JP2000111754A - 光結合素子および光伝送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】所定の伝播角度範囲内の伝播角度で伝播してく
る信号光を効率よく集光して受光素子等の光学素子に出
射するとともに、所定の伝播角度範囲外の伝播角度で伝
播してくる信号光は光学素子に向けて出射せず、かつ小
型化が図られた光結合素子と、 その光結合素子を用いた
光伝送システムを提供する。 【解決手段】光結合素子２に、入射面３に対し角度βだ
け傾いた面であって、矢印１に対し所定の伝播角度範囲
内で入射面３に入射した信号光を入射面３側に反射し
て、その入射面３と共同して信号光を入射面３との間隔
が開いた方向に導く出射面５を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、 自由空間を含む光
伝送媒体と光学素子とを光学的に結合する光結合素子、
および光伝送システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】信号処理装置の処理能力の向上にともな
い、 電気配線に比べ高速な信号伝送を可能とする光伝送
システムが注目されている。 最近では、 並列処理技術や
ネットワーク技術、 モバイルコンピュータの発展によ
り、 複数の信号処理装置相互間や、 信号処理装置内の複
数の処理回路相互間、 または相対的に移動する信号処理
装置間を信号伝送するための多対多の光伝送システムが
検討されている。

【０００３】従来提案された多対多の光伝送システムの
うち、特開平５−２０６９４８号公報には、 自由空間を
用いた光空間伝送システムの例が開示されている。この
光空間伝送システムは、同一空間に設置された複数のデ
ータ端末それぞれに信号光を送受信するターミナルユニ
ットを設けるとともに、天井に任意の方向に信号光を反
射する反射板を複数有する反射部を設け、その反射部を
介して複数のデータ端末のターミナルユニット間での信
号光の伝送を行っているが、このシステムでは、ターミ
ナルユニットと反射部の距離が離れているため、ターミ
ナルユニットの取付角度や反射板の取付角度がわずかで
もずれると、ターミナルユニットから送信された信号光
が、反射板の配置位置からずれた方向に伝送されたり、
反射板で反射しターミナルユニットに向かって伝播する
信号光の伝播角度が、ターミナルユニットが受信可能な
信号光の伝播角度の範囲からずれてしまい、信号光を送
受信できなくなる問題がある。このため、データ端末の
位置調整や角度調整を高精度に行わなくてはならず作業
が困難であり、データ端末を簡易に移動させることがで
きない問題がある。また、ターミナルユニットから出射
される信号光は、そのターミナルユニットから反射部に
向かう方向に対し広がりながらその反射部に向けて伝送
されるため、その反射部に到達した信号光のほとんどは
ターミナルユニット以外の部分に向けて反射され、ター
ミナルユニットで受信できる信号光の光量が少なくな
る。このため、伝送損失が大きく低消費電力化が難しい
問題がある。また、受信する信号光のＳ／Ｎ比が低下し
て誤り率が増大し、信号光の高速な伝送が困難になる問
題がある。

【０００４】特開平９−１６２５７号公報には、 走行す
る搬送台車と地上局との間で信号光を送受信する無人搬
送台車運行システムの例が開示されている。このシステ
ムでは、地上局に、信号光を送信する送信部を備えてい
る。この送信部から送信される信号光は広がりながら進
行するものであり、この送信部により、走行する搬送台
車に信号光が伝送される。このシステムでは、送信部か
ら送信される信号光は広がりながら進行するため、受信
部が受信できる信号光の光量が少なく、低消費電力化や
信号光の高速伝送が困難という問題がある。また、搬送
台車が走行することによりその搬送台車と地上局との相
対的な位置関係が変化するため、受信部に向かって伝播
する信号光の伝播角度が広範囲にわたっても信号光が受
信されるように、受信可能な信号光の伝播角度範囲が広
い受信部を備える必要がある。ところが、受信部を突出
させることにより、その受信部が受信可能な信号光の伝
播角度範囲を必要以上に広くすると、不必要なノイズ光
も受信してしまい、信号のＳ／Ｎ比が低下して誤り率が
増大してしまう恐れがある。

【０００５】特開平９−２７０７５１号公報には、 信号
光を伝送する導波路を備えた光バスの例が開示されてい
る。この光バスは、 信号光の入射を担う入射部と、信号
光の出射を担う出射部と、入射部から入射した信号光を
拡散して出射部へ伝播する層状の導波路とを備えたもの
であり、この光バスでは、任意の入射部から、任意の出
射部へ信号光を伝播できる。従って、この光バスの入射
部に対向する位置に発光素子が配置されるとともに、そ
の光バスの出射部と対向する位置に受光素子が配置され
るように、発光素子および受光素子が搭載された回路基
板を光バスの周囲に取り付けることにより、多対多の信
号の伝送を行うことができる。また、 この光バスは、回
路基板の取り付けに高精度な光軸合わせを必要とせず、
回路基板の取付数や取付位置を自由に変えることがで
き、温度変化や振動などにも強い特長を有している。と
ころが、この光バスは、信号光の大半を、受光素子が配
置された位置からずれた位置に向けて伝播してしまうた
め、 低消費電力化や信号光の高速伝送が困難になるとい
う問題がある。また、回路基板の取付数や取付位置によ
って、ある１枚の回路基板に搭載された受光素子と、他
の回路基板それぞれに搭載された発光素子それぞれとの
相対的な位置関係が変化するため、受光素子は、異なる
伝播角度で伝播してくる信号光を受光できなければなら
ず、受信できる信号光の伝播角度範囲が広いことが要求
される。ところが、例えば、受光素子の受光面を直接出
射部に取り付けることにより、その受光素子が受信可能
な信号光の伝播角度範囲を必要以上に広くすると、不必
要なノイズ光も受光してしまう恐れがある。

【０００６】以上のように、多対多の光伝送システムの
受光部には、所定の伝播角度範囲内の伝播角度で伝播し
てくる信号光を効率よく受光するとともに、その所定の
伝播角度範囲からずれた伝播角度で伝播してくる信号光
は受光しないような性質が要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の性質が満たされ
るように、従来より、多種多数のレンズを用いた多群多
数枚構成の集光レンズが検討されているが、サイズ、 重
量ともに大きくなってしまい、 また、レンズ間の光軸合
わせを精度よく行なわなければならなず、 取り付けが難
しくなってしまう問題がある。

【０００８】特開平９−９３１９６号公報には、 複数の
受光素子と複数の発光素子とを備えるとともに、各受光
素子の信号光の受信レベルを検出する検出手段を備え、
受信レベルの最も高い受光素子とその受光素子の指向に
対応する発光素子とを選んで信号光を送受信する光空間
伝送装置が開示されているが、この装置では、受光素
子、発光素子、これら素子の駆動手段、および検出手段
が必要となり、装置が高コストで大型になってしまう問
題がある。また、受光素子の受光効率を向上させるため
に受光素子に集光レンズを取り付けると、集光性は向上
するものの、今度は逆に、受光素子に向かう信号光のう
ち、その受光素子で受光される信号光の伝播角度の範囲
が狭くなるという問題がある。

【０００９】特開平７−２６１０２８号公報には、 入射
面を成す下面から出射面を成す上面に向かうにつれてす
ぼまった形状の透明体の側面にミラー反射面を設け、 そ
の透明体の入射面から信号光を入射し、その入射した信
号光をミラー反射面で反射させることにより、その入射
した信号光をその透明体の出射面に集光する集光装置が
開示されているが、この集光装置では、 ミラー反射面で
反射された信号光が出射面から離れる方向に曲げられ、
再度入射面に戻ってしまう信号光が多く、透明体に入射
した信号光を効率よくその透明体の出射面に集光するこ
とができない問題がある。また、ミラー反射面で反射を
繰り返して入射面に戻った信号光は、その入射面から出
射してノイズ光となってしまう問題がある。 さらに、出
射面から出射した信号光も出射面から拡散するように出
射してしまうため、 透明体の出射面に対向するように受
光素子を配置しても、その受光素子の受光効率が低いと
いう問題がある。 また、上記のミラー反射面は、例えば
金属薄膜などにより形成されるが、金属薄膜は光を吸収
してしまうため、 信号光の反射損失が発生する問題があ
る。

【００１０】特開平７−１７１１４３号公報には、 ブロ
ック状の透明部材を有する集光器を備えた画像読取装置
が開示されている。 このブロック状の透明部材は、底面
中央に光を透過するスリットが形成されるとともに、両
端部に向かうにしたがって高さが高くなっており、この
透明部材にはミラー反射面が設けられている。この画像
読取装置では、スリットから入射した光はそのミラー反
射面で繰り返し反射され、その反射により、光の進行方
向は透明部材の両端部に向かう方向に曲げられるが、 ス
リットから光を入射しているため、透明部材に入射する
光量が少なく、さらにミラー反射面で反射を繰り返すた
びに反射損失が発生するとともにスリットから光が漏れ
てしまうため、 スリットから入射した信号光を効率よく
透明部材の両端部に集光することができない問題があ
る。 また、スリットから入射した信号光のうち、強度が
最も大きい、透明部材の高さ方向の信号光は、透明部材
の両端方向に広がる光よりも反射を繰り返さなければ、
その透明部材の両端部に達することができず損失が大き
くなる。従って、透明部材の両端部に到達できる信号光
の伝播角度の範囲が事実上狭くなってしまう問題があ
る。 本発明は、 上記事情に鑑み、 所定の伝播角度範囲
内の伝播角度で伝播してくる信号光を効率よく集光して
受光素子等の光学素子に出射するとともに、所定の伝播
角度範囲外の伝播角度で伝播してくる信号光は光学素子
に向けて出射せず、かつ小型化が図られた光結合素子
と、 その光結合素子を用いた光伝送システムを提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の光結合素
子は、自由空間を含む光伝送媒体と光学素子とを光学的
に結合する光結合素子において、上記光伝送媒体を伝播
してきた信号光が入射し一旦入射した後戻ってきた信号
光を反射する第１の面と、その第１の面に対し斜面を成
す、その第１の面から入射した信号光をその第１の面側
に反射して、その第１の面と共同して信号光をその第１
の面との間隔が開いた方向に導く第２の面と、その方向
に導かれた信号光を上記光学素子に向けて出射する第３
の面とを有する、上記光伝送媒体の屈折率よりも大きな
屈折率をもつ第１の光透過体を備えたことを特徴とす
る。

【００１２】本発明の第２の光結合素子は、自由空間を
含む光伝送媒体と光学素子とを光学的に結合する光結合
素子において、上記光伝送媒体を伝播してきた信号光が
入射し一旦入射した後戻ってきた信号光を反射する第１
の面と、その第１の面に対し斜面を成す、その第１の面
から入射した信号光をその第１の面側に反射して、その
第１の面と共同して信号光をその第１の面との間隔が開
いた方向に導く第２の面と、その方向に導かれた信号光
を上記光学素子に向けて出射する第３の面とを有する、
上記光伝送媒体の屈折率よりも大きな屈折率をもつ第１
の光透過体を備えた光結合部を備え、上記第３の面が全
体として１つであって、上記光結合部が、上記第１の面
を内向きにしてその第３の面から離れるに従ってより広
く開いた線対称あるいは回転対称に形成されてなること
を特徴とする。

【００１３】本発明の第１の光伝送システムは、自由空
間を含む光伝送媒体を伝播してきた信号光が入射し一旦
入射した後戻ってきた信号光を反射する第１の面、その
第１の面に対し斜面を成す、その第１の面から入射した
信号光をその第１の面側に反射して、その第１の面と共
同して信号光をその第１の面との間隔が開いた方向に導
く第２の面、およびその方向に導かれた信号光を出射す
る第３の面を有する、上記光伝送媒体の屈折率よりも大
きな屈折率をもつ第１の光透過体を備えた光結合素子
と、上記第１の光透過体の第３面に接する光学素子とを
具備したことを特徴とする。

【００１４】本発明の第２の光伝送システムは、自由空
間を含む光伝送媒体中に信号光を発光する発光素子、上
記光伝送媒体中を伝播してきた信号光を受光する受光素
子、および、上記光伝送媒体と上記受光素子とを光学的
に結合する光結合素子を備えた光伝送システムにおい
て、上記光結合素子が、上記光伝送媒体を伝播してきた
信号光が入射し一旦入射した後戻ってきた信号光を反射
する第１の面と、その第１の面に対し斜面を成す、その
第１の面から入射した信号光をその第１の面側に反射し
て、その第１の面と共同して信号光をその第１の面との
間隔が開いた方向に導く第２の面と、その方向に導かれ
た信号光を上記光学素子に向けて出射する第３の面とを
有する、上記光伝送媒体の屈折率よりも大きな屈折率を
もつ光透過体を備えたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１６】図１〜図４は、本発明の第１の光結合素子
の基本原理を、その第１の光結合素子の第１実施形態を
用いて説明する原理説明図である。

【００１７】図１〜図４には、信号光が伝播する自由空
間内に配置された、空気よりも大きい光屈折率を有する
光透過体からなる光結合素子２と、信号光を受光する受
光素子６が示されている。この光結合素子２は、入射面
３、反射面４、および出射面５を備えている。入射面３
は、自由空間を伝播してきた信号光を光結合素子２内部
に入射するととともに、一旦光結合素子２内部に入射し
た後入射面３に戻ってきた信号光を光結合素子２内部に
向けて反射する面である。反射面４は、入射面３に対し
角度βだけ傾いた面であって、矢印１に対し所定の伝播
角度範囲内で入射面３に入射した信号光を入射面３側に
反射して、その入射面３と共同して信号光を入射面３と
の間隔が開いた方向に導く（出射面５に向けて導く）面
である。出射面５は、入射面３と反射面４との間隔が開
いた方向に導かれた信号光を受光素子６に向けて出射す
る面である。また、この光結合素子２は、入射面３が、
矢印１に対して、角度βよりも大きい角度αだけ傾斜す
る位置に配置されている。

【００１８】このように構成された光結合素子２に向け
て、さまざまな伝播角度で信号光を伝播した。

【００１９】図１は、矢印１の方向と同一方向から光結
合素子に光が入射する様子を示す図であり、図２、図３
は、それぞれ、矢印１に対し伝播角度θ＝θ₁、θ₂で光
結合素子に光が入射する様子を示す図であり、図４は、
矢印１に対して伝播角度θ＝θ₃で光結合素子に光が入
射する様子を示す図である。

【００２０】図１においては、矢印１と同じ方向から信
号光７Ａ，７Ｂ，７Ｃが伝播してくる。この信号光７
Ａ，７Ｂ，７Ｃは矢印１に対して角度αで傾斜する入射
面３に到達し、空気よりも光屈折率が大きい光結合素子
２内に入射する。光結合素子２内に入射した信号光７
Ａ，７Ｂ，７Ｃは入射面３に対し角度βだけ傾いた反射
面４に到達する。入射面３が矢印１に対して傾斜する角
度αと、入射面３と反射面４とのなす角度βは、矢印１
に対し所定の伝播角度範囲内の伝播角度で入射面３に入
射し反射面４に向かって伝播する信号光が、その反射面
４で全反射するように設定されている。信号光７Ａ，７
Ｂ，７Ｃは矢印１と同一方向（伝播角度θ＝０°）から
入射面３に入射する信号光であり、入射面３に入射し反
射面４に向かって伝播する信号光７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、
その反射面４で全反射し、入射面３と反射面４との間隔
が開いた方向に伝播角度を傾けて入射面３側に戻る。そ
の後、信号光７Ａ，７Ｂ，７Ｃのうち信号光７Ａは直接
に出射面５から出射し、信号光７Ｂは、入射面３で全反
射して出射面５から出射し、信号光７Ｃは、入射面３と
反射面４と間で全反射を繰り返しながら出射面５から出
射する。つまり、入射面３に入射した信号光７Ａ，７
Ｂ，７Ｃは、入射面３と反射面４との間隔が開いた方向
に導かれ、出射面５から出射する。信号光７Ａ，７Ｂ，
７Ｃが入射面３と反射面４との間隔が開いた方向に導か
れることにより、信号光７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、出射面５
に集光され、自由空間を伝播していた時（入射面３に入
射する前）よりも密度をあげて出射面５から出射されて
受光素子６で受光される。

【００２１】図２では、信号光８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、矢
印１に対し伝播角度θ₁で入射面３に向かって伝播す
る。信号光７Ａ，７Ｂ，７Ｃ（図１参照）と同様に、信
号光８Ａ，８Ｂ，８Ｃも入射面３から光結合素子２内に
入射し、反射面４に到達する。入射面３が矢印１に対し
て傾斜する角度αと、入射面３と反射面４とのなす角度
βは、上述したように、矢印１に対し所定の伝播角度範
囲内の伝播角度で入射面３に入射し反射面４に向かって
伝播する信号光が、その反射面４で全反射するように設
定されている。信号光８Ａ，８Ｂ，８Ｃの伝播角度θ₁
は、上記の所定の伝播角度範囲内に含まれる角度であ
る。従って、反射面４に到達した信号光８Ａ，８Ｂ，８
Ｃは、その反射面４で全反射して入射面３側に戻され、
入射面３と反射面４との間で全反射を繰り返して出射面
５から出射し、受光素子６で受光される。つまり、入射
面３に入射した信号光８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、出射面５に
集光されてその出射面５から出射し受光素子６で受光さ
れる。

【００２２】図３では、信号光９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、矢
印１に対し伝播角度θ₂で入射面３に向かって伝播す
る。信号光７Ａ，７Ｂ，７Ｃ（図１参照）と同様に、信
号光９Ａ，９Ｂ，９Ｃも入射面３から光結合素子２内に
入射する。光結合素子２内に入射した信号光９Ａ，９
Ｂ，９Ｃのうち信号光９Ａは、直接出射面５から出射し
受光素子６で受光される。一方、信号光９Ｂ，９Ｃは、
反射面４に到達する。信号光９Ａ，９Ｂ，９Ｃの伝播角
度θ₂は、図２における伝播角度θ₁と同様に、上記の所
定の伝播角度範囲内に含まれる角度である。従って、信
号光９Ｂ，９Ｃは、その反射面４で全反射して入射面３
側に戻され、信号光９Ｂは出射面５から出射し、一方、
信号光９Ｃはその入射面３で一旦全反射して出射面５か
ら出射し受光素子６で受光される。つまり、入射面３に
入射した信号光９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、出射面５に集光さ
れてその出射面５から出射し受光素子６で受光される。

【００２３】図４では、ノイズ光１０が、矢印１に対し
伝播角度θ₃で入射面３に向かって伝播する。入射面３
に到達したノイズ光１０は、光結合素子２内に入射し反
射面４に到達する。ノイズ光１０の伝播角度θ₃は、図
２，図３における伝播角度θ₁，θ₂とは異なり、上記の
所定の伝播角度範囲外の角度である。従って、反射面４
に到達したノイズ光１０はその反射面４を透過し、受光
素子６から離れる方向に進行する。

【００２４】図１〜図４を参照しながら説明したよう
に、矢印１に対し所定の伝播角度範囲内の伝播角度θ＝
０°，θ₁，θ₂で入射面３に入射した信号光（図１，図
２，図３参照）は出射面５に集光されてその出射面５か
ら出射し、所定の伝播角度範囲外の伝播角度θ₃で入射
面３に入射したノイズ光（図４参照）は出射面５には伝
播されず反射面４から出射される。従って、受光素子６
で受光させたい光（つまり、図４に示すノイズ光１０で
はなく、図１〜図３に示す信号光）を反射面に５に向け
て集光し受光素子６で受光させることができる。

【００２５】また、この光結合素子２では、矢印１に対
し所定の伝播角度範囲内の伝播角度で入射面３に入射し
反射面４に向かって伝播する信号光は、反射面４で全反
射する、もしくは、反射面４と入射面３との間を交互に
全反射することにより、出射面５に集光される。従っ
て、この光結合素子２に入射した信号光を出射面５に導
くための集光素子は不要であり、光結合素子２自体の小
型化が図られている。

【００２６】次に、本発明の第２の光伝送システムの原
理について説明する。

【００２７】図５〜図７は、本発明の第２の光伝送シス
テムの基本原理について、その第２の光伝送システムの
第１実施形態を用いて説明する原理説明図である。

【００２８】図５は、本発明の第２の光伝送システムの
第１実施形態を示す斜視図、図６は、その光伝送システ
ムに備えられた、本発明の第２実施形態の第１の光結合
素子の拡大平面図である。

【００２９】この光伝送システム１０は、図５に示すよ
うに、光伝送体１１を備えている。ここでは、光伝送体
１１として、ポリメチルメタクリレート（光屈折率１．
４９）からなる、６３．５ｍｍ角、厚さ１ｍｍの透明な
シート状の光伝送体が用いられている。この光伝送体１
１の一方の端面には透過性の光拡散板１２が配置され、
反対側の端面には光結合素子１５が配置されている。ま
た、この光伝送システム１０は、光拡散板１２に対向す
る位置に、その光拡散板１２に沿って移動自在に配置さ
れた半導体レーザ１３と、光結合素子１５に対向する位
置に固定された、１ｍｍ角の受光面積を有する光センサ
１６とを備えている。

【００３０】光結合素子１５は第１の光透過体２０と第
２の光透過体２３とを備えている。これら第１，第２の
光透過体２０，２３のうちの一方の第１の光透過体２０
は、図１〜図４に示す光透過体２と同一構造を有してい
る。ここでは、第１の光透過体２０は、厚さ１ｍｍの楔
形状に形成されており、図６に示すように、入射面１
７、反射面１８、および出射面１９を有している。入射
面１７、反射面１８、および出射面１９の長さは、それ
ぞれ、１０ｍｍ、１０ｍｍ、長さ１ｍｍである。また、
第２の光透過体２３は、厚さ１ｍｍの三角形形状に形成
されており、図６に示すように、入射面２１と、出射面
２２とを有している。この入射面２１は、光伝送体１１
を伝播してきた信号光が入射される面であり、出射面２
２は、その入射面２１から入射した信号光を第１の光透
過体２０の入射面１７に向けて出射する面である。この
入射面２１および出射面２２の長さは、それぞれ、９ｍ
ｍおよび１０ｍｍである。第１の光透過体２０の材料に
は高屈折率ガラス（光屈折率１．８０）を用い、第２の
光透過体２３の材料にはポリメチルメタクリレート（光
屈折率１．４９）を用いている。また、第１の光透過体
２０の入射面１７は、光学用接着剤（光屈折率１．４
９）で、第２の光透過体２３の出射面２２に接着されて
いる。また、第１の光透過体２０の入射面１７と反射面
１８とのなす角度βはβ＝５．７°であり、第１の光透
過体２０の入射面１７と、光伝送体１１の端面１１ａに
垂直な矢印１とのなす角度αはα＝３７°になるように
設定されている。

【００３１】以下に、図５に示す光伝送システム１０を
用いて行った実験について説明する。

【００３２】上記のように構成された光伝送システム１
０が備えている半導体レーザ１３を光拡散板１２の一方
の端側に対向する位置に配置して信号光１４を照射し
（このときの半導体レーザ１３および信号光１４を破線
で示す）、その半導体レーザ１３を光拡散板１２に沿っ
てその光拡散板１２の他方の端側に移動させた（このと
きの半導体レーザ１３および信号光１４を実線で示
す）。半導体レーザ１３から照射された信号光１４は、
光拡散板１２で光伝送体１１内に向けて拡散され、その
光伝送体１１内を伝播する。光伝送体１１内を伝播する
信号光１４１は、矢印１に対しさまざまな伝播角度θで
光結合素子１５に入射し、光センサ１６で受光される。
このときの光センサ１６で受光される光の強度を、信号
光１４１の伝播角度θごとに測定した。また、図５に示
す光伝送システム１０から光結合素子１５が取り除か
れ、さらに光センサ１６が光伝送体１６の端面１１ａに
直接配置された光伝送システムを構成し、図５に示す光
伝送システム１０と同様に、半導体レーザ１３を光拡散
板１２に沿って移動させながら、その半導体レーザ１３
から信号光１４を照射し、光センサ１６で受光される光
の強度を、信号光１４１の伝播角度θごとに測定した。

【００３３】図７は、その測定結果を示すグラフであ
る。

【００３４】グラフの横軸は信号光１４１の伝播角度θ
であり、縦軸は光センサ１６で受光される光の相対受光
量である。▲は、図５に示す光伝送システム１０におけ
る光センサ１６の相対受光量の実測値であり、□は、光
センサ１６が光伝送体１１の端面１１ａに直接配置され
た光伝送システムにおける光センサ１６の相対受光量の
実測値である。また、実線は、図５に示す光伝送システ
ム１０において、光センサ１６の相対受光量の光線追跡
シミュレーションによる値であり、破線は、光センサ１
６が光伝送体１１の端面１１ａに直接配置された光伝送
システムにおいて、光センサ１６の相対受光量の光線追
跡シミュレーションによる値である。ここでは、相対受
光量の実測値、光線追跡シミュレーションによる値は、
いずれも、光センサ１６が光伝送体１１の端面１１ａに
直接配置された光伝送システムにおいて、信号光の伝播
角度θがθ＝０°のときの光センサの受光量の光線追跡
シミュレーションによる値を１として表している。

【００３５】図７から、光センサ１６の相対受光量の実
測値は、光線追跡シミュレーションによる値とほぼ一致
していることがわかる。また、光センサ１６が光伝送体
１１の端面１１ａに直接配置された光伝送システムで
は、光の伝播角度θが変化しても相対受光量はほぼ一定
であり、一様に信号光が受光されているが、図５に示す
光伝送システム１０では、伝播角度θが−５°から１５
°の範囲にある信号光が効率よく受光されていることが
わかる（以下、光結合素子を備えたある光伝送システム
において、所定の伝播角度範囲にある信号光が、その所
定の伝播角度範囲外の信号光よりも効率よく受光される
ことを、光結合素子が指向性を有すると呼ぶ）。つま
り、この光伝送システム１０では、−５°から１５°の
範囲内の伝播角度θで光結合素子１５に向かって伝播す
る信号光の大部分は、その光結合素子１５が備えている
第２の光透過体２３を経由して、第１の光透過体２０の
入射面１７（図６参照）からその第１の光透過体２０の
内部に入射し、入射面１７および反射面１８により出射
面１９に向けて集光され光センサ１６で受光される。一
方、−５°から１５°の範囲外の伝播角度θで光結合素
子１５に向かって伝播する信号光の大部分は、仮に、第
２の光透過体２３を経由して第１の光透過体２０内部に
入射しても、出射面１９には導かれずに第１の光透過体
２０の反射面１８から出射される。従って、光結合素子
１５は、−５°から１５°の範囲内の伝播角度θで伝播
する信号光に対し指向性を有している。

【００３６】また、図５に示す光伝送システム１０を用
いることにより、伝播角度θがθ＝０°において相対受
光量が約２倍になっていることがわかる（以下、光結合
素子を備えたある光伝送システムにおける所定の伝播角
度範囲で伝播する信号光の受光量が、光結合素子を備え
ていない他の光伝送システムにおける所定の伝播角度範
囲で伝播する信号光の受光量よりも大きいことを、光結
合素子が集光性を有すると呼ぶ）。

【００３７】また、この光伝送システム１０が備えてい
る光結合素子１５は、光透過体として、第１の光透過体
２０の他に、第２の光透過体２３を備えている。このよ
うに、第２の光透過体２３を備え、その第２の光透過体
２３の頂角γを調整すると、その第２の光透過体２３
に、第１の光透過体２０を接着することにより、その第
１の光透過体２０の入射面を、光伝送体１１の端面１１
ａに対して所望の角度をなす位置に配置することができ
る。また、第２の光透過体２３を備えると、その第２の
光透過体２３の屈折率に応じて、光結合素子１５に向け
て光伝送体１１内を伝播する信号光のうちの、第１の光
透過体２０の出射面１９に導かれる信号光の伝播角度θ
の範囲を調整することができる。

【００３８】図８は、本発明の第３実施形態の第１の光
結合素子を用いて構成された、複数の回路基板間の光伝
送を行う本発明の第２実施形態の第２の光伝送システム
を示す概略構成図、図９は、図８に示す光伝送システム
をＡ−Ａ'方向からみた断面図である。

【００３９】図８に示すように、光伝送システム１５０
を構成する支持基板１００上には、光伝送層１１１とク
ラッド層１１２が交互に積層されてなる光伝送体１１０
が固定されている。 また、 その支持基板１００上には、
複数の基板用コネクタ１２０が固定され、 各基板用コネ
クタ１２０それぞれには、 回路基板１３０Ａ, １３０
Ｂ, １３０Ｃ, １３０Ｄそれぞれが着脱自在に装着され
ている（図９参照）。尚、図９において、基板用コネク
タ１２０は図示省略されており、４枚の回路基板１３０
Ａ, １３０Ｂ, １３０Ｃ, １３０Ｄのうちの回路基板１
３０Ｃは、基板用コネクタ１２０から外された状態で示
されている。また、回路基板１３０Ａ, １３０Ｂ, １３
０Ｃ, １３０Ｄそれぞれに搭載される部品は、互いに同
じであるため、互いに同一の部品には同一番号を付して
示す。また、回路基板１３０Ａ, １３０Ｂ, １３０Ｃ,
１３０Ｄそれぞれに搭載される部品には、それぞれ添字
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを付して示し、回路基板１３０Ａ, １３
０Ｂ, １３０Ｃ, １３０Ｄに搭載される部品の説明にあ
たっては、回路基板１３０Ａ, １３０Ｂ, １３０Ｃ,１
３０Ｄそれぞれに搭載される部品が互いに同じであるた
め、代表して添字Ｄが付される部品について説明する。

【００４０】回路基板１３０Ｄの端縁には、光伝送体１
１０が備えている４層の光伝送層１１１に対応させて４
つの送受信器１３２Ｄが搭載されている。図９には、４
つの送受信器１３２Ｄのうちの１つの送受信器１３２Ｄ
が示されている。これら送受信器１３２Ｄは、信号光を
光伝送層１１１に向けて送信するとともにその光伝送層
１１１から出射した信号光を受光するものである。ま
た、回路基板１３０Ｄには、送受信器１３２Ｄが送信す
る信号光に担持させる信号を生成するとともに、その送
受信器１３２Ｄが受光する信号光が担持する信号に基づ
く信号処理を行なう電子回路１３１Ｄが搭載されてい
る。 図１０は、図８、図９に示す光伝送システムが備
えている、添字Ｄが付されている回路基板の、光結合素
子が搭載された部分の断面図である。

【００４１】回路基板１３０Ｄに搭載された送受信器１
３２Ｄは、回路基板１３０Ｄの表側に設けられた、波長
６５０ｎｍの赤色可視光を発光するレーザダイオード１
３３Ｄと、回路基板１３０Ｄの裏側に設けられた、波長
６５０ｎｍの赤色可視光に対し感光をもち０．５ｍｍ角
の受光面積を有するフォトダイオード１３４Ｄから構成
される。レーザダイオード１３３Ｄの前面には透過性の
光拡散体１３５Ｄが搭載され、フォトダイオード１３４
Ｄの前面には光結合素子２００Ｄが搭載されている。回
路基板１３０Ｄが基板用コネクタ１２０（図８参照）に
装着されると、その回路基板１３０Ｄに搭載された光拡
散体１３５Ｄおよび光結合素子２００Ｄは、光伝送層１
１１の端面１１１ａに当接した状態に配置される。

【００４２】光拡散体１３５Ｄは、レーザダイオード１
３３Ｄから発せられた光を光伝送層１１１に向けて拡散
するものである。ここでは、光拡散体１３５Ｄとして、
ポリメチルメタクリレートの中に、そのポリメチルメタ
クリレートとは異なる光屈折率を有するポリスチレン
（光屈折率１．５９）を微粒子状に分散させたものを用
いている。ポリスチレンの分散状態を調整することによ
り、レーザダイオード１３３Ｄから発せられた光が光拡
散体１３５Ｄで拡散されるときの強度分布を調整するこ
とができる。ここでは、光拡散体１３５Ｄが大気中に光
をほぼ完全拡散できるように、ポリスチレンの分散状態
が調整されている。尚、レーザダイオード１３３Ｄが発
光する光を所望の強度分布に拡散することができるので
あれば、光拡散体１３５Ｄの代わりに、単体のレンズや
マイクロレンズアレイなどを用いてもよい。

【００４３】光結合素子２００Ｄは、互いに接着された
第１の光透過体２０４Ｄおよび第２の光透過体２０８Ｄ
を備えている。第１の光透過体２０４Ｄは、厚さ０．５
ｍｍの楔形状に形成されており、入射面２０１、反射面
２０２、および出射面２０３を有している。また、第２
の光透過体２０８Ｄは、厚さ０．５ｍｍの三角形形状に
形成されており、入射面２０５、反射面２０６、および
出射面２０７を有している。尚、第１の光透過体２０４
Ｄの入射面２０１、反射面２０２、および出射面２０
３、第２の光透過体２０８Ｄの入射面２０５、反射面２
０６、および出射面２０７については、添字Ｄは付さず
に番号のみを付し、以後、他の回路基板１３０Ａ, １３
０Ｂ, １３０Ｃそれぞれが有する第１，第２の光透過体
２０４Ａ，２０８Ａ；２０４Ｂ，２０８Ｂ；２０４Ｃ，
２０８Ｃについても、入射面、反射面、および出射面に
は、添字Ａ，Ｂ，Ｃは付さずに、第１，第２の光透過体
２０４Ｄ，２０８Ｄそれぞれの入射面、反射面、および
出射面に付された番号と同一番号のみを付して示す。第
１，第２の光透過体２０４Ｄ，２０８Ｄの入射面２０
１，２０５、反射面２０２，２０６、および出射面２０
３，２０７は、鏡面状の滑らかな平面に形成されてい
る。第１の光透過体２０４Ｄの材料には光伝送層１１１
の光屈折率よりも大きい光屈折率を有する高屈折率ガラ
ス（光屈折率１．８０）が用いられ、第２の光透過体２
０８Ｄの材料には、第１の光透過体２０４Ｄの屈折率よ
りも低い屈折率を有するポリメチルメタクリレート（光
屈折率１．４９）が用いられている。第１の光透過体２
０４Ｄの入射面２０１と、第２の光透過体２０８Ｄの出
射面２０７とは、光学用接着剤（光屈折率１．４９）で
接着されている。第１の光透過体２０４Ｄは、入射面２
０１と反射面２０２とのなす角度βがβ＝５．７°にな
るように形成されており、その第１の光透過体２０４Ｄ
の入射面２０１と、光伝送体１１１の端面１１１ａに垂
直な矢印１とのなす角度αはα＝２０°になるように設
定されている。また、第１の光透過体２０４Ｄの出射面
２０３の長さは０．５ｍｍであり、第２の光透過体２０
８Ｄの入射面２０５の長さは１．７ｍｍである。

【００４４】図８に戻って説明を続ける。

【００４５】支持基板１００上には、 電源ラインや電気
信号伝送用の電気的配線１０１が設けられており、 各回
路基板１３０Ａ, １３０Ｂ, １３０Ｃ, １３０Ｄを各基
板用コネクタ１２０に装着すると、各回路基板１３０
Ａ, １３０Ｂ, １３０Ｃ, １３０Ｄに搭載された電子回
路１３１Ａ, １３１Ｂ, １３１Ｃ, １３１Ｄ（図９参
照）は、各基板用コネクタ１２０を経由して、 電気的配
線１０１と電気的に接続される。

【００４６】光伝送体１１０が備えている光伝送層１１
１は、信号光の伝送を担う層であり、 この実施形態で
は、 光透過率の高い、 一層当り厚さ０．５ｍｍのポリメ
チルメタクリレート（光屈折率１．４９）が用いられて
いる。 尚、 ポリメチルメタクリレートの代わりに、 ポリ
スチレン、 ポリカーボネイト等のプラスチック材料を用
いることも可能であり、 あるいは、 石英系ガラス材料を
用いることも可能である。

【００４７】また、 クラッド層１１２は、光伝送層１１
１内の光が層の厚さ方向に洩れるのを抑える作用をなす
層であり、 この実施形態では、 ポリメチルメタクリレー
トの光屈折率よりも低い光屈折率を有する含フッ素ポリ
マ（光屈折率１．３４）が用いられている。 尚、 光伝送
層１１１に用いられる材料の光屈折率よりも低い光屈折
率を有する材料ならば、含フッ素ポリマの代わりに他の
材料を用いてもよい。

【００４８】尚、 この実施形態では、上述したように、
第１の光透過体２０４Ｄ（図１０参照）の材料として高
屈折率ガラスを用いているが、光伝送層１１１に用いら
れる材料の光屈折率よりも高い光屈折率を有する材料で
あれば高屈折率ガラス以外の材料を用いてもよい。ま
た、第２の光透過体２０８Ｄの材料としてポリメチルメ
タクリレートを用いているが、第１の光透過体２０４Ｄ
に用いられる材料の光屈折率よりも低い光屈折率を有す
る材料であれば、ポリメチルメタクリレート以外の材料
を用いてもよい。

【００４９】次に、ある回路基板から別の回路基板に信
号光が伝送される様子について、図９、図１０を参照し
ながら説明する。

【００５０】回路基板１３０Ａに搭載されたレーザダイ
オード１３３Ａ（図９参照）から、信号を担持したパル
ス状の信号光が発せられる。発せられた信号光は、光拡
散体１３５Ａで拡散されながらその光拡散体１３５Ａを
透過し、光伝送層１１１の端面１１１ａに直交する方向
が最大強度となる分布で、その光伝送層１１１に入射す
る。入射した信号光３００は、光伝送層１１１内に拡散
されて拡がり、この拡散された信号光３００のうちの一
部の信号光３００ａは、図１０に示すように、回路基板
１３０Ｄが配置された方向に伝播する。この信号光３０
０ａは、光伝送層１１１の端面１１１ａから出射し、第
２の光透過体２０８Ｄの入射面２０５を透過してその第
２の光透過体２０８Ｄ内部に入射する。その入射した信
号光３００ａは、反射面２０６で反射された後もしくは
直接に、第２の光透過体２０８Ｄの出射面２０７および
第１の光透過体２０４Ｄの入射面２０１を透過すること
により、第２の光透過体２０８Ｄから第１の光透過体２
０４Ｄに導かれる。第１の光透過体２０４Ｄに導かれた
信号光３００ａは、その第１の光透過体２０４Ｄの入射
面２０１と反射面２０２との間で全反射しながら、第２
の光透過体２０８Ｄの入射面２０５よりも面積が小さい
出射面２０３に向けて集光され、その出射面２０３から
出射される。出射面２０３から出射した信号光３００ａ
は、フォトダイオード１３４Ｄで受光される。

【００５１】同様に、他の回路基板１３０Ｂ, １３０Ｃ
のレーザダイオード１３３Ｂ, １３３Ｃから発せられ光
拡散体１３５Ｂ，１３５Ｃで拡散した信号光３０１，３
０２の一部も、光結合素子２００Ｄで集光されてフォト
ダイオード１３４Ｄで受光される。また、逆に、回路基
板１３０Ｄのレーザダイオード１３３Ｄから発せられた
信号光３０３の一部は、他の回路基板１３０Ａ，１３０
Ｂ, １３０Ｃの光結合素子２００Ａ，２００Ｂ, ２００
Ｃそれぞれで集光されて、フォトダイオード１３４Ａ，
１３４Ｂ, １３４Ｃで受光される。また、この光伝送シ
ステム１５０は、フォトダイオード１３４Ａ，１３４
Ｂ, １３４Ｃ，１３４Ｄが受光する信号光がどのレーザ
ダイオード１３３Ａ，１３３Ｂ, １３３Ｃ，１３３Ｄか
ら発せられた信号光であるかを識別できるように、各回
路基板１３０Ａ，１３０Ｂ, １３０Ｃ，１３０Ｄに搭載
された電子回路１３１Ａ，１３１Ｂ, １３１Ｃ，１３１
Ｄは、レーザダイオード１３３Ａ，１３３Ｂ, １３３
Ｃ，１３３Ｄから発せられる信号光３００，３０１，３
０２，３０３それぞれの出射のタイミングを制御してい
る。

【００５２】このように構成された光伝送システム１５
０は光結合素子２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００
Ｄを備えている。従って、各光結合素子２００Ａ，２０
０Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄに向かって光伝送層１１１を
伝播する信号光のうち、矢印１（図１０参照）に対し所
定の伝播角度範囲内の伝播角度θで各第２の光透過体２
０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄの入射面２０５
に入射した信号光の大部分は、各第２の光透過体２０８
Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄを経由して各第１の
光透過体２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄに入
射し、入射面２０１および反射面２０２により出射面２
０３（図１０参照）に導かれるが、所定の伝播角度範囲
外の伝播角度θで各第２の光透過体２０８Ａ，２０８
Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄの入射面２０５に入射した信号
光の大部分は、仮に、各第２の光透過体２０８Ａ，２０
８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄを経由して各第１の光透過体
２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄの入射面２０
１に入射しても、出射面２０３には導かれずに反射面２
０２から出射される。従って、光伝送層１１１の端面１
１１ｂにおける反射や、光伝送層１１１の外部からその
光伝送層１１１内に侵入することにより発生する、矢印
１に対し所定の伝播角度範囲外の伝播角度θで各第２の
光透過体２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄに入
射するノイズ光４００は、ほとんど各第１の光透過体２
０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄの出射面２０３
には導かれず、矢印１に対し所定の伝播角度範囲内の伝
播角度θで各第２の光透過体２０８Ａ，２０８Ｂ，２０
８Ｃ，２０８Ｄに入射する信号光が効率よく各第１の光
透過体２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄの出射
面２０３に導かれる。

【００５３】また、この光伝送システム１５０が備えて
いる光結合素子２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００
Ｄは、ぞれぞれ、光透過体として、第１の光透過体２０
４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄの他に、第２の光
透過体２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄを備え
ている。従って、第１の光透過体２０４Ａ，２０４Ｂ，
２０４Ｃ，２０４Ｄの入射面２０１を、光伝送層１１１
の端面１１１ａに対して所望の角度をなす位置に配置す
ることができ、さらに、第２の光透過体２０８Ａ，２０
８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄの屈折率を調整することによ
り、光結合素子２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００
Ｄそれぞれに向けて光伝送層１１１内を伝播する信号光
のうちの、第１の光透過体２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４
Ｃ，２０４Ｄの出射面２０３に導かれる信号光の伝播角
度θの範囲を調整することができる。

【００５４】以下、この光伝送システム１５０について
行った光線追跡シミュレーションについて説明する。

【００５５】この光伝送システム１５０が備えている４
つの回路基板１３０Ａ，１３０Ｂ,１３０Ｃ，１３０Ｄ
のうちの回路基板１３０Ｄに搭載されているフォトダイ
オード１３４Ｄで受光される光の強度を、光線追跡シミ
ュレーションにより、矢印１（図１０参照）に対する信
号光の伝播角度θごとに求めた。また、この光伝送シス
テム１５０が備えている回路基板１３０Ｄから光結合素
子２００Ｄが取り除かれ、さらにフォトダイオード１３
４Ｄが光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された
光伝送システムを構成し、その光伝送層１１１の端面１
１１ａに直接配置されたフォトダイオード１３４Ｄで受
光される光の強度を、光線追跡シミュレーションによ
り、信号光の伝播角度θごとに求めた。

【００５６】図１１は、その光線追跡シミュレーション
結果を示すグラフである。

【００５７】グラフの横軸は信号光の伝播角度θであ
り、縦軸はフォトダイオード１３４Ｄで受光される信号
光の相対受光量である。実線は、図８，図９に示す光伝
送システム１５０におけるフォトダイオード１３４Ｄの
相対受光量であり、破線は、フォトダイオード１３４Ｄ
が光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された光伝
送システムにおけるフォトダイオード１３４Ｄの相対受
光量である。ここでは、相対受光量は、フォトダイオー
ド１３４Ｄが光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置
された光伝送システムにおいて、信号光の伝播角度θが
θ＝０°のときのそのフォトダイオード１３４Ｄの受光
量を１としている。

【００５８】図１１から、フォトダイオード１３４Ｄが
光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された光伝送
システムでは、信号光の伝播角度θが変化しても相対受
光量はほぼ変わらず、一様に信号光が受光されている
が、光伝送システム１５０（図８参照）では、伝播角度
θが−１０°から１０°の範囲にある信号光が効率よく
受光されており、指向性を有することがわかる。また、
光伝送システム１５０を用いることにより、伝播角度θ
がθ＝−１０°付近においては、相対受光量が約３倍に
なっており集光性を有することがわかる。

【００５９】次に、本発明の第４実施形態の第１の光結
合素子を用いて構成された、本発明の第３実施形態の第
２の光伝送システムについて説明する。その第３実施形
態の光伝送システムは、第２実施形態の第２の光伝送シ
ステム１５０（図８参照）が備えている光結合素子２０
０Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄとは異なる構成の
光結合素子を備えている以外は、第２実施形態の光伝送
システム１５０と同じ構成であるため、この相違点のみ
について図１２を参照しながら説明する。

【００６０】図１２は、第３実施形態の第２の光伝送シ
ステムが備えている回路基板の、光結合素子が搭載され
た部分の断面図であり、４つの回路基板のうち、代表し
て１枚の回路基板について示してある。

【００６１】回路基板１３０Ｄに搭載されている光結合
素子２１０Ｄは、第１の光透過体２１４Ｄと第２の光透
過体２１８Ｄとの間に、その第２の光透過体２１８Ｄの
屈折率よりも小さな屈折率をもつ光透過層２１９を備え
ている。この光透過層２１９の材料には含フッ素ポリマ
（光屈折率１．３４）を用いている。また、第１の光透
過体２１４Ｄの出射面２１３の長さは０．５ｍｍ、第２
の光透過体２１８Ｄの入射面２１５の長さは３．０ｍｍ
になるように形成され、第１の光透過体２１４Ｄの入射
面２１１と、光伝送層１１１の端面１１１ａに垂直な矢
印１とのなす角度αはα＝３７°になるように設定され
ている。第１，第２の光透過体２１４Ｄ，２１８Ｄの入
射面２１１，２１５、反射面２１２，２１６、および出
射面２１３，２１７は、鏡面状の滑らかな平面に形成さ
れている。また、この回路基板１３０Ｄ以外の残りの３
枚の回路基板にも、光結合素子２１０Ｄと同一構造の光
結合素子が搭載されている。

【００６２】尚、 ここでは、光透過層２１９の材料とし
て含フッ素ポリマを用いているが、第２の光透過体２１
８Ｄの光屈折率よりも低い光屈折率を有する材料なら
ば、含フッ素ポリマ以外の材料を用いてもよい。

【００６３】このように構成された第３実施形態の第２
の光伝送システムと、その第３実施形態の第２の光伝送
システムが備えている回路基板１３０Ｄから光結合素子
２１０Ｄが取り除かれ、さらにフォトダイオード１３４
Ｄが光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された構
成の光伝送システムとの２つの光伝送システムについ
て、第２実施形態の光伝送システム１５０（図８参照）
について行った光線追跡シミュレーションと同様のシミ
ュレーションを行った。

【００６４】図１３は、その光線追跡シミュレーション
結果を示すグラフである。

【００６５】この図１３から、フォトダイオード１３４
Ｄが光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された光
伝送システムでは、信号光の伝播角度θが変化しても相
対受光量はほぼ変わらず、一様に信号光が受光されてい
るが、この第３実施形態の第２の光伝送システムでは、
伝播角度θが−１０°から１０°の範囲にある信号光が
効率よく受光されており、指向性を有することがわか
る。また、この第３実施形態の第２の光伝送システムを
用いることにより、伝播角度θがθ＝０°においては相
対受光量が約３倍になっており集光性を有することがわ
かる。

【００６６】この第３実施形態の第２の光伝送システム
は、第１の光透過体２１４Ｄと第２の光透過体２１８Ｄ
との間に、その第２の光透過体２１８Ｄの屈折率よりも
小さな屈折率をもつ光透過層２１９を備えている。この
光透過層２１９を備えることにより、第１の光透過体２
１４Ｄの入射面２１１と矢印１とのなす角度αを、第２
実施形態の第２の光伝送システム１５０（図１０参照）
よりも大きく設定することができ、光結合素子の集光性
がさらに向上する。

【００６７】次に、本発明の第１実施形態の第２の光結
合素子を用いて構成された、本発明の第４実施形態の第
２の光伝送システムについて説明する。この第４実施形
態の第２の光伝送システムは、第２実施形態の第２の光
伝送システム１５０（図８参照）が備えている光結合素
子とは異なる構成の光結合素子を備えている以外は、そ
の光伝送システム１５０と同じ構成であるため、この相
違点のみについて図１４を参照しながら説明する。

【００６８】図１４は、第４実施形態の第２の光伝送シ
ステムが備えている回路基板の、光結合素子が搭載され
た部分の断面図であり、４つの回路基板のうち、代表し
て１枚の回路基板について示してある。

【００６９】光結合素子２２０Ｄは同一形状の２つの第
１の光透過体２２４Ｄと、１つの第２の光透過体２２７
Ｄを備えている。この２つの第１の光透過体２２４Ｄ
は、いずれも厚さ０．５ｍｍの楔形状に形成されてお
り、入射面２２１、反射面２２２、および出射面２２３
を有している。入射面２２１は、光伝送層１１１および
第２の光透過体２２７Ｄを伝播してきた信号光を第１の
光透過体２２４Ｄ内部に入射するととともに、一旦第１
の光透過体２２４Ｄ内部に入射した後入射面２２１に戻
ってきた信号光をその第１の光透過体２２４Ｄ内部に向
けて反射する面である。反射面２２２は、入射面２２１
に対し角度βだけ傾いた面であって、矢印１に対し所定
の伝播角度範囲内で入射面２２１に入射した信号光を入
射面２２１側に反射して、その入射面２２１と共同して
信号光を入射面２２１との間隔が開いた方向に導く（出
射面２２３に向けて導く）面である。出射面２２３は、
入射面２２１と反射面２２２との間隔が開いた方向に導
かれた信号光をフォトダイオード１３４Ｄに向けて出射
する面である。 また、光結合素子２２０Ｄは２つの第
１の光透過体２２４Ｄの他に、上記のように第２の光透
過体２２７Ｄを１つ備えている。この第２の光透過体２
２７Ｄは、２つの第１の光透過体２２４Ｄの入射面２２
１に囲まれた領域に、その入射面２２１に接触した出射
面２２６と、光伝送層１１１を伝播してきた信号光が入
射される入射面２２５とを有しその入射面２２５から入
射した信号光を出射面２２６に伝送する、第１の光透過
体２２４Ｄの屈折率よりも小さな屈折率を持つ光透過体
である。具体的には以下のとおりである。

【００７０】第２の光透過体２２７Ｄは、厚さ０．５ｍ
ｍの三角形形状に形成されており、入射面２２５と、２
つの出射面２２６とを有している。２つの第１の光透過
体２２４Ｄの入射面２２１、反射面２２２、および出射
面２２３、第２の光透過体２２７Ｄの入射面２２５およ
び２つの出射面２２６は、鏡面状の滑らかな平面に形成
されている。２つの第１の光透過体２２４Ｄの入射面２
２１それぞれは、第２の光透過体２２７Ｄの２つの出射
面２２６それぞれに接着されている。このように構成さ
れた光結合素子２２０Ｄでは、２つの第１の光透過体２
２４Ｄの出射面２２３それぞれを合わせた面が、全体と
して１つの出射面を形成しており、さらに、この光結合
素子２２０Ｄは、２つの第１の光透過体２２４Ｄの入射
面２２１を内向きにして出射面２２３から離れるに従っ
てより広く開いた線対称に形成されている。

【００７１】第１の光透過体２２４Ｄの材料には光伝送
層１１１の光屈折率よりも高い光屈折率を有する高屈折
率ガラス（光屈折率１．８０）、第２の光透過体２２７
Ｄの材料にはポリメチルメタクリレート（光屈折率１．
４９）を用いている。第１の光透過体２２４Ｄは、入射
面２２１と反射面２２２とのなす角度βがβ＝４．１°
になるように形成されており、その第１の光透過体２２
４Ｄの入射面２２１と、光伝送層１１１の端面に垂直な
矢印１とのなす角度αはα＝１５．１°になるように設
定されている。また、第１の光透過体２２４Ｄの出射面
２２３の長さは０．５ｍｍ、第２の光透過体２２７Ｄの
入射面２２５の長さは３．０ｍｍになるように形成され
ている。

【００７２】このように構成された光結合素子２２０Ｄ
を備えた第４実施形態の第２の光伝送システムと、その
第４実施形態の第２の光伝送システムが備えている回路
基板から光結合素子２２０Ｄが取り除かれ、さらにフォ
トダイオード１３４Ｄが光伝送体の端面に直接配置され
た構成の光伝送システムとの２つの光伝送システムにつ
いて、第２実施形態の光伝送システム１５０（図８参
照）について行った光線追跡シミュレーションと同様の
シミュレーションを行った。

【００７３】図１５は、その光線追跡シミュレーション
結果を示すグラフである。

【００７４】この図１５から、フォトダイオード１３４
Ｄが光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された光
伝送システムでは、信号光の伝播角度θが変化しても相
対受光量はほぼ変わらず、一様に信号光が受光されてい
るが、この第４実施形態に示す第２の光伝送システムで
は、伝播角度θが−１０°から１０°の範囲にある信号
光が効率よく受光されており、指向性を有することがわ
かる。また、伝播角度θが−１０°から１０°の範囲に
おいては、相対受光量が約２倍になっており、均一に集
光性を有することがわかる。

【００７５】この第４実施形態の第２の光伝送システム
が備えている光結合素子２２０Ｄは、２つの第１の光透
過体２２４Ｄの入射面２２１を内向きにして出射面２２
３から離れるに従ってより広く開いた線対称に形成され
ている。このように線対称に光結合素子を構成すること
により、図１５に示すように、所定の伝播角度の範囲に
おいて伝播角度θ＝０°を中心とした均一な集光性が得
られる。

【００７６】次に、本発明の第２実施形態の第２の光結
合素子を用いて構成された、本発明の一実施形態の第１
の光伝送システムについて説明する。この第１の光伝送
システムについては、本発明の第４実施形態の第２の光
伝送システム（図１４参照）との相違点のみについて図
１６を参照しながら説明する。

【００７７】図１６は、本発明の一実施形態の第１の光
伝送システムが備えている回路基板の、光結合素子が搭
載された部分の断面図であり、４つの回路基板のうち、
代表して１枚の回路基板について示してある。

【００７８】光結合素子２３０Ｄは、第１の光透過体２
２４Ｄと、第２の光透過体２２７Ｄとの他に、２つの第
１の光透過体２２４Ｄの出射面２２３（図１４参照）と
フォトダイオード１３４Ｄの受光面との間の空間を充填
するように形成された光透過体２３８を備えている。こ
こでは、この光透過体２３８の材料として高屈折率の光
学接着剤（光屈折率１．６０）が用いられている。

【００７９】このように構成された一実施形態の第１の
光伝送システムと、その一実施形態の第１の光伝送シス
テムが備えている回路基板から光結合素子が取り除か
れ、さらにフォトダイオード１３４Ｄが光伝送層１１１
の端面１１１ａに直接配置された構成の光伝送システム
との２つの光伝送システムについて、第２実施形態の第
２の光伝送システム１５０（図８参照）について行った
光線追跡シミュレーションと同様のシミュレーションを
行った。

【００８０】図１７は、その光線追跡シミュレーション
結果を示すグラフである。

【００８１】この図１７から、フォトダイオード１３４
Ｄが光伝送層１１１の端面１１１ａに直接配置された光
伝送システムでは、信号光の伝播角度θが変化しても相
対受光量はほぼ変わらず、一様に信号光が受光されてい
るが、この一実施形態の第１の光伝送システムでは、伝
播角度θが−１０°から１０°の範囲にある信号光が効
率よく受光されており、指向性を有することがわかる。
また、この一実施形態の第１の光伝送システムを用いる
ことにより、伝播角度θが−１０°から１０°の範囲に
おいては、相対受光量が約４倍になっており、均一に集
光性を有することがわかる。

【００８２】この光結合素子２３０Ｄ（図１６参照）
は、光透過体２３８の、フォトダイオード１３４Ｄの受
光面と接触する面が、２つの第１の光透過体２２４Ｄに
よりフォトダイオード１３４Ｄの受光面に向けて伝送さ
れた信号光をその受光面に出射する出射面を形成してい
る。ここで、図１４と図１６とを比較すると、図１４で
は、光結合素子２２０Ｄの出射面（２つの第１の光透過
体２２４Ｄの出射面２２３）は、第１の光透過体２２４
Ｄよりも屈折率の小さい空気を介在させてフォトダイオ
ード１３４Ｄの受光面と対向している。従って、第１の
光透過体２２４Ｄの出射面２２３まで伝送されてもその
出射面２２３で反射する信号光がある。このように、信
号光が出射面２２３で反射してしまうとその信号光はフ
ォトダイオード１３４Ｄでは受光されず、この信号光の
分だけ受光効率が低下するが、図１６に示すように、光
結合素子２３０Ｄの出射面をフォトダイオード１３４Ｄ
の受光面に接触させることにより、出射面に到達した信
号光をその出射面で反射しにくくすることができ、フォ
トダイオード１３４Ｄの受光効率をさらに向上させるこ
とができる。

【００８３】次に、本発明の第３実施形態の第２の光結
合素子を用いて構成された、本発明の第５実施形態の第
２の光伝送システムについて説明する。

【００８４】図１８は、本発明の第５実施形態の第２の
光伝送システムを示す概略構成図である。

【００８５】自由空間内に、空間光伝送をおこなうため
の送信器５０１と受信器５０２とが装着された複数の端
末５００が配置されている。天井５０３には、送信器５
０１が自由空間中に送信した信号光を、複数の端末５０
０に向けて反射拡散する拡散板５０４が備えられてい
る。送信器５０１には波長８５０ｎｍの赤外光を発光す
る発光ダイオードが用いられ、拡散板５０４にはポリマ
ーベースの中に光屈折率が異なる別の材料の微粒子を分
散させた拡散板が用いられている。

【００８６】図１９は、図１８に示す光伝送システムが
備えている受信器を示す拡大図である。

【００８７】受信器５０２は、波長８５０ｎｍの赤外光
に対し感光を有するフォトダイオード５０５と、光結合
素子５０９とを備えている。この光結合素子５０９は、
内側が円錐状にくり抜かれたくり抜き部５１０を有する
回転対称構造の光透過体からなり、くり抜き部５１０の
内側の面に入射面５０６、外側の面に反射面５０７が設
けられ、下面に出射面５０８が設けられている。光結合
素子５０９の材料にはポリメチルメタクリレート（光屈
折率１．４９）を用いている。また、この光結合素子５
０９は、入射面５０６と反射面５０７とのなす角度はβ
である。

【００８８】この光結合素子５０９は、入射面５０６を
内向きにして出射面５０８から離れるに従ってより広く
開いた回転対称に形成されている。

【００８９】以下に、送信器５０１から発せられた信号
光が受信器５０２で受信される様子について説明する。
端末５００に装着した送信器５０１から信号を担持し
たパルス状の信号光３００が拡散板５０４に向けて発せ
られる。信号光３００は拡散板５０４で反射拡散され、
他の端末５００に向けて広がりながら進み、各受信器５
０２に到達する。信号光３００は、各受信器５０２が備
える光結合素子５０９の入射面５０６を透過し、透過し
た信号光３００は、入射面５０６と反射面５０７との間
で反射されながら出射面５０８の方向に導かれる。出射
面５０８に導かれた信号光は、その出射面から出射し、
フォトダイオード５０５で受光される。

【００９０】同様に、他の端末５００から発せられる信
号光も、上記と同様にして伝送することができる。

【００９１】図１８に示す光伝送システムが備えている
光結合素子５０９は回転対称に形成されている。光結合
素子をこのような回転対称に形成することにより、図１
４、図１６に示す線対称の光結合素子２２０Ｄ，２３０
Ｄと同様に、伝播角度θ＝０°を中心とした左右対称の
受光特性が得られる。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所定の伝播角度範囲内の伝播角度で伝播してくる信号光
を効率よく集光して受光素子等の光学素子に出射すると
ともに、所定の伝播角度範囲外の伝播角度で伝播してく
る信号光は光学素子に向けて出射せず、かつ小型化が図
られた光結合素子と、 その光結合素子を用いた光伝送シ
ステムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】矢印１の方向と同一方向から光結合素子に光が
入射する様子を示す図である。

【図２】矢印１に対して伝播角度θ₁で光結合素子に光
が入射する様子を示す図である。

【図３】矢印１に対して伝播角度θ₂で光結合素子に光
が入射する様子を示す図である。

【図４】矢印１に対して伝播角度θ₃で光結合素子に光
が入射する様子を示す図である。

【図５】本発明の第２の光伝送システムの第１実施形態
を示す斜視図である。

【図６】図５に示す光伝送システムに備えられた、本発
明の第２実施形態の第１の光結合素子の拡大平面図であ
る。

【図７】測定結果を示すグラフである。

【図８】本発明の第３実施形態の第１の光結合素子を用
いて構成された、複数の回路基板間の光伝送を行う本発
明の第２実施形態の第２の光伝送システムを示す概略構
成図である。

【図９】図８に示す光伝送システム１５０をＡ−Ａ'方
向からみた断面図である。

【図１０】図８、図９に示す第２実施形態の第２の光伝
送システムが備えている、添字Ｄが付されている回路基
板の、光結合素子が搭載された部分の断面図である。

【図１１】光線追跡シミュレーション結果を示すグラフ
である。

【図１２】第３実施形態の第２の光伝送システムが備え
ている回路基板の、光結合素子が搭載された部分の断面
図である。

【図１３】光線追跡シミュレーション結果を示すグラフ
である。

【図１４】第４実施形態の第２の光伝送システムが備え
ている回路基板の、光結合素子が搭載された部分の断面
図である。

【図１５】光線追跡シミュレーション結果を示すグラフ
である。

【図１６】本発明の一実施形態の第１の光伝送システム
が備えている回路基板の、光結合素子が搭載された部分
の断面図である。

【図１７】光線追跡シミュレーション結果を示すグラフ
である。

【図１８】本発明の第５実施形態の第２の光伝送システ
ムを示す概略構成図である。

【図１９】図１８に示す光伝送システムが備えている受
信器を示す拡大図である。

【符号の説明】

１ 矢印 ２，２００Ｄ，２１０Ｄ，５０９ 光結合素子 ３，１７，２１，２０１，２０５，５０６ 入射面 ４，１８，２０２，２０６，５０７ 反射面 ５，１９，２２，２０３，２０７，５０８ 出射面 ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，９Ａ，９Ｂ，９
Ｃ，３００，３０１，３０２，３０３ 信号光 １０ ノイズ光 １０ 光伝送システム１５０ １１ 光伝送体 １２ 光拡散板 １３ 半導体レーザ １５ 光結合素子 １６ 光センサ ２０，２３，２０４Ｄ，２０８Ｄ 光透過体 １００ 支持基板 １０１ 電気的配線 １１０ 光伝送体 １１１ 光伝送層 １１２ クラッド層 １２０ 基板用コネクタ １３０Ａ, １３０Ｂ, １３０Ｃ, １３０Ｄ 回路基板 １３１Ａ, １３１Ｂ, １３１Ｃ, １３１Ｄ 電子回路 １３２Ｄ 送受信器 １３３Ｄ レーザダイオード １３４Ｄ，５０５ フォトダイオード １３５Ｄ 光拡散体 ５００ 端末 ５０１ 送信器 ５０２ 受信器 ５０３ 天井 ５０４ 拡散板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 10/22 (72)発明者 経塚 信也 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 浜田 勉 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 岡田 純二 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA11 CA32 CA38 CA40 5K002 AA01 AA03 AA07 BA02 BA13 BA21 BA31 CA02 FA03 GA06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由空間を含む光伝送媒体と光学素子と
   を光学的に結合する光結合素子において、 前記光伝送媒体を伝播してきた信号光が入射し一旦入射
   した後戻ってきた信号光を反射する第１の面と、該第１
   の面に対し斜面を成す、該第１の面から入射した信号光
   を該第１の面側に反射して、該第１の面と共同して信号
   光を該第１の面との間隔が開いた方向に導く第２の面
   と、該方向に導かれた信号光を前記光学素子に向けて出
   射する第３の面とを有する、前記光伝送媒体の屈折率よ
   りも大きな屈折率をもつ第１の光透過体を備えたことを
   特徴とする光結合素子。
2. 【請求項２】 前記第１の面に接触もしくは近接した出
   射面と、自由空間を含む光伝送媒体を伝播してきた信号
   光が入射される入射面とを有し、該入射面から入射した
   信号光を前記出射面に向けて伝送する、前記第１の光透
   過体の屈折率よりも小さな屈折率をもつ第２の光透過体
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の光結合素子。
3. 【請求項３】 前記第１の光透過体と前記第２の光透過
   体との間に、前記第２の光透過体の屈折率よりも小さな
   屈折率をもつ層状の第３の光透過体を備えたことを特徴
   とする請求項２記載の光結合素子。
4. 【請求項４】 自由空間を含む光伝送媒体と光学素子と
   を光学的に結合する光結合素子において、 前記光伝送媒体を伝播してきた信号光が入射し一旦入射
   した後戻ってきた信号光を反射する第１の面と、該第１
   の面に対し斜面を成す、該第１の面から入射した信号光
   を該第１の面側に反射して、該第１の面と共同して信号
   光を該第１の面との間隔が開いた方向に導く第２の面
   と、該方向に導かれた信号光を前記光学素子に向けて出
   射する第３の面とを有する、前記光伝送媒体の屈折率よ
   りも大きな屈折率をもつ第１の光透過体を備えた光結合
   部を備え、 前記第３の面が全体として１つであって、 前記光結合部が、前記第１の面を内向きにして該第３の
   面から離れるに従ってより広く開いた線対称あるいは回
   転対称に形成されてなることを特徴とする光結合素子。
5. 【請求項５】 前記第１の面に囲まれた領域に、該第１
   の面に接触もしくは近接した出射面と、自由空間を含む
   光伝送媒体を伝播してきた信号光が入射される入射面と
   を有し該入射面から入射した信号光を前記出射面に伝送
   する、前記第１の光透過体の屈折率よりも小さな屈折率
   を持つ第２の光透過体を備えたことを特徴とする請求項
   ４記載の光結合素子。
6. 【請求項６】 自由空間を含む光伝送媒体を伝播してき
   た信号光が入射し一旦入射した後戻ってきた信号光を反
   射する第１の面、該第１の面に対し斜面を成す、該第１
   の面から入射した信号光を該第１の面側に反射して、該
   第１の面と共同して信号光を該第１の面との間隔が開い
   た方向に導く第２の面、および該方向に導かれた信号光
   を出射する第３の面を有する、前記光伝送媒体の屈折率
   よりも大きな屈折率をもつ第１の光透過体を備えた光結
   合素子と、前記第１の光透過体の第３面に接する光学素
   子とを具備したことを特徴とする光伝送システム。
7. 【請求項７】 自由空間を含む光伝送媒体中に信号光を
   発光する発光素子、前記光伝送媒体中を伝播してきた信
   号光を受光する受光素子、および、前記光伝送媒体と前
   記受光素子とを光学的に結合する光結合素子を備えた光
   伝送システムにおいて、 前記光結合素子が、前記光伝送媒体を伝播してきた信号
   光が入射し一旦入射した後戻ってきた信号光を反射する
   第１の面と、該第１の面に対し斜面を成す、該第１の面
   から入射した信号光を該第１の面側に反射して、該第１
   の面と共同して信号光を該第１の面との間隔が開いた方
   向に導く第２の面と、該方向に導かれた信号光を前記光
   学素子に向けて出射する第３の面とを有する、前記光伝
   送媒体の屈折率よりも大きな屈折率をもつ光透過体を備
   えたことを特徴とする光伝送システム。
8. 【請求項８】 前記受光素子を複数備えるとともに、こ
   れら複数の受光素子それぞれに対応して、前記光伝送媒
   体と前記複数の受光素子それぞれとを光学的に結合する
   光結合素子を複数備え、 前記発光素子が前記光伝送媒体中に発光した信号光を、
   前記複数の光結合素子全体に向けて拡散する拡散体を備
   えたことを特徴とする請求項７記載の光伝送システム。