JP3403457B2 - 光学プリズムおよびその結合装置 - Google Patents
光学プリズムおよびその結合装置Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信機器および光計
測装置等の広範な光学分野に適用できる光学プリズムお
よび光学プリズムを包含する光学結合装置に関する。
測装置等の広範な光学分野に適用できる光学プリズムお
よび光学プリズムを包含する光学結合装置に関する。
【0002】
【従来の技術および課題】光通信機器等に利用される光
学装置において、長距離光通信網における光増幅システ
ムを装荷した光伝送技術が急速に発展し、大容量の信号
伝送が瞬時に世界中に分配することが実現されようとし
ている。すでに初期段階の技術的な困難さは実験室規模
ではほぼ解決されたが、実際の量産を考慮したポンプ光
源の合波,分波器や、光ファイバ間に配置する偏波無依
存型光アイソレータなどの光受動部品を実装する場合
は、個々の構成部品の仕上り度合いや、形状公差が組立
精度,組立の容易性に直接反映される。
学装置において、長距離光通信網における光増幅システ
ムを装荷した光伝送技術が急速に発展し、大容量の信号
伝送が瞬時に世界中に分配することが実現されようとし
ている。すでに初期段階の技術的な困難さは実験室規模
ではほぼ解決されたが、実際の量産を考慮したポンプ光
源の合波,分波器や、光ファイバ間に配置する偏波無依
存型光アイソレータなどの光受動部品を実装する場合
は、個々の構成部品の仕上り度合いや、形状公差が組立
精度,組立の容易性に直接反映される。
【0003】したがってそれらの光学部品が簡単に高精
度で組み立てられる構造であることが必要条件である。
例えば、光ファイバ間に、ある機能をもったデバイスを
挿入し、レンズを介して光学結合をはかるとき、光線軸
に対して光線伝播方向をz軸、直交する方向にx軸、y
軸と定めても、伝播光線結合軸調整(以下、軸合わせと
呼称する)はこれらz・x・y3方向だけでなく、z軸
を中心軸とする経線方向をθ軸、経線に直交する方向を
φ軸とする角度調整も必要である。
度で組み立てられる構造であることが必要条件である。
例えば、光ファイバ間に、ある機能をもったデバイスを
挿入し、レンズを介して光学結合をはかるとき、光線軸
に対して光線伝播方向をz軸、直交する方向にx軸、y
軸と定めても、伝播光線結合軸調整(以下、軸合わせと
呼称する)はこれらz・x・y3方向だけでなく、z軸
を中心軸とする経線方向をθ軸、経線に直交する方向を
φ軸とする角度調整も必要である。
【0004】すなわち理想的には、軸合わせは空間的に
5方向の調整を行わねばならないが、限られた空間に関
連システムを凝縮しなければならない通信用交換器等の
分野では、光アイソレータ等の光受動部品に割り当てら
れる厚みはおよそ8mm、あるいは8mm以下に制限されて
おり、個々の部品を自由に調整し軸合わせが行えるよう
な空間は望めない。したがって構成部品の自由度を予め
減らすことが要求される。
5方向の調整を行わねばならないが、限られた空間に関
連システムを凝縮しなければならない通信用交換器等の
分野では、光アイソレータ等の光受動部品に割り当てら
れる厚みはおよそ8mm、あるいは8mm以下に制限されて
おり、個々の部品を自由に調整し軸合わせが行えるよう
な空間は望めない。したがって構成部品の自由度を予め
減らすことが要求される。
【0005】一方、光増幅システム等では、信号光線の
送信,受信システムの原価低減も当然実施されるべき事
項であるが、現状は例えば図2(1992年電子情報通信学
会春季大会講演番号C-262)に示されるような構造が試
みられており、それぞれの部品が独立した直列光学経路
を構成しているため、システム全体では部品点数が増
え、経済的にも高価な設備とならざるを得ない。たとえ
ば図2では信号入力ポート1、同出力ポート2の光結合
ファイバ間に挿入するインライン型無偏波光アイソレー
タ3,光合波器4,光励起用ポンプ光源5・6,波長選
択フィルタ7,モニタ光取出し用無偏光ビームスプリッ
タ8等が、それぞれ独立もしくは接着剤で接合された状
態で配置されており、光結合効率や光吸収損失等の光学
特性はもちろんのこと、製造上の煩雑性,部品点数の削
減化等に問題が残されている。
送信,受信システムの原価低減も当然実施されるべき事
項であるが、現状は例えば図2(1992年電子情報通信学
会春季大会講演番号C-262)に示されるような構造が試
みられており、それぞれの部品が独立した直列光学経路
を構成しているため、システム全体では部品点数が増
え、経済的にも高価な設備とならざるを得ない。たとえ
ば図2では信号入力ポート1、同出力ポート2の光結合
ファイバ間に挿入するインライン型無偏波光アイソレー
タ3,光合波器4,光励起用ポンプ光源5・6,波長選
択フィルタ7,モニタ光取出し用無偏光ビームスプリッ
タ8等が、それぞれ独立もしくは接着剤で接合された状
態で配置されており、光結合効率や光吸収損失等の光学
特性はもちろんのこと、製造上の煩雑性,部品点数の削
減化等に問題が残されている。
【0006】一方、本発明に言及されているような光線
方向を直角に偏向する光学部品はすでに多数あり、それ
ぞれ用途に応じて使用されている。たとえば図4(a)は
その一例のペンタプリズムである。本発明と同様に入射
光線の90゜偏向はできるが、たとえば本発明が提案する
ような波長合分波器として用いるときは、透過光の入射
光に対する平行度も極めて重要な構造的利点であるが、
図から容易に認められるように、透過光の平行が維持で
きない欠点がある。
方向を直角に偏向する光学部品はすでに多数あり、それ
ぞれ用途に応じて使用されている。たとえば図4(a)は
その一例のペンタプリズムである。本発明と同様に入射
光線の90゜偏向はできるが、たとえば本発明が提案する
ような波長合分波器として用いるときは、透過光の入射
光に対する平行度も極めて重要な構造的利点であるが、
図から容易に認められるように、透過光の平行が維持で
きない欠点がある。
【0007】また、合分波器として三角プリズムの中間
に誘電体多層膜を形成し、同形の三角プリズムを貼り合
わせる構成もあるが、その場合光線が45゜入射となり、
入射光線偏光ベクトルのs波とp波の間に、透過波長特
性(分散特性)の大きな差異があり、しかも光増幅シス
テムに用いる場合、貼り合わせ面が長期信頼性を阻害す
る要因と考えられる。そこで光合分波器として、図4
(b)のような平行平板の一面に合分波膜を形成した構造
もあり、透過光線の入射光線に対する平行性は維持され
ているが、この場合図中に示されるように平板の入射光
線に対する角度変動が出射光線方向の大きな変動にな
り、合波もしくは分波光線方向の位置合わせが困難とな
る欠点が生じ、本発明が達成しようと考えている用途に
は利用できない。
に誘電体多層膜を形成し、同形の三角プリズムを貼り合
わせる構成もあるが、その場合光線が45゜入射となり、
入射光線偏光ベクトルのs波とp波の間に、透過波長特
性(分散特性)の大きな差異があり、しかも光増幅シス
テムに用いる場合、貼り合わせ面が長期信頼性を阻害す
る要因と考えられる。そこで光合分波器として、図4
(b)のような平行平板の一面に合分波膜を形成した構造
もあり、透過光線の入射光線に対する平行性は維持され
ているが、この場合図中に示されるように平板の入射光
線に対する角度変動が出射光線方向の大きな変動にな
り、合波もしくは分波光線方向の位置合わせが困難とな
る欠点が生じ、本発明が達成しようと考えている用途に
は利用できない。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、かかる現状問
題を解決する手段として、従来のペンタプリズムとは機
能,形状から異なる5角柱の新規なプリズムを提案する
ものであり、長方形もしくは正方形角柱の一稜線部分
が、角柱面に対して45゜をなす平面で削除された斜面か
らなる断面形状を有する5角柱光学プリズムにおいて、
その斜面に対向し、互いに90゜の角度で隣接する2角柱
面の何れか一方の表面に、誘電体多層膜から構成される
波長合分波膜が直接形成され、かつ斜面が反射鏡からな
ることを特徴とした5角柱光学プリズムである。
題を解決する手段として、従来のペンタプリズムとは機
能,形状から異なる5角柱の新規なプリズムを提案する
ものであり、長方形もしくは正方形角柱の一稜線部分
が、角柱面に対して45゜をなす平面で削除された斜面か
らなる断面形状を有する5角柱光学プリズムにおいて、
その斜面に対向し、互いに90゜の角度で隣接する2角柱
面の何れか一方の表面に、誘電体多層膜から構成される
波長合分波膜が直接形成され、かつ斜面が反射鏡からな
ることを特徴とした5角柱光学プリズムである。
【0009】またこの5角柱プリズムを内側に配置した
少なくとも一対の平行平面と、その平行平面に直角に隣
接する面からなる直方体側面を有し、前記側面に光結合
用レンズを固定し、前記5角柱プリズムを介してレンズ
間を光学結合することを特徴とした光学結合装置を提供
するものである。図1(a),(b)は、それぞれ本発明に基
づくプリズムの斜視図(a)および入射点を中心にプリズ
ム本体を旋回した場合の透過,反射光の変化状態(b)を
図示したものである。図1(a)において直角4角柱の1
角だけ角柱を形成する4面に対して45゜に傾斜した面を
削除し、5角柱を形成する。それぞれの内角が90゜と13
5゜に精度よく形成することが製作上の困難点である
が、従来のペンタプリズムに比較すれば、4角柱から製
作できるので精度制御は容易である。
少なくとも一対の平行平面と、その平行平面に直角に隣
接する面からなる直方体側面を有し、前記側面に光結合
用レンズを固定し、前記5角柱プリズムを介してレンズ
間を光学結合することを特徴とした光学結合装置を提供
するものである。図1(a),(b)は、それぞれ本発明に基
づくプリズムの斜視図(a)および入射点を中心にプリズ
ム本体を旋回した場合の透過,反射光の変化状態(b)を
図示したものである。図1(a)において直角4角柱の1
角だけ角柱を形成する4面に対して45゜に傾斜した面を
削除し、5角柱を形成する。それぞれの内角が90゜と13
5゜に精度よく形成することが製作上の困難点である
が、従来のペンタプリズムに比較すれば、4角柱から製
作できるので精度制御は容易である。
【0010】また光線の透過反射方向の幾何学的関係を
開示したものが図3である。図において光線入射面11に
対して角度θiで入射するとき、面12から透過する出射
光線の11面に対する角度θoは、面11と面12が平行だか
らスネルの法則から当然θi=θoである。次に、面12,
面13に合分波膜や反射膜を形成したとき、反射を繰り返
しながら面14から出射される光線の面14となす角度φ
は、図中に記したように面11における屈折角度α、面12
の反射角度は当然αであり、面13に於ける反射角β、面
14に対する入射角γとすると、スネルの法則からプリズ
ムの屈折率n、外周の屈折率noとするとα,β,γお
よびφの間には以下の数1から数4の関係があり、数5
が導かれる。
開示したものが図3である。図において光線入射面11に
対して角度θiで入射するとき、面12から透過する出射
光線の11面に対する角度θoは、面11と面12が平行だか
らスネルの法則から当然θi=θoである。次に、面12,
面13に合分波膜や反射膜を形成したとき、反射を繰り返
しながら面14から出射される光線の面14となす角度φ
は、図中に記したように面11における屈折角度α、面12
の反射角度は当然αであり、面13に於ける反射角β、面
14に対する入射角γとすると、スネルの法則からプリズ
ムの屈折率n、外周の屈折率noとするとα,β,γお
よびφの間には以下の数1から数4の関係があり、数5
が導かれる。
【0011】
【数1】α=sin-1(no/n・sinθi)
【数2】β=45゜−α
【数3】γ=180゜−{45゜+90゜+β}=45゜−β
【数4】φ=sin-1(n/no・sinγ)
【数5】φ=θi
すなわち反射後の光線と入射光線とのなす角度は面11と
面14のなす角度と一致するので、正確に90゜を示す。
面14のなす角度と一致するので、正確に90゜を示す。
【0012】一方、図1(b)のP1から導入した光線
は、光線角度は変化せずに5角柱光学プリズムを光線入
射点Oを原点として時計方向,反時計方向に±10゜前後
回転させたとしても、P2およびP4から出射される段
階で上記の関係から、回転角度にかかわらずP1の光線
方向に対して平行移動することが認められる。実際に図
5に示すような直方体に本プリズムを配置し、直方体の
側面に内部にファイバとレンズを包含するヨーク付き光
結合部を形成するようなファイバ間に挿入する光学機器
等に搭載するとき、光線の結合に影響する光軸からの片
寄り,傾き等の角度ずれに対して考慮しなくても良くな
り、高度な光学結合を達成できる。
は、光線角度は変化せずに5角柱光学プリズムを光線入
射点Oを原点として時計方向,反時計方向に±10゜前後
回転させたとしても、P2およびP4から出射される段
階で上記の関係から、回転角度にかかわらずP1の光線
方向に対して平行移動することが認められる。実際に図
5に示すような直方体に本プリズムを配置し、直方体の
側面に内部にファイバとレンズを包含するヨーク付き光
結合部を形成するようなファイバ間に挿入する光学機器
等に搭載するとき、光線の結合に影響する光軸からの片
寄り,傾き等の角度ずれに対して考慮しなくても良くな
り、高度な光学結合を達成できる。
【0013】したがって、本発明の構成は光線軸に対し
て、反射光が2回の内部反射を繰り返して直角に出射す
るように傾斜した5角柱光学プリズムを、直方体空間内
に配置し、底面および天井面を除外した直方体側面の
内、一対の平行平面と、その2面に直角に隣接する1側
面の少なくとも3面の適切な部位に光線貫通穴を設け、
その側面を基準に光ファイバ間に挿入した光学装置の光
学結合をはかるもので、その直方体底面と側面が高精度
に直角が形成されていれば、レンズ間の結合に際して傾
き調整は無視しても差し支えなく、側面上の二次元調整
だけ考慮すれば良い。すなわち前記5角柱光学プリズム
から出射される光線が全て入射光線方向に対して平行光
線と、直交光線に分岐され、それぞれの光線は角度は変
化せず、プリズムの設定がずれたとしても平行移動する
だけで、直方体の直角面と、平行面をそのまま利用でき
るからである。
て、反射光が2回の内部反射を繰り返して直角に出射す
るように傾斜した5角柱光学プリズムを、直方体空間内
に配置し、底面および天井面を除外した直方体側面の
内、一対の平行平面と、その2面に直角に隣接する1側
面の少なくとも3面の適切な部位に光線貫通穴を設け、
その側面を基準に光ファイバ間に挿入した光学装置の光
学結合をはかるもので、その直方体底面と側面が高精度
に直角が形成されていれば、レンズ間の結合に際して傾
き調整は無視しても差し支えなく、側面上の二次元調整
だけ考慮すれば良い。すなわち前記5角柱光学プリズム
から出射される光線が全て入射光線方向に対して平行光
線と、直交光線に分岐され、それぞれの光線は角度は変
化せず、プリズムの設定がずれたとしても平行移動する
だけで、直方体の直角面と、平行面をそのまま利用でき
るからである。
【0014】
【実施例1】一辺が3mmの屈折率1.51のガラス角柱の一
辺を研削し、他の角柱面に対して45゜となる平面を形成
し、その斜平面(図3に於ける面13)と、対向する2面
の一方の面(図3に於ける面12)に金属反射膜を真空蒸
着法により形成した。このプリズムを平面上に設置し、
設置平面に平行なコリメート光線を面11の原点Oから導
入し、Oを原点として面11に10゜の角度で入射した光線
を±0.5゜振ったとき、面14から放射される光線の出射
方向と入射光線とのなす角度をヘリウムネオンレーザ光
線を用いて振れ角度を計測し、その角度から面11と面14
とのなす角度Aを差し引いた変動角度δを算定した。表
1はその結果である。
辺を研削し、他の角柱面に対して45゜となる平面を形成
し、その斜平面(図3に於ける面13)と、対向する2面
の一方の面(図3に於ける面12)に金属反射膜を真空蒸
着法により形成した。このプリズムを平面上に設置し、
設置平面に平行なコリメート光線を面11の原点Oから導
入し、Oを原点として面11に10゜の角度で入射した光線
を±0.5゜振ったとき、面14から放射される光線の出射
方向と入射光線とのなす角度をヘリウムネオンレーザ光
線を用いて振れ角度を計測し、その角度から面11と面14
とのなす角度Aを差し引いた変動角度δを算定した。表
1はその結果である。
【0015】
【表1】
表中の数値は、計測分解能±0.01゜近傍での変化に留ま
っており、実質上の変動角δはほとんどなく、入射光と
出射光が面11と面14とのなす角度を保存していることは
明白である。この実施例から本プリズムを光学装置に搭
載するときプリズムの設置角度の変動に対して、光線の
傾きは無関係であり、単に結合レンズを平面的に調整す
れば高い光学結合が得られる。
っており、実質上の変動角δはほとんどなく、入射光と
出射光が面11と面14とのなす角度を保存していることは
明白である。この実施例から本プリズムを光学装置に搭
載するときプリズムの設置角度の変動に対して、光線の
傾きは無関係であり、単に結合レンズを平面的に調整す
れば高い光学結合が得られる。
【0016】
【実施例2】一辺が3mmの屈折率1.51のガラス角柱の一
辺を研削し、他の角柱面に対して45゜に形成すれば直角
に偏向した光線が得られるが、実際はプリズムの加工精
度に依存する。実施例2は、製造上の許容公差を確認す
るため±0.5゜の範囲で仕上り角度を変化させたとき、
生じる出射光線の45゜を中心値にしたときの変動角度δ
を算出し、表2を得た。
辺を研削し、他の角柱面に対して45゜に形成すれば直角
に偏向した光線が得られるが、実際はプリズムの加工精
度に依存する。実施例2は、製造上の許容公差を確認す
るため±0.5゜の範囲で仕上り角度を変化させたとき、
生じる出射光線の45゜を中心値にしたときの変動角度δ
を算出し、表2を得た。
【0017】
【表2】
偏角差が±0.3゜以内ならば仕上り角度精度として±0.1
で成形すれば安定化することが分かる。プリズムを作製
する許容公差として可能な範囲である。
で成形すれば安定化することが分かる。プリズムを作製
する許容公差として可能な範囲である。
【0018】
【実施例3】一辺が3mmの屈折率1.51のガラス角柱の一
辺を研削し、他の角柱面に対して45゜となる平面を形成
し、図6(a),(b)で示すようにその斜平面(面13)に金
属反射膜を真空蒸着し、対向する2面の一方の面12に波
長選択フィルタを形成した。このプリズムはエルビウム
ドープファイバ光増幅に適用可能な構成であり、図中
(a)は後方励起用、(b)は前方励起用光合分波器として機
能する。図5で示すようにP4から1480nmの励起光を導
入し、P1もしくはP2から信号光が導入される。励起
光は45゜斜面と波長選択フィルタによって2回反射して
から信号光系に取り込まれる。この場合プリズムの配置
精度は殆ど無調整でもP1とP2は平行になっており、
P1,P2の出射光に対してP4が直角光線として出射
されるため、図に一例を示した直方体マウントを用いれ
ば組立は容易に実施できる。
辺を研削し、他の角柱面に対して45゜となる平面を形成
し、図6(a),(b)で示すようにその斜平面(面13)に金
属反射膜を真空蒸着し、対向する2面の一方の面12に波
長選択フィルタを形成した。このプリズムはエルビウム
ドープファイバ光増幅に適用可能な構成であり、図中
(a)は後方励起用、(b)は前方励起用光合分波器として機
能する。図5で示すようにP4から1480nmの励起光を導
入し、P1もしくはP2から信号光が導入される。励起
光は45゜斜面と波長選択フィルタによって2回反射して
から信号光系に取り込まれる。この場合プリズムの配置
精度は殆ど無調整でもP1とP2は平行になっており、
P1,P2の出射光に対してP4が直角光線として出射
されるため、図に一例を示した直方体マウントを用いれ
ば組立は容易に実施できる。
【0019】
【発明の効果】本発明の構成を光合分波器として適用す
る場合は、図2における4,8の貼り合わせ構造を排除
でき、さらに図2の4,7あるいは7,8を一体構造と
して部品点数の低減化を具体化することも可能である。
したがってレンズを介して波長選択フィルタを別個に配
備する従来構造より原価低減化が得られるし、組立時の
結合効率、光学系の信頼性も確保できるものである。さ
らに本発明は光ファイバ間に挿入し、無偏波光アイソレ
ータと波長選択フィルタを一体化し、部品点数を削減し
た構成であるが、光サーキュレータや光増幅モジュール
に、レンズ一体型光ファィバ端末を連結して簡略な光学
装置を形成することも容易に実装できる広範な応用が見
込める小型で低価格、かつ量産容易な光学装置を提供す
るものである。
る場合は、図2における4,8の貼り合わせ構造を排除
でき、さらに図2の4,7あるいは7,8を一体構造と
して部品点数の低減化を具体化することも可能である。
したがってレンズを介して波長選択フィルタを別個に配
備する従来構造より原価低減化が得られるし、組立時の
結合効率、光学系の信頼性も確保できるものである。さ
らに本発明は光ファイバ間に挿入し、無偏波光アイソレ
ータと波長選択フィルタを一体化し、部品点数を削減し
た構成であるが、光サーキュレータや光増幅モジュール
に、レンズ一体型光ファィバ端末を連結して簡略な光学
装置を形成することも容易に実装できる広範な応用が見
込める小型で低価格、かつ量産容易な光学装置を提供す
るものである。
【図1】本発明に基づく5角柱光学プリズムの斜視図
(a)および入射点を中心にプリズム本体を旋回した場合
の透過,反射光の変化状態(b)を示す。
(a)および入射点を中心にプリズム本体を旋回した場合
の透過,反射光の変化状態(b)を示す。
【図2】従来の光増幅システムの概略図を示す。
【図3】光線の透過反射方向の幾何学的関係を示す。
【図4】従来のペンタプリズム(a)と平行平板型合分波
器(b)の概略図を示す。
器(b)の概略図を示す。
【図5】本発明の5角柱光学プリズムによる光学結合装
置の構成概略図を示す。
置の構成概略図を示す。
【図6】本発明の5角柱光学プリズムの後方励起用
(a)、前方励起用(b)光合分波器として概略図を示す。
(a)、前方励起用(b)光合分波器として概略図を示す。
1 信号入力ポート
2 信号出力ポート
3 インライン型無偏波光アイソレータ
4 光合波器
5,6 光励起用ポンプ光源
7 波長選択フィルタ
8 モニタ光取出し用無偏光ビームスプリッタ
Claims (3)
- 【請求項1】 長方形もしくは正方形角柱の一稜線部分
が、角柱面に対して45゜をなす平面で削除された斜面か
らなる断面形状をなし、前記斜面に反射鏡が形成され、
前記斜面に対し、互いに90゜の角度で隣接する2角柱面
の何れか一方の表面に、誘電体多層膜から構成される波
長合分波膜が直接形成され、2つの波長を合波または分
波するために、一方の波長は透過し、他方の波長は反射
機能をもたせることを特徴とした5角柱光学プリズム。 - 【請求項2】 光線軸に対して傾斜した請求項1記載の
5角柱プリズムを内側に配置した少なくとも一対の平行
平面と、その平行平面に直角に隣接する面からなる直方
体側面を有し、前記側面に光結合用レンズを固定し、前
記5角柱プリズムを介してレンズ間を光学結合すること
を特徴とした光学結合装置。 - 【請求項3】 光線軸に対して傾斜した請求項1記載の
5角柱プリズムを内側に配置した少なくとも一対の平行
平面と、その平行平面に直角に隣接する面からなる直方
体側面を有し、波長合分波膜を形成した一側面は透過か
つ反射面とし、その反射光を5角柱反射鏡で形成された
斜面で受け、その他の側面からはそれらの入射あるいは
出射を行う機能を有する5角柱プリズムを配置したこと
を特徴とした光学結合装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17729693A JP3403457B2 (ja) | 1993-06-24 | 1993-06-24 | 光学プリズムおよびその結合装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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