(57)【要約】【課題】  モード分散を解消して大容量高速通信を実現する光学レンズ系、及び光学レンズ系の作製方法を提供する。【解決手段】  光ファイバＯｆ１から最大角度である受光角ΨmaxでＧＲＩＮレンズＬｇ１に入射された光線Ｒ１は平行性のよい光ビームになって改良ＧＲＩＮレンズＬｇ‘に入射され、該レンズで反転されてＧＲＩＮレンズＬｇ２の中心軸上に入射され、その中心軸上を平行光として通過して光ファイバＯｆ２に入射される。光ファイバＯｆ１から平行光である光線Ｒ２がＧＲＩＮレンズＬｇ１に入射され、その中心軸上を平行光のまま通過し、改良ＧＲＩＮレンズＬｇ‘に入射され、該レンズで反転されてＧＲＩＮレンズＬｇ２の使用領域の最端位置に入射され、その最端位置から前記受光角Ψmaxで光ファイバＯｆ２に入射される。【選択図】      図１７
2008052284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の光ファイバの出射端と、他方の光ファイバの入射端とが対向する２本の光ファイバ間に、上記一方の光ファイバの出射端から出射された光を、上記他方の光ファイバの入射端に入射させる光学レンズ系であって、
該光学レンズ系は、２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズと、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズとの組み合わせ、または、上記改良ＧＲＩＮレンズのみからなり、
上記光学レンズ系は、上記一方の光ファイバの出射端から該光ファイバの中心軸に対して大きな角度をもって出射される光を、上記他方の光ファイバの入射端に該光ファイバの中心軸に対して小さな角度をもって入射させ、上記一方の光ファイバの出射端から該光ファイバの中心軸に対して小さな角度をもって出射される光を、上記他方の光ファイバの入射端に該光ファイバの中心軸に対して大きな角度をもって入射させる、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項２】
請求項１に記載の光学レンズ系において、
上記光学レンズ系は、第１の０．２５ピッチの上記ＧＲＩＮレンズ、０．５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズ、及び第２の０．２５ピッチの上記ＧＲＩＮレンズからなり、
該第１の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズ、０．５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズ、及び第２の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズは、それらの中心軸が上記２本の光ファイバの中心軸となる直線上にくるように配置されてなるものであり、
上記２本の光ファイバと、上記第１及び第２の０．２５ピッチＧＲＩＮレンズと、上記０．５ピッチ改良ＧＲＩＮレンズとが各々の端面において互いに接している、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項３】
請求項１に記載の光学レンズ系において、
上記光学レンズ系は、０．７５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズのみからなり、
該０．７５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズは、その中心軸が上記２本の光ファイバの中心軸となる直線上にくるように配置されてなるものであり、
上記２本の光ファイバと、上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズとの間には、上記一方の光ファイバの出射端からその中心軸に対して最大角度をもって出射される光が、上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズの端面の中心点から該レンズの使用領域における各１／４の位置に入射されるように空間が設けられている、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項４】
請求項３に記載の光学レンズ系において、
上記２本の光ファイバと上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズとの間に設けられた空間に、ロッドレンズを挿入してなる、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項５】
中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法であって、
２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズを、該レンズの直径を中心に対称な２直線を２辺とする扇形柱にカットし、
複数の該扇形柱の頂点を一点に集中させ、束ねるように配置して一体とし、略円柱状の扇形柱集合体とする、
ことを特徴とする光学レンズ系のレンズ作製方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光学レンズ系のレンズ作製方法において、
上記略円柱状の扇形柱集合体を加熱し、円柱形状に再成形する、ことを特徴とする光学レンズ系のレンズ作製方法。
【請求項７】
中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法であって、
低い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体の内側に、高い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体をはめ込み、該ドーナツ形状の柱状体の内側に、低い屈性率を有する円柱形状の柱状体をはめ込むことで、３層の屈折率構造を有する円柱形状のガラス柱状体を作製し、
該３層の屈折率構造を有する円柱形状のガラス柱状体内の屈折率の高低差をなだらかにするよう拡散させる、
ことを特徴とする光学レンズ系のレンズ作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多モード導波路の光ファイバ内を伝送される光のモード分散を削減する光学レンズ系、及びその光学レンズ系のレンズ作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは、コアと呼ばれる高屈折率領域と、該コアを取り囲む低屈折率のクラッドからなる２重構造を持ち、上記光ファイバに入射される光は、上記コアとクラッドとの境界において、光ファイバの中心軸からの角度である入射角度Ψに応じる角度で全反射し、該コア内を伝送していく。
【０００３】
そして、上記光ファイバには、さまざまな入射角度Ψで光が入射され、該入射角度Ψが上記光ファイバの中心軸に対してある角度より大きい場合は、コアとクラッドとの境界において全反射が起こらず、光がクラッドへぬけてでて伝送されない。この光ファイバに入射される、上記コアとクラッドとの境界において全反射する最大の光の入射角度Ψを受光角Ψmaxという。
【０００４】
図２７は、多モード導波路の光ファイバに入射された光がコア内を伝送していく状態を示した断面図（図(a)）、及び該光線により伝送されるパルスの時間波形を示す図（図(b)）である。
【０００５】
図２７（ａ）のように、光ファイバに入射された光が、受光角Ψmaxで全反射しながら進む光線Ｒ１と、小さい入射角度で全反射しながら進む光線Ｒ２とにわかれて、光ファイバのコア内を伝送されていくとした場合、同じ光から分散してなる、入射角度の違う光線Ｒ１と光線Ｒ２とは、単位時間進む距離は同じであるが、ある一方向に方向をつけると、図２７に示すように、大きな角度で全反射する光線Ｒ１が単位時間に進む距離ｌ１のほうが、小さな角度で全反射する光線Ｒ２が単位時間に進む距離ｌ２より短くなる。
【０００６】
このような光ファイバに幅の狭いパルスを入射して伝送する場合、その入射パルスは、上記大きい角度で入射された光線Ｒ１によって伝搬されるパルスと、上記小さい角度で入射された光線Ｒ２によって伝搬されるパルスとにわけられて、上記光ファイバのコア内を伝送されていく。そして、上記光線Ｒ１により伝搬されるパルスは、上述した理由により、上記光線Ｒ２によって伝搬されるパルスより到着が遅れるため、光ファイバから出射される際には、図２７（ｂ）に示すように、パルスがお互いに干渉しあってパルス幅が広がり、入射されたときには鮮明であったものが、出射される際には、ぼけた、はっきりしないものとなってしまう。
【０００７】
このように、光ファイバ内での光の伝搬速度の違いでパルスの幅が広がることをモード分散といい、このモード分散は、光ファイバの距離が長くなるほどひどくなるものである。そして、上記モード分散は、光ファイバで単位時間に送れるパルスの数に制限を与え、光ファイバの大容量高速通信を妨げる一要因となっている。
【０００８】
この光ファイバにおける上記モード分散を緩和する手段として、従来では、コア内の屈折率分布が均一である光ファイバ（以下、「ステップ・インデックス・ファイバ」と称す。）（図２８(a)）ではなく、コア内に２乗分布の屈折率をもたせ光ファイバ（以下、「グレイデッド・インデックス・ファイバ」と称す。）（図２８(b)）を使用する方法がある。この上記グレイデッド・インデックス・ファイバは、そのファイバの中心軸から放射状に広がる同心円のファイバの層で構成され、外側のコア層は内側のコア層よりも低い屈折率を持ち、入射された光はそのコア層内の屈折率の違いにより、各々の経路にかかわらず同じ速度で移動するため、図２８（ｂ）に示すように、上述したモード分散が生じず、高速で且つ長距離のデータ伝送が可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図２９に示すように、上記グレイデッド・インデックス・ファイバであっても、そのコア層内の屈折率分布によっては、上述したモード分散が生じる。つまり、図２９（ｂ）に示すような最適な屈折率分布を有するグレイデッド・インデックス・ファイバであれば、各々の経路にかかわらず同じ速度で移動してモード分散は生じないが、図２９（ａ），（ｃ）に示すように、コア層内の屈折率が最適な屈折率分布からずれると、ステップ・インデックス・ファイバに比べると小規模ではあるが、各々の経路で速度差が生じ、それによりモード分散が生じる。従って、グレイデッド・インデックス・ファイバでも、モード分散を確実に削減することは困難という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、モード分散を解消して大容量高速通信を可能にする光学レンズ系、及びその光学レンズ系のレンズ作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明（請求項１）の光学レンズ系は、一方の光ファイバの出射端と、他方の光ファイバの入射端とが対向する２本の光ファイバ間に、上記一方の光ファイバの出射端から出射された光を、上記他方の光ファイバの入射端に入射させる光学レンズ系であって、該光学レンズ系は、２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズと、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズとの組み合わせ、または、上記改良ＧＲＩＮレンズのみからなり、上記光学レンズ系は、上記一方の光ファイバの出射端から該光ファイバの中心軸に対して大きな角度をもって出射される光を、上記他方の光ファイバの入射端に該光ファイバの中心軸に対して小さな角度をもって入射させ、上記一方の光ファイバの出射端から該光ファイバの中心軸に対して小さな角度をもって出射される光を、上記他方の光ファイバの入射端に該光ファイバの中心軸に対して大きな角度をもって入射させることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明（請求項２）の光学レンズ系は、請求項１に記載の光学レンズ系において、上記光学レンズ系は、第１の０．２５ピッチの上記ＧＲＩＮレンズ、０．５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズ、及び第２の０．２５ピッチの上記ＧＲＩＮレンズからなり、該第１の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズ、０．５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズ、及び第２の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズは、それらの中心軸が上記２本の光ファイバの中心軸となる直線上にくるように配置されてなるものであり、上記２本の光ファイバと、上記第１及び第２の０．２５ピッチＧＲＩＮレンズと、上記０．５ピッチ改良ＧＲＩＮレンズとが各々の端面において互いに接していることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明（請求項３）の光学レンズ系は、請求項１に記載の光学レンズ系において、上記光学レンズ系は、０．７５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズのみからなり、該０．７５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズは、その中心軸が上記２本の光ファイバの中心軸となる直線上にくるように配置されてなるものであり、  上記２本の光ファイバと、上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズとの間には、上記一方の光ファイバの出射端からその中心軸に対して最大角度をもって出射される光が、上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズの端面の中心点から該レンズの使用領域における各１／４の位置に入射されるように空間が設けられている  ことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明（請求項４）の光学レンズ系は、請求項３に記載の光学レンズ系において、上記２本の光ファイバと上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズとの間に設けられた空間に、ロッドレンズを挿入してなることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明（請求項５）の光学レンズ系のレンズ作製方法は、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法であって、２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズを、該レンズの直径を中心に対称な２直線を２辺とする扇形柱にカットし、複数の該扇形柱の頂点を一点に集中させ、束ねるように配置して一体とし、略円柱状の扇形柱集合体とすることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明（請求項６）の光学レンズ系のレンズ作製方法は、請求項５に記載の光学レンズ系のレンズ作製方法において、上記略円柱状の扇形柱集合体を加熱し、円柱形状に再成形する、ことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明（請求項７）の光学レンズ系のレンズ作製方法は、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法であって、低い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体の内側に、高い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体をはめ込み、該ドーナツ形状の柱状体の内側に、低い屈性率を有する円柱形状の柱状体をはめ込むことで、３層の屈折率構造を有する円柱形状のガラス柱状体を作製し、該３層の屈折率構造を有する円柱形状のガラス柱状体内の屈折率の高低差をなだらかにするよう拡散させる  ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
以上のことにより、本発明の請求項１に記載の光学レンズ系によれば、一方の光ファイバの出射端と、他方の光ファイバの入射端とが対向する２本の光ファイバ間に、上記一方の光ファイバの出射端から出射された光を、上記他方の光ファイバの入射端に入射させる光学レンズ系であって、該光学レンズ系は、２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズと、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズとの組み合わせ、または、上記改良ＧＲＩＮレンズのみからなり、上記一方の光ファイバの出射端から該光ファイバの中心軸に対して大きな角度をもって出射される光を、上記他方の光ファイバの入射端に該光ファイバの中心軸に対して小さな角度をもって入射させ、上記一方の光ファイバの出射端から該光ファイバの中心軸に対して小さな角度をもって出射される光を、上記他方の光ファイバの入射端に該光ファイバの中心軸に対して大きな角度をもって入射させるようにしたので、上記光ファイバから伝搬速度の遅い大きな角度で出射された光を伝搬速度の速い小さな角度にし、伝搬速度の速い小さな角度で出射された光を伝搬速度の遅い大きな角度にし、上記光ファイバ内を伝送される光によって同じ信号を伝送する場合、該光ファイバに入射された光の伝搬速度差を削減して、光ファイバ内に生じるモード分散を解消することができ、また、上記光ファイバ内を伝送される光によって異なる信号を伝送する場合、信号の交換を行うことができる。
【００１９】
また、本発明の請求項２に記載の光学レンズ系によれば、請求項１に記載の光学レンズ系において、上記光学レンズ系は、第１の０．２５ピッチの上記ＧＲＩＮレンズ、０．５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズ、及び第２の０．２５ピッチの上記ＧＲＩＮレンズからなり、該第１の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズ、０．５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズ、及び第２の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズは、それらの中心軸が上記２本の光ファイバの中心軸となる直線上にくるように配置されてなるものであり、上記２本の光ファイバと、上記第１及び第２の０．２５ピッチＧＲＩＮレンズと、上記０．５ピッチ改良ＧＲＩＮレンズとが各々の端面において互いに接しているようにしたので、上記光ファイバから伝搬速度の遅い大きな角度で出射された光を伝搬速度の速い小さな角度にし、伝搬速度の速い小さな角度で出射された光を伝搬速度の遅い大きな角度にすることができる。また、上記光学レンズ系は、上記２本の光ファイバと、上記ＧＲＩＮレンズ及び改良ＧＲＩＮレンズとが互いに接するように配置されているので、上記光ファイバから出射された光が、周囲雰囲気から屈折率の高いレンズ面で反射することによる光のもれを削減することができ、上記一方の光ファイバから出射された光を、より効率よく、上記他方の光ファイバへ伝送することができる。
【００２０】
また、本発明の請求項３に記載の光学レンズ系によれば、請求項１に記載の光学レンズ系において、上記光学レンズ系は、０．７５ピッチの上記改良ＧＲＩＮレンズのみからなり、該０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズは、該中心軸が上記２本の光ファイバの中心軸となる直線上にくるように配置されてなるものであり、上記２本の光ファイバと、上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズとの間には、上記一方の光ファイバの出射端からその中心軸に対して最大角度をもって出射される光が、上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズの端面の中心点から該レンズの使用領域における各１／４の位置に入射されるように空間が設けられているので、上記光ファイバから伝搬速度の遅い大きな角度で出射された光を伝搬速度の速い小さな角度にし、伝搬速度の速い小さな角度で出射された光を伝搬速度の遅い大きな角度にすることができる。
【００２１】
また、本発明の請求項４に記載の光学レンズ系によれば、請求項３に記載の光学レンズ系において、上記２本の光ファイバと上記０．７５ピッチの改良ＧＲＩＮレンズとの間に設けられた空間に、ロッドレンズを挿入するようにしたので、上記光ファイバと上記各レンズとを接するように配置でき、上記一方の光ファイバから出射された光を、周囲雰囲気から屈折率の高いレンズ面で反射することによる光のもれを削減して、より効率よく、上記他方の光ファイバへ伝送することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項５に記載の光学レンズ系のレンズ作製方法によれば、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法であって、２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズを、該レンズの直径を中心に対称な２直線を２辺とする扇形柱にカットし、複数の該扇形柱の頂点を一点に集中させ、束ねるように配置して一体とし、略円柱状の扇形柱集合体とするようにしたので、上記光ファイバから入射された光が、レンズの中心軸で対称となる２つの蛇行の経路に分かれて出射される、改良ＧＲＩＮレンズを作製することができる。
【００２３】
また、本発明の請求項６に記載の光学レンズ系のレンズ作製方法によれば、請求項５に記載の光学レンズ系のレンズ作製方法において、上記略円柱状の扇形柱集合体を加熱し、円柱に再成形するようにしたので、より精度のよい、レンズの中心軸で対称となる２つの蛇行の経路に分かれて出射される、改良ＧＲＩＮレンズを作製することができる。
【００２４】
また、本発明の請求項７に記載の光学レンズ系のレンズ作製方法によれば、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法であって、低い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体の内側に、高い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体をはめ込み、該ドーナツ形状の柱状体の内側に、低い屈性率を有する円柱形状の柱状体をはめ込むことで、３層の屈折率構造を有する円柱形状のガラス柱状体を作製し、該３層の屈折率構造を有する円柱形状のガラス柱状体内の屈折率の高低差をなだらかにするよう拡散させるようにしたので、上記光ファイバから入射された光が、該レンズの中心軸で対称となる２つの蛇行の経路に分かれて出射される、改良ＧＲＩＮレンズを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施の形態１.
本実施の形態１においては、以上のような光ファイバ内のモード分散を低減するために、光の伝搬速度差をなくすことを考える。
【００２６】
まず、本実施の形態１の原理について述べると、光ファイバの中心軸に対して大きい角度で入射された光が、該中心軸に対して小さい角度で入射された光より伝搬速度が遅くなるのを解消するため、図１に示すように、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、大きな角度で出射する光線Ｒ１を小さな角度で入射する光線Ｒ１’に、また小さな角度で出射する光線Ｒ２を大きな角で入射する光線Ｒ２’に変換する光学レンズ系を設け、光線をミキシングすることで、光の伝搬速度差をなくすようにする。
【００２７】
以下、図２〜図１９を用いて、このような光学レンズ系を実現しえる具体例をいくつか挙げて説明する。なお、本実施の形態１では、光ファイバＯｆ１が上記光学系に光を送信する送信光ファイバ、また光ファイバＯｆ２が該光学レンズ系からの光を受信する受信光ファイバであるものとして説明するが、光ファイバＯｆ１が受信光ファイバで、光ファイバＯｆ２が送信光ファイバであっても、その光の動きは同様である。また、上記光ファイバとしては、ステップ・インデックス・ファイバであっても、グレイテッド・インテックス・ファイバであってもよい。
【００２８】
まず、図２〜図５を用いて、上記光学レンズ系を実現する第１の具体例として、球面レンズと、リング状に集光する環状集光レンズとを組み合わせてなる光学レンズ系について説明する。
【００２９】
まず、図２及び図３を用いて、本実施の形態１の光学レンズ系に使用する、リング状に集光する環状集光レンズについて説明する。図２は、球面レンズに入射された平行光の集光状態（図２(a））、及び環状集光レンズに入射された平行光の集光状態（図２(b)）を示す図であり、図３は、本実施の形態１における、環状集光レンズを示した正面図（図３(a)）、及びそのＡ−Ａ’断面図（図３(b)）である。
【００３０】
上記球面レンズについては、レンズ母材の屈折率と周辺雰囲気の屈折率との屈折率差により、図２（ａ）の断面図に示されるように、平行光が入射されると、ある一点の焦点に光が集められ、また焦点からそれぞれの角度で光が入射されると、該球面レンズから平行光として出射されるものである。
【００３１】
そして、今回新たに作製する、リング状に集光する環状集光レンズは、図２（ｂ）の断面図に示されるように、平行光が入射されると、該レンズの中心点ｈで点対称な２つの焦点、つまり該２点を直径とする円の周囲に光が集められ、また該光が集光する円周上の点からそれぞれの角度で光が入射されると、該環状集光レンズから平行光として出射されるものである。そして、このような集光を実現するレンズの形状としては、例えば図３に示されるように、レンズの入射面、及び出射面の両面において、該レンズの半径の１／２の位置に最大の厚みを持たせ、レンズの中心点ｈに近付くに従って、外周面の曲面と同じ曲率で厚みが薄くなるようなものがある。
【００３２】
また、上記環状集光レンズを作製する方法としては、ガラス製の所定の曲率を有する球面レンズ両面を、該球面レンズ半径の１／２の位置を最大厚み部とし、該球面レンズの中心ｈに近付くに従って外周面の曲面と同じ曲率で厚みが薄くなるように切削，研磨することで、または研磨のみすることで作製する方法や、上述したような形状の型をつくり、プラスチック等をその型でプレス成形することで作製する方法等が考えられる。
【００３３】
次に、本実施の形態１における光学レンズ系について説明する。
【００３４】
まず、図４を用いて、環状集光レンズＬｄと球面レンズＬｃとからなる光学レンズ系の構成について説明する。図４は、本実施の形態１における、環状集光レンズと球面レンズとからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【００３５】
図４において、本実施の形態１における光学レンズ系は、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、第１の環状集光レンズＬｄ１と、上記球面レンズＬｃと、第２の環状集光レンズＬｄ２とを、上記送信光ファイバＯｆ１の中心軸Ａｘ１と、上記受信光ファイバＯｆ２の中心軸Ａｘ２とを結んだ直線上に、各レンズの中心がくるように配置されてなるものである。つまり、上記直線上に、上記第１の環状集光レンズＬｄ１の中心点ｈ１と、上記球面レンズＬｃの中心と、上記第２の環状集光レンズＬｄ２の中心点ｈ２とがくるようにする。そして、上記各レンズの配置位置は、上記送信光ファイバＯｆ１と上記受信光ファイバＯｆ２との間が距離Ｄであるとすると、送信光ファイバＯｆ１からＤ／２の位置に、上記球面レンズＬｃの中心がくるようにし、上記球面レンズＬｃと上記第１及び第２の環状集光レンズＬｄ１、Ｌｄ２との距離が、上記球面レンズＬｃの焦点距離D1であって、上記第１及び第２の環状集光レンズＬｄ１、Ｌｄ２の焦点距離が、D1／２であるようにする。そして、上記各レンズの大きさは、送信光ファイバＯｆ１から出射される光線の最大角度が受光角Ψmax以上にはならないことより、その受光角Ψmaxで出射される光が、各レンズの使用領域の範囲内に入射される大きさであればよい。なお、本実施の形態１においては、各レンズの大きさが同じであるとし、上記第１の環状集光レンズＬｄ１の使用領域の最端位置に、送信光ファイバＯｆ１から受光角Ψmaxで出射された光線が入射されるものとする。
【００３６】
次に、以上のように構成された本実施の形態１にかかる光学レンズ系を通過する光線の動きについて説明する。なお、送信光ファイバＯｆ１から出射される光線には様々な角度のものがあるが、ここでは説明を簡略するため、送信光ファイバＯｆ１から、最大角度すなわち受光角Ψmaxで出射される光線Ｒ１と、最小角度すなわち平行光で出射される光線Ｒ２とが、本光学レンズ系を通過する際の動きについて説明する。
【００３７】
図４において、送信光ファイバＯｆ１から最大角度である受光角Ψmaxの光線Ｒ１が出射されると、該光線Ｒ１は、まず第１の環状集光レンズＬｄ１に入射される。そして、該第１の環状集光レンズＬｄ１に入射された光線Ｒ１は、平行光になって球面レンズＬｃに入射され、該球面レンズＬｃに入射された光線Ｒ１は、該球面レンズＬｃの焦点、ここでは第２の環状集光レンズＬｄ２の中心点ｈ２に集光する。そして、該第２の環状集光レンズＬｄ２の中心点ｈ２に入射された光線Ｒ１は、平行光になって受信光ファイバＯｆ２に入射される。
【００３８】
一方、送信光ファイバＯｆ１から最小角度である平行光線Ｒ２が出射されると、該光線Ｒ２は、まず第１の環状集光レンズＬｄ１の中心点ｈ１に入射される。そして、該第１の環状集光レンズＬｄ１の中心点ｈ１が球面レンズＬｃの前焦点にあたるため、該中心点ｈ１に入射された光線Ｒ２は、球面レンズＬｃの使用領域の最端位置に入射され、平行光になって第２の環状集光レンズＬｄ２に入射される。そして、平行光として上記第２の環状集光レンズＬｄ２に入射された光線Ｒ２は、受信光ファイバＯｆ２に受光角Ψmaxで入射される。
【００３９】
つまり、送信光ファイバＯｆ１から最大角度である受光角Ψmaxで出射された光線Ｒ１は、本光学レンズ系を通過することで、入射角度が最小角度つまり平行光になって受信光ファイバＯｆ２に入射され、送信光ファイバＯｆ１から最小角度すなわち平行光として出射された光線Ｒ２は、本光学レンズ系を通過することで、入射角度が最大角度つまり受光角Ψmaxとなって受信光ファイバＯｆ２に入射されることとなる。
【００４０】
従って、上記送信光ファイバＯｆ１から出射される、伝搬速度が遅い出射角度の大きい光線Ｒ１と、伝搬速度が速い出射角度の小さな光線Ｒ２とに、同じ信号をのせ、上述した光学レンズ系を通過させると、伝搬速度の遅い光線Ｒ１は伝搬速度の速い光線となり、伝搬速度の速い光線Ｒ２は伝搬速度の遅い光線となるので、上記光学レンズ系により光線Ｒ１，Ｒ２をミキシングしてこれらの伝搬速度差をなくすことができ、この結果、光ファイバ内に生じるモード分散を削減することが可能となる。
【００４１】
以上の説明では、上記環状集光レンズと球面レンズとからなる光学レンズ系の１つの例として、図４に示す、２つのリング形状に集光する環状集光レンズと、１つの球面レンズとの組み合わせからなるものを挙げたが、例えば、図５に示す組み合わせも考えられる。図５は、本実施の形態１における、環状集光レンズと球面レンズとからなる光学レンズ系の別の組み合わせを示す断面図である。
【００４２】
本実施の形態１における別の組み合わせからなる光学レンズ系は、図５に示すように、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、第１の球面レンズＬｃ１と、第１，第２の環状集光レンズＬｄ１，Ｌｄ２と、第２の球面レンズＬｃ２とを、上記送信光ファイバＯｆ１の中心軸Ａｘ１と、上記受信光ファイバＯｆ２の中心軸Ａｘ２とを結んだ直線上に、各レンズの中心がくるように配置されたものである。つまり、上記直線上に、上記第１，第２の球面レンズＬｃの中心と、上記第１，第２の環状集光レンズＬｄ１，Ｌｄ２の中心点ｈ１，中心点ｈ２とがくるようにする。そして、上記各レンズの配置位置は、上記第１の環状集光レンズＬｄ１と上記第２の環状集光レンズＬｄ２との間の距離Ｄ２が、上記第１の環状集光レンズＬｄ１の後ろ焦点と、上記第２の環状集光レンズＬｄ２の前焦点とが一致する距離になるようにし、上記各レンズの大きさは、送信光ファイバＯｆ１から出射される光線の最大角度が受光角Ψmax以上にはならないことより、その受光角Ψmaxで出射される光がレンズの使用領域の範囲内に入射される大きさであればよい。なお、各レンズの大きさは同じとし、上記第１の球面レンズＬｃ１の使用領域の最端位置に、送信光ファイバＯｆ１から受光角Ψmaxで出射された光線が入射されるものとする。
【００４３】
次に、以上のような構成を有する光学レンズ系を通過する光線の動きについて説明する。なお、説明を簡略化するため、送信光ファイバＯｆ１から出射される光束のうち、最大角度すなわち受光角Ψmaxで出射される光線Ｒ１と、最小角度すなわち平行光で出射される光線Ｒ２とが本光学レンズ系を通過する際の動きについて説明する。
【００４４】
図５において、送信光ファイバＯｆ１から、最大角度である受光角Ψmaxの光線Ｒ１が出射されると、光線Ｒ１は、まず第１の球面レンズＬｃ１に入射される。そして、該第１の球面レンズＬｃ１に入射された光線Ｒ１は、平行光になって第１の環状集光レンズＬｄ１に入射され、上記第１の環状集光レンズＬｄ１の後ろ焦点と上記第２の環状集光レンズＬｄ２の前焦点とが一致するよう配置されているので、該第１の環状集光レンズＬｄ１の使用領域の最端に入射された光線Ｒ１は、第２の環状集光レンズＬｄ２の中心点ｈ２に入射される。そして、該第２の環状集光レンズＬｄ２の中心点ｈ２に入射された光線Ｒ１は、平行光になって第２の球面レンズＬｃ２に入射され、平行光のまま該第２の球面レンズＬｃ２を通過し、受信光ファイバＯｆ２に入射される。一方、送信光ファイバＯｆ１から最小角度である平行光である光線Ｒ２が出射されると、光線Ｒ２は、まず平行光のまま第１の球面レンズＬｃ１を通過し、第１の環状集光レンズＬｄ１の中心点ｈ１に入射する。そして、上記第１の環状集光レンズＬｄ１の後ろ焦点と上記第２の環状集光レンズＬｄ２の前焦点とが一致するよう配置されているので、該第１の環状集光レンズＬｄ１の中心点ｈ１に入射された光線Ｒ２は、第２の環状集光レンズＬｄ２の使用領域の最端位置に入射され、該第２の環状集光レンズＬｄ２に入射された光線Ｒ２は、平行光になって第２の球面レンズＬｃ２に入射され、該第２の球面レンズＬｃ２から、受信光ファイバＯｆ２に受光角Ψmaxで入射される。
【００４５】
つまり、送信光ファイバＯｆ１から最大角度である受光角Ψmaxで出射された光線Ｒ１は、本光学レンズ系を通過することで、入射角度が最小角度つまり平行光になって受信光ファイバＯｆ２に入射され、送信光ファイバＯｆ１から最小角度すなわち平行光として出射された光線Ｒ２は、上記光学レンズ系を通過することで、入射角度が最大角度である受光角Ψmaxで受信光ファイバＯｆ２に入射されることとなる。
【００４６】
このように、リング形状に集光する環状集光レンズＬｄと、球面レンズＬｃとを所定数組み合わせてなる光学レンズ系に、送信光ファイバＯｆ１の端面から、同じ信号がのせられた、伝搬速度の遅い光線Ｒ１及び伝搬速度の速い光線Ｒ２が入射されると、伝搬速度の遅い大きい角度で入射された光線Ｒ１が伝搬速度の速い小さい角度で出射され、逆に伝搬速度の速い小さい角度で入射された光線Ｒ２が伝搬速度の遅い大きい角度で出射されるので、光ファイバ内における光の伝搬速度差を解消して、モード分散を削減することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態１においては、リング形状に集光する環状集光レンズＬｄと球面レンズＬｃとの組み合わせからなる光学レンズ系について、具体例を２つ挙げたが、本実施の形態１における光学レンズ系の構成は、上述したレンズの組み合わせや配置位置に限られるものでない。
【００４８】
次に、図１に示す光学レンズ系を実現する第２の具体例として、片面が上述したリング形状に集光する環状集光レンズで、もう片面が球面レンズである、円柱状のバルク型レンズからなる光学レンズ系について説明する。
【００４９】
実施の形態１の変形例１.
まず、図６を用いて、本実施の形態１の変形例１の光学レンズ系に使用する、 一方の面が上述したリング形状に集光する環状集光レンズで、他方の面が球面レンズである円柱状のバルク型レンズについて説明する。図６は、本実施の形態１の変形例１における、円柱状のバルク型レンズを示す図であり、上記バルク型レンズの斜視図（図(a)）と、そのＡ−Ａ’断面図（図(b)）とを示すものである。
【００５０】
図６に示すバルク型レンズ内の距離D1は、一方の面である球面レンズの焦点距離に値し、このバルク型レンズは、上述した環状集光レンズＬｄと球面レンズＬｃとを、距離D1離して配置した場合と同じ集光特性を有するものである。
【００５１】
この図６に示すようなバルク型レンズを作製する方法は、円柱状のガラスを切削，研磨、あるいは研磨のみすることにより、一方の面を該ガラス面の半径の１／２の位置に最大の厚みをもたせ、該ガラス面の中心に近付くに従って外周面の曲面と同じ曲率で厚みが薄くなる形状にし、他方の面を球面型のレンズの形状にすることで作製する方法、あるいは片面が上述した環状集光レンズ形状で、もう片面が球面レンズ形状を有する型を作り、プラスチック等をその型でプレス成形することにより作製する方法等が考えられる。
【００５２】
次に、本実施の形態１の変形例１における光学レンズ系について説明する。なお、説明を簡略化するため、送信光ファイバＯｆ１端面から出射される光束のうち、最大角度つまり受光角Ψmaxで出射される光線Ｒ１と、最小角度つまり平行光で出射される光線Ｒ２とが、本光学レンズ系を通過する際の動きについて説明する。
【００５３】
まず、図７を用いて、バルク型レンズＬｂからなる光学レンズ系の構成について説明する。図７は、本実施の形態１の変形例１における、バルク型レンズからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【００５４】
図７において、本実施の形態１の変形例１における光学レンズ系は、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、第１のバルク型レンズＬｂ１と第２のバルク型レンズＬｂ２とを、上記送信光ファイバＯｆ１の中心軸Ａｘ１と、上記受信光ファイバＯｆ２の中心軸Ａｘ２とを結んだ直線上に、それらの中心軸がくるように配置し、また上記バルク型レンズＬｂ１，Ｌｂ２の球面レンズ面側が接するように配置されてなるものである。そして、上記第１及び第２のバルク型レンズの大きさとしては、送信光ファイバＯｆ１から出射される光線の最大角度が受光角Ψmax以上にはならないことから、その受光角Ψmaxで出射される光がレンズの使用領域の範囲内に入射される大きさであればよい。なお、本実施の形態１の変形例１においては、第１及び第２のバルク型レンズＬｂ１、Ｌｂ２の大きさを同じであるとし、上記バルク型レンズの使用領域の最端位置に、送信光ファイバＯｆ１から受光角Ψmaxで出射された光線が入射されるものとする。
【００５５】
そして、図８に示すように、周辺雰囲気、例えば空気（屈折率≒１）中に、屈折率ｎの球面レンズを配置した時の集光状態（図８(a)）と、屈折率ｎのレンズを２つ接して配置した時の集光状態（図８(b)）とが同じになることを考えれば、図７に示す光学レンズ系の構成と、上述した図４に示される光学レンズ系とは、同じ構成であるとみなせる。つまり、図７の第１のバルク型レンズＬｂ１の環状集光レンズ面が、図４に示す上記第１の環状集光レンズＬｄ１に相当し、図７の第１，第２のバルク型レンズＬｂ２の球面レンズ面が接した状態が、図４に示す上記球面レンズＬｃに相当し、図７の上記第２のバルク型レンズＬｂ２の環状集光レンズ面が、図４に示す第２の環状集光レンズＬｄ２に相当する。
【００５６】
よって、図７の光学レンズ系を通過する光線の動きは、図４の光学レンズ系を通過する光線の動きと同様となり、受信光ファイバＯｆ１から伝搬速度が遅い大きな角度で出射される光線Ｒ１は、図７に示す光学レンズ系を通過することにより、伝搬速度の速い入射角度が小さい角度の光線に変えられ、逆に、受信光ファイバＯｆ１から伝搬速度が速い小さな角度で出射された光線Ｒ２は、上記光学レンズ系を入射されることにより、伝搬速度の遅い入射角度が大きい角度の光線に変えられて、送信光ファイバＯｆ２に入射されることになる。
【００５７】
この結果、上記光線Ｒ１及び光線Ｒ２に同じ信号をのせて伝送した場合、上記光レンズ系により光線Ｒ１と光線Ｒ２との伝搬速度差を解消することができ、モード分散を削減することができる。
【００５８】
以上の説明では、図７に示すように、２つのバルク型レンズＬｂの球面レンズ面側がお互い接するように配置してなる構成について説明したが、図９に示すように、上記バルク型レンズＬｂの環状集光レンズ側が対向するよう配置する構成も考えられる。図９は、本実施の形態１の変形例１における、バルク型レンズからなる光学レンズ系の別の構成を示す断面図である。
【００５９】
本実施の形態１の変形例１における別の構成からなる光学レンズ系は、図９に示すように、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、第１のバルク型レンズＬｂ１と第２のバルク型レンズＬｂ２とを、上記送信光ファイバＯｆ１の中心軸Ａｘ１と、上記受信光ファイバＯｆ２の中心軸Ａｘ２とを結んだ直線上に、それらの中心軸がくるように配置し、また各バルク型レンズＬｂ１,Ｌｂ２の環状集光レンズ面側が対向するよう配置されてなるものである。そして、２つのバルク型レンズＬｂ１、Ｌｂ２の配置位置は、上記第１のバルク型レンズＬｂ１と上記第２のバルク型レンズＬｂ２との間の距離D2が、上記第１のバルク型レンズＬｂ１の一方の面である環状集光レンズの後ろ焦点と、上記第２のバルク型レンズＬｂ２の一方の面である環状集光レンズの前焦点とが一致する距離とする。なお、上記図６においては、バルク型レンズＬｂ内の距離D1を該バルク型レンズＬｂの一方の面である球面レンズの焦点距離に値するものとしたが、図９において用いるバルク型レンズＬｂ内の距離D1は任意でよい。また、上記各バルク型レンズＬｂの大きさは、送信光ファイバＯｆ１から出射される光線の最大角度が受光角Ψmax以上にはならないことより、その受光角Ψmaxで出射される光がレンズの使用領域の範囲内に入射される大きさであればよい。
【００６０】
ここで、上記バルク型レンズＬｂを、図７で示したものと同様のものを使用するとし、上記バルク型レンズＬｂの使用領域の最端位置に、送信光ファイバＯｆ１から受光角Ψmaxで出射された光線が入射されるものとすれば、図９に示された構成を有する光学レンズ系は、上述した図５に示す光学レンズ系の構成と同じ構成であるとみなせる。つまり、上記第１のバルク型レンズＬｂ１の片面である球面レンズ面は、図５の第１の球面レンズＬｃ１に相当し、もう片面の環状集光レンズ面は、図５の第１の環状集光レンズＬｄ１に相当し、上記第２のバルク型レンズの片面である環状集光レンズ面は、図５の第２の環状集光レンズＬｄ２に相当し、もう片面である球面レンズ面は、図５の第２の球面レンズＬｃ２に相当することになる。
【００６１】
よって、図９に示す光学レンズ系を通過する光線の動きは、図５の光学レンズ系を通過する光線の動きと同様となり、受信光ファイバＯｆ１から伝搬速度が遅い大きな角度で出射される光線Ｒ１は、図９に示す光学レンズ系を通過することにより、伝搬速度の速い入射角度が小さい角度の光線に変えられ、逆に、受信光ファイバＯｆ１から伝搬速度が速い小さな角度で出射された光線Ｒ２は、上記光学レンズ系を入射されることにより、伝搬速度の遅い入射角度が大きい角度の光線に変えられて、送信光ファイバＯｆ２に入射されることになる。
【００６２】
この結果、上記光線Ｒ１及び光線Ｒ２に同じ信号をのせて伝送した場合、上記光レンズ系により光線Ｒ１と光線Ｒ２との伝搬速度差を解消することができ、モード分散を削減することができる。
【００６３】
このように、一方の面がリング形状に集光する環状集光レンズで、他方の面が球面レンズである、円柱状のバルク型レンズを組み合わせてなる光学レンズ系に、受信光ファイバＯｆ１から、同じ信号がのせられた光線Ｒ１及び光線Ｒ２が入射されると、伝搬速度の遅い大きな角度で入射された光線Ｒ１が伝搬速度の小さい角度で出射され、逆に伝搬速度の速い小さな角度で入射された光線Ｒ２が伝搬速度の遅い大きな角度で出射されるので、光ファイバ内における光の伝搬速度差を解消して、モード分散を削減することができる。
【００６４】
また、本実施の形態１の変形例１では、上記光学レンズ系がバルク型レンズからなるため、周囲雰囲気から屈折率の高いレンズに光を入射させる際に、該入射光がレンズ面で反射する光量を減らすことができ、これにより、効率よく送信光ファイバＯｆ１から受信光ファイバＯｆ２に光を伝送することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態１の変形例１においては、上記バルク型レンズの組み合わせからなる光学レンズ系について、具体例を２つ挙げたが、上述したレンズの組み合わせや配置位置に限られるものでない。
【００６６】
さらに、図１に示す光学レンズ系を実現する第３の具体例として、２乗分布の屈折率分布を径方向に１つ有する円柱状のＧＲＩＮレンズと、該ＧＲＩＮレンズを改良して、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有するようにした円柱状の改良ＧＲＩＮレンズとからなる光学レンズ系について説明する。
【００６７】
実施の形態１の変形例２.
まず、図１０〜図１３を用いて、本実施の形態１の変形例２の光学レンズ系に使用する、ＧＲＩＮレンズ、及び改良ＧＲＩＮレンズについて説明する。図１０は、ＧＲＩＮレンズのある断面における屈折率分布を示す図であり、図１１は、ＧＲＩＮレンズを通過する光線の動きを示す図である。また、図１２は、本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズのある断面における屈折率分布を示す図であり、図１３は、本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズを通過する光線の動きを示す図である。
【００６８】
まず、ＧＲＩＮレンズについて説明する。
【００６９】
ＧＲＩＮレンズは、図１０に示すように、レンズの中心軸上における屈折率が一番高く、径方向に屈折率が略２乗分布形状を描いて下がっていく円柱状のレンズであり、また、図１１に示すように、該レンズ内の光線の蛇行周期（以下、「ピッチ（Ｐ）」と称する。）によって、ＧＲＩＮレンズを通過する光線の動きが変化するものである。例えば、図１１（ａ）は、０．２５ピッチ（Ｐ）のＧＲＩＮレンズ内を通過する光線の動きを示すものであり、点光源を入射面の中心におけば平行性のよい光線を取り出すことができ、逆に無限遠物体の倒立像が出射面に結像される。また、図１１（ｂ）は、０．５ＰのＧＲＩＮレンズ内を通過する光線の動きを示すものであり、入射面においた物体の倒立実像が出射面上に結像される。さらに、図１１（ｃ）は、０．７５ＰのＧＲＩＮレンズ内を通過する光線の動きを示すものであり、無限遠物体の正立結像が出射端面上に結像される。なお、図１０及び図１１において、ｄはレンズ直径を示し、ｄ’はレンズ使用領域幅を示すものである。
【００７０】
そして、今回新たに作製する、中心軸に対し対称な２乗分布の屈折率分布を径方向に２つ有する円柱状の改良ＧＲＩＮレンズは、図１２に示すように、レンズ使用領域幅ｄ’内において、レンズ中心軸から±ｄ’／４の屈折率が一番高く、該２点からレンズの中心軸方向及び外周方向に、屈折率が略２乗分布形状を描いて下がっていく円柱状のレンズである。そして、上述したＧＲＩＮレンズと同様、図１３に示すように、ピッチの違いにより該改良ＧＲＩＮレンズ内を通過する光線の動きが変化する。なお。図１２及び図１３においても、ｄはレンズ直径を示し、ｄ’はレンズ使用領域幅を示す。
【００７１】
ここで、図１４〜図１６を用いて、上記改良ＧＲＩＮレンズの作製方法について、いくつか例を挙げて説明する。図１４は、本実施の形態１の変形例２における改良ＧＲＩＮレンズを既存のＧＲＩＮレンズから作製する作製方法を示す図であり、図１５は、従来のＧＲＩＮレンズを作製する方法を示す図であり、図１６は、図１５に示したＧＲＩＮレンズの作製方法を応用して改良ＧＲＩＮレンズを作製する方法を示す図である。
【００７２】
まず、第１の方法は、既存のＧＲＩＮレンズ１４０から、図１４（ａ）に示すように、直径を中心に対称な２直線を２辺とする扇形の柱状にカットして扇形柱１４０ａを形成し、この扇形柱１４０ａを同様にして複数形成し、図１４（ｂ）に示すように、上記扇形の頂点を一点に集中させて束ねるように配置して一体とすることで、略円形状の扇形柱集合体である改良ＧＲＩＮレンズ１４１を作製するものである。このようにして改良ＧＲＩＮレンズを作製する場合、上記既存のＧＲＩＮレンズ１４０からとりだす扇形柱１４０ａの頂角を小さくするほど、より精度のよい、改良ＧＲＩＮレンズを得ることができる。また、上述したようにして作製した、図１４（ｂ）の略円形状の扇形柱集合体の改良ＧＲＩＮレンズ１４１を加熱して、図１４（ｃ）に示すように、円柱形状に再成形するようにすれば、さらに精度のよい、円柱成形体である改良ＧＲＩＮレンズ１４２を得ることができる。なお、このようにして作製された改良ＧＲＩＮレンズ１４１，１４２の径は、元のＧＲＩＮレンズ１４０の２倍となることに、注意すべきである。
【００７３】
次に、第２の方法は、通常のＧＲＩＮレンズの作製方法を応用して、改良ＧＲＩＮレンズを作製するものである。すなわち、通常のＧＲＩＮレンズの作製方法は、図１５（ａ）のように、低い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体１５０の内側に、高い屈折率を有する円柱形状の柱状体１５１をはめ込み、これに、熱拡散やイオン交換等を施すことによって屈折率の高低差を拡散させて、図１５（ｂ）に示すような径方向の屈折率分布１５３をもつ、ＧＲＩＮレンズ１５２を作製するものである。これを応用した上記改良ＧＲＩＮレンズの作製方法は、まず、図１６（ａ）のように、低い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体１６０の内側に、高い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体１６１をはめ込み、さらにその内側に再び低い屈折率を有する円柱形状の柱状体１６２をはめ込んで、３層の屈折率構造を有するものとしたものに、熱拡散やイオン交換等を施すことによって各屈折率の高低差を拡散させ、図１６（ｂ）に示すような、径方向に２つの山を有する、すなわちリング状の頂部を有する屈折率分布１６３をもつ、改良ＧＲＩＮレンズ１６４を作製するものである。
【００７４】
また、第３の方法は、光ファイバのプリフォームを作製する方法を応用して、改良ＧＲＩＮレンズを作製するものであり、例えば、中空ガラス管に気体状のガラス原料を吹き付け、該ガラス中空管をバーナで熱して管内において気相酸化反応させ、石英ガラス微粒子（SiO2）等を管内に堆積させるＭＣＶＤ法（内づけ法）を応用し、該中空ガラス管に吹き付けるガラス原料の成分を変えて、上述したような屈折率分布を有する柱状体を作製する方法や、芯となる中心ガラス棒の周りに気体状のガラス原料をバーナで熱しながら吹き付け、火炎加水分解反応及び酸化反応により石英ガラス微粒子（SiO2）等をガラス棒の周りに堆積させて円柱状のスートプリフォームを作製し、該スートプリフォームを高温で脱水するＶＡＤ法（外づけ法）を応用し、該ガラス棒に吹き付けるガラス原料の成分を変えて、上述したような屈折率分布を有する柱状体を作製する方法等がある。
【００７５】
次に、本実施の形態１の変形例２における光学レンズ系について説明する。
【００７６】
まず、図１７を用いて、ＧＲＩＮレンズと改良ＧＲＩＮレンズとからなる光学レンズ系の構成について説明する。図１７は、本実施の形態１の変形例２における、ＧＲＩＮレンズと改良ＧＲＩＮレンズとからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【００７７】
図１７において、本実施の形態１の変形例２における光学レンズ系は、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、第１の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズＬｇ１と、上述したようにして作製された０．５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’と、第２の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズＬｇ２とを、上記送信光ファイバＯｆ１の中心軸Ａｘ１と、上記受信光ファイバＯｆ２の中心軸Ａｘ２とを結んだ直線上に、それらの中心軸がくるように配置されてなるものである。そして、上記各レンズの配置位置としては、上記光ファイバと各０．２５ＰのＧＲＩＮレンズ、及び０．５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズとが接するように配置されている。
【００７８】
次に、以上のように構成された、本実施の形態１の変形例２における光学レンズ系を通過する光線の動きについて説明する。なお、ここでは説明を簡略化するため、送信光ファイバＯｆ１から、最大角度すなわち受光角Ψmaxで出射される光線Ｒ１と、最小角度すなわち平行光で出射される光線Ｒ２が、本光学レンズ系を通過する際の動きについて説明する。
【００７９】
図１７において、送信光ファイバＯｆ１から最大角度である受光角Ψmaxの光線Ｒ１が出射されると、該光線Ｒ１は、まず第１の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズＬｇ１に入射され、平行性のよい光ビームになって、０．５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’に入射される。そして、該０．５Ｐ改良のＧＲＩＮレンズＬｇ’に入射された光線Ｒ１は反転して、第２の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズＬｇ２の中心軸上に入射され、第２の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズの中心軸上を平行光として通過して、その平行光のまま受信光ファイバＯｆ２に入射される。一方、送信光ファイバＯｆ１から最小角度である平行光である光線Ｒ２が出射されると、該光線Ｒ２は、まず第１の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズＬｇ１の中心軸上を平行光のまま通過し、０．５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’に入射される。そして、平行光として該０．５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’に入射された光線Ｒ２は、反転して第２の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズＬｇ２の使用領域の最端位置に入射され、第２の０．２５ＰのＧＲＩＮレンズの使用領域の最端位置から受信光ファイバＯｆ２に入射角度が最大角度つまり受光角Ψmaxで入射される。
【００８０】
そして、上記送信光ファイバＯｆ１から伝搬速度が遅い大きい角度で出射される光線Ｒ１と、上記送信光ファイバＯｆ１から伝搬速度が速い小さな角度で出射される光線Ｒ２とに同じ信号をのせて、上述した本実施の形態１の変形例２における光学レンズ系を通過させた場合、本光学レンズ系は、伝搬速度の遅い光線Ｒ１を伝搬速度の速い光線とし、伝搬速度の速い光線Ｒ２を伝搬速度の遅い光線とすることができるので、光ファイバのコア内に生じる上記光線Ｒ１と光線Ｒ２との伝搬速度差を解消することができ、この結果、光ファイバ内に生じるモード分散を削減することが可能となる。また、送信光ファイバＯｆ１の出射端面、及び受信光ファイバＯｆ２の入射端面と、上記各ＧＲＩＮレンズとが接しているので、周囲雰囲気から屈折率の高いＧＲＩＮレンズに光を入射させる際に、該入射光がレンズ面で反射してしまう光量を減らすことができ、これにより、かなり効率よく、送信光ファイバＯｆ１から受信光ファイバＯｆ２に光を伝送することができる。
【００８１】
以上の説明では、上記ＧＲＩＮレンズと改良ＧＲＩＮレンズとを使用した光学レンズ系の１つの例として、図１７に示す、２つの０．２５ＰのＧＲＩＮレンズと、１つの０．５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズとからなるものを挙げたが、例えば図１８に示すように、改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’のみからなる構成も考えられる。図１８は、本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズのみからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【００８２】
本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’のみからなる光学レンズ系は、図１８に示すように、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’を配置し、上記送信光ファイバＯｆ１の中心軸Ａｘ１と、上記受信光ファイバＯｆ２の中心軸Ａｘ２とを結んだ直線上に、その中心軸がくるように配置されてなるものである。そして、上記０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の配置位置としては、上記送信光ファイバＯｆ１と０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’との間、及び該０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズと受信光ファイバＯｆ２との間を、距離D3の空間をあけるようにし、該距離D3は、上記送信光ファイバＯｆ１から最大角度つまり受光角Ψmaxで出射される光線Ｒ１が、上記０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸から、レンズの使用領域の範囲における４分の１の位置に入射される距離であり、また、上記０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’を通過し、受信光ファイバＯｆ２に最大角度つまり受光角で入射される光線Ｒ２が、０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸から、レンズの使用領域の範囲内における４分の１の位置から出射される距離である。なお、上記０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’内を通過する光線は、図１３（ｃ）に示されるように通過するものである。
【００８３】
次に、以上のような構成を有する光学レンズ系を通過する光線の動きについて説明する。なお、説明を簡略化するため、送信光ファイバＯｆ１から出射される光束のうち、最大角度すなわち受光角Ψmaxで出射される光線Ｒ１と、最小角度すなわち平行光で出射される光線Ｒ２とが本光学レンズ系を通過する際の動きについて説明する。
【００８４】
図１８において、まず送信光ファイバＯｆ１から、最大角度すなわち受光角Ψmaxの光線Ｒ１が出射されると、光線Ｒ１は、０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸から、レンズの使用領域の範囲における４分の１の位置に入射される。そして、該０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’に入射された光線Ｒ１は、図１８に示すような経路を通って、該０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸の位置から受信光ファイバＯｆ２に入射される。一方、送信光ファイバＯｆ１から最小角度である平行光である光線Ｒ２が出射されると、該光線Ｒ２は、距離D3だけ周囲雰囲気中を平行光で進み、０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸の位置に入射される。そして、該０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸の位置から入射された光線Ｒ２は、図１８に示すような経路を通って、該０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の中心軸から使用領域範囲における４分の１の位置から出射され、距離D3だけ周囲雰囲気中を進み、受信光ファイバＯｆ２に最大角度である受光角Ψmaxで入射される。
【００８５】
つまり、送信光ファイバＯｆ１から最大角度である受光角Ψmaxで出射された光線Ｒ１は、本光学レンズ系を通過することで、入射角度が最小角度つまり平行光になって受信光ファイバＯｆ２に入射され、送信光ファイバＯｆ１から最小角度すなわち平行光として出射された光線Ｒ２は、上記光学レンズ系を通過することで、入射角度が最大角度である受光角Ψmaxで受信光ファイバＯｆ２に入射されることとなる。
【００８６】
なお、図１８に示した改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’からなる光学レンズ系は、送信光ファイバＯｆ１と０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’との間、及び０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’と受信光ファイバＯｆ２との間に、距離D3の空間を設けるようにしたが、その各空間部分に、図１９に示すように、幅D3のロッドレンズＬｒｏｄを挿入し、送信光ファイバＯｆ１の端面と０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の端面、及び受信光ファイバＯｆ２の端面と０．７５Ｐの改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’の端面とを接するようにしてもよい。このようにすれば、周囲雰囲気から、屈折率の高いガラス製のレンズに光を入射させる際、あるいは屈折率の高いガラス製のレンズから光を出射させる際に、光がガラス面等において反射してしまうのを解消して、より効率よく送信光ファイバＯｆ１から受信光ファイバＯｆ２に光を伝送することができる。
【００８７】
このように、ＧＲＩＮレンズＬｇと、改良ＧＲＩＮレンズＬｇ’とを所定数組あわせてなる光学レンズ系、あるいは改良ＧＲＩＮレンズのみからなる光学レンズ系に、送信光ファイバＯｆ１の端面から、同じ信号がのせられた、伝搬速度の遅い光線Ｒ１及び伝搬速度の速い光線Ｒ２が入射されると、伝搬速度の遅い大きい角度で入射された光線Ｒ１が伝搬速度の速い小さい角度で出射され、逆に伝搬速度の速い小さい角度で入射された光線Ｒ２が伝搬速度の遅い大きい角度で出射されるので、光ファイバ内における光の伝搬速度差を解消して、モード分散を削減することができる。
【００８８】
なお、本実施の形態１の変形例２においては、ＧＲＩＮレンズ及び改良ＧＩＮレンズからなる光学レンズ系について、具体例を３つ挙げたが、本実施の形態１の変形例２における光学レンズ系の構成は、上述したＧＲＩＮレンズのピッチ（Ｐ）の組み合わせや配置位置に限られるものでない。
【００８９】
また、本実施の形態１においては、大きな角度で出射された光線Ｒ１を小さな角度で入射される光線に、また小さな角度で出射された光線Ｒ２を大きな角で入射される光線に変換する光学レンズ系を実現する具体例として、球面レンズと環状集光レンズとの組み合わせからなるもの（第１の具体例）、バルク型レンズの組み合わせからなるもの（第２の具体例）、ＧＲＩＮレンズと改良ＧＲＩＮレンズとのくみあわせからなるもの（第３の具体例）を挙げて説明したが、上記光学レンズ系の構成はこれらに限るものではなく、例えば、球面レンズと改良ＧＲＩＮレンズとの組み合わせからなるものや、バルク型レンズと改良ＧＲＩＮレンズとの組み合わせからなるものであってもよい。
【００９０】
以上のことにより、本実施の形態１によれば、送信光ファイバＯｆ１と受信光ファイバＯｆ２との間に、大きな角度で出射された光線Ｒ１を小さな角度で入射される光線に、また小さな角度で出射された光線Ｒ２を大きな角で入射される光線に変換する光学レンズ系を設け、該光線Ｒ１及び光線Ｒ２に同じ信号をのせて上記光学レンズ系を通過させるようにしたので、該光学レンズ系内において光線をミキシングすることで、光ファイバ内における光の伝搬速度差を解消することができ、その結果、モード分散を削減することができる。
【００９１】
なお、本実施の形態１では、説明を簡略化するため、図２、図１０、図１２に示すように、各レンズには収差が生じないものとして説明しているが、実際にはレンズには収差によるずれが存在するため、本実施の形態１の各変形例においてそのずれを考慮に入れた収差補正を行い、光学レンズ系に使用する各レンズをチューニングする必要がある。このようにすれば、よりモード分散を削減する効率をあげることができる。
【００９２】
さらに、以上の説明では、上記送信光ファイバＯｆ１の端面から入射される光線Ｒ１，Ｒ２に同じ信号をのせて上記本光学レンズ系を通過させ、該光学レンズ系においてそれらをミキシングして伝搬速度差を解消し、光ファイバに生じるモード分散を削減する場合ついて説明したが、上記光線Ｒ１，Ｒ２に異なる信号をのせて上記本光学レンズ系を通過させれば、上記光線Ｒ１により伝送されていた信号と、上記光線Ｒ２により伝送されていた信号とを交換するスイッチングとして利用することもできる。
【００９３】
実施の形態２.
以下、本実施の形態２について、図２０〜図２６を用いて説明する。
上記実施の形態１では、光ファイバで１つの信号を伝送する際に、該信号をのせた光線群を、上記光学レンズ系内においてミキシングすることにより、それらの伝搬速度差を解消してモード分散を削減するようにしたが、本実施の形態２においては、モード群分離器により、上記光線群を複数の光線群（モード群）、例えば、そのモード群を高次モード群側と低次モード群とに分離し、上記光線群のうちの高次モード群を出力していくことで、受信側でのパルス幅の広がりを少なくし、モード分散を削減するものである。
【００９４】
まず、図２０（ａ）及び図２１を用いて、本実施の形態２の原理について説明する。図２０（ａ）は、光ファイバから出力される光線群を２群に分けた場合を示しており、図２１は、本実施の形態２において、光ファイバに入射された各光線群により伝送される、各パルスの時間波形を示した図である。
【００９５】
図２０（ａ）に示すように、光ファイバ内を進んできた光線群は、例えば、２群に分けると、伝搬速度の遅い光線Ｒ１等である光ファイバから大きな角度で出射される高次モード群Ｒｈと、伝搬速度の速い光線Ｒ２等である光ファイバから小さな角度で出射される低次モード群Ｒｌとに分けることができる。
【００９６】
そして、図２１に示すように、上記高次モード群Ｒｈの光線と、低次モード群Ｒｌの光線とを分離して出力するようにすれば、高次モード群Ｒｈ及び低次モード群Ｒｌの両群の光線を分離せずに出力する場合（図２７（ｂ）参照）より、パルス幅の広がりが少なくなり、その結果モード分散も削減することができるものである。
【００９７】
以下、図２２を用いて、上述のように光ファイバに入射される光線群を高次モード群Ｒｈと、低次モード群Ｒｌとに分離するモード群分離器について説明する。
【００９８】
図２２は、本実施の形態２におけるモード群分離器の構成を示す図であり、図（ａ）は、穴あきミラーの正面図であり、図（ｂ）は、図（ａ）の穴あきミラーを用いたモード群分離器の構成を示す断面図であり、図（ｃ）は、図（ａ）の穴あきミラーと球面レンズとを一体化したバルク型のモード群分離器の構成を示す断面図である。
【００９９】
まず、図２２（ｂ）に示されるモード群分離器２２４の構成について説明する。図において、モード群分離器２２４は、図２２（ａ）に示す中央に穴が設けられた穴あきミラー２２１と、球面レンズ２２３とからなり、高次モード群Ｒｈの光線と低次モード群Ｒｌの光線とからなる光線群が光ファイバＯｆから出射されると、球面レンズ２２３を介して各光線が平行光にされた後、上記穴あきミラー２２１により、低次モード群Ｒｌは、該穴あきミラー２２１の穴２２２の部分から出力され、高次モード群Ｒｈは、上記穴あきミラー２２１のミラー部分で反射されるようにする。これにより、光線群を高次モード群Ｒｈと低次モード群Ｒｌとに分離することができる。
【０１００】
また、高次モード群Ｒｈの光線と低次モード群Ｒｌの光線を分離するモード群分離器は、図２２（ｃ）のような構成をもつものであってもよい。図２２（ｃ）に示すモード群分離器２２５は、図２２（ｂ）で説明した、球面レンズ２２３と穴あきミラー２２１とをバルク化したものであり、具体的には、片面が球面レンズ状になった円柱のガラス棒のもう一方の面に斜面を形成し、該斜面の中央部分に円形のマスキング等をほどこして金属２２６を蒸着させ、また、上記中央の金属が蒸着されていない円形部分には、入射してきた光線が反射しないようにＡＲ（無反射）コーディング２２７を施すことによって作製する。なお、上記モード群分離器２２５に入力された光線の動きは、上述したモード群分離器２２４と同様である。
【０１０１】
また、上述したモード群分離器としては、図２３に示すようなものも考えられる。図２３は、本実施の形態２におけるモード群分離器の別の構成を示す図であり、図（ａ）はモード群分離器の断面図であり、図（ｂ）は図（ａ）に示すモード群分離器の斜視図であり、図（ｃ）は図（ａ）に示すモード群分離器によって分離された出射光の動きを示した断面図である。
【０１０２】
図２３に示すモード群分離器２３１は、回転楕円体の一部であるすり鉢形状の円形凹面鏡２３３であり、その底部の中央に穴２３２が設けられているものである。
【０１０３】
上記モード群分離器２３１は、回転楕円体が２焦点をもち、一方の焦点から出力された光線は、もう一方の焦点にあつまる特性を利用しており、図２３（ｃ）に示すように、光ファイバＯｆを上記モード群分離器２３１の２焦点のうちの１つの焦点位置に設置し、該光ファイバＯｆから出射された光線群のうちの低次モード群Ｒｌは、該モード群分離器２３１の穴２３２から出力され、高次モード群Ｒｈは、上記モード群分離器２３１の円形凹面であるミラー２３３で反射され、上記２焦点のうちのもう一方の焦点に集光されるものである。これにより、上記光線群を、高次モード群Ｒｈと低次モード群Ｒｌとに分離することができる。なお、図２３（ｃ）においては、モード群分離器２３１により分離される光の動きを断面で示しているため、上記モード群分離器２３１の焦点が２点となっているが、実際にはその焦点は円環状であり、その円環状焦点の１箇所に光ファイバを設置すれば、その設置位置と円環状焦点の円の中心と点対称位置に、上記高次モード群Ｒｈは集光される。
【０１０４】
次に、図２４を用いて、上述したモード群分離器により、分離される光線の動きについて説明する。
【０１０５】
図２４は、本実施の形態２における、光線を分離して伝送する送受信装置(図(a))、及び上記送受信装置内の光送受信部の構成(図(b)，(c))を示す図である。
【０１０６】
図２４に示すように、各送受信装置は、光ファイバＯｆにより数珠つなぎ状態に接続されており、まず第１の送受信装置２０１ａ内の光送受信部２０２ａにおいて、光ファイバ内を伝送された光線群を分離して、その光線群のうちの高次モード群を出力し、低次モード群は次の第２の送受信装置２０１ｂに伝送する。そして、上記第２の送受信装置２０１ｂ内の光送受信部２０２ｂにおいて、上記第１の送受信装置２０１ａから伝送された光線群をさらに分離して、その光線群のうちの高次モード群を出力し、低次モード群は次の送受信装置(図示せず)へと伝送する。そして、上記第１の送受信装置２０１ａ内の光送受信部２０２ａは、上述したモード群分離器２２４ａと、該モード群分離器２２４ａの穴あきミラー２２１ａのミラー部分で反射して分離された高次モード群Ｒｈを受光素子２４２ａに集光させる第３の球面レンズ２４４ａと、上記モード群分離器２２４ａの穴あきミラー２２１ａの穴２２２を通過して、次の第２の送受信装置２０１ｂに伝送される低次モード群Ｒｌの光を集光する第２の球面レンズ２４３ａとを備えるものである。
【０１０７】
そして、第２の送受信装置２０１ｂの光送受信部２０２ｂは、上記第１の送受信装置２０１ａの光送受信部２０２ａと同様の構成を有するものであるが、光送受信部２０２ｂ内のモード群分離器２２４ｂの、穴あきミラー２２１ｂの穴２２２の大きさが異なる。つまり、第１の送受信装置２０１ａにおいては、光線群のうちの高次モード群が出力され、光ファイバを介して第２の送受信装置２０１ｂに低次モード群が伝送され、上記第２の送受信装置２０１ｂにおいては、第１の送受信装置２０１ａから伝送された低次モード群を、高次モード群と低次モード群とに分離して、その高次モード群を出力し、低次モード群を次の送受信装置に伝送するので、光送受信部２０２ｂの穴あきミラー２２１ｂの穴の大きさは、光送受信部２０２ａの穴あきミラー２２１ａの穴の大きさより小さくする必要がある。
【０１０８】
なお、ここでは上記モード群分離器２２４として、図２２(b)に示した構成を有するものを例に挙げて説明しているが、図２２（ｃ），図２３に示す構成を有するものであっても、同様である。
【０１０９】
このように、光ファイバに入射される光線群をモード群分離器において、高次モード群Ｒｈと低次モード群Ｒｌとに分離し、分離したモード群を出力するようにしたので、受信側において該光線群により伝送されるパルス幅の広がりを小さくすることができ、その結果、モード分散を削減することができる。
【０１１０】
上述したような構成は、例えば、電車内において、各車両にディスプレイ等をおいて画像を表示する等のマルチメディア放送をする場合に応用される。具体的に一例を挙げて説明すると、例えば、６両編成の電車の各車両に画像を送信し、該画像をディスプレイに表示する場合、光線群に上記画像信号をのせて光ファイバにより各車両に伝送する。そして、このようなとき、上記信号がのせられた光線群を、上記モード群分離器を用いて図２０（ｂ）に示すように６つのモード群ＲV5〜ＲV0に分割して各車両に出力する。つまり、まず、１両目において、モード群分離器のミラーの穴の大きさを調節して上記光線群のうちの１／６の光線ＲV5を高次モード群として出力し、ディスプレイに表示すると共に、残りの５／６の光線ＲV4〜ＲV0は低次モード群として光ファイバを介して次の送受信装置に伝送する。そして、２両目では、上記光ファイバを介して伝送された残りの５／６の光線群ＲV4〜ＲV0のうちの１／６の光線ＲV4を高次モード群として出力し、残りの４／６の光線ＲV3〜ＲV0は低次モード群として光ファイバを介して次の送受信装置に伝送する。そして、各車両において上述の処理を繰り返し、最終車両である６両目では、上記光線群のうちの最も低次モード側にある１／６の光線ＲV0が伝送されるものである。以上のように各車両で上記光線群を分離して出力していくことにより、該光線の各モード群で伝送される信号のパルス幅の広がりを抑えることができ、その結果、伝送する帯域を広げることができる。
【０１１１】
さらに、上記説明においては、光線群に同じ信号をのせ、各送受信装置においてモード分割する場合について説明したが、光線群のうちの高次モード群と低次モード群とに異なる信号をのせて、上記モード群分離器を備えた送受信装置により伝送するようにすれば、装置間で一定間隔毎に送受信方向が変わる半二重通信ではなく、装置間で同時に送受信が行われる全二重通信を行うこととが可能となる。
【０１１２】
以下、図２５及び図２６を用いて、送受信装置の構成、及び高次モード群Ｒｈ及び低次モード群Ｒｌの光線の動きについて説明する。図２５は、本実施の形態２における、全二重通信する場合の送受信装置を説明するための図であり、図２６は、図２５の送受信装置の光送受信部の詳細な構成を示す図である。
【０１１３】
図２５において、パソコン等である装置Ａ２０３ａと装置Ｂ２０３ｂとを光ファイバＯｆにより接続し、高次モード群の光線である光線Ｒ１と低次モード群の光線である光線Ｒ２とをモード多重させることで全二重通信を行う場合、上記装置Ａ，Ｂに、図２６に示すような光線を受信する光送受信部を設ける。そして、上記光送受信部の送信側には、信号を送信するＬＥＤ２４１、あるいはＬＤ等を設け、受信側には、光ファイバから出射される光線群を分離するモード群分離器２２４、及び分離後の各モード群の光線を受光する受光素子２４２等を設ける。
【０１１４】
ここで、図２５（ａ）に示すように、上記装置Ａ２０３ａと装置Ｂ２０３ｂとの間を光ファイバＯｆで接続し、装置Ａ２０３ａ、及び装置Ｂ２０３ｂの両方から、伝搬速度の速い小さい角度で出射される低次モード群Ｒｌの光線によって信号を送信すると、光ファイバＯｆ内において光線同士が拡散したり、装置Ａ２０３ａから出射された光線が光ファイバＯｆに入力されずにその入射端面に反射して戻ってきたり、光ファイバＯｆに入射してもファイバ内での散乱光が戻ってきたりする。そして、装置Ａ２０３ａの光送受信部２０５ａにおいては、入射される光線が、光ファイバＯｆの出射端において反射して戻ってきた光線であるか、装置Ｂ２０３ｂから出射された光線であるかを判別することができない。
【０１１５】
そこで光線を判別可能にするために、例えば、装置Ａ２０３ａから出射する光線を、光ファイバＯｆ内を小さな角度で全反射する伝搬速度の速い光線、つまり低次モード群Ｒｌの光線とし、装置Ｂ２０３ｂから出射する光線を、光ファイバＯｆ内を大きな角度で全反射する伝搬速度の遅い光線、つまり高次モード群Ｒｈの光線とし、各装置から出射される異なるモードの光線に信号をのせて、信号の送受信を行う。
【０１１６】
従って、上記装置Ａ２０３ａの第１の光送受信部２０５ａにおいては、送信側で低次モード群Ｒｌの光線を出射し、受信側で装置Ｂ２０３ｂから出射された高次モード群Ｒｈの光線が入射され、一方、上記装置Ｂ２０３ｂの第２の送受信部２０５ｂにおいては、送信側で高次モード群Ｒｈの光線を出射し、受信側で装置Ａ２０３ａから出射された低次モード群Ｒｌの光線が入射されることになる。このような構造をとると、各光送受信部２０５ａ，ｂは、その送信側と受信側において、逆のモード群の光線を出射、あるいは入射されるために、その構造を同じにすることはできないこととなる。
【０１１７】
以上のような場合に、図２５(ｂ)に示すように、本実施の形態１における光学レンズ系を、装置Ａ２０３ａと装置Ｂ２０３ｂとの間に挿入すれば、本光学レンズ系は、光ファイバ内を小さな角度で全反射する伝搬速度の速い光線を、光ファイバ内を大きな角度で全反射する伝搬速度の遅い光線に変換するので、上記装置Ａ２０３ａ，Ｂ２０３ｂの両装置の光送受信部において、送信側から低次モード群Ｒｌの光線を出射させ、受信側では高次モード群Ｒｈの光線が入射されるようにする。その結果、両装置Ａ，Ｂの光送受信部の構成を同じにすることができる。
【０１１８】
ここで、図２５（ｂ）に示される、上記装置Ａ２０３ａと装置Ｂ２０３ｂとの間で信号の送受信を行う場合の、光線の動きについて説明する。
【０１１９】
図２６は、装置Ａの第１の光送受信部の構成の一例を示す断面図であり、上記モード群分離器によって分離された低次モード群の光線と、高次モード群の光線の動きを説明している。なお、ここでは、モード群分離器は、図２２（ｂ）に示す、穴あきミラーと球面レンズとからなるモード群分離器２２４であるとする。
【０１２０】
図２６において、第１の光送受信部２０５ａは、穴あきミラー２２１と球面レンズ２２３とからなるモード群分離器２２４と、光源であるＬＥＤ２４１と、ＬＥＤ２４１から出力された光線を平行光にする第３の球面レンズ２４３と、上記モード群分離器２２４から出力された光線を集光させる第２の球面レンズ２４４と、光ファイバＯｆからの光線を受光する受光素子２４２とを備えるものである。
【０１２１】
まず、装置Ｂ２０３ｂ(図示せず)から出射された、小さな角度で全反射する伝搬速度の速い光線群である低次モード群Ｒｌは、光ファイバＯｆ２中を進み、上記光学レンズ系を通過することで、大きな角度で全反射する伝搬速度の遅い高次モード群Ｒｈに変換され、高次モード群Ｒｈの光線として光ファイバＯｆ１を進み、第１の光送受信部２０５ａに入力される。
【０１２２】
第１の光送受信部２０５ａに入力された高次モード群Ｒｈは、まず、モード群分離器２２４に入力され、穴あきミラー２２１のミラー部分に反射して、第２の球面レンズ２４４により一焦点に集められ、その焦点位置に設置した受光素子２４２において受光される。
【０１２３】
一方、装置Ａ２０３ａから出射される、小さな角度で全反射する伝搬速度の速い低次モード群Ｒｌは、第３の球面レンズ２４３を介して平行光にされて、モード群分離器２２４の穴あきミラー２２１の穴の部分２２２を通過して、第１の球面レンズ２２３により集光された後、光ファイバＯｆ１中を進み、上記光学レンズ系を通過することで、光ファイバ内を大きな角度で全反射する伝搬速度の遅い光線群である高次モード群Ｒｈに変換され、光ファイバＯｆ２を介して、装置Ｂ２０３ｂの第１の光送受信部２０５ａに入力される。
【０１２４】
従って、装置Ｂ２０３ｂの第１の光送受信部２０５ａに入射される光線は、高次モード群Ｒｈであり、出射される光線は、低次モード群Ｒｌであるため、装置Ｂ２０３ａの光送受信部として、上記装置Ａ２０３ａの第１の光送受信部２０５ａと同じ構成のものを使用することができる。
【０１２５】
また、上述のようにハーフミラー等を利用してモード群分離器を構成し、受信光と送信光とを分離するので、ＬＥＤ２４１からの送信光を、穴あきミラー２２１の穴部分２２２を介して光ファイバに直接入射させることができるため、送信効率をあげることができ、また、光ファイバＯｆから出射される受信光については、上記穴あきミラーのミラー部分で反射させて受信光の集光効率を上げることができるため、受信効率をあげることができるという効果もある。
【０１２６】
以上のように、本実施の形態２によれば、各送受信装置にモード群分離器を設け、該モード群分離器により光ファイバを送受信する光束を複数の光線群に分けることにより、各光線群により伝送されるパルス幅の広がりを少なくすることができ、その結果、モード分散を削減することが可能となる。また、光ファイバで接続された上記モード群分離器を備えた送受信装置の間に、実施の形態１で説明した光学レンズ系を挿入すれば、光ファイバにおいて全二重通信をすることが可能となる。
【０１２７】
なお、本実施の形態２においては、説明を簡略化するため、モード群分離器を用いて光線群を高次モード群Ｒｈと低次モード群Ｒｌとの２群にわける場合について説明したが、この分離する数は２つに限られず、モード群分離器としてフォログラフィーを使用し、光ファイバから出射される角度の違いによって反射させる位置をかえる等すれば、光ファイバから出射された光線群を任意の数に分離可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
以上のように、本発明に係る光学レンズ系、及び光学レンズ系の作製方法は、光ファイバから出射された光線群を複数のモード群に分離し、モード群の分散を解消するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の光学レンズ系の原理を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１における、球面レンズ及び環状集光レンズに入射された平行光の集光状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における、環状集光レンズの平面図（図(a)）と、そのＡ−Ａ’断面図（図(b)）とを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１における、環状集光レンズと球面レンズとからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における、環状集光レンズと球面レンズとからなる光学レンズ系の別の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における、バルク型レンズの斜視図（図(a)）と、そのＡ−Ａ’断面図（図(b)）とを示す図である。
【図７】本実施の形態１の変形例１における、バルク型レンズからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【図８】球面レンズの集光状態（図(a)）と、球面レンズ面側で接している２つのレンズの集光状態（図(b)）とを示す図である。
【図９】本実施の形態１の変形例１における、バルク型レンズからなる光学レンズ系の別の構成を示す断面図である。
【図１０】ＧＲＩＮレンズのある断面における屈折率分布を示す図である。
【図１１】蛇行周期（ピッチ）が０．２５ピッチ(図(a))、０．５ピッチ（図(b)）、０．７５ピッチ（図(c)）であるＧＲＩＮレンズ内を通過する光線の動きを示す図である。
【図１２】本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズのある断面における屈折率分布を示す図である。
【図１３】本実施の形態１の変形例２における、蛇行周期（ピッチ）が０．２５ピッチ(図(a))、０．５ピッチ（図(b)）、０．７５ピッチ（図(c)）である改良ＧＲＩＮレンズ内を通過する光線の動きを示す図である。
【図１４】本実施の形態１の変形例２における、既存のＧＲＩＮレンズを加工することによる改良ＧＲＩＮレンズの作製方法の一例を示す図である。
【図１５】従来のＧＲＩＮレンズの作製方法の一例を示す図である。
【図１６】本実施の形態１の変形例２における、従来のＧＲＩＮレンズの作製方法を応用した改良ＧＲＩＮレンズの作製方法の一例を示す図である。
【図１７】本実施の形態１の変形例２における、ＧＲＩＮレンズと改良ＧＲＩＮレンズとからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【図１８】本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズのみからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【図１９】本実施の形態１の変形例２における、改良ＧＲＩＮレンズとロッドレンズからなる光学レンズ系の構成を示す断面図である。
【図２０】本実施の形態２における光ファイバから出力される光線群の高次モード群と低次モード群とを示す図であり（図(a)）、光ファイバから出力される光線群の６つのモード群を示す図である（図(b)）。
【図２１】本実施の形態２における、光ファイバに入射された各光線群により伝送される各パルスの時間波形を示した図である。
【図２２】本実施の形態２に係るモード群分離器の構成を示す図であり、図（ａ）は、穴あきミラーの正面図であり、図（ｂ）は、図（ａ）の穴あきミラーを用いたモード群分離器の構成を示す断面図であり、図（ｃ）は、図（ａ）の穴あきミラーと球面レンズとを一体化したバルク型のモード群分離器の構成を示す断面図である。
【図２３】本実施の形態２の係るモード群分離器の別の構成を示す図であり、図（ａ）は、モード群分離器の断面図であり、図（ｂ）は、図（ａ）に示すモード群分離器の斜視図であり、図（ｃ）は、図（ａ）に示すモード群分離器によって分離された出射光の動きを示した断面図である。
【図２４】本実施の形態２におけるモード群分離器を備えた送受信装置により、光線を伝送する場合の装置構成を示す図である。
【図２５】本実施の形態２における、モード群分離器を備えた送受信装置により、全二重送信をする場合の装置構成を示す図である。
【図２６】本発明における、装置Ａの第１の光送受信部の構成の一例を示す断面図である。
【図２７】従来における、光ファイバに入射された光がコア内を伝送される状態を示した断面図、及び伝送されるパルスの時間波形を示す図である。
【図２８】ステップ・インデックス・ファイバ（図(a)）及びグレーデッド・インデックス・ファイバ（図(b)）に入射された光が、各コア内を伝送される状態を示した断面図である。
【図２９】グレーデッド・インデックス・ファイバの屈折率の違いによる、入射光の伝送状態の違いを示す図であり、図(a)は、最適な屈折率分布より小さな場合、図(b)は、屈折率分布が最適な場合、図(c)は、最適な屈折率分布より大きい場合を示す。
【符号の説明】
【０１３０】
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１’，Ｒ２’  光線
Ｒｈ  高次モード群
Ｒｌ  低次モード群
Ｏｆ１  送信光ファイバ
Ｏｆ２  受信光ファイバ
Ａｘ１，Ａｘ２  中心軸
Ｌｄ  環状集光レンズ
Ｌｃ  球面レンズ
Ｌｂ  バルク型レンズ
Ｌｇ  ＧＲＩＮレンズ
Ｌｇ’  改良ＧＲＩＮレンズ
Ｌｒｏｄ  ロッドレンズ
ｄ  レンズ直径
ｄ’  レンズの使用領域幅
１４０，１５２  ＧＲＩＮレンズ
１４０ａ  ＧＲＩＮレンズをカットした扇形柱
１４１  扇形柱集合体である改良ＧＲＩＮレンズ
１４２  円柱成形体である改良ＧＲＩＮレンズ
１５０，１６０  低い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体
１５１  高い屈折率を有する円柱形状の柱状体
１６１  高い屈折率を有するドーナツ形状の柱状体
１６２  低い屈折率を有する円柱形状の柱状体
１５３，１６３  屈折率分布
１６４  改良ＧＲＩＮレンズ
２０１ａ  第１の送受信装置
２０１ｂ  第２の送受信装置
２０２ａ，２０２ｂ  光送受信部
２０３ａ  装置Ａ
２０３ｂ  装置Ｂ
２０５ａ  第１の光送受信部
２０５ｂ  第２の光送受信部
２２１，２２１ａ，２２１ｂ  穴あきミラー
２２２，２３２  穴
２２３，２２３ａ，２２３ｂ  球面レンズ
２２４，２２５，２３１  モード群分離器
２２６  金属
２２７  ＡＲコーティング
２３３  ミラー
２４１  ＬＥＤ
２４２，２４２ａ，２４２ｂ  受光素子
２４３，２４３ａ，２４３ｂ  第３の球面レンズ
２４４，２４４ａ，２４４ｂ  第２の球面レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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