JP3099995B2 - 光スターカップラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光多重伝送に利用する。
特に、複数の光信号入力ポートのいずれかに入力された
光信号を複数の光信号出力ポートのすべてに互いに等し
い光強度で分配する光スターカップラに関する。

【０００２】

【従来の技術】周波数多重化光伝送システムでは、一般
に、周波数多重化された光信号を互いに等しい光強度を
もつ多数の光信号に分岐し、分岐されたそれぞれの光信
号から特定の周波数の光信号を選択して受信する方式が
用いられている。このため、光信号を等強度で多数の光
信号に分配する大規模光カップラがシテスム実現のため
の重要な素子となる。

【０００３】光信号を多数の光信号に分配する光カップ
ラとしては、平面導波路を用いて形成した光スターカッ
プラが従来から知られている。図１６にその構成例を斜
視図で示し、図１７にその一部を拡大して平面図で示
す。

【０００４】この従来例は、石英基板１６１の一端に複
数の光信号入力ポート１６２が設けられ、他端に複数の
光信号出力ポート１６６が設けられる。光信号入力ポー
ト１６２と光信号出力ポート１６６との間は、光結合部
１６４を介して、入力側光導波路１６３と出力側光導波
路１６５とにより接続される。光ファイバを介していず
れかの光信号入力ポート１６２に入射した光信号は、入
力側光導波路１６３を伝搬して光結合部１６４に導かれ
る。光結合部１６４は図１７に示すように幅の広い導波
路構造となっており、入力側光導波路１６３の各々から
の光信号がこの幅の広い導波路中を拡散することによっ
て、出力側光導波路１６５のすべてに結合する。出力側
光導波路１６５に導かれて光信号出力ポート１６６に達
した光信号は、再び光ファイバに結合し、その光ファイ
バによって伝送される。

【０００５】しかし、このような形状の光スターカップ
ラでは、すべての入力および出力側の光導波路どうしを
等しい光強度で結合させることは本質的に不可能であ
り、結合部の設計段階ですでに若干の結合のばらつきが
存在してしまう。また、入力および出力側の光導波路が
一つの平面内に配置される構造のため、導波路数が多く
なるにしたがって上記のような結合のばらつきが大きく
なり、こうしたばらつきを許容量以下に抑制するための
光結合部の設計が非常に困難となる。さらに、導波路製
造時に発生する歪応力によって、導波路間の結合特性に
偏光依存生が生じ、結果として光スターカップラとして
の機能が損なわれるという問題がある。

【０００６】このような結合のばらつきを回避するた
め、複数の２×２光スターカップラを光導波路または光
ファイバで結線したものも知られている。このような従
来例を図１８に示す。

【０００７】この従来例は、平面導波路で形成された２
×２光スターカップラ１８１が光導波路または光ファイ
バによる結線部１８２により多段に接続され、入力され
た光信号を段階的に合波させて一つにした後に、これを
再び段階的に分岐してすべての出力側に分配するもので
ある。２×２光スターカップラの場合には、その分岐比
を正確に１：１に設計することが可能であり、すべての
光出力を同一の強度にすることが原理的に可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、２×２光スタ
ーカップラを用いる場合には、カップラが大規模化した
とき、光信号が多数の２×２光スターカップラおよび結
線部を通過することになり、それに伴う過剰損失の増加
が避けられない。

【０００９】また、大規模化に伴い、２×２光スターカ
ップラおよび結線部のすべてを一枚の基板上に配置する
ことが困難となる。このようになると、カップラ全体を
複数の基板上に分割して作製し、これらの基板間を光フ
ァイバで結合させることが必要となる。その場合には、
基板上の導波路と光ファイバとの結合損失による新たな
過剰損失が生じる問題がある。

【００１０】本発明は、このような課題を解決し、入力
光信号を小さな損失で均等に出力側に分配できる光スタ
ーカップラを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の光スターカップ
ラは、複数の入力ポートにそれぞれ入射した光信号を各
々複数の出力ポートに分配する光スターカップラにおい
て、入射光信号をそれぞれ実質的に等しい強度の二つの
直線偏光成分に分配する偏光分配素子と、この偏光分配
素子を通過した複数の光信号の二つの光信号ごとに、そ
の一方の光信号から分配された二つの直線偏光成分の一
方を他方の光信号から分配された二つの直線偏光成分の
一方の光路に結合し、その他方の光信号から分配された
二つの直線偏光成分の他方を前記一方の光信号から分配
された二つの直線偏光成分の他方の光路に結合する光路
変換素子とが交互に多段配置されたことを特徴とする。

【００１２】入力ポートに入射する光信号は偏光多重化
された光信号の場合には、その光信号が入射する最初の
段および出力ポートの前段に偏光分配素子を配置する。
偏光多重化されていない光信号が入射される場合には、
入力ポートの光信号が入射する最初の段にはその光信号
の互いに直交する偏光成分を分離する光路変換素子を設
け、同一の光信号の互いに直交する偏光成分の光路が互
いに結合することなく偏光分配および光路変換が行われ
るように偏光分配素子および光路変換素子を交互に多段
配置し、出力ポートの前段には入射したときに同一であ
った光信号の互いに直交する偏光成分を結合させる光路
変換素子を設ける。

【００１３】このような構造では、入力ポートを正整数
Ｍ、Ｎに対して２^M ×２^N の二次元アレイに配置し、実
質的に等しい間隔で互いに平行な光ビームを出射される
ように配置できる。この平行な光ビームの方向は、偏光
の方向によっては相互に交換されるものの、実質的に光
スターカップラ内で出力ポートまで維持される。すなわ
ち、２^M ×２^N 入力２^M ×２^N 出力の三次元光スターカ
ップラが得られる。ただし、ＭとＮとはそれぞれ正整数
であり、Ｍ＝Ｎであることが望ましい。

【００１４】光路変換素子としては、二つの直線偏光成
分の一方をそのまま透過し、他方をその入射位置に対し
てシフトさせる第一の複屈折結晶と、この第一の複屈折
結晶をそのまま透過した直線偏光成分の半数とシフトし
た直線偏光成分の半数とについて、互いの直線偏光成分
の偏光面が入れ替わるようにその偏光面を回転させる偏
光面交換素子と、第一の複屈折結晶と実質的に同一形状
で前記他方の直線偏光成分のシフト方向が逆になるよう
に配置された第二の複屈折結晶とを含むことができる。

【００１５】また、光路変換素子の別の構成として、平
行に入射する光信号の整数倍の幅の偏光ビームスプリッ
タが光信号の入射方向と垂直方向に積層された第一の偏
光ビームスプリッタアレイと、この第一の偏光ビームス
プリッタアレイと向き合って対称に配置された第二の偏
光ビームスプリッタアレイと、二つの偏光ビームスプリ
ッタアレイの間に配置され、第一の偏光ビームスプリッ
タアレイ内の偏光ビームスプリッタを入射方向に沿って
透過した光ビームと、その偏光ビームスプリッタに垂直
方向に入射して前記入射方向に反射された光ビームとに
ついて、その偏光方向が入れ替わるようにそれぞれの偏
光面を回転させる偏光面交換素子とを備え、この偏光面
交換素子を、前記整数倍の幅ごとに、その幅と等しい幅
で設けらることができる。

【００１６】光路変換素子のさらに別の構成として、平
行に入射する光信号の整数倍の幅の偏光ビームスプリッ
タが光信号の入射方向と垂直方向に積層された第一の偏
光ビームスプリッタアレイと、この第一の偏光ビームス
プリッタアレイのひとつおきの偏光ビームスプリッタに
向き合う鏡面対称の位置にそれぞれ偏光ビームスプリッ
タが配置された第二の偏光ビームスプリッタアレイとを
備えることもできる。

【００１７】偏光分配素子としては、複屈折性物質によ
り形成された波長板を用いることができる。この波長板
板は、その光学的な主軸方向と入射光信号の直線偏光成
分の偏光方向とのなす角度をθとし、偏光方向が前記主
軸方向に一致する光と直交する光とでその波長板を通過
するときに生じる位相差をφとするとき、 sin２θ sin（φ／２）＝±１／２ の関係が成立するように形成される。

【００１８】偏光分配素子として、旋光角が ４５°＋９０°×ｎ、ただしｎは整数 の旋光性物質を用いることもできる。

【００１９】

【作用】二つの入射光信号をそれぞれ二つの直線偏光成
分に分配し、それぞれの一方の偏光成分の光路を入れ替
える（光路変換する）。これにより、二つの光信号が二
つの組に分配される。これを複数の入射光信号に対して
二つずつ同時に行う。二つの組に分配された光信号に対
して同じことを組み合わせを変えて行えば、四つの光信
号が四つに分配される。これを繰り返し、多入力多出力
の光スターカップラを実現する。

【００２０】この構成において、複屈折素子や偏光ビー
ムスプリッタ、旋光性物質を組み合わせて使用すれば、
複数の入射光信号に対して同時に偏光成分の分配および
光路変換を行うことができ、Ｎ段の光路変換で２^N 入力
２^N 出力の光スターカップラが得られる。また、光信号
の入射方向を例えばＭ×Ｎの二次元アレイ状に配置し、
２^M ×２^N 入力２^M ×２^N 出力の三次元光スターカップ
ラを実現することもできる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明第一実施例の構造を示す斜視図
であり、１２８入力１２８出力の光スターカップラの例
を示す。

【００２２】この実施例は、６４本の偏波保持光ファイ
バ１からそれぞれ波長多重化された光信号が入力され、
それを６４本の偏波保持光ファイバ６に分配するもので
ある。偏波保持光ファイバ１をそれぞれ伝搬した偏波多
重化光信号は、コリメータアレイ２により互いに光軸が
平行で等間隔な８行８列の光ビーム（コリメート光ビー
ム）に変換され、光スターカップラに入射する。また、
この光スターカップラの８行８列の平行な出力光ビーム
は、コリメータアレイ５により集光され、それぞれ偏波
保持光ファイバ６に結合する。

【００２３】ここで本実施例の特徴とするところは、入
射光信号をそれぞれ実質的に等しい強度の二つの直線偏
光成分に分配する偏光分配素子３−１〜３−７と、この
偏光分配素子を通過した複数の光信号の二つの光信号ご
とに、その一方の光信号から分配された二つの直線偏光
成分の一方を他方の光信号から分配された二つの直線偏
光成分の一方の光路に結合し、その他方の光信号から分
配された二つの直線偏光成分の他方を前記一方の光信号
から分配された二つの直線偏光成分の他方の光路に結合
する光路変換素子４−１〜４−６とが交互に多段配置さ
れたことにある。

【００２４】図２は偏光分配素子と光路変換素子との動
作を説明する図である。

【００２５】偏光分配素子３−１〜３−７は、入射する
複数のコリメート光ビームのすべてに対し、その直交す
る二つの直線偏光成分の偏光面をそれぞれ４５°回転さ
せる。光路変換素子４−１〜４−６は、入射するすべて
のコリメート光ビームを直交する二つの直交偏光成分に
分離し、二つの光ビームの各々一方の直線偏光成分につ
いて、もう一方の光ビームの他方の直線偏光成分と合流
させ、同一光路上を伝搬させる。したがって、Ｎ回の偏
光分配および光路変換で２^N の光信号を分配でき、６個
の光路変換素子４−１〜４−６では各々の光信号を２⁶
＝６４に分配できる。さらに、これを偏光分配素子３−
７により分配し、２系列ずつ偏光多重化された６４系列
の光信号として偏波保持光ファイバ６に出力する。

【００２６】図３は第一実施例における光路変換のよう
すを示す図である。ここでは、簡単のため段数を減ら
し、３２入力３２出力の場合を示す。

【００２７】この図では、偏光分配素子を複数の光分岐
素子３１で表し、光路変換素子を結線部３２−１〜３２
−４で表している。２×２の光分岐素子３１は、入射す
る二つの光信号を各々二つに等分し、等分された光信号
の一方どうしを各々合波させて二つの同一の光信号とし
て出射する。結線部３２−１〜３２−５は光分岐素子３
１間を接続する。したがって、スターカップラの機能
が、光分岐素子３１を並列に配置した分岐素子段と結線
部とを交互に配置することにより実現される。図３から
明らかなように、光スターカップラの任意の一つの入力
端から入力された光信号は、各分岐素子段で順次二等分
され、最終的に３２個の出力端すべてに等しい強度で分
配される。

【００２８】図３に示した光スターカップラの結線は、
２^N 入力２^N 入力の光スターカップラに容易に拡張でき
る。この拡張は、端子数２^N-1 個の結線を二個並列に並
べ、その前段に二本の出力を一本ずつ上記二個の結線の
各々に分配する分岐素子段を設けることにより実現され
る。ここで、初段のｉ番目の光分岐素子３１の二個の出
力を次段のｉ番目の光分岐素子３１とｉ＋２^N-1 番目
（ｉ≦２^N-1 のとき）またはｉ−２^N-1 番目（ｉ＞２
^N-1 のとき）の光分岐素子３１とにそれぞれ接続すれ
ば、上記の条件が満たされる。

【００２９】図１に示した実施例は、図３における光分
岐素子への二個の光入力を同一の光路を伝搬した互いに
偏光面が直交する二つの直線偏光で実現し、光分岐素子
の機能を偏光分配素子で実現し、結線部の機能を光路変
換素子で実現したものである。

【００３０】図１に示した実施例における偏光分配素子
３−１〜３−７としては、水晶、ＫＤＰその他の複屈折
性をもつ物質による波長板を利用することができる。こ
こで、この波長板に電界強度「１」の直線偏光を入射し
た場合を考え、出射光のうちで入射偏光と同一の偏光成
分の電界強度をＥ_x 、直交する偏光成分の電界強度をＥ
_y とすると、 Ｅ_x ＝ cos²θ＋ sin²θ・ｅ^iφ Ｅ_y ＝ sinθ cosθ・ｅ^iφ が成立する。ただしθは入射偏光と波長板の主軸方向と
の間の角度、φは波長板の通過によって主軸方向の偏光
成分とこれに直交する偏光成分との間に生じる光波の位
相差を表す。ここで出射光のうちで入射偏光と同一の偏
光成分の光強度と直交する偏光成分の光強度とを等しく
するための条件は、 Ｅ_x Ｅ_x ^* ＝Ｅ_y Ｅ_y ^* が成立することである。ここで、^* は複素共役を表す。
これに上式を代入して両者の光強度を等しくするための
θ、φに対する条件を求めると、 sin２θ sin (φ／２）＝±１／２ が得られる。例えば複屈折性物質を半波長板（φ＝１８
０°）として用いる場合、２θの値は４５°あるいは１
３５°となる。したがって、この場合は、波長板の主軸
方向を入射偏光の偏光面に対して２２．５°なるいは６
７．５°回転させればよい。また、複屈折性物質を１／
４波長板（φ＝９０°）として用いる場合、２θの値は
±９０°となり、波長板の主軸方向を入射偏光の偏光面
に対して±４５°回転させればよい。

【００３１】また、偏光分配素子３−１〜３−７とし
て、水晶や液晶分子などの旋光性を有する物質を旋光角
が４５°＋９０°×ｎ（ｎは整数）となるような厚みに
調整した素子を用いることもできる。この場合に、素子
の通過に伴って入射直線偏光が４５°回転することによ
り、これをもとの入射偏光と同一の偏光成分とこれに直
交する偏光成分に分離した場合、その光強度が互いに等
しくなる。複屈折性物質を用いた偏光分子素子では、上
記のθおよびφの両方を調整する必要があるのに対し、
旋光性物質による偏光分配素子では旋光角の調整のみで
よく、調整が容易となる。特に、ツイステッドネマチッ
ク液晶は大きな旋光角をもつため、数μｍの厚みで上記
の旋光角を実現できるうえ、水晶などに比べて安価であ
るという利点がある。

【００３２】光路変換素子４−１、４−２、４−３はそ
れぞれ、入射する一方の偏光成分の光路をそれぞれ隣接
コリメート光ビーム間隔の４倍、２倍、１倍上下方向に
シフトさせ、その光路を交換する。ここで、各光ビーム
にその進行方向から見て右上から左右方向に順に番号を
つけたと仮定すれば、上下方向に光ビーム間隔のｍ倍の
光路シフトによる光路の交換を行うと、番号が８×ｍだ
け異なる光ビームどうしの光路変換が実現される。すな
わち、上下方向の光路の交換によって等価的に左右方向
の光路変換の８倍の光路シフトが実現される。一般に、
空間に光ビーム（１ビームで２チャネル）を２^M ×２^N
配列した２^M+N+1 チャネル光カップラの所要最大光路シ
フト量は、光ビーム間隔の２^max(M,N)-1倍に抑えられ
る。すなわち、光ビームを空間に二次元配列することに
より、入出力チャネル数に比べて光路変換の際のビーム
シフト量を小さく抑えられる。ＭとＮとの差がならべく
小さいほど光路交換の際のビームシフト量が小さくな
り、また、その他の実用的な面からも、Ｍ＝Ｎであるこ
とが望ましい。

【００３３】図４ないし図６に光路変換素子の構成例を
示す。

【００３４】この光路変換素子は、光入力ポート４１と
光出力ポート４４との間に、二つの直線偏光成分の一方
をそのまま透過し、他方をその入射位置に対してシフト
させる第一の複屈折結晶４２−１と、この複屈折結晶４
２−１をそのまま透過した直線偏光成分の半数とシフト
した直線偏光成分の半数とについて、互いの直線偏光成
分の偏光面が入れ替わるようにその偏光面を回転させる
偏光面交換素子４３と、複屈折結晶４２−１と実質的に
同一形状で前記他方の直線偏光成分のシフト方向が逆に
なるように配置された第二の複屈折結晶４２−２とを備
える。

【００３５】光入力ポート４１には二つの偏光成分をも
つ光信号が入力され、それが複屈折結晶４２−１により
分配される。一般に、光入力ポート４１の間隔のｎ倍の
光路シフト量を得るには、複屈折結晶４２−１により、
入射する異常光線を常光線に対してポート間隔のｎ倍シ
フトさせる。

【００３６】偏光面交換素子４３は、ポート間隔のｎ倍
毎に、ポート間隔のｎ倍の幅で配置する。偏光面交換素
子４３としては、例えば主軸が上記偏光成分の偏光面に
対して４５°回転した半波長板、あるいは入射偏光の偏
光面を９０°回転させる旋光性物質を用いる。

【００３７】これにより、偏光面交換素子４３を通過す
る光信号は、偏光面が回転し、複屈折結晶４２−１を常
光線で（図４ないし図６における横方向に）伝搬したも
のが複屈折結晶４２−２には異常光線として（同じく斜
め方向に）伝搬し、複屈折結晶４２−１を異常光線で伝
搬したものが複屈折結晶４２−２には常光線として伝搬
する。また、偏光面交換素子４３が設けられていない部
分を通過する光信号は、常光線はそのまま、異常光線は
シフト方向が反転して複屈折結晶４２−２内を伝搬す
る。したがって、光出力ポート４４には、二つの直線偏
光成分の一方が交換された光信号が得られる。

【００３８】図４は光路をその間隔の４倍だけシフトさ
せる素子を示す。複屈折結晶４２−１および４２−２に
よる常光線と異常光線との光路のシフト量が光路間隔の
４倍である。偏光面交換素子４３が設けられている位置
に向かって入射する光ビームは、異常光線成分が光路の
変更を受けずに伝搬し、常光線成分が異常光線に変換さ
れ、光路間隔の４倍下方にシフトした位置に現れる。一
方、偏光面交換素子４３のない位置に向かって伝搬する
光ビームは、常光線成分が光路の影響を受けずに出射
し、異常光線成分が光路間隔の４倍上方にシフトした位
置に現れる。

【００３９】図５、図６はそれぞれ光路をその間隔の２
倍、１倍だけシフトする素子を示す。この場合は、複屈
折結晶４２−１および４２−２による常光線と異常光線
との光路のシフト量がそれぞれ光路間隔の２倍、１倍で
ある。また、素子の各部の動作は図４と同等である。

【００４０】図４ないし図６に示した光路変換素子は、
図１に示した実施例のそれぞれ光路変換素子４−１、４
−２、４−３に相当する。また、図４ないし図６の光路
変換素子をそれぞれ９０°回転させて光ビームのシフト
方向を変更すれば、光路変換素子４−４、４−５、４−
６を実現できる。

【００４１】図７ないし図９は光路変換素子の別の構成
例を示す。この構成は、図４ないし図６に示した構成に
おける複屈折結晶を偏光ビームスプリッタ７２により置
き換えたものである。

【００４２】すなわち、光入力ポート７１から平行に入
射する光信号の整数倍の幅の偏光ビームスプリッタ７２
が、光信号の入射方向と垂直方向に積層された第一の偏
光ビームスプリッタアレイを構成する。また、この第一
の偏光ビームスプリッタアレイと向き合って対称に、第
二の偏光ビームスプリッタアレイが配置される。二つの
偏光ビームスプリッタアレイの間には、第一の偏光ビー
ムスプリッタアレイ内の偏光ビームスプリッタ７２を前
記入射方向に沿って透過した光ビームと、その偏光ビー
ムスプリッタ７２に前記垂直方向に入射して前記入射方
向に反射された光ビームとについて、その偏光方向が入
れ替わるようにそれぞれの偏光面を回転させる偏光面交
換素子が、入射光信号の整数倍の幅ごとに、その幅と等
しい幅で設けられる。第二の偏光ビームスプリッタアレ
イの出力側には、偏光面交換素子７３を挟んで光入力ポ
ート７１と対称に、光出力ポート７４が設けられる。偏
光面交換素子７３としては、上述した偏光面交換素子４
３と同等のものが用いられる。

【００４３】一般に、ポート間隔のｎ倍の光路のシフト
量をもった光路変換素子を得るには、偏光ビームスプリ
ッタ７２の一辺をポート間隔のｎ倍に一致させ、偏光面
交換素子７３の幅およびその間隔もポート間隔のｎ倍に
する。

【００４４】図７に示す素子は、光路をその間隔の４倍
だけシフトする素子であり、入力側の偏光ビームスプリ
ッタ７２のアレイによるＰ波とＳ波との間の光路のシフ
ト量が光路間隔の４倍である。

【００４５】光入力ポート７１から偏光面交換素子７３
が設けられた位置に向かう光ビームは、最初の偏光ビー
ムスプリッタ７２でＳ波が反射し、Ｐ波は透過する。最
初の偏光ビームスプリッタ７２で反射されたＳ波は、次
の偏光ビームスプリッタ７２でも反射し、光路間隔が４
倍シフトした位置、すなわち偏光面交換素子７３が設け
られていない部分を通過し、再び二つの偏光ビームスプ
リッタ７２で反射して入射位置の延長上の光出力ポート
７４に結合する。最初の偏光ビームスプリッタ７２を透
過したＰ波は、偏光面交換素子７３によりＳ波に変換さ
れ、二つの偏光ビームスプリッタ７２で反射して光路間
隔の４倍（図面で下方向に）シフトした位置の光出力ポ
ート７４に結合する。

【００４６】光入力ポート７１から偏光面交換素子７３
が設けられていない位置に向かう光ビームは、最初の偏
光ビームスプリッタ７２でＳ波が反射し、Ｐ波は透過す
る。反射したＳ波は次の偏光ビームスプリッタ７２でも
反射し、偏光面交換素子７３を通過してＰ波に変換さ
れ、光入力ポート７１とは光路間隔の４倍（図面で上方
向に）シフトした位置の光出力ポート７４に結合する。
最初の偏光ビームスプリッタ７２を透過したＰ波は、そ
のまま入射位置の延長上の光出力ポート７４に結合す
る。

【００４７】図８、図９は光路のシフト量がそれぞれ２
倍、１倍の素子であり、その動作は図７の素子と同等で
ある。

【００４８】図７ないし図９に示した光路変換素子は、
図１に示した実施例のそれぞれ光路変換素子４−１、４
−２、４−３に相当する。また、図７ないし図９の光路
変換素子をそれぞれ９０°回転させて光ビームのシフト
方向を変更すれば、光路変換素子４−４、４−５、４−
６を実現できる。

【００４９】図１０ないし図１２は光路変換素子のさら
に別の構成例を示す。

【００５０】この光路変換素子は、光入力ポート１０１
から平行に入射する光信号の整数倍の幅の偏光ビームス
プリッタ１０２が光信号の入射方向と垂直方向に積層さ
れた第一の偏光ビームスプリッタアレイと、この第一の
偏光ビームスプリッタアレイのひとつおきの偏光ビーム
スプリッタに向き合う鏡面対称の位置にそれぞれ偏光ビ
ームスプリッタ１０２が配置された第二の偏光ビームス
プリッタアレイとを備える。この第二の偏光ビームスプ
リッタアレイの偏光ビームスプリッタ１０２が設けられ
ていない部分は、偏光ビームスプリッタ１０２と同一形
状をもつガラスロッド１０３が配置される。すなわち、
第二の偏光ビームスプリッタアレイは、偏光ビームスプ
リッタ１０２とガラスロッド１０３とが交互に積層され
た構造をもつ。第二の偏光ビームスプリッタアレイの出
力側には、光入力ポート１０１と対称に光出力ポート１
０４が設けられる。

【００５１】一般に、ポート間隔のｎ倍の光路のシフト
量をもった光路変換素子を得るには、偏光ビームスプリ
ッタ１０２およびガラスロッド１０３の一辺をポート間
隔のｎ倍に一致させる。

【００５２】図１０に示す素子は、光路をその間隔の４
倍だけシフトする素子であり、入力側の偏光ビームスプ
リッタ１０２のアレイによるＰ波とＳ波との間の光路の
シフト量が光路間隔の４倍である。

【００５３】入射する光ビームのＰ波成分はいずれも光
路の変更を受けずに素子を通過する。出力側が偏光ビー
ムスプリッタ１０２である位置に入射したＳ波は、入力
側の偏光ビームスプリッタ１０２により光路間隔の４倍
（図面の上方向に）シフトし、そのままガラスロッド１
０３を通過して光出力ポート１０４に結合する。これに
対して、出力側がガラスロッド１０３である位置で入射
したＳ波は、入力側の偏光ビームスプリッタ１０２によ
り同様に光路間隔の４倍（図面の上方向に）シフトした
後、出力側の偏光ビームスプリッタ１０２により逆方向
（図面下方向）に光路間隔の８倍シフトし、光出力ポー
ト１０４に結合する。すなわち、Ｓ偏光成分は、その入
射位置によって逆方向に光路間隔の４倍シフトする。

【００５４】図１１、図１２に示す素子は、それぞれ光
路がその間隔の２倍、１倍シフトする素子であり、偏光
ビームスプリッタ１０２による光路のシフト量がそれぞ
れ光路間隔の２倍、１倍となっている。その他の動作は
図１０に示したものと同等である。

【００５５】図１０ないし図１２に示した光路変換素子
は、図１に示した実施例のそれぞれ光路変換素子４−
１、４−２、４−３に相当する。また、図１０ないし図
１２の光路変換素子をそれぞれ９０°回転させて光ビー
ムのシフト方向を変更すれば、光路変換素子４−４、４
−５、４−６を実現できる。

【００５６】図１３は本発明第二実施例の構造を示す斜
視図であり、図１４、図１５はその光路変換のようすを
示す図である。図１３は６４入力６４出力の光スターカ
ップラの例を示し、図１４、図１５は１６入力１６出力
についての結線を示す。

【００５７】図１に示した第一実施例では、偏波多重化
された光信号、すなわち互いに直交する直交偏光成分の
それぞれが独立に信号のキャリアとなっている信号を用
いている。したがって、これらの偏光成分の光波には位
相の相関はない。

【００５８】入射する光信号が偏光多重化されていない
場合でも、各入射光信号を互いに直交する二つの偏光多
重化された光信号とみなせるなら、第一実施例の構成に
よって等分岐比の大規模光スターカップラが実現でき
る。しかし、実際には光信号の互いに直交する直線偏光
成分どうしでは位相の相関がある。このような場合、偏
光分配により直交する偏光成分のそれぞれを正確に１：
１に分岐しても、これらを再び合波するときに光の干渉
が生じるため、一般には偏光分配素子の二つの出力は
１：１にはならない。例えば、直交偏光成分の強度が互
いに等しくその位相差が零の場合、これらを合波したも
のはもとの偏光方向に対して偏光面が４５°回転した直
線偏光を表すが、これらを１：１に分岐して合波する
と、一方は互いに同等となって強め合うのに対し、もう
一方は逆相となって互いに打ち消し合い、結果としてそ
の光強度は零となる。したがって、第一実施例の構成を
そのまま偏光多重化されていない光信号用のスターカッ
プラに利用することはできない。特に、入力光の偏光状
態が時間とともに変動する場合は、それに応じて偏光分
配素子の分岐比も変動し、等分岐比のスターカップラと
して動作しなくなる。

【００５９】このような光の干渉は、互いに位相の相関
がある直交偏光成分を同一の偏光成分に変換して合波す
ることにより生じる。そこで、入射する光信号が偏光多
重化されていない場合でも、各入射光信号を直交する偏
光成分に分離した後に、これらが同一の偏光成分の光と
して合波されないようにすれば、等分岐比の光スターカ
ップラを実現できる。

【００６０】すなわち、図１３に示す実施例では、入力
ポートの光信号が入射する最初の段と出力ポートの前段
とが、偏光分配素子ではなく、光路変換素子４−１、４
−７となっており、これらが同等の光路変換を行う。

【００６１】図１４および図１５は、各入射光信号を直
交する偏光成分に分離した後にこれらが同一の偏光成分
の光として合波されないようにし、かつすべての入力光
信号がすべての出力に等分配される光スターカップラの
結線を示す。これらの図において、近接して隣合う２本
の入力あるいは出力が、それぞれひとつの偏光多重化さ
れていない光信号の互いに直交する二つの偏光成分を表
す。すなわち、２×２の光分岐素子１４１は、入射する
二つの光信号の各々を二つに等分し、等分された光信号
の一方どうしに各々合波して二つの同一光信号として出
射する。これらの光分岐素子１４１は、結線部１４２−
１〜１４２−５により結線される。

【００６２】図１４に示すように、入力側および出力側
に互いに同等の機能をもった結線部１４２および１４２
−５を設け、その中間に、図３に示したと同等の１６入
力１６出力の中間結線部を二つ並列に配置する。すべて
の入力光信号は、一段目の結線部１４２−１によって直
交偏光成分に分離され、これらが互いに別の中間結線部
に導かれる。したがって、二つの中間結線部には、それ
ぞれ１６個の互いに位相の相関がない光信号が入力され
る。二つの中間結線部は、それぞれ図３に示したものと
同等の１６入力１６出力の光スターカップラ構成となっ
ているため、その入力は等強度で合波されて出力され
る。二つの中間結線部は最終段の結線部４２−５によっ
て合波される。このとき、同じ入力光信号の互いに直交
する偏光成分が合波されるが、合波される光信号が互い
に直交偏光であるため、これら同じ入力光信号成分も合
波される際に互いに直交した偏光成分となる。したがっ
て、これらの成分間では干渉は起こらず、等分配の光ス
ターカップラが実現される。

【００６３】ここで、図１４における中間結線部は図３
に示した結線と同等であるから、容易に２^N 入力２^N 出
力に拡張できる。したがって、初段および最終段の光結
線部でひとつの光信号の互いに直交する成分を互いに異
なる中間結線部に導くことにくより、図１４の構成も容
易に２^N 入力２^N 出力に拡張できる。

【００６４】図１５は図１４と等価な結線を示す。図１
４に示した結線では両端の結線部で大きく光路をシフト
させる必要があるが、図１５に示す結線では、隣接した
光路へのシフトで同等の機能を達成できる。これは、実
用上において、大きな光路シフトを必要とする光路変換
素子の数を減らす効果がある。したがって、図１５に示
す結線を用いれば、カップラを通過する光の光路長を短
縮することができ、光の回折による通過光ビームの広が
りや光学系の調整の不備による通過損失の増加を減少さ
れることができる。

【００６５】このように、図１４または図１５の結線で
は、入力側および出力側に互いに同等の結線部１４２−
１、１４２−５を設け、初段の結線部１４２−１によっ
て入力光を直交する直線偏光に分離し、最終段の結線部
１４２−５によって、これらを互いに直交する直線偏光
として合成しているため、入力光の偏光状態の変動によ
って分岐比が変動することがない。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光スター
カップラは、各偏光分配素子の分岐比を正確に１：１に
設計することが可能であるため、原理的にすべての入力
光信号を完全に同一の光強度ですべての出力側光ファイ
バに結合することができる。

【００６７】また、偏光分配素子や光路変換素子として
複屈折結晶、偏光ビームスプリッタ、旋光性物質を組み
合わせて使用する場合には、光の吸収がほとんどなく、
表面に反射防止コートを施すことにより容易に通過損失
を０．１ｄＢ以下にすることができ、通過損失の問題を
解決して低損失の光スターカップラを実現できる。

【００６８】さらに、光信号の入出力部を二次元に配置
でき、大規模化が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例の構造を示す斜視図。

【図２】偏光分配素子と光路変換素子との動作を説明す
る図。

【図３】３２入力３２出力の場合の光路変換のようすを
示す図。

【図４】光路変換素子の構成例を示す図であり、シフト
量が光路間隔の４倍の光路変換素子を示す図。

【図５】シフト量が光路間隔の２倍の光路変換素子を示
す図。

【図６】シフト量が光路間隔の１倍の光路変換素子を示
す図。

【図７】光路変換素子の別の構成例を示す図であり、シ
フト量が光路間隔の４倍の光路変換素子を示す図。

【図８】シフト量が光路間隔の２倍の光路変換素子を示
す図。

【図９】シフト量が光路間隔の１倍の光路変換素子を示
す図。

【図１０】光路変換素子のさらに別の構成例を示す図で
あり、シフト量が光路間隔の４倍の光路変換素子を示す
図。

【図１１】シフト量が光路間隔の２倍の光路変換素子を
示す図。

【図１２】シフト量が光路間隔の１倍の光路変換素子を
示す図。

【図１３】本発明第二実施例の構造を示す斜視図。

【図１４】１６入力１６出力の場合の光路変換のようす
を示す図。

【図１５】１６入力１６出力の場合の別の光路変換のよ
うすを示す図。

【図１６】平面導波路を用いた従来例光スターカップラ
の構成例を示す斜視図。

【図１７】一部を拡大した平面図。

【図１８】複数の２×２光スターカップラを結線した従
来例を示す図。

【符号の説明】

１、６ 偏波保持光ファイバ ２、５ コリメータアレイ ３−１〜３−７ 偏光分配素子 ４−１〜４−７ 光路変換素子 ３１、１４１ 光分岐素子 ３２−１〜３２−４、１４２−１〜１４２−５ 結線部 ４１、７１、１０１ 光入力ポート ４２−１、４２−２ 複屈折結晶 ４３、７３ 偏光面交換素子 ４４、７４、１０４ 光出力ポート ７２、１０２ 偏光ビームスプリッタ １０３ ガラスロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/28 - 6/293 G02B 27/28

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の入力ポートにそれぞれ入射した光
   信号を各々複数の出力ポートに分配する光スターカップ
   ラにおいて、 入射光信号をそれぞれ実質的に等しい強度の二つの直線
   偏光成分に分配する偏光分配素子と、 この偏光分配素子を通過した複数の光信号の二つの光信
   号ごとに、その一方の光信号から分配された二つの直線
   偏光成分の一方を他方の光信号から分配された二つの直
   線偏光成分の一方の光路に結合し、その他方の光信号か
   ら分配された二つの直線偏光成分の他方を前記一方の光
   信号から分配された二つの直線偏光成分の他方の光路に
   結合する光路変換素子とが交互に多段配置されたことを
   特徴とする光スターカップラ。
2. 【請求項２】 入力ポートに入射する光信号は偏光多重
   化された光信号であり、 その光信号が入射する最初の段および出力ポートの前段
   には偏光分配素子が配置された請求項１記載の光スター
   カップラ。
3. 【請求項３】 入力ポートの光信号が入射する最初の段
   にはその光信号の互いに直交する偏光成分を分離する光
   路変換素子が設けられ、 同一の光信号の互いに直交する偏光成分の光路が互いに
   結合することなく偏光分配および光路変換が行われるよ
   うに偏光分配素子および光路変換素子が交互に多段配置
   され、 出力ポートの前段には入射したときに同一であった光信
   号の互いに直交する偏光成分を結合させる光路変換素子
   が設けられた請求項１記載の光スターカップラ。
4. 【請求項４】 入力ポートは、正整数Ｍ、Ｎに対して２
   ^M ×２^N の二次元アレイに配置され、かつ実質的に等し
   い間隔で互いに平行な光ビームが出射されるように配置
   された請求項１ないし３のいずれか記載の光スターカッ
   プラ。
5. 【請求項５】 光路変換素子は、 二つの直線偏光成分の一方をそのまま透過し、他方をそ
   の入射位置に対してシフトさせる第一の複屈折結晶と、 この第一の複屈折結晶をそのまま透過した直線偏光成分
   の半数とシフトした直線偏光成分の半数とについて、互
   いの直線偏光成分の偏光面が入れ替わるようにその偏光
   面を回転させる偏光面交換素子と、 前記第一の複屈折結晶と実質的に同一形状で前記他方の
   直線偏光成分のシフト方向が逆になるように配置された
   第二の複屈折結晶とを含む請求項１ないし４のいずれか
   記載の光スターカップラ。
6. 【請求項６】 光路変換素子は、 平行に入射する光信号の整数倍の幅の偏光ビームスプリ
   ッタが光信号の入射方向と垂直方向に積層された第一の
   偏光ビームスプリッタアレイと、 この第一の偏光ビームスプリッタアレイと向き合って対
   称に配置された第二の偏光ビームスプリッタアレイと、 前記第一および前記第二の偏光ビームスプリッタアレイ
   の間に配置され、前記第一の偏光ビームスプリッタアレ
   イ内の偏光ビームスプリッタを前記入射方向に沿って透
   過した光ビームと、その偏光ビームスプリッタに前記垂
   直方向に入射して前記入射方向に反射された光ビームと
   について、その偏光方向が入れ替わるようにそれぞれの
   偏光面を回転させる偏光面交換素子とを含み、 この偏光面交換素子は、前記整数倍の幅ごとに、その幅
   と等しい幅で設けられた請求項１ないし４のいずれか記
   載の光スターカップラ。
7. 【請求項７】 光路変換素子は、 平行に入射する光信号の整数倍の幅の偏光ビームスプリ
   ッタが光信号の入射方向と垂直方向に積層された第一の
   偏光ビームスプリッタアレイと、 この第一の偏光ビームスプリッタアレイのひとつおきの
   偏光ビームスプリッタに向き合う鏡面対称の位置にそれ
   ぞれ偏光ビームスプリッタが配置された第二の偏光ビー
   ムスプリッタアレイとを含む請求項１ないし４のいずれ
   か記載の光スターカップラ。
8. 【請求項８】 偏光分配素子は複屈折性物質により形成
   された波長板を含み、 この波長板は、その光学的な主軸方向と入射光信号の直
   線偏光成分の偏光方向とのなす角度をθとし、偏光方向
   が前記主軸方向に一致する光と直交する光とでその波長
   板を通過するときに生じる位相差をφとするとき、 sin２θ sin（φ／２）＝±１／２ の関係が成立するように形成された請求項１ないし７の
   いずれか記載の光スターカップラ。
9. 【請求項９】 偏光分配素子は、旋光角が ４５°＋９０°×ｎ、ただしｎは整数 の旋光性物質により形成された請求項１ないし７のいず
   れか記載の光スターカップラ。