(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体の外周内面において光を全反射させるための反射部材が付され、その内部には前記球体の中心と異なる位置を中心にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体が充填された球体と、
前記球体の表面に設けられ、その中心線が前記球体の中心を通るように形成された複数の開口部と、
前記開口部において設けられた光ファイバ接続手段と、を有し、
前記複数の開口部の任意の一又は複数を光入射口としその他の一又は複数の開口部を光出射口とした、ことを特徴とする光接続、光分岐又は光集合のための光結合器。
【請求項２】
前記透明体の屈折率は、その中心部から外周に向かって徐々に大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
【請求項３】
球体の外周内面において光を全反射させるための反射部材が付され、その内部には前記球体の中心と異なる位置を中心にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体が充填された球体と、
夫々の前記球体の表面に設けられ、その中心線が前記球体の中心を通るように形成された複数の開口部と、
前記開口部に設けられた光ファイバ接続手段と、を有し、
前記複数個の球体が前記開口部の一つを介して結合され、前記複数の球体における何れか一つの複数の開口部の任意の一又は複数を光入射口としその他の一又は複数の開口部を光出射口とした、ことを特徴とする光接続、光分岐又は光集合のための光結合器。
【請求項４】
前記透明体の屈折率は、その中心部から外周に向かって徐々に大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項３に記載の光結合器。
【請求項５】
前記複数の球体は、それぞれの前記開口部の一つにおいて相互に密着することにより直接的に連結されたことを特徴とする請求項４に記載の光結合器。
【請求項６】
前記複数の球体は、それぞれの前記光ファイバ接続手段に接続された光ファイバを介して房状に連結されたことを特徴とする請求項５に記載の光結合器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバによって導かれたレーザ光線等の光を接続、分岐又は集合するための光結合器に関し、特に、一本の光線を複数本の光線に分岐したり、複数本の光線を１本の光線に集合させるための光結合器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変調されたレーザ光線を光ファイバによって伝播する光通信方式は、低損失、広帯域、無誘導などの伝送特性上の極めて優れた特長を有する。また光ファイバは、細径、軽量などの物理的特徴を有し、光通信は、長距離及び大容量伝送が可能である。近年では、高出力の半導体レーザ装置と低損失の光ファイバの製造コストの低減化が実現したことから、大都市間の大容量伝送分野のみでなく、加入者伝送方式への利用や、温度や圧力等の計測分野、これらの計測信号の伝送媒体としての利用が図られ、その適用分野は近年益々拡大している。
【０００３】
このような光ファイバの利用分野の拡大に伴い、光ファイバによって伝播された光線を伝送路の途中又は終端で結合させたり、分岐又は集合させる技術が必要となっている。しかし、光ファイバは、直径が０．０５ｍｍ乃至０．３ｍｍ程度のものから可視的な太さのものまで広く種々な形のものがあり、光ファイバの芯線は、通常、純度の高い石英ガラス又はプラスチックにより形成されている。従って、光ファイバによって伝播された光線を結合するためには二つの光ファイバの各々の切断面を研磨し、この切断面を精緻に整合させる必要がある。
【０００４】
光通信においては、光ファイバによって伝播された１本の光線を複数本の光線に分岐したり、複数本の光線を１本又は複数本の光線に集合させるためには、光線を光ファイバの外に放射させた後に、光線を屈折させたり反射させるためのプリズム、鏡、レンズ等の光学手段を使用し、これらの光学手段によって分岐又は集合した光線を再び光ファイバに導入させる光学的分岐方法がある。
【０００５】
前記した光学的分岐方法の他に、光線を、受光ダイオード等の受光素子によって電気エネルギーに変換し、当該電気エネルギーによって再び一又は複数の半導体レーザを励起して、当該半導体レーザにおいて発光した光線を光ファイバに導入する電気的分岐方法がある。
【０００６】
光学的分岐方法として、光の波としての性質の一つである偏光（偏波）を利用したものがある。偏向は、フリースペース光スイッチなどにおいて光ビームの進路の変更などに利用される。このような偏光の制御に必要な基本ディバイスとして、波長板、複屈折板、偏光ビームスプリッタ及び液晶偏光制御素子がある。
【０００７】
上記した波長板に使用される、水晶、方解石、雲母のような結晶は、屈折率が光の電界振動方向に対して均一でない光学的異方性と呼ばれる性質を持っている。より詳しくは、水晶や方解石は１軸性結晶、雲母は２軸性結晶というグループに属し、その方向に光を入射すれば屈折率が等方向に見える光学軸と呼ばれる方位が、各々一つもしくは二つ存在する。
【０００８】
一方、光学軸に垂直に入射した光の互いに直交する偏光成分（等方的な屈折率を感じる方の光線を常光線、そうでない方を異常光線と呼ぶ）間では、伝搬速度差が生じるために、両者の間に位相差が与えられる。常光線と異常光線に位相差がある場合出射する際にこれらが合成されると、入射光に対して偏光面が変化する。
【０００９】
この原理を用いたものが波長板であり、例えば、１／４波長板は、１／４波長（９０°）の位相を与え、直線偏光と楕円偏光の相互変換に用いられる。また、１／２波長は、１／２波長（１８０°）の位相差を与え直線偏光の偏光面の回転に用いられる。
【００１０】
つぎに、複屈折板は、光軸に対して斜めに光を入射した場合には、光は偏光によって伝搬方向が異なってくる性質を利用する。すなわち、常光線は、スネルの屈折の法則に従うが、異常光線は屈折率勾配の影響で、一見スネルの屈折に反する奇妙な振る舞いをする。この性質は複屈折と呼ばれる。極めて大きな複屈折性を示す結晶に方解石があり、方解石を通して物が二重に見えるのは、実はこの性質のためである。
【００１１】
円偏光、無偏光、又は偏光面が常光線と異常光線に対して傾いた直線偏光を入力すると、偏光による分岐機能が得られる。入力光の偏光面を回転させると出射位置（２点間）の移動ができる。具体的には、これらのディバイスは、それぞれの機能に応じた条件で切り出した平行平板状の方解石で実現することができる。
【００１２】
複屈折板と同様の機能を実現するディバイスに変更ビームスプリッタがある。偏光ビームスプリッタは、１対の直角プリズムの斜面同士を張り合わせ、その間に誘電体多層膜コーティング層を挟んだものである。この原理は複屈折ではなく、光の反射率の偏光依存特性を利用している。多層構造の膜の厚みや屈折率を適切に設計して偏光依存特性を増強しており、導入された光線は誘電体多層膜で反射され、入射光に対して垂直な方向に進む。
【００１３】
つぎに、液晶偏光制御素子であるが、液晶は、固体と液体の何れにも属さない相を持つ物質の総称であり、液体であるにも関わらず、固体とほぼ同様、分子が一定の規則にしたがってほぼ揃っている性質がある。液晶分子の形は細長いことから、分子の長尺、短尺方向で光の感じる屈折率が異なり、一般に強い光学異方性を示す。また、液晶分子の配列は外部から電界を加えることで変化する。この性質を利用することによって偏光制御素子として動作する。
【００１４】
ここで、時計等の表示素子としても幅広く使用されているツイステッドネマティック液晶セルの構成を例にとり説明する。液晶は２枚の平行度の高いガラス板に挟まれている。液晶の厚みは通常１０μｍ程度、又両ガラス板の液晶と接する面には液晶に電界を加えるための透明電極と液晶分子を特定の方向に配向させるための特殊な処理層が形成されている。上下のガラス板の配向方向は、液晶分子がガラス面に平行かつ９０°の螺旋を描くように直交している。このセルに配向方向に対し平行又は垂直な偏光面を有する光が入射した場合、液晶の光学異方性により入力光の偏光面は９０°回転する。
【００１５】
いま、透明電極を介し液晶に電圧を加えると、液晶分子はガラス面に垂直に向きを変える。この結果、入力光に対する光学異方性は無くなり、入力光の偏光面は変化することなく通過することになる。このように液晶セルは外部入力によってダイナミックに偏光面を回転できる偏光制御素子として動作する。
【００１６】
これらのディバイスを使用して、偏光装置、光の分波を行う分波器、複数の光を集合する集合器、光を分岐する分岐器等が形成されている。
【００１７】
特開平６−１７４９６３号は、光学的分岐方法として、図１５に示すように、焦点Ｏ１にファイバ５１の端面を有する第１曲面Ｓｐ１と、焦点Ｏａ２にファイバ５２の端面を有する第２曲面Ｓｐ２とが光反射面を対向配置し、ファイバ５１の出射開口数によって定まる発散光束のうち、ファイバ５１の中心線より片側の光束５５がファイバ５２の入射端面に、入射開口数に対応する入射角で入射するように第１曲面Ｓｐ１と第２曲面Ｓｐ２とが配設されてなる単位光学素子５０を複数個備え、これらの複数個の単位光学素子が１つの光ファイバ５１を共有する光分岐集合素子を開示している。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この光学的分岐に係る従来技術においては、光を分岐又は集合させるために、光ファイバ内の光線をいったん外部空間に放射させ、放射された光線の光路上に配置されたプリズム、レンズ、半導体等で構成された上記のような各種偏光機器を伝搬させることにより、光を所望の方向に屈折させ、屈折角度に合わせてプリズム等を可動させる可動部を必要とすることから、構造が極めて複雑である。また、分岐する光線の光軸の偏向機器に対する整合が煩雑であって、装置の小型化とコストの低減が困難であった。さらに、この従来技術における光分岐集合素子は、入射光を曲面に当て屈折した光束が、出射開口数に対応する出射角で出射するように第１曲面と第２曲面とを構成し、反射された光が出射する出射口の位置を正確に配設する必要がある。又、出射開口の配置は、曲面の構成によりその設置位置が限られる。そのため、光の屈折はその方向が制約されて自由な出射口の配置が出来ない。
【００１９】
一方、上記の電気的分岐方法においては、分岐箇所において、受光素子、半導体レーザ装置、及びこれらの周辺回路と電源装置を必要とし、装置サイズの小型化と低コスト化を実現するのは極めて困難であった。
【００２０】
本発明は、光ファイバを相互に結合したり、１本の光ファイバによって伝搬されてきた光線を接続するだけで所要の本数の光ファイバに分岐したり、複数の光ファイバによって伝送されてきた複数の光線を接続するだけで１本又は複数本の光ファイバに集合させることが可能な、光結合、光分岐又は光集合のための光結合器を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、球体の外周内面において光を全反射させるための反射部材が付され、その内部には前記球体の中心と異なる位置を中心にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体が充填された球体と、前記球体の表面に設けられ、その中心線が前記球体の中心を通るように形成された複数の開口部と、前記開口部において設けられた光ファイバ接続手段と、を有し、前記複数の開口部の任意の一又は複数を光入射口としその他の一又は複数の開口部を光出射口とした、ことを特徴とする光接続、光分岐又は光集合のための光結合器を提供するものである。
【００２２】
ここで、前記透明体の屈折率は、その中心部から外周に向かって徐々に大きくなるように設定されるのである。
【００２３】
本発明は、さらに、球体の外周内面において光を全反射させるための反射部材が付され、その内部には前記球体の中心と異なる位置を中心にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体が充填された球体と、夫々の前記球体の表面に設けられ、その中心線が前記球体の中心を通るように形成された複数の開口部と、前記開口部に設けられた光ファイバ接続手段と、を有し、前記複数個の球体が前記開口部の一つを介して結合され、前記複数の球体における何れか一つの複数の開口部の任意の一又は複数を光入射口としその他の一又は複数の開口部を光出射口とした、ことを特徴とする光接続、光分岐又は光集合のための光結合器を提供するものである。ここで、前記透明体の屈折率は、その中心部から外周に向かって徐々に大きくなるように設定される。
【００２４】
そして、前記複数の球体は、それぞれの前記開口部の一つにおいて相互に密着することにより直接的に連結されて、それぞれの前記光ファイバ接続手段に接続された光ファイバを介して房状に連結されるのである。
【００２５】（削除）
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【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光分岐又は光集合のための光結合器の実施の形態例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００４０】
光ファイバを用いた光伝搬は、屈折率分布形状、伝搬モード数、材料、製法の違いと構造の違いにより、多数経路の伝搬モードによって光線が伝搬する多モード光伝搬と単一経路の伝搬モードによって光線が伝搬する単一モード光伝搬がある。
【００４１】
光ファイバは、多モード形光ファイバと単一モード形光ファイバとがある。本発明の実施の形態での第１の形態は、光結合器が適応する光ビームは多数モードの光束であり、光ファイバは多モード形を使用している。
【００４２】
本発明における、第１の形態である光結合器は、多モード光ファイバによって導かれた光線を光結合するものであって、多モード光ファイバ内の光線はひと筋のビーム光ではなくある光軸面積を有しており、光線は光ファイバの端面から所定範囲の放射角度を持って球体内に放射されることとなるので、光線は、球体内面に付された反射部材によって反射し、球体内を複数回反射することから、球体表面の任意の位置設けられた１又は複数の開口部から球体内に導かれた光線が放射することとなる。
【００４３】
本発明における、第２の形態である光結合器は、単一モード光ファイバによって導かれた光線を光結合するものであって、球体の中心と異なる位置を中心にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体の作用により、光ファイバからのビーム光は、球体内で屈曲されることにより、光線は、球体内面に付された反射部材によって反射し、球体内を複数回反射することから、球体表面の任意の位置設けられた１又は複数の開口部から球体内に導かれた光線が放射することとなる。
【００４４】
図１は、本発明の光結合器の技術的構成の前提を説明する図を示すものである。光結合器５は、通常、光ファイバ中を伝搬される光を分岐／集合するので、光ファイバの端部に溶着されて使用される。その構成は、光（レーザ光）を伝搬案内する光ファイバ１に接続される中空又は透明体が充填された球体２（例えばガラス球、プラスチック球）と、球体２の表面には、光を全反射させるための反射部材３（例えばスパッタ・コーティング又は真空蒸着等）と、１又は複数の開口部４と、光ファイバ接続手段９とで光結合、光分岐又は光集合のための光結合器５が構成されている。
【００４５】
図２は、光ファイバ１からの入射光１０が光結合器５内を均等分散反射される形態を示す。光ファイバ１の基端（図で左側）近くに配置したレーザ光源又は一般の光源からの光は、球体２に接続された光ファイバ１先端から光結合器５内に進入し、反射部材３の内面で均等分散反射され、いわば球体２内で転々と無数回反射されて飛び交うが、光出射口４に出口を見出してそこから線Ｒの方向へ直線的に出射（線Ｒを屈折照射方向という）する。
【００４６】
光入射口から球体２内に導入された光線は、球体２内に付された反射部材３を複数回反射した後に反射回数を重ねて光出射口４から放射されるので、光出射口４から放射される出射光線の伝送帯域は、入射光線の伝送帯域よりも狭くはなるが、球体２内で反射を繰り返す毎に、反射光の光度は減衰することとなるので、減衰光の電気的信号処理により、本発明に係る光結合器は、中距離及び中帯域の光伝送には充分対応可能である。
【００４７】
光出射口４は、入射光の光軸中心線Ｌに対し用途に応じて所要の屈折出射方向を実現するように任意の位置に形成することが出来る。また、光出射口４の個数は１個に限らず、必要な個数を設けることが出来、形状も実施例では平面で見て円形であるが、その他種々な形状に（例えば帯状、楕円形状等）形成することが出来る。
【００４８】
また、光の可逆性により、光がその逆の経路を通ることも出来る。すなわち複数の入射光１０を１つの出射光として光集合をすることが出来る。
【００４９】
なお、図１で示した例では、光ファイバ１の光軸中心線Ｌと光結合器５の中心線とが略一致したものとして示されているが、必ずしもこれに限らず、ファイバ光軸中心線Ｌと球体２の中心線とをずらして接続することも出来る。
【００５０】
図３は、本発明に係る光結合器を構成する球体内に充填された透明体の屈折率の変化を説明する断面図を示す。図３に示すように、単一モードの光１０ｂを分岐集合する時に使用する光結合器５ａは、その内部に球体２の中心４５と異なる位置を中心４６にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体が充填された球体２で構成されている。
【００５１】
尚、図３では、屈折率を変化させた透明体において、等屈折率を線４７で示している。図３のａ）は、透明体の屈折率が、その中心部から外周に向かって徐々に大きくなるように設定された状態を示す。等屈折率を示す線４７の間隔は、異なる位置の中心４６の近傍に近づくにつれて密になっている。光１０ｂは、透過する球体２内の透明体によって屈折率を変化させ屈折しながら、図の球体２の上方Ｘ点に進行する。図３のｂ）は、透明体の屈折率が、その中心部から外周に向かって徐々に小さくなるように設定されている状態を示している。等屈折率を示す線４７の間隔は、異なる位置の中心４６の近傍に近づくにつれて疎になっている。光１０ｂは、透過する球体２内の透明体によって屈折率を変化させ屈折しながら、図の球体２の下方Ｙ点に進行する。
【００５２】
光ファイバ１からの単一モードの入射光１０ｂは、透過する球体２内の透明体によって屈折率を変化させ屈折しながら反射部材３に至る。光１０ｂは、球体２内を多モード光束が乱反射すると同様な反射を繰り返して光出射口４から出射する。
【００５３】
球体２の表面には、複数の開口部が設けられ、その開口部は、１又は複数の光ファイバ接続手段と光出射口４とが形成されている。球体２に設けられた開口部、及び光ファイバ接続手段と光ファイバとの接続は、光ファイバ接続手段、又は溶着が使用される。
【００５４】
この場合も、先に説明した多モード光ファイバ用光結合器と同様に、光入射口から球体２内に導入された入射光１０ｂは、球体２内に付された反射部材３を複数回反射した後に反射回数を重ねて光出射口４から放射されるので、光出射口４から放射される出射光線の伝送帯域は、入射光線の伝送帯域よりも狭くはなるが、球体２内で反射を繰り返す毎に、反射光の光度は減衰することとなるので、減衰光の電気的信号処理により、本発明に係る光結合器は、中距離及び中帯域の光伝送には充分対応可能である。
【００５８】
図５は、光ファイバ接続手段４０例の断面図を示す。光ファイバ接続手段４０は、光ファイバ１を整列保持する部材（フェルール）４３と、光ファイバを固定する機構部、及び締結機構部により構成されるプラグ４１のほか、そのプラグ同士を突合せ整列させるためのアダプタ４２により構成される。使用される光ファイバ１のコア径は、例えばガラス系の光ファイバを考えると、多モードファイバでは５０μｍから２００μｍくらいまで、単一モードファイバでは、１０μｍと小さな径である。従って、わずかな突合せ精度の不完全により接続損の増大生じることとなる。接続手段を使用した光ファイバの接続方式は、端面突合せ方式と、レンズを介して接続する方式の２種類に分類できる。レンズ方式は接続部の平行ビーム径がファイバコア系より大きくできるため安定した特性が得られる反面、部品数が多く、接続損失も大きくなるため、現状では、ほとんどが端面突合せ方式を採用している。そして、整列構造においては、スリーブ整列構造と（フェルールもしくはファイバを半径方向に均等な力を加える円筒スリーブなどにより中心軸を合わせる方式）、溝整列構造、及びガイドピン整列構造などに分けられる。通常、単心光接続手段の場合、円筒スリーブを用いた整列構造が多い。また、締結構造は、一般的なネジ式締結構造の他、バイヨネット締結構造などの各種簡易操作形の締結構造がある。
【００５９】
球体２の光ファイバ接続手段９及び開口部４に接続手段４０の一方のプラグ４１ａが固着されている。光ファイバ１をフェルール４３に挿入し、フェルール４３とアダプタ４２は、プラグに４１ａ螺合される。次に、プラグ４１ｂを廻してプラグ４１ｂとアダプタ４２に設けられた締結ネジ４４で螺合され球体２に固定される。このようにして光ファイバ１は、正確に光ファイバ接続手段９及び開口部４に接続される。また、光結合器５から光ファイバ１の取り外しも可能である。
【００６０】
また、他の球体２と光ファイバの接続は、上記のような接続手段４０を使用せず溶着による接続を行なうことができる。この場合、光ファイバの先端は、凸面状とし、対応して球体２の溶着個所は凹面状とする。または、ファイバの先端は、凹面状とし、対応して球体２の溶着個所は凸面状とする。このような相補的凹凸形状は溶着を正確強固にするために必要である。
【００６１】
本実施例においては、球体２と光ファイバ１の接続方法をプラグによる接続例及び溶着による接続例で示したが、この実施形態例で説明した接続に限定するものでなく、他の方法によって接続することであっても良い。
【００６２】
球体２の表面には、反射部材３を削除して、光ファイバ接続手段と出射口４が形成される。図１の例では、この光出射口４がレーザ光の直進光軸中心線（線Ｌ）に対し、屈折角９０°の方向に一致するように位置付けられ、例えば円形の光出射口４として反射部材３を削除することにより形成されている。
【００６３】
本装置で用いられる光ファイバ１は、極めて細い例えばガラス系の光ファイバを考えると、多モードファイバでは５０μｍから２００μｍくらいまで、単一モードファイバでは、１０μｍと小さな径である太さのものまで広く、種々な形のガラスファイバ又はプラスチックファイバを用いることが出来る。
【００６４】
球体２は、光学的に真球であることを要し、その材質は、無機材料酸化ガラス、特に高純度ガラスが好適であるが、実際的にはプラスチックのような透光性物質をもって製作することができる。
【００６５】
反射部材３に使用される金属材料は、特に限定されるものでなく、スパッタリング、真空蒸着、或いはさらにＣＶＤに適するもので光不透過性の材料ならすべて使用することが出来る。
【００６６】
また、反射部材３は単一層の金属だけでなく、異種金属を二層又は三相等に重積付着させて形成することもできる。
【００６７】
球体２の補強という目的では、反射部材３はなるべく厚い方がいいので、スパッタリングした上にさらにメッキ法により金属の比較的厚い補強膜を形成するようにしても良い。
【００６８】
ここで、光ファイバ１内を伝搬された光が分岐又は集合する光結合器５の実施の形態例を説明する。本発明における光結合器５の光分岐・集合は、光結合器５を１又は複数使用して入射光を光軸の中心から所定方向の角度に屈折させた光を得ることが出来るように構成されている。
【００６９】
光分岐は、入射光１０を光結合器５に取り入れ、球内を無数回反射されて光結合器５に設けられた１以上の光出射口４から出射する。
【００７０】
図６は、光結合器５に光出射口４が２個所設けられた例を示す。光出射口４ａ、４ｂには、光を伝搬する光ファイバ１が光入射側と同様な形状で接続されている。
【００７１】
光は、ファイバ１先端から光結合器５内に進入し、反射部材３の内面で均等分散反射され、いわば球内で転々と無数回反射されて飛び交うが、２箇所の光出射口４ａ、４ｂに出口を見出してそこから出射光Ａ、Ｂとして直線的に出射する。すなわち、入射光１０は、出射光Ａ、出射光Ｂに分岐され２箇所の光出射口４ａ、４ｂから分岐出力される。
【００７２】
図７は、光結合器５に２箇所の入射口７ａ、７ｂが設けられ、１箇所の出射口８が設けられた例を示す。これは、図３で示した光の分岐と逆の動作で、光の可逆性により、光がその逆の経路を通ることも出来ることを示している。入射光１０ａ、１０ｂは、２箇所の入射口７ａ、７ｂから光結合器５内に進入し、反射部材３の内面で均等分散反射され、球内で転々と無数回反射されて飛び交い、出射口８に出口を見出してそこから出射して直線的に出射口８から出射する。すなわち、２箇所の入射口７ａ、７ｂからの入射光１０ａ、１０ｂは、１箇所の出射口８に集合されて出射される。
【００７３】
つぎに、光結合器１５を２個連結して光を分岐する形態例を説明する。
【００７４】
図８は、光結合器１５を２個連結して固着し、光分岐及び集合を行う図を示す。光結合器１５の連結部は、光漏れのないよう互いの開口部の一つである連結口１８に密着され固着している。光結合器１５には所定の数の出射口１７が形成されている。光ファイバ１からの入射光１０は、光結合器５内に進入し、反射部材３の内面で均等分散反射され、いわば球内で転々と無数回反射されて飛び交うが、出射口１７、連結口１８に出口を見出してそこから直線的に出射する。
【００７５】
光結合器１５を２個連結することにより、光ファイバ１からの入射光１０を光結合器５に設けられた複数の光出射口１７に光を分岐して出射することが可能になる。
【００７６】
図９は、光結合器１６を３個連結した状態を示した図である。この形態の場合、図８と同様の方法で互いの光結合器１６を連結するが、光ファイバ１からの入射光をより多数の出射口１７に光を分岐することが可能になる。各々の光結合器１６には球体２の中心から所定の角度で、所定の数の出射口１７が形成されている。各々の出射口１７には光ファイバ１が接続されている。光ファイバ１からの入射光１０は、光結合器１６内に進入し、反射部材３の内面で均等分散反射され、出射口１７、連結口１８に出口を見出してそこから直線的に出射する。
【００７７】
光結合器１６を３個連結することにより、光ファイバ１からの入射光１０を光結合器１６に設けられた複数の出射口１７に光を分岐して出射することが可能になる。光の出射口を、入射口からの距離及び広い角度の位置に自由に設けることが出来るため機器の設計自由度が増す。
【００７８】
図１０は、１個の光結合器２０の周囲に光ファイバを介して房状に複数の小さな光結合器２１が連結されている形態を示している。この形態では、光結合器２０の入射口２２から入射した光は、光結合器２０内に進入し、反射部材３の内面で均等分散反射され、出射口２３に出口を見出してそこから出力光として出射する。出射口２３に光ファイバ１を介して連結された複数の小さな光結合器２１に入射する。
【００７９】
入射した光は、再び小さな光結合器２１内で均等分散反射され各々の光結合器２１の設けられた出射口に接続された光ファイバに向けて出射される。
【００８０】
なお、光結合器２１の連結は光ファイバ１を介さず、図８、図９で示したように、直接、光結合器２０と光結合器２１を連結しても良い。この連結によれば、光の減衰するロスが軽減されさらに多くの光分岐が可能となる。
【００８１】
図１１は、光ファイバ１の先端部に設けられた光結合器２５の全周に所定数の光出射口２６が形成されている例を示す。光出射口２６には光ファイバ１が接続されている。この形態例では入射光１０が光結合器２５の全周に沿って９０°屈折され複数の光ファイバに分岐されている。この形態によれば、限られたスペースにおいて複数の光分岐が可能となる。
【００８２】
ここで、本発明の光結合器５の光通信分野における適用例及び利用例について説明する。
【００８３】
光は電気に比べて、様々な特徴をもっている。光の持つ広帯域性、高速性、無漏話無干渉の特長を利用することで、電子技術では達成不可能な大容量のシステムを実現できる。光スイッチングの特長として以下のようなことがある。
【００８４】
１．光は広帯域性を有するため、電気的にはスイッチングが困難な高帯域な信号（数百メガヘルツ）を、スイッチングすることができる。光は２００テラヘルツという広大な帯域を持っており、外部からの雑音の影響を受けないという特長をもっている。この性質は、光伝搬だけでなく光スイッチングの特徴としても利用できる。
【００８５】
２．光は高速性を有するため、電気的スイッチより高速のスイッチングが可能である。電子的なスイッチでは、キャリアの移動速度や回路のＲＣ時定数によって動作速度の上限が決まってしまう。光の場合はこうした問題がないので、原理的にはより高速のスイッチングが可能で、実際、スイッチング時間が数ピコ程度の高速動作が実験的には確認されている。
【００８６】
３．光の広帯域性のより積極的な利用法として、全帯域を複数の周波数帯域に分割し、その各々で運ばれる独立した信号をスイッチングすることができる。原理的には電気の場合も可能ではあるが、光の場合はその広帯域性から帯域を分割利用するメリットが大きいこと、キャリアの周波数が高いため必要な回路が小型になることから周波数分割多重の伝搬やスイッチングは有望である。
【００８７】
４．光は外部の電磁界の影響を受けないため、光ビーム相互でも干渉し合わないという特徴がある。したがって、高密度なアレーディバイスを使い配線系を小型化すれば、３次元の高密度実装が可能である。
【００８８】
５．光スイッチは一般に媒体の物理的特性（屈折率など）を変化させてスイッチングを行うため、熱として消費されるエネルギーが小さく、電子スイッチに比べて消費電力の小さいスイッチが実現できる。
【００８９】
基本スイッチエレメントとして、最も単純なスイッチはオン・オフスイッチである。流れを制御する場合は、ゲート（オン／オフ）と呼ばれることもある。入力と出力の数はそれぞれ１つで、スイッチの状態はオン、オフの２つしかないため、１ｂｉｔでその状態を表すことができる。この種のスイッチを「バイナリスイッチ」と呼ぶ。ゲートスイッチを組み合わせることにより、様々なタイプのスイッチが構成できる。
【００９０】
次は、クロス／バー型スイッチである。これも２つの状態を持つバイナリスイッチであるが、入力と出力の数がそれぞれ２つある点が、ゲートスイッチと異なる。これは２つの入力と出力が、平行（バー状）に繋がった状態と、２つの入力と出力がクロスした状態で繋がった状態の２つを持つ。したがって、２つの入力は、必ず２つの出力の何れかと繋がった状態にあり、２つの入力が同時に一方の出力に繋がったり、いずれの出力にも繋がっていないという状態は存在しない。クロス／バー型スイッチを組み合わせてできるもっとも典型的なスイッチはバンヤンスイッチである。
【００９１】
３番目は多値スイッチ（ロータリースイッチ）で、１つの入力を２つ以上の出力のいずれか１つに選択的に接続する、あるいは、２つ以上の入力のいずれか１つを１つの出力に接続するスイッチを多値スイッチと呼ぶ。多値スイッチの典型的なスイッチがロータリースイッチである。
【００９２】
通信システムにおいて、まず１対１の通信を対象にすると、通信を行うもっとも簡単な方法は、通信したい２者を直接結べばよい。Ｎ人いれば、その中から任意の２人を選び出す組合せの数、すなわちＮ（Ｎ−１）／２本の線を張れば度のような組合せの通信も行えることになる。しかし、このような方法では、Ｎが増えるにつれて結線数は膨大な（Ｎの二乗のオーダ）数になり、それを実現することは物理的に不可能になる。そこで、通信したい者を結ぶ線路の途中にスイッチを置き要求にしたがってそれを結ぶようにすると、Ｎ本の結線で任意のＮ人が通信できるようになる。このように要求に応じて接続を切り替えることを、「スイッチング」と呼ぶ。スイッチングの第１義的な機能は、このような「繋ぎ替え」であるが、それと同時に通信ネットワークのリソースを必要に応じて割り当てることで無駄を無くして、低コストで通信を提供するという重要な役割も持っている。実際のネットワークはスイッチが階層構造になっており、スイッチ間を結ぶ結線を加入者伝搬路と呼ぶ。階層化することで交換機の規模もある程度の大きさに押えることが出来、トータルとして経済的なネットワークが実現される。
【００９３】
さらに、光スイッチングの方式は三つの方式「空間分割」（ＳＤ）、「時分割多重」（ＴＤ），「周波数分割多重」（ＦＤ）に分類される。一方、光技術の最大特長である「広帯域性」には、「変調可能な信号帯域の広帯域性」「空間分解能の広帯域性」がある。従来の光ファイバ通信で利用され、最もなじみ深い「広域帯域性」という言葉は主に第一の広帯域性、すなわち時間領域の広帯域性をさしたものである。
【００９４】
光スイッチは、光ファイバ通信システムの多様化・高信頼化・経済化等のために必要となる。光スイッチは光路の分岐・切換が目的であるからオン時の挿入損が低く、オフ時の漏話減衰量が大きいことが必要となる。又切換電力、切換時間、切換遅延時間も重要な評価項目である。スイッチは可動部を持つ機械式と可動部を持たない電子式に分類できる。機械式光スイッチは、スイッチ速度がミリ単位と遅く、多数個の光学部品を組み合わせて製作する必要があるために大量生産に不向きで小型化に限界がある。しかし、応答速度は遅いものの光学特性に優れており、現在、既に使用されている。一方電子式光スイッチは、高速動作、可動部を持たないことで高信頼度を実現できるなどの特徴を有している。
【００９５】
機械式光スイッチでは、光ファイバ、プリズム、反射鏡、レンズなどを動かして光路を切り換え、その駆動手段として手動ソレノイド、バイモルフ、ステップモータなどを用いる。接続損は何れも１ｄＢ前後であり、漏話減衰量は５０ｄＢ程度と高い。これらの光スイッチは、原理的に外部へ接続する光ファイバが多モードであるか単一モードであるかは問わないが、単一モード用では低損失、接続の再現性を確保するため、部品加工や組み立てに高い精度が必要である。
【００９６】
電子式光スイッチは、光変調器や光偏向器と同様に、光学効果、音響光学効果を適用できる。
【００９７】
電子式光スイッチは、石英ガラス導波路を用いたスイッチ、半導体を用いたスイッチ、液晶を用いたスイッチ等各種のものが提供されている。
【００９８】
最新の半導体光スイッチは、半導体の屈折率を電流や電圧で変化させ、それによって生じる屈折率差で全反射を起こして光の経路を切り替える。このことは、鏡を動かして光の反射をコントロールすると等価なことを、半導体の物理的性質を利用して微細な回路で実現している。従来より進歩した点は、可動部分がなくなったこと、動作が非常に早くなったこと,スイッチの大きさが微小になったこと、などである。高速スイッチングできるようになると、現在の電子交換のように、信号を時間的に多重して、それぞれ独立にスイッチングすることも出来る。さらに、半導体アンプゲート（ＳＯＡＧ）として利用すると、注入する電流によって量を光の量を制御できる光ゲート素子となる。この半導体アンプゲートは、高速スイッチングが可能で、増幅利得を持ち、高いオン／オフ比が得られる。
【００９９】
液晶を用いたゲートスイッチでは、光の偏光面を液晶でコントロールして光を透過／遮断する。又は長の異なる光を多重して、波長ごとに切替を行う高周波分割多重スイッチングも実験的には可能になってきている。
【０１００】
液晶は、流体であるにも関わらず、固体と略同様、分子が一定の規則にしたがって、ほぼ揃っている性質がある。液晶分子の形は細長いことから、分子の長尺、短尺方向で光の感じる屈折率が異なり、一般に強い光学異方性を示す。また、液晶分子の配列は外部から電界を加えることで変化する。印加電圧によって特定の方向の光を透過又は反射する制御ができる。この性質を利用することで光スイッチングディバイスを構成できる。
【０１０１】
屈折率変化を利用する光スイッチの他に、光の透過率を制御出来る光ゲート素子を用いても光スイッチを構成できる。
【０１０２】
一般的なゲートスイッチにおいて、１Ｘ２スイッチは、１個の光分岐回路と、２個の光ゲート及び１個の光合流回路で構成されている。
【０１０３】
２Ｘ２スイッチは、２個の光分岐回路、４個の光ゲート及び２個の光合流回路で構成されている。光ゲートは光をオン・オフするシャッタとして動作し、光のスイッチングを行う。この構成は、分岐接続が可能な点に特徴がある。
【０１０４】
光ゲートは、石英ガラス導波路を用いたゲート、半導体を用いたゲート、液晶を用いたゲート等各種が適用可能である。
【０１０５】
ここで、本発明の光結合器を用いて上記したゲートスイッチを構成した２Ｘ２スイッチ例を説明する。
【０１０６】
光結合器３０を用いた２Ｘ２スイッチは、図１２に示すように、４個の光結合器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、４個の光ゲート素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄで構成されている。ファイバから伝搬された入力光Ａは、光結合器５ａ内で全反射された光が２つの出射口から出射されることにより分岐されて光ゲート素子３０ａ、３０ｂに至る。そのとき制御装置（図示せず）は光を通過させるゲート３０ｂを開き、他方のゲート３０ａを閉じるように制御を行う。開いているゲート３０ｂを通過した光は出力光として光結合器５ｄに集合されて出力光Ｙとして出力される。このようにして光は、分岐された後、オン・オフ制御されたゲートにより所望の光路に導かれる。すなわち所定の制御に従ったオン・オフの動作を行う光スイッチの機能が遂行される。
【０１０７】
いずれの光ゲートも、制御装置により印加電圧等によるオン・オフのコントロールが可能であり、稼働する部品はない。したがって、高速で安定したスイッチングが行われる。光分岐及び集合も光結合器３０を配設するだけの簡単な構造である。
【０１０８】
さらに、上記したスイッチのゲート数を増やし適正な配置とすることで４Ｘ４、８Ｘ８など入出力数を増加させマトリックススイッチを構成できる。
【０１０９】
さらに又、光集合分岐器５の波長分割多重型光スイッチングへの適用例を説明する。上記に説明した空間分割型光スイッチングにおけるＮｘＮマトリックススイッチでは、スイッチ規模を大きくすると、単位スイッチである２Ｘ２スイッチの数がＮの２乗に比例して増大し、大規模化が困難である。更に、各単位スイッチでの損失、ストローク等が累積されて、ＮｘＮスイッチとして特性の良いスイッチを実現するのはそれほど容易なことではない。
【０１１０】
一方、光のキャリア周波数は、波長１．５５μｍで約１９３ＴＨｚである。これは、変調によるサイドバンドの有効帯域が１９３ＴＨｚであるということを示しており、その結果、１００Ｔｂｉｔ／ｓ程度の情報を一つのレーザから出力される光で運ぶことができることを意味している。以上のような光の広帯域性をフルに利用することで、空間分割型光スイッチングにおいて生じた問題をクリアできる。すなわち、ＮｘＮスイッチングにおいては、Ｎ種の波長を利用しそれらの多重／分離技術を用いれば、内部衝突が生じない波長を、ルーチング情報として用いることができる。
【０１１１】
波長多重スイッチングは、空間的に分離された複数の入力呼を波長分割ハイウエイに多重する。あるいはその逆の動作をするスイッチングである。ここで光結合器５を代表的な２つの方式に適用する例について説明する。
【０１１２】
ａ）まず分配選択型スイッチングネットワークに基づいた波長多重方光スイッチングである。
ＮｘＮ空間分割型スイッチングの機能を、波長多重技術を用いて実現するアーキテクチャとして分配選択型スイッチングがある。図１３は、分配選択型スイッチの基本構成を示す。入力する電気信号は各入力ポート（１−Ｎ）において、入力毎に決まった波長（λ1−N）で発信する半導体レーザ（固定波長レーザ）３５を用いて光信号に変換される。各ポート（ｆ1乃至ｆN）からの光信号は、光ファイバ１を介して光結合器５に伝搬される。伝搬された光は、光結合器５により集合され、λ1−Nの光信号が波長多重された状態で光ファイバ１を介して各出力ポート（１乃至Ｎ）へ送られる。各出力ポートには可変波長フィルタ５５が設置されている。可変波長フィルタ３６は、所定の波長帯域の光を透過又は反射させ、他の波長帯域の光を反射又は透過させるようにして、所定の波長帯域の光を選択する機能を持つ。例えば、青色の波長（約４７０ｎｍ）帯域の光のみを透過し、その他の波長帯域の光を反射する。可変波長フィルタ３６は、ルーチング情報に従って希望の光信号（波長）を選択する。以上の動作により、ＮｘＮのスイッチングが可能となる。本スイッチのアーキテクチャは、固定波長発信器と可変長受信機を用いているため固定送信、可変受信（ＦＴ−ＴＲ）型ネットワークとも呼ばれている。
【０１１３】
ｂ）つぎに、波長ルーチング型スイッチングネットワークに基づいた波長多重型光スイッチングにおける適用例を説明する。
分配選択型スイッチと同様、波長多重技術を用いたＮｘＮ空間分割型光スイッチングの機能を実現するアーキテクチャとして、波長ルーチング型スイッチがある。図１４は、波長ルーチング型スイッチの基本構成の概略図を示す。各ポート（ｆ1乃至ｆN）からの光信号は、光ファイバ１を介して光結合器５に伝搬される。
【０１１４】
伝搬された光は、光結合器５により集合され、λ1−Nの光信号が波長多重された状態で各受信ポート（ｆ1乃至ｆN）へ送られる。本アーキテクチャにおいては、各受信ポートに各々固有の波長フィルタ（固定波長フィルタ）３８が設置されており、各送信ポートの可変波長レーザ３７により目的出力ポートの波長で光信号を送信することによりＮｘＮスイッチングが実現されたものである。本スイッチアーキテクチャは、可変波長送信器と固定波長受信器を用いているため、ＴＴ−ＦＲ（可変送信、固定受信）型ネットワークとも呼ばれている。
【０１１５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明に係る光結合器においては、球体の外周内面において光を全反射させるための反射部材が付され、その内部には前記球体の中心と異なる位置を中心にして外周に向かって徐々にその屈折率を変化させた透明体が充填された球体と、前記球体の表面に設けられ、その中心線が前記球体の中心を通るように形成された複数の開口部と、前記開口部において設けられた光ファイバ接続手段と、を有し、前記複数の開口部の任意の一又は複数を光入射口としその他の一又は複数の開口部を光出射口とした。
【０１１６】
これにより、本発明の光接続、光分岐又は光集合のための光結合器は、単一モードの光ファイバーから球体の中心に向う光線であっても、球体内を複数回反射して複数の出射口から出射するので、光接続、光分岐、及び光集合を一つの光結合器で実現でき、球体表面の複数の開口部において設けられた複数個の何れの光ファイバ接続手段を光入射口又は出射口とし、光入射口と光出射口を数多く設けることを可能とし、さらには、光ファイバを相互に結合したり、１本の光ファイバによって伝搬されてきた光線を接続するだけで所要の本数の光ファイバに分岐したり、複数の光ファイバによって伝送されてきた複数の光線を接続するだけで１本又は複数本の光ファイバに集合させることが可能な、光結合、光分岐又は光集合のための極めて汎用性の高い光結合器を実現したのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光結合器の技術的構成の前提を説明するものである。
【図２】  光ファイバからの入射光が光結合器内を均等分散反射される形態図を示す。
【図３】  本発明を構成する球体内に充填された透明体の屈折率の変化を説明する断面図を示す。
【図４】  球体の外周に沿って磁気発生手段を設けた断面図を示す。
【図５】  球体と光ファイバ接続のための接続手段の断面図を示す。
【図６】  光結合器に出射口が２個所設けられた断面図を示す。
【図７】  光結合器に２箇所の入射口が設けられ、１箇所の出射口が設けられた断面図を示す。
【図８】  光結合器を２個連結して結合した図を示す。
【図９】  光結合器を３個連結して結合した図を示す。
【図１０】  １個の光結合器の周囲に複数の小さな光結合器が房状に連結された概略図を示す。
【図１１】  光結合器の全周に所定数の出射口が形成されている断面図を示す。
【図１２】  光結合器を用いた２Ｘ２スイッチの概念図を示す。
【図１３】  光結合器を用いた分配選択型スイッチの基本構成を示す。
【図１４】  光結合器を用いた波長ルーチング型スイッチの基本構成の例を示す。
【図１５】  従来技術に係る、光分岐集合素子の構成図を示す。
【符号の説明】
１  光ファイバ
２  球体
３  反射部材
４  光出射口
５  光結合器
７ａ、７ｂ  入射口
９  接続部
１０  入射光
１８  連結口
２９  磁気発生手段
３０  光ゲート素子
４０  光ファイバ接続手段
【図１】
0003833122.tif 000002
【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】
0003833122.tif 000008
【図８】
0003833122.tif 000009
【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】
0003833122.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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