JPH01177003A - 異種光ファイバ結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、コア径の異なる光フアイバ間の接続に用いる
異種光ファイバ結合器に関するものである。

（従来の技術） 光ファイバは、主に構内網等で使用されているコア径２
００μｍ程度のプラスチックファイバがら、主に中継線
路で使用されているコア径１０μｍ程度のシングルモー
ド（以下、単にＳＭと称す）型光ファイバまで種々存在
するが、以下、−膜内に知られている３Ｍ型光ファイバ
とマルチモード（以下、単にＭＭと称す）型光ファイバ
との接続を例にとり説明する。

主に光通信に用いられている光ファイバは大別すると、
コア径１０μｍ程度の８Ｍ型光ファイバとコア径５０μ
ｍ程度のＭＭ型光ファイバに分けることができる。こ°
のうち、ＭＭ型光ファイバはコア径が８Ｍ型光ファイバ
に比べて大きいため８Ｍ型光ファイバよりも製造性が良
く低価格であり、しかも伝送装置も低価格であるので、
主に加入者光線路において実用化されている。

しかし近年、より高速、広帯域のサービスの必要性及び
光ファイバの製造技術の向上に伴い、８Ｍ型光ファイバ
の加入者光線路への導入が考えられており、この時、伝
送装置内或いは線路区間内に既設のＭＭ型光ファイバと
８Ｍ型光ファイバとの接続部を設けなければならない必
要性が生じる可能性がある。このような場合に備えて、
現在次に示すような対応策が提案されている。

第１の方法としては、ＭＭ型光ファイバ用の低価格の伝
送装置を用いて８Ｍ型光ファイバ線路に光信号を伝送す
る場合、或いは第２図（ａ）に示すように、光フアイバ
線路内のＭＭ型光ファイバ１と５Ｍ型光ファイバ２を接
続する場合、光信号がＭＭ型光ファイバ１から５Ｍ型光
ファイバ２に導波された時の接続損失１５ｄＢ程度を予
め見込んだ線路設計を行なう方法であり、第２の方法と
しては、第２図（ｂ）に示すように、ＭＭ型光ファイバ
１と５Ｍ型光ファイバ２の接続端部間に光／電気−電気
／光変換器３を挿入し、例えばＭＭ型光ファイバ１から
の光信号を受光素子３ａで受光して光／電気−電気／光
変換器３で電気信号に変換し、更に発光素子３ｂを発光
させて光信号として５Ｍ型光ファイバ２に結合する方法
であるｇ（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記第１の方法によれば、接続損失はＭ
Ｍ型光ファイバを伝播する光信号の伝播モード分布に依
存し、定常モード状態においては１接続部当り１５ｄＢ
程度と大きな接続損失を伴うため、光フアイバ線路内で
のこのような接続は適用領域が限定されてしまい、実際
にはほとんど接続不可能であり、また第２の方法によれ
ば、光フアイバ接続部に光／電気−電気／光変換器を設
置しなければならないが、この光／電気−電気／光変換
器３は高価格のものであるので線路コストの面から設置
は困難であり、また双方向通信が不可能であるという問
題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、コア径の異なる光
ファイバ間接続を低損失、低価格で実現できる異種光フ
ァイバ結合器を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、コア径の異なる光フ
′アイバを接続するための異種光ファイバ結合器におい
て、光ビームの入射角を各々の光ファイバの開口角以下
となす焦点距離を有する２枚の光学レンズからなり、前
記２枚の光学レンズの間隔が各々の光学レンズの焦点距
離の和に等しくなるように配設した共焦点光学系を各光
ファイバの接続端部間に設けた。

（作　用） 本発明によれば、光フアイバ回線内に用いる光フアイバ
結合器の光フアイバ接続端部間に、コア径の異なる光フ
ァイバを接続する際に、光ビームの入射角を各々の光フ
ァイバの開口角以下となす焦点距離を有する２枚の光学
レンズを光学レンズ間隔が２枚の焦点距離の和に等しく
なるように配置してなる共焦点光学系を用いることによ
り、コア径の異なる各光ファイバに光ビームの伝播可能
な受光角とビーム径にビーム変換することができる。

（実施例） 第１図は、本発明に係る共焦点光学系１０の原理を説明
するための図であり、以下、その原理を図に従い順を追
って説明する。

第１図（ａ）は、２枚の光学レンズからなる共焦点光学
系１０の主点、焦点、焦点距離と光ビームの近軸追跡の
関係を示すもので、第１図（ａ）において、４１．１２
は光学レンズ（以下、単にレンズ）　、Ｈｌはレンズ１
１の主点、Ｈ２はレンズ１２の主点、α１．α１′、α
２′は光ビームの傾角、ｆｌはレンズ１１の焦点距離、
ｆ２はレンズ１２の焦点距離、ｈｌはレンズ１１の主平
面上の像、ｈ２はレンズ１２の主平面上の像、ｇｌはレ
ンズ１１の主点Ｈ１を基点にして測定した物体距離、ｇ
２はレンズ１２の主点Ｈ２を基点にして測定した像距離
、ｅはレンズ１１の主点Ｈ１とレンズ１２の主点Ｈ２と
の距離を表している。

ここで、レンズ１１を通過した光ビームの傾角α１　′
　（−α２）、レンズ１２の物体側主平面上の像ｈ２及
びレンズ１２を通過した光ビームの傾角α２′を式を用
いて表すと、下記（１）式から（３）式のように表すこ
とができる。

α１−α１　＋ｈｌψｌ−α２　　・・・（１）ｈ２　
＝ｈｌ　−ｅ　ａＬ　−・”（２）α２　′■α２＋ｈ
２ψ２　　　　　　・・・（３）但し、ψ１−１／ｆｌ
、ψ２−１／ｆ２とする。

゛ここで、光ビームが伝播する媒質を真空、或いは空気
であるとすると、レンズ１１の主平面上の像ｈ１とレン
ズ１２の主平面上の像ｈ２は下記（４）　、　（５）式
で表せる。

ｈｔ−αＩｇｌ　　　　　　　　　　・・・（４）ｈ２
−α２′ｇ２　　　　　　　　　・・・（５）上記（１
）式から（５）式より、レンズ１２の主点Ｈ２を基点し
た像距離ｇ２は下記（６）式にて表すことができる。

ａｒｇｌ（１−ｅψ１）−ｅψ１ ｇ２−□・・・（６） α２− また、光ビームの傾角α２′は下記（７）式のように書
き換えることができる。

α２−一α１　　（１＋ｇｌ　ψ１）＋α１ψ２　　（
ｇｌ　−ｅ　（ｇｌ　ψ１））・・・（７） 次に、第１図（ｂ）により、光軸方向のレンズの位置ず
れ、光軸に垂直方向のレンズの軸ずれが生じた場合の物
体距離ｇｌ、レンズの間隔ｅｌｓ像距離ｇ２の各変位量
と像距離ｇ２光ビームの傾角α２′の関係を示す。第１
図（ｂ）において、物体距離ｇ１の変位量をγ、レンズ
の間隔のｅｌの変位量をδ、像距離ｇ２の変位量をεと
し、光軸方向にレンズの位置ずれを生じた時の物体距離
ｇ１、レンズ１１とレンズ１２の間隔ｅｌ及び像距離ｇ
２を、焦点距離ｆｌ、ｆ２及び変位量γ、δ。

εを用いて表すと下記（８）式から（９）式で表すこと
ができる。

ｇｌ−−ｆｌ＋γ　　　　　　　・・・（８）ｅｌ　＝
ｆｌ　＋ｆ２＋δ　　　　−（９）ｇ２−ｆ２＋ε　　
　　　　　　・・・（ｌＯ）ここで、（８）式の右辺第
１項の負号はレンズ１１の主点Ｈ１を基点として、この
基点即ち主点Ｈ１より左側の長さを負としたためである
。また、上記（１０）式より変位量εは下記（１１）式
で表すことができる。

ε−ｇ２−ｆ２　　　　　　　　　・・・（１１）第３
図は上記（６）式、（７）式、（８）式、（９）式及び
（１１）式より、接続する各光ファイバに伝播可能な受
光角に対する変位量γ、δ、ε、傾斜角α２７及び横倍
率β（−ｇ２　／ｇｌ　）の関係を示している。

°　　第３図（ａ）は、レンズ１１．１２の間隔ｅｌの
変位量δが−０，４ｍｍ、　０．０ｍｍ、　　０．４ｍ
ｍ。

０．８ｍｍの場合の、物体圧Ｍｇｌの変位量γ、像距離
ｇ２の変位量εとの関係を示しており、横軸が変位量γ
、縦軸が変位量εを表している。同図によれば、物体距
離ｇ１の変位量γがＯより大きいほど像距離ｇ２は大き
くなり、変位量γが０より小さくなるほど像距離ｇ２は
小さくなることがわかる。また、レンズの間隔ｅｌの変
位量δが０より大きくなると変位量γの減少とともに、
像距離ｇ２は非常に大きな増加を示し、変位量δが０よ
り大きくなると変位量γの減少とともに像距離ｇ２は非
常に大きな減少を示すことがわかる。

第３図（ｂ）は、レンズ１１．１２の間隔ｅ１の変位量
δが−０，４ｍｍ、　　Ｏ，Ｏｗｍ、　　０．４ｍｍ。

０．８ｍｍの場合の、物体距離ｇｌの変位量γ、光ビー
ムの傾角α２″との関係を示しており、横軸が変位量γ
、縦軸が傾角α２゛を表している。同図より、変位量・
δが０の時、物体距離ｇ１が変化しても傾角α２′は一
定値となることがわかる。

これにより、光学レンズ１１．１２の間隔ｅ１に対して
δ−０とし、２枚のレンズ１１．１２の光ビームの傾角
をＭＭ型光ファイバ、３Ｍ型光ファイバの各々に伝播可
能な受光角に合わせることで、対向する光フアイバ間隔
の変化に対する受光角の不釣り合いによる光損失を低下
させることが可能となる。

また、第３図（ｃ）は、同じくレンズ１１．１２の間隔
ｅ１の変位量δが−０，４ｍｍ、　　０．　　Ｏｍｍ。

０．４ｍｍ、０．８ｍｍの場合の、物体距離ｇ１の変位
量γ、横倍率βとの関係を示しており、横軸が変位量δ
、縦軸が横倍率βを表している。

同図によれば、変位量γが０より大きいほど横倍率βは
大きくなり、変位量δが０より小さくなるほど横倍率β
は小さくなることがわかる。また、レンズ１１．１２の
間隔ｅｌの変位量δが０より小さくなると変位量の増加
とともに横倍率βは大きな増加を示し、変位量δが０よ
り大きくなると変位量γの減少とともに横倍率βは大き
な減少を示すことがわかる。

第４図（ａ）は、以上説明した原理に基づく共焦点光学
系を用いてＭＭ型光ファイバと３Ｍ型光ファイバを接続
した時の接続損失の測定系の構成図であ、す、第４図（
ｂ）はその測定結果を示す図である。第４図（ａ）にお
いて、１ａは長さ１ｂのＭＭ型光ファイバ、２ａは長さ
１０ｒｎの３Ｍ型光ファイバ、１０ａはＭＭ型光ファイ
バ１ａの一端と８Ｍ型光ファイバ２ａの一端との間に挿
入した共焦点光学系で、ロッドレンズｌｌａとロッドレ
ンズ１２ａとを、各々の光軸を合わせてロッドレンズ１
１ａ、１２ａの焦点距離の和に等しい間隔をおいて配置
しである。２０は波長１，３μｍの光ビームを出力する
ＬＥＤ光源、２１はＬＥＤ光源２０とＭＭ型光ファイバ
１ａの他端間に挿入したＧＳＧダミー励振器、２２は８
Ｍ型光ファイバ２ａの他端側に配設したパワーメータで
ある。

第４図（ｂ）は、以上の構成による測定系において、共
焦点光学系１０ａのロッドレンズｌｌａの焦点距離ｆｌ
を１．９＋ＩＩｍとして、ロッドレンズ１２ａの焦点距
離ｆ２を３．８ｍ＋ｓ、　　５．８ｍｍ。

７．７ｍ＋ｅとし、ロッドレンズ１１　ａ　ｒ　　１２
　ａの間隔ｅｌ−ｆｌ　＋ｆ２とした時に、ＬＥＤ光源
２０からの出射光をＧＳＧダミー励振器２１を用いてＭ
Ｍ型光ファイバ１ａを定常モード励振し、共焦点光学系
１０ａを介して８Ｍ型光ファイバ２ａに入射させ、パワ
ーメータ２２で８Ｍ型光ファイバ２ａの出射光を測定し
た時の、接続損失の測定結果を示すものである。第４図
（ｂ）から、ロッドレンズｌｌａの焦点距離ｆｌを１．
９ｍ１Ｍ、ロッドレンズ１２ａの焦点距離を５．８關と
した時のＭＭ型光ファイバ１ａと８Ｍ型光ファイバ２ａ
の接続損失の最小値９．４ｄＢを得られた。また、焦点
距離ｆ２が５．８ｍｍより大きくなると接続損失が増加
するのは、焦点距離の増加により角度ずれの影響が大き
くなったものと思われる。

以上説明したように、光ビームの入射角を光ファイバの
開口角以下となす焦点距離を有する２枚のレンズを用い
、これら２枚のレンズを各々の焦点距離の和に合わせた
間隔で配設した共焦点光学系を光ファイバの接続部に挿
入することにより、ＭＭ型光ファイバと３Ｍ型光ファイ
バとを高い結合効率で接続することができる。

第５図は、本発明による異種光ファイバ結合器の第１の
実施例を示す断面図である。図中、１ｂはＭＭ型光ファ
イバ、１ｃはＭＭ型光ファイバのコア、２ｂは３Ｍ型光
ファイバ、２ｃは３Ｍ型光ファイバのコア、ｌｌｂ、１
２ｂはレンズ、３０゜３１は心出しフェルール、３２は
ガイドスリーブ、３３はレンズホルダであり、ＭＭ型光
ファイバ１１ｂは心出しフェルール３０．８Ｍ型光ファ
イバ１２ｂは心出しフェルール３１により先端部におい
て高精度に心出しされており、一対の心出しフェルール
３０．３１はガイドスリーブ３２によりレンズｌｌｂ、
１２ｂとの光軸合わせと位置合わせが行なわれ接続され
る。また、レンズ１１ｂ。

１２ｂはレンズホルダ３３を用いて、光軸とレンズホル
ダ３２の中心軸とが一致し、さらにレンズ１１ｂの焦点
距離とレンズ１２ｂの焦点距離の和に等しい間隔で配置
され保持されている。

以上の接続構成において、例えば、ＭＭ型光ファイバ１
ｂのコア１ｃを伝播してきた光信号は心出しフェルール
３０の端部で出射し、図中、破線Ａで示すような軌跡を
描いて、即ち、レンズ１１ｂで平行な光線となり、さら
にレンズ１２ｂで８Ｍ型光ファイバ２ｂの開口角以下と
なるように収束されて８Ｍ型光ファイバ２ｂのコア２Ｃ
に入射される。これにより、コア径の大きいＭＭ型光フ
ァイバ１ｂから出射された光信号をコア径の小さい８Ｍ
型光ファイバ２ｂに低損失で結合することができ、また
、逆に８Ｍ型光ファイバ２ｂから出射した光信号をＭＭ
型光ファイバ１ｂに低損失で結合することは勿論可能で
あり、双方向通信が低損失で実現できる。

第６図は、本発明による異種光ファイバ結合器の第２の
実施例を示す断面図であり、本節２の実施例と前記第１
の実施例との相違は、レンズ１１ｂとレンズ１２ｂ間に
、磁石、偏光子、ＹＩＧ結晶等により構成した光アイソ
レータ３４を配設したことにある。これにより、ＭＭ型
光ファイバｌｂ、８Ｍ型光ファイバ２ｂの各々の端面か
らの反射光を除去することができ、その他の作用、効果
は前記第１の実施例と同一である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、コア径の異なる
光ファイバを接続するための異種光ファイバ結合器にお
いて、光ビームの入射角を各々の光ファイバの開口角以
下となす焦点距離を有する２枚の光学レンズからなり、
前記２枚の光学レンズの間隔が各々の光学レンズの焦点
距離の和に等しくなるように配設した共焦点光学系を各
光ファイバの接続端部間に設けたので、コア系の異なる
光ファイバに光ビームの伝播可能な受光角とビーム系に
ビーム変換することができ、接続部における接続損失の
低減を図れ、しかも双方向通信可能な異種光ファイバ結
合器を低価格で実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための図、第２図は従
来の接続方法を示す概念図、第３図は第１図において光
軸方向にレンズの位置ずれを生じた時の物体の位置及び
レンズの位置の関係を示す図、第４図はＭＭ型光ファイ
バと３Ｍ型光ファイバの接続損失の測定系と測定結果を
示す図、第５図は本発明による異種光ファイバ結合器の
第１の実施例を示す断面図、第６図は本発明による異種
光ファイバ結合器の第２の実施例を示す断面図である。 図中、１・・・マルチモード（ＭＭ）型光ファイバ、２
・・・シングルモード（ＳＭ）型光ファイバ、１０・・
・共焦点光学系、１１．１２・・・光学レンズ（ロッド
レンズ）、３０．３１・・・心出しフェルール、３２・
・・ガイドスリーブ、３３・・・レンズホルダ、３４・
・・光アイソレータ。 特　許　出　願　人　　日本電信電話株式会社代理人　
　　弁理士　　吉１）精孝 共無沖、光学系 ｎ 第］図 （ａ） （ｂ） （ａ） 焦点距離ｆ２（ｍｍ） （ｂ） ＭＭ型尤フフイＩＮ乙ＳＭ型光フフイパ゛のＪＩ創目１
矢の１１［定系と漠Ｉ］定糸五果と示７図第４図 ３２ニア］“イト又１）−７ Ｅ別Ｈ’Ｍｚ２”　　　　　　　　　　　　３３：、、
又ホルタ゛１ｂ：ＭＭを尤フフイハ　　　　　　　　　
３０２ｂ：ＳＭをた７・イハ　　　　　　　３１　゛ゝ
出ゝＶｘｌＬ−ＩＬ’３２：力゛イト又リーフ じに腔″’ｙ２’　　　　　　　　　　　　３３：レン
又・不ルタ゛本発明の第２の実売例Σ示Ｔ竹面図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）コア径の異なる光ファイバを接続するための異種
   光ファイバ結合器において、光ビームの入射角を各々の
   光ファイバの開口角以下となす焦点距離を有する２枚の
   光学レンズからなり、前記２枚の光学レンズの間隔が各
   々の光学レンズの焦点距離の和に等しくなるように配設
   した共焦点光学系を各光ファイバの接続端部間に設けた
   ことを特徴とする異種光ファイバ結合器。
2. （２）中心軸が前記２枚の光学レンズと一致し、しかも
   前記２枚の光学レンズの間隔を各々の光学レンズの焦点
   距離の和に等しくなるように保持するレンズホルダと、
   光ファイバの接続端部の心出しを行なうための１対の心
   出しフェルールと、各々の心出しフェルールが接続され
   各々の光ファイバと前記光学レンズとの光軸合わせ並び
   に位置合わせを行なうための一対のガイドスリーブとを
   備えたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の異種光ファイバ結合器。
3. （３）前記２枚の光学レンズ間に、磁石、偏光子、ＹＩ
   Ｇ結晶等からなる光アイソレータを配設したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の異種光フ
   ァイバ結合器。