸レンズ、５…出力用光ファイバ、６…光サーキュレータ、７…平面反射鏡、８…光減衰器、９…ガラス板、１０…ヒータ、１０１…階段付ガラス基板、１０２…光ファイバ集合体、１０３…螺旋階段付ガラス基板、１０３…屈折率変化ガラス基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a phased array spatial optical filter, and particularly to an optical filter used for selecting (tuning) or demultiplexing an optical wavelength in the field of an optical communication system, an optical switching system, or an optical measurement system. Related to effective technology.
[0002]
[Prior art]
In the field of an optical communication system, an optical switching system, or an optical measurement system, an optical filter, for example, a phased array spatial optical filter is used when selecting (tuning) or demultiplexing an optical wavelength.
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional phased array spatial light filter.
In the figure, 2 is an input optical fiber, 3 is a first convex lens, 4 is a second convex lens, 5 is an output optical fiber, and 9 is a glass plate.
[0003]
In the phased array spatial light filter shown in FIG. 8, the input light from the input optical fiber 2 is converted into a parallel light beam by the
The two light beams having a phase difference due to the optical path length difference between the two optical paths are condensed by the
As described above, the phased array spatial optical filter shown in FIG. 8 constitutes a kind of Mach-Zehnder interferometer using the optical path length difference.
Such a technique is described in “RABetts, SJ Frisken. And D. Wong : “ Split-beam fourier filter and its application in a gain-flattened EDFA ”, Proceedings of OFC'95 paper TuP4”.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional phased array spatial light filter shown in FIG. 8 has the following problems.
(1) The transmission characteristic (transmission characteristic) of the conventional phased array spatial light filter is a cosine characteristic with respect to the wavelength, and it has been impossible in principle to realize a narrow band filter characteristic.
(2) The number of optical input / output ports was not one, and a plurality of optical input / output ports were not used.
(3) In the conventional phased array spatial light filter, the pass wavelength can be varied, but the pass bandwidth cannot be varied.
(4) In a conventional phased array spatial light filter, it has not been possible to realize a chirping characteristic that widens the bandwidth while maintaining a sharp rectangular passband characteristic.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to easily realize narrow band pass characteristics by causing multi-beam interference in a phased array spatial optical filter. It is to provide a technique that can be performed.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of arbitrarily setting a wavelength interval that can be selected in a phased array spatial optical filter and greatly improving the degree of freedom in filter design.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of varying a pass wavelength and a pass band in a phased array spatial optical filter.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of simplifying the configuration of an optical system and facilitating optical adjustment in a phased array spatial light filter.
[0010]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
[0012]
The present invention includes at least one input optical fiber, a first convex lens, an optical medium provided on a side of the first convex lens opposite to the side on which the input optical fiber is provided, and the optical medium. A second convex lens provided on a side opposite to the side on which the first convex lens is provided; and at least one output optical fiber provided on a side opposite to the side on which the optical medium of the second convex lens is provided. A phased array spatial light filter comprising :
[0013]
Between the first convex lens and the optical medium, an optical attenuator that adjusts the light transmittance according to the location of the incident light,
[0014]
The optical medium, Ri Contact refractive index or thickness of the propagation direction of the light flux incident on the optical medium is partially different, with respect to the position x in the direction perpendicular to the propagation direction of the light beam transmitted through the optical science medium Then , the refractive index and thickness at the position x so that the envelope shape of the electric field intensity distribution of the light beam transmitted through the optical attenuator and then the optical medium changes according to the function form of Sinc (x) = Sinx / x. The optical path length obtained from the above and the light transmittance at the position x are adjusted by the optical attenuator and the optical medium .
[0015]
The present invention also provides an optical circulator, an input optical fiber connected to the first terminal of the optical circulator, an output optical fiber connected to the second terminal of the optical circulator, and the input light. A convex lens provided on the side of the fiber opposite to the side where the optical circulator is provided; an optical medium provided on the side of the convex lens opposite to the side where the input optical fiber is provided; and the input light of the optical medium. A phased array spatial light filter comprising a plane reflecting mirror provided on the side opposite to the side on which the fiber is provided ,
[0016]
Between the convex lens and the optical medium, comprising an optical attenuator that adjusts the light transmittance according to the location of the incident light,
[0017]
The optical medium has a refractive index or thickness of the propagation direction of the light flux incident on the optical medium are partially different, with respect to the position x in the direction perpendicular to the propagation direction of the light beam transmitted through the optical science medium The refractive index and thickness at the position x so that the envelope shape of the electric field intensity distribution of the light beam transmitted through the optical attenuator and then the optical medium changes according to the function form of Sinc (x) = Sinx / x. The optical path length obtained from the above and the light transmittance at the position x are adjusted by the optical attenuator and the optical medium .
[0018]
In the present invention, the optical medium is an optical medium whose refractive index is changed by application of electric field, heat, or ultrasonic energy.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
[0021]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the phased array spatial light filter according to the first embodiment of the present invention.
As shown in the figure, the present embodiment is different from the conventional one shown in FIG. 8 in that an
The phased array medium 1 has a width that is different by ΔL and is equally spaced by, for example, chemical etching, reactive ion etching, optical polishing, or machining of a quartz-based glass substrate. Thus, N (where N is an integer and N ≧ 1) is processed into stepped shapes.
However, a non-reflective coating is applied to both end faces of the phased array medium 1 to prevent reflection, or slant polishing is applied to the incident / exit end faces.
[0022]
The first
As the input optical fiber 2 and the output
The
[0023]
Hereinafter, the operation of the phased array spatial light filter of the present embodiment will be described in detail.
The input light from one input optical fiber 2 is converted into a parallel light beam by the first
At that time, the parallel light beam is branched into N light beams according to the N steps.
[0024]
At this time, each parallel light flux that has passed through the
These parallel light beams are condensed by the second
At that time, optical multi-beam interference is caused by each beam, and this multi-beam interference has an effect of very narrowing the passband width.
That is, the interference light wave is strengthened when the optical path length difference is an integral multiple of the wavelength, and weakened when the optical path length difference is an integral multiple of the wavelength at the focal point of the second
Here, the optical path length difference nΔL is selected to be an integral multiple of the wavelength. Therefore, the phase relationship of each light beam is in-phase.
For this reason, in this Embodiment, it becomes possible to implement | achieve the phased array space optical filter which has a narrow pass band.
[0025]
Furthermore, by providing the
[0026]
In general, when the input optical fiber 2 and the output
Further, the structure in which the phase of the light propagating through the stepped portion of the phased array medium 1 is displaced by π in the section of the staircase position x = π-2π, 3π-4π,..., That is, the optical path length difference By changing nΔL by λ / 2, the electric field intensity distribution of the parallel light beam propagating through the phased array medium 1 can be made a Sinc function.
Mathematically, it is known that the Fourier transform of this Sinc function becomes a rectangular function, and it can be said that this optical system performs Fourier transform.
As a result, the passband shape of the optical spectrum of the phased array spatial light filter becomes rectangular, and the passband can be flattened.
[0027]
Further, the passband can be flattened without using the
For example, the width of the staircase near the optical axis is initially wide, gradually narrows with increasing distance from the optical axis, becomes zero at a certain point, and gradually increases with distance from the optical axis. It is possible to make it functional.
As a result, it is possible to realize a flat passband characteristic that does not exist in the prior art as a passband characteristic of the phased array spatial light filter.
[0028]
As described above, in the phased array spatial optical filter of the present embodiment, it is possible to realize a band pass characteristic that is extremely narrow compared to the conventional example.
Further, since the interference position varies depending on the wavelength, as shown in FIG. 1, if a multi-fiber array is arranged in advance at the focal position, the output port can be changed according to the wavelength, so-called demultiplexing. Functions can be realized.
Further, if this phased array medium 1 is rotated in a direction perpendicular to the parallel light flux, that is, if the phased array medium 1 is tilted in a direction perpendicular to the parallel light flux, the optical path length will change, so that it passes through the phased array spatial light filter. The wavelength can be varied.
[0029]
In the present embodiment, a quartz glass substrate is used as the phased array medium 1. However, the present invention is not limited to this, and other optical glass materials, plastics, polymer materials, etc. may be used as the phased array medium 1. Can also be used.
[0030]
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the phased array spatial light filter of Reference Example 1 of the present invention.
The phased array spatial light filter shown in FIG. 2 is obtained by changing the thickness of the phased array medium 1 at unequal intervals in the optical axis direction .
As shown in FIG. 2, by changing the thickness of the phased array medium 1 at unequal intervals in the optical axis direction, in the phased array spatial light filter, it was impossible in principle to be realized in the conventional example. It is possible to realize a so-called chirping characteristic that increases the pass band while maintaining a rectangular steep rise and fall characteristic.
[0031]
[Embodiment 2]
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the phased array spatial light filter according to the second embodiment of the present invention.
The phased array spatial light filter of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that a refractive index changing glass substrate 104 whose refractive index changes stepwise is used as the phased array medium 1.
[0032]
The refractive index changing glass substrate 104 is, for example, a quartz glass substrate doped with either germanium oxide (GeO 2 ), phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ), or boron oxide (B 2 O 3 ), or high-pressure hydrogen. For example, an ultraviolet (UV) ray generated by, for example, an excimer laser or the like is applied to the treated quartz glass substrate to cause a refractive index change due to a photo-induced effect, and the refractive index of the glass substrate is changed to N pieces. It is a step-like change.
Also in this embodiment, Ru can der to obtain the same effects as those of the embodiment.
[0033]
Further, as the phased array medium 1 of the present embodiment, a polymer material such as fluorinated polyimide that is irradiated with an electron beam, ultraviolet light, or SOR light from the outside to change the refractive index stepwise is used. Is also possible.
[0034]
[ Reference Example 2 ]
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array spatial light filter of Reference Example 2 of the present invention.
The phased array spatial optical filter in the form of Reference Example 2 uses the optical fiber assembly 102 in which a large number of short single-mode optical fibers having a small core diameter of about 3 μm are used as the phased array medium 1. This is different from the first embodiment.
[0035]
The optical fiber assembly 102 is bent in an arc shape with a certain curvature so that the optical length differs by a certain length ΔL between adjacent optical fibers.
However, both end surfaces of the optical fiber assembly 102 are coated with anti-reflection to prevent reflection, or the incident / exit end surfaces are obliquely polished.
[0036]
Also in the present reference example , each light emitted from each optical fiber of the optical fiber assembly 102 interferes with multiple beams at the focal point of the second
As a result, when the optical path length difference is an integral multiple of the wavelength, it is strengthened and when it is an integral multiple of 1/2 wavelength, it is weakened. Thus, it is possible to realize a narrow band optical filter characteristic.
[0037]
As described above, according to the phased array optical filter of Reference Example 2 , as in the first embodiment, it is possible to easily realize a narrow band filter characteristic as compared with the conventional example.
Further, if the radius of curvature of the optical fiber assembly 102 is changed, the optical path length difference ΔL between adjacent optical fibers of the optical fiber assembly 102 can be increased, so that the wavelength interval that can be selected for the phased array spatial optical filter can be set arbitrarily. It becomes.
As a result, the degree of freedom in designing the phased array spatial light filter can be greatly improved.
Moreover, since the optical fiber assembly 102 is used, insertion loss can be reduced.
[0038]
[Embodiment 3 ]
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the phased array spatial light filter according to the third embodiment of the present invention.
The phased array spatial light filter of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that an optical circulator 6 is provided in the input optical fiber 2 and a planar reflecting
[0039]
In the phased array spatial light filter of the present embodiment, the input light input to the
The input light input to the input optical fiber 2 is converted into a parallel light beam by the first
The parallel light beam that has passed through the
The light coupled to the input optical fiber 2 passes through the
[0040]
Also in the present embodiment, the parallel light beams reciprocating in the phased array medium 1 interfere with each other at the focal point of the first
As a result, when the optical path length difference is an integral multiple of the wavelength, it is strengthened and when it is an integral multiple of the ½ wavelength, it is possible to realize a narrow band optical filter characteristic.
[0041]
According to the present embodiment, the second
Further, in the present embodiment, since the parallel light beam is reflected by the
In the present embodiment, the phased array medium 1 and the planar reflecting
[0042]
[Embodiment 4 ]
FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of the phased array spatial light filter according to the fourth embodiment of the present invention.
In the present embodiment, heat is applied to the phased array medium 1 using a split sleeve-shaped thick film heater 10 made of tungsten (W), nichrome (NiCr), or the like, whereby the refraction of the phased array medium 1 is performed. This is different from the first embodiment in that the rate is continuously changed.
[0043]
As shown in FIG. 6, when the phased array medium 1 is uniformly heated from the side surface using a thick film heater 10 or the like, the effective refractive index based on the thermo-optic effect changes, and the amount of change becomes equal for each step.
This is equivalent to the fact that the optical length is increased by the same amount of δnΔL (where δn is the amount of change in refractive index) for each step.
As a result, the interference condition of the multi-beams passing through the phased array medium 1 is shifted to another wavelength, so that the passing wavelength of the phased array spatial light filter can be changed.
[0044]
In the fourth embodiment, the phased array medium 1 may be an optical glass material other than quartz glass, or a polymer material such as fluorinated polyimide.
In the present embodiment, for example, lithium niobate (LiNbO 2 ) or the like is used as the phased array medium 1, and the effective refractive index is changed based on the electrooptic effect by applying an electric field, so that the phased array space You may make it change the passage wavelength of an optical filter.
Alternatively, for example, tellurium dioxide (TeO 2 ) or the like is used, and by applying ultrasonic waves, the effective refractive index is changed based on the acoustooptic effect, and the passing wavelength of the phased array spatial light filter is changed. Good.
Thus, in the phased array spatial optical filter of the present embodiment, the refractive index of the phased array medium 1 is continuously changed by applying an electric field, heat, or ultrasonic energy to the phased array medium 1. Therefore, it is possible to vary the pass wavelength or pass band of the phased array spatial optical filter, which was impossible with the conventional example.
[0045]
[Reference Example 3 ]
FIG. 7 is a perspective view showing a schematic configuration of the phased array medium 1 of the phased array spatial light filter of Reference Example 3 of the present invention.
The phased array spatial light filter of Reference Example 3 is different from the first embodiment in that a quartz glass substrate 103 with a spiral staircase is used as the phased array medium 1.
[0046]
The quartz glass substrate 103 with a spiral staircase has a spiral staircase thickness in a radial direction centered on the optical axis in a plane perpendicular to the optical axis of the parallel light flux converted by the first
As a result, in the phased array spatial light filter of the third reference example, since steps are formed in the radial direction, the entire phased array spatial light filter can be configured in a small size.
[0047]
In the phased array spatial light filter of Reference Example 3 , the phased array medium 1 has a refractive index within the plane perpendicular to the optical axis of the parallel luminous flux converted by the first
[0048]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Of course.
[0049]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0050]
(1) According to the present invention, a phased array medium processed into N steps so that the thickness is different by ΔL, or a phased array medium whose refractive index changes on N steps is used. Therefore, the pass band of the phased array spatial optical filter can be made narrower than in the conventional example.
[0051]
(2) According to the present invention, an optical attenuator is provided between the first convex lens and the optical medium, and the optical medium is disposed at a position x in a direction perpendicular to the propagation direction of the light beam passing through the optical medium. Thus, the envelope shape of the electric field intensity distribution of the light beam passing through the optical medium is changed according to the function form of Sinc (x) = Sinx / x, so that the passband shape of the optical spectrum is made rectangular. And the passband can be flattened.
[0052]
(3) According to the present invention, the optical circulator is provided in the input optical fiber, and the planar reflecting mirror is provided after the phased array medium. Therefore, the optical system of the phased array spatial light filter is simplified compared to the conventional example. Thus, optical adjustment can be facilitated .
[0053]
(4) According to the present invention, since the refractive index of the phased array medium is changed by applying an electric field, heat, or ultrasonic wave, the optical path length of the phased array spatial light filter can be continuously changed. ,
[0054]
This ensures that it is possible to vary the transmission wavelength and the pass band of the phased array spatial light filter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array spatial light filter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array medium of Reference Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array spatial light filter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array spatial light filter of Reference Example 2 of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array spatial light filter according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a phased array spatial light filter according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a schematic configuration of a phased array medium of a phased array spatial light filter according to Reference Example 3 of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional phased array spatial light filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Phased array medium, 2 ... Input optical fiber, 3 ... 1st convex lens, 4 ... 2nd convex lens, 5 ... Output optical fiber, 6 ... Optical circulator, 7 ... Planar reflecting mirror, 8 ... Optical attenuator DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Glass plate, 10 ... Heater, 101 ... Glass substrate with a staircase, 102 ... Optical fiber assembly, 103 ... Glass substrate with a spiral staircase, 103 ... Refractive index change glass substrate
Claims (3)
第１の凸レンズと、
前記第１の凸レンズの前記入力用光ファイバが設けられる側と反対の側に設けられる光学媒質と、
前記光学媒質の前記第１の凸レンズが設けられる側と反対の側に設けられる第２の凸レンズと、
前記第２の凸レンズの前記光学媒質が設けられる側と反対の側に設けられる少なくとも１本の出力用光ファイバとを備えるフェイズドアレイ空間光フィルタであって、
前記第１の凸レンズと前記光学媒質との間に、光の透過率を入射する光の場所により調整する光減衰器を備え、
前記光学媒質は、当該光学媒質に入射される光束の伝搬方向の屈折率あるいは厚みが部分的に異なっており、
前記光学媒質を透過する光束の伝搬方向に垂直な方向の位置ｘに対して、前記光減衰器、次いで前記光学媒質を透過する光束の電界強度分布の包絡線形状が、Ｓｉｎｃ（ｘ）＝Ｓｉｎｘ／ｘの関数形にしたがって変化するように、位置ｘにおける屈折率と厚みとから求められる光路長と、位置ｘにおける光の透過率とが、前記光減衰器と前記光学媒質とによって調整された構造であることを特徴とするフェイズドアレイ空間光フィルタ。At least one input optical fiber;
A first convex lens;
An optical medium provided on a side opposite to a side on which the input optical fiber of the first convex lens is provided;
A second convex lens provided on the side of the optical medium opposite to the side on which the first convex lens is provided;
A phased array spatial light filter comprising: at least one output optical fiber provided on a side opposite to the side on which the optical medium of the second convex lens is provided;
Between the first convex lens and the optical medium, an optical attenuator that adjusts the light transmittance according to the location of the incident light,
The optical medium is partially different in refractive index or thickness in the propagation direction of a light beam incident on the optical medium ,
With respect to the direction perpendicular position x in the propagation direction of the light beam transmitted through the optical science medium, the optical attenuator, then the envelope shape of the electric field intensity distribution of a light beam transmitted through the optical medium, Sinc (x) = The optical path length obtained from the refractive index and thickness at the position x and the light transmittance at the position x are adjusted by the optical attenuator and the optical medium so as to change according to the function form of Sinx / x. A phased array spatial light filter characterized by having a structure.
前記光サーキュレータの第１の端子に接続される入力用光ファイバと、
前記光サーキュレータの第２の端子に接続される出力用光ファイバと、
前記入力用光ファイバの前記光サーキュレータが設けられる側と反対の側に設けられる凸レンズと、
前記凸レンズの前記入力用光ファイバが設けられる側と反対の側に設けられる光学媒質と、
前記光学媒質の前記入力用光ファイバが設けられる側と反対の側に設けられる平面反射鏡とを備えるフェイズドアレイ空間光フィルタであって、
前記凸レンズと前記光学媒質との間に、光の透過率を入射する光の場所により調整する光減衰器を備え、
前記光学媒質は、当該光学媒質に入射される光束の伝搬方向の屈折率あるいは厚みが部分的に異なっており、
前記光学媒質を透過する光束の伝搬方向に垂直な方向の位置ｘに対して、前記光減衰器、次いで前記光学媒質を透過する光束の電界強度分布の包絡線形状が、Ｓｉｎｃ（ｘ）＝Ｓｉｎｘ／ｘの関数形にしたがって変化するように、位置ｘにおける屈折率と厚みとから求められる光路長と、位置ｘにおける光の透過率とが、前記光減衰器と前記光学媒質とによって調整された構造であることを特徴とするフェイズドアレイ空間光フィルタ。An optical circulator,
An input optical fiber connected to the first terminal of the optical circulator;
An output optical fiber connected to the second terminal of the optical circulator;
A convex lens provided on the side of the input optical fiber opposite to the side on which the optical circulator is provided;
An optical medium provided on a side opposite to the side on which the input optical fiber of the convex lens is provided;
A phased array spatial light filter comprising a planar reflecting mirror provided on a side opposite to the side on which the input optical fiber of the optical medium is provided;
Between the convex lens and the optical medium, comprising an optical attenuator that adjusts the light transmittance according to the location of the incident light,
The optical medium is partially different in refractive index or thickness in the propagation direction of a light beam incident on the optical medium ,
With respect to the direction perpendicular position x in the propagation direction of the light beam transmitted through the optical science medium, the optical attenuator, then the envelope shape of the electric field intensity distribution of a light beam transmitted through the optical medium, Sinc (x) = The optical path length obtained from the refractive index and thickness at the position x and the light transmittance at the position x are adjusted by the optical attenuator and the optical medium so as to change according to the function form of Sinx / x. A phased array spatial light filter characterized by having a structure.
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