CN1221092C - 光通信系统 - Google Patents

Abstract

发射透镜将发射光的数值孔径变为NAs。发射光的数值孔径NAs比光纤的数值孔径NAp大，从而使光纤辐射的接收光的数值孔径NAf随传输距离增大而减小。接收光学系统配置成通过设置孔件，使接收光的接收效率随数值孔径NAf减小而增大。这提高了长传输距离时的接收效率，即使传输距离变化时也减小接收光量的变化。

Description

光通信系统

技术领域

本发明涉及一种光通信系统，它可以经起传输媒体作用的光纤发射和接收光信号。本发明尤其涉及一种光通信系统，它可以用于国内通信、电子设备之间的通信、LAN(局域网)等。

背景技术

随着信息化社会的发展，利用光纤的网络技术已经成为了公众的焦点。尤其是，已经发展了利用塑料光纤(下文中称为POF)作为传输媒体应用于国内通信的光通信系统、LAN和电子设备之间的通信。

图22显示了上述类型光通信系统的实例。光通信系统103有用于根据要发射的数据信号发射适于传输的调制光的光纤2和连接到光纤2两端以便与其光耦合的光通信模块101。图22显示的光通信系统是最小的结构，也有光通信系统具有附加光通信模块101和附加光纤102以便构成网络的例子。

也有不同制造商制造的光通信模块(光通信模块有不同的光通信特性)，或者有不同通信速度的光通信模块在相同光通信系统中共存的例子。这样，光通信系统不必用相同的光通信模块构成。

光通信系统103可以根据它们的通信模式分成几种类型。当大概分类时，例如下面的情况：(1)使用一条光纤2的情况，或使用多条光纤2的情况；(2)执行信号的双向通信的情况或进行单向信号通信的情况；和(3)执行信号的同时(全双工)通信，或执行信号的半双工通信的情况；等等。光通信是用结合使用这些模式的方案(例如，经单芯光纤执行全双工通信)建立的。

在上述光通信系统中，传输距离根据其使用和布局条件在1m到约100m之间变化。例如，已经提供用诸如POF的多模式光纤作为光纤2。POF的构成有：优良透光性的塑料(如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚碳酸酯)制成的芯线，和比该芯线的折射率更低折射率的塑料制成的包层。与石英光纤相比，这种光纤2容易将约200μm的直径增大到约1mm。这样，就容易调节光通信模块101和光纤2之间的耦合，因而可以获得廉价的光通信系统103。也使用PCF(聚合物包层光纤)(它的芯由石英玻璃制成)。虽然PCF比POF更贵，但是PCF的特征在于传输损耗较小、传输带较宽。因而可以通过使用PCF作为传输媒体来获得可以更长距离、更高速度执行通信的光通信系统103。

但是，在用PDF作为传输媒体的情况下，由于传输损耗比石英光纤的传输损耗大(约0.2dB/m)，所以因传输距离不同导致的传输损耗的差异变大。这样，接收光量问题变大。接收光量变化大的光通信系统要求动态范围增大。这就不利地使光通信系统的设计复杂化并增大了生产成本。

作为解决上述问题的方式，已经提出了一种方法，它减小了接收光量随传输距离的变化，下面的解决方案就是已知的了。

(1)当传输距离长时，在光纤中间执行光放大以提高光的质量(例如，JP-A-148988)。

(2)在接收光量改变的情况下，用自动增益控制(AGC)来变换接收器增益。

(3)发射器自己发射的光的质量随传输距离的远近而变化(例如2000-156664)。

但是，执行光放大的方法(1)增加了成本，限制了要使用的波长和系统。因此，该方法的应用只限于主线系统，难以将该方法用于利用诸如POF的传输媒体的短距离光通信系统。

(2)当使用AGC时，电路复杂化。而且，需要用于检测接收光的质量的系统以便变换增益，这导致成本增高。

(3)而且，当发射光的强度变化时，需要用于检测传输距离或发射光量的系统。这样的问题是成本增高。

在光通信系统中，如上所述，速度不同的光通信模块和光特性不同的光通信模块可以共存。这种情况下，更难抑制因传输距离变化导致的动态范围增大。

而且，JP-A-1-177004，公开了：光通信模块的发射光的数值孔径比光纤的数值孔径小，从而拓宽了传输信号的频带并延长了可通信的距离。但是，它没公开任何解决接收光量随传输距离远近变化且动态范围增大的问题的方案。而且，根据它公开的技术(光通信模块的数值孔径比光纤的数值孔径小)，如果大辐射角的发光二极管(LED)用作发光元件，光学系统就变复杂了，这就难以实现光通信模块尺寸的减小和成本的降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种廉价而结构简单的光通信系统，它利用传输距离不同的光纤，其中，即使传输距离变化，接收光的质量变化也小，即使结合使用通信速度不同的光通信模块或光特性不同的光通信模块，也可以保持小的接收光量变化。

本发明者研究了来自不同传输距离光纤的辐射光分布变化。这会在图1的使用中进行说明。

图1A和1C及图1B和1D是显示来自不同长度光纤2的辐射光分布的示意图。图1A和1C显示了光纤2短的情况，而图1B和1D显示了光纤2长的情况。在入射到光纤2上的发射光4的数值孔径NAs比光纤2的远场图形(FFP)的数值孔径NAp大时，传输距离短(即，光纤2短)，由于发射光4的数值孔径NAs的影响持续存在，所以接收光5的数值孔径NAf分布比图1A和1C所示的NAp更广。在下文的描述中，根据JISC6822进行NAp测量。另一方面，在传输距离长的情况下(长光纤2)，由于发射光4的数值孔径NAs的影响变小，接收光5的数值孔径NAf约等于光纤2的数值孔径NAp。如上所述，发现：在发射光4的数值孔径NAs大于光纤2的远场图形(FFP)的数值孔径NAp的情况下，来自光纤2的辐射光(接收光5)的数值孔径NAf随传输距离增大而变小最后变为约等于光纤2的数值孔径NAp。图2显示了说明它的示意图。

下面，图3A和3C及图3B和3D显示了发射光4的数值孔径NAs比光纤2的数值孔径NAp小的情况。如图所示，在入射到光纤2上的发射光4的数值孔径NAs小于光纤2的数值孔径NAp的情况下，传输距离短(即，光纤2短)，由于发射光4的数值孔径NAs的影响持续存在，所以接收光5的数值孔径NAf的分布比NAp窄。另一方面，在传输距离长的情况下(光纤2长)，由于发射光4的数值孔径NAs变小，所以接收光5的数值孔径NAf变为约等于光纤2的数值孔径NAp，如图3B和3D所示。这样，如图4所示，与图2所示结果相反，随着传输距离增大，辐射光的数值孔径NAf有增大的趋势。即，发现：随着传输距离增大，接收光5的分布转为光纤2的数值孔径NAp的影响大于发射光4的数值孔径NAs影响的情况。

上述数值孔径(NA)用NA＝sin(θna)来表达，这里，θna定义为辐射光的FFP(远场图形)中一半最大值处为半宽的辐射角。θna可以定义为1/e2，或在5％强度处半宽，而不定义为一半最大值的半宽。由于根据定义变化数值孔径(NA)，所以要求用相同的定义来比较发射光4的数值孔径(NAs)。在任何定义中，数值孔径值之间的关系都有与上述接近的趋势。光纤2的数值孔径NAp由光纤2的结构确定，如光纤2的芯线和包层的折射率，并专用于要使用的光纤2。用光源(发光元件)和发光系统来设定发射光4的数值孔径NAs。

积极利用数值孔径因传输距离不同而变化的现象和改善光学系统的光通信模块的发射和接收部分，本发明实现了减小接收光量因传输距离不同而变化的光通信系统。

具体地说，根据本发明的一个方面，提供了一种在多个光通信模块之间执行数据通信的光通信系统，它至少使用第一光纤和传输距离比第一光纤短的第二光纤，包括：

用于根据光纤的传输距离，在光传过光纤后，改变各光纤辐射的接收光数值孔径的装置；和

用于根据接收光的数值孔径，改变接收接收光的光通信模块接收效率的装置，

其中，用于改变光通信模块接收效率的装置改变接收效率，以保持η1＞η2，这里，η1表示连接到传输距离较长的第一光纤的光通信模块的接收效率，η2表示连接到传输距离较短的第二光纤的光通信模块的接收效率。

η1＞η2，即，接收效率随传输距离增大而变高，从而减小了因光通信模块之间传输距离差异导致的接收光量变化。这就可能获得传输距离范围大的光通信系统。

另外，这改变接收光数值孔径的装置和改变光通信模块接收效率的装置都可通过向光通信模块的光学系统加入一些设备来实现，不要求额外的电路或系统。因此，可以获得结构简单的廉价光通信系统。

可以配置用于改变光通信模块接收效率的装置，以便使相关光纤辐射的接收光数值孔径约等于该光纤的数值孔径时接收效率最大。如果这样，即使不知道来自对应通信模块的发射光的数值孔径，也可以减小接收光量因传输距离差异而变化。

例如，用包括在传输侧光通信模块中的发光元件和/或光学系统(如透镜)可以提供根据传输距离改变接收光数值孔径的装置。有不同数值孔径的光纤自己可以起这种装置的作用。

另一方面，作为改变光通信模块接收效率的装置，可以使用防止光纤辐射光的光分量与相关光接收元件耦合的元件，所述光分量是辐射角比相应于光纤数值孔径的辐射角小的光分量，和/或辐射角比相应于光纤数值孔径的辐射角大的光分量。

可以用接收光学系统来实现这种装置。例如，可以使用只发射光纤辐射的一部分接收光的孔件。或者，使用只反射光纤辐射的一部分接收光的反光镜。当使用孔件时，可以简单地通过调节孔件的开口来改变接收效率。另一方面，当使用反光镜时，可以通过调节反光镜的形状和/或尺寸来改变接收效率。另外，可以在接收光学系统的外周部和/或内部(中央部分)上设置屏蔽部分，例如接收透镜。在上述任何情况下，可以用简单而廉价的结构按接收光的数值孔径来改变接收效率。根据本发明，可以用配置简单且低成本来形成接收光学系统，其中，接收效率在接收光的数值孔径约等于光纤的数值孔径时达到最大。

另外，改变光通信模块接收效率的装置可以将光纤辐射的接收光会聚到比相关光接收元件的光接收面积大的面积上。这种情况下，也可以构成配置简单且低成本的光学系统。

在一个实施例中，保持NAf1＜NAf2和NAs＞NAp，这里NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAs表示来自相关光通信模块进入每条光纤的发射光的数值孔径，NAp表示每条光纤的数值孔径。

在有上述配置的光通信系统中，可以通过简单设计光通信模块的发光系统容易地按传输距离来改变接收光的数值孔径。而且，当发射光的数值孔径增大时，容易利用辐射光分布宽的LED，因此，好处是可以获得廉价的光通信系统。

在一个实施例中，保持NAf1＜NAf2和NAp1＜NAp2，这里NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAp1和NAp2分别表示第一和第二光纤的数值孔径。

本实施例中，由于光纤改变了接收光的数值孔径，设定来自每个光通信模块的发射光的数值孔径的自由度变大，这样，可以获得有结构更简单的更便宜的光通信系统。而且，由于光纤的数值孔径随传输距离增大而减小，减轻了因模式色散(mode dispersion)导致的传输带变窄。

另一实施例中，保持NAf1＞NAf2和NAs＜NAp，这里NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAs表示来自相关光通信模块要进入每条光纤的发射光的数值孔径，NAp表示每条光纤的数值孔径。

该结构也可以通过简单设计光通信模块的发光系统，按传输距离容易地以与上述相同的方式来改变接收光的数值孔径。这样，可以获得一种接收光量因传输距离不同而变化的光通信系统。而且，当发射光的数值孔径减小时，作为发光元件，可利用窄辐射光分布的半导体激光器。因此，可以获得宽传输带的光通信系统。

另一实施例中，保持NAf1＞NAf2和NAp1＞NAp2，这里NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAp1和NAp2分别表示第一和第二光纤的数值孔径。

本实施例中，由于光纤改变了接收光的数值孔径，设定来自每个光通信模块的发射光的数值孔径的自由度变大，这样，可以获得有结构更简单的更便宜的光通信系统。

另外，一个实施例中，多个光通信模块包括第一光通信模块和第二光通信模块，保持NAs1＞NAp和NAs2＜NAp，这里，NAs1表示来自第一光通信模块要进入相关光纤的发射光的数值孔径，NAs2表示来自第二光通信模块要进入相关光纤的发射光的数值孔径，NAp表示每条光纤的数值孔径。即，本发明也可用于有不同通信速度的光通信模块或有不同光特性的光通信模块共存的光通信系统。在这种光通信系统中，也可以抑制接收光量因传输距离不同而改变。另外，也可拓宽选择所使用的光源的范围和简化发光系统的结构。

例如，在第一光通信模块有比第二光通信模块更高通信速度上限的情况下，分别可以为第一光通信模块使用更便宜的LED，可以用能执行高速操作的LD作为第二光通信模块。因此，可以生产适于以低成本和简单结构应用的光通信系统。

可以将塑料光纤(POF)用于每条光纤。POF弯道损失更小且几乎不破裂。而且，可以容易地制成约1mm的大芯线直径。因而易于使光纤与光通信模块结合来调节。结果，实现了更廉价的光通信系统。

从下文的描述，本发明的其它目的、特定和优点将更明了。

附图说明

从下文给出的详细描述和只用来说明的附图，可以更完全地理解本发明而不是限制本发明。

图1A和1C是显示发射光的数值孔径比光纤的数值孔径大且传输距离短的情况下，接收光数值孔径的示意图；

图1B和1D是显示发射光的数值孔径比光纤的数值孔径大且传输距离长的情况下，接收光数值孔径的示意图；

图2示意性显示了发射光的数值孔径比光纤的数值孔径大的情况下，接收光的数值孔径和传输距离之间的关系；

图3A和3C是显示发射光的数值孔径比光纤的数值孔径小且传输距离短的情况下，接收光数值孔径的示意图；

图3B和3D是显示发射光的数值孔径比光纤的数值孔径小且传输距离长的情况下，接收光数值孔径的示意图；

图4示意性显示了发射光的数值孔径比光纤的数值孔径小的情况下，接收光的数值孔径与传输距离之间的关系；

图5是显示本发明的光通信系统第一实施例的结构的示意图；

图6是显示发射光的数值孔径比光纤的数值孔径小且光纤短的情况下，接收光数值孔径的FFP测量结果的曲线图；

图7是显示发射光的数值孔径比光纤的数值孔径大且光纤短的情况下，接收光数值孔径的FFP测量结果的曲线图；

图8是显示光纤足够长的情况下接收光数值孔径的FFP测量结果的曲线图；

图9是描述发射光的数值孔径比光纤的数值孔径大的情况下，发射和接收光通信模块结构的示意图；

图10是描述发射光的数值孔径比光纤的数值孔径小的情况下，发射和接收光通信模块结构的示意图；

图11是显示本发明接收光学系统的实例的示意图；

图12是显示用来代替包括在图9的接收光通信模块中光学系统的光学系统实例的示意图；

图13是显示用来代替包括在图10中接收光通信模块中光学系统的光学系统实例的示意图；

图14是显示本发明光通信系统中接收光量和传输距离之间关系的示意图；

图15是显示传统光通信系统中接收光量和传输距离之间关系的示意图；

图16是显示可用在本发明的光通信系统中的光通信模块具体实例的结构的示意图；

图17是描述本发明光通信系统的第二实施例的结构的示意图；

图18是显示本发明第三实施例的示意图；

图19是显示本发明中接收光学系统实例的示意图；

图20是显示接收光的数值孔径NAf和屏蔽部分20A所屏蔽的区域之间关系的说明曲线；和

图21是显示接收光的数值孔径NAf和屏蔽部分20B所屏蔽的区域之间关系的说明曲线；和

图22是说明普通光通信系统结构的示意图。

具体实施方式

参考附图描述本发明光通信系统的实施例。

(第一实施例)

图5是显示采用本发明光通信系统的系统实例的示意图。本光通信系统3设计成经光纤2-1和2-2连接两台个人计算机(下文称为“PC”)15-1和15-2和电子设备16，如数字摄像机、数字钢相机、便携式信息终端、打印机或数字电视。PC15-1有内置的光通信模块1-1和1-3。PC15-2和电子设备16分别有内置的光通信模块1-2和1-4。光通信模块1-1和1-2用较长传输距离的光纤2-1作为传输媒体在PC15-1和PC15-2之间双向光通信。而且，在PC15-1和电子设备16之间，光通信模块1-3和1-4用较短传输距离光纤2-2作为传输媒体来执行双向光通信。光通信模块1-1到1-4相同，这样在下文中，它们用相同的参考数字1表示，除非它们的各模块有区别。对于光纤2-1和2-2，在两条光纤没有区别时，它们用参考数字2表示。可以从相关光通信模块1拆除光纤2-1和2-2，以便可以用不同长度的光纤来替换。本实施例描述了光纤2-1比光纤2-2长的情况。

在以上述方式使用的光通信系统3中，本发明按照传输距离(光纤长度)改变光纤2发射的光的分布，进一步按照所发射的光的分布改变接收所发射的光的光通信模块1的接收效率，从而减小接收光量的变化。

图6-8显示了辐射光数值孔径的FFP测量结果，即，在不同条件下从光纤2输出的接收光。图6显示了发射光4的数值孔径NAs比光纤2的数值孔径NAp小且光纤2短的情况下(相应于图3A，NAs＝0.1，NAp＝0.26，光纤2测定为1m)来自光纤2的辐射光(接收光5)的FFP测量结果。图7显示了发射光4的数值孔径NAs比光纤2的数值孔径NAp大且光纤2短的情况下(相应于图1A，NAs＝0.5，NAp＝0.26，光纤2测定为1m)来自光纤2的辐射光(接收光5)的FFP测量结果。当光纤2短(测定为1m)时，辐射光(接收光5)受到发射光4数值孔径NAs的很大影响。因而，在图6的情况下，接收光5的数值孔径NAf是0.15，它比光纤2的数值孔径NAp(0.26)小。图7的情况下，接收光5的数值孔径NAf是0.40，它比光纤2的数值孔径NAp(0.26)大。而且，如图8所示，当光纤2足够长时(测定为100m(相应于图1B和3B))，与发射光4的数值孔径NAs无关，接收光5的数值孔径NAf达到等于光纤2的数值孔径NAp的值(图8显示了虽然在NAs＝0.10时获得类似结果，但NAs＝0.50的情况)。

图9显示了使用发射和接收模块的光通信系统的实例，其中，使用因传输距离不同导致的辐射光分布变化。这里，光通信模块1的发射光4的数值孔径NAs比光纤2的数值孔径NAp大(NAs＞NAp)。这样，随着光纤2长度增加，接收光5的数值孔径NAf减小(即，当来自光纤2-1和2-2的接收光的数值孔径分别用NAf1和NAf2表示时，NAf1＜NAf2)。该条件下，光通信模块1的光学系统设置成每个光通信模块1的接收效率随辐射光的数值孔径NAf减小而变高(即，光通信模块1-1、1-2的接收效率η1大于光通信模块1-3、1-4的接收效率η2)。

图9中，发射透镜7(光传输系统)将发光元件6(半导体激光器或LED(发光二极管))辐射的发射光4的数值孔径变为NAs。然后，发射光4入射到光纤2上。另一方面，光纤2辐射有数值孔径NAf的接收光5。部分接收光5通过孔件8a，然后用接收透镜9会聚，以便用诸如光电二极管的光接收元件10来接收。用发射透镜7光学调节发射光4的数值孔径NAs。用孔件8a挡住部分接收光5，这样就不与光接收元件10耦合。如图9所示，用开口在其中央部分的孔件8a有可能获得接收效率随接收光5的数值孔径NAf减小而增大的接收光学系统。

如图9所示，当发射光4的数值孔径NAs大时，最好使用LED作为发光元件6。由于LED有比半导体激光器大的辐射角，所以用LED可以容易地获得有大数值孔径NAs的发射光4。而且，LED的驱动电路不贵，因此可以获得廉价的光通信系统3。但是，与半导体激光器相比，LED难以执行高速操作。因而应按光通信系统3要求的传输带在它们之间选择。

光接收系统不限于用孔件8a的系统。例如，图9中，可以配置较小直径的透镜作为光接收透镜9，而不用孔件8a，以便一部分接收光5(其外周部分)不与光接收透镜9耦合。或者，如图12所示，可以配置反光镜11a来代替孔件8a以便光接收透镜9只反射和会聚接收光5的向内辐射部分，从而不是所有大数值孔径的接收光5都与光接收元件10耦合。

图10显示了使用其它发射和接收模块的光通信系统的实例。图10中，类似于图9的部件用相同的数字表示。该实例中，光通信模块1的发射光4的数值孔径NAs比光纤2的NAp小(NAs＜NAp)，以便接收光5的NAf随光纤2的长度增大而增大(即，当来自光纤2-1和2-2的接收光的数值孔径分别用NAf1和NAf2表示时，NAf1＞NAf2)。该条件下，光通信模块1的光学系统设置成每个光通信模块1的接收效率随辐射光的NAf增大而增高(即，光通信模块1-1、1-2的接收效率η1比光通信模块1-3、1-4的接收效率η2大)。

为了容易地获得小数值孔径NAs的发射光4，半导体激光器可以用作发光元件6。用半导体激光器，也可获得宽传输带的光通信系统3。另外，通过减小发射光4的数值孔径NAs，可以减小经过光纤2传播发射光导致的模式色散，它的好处是拓宽了传输带。如上所述，按照要求的传输带和光通信系统3的应用来选择发射光4的数值孔径NAs和发光元件6。

如图10所示，设置在其外周部分开口的孔件8b实现了接收效率随接收光5的数值孔径NAf增大而增高的接收光学系统。如图13所示，作为接收光学系统，可以使用结构与图12所示反光镜相反的反光镜11b以便光接收透镜9只反射和会聚接收光的外周部分，所以小数值孔径的接收光5中央部分不与光接收元件耦合。

上述发光元件6最好应有所使用的光纤2的传输损耗较小的波长，成本也应当低。例如，当POF用作光纤2时，可以使用波长650nm的半导体激光器(可为DVD等批量生产)。当半导体激光器用作发光元件6时，可以在其后部附近布置监控光电二极管(未画)，这样就可能保持发光元件6的发光量。

作为光接收元件10，使用光电二极管，它将接收到的调制光的强度转换为电信号，在发光元件6的波长区域中高度响应。例如，可以使用PIN光电二极管、雪崩光电二极管等。

发射透镜(发射光学系统)7、接收透镜(接收光学系统)9不限于透镜。例如，只要曲面镜、全息照相元件等会聚发射光4或接收光(转换NA)，就可以用它们来代替。或者，发光元件6的辐射角同样可以起接收光5的数值孔径NAs的作用而不用发射光学系统。而且，孔件不限于上述8a和8b，可以使用和提供任何可以按照接收光5的数值孔径NAf改变接收效率的孔件。例如，可以使用不开口但是可以按照位置改变透射比的孔件。图11给出了接收光学系统的另一实例。

该接收光学系统中，接收透镜9将接收光5会聚到面积比光接收元件10的光接收表面19大的部分上。该聚光面积随接收光5的辐射角而变化。NAf越小，聚光面积就越小。即，随着NAf变小，接收光学系统可以用作有较高接收效率的系统。而且，即使接收光5直接与光接收元件10耦合而不使用接收透镜9，也可以获得类似效果。上述接收光学系统中，由于不要求减小聚光面积，好处是可以形成简单构型和低成本的光学系统。

下面，描述图9中的光通信模块1用于图5所示系统中光通信系统3的光通信模块1-1到1-4的情况下接收光量的变化。假设光纤2-1和2-2分别长50m和1m且是传输损耗0.2dB/m的POF，讨论接收光的质量，光通信模块1的该光学系统(1-1到1-4)设置成(即，孔件8a和接收透镜9最优化)当发射光量-3dBm且发射效率-2dB时，对于光纤长度为1m，NAf＝0.4，接收效率是-9dB，同时对于光纤长度为50m，NAf＝0.2、接收效率为-3dB。在光通信模块1-1和1-2(50m)之间执行通信时光纤的传输损耗为10dB，在光通信模块1-3和1-4(1m)之间执行通信时传输损耗为0.2dB。图14显示了该情况下传输距离和接收光量之间的关系。严格来讲，光纤2的传输损耗按发射光4的数值孔径NAs而变化，但是，本文中的描述是理论上的。这样，进行计算，假设每单位长度光纤2的传输损耗相同。结果，当传输距离为1m时接收光量为-14.2dBm，而传输距离为50m时接收光量为-18dBm。接收光量的差为3.8dB。

另一方面，图15显示了有传统光通信模块(除光通信模块之外与第一实施例的条件相同)的光通信系统应用于图5的系统的情况下传输距离和接收光量之间的关系，其中作为光特性，发射光量为-3dBm，发送效率为-2dB，接收效率为-3dB。如图15所见，光通信模块1-1和1-2之间的接收光量(传输距离50m)为-18dBm，而光通信模块1-3和1-4之间的接收光量(传输距离1m)为-8.2dBm。这样，产生了约10dB的差。接收光量的差可归因于光纤2-1和2-2之间长度的差(传输损耗)。因而，即使传统光通信模块有不同的光特性，也会获得类似的结果。

从上述结果，本发明图9中所示的设有光通信模块的光通信系统有可能将传统光通信系统中传输距离所致的接收光量变化从约10dB减小到约4dB(图15)。

图14所示的传输距离所致的接收光量变化的结果是使用图9所示光通信模块和执行单芯单向通信的情况。但是，即使应用另一通信模式，也会以相同的原理获得类似的值。图10所示的光通信模块中，接收光5的数值孔径NAf还按光纤2的长度来变化。这样，通过按照接收光的数值孔径NAf的变化来改变，与传统情况相比，有可能减小接收光量的变化。

如上所述，本实施例的光通信系统3配置成利用发射光4的数值孔径和光纤2的数值孔径之间的关系按照传输距离来改变接收光5的数值孔径。系统3也配置成通过构成例如图9或10所示的接收光学系统按照接收光5的数值孔径来改变光通信模块1的接收效率。上述配置有可能在长传输距离时提高接收效率。结果，可以减小接收光量因传输距离的差异而变化。可以只修改光通信模块1的光学系统(发射光学系统和接收光学系统)来实现这一减小，因而可以获得廉价、高性能的光通信系统3而不要求任何复杂的系统。

虽然图9和图10为了简便，显示了从左向右执行单向通信的光学系统，当然，易于通过改变光学系统的配置将本发明用于执行双向通信的光学系统。

图16示意性显示了适于使用光纤2执行全双工通信的光通信模块，作为图5所示光通信系统3中使用的光通信模块1(1-1到1-4)的具体实例。图16所示的光通信模块1有：发光元件6，用于产生发射光4(是数据信号基础上调制的光)；光接收元件10，用于来自光纤2的接收光5和产生数据信号；发射透镜7，用于会聚发光元件6辐射的发射透镜7和将它耦合到光纤2；和反光镜11，有用于反射光纤2辐射的接收光5并将其耦合到光接收元件10的曲面。该反光镜11有图13所示的平面反光镜11b和接收透镜9的组合功能。发射透镜7和反光镜11都形成在光学块12中。发光元件6设在底架17上，它由热辐射特性优良的材料制成，如SiC。监控光电二极管18布置在发光元件6的后部以便保持发光元件6亮度的同时监控。定位后，这些部件布置在晶体管座13上。晶体管座13电连接到没画出的电路上。

发光元件6产生的发射光4根据发光元件6的辐射角放射性发散。此后，已发散的发射光4转换为规定的数值孔径NAs并由发射透镜7会聚。会聚的光通过光学块12，然后耦合到光纤2。另一方面，光纤2发出的接收光5被从反光镜11反射向光接收元件10的方向，并由有弯曲的反光镜11会聚以便耦合到光接收元件10。即，光纤2的孔内发射光4的区域和接收光5的区域彼此在空间上分开，从而执行用光纤2的全双工通信。

为了用一条光纤2执行全双工通信，要求防止发射光4与接收光5干扰。为此，反光镜11有屏蔽部分14，屏蔽部分14布置成与光纤2接触或靠近它。一部分入射到光纤2上的发射光4从光纤2的端面反射。但是，光纤2反射的光被屏蔽部分14挡住，因此不耦合到光接收元件10。以这种方式，可能防止发射光4与接收光5光学干扰。而且，由于反光镜11有将光接收元件10从发射部分光学分开的功能(图16中，是布置了发光元件6和发射透镜7的反光镜11的右侧)，防止射向光纤2的发射光4的分量和光通信模块1中散射的发射光4的分量(内散射光)与光接收元件10耦合。

发射光的数值孔径NAs设置成比光纤2的数值孔径NAp大。即，设定发射光的数值孔径以便接收光5的数值孔径NAf随传输距离增大而增大。配置反光镜11以便有效接收光纤2的外周部分辐射的接收光5。即，反光镜11设置成光通信模块1的接收效率随接收光数值孔径NAf增大而增高的方式。用放大器(前置放大器)(未画)对光接收元件10接收的接收光5进行电流-电压转换。由于光通信模块1中接收光的质量变化不显著，所以可以设置小的前置放大器动态范围，这样，就可以实现廉价的电路结构。而且，如上所述，只用这种光通信模块1就可以获得光通信系统3，其中，不同传输距离导致的接收光量变化小，不改变其它系统。

已经用实例的方式给出了用于这些根据本发明的系统的上述光通信系统3和光通信模块1，应当了解，本发明不限于这些实例。当然可以对上述光通信系统3和光通信模块1a进行修改。

(第二实施例)

下面，参考图17描述本发明的光通信系统的第二实施例。图17中，与图5中相同或类似功能的部件用相同的数字表示，不再赘述。

第一实施例中，光纤2-1和2-2有相同的数值孔径NAp(即，使用与传输距离的差异无关而有相同的特性光纤2)。反之，第二实施例中，使用因传输距离而数值孔径NAp1和NAp2不同的光纤2-3和2-4。

第二实施例中，接收光的数值孔径NAf不随发射光的数值孔径NAs和光纤2的数值孔径NAp改变，但用因传输距离不同而数值孔径NAp1和NAp2不同的光纤2(2-3和2-4)。

如上所述，接收光5的数值孔径NAf由发射光4的数值孔径NAs、光纤2的数值孔径NAp和传输距离来确定。不用说，光纤2的数值孔径Nap增大，接收光5的数值孔径NAf就增大。例如，在光通信模块1-1和1-2之间通信的情况下(当长传输距离时)，使用较小数值孔径NAp1的光纤2-3，而在光通信模块1-3和1-4之间通信的情况下(当短传输距离时)，使用较大数值孔径NAp2的光纤2-4。那么，使用图9所示的光通信模块1，其中，接收效率随接收光的数值孔径NAf增大而降低。因为光纤2-3和2-4有不同的数值孔径NAp1和NAp2，所以当长传输距离时接收光5的数值孔径NAf变小，而短传输距离时接收光5的数值孔径NAf变大。因而，有可能减小因传输距离差异导致的接收光量变化。这种情况下，由于接收光5的数值孔径NAf随光纤2-3和2-4变化，可以自由选择光通信模块1的发射光4的数值孔径NAs。

光纤2的NAp根据传输距离(光纤长度)逐步变化。例如，可以下面的方式变化：对于0-5m的传输距离，NAp＝0.5；对于5-20m，NAp＝0.4；对于20-50m，NAp＝0.3，对于50-100m，NAp＝0.2。反之，当然可以将NAp设置成随传输距离增大而增大(NAp1＞NAp2)。但是，当大数值孔径NAp时，传输带因模式色散的影响而变窄。这样，最好将光纤2的数值孔径NAp设置成当传输距离变长时NAp变小(在光纤2-3的情况下)。

如上所述，图17所示第二实施例的光通信系统中，接收光的数值孔径NAf随光纤2(2-3、2-4)的数值孔径NAp的变化而变化，光通信模块1(1-1到1-4)的接收效率随接收光的数值孔径NAf改变，从而可以获得接收光量变化小的光通信系统。可以只用光纤2和接收光学系统来实现上述系统，可以获得廉价而结构简单的光通信系统。

(第三实施例)

下面，参考图18和19描述本发明的光通信系统的第三实施例。图18和19中，与第一和第二实施例中相同或类似功能的部件用相同的参考数字表示，不再赘述。

本实施例注重于适于共存有不同通信速度或不同光特性的光通信模块1时的光通信系统。作为一个实例，讨论图18所示的光通信系统3，其中用两条光纤2(2A、2B)提供双向光通信。用光纤2(2A、2B)作为传输媒体在第一光通信模块1A和第二光通信模块1B之间提供光通信。光纤2A用于从第一光通信模块1A向第二光通信模块1B传输，而光纤2B用于反向传输。第一光通信模块1A的发光元件6A辐射的第一发射光4A由发射透镜(发射光学系统)7A会聚和耦合到光纤2A。光纤2A辐射的接收光5B由第二光通信模块1B的接收透镜(接收光学系统)9B会聚和耦合到光接收元件10B。因而，执行光通信。以类似的方式，用光纤2B提供从第二光通信模块1B到第一光通信模块1A的光通信。而且，第一和第二光通信模块1A和1B中的相应部件用相同的数字表示，加上符号A或B。

在上述光通信系统3中，第一和第二光通信模块1A和1B最大传输速度不同(当在模块之间执行通信时，用较小的速度)。当第一光通信模块1A的最大传输速度比第二光通信模块1B的最大传输速度小时，光通信系统最好配置成第一发射光4A的数值孔径NAs1和第二发射光4B的数值孔径NAs2满足下面的关系：NAs1＞NAp，NAs2＜NAp。如第一实施例中描述的那样，通过使发射光4的数值孔径NAs与光纤2的数值孔径NAp不同，可以用接收光的数值孔径NAf随传输距离改变的现象，所以可以如第一实施例中所述那样减小因传输距离导致的接收光量变化。而且，在光通信系统3的一些应用中，可以结合使用不同通信速度的光通信模块。例如，在小尺寸电子设备中，尺寸和成本的减小比其通信速度更重要，这样，使用相对低速的第一光通信模块1A。在第一光通信模块1A中，最好用价格低廉的LED作为光源。LED由大的辐射角。因而，设置大的数值孔径NAs1会简化发射光学系统7A的结构。另一方面，在要求高速通信的第二光通信模块1B中，用小辐射角的LD作为光源。因而，设置小的数值孔径NAs2可以使发射光学系统7B的结构简单。

另外，光通信系统3可以包括光通信模块1，它的光特性(发射光4的数值孔径NAs)未知(例如，不同制造者制造的光通信模块1)。即使发射光4的数值孔径NAs和光纤2的数值孔径NAp之间的关系未知，如图2和4所示，在长传输距离时辐射光(接收光5)的数值孔径NAf也保持与光纤2的NAp接近。因而，接收光学系统最好设置成接收效率在接收光5的数值孔径NAf等于光纤2的数值孔径NAp时达到最大。上述接收光学系统也可以用在不同通信速度共存的光通信模块1的情况下。即，即使发射光4的数值孔径NAs比光纤2的数值孔径NAp大，或反之，接收光的数值孔径NAf也随传输距离增大而接近光纤2的数值孔径NAp。反之，当短传输距离时，发射光的数值孔径NAs的影响持续存在。这样，接收光的数值孔径NAf与光纤2的数值孔径NAp不同，其中NAf变化。因此，光通信模块1的接收光学系统应配置成接收效率在接收光5的数值孔径NAf约等于光纤2的数值孔径NAp时达到最大，接收效率随接收光5偏离光纤2的数值孔径NAp而减低。

图19显示了这种接收光学系统的一个实例。图19中，在光纤2辐射的接收光5的所有分量中，在接收透镜(接收光学系统)9的一部分上形成的屏蔽部分20A挡住了相对于相应于光纤自己的数值孔径的辐射角有小辐射角的光分量，这样，不与光接收元件10耦合。而且，接收透镜(接收光学系统)9的外周部分上形成的屏蔽部分20B挡住了大辐射角的光分量，这样，就不与光接收元件10耦合。即，在NAf＞NAp的情况下，屏蔽部分20B要挡住的接收光5的分量增大，而在NAf＜NAp的情况下，屏蔽部分20A要挡住的接收光的分量增大。通过优化这些屏蔽部分20A和20B的布置或位置以及接收透镜9的光特性，可能获得NAf≈NAp时接收效率达到最大的接收光学系统。例如在NAp＝0.3的情况下，接收光学系统最好构成和配置成接收效率在NAf处于约0.25-0.35的范围内时达到最大。即，接收光学系统最好设置成当NAf满足关系NAp-0.05＜NAf＜NAp+0.05时，接收效率达到最大。可以减小接收透镜9的直径以使大辐射角的光分量不与接收透镜9耦合来代替在接收透镜9的外周部分形成屏蔽部分20B。对于接收透镜9内部的屏蔽部分20A，使它与光纤2的光轴对准，可以挡住小辐射角的光分量。当然，NAf≈NAp时接收效率达到最大的接收光学系统不限于图19所示的配置。

图20显示了接收光5的数值孔径NAf比NAp小(短光纤2时)且数值孔径NAf等于NAp(长光纤2时)(即，执行从第二光通信模块1B到第一光通信模块1A的通信)的情况下FFP中屏蔽部分20A挡住的部分。也在NAfNAp时，获得类似于NAf＝NAp情况下的曲线。从图20可以明了，在NAf＜NAp的情况下(实线所示)，屏蔽部分20A挡住面积的比率(即，挡住部分的整个面积和FFP曲线面积之比)与NAf＝NAp的情况(虚线)相比较大。即，短光纤2时基本满足NAf＜NAp。这样，光纤2的传输损耗小。因此，抑制了接收光量变化(类似于第一实施例)。

而且，如图21所示，在从第一光通信模块1A到第二光通信模块1B通信的情况下，短光纤2时保持NAf＞NAp，与图20所示情况相反。因而，屏蔽部分20B挡住的面积比率在NAf＞NAp的情况下比NAf＝NAp的情况下大(也如在NAf≈NAp的情况下)。虽然屏蔽部分20A挡住面积的比率有与屏蔽部分20B挡住面积比率相反的趋势，将屏蔽部分20A挡住面积设置成比屏蔽部分20B挡住面积小，会在短光纤2时使接收效率低。因此，有可能减小接收光量随传输距离的变化。另外，当在第一光通信模块1A之间或第二光通信模块1B之间提供通信时，由于接收效率在长传输距离时变长(NAf≈NAp)，有可能减小接收光量的变化。

如上所述，根据上述实施例，即使在光通信系统中包括通信速度不同或有未知光特性的光通信模块，也可以减小因传输距离差异所导致的接收光量变化。而且，可以制成廉价的光通信系统。

已经详细描述了3个实施例，本发明可用于以下任何通信模式：(1)用一条光纤2，或用多条光纤；(2)执行双向通信，或执行单向通信；和(3)执行同时(全双工)通信，或执行半双工通信。本发明也可用于上述模式的任何组合(例如，用单芯光纤执行双向全双工通信的组合模式)。

从上述描述可以明了，根据本发明，可以减小因不同传输距离导致的光通信模块之间接收光量变化。这有可能获得传输距离较长的光通信系统。另外，利用接收光的数值孔径随传输距离变化的现象，可以减小接收光量的变化。因而，只用光通信模块的光学系统就可以实现上述减小。由于不要求额外的电路或系统，可以有效获得结构简单的廉价光通信系统。本发明也最好应用于有不同通信速度或不同光特性的光通信模块共存的光通信系统。也可以在这种情况下实现上述效果。

这样，描述了本发明，很明显，可以用许多方法变化它。这种变化不是背离本发明的精神和范围，对于本领域的技术人员来说明显的各种修改包括在下面的权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种光通信系统，至少用第一光纤和传输距离比第一光纤短的第二光纤在多个光通信模块之间执行数据通信，包括：

用于根据光纤的传输距离，在光传过光纤后，改变各光纤辐射的接收光数值孔径的装置；和

用于根据接收光的数值孔径，改变接收接收光的光通信模块接收效率的装置，

其中，用于变化光通信模块接收效率的装置改变接收效率，以保持η1＞η2，这里，η1表示连接到传输距离较长的第一光纤的光通信模块的接收效率，η2表示连接到传输距离较短的第二光纤的光通信模块的接收效率。

2.根据权利要求1的光通信系统，其中，用于改变光通信模块接收效率的装置使从相关光纤辐射的接收光的数值孔径等于该光纤数值孔径时接收效率最大。

3.根据权利要求1的光通信系统，其中，保持NAf1＜NAf2和NAs＞NAp，这里，NAf1和NAf2分别表示基于第一和第二光纤辐射光的接收光的数值孔径，NAs表示来自相关光通信模块要进入每条光纤的发射光的数值孔径，NAp表示每条光纤的数值孔径。

4.根据权利要求1的光通信系统，其中，保持NAf1＜NAf2和NAp1＜NAp2，这里，NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAp1和NAp2分别表示第一和第二光纤的数值孔径。

5.根据权利要求1的光通信系统，其中，保持NAf1＞NAf2和NAs＜NAp，这里，NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAs表示来自相关光通信模块要进入每条光纤的发射光的数值孔径，NAp表示每条光纤的数值孔径。

6.根据权利要求1的光通信系统，其中，保持NAf1＞NAf2和NAp1＞NAp2，这里，NAf1和NAf2分别表示基于来自第一和第二光纤的辐射光的接收光的数值孔径，NAp1和NAp2分别表示第一和第二光纤的数值孔径。

7.根据权利要求1的光通信系统，其中，多个光通信模块包括第一光通信模块和第二光通信模块，保持NAs1＞NAp和NAs2＜NAp，这里，NAs1表示来自第一光通信模块要进入相关光纤的发射光的数值孔径，NAs2表示来自第二光通信模块要进入相关光纤的发射光的数值孔径，NAp表示每条光纤的数值孔径。

8.根据权利要求7的光通信系统，其中，第二光通信模块的最大通信速度比第一光通信模块大。

9.根据权利要求1的光通信系统，其中，改变光通信模块接收效率的装置防止来自光纤的辐射光的光分量与相关光接收元件耦合，所述光分量是辐射角比相应于光纤的数值孔径的辐射角小的光分量，和/或辐射角比相应于光纤的数值孔径的辐射角大的光分量。

10.根据权利要求1的光通信系统，其中，改变光通信模块接收效率的装置包括只发射光纤辐射的一部分接收光的孔件。

11.根据权利要求1的光通信系统，其中，改变光通信模块的接收效率的装置包括只反射光纤辐射的一部分接收光的反光镜。

12.根据权利要求1的光通信系统，其中，改变光通信模块的接收效率的装置将光纤辐射的接收光会聚到比相关光接收元件的光接收面积大的面积上。

13.根据权利要求1的光通信系统，其中，每条光纤是塑料光纤。

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