JP2769078B2 - 光ファイバ内臓パワー分割器／結合器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバシステムに関
する。特に、本発明は光ファイバシステム中の光を分配
する方法および装置に関する。

【０００２】本発明はここにおいて特定の適用に対する
実施例を参照して説明されているが、本発明はそれに限
定されるものではないことが理解されるべきである。当
業者は本発明の技術的範囲内における付加的な修正、適
応および実施例、並びに本発明が非常に有効である付加
的な分野を認識するであろう。

【０００３】

【従来の技術】光学技術はデジタルおよび無線周波数通
信システムにおいて広く使用されている。光ファイバ分
配ネットワークは著しくチャンネル容量を高め、また必
要な重量および寸法を減少させることができる。光ファ
イバ分配ネットワークは典型的に重要な素子として光パ
ワー分割器または結合器を含んでいる。

【０００４】光パワー分割器／結合器は分配ファイバと
ファイバの束との間で光波を結合する。過去において一
般的に使用された光波結合システムは、光学キャリアで
光情報を送信するための直列および並列設計を含む。直
列の光波結合器の一例は直列供給される側壁結合装置で
ある。この光波パワー分配装置は、導波体の長さに沿っ
て複数の光タップ点を有する直列光導波体を含む。実際
に、光エネルギは光導波体に沿って連続的にタップされ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】直列設計のために、導
波体の終端部における光エネルギは導波体の入口および
その間の多数のタップ点における光エネルギに依存して
いる。さらに、タップ点の任意の特定の１つから導出さ
れた光信号は別の各タップ点から導出されたものに関し
て位相がずれている。典型的にディスクリートな時間遅
延が直列設計のために各個々のタップ点における光エネ
ルギのタッピングと関連しているため、タップ点間の位
相遅延が存在する。結果的に、直列供給される側壁結合
装置は、光導波体のタップ点に沿った減衰および相互作
用のために不均一の振幅および位相を有する光出力信号
を生成する。

【０００６】並列な光波結合器の一例はスター結合器用
の２進位相格子を含んでいる。格子は平坦な光伝送媒体
の一側または両側上のスクライブの規則的で周期的なパ
ターンから形成されることができる。いずれかの場合
に、格子は周期的な点で伝送媒体を通過またはそれから
反射させられた光の散乱または拡散を生じさせる。光散
乱は交互の明および暗点を生じる拡散パターンを生成す
る。ファイバ束のような光受信器は、典型的に明点を受
けるように位置される。

【０００７】２つの２進位相格子は、光ビームを散乱さ
せて格子ローブの２次元回折パターンにするように直角
に交差されてもよい。格子ローブの回折パターンは、点
パターンを形成するようにレンズによってフォーカスさ
れる。点パターンは位相格子の周期的な構造によって集
合的に決定され、その幾何学形状は所望の格子パターン
を達成するように注意深く設計されなければならない。
残念ながら、堅牢で複雑な設計はファイバアレイの間隔
および格子構造を制限する。さらに、位相格子方法はフ
ァイバアレイに対するパワー分布を独立的に制御するこ
とができない。この方法は内臓並列構造であるが、位相
格子方法は光の散乱および再収集に依存している。格子
の収集効果のために、結果的な光点パターンに対して制
御は行われない。したがって、任意の特定の格子設計に
対して結果的な点構成は例えば長方形パターンに制限さ
れる。結果的な点構成は、格子上のニックまたはスクラ
イプの規則的で周期的なパターンを変化することによっ
て修正されることができる。残念ながら、結果的な点構
成は格子上の修正された周期的パターンによってもまた
制限される。

【０００８】したがって、通常の光ファイバシステム中
の光波結合装置を改良することが技術的に要求されてい
る。本発明の光ファイバ内蔵パワー分割器／結合器は上
記のような技術上の必要性を解決するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】光分割器として機能した
場合、本発明は発散した球面波から平面波に入来した光
エネルギを変換する誘電体レンズを含む。誘電体レンズ
と光学的に整列しているマイクロレンズアレイは、コヒ
ーレントな位相光点パターンを提供するために平面波を
分配してフォーカスするように機能する。ファイバ束
は、コヒーレントな位相光点パターンを受信し均一に分
布するように設けられる。光結合器として機能した場
合、本発明は複数の発散した球面波から平面波に入来し
たコヒーレントな位相光点パターンを変換するためにマ
イクロレンズアレイを含む。マイクロレンズアレイと光
学的に整列している誘電体レンズは平面波を受信し、集
束した球面波に変換し、単一の光ファイバは集束した球
面波を受信し、伝送用の並列光線に変換する。

【００１０】好ましい実施例において、誘電体レンズは
マイクロレンズアレイを形成する複数の双曲線レンズに
並んで位置する単一の双曲線レンズを含む。マイクロレ
ンズアレイ中のレンズ数は光エネルギの最適な伝送を可
能にするために束中のファイバ数に等しい。

【００１１】

【実施例】説明のために図１に示されているように、本
発明は光ファイバシステムにおいて光ビームを分割また
は結合するために光ビームを操作するようにそれぞれ機
能するマイクロレンズアレイ104 に並んで取付けられた
双曲線レンズ102 を有するタイプの光ファイバ内蔵パワ
ー分割器／結合器100 として構成される。

【００１２】光パワー分割器／結合器は分配ファイバ間
で光波を結合するために使用される。既知の光波結合シ
ステムは、光学キャリアで光学情報を伝送するための直
列および並列設計を含んでいる。直列光波結合器は光エ
ネルギを連続的にタップする長さに沿って複数の光学タ
ップ点を有する光導波体を含む。導波体の終端部におけ
る光エネルギは端部入口およびその間の多数のタップ点
における光エネルギに依存している。個々のタップ点か
ら導出された光エネルギは位相が外れており、導波体タ
ップ点に沿った減衰および相互作用による不均一な振幅
および位相を有する光出力信号を生成する。並列な光波
結合器は、伝送された光の格子ローブの回折パターンを
生成するスター結合器用の２進位相格子を含む。回折パ
ターンは、位相格子の周期的な構造によって集合的に決
定される点パターンを形成するようにレンズによって焦
点を結ばれる。位相格子の堅牢で複雑な設計はファイバ
アレイの間隔および格子構造を制限する。さらに、位相
格子方法はファイバアレイに対するパワー分布を独立的
に制御することができず、光の散乱および再収集に依存
する。格子の収集効果のために、結果的な光点パターン
に対して制御は行われず、結果的な構成は例えば長方形
パターンに制限される。

【００１３】図１に示された本発明の１実施例よると、
光分割器／結合器100 の双曲線レンス102 およびマイク
ロレンズアレイ104 は各格子点が独立的に形成される任
意の所望の格子パターンを生成するために開口106 を分
割し、全ての光出力において変調信号の均等な振幅およ
び通路長、したがってコヒーレントな位相を提供するよ
うに協同する。さらに、光分割器／結合器100 はフレキ
シブルな格子構造および直進レンズ設計を提供し、アレ
イ104 における各マイクロレンズ107 の収集領域を変化
することによってパワー分布を独立的に制御する。

【００１４】本発明の内蔵（ツリー型）光パワー分割器
／結合器100 は本質的に１つのファイバと束の“Ｎ”個
のファイバとの間で光波を結合するために使用されたフ
ァイバの並列構造である。図１において、双曲線レンズ
102 と光通信している単一の光ファイバ108 は示されて
いる。光ファイバ108 は光エネルギまたは信号用の光導
波体として機能するコア110 を含む。コア110 は、以下
のように誘電体材料（Ｃ_in）における光の速度によって
除算された自由空間での光の速度（Ｃ_o ）として定義さ
れる高い屈折率“ｎ”を有していることが好ましい： ｎ＝Ｃ_o ／Ｃ_in ［１］ コア110 は光エネルギが逃げることを阻止するために使
用されるクラッド112 によって包囲され、このクラッド
112 は低い誘電定数を有するガラスの別の層である。コ
ア110 とクラッド112 との間の誘電定数における大きい
変化は、光エネルギがコアとクラッドとの間の境界部分
を横切ることを阻止する。

【００１５】以降示される別の各光ファイバと同様な図
１に示された単一の光ファイバ108はコア110 上に形成
された凹面の球面端部114 を含む。一般に、凹面の球面
端部114 は伝送された光ビームを発散させる。分割器と
して機能するとき、単一の光ファイバ108 は光エネルギ
用の入力端子として機能する。単一の光ファイバ108が
入力端子として機能した場合、光ビームは双曲線レンズ
102 上へ拡大して発散した球面波116 になる。しかしな
がら、分割器／結合器100 が結合器として機能した場
合、単一の光ファイバ108 は出力端子として機能し、凹
面の球面端部114は双曲線レンズ102 からの集束した球
面波を受信し、平行な光線に変換するように機能する。

【００１６】双曲線レンズ102 は、図１および図２のｃ
に示されているように湾曲した側面118 および平坦な側
面120 を有する誘電体レンズである。湾曲した側面118
はパラボラ形状を有し、平坦な側面120 は双曲線レンズ
102 の開口106 として機能する。分割器として機能した
場合、双曲線レンズ102 の湾曲した側面118 は発散した
球面波116 を平面波122 に変換する。補正後、平面波12
2 は時間的にそれぞれ等しく遅延される複数の平行な光
線を含む。しかしながら、結合器モードの場合には、レ
ンズ102 は図１において示されるように単一の光ファイ
バ110 による受信のために平面波122 の平行な光線を集
束された球面波124 に変換するように機能する。

【００１７】図４において双曲線レンズ102 がグラフ的
に示されている。レンズ102 は湾曲した側面118 および
平坦な側面120 を有するものとして示されている。中心
軸126 として示された中心光線“ｘ”は湾曲したおよび
平坦な側面を通過する。さらに、ライン128 として示さ
れた線“ｙ”は湾曲した側面118 に接し、点“ｏ”で中
心軸126 を交差する。点“ｏ”は双曲線レンズ102 の頂
点を定める。レンズ102 の中心の厚さは図４に示された
距離“ｏＴ”によって限定され、一方レンズ102 の直径
は平坦な側面120 の長さに等しく、符号“Ｄ”で示され
ている。距離“Ｆ”は単一の光ファイバ108 までの双曲
線レンズ102 の焦点距離である。“ｎ”が式［１］で屈
折率として定められると、誘電定数（ε）は式［２］に
等しい： ε＝ｎ² ［２］ したがって、屈折率“ｎ”はまた（ε）^1/2 として定め
られることができる。双曲線レンズ102 は、発散した球
面波116 を平面波122 に、またその逆に変換し、ポイン
トまたは点に平面波122 の焦点を結ばせるために使用さ
れることができる最も簡単な誘電体レンズの１つであ
る。図４に示された双曲線レンズ102 の表面形状は以下
の式によって与えられる： ｙ＝[(ｎ² −1)(x−F)² ＋2(ｎ−1) F(x−F)］^1/3 ［３］ ここで、パラメータｙ，ｎ，ｘおよびＦは上記のように
定められる。所定の直径“Ｄ”、誘電定数“ｎ”および
焦点距離“Ｆ”に対して、双曲線レンズ102 の中心の厚
さ“ｏＴ”は以下の式によって決定される： ｏＴ＝{[Ｆ² ＋(n＋1)Ｄ² ／ 4(n−1) ]^1/3 −Ｆ} ／(n+1) ［４］ この式は、別のパラメータの項で任意の１つのパラメー
タに対して解かれることができる。

【００１８】マイクロレンズアレイ104 の各マイクロレ
ンズ107 はまた主双曲線レンズ102と同じ湾曲した表面1
30 および平坦な表面132 を有する双曲線レンズであ
る。マイクロレンズアレイ104 の各マイクロレンズ107
の平坦な表面132 は背中合せで双曲線レンズ102 の平坦
な表面120 に面している。図１に示された双曲線レンズ
102 とマイクロレンズアレイ104 との間の距離は、平面
波122 の平行な光線を示すために誇張されている。実際
に、２つの素子は結合されるが、しかしまたその間にお
いてある有限距離を有していてもよい。レンズ102 およ
びアレイ104 のレンズ107 が一緒に融着されるか、或は
分離されるかは重要ではない。この配置は、全ての平行
な光線に共通している遅延のような一定の通路長オフセ
ットを導入するのに便利である。

【００１９】図１に示されているアレイ104 中のマイク
ロレンズ107 の数は図１および図２のａに示されている
ファイバ束136 中の光ファイバ134 の数に等しくなけれ
ばならない。マイクロレンズ107 の数がファイバ134 の
数に等しいことは、高い光結合効率を保証する。したが
って、アレイ104 中のマイクロレンズ107 の構成はファ
イバ束136 中の光ファイバ134 の構成によって指示され
る。図２のａにおいて端部図として示されたファイバ束
136 の適切な構造は図２のｂに示されたマイクロレンズ
アレイ104 のマイクロレンズ107 の構造を指示する。し
たがって、中心に位置された垂直断面図がファイバ束13
6 の端部図と考えた場合、図１に示されるようにアレイ
104 中の５つのマイクロレンズ107 および５つの光ファ
イバ34が見られる。

【００２０】マイクロレンズアレイ104 の機能は、双曲
線レンズ102 からファイバ束136 の光ファイバ134 に光
平面波122 を結合するために所望の点パターンを生成す
ることである。マイクロレンズアレイ104 は点の任意の
所望の格子パターンを生成するために開口106 の適切な
分割を行うように設計されることができる。点はそれぞ
れ分割された光波から独立的に形成され、光分配のため
に個々の光ファイバ134 上に焦点を結ぶ。さらに、マイ
クロレンズアレイ104 の格子構造はフレキシブルであ
り、マイクロレンズ107 の設計は率直である。さらに、
各マイクロレンズ107 の寸法または収集領域を変化する
ことによって、ファイバ束136 上のエネルギ分布は独立
的に制御されることができる。

【００２１】平面波122 は平坦な表面132 に入り、アレ
イ104 の各マイクロレンズ107 は分割された平面波122
のそれぞれの部分の局部的な光を点に集束するように機
能する。各点はファイバ束136 内に適切に位置された対
応した光ファイバ134 上に独立的に集束される。このよ
うにして、光ファイバシスカテムにおける光波の分配の
ためにファイバ束136 の形態に対応した所望の点パター
ンが生成される。所望のパターンで独立的に集束された
各点は、元の発散した球面波116 と同じ光情報を含む。
しかしながら、各点に含まれる光エネルギの強度は分割
器／結合器100の構造によって制御される分割器の比に
比例して減少される。したがって、マイクロレンズアレ
イ104 の寸法および位置は各点中の光エネルギの強度を
制御する。

【００２２】分割器／結合器100 の入力における固有の
ガウスビーム特性のために、光分割器は半径方向にマイ
クロレンズアレイ開口140 上にガウスパワー分布（ベル
形）を示す。ガウスパワー分布は光を中心において明る
くさせ、またエッジにおいて暗くさせ、パワー分布が不
均一であることを示す。事実、光エネルギはエッジで減
少する。したがって、パターンの中心に位置された点、
結果的に中心ファイバにおける光エネルギの強度はパタ
ーンの外側の点、すなわち外側のファイバにおける光エ
ネルギの強度より高い。

【００２３】いくつかの適用に対して、マイクロレンズ
アレイ104 の“Ｎ”個の出力の全てに対して均一な分布
を有していることが望ましい。この場合、マイクロレン
ズ107 は図３に示されているような同心リングで配列さ
れることができる。ファイバ束136 の光ファイバ134 の
いくつかは図３中のマイクロレンズアレイ104 の形状上
に重ねられることに留意されたい。図３に示されたマイ
クロレンズ107 は、パワーの漸減を補償するように外側
リングが大きいレンズからなるように配列される。各マ
イクロレンズ107 の光収集領域は、ファイバ束136 の光
ファイバ134 に結合されるエネルギの量を決定する。し
たがって、外側のマイクロレンズ107 はパワー分配を等
しくし、中心に配置されたマイクロレンズ107 と等しい
強度を有する光エネルギを収集するように徐々に大きく
形成される。したがって、ほぼ均一の分布を有する所望
の点パターンを提供するために対応した外側の光ファイ
バ134 上にはさらに多くの光エネルギが集束される。

【００２４】双曲線レンズ102 から受信された平面波の
適切な分割を行うためにマイクロレンズ107 に対して種
々の別の構造が可能である。例えば、大きいマイクロレ
ンズは小さいマイクロレンズのリングによって包囲され
ることができる。大きいマイクロレンズはさらに多くの
光を収集し、特定の点上にもっと強い出力を集束する。
構造に一体化される別の大きいマイクロレンズは収集さ
れた光エネルギの量に等しいファイバ束136 の限定され
た領域中に光の比例した量を集束する。同様に、少ない
光エネルギを収集する小さいマイクロレンズはファイバ
束136 中に少ない光エネルギをフォーカスする。

【００２５】ファイバ束136 の形態は、マイクロレンズ
アレイ104 の選択された構造に対応することが理解され
る。実際に、ファイバ束格子は本発明の光分割器／結合
器100 において所望の構造またはパワー分布に適合する
ように任意の形態で配列されることができる。しかしな
がら、ファイバ134 は経済的な分配のために結合装置か
ら下流に所望に応じて再配列されることができる。図２
のａにおいて、光ファイバ134 はマイクロレンズアレイ
104 の構造に対応するように三角形格子に配列されてい
る。単一の光ファイバ108 を参照して説明されたものに
非常に類似した中心コア142 およびガラスクラッド144
を有するファイバ束136 の各光ファイバ134 が示されて
いる。中心コア142 およびクラッド144 の直径は非常に
小さい。したがって、例えば別のガラス層からなるスペ
ーサスリーブ146 が図２のａに示されたようにファイバ
束136 内にファイバを維持するために各光ファイバ134
を包囲して使用される。スペーサスリーブはまたファイ
バ束136 内の対応したファイバ134 との各マイクロレン
ズ107 の焦点の整列および間隔を保持するためにマイク
ロレンズアレイ104 内において使用されてもよい。

【００２６】図３に示され、上記に説明されているマイ
クロレンズアレイ104 の同心形態はまたファイバ束136
の対応した形態に適応する。図３がマイクロレンズアレ
イ104 の構造を表した場合、それはまた必要なファイバ
束136 の形態を表している。図３がマイクロレンズアレ
イ104 の構造を表した場合、徐々に大くなる同心円は大
きいマイクロレンズ107 の周辺を示す。しかしながら、
図３の重ねられた部分がファイバ束136 の形態を表した
場合、徐々に大くなる同心円は各光ファイバ134 のガラ
スクラッド144 を包囲するスペーサスリーブ146 の位置
を示す。したがって、ガラスクラッド144 は図２のａを
参照して説明されたのと同じ方法で中心コア142 を包囲
する。図３における光ファイバ134 （中心コア142 およ
びガラスクラッド144 ）の寸法は図１および図２のａに
示されたものと同様に維持していることが認められる。
しかしながら、一般的に説明するためにスペーサスリー
ブ146 は半径方向のパワーの減少を補償するように設計
された大きい外側の同心リングに対して調節される。図
３において、スペーサスリーブ146 は個々のマイクロレ
ンズ107 の焦点がファイバ束136 の光ファイバ134 の対
応した構造と整列されることを可能にするために使用さ
れる。

【００２７】分割器／結合器100 が結合器モードで機能
した場合、ファイバ束136 の点パターンを形成する各光
ファイバ134 はマイクロレンズアレイ104 の対応したレ
ンズに低い強度の光エネルギを伝送する。各ファイバ13
4 は同じ光情報を含む光エネルギを伝送する。個々のフ
ァイバ134 の各光エネルギが結合された後、単一の光フ
ァイバ108 中の光エネルギの強度は増加する。分割器／
結合器100 が分割器または結合器のいずれかとして機能
ている場合でも、光学位相問題は以下の方法で除去され
る。双曲線レンズ102 の平坦な側面120 およびマイクロ
レンズアレイ104 の各レンズ107 の平坦な側面132 は技
術的に知られているように等しい位相平面を提供する。
したがって、レンズの平坦な側面120 および132 に沿っ
た任意の位置が周波数（例えば色）と無関係の同じ光学
位相を有する光を伝送する。したがって、マイクロレン
ズアレイ104 の各マイクロレンズ107 の平坦な側面132
に面するように双曲線レンズ102 の平坦な側面120 を位
置することによって、またマイクロレンズアレイ104 の
各レンズ107 が同じ寸法であるように選択することによ
って各光ビームは同位相になる。

【００２８】等しい寸法にされたマイクロレンズ107 を
使用することによって光学位相問題を回避する上記の方
法は図２のａに示された好ましい実施例の構造として実
行される。マイクロレンズアレイ104 において使用され
たレンズが図３に示されたように寸法を変化させた場
合、光学位相問題が生じる。これらの状況下においては
補償が要求される。マイクロレンズ107 の異なる寸法に
よって発生させられた光路長の差を補償するために、マ
イクロレンズアレイ104 の小さいレンズの誘電定数が修
正されることができる。要求される誘電定数修正量は異
なる寸法のレンズによって導入された位相差の量によっ
て決定しされる。さらに、各マイクロレンズ107 の焦点
距離“Ｆ”は、小さいマイクロレンズ107 と同じ平面上
に焦点を結ぶように大きいマイクロレンズ107 を設計す
ることによって同じに形成される。さらに、大きいマイ
クロレンズ107 と関連した光ファイバ134 の長さはファ
イバ間の光エネルギの出力位相を等しくするために減少
されることができる。短いファイバは大きいマイクロレ
ンズ107 からの光信号の遅延を修正し、小さいマイクロ
レンズ107 と関連した短い焦点距離を補償する。したが
って、分配された光エネルギの出力位相は等しくなる。

【００２９】任意のこれらの方法による補償は困難であ
る。したがって、図２のａに示されたような本発明の主
な利点はマイクロレンズアレイ104 における等しい寸法
にされたレンズ107 の使用である。図２のａの等しい寸
法にされたレンズによる態様の外側レンズにおける光エ
ネルギの強度において当然発生する減少は、通常典型的
なレーダ適用によって要求されるようにサイドローブを
最小にする。

【００３０】マイクロレンズアレイ104 を含む複数のマ
イクロレンズ107 は個々に製造され、研磨され、配置さ
れることができる。双曲線レンズ102 は例えばガラス、
水晶またはテフロンから構成されてもよい。もちろん、
別のタイプのレンズ構造もまた使用されてもよく、レン
ズ設計の当業者によって選択されることができる。本発
明はレンズシステムの製造に関するものではないが、レ
ンズシステムを実現するためにフォトグラフ技術、例え
ば図４に示されたレンズ構造と同じ光学効果を近似させ
る技術を示すことが有効である。ロード・レイリイ氏に
よって発明され、図４に示されているフレネルゾーンプ
レート148 はレンズと全く同じく作用することが知られ
ている。実際にゾーンプレート148 は、黒暗色のインク
によって透明なフィルム152 上に同心円を描くことによ
って容易に製造されることが可能である。暗色にされた
同心円150 およびその間の空間はゾーンプレート148 上
にゾーンを形成する。その他全てのゾーンは暗色にさ
れ、１つのスポットに光波を集束するように機能する干
渉パターンを生成する。同心円150 の半径の大きさは重
要なゾーンの整数の平方根に比例する。パターンは適切
な大きさにフォトグラフ的に減少される。

【００３１】光学的に透明なフィルム152 上での印刷プ
ロセスは、透明な誘電体レンズと同様に１つの形態から
別のものに光波を変換するという光学効果を与えるパタ
ーンを生成する。図５に示されたフレネルゾーンプレー
ト148 は、以下のように第１のゾーンの半径“ａ”に関
連した焦点距離を有している： Ｆ＝ａ² ／λ ［５］ ここで、λは伝送されている光の波長である。フレネル
ゾーンプレート148 内の残りのゾーンの半径は以下のよ
うに表される： ｒ_m ＝（ｍ）^1/2 ×（ａ） ［６］ ここで、“ｍ”は内側から外に同心円をカウントする同
心円150 の整数番号に等しい（例えばｍ＝２，３，４
等）。実際に、双曲線レンズ102 およびマイクロレンズ
アレイ104 中の全てのマイクロレンズ107 が透明なフィ
ルム152 上に印刷されたゾーンプレート148 によって置
換されることができるように製造が行われることができ
る。

【００３２】図１、図２のｂおよび図３に示された実施
例において、19個のマイクロゾーンプレート148 がアレ
イ104 中のマイクロレンズ107 を置換するために必要と
され、単一のゾーンプレートが双曲線レンズ102 に対し
て必要とされる。19個の分離したマイクロゾーンプレー
ト148 は全てのマイクロレンズアレイ104 と置換され、
19個の分離したレンズ面を研磨することを不要にする。
同じ状況は双曲線レンズ102 にも適用される。分割器モ
ードにおいて、マイクロレンズ107 のように19個のマイ
クロゾーンプレート148 の各機能は個々の光ファイバ13
4 中に平面波122 の一部分の焦点を結ばせることであ
る。これは、図１に示されたような集束した球面波124
に平面波122 の一部分を変換することによって達成され
る。結合器モードにおいて、19個のマイクロゾーンプレ
ート148 の各機能は個々の光ファイバ134 の１つから双
曲線レンズ102 に伝送するために発散した球面波116 を
平面波122 に変換することである。したがって、フレネ
ルゾーンプレートを含むフォトグラフ技術は主双曲線レ
ンズ102 およびマイクロレンズアレイ104 の個々のマイ
クロレンズ107 の両者を製造するのに適している。

【００３３】最後に、結合効率を改良するために、各光
ファイバ134 の端部は凹面の球面または端部114 を有す
るように処理されなければならないことが留意されるべ
きである。凹面の球面または端部114 は、光ファイバ13
4 から球面波に光波を拡散するレンズのように作用す
る。対照的に、凹面の球面または端部114 は光ファイバ
134 内で平行な光線に集束したビームを変換する。

【００３４】分割器として機能した場合、光波は単一の
光ファイバ108 から双曲線レンズ102 中に導かれる。単
一のファイバ108 の凹面の球面端部114 はファイバ108
内で発散した球面波116 に平行な光線を変換する。レン
ズ102 は発散した球面波116を平行な光線を有する平面
波122 に変換する。平面波122 は、光ファイバ束136の
光ファイバ134 に集束するためにマイクロレンズアレイ
104 によって複数の低い強度の集束した球面波124 に変
換される。ファイバ134 の凹面の球面端部114は分配の
ために複数の集束した球面波124 を平行な光線に変換す
る。

【００３５】結合器として機能した場合、ファイバ134
内の平行な光線はファイバの凹面の球面端部114 によっ
て複数の個々の低い強度の発散した球面波116 に変換さ
れる。複数の発散した球面波は、複数のマイクロレンズ
107 によって高い強度の単一の平面波122 に結合され
る。平面波122 は双曲線レンズ102 に入射し、単一の集
束した球面波124 に変換される。単一の集束した球面波
124 は、単一の光ファイバ108 の凹面の球面端部114 に
よって分配のために平行な光線に変換される。

【００３６】１つのファイバから“Ｎ”個のファイバに
光波を結合し、逆のモードにおいて“Ｎ”個のファイバ
から１つのファイバに光波を結合するために使用される
内蔵（ツリー型）光パワー分割器／結合器100 が開示さ
れている。光分割器／結合器100 は全ての光ファイバ分
配ネットワークの重要な素子である。本発明の往復型の
スター結合器は均一な振幅および等しい通路長を提供す
る。したがって、ファイバ束136 中の各ファイバ134 が
共通の変調信号遅延を受けるため、全ての光出力で変調
信号のコヒーレントな位相が提供される。したがって、
ポイントソースに存在する全ての変調はまたファイバ束
136 のファイバ134 の全てにおいて経験される。分割器
／結合器100 は各格子点が独立的に形成される任意の所
望の格子パターンを生成するように開口106 を分配する
マイクロレンズアレイ104 を使用する。本発明は各マイ
クロレンズ107 の収集領域を変化することによってファ
イバ束136 に対して光エネルギ分布を独立的に制御し、
したがって高い分割速度を持つ高品質の分割器を提供す
る。

【００３７】光学分割器／結合器100 はレーダおよび通
信適用に適用可能である。一般に、レーダ用において、
マイクロレンズアレイ104 中での等しい寸法にされたレ
ンズの使用は望ましくないサイドローブをなくするため
に光エネルギ強度の自然な減少の利用を可能にする。本
発明は等しいライン長が光ビームを集束するために均一
な波頭を生成することを必要とされるフェイズドアレイ
において有効である。光学分割器／結合器100 はさらに
全ての放射点が集束されたビームに関する特性問題を回
避するように同時に放射しなければならないため、フェ
イズドアレイ適用において有効である。別の適用は信号
通信分配での使用である。この例は、単一のビームが多
数のビームに分割されなければならない状況（例えば、
住宅区域に分配される閉回路テレビジョン信号または電
話信号）、または多数の信号が単一のビームに集束され
なければならない状況（例えば、中央交換局に多数の電
話信号ラインを多重化する）を含んでいる。本発明の光
学分割器／結合器100 は従来技術の他の光学スター結合
器に比較すると非常にフレキシブルであることは明瞭で
ある。本発明はまた直線（長方形）格子にレンズを形成
することによって２次元アレイに対して使用されること
ができる。

【００３８】以上、本発明は特定の適用に対する特定の
実施例を参照して説明されてきた。当業者は、本発明の
技術的範囲内において付加的な修正、適用および実施例
を認識するであろう。

【００３９】したがって、添付された特許請求の範囲は
本発明の技術的範囲内でこのような全ての修正、適用お
よび実施例をカバーするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】主双曲線レンズおよびマイクロレンズアレイを
示した本発明の光ファイバ内蔵パワー分割器／結合器の
一実施例の断面図。

【図２】均一の同心構造を示したマイクロレンズアレイ
およびファイバ束の一構造例を示した図１の光ファイバ
内蔵パワー分割器／結合器の端部図、三角形格子構造に
配列された19個のマイクロレンズを表した図１に示され
たマイクロレンズアレイの正面図、並びに図１に示され
た主双曲線レンズの正面図。

【図３】不均一なパワー密度によって発生させられたラ
ジアルパワーテーパーをオフセットするように異なる寸
法のマイクロレンズの同心構造を示した図１のマイクロ
レンズアレイおよびその上に部分的に重ねられたファイ
バ束の別の構造例を示した図１の光ファイバ内蔵パワー
分割器／結合器の端部図。

【図４】図１の光ファイバ内蔵パワー分割器／結合器に
おいて使用するのに適した例示的な双曲線レンズの座標
を示したグラフ。

【図５】本発明の主双曲線レンズまたはマイクロレンズ
アレイを製造する時に使用するのに適した同心構造およ
びその半径を示したフレネルゾーンプレートの平面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョージ・アイ・ツダ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92635、フラートン、ベロナ・ドライブ 1034 (56)参考文献 特開 昭62−81615（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−170541（ＪＰ，Ｕ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一の光ファイバが分割器／結合器との
   間で光エネルギの伝送または受信を行い、光ファイバ束
   が前記分割器／結合器との間で光エネルギの受信または
   伝送を行なう単一の光ファイバおよび光ファイバ束を有
   する光ビームを分割または結合する光分割器／結合器に
   おいて、 分割器として機能するとき、前記単一の光ファイバと光
   通信する双曲線レンズが発散した球面波から平面波に前
   記伝送された光エネルギを変換し、前記双曲線レンズの
   平坦な表面の側と光学的に配列している平坦な表面を有
   するマイクロレンズアレイがコヒーレントな位相光点パ
   ターンを均一に分配して前記光ファイバ束に与えるため
   に前記平面波を分割して集束し、 結合器として機能するとき、前記光ファイバ束と光通信
   する前記マイクロレンズアレイが複数の発散した球面波
   から平面波に前記コヒーレントな位相光点パターンを変
   換し、前記マイクロレンズアレイと光学的に整列してい
   る前記双曲線レンズが集束した球面波の送信のために前
   記平面波を受信して集束した球面波に変換し、 前記マイクロレンズアレイは不均一な光パワー密度を補
   償するように外側の同心レンズを内側の同心レンズより
   大きくした複数の同心的に位置されたマイクロレンズを
   含むことを特徴とする光分割器／結合器。
2. 【請求項２】 前記双曲線レンズは第１の面としての双
   曲線面と、第２の面としての平面を含んでいる請求項１
   記載の光分割器／結合器。
3. 【請求項３】 前記マイクロレンズアレイは第１の面と
   しての双曲線面と、第２の面としての平面をそれぞれ有
   している複数のマイクロレンズを含んでいる請求項１記
   載の光分割器／結合器。
4. 【請求項４】 前記マイクロレンズアレイは複数の等し
   い大きさの同心的に位置されたマイクロレンズを含んで
   いる請求項１記載の光分割器／結合器。
5. 【請求項５】 前記単一の光ファイバは前記光エネルギ
   を発散するために凹面の球面端部を含んでいる請求項１
   記載の光分割器／結合器。
6. 【請求項６】 前記光ファイバの束の各ファイバは前記
   コヒーレントな位相光点パターンの前記光エネルギを発
   散するために凹面の球面端部を含んでいる請求項１記載
   の光分割器／結合器。