JPH06281843A - 光分岐結合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】１つの光信号をｍ本の光ファイバーに分岐した
り、ｍ本の光ファイバーからの光信号を１つの光ファイ
バーに集める光通信の光分岐結合素子で、結合レンズの
像倍率を1/ｍから１の範囲内に選ぶことにより、光の結
合効率が高い光分岐結合素子を提供する。 【構成】第１光ファイバ１と、複数本の第２光ファイバ
２と、第１光ファイバ１の端面から出射した光を複数本
の第２光ファイバ２の端面に集光し、また、この複数本
の第２光ファイバ２端面から出射した光を第１光ファイ
バ１端面に集光する結合レンズＬと、を備え、この結合
レンズＬは、第１光ファイバ１の端面に対向し、光ファ
イバ１の端面側に凸の平凸円柱レンズ面７を備え、この
円柱レンズ面７の背面にあって、円柱レンズ７の軸と直
角方向に配置され、複数本の第２光ファイバ２端面と対
向する複数個の凸レンズ面8a,8b を備え、結合レンズＬ
をその像倍率が1/ｍから１の範囲のものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光分岐結合素子の構造
に関し、特にスターカプラ型光分岐結合素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信を用いたローカルエリアネットワ
ーク（以下ＬＡＮという）を構築するためには、１つの
光信号をｍ本の光ファイバーに分岐したり、ｍ本の光フ
ァイバーからの光信号を１つの光ファイバーに集めたり
する素子が必要である。この様な目的を達成する素子と
して図５に示すものが知られている。

【０００３】図５に示す光分岐結合素子は、複数の光フ
ァイバ3a,3b,3c,3d を一部分で束ね、この束ねた部分で
相互にひねり、このひねり部５に熱を加えて光ファイバ
同士を加熱融着し、テーパ引きすることにより、融着
部、即ちミキシング部５を形成している。このように形
成することにより、それぞれの光ファイバ3a,3b,3c,3d
から入射した光信号は他の光ファイバ4a,4b,4c,4d に均
等に分配され、光分岐結合素子としての機能を果たす。

【０００４】また、図６に示す光分岐結合素子は、２次
元厚膜導波路回路６を利用した光信号ミキサー部の両端
に、複数の光ファイバ3a〜3hを整列させ、２次元厚膜導
波路回路６の光端子にそれぞれ接続固定している。そし
てこの２次元厚膜導波路回路６には、一方の光端子より
入力した光信号を他方の光端子へ均等に分配するような
機能を持たせてある。このように構成することにより、
光ファイバ3a〜3hからの光信号はそれぞれ他の光ファイ
バ4a〜4hに均等に分配される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す光分岐結合
素子では、光ファイバ同士のひねり部分を加熱溶融し、
テーパ引きしているため、光ファイバ同士の融合状態を
均一に保つことが難しく、製造歩留りが悪かった。従っ
て、生産性も低く、品質の高い光分岐結合素子を大量生
産することができなかった。

【０００６】また、図６に示す光分岐結合素子では、２
次元厚膜導波路回路への光信号の結合損失を小さくする
ため、光ファイバ先端部のクラッドを除去し、さらに、
２次元厚膜導波路回路の結合部に対して光ファイバを正
確に整列させなければならない。そのため、このような
光分岐結合素子の生産性を高めることが難しく、かつ、
光の均等な分岐および損失の低い光結合を実現すること
が難しかった。そのため、低い結合損失で、生産性の高
い、安価な光分岐結合素子の開発が求められていた。

【０００７】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は前記した課題を解決して、入射光
信号を所望の割合で分岐し、高い結合効率を有し、生産
性の高い、低価格化が図れる光分岐結合素子を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１光ファイバと、複数本の第２光ファイバと、第
１光ファイバ端面から出射した光を複数本の第２光ファ
イバ端面に集光し、この複数本の第２光ファイバ端面か
ら出射した光を第１光ファイバ端面に集光する結合レン
ズと、を備え、第２光ファイバの本数ｍに対して、第１
光ファイバ端面から第２光ファイバ端面への結合レンズ
の像倍率が1/ｍから１の範囲内の値にあるものとする。

【０００９】また、上記構成の光分岐結合素子におい
て、結合レンズは、複数本の第２光ファイバ端面と対向
する面に、複数個の凸レンズを備えるものとする。ま
た、上記構成の光分岐結合素子において、結合レンズ
は、第１光ファイバ端面に対向しこの第１光ファイバ端
面側に凸の平凸円柱レンズを備え、この平凸円柱レンズ
の背面にあって、この平凸円柱レンズの軸と直角方向に
配置され、複数本の第２光ファイバ端面と対向する複数
個の凸レンズを備えるものとする。

【００１０】

【作用】上記構成により、光分岐結合素子は第１光ファ
イバと結合レンズと複数本の第２光ファイバを備え、結
合レンズを介して光の空間結合が行われる。図３はこの
結合レンズを介した光の空間結合の概念を示す概念図で
あり、第１光ファイバ１の端面から出射角αで出射した
光を結合レンズＬを介して、複数本の第２光ファイバ
（2a,2b,2c）の端面に分岐し、入射角βで集光する。ま
た、複数本の第２光ファイバ（2a,2b,2c）の端面から出
射角αで出射した光の内、出射角βで出射した光を第１
光ファイバ１の端面に結合・集光する。そして、このと
きの第１光ファイバ端面の物体像と、結合レンズを介し
た後の第２光ファイバ端面における結像と、の像の大き
さの比率（光学系では横倍率と言われるものであり、以
下これを像倍率と呼ぶ）を1/ｍから１の範囲内の値に選
択する。この結果、光の分岐・結合率がほぼ理論値に近
い、低損失な光分岐結合素子を得ることができる。

【００１１】また、結合レンズＬに、複数本の第２光フ
ァイバ端面と対向する面に、複数個の凸レンズ面を設け
ることにより、結合レンズＬは、第１光ファイバより出
射された光を受光し、複数個の凸レンズ面を介して複数
本の第２光ファイバ端面に集光することができる。ま
た、光の進行の可逆性より、複数本の第２光ファイバ端
面より出射した光を第１光ファイバ端面に集光・結合す
ることができる。

【００１２】さらに、第１光ファイバ端面に対向し、こ
の光ファイバ端面側に凸の平凸円柱レンズ面を備え、こ
の平凸円柱レンズ面の背面にあって、この平凸円柱レン
ズの軸と直角方向に複数本の第２光ファイバ端面と対向
する複数個の凸レンズ面を備え、光の分岐・結合ができ
る。一般的に、光の分岐・結合を１つの素子で実現する
場合、第１光ファイバ端面から出射した光をｍ本（ｍ≧
２）の第２光ファイバ端面に均等に分岐するときの１本
当たりの光量の理論値は1/ｍになる。また逆に、ｍ本の
第２光ファイバ端面から第１光ファイバ端面に結合・集
光するとき、各第２光ファイバから光量１の光量を出射
しても第１光ファイバ端面に入射する光量は全体で１と
なり、１本当たりの有効光量の理論値は1/ｍ相当とな
る、と言われている。本発明も光の分岐・結合を１つの
素子で実現するものであり、その理論的結合率は1/ｍに
相当し、この値に近い低損失の光の分岐結合を実現する
ものである。

【００１３】まず、本発明の理解を容易にするため、図
４により、像倍率と角度の関係を説明する。図４におい
て、結合レンズＬは複数の境界面（L1…Lk) からなる光
学系で、境界面の添字番号で境界面の位置を示し、この
境界面の左側を入射側とし、右側を出射側とし、出射側
の物理量は入射側の物理量にダッシュ記号’を添字して
表す。第１入射面L1の左側に位置し、屈折率N1の媒体中
で、距離s1の位置に大きさy1の物体があるとし、この第
１入射面L1に入射する入射光と基準軸とのなす角度をu1
とする。また、ｋ番目の境界面Lkの右側（出射側）に位
置し、屈折率Nk' の媒体中で、距離sk' の位置に大きさ
yk' の像があるとし、出射面Lkから出射する出射光と基
準軸とのなす角度をuk' とすると、各境界面毎にヘルム
ホルツ−ラグランジュの不変量(Helmholtz-Lagrange in
variant)の関係が維持される。即ち、屈折率Ｎと基準軸
とのなす角度ｕと像寸法ｙの積は境界面の前後で変わら
ないことである。結合レンズＬの前後の空間を考える
と、この空間での屈折率N1とNk' は同じ媒質中（空気）
であるので屈折率Ｎは等しい。従って、第１光ファイバ
端面の出射光（物体y1）と、第２光ファイバ端面の入射
光（像yk')との比率、即ち、像倍率＝yk'/y1＝u1／uk'
となる。ここで、u1、uk' は第１光ファイバ１の端面お
よび第２光ファイバ２端面から結合レンズＬへの入射角
および出射角である。

【００１４】１つの素子で光の分岐・結合を理論値に近
い結合率で実現する場合、次の２点について留意する必
要がある。第１点は、光が有効に光ファイバ中を伝播す
るために、開口数NAによって定まる受光角θmax.および
光ファイバ中を伝播してきた光が出射する出射角が光フ
ァイバで定まっている。従って、光の空間結合による分
岐・結合で有効な光はこの受光角および出射角以内の角
度の光であることが必要である。第２点は、光ファイバ
に入射する光は、光ファイバの受光端面以内に結像した
光が光ファイバ内部に入り、伝播することである。即
ち、光ファイバの受光端面外に結像した光は光の分岐・
結合に役立たない。前者は開口数NAに基づく問題であ
り、後者は像倍率の問題であり、両者は利害相反するも
のである。

【００１５】いま、第１・第２光ファイバが同じ部材で
構成されているものとし、像倍率が1/ｍの場合を考え
る。簡単化のために、第１光ファイバ端面から開口数NA
で出射した光は、その1/ｍの角度で、ｍ本の第２光ファ
イバ端面に分岐したとする。結合レンズの像倍率が1/ｍ
であるので、第２光ファイバ端面への入射角度は、ｍ倍
されて、第１光ファイバ端面を出射した角度と同じ角度
で入射する。また、このときの第２光ファイバ端面へ入
射する像寸法は、第１光ファイバ端面の有効径の1/ｍで
あり、従って、第１光ファイバ端面から出射した光の光
量は、1/ｍに分岐されて、全て第２光ファイバ内部に入
り、光の伝播が行われる。次に、第２光ファイバ端面か
ら開口数NAに基づく角度で出射した光は、この光の出射
角度の1/ｍの角度で第１光ファイバ端面に入射する。し
かし、このときの第１光ファイバ端面位置での結像寸法
は第２光ファイバ端面の有効径のｍ倍となるので、大半
の光は第１光ファイバに入射せず、第２光ファイバ端面
の有効径の1/ｍ相当の光量が第１光ファイバ内部に入
り、光の伝播が行われる。

【００１６】次に、像倍率１の場合を考える。第１光フ
ァイバ端面から開口数NAで出射した光は、その1/ｍの角
度で、ｍ本の第２光ファイバ端面に分岐する。結合レン
ズの像倍率が１：１であるので、第２光ファイバ端面へ
の入射角度は、この1/ｍの角度のままで、第２光ファイ
バ端面に入射する。また、このときの第２光ファイバ端
面への入射する像寸法は第１光ファイバ端面の有効径と
同じであり、第１光ファイバ端面から出射した光の光量
は、1/ｍに分岐されて、全て第２光ファイバ内部に入
り、光の伝播が行われる。次に、第２光ファイバ端面か
ら開口数NAに基づく角度で出射した光の内、分岐の経路
で通った前記第１光ファイバ端面から開口数NAで出射し
た光の角度1/ｍの角度の経路の光のみが第１光ファイバ
端面に入射する。その他の経路の光束は他の第２光ファ
イバ端面に対応した結合レンズに入射し、入射角が異な
るため、第１光ファイバ端面とはかなり離れた位置に結
像することとなり、光伝送エネルギとしては有効に活用
できない。即ち、ｍ本の第２光ファイバ端面から出射し
た光を第１光ファイバ端面に結合する場合、像倍率が1/
ｍの場合は、像倍率の点から第１光ファイバ端面での像
寸法が第２光ファイバ端面の有効径のｍ倍となり、第２
光ファイバ端面の有効径の1/ｍに相当する光量のみが第
１光ファイバに入射できる。また、像倍率が１場合は、
開口数NAの点から第２光ファイバ端面の開口数の1/ｍの
角度以内の光量のみが第１光ファイバに入射できる。即
ち、光の結合の点では、像倍率の観点から、あるいは開
口数NAの観点から、決まる理論結合係数1/ｍで結合され
ることとなる。像倍率が1/ｍ〜１の範囲内にあるとき
は、像倍率および開口数NAの両者から結合係数が決ま
り、やはり第２光ファイバ端面から第１光ファイバ端面
への結合光量は1/ｍで結合されることとなる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明による光分岐結合素子の結合レ
ンズの一実施例であり、図１の(a) に平面図、図１の
(b) に側面図を示し、図２は光ファイバ端面に入射する
結像状態を示す結像図をそれぞれ示したものであり、図
５に対応する同一部材には同じ符号が付してある。

【００１８】図１において、第１光ファイバ１の端面に
対向し、この第１光ファイバ１の端面側に平凸円柱レン
ズ７の凸面を備え、この平凸円柱レンズ７の背面に、こ
の平凸円柱レンズ７の軸（曲率半径∞）と直角方向に配
置され、複数本の第２光ファイバ(2a,2b) の端面と対向
する複数個の凸レンズ(8a,8b) を備えている。この実施
例ではｍ＝２の場合で説明する。

【００１９】上記構成において、第１光ファイバ１を伝
播してきた光は、第１光ファイバ１の端面からこの光フ
ァイバ１の開口数NAで定まる出射角αで出射され、結合
レンズＬの平凸円柱レンズ７の凸面側に入射する。図１
の(a) はこの平凸円柱レンズ７を上部より見た平面図で
あり、平凸円柱レンズ７の凸面側に入射した光は円柱レ
ンズ７で絞られ、この光は凸レンズ8a,8b の受光面で分
岐され、さらに絞られ、入射角βで第２光ファイバ(2a,
2b) に入射する。この出射角α、入射角βの関係は前述
のように、像倍率で決まる。次に、第２光ファイバ２を
伝播してきた光は、この光ファイバ２の開口数NAで定ま
る出射角αで出射し、結合レンズＬの凸レンズ8a,8b に
進む。この出射光の内、上記分岐時の入射角βに相当す
る角度β以内の光は、第１光ファイバ１に入射角α以内
で入射する。また、この角度β以外の光は、例えば、第
２光ファイバ2aを出射しレンズ8bを透過する光成分は、
第１光ファイバ１の端面外に集光し、また、レンズ8bを
透過しない光成分は、拡散する。

【００２０】図１の(b) は結合レンズの側面図であり、
平凸円柱レンズ７の軸方向の像倍率は凸レンズ8a,8b で
定まり、ここでの像倍率は１に選ばれている。従って、
第１光ファイバ１から開口数NAで定まる出射角αで出射
した光は入射角αで第２光ファイバ２に入射する。図２
は光ファイバ端面位置における結像状態を示す結像図を
示し、図２の(a)は、円柱レンズ７の軸方向と直角方向
の結合レンズの像倍率が1/ｍ（ｍ＝２）のときの、分岐
時の結像状態を示し、平凸円柱レンズ７の軸方向（像倍
率１）を縦軸に、平凸円柱レンズ７の軸と直角方向（横
像倍率1/ｍ）を横軸に取ったものである。第１光ファイ
バ１から出射角αで出射した光が結合レンズＬを介して
第２光ファイバ2a,2b の端面位置に結像する像9aの大き
さは、縦方向が１であり、横方向が1/ｍに縮小される。

【００２１】また、図２の(b) は、結合レンズの像倍率
は同じ1/ｍのものであり、図２の(a) が分岐の場合に対
して結合時の結像状態を示し、縦・横軸の取りかたは図
２の(a) と同じである。第２光ファイバ2a(2b)から出射
角αで出射した光が第１光ファイバ１の端面位置に結像
する像9bの大きさは、縦方向が１であり、横方向がｍに
拡大され、この内、1aで示さる第１光ファイバ１の受光
面部分の光が結合に有効な光成分として利用される。

【００２２】また、円柱レンズ７の軸方向と直角方向の
結合レンズの像倍率が１のときの結合時は、図示されて
いないが、第１光ファイバ１の端面位置における像の大
きさは第２光ファイバ2a(2b)の出射端面と同じ大きさで
ある。しかし、図１の(a) に示されるように、第２光フ
ァイバ2a(2b)から出射角αで出射した光が結合レンズＬ
の凸レンズ8a,8b に有効に結合する光成分の角度βはα
/2であり、この角度以外の光成分は第１光ファイバ１の
端面に結像しないこととなる。

【００２３】本発明の光分岐結合素子で、光の分岐・結
合を１つの素子で実現する場合、第１光ファイバ端面か
ら出射した光をｍ本の第２光ファイバ端面に均等に分岐
するときの１本当たりの光量の理論値は1/ｍになる。ま
た逆に、ｍ本の第２光ファイバ端面から第１光ファイバ
端面に結合・集光するときも、第２光ファイバから光量
１の光を出射しても第１光ファイバ端面に有効に結合す
る光量の理論値は1/ｍ相当となる。この理論値に近い結
合率で構成することが、この光分岐結合素子の低損失化
であり、これは第１光ファイバ１から出射された、殆ど
全ての光が凸レンズ8a,8b を介して、像倍率１から1/ｍ
の値の内、選択された値で第２光ファイバ2a、2bに集光
するように構成することである。

【００２４】また、光の分岐の割合を適宜変えたいとき
は、第１光ファイバ１から出射される光を受光する凸レ
ンズ8a、8bの受光面積を変えることで実施できる。本発
明の光分岐結合素子は光学ガラスまたは高分子性透明樹
脂を光学部材の型に入れ成形できるため、低価格で製造
することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、第１
光ファイバ端面から出射した光を複数本の第２光ファイ
バ端面に集光し、また、この複数本の第２光ファイバ端
面から出射した光を第１光ファイバ端面に集光する結合
レンズを備え、第１光ファイバ端面から第２光ファイバ
端面への結合レンズの像倍率が、1/ｍから１の範囲内の
値に選択することによって、理論値に近い低結合損失
で、光の分岐・結合を１つの素子で実現することができ
る。この光の空間結合を利用した光分岐結合素子は複数
本の第２光ファイバに対向する複数個の凸レンズの受光
面積を変えることにより、光分岐率を所望の割合で分岐
・結合し、高い結合効率を有し、生産性の高く、低価格
化が図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光分岐結合素子の結合レンズの一実施
例の概要説明図

【図２】光ファイバ端面に入射する結像状態を説明する
説明図

【図３】本発明の光分岐結合素子の光の空間結合の概念
を示す概念図

【図４】像倍率と角度の関係を説明する説明図

【図５】従来の光分岐結合素子の概要説明図

【図６】従来の光分岐結合素子の概要説明図

【符号の説明】

１、2a,2b,2c、3a〜3h、4a〜4h 光ファイバ ５ ミキシング部 ６ ２次元厚膜導波路回路 ７ 平凸円柱レンズ 8a,8b 凸レンズ 9a,9b 光ファイバの像 α、β 光の入射・出射角 y1, y1' 物体・像の大きさ u1, uk' 入射・出射光線が光軸となす角度 N1, Nk' 屈折率 L1, Lk レンズの境界面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１光ファイバと、 複数本の第２光ファイバと、 前記第１光ファイバ端面から出射した光を前記複数本の
   第２光ファイバ端面に集光し、この複数本の第２光ファ
   イバ端面から出射した光を前記第１光ファイバ端面に集
   光する結合レンズと、を備え、 前記第２光ファイバの本数ｍに対して、第１光ファイバ
   端面から第２光ファイバ端面への前記結合レンズの像倍
   率が、1/ｍから１の範囲内の値にある、ことを特徴とす
   る光分岐結合素子。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光分岐結合素子におい
   て、結合レンズは、複数本の第２光ファイバ端面と対向
   する面に、複数個の凸レンズを備える、ことを特徴とす
   る光分岐結合素子。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の光分岐結
   合素子において、結合レンズは、第１光ファイバ端面に
   対向しこの第１光ファイバ端面側に凸の平凸円柱レンズ
   を備え、この平凸円柱レンズの背面にあって、この平凸
   円柱レンズの軸と直角方向に配置され、複数本の第２光
   ファイバ端面と対向する複数個の凸レンズを備える、こ
   とを特徴とする光分岐結合素子。