WO2005124415A1 - 一方向性光パワーモニター - Google Patents

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WO2005124415A1
WO2005124415A1 PCT/JP2005/009404 JP2005009404W WO2005124415A1 WO 2005124415 A1 WO2005124415 A1 WO 2005124415A1 JP 2005009404 W JP2005009404 W JP 2005009404W WO 2005124415 A1 WO2005124415 A1 WO 2005124415A1
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optical
photodiode
light
lens
sleeve
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PCT/JP2005/009404
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Masaru Suzuki
Takeshi Satoh
Nobuhiro Ueno
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Hitachi Metals, Ltd.
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Priority to EP05743590A priority patent/EP1760503B1/en
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    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2817—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using reflective elements to split or combine optical signals
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    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4292—Coupling light guides with opto-electronic elements the light guide being disconnectable from the opto-electronic element, e.g. mutually self aligning arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an optical power monitor mainly used in the field of optical communication.
  • optical communication network As the optical communication network is improved, information is exchanged at a high speed, and new applications are also expanded, and the amount of information passing through the optical communication network is further increasing.
  • a high-frequency signal is used to increase the amount of signal per unit time, and a signal having various wavelengths related to different information, called a wavelength multiplexing method.
  • the technology for transmitting simultaneously in one optical fiber has come to be used. Also, in order to form a dense and highly reliable communication network, it is necessary to secure connections in multiple directions and multiple paths, and from the viewpoint of maintenance applications, the use of multiple optical fibers is indispensable. .
  • wavelength-multiplexed optical signals are demultiplexed into respective wavelengths, and conversely, optical signals having various wavelengths are multiplexed.
  • WDM Wavelength Division Multiplex
  • EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier
  • the directions of the incoming and outgoing of the optical signal are determined, and when monitoring the optical signal, the directionality is not particularly required.
  • a pump laser is injected and propagates through a special fiber to amplify the optical signal.Therefore, the amplified optical signal may flow backward, and the amount of amplification of the optical signal is accurately determined. To do so, only the optical signal from the input fiber must be detected, and the return light from the output fiber must not be detected.
  • An optical power bra is a structure in which an optical signal is branched by bringing a core, which is an optical signal propagation part of an optical fiber, close to the optical fiber, and the length of the proximity part is an important meter for the amount of branching. Therefore, it was difficult to reduce the size of the product, which hindered the reduction in the size of parts.
  • the demand for downsizing of EDFA devices has been increasing, and the inability to reduce the component size has also been a constraint on miniaturization and higher packaging density of EDFA devices.
  • Patent Document 1 discloses an example of a compact bidirectional optical power monitor that is easy to handle.
  • the structure of the disclosed device is shown in FIG.
  • a multi-capillary galvanized fiberglass lens (equivalent to a big tilt fiber) 53 having two optical fibers 51 and 52 (an input optical fiber 51 and an output optical fiber 52, respectively) and a GRIN (Gradient Index) lens 54 are used. They face each other via a gap 55 having a predetermined length.
  • a filter 56 (corresponding to a tap film) is provided on the end face of the GRIN lens to reflect and transmit light passing through the GRIN lens.
  • the light transmitted through the filter passes through the air gap 57 and the photon detector 58 (photodiode Is converted to an electric signal, and the intensity of light input to the optical fiber is measured.
  • the multi-glass ferrule 53 and GRIN lens 54 are held by glass tubes 60 and 61. Since the two optical fibers 51 and 52 can both input and output light, this device can be said to be a bidirectional optical power monitor.
  • the GRIN lens is a glass cylinder whose refractive index continuously changes radially from the central axis toward the outer periphery. The refractive index increases toward the outer periphery, and as the light spreads toward the outer periphery, the traveling direction of the light is bent toward the central axis, and the transmitted light is collected in the center of the filter.
  • Non-Patent Document 1 discloses an example of a one-way optical power monitor.
  • the structure of the disclosed device is shown in FIG.
  • the part names used in Non-Patent Document 1 are used.
  • a two-core ferrule 80 (corresponding to a big tilt fiber) having two input optical fibers 81 and an output optical fiber 82, which are called ports 1 and 2, and a GRIN lens 83 are joined.
  • a dielectric mirror 84 (corresponding to a tap film) is formed on the end face of the GRIN lens 83 to reflect and transmit light.
  • the center axis of the GRIN lens and the center axis of the photodetector 85 are offset from each other.
  • the flow of light will be described.
  • the light (input light) entering from the input optical fiber 81 (port 1) passes through the GRIN lens 83 and is reflected and transmitted by the dielectric mirror 84.
  • the reflected light passes through the GRIN lens, enters the output optical fiber 82 (port 2), and becomes output light.
  • the light transmitted through the dielectric mirror enters the photodetector 85, is converted into an electric signal, and is output as an electric signal. .
  • These series of light paths are indicated by solid arrows.
  • the light entering from the output optical fiber 82 (port 2) will be described.
  • Light entering from the output optical fiber 82 (port 2) passes through the GRIN lens 83 and is reflected and transmitted by the dielectric mirror 84.
  • the reflected light passes through the GRIN lens again, enters the input optical fiber 81 (port 1), and becomes output light.
  • the light transmitted through the dielectric mirror is emitted to the outside without entering the photodetector 85 because the optical axis (center axis) of the GRIN lens and the optical axis (center axis) of the photodetector 85 are shifted. You. Therefore, the intensity of light entering from the output optical fiber 82 (port 2) cannot be measured.
  • These series of light paths are indicated by broken arrows.
  • a directional optical power monitor that does not measure the intensity of light that enters the input optical fiber 81 (port 1) but also measures the intensity of light that enters the output optical fiber 82 (port 2). Has become.
  • the directional characteristics of the unidirectional optical power monitor are such that the light receiving sensitivity A ( ⁇ / w) of the photodiode when light is input from the input optical fiber and the same light are input from the output optical fiber.
  • the GRIN lens If the GRIN lens is too close to the photodiode, the GRIN lens and the photodiode must be separated by more than a certain distance in order to detect the transmitted light from any optical fiber.
  • Patent Document 1 U.S. Patent 6,603,906
  • Non-Patent Document 1 March 28, 2002 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Lecture No. C-1 3-51 Proceedings 183 pages Figure 3
  • An object of the present invention is to have an input optical fiber and an output optical fiber, and Excellent light receiving sensitivity for optical signals entering from an optical fiber, and excellent light receiving sensitivity for optical signals entering from an output optical fiber. To provide a sex light power monitor.
  • the unidirectional optical power monitor of the present invention comprises:
  • a big tilt fiber that has two optical fibers that are arranged in parallel at small intervals and that has an opening on one end face around the center of the end face;
  • a cylindrical GRIN lens having two end faces facing each other, one end face of which faces the one end face of the big tilt fiber, and the other end face having a tapped film thereon;
  • a sleeve having a first end and a second end, the sleeve having a first hole drilled from the first end to a substantially intermediate position between the first end and the second end;
  • a second circular hole having a central axis which is eccentric from the central axis of the first circular hole.
  • One circular hole having a through hole connected to the second circular hole at the substantially intermediate position and an intermediate wall;
  • a photodiode having a front lens having a lens provided at a second end of the sleeve in the second circular hole toward the through hole,
  • An optical signal input from one of the two optical fibers and passing through the tap film reaches the photodiode through a first circular hole and a second circular hole.
  • the G RIN lens is connected to the first circle of the sleeve so that the optical signal input from the other one of the optical fibers and passing through the tap film is blocked by the intermediate wall of the sleeve. It is positioned in the hole.
  • the sleeve in the unidirectional optical power monitor of the present invention includes a first circular hole and a second circular hole having a central axis decentered from the central axis of the first circular hole. I have it.
  • a cylindrical GRIN lens is positioned in the first hole at the first end of the sleeve, and a photodiode with the lens is provided in the second hole at the second end of the sleeve. Therefore, the optical axis of the cylindrical GRIN lens and the optical axis of the photodiode having the lens on the front surface, that is, the optical axis of the lens provided on the front surface of the photodiode are equal to the first circular hole and the second circular hole.
  • Circular hole Is eccentric to a distance corresponding to the distance between the center axes.
  • An optical signal incident from one of the two optical fibers (which may be referred to as "input optical fiber 1") is radiated into a gap through one aperture of the optical fiber, and the beam diameter is reduced. Enters the GRIN lens with wide power. In the GRIN lens, the traveling direction of light is changed, and when the light becomes substantially parallel light, the light reaches the tap film and is reflected and transmitted at a predetermined ratio. The light reflected by the tap film passes through the GRIN lens again, travels while further narrowing the beam diameter, and is emitted to the air gap. Thereafter, the aperture of the other optical fiber (sometimes referred to as “output optical fiber 1”) is focused, and light incident from the input optical fiber is connected to the output optical fiber.
  • the light transmitted through the tap film passes through the first hole of the sleeve, passes through the hole, passes through the second hole, passes through the second hole, and is fixed with an optical axis decentered from the optical axis of the GRIN lens. After entering the diode, the amount of optical signal input to the monitor from the input optical fiber can be measured.
  • the sleeve of the unidirectional optical power monitor of the present invention can be made of an opaque black ceramic, glass, or plastic material.
  • the sleeve is made of an opaque material, mutual interference between a plurality of optical power monitors can be prevented, and the directional characteristics can be improved. Further, it is also preferable in terms of work safety.
  • a black material is more preferable. Since a black material generally has a low light reflectance, light input from one output optical fiber can be attenuated to almost zero by repeating reflection on the inner wall or inner peripheral surface.
  • Sera as black material Mix glass and plastic can be used.
  • black ceramics alumina, zirconium, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, soft ferrite, and hard ferrite are suitable.
  • the material of the black glass one using silica as a main material, one using alumina as a main material, one using titania as a main material, and a composite material thereof can also be used.
  • the black plastic epoxy resin, liquid crystal polymer, polyphenylene resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polybutylene resin, azo compound resin and polyester resin are suitable.
  • a carbon-based material can be used because similar effects can be expected.
  • the unidirectional optical power monitor of the present invention can be arranged on a magnet or a magnetic material easily.
  • the distance between the optical axis of the GRIN lens and the lens optical axis of the photodiode is L
  • the Gaussian beam radius of light transmitted through the tap film is R
  • D the lens diameter of the lensed photodiode
  • the light has a distribution that attenuates toward the outer periphery of the beam most strongly at the center of the beam rather than exhibiting a uniform intensity in the cross section of the beam. Since this distribution is called a Gaussian distribution and is a function related to the traveling direction of the beam, the beam gradually spreads as the beam progresses and attenuates at the same time. It is known that a Gaussian distribution is maintained at an arbitrary cross section in the beam traveling direction.
  • the beam intensity needs to have a certain relative index of the spread of the force beam, which can be obtained by converting light at that position into electricity.
  • the radius that attenuates to 1 / e 2 with respect to the center intensity of the beam is used as an index indicating the beam size, and is referred to as a Gaussian beam radius.
  • e is the base of the natural logarithm.
  • the unidirectional optical power monitor of the present invention only light that enters from one optical fiber and passes through the tap film is detected by the photodiode, and light that enters from the other optical fiber and passes through the tap film. Need not be detected by the photodiode. Therefore, the distance between the optical axis of the GRIN lens and the optical axis of the photodiode lens is important. The position at which the intensity attenuates to 1% of the center intensity of the beam can be obtained as 1.517 times the Gaussian beam radius.
  • the value twice as large as the distance between the optical axes is larger than the value obtained by adding half of the lens diameter to 1.517 times the radius of the Gaussian beam.
  • the distance L between the optical axes be smaller than 1Z2 of the lens diameter D of the photodiode. If the distance L between the optical axes is larger than 1/2 of the lens diameter D of the photodiode, the light receiving sensitivity is sharply reduced, and the outer diameter of the sleeve to be used becomes large, which makes handling inconvenient and difficult to manufacture. become.
  • the unidirectional optical power monitor of the present invention uses a sleeve made of a black, opaque material to fix the GRIN lens and the photodiode with their optical axes decentered, so that the output optical fiber The portion of the optical signal that has entered through the tap film is attenuated by the inner wall of the sleeve, resulting in good directional characteristics.
  • FIG. 1 is a sectional view of a unidirectional optical power monitor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of a unidirectional optical power monitor according to Example 6 of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing light receiving sensitivity and directional characteristics in relation to a distance L between optical axes.
  • FIG. 4 (a), (b) and (c) are cross-sectional views of a unidirectional optical power monitor according to Example 7 of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a unidirectional optical power monitor of a comparative example.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional bidirectional optical power monitor.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the unidirectional optical power monitor shown in Non-Patent Document 1.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a unidirectional optical power monitor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the directional optical power monitor consists of a big tilt fiber 2 having two optical fibers (input optical fiber 13 and output optical fiber 4), a cylindrical GRIN lens 7 having a tap film 8, and a photodiode. And a sleeve 9 forming an optical path between the GRIN lens and the photodiode.
  • the two optical fibers 1, 3 and 4 are arranged in parallel with a small interval (pitch force between the two optical fibers is about 250 ⁇ m) and molded to form a big tilt fiber 2 and a big tilt fiber.
  • the cylindrical GRIN lens 7 has two end faces facing each other, and one end face is separated from the end face of a big tilt fiber having one opening of two optical fibers and a small gap 5 (100 to 300 / im).
  • the other end face has a tap film 8 thereon.
  • the big tilt fiber 2 and the cylindrical GRIN lens 7 have their axes substantially aligned.
  • the end face of the big tilt fiber facing the GRIN lens and the end face of the GRIN lens facing the big tilt fiber each have an inclination angle of about 8 ° with respect to the optical axis.
  • the GRIN lens means a gradient index lens, and the refractive index increases continuously from the center axis of the lens toward the outer periphery. Position away from the central axis of the GRIN lens Light traveling parallel to the center axis is bent toward the center of the lens, so that light entering from one end of the GRIN lens exits near the center of the other end.
  • the refractive index at the central axis of the GRIN lens 7 used here is 1.590, and the refractive index gradient constant is 0.326.
  • the tap film 8 provided on the end surface of the GRI N lens is a dielectric multilayer in which SiO and Ti ⁇ are periodically laminated.
  • the tap ratio representing the light transmittance was 1%. Most of the light that reaches the tap film after passing through the GRIN lens is reflected by the tap film surface, and a part of the light passes through the tap film.
  • the big tilt fiber 2 and the GRIN lens 7 have a diameter of 1.8 mm, and an opaque, black, cylindrical glass tube 6 having an outer diameter of 2.8 mm and an inner diameter of 1.9 mm. It is fixed in the hole with an epoxy resin adhesive.
  • the optical signal that enters from one optical fiber of the big tilt fiber and exits from the other optical fiber is While monitoring with an optical multimeter, the size of the gap 5 is determined so that the optical signal intensity becomes maximum.
  • the sleeve 9 forming an optical path between the GRIN lens 7 and the photodiode 10 has a first end and a second end, and extends from the first end to the first end and the second end. It has a first circular hole 91 opened to a substantially intermediate position with respect to the end and a second circular hole 92 opened from the second end to a substantially intermediate position with the first circular hole 91.
  • the second circular hole 92 is eccentric from the first circular hole 91, and the first circular hole 91 is connected to the middle wall 93 and the second circular hole at its deep end, that is, at a substantially intermediate position.
  • the sleeve 9 is made of black alumina ceramic.
  • the inner diameter of the first hole and the second hole is 2.Omm, the center axis of the first hole and the center axis of the second hole are parallel, and the center axis distance of 0.9mm Had become. It was 7. Omm from one end of the sleeve to almost the middle position.
  • a through hole 94 and an intermediate wall 93 are provided in a plane perpendicular to the central axis of the first hole.
  • the end of the GRIN lens 7 on the side where the tap film is attached, cut, and inserted is inserted into the first circular hole up to 2. Omm from the first end of the sleeve, and is fixed with an adhesive.
  • the distance between the tap film 8 of the GRIN lens 7 and the intermediate wall 93 is 5. Omm.
  • a photodiode 10 (diameter 2 Omm) with a lens (diameter 1 9 mm) at the tip is The second end is inserted and fixed in the second circular hole.
  • the distance from the substantially middle position to the tip of the lens of the photodiode 10 is 5.0 mm.
  • the optical signal entering from the optical fiber 13 also transmits the aperture force of the optical fiber 13 at the end of the big tilt fiber 2 to the GRIN lens 7, and is attached to the end of the GRIN lens 7. Most of the light is reflected by the tapped film 8 and sent through the optical fiber 14. Part of the optical signal that enters from the optical fiber 13 and reaches the tap film 8 penetrates the tap film and passes through the first circular hole 91 through the through hole 94 as shown by the solid line arrow. The intensity is detected by the photodiode 10 through the second circular hole 92.
  • the optical signal entered from the optical fiber 14 is largely reflected by the tap film 8 at the end of the big tilt fiber 2 and transmitted through the optical fiber 13.
  • a part of the optical signal that enters from the optical fiber 14 and reaches the tap film 8 passes through the tap film, and the transmitted optical signal passes through the first circular hole 91 as indicated by the broken arrow.
  • Most of the light is absorbed and a part of the light is reflected by the intermediate wall 93. Only a very small portion of the optical signal entering from the optical fiber 14 reaches the photodiode 10 through the second circular hole 92.
  • this optical power monitor has excellent unidirectionality.
  • the optical and electrical characteristics of this one-way optical power monitor were evaluated.
  • the optical loss was 0.31 dB when light with a wavelength of 1550 nm and light intensity of OdBm was input from the three optical fibers, and the light receiving sensitivity of the photodiode was 9.8 mAZw.
  • the input loss was 0.31 dB and the light receiving sensitivity of the photodiode was 24. ⁇ m / w.
  • the directional characteristic of this one-way optical power monitor was 26.ldB, which was more than the required 25dB.
  • the two-way optical power monitor according to the second embodiment of the present invention is the same as the one-way optical power monitor according to the first embodiment shown in FIG.
  • the interval between eyebars 3 and 4 is 125 zm.
  • the length of the sleeve 9 was set to 24 mm, and the distance between the tap film 8 and the photodiode with lens 10 was set to 20 mm.
  • the other configuration of the one-way optical power monitor of the second embodiment was the same as that of the one-way optical power monitor of the first embodiment shown in FIG.
  • the light receiving sensitivity of the photodiode when an optical signal was input from the input optical fiber 13 with this one-way optical power monitor was 6.7 mA / w.
  • the distance between the tap film and the photodiode with lens is longer than that in the first embodiment, so that the light beam transmitted through the tap film and directed toward the photodiode is not affected. Since the diverging Gaussian beam radius is larger, the light receiving sensitivity is lower than that of the first embodiment.
  • the light receiving sensitivity of the photodiode when an optical signal is input from the output optical fiber 14 is 20.6 ⁇ / m, and the unidirectional optical power monitor obtains a directional characteristic of 25. ldB. Was completed. Since the distance between the two optical fibers is reduced in the second embodiment, the angle between the optical signal passing through the GRIN lens and the axis of the GRIN lens is reduced. As the distance between the tap film of the GRIN lens and the photodiode is lengthened, excellent directional characteristics can be obtained. However, when the distance between two optical fibers is small as in Example 2, the length of the sleeve needs to be longer, so in order to obtain excellent directional characteristics, the optical power monitor must be large. There is.
  • a GRIN lens having a refractive index of 1.634 on the central axis and a refractive index gradient constant of 0.417 was used.
  • the refractive index and the refractive index gradient constant are larger than those of the GRIN lens in the first embodiment.
  • the angle formed by the light is larger than in the first embodiment. Therefore, the distance between the tap film and the photodiode with the lens was 8 mm, which was shorter than in the first embodiment.
  • the refractive index is large, the light converges quickly in the GRIN lens, the Gaussian beam radius is reduced, and light is easily collected by the photodiode with lens.
  • the light receiving sensitivity of the photodiode was 10.2 mA / w, and the light receiving sensitivity of the photodiode when an optical signal was input from the output optical fiber 14 was 19.
  • the directional characteristics of this one-way optical power monitor were very good at 27.3 dB.
  • one tap film of the unidirectional optical power monitor of Example 1 was a laminated film of Si ⁇ and TaO.
  • the tap rate is 1%, the same as in Example 1.
  • Example 1 In the one-way optical power monitor, only the sleeve materials shown in Table 1 were used for the optical power monitors Ml to M17, and only the sleeve materials were changed by the photodiode when the optical signal was input from the input optical fiber.
  • the sensitivity of light received, the light sensitivity of the photodiode when an optical signal was input from the output optical fiber, the directional characteristics, and the dark current were measured and are shown in the same table. ⁇
  • the current is the output current of the photodiode when neither the input optical fiber nor the output optical fiber has any optical input, so it is necessary to detect the light that has entered from outside through the sleeve wall. Means. In each of the optical power monitors, the quiescent current was 0.043 to 0.077 nA, which was a satisfactory value of less than 0.0 InA.
  • the optical power monitor shown in FIG. 2 was obtained by dividing only the sleeve 9 into two in the length direction by the unidirectional optical power monitor of Example 1.
  • the structure is such that the distance L between the optical axes can be changed by relatively moving the two divided sleeves 18 and 19.
  • the lens diameter D of the photodiode 10 was 1.9 mm.
  • Gaussian beam radius of light passing through tap film 8 When R was measured using a beam profiler, the Gaussian beam radius R was 0.38 mm.
  • the light intensity at a certain optical axis distance L can be calculated using the Gaussian beam radius R.
  • the photodiode with a lens detects light only when the light enters the lens of the optical diode, the distance between the optical axis of the GRIN lens 7 and the optical axis of the photodiode 10 with the lens is reduced. It was found that a relationship of 2L ⁇ 1.517R + D / 2 was established between the distance L, the radius R of the Gaussian beam of light transmitted through the tap film 8, and the lens diameter D of the photodiode.
  • the directional characteristic becomes 25 dB or more when the distance L between the optical axes is 0.763 mm or more.
  • the distance L between the optical axes when the distance L between the optical axes is larger than 0.95 mm, the light receiving sensitivity is sharply reduced, but the directional characteristic is reduced at the distance L between the optical axes of 0.95-1. Omm. Has become moderate.
  • the distance L between the optical axes increases, the size of the through hole between the first circular hole and the second circular hole decreases, and the input light that enters from the input optical fiber and passes through the GRIN lens and the tap film is reduced. It is considered that the part guided to the lens of the photodiode through the through hole is reduced.
  • the distance L between the optical axes must be 0.95 mm or less, that is, the lens diameter D / 2 of the photodiode or less.
  • the distance L between the optical axes is required to satisfy the following inequality using the Gaussian beam radius R and the lens diameter D.
  • FIGS. 4A to 4C show a seventh embodiment different from the sleeve shape of the first embodiment.
  • Optical fiber The intermediate wall is provided at the same position as in FIG. 1 of the first embodiment so that a part of the light (indicated by a broken arrow) entering from 4 and reaching the tap film 8 is absorbed and reflected by the intermediate wall.
  • Light (indicated by a solid arrow) entering from the optical fiber 13 and passing through the tap film 8 reaches the photodiode 10 via the first circular hole and the second circular hole. Since it is sufficient that the inner walls of the first circular hole and the second circular hole do not obstruct the optical path indicated by the solid line arrow, a sleeve having the shapes shown in FIGS.
  • the sleeves 9 shown in Figs. 4 (a) and (b) are composed of cylindrical black alumina ceramics, using diamond whetstones from both ends, and the center axes of the first and second holes. And processed.
  • the sleeve 9 shown in FIG. 4 (c) was obtained by adding a circular hole to a black alumina ceramic formed and sintered into a cylindrical shape having an inner slope by using a diamond grindstone.
  • the directional characteristics of the unidirectional optical power monitor manufactured using these sleeves were 26.1 dB, the same as in Example 1.
  • the unidirectional optical power monitor of the comparative example shown in the sectional view of FIG. 5 has the same structure as the unidirectional optical power monitor of Example 1 except for the structure of the sleeve.
  • the same parts as those in FIG. 1 are indicated by the same reference numerals as those in FIG.
  • the distance between the tap film 8 of the GRIN lens 7 and the lens of the photodiode 10 was set to 10 mm as in Example 1.
  • the sleeve 38 connecting the GRIN lens 7 and the photodiode 10 is made of brown colored glass, and a gentle inclination is provided approximately in the middle of the glass sleeve to provide an optical axis between the GRIN lens optical axis and the photodiode optical axis. The distance between them was 0.9 mm.
  • a part of the optical signal that has entered the GRIN lens 7 from the input optical fiber 13 passes through the tap film 8 and is detected by the photodiode 10 as indicated by the solid arrow in the figure.
  • the portion of the optical signal that has entered the GRIN lens 7 from the output optical fiber 4 and has passed through the tap film 8 passes through the wall of the glass sleeve 38 and is emitted outside the monitor as indicated by the dashed arrow 43 in the figure. Therefore, light diode 10 does not detect it.
  • the directional characteristics of this one-way optical power monitor were 23-24 dB, which was very good. This is probably because some light is reflected by the wall of the glass sleeve, or external light enters the sleeve, and the light is detected by the photodiode.
  • the present invention provides a monitoring device for measuring an optical signal strength suitable for an optical communication circuit, particularly an amplifier circuit having an EDFA.
  • the one-way optical power monitor of the present invention detects and measures only the optical signal that enters from the direction in which the optical signal intensity is to be measured, and does not measure the optical signal that enters from the opposite direction. The strength can be measured correctly. Furthermore, since this one-way optical power monitor is small, it can reduce the size of the entire optical communication circuit.

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Abstract

　方向性特性に優れた小型の一方向性光パワーモニターを開示している。そのモニターは、入力と出力との２本の光ファイバーからの光信号を所定の比率で透過・反射させるタップ膜を持つＧＲＩＮレンズと光信号のタップ膜を透過した部分を検出・測定するレンズを付けた光ダイオードとを持っている。ＧＲＩＮレンズのタップ膜と光ダイオードとは、内部にそれらの間の光路となっている連続した２つの円孔を有する不透明で黒色のスリーブで接続されている。その２つの円孔は、互いに平行で中心軸が互いに偏芯しており、スリーブ中間位置で通孔によって互いに連続している。一方の光ファイバーからの光信号でタップ膜を透過した部分は、その２つの円孔と通孔とを通って光ダイオードで検出される。一方の円孔はスリーブ中間位置に垂直壁を持って、他方の光ファイバーからタップ膜を透過した光信号はその壁によって遮蔽されて光ダイオードで測定されない。

Description

明 細 書
一方向性光パワーモニター
技術分野
[0001] 本発明は、主に光通信分野において用いられる光パワーモニターに係るものであ る。
背景技術
[0002] 近年、情報通信における技術革新は目覚しぐインターネットの普及による通信速 度の高速化の要求および情報量の増加に対応するため、電気信号による通信から 光信号による通信へと移行しつつある。多くの基幹となるケーブルは、様々な中継点 力 情報が集まってくるため、光ケーブルへと置き換わりつつあり、処理速度が格段 に向上してきた。今後は、そうした光ケーブルとユーザー端末との間の通信が見直さ れるようになり、より安くより快適な情報通信環境の整備への要求は、ますます厳しく なってきている。
[0003] 光通信網が整備されるに従って、情報の授受が高速に行なわれるようになり、また それに伴って新たな用途も拡大し、光通信網を行き交う情報量がさらに増加している 。光ファイバ一の処理できる情報量を上げるには、高周波の信号を使用して単位時 間あたりの信号量を増大させるとともに、波長多重方式と呼ばれる、異なる情報に関 する種種の波長を持った信号をひとつの光ファイバ一中で同時に送信する技術が用 いられるようになった。また、緻密で信頼性の高い通信網を形成するには、多方向、 多経路への接続を確保する必要があり、保守用途の観点からも複数の光ファイバ一 の利用は必須となっている。
[0004] 多数の信号を光ファイバ一で伝送する光通信回路を形成するには、波長多重した 光信号を各波長に分波し、また逆に種種の波長の光信号を合波し、更には、光信号 の分岐や挿入を行なう Wavelength Division Multiplex (以下、 WDMと略す）シ ステムが必要となる。情報量が増加すると共に、扱われる情報の重要性も高くなつて きた。光信号が欠落した場合には、どの光信号がどこで欠落したのかを迅速に把握 する必要があり、光信号の接続の可否だけでなぐ場合によっては信号強度を確認 することも必要となる。また、伝送距離が長くなると、光信号強度が減衰するので、光 信号を増幅するための Erbium Doped Fiber Amplifier (以下、 EDFAと略す） が必要になる。 EDFAでは、増幅比を判定するために外部から入力した光信号の強 度や、増幅したあと外部に出射する光信号の強度を正確に把握することが必要にな り、信頼性の高い光通信システムを構築するためには、こうした細かいモニタリング機 能が不可欠となってきている。
[0005] WDMシステムでは、光信号の入射'出射の方向が決まっており、光信号をモニタリ ングする場合には、その方向性は特に必要とされていなかった。しかし、 EDFAにお いては、ポンプレーザーを入射して、特殊ファイバー内を伝播させることによって光信 号を増幅するので、増幅した光信号が逆流することがあり、光信号の増幅量を正確 に判断するには、入力ファイバーからの光信号のみを検知し、出力ファイバーからの 戻り光は検知しないとレ、う機能が必須になる。
[0006] 従来の一般的な光信号のモニタリング方法としては、光力ブラで光信号の一部を分 岐し、分岐した光信号を光ダイオードで検知するという技術が用いられていた。その ため、各部品を融着接続することが必要であり、それが実装工数低減の妨げとなって いた。また、光力ブラは、光ファイバ一の光信号伝播部位であるコアを近接することに より光信号を分岐させる構造であり、かつ近接部の長さが分岐量の重要なノ メータ 一であることから、製品のサイズを小さくすることが困難であり、部品サイズの低減に 対する妨げとなっていた。最近では、 EDFA装置のダウンサイジングに対する要求が 強ぐ部品サイズを小型化できないことが、 EDFA装置の小型化及び高実装密度化 に対する制約にもなつている。
[0007] 取扱い易く小型化された双方向性光パワーモニターの一例が、特許文献 1に開示 されている。開示されている装置の構造を図 6に示す。 2本の光ファイバ一 51 , 52 (そ れぞれ入力光ファイバ一 51と出力光ファイバ一 52)を有するマルチキヤピラリーガラ スフエノレーノレ 53 (ビッグティルファイバーに相当）と GRIN (Gradient Index)レンズ 54を所定長さの空隙 55を介して対向させている。 GRINレンズの端面にはフィルタ 一 56 (タップ膜に相当）が設けられていて、 GRINレンズを通った光の反射と透過を 行なう。フィルターを透過した光は空隙 57を通りフォトンデテクター 58 (光ダイオード に相当）で電気信号に変換されて、光ファイバ一に入力した光の強度を測定する。マ ルチキヤビラリ一ガラスフェルール 53と GRINレンズ 54はガラスチューブ 60， 61で保 持されている。 2本の光ファイバ一 51， 52は、何れも光の入力および出力を行うこと ができるので、この装置は双方向性光パワーモニターと言える。ここで、 GRINレンズ は中心軸から外周方向に向かって放射状に連続的に屈折率が変化しているガラス 製の円柱である。屈折率は、外周に行くに従って大きくなつており、光が外周側に向 かって広がれば広がるほど、光の進行方向は中心軸方向に曲げられてフィルタ一中 心に透過光が集まる。
[0008] 入力光ファイバ一 51から空隙 55に入った光は GRINレンズ 54を通り GRINレンズ の端面のフィルター 56に到達する。フィルター 56に到達した光の大部分は反射し G RINレンズ 54と空隙 55を通り、出力光ファイバ一 52に入り出力光となる。フィルター 56に到達した光の一部はフィルター 56を透過し、空隙 57を通り、フオトンデテクター 58に入り電気信号に変換されて出力される。これら一連の光の経路を実線の矢印で 示している。逆に、出力光ファイバ一 52から光を入れると前述した光路と同様の経過 をたどり、入力光ファイバ一 51から光を取り出すことができる。フィルター 56を透過し た光は空隙 57を通り、フオトンデテクター 58に入り電気信号に変換されて出力される 。これら一連の光の経路を破線の矢印で示している。
[0009] 一方向性を持った光パワーモニタの例が、非特許文献 1に開示されている。開示さ れている装置の構造を、図 7に示す。部品名称は、非特許文献 1で用いられているも のを使用する。ポート 1、ポート 2と呼称されている 2本の入力光ファイバ一 81 ,出力 光ファイバ一 82を有する 2芯フエルール 80 (ビッグティルファイバーに相当）と、 GRI Nレンズ 83とを突合せている。 GRINレンズ 83の端面には誘電体ミラー 84 (タップ膜 に相当）を形成し、光の反射と透過を行っている。 GRINレンズの中心軸とフォトディ テクター 85 (光ダイオードに相当）の中心軸はずらして配置されてレ、る。
[0010] 光の流れを説明する。入力光ファイバ一 81 (ポート 1)から入った光（入力光）は、 G RINレンズ 83を通り誘電体ミラー 84で反射と透過を起こす。反射した光は、 GRINレ ンズを通り出力光ファイバ一 82 (ポート 2)に入り出力光となる。誘電体ミラーを透過し た光は、フォトディテクター 85に入り電気信号に変換され電気信号として出力される 。これら一連の光の経路を実線の矢印で示している。次に、出力光ファイバ一 82 (ポ ート 2)から入った光について説明する。出力光ファイバ一 82 (ポート 2)から入った光 は、 GRINレンズ 83を通り誘電体ミラー 84で反射と透過を起こす。反射した光は、再 び GRINレンズを通り入力光ファイバ一 81 (ポート 1)に入り出力光となる。誘電体ミラ 一を透過した光は、 GRINレンズの光軸（中心軸）とフォトディテクター 85の光軸（中 心軸）とがずれているため、フォトディテクター 85には入らず外部へと放出される。そ のため、出力光ファイバ一 82 (ポート 2)から入った光の強度は測定できなレ、。これら 一連の光の経路を破線の矢印で示している。つまり、入力光ファイバ一 81 (ポート 1) 力も入った光の強度は測定できる力 出力光ファイバ一 82 (ポート 2)から入った光の 強度は測定しないと言う、方向性を有する光パワーモニターとなっている。
[0011] 一方向性光パワーモニターの方向性特性は、入力光ファイバ一から光を入力したと きの光ダイオードの受光感度 A ( μ Α/w)と出力光ファイバ一から同じ光を入力した ときの光ダイオードの受光感度 B ( μ A/w)との比を dB単位で表わし、方向性特性 = 10 'log (A/B)で求めたものである。一方向性光パワーモニターでは 25dB以
10
上の方向性特性が要求されている。
[0012] 図 7に示した一方向性光パワーモニターでは、 GRINレンズの光軸とフォトダイォー ドの光軸との位置関係について論じている力 GRINレンズと光ダイオードとの間の 光路の詳細構造は説明されていない。一方向性光パワーモニターとするには、 GRI Nレンズと光ダイオードを、スリーブ等を用いて位置決めと固定を行なう必要がある。
GRINレンズと光ダイオードとが接近し過ぎると、何れの光ファイバ一から入った光の 透過光をも検知するため、 GRINレンズと光ダイオードはある距離以上離す必要があ る。
特許文献 1 :米国特許 6， 603, 906
非特許文献 1 : 2002年 3月 28日開催 電子情報通信学会 講演番号 C一 3— 51 予稿集 183ページ 図 3
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] 本発明の目的とするところは、入力光ファイバ一と出力光ファイバ一とを持ち、入力 光ファイバ一から入った光信号にっレ、ての受光感度が優れてレ、る力 出力光フアイ バーから入った光信号についての受光感度が低ぐ方向性特性に優れている小型 の一方向性光パワーモニターを提供することである。
課題を解決するための手段
[0014] 本発明の一方向性光パワーモニターは、
小さな間隔で平行に並べられた 2本の光ファイバ一を持ち、それら光ファイバ一の 開口を 1つの端面上で端面中心の周りに持つビッグティルファイバーと、
互いに対向している 2つの端面を持ち、それらのうち一方の端面はビッグティルファ ィバーの前記 1つの端面と対向していて、他の端面はその上にタップ膜を有する円 柱状 GRINレンズと、
第一の端と第二の端とを持つスリーブであって、第一の端から、第一の端と第二の 端との間の略中間位置まで開けられている第一の円孔と、第二の端力 前記略中間 位置まで開けられてレ、て、第一の円孔の中心軸から偏芯してレ、る中心軸を持つ第二 の円孔とを有するとともに、前記第一の円孔は、前記略中間位置で第二の円孔と接 続する通孔と中間壁とを持つものと、
前記スリーブの第二の端において第二の円孔内に前記通孔に向かって設けられて レ、るレンズを前面に持つ光ダイオードとを有し、
前記 2本の光ファイバ一のうち一方の光ファイバ一から入力され前記タップ膜を透 過した光信号は第一の円孔と第二の円孔とを通って前記光ダイオードに達し、 前記 2本の光ファイバ一のうち他方の光ファイバ一から入力され前記タップ膜を透 過した光信号はスリーブの前記中間壁によってその光路が妨げられるように、前記 G RINレンズがスリーブの第一の円孔内に位置決めされている。
[0015] 本発明の一方向性光パワーモニターにおけるスリーブは、第一の円孔と、第一の円 孔の中心軸から偏芯してレ、る中心軸を持つ第二の円孔とを有してレ、る。円柱状 GRI Nレンズがスリーブの第一の端において第一の円孔内に位置決めされていて、スリー ブの第二の端においてレンズを持った光ダイオードが第二の円孔内に設けられてい るので、円柱状 GRINレンズの光軸とレンズを前面に持つ光ダイオードの光軸、すな わち光ダイオードの前面に設けられたレンズの光軸とは、第一の円孔と第二の円孔 の中心軸間距離に相当する距離偏芯している。
[0016] 2本の光ファイバ一のうち一方の光ファイバ一（「入力光ファイバ一」と呼ぶことがあ る）から入射した光信号は、その光ファイバ一開口で空隙に放射され、ビーム径が広 力 Sりながら GRINレンズに入る。 GRINレンズ内では、光の進行方向を変化させ略平 行光になったところでタップ膜に到達し、所定の比率で反射と透過をする。タップ膜 で反射した光は、再び GRINレンズ内を通過し、更にビーム径が絞られながら進行し 、空隙に放射される。その後、他方の光ファイバ一（「出力光ファイバ一」と呼ぶことが ある）の開口に焦点を結び、入力光ファイバ一から入射した光が出力光ファイバ一に 接続する。タップ膜を透過した光は、スリーブの第一の円孔から通孔を経由して第二 の円孔を通って GRINレンズの光軸から偏芯した光軸を持って固定されたレンズ付き 光ダイオードに入り、入力光ファイバ一からモニターに入力した光信号の光量を測定 できる。
[0017] 2本の光ファイバ一のうち他方の光ファイバ一から入射した光は、空隙に放射された あと GRINレンズに入る。 GRINレンズ内では光の進行方向が変化して略平行光に なり、タップ膜により所定の比率で反射と透過を行なう。タップ膜で反射した光は、 GR INレンズ、空隙の経路を取り入力光ファイバ一に接続する。タップ膜を透過した光は 、 GRINレンズの中心線に対して対称な方向に進み、スリーブ内の第一の円孔の奥 に（略中間位置に）設けた略垂直の中間壁で反射し、減衰しながら光の進行方向を 変える。その後、光は、第一の円孔と平行な内周壁面で更に反射、減衰を繰り返しな がら、 GRINレンズの方向に戻るので、レンズ付き光ダイオードにはほとんど入射しな レ、。
[0018] 本発明の一方向性光パワーモニターのスリーブは、不透明で黒色系セラミックスか ガラス、プラスチック材で作ること力 Sできる。スリーブを不透明な材料で構成することに よって、複数の光パワーモニター間の相互干渉を防ぐことができるとともに、方向性特 性に優れたものとすることができる。更に、労働安全面においても好ましい。
[0019] 不透明な材料の中でも、黒色系の材料がより好ましい。黒色系材料は一般に光反 射率が低いので、内壁もしくは内周面で反射を繰り返させることで、出力光ファイバ 一から入力された光をほぼゼロまで減衰させることができる。黒色系材料としてはセラ ミックやガラス、プラスチックが使用できる。黒色系セラミックでは、アルミナやジルコ二 ァ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、ソフトフェライト、ハードフェライトが適している 。黒色系ガラスの材料では、シリカを主原料にしたものやアルミナを主原料にしたもの 、チタニアを主原料にしたもの、更にはそれらの複合材料も使用できる。黒色系ブラ スチックとしては、エポキシ樹脂や液晶ポリマー、ポリフヱニレン樹脂、ポリエチレン樹 脂、ポリプロピレン樹脂、ポリプチレン樹脂、ァゾ化合物樹脂、ポリエステル樹脂が適 している。また、カーボン系の材料も同様の効果が期待でき使用することができる。ソ フトフヱライト、ハードフェライトを用いると、本発明の一方向性光パワーモニターを整 歹 IJさせたり、磁石や磁性体に容易に取り付けることができる。
[0020] 本発明の一方向性光パワーモニターでは、 GRINレンズ光軸と光ダイオードのレン ズ光軸との光軸間距離を L、タップ膜を透過する光のガウスビーム半径を R、前記レ ンズ付き光ダイオードのレンズ直径を Dとしたとき、 D≥2L≥1. 517R + D/2である ことが望ましい。
[0021] 光はビームの横断面内で一様な強度を示すのではなぐビーム中心で最も強くビ ーム外周方向に向かって減衰していく分布を持つ。この分布はガウス分布と呼ばれ ビームの進行方向に関する関数であるため、ビームの進行とともに徐々にビームが広 がり、同時に減衰していく。ビーム進行方向における任意の横断面において、ガウス 分布が維持されることが知られている。ビームの強度は、その位置での光を電気変換 することにより求めることが可能になる力 ビームの広がり具合については、相対的な ある指標を持つことが必要になる。そこで、ビームの中心強度に対し、 1/e2の強度 に減衰する半径をビームのサイズを示す指標とし、ガウスビーム半径と称している。こ こで、 eは自然対数の底である。
[0022] 本発明の一方向性光パワーモニターは、一方の光ファイバ一から入射しタップ膜を 透過した光のみを光ダイオードで検知し、他方の光ファイバ一から入射しタップ膜を 透過した光は光ダイオードで検知しないことが必要である。そのため、 GRINレンズの 光軸と光ダイオードのレンズの光軸との光軸間距離は重要である。ビームの中心強 度に対し、強度が 1%に減衰する位置はガウスビーム半径の 1. 517倍として求めるこ とができる。 1%に減衰した光がレンズ付き光ダイオードに入射しないような位置関係 にするには、光軸間距離の 2倍の値を、ガウスビーム半径の 1. 517倍にレンズ直径 の半分を加算したものより大きくすることが好ましい。この様な関係にすることで、入力 光ファイバ一から光を入れた時の光ダイオードの出力 Aと、出力光ファイバ一から光 を入れた時の光ダイオードの出力 Bでは、出力 Bは出力 Aに比べ少なくとも 2桁以上 の差を持って小さくすることが可能となる。
[0023] 反対に、光軸間距離 Lは、光ダイオードのレンズ直径 Dの 1Z2よりも小さい値とする ことが好ましい。光軸間距離 Lが光ダイオードのレンズ直径 Dの 1/2より大きくなると 、受光感度が急激に低下するとともに、使用するスリーブ外径が大きくなつてその取 扱いが不便になりまたその製作が困難になる。
発明の効果
[0024] 本発明によって、方向性特性の高い小型で高性能な一方向性光パワーモニターを 提供することができた。また本発明の一方向性光パワーモニターは、黒色で不透明 な材料で作ったスリーブを用いて、 GRINレンズと光ダイオードとをそれらの光軸を偏 芯させて固定しているので、出力光ファイバ一から入った光信号のタップ膜を透過し た部分をスリーブ内壁で減衰させており、方向性特性がよいものとなっている。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]図 1は本発明の実施例 1の一方向性光パワーモニターの断面図である。
[図 2]図 2は本発明の実施例 6の一方向性光パワーモニターの断面図である。
[図 3]図 3は、受光感度と方向性特性とを光軸間距離 Lとの関係で示すグラフである。
[図 4]図 4 (a) , (b)および（c)は本発明の実施例 7の一方向性光パワーモニターの断 面図である。
[図 5]図 5は比較例の一方向性光パワーモニターの断面図である。
[図 6]図 6は従来の双方向性光パワーモニターの断面図である。
[図 7]図 7は非特許文献 1に示されている一方向性光パワーモニターの断面図である 符号の説明
[0026] 2 ビッグティルファイバー
3 (入力）光ファイバ一 4 (出力）光ファイバ
7 GRINレンズ
8 タップ膜
9 スリーブ
10 光ダイオード
91 第一の円孔
92 第二の円孔
93 中間壁
94 通孔
発明を実施するための最良の形態
[0027] 実施例 1
本発明の実施例 1による一方向性光パワーモニターを図 1に断面図で示す。一方 向性光パワーモニターは、 2本の光ファイバ一（入力光ファイバ一 3と出力光ファイバ 一 4)を持ったビッグティルファイバー 2と、タップ膜 8を有する円柱状 GRINレンズ 7と 、光ダイオード 10と、 GRINレンズと光ダイオードとの間に光路を形成しているスリー ブ 9とからなっている。 2本の光ファイバ一 3、 4が小さな間隔（2本の光ファイバ一間ピ ツチ力約 250 μ m)を持って平行に並べられてモールドされてビッグティルファイバー 2を形成し、ビッグティルファイバー 2の一端面でその中心の周りにそれら 2本の光フ アイバー 3、 4が開口を持つ。円柱状 GRINレンズ 7は互いに対向している 2つの端面 を持ち、その一方の端面は 2本の光ファイバ一開口を持ったビッグティルファイバー の端面と小さな空隙 5 (100〜300 /i m)を介して対向しており、他の端面はその上に タップ膜 8を持っている。ビッグティルファイバー 2と円柱状 GRINレンズ 7とはそれら の軸が実質的に一列に並んでいる。ビッグティルファイバーの GRINレンズと対向し ている端面と、 GRINレンズのビッグティルファイバーと対向している端面とは、それ ぞれ光軸に関して約 8° の傾斜角を持っており、それらの対向面での反射を防いで いる。
[0028] GRINレンズは、 gradient index lensを意味しており、レンズの中心軸から外周 に向かって連続的に屈折率が大きくなつている。 GRINレンズの中心軸から離れた位 置を中心軸に平行に進む光はレンズの中心方向に曲げられるので、 GRINレンズの 一方の端面から入った光は他方の端面の中心付近から出る。ここで用いた GRINレ ンズ 7の中心軸における屈折率が 1. 590で、屈折率勾配定数が 0. 326である。 GRI Nレンズ端面に設けたタップ膜 8は、 SiOと Ti〇とを周期的に積層した誘電体多層
2 2
膜で、光の透過率を表すタップ率は 1%であった。 GRINレンズを通過してタップ膜 に達した光の大部分をタップ膜表面で反射し、その光の一部をタップ膜は透過する。
[0029] この実施例で、ビッグティルファイバー 2と GRINレンズ 7とは直径 1. 8mmであり、 外径 2. 8mmで内径 1. 9mmの不透明で黒色をした円筒状ガラス力 なるチューブ 6 の通孔内にエポキシ樹脂接着剤で固定されている。ビッグティルファイバー 2と GRI Nレンズ 7とをチューブ 6の通孔内に小さな空隙 5を持って固定する際に、ビッグティ ルファイバーの一方の光ファイバ一から入り他方の光ファイバ一から出る光信号を光 マルチメータでモニターしながらその光信号強度がもっとも大きくなるように、その空 隙 5の大きさを決める。
[0030] GRINレンズ 7と光ダイオード 10との間に光路を形成しているスリーブ 9は、第一の 端と第二の端とを持ち、第一の端から、第一の端と第二の端との略中間位置まで開 けられている第一の円孔 91と、第二の端からその略中間位置まで開けられている第 二の円孔 92をその中に有している。第二の円孔 92は、第一の円孔 91から偏芯して いて、第一の円孔 91はその奥端に、すなわち略中間位置に中間壁 93と、第二の円 孔と接続している通孔 94とを持つ。この実施例では、スリーブ 9は黒色のアルミナセラ ミックスで作られてレ、る。スリーブ 9の長さすなわち第一の端から第二の端までの長さ は 14. Ommであった。第一の円孔と第二の円孔とは内径が 2. Ommで、第一の円孔 の中心軸と第二の円孔の中心軸とは平行で 0. 9mmの中心軸間距離となっていた。 スリーブの一方の端から略中間位置まで 7. Ommであった。略中間位置で第一の円 孔の中心軸に垂直な面内に、通孔 94と中間壁 93とがある。 GRINレンズ 7のタップ膜 が付レ、てレ、る側の端部を第一の円孔の中にスリーブの第一の端から 2. Ommまで揷 入して接着剤で固定されている。 GRINレンズ 7のタップ膜 8と中間壁 93との距離は 5 . Ommであつに。
[0031] レンズ（直径 1 · 9mm)を先端に持つ光ダイオード 10 (直径 2· Omm)をスリーブの 第二の端から第二の円孔内に揷入固定している。光ダイオードの光電気変換素子は
、光通信波長帯で高い感度を持った InGaAsを用いた。第二の円孔内で略中間位 置から光ダイオード 10のレンズ先端までの距離が 5. 0mmとなっている。
[0032] この一方向性光パワーモニターで、光ファイバ一 3から入った光信号はビッグティル ファイバー 2の端の光ファイバ一 3の開口力も GRINレンズ 7に伝わり、 GRINレンズ 7 の端に付けられたタップ膜 8でその大部分が反射して光ファイバ一 4を通って送られ る。光ファイバ一 3から入ってタップ膜 8に達した光信号の一部がタップ膜を透過して 、実線矢印で示されているように第一の円孔 91から通孔 94を経由して第二の円孔 9 2を通って光ダイオード 10でその強度が検出される。
[0033] 光ファイバ一 4から入った光信号はビッグティルファイバー 2の端にあるタップ膜 8で その大部分が反射して光ファイバ一 3を通って送られる。光ファイバ一 4から入ってタ ップ膜 8に達した光信号の一部がタップ膜を透過するが、その透過した光信号は破 線矢印で示されているように第一の円孔 91の奥端にある中間壁 93に当たりそこでほ とんどの光が吸収され一部が中間壁 93で反射される。光ファイバ一 4から入った光信 号のうちきわめて少ない部分のみが第二の円孔 92を通って光ダイオード 10に達する 。そのために光ファイバ一 3から入った光信号のうちこの光パワーモニターで測定さ れる光量は多レ、が、光ファイバ一 4から入った光信号のうちこの光パワーモニターで 測定される光量はきわめて少なレ、。すなわち、この光パワーモニターは優れた一方 向性を有している。
[0034] この一方向性光パワーモニターの光学特性と電気特性の評価を行なった。光フアイ ノ ー 3力ら波長 1550nm、光強度 OdBmの光を入力したときの揷入損失 0. 31dB, 光ダイオードによる受光感度 9. 8mAZwであった。光ファイバ一 4から同じ光を入力 したとき、揷入損失 0. 31dB,光ダイオードによる受光感度 24. Ι μ Α/wであった。 この一方向性光パワーモニターの方向性特性は 26. ldBとなり、要求される 25dB以 上が得られた。
[0035] 実施例 2
本発明による実施例 2の一方向性光パワーモニターは、図 1に示した実施例 1の一 方向性光パワーモニターでビッグティルファイバー 2に取り付けられている 2本の光フ アイバー 3、 4の間隔を 125 z mとしてレヽる。そして、スリーブ 9の長さを 24mm、タップ 膜 8とレンズ付き光ダイオード 10との距離を 20mmとした。実施例 2の一方向性光パ ヮーモニターの他の構成は、図 1に示した実施例 1の一方向性光パワーモニターと同 じであった。
[0036] この一方向性光パワーモニターで入力光ファイバ一 3から光信号を入力したときの 光ダイオードによる受光感度が 6. 7mA/wであった。この一方向性光パワーモニタ 一でタップ膜とレンズ付き光ダイオードとの距離を実施例 1のものよりも長くしているた めに、タップ膜を透過して光ダイオードに向力う光ビームが広がりガウスビーム半径が より大きくなつているので、この受光感度が実施例 1のものよりも低下している。
[0037] 出力光ファイバ一 4から光信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度が 20 . 6 μ Α/mであり、この一方向性光パワーモニターで方向性特性 25. ldBを得るこ とができた。 2本の光ファイバ一間隔を実施例 2では小さくしているので、それらの光 ファイバ一力 入って GRINレンズを通過した光信号が GRINレンズの軸となす角が 小さくなつている。し力し、 GRINレンズのタップ膜と光ダイオードとの距離を長くして いるので、優れた方向性特性を得ることができた。しかし、 2本の光ファイバ一間隔が 実施例 2のように小さい場合にはスリーブをより長くする必要があるので、優れた方向 十生特'性を得るには、光パワーモニターを大きくする必要がある。
[0038] 実施例 3
実施例 3の一方向性光パワーモニターでは、 GRINレンズとして中心軸における屈 折率 1. 634、屈折率勾配定数 0. 417のものを用いた。これらの屈折率と屈折率勾 配定数とは実施例 1における GRINレンズのものよりも大きレ、。このように大きな屈折 率を持つ GRINレンズを用いた一方向性光パワーモニターでは、入力光ファイバ一 3 力も入って GRINレンズを透過した光と、出力光ファイバ一 4力 入って GRINレンズ を透過した光とがなす角が実施例 1におけるよりも大きくなる。そのために、タップ膜と レンズ付き光ダイオードとの距離を 8mmと、実施例 1におけるよりも短くすることがで きた。また、屈折率が大きいので、 GRINレンズ内で光が早く収斂して、ガウスビーム 半径が小さくなり、レンズ付き光ダイオードで光を集めやすくなる。
[0039] この一方向性光パワーモニターで入力光ファイバ一 3から光信号を入力したときの 光ダイオードによる受光感度が 10. 2mA/wであり、出力光ファイバ一 4から光信号 を入力したときの光ダイオードによる受光感度が 19. であった。この一方向 性光パワーモニターの方向性特性は 27. 3dBと非常に良好であった。
[0040] 実施例 4
実施例 4の一方向性光パワーモニターでは、実施例 1の一方向性光パワーモニタ 一のタップ膜を Si〇と Ta Oとの積層膜とした。そのタップ率は実施例 1と同じで 1 %
2 2 5
であった。この一方向性光パワーモニターはその他の構成は実施例 1と同じとした。 この一方向性光パワーモニターで入力光ファイバ一から光信号を入力したときの光 ダイオードによる受光感度が 9. 8mA/wであり、出力光ファイバ一から光信号を入 力したときの光ダイオードによる受光感度が 21. 4 x A/wであった。この一方向性 光パワーモニターの方向性特性は 26. 6dBであった。この実施例から、タップ膜とし て Si〇と Ta Oとの積層膜を用いることができることが確認できた。
2 2 5
[0041] 実施例 5
実施例 1の一方向性光パワーモニターでスリーブ材質のみを表 1に示している各材 質とした光パワーモニター Mlから M17それぞれについて、入力光ファイバ一から光 信号を入力したときの光ダイオードによる受光感度、出力光ファイバ一から光信号を 入力したときの光ダイオードの受光感度、方向性特性及び暗電流を測定して同表に 示している。喑電流は、入力光ファイバ一と出力光ファイバ一とのいずれ力 も光入 力がない状態での光ダイオードの出力電流なので、外部からスリーブ壁を通って入 つて来た光を検出したことを意味している。いずれの光パワーモニターにおいても喑 電流が 0. 043〜0. 077nAで何れも 0. InA未満の満足できる値であった。
[0042] [表 1] λ¾¾ファイバ—か 出 ファイバーか
謝 方向性特性 暗電流 スリーブ材質 ら) 入ったときの ら¾ ^入ったときの
番号 ( d B ) ( n A)
Ml アルミナ 9.80 24.1 26.1 0.043
M2 ジルコニァ 9.90 22.3 26.5 0.055
M3 炭化ケィ素 10.20 20.5 27.0 0.048
M4 窒化ケィ素 10.10 18.5 27.4 0.062
M5 窒化アルミ 9.90 21.9 26.6 0.077
M6 シリカ系ガラス 9.60 29.7 25.1 0.065
M7 アルミナ系ガラス 9.80 28.5 25.4 0.063
M8 チタニア系ガラス 10.00 29.1 25.4 0.072
M9 ェポキ ' «旨 10.10 25.3 26.0 0.046
M10 鶴ポリマ— 9.80 22.7 26.4 0.059
Mil ポリフエ二レ «« 9.50 26.2 25.6 0.056
M12 ポリエチレン 9.40 24.8 25.8 0.049
M13 ポリプロピレン樹脂 10.20 23.3 26.4 0.044
M14 ポリブチレ ¾5旨 9.70 26.3 25.7 0.051
M15 ァゾ化 9.80 27.1 25.6 0.057
M16 ポリエステル樹脂 9.90 25.9 25.8 0.061
M17 カーボン 10.30 17.8 27.6 0.048
[0043] 表 1から明らかなように、光パワーモニター M1〜M17のいずれにおいても 25dB以 上の方向性特性が得られた。特に、セラミック製スリーブを用いている M1〜M5では 26dB以上の方向性特性が得られた。
[0044] 実施例 6
小型で受光感度が高ぐまた方向性特性の良い一方向性光パワーモニターを得る こと力できる、 GRINレンズの光軸と光ダイオードの光軸との光軸間距離 Lにつレ、て 検討した。実施例 1の一方向性光パワーモニターでスリーブ 9のみを長さ方向で 2つ に分割した図 2に示す光パワーモニターとした。 2つに分割したスリーブ 18とスリーブ 19とを相対的に動かして光軸間距離 Lを変えることのできる構造とした。光ダイオード 10のレンズ直径 Dは 1. 9mmであった。タップ膜 8を通過した光のガウスビーム半径 Rをビームプロファイラ一を用いて測定したところガウスビーム半径 Rは 0. 38mmであ つた。
[0045] 光軸間距離 Lを変えて、入力光ファイバ一 3から光を入れたときの光ダイオード 10 による受光感度と、方向性特性を求め、それを図 3にグラフに表している。光軸間距 離 Lを 0. 8mmよりも小さくしたときと 0. 95mmよりも大きくしたときに受光感度と方向 性特性が低下している。光軸間距離 Lがある値よりも小さいときには、入力光ファイバ 一 3からの光が光ダイオード 10に入りにくくなつているために受光感度が低下するが 、出力光ファイバ一 4からの光のうち光ダイオード 10で検出される量が増えるために 方向性特性が低下したものと考えられる。光はビーム内で、ガウス分布に従った強度 分布をしているので、ある光軸間距離 Lにおける光強度はガウスビーム半径 Rを用い て算出することができる。また、レンズ付き光ダイオードが光を検出するのは、光ダイ オードのレンズに光が入ったときに限られるので、 GRINレンズ 7の光軸とレンズ付き 光ダイオード 10の光軸との光軸間距離 Lと、タップ膜 8を透過する光のガウスビーム 半径 Rと、光ダイオードのレンズ直径 Dとの間に、 2L≥1. 517R+D/2の関係が成 り立つことがわかった。この実施例の数値をこの式に入れると、光軸間距離 Lは 0. 76 3mm以上のときに方向性特性が 25dB以上となる。
[0046] 他方、図 3で光軸間距離 Lが 0. 95mmよりも大きくなると、受光感度が急激に低下 するが、方向性特性は 0. 95-1. Ommの光軸間距離 Lでは低下が緩やかとなって いる。光軸間距離 Lが大きくなると、第一の円孔と第二の円孔との間にある通孔が小 さくなり、入力光ファイバ一から入って GRINレンズとタップ膜を透過した入力光のうち 通孔を通って光ダイオードのレンズに導かれる部分が少なくなるものと考えられる。光 軸間距離 Lを 0. 95mm以下に、すなわち光ダイオードのレンズ直径 D/2以下にす る必要がある。
[0047] 以上のことから光軸間距離 Lは、ガウスビーム半径 Rとレンズ直径 Dを用いた次の不 等式を満足することが要求される。
D≥2L≥1. 517R + D/2
[0048] 実施例 7
図 4 (a)から（c)に、実施例 1のスリーブ形状と異なる実施例 7を示す。光ファイバ一 4から入ってタップ膜 8に達した光 (破線矢印で示す）の一部は中間壁で吸収、反射 されるように、中間壁は実施例 1の図 1と同じ位置に設けられている。光ファイバ一 3 から入ってタップ膜 8を透過した光（実線矢印で示す）は、第一の円孔と第二の円孔 とを経由して光ダイオード 10に到達する。第一の円孔と第二の円孔との内壁が実線 矢印で示す光路を妨げ無ければ良いので、図 4 (a)から（c)に示す形状をしたスリー ブを採用することができる。図 4 (a)と (b)とに示すスリーブ 9は、円柱状の黒色のアル ミナセラミックスの両端から、ダイヤモンド砥石を用レ、、第一の円孔と第二の円孔の中 心軸をずらして加工した。図 4 (c)に示すスリーブ 9は、内側に傾斜を有する円筒状に 成形、焼結した黒色のアルミナセラミックスに、ダイヤモンド砥石で円孔を追カ卩ェして 得た。これらスリーブを用いて製作した一方向性光パワーモニターの方向性特性は、 実施例 1と同じ 26. ldBが得られた。
[0049] 比較例
図 5に断面図で示している比較例の一方向性光パワーモニターは、スリーブの構造 を除いて、実施例 1の一方向性光パワーモニターと同じ構造をしている。図 5で図 1と 同じ部品を用いている部分には図 1と同じ符号を用いて示している。 GRINレンズ 7の タップ膜 8と光ダイオード 10のレンズとの距離を実施例 1におけるのと同じ 10mmとし た。 GRINレンズ 7と光ダイオード 10とを連結しているスリーブ 38は茶色の着色ガラス で作り、そのガラス製スリーブの略中間に緩やかな傾斜を設けて GRINレンズ光軸と 光ダイオード光軸との光軸間距離を 0. 9mmとした。
[0050] 入力光ファイバ一 3から GRINレンズ 7に入った光信号の一部はタップ膜 8を透過し て図中実線矢印で示すように光ダイオード 10で検出される。出力光ファイバ一 4から GRINレンズ 7に入った光信号のうちタップ膜 8を透過した部分は図中破線矢印 43で 示すようにガラス製スリーブ 38の壁を透過してモニターの外へ放出されるので、光ダ ィオード 10では検出されなレ、。この一方向性光パワーモニターの方向性特性は 23 〜24dBとあまりよくな力つた。それは、ガラス製スリーブの壁で一部の光が反射を受 けたり、外部の光がスリーブ内に入るので、それらの光が光ダイオードで検出された ためであると考えられる。
産業上の利用可能性 本発明は光通信回路、特に EDFAを持った増幅回路など、に適した光信号強度を 測定するモニタリング装置を提供する。本発明の一方向性光パワーモニターは、光 信号強度を測定すべき方向から入ってきた光信号のみを検出'測定し、逆方向から 入ってきた光信号を測定しないので、測定すべき光信号強度を正しく測定することが できる。更に、この一方向性光パワーモニターは小型なので光通信回路全体を小さく すること力 Sできる。

Claims

請求の範囲
[1] 小さな間隔で平行に並べられた 2本の光ファイバ一を持ち、それら光ファイバ一の開 口を 1つの端面上で端面中心の周りに持つビッグティルファイバーと、
互いに対向している 2つの端面を持ち、それらのうち一方の端面はビッグティルファ ィバーの前記 1つの端面と対向していて、他の端面はその上にタップ膜を有する円 柱状 GRINレンズと、
第一の端と第二の端とを持つスリーブであって、第一の端から、第一の端と第二の 端との間の略中間位置まで開けられている第一の円孔と、第二の端力 前記略中間 位置まで開けられてレ、て、第一の円孔の中心軸から偏芯してレ、る中心軸を持つ第二 の円孔とを有するとともに、前記第一の円孔は、前記略中間位置で第二の円孔と接 続する通孔と中間壁とを持つものと、
前記スリーブの第二の端において第二の円孔内に前記通孔に向かって設けられて レ、るレンズを前面に持つ光ダイオードとを有し、
前記 2本の光ファイバ一のうち一方の光ファイバ一から入力され前記タップ膜を透 過した光信号は第一の円孔と第二の円孔とを通って前記光ダイオードに達し、 前記 2本の光ファイバ一のうち他方の光ファイバ一から入力され前記タップ膜を透 過した光信号はスリーブの前記中間壁によってその光路が妨げられるように、前記 G RINレンズがスリーブの第一の円孔内に位置決めされてレ、る
一方向性光パワーモニター。
[2] 前記スリーブと前記中間壁とが不透明なセラミックス、ガラスあるいはプラスチックで作 られている請求項 1記載の一方向性光パワーモニター。
[3] 前記スリーブが黒色である請求項 2記載の一方向性光パワーモニター。
[4] GRINレンズと、レンズを前面に持つ光ダイオードとの光軸間距離を L、タップ膜を透 過する光のガウスビーム半径を R、光ダイオードのレンズ直径を Dとしたとき、
D≥2L≥1. 517R + D/2
である請求項 1記載の一方向性光パワーモニター。
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