JPS583392B2 - 光波エネルギ伝送装置 - Google Patents
光波エネルギ伝送装置Info
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- JPS583392B2 JPS583392B2 JP50014796A JP1479675A JPS583392B2 JP S583392 B2 JPS583392 B2 JP S583392B2 JP 50014796 A JP50014796 A JP 50014796A JP 1479675 A JP1479675 A JP 1479675A JP S583392 B2 JPS583392 B2 JP S583392B2
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- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4292—Coupling light guides with opto-electronic elements the light guide being disconnectable from the opto-electronic element, e.g. mutually self aligning arrangements
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Description
【発明の詳細な説明】
光通信装置のための有望な伝送媒体である光導波路は通
常、屈折率がn1の透明材料よりなるコアとそれを囲み
n1より小さい屈折率n2を有する透明なクラツド層と
からなるオプテイカルファイバで構成されている。
常、屈折率がn1の透明材料よりなるコアとそれを囲み
n1より小さい屈折率n2を有する透明なクラツド層と
からなるオプテイカルファイバで構成されている。
1本のファイバで伝送しうる光量よりもより大きい光量
を受信機に伝送するためおよびいくつかのファイバが破
損した場合に余裕を得るために、複数の光導波路ファイ
バを並置してファイバ束を形成することがしばしば行な
われている。
を受信機に伝送するためおよびいくつかのファイバが破
損した場合に余裕を得るために、複数の光導波路ファイ
バを並置してファイバ束を形成することがしばしば行な
われている。
周囲よりも大きな屈折率を有する透明なファイバ構造に
沿って光が伝播せしめられうることが知られており、比
較的短い距離だけ光を伝送せしめるためにはクラツド・
ファイバが用いられている。
沿って光が伝播せしめられうることが知られており、比
較的短い距離だけ光を伝送せしめるためにはクラツド・
ファイバが用いられている。
屈折率n0を有する伝送媒体からこのようなファイバの
中へ光を導くためには、光は、ファイバの軸線から測定
された次の式(1)で与えられる2分角θcを有する子
午線方向の入力円錘形(meridi−onal en
trance cone)内において、ファイバの端面
に向けて送られなければならない。
中へ光を導くためには、光は、ファイバの軸線から測定
された次の式(1)で与えられる2分角θcを有する子
午線方向の入力円錘形(meridi−onal en
trance cone)内において、ファイバの端面
に向けて送られなければならない。
このようなファイバの開口数(numericalap
erture))(NA)、すなわちそのファイバの集
光能力の程度は、次の式で定義される。
erture))(NA)、すなわちそのファイバの集
光能力の程度は、次の式で定義される。
NA=n0sinθc=(n21n22)1/2
(2)従来の光ファイバにおいては、コアの屈折率とク
ラツド材料の屈折率との差は非常に大きく、したがって
NAが大きいので、ファイバは光源から放射される比較
的大きい光量を集光することが可能である。
(2)従来の光ファイバにおいては、コアの屈折率とク
ラツド材料の屈折率との差は非常に大きく、したがって
NAが大きいので、ファイバは光源から放射される比較
的大きい光量を集光することが可能である。
しかしながら、光導波路の場合には、信号の包絡線(e
nvelope)歪を避けるためおよび現時点において
利用可能な材料で屈折率の差が大きくなるようなものは
損失が大きくなる傾向を有するための2つの理由から、
コアとクラッドとの屈折率の差は小さい値に維持されて
いる。
nvelope)歪を避けるためおよび現時点において
利用可能な材料で屈折率の差が大きくなるようなものは
損失が大きくなる傾向を有するための2つの理由から、
コアとクラッドとの屈折率の差は小さい値に維持されて
いる。
式(2)によれば、光導波路におけるコアとクラツドと
の間の屈折率の差がこのように小さいので、従来の光フ
ァイバよりも小さい開口数を有することになる。
の間の屈折率の差がこのように小さいので、従来の光フ
ァイバよりも小さい開口数を有することになる。
市販されている光ファイバや従来の光パイプの開口数は
0.6程度でよいが、光導波路の開口数は、入射の2分
角が5°ないし10°であることに対応して、約0.1
0ないし0.15である。
0.6程度でよいが、光導波路の開口数は、入射の2分
角が5°ないし10°であることに対応して、約0.1
0ないし0.15である。
光導波路は受光角や開口数が比較的小さいので、光導波
路の光源からの放射は、光導波路や光導波路束に効率的
に結合するように、方向性の高いものでなければならな
い。
路の光源からの放射は、光導波路や光導波路束に効率的
に結合するように、方向性の高いものでなければならな
い。
上述のような特性を有するコヒレント(可干渉性の)な
光源は効率的な結合をおこなうことが可能であるから、
この目的のために普通レーザを用いることが考えられて
いる。
光源は効率的な結合をおこなうことが可能であるから、
この目的のために普通レーザを用いることが考えられて
いる。
しかしながら、発光ダイオード、電燈およびそれに類す
るようなインコヒレント(非干渉性の)な光源を光導波
路用の光源として用いることが望ましい場合がしばしば
ある。
るようなインコヒレント(非干渉性の)な光源を光導波
路用の光源として用いることが望ましい場合がしばしば
ある。
たとえば、固体光源は従来のレーザより堅固でかつコン
パクトであり、しかも固体回路とより調和しているとい
う点で有利である。
パクトであり、しかも固体回路とより調和しているとい
う点で有利である。
このような光源から直接得られた光エネルギを光導波路
束に結合することは、光源の出力エネルギの空間的およ
び角度的な分布のためおよびファイバ束の開口数が低い
ことに起因して、非常に非効率的である。
束に結合することは、光源の出力エネルギの空間的およ
び角度的な分布のためおよびファイバ束の開口数が低い
ことに起因して、非常に非効率的である。
たとえば、光放射分布が発光ダイオードからの光放射の
良好な近似であるランベルト分布(Lanbersia
n)である場合には、現在の低損失光導波路では、全放
射量の2パーセント以下が入射角内に含まれるにすぎな
い。
良好な近似であるランベルト分布(Lanbersia
n)である場合には、現在の低損失光導波路では、全放
射量の2パーセント以下が入射角内に含まれるにすぎな
い。
このことは、ダイオードの表面が光導波路束に接触せし
めて配置された場合に光学結合の損失が大きくなること
を示している。
めて配置された場合に光学結合の損失が大きくなること
を示している。
ある種の発光ダイオードにはそれの発光部分を被ってレ
ンズ状の透明カバーが設けられている。
ンズ状の透明カバーが設けられている。
このようにすることによって放射される光はより指向的
にはなるか、ダイオードと光導波路束との間の結合損失
が大きくなり、従ってこのようなダイオードを用いよう
とすると付加的な光コリメート手段を用いなければなら
なくなる。
にはなるか、ダイオードと光導波路束との間の結合損失
が大きくなり、従ってこのようなダイオードを用いよう
とすると付加的な光コリメート手段を用いなければなら
なくなる。
たとえば、光導波路ファイバ束の端部に近接して配置さ
れた透明なドームを有するモンサント社製NVIOAダ
イオードの場合の結合損失は、26dBと測定されてい
る。
れた透明なドームを有するモンサント社製NVIOAダ
イオードの場合の結合損失は、26dBと測定されてい
る。
このような大きさの損失は、光通信装置において、特に
光導波路における減衰が4dB/kmであるという事実
からみて許容できない大きさである。
光導波路における減衰が4dB/kmであるという事実
からみて許容できない大きさである。
結合損失を減少させる試みとして、発光面に近接してい
るレンズ状のハウジングを研摩によって発光ダイオード
からとり除き、別のレンズ系を上記ダイオードと光導波
路束の端面との間に配置することが行なわれた。
るレンズ状のハウジングを研摩によって発光ダイオード
からとり除き、別のレンズ系を上記ダイオードと光導波
路束の端面との間に配置することが行なわれた。
このような構成によれば、最小損失は、心合せが比較的
困難な高価な顕微鏡の対物レンズを用いた場合、12.
3dBであった。
困難な高価な顕微鏡の対物レンズを用いた場合、12.
3dBであった。
したがって、本発明の1つの目的は、光導波路束のため
の堅固で安価な光源を提供することである。
の堅固で安価な光源を提供することである。
また他の目的は、心合せおよび組立てが容易な光導波路
束用光源を提供することである。
束用光源を提供することである。
本発明は光波エネルギを導くための伝送装置に関し、特
に固体光源から低NAの光導波路に光を結合するための
光学装置に関するものである。
に固体光源から低NAの光導波路に光を結合するための
光学装置に関するものである。
簡単に述へると、本発明による装置は、長さ方向の軸に
沿って心合せして、固体光源と、均一な屈折率を有する
透明な球状ビードと、並置関係をもって配置されだ光導
波路の束よりなるものである。
沿って心合せして、固体光源と、均一な屈折率を有する
透明な球状ビードと、並置関係をもって配置されだ光導
波路の束よりなるものである。
光導波路の両端は、透明なビードに近接して配置された
端面を構成するように単一の平面内に配置される。
端面を構成するように単一の平面内に配置される。
ビードの直径は少くとも光導波路束の直径と同じ大きさ
を有している。
を有している。
以下図面に示された実施例につき本発明をさらに詳細に
説明しよう。
説明しよう。
第1図は、光導波路束14に結合されるべき光波エネル
ギを放射するための発光ダイオード12を含む光通信装
置の入力部分を断面図で示したものである。
ギを放射するための発光ダイオード12を含む光通信装
置の入力部分を断面図で示したものである。
本発明においては、透明な球状ビード16が光導波路束
14と、ダイオード12の発光部18の中心部とに軸方
向に心合せして配置されている。
14と、ダイオード12の発光部18の中心部とに軸方
向に心合せして配置されている。
ビード16はハウジング24に配置された挿入部22の
一端を貫通した開口部20に固定して取付けられている
。
一端を貫通した開口部20に固定して取付けられている
。
ビード16を開口部20に挿入することができるように
少し変形するプラスチックのような材料で挿入部22が
作られている場合には、ビード16の直径を開口部20
の直径より若干大きくすることができる。
少し変形するプラスチックのような材料で挿入部22が
作られている場合には、ビード16の直径を開口部20
の直径より若干大きくすることができる。
そのようにすれはビード16が開口部20に無理に入れ
込まれることにより、それによって、ビード16の中心
を開口部20の軸に沿って正確に心合させることになる
。
込まれることにより、それによって、ビード16の中心
を開口部20の軸に沿って正確に心合させることになる
。
ダイオード12はハウジング26内に配置され、そのハ
ウジング26は、ハウジング24に固定された場合、ビ
ード16に対して発光部18を適切に心合せしめる。
ウジング26は、ハウジング24に固定された場合、ビ
ード16に対して発光部18を適切に心合せしめる。
上記ダイオードは、ハウジング26を貫通した一対の導
線28によって付勢される。
線28によって付勢される。
透明なエポキシで作られた薄い保護カバー30がダイオ
ード12の発光面を被って設けられている。
ード12の発光面を被って設けられている。
発光部18の中心とビード16の中心とが光導波路束1
4の長手方向軸線上に配置された時に最大結合効率が得
られる。
4の長手方向軸線上に配置された時に最大結合効率が得
られる。
このような心合を実現するために、光導波路束14の終
端部が終端嵌め輪部34内に配置されている。
端部が終端嵌め輪部34内に配置されている。
終端嵌め輪部34には、光導波路束14の挿入を容易に
するためテーパをつけた開口部36が設けられている。
するためテーパをつけた開口部36が設けられている。
光導波路束14はエポキシのような接着材で終端嵌め輪
部34内に固着され、終端嵌め輪部とファイバの端面ば
、光導波路束14の長手方向軸線に実質的に直交した光
学的性質を有する端面38を光導波路束14に設けるよ
うに研摩される。
部34内に固着され、終端嵌め輪部とファイバの端面ば
、光導波路束14の長手方向軸線に実質的に直交した光
学的性質を有する端面38を光導波路束14に設けるよ
うに研摩される。
終端嵌め輪部34は開口部20と同軸の挿入部22の開
口部42に挿入されている。
口部42に挿入されている。
スリーブ40はハウジング24にねじ付けされて締めつ
けられており、それにより端面38をビード16に圧着
せしめ、その結果、ビード16がダイオード12と光導
波路束14の端面38との間に固着されることになる。
けられており、それにより端面38をビード16に圧着
せしめ、その結果、ビード16がダイオード12と光導
波路束14の端面38との間に固着されることになる。
終端嵌め輪部34は光導波路束14の端部を実質的に平
行に整列せしめて保持しており、かつ挿入部22と協働
して光導波路束14、ビード16およひダイオード12
間に上述のごとき心合関係を与える。
行に整列せしめて保持しており、かつ挿入部22と協働
して光導波路束14、ビード16およひダイオード12
間に上述のごとき心合関係を与える。
第1図に示された装置の結合効率は、発光ダイオードを
光導波路束に隣接せしめて配直した場合の約10倍であ
る。
光導波路束に隣接せしめて配直した場合の約10倍であ
る。
しかしながら、結合効率の長大値は、第2図に示されて
いるように、ダイオードから若干離間せしめて配置した
場合に得られた。
いるように、ダイオードから若干離間せしめて配置した
場合に得られた。
第2図では、第1図に対応する部分は同一数字にダツシ
をつけて示されている。
をつけて示されている。
この実施例においては、開口部20′はプラスチック、
ガラス、あるいはそれに類する材料よりなる透明な窓5
0を収容するよう延長されている。
ガラス、あるいはそれに類する材料よりなる透明な窓5
0を収容するよう延長されている。
窓50はビード16′とダイオード12′との間に配置
されている。
されている。
別の透明なビード16′と光導波路束14′の端面との
間には、他の透明な窓52が配置されうる。
間には、他の透明な窓52が配置されうる。
次に述べる例は本発明の装置によって実現された結合効
率の改善を示すものである。
率の改善を示すものである。
モンサント社製MVIOB型発光ダイオードを、それの
エポキシよりなる終端キャップを外して、光源として用
いた。
エポキシよりなる終端キャップを外して、光源として用
いた。
発光部の直径は約0.038cm(0.015インチ)
であった。
であった。
約0.236cm(0.093インチ)の直径を有する
光導波路束は65本の光導波路ファイバを含んでおり、
各ファイバは直径が約0.022cm(0.009イン
チ)でNAが0.10であった。
光導波路束は65本の光導波路ファイバを含んでおり、
各ファイバは直径が約0.022cm(0.009イン
チ)でNAが0.10であった。
光導波路束は真ちゅう製の終端嵌め輪部で終端せしめら
れ、エポキシで所定の位置に固着された。
れ、エポキシで所定の位置に固着された。
光導波路束の端面は平らに研摩された。直径約0.27
9cm(0.110インチ)で屈折率147の硼珪酸ガ
ラスのビードが、ダイオードと光導波路束の端面の間に
固定して保持され、光導波路束、ビードおよびダイオー
ドは第1図に示したように軸線方向に心合せしめられて
配置された。
9cm(0.110インチ)で屈折率147の硼珪酸ガ
ラスのビードが、ダイオードと光導波路束の端面の間に
固定して保持され、光導波路束、ビードおよびダイオー
ドは第1図に示したように軸線方向に心合せしめられて
配置された。
約30cm(12インチ)の長さの光導波路束の出力端
は、一体化する球状部に連結され、光導波路束からの全
体の光出力が決定されうる。
は、一体化する球状部に連結され、光導波路束からの全
体の光出力が決定されうる。
光導波路束の長さが短いので、そこでは本質的に損失が
生じないと考えられうる。
生じないと考えられうる。
光導波路束によって集められ、測定装置に伝送される光
量はダイオートから放射された全光量の4%であった。
量はダイオートから放射された全光量の4%であった。
ガラス製のビードを用いないで同じ実験を実施したとこ
ろ、その場合には、ダイオードから放射された全体の光
のうちわずか0.4%が伝送されるにすぎなかった。
ろ、その場合には、ダイオードから放射された全体の光
のうちわずか0.4%が伝送されるにすぎなかった。
透明なビードの直径が光導波路束の直径より若干大きい
場合に最大結合効率が得られた。
場合に最大結合効率が得られた。
この関係は約0.127cm(50ミル)と約0.58
4cm(230ミル)の間の直径を有するビードを用い
て、約0.038cm(0.015インチ)の直径を有
する発光部をもつダイオードから直径0.236cm(
0.093インチ)の光導波路束に光を結合せしめるよ
うにすることによって決定された。
4cm(230ミル)の間の直径を有するビードを用い
て、約0.038cm(0.015インチ)の直径を有
する発光部をもつダイオードから直径0.236cm(
0.093インチ)の光導波路束に光を結合せしめるよ
うにすることによって決定された。
この実験の結果か第3図に示されている。
この図では、光導波路束の出力端から放射される光の相
対強度がビードの直径の関数としてプロットされている
。
対強度がビードの直径の関数としてプロットされている
。
曲線62によって示されているように、ビードか発光ダ
イオードから若干、たとえばビードの直径の約10%な
いし20%だけ離間せしめられた場合に、最良の結果が
得られた。
イオードから若干、たとえばビードの直径の約10%な
いし20%だけ離間せしめられた場合に、最良の結果が
得られた。
曲線64によって示されているように、ダイオードの表
面にビードが接触している場合には、それよりも若干低
い結合効率となった。
面にビードが接触している場合には、それよりも若干低
い結合効率となった。
直径約0.267cm(0.105インチ)のビードの
場合に得られた曲線62のピータは、14dBの結合損
失を示しており、これは本発明の装置によって得られた
最小損失であった。
場合に得られた曲線62のピータは、14dBの結合損
失を示しており、これは本発明の装置によって得られた
最小損失であった。
第1図は本発明にしたがって構成された光通信装置の入
力部を示す断面図、第2図は第1図における実施例の変
更例を示す部分的な断面図、第3図は透明な球状光結合
ビードの直径と、それによって光導波路束に結合せしめ
られる光の量との関係を示すグラフである。 図面において、12,12’はダイオード、14、14
’は光導波路束、16,16’はビード、18,18’
は発光部、20、20’、36、42は開口部、38は
端面、50,52ぱ窓をそれぞれ示す。
力部を示す断面図、第2図は第1図における実施例の変
更例を示す部分的な断面図、第3図は透明な球状光結合
ビードの直径と、それによって光導波路束に結合せしめ
られる光の量との関係を示すグラフである。 図面において、12,12’はダイオード、14、14
’は光導波路束、16,16’はビード、18,18’
は発光部、20、20’、36、42は開口部、38は
端面、50,52ぱ窓をそれぞれ示す。
Claims (1)
- 1 発光ダイオードと、並置関係をもって配列された光
導波路束とを有する光波エネルギ伝送装置において、均
一な屈折率を有する透明な球状ビード16が、前記光導
波路束14および前記発光ダイオード12に対し、前記
発光ダイオード12の端面と前記光導波路束14の端面
との間に配置された変形可能な挿入部22によって、正
確に整列せしめられ、前記挿入部22は前記球状ビード
16が装着されない状態では前記球状ビード16の直径
よりもある程度小さい直径を有する変形可能な開孔を具
備していることを特徴とする光波エネルギ伝送装置。
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