JP3963389B2 - Optical fiber connector with lens and mode switching function - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバを用いた光信号伝送技術に属するものであり、特に、マルチモードステップインデックス型の光ファイバ(以下、単に「SI型光ファイバ」と略す)を用いた光信号伝送において伝送可能な情報量を増大させるために用いられるモード入替え用光ファイバコネクタに関するものである。 The present invention belongs to an optical signal transmission technique using an optical fiber, and in particular, is transmitted in an optical signal transmission using a multimode step index type optical fiber (hereinafter simply referred to as “SI type optical fiber”). The present invention relates to a mode-switching optical fiber connector used to increase the amount of possible information.
SI型光ファイバは、光信号伝送の媒体として広く使用されている。SI型光ファイバを伝搬する光には多数のモードが存在する。従って、SI型光ファイバを用いた光信号伝送では、光ファイバ端面に対する入射角・出射角が大きい高次モードの光は光ファイバ端面への入射角・出射角が小さい低次モードの光より光ファイバ長手方向の伝搬速度が遅くなるので、モードによって光ファイバ長手方向の伝搬速度が異なるというモード分散の現象がある。これにより、入射端から入射した信号パルスは、出射端においては、低次モードの光と高次モードの光とが合成されることによりパルス形状が劣化する。このため、特に高い周波数の信号を伝送することができないという問題がある。 SI type optical fibers are widely used as optical signal transmission media. There are many modes in the light propagating through the SI optical fiber. Therefore, in optical signal transmission using an SI optical fiber, higher-order mode light having a large incident angle and outgoing angle with respect to the end face of the optical fiber is lighter than low-order mode light having a small incident angle and outgoing angle with respect to the end face of the optical fiber. Since the propagation speed in the longitudinal direction of the fiber becomes slow, there is a mode dispersion phenomenon in which the propagation speed in the longitudinal direction of the optical fiber differs depending on the mode. As a result, the pulse shape of the signal pulse incident from the incident end is deteriorated by combining the light of the lower order mode and the light of the higher order mode at the exit end. For this reason, there is a problem that a signal having a particularly high frequency cannot be transmitted.
伝送可能な信号の周波数範囲を伝送帯域といい、一般に伝送可能な上限周波数値で示す。伝送帯域が広いということは、一定時間に伝達可能な情報量を多くすることができるということである。 The frequency range of a signal that can be transmitted is called a transmission band, and is generally represented by an upper limit frequency value that can be transmitted. A wide transmission band means that the amount of information that can be transmitted in a certain time can be increased.
SI型光ファイバを用いた光信号伝送では、既に述べた様に、モード分散による信号劣化が原因で伝送帯域が制限され、例えば100m伝送における典型的な値で数十MHz〜百数十MHzと低い。 In the optical signal transmission using the SI type optical fiber, as already described, the transmission band is limited due to the signal deterioration due to the mode dispersion. For example, a typical value in 100 m transmission is several tens MHz to several tens MHz. Low.
そこで、本発明は、SI型光ファイバを用いる光信号伝送の伝送帯域を大幅に改善し、伝達可能な情報量を増大させるのに使用される光学要素を提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an optical element used to greatly improve the transmission band of optical signal transmission using an SI optical fiber and increase the amount of information that can be transmitted. .
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
透光性部材(6)の両端面に中心軸に関してそれぞれ回転対称な1対のレンズ面(6’,6”)が形成されるか又は1対の透光性部材(8,9)の互いに対向する端面に中心軸に関してそれぞれ回転対称な1対のレンズ面(10,11)が形成されており、該レンズ面(6’,6”又は10,11)は、前記中心軸を含む断面内において、該中心軸により区分される2つの領域のそれぞれの形状が、前記中心軸を光軸とする凸レンズ面を前記光軸を含む断面内において該光軸により分割して得られる2つの部分のそれぞれの形状において光軸側を外径側となし且つ外径側を光軸側となすように前記光軸と平行な方向の周りで反転させて入れ替えた形態をなしていることを特徴とするレンズ、
が提供される。
According to the present invention, the object as described above is achieved.
A pair of lens surfaces (6 ′, 6 ″) that are rotationally symmetric with respect to the central axis are formed on both end faces of the translucent member (6), or the pair of translucent members (8, 9) are mutually connected. A pair of lens surfaces (10, 11) that are rotationally symmetric with respect to the central axis are formed on opposite end surfaces, and the lens surfaces (6 ′, 6 ″ or 10, 11) are within a cross section including the central axis. In each of the above, the shape of each of the two regions divided by the central axis is obtained by dividing the convex lens surface having the central axis as the optical axis by dividing the convex lens surface by the optical axis in the cross section including the optical axis. In each of the shapes, the optical axis side is the outer diameter side and the outer diameter side is the optical axis side so that the optical axis side is reversed and replaced around the direction parallel to the optical axis. lens,
Is provided.
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
ステップインデックス型の光ファイバを用いて光信号を伝送する際に光入射側の第1の光ファイバと光出射側の第2の光ファイバとの間に介在せしめられる光ファイバコネクタであって、
この光ファイバコネクタは、
前記第1の光ファイバの出射端及び前記第2の光ファイバの入射端と共通の光軸を持つように配置され、
上記のレンズの第1の端面側及び第2の端面側に、前記光軸と同軸状に配置され前記レンズと同径の円筒状の第1の内方反射面(7’又は8’)及び第2の内方反射面(7’又は9’)をそれぞれ備えており、前記第1の内方反射面(7’又は8’)と前記第2の内方反射面(7’又は9’)は、前記第1の光ファイバからの出射光をその一方の反射面で反射させつつ前記レンズを通過させて前記第2の光ファイバの入射端に集光させる機能を有し、
前記第1の光ファイバから前記光軸に対して比較的大きな傾きをもって出射された高次モード光が前記第2の光ファイバへと前記光軸に対して比較的小さな傾きをもって低次モード光として入射され、且つ前記第1の光ファイバから前記光軸に対して比較的小さな傾きをもって出射された低次モード光が前記第2の光ファイバへと前記光軸に対して比較的大きな傾きをもって高次モード光として入射されるように構成されている、
ことを特徴とする、モード入替え機能を持つ光ファイバコネクタ、
が提供される。
In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
An optical fiber connector interposed between a first optical fiber on a light incident side and a second optical fiber on a light output side when transmitting an optical signal using a step index type optical fiber,
This fiber optic connector
Arranged so as to have a common optical axis with the exit end of the first optical fiber and the entrance end of the second optical fiber;
A cylindrical first inward reflecting surface (7 ′ or 8 ′) disposed coaxially with the optical axis on the first end surface side and the second end surface side of the lens and having the same diameter as the lens, and A second inner reflective surface (7 ′ or 9 ′), respectively, the first inner reflective surface (7 ′ or 8 ′) and the second inner reflective surface (7 ′ or 9 ′); ) Has a function of condensing the incident light of the second optical fiber through the lens while reflecting the light emitted from the first optical fiber on one of its reflection surfaces,
High-order mode light emitted from the first optical fiber with a relatively large inclination with respect to the optical axis is converted into low-order mode light with a relatively small inclination with respect to the optical axis to the second optical fiber. Low-order mode light that is incident and emitted from the first optical fiber with a relatively small inclination with respect to the optical axis enters the second optical fiber with a relatively large inclination with respect to the optical axis. It is configured to be incident as next mode light,
An optical fiber connector having a mode switching function,
Is provided.
本発明の一態様においては、前記第1の内方反射面(8’)は透光性部材(8)の外周面に形成されており、前記第2の内方反射面(9’)は透光性部材(9)の外周面に形成されている。 In one aspect of the present invention, the first inner reflective surface (8 ′) is formed on the outer peripheral surface of the translucent member (8), and the second inner reflective surface (9 ′) is It is formed on the outer peripheral surface of the translucent member (9).
本発明によれば、光ファイバ伝送路の途中に本発明による特殊なレンズあるいは特殊な1対のレンズ面と内方反射面とを用いたモード入替え機能を有する光ファイバコネクタを介在させることによって、モード分散を抑制して伝送帯域を向上させ、伝達可能な情報量を増大させることができる。 According to the present invention, by interposing an optical fiber connector having a mode switching function using a special lens according to the present invention or a special pair of lens surfaces and an inward reflection surface in the middle of an optical fiber transmission line, It is possible to suppress the mode dispersion, improve the transmission band, and increase the amount of information that can be transmitted.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
先ず、本発明のモード入替え機能を持つ光ファイバコネクタの使用される光信号伝送方法について説明する。図1はこの光信号伝送方法の一実施形態を示す模式的断面図であり、図2はその伝送路の全体を示す模式図である。 First, an optical signal transmission method using an optical fiber connector having a mode switching function according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of this optical signal transmission method, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the entire transmission path.
以下において、説明の便宜上、低次モード光として光軸近傍の光を代表的に図示して説明し、高次モード光として光軸から最も遠い外周部(周辺部)近傍の光を代表的に図示して説明する。但し、本発明でいう低次モード光及び高次モード光は、これら図示されたもののみに限定されるものではないことはもちろんである。 In the following, for convenience of explanation, the light in the vicinity of the optical axis is representatively illustrated and explained as the low-order mode light, and the light in the vicinity of the outer peripheral portion (peripheral part) farthest from the optical axis is representatively shown as the high-order mode light. This is illustrated and described. However, it goes without saying that the low-order mode light and the high-order mode light referred to in the present invention are not limited to those shown in the drawings.
図1及び図2において、21は第1のSI型光ファイバであり、22は第2のSI型光ファイバであり、23はこれら2つの光ファイバ21,22を接続する光ファイバコネクタである。光ファイバ21はコア21aとクラッド21bとからなり、光ファイバ22はコア22aとクラッド22bとからなる。
In FIGS. 1 and 2,
図2に示されているように、光信号は、光ファイバ21の一方の端部から入射され(IN)、光ファイバ21の他方の端部から出射して光ファイバコネクタ23の一方の端部に入射され、光ファイバコネクタ23の他方の端部から出射して光ファイバ22の一方の端部へと入射され、光ファイバ22の他方の端部から出射する(OUT)。
As shown in FIG. 2, the optical signal is incident from one end of the optical fiber 21 (IN), emitted from the other end of the
図1を用いて更に詳細に説明する。光ファイバ21の一方の端面に同時に入射した低次モードの光(入射角が小さい光)Aと高次モードの光(入射角が大きい光)Bとは、光ファイバ21中を伝搬し、それぞれ光ファイバ21の他方の端面からA’,B’として出射する。この出射の際には、高次モード光B’は低次モード光A’に対して時間的遅れΔtを持つ。これらの光A’,B’は、光ファイバコネクタ23を経て光ファイバ22の一方の端面に入射する。
This will be described in more detail with reference to FIG. Low-order mode light (light having a small incident angle) A and high-order mode light (light having a large incident angle) B simultaneously incident on one end face of the
本実施形態では、光ファイバコネクタ23において、入射時には低次モードであった光A’を高次モード光に変換して出射させ、入射時には高次モードであった光B’を低次モード光に変換して出射させる。かくして、光ファイバコネクタ23においてモード入替えがなされ、光ファイバ22の一方の端面には、光A’が高次モードとして且つ光B’が低次モードとして入射する。
In the present embodiment, in the
従って、光ファイバ22の一方の端面に時間的ずれΔtをもって入射した低次モード光B’と高次モード光A’とは、光ファイバ22中を伝搬し、光ファイバ22の他方の端面からB”,A”として出射する時には、光ファイバ22への入射時の時間的ずれΔtが解消され、低次モード光B”と高次モード光A”とはほぼ同時に出射する。これにより、モード分散が解消され、伝送帯域が改善される。
Accordingly, the low-order mode light B ′ and the high-order mode light A ′ incident on one end face of the
光ファイバ21の長さと光ファイバ22の長さとは原理的には等しくとるべきであり、この場合に伝送帯域改善の効果は最大となるが、光ファイバ21の長さと光ファイバ22の長さとが若干異なっても充分な効果が認められる。例えば、光ファイバ21の長さと光ファイバ22の長さとが20%程度異なっていても、伝送帯域の低下は僅かである。また、光ファイバ21の長さと光ファイバ22の長さとの差が50%程度に拡大したとしても、本発明の伝送方法を使用しない場合の2倍程度の伝送帯域は得られ、明らかな効果が認められる。
In principle, the length of the
図3は以上のような光伝送方法に用いられる本発明の光ファイバコネクタ23の第1の実施形態を示す模式的断面図であり、図4はその概略斜視図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the
本実施形態では、SI型光ファイバ21の出射端とSI型光ファイバ22の入射端とは同軸状に対向配置されている。これらの間において、光ファイバコネクタ23が同軸状に配置されている。光ファイバコネクタ23は同一長さ及び同一直径の2つの透明円柱ロッド3,4とこれらの間に配置された1つの屈折率分布型円柱レンズ5とからなる。円柱レンズ5は2つの透明円柱ロッド3,4と同一の直径を有する。また、透明円柱ロッド3,4の外周面は円筒形状の内方反射面3’,4’とされている。この反射面は、全反射を利用したものでもよいし、反射膜を付与したものであってもよい。
In the present embodiment, the exit end of the SI
図5及び図6は円柱レンズ5の特性及び機能を説明するための概略図である。図5に示されているように、円柱レンズ5は半径がRの円柱形状をなしており、屈折率が中心軸Zからの距離rの関数である。円柱レンズ5の屈折率分布をn(r)とすると、この屈折率分布は、図6の様になっている。即ち、円柱レンズ5の屈折率分布n(r)は、中心軸Z(光ファイバ21,22の光軸と合致する様にして配置される)の位置(即ちr=0)が最も屈折率が低く、rが大きくなるにつれて次第に屈折率が高くなる単調増加関数の形態をとる。この曲線は例えば2次曲線あるいは4次曲線で近似される。本実施形態では、屈折率分布n(r)は、r=Rにおける接線の傾きが0とされている。
5 and 6 are schematic diagrams for explaining the characteristics and functions of the
図3に示されている様に、光ファイバ21の出射端から出射した光は、透明円柱ロッド3を通って、円柱レンズ5の一端面に入射する。その際、光ファイバ21の出射端から出射した高次モード光は透明円柱ロッド3の内方反射面3’により内方反射を受け円柱レンズ5に光軸に対し大きな傾きを持って入射し、一方、低次モード光は円柱レンズ5に光軸に対し小さな傾きを持って入射する。円柱レンズ5の長さ並びに屈折率及びその分布を適正に設定することで、円柱レンズ5の一端面に光軸に対して大きな角度をもって入射した高次モード光を光軸に対して小さな角度をもって他端面から出射させる。円柱レンズ5を出た光のうち、光軸に対して小さい角度で進行する光は透明円柱ロッド4を通って光ファイバ22の入射端へと入射し、光軸に対して大きい角度で進行する光は透明円柱ロッド4の内方反射面4’により内方反射を受けて光ファイバ22の入射端へと入射する。
As shown in FIG. 3, the light emitted from the emission end of the
かくして、光ファイバ21から透明円柱ロッド3を通って円柱レンズ5に入射した高次モード光は、透明円柱ロッド4を通って光ファイバ22へと入射する際には、光軸とのなす角度が小さくなっているので低次モード光として光ファイバ22へと導入され、一方、円柱レンズ5に入射した低次モード光は、透明円柱ロッド4を通って光ファイバ22へと入射する際には、光軸とのなす角度が大きくなっているので高次モード光として光ファイバ22へと導入される。かくして、光ファイバコネクタ23により、低次モード光と高次モード光とが変換され(入替えられ)たこととなる。
Thus, when the higher-order mode light that has entered the
円柱レンズ5を製造する方法としては、たとえば、有機重合体と単量体とからなる3種類以上の未硬化状混合物を同心円状に多層紡糸して、中心部から外周部に向かって屈折率が順次増加したファイバ状の未硬化物積層体を形成し、この積層体の各層間の屈折率分布が連続的に変化する様に隣接層間の成分の相互拡散を行いながら或は相互拡散を行った後に、積層体を硬化処理して屈折率分布型の光ファイバを得、これを適宜の長さに切断する方法が挙げられる。更に、ファイバを延伸して細径化することで、屈折率分布を調整することもできる。
As a method of manufacturing the
図7は本発明の光ファイバコネクタの第2の実施形態を示す模式的断面図であり、図8はその概略斜視図である。これらの図において、図1〜6におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a second embodiment of the optical fiber connector of the present invention, and FIG. 8 is a schematic perspective view thereof. In these drawings, members having the same functions as in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals.
本実施形態では、光ファイバコネクタ23は、透光性部材6の両面に形成された1対のレンズ面6’,6”と、透光性部材6の径方向外方に配置された円筒状の内方反射部材7の内面に形成された内方反射面7’とを備えている。内方反射面7’は、光軸方向に関し透光性部材6の両端から軸方向に延出しており、該透光性部材6の外周面に隣接して配置されている。
In the present embodiment, the
透光性部材6に形成された1対のレンズ面6’,6”は、光軸に関して回転対称であるが、光軸を含む断面内において、該光軸により区分される2つの領域のそれぞれの形状が、あたかも凸レンズを光軸により分割して光軸側と外径側とを互いに入れ替えた様な形態をなしている。そして、透光性部材6の外径位置において、1対のレンズ面6’,6”の面法線の方向は光軸と平行であり、光軸上における面法線の方向は光軸に対して最も大きな傾きを持っている。
The pair of
本実施形態では、図3及び図4の実施形態の円柱レンズ5の機能を透光性部材6の1対のレンズ面6’,6”に負担させているのであり、本実施形態は図3及び図4の実施形態と同等の作用効果を奏する。
In the present embodiment, the function of the
図9は本発明の光ファイバコネクタの第3の実施形態を示す模式的断面図であり、図10はその概略斜視図である。これらの図において、図1〜8におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。 FIG. 9 is a schematic sectional view showing a third embodiment of the optical fiber connector of the present invention, and FIG. 10 is a schematic perspective view thereof. In these drawings, members having functions similar to those in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals.
本実施形態では、光ファイバコネクタ23は、1対の透光性部材8,9の互いに対向する端面に形成された1対のレンズ面10,11と、透光性部材8,9の外周面に形成された内方反射面8’,9’とを備えている。
In the present embodiment, the
本実施形態では、図7及び図8の実施形態の1対のレンズ面6’,6”の機能を1対のレンズ面10,11に負担させているのであり、本実施形態は図7及び図8の実施形態と同等の作用効果を奏する。
In this embodiment, the function of the pair of
3,4 透明円柱ロッド
3’,4’ 内方反射面
5 屈折率分布型円柱レンズ
6 透光性部材
6’,6” レンズ面
7 内方反射部材
7’ 内方反射面
8,9 透光性部材
8’,9’ 内方反射面
10,11 レンズ面
21,22 光ファイバ
23 光ファイバコネクタ
3, 4 Transparent cylindrical rod 3 ', 4' Inward reflecting
Claims (3)
この光ファイバコネクタは、
前記第1の光ファイバの出射端及び前記第2の光ファイバの入射端と共通の光軸を持つように配置され、
請求項1に記載のレンズの第1の端面側及び第2の端面側に、前記光軸と同軸状に配置され前記レンズと同径の円筒状の第1の内方反射面(7’又は8’)及び第2の内方反射面(7’又は9’)をそれぞれ備えており、前記第1の内方反射面(7’又は8’)と前記第2の内方反射面(7’又は9’)は、前記第1の光ファイバからの出射光をその一方の反射面で反射させつつ前記レンズを通過させて前記第2の光ファイバの入射端に集光させる機能を有し、
前記第1の光ファイバから前記光軸に対して比較的大きな傾きをもって出射された高次モード光が前記第2の光ファイバへと前記光軸に対して比較的小さな傾きをもって低次モード光として入射され、且つ前記第1の光ファイバから前記光軸に対して比較的小さな傾きをもって出射された低次モード光が前記第2の光ファイバへと前記光軸に対して比較的大きな傾きをもって高次モード光として入射されるように構成されている、
ことを特徴とする、モード入替え機能を持つ光ファイバコネクタ。 An optical fiber connector interposed between a first optical fiber on a light incident side and a second optical fiber on a light output side when transmitting an optical signal using a step index type optical fiber,
This fiber optic connector
Arranged so as to have a common optical axis with the exit end of the first optical fiber and the entrance end of the second optical fiber;
A cylindrical first inward reflecting surface (7 'or 7' or 2) arranged coaxially with the optical axis on the first end surface side and the second end surface side of the lens according to claim 1. 8 ') and a second inner reflective surface (7' or 9 '), respectively, the first inner reflective surface (7' or 8 ') and the second inner reflective surface (7). 'Or 9') has a function of condensing the light emitted from the first optical fiber at the incident end of the second optical fiber through the lens while being reflected by one reflection surface thereof. ,
High-order mode light emitted from the first optical fiber with a relatively large inclination with respect to the optical axis is converted into low-order mode light with a relatively small inclination with respect to the optical axis to the second optical fiber. Low-order mode light that is incident and emitted from the first optical fiber with a relatively small inclination with respect to the optical axis enters the second optical fiber with a relatively large inclination with respect to the optical axis. It is configured to be incident as next mode light,
An optical fiber connector having a mode switching function.
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