(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) 入射光を平行ビームにするコリメータ手段と、(b) 前記平行ビームの一部をタップ部分として通過させるために、前記コリメータ手段の端面に形成された部分透過反射膜と、(c) 前記コリメータ手段が固定された支持管と、(d) 前記タップ部分を集光するレンズと、(e) 前記タップ部分を受信して光強度を検出する光検出器と、(f) 前記集光レンズ及び前記光検出器が固定された密封筐体とを具備する光パワーモニタであって、前記密封筐体は、前記集光レンズ及び前記光検出器が前記支持管内に位置するとともに、前記支持管の前記コリメータ手段と反対側の開口部が密封されるように、前記支持管に挿入されて固定され、もって前記支持管と前記密封筐体により前記コリメータ手段と前記集光レンズとの相対位置が固定されることを特徴とする光パワーモニタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光パワーモニタにおいて、前記コリメータ手段及び前記密封筐体がそれぞれ前記支持管に接着されていることを特徴とする光パワーモニタ。
【請求項３】
(a) 入力光ポート及び出力光ポートを有するデュアルファイバフェルールと、(b) 前記デュアルファイバフェルールを支持する第１の支持管と、(c) 入射光を平行ビームにするコリメータ手段と、(d) 前記コリメータ手段を支持する第２の支持管と、(e) 前記平行ビームの一部をタップ部分として通過させるために、前記コリメータ手段の端面に形成された部分透過反射膜と、(f) 前記コリメータ手段が固定された第３の支持管と、(g) 前記タップ部分を集光するレンズと、(h) 前記タップ部分を受信して光強度を検出する光検出器と、(i) 前記集光レンズ及び前記光検出器が固定された密封筐体とを具備する光パワーモニタであって、前記第１の支持管と前記第２の支持管との間に、前記部分透過反射膜が反射した出力光ビームの光学損失を最小にするための位置調整用の光軸方向間隙を有し、前記密封筐体は、前記集光レンズ及び前記光検出器が前記第３の支持管内に位置するとともに、前記第３の支持管の前記コリメータ手段と反対側の開口部が密封されるように、前記第３の支持管に挿入されて固定され、もって前記第３の支持管と前記密封筐体により前記コリメータ手段と前記集光レンズとの相対位置が固定されることを特徴とする光パワーモニタ。
【請求項４】
請求項３に記載の光パワーモニタにおいて、前記コリメータ手段及び前記密封筐体がそれぞれ前記第３の支持管に接着されていることを特徴とする光パワーモニタ。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の光パワーモニタにおいて、前記コリメータ手段は光学主軸に対して傾斜したレンズ面を有するGRINレンズであり、前記傾斜レンズ面は焦点の最適化のために前記デュアルファイバフェルールの平行なフェルール面に空隙を介して対面していることを特徴とする光パワーモニタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置調整が容易で信頼性の高い光パワーモニタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光デバイスの設計及び製造に関する技術分野において、様々な光学システムで簡便に自己監視機能及び自己診断機能を発揮し、信頼性が高く適応範囲が広い、小型パワーモニタ等の光センサや光パワーモニタデバイスを提供することが当業者の課題となっている。つまり、様々な光学システムが益々複雑化する一方で、より広い帯域幅の信号を伝送する光ネットワーク通信システムが益々広範に用いられるようになり、光学システムのメンテナンス及びトラブルシューティングは益々困難になってきている。
【０００３】
システムの保守、診断及び修理による通信の中断時間及びそれらにかかるコストを減らすために、自己監視機能及び自己診断機能、さらには自己修正機能をも備えた「スマート」なシステムが望まれている。このようなシステムを実現するためにはまず、様々な光学システムにおいてより多くの検知及び監視装置を導入することが、システム及び運転状況の連続検知及び連続検出を実行する上で必要である。
【０００４】
システムの検知及び監視は多くの場合において、新規システムだけでなく既存のシステムにも必要である。既存のシステムにセンサ及びモニタを設置するためには、既存の構造及び設備状況に応じて使用可能で、操作範囲が広く、小型のセンサ及びモニタが必要となることが多い。光学センサ装置及び光パワーモニタ装置に関する従来の技術では、このような応用に適した十分に小型で融通性及び信頼性の高い、光パワーモニタ等のセンサ及びモニタを提供することができなかった。
【０００５】
これらの理由により、上述の問題を解決するべく、小型で操作性に優れた高信頼性の光パワーモニタの設計及び製造技術の改良が求められている。つまり、光パワーモニタの構造及び製造方法を改良及び単純化して、小型で高信頼性の光パワーモニタを低コストで得ることが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、位置調整が容易で高信頼性の光パワーモニタを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施態様による光パワーモニタは、(a) 入射光を平行ビームにするコリメータ手段と、(b) 前記平行ビームの一部をタップ部分として通過させるために、前記コリメータ手段の端面に形成された部分透過反射膜と、(c) 前記コリメータ手段が固定された支持管と、(d) 前記タップ部分を集光するレンズと、(e) 前記タップ部分を受信して光強度を検出する光検出器と、(f) 前記集光レンズ及び前記光検出器が固定された密封筐体とを具備し、前記密封筐体は、前記集光レンズ及び前記光検出器が前記支持管内に位置するとともに、前記支持管の前記コリメータ手段と反対側の開口部が密封されるように、前記支持管に挿入されて固定され、もって前記支持管と前記密封筐体により前記コリメータ手段と前記集光レンズとの相対位置が固定されることを特徴とする。
【０００８】
本発明のさらに好ましい実施態様による光パワーモニタは、(a) 入力光ポート及び出力光ポートを有するデュアルファイバフェルールと、(b) 前記デュアルファイバフェルールを支持する第１の支持管と、(c) 入射光を平行ビームにするコリメータ手段と、(d) 前記コリメータ手段を支持する第２の支持管と、(e) 前記平行ビームの一部をタップ部分として通過させるために、前記コリメータ手段の端面に形成された部分透過反射膜と、(f) 前記コリメータ手段が固定された第３の支持管と、(g) 前記タップ部分を集光するレンズと、(h) 前記タップ部分を受信して光強度を検出する光検出器と、(i) 前記集光レンズ及び前記光検出器が固定された密封筐体とを具備し、前記第１の支持管と前記第２の支持管との間に、前記部分透過反射膜が反射した出力光ビームの光学損失を最小にするための位置調整用の光軸方向間隙を有し、前記密封筐体は、前記集光レンズ及び前記光検出器が前記第３の支持管内に位置するとともに、前記第３の支持管の前記コリメータ手段と反対側の開口部が密封されるように、前記第３の支持管に挿入されて固定され、もって前記第３の支持管と前記密封筐体により前記コリメータ手段と前記集光レンズとの相対位置が固定されることを特徴とする。
【０００９】
前記コリメータ手段は光学主軸に対して傾斜したレンズ面を有するGRINレンズであり、前記傾斜レンズ面は焦点の最適化のために前記デュアルファイバフェルールの平行なフェルール面に空隙を介して対面しているのが好ましい。
【００１０】
前記コリメータ手段及び前記密封筐体はそれぞれ第３の支持管に接着されているのが好ましい。
【００１１】
【発明の効果】
部分透過反射膜（フィルタ）を中心としてパッケージする構造にすることによりパワーモニタの環境安定性を高めることができる。光パワーモニタの小型化及び位置調整の簡略化のために、端面に部分透過反射膜が形成されたコリメータ手段と、集光レンズ及び光検出器が固定された密封筐体とを支持管に挿入して固定する構造とすることにより、最も精度が要求されるコリメータ手段と集光レンズとの最適な相対位置を容易に決め、固定することができる。また信号収集効率を改善するために、光の収集と光の焦点合わせを同時に行う機能を利用している。従って本発明の光パワーモニタは、信号強度の検出だけでなく、データ品質の分析等の広範囲な用途に利用することができ、種々の光学システムに装着すると、超小型で適応範囲が広く、長期間にわたって信頼性が高く、かつ設計の自由度が高いという利点が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施態様を添付図面を参照にして以下詳細に説明する。図１に示す光パワーモニタ100は、入力用光ファイバ106からの入力ビームの受信及び出力用光ファイバ107への出力ビームの送信のためのデュアルファイバフェルール110を有する。
【００１３】
入力用光ファイバ106から受信した入力ビームは部分透過反射膜125を有するGRINレンズからなるコリメータ手段120に入射する。部分透過反射膜125は、ビームスプリッタ／タッピングフィルタ（光の一部を透過させ、残部を反射する部分透過反射膜）として機能する。入力用光ファイバ106から受信したビームの強度を測定するために、集光レンズ130を通ったビームのタップ部分をフォトダイオード等の光検出器140に送る。
【００１４】
部分透過反射膜125はさらにビームの大部分を反射し、反射されたビームはGRINレンズ120を通して出力光ビームとして出力用光ファイバ107に送られる。熱安定性を最大にし、光エネルギー損失を削減し、もって光損傷閾値を増加させるために、部分透過反射膜125はGRINレンズ120の集光面上に多層膜としてコーティングされている。部分透過反射膜125を直接GRINレンズ120上に形成することにより、装置の構造が簡単になり、保守が容易になるのみならず、GRINレンズ120と他の光フィルタとの間の位置合わせ（多層膜の代わりに離隔した反射／タッピング手段を用いる場合に必要）が不要になる。
【００１５】
光スプリッタ比は光電信号強度及び総光信号強度損失のレベルに合わせて調整することができる。一般的にタップされた信号が初期ビーム強度の１〜10％の範囲となるように多層部分透過反射膜を形成する。
【００１６】
デュアルファイバフェルール110及びGRINレンズ120の対向端面101及び111はそれぞれ、反射減衰量を大きくするために、傾斜角θ＝８°の平行面として配置される。これらの傾斜面を通過する光信号の光学損失を減らすために、これらの両端面101，111を反射防止多層膜で被覆されている。信号損失を最小に調整するために、デュアルファイバフェルール110及びGRINレンズ120は第１の支持管105及び第２の支持管124によってそれぞれ支持されている。
【００１７】
これらの２つの支持管105及び124は平行な境界面を有し、GRINレンズ120及びデュアルファイバフェルール110の光軸方向の線形位置のみを確実に調整する。焦点の最適化のためにデュアルファイバフェルール110及びGRINレンズ120の間に空隙121が設けられている。２つの支持管105及び124間のごく僅かな間隙123は光軸方向の自由な動きを可能にする。これらの２つの支持管105及び124でGRINレンズ120及びデュアルファイバフェルール110を支持することができる。２つの線形方向［光軸（Ｚ軸）に垂直なＸ軸方向及びＹ軸方向］に沿ってGRINレンズ120とデュアルファイバフェルール110との相対位置を調整することにより、位置合わせ工程を非常に単純化することができるとともに、入力端106と出力端107との間の光学損失を最小にすることができる。
【００１８】
図２は位置合わせを概略的に示す。主光軸（Ｚ軸）に沿ってデュアルファイバフェルール110及びGRINレンズ120を相対的に動かすことによって、焦点を合わせることができる。一方、Ｘ−Ｙ平面における相対的な動きにより、平行入射ビームと主光軸（Ｚ軸）との間の角度が変化する。従って、入射ビームと出力ビームの相対位置は３次元で位置合わせ調整することができる。好ましい実施態様において、入力光ファイバ106と出力光ファイバ107との距離は約125μmである。部分透過反射膜125が投射する光ビームの方向と、Ｚ軸に沿ったデバイスの主光軸との角度αは約1.8°である。
【００１９】
図１から明らかなように、構造を一体化するために、第３の支持管150の一方の開口部からGRINレンズ120を挿入するとともに、支持管150の他方の開口部（GRINレンズ120の反対側）から集光レンズ130及びフォトダイオード140を固定した金属製の密封筐体160を挿入する。GRINレンズ120又は密封筐体160を第３の支持管150内でスライドさせるだけで、GRINレンズ120と集光レンズ130との相対的な位置決め（特にＺ軸方向の位置決め）が容易になる。密封筐体160は、GRINレンズ120の反対側の開口部を密封するとともに、集光レンズ130を部分透過反射膜125に対して実質的に最適に位置決めする。
【００２０】
暗電流及びキャパシタンスはセンサの感受面積の物理的な大きさにより決定され、これらの関数パラメータはさらに、それぞれＳＮ比（S/N）及びアナログ応答帯域に影響を及ぼす。フォトダイオード140の感受面積を直径50μm〜100μmとすると、十分なＳＮ比及び２GHzまでの応答速度が得られる。
【００２１】
具体例としては、部分透過反射膜125の発光ビームサイズは直径約300〜500μmである。小型パワーモニタ用デバイスを製造するためには、光検出器140を小さくし、さらに部分透過反射膜125から光検出器140への光路を短くするために、集光距離の短い集光レンズ130を用いる必要がある。図１に示した具体的な構造においては、短焦点レンズ130が密封筐体160に固定されている。シリカ球レンズは低コストで性能が良いため、好ましく用いられる。さらにより小型なパワーモニタを得るために、特別に設計された非球面レンズを用いてスペースを減らしてもよい。
【００２２】
支持管150及び密封筐体160を用いて、密封筐体160内の決まった位置に集光レンズ130及びフォトダイオード140を固定することにより、位置調整を極めて簡略化し得る自動位置決め構造が得られる。さらに製造時間及びコストを削減し、構造の一体化及び製品の信頼性を改善することもできる。分岐ビームの焦点をフォトダイオード140上に合わせられるので、２つの電極145を通して光強度測定用として直接変換できる量の光電電流を発生させることにより、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。よりフレキシブルにタップ光信号を処理することができるように、光センサチップ上にプリアンプを設置してさらに光検出器140と一体化することもできる。
【００２３】
本発明の光パワーモニタを用いて光パワーを監視する方法は、(A) 入射光を平行ビームにするコリメータ手段を用い、(B) 光強度の検出及び監視に用いる平行ビームのタップ部分を通過させる部分透過反射膜をコリメータ手段上に形成する。デュアルファイバフェルールの入力光ポートを介して入射光ビームをコリメータ手段に入れ、部分透過反射膜が反射した出力光ビームをデュアルファイバフェルールの出力光ポートに入れるのが好ましい。また部分透過反射膜から来る平行ビームのタップ部分を光検出器に入れ、光強度を検出するのが好ましい。
【００２４】
光パワーの監視方法はさらに、(A) 光信号のタップ部分を集光検出手段に入れるコリメータ兼タッピング手段と、(B)コリメータ兼タッピング手段を保持するとともに、コリメータ兼タッピング手段と集光レンズの相対位置を固定する支持管と、(C)コリメータ兼タッピング手段に対向するとともに支持管のコリメータ手段と反対側の開口部を密封する密封筐体とを使用し、前記密封筐体は集光検出手段をコリメータ兼タッピング手段に対して最適な位置に固定する。
【００２５】
支持管150のコリメータ手段と反対側の開口部を密封する密封筐体160は、集光レンズ130及び光検出器140を固定する。この少なくとも２つの光学部品はコリメータ手段と反対側の開口部を密封するように位置決めされ、支持管150のコリメータ手段側の開口部から挿入される第３の光学部品と共に適切な機能を発揮する。GRINレンズ120を支持管150のコリメータ手段側の開口部から挿入して、支持管150内に配置するのが好ましい。
【００２６】
熱硬化性エポキシ樹脂を用いて、支持管105をデュアルファイバフェルール110に、支持管124をGRINレンズ120に、かつ支持管150をGRINレンズ120及び密封筐体160にそれぞれしっかりと接着することにより、長期間信頼できる一体構造及び操作安定性が得られる。エポキシ等の適当な接着剤で支持管105及び124の互いに対向する端面もしっかりと接着して、光学損失が最小となる相対位置に固定する。
【００２７】
パワーモニタ100の熱安定性及び長期間の性能信頼性は、いくつかの構造及び機能のパラメータに依存する。これらのパラメータの具体例は、1）支持管、デュアルファイバフェルール及びGRINレンズ間の固着度、2）支持管105及び124の長さ、3）支持管の端面の状態及び相互接着強度、4）支持管105及び124間の境界面の均一性、5）支持管105，124及び150の材質、6）塗布した接着剤の種類及び量、7）接着面として機能する端面の前処理、8）支持管を接着して装置を一体化する接着材の固定及び硬化工程等である。
【００２８】
これらの部品の境界面及び取り付け状態は本発明の構造により大いに改善された。というのは、曲面や不規則な面がない単純で直線的な境界面の構造とすることにより好適な移動の自由度が得られ、位置調整が容易になっただけでなく、これらの境界面に接着剤を塗布するのも容易になったからである。
【００２９】
本発明の好ましい実施例について説明してきたが、本発明はこれらの記載により限定されず、上記記載を読んだ当業者にとって様々な変更及び修正が可能である。従って、特許請求の範囲は本発明の技術的思想の範囲内で全ての変更及び修正を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパワーモニタの構造を示す概略断面図である。
【図２】  入力及び出力ビーム投射を調整するために、２つの支持管を相対的に光軸方向に移動してデュアルファイバフェルール及びGRINレンズの相対位置を調整する様子を示す概略図である。
【図３】  大きさの異なる集光ユニット及び検知ユニットを収容し支持する２つの支持管の互い違いの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
100・・・光パワーモニタ
101，111・・・対向端面
105・・・第１の支持管
106・・・入力用光ファイバ
107・・・出力用光ファイバ
110・・・デュアルファイバフェルール
120・・・コリメータ手段
121・・・空隙
123・・・間隙
124・・・第２の支持管
125・・・部分透過反射膜
130・・・集光レンズ
140・・・光検出器
145・・・電極
150・・・第３の支持管
160・・・密封筐体
【図１】
0003947712.tif 000002
【図２】
0003947712.tif 000003
【図３】
0003947712.tif 000004