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JP4002091B2 - Wavelength multiplexing / demultiplexing device - Google Patents
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JP4002091B2 - Wavelength multiplexing / demultiplexing device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長合分波素子に関し、更に詳しくは、光通信分野や光計測分野で用いられる波長合分波素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ファイバを用いた光通信システムにおいては、情報量の増大に伴い、単一波長を用いた伝送では使用者側の要求に応じることが困難になっている。そのため、互いに波長が異なる複数の強度変調光を合波して波長多重光とし、その波長多重光を1本の光ファイバで伝送することにより伝送容量を増加させる波長多重伝送が開発され、既に実施されている。
【0003】
このような伝送システムにおいては、1本の光ファイバでより多くの信号を伝送することを目的として、信号が載っている波長の間隔を狭くすることにより伝送の高密度化を実現する試みがなされている。
従来、このような伝送システムでは、図10で示したように、例えば波長λ1の光は透過し、波長λ2の光は反射する多層膜フィルタを用いることにより、波長λ1と波長λ2の光を合波する方法が知られている。
【0004】
しかしながら、この方法の場合、信号伝送に用いる波長の間隔が狭くなるにつれて多層膜フィルタの反射帯域幅も狭くすることが必要になるが、帯域幅が狭くなればなるほどそのような狭帯域の多層膜フィルタを高い歩留まりで作成することは困難であるという問題がある。
このような問題を解決するための方法としては、図11で示したような光合分波素子を使用する方法がある。
【0005】
この光合分波素子は、例えば後述する構成要素で組み立てられており、1つの入射ポートP0と2つの出射ポートP1,P2を備えている。
この光合分波素子では、λ1,λ2,λ3,λ4,…λn-1,λnの波長を波長多重化して成る信号が入射ポートP0から入射されると、一方の出射ポートP1からは波長λ1,λ3,…λn-1の信号が出射し、他方の出射ポートP2からは波長λ2,λ4,…λnの信号が出射する。また上記入射ポートと出射ポートを逆にして、λ1,λ3,…λn-1の波長が波長多重化されている信号を一方の出射ポートP1から入射し、λ2,λ4,…λnの波長が波長多重化された信号を他方の出射ポートP2から入射することにより、両信号が合成され、λ1,λ2,λ3,λ4,…λn-1,λnの波長が波長多重化された信号を入射ポートP0から得ることができる。
【0006】
この波長合分波素子は、後述する1枚の複屈折結晶板と例えば偏光ビームスプリッタのような2個の偏光分離・合成手段と2個のプリズムの各要素で構成されていて、これら要素の配置の1例は図12で示したとおりである。すなわち、1枚の複屈折結晶板3が中央に配置され、その入射ポートP0側に第1の偏光分離・合成手段1Aと第1の全反射ミラー20Aが配置されている。そして、出射ポートP1,P2側には、前記第1の偏光分離・合成手段1Aおよび第1のミラー20Aと点対称の位置に、第2の偏光分離・合成手段1Bと第2の全反射ミラー20Bのそれぞれが配置されている。
【0007】
この波長合分波素子では、λ1,λ2,λ3,λ4,…λn-1,λnの波長が多重化された信号(入射光)を入射ポートP0から入射すると、その入射光は、まず、第1の偏光分離・合成手段1Aで互いに直交する偏光状態にある偏光(1)と偏光(2)に分離される。
それぞれの偏光は複屈折結晶板3に入射してその複屈折結晶内を伝搬していくが、そのときに、それぞれの偏光は複屈折結晶の常光線と異常光線に分離される。そして、複屈折結晶板3から出射したそれぞれの偏光は第2の偏光分離・合成手段1Bで合成される。
【0008】
その場合、λ1,λ3,…λn-1の波長の波長多重光に関しては、第2の偏光分離・合成手段1Bで合成されたのちは出射ポートP1から出射し、またλ2,λ4,…λnの波長の波長多重光に関しては出射ポートP2から出射することが必要になる。
そのための必要条件は次のようになる。
【0009】
まず、波長λ1,λ3…λn-1の波長多重光の場合、図13で示したように、複屈折結晶板3から出射して第2の偏光分離・合成手段1Bに入射する偏光(1)の偏光面と、第2のミラー20Bで反射して第2の偏光分離・合成手段1Bに入射する偏光(2)の偏光面とが互いに直交することである。そしてそのためには、第1の偏光分離・合成手段1Aで互いに直交する偏光状態に分離された偏光(1)と偏光(2)の偏光状態が、いずれも、複屈折結晶板3への入射前と出射後にあっても、変わらないことである。
【0010】
また、波長λ2,λ4,…λnの波長多重光の場合は、図14で示したように、第1の偏光分離・合成手段1Aで分離された偏光(3)が複屈折結晶板3を透過する前後でその偏光面を90°回転した状態になり、また偏光(4)の偏光面も複屈折結晶板を透過する過程で90°回転した状態になることである。
ところで、光が複屈折結晶内を伝搬する際には常光線と異常光線に分離されて進み、複屈折結晶から出射する際には、元の位相(入射前の位相)とは異なる位相で出射する。すなわち、複屈折結晶への入射光の偏光状態とそこからの出射光の偏光状態は異なることになる。
【0011】
上記した波長合分波素子は、入射光の波長が異なると、複屈折結晶内における常光線と異常光線との間の位相差が異なることを利用して合分波機能を発揮している。そして、上記した位相差は、複屈折結晶の常光線屈折率、複屈折結晶の異常光線屈折率、および複屈折結晶の厚みに依存する。
以上の点を踏まえて、波長λ1,λ3,…λn-1の波長多重光と、波長λ2,λ4,…λnの波長多重光のそれぞれが、図13と図14で示した偏光状態となるように、複屈折結晶板3の種類と厚みが選択される。
【0012】
その結果、波長λ1,λ3,…λn-1の波長多重は出射ポートP1から出射し、波長λ2,λ4,…λnの波長多重光は出射ポートP2から出射する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の波長合分波素子には次のような問題がある。すなわち、その使用環境の温度が変動すると、組み込まれている複屈折結晶の屈折率と厚みも変動することがあり、そのことにより、常光線と異常光線の位相差も変化することである。このような事態が生ずると、波長合分波素子からの出射波形のプロファイルが変動する。
【0014】
例えば、ルチル(TiO2)から成る複屈折結晶を用いて組み立てた波長合分波素子の場合、その波長特性は、図15で示したように、温度依存性を備えていて、出射ポートP1,P2から出射する光の波長が温度によって変動している。
本発明は、複屈折結晶板が組み込まれている従来の波長合分波素子における上記した問題を解決し、環境温度が変化しても出射する光の波長変動を起こすことのない新規な構造の波長合分波素子の提供を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、入射光を、互いに直交する偏光状態にある偏光に分離する第1の偏光分離・合成手段と、前記偏光が入射する、2種類の複屈折結晶を積層して成る複屈折結晶板と、前記複屈折結晶板からの出射光を合成する第2の偏光分離・合成手段とがこの順序で光路に配置されている波長合分波素子であって、
前記複屈折結晶板における一方の複屈折結晶(a)の厚み(La)と、他方の複屈折結晶(b)の厚み(Lb)との比(γ)は、次式:
【0016】
【数2】
.....(1)
.....(2)
【0017】
(但し、αa、nao、nae、naTo、naTeは、それぞれ、複屈折結晶(a)における、線膨張係数、常光線屈折率、異常光線屈折率、常光線屈折率の温度依存係数、異常光線屈折率の温度依存係数を表し、また、αb、nbo、nbe、nbTo、nbTeは、それぞれ、複屈折結晶(b)における、線膨張係数、常光線屈折率、異常光線屈折率、常光線屈折率の温度依存係数、異常光線屈折率の温度依存係数を表す)
で示される値になっていることを特徴とする波長合分波素子が提供される。
【0018】
具体的には、前記2種類の複屈折結晶の結晶軸は、いずれも、各複屈折結晶の入射面と平行配置され、かつ、前記入射偏光の偏光状態に対して45°傾いて配置されていて、前記δ式の値が正の場合には、前記2種類の複屈折結晶における常光線の軸と異常光線の軸はいずれも互いに平行配置され、また前記δ式の値が負の場合には、前記2種類の複屈折結晶における常光線の軸線と異常光線の軸はいずれも互いに直交配置されている波長合分波素子が提供される。
【0019】
その場合、前記第1および第2の偏光分離・合成手段が、いずれも偏光ビームスプリッタであるか、前記第1および第2の偏光分離・合成手段は、対向する互いに平行な2つの全反射面と、対向する互いに平行な2つの入出射面と、前記全反射面と平行な1つの偏光分離・合成部とを備えているか、または、前記第1の偏光分離・合成手段が複屈折結晶から成り、前記第2の偏光分離・合成手段が、複屈折結晶とドブプリズムと複屈折結晶とをこの順序で配列して成る偏光分離・合成手段である。次に上記数式が導き出される過程を説明する。
光が複屈折結晶を通過する際に受ける常光線と異常光線の位相差は、周囲の環境温度が変化するため、結晶が持つ線膨張係数と屈折率の温度依存係数により変化する。通常 1 種類の結晶のみによって温度依存性をなくすことは困難であるが、材質の異なる2つの結晶を一定の厚みの比で組み合わせることによって互いの温度特性を相殺することができる。
まず、2つの複屈折結晶a、bの常光線の軸と異常光線の軸が互いに平行に配置されている場合を想定する。
この際、光が複屈折結晶aを通過する際に生じる位相差Δaは (x軸方向−y軸方向とする)。
【数3】
―――――(1)
である。ここでλは光の波長、Tは温度、T c は常温である。
同様に光が複屈折結晶bを通過する際に生じる位相差Δbは (同様にx軸方向−y軸方向とする)。
【数4】
―――――(2) となる。
光が複屈折結晶a,bを通過する際には位相差Δab=Δa+Δbとなるので
【数5】
―――(3) を得る。
温度が変化した際に特性が変化しないためには、温度変動時に位相差Δabが変化しない
必要がある。すなわち
【数6】
−(4)
であることが望まれる。
式(3)を微分すると
【数7】
―――(5)
となり、式(5)が0であるためには
【数8】
―――(6)
であることが必要であるため
【数9】
−(7)
となるが、光学結晶における屈折率の温度依存係数、及び線膨張係数は共に 10 -5 から 10 -6 程度の小さな値であるため、これら二つの値の積による項は他の項に比べて無視できる。
よって、温度無依存化のための条件として
【数10】
−(7)
が得られる。式(7)は2つの複屈折結晶a,bの常光線の軸、及び異常光線の軸が平行に配置されている場合であるが、選択する2つの結晶によっては必ずしもこのような配置で温度無依存化が行えるわけではない。式(7)の結果が負になる場合があるためである。
この際には2つの複屈折結晶a,bの常光線の軸、及び異常光線の軸を互いに垂直になるような設定にする。このような配置に変更した際には式(2)のΔbの符号が逆転するため、最終的には
【数11】
−(8)
を得る。
いずれの場合においても、温度無依存化を行うための二つの結晶の長さの比は
【数12】
−(9)
とすれば
【数13】
−(10)
として表すことができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の波長合分波素子の1例Aに関する構成要素とそれらの配置関係を図1に示す。
この波長合分波Aは、複屈折結晶板3として後述する2種類の複屈折結晶a,bを互いに平行配置したものを用い、またミラー20A,20Bの代わりにプリズム2A,2Bを用いていることを除いては、図12で説明した従来の波長合分波素子とその構造は同じになっている。
【0021】
この波長合分波素子Aの入射ポートP1から入射した光は、例えば偏光ビームスプリッタである第1の偏光分離・合成手段1Aで、互いに直交する偏光状態に分離される。
一方の偏光は、第1のプリズム2Aで全反射したのち、複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)とから成る複屈折結晶板3に入射し、例えば偏光ビームスプリッタである第2の偏光分離・合成手段1Bに至る光路L1を通る。
【0022】
他方の偏光は、まず上記した複屈折結晶板3を通過し、第2のプリズム2Bで全反射したのち上記した第2の偏光分離・合成手段1Bに至る光路L2を通る。
そして、2つの偏光は第2の偏光分離・合成手段1Bで合成され、波長λ1,λ3,…λn-1の波長多重光は出射ポートP1から出射し、波長λ2,λ4,…λnの波長多重光は出射ポートP2から出射する。
【0023】
この波長合分波素子Aにおける最大の特徴は、複屈折結晶板3が2つの複屈折結晶(a),(b)で構成されていて、かつ、両者の間では(1)式と(2)式が成立するように設計されていることである。
すなわち、複屈折結晶を2つ用いることにより、温度変動に伴って例えば一方の複屈折結晶の屈折率と厚みが変化した場合でも、それを他方の複屈折結晶の変化で補償することにより、両者を通過したのち常光線と異常光線との間の位相差の変動を抑制するという設計思想に立脚している。そして、そのための条件が(1)式、(2)式となっている。
【0024】
ここで、(2)式の分数式は、用いる複屈折結晶(a),(b)の種類と組み合わせにより、正負いずれかの値として計算される。
その場合、上記計算値が正の値であるときは、図2で示したように、複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)におけるそれぞれの常光線屈折率nao、nboの軸、および異常光線屈折率nae、nbeの軸が同一方向を向くように複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)を平行配置する。
【0025】
また、上記計算値が負の値であるときは、図3で示したように、複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)におけるそれぞれの常光線屈折率nao、nboの軸、および異常光線屈折率nae、nbeの軸が互いに直交するように、複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)を平行配置する。
本発明で用いられる複屈折結晶としては、例えば、YVO4,LiNbO3,α−BaB24,ルチル(TiO2),水晶(SiO2),方解石(CaCO3)などをあげることができる。
【0026】
これらの材料のいずれか2種類を複屈折結晶(a),(b)として選定し、それらの物性値に基づいて上記分数式の値を計算し、その正負いずれかの値に応じて上記した配置を実現する。そのとき、一方の複屈折結晶の厚みをある値(La)に設定したとすれば、他方の複屈折結晶の厚み(Lb)は、(1)式に基づき、次式:
Lb=γ・La …(3)
に設定すればよい。
【0027】
このようにすることにより、組み立てられる波長合分波素子は、温度依存性が抑制された透過率特性を示すことになる。
なお、複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)の平行配置に関しては、それぞれの入射面と出射面がいずれも平行な面となり、しかも、それぞれの複屈折結晶の結晶軸はいずれも入・出射面上に配置され、かつ、入射する偏光に対して45°傾いた状態で配置されていることが好ましい。このような配置態様を採ることにより、波長合分波素子の構成に適した各ポートの透過波長において、透過率を最大にすることができるからである。
【0028】
また、第1および第2の偏光分離・合成手段、第1および第2のプリズム、2種類の複屈折結晶の表面のうち、少なくとも光が通過する領域に反射防止膜を形成しておくと、光が通過するときの界面における光反射に基づく光エネルギーの損失を極小化できるので好適である。
次に、本発明の波長合分波素子の別の例Bを図4に示す。
【0029】
この波長合分波素子Bでは、2種類の複屈折結晶(a),(b)で複屈折結晶板3が構成されていることは前記した波長合分波素子Aと変わらないが、第1の偏光分離・合成手段1Aと第2の偏光分離・合成手段1Bそれ自体がプリズム機能も備えた構造になっている。
すなわち、第1の偏光分離・合成手段1Aは、互いに平行する全反射面1a1,1a2と、同じく互いに平行する入射面1a3と出射面1a4とを備え、かつ、前記全反射面1a1,1a2と平行に配置された、例えば誘電体多層膜を配置して成る偏光分離・合成手段1a5を備えていて、いわば、変形型の偏光ビームスプリッタになっている。
【0030】
また、第2の偏光分離・合成手段1Bも第1の偏光分離・合成手段1Aと同様の構造になっている。
これらの偏光分離・合成手段は、例えば次のようにして作製することができる。それを図5に基づいて説明する。
まず、透明な基板11を用意する(図5(a))。そして、この透明基板11の片面に誘電体多層膜12を例えば蒸着法で成膜する(図5(b))。ついで、図5(c)で示したように、その誘電体多層膜12の上に同じ透明基板11を貼着して積層体13にする。
【0031】
ついで、図5(d)で示したように、この積層体13を厚み方向に切断して偏光分離・合成手段の前駆体14を切り出す。このとき、前駆体14の各切断面は互いに平行となるように切断される。
ついで、この前駆体14の切断面を研磨したのち(図5(e))、その研磨面に反射防止膜を成膜して偏光分離・合成手段にする。
【0032】
図4で示した波長合分波素子Bの場合、入射ポートP0からの波長多重光は、入射面1a3から第1の偏光分離・合成手段1Aに入射し、偏光分離・合成部1a5で互いに直交する偏光状態の偏光に分離される。
一方の偏光は、全反射面1a2で全反射したのち出射面1a4から出射して複屈折結晶(a),(b)を順次通過して、入射面1b3から第2の偏光分離・合成手段1Bに入射し、偏光分離・合成部1b5に至る。
【0033】
他方の偏光は、第1の偏光分離・合成手段1Aの出射面1a4から出射し、複屈折結晶(a),(b)を順次通過したのち、入射面1b3から第2の偏光分離・合成手段1Bに入射する。そして、反射面1b1で全反射して偏光分離・合成部1b5に至る。
偏光分離・合成部1b5で合成された両偏光のうち、ある波長群の波長多重光は全反射面1b2で全反射したのち出射面1b4を通過して出射ポートP1から出射し、他方の波長群の波長多重光は出射面1b4を通過して出射ポートP2から出射する。
【0034】
この波長合分波素子Bは、例えば反射プリズムのような光学部品を省略可能な構造であるため、低コストの光合分波モジュールの作製にとって有用である。
次に、本発明の波長合分波素子の更に別の例Cを図6と図7に示す。ここで、図6は波長合分波素子Cの構成を示す平面図であり、図7は側面図である。また、図8は、図6または図7で示した位置d1〜d6における通過光の偏光状態を示す模式図である。
【0035】
この波長合分波素子Cは、第1の偏光分離・合成手段1Aが複屈折結晶c1で構成されており、第2の偏光分離・合成手段1Bが複屈折結晶c2とドブプリズム4と複屈折結晶c3をこの順序で配列して構成されている。そして、第1の偏光分離・合成手段1Aと第2の偏光分離・合成手段1Bの間に配置されている複屈折結晶(a),(b)は式(1)と式(2)の関係を満たしている。
【0036】
この波長合分波素子Cの場合、入射ポートP0から複屈折結晶c1に入射し、図8の位置d1で示した偏光状態にある波長多重光は、常光線と異常光線に分離される。その伝搬方向は図6で示したとおりであり、それぞれの偏光状態は図8の位置d2で示したとおりである。
これらの常光線と異常光線のそれぞれは本発明に係る複屈折結晶板3を通過し、出射時には、その偏光状態が図8の位置d3で示したように変化する。
【0037】
これらの偏光は、第2の偏光分離・合成手段1Bにおける複屈折結晶c2に入射して、図8の位置d4で示したような偏光状態にある常光線と異常光線に再び分離される。
そして、ドブプリズム4で2つの常光線のみが、図6で示したように、入れ替えられて複屈折結晶c3に入射し、異常光線は図7で示したように複屈折結晶c2から直接複屈折結晶c3に入射する。したがって、これらの光の偏光状態は、図8の位置d5で示したように、位置d4における偏光状態と同じである。
【0038】
そして、複屈折結晶c3で常光線と異常光線が合成され、一方は出射ポートP1から出射し、他方は出射ポートP2から出射していく。このときの偏光状態は図8の位置d6で示したとおりである。
この波長合分波素子Cの場合、波長合分波素子Aの場合と同様に、透過率特性の温度依存性は抑制されている。また、この波長合分波素子Cは、波長合分波素子Aの場合のように、光路上に、接着剤を用いて作製した偏光ビームスプリッタが配置されていないので、高出力の光パワーにも対応可能であるという利点を備えている。
【0039】
【実施例】
実施例1
複屈折結晶(a),(b)として、YVO4とLiNbO3を選定し、図1で示した波長合分波素子Aを組み立てた。
ここで、各複屈折結晶の特性値は以下のとおりである。
【0040】
YVO4:
線膨張係数(αa):4.43×10-6(1/℃)
常光線屈折率(nao): . 94473
異常光線屈折率(nae): . 14861
常光線屈折率の温度依存係数(naTo):8.5×10-6(1/℃)
異常光線屈折率の温度依存係数(naTe):3.0×10-6(1/℃)
LiNbO3:
線膨張係数(αb):14.8×10-6(1/℃)
常光線屈折率(nbo):2.1131
異常光線屈折率(nbe):2.13806
常光線屈折率の温度依存係数(nbTo):9.76×10-6(1/℃)
異常光線屈折率の温度依存係数(nbTe):3.80×10-6(1/℃)
以上の数値を式(2)に代入すると、分数式の値は正の値になる。そこで、YVO4とLiNbO3の常光線の軸を合致させて両結晶を平行配置した。
【0041】
また、YVO4の厚み(La)を14.935mmに設定した。そして、LiNbO3の厚み(Lb)は式(3)に基づいて1.912mmに設定した。
このように組み立てられた波長合分波素子Aは、各ポートの透過率最大値の周期が約100GHz間隔になっている。
環境温度を0℃、20℃、40℃、60℃と変化させた状態で、この波長合分波素子Aにつき、各温度における出射ポートP1と出射ポートP2での透過率を測定した。その結果を図9に示す。
【0042】
なお、この実施例では全反射プリズムを用いたが、それに代えて全反射ミラーを用いてもよい。
図9から明らかなように、各出射ポートからの出射波形は温度無依存であり、温度による波長シフトは全く起こらず、一定に保たれている。
【0043】
実施例2YVO4に代えてルチル(TiO2)を用いて波長合分波素子Aを組み立てた。ここで、ルチル(TiO2)の物性値は以下のとおりである。ルチル(TiO2):線膨張係数(αa):0.714×10-5(1/℃)常光線屈折率(nao):2.45319異常光線屈折率(nae):2.70930常光線屈折率の温度依存係数(naTo):4.0×10-5(1/℃)異常光線屈折率の温度依存係数(naTe):9×10-5(1/℃)であるので、この場合の(2)式の値は負の値になる。
【0044】
そこで、ルチルとLiNbO3の常光線の軸が互いに直交するように両結晶を平行配置した。また、ルチルの厚みを7.8315mmとし、LiNbO3の厚みを11.303mmとした。
この場合の波長合分波素子Aも、各出射ポートからの出射波形は温度無依存であった。
【0045】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の波長合分波素子は、2種類の複屈折結晶を用い、そして、各複屈折結晶の厚みに関しては(1)式と(2)式を満たすように設計されているので、温度の変動があっても常光線と異常光線との間の位相差の変動が抑制され、出射波形は温度無依存になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の波長合分波素子例Aの構成を示す模式図である。
【図2】δが正の値であるときの複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)の配置状態を示す斜視図である。
【図3】δが負の値であるときの複屈折結晶(a)と複屈折結晶(b)の配置状態を示す斜視図である。
【図4】本発明の波長合分波素子例Bの構成を示す模式図である。
【図5】波長合分波素子例Bに組み込む偏光分離・合成手段を作成するときの工程図である。
【図6】本発明の波長合分波素子例Cの構成を示す平面図である。
【図7】本発明の波長合分波素子例Cの構成を示す側面図である。
【図8】波長合分波素子Cにおける位置d1〜d6を通過する偏光の偏光状態を示す模式図である。
【図9】実施例1の波長合分波素子の透過率特性を示すグラフである。
【図10】従来の波長合分波素子の1例を示す概略図である。
【図11】複屈折結晶が組み込まれている従来の波長合分波素子を示す概略図である。
【図12】図11の波長合分波素子の構成を示す模式図である。
【図13】図11の波長合分波素子において、波長λ1,λ3,…λn-1の波長多重光の偏光分離と合成を示す模式図である。
【図14】図11の波長合分波素子において、波長λ2,λ4,…λnの波長多重光の偏光分離と合成を示す模式図である。
【図15】図11の波長合分波素子の透過率特性を示すグラフである。
【符号の説明】
a,b,c1,c2,c3 複屈折結晶
1A 第1の偏光分離・合成手段
1B 第2の偏光分離・合成手段
2A,2B 全反射プリズム
3 複屈折結晶板
4 ドブプリズム
1a1,1a2,1b1,1b2 全反射面
1a3,1b3 入射面
1a4,1b4 出射面
1a5,1b5 偏光分離・合成部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength multiplexing / demultiplexing element, and more particularly to a wavelength multiplexing / demultiplexing element used in the fields of optical communication and optical measurement.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in an optical communication system using an optical fiber, it is difficult to meet a user's request in transmission using a single wavelength as the amount of information increases. Therefore, wavelength multiplexing transmission has been developed, which has already been implemented, by combining a plurality of intensity-modulated lights having different wavelengths into wavelength multiplexed light, and transmitting the wavelength multiplexed light through a single optical fiber to increase transmission capacity. Has been.
[0003]
In such a transmission system, for the purpose of transmitting more signals with a single optical fiber, an attempt is made to realize higher transmission density by narrowing the interval between wavelengths on which signals are carried. ing.
Conventionally, in such a transmission system, as shown in FIG. 10, for example, by using a multilayer filter that transmits light of wavelength λ 1 and reflects light of wavelength λ 2 , wavelength λ 1 and wavelength λ 2 are used. There is known a method for combining the light beams.
[0004]
However, in the case of this method, it is necessary to reduce the reflection bandwidth of the multilayer filter as the wavelength interval used for signal transmission becomes narrower. However, the narrower the bandwidth, the more narrow the multilayer film. There is a problem that it is difficult to create a filter with a high yield.
As a method for solving such a problem, there is a method using an optical multiplexing / demultiplexing device as shown in FIG.
[0005]
This optical multiplexing / demultiplexing element is assembled with, for example, components described later, and includes one incident port P 0 and two exit ports P 1 and P 2 .
In this optical multiplexing / demultiplexing element, when a signal obtained by wavelength multiplexing wavelengths of λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... Λ n−1 , λ n is incident from the incident port P 0 , wavelength lambda 1 from the port P 1, λ 3, ... λ n-1 of the signal is emitted, from the other output port P 2 wavelengths λ 2, λ 4, ... λ n signal is emitted. In addition, the incident port and the output port are reversed, and a signal in which wavelengths of λ 1 , λ 3 ,... Λ n-1 are wavelength-multiplexed is input from one output port P 1 , and λ 2 , λ 4 , ... Λ n wavelength-multiplexed signals are incident from the other output port P 2 , so that both signals are combined and λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... Λ n−1 , λ A signal in which the wavelength of n is wavelength-multiplexed can be obtained from the incident port P 0 .
[0006]
This wavelength multiplexing / demultiplexing element is composed of a single birefringent crystal plate (to be described later), two polarization separating / combining means such as a polarizing beam splitter, and two prisms. An example of the arrangement is as shown in FIG. That is, one birefringent crystal plate 3 is arranged in the center, and the first polarization separation / combination means 1A and the first total reflection mirror 20A are arranged on the incident port P 0 side. Further, on the exit ports P 1 and P 2 side, the second polarization separation / combination means 1B and the second all-polarization means 1B and the first mirror 20A are in a point-symmetrical position with respect to the first polarization separation / combination means 1A. Each of the reflection mirrors 20B is arranged.
[0007]
In this wavelength multiplexing / demultiplexing element, when a signal (incident light) in which wavelengths of λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... Λ n−1 , λ n are multiplexed is incident from the incident port P 0 , The incident light is first separated into polarized light (1) and polarized light (2) in a polarization state orthogonal to each other by the first polarization separation / combination means 1A.
Each polarized light enters the birefringent crystal plate 3 and propagates through the birefringent crystal. At that time, each polarized light is separated into an ordinary ray and an extraordinary ray of the birefringent crystal. Then, the respective polarized lights emitted from the birefringent crystal plate 3 are synthesized by the second polarization separation / combination means 1B.
[0008]
In this case, the wavelength multiplexed light having the wavelengths λ 1 , λ 3 ,... Λ n-1 is output from the output port P 1 after being combined by the second polarization separation / combination means 1B, and λ 2 , Wavelength multiplexed light with wavelengths λ 4 ,... λ n needs to be emitted from the emission port P 2 .
The necessary conditions for this are as follows.
[0009]
First, in the case of wavelength multiplexed light of wavelengths λ 1 , λ 3 ... Λ n−1 , as shown in FIG. 13, polarized light that is emitted from the birefringent crystal plate 3 and incident on the second polarization separation / combination means 1B. The polarization plane of (1) and the polarization plane of polarized light (2) reflected by the second mirror 20B and incident on the second polarization separation / combination means 1B are orthogonal to each other. For this purpose, the polarization states of the polarized light (1) and the polarized light (2) separated into orthogonal polarization states by the first polarization separation / combination means 1A are both before incident on the birefringent crystal plate 3. Even after the light is emitted, it does not change.
[0010]
In the case of wavelength multiplexed light of wavelengths λ 2 , λ 4 ,... Λ n , the polarized light (3) separated by the first polarization separation / combination means 1A is birefringent crystal plate as shown in FIG. The polarization plane of the polarized light (4) is rotated by 90 ° before and after passing through the birefringent crystal 3 and the polarization plane of the polarized light (4) is also rotated by 90 ° in the process of passing through the birefringent crystal plate.
By the way, when light propagates in the birefringent crystal, it is separated into an ordinary ray and an extraordinary ray, and when it is emitted from the birefringent crystal, it is emitted with a phase different from the original phase (phase before incidence). To do. That is, the polarization state of the incident light to the birefringent crystal and the polarization state of the outgoing light therefrom are different.
[0011]
The wavelength multiplexing / demultiplexing element described above exhibits the multiplexing / demultiplexing function by utilizing the fact that the phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray in the birefringent crystal is different when the wavelength of the incident light is different. The above phase difference depends on the ordinary ray refractive index of the birefringent crystal, the extraordinary ray refractive index of the birefringent crystal, and the thickness of the birefringent crystal.
Based on the above points, the wavelength lambda 1, lambda 3, and ... λ n-1 of the wavelength-multiplexed light, the wavelength λ 2, λ 4, ... λ n respective wavelength multiplexed light is, shown in FIGS. 13 and 14 The type and thickness of the birefringent crystal plate 3 are selected so as to obtain a polarized state.
[0012]
As a result, the wavelength λ 1, λ 3, ... λ n-1 of the wavelength multiplexing is emitted from the emitting port P 1, the wavelength lambda 2, lambda 4, the wavelength multiplexed light ... lambda n is emitted from the emission port P 2.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional wavelength multiplexing / demultiplexing device has the following problems. That is, when the temperature of the use environment fluctuates, the refractive index and thickness of the incorporated birefringent crystal may also fluctuate, and thereby the phase difference between ordinary rays and extraordinary rays also changes. When such a situation occurs, the profile of the emission waveform from the wavelength multiplexing / demultiplexing element changes.
[0014]
For example, in the case of a wavelength multiplexing / demultiplexing element assembled using a birefringent crystal made of rutile (TiO 2 ), the wavelength characteristic has temperature dependence as shown in FIG. 15, and the output port P 1 , P 2 has a wavelength that varies with temperature.
The present invention solves the above-mentioned problems in the conventional wavelength multiplexing / demultiplexing device incorporating a birefringent crystal plate, and has a novel structure that does not cause wavelength variation of emitted light even when the environmental temperature changes. An object is to provide a wavelength multiplexing / demultiplexing device.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, a first polarization separation / combination means for separating incident light into polarized light in polarization states orthogonal to each other, and two types of birefringence on which the polarized light enters. A wavelength multiplexing / demultiplexing device in which a birefringent crystal plate formed by laminating crystals and a second polarization separation / combination means for synthesizing light emitted from the birefringent crystal plate are arranged in the optical path in this order. And
The ratio (γ) between the thickness (La) of one birefringent crystal (a) and the thickness (Lb) of the other birefringent crystal (b) in the birefringent crystal plate is expressed by the following formula:
[0016]
[Expression 2]
. . . . . (1)
. . . . . (2)
[0017]
(However, αa, na o, na e , naT o, naT e , respectively, in the birefringent crystal (a), the linear expansion coefficient, the ordinary ray refractive index, the extraordinary ray refractive index, the temperature dependence coefficient of the ordinary refractive index represents the temperature dependence coefficient of the extraordinary refractive index, also, αb, nb o, nb e , nbT o, nbT e , respectively, in the birefringent crystal (b), the linear expansion coefficient, the ordinary ray refractive index, the extraordinary ray Refractive index, temperature dependence coefficient of ordinary ray refractive index, temperature dependence coefficient of extraordinary ray refractive index)
A wavelength multiplexing / demultiplexing device characterized by having a value indicated by
[0018]
Specifically, the crystal axes of the two types of birefringent crystals are both arranged parallel to the incident surface of each birefringent crystal and are inclined by 45 ° with respect to the polarization state of the incident polarized light. Thus, when the value of the δ expression is positive, the axes of the ordinary ray and the extraordinary ray in the two types of birefringent crystals are arranged in parallel with each other, and when the value of the δ expression is negative. Provides a wavelength multiplexing / demultiplexing element in which the axis of the ordinary ray and the axis of the extraordinary ray in the two types of birefringent crystals are arranged orthogonal to each other.
[0019]
In this case, the first and second polarization separation / combination means are both polarization beam splitters, or the first and second polarization separation / combination means are two mutually parallel total reflection surfaces. And two opposing entrance / exit surfaces parallel to each other and one polarization separation / combination unit parallel to the total reflection surface, or the first polarization separation / combination means is made of a birefringent crystal. The second polarization separation / combination means is polarization separation / combination means in which birefringent crystals, dove prisms, and birefringent crystals are arranged in this order. Next, the process by which the above mathematical formula is derived will be described.
The phase difference between the ordinary ray and extraordinary ray received when light passes through the birefringent crystal changes depending on the linear expansion coefficient of the crystal and the temperature dependence coefficient of the refractive index because the ambient environmental temperature changes. Normally, it is difficult to eliminate the temperature dependence with only one type of crystal, but the temperature characteristics of each other can be offset by combining two crystals of different materials in a certain thickness ratio.
First, a case is assumed where the axes of ordinary rays and extraordinary rays of the two birefringent crystals a and b are arranged in parallel to each other.
At this time, the phase difference Δa generated when the light passes through the birefringent crystal a is (x-axis direction−y-axis direction).
[Equation 3]
――――― (1)
It is. Here, λ is the wavelength of light, T is temperature, and T c is room temperature.
Similarly, the phase difference Δb that occurs when light passes through the birefringent crystal b is (also x-axis direction−y-axis direction).
[Expression 4]
――――― (2)
When light passes through the birefringent crystals a and b, the phase difference Δab = Δa + Δb, so
――― Obtain (3).
In order not to change the characteristics when the temperature changes, the phase difference Δab does not change when the temperature changes.
There is a need. That is, [Equation 6]
-(4)
It is desirable that
Differentiating equation (3) :
――― (5)
In order for equation (5) to be 0,
――― (6)
Because it is necessary to be
-(7)
However, since the temperature dependence coefficient and the linear expansion coefficient of the refractive index in the optical crystal are both small values of about 10 -5 to 10 -6 , the term by the product of these two values is compared to the other terms. Can be ignored.
Therefore, as a condition for temperature independence,
-(7)
Is obtained. Equation (7) is a case where the axes of the ordinary rays and the axes of extraordinary rays of the two birefringent crystals a and b are arranged in parallel. Independence cannot be achieved. This is because the result of Expression (7) may be negative.
In this case, the normal ray axis and the extraordinary ray axis of the two birefringent crystals a and b are set to be perpendicular to each other. When the arrangement is changed to such an arrangement, the sign of Δb in the equation (2) is reversed.
-(8)
Get.
In either case, the ratio of the lengths of the two crystals for making temperature independence is :
-(9)
If [Formula 13]
-(10)
Can be expressed as
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows constituent elements related to Example A of the wavelength multiplexing / demultiplexing element of the present invention and their arrangement relation.
This wavelength multiplexing / demultiplexing A uses a birefringent crystal plate 3 in which two kinds of birefringent crystals a and b, which will be described later, are arranged in parallel to each other, and prisms 2A and 2B are used instead of the mirrors 20A and 20B. Except for this, the structure is the same as that of the conventional wavelength multiplexing / demultiplexing element described in FIG.
[0021]
Light incident from the input port P 1 of the wavelength mux A, for example, in the first polarization separating and synthesizing means 1A is a polarizing beam splitter is split into mutually orthogonal polarization states.
One polarized light is totally reflected by the first prism 2A and then enters the birefringent crystal plate 3 composed of the birefringent crystal (a) and the birefringent crystal (b). It passes through an optical path L 1 leading to the polarization separation / combination means 1B.
[0022]
Other polarization is first passed through the birefringent crystal plate 3 described above, through the optical path L 2 reaching the second polarized light separating and synthesizing means 1B described above then totally reflected by the second prism 2B.
Then, the two polarized lights are synthesized by the second polarization separation / combination means 1B, and the wavelength multiplexed light of the wavelengths λ 1 , λ 3 ,... Λ n-1 is emitted from the emission port P 1 , and the wavelengths λ 2 , λ 4 are emitted. , ... wavelength-multiplexed light of lambda n is emitted from the emission port P 2.
[0023]
The greatest feature of the wavelength multiplexing / demultiplexing element A is that the birefringent crystal plate 3 is composed of two birefringent crystals (a) and (b), and between them, the expressions (1) and (2 ) Is designed to hold.
That is, by using two birefringent crystals, even if the refractive index and thickness of one birefringent crystal change with temperature fluctuation, for example, both of them can be compensated by the change of the other birefringent crystal. Based on the design philosophy of suppressing the fluctuation of the phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray after passing through. The conditions for this are the expressions (1) and (2).
[0024]
Here, the fractional expression (2) is calculated as either positive or negative depending on the type and combination of the birefringent crystals (a) and (b) to be used.
In this case, when the calculated value is a positive value, as shown in FIG. 2, the axes of the ordinary refractive indices na o and nb o in the birefringent crystal (a) and the birefringent crystal (b), respectively. The birefringent crystal (a) and the birefringent crystal (b) are arranged in parallel so that the axes of the extraordinary ray refractive indexes na e and nb e are in the same direction.
[0025]
Further, when the calculated value is a negative value, as shown in FIG. 3, each of the ordinary refractive index na o at birefringent crystal (a) and a birefringent crystal (b), the axis of nb o, The birefringent crystal (a) and the birefringent crystal (b) are arranged in parallel so that the axes of the extraordinary ray refractive indexes na e and nb e are orthogonal to each other.
Examples of the birefringent crystal used in the present invention include YVO 4 , LiNbO 3 , α-BaB 2 O 4 , rutile (TiO 2 ), quartz (SiO 2 ), and calcite (CaCO 3 ).
[0026]
Any two types of these materials are selected as birefringent crystals (a) and (b), and the values of the fractional expressions are calculated based on their physical property values. Realize the placement. At this time, if the thickness of one birefringent crystal is set to a certain value (La), the thickness (Lb) of the other birefringent crystal is based on the formula (1):
Lb = γ · La (3)
Should be set.
[0027]
By doing in this way, the wavelength multiplexing / demultiplexing element to be assembled exhibits a transmittance characteristic in which temperature dependency is suppressed.
As for the parallel arrangement of the birefringent crystal (a) and the birefringent crystal (b), both the incident surface and the exit surface are parallel to each other, and the crystal axes of the respective birefringent crystals are both included. -It is preferable that it is arrange | positioned in the state inclined 45 degrees with respect to the incident polarized light, and is arrange | positioned on an output surface. This is because the transmittance can be maximized at the transmission wavelength of each port suitable for the configuration of the wavelength multiplexing / demultiplexing element by adopting such an arrangement mode.
[0028]
Further, when an antireflection film is formed at least in a region through which light passes among the surfaces of the first and second polarization separation / combination means, the first and second prisms, and the two types of birefringent crystals, This is preferable because loss of light energy based on light reflection at the interface when light passes can be minimized.
Next, FIG. 4 shows another example B of the wavelength multiplexing / demultiplexing element of the present invention.
[0029]
In this wavelength multiplexing / demultiplexing element B, the birefringent crystal plate 3 is composed of two types of birefringent crystals (a) and (b), which is the same as the wavelength multiplexing / demultiplexing element A described above. The polarized light separating / combining means 1A and the second polarized light separating / combining means 1B themselves have a prism function.
That is, the first polarization separation / combination means 1A includes total reflection surfaces 1a 1 and 1a 2 parallel to each other, an entrance surface 1a 3 and an output surface 1a 4 that are also parallel to each other, and the total reflection surface 1a. A polarization separating / synthesizing means 1a 5 is provided which is arranged in parallel with 1 and 1a 2 , for example, by disposing a dielectric multilayer film, which is a so-called deformable polarization beam splitter.
[0030]
The second polarization separation / combination means 1B has the same structure as the first polarization separation / combination means 1A.
These polarized light separating / combining means can be produced, for example, as follows. This will be described with reference to FIG.
First, a transparent substrate 11 is prepared (FIG. 5A). Then, a dielectric multilayer film 12 is formed on one surface of the transparent substrate 11 by, for example, a vapor deposition method (FIG. 5B). Next, as shown in FIG. 5C, the same transparent substrate 11 is stuck on the dielectric multilayer film 12 to form a laminate 13.
[0031]
Next, as shown in FIG. 5D, the laminate 13 is cut in the thickness direction to cut out the precursor 14 of the polarization separation / combination means. At this time, the cut surfaces of the precursor 14 are cut so as to be parallel to each other.
Next, after the cut surface of the precursor 14 is polished (FIG. 5E), an antireflection film is formed on the polished surface to form a polarization separation / synthesis means.
[0032]
In the case of the wavelength multiplexing / demultiplexing element B shown in FIG. 4, the wavelength multiplexed light from the incident port P 0 is incident on the first polarization separation / combination means 1A from the incident surface 1a 3 , and the polarization separation / combination unit 1a 5. Are separated into polarized light in orthogonal polarization states.
One polarization is emitted from the emitting surface 1a 4 then totally reflected by the total reflection surface 1a 2 birefringent crystal (a), (b) sequentially passes through the second polarized light separating and from the incident surface 1b 3 The light enters the combining unit 1B and reaches the polarization separation / combination unit 1b 5 .
[0033]
The other polarized light exits from the exit surface 1a 4 of the first polarization separation / combination means 1A, passes through the birefringent crystals (a) and (b) in sequence, and then enters the second polarization separation / combination from the entrance surface 1b 3 . The light enters the combining means 1B. Then, the light is totally reflected by the reflection surface 1b 1 and reaches the polarization separation / combination unit 1b 5 .
Of the two polarizations synthesized by the polarization separation / synthesis unit 1b 5 , the wavelength multiplexed light of a certain wavelength group is totally reflected by the total reflection surface 1b 2 , then passes through the emission surface 1b 4 and is emitted from the emission port P 1 . The wavelength multiplexed light of the other wavelength group passes through the exit surface 1b 4 and exits from the exit port P 2 .
[0034]
Since this wavelength multiplexing / demultiplexing element B has a structure in which an optical component such as a reflecting prism can be omitted, it is useful for manufacturing a low-cost optical multiplexing / demultiplexing module.
Next, still another example C of the wavelength multiplexing / demultiplexing element of the present invention is shown in FIGS. Here, FIG. 6 is a plan view showing the configuration of the wavelength multiplexing / demultiplexing element C, and FIG. 7 is a side view. FIG. 8 is a schematic diagram showing the polarization state of the passing light at the positions d 1 to d 6 shown in FIG. 6 or FIG.
[0035]
In this wavelength multiplexing / demultiplexing element C, the first polarization separation / combination means 1A is composed of a birefringent crystal c 1 , and the second polarization separation / synthesis means 1B is composed of a birefringence crystal c 2 , a dove prism 4 and a double prism 4. The refractive crystals c 3 are arranged in this order. The birefringent crystals (a) and (b) arranged between the first polarized light separating / combining means 1A and the second polarized light separating / combining means 1B are the relations of the expressions (1) and (2). Meet.
[0036]
In the case of this wavelength multiplexing / demultiplexing element C, the wavelength multiplexed light that enters the birefringent crystal c 1 from the incident port P 0 and is in the polarization state indicated by the position d 1 in FIG. 8 is separated into an ordinary ray and an extraordinary ray. The Its propagation direction is as shown in FIG. 6, each of the polarization state is as shown in position d 2 of FIG.
Each of these ordinary rays and extraordinary rays passes through the birefringent crystal plate 3 according to the present invention, and at the time of emission, the polarization state changes as indicated by a position d 3 in FIG.
[0037]
These polarized lights are incident on the birefringent crystal c 2 in the second polarization separation / combination means 1B, and are separated again into ordinary rays and extraordinary rays in the polarization state as shown by the position d 4 in FIG. .
Then, only two ordinary rays in the dove prism 4 are switched and incident on the birefringent crystal c 3 as shown in FIG. 6, and the extraordinary rays are directly reflected from the birefringent crystal c 2 as shown in FIG. Incident on the refractive crystal c 3 . Therefore, the polarization state of these lights is the same as the polarization state at the position d 4 , as indicated by the position d 5 in FIG.
[0038]
Then, an ordinary ray and an extraordinary ray are synthesized by the birefringent crystal c 3 , one of which is emitted from the exit port P 1 and the other is emitted from the exit port P 2 . The polarization state at this time is as shown at position d 6 in FIG.
In the case of the wavelength multiplexing / demultiplexing element C, the temperature dependence of the transmittance characteristic is suppressed as in the case of the wavelength multiplexing / demultiplexing element A. In addition, the wavelength multiplexing / demultiplexing element C is not provided with a polarizing beam splitter manufactured using an adhesive on the optical path as in the case of the wavelength multiplexing / demultiplexing element A, so that the optical power of high output can be increased. Also has the advantage of being able to respond.
[0039]
【Example】
Example 1
As the birefringent crystals (a) and (b), YVO 4 and LiNbO 3 were selected, and the wavelength multiplexing / demultiplexing device A shown in FIG. 1 was assembled.
Here, the characteristic values of each birefringent crystal are as follows.
[0040]
YVO4:
Linear expansion coefficient (αa): 4.43 × 10 −6 (1 / ° C.)
Ordinary refractive index (nao):. 1 94473
Extraordinary refractive index (nae):. 2 14861
Temperature dependence coefficient of ordinary light refractive index (naTo): 8.5 × 10 −6 (1 / ° C.)
Temperature dependence coefficient of extraordinary ray refractive index (naTe): 3.0 × 10 −6 (1 / ° C.)
LiNbO3:
Linear expansion coefficient (αb): 14.8 × 10 −6 (1 / ° C.)
Ordinary ray refractive index (nbo): 2.1131
Extraordinary ray refractive index (nbe): 2.13806
Temperature dependence coefficient of ordinary light refractive index (nbTo): 9.76 × 10 −6 (1 / ° C.)
Temperature dependence coefficient of extraordinary ray refractive index (nbTe): 3.80 × 10 −6 (1 / ° C.)
Substituting the above numerical values into equation (2), the value of the fractional expression becomes a positive value. Therefore, both crystals were arranged in parallel so that the axes of ordinary rays of YVO4 and LiNbO3 coincided.
[0041]
The thickness (La) of YVO 4 was set to 14.935 mm. The thickness (Lb) of LiNbO 3 was set to 1.912 mm based on the formula (3).
In the wavelength multiplexing / demultiplexing element A thus assembled, the cycle of the maximum transmittance value of each port is about 100 GHz.
With the environmental temperature changed at 0 ° C., 20 ° C., 40 ° C., and 60 ° C., the transmittance at the output port P 1 and the output port P 2 at each temperature was measured for this wavelength multiplexing / demultiplexing device A. The result is shown in FIG.
[0042]
Although the total reflection prism is used in this embodiment, a total reflection mirror may be used instead.
As is clear from FIG. 9, the output waveform from each output port is independent of temperature, and the wavelength shift due to temperature does not occur at all and is kept constant.
[0043]
Example 2 A wavelength multiplexing / demultiplexing device A was assembled using rutile (TiO2) instead of YVO4. Here, the physical properties of rutile (TiO2) are as follows. Rutile (TiO2): linear expansion coefficient (αa): 0.714 × 10 −5 (1 / ° C.) ordinary ray refractive index (nao): 2.45319 extraordinary ray refractive index (nae): 2.70930 ordinary ray refractive index Temperature dependence coefficient (naTo): 4.0 × 10 −5 (1 / ° C.) Temperature dependence coefficient of extraordinary ray refractive index (naTe): 9 × 10 −5 (1 / ° C.) The value of 2) is a negative value.
[0044]
Therefore, both crystals were arranged in parallel so that the axes of the ordinary rays of rutile and LiNbO 3 were orthogonal to each other. The rutile thickness was 7.8315 mm, and the LiNbO 3 thickness was 11.303 mm.
The wavelength multiplexing / demultiplexing element A in this case also has a temperature-independent output waveform from each output port.
[0045]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the wavelength multiplexing / demultiplexing device of the present invention uses two types of birefringent crystals, and the thicknesses of the birefringent crystals satisfy the formulas (1) and (2). Therefore, even if there is a change in temperature, the change in the phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray is suppressed, and the emission waveform becomes temperature-independent.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a wavelength multiplexing / demultiplexing device example A of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an arrangement state of a birefringent crystal (a) and a birefringent crystal (b) when δ is a positive value.
FIG. 3 is a perspective view showing an arrangement state of a birefringent crystal (a) and a birefringent crystal (b) when δ is a negative value.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a wavelength multiplexing / demultiplexing device example B of the present invention.
FIG. 5 is a process diagram when creating a polarization separating / synthesizing unit incorporated in the wavelength multiplexing / demultiplexing element example B;
6 is a plan view showing a configuration of a wavelength multiplexing / demultiplexing device example C according to the present invention. FIG.
FIG. 7 is a side view showing the configuration of a wavelength multiplexing / demultiplexing device example C of the present invention.
8 is a schematic diagram showing a polarization state of polarized light passing through positions d 1 to d 6 in the wavelength multiplexing / demultiplexing element C. FIG.
9 is a graph showing transmittance characteristics of the wavelength multiplexing / demultiplexing element according to Example 1. FIG.
FIG. 10 is a schematic view showing an example of a conventional wavelength multiplexing / demultiplexing element.
FIG. 11 is a schematic view showing a conventional wavelength multiplexing / demultiplexing device incorporating a birefringent crystal.
12 is a schematic diagram showing a configuration of the wavelength multiplexing / demultiplexing element in FIG. 11. FIG.
13 is a schematic diagram showing polarization separation and synthesis of wavelength multiplexed light of wavelengths λ 1 , λ 3 ,... Λ n−1 in the wavelength multiplexing / demultiplexing device of FIG.
14 is a schematic diagram illustrating polarization separation and synthesis of wavelength multiplexed light of wavelengths λ 2 , λ 4 ,... Λ n in the wavelength multiplexing / demultiplexing device of FIG.
15 is a graph showing transmittance characteristics of the wavelength multiplexing / demultiplexing device in FIG. 11. FIG.
[Explanation of symbols]
a, b, c 1 , c 2 , c 3 birefringent crystal 1A first polarized light separating / combining means 1B second polarized light separating / combining means 2A, 2B total reflection prism 3 birefringent crystal plate 4 dove prism 1a 1 , 1a 2 , 1 b 1 , 1 b 2 total reflection surfaces 1 a 3 , 1 b 3 entrance surfaces 1 a 4 , 1 b 4 exit surfaces 1 a 5 , 1 b 5 polarization separation / combination unit

Claims (4)

入射光を、互いに直交する偏光状態にある偏光に分離する第1の偏光分離・合成手段と、前記偏光が入射する、2種類の複屈折結晶を積層して成る複屈折結晶板と、
前記複屈折結晶板からの出射光を合成する第2の偏光分離・合成手段とがこの順序で光路に配置されている波長合分波素子であって、
前記複屈折結晶板における一方の複屈折結晶(a)の厚み(La)と、他方の複屈折結晶(b)の厚み(Lb)との比(γ)は、次式:
(但し、αa、nao、nae、naTo、naTeは、それぞれ、複屈折結晶(a)における、線膨張係数、常光線屈折率、異常光線屈折率、常光線屈折率の温度依存係数、異常光線屈折率の温度依存係数を表し、また、αb、nbo、nbe、nbTo、nbTeは、それぞれ、複屈折結晶(b)における、線膨張係数、常光線屈折率、異常光線屈折率、常光線屈折率の温度依存係数、異常光線屈折率の温度依存係数を表す)で示される値になっており、
前記2種類の複屈折結晶の結晶軸は、いずれも、各複屈折結晶の入射面と平行配置され、かつ、前記入射偏光の偏光状態に対して45°傾いて配置されていて、前記δ式の値が正の場合には、前記2種類の複屈折結晶における常光線の軸と異常光線の軸はいずれも互いに平行配置され、また前記δ式の値が負の場合には、前記2種類の複屈折結晶における常光線の軸線と異常光線の軸はいずれも互いに直交配置されていることを特徴とする波長合分波素子。
A first polarization separation / combination means for separating incident light into polarized light in polarization states orthogonal to each other; a birefringent crystal plate formed by stacking two types of birefringent crystals on which the polarized light is incident;
A wavelength multiplexing / demultiplexing device in which the second polarization separation / combination means for synthesizing the outgoing light from the birefringent crystal plate is disposed in the optical path in this order,
The ratio (γ) between the thickness (La) of one birefringent crystal (a) and the thickness (Lb) of the other birefringent crystal (b) in the birefringent crystal plate is expressed by the following formula:
(However, αa, nao, nae, naTo, naTe are the linear expansion coefficient, ordinary ray refractive index, extraordinary ray refractive index, ordinary ray refractive index temperature dependence factor, extraordinary ray refraction, respectively, in the birefringent crystal (a). Represents the temperature dependence coefficient of the refractive index, and αb, nbo, nbe, nbTo, and nbTe are the linear expansion coefficient, ordinary ray refractive index, extraordinary ray refractive index, and ordinary ray refractive index of the birefringent crystal (b), respectively. temperature dependency coefficient, and Tsu name to the value indicated by the representative of the temperature dependence coefficient of the extraordinary ray refractive index),
The crystal axes of the two types of birefringent crystals are both arranged parallel to the incident surface of each birefringent crystal and inclined by 45 ° with respect to the polarization state of the incident polarized light. When the value of δ is positive, the axis of ordinary ray and the axis of extraordinary ray in the two types of birefringent crystals are both arranged in parallel with each other, and when the value of the δ expression is negative, the two types The wavelength multiplexing / demultiplexing device according to claim 1, wherein the axis of the ordinary ray and the axis of the extraordinary ray in the birefringent crystal are orthogonal to each other .
前記第1および第2の偏光分離・合成手段が、いずれも偏光ビームスプリッタである請求項1の波長合分波素子。2. The wavelength multiplexing / demultiplexing element according to claim 1, wherein each of the first and second polarization separation / combination means is a polarization beam splitter. 前記第1および第2の偏光分離・合成手段は、対向する互いに平行な2つの全反射面と、対向する互いに平行な2つの入出射面と、前記全反射面と平行な1つの偏光分離・合成部とを備えている請求項1の波長合分波素子。The first and second polarization separation / combination means comprise two opposing total reflection surfaces, two opposite parallel input / output surfaces, and one polarization separation / parallel to the total reflection surface. The wavelength multiplexing / demultiplexing device according to claim 1, further comprising a combining unit. 前記第1の偏光分離・合成手段が複屈折結晶から成り、前記第2の偏光分離・合成手段が、複屈折結晶とドブプリズムと複屈折結晶とをこの順序で配列して成る請求項1の波長合分波素子。The first polarization separating and synthesizing means comprises a birefringent crystal, the second polarized light separating and synthesizing means, the wavelength of Claim 1 formed by arranging a birefringent crystal and Dobupurizumu the birefringent crystal in this order Multiplexing / demultiplexing element.
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