JPH05113518A - 光フアイバ結合レンズシステム - Google Patents

光フアイバ結合レンズシステム

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JPH05113518A
JPH05113518A JP27293191A JP27293191A JPH05113518A JP H05113518 A JPH05113518 A JP H05113518A JP 27293191 A JP27293191 A JP 27293191A JP 27293191 A JP27293191 A JP 27293191A JP H05113518 A JPH05113518 A JP H05113518A
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JP
Japan
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optical fiber
lens
mode field
coupling
lens system
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JP27293191A
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English (en)
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Norihisa Naganuma
典久 長沼
Tatsuya Murai
達也 村井
Teruhiro Kubo
輝洋 久保
Nobuhiro Fukushima
暢洋 福島
Kenichi Abe
健一 安部
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明はモードフィールド径の異なる光ファイ
バ同士を低損失でレンズ結合することのできる光ファイ
バ結合レンズシステムを提供することを目的とする。 【構成】モードフィールド径の異なる少なくとも2本の
光ファイバ32,34の出射光をレンズにより結合する
光ファイバ結合レンズシステムにおいて、レンズ36,
38の屈折率を一定としたとき、それぞれの光ファイバ
32,34のモードフィールド径に比例する曲率半径を
有するレンズ36,38を各光ファイバ32,34に対
して1個使用して、各光ファイバの出射光を他の光ファ
イバに結合して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバの出射光をレ
ンズを用いて他の光ファイバに結合する光ファイバ結合
レンズシステムに関する。
【0002】光通信システムにおいて、入出力に光ファ
イバを使用する所謂光ファイバピッグテールデバイスは
通常光ファイバ間をコリメートレンズにより結合し、空
間ビーム中にプリズム、フィルタ等の光機能素子を挿入
して光デバイスとしての特性を発揮させている。
【0003】従来、入力側光ファイバ及び出力側光ファ
イバにモードフィールド径の等しい光ファイバを用い
て、入力側光ファイバの出射光を曲率半径の等しい一対
のレンズを用いて出力側光ファイバに結合するようにし
ていた。ところが近年、Er等の希土類元素を光ファイ
バ中にドープした光ファイバ増幅器等の光回路において
は、異なるモードフィールド径の光ファイバを使用する
必要が生じてきており、このように異なるモードフィー
ルド径を有する光ファイバ間を光の結合効率を劣化させ
ることなく結合する光ファイバ結合レンズシステムが必
要となってきている。
【0004】
【従来の技術】近年、Er,Nd等の希土類元素をドー
プした光ファイバと励起光を組み合わせた光ファイバ増
幅器が盛んに開発されている。この光ファイバ増幅器
は、偏波依存性がないこと、低雑音であること、光伝送
路との結合損失が小さいといった優れた特徴があり、光
ファイバ伝送システムにおける伝送中継距離の飛躍的増
大、光信号の多数への分配を可能にすると期待されてい
る。
【0005】このような光ファイバ増幅器の概略構成を
図3を用いて説明する。伝送路を構成する入力側光ファ
イバ2と出力側光ファイバ4の間にErをドープしたE
rドープ光ファイバ6が接続されている。入力側光ファ
イバ2及び出力側光ファイバ4としては、1.55μm
で分散が最小となるモードフィールド径約8μmの分散
シフト光ファイバが一般的に使用される。
【0006】一方、Erドープ光ファイバ6のモードフ
ィールド径は比較的小さい方が光増幅に有利なことが最
近の研究により判明してきており、約6μmのモードフ
ィールド径を有する光ファイバがよく使用される。入力
側光ファイバ2を伝搬してきた信号光は光アイソレータ
8を介してErドープ光ファイバ6に入力される。
【0007】励起光源10から出射された励起光はシン
グルモード光ファイバ12を伝搬して合分波器14によ
りErドープ光ファイバ6に結合される。励起光源10
からの励起光を伝搬するシングルモード光ファイバ12
はモードフィールド径が大きい方が有利とされ、約10
μmのモードフィールド径を有する光ファイバが使用さ
れる。
【0008】合分波器14は励起光伝搬用光ファイバ1
2、Erドープ光ファイバ6及び出射側光ファイバ4に
対向して3個のレンズを内蔵しており、合分波器14内
では空間ビームとして光が伝搬し所望の光ファイバに結
合される。
【0009】Erドープ光ファイバ6内で増幅された信
号光は合分波器14及び光アイソレータ22を介して出
射側光ファイバ4に出射され、この光ファイバにより伝
送される。入力側光ファイバ2には光カプラ16が挿入
されており、光カプラ16により分岐され分散シフト光
ファイバ18により伝搬されてきた信号光はフォトダイ
オード20により電気信号に変換され、信号光の有無に
より励起光源10をオン/オフする。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】図3に示した従来の光
ファイバ増幅器では、例えば合分波器14に使用する3
個のレンズとして同一種類のレンズを使用して、Erド
ープ光ファイバ6、励起光伝搬用光ファイバ12及び出
射側光ファイバ4を結合していた。ところが上述したよ
うに、各光ファイバのモードフィールド径が異なるた
め、このような光ファイバ結合レンズシステムでは光結
合効率が劣化するという問題があった。
【0011】これを図4を用いて説明する。即ち従来の
光ファイバ結合レンズシステムでは、モードフィールド
径の大きな光ファイバ24の出射光を球レンズ28によ
りコリメートし、モードフィールド径の小さな光ファイ
バ26の出射光を球レンズ28と同一曲率半径を有する
球レンズ30によりコリメートすることにより、モード
フィールド径の異なる光ファイバ24,26を光結合す
るようにしていた。このため、図4に示すように、球レ
ンズ28によりコリメートされたビーム径φ1 と球レン
ズ30によりコリメートされたビーム径φ2とが相違し
てしまい、レンズを使用しての光結合効率がビーム径が
異なる分劣化することになる。
【0012】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、モードフィールド
径の異なる光ファイバ同士を低損失でレンズ結合するこ
とのできる光ファイバ結合レンズシステムを提供するこ
とである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、異なるモード
フィールド径を有する光ファイバを効率的に結合するた
め、モードフィールド径に応じてレンズの曲率半径或い
はレンズの屈折率を変えることにより、光結合すべき光
ファイバのモードフィールド径が異なっても各レンズに
よりコリメートされた空間ビーム径を等しくして、低損
失の光結合を達成するものである。
【0014】本発明の原理を図1を参照して説明する。
モードフィールド径が大きな光ファイバ32の出射光を
大きな曲率半径を有する球レンズ36によりビーム径φ
1 のビームにコリメートし、小さなモードフィールド径
を有する光ファイバ34の出射光を小さな曲率半径を有
する球レンズ38によりビーム径φ2 のビームにコリメ
ートする。このとき、ビーム径がφ1 =φ2 となるよう
に球レンズ36,38の曲率半径を設定する。
【0015】例えば、球レンズによるコリメートビーム
径は、レンズの屈折率が1.5の場合、 φ=3R・NA で与えられる。ここで、Rはレンズ半径、NAは光ファ
イバの開口数をそれぞれ示している。光ファイバのモー
ドフィールド径は開口数に反比例することが本発明者等
により実験的に確認されたため、モードフィールド径が
異なる各光ファイバの開口数を算出し、上式のφが一定
となるように球レンズの曲率半径Rを設定すれば良い 即ち、レンズの屈折率が一定の場合、各光ファイバのモ
ードフィールド径に比例する曲率半径を有するレンズを
各光ファイバに対して使用して、同一のコリメートビー
ム径を得るようにする。又は、各光ファイバの開口数に
反比例する曲率半径を有するレンズを各光ファイバに対
して使用して、コリメートビーム径を一定にする。
【0016】また、平凸レンズによるコリメートビーム
径は、レンズの屈折率をnとすると、 φ=2R・NA/(n−1) で与えられる。上式より、同じ曲率半径を有するレンズ
でも屈折率を変化させることによりコリメートビーム径
を一定にできることが理解される。これは球レンズでも
同様であり、図1の球レンズ36,38に代えてそれぞ
れ異なる屈折率を有する同一曲率半径の球レンズを2個
使用してコリメートビーム径を一定になるようにしても
良い。
【0017】即ち、レンズの曲率半径が一定の場合、各
光ファイバのモードフィールド径に反比例する屈折率を
有するレンズを各光ファイバに対して使用して、コリメ
ートビーム径を一定にする。或いは、レンズの曲率半径
が一定の場合、各光ファイバの開口数に比例する屈折率
を有するレンズを各光ファイバに対して使用して、コリ
メートビーム径を一定にする。
【0018】また、屈折率分布型レンズの場合には、中
心部と周辺部の比屈折率差又は屈折率分布度合を変化さ
せることにより、ビーム径を一定にできる。即ち、各光
ファイバのモードフィールド径に反比例する比屈折率差
を有する屈折率分布型レンズを各光ファイバに対して使
用して、モードフィールド径を一定にする。或いは、各
光ファイバの開口数に比例する比屈折率差を有する屈折
率分布型レンズを各光ファイバに対して使用して、コリ
メートビーム径を一定にする。
【0019】
【作用】光ファイバのモードフィールド径に応じてレン
ズの曲率半径或いはレンズの屈折率を変化させることに
より、光結合すべき光ファイバのモードフィールド径が
異なっても空間ビーム径を等しくすることができ、低損
失の光ファイバ結合レンズシステムを提供できる。
【0020】また、モードフィールド径は開口数に概略
反比例するため、光ファイバの開口数に応じてレンズ曲
率半径或いはレンズの屈折率を変化させることにより、
光結合すべき光ファイバのモードフィールド径が異なっ
ても空間ビーム径を一定にすることができ、低損失の光
ファイバ結合システムを提供することができる。
【0021】
【実施例】以下、図2を参照して、合分波器に本発明を
適用した実施例について詳細に説明する。40はErを
ドープしたErドープ光ファイバであり、そのモードフ
ィールド径は約6μm、開口数NAは約0.18であ
る。42は励起光源からの波長1.48μmの励起光を
伝搬するシングルモード光ファイバであり、そのモード
フィールド径は約10μm、開口数NAは約0.11で
ある。また、56は増幅された波長1.55μmの信号
光を伝送する波長1.55μmで分散が最小となるよう
に設定された分散シフトファイバであり、そのモードフ
ィールド径は約8μm、開口数NAは約0.14であ
る。
【0022】Erドープ光ファイバ40には波長1.5
5μmの信号光が図2で左方向から導入される。一方、
光ファイバ42より出射された波長1.48μmの励起
光は曲率半径2.5mmの球レンズ44によりコリメート
ビームとされて、2つの三角プリズム48a,48bの
界面に合分波膜50を設けたビームスプリッタ46によ
り反射されて、曲率半径1.5mmの球レンズ52により
Erドープ光ファイバ40に結合される。
【0023】Erドープ光ファイバ40内を信号光と励
起光が同時に伝搬することにより信号光が増幅され、増
幅された信号光は球レンズ52によりコリメートビーム
とされてビームスプリッタ46を透過し、曲率半径2mm
の球レンズ54により伝送路を構成する分散シフト光フ
ァイバ56に結合される。
【0024】球レンズ44,52,54の曲率半径をそ
れぞれ2.5mm,1.5mm及び2mmに設定することによ
り、球レンズ44によるコリメートビーム径を0.82
mm、球レンズ52によるコリメートビーム径を0.80
mm、球レンズ54によるコリメートビーム径を0.84
mmと、ほぼ同径にすることができる。
【0025】これにより、ビーム径差による損失−10
log(2φ1 φ2 /(φ1 2+φ2 2))2 は、Erドー
プ光ファイバ40と分散シフト光ファイバ56との間で
0.01dB、Erドープ光ファイバ40とシングルモ
ード光ファイバ42との間で0.003dBとなり、ビ
ーム径差による損失が殆ど生じないことになる。
【0026】曲率半径の異なる球レンズ44,52及び
54に代えて、従来のように曲率半径2mmの球レンズを
統一して用いた場合、コリメートビーム径はErドープ
光ファイバ40で1.08mm、分散シフト光ファイバ5
6で0.84mm、励起光伝搬用光ファイバ42で0.6
6mmとなり、ビーム径の差による損失はErドープ光フ
ァイバ40と分散シフト光ファイバ56との間で0.2
7dB、Erドープ光ファイバ40と励起光伝搬用光フ
ァイバ42との間で1.01dBとなり、大きな損失が
生じることになる。
【0027】本実施例によれば、3種類の異なるモード
フィールド径を有する光ファイバを効率良く結合するこ
とができ、低損失な合分波器を実現可能なため、光ファ
イバ増幅器の内部損失低減による特性向上を実現でき
る。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、モードフィールド径の
異なる光ファイバ同士を低損失でレンズ結合できるとい
う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理図である。
【図2】本発明の実施例構成図である。
【図3】光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図4】従来例の問題点説明図である。
【符号の説明】
32 モードフィールド径の大きな光ファイバ 34 モードフィールド径の小さな光ファイバ 36,38,44,52,54 球レンズ 40 Erドープ光ファイバ 42 励起光伝搬用シングルモード光ファイバ 46 ビームスプリッタ 50 合分波膜 56 分散シフト光ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 輝洋 神奈川県横浜市港北区新横浜2−3−9 富士通北海道デイジタル・テクノロジ株式 会社内 (72)発明者 福島 暢洋 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 安部 健一 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モードフィールド径の異なる少なくとも
    2本の光ファイバ(32,34) の出射光をレンズにより結合
    する光ファイバ結合レンズシステムにおいて、 レンズ(36,38) の屈折率を一定としたとき、それぞれの
    光ファイバ(32,34) のモードフィールド径に比例する曲
    率半径を有するレンズ(36,38) を各光ファイバ(32,34)
    に対して1個使用して、各光ファイバの出射光を他の光
    ファイバに結合するようにしたことを特徴とする光ファ
    イバ結合レンズシステム。
  2. 【請求項2】 モードフィールド径の異なる少なくとも
    2本の光ファイバ(32,34) の出射光をレンズにより結合
    する光ファイバ結合レンズシステムにおいて、 レンズ(36,38) の曲率半径を一定としたとき、それぞれ
    の光ファイバ(32,34)のモードフィールド径に反比例す
    る屈折率を有するレンズ(36,38) を各光ファイバ(32,3
    4) に対して1個使用して、各光ファイバの出射光を他
    の光ファイバに結合するようにしたことを特徴とする光
    ファイバ結合レンズシステム。
  3. 【請求項3】 モードフィールド径の異なる少なくとも
    2本の光ファイバ(32,34) の出射光を屈折率分布型レン
    ズにより結合する光ファイバ結合レンズシステムにおい
    て、 それぞれの光ファイバ(32,34) のモードフィールド径に
    反比例する比屈折率差を有する屈折率分布型レンズを各
    光ファイバ(32,34) に対して1個使用して、各光ファイ
    バの出射光を他の光ファイバに結合するようにしたこと
    を特徴とする光ファイバ結合レンズシステム。
  4. 【請求項4】 モードフィールド径の異なる少なくとも
    2本の光ファイバ(32,34) の出射光をレンズにより結合
    する光ファイバ結合レンズシステムにおいて、 レンズ(36,38) の屈折率を一定としたとき、それぞれの
    光ファイバ(32,34) の開口数に反比例する曲率半径を有
    するレンズ(36,38) を各光ファイバ(32,34) に対して1
    個使用して、各光ファイバの出射光を他の光ファイバに
    結合するようにしたことを特徴とする光ファイバ結合レ
    ンズシステム。
  5. 【請求項5】 モードフィールド径の異なる少なくとも
    2本の光ファイバ(32,34) の出射光をレンズにより結合
    する光ファイバ結合レンズシステムにおいて、 レンズ(36,38) の曲率半径を一定としたとき、それぞれ
    の光ファイバ(32,34)の開口数に比例する屈折率を有す
    るレンズ(36,38) を各光ファイバ(32,34) に対して1個
    使用して、各光ファイバの出射光を他の光ファイバに結
    合するようにしたことを特徴とする光ファイバ結合レン
    ズシステム。
  6. 【請求項6】 モードフィールド径の異なる少なくとも
    2本の光ファイバ(32,34) の出射光を屈折率分布型レン
    ズにより結合する光ファイバ結合レンズシステムにおい
    て、 それぞれの光ファイバ(32,34) の開口数に比例する比屈
    折率差を有する屈折率分布型レンズを各光ファイバ(32,
    34) に対して1個使用して、各光ファイバの出射光を他
    の光ファイバに結合するようにしたことを特徴とする光
    ファイバ結合レンズシステム。
  7. 【請求項7】 モードフィールド径が相対的に小さな希
    土類ドープ光ファイバ(40)にモードフィールド径が相対
    的に大きな励起光伝搬光ファイバ(42)から出射される励
    起光を第1レンズ(44)、合分波手段(46)及び第2レンズ
    (52)を介して結合し、該希土類ドープ光ファイバ(40)内
    で増幅された信号光を前記第2レンズ(52)、合分波手段
    (46)及び第3レンズ(54)を介して前記希土類ドープ光フ
    ァイバ(40)及び前記励起光伝搬光ファイバ(42)のモード
    フィールド径の中間のモードフィールド径を有する分散
    シフト光ファイバ(56)に結合する光ファイバ結合レンズ
    システムにおいて、 レンズの屈折率を一定としたとき、前記第1レンズ(44)
    に曲率半径の一番大きなレンズを使用し、第3レンズ(5
    4)、第2レンズ(52)の順に段階的にその曲率半径を小さ
    く設定して、空間ビーム径を概略等しくしたことを特徴
    とする光ファイバ結合レンズシステム。
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