JP2001194551A

JP2001194551A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2001194551A
Application number: JP2000005967A
Authority: JP
Inventors: Gakushi Shoda; 学史庄田; Yukiko Furukata; 由紀子古堅
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2020-01-07
Also published as: JP4344446B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズ系を用いた光モジュールの、小型化、構
造の簡素化、低コスト化、透過損失の低減に貢献する。【解決手段】２本の光ファイバを保持する２つの光ファ
イバ保持具間に、少なくとも２つ以上のレンズと、光線
の一部を反射する少なくとも一つ以上の光学素子を具備
する光モジュールにおいて、少なくとも一方の光ファイ
バ保持具にて、保持された2本の光ファイバ端面とこれ
に近接するレンズとの間隔が異なる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光結合器、光アイ
ソレーター、光スイッチ等各種光学部品用レンズ付き光
ファイバ端末を付属する光モジュールに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】本特許を説明するために光ファイバ増幅
器用に用いられる光モジュール構造を例にとり、これに
ついて説明する。

【０００３】光ファイバ増幅器は希土類元素を添加した
増幅ファイバに、希土類元素を励起する励起光と信号光
を合波させ入力する必要がある。これに用いる光デバイ
ス、光部品等には、小型化、構造の簡素化、低コスト
化、透過損失の低減が求められており、特に透過損失特
性に関しては信号対雑音比、増幅利得特性等に多大な影
響を与えるため、これを低減する様、強く求められてい
る。

【０００４】図９は従来の光ファイバ増幅器の光回路構
成を示す図である。光ファイバ増幅器には前方励起型、
後方励起型、双方向励起型等提案されているが、図９で
は双方向励起型の光ファイバ増幅器について示してい
る。

【０００５】前段の光モジュール６３と後段の光モジュ
ール６４の間に増幅ファイバ６２が配置される構成で、
光ファイバを通して光が伝搬される部位は太い実線で、
レンズや光学素子などを通して光が伝搬される部位は破
線で示している。

【０００６】入力側の光伝送路から受信された信号光の
一部は第１の分岐器５１によって分岐され、第１のフォ
ト・ダイオード５２によって電気変換されて、図示して
いない入力信号光のモニタ回路に供給される。入力信号
光のモニタ回路の出力は励起レーザ・ダイオード６０、
６１の自動レベル制御や入力信号光断の警報などに用い
られる。

【０００７】第１の分岐器５１を通過した信号光は、増
幅ファイバからの自然放出光が入力側の光伝送路に漏れ
出るのを防止する第１のアイソレータ５３を通過し、さ
らに第１の合波器５４を透過した後、増幅ファイバ６２
に導かれる。同時に第１の励起レーザ・ダイオード６０
が出力する励起光は第１の合波器５４によって信号光と
合波し増幅ファイバ６２に導かれる。同様に第２の励起
レーザ・ダイオード６１が出力する励起光も第２の合波
器５５によって増幅ファイバ６２に導かれる。

【０００８】励起光によって増幅ファイバ６２に添加さ
れた希土類元素は一旦エネルギーが高い準位に励起さ
れ、それが元のエネルギー準位に戻る時の誘導放出によ
り信号光を増幅する。増幅された信号光は、第２のアイ
ソレータ５６を通過し、第２の分岐器５７を通過した
後、出力側の光伝送路に出力される。ここで、第２のア
イソレータ５６は出力側の光伝送路からの反射されてく
る信号光が増幅ファイバに入力されるのを阻止する。続
いて信号光は第２の分岐器５７を透過するが、信号光の
一部は第２の分岐器５７により分岐され、第２のフォト
・ダイオード５８によって電気変換されて出力信号光の
モニタ回路に供給される。出力信号光のモニタ回路の出
力は励起レーザ・ダイオード６０、６１の自動レベル制
御や出力信号光断の警報などに用いられる。

【０００９】なお、出力側において、光伝送路と光ファ
イバ増幅器とのコネクタが外れたり、光伝送路が断線し
た場合には出力信号光が反射されて戻ってくる。これを
第２の分岐器５７と第３のフォト・ダイオード５９によ
って電気変換してモニタする。

【００１０】図１０は、図９に示す従来の前段の光モジ
ュール６３を簡易化した具体的な構成を示す図である。

【００１１】これは光モジュール６３の構成を簡易化
し、小型化、組立工数の削減を実現したもので、光ファ
イバ７１は前段の光モジュールへ信号光を入力させるも
の、光ファイバ７２は入力信号光の一部をフォト・ダイ
オードに入力させるためのもの、光ファイバ７３は励起
光を入力させるためのもの、光ファイバ７４は信号光を
増幅する希土類元素添加ファイバに信号光と励起光を出
力するためのものである。光ファイバ保持具７５は光フ
ァイバ７１及び７２を保持し、光ファイバ保持具７６は
光ファイバ７３及び７４を保持し、それぞれ２芯キャピ
ラリ等を使用する。

【００１２】分岐器８１は信号光波長範囲の光に対して
一定の反射率を持つ光学フィルタで、また分波器８２は
信号光波長範囲の光に対しては低い反射率、励起光波長
範囲の光に対しては高い反射率を持つ光学フィルタであ
る。

【００１３】図１０に示す光モジュール６３において、
信号光伝送路側の光ファイバ７１からの信号光は第１の
レンズ７７を通過した後、コリメータ光となり、分岐器
８１に入射する。分岐器８１で一部反射された信号光
は、再び第１のレンズ７７を通過した後、モニタ光伝送
路側の光ファイバ７２に光学結合する。分岐器８１で反
射されなかった残りの信号光は第１のアイソレータ７
９、合波器８２を通過し、第２のレンズ７８を通過した
後、合波光伝送路側の光ファイバ７４に光学結合する。

【００１４】また、励起光伝送路側の光ファイバ７３か
らの励起光は第２のレンズ７８を通過した後、コリメー
タ光となり合波器８２に入射する。合波器８２で反射さ
れた励起光は、再び第２のレンズ７８を通過した後、合
波光伝送路側の光ファイバ７４に光学結合する。

【００１５】図１１は光モジュール６３における結合光
学系を説明するための図である。なお、図１１では光学
結合に関わる部材のみ示し、アイソレータ７９や金具部
材等は省略している。

【００１６】図１１において、第１の光ファイバ７１は
信号光伝送路側の光ファイバ、第２の光ファイバ７２は
モニタ光伝送路側の光ファイバ、第３の光ファイバ７３
は励起光伝送路側の光ファイバ、第４の光ファイバ７４
は合波光伝送路側の光ファイバである。

【００１７】第１の光ファイバ７１と第２の光ファイバ
７２は同一の光ファイバ保持具７５に互いに平行に配置
されている。７７は第１のレンズ、８１は入射光の一部
を反射する分岐器であり、第１のレンズ７７の中心軸に
対して垂直に配置されている。また、第１のレンズ７７
の中心軸と第１及び第２の光ファイバ７１、７２との距
離をａとする。今、第１の光ファイバ７１、第２の光フ
ァイバ７２、第１の光ファイバ保持具７５、第１のレン
ズ７７、分岐器８１をまとめて第１の光ファイバアセン
ブリ構造８３とする。

【００１８】第３の光ファイバ７３と第４の光ファイバ
７４は同一の光ファイバ保持具７６に互いに平行に配置
されている。７８は第２のレンズ、８２は入射光の一部
を反射する合波器であり、レンズ７８の中心軸に対して
垂直に配置されている。

【００１９】また、第２のレンズ７８の中心軸と第３及
び第４の光ファイバ７３、７４との距離をａとする。
今、第３の光ファイバ７３、第４の光ファイバ７４、第
２の光ファイバ保持具７６、第２のレンズ７８、合波器
８２をまとめて第２の光ファイバアセンブリ構造８４と
する。

【００２０】ここで第１の光ファイバ７１と第２の光フ
ァイバ７２、及び第１の光ファイバ７３と第４の光ファ
イバ７４は波長λ１の信号光で光学結合しており、ま
た、第３の光ファイバ７３と第４の光ファイバ７４は波
長λ２の励起光で光学結合している。

【００２１】第１の光ファイバアセンブリ構造８３にお
いて破線８５、８６で示すのは、それぞれ第１のレンズ
７７の信号光波長λ１でのファイバ側主面、及び反射面
側主面である。同様に第２の光ファイバアセンブリ構造
８４において破線８７、８８で示すのは、それぞれ第２
のレンズ７８の励起光波長λ２でのファイバ側主面、及
び反射面側主面である。さらに破線８９で示すのは、第
２のレンズ７８の信号光波長λ１でのファイバ側主面で
ある。

【００２２】ここで第１の光ファイバ保持具７５端面か
ら主面８５までの距離をＬ１、主面８６から分岐器８１
までの距離をＬ２、合波器８２から主面８７までの距離
をＬ３、主面８８から第２の光ファイバ保持具７６端面
までの距離をＬ４、主面８９から第２の光ファイバ保持
具７６端面までの距離をＬ５とする。

【００２３】理想的にはＬ１，Ｌ２を、第１及び第２の
レンズ７７、７８の信号光波長λ１での焦点距離Ｆλ１
に等しくし、さらにＬ３，Ｌ４を、第２のレンズ７８の
励起光波長λ２での焦点距離Ｆλ２に等しくする。

【００２４】このとき、第１の光ファイバ７１からの信
号光は、Ｌ１がＦλ１に近いことから、第１のレンズ７
７を通過後コリメート光となり、また第１のレンズ７７
の中心軸及び分岐器８１の放線方向に対して以下の式で
表される角度θをもって進行する。

【００２５】 θ＝ｔａｎ^-1（ａ／Ｌ１）・・・（１）分岐器８１では、波長λ１の信号光を一定の割合で反射
する。ここで分岐器８１は第１のレンズ７７に対して垂
直に配置されていることから、反射した信号光は角度θ
で第１のレンズ７７に入射する。この時、光線が入射す
る位置は第１の光ファイバ７１からの信号光が通過した
位置からｂだけ離れた位置である。ｂは以下の式で表さ
れる。

【００２６】ｂ＝２・Ｌ２・ｔａｎ（θ）・・・（２）その後、信号光は第１の光ファイバ保持具７５端面上、
第１の光ファイバ７１端面から、以下の式で表されるｃ
だけはなれた位置で集光する。

【００２７】ｃ＝ａ＋Ｌ１・ｔａｎ（θ）・・・（３）今、Ｌ１及びＬ２を第１のレンズ７７の信号光波長λ１
での焦点距離Ｆλ１に等しくすれば、式（１）、
（２）、（３）から、以下のように導かれる。

【００２８】ｂ＝２ａ・・・（４）ｃ＝２ａ・・・（５）したがって第１のレンズ７７通過後の光は第１の光ファ
イバ７１からの信号光と平行に進行し、且つ第１の光フ
ァイバ７１から２ａだけ離れた点、つまり第２の光ファ
イバ７２の端部で集光する。従って、第１の光ファイバ
７１と第２の光ファイバ７２が波長λ１の信号光で光学
結合する。

【００２９】同様に第２の光ファイバアセンブリ構造８
４においても、Ｌ３及びＬ４を第２のレンズ７８の励起
光波長λ２での焦点距離Ｆλ２に等しくすれば、第３の
光ファイバ７３と第４の光ファイバ７４が波長λ２の励
起光で光学結合する。

【００３０】さらに、分岐器８１を通過した信号光はコ
リメート光の状態で合波器８２に入射する。合波器８２
は信号光に対して低い反射率を持つため、信号光はこれ
を通過し、さらに第２のレンズ７８を通過後、第４の光
ファイバ７４端面付近で一点に集光する。第２のレンズ
７８への信号光の入射角度をφとすると、下の式で表さ
れる第２のレンズ７８中心軸からｄだけはなれた位置
に、信号光が集光する。

【００３１】ｄ＝Ｌ５・ｔａｎ（φ）・・・（６）ここで、第２の光ファイバアセンブリ構造８４を第１の
光ファイバアセンブリ構造８３に対して傾斜させるよう
光学調整し、 φ＝ｔａｎ^-1（ａ／Ｌ５）・・・（７）とすれば、ｄ＝ａ・・・（８）となり、信号光は第４の光ファイバ７４の端部で集光す
るため、第１の光ファイバ７１と第４の光ファイバ７４
が波長λ１の信号光で光学結合する。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
図９に示す従来の光モジュール６３、６４においては、
信号光入出力部、分岐光出力部、励起光入力部それぞれ
にレンズが必要であり装置が大型化するという課題があ
った。また上記各入出力部はレンズの精密調芯、固定が
必要であり、組立が複雑となり工数が増大するという課
題があった。

【００３３】また図１０、１１に示す小型化された従来
の光モジュール６３においては、信号光の波長はλ１で
あり、第２のレンズ７８を通過した信号光は主面８８か
らＦλ１だけ離れた位置で集光するのに対し、第４の光
ファイバ７４の端面は主面８８からＦλ２だけ離れた位
置に置かれている。従って集光位置と第４の光ファイバ
７４端面位置に光ファイバ軸方向のズレが生じる。これ
により、第１の光ファイバ７１と第４の光ファイバ７４
の信号光での光学結合に損失が生じるという課題があっ
た。

【００３４】一般的に光通信用に用いられるレンズにお
いて、このズレ、即ちレンズの色収差は数十μｍに及
び、光モジュールにおける結合損失は０．５〜１ｄＢに
もなる。これは光ファイバ増幅器を用いるにあたっては
信号対雑音比、増幅利得特性等に多大な影響を与えるこ
とになる。

【００３５】また色収差を補償する方法としては、分散
特性の異なる２種類の材質からなるレンズを適宜組み合
わせた、色消しレンズを用いる方法も考えられるが、こ
れは非常に高価であり、光モジュールの構成が複雑とな
るという課題があった。

【００３６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、複数の
光ファイバの端部を保持する２つの光ファイバ保持具を
各光ファイバの端面が対向するように配置し、これら光
ファイバ保持具間に、少なくとも２つ以上のレンズと、
入射する光線の一部を反射する光学素子とを具備して光
モジュールを構成し、少なくとも一方の光ファイバ保持
具にて、保持された一方の光ファイバと他方の光ファイ
バとが光学結合するとともに、一方の光ファイバ保持具
に保持された少なくとも１本以上の光ファイバと、他方
の光ファイバ保持具に保持された少なくとも１本以上の
光ファイバとが光学結合し、かつ、少なくとも一方の光
ファイバ保持具にて、保持された複数の光ファイバ端面
とこれに近接するレンズとの間隔が異なることを特徴と
する。

【００３７】また本発明は、上記光モジュールにおい
て、第１及び第２の光ファイバの端部を保持する第１の
光ファイバ保持具と、第３及び第４の光ファイバの端部
を保持する第２の光ファイバ保持具とを、第１及び第２
の光ファイバと第３及び第４の光ファイバの端面が対向
するように配置し、前記第１の光ファイバからの波長λ
ａの出射光の少なくとも一部が前記第４の光ファイバに
光学結合し、前記第１の光ファイバからの波長λｂの出
射光の少なくとも一部が前記第２の光ファイバに光学結
合し、前記第３の光ファイバからの波長λｃの出射光の
少なくとも一部が前記第４の光ファイバに光学結合し、
前記第１の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの
間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接するレ
ンズとの間隔との和が、前記レンズの波長λａでの作動
距離の２倍に等しく、前記第２の光ファイバ端面とこれ
に近接するレンズとの間隔と、前記第１の光ファイバ端
面とこれに近接するレンズとの間隔の和が、前記レンズ
の波長λｂでの作動距離の２倍に等しく、前記第３の光
ファイバ端面とこれに近接するレンズとの間隔と、前記
第４の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの間隔
の和が、前記レンズの波長λｃでの作動距離の２倍に等
しいことを特徴とする。

【００３８】さらに本発明は、前記第１及び第２の光フ
ァイバの間隔と、前記第３及び第４の光ファイバの間隔
が等しく、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する
レンズとの間隔と、前記第２の光ファイバ端面とこれに
近接するレンズとの間隔との差異が、前記第４の光ファ
イバ端面とこれに近接するレンズとの間隔と、前記第３
の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの間隔との
差異に等しいことを特徴とする。

【００３９】また本発明は、前記光ファイバ保持具に保
持されている複数の光ファイバの端面と、前記光ファイ
バ保持具の端面が同一平面上に配置されていることを特
徴とする。

【００４０】さらに本発明は、前記光ファイバ保持具に
保持されている少なくとも１本以上の光ファイバが、前
記レンズの中心軸に対して傾斜して配置されていること
を特徴とする。

【００４１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図を用い
て説明する。

【００４２】図１は本発明による光モジュールの構成を
示す図である。図においてアイソレータや金具部材等は
省略している。第１の光ファイバ１は信号光伝送路側の
光ファイバ、第２の光ファイバ２はモニタ光伝送路側の
光ファイバ、第３の光ファイバ３は励起光伝送路側の光
ファイバ、第４の光ファイバ４は合波光伝送路側の光フ
ァイバである。

【００４３】ここで、第１の光ファイバ１と第２の光フ
ァイバ２は同一の光ファイバ保持具５に互いに平行に配
置されている。また、入射光の一部を反射する分岐器１
１は、第１のレンズ７の中心軸に対して垂直に配置され
ている。ここで、第１のレンズ７の中心軸と第１及び第
２の光ファイバ１、２との距離をａとし、光ファイバ
１、光ファイバ２、光ファイバ保持具５、レンズ７、及
び分岐器１１をまとめて第１の光ファイバアセンブリ構
造１３とする。

【００４４】また、第３の光ファイバ３、第４の光ファ
イバ４、第２の光ファイバ保持具６、第２のレンズ８、
分波器１２が同様の配置で、分岐器１１の正面に配置さ
れている。同じく光ファイバ３、光ファイバ４、光ファ
イバ保持具６、レンズ８、及び分波器１２をまとめて第
２の光ファイバアセンブリ構造１４とする。

【００４５】なお、図１においてレンズ７、８はそれぞ
れ単一のレンズでコリメートレンズの用をなす物を示す
が、本特許はこれに限らず、複数のレンズを組合せによ
ってコリメートレンズ系をなす場合についても有効であ
る。

【００４６】本発明の光モジュールは基本的な構成、作
用については図１１に示すものと同様であるが、各光フ
ァイバ保持具５、６の端面を斜めに研磨した点で相違す
る。即ち、光ファイバ保持具５、６の端面はそれぞれ研
磨加工が施されるが、この際、各レンズの中心軸に垂直
な平面に対して各端面が傾斜するように研磨し、光ファ
イバ保持部５、６の端面とこれに保持した光ファイバの
端面を同一平面上となるようにする。これにより同一の
光ファイバ保持具上の各光ファイバにおいて、その端面
とこれに近接するレンズまでの距離をそれぞれ異なら
せ、これによってレンズにおける色収差を補償できるよ
うにしてある。

【００４７】ここで第１及び第２のレンズ７、８におけ
る色収差の補償方法について説明するが、この場合、レ
ンズ表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面（以降
これを頂点面と呼ぶ）と焦点との距離を示す作動距離の
概念が有効であるため今後はこれを用いる。第１の光フ
ァイバアセンブリ構造１３において破線１５で示すの
は、第１のレンズ７の頂点面、第２の光ファイバアセン
ブリ構造１４において破線１６で示すのは、第２のレン
ズ８の頂点面である。

【００４８】いま第１及び第２のレンズ７、８の信号光
波長λ１での作動距離Ｗλ１、励起光波長λ２での作動
距離Ｗλ２とし、更にΔＷを以下のように定義する。

【００４９】ΔＷ＝Ｗλ１−Ｗλ２・・・（９）ここで、第１及び第２の光ファイバ１、２の端面と第１
のレンズ７の頂点面１５までの距離をＬＰ１、ＬＰ２と
し、第３及び第４の光ファイバ３、４の端面と第２のレ
ンズ８の頂点面１６までの距離をＬＰ３、ＬＰ４とした
とき、ＬＰ１乃至ＬＰ４を以下のように配置する。

【００５０】図２は本発明のレンズの色収差の補償方法を説明する図
である。

【００５１】光ファイバ間の光学結合では、図２に示す
ように各光ファイバの間に２つのレンズが配置される構
造を取る。図２では、光ファイバ１から出射した光線が
２つのレンズ７、８を通過した後、光ファイバ４に光学
結合する様子を示し、レンズ７、８を併せて一つの光学
系１７とする。ここで、前述のＬＰ１乃至ＬＰ４の差異
は光学系に比べ十分小さく、ほぼ等しいと考えられるた
め、光学系１７は横倍率が１倍、横倍率の平方で表され
る縦倍率も１倍の光学系と考えられる。ここで、光ファ
イバ１の端面がΔｘだけ光学系１７に近付くと、光線の
集光位置がΔｘ’だけ光ファイバ４の端面から遠ざか
り、光学系の縦倍率が１倍の場合は以下の式が成り立
つ。

【００５２】Δｘ＝Δｘ’ ・・・（１４）ここで図１に戻り、第１乃至第４の光ファイバ同士の光
学結合について考える。

【００５３】先ず第１の光ファイバ１の端面は、式（１
０）に示すように、Ｗλ１＋ΔＷ／２の位置に配置され
ている。つまり、図１１での従来例の配置に比べΔＷ／
２だけ第１のレンズ７から遠ざかった位置に配置されて
いる。第１の光ファイバ１から出射した波長λ１の信号
光は、第１のレンズ７を通過した後、分岐器１１で反射
され、再び第１のレンズ７を通過してＷλ１−ΔＷ／２
の位置に集光する。つまり従来の図１１での配置に比べ
ΔＷ／２だけ第１のレンズ７に近付いた位置に集光す
る。式（１１）に示すように、第２の光ファイバ２がこ
の位置に配置されているため、第１の光ファイバ１と第
２の光ファイバ２は波長λ１の信号光で光学結合する。

【００５４】同様に、第１の光ファイバ１から出射した
波長λ１の信号光で、第１のレンズ７、分岐器１１、合
波器１２、第２のレンズ８を通過した波長λ１の信号光
も、Ｗλ１−ΔＷ／２の位置に集光するが、式（１３）
に示すように、第４の光ファイバ４がこの位置に配置さ
れているため、第１の光ファイバ１と第４の光ファイバ
４は波長λ１の信号光で光学結合する。

【００５５】さらに、第３の光ファイバ３の端面は、式
（１２）に示すように、Ｗλ２−ΔＷ／２の位置に配置
されている。第３の光ファイバ３から出射した波長λ２
の信号光は、第２のレンズ８を通過した後、分波器１２
で反射され、再び第２のレンズ８を通過してＷλ２＋Δ
Ｗ／２の位置に集光するが、式（１３）に示すように、
第４の光ファイバ４がこの位置に配置されているため、
第１の光ファイバ１と第４の光ファイバ４は波長λ１の
信号光で光学結合する。したがって、波長λ１の信号
光、波長λ２の励起光共に損失を受けることなくそれぞ
れの光ファイバ間で光学結合することになる。

【００５６】なお、式（１０）乃至（１３）に示す配置
を実現するためには、第１及び第２の光ファイバ保持具
５、６の端面を、その法線方向とレンズの中心軸とが、
次のψａで示される角度になるよう研磨加工する事で容
易に実現することが出来る。

【００５７】 ψａ＝ｔａｎ^-1（ΔＷ／（２ａ））・・・（１５）以上、本発明による波長λ１の信号光、波長λ２の励起
光の２波長の光に関する色収差の補償方法を説明した。

【００５８】図３は本発明の光モジュールによる一般的
な光学系を説明する図である。

【００５９】図３において第１の光ファイバ１と第２の
光ファイバ２は第１の光ファイバ保持具５に、第３の光
ファイバ３と第４の光ファイバ４は第２の光ファイバ保
持具６に保持されている。また、破線１５は第１のレン
ズの頂点面、１６は第２のレンズの頂点面である。

【００６０】第１の光ファイバ１と第４の光ファイバ４
は波長λａの光１０で光学結合しており、第２の光ファ
イバ２と第１の光ファイバ１は波長λｂの光２０で光学
結合しており、また、第３の光ファイバ３と第４の光フ
ァイバ４は波長λｃの光３０で光学結合している。第１
のレンズ７及び第２のレンズ８の波長λａ、λｂ乃びλ
ｃの光に対する作動距離をＷλａ、Ｗλｂ、Ｗλｃ、ま
た第１及び第２の光ファイバ１、２の端面と第１のレン
ズの頂点面１５までの距離をＬＰ１、ＬＰ２とし、第３
及び第４の光ファイバ３、４の端面と第２のレンズの頂
点面１６までの距離をＬＰ３、ＬＰ４としたとき、ＬＰ
１乃至ＬＰ４が次の式を満たせば、波長λａ乃至λｃの
光に対して損失を受けることなく、それぞれの光ファイ
バ間で光学結合することになる。

【００６１】ＬＰ１＋ＬＰ４＝２・Ｗλａ・・・（１６）ＬＰ１＋ＬＰ２＝２・Ｗλｂ・・・（１７）ＬＰ３＋ＬＰ４＝２・Ｗλｃ・・・（１８）また、第１及び第２の光ファイバの間隔と、第３及び第
４の光ファイバの間隔が等しく、且つＬＰ１乃至ＬＰ４
が次の式を満たせば、第１の光ファイバ保持具５及び第
２の光ファイバ保持具６の端面加工形状を互いに等しく
できる為、光モジュール構造を作製するに際し作業工数
の削減が可能となる。

【００６２】ＬＰ１−ＬＰ２＝ＬＰ４−ＬＰ３・・・（１９）式（１６）乃至（１９）を用い、ＬＰ１乃至ＬＰ４につ
いてこれを解けば、以下の式（２０）乃至（２３）が導
かれる。

【００６３】ＬＰ１＝Ｗλａ＋（（Ｗλｂ−Ｗλｃ）／２）・・・（２０）ＬＰ２＝（（３・Ｗλｂ＋Ｗλｃ）／２）−Ｗλａ・・・（２１）ＬＰ３＝（（Ｗλｂ＋３・Ｗλｃ）／２）−Ｗλａ・・・（２２）ＬＰ４＝Ｗλａ−（（Ｗλｂ−Ｗλｃ）／２）・・・（２３）なお、以上の一般的な光学系において、以下の式（２
４）乃至（２６）が成り立つ場合が、図１に示す例であ
る。

【００６４】λａ＝λｂ＝λ１・・・（２４） λｃ＝λ２・・・（２５） ΔＷ＝Ｗλ１−Ｗλ２・・（２６）これを式（２０）乃至（２３）に代入すると式（１０）
乃至（１３）に示した関係が得られる。

【００６５】次に式（１９）を実現するための手法とし
て数例を以下に示す。先ず図１に示す様に第１及び第２
の光ファイバ保持具５、６の端面を式（１５）のψａで
示される角度に設定する事で容易に実現することが出来
る。

【００６６】但し、ψａは光ファイバ端面からの光線出
射角度、即ちレンズへの光線の入射角度に影響を与え
る。一般的に、非球面レンズを用いた場合、光ファイバ
端面位置や通過光線の波長がレンズ設計時の設定通りで
あればレンズへの光線入射角に起因する収差は小さく、
結合損失に与える影響も小さい。しかし、先に示した前
段モジュールの様に使用方法が設定と異なる場合、この
結合損失は無視できない。

【００６７】逆にレンズへの光線入射角度が垂直に近い
と、レンズ端面からの反射戻り光が再び光ファイバに入
射する。この戻り光はレーザー発振を不安定にさせ、信
号対雑音比の劣化の原因となる。従ってレンズへの光線
入射角度は適宜設定可能でなければならないが、これは
光ファイバの保持角度を変化させることで対応が可能で
ある。

【００６８】図４は光ファイバの保持方法について説明
する図である。

【００６９】ここで光ファイバ１、２は、光ファイバ保
持具５に保持されている。光ファイバ１からの出射光１
０がレンズ７を透過する際、光ファイバ１の保持角度を
ψf、レンズ中心軸と光線出射方向のなす角度をψｉ、
光ファイバにおけるコアの屈折率をｎとすると、スネル
の法則より式（２６）が導かれる。

【００７０】ｎ・ｓｉｎ（ψａ−ψf）＝ｓｉｎ（ψａ＋ψｉ）・・・（２７）これは、予めψａが決定されている場合でも、ψfを適
宜設定することにより、任意のψｉが得られることを示
している。

【００７１】図５は他の光ファイバ保持方法について説
明する図である。

【００７２】光ファイバ１、２は光ファイバ保持具２５
に保持されている。光ファイバ１からの出射光１０はレ
ンズ７を透過し、この時の第１及び第２の光ファイバ
１、２の端面と第１のレンズの頂点面１５までの距離を
ＬＰ１、ＬＰ２とする。光ファイバ保持具２５の端面は
階段状に加工されおり、光ファイバ端面傾斜角度ψｔ、
つまり光ファイバ端面からの光線出射角度は任意に設定
できる。本実施例では光ファイバを保持する際、傾斜さ
せる必要がないため、光モジュール全体の構造がより簡
略化される。

【００７３】以上、本特許で示した光学系を用いれば、
異なる波長の光線を用いることにより生じる、レンズの
色収差の影響を補償することが可能となる。使用用途の
一例としては光増幅器が挙げられ、ここで用いられる信
号光と励起光の波長の差異による影響を、効果的に補償
することが可能となる。

【００７４】

【実施例】図６は図１に示す本発明の光モジュールを光
増幅器の前段モジュールとする場合の具体的な構成を示
す断面図である。

【００７５】本実施例の光モジュールに波長１５５０ｎ
ｍの信号光を入力させる信号光伝送路側の光ファイバ３
１と、入力信号光の一部を第１のフォト・ダイオードに
入力させるモニタ光伝送路側の光ファイバ３２は、第１
の光ファイバ保持具３５に保持され、波長９８０ｎｍの
励起光を入力させる励起光伝送路側の光ファイバ３３
と、信号光を増幅する希土類元素添加ファイバに信号光
と励起光を出力する合波光伝送路側の光ファイバ３４
は、第２の光ファイバ保持具３６に保持される。

【００７６】なお第１、第２の光ファイバ保持具は、端
面加工が容易なジルコニア製の２芯キャピラリを用い
る。２芯キャピラリには２５０μm間隔で内径１２５μm
の貫通穴が設けられている。この貫通穴に各光ファイバ
を挿入し接着剤により光ファイバと光ファイバ保持具を
一体化し、接着剤の硬化後、光ファイバ保持具端面の研
磨加工を施す。

【００７７】第１のレンズ３７および第２のレンズ３８
は、材質ＳＦＳ０１、波長１５５０ｎｍでの焦点距離約
２．５ｍｍ、光ファイバ側表面が平坦面で設計された非
球面レンズを用いる。

【００７８】分岐器４１および合波器４２は、一般的に
ガラス基板上にＴｉＯ₂と、ＳｉＯ₂の薄膜を複数層蒸着
した光学フィルタが用いられる。分岐器４１は信号光波
長範囲のに対して一定の反射率、一般的には２〜５％の
反射率を持つよう、また合波器４２は信号光波長範囲の
光に対しては低い反射率を持ち、励起光波長範囲の光に
対しては高い反射率、一般的には９７％以上の反射率を
持つよう、各薄膜層の膜厚と、蒸着層数が適宜設定され
ている。また、アイソレータ３９は入力側への反射戻り
光を遮断する機能を有する。

【００７９】なお、光ファイバ３１、３２、３３及び３
４の端面、レンズ３７及び３８の表面、分岐器４１及び
合波器４２の裏面、アイソレータの構成部材にはそれぞ
れＡＲコートが施され、光線通過時の反射による入射光
強度の損失や、伝送路側への反射戻り光を防止してい
る。ＡＲコートはガラス基板上にＴｉＯ₂と、ＳｉＯ₂の
薄膜を複数層蒸着した部品である。なお、第２のレンズ
３８及び第２の光ファイバ保持具３６の端面は波長λ１
の信号光及び波長λ２の励起光の両方が通過するためこ
れら両帯域に対応するマルチタイプのＡＲコートを施
す。

【００８０】また光ファイバ保持具３５および３６はそ
れぞれステンレス製の２芯キャピラリホルダに挿入固定
され、同様に上述した各光学部品はそれぞれステンレス
製の金具に保持され、互いにスポット溶接により固定さ
れている。

【００８１】先ず第１乃至第４の光ファイバ３１、３
２、３３及び３４の端面とこれに対する第１及び第２の
レンズ３７及び３８の頂点面４５及び４６との距離を式
（１０）乃至（１３）を用いて求める。

【００８２】図７は本実施例で用いるレンズの波長と作
動距離の関係を示す図である。ここに示すように第１及
び第２のレンズ３７、３８の信号光波長λ１での作動距
離、つまりＷλ１は１７００μm、励起光波長λ２での
作動距離、つまりＷλ２は１６６０μmであり、その差
異ΔＷは４０μmである。

【００８３】ここで、第１及び第２の光ファイバ３１、
３２の端面と第１のレンズの頂点面４５までの距離をＬ
Ｐ１、ＬＰ２とし、第３及び第４の光ファイバ３３、３
４の端面と第２のレンズの頂点面４６までの距離をＬＰ
３、ＬＰ４とすると、式（１０）乃至（１３）からＬＰ
１乃至ＬＰ４は、ＬＰ１＝１７２０μｍ、ＬＰ２＝１６
８０μm、ＬＰ３＝１６４０μm、ＬＰ４＝１６８０μm
となる。

【００８４】次に第１及び第２の光ファイバ保持具３
５、３６の端面の研磨角度を式（１５）を用いて求め
る。前述の通り第１及び第２の光ファイバ保持具３５、
３６に保持された光ファイバ３１乃至３４の間隔、つま
り２ａは２５０μmであるため、式（１５）からψａは
９．１゜と求められる。

【００８５】なお、光ファイバ保持角度をレンズ中心軸
に対して平行、つまり式（２６）においてψｆを０゜と
設定すると、光ファイバ端面からの光線出射角度、即ち
レンズへの光線の入射角度ψｉは４．２゜となる。

【００８６】図８は、反射減衰量と結合損失の関係を示
す図である。数値は計算値であり、本実施例で示したレ
ンズを用いた際の、第１の光ファイバ３１と第４の光フ
ァイバ３４の間の結合損失の光線入射角度依存性と、反
射戻り光強度の光線入射角度依存性を示す。なお、結合
損失値はレンズの収差に起因する加乗損失値であり、実
際の結合損失は各光学素子通過時の吸収や素子表面での
反射の影響が加わる。

【００８７】図８に示すように光線入射角度ψｉが４゜
を越える辺りから光ファイバ間結合損失が急激に増加す
るのが分かる。従って光ファイバ保持角度ψｆを変化さ
せ、光ファイバ間結合損失が十分小さく、且つ反射戻り
光が十分減衰するよう調整する。そこで図８に示した結
果より、本実施例では光線入射角度ψｉを３゜とする。
この場合、光ファイバ結合損失は０．０１ｄＢ以下、反
射戻り光も−７５ｄＢ程度と、両者とも十分な特性を得
ることが出来た。

【００８８】ここで光線入射角度ψｉが3゜となる光フ
ァイバ保持角度ψｆは、式（２６）より０．８゜とな
る。なお、光ファイバ保持角度ψｆをこの値にするため
には、第１、第２の２芯キャピラリホルダ４３、４４の
鏡筒角度を傾斜させれば良い。

【００８９】また、図５に示すような端面が階段状に加
工されたに２芯キャピラリを用いて本発明の光モジュー
ルを構成することも可能である。この場合、光ファイバ
端面の角度は任意に設定でき、このため光線出射角度も
自由に調整できる。例えば前述の通り光線出射角度を３
゜とするならば、端面の傾斜角度ψａは６．６゜とすれ
ばよい。

【００９０】

【発明の効果】本発明によれば、２本の光ファイバの端
部を保持する２つの光ファイバ保持具間に、少なくとも
２つ以上のレンズと、光線の一部を反射する少なくとも
一つ以上の光学素子を具備する光モジュールにおいて、
少なくとも一方の光ファイバ保持具にて、保持された2
本の光ファイバの端面とこれに近接するレンズとの間隔
が異なる構成とすることによって、異なる波長の光線を
光ファイバ間で低損失で光学結合することができ、かつ
小型で組立が容易な光モジュールを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光モジュールの構成を示す図であ
る。

【図２】本発明光モジュールにおけるレンズの色収差の
補償方法を説明する図である。

【図３】本発明の光モジュールにおける光学系を説明す
る図である。

【図４】本発明の光モジュールにおける光ファイバの保
持方法について説明する図である。

【図５】本発明の光モジュールにおける他の光ファイバ
保持方法について説明する図である。

【図６】本発明の光モジュールの具体的な構成を示す断
面図である。

【図７】本発明実施例の光モジュールで用いるレンズの
波長と作動距離の関係を示す図である。

【図８】本発明実施例の光モジュールにおける光線出射
角度と結合損失及び反射戻り光との関係を示す図であ
る。

【図９】光ファイバ増幅器の光回路構成を示す図であ
る。

【図１０】光ファイバ増幅器の前段の光モジュールの従
来例を示す図である。

【図１１】従来の光モジュールにおける結合光学系を説
明するための図である。

【符号の説明】

１、２、３、４、３１、３２、３３、３４、７１、７
２、７３、７４：光ファイバ５、６、２５、３５、３６、７５、７６：光ファイバ保
持具８、３７、３８、７７、７８：レンズ９、３９、５３、５６、７９：アイソレータ１１、４１、５１、５７、８１：分岐器１２、４２、５４、５５、８２：分波器１３、１４、８３、８４：光ファイバアセンブリ構造１５、１６、４５、４６：レンズ頂点面１７：光学系１０、２０、３０：光線６３、６４：光モジュール６２：増幅ファイバ５２、５８、５９：フォトダイオード６０、６１：励起レーザダイオード８５、８６、８７、８８：励起光波長でのレンズ主面８９：信号光波長でのレンズ主面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光ファイバの端部を保持する２つの
光ファイバ保持具を前記光ファイバの端面が対向するよ
うに配置し、これら光ファイバ保持具間に、少なくとも
２つ以上のレンズと、入射する光線の一部を反射する光
学素子とを具備して成り、少なくとも一方の光ファイバ保持具にて、保持された一
方の光ファイバと他方の光ファイバとが光学結合すると
ともに、一方の光ファイバ保持具に保持された少なくと
も１本以上の光ファイバと、他方の光ファイバ保持具に
保持された少なくとも１本以上の光ファイバとが光学結
合し、かつ、少なくとも一方の光ファイバ保持具にて、保持さ
れた複数の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの
間隔が異なることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】第１及び第２の光ファイバの端部を保持す
る第１の光ファイバ保持具と、第３及び第４の光ファイ
バの端部を保持する第２の光ファイバ保持具とを、第１
及び第２の光ファイバと第３及び第４の光ファイバの端
面が対向するように配置し、前記第１の光ファイバからの波長λａの出射光の少なく
とも一部が前記第４の光ファイバに光学結合し、前記第
１の光ファイバからの波長λｂの出射光の少なくとも一
部が前記第２の光ファイバに光学結合し、前記第３の光
ファイバからの波長λｃの出射光の少なくとも一部が前
記第４の光ファイバに光学結合し、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの
間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接するレ
ンズとの間隔との和が、前記レンズの波長λａでの作動
距離の２倍に等しく、前記第２の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの
間隔と、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接するレ
ンズとの間隔の和が、前記レンズの波長λｂでの作動距
離の２倍に等しく、前記第３の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの
間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接するレ
ンズとの間隔の和が、前記レンズの波長λｃでの作動距
離の２倍に等しいことを特徴とする請求項１記載の光モ
ジュール。
【請求項３】前記第１及び第２の光ファイバの間隔と、
前記第３及び第４の光ファイバの間隔が等しく、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接するレンズとの
間隔と、前記第２の光ファイバ端面とこれに近接するレ
ンズとの間隔との差異が、前記第４の光ファイバ端面と
これに近接するレンズとの間隔と、前記第３の光ファイ
バ端面とこれに近接するレンズとの間隔との差異に等し
いことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
【請求項４】前記光ファイバ保持具に保持されている複
数の光ファイバの端面と、前記光ファイバ保持具の端面
が同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項
１記載の光モジュール。
【請求項５】前記光ファイバ保持具に保持されている少
なくとも１本以上の光ファイバが、前記レンズの中心軸
に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求
項１記載の光モジュール。