JPH0766093B2 - 光エネルギ伝達装置 - Google Patents

光エネルギ伝達装置

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JPH0766093B2
JPH0766093B2 JP58500426A JP50042683A JPH0766093B2 JP H0766093 B2 JPH0766093 B2 JP H0766093B2 JP 58500426 A JP58500426 A JP 58500426A JP 50042683 A JP50042683 A JP 50042683A JP H0766093 B2 JPH0766093 B2 JP H0766093B2
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fiber
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光エネルギ伝達装置に関し、特に広いスペク
トル領域を有する波長を伝送している装置から機械的に
分離されたフアイバ光学的装置を用いるこによつて、そ
の広いスペクトル領域から狭い波長帯を分離することに
関する。
背景技術 本発明と同じ発明者による前の特許出願には、２つのフ
アイバコア間の同調分散形横方向結合（tuned dispersi
ve lateral colpling）が説明されている。しかし、そ
のような手段により、中央波長の0.001倍より小さい幅
をもつたフイルタを構成することは困難であることがわ
かつた。この困難は、フアイバの直径に変動を生ぜしめ
る、フアイバ装置の線引き工程の限界に起因する。光フ
アイバの線引き技術は日を追つて改良されており、フア
イバ線引き技術の向上によつて上記限界はなくなりつつ
あるが、また困難が存在しているために、１ないし２ミ
クロンの領域内における１Åより小さい範囲のフイルタ
に対する要求は現在でも存在している。
上述の狭帯域フイルタが有用なのは、大規模な通信シス
テムにおいては、１フアイバあたりの信号チヤネル数が
増加するほど、幹線コストが低下するからである。さら
に、１フアイバあたりのチヤネル数が増加するほど、交
換局における可能なポート数も増加する。狭帯域フイル
タの上述の後者の用途についていえば、交換は大体にお
いて２つの技術に分類できる。通常の交換方法において
は、ｍ個の線路をｎ個の線路上に長方形マトリツクスを
なして交差せしめ、それぞれの交差点にスイツチを設け
なくてはならない。もちろん、このようなシステムは極
めて多数の２位置スイツチを基礎として成立つものであ
る。
第２の方法においては、ｍ局からの放送が利用される。
それぞれの放送局は、多数の可能な「チヤネル」のうち
の１つを使用する。交換は、適当な受信ポートを選択さ
れた送信ポートと同じチヤネルに同調させることによつ
て行なわれる。
放送交換において多チヤネル送信線路を利用すれば、自
由空間放送を用いるよりも利点がえられる。そのわけ
は、チヤネルのエネルギが少なくてすむからである。チ
ヤネルエネルギは共通線路を経て送られ、そのエネルギ
を線路から取出すポートを通過するまで、その線路上に
保持される。フアイバ光学においては、単一フアイバ線
路によつて極めて多数のチヤネルが伝送されるので、フ
アイバ光学によつて従来のチヤネル放送交換局を改良す
ることができるのである。
もし、単一モードフアイバが、その単一モードの端縁部
に直接続いて存在する光スペクトルの1/10の部分を占め
る10チヤネルを伝送するものとすれば、そのフアイバは
帯域幅の点から、それぞれのチヤネルにおける変調速度
が約５×1010パルス毎秒である場合にのみ使用できるこ
とになる。（波長領域は約１ミクロンと仮定する。）し
かし、このような高い変調速度は、現在の技術によつて
は実現困難である。さらに、パルスは群速度分散のため
にフアイバの長さに沿つて進む間に比較的速やかに拡散
して行く。さらに、ビデオ速度より高速度の単一情報信
号を特に必要とする場合はないと思われる。従つて、そ
のような100波長チヤネルフアイバを完全に利用するた
めには、時間領域内で約1000のビデオ信号を多重化しな
ければならないことになる。時間領域多重化装置は比較
的高価であり、現在の電子技術においては、ビデオ速度
信号と５×1010パルス毎秒の幹線速度信号とをいつしよ
に時分割多重化することは不可能である。かろうじて可
能な限度は、５×109パルス毎秒である。
上述の理由で、10,000ないし100,000個の波長チヤネル
を単一フアイバにおいて使用することができ、しかも全
く時間領域多重化を用いる必要がなければ、極めて有利
である。これを実現するためには、基本波長の1/100,00
0ないし1/1,000,000の幅のスペクトル線をフイルタしな
くてばならず、これは１ミクロンの波長領域の場合には
0.1Åから0.01Åの線幅になる。これらの正確な数は、
重要なものではない。10Åの線幅のフイルタに対し、１
Åの線幅をもつたフイルタは制限された利点をもつに過
ぎない。
波長フイルタにはさまざまな応用があるが、ここで例と
して示される応用においては、波長フイルタは次のよう
なものでなければならない。
1.狭いスペクトル線を別の径路へ分離する。
2.残余の波長チヤネルをできるだけ乱さない。例えば、
もし残余のチヤネル内のエネルギの1/2を取り去るよう
なものであれば、使用しうる受信ポートの数は著しく減
少する。単一線路上にｎ個の受信器の全てを置く必要は
なく、同一信号を有するチヤネルを、いくつかの線路を
経て並列に送り、全ての受信器が同一線路上になくても
よいようにすることもできる。しかし、フイルタされな
いチヤネルができるだけ乱されないようにして、交換局
において最少数の並列線路を用いるようにすれば有利で
ある。
もう１つの応用領域は、フアイバ光学的分配システムに
対して存在する。このシステムにおいては、市内交換局
が共通分配線路上にある特定受信器をアドレスするので
あるが、それはその受信器が同調せしめられている波長
チヤネル内の信号を用いて行なわれる。すなわち、受信
器は固定された同調線路タツプを有し、そのタツプは共
通線路上を通過する１波長チヤネルを取出すのである。
この場合も、タツプされないチヤネルをできるだけ乱さ
れないようにすることが望ましい。１市内分配線路上の
チヤネル数を100から1,000または10,000に増加させて
も、極めて有利になるわけではないが、本発明の装置を
利用する場合には、スペクトル線幅のほかに付随的な利
点がえられる。その利点というのは、一定の線幅で動作
する本発明の装置の温度に対する安定性が増大せしめら
れることである。第２の付随的利点は、線路タツプが作
りやすくなることである。
現在の技術においては、狭い線幅のフイルタ動作を行な
うためには他の方法も存在する。例えば、プリズム、回
折格子、フアブリ・ペローの干渉計、などの、通常の光
スペクトル線フイルタ装置を用いることもできる。しか
し、これらは全て幾何学的な困難をもつている。すなわ
ち、これらの装置のいずれを用いても、フイルタされた
光を１フアイバ上へ送り、残余の光を他のフアイバ上へ
送ることは困難なのである。
フアブリ・ペロー干渉計は、小体積内において１Åとい
うような狭い線幅を達成しうる唯一の装置である。１Å
の分解能を有する代表的な回折格子モノクロメータは、
長さが3.05m（10フイート）、体積は約14.2m3（500立方
フイート）もある。明らかにこれは、現目的のために便
宜な装置ではない。
発明の要約 従つて、本発明は、フアイバ光学的装置によつて波長フ
イルタ動作を行ない、広いスペクトル領域から狭い波長
帯を分離することを主たる目的とする。
さらに詳細にいえば、本発明は、上述のフイルタ動作を
光共振空洞に対する横方向結合によつて行なうことを目
的としている。
本発明のこれらの目的およびその他の諸目的は、本発明
の諸実施例によつて達成されるが、これらの実施例は波
長0.2ミクロンないし３ミクロンの光領域において使用
されるフアイバ形式の共振空洞フイルタであることを特
徴とする。本発明の光フアイバ共振空洞装置は、比較的
にサイクルあたりの損失が低く、かつ十分小形で１Åな
いし0.01Åの線幅範囲において動作しうる。本発明の装
置は、アルミニウムまたは銀などの高度に効果的な金属
被覆を単一モードフアイバの両端部に施すことにより、
フアブリ・ペロー干渉計に極めて類似したものになる。
すなわち、フアブリ・ペロー干渉計の動作を支配する方
程式を使用すれば、本発明の共振空洞フアイバの動作を
予想したり解析したりすることができる。通常端部結合
構造において生じる結合損失を避けるために、本発明者
による1979年３月19日出願の米国特許出願第21,868号に
説明されている共振横方向結合が、本発明においては主
要技術として用いられる。上述の出願に開示されている
フアイバの形式は、本発明における好適なフアイバ構造
を与える。
第１実施例の細長い構造とは異なつた、ループ構造を有
する別の実施例も横方向結合技術を用いている。もう１
つの別の実施例も、やはり２つのループ段をもつたフア
イバ構造による横方向係合を用いている。さらにもう１
つ別の実施例は、空洞共振器フイルタと組合わされた分
散形横方向結合器を有する混成２段式フイルタである。
さらにもう１つの別の実施例は、３段式共振空洞であつ
て、その１実施例はループ構造のものであり、他の実施
例は直線的構造のものである。本発明のそれぞれの実施
例は、単一モードまたは多重モードの光エネルギを利用
するようになつている。
図面の簡単な説明 本発明の他の諸目的、諸特徴、および諸利点は、添付図
面を参照しつつ行なわれる、以下の諸実施例についての
詳細な説明において明らかにされる。添付図面におい
て、 第１図は、フアブリ・ペロー形構造をもつた本発明の装
置の１形式を示しており、この形式においては入力フア
イバと出力フアイバとが、細長い構造の中間的横方向結
合フイルタフアイバによつて接合されている。
第２図は、入力と出力との結合が横方向結合技術によつ
て行なわれている。ループ形フアイバを用いた本発明の
実施例を示している。
第3A図および第3B図はそれぞれ、フイルタ素子が入力ま
たは出力フアイバの一体部分になつている本発明の実施
例を示している。
第４図は、２つの多線フイルタを、それらが相異なる線
間隔をもつように構成して、直列に配置することによつ
て得られるチヤネルまたはスペクトル線を示している。
第５図は、第２図に示されている実施例と同様の動作を
行なうが、第２ループ段を付加されている、本発明の別
の実施例を示している。
第6A図ないし第6C図は、第２図および第５図の実施例と
同様の動作を行なう別の実施例を示しているが、第6A図
は第１段の出力の一部を幹線に再入力させるために、第
５図の第１フイルタと同じフイルタを用いたものを示
し、第6B図は直列２段式ループフイルタを示し、第6C図
は並列２段式ループフイルタを示している。
第７図は、さらに別の２段式フイルタの実施例を示して
いるが、この実施例は分散形横方向結合器が空胴共振器
フイルタと組合わされた混成構造をもつており、これを
直線的に展開して示せば第7A図のようになる。
第7B図、第7C図、および第7D図は、第７図の混成２段フ
イルタの動作を説明するための図である。
第８図は、第７図の分散形横方向結合器フイルタを直線
的に変形したものを示している。
第９図は、本発明の３段式共振空洞フイルタの概略図
で、出力フアイバは第１フイルタ素子の重なつた端部の
下に結合せしめられており、第9A図はこの動作特徴を説
明するための図である。
第10図は、３段式共振空洞フイルタを直線的に変形した
ものの概略図である。
実施例の説明 共振空洞は、電磁スペクトルの長波長領域では公知であ
るが、光領域においては例外的な存在である。共振空洞
が光スペクトル部分で使用されることがあつても、サイ
クル毎の損失率が高く、１Åないし0.01Åの線幅領域で
動作するのに十分なほど小形でないという困難を有して
いた。このような装置は通常、フアイバ形式ではなく平
面形式のものであり、そのような平面形装置において
は、サイクル毎の光損失が比較的大きいのである。さら
に、フアイバから平面形装置への結合を効果的に行なう
ことが困難であることもわかつている。現存の共振装置
は物理的に大きい構造のもの（周が30cm以上）であるた
めに、１ミクロンの波長において、線幅が1/3000Å、線
間隔が1/30Åまたはそれ以下になる。
もし、フアイバ装置を、両端に高反射性の金属被覆をも
つた線形共振空洞の形で用いて、伝送フアイバに端部結
合させ、単一モードで動作させようとすると困難が生じ
る。
基本的困難は、フアブリ・ペロー干渉計と共通のもので
ある。すなわち、高反射性の金属表面は反射されない光
の大部分を吸収する性質をもつている。これは金属鏡に
よる反射過程に固有の性質であるので、この装置は共振
波長におけるスループツト効率が極めて低くなるのであ
る。
フアブリ・ペロー干渉計の場合には、高反射性の多層誘
電体被覆を用いることによつて、これを回避することが
できる。このような多層鏡は、必ずしも反射されるべき
光の波長に比して薄くない。
従つて、この厚さのため、多層鏡は線形のフアイバ空洞
共振器の端面上に用いられた場合には、あまり効果的な
ものではなくなり、光径路に対して望ましくないギヤツ
プを形成することになる。
第２の困難は、フイルタされずに残つた光ビームが、空
洞へ光を伝えた同じフアイバによつて遮られるようにな
ることである。これは決して便宜なことではない。
第３の困難は、この種の簡単な共振空洞装置の全てに共
通したものである。すなわち、多少とも等間隔的な多く
の共振スペクトル線が存在することである。
共振の条件は、光が完全な１往復を行なう間の、光の位
相に影響を及ぼす諸因子から起こる全位相変化の和が波
長の整数倍になることである。明らかに、もし、ある共
振波長に対し光路長が1000波長であれば、その光路長が
999波長となる他の共振波長が存在するし、また1001波
長、等、となる他の共振波長も存在する。光の媒質が極
めて強い分散性を示さない限り、これらの共振は、最初
の波長を約1/1000変化させた波長毎に起こる。簡単な共
振空洞フイルタは全て、１つの波長をフイルタするので
はなく、１系列の波長をフイルタするのである。
（それぞれの共振波長の）線幅の線間隔に対する比は、
１往復の過程中におけるエネルギ損失の割合にほぼ比例
する。この損失には、反射損失、散乱損失、伝送損失、
および入力ポートおよぼ出力ポートにおける損失（入力
源は絶えずターンオフされるものとする）が含まれる。
第１図に示されているように、本発明の１実施例は、横
方向に結合せしめられた鏡端面を有する線形共振光フア
イバ空胴を利用している。第１図において、出力フアイ
バ14内のフイルタされた光は残念ながら左右に進み、入
力フアイバ10内をも左へ進むことに注意すべきである。
それぞれの異なる径路内のエネルギは等しい。この結果
は、「エネルギの等搬送法則」とでも呼ばれるべき法則
の第１部分から得られる。すなわち、それぞれの可能な
ポートからのエネルギ出力は、それらのポートが平等に
結合せしめられている場合は等しくなるのである。この
ため、それぞれと可能な損失機構は仮想的なポートとみ
なすことができる。もしも諸ポートが平等に結合せしめ
られていない場合には、それぞれのポートからの光出力
はエネルギ結合（または振幅結合の２乗）に比例する。
「等搬送」法則の第２部分は、入力ポートのエネルギ結
合が全ての出力ポートへの損失を含めたエネルギ結合の
和に等しい場合に、入力線路からの光エネルギの100％
が取出されるというものである。これはもちろん共振の
場合である。
第１図の出力フアイバ14の左端面上に鏡を置けば、分配
を改善することができる。そのようにすれば、上部フア
イバ14の左端面は、フイルタされた波長を反射するので
ある。右方へ進む光波の振幅と、左端面から反射された
光波とは、干渉効果によつて加算される。もし、これら
の空洞のλＲ（共振波長）に対して正確に同位相にあれ
ば、振幅は２倍になり、右方に送られるエネルギは４倍
になる。
ただちに考えつくことは、その時光エネルギの4/5が所
望径路へ進入するであろうということである。しかし、
実際にはそうではない。入力フアイバ内の左方への流れ
を与えるポートは、明らかに入力ポートと等しい強さで
空洞に結合せしめられる。入力ポートからの100％の結
合を得る唯一の方法は上部フアイバを完全に取去ること
である。頂部にもう１つの二重結合ポートを追加すれ
ば、空洞ポートを不整合の悪い状態にする。ポート毎の
結合が小さい場合は、次式が近似的に成立する。
ただし、Xiはｉ番目のポートのエネルギ（振幅ではな
い）結合定数の、入力ポートのエネルギ結合定数に対す
る比である。
さらに、 となる。
１つの場合は、第１の制御不能ポートが左方への下部ポ
ートで、入力ポートと同じ結合強度を有する場合であ
る。もし、反射などによるエネルギ損失がないものと仮
定すると、他の出力ポートは上方の組合せポートのみと
なる。この組合せ（干渉）ポートのエネルギ結合効率を
Xdとすると、利用できる出力は、 となつてXd＝２に最大値を有するが、Xd＝１からXd＝３
まではほぼ平坦な一定した値を有する。
理想的には、その場合に上方フアイバ内の一方向へ結合
によつて入るエネルギは、下方フアイバから結合によつ
て入るエネルギの1/2であるはずである。これが、干渉
のため、下方フアイバから結合によつて入るエネルギの
２倍まで増大し、その場合、光の50％が上方フアイバを
通つて出て行き、25％が下方フアイバが左へ進み、25％
は取出されずに通過して行くことになる。
このことに関する一般論を述べると、「エネルギ等搬送
法則」の第３部分により、ある利用可能な出力ポートへ
のエネルギ結合が、損失を仮想ポートとして数えあげ入
力ポートも１ポートとして数えあげた場合の、他の全て
のポートへの結合係数の和に等しくなつた時に、その利
用可能な出力ポートへ入るエネルギは最大になるのであ
る。
すなわち、所望の出力ポートへ入るエネルギは、全ての
結合係数が小さいものと仮定すると、 Xd＝Xin＋ΣXlosses＋ΣＸ である場合に最大になる。
所望ポートからのエネルギ出力は、共振波長付近におい
て、 となる。
ただし、ここでδλは波長の共鳴線からの変位であり、
Δλは２つの共鳴線間の距離である。この式から、エネ
ルギがピークエネルギの半分になるのは、 のときであることは明らかである。
この場合は、 で、Ｋ＝0.01である。
従つて、半ピークエネルギ点においては となる。
ピークエネルギの20％の点は、この例では、 にある。
また、ピークの10％の点は、この例では にある。
もし、信号チヤネルが0.039Δλの間隔で配置されれ
ば、このフイルタが用いた場合、10％の「漏話」を生じ
るわけであるが、これは許容しうる漏話であるかもしれ
ないし、あるいはそうでないかもしれず、その場合には
約25チヤネルが１つの配列内に押込まれることになる。
第２図に示されているように、本発明のもう１つの実施
例においては、入力フアイバと出力フアイバとの間に閉
ループフアイバ16が利用され、その場合、好ましくは、
ループ閉成のために横方向結合が用いられ、入力および
出力にも横方向結合が用いられ、装置全体は共振空洞波
長フイルタとして用いられる。
この装置は、１サイクル毎のエネルギ損失が極めて小さ
いという利点をもつている。注意深く構成された横方向
結合は、基本波長の１％のスペクトル範囲において、十
分99％より大きい通過効率を有する。
それはまた、関心をもたれる範囲である0.5cmないし5cm
の範囲の直径をもつ大きさに作ることができる。しか
し、その下限についてはかなりの注意が必要である。
フイルタループが入力または出力フアイバの一体部分に
なつている、閉ループフアイバを利用した単一フイルタ
素子フイルタを設計することもできる。第39図に示され
ているように、入力フアイバ18はフイルタループ20を含
んでおり、このループは領域22において自身に横方向結
合せしめられ、また出力フアイバ14に横方向結合せしめ
られている。この実施例においては、全入力エネルギ
が、ループ内へ結合せしめられるか、または入力フアイ
バ内を進み続けるかのいずれかになるため、第２図の実
施例よりも損失が少なくなる。
第3B図に示されているように、ループは出力フアイバと
一体化することもできる。この実施例においては、出力
フアイバ24がループフイルタ25を含み、このループは自
身に横方向結合すると共に、入力フアイバ10にも横方向
結合している。
第２図および第３図の装置に関する物理学および数学
は、線形共振空胴の場合とほとんど同様である。明らか
に、結合しているいずれのフアイバ内をも、後方へ進行
するフイルタされた光に伝搬しない。閉ループフアイバ
の欠点は、線形実施例のように小さくは容易に作れない
ことである。もし曲率半径をあまりに小さくし過ぎれ
ば、放射損失が起こる。さらに、ループと入力フアイバ
および出力フアイバとの間には、十分な長さの結合が必
要である。もしループの直径が小さ過ぎれば、必要な長
さの結合は不可能になる。
主幹線からフイーダ線へ、一時に１つのチヤネルを取出
すのには極めて手数がかかる。いくつかの隣接したスペ
クトル線を効率的に、しかも鋭くカツトオフして取出
し、カツトオフ端近くのチヤネルと干渉が起こらないよ
うにするフイルタを作ることは困難である。多線空洞共
振器は、もしフイルタが共振する全チヤネルを取出して
もよければ、この目的を極めて効果的に達成しうる。し
かし、主たる目的は、１チヤネルのみを取出すことであ
る。
これは、２つの多線フイルタを、第３図に示されている
ように相異なる線間隔を有するように構成して、直列に
配置することによつて達成される。
線間隔は一種のバーニヤ効果を与える。ある点におい
て、δすなわち線間隔の差が累積することにより、第１
フイルタのある線が第２フイルタの次の線に重なるよう
になるのである。同調の可能性は興味深いものである。
もし中央の重なつたスペクトル線が同時に（例えば）右
方に同調せしめられている場合には、出力の単一スペク
トル線はＡからＢまでで掃引されうる。それ以上の掃引
は不必要である。次の可能なチヤネルに対しては、第１
フイルタはＡに保たれるが、第２フイルタは量δだけ左
方で同調する。次の位置は両フイルタをδだけ右方へ移
動させ、次に、等、とし、最後に、第１フイルタをＡま
で復帰させ、第２フイルタをＡの２δだけ左方へ移動さ
せ、等、とすることによつてＣに達せしめることによつ
て実現される。もし、スペクトル線幅が線間隔の1/1000
であり、δが１でありＡ−Ｂが100であれば、相対位置
を1/100の精度で保持し、同時位置を1/100の精度で保持
することによつて10,000チヤネルが実現される。
すなわち、もしF1を第１フイルタの中央線位置とし、F2
を第２フイルタの中央線位置とすれば、F1はδの精度で
保持され、（F1−F2）もδの精度で保持されなくてはな
らないのである。
F1は100δにわたつて掃引されさえすればよく、（F1−F
2）も100δにわたつて掃引されれえすればよい。２つの
フイルタのそれぞれの100個より多くの不連続位置を取
扱うことなく、10,000個の不連続位置の１つを選択しう
るというこの結果は、相当の成果である。
第５図には、２段式フイルタが概略的に示されている。
第１フイルタ素子28は波長λｉ用としての寸法を有し、
第２フイルタ素子30は波長λｊとしての寸法を有してい
る。これら２つのフイルタ素子は、中間のフアイバセグ
メント32によつて結合せしめられている。λijを２つの
フイルタのλの重なり合つた組とすると、出力フアイバ
14に結合せしめられるのはこの波長の組ということにな
る。これと同様の結果は、粗フィルタと細密フイルタと
を直列に用いても得られる。
結果はほとんど同じであるが、所望の同調範囲を実現す
るためには、この場合粗フイルタを10,000δにわたつて
掃引しなければならない。しかし、線幅が100倍に大き
くなるので、この場合も1/100（前後）の精度しか要求
されない。
いずれの場合においても、目的の一部、すなわち単一の
波長を出力フアイバ上へ取出すことは達成される。しか
し、この過程において、主幹線からは全てのλｉ線が取
出されて捨へられてしまう。もちろん、これは目的に反
することである。これを避ける１つの方法は、第6A図に
示されているように、第１フイルタと全く同じ第３フイ
ルタを用いて、それらを主幹線へ再導入する方法であ
る。第６図においては、中間フアイバ34が第３フイルタ
素子24を経て入力フアイバ10にλｉを帰すように結合せ
しめられている。これは理論的にはよいのであるが、第
１フイルタ28のスループツト効率は、90％に達せしめる
のさえ極めて困難である。これは前出の方程式からわか
ることであるが、これを行なうためには、50％点におけ
るδλ／Δλを約1/4にしなければならない。これは明
らかに目的達成が不可能であることを意味する。さら
に、たとえもし全てのλｉの90％を取出すことができ
て、81％が再導入の後残つたとしても、何回かこれが行
なわれるうちにλｉはなくなつてしまう。
もう１つの方法は、目的を低下させて、λijの小さい割
合だけを取出し、それを使用する方法である。そのため
には、最初の信号レベルを高くする。しかし、λｉを余
りひどく減衰させないようにしなくてはならない。最初
の試みとしては、F1内のλｉの10％のみを取出す。次
に、その10％の一部を幹線に帰すというほとんど不可能
なことを行なわなくてはならない。これを行なうために
は、F1フイルタは高い伝達効率を有するが、線幅だけに
ついて作用するために、他の線は取出してもλｉは帰す
ようなつている必要がある。こうなつていても、たいし
た結果は得られない。そのような小さい割合のλｉを取
出すことを100回行なつても、最後のλｉとして取出さ
れるべき十分な信号が残ることになるのである。これに
よつて得られるλijの信号レベルは約１％という低さに
なる。これは不可能な量ではないが、極めて十分である
とはいえない。
一体化された２段式フイルタの構成方法はいくつかあ
る。その２つが第6B図および第6C図に概略的に示されて
いる。第6B図においては、第１および第２フイルタ38お
よび40が直接結合し、それらが共通の共振（重なつた共
振線）を有していなければ、光は光路を通り抜けること
ができない。もし第１フイルタ38が共振していて、第２
フイルタ40が共振していなければ、光は通り抜けること
ができないので、理論的には光は主幹線に戻るように考
えられる。しかし、もつと面倒なことが起こる。第１フ
イルタ38はある損失を有するので、第２フイルタ40が出
力ポートとして作用しない場合は、エネルギは強制的に
仮想損失ポートに入らせられるか、または少なくともそ
の大部分がそのようになる。残念ながら、λijの10％の
伝達が実現されても、λｉの残りは、線間隔の線幅に対
する比の低下という代償を伴つてのみ保留されることに
なる。同じことは、第6C図のように２段式フイルタを、
線形フイルタ素子42がループ形の第２フイルタ44に直接
結合するような形式に変えた場合についても、いえる。
そこで、目的をもつと良く達成するために、混成２段式
フイルタが工夫された。それは、空洞共振器フイルタと
組合わされた分散形横方向フイルタを含んでいる。
第７図には、その１形式のものが示されている。入力フ
ァイバ10は、共振器部分50の内側横方向素子46に横方向
結合し、出力ファイバ14は共振器部分50の外側横方向素
子48と横方向結合している。内側素子46と外側素子48
は、互いに横方向結合して、共振フイルタを形成してい
る。これを直線的に展開すると第7A図のようになる。こ
のフィルタの共振波長は、フィルタ素子46と48の長さに
よって調整されて、第7A図に示すように所定の波長帯の
波長の光エネルギが両素子間に伝達される。各フィルタ
素子は、断片状に形成され、各断片は２つの素子が分散
結合（後述のように、選択された波長帯の複数の同調波
長をもって結合すること）して、選択された波長帯の波
長の光エネルギが全て対向するファイバに伝達され、前
記選択された波長に関して連続した伝送路を形成するよ
う配置されている。同調波長から僅かに変位した波長に
おいては、その光エネルギの一部は各断片の両端部にお
いて失われる。従って、フィルタ素子46,48で形成され
る共振器の複数の同調波長の各波長成分の損失は、大き
く波長に依存する。幹線から結合によつて取出されるエ
ネルギに対するエネルギの式の中に、仮説的な波長依存
の損失を含めると、もし他の損失が0.01であり、幹線か
らのエネルギ結合因子が0.002であり、出力線路への結
合が0.01ならば、出力へ伝達されるエネルギが になることがわかる。
次の共振線において、もし波長依存の損失因子が0.06で
しかなければ、幹線から結合によつて取出される光は でしかない。
次の共振線における損失因子が0.12に大きくなつたとす
れば、幹線から取出されるその波長でのエネルギはわず
か5.7％になり、以下同様となる。
その結果、第7B図のような出力が得られる。第7B図の数
字は、さらに別の独立したフィルタを追加することによ
りさらに改善することができる。幹線から取り出される
光エネルギは、第7C図のようになる。但し、第7C図は、
第7B図に示される全スペクトルの左側の部分のみを示
す。これは、これまでに得られた最も良い結果を示すも
のである。目的とする波長に隣接する波長については、
10％しか伝達されず、次に隣接する波長については６
％、次の波長についてはさらに減衰することが分かる。
以上のように、共振器50の素子46,48は横方向共振結合
して、目標とする波長を含む、選択された波長帯に含ま
れる波長の光エネルギを伝達する。一方、素子46と幹線
10の間、及び素子48と幹線14の間の横方向結合において
は、目標とする波長に隣接する波長は第7B図に示される
ように選択的に減衰され、結果として、幹線10から幹線
14には、目標とする波長の光エネルギが伝達されること
になる。
このようにして、単波長取り出しフィルタを多数幹線上
に配置することができる。各フィルタは、隣接するフィ
ルタからは殆ど光エネルギを奪うことはないが、最終結
果は、はじめの共振結合の値0.2％によって制限され
る。多分、そのようなフィルタを500個、幹線に配置す
ることが可能である。
以上においては、ある損失が仮定された。実際には、第
7D図に示されているような同調横方向フイルタにおける
曲線を使用できる。次に、波長の尺度が必要になる。２
つのコアの相対分散の大体の推定値は Δn cosθ＝1/3（n1−n2） ただし、ni＝屈折率、とされた。0.01の（n1−n2）値は
達成することができる。従つて、長さ2cmのフイルタ結
合器においては、波長１μの場合、それぞれの側におけ
る最初のゼロは約30Åだけ変位せしめられる。ピークか
ら５Å離れた波長における損失は約0.06になる。従つ
て、この場合のグラフ曲線は、空洞共振器（長さ2cm）
の線間隔が1/2Åなので、仮定されたものよりずつと広
がる。幹線から取出されるエネルギの曲線は、中央から
10番目のスペクトル線において、ようやく10％まで低下
する。これでも使用できないわけではないが、この場合
は0.03より大きい相対分散が必要になる。少なくとも0.
1の分散があれば有利である。
中央共振線におけるエネルギの取出しを少し低下させ、
かつ／または、幹線上のエネルギを増加させて、隣接フ
イルタによりエネルギを取出された後でも、またスルー
プツト効率が比較的低くなつた後でも、検出に十分なエ
ネルギレベルが得られるようにする必要がある。そうす
れば、以上に与えられたパラメータ値においても、装置
は使用可能になる。
第８図には、第７図のフイルタを線形に変えたものが示
されている。この実施例においては、フイルタ素子52お
よび54は同調分散形のフイルタ結合で結合されている。
すなわち、フイルタ素子52,54の伝達波長特性は、たと
えば第7D図に示されるように目的とする波長と同調する
帯域を示す大きな山の左右に次第に伝達特性は悪くなる
が同調帯域を示す小さな山が分散する形となつている。
このような第８図のフイルタ素子52,54は同調部が分散
して存在する同等分散形の波長特性をもったフイルタ結
合を形成している。素子52は左端に鏡56を有し、素子54
は右端に鏡58を有して、適宜の長さに画定している。素
子間の結合長は、２段式動作が行なわれるために、扱わ
れる特定の波長に適するよう選択される。フイルタの応
答をさらに鋭くするためには、鏡のない端部を損失が大
きくなるように作り、必要のない波長を減衰させればよ
い。
鏡は図示されているように配置する必要はない。分散形
結合の長さによつては、鏡を同一フアイバ上に配置する
か、または上方フアイバ54の右端部と下方フアイバ52の
下端部とに配置することもありうる。必要なことは、そ
れらが扱われる波長に対し、それらの間に整数個の波長
を画定することである。
第９図には、本発明の次の実施例である３段式共振器空
胴が示されている。
第9A図を参照して、まず第３ループフイルタ64を考察す
る。このフイルタは波長λ０において共振する。第２フ
イルタ62から第３フイルタ64へのエネルギ結合係数は0.
01、第３フイルタ64内での損失はサイクル毎に0.01であ
るものとする。共振時においては、第１フイルタ60から
の全エネルギが第３フイルタ64内へ結合せしめられる。
すなわち、フイルタ62からフイルタ64への結合は、0.01
ではなく1.0になる。フイルタ62はλ１において共振す
るが、前出の方程式によれば、フイルタ62からフイルタ
64への係合が大きいために、フイルタ62によりフイルタ
64から結合によつて取出されるエネルギが0.01になる。
実際に、フイルタ62はフイルタ64との交差個所では断絶
しているようになる。もし、フイルタ60からフイルタ62
への結合が0.01に過ぎなければ、λ０の16％が役に立つ
出力として結合せしめられることになる。λ１において
は、フイルタ64は共振しない。従つて、フイルタ62から
フイルタ64への結合は約0.01になる。フイルタ62はλ１
に共振する。従つて、フイルタ60からフイルタ62へ結合
せしめられるエネルギは になる。従つて、フイルタ60は公称上は共振状態にある
のであるが、フイルタ62との結合部分において断絶して
いるようになるので共振することができず、幹線からλ
１の約0.2％しか取出せない。このようにして、最初達
成しようとしていたことを、ついに達成したわけであ
る。出力フアイバ10は、端部の重なり合つた領域の下で
フイルタ素子60に結合せしめられる。
幹線10からフイルタ60への結合を増加させれば、λ０の
本来の出力への結合を増大せしめることができる。しか
し、そのようにすると、どのチヤネルの基本線のフイル
タ60内への共振外れ結合も増大せしめられることにな
る。これに対する制限は、幹線上に置かれるフイルタ数
によつて定められる。0.2％という値は、おそらくは500
ないし2,000個のフイルタを幹線上に置かれうるように
する。この基本線の共振外れの取外しは、前述の共振し
ている隣接次数の取出しほど有害ではない。そのわけ
は、このエネルギ損失は、上流に存在するあるフイルタ
があるλに同調しているかどうかによつて変化するから
である。換言すれば、ｎ番目のフイルタに対して供給さ
れるエネルギの可変性および予知不能性はエネルギが低
レベルであることよりも有害なのである。
第10図には、この３段式フイルタを線形空胴的にした実
施例が示されている。この変形を行なうために、１フア
イバ内に３つのコアが配置されている。
この実施例についての説明は、ループ形空胴におけると
同様である。フイルタブロツク66の両端は反射性を有す
る。図には、幹線フアイバ68がＺ方向に延長しているも
のとして、断面が示されている。出力フアイバ70は、フ
イルタブロツクの第１面から出てＺ方向に不定の長さを
有する。
第１フイルタ70および第２フイルタ72は、このアレイの
Ｘ軸上にあるように示され、第３フイルタ74はＹ次元に
おいて変位せしめられている。「同調ブロツク」76とし
て示されている比較的大きい部材は、Ｚ次元におけるそ
れぞれの方向に10cm前後（数インチ）延長している。従
つて、それはＸ−Ｚ平面内、またはＹ−Ｚ平面内、また
はその両面内においては容易に曲げることができる。
前記ブロツクは、Ｘ方向には図示されているよりも大き
い幅を有しているが、厚さはフアイバアセンブリと同じ
だけしかない。幾何学的形状は、Ｙ−Ｚ平面内の曲げが
あつた時、Ｙ次元内の70,72に沿つてゼロ応力線が生じ
るようになつている。すなわち、この曲げは、フイルタ
70および72は変化させないが、第３フイルタ74を圧縮す
ることになる。このようにして、フイルタ74のフイルタ
共振線は、第１および第２フイルタ70および72のフイル
タ共振線に対して偏移せしめられる。Ｘ−Ｙ平面内にお
いては同調ブロツクは厚さが大きいので、実際上その次
元内における曲げは、３つのフイルタ素子の全てを伸ば
すことになる。この比較的に厳密さを要する幾何学的形
状は、説明を簡単化するために要求されたのに過ぎな
い。この装置においては、２次元内の曲げの組合せによ
つて任意波長への同調が実現されうる。Ｙ−Ｚ次元内の
曲げを行なえば、０線、100、200、300等に同調させる
ことができ、Ｘ−Ｚ次元内における曲げを行なえば、１
から２、３へ、または101から102、103へ、等の同調を
実現することができる。本発明の装置においては、これ
がほぼ行なわれうる。
これは、多くの同調可能性のうちの１つである。これら
の空胴装置においては、共振は の関数になる。ただし、ｎは屈折率、n cosθは伝搬定
数、Ｌは装置の物理的長さである。従つて、ｎがある百
分率だけで変化すれば、それに相当する百分率のλの変
化が起こることになる。
分散形の結合においては、 となり、1/3（n1−n2）は１よりずつと小さいので、ｎ
が変化すれば、λはそれに対応してずつと大きく変化す
る。
ここにあげた全ての例において、フアイバ素子は全て好
ましくは単一モード波長領域において動作するものとさ
れたが、その際、可能な偏光状態が２つ存在することに
ついては議論しなかつた。入力フアイバ素子においては
１偏光モードのみが励振され、素子間の結合は第２偏光
モードの励振を起なわないようなものであることが仮定
されていたのである。しかし、これは必要な制限ではな
い。いずれの場合においても、もし２つの偏光が励振さ
れれば、２重になつた共振線の組が生じる。それでもフ
イルタは動作するが、フイルタを使用する場合には線の
２重の組が存在することを考慮しなければならない。
実施例においては単一モードが用いられたが、その制限
さえも必要ではない。いずれかの共振素子に多重モード
が存在すると、共振線の構造が増大して複雑化するが、
装置の動作は妨げられない。
単一モード共振器および多重モード入力フアイバ素子に
関しては、本発明の装置は、入力フアイバのモード構造
によらない独自のフイルタ線構造を与える点において、
他の波長選択フイルタと異なつている。従来のフイルタ
においては、波長は、入力フアイバモードの伝搬定数と
出力フアイバモードの伝搬定数との間の関係によつて決
定された。
本発明の装置においては、フイルタ線またはフイルタ諸
線は、共振器によつてのみ決定される。入力結合の度合
のみが位相整合横方向伝達の影響を受ける。
従つて、入力素子として多重モードフアイバを用いる場
合は、共振器と、入力フアイバの少なくとも１モードと
の間に、所望波長における十分精密な位相整合を行なう
ことだけが必要になる。もし、多重モードフアイバ内の
エネルギが多くの可能なモードに配分されれば、全ての
モードと位相整合させることは不可能なので、全エネル
ギの大きい百分率を取出すことは不可能になる。ある応
用においては、多重モードフアイバからのそのような１
波長の部分的取出しが、有用な工程として用いられる
が、それは現在、横方向取出しによつてこれを行う他の
方法が存在しないからである。
多重モードフアイバの１モードと共振器との位相整合
は、設計によつて、または同調によつて行なわれうる。
多重モードフアイバの全モード構造は、縦方向の応力、
温度変化、横方向応力、または曲げによつて偏移せしめ
られうる。
従つて、以上の説明は特定の実施例について行なわれた
ものであるが、請求の範囲に述べられている本発明の範
囲内において多くの改変および選択が可能であることを
認識すべきである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】広いスペクトル範囲にわたって分布する複
    数の波長の光エネルギを伝達する光フアイバの幹線（1
    0）から他の光フアイバ幹線（14）に前記複数の波長の
    内の１つの選択された波長の光エネルギを伝達する装置
    にして、 前記２つの光フアイバの幹線（10、14）の間に第１、第
    ２の光フアイバ部分（46、48;52、54）を含むフアイバ
    空洞共振器（50）が設けられ、前記第１、第２の光フア
    イバ部分は、前記１つの選択された波長を含む、選択さ
    れた波長範囲に分布する複数の波長において共振する
    が、共振波長の間隔が互いに異なり、かつ前記選択され
    た波長が少なくとも伝達されるように、それぞれの長さ
    が選択されて、互いに横結合され、 また、前記選択された波長範囲に含まれる波長の光エネ
    ルギが、各光フアイバ部分と、それに横結合された前記
    光フアイバの幹線との間に伝達されるときに前記選択さ
    れた波長を中心波長とし、該中心波長からの波長間隔が
    大きい波長ほど大きく減衰するような波長特性をもつ
    て、前記第１、第２の光フアイバ部分（46、48:52、5
    4）が、前記２つの光フアイバ幹線（10、14）とそれぞ
    れ横結合され、それにより、前記光フアイバの幹線（1
    0）から他の光フアイバの幹線（14）に、前記１つの選
    択された波長の光エネルギが伝達され、一方その他の波
    長の光エネルギの伝達が実質的に阻止されるようにし
    た、前記光エネルギ伝達装置。
  2. 【請求項２】前記第１、第２の光フアイバ部分（46、4
    8）は、断片状に形成され、伝達せんとする波長の全エ
    ネルギが各光フアイバ部分から、他の光ファイバ部分に
    伝達され、その波長の光エネルギに関して１つの連続し
    た光路を形成するような位置関係に、前記断片が配置さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
    光エネルギ伝達装置。
  3. 【請求項３】前記光フアイバ部分（52、54）が、前記光
    フアイバの幹線（10、14）と前記波長特性をもつてフイ
    ルタ結合する直線状フイルタを形成することを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載の光エネルギ伝達装置。
  4. 【請求項４】前記光フアイバ部分は（52、54）はそれぞ
    れの一端に鏡（56、58）が設けられ、鏡のない他の端部
    は伝達せんとする波長以外の波長を減衰するための損失
    を増大するように形成されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第３項記載の光エネルギ伝達装置。
JP58500426A 1981-12-16 1982-12-15 光エネルギ伝達装置 Expired - Lifetime JPH0766093B2 (ja)

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US33105281A 1981-12-16 1981-12-16
US331052FREGB 1981-12-16
US331052 1981-12-16
PCT/US1982/001744 WO1983002168A1 (en) 1981-12-16 1982-12-15 Optical resonant cavity filters

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JPS58502112A JPS58502112A (ja) 1983-12-08
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IT (1) IT1191138B (ja)
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