特許 6182988 分光デバイス及び波長選択スイッチ

(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】6182988

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】分光デバイス及び波長選択スイッチ

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/02 20060101AFI20170814BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20170814BHJP

   G02B 5/04 20060101ALI20170814BHJP

   G01J 3/18 20060101ALI20170814BHJP

【ＦＩ】

   G01J3/02 C

   G02B5/18

   G02B5/04 A

   G02B5/04 F

   G01J3/18

【請求項の数】11

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-123826(P2013-123826)

(22)【出願日】2013年6月12日

(65)【公開番号】特開2014-240805(P2014-240805A)

(43)【公開日】2014年12月25日

【審査請求日】2016年5月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】塩▲崎▼ 学

(72)【発明者】

【氏名】田澤 英久

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２８０５８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１４５３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９５０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０１８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３３９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１７３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６４１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５６６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６４４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１５４８７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１８６７４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０８２０３７８９（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ ３／００−３／５２

Ｇ０２Ｂ ５／００−５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに傾斜する一対の面を各々有する第１及び第２のプリズムを含んで構成され、複数の波長成分を含む光が前記第１及び第２のプリズムの各面を通過することにより該光を拡幅するビーム拡大光学系と、
前記ビーム拡大光学系により拡幅された前記光を、前記複数の波長成分毎に異なる回折角で出射する分光素子と
を備え、
前記ビーム拡大光学系から出射される前記光の出射角の温度変化による変動方向が、前記分光素子から出射される各波長成分の回折角の前記温度変化による変動を抑制する方向であり、
前記第１のプリズムから出射される前記光の出射角の温度変化による変動方向と、前記第２のプリズムから出射される前記光の出射角の温度変化による変動方向とが互いに同方向であることを特徴とする、分光デバイス。

【請求項2】

前記第１のプリズムにおける前記光の屈折角の正負符号と、前記第２のプリズムにおける前記光の屈折角の正負符号とが互いに異なり、
前記温度変化に対する前記第１及び第２のプリズムの屈折率変化の正負符号が互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の分光デバイス。

【請求項3】

前記ビーム拡大光学系が、互いに傾斜する一対の面を各々有する３個以上のプリズムを含んで構成されており、
前記第１及び第２のプリズムは、前記３個以上のプリズムのうち前記分光素子寄りの２個のプリズムであることを特徴とする、請求項２に記載の分光デバイス。

【請求項4】

前記ビーム拡大光学系が、Ｎ個（Ｎは４以上の偶数）のプリズムを含んで構成されており、
前記第１及び第２のプリズムを除く他のプリズムは、前記第１及び第２のプリズムのうち一方のプリズムと同じ材質から成り、前記一方のプリズムと等しい頂角を有することを特徴とする、請求項３に記載の分光デバイス。

【請求項5】

前記第１のプリズムにおける前記光の屈折角の正負符号と、前記第２のプリズムにおける前記光の屈折角の正負符号とが互いに同じであり、
前記温度変化に対する前記第１及び第２のプリズムの屈折率変化の符号が互いに同じであることを特徴とする、請求項１に記載の分光デバイス。

【請求項6】

前記ビーム拡大光学系が、互いに傾斜する一対の面を各々有し前記第１及び第２のプリズムを含む３個以上のプリズムを含んで構成されており、
前記ビーム拡大光学系に入射する前記光の光軸と、前記ビーム拡大光学系から出射される前記光の光軸とが互いに平行であることを特徴とする、請求項５に記載の分光デバイス。

【請求項7】

前記温度変化に対する前記第１及び第２のプリズムの屈折率変化が負であることを特徴とする、請求項５または６に記載の分光デバイス。

【請求項8】

前記分光素子が回折格子を有しており、
前記回折格子への前記光の入射角をθ_ｉｎ、各波長成分の回折角をθ_ｏｕｔ、前記回折格子の周期をΛ_ｇ、前記回折格子のビーム倍率をＭ_ｇ、前記回折格子の角分散をＤ_ｇ、各波長成分の真空での波長をλ、前記回折格子の温度をＴ、前記第１及び第２のプリズムの周囲の媒質の屈折率をｎ_０としたとき、以下の数式により表される回折角θ_ｏｕｔの温度依存性（ｄθ_ｏｕｔ／ｄＴ）がゼロであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の分光デバイス。

【数1】

【請求項9】

前記数式において、前記第１及び第２のプリズムの周囲の媒質の屈折率ｎ_０の変化が更に加味されていることを特徴とする、請求項８に記載の分光デバイス。

【請求項10】

前記ビーム拡大光学系から出射される前記光の出射角の温度変化による変動量は、前記分光素子から出射される各波長成分の回折角の前記温度変化による変動量がほぼゼロとなるように設定されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の分光デバイス。

【請求項11】

請求項１〜１０のいずれか一項に記載された分光デバイスと、
複数の波長成分を含む前記光を入力する入力部と、
前記分光デバイスから出射される前記複数の波長成分を集光する集光要素と、
前記集光要素により集光された前記複数の波長成分を、波長成分毎に独立に偏向する光偏向素子と、
前記光偏向素子によって偏向された前記複数の波長成分を波長成分毎に出力する出力部と
を備えることを特徴とする、波長選択スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分光デバイス及び波長選択スイッチに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、波長選択スイッチに適用される多波長分光装置が開示されている。この装置は、２枚の回折格子を備えている。１枚目の回折格子では、使用波長範囲の短波長側でＰ偏光とＳ偏光の回折効率が一致しており、２枚目の回折格子では、使用波長の長波長側でＰ偏光とＳ偏光の回折効率が一致している。このような構成により、角分散量を大きくし、回折効率の波長依存性を相殺し、回折効率の波長依存性を低減することを企図している。

【0003】

特許文献２には、温度補償手段を備える波長分散デバイスが記載されている。この波長分散デバイスは、通常の分光光学系に加えて、温度補償用のプリズムを更に備えている。温度補償用のプリズムは、回折格子によって分光された各波長成分の光路上に配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１６３７８０号公報

【特許文献2】米国特許出願公開第２００９／０１５４８７６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば波長選択スイッチなどの光学装置において、複数の波長成分を含む光を各波長成分毎に分光するための光学系が用いられている。このような光学系は、例えば回折格子などの分光手段を有する分光素子を備える。複数の波長成分を含む光がこの分光素子を通過する際、各波長毎に異なる回折角でもって出射される。

【0006】

しかしながら、このような光学系には次の問題点がある。通常、分光素子の構成材料は温度変化により膨張或いは収縮する。このため、温度変化による回折格子の線膨張を回避することは困難であり、これにより回折格子の格子ピッチが変化すると、各波長成分の回折角も変化してしまう。このような現象が例えば波長選択スイッチにおいて生じると、或る波長成分の光偏向素子における到達位置が、回折格子による各波長成分の分光方向にずれてしまう。その結果、波長帯域の端に相当する波長成分が光偏向素子の偏向領域から逸れてしまうので、使用可能な波長帯域が狭くなってしまう。

【0007】

なお、特許文献２に記載された波長分散デバイスのように、通常の分光光学系に加えて温度補償用のプリズムを更に設けると、部品点数が増加してしまい、光学系の小型化を妨げる一因となる。

【0008】

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、部品点数の増加を抑えつつ温度変化による影響を低減することが可能な分光デバイス及び波長選択スイッチを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決するために、本発明による分光デバイスは、互いに傾斜する一対の面を各々有する第１及び第２のプリズムを含んで構成され、複数の波長成分を含む光が第１及び第２のプリズムの各面を通過することにより該光を拡幅するビーム拡大光学系と、ビーム拡大光学系により拡幅された光を、複数の波長成分毎に異なる回折角で出射する分光素子とを備え、ビーム拡大光学系から出射される光の出射角の温度変化による変動方向が、分光素子から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動を抑制する方向であることを特徴とする。

【0010】

また、分光デバイスは、第１のプリズムから出射される光の出射角の温度変化による変動方向と、第２のプリズムから出射される光の出射角の温度変化による変動方向とが互いに同方向であることを特徴としてもよい。

【0011】

また、分光デバイスは、第１のプリズムにおける光の屈折角の正負符号と、第２のプリズムにおける光の屈折角の正負符号とが互いに異なり、温度変化に対する第１及び第２のプリズムの屈折率変化の符号が互いに異なることを特徴としてもよい。

【0012】

また、分光デバイスは、ビーム拡大光学系が、互いに傾斜する一対の面を各々有する３個以上のプリズムを含んで構成されており、第１及び第２のプリズムは、３個以上のプリズムのうち分光素子寄りの２個のプリズムであることを特徴としてもよい。

【0013】

また、分光デバイスは、ビーム拡大光学系が、Ｎ個（Ｎは４以上の偶数）のプリズムを含んで構成されており、第１及び第２のプリズムを除く他のプリズムは、第１及び第２のプリズムのうち一方のプリズムと同じ材質から成り、一方のプリズムと等しい頂角を有することを特徴としてもよい。

【0014】

また、分光デバイスは、第１のプリズムにおける光の屈折角の正負符号と、第２のプリズムにおける光の屈折角の正負符号とが互いに同じであり、温度変化に対する第１及び第２のプリズムの屈折率変化の符号が互いに同じであることを特徴としてもよい。

【0015】

また、分光デバイスは、ビーム拡大光学系が、互いに傾斜する一対の面を各々有し第１及び第２のプリズムを含む３個以上のプリズムを含んで構成されており、ビーム拡大光学系に入射する光の光軸と、ビーム拡大光学系から出射される光の光軸とが互いに平行であることを特徴としてもよい。

【0016】

また、分光デバイスは、温度変化に対する第１及び第２のプリズムの屈折率変化が負であることを特徴としてもよい。

【0017】

また、分光デバイスは、分光素子が回折格子を有しており、回折格子への光の入射角をθ_ｉｎ、各波長成分の回折角をθ_ｏｕｔ、回折格子の周期をΛ_ｇ、回折格子のビーム倍率をＭ_ｇ、回折格子の角分散をＤ_ｇ、各波長成分の真空での波長をλ、回折格子の温度をＴ、第１及び第２のプリズムの周囲の媒質の屈折率をｎ_０としたとき、以下の数式により表される回折角θ_ｏｕｔの温度依存性（ｄθ_ｏｕｔ／ｄＴ）がゼロであることを特徴としてもよい。

【0018】

また、分光デバイスは、上記数式において、第１及び第２のプリズムの周囲の媒質の屈折率ｎ_０の変化が更に加味されていることを特徴としてもよい。

【0019】

また、分光デバイスは、ビーム拡大光学系から出射される光の出射角の温度変化による変動量が、分光素子から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動量がほぼゼロとなるように設定されていることを特徴としてもよい。

【0020】

また、本発明による波長選択スイッチは、複数の波長成分を含む光を入力する入力部と、上記いずれかの分光デバイスと、分光デバイスから出射される複数の波長成分を集光する集光要素と、集光要素により集光された複数の波長成分を、波長成分毎に独立に偏向する光偏向素子と、光偏向素子によって偏向された複数の波長成分を波長成分毎に出力する出力部とを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明による分光デバイス及び波長選択スイッチによれば、部品点数の増加を抑えつつ温度変化による影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、一実施形態に係る分光デバイスを備える波長選択スイッチの構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、一実施形態の分光デバイスの構成を拡大して示す上面図である。

【図3】図３は、ビーム拡大光学系及び分光素子を示す図である。

【図4】図４は、プリズムおよび回折格子における出射角の温度依存性を説明するための図である。

【図5】図５は、第１変形例に係るビーム拡大光学系の構成を示す上面図である。

【図6】図６は、第２変形例に係るビーム拡大光学系の構成を示す上面図である。

【図7】図７は、第３変形例に係るビーム拡大光学系の構成を示す上面図である。

【図8】図８は、第４変形例に係るビーム拡大光学系の構成を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、添付図面を参照しながら本発明による分光デバイス及び波長選択スイッチの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0024】

図１は、本実施形態に係る分光デバイス１０を備える波長選択スイッチ１Ａの構成を示す斜視図である。なお、理解の容易のため、図１にはＸＹＺ直交座標系が示されている。

【0025】

波長選択スイッチ１Ａは、複数の光ポート１１と、コリメータアレイ１２と、集光要素１３と、分光デバイス２０と、光偏向素子３０と、これらを収容する筐体１４とを備えている。筐体１４は、ＸＹ平面に沿った底面１４ａを有しており、複数の光ポート１１、コリメータアレイ１２、集光要素１３、及び分光デバイス２０は、筐体１４の底面１４ａ上に配置されている。また、光偏向素子３０は、底面１４ａを囲う筐体１４の側壁１４ｂに取り付けられている。

【0026】

複数の光ポート１１は、筐体１４の底面１４ａと交差する方向（例えばＺ軸方向）に並んで配置されている。複数の光ポート１１のうち一つの光ポート１１は、本実施形態における入力部である。この入力部としての光ポート１１は、波長選択スイッチ１Ａの外部から、複数の波長成分を含む光Ｐを入力する。また、複数の光ポート１１のうち他の光ポート１１は、本実施形態における出力部である。これら出力部としての光ポート１１は、後述する分光デバイス２０によって分光されたのちに光偏向素子３０により偏向された複数の波長成分を、各波長成分毎に波長選択スイッチ１Ａの外部へ出力する。なお、複数の光ポート１１は、例えば光ファイバといった光導波部材によって好適に構成される。

【0027】

コリメータアレイ１２は、複数の光ポート１１と光学的に結合されている。コリメータアレイ１２は、入力部としての光ポート１１から入力された光Ｐを平行化（コリメート）して、分光デバイス２０に提供する。また、コリメータアレイ１２は、光偏向素子３０から到達した分光後の各波長成分を、各々に対応する光ポート１１に向けて集光する。

【0028】

分光デバイス２０は、入力部としての光ポート１１から入力された複数の波長成分を含む光Ｐを、各波長成分毎に異なる光路へ分光するための分光構造を有する。具体的には、本実施形態の分光デバイス２０は、ビーム拡大光学系（ビームエキスパンダ）２１と、分光素子２９とを備えている。ビーム拡大光学系２１Ａは、複数の波長成分を含む光Ｐを入力部としての光ポート１１からコリメータアレイ１２を介して受け、複数の光ポート１１の並び方向と交差する方向、すなわちＸＹ平面に沿った方向にその光Ｐを拡幅する。また、ビーム拡大光学系２１Ａは、分光デバイス２０によって分光されたのちに光偏向素子３０により偏向された複数の波長成分のＸＹ平面内の幅を縮小し、コリメータアレイ１２を介して出力部としての光ポート１１に提供する。

【0029】

本実施形態のビーム拡大光学系２１Ａは、光軸方向に並んで配置された第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３を含んで構成されている。第１のプリズム２２は、Ｚ軸に沿っており且つＸＹ平面内で互いに傾斜する一対の面２２ａ，２２ｂを有する。同様に、第２のプリズム２３は、Ｚ軸に沿っており且つＸＹ平面内で互いに傾斜する一対の面２３ａ，２３ｂを有する。複数の波長成分を含む光Ｐは、面２２ａ、２２ｂ、２３ａ、及び２３ｂをこの順で通過することにより拡幅される。逆に、光偏向素子３０により偏向された複数の波長成分は、面２３ｂ、２３ａ、２２ｂ、及び２２ａをこの順で通過することにより縮小される。

【0030】

分光素子２９は、回折格子を有しており、ビーム拡大光学系２１Ａによって拡幅された光Ｐを、複数の波長成分毎に異なる回折角で出射する。分光素子２９は、例えば一対の透過型回折格子２９ａ，２９ｂによって構成される。一対の透過型回折格子２９ａ，２９ｂは、光Ｐの光軸に対し、ＸＹ平面内でそれぞれ有意な角度をもって交差している。ビーム拡大光学系２１Ａから出射された光Ｐは、透過型回折格子２９ａ，２９ｂをこの順で通過する。このとき、回折作用によって強め合った光の出射角は波長によって異なるため、光透過型回折格子２９ｂから出射された各波長成分は、その波長に応じた光路へ出力される。こうして、光Ｐは、ＸＹ平面に沿った方向に分光される。本実施形態のように２つの透過型回折格子２９ａ，２９ｂを光Ｐが通過することによって、各波長成分の角分散を大きくし、波長分解能を高めることができる。

【0031】

集光要素１３は、例えば集光レンズによって好適に構成される。集光要素１３は、分光素子２９により分光された各波長成分を、光偏向素子３０上の異なる位置へ集光する。本実施形態では、集光要素１３の前後に反射ミラー１５，１６が設けられており、分光素子２９により分光された各波長成分の光路は、反射ミラー１５により曲折して集光要素１３に達したのち、反射ミラー１６により再び曲折して光偏向素子３０に達する。

【0032】

光偏向素子３０は、集光要素１３により集光された複数の波長成分を、波長成分毎に独立に偏向するための素子である。光偏向素子３０としては、例えばＭＥＭＳミラーアレイや、複数の画素を有する位相変調素子が好適である。ＭＥＭＳミラーアレイは、複数の反射面が一列、または、ＹＺ平面内に二次元的に並んで配置された構成を備えており、各反射面の角度が少しずつ異なっているものである。集光要素１３によって集光された各波長成分は、光偏向素子３０の複数の反射面のうちの各波長成分に対応する反射面において反射する。

【0033】

なお、光偏向素子３０において反射した各波長成分は、上述した光Ｐの経路を逆に辿り、出力部としての各光ポート１１に到達する。このとき、各波長成分の光路は光偏向素子３０によってその波長毎に異なっているので、各波長成分は、複数の光ポート１１のうち当該波長成分に応じた光ポート１１に到達する。こうして、光Ｐに含まれる複数の波長成分は、その波長に応じた光ポート１１から選択的に出力される。

【0034】

図２は、本実施形態の分光デバイス２０の構成を拡大して示す上面図である。本実施形態では、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の向きが互いに異なる。図２には、ビーム拡大光学系２１Ａの第１のプリズム２２によって光Ｐの光軸が変化する向きが図中の矢印Ａ１で示されており、第２のプリズム２３によって光Ｐの光軸が変化する向きが図中の矢印Ａ２で示されている。図２に示されるように、本実施形態では、第１のプリズム２２によって光Ｐの光軸が変化する向きＡ１と、第２のプリズム２３によって光Ｐの光軸が変化する向きＡ２とが互いに逆向きとなっている。言い換えれば、Ｚ軸を中心として反時計回りに角度を定義したとき、第１のプリズム２２による屈折角θ_１は正となり、第２のプリズム２３による屈折角θ_２は負となる。このような構成によって、ビーム拡大光学系２１Ａに入射するときの光Ｐの光軸と、ビーム拡大光学系２１Ａから出射するときの光Ｐの光軸とを互いに平行か若しくは平行に近づけることができ、全体の光学系を構成し易くすることができる。

【0035】

また、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の構成材料としては、例えば光Ｐの各波長に対して好適な屈折率を有するように成分が調整された硝子（石英など）が用いられる。この場合、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の屈折率の温度依存性は、例えば−１０ｐｐｍ／Ｋ〜１０ｐｐｍ／Ｋ程度である。

【0036】

第１のプリズム２２および第２のプリズム２３は、温度変化によって屈折率が変化する。従って、筐体１４内部の温度が変化すると、第１のプリズム２２から出射される光Ｐの屈折角θ_１、および第２のプリズム２３から出射される光Ｐの屈折角θ_２が変動することとなる。一方、分光素子２９の構成材料も温度変化により膨張或いは収縮する。このため、温度変化によって各波長成分の回折角が変動する。

【0037】

本実施形態では、温度変化に起因する各波長成分の回折角の変動を低減するため、ビーム拡大光学系２１Ａから出射される光Ｐの出射角（θ_１＋θ_２）の温度変化による変動方向が、分光素子２９から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動を抑制する方向となるように、ビーム拡大光学系２１Ａの温度特性が設定されている。図３は、この概念を概略的に示す図であって、ビーム拡大光学系２１Ａ及び分光素子２９が示されている。図３（ａ）に示されるように、いま、ΔＴ℃の温度上昇によって、分光素子２９における或る波長成分Ｐ_１の回折角がΔθ_ｇだけ変動する場合を考える。この場合、図３（ｂ）に示されるように、ビーム拡大光学系２１Ａにおける光Ｐの出射角の温度変化による変動分Δθの変動方向を、Δθ_ｇが小さくなる方向に設定すれば、温度変化によらず波長成分Ｐ_１の回折角を安定させることができる。より好ましくは、分光素子２９から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動量Δθ_ｇがほぼゼロとなるように、ビーム拡大光学系２１Ａから出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動量Δθが設定されているとよい。以下、このような第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の温度特性を実現するための構成について、詳細に説明する。

【0038】

まず、プリズムおよび回折格子における出射角の温度依存性の理論式を示す。図４（ａ）に示されるように、或るプリズムＢの第１面ｂ_１への光Ｐの入射角をθ_ｉｎ、第１面ｂ_１における光Ｐの屈折角をθ’_ｉｎ、第２面ｂ_２への光Ｐの入射角をθ’_ｏｕｔ、第２面ｂ_２における光Ｐの出射角をθ_ｏｕｔ、第１面ｂ_１と第２面ｂ_２との成す頂角をθ_ｐ、プリズムＢを構成する材料の屈折率をｎ_ｐ、プリズムＢの周囲の媒質の屈折率をｎ_０とする。このとき、スネルの法則から、以下の数式（１）が成り立つ。

【数2】

【0039】

ここで、プリズムＢの拡幅倍率（すなわち出射ビーム径／入射ビーム径）をＭ_ｐとすると、この倍率Ｍ_ｐは次式（２）によって表される。

【数3】

上式（１）及び（２）に基づき、出射角θ_ｏｕｔの温度依存性（ｄθ_ｏｕｔ／ｄＴ）は、入射角θ_ｉｎの温度依存性も考慮して、以下の式（３）で表される。なお、ＴはプリズムＢの温度である。

【数4】

【0040】

次に、回折格子について考える。図４（ｂ）に示されるように、或る回折格子Ｃへの光Ｐの入射角をθ_ｉｎ、波長成分Ｐ_１の回折角をθ_ｏｕｔ、回折格子Ｃの周期をΛ_ｇ、回折次数をｍ_ｇ、ビーム倍率をＭ_ｇ、角分散（回折角の波長依存性）をＤ_ｇ、波長成分Ｐ_１の真空での波長をλとすると、以下の数式（４）〜（６）が成り立つ。

【数5】

【数6】

【数7】

上式（４）〜（６）に基づき、回折角θ_ｏｕｔの温度依存性（ｄθ_ｏｕｔ／ｄＴ）は以下の式（７）で表される。なお、Ｔは回折格子Ｃの温度である。

【数8】

【0041】

プリズムＢの出射角θ_ｏｕｔの温度依存性ｄθ_ｏｕｔ／ｄＴは、そのまま回折格子Ｃへの入射角θ_ｉｎの温度依存性ｄθ_ｉｎ／ｄＴとなる。そのことを考慮の上、第１のプリズム２２、第２のプリズム２３、透過型回折格子２９ａ及び２９ｂに関して上記数式（３）及び（７）を合成したとき、最終的な回折角（すなわち透過型回折格子２９ｂからの回折角）の温度依存性が小さくなるように、数式（３）の各パラメータを決定する。言い換えれば、ビーム拡大光学系２１Ａから出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動方向が、分光素子２９から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動を抑制する方向となるように、数式（３）の各パラメータを決定する。これにより、分光素子２９から出射される各波長成分の回折角の温度変化による影響を低減することができる。好ましくは、分光素子２９から出射される各波長成分の出射角の温度変化による変動量がほぼゼロとなるように、換言すれば、上記数式（７）で表される回折角θ_ｏｕｔの温度依存性（ｄθ_ｏｕｔ／ｄＴ）がゼロとなるように、数式（３）の各パラメータが決定されているとよい。

【0042】

なお、数式（７）に示されるように、分光素子２９に含まれる個々の回折格子においても、出射角の温度依存性が存在する。従って、出射角の変動量は、回折格子の枚数が増えるほど（また、角分散が大きくなるほど）大きくなるので、その変動を抑える（補償する）ための第１のプリズム２２および第２のプリズム２３にも、大きな温度依存性を有することが望まれる。

【0043】

ここで、ビーム拡大光学系２１Ａからの出射角の温度変化による変動量（図３（ｂ）に示されたΔθ）は、図２に示された第１のプリズム２２の屈折角θ_１の変動量Δθ_１と、第２のプリズム２３の屈折角θ_２の変動量Δθ_２との和（Δθ_１＋Δθ_２）となる。これらの変動量Δθ_１及びΔθ_２の正負符号が互いに異なる（すなわち、Δθ_１及びΔθ_２の変動方向が互いに逆である）場合には、Δθ_１及びΔθ_２が互いに減算されるので、ビーム拡大光学系２１Ａ全体として十分な変動量Δθを得るためにはΔθ_１及びΔθ_２を大きな値とする必要がある。一方、Δθ_１及びΔθ_２の正負符号が互いに同じ（すなわち、Δθ_１及びΔθ_２の変動方向が互いに同じ）である場合には、Δθ_１及びΔθ_２が加算されるので、Δθ_１及びΔθ_２が小さな値であってもビーム拡大光学系２１Ａ全体として十分な変動量Δθを得ることができる。

【0044】

本実施形態では、前述したように、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２２の向きと第２のプリズム２３の向きとが互いに逆であるため、第１のプリズム２２における光Ｐの屈折角θ_１の正負符号と、第２のプリズム２３における光Ｐの屈折角θ_２の正負符号とが互いに異なっている。この場合、温度変化時のΔθ_１及びΔθ_２の変動方向を互いに同じとする為には、温度変化に対する第１のプリズム２２の屈折率変化の正負符号と、第２のプリズム２３の屈折率変化の正負符号とが互いに異なっているとよい。

【0045】

上記のような温度特性を有するビーム拡大光学系２１Ａの具体例を以下に示す。第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３として、頂角、屈折率、及び屈折率の温度依存性が全て同じものを用いる場合について考える。なお、透過型回折格子２９ａ及び２９ｂは、双方共に、シリカガラス基板（線膨張率＝０．５１ｐｐｍ／Ｋ）に周期１．０３５２μｍ（９６６本／ｍｍ）で形成されたものとし、中心波長１．５５μｍにてブラッグ条件（入出射角の絶対値が等しい）で用いられるものとする。また、周囲媒質としては、体積変化の無い容器内に密閉されたガスを想定し、ガスの屈折率の温度依存性は無いものとする（すなわち、ｄｎ_０／ｄＴ＝０）。

【0046】

第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３の温度変化に対する屈折率変化、すなわち屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の符号が同じである場合、例えば分光素子２９から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動量Δθ_ｇをほぼゼロとするために、例えば屈折率ｎ_ｐが２．０であり、拡幅倍率Ｍ_ｐが２．００であるとき必要となる屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は−１２ｐｐｍ／Ｋとなる。また、例えば屈折率ｎ_ｐが１．５であり、拡幅倍率Ｍ_ｐが１．８６であるとき、必要となる屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は−１０ｐｐｍ／Ｋとなる。しかしながら、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の絶対値が上記よりも小さい値であれば、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３を光学ガラスを用いて容易に実現でき、また、フッ素やリン酸の含有割合を抑えて第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３の靱性を高めることができる。

【0047】

そこで、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３として、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の符号が互いに異なる（例えば、第１のプリズム２２の符号が正、第２のプリズム２３の符号が負である）場合を考える。但し、これらのプリズム２２，２３の温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の絶対値は互いに等しいものとする。この場合、分光素子２９から出射される各波長成分の回折角の温度変化による変動量Δθ_ｇがほぼゼロとなるために、例えば屈折率ｎ_ｐが２．０であり、拡幅倍率Ｍ_ｐが２．００であるとき必要となる屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は３．９ｐｐｍ／Ｋ及び−３．９ｐｐｍ／Ｋとなる。また、例えば屈折率ｎ_ｐが１．５であり、拡幅倍率Ｍ_ｐが１．８６であるとき、必要となる屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は３．１ｐｐｍ／Ｋ及び−３．１ｐｐｍ／Ｋとなる。このように、本実施形態においては、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の符号が第１のプリズム２２と第２のプリズム２３とで互いに逆であることにより、必要とされる屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の絶対値を格段に小さくすることができる。

【0048】

この理由は次の通りである。前述した数式（３）の右辺第２項は、プリズムに起因する角度変化量を表している。そして、この右辺第２項の分子には、ｓｉｎ（θ_ｐ）が含まれる。ここで、本実施形態では図２に示されたように、第１のプリズム２２における屈折角θ_１の正負符号と、第２のプリズム２３における屈折角θ_２の正負符号とが互いに異なっている。すなわち、第１のプリズム２２と第２のプリズム２３とでθ_ｐの正負が逆となるので、ｓｉｎ（θ_ｐ）の正負も逆となる。前述したように、ビーム拡大光学系２１Ａからの光Ｐの出射角（θ_１＋θ_２）の温度変化による変動量Δθは、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の個々の変動量Δθ_１及びΔθ_２の和となる。屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の正負が第１のプリズム２２と第２のプリズム２３とで同じである場合、これらの変動量Δθ_１及びΔθ_２は互いに減算される。従って、分光素子２９における各波長成分の回折角の変動量Δθ_ｇを小さくするためには、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の絶対値を大きくする必要が生じる。これに対し、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の正負符号が第１のプリズム２２と第２のプリズム２３とで異なる場合、これらのプリズム２２，２３の変動量Δθ_１及びΔθ_２は互いに加算される。従って、分光素子２９における各波長成分の回折角の変動量Δθ_ｇを小さくするために必要な、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の絶対値を小さくすることができる。

【0049】

なお、これによりプリズム設計の自由度が高まるので、より大きな拡大倍率を得るために、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３への入射角を３０°以上とするための条件の設定が容易となる。

【0050】

以上に説明した、本実施形態の分光デバイス１０及び波長選択スイッチ１Ａによって得られる効果について説明する。前述したように、本実施形態の分光デバイス１０では、ビーム拡大光学系２１Ａから出射される光Ｐの出射角（θ_１＋θ_２）の温度変化による変動方向が、分光素子２９から出射される各波長成分の出射角の温度変化による変動を抑制する方向となっている。これにより、分光素子２９における各波長成分の回折角の温度変化による影響を低減することができる。また、光Ｐを拡幅するために本来必要なビーム拡大光学系２１Ａの温度依存性を工夫することによって上記の効果が得られるので、例えば特許文献２に記載された構成と比較して、部品点数の増加を抑えることができる。

【0051】

また、本実施形態のように、第１のプリズム２２から出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動方向と、第２のプリズム２３から出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動方向とは、互いに同方向であることが好ましい。これにより、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３に要求される屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の絶対値を小さくすることができるので、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３を光学ガラスを用いて容易に実現でき、また、フッ素やリン酸の含有割合を抑えて第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３の靱性を高めることができる。

【0052】

また、本実施形態では、第１のプリズム２２における光Ｐの屈折角θ_１の正負符号と、第２のプリズム２３における光Ｐの屈折角θ_２の正負符号とが互いに異なる。このような場合、温度変化に対する第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３の屈折率変化、すなわち屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の正負符号が互いに異なっていることが好ましい。これにより、第１のプリズム２２から出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動方向と、第２のプリズム２３から出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動方向とを互いに同方向とすることができる。

【0053】

また、本実施形態では、ビーム拡大光学系２１及び分光素子２９が筐体１４に収容されている。これにより、ビーム拡大光学系２１及び分光素子２９の周囲温度を安定させて、分光素子２９における各波長成分の回折角の温度変化を低減させることができる。また、本実施形態では、ビーム拡大光学系２１及び分光素子２９が体積一定の筐体１４に密閉され、温度変化による周囲ガスの屈折率変化が無いものとしているが、筐体１４の体積変化（膨脹／収縮）や温度変化による周囲ガスの屈折率ｎ_０に変化がある場合には、上述した数式（３）及び（７）に従い、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）を微調整すればよい。上述の議論では、温度変化による周囲ガスの屈折率変化が無いものとして、屈折率ｎ_ｐの温度依存性を（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）とし、回折格子の線膨張率を（ｄΛ_ｇ／ｄＴ）として説明したが、温度変化による周囲ガスの屈折率変化を加味する場合においても、上記のｎ_ｐを（ｎ_ｐ／ｎ_０）に置き換え、Λ_ｇをｎ_０Λ_ｇに置き換えることによって、同様の議論が成り立つ。

【0054】

（第１の変形例）
図５（ａ）は、上記実施形態の第１変形例に係るビーム拡大光学系２１Ｂの構成を示す上面図である。本変形例のビーム拡大光学系２１Ｂでは、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３の向きが、上記実施形態のビーム拡大光学系２１Ａとは異なっている。すなわち、Ｚ軸を中心として反時計回りに角度を定義したとき、本変形例では第１のプリズム２２による屈折角θ_１は負となり、第２のプリズム２３による屈折角θ_２は正となっている。このような構成によって、上記実施形態と同様に、ビーム拡大光学系２１Ｂに入射するときの光Ｐの光軸と、ビーム拡大光学系２１Ｂから出射するときの光Ｐの光軸とを互いに平行か若しくは平行に近づけることができ、全体の光学系を構成し易くすることができる。

【0055】

但し、分光素子２９の一対の透過型回折格子２９ａ，２９ｂによって分光された複数の波長成分がビーム拡大光学系２１Ｂの近傍を通っている場合、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の向きによっては、図５（ｂ）に示されるように、該複数の波長成分の光路に第１のプリズム２２が被ってしまう。従って、このような状態を避ける為、ビーム拡大光学系２１Ｂと複数の波長成分の光路との隙間を大きくする必要が生じ、装置全体の小型化を妨げる一因となる。このようなことから、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の向きは、近傍を通過する光路との位置関係を考慮して決定されることが望ましい。

【0056】

（第２の変形例）
図６は、上記実施形態の第２変形例に係るビーム拡大光学系２１Ｃの構成を示す上面図である。本変形例のビーム拡大光学系２１Ｃは、上記実施形態における２つのプリズム（第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３）に加え、光Ｐの光軸方向に並んで配置されたプリズム２４及び２５を更に含んで構成されている。

【0057】

プリズム２４は、Ｚ軸に沿っており且つＸＹ平面内で互いに傾斜する一対の面２４ａ，２４ｂを有する。同様に、プリズム２５は、Ｚ軸に沿っており且つＸＹ平面内で互いに傾斜する一対の面２５ａ，２５ｂを有する。複数の波長成分を含む光Ｐは、面２４ａ、２４ｂ、２５ａ、及び２５ｂをこの順で通過し、更に２２ａ、２２ｂ、２３ａ、及び２３ｂをこの順で通過することにより拡幅される。逆に、光偏向素子３０により偏向された複数の波長成分は、面２３ｂ、２３ａ、２２ｂ、及び２２ａをこの順で通過し、更に面２５ｂ、２５ａ、２４ｂ、及び２４ａをこの順で通過することにより縮小される。

【0058】

本変形例のように、ビーム拡大光学系は、互いに傾斜する一対の面を各々有する３個以上のプリズム（本変形例では４個）を含んで構成されてもよい。このように、ビーム拡大光学系を構成するプリズムの個数を増やすことによって、波長分解能を更に高めることができる。また、この場合、本変形例のように、分光素子２９の温度変化による回折角の変動を抑えるための第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３は、３個以上のプリズムのうち分光素子２９寄りの２個のプリズムであることが好ましい。数式（３）より、プリズム入射角の変化、即ち前段のプリズム出射角の変化が、当該プリズムの出射角に与える影響は、プリズム拡大率で除した値となるので、上流のプリズムになるほど、出射角の変化が与える影響は小さくなる。従って、このように、分光素子２９に近い２個のプリズムを第１及び第２のプリズムとすることにより、分光素子２９の回折角の変動を効果的に抑えることができる。

【0059】

また、本変形例のように、ビーム拡大光学系がＮ個（Ｎは４以上の偶数）のプリズムを含んで構成されている場合、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３を除く他のプリズム２４，２５は、第１のプリズム２２及び第２のプリズム２３のうち一方と同じ材質から成り、該一方のプリズムと等しい頂角θ_ｐを有することが好ましい。これにより、プリズム２４，２５として使用されるプリズムと、第１のプリズム２２又は第２のプリズム２３の何れかとして使用されるプリズムとを共通化することができ、ビーム拡大光学系を構成する部品の種類を削減することができる。

【0060】

なお、一実施例では、プリズム２３、２４及び２５が同じ材質を有するプリズムであり、プリズム２２のみ材質が異なるプリズムである。周囲ガスの屈折率が一定である場合、硝材の屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は、それぞれ−２．７ｐｐｍ／Ｋ及び２．６ｐｐｍ／Ｋである。また、ビーム拡大光学系２１Ｃ全体での拡大倍率は例えば１５倍である。なお、本変形例では、屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の正負符号がプリズム２２のみ正となっている。分光素子２９の回折角の変動をより効果的に抑える為には、プリズム２４の屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）も正であることが好ましいが、プリズム２２，２３による光Ｐの拡幅によってその影響が小さくなるので、プリズム２４及び２５の温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は双方共に負であっても問題ない。

【0061】

（第３の変形例）
図７は、上記実施形態の第３変形例に係るビーム拡大光学系２１Ｄの構成を示す上面図である。本変形例のビーム拡大光学系２１Ｄと上記実施形態との相違点は、光Ｐの光軸に対する第１のプリズムの向きである。上記実施形態では、図２に示されたように、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の向きが互いに異なっており、Ｚ軸を中心として反時計回りに角度を定義したとき、第１のプリズム２２による屈折角θ_１は正となり、第２のプリズム２３による屈折角θ_２は負となっている。これに対し、本変形例では、図７に示されるように、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２６および第２のプリズム２３の向きが同じとなっており、第１のプリズム２６による屈折角θ_１、及び第２のプリズム２３による屈折角θ_２は互いに同符号（本変形例では負）となっている。

【0062】

このような場合であっても、温度変化に対する第１のプリズム２６及び第２のプリズム２３の屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）の正負符号が互いに同じであれば、屈折角θ_１の温度変化による変動方向（すなわちΔθ_１の正負符号）と、屈折角θ_２の温度変化による変動方向（すなわちΔθ_２の正負符号）とを互いに同じとすることができる。従って、第１実施形態と同様の効果を好適に奏することができる。なお、一実施例では、第１のプリズム２６及び第２のプリズム２３は同じ材質を有するプリズムである。

【0063】

（第４の変形例）
図８は、上記実施形態の第４変形例に係るビーム拡大光学系２１Ｅの構成を示す上面図である。本変形例では、第３の変形例と同様に、ビーム拡大光学系２１Ｅが第１のプリズム２６及び第２のプリズム２３を含んで構成されている。第１のプリズム２６の材質及び頂角θ_ｐは第３変形例と同じであるが、本実施例では、第１のプリズム２６の大きさが第２のプリズム２３と全く同一となっている。

【0064】

また、本変形例のビーム拡大光学系２１Ｅは、第１のプリズム２６及び第２のプリズム２３に加えて、光Ｐの光軸方向に並んで配置されたプリズム２７及び２８を更に含んで構成されている。プリズム２７及び２８の材質及び頂角θ_ｐは第１のプリズム２６および第２のプリズム２３と同じである。また、プリズム２７及び２８の大きさは、第１のプリズム２６および第２のプリズム２３と全く同一となっている。これにより、プリズム２３，２６〜２８として使用されるプリズムを全て共通化することができ、ビーム拡大光学系を構成する部品の種類を削減することができる。光Ｐは、プリズム２７、２８、２６、及び２３をこの順で通過することにより拡幅される。逆に、光偏向素子３０により偏向された複数の波長成分は、プリズム２３、２６、２８、及び２７をこの順で通過することにより縮小される。

【0065】

本変形例のように、ビーム拡大光学系は、互いに傾斜する一対の面を各々有する３個以上のプリズム（本変形例では４個）を含んで構成されてもよい。このように、ビーム拡大光学系を構成するプリズムの個数を増やすことによって、波長分解能を更に高めることができる。また、第３変形例および本変形例のように、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２６および第２のプリズム２３の向きが同じとなっており、且つ、第１のプリズム２６による屈折角θ_１、及び第２のプリズム２３による屈折角θ_２が互いに同符号である場合には、ビーム拡大光学系から出射される光Ｐの出射角の温度変化による変動量が加算されるため、Δθを大きくすることができる。従って、分光素子２９の回折角の変動をより効果的に抑えることができる。

【0066】

また、本変形例のように、光Ｐの光軸に対する第１のプリズム２６および第２のプリズム２３の向きが同じとなっており、且つ、ビーム拡大光学系が３個以上のプリズム（本変形例では４個）を含んで構成されている場合には、図８に示されるように、第１のプリズム２６および第２のプリズム２３を除く他のプリズム２７，２８の向きを、第１のプリズム２６および第２のプリズム２３の向きとは異ならせるとよい。これにより、ビーム拡大光学系２１Ｅに入射する光Ｐの光軸と、ビーム拡大光学系２１Ｅから出射される光Ｐの光軸とを互いに平行か若しくは平行に近づけることができ、全体の光学系を構成し易くすることができる。

【0067】

なお、一実施例では、プリズム２３、２６〜２８は同じ材質を有するプリズムである。周囲ガスの屈折率が一定である場合、硝材の屈折率ｎ_ｐの温度依存性（ｄｎ_ｐ／ｄＴ）は−３．７ｐｐｍ／Ｋである。

【0068】

本発明による分光デバイス及び波長選択スイッチは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態および各変形例では分光素子として２枚の透過型回折格子を例示したが、分光素子は１枚以上の透過型回折格子によって好適に構成され得る。そのような構成としては、例えばリットマン−メトカルフ型や、ダブルパスモノクロメータが挙げられる。

【符号の説明】

【0069】

１Ａ…波長選択スイッチ、１０…分光デバイス、１１…光ポート、１２…コリメータアレイ、１３…集光要素、１４…筐体、１４ａ…底面、１４ｂ…側壁、１５，１６…反射ミラー、２０…分光デバイス、２１Ａ〜２１Ｅ…ビーム拡大光学系、２２，２６…第１のプリズム、２３…第２のプリズム、２４，２５，２７，２８…プリズム、２９…分光素子、２９ａ，２９ｂ…透過型回折格子、３０…光偏向素子、Ｂ…プリズム、Ｃ…回折格子、Ｐ…光、θ_１…屈折角、θ_２…屈折角。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】