CN1943147A - 通信系统以及泄漏光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信系统，能够在细长的通信范围内进行高速度、高品质的通信，如与移动体等之间的通信，同时提供上述通信系统中所使用的泄漏光纤。光纤(2)是具有核心的GI型光纤，中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小，还可以混入散射体。发射机(1)向光纤(2)入射调制光，调制光在光纤(2)中前进，一部分从光纤(2)的侧面泄漏出来。接收机(3)接收该泄漏光，解调后得到信息。由于光纤(2)为GI型，所以波形不会有太大改变，能够实现高速度、高品质的移动体通信。

Description

通信系统以及泄漏光纤

技术领域

本发明涉及在细长区域中进行通信(如与移动体进行通信等)的通信系统，以及该通信系统中使用的光纤。

背景技术

在细长通信的范围中发送信息(移动体通信等)的技术，例如以往使用渗漏同轴电缆(LCX：Leaky Coaxial Cable)、利用电波进行通信的技术。渗漏同轴电缆中，在同轴电缆的外部导体内周期地设置缝隙，在电缆内部传播的一部分VHF带电波辐射到外部。辐射电场大致为圆对称，利用发生的电场在电缆周围的道路、铁路等有限的范围内进行通信。

但是，上述技术有以下缺点：由于使用高频，所以衰减大，且通信速度很慢。例如，新干线所使用的技术中，1个信道的通信速度为64kbps，使用40个信道进行通信，通信速度合计为2.56Mbps左右。与现在地面的有线方式相比，这个通信速度是非常慢的。

另外，进行高速度、大容量通信的传输介质，一般使用的是光纤。光纤的种类大致分为两类：Step Index型(SI型)光纤和Craded Index型(GI型)光纤。图11为SI型光纤的说明图。SI型光纤中，核心和包层(图11中只表示了核心，省略了包层)的界面将折射率分为2种，光在核心的界面上按照Snel法则进行全反射，同时在光纤内前进。光的轨迹沿着中心线前进、不在界面上反射时，到达出口的时间最短。但是，前进时在界面上多次反射，轨迹比中心线长，所以到达出口的时间变长。

沿着各个方向前进的光在出口处混合，如图11所示，入口处短且明显的光脉冲在到达出口时，其信号的上升速度、下降速度变慢，因此不能进行高速的数据通信。

图12为GI型光纤的说明图。如图12所示，GI型光纤中，中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小。这种结构中，随着折射率的变化，光的轨迹缓慢地弯曲前进。而且方向不同的光会以同样的时间到达终端。即，光的轨迹在沿着中心前进和弯曲前进时，虽然轨迹长度不同，但传播时间相同。因此，从一端入射的短且明显的光脉冲在到达出口时，其波形几乎没有变形。因此，能够进行高速数据通信，并且能够延长传输距离。

使用上述光纤进行通信的目的在于，使用光，在不泄漏光的情况下，将数据从通信线的一端发送到另一端。光泄漏时，会产生传输损失，所以如何使光不泄漏地从一端传输到另一端成为光纤的中心技术。

以往的光纤技术中，用于通信时主要是将光从一端传输到另一端，尽量不让光泄漏。而使光泄漏的光纤没有用于通信中，只考虑将泄漏光用于照明和显示器中。

图13为照明用光纤的例子的说明图。其中，41为SI型光纤，42为散射体。照明用的光纤，如图13所示，在SI型光纤41中混入散射体42，光在SI型光纤41中散射，光从周围泄漏。由此能够增加泄漏的光量。除此之外还有一种方法，在核心的侧面紧贴白色的油漆或薄膜，光在核心的界面上发生散射，泄漏到外部。

这些使光泄漏的光纤，一直只考虑用在上述照明和显示屏等中，并没有考虑用于通信。另外，即使将上述使光泄漏的光纤用于通信，也不能进行高速通信。图14为照明用的光纤用于通信时发生的问题点的说明图。上述用于照明等的、使光泄漏的以往光纤中，使用SI型光纤，或者还混入了散射体。入射到光纤中的光在光纤的核心内朝着各个方向直行，在界面上反射后继续前进，遇到散射体会发生反射、折射，然后改变前进方向。改变后的前进方向按照Snel法则，在角度大于全反射角时，不发生全反射，光从界面泄漏到外面。光不发生散射，在光纤内在长距离的界面上重复发生反射地前进时，与以往的SI型光纤一样，短的光脉冲发生变形，脉冲中上升时间和下降时间变慢。泄漏到光纤外的光的波形也一样，变成上升、下降慢的泄漏光脉冲。因此，SI型泄漏光纤难以作为高速通信用的泄漏光纤。

如专利文献1所记载的光纤，与以往的GI型和SI型结构不同，不使用散射体而使光泄漏。图15为以往泄漏光纤的例子的说明图。图中，51为中间核心，52为第2核心。图15所示的泄漏光纤中，光纤的核心周围还有折射率比核心小的包层(未图示)，这一点与以往相同，但核心由内侧的中间核心51和外侧的第2核心52构成，第2核心52中，直径方向的折射率分布是，朝着外围，呈抛物线状变大。另外，为了使沿着光纤在长度方向上泄漏的距离增大，在长度方向上以大于等于0.06％/km的变化率增加核心的折射率，或者在长度方向上以大于等于3％/km的变化率减少核心的直径。但是，为了制作这样的光纤，必须在中间核心51外面形成第2核心52，或者必须在长度方向上增减折射率或改变直径，这在制造上是极其困难的。

如上述，从通信线的侧面使通信信息泄漏的技术已经用于电波和光，但由于性能和制造技术上存在各种问题，因此目前还没有发明一种能够进行高速通信、并易于制造的技术。

专利文献1：特开2001-133652号公报

发明内容

本发明是鉴于上述问题发明的，目的在于提供一种通信系统，能够在细长的通信范围内进行高速度、高品质的通信，如与移动体等之间的通信，同时提供上述通信系统中所使用的泄漏光纤。

本发明的特征在于，通信系统中具有：光纤，输送按照信息调制后的光；接收装置，接收从上述光纤侧面泄漏出的光后取得信息；上述光纤为具有核心的GI型光纤，中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小。GI型光纤中混入有散射体而能够增加泄漏光的强度。另外，利用光纤中心部分和周边部分折射率的关系，能够调整泄漏光强度和传输距离。

而且，在进行通信时，在移动体中设置接收装置，不移动光纤，或者在移动体中设置光纤，不移动接收装置，通过接收装置接收光纤中泄漏出的光，能够进行信息的收发。

另外，本发明的特征在于，本发明的通信系统中所使用的泄漏光纤是具有核心的GI型光纤，中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小，内部还混入有散射体。

根据本发明，使用光在细长的通信范围内进行通信(如与移动体等之间的通信)，因此，与以往使用电波的同样的通信相比，能够进行高速度、高品质的通信。由于这时使用的是GI型光纤，所以泄漏的光波形稳定，能够实现更高速度、更高品质的通信。另外，不使用以往的特殊泄漏光纤，能够以低成本实现通信系统。

而且，通过在GI型光纤中混入散射体，能够增加光纤中泄漏出的光量，能够实现更准确的通信。

具体实施方式

图1为表示本发明通信系统实施方式的概念图。图中，1为发射机，2为光纤，3为接收机。发射机1将由发送信息所调制的光发射到光纤2中。例如可以使用激光二极管(LD：Laser Diode)等，将激光发射到光纤2中。当然光源并不限定于激光二极管，可以是LED等，只要能够高速控制光量或者点灭的光源，都能够作为发射机1的光源。

光纤2是具有核心的GI型光纤，中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小。本发明的通信系统中，光线2可以使用在GI型光纤中混入散射体以增加泄漏光的强度的本发明的泄漏光纤。在制造上述光纤2时，能够直接使用已有的GI型光纤的制造方法，便于制造。

从发射机1入射到光纤2一端面的光，在光纤2中弯曲前进，一部分从光纤2的侧面泄漏出来。由此，在设有光纤2的细长区域里，按照信息调制后的光被放出。

接收机3接收从光纤2侧面泄漏出的调制光，解调后接收信息。沿着光纤2的细长区域里，由同样信息所调制的光从光纤2中泄漏出来。因此，即使接收机3和光纤2相对移动时，通过接收机3接收从光纤2中泄漏出的光，也能够继续进行通信。

而且，在光纤2的与发射机1相反的端面，设置了具有受光器和发光器的中继器，将中继器的发光器所发射的光发送到其他光纤中，能够实现很长距离的通信。

图2为本发明的通信系统使用的光纤中光泄漏原理的说明图。11为散射体。图2(A)表示使用在GI型光纤中混入散射体的本发明的泄漏光纤的情况；图2(B)表示使用以往的GI型光纤的情况。

本发明的通信系统中，光纤2使用的是GI型光纤，所以在其特性上，从发射机1入射到光纤2中的光，在光纤2中弯曲前进。光纤2使用本发明的泄漏光纤时，遇到图2(A)中黑点所表示的散射体11后，发生反射和折射，光路被改变。光路被改变后，光到达光纤2的界面时，如果入射角小于等于临界角，就会泄漏到外部。泄漏出的光可以由接收机3来接收。

光纤2中，在光遇到散射体发生反射折射之前，与以往的GI型光纤一样，以同样的时间在光纤2内弯曲前进。因此，如果遇到散射体11后发生反射、折射，其光路被改变后泄漏到光纤2的外部，泄漏的光也能够以同样的时间泄漏到光纤2的外部。即，从一端入射的短且明显的光脉冲，即使在途中泄漏到光纤外，其波形也几乎不会变形。因此，能够实现高速度、高品质的数据通信。另外，即使光在光纤2中遇到散射体11后发生多次反射、折射，光不泄漏到光纤2外而残留在光纤2内的可能性也很小，因此，多次反射、折射所引起的延迟扩展(delay spread)也不会很大。

上述特征是以往泄漏光纤中所不具备的。另外，开发GI型光纤的目的只是为了在光纤内传输光，到目前为止，还没有从GI型光纤中利用泄漏光的尝试。利用GI型光纤，能够实现吉位级的高速通信。

图2(A)所示的本发明的泄漏光纤中，通过改变散射体11的浓度，能够制成具有各种特性的泄漏光纤。具体来说，散射体11浓度越大，泄漏的光越多，泄漏光的强度越大。但是，由于光泄漏了很多，传输距离相应变短。另外，散射体11的浓度越小，泄漏光的强度越小，但能够延长传输距离。下面举一个极端的例子，如图2(B)所示，即使不混入散射体11时，光纤2中的杂质也可以代替散射体，或者由于制造时不均匀，少量的光从光纤2中泄漏出来。这在实验中已经确认，使用微弱的泄漏光也能够进行通信。

下面说明本发明泄漏光纤的具体例子。本发明的泄漏光纤中，核心例如使用称为PMMA(Poly Methyl Methacrylate)的甲基丙烯酸树脂，散射体如使用直径为7.3μm的、称为tospearl的球状硅酮树脂微粒。使用这些材料，利用界面凝胶聚合法，能够制成混入有散射体的具有GI型折射率分布的、直径为1mm的光纤。tospearl具有很好的防水性、润滑性和耐热性，粒子直径也一致，粒径分布也很明显，所以适合作为光的散射体。向上述本发明的泄漏光纤中注入可视光中波长为670nm的可视激光的红光，光能够以很高的效率从光纤表面泄漏出来。

图3表示本发明泄漏光纤中、到端面的距离与泄漏光强度分布的曲线图。图3中，向本发明的泄漏光纤中注入100mW的激光，取这时到入射端的距离为横轴，泄漏光的强度(功率)为纵轴，表示二者的关系。另外，图3中，以不同的质量比(wt％)混合tospearl与PMMA后制成多种泄漏光纤，测定该多种泄漏光纤的泄漏光强度。结果，作为散射体的tospearl的质量比最大(0.1wt％)时，距离入射端5米左右，泄漏光强度降到-50dBm。而tospearl的质量比为0.0001wt％时，接近20米，泄漏光才降到上述强度。由于现在的APD(AvalanchePhoto Diode)的灵敏度为-50dBm左右，所以将此用于接收机3时，能够通信近15米。相反，离入射端近的区域里，作为散射体的tospearl混入量越大，泄漏光的强度越大。由此，通过改变散射体的浓度，能够控制泄漏光的强度。

图4表示未混入散射体的GI型光纤中、到端面的距离与泄漏光强度分布的具体例子的曲线图。与图3所示的混入散射体的本发明的光纤相比，图4中，虽然离入射端近的区域中，泄漏光强度较小，但泄漏光的距离更长，距离15米时，与0.0001wt％时相比，泄漏光强度要强15dB左右，距离大于等于20米时，泄漏光强度为-35dBm左右。

图5为本发明的泄漏光纤中泄漏光发射分布的具体例子的说明图。图5(A)中的角度1表示垂直于光纤的方向与光纤中光前进方向的夹角，如图5(B)所示。图5所示的角度1约为70°时，即，与光纤前进方向的夹角约为20°时，泄漏光最强。

图6为本发明的泄漏光纤中、在泄漏光纤中传输的波形的一个例子的说明图。图6表示到入射端的距离变化时，从泄漏光纤的入射端入射的光脉冲波形发生了怎样的变化。这里，入射的光脉宽为0.15nsec。传输距离变大时，脉宽也变大，但光前进25米左右时，脉宽也只变大了0.5nsec左右，波形几乎没有改变。

图7表示本发明泄漏光纤中、到端面的距离与带宽的具体例的曲线图。图7表示将图6所示的光脉冲波形的测定结果进行傅里叶变换后、求出的3dB带宽的结果。根据该结果，即使超过20米，也能够确保1GHz左右的频带。因此，使用本发明的泄漏光纤时，距离为20米左右也能够实现大于等于1GHz的通信。

如上述，使用本发明的泄漏光纤，脉冲波形几乎不会扩大，能够实现高速通信。并且，上述各测定结果是根据试制的样品来进行测定的，在性能上今后还有很大的改良空间。当然，光纤核心的材质、散射体的材质以及直径等都不限定于上述具体例子。

如图4所示，即使使用没有混入散射体的GI型光纤，也可以利用泄漏光进行通信。这时，可以利用光纤中心部分和周边部分折射率的关系，来调整泄漏光强度和传输距离。一般来说，光纤是利用中心部分和周边部分折射率的不同，使光在内部折射后进行传输。但是，入射角大于等于由两者的折射率所决定的最大角度(入射临界角度θmax)时，泄漏光从光纤内出射到光纤外。

图8为入射到光纤的入射角与在光纤内反射的关系说明图。本发明中使用的是GI型光纤，但为了说明简单，图8中利用SI型光纤进行说明。另外，光纤中心部分的核心折射率为n2，周边部分的包层的折射率为n1。一般来说，n1＜n2。

如图8(A)所示，入射到光纤内的入射角θ小于入射临界角度θmax时，由于核心与包层折射率的不同，核心与包层的界面上发生反射，入射光在光纤内前进。入射到光纤内的入射角等于入射临界角度θmax时，如图8(B)所示，在核心与包层的界面上，沿着界面的方向折射后前进。入射到光纤内的入射角θ大于入射临界角度θmax时，如图8(C)所示，在核心与包层的界面上发生折射，穿透包层，泄漏到外部。

上述入射临界角度θmax由核心折射率n2和包层折射率n1决定，可以由下面的公式求出。

θmax＝n1·√(2·Δ)

Δ＝(n1-n2)/n1

该入射临界角θmax的正弦、即sin(θmax)叫做数值孔径(Numerical Aperture，以下简称为NA)。该数值孔径NA越大，从光纤一端到另一端的光损失越小。反之，数值孔径NA越小，泄漏光越大，使用泄漏光进行通信时，信号强度越大。这时，光的泄漏会缩短到达距离。

这种关系并不限于SI型光纤，GI型光纤也一样。GI型光纤中，从中心到周边，折射率逐渐发生变化，但中心部分折射率与周边部分折射率的关系与上述是一样的。

图9表示不同数值孔径NA中、距离与泄漏光强度的关系的一例的曲线图。图9所示的例子中，使用数值孔径NA分别为0.20和0.18的2种GI型光纤，表示了0～20m的泄漏光强度的测定结果。与NA＝0.20时相比，NA＝0.18时，直至15m为止，泄漏光更多，15m之后，泄漏光变少。因此，需要很强的泄漏光时，最好使用数值孔径NA较小的光纤，进行长距离的通信时，最好使用数值孔径NA较大的光纤。

因此，通过调整光纤的数值孔径NA(或者入射临界角度θmax)，即，调整光纤的中心部分折射率n2和周边部分折射率n1，能够得到很强的泄漏光，或者能够进行长距离的通信。

混入散射体时，受到散射体的影响变大，但是，即使混入散射体，也能够通过调整光纤中心部分折射率n2和周边部分折射率n1来调整数值孔径NA(或入射临界角度θmax)，从而调整泄漏光强度和传输距离。

图10为使用了本发明泄漏光纤的本发明的通信系统应用例的说明图。图中，21为固定网络，22为固定中继器，23为固定发射机，24为固定光纤，25为固定接收机，31为移动体接收机，32为移动体中继器，33为移动体网络，34为移动体发射机，35为移动体光纤。使用上述本发明的泄漏光纤，能够创建例如移动体与地面进行通信的通信系统。例如，图10中表示与火车通信的应用例。图10所示的例子中，在地面等的固定侧和火车等移动侧上分别设置图1所示的单向通信系统，能够进行双向通信。

地面侧设置了与固定网络21连接的固定中继器22以及固定发射机23、固定光纤24、固定接收机25等。固定中继器22从固定网络21中取得向火车发送的信息，并将该信息发送到固定发射机23中。固定发射机23将按照固定中继器22发出的信息所调制的调制光发射到固定光纤24。固定光纤24是本发明的泄漏光纤，例如安装在轨道旁、架线旁等行使列车的周围。从固定发射机23入射到固定光纤24的调制光在固定光纤24中前进，其间，泄漏光从固定光纤24的侧面泄漏出来。

而作为移动体的火车中设置了与车内移动体网络33连接的移动体中继器32以及移动体接收机31、移动体发射机34和移动体光纤35等。移动体接收机31可以接收上述固定光纤24中泄漏出的泄漏光。经移动体接收机31解调之后，得到信息。得到的信息被发送到移动体中继器32后，再发送到移动体网络33。

由此，能够从地面将信息发送到火车上。火车虽然在高速移动，但设置有1根固定光纤24的区间内，发送的是同一个信息，所以即使火车在移动，也能够从固定光纤24中稳定地接收泄漏光，接收信息。

如图10所示，连续设置固定光纤24后，随着火车的行驶，火车能够从相邻的固定光纤24中接收泄漏光，从而能够接收信息。现在，从1根固定光纤24中泄漏出很强的泄漏光时，如上述，只能传输数十米，因此，如图10所示，可以设置多个一定长度的固定光纤24，由此实现即使长距离也不间断的通信。

由火车内发送到地面的信息，从移动体网络33，通过移动体中继器32发送到移动体发射机34。移动体发射机34将按照从移动体中继器32接收的信息所调制的调制光发射到移动体光纤35。移动体光纤35也是本发明的泄漏光纤，设置在火车的路径方向上。从移动体发射机34发射到移动体光纤35中的调制光，在移动体光纤35中前进，其间，泄漏光从移动体光纤35的侧面泄漏出来。

该火车中设置的移动体光纤35所发出的泄漏光由设置在轨道旁、架线旁等的固定接收机25接收，解调后接收信息。接收的信息通过固定中继器22，发送到固定网络21。

由此，也可以从火车向地面发送信息。火车在高速移动，移动体光纤35也在移动，但地面接收机25从移动体光纤35的一端到另一端，也需要一定时间。在这段时间内，能够进行稳定的通信。在地面上以小于移动体光纤35长度的间隔设置接收机25，接收从移动体光纤35中泄漏的泄漏光的接收机25依次交替，或者过后将每个接收机25所接收的信息合在一起，由此，能够连续接收从火车发送的信息。

如上述，通过从地面向火车发送信息和从火车向地面发送信息，能够实现双向的通信。这时，从地面向火车发送信息和从火车向地面发送信息，都是通信速度在吉位以上的高速通信。以往的新干线中移动体通信的通信速度，所有信道加起来也只有2.56Mbps左右，但本发明的通信速度能够实现更高速度的通信。由此，可以为乘客提供各种服务，也可以在火车控制等中，利用大量的数据通信进行控制。配备上述进行高速通信的基础设施，可以使用本发明的泄漏光纤或者以往使用的GI型光纤。本发明的泄漏光纤和GI型光纤都可以由上述便宜的材料来制造，而且很容易制造，因此能够控制配备基础设施的成本。

当然，移动体并不限定于火车，例如在汽车和作为固定侧的道路旁设置光纤，也能够实现汽车与道路间的高速通信。

附图说明

图1为表示本发明通信系统实施方式的概念图。

图2为本发明的通信系统所使用的光纤中光泄漏原理的说明图。

图3表示本发明泄漏光纤中、到端面的距离与泄漏光强度分布的具体例子的曲线图。

图4表示未混入散射体的GI型光纤中、到端面的距离与泄漏光强度分布的具体例子的曲线图。

图5为本发明的泄漏光纤中泄漏光分布的具体例子的说明图。

图6为本发明的泄漏光纤中、泄漏光纤中传输的波形的一例的说明图。

图7表示本发明泄漏光纤中、到端面的距离与带宽的具体例子的曲线图。

图8为入射到光纤的入射角与在光纤内反射的关系说明图。

图9表示不同数值孔径NA中、距离与泄漏光强度的关系的一例的曲线图。

图10为使用了本发明泄漏光纤的本发明的通信系统应用例的说明图。

图11为SI型光纤的说明图。

图12为GI型光纤的说明图。

图13为照明用光纤的例子的说明图。

图14为照明用的光纤用于通信时发生的问题点的说明图。

图15为以往泄漏光纤的例子的说明图。

符号说明

1  发射机

2  光纤

3  接收机

4  散射体

21 固定网络

22 固定中继器

23 固定发射机

24 固定光纤

25 固定接收机

31 移动体接收机

32 移动体中继器

33 移动体网络

34 移动体发射机

35 移动体光纤

41 SI型光纤

42 散射体

51 中间核心

52 第2核心

Claims (6)

1.一种通信系统，其特征在于，具有：光纤，输送按照信息调制后的光；以及接收装置，接收从上述光纤侧面泄漏出的光以取得信息，其中

上述光纤为具有核心的GI型光纤，其中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，上述光纤中混入有散射体。

3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，利用上述光纤中心部分和周边部分的折射率的关系来调整泄漏光强度和传输距离。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的通信系统，其特征在于，上述接收装置设置在移动体中，上述光纤不移动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的通信系统，其特征在于，上述光纤设置在移动体中，上述接收装置不移动。

6.一种泄漏光纤，其特征在于，是具有核心的GI型光纤，其中心的折射率大，从中心到周边，折射率逐渐变小，内部还混入有散射体。

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