(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の光ファイバの端部を保持する第１の光ファイバ保持具と、第３及び第４の光ファイバの端部を保持する第２の光ファイバ保持具とを、互いに同じ作動距離を有する２つのレンズ系と、入射する光線の一部を反射する光学素子とを介して前記第１及び第２の光ファイバの端面と前記第３及び第４の光ファイバの端面とを対向させるように配置し、
前記第１の光ファイバからの波長λａの出射光の少なくとも一部が前記第４の光ファイバに光学結合し、前記第１の光ファイバからの波長λｂの出射光の少なくとも一部が前記第２の光ファイバに光学結合し、前記第３の光ファイバからの波長λｃの出射光の少なくとも一部が前記第４の光ファイバに光学結合し、
前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、前記レンズの波長λａでの作動距離の２倍に等しく、
前記第２の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、前記レンズの波長λｂでの作動距離の２倍に等しく、
前記第３の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、前記レンズの波長λｃでの作動距離の２倍に等しいことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記第１及び第２の光ファイバの間隔と、前記第３及び第４の光ファイバの間隔が等しく、
前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第２の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との差異が、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第３の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との差異に等しいことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【請求項３】
前記光ファイバ保持具に保持されている複数の光ファイバの端面と、前記光ファイバ保持具の端面が同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【請求項４】
前記光ファイバ保持具に保持されている少なくとも１本以上の光ファイバが、前記レンズの中心軸に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光結合器、光アイソレーター、光スイッチ等各種光学部品用レンズ付き光ファイバ端末を付属する光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本特許を説明するために光ファイバ増幅器用に用いられる光モジュール構造を例にとり、これについて説明する。
【０００３】
光ファイバ増幅器は希土類元素を添加した増幅ファイバに、希土類元素を励起する励起光と信号光を合波させ入力する必要がある。これに用いる光デバイス、光部品等には、小型化、構造の簡素化、低コスト化、透過損失の低減が求められており、特に透過損失特性に関しては信号対雑音比、増幅利得特性等に多大な影響を与えるため、これを低減する様、強く求められている。
【０００４】
図９は従来の光ファイバ増幅器の光回路構成を示す図である。光ファイバ増幅器には前方励起型、後方励起型、双方向励起型等提案されているが、図９では双方向励起型の光ファイバ増幅器について示している。
【０００５】
前段の光モジュール６３と後段の光モジュール６４の間に増幅ファイバ６２が配置される構成で、光ファイバを通して光が伝搬される部位は太い実線で、レンズや光学素子などを通して光が伝搬される部位は破線で示している。
【０００６】
入力側の光伝送路から受信された信号光の一部は第１の分岐器５１によって分岐され、第１のフォト・ダイオード５２によって電気変換されて、図示していない入力信号光のモニタ回路に供給される。入力信号光のモニタ回路の出力は励起レーザ・ダイオード６０、６１の自動レベル制御や入力信号光断の警報などに用いられる。
【０００７】
第１の分岐器５１を通過した信号光は、増幅ファイバからの自然放出光が入力側の光伝送路に漏れ出るのを防止する第１のアイソレータ５３を通過し、さらに第１の合波器５４を透過した後、増幅ファイバ６２に導かれる。同時に第１の励起レーザ・ダイオード６０が出力する励起光は第１の合波器５４によって信号光と合波し増幅ファイバ６２に導かれる。同様に第２の励起レーザ・ダイオード６１が出力する励起光も第２の合波器５５によって増幅ファイバ６２に導かれる。
【０００８】
励起光によって増幅ファイバ６２に添加された希土類元素は一旦エネルギーが高い準位に励起され、それが元のエネルギー準位に戻る時の誘導放出により信号光を増幅する。増幅された信号光は、第２のアイソレータ５６を通過し、第２の分岐器５７を通過した後、出力側の光伝送路に出力される。ここで、第２のアイソレータ５６は出力側の光伝送路からの反射されてくる信号光が増幅ファイバに入力されるのを阻止する。続いて信号光は第２の分岐器５７を透過するが、信号光の一部は第２の分岐器５７により分岐され、第２のフォト・ダイオード５８によって電気変換されて出力信号光のモニタ回路に供給される。出力信号光のモニタ回路の出力は励起レーザ・ダイオード６０、６１の自動レベル制御や出力信号光断の警報などに用いられる。
【０００９】
なお、出力側において、光伝送路と光ファイバ増幅器とのコネクタが外れたり、光伝送路が断線した場合には出力信号光が反射されて戻ってくる。これを第２の分岐器５７と第３のフォト・ダイオード５９によって電気変換してモニタする。
【００１０】
図１０は、図９に示す従来の前段の光モジュール６３を簡易化した具体的な構成を示す図である。
【００１１】
これは光モジュール６３の構成を簡易化し、小型化、組立工数の削減を実現したもので、光ファイバ７１は前段の光モジュールへ信号光を入力させるもの、光ファイバ７２は入力信号光の一部をフォト・ダイオードに入力させるためのもの、光ファイバ７３は励起光を入力させるためのもの、光ファイバ７４は信号光を増幅する希土類元素添加ファイバに信号光と励起光を出力するためのものである。光ファイバ保持具７５は光ファイバ７１及び７２を保持し、光ファイバ保持具７６は光ファイバ７３及び７４を保持し、それぞれ２芯キャピラリ等を使用する。
【００１２】
分岐器８１は信号光波長範囲の光に対して一定の反射率を持つ光学フィルタで、また分波器８２は信号光波長範囲の光に対しては低い反射率、励起光波長範囲の光に対しては高い反射率を持つ光学フィルタである。
【００１３】
図１０に示す光モジュール６３において、信号光伝送路側の光ファイバ７１からの信号光は第１のレンズ７７を通過した後、コリメータ光となり、分岐器８１に入射する。分岐器８１で一部反射された信号光は、再び第１のレンズ７７を通過した後、モニタ光伝送路側の光ファイバ７２に光学結合する。分岐器８１で反射されなかった残りの信号光は第１のアイソレータ７９、合波器８２を通過し、第２のレンズ７８を通過した後、合波光伝送路側の光ファイバ７４に光学結合する。
【００１４】
また、励起光伝送路側の光ファイバ７３からの励起光は第２のレンズ７８を通過した後、コリメータ光となり合波器８２に入射する。合波器８２で反射された励起光は、再び第２のレンズ７８を通過した後、合波光伝送路側の光ファイバ７４に光学結合する。
【００１５】
図１１は光モジュール６３における結合光学系を説明するための図である。なお、図１１では光学結合に関わる部材のみ示し、アイソレータ７９や金具部材等は省略している。
【００１６】
図１１において、第１の光ファイバ７１は信号光伝送路側の光ファイバ、第２の光ファイバ７２はモニタ光伝送路側の光ファイバ、第３の光ファイバ７３は励起光伝送路側の光ファイバ、第４の光ファイバ７４は合波光伝送路側の光ファイバである。
【００１７】
第１の光ファイバ７１と第２の光ファイバ７２は同一の光ファイバ保持具７５に互いに平行に配置されている。７７は第１のレンズ、８１は入射光の一部を反射する分岐器であり、第１のレンズ７７の中心軸に対して垂直に配置されている。また、第１のレンズ７７の中心軸と第１及び第２の光ファイバ７１、７２との距離をａとする。今、第１の光ファイバ７１、第２の光ファイバ７２、第１の光ファイバ保持具７５、第１のレンズ７７、分岐器８１をまとめて第１の光ファイバアセンブリ構造８３とする。
【００１８】
第３の光ファイバ７３と第４の光ファイバ７４は同一の光ファイバ保持具７６に互いに平行に配置されている。７８は第２のレンズ、８２は入射光の一部を反射する合波器であり、レンズ７８の中心軸に対して垂直に配置されている。
【００１９】
また、第２のレンズ７８の中心軸と第３及び第４の光ファイバ７３、７４との距離をａとする。今、第３の光ファイバ７３、第４の光ファイバ７４、第２の光ファイバ保持具７６、第２のレンズ７８、合波器８２をまとめて第２の光ファイバアセンブリ構造８４とする。
【００２０】
ここで第１の光ファイバ７１と第２の光ファイバ７２、及び第１の光ファイバ７３と第４の光ファイバ７４は波長λ１の信号光で光学結合しており、また、第３の光ファイバ７３と第４の光ファイバ７４は波長λ２の励起光で光学結合している。
【００２１】
第１の光ファイバアセンブリ構造８３において破線８５、８６で示すのは、それぞれ第１のレンズ７７の信号光波長λ１でのファイバ側主面、及び反射面側主面である。同様に第２の光ファイバアセンブリ構造８４において破線８７、８８で示すのは、それぞれ第２のレンズ７８の励起光波長λ２でのファイバ側主面、及び反射面側主面である。さらに破線８９で示すのは、第２のレンズ７８の信号光波長λ１でのファイバ側主面である。
【００２２】
ここで第１の光ファイバ保持具７５端面から主面８５までの距離をＬ１、主面８６から分岐器８１までの距離をＬ２、合波器８２から主面８７までの距離をＬ３、主面８８から第２の光ファイバ保持具７６端面までの距離をＬ４、主面８９から第２の光ファイバ保持具７６端面までの距離をＬ５とする。
【００２３】
理想的にはＬ１，Ｌ２を、第１及び第２のレンズ７７、７８の信号光波長λ１での焦点距離Ｆλ１に等しくし、さらにＬ３，Ｌ４を、第２のレンズ７８の励起光波長λ２での焦点距離Ｆλ２に等しくする。
【００２４】
このとき、第１の光ファイバ７１からの信号光は、Ｌ１がＦλ１に近いことから、第１のレンズ７７を通過後コリメート光となり、また第１のレンズ７７の中心軸及び分岐器８１の放線方向に対して以下の式で表される角度θをもって進行する。
【００２５】
θ＝ｔａｎ-1（ａ／Ｌ１）    ・・・（１）
分岐器８１では、波長λ１の信号光を一定の割合で反射する。ここで分岐器８１は第１のレンズ７７に対して垂直に配置されていることから、反射した信号光は角度θで第１のレンズ７７に入射する。この時、光線が入射する位置は第１の光ファイバ７１からの信号光が通過した位置からｂだけ離れた位置である。ｂは以下の式で表される。
【００２６】
ｂ＝２・Ｌ２・ｔａｎ（θ）    ・・・（２）
その後、信号光は第１の光ファイバ保持具７５端面上、第１の光ファイバ７１端面から、以下の式で表されるｃだけはなれた位置で集光する。
【００２７】
ｃ＝ａ＋Ｌ１・ｔａｎ（θ）    ・・・（３）
今、Ｌ１及びＬ２を第１のレンズ７７の信号光波長λ１での焦点距離Ｆλ１に等しくすれば、式（１）、（２）、（３）から、以下のように導かれる。
【００２８】
ｂ＝２ａ    ・・・（４）
ｃ＝２ａ    ・・・（５）
したがって第１のレンズ７７通過後の光は第１の光ファイバ７１からの信号光と平行に進行し、且つ第１の光ファイバ７１から２ａだけ離れた点、つまり第２の光ファイバ７２の端部で集光する。従って、第１の光ファイバ７１と第２の光ファイバ７２が波長λ１の信号光で光学結合する。
【００２９】
同様に第２の光ファイバアセンブリ構造８４においても、Ｌ３及びＬ４を第２のレンズ７８の励起光波長λ２での焦点距離Ｆλ２に等しくすれば、第３の光ファイバ７３と第４の光ファイバ７４が波長λ２の励起光で光学結合する。
【００３０】
さらに、分岐器８１を通過した信号光はコリメート光の状態で合波器８２に入射する。合波器８２は信号光に対して低い反射率を持つため、信号光はこれを通過し、さらに第２のレンズ７８を通過後、第４の光ファイバ７４端面付近で一点に集光する。第２のレンズ７８への信号光の入射角度をφとすると、下の式で表される第２のレンズ７８中心軸からｄだけはなれた位置に、信号光が集光する。
【００３１】
ｄ＝Ｌ５・ｔａｎ（φ）    ・・・（６）
ここで、第２の光ファイバアセンブリ構造８４を第１の光ファイバアセンブリ構造８３に対して傾斜させるよう光学調整し、
φ＝ｔａｎ-1（ａ／Ｌ５）    ・・・（７）
とすれば、
ｄ＝ａ    ・・・（８）
となり、信号光は第４の光ファイバ７４の端部で集光するため、第１の光ファイバ７１と第４の光ファイバ７４が波長λ１の信号光で光学結合する。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した図９に示す従来の光モジュール６３、６４においては、信号光入出力部、分岐光出力部、励起光入力部それぞれにレンズが必要であり装置が大型化するという課題があった。また上記各入出力部はレンズの精密調芯、固定が必要であり、組立が複雑となり工数が増大するという課題があった。
【００３３】
また図１０、１１に示す小型化された従来の光モジュール６３においては、信号光の波長はλ１であり、第２のレンズ７８を通過した信号光は主面８８からＦλ１だけ離れた位置で集光するのに対し、第４の光ファイバ７４の端面は主面８８からＦλ２だけ離れた位置に置かれている。従って集光位置と第４の光ファイバ７４端面位置に光ファイバ軸方向のズレが生じる。これにより、第１の光ファイバ７１と第４の光ファイバ７４の信号光での光学結合に損失が生じるという課題があった。
【００３４】
一般的に光通信用に用いられるレンズにおいて、このズレ、即ちレンズの色収差は数十μｍに及び、光モジュールにおける結合損失は０．５〜１ｄＢにもなる。これは光ファイバ増幅器を用いるにあたっては信号対雑音比、増幅利得特性等に多大な影響を与えることになる。
【００３５】
また色収差を補償する方法としては、分散特性の異なる２種類の材質からなるレンズを適宜組み合わせた、色消しレンズを用いる方法も考えられるが、これは非常に高価であり、光モジュールの構成が複雑となるという課題があった。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、第１及び第２の光ファイバの端部を保持する第１の光ファイバ保持具と、第３及び第４の光ファイバの端部を保持する第２の光ファイバ保持具とを、前記第１及び第２の光ファイバと前記第３及び第４の光ファイバの端面がレンズおよび入射する光線の一部を反射する光学素子を介して対向するように配置し、前記第１の光ファイバからの波長λａの出射光の少なくとも一部が前記第４の光ファイバに光学結合し、前記第１の光ファイバからの波長λｂの出射光の少なくとも一部が前記第２の光ファイバに光学結合し、前記第３の光ファイバからの波長λｃの出射光の少なくとも一部が前記第４の光ファイバに光学結合し、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、前記レンズの波長λａでの作動距離の２倍に等しく、前記第２の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、前記レンズの波長λｂでの作動距離の２倍に等しく、前記第３の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、前記レンズの波長λｃでの作動距離の２倍に等しいことを特徴とする。
【００３８】
また本発明は、前記第１及び第２の光ファイバの間隔と、前記第３及び第４の光ファイバの間隔が等しく、前記第１の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第２の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との差異が、前記第４の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔と、前記第３の光ファイバ端面とこれに近接する前記レンズの表面の頂点を含み前記レンズの中心軸に垂直な面との間隔との差異に等しいことを特徴とする。
【００３９】
また本発明は、前記光ファイバ保持具に保持されている複数の光ファイバの端面と、前記光ファイバ保持具の端面が同一平面上に配置されていることを特徴とする。
【００４０】
さらに本発明は、前記光ファイバ保持具に保持されている少なくとも１本以上の光ファイバが、前記レンズの中心軸に対して傾斜して配置されていることを特徴とする。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
【００４２】
図１は本発明による光モジュールの構成を示す図である。図においてアイソレータや金具部材等は省略している。第１の光ファイバ１は信号光伝送路側の光ファイバ、第２の光ファイバ２はモニタ光伝送路側の光ファイバ、第３の光ファイバ３は励起光伝送路側の光ファイバ、第４の光ファイバ４は合波光伝送路側の光ファイバである。
【００４３】
ここで、第１の光ファイバ１と第２の光ファイバ２は同一の光ファイバ保持具５に互いに平行に配置されている。また、入射光の一部を反射する分岐器１１は、第１のレンズ７の中心軸に対して垂直に配置されている。ここで、第１のレンズ７の中心軸と第１及び第２の光ファイバ１、２との距離をａとし、光ファイバ１、光ファイバ２、光ファイバ保持具５、レンズ７、及び分岐器１１をまとめて第１の光ファイバアセンブリ構造１３とする。
【００４４】
また、第３の光ファイバ３、第４の光ファイバ４、第２の光ファイバ保持具６、第２のレンズ８、分波器１２が同様の配置で、分岐器１１の正面に配置されている。同じく光ファイバ３、光ファイバ４、光ファイバ保持具６、レンズ８、及び分波器１２をまとめて第２の光ファイバアセンブリ構造１４とする。
【００４５】
なお、図１においてレンズ７、８はそれぞれ単一のレンズでコリメートレンズの用をなす物を示すが、本特許はこれに限らず、複数のレンズを組合せによってコリメートレンズ系をなす場合についても有効である。
【００４６】
本発明の光モジュールは基本的な構成、作用については図１１に示すものと同様であるが、各光ファイバ保持具５、６の端面を斜めに研磨した点で相違する。即ち、光ファイバ保持具５、６の端面はそれぞれ研磨加工が施されるが、この際、各レンズの中心軸に垂直な平面に対して各端面が傾斜するように研磨し、光ファイバ保持部５、６の端面とこれに保持した光ファイバの端面を同一平面上となるようにする。これにより同一の光ファイバ保持具上の各光ファイバにおいて、その端面とこれに近接するレンズまでの距離をそれぞれ異ならせ、これによってレンズにおける色収差を補償できるようにしてある。
【００４７】
ここで第１及び第２のレンズ７、８における色収差の補償方法について説明するが、この場合、レンズ表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面（以降これを頂点面と呼ぶ）と焦点との距離を示す作動距離の概念が有効であるため今後はこれを用いる。第１の光ファイバアセンブリ構造１３において破線１５で示すのは、第１のレンズ７の頂点面、第２の光ファイバアセンブリ構造１４において破線１６で示すのは、第２のレンズ８の頂点面である。
【００４８】
いま第１及び第２のレンズ７、８の信号光波長λ１での作動距離Ｗλ１、励起光波長λ２での作動距離Ｗλ２とし、更にΔＷを以下のように定義する。
【００４９】
ΔＷ＝Ｗλ１−Ｗλ２    ・・・（９）
ここで、第１及び第２の光ファイバ１、２の端面と第１のレンズ７の頂点面１５までの距離をＬＰ１、ＬＰ２とし、第３及び第４の光ファイバ３、４の端面と第２のレンズ８の頂点面１６までの距離をＬＰ３、ＬＰ４としたとき、ＬＰ１乃至ＬＰ４を以下のように配置する。
【００５０】
0004344446.tif 000002
図２は本発明のレンズの色収差の補償方法を説明する図である。
【００５１】
光ファイバ間の光学結合では、図２に示すように各光ファイバの間に２つのレンズが配置される構造を取る。図２では、光ファイバ１から出射した光線が２つのレンズ７、８を通過した後、光ファイバ４に光学結合する様子を示し、レンズ７、８を併せて一つの光学系１７とする。ここで、前述のＬＰ１乃至ＬＰ４の差異は光学系に比べ十分小さく、ほぼ等しいと考えられるため、光学系１７は横倍率が１倍、横倍率の平方で表される縦倍率も１倍の光学系と考えられる。ここで、光ファイバ１の端面がΔｘだけ光学系１７に近付くと、光線の集光位置がΔｘ’だけ光ファイバ４の端面から遠ざかり、光学系の縦倍率が１倍の場合は以下の式が成り立つ。
【００５２】
Δｘ＝Δｘ’    ・・・（１４）
ここで図１に戻り、第１乃至第４の光ファイバ同士の光学結合について考える。
【００５３】
先ず第１の光ファイバ１の端面は、式（１０）に示すように、Ｗλ１＋ΔＷ／２の位置に配置されている。つまり、図１１での従来例の配置に比べΔＷ／２だけ第１のレンズ７から遠ざかった位置に配置されている。第１の光ファイバ１から出射した波長λ１の信号光は、第１のレンズ７を通過した後、分岐器１１で反射され、再び第１のレンズ７を通過してＷλ１−ΔＷ／２の位置に集光する。つまり従来の図１１での配置に比べΔＷ／２だけ第１のレンズ７に近付いた位置に集光する。式（１１）に示すように、第２の光ファイバ２がこの位置に配置されているため、第１の光ファイバ１と第２の光ファイバ２は波長λ１の信号光で光学結合する。
【００５４】
同様に、第１の光ファイバ１から出射した波長λ１の信号光で、第１のレンズ７、分岐器１１、合波器１２、第２のレンズ８を通過した波長λ１の信号光も、Ｗλ１−ΔＷ／２の位置に集光するが、式（１３）に示すように、第４の光ファイバ４がこの位置に配置されているため、第１の光ファイバ１と第４の光ファイバ４は波長λ１の信号光で光学結合する。
【００５５】
さらに、第３の光ファイバ３の端面は、式（１２）に示すように、Ｗλ２−ΔＷ／２の位置に配置されている。第３の光ファイバ３から出射した波長λ２の信号光は、第２のレンズ８を通過した後、分波器１２で反射され、再び第２のレンズ８を通過してＷλ２＋ΔＷ／２の位置に集光するが、式（１３）に示すように、第４の光ファイバ４がこの位置に配置されているため、第１の光ファイバ１と第４の光ファイバ４は波長λ１の信号光で光学結合する。したがって、波長λ１の信号光、波長λ２の励起光共に損失を受けることなくそれぞれの光ファイバ間で光学結合することになる。
【００５６】
なお、式（１０）乃至（１３）に示す配置を実現するためには、第１及び第２の光ファイバ保持具５、６の端面を、その法線方向とレンズの中心軸とが、次のψａで示される角度になるよう研磨加工する事で容易に実現することが出来る。
【００５７】
ψａ＝ｔａｎ-1（ΔＷ／（２ａ））    ・・・（１５）
以上、本発明による波長λ１の信号光、波長λ２の励起光の２波長の光に関する色収差の補償方法を説明した。
【００５８】
図３は本発明の光モジュールによる一般的な光学系を説明する図である。
【００５９】
図３において第１の光ファイバ１と第２の光ファイバ２は第１の光ファイバ保持具５に、第３の光ファイバ３と第４の光ファイバ４は第２の光ファイバ保持具６に保持されている。また、破線１５は第１のレンズの頂点面、１６は第２のレンズの頂点面である。
【００６０】
第１の光ファイバ１と第４の光ファイバ４は波長λａの光１０で光学結合しており、第２の光ファイバ２と第１の光ファイバ１は波長λｂの光２０で光学結合しており、また、第３の光ファイバ３と第４の光ファイバ４は波長λｃの光３０で光学結合している。第１のレンズ７及び第２のレンズ８の波長λａ、λｂ乃びλｃの光に対する作動距離をＷλａ、Ｗλｂ、Ｗλｃ、また第１及び第２の光ファイバ１、２の端面と第１のレンズの頂点面１５までの距離をＬＰ１、ＬＰ２とし、第３及び第４の光ファイバ３、４の端面と第２のレンズの頂点面１６までの距離をＬＰ３、ＬＰ４としたとき、ＬＰ１乃至ＬＰ４が次の式を満たせば、波長λａ乃至λｃの光に対して損失を受けることなく、それぞれの光ファイバ間で光学結合することになる。
【００６１】
ＬＰ１＋ＬＰ４＝２・Ｗλａ    ・・・（１６）
ＬＰ１＋ＬＰ２＝２・Ｗλｂ    ・・・（１７）
ＬＰ３＋ＬＰ４＝２・Ｗλｃ    ・・・（１８）
また、第１及び第２の光ファイバの間隔と、第３及び第４の光ファイバの間隔が等しく、且つＬＰ１乃至ＬＰ４が次の式を満たせば、第１の光ファイバ保持具５及び第２の光ファイバ保持具６の端面加工形状を互いに等しくできる為、光モジュール構造を作製するに際し作業工数の削減が可能となる。
【００６２】
ＬＰ１−ＬＰ２＝ＬＰ４−ＬＰ３    ・・・（１９）
式（１６）乃至（１９）を用い、ＬＰ１乃至ＬＰ４についてこれを解けば、以下の式（２０）乃至（２３）が導かれる。
【００６３】
ＬＰ１＝Ｗλａ＋（（Ｗλｂ−Ｗλｃ）／２）      ・・・（２０）
ＬＰ２＝（（３・Ｗλｂ＋Ｗλｃ）／２）−Ｗλａ  ・・・（２１）
ＬＰ３＝（（Ｗλｂ＋３・Ｗλｃ）／２）−Ｗλａ  ・・・（２２）
ＬＰ４＝Ｗλａ−（（Ｗλｂ−Ｗλｃ）／２）      ・・・（２３）
なお、以上の一般的な光学系において、以下の式（２４）乃至（２６）が成り立つ場合が、図１に示す例である。
【００６４】
λａ＝λｂ＝λ１    ・・・（２４）
λｃ＝λ２          ・・・（２５）
ΔＷ＝Ｗλ１−Ｗλ２  ・・（２６）
これを式（２０）乃至（２３）に代入すると式（１０）乃至（１３）に示した関係が得られる。
【００６５】
次に式（１９）を実現するための手法として数例を以下に示す。先ず図１に示す様に第１及び第２の光ファイバ保持具５、６の端面を式（１５）のψａで示される角度に設定する事で容易に実現することが出来る。
【００６６】
但し、ψａは光ファイバ端面からの光線出射角度、即ちレンズへの光線の入射角度に影響を与える。一般的に、非球面レンズを用いた場合、光ファイバ端面位置や通過光線の波長がレンズ設計時の設定通りであればレンズへの光線入射角に起因する収差は小さく、結合損失に与える影響も小さい。しかし、先に示した前段モジュールの様に使用方法が設定と異なる場合、この結合損失は無視できない。
【００６７】
逆にレンズへの光線入射角度が垂直に近いと、レンズ端面からの反射戻り光が再び光ファイバに入射する。この戻り光はレーザー発振を不安定にさせ、信号対雑音比の劣化の原因となる。従ってレンズへの光線入射角度は適宜設定可能でなければならないが、これは光ファイバの保持角度を変化させることで対応が可能である。
【００６８】
図４は光ファイバの保持方法について説明する図である。
【００６９】
ここで光ファイバ１、２は、光ファイバ保持具５に保持されている。光ファイバ１からの出射光１０がレンズ７を透過する際、光ファイバ１の保持角度をψf、レンズ中心軸と光線出射方向のなす角度をψｉ、光ファイバにおけるコアの屈折率をｎとすると、スネルの法則より式（２６）が導かれる。
【００７０】
ｎ・ｓｉｎ（ψａ−ψf）＝ｓｉｎ（ψａ＋ψｉ）    ・・・（２７）
これは、予めψａが決定されている場合でも、ψfを適宜設定することにより、任意のψｉが得られることを示している。
【００７１】
図５は他の光ファイバ保持方法について説明する図である。
【００７２】
光ファイバ１、２は光ファイバ保持具２５に保持されている。光ファイバ１からの出射光１０はレンズ７を透過し、この時の第１及び第２の光ファイバ１、２の端面と第１のレンズの頂点面１５までの距離をＬＰ１、ＬＰ２とする。光ファイバ保持具２５の端面は階段状に加工されおり、光ファイバ端面傾斜角度ψｔ、つまり光ファイバ端面からの光線出射角度は任意に設定できる。本実施例では光ファイバを保持する際、傾斜させる必要がないため、光モジュール全体の構造がより簡略化される。
【００７３】
以上、本特許で示した光学系を用いれば、異なる波長の光線を用いることにより生じる、レンズの色収差の影響を補償することが可能となる。使用用途の一例としては光増幅器が挙げられ、ここで用いられる信号光と励起光の波長の差異による影響を、効果的に補償することが可能となる。
【００７４】
【実施例】
図６は図１に示す本発明の光モジュールを光増幅器の前段モジュールとする場合の具体的な構成を示す断面図である。
【００７５】
本実施例の光モジュールに波長１５５０ｎｍの信号光を入力させる信号光伝送路側の光ファイバ３１と、入力信号光の一部を第１のフォト・ダイオードに入力させるモニタ光伝送路側の光ファイバ３２は、第１の光ファイバ保持具３５に保持され、波長９８０ｎｍの励起光を入力させる励起光伝送路側の光ファイバ３３と、信号光を増幅する希土類元素添加ファイバに信号光と励起光を出力する合波光伝送路側の光ファイバ３４は、第２の光ファイバ保持具３６に保持される。
【００７６】
なお第１、第２の光ファイバ保持具は、端面加工が容易なジルコニア製の２芯キャピラリを用いる。２芯キャピラリには２５０μm間隔で内径１２５μmの貫通穴が設けられている。この貫通穴に各光ファイバを挿入し接着剤により光ファイバと光ファイバ保持具を一体化し、接着剤の硬化後、光ファイバ保持具端面の研磨加工を施す。
【００７７】
第１のレンズ３７および第２のレンズ３８は、材質ＳＦＳ０１、波長１５５０ｎｍでの焦点距離約２．５ｍｍ、光ファイバ側表面が平坦面で設計された非球面レンズを用いる。
【００７８】
分岐器４１および合波器４２は、一般的にガラス基板上にＴｉＯ2と、ＳｉＯ2の薄膜を複数層蒸着した光学フィルタが用いられる。分岐器４１は信号光波長範囲のに対して一定の反射率、一般的には２〜５％の反射率を持つよう、また合波器４２は信号光波長範囲の光に対しては低い反射率を持ち、励起光波長範囲の光に対しては高い反射率、一般的には９７％以上の反射率を持つよう、各薄膜層の膜厚と、蒸着層数が適宜設定されている。また、アイソレータ３９は入力側への反射戻り光を遮断する機能を有する。
【００７９】
なお、光ファイバ３１、３２、３３及び３４の端面、レンズ３７及び３８の表面、分岐器４１及び合波器４２の裏面、アイソレータの構成部材にはそれぞれＡＲコートが施され、光線通過時の反射による入射光強度の損失や、伝送路側への反射戻り光を防止している。ＡＲコートはガラス基板上にＴｉＯ2と、ＳｉＯ2の薄膜を複数層蒸着した部品である。なお、第２のレンズ３８及び第２の光ファイバ保持具３６の端面は波長λ１の信号光及び波長λ２の励起光の両方が通過するためこれら両帯域に対応するマルチタイプのＡＲコートを施す。
【００８０】
また光ファイバ保持具３５および３６はそれぞれステンレス製の２芯キャピラリホルダに挿入固定され、同様に上述した各光学部品はそれぞれステンレス製の金具に保持され、互いにスポット溶接により固定されている。
【００８１】
先ず第１乃至第４の光ファイバ３１、３２、３３及び３４の端面とこれに対する第１及び第２のレンズ３７及び３８の頂点面４５及び４６との距離を式（１０）乃至（１３）を用いて求める。
【００８２】
図７は本実施例で用いるレンズの波長と作動距離の関係を示す図である。ここに示すように第１及び第２のレンズ３７、３８の信号光波長λ１での作動距離、つまりＷλ１は１７００μm、励起光波長λ２での作動距離、つまりＷλ２は１６６０μmであり、その差異ΔＷは４０μmである。
【００８３】
ここで、第１及び第２の光ファイバ３１、３２の端面と第１のレンズの頂点面４５までの距離をＬＰ１、ＬＰ２とし、第３及び第４の光ファイバ３３、３４の端面と第２のレンズの頂点面４６までの距離をＬＰ３、ＬＰ４とすると、式（１０）乃至（１３）からＬＰ１乃至ＬＰ４は、ＬＰ１＝１７２０μｍ、ＬＰ２＝１６８０μm、ＬＰ３＝１６４０μm、ＬＰ４＝１６８０μmとなる。
【００８４】
次に第１及び第２の光ファイバ保持具３５、３６の端面の研磨角度を式（１５）を用いて求める。前述の通り第１及び第２の光ファイバ保持具３５、３６に保持された光ファイバ３１乃至３４の間隔、つまり２ａは２５０μmであるため、式（１５）からψａは９．１゜と求められる。
【００８５】
なお、光ファイバ保持角度をレンズ中心軸に対して平行、つまり式（２６）においてψｆを０゜と設定すると、光ファイバ端面からの光線出射角度、即ちレンズへの光線の入射角度ψｉは４．２゜となる。
【００８６】
図８は、反射減衰量と結合損失の関係を示す図である。数値は計算値であり、本実施例で示したレンズを用いた際の、第１の光ファイバ３１と第４の光ファイバ３４の間の結合損失の光線入射角度依存性と、反射戻り光強度の光線入射角度依存性を示す。なお、結合損失値はレンズの収差に起因する加乗損失値であり、実際の結合損失は各光学素子通過時の吸収や素子表面での反射の影響が加わる。
【００８７】
図８に示すように光線入射角度ψｉが４゜を越える辺りから光ファイバ間結合損失が急激に増加するのが分かる。従って光ファイバ保持角度ψｆを変化させ、光ファイバ間結合損失が十分小さく、且つ反射戻り光が十分減衰するよう調整する。そこで図８に示した結果より、本実施例では光線入射角度ψｉを３゜とする。この場合、光ファイバ結合損失は０．０１ｄＢ以下、反射戻り光も−７５ｄＢ程度と、両者とも十分な特性を得ることが出来た。
【００８８】
ここで光線入射角度ψｉが3゜となる光ファイバ保持角度ψｆは、式（２６）より０．８゜となる。なお、光ファイバ保持角度ψｆをこの値にするためには、第１、第２の２芯キャピラリホルダ４３、４４の鏡筒角度を傾斜させれば良い。
【００８９】
また、図５に示すような端面が階段状に加工されたに２芯キャピラリを用いて本発明の光モジュールを構成することも可能である。この場合、光ファイバ端面の角度は任意に設定でき、このため光線出射角度も自由に調整できる。例えば前述の通り光線出射角度を３゜とするならば、端面の傾斜角度ψａは６．６゜とすればよい。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、第１及び第２の光ファイバの端部を保持する第１の光ファイバ保持具と、第３及び第４の光ファイバの端部を保持する第２の光ファイバ保持具とを、第１及び第２の光ファイバと第３及び第４の光ファイバの端面がレンズおよび入射する光線の一部を反射する光学素子を介して対向するように配置し、第１の光ファイバからの波長λａの出射光の少なくとも一部が第４の光ファイバに光学結合し、第１の光ファイバからの波長λｂの出射光の少なくとも一部が第２の光ファイバに光学結合し、第３の光ファイバからの波長λｃの出射光の少なくとも一部が第４の光ファイバに光学結合し、第１の光ファイバ端面とこれに近接するレンズの表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面との間隔と、第４の光ファイバ端面とこれに近接するレンズの表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、レンズの波長λａでの作動距離の２倍に等しく、第２の光ファイバ端面とこれに近接するレンズの表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面との間隔と、第１の光ファイバ端面とこれに近接するレンズの表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、レンズの波長λｂでの作動距離の２倍に等しく、第３の光ファイバ端面とこれに近接するレンズの表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面との間隔と、第４の光ファイバ端面とこれに近接するレンズの表面の頂点を含みレンズの中心軸に垂直な面との間隔との和が、レンズの波長λｃでの作動距離の２倍に等しいことによって、異なる波長の光線を光ファイバ間で低損失で光学結合することができ、かつ小型で組立が容易な光モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光モジュールの構成を示す図である。
【図２】本発明光モジュールにおけるレンズの色収差の補償方法を説明する図である。
【図３】本発明の光モジュールにおける光学系を説明する図である。
【図４】本発明の光モジュールにおける光ファイバの保持方法について説明する図である。
【図５】本発明の光モジュールにおける他の光ファイバ保持方法について説明する図である。
【図６】本発明の光モジュールの具体的な構成を示す断面図である。
【図７】本発明実施例の光モジュールで用いるレンズの波長と作動距離の関係を示す図である。
【図８】本発明実施例の光モジュールにおける光線出射角度と結合損失及び反射戻り光との関係を示す図である。
【図９】光ファイバ増幅器の光回路構成を示す図である。
【図１０】光ファイバ増幅器の前段の光モジュールの従来例を示す図である。
【図１１】従来の光モジュールにおける結合光学系を説明するための図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、３１、３２、３３、３４、７１、７２、７３、７４：光ファイバ
５、６、２５、３５、３６、７５、７６：光ファイバ保持具
８、３７、３８、７７、７８：レンズ
９、３９、５３、５６、７９：アイソレータ
１１、４１、５１、５７、８１：分岐器
１２、４２、５４、５５、８２：分波器
１３、１４、８３、８４：光ファイバアセンブリ構造
１５、１６、４５、４６：レンズ頂点面
１７：光学系
１０、２０、３０：光線
６３、６４：光モジュール
６２：増幅ファイバ
５２、５８、５９：フォトダイオード
６０、６１：励起レーザダイオード
８５、８６、８７、８８：励起光波長でのレンズ主面
８９：信号光波長でのレンズ主面
【図１】
0004344446.tif 000003
【図２】
0004344446.tif 000004
【図３】
0004344446.tif 000005
【図４】
0004344446.tif 000006
【図５】
0004344446.tif 000007
【図６】
0004344446.tif 000008
【図７】
0004344446.tif 000009
【図８】
0004344446.tif 000010
【図９】
0004344446.tif 000011
【図１０】
0004344446.tif 000012
【図１１】
0004344446.tif 000013