JP2001510906A - 動的にデカップルされた２つのシステム間での光信号伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１のシステムに設けられた第１の光源を有する少なくとも１つのエミッタと、第２のシステムに設けられ、その延長部分に沿って光源が移動し、この光源からの光が内部に入射可能である少なくとも１つの光ファイバを有するレシーバとを備え、好適には移動可能な２つのシステムの間での光信号伝送装置を開示する。この発明の特徴は、第１の光源と直に対向する光ファイバの表面に光屈折層を設け、光ファイバ内に光が入射できるように第１の光源からの光に対して回折特性を有する光格子を、光入射部位での光の重複により光屈折層内に動的に刻み込むような光を出射する少なくとも１つの光干渉性の光源を第１のシステムに設けることにある。

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 この発明は、第１のシステムに取付けられた第１光源を含む少なくとも１つの
エミッタと、第２のシステムに取付けられ、前記光源からの光がその内部に入射
可能な少なくとも１つの光導波管を含む少なくとも１つのレシーバとを有し、動
的にデカップル（減結合）された２つのシステム間での光信号伝送装置に関する
。 背景技術 空間的に分離され、かつ通常は互いに移動可能である２つの部品間で光信号を
伝送するために、部品に取付けられた光センサの光が対向する部品の光導波管内
に向けられ、入射され、かつ光導波管内部で対応する光検出器内に伝搬される。
検出器内での信号変換に至るまで光導波管内に連続して光が入射されるような光
導波管内への光入射プロセスには大きな損失が伴うので、光導波管内への光入射
は信号伝送の質の重要な判断基準となる。 通常、光ファイバとして形成された光導波管は光ファイバの表面に対して垂直
に光を出射するので、光導波管内に入射される光部分も光ファイバの表面に対し
て垂直に向いている。通常の検出器はファイバ端部に配置されているので、光導
波管内に入射される光のうち、光ファイバの縦軸方向に伝搬可能であり、全反射
の過程で比較的損失がなく検出器に到達する部分だけが信号伝送に貢献する。そ
の割合は、前述の側方の入射の場合には一般に取るに足らない程度である。従っ
て、光が光ファイバの前側に入射されるように、光ファイバ内に入射する光のう
ちできるだけ多くの部分がファイバの縦軸方向に偏光するような手段を講じなけ
ればならない。 例えばドイツ特許明細書第２８４６５２６Ｃ２号には、信号発生源としての光
源がその外部輪郭に沿って移動するＸ線表示装置が開示されている。光導波管内
に垂直に入射する光を光導波管の長手方向に偏光するために、光導波管内部には
光導波管の全周に亘って延在形成され、光反射の作用を有することによって、光
導波管内に入射する光源からの光が光導波管の全周に均一に配分されるようにす
る段が設けられている。少なくとも１つの光導波管の端部には光を検出するレシ
ーバが設けられている。一方では光導波管の内部を段状に形成することによって
光導波管内に垂直に入射する光はファイバの長手方向に偏光することができるも
のの、このような構造は光導波管の軸に沿った光の伝搬状態を著しく損なうので
、光導波管内をガイドされる光は段の輪郭での屈折と反射によって光導波管から
部分的にデカップル（減結合）され、そのため大きく損失する。 さらに、例えば、光ファイバとして構成された光導波管がエネルギーを供給し
た後で蛍光を発する蛍光性材料を含んでいるような、光導波管内部への光の入射
に大きな影響を及ぼすことができる解決方法が知られている。ファイバの長手方
向に伝搬できる蛍光の光部分は光ファイバ内部での信号伝送に貢献する。このよ
うな実施例は、循環する光信号を送受信するための装置が記載されているドイツ
特許明細書第４４２１６１６Ａ１号に開示されている。全反射によってファイバ
の長手方向にガイドされる光は損失がほとんどなく光ファイバ内を伝搬するもの
の、光ファイバは形状的に妨害がない輪郭を有しているので、光信号の伝送は時
間的に遅延する蛍光作用によって高い伝送速度は制限され、それはデータ伝送チ
ャネルの最適な利用ということでは欠点である。 蛍光の欠点を解消し、しかも光ファイバの導波特性を損なわないために、例え
ば光を入射するために光ファイバの表面に配置された入射プリズムが使用され、
それによって光導波管の表面に垂直に入射する光が入射プリズムによる屈折によ
って偏光されることにより、光ファイバ内に入射する光は光導波管の縦軸に対し
て斜めに伝搬し、全反射によって光ファイバ内をガイドされる。しかし、エミッ
タは光ファイバに対して移動するので、入射プリズムはエミッタと同時に光ファ
イバ上をガイドされなければならず、その際、入射プリズムと光ファイバとの間
の距離（この場合はμｍの範囲にある数値）をできるだけ厳密に保たなければな
らず、従って精密加工が前提となり、これを実際に導入するには構造的に、また
特に経済的に好適ではない。 発明の開示 この発明の目的は、第１のシステムに設けられた第１の光源を有する少なくと
も１つのエミッタと、第２のシステムに設けられ、その延長部分に沿って光源が
移動し、この光源からの光が内部に入射可能である少なくとも１つの光ファイバ
を有するレシーバとを備え、動的にデカップル（減結合）可能な２つのシステム
の間での光信号伝送装置に関して、エミッタから出射する光を光ファイバ内でで
きる限り大きい損失なしで入射させるように改良することにある。特に、できる
だけ多くの割合の光を光ファイバ内部の長手方向にガイドする必要があり、全反
射によって光ファイバ内で光を妨害なく伝搬させるファイバの導波特性を損なう
ことなく保持する必要がある。さらに、そのために実施される手段は製造に適し
、装置を任意の設置位置に実際的に使用できるように設置上の問題がないことが
必要である。 この発明の目的を達成するための解決方法は請求項１、４および６に記載され
ている。この発明の構想の有利な特徴は従属項に記載されている。 この発明に基づいて、請求項１の導入部に記載の装置では、第１の光源と直に
対向する光ファイバの表面に光屈折層が設けられ、第１のシステムに少なくとも
１つの光コヒーレント（可干渉性）光源を有している。この光源は、光入射部位
での光の入射の重複によって光格子を光屈折層内に動的に刻み込むような光を出
射する。この光格子は、光ファイバ内に光が入射できるように第１の光源からの
光に対して回折特性を有する。 この発明に基づく構想は、非直線的な光の特質を利用して、その屈折率を光の
出射によって変更できるような光屈折性材料の特性を利用するものである。特に
、干渉性を有する２つの光ビームを意図的に重複させることによって干渉しまを
形成し、これを光屈折性の材料層に結像させることによって、例えば光屈折性材
料層の表面に正弦波形の輝度分布を発生することができる。輝度分布に対応して
光屈折性材料層に含まれる電荷は移動し、その強度も正弦波状に変化する電界が
発生する。この電界も同じ周期で材料層をひずませ、屈折率を変化させる。この
ようにしていわゆる屈折率−格子、または屈折率−容積ホログラムが形成される
。その詳細な説明はＤ．Ｍ．ペッパー著の論文「光屈折作用」（スペクトル学、
１９９０年１２月刊、７２−７９ページ）に記載されている。 この発明の主要な構想は、エミッタから光ファイバに照射される光に関して、
光ファイバの表面上に局部的に位置する入射位置を形成することに関するもので
ある。光ファイバの入射位置は空間的に限定されているので、光ファイバの他の
部分は光ファイバ内部での光のガイドには影響を及ぼさない。 前記の入射位置の形成は、第一に、照射されない状態では屈折率が光ファイバ
の屈折率と同一であるかまたは類似している光屈折性材料層で光ファイバを好適
には完全に被覆することによって行われる。さらに、エミッタを取り付けたシス
テムには、光屈折性材料層の表面の入射位置の部位に干渉しまを形成するために
設けられた干渉性光源が配置される。 単一の干渉性光源だけを使用して２つのビームの干渉を生じさせるために、こ
の光源からのビームを分光器を使用して分割し、適宜のミラー装置によって重複
させる。または、２つ以上の分離された干渉性光源をエミッタのシステムに設け
、その単一光ビームを適宜な方法で重複させることもできる。 この発明の代替実施例では、さらに、エミッタのシステムに固定的に取り付け
られた必ずしも干渉性でなくてもよい光源を使用してマスクを照射することによ
り、光導波管の光屈折層上に光ビームのパターンを形成し、これにより、エミッ
タの光源からの光に有効な作用を及ぼす光格子の形式で光屈折性材料層の内部の
屈折率を周期的に変更することが提案される。 時間的に動的に入射位置に形成される光の位相格子により、光ファイバ内に入
射する光は、屈折で光ファイバ内部の伝搬方向に向かうことができ、これによっ
て光ファイバ内にガイドされるモードに入る。入射格子は意図的な照射によって
実際の入射位置の部位だけに形成されるので、既に光ファイバ内に入射している
光ファイバの他の全ての部分の光ビームは全反射によって妨害されることなくさ
らに伝搬される。 光屈折性材料層は、意図的な光の照射の場合にだけ屈折率が変化し、照射され
ない場合には元の屈折率に留まる。そのため、光の位相格子は光ファイバの延長
区間に沿ってエミッタと同時に動的に移動する。その限りにおいて、光屈折性材
料での２つのビームの干渉の公知の作用は、特に例えば光ファイバを使用したス
リップリングの場合のように互いに相対移動するシステム間の光信号伝送に適し
ている。光屈折作用を利用して光ファイバ内に光を入射させるためのこの発明に
基づく別の実施態様は、光ファイバの表面に、好適には光ファイバ内に入射する
光用の回折格子であるとみなされるような光ファイバの輪郭に機械的に設けた窪
みと隆起の形式の物理的に形成された格子構造に加工するものである。光ファイ
バの構造化された表面の真上には、加工された構造と同一平面上の光屈折性の材
料層と、前記構造に対向する平滑な材料層の表面とが配置される。 照射されない場合には、光屈折性材料層は、単に光透過性の光ファイバを被覆
する層であるとみなされ、光屈折性材料層の屈折率が光ファイバの屈折率と同一
である。そのため、光ファイバの構造化された表面と直接隣接していても前記の
材料層が光学的作用を生じることはない。この状態で光ファイバ内にガイドされ
る光波は光ファイバと光屈折性材料層との間の接触層によって妨害されることな
く透過し、光屈折性材料層の表面で例えば全反射され、このようにして光ファイ
バ内をガイドされる。 エミッタを取付けたシステムには、入射位置の限定領域だけをほぼ均一に照射
する必ずしも干渉性ではなくてもよい光源が設けられている。これによって光屈
折性層の屈折率が変化し、光ファイバに加工された格子構造が光学的作用を発揮
する。エミッタから出射された光は照射される光屈折性材料層に到達し、入射ビ
ームは全反射光路内で光ファイバ内をガイドされるように光学的に有効に作用す
る位相格子で屈折する。 前述の実施例で使用される位相格子は物理的に固定されて光ファイバの表面に
設けられる。光屈折層の屈折率は、均一な照射によってのみ入射光用の位相格子
の一時的な光学的作用により変化するので、外部からのエネルギー供給により屈
折率が変化する別の材料を使用することもできる。そのような材料としては、例
えば外部電圧を印加することによって屈折率が変化するような電気的に反応する
材料が適している。そのため、例えば実際の入射位置、すなわち光ファイバに対
するエミッタの実際の位置に応じて、屈折率が変化するように被覆された光導波
管の周囲に電極を配置し、第１の光源から出射された光を光透過性層でほとんど
損失なく透過させ、光導波管内の格子構造を通って回折によって入射するように
する。さらに、適宜の外部エネルギーの供給による屈折率の局部的な変化によっ
て直接的に回折格子を形成し、または屈折率の変化が均一である場合には前記の
隠れている光ファイバ表面の格子構造を見えるようにするための液晶層または電
気流動的液体層をグラフファイバのコアに直接塗布することも可能である。 発明を実施するための最良の形態 図１には、固定システムＳ２に対する移動可能システムＳ１を示す光信号伝送
装置の概略図が示されている。固定システムＳ２は、少なくとも移動可能システ
ムＳ１と直に対向する表面に光屈折層２を有する光ファイバ１からなっている。
光ファイバ１の下側の点線２’は、光屈折層２が光ファイバ１を完全に包囲する
ことができることを示しているに過ぎない。 好適には、一定の間隔を隔てて固定システムＳ２の上方を移動する（矢印方向
を参照）移動可能システムＳ１は干渉性の光源３を有しており、その光ビーム３
１は同じ輝度の光ビーム３２、３３を発生する分光装置４に向けられている。さ
らに、移動可能システムＳ１には、これに固定的に連結されたミラー５、６が設
けられ、そこで光ビーム３２、３３は反射して光屈折層２の領域で重複する。光
屈折層２の表面に生ずる干渉しま７によって光屈折層２の内部の屈折率は周期的
に変化し、これによって照射の瞬間に格子構造が形成される。そこで、エミッタ
の光源９から照射された光ビーム８は光ファイバ１内で屈折するので、入射した
光ビーム８’は全反射ミラーにより光ファイバ内をガイドされることができる。
（照射されない状態では、光屈折層の屈折率ｎ_ｓは光ファイバの屈折率ｎ_ｋと同
一であるので、入射した光ビーム８’の点線の進路は空気と光屈折層９との境界
層で全反射する。） この発明に基づく装置の重要な視点は、光屈折層２内で回折格子が形成されて
いる干渉しま７の領域が移動可能システムＳ１と同時に移動すること、すなわち
、光屈折層は照射の直後に本来の状態に戻り、適切な材料を選択すれば光ファイ
バの屈折率と再び適合することである。 図２では、移動可能システムＳ１は、信号伝送のために設けられた光源９の他
に、例えば正弦波格子が形成されるマスク１０に光を照射するための光源３を有
している。光屈折層２上にマスクが結像されることによって再び正弦波格子１１
が形成され、そこで正と負の１次のビーム８が回折する（入射ビーム８’（−１
）、８”（＋１）を参照）。 マスク１０が固定的に取付けられている移動可能システムＳ１は矢印方向に光
ファイバ１と平行に移動し、光がマスク１０を透過する光源の照射野内でそれぞ
れ狭く制限された入射位置の領域だけに限定して動的な回折格子を形成する。 図３は、光ファイバの表面に物理的に形成された回折格子の形式の構造１２を
有する光ファイバを示している。光ファイバ１は平滑な外面１３を有する光屈折
層２によって囲まれている。照射されない状態では、光屈折層２は光ファイバ１
と同じ屈折率を有し、そのため光ファイバ１と光屈折層２との境界層は光学的に
有効な作用を発揮しない。光ファイバ内に入射された光ビーム８は妨害されるこ
となく境界層を透過し、光屈折層２の表面で全反射する。 しかし、光源３を用いて光屈折層２に光が照射されることによりその屈折率が
変化すると、光ファイバ１の表面に格子構造１２が光学的に生じ、そこで入射光
８は回折して光ファイバの内部に方向転換される。 図４は、光屈折層２が用いられる代わりに、屈折率が外部の電界に応じて変化
する電気的に反応する材料層２”が使用される代替装置を示している。移動可能
システムＳ１には、電極体Ｅ１、Ｅ２が配置され、その間に意図的に電界線を延
ばすことによって、電気的反応層２”の屈折率は前述したと同様に変化する。図
４に示すように、電極Ｅ１とＥ２の間で電気的反応層に照射される光ビーム８は
表面構造１２に到達し、そこで光ビームは光ファイバ１の内部に回折する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光屈折層の表面上に干渉むらを形成するための干渉性の光源を有する光結合装
置を示す図である。

【図２】 光屈折層の内部に位相格子を形成するためのマスクを有する装置を示す図であ
る。

【図３】 光ファイバ表面に固定的に形成された位相格子を利用した照射原理を示す図で
ある。

【図４】 位相格子を有する光ファイバの上方に電気的に反応する材料を有する装置を示
す図である。

【符号の説明】

Ｓ１ 移動可能システム Ｓ２ 固定システム １ 光ファイバ ２ 光屈折層 ２’ 光屈折層の表面 ２” 電気的反応層 ３ 光源 ３１、３２、３３ 光ビーム ４ 分光装置 ５、６ ミラー ７ 干渉しま、回折格子 ８ 光ビーム ８’ 入射ビーム ８’（−１） −１次の回折ビーム ８’（＋１） ＋１次の回折ビーム ９ エミッタの光源 １０ マスク １１ 正弦波格子 １２ 表面の構造 １３ 光屈折層の外側 Ｅ１、Ｅ２ 電極体 ｎ_ｓ 光屈折層の屈折率 ｎ_ｋ 光ファイバの屈折率

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，Ｓ Ｅ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA08 AA12 BA01 CA05 EA09 KA08 KA18 2K002 AA02 AB04 BA01 BA06 DA10 EA07 HA16 5K002 BA31 FA01 FA03 GA05

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のシステム（Ｓ１）に設けられた第１の光源（９）を有す
   る少なくとも１つのエミッタと、第２のシステム（Ｓ２）に設けられ、その延長
   部分に沿って光源（９）が移動し、この光源（９）からの光が内部に入射可能で
   ある少なくとも１つの光ファイバ（１）を有するレシーバとを備え、相対的に移
   動し、動的にデカップル可能な２つのシステム（Ｓ１、Ｓ２）の間での光信号伝
   送装置であって、 前記第１の光源（９）と直に対向する前記光ファイバ（１）の表面に光屈折層
   （２）が設けられ、 少なくとも１つの光干渉性光源（３）は、前記第１のシステム（Ｓ１）に設け
   られ、前記光ファイバ（１）内に光が入射できるように前記第１の光源（９）か
   らの光に対して回折特性を有する光格子（７）を、光入射部位での光の重複によ
   り前記光屈折層（２）内に動的に刻み込むような光を出射することを特徴とする
   装置。
2. 【請求項２】 前記干渉性の光源（９）からの光（３１）を分光器（４）に入
   射させることによって、ミラー装置（５、６）によって重複させることができる
   分光された２つの光ビーム（３２、３３）を形成することを特徴とする請求項１
   記載の装置。
3. 【請求項３】 少なくとも２つの干渉性光源は、前記第１のシステム（Ｓ１）
   に設けられ、直接重複させて形成した光ビームを出射することを特徴とする請求
   項１記載の装置。
4. 【請求項４】 前記第１の光源（９）と直に対向する光ファイバ（１）の表面
   に光屈折層（２）が設けられ、 別の光源（３）と光学マスク（１０）とは、前記光ファイバ（１）内に光が入
   射できるように前記第１の光源（９）からの光に対して回折特性を有する光格子
   （７）が、光入射部位の位置での前記マスク（１０）を透過する光によって前記
   光屈折層（２）内に動的に刻み込まれるように前記第１のシステム（Ｓ１）に設
   けられることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 前記光屈折層（２）に対する光照射によって、前記光格子（７
   ）は、前記第１の光源（９）と前記光屈折層（２）を覆う前記光ファイバ（１）
   との間の実際の入射位置でのみ形成されることを特徴とする請求項１から４のい
   ずれかに記載の装置。
6. 【請求項６】 少なくとも前記第１の光源（９）と直に対向する前記光ファイ
   バ（１）の表面に格子構造（１２）が物理的に形成され、 前記格子構造（１２）には、光ファイバの屈折率と対応し、かつ外部からのエ
   ネルギーの供給によって屈折率を変更可能である光学的透過層（２）が設けられ
   ていることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 【請求項７】 前記格子構造（１２）は、光が前記光ファイバ（１）内に入射
   可能であるように前記第１の光源（９）からの光に対して回折特性を有すること
   を特徴とする請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】 前記光学的透過層（２）は、前記第１の光源（９）から出射さ
   れた光が前記光学的透過層をほとんど損失なく透過し、前記光ファイバ（１）内
   への回折により前記格子構造（１２）を通って入射するように、光の照射に応じ
   て屈折率が変化する光屈折性材料からなることを特徴とする請求項６または７記
   載の装置。
9. 【請求項９】 前記光学的透過層（２）は、外部からの電圧の印加によって屈
   折率が変化する電気的に反応する材料からなることを特徴とする請求項６または
   ７記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記第１の光源（９）から出射された光が電気的に反応する
    材料層（２”）をほとんど損失なく透過し、前記光ファイバ（１）への回折によ
    り前記格子構造（１２）を通って入射するように、実際の入射位置に応じて屈折
    率が変化するように、前記光ファイバ（１）の周囲に電極（Ｅ１、Ｅ２）を配置
    することを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 【請求項１１】 前記光学的透過層（２）は、前記第１の光源（９）に対向す
    る表面に平滑に形成されていることを特徴とする請求項６から１０のいずれかに
    記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記第１のシステム（Ｓ１）と前記第２のシステム（Ｓ２）
    とは互いに回転可能に支持され、その配置は前記２つのシステムの間での信号伝
    送のための光学的スリップリングとして機能することを特徴とする請求項１から
    １１のいずれかに記載の装置。