JP4898484B2

JP4898484B2 - 光可変フィルタ

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Publication number: JP4898484B2
Application number: JP2007039285A
Authority: JP
Inventors: 康樹桜井
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: JP2008203508A

Description

本発明は複数の波長が含まれる光信号のうち所望の波長の光を選択し、選択波長を変化させることができる光可変フィルタに関するものである。

波長分割多重通信技術（ＷＤＭ）を用いた光通信ネットワークにおいては、ＩＴＵ（インターナショナルテレコミュニケーションユニオン）で定められた波長間隔で多数の波長の光を複数多重化して伝送容量の拡大を実現している。従来のＷＤＭ通信では、例えば１５５０ｎｍの波長帯において、０．８ｎｍ間隔の波長多重が実現されており、更により挟帯域の、例えば０．４ｎｍや０．２ｎｍといった狭い波長間隔のシステムの導入が検討されている。多重化されたＷＤＭ信号から任意の波長の信号を選択するために、波長可変フィルタが用いられる。又光計測機器や波長可変レーザにおいても波長可変フィルタが用いられる。

光可変フィルタとしては、屈折率の異なる複数の材料を交互に多数積層した誘電体多層膜フィルタや、光ファイバのコア内に低屈折率と高屈折率のコアを交互に配置して回折格子とした光ファイバグレーティング、２つの反射鏡間の多重干渉を利用したファブリペローエタロンがある。

ＷＤＭ伝送システムでは、フィルタ形状の制御が容易な誘電体多層膜フィルタが広く用いられている。誘電体多層膜フィルタを用いて選択波長を変化させる場合には、特許文献１に示されるように、多層膜フィルタへの入射角を変化させたり、誘電体多層膜自体を所定の軸方向に膜厚を変化させて、誘電体多層膜フィルタへの入射位置を変化させて波長可変する方法が知られている。又特許文献２は、回折格子と回折格子からの分散光を集光するレンズを用い、このレンズと回折格子との間隔を変化させることによってレンズで集光して得られる波長の帯域幅を可変するようにした帯域可変型のフィルタが知られている。更に特許文献３では、入射光を回折格子，レンズを用いて波長毎に帯状に並べた出射光とし、この出射光のうちいずれかの波長の光をミラーによって選択、反射させることによって、光可変フィルタとした構成が示されている。
特開平５−２８１４８０号公報特開平６−０５１２１４号公報特開２００４−１７７６０５号公報

しかるに特許文献１では、波長間隔が狭いほど多層膜の総数を増加させる必要があり、設計値から膜厚や屈折率を正確に製造して所望の波長分布を持つフィルタを製作することが難しくなる。又フィルタの膜厚分布方向の長さを長くすることによって必要なフィルタ移動方向の精度を緩和することができるが、この場合にはフィルタを大きくする必要があるため、高精度な成膜装置を用いる必要があるという欠点があった。又特許文献２においては、波長帯域幅を可変することができるが、波長自体を可変することが難しいという欠点があった。更に特許文献３においては、ミラーや遮光体を光の分布方向に移動させることによって波長を選択するようにしているが、ミラーや遮光体を特定の方向に移動させて波長を変化させ、更にこれに垂直方向に移動させてその帯域幅を変化させる必要があり、１つの可動部を２方向に正確に移動させることが難しく、可動機構が複雑になるという欠点があった。

本発明はこのような従来の欠点に鑑みてなされたものであって、移動素子の移動方向を１軸に留めることによって波長の可変を変化させると共に、その帯域を変化させる光可変フィルタを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の光可変フィルタは、入射光をその光の波長毎に空間的に分散させて出射する透過型回折格子と、前記透過型回折格子からの光を受光して再び前記透過型回折格子に向けて反射する第１の反射部と、前記透過型回折格子によって分散させた光を含む面に垂直な軸に沿って前記第１の反射部を回動させることにより、前記透過型回折格子によって分散された光の反射角度を変化させる回転駆動部と、前記透過型回折格子で分散され前記第１の反射部で反射され、前記透過型回折格子で再び分散された波長毎に光軸が異なる光を、互いに平行で同一平面上に焦点を結ぶように配置された集光手段と、前記集光手段からの帯状の光が焦点を結ぶ位置に、前記帯状の光に垂直に移動自在に設けられ、前記帯状の光を反射する範囲が前記光の帯状の長手方向に対して垂直方向に連続的に変化する反射領域を有する第２の反射部と、前記第２の反射部を、前記帯状の光の分布方向に対して垂直な方向に駆動する直線駆動部と、を具備するものである。

ここで前記第２の反射部は、入射する帯状の光がその反射領域に垂直に入射するように配置されたものであり、前記透過型回折格子に入射する入射光と前記透過型回折格子から得られる出射光とを分離するサーキュレータを更に有するようにしてもよい。

以上詳細に説明したように本発明の光可変フィルタによれば、選択する光の波長と帯域幅とを独立して変化させることができる。これにより正確に波長自体、及び波長の帯域幅を変化させることができる。又請求項４の発明によれば、回折格子で光を再度分散させているため分散角度を大きくすることができ、波長分解能を高めることができる。

（第１の実施の形態）
図１Ａは本発明の第１の実施の形態による光可変フィルタの構成を示すＺ軸方向から見た側面図、図１Ｂはこの実施の形態のＸ軸方向から見た側面図、図２はその斜視図である。光ファイバ１１からの出力はサーキュレータ１２を介して光ファイバ１３に与えられる。サーキュレータ１２は光ファイバ１１の出力を光ファイバ１３に、光ファイバ１３からサーキュレータ１２に加わる光を光ファイバ１４に出力するものである。さて光ファイバ１３の端部にはコリメートレンズ１５が設けられる。コリメートレンズ１５は入射光を一定の径を有する平行光とするものであって、その光は透過型回折格子１６に入射される。透過型回折格子１６はその表面に所定のピッチで等間隔の格子が形成されており、入射光をその波長に応じて空間的に分散させ、異なった角度に透過するものである。透過型回折格子１６の図１Ａの下方には第１の反射部１７が設けられる。反射部１７はＺ軸に平行な軸を中心として矢印方向に回動自在に保持されたミラーであり、回折格子１６を透過した光を反射し、再び回折格子１６に向かって出射するものである。回転駆動部１８は反射部１７を回動させるものである。又この回折格子１６の側方にはレンズ１９及び第２の反射部２０が設けられる。レンズ１９は回折格子１６から出射した波長毎に光軸が異なる光を、互いに平行で同一平面上に焦点を結ばせる集光手段である。反射部２０は直線駆動部２１によってレンズ１９からの互いに平行な光に垂直な方向に移動自在に保持されている。

次にこの反射部２０について説明する。図３は反射部２０とその直線駆動部２１を示す正面図である。本図に示すように反射部２０は長方形状のベース上に二等辺三角形状の反射領域２０ａが設けられたものであり、この反射領域２０ａ以外の部分は光を透過、又は吸収するものとする。そして反射部２０自体は直線駆動部２１によってＺ軸方向に駆動されるものとする。

次にこの実施の形態の動作について説明する。入射光は波長λ１から波長λ３までの波長多重（ＷＤＭ）光とし、その中間の波長をλ２とする。この光は光ファイバ１１を介してサーキュレータ１２に導かれ、サーキュレータ１２を通って光ファイバ１３に入射する。光ファイバ１３から出射する光はコリメートレンズ１５によって一定の径のコリメート光に変換され、透過型回折格子１６に加わる。透過型回折格子１６では入射光が光の波長に応じて図２及び図４Ａに示すように異なった方向に分散し、その光が第１の反射部１７に加わる。そして反射部１７で反射して再び回折格子１６に入射し、波長の分散範囲が拡大されてレンズ１９に加わる。波長に応じて分散された光は波長毎に光軸が異なっているが、これらの光はレンズ１９によって互いに平行に帯状の光となって第２の反射部２０に加わる。図５Ａに示すようにこの帯状の光２２のうちの一部の光のみが反射部２０の反射領域２０ａに加わる。ここでは波長λ２を中心とする波長の光が反射領域２０ａに入射するものとする。この光が反射されて、同一の経路を通過してレンズ１９、透過型回折格子１６、反射部１７を介して再び光ファイバ１３に加わる。そしてサーキュレータ１２によってこの光が光ファイバ１４側に出射されることとなる。こうして図６に曲線Ａで示すように、波長λ２を中心とする波長の光のみを選択する透過特性が得られることとなる。このように回折格子１６を２回通過させることによって光の分散角を２倍とすることができるため、レンズ１９を通過する帯状の光の幅を広げることができ、光可変フィルタの波長分解能を向上させることができる。

ここで光の選択波長を変化させる場合には、第１の反射部１７を回転駆動部１８によって回動させる。例えば図４Ｂに示すようにＣＷ方向に回動すると、光の分散する方向が上向きに変化する。そうすれば図４Ｂに示すように反射部１７に垂直に入射する波長λ１を含む光のみがＹ軸に平行となる。この光が反射部２０の反射領域２０ａに入射し、図５Ｂに示すように帯状の光２２のうち波長λ１を含む光が反射される。従って図６に曲線Ｂで示すように、λ１を含む波長を選択することができる。

次に図４Ｃに示すように反射部１７をＣＣＷ方向に回動すると、光の分散する方向が下向きに変化する。そうすれば図４Ｃに示すように反射部１７に垂直に入射する波長λ３を含む光のみがＹ軸に平行となる。この光が反射部２０の反射領域２０ａに入射し、図５Ｃに示すように帯状の光２２のうち波長λ３を含む光が反射される。従って図６に曲線Ｃで示すように、λ３を含む波長を選択することができる。

次にこの光可変フィルタの波長選択特性について説明する。誘電体多層膜フィルタの場合には、２キャビティを用いた高精度の多層膜フィルタであっても、図７に破線で示すように選択波長の左右にスカート部が生じる。これに対して本発明の実施の形態では反射部２０の反射領域２０ａでの反射によって波長を選択しているため、図７の実線に示すように鋭い波長選択特性が得られる。従って図７に示すように入射光が例えばλａからλｂのように波長がわずかに変化すると、ガウス分布特性を持つ誘電体多層膜フィルタでは出力レベルが変動するが、本実施の形態の場合には三角形状の反射領域が他の部分と明確に区分されているため、反射入射に入っている限り出力レベルが変動することはない。

さて選択する波長の帯域幅を広くする場合には、反射部２０を直線駆動部２１によって＋Ｚ軸方向に移動させる。そうすれば図８Ａに示すように反射領域２０ａの中央に入射していた帯状の光２２は、図８Ｂに示すように反射領域２０ａの帯の広い部分に入射することとなる。こうすれば図９に波長の選択特性を示すように、実線Ａの状態から一点鎖線Ｄに示すように帯状の光２２の光が反射される部分が多くなる。この反射光が同一の経路を通り、回折格子１６、サーキュレータ１２を介して光ファイバ１４に戻る。こうして選択波長の帯域幅を広くすることができる。

次に選択する波長の帯域幅を狭くする場合には、反射部２０を直線駆動部２１によって−Ｚ軸方向に移動させる。そうすれば図８Ａに示すように反射領域２０ａの中央に入射していた帯状の光２２は、図８Ｃに示すように反射領域２０ａの帯の狭い部分に入射することとなる。こうすれば図９に波長の選択特性を示すように、実線Ａの状態から破線Ｅに示すように帯状の光２２の光が反射される部分が少なくなる。この反射光が同一の経路を通り、回折格子１６、サーキュレータ１２を介して光ファイバ１４に戻る。こうして選択波長の帯域幅を狭くすることができる。このような波長の選択幅はいずれの波長においても同様に変化させることができる。

このように本実施の形態では波長の選択と波長の帯域幅とを２つの駆動部によって独立して変化させることができる。従って複雑な駆動機構を必要とせず、正確に任意の波長と帯域幅とを選択することができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について図１０Ａ，図１０Ｂを用いて説明する。これらの図において光ファイバ３１は入射光が伝送される入射用の光ファイバであって、コリメートレンズ３２に接続される。コリメートレンズ３２は平行なコリメート光を透過型回折格子１６に出力するものである。又出力用の光ファイバ３３と出力用のコリメートレンズ３４がコリメートレンズ３２、光ファイバ３１に平行に配置されている。その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であり、第１，第２の反射部１７，２０、回転駆動部１８、直線駆動部２１が設けられている。

第２の実施の形態では、図１０Ｂに示すように透過型回折格子１６とレンズ１９との位置が異なっており、透過型回折格子１６からレンズ１９に加わる帯状の光はレンズ１９の中心軸からＺ軸方向にずれた位置に入射される。反射部２０の位置で帯状の光がレンズ１９の中心軸を含むＸＺ平面に入射する。そして反射領域２０ａで反射された光はレンズ１９上で−Ｚ方向にずれた位置に入射し、透過型回折格子１６に更に入射される。そして反射部１７を介して再び透過型回折格子１６を通過し、コリメートレンズ３４を介して光ファイバ３３より出射する。この場合にも回折格子４１を回動させることによって波長を選択することができ、反射部２０を±Ｚ軸方向に移動させることによって帯域幅を変化させることができる。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について図１１の斜視図を用いて説明する。この実施の形態では反射型回折格子４１を用いたものであり、又第３の反射部１７と回転駆動部１８を除いている。又反射型回折格子４１をＺ軸に沿って回動させるための回転駆動部４２を設ける。その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様である。この場合にも入力用の光ファイバ１１からの光をサーキュレータ１２，光ファイバ１３を介してコリメートレンズ１５に導き、コリメート光を反射型回折格子４１に入射する。回折格子４１は入射光を波長毎に異なった角度にして反射し、反射光をレンズ１９に導く。レンズ１９を透過した帯状の光は第１の実施の形態と同様に反射部２０に入射する。反射部２０のうちの反射領域２０ａで反射した光のみが同一の経路を通過してサーキュレータ１２より出射用の光ファイバ１４に戻る。

この場合にも回折格子４１を回動させることによって波長を選択することができ、反射部２０をＺ軸方向に移動させることによって帯域幅を変化させることができる。この場合、回折格子を透過型としてもよく、前述した第２の実施の形態のように、反射部２０からレンズ１９への入出射光とレンズ１９から反射部２０に戻る光の光軸をわずかにずらせることによって、入出射光を分離してサーキュレータを除くようにしてもよい。

（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態について図１２を用いて説明する。この実施の形態では第３の実施の形態と同一部分は同一符号を付している。この実施の形態では反射型回折格子４１を固定とし、その回折光を第１の反射部４３に導く。そして反射部４３は駆動部４４によって回動自在に保持されたミラーであり、反射部４３の反射光をレンズ１９に導くようにしたものである。その他の構成は前述した第３の実施の形態と同様である。この実施の形態では反射部４３を介してレンズ１９に分散した光を導くようにしているため、回転機構を容易にすることができる。又前述した第２の実施の形態のように、反射部４３からレンズ１９への入出射光とレンズ１９から反射部４３に戻る光の光軸をわずかにずらせることによって、入出射光を分離してサーキュレータを除くようにしてもよい。

（第５の実施の形態）
次に本発明の第５の実施の形態について説明する。この実施の形態では、コリメートレンズやサーキュレータを用いることなく入出射光を分離するようにしたものである。図１３において入射用の光ファイバ３１と出射用の光ファイバ３３の端部に第１のレンズ５１が設けられる。レンズ５１の光軸上には、より径の大きい第２のレンズ５２が配置されており、更にその光軸から傾けて透過型回折格子５３、第１の反射部５４が設けられる。回転駆動部５５は反射部５４を回動させ、反射角度を変化させるものである。そしてこのレンズ５１，５２の間に光軸から少し傾けた位置に第２の反射部５６を設ける。この第２の反射部５６の反射領域の形状は前述した図３と同様である。直線駆動部５７は反射部５６を図示のように矢印方向に移動させるものである。

この実施の形態では、光ファイバ３１からの入射光はレンズ５１を介してレンズ５２に入射し、更に回折格子５３及び第１の反射部５４に入射する。回折格子５３によって分散された光は反射部５４で反射され、再び回折格子５３を透過する。そして回折格子５３を透過した光はレンズ５２を通過して反射部５６に導かれる。そして反射部５６の反射領域で選択された光のみが再びレンズ５２を介して回折格子５３に入射し、更に反射部５４で反射されてレンズ５１，５２を通過して出射用の光ファイバ３３に戻る。この場合にも反射部５４を回動させることによって波長を選択することができ、反射部２０をＺ軸方向に移動させることによって帯域幅を変化させることができる。

この実施の形態では第１のレンズ５１の焦点をｆ１、第２のレンズ５２の焦点をｆ２とすると、その比によってビームを拡大することができる。例えばｆ１が７．５ｍｍ、ｆ２が３０ｍｍとすると、ビーム拡大率は４倍となる。そして２つのレンズの焦点距離の組み合わせでビーム径を自在に拡大し、これによってフィルタの波長分解能を向上させることができる。又サーキュレータやコリメートレンズが不要となり、構造が簡略化される。

尚ここで説明した各実施の形態では、波長分割多重通信された光通信ネットワークにおいて用いられる光可変フィルタについて説明しているが、本発明による光可変フィルタはＷＤＭシステムに限らず、光計測機器や波長可変レーザについても適用することができる。

第１，第２，第４，第５の実施の形態において、第１の反射部を回転させるようにしているが、第３の実施の形態のように回折格子自体を回動させて波長を変化させるようにしてもよい。

第１，第２，第５の実施の形態では透過型回折格子を用いているが、透過型回折格子を透過した光をそのままレンズ１９及び第２の反射部に導いて光を選択するようにしてもよい。この場合にも第２の実施の形態のように光軸をずらせることによって入出射光を分離するようにすることができる。又この場合には透過型回折格子自体を回転させて波長を変化させることが必要となる。

又コリメートレンズは焦点距離の長いレンズを使うことによってフィルタの波長分解能を向上させることができ、又プリズムによってもビーム径を拡大してフィルタの波長分解能を向上させることができる。

上述した各実施の形態及びその変形例ではいずれも一例であり、本発明は請求項に記載の構成によって回折格子を用いて波長を選択すると共に、第２の反射部によって反射領域を変化させることで選択幅を変化させることができる種々の構成に本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施の形態による光可変フィルタのＺ軸方向からの側面図である。本実施の形態による光可変フィルタのＸ軸方向からの側面図である。本実施の形態による光可変フィルタの斜視図である。本実施の形態による反射部とその駆動部を示す正面図である。本実施の形態による光可変フィルタの回折格子と反射部を示す概略図である。本実施の形態による光可変フィルタの回折格子と反射部を示す概略図である。本実施の形態による光可変フィルタの回折格子と反射部を示す概略図である。この実施の形態による光可変フィルタの光ビームと反射領域との関係を示す図である。この実施の形態による光可変フィルタの光ビームと反射領域との関係を示す図である。この実施の形態による光可変フィルタの光ビームと反射領域との関係を示す図である。本実施の形態による波長選択特性の関係を示す図である。本実施の形態の光可変フィルタと従来の誘電体多層膜フィルタの波長選択特性を示す図である。本実施の形態による光可変フィルタの帯域幅変化の状態を示す概略図である。本実施の形態による光可変フィルタの帯域幅変化の状態を示す概略図である。本実施の形態による光可変フィルタの帯域幅変化の状態を示す概略図である。本実施の形態による光可変フィルタの帯域帯変化の特性を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態による光可変フィルタのＺ軸方向からの側面図である。本発明の第２の実施の形態による光可変フィルタのＸ軸方向からの側面図である。本発明の第３の実施の形態による光可変フィルタを示す斜視図である。本発明の第４の実施の形態による光可変フィルタを示す斜視図である。本発明の第５の実施の形態による光可変フィルタを示す斜視図である。

符号の説明

１１，１３，１４，３１，３３光ファイバ
１２，３２，３４サーキュレータ
１５コリメートレンズ
１６，５３透過型回折格子
１９，５１，５２レンズ
１７，４３，５４第１の反射部
１８，４２，４４回転駆動部
２０，５６第２の反射部
２０ａ反射領域
２１，５７直線駆動部
４１反射型回折格子

Claims

入射光をその光の波長毎に空間的に分散させて出射する透過型回折格子と、
前記透過型回折格子からの光を受光して再び前記透過型回折格子に向けて反射する第１の反射部と、
前記透過型回折格子によって分散させた光を含む面に垂直な軸に沿って前記第１の反射部を回動させることにより、前記透過型回折格子によって分散された光の反射角度を変化させる回転駆動部と、
前記透過型回折格子で分散され前記第１の反射部で反射され、前記透過型回折格子で再び分散された波長毎に光軸が異なる光を、互いに平行で同一平面上に焦点を結ぶように配置された集光手段と、
前記集光手段からの帯状の光が焦点を結ぶ位置に、前記帯状の光に垂直に移動自在に設けられ、前記帯状の光を反射する範囲が前記光の帯状の長手方向に対して垂直方向に連続的に変化する反射領域を有する第２の反射部と、
前記第２の反射部を、前記帯状の光の分布方向に対して垂直な方向に駆動する直線駆動部と、を具備する光可変フィルタ。
前記第２の反射部は、入射する帯状の光がその反射領域に垂直に入射するように配置されたものであり、
前記透過型回折格子に入射する入射光と前記透過型回折格子から得られる出射光とを分離するサーキュレータを更に有する請求項１記載の光可変フィルタ。