JP2011215381A - 光路切替装置および光信号の光路切替方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る光路切替装置は、信号光と制御光とを入射面が重力の方向に対して垂直に設置された熱レンズ形成光素子へ縮小光学系にて重力方向に入射させ、各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて収束させ、前記制御光が照射されない場合の直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とが、同一の光学系手段によって収束または集光される受光手段を備え、更に、光路切替された前記信号光の通過位置にくさび型プリズムを設けて光路変更信号光と直進信号光の光軸間距離を広げる。
【選択図】図1
Description
1種類以上の波長の信号光を照射する信号光光源と、
前記信号光とは異なる特定波長の制御光を照射する2つ以上の制御光光源と、
前記信号光は透過し、前記制御光を選択的に吸収する光吸収層を含む熱レンズ形成光素子と、
前記光吸収層に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて、前記光吸収層内にて収束させて入射させる集光手段と、を有し、
前記熱レンズ形成光素子は、前記制御光と前記信号光が、光の進行方向で前記光吸収層内において収束したのち拡散することによって、前記光吸収層内における前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因し過渡的に熱レンズが形成され、該熱レンズにより、前記光吸収層内に屈折率分布が生じ、前記信号光の進行方向を変え、光路切替を行い、
更に、第1の受光手段と第2の受光手段を設け、前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とを、同一の前記第1の受光手段と前記第2の受光手段によりそれぞれ収束または集光し、前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とを分光したまま屈折させて通過させるくさび型プリズムを前記第1の受光手段と前記第2の受光手段の間に設けたことを特徴とする光路切替装置であって、更に、
(1)前記熱レンズ形成光素子の前記信号光入射面は重力の方向に対して垂直に設置され、かつ、前記熱レンズ形成光素子に入射する前記信号光および前記制御光の進行方向は重力の向きと同一である、
(2)前記集光手段は、前記光吸収層の入射面に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて集光させ、縮小投影光学系を構成している、
(3)前記くさび型プリズムは、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対応してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(4)前記くさび型プリズムは、更に、光路切替された前記信号光の光軸が前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった前記直進信号光の光軸に対して近づく方向に屈折するように、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(5)前記熱レンズ形成光素子は、前記くさび型プリズムを配置しなかった場合に、進行方向が変わらなかった前記直進信号光と光路切替された前記信号光とが、前記第1の受光手段および前記第2受光手段により同一の位置に収束または集光される位置に配置されている、
の上記(1)から(5)からなる群から選択される1つ以上であることを特徴とする。
前記信号光および制御光は、前記熱レンズ形成光素子の入射面の上方から入射されることを特徴とする。
更に、前記第1の受光手段および第2の受光手段により収束または集光された進行方向が変わらなかった前記直進信号光と光路切替された前記信号光が、それぞれ入射可能な端面近接多芯バンドル光ファイバーを有することを特徴とする。
更に、前記信号光光源と非結束末端で接続された中心光ファイバーと、
前記信号光とは異なる波長の制御光を照射する2つないし6つの前記制御光光源各々に6本の周辺光ファイバーの非結束末端が接続された端面近接七芯バンドル光ファイバーと、を有することを特徴とする。
前記くさび形プリズムは、六角錐台型プリズムであり、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった前記直進信号光が六角錐台型プリズムの頂上平面を通過し、光路切替された前記信号光が六角錐台型プリズムの6つのウェッヂ面のいずれかを通過し、それぞれ、六角錐台型プリズムから出射することを特徴とする。
第1の受光手段と第2の受光手段が焦点距離1.0mmないし3.0mmの球面あるいは非球面凸レンズであることを特徴とする。
1つ以上の信号光光源からの、1種類以上の波長の信号光を各々の光軸を揃えて出射させ、
2つ以上の制御光光源からの、前記信号光とは異なる特定波長の制御光を各々出射させ、
前記信号光は透過し、前記制御光を選択的に吸収する光吸収層を含む熱レンズ形成光素子に、前記信号光と前記制御光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて、前記光吸収層内にて収束するよう集光して照射し、
前記信号光は前記熱レンズ形成光素子を透過させ、
前記制御光は前記熱レンズ形成光素子内の前記光吸収層にて光吸収させて前記光吸収層内における前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇にともなう熱レンズを過渡的に形成させて前記熱レンズ形成光素子内の前記光吸収層内に屈折率分布を生じさせ、前記信号光の進行方向を変えて光路切替させ、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光をそれぞれ、同一光学手段からなる第1の受光手段および第2受光手段により収束または集光させ、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とを、第1の受光手段と第2受光手段との間に設けたくさび型プリズムにより分光したまま屈折させて通過させること、を特徴とする光信号の光路切替方法であって、更に、
(6)前記熱レンズ形成光素子の前記信号光入射面を重力の方向に対して垂直に設置し、かつ、前記熱レンズ形成光素子に入射する前記信号光および前記制御光の進行方向は重力の向きと同一にする、
(7)前記光吸収層内にて集光させる場合、前記光吸収層の入射面に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて集光させ、縮小投影させる、
(8)前記くさび型プリズムは、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対応してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(9)前記くさび型プリズムは、更に、光路切替された前記信号光の光軸が前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった前記直進信号光の光軸に対して近づく方向に屈折するように、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(10)前記熱レンズ形成光素子は、前記くさび型プリズムを配置しなかった場合に、進行方向が変わらなかった前記直進信号光と光路切替された前記信号光とが、同一の位置に収束または集光される位置に配置されている、
の上記(6)から(10)からなる群から選択される1つ以上である。
図1〜図3を参照して本発明の第1の実施形態に係る光路切替装置を説明し、併せて光信号の光路切替方法を説明する。
(S1−1)制御光のパワー密度(制御光のパワー、集光条件、光学系のロス、色素溶液の溶剤の沸点)
(S2−1)縮小投影光学系の採用
(要素技術S3)熱レンズ形成光素子1から出射する直進信号光10および光路変更信号光11〜16の受光光学系の設計:
(S3−1)受光レンズ7と結合レンズ8の焦点距離の選定と組み合わせ
(要素技術S4)応答速度
熱レンズ形成光素子1としては、例えば、厚さ500μmの石英製円板2枚と厚さ500μmの石英製スペーサーからなる直径8〜10mmのコイン型の溶液セル2に、吸収極大波長950ないし1050nmであって信号光の波長帯域、例えば1310ないし1600nmの帯域に光吸収のない有機色素を沸点範囲290ないし300℃の有機溶剤に溶解し、液厚500μmの場合で980nmの吸光度を5.0以上に濃度調整した色素溶液3を充填し、注入孔をエポキシ接着剤で密閉したものが用いられる。言うまでもなく、色素溶液3は色素吸収層として作用する。
・第1成分:1−フェニル−1−(2,5−キシリル)エタン
・第2成分:1−フェニル−1−(2,4−キシリル)エタン
・第3成分:1−フェニル−1−(3,4−キシリル)エタン
・第4成分:1−フェニル−1−(4−エチルフェニル)エタン
先に記述したように、出射側端面近接七芯バンドル光ファイバー100の中心光ファイバーから出射する信号光および周辺光ファイバーから出射する制御光の光軸間距離が例えば40μmの場合、これらをコリメートレンズ5および集光レンズ6から構成される縮小投影光学系を通過させることによって、熱レンズ形成光素子1の光吸収層(色素溶液)へ前記光吸収層に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせるように各々収束させて入射させ、前記信号光と前記制御光の光軸間距離を20ないし30μmまで、縮小することによって、熱レンズ効果を最大限に活用することが可能になる。コリメートレンズ5および集光レンズ6としては焦点距離が同一の凸レンズを2枚組み合わせて好適に用いることができる。例えば、焦点距離2mm、N.A.0.5の非球面凸レンズ2枚を組み合わせて、コリメートレンズ5および集光レンズ6として使用し、縮小光学系として設計設定することができる。
第1の設計設定項目として熱レンズ形成光素子1を出射した直進信号光(制御光照射がない場合)10と光路変更信号光(制御光21〜26の照射に対応)11〜16を受光する受光レンズ7(第1の受光手段)および直進信号光10と光路変更信号光11〜16とを受光側七芯バンドル光ファイバー210のファイバー端面のコアへ結合するための結合レンズ8(第2の受光手段)の設定がある。ここで、信号光の波長としてファイバートゥザホームの下り信号として用いられる波長の1490nm近辺と上り信号として用いられる波長の1310nmとでは、レンズの屈折率波長依存の影響を受けるため、色消しレンズを用いない場合、一方の波長で光学系を調整すると他方の波長での光ファイバー結合効率が低下するという課題がある。表1に示すように、受光レンズ7と結合レンズ8の焦点距離を同一とし、焦点距離を8mm、2.75mm、2.0mmとした場合、2.75mm以下の短い焦点距離の場合、光ファイバーへの結合効率の波長依存性が極めて小さくなることが判った。表1から明らかなように、焦点距離8mmのレンズの場合、1550nm光で光学系調整を行い1550nm光で測定した光ファイバーへの結合効率に対して、1550nm光で光学系調整を行い1310nm光で測定した結合効率は小さい。同様に、1310nm光で光学系調整を行い1310nm光で測定した光ファイバーへの結合効率に対して、1310nm光で光学系調整を行い1550nm光で測定した結合効率は小さい。受光レンズ7と結合レンズ8の焦点距離の最小値は実用上、1.0mmである。これよりも焦点距離を小さくするとレンズの作動距離の制約から、レンズ7または8と六角錐台プリズム9が接触してしまう。以上まとめると、第1の受光手段・受光レンズ7と第2の受光手段・受光レンズ8が焦点距離1.0mmないし3.0mmの球面あるいは非球面凸レンズであると、色消しレンズを用いなくても信号光の波長差の影響をほとんど受けなくすることができる。
Rout=f*tan(ωout)・・・・・・・・・(1)
ここで、六角錐台プリズム9からの出射角度(六角錐台プリズム9の頂上平面に垂直な線との角度で垂直な線と交わる場合は正の符号である)をωoutとする。ωoutは次のように与えられる。
ωout≒2*(n1/n0−1)*(θ/2)+ωin・・・・・・・・・・・・・(2)
ここで、n1は六角錐台プリズム9の屈折率、n0は六角錐台プリズム9の置かれている媒質(今回は空中)の屈折率、θは六角錐台プリズム9の傾角である。ωinは六角錐台プリズム9への入射角度(六角錐台プリズム9の頂上平面に垂直な線との角度で垂直な線と交わる場合は正、垂直な線から離れる場合は負の符号とする)である。
r2≒r1−tan(θ/2)*X・・・・・・・(3)
結合レンズ8を通過した信号光の収束(集光)点の光軸からの距離r3とし、結合レンズ8の焦点距離をfとすると、
[数4]
r3=−f*tan(θ/2)・・・・・・・(4)
検出器の位置を光軸からr3にし、光ファイバーへの入射効率を考慮すると、
[数5]
r2=r3
(3)および(4)式より、
[数6]
−f*tan(θ/2)≒r1−tan(θ/2)*X
∴X=f+r1/tan(θ/2)・・・・・・・・・・・・・(5)
すなわち、検出器の光ファイバーへの入射効率が最大になる、結合レンズ8と六角錐台プリズム9との間隔Xは、検出器の光ファイバーへ収束(集光)する結合レンズ8の焦点距離fに、六角錐台プリズム9への入射光の光軸からの距離r1を六角錐台プリズム9の傾角のtanで割った値をプラスした値である。結合レンズ8の焦点距離を2mm、六角錐台プリズム9の傾角θを7.1度とすると、結合レンズ8と六角錐台プリズム9との間隔Xは、約9mmである。
図9は、本実施の形態の最良の状態において、制御光21ないし26のいずれか1つ、例えば制御光21をデューティ比1:1で明滅させる周波数を50Hzから2000Hzで変化させたときの、直進光と光路変更光の信号光強度を、制御光が継続的に消灯または消灯しているときの信号光強度で除した値(これを「振幅」と呼ぶ。)をプロットしたグラフである。例えば、制御光21を周波数50Hz、周期20ミリ秒で点灯・消灯したとき、直進光および光路変更光の強度は制御光が継続的に消灯または消灯しているときの信号光強度と同一で、振幅は1.0であり、制御光の点灯または消灯に応じて、直進光および光路変更光の強度は振幅0.0から1.0、または、同1.0から0.0へ周期の半分の値、10ミリ秒で変化する。すなわち、周波数の逆数(周期)を2で除した値を制御光の点灯・消灯に対応した信号光の光路切替の「応答時間」と呼ぶことができる。直進光および光路変更光の応答時間は光学系の調整によって直進光または光路変更光のどちらかが速くなることが多い。図9の場合は光路変更光の方が速く、振幅1.0に到達する。図9の場合、信号光の振幅が、ほぼ1に到達するに要する応答時間は、直進光の場合で約5ミリ秒、光路変更光の場合で2.5ミリ秒である。通常の電気スイッチなどの応答時間は、信号の強度が1/√2、すなわち、振幅0.707に到達するに要する時間である。図9の場合の光路切替時間を振幅約0.7に到達する応答時間と定義すると、直進光について約2.5ミリ秒、光路切替光について約0.9ミリ秒である。
以上の実施形態は光路切替の応答時間を最適化するよう光学系の調整を行った場合である。応答速度以外の重要な光路切替特性として、1対7型光路切替におけるチャンネル間のクロストークおよび受光側光ファイバーへの結合効率すなわち光路切替装置として挿入損失がある。
・光路切替の応答時間:10ミリ秒以内。
・直進信号光および6つの光路切替光相互のクロストーク:−30dB以内。
・光路切替装置の挿入ロス:2.5dB以内。
本発明の第1の実施形態と比較すべき装置および操作方法の設定として、前記熱レンズ形成光素子の前記信号光入射面は重力の方向に対して平行に設置し、かつ、前記熱レンズ形成光素子に入射する前記信号光および前記制御光の進行方向を重力の向きに直交させる設定を行った。出射側端面近接七芯バンドル光ファイバー100の周辺光ファイバーNo.1〜6の配置と受光側七芯バンドル光ファイバーの周辺ファイバーの周辺光ファイバーNo.1〜6の配置は180度回転して対応するが、出射側端面近接七芯バンドル光ファイバー100の周辺光ファイバーNo.1および2を下方に、同No.4および5を上方に配置した。装置の光学部品の主要仕様は同じである。熱レンズ形成光素子1を出射した直進信号光10および光路切替信号光11〜16をビームプロファイラー(図示せず)の受光レンズ7の位置での直進および光路切替信号光ビーム位置の実測値を図7に示す。図7において、黒丸印は第1の実施形態の実測値で、四角印は本比較実施例の実測値である。本比較実施例1の場合は、光路変更された信号光の位置は、きれいな正六角形配置に並ばず、上下が圧縮された扁平六角形配置となる。これは、熱レンズ形成光素子を重力に平行とし、制御光を重力に直交させる配置としたため、熱レンズ形成光素子の光吸収層で形成された、密度の低い熱レンズ領域が、溶液セル内を上方に「浮上」していくため、結果、熱レンズ中で制御光より信号光の位置が上方の場合は、信号光の受ける熱レンズ効果が大きく(1)式におけるωinが負の値を持ち、ωoutが小さくなり、結果としてRoutが小さくなる。逆に熱レンズ中で制御光より信号光の位置が下方の場合は信号光の受ける熱レンズ効果が多少小さくなる。しかし、熱レンズ中で制御光より信号光の位置が上方の場合ほど顕著な影響はなかった。なお、熱対流の影響は、図7の「左右」方向にはほとんど影響を及ぼしていない。
本発明の第1の実施形態と比較すべき装置および操作方法の設定として、前記熱レンズ形成光素子の前記信号光入射面は重力の方向に対して垂直に設置し、かつ、前記熱レンズ形成光素子に入射する前記信号光および前記制御光の進行方向を重力の向きとは反対とする。この点以外は、第1の実施形態において、装置の光学部品の主要仕様は同じである。
図4は本発明の第2の実施形態に係る光路切替装置の概略構成例である。
Claims (7)
- 1種類以上の波長の信号光を照射する信号光光源と、
前記信号光とは異なる特定波長の制御光を照射する2つ以上の制御光光源と、
前記信号光は透過し、前記制御光を選択的に吸収する光吸収層を含む熱レンズ形成光素子と、
前記光吸収層に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて、前記光吸収層内にて収束させて入射させる集光手段と、を有し、
前記熱レンズ形成光素子は、前記制御光と前記信号光が、光の進行方向で前記光吸収層内において収束したのち拡散することによって、前記光吸収層内における前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因し過渡的に熱レンズが形成され、該熱レンズにより、前記光吸収層内に屈折率分布が生じ、前記信号光の進行方向を変え、光路切替を行い、
更に、第1の受光手段と第2の受光手段を設け、前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とを、同一の前記第1の受光手段と前記第2の受光手段によりそれぞれ収束または集光し、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とを分光したまま屈折させて通過させるくさび型プリズムを前記第1の受光手段と前記第2の受光手段の間に設けたことを特徴とする光路切替装置であって、更に、
(1)前記熱レンズ形成光素子の前記信号光入射面は重力の方向に対して垂直に設置され、かつ、前記熱レンズ形成光素子に入射する前記信号光および前記制御光の進行方向は重力の向きと同一である、
(2)前記集光手段は、前記光吸収層の入射面に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて集光させ、縮小投影光学系を構成している、
(3)前記くさび型プリズムは、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対応してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(4)前記くさび型プリズムは、更に、光路切替された前記信号光の光軸が前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった前記直進信号光の光軸に対して近づく方向に屈折するように、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(5)前記熱レンズ形成光素子は、前記くさび型プリズムを配置しなかった場合に、進行方向が変わらなかった前記直進信号光と光路切替された前記信号光とが、前記第1の受光手段および前記第2受光手段により同一の位置に収束または集光される位置に配置されている、
の上記(1)から(5)からなる群から選択される1つ以上であることを特徴とする光路切替装置。 - 前記信号光および制御光は、前記熱レンズ形成光素子の入射面の上方から入射されることを特徴とすることを特徴とする請求項1に記載の光路切替装置。
- 更に、第2の受光手段により収束または集光された進行方向が変わらなかった前記直進信号光と光路切替された前記信号光が、それぞれ入射可能な端面近接多芯バンドル光ファイバーを有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光路切替装置。
- 更に、前記信号光光源と非結束末端で接続された中心光ファイバーと、
前記信号光とは異なる波長の制御光を照射する2つないし6つの前記制御光光源各々に6本の周辺光ファイバーの非結束末端が接続された端面近接七芯バンドル光ファイバーと、を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光路切替装置。 - 前記くさび形プリズムは、六角錐台型プリズムであり、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった前記直進信号光が六角錐台型プリズムの頂上平面を垂直に通過し、光路切替された前記信号光が六角錐台型プリズムの6つのウェッヂ面のいずれかを通過し、それぞれ、六角錐台型プリズムから出射することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光路切替装置。 - 第1の受光手段と第2の受光手段が焦点距離1.0mmないし3.0mmの球面あるいは非球面凸レンズであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光路切替装置。
- 1つ以上の信号光光源からの、1種類以上の波長の信号光を各々の光軸を揃えて出射させ、
2つ以上の制御光光源からの、前記信号光とは異なる特定波長の制御光を各々出射させ、
前記信号光は透過し、前記制御光を選択的に吸収する光吸収層を含む熱レンズ形成光素子に、前記信号光と前記制御光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて、前記光吸収層内にて収束するよう集光して照射し、
前記信号光は前記熱レンズ形成光素子を透過させ、
前記制御光は前記熱レンズ形成光素子内の前記光吸収層にて光吸収させて前記光吸収層内における前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇にともなう熱レンズを過渡的に形成させて前記熱レンズ形成光素子内の前記光吸収層内に屈折率分布を生じさせ、前記信号光の進行方向を変えて光路切替させ、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光をそれぞれ、同一光学手段からなる第1の受光手段および第2受光手段により収束または集光させ、
前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とを、第1の受光手段と第2受光手段との間に設けたくさび型プリズムにより分光したまま屈折させて通過させること、を特徴とする光信号の光路切替方法であって、更に、
(6)前記熱レンズ形成光素子の前記信号光入射面を重力の方向に対して垂直に設置し、かつ、前記熱レンズ形成光素子に入射する前記信号光および前記制御光の進行方向は重力の向きと同一にする、
(7)前記光吸収層内にて集光させる場合、前記光吸収層の入射面に前記制御光と前記信号光とを各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて集光させ、縮小投影させる、
(8)前記くさび型プリズムは、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対応してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(9)前記くさび型プリズムは、更に、光路切替された前記信号光の光軸が前記制御光が照射されず進行方向が変わらなかった前記直進信号光の光軸に対して近づく方向に屈折するように、光路切替された前記信号光のそれぞれの通過位置に対してウェッヂ面が1つ以上設けられている、
(10)前記熱レンズ形成光素子は、前記くさび型プリズムを配置しなかった場合に、進行方向が変わらなかった前記直進信号光と光路切替された前記信号光とが、同一の位置に収束または集光される位置に配置されている、
の上記(6)から(10)からなる群から選択される1つ以上であることを特徴とする光信号の光路切替方法。
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