JP3821167B2

JP3821167B2 - 一方向性光パワーモニター

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Publication number: JP3821167B2
Application number: JP2006514674A
Authority: JP
Inventors: 勝鈴木; 毅佐藤; 修宏上野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: KR20060085660A; CN1860393A; DE602005018640D1; JPWO2005124415A1; CN100427984C; EP1760503A4; KR100766291B1; EP1760503A1; US7255497B2; WO2005124415A1; EP1760503B1; US20070036491A1

Description

本発明は、主に光通信分野において用いられる光パワーモニターに係るものである。

近年、情報通信における技術革新は目覚しく、インターネットの普及による通信速度の高速化の要求および情報量の増加に対応するため、電気信号による通信から光信号による通信へと移行しつつある。多くの基幹となるケーブルは、様々な中継点から情報が集まってくるため、光ケーブルへと置き換わりつつあり、処理速度が格段に向上してきた。今後は、そうした光ケーブルとユーザー端末との間の通信が見直されるようになり、より安くより快適な情報通信環境の整備への要求は、ますます厳しくなってきている。

光通信網が整備されるに従って、情報の授受が高速に行なわれるようになり、またそれに伴って新たな用途も拡大し、光通信網を行き交う情報量がさらに増加している。光ファイバーの処理できる情報量を上げるには、高周波の信号を使用して単位時間あたりの信号量を増大させるとともに、波長多重方式と呼ばれる、異なる情報に関する種種の波長を持った信号をひとつの光ファイバー中で同時に送信する技術が用いられるようになった。また、緻密で信頼性の高い通信網を形成するには、多方向、多経路への接続を確保する必要があり、保守用途の観点からも複数の光ファイバーの利用は必須となっている。

多数の信号を光ファイバーで伝送する光通信回路を形成するには、波長多重した光信号を各波長に分波し、また逆に種種の波長の光信号を合波し、更には、光信号の分岐や挿入を行なうＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ（以下、ＷＤＭと略す）システムが必要となる。情報量が増加すると共に、扱われる情報の重要性も高くなってきた。光信号が欠落した場合には、どの光信号がどこで欠落したのかを迅速に把握する必要があり、光信号の接続の可否だけでなく、場合によっては信号強度を確認することも必要となる。また、伝送距離が長くなると、光信号強度が減衰するので、光信号を増幅するためのＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ（以下、ＥＤＦＡと略す）が必要になる。ＥＤＦＡでは、増幅比を判定するために外部から入力した光信号の強度や、増幅したあと外部に出射する光信号の強度を正確に把握することが必要になり、信頼性の高い光通信システムを構築するためには、こうした細かいモニタリング機能が不可欠となってきている。

ＷＤＭシステムでは、光信号の入射・出射の方向が決まっており、光信号をモニタリングする場合には、その方向性は特に必要とされていなかった。しかし、ＥＤＦＡにおいては、ポンプレーザーを入射して、特殊ファイバー内を伝播させることによって光信号を増幅するので、増幅した光信号が逆流することがあり、光信号の増幅量を正確に判断するには、入力ファイバーからの光信号のみを検知し、出力ファイバーからの戻り光は検知しないという機能が必須になる。

従来の一般的な光信号のモニタリング方法としては、光カプラで光信号の一部を分岐し、分岐した光信号を光ダイオードで検知するという技術が用いられていた。そのため、各部品を融着接続することが必要であり、それが実装工数低減の妨げとなっていた。また、光カプラは、光ファイバーの光信号伝播部位であるコアを近接することにより光信号を分岐させる構造であり、かつ近接部の長さが分岐量の重要なパラメーターであることから、製品のサイズを小さくすることが困難であり、部品サイズの低減に対する妨げとなっていた。最近では、ＥＤＦＡ装置のダウンサイジングに対する要求が強く、部品サイズを小型化できないことが、ＥＤＦＡ装置の小型化及び高実装密度化に対する制約にもなっている。

取扱い易く小型化された双方向性光パワーモニターの一例が、特許文献１に開示されている。開示されている装置の構造を図６に示す。２本の光ファイバー５１，５２（それぞれ入力光ファイバー５１と出力光ファイバー５２）を有するマルチキャピラリーガラスフェルール５３（ピッグテイルファイバーに相当）とＧＲＩＮ（ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘ）レンズ５４を所定長さの空隙５５を介して対向させている。ＧＲＩＮレンズの端面にはフィルター５６（タップ膜に相当）が設けられていて、ＧＲＩＮレンズを通った光の反射と透過を行なう。フィルターを透過した光は空隙５７を通りフォトンデテクター５８（光ダイオードに相当）で電気信号に変換されて、光ファイバーに入力した光の強度を測定する。マルチキャピラリーガラスフェルール５３とＧＲＩＮレンズ５４はガラスチューブ６０，６１で保持されている。２本の光ファイバー５１，５２は、何れも光の入力および出力を行うことができるので、この装置は双方向性光パワーモニターと言える。ここで、ＧＲＩＮレンズは中心軸から外周方向に向かって放射状に連続的に屈折率が変化しているガラス製の円柱である。屈折率は、外周に行くに従って大きくなっており、光が外周側に向かって広がれば広がるほど、光の進行方向は中心軸方向に曲げられてフィルター中心に透過光が集まる。

入力光ファイバー５１から空隙５５に入った光はＧＲＩＮレンズ５４を通りＧＲＩＮレンズの端面のフィルター５６に到達する。フィルター５６に到達した光の大部分は反射しＧＲＩＮレンズ５４と空隙５５を通り、出力光ファイバー５２に入り出力光となる。フィルター５６に到達した光の一部はフィルター５６を透過し、空隙５７を通り、フォトンデテクター５８に入り電気信号に変換されて出力される。これら一連の光の経路を実線の矢印で示している。逆に、出力光ファイバー５２から光を入れると前述した光路と同様の経過をたどり、入力光ファイバー５１から光を取り出すことができる。フィルター５６を透過した光は空隙５７を通り、フォトンデテクター５８に入り電気信号に変換されて出力される。これら一連の光の経路を破線の矢印で示している。

一方向性を持った光パワーモニタの例が、非特許文献１に開示されている。開示されている装置の構造を、図７に示す。部品名称は、非特許文献１で用いられているものを使用する。ポート１、ポート２と呼称されている２本の入力光ファイバー８１，出力光ファイバー８２を有する２芯フェルール８０（ピッグテイルファイバーに相当）と、ＧＲＩＮレンズ８３とを突合せている。ＧＲＩＮレンズ８３の端面には誘電体ミラー８４（タップ膜に相当）を形成し、光の反射と透過を行っている。ＧＲＩＮレンズの中心軸とフォトディテクター８５（光ダイオードに相当）の中心軸はずらして配置されている。

光の流れを説明する。入力光ファイバー８１（ポート１）から入った光（入力光）は、ＧＲＩＮレンズ８３を通り誘電体ミラー８４で反射と透過を起こす。反射した光は、ＧＲＩＮレンズを通り出力光ファイバー８２（ポート２）に入り出力光となる。誘電体ミラーを透過した光は、フォトディテクター８５に入り電気信号に変換され電気信号として出力される。これら一連の光の経路を実線の矢印で示している。次に、出力光ファイバー８２（ポート２）から入った光について説明する。出力光ファイバー８２（ポート２）から入った光は、ＧＲＩＮレンズ８３を通り誘電体ミラー８４で反射と透過を起こす。反射した光は、再びＧＲＩＮレンズを通り入力光ファイバー８１（ポート１）に入り出力光となる。誘電体ミラーを透過した光は、ＧＲＩＮレンズの光軸（中心軸）とフォトディテクター８５の光軸（中心軸）とがずれているため、フォトディテクター８５には入らず外部へと放出される。そのため、出力光ファイバー８２（ポート２）から入った光の強度は測定できない。これら一連の光の経路を破線の矢印で示している。つまり、入力光ファイバー８１（ポート１）から入った光の強度は測定できるが、出力光ファイバー８２（ポート２）から入った光の強度は測定しないと言う、方向性を有する光パワーモニターとなっている。

一方向性光パワーモニターの方向性特性は、入力光ファイバーから光を入力したときの光ダイオードの受光感度Ａ（μＡ／ｗ）と出力光ファイバーから同じ光を入力したときの光ダイオードの受光感度Ｂ（μＡ／ｗ）との比をｄＢ単位で表わし、方向性特性＝１０・ｌｏｇ_１０（Ａ／Ｂ）で求めたものである。一方向性光パワーモニターでは２５ｄＢ以上の方向性特性が要求されている。

図７に示した一方向性光パワーモニターでは、ＧＲＩＮレンズの光軸とフォトダイオードの光軸との位置関係について論じているが、ＧＲＩＮレンズと光ダイオードとの間の光路の詳細構造は説明されていない。一方向性光パワーモニターとするには、ＧＲＩＮレンズと光ダイオードを、スリーブ等を用いて位置決めと固定を行なう必要がある。ＧＲＩＮレンズと光ダイオードとが接近し過ぎると、何れの光ファイバーから入った光の透過光をも検知するため、ＧＲＩＮレンズと光ダイオードはある距離以上離す必要がある。
米国特許６，６０３，９０６２００２年３月２８日開催電子情報通信学会講演番号Ｃ−３−５１予稿集１８３ページ図３

本発明の目的とするところは、入力光ファイバーと出力光ファイバーとを持ち、入力光ファイバーから入った光信号についての受光感度が優れているが、出力光ファイバーから入った光信号についての受光感度が低く、方向性特性に優れている小型の一方向性光パワーモニターを提供することである。

本発明の一方向性光パワーモニターは、
小さな間隔で平行に並べられた２本の光ファイバーを持ち、それら光ファイバーの開口を１つの端面上で端面中心の周りに持つピッグテイルファイバーと、
互いに対向している２つの端面を持ち、それらのうち一方の端面はピッグテイルファイバーの前記１つの端面と対向していて、他の端面はその上にタップ膜を有する円柱状ＧＲＩＮレンズと、
第一の端と第二の端とを持つスリーブであって、第一の端から、第一の端と第二の端との間の略中間位置まで開けられている第一の円孔と、第二の端から前記略中間位置まで開けられていて、第一の円孔の中心軸から偏芯している中心軸を持つ第二の円孔とを有するとともに、前記第一の円孔は、前記略中間位置で第二の円孔と接続する通孔と中間壁とを持つものと、
前記スリーブの第二の端において第二の円孔内に前記通孔に向かって設けられているレンズを前面に持つ光ダイオードとを有し、
前記２本の光ファイバーのうち一方の光ファイバーから入力され前記タップ膜を透過した光信号は第一の円孔と第二の円孔とを通って前記光ダイオードに達し、
前記２本の光ファイバーのうち他方の光ファイバーから入力され前記タップ膜を透過した光信号はスリーブの前記中間壁によってその光路が妨げられるように、前記ＧＲＩＮレンズがスリーブの第一の円孔内に位置決めされている。

本発明の一方向性光パワーモニターにおけるスリーブは、第一の円孔と、第一の円孔の中心軸から偏芯している中心軸を持つ第二の円孔とを有している。円柱状ＧＲＩＮレンズがスリーブの第一の端において第一の円孔内に位置決めされていて、スリーブの第二の端においてレンズを持った光ダイオードが第二の円孔内に設けられているので、円柱状ＧＲＩＮレンズの光軸とレンズを前面に持つ光ダイオードの光軸、すなわち光ダイオードの前面に設けられたレンズの光軸とは、第一の円孔と第二の円孔の中心軸間距離に相当する距離偏芯している。

２本の光ファイバーのうち一方の光ファイバー（「入力光ファイバー」と呼ぶことがある）から入射した光信号は、その光ファイバー開口で空隙に放射され、ビーム径が広がりながらＧＲＩＮレンズに入る。ＧＲＩＮレンズ内では、光の進行方向を変化させ略平行光になったところでタップ膜に到達し、所定の比率で反射と透過をする。タップ膜で反射した光は、再びＧＲＩＮレンズ内を通過し、更にビーム径が絞られながら進行し、空隙に放射される。その後、他方の光ファイバー（「出力光ファイバー」と呼ぶことがある）の開口に焦点を結び、入力光ファイバーから入射した光が出力光ファイバーに接続する。タップ膜を透過した光は、スリーブの第一の円孔から通孔を経由して第二の円孔を通ってＧＲＩＮレンズの光軸から偏芯した光軸を持って固定されたレンズ付き光ダイオードに入り、入力光ファイバーからモニターに入力した光信号の光量を測定できる。

２本の光ファイバーのうち他方の光ファイバーから入射した光は、空隙に放射されたあとＧＲＩＮレンズに入る。ＧＲＩＮレンズ内では光の進行方向が変化して略平行光になり、タップ膜により所定の比率で反射と透過を行なう。タップ膜で反射した光は、ＧＲＩＮレンズ、空隙の経路を取り入力光ファイバーに接続する。タップ膜を透過した光は、ＧＲＩＮレンズの中心線に対して対称な方向に進み、スリーブ内の第一の円孔の奥に（略中間位置に）設けた略垂直の中間壁で反射し、減衰しながら光の進行方向を変える。その後、光は、第一の円孔と平行な内周壁面で更に反射、減衰を繰り返しながら、ＧＲＩＮレンズの方向に戻るので、レンズ付き光ダイオードにはほとんど入射しない。

本発明の一方向性光パワーモニターのスリーブは、不透明で黒色系セラミックスかガラス、プラスチック材で作ることができる。スリーブを不透明な材料で構成することによって、複数の光パワーモニター間の相互干渉を防ぐことができるとともに、方向性特性に優れたものとすることができる。更に、労働安全面においても好ましい。

不透明な材料の中でも、黒色系の材料がより好ましい。黒色系材料は一般に光反射率が低いので、内壁もしくは内周面で反射を繰り返させることで、出力光ファイバーから入力された光をほぼゼロまで減衰させることができる。黒色系材料としてはセラミックやガラス、プラスチックが使用できる。黒色系セラミックでは、アルミナやジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、ソフトフェライト、ハードフェライトが適している。黒色系ガラスの材料では、シリカを主原料にしたものやアルミナを主原料にしたもの、チタニアを主原料にしたもの、更にはそれらの複合材料も使用できる。黒色系プラスチックとしては、エポキシ樹脂や液晶ポリマー、ポリフェニレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレン樹脂、アゾ化合物樹脂、ポリエステル樹脂が適している。また、カーボン系の材料も同様の効果が期待でき使用することができる。ソフトフェライト、ハードフェライトを用いると、本発明の一方向性光パワーモニターを整列させたり、磁石や磁性体に容易に取り付けることができる。

本発明の一方向性光パワーモニターでは、ＧＲＩＮレンズ光軸と光ダイオードのレンズ光軸との光軸間距離をＬ、タップ膜を透過する光のガウスビーム半径をＲ、前記レンズ付き光ダイオードのレンズ直径をＤとしたとき、Ｄ≧２Ｌ≧１．５１７Ｒ＋Ｄ／２であることが望ましい。

光はビームの横断面内で一様な強度を示すのではなく、ビーム中心で最も強くビーム外周方向に向かって減衰していく分布を持つ。この分布はガウス分布と呼ばれビームの進行方向に関する関数であるため、ビームの進行とともに徐々にビームが広がり、同時に減衰していく。ビーム進行方向における任意の横断面において、ガウス分布が維持されることが知られている。ビームの強度は、その位置での光を電気変換することにより求めることが可能になるが、ビームの広がり具合については、相対的なある指標を持つことが必要になる。そこで、ビームの中心強度に対し、１／ｅ^２の強度に減衰する半径をビームのサイズを示す指標とし、ガウスビーム半径と称している。ここで、ｅは自然対数の底である。

本発明の一方向性光パワーモニターは、一方の光ファイバーから入射しタップ膜を透過した光のみを光ダイオードで検知し、他方の光ファイバーから入射しタップ膜を透過した光は光ダイオードで検知しないことが必要である。そのため、ＧＲＩＮレンズの光軸と光ダイオードのレンズの光軸との光軸間距離は重要である。ビームの中心強度に対し、強度が１％に減衰する位置はガウスビーム半径の１．５１７倍として求めることができる。１％に減衰した光がレンズ付き光ダイオードに入射しないような位置関係にするには、光軸間距離の２倍の値を、ガウスビーム半径の１．５１７倍にレンズ直径の半分を加算したものより大きくすることが好ましい。この様な関係にすることで、入力光ファイバーから光を入れた時の光ダイオードの出力Ａと、出力光ファイバーから光を入れた時の光ダイオードの出力Ｂでは、出力Ｂは出力Ａに比べ少なくとも２桁以上の差を持って小さくすることが可能となる。

反対に、光軸間距離Ｌは、光ダイオードのレンズ直径Ｄの１／２よりも小さい値とすることが好ましい。光軸間距離Ｌが光ダイオードのレンズ直径Ｄの１／２より大きくなると、受光感度が急激に低下するとともに、使用するスリーブ外径が大きくなってその取扱いが不便になりまたその製作が困難になる。

本発明によって、方向性特性の高い小型で高性能な一方向性光パワーモニターを提供することができた。また本発明の一方向性光パワーモニターは、黒色で不透明な材料で作ったスリーブを用いて、ＧＲＩＮレンズと光ダイオードとをそれらの光軸を偏芯させて固定しているので、出力光ファイバーから入った光信号のタップ膜を透過した部分をスリーブ内壁で減衰させており、方向性特性がよいものとなっている。

図１は本発明の実施例１の一方向性光パワーモニターの断面図である。図２は本発明の実施例６の一方向性光パワーモニターの断面図である。図３は、受光感度と方向性特性とを光軸間距離Ｌとの関係で示すグラフである。図４（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の実施例７の一方向性光パワーモニターの断面図である。図５は比較例の一方向性光パワーモニターの断面図である。図６は従来の双方向性光パワーモニターの断面図である。図７は非特許文献１に示されている一方向性光パワーモニターの断面図である。

符号の説明

２ピッグテイルファイバー
３（入力）光ファイバー
４（出力）光ファイバー
７ＧＲＩＮレンズ
８タップ膜
９スリーブ
１０光ダイオード
９１第一の円孔
９２第二の円孔
９３中間壁
９４通孔

実施例１
本発明の実施例１による一方向性光パワーモニターを図１に断面図で示す。一方向性光パワーモニターは、２本の光ファイバー（入力光ファイバー３と出力光ファイバー４）を持ったピッグテイルファイバー２と、タップ膜８を有する円柱状ＧＲＩＮレンズ７と、光ダイオード１０と、ＧＲＩＮレンズと光ダイオードとの間に光路を形成しているスリーブ９とからなっている。２本の光ファイバー３、４が小さな間隔（２本の光ファイバー間ピッチが約２５０μｍ）を持って平行に並べられてモールドされてピッグテイルファイバー２を形成し、ピッグテイルファイバー２の一端面でその中心の周りにそれら２本の光ファイバー３、４が開口を持つ。円柱状ＧＲＩＮレンズ７は互いに対向している２つの端面を持ち、その一方の端面は２本の光ファイバー開口を持ったピッグテイルファイバーの端面と小さな空隙５（１００〜３００μｍ）を介して対向しており、他の端面はその上にタップ膜８を持っている。ピッグテイルファイバー２と円柱状ＧＲＩＮレンズ７とはそれらの軸が実質的に一列に並んでいる。ピッグテイルファイバーのＧＲＩＮレンズと対向している端面と、ＧＲＩＮレンズのピッグテイルファイバーと対向している端面とは、それぞれ光軸に関して約８°の傾斜角を持っており、それらの対向面での反射を防いでいる。

ＧＲＩＮレンズは、ｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘｌｅｎｓを意味しており、レンズの中心軸から外周に向かって連続的に屈折率が大きくなっている。ＧＲＩＮレンズの中心軸から離れた位置を中心軸に平行に進む光はレンズの中心方向に曲げられるので、ＧＲＩＮレンズの一方の端面から入った光は他方の端面の中心付近から出る。ここで用いたＧＲＩＮレンズ７の中心軸における屈折率が１．５９０で、屈折率勾配定数が０．３２６である。ＧＲＩＮレンズ端面に設けたタップ膜８は、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とを周期的に積層した誘電体多層膜で、光の透過率を表すタップ率は１％であった。ＧＲＩＮレンズを通過してタップ膜に達した光の大部分をタップ膜表面で反射し、その光の一部をタップ膜は透過する。

この実施例で、ピッグテイルファイバー２とＧＲＩＮレンズ７とは直径１．８ｍｍであり、外径２．８ｍｍで内径１．９ｍｍの不透明で黒色をした円筒状ガラスからなるチューブ６の通孔内にエポキシ樹脂接着剤で固定されている。ピッグテイルファイバー２とＧＲＩＮレンズ７とをチューブ６の通孔内に小さな空隙５を持って固定する際に、ピッグテイルファイバーの一方の光ファイバーから入り他方の光ファイバーから出る光信号を光マルチメータでモニターしながらその光信号強度がもっとも大きくなるように、その空隙５の大きさを決める。

ＧＲＩＮレンズ７と光ダイオード１０との間に光路を形成しているスリーブ９は、第一の端と第二の端とを持ち、第一の端から、第一の端と第二の端との略中間位置まで開けられている第一の円孔９１と、第二の端からその略中間位置まで開けられている第二の円孔９２をその中に有している。第二の円孔９２は、第一の円孔９１から偏芯していて、第一の円孔９１はその奥端に、すなわち略中間位置に中間壁９３と、第二の円孔と接続している通孔９４とを持つ。この実施例では、スリーブ９は黒色のアルミナセラミックスで作られている。スリーブ９の長さすなわち第一の端から第二の端までの長さは１４．０ｍｍであった。第一の円孔と第二の円孔とは内径が２．０ｍｍで、第一の円孔の中心軸と第二の円孔の中心軸とは平行で０．９ｍｍの中心軸間距離となっていた。スリーブの一方の端から略中間位置まで７．０ｍｍであった。略中間位置で第一の円孔の中心軸に垂直な面内に、通孔９４と中間壁９３とがある。ＧＲＩＮレンズ７のタップ膜が付いている側の端部を第一の円孔の中にスリーブの第一の端から２．０ｍｍまで挿入して接着剤で固定されている。ＧＲＩＮレンズ７のタップ膜８と中間壁９３との距離は５．０ｍｍであった。

レンズ（直径１．９ｍｍ）を先端に持つ光ダイオード１０（直径２．０ｍｍ）をスリーブの第二の端から第二の円孔内に挿入固定している。光ダイオードの光電気変換素子は、光通信波長帯で高い感度を持ったＩｎＧａＡｓを用いた。第二の円孔内で略中間位置から光ダイオード１０のレンズ先端までの距離が５．０ｍｍとなっている。

この一方向性光パワーモニターで、光ファイバー３から入った光信号はピッグテイルファイバー２の端の光ファイバー３の開口からＧＲＩＮレンズ７に伝わり、ＧＲＩＮレンズ７の端に付けられたタップ膜８でその大部分が反射して光ファイバー４を通って送られる。光ファイバー３から入ってタップ膜８に達した光信号の一部がタップ膜を透過して、実線矢印で示されているように第一の円孔９１から通孔９４を経由して第二の円孔９２を通って光ダイオード１０でその強度が検出される。

光ファイバー４から入った光信号はピッグテイルファイバー２の端にあるタップ膜８でその大部分が反射して光ファイバー３を通って送られる。光ファイバー４から入ってタップ膜８に達した光信号の一部がタップ膜を透過するが、その透過した光信号は破線矢印で示されているように第一の円孔９１の奥端にある中間壁９３に当たりそこでほとんどの光が吸収され一部が中間壁９３で反射される。光ファイバー４から入った光信号のうちきわめて少ない部分のみが第二の円孔９２を通って光ダイオード１０に達する。そのために光ファイバー３から入った光信号のうちこの光パワーモニターで測定される光量は多いが、光ファイバー４から入った光信号のうちこの光パワーモニターで測定される光量はきわめて少ない。すなわち、この光パワーモニターは優れた一方向性を有している。

この一方向性光パワーモニターの光学特性と電気特性の評価を行なった。光ファイバー３から波長１５５０ｎｍ、光強度０ｄＢｍの光を入力したときの挿入損失０．３１ｄＢ，光ダイオードによる受光感度９．８ｍＡ／ｗであった。光ファイバー４から同じ光を入力したとき、挿入損失０．３１ｄＢ，光ダイオードによる受光感度２４．１μＡ／ｗであった。この一方向性光パワーモニターの方向性特性は２６．１ｄＢとなり、要求される２５ｄＢ以上が得られた。

実施例２
本発明による実施例２の一方向性光パワーモニターは、図１に示した実施例１の一方向性光パワーモニターでピッグテイルファイバー２に取り付けられている２本の光ファイバー３、４の間隔を１２５μｍとしている。そして、スリーブ９の長さを２４ｍｍ、タップ膜８とレンズ付き光ダイオード１０との距離を２０ｍｍとした。実施例２の一方向性光パワーモニターの他の構成は、図１に示した実施例１の一方向性光パワーモニターと同じであった。

この一方向性光パワーモニターで入力光ファイバー３から光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が６．７ｍＡ／ｗであった。この一方向性光パワーモニターでタップ膜とレンズ付き光ダイオードとの距離を実施例１のものよりも長くしているために、タップ膜を透過して光ダイオードに向かう光ビームが広がりガウスビーム半径がより大きくなっているので、この受光感度が実施例１のものよりも低下している。

出力光ファイバー４から光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が２０．６μＡ／ｍであり、この一方向性光パワーモニターで方向性特性２５．１ｄＢを得ることができた。２本の光ファイバー間隔を実施例２では小さくしているので、それらの光ファイバーから入ってＧＲＩＮレンズを通過した光信号がＧＲＩＮレンズの軸となす角が小さくなっている。しかし、ＧＲＩＮレンズのタップ膜と光ダイオードとの距離を長くしているので、優れた方向性特性を得ることができた。しかし、２本の光ファイバー間隔が実施例２のように小さい場合にはスリーブをより長くする必要があるので、優れた方向性特性を得るには、光パワーモニターを大きくする必要がある。

実施例３
実施例３の一方向性光パワーモニターでは、ＧＲＩＮレンズとして中心軸における屈折率１．６３４、屈折率勾配定数０．４１７のものを用いた。これらの屈折率と屈折率勾配定数とは実施例１におけるＧＲＩＮレンズのものよりも大きい。このように大きな屈折率を持つＧＲＩＮレンズを用いた一方向性光パワーモニターでは、入力光ファイバー３から入ってＧＲＩＮレンズを透過した光と、出力光ファイバー４から入ってＧＲＩＮレンズを透過した光とがなす角が実施例１におけるよりも大きくなる。そのために、タップ膜とレンズ付き光ダイオードとの距離を８ｍｍと、実施例１におけるよりも短くすることができた。また、屈折率が大きいので、ＧＲＩＮレンズ内で光が早く収斂して、ガウスビーム半径が小さくなり、レンズ付き光ダイオードで光を集めやすくなる。

この一方向性光パワーモニターで入力光ファイバー３から光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が１０．２ｍＡ／ｗであり、出力光ファイバー４から光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が１９．２μＡ／ｗであった。この一方向性光パワーモニターの方向性特性は２７．３ｄＢと非常に良好であった。

実施例４
実施例４の一方向性光パワーモニターでは、実施例１の一方向性光パワーモニターのタップ膜をＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５との積層膜とした。そのタップ率は実施例１と同じで１％であった。この一方向性光パワーモニターはその他の構成は実施例１と同じとした。この一方向性光パワーモニターで入力光ファイバーから光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が９．８ｍＡ／ｗであり、出力光ファイバーから光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が２１．４μＡ／ｗであった。この一方向性光パワーモニターの方向性特性は２６．６ｄＢであった。この実施例から、タップ膜としてＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５との積層膜を用いることができることが確認できた。

実施例５
実施例１の一方向性光パワーモニターでスリーブ材質のみを表１に示している各材質とした光パワーモニターＭ１からＭ１７それぞれについて、入力光ファイバーから光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度、出力光ファイバーから光信号を入力したときの光ダイオードの受光感度、方向性特性及び暗電流を測定して同表に示している。暗電流は、入力光ファイバーと出力光ファイバーとのいずれからも光入力がない状態での光ダイオードの出力電流なので、外部からスリーブ壁を通って入って来た光を検出したことを意味している。いずれの光パワーモニターにおいても暗電流が０．０４３〜０．０７７ｎＡで何れも０．１ｎＡ未満の満足できる値であった。

表１から明らかなように、光パワーモニターＭ１〜Ｍ１７のいずれにおいても２５ｄＢ以上の方向性特性が得られた。特に、セラミック製スリーブを用いているＭ１〜Ｍ５では２６ｄＢ以上の方向性特性が得られた。

実施例６
小型で受光感度が高く、また方向性特性の良い一方向性光パワーモニターを得ることができる、ＧＲＩＮレンズの光軸と光ダイオードの光軸との光軸間距離Ｌについて検討した。実施例１の一方向性光パワーモニターでスリーブ９のみを長さ方向で２つに分割した図２に示す光パワーモニターとした。２つに分割したスリーブ１８とスリーブ１９とを相対的に動かして光軸間距離Ｌを変えることのできる構造とした。光ダイオード１０のレンズ直径Ｄは１．９ｍｍであった。タップ膜８を通過した光のガウスビーム半径Ｒをビームプロファイラーを用いて測定したところガウスビーム半径Ｒは０．３８ｍｍであった。

光軸間距離Ｌを変えて、入力光ファイバー３から光を入れたときの光ダイオード１０による受光感度と、方向性特性を求め、それを図３にグラフに表している。光軸間距離Ｌを０．８ｍｍよりも小さくしたときと０．９５ｍｍよりも大きくしたときに受光感度と方向性特性が低下している。光軸間距離Ｌがある値よりも小さいときには、入力光ファイバー３からの光が光ダイオード１０に入りにくくなっているために受光感度が低下するが、出力光ファイバー４からの光のうち光ダイオード１０で検出される量が増えるために方向性特性が低下したものと考えられる。光はビーム内で、ガウス分布に従った強度分布をしているので、ある光軸間距離Ｌにおける光強度はガウスビーム半径Ｒを用いて算出することができる。また、レンズ付き光ダイオードが光を検出するのは、光ダイオードのレンズに光が入ったときに限られるので、ＧＲＩＮレンズ７の光軸とレンズ付き光ダイオード１０の光軸との光軸間距離Ｌと、タップ膜８を透過する光のガウスビーム半径Ｒと、光ダイオードのレンズ直径Ｄとの間に、２Ｌ≧１．５１７Ｒ＋Ｄ／２の関係が成り立つことがわかった。この実施例の数値をこの式に入れると、光軸間距離Ｌは０．７６３ｍｍ以上のときに方向性特性が２５ｄＢ以上となる。

他方、図３で光軸間距離Ｌが０．９５ｍｍよりも大きくなると、受光感度が急激に低下するが、方向性特性は０．９５〜１．０ｍｍの光軸間距離Ｌでは低下が緩やかとなっている。光軸間距離Ｌが大きくなると、第一の円孔と第二の円孔との間にある通孔が小さくなり、入力光ファイバーから入ってＧＲＩＮレンズとタップ膜を透過した入力光のうち通孔を通って光ダイオードのレンズに導かれる部分が少なくなるものと考えられる。光軸間距離Ｌを０．９５ｍｍ以下に、すなわち光ダイオードのレンズ直径Ｄ／２以下にする必要がある。

以上のことから光軸間距離Ｌは、ガウスビーム半径Ｒとレンズ直径Ｄを用いた次の不等式を満足することが要求される。
Ｄ≧２Ｌ≧１．５１７Ｒ＋Ｄ／２

実施例７
図４（ａ）から（ｃ）に、実施例１のスリーブ形状と異なる実施例７を示す。光ファイバー４から入ってタップ膜８に達した光（破線矢印で示す）の一部は中間壁で吸収、反射されるように、中間壁は実施例１の図１と同じ位置に設けられている。光ファイバー３から入ってタップ膜８を透過した光（実線矢印で示す）は、第一の円孔と第二の円孔とを経由して光ダイオード１０に到達する。第一の円孔と第二の円孔との内壁が実線矢印で示す光路を妨げ無ければ良いので、図４（ａ）から（ｃ）に示す形状をしたスリーブを採用することができる。図４（ａ）と（ｂ）とに示すスリーブ９は、円柱状の黒色のアルミナセラミックスの両端から、ダイヤモンド砥石を用い、第一の円孔と第二の円孔の中心軸をずらして加工した。図４（ｃ）に示すスリーブ９は、内側に傾斜を有する円筒状に成形、焼結した黒色のアルミナセラミックスに、ダイヤモンド砥石で円孔を追加工して得た。これらスリーブを用いて製作した一方向性光パワーモニターの方向性特性は、実施例１と同じ２６．１ｄＢが得られた。

比較例
図５に断面図で示している比較例の一方向性光パワーモニターは、スリーブの構造を除いて、実施例１の一方向性光パワーモニターと同じ構造をしている。図５で図１と同じ部品を用いている部分には図１と同じ符号を用いて示している。ＧＲＩＮレンズ７のタップ膜８と光ダイオード１０のレンズとの距離を実施例１におけるのと同じ１０ｍｍとした。ＧＲＩＮレンズ７と光ダイオード１０とを連結しているスリーブ３８は茶色の着色ガラスで作り、そのガラス製スリーブの略中間に緩やかな傾斜を設けてＧＲＩＮレンズ光軸と光ダイオード光軸との光軸間距離を０．９ｍｍとした。

入力光ファイバー３からＧＲＩＮレンズ７に入った光信号の一部はタップ膜８を透過して図中実線矢印で示すように光ダイオード１０で検出される。出力光ファイバー４からＧＲＩＮレンズ７に入った光信号のうちタップ膜８を透過した部分は図中破線矢印４３で示すようにガラス製スリーブ３８の壁を透過してモニターの外へ放出されるので、光ダイオード１０では検出されない。この一方向性光パワーモニターの方向性特性は２３〜２４ｄＢとあまりよくなかった。それは、ガラス製スリーブの壁で一部の光が反射を受けたり、外部の光がスリーブ内に入るので、それらの光が光ダイオードで検出されたためであると考えられる。

本発明は光通信回路、特にＥＤＦＡを持った増幅回路など、に適した光信号強度を測定するモニタリング装置を提供する。本発明の一方向性光パワーモニターは、光信号強度を測定すべき方向から入ってきた光信号のみを検出・測定し、逆方向から入ってきた光信号を測定しないので、測定すべき光信号強度を正しく測定することができる。更に、この一方向性光パワーモニターは小型なので光通信回路全体を小さくすることができる。

Claims

小さな間隔で平行に並べられた２本の光ファイバーを持ち、それら光ファイバーの開口を１つの端面上で端面中心の周りに持つピッグテイルファイバーと、
互いに対向している２つの端面を持ち、それらのうち一方の端面はピッグテイルファイバーの前記１つの端面と対向していて、他の端面はその上にタップ膜を有する円柱状ＧＲＩＮレンズと、
第一の端と第二の端とを持つスリーブであって、第一の端から、第一の端と第二の端との間の略中間位置まで開けられている第一の円孔と、第二の端から前記略中間位置まで開けられていて、第一の円孔の中心軸から偏芯している中心軸を持つ第二の円孔とを有するとともに、前記第一の円孔は、前記略中間位置で第二の円孔と接続する通孔と中間壁とを持つものと、
前記スリーブの第二の端において第二の円孔内に前記通孔に向かって設けられているレンズを前面に持つ光ダイオードとを有し、
前記２本の光ファイバーのうち一方の光ファイバーから入力され前記タップ膜を透過した光信号は第一の円孔と第二の円孔とを通って前記光ダイオードに達し、
前記２本の光ファイバーのうち他方の光ファイバーから入力され前記タップ膜を透過した光信号はスリーブの前記中間壁によってその光路が妨げられるように、前記ＧＲＩＮレンズがスリーブの第一の円孔内に位置決めされている
一方向性光パワーモニター。
前記スリーブと前記中間壁とが不透明なセラミックス、ガラスあるいはプラスチックで作られている請求項１記載の一方向性光パワーモニター。
前記スリーブが黒色である請求項２記載の一方向性光パワーモニター。
ＧＲＩＮレンズと、レンズを前面に持つ光ダイオードとの光軸間距離をＬ、タップ膜を透過する光のガウスビーム半径をＲ、光ダイオードのレンズ直径をＤとしたとき、
Ｄ≧２Ｌ≧１．５１７Ｒ＋Ｄ／２
である請求項１記載の一方向性光パワーモニター。