(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号送信部に対向する入力端面と、光信号受信部に対向する出力端面と、光伝送線路に結合される入出力端面と、一端が前記入力端面に結合される第１光導波路と、一端が前記出力端面に結合される第２光導波路と、一端が前記入出力端面に結合され、他端が前記第１及び第２光導波路の各他端に結合される共通光導波路とを有する光分岐結合器において、
前記光伝送線路が開口数０.３の光ファイバーであり、
前記第１、第２、共通光導波路の各結合部における前記第１導波路の断面積は前記第２光導波路の断面積よりも小さく、前記入力端面に行くまで同じであり、  前記結合部における前記第２光導波路の断面積は、前記結合部で最大で、前記出力端面に行くに従って順次小さくなっており、
前記第１光導波路と前記第２光導波路及び前記共通光導波路が一体のクラッド部の中に配置したコア部で形成され、前記コア部の屈折率をｎCO、前記クラッド部の屈折率をｎCL としたとき、波長５７０ｎｍ乃至１５５０ｎｍの範囲の光信号に対して、
√ｎCO2−ｎCL2 ≧０.４５
を満たすものであり、
前記共通光導波路は、その断面積が、前記第２光導波路の断面積の減少に引き続いて、前記入出力端面が最大で、前記結合部に行くに従って順次小さくなっていることをを特徴とする光分岐結合器。
【請求項２】
少なくとも、光信号送信部と、光信号受信部と、光ファイバーと、前記光信号送信部からの送信光信号を第１光導波路及び共通光導波路を介して前記光ファイバーに伝達し、前記光ファイバーからの受信光信号を前記共通光導波路及び第２導波路を介して前記光信号受信部に伝達する光分岐結合器とを備え、前記光分岐結合器は、前記光信号送信部に対向する入力端面と、前記光信号受信部に対向する出力端面と、前記光ファイバーに結合される入出力端面とを有し、前記第１光導波路の一端が前記入力端面に、前記第２光導波路の一端が前記出力端面に、前記共通光導波路の一端が前記入出力端面に、その他端が前記第１及び第２光導波路の各他端にそれぞれ結合され、前記第１、第２、共通光導波路の各結合部における前記第１導波路の断面積が前記第２光導波路の断面積よりも小さく、前記入力端面に行くまで同じであり、前記結合部における前記第２光導波路の断面積は、前記結合部で最大で、前記出力端面に行くに従って順次小さくなっており、
前記第１光導波路と前記第２光導波路及び前記共通光導波路が一体のクラッド部の中に配置したコア部で形成され、前記コア部の屈折率をｎCO、前記クラッド部の屈折率をｎCL としたとき、波長５７０ｎｍ乃至１５５０ｎｍの範囲の光信号に対して、
ＮＡ＝√ｎCO2−ｎCL2
で決まる前記共通光導波路の開口数ＮＡが前記光ファイバーの開口数よりも大きくなっており、
前記共通光導波路は、その断面積が、前記第２光導波路の断面積の減少に引き続いて、前記入出力端面が最大で、前記結合部に行くに従って順次小さくなっていることを特徴とする光伝送装置。
【請求項３】
前記共通光導波路の開口数は、前記光ファイバーの開口数の１.５倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光分岐結合器及びそれを用いた光伝送装置に係わり、特に、光分岐結合器を用いた光信号の双方向伝送時に、光伝送線路から供給される受信光信号を効率的に光信号受信部に伝達させることを可能にした光分岐結合器及びそれを用いた光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光信号を双方向に伝送させる光分岐結合器としては、種々のものが知られているが、その中に、特開平９−１５９８６３号において合成樹脂光分岐結合器が提案されている。
【０００３】
特開平９−１５９８６３号に提案されている合成樹脂光分岐結合器は、一端部で分岐結合されている２本のコア部がクラッド部によって包囲されている光伝送路を有するもので、一方のコア部からなる第１の光伝送路が光伝送方向に沿って断面積が順次絞られるテーパー形状のものであり、他方のコア部からなる第２の光伝送路が光伝送方向に沿って断面積が不変のストレート形状のものであって、第２の光伝送路の光信号出射端面がレンズ形状に構成されているものである。
【０００４】
この合成樹脂光分岐結合器は、第１の光伝送路をテーパー形状に構成したことにより、光信号を発生する発光素子（光信号送信部）と第１の光伝送路との間の光結合効率を高めることができ、また、第２の光伝送路の光信号出射端面をレンズ形状に構成したことにより、第２の光伝送路と受光素子（光信号受信部）との間の光結合効率を高めることができるものである
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平９−１５９８６３号に提案されている合成樹脂光分岐結合器は、第１の光伝送路が光伝送方向に沿って断面積が順次絞られるテーパー形状になっているため、第１の光伝送路内を光信号が伝送する場合、光信号がテーパー部に当たって反射する確率が大きく、しかも、光信号がテーパー部で反射する度毎に、コア部とクラッド部との界面への入射角が大きくなり、入射角が臨界角を超えると、光信号がコア部で反射されずにコア部からクラッド部内に伝送されるようになり、その分、光信号の損失が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
また、前記特開平９−１５９８６３号に提案されている合成樹脂光分岐結合器は、分岐結合されている部分の第１及び第２の光伝送路の断面積比がほぼ１対１になるように構成されているため、光受信信号が第２の光伝送路側に伝送される割合が比較的低いだけでなく、第２の光伝送路側に伝送された後においても、受光素子に入射される割合が比較的低くなるので、第２の光伝送路の光信号出射端面をレンズ形状に構成しても、受光素子に供給される受信光信号がかなり少なくなるという問題がある。
【０００７】
即ち、分岐結合されている部分の第１及び第２の光伝送路の断面積比をほぼ１対１にした場合、光受信信号の５０％程度が第１の光伝送路側に伝送され、残りの光受信信号の５０％程度が第２の光伝送路側に伝送されるに過ぎない。その上に、光分岐結合器は、その分岐結合されている部分における固有の光信号損失の発生があり、第２の光伝送路側に伝送された光信号も、コア部とクラッド部との界面への入射角が大きくなり、入射角が臨界角を超えると、光信号がコア部で反射されずにコア部からクラッド部内に伝送されることによる光信号損失が発生する等によって、受光素子に入射される光信号は、光分岐結合器に入力される受信光信号の５０％以下になってしまう。
【０００８】
これらの点から、前記特開平９−１５９８６３号に提案されている合成樹脂光分岐結合器は、光信号の送信時だけでなく、光信号の受信時に比較的大きな光信号損失が発生するので、この光分岐結合器を、双方向に光信号を伝送する光伝送装置に用いた場合、通信距離の短い光伝送装置だけに使用可能であるという問題もある。
【０００９】
これに対して、断面積の大きなマルチモード導波路（受信光信号伝送路）に、断面積の小さなシングルモード導波路（送信光信号伝送路）を結合させ、双方向光信号伝送路を伝送してきた受信光信号の大部分をマルチモード導波路（受信光信号伝送路）側に伝送させ、光分岐損失を少なくするようにした光分岐結合器が特開昭６２−２９１６０４号によって提案されている。
【００１０】
前記特開昭６２−２９１６０４号に提案されている光分岐結合器は、出力端面におけるマルチモード導波路（受信光信号伝送路）の断面積が大きなままであるので、マルチモード導波路（受信光信号伝送路）の断面積に対応した大きさの受光部を持った光信号受信部を配置する必要があり、光信号受信部の受光部をマルチモード導波路（受信光信号伝送路）の断面積よりも小さい受光素子によって構成した場合、光信号を受光部に収斂させるレンズを別途配置する必要があり、その結果、光分岐結合器の構成が複雑になってしまう等の問題がある。
【００１１】
本発明は、これらの問題点を有効に解決するもので、その主たる目的は、送信光信号及び受信光信号に対する損失が少なく、簡単な構成により受信光信号を効率的に光信号受信部に供給可能にした光分岐結合器を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、光分岐結合器における送信光信号及び受信光信号に対する損失を少なくし、通信可能距離を長くすることが可能な光伝送装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記主たる目的を達成するために、本発明による光分岐結合器は、送信光信号伝送路となる第１光導波路と、受信光信号伝送路となる第２光導波路と、第１及び第２光導波路を分岐結合し、送受信光信号伝送路となる共通光導波路とを備えており、第１、第２、共通光導波路の各結合部において、第１光導波路の断面積は第２光導波路の断面積よりも小さく、第２光導波路の断面積は、結合部が最大であり、出力端面方向に行くに従って順次小さくなっている第１の手段を具備する。
【００１４】
また、前記他の目的を達成するために、本発明による光伝送装置は、送信光信号伝送路となる第１光導波路と、受信光信号伝送路となる第２光導波路と、第１及び第２光導波路を分岐結合し、送受信光信号伝送路となる共通光導波路とを備え、第１、第２、共通光導波路の各結合部において、第１光導波路の断面積は第２光導波路の断面積よりも小さく、第２光導波路の断面積は、結合部が最大であり、出力端面方向に行くに従って順次小さくした光分岐結合器を用い、共通光導波路の開口数が光ファイバーの開口数よりも大きい第２の手段を具備する。
【００１５】
前記第１の手段によれば、第１、第２、共通光導波路の各結合部における第１光導波路の断面積を第２光導波路の断面積よりも小さくし、第２光導波路の断面積を、結合部が最大であって、出力端面方向に行くに従って順次小さくしているので、共通光導波路に供給された受信光信号の大部分が第２光導波路側に導かれ、そのまま、出力端面を通して信号光受信部に供給することができるもので、簡単な構成により、光分岐結合器における光受信信号の損失を大幅に低減することができる。
【００１６】
また、前記第２の手段によれば、送受信光信号の結合分岐に前記第１の手段による光分岐結合器を用いているので、光ファイバーを介してこの光分岐結合器に受信光信号が供給された際に、光分岐結合器における受信光信号の損失を大幅に低減させることが可能になり、その結果として、光伝送装置の有効通信距離を長く設定する可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態において、光分岐結合器は、光信号送信部に対向する入力端面と、光信号受信部に対向する出力端面と、光伝送線路に結合される入出力端面と、一端が入力端面に結合される第１光導波路と、一端が出力端面に結合される第２光導波路と、一端が入出力端面に結合され、他端が第１及び第２光導波路の各他端に結合される共通光導波路とを有するものであって、第１、第２、共通光導波路の各結合部における第１光導波路の断面積が第２光導波路の断面積よりも小さく、かつ、第２光導波路の断面積は、結合部が最大で、出力端面方向に行くに従って順次小さくなっているものである。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態の１つにおいて、光分岐結合器は、前記第１、第２、共通光導波路がクラッド部内に配置されたコア部によって構成され、コア部の屈折率をｎco、クラッド部の屈折率をｎCLとしたとき、波長５７０乃至１５５０ｎｍの範囲内の光信号に対して、
【００１９】
【数１】
0003689544.tif 000002
【００２０】
を満たすものである。ここで、上記式の左辺は、√ｎCO2−ｎCL2 と記すこともある。
【００２１】
本発明の第１の実施の形態の具体例において、光分岐結合器は、第２光導波路の出力端面の断面積が結合部の断面積の０.２５倍以下であり、前記第１光導波路の結合部の断面積が共通光導波路の結合部の断面積の０.１倍以下の大きさである。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態の他の具体例において、光分岐結合器は、共通光導波路の断面積が、第２光導波路の断面積の減少に引き続いて、入出力端面が最大で、結合部方向に行くに従って順次小さくなっているものである。
【００２３】
また、本発明の第２の実施の形態において、光分岐結合器の製造方法は、一端から他端に行くに従って断面積がテーパー状に減少するとともに、一端側からテーパー状に壁面まで達する小径のピン孔を有する大径の円筒状第１スライドピンと、ピン孔に嵌め込み可能な小径の円筒状第２スライドピンをそれぞれ用意し、第１スライドピンのピン孔に第２スライドピンを嵌め込む工程と、第２スライドピンを嵌め込んだ第１スライドピンの周囲に、射出成形によってクラッド部を形成する工程と、クラッド部から第２スライドピンを嵌め込んだ第１スライドピンを引き抜く工程と、第１及び第２スライドピンを引き抜いた後の中孔部に、クラッド部よりも高屈折率のコア材を射出し、クラッド部の中孔部にコア部を形成する工程とを経て光分岐結合器を製造しているものである。
【００２４】
さらに、本発明の第３の実施の形態において、光伝送装置は、少なくとも、光信号送信部と、光信号受信部と、光ファイバーと、光信号送信部からの送信光信号を第１光導波路及び共通光導波路を介して光ファイバーに伝達し、光ファイバーからの受信光信号を共通光導波路及び第２光導波路を介して光信号受信部に伝達する光分岐結合器とを備え、光分岐結合器は、光信号送信部に対向する入力端面と、光信号受信部に対向する出力端面と、光ファイバーに結合される入出力端面とを有し、第１光導波路の一端が入力端面に、第２光導波路の一端が出力端面に、共通光導波路の一端が入出力端面に、その他端が第１及び第２光導波路の各他端にそれぞれ結合され、第１、第２、共通光導波路の各結合部における第１光導波路の断面積が第２光導波路の断面積よりも小さく、かつ、第２光導波路の断面積は、結合部が最大で、出力端面方向に行くに従って順次小さくなっており、共通光導波路の開口数が光ファイバーの開口数よりも大きくなっているものである。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態の具体例において、光伝送装置は、共通光導波路の開口数が光ファイバーの開口数の１．５倍以上になっているものである。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態のそれぞれによれば、第１、第２、共通光導波路が互いに結合されている結合部において、第１光導波路の断面積は、第２光導波路の断面積よりも小さくなるように構成され、第２光導波路の断面積は、結合部が最大であって、出力端面方向に行くに従って順次小さくなるように構成されているので、光伝送線路を介して共通光導波路に供給された受信光信号は、その大部分が第２光導波路側に導かれ、その後、比較的低損失で第２光導波路を伝わり、出力端面を通して光信号受信部に供給されるもので、簡単な構成により、光分岐結合器における光受信信号の損失を大幅に低減させることが可能になる。
【００２７】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、第１スライドピンのピン孔内に第２スライドピンを嵌め込んだ状態の２本のスライドピンを用い、その２本のスライドピンの配置部分を中孔部としたクラッド部を射出成形し、２本のスライドピンを引き抜いた後で、クラッド部の中孔部内にコア材を射出充填して、クラッド部内に第１、第２、共通光導波路となるコア部を配置形成するようにしたので、結合部において第１、第２、共通光導波路が互いに分岐結合された構成の光分岐結合器を、精密に、かつ、簡単に製造することが可能になる。
【００２８】
さらに、本発明の第３の実施の形態のそれぞれによれば、送受信光信号の結合分岐を行う際に、本発明の第１の実施の形態によって得られた光分岐結合器、即ち、受信光信号の損失を大幅に低減させることを可能にした光分岐結合器を用いているので、光ファイバーを介して受信光信号が光分岐結合器に供給された際、光分岐結合器を伝わる受信光信号の損失が大幅に低減された状態で信号光受信部に供給することが可能になり、その結果、光伝送装置の有効通信距離を長く設定することができるようになる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００３０】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明による光分岐結合器の第１実施例を示す構成図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【００３１】
図１（ａ）、（ｂ）において、１は光分岐結合器、２は送信光信号伝送用第１光導波路（コア部）、３は受信光信号伝送用第２光導波路（コア部）、４は送受信光信号伝送用共通光導波路（コア部）、５は第１、第２、共通光導波路２、３、４が相互結合される結合部、６はクラッド部、７は入力端面、８は出力端面、９は入出力端面、１０は半導体レーザー素子（光信号送信部）、１１は受光素子（光信号受信部）、１２は光ファイバー、１２ａは光ファイバー１２のコア部、１２ｂは光ファイバー１２のクラッド部である。
【００３２】
そして、光分岐結合器１は、全体が略直方体形状のクラッド部６と、クラッド部６内にそれぞれ形成され、長さ方向の断面積が一定である長円筒状の第１光導波路２と、長さ方向の断面積がテーパー状に変化する略円錐形状の第２光導波路３と、第２光導波路３に連結され、第２光導波路３とともに長さ方向の断面積がテーパー状に変化する略円錐形状の共通光導波路４と、第１光導波路２の光信号入力端に設けられた入力端面７と、第２光導波路３の光信号出力端に設けられた出力端面８と、共通光導波路４の光信号入出力端に設けられた入出力端面９とからなっている。
【００３３】
この場合、結合部５においては、第１光導波路２の断面積が第２光導波路３の断面積よりも小さくなるように、具体的には、第１光導波路２の断面積が第２光導波路３の断面積の０．１倍またはそれ以下になるように構成され、第２光導波路３及び共通光導波路４は、入出力端面９から出力端面８に行くに従って断面積がテーパー状に減少するように構成されている。
【００３４】
また、光分岐結合器１は、入力端面７と対向する位置に半導体レーザー素子（光信号送信部の発光素子）１０が、出力端面８と対向する位置には受光素子（光信号受信部の受光素子）１１がそれぞれ近接配置され、入出力端面９に光ファイバー１２のコア部１２ａが結合され、入出力端面９の周縁のクラッド部６に光ファイバー１２のクラッド部１２ｂが結合された構成になっている。
【００３５】
前記構成において、半導体レーザー素子１０の発光により得られた光信号は、それに対向する光分岐結合器１の入力端面７を通して第１光導波路２に入力された後、第１光導波路２及び共通光導波路４内をそれぞれ伝送し、入出力端面９を通して光ファイバー１２に供給され、送信光信号として光ファイバー１２内を伝送される。一方、光ファイバー１２を通して伝送されてきた受信光信号は、入出力端面９を通して共通光導波路４に入力された後、共通光導波路４及び第２光導波路３内をそれぞれ伝送し、出力端面８を通して対向する受光素子１１に供給される。
【００３６】
次に、図２（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）、（ｂ）に図示の第１実施例の光分岐結合器１における光信号の伝送状態を説明するための断面図であって、（ａ）は主として第２光導波路３に関係する部分の説明図、（ｂ）は第１光導波路２に関係する部分の説明図である。
【００３７】
図２（ａ）、（ｂ）において、３ｃは第２光導波路３の中心線、αは第２光導波路３の中心線３ｃと第２光導波路３のテーパー面とがなす角度、βは第２光導波路３のテーパー面と第１光導波路２とがなす角度、ｌは光分岐結合器１の光路長、Ｒは入出力端面９における共通光導波路４の半径、ｒは出力端面８における第２光導波路３の半径、ｓは入力端面７における第１光導波路２の半径、ψは光ファイバー１２中を伝播可能な光信号の光ファイバー１２の中心線１２ｃに対する最大角度であり、その他、図１（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００３８】
図２（ａ）に示されるように、第２光導波路３は、共通光導波路４との結合部５から入力端面８側に行くに従って断面積がテーパー状に順次小さくなっているもので、このテーパー状の断面積の減少によって、受信光信号の伝送路が順次絞られる。このため、比較的断面積の大きなコア部１２ａを有する光ファイバー１２を用い、受光面積の比較的小さい受光素子１１を用いた場合であっても、受信光信号を光ファイバー１２から受光素子１１に高効率で伝送供給させることが可能になる。
【００３９】
この場合、第２光導波路３は、中心線３ｃが光ファイバー１２の中心線１２ｃとほぼ同位置にあるように配置されるもので、光ファイバー１２中を伝播する光信号は、光ファイバー１２のコア部１２ａとクラッド部１２ｂとの界面で全反射しながら伝播し、光ファイバー１２の中心線１２ｃに対してある角度以下の角度で進行する光信号だけが光ファイバー１２内を伝播することができる。
【００４０】
いま、光ファイバー１２の開口数をＮＡf 、光ファイバー１２のコア部１２ａの屈折率をｎcfとし、光ファイバー１２中を伝播可能な光信号の光ファイバー１２の中心線１２ｃに対する最大角度をψとすると、最大角度ψは、下記（１）式
【００４１】
【数２】
0003689544.tif 000003
【００４２】
で表される。この（１）式は、光ファイバー１２中を最大角度ψ以内での角度で伝播してきた受信光信号が、光分岐結合器１に入力され、共通光導波路４及び第２光導波路３を伝播する際に、共通光導波路４及び第２光導波路３で全反射して伝播される条件を示すものである。
【００４３】
また、光分岐結合器１において、開口数ＮＡは、第１光導波路２、第２光導波路３及び共通光導波路４（コア部）の屈折率をｎco、クラッド部６の屈折率をｎCLとすると、下記（２）式
【００４４】
【数３】
0003689544.tif 000004
【００４５】
で表される。
【００４６】
光ファイバー１２中を伝播してきた受信光信号が光分岐結合器１に入力され、共通光導波路４及び第２光導波路３を伝播される際、受信光信号の共通光導波路４への入射角度は、
π−（ψ＋α）
で表される。そして、光ファイバー１２の開口数ＮＡf と光分岐結合器１の共通光導波路４の開口数ＮＡW が等しければ、受信光信号は、共通光導波路４及び第２光導波路３で全反射を起こさずに、大部分が共通光導波路４及び第２光導波路３から伝播透過する。
【００４７】
ところが、第１実施例においては、光分岐結合器１の共通光導波路４の開口数ＮＡW を光ファイバー１２の開口数ＮＡf よりも大きくなるように構成しているものである。ここで、共通光導波路４及び第２光導波路３を構成するコア部とクラッド部６との界面で受信光信号がｎ回目の反射を起こしたとき、受信光信号の前記界面への入射角度は、
π−｛ψ＋（２ｎ−１）α｝
で表される。受信光信号が前記界面で全反射を起こすためには、共通光導波路４及び第２光導波路３のコア部の屈折率をｎCWとすれば、下記（３）式
【００４８】
【数４】
0003689544.tif 000005
【００４９】
を満たす必要がある。光ファイバー１２の中心線１２ｃに対して角度ψで伝播してきた受信光信号が前記界面の反射回数がｎ回以下となるためには、光分岐結合器１の光路長ｌは、下記（４）式
【００５０】
【数５】
0003689544.tif 000006
【００５１】
を満たす必要がある。ここで、光ファイバー１２と光分岐結合器１との接合面、即ち、入出力端９の半径Ｒを求めると、（４）式のｄｉは、
ζ＝ψ＋（２ｉ−１）α…  …（５）としたとき、下記（６）式
【００５２】
【数６】
0003689544.tif 000007
【００５３】
のように表され、ｙｉは下記漸化（７）、（８）式
【００５４】
【数７】
0003689544.tif 000008
【００５５】
を用いて求められる。このとき、光分岐結合器１の出力端面８の半径ｒは、下記（９）式
【００５６】
【数８】
0003689544.tif 000009
【００５７】
となリ、半径ｒができるだけ小さくなるように角度αや光路長ｌを設定する。
【００５８】
第１実施例において、（３）式及び（４）式を満たすように共通光導波路４及び第２光導波路３の形状及び光学定数を選ぶようにすれば、理想的な場合、光ファイバー１２から光分岐結合器１に入射した受信光信号は、共通光導波路４及び第２光導波路３で全反射を起こしながら伝播し、大部分が受光素子１１に供給されるので、光利用効率を大きくすることができる。
【００５９】
また、第１実施例の光分岐結合器１は、結合される光ファイバー１２のコア部１２ａの径が大きい程、受信光信号の伝播路縮小による光受信感度の向上の度合いが大きく、特に、コア部１２ａの径が０．５乃至１．０ｍｍのプラスチック光ファイバー１２と結合させれば、良好な結果を得ることができる。
【００６０】
次に、図３は、第１実施例の光分岐結合器１における光導波路の開口数ＮＡf と光信号の伝播路縮小率との関係を示す特性図である。
【００６１】
図３において、縦軸は光信号の伝播路縮小率であり、横軸は光導波路の開口数であって、光信号の反射回数ｎをパラメータとして表したものである。
【００６２】
図３に示されるように、光導波路の開口数ＮＡf が大きい程、光信号の伝播路縮小率が大きくなる。また、同じ光導波路の開口数ＮＡf に対しては、光信号の反射回数ｎが小さい程、光信号の伝播路縮小率が大きくなる。
【００６３】
続く、図４は、第１実施例の光分岐結合器１における光導波路のテーパー角度αと光信号の伝播路縮小率との関係を示す特性図である。
【００６４】
図４において、縦軸は光信号の伝播路縮小率であり、横軸は光導波路のテーパー角度であって、光信号の反射回数ｎをパラメータとして表したものである。
【００６５】
図４に示されるように、同じ光信号の伝播路縮小率を得るには、光信号の反射回数ｎが大きい程、光導波路のテーパー角度を小さくすることができる。テーパー角度が小さい場合、光分岐結合器１の製造が容易になるので好ましい。
【００６６】
図３及び図４に示された特性から、光信号の反射回数ｎは、望ましくは１乃至３回であり、特に、反射回数ｎを２回にするのが好適である。
【００６７】
また、図３において、光信号の反射回数ｎが１回の場合、光分岐結合器１の光導波路の開口数を光ファイバー１２のコア部１２ａの開口数の１．５倍以上になるように選べば、光信号の伝播路縮小率を０．５以下、面積比で０．２５以下にすることができる。同じく、光信号の反射回数ｎが１回の場合、光分岐結合器１の光導波路の開口数を光ファイバー１２のコア部１２ａの開口数の２．０倍以上になるように選べば、光信号の伝播路縮小率を面積比で０．１以下にすることができて好ましい。なお、光ファイバー１２がプラスチック光ファイバーであって、通信用として開口数が０．３のものを用いた場合には、光分岐結合器１の光導波路の開口数を０．４５以上、できれば０．６以上のものにすることが好ましい。
【００６８】
続いて、図２（ｂ）を用いて、第１光導波路２における送信光信号の伝播について述べる。
【００６９】
第１光導波路２を伝播した送信光信号が共通光導波路４を経て光ファイバー１２に入射伝送された場合、光ファイバー１２に入射された送信光信号がコア部１２ａとクラッド部１２ｂとの界面で全反射する条件を求める。ここで、送信光信号の半導体レーザー素子１０からの拡がり角をΘとし、
ＮＡs ＝ｓｉｎΘ…  …（１０）
とすれば、拡がり角Θの送信光信号が光ファイバー１２に入射されたときの拡がり角をθとすれば、下記（１１）式
【００７０】
【数９】
0003689544.tif 000010
【００７１】
となり、この送信光信号が光ファイバー１２の前記界面で全反射するためには、下記（１２）式
【００７２】
【数１０】
0003689544.tif 000011
【００７３】
を満たす必要がある。ここで、角度βを大きくすれば、半導体レーザー素子１０と受光素子１１との配置間隔を広くすることができるので、半導体レーザー素子１０及び受光素子１１を実装することが容易になる。これに対して、拡がり角θは小さくする必要があるので、半導体レーザー素子１０から放射された送信光信号の中で、光分岐結合器１に入射される送信光信号の拡がり角Θは小さいことが好ましい。この場合、使用するのに好適な半導体レーザー素子１０としては、面発光型半導体レーザーを挙げることができる。そして、半導体レーザー素子１０に端面発光型半導体レーザーや発光ダイオードを用いた場合のように、半導体レーザー素子１０からの光信号の拡がり角Θが大きいときは、半導体レーザー素子１０と光分岐結合器１との間にレンズを設け、光信号の拡がり角Θが小さくなるようにしてもよい。このレンズは、光分岐結合器１側に形成しても、半導体レーザー素子１０側に形成しても良く、半導体レーザー素子１０と光分岐結合器１との間に設けても良い。
【００７４】
第１実施例においては、第１光導波路２の径ｓを入出力端面９の径Ｒよりも小さくすることにより、光ファイバー１２から光分岐結合器１に入射される受信光信号の中で、結合部５から第２光導波路３側に結合伝送される受信光信号の割合を大きくすることができる。この場合、受信光信号の結合伝送比は、第１光導波路２と第２光導波路３の断面積比にほぼ比例することから、例えば、第１光導波路２の径を第２光導波路３の径の１／４にすれば、結合部５から第１光導波路２側に伝播される受信光信号と第２光導波路３側に伝播される受信光信号との割合は、ほぼ１対９になる。このように、第１光導波路２の径を第２光導波路３の径の１／４以下にすることにより、受信光信号の損失は１０％以下になって好ましい結果が得られる。さらに、第１光導波路２の径を第２光導波路３の径の１／１０以下にすれば、受信光信号の損失は１％以下になってより好ましい結果が得られる。
【００７５】
次に、図５は、本発明による光分岐結合器の製造方法に用いられる金型及びスライドピンの構成を示す断面図である。
【００７６】
図５において、１３は金型、１４は注入口、１５はテーパー形状のスライドピン、１５Ｈは孔部、１６は長い筒状のスライドピンである。
【００７７】
そして、金型１３は、中空体のもので、一端に樹脂を注入するための注入口１４が設けてある。テーパー形状のスライドピン１５は、長い筒状のスライドピン１６の一部が挿入可能な孔部１５Ｈが設けられ、金型１３側に、テーパー形状のスライドピン１５に長い筒状のスライドピン１６を挿入した状態で嵌め込み可能な孔が開けられている。
【００７８】
ここで、図５を用いて、光分岐結合器１の製造方法について説明する。
【００７９】
まず、金型１３の孔に、テーパー形状のスライドピン１５と長い筒状のスライドピン１６とが差し込まれる。このとき、テーパー形状のスライドピン１５の孔部１５Ｈに、長い筒状のスライドピン１６の一部が挿入される。
【００８０】
次に、溶融したクラッド材（溶融樹脂）を注入口１４から金型１３内に注入する。注入後、金型１３を冷却し、クラッド材（溶融樹脂）を固化する。
【００８１】
クラッド材（溶融樹脂）が固化した後、テーパー形状のスライドピン１５及び長い筒状のスライドピン１６を金型１３から引き抜く。
【００８２】
続いて、固化したクラッド材をコア材注入用金型（図示なし）に入れ、テーパー形状のスライドピン１５及び長い筒状のスライドピン１６を引き抜いた孔に溶融したコア材（溶融樹脂）を注入する。注入後、この金型を冷却し、コア材（溶融樹脂）を固化する。
【００８３】
最後に、コア材を注入した部分の端面を研磨したり、または熱処理したりして、コア材端面を平面化処理する。
【００８４】
本発明の光分岐結合器１の製造方法においては、コア材としてポリスチレン（屈折率１．５９）、クラッド材としてポリメチルペンテン系（屈折率１．４６）を用いている。
【００８５】
得られた光分岐結合器１は、光波長６５０ｎｍにおいて、開口数０．６３である。
【００８６】
なお、本発明の光分岐結合器１の製造方法としては、前述の製造方法の他にも、紫外線硬化法、ウエットエッチング法、反応性イオンエッチング法、光重合法等の製造プロセスを用いても良く、各部を別途製造した後でそれらを接合する製造プロセスを用いても良い。
【００８７】
また、本発明の光分岐結合器１の製造方法で用いているコア材やクラッド材は、前述の材料に限定されるものではなく、使用される光信号の波長において、透明でコア材の屈折率がクラッド材の屈折率よりも大きい材料であれば、他の材料、即ち、アクリル系、メタクリル系、カルボネート系、非晶質オレフィン系、スルホン系、ビニル系、フッ素化合物等を適宜組み合わせて用いたり、酸化珪素のような無機材を用いたりしてもよい。
【００８８】
次いで、図６は、本発明による光分岐結合器の第２実施例の構成を示す斜視図であって、各光導波路の構成部分のみを示すものである。
【００８９】
図６において、１７は第１光導波路、１８は第２光導波路、１９は共通光導波路であって、２０は入力端面、２１は出力端面、２２は入出力端面、２３は結合部である。
【００９０】
図６に示されるように、第１光導波路１７、第２光導波路１８及び共通光導波路１９は、断面が４角形状のもので、第１光導波路１７は全体が入力端面２０と同じ断面形状のものであり、第２光導波路１８は、結合部２３から出力端面２１に行くに従って横幅及び縦幅がテーパー状に小さくなっているものであり、共通光導波路１９も、入出力端面２２から結合部２３に行くに従って横幅及び縦幅がテーパー状に小さくなっているものである。そして、第１光導波路１７は、第２光導波路１８よりも横幅及び縦幅が小さいもので、第２光導波路１８の中心軸に対して横幅方向に一定角度をなすように構成配置されており、入出力端面２２から間隔ｄを隔てた位置に接合された構成になっている。このとき、間隔ｄは、第１光導波路１７を伝播する送信光信号が全部円形状の光ファイバー１２のコア部１２ａ（図示なし）に入射されるような長さに選ばれる。
【００９１】
第２実施例の光分岐結合器は、前述の第１実施例の光分岐結合器１と同じように動作するもので、それによって、第１実施例の光分岐結合器１と同じような作用効果を奏するものであり、しかも、第１光導波路１７の共通光導波路１９に対する接合部を入出力端面２２から間隔ｄを隔てた位置に選んだことにより、それぞれ断面が４角形状の第１光導波路１７、第２光導波路１８及び共通光導波路１９を用いたとしても、断面が円形状の光ファイバー１２のコア部１２ａとの間で効率よく光信号を結合させることができる。この場合、入出力端面２２の縦幅及び横幅は、光ファイバー１２のコア部１２ａの直径よりも大きくてもよい。
【００９２】
続く、図７は、本発明による光分岐結合器の第３実施例の構成を示す斜視図であって、各光導波路の構成部分のみを示すものである。
【００９３】
図７において、２４は第１光導波路、２５は第２光導波路、２６は共通光導波路であって、２７は入力端面、２８は出力端面、２９は入出力端面、３０は結合部である。
【００９４】
図７に示されるように、第１光導波路２４、第２光導波路２５及び共通光導波路２６は、断面が４角形状のもので、第１光導波路２４は全体が入力端面２７と同じ断面形状のものであり、第２光導波路２５は、結合部３０から出力端面２８に行くに従って横幅だけがテーパー状に小さくなっているものであり、共通光導波路２６も、入出力端面２９から結合部３０に行くに従って横幅だけがテーパー状に小さくなっているものである。そして、第１光導波路２４と第２光導波路２５は、縦幅が等しいもので、第２光導波路２５の中心軸に対して横幅方向に一定角度をなすように構成配置されている。
【００９５】
第３実施例の光分岐結合器も、前述の第１実施例の光分岐結合器１と同じように動作するもので、それによって、第１実施例の光分岐結合器１と同じような作用効果を奏するものであり、製造時に、エッチングを用いた製造方法を適用して好適なものであり、同時に大量に製造することができるという利点がある。
【００９６】
続いて、図８は、本発明による光分岐結合器の第４実施例の構成を示す上面図であって、光分岐結合器が５角形状に構成された例を示すものである。
【００９７】
図８において、３１は第１光導波路、３２は第２光導波路、３３は共通光導波路、３４は入力端面、３５は出力端面、３６は入出力端面、３７は結合部であって、その他、図１（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００９８】
図８に示されるように、第１光導波路３１、第２光導波路３２及び共通光導波路３３は、断面が円形状のもので、第１光導波路３１は全体が入力端面３４と同じ断面形状のものであり、第２光導波路３２は、結合部３７から出力端面３５に行くに従って断面がテーパー状に小さくなっているものである。また、第２光導波路３２及び共通光導波路３３は中心線が直線状であるのに対して、第１光導波路３１は中心線が第２光導波路３２に対して外側方向に円弧状に曲がっているものである。
【００９９】
この第４実施例の光分岐結合器も、前述の第１実施例の光分岐結合器１と同じように動作するもので、それによって、第１実施例の光分岐結合器１と同じような作用効果を奏するものであり、その上に、入力端面３４と半導体レーザー素子１０との結合が容易になるという利点がある。
【０１００】
次に、図９は、本発明による光分岐結合器の第５実施例の構成を示す上面図であって、半導体レーザー素子１０と受光素子１１との間の干渉をなくすようにした例を示すものである。
【０１０１】
図９において、３８は第１光導波路、３９は第２光導波路、４０は共通光導波路、４１は入力端面、４２は出力端面、４３は入出力端面、４４は結合部、４５は反射面であって、その他、図１（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【０１０２】
図９に示されるように、第１光導波路３８、第２光導波路３９及び共通光導波路４０は、断面が円形状のもので、第１光導波路３８は全体が入力端面４１と同じ断面積のものであり、第２光導波路３９は、結合部４４から出力端面３９に行くに従って断面がテーパー状に小さくなっているものである。また、第２光導波路３９及び共通光導波路４０は中心線が直線状であるのに対して、第１光導波路３８は中心線が途中で外側方向に略直角状に屈曲しているもので、その屈曲部に反射面４５が形成されているものである。
【０１０３】
この第５実施例の光分岐結合器も、前述の第１実施例の光分岐結合器１と同じように動作するもので、それによって、第１実施例の光分岐結合器１と同じような作用効果を奏するものであり、その上に、入力端面３４と半導体レーザー素子１０との結合が容易になり、かつ、半導体レーザー素子１０と受光素子１１との間の干渉をなくすことができるという利点がある。
【０１０４】
次いで、図１０は、第１乃至第５実施例の中のいずれかの光分岐結合器１を用いた光伝送装置の一実施例の要部構成を示すブロック図である。
【０１０５】
図１０において、４６は第１光伝送装置、４７は第２光伝送装置、４８は伝送媒体（光ファイバー）、４９は光通信装置、５０は駆動部、５１は検出部、５２はコネクタ、５３は変調部、５４は復調部であり、その他、図１（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【０１０６】
そして、第１光伝送装置４６は、光分岐結合器１と、半導体レーザー素子１０と、受光素子１１と、半導体レーザー素子１０に接続された駆動部５０と、受光素子１１に接続された検出部５１と、光分岐結合器１と伝送媒体４８との間に結合されるコネクタ５３とからなっており、第２光伝送装置４７も、第１光伝送装置４６と同じ構成になっている。また、光通信装置４９は、第１光伝送装置４６と、変調部５３と、復調部５４とを具備している。
【０１０７】
前記構成を有する第１光伝送装置４６は、概略、次のように動作する。
【０１０８】
第２光伝送装置４７から伝送媒体４８を通して伝播されてきた受信光信号は、コネクタ５３を通して光分岐結合器１に入射され、光分岐結合器１の第２光導波路３（図示なし）を伝播して受光素子１１に供給される。受光素子１１は入射した光信号を対応する電気信号に変換し、検出部５１はこの電気信号を波形整形したデジタル信号を復調部５４に供給し、復調部５４はこのデジタル信号を復調してデータ信号を抽出し、利用回路（図示なし）に供給する。一方、変調部５３はデータ信号が供給されると、このデータ信号を変調してデジタル信号に変換して駆動部５０に供給し、駆動部５０はこのデジタル信号で半導体レーザー素子１０を駆動し、半導体レーザー素子１０からデジタル信号に対応した光信号を発生させ、光分岐結合器１に入射される。次いで、この光信号は、光分岐結合器１の第１光導波路２（図示なし）を伝播した後、コネクタ５３を通して伝送媒体４８に供給され、送信光信号として伝送媒体４８を伝播し、第２光伝送装置４７に供給される。
【０１０９】
この場合、変調部５３と復調部５４との間で光信号の送受信のタイミングが図られ、伝送媒体４８中での送信光信号と受信光信号との衝突を回避している。
【０１１０】
ここで、図１１は、本実施例の光伝送装置において、第１光伝送装置４６と第２光伝送装置４７との間の各種信号の授受の状態の一例を示す説明図である。
【０１１１】
図１１に示されるように、第１光伝送装置４６と第２光伝送装置４７との間で光信号の送受信が行なわれていないとき、即ち、伝送媒体４８が開いているとき、例えば、第１光伝送装置４６側から第２光伝送装置４７側にアイドラ信号を一定時間にわたって送信する。第２光伝送装置４７は、このアイドラ信号の送信が終了するのを待って、今度は第２光伝送装置４７側から第１光伝送装置４６側にアイドラ信号を一定時間にわたって送信する。その後、再び、第１光伝送装置４６側から第２光伝送装置４７側にアイドラ信号を一定時間にわたって送信し、このようなアイドラ信号の授受が繰り返し実行される。そして、このようなアイドラ信号の授受が行なわれている間に、第１光伝送装置４６側から第２光伝送装置４７側に光データ信号を送信する必要が生じた場合、第１光伝送装置４６は、第２光伝送装置４７から供給されるアイドラ信号の送信が終わるのを待って、送信許可信号を第２光伝送装置４７側に送信する。第２光伝送装置４７は、送信許可信号を受けたとき、受信可能であれば、送信許可要求信号を第１光伝送装置４６側に送信する。第１光伝送装置４６は、送信許可要求信号の受信が確認されると、光データ信号を第２光伝送装置４７側に送信し、光データ信号の送信が終了すると、再び、第２光伝送装置４７側に伝送媒体４８が開いていることを示すアイドラ信号を送信する。
【０１１２】
このように、本実施例の光伝送装置は、伝送媒体４８が開いているとき、第１光伝送装置４６と第２光伝送装置４７との間で、常時、アイドラ信号の授受を行なっているので、伝送媒体４８上で送信光データ信号と受信光データ信号とが衝突するのを未然に回避することができる。また、アイドラ信号の授受によって同期信号の再生を行なうことにより、第１光伝送装置４６と第２光伝送装置４７との間の同期をとることが可能になる。
【０１１３】
また、本実施例の光伝送装置は、前述のような光信号の衝突回避手段の他にも、ＣＳＭＡ／ＣＤ方式のように、光信号の衝突を検出した場合、または、送信許可要求信号に対して何等の応答がない場合、ランダムな時間だけ待った後、再度、信号等の送信を開始をしてもよい。
【０１１４】
さらに、光分岐結合器１における半導体レーザー素子１０と受光素子１１との間のクロストークが少ない場合、１つの光伝送装置が伝送媒体４８を通して光信号の送信を行なっているとき、伝送媒体４８から供給される光信号を受光素子１１で検出するようにしても良い。
【０１１５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光分岐結合器によれば、第１光導波路の断面積を第２光導波路の断面積よりも小さく構成し、第２光導波路の断面積を、結合部が最大で出力端面方向に行くに従って順次小さく構成しているので、光伝送線路を介して共通光導波路に供給された受信光信号は、大部分が第２光導波路側に導かれ、その後、比較的低損失で第２光導波路を伝わり、出力端面を通して光信号受信部に供給されるもので、簡単な構成によって、光分岐結合器における光受信信号の損失を大幅に低減可能になるという効果がある。
【０１１６】
また、本発明の光分岐結合器の製造方法によれば、第１スライドピンのピン孔内に第２スライドピンを嵌め込んだ状態の２本のスライドピンを用い、２本のスライドピンの配置部分を中孔部としたクラッド部を射出成形し、２本のスライドピンを引き抜いた後、クラッド部の中孔部内にコア材を射出充填し、クラッド部内に第１、第２、共通光導波路となるコア部を配置形成しているので、結合部で第１、第２、共通光導波路が互いに分岐結合された構成の光分岐結合器を、精密に、かつ、簡単に製造可能になるという効果がある。
【０１１７】
さらに、本発明の光伝送装置によれば、送受信光信号の結合分岐を行う際、本発明の受信光信号の損失を大幅に低減可能な光分岐結合器を用いているので、光ファイバーを介して受信光信号が光分岐結合器に供給された際、光分岐結合器を伝わる受信光信号の損失を大幅に低減した状態で信号光受信部に供給可能になり、その結果、光伝送装置の有効通信距離を長く設定できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光分岐結合器の第１実施例を示す構成図である。
【図２】第１実施例の光分岐結合器における光信号の伝送状態を説明するための断面図である。
【図３】第１実施例の光分岐結合器における光導波路の開口数 と光信号の伝播路縮小率との関係を示す特性図である。
【図４】第１実施例の光分岐結合器における光導波路のテーパー角度と光信号の伝播路縮小率との関係を示す特性図である。
【図５】本発明による光分岐結合器の製造方法に用いられる金型及びスライドピンの構成を示す断面図である。
【図６】本発明による光分岐結合器の第２実施例の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明による光分岐結合器の第３実施例の構成を示す斜視図である。
【図８】本発明による光分岐結合器の第４実施例の構成を示す上面図である。
【図９】本発明による光分岐結合器の第５実施例の構成を示す上面図である。
【図１０】第１乃至第５実施例の中のいずれかの光分岐結合器を用いた光伝送装置の一実施例の要部構成を示すブロック図である。
【図１１】本実施例の光伝送装置において、第１光伝送装置と第２光伝送装置との間の各種信号の授受の状態の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  光分岐結合器
２、１７、２４、３１、３８  第１光導波路（コア部）
３、１８、２５、３２、３９  第２光導波路（コア部）
４、１９、２６、３３、４０  共通光導波路（コア部）
５、２３、３０、３７、４４  結合部
６  クラッド部
７、２０、２７、３４、４１  入力端面
８、２１、２８、３５、４２  出力端面
９、２２、２９、３６、４３  入出力端面
１０  半導体レーザー素子（光信号送信部）
１１  受光素子（光信号受信部）
１２、４８  光ファイバー（伝送媒体）
１２ａ  コア部
１２ｂ  クラッド部
１３  金型
１４  注入口
１５  テーパー形状のスライドピン
１５Ｈ  孔部
１６  長い筒状のスライドピン
４５  反射面
４６  第１光伝送装置
４７  第２光伝送装置
４８  伝送媒体
４９  光通信装置
５０  駆動部
５１  検出部
５２  コネクタ
５３  変調部
５４  復調部
【図１】
0003689544.tif 000012
【図２】
0003689544.tif 000013
【図３】
0003689544.tif 000014
【図４】
0003689544.tif 000015
【図５】
0003689544.tif 000016
【図６】
0003689544.tif 000017
【図７】
0003689544.tif 000018
【図８】
0003689544.tif 000019
【図９】
0003689544.tif 000020
【図１０】
0003689544.tif 000021
【図１１】
0003689544.tif 000022