JP2005536779A - 大きな開口数を有する光ファイバー用光合波器及び分波器 - Google Patents

Abstract

この発明は、入力ファイバー（６）を接続するための少なくとも一つの入力チャネル（２）と、出力ファイバー（７ａ〜ｄ）を接続するための複数の出力チャネル（３ａ〜ｄ）と、入力チャネル（２）に入射した光ビームを、出力チャネル（３ａ〜ｄ）に、波長に応じて分配するための光分配ユニット（１）とを有する光合波器及び分波器に関する。入力チャネル（２）には、入力ファイバー（６）から出射された光を平行な光束に形成するための入力光学系（４）が、出力チャネル（３ａ〜ｄ）には、光分配ユニット（１）から出射された平行な光束を出力ファイバー（７ａ〜ｄ）に集束するための出力光学系（５ａ〜ｄ）が配置されている。この入力光学系（４）及び／又はこれらの出力光学系（５ａ〜ｄ）のうちの少なくとも一つは、そこを通り抜ける光の収差、特に色収差を補正するために構成された、少なくとも一つの収斂レンズ（８）と一つの色消しレンズ（９）から成る組み合わせレンズから構成されている。この発明の光合波器／分波器を用いて、大きな開口数を持つファイバーを、小さい減衰と大きなチャネル間クロストーク減衰となる形で使用することができる。

Description

この発明は、入力ファイバーを接続するための少なくとも一つの入力チャネルと、出力ファイバーを接続するための複数の出力チャネルと、入力チャネルに入射した光ビームを出力チャネルに波長に応じて分配するための光分配ユニットとを有し、その際入力チャネルには、入力ファイバーから出射された光を平行な光束に形成するための入力光学系が、出力チャネルには、光分配ユニットから出射された平行な光束を出力ファイバーに集束するための出力光学系が配置された光合波器／分波器に関する。

光合波器／分波器は、光データ伝送システムで使用されている。所謂波長合波器又は分波器を用いて、異なる波長を有する個々のチャネルを、同じ伝送区間、即ち同じ光ファイバー上を伝送している。合波器によって、異なるチャネルは、共通のファイバーに入力結合され、分波器は、伝送区間の終端で再び個々のチャネルに分離している。この場合、従来、光ファイバーとしては、通常０．１３又は０．２２の比較的小さい開口数を有する、所謂シングルモードファイバー（ＳＭＦ）又はマルチモードファイバー（ＭＭＦ）が使用されている。

この光伝送方式を、まさに光ＬＡＮ、光空間伝送、家庭内通信、自動化システム、交通システム又は医療システムに使用する場合には、費用のかからない解決法に対する要求が生まれる。確かに、シングルモード／マルチモードファイバーは、その比較的小さい開口数と小さい直径のために、良好な放射特性を可能とするが、製造と利用において比較的費用がかかる。既に照明システム／センサーシステムの分野に利用されている、プラスチックファイバー（ＰＯＦ）及びハードクラッドシリカ（ＨＣＳ）ファイバーを使用すると費用がかからない。しかし、これらの光ファイバーは、比較的大きな開口数と大きなコア直径を有し、その結果それらを使用した場合の放射特性は、シングルモード／マルチモードファイバーの場合よりも明らかに悪くなる。

波長多重方式用の光合波器／分波器は、通常シングルモード及びマルチモードファイバー用に開発されたものである。このような合波器／分波器の例を図１に図示している。この合波器又は分波器は、一本の入力ファイバー６用の一つの入力チャネル２と複数の出力ファイバー７ａ〜７ｅ用の複数の出力チャネル３ａ〜３ｅ、並びに入力チャネル２に入射した光ビームを出力チャネル３ａ〜３ｅに波長に応じて分配するための、フィルターブロックとして構成された光分配ユニット１を有する。入力チャネル２には、入力ファイバー６から出射された光を平行な光束に形成するためのコリメータレンズの形の入力光学系４が配置されている。同様に、出力チャネルには、光分配ユニット１から出射された平行な光束を出力ファイバー７ａ〜７ｅに集束するための出力光学系５ａ〜５ｅが配置されている。

この場合、入力ファイバー６は、異なるチャネルの光伝送区間として動作しており、これらのチャネルは、図示した分波器において、再び個々の出力ファイバーに波長に応じて分配されている。このために、図面に図示した入力光学系４のレンズは、入力ファイバー６から出射された光をコリメートして、フィルターブロック１に平行な光束として入射結合させている。この光は、フィルターブロックにおいて、異なるチャネルに波長に応じて分配され、その際各出力チャネルには、別々の波長領域が分離出力されている。出力チャネルのところに配置された集束レンズによって、分離出力された光は、それぞれ出力ファイバーに入力結合されている。この場合、このような構成の全体の倍率は１である、即ち入力ファイバーから出力ファイバーに１：１で結像している。このような合波器／分波器の例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３又は特許文献４により周知である。

これらの後者の三つの文献は、光分配ユニット１の異なる形態を記載しており、それらは、特に波長に応じた光分配に取り組んだものである。これらの合波器又は分波器では、入力又は出力光学系には、通常プラスチック又はガラス製の従来型のレンズ又は非球面レンズが用いられている。ここで、特許文献３は、光分配ユニットを記載しており、それは、多数のフィルターを持つ予め製作した光ブロックとプラスチック製の注型された結合モジュールから構成されており、その結合モジュールには、出力光学系としての非球面レンズのアレーと入力光学系としてのコリメータレンズが一体化されている。しかし、そのようなフィルターブロックは、それが製作された課題に対してのみ使用することができる。フィルターの交換ができないので、別の波長の光源又は別のチャネル分配を採用することができない。別の記載された解決法でも、光分配光学系のフィルターの交換は、複雑或いは一般的に不可能である。この場合、フィルター部品としては、通常光学フィルター又はダイクロイックミラーが用いられており、それによって波長に応じた光分配を実現している。この発明の場合でもそうであるが、基本的に、光の方向を逆にして、即ち出力チャネルを入力チャネルとして、入力チャネルを出力チャネルとして使用すれば、分波器は、合波器としても用いることができる。

特許文献５は、レーザー光を合波するための構成を開示しており、そこでは入力光学系と出力光学系の間に、複数の出力ファイバーへの光分割と光分配を同時に行うための複数の半反射ミラーが配置されている。入力及び出力光学系のレンズシステムは、構成要素の熱負荷を低減して、高出力レーザー光の出来る限り低損失な結合を達成するために、同じ材料特性又は非常に似た屈折率を持つレンズから構成されている。この構成では、レーザー光は、有利には最大０．２２の開口数に対応する、８０〜２２０ミリラジアンの開口範囲を有する。

しかし、前述した特許文献は、シングルモード又はマルチモードファイバー用の合波器或いは分波器しか記載していない。このようなファイバーでは、開口数が小さいために、合波器又は分波器において、２５〜３０ｄＢの良好なチャネル間クロストーク減衰で、１〜３ｄＢの小さい減衰を達成することができる。これに関して、図２は、光学設計プログラムで計算した光路を示しており、この光路は、図１の領域Ａ、即ち出力チャネルの光が出力ファイバーに入力結合する際に生じるものである。この場合、実線は、ビーム直径の大きさを、破線は、ファイバーコアの直径を示している。この図から、シングル及びマルチモードファイバーでは、その開口数が小さいため、結像品質が非常に良いので、従来技術で周知のシステムの場合、出力ファイバーへの良好な入力結合を実現することができることが明らかに分かる。しかし、安価なＰＯＦ又はＨＣＳファイバーを用いた場合、その場合の光路は、図３に示されたとおりの結果となる。この図は、開口数０．４のＨＣＳファイバーで出力光学系に非球面レンズを用いた場合に対して計算されたものである。図２の図は、開口数０．２２のマルチモードファイバーで同じく出力光学系に非球面レンズを用いた場合にもとづくものである。

図３からは、ＨＣＳファイバーの場合の結像品質がより悪いために、ファイバーコアの直径よりも大きいビーム直径となることが非常に良く分かる。このより悪い結像品質の結果は、エネルギー損失又は減衰として明確に現れる。より一層大きな開口数を持つＰＯＦファイバーを使用した場合、結像品質は、更に低下する。出力ファイバーの正面１２上でのビーム直径の結像１１を図示した図５で分かるとおり、光の比較的大きな部分が、このファイバーから外れており、その結果このようなＰＯＦ又はＨＣＳファイバーと組み合わせた合波器又は分波器では、良好な、即ち低い減衰値を達成することはできない。
ドイツ特許第１９８２１２４５号明細書 欧州特許公開第１１７０６０７号明細書 米国特許第６，２０１，９０８号明細書 米国特許第６，２９２，２９８号明細書 ドイツ特許第１００３９８２５号明細書

このような従来技術を出発点として、この発明の課題は、比較的大きな開口数と比較的大きなコア直径を持つ光ファイバーを用いた場合において、低い減衰を有する光合波器及び分波器を提供することである。

この課題は、請求項１にもとづく合波器及び分波器により解決される。この合波器／分波器の有利な実施形態は、従属請求項に記載された装置、或いは以下の記述及び実施例から導き出すことができるものである。

この発明の光合波器／分波器は、周知の方法により、入力ファイバーを接続するための少なくとも一つの入力チャネル、出力ファイバーを接続するための複数の出力チャネル、及び入力チャネルに入射された光ビームを出力チャネルに波長に応じて分配するための光分配ユニットを有する。入力チャネルには、入力ファイバーから出射された光を平行な光束に形成するための入力光学系が、出力チャネルには、光分配ユニットから出射された平行な光束を出力ファイバーに集束するための出力光学系が配置されている。この発明の光合波器及び分波器では、入力光学系および／または出力光学系の中の少なくとも一つは、そこを通り抜ける光の収差、特に色収差を補正するために構成された、少なくとも一つの収斂レンズと一つの色消しレンズから成る組み合わせレンズで構成されている。

収斂レンズ即ち凸レンズと、色消しレンズから成る組み合わせレンズを用いて、比較的大きな開口数を持つ光ファイバーを対応するチャネルに接続することによって、従来技術で周知の合波器又は分波器で可能な結像品質よりも、明らかに良好な結像品質を達成することができる。この色消しレンズを有する組み合わせレンズを用いて、分波器／合波器の結像時の収差を補正している。この補正によって、結像品質が向上され、その結果入力結合又は分離出力時のエネルギー損失又は減衰が低減される。従来技術の光合波器及び分波器で用いられているような、単一のレンズでは、色収差を補正することはできない。従って、従来技術で周知の構成のスペクトル帯域幅は、典型的には約１００ｎｍしかない。それに対して、この発明の合波器及び分波器では、色収差の補正によって、典型的には約４００ｎｍの範囲となるスペクトル帯域幅を達成することができる。このため、このスペクトル範囲の分波器及び合波器は、異なる光源に対して、一つの同じレンズ構成で構成することができ、その際光分配ユニットでは、フィルター部品だけを交換すれば良い。大きなスペクトル範囲は、それにより例えば２０〜１００ｎｍの大きなチャネル間隔においても、多くのチャネルを実現することができるので、特に有利である。この方式は、低密度ＷＤＭ（ＣＷＤＭ）というキーワードで知られている。好適な構成では、この発明の合波器／分波器は、分岐挿入型合波器としても用いることができる。

この発明の合波器／分波器の特別な利点は、例えばＰＯＦ又はＨＣＳファイバーのような、大きな開口数を持つファイバーを用いた場合における僅かに２〜５ｄＢの小さい減衰にある。当然のことながら、この光学構造は、例えばマルチモードファイバーのような小さな開口数を持つ光ファイバーに対しても適している。このファイバーに対しても、この分波器又は合波器は、同じく小さい損失を有する。しかし、この特別な利点は、比較的安価に製造することができる、前述したＨＣＳファイバー又はＰＯＦを使用できることにある。この発明で用いられているような、コリメータレンズ、即ち収斂レンズと色消しレンズの組み合わせレンズは、開口数０．４、コア直径２００μｍのＨＣＳファイバー又は開口数０．５、コア直径１０００μｍのＰＯＦに対して、非常に高い品質で結像させることとなり、その結果例えば三つのダイクロックミラーと二つのレンズから成る光分配ユニットによって生じる、一つのチャネルに関する全体の損失は、３ｄＢより小さくなる。

基本的に、すべての入力及び出力光学系は、このような少なくとも一つの収斂レンズと一つの色消しレンズから成るレンズを用いて実現することができる。しかし、マルチモード・入力ファイバーと、ＰＯＦ又はＨＣＳファイバーのような大きな開口数を持つ出力ファイバーを用いて、この合波器又は分波器を動作させることも可能である。この場合、入力光学系は、簡単なコリメータレンズによって構成することができる。当然のことながら、各光学系の焦点距離と開口数は、そこに結合されるファイバーに適合させなければならない。

この発明による方法の有利な実施構成では、光分配ユニットは、複数のダイクロックミラーから成る構成で形成され、それらのミラーは、対応する支持体に取り付けられる。有利には、これらのミラーの支持体は、常にこれらのミラーを容易に交換できるように構成される。好適なミラー支持体は、市場で入手可能であり、当業者には周知のものである。この場合、各ダイクロックミラーは、それ自身用のフレーム又は支持体を持っており、必要な場合容易に取り替えることができる。そうすることによって、製作に際し様々なミラーを配備する場合に、合波器又は分波器の多くの変化形態に対して同じ筐体を使用することができる。そして、光チャネルのスペクトル形態及び帯域幅を左右するダイクロックミラーを簡単かつほんの非常に小さい負担で交換することができるので、別の光源への変更は、非常に容易となる。

当然のことながら、光分配ユニットとして、例えば始めに引用した特許文献２又は３で記載されているように、フィルターブロックを使用することもできる。特に多くのチャネルが存在する場合、例えば回折格子のような別の光学部品を使用することも可能である。

従って、この発明によって、安価なＰＯＦ又はＨＣＳファイバーを用いて、小さい減衰と高いチャネル間クロストーク減衰となる形で動作させることができる合波器又は分波器が提供される。これにより、例えば家庭内マルチメディアネットワーク、メトロポリタンネットワーク、乗り物、並びに任意のセンサー応用において、光データ伝送方式を安価に利用することができるようになる。このようなファイバーのファイバー直径における機械的な許容範囲は、１００μｍ〜１０００μｍと大きいため、その安価な製造と容易な組み立てが可能となる。

様々な焦点距離を持つレンズを相応に選定することによって、同時に異なる直径と開口数を持つ複数のファイバーに対しても、この分波器又は合波器を使用することができる。即ち、例えば入力にＨＣＳファイバーを結合する一方、出力の一部をＰＯＦ用に、別の一部を一つ又は複数のＨＣＳファイバー用に構成することができる。これら二つの種類のファイバーのコア直径が異なるために、様々な倍率が必要となり、それらの倍率は、レンズの焦点距離を適切に選定することによって実現することができる。従って、様々な焦点距離を持つ適切なレンズを選定することによる、開口数を考慮した倍率の最適化によって、結合効率における最大効率を達成することもできる。

この入力及び出力光学系と組み合わせた光分配ユニットは、有利には一つの筐体内に配置され、その際入力及び出力チャネルは、入力及び出力ファイバー用の相応の接続端子を有する。これらの接続端子は、有利にはＳＭＡコネクターとして構成されるとともに、プラスチックファイバー及びＨＣＳファイバーを接続するために設計されたものである。

以下において、この発明の合波器及び分波器を、更に実施例にもとづき図面と関連させて簡単に説明する。

図６は、この発明にもとづく光合波器及び分波器の実施形態に関する例を模式的に示している。この図では、入力ファイバー６の終端部が図示されており、それは、この発明の分波器の入力チャネル２に結合されている。入力チャネル２には、一つの収斂レンズ８と一つの色消しレンズ９で構成された入力光学系４が配置されている。この入力光学系４によって、入力ファイバー６から出射された拡散する光が、平行な、即ちコリメートされた光束に変換されて、フィルターブロックとして構成された光分配ユニット１に入射する。この光分配ユニット１には、三つのダイクロックミラー１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、光軸に対して４５°の角度を持つ形で配置されている。各ミラーは、対応するスペクトル範囲の光を反射し、それ以外の波長の光は、小さい減衰で、これらのミラーを通り抜けて行く。反射された光成分は、出力チャネル３ｂ〜３ｄに偏向され、残りの通り抜けた光成分は、出力チャネル３ａに向けられる。出力チャネルのそれぞれには、レンズの形の出力光学系５ａ〜５ｄが配置されている。この例で入力又は出力光学系として使用されているレンズのすべては、一つの収斂レンズ、この例では平凸レンズ８と一つの色消しレンズ９とから構成されている。このレンズ８は、正メニスカスレンズとすることもできる。すべてのレンズは、光学ガラスから成り、球面のみを有する。これらのレンズの最適な焦点距離は、ファイバーの種類に応じて変わり、例えば直径１ｍｍのプラスチックファイバーでは、約１５ｍｍである。出力光学系５ａ〜５ｄを用いて、各出力ビームを出力ファイバー７ａ〜７ｄに集束している。

入力ファイバー６により、２，３，４又はそれ以上の波長を混合した光が、図示した分波器に入力結合されている。この光は、ファイバー内において一様に混合されており、例えばＬＥＤ又はレーザーダイオードの青、緑、オレンジ及び赤の成分から構成されている。ファイバー６からは、拡散した光束が出射されて、入力光学系４によってコリメートされている。このコリメートに関する広がり角が小さいことは、この光分配ユニット１の干渉フィルター又はダイクロックミラーの帯域幅とそれによりチャンネル間のクロストークが、この角度に左右されるので、非常に重要である。

４００ｎｍのスペクトル帯域幅に渡って色収差を補正するためには、二つのレンズ８と９を組み合わせたレンズで十分である。それぞれ二つのレンズが、入力光学系４と出力光学系５ａ〜５ｄの中の一つで、結像光学システムを構成しており、その際その倍率を、それぞれ同じ又は異なるようにすることができる。図６には、実施例として、同一のレンズでそれぞれ倍率１のＰＯＦ用の分波器を図示している。

これらのレンズは、ファイバー直径１ｍｍで開口数０．５のＰＯＦに対して最適化されている。この種類のファイバーは、現在のところ最も太いファイバーであり、データ伝送方式に使用されている。この光学システムは、収差が良く補正されており、このファイバーに対して非常に良好に結像するものである。

図４は、結像面の近くにおける光路の例を示している。この図では、実線で示されたビーム直径が、破線で示された出力ファイバーのコアの直径と非常に良く一致しており、その結果非常に小さい損失しか生じないことが非常に良く分かる。この図は、明細書の始めに説明した図２、図３と比較することができる。当然のことながら、この光学システムは、より小さい開口数又はより小さい直径を持つファイバーに対しては、より一層適している。

図示したシステムでは、各チャネルは、二つのレンズ４，５ａ〜５ｄと一つのダイクロックミラー１０ａ〜１０ｃで構成されている。新しい光源を使用できるようにするためには、このダイクロックミラーは、容易に交換できなければならない。従って、各ミラーは、それ自身用のフレームを有し、この図では見ることができない、特殊な器具を用いて筐体に取り付けられている。この解決法は、更に調整及び構造の変更をすること無しに、光源又は波長別チャネルの簡単な交換を可能とするものである。

図示した合波器及び分波器では、大きな開口数を持つファイバーを使用した際の損失が非常に小さく、チャネル間のクロストーク減衰が非常に大きくなっており、どのような場合でも、従来技術で使用されているような簡単なガラス又はプラスチックレンズを用いた合波器／分波器よりも勝っている。結像は、対称型レンズ又は非対称型レンズ（倍率が１と等しくない）によって実現することができる。異なる焦点距離を持つレンズを相応に選定することによって、この分波器は、同時に異なる直径と開口数を持つ複数のファイバーに対して使用することができる。

従来技術による光分波器の例の模式図である。 従来技術による分波器のマルチモードファイバーを使用した場合の結像品質を示すための例を示す図である。 従来技術による光分波器のＨＣＳファイバーを使用した場合の結像品質を示すための例を示す図である。 この発明による分波器のＰＯＦファイバーを使用した場合の結像品質を示すための例を示す図である。 図３の場合の、出力ファイバーに対するビーム直径の結像を示すコンステレーション図の例を示す図である。 この発明による合波器又は分波器の実施例の模式図である。

符号の説明

１ 光分配ユニット
２ 入力チャネル
３ａ〜ｄ 出力チャネル
４ 入力光学系
５ａ〜ｄ 出力光学系
６ 入力ファイバー
７ａ〜ｄ 出力ファイバー
８ 収斂レンズ
９ 色消しレンズ
１０ａ〜ｃ ダイクロックミラー
１１ ビーム直径の結像
１２ 出力ファイバーの正面
Ａ 領域

Claims (10)

1. 入力ファイバー（６）を接続するための少なくとも一つの入力チャネル（２）と、出力ファイバー（７ａ〜ｄ）を接続するための複数の出力チャネル（３ａ〜ｄ）と、入力チャネル（２）に入射した光ビームを、出力チャネル（３ａ〜ｄ）に、波長に応じて分配するための光分配ユニット（１）とを有し、入力チャネル（２）には、入力ファイバー（６）から出射された光を平行な光束に形成するための入力光学系（４）が配置され、出力チャネル（３ａ〜ｄ）には、光分配ユニット（１）から出射された平行な光束を出力ファイバー（７ａ〜ｄ）に集束するための出力光学系（５ａ〜ｄ）が配置されている光合波器／分波器において、
   前記入力光学系（４）及び／又は前記出力光学系（５ａ〜ｄ）のうちの少なくとも一つは、該光学系を通り抜ける光の収差を補正するために構成された、少なくとも一つの収斂レンズ（８）と一つの色消しレンズ（９）から成る組み合わせレンズで構成されていることを特徴とする光合波器／分波器。
2. 前記入力光学系（４）及び／又は出力光学系（５ａ〜ｄ）のうちの少なくとも一つが、０．２２より大きな開口数を持つ入力又は出力ファイバー用に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光合波器／分波器。
3. 前記入力光学系（４）及び出力光学系（５ａ〜ｄ）が、０．３より大きな開口数を持つ入力又は出力ファイバー用に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光合波器／分波器。
4. 前記入力光学系（４）及び出力光学系（５ａ〜ｄ）が、１：１での結像のために構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光合波器／分波器。
5. 前記入力光学系（４）が、前記出力光学系（５ａ〜ｄ）のうちの少なくとも一つとともに、１：１ではない結像のために構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光合波器／分波器。
6. 前記光分配ユニット（１）が、光を分配するためのダイクロックミラー（１０ａ〜ｃ）から成る構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光合波器／分波器。
7. 前記ダイクロックミラー（１０ａ〜ｃ）が、該ダイクロックミラー（１０ａ〜ｃ）を容易に交換することを可能とする支持体に取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の光合波器／分波器。
8. 前記色収差を補正するための収斂レンズ（８）と色消しレンズ（９）から成る組み合わせレンズが、約４００ｎｍのスペクトル帯域幅に対して設計されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光合波器／分波器。
9. 前記出力チャネル（３ａ〜ｄ）が、ＰＯＦ及び／又はＨＣＳファイバー及び／又はマルチモードファイバー用の接続端子を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光合波器／分波器。
10. 前記入力チャネル（２）が、マルチモードファイバー、ＰＯＦ又はＨＣＳファイバー用の接続端子を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光合波器／分波器。

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