JP7663124B2 - 光モニタデバイス - Google Patents

Description

本開示は、光モニタデバイスに関し、特に光伝送装置などにあって光の強度を検出しその検出結果を他の部品にフィードバックするための光モニタデバイスに関する。

近年、インターネットトラフィックの増大に伴い、通信システムにおいては通信容量を増大することが強く求められている。これを実現するため、通信局舎とユーザ宅間のアクセスネットワークや通信局舎同士を結ぶコアネットワークでは光ファイバを用いた通信システムが使われている。光ファイバ通信では通信の制御や設備の健全性の確認のために光ファイバを伝搬する光強度の検出がしばしば用いられる。例えば、アクセスネットワークでは、光ファイバに試験光を伝搬させ、その光強度検出から光ファイバの損失や健全性、心線対象や繋がりの確認などを行なっている。また、コアネットワークで用いられるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ）伝送ではフィードバック制御のため光強度のモニタリングが必要である。

アクセスネットワークの光強度モニタリングでは、例えば特許文献１に記載のような技術が使われている。特許文献１には２本の平行導波路によって光を一定の分岐比で分岐する技術が記載されており、これによりアクセスネットワークにおける光信号の強度や伝搬損失の測定などが行なえる。

ＷＭＤ伝送での光強度モニタリングでは、例えば特許文献２の技術が使われている。特許文献２には１次元に配列された光ファイバと誘電体多層膜との組み合わせにより複数の光ファイバの光信号の強度を同時にモニタリングする技術が記載されている。

しかし、従来のような配置構成とした光モニタデバイスにおいては、まだ以下に示すような課題がある。

光通信が普及し、光設備／ケーブルの光ファイバ心数が多心化していく中で、まず、光ファイバ１心毎に光カプラを用いる光モニタデバイスの場合は多心化に応じてコストとサイズが増大する。光ファイバと光強度センサを１次元のアレイ状に配置した光モニタデバイスの場合も、光ファイバのアレイ配置には限界があり、それよりも光ファイバの心数が増大すれば、心数に応じてコストとサイズが増大する。

このような光モニタデバイスを構成するための空間光学系として、例えば特許文献２では光分岐に誘電体多層膜を用いている。しかしながら、誘電体多層膜は一般に光の反射率が高いため光モニタデバイスを透過する信号の損失が大きくなるという課題がある。また、誘電体多層膜は一般に特定の波長帯しか反射しないため、ＷＤＭ伝送のような広い波長帯を使う通信のモニタリングには適さないという課題がある。

特許第３４５０１０４号（古河電気工業） 特開２００４－２１９５２３（富士通、取下）

本開示は、多心数の光ファイバ用の光モニタデバイスにおいて、広い波長域の光信号をモニタ可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の光モニタデバイスは、
複数の光ファイバを伝搬する光の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
入射光の一部を第１の方向へ、残りを第２の方向へ特定の分岐比で分岐し、出射する光学部品を備え、
前記光学部品が、
一様な厚さを有する単層膜と、
前記単層膜の入射側に設けられ、前記単層膜と異なる屈折率を有する入射側部材と、
前記単層膜の出射側に設けられ、前記入射側部材と同じ屈折率を有する出射側部材と、
を備え、
前記単層膜と前記入射側部材との第１の屈折率界面及び前記単層膜と前記出射側部材との第２の屈折率界面が、それぞれ入射光の光軸と特定の角度をもって設けられ、
前記第１の方向が前記第１の屈折率界面及び前記第２の屈折率界面を透過する方向であり、
前記第２の方向が前記第１の屈折率界面及び前記第２の屈折率界面で反射する方向である。

本開示の光モニタデバイスは、複数の光ファイバを伝搬する光の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、一様な厚さを有する単層膜を用いて入射光を分岐する。本開示の光モニタデバイスは、単層膜を用いて入射光を分岐するため、広い波長域の光信号がモニタ可能である。したがって、本開示によれば、多心数の光ファイバ用の光モニタデバイスにおいて、広い波長域の光信号をモニタ可能にすることができる。

本開示の光モニタデバイスの実施形態例を示す。 空間光学系を伝搬する光の一例を示す。 本開示の光モニタデバイスの実施形態例を示す。 単層膜における光路の一例を示す。 空間光学系での分岐比の一例を示す。 最小分岐比と単層膜の厚さと光束半径の比との関係の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（第１の実施形態）
本実施形態の光モニタデバイスは、図１に例示する構成を備える。
本実施形態の光モニタデバイスは、複数の入射側光ファイバ１１を伝搬する光の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
入射側光ファイバ１１からの各入射光に対し、入射光４１の大部分を特定の第１の方向へ、残りを別の特定の第２の方向へと一定の分岐比で分岐し、各分岐光を出射する空間光学系３０と、
前記空間光学系３０に光を入射するように２次元配列状に配置された、複数の光を伝搬する入射側光ファイバ１１と、
前記空間光学系３０から第１の方向へ出射される大部分の出射光４２を受光するように配置された、複数の光を伝搬する出射側光ファイバ１２と、
前記空間光学系３０から第２の方向へ出射される一部の出射光４３を受光するように配置された受光部５と、
前記空間光学系３０と前記入射側光ファイバ１１の間に配置され、入射側光ファイバ１１から空間光学系３０への各入射光を平行光とする入射側光学レンズ２１と、
前記空間光学系３０と前記出射側光ファイバ１２の間に配置され、空間光学系３０からの各出射光を、効率よく入射側光ファイバ１１に対応する出射側光ファイバ１２に結合する出射側光学レンズ２２と、
を有する。

さらに、本実施形態の光モニタデバイスでは、図２に例示するように、空間光学系３０が、一様な屈折率の材料で構成される入射側部材３０Ａと出射側部材３０Ｂとの間に設けられた別の一様な屈折率を持つ単層膜３３を備え、その単層膜３３が入射光４１の光軸と特定の角度（図では４５度）をもって設けられている。これにより、単層膜３３と入射側部材３０Ａとの第１の屈折率界面３３Ａ及び単層膜３３と出射側部材３０Ｂとの第２の屈折率界面３３Ｂが、それぞれ入射光の光軸と特定の角度をもって設けられている。

図１では、特定の角度が４５度であり、反射光の方向が９０度である例を示すが、反射光の方向は９０度固定ではなく、必要に応じて変えることが可能である。又、空間光学系３０は、空間系に限らず、方向の異なる２つの光に分岐可能な分岐面を備える任意の光学部品を用いることができる。

図１、図２に例示する光モニタデバイスによれば、入射側光ファイバ１１からの入射光４１は入射側光学レンズ２１で平行光となるため、拡散による損失を防ぐことができる。さらに空間光学系３０によって大部分の出射光４２が出射側光学レンズ２２に導かれる。出射側光学レンズ２２は空間光学系３０を通過した光を集光し、出射側光ファイバ１２に結合する。このように、入射側光ファイバ１１から出た大部分の出射光４２を損失が少ない状態で出射側光ファイバ１２に導くことができる。

一方、空間光学系３０によって分岐された一部の出射光４３は前記大部分の出射光４２とは別の方向に配置された受光部５に導かれる。これにより、本実施形態の光モニタデバイスは、入射側光ファイバ１１から出射側光ファイバ１２に伝搬する光の一部の強度を測定できる。空間光学系３０での出射光４２と出射光４３との分岐比が一定で予め分かっており、例えばそれがＮ：１であるとして、受光部５で測定された光の強度がＬ（単位は例えばｍＷ）であるとすると、入射側光ファイバ１１から入射した光強度は（Ｎ＋１）×Ｌ、出射側光ファイバ１２に伝搬した光強度はＮ×Ｌであると知ることができる。

受光部５は、入射側光ファイバ１１の２次元配列形状に整合するように配置された複数の受光素子で構成されていてもよいが、エリアイメージセンサなどの各入射側光ファイバ１１からの入射位置ごとに光強度を検出可能な１つの受光素子で構成されていてもよい。この場合、受光部５で検出された各出射光４３の強度は、入射側光ファイバ１１ごとに出力される。これにより、部品点数を減らすことができるとともに、任意の２次元配列の入射側光ファイバ１１に用いることができる。

図１、図２に例示する光モニタデバイスによれば、屈折率界面３３Ａ及び３３Ｂでのフレネル反射により入射光は分岐される。フレネル反射は波長に依存せず、屈折率界面３３Ａ及び３３Ｂでの屈折率に依存するため広い波長域において光が分岐される。

図２は入射側部材３０Ａと出射側部材３０Ｂが同じ屈折率の場合の入射光の波長による光路の違いを例示している。入射側部材３０Ａと出射側部材３０Ｂが同じ屈折率の場合、単層膜３３では波長が異なると異なる方向に進む。このため、屈折率界面３３Ｂへの入射位置が波長によって異なる。一方で、屈折率界面３３Ｂから入射した光は、単層膜３３と出射側部材３０Ｂの間の屈折により、入射側部材３０Ａと同じ方向に進む。このため、各出射側光ファイバ１２の入射端面での光軸を平行に配置しても、波長に依らず透過光を出射側光ファイバ１２に結合させることができる。

このように、本開示では、単層膜３３において波長に応じた屈折率界面３３Ｂへの入射位置の違いが生じる。そのため、本開示では、出射側光学レンズ２２の位置は、入射光４１の中心波長、屈折角及び単層膜３３の厚みＳに応じて定められている。

また、出射側光学レンズ２２に到達する光の幅は、入射光４１の波長幅と単層膜３３の厚みＳに主に依存する。出射側光学レンズ２２の径に対して出射側光学レンズ２２に到達する光の幅が小さいと光損失が小さく、一方でこの幅が大きいと光損失が大きくなる。そのため、出射側光学レンズ２２の径を、入射光４１の波長幅と単層膜３３の厚みＳに応じて定める値以上とすることで、光損失を小さくすることができる。一方、出射側光学レンズ２２の径が前記入射側ファイバの設置間隔以上となると隣のレンズとぶつかるため、出射側光学レンズ２２の径は前記入射側ファイバの設置間隔以下であることが必要である。

（本開示の効果）
図１に例示する光モニタデバイスによれば、入射側光ファイバ１１と出射側光ファイバ１２は２次元に配列されており、空間光学系３０によって２次元配列の光束を分岐する。これにより単心の光ファイバ毎の光モニタデバイスや光ファイバが１次元に配列された光モニタデバイスを用いるよりも小型化が可能という効果がある。また、構成する部品が少ないことから、低コスト化が容易という効果がある。加えて、広い波長域で光が分岐されるので、誘電体多層膜を用いた光モニタデバイスよりも広い波長域の光信号をモニタすることができる。したがって、本開示の光モニタデバイスは、広い波長域の光信号がモニタ可能であり、かつ数十心といった多心数の光ファイバ用の光モニタデバイスを小型かつ低コストに実現可能にすることができる。

なお、図１では、入射側光ファイバ１１、出射側光ファイバ１２、入射側光学レンズ２１及び出射側光学レンズ２２が３×３の２次元配列状に配置されている例を示すが、２×２以上の任意の数の組み合わせでありうる。

（第２の実施形態）
図３に、本実施形態に係る光モニタデバイスの構成例を示す。入射側部材３０Ａ、出射側部材３０Ｂは例えば石英ガラスなどの透明な材料で作ることができる。単層膜３３は、入射側部材３０Ａ及び出射側部材３０Ｂの間に所定の厚さのスペーサ３４を配置し、隙間を開けることで空気層を利用することができる。入射側光学レンズ２１及び出射側光学レンズ２２は、光コネクタなどで使用される角形フェルールにＧＲＩＮ（ＧＲａｄｅｄ ＩＮｄｅｘ）ファイバを内蔵したコリーメータで実現することができる。入射側光ファイバ１１及び出射側光ファイバ１２も、入射側光学レンズ２１及び出射側光学レンズ２２と同様に、角形のフェルール２３及び２４に内蔵し、光コネクタと同様ガイドピン２５とガイド穴を用いて入射側光ファイバ１１、入射側光学レンズ２１、出射側光ファイバ１２、出射側光学レンズ２２の光軸を調心することができる。受光部５は市販の光イメージセンサで実現できる。単層膜３３以外の接続部に屈折率整合材を充填することで、余計なフレネル反射を抑制できる。

また、余計なフレネル反射を抑制するには、入射側部材３０Ａ及び出射側部材３０Ｂの屈折率は、入射側光ファイバ１１及び出射側光ファイバ１２の光ファイバコアと同等であることが望ましい。例えば、入射側光ファイバ１１及び出射側光ファイバ１２が、通信用光ファイバに用いられる石英ガラスのファイバコアの場合、屈折率１．４７の屈折率整合材を用いるのが望ましい。単層膜３３には空気層（屈折率１）を用いるのが安価な構造と言える。単層膜３３への入射角を３０度とすると、フレネル反射率（ｐ偏光）は８．５％となる。

図４に単層膜３３での詳細な透過光と反射光の様子を例示する。入射側光ファイバ１１から空間光学系３０に入射してくる入射光４１の強度をＬ_０とすると、１次反射光、２次反射光、３次反射光の強度Ｌ_Ｒ１、Ｌ_Ｒ２、Ｌ_Ｒ３はそれぞれ以下の式で表される。

ここで、ｒ_１は屈折率界面３３Ａでのフレネル反射率であり、ｒ_２は屈折率界面３３Ｂでのフレネル反射率である。またδは、単層膜３３中で進んだ光の位相であり、４πｎＳｃｏｓθ／λである。ここで、ｎは単層膜３３の屈折率、Ｓは単層膜３３の厚み、θは屈折角、λは光の波長である。本実施形態では、単層膜３３は空気層であるため、屈折率ｎ＝１である。また図４では、１次透過光、２次透過光、３次透過光の強度Ｌ_Ｔ１、Ｌ_Ｔ２、Ｌ_Ｔ３を示す。

また、入射側光学レンズ２１で入射光４１が光束半径Ｒの平行光束になるとすると、ｉ次反射光とｊ次反射光との重なり積分は以下の式で表される。

ここで、ｄ＝２Ｓｔａｎθｃｏｓαであり、αは入射角である。このため、式４は以下の式で表される。

４次以上の反射光は微小なので無視すると、この空間光学系３０で反射し受光部５で受光される光の強度Ｌは以下の式で表される。

なお、ｋ_ｉｉ＝１である。

図５に最小分岐比と単層膜３３の厚さＳと光束半径Ｒの比との関係を示す。光通信装置の最小光信号強度は、例えばＩＥＣ ６１７５３－１で国際標準化されており、－２０～－２５ｄＢ程度である。一方、光センサの最小受光感度は一般に－４０ｄＢであるので、幅広い装置で使用可能であるためには－１５ｄＢ以上の分岐比が必要である。そのためには図５からＳ／Ｒが０．５以上となる単層膜３３の厚さＳが必要であることが分かる。

図６に単層膜３３の厚さＳと光束半径Ｒの比を変えた時の空間光学系３０での分岐比を示す。Ｓ／Ｒ＝０．５、２．０、４．０のいずれの場合も広い波長帯において光を分岐できることが分かる。しかしながら、ＳとＲの比が０．５の場合、空間光学系３０内での干渉により分岐比が小さい波長帯が現れる。このように、単層膜３３の厚さＳと光束半径Ｒの組み合わせによっては空間光学系３０内での干渉が生じる。そのため、ＳとＲの比が０．５以上となる単層膜３３の厚さＳを有しかつ単層膜３３での干渉を避けられる光束半径Ｒに設定することが好ましい。

以上、実施例だが、これに制限されるものではない。例えば、本開示では単層膜３３が空気層である例を示したが、単層膜３３は入射側部材３０Ａ及び出射側部材３０Ｂよりも屈折率の低いガラスであってもよい。また、空間光学系３０は立方形状に限らず、直方体などの任意の形状でありうる。また受光部５の配置についても、空間光学系３０で分岐された光を受光可能な任意の位置に配置することができる。例えば、受光部５は空間光学系３０の内部に埋設されていてもよい。

また本開示の光モニタデバイスは、光伝送システムにおいて伝送される任意の光のモニタリングに用いることが可能である。例えば、送信装置、受信装置又は中継装置などの光伝送システムに用いられる任意の装置に本開示の光モニタデバイスを搭載し、受光部５での測定結果を装置内又は装置外での任意の部品へのフィードバック又はフィードフォワードに用いることができる。また、光伝送システムにおける伝送線路の途中に本開示の光モニタデバイスを挿入し、伝送線路における光信号の強度や伝搬損失の測定を行うことができる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

５：受光部
１１：入射側光ファイバ
１２：出射側光ファイバ
２１：入射側光学レンズ
２２：出射側光学レンズ
２３、２４：フェルール
２５：ガイドピン
３０：空間光学系
３０Ａ：入射側部材
３０Ｂ：出射側部材
３３：単層膜
３４：スペーサ
４１：入射光
４２：大部分の出射光
４３：一部の出射光

Claims (5)

1. 複数の光ファイバを伝搬する光信号の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
   前記光信号の一部を第１の方向へ、残りを第２の方向へ特定の分岐比で分岐し、出射する光学部品と、
   前記光学部品に前記光信号を入射するように２次元配列状に配置されている複数の入射側光ファイバと、
   前記光学部品からの前記第１の方向への各出射光をそれぞれ受光するように２次元配列状に配置されている複数の出射側光ファイバと、
   前記光学部品からの前記第２の方向への出射光をそれぞれ受光するように配置されている受光部と、
   前記光学部品と前記入射側光ファイバの間に配置され、前記複数の入射側光ファイバからの前記光信号を平行光とする入射側光学レンズと、
   前記光学部品と前記出射側光ファイバの間に配置され、前記光学部品からの各出射光を前記出射側光ファイバに結合させる出射側光学レンズと、
   を備え、
   前記光信号は、波長多重されており、
   前記光学部品が、
   １４％未満の一定の値で前記第２の方向へ分岐する、一様な厚さを有する単層膜と、
   前記単層膜の入射側に設けられ、前記単層膜と異なる屈折率を有する入射側部材と、
   前記単層膜の出射側に設けられ、前記入射側部材と同じ屈折率を有する出射側部材と、
   を備え、
   前記単層膜と前記入射側部材との第１の屈折率界面及び前記単層膜と前記出射側部材との第２の屈折率界面が、それぞれ前記光信号の光軸と特定の角度をもって設けられ、
   前記第１の方向が前記第１の屈折率界面及び前記第２の屈折率界面を透過する方向であり、
   前記第２の方向が前記第１の屈折率界面及び前記第２の屈折率界面で反射する方向であり、
   前記単層膜の厚さＳと前記入射側光学レンズから出射される平行光の光束半径Ｒの比が０．５以上となる前記単層膜の厚さＳを有し、
   前記単層膜での干渉を避けられる前記光束半径を有する、
   光モニタデバイス。
2. 前記入射側部材及び前記出射側部材が同じ屈折率の透明体である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モニタデバイス。
3. 複数の光ファイバを伝搬する光信号の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
   前記光信号の一部を第１の方向へ、残りを第２の方向へ特定の分岐比で分岐し、出射する光学部品と、
   前記光学部品から前記第２の方向へ分岐された前記光信号を受光する受光部と、
   を備え、
   前記光信号は、波長多重されており、
   前記光学部品が、
   １４％未満の一定の値で前記第２の方向へ分岐する、一様な厚さを有する単層膜と、
   前記単層膜の入射側に設けられ、前記単層膜と異なる屈折率を有する入射側部材と、
   前記単層膜の出射側に設けられ、前記入射側部材と同じ屈折率を有する出射側部材と、
   を備え、
   前記単層膜と前記入射側部材との第１の屈折率界面及び前記単層膜と前記出射側部材との第２の屈折率界面が、それぞれ前記光信号の光軸と特定の角度をもって設けられ、
   前記第１の方向が前記第１の屈折率界面及び前記第２の屈折率界面を透過する方向であり、
   前記第２の方向が前記第１の屈折率界面及び前記第２の屈折率界面で反射する方向であり、
   前記入射側部材及び前記出射側部材が同じ屈折率の石英ガラスであり、
   前記単層膜が、空気層、又は前記入射側部材及び前記出射側部材よりも屈折率の低い透明なガラスである、
   光モニタデバイス。
4. 前記出射側光学レンズの位置が、前記光信号の中心波長に応じて定められている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モニタデバイス。
5. 前記出射側光学レンズの径が、前記光信号の波長幅に応じて定められる値以上であり、前記入射側光ファイバの設置間隔以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モニタデバイス。

Images