JP2825251B2 - N×n型光学的拡散器 - Google Patents

N×n型光学的拡散器

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JP2825251B2
JP2825251B2 JP64001128A JP112889A JP2825251B2 JP 2825251 B2 JP2825251 B2 JP 2825251B2 JP 64001128 A JP64001128 A JP 64001128A JP 112889 A JP112889 A JP 112889A JP 2825251 B2 JP2825251 B2 JP 2825251B2
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    • G02B6/28Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はN×N型光学的拡散器に係る。
本拡散器において、N本の入力ファイバから来る光信
号はN本の出力ファイバへ、それぞれの出力ファイバが
N本の入力ファイバからのN個の光信号すべてを含むよ
うにして伝送される。
発明の背景 光学的拡散器は2×2結合器、即ち2本の入力と2本
の出力をもつカップラによって構成され、この種のカッ
プラは当業者に公知の従来型で作られている。
高性能光学的拡散器を実現するため多段回路網に2×
2個の結合器を組立てる原理はそれ自体公知である。19
84年8月号の「光学文字(Optics Letters)」誌第9巻
第8号368〜370頁に記載の「階層及び結合性星形結合器
(Hierarchic and combinatorial star couplers)」と
題するM.E.マーヒック(Marhic)の論文は溶接した網内
に基本結合(2×2)器を組立てる1つの可能性を開示
しているが、但しこの方法で構成した光学的拡散器は網
の連続接続による損失の蓄積による高い損失をこうむ
る。光学的拡散器の入力及び出力間のこの損失を低減す
る1つの方法は、光学的拡散器の結合器を構成するため
2n長のファイバを直接結合することによって相互接続回
数を減らすというものである。しかしながら著者は実際
上の構成法もこの種の光学的拡散器をつくる方法も開示
していない。1985年5月号の「電子文字(Electronics
Letters)」誌第21巻第11号502〜504頁に記載の「低損
失8×8単一モード星形結合器(Low−loss(8×8sing
le−mode star coupler)」と題するD.B.モルチモア(M
ortimore)の論文は、4個の結合器を3列つくることに
よって構成した8×8星形結合器を開示している。
N×N光学的拡散器は平坦な構造をもち、結合器を用
いて2組の1/2N×1/2N光学的拡散器を相互接続すること
によって実現される。
ファイバ長を利用して平面構造を占める先行技術光学
的拡散器にはいいくつかの欠点がある: ファイバ出力がせ秩序立っておらず、即ち出力と入力
で同じ順序で相互に並び合っているないこと、 ファイバ長はそれぞれ異なっており、従って信号の伝
播時間と損失は同一ではないこと、及び 通路は多様かつ複雑であり、多数のファイバにとって
光学的拡散器を単純な方法で自動的に製造することは不
可能である。
本発明の目的は、N=2n光学通路にもとづいたN×N
光学的拡散器を提供することでって、光学通路はすべて
ここでは光学的拡散器の入力及び出力間で同じ長さをも
つ。
本発明のもうひとつの目的は、光学通路が同一径路を
たどるN×N光学的拡散器を提供することである。
本発明のもうひとつの目的は、光学的拡散器の出力で
光学通路が相互に従う順序が、入力においても同じ順序
であるようなN×N光学的拡散器を提供することであ
る。
本発明のもうひとつの目的は、従来形ケーブル製造機
から派生する機械によって自動的に製造され得るN×N
光学的拡散器を提供することである。
発明の要約 上記目的を達成すべく本発明によれば、2本の光学通
路間の結合をそれぞれ提供する1/2N個の結合器をそれぞ
れ含むn段をもつN×N型光学的拡散器(但しN=2n
であって、前記拡散器は両端が拡散器の入力及び出力を
構成するN本の光学通路から成り、これらの光学通路は
それぞれが1/2N本の光学通路を有する2つの組を構成し
ており、各組は前記N本の光学通路を順に一本置きによ
り分けることにより形成され、2つの組のそれぞれの光
学通路は、シリンダ上に同一ピッチで互いに反対回りに
らせん状に巻きつけられ、1方の組のそれぞれの光学通
路は他方の組の1/2N本の光学通路と交差し、さらに一方
の組の各光学通路は他方の組の光学通路のn本に、それ
らの2q(但しq=0,1,2,……,(n−1))番目の交差
点においてそれぞれ結合することを特徴とする光学的拡
散器が提供される。
次に添付図面を参照して本発明のいくつかの具体例を
例として説明する。
具 体 例 第1図は、N=2nのN×N光学的拡散器の記号による
表現図であって、光学的拡散器は光ファイバが周囲に巻
きつけられたシリンダ1の形状をなし、ファイバの入力
及び出力はシリンダの2つの基礎円2及び3の周りに一
様に分配されている。
第2図は第1図のシリンダ1の展開図であって、YY′
線から出発して矢印Fの方向にむかい、展開図の始まり
はAA′で示され、展開面の終りはBB′で示されている。
第2図はファイバがどのようにシリンダの周りに巻きつ
けられているかを示す。
巻きつけを目的として、光ファイバは2組のファイバ
に分割され、それぞれが他のファイバを含み、つまりそ
れぞれが1/2Nファイバを含んでおり、両方の組のファイ
バはシリンダの周りに但し逆方向にらせん状に巻きつけ
られており、巻きつけピッチは両方の場合とも同じであ
る。2組のファイバはこのようにして菱形網目をもつ格
子を形成する。
光学的拡散器の入力E0〜E(N−1)は光ファイバの
F0〜F(N−1)の端面によって構成され、ファイバは
右らせんで巻きつけられるファイバから出発して巻か
れ、その番号付けは右方向に連続する。各ファイバF2p
(ただしp=0,1,2,……(1/2N−1))はファイバF
[(2p+2m−1)modN](但しm=1,2,3,……,n)と連
続して結合され、これらのファイバは基本結合器(2×
2)を構成するため左らせんに巻かれている。光学的拡
散器はn段C1〜Cnを含み、各段は1/2N結合器を含み、m
は段の番号を表す。ファイバF2p=F0(p=0)はこの
ようにして段C1(m=1)ではファイバF1と結合し、段
C2(m=2)においてはファイバF3と結合し、段C3(m
=3)においてはファイバF7と、段C4(m=4)ではフ
ァイバF15と、段Cn(m=n)ではファイバF(N−
1)と結合する。出力S0〜S(N−1)はファイバF0〜
F(N−1)の反対側の端によって構成される。ファイ
バは出力において入力においてと同じ順序なっており、
但し出力は入力に対して相対的にずれており、出力Siは
ファイバF0に対応し、出力S(i+1)はファイバF1
に、以下同様、出力S(i−1)はファイバF(N−
1)に対応する。
第3図は第1図のシリンダの表面展開図で、光学的拡
散器がN=32=25のファイバをもつ場合を表す。従って
この光学的拡散器はn=5段C1〜C5をもつ。各段は1/2N
=16結合器を含む。第3図では、出力S17〜S31はそれぞ
れファイバF0〜F14に対応し、出力S0〜S16のほうはそれ
ぞれファイバF15〜F31に対応する。上述の通り、ファイ
バF2pはファイバF[(2p+2m−1)mod32](但しm=
1,2,3,4及び5)と連続して結合する。例えば、ファイ
バF30(但しP=1/2N−1=16−1=15)は連続して次
のように結合する:段C1(m=1)ではファイバF(30
+1)=F31と、段位C2(m=2)ではファイバF[(3
0+4−1)mod32]=F1と、段C3(m=3)ではファイ
バF[(30+8−1)mod32]=F5と、段C4(m=4)
ではファイバF[(30+16−1)mod32]=F13と、そし
て段C5(m=5)ではファイバF[(30+32−1)mod3
2]=F29と結合する。
第2図及び第3図では、ファイバは右らせんに巻かれ
たファイバから出発して番号が付けられ、従って光学的
拡散器内で実現される必要のある結合器全部を決定する
ことが可能になる。
光学的拡散器は相互に逆方向に巻つけられた2組のフ
ァイバによって構成されるから、完全に対称形で、N本
のファイバは左らせんで巻かれたファイバから番号を付
けられることができ、これらのファイバはらせんと同じ
方向に、即ち第2図及び第3図に示す具体例とは逆の方
向に番号を付けられる。どのファイバが結合器をつくる
ために結合されるかを決定するための上記の公式は、左
らせんで巻かれるファイバにも等しく適用可能で、当然
上記と同じ結合器が要求される。
結果として、どのファイバが結合器を用いて所定のフ
ァイバに結合されるかを知るため、N本のファイバが、
F0で示された原点として前記ファイバの巻きつけ方向と
同じ方向にF0からF(N−1)まで番号付けされる。結
合器によって結合されるファイバは2m−1(但しm=1,
2,……,n)と番号付けされN=2nである。これはファイ
バF2pと結合されたファイバ数を与える上記の式F[(2
p+2m−1)mod32]に相当する。p=0と置くことによ
って、ファイバF0すなわち原点番号としてのファイバと
結合するファイバの番号が得られる。そのファイバはF
(21−1)=F1,F(22−1)=F3,F(23−1)=F7,…
…,F(2n−1)=F(N−1)である。
1方の組のファイバのうちの各ファイバはこのように
して他方の組のファイバのnと連続して結合する。なぜ
ならm=1,2,……,n(但しmは段階番号を表す)であ
り、mの所定値につけて、対応する結合器のすべてがシ
リンダの周りの同一リング上に位置し、そして各組のフ
ァイバは1/2Nファイバをもつから段ごとに1/2Nの結合器
が存在する。各組の各ファイバは他の組の1/2Nファイバ
のすべてと交差し、結合器は所定のファイバと他方の組
の1/2Nのファイバ、つまり1,2,4,……,1/2Nと番号付け
された他方の組のファイバとの間で、2q(但しq=0,1,
2,……,(n−1))の順序で交叉点に位置する。これ
らの交差点に対応する結合器は連続して段C1,C2,……,C
nに位置する。原点のファイバF0は結合器によってF(2
m−1)ファイバと結合し、そしてm=1,2,……,nであ
るから、F1,F3,F7,F(N−1)と番号付けされたファイ
バと結合するn個の結合器が存在し、ファイバF0と前記
ファイバF1,F3,F7,……,F(N−1)個の交叉点は、フ
ァイバF0と他方の組の1/2Nのファイバとの間の、第1,第
2,第4,……,第2(n-1)番号の交差点である。qの所定の
値について、1/2N個の対応する結合器は光学的拡散器の
1段を構成し、そして2組のファイバは同一らせんピッ
チで逆方向に巻きつけられるから、1段の結合器全部が
シリンダの周りのリング上に位置する。2qの交叉点はm
を構成し、パラメータq及びmは式q=m−1によって
関連付けられる。
2組のファイバ同一らせんピッチで逆方向に巻き付け
られ、さらに最終段Cnの結合器は、その入力がすぐの後
に続きそして始めて相互に交差する数対のファイバF0及
びF(N−1)によって構成されるから、前記ファイバ
の出力はそれらの入力と巻きつけピッチの半分だけずれ
る。第3図ではファイバF0及びF31の出力は入力E0及びE
31に対して巻きつけピッチの半分だけずれる。すべての
ファイバについて同じことがあてはまり、その結果、フ
ァイバは出力で、それらが入力で現れるのと同じ順序で
連続して現れるが、但しらせんピッチの半分だけずれ
る。
従って、結合器はシリンダに沿って分配されたリング
上の、ファイバの巻きつけピッチ及び結合器の長さの関
数として識別可能な位置に配置される。結合器はそれら
のリングの周りを角度ピッチα=4π/Nで規則正しく分
配される。C2〜Cnの番号の付いた2〜n段の結合器は、
αの角度ピッチで間隔をとったシリンダの1/2Nの母線上
に位置する。第1段C1の結合器は段C2〜Cnの連続結合器
対間に角度をつけて位置する。従ってそれらは段C2〜Cn
の結合器に対して角度ピッチ1/2αの半分だけずれる。
各組の1/2Nのファイバは同一ピッチでらせん状に巻き
つけられるから、光学的拡散器の入力及び出力間の各フ
ァイバの長さは同じで、各ファイバは同一通路をたど
る。このようにして、第2図及び第3図に示す通りで光
学的拡散器の平面上の展開を観察すれば、各組のファイ
バの通路は相互に平行な直線によって構成される。両方
の組が同じらせんピッチをもつから、光学的拡散器のす
べてのN本のファイバは光学的拡散器の入力及び出力間
で同一長をもち、そして、両方の組のファイバの通路
は、第2図及び第3図に示す通り光学的拡散器の展開に
おいて各通路は1入力と1出力を相互接続する直線によ
って構成されるから、同一である。但し各直線はシリン
ダの母線に対し同一傾斜角にあり、これらの図ではAA′
〜BB′の平行直線により構成される。
本発明光学的拡散器のこれらの幾何学特性は、光学的
拡散器が巻きつけと結合を自動化する(ファイバ長の被
覆をはぎ、対にしてねじり、そしてねじられたファイバ
長に熱処理をほどこす)ことを可能にし、従って長いフ
ァイバを用いる連続ベース上に同一光学的拡散器をつく
ることを可能にする。とくに、第n番目の段Cnの後、フ
ァイバは巻きつづけられてもよく、別の光学的拡散器の
C1からCnまでの段の結合器がそれからつくられることが
観察されるであろう。連続する光学的拡散器は1つの光
学的拡散器の出力と次の光学的拡散器の入力との間で、
例えば切りはなしによって分離される。
第4図は、例えば2本のファイバFi及びFjを長さLに
わたって一緒にねじることによって構成された光学的拡
散器内の単位結合器の記号による表現図で、ファイバは
ねじり合わせるべき位置で被覆をはいで用意され、さら
にねじり部は次に熱処理に付される。このねじりにより
単位2×2形結合器をつくる特殊な方法は単なる例とし
てのみ示したもので、結合器は研磨又は引伸しによっ
て、あるいは当業者に公知のその他の任意の手段によっ
てつくられることもできる。
第5図及び第6図は、それぞれ円筒形マンドレルト前
記マンドレル上につくられた光学的拡散器と前記マンド
レル上につくられた16×16光学的拡散器を示し、平面上
に展開されている。
16×16光学的拡散器、つまりN=16=24については、
マンドレルは2N=32本の縦みぞR0〜R31を含み、さらに
8本の右らせんみぞRD1〜RD8及び8本の左らせんみぞRL
1〜RL8を含む。光学的拡散器への入力において、ファイ
バは他の各縦みぞR0〜R31の一定長に及んで受取られ、
らせんみぞに出合うと、ここでそれに受取られる。2本
のファイバが互いに交差するや否や、それらは結合して
段C1の結合器の1つを形成する。つまり、ファイバF0及
びF1が1方の結合器を形成し、ファイバF2及びF3が段C1
のもうひとつの結合器を、そしてファイバF14及びF15が
もうひとつの結合器を形成する。各結合器は2本のファ
イバが出合う点を通過する縦みぞ内に受取られ、そして
その長さは右及び左らせんみぞによって構成される1つ
の網目の対角線に等しい。結合器を出ると、各ファイバ
は、ファイバの巻きつけ方向に一致する巻きつけ方向の
らせんみぞ内に受取られる。
一方の組の各ファイバは他方の組の1/2N=8ファイバ
のすべてに交差し、そして上記の通り、結合器は2qの番
号の付いた交差点(但しq=0,1,2,……,(n−1))
でつくられ、他方の組のファイバとの交差点1,2,4及び
8を与える。段C1は第1の交差点に一致し、段C2は第2
の交差点に、及び段C4は第8番目の交差点に一致する。
例としてファイバF0をとりあげれば、前記ファイバは
そのC1段結合器を出て、次に第2のらせんみぞと交差
し、そして段C2の結合器を構成するため前記らせんみぞ
に受取られたファイバと結合する。そのC2段結合器を出
ると、ファイバF0はさらに2本のらせんみぞと交差し、
そしてその第4の交差点を構成する第2のみぞに受取ら
れるファイバに結合され、従ってC3段結合器を構成す
る。そのC3段結合器を出ると、ファイバF0は4本のらせ
んみぞと交差し、第4のみぞすなわち第8番目の交差点
に受取られたファイバに結合され、従ってC4段結合器を
構成する。このC4段結合器では、ファイバF0はファイバ
F15と結合し、これが実際他方の組の最後のファイバで
ある。2本のらせんみぞ間の各交点において、1対のフ
ァイバは単に相互に交差するか、あるいは結合器に入
り、あるいは結合器を出るかしてもよいことが観察され
るであろう。ファイバの交差点は従って結合器間のらせ
んみぞ間の交差点及び結合器への入力の前記みぞ間の交
差点の両方で計算される。しかしながら、らせんみぞ間
の交点は、結合器の2本のファイバが分岐する結合器の
出力で交叉点を構成するから、計算されない。そして任
意の1段の結合器はらせんみぞによって形成された網目
の対角線に沿ってリング内に配置されているから、前記
結合器を構成すれば2本のファイバ以外に結合器の出力
から出るファイバは存在しない。第6図は第5図の円筒
形マンドレル上につくられた結合器の、縦みぞ及びらせ
んみぞを省いた展開図である。従って第6図は光学的拡
散器の16本のファイバの通路だけを表している。図で
は、各ファイバが各結合器を出るときその巻きつけ方向
を保持し、しかし結合器の長さだけずれる(1網目対角
線)ことが明瞭に理解できる。光学的拡散器からの出力
において、ファイバは入力と同じ順序にあり、但しシリ
ンダの半周分だけずれている。
光学的拡散器を概略的に表した第2図及び第3図で
は、結合器は点として示されており、ファイバ出力はフ
ァイバ入力に対してらせんピッチの半分だけずれ、そし
てシリンダ長即ち光学的拡散器の長さはらせんピッチの
関数であるが、但し入力及び出力間のずれはらせんピッ
チから独立している。
第5図及び第6図の具体例において、光学的拡散器長
がらせんピッチの関数であり、そして光学的拡散器の全
体長がらせんピッチの半分プラスすること、これらの図
では結合器に4段あるから網目対角線の長さの4倍に等
しいことを除いて、同じことがあてはまる。N×N光学
的拡散器について、N=2nとして、結合器にはn段があ
り、そして光学的拡散器の長さは、らせんピッチの半分
プラス網目対角線の長さのn倍に等しい。
網目対角線の長さは、従って結合器の長さはらせんピ
ッチに左右され、またその逆でもある。実際上は、らせ
んピッチは結合器長の関数として選択される。
第7図は例として、光学的拡散器を入力ケーブルヘッ
ドに接続し、さらに出力ケーブルヘッドに接続するため
の装置を示す。入力ケーブルヘッドは円筒形リング52と
光ファイバケーブル56の端に位置する截頭円錐54によっ
て構成される。出力ケーブルヘッドは円筒形リング53及
び光ファイバケーブル57の端に位置する截頭円錐55によ
って構成される。円筒リング52及び53は本発明の光学的
拡散器を支えるマンドレル51の両端を切断することによ
って得られ、これらのリングは前記マンドレル51と同じ
ピッチの縦みぞをもつ。図では、マンドレル51及びリン
グ52及び56の縦みぞ及びらせんみぞぱ明瞭のため図示し
ない。これらのみぞは第5図に示してある。ケーブル56
及び57のそれぞれはN本のファイバをもち、これらのフ
ァイバは対応する截頭円錐54又は55上に分配され、次に
截頭円錐と接続するリング52又は53の縦みぞに挿入され
る。N×N光学的拡散器はマンドレル51上につくられて
いるから、光の連続性は光学的拡散器のファイバとケー
ブル56,57のファイバとの間で、マンドレルとリングの
円筒面を並置することによってか、この場合前記円筒面
はファイバがみぞ内に取付けられた後で研磨され、そし
てリング及びマンドレルはマンドレル及びリング内のフ
ァイバ端を一直線上に並べるための位置決め手段を含ん
でおり、あるいはマンドレルとリングが並置された後、
ファイバを相互接続のため溶接することによって得られ
る。
本発明光学的拡散器は、モノモード又はマルチモード
光ファイバを用いて作られてもよく、あるいはプラスチ
ックファイバを用いて、さらにより一般的には結合器を
つくるため適当な任意の種類の光学通路を用いることに
よって作られてもよい。
「光学通路」という用語は、第5図及び第6図に示す
通り円筒マンドレルの縦及びらせんみぞ内に光学的に伝
導性の材料をデポジットし、この場合ファイバは前記材
料に交替することによって、あるいはまた第6図に示す
光学的拡散器通路を生じせる形式でマンドレルに基板の
役割を果させ、マンドレルの表面上に光学的電導材料を
デポジットすることによって得られる集積光学系にも同
じくあてはまる。
本発明光学的拡散器、例えばフランス特許第2586874
号に開示されるような大容量電気通信装置か、本特許で
は相互接続容積は本発明光学的拡散器によって供給され
てもよく、あるいはフランス特許第2593654号に開示さ
れた受動光学分配器が同様に本発明光学的拡散器によっ
て構成されてもよい装置かに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明N×N光学的拡散器の記号による表現
図、第2図は結合器とファイバ巻線の原理を説明する第
1図の光学的拡散器の表面展開図、第3図はN=32の場
合の本発明光学的拡散器の表面展開図、第4図は本発明
光学的拡散器内の結合器の記号による表現図、第5図及
び第6図はそれぞれ円筒形マンドレル及び、前記マンド
レルを用いて16×16光学的拡散器として作られた光学的
拡散器の表面展開図、そして第7図は光学的拡散器を2
個のケーブルヘッドに接続するための装置の1具体例を
示す説明図である。 1……シリンダ、2,3……基礎円。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2本の光学通路間の結合をそれぞれ提供す
    る1/2N個の結合器をそれぞれ含むn段をもつN×N型光
    学的拡散器(但しN=2n)であって、前記拡散器は両端
    が拡散器の入力及び出力を構成するN本の光学通路から
    成り、これらの光学通路はそれぞれが1/2N本の光学通路
    を有する2つの組を構成しており、各組は前記N本の光
    学通路を順に一本置きにより分けることにより形成さ
    れ、該2つの組のそれぞれの光学通路は、シリンダ上に
    同一ピッチで互いに反対回りにらせん状に巻きつけら
    れ、1方の組のそれぞれの光学通路は他方の組の1/2N本
    の光学通路と交差し、さらに一方の組の各光学通路は他
    方の組の光学通路のn本に、それらの2q(但しq=0,1,
    2,……,(n−1))番目の交差点においてそれぞれ結
    合することを特徴とする光学的拡散器。
  2. 【請求項2】2組の光学通路が格子を構成し、結合器が
    シリンダの母線と平行な格子の対角線に沿って配置され
    ている特許請求の範囲第1項に記載の光学的拡散器。
  3. 【請求項3】前記拡散器の入力及び出力を構成する光学
    通路の端が相互にらせんピッチの半分だけずれており、
    さらに出力が相互に入力と同じ順序で連続する特許請求
    の範囲第1項に記載の光学的拡散器。
  4. 【請求項4】シリンダが縦みぞ及びらせんみぞを含んで
    おり、各光学通路の端が縦みぞ内に配置されており、結
    合器が縦みぞ内に配置されており、光学通路が入力と第
    1段の結合器との間、隣接する結合器段の間、及び最終
    段の結合器と前記拡散器の出力との間でらせんみぞ内に
    配置されている特許請求の範囲第1項に記載の光学的拡
    散器。
  5. 【請求項5】1方の端が入力ケーブルヘッドを介して入
    力ケーブルに接続され、他方の端が出力ケーブルヘッド
    を介して出力ケーブルに接続され、前記ケーブルヘッド
    のそれぞれが円筒リング及び截頭円錐によって構成さ
    れ、各円筒リングが拡散器のシリンダを切断することに
    よって得られ、且つ少なくとも縦みぞを含み、さらに各
    入力及び出力ケーブルがそれぞれ截頭円錐上に分配され
    るN本の光学通路を含み、N本の光学通路が、截頭円錐
    に接続するリングの縦みぞ内に配置された端を有し、リ
    ングの縦みぞ及び拡散器のシリンダの縦みぞが一直線上
    に並んでいる特許請求の範囲第4項に記載の光学的拡散
    器。
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