JP2004214901A

JP2004214901A - 光送受信装置

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Publication number: JP2004214901A
Application number: JP2002381276A
Authority: JP
Inventors: Takashi Omuro; 隆司大室
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP4574111B2

Abstract

【課題】光送受信装置において、光源からの光のうち受光素子に入射するゴースト光をより少なくし、クロストークの発生を抑える。
【解決手段】偏光方向が所定方向に概ね揃えられた光を発する光源１と、入射した光を電気信号に変換する受光素子４と、相手方装置に対して光を射出し、相手方装置からの光が入射する送受信光学系７と、光源からの上記所定方向の偏光方向を有した光を送受信光学系に向かわせ、相手方装置からの上記所定方向に対して直交する偏光方向を有した光を受光素子に向かわせる偏光分離手段３と、光源と偏光分離手段との間に配置された偏光素子９とを有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離を隔てた複数地点間で光による情報通信を行う光空間伝送装置に関し、さらに詳しくは該光空間伝送装置に用いられる光送受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような光空間伝送装置の光送受信装置としては、特許文献１にて提案されているものがある。
【０００３】
この装置は、図６に示すように構成されており、レーザ光源２０１から発せられた直線偏光光を、偏光ビームスプリッタ２０３を透過させた後、１／４波長板２０６で円偏光光とした上で送受信光学系２０７を介して射出する。一方、相手側から送られてくる円偏光光は１／４波長板２０６で直線偏光とされ、偏光ビームスプリッタ２０３でそのほとんどが反射して受光素子２１０により受光される。
【０００４】
ここで、偏光ビームスプリッタ２０３と受光素子２１０との間には、偏光フィルタ２０８が配置されており、この偏光フィルタ２０８を透過することによって受光素子２１０に受光される光は大きな偏光比を持った直線偏光となる。このため、偏光フィルタ２０８の偏光軸に直交する偏光方向を持つ光が偏光ビームスプリッタ２０３から漏れてきて受光素子２１０に入射し、クロストークが発生することを抑えることができる。
【０００５】
また、図７に示す光送受信装置では、光源３０１からの所定方向の偏光方向を有する光を偏光ビームスプリッタ３０３の偏光分離面３０３ａで反射させて入射出ポート３０６を介して送受信光学系３０７に向かわせる。一方、送受信光学系３０７から入射した相手方装置（図示せず）からの上記所定方向に対して直交する偏光方向を有する光を、入射出ポート３０６を介して偏光ビームスプリッタ３０３に入射させ、偏光分離面３０３ａを透過させて受光素子３０４に向かわせる。そして、特許文献１と同様に、偏光ビームスプリッタ３０３と受光素子３０４との間には偏光素子３０８が配置されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許４，１９９，２２６号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した各光送受信装置では、光源の偏波消光比が無限ではないために、所定方向の偏光方向を有する偏光成分に上記所定方向に直交する偏光方向を有する偏光成分が混在する。例えば、半導体レーザ光源の偏波消光比は２１ｄＢ（約１２８対１）程度である。
【０００８】
また、偏光ビームスプリッタの偏光分離面での分離度は１００％ではない。例えば、一方の偏光成分の反射率が約９９．８％であるのに対し、他方の偏光成分の透過率が約９５％（偏光分離面での吸収はほとんどない）程度となることがある。
【０００９】
さらに、偏光ビームスプリッタの入射出ポートには、反射防止コートが施されることが多いが、それでも１％程度の光が反射してしまう。
【００１０】
したがって、この様な性能の光学要素を組み合わせたとき、光源を発した光の一部がゴースト光となって偏光ビームスプリッタから受光素子に漏れ込み、クロストークを発生させることになる。
【００１１】
図８に点線で示したゴースト光３２１は、レーザ光源３０１を発し、偏光分離面３０３ａで反射して入射出ポート３０６に向かった光のうち、入射出ポート３０６で反射して偏光分離面３０３ａを透過する光路をたどるものである。このゴースト光は、偏光ビームスプリッタ３０３から射出した後、偏光素子３０８を透過して受光素子４に漏れ込む。
【００１２】
表１は、偏光素子３０８が無い場合に光源３０１を発した光エネルギがどの程度、受光素子３０４に到達するかを計算した結果を示している。
【００１３】
【表１】

【００１４】
ここで、光送受信装置として必要な減衰比を考える。受光素子（例えば、ＰＩＮフォトダイオードやＡＰＤと呼ばれるアバランシェフォトダイオードなど）を使って得ようとする場合、光通信における最低受信感度は約−４０ｄＢｍである。信号を得るためには、受信光の強弱を検出しなければならないので、受光素子の最低受光感度はそれより更に６ｄＢｍ以上、下がることが求められる。つまり、トータルでの最低受光感度は−４６ｄＢｍ以下を求められている。
【００１５】
例えば、２００ｍＷ（２３ｄＢｍ）の光源を使用する場合、光源から放出された光のエネルギが受光素子にて検出できないところ（−４６ｄＢｍ）まで、ゴースト光が減衰していなければならない。すなわち、減衰比６９ｄＢが必要であるが、表１に示した減衰比では足りない。
【００１６】
また、表２は、図８に示したように、偏光ビームスプリッタ３０３（偏光分離面３０３ａ）と受光素子３０４との間に偏光素子３０８を配置した場合の光エネルギの減衰比を計算したものである。ここでは偏光素子３０８の透過率を、透過率が最大となる偏光方向で８０％、これと直交する偏光方向で０．１％とした。
【００１７】
この場合、５５ｄＢは減衰できるようになったものの、前述した６９ｄＢには、まだ１４ｄＢも足りない。つまり、まだ２５倍もの差があることになる。
【００１８】
【表２】

【００１９】
本発明は、光源からの光のうち受光素子に入射するゴースト光をより少なくし、クロストークの発生を抑えることができるようにした光送受信装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光送受信装置は、偏光方向が所定方向に概ね揃えられた光を発する光源と、入射した光を電気信号に変換する受光素子と、相手方装置に対して光を射出し、相手方装置からの光が入射する送受信光学系と、光源からの上記所定方向の偏光方向を有した光を送受信光学系に向かわせ、相手方装置からの上記所定方向に対して直交する偏光方向を有した光を受光素子に向かわせる偏光分離手段と、光源と偏光分離手段との間に配置された偏光素子とを有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１には、本発明の実施形態である送受信装置を備えた光空間伝送装置を用いて構成される光通信システムの概略構成を示している。また、図２には、上記送受信装置を示している。
【００２２】
図１において、Ａ，Ｂは同一の構成を有する光空間伝送装置であり、それぞれの内部には送受信装置１０が収容されている。
【００２３】
図１および図２において、１は光源であり、例えば半導体レーザや光ファイバーの先端により構成される。光ファイバーを用いる場合は、偏波面保存型である方が望ましいが、それ以外でも、ファイバー端面に偏光素子を付与したもの等を用いることができる。
【００２４】
なお、光空間伝送装置Ａ，Ｂにおいて、光源１にはこの光源１を駆動する駆動回路１２が接続されている。駆動回路１２には、コンピュータ等の通信装置４２，４５が接続されており、駆動回路１２はこれら通信装置４２，４５から入力された送信すべき情報に応じて光源１を駆動し、該情報が載った光信号を発生させる。
【００２５】
なお、図１では、光空間伝送装置Ａの駆動回路１２にビデオカメラ、テレビカメラ等の撮影装置も接続されている。この場合、駆動回路１２は該撮影装置から入力された映像信号に応じて光源１を駆動し、該映像信号が載った光信号を発生させる。
【００２６】
また、図１には、同じ光送受信装置１０を搭載した２つの光空間伝送装置Ａ，Ｂ間で光通信を行う場合を示しているが、相手方装置（例えば、光空間伝送装置Ａに対する光空間伝送装置Ｂ）として複数の光空間伝送装置を設けてもよく、また相手方装置として、光の受信のみ行うもの又は送信のみ行うものを設けてもよい。
【００２７】
２は光源１から発せられた光（送信光）をほぼ平行光束とする第１のレンズである。
【００２８】
９は第１の偏光素子（光源側偏光素子）であり、送信光に含まれるエネルギ量をほぼ決定する所定の偏光方向を有した偏光成分（ここではＳ偏光成分とする）に対して直交する偏光方向を有する偏光成分（ここではＰ偏光成分とする）を減衰又は除去する機能を有している。
【００２９】
第１の偏光素子９としては、透過型の板状のものが配置スペースを考慮すると望ましいが、より高性能なプリズム型のものを透過型や反射型で使うことも考えられる。
【００３０】
３はプリズム型の偏光ビームスプリッタであり、多層膜等からなる偏光分離面３ａにて、入射光束の光軸と偏光分離面３ａの法線とを含む入射面に対して垂直なＳ偏光成分を反射し、それと直交するＰ偏光成分を透過する。このため、第１の偏光素子９の偏光軸の方向は、偏光ビームスプリッタ３のＳ偏光成分の偏光方向と一致している。
【００３１】
第１の偏光素子９を通過した送信光は、偏光ビームスプリッタ３の偏光分離面３ａにてそのほとんどが反射され、偏光ビームスプリッタ３の入射出面（以下、入射出ポートという）６から射出し、送受信光学系７を通って相手方装置に向けられる。
【００３２】
一方、送信光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する偏光光（Ｐ偏光成分）がほとんどのエネルギ成分を有し、相手側装置から送受信光学系７に入射した光（受信光）は、送受信光学系７によって平行光束とされて入射出ポート６に入射する。入射出ポート６から偏光ビームスプリッタ３に入射した受信光は、偏光分離面３ａを透過して偏光ビームスプリッタ３から射出する。
【００３３】
８は第２の偏光素子（受光素子側偏光素子）であり、その偏光軸の方向は偏光ビームスプリッタ３におけるＰ偏光成分の偏光方向と一致している。すなわち、第１および第２の偏光素子９，８の偏光軸の方向は互いに直交している。
【００３４】
この第２の偏光素子８を通過した受信光は、レンズ５にて受光素子４上に集光される。
【００３５】
受光素子４は入射した光を光電変換して電気信号とし、出力回路１４に出力する。なお、出力回路１４には前述した通信装置４２，４５が接続されている。
【００３６】
また、送受信装置１０において、偏光分離面３ａから相手方装置側の光学要素は、送信光および受信光が透過するために、偏光方向に関係なく光を透過させるものである。
【００３７】
ここで、光源１からのＳ偏光成分およびＰ偏光成分のそれぞれ一部がゴースト光２１となる過程について図２を用いて説明する。
【００３８】
まず、送信光のほとんどのエネルギを有するＳ偏光成分を考える。
【００３９】
ＳＡ・・・光源１を発する
ＳＢ・・・レンズ２にて平行光束となる
ＳＣ・・・第１の偏光素子９にて、そのほとんどが透過する
ＳＤ・・・偏光分離面３ａにてそのほとんどが反射する
ＳＥ・・・入射出ポート６にてその一部（少量の意：以下同じ）が反射する
ＳＦ・・・偏光分離面３ａにてその一部が透過する
ＳＧ・・・第２の偏光素子８にて減衰する
ＳＨ・・・レンズ５にて集光され、受光素子４に到達する。
【００４０】
一方、送信光にわずかに含まれるＰ偏光成分を考える。
【００４１】
ＰＡ・・・光源１を発する
ＰＢ・・・レンズ２にて平行光束となる
ＰＣ・・・第１の偏光素子９にて減衰する
ＰＤ・・・偏光分離面３ａにてその一部が反射する
ＰＥ・・・入射出ポート６にてその一部が反射する
ＰＦ・・・偏光分離面３ａにてそのほとんどが透過する
ＰＧ・・・第２の偏光素子８にてそのほとんどが透過する
ＰＨ・・・レンズ５にて集光され、受光素子４に到達する。
【００４２】
こうして、上記ＳＨとＰＨとがゴースト光２１として受光素子４に入射するが、本実施形態では、第１の偏光素子９にてＰ偏光成分を減衰させるようにしているため（ＰＣ）、第２の偏光素子８がＰ偏光成分のほとんどを透過させるものであっても受光素子４に入射するＰ偏光成分をごく僅かな（クロストークを発生させない程度の）量にすることができる。
【００４３】
すなわち、光源１と偏光ビームスプリッタ３との間に、偏光ビームスプリッタ３と受光素子４との間に配置された第２の偏光素子８と偏光軸が直交する関係にある第１の偏光素子９を配置することにより、光源１からの光が受光素子４に漏れ込むことによるクロストークの発生を抑えることができる。また、このような構成とすることで、正規光としての送信光および受信光に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００４４】
表３には、光源１と偏光ビームスプリッタ３（偏光分離面）との間に第１の偏光素子９を配置し、かつ偏光ビームスプリッタ３と受光素子４との間に第２の偏光素子８を配置した場合の光エネルギの減衰比を計算した結果を示している。光源１の偏波消光比や他の構成要素の特性は表１，２にて説明したのと同じである。また、第１の偏光素子９のＰ偏光の透過率を８０％、Ｓ偏光の透過率を０．１％とした。
【００４５】
【表３】

【００４６】
表３から分かるように、本実施形態の光送受信装置１０では、減衰比が７７ｄＢにも達し、２００ｍＷ（２３ｄＢｍ）の光源１を使用する場合にクロストークの発生を抑えるのに必要な減衰比６９ｄＢを十分クリアしている。
【００４７】
ここで、表２に示した従来の光送受信装置において、偏光素子３０８におけるＳ偏光成分の透過率を０．１％よりもっと下げる（Ｓ偏光成分をより減衰させる）ように偏光素子３０８の性能を高めても、表２中にＢ欄で示すＰ偏光成分（ゴースト光）が同Ａ欄に示すＳ偏光成分（ゴースト光）を上回っているため、ゴースト光の減衰比を６９ｄＢまで大きくすることはできない。
【００４８】
したがって、本実施形態の構成を採用することにより、表２に示した光送受信装置では達成し得ない高いゴースト光の減衰比を達成することができる。また、前述したように、送信光および受信光には影響を及ぼさず、適正な双方向の光通信を行うことができる。
【００４９】
なお、本実施形態では、光源１からの光のうちＳ偏光成分を主たる送信光として用い、Ｐ偏光成分を主たる受信光として使用する場合について説明したが、本発明は、その逆、すなわち光源からの光のうちＰ偏光成分を主たる送信光として用い、Ｓ偏光成分を主たる受信光として使用する場合にも適用することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、偏光素子に入射する光線の角度が偏光素子の性能に大きく影響することのないように、第１および第２の偏光素子９，８を、偏光ビームスプリッタ３とレンズ２，５との間に配置した場合について説明したが、偏光素子の性能に大きな影響がなければ、第１および第２の偏光素子９，８をそれぞれレンズ２と光源１との間、レンズ５と受光素子４との間に配置してもよい。
【００５１】
さらに、本実施形態では、受光素子４を１つ有する場合について説明したが、偏光ビームスプリッタ３から射出した受信光をハーフミラー等で分岐させて複数の受光素子で受光するようにしてもよい。この場合、偏光ビームスプリッタ３と各受光素子との間に少なくとも１つの偏光素子を配置すればよい。
【００５２】
次に、本実施形態の光送受信装置１０を構成する上での注意点について述べる。それは、偏光素子を複数重ねていることである。まず、２枚の偏光素子を偏光軸を直交させて配置したときに、ほとんどの光が透過しないことは良く知られている。しかし、この２枚の偏光素子の間に、それらと偏光軸が直交しない偏光素子が配置されたときには、光が通るようになることについては、見落とされがちである。
【００５３】
図３にはこのことを概略的に示している。この図において、偏光軸の方向が互いに直交する偏光素子５０，５１の間に、これら偏光素子５０，５１の偏光軸の方向に対して４５度をなす偏光軸方向を有する偏光素子５２が配置されている。偏光素子は、その偏光軸と同一方向の偏光光を通しているのではなく、光が持つエネルギのうち偏光素子の偏光軸方向の成分を通すものである。ここでは、説明を簡略化するため、それぞれの偏光素子は完全偏光を形成させるものとする。
【００５４】
偏光素子５０を通った光６０は、一方向の成分しか持たない光へと変化し、それと４５度方向の偏光軸を持った偏光素子５２へと達する。偏光素子５２に到達した光は、一方向の完全偏光ながら偏光素子５２の偏光軸方向と直交していないため、該４５度方向の成分を持っている。したがって、この成分は、偏光素子５２を透過することが可能となる。そして、偏光素子５２を通ることによって、光のエネルギ量は小さくなるものの、該４５度方向に偏光方向を変えた光６１が偏光素子５２から射出する。
【００５５】
この４５度方向の光６１は、偏光素子５１の偏光軸方向に対してもやはり４５度傾いた方向を持っている。したがって、偏光素子５１に完全に遮られることなく、その一部の成分が透過する。こうして、３枚の偏光素子を通っても、光６２が透過してくることになる。
【００５６】
このように、偏光素子を重ねることで光を遮断する場合は、どこかで隣り合う偏光素子の偏光軸方向を直交させる必要がある。
【００５７】
ここで、本実施形態に戻って説明する。前述したように、偏光ビームスプリッタ３（偏光分離面）に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分を基準に、本実施形態（実施例１）において偏光に関与する部材のゴースト光路内における偏光方向（最も大きなエネルギ成分を持つあるいは偏光光を透過させる方向）を表すと表４のようになる。なお、表４には、本実施形態のようにＳ偏光成分を主たる送信光として使う場合とその逆のＰ偏光成分を主たる送信光として使う場合とを示している。
【００５８】
【表４】

【００５９】
本実施形態の偏光分離面３ａは、ゴースト光路において、表４のどちらの使い方においてもＰ偏光成分を多く透過するため、本実施形態の使い方においては第１の偏光素子９と偏光分離面３ａとで（ア）、もう一方の使い方においては偏光分離面３ａと第２の偏光素子８とで（イ）、偏光軸が直交することとなる。したがって、（ア）と（イ）での偏光軸の直交度を正確に調整する必要がある。
【００６０】
（実施形態２）
図４には、上述した理由により、第１の偏光素子９の偏光軸方向を調整可能とした支持機構を備えた本発明の実施形態２である光送受信装置の概略構成を示している。本実施形態は、実施形態１の使い方の場合（Ｓ偏光成分を主たる送信光とする場合）に適用されるものである。なお、図において、第１の偏光素子９以外の部材の支持構造は省略している。
【００６１】
図５にも示すように、第１の偏光素子９は円板形状を有し、その外周の一部に切り欠き部９ａが形成されている。
【００６２】
図４において、光送受信装置１０の支持ベースであるベース板１１には、第１の偏光素子９を回転可能に保持する保持部３２が設けられており、この保持部３２に、上記切り欠き部９ａが露出するように保持されている。
【００６３】
保持部３２に保持された第１の偏光素子９を、切り欠き部９ａに工具を引っかけて回転させることにより、第１の偏光素子９の偏光軸方向を偏光ビームスプリッタ３（偏光分離面３ａ）の偏光軸方向に直交するよう調整できる。そして、この調整後、第１の偏光素子９は接着剤３１にて保持部３２に固定される。
【００６４】
なお、第２の偏光素子８も同様の支持機構によってその偏光軸方向を調整することができる。
【００６５】
また、上記各実施形態では、第１および第２の偏光素子９，８を偏光ビームスプリッタ３と光源１および受光素子４との間にそれぞれ配置した場合について説明したが、第１の偏光素子９を偏光ビームスプリッタ３と光源１との間に配置するのみとしてもよい。
【００６６】
また、上記各実施形態では、偏光ビームスプリッタ３とは別体のフィルタタイプの第１および第２の偏光素子９，８を設けた場合について説明したが、これら偏光素子を偏光ビームスプリッタ３と一体的に配置したり、第１および第２の偏光素子９，８と同等の機能を有する偏光膜等を偏光ビームスプリッタ３上に形成するようにしてもよい。
【００６７】
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【００６８】
〔発明１〕偏光方向が所定方向に概ね揃えられた光を発する光源と、
入射した光を電気信号に変換する受光素子と、
相手方装置に対して光を射出し、前記相手方装置からの光が入射する送受信光学系と、
前記光源からの前記所定方向の偏光方向を有した光を前記送受信光学系に向かわせ、前記相手方装置からの前記所定方向に対して直交する偏光方向を有した光を前記受光素子に向かわせる偏光分離手段と、
前記光源と前記偏光分離手段との間に配置され、前記所定方向に略平行な偏光軸を持つ光源側偏光素子とを有することを特徴とする光送受信装置。
【００６９】
〔発明２〕前記受光素子と前記偏光分離手段との間に配置され、前記所定方向に対して略直交する偏光軸を備えた受光素子側偏光素子を有することを特徴とする発明１に記載の光送受信装置。
【００７０】
〔発明３〕前記光源側偏光素子を、その偏光軸の方向を調整可能に支持する支持機構を有することを特徴とする発明１に記載の光送受信装置。
【００７１】
〔発明４〕前記受光素子側偏光素子を、その偏光軸の方向を調整可能に支持する支持機構を有することを特徴とする発明２に記載の光送受信装置。
【００７２】
〔発明５〕発明１から４のいずれかに記載の光送受信装置と、
光により送信する情報に応じて前記光源を駆動する駆動回路と、
前記受光素子からの電気信号を出力する出力回路とを有することを特徴とする光空間伝送装置。
【００７３】
〔発明６〕発明５に記載の光空間伝送装置と、該光空間伝送装置からの光の受信および前記光空間伝送装置への光の送信のうち少なくとも一方を行う相手方装置とを有することを特徴とする光通信システム。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの光のうち受光素子に入射するゴースト光をより少なくし、クロストークの発生を抑えることができるようにした光送受信装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１である光送受信装置を備えた光空間伝送装置により構成される光通信システムの概略図である。
【図２】上記光送受信装置の断面図である。
【図３】複数の偏光素子を重ねて用いる場合の光学作用を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態２である光送受信装置の支持機構を示す概略斜視図である。
【図５】上記実施形態２である光送受信装置を構成する第１の偏光素子を示す斜視図である。
【図６】従来の光送受信装置の断面図である。
【図７】従来の光送受信装置の断面図である。
【符号の説明】
１光源
２，５レンズ
３偏光ビームスプリッタ
４受光素子
７送受信光学系
８，９偏光素子

Claims

偏光方向が所定方向に概ね揃えられた光を発する光源と、
入射した光を電気信号に変換する受光素子と、
相手方装置に対して光を射出し、前記相手方装置からの光が入射する送受信光学系と、
前記光源からの前記所定方向の偏光方向を有した光を前記送受信光学系に向かわせ、前記相手方装置からの前記所定方向に対して直交する偏光方向を有した光を前記受光素子に向かわせる偏光分離手段と、
前記光源と前記偏光分離手段との間に配置された偏光素子とを有することを特徴とする光送受信装置。