CN1517734A - 使用片状导光体的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明在片状导光体得到良好的光射出效率和均匀的射出光强度分布，并获得可双向通信的通信系统。在片状的光学介质内含有散射光的粒子，由上述粒子对从一端面射入的信号进行散射，同时传递到与受光器连接的另一端面侧，在使用了上述片状导光体10的通信系统中，上述粒子的散射截面积为Φ，上述光学介质的光传递方向长度为L_G、粒子密度为Np、修正系数为Kc时，Φ·Np·L_G·Kc的值在0.9以下。

Description

使用片状导光体的通信系统

技术领域

本发明涉及使用导光体，更详细讲，使用片状光学介质内含有散射光的粒子，并通过粒子将从一端面入射的光一边进行散射，一边传递到另一端面的片状导光体的通信系统。

背景技术

以前公知的导光体是，例如专利文献1和专利文献2所示的，在PMMA(聚甲基甲基丙稀酸酯)等光学介质内，含有散射光的粒子，并通过该粒子将从一端面入射的光一边进行散射，一边传递到另一端面侧的导光体。

这种导光体的优点是在其侧端面与周围介质(空气或金属包层)的界面处，具有全反射作用，此外，由于一边由光学介质内的粒子重复散射，一边传递光，与只靠全反射作用传递光的导光体比较，可以从射出端面射出强度更均匀的光。可以认为有效利用其优点的这种导光体，例如专利文献3所示，使用片状的光学介质形成，在其一端面上结合上一个输入光信号的输入部分，同时在另一端面上结合上数个输出部分，使输入的光信号以共同的信号分配在数个输出部分上，构成光数据总线(片总线)方面适用。

作为这种光数据总线，以众所周知，例如专利文献4所示，在片状光学介质的光入射侧端部上，与各信号光入射部分相对应设置光扩散部分，由该光扩散部分进行扩散，使形成分支的信号光向着该光学介质的光射出侧端部传递。

(专利文献1)

特许第3162398号公报

(专利文献2)

特许第3184219号公报

(专利文献3)

特开平10-123350号公报

(专利文献4)

特开平11-31035号公报

在专利文献4中示出的光数据总线中，认为存在的问题是需要由一边100μm形成的多个单位光学元件构成光扩散部分，制作极其困难。若在片状光学介质的一侧端部形成这样的光扩散部分，在其端部侧，实际上不可能进行光检测，不得不将该端部限定为光入射侧，因此，通过这种片状光学介质，不可能进行双向通信。

若使用专利文献3中示出的片状导光体，可进行双向通信。然而，以前的这种片状导光体中，不可能简单地获得所要求的光射出效率，和实现均匀射出光强度分布的设置条件。因此，以前得到所要求特性的导光体，所采用的方法是改变光学介质内所含粒子的粒径和粒子密度，制作出多个导光体样品，从中选出可获得要求光射出效率和均匀射出光强度分布的导光体的方法，或通过使用计算机进行大量模拟获得设置条件的方法。

发明内容

本发明鉴于上述情况，其目的是提供一种使用片状导光体的通信系统，在片状导光体中，可获得良好的光射出效率和均匀的射出光强度分布，并能进行双向通信。

根据本发明使用片状导光体的通信系统，在使用片状导光体的通信系统中，如前所述，该片状导光体是在片状的光学介质内含有进行散射光的粒子，并由该粒子将从一端面射入的信号光一边进行散射，同时传递到结合了受光器的另一端面侧，其特征在于，

将上述粒子的散射截面积取为Φ，将上述光学介质的光传递方向长度取为L_G、将粒子密度取为N_P、将修正系数取为K_C时，Φ·N_P·L_G·K_C的值在0.9以下。

根据本发明的使用片状导光体的通信系统中，将系统△的rms(rootmean square)噪音取为Noise(System_rms)、将允许的误码率取为BER(accept)、Noise(System_rms)的发生概率取为Pr(Noise(System_rms))时，将Q取为比例常数，最好满足下式。

Pr(Nolse(System rms)·Q)＝BER(accept)

进而，根据本发明的使用片状导光体的通信系统中，将系统△的rms噪音取为Noise(System_rms)、将2值化中的任意阈值取为V(Thresh)、将通过负荷电阻从受光器输出的信号电压取为S(P Rmin)V时，将Q取为比例常数，最好满足下式。

{S(P Rmin)v-V(Thresh)}＞Noise(System_rms)·Q

本发明中所使用的上述片状导光体，根据Snell’s Law，除了射入·射出端面之外，入射光在各个面内反复进行反射，将周围介质的折射率取为Ns、将母体材料的光学介质折射率取为Nm、将入射角取为θm、折射角取为θs时，在不含有粒子的情况下，如果是Nm·sinθm＝Ns·sinθs的话，最好由满足sinθs＞1形状的光学介质构成。

上述片状导光体，根据Snell’s Law，至少从1个射出端面射出的光线在该射出端面中的反射·折射，将周围介质的折射率取为Ns、将形成母体材料的光学介质折射率取为Nm、将入射角取为θm、折射角取为θs时，在不含有粒子的情况下，如果是Nm·sinθm＝Ns·sinθs的话，最好由满足sinθs＜1形状的光学介质构成。

另外，本发明中使用的片状导光体中，混入光学介质中的粒子，根据米氏散射理论，可以是非磁性的传导体粒子。也可以按粒子密度梯度将粒子混入光学介质中。

进而，该片状导光体也可以将多种光学介质组合构成。

在上述专利文献1和2中，提出一种利用折射率不均匀构造，或者将电介质粒子混入·扩散在光学介质中，实现要求光强度分布的导光路。在这些专利文献1和2中记载了通过应用德拜的浊度(Turbidity)理论(Jowrnal of Applied physics Vol.20 pp.518-525(1949))，可提高散射光强度，而且在射出口可实现均匀的光强度分布。德拜在Einstein的“关于在气体或液体中电介率的热波动理论”(Annalen Der physik 33 pp.1275-1298(1910))中，引用了有关散射光的考虑，上述论文中的Einstein式如下。

i/Io＝(RT/N)·[(ε-1)²(ε+2)²/P]·(2π/λ)⁴[V/(4πD)²]cos²θ  ……(1)

其中：

    i：在距离散射体D距离处的光强度

    Io：入射光的强度

    R：气体常数

    T：绝对温度

    N：1克分子中的分子数

    ε：相对于波长λ的折射率平方(电介率)

    P：加在流体上的压力

    λ：波长

    V：光散射体的体积

    D：光散射体到观测点的距离

    θ：散射角

上述Einstein式，由德拜畸变，以下式表示。

i/I＝<η>²/ε²(π²V/λ⁴R²)·(1+cos²θ)/2·ω  ……(2)

其中

    i：离散射体距离D处的光强度

    Io：入射光的强度

    ε：散射体的电介率

    <η>：散射体的电介率波动平方平均值

    R：观测点到散射体的距离

    λ：波长

    V：光散射体的总体积

    θ：散射角

    ω：相关体积

而且，ω＝4π∫sin(ksr)/ksr·r²γ(r)dr……(3)

K：波数

s：入射光的单位向量和射出光的单位向量之合成向量的长度

r：产生电介质波动的2点间距离

s＝2sin(θ/2)。

根据德拜的见解，相关体积ω，将相关系数γ(r)取为

γ(r)＝exp(-r/a)(a：相关距离)时，可以积分，因此(3)式表示成

ω＝8πa³/(1+k²s²a²)²        ……(4)

根据(2)、(4)式

i/I＝<η>²/ε²(π²V/λ⁴R²)·(1+cos²θ)/2·8πa³/(1+k²s²a²)²

其中，使用S＝2sin(θ/2)，(2)式变成

i/I＝4πa³<η>²/ε²(π²V/λ⁴R²)·(1+cos²θ)/(1+8π²(1-cosθ)(a/λ)²)²……(5)。

(4)式的散射角强度一项，如以下所示。

f(θ)＝(1+cos²θ)/(1+8π²(1-cosθ)(a/λ)²)² ……(6)

(计算该(6)式代表值(a/λ)以求出散射角标准化强度，结果示于图1。另外，根据米氏散射理论，以代表性粒径Dp的值求出散射角标准化强度，结果示于图2。

若根据专利文献1和2，由于认为粒径大致等于相关距离，所以根据图1可知，若粒径的大小与波长一样的话，前方散射光的强度增强，当粒子经超过波长10倍时，侧方散射光的强度变得极强，光已不再向前方进行。另一方面，若根据米氏散射理论，如图2明确的，即使粒径超过波长10倍，前方散射光的强度仍很强。根据德拜的浊度理论，可知近似于γ(r)＝exp(-r/a)的情况，粒径与波长一样时，接近于米氏散射的结果，由此，对于较大的粒径，与米氏散射理论也会产生很大的偏差。

根据以上考察，认为向要求的光学介质中混入产生光散射的粒子，可使入射光形成均匀强度的分布，为了射出，作为所用的计算方法，在粒子大小远远小于波长时，表现出瑞利(Rayreigh)散射，远远大于时，表现出Hoygens-菲涅耳(Fresnel)衍射，所以米氏(Mie)散射理论更为确切。进而，认为米氏散射理论是1粒子体系，对于多粒子的散射，根据米氏散射理论，必须以多粒子体系解析。

当制造本发明中所用的片状导光体时，根据以上考察，可简单地求出实现要求光射出效率的设置条件。以下对该方法作详细说明。

(散射截面积)

首先对散射截面积Φ进行说明。不限于米氏散射理论，在可见光以外，γ射线和X射线等放射线区域或红外线和微波等长波区域内，可广泛使用所谓散射截面积的概念。粒径和波长的关系处于瑞利区域时，散射截面积Φ可以下式表示。

Φ＝128·π⁵·(a_p ⁶/3λ⁴)·{(n²-1)/(n²+2)}²    ……(7)

式中：a_p：粒子半径

      λ：入射光的波长

      n：相对折射率

另外，在米氏的理论中，散射截面积以下式(8)表示。

(数1)

$\mathrm{\&Phi;}=({\mathrm{\&lambda;}}^2/2\mathrm{\&pi;})\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}(2n+1)\&CenterDot;[{\left|a_n\right|}^2+{\left|b_n\right|}^2]-----\left(8\right)$

λ：入射光的波长

$a_n=\frac{\mathrm{\&phi;n}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\text{'}n\left(\mathrm{\&beta;}\right)-N\&CenterDot;\mathrm{\&phi;n}\left(\mathrm{\&beta;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\text{'}n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)}{\mathrm{\&zeta;n}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\text{'}n\left(\mathrm{\&beta;}\right)-N\&CenterDot;\mathrm{\&phi;n}\left(\mathrm{\&beta;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&zeta;}\text{'}n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)}$

$b_n=\frac{N\&CenterDot;\mathrm{\&phi;n}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\text{'}n\left(\mathrm{\&beta;}\right)-\mathrm{\&phi;n}\left(\mathrm{\&beta;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\text{'}n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)}{N\&CenterDot;\mathrm{\&zeta;n}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\text{'}n\left(\mathrm{\&beta;}\right)-\mathrm{\&phi;n}\left(\mathrm{\&beta;}\right)\&CenterDot;\mathrm{\&zeta;}\text{'}n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)}$

ψn(kr)＝(πkr/2)·Jn+1/2(kr)

Jn+1/2(kr)：第1种Bessel函数

k：波数(2π/λ)

r：极坐标中的距离成分

ψn’：ψn的导函数

ζn(kr)＝ψn(kr)+i·xn(kr)

xn(kr)＝-(πkr/2)·Nn+1/2(kr)

Nn+1/2(kr)：Neumann的第2种Bessel函数

ζ’n：ζn的导函数

α＝2πa/λ

β＝N·α

上述(8)式中a/λ＞＞1的极限中，散射截面积Φ为

Φ＝Mπa_p ²(收敛时：M2)    ……(9)这样根据(8)式，可知在2πa_p/λ1的区域内，上述M在1＜M＜6之间进行振动。

因此，图3a、b和c中，分别示出了相对折射率n为1.1、1.5、2.1时M的振动形式。根据这些图可知，米氏散射区域内的散射截面积Φ，由于粒径Dp的增大，而进行振动·收敛(会聚)。在该振动区域内，在相对折射率n从1到2的宽范围内，根据图3a-c中各粒径，可求出米氏散射区域内收敛的几何学散射截面积乘以πa_p ²的数值。

根据上述(7)、(9)式，以几个相对折射率n求出粒径Dp和散射截面积Φ的关系，结果示于图4。根据米氏散射理论，利用计算机模拟求出多粒子体系的粒径Dp和乘以某数值的粒子密度例数之间的关系，结果示于图5。

在这些个计算机模拟中，进行将具有某有限扩展角的光，射入内部含有粒子的，具有10mm见方到1000mm见方的各种大小立方体形状的光学介质中。即，相似地变化入射光和立方体的大小。在从瑞利散射区域到菲涅耳衍射区域很宽的范围内变化粒径Dp。在这些计算机模拟中，使光线从与入射侧相对的位置，以与入射光同方向射出，在立方体的光射出端，光的射出效率约为80％。

从图4和图5可知，在散射截面积和有限大小的光学介质中粒子数之间存在着密切的关系。

(朗伯-比尔(Lambert-Beer)法则和散射截面积)

将平行光束射入等方介质中的透射率T，根据Lambert-Beer法以下式表示。

T＝I/Io＝exp(-ρ·x)      ……(10)

式中，x：距离

      Io：入射光强度

      I：射出光强度

      ρ：衰减常数

上述衰减常数ρ，认为是将粒子的散射截面积取为Φ、将介质中所含的每单位体积的粒子数取为Np时，为

ρ＝Φ·Np·Kc             ……(11)

其中，Kc是光在有限空间的光学介质中传递时，由经验求出的无因次的修正系数。

这样就设计导光体而言，一般所需要的参量是体积V、混入粒子数NPT和粒径Dp，这种情况下，要研究射出强度如何变化。

因此，Np＝N_PT/V。进而，根据图4和图5的比较·类推，以及未图示的几个数据，确定Kc。在该计算中，根据图4、图5和未图示的几个数据，得到Kc＝0.004。粒径Dp和散射截面积Φ，对应于(7)、(9)式，当将光学介质中沿光轴方向的长度取为L_G时，光的射率效率Eout为下式。

Eout＝exp-{(-Φ·Np·L_G·Kc)}      ……(13)

根据该(13)式可知，若Φ·Np·L_G＝CONST的话，射出效率可保持恒定。即，可根据光学介质中沿光轴方向的长度，变化Np。

进而，不存在粒子的情况下，以综合了依赖立体形状、入射光强度分布、入射角度的菲涅耳损失和内部透射率等的损失系数KL表示，上述(13)式变成

Eout＝exp{-(Φ·Np·L_G·Kc)}·K_L         ……(14)

即，可根据粒子的散射截面积Φ、粒子密度Np、光学介质中光传递方向的长度L_G、修正系数Kc和损失系数K_L确定射出效率Eout。换句话说，要得到所要求的光射出效率Eout，只要满足上述(14)式，就能实现该光射出效率Eout。

(菲涅耳损失因子)

菲涅耳损失，首先考虑反射率，若将P偏光成分取为Rp、将s偏光成分取为Rs的话，得到下式。

Rp＝tan(θi-θr)/tan(θi+θr)      ……(15a)

Rs＝-sin(θi-θr)/sin(θi+θr)     ……(15b)

式中：θi：入射角

      θr：折射角

因此，根据(15a)、(15b)反射光的强度Ir为

Ir＝(Rp²+Rs²)/2                    ……(16)

根据该式(16)，透射光强度It为

It＝1-Ir                           ……(17)考虑到入射光的强度分布时，将透射光强度取为It’时，(17)式变成

It’(θi)＝It(θi)·D(θi)      ……(18)

D(θi)：强度分布函数

(菲涅耳损失的计算)

将具有任意扩展角的光束射入光学介质中时，相对于任意的入射角θi，变化菲涅耳损失。将光束的最大入射角取为θmax时，境界面处的菲涅耳损失以下式表示。

(数2)

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&theta;}}\stackrel{\max }{\mathrm{It}}\left(\mathrm{\&theta;i}\right)\&CenterDot;D\left(\mathrm{\&theta;i}\right)\mathrm{d\&theta;i}/{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&theta;}}\stackrel{\max }{D}\left(\mathrm{\&theta;i}\right)\mathrm{d\&theta;i}---------\left(19\right)$

为了计算简单化，将入射光的强度分布取为矩形时，上述(19)式变成。

(数3)

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&theta;}}\stackrel{\max }{\mathrm{It}}\left(\mathrm{\&theta;i}\right)\mathrm{d\&theta;i}/{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&theta;}}\stackrel{\max }{\mathrm{d\&theta;i}}------\left(20\right)$

根据该(20)式，求出相对于光学介质的各折射率的菲涅耳损失，结果示于图6。该图6中，表示损失是在纵轴上取为透射率，即，透射率1为0损失(零点)。

(含有菲涅耳损失的光透射效率计算)

从上述图6可知，入射角在30°以下时，即使光学介质的折射率和周围介质的折射率有很大不同，菲涅耳损失也会大致相同。并认为光学介质为片状长方体时，在反射·折射中，光线都保存方向余弦，不存在粒子的情况下，入射角和射出角相同。在内部透射率可接近于Tin1时，入射面的透射率和射出面的透射率之积，达到总透射率Ttotal。因此，当将光学介质的折射率取为n＝1.5时，达到Ttotal＝0.92。

因此，(14)式变成

Eout＝exp{-(Φ·Np·L_G·Kc)}·0.92      ……(14b)

根据(14b)式，求出粒径和光射出效率的关系，结果示于图7a～e。入射光具有强度分布时，和入射光的入射角度达到30°以下时，根据(19)式、(20)式求出菲涅耳损失，并代入(14b)式中。但是，射出时，考虑到临界角，入射光的扩展，以半角计，最好达到30°左右。

上述图7a～e中示出了本计算方法中，首先，确定各粒径的平均目标光射出效率，与其相对各粒径中的计算值(10mmC、100mmC、1000mmC)和计算机中所用粒径、粒子密度形成的精密模拟结果(S 10mm、S 100mm、S 1000mm)。平均的目标光射出效率，在图7a、7b、7c、7d、7e中，分别为80％、70％、60％、50％、40％。散射截面积Φ，粒径为20nm时，根据瑞利理论求出，粒径在200nm以上时，根据米氏理论求出。S表示模拟，C表示本计算。数值表示光学介质中光传递方向的长度L_G。

若根据图7a～e，平均的目标光射出效率在60％以上的话，与精密的模拟结果，误差小于10％，可知基本一致。即，换句话说，就是Φ·Np·L_G·Kc的值，若在0.4以下，误差小于10％。同时表示，即使上述值在0.9以下，误差也小于50％。K_L的值，使用由经验求出的值0.92。进行模拟和试作，即使产生50％左右的误差，为了对光射出效率，选取目标，认为没有任何问题。即使不说，只要误差小于10％，也就没有必要进行模拟，只评价几种样品就可了，由于没有必要花费功夫，所以获得了提高开发效率的效果。

根据上述结果，认为即使不依赖于复杂的米氏散射理论，以比较简便的瑞利区域和米氏散射收敛区域的结果为基础，使用(14)式，对于光射出效率也能获得良好的予测解释。本发明的方法就是鉴于这种见解形成的，如前所述，通过满足下式，就能实现所要求的光射射出效率。

Eout＝exp{-(Φ·Np·L_G·K_C)}·K_L

(计算实例)

根据(14)式，对片状长方体的计算结果于表1～3和图8a～c中。以曲线表示表1中数据的是图8a，同样表2和图8b、表3和图8c依次对应。这些表中的计算结果，Φ·Np·L_G·Kc的值都在0.9以下。任何一种情况的KL值都为0.92。

表1

Eout＝0.8
						粒径(nm)	散射截面积(m2)	粒子密度(个/mm3)	W×T×LG(mm)	射出效率(14)式(％)	射出效率SIM(％)
20	1.1×10-22	1.0×1013	4×1×20	84	87
						2.5×1012	16×1×80	88
		6.3×1011	64×1×320		88
						200	1.5×10-14	3.0×107	4×1×20	89	89
7.5×106	16×1×80	89
			1.9×108	64×1×320	89
2000	12.6×10-12	3.0×105						4×1×20	68		75
			7.5×104	16×1×80	76
		1.9×104				64×1×320	76
			20000	6.3×10-10	3.0×103			4×1×20		79	86
7.5×102	16×1×80	86
					1.9×102	64×1×320	86
200000	6.3×10-8	3.0×101						4×1×20	79		90
			7.5×100	16×1×80	90
		1.9×100				64×1×320	90
			长方体(片)  注)SIM：模拟

表2

Eout＝0.7
						粒径(nm)	散射截面积(m2)	粒子密度(个/mm3)	W×T×LG(mm)	射出效率(14)式(％)	射出效率SIM(％)
20	1.1×10-22	2.0×1013	4×1×20	78	82
						5.0×1013	16×1×80	83
		1.3×1012	64×1×320		83
						200	1.5×10-14	6.0×107	4×1×20	85	85
1.5×107	16×1×80	85
			3.8×106	64×1×320	84
2000	12.6×10-12	4.5×105						4×1×20	59		65
			1.1×105	16×1×80	65
		2.8×104				64×1×320	58
			20000	6.3×10-10	4.5×103			4×1×20		73	79
1.1×103	16×1×80	79
					2.8×102	64×1×320	70
200000	6.3×10-8	4.5×101						4×1×20	73		86
			1.1×101	16×1×80	86
		2.8×100				64×1×320	78
			长方体(片)    注)SIM：模拟

表3

Eout＝0.6
						粒径(nm)	散射截面积(m2)	粒子密度(个/mm3)	W×T×LG(mm)	射出效率(14)式(％)	射出效率SIM(％)
20	1.1×10-22	3.2×1013	4×1×20	70	78
						8.0×1012	16×1×80	79
		2.0×1012	64×1×320		79
						200	1.5×10-14	1.2×108	4×1×20	79	78
3.0×107	16×1×80	78
			7.5×106	64×1×320	77
2000	12.6×10-12	9.0×105						4×1×20	37		41
			2.3×105	16×1×80	40
		5.6×104				64×1×320	36
			20000	6.3×10-10	9.0×103			4×1×20		59	60
2.3×103	16×1×80	60
					5.6×102	64×1×320	52
200000	6.3×10-8	9.0×101						4×1×20	59		73
			2.3×101	16×1×80	73
		5.6×100				64×1×320	64
			长方体(片，注)SIM：模拟

图8a～c中，(C)、(S)表示本计算结果、精密模拟结果。数值是光学介质的尺寸(mm)。目标的光射出效率以各粒径的平均。如从表1～3和图8a～c所明确的，可知本计算结果和模拟结果基本一致，更加明确的是粒径为2000nm时的结果，本计算方法与模拟是一致的。

(射出光的强度分布特性)

射出光的强度分布特性受光源的强度分布、扩展角、光源的数量和配置等的影响，所以以模拟方式评价。这样获得的各粒径的射出光强度分布特性示于图9a、b、c。此处，将光源位于光学介质入射侧截面的中心处，扩展角以半角计为30°。图9a、b、c示出了在和表1相同的条件下，对片状长方体的模拟结果，各个片的尺寸为大、中、小的情况。

由这些图可知，截面为矩形的光学介质，光射出效率为90％左右，实现了大致均匀的强度分布。根据以上的考察和计算机模拟，在任意的光学介质中混入产生光散射的粒子，制造导光体时，也可以首先根据(14)式，由各粒径形成的散射截面积、粒子密度、光学介质的尺寸等，预先估算出光射出效率。进而，也可利用精密的模拟获得光强度分布特性。或者，根据(14)式，沿着预先估算条件，制作数种样品，也可进行实验评价。

这样，本发明中使用的片状导光体，通过形成满足上述Φ·Np·L_G·Kc≤0.9的关系构成，由于与模拟的误差小于10％，所以能实现良好的光射出效率和均匀的射出光强度分布。

本发明中使用的片状导光体，由于光学介质内的粒子一边反复散射，一边进行光传递，从一个端面射入的光，传递到另一端面，同样也可使光从另一个端面射入传递到上述端面。因此，使用该片状导光体的本发明片状导光体，用于通信系统，可进行双向通信。

(使用片状导光体的通信系统的必要条件)

图10中示出了有代表性的通信用片状导光体。片状导光体10，如上述，例如，在PMMA(聚甲基甲基丙稀酸酯)等光学介质中含有散射光的粒子，从一个端面射入的光由上述粒子进行散射，并传递到另一端面。这样，在该片状导光体10的一个端面上连接数条纤维21、22和23，在另一端面上连接光纤31、32和33。作为这些光纤31～33使用通常大N.A.(数值孔径)的，可进行双向通信。

对光纤受光时的条件进行考察。根据文献“High-Uniformity StarCoupler Usirrg Diffnsed Light Transmission”IEICE TRANS ELECTRON，Vol.E84C，NO.3 MARCH 2001 p339(以下称非专利文献1)，对通信用片状导光体系统中的受光器要求如下。

(受光器的最小受光量必须在20.5dBm(0dBm＝1mW)以上)

这可以由收发500Mbps信号时的Bit-Error-Rate(BER)计算出，由于受光器是PIN光电二极管，所以当受光器不同时(例如光电倍增管、齐纳光电二极管等)、或发送带域不同时，不能参考。即，在任意的受光器中，估计在某个发送带域内存在所谓的可允许最小受光量。由此将满足上述条件的受光器允许最小受光量定义为P(Receiver)min。

首先，由上述条件获得对片状导光体射出光强度为平面时的制约条件。这种射出光强度分布即使是平面的情况，在一条光纤中，导光路与光纤截面的面积比π/4，必然造成损失。但是，可使光纤的芯径等于片状导光体的厚度。其公差，当前未进行考虑。

当将分支数(节点数)取为N时，光量下降到1/N，而且，将其中π/4作为损失成分进行计算时，理想的情况，受光器接受的光量P(Receiver)为

P(Receiver)＝Eout·(1/N)·π/4                    ……(21)

因此，受光器可接受到全部从光纤射出的光。由此，将向导光体入射的光量取为Pin时，(21)式变成

P(Receiver)＝Pin·Eout·(1/N)·π/4               ……(22)取该(22)式的对数，以dBm表示受光器的受光量时，

P(Receiver)dBm＝-10Log{Pin·Eout·(1/4)·π/4}    ……(23)

入射光量为1mW、10mW时，受光量和分支数(节点数)的关系示于图11。正如从该图11所知道的，当然受光器与射出光量成比例。因此，虽然将从片状导光体射出的光强度分布设想为平面状的，但实际上，若改变光源的位置，也能改变射出的光强度分布。即，认为受光光量会产生增减，在射出光强度的最小部分内，受光光量也会形成最小。

当向导光体付与入射光量Pin时，将射出光强度分布形成长边的方向取为X，形成短边的方向取为Y，以标准化强度分布函数D(X、Y)表示光源处于任意位置时的射出光分布形状。将在以分支数(节点数)分割的入射、射出部分中的1个单位叫作段，在各段的中心处，把光纤的中心(光轴)确定为理想的位置。

故此，将Segi取为第i段中的积分区域时第i段中射出光量准化平均值NPi为

(数4)

$\mathrm{NPi}=\&Integral;\underset{\mathrm{Segi}}{D}(x,y)\mathrm{dxdy}/\&Integral;\underset{\mathrm{Seg}\max }{D}(x,y)\mathrm{dxdy}------\left(24\right)$

其中，Segmax表示在总段中形成最大光量的段。在形成光量最小时的段中，为

(数5)

$\mathrm{NPi}\left(\min \right)=\&Integral;\underset{\mathrm{Seg}\min }{D}(x,y)\mathrm{dxdy}/\&Integral;\underset{\mathrm{Seg}\max }{D}(x,y)\mathrm{dxdy}--------\left(25\right)$

(23)式中，射出总光量Pout为

Pout＝Pin·Eout                    ……(26)

由此，根据分支数＝段数＝节点数，第i段中的光量Psegi为

(数6)

$\mathrm{PSegi}=\mathrm{Pout}\&CenterDot;\{\mathrm{NPi}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{NPi}\}------\left(27\right)$

本说明书中，为方便起见，将上述(数6)式中所含的

(数7)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{NPi}$

表示成∑NPi。

将上述(23)式、(27)式汇总，换成射出光强度分布为平面时的1/N，得到

P(Receivre)_dBm＝-10Log{Pin·Eout·(NPi/∑NPi)·π/4}

目前所需要的数值，由光纤射出的光量为最小时，它可由(25)式给出。即，将P(Receivre_min)dBm取为受光器获得最小受光量时，由上式得到

P(Receivre_min)_dBm＝-10Log{Pin·Eout·(NPi(min)/∑NPi)·π/4}

……(28)

其中，Pin：入射光量、Eout：光的射出效率、NPi(min)：形成最小光量段的光量、∑NPi：各段的光量和。

为了满足某BER，将受光器需要的最小光量取为P Rmin_dBm时，为

P Rmin_dBm≤P(Receiver_min)_dBm

进而，将发光器光纤的结合损失取为KE、将光纤和片状导光体的结合损失取为KF、将光纤和受光器的结合损失取为KR、将光纤的内部损失取为KFI时，为

PRmin_dBm≤P(Receiver_min)_dBm·K_E·K_F·K_R·K_FI     ……(29)

该(29)式就成为使用片状导光体的通信系统必要条件。

<BER(Bit-Error-Rate)>

BER是表示通过某通信介质发送随意产生的数字信号，接受的数字信号相对于原本数字信号，是否产生某种程度错位的指标，将发送的位(比特)数取为Bits，将位误差数取为Biter时，

以BER＝Biter/Bits……(30)表示。

接着，考察产生位误差的机理。首先，作为第一要因，举出数字转换时模拟波形的畸变。因为信号电平降低时，会增加位误差，所以S/N作为要因也必须考虑。由畸变波形形成的信号电平降低，即使它超过区分(0，1)信号的阀值，并稳定的话，估计不会发生位误差，来自外部的噪音或由内部产生的噪音，对于畸变的波形会产生电平变化，认为这才是形成位误差的原因(参照图12)。

在使用片状导光体的通信系统中波形畸变的最大因素，认为是与任意入射段和射出段相对应的接收信号自身的畸变，和与各入射段和任意射出段相对应的模拟信号中所含各信号成分的相位偏差引起的波形畸变。同样，上述的波形畸变起因于信号光的光路差异。在使用光纤和片状导光体的通信系统中，产生光路差的要素是片状导光体自身和光纤。即，推定位误差是在将模拟信号进行数字转换时，由于波形畸变，信号电平下降到预先确定的阈值以下，而产生的，进而认为在发送数字信号时，会形成基准信号付随(基准同步信号)，而且，在读取时，也会对照基准信号，这时，基准信号和数字化的信号之间会产生很大的位相差(跳动)，从而产生位误差。并推测阈值附近的数据信号，由于噪音形成的波动，导致在阈值处上下移动，变成产生错误的数字信号。即，光路差要因和噪音要因的复合结果，导致位误差产生。

(光路差和BER(Bit-Error-Rate)的关系)

在使用片状导光体的通信系统中，与4、8、16各节点数相对应的波形畸变，分别示于图13a和b(4节点)、图14a和b(8节点)、图15a和b(16节点)。在这些通信系统中，光纤的外径全部为1mm、长度为可忽略光路差的1m，并行设置这些光纤，与各光入射侧连接，也可与光射出侧连接。

各图中的“In”和“Out”的数值，分别以距片状导光体的光纤及方向中央位置的距离(mm：在具有光入射的光纤侧，以-表示，在与其相反侧，以+表示)表示光入射位置、射出位置。即，图13a示出了向距上述中央位置-1.5mm的位置中心具有的光纤，即，向从该中央位置的一方向上，第2条光纤(以下述图18为例，光纤21)射入光，从相同位置中心具有的光纤(同样，光纤31)射出光时的各波形畸变，图13b示出了向和上述相同位置的光纤(同样，光纤21)射入光，从距上述中央位置+1.5mm的位置中心具有的光纤，即，从在距该中央位置的+方向上，第2条光纤(同样，光纤34)射出光时的各波形畸变。另外，图14a示出了向距上述中央位置-3.5的位置中心具有的光纤，即，向距该中央位置的一方向上，第4条光纤射入光，从同位置中心具有的光纤射出光时的各波形畸变，图14b示出了向和上述相同位置的光纤射入光，从距上述中央位置+3.5mm位置中心具有的光纤，即从距该中央位置+方向上，第4条光纤射出光时的各波形畸变。图15a示出了向距上述中央位置-7.5mm的位置中心具有的光纤，即向距该中央位置-方向上，第8条光纤射入光，从因位置中心具有的光纤射出光时的各波形畸变，图15b示出了向和上述相同位置的光纤射入光，从距上述中央位置+7.5mm的位置中心具有的光纤，即从距该中央位置的+方向上，第8条光纤射出光时的各波形畸变。

从这些图可知，在输入信号1Gbps中，由波形畸变产生的电平变化，可以忽略。

(S/N和BER的关系)

认为读取错误(位误差)的发生，也与信号质量，即S/N有关。即，即使是分离出除去了几个相邻信号光谱中高频成分的主要成分，如果高频成分(噪音成分)很大的话，也不可能区分开各个信号。当想象成极端的情况时，认为埋没于噪音成分中的信号，通常是不可能检测的，除非进行特殊的滤波处理。

噪音成分中，除了存在热噪音(Jonson Noise)、量子噪音(Shot Noise)、发光器和受光器中所用半导体元件特有的1/f噪音等系统内部产生的噪音之外，还存在放射线噪音、感应噪音等外来的噪音，这里为评论系统自身的能力，而忽略掉外来的噪音，仅限于系统内产生的噪音。忽略掉1/f噪音的影响。

噪音成分的功率(电功率)噪音Noise(Total)表示如下

Noise(Total)＝Noise(热)+Noise(量子)                 ……(31)

各成分，对受光元件以电功率表示时

Noise(热)＝(4kT/R)·△ν                            ……(31a)

其中K：Plank常数

T：等价温度(由杂音指数确定)

R：受光器的负荷电阻

△ν：受光器的带域

Noise(量子)＝3e²·(P+P_B)·η·△ν/(hν)+2ei_d·△ν  ……(31b)

其中e：电子的电荷

    P：信号光光量

    P_B：背景光光量

    η：量子效率

    h：Plank常数

    ν：信号光的振动数

    id：暗电流

    △ν：受光器的带域

因此，就制作0.5Gbps信号而言，认为无输出降低，对0.25GHz带域的信号进行整流。即，光电二极管的带域为0.25GHz。这时，作一例，对浜松( )株式会社制Si光电二极管：S5973，以P＝8.9×10^-6W(20.5dBm)、η＝0.4、R＝50Ω、T＝300K，计算噪音成分时，换算成电流值，为

Noise(热rms)＝2.88×10^-7(A)

Noise(量子rms)＝8.19×10^-8(A)

总的杂音成分为

Noise(total rms)＝3.70×10^-7(A)                  ……(32)

而最小受光光量中的信号电流Sc。认为是

Sc＝p·e·η·/(h·ν)                  ……(33)

最小受光光量中的信号电流S(min)c为

S(min)c＝2.46×10^-6(A)

因此，此时信号对杂音的比(S/N)成为

S/N(Pmin)＝6.65

且说，由于热杂音支配着噪音分布，当以Gaussian近似时，在某个定时内的系统噪音达到rms噪音的6.65倍时，即达到信号电流电平＝杂音电流电平(S/N＝1)时，噪音的发生概率Pr(S/N＝1)为

Pr(S/N＝1)3.47×10^-11

达到大致接近于BER10^-11值时，也就达到接近上述非专利文献1中BER的发生概率值。进而，使用对传递数字信号无障碍的20MHz高通滤波器时，达到

S/N(Pmin)＝6.81

Pr(S/N＝1)1.31×10^-11

与非专利文献1中的记载大致一致。即，上述结果是认为到目前为止的推测为正确的根据。图16中示出了rms(root mesn square)噪音的大小与其发生概率之间的关系。

进而关于BER作进一步推测，对更实际的方法进行考察。首先测定使用片状导光体的通信系统中有代表性的rms噪音(电压值)，以Noise(System_rms)定义。将系统内允许的BER取为BER(accept)，此时的受光信号功率取为P Rmin的话，以R作为负荷电阻，信号电压S(P Rmin)v为

S(P Rmin)v＝P Rmin·e·η/(h·ν)×R    ……(34)

将(0，1)信号的阈值电平取为V(Thresh)，以下式定义考虑了阈值电平的S/N(Thresh)。

S/N(Thresh)＝{S(P Rmin)V-V(Thresh)}/Noise(System_rms)……(35)在(35)式达到某值时，以某概率发生BE，将其取为S/Naccept时，根据上述考察，认为此时的Noise(System_rms)发生概率等于BER。图17中示出了根据上述考察计算的BER和受光光量之间的关系。这种关系非常接近于非专利文献1中的实例结果，而且形状也极为近似。

当考虑V(Thresh)时，从信号成分中扣除噪音成分的值，当该值下降时，在“0”电平上加上噪音成分的值，该值上升时，都会发生BE。因此，考虑该V(Thresh)最好是平均信号电压的一半值。

根据以上所述，在使用片状导光体的通信系统中，允许的BER，即付与BER(accept)，将系统的rms噪音取为Noise(System_rms)时，Noise(System_rms)的发生概率Pr(Noise(System_rms))，在不需要考虑信号波形的畸变带域中，将Q取为比例常数，是满足下式大小的Noise(System_rms)，

Pr(Noise(System_rms)·Q)≤BER(accept)              ……(36)

在付与2值化中的任意阈值V(Thresh)时，是满足下式的输入信号P Rmin。

{S(P Rmin)v-V(Thresh)}＞Noise(System_rms)·Q        ……(37)

而且，由满足上式的受光器，通过负荷电阻，达到输出的信号电压S(P Rmin)V时，可定义为通信系统。

或者，上述(37)式，根据上述理由也可以下式定义。

S(P Rmin)V/2＞Noise(System_rms)·Q                  ……(38)

进而具有可测定系统内部BER的电路构成，调整光源的输出功率P Rmin以满足BER(accept)，也可满足(37)式和(38)式。这种情况，根据BER测定电路，在光源侧设置进行反馈的数字电路，通过利用由BER(accept)确定的目录控制光源光量，也可与系统自身发生Noise(System_rms)以外的外来噪音相对应。

附图说明

图1是表示根据德拜浊度理论的散射角标准化强度曲线图。

图2是表示根据米氏散射理论的散射角标准化强度曲线图。

图3a是表示米氏的理论中，相对折射率为1.1时，对于散射截面积进行振动形式的曲线图。

图3b是表示米氏的理论中，相对折射率为1.5时，对于散射截面积进行振动形式的曲线图。

图3c是表示米氏的理论中，相对折射率为2.1时，对于散射截面积进行振动形式的曲线图。

图4是表示以计算机模拟，对几个相对折射率求出粒径和散射截面积的关系结果的曲线图。

图5是表示以计算机模拟求出多粒子系的粒径和粒子密度例数的关系结果的曲线图。

图6是表示对光学介质的各种折射率的菲涅耳损失的曲线图。

图7a是表示以本发明方法和计算机模拟求出粒径和光射出效率的关系结果进行比较的曲线图(目标的光射出效率为80％)。

图7b是表示以本发明方法和计算机模拟求出粒径和光射出效率的关系结果进行比较的曲线图(目标的光射出效率为70％)。

图7c是表示以本发明方法和计算机模拟求出粒径和光射出效率的关系结果进行比较的曲线图(目标的光射出效率为60％)。

图7d是表示以本发明方法和计算机模拟求出粒径和光射出效率的关系结果进行比较的曲线图(目标的光射出效率为50％)。

图7e是表示以本发明方法和计算机模拟求出粒径和光射出效率的关系结果进行比较的曲线图(目标的光射出效率为40％)。

图8a是以计算和模拟的情况，比较片状导光体中粒径和光射出效率的示意曲线图(平均光射出效率：80％)。

图8b是以计算和模拟的情况，比较片状导光体中粒径和光射出效率的关系示意曲线图(平均光射出效率：70％)。

图8c是以计算和模拟的情况，比较片状导光体中粒径和光射出效率的关系示意曲线图(平均光射出效率：60％)。

图9a是表示小尺寸片状导光体中的射出光强度分布特性曲线图。

图9b是表示中尺寸片状导光体中的射出光强度分布特性曲线图。

图9c是表示大尺寸片状导光体中的射出光强度分布特性曲线图。

图10是表示片状导光体的简要形状平面图。

图11是表示使用片状导光体的通信系统中受光光量和节点数的关系实例曲线图。

图12是产生位误差原因的说明图。

图13a是表示使用片状导光体的4节点数通信系统中，信号光波形畸变一例曲线图。

图13b是表示使用片状导光体的4节点数通信系统中，信号光波形畸变另一例曲线图。

图14a是表示使用片状导光体的8节点数通信系统中，信号光波形畸变一例曲线图。

图14b是表示使用片状导光体的8节点数通信系统中，信号光波形畸变另一例曲线图。

图15a是表示使用片状导光体的16节点数通信系统中，信号光波形畸变一例曲线图。

图15b是表示使用片状导光体的16节点数通信系统中，信号光波形畸变另一例曲线图。

图16是表示rms(root mean Square)噪音的大小和其发生概率的关系曲线图。

图17是表示BER(Bit-Error-Rate)和受光光量的关系曲线图。

图18是表示本发明一实施方式的通信系统平面图。

图中，

10…片状导光体

21、22、23、24、31、32、33、34…光纤

40…受光器

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的实施方式。

图18氏表示根据本发明的一个实施方式，使用片状导光体的通信系统平面形状的图。如图所示，该系统是4节点型的系统，作为一例，在1个片状导光体10的一个端面上连接了4条光纤21、22、23和24，而在另一端面上也连接了4条光纤31、32、33和34。片状导光体10形成为厚度为1mm、宽为4mm、长为30mm的。

在本实施方式中，允许的位误差率BER(accept)，一般是取无误差界限的1×10^-11。另一方面，上述片状导光体10的光射出效率Eout＝0.9。这种情况下，根据上述(14)式，将粒子直径取为7μm时，粒子密度Np为0.93×10⁴(个/mm³)。换言之，通过将粒子直径和粒子密度Np取为此值，可满足(14)式。

接着求出该系统的信号对杂音比(S/N)。根据上述(28)式，若利用模拟，此时，受光器40得到的最小受光量P(Receiver-min)_dBm达到10.5(dBm)。但是，Pin＝1.0mV、Eout＝0.9、则Npi(min)/∑NPi0.15。

这样，在达到最小受光量P(Receiver_min)_dBm的任意节点处，都会满足上述(28)式和(29)式。因此，根据经验的事实及公差解析，可知(29)式中的发光器和光纤的结合损失：K_E、光纤和片状导光体的结合损失：K_F、光纤和受光器的结合损失：K_R的值，分别大致为1dB。

接着求出光纤的内部损失KFI。因此，使用芯子由PMA形成的塑料光纤时，此时的光纤传递损失约为0.15-0.2dB/m。考虑配置了该通信系统的装置内部配线时，必须在片状导光体10的两端都为10m长的纤维，这时光纤的内部损失KFI最大达到2dB。在(29)式中，该内部损失KFI与其他结合损失加在一起时，受光器所需要的最小光量P Rmin＝15.5(dBm)。以Watts表示，P Rmin＝0.028(mW)。

因此，将带域取为500MHz(在该带域内，根据模拟结果，不需要考虑波形畸变)，根据上述(33)式，信号电流Sc达到Sc＝8.01×10^-6(A)。而根据上述(31a)、(31b)式，噪音成分为Noise(System_rms)＝5.28×10^-7(A)。因此，此时的信号对杂音比(S/N)达到15.2。

在此，V(Thresh)＝S(PRmin)V/2时，将上述结果代入(37)式中时，达到15.2/2＝7.6，所以噪音振幅达到Noise(System_rms)·7.6的发生概率，最好小于所要求的BER。这时Noise(System_rms)·Q的发生概率为4×10^-15。即，由于允许的位误差率为BER(accept)＝1×10^-11，所以满足上述(36)式的条件。

Claims (3)

1.一种使用了片状导光体的通信系统，是在片状的光学介质内含有散射光的粒子，由上述粒子对从一端面射入的信号光进行散射，并传递到与受光器连接的另一端面侧，在使用上述片状导光体的以通信系统中，其特征在于：

上述粒子的散射截面积为Φ、上述光学介质的光传递方向长度为L_G、粒子密度为Np、修正系数为Kc时，Φ·Np·L_G·Kc的值在0.9以下。

2.根据权利要求1的使用片状导光体的通信系统，其特征在于：将系统的rms噪音取为Noise(System_rms)、将允许的位误差率取为BER，(accept)、将Noise System_rms的发生概率取为Pr(Noise(System_rms))时，将Q作为比例常数，满足下式。

Pr(Noise(System_rms)·Q)≤BER(accept)

3.根据权利要求1或2记载的使用片状导光体的通信系统，其特征在于：将片状导光体的内部透射率等总合的损失系数取为K_L，则该片状导光体中的光射出效率Eout为

Eout＝exp{-(Φ·Np·L_G·Kc)}·K_L

将入射光量取为Pin、形成最小光量的段光量为NPi(min)、将各段的光量和取为∑NPi、将发光器、光纤和受光器等的连接损失取为KT，则受光器的最小受光光量P(Receiver_min)_dBm为下式

P(Receiver_min)_Bdm＝-10Log{Pin·Eout·(NPi(min)/∑NPi)·π/4}·K_T

将由上述最小受光光量P(Recciver_min)_dBm和受光器的负荷电阻确定的信号电压取为S(P Rmin)_v、将系统的rms噪音取为Noise(System_rms)、将2值化中的任意阈值取为V(Thresh)时、满足下式

{S(P Rmin)_v-V(Thresh)}＞Noise(Thresh)}＞Noise(System_rms)·Q

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