JP4982568B2 - 反射減衰量の大きな多チャンネル光回転結合器 - Google Patents

Description

本発明は、回転接合器又は回転結合器とも呼ばれる、互いに逆向きに回転可能なユニットの間で光信号を伝送する装置に関する。この場合、複数のチャンネルで複数の光信号を同時に伝送するものである。

互いに逆向きに回転可能なユニットの間で光信号を伝送する様々な伝送システムが知られている。

特許文献１には、ドーブプリズムを備えた多チャンネル用光回転結合器が開示されている。ガラスファイバーに対して光を入力結合及び出力分離するために、複数の屈折率分布型レンズから成る配列が配備されている。ドーブプリズムの光入射面において、光は、ドーブプリズムのガラスと周囲環境の屈折率に応じて屈折する。即ち、このプリズムの機能は、プリズムを取り囲む媒質の屈折率に依存する。

特許文献２には、デロテーション素子としてのドーブプリズムを備えた多チャンネル用光回転結合器が開示されている。光は、供給用光ファイバーからコリメータを経由してドーブプリズムに入力結合され、ドーブプリズムを用いてデロテーションされて、別のコリメータを経由して、分離用光ファイバーに入力結合されている。ドーブプリズムの周囲環境の媒質の屈折率に関係しない配列を構成するために、光を垂直に入射させる役割を果たす事前調整部材をプリズムに配備している。そのように光を垂直に入射させることによって、通過面での屈折は起こらない。その欠点は、垂直な通過面で光が部分的に反射されて、その結果、光の少なくとも一部が再び光ファイバーに入力結合されてしまうことである。そのため、比較的小さい反射減衰量しか得られない。

別の形式の光回転結合器が、特許文献３に開示されている。即ち、そこには、光学部品と機械部品を一体的な構成要素として配備した微小光学系が提示されている。そのような実施形態によって、個々のガラスファイバーの著しく大きなパッケージング密度を達成することが可能となっている。同様に、その欠点は、又もや光入射面及び光出射面が平行であり、反射減衰量が比較的低くなっていることである。

これらの周知技術の欠点は、伝送する光の比較的大きな反射が回転結合器の内部で起こることである。

米国特許公開第５，５６８，５７８号明細書 米国特許公開第２００５／００３６７３５号明細書 国際特許公開第０１／９８８０１号明細書

本発明の課題は、光信号を複数のチャンネルで伝送する回転結合器を改善して、特に、その配列の光反射減衰量が改善されるように構成することである。

本課題の本発明による解決策は、独立請求項に提示されている。本発明の改善構成は、従属請求項に記載されている。

本発明による装置は、回転軸６の周りを互いに逆向きに回転可能な形で配置された二つのコリメータ配列４，５を有する。第一のコリメータ配列４とそれと逆向きに回転可能な形で配置された第二のコリメータ配列５の間に、光を伝送する光パスが形成されている。この光パス内には、二つのコリメータ間の回転運動に関係無く、第一のコリメータ配列４から出た光を第二のコリメータ配列５上に結像させるとともに、同様にその逆方向にも結像させる役割を果たす、少なくとも一つのデロテーション素子、例えば、ドーブプリズム１が有る。そのために、ドーブプリズムは、第一のコリメータ配列４と第二のコリメータ配列５が回転する角速度の半分で回転する。

コリメータ配列４，５の各々は、少なくとも一つのコリメータと、その少なくとも一つのコリメータを支持する少なくとも一つの手段とを有する。ここで、コリメータという用語は、非常に広い意味でのビーム誘導素子又はビーム成形素子を表すものとする。そのようなコリメータの役割は、光ファイバー、例えば、シングルモードファイバー又はマルチモードファイバー内に導入された光を、回転結合器を通過する、特に、デロテーション素子を通過するように誘導することが可能な光路の方に偏向させることである。そのような光路は、自由空間内、或いは例えば、ガラス又はオイルなどの光学媒質内の光路に対応する。同様に、コリメータによって、逆方向、即ち、回転結合器内の光路から光ファイバーへの偏向も行うことができる。当然のことながら、コリメータ内において、信号を両方向に伝送することができるように、両方向に偏向することも考えられる。典型的には、コリメータは、レンズ、特に有利には屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）である。

本発明では、コリメータ配列４，５の各々は、プリズムの方を向いた側に、回転軸６に対して垂直な面から一定の角度ずれた少なくとも一つの回転対称面を有する少なくとも一つの調整部品を備えている。そのような面は、有利には、円錐面として、或いは少なくとも円錐面の一区画として実現される。それに対応して、その面は、高さが０よりも大きい直円錐を形成する。円錐の頂点の角度は、ほぼ１８０°であるが、１８０°となると円錐ではなく平坦な面となって、出て来た光ファイバー内に戻る反射を起こす可能性が有るので、１８０°ではない。この円錐面は、回転軸に対して、有利には、０．１°〜５°の範囲内の角度を成す。有利な角度は、０．５°〜１．５°の範囲内に有る。特に有利には、０．９°である。この円錐は、任意選択により、面の内側に突き出るか、或いは面の外側に突き出ることができる。コリメータ配列の調整部品に対応して、ドーブプリズム１，２には、プリズム調整部品１１，１２が配備される。これらのプリズム調整部品は、そのプリズムの方を向いた側に、それらが出来る限り平坦にプリズムと接するように、プリズムに対応した形状を有する。プリズム調整部品は、そのコリメータの方を向いた側に、コリメータの調整部品の表面の幾何学形状と逆の幾何学形状の表面を有する。例えば、第一のコリメータ配列４の調整部品は、プリズムの方向に突き出た円錐を形成している場合、それに対応するプリズム調整部品の面は、プリズム調整部品の内側に突き出た円錐の形状である。プリズム調整部品とそれに対応するコリメータの調整部品を密着させた場合、それらは、互いに隙間無く適合する。

図４からは、円錐面とも呼ばれる円錐包絡面が、そこでは頂点が切り取られた円錐の一区間に対応しており、その切り取り面は、円錐の底面に対して平行に、かつ円錐の中心軸に対して垂直に延びていることが分かる。円錐の中心軸は、回転軸６と一致する。

同様に、本発明による配列は、回転対称に配置された複数の回転対称な面を持つこともできる。そのような配列は、フレネルレンズと同様のものとすることができる。しかし、ここでは、フレネルレンズと異なり、レンズ区画の代わりに、円錐包絡面が採用される。それに対応して、調整部品を備えたコリメータ配列１０，１３では、個々の円錐包絡面は、プリズム調整部品１１，１２の円錐包絡面と逆向きに配置される。

本発明による配列によって、光路内での垂直な表面が防止される。従来技術では、少なくとも調整部品には、垂直な面が形成されてしまう。そして、そのような面での反射は、高い精度で同じ光路の対向するコリメータに戻すことを意味する。そのことは、供給された光信号を比較的大きく反射させることとなる。本発明では、そのような垂直な面が防止される。そのため、一つの面で反射された光は、もはや対向するコリメータに反射して戻されることはない。同時に、本配列の機能は、回転結合器の内部空間内の媒質と関係無く保証される。即ち、回転結合器の内部は、例えば、水やオイルなどの液体で満たすことができる。同様に、ガスを含むこともできる。媒質の屈折率と調整部品の屈折率に応じて、コリメータ配列に対して、プリズム内での光線の半径方向のずれが生じる。そのようなずれは、配列の両側で起こるが、デロテーション素子のために逆方向に起こるため、補償されることとなる。そのため、第一の側のコリメータ配列と第二の側のコリメータ配列内において、光線の事前調整を行っていない。そのための前提条件は、回転結合器内の媒質が一定不変の屈折率を有することである。調整部品は、有利には、ガラス又はプラスチックから製作される。

本発明の説明のために、調整部品を備えたコリメータ配列を符号１０と１３で表す。コリメータ配列とそれに対応する調整部品を別個の構成部品として組み合わせるか、或いは調整部品を事前にコリメータ配列と一体化しておくか否かは、本発明にとって重要なことではない。

調整部品を備えたコリメータ配列１０と１３に関して、様々な実施構成が可能である。例えば、コリメータ配列を微小光学素子又はマイクロレンズアレー（ＭＬＡ）として構成することができる。そのような場合、任意選択により、それに対応する調整部品を微小光学素子に取り付けることができる。しかし、微小光学素子を事前に相応の形状で実現しておくのが特に有利である。

それに代わって、例えば、特許文献１に開示されている通り、別個のコリメータから成るコリメータ配列を使用することもできる。そのために、コリメータ配列の前には、それに対応した調整部品が配置される。

本発明は、基本的に、全てのデロテーション素子に対して実施可能である。ここでは、分かり易さのために、ドーブプリズムに関して述べた。しかし、同様に、デロテーション素子として、アッベ・ケーニヒプリズムを使用することも可能である。

以下において、図面と関連した実施例にもとづき、本発明の例を説明するが、本発明の一般的な技術思想を制限するものではない。

本発明による配列の一般的な形態の模式図 従来技術にもとづく配列例の図 本発明による配列の別の実施形態の図 調整部品がフレネルレンズの形で実現された、本発明による配列の別の実施形態の図 追加の中間部品が配備された、本発明による配列の別の実施形態の図 図４の細部の拡大図 図４の調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０の平面図

図１は、本発明による配列の回転軸６に沿った断面の模式構成を図示している。本発明による光回転結合器は、光ファイバー２と接続するための、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０と、別の光ファイバー３と接続するための、調整部品を備えた第二のコリメータ配列１３とを有する。調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０と調整部品を備えた第二のコリメータ配列１３は、それらのプリズム１の方を向いた側が円錐形状に形成されており、その円錐は、コリメータ配列の面から外側に突き出ている。それに対応した第一のプリズム調整部品１１と第二のプリズム調整部品１２が、プリズム１と接続されている。これらのプリズム調整部品のコリメータ配列の方を向いた面は、それに対応するコリメータ配列の調整部品と逆に構成されている。この場合、円錐形状の端面は、プリズム１の方向に内側を向いた形に形成されている。光線９の光路は、本配列の機能方法を具体的に示している。例えば、第一の光ファイバー２の中の一つを通して、回転軸６に対して平行に本配列内に入力結合された光は、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０によって広がる。即ち、例えば、コアの直径が９μｍのシングルモードファイバーを通った光は、直径が０．１ｍｍの平行な光線に広がる。ここで、この光線は、調整部品を備えた第一のコリメータ配列から回転結合器の内部空間に入射する。この空間は、例えば、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０の屈折率と比べて、屈折率が小さいオイルで満たされている。調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０は、円錐形の輪郭を有し、その円錐面の向きは、円錐の頂点がドーブプリズム１の方向を向くように設定されている。屈折率がより小さいために、光線は、半径方向に対して内側に偏向する、即ち、断面図において下方に偏向する。ここで、光線は、より大きな屈折率の第一のプリズム調整部品１１内を更に少し内側に入り込む、即ち、図面において更に少し下方に入り込み、それに対応して偏向することとなる。ここで、光線の新しい方向は、第一のコリメータ配列内の当初の方向に対して平行であるが、半径方向に対して内側にずれている、或いは図面で下方にずれている。本配列の光学的な効果は、面平行な板の効果と同じである。ドーブプリズム内での光線の偏向は、従来技術で周知である。プリズム内に入射した際の光線の屈折は、プリズム調整部品１１とドーブプリズム１の屈折率の比率だけで決まる。この例では、ドーブプリズムは、第一のプリズム調整部品１１よりも小さい屈折率を有する。同様に、当然のことながら、より大きな屈折率を有するドーブプリズムを使用することも可能である。その場合、光は、プリズム内に入射した際に屈折によって逆側に偏向される。光線は、ドーブプリズム１を通り抜けた後、第二のプリズム調整部品を通過する際に再び屈折率の比率に応じて屈折する。ここで、光線は、第二のプリズム調整部品１２内において、再び第一のプリズム調整部品１１内の光路に対して平行であるが、そのため回転軸６に対して平行であるが、ドーブプリズム１の結像機能に対応してずれることとなる。より小さい屈折率のオイルで満たされた回転結合器の内部空間の第二のプリズム調整部品１２から出射する際、光は半径方向に対して外側に偏向する、即ち、断面図において下方に偏向する。より大きな屈折率の媒質内に新たに入射する際に、調整部品を備えた第二のコリメータ配列は、又もや回転軸に対して平行な光路への偏向を行う。先ずは内側への偏向とその後の外側への偏向の半径方向への二回の偏向によって、光線は、再び当初の半径に対応する位置上を進み、コリメータによって、それに対応する第二の光ファイバー３に入力結合することができる。

この例は、コリメータ配列の調整部品とプリズム調整部品の材料が同じ屈折率を有する実施構成に関する。更に、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０と第一のプリズム調整部品１１の間の間隔及び第二のプリズム調整部品１２と調整部品を備えた第二のコリメータ配列１３の間の間隔は同じである。基本的に、屈折率が異なる材料を使用することもできる。しかし、その場合には、プリズム調整部品内での光線の広がりが、コリメータ配列に入力結合した光線に対して平行に推移するように、円錐包絡面の角度を相応に調整しなければらない。同様に、コリメータ配列とプリズム調整部品の間の間隔を変更することによって調整することも可能である。ここで図示した例は、有利な実施構成を表している。しかし、同様に、本配列の片側だけに調整部品を配備することもできる。即ち、例えば、第一のコリメータ配列の側だけに、第一の調整部品１０とそれに対応するプリズム調整部品１１を配備する一方、本配列の第二の側を調整部品の無い形で実現することができる。それに代わって、コリメータに調整部品１０と１３だけを配備する一方、プリズムにプリズム調整部品を配備しないことも可能である。その場合、何れにせよ、プリズムに斜めに入射する光だけによって、小さい反射しか起こらない。別の代替の実施形態では、プリズム調整部品１１と１２だけを配備する一方、コリメータに調整部品を配備しないことも可能である。

図２は、従来技術による配列の模式構成を図示している。光回転結合器は、第一の光ファイバー２を接続するための第一のコリメータ配列４と、第二の光ファイバー３を接続するための第二のコリメータ配列５とを有する。第二のコリメータ配列５は、回転軸６の周りを第一のコリメータ配列４と逆向きに回転可能な形で軸支されている。回転運動を補償するために、第一のコリメータ配列４と第二のコリメータ配列５の間の光路内には、ドーブプリズム１の形のデロテーション素子が有る。第一の光ファイバー２から出てから、第一のコリメータ配列４を経由して、ドーブプリズム１を通過し、第二のコリメータ配列５を経由して、第二の光ファイバー３に至るまでの光線９の光路の例が図示されている。

図３は、本発明による別の配列の模式構成の断面図を図示している。この図面は、図１の図面とほとんど同じである。しかし、それと異なり、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０と調整部品を備えた第二のコリメータ配列１３が、それらのプリズム１の方を向いた側を円錐形状に構成されており、その円錐は、コリメータ配列の面の内側に突き出ている。それに応じて、コリメータ配列の方を向いた、プリズム調整部品１１，１２の面は、それに対応するコリメータ配列の調整部品と逆に構成されている。この場合、円錐形状の端面は、コリメータ配列の方向に外側を向いた形で形成されている。

図４は、調整部品がフレネルレンズの形で実現された、本発明による別の配列の模式構成の断面図を図示している。真のフレネルレンズと異なり、個々の区画はアーチ形状となっておらず、むしろ円錐形の区画となっている。この場合でも、プリズム調整部品の幾何学形状は、コリメータ配列の調整部品の幾何学形状と逆となっている。

図５は、コリメータ配列１０，１３とプリズム調整部品１１，１２の間に追加の中間部品１４，１５が配備された、本発明による配列の別の実施形態を図示している。この場合、図１と同様に、先ずは調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０から出た光線は、第一の中間部品１４を通過する際に、半径方向に対して回転軸の方向にずれる。第一の中間部品１４から第一のプリズム調整部品１１への二回目の通過時に、光線は再び当初の半径方向の位置に戻される。ここで、光線は、第一のプリズム調整部品１１内において、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０と同じ軸内を広がる。そのための前提条件は、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０、第一の中間部品１４及び第一のプリズム調整部品１１の屈折率を、それらの部品間の間隔を考慮して合わせることである。有利には、それらの屈折率が同じであり、同様に、それらの間隔も同じ大きさである。プリズム１に入射する光線は、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０に入射する光線と同じ軸を有するので、プリズムの別の側で補正することはできない。しかし、この場合、有利には、同一の配列を用いることができる。更に、プリズムの一方の側の配列によって、プリズム内で或る程度の光線のずれを生じさせて、そのずれを他方の側の配列によって再び補償することもできる。その効果は、本配列の温度補償のために活用することができる。

図６は、図４の細部の拡大図を図示している。そこには、回転軸６に沿った横断面に対応する、調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０の円錐包絡面７ａ，７ｂ及び７ｃを見ることができる。同様に、それと逆の表面構造に形成された第一のプリズム調整部品１１が、それと逆の方向に推移する円錐包絡面８ａ，８ｂ及び８ｃを有することが分かる。この場合、フレネルレンズとの違いが特に良く分かる。即ち、これらの円錐包絡面の輪郭が直線である一方、フレネルレンズの場合の輪郭は、レンズの輪郭に対応した湾曲を有する。基本的に、それ以外の数の円錐面又は円錐包絡面を有する配列を使用することもできる。同様に、そのような配列の各側に、任意選択により、内側に突き出た、或いは外側に突き出た円錐包絡面を採用することができる。本発明の機能に関する基本的な前提条件は、常に、コリメータ配列とプリズム調整部品の円錐包絡面を互いに逆な面とすることである。

図７は、図４の調整部品を備えた第一のコリメータ配列１０の平面図を図示している。この場合、円錐包絡面７ａ，７ｂ及び７ｃは、平面への写像に対応して、環状の円板として見える。

１ デロテーション用光学素子
２ 第一の光ファイバー
３ 第二の光ファイバー
４ 第一のコリメータ配列
５ 第二のコリメータ配列
６ 回転軸
７ａ 円錐面
７ｂ 円錐面
７ｃ 円錐面
８ａ 円錐面
８ｂ 円錐面
８ｃ 円錐面
９ 光線
１０ 調整部品を備えた第一のコリメータ配列
１１ 第一のプリズム調整部品
１２ 第二のプリズム調整部品
１３ 調整部品を備えた第二のコリメータ配列
１４ 第一の中間部品
１５ 第二の中間部品

Claims (11)

1. 第一の光ファイバー（２）を接続するための少なくとも一つの第一のコリメータ配列（４）と、回転軸（６）の周りを第一のコリメータ配列（４）と逆向きに回転可能な形で軸支された、第二の光ファイバー（３）を接続するための少なくとも一つの第二のコリメータ配列（５）と、第一のコリメータ配列（４）と第二のコリメータ配列（５）の間の光パス内に有るデロテーション用光学素子（１）とが配備されており、第一のプリズム調整部品（１１）と第二のプリズム調整部品（１２）が、それぞれデロテーション用光学素子（１）の一方の側に配置されている光回転結合器において、
   コリメータ配列（４，５）が、それぞれ調整部品を備えており、その調整部品は、デロテーション用光学素子の方を向いた側に回転軸（６）の周りに回転対称な少なくとも一つの突き出た円錐包絡面を有し、
   プリズム調整部品（１１，１２）が、それぞれコリメータ配列（４，５）の調整部品の円錐包絡面と逆向きに突き出た、回転軸（６）の周りに回転対称な少なくとも一つの円錐包絡面を有し、これらのプリズム調整部品（１１，１２）の円錐包絡面が互いに逆向きに突き出ている、
   ことを特徴とする光回転結合器。
2. 第一の光ファイバー（２）を接続するための少なくとも一つの第一のコリメータ配列（４）と、回転軸（６）の周りを第一のコリメータ配列（４）と逆向きに回転可能な形で軸支された、第二の光ファイバー（３）を接続するための少なくとも一つの第二のコリメータ配列（５）と、第一のコリメータ配列（４）と第二のコリメータ配列（５）の間の光パス内に有るデロテーション用光学素子（１）とが配備されており、第一のプリズム調整部品（１１）と第二のプリズム調整部品（１２）が、それぞれデロテーション用光学素子（１）の一方の側に配置されている光回転結合器において、
   コリメータ配列（４，５）が、それぞれ調整部品を備えており、その調整部品は、デロテーション用光学素子の方を向いた側に回転軸（６）の周りに回転対称な少なくとも一つの突き出た円錐包絡面を有し、
   プリズム調整部品（１１，１２）が、それぞれコリメータ配列（４，５）の調整部品の方を向いた側に回転軸（６）の周りに回転対称な少なくとも一つの突き出た円錐包絡面を有し、これらのプリズム調整部品（１１，１２）の円錐包絡面が互いに逆向きに突き出ており、
   コリメータ配列（４，５）の調整部品とプリズム調整部品（１１，１２）の間に、それぞれ追加の中間部品（１４，１５）が配備されており、これらの追加の中間部品（１４，１５）は、それぞれコリメータ配列（４，５）の調整部品及びプリズム調整部品（１１，１２）の方を向いた側に、それらの円錐包絡線と逆向きに突き出た、回転軸（６）の周りに回転対称な少なくとも一つの円錐包絡面を有し、これらの追加の中間部品（１４，１５）の両側の円錐包絡線が互いに逆向きに突き出ている、
   ことを特徴とする光回転結合器。
3. デロテーション用光学素子（１）がドーブプリズムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光回転結合器。
4. デロテーション用光学素子（１）がアッベ・ケーニヒプリズムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光回転結合器。
5. コリメータ配列（４，５）が、コリメータ配列からデロテーション用光学素子（１）の方向に突き出た円錐包絡面を有する調整部品を備えており、プリズム調整部品（１１，１２）の円錐包絡面が、デロテーション用光学素子（１）の方向に調整部品の内側に突き出ていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の光回転結合器。
6. コリメータ配列（４，５）が、光ファイバー（２，３）の方向にコリメータ配列の内側に突き出た円錐包絡面を有する調整部品を備えており、プリズム調整部品（１１，１２）の円錐包絡面が、調整部品からコリメータ配列（４，５）の方向に突き出ていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の光回転結合器。
7. コリメータ配列（４，５）が、複数の円錐包絡面を有する調整部品を備えており、プリズム調整部品（１１，１２）が、それと同じ数の円錐包絡面を有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の光回転結合器。
8. コリメータ配列（４，５）が、それらと別個の調整部品を備えていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の光回転結合器。
9. コリメータ配列（４，５）の調整部品が、そのコリメータ配列と一体化されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の光回転結合器。
10. コリメータ配列（４，５）が、デロテーション用光学素子（１）の方を向いた側に、当該の調整部品の形状を有する、微小光学系として構成されていることを特徴とする請求項９に記載の光回転結合器。
11. 該微小光学系がマイクロレンズアレーであることを特徴とする請求項１０に記載の光回転結合器。

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