JPS59195618A - 光スタ−カプラ - 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】 この発明は、複数の入出力端末を持ち、任意の入力端末
よシ入力された信号を全ての出力端末に等しいハソー分
布をもって出力する光スターカプラに関するもので、特
に、内部に光の受光素子と発光素子を設けて信号を増幅
するとともに、伝送波長を変換することによシ光スター
カプラを用いた信号伝送網の経済化をはかった点に特徴
を有するものである。

従来、光スターカプラとしては透過形と反射型の２ａ類
があった。第１図は透過型の例であシ。

ｆｉ＋は複数の光ファイバを結束した入射側のファイバ
バンドルであ、り、＋２１は入射光に対して透明な材質
によシ作られ内部における多数回の全反射によって入射
側の任意の光ファイバから入射した光線を出射側で均一
な強度分布に変換す′るためのミキシングロッド、　＋
３１＆’！入射側フアイババンドル（１）ト同一の形状
を有するがミキシングロッド（２）によって均一強度分
布にされた光を複数の光ファイバに分割するための出射
側ファイババンドルである。

（４）ハファイババンドルを構成する複数の光ファイバ
であシ、（５）は光ファイバ（４）を整列させる際に用
９るスペーサである。（６）と（７）はファイババンド
ル（１）と（３）とミキシングロッド（２）の断面図で
ある。第２図は反射型光スターカプラの例である。図に
おいて（８）は入射側ファイババンドル（１）の接続さ
れていない端面に入射光に対して反射性の膜（９）を蒸
着したミキシングロッドである。この膜（９）の作用に
よって２強度分布が一様化された入射光は入射側ファイ
ババンドル（１）にもどシ各ファイバ（４）に均等分割
される。

第１図の透過型光スターカプラは入射側ファイババンド
ルｆｉ＋から出射側ファイババンドル（３）まで光を透
過させて使用するものであるから途中たとえばファイバ
バンドル（１１と（３）とミキシングロッド（２）との
境界面で光が反射して信号強度が弱くなろうとも擬信号
となることはなかったが伝送路としての光ファイバの利
用効率が低かった。他方第２図の反射型光スターカブラ
では出射側ファイババンドル（３）とそれに続く光ファ
イバが不要になったが単にファイババンドル（１）とミ
キシングロッド（２）との境界面ばかシでなく伝送系を
構成する光学素子のあらゆる境界面において反射光が発
生しミキシングロッド（２）の端面の反射膜（９）から
の　の信号との区別がつけることが難しく伝送距離が長
い場合あるいは分岐すべき光ファイバ（４）の本数が多
い場合には反射型光スターカプラは実用されたことがな
かった。

この発明は透過型光スターカプラにおける擬信号の発生
なしで光を多数の光ファイバに均等分割できるという利
点を反射型光スターカプラと類似の構造によって実現し
たもので、透過型における信頼性と反射型における経済
性を兼持させたものである。

第３図はこの発明による光スターカプラの構成を示す図
である。図においてαＯ１は入射側ファイババンドル（
１）の端面の像を同バンドル（１）と反対側の面に結像
するためのロッドレンズ、　（１１１＆ｊロツドレンス
ＱＯ）によシ縮小された入射側ファイババンドル（１）
からの出射光を内壁における多数回の反射によって均一
な強度分布に変換するために用いられる円形の断面形状
を持つミキシングファイバ、０７Ｉはミキシングファイ
バ（１１）の出射端に密着されミキシングファイバ圓か
らの出射光を後述の受光素子ｕりに結像するための第２
のロッドレンズ、　１１ｍは入射側ファイババンドル（
１）を伝送して来た信号光の波長で高い透過率を持ち後
述する受光素子ａ５１の出力光の波長で低い透過率を持
つ誘電体多層膜鏡、ａ４）は第２のロッドレンズα２と
組合されて倍率１の結像系を構成する第３のロッドレン
ズ、　ｎ！ｉｌは入射光強度に比例した電気信号を発生
する受光素子、０６１は入射側ファイババンドル（１）
よシ入力される光と異なる波長に出力を持つ発光ダイオ
ード、α’ｎ＆’−１発光ダイオードαｅの出力光をミ
キシングファイバ（１１１に効率良く入射させるための
比較的口径の大きい光ファイバである。なお、　Ｑ８１
から回は破線で示した部位におけるこの発明による光ス
ターカプラの断面図である。

第３図に示したこの発明による光スターカプラにおいて
は、入射側ファイババンドル（１）を構成する複数の光
ファイバのうちの１本よシ入射した光は同ファイババン
ドルの射出面において余弦函数のべき剰で近似される角
度分布を持つ拡散光として発散する。この発散光はロッ
ドレンズＱＱによって同レンズの射出面に倍率１／１．
５〜１／２の像となって結像する。この倍率を与えるロ
ッドレンズＱｌの寸法は日本板硝子株式会社よシ発売さ
れているセルフォックレンズＳＬＳ　　２０　を例にと
って示すとレンズ径が２．Ｏｍｔｔｔ　＊　長さが８．
６朋で、その配置は入射側ファイババンドル（１）とロ
ッドレンズａ値の一方の端面の間隔を４．７　ｍｍ　、
　　ロッドレンズα〔の他方の端面とミキシングファイ
バＱｌｌの間隔を０，１朋以下に設置するのが良い。

結像面からは倍率の逆数倍だけ発散角が大きくなって入
射光は再び発散していくが結像面であるロッドレンズＯ
Ｑの端面とミキシングファイバ（１１）とが密着してい
るから発散光は効率良くミキシングファイバ（１１）に
捕捉され同ファイバ中を伝搬する。

ところで、ミキシングファイバ圓は第３図にも示したよ
うに中央部で小さな半径をもって曲げられているから入
射端の場所に依存せず射出端での強度分布を均一となす
ことができる。この曲げ半径は実験的に検討したところ
ミキシングファイバαｌ）をコア径４００μｍないし５
００μｍのポリマクラッド型の光ファイバとしたときに
はいずれも１５詣であった。なお、ミキシングファイバ
α１）としてポリマクラッド型の光ファイバを用いた理
由は開口数が入射側ファイババンドル（１）として用い
られる低損失石英ファイバの開口数とロッドレンズ翰の
倍率の積にｔｌは等しく効率よく入射光を伝送できるた
めである。さて、ミキシングファイバ（Ｉｌｌの出射端
で均一な強度分布となった入射側ファイババンドルｉｌ
ｌからの入射光は断面図α８に示した面積比率を持って
大部分が第２のロッドレンズｉ１３に入射する。ここで
、第２のロッドレンズ０２１と第３のロッドレンズ圓は
一方の端面に作られた像を他方の端面に転写する倍率１
倍の結像系を構成しているから２つのレンズ外に入射光
を漏洩することなく入射光を受光素子α９に入射させる
ことができる。

なお、誘電体多層膜αｅは入射側ファイババンドル（１
）からの入射光以外の光が受光素子α９に入射して擬信
号となるのを防止するために第３のロッドレンズα養に
蒸着されたものである。受光素子ａ５１に入射した入射
光は伝送線路途中における反射及び散乱による微弱な雑
音と光強度による識別を受けて増幅された後９発光ダイ
オード（１６１の駆動信号となる。発光ダイオードＱ６
１からは駆動信号に比例した強度を持つ光が発射され一
部分が発光ダイオードαｅに接合された光ファイバ（資
）に入射し、同ファイバ（１７１の射出端に密着された
ミキシングファイバＱｌｌに入射スる。ミキシングファ
イバα１）は上述した入射光線に対してと同様にこの発
光ダイオード１６１の出力光に対しても同ファイバ断面
内の伝搬光の空間的強度分布を均一化する作用があるか
ら同ファイバに密着されたロッドレンズ（１０との接合
面において一様な空間的強度分布となし、ロッドレンズ
顛の作用によって入射側ファイババンドル（１）の結束
端に発光ダイオードＯｅの出力光の空間的に一様な強度
分布をつくる。したがって、入射側ファイババンドル（
１）を構成する全ての光ファイバ（４）に発光ダイオー
ドａ６１の出力光を均等に分割している。

第４図は入射側ファイババンドル（１）の結束端におい
て同ファイババンドルを構成する光ファイバと同じ性能
をもつ１本の光ファイバをファイババンドルの軸に垂直
に移動して測定した発光ダイオードαｅの出力光強度の
場所依存性を示したものである。図の横軸は入射側ファ
イババンドル１１）の中心軸に垂直方向での測定用光フ
ァイバの移動距離を示し、縦軸は出力光強度を示してい
る。垂直方向の一定範囲内では出力光強度はほとんど一
定値を示し、出力光強度の場所依存性のないこと、つま
シ、光ファイバに均等な強度で分割されていることがわ
かる。これと同様のことがミキシングファイバ＋１１１
の他の端面において入射側ファイバ（１）よシ入射した
光線に対しても成り立っていることが実験的に確められ
た。仁のことは、第３図の断面図＋ｌ１９に示したよう
に第２のロッドレンズＯ２と光ファイバ＋１７１の直径
の比率を選んでおけば第３図の向って左方から右方に伝
搬する光は効率良く受光素子α９に集められることを示
すものである。他方。

発光ダイオードα口の発光領域は同ダイオード内に設置
されている集光レンズの直径を青嵐しても高々３００μ
ｍ程度であるから光ファイバαりのコア径としてはそれ
と同程度か幾分細い径の高開口数の光ファイバを用いれ
ば回線設計上支障が存在しない。

第６図はこの発明による光スターカプラの分配効率と結
合効率を第５図のように接続される送受信器の送受信レ
ベル及び送受信器と光スターカプラ間の伝送路損失を含
めてレベルダイヤグラムの形で表現したものである。第
５図において、　ｃａｎは受光器０５）の信号を識別増
幅し発光ダイオード０．６１の駆動信号とする電気的増
幅器であ、１．　Ｅは翰から０７１までの光学部品と光
電部品及びａｌｌの電気部品によって構成される光スタ
ーカブラであシ、（ハ）は光スターカプラ（２渇と後述
する送受信器０ａを接続する伝送用光ファイバである。

四は分波器であり、（２８＋は発光ダイオード０６１の
出力光を効率良く受光する第２の受光素子、　Ｃ！７１
は分波器Ｇと誘電体多層膜ｕ３１を能率良く通過する光
を出力する第２の発光ダイオードである。第６図におけ
る右下Ｑの実線の折れ線は光スターカプラ（ハ）から送
受信器ばまでを伝搬光がいかなるレベルをもって伝搬し
ていくかを示しておシ、左下シの点線による折れ線は光
送受信器（２４１からの出力がいかなるレベルをもって
光スターカプラｎの光受信器１１５１に伝搬していくか
を示している。２本の折れ線の主なちがいは、第１に実
線の折れ線の場合にはロンドレンズ顛と入射側ファイバ
バンドル（１）の間に分割損失があるか否かであシ、第
２にこの大きな分割損失を補償するため発光ダイオード
の出力がＯｄＢｍを越える程大きくとしであるか否かで
ある。なお、第６図中の分割損失２３．５ｄＢは入射側
ファイババンドル（１）を構成する光ファイバ（４）と
してコア径８０μｍ、クラッド径１００μｍ、　　開口
数０．２のステップインデックス型光フアイバ１θθ本
結束した入射側ファイババンドル（１１について実測し
たときの値である。クラツド径を考慮したときのパッキ
ングフラクシ目ン損失２．８ｄＢ　　′ｆ１：加算した
分割損失の理論値が２２．８ｔｉＢであることからこの
形式の光スターカプラが多端予信に適していることがわ
かる。

なお、２つの発光ダイオードの発光波長としてはいわゆ
る短波長帯においてたとえば０．８３μｍと０．８引μ
ｍのように２波長を選ぶことも、あるいは短波長帯で１
波長と長波長帯で１波長と選ぶこともできる。

ところで、シリコンを素材とする光フアイバ用フォトダ
イオードでは最小受信レベルが第６図中に一点鎖線で示
したように一３８ｄＢｍ程度である。

他方、第６図中のいずれの折れ線においても受光素子（
！９あるいは受光素子■におけるレベルが一３５ｄＢｍ
　以上であることを見るとこの発明によるスターカブラ
（２）を用いた信号伝送系は受光素子として内部で信号
の増幅をおこなわない安価なフォトダイオードによって
構成し得ることがわかる。また９発光諒として用いる発
光ダイオードは出力が２ｄＢｍもの高出力のものを必要
とするのは光スターカプラＱ〃内部の１箇所であって多
数を要する送受信器はの内部ではない。

以下の表は試作した光スターカプラの構成要素の詳細を
まとめたものである。

表１　試作した光スターカプラの構成光学部品の性能こ
れまでの説明は光スターカプラを単なる信号の中継器と
して作用させた場合のものであった。

しかし、第３図の詳細な構成を見れば明らかなようにこ
の発明によるスターカプラは受光素子α９と発光ダイオ
ード（１６）は電気的に同−偏七を取シ扱わねばならな
い必然性は存在しない。このことは。

上記２つの素子０５とαｅを接続している電気的信号の
流れを切断するという点にのみ変更を加えればこの発明
による光スターカプラｆ２Ｚ　ｋｊ星状信号伝送網をポ
ーリング型式により支配して信号伝送制御をおこなうこ
とができることを示すものである。

この光スター力ブラシ急によシ支配される星状信号伝送
網のオＵ点は光スターカプラＱ２１と送受信器ｃ！滲に
波長多重性による相方向信号伝送能力のあることであシ
、これによって線路の敷設費用を大幅に縮減できること
である。この利点はサービスエリヤが拡大し、端末数と
伝送距離が増長したときに特に顕著となる。

以上のようにこの発明による光スターカプラではミキシ
ングファイバの後方に透過率の波長依存性の大き９誘電
体多層膜を介して受光素子と発光ダイオードを分離して
設けであるため波長多重型でかつ、能動型の光スターカ
プラを構成することができた。この波長多重性と能動性
を持つ光スターカプラを用いることによシ端末数１００
から２００　の光スターネットワークを端末と光スター
ネットワークを唯−組の光ファイ・バーによって接続可
能となυネットワーク敷設の費用を大幅に縮減すること
になった。また、光スターカプラに内蔵された発光ダイ
オードはその出力が多数の光ファイ−くバンドルに分割
されるため線路内電力でＯｄＢｍ　程度の大きなものが
要求されるが結合されるべき線路が数１００μｍと太い
ため比較的容易に入手可能であるうえその短コヒーレン
シーの故にモーダルノイズを設計段階で考慮しなくとも
良いとの派生的な利点を生じている。更に、光スターカ
プラに接続される送受信器内の発光ダイオードは上記構
成によるミキシングファイバが高能率であるため低出力
で良く９本発明による光スターカプラを用いた伝送系は
系を構成する電気部品をも特殊仕様のものとしなくとも
良くシ、低廉化を一層おしすすめることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は透過形光スターカプラの構成図、第２図は反射
型光スターカプラの構成図、第３図はこの発明による光
スターカプラの構成図、第４図はミキシングファイバ出
口における透過光強度の場所依存性を示す図、第５図は
この発明による光スターカプラを用いた信号伝送網の構
成図、第６図は第５図の信号伝送網におけるレベルダイ
ヤグラムである。 図において、（１）は入射側ファイババンドル、（２）
はミキシングロッド、（３）は出射側ファイババンドル
、（４）は光ファイバ、（５）はスベーザ、　＋６＋！
’！フアイババンドルの断面図、（７）’）’！ミキシ
ングロッドの断面図、（８」は反射膜を蒸着したミキシ
ングロッド。 ｔ９）ｋｌ　反射膜、　ｕ［）　＆１０ツドレンズ、　
（１１＋はミキシングファイバ、（１ｚはロッドレンズ
−■は誘電体多層膜鏡、０４１はロッドレンズ、α５１
は受光素子、αｅは発光ダイオード、Ｏりは光ファイバ
、ａ碍はミキシングファイバに接続されるロッドレンズ
（１ｚと光ファイバαηの接合状態を示す断面図、、ｔ
ｔｓ＆ｔミキシングファイバＱｌｌの断面図、■はこの
発明による光スターカプラにおける入射側ファイババン
ドル（１）の断面図。 （２１１は電気的信号識別増幅器、■は光スターカプラ
。 （ハ）は伝送用光ファイバ、　０４は送受信器、０５１
は分波器、＠は第２の受光素子、＠は第２の発光ダイオ
ードである。 なお２図中、同一あるいは相当部分には同一符号を付し
て示しである。 代理人大岩増雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１＆数の光ファイバをその断面形状がほぼ円形をな
   すように結束した光フアイババンドルと。 上記光フアイババンドルの結束された端面の縮小像を自
   身の一方の端面に結像するロッドレンズと。 このロッドレンズによシ作成された光フアイババンドル
   の端面の縮小像の直径よシもわずかに大きい直径のコア
   を持つステップ型の屈折率分布特性のミキシングファイ
   バとを記述した順に継続接続して光フアイババンドルを
   構成する任意の光ファイバから入射した信号光の空間的
   強度分布をミキシングファイバ端面において均一化する
   とともに。 このミキシングファイバ端面の信号光の強度分布を誘電
   体多層膜を端面に蒸着した第３のロッドレンズの作用と
   合せて受光素子に転写するための作用を持つ第２０ロツ
   ドレンズと、この第２のロッドレンズと光軸が平行にな
   るように配された光コアイノ〈を上記ミキシングファイ
   バの出射端面に接合し、更に上記光ファイバの他方の端
   面に発光ダイオードを接合して構成したことを特徴とす
   る波長多重型でかつ能動型の光スターカプラ。 （２ン　　ミキシングファイバとしてポリマクラッド型
   光ファイバを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ＋１１項記載の光スターカプラ。 （３）　　ミキシングファイバとして直径５０ｍｍ以下
   の螺旋構造をもたせて成形した光ファイバを用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の光スター
   カプラ。