JPH02501508A - 光フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光フィルタ 本発明は光フィルタに関する。

容積反射格子フィルタは、波長多重化光学システムで使用されるために提案され た。前記フィルタの例は公開された英国特許出願番号０８２１５１０３６号に記 載されている。しかしながら、前記反射フィルタは、入射光ビームが発射方向に 向かって逆反射され、フィルタされた波長を検出器または他の出力装置に結合す るのを困難にするので実際に構成するのは難しい。さらに、反射フィルタを備え ることによって一度要求された波長が格子によって選択されたならば、フィルタ された波長は前方へ伝達するために一般に出力光ファイバ内へ分れて焦点を結ば れなければならない。

本発明によれば、光フィルタは屈折率変調の容積回折格子をその内部に設けられ た先導波体を含み、光ビームが導波体の外側から格子に入射された時に格子に対 するブラッグ波長またはその付近で予め定められた範囲内の波長は回折されそし て導波体に結合され、１次回折以外の全ての回折は実質的に除かれるように格子 は十分な厚さを有し、一方ブラッグ波長から離れている波長は実質的に非回折で 導波体を通り過ぎる。

本発明に従うフィルタは、一つの波長の光が有効に回折され得る容積回折格子の 選択的な波長を使用させ、一方第２の波長の光は効力無しに回折格子を通り過ぎ る。格子の厚さは、高調波波長成分を除去することを可能にさせる（すなわち、 第１次回折より高いものは抑制される）。

Ｑ−２πλｔ　／　ｎ　ｄ　２であるＱは約１０よりも大きいことかさを変化す ることによって、入射ビームの所定の入射角で格子によって有効に回折されたブ ラッグ波長またはその付近の波長の範囲の帯域幅は、所望するように都合よく調 節可能である。本発明のフィルタは、格子が導波体内に設けられるためＣＢ２１ ５１０３６号に記載された通常の反射格子とはさらに区別される。これは、より 狭い帯域幅動作の利点を与えるために作成される比較的厚い（格子の方向に垂直 で）格子を可能にさせる。さらに格子と導波体の直接の結合は、より単純な全体 的な構造になる。

導波体に良好な結合を達成するために、格子変調は、少なくとも導波体内の伝播 の好ましい軸に垂直である一方向に延在し、そしてその一方向に直交する他の方 向で伝播軸に関してπ／２−φ角度で延在する平面に都合良く定められる。

外部の光ビームから導波体へ結合のために、格子の傾角φはπ／２より小さくな ければならない。動作において光ビームはθくφ、θ−２φ−π／２のとき、伝 播軸がらπ／２−φの角度で入射されるべきである。所定の格子の厚さに対して 、結合された帯域幅が狭くなるにつれてθはπ／２に近付く。従って狭帯域動作 に対して、φ（およびθ）が可能な限りπ／２に近付くのはむしろ好ましい。

しかしながら、φがπ／２に近付くにつれて入射ビームの必要とする傾角θもま たπ／２に近付く。このような事情において、効果が無いのでθが入射ビームと 導波体の調和された屈折率結合を増すにつれて、入射ビームの増加する比率は導 波体に結合するために役立つ光の量の対応した減少を生じさせる格子との相互作 用前に導波体から離れて簡単に反射される。実質的に、従って妥協を見つけるこ とが必要である。

屈折率整合のための特別な段階を取ることなしに、帯域幅の狭さと結合力の比率 との間の十分な均衡を達成し、それは大体５π／１２（θ〜π／３）の角度φに ついて得られる。

格子ピッチは導波体に沿って変化し、回折された波長帯域は光ビームの入射の位 置で格子ピッチに依存することが好ましい。

フィルタは格子へ光ビームを誘導するためにさらに光誘導装置と、光誘導装置及 び格子の相対的運動をもたらすための同調装置を含むことが好ましい。それによ ってフィルタは、光誘導装置と格子を互いに関して適当に位置させることにより 予め定められた波長を回折するために同調され得る。

格子の容積性質と格子ピッチの変化は、都合よく遂行されるために同調可能なフ ィルタを与える。ピッチが導波体に沿って変化するので、格子の一部分によって 回折されたビームは、格子の他の部分に影響されないであろう。

さらに、フィルタされたビームは導波体に沿って格子から除去されるであろう。

それ故フィルタされたビームは入射光ビームまたは入射ビーム光学系と干渉しな いであろう。同様に、入射ビームは出力ビームまたは出力ビーム光学系と干渉せ ず相当に使用を簡単にさせるであろう。

フィルタはチャネル選択または波長多重化されたファイバ光学網内のチャネルド ロップフィルタとしての使用に対して特に利点を有する。

フィルタは、フィルタが設置されている補助導波体を含んでいる光学装置内に入 れられることができ、装置は使用においてフィルタ格子によって回折されるビー ムが補助導波体に結合される構成である。

この明細書では、光学という言葉は、光ファイバのような誘電体先導波体によっ て伝送されることができる可視領域の各端の赤外線および紫外線領域のそれらの 部分と共に可視領域として一般に知られている電磁スペクトルの部分に属するも のとするつもりである。

本発明および動作方法に従った光フィルタの実施例は、添付図に記載されている 。

第１図は、本発明に従ったフィルタの実施例の概略図です。

第３図および第４図は、本発明に従った波長とフィルタの角度感度を示したグラ フである。

第５図は、１００％の回折効率のために必要とされる格子の厚さを示すグラフで ある。

第６図は、本発明に従ったフィルタのスペクトル特性のグラフである。

第７図は、第１図のフィルタを含む光学装置を示す。

第８図および第９図は、どのように導波体内で容積回折格子が書き込まれるかを 示した概略図である。

第１図に示されたフィルタは、傾斜された一連の回折平面２を有する容積（位相 ）回折格子を定めるフィルム１を含み、回折平面２の法線８はフィルムのＺＸ平 面内に延在する。

動作において、入射光ビームは光ファイバ３に沿ってフィルム法線５に対する角 度θで格子１の最初の表面ＩＡ上にビームを向ける照準レンズ４を経て送られる 。格子法線８はフィルム法線５に対して角度φ傾いている。この場合では、関連 した波長（Ｓ）の入射光ビームの成分は、フィルム法線５に右角度で送られる第 一の階数の回折されたビームＳのように回折される。第１図に示されたように、 回折されたビームＳは、次に格子導波体１の端面ＩＢを経て光検出器６へ進む。

その代わりに例えば回折されたビームは、他の先導波体へ直接に結合可能である 。残された波長は回折されずに真直ぐに格子１を通り過ぎる。

説明されたように、格子はピッチが固定され、従って所定の入射角θに応じる波 長は、入射ビームＲが格子上に入射するどの場所でも実質的に同じである。いわ ゆるチャープ格子を与えるために格子の縦に沿ってピッチを変えることは可能で ある。このような場合には、格子ピッチは入射ビームの幅程度の間隔で局部的に 周期的にされるが、長い間隔に対して変化する。これはフィルタ特性を、光ビー ムＲが所望のフィルタ特性に適したピッチを有する格子１の部分上に入射するよ うに光ファイバ３と収束するレンズ４を格子１に沿って縦に移すことによって簡 単に同調されることを可能とする。

装置の応答特性を説明するために、以下に示すように簡易化した数学的解析を考 察することは有用である。

第１図に示された装置は、Ｘｏｇｅｌｎｌｋ結合された波理論（Ｈ，Ｋｏｇｅｌ ｎｉｋによる１９６９年１１月のＢｅ１ｌ　ＳｙｓＬｅｍ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌの４８巻９号２９０９頁、’Ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗａｖｅ　ｔｈｅ ｏｒｙ　ｆｏｒｔｈｉｃｋ　ｈｏｌｏｇｒａｏ＋　ｇｒａｔｉｎｇｓ　”　）を 使用することによる解析にすぐに従わない。この理論は、Ｚ方向に伝播するため にＳ波を必要とし、これは格子の厚さＴを通り伝播した後（第１図参照）、境界 Ｚ−Ｔで見出だされた波動方程式に解法を与える。しかしながら、これは物理の 基本的な限界でなく、軸の回転が本発明のフィルタに応用できる解法を与える。

したがって便宜上ここで解析される幾何学は第２図に示された傾斜されていない 格子７（φ−０における）のものである。この格子定数には、 Ｋ、２π／Ｌ によって与えられ、 ブラッグ条件は、 ｓｉｎθ−λ／２Ｌ である。

ΔλおよびΔθはブラッグ条件からのλおよびθ内の偏差を表わす。これらの結 果から、格子が所定の波長λと入射角θで１００％の回折効率を有するように格 子ピッチＬと、基本の屈折率ｎ。および屈折率変調ｎ１の適当な値が選択可能で あることは明らかである。

格子パラメータの固定された一組のために、フィルタ構造の角度および波長感度 を決定することが可能である。第３図は、異なった屈折率変調ｎ１および異なっ た入射角θに対して、θが増加するにつれてまた屈折率変調ｎ１が減少するにつ れてどのように帯域幅が狭くなるかを示した曲線の一連を示す。第４図は、角度 帯域幅Δθの変化に対応を示す一連の曲線を示す。第５図は、所定の状況下での １００％の回折効率を達成するために必要とされた格子の厚さを示す。

所定の屈折率変調ｎｌのために、操作上の帯域幅はθがπ／２に近付くにつれ狭 くなる。しかしながら、θが特に約π／３以上に増加するにつれて反射は導波体 がより早く比例し増すことによって境界面で損失する。故に、そのような損失を 減らすために例えば適当な屈折率調和技術の使用による特別な手段を取らないな らば、θをπ／３以上に増すことによって増加するものはほとんどない（第３図 乃至第５図に示され得る）。

簡単な幾何学解析から、導波体へ結合される光に対して傾斜角度φはビームの入 射角θよりも大きくなければならず、そして２つの角度はθ−２φ−π／２の関 係でなければならないことが認められる。必要とされた格子の厚さがφ−θ−〇 となるように減少されることもまた示される。

φ−５π／１２およびθ−π／３と限定して、第６図は２Ｘ１０−２の屈折率変 調ｎ、および２００μｍの格子長さそして１．３μｍの中心波長を有する本発明 に従うフィルタのスペクトル特性を示している。特性は一連の最大限の減少を有 する５ｉｎ（Ｘ）バの形である。これらのピークの相対的な振幅は、屈折率変調 を変えることによって調節可能である。

（Ｋｏｇｅｌｎｉｋ後の解析は正弦曲線変化と仮定する。）容積回折格子は、例 えば重クロム酸塩ゼラチン（Ｄ　ＣＧ）のような適当なホログラフ媒体を含む導 波体内に設けられることが可能である。安定した非線形状態（すなわち非線形デ ィケイ時間はフィルタすることを必要とする光入射の継続よりも長い）を有する 光学的非線形物質を含む導波体もまた使用可能である。導波体は本出願人の共願 の特許出願番号０８８７２２０１４号に記載されている種類の導波体が適してい る。

第８図は、固定された波長フィルタのための傾斜された容積回折格子がどのよう にして導波体内に書込まれるかを概略的に示したものである。この場合には、導 波体８０は、２つの平行にされたレーザービーム８１，８２の間の干渉区域８３ 内の適当な角度で置かれている。第９図は、同調可能なフィルタ用のチャーブ容 積回折格子が生成され得る１つの方法を示す。前のように、適当なホログラフ特 性を有する導波体９０は同様に２つのレーザービーム９１，９２の間の干渉区域 ９３内に位置されている。しかしながら、この場合においてビームは、縁で要求 されたチャーブを生成するために発散される。

本発明に従うフィルタは、他の光学的部品と共に使用されるのが便利である。第 ７図は、通常の光ファイバを含む付加的な導波体と共に第１図のフィルタを合併 した光学的装置を示す。フィルタ（参照番号９）は、通常の光ファイバ１１と共 に磨かれたカブラ１０の中へ合併される。ビームＲがフィルタ上に入射し回折さ れる時、フィルタされたビームＳは矢の方向に光ファイバ１１に結合される。

１ｏ３＋ｏ　”Ｉｆ域アシ（ｍｌ １ｏｑ　＋ｏ　ｌθ四シ゛１ン） １０９１０　Ｎ　、１　１ｍ） 太フＣ−ト　／ｎｍ 国際調査報告 １＋ｔ１ｍ−＾Ｂｔｈｆｉ−ＮＩ１．　Ｐｆ７／ＧＢ　８８１０ＯＥ１０７

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．屈折率変調の容積回折格子を内部に備えた光導波体を具備し、前記格子は光 ビームが格子上に導波体の外側から入射される時格子に対するブラッグ波長また はその付近で波長が回折し導波体に結合し、１次回折以外の回折は実質上除かれ るように十分な厚さを有し、一方ブラッグ波長から離れた波長は実質的に回折さ れないで導波体を通過する光フィルタ。
2. ２．格子変調が、φがπ／２より小さい時に導波体内の伝播の好ましい軸に実質 上垂直である少なくとも一方向に延在し、一方向に直交する他の方向に伝播軸に 関してπ／２−φ角度で延在する平面において設定される請求項１記載の光フィ ルタ。
3. ３．φが５π／１２よりも大きくない請求項２記載の光フィルタ。
4. ４．格子ピッチが導波体に沿って変化する請求項１乃至３のいずれか１項記載の 光フィルタ。
5. ５．格子へ光ビームを誘導するための光誘導装置と、光誘導装置および格子の相 対的運動をもたらすための同調装置とを含み、それによってフィルタは光誘導装 置と格子を互いに関して適切に位置することにより予め定められた波長を回折す るために同調され得る請求項１乃至４のいずれか１項記載の光フィルタ。
6. ６．導波体が光学的非線形媒体から成るコアを有する光ファイバを含む請求項１ 乃至５のいずれか１項記載の光フィルタ。
7. ７．実質上添付図面を参照に前記されたフィルタ構造。
8. ８．請求項１乃至７のいずれか１項記載のフィルタと、フィルタがその上に設け られている補助導波体と、使用上でフィルタ格子によって回折されたビームが補 助導波体に結合される装置とを含む光学装置。