JP2007078836A - 光通信用結合光学系およびこれを備えた光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】光結合部における各伝送経路の距離が長くなり、かつ互いの経路長差が大きくなるような場合でも、各伝送経路における光結合率を略均一に保つことが可能な光通信用結合光学系および光通信システムを得る。
【解決手段】光ファイバ９Ａから出力された信号光をベッセルビームに変換して出力するビーム変換系１０Ａと、光分波器５Ａから出力された複数のベッセルビームを、複数の光ファイバ９Ｂにそれぞれ集光するビーム集光系１１Ａとを設ける。ビーム変換系１０Ａは、ビーム変換レンズ１２Ａを備えてなり、このビーム変換レンズ１２Ａは、光ファイバ９Ａの端面から発散光として出力された信号光を、ベッセルビームに変換する非球面レンズで構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光通信システムの光結合部において、１つまたは複数の送光部（光源、光ファイバの光出射端面等）から出力された被伝送光を、光分波器、光合波器、光スイッチ等の光中継素子を介して、１つまたは複数の受光部（受光素子、光ファイバの光入射端面等）に入力させる光通信用結合光学系、およびこの種の結合光学系を備えた光通信システムに関する。

光通信システムの光結合部に用いられる結合光学系としては、通信容量の飛躍的な拡大が図れる高密度波長多重技術の開発により、導波路を用いて、伝送する光の合波、分波、接続の切替え等を行なう導波路型のものが、近年では数多く提案されてきた。

しかし、半導体チップ上に形成したマイクロミラーを用いて、伝送する多数の光の経路を空間上で切り替えたり、接続をオン・オフしたりすることが可能な光スイッチの登場により、伝送する光をいったん空間に出射し、プリズムやレンズ等の個別の光学素子を用いて、合波、分波、接続の切替え等を行なう空間結合型の結合光学系（「バルク型」とも称される）が再び注目されている。

このような空間結合型の結合光学系は、一般に、送光側の光ファイバの光出射端面等から発散光束として出射された被伝送光を、コリメータレンズ等により平行光束に変換してから合波、分波、接続の切替え等を行なった後、収束レンズ等を介して受光側の光ファイバの光入射端面等に集光させるように構成されている。また、空間結合型の結合光学系では、受光側の光ファイバの光入射端面等にいかに効率良く被伝送光を集光させるかが、結合効率を高める上での課題となっており、収束レンズとして、非球面レンズやアキシコンレンズを用いる等の種々の提案がなされている（下記特許文献１、２参照）。

特開平９−６１６６５号公報 特開平１１−２６４９１８号公報 特開平５−１６４９８８号公報 特開平２００４−１７０８７４号公報 特許第２７５９６３５号公報

しかしながら、空間結合型の結合光学系は、多チャンネル化が進む波長多重伝送方式等の光通信システムに用いる場合、チャンネル毎の光結合率を均一に保つことが難しいとされている。その要因の１つとして、伝送される光が進行に伴い広がることが挙げられる。

すなわち、光通信システムで用いられるレーザービームは、平行な光線束に近いとされているが、実際にはガウス分布型の強度分布を持つガウスビームであり、レイリー領域内ではある程度の平行性を保つものの、その範囲を超えると回折の影響により広がり発散してしまう。レイリー領域の長さは、ビームのウエスト径の２乗に比例するとされており、これによれば、ビームはその径を小さくするほど短い距離で広がることになる。

空間結合型の結合光学系では、コンパクト化を図るため、伝送する光のビーム径を抑えることが求められている。一方、多チャンネル化を図る場合には、各伝送経路の距離を長く、しかも各伝送経路長が異なるように設定せざるを得ない場合がある。このため、伝送経路毎にビームの平行性に差が生じ、伝送過程で損失する光量が伝送経路毎に異なることになる。このことが、空間結合型の結合光学系では、チャンネル毎の光結合率を均一に保つことが難しいとされることの一因となっている。

一方、回折により広がることがないとされるビームが知られている。それは、ベッセルビームやＪ_０ビーム、非回折性ビーム等と称されるもので、０次ベッセル関数型の電場分布を有し、波動が進行しても横方向の強度分布が広がらない特性を有するとされる（上記特許文献３〜５参照）。これまで、レーザビームプリンタやバーコードリーダ、またはレーザ顕微鏡やレーザ加工装置等において、ベッセルビームを用いた例は知られているが、光通信システムへの適用は提案されていない。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、各伝送経路の距離が長くなり、かつ互いの経路長差が大きくなるような場合でも、各伝送経路における光結合率を略均一に保つことが可能な光通信用結合光学系および光通信システム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、被伝送光をベッセルビームに変換して伝送するようにしている。

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、１つまたは複数の送光部から出力された被伝送光を、光中継素子を介して、１つまたは複数の受光部に入力する光通信用結合光学系であって、
前記送光部と前記光中継素子との間において、前記被伝送光をベッセルビームに変換して出力するビーム変換系と、前記光中継素子から出力された１つまたは複数の前記ベッセルビームを、１つまたは複数の前記受光部に集光するビーム集光系と、を備えてなることを特徴とする。

前記光中継素子は、ビーム変換系から出力された複数のベッセルビームを互いに合波する光合波器、ビーム変換系から出力された１つのベッセルビームを複数に分波する光分波器、またはビーム変換系から出力された１つまたは複数のベッセルビームの、１つまたは複数の受光部への接続を切り替える光スイッチとすることができる。

また、前記ビーム変換系は、送光部から発散光として出力された被伝送光を、ベッセルビームに変換する非球面レンズを備えてなるものとすることができる。

また、本発明に係る光通信システムは、本発明に係る光通信用結合光学系を備えた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および光通信システムによれば、被伝送光をベッセルビームに変換して出力するビーム変換系と、光中継素子から出力されたベッセルビームを、受光部に集光するビーム集光系とを備えてなることより、以下のような効果を奏する。

すなわち、ビーム変換系によりベッセルビームに変換された被伝送光は、ガウスビームとは異なり強度分布を略一定に保ったまま、広がらずに各経路を伝送されて受光部に入力される。このため、各伝送経路の距離が長く、かつ互いの経路長差が大きくなるような場合でも、各伝送経路における光結合率を略均一に保つことが容易に可能となり、多チャンネル化が図られた波長多重伝送方式等に好適に適用することができる。

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は本発明の一実施形態に係る光通信システムの構成を概略的に示す図である。

図１に示す光通信システムは、波長多重伝送方式を適用したものであり、送信側の基地局１と中継局４と受信側の基地局７との間を、光ファイバ（図示略）で結んで構成される。なお、図１では、基地局１，７および中継局４をそれぞれ１つのみ示してあるが、これらが複数で構成される場合もある。

送信側の基地局１は、互いに異なる波長λ_１〜λ_ｎの光を出力する半導体レーザ等からなる複数の光源２と、光合波器３Ａとを備えてなる。この基地局１では、図示せぬ変調装置を介して変調された情報信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎが各光源２に入力され、該光源２より各信号光が出力されるようになっており、出力された各信号光は、光合波器３Ａにおいて互いに合波された後、不図示の光ファイバを介して中継局４へと伝送される。

中継局４は、光分波器５Ａと光スイッチ６と光合波器３Ｂとを備えてなる。光分波器５Ａは、基地局１から伝送された信号光を波長λ_１〜λ_ｎ毎に分波するもので、分波された各信号光は、光分波器５Ａと光スイッチ６との間に配された複数の光ファイバ（図示略）を介して光スイッチ６へと伝送される。光スイッチ６は、伝送された各信号光の接続先を切り替えるもので、接続先が切り替えられた各信号光は、光スイッチ６と光合波器３Ｂとの間に配された複数の光ファイバ（図示略）を介して光合波器３Ｂへと伝送される。光合波器３Ｂは、伝送された各信号光を互いに合波するものであり、合波された信号光は不図示の光ファイバを介して受信側の基地局７へと伝送される。

受信側の基地局７は、光分波器５Ｂと複数の受光素子８とを備えてなる。光分波器５Ｂは、伝送された信号光を波長λ_１〜λ_ｎ毎に分波するものであり、分波された各信号光は、各受光素子８へと出力される。そして、各受光素子８に入力された各信号光を検波することにより、情報信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎが取り出されるようになっている。

次に、本発明に係る光通信用結合光学系の実施形態について説明する。図２〜図４は、本発明に係る光通信用結合光学系の第１〜第３実施形態をそれぞれ示す概略図であり、図５は図２に示すビーム変換レンズの作用を示す図である。

図２に示す第１実施形態の光通信用結合光学系は、図１に示す中継局４の光分波器５Ａの入出力部分に本発明を適用したものである。すなわち、この第１実施形態のものは、図２に示すように、送光部としての１つの光ファイバ９Ａの光出射端面から出力された信号光（被伝送光）を、光中継素子としての光分波器５Ａを介して、受光部としての複数の光ファイバ９Ｂの光入射端面に入力する光通信用結合光学系であり、光ファイバ９Ａの光出射端面からの信号光をベッセルビームに変換して出力するビーム変換系１０Ａと、光分波器５Ａから出力された複数のベッセルビームを、複数の光ファイバ９Ｂの光入射端面にそれぞれ集光するビーム集光系１１Ａとを備えてなる。

ビーム変換系１０Ａは、１つのビーム変換レンズ１２Ａを備えてなる。このビーム変換レンズ１２Ａは、光ファイバ９Ａの光出射端面から発散光として出力された信号光を、ベッセルビームに変換する非球面レンズとされている。すなわち、図５に示すように、ビーム変換レンズ１２Ａは、図中左側の第１レンズ面１２ａが平面、図中右側の第２レンズ面１２ｂが凸状の非球面で構成されている。なお、ビーム変換レンズ１２Ａは、平凸状のものに限られない。また、ビーム変換レンズ１２Ａを、複数のレンズで構成することも可能である。このことは、以下に説明する他のビーム変換レンズ１２Ｂ〜１２Ｆについても同様である。

光ファイバ９Ａの光出射端面からビーム変換レンズ１２Ａに入射した発散光を光線束として表すと、光軸Ｌ上に沿ってビーム変換レンズ１２Ａに入射した光線は、光軸Ｌ上に沿ってそのまま出射されるが、光軸Ｌに対して斜めに入射したその余の各光線は、光軸Ｌに対してそれぞれ略一定の角度θをなすように出射される。この各光線の重なり部分（図中２本の２点鎖線で挟んだ領域）にベッセルビームが生成される。このベッセルビームは、０次ベッセル関数型の電場分布を有し、波動が進行しても横方向の強度分布が広がらない特性を有している。

一方、図２に示す光分波器５Ａは、複数の光分波面１３−１〜１３−ｎを備えてなる。各光分波面１３−１〜１３−ｎは、所定波長領域の光は反射しその余の波長領域の光は透過する特性を持つ、例えば、偏光バンド反射フィルタや偏光無依存バンド反射フィルタ、偏光エッジフィルタ等で構成されるが、図中最も右側に配される光分波面１３−ｎは、偏光反射ミラーや偏光無依存反射ミラー等で構成してもよい。

また、図２に示すビーム集光系１１Ａは、複数のビーム変換レンズ１２Ｂを備えてなる。各ビーム変換レンズ１２Ｂは、上述したビーム変換レンズ１２Ａと同様の作用を持つ非球面レンズを、非球面側を光分波器５Ａの側に向けて配置したものであり、光分波器５Ａからの各ベッセルビームを複数の光ファイバ９Ｂの光入射端面にそれぞれ集光するように構成されている。なお、ビーム変換レンズ１２Ｂから光ファイバ９Ｂの光入射端面までの距離を、上記ビーム変換レンズ１２Ａから光ファイバ９Ａの光出射端面までの距離と同じに設定すれば、ビーム変換レンズ１２Ｂとしてビーム変換レンズ１２Ａを用いることも可能である。

図３に示す第２実施形態の光通信用結合光学系は、図１に示す中継局４の光合波器３Ｂの入出力部分に本発明を適用したものである。すなわち、この第２実施形態のものは、図３に示すように、送光部としての複数の光ファイバ９Ｃの光出射端面から出力された信号光（被伝送光）を、光中継素子としての光合波器３Ｂを介して、受光部としての１つの光ファイバ９Ｄの光入射端面に入力する光通信用結合光学系であり、複数の光ファイバ９Ｃの光出射端面からの各信号光をベッセルビームに変換して出力するビーム変換系１０Ｂと、光合波器３Ｂから出力された１つのベッセルビームを、１つの光ファイバ９Ｄの光入射端面にそれぞれ集光するビーム集光系１１Ｂとを備えてなる。

ビーム変換系１０Ｂは、複数のビーム変換レンズ１２Ｃを備えてなる。このビーム変換レンズ１２Ｃは、光ファイバ９Ｃの光出射端面から発散光として出力された信号光を、ベッセルビームに変換する非球面レンズとされている。なお、各ビーム変換レンズ１２Ｃの作用は、上述したビーム変換レンズ１２Ａと同様である。

光合波器３Ｂは、複数の光合波面１４−１〜１４−ｎを備えてなる。各光合波面１４−１〜１４−ｎは、所定波長領域の光は反射しその余の波長領域の光は透過する特性を持つものであり、図２に示す各光分波面１３−１〜１３−ｎと同様の構成とすることができる。

また、図３に示すビーム集光系１１Ｂは、１つのビーム変換レンズ１２Ｄを備えてなる。ビーム変換レンズ１２Ｄは、上述したビーム変換レンズ１２Ｃと同様の作用を持つ非球面レンズを、非球面側を光合波器３Ｂの側に向けて配置したものであり、光合波器３Ｂからのベッセルビームを１つの光ファイバ９Ｄの光入射端面に集光するように構成されている。

図４に示す第３実施形態の光通信用結合光学系は、図１に示す中継局４の光スイッチ６の入出力部分に本発明を適用したものである。すなわち、この第３実施形態のものは、図４に示すように、送光部としての複数の光ファイバ９Ｂの光出射端面から出力された信号光（被伝送光）を、光中継素子としての光スイッチ６を介して、受光部としての複数の光ファイバ９Ｃの光入射端面に入力する光通信用結合光学系であり、複数の光ファイバ９Ｂの光出射端面からの信号光をそれぞれベッセルビームに変換して出力するビーム変換系１０Ｃと、光スイッチ６から出力された複数のベッセルビームを、複数の光ファイバ９Ｃの光入射端面にそれぞれ集光するビーム集光系１１Ｃとを備えてなる。

ビーム変換系１０Ｃは、複数のビーム変換レンズ１２Ｅを備えてなる。このビーム変換レンズ１２Ｅは、各光ファイバ９Ｂの光出射端面から発散光として出力された信号光を、ベッセルビームに変換する非球面レンズとされている。なお、各ビーム変換レンズ１２Ｅの作用は、上述したビーム変換レンズ１２Ａと同様である。

光スイッチ６は、半導体チップ等からなる基板１５上に、複数のマイクロミラー１６（付番一部省略）を配設してなる、空間接続型の２Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）−ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）光スイッチである。各マイクロミラー１６は、図４において上下方向に並べられた複数のビーム変換レンズ１２Ｅの各光軸と、左右方向に並べられた複数のビーム変換レンズ１２Ｆの各光軸とが交差する各位置に配置されており、紙面に対して直角に起立する状態と紙面内に倒伏する状態とを採り得るように、起伏可能に構成されている。起立した状態において各マイクロミラー１６は、交差する２つの光軸に対してそれぞれ４５°の角度をなし、一方の光軸に沿って入射したベッセルビームを、他方の光軸に沿って反射するように構成されており、起立させるマイクロミラー１６を選択することにより、複数の光ファイバ９Ｂから出力される各ベッセルビームの接続先を、適宜切り替えることが可能となっている。

次に、上述したビーム変換レンズ１２Ａ〜１２Ｆに対応する実施例について説明する。図６は一実施例に係るビーム変換レンズの形状を示すグラフであり（横軸は光軸からのレンズ高さｘ（ｍｍ）、縦軸は光軸方向のレンズ厚さｙ（ｍｍ））、図７はベッセルビームおよびガウスビームの各ビーム半径（強度がピーク値の１／ｅ^２まで減少する位置の半径）とレンズからの距離（ビームの進行距離）との関係を示すグラフである。

図６に示すビーム変換レンズは、レンズ中心厚１．４ｍｍ、コバ厚０．４０５ｍｍ、直径２．４ｍｍの平凸レンズ（第１レンズ面が平面、第２レンズ面が凸の非球面）とされており、その非球面形状（レンズ設計において図６のグラフ上にプロットされた各点（×）を結ぶ曲線）は下式（１）の多項式で近似される。このビーム変換レンズによれば、第１レンズ面から１ｍｍ離して光軸上に配置された点光源からの発散光を、出射角（図５の角度θに相当する）０．５７３°で出射することができる。

y=-0.1404x⁶+0.3339x⁵-0.4363x⁴+0.199x³-0.5726x²-0.00134x+1.400 …… （１）
このように設定されたビーム変換レンズから出射されたベッセルビームのビーム半径は、図７に示すように、レンズからの距離が増大しても出射直後と殆ど変化しない。これに対し、通常のコリメータレンズから出射されたガウスビームのビーム半径は、レンズからの距離が増大するのに従って大きく広がる。

上述した各実施形態の光通信用結合光学系においては、ビーム変換系１０Ａ〜１０Ｃにより信号光をベッセルビームに変換するので、信号光が、強度分布を略一定に保ったまま広がらずに各経路を伝送して、第１実施形態では光ファイバ９Ｂの光入射端面に、第２実施形態では光ファイバ９Ｄの光入射端面に、第３実施形態では光ファイバ９Ｃの光入射端面に、それぞれ入力する。このため、各信号光の伝送経路の距離が長く、かつ互いの経路長差が大きくなるような場合でも、各伝送経路における光結合率を略均一に保つことが容易に可能となる。したがって、図１に示すような波長多重伝送方式の光通信システムに適用するのに好適である。

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、本発明の光通信用結合光学系は、図１に示す送信側の基地局１の光合波器３Ａの入出力部分や、受信側の基地局７の光分波器５Ｂの入出力部分に適用することができる。

また、波長多重伝送方式に限らず、周波数多重伝送方式等の他の伝送方式の光通信システムに適用することも可能である。

また、ベッセルビームを生成するビーム変換レンズとしては、上述した非球面レンズに限らず、アキシコンレンズ等の他の形状のものを用いてもよい。

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。

本発明に係る光通信システムの一実施形態を示す概略図 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 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 ビーム変換レンズの作用を示す図 一実施例に係るビーム変換レンズの形状を示すグラフ ベッセルビームとガウスビームのビーム半径の変化を示すグラフ

符号の説明

１ （送信側の）基地局
２ 光源
３Ａ，３Ｂ 光合波器
４ 中継局
５Ａ，５Ｂ 光分波器
６ 光スイッチ
７ （受信側の）基地局
８ 受光素子
９Ａ〜９Ｃ 光ファイバ
１０Ａ〜１０Ｃ ベッセルビーム変換系
１１Ａ〜１１Ｃ ビーム集光系
１２Ａ〜１２Ｆ ビーム変換レンズ
１２ａ 第１レンズ面
１２ｂ 第２レンズ面
１３−１〜ｎ 光分波面
１４−１〜ｎ 光合波面
１５ 基板
１６ マイクロミラー
θ 光線と光軸とのなす角度
Ｌ 光軸
λ_１〜λ_ｎ 波長
Ｓ_１〜Ｓ_ｎ 情報信号

Claims (6)

1. 光通信システムの光結合部において、１つまたは複数の送光部から出力された被伝送光を、光中継素子を介して、１つまたは複数の受光部に入力する光通信用結合光学系であって、
   前記送光部と前記光中継素子との間において、前記被伝送光をベッセルビームに変換して出力するビーム変換系と、
   前記光中継素子から出力された１つまたは複数の前記ベッセルビームを、１つまたは複数の前記受光部に集光するビーム集光系と、
   を備えてなることを特徴とする光通信用結合光学系。
2. 前記光中継素子は、前記ビーム変換系から出力された複数の前記ベッセルビームを、互いに合波する光合波器であ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. 前記光中継素子は、前記ビーム変換系から出力された１つの前記ベッセルビームを、複数に分波する光分波器であ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。
4. 前記光中継素子は、前記ビーム変換系から出力された１つまたは複数の前記ベッセルビームの、前記１つまたは複数の受光部への接続を切り替える光スイッチであ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。
5. 前記ビーム変換系は、前記送光部から発散光として出力された前記被伝送光を、前記ベッセルビームに変換する非球面レンズを備えてなることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光通信用結合光学系。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項記載の光通信用結合光学系を備えたことを特徴とする光通信システム。
   
   
   

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