CN114095085A - 发送装置、信息终端、通信系统和通信方法 - Google Patents

发送装置、信息终端、通信系统和通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明的发送装置是向接收装置发送可见光信号的发送装置，包括：出射可见光的激光光源；和使所述可见光的强度变化来生成可见光信号的光调制器，所述光调制器具有成为所述可见光的传输路径的光波导路径，所述光波导路径由包含铌酸锂的材料形成。

Description

发送装置、信息终端、通信系统和通信方法
技术领域
本发明涉及发送装置、信息终端、通信系统和通信方法。
本申请在2020年8月24日基于日本申请的特愿2020-141197号主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
作为光通信系统，已知有如下系统：通过发送装置发送对光赋予了信息数据的光信号，用接收装置将光信号转换为电信号，取出对光附加的信息数据。作为对光赋予信息数据的方法，已知有开启/关闭光的光源的方法(内部调制)和从外部对在波导路径内传播的光赋予信号而使光调制的方法(外部调制)。
在光通信系统中，广泛利用近红外光，但最近正在研究利用可见光。使用可见光的光通信系统由于具有能够目视光信号的路径、一眼就知道通信范围等优点而受到关注。在波长为1.5μm或1.3μm的近红外光中，利用外部调制生成近红外光信号(E.L.Wooten etal,＇A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communicationssystems＇,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics6,69,2000)。但是，红外线用的波导路径由于可见光的传播效率低，所以难以通过内部调制来生成可见光信号。因此，在利用可见光的可见光通信系统中，研究了在可见光光源中使用LED元件(发光二极管元件)，利用内部调制来生成可见光信号。
图1是说明利用内部调制生成可见光信号的发送装置和由该发送装置生成的可见光信号的概念图。如图1所示，发送装置110通过将可见光光源111开启时产生的明光1a和将可见光光源111关闭时产生的暗光1b来生成可见光信号。为了提高可见光信号的发送速度，需要缩短可见光信号的明光1a与暗光1b的间隔，即缩短可见光光源111的开启/关闭的切换的时间。然而，缩短可见光光源111的开启/关闭的切换时间是有限的。因此，正在研究通过增加可见光光源的数量来提高可见光信号的发送速度。
例如，在日本特开2001-292107号公报中公开了如下的可见光通信系统：在发送装置中阵列状地配置LED元件，在接收装置中阵列状地排列受光元件，能够将串行数据作为并行数据进行发送接收。根据该专利文献1，如果能够从1个LED元件以25Mbps的速度发送信息，则等价于能够从16个LED元件整体发送相当于400Mbps的信息光，能够充分地应用于高速光通信。
发明内容
发明要解决的课题
伴随着计算机的处理速度的高速化和伴随于此的信息数据的处理能力的提高，在光通信系统中期望通信速度的进一步高速化。但是，在通过内部调制生成可见光信号的发送装置中，缩短可见光光源的开启/关闭的切换时间存在极限，难以提高可见光信号的生成速度。另外，如日本特开2001-292107号公报记载的那样，在将可见光光源配置成阵列状的情况下，装置的尺寸变大，所以例如有可能难以用于智能手机等小型的信息终端。另外，在将可见光光源配置成阵列状的情况下，数据处理有可能变得复杂。此外，为了提高信息数据的处理能力而使用多个光源，由于装置的构成变得复杂，所以成本非常高。因此，这样的结构不适用于民用的发送装置。
本发明是考虑这样的情况而完成的，其目的在于提供一种可见光信号的生成速度快、能够实现小型化和低成本化两者的发送装置。另外，本发明的目的还在于，提供使用了上述的发送装置的信息终端和通信系统、和使用了该通信系统的通信方法。
用于解决课题的方法
本发明人为了解决上述课题而进行了研究，结果发现，通过使用激光作为可见光、且使用铌酸锂作为光波导路径的材料，能够使可见光高效地传播到光波导路径内。进而，本发明人发现，通过对在该使用铌酸锂的光波导路径内传播的可见光进行调制，能够加快可见光信号的生成速度。因此，本发明为了解决上述课题，提供以下的手段。
[1]一种发送装置，能够向接收装置发送可见光信号，其包括：出射可见光的激光光源；和使所述可见光的强度变化来生成可见光信号的光调制器，所述光调制器具有成为所述可见光的传输路径的光波导路径，所述光波导路径由包含铌酸锂的材料形成。
[2]如上述[1]所述的发送装置，其中，所述可见光的波长处于380nm以上且830nm以下的范围内。
[3]如上述[1]或[2]所述的发送装置，其中，所述光调制器具有基板，所述光波导路径是在所述基板上生长的铌酸锂膜。
[4]如上述[3]所述的发送装置，所述基板为蓝宝石基板或氧化铝基板。
[5]如上述[1]～[4]中任一项所述的发送装置，其中，所述光波导路径的与所述可见光的传输方向垂直的截面的宽度处于300nm以上且1000nm以下的范围内，所述截面的高度处于300nm以上且1000nm以下的范围内。
[6]如上述[1]～[5]中任一项所述的发送装置，其中，在将所述光波导路径的与所述可见光的传输方向垂直的截面的宽度设为Wnm、将所述截面的高度设为Hnm、将从所述激光光源出射的所述可见光的波长设为Anm时，满足下述的式(1)和式(2)中的至少一个。
(1)：0.8×A≤W≤2.5×A
(2)：0.8×A≤H≤1.5×A
[7]如上述[1]～[6]中任一项所述的发送装置，其中，所述发送装置具有用于将所述可见光信号向外部发射的出射口。
[8]如上述[1]～[6]中任一项所述的发送装置，其中，所述发送装置具有用于与将所述可见光信号向外部传输的光纤连接的连接部。
[9]一种信息终端，其包括上述[1]～[8]中任一项所述的发送装置。
[10]如上述[9]所述的信息终端，其为智能手机、平板电脑、个人计算机。
[11]一种通信系统，其特征在于，包括：上述[1]～[8]中任一项所述的发送装置；和接收所述发送装置发送的可见光信号的接收装置。
[12]一种通信方法，其为使用了上述[11]所述的通信系统的通信方法，包括：所述发送装置在所述光调制器中生成包含接收许可信号的第1可见光信号和包含信息数据的第2可见光信号，并将所述第1可见光信号和所述第2可见光信号向所述接收装置照射的工序；所述接收装置接收所述第1可见光信号的工序；和判断是否同意所述接收许可信号，在同意了所述接收许可信号的情况下，所述接收装置接收所述第2可见光信号的工序。
发明效果
根据本发明，能够提供可见光信号的生成速度快、容易小型化的结构的发送装置。另外，根据本发明，能够提供使用了上述的发送装置的信息终端和通信系统、和使用了该通信系统的通信方法。
附图说明
图1是说明利用内部调制生成可见光信号的发送装置和由该发送装置生成的可见光信号的概念图。
图2是用于说明本发明的第1实施方式的发送装置和由发送装置生成的可见光信号的概念图。
图3是表示能够在第1实施方式的发送装置中使用的光调制器的一例的俯视图。
图4是图3的IV-IV线截面图。
图5是在蓝宝石单晶基板上生长的铌酸锂膜的照片。
图6是表示能够在第1实施方式的发送装置中使用的光调制器的另一例的立体图。
图7是表示能够在第1实施方式的发送装置中使用的光调制器的又一例的立体图。
图8是能够在第1实施方式的发送装置中使用的迈克尔逊干涉仪型调制器的相位调制部的一例的立体图。
图9是用于通过模拟计算在光波导路径由铌酸锂形成的光学调制器中调制光所需的电压值的光学调制器的截面图。
图10是本发明的第2实施方式的通信系统的框图。
图11是表示本发明的第2实施方式的通信系统的变形例的框图。
图12是表示本发明的第3实施方式的信息终端的使用例的图。
图13是表示本发明的第3实施方式的信息终端的使用例的另一例的图。
图14是表示本发明的第3实施方式的信息终端的使用例的又一例的图。
图15是用于说明本发明的第4实施方式的通信方法的流程图。
附图标记说明
1…可见光
1a…明光
1b…暗光
2…可见光信号
3…调制光
10a、10b…发送装置
11…激光光源
12、12a、12b、12c、12S…光调制器
12d…相位调制部
13…电信号生成元件
14…可见光信号出射口
20a、20b…接收装置
21…可见光信号接收部
22…光电转换元件
30、30S…基板
40、40S…光波导层
41…光波导路径
42…受光部
43…分支部
44a、44aS…第1分支光波导路径
44b、44bS…第2分支光波导路径
45…耦合部
46…可见光信号生成部
47…可见光信号放出部
48…平坦部
49S…保护层
50、50s…缓冲层
51a…第1绝缘层
51b…第2绝缘层
60…电极层
61、61aS…信号电极
61a…第1信号电极
61b、61bS…第2信号电极
62…接地电极
62a…第1接地电极
62b…第2接地电极
62c…第3接地电极
70…光纤
9191a、91b、91c、91d…智能手机
92…个人计算机
100a、100b…通信系统
110…发送装置
111…可见光光源
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的各实施方式彼此中，对于彼此相同或等同的构成部分，在附图中标注相同的附图标记，有时省略或简化重复的说明。另外，在以下的说明中使用的附图中，为了容易理解特征，有时为了方便而将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等不一定与实际相同。另外，在以下的说明中例示的材料、尺寸等是一例，本发明并不限定于此，能够在起到本发明的效果的范围内适当变更来实施。也能够将一个实施方式所示的结构应用于其他实施方式。
[第1实施方式]
图2是用于说明本发明的第1实施方式的发送装置和由发送装置生成的可见光信号的概念图。本实施方式的发送装置是向接收装置发送可见光信号的发送装置。
如图2所示，本实施方式的发送装置10包括激光光源11、光调制器12和电信号生成元件13。
激光光源11出射可见光1。激光光源11被设为连续地开启的状态。另外，连续是指在向接收装置发送可见光信号的期间，激光光源11处于开启的状态。由激光光源11出射的可见光1的波长通常处于360nm以上且830nm以下的范围内。
光调制器12接收从激光光源11出射的可见光1，使可见光1的强度变化来生成可见光信号2。光调制器12例如也可以构成为，具有可见光的光波导路径，通过对在该光波导路径内传播的可见光1赋予从电信号生成元件13发送的电信号，使可见光1的强度变化，将可见光1调制为明光1a或暗光1b，来生成可见光信号2。作为光调制器12，例如能够使用马赫-曾德尔型光调制器。马赫-曾德尔型光调制器将可见光1调制为明光1a或暗光1b所需的时间比可见光光源的开启/关闭的切换时间短。因此，发送装置10的可见光信号2的生成速度变快。
电信号生成元件13接收要发送的信息数据，并将其作为电信号输出到光调制器12。
图3是表示能够在本实施方式的发送装置10中使用的光调制器的一例的俯视图，图4是图3的IV-IV线截面图。
图3和图4所示的光调制器12a具有基板30、光波导层40、缓冲层50和电极层60。光调制器12a是马赫-曾德尔型光调制器。光波导层40由铌酸锂膜构成。
基板30只要是折射率比构成光波导层40的铌酸锂膜低的基板就没有特别限定，但优选为能够将铌酸锂膜形成为外延膜的基板。基板30例如可以是蓝宝石单晶基板、硅单晶基板、氧化铝(Al2O3)单晶基板等单晶基板。单晶基板的晶体取向没有特别限定。构成光波导层40的铌酸锂膜具有相对于各种晶体取向的单晶基板容易形成为c轴取向的外延膜的性质。c轴取向的铌酸锂膜具有3次对称的对称性。因此，作为基底即基板30使用的单晶基板也优选具有相同的对称性。基板30例如在蓝宝石单晶基板及氧化铝单晶基板的情况下可以是c面的基板，在硅单晶基板的情况下可以是(111)面的基板。
构成光波导层40的铌酸锂膜由包含铌酸锂的可见光透过性材料形成。可见光透过性材料只要对由激光光源11生成的可见光具有透过性即可，无需对可见光整个区域具有透过性。铌酸锂膜可以仅由铌酸锂形成。
形成铌酸锂膜的铌酸锂可以包含锂(Li)、铌(Nb)、氧(O)以外的元素。铌酸锂可以为下述式(I)所示的化合物。
(I)LixNbAyOz
式(I)中，A表示Li、Nb、O以外的元素。作为由A表示的元素，可以举出K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ce等。这些元素可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。x表示0.5以上且1.2以下的数。x优选为0.9以上且1.05以下的数。y表示0以上0.5以下的数。z表示1.5以上4.0以下的数。z优选表示2.5以上且3.5以下的数。
光波导层40具有由脊部构成的光波导路径41和平坦部48。光波导路径41成为传播由激光光源11发出的可见光1的可见光1的传输路径。光波导路径41中的可见光1的传输方向是可见光1传播的方向。光波导路径41包括受光部42、分支部43、第1分支光波导路径44a、第2分支光波导路径44b、耦合部45、可见光信号生成部46和可见光信号放出部47。受光部42的一个端部配置在能够接收由激光光源11生成的可见光1的位置。分支部43与受光部42的另一个端部、以及第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的一个端部连接。第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的另一个端部与耦合部45的一个端部连接。耦合部45的另一个端部与可见光信号生成部46的一个端部连接。可见光信号生成部46的另一个端部是可见光信号放出部47。从可见光信号放出部47放出可见光信号2。
光波导层40的平坦部48的厚度(在图4中为T)优选处于1nm以上200nm以下的范围内。另外，光波导层40也可以不具有平坦部48而仅由光波导路径41构成。
第1分支光波导路径44a的截面(与可见光1的传输方向垂直的方向上的截面)的宽度(在图4中为Wa)优选处于300nm以上且1000nm以下的范围内。另外，第1分支光波导路径44a的截面的高度(在图4中为Ha)优选处于300nm以上且1000nm以下的范围内。另一方面，第2分支光波导路径44b的截面的宽度(在图4中为Wb)优选处于300nm以上且1000nm以下的范围内。另外，第2分支光波导路径44b的截面的高度(在图4中为Hb)优选处于300nm以上且1000nm以下的范围内。此外，在图4中，第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的横截面形状是矩形的，但是不限于此。第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的横截面形状可以是例如梯形的或半圆形的。第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b优选分别满足下述的式(1)和式(2)中的至少一个。第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b更优选分别满足下述的式(1)和式(2)这两个。
(1)：0.8×A≤W≤2.5×A
(2)：0.8×A≤H≤1.5×A
其中，在上述的式(1)和(2)中，W(单位：nm)是第1分支光波导路径44a的截面的宽度Wa和第2分支光波导路径44b的截面的宽度Wb之长。H(单位：nm)是第1分支光波导路径44a的截面的高度Ha和第2分支光波导路径44b的截面的高度Hb之长。A(单位：nm)是由激光光源11生成的可见光的波长。如果第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的横截面形状是梯形或半圆形，则波导路径整体可以不满足方程(1)的条件，只要存在满足方程(1)的条件的部分即可。
受光部42和可见光信号生成部46的截面的宽度优选处于300nm以上且1000nm以下的范围内。另外，受光部42和可见光信号生成部46在将截面的宽度设为W(单位：nm)、将截面的高度设为H(单位：nm)、将由激光元件生成的可见光的波长设为A(单位：nm)时，优选满足上述的式(1)和式(2)中的至少一个。更优选受光部42和可见光信号生成部46分别满足上述的式(1)和式(2)这两个。
构成光波导层40的铌酸锂膜也可以是外延膜。
在此，外延膜是指通过在基板30上生长而使晶体取向一致的单晶的膜。即，所谓外延膜，是在膜厚方向和膜面内方向具有单一的晶体取向的膜，在将膜面内设为X-Y面、将膜厚方向设为Z轴时，晶体在X轴、Y轴和Z轴方向均一致地取向。是否为外延膜例如能够通过进行2θ-θX射线衍射中的取向位置处的峰强度和极点的确认来证明。
作为铌酸锂膜的形成方法，例如能够利用溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法等薄膜形成方法。铌酸锂膜的c轴相对于基板30的主面垂直地取向，通过与c轴平行地施加电场，光学折射率与电场成比例地变化。在使用蓝宝石单晶基板作为基板30的情况下，也可以在蓝宝石单晶基板上直接使铌酸锂膜外延生长。在使用硅单晶基板作为基板30的情况下，也可以隔着包覆层通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层，使用折射率比铌酸锂膜低、适于外延生长的包覆层。例如，若使用Y2O3作为包覆层，则能够形成高品质的铌酸锂膜。由脊部构成的光波导路径41能够通过使用光刻法等方法将铌酸锂膜图案形成为期望的形状的方法来形成。
通过使铌酸锂膜为外延膜，铌酸锂膜的可见光透过性提高。
图5是在蓝宝石单晶基板上生长的铌酸锂膜的照片。蓝宝石单晶基板200中，多个金属线201隔开间隔而形成。铌酸锂膜通过使用铌酸锂靶的RF溅射法形成。铌酸锂膜的厚度为1.5μm。如图5所示，能够从铌酸锂膜的表面目视确认金属线201，所以可知铌酸锂膜的可见光的透过性极高。
为了防止在光波导路径41中传播的可见光被电极层60吸收，缓冲层50形成于光波导层40与电极层60之间。光波导层40经由缓冲层50被施加电压。缓冲层50优选折射率小于光波导层40。缓冲层50优选为电介质。作为缓冲层50的材料，能够使用氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)或这些氧化物的复合物等。作为复合物，例如可以使用SiAlLaOx。缓冲层50的厚度例如在最薄的部分处于0.2μm以上且1μm以下的范围内。
作为缓冲层的形成方法，例如能够利用溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法等薄膜形成方法。
电极层60具有第1信号电极61a、第2信号电极61b、第1接地电极62a、第2接地电极62b和第3接地电极62c。第1信号电极61a为了调制在第1分支光波导路径44a内行进的可见光，隔着缓冲层50与第1分支光波导路径44a相对。第2信号电极61b为了对在第2分支光波导路径44b内行进的可见光进行调制，隔着缓冲层50与第2分支光波导路径44b相对。第1接地电极62a在第1信号电极61a的与第2信号电极61b侧相反的一侧沿着第1信号电极61a配置。第2接地电极62b在第2信号电极61b的与第1信号电极61a侧相反的一侧沿着第2信号电极61b配置。第3接地电极62c在第1信号电极61a与第2信号电极61b之间沿着第1接地电极62a和第2信号电极61b配置。第1接地电极62a、第2接地电极62b和第3接地电极62c通过接合(bonding wire)(未图示)连接。这样，通过将第1接地电极62a、第2接地电极62b和第3接地电极62c电连接，能够使接地电极的面内电位均匀，能够改善光调制器12的高频特性。
作为电极层60的材料，例如能够使用金、银、铜、铂、钌、钴、钨、钼等金属，或者这些金属的化合物。
电极层60的形成方法例如能够使用如下方法：利用蒸镀法、溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法等薄膜形成方法形成金属薄膜，接着，使用光刻法等方法图案形成为期望的形状。另外，在通过蒸镀、溅射法等形成金属薄膜时，也可以通过介有期望的形状的掩模来形成图案。
电信号生成元件13接收要发送的信息数据，并将其作为电信号输出到光调制器12a的电极层60(第1信号电极61a和第2信号电极61b)。
在光调制器12a中，以如下方式生成可见光信号2。
首先，由受光部42接收可见光1。由受光部42接收到的可见光1从受光部42向分支部43传播，在分支部43分支，向第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b传播。
另一方面，电信号生成元件13将要发送的信息数据作为电信号输出到第1信号电极61a和第2信号电极61b。通过对第1信号电极61a和第2信号电极61b赋予电信号，在第1分支光波导路径44a内传播的可见光与在第2分支光波导路径44b内传播的可见光产生相位差。
在第1分支光波导路径44a内传播的可见光1与在第2分支光波导路径44b内传播的可见光1在耦合部45耦合。在第1分支光波导路径44a内传播的可见光与在第2分支光波导路径44b内传播的可见光1的相位差为0或360°的情况下，两者的可见光1在耦合部45被合波，直接传播到可见光信号生成部46。另一方面，在第1分支光波导路径44a内传播的可见光1与在第2分支光波导路径44b内传播的可见光1的相位差为180°的情况下，在耦合部45两者的可见光干涉而相互抵消，所以可见光1不向可见光信号生成部46传播。在可见光信号生成部46中，通过可见光1传播时和可见光1不传播时的组合，生成具有规定的波形的可见光信号2。所生成的可见光信号2经由可见光信号放出部47向外部发送。
在本实施方式的发送装置中，光调制器12并不限定于图3和图4所示的结构。例如，能够使用图6～图7所示的结构的光调制器。
图6所示的光调制器12b包括基板30、光波导层40、缓冲层50、信号电极61和接地电极62。光波导层40不具有平坦部，仅由光波导路径41构成。光波导层40不具有分支，受光部42、可见光信号生成部46、可见光信号放出部47以直线状连接。光调制器12b与图3和图4所示的光调制器12a的不同点在于，光波导层40仅由光波导路径41构成，光波导路径41的受光部42、可见光信号生成部46、可见光信号放出部47以直线状连接。
光波导路径41优选与可见光的传输方向垂直的截面的宽度W处于300nm以上且1000nm以下的范围内，截面的高度H处于300nm以上且1000nm以下的范围内。另外，在将截面的宽度设为Wnm、将上述截面的高度设为Hnm、将从上述激光光源出射的上述可见光的波长设为Anm时，优选满足上述的式(1)和式(2)中的至少一个。
信号电极61隔着缓冲层50配置在可见光信号生成部46的上部。接地电极62可以与基板30连接，也可以与光波导路径41连接。
在光调制器12b中，以如下方式生成可见光信号2。
首先，由受光部42接收可见光1。由受光部42接收到的可见光1从受光部42传播到可见光信号生成部46。通过对信号电极61赋予电信号，在可见光信号生成部46内传播的可见光1产生相位差，可见光1的强度变化。由此，生成具有规定波形的可见光信号2。所生成的可见光信号2经由可见光信号放出部47向外部发送。
图7所示的光调制器12c包括基板30、光波导层40、缓冲层50、信号电极61和接地电极62。光波导层40具有由刚性(rigid)部构成的光波导路径41和平坦部48。光调制器12c在光波导层40具有平坦部48这一点上与图6所示的光调制器12b不同。
光波导层40的平坦部48的厚度T优选处于1nm以上且200nm以下的范围内。光波导路径41与图6所示的光调制器12b同样地，受光部42、可见光信号生成部46、可见光信号放出部47以直线状连接。光波导路径41中的与可见光的传输方向垂直的截面的宽度W和高度H与图6所示的光调制器12b的情况相同。
信号电极61隔着缓冲层50配置在可见光信号生成部46的上部。接地电极62可以与基板30连接，也可以与光波导路径41连接，还可以与平坦部48连接。
在光调制器12c中，与图6所示的光调制器12b同样地生成可见光信号2。
另外，光调制器12也可以是迈克尔逊干涉仪型调制器。
图8是迈克尔逊干涉仪型调制器的相位调制部的一例的立体图。相位调制部12d包括：基板30；具有由脊部构成的光波导路径41和平坦部48的光波导层40；在平坦部48上在夹着光波导路径41的位置相对地设置的第1绝缘层51a和第2绝缘层51b；设置在第1绝缘层51a上的第1信号电极61a；和设置在第2绝缘层51b上的第2信号电极61b。光波导层40由铌酸锂膜构成。
基板30的结构、材料与图3和图4所示的光调制器12a的情况相同。
构成光波导层40的铌酸锂膜的材料、形成方法与图3和图4所示的光调制器12a的情况相同。光波导路径41具有受光部42、可见光信号生成部46和可见光信号放出部47。光波导路径41的与可见光的传输方向垂直的截面的宽度W和高度H与图6所示的光调制器12b相同。平坦部48的厚度T优选处于1nm以上200nm以下的范围内。
作为第1绝缘层51a和第2绝缘层51b的材料，能够使用包含镧(La)、铝(Al)、硅(Si)的氧化物(La-Al-Si-O)等。第1绝缘层51a和第2绝缘层51b的宽度和高度也可以与光波导路径41相同。第1绝缘层51a与光波导路径41的距离和第2绝缘层51b与光波导路径41的距离，也可以处于2μm以上且5μm以下的范围内。
第1信号电极61a和第2信号电极61b分别设置在与可见光信号生成部46相对的第1绝缘层51a和第2绝缘层51b上。第1信号电极61a和第2信号电极61b的材料和成形方法与图3和图4所示的光调制器12a的情况相同。
在相位调制部12d中，以如下方式生成相位调制后的调制光3。
首先，由受光部42接收可见光1。由受光部42接收到的可见光1从受光部42传播到可见光信号生成部46。通过对第1信号电极61a和第2信号电极61b赋予电信号，在可见光信号生成部46内传播的可见光1产生相位差，生成相位调制后的调制光3。
对于光波导路径由铌酸锂形成的光学调制器，通过模拟计算调制光所需的电压值。光调制器假定了图9所示的结构的光调制器。如图9所示，光调制器12S具有基板30S、光波导层40S、保护层49S、缓冲层50S、第一信号电极61aS和第二信号电极61bS。光波导层40S包括第一分支光波导路径44aS、第二分支光波导路径44bS和平坦部48S。第一信号电极61aS经由缓冲层50S配置在第一分支光波导路径44aS的上方，并且第二信号电极61bS经由缓冲层50S配置在第二分支光波导路径44bS的上方。保护层49S介于没有设置第一分支光波导路径44aS和第二分支光波导路径44bS的部分的平坦部48S和缓冲层50S之间。保护层49S和缓冲层50S是折射率比光波导层40S小的介质。保护层49S和缓冲层50S的材料可以相同或不同。第一分支光波导路径44aS和第二分支光波导路径44bS的横截面分别是底部的宽度(Wbottom)比顶部的宽度(Wtop)宽的梯形。第一分支光波导路径44aS和第二分支光波导路径44bS的横截面的高度(H)、顶部的宽度(Wtop)、底部的宽度(Wbottom)、平坦部48S的厚度(Tslab)、缓冲层50S的厚度(Tbuffer)、第一分支光波导路径44aS的中央与第二分支光波导路径44bS的中央之间的间隔(L)、第一信号电极61aS和第二信号电极61bS的宽度(We)和厚度(Te)的尺寸在下表1中示出。
H 0.56μm
W<sub>top</sub> 0.8μm
W<sub>bottom</sub> 1.1μm
T<sub>slab</sub> 0.15μm
T<sub>buffer</sub> 0.5μm
L 11μm
W<sub>e</sub> 2.5μm
T<sub>e</sub> 2μm
使用光调制器12S，对于波长为638nm的光(红色光)、波长为520nm的光(绿色光)、波长为473nm的光(蓝色光)的各波长的光，通过模拟计算半波长的相位调制所需的电压值(半波长相位调制电压值)Vπ，即将光的强度从最大值改变到最小值所需的电压值Vπ。由于该电压值Vπ与信号电极与作为重叠在光波导路径上的部分的长度的相互作用长度Li成反比，所以通常以电压值Vπ和作为相互作用长度Li的乘积的乘积值Vπ*Li[V*cm]进行比较。当对信号电极(第一信号电极61aS和第二信号电极61bS)的相互作用长度计算该乘积值Vπ*Li[V*cm]时，红色光为1.79V*cm，绿色光为1.39V*cm，蓝色光为1.20V*cm。即，在信号电极的长度(相互作用长度)为1cm的情况下，电压值Vπ用红色光为1.79V，用绿色光为1.39V，用蓝色光为1.20V。这里，对于红光，当信号电极的相互作用长度为1cm时电压值Vπ为1.79V，当相互作用长度为2cm时电压值Vπ为0.895V，当相互作用长度为0.5cm时电压值Vπ为3.58V。同样，对于绿色光和蓝色光，电压值Vπ根据相互作用长度而变化。
此外，红色光的波长(Ared)和光波导路径(第一分支光波导路径44aS和第二分支光波导路径44bS)的尺寸之间的关系是Wtop/Ared＝1.25、Wbottom/Ared＝1.72、H/Ared＝1.11满足上述式(1)和式(2)的关系。绿色光的波长(Agreen)和光学波导的尺寸之间的关系是Wtop/Agreen＝1.53、Wbottom/Agreen＝2.11、H/Agreen＝1.36，满足上述式(1)和式(2)的关系。蓝色光的波长(Ablue)和光波导路径的尺寸之间的关系是Wtop/Ablue＝1.69、Wbottom/Ablue＝2.32、H/Ablue＝1.50，满足上述式(1)和式(2)的关系。
根据以上的结果，确认了使光相位调制所需的电压值Vπ在使调制的光的波长短的一方变低。如果该电压值低，则能够缩短信号电极的长度，能够使光调制器更小、低成本。另外，根据上述模拟的结果，确认了一个光调制器可以调制三个不同的可见光的光。这在使用应用的多样化方面是非常有用的，例如，可以根据目的地使用不同颜色的可见光信号。
根据如上构成的本实施方式的发送装置10，由于使用激光光源11作为可见光光源，所以出射的可见光1的指向性高。因此，作为可见光1的调制方式，能够利用光调制器12，由此，能够提高可见光信号2的生成速度。另外，光调制器12的光波导路径41由包含铌酸锂的铌酸锂膜形成，所以在光波导路径41内可见光的损失少。因此，根据本实施方式的发送装置10，可见光信号2的生成速度快，得到的可见光信号2的强度变高。因此，通过使用本实施方式的发送装置10，能够实现高速且精度高的可见光通信。特别是，根据本实施方式的发送装置10，能够使数据传输速度成为例如10Gbit/s以上，特别是数百Gbit/s至1Tbib/s。另外，在本实施方式的发送装置10中，不需要将可见光光源配置成阵列状，所以小型化变得容易。
另外，在本实施方式的发送装置10中，光调制器12具有基板30，在光波导路径41是在基板30上生长的铌酸锂膜的情况下，光波导路径41的可见光的透过性提高。由此，光波导路径41内的可见光的传播效率提高，所以能够高效地调制可见光1，可见光信号2的生成速度变得更快。
另外，在本实施方式的发送装置10中，在光调制器12的光波导路径41的与可见光1的传输方向垂直的截面的宽度处于300nm以上且1000nm以下的范围内、且该截面的高度处于300nm以上且1000nm以下的范围内的情况下，光波导路径41内的可见光1的传播特性稳定，所以生成的可见光信号2的品质稳定。若光波导路径41的截面的尺寸大于上述的范围，则在光波导路径41内生成多个可见光的传播模式，可见光信号2的品质有可能变得不稳定。
另外，在本实施方式的发送装置10中，在将光调制器12的光波导路径41的与可见光1的传输方向垂直的截面的宽度设为Wnm，将该截面的高度设为Hnm，将从激光光源11出射的可见光1的波长设为Anm时，在满足上述的式(1)和式(2)中的至少一个的情况下，光波导路径41内的可见光1的传播特性更加稳定，所以生成的可见光信号2的品质更加稳定。在上述的式(1)和式(2)均不满足的情况下，在光波导路径41内生成多个可见光的传播模式，可见光信号2的品质有可能变得不稳定。
另外，在本实施方式的发送装置10中，在光调制器12的光波导层40的平坦部48的截面的高度为200nm以下的情况下，可见光1难以传播到平坦部48。因此，第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的可见光的传播效率提高。因此，可见光信号2的发送接收的精度变得更高。另外，光波导层40的平坦部48的截面的高度优选为第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的截面的高度的1/3以下。在该情况下，第1分支光波导路径44a和第2分支光波导路径44b的可见光的传播效率进一步提高。
另外，在本实施方式的发送装置10中，将可见光信号2取出到外部的方法没有特别限制。发送装置10也可以具有用于发射可见光信号2的出射口。另外，发送装置10也可以具有用于与将可见光信号2向外部传输的光纤连接的连接部。
[第2实施方式]
图10是本发明的第2实施方式的通信系统的框图。
图10所示的通信系统100a将由发送装置10a生成的可见光信号2经由外部空间发送到接收装置20a。
发送装置10a包括激光光源11、光调制器12、电信号生成元件13和可见光信号出射口14。发送装置10a除了包括可见光信号出射口14以外，与图2所示的发送装置10相同。可见光信号出射口14与光调制器12连接，是用于将由光调制器12生成的可见光信号2向外部空间发射的出射口。
接收装置20a包括可见光信号接收部21、光电转换元件22和可见光信号入射口24。可见光信号入射口24是用于接收从发送装置10a发送的可见光信号2的入射口。可见光信号接收部21与可见光信号入射口24连接，接收由可见光信号入射口24入射的可见光信号2并照射到光电转换元件22。光电转换元件22将可见光信号2转换为电信号。光电转换元件22只要是能够高速地检测可见光信号2并转换为电信号的元件即可，没有特别限制，可以使用任意种类的元件。
通信系统100a如下进行可见光通信。
在发送装置10a中，如上所述，通过光调制器12生成可见光信号2。所生成的可见光信号2经由可见光信号出射口14向外部空间发射。发射的可见光信号2经由接收装置20a的可见光信号入射口24，由可见光信号接收部21接收。接收到的可见光信号2通过光电转换元件22转换为电信号，取出对可见光信号2赋予的信息数据。
根据如上构成的本实施方式的通信系统100a，由于从发送装置10a发送的可见光信号2的强度高，所以容易目视确认可见光信号2的通信路径。因此，能够防止数据的误送。在使用红外光的通信系统的情况下，无法通过目视来确认在发送目的地的接收装置中是否接收到可见光信号。因此，存在向本来不想发送的对方发送的危险性。根据能够使每秒的数据传输速度为10Gbit/s以上、从几百Gbit/s到1Tbib/s的高速化的本实施方式的通信系统100a，每1秒能够发送的数据也庞大，非常便利，另一方面，向错误的对方发送数据的情况下的风险也变大。因此，能够通过目视确认是否向发送目的地发送了可见光信号来发送数据的可见光通信，从防止数据的误送的观点出发成为非常大的优点。如果是无法目视的红外光，则在数据发送时总是会感到不安。
另外，作为使用可见光的优点，可见光与红外光相比波长较短，所以存在能够减小光波导路径的尺寸这一优点。即，也能够减小光调制器的尺寸。可见光用光波导路径与红外光用光波导路径相比，能够使每一边的尺寸减小1/3～1/4左右，所以如果是面积的话，能够减小至1/9～1/16。即，每1片元件制作用基板中得到的元件的个数多达约10倍以上，所以作为光调制器的制造成本，能够成为1/9～1/16。例如，能够实现智能手机等信息终端那样的民生用途。只要使用红外光，就无法减小芯片尺寸。即，调制元件的成本变高，在民生用途中使用是非常困难的，是不现实的。
如上所述，作为在高速光通信中使用可见光的优点，可以举出以下两点。
(1)在高速光通信中，能够在目视确认了发送目的地的基础上进行发送，能够安全地收发大容量的数据。
(2)能够减小光调制器的元件尺寸。由此，能够使光调制器的制造成本为1/10以下。由此，即使在民生用途中，也能够享受超高速通信的优点。
在本实施方式的通信系统中，也可以使用光纤等光传输单元作为可见光信号。
图11是表示本发明的第2实施方式的通信系统的变形例的框图。
图11所示的通信系统100b与图10所示的通信系统100a的不同点在于，将由发送装置10b生成的可见光信号2经由光纤70发送到接收装置20b。
在图11所示的通信系统100b中，发送装置10b包括激光光源11、光调制器12、电信号生成元件13和输出用光纤连接部15。输出用光纤连接部15是与光调制器12和光纤70连接并将由光调制器12生成的可见光信号2输出到光纤70的连接部。
接收装置20b包括可见光信号接收部21、光电转换元件22和输入用光纤连接部25。输入用光纤连接部25是与光纤70和可见光信号接收部21连接，将在光纤70中传输的可见光信号2输入到可见光信号接收部21的连接部。
通信系统100b以如下方式进行可见光通信。
在发送装置10b中，如上所述，通过光调制器12生成可见光信号2。所生成的可见光信号2经由输出用光纤连接部15输出到光纤70。所输出的可见光信号2在光纤70中传播，经由接收装置20b的输入用光纤连接部25，由可见光信号接收部21接收。接收到的可见光信号2通过光电转换元件22转换为电信号，取出对可见光信号2赋予的信息数据。
根据如以上那样构成的本实施方式的通信系统100b，由于将由发送装置10b生成的可见光信号2经由光纤70向接收装置20b发送，所以例如能够向由墙壁分隔的房间等的光不通过的场所发送可见光信号2。
[第3实施方式]
图12是表示本发明的第3实施方式的信息终端的使用例的图。
在图12中，在智能手机91a、91b的内部分别设置有图9所示的发送装置10a和接收装置20a。智能手机91a、91b具备具有显示器的平面和侧面，在一个侧面露出发送装置10a的可见光信号出射口14，在具有显示器的平面形成接收装置20a的可见光信号入射口24。
在从智能手机91a向智能手机91b传送数据的情况下，在使智能手机91a的可见光信号出射口14朝向智能手机91b的可见光信号入射口24的状态下，发送可见光信号2。另一方面，在从智能手机91b向智能手机91a传送数据的情况下，在使智能手机91b的可见光信号出射口14朝向智能手机91a的可见光信号入射口24的状态下，发送可见光信号2。
图13是表示本发明的第3实施方式的信息终端的使用例的另一例的图。
在图13中，在智能手机91c、91d的内部分别设置有图9所示的发送装置10a和接收装置20a。智能手机91c、91d具备具有显示器的平面和侧面，在一个侧面露出发送装置10a的可见光信号出射口14和接收装置20a的可见光信号入射口24。
在智能手机91c和智能手机91d相互传送数据的情况下，在使智能手机91c的可见光信号出射口14和可见光信号入射口24与智能手机91d的可见光信号出射口14和可见光信号入射口24相互相对的状态下，发送可见光信号2。
图14是表示本发明的第3实施方式的信息终端的使用例的又一例的图。
在图14中，在智能手机91的内部包括图9所示的发送装置10a和接收装置20a。智能手机91具备具有显示器的平面和侧面，在一个侧面露出发送装置10a的可见光信号出射口14，在具有显示器的平面形成接收装置20a的可见光信号入射口24。另一方面，在个人计算机92的内部设置有图10所示的接收装置20a。在个人计算机92的显示器的附近露出可见光信号入射口24。
在从智能手机91a向个人计算机92传送数据的情况下，在使智能手机91a的可见光信号出射口14朝向个人计算机92的可见光信号入射口24的状态下，发送可见光信号2。
图12～图14是本实施方式的信息终端的使用例的一例，本实施方式的信息终端并不限定于此。信息终端例如可以是平板电脑。
[第4实施方式]
图15是用于说明本发明的第4实施方式的通信方法的流程图。以下，以从图10所示的通信系统的发送装置10a向接收装置20a传输信息数据的情况为例，说明本实施方式的通信方法。
首先，发送装置10a通过光调制器12生成包含接收许可信号的第1可见光信号和包含信息数据的第2可见光信号，向接收装置20a照射第1可见光信号和第2可见光信号(工序S1)。在工序S1中，光调制器12对可见光赋予接收许可信号而生成第1可见光信号，对可见光赋予信息数据而生成第2可见光信号。然后，所生成的可见光信号2经由可见光信号出射口14向外部空间发射。接收许可信号是用于确认接收装置20a是信息数据的发送目的地的信号。
接着，接收装置20a接收第1可见光信号(工序S2)。在工序S2中接收到的第1可见光信号通过光电转换元件22被转换为电信号，取出被赋予第1可见光信号的接收许可信号。
接着，接收装置20a判断是否同意接收许可信号(工序S3)。在工序S3中，在通过接收许可信号确认了接收装置20a是信息数据的发送目的地的情况下(“是”)，同意接收许可信号而进入下一工序。另一方面，在通过接收许可信号确认了接收装置20a不是信息数据的发送目的地的情况下(“否”)，不同意接收许可信号而不进入下一工序就结束。
接着，接收装置20a接收第2可见光信号(工序S4)。在工序S4中接收到的第2可见光信号通过光电转换元件22被转换为电信号，取出赋予第2可见光信号的信息数据。
在接收装置20a具有智能手机等发送单元的情况下，在工序S1中，发送装置10a也可以不照射第2可见光信号。在该情况下，也可以在工序S3中，在接收装置20a同意了接收许可信号时，接收装置20a向发送装置10a发送指示信号以照射第2可见光信号，发送装置10a基于该指示信号照射第2可见光信号。接收装置20a向发送装置10a发送指示信号时的发送方法可以是可见光通信，也可以是电波通信。
在接收装置20a具有智能手机等显示器的情况下，也可以在工序S4结束后，在显示器上显示接收完成的消息。另外，在发生了发送不良的情况下，也可以在显示器上显示出错消息。进而，在接收装置20a具有发送单元的情况下，也可以在工序S4结束后，向发送装置10a发送接收完成的信号。另外，在发生了发送不良的情况下，也可以向发送装置10a再次发送指示信号以照射第2可见光信号。
根据以上那样的通信系统，在从发送装置10a向接收装置20a传输信息数据时，通过第2可见光信号的目视确认和接收许可信号的确认来进行信息数据的发送目的地的确认，所以能够更可靠地防止信息数据的误送。

Claims (12)

1.一种发送装置，其向接收装置发送可见光信号，包括：
出射可见光的激光光源；和
使所述可见光的强度变化来生成可见光信号的光调制器，
所述光调制器具有成为所述可见光的传输路径的光波导路径，
所述光波导路径由包含铌酸锂的材料形成。
2.如权利要求1所述的发送装置，其中，
所述可见光的波长处于380nm以上且830nm以下的范围内。
3.如权利要求1所述的发送装置，其中，
所述光调制器具有基板，所述光波导路径是在所述基板上生长的铌酸锂膜。
4.如权利要求3所述的发送装置，其中，
所述基板为蓝宝石基板或氧化铝基板。
5.如权利要求1所述的发送装置，其中，
所述光波导路径的与所述可见光的传输方向垂直的截面的宽度处于300nm以上且1000nm以下的范围内，所述截面的高度处于300nm以上且1000nm以下的范围内。
6.如权利要求1所述的发送装置，其中，
在将所述光波导路径的与所述可见光的传输方向垂直的截面的宽度设为Wnm、将所述截面的高度设为Hnm、将从所述激光光源出射的所述可见光的波长设为Anm时，满足下述的式(1)和式(2)中的至少一个
(1)：0.8×A≤W≤2.5×A
(2)：0.8×A≤H≤1.5×A。
7.如权利要求1所述的发送装置，其中，
所述发送装置具有用于向外部发射所述可见光信号的出射口。
8.如权利要求1所述的发送装置，其中，
所述发送装置具有用于与将所述可见光信号向外部传输的光纤连接的连接部。
9.一种信息终端，其中，
包括权利要求1所述的发送装置。
10.如权利要求9所述的信息终端，其中，
所述信息终端为智能手机、平板电脑、个人计算机。
11.一种通信系统，其特征在于，包括：
权利要求1所述的发送装置；和
接收所述发送装置发送的可见光信号的接收装置。
12.一种通信方法，其为使用了权利要求11所述的通信系统的通信方法，包括：
所述发送装置在所述光调制器中生成包含接收许可信号的第1可见光信号和包含信息数据的第2可见光信号，并将所述第1可见光信号和所述第2可见光信号向所述接收装置照射的工序；
所述接收装置接收所述第1可见光信号的工序；和
判断是否同意所述接收许可信号，在同意了所述接收许可信号的情况下，所述接收装置接收所述第2可见光信号的工序。
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