JPH01281412A - 光スターカプラ - 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】 〔概　要〕 屈折率ｎｍのコアと屈折率ｎｔのクラッドよりなるＮ本
の光ファイバを並行配列した光ファイバア（／イを結合
するｉ３過形および反射形光スターカプラにおいて、ミ
キシングプレートの屈折率がｒｉ　ｃであるときのその
長さしを透過形ではとし、反射形では Ｎ’ａ 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数本の光ファイバを並行配列した光ファイ
バアレイを、屈折率が均一なミキシングプレートを用い
て光学的に結合する、透過形および反射形光スターカプ
ラに関する。

近年、オフィス内あるいは工場内では、多数のコンピュ
ータシステムを光による通信回線で結んで統合的な管理
を行なうオフィスオートメーション（ＯＡ）化あるいは
ファクトリオートメーシ３ン（ＦＡ）化が推進されてお
り、その中で重要な役割を果たしているのが１本の光フ
ァイバ内の情報を多数の光ファイバへ分配する光スター
カプラである。本発明は、そのような光ネツトワークシ
ステムにおいて特に有用な光スターカプラについて言及
する。

〔従来の技術〕

ミキシングプレートを用いて光ファイバアレイを結合す
る光スターカプラとしては、ミキシングプレートの対向
する２つの側面にそれぞれ入力光ファイバアレイと出力
光ファイバアレイとを接続する透過形光スターカプラが
例えば特開昭５６−１４７１１５号公報等に示されてお
り、対向する２つの側面の一方には反射層を設ける反射
形光スターカプラは例えば特開昭６２−６６２１０号公
報等に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これら光スターカプラは入力光ファイバから入射する光
信号をミキシングプレート内で広げて、複数の出力光フ
ァイバに分配するものである。ここで、各出力光ファイ
バへ分配される光量の差は分配偏差と呼ばれ、この分配
偏差を小さくすること、すなわち各出力光ファイバに均
一に光を分配することは、特に光ネツトワークシステム
に使用される光スターカプラにおいて重要なことである
。

ところが前述の特開昭５６−１４７１１５号公報では損
失を小さくすることについて言及されるのみでこの分配
偏差を小さくすることについては全く触れられておらず
、特開昭６２−６６２１０号公報においても同様である
。この分配偏差とミキシングプレートのミキシング長と
の間には密接な関係があることが本発明において明らか
にされるわけであるが、特開昭６２−６６２１０号公報
では、厚み方向に密度分布を有するミキシングプレート
を用いているために、光束の幅が小さくなるようにミキ
シング長が設定されており、分配偏差を小さくするため
にミキシング長を設定する考慮はされていない。

したがって本発明の目的は、前述のような分配偏差が小
さい透過形光スターカプラおよび反射形光スターカプラ
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明に係る透過形光スターカプラの外観図で
あり、第２図は本発明に係る反射形光スターカプラの外
観図である。

第１図において、入力ファイバアレイ１１と出力ファイ
バアレイ１２は共に、屈折率ｎｍのコア１７と屈折率ｎ
ｍのクラッド１８よりなる径ａの光ファイバをＮ本並行
して配列したものである。

透過形光スターカプラはこの入力および出力光ファイバ
アレイ１１　、１２の幅と厚みにほぼ等しい幅と高さで
互いに対向する２つの側面１３．１４を持ち、この２つ
の側面１３．１４のそれぞれに入力および出力ファイバ
アレイＩＩ　、　１２を接続して相互に結合する均一な
屈折率ｎｍを有するミキシングプレート１５を具備して
いる。

ここで、本発明の透過形光スターカプラの特徴はミキシ
ングプレート１５の２つの側面１３　、１４間の距離り
が なる関係にあることと、ミキシングプレート１５の２つ
の側面１３．１４以外の面に具備されるクラッドＪｉ！
２２の屈折率ｎｅが ｎｍ≦（ｎ　＠”　＋　ｎ　ｚ２ｎ　＋　”）”なる関
係にあることである。

第２図において、光ファイバアレイ２１は、屈折率ｎｍ
のコア１７と屈折率ｎｔのクラッド１８よりなる径ａの
入出力光ファイバ２ｏをＮ本並行して配列したものであ
る０反射形光スターカプラはこの光ファイバアレイ２１
の幅と厚みにほぼ等しい幅と高さで互いに対向する２つ
の側面１３　、１４を持ち、この２つの側面１３　、１
４の一方１３には光ファイバアレイ２１を接続し、他方
１４には反射層２４を具備する均一な屈折率ｎｍを有す
るミキシングプレート１５を具備している。

ここで、本発明の反射形光スターカプラの特徴はミキシ
ングプレート１５の２つの側面１３　、１４間の距離り
が Ｎａ なる関係にあることと、ミキシングプレート１５の２つ
の側面１３　、１４以外の面に具備されるタラワド層２
２の屈折率ｎｃが ｎｍ≦（ｎＪ十０ｌ−ｎＩｆ）■ なる関係にあることである。

〔作　用〕

第３図は本発明の透過形光スターカプラの原理を説明す
るための図であり、第１図を上方から見た平面図であっ
て、＃１．〜＃Ｎ、は入力ファイバアレイ１１を構成す
る各光ファイバ１６　（第１図）を表わし、＃ＩＤ〜＃
Ｎ０は出力ファイバアレイ１２を構成する各光ファイバ
１６　（第１図）を表わす０本図において、ミキシング
プレート１５の左最下部に原点をとり、右方向へＸ軸を
、上方向へｙ軸をとる０分配偏差を考察する場合、この
ｘｙ平面に垂直な方向２への光の拡がりについては、ミ
キシングプレート１５の厚みと屈折率が均一であれば考
慮する必要がないことは自明であるので、ｘｙ平面内で
のみ考える。

第４図は、光ファイバアレイ１１の中の１本の光ファイ
バ１６について、その中を９ｎ界角ψ。

ψｅ　　＝　　ｃｏｓ−’　　（ｎｚ　　／ｎ＋）　　
　　　　　　　　（１）で閉じ込められ伝搬している光
線の軌跡を示したものである。（但し、光ファイバのコ
ア１７およびクラッド１８の屈折率をそれぞれｎｌ、ｎ
よとした。）屈折率ｎｍのミキシングプレート１５中へ
入射すると、その伝搬角度ψヨはスネルの法則より、 となる、従って、（１）式を（２）式に代入すると、下
式の様になる。

第３図において、ミキシングプレート１５の左最下部（
ｘ、ｙ）−（０，０）から角変ψ、で伝搬する光線がミ
キシングプレート１５最上部（Ｌ’、Ｎａ）に達するの
に必要なミキシングプレート長Ｌ′は次式で与えられる
。

Ｎ−ａ 但し、ａは光ファイバ１６の直径であり、Ｎは光ファイ
バアレイ１１．ｌ・２の構成本数である。従ってＮ−ａ
は光ファイバアレイ１１　、１２の幅となる。

ミキシングプレート長が（４）弐で与えられるＬ′以上
の長さを有していれば、ｘ＝０のどの箇所から光が入射
しても、ｘ＝Ｌ　’の出射側においては光線の到来が可
能となるわけである。しかしながら、光スターカプラに
要求される特性はこれだけではなくて、前述の如く各出
射光ファイバに分配される光量がほぼ等しくなくてはな
らない。

特に多モード伝送系の場合、入射側の光ファイバ中を伝
搬してくるモードスペクトルく伝搬角度対相対光強度）
は、この分配偏差特性に大きく影習する。

次にミキシングプレート長が前述の如＜　Ｌ　’である
透過形光スターカプラにおけるモードスペクトルの違い
による分配偏差の変化を検討する。第５図は全てのモー
ド成分が一定の比強度を有している場合のモードスペク
トルを示しており、このモードスペクトル関数Ｕ（ψ）
は で示される。第３図においてミキシング点がＬ′である
時、（ｘ、ｙ）＝（０，０＞点から光が出射された時、
結合する光量差が最も大きくなる＃１０と＃Ｎ０ファイ
バの偏差Ｃ’　（ｄＢ）は次式で与えられる。

ここで、ＣＯ、Ｏ＞点から出射した光は、ψに対して偶
関数であるので、ψ≧０のみの領域を考えても同じであ
る。但し、ψ＋（１≦Ｎ）は下式で表わされる。

すなわち、（６）式で表わされる偏差Ｃ’　（ｄＢ）は
第５図中Ｃで表わされる領域とｄで表わされる領域の面
積比から求められる。第５図と（６）式から明らかなよ
うに、ミキシング長がＬ′であっても、図のように全て
のモード成分が一定の比強度を有している場合には分配
偏差Ｃ′は実質的にゼロである。

一方、実際の多モード光ファイバ中の定常モード分布と
いうのは第６図に破線で示す様にガウス分布に近い形状
を呈する。これは同図に実線で示した三角形の擬似定常
モードで近似しても大差はない、この様な場合、図中ｄ
で表わされる＃１０に結合するモード成分（ψ、≧ψ〉
ψ、）は、図中Ｃで表わされる＃Ｎ０に結合するモード
成分（ψ１．≧ψ≧０）に比べて非常に少ないので分配
偏差が大きくなってしまうことがわかる。

次に、本発明に係るｉ３過形光スターカプラである、ミ
キシング長Ｌｌ（＝２ＸＬ’）のミキシングプレートを
具備する透過形光スターカプラの分配偏差特性について
考察する。この長さＬ＋　は＃Ｎ。

ポートの光ファイバ中を臨界角で伝搬して来た光線がミ
キシングプレート（１）内の（ｘ、ｙ）＝（０、０）点
に入射し、同ミキシングプレートの側面３１に１度だけ
全反射して、ミキシングプレートの出射端の最下部（ｘ
　、Ｖ）＝　（Ｌ＋　、０）に到達することが可能なミ
キシングプレート長Ｌ１である。具体的には・、下式で
表わすことができる。

第７図および第８図に、前述の矩形および三角形のモー
ドスペクトルの通用例を示す。（８）式で得られるミキ
シングプレート長し、を用いて、（ｘ、ｙ）＝（０，０
）から光が入射した場合、＃１゜ファイバと＃Ｎ０ファ
イバに結合される光壇の偏差Ｃ（ｄＢ）は、 但し、ψ＝　　（１≦２Ｎ）は下式で表現できる。

（４）式で得られるミキシング長Ｌ　’および（８）弐
で得られるミキシング長し、において、それぞれ、（６
）式および（９）式を用いて計算された分配偏差の比較
を行なう。簡単化の為、第５，６図においてψ、＝ψｚ
、、（ｉ　＝　Ｏ、・・・、Ｎ−１）および、第７．８
図においてψ１＝ψ、。、（ｉ−０゜・・・、２Ｎ−１
）と近似すると、偏差は下記の様になる。

、表−」− これからも分かる様に、ミキシングプレート長がＬ′で
あると、伝送モード分布が定常状態に近いと、すなわち
第６図または第８図で表わされるような分布に近くなる
と分配偏差が急激に大きくなる。この値は、Ｎの値が大
きくなるに従って顕著になる。

一般的に、光源としてＬＥＤを用いた場合、光ファイバ
へ結合した直後の伝送モード分布は矩形モードスペクト
ルとなり、無限長伝送した後は、定常モードスペクトル
となる。従って、光源をＬＥＤとする場合は、両モード
分布の中間的なモード分布を考えれば良いわけであり、
両モード分布に対して、分配偏差がゼロ（表１参照）に
なるミキシングプレート長り、以上であれば、分配偏差
の小さな透過形光スターカプラが実現できる。

ミキシングプレート長がＬ１以上であれば、出射側のど
の光ファイバに結合する光も全て、ミキシングプレート
側面３１に１回以上全反射した光線と１回も反射せずに
入射側の光ファイバから直接結合した光線の和となり、
分配偏差が小さくなる。

もし、光源としてレーザー等のモード分布の広がりの狭
いものを用いる場合は、光ファイバを曲げることにより
高次なモードへモード変換させることにより、偏差を小
さくすることも可能である。

次に本発明の反射形光スターカプラについての説明に入
る。第９図は第２図で表わされた本発明の反射形光スタ
ーカプラの原理を説明する図であり、第２図を上方から
見た平面図であって、＃ｌ〜＃Ｎは光ファイバアレイ２
１を構成する入出力光ファイバ２０（第２図）を表わす
、この反射形光スターカプラのミキシング長Ｌ２は −ａ で表わされる値を持っている。前述と同様に、＃Ｎの光
ファイバ中をｐ冨界角で伝搬して来て、（ｘ、ｙ）＝　
（０，０）に入射した光線は、ミキシングプレート１５
中を伝送し、反射層３１で反射した後、再び（０、０）
点に帰着する。これらの光線の軌跡は、第３図にて説明
したものと同様である。ただ光ファイバアレイ２１が入
射および出射を兼ねている。従って、反射型の光スター
カプラについても、ミキシングプレート長がＬ２以上で
あれば分配偏差を小さくすることが可能となる。

以上の説明によって、必要となるミキシングプレート長
を規定したが、次にミキシングプレート側面３１におい
て光を全反射させるための条件について考察する。光フ
ァイバ中をＨｚ界角で伝送してきた光線が、ミキシング
プレート側面３１で反射Ｌ７た際、全反９・ｌを行なわ
せるためには、光ファイバの開口数Ｎ　Ａ　ｔよりも、
ミキシングプレー　トの開口数ＮＡ、の方が大きければ
良い、ミキシングプレートの側面の屈折率をｎｃとする
と、両者の開口数は下式で表現できる。

ＮＡｔ　＝　（ｎｍ”＋　ｎｚ”）”　　　　　　　　
（１２）ＮＡ、　　＝　　（口Ｍ”　＋　ｎ　ｅ”）　
”　　　　　　　　　　　（１３）従がって、ｎｍが下
の条件を満たせば、ミキシングプレート側面から光線が
透過してしまうことはない。

ｎｅ　≦　（ｎｍ”＋　ｎｃ”−ｎ＋’）”　　　　　
　（１４）〔実施例〕 典形的なプラス千ツク光ファ、イバ（ＰＯＦ）を用いて
、実際に計算および測定を行なう、各パラメーターは、
コアおよびクラッドの屈折率がそれぞれ、ｎｍ　＝１．
４９２　、ｎ−＝１．４０５であり、ミキシングプレー
トとしては屈折率ｎｍ＝１．４９２のＰＭＭＡ板を用い
た。ＰＯＦの直径は１重１であり、クラッド厚は１０μ
程度と非常に１いので、ＰＯＦ直径はコア径にほぼ等し
いとみなし、ａ　＝　ｌ　ａｍとする。また光ファイバ
アレイの構成本数ＮについてはＮ＝１０とする。ミキシ
ングプレートのクラ・ノド材は屈折率ｎ　ｃ−１，３８
７のフッ素系樹脂を用いた。

（４）式および（８）式で求められるミキシングプレー
ト長において、伝送モード分布が矩形状のモードスペク
トルと三角状の擬似定常モードスペクトルの両者につい
て、その分配偏差をそれぞれ（６）、　（７）式および
（，９）、　（１０）式から求めると表２の様になる。

この結果からも明らかなように、ミキシングプレート長
がり、または２■、２になると、擬似定常モードスペク
トルにおいて小さな分配偏差が達成できる。

次に、実際に上述のパラメータにより光スターカプラを
作製し、定常モードを励振し、ミキシングプレート長の
みを変化させた場合の最大偏差（各ボート間の分配偏差
のうちで最大のもの）の変化を示した。第１Ｏ図は透過
形の光スターカプラについて示したものである。同図か
らも明らかなように、表２に示したし＝５６鶴において
偏差が小さくなっている。過剰損失はミキシングプレー
ト長が長（なるに従って若干増加するが、おおよそ２．
６ｄＢであった。第１１図は、反射型の光スターカプラ
について同様の測定を行なったものである０反射膜はア
ルミニウムの薄着により作製した。これも前述したよう
にＬ　／　２　＝　２８　ｎｉ以上で偏差が小さくなっ
ている。この場合の過剰損失も、ミキシングプレート長
が長くなるに従って増加するが、おおよそ、４〜５ｄＢ
である。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、多モード光フ
ァイバ内の光信号を複数本の多モード光ファイバに分配
するにあたって分配偏差の小さい光スターカプラが捉供
される。したがって、この光スターカプラは光ネツトワ
ークシステムに適用する上で最適な光スターカプラであ
ると言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の透過形光スターカプラの外観図、 第２図は本発明の反射形光スターカプラの外観図、 第３図は本発明の透過形光スターカプラの原理を説明す
るための図、 第４図は１本の光ファイバよりミキシングプレートへ入
射する光の軌跡を表わす図、 第５図は矩形モードスペクトルにおいてミキシング長が
Ｌ′のときの偏差を説明するための図、第６図は定常モ
ードスペクトルにおいて、ミキシング長がＬ′のときの
偏差を説明するための図、第７図は矩形モードスペクト
ルにおいて、ミキシング長がＬ＋のときの偏差を説明す
るための図、第８図は定常モードスペクトルにおいて、
ミキシング長が１２．のときの偏差を説明するだめの図
、第９図は本発明の反射形光スターカプラの原理を説明
するための図、 第１０図は透過形光スターカプラの分配偏差の実測値を
表わす図、 第１１図は反射形光スターカプラの分配偏差の実測値を
表わす図である。 図において、 １１・・・入力ファイバアレイ、 １２・・・出力ファイバアレイ、 １５・・・ミキシングプレート、 ２４・・・反射面、 ３１・・・ミキシングプレート側面。 へ入射する光を表わす図 第４図 光強度 ミキシング長がＬ′のときの偏差を説明する図（矩形モ
ートス（クトル） 第５図 光強度 ミキ／ング長がＬ′のときの偏差を説明する図（定常モ
ードスイクトル） 第６図 本発明の反射形光スターカプラの原理を説明する図第９
図 透過形光スターカプラの実測値を表わす図第１０図 ミキ／ングプレート長（ｍｍ） 反射形光スターカプラの天測値を表わす図第１７図 手続補正書Ｃθ発） 昭和６３年８月ノε目 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、　事件の表示 昭和６３年特許願第１１０４６２号 ２、　発明の名称 光スターカプラ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出１９１１人 名称　（６０３）二菱レイコン株式会社４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番ｌＯ号静光
虎ノ門ビル　電話５０４−０７２１氏名　弁理士（６５
７９）青　木　　　朗（外４名）′　・：、１ ５、補正の対象 （］）　　明細↓の「発明の詳細な説明コの欄（２）図
面（第２図および第４図） ６、　補正の内容 （１）明細書中、 ■　第３貞第１４行 ｒｎｃ、をｒｎｍ１と補正する。 ■　第１８真下から第１３行 「反射Ｎ３１」をｒ反射層２４Ｊと補正する。 ■　第１９頁第６行 ’ｕｓｅ　＝　（ｎ　＊”　十ｎ　２”）”　ＪをｒＮ
Ａｒ−（ｎ　＋”　　ｎ　ｚ”）”　Ａと補正する。 ■　第１９頁第７行 ’ＮＡｐ”　（ｎ　ａ”　＋　ｎ　ｃ’）’　Ｊを’Ｎ
Ａｐ−（ｎ　ｍ”　　ｎ　ｅ’Ｎ　７１と補正する。 ■　第１９頁第１１行 「ｎｏ≦（ｎｍ”＋　ｎｍ％　　、１２）＋　ｊを「ｎ
ｃ≦（ｎｍ”＋ｎｚ”　　ｎ＋’）丁Ｊと補正する。 （２）第２図および第４図を別紙の通り補正する。 ７、　添付書類の目録 図面（第２図および第４図）　　　１通入射する光を表
わす図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数本の光ファイバ（１６）を並行配列した光ファ
   イバアレイよりなる入力ファイバアレイ（１１）および
   出力ファイバアレイ（１２）の幅と厚みにほぼ等しい幅
   と高さで互いに対向する２つの側面（１３、１４）を持
   ち、該２つの側面（１３、１４）のそれぞれに該入力お
   よび出力ファイバアレイ（１１、１２）を接続して相互
   に結合する均一な屈折率ｎ＿ｍを有するミキシングプレ
   ート（１５）を具備する透過形光スターカプラであって
   、該光ファイバ（１６）は屈折率ｎ＿１のコア（１７）
   と屈折率ｎ＿２のクラッド（１８）よりなる光ファイバ
   である透過形光スターカプラにおいて、 該ミキシングプレート（１５）の該２つの側面（１３、
   １４）間の距離は、該光ファイバの臨界角で光ファイバ
   内を進む光線（３０）の該ミキシングプレート（１５）
   内における伝搬角度の正接で該ミキシングプレート（１
   ５）の幅を除した値の２倍に等しいかそれより大であり
   、該ミキシングプレート（１５）の該２つの側面（１３
   、１４）以外の面に具備されるクラッド層（２２）の屈
   折率ｎ＿ｃはｎ＿ｃ≦（ｎ＿ｍ＾２＋ｎ＿２＾２−ｎ＿
   １＾２）＾１＾／＾２であることを特徴とする透過形光
   スターカプラ。 ２、複数本の入出力光ファイバ（２０）を並行配列した
   光ファイバアレイ（２１）の幅と厚みにほぼ等しい幅と
   高さで互いに対向する２つの側面（１３、１４）を持ち
   、該２つの側面（１３、１４）の一方（１３）には該光
   ファイバアレイ（２１）を接続し、他方（１４）には反
   射層（２４）を具備する均一な屈折率ｎ＿ｍのミキシン
   グプレート（１５）を具備する反射形光スターカプラで
   あって、該入出力光ファイバ（２０）は屈折率ｎ＿１の
   コア（１７）と屈折率ｎ＿２のクラッド（１８）よりな
   る光ファイバである反射形光スターカプラにおいて、 該ミキシングプレート（１５）の該２つの側面（１３、
   １４）間の距離は、該光ファイバの臨界角で光ファイバ
   内を進む光線（３０）の該ミキシングプレート（１５）
   内における伝搬角度の正接で該ミキシングプレート（１
   ５）の幅を除した値に等しいかそれより大であり、該ミ
   キシングプレート（１５）の該２つの側面（１３、１４
   ）以外の面に具備されるクラッド層（２２）の屈折率ｎ
   ＿ｃは ｎ＿ｃ≦（ｎ＿ｍ＾２＋ｎ＿２＾２−ｎ＿１＾２）＾１
   ＾／＾２であることを特徴とする反射形光スターカプラ
   。