JPH07119849B2 - フアイバ光学結合器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、一般に、ファイバ光学結合器に関するもの
であり、より特定的に言えば、単一モードないし多モー
ドファイバ光学方向性結合器に関するものである。

ファイバ光学方向性結合器は、通信ネットワーク、光学
信号処理、およびセンサシステムで用いられる。たとえ
ば、ファイバ光学ローカルエリアネットワーク（LAN）
は、ファイババスと複数のワークステーションとの間で
光を結合するためにファイバ光学結合器を利用するが、
その各各は、光学送信機および受信機を備える。

たいていの先行技術の方向性結合器は、「相反」装置で
あり、すなわちそれらは、結合が第１ファイバから第２
ファイバであるかまたは第２ファイバから第１ファイバ
であるかにかかわらず、本質的に光学パワーの同じ部分
を結合する。他方、非相反結合装置は、ファイバ間の光
学パワーのかなり異なる部分を結合する。そのような非
相反結合装置は、多くの応用、たとえばローカルエリア
ネットワークのために、相反結合装置より利点がある。
たとえば、ローカルエリアネットワークでは、バスから
各ステーションへのデータ信号光学パワーの小部分のみ
結合し、そのためバスが非常に多数のステーションを調
節することができるのが望ましい。他方、各ステーショ
ンで発生されるデータ信号光学パワーの実質的すべてが
データバスに結合されるのが望ましい。相反結合器は両
方向（すなわちバスからステーションまたはステーショ
ンからバス）に同じ量の光学パワーを結合するので、ロ
ーカルエリアネットワークでそのような相反結合器を用
いると、ステーションの最大数をひどく制限する。他の
光学ファイバ応用、たとえば多重化センサネットワーク
にも同様の問題がある。

上述の問題は、先行技術では、非相反、単一モードない
し多モードファイバ光学方向性結合器を利用することに
よって取り組まれてきた。多モードファイバは、データ
バスとして役立ち、一方単一モードファイバは、ネット
ワーク分岐として、たとえばワークステーションのため
に役立つ。ワークステーションで発生される光学データ
は、多モードファイババス結合するために、単一モード
ファイバを介して伝送される。先行技術の結合器は、典
型的に、単一モードファイバおよび多モードファイバの
側面からクラッドの部分を除去することによって、かつ
それからクラッドが除去されるファイバ部分を、ファイ
バが並んだ関係にあるように並置することによって形成
される。しかしながら、単一モードと多モードとの間の
有効な結合を保証するために、結合されたモードは、そ
れらがほぼ同じ位相速度を有するように位相整合されな
ければならない。多モードファイバのモードが実質的な
範囲にわたる位相速度を有するので、多モードファイバ
内の高い方のオーダのモードの限られた数のみが利用さ
れる。多モードファイバの結果として生じるモード分布
は、それゆえに、均一ではなく、かつマイクロベンドま
たは他のファイバ摂動によって影響を及ぼされそうであ
る。したがって、そのような結合器の結合係数は、環境
によって影響を及ぼされることがある。

発明の概要 この発明は、第１および第２光学ファイバを有する方向
性結合器を備える。この発明の好ましい実施例はまた、
第３光学ファイバを含む。好ましくは、第１光学ファイ
バは単一モード光学ファイバである。第２光学ファイバ
は、複数のモードグループを有する多モード光学ファイ
バである。開示された実施例では、第２ファイバは光学
バスとして役立ち、一方第１および第３ファイバは、第
２ファイバへかつそれから光を結合するために入力およ
び出力分岐を提供する。都合が良いことに、この発明の
結合器は、ファイバのモードのいかなる位相整合も必要
としない。

ファイバ間の結合は、多モード光学ファイバのコアに配
設される反射器によって達成される。反射器は、多モー
ドファイバで伝搬する光の小部分のみがそこに入射され
るように大きさが決められかつ配向される。好ましい実
施例では、反射器は、ファイバコアの中心に配設され
る。反射器に入射する光は、たとえばグレーデッド形レ
ンズを介して、出力分岐ファイバの方へ反射され、かつ
そこに結合される。反射器は、多モードファイバで伝搬
する光の一部分のみ遮るように大きさが決められかつ配
向されるので、多数の結合器は、バスのスループットを
実質的に劣化することなく、単一ファイババス上に位置
決めされることができる。

多モードファイバの方へ入力分岐ファイバで伝搬する光
は、たとえばグレーデッド形レンズによって、反射器上
に集束される。反射器は、多モードファイバの軸を下っ
て長手方向に向けられる一般に円錐形ビームで、この集
束した光を反射するように配向される。円錐形ビーム
は、多モードファイバの受入れ円錐内のモードの実質的
にすべてが励起されるように発散する。好ましくは、光
は、各モードグループの光学パワーがモードグループの
モード数に比例するように、モードグループ間で分布さ
れる。これは、多モードファイバの受入れ円錐によって
規定される領域全体を通じて、円錐形ビームの強度を等
化することによって達成される。強度は、「一定強度ビ
ーム部分」と呼ばれる、比較的均一な強度を有する反射
ビームのその部分のみがファイバの受入れ円錐内にある
ように、多モードファイバの開口数を選択することによ
って等化されてもよい。一定強度ビーム部分の大きさ
は、ほぼガウス形エネルギ分布のピーク内にある入力分
岐ファイバからの光の部分のみが反射されるように、そ
こに入射するビームに対して反射器の大きさを決めるこ
とによって増加されてもよい。

この発明のこれらおよび他の特徴は、図面を参照するこ
とによって最もよく理解される。

好ましい実施例の詳細な説明 光学ファイバのモード理論を基本的に理解することは、
この発明の結合器の基礎となる発明の概念を十分理解す
るために役立つ。したがって、この発明の構造的かつ機
能的な局面を論じる前に、モード理論を簡単に論じる。

光学ファイバは、２つのグループ、すなわち単一モード
光学ファイバおよび多モード光学ファイバに広く分類さ
れてもよい。それらの名前が意味するように、単一モー
ドファイバは単一モードのみで光を伝搬し、一方多モー
ドファイバは多モードで光を伝搬する。一般に、モード
は、位相を除いて変化されずにそれを介して光が伝搬す
るファイバの光学経路として規定されてもよい。したが
って、単一モードファイバは、１つの光学通路を有する
ものとみなされ、一方多モードファイバは、複数の独立
の光学通路を有するものとみなされる。

光学ファイバによって支持されてもよいモード数は、フ
ァイバの幾何形状、特にその円錐半径に依存している。
典型的な単一モードファイバは第１図に図解され、一方
典型的な多モードファイバは第２図に図解される。単一
モードファイバ12は、外部クラッド16によって取り囲ま
れる内部コア14を有する。同様に、多モードファイバ18
は、外部クラッド22によって取り囲まれる内部コア20を
含む。図解されるように、単一モードコア14は、多モー
ドコア20より小さい。一般に、ファイバによって支持さ
れるモード数は、コア半径、コアおよびクラッドの屈折
率、およびファイバを介して伝搬する光の波長の関数で
ある。さらに、コアを横切る屈折率の正確なプロフィー
ルは、支持されるモード数に影響を及ぼす。典型的に、
単一モードファイバは、５ないし10ミクロンのオーダの
コア半径を有し、一方多モードファイバは、典型的に、
50ないし100ミクロンのオーダのコア半径を有する。

各ファイバモードは、他のモードに対して独特である断
面エネルギ分布を有する。たとえば、第１オーダ、すな
わち基本モードについてのエネルギ分布は第３図に示さ
れる。第３図のＹ軸は光学エネルギを表わし、一方Ｘ軸
はファイバコアの中心からの距離を表わす。図解される
ように、基本モードのエネルギ分布は、光学エネルギの
大部分がファイバの中心で集中されるように、ほぼガウ
ス形である。単一モードファイバの幾何形状は、この第
１オーダのすなわち基本モードのみがそこで伝搬するよ
うである。しかしながら、コア半径が増加するとき、他
のパラメータは一定であり、ファイバは、付加的なモー
ド、たとえば第２オーダ、第３オーダ、第４オーダなど
を支持し始める。第２オーダモードについてのエネルギ
分布は第４図に示される。図解されるように、第２オー
ダモードの光学エネルギは２つのロープに分布され、そ
のロープの両方はファイバコアの中心から変位される。
一般に、エネルギ分布は、モードのオーダ（すなわちモ
ード数）が増加するにつれて、ファイバコアの中心から
さらに変位される傾向がある。したがって、低い方のオ
ーダのモードの光は、高い方のオーダのモードよりファ
イバコアの中心に近くで伝搬する傾向がある。

上で説明したモード（たとえば第１オーダ、第２オー
ダ、第３オーダなど）の各々は、異なる速度で光を伝搬
する傾向がある。周知であるように、ファイバの欠陥お
よび摂動は、モード間の光を結合する傾向がある。その
ような結合は、モード間の位相速度の差を減じると増加
する。上で説明したモードの伝搬速度は、これらのモー
ドが実質的に結合されないように十分異なる。したがっ
て、特定のモードで送り出される光は、長い距離を（た
とえば現在使用可能なファイバではキロメートルのオー
ダで）そのモードに留まる傾向がある。

当業者は、上で論じたモードの各々は、密接に関連する
モードのグループからなることを理解しよう。たとえ
ば、第１オーダのモードは、偏光モードを備える２つの
モードのグループに細区分されてもよい。第２オーダの
モードは、４つのモードのグループに細区分されてもよ
い。特定のモードグループ内のモードのすべてはほぼ同
じ位相速度を有し、一方そのモードグループの各々は他
のモードグループに関して位相速度が異なるということ
を理解することは重要である。一般に、各モードグルー
プのモード数は、モードのオーダ（すなわちモード数）
とともに増加する。したがって、第２オーダのモード
は、第１オーダのモードのモードグループより多いモー
ドを有するモードグループを含み、第３オーダのモード
は、第２オーダのモードのモードグループより多いモー
ドを有するモードグループを含む。以下で参照するため
に、用語「モードグループ」は、ほぼ同じ位相速度を有
するモードのグループを示すために用いられ、一方用語
「モード」は、ファイバで伝搬するいかなるモードも示
すように一般的な意味で用いられる。

モードグループ内のモードはほぼ同じ位相速度を有する
ので、光は、モードグループ内のモード間でたやすく結
合する傾向がある。この結合は、現在使用可能な光学フ
ァイバのすべてにあるわずかな固有の欠陥によって生じ
る。現在使用可能な光学ファイバには十分固有の欠陥が
あり、それによってファイバに沿って比較的短い距離の
み伝搬した後グループのモード間にパワーの均一な分布
が生じると一般に仮定される。したがって、モードグル
ープ内の単一モードのみに結合される光は、そのグルー
プ内の他のモードにすぐ結合する。

上ではファイバモードについて、主としてフィールド理
論によって論じた。当業者は、モードおよびモードグル
ープを、代わりに「光線理論」と呼ばれる異なる理論に
よって説明してもよいことを認めるだろう。光線理論の
下では、いかなるモードで伝搬する光も、１組の光線に
よって表わされてもよい。第５図を参照すると、第１オ
ーダすなわち基本モードは、多モードファイバコア20の
長手方向軸28と一致する光線（示されていない）によっ
て表わされる。高い方のオーダのモードの各々は、ファ
イバコア20の長手方向軸28に対して或る角度で傾斜され
る１組の光線によって表わされる。一般に、モードグル
ープ数が高くなればなるほど、１組の光線とコアの長手
方向軸28との間の角度が大きくなる。たとえば、第５図
の光線30は、高いオーダのモード内の光線の１つを表わ
し、この高いオーダのモードは、論じるために、15のモ
ードグループを有する多モードファイバの第10オーダの
モードグループ内の１つのモードであると仮定される。
図解されるように、光線30は、角度θでファイバ18の長
手方向軸を遮る。従って、モードグループ11-15を表わ
す１組の光線（示されていない）は、θより大きい角度
で長手方向軸28から傾斜され、一方モードグループ１−
９を表わす１組の光線（示されていない）は、θより小
さい角度で長手方向軸28から傾斜される。

第５図から、光線30は、それがコア20とクラッド22との
間の界面に達するたびに全体として内部に反射され、そ
のため光線30は、長尺のファイバ18を下って案内される
のが見られる。そのような内部反射は、基本モードを除
いて、ファイバ18によって支持されるモードのすべてに
ついて生じるが、その基本モードは、軸28に沿って伝搬
するので、ファイバコア内で案内されるためにいかなる
反射も必要としない。

第６図に示されるように、第５図に関連して論じた光線
30は、ファイバ軸28を介して通過し、かつファイバの一
方の側面上のコア／クラッド界面からファイバの他方の
側面上のコア／クラッド界面まで延びる平面でファイバ
18を下へ伝搬する。以下で参照するために、それがファ
イバ18を下へ伝搬するときコア20の中央長手方向軸を介
して通過するそのような光線は、「メリジオナル光線
（meridional ray）」と呼ばれる。メリジオナル光線に
加えて、各モードグループはまた、光線、たとえば「ス
キュー（skew）」光線と呼ばれる、第６図の光線31を含
む。スキュー光線は、それらが伝搬中コアの長手方向軸
を介して通過しないという点で、メリジオナル光線と区
別される。しかしながら、特定のモードグループ内のモ
ードのすべては、スキューであろうとメリジオナルであ
ろうと、実質的に同じ角度だけコアの長手方向軸に対し
て傾斜される。したがって、例の光線30および31は、同
じモードグループ内にあるので、光線30,31の両方は、
角度θで中央長手方向軸に対して傾斜される。一般に、
特定のメリジオナル光線と関連するスキュー光線の数
は、角度θが増加するにつれて増加する。したがって、
通常、低い方のオーダのモードより高い方のオーダのモ
ードと関連するより多くのスキュー光線がある。

当業者は、特定の光線とコアの中央長手方向軸28との間
の角度（たとえば光線30については角度θ）は、光線に
よって表わされるモードの伝搬速度を規定することを認
めるだろう。したがって、特定のモードグループを備え
る光線のすべては長手方向軸に対して実質的に同じ角度
（たとえば第５図では角度θ）によって傾斜されるの
で、そのモードグループ内のモードのすべては実質的に
同じ速度で光を伝搬する。逆に、実質的に異なる角度で
長手方向軸28から傾斜される光線に関連するモードは、
実質的に異なる速度で光を伝搬し、かつ異なるモードグ
ループにある。

ステップ形屈折率の光学ファイバで周知であるように、
光線は、光学ファイバのクラッドがコアの屈折率より低
い屈折率を有するという事実によって、コア／クラッド
界面で反射される。ファイバによって案内される光線の
数は、コアの屈折率のクラッドの屈折率に対する比の関
数である。θｃ（第５図）より大きいまたはそれに等し
い角度（ここでは「全反射余角」と呼ぶ）で軸28から傾
斜される光線は、反射されないが、その代わりにクラッ
ドを介してかつファイバから外へ放射される。この角度
θｃは、コアとクラッドとの間の屈折率の差によって定
められ、次のとおりである： ここでn₁はコアの屈折率であり、かつn₂はクラッドの屈
折率である。当業者は、角度θｃはファイバの開口数に
密接に関連することを理解しよう。

半径ａのコアを有するステップ形屈折率のファイバで
は、θｃより小さい角度で軸（28）から傾斜される光線
の数（Ｍ）（かつしたがってファイバによって支持され
るモード数（Ｍ））は、次のように計算されてもよい： ここで： および： ここでλは真空での光の波長である。

量（Ｍ）は、すべてのモードグループでモードの総数を
規定することに注目しなければならない。

モード理論の基本原理のいくつかを簡単に論じたので、
この発明を説明する。第７図および第８図に示されるよ
うに、この発明の結合器40は、内部コア42aおよび外部4
2bを有する多モードファイバ42を備える。この多モード
ファイバ42には結合器40のための光学信号「バス」とし
て役立つ。結合器40はまた、好ましくは単一モードファ
イバである入力分岐ファイバ44を含む。入力ファイバ44
は、ファイババス42に結合するために、装置、たとえば
LAN送信機またはセンサから光学信号を運ぶ。さらに、
結合器は、単一モードファイバまたは多モードファイバ
のいずれであってもよい出力分岐ファイバ46を含んでも
よい。しかしながら、好ましい実施例では、出力ファイ
バ46は、単一モードファイバである。出力ファイバ46
は、ファイババス42から装置、たとえばLAN受信機へ光
学信号を運ぶ。しかしながら、多くのセンサシステムで
は、出力ファイバ46は必要とされない。

開示した実施例では、入力および出力ファイバ44,46の
中央長手方向軸は、共通の線48に沿ってある。さらに、
ファイバ44,46は共通の軸48が多モードファイバ42の中
央長手方向軸49と標準の方向で交差するように配設され
る。安全性および剛性のために、多モードファイバ42
は、好ましくは、支持構造、たとえば石英ブロック50に
取付けられる。図解されるように、ブロック50は長方形
の断面を有する。ファイバ42は、ブロック50の中央ボア
を介して延び、中央ボアは、ブロック50の長手方向軸に
沿って配設される。ファイバ42は、接着剤によってこの
ボア内に接着される。

レンズ52、たとえばグレーデッド形レンズは、入力ファ
イバ44の出力端部とブロック50の側面54の１つとの間に
配設される。好ましくは、グレーデッド形レンズ52は、
接着剤によって、ブロック面54および入力ファイバ44に
付着される。同様に、グレーデッド形レンズ56は、出力
ファイバ46の入力端部と、側面54に向かい合っているブ
ロックの側面58との間に配設される。レンズ56は、同様
に、接着剤によって、ブロック面58およびファイバ46に
接着される。

第８図に示されるように、小さい反射器60は、ファイバ
44,46の共通の軸48と多モードファイバ42の長手方向軸4
9との間の接合点で、多モード光学ファイバ42のコア内
に配設される。好ましい実施例では、反射器60は、ディ
スクのような形状である平面鏡であるが、他のタイプの
鏡表面が用いられてもよいことが理解されよう。鏡60の
平らな表面は、ファイバ42の中央軸に対して45°で配設
される。鏡60は、矢印64によって示される方向に多モー
ドファイバ42を介して伝搬する光を受けるように、かつ
矢印66によって示される方向に出力ファイバ46を介して
伝搬するためにレンズ56および出力ファイバ46の方へそ
のような光を反射するように配向される。この配向で
は、鏡はまた、矢印68によって示される方向に入力ファ
イバ44を介して伝搬する光を受けるように、かつ矢印64
によって示される方向に多モードファイバ42を介して伝
搬するためにそのような光を反射するように位置決めさ
れる。

結合器40は非相反装置である。すなわち、結合される光
学パワーの部分は、光が多モードファイバ42に結合され
ているかまたは多モードファイバ42から結合されている
かに依存して著しく異なる。入力ファイバ44を介して方
向68に伝搬する光の比較的高い部分は、多モードファイ
バ42に結合される。しかしながら、多モードファイバ42
で方向64に伝搬する光の比較的低い部分は、方向66に伝
搬するために出力ファイバ46に結合される。結合器40の
非相反結合は、第９図−第11図を参照するとより十分理
解されるかもしれない。

第９図は、単一モード入力ファイバ44から多モードファ
イバ42への光学結合を図解する部分断面図である。入力
ファイバ44を介して方向48に伝搬する光は、光線81によ
って表わされる円錐形ビーム80としてグレーデッド形レ
ンズ52に入る。ビーム80は、光線81は鏡60の平らな表面
の直径にほぼ等しい直径に収束するように、グレーデッ
ドレンズ52によって集束される。鏡60の表面は、ファイ
バ42の中央軸49に対して45°の角度で傾斜されるので、
鏡60は、方向64にファイバ42を下って伝搬するために、
光ビーム80を反射する。鏡60は非常に小さく、かつ好ま
しい実施例では、鏡は、単一モードファイバ44と関連す
るエネルギ分布のピーク内にあるビーム80の光学エネル
ギのその部分のみ遮るように大きさが決められる。光学
エネルギのこの部分は、第３図では大きさE_Pによって表
わされる。鏡は小さいので、そこに入射する光80は、光
線83によって表わされる円錐形ビーム82として反射され
る。この点に関して、鏡60は、小さいアパーチャに類似
している物体（たとえばピンホール）で機能し、そのた
め反射鏡82は、ピンホールを介して通過する光が回折の
ため発散するのと同じ態様で発散する。鏡60についての
エアリー回折パターンは、パターン84として第10図に概
略的に図解される。明瞭に図解するために、鏡の位置お
よびファイバ42の中央軸49のみ描く。鏡60からパターン
84の境界へ放射する矢印は、反射光ビーム82内の様々な
例の光線の伝搬方向を表わす。各矢印の長さは、伝搬の
特定の方向と関連する光学強度を表わす。したがって、
回折パターン84は、鏡表面から放射する光の伝搬方向の
関数として、反射光ビーム82の強度を示す。第10図に示
されるように、反射光82の強度は、中央軸49に沿って伝
搬する光線について最も高い。軸49から或る角度で伝搬
するそれらの光線は、角度が増加するにつれて強度を減
少させる。図解されるように、反射光82は、主として長
手方向軸49に沿って延び中央ローブ86によって規定され
る領域で集中される。さらに、軸49から一般に横方向に
延びるいくつかのサイドローブ88がある。回折パターン
84の第１の零（すなわち中央ローブ86と次の隣接するサ
イドローブ88との間の接合点）は長手方向軸49から1.22
λ/dの角度で生じる。したがって、中央ローブ84は、1.
22λ/dの角度でファイバ軸49から発散する光の円錐ビー
ムを表わし、ここでｄは鏡60の直径であり、かつλは光
の波長である。回折パターン84は、中央ローブ86によっ
て表わされる光のこの円錐形ビームが、ファイバ軸49の
近くの位置で、すなわち軸49から角度γ内で、相対的に
一定である強度を有する。しかしながら、強度は、角度
1.22λ/dに近づくにつれ、零の方へ急速に降下する。

当業者は、ファイバ42の「受入れ円錐」内にある反射光
ビーム82の部分のみがファイバ42によって案内されるの
を認めるだろう。周知であるように、「受入れ円錐」
は、「全反射余角」（θｃ）によって規定される。受入
れ円錐内の光線（すなわち中央軸49からθｃより小さい
角度だけ傾斜される光線）は、ファイバによって案内さ
れる。受入れ円錐の外側の光線（すなわち中央軸49から
θｃより大きい角度だけ傾斜される光線）は、ファイバ
によって案内されない。

この発明では、反射光82はファイバ42のモードグループ
のすべてにわたって分布されるのが好ましい。これは、
ファイバの受入れ円錐がパターン84の中央ロープ86によ
って表わされる光の円錐より小さいということを保証す
ることによって、容易に達成されることができる。別な
ふうに述べると、第６図に関連して論じた全反射余角
（θｃ）は、角度1.22λ/dより大きくてはならず、その
ためローブ86,88間の零は、角度1.22λ/dによって範囲
を定められない。したがって次のとおりである： θｃ＜1.22λ/d （５） 上の関係は、鏡の直径（ｄ）、波長（λ）、およびファ
イバのパラメータ（n₁，n₂）を正しく選択することによ
って満たされる。第１の零が生じる角度が、鏡の直径と
反比例して変化し、かつしたがって高い全反射余角（θ
ｃ）を有するファイバは、鏡の直径（ｄ）を減少するこ
とによって調節されてもよいことに注目されたい。

方程式５の関係を満たすと、反射光82（第９図）がファ
イバ42のモードグループのすべてに導入されることを保
証するが、各モードグループのモード数と正比例して、
モードグループ間で光を分布するのもまた好ましい。モ
ードグループ内のモード間の結合は短い距離にわたって
容易に生じるので、そのような分布の結果、すべてのフ
ァイバモード間でファイバが均等化する。光学パワーの
この分布は、「全反射余角」（θｃ）が、ここで「一定
強度テーパ角度」と呼ばれる角度γより大きくないこと
を保証することによって達成されてもよい。第10図に示
されるように、角度γは、長手方向軸49から測定される
角度であり、その角度を介して中央ローブ86の強度は実
質的に一定である。別なふうに述べると、角度γは、中
央軸49と、光学強度が零の方へ急速に降下を始める中央
ローブ86上の点との間の角度である。したがって、角度
γは、ここでは「一定強度ビーム部分」と呼ばれる、比
較的一な強度の円錐形ビームの範囲を定める。受入れ円
錐が一定強度ビーム部分より大きくないと保証すること
によって、モードグループの各々は、グループのモード
数に比例して光を受け、そのためモードは、強度の関し
て等化される。上述のことは、次の関係によって数学的
に表される： θｃ＜γ （６） 鏡60が、たとえば好ましい実施例で、ファイバの中央に
（すなわち軸49に）位置決めされれば、各モードグルー
プ内のメリジオナル光線のみが励起されることに注目し
なければならない。しかしながら、上で述べたように、
メリジオナル光線とスキュー光線との間のパワーの再分
布は、ファイバ42を介する短い伝搬距離後、各モードグ
ループ内で生じ、それによって光学パワーはモードグル
ープ内のすべてのモード間で等化される。

軸外し位置に鏡を位置決めすることによって、モードグ
ループ内のモード間のパワー分布を改良することも可能
である。これによって、より多くのスキュー光線が励起
され、モードパワーのより均一な分布を生じる。

好ましい実施例はステップ型屈折率のファイバを利用し
ているが、この発明はまた、グレーデッド形光のファイ
バを利用することによって実現されてもよい。しかしな
がら、そのような場合には、鏡をファイバ軸に位置決め
するのが好ましい。というのはグレーデッド形光のファ
イバの局部的な「全反射余角」（θｃ）が軸外し位置で
より低いという事実のため、軸外し励起の結果放射損失
が増加するからである。

上述のことから、この発明の結合器40は入力ファイバ44
から多モードバスファイバ42へ実質的にすべての光を結
合することができるのがわかるだろう。さらに、鏡の大
きさ、波長、およびファイバのパラメータが正しく選択
されれば、結合器40は、結合された光をファイバ42のモ
ードのすべてにわたって実質的に均一に分布する。

第11図は、多モードファイバ42から出力ファイバ46への
光学結合を図解する部分断面図である。光は、多モード
ファイバ42を介して、方向64に鏡60の方へ伝搬する。鏡
60はコア直径と比較して非常に小さいので、ファイバ42
の光学パワーの小部分のみが鏡60に入射する。方向64に
伝搬する光は、光ビーム80（第９図）が入射する側面に
向かい合っている鏡60の側面に入射することに注目され
たい。したがって、開示した実施例では、ディスク形の
鏡の両側面は反射表面を有する。多モードファイバ42で
伝搬し、鏡60に入射する光の部分は、光線91によって表
わされる円錐形ビーム60の形で、そこから反射される。
円錐形ビーム90は、ファイバ軸に実質的に垂直な方向に
伝搬し、かつしたがって、内部に反射されることなくク
ラッドを介して放射する。クラッドを介して伝搬した
後、ビーム90は、ブロック50を介してグレーデッド形レ
ンズ56に伝搬する。このレンズ56は、入力のための光90
の発散している円錐形ビームを出力ファイバ46の入力端
部に集束させる。光90は、それから、出力ファイバ46を
介して方向66に伝搬する。

前で述べたように、鏡60は非常に小さく、かつしたがっ
て、鏡60によって多モードファイバ42から単一モードフ
ァイバ46に結合される光の部分は、結合されない多モー
ドファイバ42の光の部分（すなわち鏡に入射しない部
分）と比較して小さくなる。多モードファイババス42に
沿ってあけられた間隔で結合器40の数（ｎ）を有する光
学システム（たとえばLANおよびセンサネットワーク）
で、鏡60の大きさは、ファイババス42に結合される光学
パワーの最大スループットについて最適化されてもよ
い。以下でより詳細に論じるが、好ましい実施例につい
て最適化された鏡の直径（ｄ）は、次のように表され
る： 第12図に示されるように、この発明の結合器40は、LAN
バスと、そのバスに沿って位置決めされる送信機／受信
機ステーションとの間に光学通信を提供するために、フ
ァイバ光学ローカルエリアネットワークで用いるように
されてもよい。受信機100および送信機102を備える例の
LANステーション98は、第12図に図解される。結合器40
の多モードファイバ42は、ローカルエリアネットワーク
のためのデータバスとして役立つ。ファイババス42は、
結合器40の出力ファイバ46を介して光学データ受信機10
0に結合され、一方光学データ送信機102は、結合器40の
入力ファイバ44を介してファイババス42に結合される。
結合器40は、このように、バス42上を伝搬する信号を受
信機100に光学的に結合する。同様に、結合器40は、送
信機102によって発生される信号をデータバス42に結合
する。送信機102からバス42に結合される光の部分は、
バス42から受信機100に結合される光の部分と比較して
大きく、かつしたがって、結合器40は、非相反結合装置
として機能する。光学パワーの非常に低い部分のみが受
信機100に結合されるので、多数のLANステーション98
は、光通信ではファイババス42に沿って配置されてもよ
い。

この発明の結合器40のための他の好ましい使用は、セン
サシステムの信号を共通の戻りバス上に多重化すること
である。第13図は、はしご形センサシステムを図解し、
結合器40が特定の利点のために用いられてもよい。この
タイプのセンサシステムは、エイ・アール・ネルソン
（A.R.Nelson）およびディー・エイチ・マクマホン（D.
H.McMahon）による、「ファイバ光学センサシステムの
ための受動多重化技術」という題の記事，インターナシ
ョナル・ファイバ・オプティカル・コミュニケーション
ズ・ジャーナル（International Fiber Optical Commun
ications Journal），第２巻,27-30頁（1981年３月）で
説明されている。

第13図に図解されるように、このセンサシステムは、入
力光学信号を受けるための、単一モードファイバ光学入
力バス110を含む。この発明の多モード光学ファイバ42
は出力バスとして役立つ。一連のセンサ112（１）ない
し112（ｎ−１）は、それぞれ一連の単一モード入力分
岐ファイバ113（１）ないし113（ｎ−１）を介して入力
ファイババス110から光を受けるように光学的に結合さ
れる。これらの分岐ファイバ113（１）ないし113（ｎ−
１）は、それぞれのファイバ光学方向性結合器114
（１）ないし114（ｎ−１）によって入力バス110に結合
される。センサ112（ｎ）は、入力ファイババス110の端
部から直接光受けるように光学的に結合される。

センサ112（１）ないし112（ｎ−１）は、そこからそれ
ぞれの分岐ファイバ44（１）ないし44（ｎ−１）にそれ
ぞれ光を出力するように光学的に接続される。これらの
分岐ファイバ44（１）ないし44（ｎ−１）は、出力ファ
イババス42に沿って間隔があけられたファイバ光学方向
性結合器40ないし40（ｎ−１）にそれぞれ光を入力する
ように接続される。センサ112（ｎ）は、そこから直接
出力ファイババス42の端部に光を出力するように接続さ
れる。

結合器114は、分岐ファイバ113を入力バス110と並置さ
せることによって構成され、そのためファイバ113は、
その間のエバネセント結合のため、ファイバ110と並ん
だ関係にある。以下では、結合器114を「横方向結合
器」と呼ぶ。そのような横方向結合器の構成についての
さらに詳細は、「ファイバ光学方向性結合器」という題
のアメリカ合衆国特許第4,493,528号で見られる。

他方、結合器40は、この発明に従って構成され、かつ出
力ファイバ46および関連するレンズ56が除去されている
ということを除いて、第７図の結合器40と同一である。
第13図の分岐ファイバは、第７図の入力ファイバ44に対
応する。

入力ファイバ110を介して伝搬する入力光は、結合器114
によってセンサ112の各々に分布される。センサ112から
出る光は、それから、分岐ファイバ44を介して結合器40
に伝搬し、そこでこの光は、出力バス42に結合器され
る。この配置でこの発明の結合器40を用いるのは非常に
利点がある。というのはそのためセンサ112からの実質
的にすべての光が出力バス42に結合されることができる
からである。当業者は、横方向結合器、たとえば結合器
114が出力バスに沿って利用されれば、かなりの量の光
学パワーが、横方向結合器の「デッドエンド」端子を介
して失われるということを理解しよう。

上で説明したセンサシステムは異なるタイプの結合器を
利用しているが、そのようなセンサシステムは、全くの
発明の結合器のみ利用して実現されることができるとい
うことが理解されよう。そのような場合、入力および出
力ファイババスのいずれも多モードファイバであり、一
方分岐ファイバは単一モードファイバであるだろう。

第13図のセンサシステムを詳細に分析してきた。この分
析から、多モードファイバ42のモード数をセンサ12の数
の関数として選択することによって、センサ112からフ
ァイババス42を介して出力される光のための伝送は、セ
ンサの数から実質的に独立されることができるというこ
とが知られている。

この分析で、多モードバスファイバは、半径（ａ）およ
び開口数NAを有するステップ形屈折率のファイバである
と仮定された。そらに、鏡60は、ファイバ軸49に位置決
めされ、かつ単一モード入力ファイバ44からの集束した
光のスポットサイズは、鏡の直径（ｄ）に比較して大き
いと仮定され、そのため鏡60の照明は本質的に一定であ
った。前で述べたように、鏡から反射される光のエアリ
ー回折パターンは、その第１の零を1.22λ/dの角度で有
する。多モードファイバ42の開口数はこの角度に比較し
て小さく、かつそれゆえに放射輝度は、ファイバ42の受
入れ円錐内でほぼ一定であり、そのためモードグループ
は、各グループ内のモード数に比例して励起されると仮
定された。この状態は、次のように表される： 1.22λ/d＞＞NA （８） さらに、次のことも周知である： ｋ＝２π／λ （９） したがって次のようになる： 1.22＞＞dkaNA/2π （10） 方程式９は、次のように書き直されてもよい： 1.22＞＞dkNA/2a （11） さらに、次のことも周知である： Ｖ＝kaNA （12） それゆえに、次のようになる。

４＞＞Ｖ（d/2a） （13） 多モードファイバのモード数は、次の式によってＶ数に
関連する： Ｍ＝V²/2 （14） したがって次のようになる： 円形アパーチャ（この場合、鏡60）についての回折強度
のための式は、単一モードファイバから多モードファイ
バ伝送されるパワーの部分が次のとおりであることを示
す： ここでＲは鏡60によって実際に遮られかつ反射される入
射パワーの部分を表わす定数である。

鏡60があるために、多モードファイバ42から外に結合さ
れるパワーの量は、パワーがすべてのモード間で均一に
分布されれば、多モードファイバ42のコアの領域と比較
される鏡60の領域によって定められる。それゆえに、多
モードファイバ42を介して伝送される光学パワーの部分
（すなわち鏡60の１つの側面から他の側面までのパワー
スループット）は次のとおりである： 第13図に示されるようなはしご形構造のｎ個のセンサで
は、最後から２番目のセンサ（すなわちセンサ数ｎ−
１）は最も低い伝送を有する。というのはこのセンサか
らの光は、ｎ−２個の結合器40（第13図）を介して結合
されなければならないからである。センサｎ−１から伝
送されるパワーの部分は次のとおりである： d/2aに関して方程式18の最大値を求めることによって、
センサ数ｎ−１からの最大伝送は、鏡の直径（ｄ）がフ
ァイバの半径（ａ）と関連するとき、次の式によって達
成されるのがわかるだろう： 方程式19を方程式16に代入すると、次のようになること
がわかるだろう： 方程式19を方程式17に代入すると次のような式を生じ
る： 最後に、方程式20および21を方程式18に代入すると、セ
ンサ数ｎ−１からの伝送は、次の式によってセンサの総
数（ｎ）およびファイバモードの数（Ｍ）と関連するの
がわかるだろう： センサの数（ｎ）が大きくなると、式22は次のものに近
づく： 定義によって式23は１より大きいはすがないので、この
式は、変数Ｍに関して制限を受ける。式19と組合わせた
不等式13から、式23は、次の制限がモード数（Ｍ）に置
かれるときのみ妥当であるのがわかるだろう： 方程式23は、センサの数（ｎ）が増加するとき、センサ
数ｎ−１からの伝送が、比較M/nが一定であるようにフ
ァイバモードの数（Ｍ）を単に増加させることによって
のみ一定の値に維持されることができることをはっきり
と示している。このことは、この発明の結合器40を利用
することによって、センサ数ｎ−１からファイババス42
の出力端部に伝搬する光の部分がセンサ数から独立れる
ことができることを示している。しかしながら、実際
に、ファイバの分散についての必要条件は、モード数に
上限を設定してもよい。

類似の分析は、ローカルエリアネットワークのバス上の
送信機／受信機ステーションのために実行されてもよ
い。しかしながら、この分析の結果は実質的に同じであ
るだろう。さらに、方程式19は、鏡の直径、コア半径、
およびモード数間の好ましい関係を規定するが、ローカ
ルエリアネットワーク、ならびにセンサシステムで用い
るのに適当であるということに注目しなければならな
い。

上で示した分析で、単一モード入力ファイバ44から集束
した光のスポットサイズは、鏡の直径（ｄ）と比較して
大きく、かつ多モードファイバの受入れ角度は、鏡から
反射される光の回折パターンの主ローブの角度範囲と比
較して小さいと仮定れた。これらの仮定は、多モードフ
ァイバのモード間の光パワーの均一な分布を保証するた
めになされた。しかしながら、同じ仮定の結果、入力フ
ァイバから多モードファイババスへの結合損失が生じる
ことが理解されよう。実際に、結合損失は、モード間の
パワーの幾分均一でない分布を犠牲にして減じられると
いう妥協が選択れてもよい。この妥協は、経験的な方法
を利用してまたは理論的な分析によって達成されること
ができた。

この発明の製造の好ましい方法では、多モードバスファ
イバは、まず石英ブロック50のボアに挿入され、かつ上
で述べたように適当な接着剤によって接着される。ブロ
ック50は、それからファイバ軸49に対して45°の角度で
切られ、端部面120,122（第７図）を形成する。端部面1
20,122は研磨され、かつ小さい金属または誘導体の鏡
は、従来の蒸着およびフォトリソグラフィ技術を用い
て、コアの中央部分に配設される。２つのブロックの半
分の端部面120,122は、それから、ファイバスプライス
を介する損失を最少にするように調節された後、ともに
接着される。レンズ52,56および単一モードファイバ44,
46は、それから、前で論じたように、ブロック50上に取
付けられる。

鏡を形成する代わりの方法は、反射物体、たとえば金属
球を、ファイバ製造工程中に導入することである。たと
えば、内部化学蒸気蒸着工程が用いられれば、いくつか
の金属球は、プリフォームがつぶされる前にプリフォー
ムに導入されることができる。ファイバを引き伸ばした
後、球を含む領域は識別されることができ、かつファイ
バは適当な長さで切られることができる。ファイバのこ
れらの片は、それから取付構造、たとえば石英ブロック
に取付けられてもよい。この製造工程は、ファイバが切
られる必要がなく、かつ鏡配設工程が除去されるという
点で利点がある。球面は平面鏡ほど有効な反射器を提供
しないが、この技術は、それにもかかわらず、総合損失
が許容されることができる場合応用されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、典型的な単一モード光学ファイバの断面を図
解する概略図である。 第２図は、典型的な多モード光学ファイバの断面を図解
する概略図である。 第３図は、光学ファイバの第１オーダのモードのための
エネルギ分布パターンを示すグラフである。 第４図は、光学ファイバの第２オーダのモードのための
エネルギ分布パターンを示すグラフである。 第５図は、ステップ型屈折率の多モード光学ファイバの
コア内で案内される光線を図解し、かつさらに、それを
越えて光線が光学ファイバによって案内されなくなる最
大全反射余角を図解する概略図である。 第６図は、第５図の光学ファイバを下って伝搬するメリ
ジオナル光線およびスキュー光線を図解する概略図であ
る。 第７図は、この発明の結合器の好ましい実施例の斜視図
である。 第８図は、第７図の線８−８に沿った、この発明の結合
器の部分断面図であり、多モードバスファイバの中央に
配設される小さい鏡を示す。 第９図は、第７図の結合器の部分断面図であり、入力分
岐ファイバから多モードバスファイバへ光を光学的に結
合する際の鏡の機能を図解する。 第10図は、実例となるエアリー回折図形の図面であり、
鏡から反射される光の遠視野強度分布を示す。 第11図は、第７図の結合器の部分断面図であり、多モー
ドファイバから出力分岐ファイバに光を結合する際の機
能を図解する。 第12図は、ファイバ光学ローカルエリアネットワークの
複数のワークステーションの１つでのこの発明の結合器
の使用を図解する概略図である。 第13図は、実例となるセンサシステムでのこの発明の結
合器の使用を図解する概略図である。 図において、12は単一モードファイバ、18および42は多
モードファイバ、14,20および42aはコア、16,22および4
2bはクラッド、１−９および11-15はモードグループ、2
8および49は長手方向軸、30,31,81,83および91は光線、
40は結合器、44は入力ファイバ、46は出力ファイバ、48
は共通の軸、50は石英ブロック、52および56はレンズ、
54および58はブロック面、60は反射器、80および90は円
錐形ビーム、84は回折パターン、86は中央ローブ、88は
サイドローブ、98はLANステーション、100は受信機、10
2は送信機、110は入力ファイババス、40（１）ないし40
（ｎ−１）および114（１）ないし114（ｎ−１）はファ
イバ光学方向性結合器、44（１）ないし44（ｎ−１）お
よび113（１）ないし113（ｎ−１）は入力分岐ファイ
バ、112（１）ないし112（ｎ−１）はセンサ、120およ
び122は端部面である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の光学ファイバと、 第２の多モード光学ファイバとを備え、前記第２の多モ
   ード光学ファイバは複数のモードグループを含み、 前記第２の多モード光学ファイバのコアより実質的に小
   さい反射器をさらに備え、前記反射器は、前記第２の多
   モード光学ファイバのコア内に配設され、かつ前記第１
   の光学ファイバから光を受けるようにかつ前記第２の多
   モード光学ファイバを伝搬するために光を反射するよう
   に位置決めされ、前記反射器および前記第２の多モード
   ファイバの全反射余角は、相対的に大きさを決められ、
   それによって前記複数のモードグループの実質的にすべ
   ては反射光で励起されることを特徴とする、ファイバ光
   学結合器。
2. 【請求項２】前記反射器および前記第２の多モードファ
   イバの前記全反射余角は、相対的に大きさを決められ、
   それによって反射光は前記多モードファイバの前記複数
   のモードグループ間で、前記モードグループの各々のモ
   ード数に実質的に比例して分布されることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項記載のファイバ光学結合器。
3. 【請求項３】前記第１の光学ファイバは、一般にガウス
   形エネルギ分布で光を伝搬する単一モード光学ファイバ
   であり、前記反射器は、前記反射器が実質的に均一に照
   射されるように、前記エネルギ分布のピーク内にある前
   記第１のファイバで伝搬する光のその部分のみを受ける
   ように大きさを決められることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項または第２項記載のファイバ光学結合器。
4. 【請求項４】第３の光学ファイバをさらに備え、前記反
   射器はさらに、前記第２の多モードファイバから前記第
   ３の光学ファイバへ光を反射することをさらに特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載のファイバ光学結合器。
5. 【請求項５】前記第１および第２の光学ファイバの間に
   配設され、その間を伝搬する光を集束するレンズを備え
   ることをさらに特徴とする、特許請求の範囲第１項ない
   し第４項のいずれかに記載のファイバ光学結合器。
6. 【請求項６】前記反射器は平面鏡を備えることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに
   記載のファイバ光学結合器。
7. 【請求項７】前記反射器は、実質的にディスク形状であ
   り、前記ディスク形状反射器は、その両側面に反射表面
   を有することを特徴とする、特許請求の範囲第１項ない
   し第６項のいずれかに記載のファイバ光学結合器。
8. 【請求項８】前記角度はほぼ90°であることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第７項記載のファイバ光学結合器。
9. 【請求項９】前記多モードファイバは、複数の反射器を
   含み、前記複数の反射器の各々は、次のものにほぼ等し
   い直径（Ｄ）を有し、 ここでａは多モードファイバのコアの半径であり、かつ
   ｎは前記反射器の数であることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載のファイバ
   光学結合器。
10. 【請求項１０】ファイバ光学結合器を製造する方法であ
    って、 多モードバスファイバを提供するステップを含み、前記
    多モードバスファイバは、前記ファイバに沿って一定間
    隔離れた位置において前記バスファイバのコア内に複数
    の反射器を有し、 各々が前記位置の１つに配設された一連の分岐ファイバ
    を、前記反射器が前記分岐ファイバからそれぞれ光を受
    取り、かつ前記分岐ファイバと前記位置における前記バ
    スファイバとの間で光通信をもたらすように前記多モー
    ドファイバ内を伝搬するために前記光を反射するように
    位置決めするステップと、 前記多モードファイバのコアの半径および前記コア内の
    反射器の総数の関数として前記反射器の直径を決定して
    前記一連の分岐ファイバの第１のものから前記バスファ
    イバの出力への出力パワーの伝送を最大限にするステッ
    プとをさらに含む、方法。