JP2739632B2

JP2739632B2 - 光学スイッチング装置

Info

Publication number: JP2739632B2
Application number: JP6128171A
Authority: JP
Inventors: ドゥウェイン・アール・アンダーソン
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1994-05-18
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: US5388172A; JPH0755635A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学スイッチング装置
に関し、特にオプティカル・タイム・ドメイン・リフレ
クトメータ（ＯＴＤＲ）で使用される音響光学変調器を
用いた光学スイッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オプティカル・タイム・ドメイン・リフ
レクトメータ（ＯＴＤＲ）は、発光回路で発生させた光
パルスを被測定光ファイバ中に送出し、この被測定光フ
ァイバに反射して戻ってくる光信号を発生させる。戻っ
てきた光信号には、指数関数的に減衰するレイリ散乱に
よる後方散乱光に加え、光ファイバ中の機械的な接続部
分、コネクタ、破断点等で発生する振幅の大きいフレネ
ル反射光が多くの場合含まれる。戻ってきた光信号は光
検出器を有する受光回路に結合され、これによって戻っ
てきた光信号が電気信号に変換される。このアナログ電
気信号は、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）でデジ
タル値に変換され、制御装置で処理されて表示される。

【０００３】戻ってきた光信号中のフレネル反射光は、
光検出器に拡散電流を発生させ、いわゆる検出器テール
を生成する。検出器テールは、光ファイバ中の所定水準
以下の事象を隠してしまい、ＯＴＤＲによる２点間測定
の解像度を低下させる。大きなフレネル反射光の影響を
低下させてＯＴＤＲの性能を向上させるために、従来は
光カプラ（結合器）を光学スイッチに置き換えて使用し
てきた。これら光学スイッチは、発光回路と受光回路を
被測定光ファイバに結合するとともに、適時スイッチン
グされ、受光回路へのフレネル反射光を遮断する。現
在、音響光学スイッチ及び電気光学スイッチの２種類の
光学スイッチがＯＴＤＲに使用されている。音響光学ス
イッチは、ＴｅＯ2 、ＬｉＮｂＯ2 、ＰｂＭｏＯ4 など
の音響光学材料を用いた音響光学変調器（ＡＯＭ）を有
している。これら材料は、すくなくとも１つの結晶軸方
向に関しては一般に大きな効果を示す。ＲＦ（無線周波
数）エネルギーを音響光学変調器に印加すると音響光学
材料中に音波（超音波）が発生し、これが材料中を通過
する光路に作用する。即ち、材料中に疎と密の部分が発
生し、回析現象によって光路が２方向現れる。

【０００４】図４は、ＯＴＤＲに使用される音響光学ス
イッチの一例を示している。音響光学スイッチ８は、音
響光学変調器（ＡＯＭ）１０並びに光学ポート１２、１
４及び１６を有する。光学ポート１２は、共通ポートと
して機能している。共通ポート１２は、ＯＴＤＲの前面
パネル（図示せず）に接続された光波ガイド１８を介し
て光学的に被測定光ファイバに結合される。第２及び第
３ポート１４及び１６は、光波ガイド２０及び２２を介
して夫々発光回路２４及び光検出器２６に結合される。
一般に、発光回路２４にはレーザ・ダイオードが、光検
出器２６にはアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰ
Ｄ）が使用される。コリメータ・レンズ２８、３０及び
３２は、光波ガイド１８、２０及び２２とＡＯＭ１０の
間に夫々配置される。これらレンズは、ＡＯＭ１０に入
射する光を平行にするとともに光波ガイドに入射する光
を集光する。光学プリズム又は折り返し鏡（fold mirro
r）３４は、ＡＯＭ１０からの１つの光路の方向を変え
るために組み込まれる。レンズ２８及び３０の光軸は、
ＡＯＭ１０の光透過軸と合致している。また、光波ガイ
ド１８、２０及び２２の光透過軸は、レンズ２８、３０
及び３２の光軸と夫々合致している。

【０００５】ＡＯＭ１０及び光学プリズム又は折り返し
鏡３４は、加工した金属ハウジング内に装着される。こ
のスイッチ・ハウジングの側面には、光の出入りする開
口がドリルで開けられる。コリメータ・レンズ２８、３
０及び３２並びに光波ガイド１８、２０及び２２は、コ
リメータ・レンズ構体４０中に装着され、スイッチ・ハ
ウジング側面の外面にねじその他の留め具を用いて装着
される。図５は、従来のＯＴＤＲに使用されているコリ
メータ・レンズ構体４０の一例を示している。コリメー
タ・レンズ構体４０は細長いスリーブ部４２を有し、こ
れが台座部４４から同軸上に延びている。破線で示した
内径４６はスリーブ部４２を同軸上に貫通する孔で、こ
こで光波ガイド４８を受ける。台座部４４は中央内径領
域５０を有し、ここでコリメータ・レンズを受ける。穴
５４が台座部４４に形成され、ここでコリメータ・レン
ズ構体をスイッチ・ハウジング外面に取り付けるために
通したねじを受ける。一般にコリメータ・レンズ構体４
０は、在庫が豊富で購入が容易な部品であり、製造者に
よって事前に組み立てられ光学的に調整されている。音
響光学スイッチ８の構成においては、コリメータ・レン
ズ構体４０、音響光学変調器（ＡＯＭ）１０及び光学プ
リズム又は折り返し鏡３４の配置が機械的に精密且つ光
学的に厳密に調整されていることは非常に重要である。

【０００６】米国特許第４９５８８９６号は、音響光学
変調器を有するマルチ光学ポート素子を記載している。
これによると焦点レンズの光軸が音響光学変調器の光透
過軸と合致しており、また、光波ガイドの光透過軸はレ
ンズの光軸と離している。光波ガイド及び焦点レンズは
保持ブロックに装着され、ねじ等を用いて基盤部に位置
調整して固定される。光波ガイド及びレンズは、ｘｙｚ
方向に関して互いに移動可能である。光波ガイド保持ブ
ロックは正確に位置決めされたＶ字溝を有し、ここで光
波ガイドを受ける。保持ブロックは基盤部に支持され
て、レンズに対してｘ方向に移動可能である。レンズ用
の保持ブロックは、光波ガイドに対してｙ及びｚの両方
向に対して移動可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した音響光学スイ
ッチ又はゲートについての大きな欠点は、各光学部品が
夫々用の装着容器に保持された後に基盤部又はハウジン
グ上に装着されることである。機械的な衝撃や振動は、
種々の光学部品の配置関係に影響し、光信号の減衰や損
失を生じさせ可能性がある。加えて種々の装着容器の熱
膨張率は夫々異なり、音響光学素子の熱的な衝撃や熱変
動のために光学部品の配置関係にずれが発生する。さら
に装着容器を使用すると光学スイッチの部品数、複雑
さ、組立時間が増加し、よってコストが増加する。ま
た、焦点レンズの光学軸に関して光波ガイド軸が正しい
配置関係からずれると、集まったエネルギーのスポット
の大きさにコマ、球面収差等が生じて光学スイッチの性
能が低下し、光結合の効率が低下する。つまり、光学部
品夫々について装着容器を使用しているために発生する
これらの課題を解決する必要がある。

【０００８】そこで本発明の目的は、構成部品の点数を
減少させた光学スイッチング装置を提供することであ
る。本発明の他の目的は、全ての部品を１つのハウジン
グに組み込み、低コストで且つ外部からの温度、振動、
衝撃等の影響を受けにくい光学スイッチング装置を提供
することである。本発明の他の目的は、小型化に適した
光学スイッチング装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の光学スイッチン
グ装置は、基盤及び側壁を有するハウジングを具える。
側壁には、光通路を定める開口が設けられる。光学素子
はハウジング内に配置され、光通路に配置された光波ガ
イド間における光エネルギーの方向を定める。ハウジン
グに装着する集光手段は、光通路と交差し且つ光波ガイ
ドと光学素子の間の位置に夫々配置される。１つの光通
路で２つ以上の光波ガイドを内包するようにしても良
く、光学素子が一方の光通路の光波ガイドから他方の光
通路中にある複数の光波ガイドへと光エネルギーを選択
的に方向付ける。

【００１０】上述した光波ガイド及び集光手段について
は、特定の光で硬化する樹脂を用いてハウジングに保持
するようにして良い。また、光学素子には音響光学変調
器を用いても良い。集光手段は、第１及び第２コリメー
タ・レンズでも良く、その焦点距離によって光エネルギ
ーを１点に集光する焦点面が定まる。各光波ガイドは入
力ポートを有し、複数あるコリメータ・レンズの焦点面
の内の１つに配置される。１つの光通路中に複数の光波
ガイドがある場合では、光波ガイドが所定の分離距離を
おいて第２コリメータ・レンズの焦点面内で互いに隣接
して配置される。なお、２つの光波ガイド間の分離距離
は、レンズの焦点距離と分岐した光路の角度差の関数と
して容易に求めらる。加えて、レンズの光軸は、音響光
学変調器の光透過軸及び各光通路中の少なくとも１つの
光波ガイドと合致している。

【００１１】本発明の光学スイッチング装置は、オプテ
ィカル・タイム・ドメイン・リフレクトメータ（ＯＴＤ
Ｒ）において、被測定光ファイバとＯＴＤＲの発光及び
受光回路を光学的に結合する光カプラとして使用でき
る。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の光学スイッチング装置の１
実施例を示す図である。本発明の光学スイッチング装置
６０は、光エネルギーを種々の光波ガイドに選択的に方
向付ける光学素子を使用する点においては、従来の光学
スイッチと同様である。しかし、装置の光学部品を夫々
装着容器に装着し、各装着容器を装置のハウジングに装
着する代わりに、本発明では、装置で使用する全ての光
学部品の装着容器として単一のハウジングを使用する点
が異なる。このような装置にすれば、製造がより容易且
つ安価に行え、機械的な衝撃、振動を受け難く、温度変
動による配置関係のずれが生じ難い。

【００１３】光学スイッチング装置６０は、基盤６４及
び側壁６６を持つ精密ハウジング６２を有する。側壁６
６には、開口６８及び７０が設けられ、光通路７２及び
７４を定めている。光通路７２及び７４は、光波ガイド
７６、７８及び８０を受ける。光波ガイド７６は、接続
部分を補強するフェルール（ferrule）８２内に配置さ
れ、光波ガイド７８及び８０は、フェルール８４内に配
置される。フェルールは、例えば金属円筒などで構成す
る。コリメータ・レンズ８６及び８８は、側壁６６の内
面９０の光通路７２及び７４上に装着される。光学素子
９２は、ハウジング６２内に配置される。光学素子９２
の光透過軸９４は、光通路７２及び７４と合致してい
る。図から明かなように、本発明のハウジング６２は、
それ自身が上述した従来のコリメータ・レンズ構体４０
や保持ブロックとして機能する。この構成によれば、装
置６０の部品点数が減るのに加えて、装置の大きさ及び
重量も減少し、さらに熱変動、振動、衝撃に対してもよ
り安定性が増加する。

【００１４】精密ハウジング６２は、温度特性が安定し
ており、金型又は切削加工で許容範囲内で精度良く形成
可能であれば、どのような材料で製造しても良い。本発
明の好適実施例では、基盤６４及び側壁６６が定める内
部空間９６内に音響光学変調器（ＡＯＭ）９２を設置す
る。音響光学変調器９２は、ＴｅＯ2 、ＬｉＮｂＯ2、
ＰｂＭｏＯ4 などの音響光学材料９８を有している。音
響光学材料９８は、ＲＦ信号を印加したときには音波を
伝播する。音響光学材料９８中の音波は、材料中を通過
する光の光路に作用する。ＡＯＭ９２の下側にある穴１
００は、基盤６４にある対応するピン（図示せず）と連
結され、音響光学材料９８の光透過軸が光通路７２及び
７４と一直線になるように配置される。ねじ１０２は、
ハウジング６２内のＡＯＭ９２を保持しつつ、ＡＯＭ９
２がピン１００を軸として１００〜２００ミクロン程度
回転移動できるようし、音響光学材料９８が光学的に正
確な位置決めをできるようにしている。

【００１５】図２は、本発明の光学スイッチング装置の
光路を詳細に示す図である。ＲＦ信号がＡＯＭ９２に印
加されていないときは、回析を起こしていない光エネル
ギーの光路１２０が、光波ガイド７６と８０の間のコリ
メータ・レンズ８６及び８８並びに音響光学材料９８を
通過する経路に存在する。好適実施例としては、コリメ
ータ・レンズ８６及び８８は非球面レンズであるのが良
い。光波ガイド７６と８０から放射されるエネルギー光
線は、コリメータ・レンズ８６及び８８により平行にさ
れ、音響光学材料９８の光透過軸９４に沿ってＡＯＭ９
２を通過する。非回析光路１２０上にある光波ガイド７
６及び８０並びにコリメータ・レンズ８６及び８８は、
レンズ８６及び８８夫々の光軸に沿ってエネルギー光線
が通過するように調整される。この構成によって、コ
マ、球面収差などが低減され、光結合（カップリング）
の効率が大きく向上する。ＲＦ信号をＡＯＭ９２に印加
しているときは、エネルギー光線の一部が第２の光路１
２２に沿って回析される。非回析及び回析光路の角度差
は、当業者に知られているように、光学変調器のブラッ
グ（Bragg）角度の２倍になる。本発明は、コリメータ
・レンズの光学特性を利用している。コリメータ・レン
ズの光学特性は、次の数１で示される。

【００１６】

【数１】ｘ＝ｆθ

【００１７】ここでｆはレンズの焦点距離、θは音響光
学変調器９２の非回析及び回析光路１２０及び１２２の
角度差のラジアン、ｘはコリメータ・レンズ８８の焦点
面１２４における２つの光線の分離距離を示す。コリメ
ータ・レンズ８８は、レンズの焦点において２つの光線
を分離し、焦点面１２４において２つの光線を２つの異
なる点１２６及び１２８に集光する。

【００１８】オプティカル・タイム・ドメイン・リフレ
クトメータ（ＯＴＤＲ）を使用する際には、光波ガイド
７６が前面パネルのコネクタ１０４を介して被測定光フ
ァイバ１０６に光学的に結合される。光波ガイド７８
は、ＯＴＤＲの受光回路の一部であるアバランシェ・フ
ォト・ダイオード（ＡＰＤ）のような光検出器１０８に
光学的に結合される。光波ガイド８０は、ＯＴＤＲの光
エネルギー源、つまり発光回路にあるレーザ・ダイオー
ド１１０に光学的に結合される。レーザ・ダイオード１
１０が発する光パルスは、光波ガイド８０に送出され
る。光パルスは、コリメータ・レンズ８８を通過して光
学ポート１２８から光学スイッチング装置（光学変調
器）６０に入射される。平行に（コリメート）された光
パルスは、非回析光路１２０に沿って光学的に結合され
た光学変調器６０に入る。光学変調器６０がオフのと
き、つまり、ＲＦ信号が光学変調器に印加されていない
とき、光パルスは非回析光路１２０に沿ってコリメータ
・レンズ８６に光学的に結合される。コリメータ・レン
ズ８６は、光エネルギーを集光して光学ポート１３０か
ら光波ガイド７６へ入射する。光パルスは、光波ガイド
７６を通過して前面パネルのコネクタ１０４を介して被
測定光ファイバ１０６に光学的に結合される。

【００１９】被測定光ファイバ１０６から戻ってきた光
エネルギーは、光波ガイド７６を介して光学スイッチン
グ装置６０に入射結合される。この戻り光エネルギーに
は、レイリ散乱による後方散乱光に加え、多くの場合振
幅の大きいフレネル反射光が含まれる。戻り光エネルギ
ーは、コリメータ・レンズ８６によって平行光線にな
り、光学変調器６０に入射結合される。光学変調器６０
がオンのとき、つまり、ＲＦ信号が光学変調器に印加さ
れているとき、光学変調器は戻り光エネルギーの一部を
光路１２２へと回析する。回析された光線は、コリメー
タ・レンズ８８を通過して集光され、ポート１２６で光
波ガイド７８に入射される。戻り光エネルギーは、光波
ガイド７８を通過してＡＰＤ１０８に光学的に結合され
る。被測定光ファイバ１０６から戻ってきた光エネルギ
ーにフレネル反射光が検出された場合には、大きな光パ
ルスがＡＰＤ１０８へ向かうのを外らすために光学変調
器６０は光路１２２を遮断する。これによって、大振幅
のフレネル反射光がＡＰＤ１０８に入射するのを防止
し、よって拡散電流がＡＰＤ１０８に発生するのを防止
する。これは、表示の際に検出器テールが戻り光エネル
ギーから消えるという形で示される。

【００２０】図３は、本発明による並列配置型２重光学
ポートの１実施例の端面を示す図であり、特に光波ガイ
ド７８及び８０が内包されている光通路７４の端面を示
している。光波ガイド７８は、例えば５０ミクロンの光
ファイバであり、光波ガイド８０は、例えば９ミクロン
の光ファイバである。両光ファイバともに被覆の直径ｄ
は、１２５ミクロンである。光ファイバ７８及び８０
は、光ファイバの２倍の直径を持つフェルール中に並列
に並んで配置される。このように設定すれば、光ファイ
バのコア１４２及び１４４の中心間の距離ｘを１２５ミ
クロンにすることができる。光学変調器のブラッグ角度
θ／２及びコリメータ・レンズ８８の焦点距離ｆは、レ
ンズ８８の焦点面１２４で光線が分離距離ｘでポート１
２６及び１２８に集光したときに必要な１２５ミクロン
が得られるように選択される。非回析光路１２０と回析
光路１２２はコリメータ・レンズ８８で重複している
が、レンズ８８は２つの光線を焦点面１２４で分離して
いるので、光学スイッチング装置６０の性能には何の影
響も及ぼさない。光ファイバ７８及び８０は、特定の光
で硬化する樹脂、例えば、紫外線硬化型エポキシを用い
てフェルール８４中に保持され、この後、擦って磨かれ
る。同様に、光ファイバ７６を紫外線硬化型エポキシを
用いてフェルール８２中に保持した後、擦って磨く。

【００２１】本発明の光学スイッチング装置６０では、
最終組み立て工程において、能動的に部品配置の整合を
行う。本発明では、ハウジング６２、レンズ８６及び８
８並びにフェルール８２及び８４内の光波ガイド７６、
７８及び８０を保持するのに１つの固定装置を使用す
る。光エネルギー源からの光信号は、非回析光路１２０
上の光ファイバ７６及び８０のどちらにも結合される。
フェルール８２及び８４は、光線を平行にするためにＺ
方向、つまり、光通路７２及び７４の入出力方向に移動
される。コリメータ・レンズは、平行にされた光線の集
光（及び角度調整）のためにＸ及びＹ方向、つまり、光
通路７２及び７４に垂直な方向に移動される。光信号の
最高光結合効率を得るために、光学変調器６０の光出力
を観測する。これによって全ての部品配置を整合させた
ら、音響光学変調器９２はねじ１０２でハウジング６２
に保持し、フェルール８２及び８４並びにコリメータ・
レンズ８６及び８８は紫外線硬化エポキシを用いてハウ
ジング６２に保持する。

【００２２】以上、装置の部品を音響光学スイッチを具
えるハウジングに統合して組み込みこむ光学スイッチン
グ装置について記載してきた。音響光学スイッチは光透
過軸を有し、この光透過軸はハウジングの側壁に形成し
た光通路と合致している。一方の光通路は第１光波ガイ
ドを内包し、他方の光通路は２つの光波ガイドを内包し
ている。コリメータ・レンズは光通路上に配置され、光
波ガイドに光エネルギーを集光する。光波ガイドは、コ
リメータ・レンズの焦点面に配置される。音響光学スイ
ッチは、コリメータ・レンズの光学軸と合致した非回析
光路を有する。一方の光通路にある２つの光波ガイドの
内の少なくとも１つの光波ガイドと、他方の光通路にあ
る光波ガイドは、コリメータ・レンズの光学軸と合致し
ている。光波ガイドとレンズは、紫外線硬化エポキシを
用いてハウジングに保持される。本発明の光学スイッチ
ング装置は、ＯＴＤＲに使用し、光パルスをレーザから
被測定光ファイバに結合し、戻ってきた光信号を光検出
器に結合することができる。本発明の光学スイッチング
装置を選択的にオン・オフすることにより、戻ってきた
光信号中の大振幅の光パルスが光検出器に入射するのを
遮断できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の光学スイッチング装置によれ
ば、従来と異なり光学素子で分岐した光路の一方に対し
て光学プリズム又は折り返し鏡を使用する必要がない。
これは２つある光通路の一方の光通路に、複数の光波ガ
イドを組み込んでいるからである。よって、部品点数を
減少させることができる。しかも、２つの光路の分離距
離は、光学プリズム又は折り返し鏡を使用する従来と異
なり、ごくわずかで良いため、２つの光通路の間の間隔
を狭くすることができ、よって装置全体を小型化でき
る。また、光学部品の装着容器として単一のハウジング
を使用するため、製造がより容易且つ安価に行え、軽量
化でき、機械的な衝撃、振動を受け難く、温度変動によ
る配置関係のずれが生じ難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学スイッチの１実施例を示す図であ
る。

【図２】本発明の光学スイッチング装置の光路を詳細に
示す図である。

【図３】本発明による並列配置型２重光学ポートの１実
施例の端面を示す図である。

【図４】ＯＴＤＲに使用される音響光学スイッチの一例
を示す図である。

【図５】従来のＯＴＤＲに使用されているコリメータ・
レンズ構体４０の一例を示す図である。

【符号の説明】

６０光学スイッチング装置６２ハウジング６４基盤６６側壁６８、７０開口７２第１光通路７４第２光通路７６第１光波ガイド７８第２光波ガイド８０第３光波ガイド８２、８４フェルール８６第１集光手段（コリメータ・レンズ）８８第２集光手段（コリメータ・レンズ）９０側壁の内面９２光学素子９４光透過軸９６ハウジング内部空間９８音響光学材料１００穴及びピン１０２保持ねじ１０４前面パネルのコネクタ１０６被測定光ファイバ１０８光検出器１１０レーザ・ダイオード１２０第１光路１２２第２光路１２４焦点面１２６光学ポート（集光点）１２８光学ポート（集光点）１３０光学ポート

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基盤、及び互いに対向した少なくとも２
個の側壁を有するハウジングと、単一の第１光通路を定め、上記対向した側壁の一方に設
けられた単一の第１開口と、単一の第２光通路を定め、上記対向した側壁の他方に設
けられた単一の第２開口と、上記第１光通路に配置された第１光波ガイドと、上記第２光通路に配置された第２及び第３光波ガイド
と、上記ハウジング内で、上記第１光通路及び上記第２光通
路の間に配置され、上記第１光波ガイドと上記第２及び
第３光波ガイドとの間において光エネルギーを方向付
け、上記第１及び第２光波ガイドの間で上記光エネルギ
ーを結合させる第１光路と、該第１光路から分離した上
記第１及び第３光波ガイドの間で上記光エネルギーを結
合する第２光路とを有する光学素子と、上記第１光通路と交差する位置において上記側壁の一方
に装着され、上記光エネルギーを上記第１光波ガイドに
集光する第１集光手段と、上記第２光通路と交差する位置において上記側壁の他方
に装着され、上記光エネルギーを上記第２及び第３光波
ガイドに集光する第２集光手段とを具える光学スイッチ
ング装置。