JP2006317675A - 光通信用結合光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】光通信システムの環境条件等が変化するような場合でも、高い結合効率を維持することが可能な光通信用結合光学系を得る。
【解決手段】光通信用結合光学系２Ａは、光源装置１の光出射点１ａから出射された被伝送光を光ファイバ３の光入射端面３ａに集めて入射させる屈折力可変素子２０を備えてなる。この屈折力可変素子２０は、微細粒子を液体中に分散してなる微細粒子分散液２２を、光軸Ｘの方向に配列された２つの透明体２１，２３で挟持してなるものであり、微細粒子分散液２２へ印加する電圧の大きさを変更することにより、微細粒子分散液中の微細粒子の電気泳動状態を変化させ、これにより、被伝送光に対する屈折力を変化させ得るように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システムの光結合部において出射された被伝送光を、光ファイバの光入射端面に集めるようにして入射させる光通信用結合光学系に関し、特に、環境条件や動作条件等が変化するような場合に好適な光通信用結合光学系に関する。
光ファイバを用いた光通信システムでは、送光側と受光側とを光学的に結合する光結合部において、光源部や送光側の光ファイバの光出射端面から発散するように出射された被伝送光を収束させて、受光側の光ファイバの光入射端面に集めるようにして入射させる結合光学系が必要とされる。
従来、このような光通信用の結合光学系としては、いわゆるボールレンズ（球レンズ）を用いたものが一般的に知られている。ボールレンズはアライメントが不要なため設置が容易という利点があるが、球面収差が大きいため、受光側の光ファイバの光入射端面に効率良く被伝送光を集めることが難しい。このためボールレンズを用いた結合光学系では、結合効率を高めることが難しいという問題がある。
一方、非球面レンズを用いた光通信用結合光学系の提案もなされている（下記特許文献１参照）。非球面レンズを用いて球面収差を抑えることにより、光ファイバの光入射端面に効率良く被伝送光を集めることができるので、ボールレンズを用いたものに比べて結合効率を高めることが可能となる。
特開平９−６１６６５号公報 特願２００５−６７００９号明細書
しかしながら、非球面レンズを用いた光通信用の結合光学系は、システムの環境条件や動作条件が変化するような場合、例えば、システム変更により被伝送光の波長が設計段階と異なったり、半導体レーザを光源として用いた際に使用環境の温度変化により被伝送光の波長が変動したりする場合に、被伝送光の集光点の位置が光軸方向に大きくずれてしまうので、結合効率が著しく低下するという問題がある。また、非球面レンズとして一般的なプラスチック製のものは、使用環境の温度変化により屈折力が変化し易いため、このようなプラスチック製の非球面レンズを用いた場合には、結合効率が低下する可能性がさらに高まってしまう。
一方、本願出願人により、微細粒子が液体中に分散されてなる微細粒子分散液を、２つの透明体で挟持するように構成された屈折力可変素子が創案され、特許庁に対し既に開示されている（例えば、上記特許文献２参照）。この屈折力可変素子は、微細粒子分散液へ作用せしめる電磁気力の切替に応じて微細粒子分散液中の微細粒子の泳動状態を変化させることにより、屈折力（焦点距離）を変化させることが可能なため、種々の光学系において幅広く利用されることが期待されている。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、光通信システムの環境条件等が変化するような場合でも、高い結合効率を維持することが可能な光通信用結合光学系を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明では、微細粒子分散液へ作用せしめる電磁気力の変更に応じて屈折力を変化させる屈折力可変素子を用いて、被伝送光の集光点の位置を調整し得るようにしている。
すなわち、本発明に係る光通信用結合光学系は、光通信システムの光結合部において出射された被伝送光を、光ファイバの光入射端面に集めて入射させる光通信用結合光学系において、
微細粒子を液体中に分散してなる微細粒子分散液を光軸方向に配列された２つの透明体で挟持してなり、該微細粒子分散液へ作用せしめる電磁気力の変更に応じて該微細粒子分散液中の微細粒子の泳動状態を変化させることにより、前記被伝送光に対する屈折力を変化させ得る屈折力可変素子を備え、
該屈折力可変素子の前記屈折力の変化に応じて、前記被伝送光の集光点の位置を調整し得るように構成されていることを特徴とするものである。
本発明に係る光通信用結合光学系は、被伝送光を出射する光源部と、前記光ファイバの光入射端面との間や、前記光ファイバの光入射端面と、被伝送光を出射する他の光ファイバの光出射端面との間に配されることが好ましい。
なお、上記「集光点」とは、本発明の光通信用結合光学系により被伝送光が収束する位置で、当該位置に光ファイバの光入射端面を配置すると、光ファイバ透過後の光量が最大となる位置を意味する。
本発明に係る光通信用結合光学系によれば、微細粒子分散液へ作用せしめる電磁気力の変更に応じて屈折力を変化させる屈折力可変素子を用いて被伝送光の集光点の位置を調整し得るように構成されていることにより、以下のような効果を奏する。
すなわち、光通信システムにおいて環境条件や動作条件が変化するような場合、例えば、システム変更により被伝送光の波長が設計段階と異なったり、半導体レーザを光源として用いた際に使用環境の温度変化により被伝送光の波長が変動したりする場合においても、被伝送光の集光点の位置を調整することにより、光ファイバの光入射端面に効率良く被伝送光を集めることができるので、高い結合効率を維持することが可能となる。
また、被伝送光の集光点の位置調整を可能とするために、例えばレンズの移動機構を設けるようにしたものに比較して、本発明に係る光通信用結合光学系は、構成の簡易化や小型化が図れるので、光通信システムにおいて狭小に構成される光結合部内に装備するのに好適である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る光通信用結合光学系の構成を概略的に示す図であり、図２は図１に示す屈折力可変素子の作用を示す図である。
図１に示す光通信用結合光学系２Ａは、半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等からなる光源部としての光源装置１と、受光側の光ファイバ３との間に配され、光源装置１の光出射点１ａから出射された被伝送光を光ファイバ３の光入射端面３ａに集めて入射させるように構成されており、図示のように、屈折力可変素子２０を備えてなる。
この屈折力可変素子２０は、微細粒子を液体中に分散してなる微細粒子分散液２２を、光軸Ｘの方向に配列された２つの透明体２１，２３で挟持してなる（詳しくは、２つの透明体２１，２３と、光軸Ｘの径方向周囲に配された周壁部２４とからなる容器内に、微細粒子分散液２２が収容されている）ものであり、微細粒子分散液２２へ作用せしめる電磁気力の変更に応じて微細粒子分散液中の微細粒子の泳動状態を変化させることにより、被伝送光に対する屈折力を変化させ得るように構成されている。
すなわち、図２に示すように屈折力可変素子２０は、印加電圧調整部２５により所定の電圧が印加されるようになっており、この印加電圧の大きさが切り替えられることによって、微細粒子分散液２２の中の微細粒子の電気泳動状態が変化するようになっている。微細粒子の電気泳動状態が変化すると、微細粒子分散液２２の屈折率（屈折率分布）が変化し、これにより被伝送光に対する屈折力が変化して、図中左側より入射する被伝送光の集光点Ｐの位置が変わる。
また、この屈折力可変素子２０では、図１に示すように、第１の透明体２１が光源装置１の側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状とされ、第２の透明体２３は光ファイバ３の側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状とされている。第１の透明体２１の面の曲率に比較して第２の透明体２３の面の曲率の方が大きくなっており、２つの透明体２１，２３で挟持された微細粒子分散液２２は、光ファイバ３の側に強い曲率の面を向けた両凸レンズ形状となっている。なお、上記微細粒子や該微細粒子を分散させる分散媒質の具体的態様については、前掲の特許文献２に詳しく開示されているので、詳細な説明は省略する。
図１に示す光通信用結合光学系２Ａは、光源装置１の光出射点１ａから出射された被伝送光を光ファイバ３の光入射端面３ａに効率的に集光するように設定されるが、光通信のシステム変更により被伝送光の波長が設計段階と異なったり、使用環境の温度変化により被伝送光の波長が変動したりする場合には、波長の変化に応じて集光点の位置が変わるため、結合効率が低下してしまう。
しかし、光通信用結合光学系２Ａによれば、上述したように、屈折力可変素子２０の被伝送光に対する屈折力を変化させることにより、被伝送光の集光点の位置を調整し得るように構成されているので、被伝送光の波長が変化した場合でも、被伝送光の集光点の位置を調整することにより、光ファイバの光入射端面に効率良く被伝送光を集めることができ、高い結合効率を維持することが可能となる。
なお、屈折力可変素子２０の屈折力の調整が連続的に行なえるように構成され、被伝送光の集光点の位置を連続的に変化させることができる場合には、集光点の位置が光ファイバ３の光入射端面３ａの位置と一致するように調整することが好ましい。一方、屈折力可変素子２０の屈折力の調整が段階的なものであり、被伝送光の集光点の位置を離散的にしか変化させることができない場合には、集光点の位置を離散的にいくつか変化させてみて、その中で光ファイバ３を透過後の光量が最も大きくなる位置を選択するようにしてもよい。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る光通信用結合光学系の構成を概略的に示す図である。なお、この第２実施形態において、上述した第１実施形態と共通する構成要素については、図１で用いた番号を図３においても共通で用いることとし、その詳細な説明は省略する。このことは、以下に説明する他の実施形態およびそれらを示す各図において同様とする。
図３に示す光通信用結合光学系２Ｂは、送光側の光ファイバ４と受光側の光ファイバ３との間に配され、光ファイバ４の光出射端面４ａから出射された被伝送光を光ファイバ３の光入射端面３ａに集めて入射させるように構成されている点が、図１に示す光通信用結合光学系２Ａと異なっており、屈折力可変素子２０を備えてなる点やその作用は、同じである。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図４は本発明の第３実施形態に係る光通信用結合光学系の構成を概略的に示す図である。
図４に示す光通信用結合光学系２Ｃは、コリメータレンズ２７と屈折力可変素子２０とを備えてなる点が、図１に示す光通信用結合光学系２Ａと異なっている。また、屈折力可変素子２０は、図１に示す態様とは逆向きに光軸Ｘ上に配されているが、基本的な作用は同じである。
すなわち、この光通信用結合光学系２Ｃは、光源装置１の光出射点１ａから出射された被伝送光を、コリメータレンズ２７により平行光状態に一旦変換した後、屈折力可変素子２０により光ファイバ３の光入射端面３ａに集めて入射させるように構成されている。なお、被伝送光を平行光状態に一旦変換するこのような態様は、例えば、被伝送光を複数に分岐する光束分岐部において見られるものである。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図５は本発明の第４実施形態に係る光通信用結合光学系の構成を概略的に示す図である。
図５に示す光通信用結合光学系２Ｄは、コリメータレンズ２７と屈折力可変素子３０と収束レンズ２８とを備えてなる点が、図３に示す光通信用結合光学系２Ｂと異なっている。また、屈折力可変素子３０は、光ファイバ３の側に凹面を向けた平凹レンズ状の第１の透明体３１と、光ファイバ４の側に凹面を向けた平凹レンズ状の第２の透明体３３と、周壁部３４と、これらの間に挟持された両凸レンズ状の微細粒子分散液３２とを備えてなり、これらの形状の点では図３に示す屈折力可変素子２０と異なるが、基本的な作用は同じである。
すなわち、この光通信用結合光学系２Ｄは、光ファイバ４の光出射端面４ａから出射された被伝送光を、コリメータレンズ２７により平行光状態に一旦変換した後、屈折力可変素子３０および収束レンズ２８により光ファイバ３の光入射端面３ａに集めて入射させるように構成されている。なお、コリメータレンズ２７は、光ファイバ３の側に強い曲率の面を向けた両凸レンズとされ、収束レンズ２８は、光ファイバ４の側に強い曲率の面を向けた両凸レンズとされている。
以上、本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。
例えば、上記各実施形態における屈折力可変素子は、微細粒子分散液に印加する電圧の大きさを変えることにより、微細粒子分散液中の微細粒子の電気泳動状態を変化させる電気泳動タイプとされているが、屈折力可変素子を磁気泳動タイプのものにすることも可能である。磁気泳動タイプの屈折力可変素子は、微細粒子分散液に作用せしめる磁場を制御することにより、微細粒子分散液中の微細粒子の磁気泳動状態を変化させるように構成されており、その詳細は前掲の特許文献２に開示されている。
また、本発明の光通信用結合光学系を構成する各光学素子（屈折力可変素子やレンズ、絞り等）の数や個々の形状は使用状況に応じて、適宜変更することが可能である。
なお、本発明が適用される光通信システムで用いられる光ファイバとしては、シングルモードタイプであるかマルチモードタイプであるかや、階段屈折率タイプであるか分布屈折率タイプであるかなどの種別を問わない。
本発明の第１実施形態に係る光通信用結合光学系の概略構成図 図１に示す屈折力可変素子の作用を示す図 本発明の第２実施形態に係る光通信用結合光学系の概略構成図 本発明の第３実施形態に係る光通信用結合光学系の概略構成図 本発明の第４実施形態に係る光通信用結合光学系の概略構成図
符号の説明
１ 光源装置
１ａ 光出射点
２Ａ〜２Ｄ 光通信用結合光学系
３ （受光側の）光ファイバ
３ａ 光入射端面
４ （送光側の）光ファイバ
４ａ 光出射端面
２０，３０ 屈折力可変素子
２１，３１ （第１の）透明体
２２，３２ 微細粒子分散液
２３，３３ （第２の）透明体
２４，３４ 周壁部
２５ 印加電圧調整部
２７ コリメータレンズ
２８ 収束レンズ
Ｐ 集光点
Ｘ 光軸

Claims (3)

  1. 光通信システムの光結合部において出射された被伝送光を、光ファイバの光入射端面に集めて入射させる光通信用結合光学系において、
    微細粒子を液体中に分散してなる微細粒子分散液を光軸方向に配列された２つの透明体で挟持してなり、該微細粒子分散液へ作用せしめる電磁気力の変更に応じて該微細粒子分散液中の微細粒子の泳動状態を変化させることにより、前記被伝送光に対する屈折力を変化させ得る屈折力可変素子を備え、
    該屈折力可変素子の前記屈折力の変化に応じて、前記被伝送光の集光点の位置を調整し得るように構成されていることを特徴とする光通信用結合光学系。
  2. 前記被伝送光を出射する光源部と、前記光ファイバの前記光入射端面との間に配されることを特徴とする請求項１記載の光通信用結合光学系。
  3. 前記光ファイバの前記光入射端面と、前記被伝送光を出射する他の光ファイバの光出射端面との間に配されることを特徴とする請求項１記載の光通信用結合光学系。

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