結合光学系及び結合方法
【課題】マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する際に、結合効率の低下を抑制可能な結合光学系及びそれを用いた結合方法を提供する。
【解決手段】複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバを束ねたファイバ束のうちのいずれかの光学素子と、複数のコアがクラッドで覆われたマルチコアファイバとの間に配置され、光学素子とマルチコアファイバとを光学的に結合する。結合光学系は、光学素子及びマルチコアファイバの一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう構成されている。
【解決手段】複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバを束ねたファイバ束のうちのいずれかの光学素子と、複数のコアがクラッドで覆われたマルチコアファイバとの間に配置され、光学素子とマルチコアファイバとを光学的に結合する。結合光学系は、光学素子及びマルチコアファイバの一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信等に用いられる光学素子を結合させる結合光学系及び結合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンやタブレット端末等の普及により、莫大な情報量を有するデータの通信が要求されている。それに伴い、光通信の更なる大容量化が望まれている。
【０００３】
従来の光通信は、クラッド内に一つのコアが設けられたシングルコアファイバを用いて行われている。しかし、一つのシングルコアファイバで通信を行う場合には容量の限界があるため、それを超える容量のデータ通信を行うための手段が要求されている。
【０００４】
これに関し、たとえば、一つのクラッド内に複数のコアが設けられた光ファイバであるマルチコアファイバを用いることができる（特許文献１、２参照）。マルチコアファイバは複数のコアを有するため、シングルコアファイバに比べ、大容量のデータ通信を行うことが可能となる。
【０００５】
光通信においては、このようなマルチコアファイバを、たとえば、シングルコアファイバを複数本束ねたファイバ束や、レーザーダイオード等の発光素子、フォトダイオード等の受光素子と光学的に結合させて使用する場合がある。以下、マルチコアファイバ、ファイバ束、発光素子及び受光素子の全て或いは一部を「光学素子」という場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１０４４４３号公報
【特許文献２】特開平８−１１９６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、マルチコアファイバと他の光学素子とを光学的に結合する際には、結合効率の確保が問題となる。
【０００８】
同じコア数のマルチコアファイバ同士を結合する場合、マルチコアファイバ同士の位置合わせを行うことで、コア同士を確実に結合することができる。従って、結合損失を生じ難く、高い結合効率を達成することができる。
【０００９】
一方、マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する場合には、結合効率が低下するという問題がある。たとえば、一般的に、マルチコアファイバの各コアは、ファイバ束の各シングルコアファイバの径より狭い間隔で配列されている。従って、ファイバ束とマルチコアファイバとを結合する場合にそのコア同士を確実に結合することが困難となる。よって、マルチコアファイバとファイバ束との間の結合効率が低下する。
【００１０】
この発明は上記の問題点を解決するものであり、マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する際に、結合効率の低下を抑制可能な結合光学系及びそれを用いた結合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１記載の結合光学系は、複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバを束ねたファイバ束のうちのいずれかの光学素子と、複数のコアがクラッドで覆われたマルチコアファイバとの間に配置され、光学素子とマルチコアファイバとを光学的に結合する。結合光学系は、光学素子及びマルチコアファイバの一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう構成されている。
また、上記課題を解決するために、請求項２記載の結合光学系は、請求項１記載の結合光学系であって、第１光学系と、第２光学系とを含む。第１光学系は、複数の光それぞれを収束させる。第２光学系は、複数の光の間隔を変更する。
また、上記課題を解決するために、請求項３記載の結合光学系は、請求項２記載の結合光学系であって、第１光学系は、第２光学系よりも光学素子側に配置されている。
また、上記課題を解決するために、請求項４記載の結合光学系は、請求項２又は３記載の結合光学系であって、第１光学系の倍率及び第２光学系の倍率は、以下の式を満たす値である。
βｍ×βｒ＝１
但し、
βｍ：第１光学系の倍率
βｒ：第２光学系の倍率
また、上記課題を解決するために、請求項５記載の結合光学系は、請求項２〜４のいずれかに記載の結合光学系であって、第１光学系は、複数のレンズがアレイ状に配置された構成である。
また、上記課題を解決するために、請求項６記載の結合光学系は、請求項５記載の結合光学系であって、複数のレンズ間のピッチが、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項７記載の結合光学系は、請求項２〜６のいずれかに記載の結合光学系であって、第２光学系は、両側テレセントリック光学系である。
また、上記課題を解決するために、請求項８記載の結合光学系は、請求項２〜７のいずれかに記載の結合光学系であって、第２光学系の倍率は、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項９記載の結合光学系は、請求項１記載の結合光学系であって、偏向光学系を含む。偏向光学系は、入射する複数の光を個別に偏向する。
また、上記課題を解決するために、請求項１０記載の結合光学系は、請求項９記載の結合光学系であって、コリメートレンズを有する。コリメートレンズは、入射側素子のいずれかからの光をコリメートする。偏向光学系は、コリメートレンズでコリメートされた光を偏向する。
また、上記課題を解決するために、請求項１１記載の結合光学系は、請求項１０記載の結合光学系であって、コリメートレンズは、複数のコリメートレンズがアレイ状に配置された構成である。
また、上記課題を解決するために、請求項１２記載の結合光学系は、請求項１１記載の結合光学系であって、複数のコリメートレンズ間のピッチは、複数の光源間のピッチ、複数のシングルコアファイバ間のピッチ及びマルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項１３記載の結合光学系は、請求項１０〜１２のいずれかに記載の結合光学系であって、偏向光学系は、第１偏向光学系と、第２偏向光学系とを含む。第１偏向光学系は、入射する複数の光を偏向する。第２偏向光学系は、第１偏向光学系により偏向された複数の光を更に偏向する。
また、上記課題を解決するために、請求項１４記載の結合光学系は、請求項１３記載の結合光学系であって、第１偏向光学系及び第２偏向光学系の一方の片面が凸形状に形成されており、他方の片面が凹形状に形成されている。
また、上記課題を解決するために、請求項１５記載の結合光学系は、請求項１３記載の結合光学系であって、第１偏向光学系及び第２偏向光学系は、それぞれの片面の少なくとも一部が回折格子として形成されている。
また、上記課題を解決するために、請求項１６記載の結合光学系は、請求項１３又は１４記載の結合光学系であって、第１偏向光学系及び第２偏向光学系の少なくとも一方は、コリメートレンズでコリメートされた光を偏向する偏向プリズムである。
また、上記課題を解決するために、請求項１７記載の結合光学系は、請求項１３〜１６のいずれかに記載の結合光学系であって、第１偏向光学系と第２偏向光学系の偏向度が等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項１８記載の結合光学系は、請求項９〜１７のいずれかに記載の結合光学系であって、偏向光学系の偏向度は、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項１９記載の結合光学系は、請求項１０〜１８のいずれかに記載の結合光学系であって、結像光学レンズを含む。結像光学レンズは、偏向光学系により偏向された光を、出射側素子のいずれかに結像させる。
また、上記課題を解決するために、請求項２０記載の結合光学系は、請求項１９記載の結合光学系であって、結像光学レンズは、複数のレンズがアレイ状に配置された構成である。
また、上記課題を解決するために、請求項２１記載の結合光学系は、請求項２０記載の結合光学系であって、結像光学レンズ間のピッチは、複数のシングルコアファイバ間のピッチ、受光素子間のピッチ及びマルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項２２記載の結合光学系は、請求項１９〜２１のいずれかに記載の結合光学系であって、コリメートレンズの焦点距離と結像光学レンズの焦点距離とが等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項２３記載の結合光学系は、請求項１〜２２のいずれかに記載の結合光学系であって、入射側素子と、結合光学系と、出射側素子とは、入射側素子からの光の主光線それぞれが結合光学系の入射面に対して垂直に入射し、結合光学系の出射面から出射された光の主光線それぞれが出射側素子の受光面に対して垂直に入射する配置となっている。
また、上記課題を解決するために、請求項２４記載の結合方法は、請求項１〜２３のいずれかに記載の結合光学系を用いて、入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう、光学素子とマルチコアファイバとを結合させる。
【発明の効果】
【００１２】
光学素子とマルチコアファイバとを光学的に結合する結合光学系は、入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう設計されている。従って、マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する際に、結合効率の低下を抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に共通のマルチコアファイバを示す図である。
【図２】第１実施形態に係る結合光学系を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る結合光学系を示す図である。
【図４Ａ】第２実施形態に係る偏向光学系を示す図である。
【図４Ｂ】第２実施形態に係る偏向光学系の別例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る偏向光学系の別例を示す図である。
【図６】第３実施形態に係る結合光学系を示す図である。
【図７】第３実施形態に係る偏向光学系を示す図である。
【図８】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２に係る結合部材を示す図である。
【図９】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例３に係る結合部材を示す図である。
【図１０】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例４に係る結合部材を示す図である。
【図１１Ａ】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４に係る結合部材を示す図である。
【図１１Ｂ】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４に係るマルチコアファイバを示す図である。
【図１１Ｃ】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４に係るマルチコアファイバ及び結合部材を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［マルチコアファイバの構成］
図１を参照して、マルチコアファイバ１の構成について説明する。マルチコアファイバ１は、一般に可撓性を有する長尺の円柱部材である。図１は、マルチコアファイバ１の斜視図である。図１では、マルチコアファイバ１の先端部分のみを示している。
【００１５】
マルチコアファイバ１は、たとえば石英ガラスやプラスチック等、光の透過性が高い素材により形成されている。マルチコアファイバ１は、複数のコアＣｋ（ｋ＝１〜ｎ）と、クラッド２を含んで構成されている。
【００１６】
コアＣｋは、光源（図示なし）からの光を伝送する伝送路である。コアＣｋはそれぞれ端面Ｅｋ（ｋ＝１〜ｎ）を有する。端面Ｅｋからは、光源（図示なし）で発せられた光が出射される。クラッド２よりも屈折率を高めるために、コアＣｋは、たとえば石英ガラスに酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）が添加された素材により形成されている。なお、図１では７つのコアＣ１〜Ｃ７を有する構成を示したが、コアＣｋの数は少なくとも２つ以上であればよい。
【００１７】
クラッド２は、複数のコアＣｋを覆う部材である。クラッド２は、光源（図示なし）からの光をコアＣｋ内に閉じ込める役割を有する。クラッド２は端面２ａを有する。コアＣｋの端面Ｅｋ及びクラッド２の端面２ａは同一面（マルチコアファイバ１の端面１ｂ）を形成している。クラッド２の素材としては、コアＣｋの素材よりも屈折率が低い素材が用いられる。たとえば、コアＣｋの素材が石英ガラスと酸化ゲルマニウムからなる場合には、クラッド２の素材としては石英ガラスを用いる。このように、コアＣｋの屈折率をクラッド２の屈折率よりも高くすることで、光源（図示なし）からの光をコアＣｋとクラッド２の境界面で全反射させる。よって、コアＣｋ内に光を伝送させることができる。
【００１８】
＜第１実施形態＞
次に、図２を参照して、第１実施形態に係る結合光学系２０の構成例を説明する。本実施形態では、ファイバ束１０と、マルチコアファイバ１とを結合する場合について述べる。図２は、結合光学系２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面図である。
【００１９】
［ファイバ束の構成］
ファイバ束１０は、複数のシングルコアファイバ１００を含んで構成されている。ファイバ束１０は、結合するマルチコアファイバ１のコア数（本実施形態では７つ）と等しい数のシングルコアファイバ１００（本実施形態では７本）が束ねられている。図２では３本のシングルコアファイバ１００のみを示している。シングルコアファイバ１００は、クラッド１０１の内部にコアＣを含んで構成されている。コアＣは、光源（図示なし）からの光を伝送する伝送路である。コアＣの端面Ｃａから出射された光は、所定の開口数ＮＡで結合光学系２０の入射面（後述）に入射する。なお、開口数ＮＡは、Ｎｓｉｎθで定義される（ＮＡ＝Ｎｓｉｎθ）。Ｎは屈折率である。θは、端面Ｃａから出射された光（光束）が結合光学系２０に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【００２０】
［結合光学系の構成］
本実施形態に係る結合光学系２０は、第１光学系２１と、第２光学系２２とを含んで構成されている。第１光学系２１は、複数の光それぞれを収束させる機能を有している。第２光学系２２は、複数の光の間隔を変更する機能を有している。
【００２１】
本実施形態における第１光学系２１は、ファイバ束１０からの複数の光それぞれを収束させる機能を有している。第１光学系２１は、アレイ状に配置された複数の凸レンズ２１ａを含んで構成されている。複数の凸レンズ２１ａは、ファイバ束１０に含まれるシングルコアファイバ１００と等しい数だけ設けられている。第１光学系２１（凸レンズ２１ａ）は、ファイバ束１０の各端面Ｃａから出射された光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応する凸レンズ２１ａの面に対して垂直に入射する位置に配置されている（なお、この場合には端面Ｃａが絞りとして機能している）。複数の凸レンズ２１ａは、そのピッチＰｍ（隣り合う凸レンズ２１ａの光軸間距離）が複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔ（隣り合うシングルコアファイバ１００の光軸間距離。たとえば、ファイバ束１０の中心に配置されたファイバのコアＣの光軸と、その周辺に配置されたファイバのコアＣの光軸との間隔）と等しくなるよう配置されている。なお、第１光学系２１は、第２光学系２２よりもファイバ束１０側に配置されている。本実施形態において、ファイバ束１０からの光が入射する凸レンズ２１ａの面は、「入射面」の一例である。また、本実施形態における複数の凸レンズ２１ａは、「複数のレンズ」の一例である。
【００２２】
第１光学系２１（各凸レンズ２１ａ）の倍率は、所定の倍率βｍとなるよう設計されている。また、第１光学系２１（各凸レンズ２１ａ）は、出射した光の開口数ＮＡ´（＝Ｎｓｉｎθ´）が入射した光の開口数ＮＡよりも小さくなるよう設計されている。θ´は、第１光学系２１から出射した光（光束）が結像点ＩＰに到達する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【００２３】
本実施形態における第２光学系２２は、第１光学系２１からの複数の光の間隔を狭める機能を有している。第２光学系２２は、２枚の凸レンズ２２ａ、２２ｂを含む両側テレセントリック光学系により構成されている。第２光学系２２は、第１光学系２１からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応するマルチコアファイバ１の各コアＣｋの端面Ｅｋに対して垂直に入射する位置に配置されている。第２光学系２２は、第２光学系２２から出射した光（光束）が所定の開口数ＮＡ´´（＝Ｎｓｉｎθ´´）となるよう設計されている。θ´´は、第２光学系２２から出射された光（光束）がマルチコアファイバ１（各コアＣｋの端面Ｅｋ）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。本実施形態において、第１光学系２１からの光が出射される凸レンズ２２ｂの面は、「出射面」の一例である。また、本実施形態において、端面Ｅｋは、「受光面」の一例である。
【００２４】
また、本実施形態において、第２光学系２２は、その倍率βｒが複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔとマルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎ（マルチコアファイバ１における隣り合うコアＣｋの光軸間距離。たとえば、マルチコアファイバ１の中心のコアＣ１の光軸と周辺のコアＣ２の光軸との間隔）との比と等しくなるよう設計されている。なお、倍率βｒと、ピッチＰｏｕｔとピッチＰｉｎとの比は、用いる光学素子の公差や設計上のバラツキにより、必ずしも等しくなる必要はない。少なくとも光伝送に必要な結合効率を確保できる値、たとえば、以下の式（１）を満たす値であればよい。
【００２５】
０．９βｒ＜Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ＜１．１βｒ・・・（１）
【００２６】
また、第１光学系２１に入射する光の開口数ＮＡと第２光学系２２から出射される光の開口数ＮＡ´´が異なると結合効率の低下を招く。従って、本実施形態では、開口数ＮＡと開口数ＮＡ´´が等しくなるよう結合光学系２０が設計されている。
【００２７】
更に、本実施形態においては、以下の式（２）を満たすように、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒが設計されている。
【００２８】
βｍ×βｒ＝１・・・（２）
【００２９】
なお、倍率βｍと倍率βｒとの関係は、用いる光学素子の公差や設計上のバラツキにより、必ずしも式（２）の条件を満たす必要はない。少なくとも光伝送に必要な結合効率を確保できる値、たとえば、以下の式（３）を満たす値であればよい。
【００３０】
０．９＜βｍ×βｒ＜１．１・・・（３）
【００３１】
また、上記説明では、第１光学系２１から出射された光が第２光学系２２に入射するように配置された結合光学系２０の構成について述べたが、第１光学系２１と第２光学系２２の配置を逆にしてもよい。この場合も、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒは式（２）または式（３）の関係を満たせばよい。
【００３２】
［光の進み方について］
次に、図２を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本実施形態では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。すなわち、本実施形態におけるファイバ束１０は、「入射側素子」の一例である。一方、本実施形態におけるマルチコアファイバ１は、「出射側素子」の一例である。
【００３３】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光は、それぞれ拡散しながら、所定の開口数ＮＡで第１光学系２１（凸レンズ２１ａ）に入射する。上述の通り、本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光（主光線Ｐｒ）は、第１光学系２１（凸レンズ２１ａの面）に対して垂直に入射される。
【００３４】
第１光学系２１に入射した複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれは、結像点ＩＰを二次光源として第２光学系２２（凸レンズ２２ａの面）に垂直に入射する。複数の光それぞれが第２光学系２２に入射する場合の開口数（ＮＡ´に等しい）は、開口数ＮＡよりも小さくなっている。従って、第２光学系２２の構成を簡素化することが可能となる。
【００３５】
また、第２光学系２２は両側テレセントリックな光学系で形成されている。従って、第２光学系２２に垂直に入射した複数の光（主光線Ｐｒ）は、互いの間隔が狭められた状態で第２光学系２２（凸レンズ２２ｂの面）から垂直に出射される。
【００３６】
このとき、本実施形態では、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒが式（２）の関係を満たしている。従って、各端面Ｃａから出射された光それぞれの開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋ（端面Ｅｋ）に対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直に入射させることが可能となる。従って、光学素子間の結合効率が高い状態を維持したまま光の伝送が可能となる。
【００３７】
具体例として、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔが１２０μｍのファイバ束１０と、コアＣｋ間のピッチＰｉｎが４０μｍのマルチコアファイバ１とを結合する場合について説明する。この場合、ピッチが１／３に縮小されるため、第１光学系２１の倍率βｍを３とし、第２光学系２２の倍率βｒを１／３とすれば、開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直入射させることが可能となる。
【００３８】
ピッチＰｉｎ及びピッチＰｏｕｔは、マルチコアファイバ１やファイバ束１０の光学設計時に任意に設定することができる。たとえば、ピッチＰｏｕｔは、１００〜１５０μｍ程度の間で設定できる。また、ピッチＰｉｎは、たとえば、３０〜５０μｍ程度の間で任意に設定できる。
【００３９】
［変形例１］
本実施形態では、ファイバ束１０から出射された複数の光を、結合光学系２０を介してマルチコアファイバ１に導く例について説明したが、光を出射する対象はこれに限られない。たとえば、ファイバ束１０の代わりに複数の光源を用いることも可能である。この場合、光源が「入射側素子」の一例である。また、この場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う光源間のピッチ（たとえば、中心に配置される光源の出射面の中心と、その周辺に配置される光源の出射面の中心との距離）となる。
【００４０】
［変形例２］
或いは、上述の結合光学系２０を用い、マルチコアファイバ１（複数のコアＣｋ）から出射される複数の光それぞれを、ファイバ束１０又は受光素子（図示なし）に導くことも可能である。この場合、マルチコアファイバ１が、「入射側素子」の一例である。また、ファイバ束１０又は受光素子が「出射側素子」の一例である。以下、マルチコアファイバ１から出射される光それぞれを、ファイバ束１０に導く例について述べる。
【００４１】
本変形例における第２光学系２２は、マルチコアファイバ１から出射される複数の光の間隔を広げる機能を有している。本変形例において、マルチコアファイバ１からの光が入射する凸レンズ２２ｂの面は、「入射面」の一例である。
【００４２】
本変形例における第１光学系２１は、第２光学系２２からの複数の光それぞれを収束させる機能を有している。収束された光（主光線Ｐｒ）それぞれは、対応するコアＣの端面Ｃａに垂直に入射する。本変形例において、第２光学系２２からの光が出射される第１光学系２１（凸レンズ２１ａ）の面は、「出射面」の一例である。また、本実施形態において、端面Ｃａは、「受光面」の一例である。
【００４３】
本変形例におけるθは、第１光学系２１から出射された光（光束）がファイバ束１０（各シングルコアファイバ１００）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´は、第２光学系２２から出射された光（光束）が結像点ＩＰに到達する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´´は、マルチコアファイバ１から出射された光（光束）が第２光学系２２に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【００４４】
なお、受光素子が「出射側素子」に当たる場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う受光素子間のピッチ（たとえば、中心に配置される受光素子の受光面の中心と、その周辺に配置される受光素子の受光面の中心との距離）となる。
【００４５】
［作用・効果］
本実施形態（変形例を含む）の作用及び効果について説明する。
【００４６】
本実施形態に係る結合光学系２０は、複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバ１００を束ねたファイバ束１０のいずれかを含む光学素子と、複数のコアＣｋがクラッド２で覆われたマルチコアファイバ１との間に配置され、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合する。結合光学系２０は、光学素子及びマルチコアファイバ１の一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう設計されている。
【００４７】
より具体的には、本実施形態に係る結合光学系２０は、第１光学系２１と、第２光学系２２とを含む。第１光学系２１は、複数の光それぞれを収束させる。第２光学系２２は、複数の光の間隔を変更（狭める・広げる）する。
【００４８】
また、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒは、以下の式（２）を満たす値に設計される。
βｍ×βｒ＝１・・・・・（２）
【００４９】
このように、結合光学系２０に入射する光の開口数と結合光学系２０から出射する光の開口数とが変わらないよう第１光学系２１と第２光学系２２を組み合わせることにより、結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系２０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る結合光学系２０は、第１光学系２１は、第２光学系２２よりも光学素子側に配置されている。
【００５１】
光学系をこのように配置することで、第１光学系２１から第２光学系２２に入射する光の開口数ＮＡ´（又は第２光学系２２から第１光学系２１に入射する光の開口数ＮＡ´）を小さく抑えることができるため、光学系の構成を簡素化することが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態に係る第１光学系２１は、複数のレンズ２１ａがアレイ状に配置された構成である。
【００５３】
この場合、第１光学系２１を同形状の単玉レンズを用いた簡素な構成で設計できる。
【００５４】
また、本実施形態に係る結合光学系２０は、複数のレンズ２１ａ間のピッチＰｍが、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔのいずれかと等しくなるよう設計されている。
【００５５】
この場合、たとえば、複数のシングルコアファイバ１００からの光（主光線Ｐｒ）それぞれを、対応する複数のレンズ２１ａの面に垂直に入射させることができる（すなわち、シングルコアファイバ１００からの光束を軸上光束として扱うことができる）。或いは、複数のレンズ２１ａから出射された複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれを複数のシングルコアファイバ１００の端面Ｃａや複数の受光素子の面に垂直に入射させることができる。従って、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態に係る第２光学系２２は、両側テレセントリック光学系である。
【００５７】
また、本実施形態に係る第２光学系２２の倍率βｒは、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔのいずれかと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎとの比に等しくなるよう設計されている。
【００５８】
この場合、結合光学系２０からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれを、対応するマルチコアファイバ１のコアＣｋ（或いは、対応する複数の受光素子、ファイバ束１０）に垂直に入射させることが可能となる。従って、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に、図３〜図６を参照して、第２実施形態に係る結合光学系３０の構成例を説明する。本実施形態では、ファイバ束１０と、マルチコアファイバ１とを結合する場合について述べる。図３は、結合光学系３０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面図である。なお、ファイバ束１０の構成等、第１実施形態と同様の構成等については詳細な説明を省略する場合がある。
【００６０】
［結合光学系の構成］
本実施形態に係る結合光学系３０は、コリメート光学系３１と、偏向光学系３２と、結像光学系３３とを含んで構成されている。
【００６１】
コリメート光学系３１は、ファイバ束１０からの複数の光それぞれをコリメートさせる機能を有している。コリメート光学系３１は、アレイ状に配置された複数のコリメートレンズ３１ａを含んで構成されている。複数のコリメートレンズ３１ａは、ファイバ束１０に含まれるシングルコアファイバ１００と等しい数だけ設けられている。コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）は、各端面Ｃａから出射された光（主光線Ｐｒ）が、対応するコリメートレンズ３１ａの面に対して垂直に入射する位置に配置されている（なお、この場合には端面Ｃａが絞りとして機能している）。複数のコリメートレンズ３１ａは、そのピッチＰｃｌ（隣り合うコリメートレンズ３１ａの光軸間距離。たとえば、中心に配置されたコリメートレンズ３１ａのレンズ中心と、その周辺に配置されたコリメートレンズ３１ａのレンズ中心との間隔）が複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔ（隣り合うシングルコアファイバ１００の光軸間距離）と等しくなるよう配置されている。なお、コリメート光学系３１は、偏向光学系３２よりもファイバ束１０側に配置されている。本実施形態において、ファイバ束１０からの光が入射するコリメートレンズ３１ａの面は、「入射面」の一例である。
【００６２】
偏向光学系３２は、入射する複数の光（本実施形態では、ファイバ束１０からの光）を個別に偏向する機能を有している。本実施形態における偏向光学系３２は、第１偏向プリズム３２ａ及び第２偏向プリズム３２ｂを含んで構成されている。本実施形態における第１偏向プリズム３２ａは、「第１偏向光学系」の一例である。本実施形態における第２偏向プリズム３２ｂは、「第２偏向光学系」の一例である。
【００６３】
本実施形態における第１偏向プリズム３２ａは、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）でコリメートされた複数の光それぞれをコリメートされたまま所定の方向に偏向させる機能を有している。なお、図３に示すように、第１偏向プリズム３２ａは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第１偏向プリズム３２ａは、入射する光の数に対応した入射面３２１ａ及び出射面３２２ａを有している。また、本実施形態における第１偏向プリズム３２ａは、コリメート光学系３１からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応する入射面３２１ａに対して垂直に入射されるよう設計されている。
【００６４】
本実施形態において、入射面３２１ａは平面で形成されている。出射面３２２ａは、複数の光の数に対応した凸面に形成されている。ここで、出射面３２２ａは、所定の角度γだけ傾斜するよう設計されている。
【００６５】
この傾斜角度γは、たとえば以下のようにして決定される。図４Ａは、第１偏向プリズム３２ａの断面の一部を拡大した図である。ここでは、第１偏向プリズム３２ａの出射面３２２ａに入射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の入射角度をγｉｎ、第１偏向プリズム３２ａにより偏向されて出射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の出射角度をγｏｕｔ、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチをＰｏｕｔ、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチをＰｉｎ、第１偏向プリズム３２ａと第２偏向プリズム３２ｂとの間隔をｔとする。なお、入射角度γｉｎは、傾斜角度γと等しい。
【００６６】
このとき、出射角度γｏｕｔは、以下の式（４）により決定される。
【００６７】
Ｔａｎ［γｏｕｔ］＝（Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎ）／ｔ・・・（４）
【００６８】
また、第１偏向プリズム３２ａの母材屈折率をＮ、出射側の媒質の屈折率をＮ´とした場合、入射角度γｉｎは、以下の式（５）の関係が成り立つ。
【００６９】
Ｎｓｉｎ［γｉｎ］＝Ｎ´ｓｉｎ［γｏｕｔ］・・・（５）
【００７０】
たとえば、Ｐｏｕｔが１２０μｍ、Ｐｉｎが４０μｍ、ｔが０．３ｍｍで設計される場合、出射角度γｏｕｔは、約１４．９°となる。また、ここでは出射側の媒質は空気（Ｎ´＝１）であるとする。この出射角度γｏｕｔに対し、第１偏向プリズム３２ａを母材屈折率が１．６の材料で形成するときには、入射角度γｉｎは、約９．２５°となる。従って、傾斜角度γが約９．２５°となるよう、第１偏向プリズム３２ａの出射面３２２ａを設計することができる。
【００７１】
なお、入射面３２１ａを凸面とすることも可能である。この場合、傾斜角度γ´は、たとえば以下のようにして決定される。図４Ｂは、第１偏向プリズム３２ａの断面の一部を拡大した図である。ここでは、第１偏向プリズム３２ａの入射面３２１ａに入射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の入射角度をγ´ｉｎ、入射した光の偏向角度をγ´１、入射面３２１ａの垂線に対する入射した光の角度をγ´２、第１偏向プリズム３２ａにより偏向されて出射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の出射角度をγ´ｏｕｔ、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチをＰｏｕｔ、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチをＰｉｎ、第１偏向プリズム３２ａと第２偏向プリズム３２ｂとの間隔をｔとする。なお、入射角度γ´ｉｎは、傾斜角度γ´と等しい。
【００７２】
このとき、出射角度γｏｕｔは、上記式（４）により決定される。
【００７３】
また、入射角度γ´ｉｎ、偏向角度γ´１、角度γ´２は、以下の式（６）の関係となっている。
【００７４】
γ´２＝γ´ｉｎ−γ´１・・・（６）
【００７５】
また、第１偏向プリズム３２ａの母材屈折率をＮ、出射側の媒質の屈折率をＮ´とした場合、以下の式（７）が成り立つ。
【００７６】
Ｎｓｉｎ［γ´１］＝Ｎ´ｓｉｎ［γ´ｏｕｔ］・・・（７）
【００７７】
更に、入射角度γ´ｉｎと角度γ´２は、スネルの法則により以下の式（８）の関係が成り立つ。
【００７８】
Ｎ´ｓｉｎ［γ´ｉｎ］＝Ｎ´ｓｉｎ［γ´２］・・・（８）
【００７９】
たとえば、Ｐｏｕｔが１２０μｍ、Ｐｉｎが４０μｍ、ｔが０．３ｍｍで設計される場合、出射角度γｏｕｔは、約１４．９°となる。また、ここでは出射側の媒質は空気（Ｎ´＝１）であるとする。この出射角度γｏｕｔに対し、第１偏向プリズム３２ａを母材屈折率が１．６の材料で形成するときには、入射角度γｉｎは、約２４°となる。従って、傾斜角度γ´が約２４°となるよう、第１偏向プリズム３２ａの入射面３２１ａを設計することができる。
【００８０】
本実施形態における第２偏向プリズム３２ｂは、第１偏向プリズム３２ａにより偏向された光それぞれを更に偏向させる機能を有している。本実施形態では、第２偏向プリズム３２ｂからの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、結像光学系３３に対して垂直に入射する方向に偏向させる。第２偏向プリズム３２ｂで偏向された場合でも、複数の光それぞれがコリメートされた状態は変わらない。なお、図３に示すように、第２偏向プリズム３２ｂは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第２偏向プリズム３２ｂは、入射する光の数に対応した入射面３２１ｂ及び出射面３２２ｂを有している。本実施形態において、入射面３２１ｂは複数の光の数に対応した凹面で形成されている。出射面３２２ｂは、平面に形成されている。また、出射面３２２ｂを凹面とすることもできる。なお、第２偏向プリズム３２ｂの凹面の傾斜角度は、上述の第１偏向プリズム３２ａの傾斜角度を求める方法と同様の手法により求めることができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、第１偏向プリズム３２ａと第２偏向プリズム３２ｂが別体の構成について説明したが、偏向光学系３２は、１つの偏向プリズム３２´で構成されていてもよい。図５にその一例を示す。図５は、偏向プリズム３２´の側面図である。偏向プリズム３２´は、コリメート光学系３１からの光が入射する入射面３２´ａ及び結像光学系３３に対して光を出射する出射面３２´ｂが形成されている。入射面３２´ａは、たとえば上述の第１偏向プリズム３２ａの出射面３２２ａと同様に形成されている。出射面３２´ｂは、たとえば上述の第２偏向プリズム３２ｂの入射面３２１ｂと同様に形成されている。
【００８２】
また、偏向光学系３２は、所定の偏向度Ｒを有している。偏向度Ｒとは、偏向光学系３２に入射する主光線Ｐｒの角度と偏向光学系３２から出射した主光線Ｐｒの角度の変化量である。偏向度は、偏向光学系３２に入射する光の光束高さ（中心の光束から他の光束までの距離）と偏向光学系３２から出射する光の光束高さの比で表すこともできる。
【００８３】
偏向光学系３２が第１偏向プリズム３２ａ及び第２偏向プリズム３２ｂからなる場合、偏向度Ｒは、第１偏向プリズム３２ａに入射する主光線Ｐｒの角度と第２偏向プリズム３２ｂから出射した主光線Ｐｒの角度の変化量である。なお、この場合、偏向度Ｒは、第１偏向プリズム３２ａの偏向度Ｒ１及び第２偏向プリズム３２ｂの偏向度Ｒ２を合成したものともいえる。
【００８４】
本実施形態においては、第１偏向プリズム３２ａの偏向度Ｒ１と第２偏向プリズム３２ｂの偏向度Ｒ２とが等しくなるよう設計されている。また、本実施形態においては、偏向度Ｒ（Ｒ１＋Ｒ２）が、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔとマルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎとの比に等しくなるよう設計されている。
【００８５】
結像光学系３３は、偏向光学系３２により偏向された複数の光（光束）それぞれを、マルチコアファイバ１の各コアＣｋに結像させる機能を有している。結像光学系３３は、アレイ状に配置された複数の結像光学レンズ３３ａを含んで構成されている。複数の結像光学レンズ３３ａは、マルチコアファイバ１の各コアＣｋと等しい数だけ設けられている。結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）は、偏向光学系３２から出射された光（主光線Ｐｒ）が、対応する各コアＣｋの端面Ｅｋに対して垂直に入射する位置に配置されている。複数の結像光学レンズ３３ａは、そのピッチＰｉｍ（隣り合う結像光学レンズ３３ａの光軸間距離。たとえば、中心に配置された結像光学レンズ３３ａのレンズ中心と、その周辺に配置された結像光学レンズ３３ａのレンズ中心との間隔）が各コアＣｋ間のピッチＰｉｎと等しくなるよう配置されている。結像光学系３３は、出射した光（光束）が所定の開口数ＮＡ´´（＝Ｎｓｉｎθ´´）となるよう設計されている。θ´´は、結像光学系３３から出射された光（光束）がマルチコアファイバ１（各コアＣｋの端面Ｅｋ）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。本実施形態において、偏向光学系３２からの光が出射される結像光学レンズ３３ａの面は、「出射面」の一例である。また、本実施形態において、端面Ｅｋは、「受光面」の一例である。
【００８６】
また、コリメート光学系３１に入射する光の開口数ＮＡと結像光学系３３から出射される光の開口数ＮＡ´´が異なると結合効率の低下を招く。従って、本実施形態では、開口数ＮＡと開口数ＮＡ´´とが等しくなるよう結合光学系３０が設計されている。
【００８７】
また、本実施形態では、開口数ＮＡと開口数ＮＡ´´とを等しくするため、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）の焦点距離ｆｃｌと結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）の焦点距離ｆｉｍとが等しくなるよう結合光学系３０が設計されている。
【００８８】
なお、焦点距離ｆｃｌと焦点距離ｆｉｍとの関係は、用いる光学素子の公差や設計上のバラツキにより、必ずしも等しくする必要はない。少なくとも光伝送に必要な結合効率を確保できる値、たとえば、以下の式（９）を満たす値であればよい。
【００８９】
０．９＜ｆｉｍ／ｆｃｌ＜１．１・・・（９）
【００９０】
［光の進み方について］
次に、図３を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本実施形態では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。すなわち、本実施形態におけるファイバ束１０は、「入射側素子」の一例である。一方、本実施形態におけるマルチコアファイバ１は、「出射側素子」の一例である。
【００９１】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光は、それぞれ拡散しながら、所定の開口数ＮＡでコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）に入射する。本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光（主光線Ｐｒ）は、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａの面）に対して垂直に入射される。
【００９２】
コリメート光学系３１に入射した複数の光それぞれは、コリメートされ、第１偏向プリズム３２ａに入射する。第１偏向プリズム３２ａは、所定の偏向度Ｒ１で複数の光それぞれを個別に偏向させる。偏向された光それぞれは、第２偏向プリズム３２ｂに入射する。
【００９３】
第２偏向プリズム３２ｂは、所定の偏向度Ｒ２で複数の光を個別に偏向させる。第２偏向プリズム３２ｂで偏向された光それぞれは、結像光学系３３に入射する。結像光学系３３に入射した光それぞれは、対応するマルチコアファイバ１のコアＣｋに入射する。
【００９４】
このとき、本実施形態では、焦点距離ｆｃｌと焦点距離ｆｉｍとが等しくなっている。従って、各端面Ｃａから出射された光それぞれの開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋ（端面Ｅｋ）に対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直に入射させることが可能となる。従って、光学素子間の結合効率が高い状態を維持したまま光の伝送が可能となる。
【００９５】
具体例として、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔが１２０μｍのファイバ束１０と、コアＣｋ間のピッチＰｉｎが４０μｍのマルチコアファイバ１とを結合する場合について説明する。この場合、ピッチが１／３に縮小されるため、第１偏向プリズム３２ａの偏向度Ｒ１と第２偏向プリズム３２ｂの偏向度Ｒ２を合成した値が３となるように設計すれば、開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直入射させることが可能となる。この場合、ピッチＰｃｌは１２０μｍ、ピッチＰｉｍは４０μｍであることが望ましい。
【００９６】
なお、ピッチＰｉｎ及びピッチＰｏｕｔは、マルチコアファイバ１やファイバ束１０の光学設計時に任意に設定することができる。たとえば、ピッチＰｏｕｔは、１００〜１５０μｍ程度の間で設定できる。また、ピッチＰｉｎは、たとえば、３０〜５０μｍ程度の間で任意に設定できる。
【００９７】
［変形例３］
本実施形態では、ファイバ束１０から出射された複数の光を、結合光学系３０を介してマルチコアファイバ１に導く例について説明したが、光を出射する対象はこれに限られない。たとえば、ファイバ束１０の代わりに複数の光源を用いることも可能である。この場合、光源が「入射側素子」の一例である。また、この場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う光源間のピッチとなる。
【００９８】
［変形例４］
或いは、上述の結合光学系３０を用い、マルチコアファイバ１（複数のコアＣｋ）から出射される複数の光それぞれを、ファイバ束１０又は受光素子（図示なし）に導くことも可能である。この場合、マルチコアファイバ１が、「入射側素子」の一例である。また、ファイバ束１０又は受光素子が「出射側素子」の一例である。以下、マルチコアファイバ１から出射される光それぞれを、ファイバ束１０に導く例について述べる。
【００９９】
本変形例における結像光学系３３は、マルチコアファイバ１から出射される複数の光それぞれをコリメートする機能を有している。すなわち、本変形例においては、結像光学系３３が「コリメート光学系」に当たる。本変形例において、マルチコアファイバ１からの光が入射する結像光学レンズ３３ａの面は、「入射面」の一例である。また、本変形例における結像光学レンズ３３ａ間のピッチは、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチと等しくなっている。
【０１００】
本変形例における偏向光学系３２は、結像光学系３３からの複数の光それぞれを偏向ささせる機能を有している。偏向された光（主光線Ｐｒ）それぞれは、コリメート光学系３１に垂直に入射する。
【０１０１】
本変形例におけるコリメート光学系３１は、偏向光学系３２から出射される複数の光それぞれを、対応するシングルコアファイバ１００のコアＣに結像する機能を有している。すなわち、本変形例においては、コリメート光学系３１が「結像光学系」に当たる。本変形例において、偏向光学系３２からの光が出射されるコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）の面は、「出射面」の一例である。また、本変形例において、端面Ｃａは、「受光面」の一例である。また、本変形例において、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、シングルコアファイバ１００のコアＣ間のピッチと等しくなっている。
【０１０２】
本変形例において、偏向光学系３２として実施形態と同様、複数の偏向光学系（第１偏向プリズム３２ａ、第２偏向プリズム３２ｂ）を用いる場合、第１偏向プリズム３２ａが「第２偏向光学系」の一例となる。また、第２偏向プリズム３２ｂが「第１偏向光学系」の一例となる。
【０１０３】
本変形例におけるθは、コリメート光学系３１から出射された光（光束）がファイバ束１０（各シングルコアファイバ１００）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´´は、マルチコアファイバ１から出射された光（光束）が結像光学系３３に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【０１０４】
また、「出射側素子」として受光素子を用いる場合、本変形例における偏向度Ｒは、複数の受光素子間のピッチと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチとの比に等しい。また、この場合、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、受光素子間のピッチと等しくなっている。
【０１０５】
［作用・効果］
本実施形態（変形例を含む）の作用及び効果について説明する。
【０１０６】
本実施形態に係る結合光学系３０は、入射する複数の光を個別に偏向する偏向光学系３２を含む。
【０１０７】
このように、結合光学系３０に偏向光学系３２を用いた場合にも結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１０８】
また、本実施形態に係る結合光学系３０は、コリメート光学系３１を有する。コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）は、入射側素子のいずれかからの光をコリメートする。偏向光学系３２は、コリメート光学系３１でコリメートされた光を偏向する。
【０１０９】
コリメート光学系３１をこのように配置することで、結合光学系３０の構成を簡素化することが可能となる。
【０１１０】
また、本実施形態に係るコリメート光学系３１は、複数のコリメートレンズ３１ａがアレイ状に配置された構成である。
【０１１１】
この場合、コリメート光学系３１を同形状の単玉レンズを用いた簡素な構成で設計できる。
【０１１２】
また、本実施形態に係る複数のコリメートレンズ３１ａ間のピッチＰｃｌは、複数の光源間のピッチ、複数のシングルコアファイバ間のピッチＰｏｕｔ及びマルチコアファイバのコア間のピッチＰｉｎのいずれかと等しくなるよう設計されている。
【０１１３】
この場合、たとえば、複数のシングルコアファイバ１００からの光（主光線Ｐｒ）それぞれをコリメートレンズ３１ａの面に垂直に入射させることができる（すなわち、シングルコアファイバ１００からの光束を軸上光束として扱うことができる）。或いは、コリメートレンズ３１ａから出射された複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれを複数のシングルコアファイバ１００の端面Ｃａや複数の受光素子の面に垂直に入射させることができる。従って、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１１４】
また、本実施形態に係る偏向光学系３２は、第１偏向光学系（第１偏向プリズム３２ａ）及び第２偏向光学系（第２偏向プリズム３２ｂ）を含んで構成されている。第１偏向光学系は、入射する複数の光を偏向する。第２偏向光学系は、第１偏向光学系により偏向された複数の光を更に偏向する。
【０１１５】
このように、複数の偏向光学系を用いる場合にも結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１１６】
また、本実施形態に係る第１偏向光学系及び第２偏向光学系は、一方の片面が凸形状に形成されており、他方の片面が凹形状に形成されている。
【０１１７】
また、本実施形態に係る偏向光学系３２は、第１偏向光学系の偏向度Ｒ１と第２偏向光学系の偏向度Ｒ２が等しくなるよう設計されている。
【０１１８】
また、本実施形態に係る偏向光学系３２の偏向度Ｒは、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチＰｏｕｔのいずれかと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎとの比に等しくなるよう設計されている。
【０１１９】
偏向光学系３２をこのように構成することにより、入射側素子から入射した光（主光線Ｐｒ）それぞれを出射側素子の面に対して垂直に入射させることができる。すなわち、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１２０】
また、本実施形態に係る結合光学系３０は、結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）を含む。結像光学系３３は、偏向光学系３２により偏向された光を、出射側素子のいずれかに結像させる。
【０１２１】
また、本実施形態に係る結像光学レンズ３３ａは、複数のレンズがアレイ状に配置された構成である。
【０１２２】
また、本実施形態に係る結像光学レンズ３３ａ間のピッチＰｉｍは、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔ、受光素子間のピッチ及びマルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎのいずれかと等しくなるよう設計されている。
【０１２３】
このように、結像光学系３３を構成することにより、結像光学系３３から出射する光（主光線Ｐｒ）それぞれを出射側素子の面に対して垂直に入射させることができる。すなわち、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１２４】
また、本実施形態において、コリメートレンズ３１ａの焦点距離ｆｃｌと結像光学レンズ３３ａの焦点距離ｆｉｍとが等しくなるよう設計されている。
【０１２５】
このような構成により、結合光学系３０に入射する光の開口数と結合光学系３０から出射する光の開口数とが変わらないようにできるため、結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１２６】
＜第３実施形態＞
次に、図６及び図７を参照して、第３実施形態に係る結合光学系３０´の構成例を説明する。本実施形態では、ファイバ束１０と、マルチコアファイバ１とを結合する場合について述べる。図６は、結合光学系３０´、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面図である。なお、ファイバ束１０の構成等、第１及び第２実施形態と同様の構成等については詳細な説明を省略する場合がある。
【０１２７】
［結合光学系の構成］
本実施形態に係る結合光学系３０´は、コリメート光学系３１と、偏向光学系３４と、結像光学系３３とを含んで構成されている。コリメート光学系３１及び結像光学系３３は第２実施形態と同様の構成である。
【０１２８】
本実施形態における偏向光学系３４は、第１回折光学系３４ａ及び第２回折光学系３４ｂを含んで構成されている。本実施形態における第１回折光学系３４ａは、「第１偏向光学系」の一例である。本実施形態における第２回折光学系３４ｂは、「第２偏向光学系」の一例である。
【０１２９】
本実施形態における第１回折光学系３４ａは、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）でコリメートされた複数の光それぞれをコリメートされたまま回折により所定の方向に偏向させる機能を有している。なお、図６に示すように、第１回折光学系３４ａは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第１回折光学系３４ａは、入射する光の数に対応した入射面３４１ａ及び出射面３４２ａ・３４３ａを有している。また、本実施形態における第１回折光学系３４ａは、コリメート光学系３１からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応する入射面３４１ａに対して垂直に入射されるよう設計されている。
【０１３０】
入射面３４１ａは平面に形成されている。入射面３４１ａには、コリメート光学系３１からの光が入射する。
【０１３１】
出射面３４２ａは、鋸歯状の突起部からなる回折格子として形成されている。一方、出射面３４３ａには、回折格子が形成されていない。従って、出射面３４３ａを通過する光は、回折により偏向されることはない。
【０１３２】
図７は、出射面３４２ａ及び出射面３４３ａを図６の矢印Ａ方向から見た図である。図７に示すように、本実施形態における出射面３４２ａ及び出射面３４３ａは、７本のシングルコアファイバ１００からの光それぞれを出射させる７つの面Ｆｋ（Ｆ１〜Ｆ７）を有する。このうち、面Ｆ１（出射面３４３ａ）は、シングルコアファイバ１００からの光を偏向させずに透過させる。面Ｆ２〜Ｆ７（出射面３４２ａ）には、ピッチｄ（突起部の間隔）で回折格子が形成されている。本実施形態において、回折格子のピッチｄは全て等しいものとする。
【０１３３】
このピッチｄは、たとえば以下のようにして決定される。ここでは、出射面３４２ａに入射する光の入射角度をεｉｎ、出射面３４２ａにより偏向されて出射する光の出射角度をεｏｕｔ、第１回折光学系３４ａの母材屈折率をＮ、出射側の媒質の屈折率をＮ´、回折次数をｍ、入射する光の波長をλとする。
【０１３４】
このとき、ピッチｄは、以下の式（１０）により決定される。
【０１３５】
Ｎｓｉｎ［εｉｎ］−Ｎ´ｓｉｎ［εｏｕｔ］＝ｍλ／ｄ・・・（１０）
【０１３６】
ここで、図６に示すように、光が出射面３４２ａに対して垂直に入射する。このとき、使用する回折次数を１とすれば、ピッチｄは、以下の式（１１）により決定される。なお、出射側の媒質は空気（Ｎ´＝１）であるとする。
【０１３７】
Ｎ−ｓｉｎ［εｏｕｔ］＝λ／ｄ・・・（１１）
【０１３８】
本実施形態における第２回折光学系３４ｂは、第１回折光学系３４ａにより偏向された光それぞれを更に偏向させる機能を有している。本実施形態では、第２回折光学系３４ｂからの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、結像光学系３３に対して垂直に入射する方向に偏向させる。第２回折光学系３４ｂで偏向された場合でも、複数の光それぞれがコリメートされた状態は変わらない。なお、図６に示すように、第２回折光学系３４ｂは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第２回折光学系３４ｂは、入射する光の数に対応した入射面３４１ｂ・３４２ｂ及び出射面３４３ｂを有している。
【０１３９】
入射面３４１ｂは、鋸歯状の突起部からなる回折格子として形成されている。一方、入射面３４２ｂには、回折格子が形成されていない。従って、入射面３４２ｂを通過する光は、回折により偏向されることはない。入射面３４１ｂ・３４２ｂには、第１回折光学系３４ａからの光が入射する。
【０１４０】
出射面３４３ｂは平面に形成されている。出射面３４３ｂから出射された複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれは、結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）に対して垂直に入射する。なお、第２回折光学系３４ｂにおけるピッチは、上述の第１回折光学系３４ａにおいてピッチｄを求める方法と同様の手法により求めることができる。
【０１４１】
［光の進み方について］
次に、図６を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本実施形態では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。すなわち、本実施形態におけるファイバ束１０は、「入射側素子」の一例である。一方、本実施形態におけるマルチコアファイバ１は、「出射側素子」の一例である。
【０１４２】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光は、それぞれ拡散しながら、所定の開口数ＮＡでコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）に入射する。本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光（主光線Ｐｒ）は、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａの面）に対して垂直に入射される。
【０１４３】
コリメート光学系３１に入射した複数の光それぞれは、コリメートされ、第１回折光学系３４ａに入射する。第１回折光学系３４ａは、入射した複数の光を回折格子により個別に偏向させる。偏向された光それぞれは、第２回折光学系３４ｂに入射する。
【０１４４】
第２回折光学系３４ｂは、入射した複数の光を個別に偏向させる。第２回折光学系３４ｂで偏向された光それぞれは、結像光学系３３に入射する。結像光学系３３に入射した光それぞれは、対応するマルチコアファイバ１のコアＣｋに入射する。
【０１４５】
このとき、本実施形態では、焦点距離ｆｃｌと焦点距離ｆｉｍとが等しくなっている。従って、各端面Ｃａから出射された光それぞれの開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋ（端面Ｅｋ）に対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直に入射させることが可能となる。従って、光学素子間の結合効率が高い状態を維持したまま光の伝送が可能となる。
【０１４６】
［変形例５］
本実施形態では、ファイバ束１０から出射された複数の光を、結合光学系３０´を介してマルチコアファイバ１に導く例について説明したが、光を出射する対象はこれに限られない。たとえば、ファイバ束１０の代わりに複数の光源を用いることも可能である。この場合、光源が「入射側素子」の一例である。また、この場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う光源間のピッチとなる。
【０１４７】
［変形例６］
或いは、上述の結合光学系３０´を用い、マルチコアファイバ１（複数のコアＣｋ）から出射される複数の光それぞれを、ファイバ束１０又は受光素子（図示なし）に導くことも可能である。この場合、マルチコアファイバ１が、「入射側素子」の一例である。また、ファイバ束１０又は受光素子が「出射側素子」の一例である。以下、マルチコアファイバ１から出射される光それぞれを、ファイバ束１０に導く例について述べる。
【０１４８】
本変形例における結像光学系３３は、マルチコアファイバ１から出射される複数の光それぞれをコリメートする機能を有している。すなわち、本変形例においては、結像光学系３３が「コリメート光学系」に当たる。本変形例において、マルチコアファイバ１からの光が入射する結像光学レンズ３３ａの面は、「入射面」の一例である。また、本変形例における結像光学レンズ３３ａ間のピッチは、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチと等しくなっている。
【０１４９】
本変形例における偏向光学系３４は、結像光学系３３からの複数の光それぞれを回折格子により偏向させる機能を有している。偏向された光（主光線Ｐｒ）それぞれは、コリメート光学系３１に垂直に入射する。
【０１５０】
本変形例におけるコリメート光学系３１は、偏向光学系３４から出射される複数の光それぞれを、対応するシングルコアファイバ１００のコアＣに結像する機能を有している。すなわち、本変形例においては、コリメート光学系３１が「結像光学系」に当たる。本変形例において、偏向光学系３４からの光が出射されるコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）の面は、「出射面」の一例である。また、本変形例において、端面Ｃａは、「受光面」の一例である。また、本変形例において、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、シングルコアファイバ１００のコアＣ間のピッチと等しくなっている。
【０１５１】
本変形例において、偏向光学系３４として実施形態と同様、複数の偏向光学系（第１回折光学系３４ａ、第２回折光学系３４ｂ）を用いる場合、第１回折光学系３４ａが「第２偏向光学系」の一例となる。また、第２回折光学系３４ｂが「第１偏向光学系」の一例となる。
【０１５２】
本変形例におけるθは、コリメート光学系３１から出射された光（光束）がファイバ束１０（各シングルコアファイバ１００）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´´は、マルチコアファイバ１から出射された光（光束）が結像光学系３３に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【０１５３】
また、「出射側素子」として受光素子を用いる場合、本変形例における偏向度Ｒは、複数の受光素子間のピッチと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチとの比に等しい。また、この場合、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、受光素子間のピッチと等しくなっている。
【０１５４】
［作用・効果］
本実施形態（変形例を含む）の作用及び効果について説明する。
【０１５５】
本実施形態に係る第１偏向光学系（第１回折光学系３４ａ）及び第２偏向光学系（第２回折光学系３４ｂ）は、それぞれの片面の少なくとも一部が回折格子として形成されている。
【０１５６】
このように、偏向光学系として回折光学系（第１回折光学系３４ａ及び第２回折光学系３４ｂ）を用いた場合にも結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０´によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１５７】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例１］
上記実施形態では、マルチコアファイバ１のコアＣｋの間隔が等しい場合について説明したが、コアＣｋの間隔が各々異なっている場合や、コアＣｋの内幾つかの間隔が等しく他は間隔が異なるといった、コアＣｋの間隔について複数の間隔設定がある場合にも上記構成は応用可能である。この場合、それぞれのコアＣｋの位置に応じて結合光学系２０の設計を行えばよい。たとえば、第１実施形態においては、コアＣｋの位置に応じて第１光学系２１及び第２光学系２２の倍率設定を行えばよい。この場合、それぞれのコアＣｋの位置に応じて、式（２）または式（３）にある倍率関係で、それぞれのコアＣｋに対する光学系を設計する。このとき、たとえば図２に示す第２光学系２２をアレイ状に構成する等すれば、所望の要件を満たすことが可能となる。光学系第２実施形態においては、コアＣｋの位置に応じて偏向度の設定を行えばよい。この場合、それぞれのコアＣｋの位置に応じて、偏向プリズム３２ａ、３２ｂ、または３２´の複数の入射面、出射面の角度について、それぞれの面において、第２実施形態の説明と同様の方法で偏向度設定すればよい。第３実施形態においては、コアＣｋの位置に応じ、第１回折光学系３４ａ及び第２回折光学系３４ｂそれぞれの面Ｆｋにおける回折格子のピッチｄを変更すればよい。
【０１５８】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２］
ファイバ束１０とマルチコアファイバ１との間を媒体で充填することも可能である。
【０１５９】
［結合部材の構成］
図８は、結合部材２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面を示す概念図である。本変形例に係る結合部材２０は、一端がファイバ束１０と接し、他端がマルチコアファイバ１と接する。結合部材２０は、所定の媒体で充填されている。所定の媒体は、空気以外の媒体であり、たとえば、石英ガラスやＢＫ７が用いられる。結合部材２０とファイバ束１０（マルチコアファイバ１）とは、対向する端面同士が接着剤等により固定される。接着剤は、コアＣ（コアＣａ）の屈折率と同程度の屈折率を有する。
【０１６０】
また、結合部材２０は、ファイバ束１０の各光路（シングルコアファイバ１００）からの光それぞれのモードフィールド径を変更し、且つモードフィールド径が変更された光の間隔を変更してマルチコアファイバ１の各コア（コアＣｋ）へ導く。なお、モードフィールド径とは、ある対象から実際に出射される光の直径をいう。たとえば、シングルコアファイバ１００のコアＣ内を通過する光は、コアＣ周辺のクラッド１０１側にもわずかに漏れている。よって、シングルコアファイバ１００から出射される光は、コアＣからだけでなく、コアＣ周辺のクラッド１０１からも出射する。すなわち、シングルコアファイバ１００から出射する光の径は、コアＣの径よりも大きくなる。この「シングルコアファイバ１００から出射する光の径」は、モードフィールド径の一例である。
【０１６１】
本変形例における結合部材２０は、第１光学系２１と、第２光学系２２とを含んで構成されている。第１光学系２１は、シングルコアファイバ１００から入射される光それぞれのモードフィールド径を変更して第２光学系２２へ入射させる。第２光学系２２は、第１光学系２１から入射される光の間隔を変更し、マルチコアファイバ１のコアＣｋの間隔に合わせる。なお、第１光学系２１及び第２光学系２２のレンズ部分を構成する媒体Ａ２とそれ以外の部分を構成する媒体Ａ１とは屈折率が異なる。媒体Ａ１は、「第１媒体」の一例である。媒体Ａ２は、「第２媒体」の一例である。また、本変形例における第１光学系２１及び第２光学系２２は、媒体Ａ１を介して一体に形成されている（第１光学系２１及び第２光学系２２は連続的に形成されている）。
【０１６２】
媒体Ａ１の屈折率は、シングルコアファイバ１００のコアＣの屈折率またはマルチコアファイバ１のコアＣｋの屈折率と等しい材料であることが望ましい。たとえば、マルチコアファイバ１のコアＣｋが石英ガラスに酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）が添加された素材により形成されている場合、媒体Ａ１としても同じ石英ガラスに酸化ゲルマニウムが添加された材料が用いられる（或いは、コアＣｋと屈折率が同程度になる別の材料を使用してもよい）。
【０１６３】
本変形例における第１光学系２１は、ファイバ束１０の各シングルコアファイバ１００からの光それぞれのモードフィールド径を拡大する拡大光学系である。第１光学系２１は、アレイ状に配置された複数の凸レンズ部２１ａを含んで構成されている。複数の凸レンズ部２１ａは、媒体Ａ２からなり、媒体Ａ１中に配置されている。複数の凸レンズ部２１ａは、ファイバ束１０からの光それぞれのモードフィールド径を変更する必要があるため、ファイバ束１０に含まれるシングルコアファイバ１００と等しい数だけ設けられている。第１光学系２１（凸レンズ部２１ａ）は、ファイバ束１０の各端面Ｃａから出射された光の主光線Ｐｒそれぞれが、対応する凸レンズ部２１ａの面に対して垂直に入射する位置に配置されている（凸レンズ部２１ａは、各コアＣと同じ光軸上に配置されている）。凸レンズ部２１ａは、コアＣのモードフィールド径より大きな径を有し、コアＣからの光を集光する。本変形例における複数の凸レンズ部２１ａは、「複数のレンズ」の一例である。
【０１６４】
本変形例における第２光学系２２は、第１光学系２１からの光（モードフィールド径が拡大された複数の光）の間隔を狭めてマルチコアファイバ１のコアＣ１〜コアＣ７に導く縮小光学系である。第２光学系２２は、２枚の凸レンズ部（凸レンズ２２部ａ、凸レンズ部２２ｂ）を含む両側テレセントリック光学系により構成されている。凸レンズ部２２ａ及び凸レンズ部２２ｂは、媒体Ａ２からなり、媒体Ａ１中に配置されている。凸レンズ部２２ａ及び凸レンズ部２２ｂが一組だけ設けられているのは、複数の凸レンズ部２１ａからの光の間隔を変更するためである。第２光学系２２は、第１光学系２１からの光の主光線Ｐｒそれぞれが、対応するマルチコアファイバ１の各コアＣｋの端面Ｅｋに対して垂直に入射する位置に配置されている。
【０１６５】
［光の進み方について］
次に、図８を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本変形例では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。
【０１６６】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光それぞれは、媒体Ａ１内を拡散しながら、所定のモードフィールド径で凸レンズ部２１ａに入射する。上述の通り、本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光の主光線Ｐｒは、凸レンズ部２１ａに対して垂直に入射される。凸レンズ部２１ａを透過した光それぞれは、モードフィールド径が拡大された状態で結像点ＩＰにおいて結像する。
【０１６７】
凸レンズ部２１ａを透過した光それぞれは、結像点ＩＰを二次光源として媒体Ａ１内を拡散しながら凸レンズ部２２ａに入射する。
【０１６８】
凸レンズ部２２ａ及び凸レンズ部２２ｂは両側テレセントリックな光学系として形成されている。従って、凸レンズ部２２ａに垂直に入射した光の主光線Ｐｒそれぞれは、コリメートされた状態で媒体Ａ１内を通過し、凸レンズ部２２ｂに入射する。光の主光線Ｐｒそれぞれは、互いの間隔が狭められた状態で凸レンズ部２２ｂから垂直に出射され、媒体Ａ１内を通過してマルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し垂直に入射する。
【０１６９】
また、第１光学系２１と第２光学系２２とを別体で作成し、それらを組み合わせることで結合部材２０を構成することも可能である。具体的には、第１光学系２１及び第２光学系２２それぞれを媒体Ａ１及び媒体Ａ２により作成する。そして、第１光学系２１の端面及び第２光学系２２の端面を接着剤で固定することにより、一体の結合部材２０を形成する。接着剤は、媒体Ａ１の屈折率と同程度の屈折率を有する。
【０１７０】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例３］
図９は、結合部材２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面を示す概念図である。本変形例では、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２で示した結合部材２０を構成する第１光学系２１及び第２光学系２２としてＧＲＩＮレンズを使用する例を述べる。
【０１７１】
［結合部材の構成］
本変形例における結合部材２０は、ＧＲＩＮレンズを有する。ＧＲＩＮレンズとは、レンズを構成する媒体をイオン交換処理することにより、レンズ内の屈折率分布を調整し、拡散する光を曲げて光を集める屈折率分布型のレンズである。イオン交換の処理方法により屈折率分布を調整することができる。ＧＲＩＮレンズとしては、たとえば、セルフォックレンズ（「セルフォック」は登録商標）を用いることができる。
【０１７２】
第１光学系２１はＧＲＩＮレンズＳＬ１を有する。ＧＲＩＮレンズＳＬ１は、ファイバ束１０（シングルコアファイバ１００）からの光のモードフィールド径を変更するよう屈折率が調整された媒体から形成されている。本実施形態において、ＧＲＩＮレンズＳＬ１は、ファイバ束１０を形成するシングルコアファイバ１００の数に対応し、複数設けられている。ＧＲＩＮレンズＳＬ１は、「第１ＧＲＩＮレンズ」の一例である。
【０１７３】
また、本変形例における複数のＧＲＩＮレンズＳＬ１それぞれは、第１光学部材ＳＬ１ａ及び第２光学部材ＳＬ１ｂを有する。第１光学部材ＳＬ１ａは、一端がファイバ束１０と接し、シングルコアファイバ１００から入射して拡散する光をコリメートするよう屈折率分布が調整されている。第２光学部材ＳＬ１ｂは、一端が第１光学部材ＳＬ１ａの他端と接し、第１光学部材ＳＬ１ａでコリメートされた光を収束するよう屈折率分布が調整されている。第２光学部材ＳＬ１ｂで収束された光（結像点ＩＰにおける光）のモードフィールド径は、シングルコアファイバ１００からの光のモードフィールド径に比べ拡大されている。第１光学部材ＳＬ１ａ及び第２光学部材ＳＬ１ｂは、接着剤等により固定されることで一体のＧＲＩＮレンズＳＬ１を構成する。接着剤は、媒体の屈折率と同程度の屈折率を有する。
【０１７４】
第２光学系２２はＧＲＩＮレンズＳＬ２を有する。ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、モードフィールド径が変更された光の間隔を変更するよう屈折率が調整された媒体から形成されている。本変形例において、ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、複数のＧＲＩＮレンズＳＬ１からの光が入射するよう一つだけ設けられている。ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、「第２ＧＲＩＮレンズ」の一例である。
【０１７５】
また、本変形例におけるＧＲＩＮレンズＳＬ２は、第３光学部材ＳＬ２ａ及び第４光学部材ＳＬ２ｂを有する。第３光学部材ＳＬ２ａは、一端が第２光学部材ＳＬ１ｂの他端と接し、複数の第２光学部材ＳＬ１ｂからの光それぞれをコリメートするよう屈折率分布が調整されている。第４光学部材ＳＬ２ｂは、一端が第３光学部材ＳＬ２ａの他端と接し、他端がマルチコアファイバ１と接する。第４光学部材ＳＬ２ｂは、第３光学部材ＳＬ２ａからの光を収束するよう屈折率分布が調整されている。第４光学部材ＳＬ２ｂで収束された光は、対応するマルチコアファイバ１の各コアＣｋに入射する。第３光学部材ＳＬ２ａ及び第４光学部材ＳＬ２ｂは、接着剤等により固定されることで一体のＧＲＩＮレンズＳＬ２を構成する。そして、第２光学部材ＳＬ１ｂ及び第３光学部材ＳＬ２ａが接着剤等により固定されることで、結合部材２０は一体に形成される。
【０１７６】
なお、ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２は、複数の光学部材により形成されている必要はない。ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２は、それぞれの機能を達成できるように屈折率が調整された媒体から形成されていればよい。すなわち、ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２は、それぞれ一の光学部材で形成されていてもよい。或いは、ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２を一の光学部材で形成することも可能である。
【０１７７】
［光の進み方について］
次に、図９を参照して、本変形例に係る光の進み方について説明する。本変形例では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。
【０１７８】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光それぞれは、第１光学部材ＳＬ１ａでコリメートされ、第２光学部材ＳＬ１ｂに入射する。第２光学部材ＳＬ１ｂに入射した光は、第２光学部材ＳＬ１ｂを構成する媒体の屈折率分布により収束される。第２光学部材ＳＬ１ｂを透過した光それぞれは、モードフィールド径が拡大された状態で結像点ＩＰにおいて結像する。
【０１７９】
第２光学部材ＳＬ１ｂを透過した光それぞれは、結像点ＩＰを二次光源として第３光学部材ＳＬ２ａに入射する（本実施形態では、結像点ＩＰが、ＧＲＩＮレンズＳＬ１とＧＲＩＮレンズＳＬ２との境界に位置するよう、各ＧＲＩＮレンズの屈折率が調整されている）。
【０１８０】
第３光学部材ＳＬ２ａに入射した光それぞれは、第３光学部材ＳＬ２ａを構成する媒体の屈折率分布に基づいてコリメートされた状態で第３光学部材ＳＬ２ａを通過し、第４光学部材ＳＬ２ｂに入射する。そして、第４光学部材ＳＬ２ｂに入射した光は、第４光学部材ＳＬ２ｂを構成する媒体の屈折率分布に基づいて収束され、且つ互いの間隔が狭められた状態でマルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し入射する。
【０１８１】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例４］
図１０は、結合部材２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面を示す概念図である。本変形例では、結合部材２０を構成する第１光学系２１として複数のファイバＦｋを使用し、第２光学系２２としてＧＲＩＮレンズＳＬ２を使用する例を述べる。
【０１８２】
［結合部材の構成］
本変形例における結合部材２０は、第１光学系２１及び第２光学系２２を有する。
【０１８３】
第１光学系２１は、媒体として、複数のファイバＦｋ（ｋ＝１〜ｎ）を有する。ファイバＦｋは、一端がファイバ束１０を構成するシングルコアファイバ１００と接し、シングルコアファイバ１００からの光それぞれのモードフィールド径を変更する。ファイバＦｋは、光を伝送するコアＣｆ及びコアＣｆを覆うクラッド３を含んで構成されている。シングルコアファイバ１００と接する入射端におけるコアＣｆの径は、シングルコアファイバ１００のコアＣの径とほぼ同じである。ファイバＦｋは、ファイバ束１０を構成するシングルコアファイバ１００の数と等しい数だけ設けられる。
【０１８４】
また、ファイバＦｋは、入射端と出射端でコア径が異なる。具体的に、ファイバＦｋは、シングルコアファイバ１００と接する入射端におけるコアＣｆの径よりもＧＲＩＮレンズＳＬ２と接する出射端におけるコアＣｆの径のほうが大きくなるよう形成されている。ファイバＦｋのコアＣｆを通過する光は、出射端に近づくにつれてモードフィールド径が大きくなる。
【０１８５】
ファイバＦｋは、たとえば以下の方法により製造される。まず、一本のファイバの一部に対して熱を加え、ファイバを切断する。切断したファイバの端面に対して更に熱処理を行うことにより、一端のコア径が他端のコア径より大きいファイバＦｋを得ることができる。
【０１８６】
なお、本変形例では、第１光学系２１を構成するファイバＦｋとシングルコアファイバ１００とが別体である例について述べたが、上記製造方法でシングルコアファイバ１００を製造することにより、シングルコアファイバ１００とファイバＦｋとを一体で製造することも可能である。このように、シングルコアファイバ１００とファイバＦｋとを一体で製造することにより、シングルコアファイバ１００とファイバＦｋとのアライメント調整が不要となる。
【０１８７】
本変形例における第２光学系２２は、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例３で示したＧＲＩＮレンズＳＬ２が用いられる。ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、一端がファイバＦｋの他端と接し、複数のファイバＦｋそれぞれでモードフィールド径が変更された光の間隔を変更するよう屈折率が調整された媒体から形成されている。
【０１８８】
［光の進み方について］
次に、図１０を参照して、本変形例に係る光の進み方について説明する。本変形例では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。
【０１８９】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光それぞれは、ファイバＦｋでモードフィールド径が拡大され、ＧＲＩＮレンズＳＬ２に入射する。
【０１９０】
ＧＲＩＮレンズＳＬ２に入射した光それぞれは、第２光学系２２を構成する媒体の屈折率分布に基づいて収束され、且つ互いの間隔が狭められた状態でマルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し入射する。
【０１９１】
なお、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４において、結合部材２０を介してマルチコアファイバ１とファイバ束１０とを接続する場合、それぞれの接続部分で回転方向のアライメント調整が必要になる。本変形例では、アライメント調整が不要となる構成について説明する。以下、マルチコアファイバ１と結合部材２０との接続に関して述べるが、結合部材２０とファイバ束１０との接続でも同様の構成を用いることが可能である。
【０１９２】
図１１Ａは、結合部材２０の端面を示す図である。図１１Ｂは、マルチコアファイバ１の端面を示す図である。図１１Ｃは、図１１Ａ及び図１１ＢにおけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【０１９３】
図１１Ａ及び図１１Ｃに示すように、結合部材２０の端面（マルチコアファイバ１と接続される側の端面）には、被嵌合部Ｍ１が設けられている。被嵌合部Ｍ１としては、たとえば、結合部材２０の端面に少なくとも２つの穴部Ｈｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設けられる。本変形例では、穴部Ｈ１〜穴部Ｈ３の３つが設けられている。
【０１９４】
図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すように、マルチコアファイバ１のクラッド２の端面２ａ（結合部材２０と接続される側の端面）には、嵌合部Ｍ２が設けられている。嵌合部Ｍ２としては、たとえば、端面２ａに少なくとも２つの突起部Ｐｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設けられる。本変形例では、穴部Ｈ１〜穴部Ｈ３に対応する突起部Ｐ１〜突起部Ｐ３の３つが設けられている。突起部Ｐｋのサイズは、穴部Ｈｋのサイズとほぼ同じ大きさに形成されている。
【０１９５】
図１１Ｃに示すように、結合部材２０とマルチコアファイバ１とを接続する際、突起部Ｐｋと穴部Ｈｋとが嵌合するように接続することで、結合部材２０の端面に対するマルチコアファイバ１の端面１ｂの位置は一意に決まる。すなわち、回転方向のアライメント調整が不要となる。なお、結合部材２０の端面に嵌合部Ｍ２を設け、クラッド２の端面２ａに被嵌合部Ｍ１を設けることも可能である。
【０１９６】
また、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４における第１光学系２１と第２光学系２２とは任意の組み合わせが可能である。たとえば、結合部材２０は、第１光学系２１として第２実施形態におけるＧＲＩＮレンズＳＬ１を有し、第２光学系２２として第１実施形態における両側テレセントリック光学系（凸レンズ部２２ａ、凸レンズ部２２ｂ）を有することも可能である。
【符号の説明】
【０１９７】
１ マルチコアファイバ
１ｂ 端面
２ クラッド
２ａ 端面
１０ ファイバ束
２０ 結合光学系
２１ 第１光学系
２１ａ 凸レンズ
２２ 第２光学系
２２ａ、２２ｂ 凸レンズ
１００ シングルコアファイバ
１０１ クラッド
Ｃ、Ｃｋ コア
Ｃａ、Ｅｋ 端面
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信等に用いられる光学素子を結合させる結合光学系及び結合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンやタブレット端末等の普及により、莫大な情報量を有するデータの通信が要求されている。それに伴い、光通信の更なる大容量化が望まれている。
【０００３】
従来の光通信は、クラッド内に一つのコアが設けられたシングルコアファイバを用いて行われている。しかし、一つのシングルコアファイバで通信を行う場合には容量の限界があるため、それを超える容量のデータ通信を行うための手段が要求されている。
【０００４】
これに関し、たとえば、一つのクラッド内に複数のコアが設けられた光ファイバであるマルチコアファイバを用いることができる（特許文献１、２参照）。マルチコアファイバは複数のコアを有するため、シングルコアファイバに比べ、大容量のデータ通信を行うことが可能となる。
【０００５】
光通信においては、このようなマルチコアファイバを、たとえば、シングルコアファイバを複数本束ねたファイバ束や、レーザーダイオード等の発光素子、フォトダイオード等の受光素子と光学的に結合させて使用する場合がある。以下、マルチコアファイバ、ファイバ束、発光素子及び受光素子の全て或いは一部を「光学素子」という場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１０４４４３号公報
【特許文献２】特開平８−１１９６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、マルチコアファイバと他の光学素子とを光学的に結合する際には、結合効率の確保が問題となる。
【０００８】
同じコア数のマルチコアファイバ同士を結合する場合、マルチコアファイバ同士の位置合わせを行うことで、コア同士を確実に結合することができる。従って、結合損失を生じ難く、高い結合効率を達成することができる。
【０００９】
一方、マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する場合には、結合効率が低下するという問題がある。たとえば、一般的に、マルチコアファイバの各コアは、ファイバ束の各シングルコアファイバの径より狭い間隔で配列されている。従って、ファイバ束とマルチコアファイバとを結合する場合にそのコア同士を確実に結合することが困難となる。よって、マルチコアファイバとファイバ束との間の結合効率が低下する。
【００１０】
この発明は上記の問題点を解決するものであり、マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する際に、結合効率の低下を抑制可能な結合光学系及びそれを用いた結合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１記載の結合光学系は、複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバを束ねたファイバ束のうちのいずれかの光学素子と、複数のコアがクラッドで覆われたマルチコアファイバとの間に配置され、光学素子とマルチコアファイバとを光学的に結合する。結合光学系は、光学素子及びマルチコアファイバの一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう構成されている。
また、上記課題を解決するために、請求項２記載の結合光学系は、請求項１記載の結合光学系であって、第１光学系と、第２光学系とを含む。第１光学系は、複数の光それぞれを収束させる。第２光学系は、複数の光の間隔を変更する。
また、上記課題を解決するために、請求項３記載の結合光学系は、請求項２記載の結合光学系であって、第１光学系は、第２光学系よりも光学素子側に配置されている。
また、上記課題を解決するために、請求項４記載の結合光学系は、請求項２又は３記載の結合光学系であって、第１光学系の倍率及び第２光学系の倍率は、以下の式を満たす値である。
βｍ×βｒ＝１
但し、
βｍ：第１光学系の倍率
βｒ：第２光学系の倍率
また、上記課題を解決するために、請求項５記載の結合光学系は、請求項２〜４のいずれかに記載の結合光学系であって、第１光学系は、複数のレンズがアレイ状に配置された構成である。
また、上記課題を解決するために、請求項６記載の結合光学系は、請求項５記載の結合光学系であって、複数のレンズ間のピッチが、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項７記載の結合光学系は、請求項２〜６のいずれかに記載の結合光学系であって、第２光学系は、両側テレセントリック光学系である。
また、上記課題を解決するために、請求項８記載の結合光学系は、請求項２〜７のいずれかに記載の結合光学系であって、第２光学系の倍率は、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項９記載の結合光学系は、請求項１記載の結合光学系であって、偏向光学系を含む。偏向光学系は、入射する複数の光を個別に偏向する。
また、上記課題を解決するために、請求項１０記載の結合光学系は、請求項９記載の結合光学系であって、コリメートレンズを有する。コリメートレンズは、入射側素子のいずれかからの光をコリメートする。偏向光学系は、コリメートレンズでコリメートされた光を偏向する。
また、上記課題を解決するために、請求項１１記載の結合光学系は、請求項１０記載の結合光学系であって、コリメートレンズは、複数のコリメートレンズがアレイ状に配置された構成である。
また、上記課題を解決するために、請求項１２記載の結合光学系は、請求項１１記載の結合光学系であって、複数のコリメートレンズ間のピッチは、複数の光源間のピッチ、複数のシングルコアファイバ間のピッチ及びマルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項１３記載の結合光学系は、請求項１０〜１２のいずれかに記載の結合光学系であって、偏向光学系は、第１偏向光学系と、第２偏向光学系とを含む。第１偏向光学系は、入射する複数の光を偏向する。第２偏向光学系は、第１偏向光学系により偏向された複数の光を更に偏向する。
また、上記課題を解決するために、請求項１４記載の結合光学系は、請求項１３記載の結合光学系であって、第１偏向光学系及び第２偏向光学系の一方の片面が凸形状に形成されており、他方の片面が凹形状に形成されている。
また、上記課題を解決するために、請求項１５記載の結合光学系は、請求項１３記載の結合光学系であって、第１偏向光学系及び第２偏向光学系は、それぞれの片面の少なくとも一部が回折格子として形成されている。
また、上記課題を解決するために、請求項１６記載の結合光学系は、請求項１３又は１４記載の結合光学系であって、第１偏向光学系及び第２偏向光学系の少なくとも一方は、コリメートレンズでコリメートされた光を偏向する偏向プリズムである。
また、上記課題を解決するために、請求項１７記載の結合光学系は、請求項１３〜１６のいずれかに記載の結合光学系であって、第１偏向光学系と第２偏向光学系の偏向度が等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項１８記載の結合光学系は、請求項９〜１７のいずれかに記載の結合光学系であって、偏向光学系の偏向度は、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項１９記載の結合光学系は、請求項１０〜１８のいずれかに記載の結合光学系であって、結像光学レンズを含む。結像光学レンズは、偏向光学系により偏向された光を、出射側素子のいずれかに結像させる。
また、上記課題を解決するために、請求項２０記載の結合光学系は、請求項１９記載の結合光学系であって、結像光学レンズは、複数のレンズがアレイ状に配置された構成である。
また、上記課題を解決するために、請求項２１記載の結合光学系は、請求項２０記載の結合光学系であって、結像光学レンズ間のピッチは、複数のシングルコアファイバ間のピッチ、受光素子間のピッチ及びマルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項２２記載の結合光学系は、請求項１９〜２１のいずれかに記載の結合光学系であって、コリメートレンズの焦点距離と結像光学レンズの焦点距離とが等しい。
また、上記課題を解決するために、請求項２３記載の結合光学系は、請求項１〜２２のいずれかに記載の結合光学系であって、入射側素子と、結合光学系と、出射側素子とは、入射側素子からの光の主光線それぞれが結合光学系の入射面に対して垂直に入射し、結合光学系の出射面から出射された光の主光線それぞれが出射側素子の受光面に対して垂直に入射する配置となっている。
また、上記課題を解決するために、請求項２４記載の結合方法は、請求項１〜２３のいずれかに記載の結合光学系を用いて、入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう、光学素子とマルチコアファイバとを結合させる。
【発明の効果】
【００１２】
光学素子とマルチコアファイバとを光学的に結合する結合光学系は、入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう設計されている。従って、マルチコアファイバと他の光学素子とを結合する際に、結合効率の低下を抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に共通のマルチコアファイバを示す図である。
【図２】第１実施形態に係る結合光学系を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る結合光学系を示す図である。
【図４Ａ】第２実施形態に係る偏向光学系を示す図である。
【図４Ｂ】第２実施形態に係る偏向光学系の別例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る偏向光学系の別例を示す図である。
【図６】第３実施形態に係る結合光学系を示す図である。
【図７】第３実施形態に係る偏向光学系を示す図である。
【図８】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２に係る結合部材を示す図である。
【図９】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例３に係る結合部材を示す図である。
【図１０】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例４に係る結合部材を示す図である。
【図１１Ａ】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４に係る結合部材を示す図である。
【図１１Ｂ】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４に係るマルチコアファイバを示す図である。
【図１１Ｃ】第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４に係るマルチコアファイバ及び結合部材を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［マルチコアファイバの構成］
図１を参照して、マルチコアファイバ１の構成について説明する。マルチコアファイバ１は、一般に可撓性を有する長尺の円柱部材である。図１は、マルチコアファイバ１の斜視図である。図１では、マルチコアファイバ１の先端部分のみを示している。
【００１５】
マルチコアファイバ１は、たとえば石英ガラスやプラスチック等、光の透過性が高い素材により形成されている。マルチコアファイバ１は、複数のコアＣｋ（ｋ＝１〜ｎ）と、クラッド２を含んで構成されている。
【００１６】
コアＣｋは、光源（図示なし）からの光を伝送する伝送路である。コアＣｋはそれぞれ端面Ｅｋ（ｋ＝１〜ｎ）を有する。端面Ｅｋからは、光源（図示なし）で発せられた光が出射される。クラッド２よりも屈折率を高めるために、コアＣｋは、たとえば石英ガラスに酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）が添加された素材により形成されている。なお、図１では７つのコアＣ１〜Ｃ７を有する構成を示したが、コアＣｋの数は少なくとも２つ以上であればよい。
【００１７】
クラッド２は、複数のコアＣｋを覆う部材である。クラッド２は、光源（図示なし）からの光をコアＣｋ内に閉じ込める役割を有する。クラッド２は端面２ａを有する。コアＣｋの端面Ｅｋ及びクラッド２の端面２ａは同一面（マルチコアファイバ１の端面１ｂ）を形成している。クラッド２の素材としては、コアＣｋの素材よりも屈折率が低い素材が用いられる。たとえば、コアＣｋの素材が石英ガラスと酸化ゲルマニウムからなる場合には、クラッド２の素材としては石英ガラスを用いる。このように、コアＣｋの屈折率をクラッド２の屈折率よりも高くすることで、光源（図示なし）からの光をコアＣｋとクラッド２の境界面で全反射させる。よって、コアＣｋ内に光を伝送させることができる。
【００１８】
＜第１実施形態＞
次に、図２を参照して、第１実施形態に係る結合光学系２０の構成例を説明する。本実施形態では、ファイバ束１０と、マルチコアファイバ１とを結合する場合について述べる。図２は、結合光学系２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面図である。
【００１９】
［ファイバ束の構成］
ファイバ束１０は、複数のシングルコアファイバ１００を含んで構成されている。ファイバ束１０は、結合するマルチコアファイバ１のコア数（本実施形態では７つ）と等しい数のシングルコアファイバ１００（本実施形態では７本）が束ねられている。図２では３本のシングルコアファイバ１００のみを示している。シングルコアファイバ１００は、クラッド１０１の内部にコアＣを含んで構成されている。コアＣは、光源（図示なし）からの光を伝送する伝送路である。コアＣの端面Ｃａから出射された光は、所定の開口数ＮＡで結合光学系２０の入射面（後述）に入射する。なお、開口数ＮＡは、Ｎｓｉｎθで定義される（ＮＡ＝Ｎｓｉｎθ）。Ｎは屈折率である。θは、端面Ｃａから出射された光（光束）が結合光学系２０に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【００２０】
［結合光学系の構成］
本実施形態に係る結合光学系２０は、第１光学系２１と、第２光学系２２とを含んで構成されている。第１光学系２１は、複数の光それぞれを収束させる機能を有している。第２光学系２２は、複数の光の間隔を変更する機能を有している。
【００２１】
本実施形態における第１光学系２１は、ファイバ束１０からの複数の光それぞれを収束させる機能を有している。第１光学系２１は、アレイ状に配置された複数の凸レンズ２１ａを含んで構成されている。複数の凸レンズ２１ａは、ファイバ束１０に含まれるシングルコアファイバ１００と等しい数だけ設けられている。第１光学系２１（凸レンズ２１ａ）は、ファイバ束１０の各端面Ｃａから出射された光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応する凸レンズ２１ａの面に対して垂直に入射する位置に配置されている（なお、この場合には端面Ｃａが絞りとして機能している）。複数の凸レンズ２１ａは、そのピッチＰｍ（隣り合う凸レンズ２１ａの光軸間距離）が複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔ（隣り合うシングルコアファイバ１００の光軸間距離。たとえば、ファイバ束１０の中心に配置されたファイバのコアＣの光軸と、その周辺に配置されたファイバのコアＣの光軸との間隔）と等しくなるよう配置されている。なお、第１光学系２１は、第２光学系２２よりもファイバ束１０側に配置されている。本実施形態において、ファイバ束１０からの光が入射する凸レンズ２１ａの面は、「入射面」の一例である。また、本実施形態における複数の凸レンズ２１ａは、「複数のレンズ」の一例である。
【００２２】
第１光学系２１（各凸レンズ２１ａ）の倍率は、所定の倍率βｍとなるよう設計されている。また、第１光学系２１（各凸レンズ２１ａ）は、出射した光の開口数ＮＡ´（＝Ｎｓｉｎθ´）が入射した光の開口数ＮＡよりも小さくなるよう設計されている。θ´は、第１光学系２１から出射した光（光束）が結像点ＩＰに到達する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【００２３】
本実施形態における第２光学系２２は、第１光学系２１からの複数の光の間隔を狭める機能を有している。第２光学系２２は、２枚の凸レンズ２２ａ、２２ｂを含む両側テレセントリック光学系により構成されている。第２光学系２２は、第１光学系２１からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応するマルチコアファイバ１の各コアＣｋの端面Ｅｋに対して垂直に入射する位置に配置されている。第２光学系２２は、第２光学系２２から出射した光（光束）が所定の開口数ＮＡ´´（＝Ｎｓｉｎθ´´）となるよう設計されている。θ´´は、第２光学系２２から出射された光（光束）がマルチコアファイバ１（各コアＣｋの端面Ｅｋ）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。本実施形態において、第１光学系２１からの光が出射される凸レンズ２２ｂの面は、「出射面」の一例である。また、本実施形態において、端面Ｅｋは、「受光面」の一例である。
【００２４】
また、本実施形態において、第２光学系２２は、その倍率βｒが複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔとマルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎ（マルチコアファイバ１における隣り合うコアＣｋの光軸間距離。たとえば、マルチコアファイバ１の中心のコアＣ１の光軸と周辺のコアＣ２の光軸との間隔）との比と等しくなるよう設計されている。なお、倍率βｒと、ピッチＰｏｕｔとピッチＰｉｎとの比は、用いる光学素子の公差や設計上のバラツキにより、必ずしも等しくなる必要はない。少なくとも光伝送に必要な結合効率を確保できる値、たとえば、以下の式（１）を満たす値であればよい。
【００２５】
０．９βｒ＜Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ＜１．１βｒ・・・（１）
【００２６】
また、第１光学系２１に入射する光の開口数ＮＡと第２光学系２２から出射される光の開口数ＮＡ´´が異なると結合効率の低下を招く。従って、本実施形態では、開口数ＮＡと開口数ＮＡ´´が等しくなるよう結合光学系２０が設計されている。
【００２７】
更に、本実施形態においては、以下の式（２）を満たすように、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒが設計されている。
【００２８】
βｍ×βｒ＝１・・・（２）
【００２９】
なお、倍率βｍと倍率βｒとの関係は、用いる光学素子の公差や設計上のバラツキにより、必ずしも式（２）の条件を満たす必要はない。少なくとも光伝送に必要な結合効率を確保できる値、たとえば、以下の式（３）を満たす値であればよい。
【００３０】
０．９＜βｍ×βｒ＜１．１・・・（３）
【００３１】
また、上記説明では、第１光学系２１から出射された光が第２光学系２２に入射するように配置された結合光学系２０の構成について述べたが、第１光学系２１と第２光学系２２の配置を逆にしてもよい。この場合も、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒは式（２）または式（３）の関係を満たせばよい。
【００３２】
［光の進み方について］
次に、図２を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本実施形態では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。すなわち、本実施形態におけるファイバ束１０は、「入射側素子」の一例である。一方、本実施形態におけるマルチコアファイバ１は、「出射側素子」の一例である。
【００３３】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光は、それぞれ拡散しながら、所定の開口数ＮＡで第１光学系２１（凸レンズ２１ａ）に入射する。上述の通り、本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光（主光線Ｐｒ）は、第１光学系２１（凸レンズ２１ａの面）に対して垂直に入射される。
【００３４】
第１光学系２１に入射した複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれは、結像点ＩＰを二次光源として第２光学系２２（凸レンズ２２ａの面）に垂直に入射する。複数の光それぞれが第２光学系２２に入射する場合の開口数（ＮＡ´に等しい）は、開口数ＮＡよりも小さくなっている。従って、第２光学系２２の構成を簡素化することが可能となる。
【００３５】
また、第２光学系２２は両側テレセントリックな光学系で形成されている。従って、第２光学系２２に垂直に入射した複数の光（主光線Ｐｒ）は、互いの間隔が狭められた状態で第２光学系２２（凸レンズ２２ｂの面）から垂直に出射される。
【００３６】
このとき、本実施形態では、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒが式（２）の関係を満たしている。従って、各端面Ｃａから出射された光それぞれの開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋ（端面Ｅｋ）に対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直に入射させることが可能となる。従って、光学素子間の結合効率が高い状態を維持したまま光の伝送が可能となる。
【００３７】
具体例として、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔが１２０μｍのファイバ束１０と、コアＣｋ間のピッチＰｉｎが４０μｍのマルチコアファイバ１とを結合する場合について説明する。この場合、ピッチが１／３に縮小されるため、第１光学系２１の倍率βｍを３とし、第２光学系２２の倍率βｒを１／３とすれば、開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直入射させることが可能となる。
【００３８】
ピッチＰｉｎ及びピッチＰｏｕｔは、マルチコアファイバ１やファイバ束１０の光学設計時に任意に設定することができる。たとえば、ピッチＰｏｕｔは、１００〜１５０μｍ程度の間で設定できる。また、ピッチＰｉｎは、たとえば、３０〜５０μｍ程度の間で任意に設定できる。
【００３９】
［変形例１］
本実施形態では、ファイバ束１０から出射された複数の光を、結合光学系２０を介してマルチコアファイバ１に導く例について説明したが、光を出射する対象はこれに限られない。たとえば、ファイバ束１０の代わりに複数の光源を用いることも可能である。この場合、光源が「入射側素子」の一例である。また、この場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う光源間のピッチ（たとえば、中心に配置される光源の出射面の中心と、その周辺に配置される光源の出射面の中心との距離）となる。
【００４０】
［変形例２］
或いは、上述の結合光学系２０を用い、マルチコアファイバ１（複数のコアＣｋ）から出射される複数の光それぞれを、ファイバ束１０又は受光素子（図示なし）に導くことも可能である。この場合、マルチコアファイバ１が、「入射側素子」の一例である。また、ファイバ束１０又は受光素子が「出射側素子」の一例である。以下、マルチコアファイバ１から出射される光それぞれを、ファイバ束１０に導く例について述べる。
【００４１】
本変形例における第２光学系２２は、マルチコアファイバ１から出射される複数の光の間隔を広げる機能を有している。本変形例において、マルチコアファイバ１からの光が入射する凸レンズ２２ｂの面は、「入射面」の一例である。
【００４２】
本変形例における第１光学系２１は、第２光学系２２からの複数の光それぞれを収束させる機能を有している。収束された光（主光線Ｐｒ）それぞれは、対応するコアＣの端面Ｃａに垂直に入射する。本変形例において、第２光学系２２からの光が出射される第１光学系２１（凸レンズ２１ａ）の面は、「出射面」の一例である。また、本実施形態において、端面Ｃａは、「受光面」の一例である。
【００４３】
本変形例におけるθは、第１光学系２１から出射された光（光束）がファイバ束１０（各シングルコアファイバ１００）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´は、第２光学系２２から出射された光（光束）が結像点ＩＰに到達する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´´は、マルチコアファイバ１から出射された光（光束）が第２光学系２２に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【００４４】
なお、受光素子が「出射側素子」に当たる場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う受光素子間のピッチ（たとえば、中心に配置される受光素子の受光面の中心と、その周辺に配置される受光素子の受光面の中心との距離）となる。
【００４５】
［作用・効果］
本実施形態（変形例を含む）の作用及び効果について説明する。
【００４６】
本実施形態に係る結合光学系２０は、複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバ１００を束ねたファイバ束１０のいずれかを含む光学素子と、複数のコアＣｋがクラッド２で覆われたマルチコアファイバ１との間に配置され、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合する。結合光学系２０は、光学素子及びマルチコアファイバ１の一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう設計されている。
【００４７】
より具体的には、本実施形態に係る結合光学系２０は、第１光学系２１と、第２光学系２２とを含む。第１光学系２１は、複数の光それぞれを収束させる。第２光学系２２は、複数の光の間隔を変更（狭める・広げる）する。
【００４８】
また、第１光学系２１の倍率βｍ及び第２光学系２２の倍率βｒは、以下の式（２）を満たす値に設計される。
βｍ×βｒ＝１・・・・・（２）
【００４９】
このように、結合光学系２０に入射する光の開口数と結合光学系２０から出射する光の開口数とが変わらないよう第１光学系２１と第２光学系２２を組み合わせることにより、結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系２０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る結合光学系２０は、第１光学系２１は、第２光学系２２よりも光学素子側に配置されている。
【００５１】
光学系をこのように配置することで、第１光学系２１から第２光学系２２に入射する光の開口数ＮＡ´（又は第２光学系２２から第１光学系２１に入射する光の開口数ＮＡ´）を小さく抑えることができるため、光学系の構成を簡素化することが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態に係る第１光学系２１は、複数のレンズ２１ａがアレイ状に配置された構成である。
【００５３】
この場合、第１光学系２１を同形状の単玉レンズを用いた簡素な構成で設計できる。
【００５４】
また、本実施形態に係る結合光学系２０は、複数のレンズ２１ａ間のピッチＰｍが、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔのいずれかと等しくなるよう設計されている。
【００５５】
この場合、たとえば、複数のシングルコアファイバ１００からの光（主光線Ｐｒ）それぞれを、対応する複数のレンズ２１ａの面に垂直に入射させることができる（すなわち、シングルコアファイバ１００からの光束を軸上光束として扱うことができる）。或いは、複数のレンズ２１ａから出射された複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれを複数のシングルコアファイバ１００の端面Ｃａや複数の受光素子の面に垂直に入射させることができる。従って、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態に係る第２光学系２２は、両側テレセントリック光学系である。
【００５７】
また、本実施形態に係る第２光学系２２の倍率βｒは、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔのいずれかと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎとの比に等しくなるよう設計されている。
【００５８】
この場合、結合光学系２０からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれを、対応するマルチコアファイバ１のコアＣｋ（或いは、対応する複数の受光素子、ファイバ束１０）に垂直に入射させることが可能となる。従って、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に、図３〜図６を参照して、第２実施形態に係る結合光学系３０の構成例を説明する。本実施形態では、ファイバ束１０と、マルチコアファイバ１とを結合する場合について述べる。図３は、結合光学系３０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面図である。なお、ファイバ束１０の構成等、第１実施形態と同様の構成等については詳細な説明を省略する場合がある。
【００６０】
［結合光学系の構成］
本実施形態に係る結合光学系３０は、コリメート光学系３１と、偏向光学系３２と、結像光学系３３とを含んで構成されている。
【００６１】
コリメート光学系３１は、ファイバ束１０からの複数の光それぞれをコリメートさせる機能を有している。コリメート光学系３１は、アレイ状に配置された複数のコリメートレンズ３１ａを含んで構成されている。複数のコリメートレンズ３１ａは、ファイバ束１０に含まれるシングルコアファイバ１００と等しい数だけ設けられている。コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）は、各端面Ｃａから出射された光（主光線Ｐｒ）が、対応するコリメートレンズ３１ａの面に対して垂直に入射する位置に配置されている（なお、この場合には端面Ｃａが絞りとして機能している）。複数のコリメートレンズ３１ａは、そのピッチＰｃｌ（隣り合うコリメートレンズ３１ａの光軸間距離。たとえば、中心に配置されたコリメートレンズ３１ａのレンズ中心と、その周辺に配置されたコリメートレンズ３１ａのレンズ中心との間隔）が複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔ（隣り合うシングルコアファイバ１００の光軸間距離）と等しくなるよう配置されている。なお、コリメート光学系３１は、偏向光学系３２よりもファイバ束１０側に配置されている。本実施形態において、ファイバ束１０からの光が入射するコリメートレンズ３１ａの面は、「入射面」の一例である。
【００６２】
偏向光学系３２は、入射する複数の光（本実施形態では、ファイバ束１０からの光）を個別に偏向する機能を有している。本実施形態における偏向光学系３２は、第１偏向プリズム３２ａ及び第２偏向プリズム３２ｂを含んで構成されている。本実施形態における第１偏向プリズム３２ａは、「第１偏向光学系」の一例である。本実施形態における第２偏向プリズム３２ｂは、「第２偏向光学系」の一例である。
【００６３】
本実施形態における第１偏向プリズム３２ａは、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）でコリメートされた複数の光それぞれをコリメートされたまま所定の方向に偏向させる機能を有している。なお、図３に示すように、第１偏向プリズム３２ａは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第１偏向プリズム３２ａは、入射する光の数に対応した入射面３２１ａ及び出射面３２２ａを有している。また、本実施形態における第１偏向プリズム３２ａは、コリメート光学系３１からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応する入射面３２１ａに対して垂直に入射されるよう設計されている。
【００６４】
本実施形態において、入射面３２１ａは平面で形成されている。出射面３２２ａは、複数の光の数に対応した凸面に形成されている。ここで、出射面３２２ａは、所定の角度γだけ傾斜するよう設計されている。
【００６５】
この傾斜角度γは、たとえば以下のようにして決定される。図４Ａは、第１偏向プリズム３２ａの断面の一部を拡大した図である。ここでは、第１偏向プリズム３２ａの出射面３２２ａに入射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の入射角度をγｉｎ、第１偏向プリズム３２ａにより偏向されて出射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の出射角度をγｏｕｔ、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチをＰｏｕｔ、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチをＰｉｎ、第１偏向プリズム３２ａと第２偏向プリズム３２ｂとの間隔をｔとする。なお、入射角度γｉｎは、傾斜角度γと等しい。
【００６６】
このとき、出射角度γｏｕｔは、以下の式（４）により決定される。
【００６７】
Ｔａｎ［γｏｕｔ］＝（Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎ）／ｔ・・・（４）
【００６８】
また、第１偏向プリズム３２ａの母材屈折率をＮ、出射側の媒質の屈折率をＮ´とした場合、入射角度γｉｎは、以下の式（５）の関係が成り立つ。
【００６９】
Ｎｓｉｎ［γｉｎ］＝Ｎ´ｓｉｎ［γｏｕｔ］・・・（５）
【００７０】
たとえば、Ｐｏｕｔが１２０μｍ、Ｐｉｎが４０μｍ、ｔが０．３ｍｍで設計される場合、出射角度γｏｕｔは、約１４．９°となる。また、ここでは出射側の媒質は空気（Ｎ´＝１）であるとする。この出射角度γｏｕｔに対し、第１偏向プリズム３２ａを母材屈折率が１．６の材料で形成するときには、入射角度γｉｎは、約９．２５°となる。従って、傾斜角度γが約９．２５°となるよう、第１偏向プリズム３２ａの出射面３２２ａを設計することができる。
【００７１】
なお、入射面３２１ａを凸面とすることも可能である。この場合、傾斜角度γ´は、たとえば以下のようにして決定される。図４Ｂは、第１偏向プリズム３２ａの断面の一部を拡大した図である。ここでは、第１偏向プリズム３２ａの入射面３２１ａに入射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の入射角度をγ´ｉｎ、入射した光の偏向角度をγ´１、入射面３２１ａの垂線に対する入射した光の角度をγ´２、第１偏向プリズム３２ａにより偏向されて出射する光（図では主光線Ｐｒのみ示す）の出射角度をγ´ｏｕｔ、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチをＰｏｕｔ、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチをＰｉｎ、第１偏向プリズム３２ａと第２偏向プリズム３２ｂとの間隔をｔとする。なお、入射角度γ´ｉｎは、傾斜角度γ´と等しい。
【００７２】
このとき、出射角度γｏｕｔは、上記式（４）により決定される。
【００７３】
また、入射角度γ´ｉｎ、偏向角度γ´１、角度γ´２は、以下の式（６）の関係となっている。
【００７４】
γ´２＝γ´ｉｎ−γ´１・・・（６）
【００７５】
また、第１偏向プリズム３２ａの母材屈折率をＮ、出射側の媒質の屈折率をＮ´とした場合、以下の式（７）が成り立つ。
【００７６】
Ｎｓｉｎ［γ´１］＝Ｎ´ｓｉｎ［γ´ｏｕｔ］・・・（７）
【００７７】
更に、入射角度γ´ｉｎと角度γ´２は、スネルの法則により以下の式（８）の関係が成り立つ。
【００７８】
Ｎ´ｓｉｎ［γ´ｉｎ］＝Ｎ´ｓｉｎ［γ´２］・・・（８）
【００７９】
たとえば、Ｐｏｕｔが１２０μｍ、Ｐｉｎが４０μｍ、ｔが０．３ｍｍで設計される場合、出射角度γｏｕｔは、約１４．９°となる。また、ここでは出射側の媒質は空気（Ｎ´＝１）であるとする。この出射角度γｏｕｔに対し、第１偏向プリズム３２ａを母材屈折率が１．６の材料で形成するときには、入射角度γｉｎは、約２４°となる。従って、傾斜角度γ´が約２４°となるよう、第１偏向プリズム３２ａの入射面３２１ａを設計することができる。
【００８０】
本実施形態における第２偏向プリズム３２ｂは、第１偏向プリズム３２ａにより偏向された光それぞれを更に偏向させる機能を有している。本実施形態では、第２偏向プリズム３２ｂからの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、結像光学系３３に対して垂直に入射する方向に偏向させる。第２偏向プリズム３２ｂで偏向された場合でも、複数の光それぞれがコリメートされた状態は変わらない。なお、図３に示すように、第２偏向プリズム３２ｂは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第２偏向プリズム３２ｂは、入射する光の数に対応した入射面３２１ｂ及び出射面３２２ｂを有している。本実施形態において、入射面３２１ｂは複数の光の数に対応した凹面で形成されている。出射面３２２ｂは、平面に形成されている。また、出射面３２２ｂを凹面とすることもできる。なお、第２偏向プリズム３２ｂの凹面の傾斜角度は、上述の第１偏向プリズム３２ａの傾斜角度を求める方法と同様の手法により求めることができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、第１偏向プリズム３２ａと第２偏向プリズム３２ｂが別体の構成について説明したが、偏向光学系３２は、１つの偏向プリズム３２´で構成されていてもよい。図５にその一例を示す。図５は、偏向プリズム３２´の側面図である。偏向プリズム３２´は、コリメート光学系３１からの光が入射する入射面３２´ａ及び結像光学系３３に対して光を出射する出射面３２´ｂが形成されている。入射面３２´ａは、たとえば上述の第１偏向プリズム３２ａの出射面３２２ａと同様に形成されている。出射面３２´ｂは、たとえば上述の第２偏向プリズム３２ｂの入射面３２１ｂと同様に形成されている。
【００８２】
また、偏向光学系３２は、所定の偏向度Ｒを有している。偏向度Ｒとは、偏向光学系３２に入射する主光線Ｐｒの角度と偏向光学系３２から出射した主光線Ｐｒの角度の変化量である。偏向度は、偏向光学系３２に入射する光の光束高さ（中心の光束から他の光束までの距離）と偏向光学系３２から出射する光の光束高さの比で表すこともできる。
【００８３】
偏向光学系３２が第１偏向プリズム３２ａ及び第２偏向プリズム３２ｂからなる場合、偏向度Ｒは、第１偏向プリズム３２ａに入射する主光線Ｐｒの角度と第２偏向プリズム３２ｂから出射した主光線Ｐｒの角度の変化量である。なお、この場合、偏向度Ｒは、第１偏向プリズム３２ａの偏向度Ｒ１及び第２偏向プリズム３２ｂの偏向度Ｒ２を合成したものともいえる。
【００８４】
本実施形態においては、第１偏向プリズム３２ａの偏向度Ｒ１と第２偏向プリズム３２ｂの偏向度Ｒ２とが等しくなるよう設計されている。また、本実施形態においては、偏向度Ｒ（Ｒ１＋Ｒ２）が、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔとマルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎとの比に等しくなるよう設計されている。
【００８５】
結像光学系３３は、偏向光学系３２により偏向された複数の光（光束）それぞれを、マルチコアファイバ１の各コアＣｋに結像させる機能を有している。結像光学系３３は、アレイ状に配置された複数の結像光学レンズ３３ａを含んで構成されている。複数の結像光学レンズ３３ａは、マルチコアファイバ１の各コアＣｋと等しい数だけ設けられている。結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）は、偏向光学系３２から出射された光（主光線Ｐｒ）が、対応する各コアＣｋの端面Ｅｋに対して垂直に入射する位置に配置されている。複数の結像光学レンズ３３ａは、そのピッチＰｉｍ（隣り合う結像光学レンズ３３ａの光軸間距離。たとえば、中心に配置された結像光学レンズ３３ａのレンズ中心と、その周辺に配置された結像光学レンズ３３ａのレンズ中心との間隔）が各コアＣｋ間のピッチＰｉｎと等しくなるよう配置されている。結像光学系３３は、出射した光（光束）が所定の開口数ＮＡ´´（＝Ｎｓｉｎθ´´）となるよう設計されている。θ´´は、結像光学系３３から出射された光（光束）がマルチコアファイバ１（各コアＣｋの端面Ｅｋ）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。本実施形態において、偏向光学系３２からの光が出射される結像光学レンズ３３ａの面は、「出射面」の一例である。また、本実施形態において、端面Ｅｋは、「受光面」の一例である。
【００８６】
また、コリメート光学系３１に入射する光の開口数ＮＡと結像光学系３３から出射される光の開口数ＮＡ´´が異なると結合効率の低下を招く。従って、本実施形態では、開口数ＮＡと開口数ＮＡ´´とが等しくなるよう結合光学系３０が設計されている。
【００８７】
また、本実施形態では、開口数ＮＡと開口数ＮＡ´´とを等しくするため、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）の焦点距離ｆｃｌと結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）の焦点距離ｆｉｍとが等しくなるよう結合光学系３０が設計されている。
【００８８】
なお、焦点距離ｆｃｌと焦点距離ｆｉｍとの関係は、用いる光学素子の公差や設計上のバラツキにより、必ずしも等しくする必要はない。少なくとも光伝送に必要な結合効率を確保できる値、たとえば、以下の式（９）を満たす値であればよい。
【００８９】
０．９＜ｆｉｍ／ｆｃｌ＜１．１・・・（９）
【００９０】
［光の進み方について］
次に、図３を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本実施形態では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。すなわち、本実施形態におけるファイバ束１０は、「入射側素子」の一例である。一方、本実施形態におけるマルチコアファイバ１は、「出射側素子」の一例である。
【００９１】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光は、それぞれ拡散しながら、所定の開口数ＮＡでコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）に入射する。本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光（主光線Ｐｒ）は、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａの面）に対して垂直に入射される。
【００９２】
コリメート光学系３１に入射した複数の光それぞれは、コリメートされ、第１偏向プリズム３２ａに入射する。第１偏向プリズム３２ａは、所定の偏向度Ｒ１で複数の光それぞれを個別に偏向させる。偏向された光それぞれは、第２偏向プリズム３２ｂに入射する。
【００９３】
第２偏向プリズム３２ｂは、所定の偏向度Ｒ２で複数の光を個別に偏向させる。第２偏向プリズム３２ｂで偏向された光それぞれは、結像光学系３３に入射する。結像光学系３３に入射した光それぞれは、対応するマルチコアファイバ１のコアＣｋに入射する。
【００９４】
このとき、本実施形態では、焦点距離ｆｃｌと焦点距離ｆｉｍとが等しくなっている。従って、各端面Ｃａから出射された光それぞれの開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋ（端面Ｅｋ）に対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直に入射させることが可能となる。従って、光学素子間の結合効率が高い状態を維持したまま光の伝送が可能となる。
【００９５】
具体例として、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔが１２０μｍのファイバ束１０と、コアＣｋ間のピッチＰｉｎが４０μｍのマルチコアファイバ１とを結合する場合について説明する。この場合、ピッチが１／３に縮小されるため、第１偏向プリズム３２ａの偏向度Ｒ１と第２偏向プリズム３２ｂの偏向度Ｒ２を合成した値が３となるように設計すれば、開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直入射させることが可能となる。この場合、ピッチＰｃｌは１２０μｍ、ピッチＰｉｍは４０μｍであることが望ましい。
【００９６】
なお、ピッチＰｉｎ及びピッチＰｏｕｔは、マルチコアファイバ１やファイバ束１０の光学設計時に任意に設定することができる。たとえば、ピッチＰｏｕｔは、１００〜１５０μｍ程度の間で設定できる。また、ピッチＰｉｎは、たとえば、３０〜５０μｍ程度の間で任意に設定できる。
【００９７】
［変形例３］
本実施形態では、ファイバ束１０から出射された複数の光を、結合光学系３０を介してマルチコアファイバ１に導く例について説明したが、光を出射する対象はこれに限られない。たとえば、ファイバ束１０の代わりに複数の光源を用いることも可能である。この場合、光源が「入射側素子」の一例である。また、この場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う光源間のピッチとなる。
【００９８】
［変形例４］
或いは、上述の結合光学系３０を用い、マルチコアファイバ１（複数のコアＣｋ）から出射される複数の光それぞれを、ファイバ束１０又は受光素子（図示なし）に導くことも可能である。この場合、マルチコアファイバ１が、「入射側素子」の一例である。また、ファイバ束１０又は受光素子が「出射側素子」の一例である。以下、マルチコアファイバ１から出射される光それぞれを、ファイバ束１０に導く例について述べる。
【００９９】
本変形例における結像光学系３３は、マルチコアファイバ１から出射される複数の光それぞれをコリメートする機能を有している。すなわち、本変形例においては、結像光学系３３が「コリメート光学系」に当たる。本変形例において、マルチコアファイバ１からの光が入射する結像光学レンズ３３ａの面は、「入射面」の一例である。また、本変形例における結像光学レンズ３３ａ間のピッチは、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチと等しくなっている。
【０１００】
本変形例における偏向光学系３２は、結像光学系３３からの複数の光それぞれを偏向ささせる機能を有している。偏向された光（主光線Ｐｒ）それぞれは、コリメート光学系３１に垂直に入射する。
【０１０１】
本変形例におけるコリメート光学系３１は、偏向光学系３２から出射される複数の光それぞれを、対応するシングルコアファイバ１００のコアＣに結像する機能を有している。すなわち、本変形例においては、コリメート光学系３１が「結像光学系」に当たる。本変形例において、偏向光学系３２からの光が出射されるコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）の面は、「出射面」の一例である。また、本変形例において、端面Ｃａは、「受光面」の一例である。また、本変形例において、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、シングルコアファイバ１００のコアＣ間のピッチと等しくなっている。
【０１０２】
本変形例において、偏向光学系３２として実施形態と同様、複数の偏向光学系（第１偏向プリズム３２ａ、第２偏向プリズム３２ｂ）を用いる場合、第１偏向プリズム３２ａが「第２偏向光学系」の一例となる。また、第２偏向プリズム３２ｂが「第１偏向光学系」の一例となる。
【０１０３】
本変形例におけるθは、コリメート光学系３１から出射された光（光束）がファイバ束１０（各シングルコアファイバ１００）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´´は、マルチコアファイバ１から出射された光（光束）が結像光学系３３に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【０１０４】
また、「出射側素子」として受光素子を用いる場合、本変形例における偏向度Ｒは、複数の受光素子間のピッチと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチとの比に等しい。また、この場合、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、受光素子間のピッチと等しくなっている。
【０１０５】
［作用・効果］
本実施形態（変形例を含む）の作用及び効果について説明する。
【０１０６】
本実施形態に係る結合光学系３０は、入射する複数の光を個別に偏向する偏向光学系３２を含む。
【０１０７】
このように、結合光学系３０に偏向光学系３２を用いた場合にも結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１０８】
また、本実施形態に係る結合光学系３０は、コリメート光学系３１を有する。コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）は、入射側素子のいずれかからの光をコリメートする。偏向光学系３２は、コリメート光学系３１でコリメートされた光を偏向する。
【０１０９】
コリメート光学系３１をこのように配置することで、結合光学系３０の構成を簡素化することが可能となる。
【０１１０】
また、本実施形態に係るコリメート光学系３１は、複数のコリメートレンズ３１ａがアレイ状に配置された構成である。
【０１１１】
この場合、コリメート光学系３１を同形状の単玉レンズを用いた簡素な構成で設計できる。
【０１１２】
また、本実施形態に係る複数のコリメートレンズ３１ａ間のピッチＰｃｌは、複数の光源間のピッチ、複数のシングルコアファイバ間のピッチＰｏｕｔ及びマルチコアファイバのコア間のピッチＰｉｎのいずれかと等しくなるよう設計されている。
【０１１３】
この場合、たとえば、複数のシングルコアファイバ１００からの光（主光線Ｐｒ）それぞれをコリメートレンズ３１ａの面に垂直に入射させることができる（すなわち、シングルコアファイバ１００からの光束を軸上光束として扱うことができる）。或いは、コリメートレンズ３１ａから出射された複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれを複数のシングルコアファイバ１００の端面Ｃａや複数の受光素子の面に垂直に入射させることができる。従って、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１１４】
また、本実施形態に係る偏向光学系３２は、第１偏向光学系（第１偏向プリズム３２ａ）及び第２偏向光学系（第２偏向プリズム３２ｂ）を含んで構成されている。第１偏向光学系は、入射する複数の光を偏向する。第２偏向光学系は、第１偏向光学系により偏向された複数の光を更に偏向する。
【０１１５】
このように、複数の偏向光学系を用いる場合にも結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１１６】
また、本実施形態に係る第１偏向光学系及び第２偏向光学系は、一方の片面が凸形状に形成されており、他方の片面が凹形状に形成されている。
【０１１７】
また、本実施形態に係る偏向光学系３２は、第１偏向光学系の偏向度Ｒ１と第２偏向光学系の偏向度Ｒ２が等しくなるよう設計されている。
【０１１８】
また、本実施形態に係る偏向光学系３２の偏向度Ｒは、複数の光源間のピッチ、複数の受光素子間のピッチ及び複数のシングルコアファイバ間のピッチＰｏｕｔのいずれかと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎとの比に等しくなるよう設計されている。
【０１１９】
偏向光学系３２をこのように構成することにより、入射側素子から入射した光（主光線Ｐｒ）それぞれを出射側素子の面に対して垂直に入射させることができる。すなわち、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１２０】
また、本実施形態に係る結合光学系３０は、結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）を含む。結像光学系３３は、偏向光学系３２により偏向された光を、出射側素子のいずれかに結像させる。
【０１２１】
また、本実施形態に係る結像光学レンズ３３ａは、複数のレンズがアレイ状に配置された構成である。
【０１２２】
また、本実施形態に係る結像光学レンズ３３ａ間のピッチＰｉｍは、複数のシングルコアファイバ１００間のピッチＰｏｕｔ、受光素子間のピッチ及びマルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチＰｉｎのいずれかと等しくなるよう設計されている。
【０１２３】
このように、結像光学系３３を構成することにより、結像光学系３３から出射する光（主光線Ｐｒ）それぞれを出射側素子の面に対して垂直に入射させることができる。すなわち、結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１２４】
また、本実施形態において、コリメートレンズ３１ａの焦点距離ｆｃｌと結像光学レンズ３３ａの焦点距離ｆｉｍとが等しくなるよう設計されている。
【０１２５】
このような構成により、結合光学系３０に入射する光の開口数と結合光学系３０から出射する光の開口数とが変わらないようにできるため、結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１２６】
＜第３実施形態＞
次に、図６及び図７を参照して、第３実施形態に係る結合光学系３０´の構成例を説明する。本実施形態では、ファイバ束１０と、マルチコアファイバ１とを結合する場合について述べる。図６は、結合光学系３０´、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面図である。なお、ファイバ束１０の構成等、第１及び第２実施形態と同様の構成等については詳細な説明を省略する場合がある。
【０１２７】
［結合光学系の構成］
本実施形態に係る結合光学系３０´は、コリメート光学系３１と、偏向光学系３４と、結像光学系３３とを含んで構成されている。コリメート光学系３１及び結像光学系３３は第２実施形態と同様の構成である。
【０１２８】
本実施形態における偏向光学系３４は、第１回折光学系３４ａ及び第２回折光学系３４ｂを含んで構成されている。本実施形態における第１回折光学系３４ａは、「第１偏向光学系」の一例である。本実施形態における第２回折光学系３４ｂは、「第２偏向光学系」の一例である。
【０１２９】
本実施形態における第１回折光学系３４ａは、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）でコリメートされた複数の光それぞれをコリメートされたまま回折により所定の方向に偏向させる機能を有している。なお、図６に示すように、第１回折光学系３４ａは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第１回折光学系３４ａは、入射する光の数に対応した入射面３４１ａ及び出射面３４２ａ・３４３ａを有している。また、本実施形態における第１回折光学系３４ａは、コリメート光学系３１からの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、対応する入射面３４１ａに対して垂直に入射されるよう設計されている。
【０１３０】
入射面３４１ａは平面に形成されている。入射面３４１ａには、コリメート光学系３１からの光が入射する。
【０１３１】
出射面３４２ａは、鋸歯状の突起部からなる回折格子として形成されている。一方、出射面３４３ａには、回折格子が形成されていない。従って、出射面３４３ａを通過する光は、回折により偏向されることはない。
【０１３２】
図７は、出射面３４２ａ及び出射面３４３ａを図６の矢印Ａ方向から見た図である。図７に示すように、本実施形態における出射面３４２ａ及び出射面３４３ａは、７本のシングルコアファイバ１００からの光それぞれを出射させる７つの面Ｆｋ（Ｆ１〜Ｆ７）を有する。このうち、面Ｆ１（出射面３４３ａ）は、シングルコアファイバ１００からの光を偏向させずに透過させる。面Ｆ２〜Ｆ７（出射面３４２ａ）には、ピッチｄ（突起部の間隔）で回折格子が形成されている。本実施形態において、回折格子のピッチｄは全て等しいものとする。
【０１３３】
このピッチｄは、たとえば以下のようにして決定される。ここでは、出射面３４２ａに入射する光の入射角度をεｉｎ、出射面３４２ａにより偏向されて出射する光の出射角度をεｏｕｔ、第１回折光学系３４ａの母材屈折率をＮ、出射側の媒質の屈折率をＮ´、回折次数をｍ、入射する光の波長をλとする。
【０１３４】
このとき、ピッチｄは、以下の式（１０）により決定される。
【０１３５】
Ｎｓｉｎ［εｉｎ］−Ｎ´ｓｉｎ［εｏｕｔ］＝ｍλ／ｄ・・・（１０）
【０１３６】
ここで、図６に示すように、光が出射面３４２ａに対して垂直に入射する。このとき、使用する回折次数を１とすれば、ピッチｄは、以下の式（１１）により決定される。なお、出射側の媒質は空気（Ｎ´＝１）であるとする。
【０１３７】
Ｎ−ｓｉｎ［εｏｕｔ］＝λ／ｄ・・・（１１）
【０１３８】
本実施形態における第２回折光学系３４ｂは、第１回折光学系３４ａにより偏向された光それぞれを更に偏向させる機能を有している。本実施形態では、第２回折光学系３４ｂからの複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれが、結像光学系３３に対して垂直に入射する方向に偏向させる。第２回折光学系３４ｂで偏向された場合でも、複数の光それぞれがコリメートされた状態は変わらない。なお、図６に示すように、第２回折光学系３４ｂは、その中央を通過する光は偏向されないよう設計されている。第２回折光学系３４ｂは、入射する光の数に対応した入射面３４１ｂ・３４２ｂ及び出射面３４３ｂを有している。
【０１３９】
入射面３４１ｂは、鋸歯状の突起部からなる回折格子として形成されている。一方、入射面３４２ｂには、回折格子が形成されていない。従って、入射面３４２ｂを通過する光は、回折により偏向されることはない。入射面３４１ｂ・３４２ｂには、第１回折光学系３４ａからの光が入射する。
【０１４０】
出射面３４３ｂは平面に形成されている。出射面３４３ｂから出射された複数の光（主光線Ｐｒ）それぞれは、結像光学系３３（結像光学レンズ３３ａ）に対して垂直に入射する。なお、第２回折光学系３４ｂにおけるピッチは、上述の第１回折光学系３４ａにおいてピッチｄを求める方法と同様の手法により求めることができる。
【０１４１】
［光の進み方について］
次に、図６を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本実施形態では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。すなわち、本実施形態におけるファイバ束１０は、「入射側素子」の一例である。一方、本実施形態におけるマルチコアファイバ１は、「出射側素子」の一例である。
【０１４２】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光は、それぞれ拡散しながら、所定の開口数ＮＡでコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）に入射する。本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光（主光線Ｐｒ）は、コリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａの面）に対して垂直に入射される。
【０１４３】
コリメート光学系３１に入射した複数の光それぞれは、コリメートされ、第１回折光学系３４ａに入射する。第１回折光学系３４ａは、入射した複数の光を回折格子により個別に偏向させる。偏向された光それぞれは、第２回折光学系３４ｂに入射する。
【０１４４】
第２回折光学系３４ｂは、入射した複数の光を個別に偏向させる。第２回折光学系３４ｂで偏向された光それぞれは、結像光学系３３に入射する。結像光学系３３に入射した光それぞれは、対応するマルチコアファイバ１のコアＣｋに入射する。
【０１４５】
このとき、本実施形態では、焦点距離ｆｃｌと焦点距離ｆｉｍとが等しくなっている。従って、各端面Ｃａから出射された光それぞれの開口数ＮＡを変えることなく（ＮＡ＝ＮＡ´´）マルチコアファイバ１の複数のコアＣｋ（端面Ｅｋ）に対し、対応する光（主光線Ｐｒ）を垂直に入射させることが可能となる。従って、光学素子間の結合効率が高い状態を維持したまま光の伝送が可能となる。
【０１４６】
［変形例５］
本実施形態では、ファイバ束１０から出射された複数の光を、結合光学系３０´を介してマルチコアファイバ１に導く例について説明したが、光を出射する対象はこれに限られない。たとえば、ファイバ束１０の代わりに複数の光源を用いることも可能である。この場合、光源が「入射側素子」の一例である。また、この場合、上述の「Ｐｏｕｔ」は、隣り合う光源間のピッチとなる。
【０１４７】
［変形例６］
或いは、上述の結合光学系３０´を用い、マルチコアファイバ１（複数のコアＣｋ）から出射される複数の光それぞれを、ファイバ束１０又は受光素子（図示なし）に導くことも可能である。この場合、マルチコアファイバ１が、「入射側素子」の一例である。また、ファイバ束１０又は受光素子が「出射側素子」の一例である。以下、マルチコアファイバ１から出射される光それぞれを、ファイバ束１０に導く例について述べる。
【０１４８】
本変形例における結像光学系３３は、マルチコアファイバ１から出射される複数の光それぞれをコリメートする機能を有している。すなわち、本変形例においては、結像光学系３３が「コリメート光学系」に当たる。本変形例において、マルチコアファイバ１からの光が入射する結像光学レンズ３３ａの面は、「入射面」の一例である。また、本変形例における結像光学レンズ３３ａ間のピッチは、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチと等しくなっている。
【０１４９】
本変形例における偏向光学系３４は、結像光学系３３からの複数の光それぞれを回折格子により偏向させる機能を有している。偏向された光（主光線Ｐｒ）それぞれは、コリメート光学系３１に垂直に入射する。
【０１５０】
本変形例におけるコリメート光学系３１は、偏向光学系３４から出射される複数の光それぞれを、対応するシングルコアファイバ１００のコアＣに結像する機能を有している。すなわち、本変形例においては、コリメート光学系３１が「結像光学系」に当たる。本変形例において、偏向光学系３４からの光が出射されるコリメート光学系３１（コリメートレンズ３１ａ）の面は、「出射面」の一例である。また、本変形例において、端面Ｃａは、「受光面」の一例である。また、本変形例において、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、シングルコアファイバ１００のコアＣ間のピッチと等しくなっている。
【０１５１】
本変形例において、偏向光学系３４として実施形態と同様、複数の偏向光学系（第１回折光学系３４ａ、第２回折光学系３４ｂ）を用いる場合、第１回折光学系３４ａが「第２偏向光学系」の一例となる。また、第２回折光学系３４ｂが「第１偏向光学系」の一例となる。
【０１５２】
本変形例におけるθは、コリメート光学系３１から出射された光（光束）がファイバ束１０（各シングルコアファイバ１００）に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。θ´´は、マルチコアファイバ１から出射された光（光束）が結像光学系３３に入射する際の主光線Ｐｒ及びマージナル光線Ｍｒがなす角度である。
【０１５３】
また、「出射側素子」として受光素子を用いる場合、本変形例における偏向度Ｒは、複数の受光素子間のピッチと、マルチコアファイバ１のコアＣｋ間のピッチとの比に等しい。また、この場合、コリメートレンズ３１ａ間のピッチは、受光素子間のピッチと等しくなっている。
【０１５４】
［作用・効果］
本実施形態（変形例を含む）の作用及び効果について説明する。
【０１５５】
本実施形態に係る第１偏向光学系（第１回折光学系３４ａ）及び第２偏向光学系（第２回折光学系３４ｂ）は、それぞれの片面の少なくとも一部が回折格子として形成されている。
【０１５６】
このように、偏向光学系として回折光学系（第１回折光学系３４ａ及び第２回折光学系３４ｂ）を用いた場合にも結合効率を落とすことなく光を伝送することが出来る。すなわち、本実施形態における結合光学系３０´によれば、結合効率の低下を抑制しつつ、光学素子とマルチコアファイバ１とを光学的に結合することができる。
【０１５７】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例１］
上記実施形態では、マルチコアファイバ１のコアＣｋの間隔が等しい場合について説明したが、コアＣｋの間隔が各々異なっている場合や、コアＣｋの内幾つかの間隔が等しく他は間隔が異なるといった、コアＣｋの間隔について複数の間隔設定がある場合にも上記構成は応用可能である。この場合、それぞれのコアＣｋの位置に応じて結合光学系２０の設計を行えばよい。たとえば、第１実施形態においては、コアＣｋの位置に応じて第１光学系２１及び第２光学系２２の倍率設定を行えばよい。この場合、それぞれのコアＣｋの位置に応じて、式（２）または式（３）にある倍率関係で、それぞれのコアＣｋに対する光学系を設計する。このとき、たとえば図２に示す第２光学系２２をアレイ状に構成する等すれば、所望の要件を満たすことが可能となる。光学系第２実施形態においては、コアＣｋの位置に応じて偏向度の設定を行えばよい。この場合、それぞれのコアＣｋの位置に応じて、偏向プリズム３２ａ、３２ｂ、または３２´の複数の入射面、出射面の角度について、それぞれの面において、第２実施形態の説明と同様の方法で偏向度設定すればよい。第３実施形態においては、コアＣｋの位置に応じ、第１回折光学系３４ａ及び第２回折光学系３４ｂそれぞれの面Ｆｋにおける回折格子のピッチｄを変更すればよい。
【０１５８】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２］
ファイバ束１０とマルチコアファイバ１との間を媒体で充填することも可能である。
【０１５９】
［結合部材の構成］
図８は、結合部材２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面を示す概念図である。本変形例に係る結合部材２０は、一端がファイバ束１０と接し、他端がマルチコアファイバ１と接する。結合部材２０は、所定の媒体で充填されている。所定の媒体は、空気以外の媒体であり、たとえば、石英ガラスやＢＫ７が用いられる。結合部材２０とファイバ束１０（マルチコアファイバ１）とは、対向する端面同士が接着剤等により固定される。接着剤は、コアＣ（コアＣａ）の屈折率と同程度の屈折率を有する。
【０１６０】
また、結合部材２０は、ファイバ束１０の各光路（シングルコアファイバ１００）からの光それぞれのモードフィールド径を変更し、且つモードフィールド径が変更された光の間隔を変更してマルチコアファイバ１の各コア（コアＣｋ）へ導く。なお、モードフィールド径とは、ある対象から実際に出射される光の直径をいう。たとえば、シングルコアファイバ１００のコアＣ内を通過する光は、コアＣ周辺のクラッド１０１側にもわずかに漏れている。よって、シングルコアファイバ１００から出射される光は、コアＣからだけでなく、コアＣ周辺のクラッド１０１からも出射する。すなわち、シングルコアファイバ１００から出射する光の径は、コアＣの径よりも大きくなる。この「シングルコアファイバ１００から出射する光の径」は、モードフィールド径の一例である。
【０１６１】
本変形例における結合部材２０は、第１光学系２１と、第２光学系２２とを含んで構成されている。第１光学系２１は、シングルコアファイバ１００から入射される光それぞれのモードフィールド径を変更して第２光学系２２へ入射させる。第２光学系２２は、第１光学系２１から入射される光の間隔を変更し、マルチコアファイバ１のコアＣｋの間隔に合わせる。なお、第１光学系２１及び第２光学系２２のレンズ部分を構成する媒体Ａ２とそれ以外の部分を構成する媒体Ａ１とは屈折率が異なる。媒体Ａ１は、「第１媒体」の一例である。媒体Ａ２は、「第２媒体」の一例である。また、本変形例における第１光学系２１及び第２光学系２２は、媒体Ａ１を介して一体に形成されている（第１光学系２１及び第２光学系２２は連続的に形成されている）。
【０１６２】
媒体Ａ１の屈折率は、シングルコアファイバ１００のコアＣの屈折率またはマルチコアファイバ１のコアＣｋの屈折率と等しい材料であることが望ましい。たとえば、マルチコアファイバ１のコアＣｋが石英ガラスに酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）が添加された素材により形成されている場合、媒体Ａ１としても同じ石英ガラスに酸化ゲルマニウムが添加された材料が用いられる（或いは、コアＣｋと屈折率が同程度になる別の材料を使用してもよい）。
【０１６３】
本変形例における第１光学系２１は、ファイバ束１０の各シングルコアファイバ１００からの光それぞれのモードフィールド径を拡大する拡大光学系である。第１光学系２１は、アレイ状に配置された複数の凸レンズ部２１ａを含んで構成されている。複数の凸レンズ部２１ａは、媒体Ａ２からなり、媒体Ａ１中に配置されている。複数の凸レンズ部２１ａは、ファイバ束１０からの光それぞれのモードフィールド径を変更する必要があるため、ファイバ束１０に含まれるシングルコアファイバ１００と等しい数だけ設けられている。第１光学系２１（凸レンズ部２１ａ）は、ファイバ束１０の各端面Ｃａから出射された光の主光線Ｐｒそれぞれが、対応する凸レンズ部２１ａの面に対して垂直に入射する位置に配置されている（凸レンズ部２１ａは、各コアＣと同じ光軸上に配置されている）。凸レンズ部２１ａは、コアＣのモードフィールド径より大きな径を有し、コアＣからの光を集光する。本変形例における複数の凸レンズ部２１ａは、「複数のレンズ」の一例である。
【０１６４】
本変形例における第２光学系２２は、第１光学系２１からの光（モードフィールド径が拡大された複数の光）の間隔を狭めてマルチコアファイバ１のコアＣ１〜コアＣ７に導く縮小光学系である。第２光学系２２は、２枚の凸レンズ部（凸レンズ２２部ａ、凸レンズ部２２ｂ）を含む両側テレセントリック光学系により構成されている。凸レンズ部２２ａ及び凸レンズ部２２ｂは、媒体Ａ２からなり、媒体Ａ１中に配置されている。凸レンズ部２２ａ及び凸レンズ部２２ｂが一組だけ設けられているのは、複数の凸レンズ部２１ａからの光の間隔を変更するためである。第２光学系２２は、第１光学系２１からの光の主光線Ｐｒそれぞれが、対応するマルチコアファイバ１の各コアＣｋの端面Ｅｋに対して垂直に入射する位置に配置されている。
【０１６５】
［光の進み方について］
次に、図８を参照して、本実施形態に係る光の進み方について説明する。本変形例では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。
【０１６６】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光それぞれは、媒体Ａ１内を拡散しながら、所定のモードフィールド径で凸レンズ部２１ａに入射する。上述の通り、本実施形態では、端面Ｃａから出射されたそれぞれの光の主光線Ｐｒは、凸レンズ部２１ａに対して垂直に入射される。凸レンズ部２１ａを透過した光それぞれは、モードフィールド径が拡大された状態で結像点ＩＰにおいて結像する。
【０１６７】
凸レンズ部２１ａを透過した光それぞれは、結像点ＩＰを二次光源として媒体Ａ１内を拡散しながら凸レンズ部２２ａに入射する。
【０１６８】
凸レンズ部２２ａ及び凸レンズ部２２ｂは両側テレセントリックな光学系として形成されている。従って、凸レンズ部２２ａに垂直に入射した光の主光線Ｐｒそれぞれは、コリメートされた状態で媒体Ａ１内を通過し、凸レンズ部２２ｂに入射する。光の主光線Ｐｒそれぞれは、互いの間隔が狭められた状態で凸レンズ部２２ｂから垂直に出射され、媒体Ａ１内を通過してマルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し垂直に入射する。
【０１６９】
また、第１光学系２１と第２光学系２２とを別体で作成し、それらを組み合わせることで結合部材２０を構成することも可能である。具体的には、第１光学系２１及び第２光学系２２それぞれを媒体Ａ１及び媒体Ａ２により作成する。そして、第１光学系２１の端面及び第２光学系２２の端面を接着剤で固定することにより、一体の結合部材２０を形成する。接着剤は、媒体Ａ１の屈折率と同程度の屈折率を有する。
【０１７０】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例３］
図９は、結合部材２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面を示す概念図である。本変形例では、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２で示した結合部材２０を構成する第１光学系２１及び第２光学系２２としてＧＲＩＮレンズを使用する例を述べる。
【０１７１】
［結合部材の構成］
本変形例における結合部材２０は、ＧＲＩＮレンズを有する。ＧＲＩＮレンズとは、レンズを構成する媒体をイオン交換処理することにより、レンズ内の屈折率分布を調整し、拡散する光を曲げて光を集める屈折率分布型のレンズである。イオン交換の処理方法により屈折率分布を調整することができる。ＧＲＩＮレンズとしては、たとえば、セルフォックレンズ（「セルフォック」は登録商標）を用いることができる。
【０１７２】
第１光学系２１はＧＲＩＮレンズＳＬ１を有する。ＧＲＩＮレンズＳＬ１は、ファイバ束１０（シングルコアファイバ１００）からの光のモードフィールド径を変更するよう屈折率が調整された媒体から形成されている。本実施形態において、ＧＲＩＮレンズＳＬ１は、ファイバ束１０を形成するシングルコアファイバ１００の数に対応し、複数設けられている。ＧＲＩＮレンズＳＬ１は、「第１ＧＲＩＮレンズ」の一例である。
【０１７３】
また、本変形例における複数のＧＲＩＮレンズＳＬ１それぞれは、第１光学部材ＳＬ１ａ及び第２光学部材ＳＬ１ｂを有する。第１光学部材ＳＬ１ａは、一端がファイバ束１０と接し、シングルコアファイバ１００から入射して拡散する光をコリメートするよう屈折率分布が調整されている。第２光学部材ＳＬ１ｂは、一端が第１光学部材ＳＬ１ａの他端と接し、第１光学部材ＳＬ１ａでコリメートされた光を収束するよう屈折率分布が調整されている。第２光学部材ＳＬ１ｂで収束された光（結像点ＩＰにおける光）のモードフィールド径は、シングルコアファイバ１００からの光のモードフィールド径に比べ拡大されている。第１光学部材ＳＬ１ａ及び第２光学部材ＳＬ１ｂは、接着剤等により固定されることで一体のＧＲＩＮレンズＳＬ１を構成する。接着剤は、媒体の屈折率と同程度の屈折率を有する。
【０１７４】
第２光学系２２はＧＲＩＮレンズＳＬ２を有する。ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、モードフィールド径が変更された光の間隔を変更するよう屈折率が調整された媒体から形成されている。本変形例において、ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、複数のＧＲＩＮレンズＳＬ１からの光が入射するよう一つだけ設けられている。ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、「第２ＧＲＩＮレンズ」の一例である。
【０１７５】
また、本変形例におけるＧＲＩＮレンズＳＬ２は、第３光学部材ＳＬ２ａ及び第４光学部材ＳＬ２ｂを有する。第３光学部材ＳＬ２ａは、一端が第２光学部材ＳＬ１ｂの他端と接し、複数の第２光学部材ＳＬ１ｂからの光それぞれをコリメートするよう屈折率分布が調整されている。第４光学部材ＳＬ２ｂは、一端が第３光学部材ＳＬ２ａの他端と接し、他端がマルチコアファイバ１と接する。第４光学部材ＳＬ２ｂは、第３光学部材ＳＬ２ａからの光を収束するよう屈折率分布が調整されている。第４光学部材ＳＬ２ｂで収束された光は、対応するマルチコアファイバ１の各コアＣｋに入射する。第３光学部材ＳＬ２ａ及び第４光学部材ＳＬ２ｂは、接着剤等により固定されることで一体のＧＲＩＮレンズＳＬ２を構成する。そして、第２光学部材ＳＬ１ｂ及び第３光学部材ＳＬ２ａが接着剤等により固定されることで、結合部材２０は一体に形成される。
【０１７６】
なお、ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２は、複数の光学部材により形成されている必要はない。ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２は、それぞれの機能を達成できるように屈折率が調整された媒体から形成されていればよい。すなわち、ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２は、それぞれ一の光学部材で形成されていてもよい。或いは、ＧＲＩＮレンズＳＬ１及びＧＲＩＮレンズＳＬ２を一の光学部材で形成することも可能である。
【０１７７】
［光の進み方について］
次に、図９を参照して、本変形例に係る光の進み方について説明する。本変形例では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。
【０１７８】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光それぞれは、第１光学部材ＳＬ１ａでコリメートされ、第２光学部材ＳＬ１ｂに入射する。第２光学部材ＳＬ１ｂに入射した光は、第２光学部材ＳＬ１ｂを構成する媒体の屈折率分布により収束される。第２光学部材ＳＬ１ｂを透過した光それぞれは、モードフィールド径が拡大された状態で結像点ＩＰにおいて結像する。
【０１７９】
第２光学部材ＳＬ１ｂを透過した光それぞれは、結像点ＩＰを二次光源として第３光学部材ＳＬ２ａに入射する（本実施形態では、結像点ＩＰが、ＧＲＩＮレンズＳＬ１とＧＲＩＮレンズＳＬ２との境界に位置するよう、各ＧＲＩＮレンズの屈折率が調整されている）。
【０１８０】
第３光学部材ＳＬ２ａに入射した光それぞれは、第３光学部材ＳＬ２ａを構成する媒体の屈折率分布に基づいてコリメートされた状態で第３光学部材ＳＬ２ａを通過し、第４光学部材ＳＬ２ｂに入射する。そして、第４光学部材ＳＬ２ｂに入射した光は、第４光学部材ＳＬ２ｂを構成する媒体の屈折率分布に基づいて収束され、且つ互いの間隔が狭められた状態でマルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し入射する。
【０１８１】
［第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例４］
図１０は、結合部材２０、ファイバ束１０及びマルチコアファイバ１の軸方向の断面を示す概念図である。本変形例では、結合部材２０を構成する第１光学系２１として複数のファイバＦｋを使用し、第２光学系２２としてＧＲＩＮレンズＳＬ２を使用する例を述べる。
【０１８２】
［結合部材の構成］
本変形例における結合部材２０は、第１光学系２１及び第２光学系２２を有する。
【０１８３】
第１光学系２１は、媒体として、複数のファイバＦｋ（ｋ＝１〜ｎ）を有する。ファイバＦｋは、一端がファイバ束１０を構成するシングルコアファイバ１００と接し、シングルコアファイバ１００からの光それぞれのモードフィールド径を変更する。ファイバＦｋは、光を伝送するコアＣｆ及びコアＣｆを覆うクラッド３を含んで構成されている。シングルコアファイバ１００と接する入射端におけるコアＣｆの径は、シングルコアファイバ１００のコアＣの径とほぼ同じである。ファイバＦｋは、ファイバ束１０を構成するシングルコアファイバ１００の数と等しい数だけ設けられる。
【０１８４】
また、ファイバＦｋは、入射端と出射端でコア径が異なる。具体的に、ファイバＦｋは、シングルコアファイバ１００と接する入射端におけるコアＣｆの径よりもＧＲＩＮレンズＳＬ２と接する出射端におけるコアＣｆの径のほうが大きくなるよう形成されている。ファイバＦｋのコアＣｆを通過する光は、出射端に近づくにつれてモードフィールド径が大きくなる。
【０１８５】
ファイバＦｋは、たとえば以下の方法により製造される。まず、一本のファイバの一部に対して熱を加え、ファイバを切断する。切断したファイバの端面に対して更に熱処理を行うことにより、一端のコア径が他端のコア径より大きいファイバＦｋを得ることができる。
【０１８６】
なお、本変形例では、第１光学系２１を構成するファイバＦｋとシングルコアファイバ１００とが別体である例について述べたが、上記製造方法でシングルコアファイバ１００を製造することにより、シングルコアファイバ１００とファイバＦｋとを一体で製造することも可能である。このように、シングルコアファイバ１００とファイバＦｋとを一体で製造することにより、シングルコアファイバ１００とファイバＦｋとのアライメント調整が不要となる。
【０１８７】
本変形例における第２光学系２２は、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例３で示したＧＲＩＮレンズＳＬ２が用いられる。ＧＲＩＮレンズＳＬ２は、一端がファイバＦｋの他端と接し、複数のファイバＦｋそれぞれでモードフィールド径が変更された光の間隔を変更するよう屈折率が調整された媒体から形成されている。
【０１８８】
［光の進み方について］
次に、図１０を参照して、本変形例に係る光の進み方について説明する。本変形例では、ファイバ束１０から光が出射する構成について説明する。
【０１８９】
まず、複数のシングルコアファイバ１００内それぞれに設けられたコアＣの端面Ｃａから光が出射される。各端面Ｃａから出射された光それぞれは、ファイバＦｋでモードフィールド径が拡大され、ＧＲＩＮレンズＳＬ２に入射する。
【０１９０】
ＧＲＩＮレンズＳＬ２に入射した光それぞれは、第２光学系２２を構成する媒体の屈折率分布に基づいて収束され、且つ互いの間隔が狭められた状態でマルチコアファイバ１の複数のコアＣｋに対し入射する。
【０１９１】
なお、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４において、結合部材２０を介してマルチコアファイバ１とファイバ束１０とを接続する場合、それぞれの接続部分で回転方向のアライメント調整が必要になる。本変形例では、アライメント調整が不要となる構成について説明する。以下、マルチコアファイバ１と結合部材２０との接続に関して述べるが、結合部材２０とファイバ束１０との接続でも同様の構成を用いることが可能である。
【０１９２】
図１１Ａは、結合部材２０の端面を示す図である。図１１Ｂは、マルチコアファイバ１の端面を示す図である。図１１Ｃは、図１１Ａ及び図１１ＢにおけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【０１９３】
図１１Ａ及び図１１Ｃに示すように、結合部材２０の端面（マルチコアファイバ１と接続される側の端面）には、被嵌合部Ｍ１が設けられている。被嵌合部Ｍ１としては、たとえば、結合部材２０の端面に少なくとも２つの穴部Ｈｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設けられる。本変形例では、穴部Ｈ１〜穴部Ｈ３の３つが設けられている。
【０１９４】
図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すように、マルチコアファイバ１のクラッド２の端面２ａ（結合部材２０と接続される側の端面）には、嵌合部Ｍ２が設けられている。嵌合部Ｍ２としては、たとえば、端面２ａに少なくとも２つの突起部Ｐｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設けられる。本変形例では、穴部Ｈ１〜穴部Ｈ３に対応する突起部Ｐ１〜突起部Ｐ３の３つが設けられている。突起部Ｐｋのサイズは、穴部Ｈｋのサイズとほぼ同じ大きさに形成されている。
【０１９５】
図１１Ｃに示すように、結合部材２０とマルチコアファイバ１とを接続する際、突起部Ｐｋと穴部Ｈｋとが嵌合するように接続することで、結合部材２０の端面に対するマルチコアファイバ１の端面１ｂの位置は一意に決まる。すなわち、回転方向のアライメント調整が不要となる。なお、結合部材２０の端面に嵌合部Ｍ２を設け、クラッド２の端面２ａに被嵌合部Ｍ１を設けることも可能である。
【０１９６】
また、第１実施形態から第３実施形態に共通の変形例２〜４における第１光学系２１と第２光学系２２とは任意の組み合わせが可能である。たとえば、結合部材２０は、第１光学系２１として第２実施形態におけるＧＲＩＮレンズＳＬ１を有し、第２光学系２２として第１実施形態における両側テレセントリック光学系（凸レンズ部２２ａ、凸レンズ部２２ｂ）を有することも可能である。
【符号の説明】
【０１９７】
１ マルチコアファイバ
１ｂ 端面
２ クラッド
２ａ 端面
１０ ファイバ束
２０ 結合光学系
２１ 第１光学系
２１ａ 凸レンズ
２２ 第２光学系
２２ａ、２２ｂ 凸レンズ
１００ シングルコアファイバ
１０１ クラッド
Ｃ、Ｃｋ コア
Ｃａ、Ｅｋ 端面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバを束ねたファイバ束のうちのいずれかの光学素子と、複数のコアがクラッドで覆われたマルチコアファイバとの間に配置され、前記光学素子と前記マルチコアファイバとを光学的に結合する結合光学系であって、前記光学素子及び前記マルチコアファイバの一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう構成されていることを特徴とする結合光学系。
【請求項２】
前記結合光学系は、
前記複数の光それぞれを収束させる第１光学系と、
前記複数の光の間隔を変更する第２光学系と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の結合光学系。
【請求項３】
前記第１光学系は、前記第２光学系よりも前記光学素子側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の結合光学系。
【請求項４】
前記第１光学系の倍率及び前記第２光学系の倍率は、以下の式を満たす値であることを特徴とする請求項２又は３記載の結合光学系。
βｍ×βｒ＝１
但し、
βｍ：第１光学系の倍率
βｒ：第２光学系の倍率
【請求項５】
前記第１光学系は、複数のレンズがアレイ状に配置された構成であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項６】
前記複数のレンズ間のピッチが、前記複数の光源間のピッチ、前記複数の受光素子間のピッチ及び前記複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと等しいことを特徴とする請求項５記載の結合光学系。
【請求項７】
前記第２光学系は、両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項８】
前記第２光学系の倍率は、前記複数の光源間のピッチ、前記複数の受光素子間のピッチ及び前記複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、前記マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しいことを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項９】
前記結合光学系は、前記入射する複数の光を個別に偏向する偏向光学系を含むことを特徴とする請求項１記載の結合光学系。
【請求項１０】
前記結合光学系は、前記入射側素子のいずれかからの光をコリメートするコリメートレンズを有し、
前記偏向光学系は、前記コリメートレンズでコリメートされた光を偏向することを特徴とする請求項９記載の結合光学系。
【請求項１１】
前記コリメートレンズは、複数のコリメートレンズがアレイ状に配置された構成であることを特徴とする請求項１０記載の結合光学系。
【請求項１２】
前記複数のコリメートレンズ間のピッチは、前記複数の光源間のピッチ、前記複数のシングルコアファイバ間のピッチ及び前記マルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しいことを特徴とする請求項１１記載の結合光学系。
【請求項１３】
前記偏向光学系は、
前記入射する複数の光を偏向する第１偏向光学系と、
前記第１偏向光学系により偏向された複数の光を更に偏向する第２偏向光学系と、
を含んで構成されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項１４】
前記第１偏向光学系及び前記第２偏向光学系の一方の片面が凸形状に形成されており、他方の片面が凹形状に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の結合光学系。
【請求項１５】
前記第１偏向光学系及び前記第２偏向光学系は、それぞれの片面の少なくとも一部が回折格子として形成されていることを特徴とする請求項１３記載の結合光学系。
【請求項１６】
前記第１偏向光学系及び前記第２偏向光学系の少なくとも一方は、前記コリメートレンズでコリメートされた光を偏向する偏向プリズムであることを特徴とする請求項１３又は１４記載の結合光学系。
【請求項１７】
前記第１偏向光学系と前記第２偏向光学系の偏向度が等しいことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項１８】
前記偏向光学系の偏向度は、前記複数の光源間のピッチ、前記複数の受光素子間のピッチ及び前記複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、前記マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しいことを特徴とする請求項９〜１７のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項１９】
前記結合光学系は、
前記偏向光学系により偏向された光を、前記出射側素子のいずれかに結像させる結像光学レンズを含むことを特徴とする請求項１０〜１８のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項２０】
前記結像光学レンズは、複数のレンズがアレイ状に配置された構成であることを特徴とする請求項１９記載の結合光学系。
【請求項２１】
結像光学レンズ間のピッチは、前記複数のシングルコアファイバ間のピッチ、前記受光素子間のピッチ及び前記マルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しいことを特徴とする請求項２０記載の結合光学系。
【請求項２２】
前記コリメートレンズの焦点距離と前記結像光学レンズの焦点距離とが等しいことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項２３】
前記入射側素子と、前記結合光学系と、前記出射側素子とは、前記入射側素子からの光の主光線それぞれが前記結合光学系の入射面に対して垂直に入射し、前記結合光学系の出射面から出射された前記光の主光線それぞれが前記出射側素子の受光面に対して垂直に入射する配置となっていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項２４】
前記請求項１〜２３のいずれかに記載の結合光学系を用いて、前記入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、前記出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう、前記光学素子と前記マルチコアファイバとを結合させることを特徴とする結合方法。
【請求項１】
複数の光源、複数の受光素子、及び複数のシングルコアファイバを束ねたファイバ束のうちのいずれかの光学素子と、複数のコアがクラッドで覆われたマルチコアファイバとの間に配置され、前記光学素子と前記マルチコアファイバとを光学的に結合する結合光学系であって、前記光学素子及び前記マルチコアファイバの一方からなる入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、他方からなる出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう構成されていることを特徴とする結合光学系。
【請求項２】
前記結合光学系は、
前記複数の光それぞれを収束させる第１光学系と、
前記複数の光の間隔を変更する第２光学系と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の結合光学系。
【請求項３】
前記第１光学系は、前記第２光学系よりも前記光学素子側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の結合光学系。
【請求項４】
前記第１光学系の倍率及び前記第２光学系の倍率は、以下の式を満たす値であることを特徴とする請求項２又は３記載の結合光学系。
βｍ×βｒ＝１
但し、
βｍ：第１光学系の倍率
βｒ：第２光学系の倍率
【請求項５】
前記第１光学系は、複数のレンズがアレイ状に配置された構成であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項６】
前記複数のレンズ間のピッチが、前記複数の光源間のピッチ、前記複数の受光素子間のピッチ及び前記複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと等しいことを特徴とする請求項５記載の結合光学系。
【請求項７】
前記第２光学系は、両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項８】
前記第２光学系の倍率は、前記複数の光源間のピッチ、前記複数の受光素子間のピッチ及び前記複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、前記マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しいことを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項９】
前記結合光学系は、前記入射する複数の光を個別に偏向する偏向光学系を含むことを特徴とする請求項１記載の結合光学系。
【請求項１０】
前記結合光学系は、前記入射側素子のいずれかからの光をコリメートするコリメートレンズを有し、
前記偏向光学系は、前記コリメートレンズでコリメートされた光を偏向することを特徴とする請求項９記載の結合光学系。
【請求項１１】
前記コリメートレンズは、複数のコリメートレンズがアレイ状に配置された構成であることを特徴とする請求項１０記載の結合光学系。
【請求項１２】
前記複数のコリメートレンズ間のピッチは、前記複数の光源間のピッチ、前記複数のシングルコアファイバ間のピッチ及び前記マルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しいことを特徴とする請求項１１記載の結合光学系。
【請求項１３】
前記偏向光学系は、
前記入射する複数の光を偏向する第１偏向光学系と、
前記第１偏向光学系により偏向された複数の光を更に偏向する第２偏向光学系と、
を含んで構成されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項１４】
前記第１偏向光学系及び前記第２偏向光学系の一方の片面が凸形状に形成されており、他方の片面が凹形状に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の結合光学系。
【請求項１５】
前記第１偏向光学系及び前記第２偏向光学系は、それぞれの片面の少なくとも一部が回折格子として形成されていることを特徴とする請求項１３記載の結合光学系。
【請求項１６】
前記第１偏向光学系及び前記第２偏向光学系の少なくとも一方は、前記コリメートレンズでコリメートされた光を偏向する偏向プリズムであることを特徴とする請求項１３又は１４記載の結合光学系。
【請求項１７】
前記第１偏向光学系と前記第２偏向光学系の偏向度が等しいことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項１８】
前記偏向光学系の偏向度は、前記複数の光源間のピッチ、前記複数の受光素子間のピッチ及び前記複数のシングルコアファイバ間のピッチのいずれかと、前記マルチコアファイバのコア間のピッチとの比に等しいことを特徴とする請求項９〜１７のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項１９】
前記結合光学系は、
前記偏向光学系により偏向された光を、前記出射側素子のいずれかに結像させる結像光学レンズを含むことを特徴とする請求項１０〜１８のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項２０】
前記結像光学レンズは、複数のレンズがアレイ状に配置された構成であることを特徴とする請求項１９記載の結合光学系。
【請求項２１】
結像光学レンズ間のピッチは、前記複数のシングルコアファイバ間のピッチ、前記受光素子間のピッチ及び前記マルチコアファイバのコア間のピッチのいずれかと等しいことを特徴とする請求項２０記載の結合光学系。
【請求項２２】
前記コリメートレンズの焦点距離と前記結像光学レンズの焦点距離とが等しいことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項２３】
前記入射側素子と、前記結合光学系と、前記出射側素子とは、前記入射側素子からの光の主光線それぞれが前記結合光学系の入射面に対して垂直に入射し、前記結合光学系の出射面から出射された前記光の主光線それぞれが前記出射側素子の受光面に対して垂直に入射する配置となっていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載の結合光学系。
【請求項２４】
前記請求項１〜２３のいずれかに記載の結合光学系を用いて、前記入射側素子から入射する複数の光それぞれの開口数と、前記出射側素子に向けて出射する複数の光それぞれの開口数とが等しくなるよう、前記光学素子と前記マルチコアファイバとを結合させることを特徴とする結合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【公開番号】特開２０１３−６５００２（Ｐ２０１３−６５００２Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８８４７１（Ｐ２０１２−１８８４７１）
【出願日】平成２４年８月２９日（２０１２．８．２９）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２９日（２０１２．８．２９）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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