定出力光減衰器及び定出力光減衰方法

技術分野本発明は、入力する光の強度にかかわらず、ほぼ一定の出力光強度が得られる光減衰器及び光減衰方法に関する。
背景技術従来から、光通信網や光機器における光強度の調整には、減衰器が用いられている。 特に、最近の高密度波長多重（ＤＷＤＭ）伝送システムの発展に伴い、減衰器の需要が急増している。 減衰器は、具体的には、光通信網における中継器の光強度調整装置や光増幅器の分野に利用される。 また、レーザダイオード（ＬＤ）等の各種光源等の光機器の光強度調整装置に利用される。 あるいは、光検出器を高強度光から保護するための装置などに利用される。
光強度調整等に用いられる減衰器には、現在、固定型と可変型が知られている。
固定型減衰器は、減衰フィルタを使用したり、減衰ドーパントを添加した光ファイバを使用して、一定の減衰量が得られるもので、減衰量のレベルに応じて数種類のものが用意されている。 一方、可変型減衰器には機械式と非機械式がある。 機械式可変型減衰器には、光を空間伝送させて減衰させる方法を用いたタイプや、光路途中に可動式の減衰フィルタを挿入する方法を用いたタイプ、光軸合わせされた光ファイバを微動させて軸ずれを起こさせて減衰させるタイプ等がある。
また、非機械式の可変型減衰器には、ファラデー効果型、導波路型、熱光学効果を利用したポリマー導波路型、マッハツェンダー導波路型等がある。
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
例えば光通信網で工事が行われて、伝送路の光強度が変化した場合には、減衰器の減衰量を、伝送路に適合するように変更しなければならない。 しかしながら、固定型減衰器は減衰量が一定だから、必要な減衰量を得るために、他の適切な減衰量の減衰器と交換しなければならない。 これでは、伝送路の急激な光強度の変動に迅速に対応できないという問題点があった。
それに対して、可変型減衰器は上記のような固定型減衰器に見られるような問題はない。 しかしながら、現在用いられている可変型減衰器は電気的な制御を必要とするため、電力を消費する。 また、使用時に発熱が見られる、さらに、減衰量制御のためのドライバーが必要なため、ドライバーを組み込んだ制御装置の分だけ、装置が大型化する等の問題点があった。
本発明は、電気的な制御を必要とせず、入力光強度によらず、常に一定の出力光強度が得られる減衰器及び減衰方法を提供しようとするものである。
発明の開示本発明の定出力光減衰器は、屈折率が入力する光の強度に依存して変化する非線形光学材料と、この非線形光学材料の出力光を受け入れる光軸上に配置されて光軸を中心とする一定の半径の光のみを通過させるアパーチャーとを備えている。 そのため、本発明の減衰器を用いた減衰方法では、入力する光の強度によらず、常に一定の出力光強度を得ることができる。 この減衰器及び減衰方法に関連する各発明はそれぞれ次のような手段により発明の目的を達成する。
（１） 入力する光の強度に依存して屈折率が変化する非線形光学材料と、この非線形光学材料の出力光を受け入れる光軸上に配置されて、前記出力光のうち、前記非線形光学材料の光軸を中心とする一定の半径の光のみを通過させて出力するアパーチャーとを備えたことを特徴とする定出力光減衰器。
（２） 前記非線形光学材料は、微粒子分散ガラス、光学セラミックス若しくは有機高分子材料から選ばれたことを特徴とする（１）記載の定出力光減衰器。
（３） 前記非線形光学材料は光の入射側の端面が光軸に対して垂直であり、光の出射側の端面が光軸に対して所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする（１）記載の定出力光減衰器。
（４） 前記非線形光学材料の入力側の光軸上に凸レンズが配置されていることを特徴とする（１）記載の定出力光減衰器。
（５） 前記非線形光学材料の入力側にスリットが配置され、このスリットは長軸の中心部を前記光軸からずらした位置に設置されていることを特徴とする（１）記載の定出力光減衰器。
（６） 前記非線形光学材料の入力側に凸レンズとスリットが配置され、前記凸レンズは前記光軸上に、前記スリットは長軸の中心部を前記光軸からずらした位置に設置されていることを特徴とする（１）記載の定出力光減衰器。
（７） 前記非線形光学材料は、コアが非線形光学効果を有する光ファイバからなることを特徴とする（１）記載の定出力光減衰器。
（８） 前記コアは微粒子分散ガラスからなることを特徴とする（７）記載の定出力光減衰器。
（９） 前記コアは２次の非線形屈折率が波長依存性を有する材料からなることを特徴とする（７）記載の定出力光減衰器。
（１０） 前記コアは２次の非線形屈折率が正である材料からなることを特徴とする（９）記載の定出力光減衰器。
（１１） 前記コアは２次の非線形屈折率が負である材料からなることを特徴とする（９）記載の定出力光減衰器。
（１２） 入力すべき光を屈折率が前記入力光の強度に依存して変化する非線形光学材料に通過させて出力し、前記非線形光学材料の出力光を受け入れる光軸上に配置されて、前記出力光のうち、前記非線形光学材料の光軸を中心とする一定の半径の光のみを通過させて出力するアパーチャーにより減衰させて定出力光を得ることを特徴とする定出力光減衰方法。
（１３） 前記非線形光学材料は、微粒子分散ガラス、光学セラミックス若しくは有機高分子材料から選ばれたものからなることを特徴とする（１２）記載の定出力光減衰方法。
（１４） 前記非線形光学材料は、光の入射側の端面が光軸に対して垂直であり、光の出射側の端面が光軸に対して所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする（１２）記載の定出力光減衰方法。
（１５） 前記非線形光学材料の入力側の光軸上に配置した凸レンズを通した後に前記入力光を前記非線形光学材料に通過させることを特徴とする（１２）記載の定出力光減衰方法。
（１６） 前記非線形光学材料の入力側に長軸の中心部を前記光軸からずらした位置にスリットを配置し、このスリットを通した後に前記入力光を前記非線形光学材料に通過させることを特徴とする（１２）記載の定出力光減衰方法。
（１７） 前記非線形光学材料の入力側の光軸上に凸レンズを、また長軸の中心部を前記光軸からずらした位置にスリットを配置し、前記凸レンズとスリットを通した後に前記入力光を前記非線形光学材料に通過させることを特徴とする（１２）記載の定出力光減衰方法。
（１８） 前記非線形光学材料は、コアが非線形光学効果を有する光ファイバからなることを特徴とする（１２）記載の定出力光減衰方法。
（１９） 前記コアは微粒子分散ガラスからなることを特徴とする（１８）記載の定出力光減衰方法。
（２０） 前記コアは２次の非線形屈折率が波長依存性を有する材料からなることを特徴とする（１８）記載の定出力光減衰方法。
（２１） 前記コアは２次の非線形屈折率が正である材料からなることを特徴とする（２０）記載の定出力光減衰方法。
（２２） 前記コアは２次の非線形屈折率が負である材料からなることを特徴とする（２０）記載の定出力光減衰方法。
発明を実施するための最良の形態図１は本発明の一実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図１において、１は非線形光学材料である。 ２はアパーチャーである。 これらは入力用光ファイバ３及び出力用光ファイバ４と同一光軸上に配置されている。 入力用光ファイバ３から出力された光は、非線形光学材料１に入力し、非線形光学材料１を通過する。 非線形光学材料１を通過した光は、光軸を中心として半径方向に広がる。 アパーチャー２は、半径方向に広がった光のうち、一定半径内の光のみを通過させる。 アパーチャー２を通過した光は、出力用光ファイバ４に入力される。 この時、後記する種々のパラメータを最適化すると、出力用光ファイバ４から、一定の強度の出力光が得られる。
本発明の目的は、前記したように、入力する光の強度によらず、常にほぼ一定の出力光強度が得られる光減衰器及び光減衰方法を提供するものである。 本発明は、非線形光学材料とアパーチャーとの組み合わせによりその目的を達成している。
非線形光学材料１は入力光強度に依存して屈折率が変化する物質で、その屈折率は以下の式で表される。
ｎ＝ｎ _０ ＋ｎ _２ ｜Ｅ｜ ^２
ここで、ｎ _０は光強度に依存しない屈折率、ｎ _２は２次の非線形屈折率、Ｅは光の電場強度を表す。
図１（ａ）のように、入力光強度が弱い場合には、前記した式の第２項の影響が無視できるから、非線形光学材料１は単なる屈折率が一定の物質となる。 入力用光ファイバ３から出力された平行光線は、そのまま非線形光学材料１を通過して、出力用光ファイバに入射する。 従って、非線形光学材料１中の光の減衰を無視すれば、入力用光ファイバ３から出力された平行光線は、出力用光ファイバに、ほとんど減衰しない状態で入射する。
一方、図１（ｂ）のように、入力光強度が強くなるに従い、前記した式の第２項の影響が大きくなる。 即ち、非線形光学材料１は入力光強度に依存して屈折率が変化するから、非線形光学材料１に入力した光は、入力光強度が強くなると、曲げられて出力される。 この時非線形光学材料１は凸レンズの役割を果たす。 非線形光学材料１から出力された光は、非線形光学材料１とアパーチャー２との間で焦点を結ぶ。 その後、この光は、その焦点を起点としてほぼ放射状に半径方向に広がる。
ところが、外側に広がった部分の光はアパーチャー２により遮られる。 故に、アパーチャー２によって制限された、光軸を中心とした一定の半径内を通過した一部の光だけが、出力用光ファイバに入射する。 従って、入力光強度が強い場合には、出力用光ファイバに入射する光の光量が減少する。 これにより、入力用光ファイバ３から出力された光は、自動的に減衰して出力用光ファイバに入射することになる。
上記のような動作によって、入力光強度が強くなればなるほど減衰量も大きくなる。 なお、ここで言うアパーチャーは、光軸を中心にした円形の窓を有するもので、半径方向にみたとき、一定の太さの光ビームを通過させ、この半径以上に広がった光を遮る機能を有するものである。
本実施例で用いられる非線形光学材料には、例えば銅や塩化銅の微粒子（クラスタ）が分散された微粒子分散ガラス、ＰＬＺＴ（鉛とランタンの酸化物とジルコニウムとチタンの酸化物の固溶体）等の光学セラミックス、あるいはポリジアセチレン等の有機高分子材料などが適している。
図２は、非線形光学材料とアパーチャーとの距離Ｌを種々変えた場合の、入力光強度と出力光強度の関係を表した図である。 このときの非線形光学材料は、屈折率ｎ _０ ＝１．５、２次の非線形屈折率ｎ _２ ＝１．８×１０ ^−８ ｃｍ ^２ ／ｗａｔｔ、厚さｔ＝２０ｍｍのものである。 また、アパーチャーは、開口径φ＝１０μｍとした。 この場合において、入力用光ファイバ３と非線形光学材料１の端面間には、光学的整合性を持たせるためにマッチングオイルを充填した。 ここで用いた非線形光学材料は銅微粒子分散アルカリケイ酸塩ガラスである。
図２は、Ｌ＝１２．５の場合に、入力光強度によらず出力光強度が一定であることを示している。 このように、２次の非線形屈折率ｎ _２ 、非線形光学材料の厚さｔ、非線形光学材料とアパーチャー間の距離Ｌ、アパーチャーの開口径φ等のパラメータを最適に組み合わせる方法により、入力光強度に依存しない一定の出力光強度の光減衰器を得ることができる。
図３は本発明の他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
本実施例では図３（ｂ）に示すように、非線形光学材料１１は、入力用光ファイバ３からの光の入射側の端面が光軸に対して垂直であり、光の出射側の端面が光軸に垂直な面に対して所定の角度θだけ傾斜した形状となっている。 ここでθは、０°＜θ＜９０°の範囲とする。 非線形光学材料１１の内部からアパーチャー２に向かって外に出力する光は、角度θだけ傾斜した面で、非線形光学材料１１の屈折率に依存した角度だけ屈折する。 角度θがゼロの場合には、非線形光学材料１１の内部から外に出力する光ビームは、その光軸を中心に軸対象なものになる。
一方、角度θだけ傾斜した面から外に出力する光ビームは、図の（ａ）に示すように、光軸に対して非対称なものになる。 これにより、図１の実施例とは異なる応答特性を持つ定出力減衰器が得られる。
図３（ａ）は入力光強度が強い場合の例を示したものである。 入力光強度が、たとえ図１（ｂ）より強い場合であっても、非線形光学材料１１の内部から外に出力する光ビームは大きく曲げられるため、アパーチャー２で遮られる光の割合が大きい。 出力用光ファイバにはアパーチャー２において設定された一定の半径内を通過した一部の光しか入射することができない。
即ち、本実施例では、２次の非線形屈折率ｎ _２ 、非線形光学材料の厚さｔ、非線形光学材料の出射側端面の角度θ、非線形光学材料とアパーチャー間の距離Ｌ、アパーチャーの開口径φ等のパラメータを最適に組み合わせることにより、入力光強度に依存しない一定の出力光強度の光減衰器を得ることができる。
図４はさらに他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図４（ａ）に示す実施例では、図３に示した形状の非線形光学材料１１を用いる。 さらに、入力用光ファイバ３と非線形光学材料１１との間の光軸上に、凸レンズ５を配置した。 図のように凸レンズを配置して、光軸と、非線形光学材料１１の角度θを有する端面との交点に、光ビームが集光するように、凸レンズの屈折率や厚さ等を定める。 このようにすると、角度θを有する端面への入力光が凸レンズにより絞られ、式（１）の｜Ｅ｜ ^２の項の値が大きくなり、光の減衰量が大きくなる。
次に図４（ｂ）にスリットを配置した場合を説明する。
スリット６は、光が通過する部分の形状が長方形になっている。 図４（ｃ）に示すように、この長方形の長軸の中心部ｃ（波線で表示）を、入力光から出力光に至る一点鎖線で示す光軸に対して、ずらして配置する。
このようにすると、入力光の強度分布が、スリットを通過した後に、正規分布に近い形状から分布の左右どちらかの裾部分が欠けた非対称の形状に変化する。 このような分布形状の光が非線形光学材料１１に入射して大きく曲げられた後でアパーチャー２を通過する。 図の例では、スリットによって裾部分が欠けた箇所がアパーチャーを通過する。 スリットによって裾部分が欠けていない箇所がアパーチャーにより遮られる。 このように、入力光の強度分布をスリットによって非対称の形状にした場合には、スリットを用いない場合に比べて応答性が急峻な減衰効果が得られることになる。
なお、非線形光学材料、凸レンズ、スリットの組み合わせは本実施例に限定されない。
図５は非線形光学材料、凸レンズ、スリットを組み合わせて配置した実施例を示している。 非線形光学材料は図１に示すような形状でもよいし、凸レンズ、スリットは図４のようにそれぞれ単独に配置してもよく、また本図に示すようにそれぞれを組み合わせて配置してもかまわない。 要するに一定の出力光を得るために最適な組み合わせを選択すればよい。
図６は非線形光学材料として光ファイバを用いた例である。
図６において、光ファイバ１２は、多成分系ガラスから構成されている。 中心の屈折率の高いコア部には、前記した銅や塩化銅の微粒子（クラスタ）が分散され、非線形光学効果を有する。 入力用光ファイバ３から出射された光は、マッチングオイルを介して配された光ファイバ１２に入力される。 光ファイバ１２は、前記したようにコア部が微粒子分散ガラスで構成され、非線形光学効果を有しているために、コア部の屈折率は入力光強度によって変化する。
本実施例に用いられている光ファイバの場合は、式（１）の２次の非線形屈折率ｎ _２が波長依存性を有しており、ある波長で正となるような非線形光学材料を用いている。 従って光ファイバ１２が凸レンズの役割を果たし、出射した光は曲げられ、焦点に集まる。 その後この焦点を中心に、光軸に対してほぼ対称に半径方向に広がって、同一光軸上に配置されたアパーチャー２を通過する。 アパーチャー２は図１で説明したように、光軸を中心として広がった光のうち一定半径内の光のみを通過できるようにしてある。 アパーチャー２の半径を前記したパラメータと共に最適に設定して、光強度にかかわらず出力光強度が一定になるようにして、出力用光ファイバ４に入力させる。
このような方法を用いることにより、入力光強度によらない一定出力強度の光が出力される。 非線形光学材料中とその入出力端面での反射等により、光は減衰して出力されるので、定出力光減衰器を得ることできる。
ここで、非線形光学材料として光ファイバを用いると、その長さを比較的自由に選定できる。 また、プリズムのような素子に比べて非線形相互作用長を長く取ることができる。 従って、実質的に大きい非線形光学効果が得られるという効果がある。 また、図１あるいは図３等に示したような非線形光学材料は、光が入出射する端面を光学的に研磨する必要があるが、光ファイバの場合にはその必要性がなく、工程的にも簡略化できるという利点もある。
図７はコアに非線形光学材料を用いた光ファイバの他の例を示したものである。
本実施例では図６の例と異なり、非線形光学材料として式（１）の２次の非線形屈折率ｎ _２が、ある波長で負となるような材料を用いている。
図７において、非線形光学特性を有する光ファイバ１３のコアに、式（１）のｎ _２が負である非線形光学材料を用いると、光強度が強くなるにつれてコアとクラッドの屈折率差Δが小さくなる。 これにより、コアに閉じこめられていた光がクラッドに漏れるようになるため、伝送光の減衰量が大きくなる。 そして、光ファイバ１３から出力した光の一部が、光軸上に配置したアパーチャーにより遮られるために、一定出力の強度の光が得られるように制御できる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図２は本発明による光減衰器の特性を表す説明図である。
図３は本発明の他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図４は本発明のさらに他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図５は本発明のさらに他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図６は本発明のさらに他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。
図７は本発明のさらに他の実施例を表す光ファイバ端部と光減衰器の関係を示す縦断面図である。