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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5964706
(24)【登録日】2016年7月8日
(45)【発行日】2016年8月3日
(54)【発明の名称】光学的処理装置
(51)【国際特許分類】
G02B 6/35 20060101AFI20160721BHJP
G02B 26/08 20060101ALI20160721BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20160721BHJP
B81B 7/02 20060101ALN20160721BHJP
【ＦＩ】
G02B6/35
G02B26/08 E
G02B5/18
!B81B7/02
【請求項の数】8
【外国語出願】
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2012-204285(P2012-204285)
(22)【出願日】2012年9月18日
(65)【公開番号】特開2013-127600(P2013-127600A)
(43)【公開日】2013年6月27日
【審査請求日】2015年8月10日
(31)【優先権主張番号】13/234,089
(32)【優先日】2011年9月15日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】510021199
【氏名又は名称】ニスティカ，インコーポレーテッド
(73)【特許権者】
【識別番号】000005186
【氏名又は名称】株式会社フジクラ
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(72)【発明者】
【氏名】ジェファーソン・エル・ワグナー
(72)【発明者】
【氏名】中谷 晋
(72)【発明者】
【氏名】石川 隆朗
【審査官】
稲荷 宗良
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００３−２７９８７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１０−５３４８６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−６９９２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０２Ｂ ６／３５
Ｇ０２Ｂ ５／１８
Ｇ０２Ｂ ２６／０８
Ｂ８１Ｂ ７／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の光ポートと、
調整可能な倍率を有する少なくとも２つのレンズであって、前記光ポートのうちの任意の光ポートから受けた光ビームを受ける、少なくとも２つのレンズと、
前記少なくとも２つのレンズから受けた前記光ビームを複数の波長成分に空間的に分散させる分散素子と、
前記複数の波長成分を受けるとともに前記波長成分のうちの少なくとも１つを前記光ポートのうちの所定の１つに選択的に向ける光路変更システムであって、前記光路変更システムは、少なくとも１つの波長成分が前記所定の光ポートに向けられる前に少なくとも２回反射されるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）と、前記ＤＭＤからの反射波長成分を受けると共に該受けた反射波長成分を前記ＤＭＤに向けて戻すための反射素子と、を含み、前記少なくとも２つのレンズの倍率が前記ＤＭＤと前記反射素子との間の間隔の変動を補償するように調整可能である、光路変更システムと、
を備える光学的処理装置。
調整可能な倍率を有する少なくとも２つのレンズであって、前記光ポートのうちの任意の光ポートから受けた光ビームを受ける、少なくとも２つのレンズと、
前記少なくとも２つのレンズから受けた前記光ビームを複数の波長成分に空間的に分散させる分散素子と、
前記複数の波長成分を受けるとともに前記波長成分のうちの少なくとも１つを前記光ポートのうちの所定の１つに選択的に向ける光路変更システムであって、前記光路変更システムは、少なくとも１つの波長成分が前記所定の光ポートに向けられる前に少なくとも２回反射されるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）と、前記ＤＭＤからの反射波長成分を受けると共に該受けた反射波長成分を前記ＤＭＤに向けて戻すための反射素子と、を含み、前記少なくとも２つのレンズの倍率が前記ＤＭＤと前記反射素子との間の間隔の変動を補償するように調整可能である、光路変更システムと、
を備える光学的処理装置。
【請求項2】
前記倍率は、前記光ポートのうちの１つからの光ビームと前記所定の光ポートに選択的に向けられる前記少なくとも１つの波長成分との間のピッチが調整可能となるように、調整可能である請求項１に記載の光学的処理装置。
【請求項3】
少なくとも前記レンズが、共通の光軸を有し、かつ前記共通の光軸に沿った前記少なくとも２つのレンズ間の距離が、ユーザ調整可能である請求項２に記載の光学的処理装置。
【請求項4】
前記少なくとも２つのレンズが、倍率を調整するために互いに対して位置的に調整可能である請求項１に記載の光学的処理装置。
【請求項5】
前記レンズのうちの少なくとも１つがコリメートレンズを含む請求項４に記載の光学的処理装置。
【請求項6】
前記レンズの各々がコリメートレンズである請求項４に記載の光学的処理装置。
【請求項7】
前記反射素子が、前記ＤＭＤのミラー素子の反射表面と向き合う反射表面を有する複数の平面ミラーを含む請求項１に記載の光学的処理装置。
【請求項8】
前記光路変更システムが、前記波長成分の各々を前記光ポートのうちの異なる光ポートに選択的に向けるように構成された請求項１に記載の光学的処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば、波長選択光学的処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、入射路からのビーム信号を分散させる分散素子（例えば、回折格子）と、分散ビームの各々が複数の出射路のいずれかに入射させられるようにする光路変更光学システムと、を含む光学的処理装置が使用されている。
【0003】
そのような光路変更光学システムとして、各々が別々に作動し得る複数のマイクロミラー素子を含むＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ＤＭＤは、ミラー素子の方向を調整してビームの反射方向を制御するような手法で、反射ビームの光路を多数の出射路のうちの任意の１つに選択的に切り替えることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、従来の光学的処理装置によれば、光路変更光学システムからの戻りビームの位置が出射路からずらされるので、結合損失が増加することがある。光路変更光学システムにおいて、ミラーなどの構成要素の位置はその構造の制約に起因して調整されないことがある。このため、戻りビームの位置のずれを補正することが困難である。
【0005】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、戻りビームの位置のずれを抑制することができる光学的処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る光学的処理装置は、複数の光ファイバを含むビーム出射部と、光ファイバから出射されたビームが入射する複数のコリメートレンズと、複数の光ファイバのうちの１つの光ファイバから出射されたビームを分散させる分散素子と、分散素子を通過するビームの光路を変更すると共にビームが複数の光ファイバのうちの別の光ファイバに入射することができるようにする光路変更光学システムと、を含み、複数のコリメートレンズは光ファイバから出射されたビームの光路方向に直列に設置され、かつ少なくとも２つのコリメートレンズ間の距離が光路方向に調整可能である。
【0007】
光路変更光学システムは、第１の反射点でビームを反射するミラー素子と、ミラー素子から反射されたビームを中間反射点で反射する中間ミラーと、を含むことができ、ミラー素子は中間ミラーから反射されたビームを第２の反射点で反射する。
【0008】
光路変更光学システムは、分散素子によって分散されたビームをビームの波長に応じて他の光ファイバのいずれか１つに入射させることができる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、コリメートレンズ間の距離を調整することができるので、戻りビームの光路の位置を調整することができる。
【0010】
したがって、光路変更光学システムのミラーの位置が調整不良である場合でも、出射路としての光ファイバの結合損失を抑制することができ、したがって出力特性を改善することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の一実施形態に係る光学的処理装置を、図面を参照しながら説明する。
【0013】
図１は、本発明の一実施形態に係る光学的処理装置１０を示す概略図である。図２は、光学的処理装置１０の光ファイバ２の前端部と光路変更光学システム７とを示す概略図である。図３は、光路変更光学システム７を示す概略図である。
【0014】
図１に示されるように、光学的処理装置１０は、複数の光ファイバ２を含むビーム出射部１と、レンズ３およびレンズ４（コリメートレンズ）と、レンズ３およびレンズ４を通過したビームを分散させる回折格子５（分散素子）と、回折格子５を通過したビームを合焦するレンズ６（スキャンレンズ）（集光レンズ）と、レンズ６を通過したビームの光路を変更する光路変更光学システム７と、を含む。
【0015】
図１および図２に示されるように、ビーム出射部１は、外部デバイスに入力され、かつ外部デバイスから出力されたビームを伝搬させる複数の光ファイバ２と、幅方向に１列に配列されたファイバを保持する保持部２０と、を含む。ビーム出射部１として、例えば、光ファイバアレイを有するビーム出射部を用いることができる。
【0016】
図２に示されるように、光ファイバ２（２Ａ〜２Ｆ）は複数の光ファイバ群９（９Ａおよび９Ｂ）を含むことができる。
【0017】
光ファイバ群９は、互いに光学的に結合することができる複数の光ファイバ２を含む。図示された実施形態では、光ファイバ２Ａから光ファイバ２Ｃは、第１の光ファイバ群９Ａを構成し、かつ光ファイバ２Ｄから光ファイバ２Ｆは、第２の光ファイバ群９Ｂを構成する。図示された実施形態では、光ファイバ群９の各々は３つの光ファイバ２を含むが、本発明はそれに限定されない。例えば、光ファイバ群は２つ以上の光ファイバ２を含むことができる。
【0018】
光ファイバ群９Ａにおいて、光ファイバ２Ｂから出射されたビームＬ１の光路（入射路）は光路変更光学システム７により変更することができ、その結果、ビームは戻りビームＬ２として光ファイバ２Ａおよび光ファイバ２Ｃ（出射路）に入射することができる。光ファイバ群９Ｂにおいて、光ファイバ２Ｅから出射されたビームＬ１の光路（入射路）は光路変更光学システム７により変更することができ、その結果、ビームは戻りビームＬ２として光ファイバ２Ｄおよび光ファイバ２Ｆ（出射路）に入射することができる。
【0019】
入射路としての光ファイバ２の前端面２ａと、出射路としての光ファイバ２の前端面２ａとは、光路方向において同じ位置に配置されることが望ましい。図示された実施形態では、すべての光ファイバ２（２Ａ〜２Ｆ）の前端面２ａは、光路方向において同じ位置に配置されている。
【0020】
図１に示されるように、レンズ３およびレンズ４は出射ビームＬ１をコリメートし、第１のレンズ３は第２のレンズ４の戻り方向側（図１中、左方）に配置される。第１のレンズ３（第１のコリメートレンズ）は、第２のレンズ４（第２のコリメートレンズ）の倍率よりも高い倍率を有するように設定することができる。第１のレンズ３のレンズ表面の曲率半径は、第２のレンズ４のレンズ表面の曲率半径よりも小さくすることができる。
【0021】
第１のレンズ３および第２のレンズ４は、出射ビームＬ１の光路方向（図１中、左右方向）に直列に設置され、第１のレンズ３および第２のレンズ４の一方または両方は、光路方向に移動可能であり、その結果、第１のレンズ３と第２のレンズ４との間の距離Ｂは調整することができる。
【0022】
回折格子５は、光ファイバ２から出射されたビームＬ（ビームＬ１）を異なる波長を有する多数のビームに分散させることができる。回折格子５のビーム出射方向には波長依存性があり、回折格子５は光路変更光学システム７に関して波長ごとに異なるビーム入射位置を設定することが望ましい。
【0023】
レンズ６（スキャンレンズ）は回折格子５を通過する出射ビームＬ１を合焦し、光路変更光学システム７の内部に焦点を形成することができる。
【0024】
レンズ６（スキャンレンズ）は異なる波長を有する多数のビームをコリメートする。
【0025】
図２および図３に示されるように、光路変更光学システム７は、複数の光ファイバ２のうちの１つの光ファイバ２から出射されたビームＬ１の光路を変更し、その結果、そのビームは戻りビームＬ２（ビームＬ）として他の光ファイバ２に入射する。
【0027】
本体部１１は、支持体部１３と、支持体部１３の戻り方向側の表面に設置される複数のミラー素子１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、…）と、を含む。ミラー素子１５は、支持体部１３の戻り方向側の表面に沿った区域に平行に配設することができ、それによってミラー素子アセンブリ１５Ａを形成している。
【0028】
ミラー素子１５の各々の傾きは調整可能であり、傾きを調整することによってビームの反射方向が制御されると、反射ビームの光路を設定することができる。
【0029】
本体部１１として、各々を別々に作動させることができる複数のマイクロミラー素子を有するＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）を用いることができる。
【0030】
中間反射部１２は、複数の窓部１７を有し、ビームが窓部を通過できるようにするフレーム１８と、フレーム１８に設置された複数の中間ミラー１９（１９ａ１９ｄ）と、を含む。
【0031】
中間ミラー１９は、ミラー素子１５から反射されたビームが別のミラー素子１５の方に反射されるようにフレーム１８の出射方向（図２および図３中、右方）の表面に設置される。中間ミラー１９は、図２および図３の垂直方向に、ある間隔で設置される。図示された実施形態では、各窓部１７は垂直方向に互いに隣接する中間ミラー１９間に形成される。
【0032】
光路変更光学システム７は回折格子５によって分散されたビームの光路をミラー素子１５に応じて異なる光路に変更し、その結果、戻りビームＬ２は光ファイバ２の任意の１つに入射することができる。
【0033】
例えば、戻りビームＬ２は各波長に応じて異なる光ファイバ２に入射することができる。このため、光路変更光学システム７はスイッチ光学系として機能することができる。この場合、光学的処理装置１０は波長選択スイッチとして機能する。
【0034】
光路変更光学システム７は光ファイバ２に入射しないようにビームの方向を制御することができるので、光路変更光学システムは、各波長のビームが他の光ファイバ２のうちの１つに別々に入射するか、または他の光ファイバ２のどれにも入射しないかを選択することができる。
【0035】
このため、光路変更光学システム７はブロック光学系（block optical system）としても機能することができる。この場合、光学的処理装置１０は波長ブロッカ（wavelength blocker）として機能する。
【0036】
光路変更光学システム７は、各波長のビームを所定の減衰率で減衰させることによりビームが光ファイバ２に入射するように、光路を変更することができる。例えば、所定の波長のビームは、ミラー素子１５を用いて反射量を調整することによりビームを減衰させながら光ファイバ２に入射することができる。
【0037】
このため、光路変更光学システム７はフィルタ光学系としても機能することができる。この場合、光学的処理装置１０は波長フィルタとして機能する。
【0039】
光ファイバ２の前端面２ａから出射されたビームＬ１は、レンズ３およびレンズ４（コリメータレンズ）によってコリメートされ、次に、回折格子５によって異なる波長を有する多数のビームに分散される。
【0040】
分散された出射ビームＬ１は、レンズ６（スキャンレンズ）によって合焦されながら、光路変更光学システム７に向けて進む。
【0041】
図２および図３に示されるように、光路変更光学システム７において、出射ビームＬ１は中間反射部１２の各窓部１７を通過して各ミラー素子１５に到達し、ミラー素子１５から反射されたビームは中間ミラー１９に向けて進む。
【0042】
例えば、図３に示されるように、光ファイバ２Ｂから出射されたビームＬ１はミラー素子１５ｂにより反射され、次に、異なる波長を有する反射ビームＬ３およびＬ４はそれぞれ中間ミラー１９ａおよび１９ｂに向けて進むことができる。出射ビームＬ１がミラー素子１５によって最初に反射される点は、第１の反射点Ｒ１と呼ばれる（図３を参照）。本実施形態では、第１の反射点Ｒ１はミラー素子１５ｂである。
【0043】
出射ビームＬ１の焦点位置は第１の反射点Ｒ１またはそれに近い位置であることが望ましい。
【0044】
反射ビームＬ３および反射ビームＬ４はそれぞれ中間ミラー１９ａおよび中間ミラー１９ｂにより反射され、反射ビームＬ５および反射ビームＬ６はそれぞれミラー素子１５ａおよびミラー素子１５ｃに向けて進んでミラー素子１５ａおよびミラー素子１５ｃにより反射され、次に、反射ビーム（戻りビームＬ２）は中間反射部１２の窓部１７を通過して光ファイバ２Ａおよび光ファイバ２Ｃ（出射路）に向けて進む（図２を参照）。
【0045】
図３に示されるように、ビームＬ３およびビームＬ４が中間ミラー１９（１９ａおよび１９ｂ）で反射される点は中間反射点Ｒｉと呼ばれる。
【0046】
中間ミラー１９から反射されたビームＬ５およびビームＬ６がミラー素子１５により反射される点は、第２の反射点Ｒ２と呼ばれる。本実施形態では、第２の反射点Ｒ２はミラー素子１５ａおよびミラー素子１５ｃである。
【0049】
図におけるＰｆは、光ファイバ２Ｂ（入射路）と光ファイバ２Ｃ（出射路）との間のピッチを示す。Ｐｄは、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチ（幅方向における光ファイバ２間の距離）を示す。
【0050】
図６に示されるように、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチＰｄは、ミラー素子１５に対する中間ミラー１９の距離によって決まる。
【0051】
例えば、中間ミラー１９が実線で示された位置（中間ミラー１９Ａ）に配置されると、光路方向（図６の左右方向）におけるミラー素子１５に対する中間ミラー１９Ａの距離がＤ１である場合、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチはＰｄ１になる。
【0052】
中間ミラー１９が二点鎖線で示された位置（中間ミラー１９Ｂ）に配置されると、ミラー素子１５と中間ミラー１９との間の距離がＤ１よりも大きいＤ２である場合、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチは、二点鎖線で示されるように、Ｐｄ１よりも大きいＰｄ２になる。
【0053】
ピッチＰｄが中間ミラー１９の位置に従って変化する理由は、中間反射点Ｒｉおよび第２の反射点Ｒ２の位置が、中間ミラー１９の位置に従って、変化するからである。
【0054】
図７に示されるように、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチがＰｄ１でありかつ戻りビームＬ２が光ファイバ２Ｃの軸位置Ａ１に入射する場合には、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチが図８に示されるようにＰｄ２であると、戻りビームＬ２の入射位置は光ファイバ２Ｃの軸位置Ａ１からずらされる。
【0055】
すなわち、中間反射部１２が設計位置よりも戻り方向側（図６中、左方）に設置される場合、中間ミラー１９は戻り方向側の位置に配置される。したがって、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチＰｄは大きくなり、したがって図８に示されるように戻りビームＬ２の位置ずれが生じるという問題がある。
【0056】
しかし、本体部１１に対する中間反射部１２の位置調整は、光路変更光学システム７の構造の制約に起因して困難となることがある。この場合、戻りビームＬ２の位置ずれを光路変更光学システム７の調整により補正することは容易ではない。
【0057】
図９および図１０に示されるように、光学的処理装置１０において、レンズ３およびレンズ４（コリメートレンズ）の一方または両方は、光軸方向（図９および図１０中、左右方向）に移動可能であるので、出射ビームＬ１と戻りビームＬ２との間のピッチＰｄは、レンズ３およびレンズ４の位置調整により、調整することができる。その理由は以下の通りである。
【0058】
光結像比は、第１のレンズ３と第２のレンズ４との間の距離Ｂによって決まる。すなわち、レンズ３とレンズ４との間の距離Ｂ（Ｂ１）が図９に示されるように比較的大きい場合、光結像比は小さくなる。レンズ３とレンズ４との間の距離Ｂ（Ｂ２）が図１０に示されるように比較的小さくなる場合、光結像比は大きくなる。
【0059】
このため、図８に示されるように、戻りビームＬ２の位置ずれがある場合、光結像比は、図１０に示されるように、レンズ３とレンズ４との間の距離Ｂ（Ｂ２）を調整することによって、変更される。したがって、ピッチＰｄは、図７に示されるように戻りビームＬ２の光路の位置を調整することによって調整され、それによって戻りビームＬ２は光ファイバ２Ｃの軸位置Ａ１に入射することができる。
【0060】
したがって、光路変更光学システム７の中間ミラー１９の位置が調整不良である場合であっても、出力特性は、結合損失を抑制することによって、改善することができる。
【0061】
レンズ３およびレンズ４のコリメーションに悪影響を及ぼすことなく最適の光結像比を得るためには、光ファイバ２とレンズ３およびレンズ４との間の距離を適切に設定することが必要である。このため、必要ならば、レンズ３およびレンズ４の位置を調整して、光ファイバ２からの距離を適切に設定することができる。
【0062】
図示した実施形態では、２つのレンズ（レンズ３およびレンズ４）がコリメートレンズとして使用されているが、コリメートレンズの数は３つ以上とすることができる。その場合には、レンズのうちの少なくとも２つの間の距離を光路方向に調整可能とすることができる。
【0063】
１つの球面レンズだけがコリメートレンズとして使用される場合、球面収差の影響に起因して結合効率が低くなるという問題がある。それに比べて、本発明によれば、多数のレンズがコリメートレンズとして使用されるので、球面収差はレンズ間の距離を適切に設定することによって低減させることができる。
【0064】
図１１は、光学的処理装置１０の特定の構成の一例を示す。図示された光学的処理装置１０はケース２１を備え、ケース２１には、ビーム出射部１と、レンズ２４（コリメートレンズ）と、レンズ２４からのビームを分散させる回折格子５と、レンズ６（スキャンレンズ）と、光路変更光学システム７と、が設けられている。符号２２及び２３はミラーを示す。
【0065】
ビーム出射部１の光ファイバの数は特に限定されず、任意とすることができ、例えば、３つ以上とすることができる。さらに、光路変更光学システムのミラー素子の数は１つまたは複数に任意に設定することができる。さらにミラー素子および中間ミラーでビームを反射する回数は前記実施形態に限定されない。
【符号の説明】
【0066】
１ ビーム出射部２ 光ファイバ
３ 第１のレンズ（第１のコリメートレンズ）
４ 第２のレンズ（第２のコリメートレンズ）
５ 回折格子（分散素子）
６ レンズ（集光レンズ）
７ 光路変更光学システム
１５ ミラー素子
１９ 中間ミラー
Ｌ１ 出射ビーム
Ｌ２ 戻りビーム
Ｒ１ 第１の反射点
Ｒ２ 第２の反射点
Ｒｉ 中間反射点
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２ 第１のレンズと第２のレンズとの間の距離