JPS5923317A - 光結合デバイス - 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】 発明の背景 本発明は光通信システムに関し、特に種々の光伝送素子
間で光を伝送させるだめのデバイスに関する。

光通信システムの発展と共に、種々の形の結合デバイス
が要求されるようになってきた。

斯かるシステムにおいてぐよ、３端子ならびに４瑞子の
結合器が種々の目的に使うことができる。例えは、デー
タ通信伝送においては、双方向性線路は有効な３端子形
結合器を１吏用して設定することができ、斯かる結合器
の一端子では双方向性伝送線を終端し、他の端子ではそ
れぞれ送信器と受信器とをＰ：Ｑｍさせている。複数の
端局が共通中央処理装置を共用するようなシステムにお
いては、他の端局に対して一群の信号を送信できる期間
に、光信号の一部分を各端子が受信できるような結合器
を備えることが望ましい。同時に、自身の受信器に干渉
を与えないで端局は送信できなければならない。斯くし
て、非対象形４端子結合器が要求される。他の形の４端
子結合器は１×３の電力分配器と考えることができるも
ので、これは信号源に対して逆送信する機能を有する局
を備えだケーブルＴＶシステムにとって有用であろう。

斯くして、斯かる応用に対しては、一端子に到来する信
号の一部分を受信でき、且つ、他の端子において受信器
に干渉を与えることなく到来信号とは反対側の方向へ、
他の端子において信号を送信できる結合器が要求される
。

３瑞子ならびに４端子の結合器を提供するだめの提案は
、いくつか行われている。例えば、米国特許第４，２１
３，６７７号（Ｕ、　Ｓ、　ＤａｔｅｎｔＮα４，２１
３．　６７７　）においては、屈折レンズの２つのグレ
ート形屈折率領域間でのビームスプリッタの使用を暗示
している。レンズの一表面に結合されたファイバからの
光は、部分的に、同一表面に結合されたファイバに対し
て、ビームスプリッタにより反射して戻り、さらに部分
的に、他のレンズの反対側の表面上のファイバへと送信
される。鏡面の反射率を変えれば、２つの出力端子間で
の到来光のスプリット比を調整できる。斯かるデバイス
は許容しうる動作をするが、レンズ部品を最低１恨に保
つことが好ましい。単一レンズ素子を使用した他の形の
３μ子形結合器には製造が困難な研磨が必要であった。

多端子形結合器の一形式は、米国特許第４．３０４，４
６０号に暗示されている。斯かる特許では、ファイバの
アレイを屈折形レンズのグレート形屈折率を有する。−
表面に結合させ、レンズに対して角度をつけて配置した
回転実装形鏡体を他の表面に備えたものである。鏡面を
適当に回転させることにより、一本のファイバから到来
する光は他の選択されだファイバへと転送してゆく。レ
ンズと鏡体との間にフィルタ素子を備えることにより、
多重化も行うことができる。多くの応用例においては、
回転素子の使用は不適切な複雑さとコストとを結合器に
付加するものである。

非対象４端子形結合器の特殊な設計は、米国特許願第３
７３，１３５号において開示されている。斯かる発明に
おいては、少なくとも部分的に反射する素子が屈折レン
ズの２つのグレート形屈折率領域間に、それぞれ角度を
つけて配置しである。反射素子に対向したレンズの一表
面上の２本のファイバは入力端子と受信器端子とを備え
たもので、他のレンズの対向表面上の２本のファイバは
送信器端子と出力端子゛とを備えたものである。反射素
子間の角度は入出力端子間での結合を最大にするもので
あり、いっぽうでは送信器端子と受信器端子とを隔離す
るものである。斯かるデバイスは一般に効果を有するも
のであるが、この機能を備えるための、たったひとつの
レンズを備えた結合器の使用はコストを減じ、光伝送に
おける損失を減するものである。

発明の要約 デバイスは、２つの端面を有する光焦点結像素子と、ひ
とつの端面に結合された複数の光伝送素子と、対向端面
に近接した少なくとも部分的に反射する一対の反射素子
とを具備したものである。反射素子は、それらの光軸が
相互に角度を成し、少なくともひとつの素子は瑞面領域
から選択された部分であるような領域を有するように配
置したものである。

実施例の説明 本発明による３娼子形結合器の一実施例が第１図に示し
である。デバイスは焦点結像素子１０を含み、この場合
には標準円筒状クレート形屈折率の屈折形（タリノ）レ
ンズである。本実施例ならびに後続の実施例におけるレ
ンズは、１／４ピツチ長（は”：　４．７　ｗｎ　）と
１、８　ｒｒｒｒｈの直径とを有する。レンズの一端面
３２に結合しであるものは３つの光伝送素子のアレイで
あり、本実施例では光ファイバ１１．１２．１３である
。ファイバの配置は第２図に図示しである。ファイバ間
の距離は誇張され、実際にはファイバのクラットがここ
に接触できるようになっている。第２図は、グリンレン
スの光軸１４に対してファイバコアの好ましい位置ぎめ
を表わした図である。

すなわち、すべてのファイバコアが軸からはソ等距離に
置かれているような、三角形アレイ状にファイバを配置
しである。実際には、アレイの精密な位置ぎめは、後に
説明するようにして調整されよう。レンスの対向端面３
３に近接して、少なくとも部分的に反射する一対の反射
素子１５．１６が配置しである。

この実施例においては、画素子は完全に反射する鏡体で
ある。鏡体１５は、例えば第１０図に示すように、端面
のはソ１／２を覆うように半円形パターンで端面上に蒸
着したものである。第１図を参照すれば、鏡体１６はそ
の光軸が鏡体１５の光軸と角度αを成すように配置され
ている。鏡体間の角度は、ＵＶ６１と名づけられだノー
ラント産業会社（ＵＶ６１：Ｎｏｒｌａｎｄ　　Ｐｒｏ
ｄｕｃｔｓ　、　Ｉｎｃ、　）　　により市販されてい
るＵＶ硬化形のセメントのような光学セメント３４によ
り固定されている。一般に、反射素子の光軸間の角度α
の絶対値は１７０゜〜１７９．５°の範囲内にあり。こ
の特定実施例においてははソ１７８．７°である。

動作において、ファイバ１１から到来した光は本質的に
全表面３３に入射するように、レンスのクレート形屈折
率とレンス長とにより拡散する。第１図における矢は、
各光学部品の近似的な方向を図示するため、各鏡体によ
り反射する光線の一部分の近似的な中心を表わすよう望
むものである。斯くして、鏡体１５により反射する光の
一部分は、本実例では、信号出力Ｌｏｗ　ｔ　　に結合
されたファイバ１３に入射する。鏡体１５（／こより覆
われていない端面部分に入射する光の一部分は、鏡体１
６により反射する。鏡体１６の角度位置の結果として、
反射光は、本実例においては、受信器端子（旬に結合さ
れたファイバ１２上に入射する。本実例におけるデバイ
スは、典型的には、１１→１３の光に対しては０．７ｄ
Ｂの挿入損を示し、１１→１２の光に対しては−ｏ、７
ｄｇ、　　１２−→１３の光に対しては３２ｄＢの挿入
損を示す。

本発明の効果のひとつは、他の伝送素子間での到来光の
スプリット比は、特定の要求に応じて鏡体１５０面積を
変えることによって変えることができる。斯くして、本
実施例においては、ファイバ１２．１３への光量は等し
いが、さらに光をファイｌ＼１３の方に送ることができ
、従って、鏡体１５０面積を増加させることにより１２
への光を減することができる。勿論、鏡体１５の面積を
減ずれば逆の効果がある。

第１図はシステムの受信嬬部分での典型的な３端子形結
合器を示す図であるとは云え、ファイバ１３を端子Ｌｉ
ｎに結合し、ファイバ１１を端子Ｌｏｕｔ　に結合し、
ファイｌ＼１２を送信器端子に結合することにより送信
器部分においてこのデバイスを容易に使用できる。

斯かるデバイスは本質的に、前の実施例とは逆の方向に
動作する。斯くして、ファイバ１３からの入力元は鏡体
１５によりファイバ１１上へ反射し、ファイバ１２から
の光は鏡体１６によりファイバ１１上へ反射する。

さらに、第１図のデバイスは、双方向性線路をトランシ
ーｌＸへ結合するだめにも使用できる。例えが、入出力
端子はファイｌ＼１１に結合でき、送信器端子はファイ
ノ＜１２に結合でき、受信器端子はファイ１１１３に結
合できる。ファイバ１１上の到来光は送信器端子と受信
器端子との両方に入射するが、これは送信器に何ら悪影
響を与えない。斯かる応用でのデバイスの重要な特性は
、送信器端子（ファイバ１２）と受信器端子（ファイ、
＜　１３　）との間での高度な光学的隔離である。本実
施例においては、１：１のスプリット比を有し、隔離は
典型的にはソ３２　ｄＢ　　である。（鏡体１５の大き
さを大きくするか、あるいは小さくして）スプリット比
を１＝２０に壕で増加した場合には、隔離はは”；４０
ｄＢ　　にまで増加する。

デバイスの製造において、」二ｄ己寸法を有する標準形
クリンレンスが利用されている。覆わないで残した領域
に金属マスクを使用し、標準の金蒸庸により鏡面被覆を
蒸着して、表面３３上に鏡体１５を形成している。肩部
に未硬化のセメントを有する標準形キャピラリ管（図示
してない）に含まれたファイバ１１−１３のアレイは、
端面３２と接触されている。

光はファイバ１１から送信されているが、アレイはファ
イバ１１と１３との間での光学結合を最大にするよう配
置し、セメントで硬化させている。他の鏡体１６は、フ
ァイバ間に未硬化セメント３４を有する対向端面３４に
近接して配置されている。光がファイバ１１から送信さ
れている間に、鏡体の角度はファイバ１１と１２との間
の光学的結合が最大になるように調整する。そこで、セ
メントを硬化させて鏡体位置を固定する。アライメント
は標準の微細位置決め装置を使用して行っている。記載
した他の実施例においても、同様の製造過程を採用する
ことができる。

本発明は第３図に示しだように、非対称４端子形結合器
として利用することもできぐ第３図において、第１図の
素子に相当する素子には同様な番号が付与しである。鏡
体１５に対する鏡体１６の絶対角は、前記実施例のもの
と同様である。ここで、４本のファイバ１７．１８．１
９．２０のアレイは端面３２に結合されている。ファイ
バ１９は入力端子Ｌｉｎに結合され、ファイバ２０は出
力端子Ｌｏｕｔ　　に結合され、ファイバ１８は受信器
端子Ｒに結合され、ファイバ１７は送信器端子Ｔに結合
されている。再び、矢印はデバイスにおける光線の一般
的方向を示し、動作の詳細な説明は必要ないと信じられ
る。

ファイバは、図面による説明の目的で、図面の平面内に
直線で示しであるとは云え、好ましい実施例におけるフ
ァイバの実際の位置は第４図に図示しだものである。距
離は誇張したものである。は’＞　８１−２２８．６μ
ｍ　、　　Ｓ２−２５４μｍの側面を有する長方形の角
に各ファイバの中心が配置されている。これは、シリコ
ンのような材料を多層にして形成した溝にファイバが人
っているような標準アラインメントチップを使って行う
ことができる。ファイバに対する斯かる構成の対果は、
ファイ／く１９．１８間の結合を最適化するため、鏡体
１５に対してアレイをいったん配置し、次にファイバ１
７．２０間の結合を同様にして自動的に最適化する。わ
ずかに残っているアラインメントは、鏡体１６の角度を
調整することにより最適化されるファイノ＼１９．２０
間の結合である。アラインメントにおけるこのような効
果を得るだめに、ファイバは正方形、あるいは等しい対
向辺を有する平行四辺形の角におくことができる。

この形式のデバイスの動作の要点は、送信器端子と受信
器端子との間の光学的隔離の程度である。本実施例にお
いては、ファイ／１１７→１８（Ｔ−＋Ｒ；送→受）間
の挿入損失は４３　ｄＢ　　より太きい。少なくとも２
５　ｄＢの損失が推奨されるものである。Ｌｉ　ｎ　、
−＋Ｌｏｕｔの損失ははＭ４．５　ｄＢ、　　Ｌｉｎ−
＋Ｒの損失はは”；　３３ｄＢ　、　Ｔ　→Ｌｏｕｔの
損失ははソ３、ＯｄＢである。

他の形式の４端子形結合器も、本発明により製造するこ
とができる。例えば、第５図に示したデバイスには第２
の焦点結像素子を使用し、本実施例においては、第１の
クリアランスに等価な他のクリアランス３５を第１の焦
点結像素子の端面に近接して置いている。

さらに、ヒームスプリット素子２１は完全反射鏡体１６
に置換している。本実施例においては、ヒームスプリッ
ト素子２１は、第２のクリアランスの一端面３６上に蒸
着した標準多層誘電体フィルムである。３本のファイバ
２２．２３．２４のアレイはクリアランス１０の端面３
２に結合され、ファイバ２５は第２のクリアランス３５
の対向端面３７に結合されている。斯くして、端子Ｌｉ
ｎからファイバ２２により送信され、素子２１に入射す
る光は、部分的にファイバ２５　（Ｌｏｕｔ　）　　に
送信され、他の部分がファイバ２４に反射して出力タッ
プのひとつ（ｏｕｔ　１　）に到来する。

素子１５．２１の光軸間の角度は、その出力に対する結
合を最適化するように調整されている。本実例において
は、反射素子１５．２１の光軸間の角度はは’；１７８
．７°である。鏡体１５に入射する光の一部分はファイ
バ２３に反射して他の出力タップ（’　ｏｕｔ　２　）
に到来する。本実施例においては、ファイバ２３．２４
．２５の結合の比は２：、１：１であるが、鏡体１５の
面積とビームスプリッタ２１の反射率とに依存して、３
つの出力間で希望する比により入力光を分配できる。こ
の形式の結合器の主要な効果のひとつは、出力タップの
ひとつが送信器端子として使用できることである。しか
しながら、ここで斯かる送信器からの光は、情報が信号
源に戻されるようにＬｉｎ端子に入射する。

斯かる他の形式の４端子形結合器は、第６図に図示しで
ある。ここで、フィルタ素子２６と鏡体２７とは、第１
のグリンレンス１０の一端３３に近接して配置しである
。再イは第１のグリンレンスの対向端３２において結合
され、ファイバ３１は他のクリンレンスの対向端３７に
結合されている。本実施例において、フィルタ２６はレ
ンス１ｏの端３３」二に直接蒸着され、鏡体２７はレン
ス３５の端３Ｇ上に直接蒸着されている。２つの娼面３
３．３６間の光学セメントはフィルタ間の角度を保持す
るだめに使用されるものであるが、明らかであるため図
から省略されている。ここで、ファイバ２８から到来す
る信号は２つの波長成分λ１．λ２を有する。（本実例
では端面の１７２のみを覆うにすぎないが）フィルタま
たは鏡体上へ入射しない信号部分は、本質的にファイバ
３１に影響を与えずに送信される。フィルタの帯域は、
入力の残りの部分の、λ１の成分がファイバ２９上のフ
ィルタ２６により反射踵　λ２　成分がファイバ３０上
の鏡体２７により反射し、後者の入射が鏡体２７の角度
に起因して生ずるように選定されて′いる。ひとつの波
長成分がＬｉｎ→Ｌｏｕｔ　　で送信され、他の波長成
分がＬｏｕｔ→Ｌｉｎに送信されるように、第６図にお
けるデバイスの動作がわずかに変化しているならば、漏
話が最小になるように、受信された波長とは異った波長
で信号源に戻して伝送することは可能である。例えば、
もしλ１　成分がＬｉｎ−）Ｌｏｕｔ　　で転送されて
いる場合には、ファイバ２９が受信器端子に結合された
状態の時に、ファイバ３０は送信器端子に結合できる。

第６図のデバイスに対する代りの設計を第７図に示す。

ここで、デバイスは第１のレンス１０の端面３３に近接
して、部分面積の鏡体１５とフィルタ素子３８との組合
せを使用している。ファイバ３９．４０．４１のアレイ
は対向端面３２において結合され、素子１５．３日の元
軸間の角度は、波長成分λ１゜λ２　の入力光がフィル
タ３８上に入射する時に、λ１成分はファイバ４０上で
反射し、λ２成分は第２のレンス３５を介して対向表面
３７に結合されたファイ１Ｘ４２上に送信されるように
調整されている。鏡面１５上に入射する（λ１成分とλ
２成分との両方の）入力元の一部分が、ファイバ４１上
に入射される。

第８図に図示しだように、本発明によるデバイスは４端
子より多くの端子を備えることができる。第２の焦点結
像素子の対向端面３７において、ファイバ４４の追加を
除いて、このデバイスは第６図に図示したテ／１イスと
同様である。デバイスは非対象の４端子形結合器と、多
重化した４端子形結合器との組合せであると考えられる
。動作においては、波長成分λ１、またはλ２の九Ｖよ
、第６図の場合のように、ファイ、１５．４８間でどち
らかの方向に送信できる。本実例では、波長λ。

の光は４５から４８に送信され、波長λ２　の光は４Ｂ
から４５に送信される。波長λ２　の光はファイバ４６
から鏡体４３により反射し、ファイバ４５上に送信され
、これにより信号源に戻される。他の波長λ１　の成分
の光は、フィルタ２６からの反射により、端面３２上で
他のファイバ４７により受信できる。同様に、λ２成分
の光はファイバ４８から上方に送信され、鏡体４３上に
入射し、ファイバ４４上で反射し、他の受信器端子Ｒ２
に送信される。斯くして、デバイスは端子Ｒ１において
信号源Ｌｉｎから信号を受信できるか、あるいは端子Ｒ
２においてさらに下方のＬｏｕｔ　　から信号を受信で
き、端子Ｔから信号源へ信号を戻して送信することがで
きる。ここで、再び端子Ｔ（λ２）とＲ２（λ２）とは
３０　ｄＢ　　よりも大きく隔離されている。

最後に、第９図〜第１１図に示したように、第５図に示
したような電力分配器はヒームスプリツタ２１を使用す
る必要がない。むしろ、それぞれレンズ１０．３５の一
端面３３．３６上に形成された部分面積鏡面１５．４９
の組合せを使用し、各鏡体によシ覆われた領域を適当に
選択して同様な機能を達成することができる。斯くして
、第９図に使用しだハーフミラ一式鏡体で、鏡体４９の
位置は第１０図と第１１図との塙面図に示したような鏡
体１５の位置に対して９０°だけ回転させることができ
る。これは、ファイ、＜５０からの光の一部分を両方の
レンズを介してファイ／＼５３に送信できるように、ク
リンレンスの端面３３．３６を９０°だけ覆わないでお
く。鏡体１５上に入射する光の一部分はファイ／Ｘ５２
上で反射し、鏡体４９に入射する光の一部分はファイバ
５１に入射する。前記実施例におけるように、ファイバ
５１または５２は、信号を信号源Ｌｉｎに戻して送信す
るものである。

本発明の独々の他の変形はｒｉＪ能である。例えば、マ
スク蒸層のほかにホトリソグラフ技法によるエツチング
をすることにより、焦点結像素子の端面上に反射素子を
形成することができる。さらに、ファイバはすべて同一
寸法であるとして示しであるとは云え、種々の寸法のフ
ァイバを、特定の要求に応じて、単一のデバイス上で使
用することができる。本出願において使用されているよ
うな　威光伝送素子〃と云う術語は光伝送に使用される
いかなる部品をも含むものと望むものであり、焦点結像
素子のひとつの端面に直接結合された光源、あるいは検
出器とすることができる。

本発明の種々の他の変形は、当業者に−おいて明らかに
なろう。斯かる変形はすべて、原理的には本発明が従来
技術を発展させた教義に依存するものであり、これは本
発明の精神と範囲を越えるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による３娼子形結合デ／１イスの部分
正面図である。 第２図は、第１図のデバイスの端面図である。 第３図は、本発明の第２の実施例による４端子形結合器
の部分正面図である。 第４図は、第３図のデバイスの一実施例の端面図である
。 第５図は、本発明の第３の実施例による４端子形電力分
配器の部分正面図である。 第６図は、本発明の第４の実施例による４瑞子形電力分
配器の部分正面図である。 第７図は、本発明のｇ５の実施例による４ψ１Ｍ子形電
力分配器の部分正面図である。 第８図は、本発明の第６の実施例による５端子形結合器
の部分正面図である。 第９図は、本発明の第７の実施列による４端子形結合器
の部分正面図である。 第１０図は、第９図に示したデバイスの一部分の端面を
示す図である。 第１１図は、第９図に示したデバイスの他の部分の端面
を示す図である。 １０．３５・・・レンズまたは光焦点結像素子１１．１
２．１３．４５．４６・・光伝送素子 １５．１６・・・反射素子 ３２．３３・・・端面 Ｆｌに、５ ＦＩＣ，６ ＦＩＧ、　７ Ｆｌに、８ ＦＩＣ１０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．２つの端面を有する光焦点結像素子と、前記端面の
   ひとつに結合された複数の光伝送素子と、からなる元を
   ひとつの伝送素子から他へ転送するだめの光デ／＼イス
   において、 第２の前記端面に近接した少なくとも部分的に反射する
   一対の反射素子を具備し、前記反射素子の光軸が相互に
   角度を成すように置かれ、 少なくとも前記一対の反射素子のひとつが端面面積の一
   部分を成す領域を占めるように構成したことを特徴とす
   る光デｌ＼イス。 ２、特許請求の範囲第１項記載の光デバイスにおいて、 前記反射素子の光軸間の角度の絶対値が１７０度から１
   ７９．５度の間の範囲内にあるように構成したことを特
   徴とする光デバイス。 ３、　特許請求の範囲第１項記載の光デフＸイスにおい
   て、 少なくとも３つの伝送素子が前記一端面に結合され、 異なる複数の反射素子に入射するひとつの素子からの光
   が部分的に基本的には異なる伝送素子上で別々に反射す
   るように 構成したことを特徴とする光テハイス。 ４、特許請求の範囲第３項記載の元デバイスにおいて、 前記複数個の伝送素子の中心が三角形の頂点にあって、
   前記焦点結像素子の軸からはソ等距離にある ように構成したことを特徴とする元デバイス。 ５、特許請求の範囲第１項記載の光デバイスにおいて、 少なくとも４つの伝送素子が前記一端面に結合され、 異なる複数の反射素子に入射する、前記第１の伝送素子
   からの光が部分的に基本的には前記第２および第３の伝
   送素子上で別々に反射し、 前記第４の伝送素子が前記第３の伝送素子から光学的に
   隔離されている間には前記第４の伝送素子からの光が前
   記第２の伝送素子上で反射するように 構成したことを特徴とする元デバイス。 ６、特許請求の範囲第５項記載の光デバイスにおいて、 複数の伝送素子の中心が長さの等しい辺を有する平行四
   辺形の頂点にある ように構成したことを特徴とする光デバイス。 ７、特許請求の範囲第１項記載の光デバイスにおいて、 反射素子に近接して配置された一婦面を含む２つの端面
   を備えた第２の光焦点結像素子と、前記第２の焦点結像
   素子の第２の端面に結合された少なくともひとつの伝送
   素子とを 具備してなることを特徴とする光デｌ＼イス。 ８、　特許請求の範囲第７項記載の光デ／＼イスにおい
   て、 前記第１の焦点結像素子の前記一端面に結合された第１
   の伝送素子が１成分を越える元を伝送するだめのもので
   あり、且つ、少なくともひとつの反射素子が少なくとも
   ひとつの成分を反射し、他の成分を伝送させるだめのフ
   ィルタである ことを特徴とする光デバイス。 ９、　特許請求の範囲第８項記載の光デバイスにおいて
   、 前記第１の焦点結像素子の前記一端面に結合された第２
   の伝送素子が前記ひとつの波長成分〔Ｔ（λ２）〕　　
   を有する光を伝送し、前記第１の伝送素子に戻すだめの
   ものであように構成したことを特徴とする光デ／＼イス
   。 １０、特許請求の範囲第７項記載の光デｌ＜イスにおい
   て、 前記反射素子のそれぞれの面積が前記焦点結像素子のひ
   とつの、相描する端面の面積のうちから選択された部分
   であり、 前記第１の焦点結像素子に結合された伝送素子から前記
   第２の焦点結像素子に対して、反射素子のひとつに入射
   させずに、光を通過させるだめの少なくともひとつの清
   面部分が存在するように反射素子の方位を決定して なることを特徴とする光デバイス。