JP2653410B2

JP2653410B2 - スターカプラ及び光通信ネットワーク

Info

Publication number: JP2653410B2
Application number: JP3158614A
Authority: JP
Inventors: 太田猛史
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1990-12-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH053457A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相互接続して利用でき
るスターカプラ及びそれを用いて構成した光通信ネット
ワークに関する。

【０００２】

【従来の技術】ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）
は、比較的近距離に配置されたコンピュータ，ワークス
テーション等の間でのデータ通信網として近年とみに普
及してきているが、その一つとしてゼロックス社の開発
した「イーサネット (登録商標) 」と呼ばれるものがあ
る。

【０００３】図３０はイーサネットのネットワークを示
す図である。図３０において２０は同軸ケーブル、２１
はタップ（分岐点）、２２はノード（端末，局）であ
る。

【０００４】各ノード２２は、タップ２１にて同軸ケー
ブル２０へ接続されている。接続したいノード２２が増
えてきたときには新たにタップ２１を設け、それに新た
なノード２２を接続する。

【０００５】一方、近年光ファイバを伝送媒体として用
いる光通信の発展が著しい。光ファイバの持つ、広帯
域，低損失，高耐ノイズ性といった優れた特性はＬＡＮ
にも適している。しかしながら、光ファイバでは同軸ケ
ーブルのように次々とタップを設けるということができ
ないので、イーサネットと同じようなネットワークを構
成することは困難である。

【０００６】そこで、ノードの送信と受信とを別々の端
子に分け、全てのノードをスターカプラで分配するよう
に構成したネットワークが提案されている。たとえば、
Ｅ．Ｇ．Ｒａｗｓｏｎ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉ
ｏｎｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＶＯ
Ｌ，ＣＯＭ−２６，ＮＯ．７，Ｊｕｌｙ１９７８，
“Ｆｉｂｅｒｎｅｔ：ＭｕｌｔｉｍｏｄｅＯｐｔｉｃ
ａｌＦｉｂｅｒｓｆｏｒＬｏｃａｌＣｏｍｐｕ
ｔｅｒＮｅｔｗｏｒｋｓ”等参照。

【０００７】図３１に、スターカプラを用いた光通信ネ
ットワークの上記提案例を示す。図３１において、２３
ａ，２３ｂは光ファイバ、２２はノード、２４はミキシ
ングロッド形式のスターカプラ、２５は端子である。

【０００８】各ノード２２からの信号は、各発光素子２
２ａにより光信号に変換され、各光ファイバ２３ａを介
してスターカプラ２４に供給される。これらの光信号
は、スターカプラ２４によって一度全て混ぜ合わされた
後、各光ファイバ２３ｂを介して各受光素子２２ｂに分
配されて再度電気信号に変換され、これらの電気信号が
各ノード２２に供給される。これによって、一つのノー
ドから送信された信号は全てのノードに伝達されるとい
う性質（同報性）を具備することが可能となり、イーサ
ネットと同様の通信ネットワークを構築することができ
る。

【０００９】実際のスターカプラは、図３２に示すよう
に、ガラス基板上に光導波路を形成して構成したもの等
が報告されている。たとえば、和田，奥田，山崎，昭和
６０年度電子通信学会全国大会，９６３参照。図３２に
おいて、２３は光ファイバ、２５は端子、２６はミキシ
ング部、２７は導波路、２８はガラス基板である。導波
路２７及びミキシング部２８は、ガラス基板２８へのタ
リウム（Ｔｌ）イオン等の拡散によって形成されてい
る。

【００１０】また、同様の機能を有するものが、ポリカ
ーボネート等のプラスチック基板上に、上記ガラス基板
上に形成されたスターカプラとは異なる製法で実現され
た例もある。たとえば、高戸，黒川「高分子材料におけ
る光導波路作成技術」，ＯｐｌｕｓＥ，１９８４年１
１月，ｐ７８〜８３参照。

【００１１】ところが、このようなスターカプラを用い
た光通信ネットワークは、ネットワークを拡張するため
ネットワークを増設しようとしても、スターカプラが具
備する端子数までしか増設できないという欠点があっ
た。

【００１２】これは、本出願人により出願された特願平
２−９８３７０号明細書にも記載されているように、ス
ターカプラ同志を接続すると伝送路内に閉ループが形成
されてしまい、発振や減衰振動のような現象が生じてし
まうためである。

【００１３】たとえば、図３３に示すように、一方のス
ターカプラＡが三つの入出力端子対５−６、７−８、９
−１０を有し、他方のスターカプラＢが三つの入出力端
子対１１−１２、１３−１４、１５−１６を有している
場合、スターカプラ同志を接続するためには、一方のス
ターカプラの入力端子１０，１１を他方のスターカプラ
の出力端子１２，９にそれぞれ接続する必要があるた
め、同図に示すようにクロスして接続しなければならな
い。なお、図中のＸ_k，ｘ_nは入力端子１０，１１への
入力信号、Ｙ_k，ｙ_nは出力端子９，１２からの出力信
号である。一方のスターカプラＡの入力端子１０へ供給
された入力信号はＸ_kは、入力端子１０から出力端子９
への伝達係数Ａ_kkで決定されるレベルに変更されて出力
端子９から出力信号Ｙ_kとして出力される。この出力信
号Ｙ_kは、他方のスターカプラＢの入力端子１１へ入力
信号ｘ_nとして供給される。スターカプラＢにおいても
スターカプラＡと同様に、入力信号はｘ_nは、入力端子
１１から出力端子１２への伝達係数Ｂ_nnで決定されるレ
ベルに変更されて出力端子１２から出力信号ｙ_nとして
出力される。この出力信号ｙ_nは、一方のスターカプラ
Ａの入力端子１０へ入力信号Ｘ_kとして供給される。こ
のため、実効的に図３４に示すような閉ループが形成さ
れてしまい、信号が循環してしまうことになり、発振等
の不都合を生じる。

【００１４】このような問題を解決するためには、先に
述べた特願平２−９８３７０号明細書に記載されている
ように、スターカプラの同一のノードに接続されるべく
対を成している入力端子と出力端子との間の伝達係数を
０とするような構成とすればよい。このようにすれば、
ネットワークを規模を拡張するためにスターカプラを次
々と接続していくことが可能となる。なお、スターカプ
ラの同一ノードへ接続されるべく対を成している入力端
子と出力端子との間の伝達係数をゼロとしたスターカプ
ラのことを、以下、相互接続可能なスターカプラと呼
ぶ。また、このようにして構成したネットワークに接続
された二つのノード間では、双方向通信が可能であり、
更に、この双方向性を利用して容易に衝突検出ができ
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先に提
案された前記スターカプラを用いた光通信ネットワーク
においては、送信用と受信用の２本の光ファイバを配設
する必要があり、イーサネットにおいては１本の同軸ケ
ーブルで送信と受信とを兼ねているのに比べて、ネット
ワーク構築に必要とされる光ファイバ，コネクタ，中継
増幅器の数が増えるという問題点があった。特にネット
ワークの経路が長いような場合、高価な光ファイバを２
本配設することは、設置コストの上昇を招くとともに、
光ファイバの取り扱いが困難になるという問題もあっ
た。

【００１６】本発明は、前記問題点を解決するために案
出されたものであって、容易にネットワークワークの拡
張を行なうことができ、光集積回路として容易に構成す
ることができるスターカプラーを提供することを目的と
する。また、本発明は、このスターカプラーを使用して
光通信ネットワークを構成することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、四つ以上の複
数の端子を有し、光信号の入出力が同一の端子から行わ
れ、自端子への入力信号が該自端子からの出力信号とし
ては分配されず、且つ、前記自端子以外の他の全ての端
子には出力信号として分配される伝達特性を有するスタ
ーカプラにおいて、二つの不等分岐の方向性結合器から
光信号を分配すべくそれぞれ分岐した光導波路と一つの
等分岐の方向性結合器から光信号を分配すべく分岐した
光導波路とを三角形状に接続した構成要素を複数備え、
該構成要素同士の接続によって前記伝達特性を実現した
ことを特徴とする。

【００１８】また本発明は、四つ以上の複数の端子を有
し、光信号の入出力が同一の端子から行われ、自端子へ
の入力信号が該自端子からの出力信号としては分配され
ず、且つ、前記自端子以外の他の全ての端子には出力信
号として分配される伝達特性を有するスターカプラにお
いて、二つの不等分岐の方向性結合器から光信号を分配
すべくそれぞれ分岐した光導波路と一つの等分岐の方向
性結合器から光信号を分配すべく分岐した光導波路とを
三角形状に接続した第１の構成要素を複数備え、三つの
等分岐の方向性結合器から光信号を分配すべくそれぞれ
分岐した光導波路を三角形状に接続した第２の構成要素
を少なくとも一つ備え、前記第１の構成と前記第２の構
成要素の接続によって前記伝達特性を実現したことを特
徴とする。

【００１９】また、本発明の光通信ネットワークは、四
つ以上の複数の端子を有し、光信号の入出力が同一の端
子から行われ、自端子への入力信号が該自端子からの出
力信号としては分配されず、且つ、前記自端子以外の他
の全ての端子には出力信号として分配される伝達特性を
有するスターカプラーを複数備えると共に、入力と出力
を兼用する第１の端子と第２の端子とを備え、前記第１
の端子への入力光信号は増幅されて前記第２の端子から
出力され、前記第２の端子への入力光信号は増幅されて
前記第１の端子から出力される双方向性中継増幅器を少
なくとも一つ備え、前記双方向性中継増幅器の第１の端
子は第１の前記スターカプラーの一端子に接続され、前
記双方向性中継増幅器の第２の端子は第２の前記スター
カプラーの一端子に接続されたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明の作用を具体的に例を挙げて説明する。

【００２１】本発明に基づくスターカプラを構成する要
素は、一つのノードと一つの端子を結ぶ構成になってお
り、この構成要素を模式的に表すと図１のようになる。

【００２２】スターカプラ１は、Ｎ個の端子ｘ₁,ｘ₂,・
・・, ｘ_Nを有する。この各端子への入力信号をｖ₁,ｖ
₂,・・・, ｖ_Nと表し、出力信号をｗ₁,ｗ₂,・・・, ｗ
_Nと表すと、このスターカプラの信号の伝達特性は、行
列表現により下式のように与えられる。

【００２３】

【数１】

【００２４】本発明においては、自端子からの入力は自
端子からの出力としては配分されず、他の全ての端子に
は配分されるのであるから、上式の対角成分が全て０で
あり、且つ、それ以外の全ての成分は０でないことにな
る。したがって、上記（１）式の行列の各成分は次のよ
うに表現できる。

【００２５】

【数２】

【００２６】但し、ＮはＮ≧３となる整数、ｉはｉ≦Ｎ
の自然数、ｊはｊ≦Ｎとなる自然数

【００２７】なお、デルタ関数とは、次の（３）式に示
すように、ｉとｊが等しいときは１、ｉとｊが等しくな
いときは０となる関数である。

【００２８】

【数３】

【００２９】なお、実際にスターカプラを製作する場合
においては、（１）式の対角成分を全く０とすることは
できず、幾らかの光が戻ってきてしまうことは避けられ
ない。これは、電子回路におけるノイズを完全に無くす
ことができないことと同様である。本発明において、自
端子への入力信号が自端子からの出力信号として分配さ
れないというのはあくまでも原理的な定義であり、自端
子からの信号が自端子へ戻ってくるような場合でも、そ
れらを何らかの目的で積極的に利用するというような場
合を除き、少量の戻り光のあるスターカプラであっても
本発明の範囲に入ることは言うまでもない。

【００３０】上記のような構成のスターカプラによれ
ば、送信線と受信線を１本の光ファイバで兼用させるこ
とができ、ノードとスターカプラを１本の光ファイバに
よって接続することができる。また、ネットワークの規
模を大きくするためにスターカプラ同志を接続しても、
一方のスターカプラから他方のスターカプラへ送った信
号が還流してくることはないので、スターカプラ同志の
１端子を接続してネットワークを拡張することができ
る。また、このネットワークに接続している二つのノー
ド間で双方向通信を行うことが可能であり、更に、この
双方向性を利用して容易に衝突検出ができる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００３２】図２は、具体的なスターカプラの一実施例
を示す。３個の光分波／合波器２が三角状に接続されて
おり、各光分波／合波器２から端子ｘ₁,ｘ₂,ｘ₃がそれ
ぞれ導出されている。各光分波／合波器２は、図３に示
すような構成を有しており、幅ｄ₀の一つの導波路２ａ
を二つの導波路２ｂ，２ｃに分岐したものである。分岐
した後の導波路２ｂ，２ｃの幅ｄ₁及びｄ₂が等しけれ
ば１：１の分岐比となり、ｄ₁＞ｄ₂であればｄ₁によ
り多くの光が分岐していく。分岐比は、この導波路の比
率に略等しくなる。

【００３３】図２に示す実施例においては、各光分波／
合波器２の分岐比は１：１に設定されており、一つの端
子への入力信号は他の二つの端子に半分ずつ分割されて
出力される。また、自端子へは実質的に戻ってこない。
したがって、三つの端子ｘ₁,ｘ₂,ｘ₃における入力信号
ｖ₁,ｖ₂,ｖ₃と出力信号ｗ₁,ｗ₂,ｗ₃との関係式は
（４）式のように示される。

【００３４】

【数４】

【００３５】なお、上記の光分波／合波器２は、たとえ
ば、山崎，奥田，「ガラス材料における作製技術」，Ｏ
ｐｌｕｓＥ，１９８４年１１月，ｐ７１〜７８に開
示されているような技術を使用して作製することができ
る。

【００３６】以上は、端子数Ｎが３の場合（Ｎ＝３）の
実施例であったが、次に、更に多端子である６端子の場
合（Ｎ＝６）の場合の実施例を図４に示す。

【００３７】図４に示す実施例の場合、分岐比４：１の
光分波／合波器３と、分岐比１：１の光分波／合波器４
を組み合わせることにより、端子ｘ₁から入射したｖ₁
なる信号は、端子ｘ₂側へ（１／５）ｖ₁だけ分岐し、
残りの（４／５）ｖ₁が同図に示されるように更に分岐
していき、結局、ｘ₂,ｘ₃,ｘ₄,ｘ₅,ｘ₆の各端子に（１
／５）ｖ₁ずつ分配される。

【００３８】これは、ｘ₂,ｘ₃,ｘ₄,ｘ₅,ｘ₆の各端子か
らの入力信号についても同様であり、これをまとめて行
列表現すると（５）式のようになる。

【００３９】

【数５】

【００４０】図５は、ポリカーボネート基板上に、図４
に示した６端子のスターカプラを構成した例を示す平面
図である。

【００４１】ポリカーボネートにアクリル酸メチルモノ
マーを含有させたものを基板とし、その上にマスクを重
ねて紫外線露光を行うと、紫外線の当たった部分のモノ
マーが反応して低屈折率部となり、紫外線の当たらなか
った部分が光導波路層となる。なお、この製法自体は、
公知のものである。たとえば、高戸，黒川「高分子材料
における光導波路作成技術」，ＯｐｌｕｓＥ，１９
８４年１１月，ｐ７８〜８３参照。

【００４２】図５において、全体として六角形とされた
ポリカーボネート基板３１上に、三つの半円状の光導波
路３２が互いに円周を接した状態で形成されている。ま
た、二つの半円状の光導波路３２の円周と接するように
三つの円弧状の光導波路３５が形成されている。光導波
路３２と光導波路３５との接触点には４：１の分岐比を
有する光分波／合波器３３が設けられている。この光分
波／合波路３３は、図３に示す光分波／合波器２の共通
部分の導波路２ａの幅ｄ₀を適当な比の幅ｄ₁,ｄ₂にし
たものである。また、各光導波路３２の接触点には、合
波及び分波を行う光分岐路３４が設けられている。この
光分岐路３４は、図６に示すように２本の光導波路の一
部が共通となっており、たとえば、光成分３６は、二つ
の光成分３７, ３８に分岐する。更に、各光導波路３２
の端部には光ファイバ３９（図５においては１本のみ示
す）の一端が接続されている。この光ファイバ３９の他
端にはノード (図示せず) が接続される。なお、ノード
部分の詳細構造については後述する。

【００４３】図５において、各光導波路３２，３５は、
６個の半径の等しい円が互いに外接している形状となっ
ているが、これは導波路には折り曲げ可能な最小半径が
あって、この最小半径より小さい半径で曲げると放射損
失が著しく増加するためである。なお、図３に示す光分
波／合波器の幅ｄ₁ とｄ₂の関係に対応して、光導波路
３５の幅は光導波路３２より狭くなっている。

【００４４】図５の例においては、基板３１をポリカー
ボネート基板としたが、ポリカーボネート基板からガラ
ス基板に変えて、光導波路をタリウム（Ｔｌ）イオン等
の拡散によって形成することもできる。この場合は、図
５に示される光分波／合波器３３に相当する部分を、図
７に示すような方向性光結合器とする必要がある。これ
は、製法上の制約から、一つの基板上に異なる径の導波
路を形成するのが困難なためである。また、図５に示さ
れるスターカプラの光分波器３３に相当する部分の分岐
比は、伝達特性における非対角成分を全て等しくするた
めに、２：１に設定されている。図７に示す方向性光結
合器においては、一方の光導波路３３ａから入射した光
成分４０は、二つの光成分４１, ４２に分岐する。ま
た、他方の光導波路３３ｂから入射した光成分４３の一
部は、一方の光導波路３３ａに伝達されて光成分４４と
なり、残りは損失光成分４５となる。

【００４５】この場合の伝達特性は、（６）式で表され
る。

【００４６】

【数６】

【００４７】（６）式においては、（５）式に比べて分
配時に生じる損失が多いのは、図７に表されるような損
失光成分４５があるためである。なお、光分波器３３に
相当する部分の分岐比が２：１でない場合には、非対角
成分を全て等しい値、すなわち、1/9 にすることはでき
ない。

【００４８】このように見ると、ガラス基板上に図５の
ようなスターカプラを構成することに利点はないように
思われる。しかし、先に述べたポリカーボネート基板上
に形成された光導波路においては、製造工程に起因する
構造上の問題から、分岐部分で−３５ｄＢ程度の戻り光
が発生するのに対し、ガラス基板上に光導波路を形成し
た場合には、戻り光が−５０ｄＢ程度と大幅に減少する
という利点がある。また、図３に示したような光分岐路
は、マルチモード光導波器には適用できるがシングルモ
ード光導波器には適用困難であるという欠点を有する。
これに対して、図７に示した構成は、シングルモードの
光導波路に対して適用するのに支障がないという利点を
有する。

【００４９】図５に示すスターカプラと同様の構成を、
融着カプラを用いて構成することもできる。図８におい
て、５１は１：１の分岐比を有する融着カプラ、５２は
２：１の分岐比の融着カプラである。融着カプラとは、
２本の光ファイバのクラッドを溶融して接着し、各々の
光ファイバのコアを十分接近させたもので、方向性光結
合器として機能するものである。

【００５０】なお、方向性結合器として機能する融着カ
プラ５２の分岐比は、図９に示すように定義する。２本
の光ファイバもしくは光導波路（以下単に光路と言う）
の内、１本の光路の一端より入射した光をＩ₀，その光
路のもう一端から出射した光をＩ₁，それ以外の光路へ
出射した光をＩ₂とすると、分岐比はＩ₁：Ｉ₂で表
す。したがって、分岐比２：１ということは、Ｉ₁＝
（２／３）Ｉ₀，Ｉ₂＝（１／３）Ｉ₀ということにな
る。

【００５１】更に多端子の、同様の機能を有するスター
カプラを構成することもできる。図１０に示すように、
図４に示した構成の６端子のスターカプラ６１の各端子
Ｘ₁,Ｘ₂,Ｘ₃,Ｘ₄,Ｘ₅,Ｘ₆に、分岐比１０：１の光分岐
路６２と分岐比１：１の光分岐路６０とを三角形状に接
続したものを接続した構成である。この構成により、対
角成分は全て１／１１となるような伝達特性行列を有す
る１２端子スターカプラが構成できる。同様な手法を繰
り返して用い、２４端子、４８端子等更に多端子化でき
ることはいうまでもない。

【００５２】図１１は、前記の６端子スターカプラを用
いて構成した光通信ネットワークの実施例を示す図であ
る。スターカプラ７１の六つの端子のうちの四つの端子
にノード７２を接続し、残りの二つの端子を使用してス
ターカプラ７１同志を接続する。この場合、各スターカ
プラ７１は中継増幅器７３を介して接続されている。中
継増幅器７３は、双方向性の光増幅器、たとえば、希土
類ドープファイバ増幅器或いは半導体レーザ増幅器が適
するが、通常の再生中継増幅であっても構わない。な
お、希土類ドープファイバ増幅器については、堀口「光
ファイバ増幅器」，光学，第１９巻第５号（１９９０年
５月），ｐ２７６〜２８２参照。また、半導体レーザ増
幅器については、島田，中川「光通信システムに用いる
半導体レーザー増幅器の研究状況」，Ｏｐｌｕｓ
Ｅ，１９８９年８月，ｐ１０６〜１１１参照。

【００５３】図１１の構成において、中継増幅器７３と
して希土類ドープファイバ増幅器を用いた場合は、ポン
プ光源がダウンしたような場合においても、信号光は僅
かながらも伝えられるので、１個の増幅器の故障がネッ
トワーク全体のダウンに繋がらないように設計すること
も可能であり、高い信頼性が得られる。

【００５４】再生中継増幅器を使用する場合には、図１
２に示すように２系統の増幅器を用意しなくてはならな
い。すなわち、光分波／合波器８０、受光器８１、発光
源８２、増幅器８３を二つずつ配設して、双方向の増幅
を行う必要がある。この再生中継増幅器の場合は、単な
る増幅のみならず、いわゆる２Ｒ（Reshaping, Retimin
g)や３Ｒ（Reshaping, Retiming, Regenerating)機能を
持たせることができる。図１２の端子８４及び８５は、
各々別のスターカプラの１端子に接続される。

【００５５】図１１に示す光通信ネットワークの各ノー
ド７１には、図１３に示すようにフォトダイオード等の
受光器８１とレーザダイオード等の発光源８２を一つず
つ配設し、光分波／合波器８０によって分波及び合波を
行う。光分波／合波器８０から導出された端子８７は、
図１１に示されるスターカプラ７１の１端子に接続され
る。なお、８６はワークステーション等の端末装置であ
る。

【００５６】本発明の実施例に示したスターカプラは、
伝達行列の非対角成分が等しくなるように設定してあ
る。これは、ネットワークの拡張に際して、スターカプ
ラのどの端子からも中継増幅器を介して新たなスターカ
プラを接続できるようにするためである。すなわち、伝
達行列の非対角成分を等しくすることにより、中継増幅
器に必要とされる利得は略等しくなり、同じ端子数の規
格化されたスターカプラと同じ利得の中継増幅器の組み
合わせによって通信ネットワークを構築できる。

【００５７】また、スターカプラは、ポリカーボーネー
ト基板、ガラス基板上のみならず、サファイヤやニオブ
酸リチウム単結晶の誘電体、或いは、ＧａＡｓ，Ｉｎ
Ｐ，Ｓｉ等の半導体上にも同様な手法で構築し得る。こ
れにより前記のような特性のスターカプラを、光集積回
路として実現することができる。これは、図２、図４、
図５及び図１０に示したような回路構成が、いずれも平
面的であり、光導波路が交差していないからである。

【００５８】上述の実施例においては、３端子，６端子
及び１２端子のスターカプラを例に挙げて説明している
が、本発明は、任意の端子数のスターカプラに適用可能
である。

【００５９】以下、任意の端子数の相互接続可能なスタ
ーカプラを実現するための実施例について説明する。

【００６０】図１４は、任意の端子数の相互接続可能な
スターカプラを実現するための構成要素として使用され
るスターカプラを示しており、１個の光等分岐路１０２
と概ね分配比の等しい２個の光不等分岐路１０１とを三
角形状に接続した構成を有している。

【００６１】光不等分岐路１０１の構造を図１５（ａ）
に示す。同図において端子１０１ａから入射した光信号
Ｓは、端子１０１ｃにはαＳ、端子１０１ｂにはβＳと
なるように分配される。損失がないと仮定すれば、α＋
β＝１である。また、α＞βであるとする。また、端子
１０１ｂから入射した光信号は端子１０１ａにのみ分配
され、端子１０１ｃから入射した光信号は端子１０１ａ
にのみ分配される。図１４において、２個の光不等分岐
路１０１の端子１０１ｂ同志が互いに接続され、端子１
０１ｃは光等分岐路１０２の端子１０２ｂに接続されて
いる。

【００６２】図１４に示すスターカプラによれば、一方
の端子１０１ａへ入射した光信号は、もう一方の端子１
０１ａへ分配されるより、端子１０２ａに多く分配され
る。また、端子１０２ａへ入射した光信号はふたつの端
子１０１ａに等分配される。

【００６３】光等分岐路１０２の構造を図１５（ｂ）に
示す。端子１０２ａから入射した光信号Ｓは、双方の端
子１０２ｂにＳ／２づつ分配される。

【００６４】図１６（ａ）は、上述の光不等分岐路１０
１と光等分岐路１０２を組み合わせて構成した３端子ス
ターカプラの概略構成を示し、同図（ｂ）は光等分岐路
１０２を３個三角形状に接続して構成した３端子スター
カプラの概略構成を示している。

【００６５】また、図１７（ａ）〜（ｆ）は、図１６
（ａ）に示す３端子スターカプラ１０３のみを組み合わ
せて、或いは、３端子スターカプラ１０３と図１６
（ｂ）に示す３端子スターカプラ１０４とを組み合わせ
て構成した４端子から９端子までの相互接続可能なスタ
ーカプラの概略構成を示し、図１８（ａ）〜（ｃ）は同
じく１０端子から１２端子までの相互接続可能なスター
カプラの概略構成を示している。ただし、各光不等分岐
路１０１の分配比α：βは必ずしも同じはない。この分
配比については後述する。なお、図１６〜図１８におい
て、黒丸が光不等分岐路１０１を示し、白抜きの丸が光
不等分岐路１０２を示す。

【００６６】上述の各スターカプラは、適当な基板上に
形成した光導波路を用いて光集積回路として実現するこ
とができる。

【００６７】図１９は、光集積回路として構成された３
端子のスターカプラの例を示している。基板１０５上に
形成した光導波路１０７ａ〜１０７ｃは、それぞれ曲率
Ｒの円１０８ａ〜１０８ｃの円弧と等しい形状をしてい
る。光導波路１０７ａ〜１０７ｃの端部には、光ファイ
バ１０６が接続される。図１９に示すスターカプラは、
これらの円弧光導波路１０７ａ〜１０７ｃの外接点に光
不等分岐路１０１ないし、光等分岐路１０２を配設した
構成となっている。なお、図１９の構成は図１６（ａ）
に示すスターカプラ１０３に対応している。

【００６８】図１９に示すスターカプラによれば、光集
積回路基板に必要な基板の面積を減少させることができ
る。光ファイバーや光導波路は、ある一定の放射損失を
仮定した時に曲げることの可能な最小半径が決まってい
る。光導波路をこの最小半径より、小さな曲率半径で曲
げないという条件の下で、図１４に示すスターカプラの
構成を実現すると図１９のようになる。

【００６９】ガラスないしプラスチック基板上に形成し
た光導波路を用いて光集積回路として相互接続可能なス
ターカプラを実現した場合は、フォトリソグラフィーを
用いた一括製造が可能であり、生産が容易になるという
利点がある。また、この場合において、光導波路を円弧
状としてその外接点に光分岐路を配設すると、一定の放
射損失の仮定の下で光集積回路に必要な基板の面積を小
さくすることができる。したがって、光導波路の製造が
容易になり、コストが安くて済むという利点がある。

【００７０】図２０は、光集積回路として構成された４
端子のスターカプラの例を示している。これは図１７
（ａ）の構成に対応している。光不等分岐路１０１及び
光等分岐路１０２は、具体的にはそれぞれ図２１及び図
２２に示すような構造をしている。図２１（ａ）は、光
不等分岐路１０１を、幅の異なる光導波路１１１ｂ（端
子１０１ｂに対応），１１１ｃ（端子１０１ｃに対応）
の分岐によって実現したもので、主にマルチモードの光
導波を用いて光不等分岐路１０１を構成するのに適して
いる。なお、１１１ａは端子１０１ａに対応する光導波
路である。

【００７１】また、図２１（ｂ）は、光不等分岐路１０
１を方向性結合器によって実現したもので、主にシング
ルモードの光導波を用いて光不等分岐路を構成するのに
適している。なお、光不等分岐路を方向性結合器によっ
て構成した場合には、光信号が分岐する時は問題ない
が、光導波路１１１ｂ、１１１ｃ側から光信号が光導波
路１１１ａ側へ合流する時、図２１（ａ）の構成にはな
い損失が生じる。これは、例えば、図２１（ｂ）の光導
波路１１１ｃ側から光信号１０８が光不等分岐路１０１
に入射した時に、光信号１０８の一部１０８ｂが光導波
路１１１ｂ側へ分配されてしまい、この分配された光信
号は光導波路１１１ｃから基板中に損失成分１０９とし
て放射されてしまうためである。

【００７２】また、図２２は光等分岐路１０２の構造を
示しており、光導波路１１２ａ（端子１０２ａに対応）
からの光信号は同じ幅の二つの光導波路１１２ｂ（端子
１０２ｂに対応）に等分される。

【００７３】図２３は５端子の相互接続可能なスターカ
プラの平面図である。これは図１７（ｂ）の構成に対応
している。

【００７４】以下、図２４（図１７（ｃ）に対応）は６
端子の、図２５（図１７（ｄ）に対応）は７端子の、図
２６（図１７（ｅ）に対応）は８端子の、図２７（図１
８（ｃ）に対応）は１２端子の相互接続可能なスターカ
プラの平面図である。図２３の５端子スターカプラは上
下対称、図２４の６端子スターカプラは左右対象、図２
６の８端子スターカプラは上下左右対象、図２７の１２
端子スターカプラは左右対象である。なお、図２４の６
端子スターカプラにおいては２本の光ファイバ１０６の
み図示して他の４本は省略し、図２７の１２端子スター
カプラにおいては４本の光ファイバ１０６のみ図示して
他の８本は省略している。

【００７５】先に述べたように、上記のような構造は具
体的には、ガラス基板へのタリウム（Ｔｌ）イオン等の
拡散により光導波路を形成する方法、あるいは、ポリカ
ーボネートに紫外線を照射して選択的に重合させて屈折
率分布を作って光導波路を形成する方法等によって作る
ことができる。

【００７６】次に、以上示した構造のスターカプラの分
配比の設計について述べる。

【００７７】いま、図１７（ａ）に示す４端子のスター
カプラにおいて、これを構成するふたつの３端子スター
カプラ１０３の分配比は共に等しくＫ₁であるとする。
ただし、Ｋ₁は前述のα及びβ（図１５参照）に対して
Ｋ₁＝α／βとする。この関係を図示すると図２８
（ａ）のようになる。なお図２８において、黒丸が光不
等分岐路１０１を示し、白抜きの丸が光不等分岐路１０
２を示す。同図の各端子Ｑ₁〜Ｑ₄への入力信号を、そ
れぞれｖ₁〜ｖ₄とする。また、Ｑ₁〜Ｑ₄からの出力
信号をそれぞれｗ₁〜ｗ₄とする。この時、Ｋ₁＝２と
すると、ｖ₁〜ｖ₄及びｗ₁〜ｗ₄の間には次式のよう
な関係が成り立つ。

【００７８】

【数７】

【００７９】図１７（ｂ）に示す５端子のスターカプラ
の構成の時には、図２８（ｂ）に示すようにして、スタ
ーカプラ１０３ｂ，１０３ｃの分配比をそれぞれＫ₂＝
３、Ｋ₃＝２とすると、次式のような関係が成り立つ。

【００８０】

【数８】

【００８１】ただし、図２８（ｂ）の各端子Ｐ_0a〜Ｐ_4a
への入力信号を、それぞれｖ₀〜ｖ₄とする。また、Ｐ
_0a〜Ｐ_4aからの出力信号を、それぞれｗ₀〜ｗ₄とす
る。

【００８２】以上のように、スターカプラ１０３の分配
比を適当に設計することにより、伝達行列の対角成分は
全てゼロで、非対角成分は全て等しい値の多端子スター
カプラを作ることができる。このような多端子スターカ
プラは光通信ネットワークを構成するのに適しているこ
とは、先に述べた通りである。なお、以上の実施例で
は、光不等分岐路１０１の構造としては、図２１（ａ）
に示す構成のものを用いている。また、光導波路の吸収
損失や光導波路の曲りによる放射損失等は無視して設計
している。

【００８３】更に、スターカプラ１０３の分配比を変更
することにより、以下に示すように、多端子スターカプ
ラの伝達行列を異なるものに変えることもできる。

【００８４】図２８（ｃ）に示すように、スターカプラ
１０３ｄ，１０３ｅの分配比をそれぞれＫ₄＝１４、Ｋ
₅＝６とすると、次式のような関係が成り立つ。

【００８５】

【数９】

【００８６】このようなスターカプラは図２９に示すよ
うな使い方をする。すなわち、４個の５端子スターカプ
ラ１１４の端子Ｐ₀をスターカプラ１１３の端子と接続
して、全体として１６端子の相互接続可能なスターカプ
ラと等価の働きをさせる。図２９において４端子スター
カプラ１１３は、図２８（ａ）に示すように分配比を設
計したスターカプラである。４端子スターカプラ１１３
の各端子Ｑ₁〜Ｑ₄は図２８（ａ）の各端子Ｑ₁〜Ｑ₄
とそれぞれ対応している。５端子スターカプラ１１４
は、図２８（ｃ）に示すように分配比を設計してあり、
５端子スターカプラ１１４の各端子Ｐ₀〜Ｐ₄は図２８
（ｃ）のＰ₀〜Ｐ₄にそれぞれ対応している。

【００８７】このようにすると、図２９に示すネットワ
ークは、１６端子の伝達行列の対角成分が全てゼロで、
非対角成分の値は全て等しいスターカプラと等価であ
る。実際のネットワーク構成においては、ネットワーク
の骨格部分をスターカプラ１１３を中継増幅器を介して
接続して構成し、末端のノードへの光信号の分配はスタ
ーカプラ１４を介して行うようにすると実用的である。
このような構成のほうが中心に多端子（例えば１６端
子）のスターカプラを配置して構成したネットワークよ
り、光ファイバーケーブルの敷設量が少なくて済むから
である。

【００８８】以上の実施例の考え方を応用して上記の端
子数以外の端子数の相互接続可能なスターカプラを実現
できる。したがって、そのような相互接続可能なスター
カプラは全て本発明の範囲に含まれることは言うまでも
ない。

【００８９】なお、本明細書でいう方向性光結合器とは
光の分波，合波を行う受動素子を意味し、光分岐路や光
分波／合波器は、この方向性光結合器の一種である。

【００９０】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
一つの端子によってノードを接続でき、しかも、スター
カプラー同志を接続することによって容易にネットワー
クの拡張を行うことができる。また、双方向通信の機能
を実現することができ、衝突検出も行うことができる。
また、ノードとスターカプラーの接続及びスターカプラ
ー同志の接続は、一つの端子によってできるので、ネッ
トワーク構築のために必要な光ファイバ，コネクタ，中
継増幅器の数を略半減することができる。更に、スター
カプラーの伝達行列の非対角成分を等しく設計すること
により、中継増幅器の利得を同じものとすることができ
る。また更に、本発明によれば、光導波路を交差させる
ことなく所望の特性を有するスターカプラーを構成する
ことができるので、光集積回路でスターカプラーを容易
に製造できる。また更に、本発明によれば、２分岐の方
向性結合器のみを使用して所望の特性を有するスターカ
プラーを構成できるので、光集積化し易くまたシングル
モードに対応できる。また更に、２分岐の方向性結合器
だけを組み合わせて任意の端子数のスターカプラーを実
現することができる。

【００９１】更に本発明によれば、任意の端子数の相互
接続可能なスターカプラを実現でき、また、伝達行列の
非対角成分の値をある程度自由に変えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスターカプラの概念図である。

【図２】本発明の実施例である３端子スターカプラの
概略図である。

【図３】図２に示すスターカプラにおいて使用される
光分波／合波器の平面図である。

【図４】本発明の実施例である６端子スターカプラの
概略図である。

【図５】図４に示すスターカプラを基板上に光集積回
路として実現した場合の平面図である。

【図６】図５に示すスターカプラにおいて使用される
光分岐路の平面図である。

【図７】図５に示すスターカプラにおいて使用される
光導波路による方向性結合器を示す平面図である。

【図８】融着カプラによって構成された本発明に係る
６端子スターカプラの概略図である。

【図９】融着カプラにおける分配比を説明するための
図である。

【図１０】６端子スターカプラを１２端子スターカプ
ラに拡張する接続法を示す図である。

【図１１】本発明のスターカプラを多重接続して構成
した光通信ネットワークを示す図である。

【図１２】図１１に示す光通信ネットワークにおいて
使用される双方向型の再生中継増幅器の内部構造を示す
図である。

【図１３】ノード内の構造を示す図である。

【図１４】任意数の端子数のスターカプラを構成する
ための構成要素としての３端子スターカプラの概略の構
成を示す図である。

【図１５】図１４に示す３端子スターカプラを構成す
る光不等分岐路及び光等分岐路の概略の構成を示す図で
ある。

【図１６】図１５に示す構成要素を用いて構成した３
端子のスターカプラの概略の構成を示す図である。

【図１７】図１６に示す構成要素を用いて構成した４
端子から９端子までの相互接続可能なスターカプラの概
略の構成を示す図である。

【図１８】図１６に示す構成要素を用いて構成した１
０端子から１２端子までの相互接続可能なスターカプラ
の概略の構成を示す図である。

【図１９】図１４に示されるの構成を集積回路として
実現した場合の概略の構成を示す平面図である。

【図２０】４端子の相互接続可能なスターカプラを集
積回路として実現した場合の平面図である。

【図２１】光不等分岐路を光導波路を用いて構成した
場合を示す平面図である。

【図２２】光等分岐路を光導波路を用いて構成した場
合を示す平面図である。

【図２３】５端子の相互接続可能なスターカプラを集
積回路として実現した場合の平面図である。

【図２４】６端子の相互接続可能なスターカプラを集
積回路として実現した場合の平面図である。

【図２５】７端子の相互接続可能なスターカプラを集
積回路として実現した場合の平面図である。

【図２６】８端子の相互接続可能なスターカプラを集
積回路として実現した場合の平面図である。

【図２７】１２端子の相互接続可能なスターカプラを
集積回路として実現した場合の平面図である。

【図２８】多端子の相互接続可能なスターカプラの内
部の分配比の配分を示す図である。

【図２９】４端子の相互接続可能なスターカプラの各
端子に図２８（ｃ）の内部分配比に基づくスターカプラ
の端子を接続したネットワークを示す図である。

【図３０】イーサネットのネットワークを示す図であ
る。

【図３１】ミキシングロッドを用いたスターカプラに
よるネットワークを示す図である。

【図３２】ガラス基板上に実現されたスターカプラを
示す平面図である。

【図３３】二つのスターカプラを接続した図である。

【図３４】二つのスターカプラを接続した場合の信号
の循環を説明するための図である。

【符号の説明】

１スターカプラ、２光分波／合波器、２ａ，２ｂ，
２ｃ導波路、３，４光分波／合波器、５〜１６端
子、２０同軸ケーブル、２１タップ、２２ノード、
２２ａ発光素子、２２ｂ受光素子、２３，２３ａ，
２３ｂ光ファイバ、２４スターカプラ、２５端
子、２６ミキシング部、２７導波路、２８ガラス
基板、３１ポリカーボネート基板、３２光導波路、
３３光分波／合波器、３３ａ，３３ｂ光導波路、３
４光分岐路、３５光導波路、３６〜３８光成分、
３９光ファイバ、４０〜４４光成分、４５損失光
成分、５１融着カプラ、５２融着カプラ、６０光
分岐路、６１スターカプラ、６２光分岐路、７１
スターカプラ、７２ノード、７３中継増幅器、８０
光分岐路、８１受光器、８２発光源、８３増幅
器、８４，８５端子、８６端末装置、８７端子、
１０１光不等分岐路、１０１ａ〜１０１ｃ光不等分岐
路の各端子、１０２光等分岐路、１０２ａ〜１０２ｃ
光等分岐路の各端子、１０３，１０３ａ〜１０３ｅ，
１０４３端子スターカプラ、１０５基板、１０６
光ファイバ、１０７光導波路、１０８光信号、１０
８ａ，１０８ｂ光信号、１０９損失成分、１１１
光不等分岐路、１１１ａ〜１１１ｃ光導波路、１１
２，１１２ａ光導波路、１１３４端子の相互接続可
能なスターカプラ、１１４５端子の相互接続可能なス
ターカプラ、Ｒ，Ｒ₁，Ｒ₂ 光導波路の曲率半径、Ｓ
光信号

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】四つ以上の複数の端子を有し、光信号の
入出力が同一の端子から行われ、自端子への入力信号が
該自端子からの出力信号としては分配されず、且つ、前
記自端子以外の他の全ての端子には出力信号として分配
される伝達特性を有するスターカプラにおいて、二つの不等分岐の方向性結合器から光信号を分配すべく
それぞれ分岐した光導波路と一つの等分岐の方向性結合
器から光信号を分配すべく分岐した光導波路とを三角形
状に接続した構成要素を複数備え、該構成要素同士の接
続によって前記伝達特性を実現したことを特徴とするス
ターカプラ。
【請求項２】四つ以上の複数の端子を有し、光信号の
入出力が同一の端子から行われ、自端子への入力信号が
該自端子からの出力信号としては分配されず、且つ、前
記自端子以外の他の全ての端子には出力信号として分配
される伝達特性を有するスターカプラにおいて、二つの不等分岐の方向性結合器から光信号を分配すべく
それぞれ分岐した光導波路と一つの等分岐の方向性結合
器から光信号を分配すべく分岐した光導波路とを三角形
状に接続した第１の構成要素を複数備え、三つの等分岐
の方向性結合器から光信号を分配すべくそれぞれ分岐し
た光導波路を三角形状に接続した第２の構成要素を少な
くとも一つ備え、前記第１の構成と前記第２の構成要素
の接続によって前記伝達特性を実現したことを特徴とす
るスターカプラ。
【請求項３】四つ以上の複数の端子を有し、光信号の
入出力が同一の端子から行われ、自端子への入力信号が
該自端子からの出力信号としては分配されず、且つ、前
記自端子以外の他の全ての端子には出力信号として分配
される伝達特性を有するスターカプラーを複数備えると
共に、入力と出力を兼用する第１の端子と第２の端子とを備
え、前記第１の端子への入力光信号は増幅されて前記第
２の端子から出力され、前記第２の端子への入力光信号
は増幅されて前記第１の端子から出力される双方向性中
継増幅器を少なくとも一つ備え、前記双方向性中継増幅器の第１の端子は第１の前記スタ
ーカプラーの一端子に接続され、前記双方向性中継増幅
器の第２の端子は第２の前記スターカプラーの一端子に
接続されたことを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項４】請求項３記載の光通信ネットワークにお
いて、前記双方向性中継増幅器は光増幅器であることを特徴と
する光通信ネットワーク。