JP2005043762A - 光パワーモニタ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 受光感度の温度依存性および偏波依存性を低減することができる光パワーモニタ装置を提供する。
【解決手段】 光ファイバ21nの端面から出力された光は、レンズ21nにより収斂され、透明部材20内を進み、光フィルタ23上に集光される。光フィルタ23上に集光された光の一部は光フィルタ23を透過し、残部の光は光フィルタ23により反射される。光フィルタ23により反射された光は、発散しながら透明部材20内を進んでレンズ22nに入力し、レンズ22nにより収斂され、光ファイバ92nの端面に集光されて、光ファイバ92nの端面に入力する。一方、光フィルタ23を透過した光は、透明部材20の外部に出て、フォトダイオード31nによりパワーがモニタされる。
【選択図】 図5

Description

本発明は、入力ポートに入力する光のパワーをモニタする光パワーモニタ装置に関するものである。
非特許文献1に記載された光パワーモニタ装置は、表面に溝が形成された基板と、その溝に配置された光ファイバと、その溝中の光ファイバの途中に斜めに配置された光フィルタと、基板上に配置され光フィルタにより反射された特定波長の光のパワーをモニタする受光素子とを備える。光フィルタの前後では、光ファイバは、その光フィルタの傾斜に合わせて斜めに切断されている。
この光パワーモニタ装置では、光ファイバの一端(入力ポート)に入力した光は光ファイバを伝搬して行って光フィルタに達し、その光のうちの特定波長の光は光フィルタにより反射されて基板の上方に出て行き、基板の上方に出た光は受光素子によりパワーがモニタされる。光フィルタを透過した光は、光ファイバを更に伝搬して行って、光ファイバの他端(出力ポート)から出力される。
T. Uno, et al., "Novel 1.3/1.55 μm dual-wavelength receiver having embedded fiber circuit for optical subscriber systems", OFC'96 Technical Digest, TuJ5 (1996)
上記の従来の光パワーモニタ装置では、光フィルタにより反射された光は、光ファイバのクラッド領域を通過し、更に、光ファイバと受光素子との間にある媒体を通過して、受光素子に到達する。したがって、光フィルタにより反射された光が受光素子に到達するまでの光路上にある物質の散乱や屈折率の温度特性に因り、受光素子における受光感度が影響を受ける。また、基板上に受光素子が接着剤により固定されていることから、その接着剤の線膨張係数や塗布量の不均一性に因り、受光素子の位置が温度によって異なり、受光素子における受光感度が影響を受ける可能性がある。このように、上記の従来の光パワーモニタ装置では、受光感度の温度依存性が大きい。
また、上記の従来の光パワーモニタ装置では、光フィルタにより反射された光が受光素子に到達するまでの光路上に光学的な界面が存在し、その界面を光が通過することに因り偏波依存損失が発生する。また、その界面の一方の側が空気であると、偏波依存損失は更に大きい。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、受光感度の温度依存性および偏波依存性を低減することができる光パワーモニタ装置を提供することを目的とする。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、入力ポートに入力する光のパワーをモニタする光パワーモニタ装置であって、(1) 入力ポートに入力した光を集光する第1レンズと、第1レンズによる光の集光位置に設けられ入力ポートに入力した光の少なくとも一部を透過させ他の光を反射させる光フィルタと、光フィルタにより反射された光を集光して出力ポートから出力させる第2レンズと、が表面に形成されている透明部材と、(2) 透明部材の表面に形成された光フィルタを透過して透明部材の外部に出た光のパワーをモニタする受光素子と、を備えることを特徴とする。
この光パワーモニタ装置では、透明部材の表面に第1レンズ,第2レンズおよび光フィルタが形成されている。入力ポートに入力した光は、第1レンズにより収斂され、透明部材内を進んで光フィルタ上に集光される。光フィルタ上に集光された光の一部は光フィルタを透過し、その他の光は光フィルタにより反射される。光フィルタにより反射された光は、透明部材内を進んで第2レンズに入力し、第2レンズにより収斂され、出力ポートから出力される。一方、光フィルタを透過した光は、透明部材の外部に出て、透明部材と受光素子との間の空間を経て受光素子に入力し、受光素子によりパワーがモニタされる。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、入力ポート、出力ポート、透明部材および受光素子それぞれの間の相対的方位関係を固定する方位固定手段を備えるのが好適である。また、本発明に係る光パワーモニタ装置は、入力ポートと透明部材との間の距離、出力ポートと透明部材との間の距離、および、透明部材と受光素子との間の距離、それぞれを固定する距離固定手段を備えるのが好適である。これらの場合には、光パワーモニタ装置は容易に作製され得る。
本発明に係る光パワーモニタ装置では、透明部材の線膨張係数は、温度変動があったときにも第1レンズおよび第2レンズそれぞれの透明部材側の集光位置を光フィルタ上に存在させ得るものであるのが好適である。この場合には、入力ポートから出力ポートへの光結合の効率の温度依存性が低減され得る。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、光フィルタが特定波長の光をパワー分岐するのが好適であり、この場合には、その特定波長の光のパワーをモニタする上で好都合である。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、特定波長における光フィルタの透過率の偏波依存性が5%以下であるのが好適であり、この場合には、入力ポートに入力する光の偏波状態に拘わらず、安定して特定波長の光のパワーをモニタすることができる。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、光フィルタの透過率の波長依存性が5%以下であるのが好適であり、この場合には、入力ポートに入力する光の波長が多少変動したとしても、安定して特定波長の光のパワーをモニタすることができる。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、入力ポート、出力ポート、第1レンズ、第2レンズおよび受光素子が複数組設けられ、複数組の第1レンズおよび第2レンズが1つの透明部材の表面に配列されて形成されているのが好適である。この場合には、これら複数組それぞれにおいて、各々の入力ポートに入力した光のパワーがモニタされる。また、複数組の第1レンズおよび第2レンズが1つの透明部材の表面に配列されて形成されていることにより、この光パワーモニタ装置は容易に作製され得る。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、複数組の入力ポートおよび出力ポートそれぞれの間の相対的位置関係を固定する第1位置固定手段を更に備えるのが好適である。また、本発明に係る光パワーモニタ装置は、複数個の受光素子それぞれの間の相対的位置関係を固定する第2位置固定手段を更に備えるのが好適である。これらの場合には、光パワーモニタ装置は更に容易に作製され得る。
本発明に係る光パワーモニタ装置は、複数組それぞれについて個々に光フィルタが設けられていてもよいが、複数組の第1レンズおよび第2レンズに対して共通に光フィルタが設けられているのが好適であり、後者の場合には、透明部材の表面に光フィルタを容易に形成することができる。
本発明によれば、受光感度の温度依存性および偏波依存性が低減され得る。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図において説明の便宜の為にxyz直交座標系が示されている。
図1は、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1の斜視図である。この図に示される光パワーモニタ装置1は、光ファイバアレイ部10、透明部材20、フォトダイオードアレイ部30、ガイドピン41〜44およびスペーサ51〜58を備える。なお、この図ではスペーサ53,57は現れていない。この光パワーモニタ装置1は、光ファイバ911〜914,921〜924とともに用いられる。
光ファイバアレイ部10、透明部材20およびフォトダイオードアレイ部30それぞれは、概略形状が直方体であり、各々の4隅に4本のガイドピン41〜44を互いに平行に貫通させる貫通孔を有している。棒状のガイドピン41〜44それぞれが延在する方向をz軸方向とする。光ファイバアレイ部10、透明部材20およびフォトダイオードアレイ部30それぞれは、各辺がx軸,y軸およびz軸の何れかと平行となるよう配置されている。
光ファイバアレイ部10と透明部材20との間には4つのスペーサ51〜54が設けられている。4つのスペーサ51〜54それぞれは、パイプ形状のものであって、長さが互いに等しい。スペーサ51はガイドピン41が貫通しており、スペーサ52はガイドピン42が貫通しており、スペーサ53はガイドピン43が貫通しており、また、スペーサ54はガイドピン44が貫通している。
透明部材20とフォトダイオードアレイ部30との間には4つのスペーサ55〜58が設けられている。4つのスペーサ55〜58それぞれは、パイプ形状のものであって、長さが互いに等しい。スペーサ55はガイドピン41が貫通しており、スペーサ56はガイドピン42が貫通しており、スペーサ57はガイドピン43が貫通しており、また、スペーサ58はガイドピン44が貫通している。
光ファイバアレイ部10は、8本の光ファイバ911〜914,921〜924を2次元配列する為の貫通孔を有している。8本の光ファイバ911〜914,921〜924のうち光ファイバアレイ部10により保持されている部分はz軸方向に平行であり、光ファイバ911〜914がxz平面に平行な面上に配列され、光ファイバ921〜924がxz平面に平行な面上に配列され、光ファイバ911および光ファイバ921がyz平面に平行な面上に配列され、光ファイバ912および光ファイバ922がyz平面に平行な面上に配列され、光ファイバ913および光ファイバ923がyz平面に平行な面上に配列され、また、光ファイバ914および光ファイバ924がyz平面に平行な面上に配列されている。光ファイバアレイ部10は、透明部材20に対向する面上に、光ファイバ911〜914,921〜924それぞれの端面が位置している。
透明部材20は、光ファイバ911〜914,921〜924の端面から入出射する光に対して透明な材料(例えば石英ガラス)からなる。透明部材20は、光ファイバアレイ部10に対向する面上にレンズ211〜214,221〜224が形成されている。レンズ211〜214,221〜224それぞれは、透明部材20の表面が成形されたものであり、互いに同等の形状を有し、互いに同等の光学特性を有する。なお、この図ではレンズ214,221〜223は現れていない。透明部材20上のレンズ211は光ファイバ911の端面に略対向する位置にあり、透明部材20上のレンズ212は光ファイバ912の端面に略対向する位置にあり、透明部材20上のレンズ213は光ファイバ913の端面に略対向する位置にあり、透明部材20上のレンズ214は光ファイバ914の端面に略対向する位置にあり、透明部材20上のレンズ221は光ファイバ921の端面に略対向する位置にあり、透明部材20上のレンズ222は光ファイバ922の端面に略対向する位置にあり、透明部材20上のレンズ223は光ファイバ923の端面に略対向する位置にあり、また、透明部材20上のレンズ224は光ファイバ924の端面に略対向する位置にある。
透明部材20は、フォトダイオードアレイ部30に対向する面上に光フィルタ23が形成されている。光フィルタ23は、入力する光の少なくとも一部を透過させ、他の光を反射させるものであり、例えば誘電体多層膜からなる。光フィルタ23は、特定波長の光をパワー分岐するのが好適であり、例えば、特定波長において透過率が10%で反射率が90%であるのが好適である。また、特定波長における光フィルタ23の透過率の偏波依存性が5%以下であるのが好適であり、この場合には、入力ポートに入力する光の偏波状態に拘わらず、安定して特定波長の光のパワーをモニタすることができる。また、光フィルタ23の透過率の波長依存性が5%以下であるのが好適であり、この場合には、入力ポートに入力する光の波長が多少変動したとしても、安定して光のパワーをモニタすることができる。
フォトダイオードアレイ部30は、透明部材20に対向する面上に受光素子として4つのフォトダイオード311〜314を有している。なお、この図ではフォトダイオード312〜314は現れていない。4つのフォトダイオード311〜314はx軸方向に配列されている。フォトダイオード311は、光ファイバ911の端面から出射された光のうちレンズ211および光フィルタ23を経た光を受光し、その光のパワーをモニタする。フォトダイオード312は、光ファイバ912の端面から出射された光のうちレンズ212および光フィルタ23を経た光を受光し、その光のパワーをモニタする。フォトダイオード313は、光ファイバ913の端面から出射された光のうちレンズ213および光フィルタ23を経た光を受光し、その光のパワーをモニタする。また、フォトダイオード314は、光ファイバ914の端面から出射された光のうちレンズ214および光フィルタ23を経た光を受光し、その光のパワーをモニタする。
図2は、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1に含まれる透明部材20の斜視図である。この図に示されるように、透明部材20は、光ファイバアレイ部10に対向する面上にレンズ211〜214,221〜224が形成されている。レンズ211〜214はx軸方向に配列されており、レンズ221〜224もx軸方向に配列されている。
図3は、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1に含まれるフォトダイオードアレイ部30の斜視図である。この図に示されるように、フォトダイオードアレイ部30は、透明部材20に対向する面上に4つのフォトダイオード311〜314を有している。フォトダイオード311〜314はx軸方向に配列されている。
図4は、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1のxz断面図であり、光ファイバ911〜914それぞれの光軸を含む面で切断したときの断面を示している。図5は、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1のyz断面図であり、光ファイバ911,921それぞれの光軸を含む面で切断したときの断面を示している。これらの図において、各光ファイバの端面から入出射する光の中心が一点鎖線で示されている。また、以下の説明においてnは1以上4以下の各整数を表す。
透明部材20の一方の面に形成されたレンズ21n,22nそれぞれの光軸は、光ファイバ91n,92nそれぞれの光軸と平行である。しかし、レンズ21nおよび光ファイバ91nそれぞれの光軸は、共通の直線上にあるのではなく、y軸方向にずれている。また、レンズ22nおよび光ファイバ92nそれぞれの光軸は、共通の直線上にあるのではなく、y軸方向にずれている。
レンズ21nは、光ファイバアレイ部10の表面に位置する光ファイバ91nの端面(入力ポート)から発散光として出力された光を入力し、その光を光フィルタ23上に集光する。透明部材20の他方の面に形成された光フィルタ23は、レンズ21nにより集光されて到達した光を入力して、その光のうちの少なくとも一部を透過させ、他の光をレンズ22nへ反射させる。レンズ22nは、光フィルタ23により反射されて到達した光を入力して集光し、光ファイバアレイ部10の表面に位置する光ファイバ92nの端面(出力ポート)に該光を入力させる。フォトダイオード31nは、光フィルタ23を透過して透明部材20の外部に出た一部の光を受光して、その光のパワーをモニタする。
次に、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1の動作について説明する。光ファイバ21nを導波してきた光は、その光ファイバ21nの端面から出力されて、光パワーモニタ装置1の入力ポートに入力する。光ファイバ21nの端面から出力された光は、発散しながらz軸に平行に進んでレンズ21nに入力し、レンズ21nにより収斂される。レンズ21nにより収斂された光は、z軸方向に対して或る角度をなす方向に透明部材20内を進み、光フィルタ23上に集光される。光フィルタ23上に集光された光の一部は光フィルタ23を透過し、残部の光は光フィルタ23により反射される。
光フィルタ23により反射された光は、発散しながらz軸方向に対して或る角度をなす方向に透明部材20内を進んでレンズ22nに入力し、レンズ22nにより収斂される。レンズ22nにより収斂された光は、z軸に平行に進んで光ファイバ92nの端面に集光され、光パワーモニタ装置1の出力ポートから出力されて光ファイバ92nの端面に入力する。一方、光フィルタ23を透過した光は、透明部材20の外部に出て、透明部材20とフォトダイオードアレイ部30との間の空間を経てフォトダイオード31nに入力し、フォトダイオード31nによりパワーがモニタされる。
以上のように、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1では、光ファイバ91nの端面(入力ポート)から光フィルタ23へ至るまでの光路(以下「第1光路」という。)においてレンズ21nが集光光学系をなしており、光フィルタ23から光ファイバ92nの端面(出力ポート)へ至るまでの光路(以下「第2光路」という。)においてレンズ22nが集光光学系をなしている。光フィルタ23からフォトダイオード31nへ至るまでの光路(以下「第3光路」という。)において界面が存在しない。また、第1光路,第2光路および第3光路それぞれにおいて、接着剤その他の光を散乱させる媒体が設けられることは無い。したがって、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1は、受光感度の温度依存性および偏波依存性が低減され得る。
なお、ガイドピン41〜44は、光ファイバ911〜914の端面(入力ポート)、光ファイバ921〜924の端面(出力ポート)、透明部材20およびフォトダイオード311〜314それぞれの間の相対的方位関係を固定するものであり、方位固定手段として作用する。スペーサ51〜58は、光ファイバ911〜914の端面(入力ポート)と透明部材20との間の距離、光ファイバ921〜924の端面(出力ポート)と透明部材20との間の距離、および、透明部材20とフォトダイオード311〜314との間の距離、それぞれを固定するものであり、距離固定手段として作用する。光ファイバアレイ部10は、4組の入力ポートおよび出力ポートそれぞれの間の相対的位置関係を固定する第1位置固定手段として作用する。フォトダイオードアレイ部30は、4個のフォトダイオードフォトダイオード311〜314それぞれの間の相対的位置関係を固定する第2位置固定手段として作用する。光パワーモニタ装置1は、このような方位固定手段、距離固定手段、第1位置固定手段または第2位置固定手段を備えることにより、組み立ての際に各構成部品の位置決めや光軸調整が不要または容易となって、高精度のものが容易に作製され得る。
また、透明部材20の線膨張係数は、温度変動があったときにもレンズ21nおよびレンズ22nそれぞれの透明部材20側の集光位置を光フィルタ23上に存在させ得るものであるのが好適である。すなわち、温度変動があったときに、レンズ21nおよびレンズ22nそれぞれの透明部材20側の集光位置のz軸方向の変動の量と、透明部材20のz軸方向の熱膨張または熱収縮の量とが、互いに同程度であるのが好適である。
レンズ21nおよびレンズ22nそれぞれの透明部材20側の焦点距離(各レンズが形成されている面と透明部材20側の集光位置との間の距離)fは、透明部材20の屈折率nおよび各レンズのレンズ面の曲率βを変数とする関数で表される。透明部材20の屈折率nは、温度Tを変数とする関数で表される。各レンズのレンズ面の曲率βも、温度Tを変数とする関数で表される。また、透明部材20のz軸方向の厚み(各レンズが形成されている面と光フィルタ23との間の距離)も、温度Tを変数とする関数で表される。
そして、透明部材20の線膨張係数をαとし、基準温度T0における透明部材20のz軸方向の厚みをd0とすると、使用温度範囲(例えば−20℃〜+80℃)内の任意の温度T(=T0+ΔT)において、レンズ21nおよびレンズ22nそれぞれの透明部材20側の焦点距離と透明部材20のz軸方向の厚みとが互いに略等しいのが好適であり、すなわち、上記の各パラメータの間に
f(β(T),n(T))=d0(1+αΔT) …(1)
なる関係式が成り立つのが好適である。このような条件を満たす材料からなる透明部材20を用いることにより、本実施形態に係る光パワーモニタ装置1は、光ファイバ91nの端面(入力ポート)から光ファイバ92nの端面(出力ポート)への光結合の効率の温度依存性が低減され得る。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に係る光パワーモニタ装置1では4チャンネルに対して共通に光フィルタ23が透明部材20の表面に形成されていたが、4チャンネルそれぞれについて個々に光フィルタが設けられていてもよい。前者の場合には、透明部材20の表面に光フィルタ23を容易に形成することができる。一方、後者の場合には、チャンネル毎に光フィルタの透過波長を異なるものとすることで、チャンネル毎にモニタする光の波長を異なるものとすることが容易にできる。また、上記実施形態に係る光パワーモニタ装置1は4チャンネルのものであったが、本発明ではチャンネル数は任意である。
本実施形態に係る光パワーモニタ装置1の斜視図である。 本実施形態に係る光パワーモニタ装置1に含まれる透明部材20の斜視図である。 本実施形態に係る光パワーモニタ装置1に含まれるフォトダイオードアレイ部30の斜視図である。 本実施形態に係る光パワーモニタ装置1のxz断面図である。 本実施形態に係る光パワーモニタ装置1のyz断面図である。
符号の説明
1…光パワーモニタ装置、10…光ファイバアレイ部、20…透明部材、211〜214,221〜224…レンズ、23…光フィルタ、30…フォトダイオードアレイ部、311〜314…フォトダイオード、41〜44…ガイドピン、51〜58…スペーサ、911〜914,921〜924…光ファイバ。

Claims (11)

  1. 入力ポートに入力する光のパワーをモニタする光パワーモニタ装置であって、
    前記入力ポートに入力した光を集光する第1レンズと、前記第1レンズによる光の集光位置に設けられ前記入力ポートに入力した光の少なくとも一部を透過させ他の光を反射させる光フィルタと、前記光フィルタにより反射された光を集光して前記出力ポートから出力させる第2レンズと、が表面に形成されている透明部材と、
    前記透明部材の表面に形成された前記光フィルタを透過して前記透明部材の外部に出た光のパワーをモニタする受光素子と、
    を備えることを特徴とする光パワーモニタ装置。
  2. 前記入力ポート、前記出力ポート、前記透明部材および前記受光素子それぞれの間の相対的方位関係を固定する方位固定手段を備えることを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  3. 前記入力ポートと前記透明部材との間の距離、前記出力ポートと前記透明部材との間の距離、および、前記透明部材と前記受光素子との間の距離、それぞれを固定する距離固定手段を備えることを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  4. 前記透明部材の線膨張係数が、温度変動があったときにも前記第1レンズおよび前記第2レンズそれぞれの前記透明部材側の集光位置を前記光フィルタ上に存在させ得るものである、ことを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  5. 前記光フィルタが特定波長の光をパワー分岐することを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  6. 前記特定波長における前記光フィルタの透過率の偏波依存性が5%以下であることを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  7. 前記光フィルタの透過率の波長依存性が5%以下であることを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  8. 前記入力ポート、前記出力ポート、前記第1レンズ、前記第2レンズおよび前記受光素子が複数組設けられ、
    複数組の前記第1レンズおよび前記第2レンズが1つの前記透明部材の表面に配列されて形成されている、
    ことを特徴とする請求項1記載の光パワーモニタ装置。
  9. 複数組の前記入力ポートおよび前記出力ポートそれぞれの間の相対的位置関係を固定する第1位置固定手段を更に備えることを特徴とする請求項8記載の光パワーモニタ装置。
  10. 複数個の前記受光素子それぞれの間の相対的位置関係を固定する第2位置固定手段を更に備えることを特徴とする請求項8記載の光パワーモニタ装置。
  11. 複数組の前記第1レンズおよび前記第2レンズに対して共通に前記光フィルタが設けられていることを特徴とする請求項8記載の光パワーモニタ装置。


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