JP2017046302A - 光通信装置、及び光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】光軸の位置ずれの影響が少なくする。【解決手段】複数の光通信装置１００ａ，１００ｂを用いた光通信システム２００であって、光通信装置１００ａ，１００ｂは、両端面の面積が異なる導光体１３と、導光体の面積が小さい方の端面１３ｂに設けた光電変換素子１１，１５とを備え、面積が大きい方の端面１３ａを互いに対向させる。導光体１３は、両端面１３ａ，１３ｂを接続する壁面が回転放物面状に形成され、内部反射により、平行光が光電変換素子１１，１５がある焦点に集光する。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信装置、及び光通信システムに関し、特に、インコヒーレント光で空間伝送を行う光無線通信装置に関する。

近年、照明装置に内蔵されているＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子を変調して無線通信を行う光通信システムが脚光を浴びている。
一般に、光を空間伝送する光通信システムは、発光素子と受光素子（ＰＤ：Photo Diode）とを別々に備えており、特に、伝送距離を必要とする光通信システムは、発光素子と受光素子との光軸を合わせる必要がある。また、該光通信システムは、往復の光路を２系統用意している。

特許文献１には、往復の異なる波長の光を合分波する手段が開示されている。

特開２０００−１６２５４３号公報

光通信システムは、往復の光路を２系統用意する必要がある。この点、異なる波長の光を合分波する特許文献１に記載の技術は、光学系が複雑、且つ大掛かりになり、また部品点数が増える等の問題がある。

ここで、往復の各系統に光の屈折作用を用いた光学レンズを用い、ＬＥＤの放射光を略平行光にして伝送する方法も考えられる（図７参照）。このとき、光伝送路設計上、ＬＥＤ及びＰＤとレンズとの光軸は一致している必要がある。つまり、ＬＥＤとレンズと他方のＰＤとの光軸を全て合わせ、偏心及び軸傾斜を無くす必要がある。このため、同一の光学レンズを用いて、ＬＥＤ及びＰＤを並設し、並設されたＬＥＤ及びＰＤの中間位置を光学レンズの光軸に一致させると、光学レンズの光軸からＬＥＤ及びＰＤの双方の中心位置が外れ、位置ズレ（偏心）を起こすという問題もある。なお、ＬＥＤを光学レンズの光軸中心に置き、ＰＤを光軸中心から少しずらすことも可能であるが、このときのＰＤの受光感度は低下してしまう。

そこで、本発明は、光軸の位置ずれの影響を少なくすることができる光通信装置、及び光通信システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の光通信装置は、両端面の面積が異なる導光体と、前記導光体の前記面積が小さい方の端面側に設けた光電変換素子と、を備えたことを特徴とする。

導光体は、面積が大きい方の端面（広い方の端面）と通過する光が、臨界角を超えた入射角で空気との界面を内部反射しつ、面積が小さい方の端面（狭い方の端面）を通過する透光性媒体である。つまり、導光体は、内部反射するような角度で端面に光が入射する限り、光軸に対して垂直な面内の位置ズレ（偏心）の影響が少ない。また、面積が小さい方の端面を通過する光は、面積が大きい方の端面を通過する光よりも光束密度（光強度）が大きい。このため、光電変換素子（発光素子、及び受光素子）が小さい方の端面に納まるように配設されていれば、受光素子は導光体に入射する入射光よりも大きな光束密度で受光し、発光素子が照射し、面積が小さい方の端面に入射した光が面積が大きい方の端面から出射する。

本発明によれば、光軸の位置ずれの影響を少なくすることができる。

本発明の第１実施形態である光通信システムの構成図である。 内部反射型放物面レンズの斜視図である。 内部反射型放物面レンズの外形図である。 本発明の第２実施形態である光通信システムの構成図である。 本発明の第３実施形態である光通信システムの構成図である。 本発明の第４実施形態である光通信システムの構成図である。 本発明の第５実施形態である光通信システムの構成図である。 本発明の第１比較例である光通信システムの構成図である。 本発明の第２比較例である光通信システムの構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

(第１実施形態)
（構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態である光通信システムの構成図である。
光通信システム２００は、２つの光通信装置１００ａ，１００ｂから構成されており、互いに距離Ｌ（例えば、数ｍ）だけ離間している。光通信システム２００は、照明光を利用した可視光通信システムであり、特にＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｎ／ａｃに代表されるＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）信号と例えば１０Ｍｂｐｓ以上の広帯域変調帯域幅を用いて，大容量データ伝送を実現するための可視光通信向け光送受信システムでもある。

光通信装置１００ａは、送受信モジュール１０（１０ａ）と、導光体としての内部反射型放物面レンズ１３とを備え、光通信装置１００ｂは、送受信モジュール１０ｂと、導光体としての内部反射型放物面レンズ１３とを備えている。光通信装置１００ａの内部反射型放物面レンズ１３が光通信装置１００ｂの内部反射型放物面レンズ１３と距離Ｌだけ離間して対向している。

送受信モジュール１０ａは、光電変換素子としての近赤外線ＬＥＤ１１と、光電変換素子としての可視光帯フォトダイオード（ＰＤ）１５と、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、遮光板７とを備えている。一方、送受信モジュール１０ｂは、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、遮光板７とを備えている点で共通するが、光電変換素子としての可視光帯ＬＥＤ１４と、光電変換素子としての近赤外線フォトダイオード１２とを備えている点で相違する。

近赤外線ＬＥＤ１１は、波長７５０ｎｍ〜２０００ｎｍの発光ダイオードであり、砲弾型の形状であり、内部にＬＥＤチップ１１ａを備え、一般的な指向性を有するインコヒーレント光（非干渉光）を発生する。近赤外線ＬＥＤ１１は、例えばＧａＡｌＡｓを用いて作成された波長８５０〜８９０ｎｍ程度のものが好ましい。可視光帯フォトダイオード１５は、波長７５０ｎｍ未満の可視光の光強度を電流に変換するシリコンフォトダイオードであり、内部にＰＤチップ１５ａを備える。可視光帯フォトダイオード１５は、特に、短波側の波長で仕様を規定したＰＤを使用するのが好ましい。近赤外線フォトダイオード１２は、近赤外線ＬＥＤ１１と同波長帯に感度特性合わせたシリコンフォトダイオードであり、内部にＰＤチップ１２ａを備える。可視光帯ＬＥＤ１４は、例えばＩｎＧａＮを用いて作製された波長４６０〜５７０ｎｍ程度の砲弾型発光ダイオードであり、内部にＬＥＤチップ１４ａを備え、一般的な指向性を有するインコヒーレント光を発生する。

ベースバンドＩＣ３は、光を変調する高周波信号（伝送信号）を生成するＩＣである。該高周波信号は、本実施形態では、特に規定しないが、周波数利用効率の高いＯＦＤＭを利用することができるものとする。可視光通信用回路４は、ベースバンドＩＣ３が出力する高周波信号を、Ｄ／Ａ変換、電力増幅して、近赤外線ＬＥＤ１１や可視光帯ＬＥＤ１４を駆動する機能を有する。また、可視光通信用回路４は、可視光帯フォトダイオード１５や近赤外線フォトダイオード１２が流す電流を電圧に変換するＴＩＡ（Trance Impedance Amplifier）、低雑音電力増幅器、Ａ／Ｄ変換回路の機能も有し、アナログ信号をデジタル信号に変換する。

送受信モジュール１０ａの実装基板６は、近赤外線ＬＥＤ１１と可視光帯フォトダイオード１５とを搭載する。送受信モジュール１０ｂの実装基板６は、近赤外線フォトダイオード１２と可視光帯ＬＥＤ１４とを搭載する。送受信モジュール１０ａの遮光板７は、近赤外線ＬＥＤ１１と可視光帯フォトダイオード１５との間に配設され、近赤外線ＬＥＤ１１が発光した光が可視光帯フォトダイオード１５に影響を及ぼさないように遮光している。送受信モジュール１０ｂの遮光板７は、可視光帯ＬＥＤ１４と近赤外線フォトダイオード１２との間に配設され、発光部としての可視光帯ＬＥＤ１４が出射した光が受光部としての近赤外線フォトダイオード１２に影響を及ぼさないようにしている。

図２Ａは、内部反射型放物面レンズの斜視図であり、図２Ｂは、内部反射型放物面レンズの外形図である。
内部反射型放物面レンズ１３は、両端面１３ａ，１３ｂが平行、且つ面積が異なるガラス等の透光性媒体で形成された軸状の導光体であり、全表面が空気に露出している。内部反射型放物面レンズ１３は、ＬＥＤの放射光の角度及びＰＤへの入射光の角度を満足するような大きさに形成されており、例えば、面積が大きい方の端面１３ａ（広い方の端面１３ａ）の外径は、φ１４．２４ｍｍに形成されており、面積が小さい方の端面１３ｂ（狭い方の端面１３ｂ）の外径は、φ３．４ｍｍに形成されており、長さｌは、２９．０２ｍｍに形成されている。

光学ガラス（屈折率ｎ_１＝１．５２２９）の内部において、空気（屈折率ｎ_０＝１．０）との界面に入射する入射光Ｉは、入射角θｉが臨界角θｃ＝sin^−１（ｎ_０／ｎ_１）＝４５．６°よりも小さいときには、空気に透過する透過成分が存在するが、入射角θｉが臨界角θｃよりも大きいときには、全反射（内部反射）する。ここで、内部反射型放物面レンズ１３は、外周壁面１３ｃの少なくとも一部が略回転放物面に形成されていることにより、広い方の端面１３ａに入射した平行光が、回転放物面の焦点Ｐに集光するように内部反射し、狭い方の端面１３ｂから収束光が出射するものである。つまり、内部反射型放物面レンズ１３は、略回転放物面に形成された部分が実質的に反射鏡として機能する。なお、広い方の端面１３ａに入射した平行光であって、端面１３ｂの径内の平行光は、平行光のまま、端面１３ｂから出射する。

また、広い方の端面１３ａに入射した略平行光（例えば、入射角２５°以内）は、１回の内部反射で焦点Ｐの近傍に集光したり、内部反射を繰り返したりして、焦点Ｐの近傍に集光する。さらに、広い方の端面１３ａに入射した平行光以外の光（非平行光）は、内部反射を繰り返して、焦点Ｐに集光しつつ、端面１３ｂから出射する。

なお、内部反射型放物面レンズ１３は、一般的な非球面の式でも表現される。つまり、光軸からの距離をｘとして、サグ量Ｚ（ｘ）は、
Ｚ（ｘ）＝１＋Ｃｘ^２／［１＋√｛１−（１＋ｋ）Ｃ^２ｘ^２｝］＋Ａ_２ｘ^２＋Ａ_４ｘ^４＋Ａ_６ｘ^６＋Ａ_８ｘ^８＋・・・
で表現される。例えば、曲率（曲率半径の逆数）Ｃ＝−０．００６６１６１５であり、円錐定数ｋ＝２１．９８９４５５５５であり、係数Ａ_２＝６．６３４８０３１３６×１０^−４であり、係数Ａ_４＝−３．０４４３４２１６７×１０^−６であり、係数Ａ_６＝６．００４１１５１５２×１０^−９であり、係数Ａ_８＝−１．２０９５８２１７５×１０^−１１である。

図１に戻り、近赤外線ＬＥＤ１１、及び可視光帯フォトダイオード１５は、内部反射型放物面レンズ１３の端面１３ｂの側であって、且つ、端面１３ｂの面内に対向配置されている。つまり、近赤外線ＬＥＤ１１、及び可視光帯フォトダイオード１５は、内部反射型放物面レンズ１３の端面１３ｂの面内に収容されている。また、ＬＥＤチップ１１ａ、及びＰＤチップ１５ａの中心は、内部反射型放物面レンズ１３の焦点Ｐ（図２Ｂ（ａ））の略一致するように配設されている。

（動作の説明）
光通信システム２００は、近赤外線ＬＥＤ１１が発光した光を近赤外線フォトダイオード１２が受光する往路と、可視光帯ＬＥＤ１４が発光した光を可視光帯フォトダイオード１５が受光する復路とで通信が行われる。近赤外線ＬＥＤ１１と可視光帯ＬＥＤ１４とは、波長帯が異なっており、互いの光伝送の邪魔（信号が漏洩しない）にならないようになっている。

内部反射型放物面レンズ１３は、近赤外線ＬＥＤ１１や可視光帯ＬＥＤ１４から放射された光が狭い方の端面１３ｂに入射し、ある程度拡散されて、広い方の端面１３ａから放出される。逆に、内部反射型放物面レンズ１３は、端面１３ａに入射した光がレンズ内で反射を繰り返し、端面１３ｂからある程度集光されて、収束光が近赤外線フォトダイオード１２や可視光帯フォトダイオード１５で受光される。

（効果の説明）
以上説明したように、第１実施形態の光通信システム２００によれば、２つの内部反射型放物面レンズ１３の広い方の端面１３ａが対向しているので、光軸の位置ズレ（偏心）が少なくなる。また、１つの内部反射型放物面レンズ１３の狭い方の端面１３ｂに発光素子（近赤外線ＬＥＤ１１，可視光帯ＬＥＤ１４）と、受光素子（近赤外線フォトダイオード１２，可視光帯フォトダイオード１５）とが並設されているので、インコヒーレント光を用いた送受一体型の空間伝送を可能とし、送受信モジュール１０ａ，１０ｂの小型化が可能となる。

（第２実施形態）
（構成の説明）
図３は、本発明の第２実施形態である光通信システムの構成図である。
光通信システム２０１は、光通信装置１０１ａと光通信装置１０１ｂとを備え、光通信装置１０１ａは、送受信モジュール１０ｃと内部反射型放物面レンズ１３とを備え、光通信装置１０１ｂは、送受信モジュール１０ｄと内部反射型放物面レンズ１３とを備えている。

送受信モジュール１０ｃは、第１実施形態の送受信モジュール１０ａと同様に、光電変換素子としての近赤外線ＬＥＤ１１と、光電変換素子としての可視光帯フォトダイオード（ＰＤ）１５と、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、遮光板７とを備えているが、近赤外線ＬＥＤ１１に近赤外線ＡＲコート２１を施している点で相違する。

送受信モジュール１０ｄは、第１実施形態の送受信モジュール１０ｂと同様に、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、遮光板７とを備えている点で共通するが、光電変換素子としての可視光帯ＬＥＤ１４と、光電変換素子としての近赤外線フォトダイオード１２とを備えているが、近赤外線フォトダイオード１２に近赤外線ＡＲコート２１を施している点で相違する。

近赤外線ＡＲコート２１は、表面反射を少なくして、透過光を多くすると同時に反射による散乱光を除去するものであり、近赤外線ＬＥＤ１１による可視光帯フォトダイオード１５への影響を少なくすることができ、伝送チャネル間で高いアイソレーションを保つことができるようになる。また、近赤外線ＡＲコート２１は、例えば７５６ｎｍ以上の反射防止膜を用いた場合、６５０ｎｍ近傍の赤色ＬＥＤの反射率が高くなる性質を有するので、可視光帯ＬＥＤ１４による近赤外線フォトダイオード１２への影響を少なくすることができる。つまり、近赤外線ＡＲコート２１の使用は、６５０ｎｍ近傍の赤色ＬＥＤと波長帯が近い８５０〜９５０ｎｍ帯の近赤外線ＬＥＤの使用が可能となる。

（効果の説明）
以上説明したように、第２実施形態の光通信システム２０１は、第１実施形態の光通信システム２００に比べ、伝送チャネル間のアイソレーションが向上する効果と、例えば赤と近赤外と波長の近いＬＥＤやＰＤを使用できるようなる効果が得られる。

（第３実施形態）
第１，２実施形態のＬＥＤ、及びフォトダイオードは、砲弾型の素子を用いたが、ＬＥＤチップや、フォトダイオードチップを使用することもできる。
（構成の説明）
図４は、本発明の第２実施形態である光通信システムの構成図である。
光通信システム２０２は、光通信装置１０２ａと光通信装置１０２ｂとから構成され、光通信装置１０２ａは、送受信モジュール１０ｅと内部反射型放物面レンズ１３とを備え、光通信装置１０２ｂは、送受信モジュール１０ｆと内部反射型放物面レンズ１３とを備えている。

送受信モジュール１０ｅは、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、近赤外線チップＬＥＤ４１と、可視光チップフォトダイオード４２と、保護ガラス４３と、パッケージ４４とを備える。また、送受信モジュール１０ｆは、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、近赤外線チップフォトダイオード４６と、可視光帯チップＬＥＤ４７と、保護ガラス４３と、パッケージ４４とを備える。

近赤外線チップＬＥＤ４１は、波長７５０ｎｍ以上のＬＥＤチップであり、発光面でインコヒーレント光を発生する。可視光チップフォトダイオード４２は、波長７５０ｎｍ未満の可視光の光強度を電流に変換するシリコンフォトダイオードである。近赤外線チップフォトダイオード４６は、近赤外線チップＬＥＤ４１と同波長帯に感度特性を合わせたシリコンフォトダイオードである。可視光帯チップＬＥＤ４７は、波長４６０〜５７０ｎｍ程度のＬＥＤチップであり、発光面でインコヒーレント光を発生する。

送受信モジュール１０ｅの遮光板４５は、近赤外線チップＬＥＤ４１が照射する光が可視光チップフォトダイオード４２に入射することを防止するためのものである。送受信モジュール１０ｆの遮光板４５は、可視光帯チップＬＥＤ４７が照射する光が可視光チップフォトダイオード４６に入射することを防止するためのものである。なお、遮光板４５は、仕様に応じてあってもよく、無くてもよい。パッケージ４４は、例えば、汎用のＣＡＮパッケージである。保護ガラス４３は、板ガラスであるが、目的に応じてレンズ形状に形成することもできる。

（効果の説明）
以上説明したように、第３実施形態の光通信装置１０２ａ，１０２ｂは、第１，２実施形態の光通信装置に比較して、単一のパッケージ４４の内部にＬＥＤとＰＤとの双方を搭載している。これにより、光通信装置１０２ａ，１０２ｂは、発光部／受光部を小型化することができる、と同時にパッケージ４４の出射面／入射面が小さくなるので、これに対向する内部反射型放物面レンズ１３の端面１３ｂも小さくすることが可能となる。つまり、光通信装置１０２ａ，１０２ｂは、モジュール全体で小型化する効果が得られる。

（第４実施形態）
（構成の説明）
図５は、本発明の第４実施形態である光通信システムの構成図である。
光通信システム２０３は、光通信装置１０３ａと光通信装置１０３ｂとから構成されており、光通信装置１０３ａは、送受信モジュール１０ｇと内部反射型放物面レンズ１３とを備え、光通信装置１０３ｂは、送受信モジュール１０ｈと内部反射型放物面レンズ１３とを備える。

送受信モジュール１０ｇは、第３実施形態の送受信モジュール１０ｅと同様に、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、近赤外線チップＬＥＤ４１と、可視光チップフォトダイオード４２と、保護ガラス４３と、パッケージ４４とを備えているが、近赤外線チップＬＥＤ４１に近赤外線ＡＲコート５１が施されている点で相違する。送受信モジュール１０ｈは、第３実施形態の送受信モジュール１０ｆと同様に、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、近赤外線チップフォトダイオード４６と、可視光帯チップＬＥＤ４７と、保護ガラス４３と、パッケージ４４とを備えているが、近赤外線チップフォトダイオード４６に近赤外線ＡＲコート５１が施されている点で相違する。

（効果の説明）
第４実施形態の光通信システム２０３は、第３実施形態の光通信システム２０２に比較して、伝送チャネル間のアイソレーションが向上する効果と、例えば、赤と近赤外と波長の近いＬＥＤやフォトダイオードを使用することができる。

（第５実施形態）
前記各実施形態の光通信システム２００，２０１，２０２，２０３，２０４は、内部反射型放物面レンズ１３の狭い方の端面１３ｂに発光素子（近赤外線ＬＥＤ１１，可視光帯ＬＥＤ１４，近赤外線チップＬＥＤ４１，可視光帯チップＬＥＤ４７）、及び受光素子（近赤外線フォトダイオード１２，可視光帯フォトダイオード１５，可視光チップフォトダイオード４２，近赤外線チップフォトダイオード４６）を並設していたが、発光素子、及び受光素子のそれぞれに、内部反射型放物面レンズ１３の狭い方の端面１３ｂを対向させることができる。

（構成の説明）
図６は、本発明の第５実施形態である光通信システムの構成図である。
光通信システム２０５は、光通信装置１０５ａと光通信装置１０５ｂから構成されており、光通信装置１０５ａは、送受信モジュール１０ｉと、２つの内部反射型放物面レンズ１３Ａ，１３Ｂを備え、光通信装置１０５ｂは、送受信モジュール１０ｊと、２つの内部反射型放物面レンズ１３Ｃ，１３Ｄを備えている。なお、４つの内部反射型放物面レンズ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、区別のための符号を付したものであり、前記各実施形態の内部反射型放物面レンズ１３と同一物である。

送受信モジュール１０ｉ，１０ｊは、光電変換素子としてのＬＥＤ１と、光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）２と、ベースバンドＩＣ３と、可視光通信用回路４と、実装基板６と、遮光板７とを備えている。ＬＥＤ１は、ＲＧＢ等の可視光を発光する発光素子である。ＬＥＤ１は、形状が砲弾型であり、所定の指向性を有したインコヒーレント光を発生する。フォトダイオード２は、ＬＥＤ１が発光したインコヒーレント光を受光し、電流に変換する受光素子である。なお、送受信モジュール１０ｉ，１０ｊは、ＬＥＤ１の発光波長を同一とするが、異ならせた方が好ましい。

内部反射型放物面レンズ１３Ａ，Ｄは、その狭い方の端面１３ｂがＬＥＤ１に対向しており、内部反射型放物面レンズ１３Ｂ，Ｃは、その狭い方の端面１３ｂがフォトダイオード２に対向している。

（動作の説明）
送受信モジュール１０ｉのＬＥＤ１の照射光は、所定の照射角内の光が内部反射型放物面レンズ１３Ａの狭い方の端面１３ｂに入射し、広い方の端面１３ａから略平行（２５°以内）に照射する。そして、端面１３ａから照射された光が距離Ｌだけ空間伝播し、空間伝播した光が内部反射型放物面レンズ１３Ｃの広い方の端面１３ａに入射する。内部反射型放物面レンズ１３Ｃの広い方の端面１３ａに入射した光（略平行光）は、狭い方の端面１３ｂから所定の出射角で出射し、送受信モジュール１０ｊのフォトダイオード２が受光する。

同様に、送受信モジュール１０ｊのＬＥＤ１の照射光は、所定の照射角内の光が内部反射型放物面レンズ１３Ａの狭い方の端面１３ｂに入射し、広い方の端面１３ａから略平行（２５°以内）に照射する。そして、端面１３ａから照射された光が距離Ｌだけ空間伝播し、空間伝播した光が内部反射型放物面レンズ１３Ｃの広い方の端面１３ａに入射する。内部反射型放物面レンズ１３Ｃの広い方の端面１３ａに入射した光（略平行光）は、狭い方の端面１３ｂから所定の出射角で出射し、送受信モジュール１０ｉのフォトダイオード２が受光する。

本実施形態の光通信システム２０５によれば、内部反射型放物面レンズ１３の狭い方の端面１３ｂにＬＥＤ１及びフォトダイオード２を並設する必要がないので、内部反射型放物面レンズ１３の回転放物面の軸と、ＬＥＤ１や、フォトダイオード２の光軸とが一致する。

（第１比較例）
前記第５実施形態の光通信システム２０５は、内部反射型放物面レンズ１３を用いて空間伝播させていたが、汎用の光学レンズを用いた構成も可能である。

図７は、本発明の第１比較例である光通信システムの構成図である。
光通信システム２０６は、光通信装置１０６ａと光通信装置１０６ｂとから構成され、光通信装置１０６ａは、送受信モジュール１０ｉと２つの光学レンズ５Ａ，５Ｂとを備えて構成され、光通信装置１０６ｂは、送受信モジュール１０ｊと２つの光学レンズ５Ｃ，５Ｄとを備えて構成されている。ここで、送受信モジュール１０ｉ，１０ｊは、第５実施形態の送受信モジュール１０ｉ，１０ｊと同一構成である。

光学レンズ５Ａ，５Ｄは、ＬＥＤ１のＬＥＤチップ１ａが照射する、所定の照射角の光を略平行光にコリメートするためのものであり、光学レンズ５Ｂ，５Ｃは、コリメートされた光を、フォトダイオード２（ＰＤチップ２ａ）の受光面に集光するためのものである。つまり、ＬＥＤチップ１ａや、ＰＤチップ２ａは、光学レンズ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの焦点位置近傍に配設されている。ここで、光学レンズとは、光の屈折作用を示す透明体のことをいい、球面と球面、又は球面と平面とを両側面とする。あるいは、それを数個組み合わせたものをいう。

第１比較例の光通信システム２０６は、光伝送路設計上、ＬＥＤ１の光軸とレンズ５Ａ，５Ｄの光軸が一致している必要がある。つまり、ＬＥＤ１とレンズ５Ａ，５Ｄと他方のＰＤとの光軸を全て合わせ、偏心及び軸傾斜を無くす必要がある。このため、単一の光学レンズ５を用いて、ＬＥＤ１、及びフォトダイオード２を並設し、併設されたＬＥＤ１及びフォトダイオード２の中間位置を光学レンズの光軸に一致させると、光学レンズ５の光軸からＬＥＤ１及びフォトダイオード２の双方の中心位置が外れ、位置ズレ（偏心）を起こすという問題がある。このときに、ＬＥＤ１をレンズ５Ａ，５Ｄの光軸中心に配置し、フォトダイオード２を光軸から少しずらしておくことも可能であるが、受光感度が低下してしまう。しかしながら、本実施形態の光通信システム２００は、内部反射型放物面レンズ１３を用いており、所定範囲内（例えば、２５°）の略平行光であれば、内部反射により、フォトダイオード２まで集光する。また、光軸からずれた光であっても、略平行光が出射する。

内部反射型放物面レンズ１３は、導光体として機能し、端面１３ａの方が端面１３ｂよりも面積が大きい。このため、端面１３ｂを通過する光は、端面１３ａを通過する光よりも光束密度（光強度）が大きい。したがって、前記第１実施形態の光通信システム２００は、ＬＥＤ１や、フォトダイオード２の光電変換素子が端面１３ｂに納まるように配設されているので、フォトダイオード２は内部反射型放物面レンズ１３に入射する入射光よりも大きな光束密度で受光する。

（第２比較例）
前記第１実施形態は、集光機能を奏する導光体として内部反射型放物面レンズ１３を用いたが、集光機能を奏しない通常の導光体を用いることもできる。

図８は、本発明の第１比較例である光通信システムの構成図である。
光通信システム２０７は、光通信装置１０７ａと光通信装置１０７ｂとから構成され、光通信装置１０７ａは、送受信モジュール１０ａと導光体５５とを備え、光通信装置１０７ｂは、送受信モジュール１０ｂと導光体５５とを備えている。なお、本比較例の送受信モジュール１０ａ，１０ｂは、第１実施形態の送受信モジュール１０ａ，１０ｂと同一構成である。

導光体５５は、円筒形状のガラス体であり、その外径は、内部反射型放物面レンズ１３の狭い方の端面の径に等しい。導光体５５の光学ガラス（屈折率ｎ_１＝１．５２２９）と空気（屈折率ｎ_０＝１．０）との界面に入射する光は、入射角θｉが臨界角θｃ＝sin^−１（ｎ_０／ｎ_１）＝４５．６°よりも小さいときには透過成分が存在するが、臨界角θｃよりも大きいときには、全反射する。

光通信システム２０７は、光通信装置１０７ａの近赤外線ＬＥＤ１１が照射した臨界角θｃよりも小さい光は、導光体５５の内面を全反射して、出射面から臨界角θｃ以内の出射角で出射する。そして、出射光の一部が光通信装置１０７ｂの導光体５５に入射し、入射光が導光されつつ、端面から出射し、出射光が近赤外線フォトダイオード１２に照射される。同様に、光通信装置１０７ｂの可視光帯ＬＥＤ１４が照射した光は、光通信装置１０７ａの可視光帯フォトダイオード１５に入射する。

このとき、導光体５５は、内部反射型放物面レンズ１３のように集光機能を持たないので、本比較例１の光通信システム２０７は、近赤外線ＬＥＤ１１や可視光帯ＬＥＤ１４が照射した光の内、臨界角θｃ以内の光が導光体５５に入射する。そして、光通信システム２０７は、入射角を維持して、導光体５５から出射する。一方、第１実施形態の光通信システム２００は、内部反射型放物面レンズ１３が集光機能を持つので、近赤外線ＬＥＤ１１や可視光帯ＬＥＤ１４が照射した光の内、所定の集光角以内の光が、内部反射型放物面レンズ１３に入射し、略平行に出射する。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態の送受信モジュールは、発光部として、近赤外線ＬＥＤ１１、や可視光帯ＬＥＤ１４を用いたが、レーザダイオードＬＤを用いることができる。
（２）前記各実施形態の光通信システム２００は、近赤外線ＬＥＤ１１、及び可視光帯ＬＥＤ１４を用いて、往復の２チャンネル線路について説明したが、可視光ＬＥＤ１４を複数個使用することができる。例えば、可視光ＬＥＤ１４として、ＲＧＢの３色のＬＥＤを使用すれば、波長多重により、可視光ＬＥＤ１４と共に、４チャンネル線路とすることができる。

（３）前記第１〜第４実施形態の光通信システム２００〜２０３は、内部反射型放物面レンズ１３単体で集光していたが、光学レンズ５を追加使用して、集光乃至平行光化することができる。
（４）前記第２実施形態の光通信システム２０１、及び第４実施形態の光通信システム２０３は、近赤外線ＡＲコート２１，５１を用いていたが、テクスチャ構造などの反射防止方法や、他方式のフィルタを用いることもできる。ここで、テクスチャ構造は、表面反射を抑制する手段であり、ピラミッド、ピラー、モスアイや、逆モスアイ構造が例示される。

（５）前記第２実施形態の光通信システム２０１、及び第４実施形態の光通信システム２０３は、近赤外線ＡＲコート２１，５１を用いていたが、可視光ＡＲコートなど複数のＡＲコートを用いることができる。例えば、ＲＧＢの３色の可視光ＬＥＤ１４を使用したときには、各色のＡＲコートが使用される。
（６）前記第２実施形態の光通信システム２０１、及び第４実施形態の光通信システム２０３は、近赤外線ＡＲコート２１，５１を用いていたが、波長透過フィルタや波長遮断フィルタ等を用いることもできる。

（７）前記第３実施形態の光通信システム２０２、及び第４実施形態の光通信システム２０３は、パッケージ４４、及び内部反射型放射面レンズ１３を個別に設け、光軸合わせを行ったが、これらを一体成形することができる。つまり、パッケージ４４、及び内部反射型放射面レンズ１３は、近赤外線チップＬＥＤ４１や可視光チップフォトダイオード４２を金型の中で位置決めし、金型に樹脂を流し込んで、一体成形することができる。

（８）前記各実施形態の内部反射型放物面レンズ１３は、空気に露出した透光性媒体にしたが、屈折率が小さな媒体を外周壁面１３ｃにコーティングしたものを用いてもよい。また、前記各実施形態の内部反射型放物面レンズ１３は、外周壁面１３ｃの少なくとも一部が略回転放物面に形成されているとしたが、パラメータの異なる回転放物面が複数段に形成されていてもよい。

１ ＬＥＤ（光電変換素子）
２ フォトダイオード（ＰＤ、光電変換素子）
３ ベースバンドＩＣ
４ 可視光通信用回路
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ 光学レンズ
６ 実装基板
７ 遮光板
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ，１０ｊ 送受信モジュール
１１ 近赤外線ＬＥＤ
１２ 近赤外線フォトダイオード
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ 内部反射型放物面レンズ（導光体）
１３ａ 端面（面積が大きい方の端面、広い方の端面）
１３ｂ 端面（面積が小さい方の端面、狭い方の端面）
１３ｃ 外周壁面
１４ 可視光帯ＬＥＤ
１５ 可視光帯フォトダイオード
２１ 近赤外線ＡＲコート
４１ 近赤外線チップＬＥＤ
４２ 可視光チップフォトダイオード
４３ 保護ガラス
４４ パッケージ
４５ 遮光板
４６ 近赤外線チップフォトダイオード
４７ 可視光帯チップＬＥＤ
５１ 近赤外線ＡＲコート
５２ チップＬＥＤ
５５ 導光体
１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂ，１０６ａ，１０６ｂ，１０７ａ，１０７ｂ 光通信装置
２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７ 光通信システム
Ｐ 焦点

Claims (10)

1. 両端面の面積が異なる導光体と、
   前記導光体の前記面積が小さい方の端面側に設けた光電変換素子と、
   を備えたことを特徴とする光通信装置。
2. 請求項１に記載の光通信装置であって、
   前記導光体は、前記両端面を接続する壁面の少なくとも一部が回転放物面状に形成されている
   ことを特徴とする光通信装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光通信装置であって、
   前記光電変換素子は、発光素子及び受光素子であり、
   前記発光素子及び前記受光素子は、前記面積が小さい方の端面に並設しており、
   前記発光素子と前記受光素子との間に設けた遮光板をさらに備えている
   ことを特徴とする光通信装置。
4. 請求項３に記載の光通信装置であって、
   前記発光素子と前記受光素子とは、互いに波長帯が異なっている
   ことを特徴とする光通信装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載の光通信装置であって、
   前記発光素子は、可視光帯、及び近赤外線の何れか一方の波長帯の素子であり、
   前記受光素子は、他方の波長帯の素子であり、
   前記近赤外線の波長帯の素子は、近赤外線のＡＲコートが施されている
   ことを特徴とする光通信装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の光通信装置であって、
   前記可視光帯の発光素子は、波長帯が異なる素子を複数用いている
   ことを特徴とする光通信装置。
7. 請求項６に記載の光通信装置であって、
   各々の前記波長帯が異なる素子は、波長透過フィルタ、又は波長遮断フィルタが施されている
   ことを特徴とする光通信装置。
8. 請求項３乃至請求項７の何れか一項に記載の光通信装置であって、
   前記発光素子及び前記受光素子は、同一パッケージ内に封入されている
   ことを特徴とする光通信装置。
9. 両端面の面積が異なり、空気に露出している透光性媒体と、
   前記透光性媒体の前記面積が小さい方の端面側に設けた光電変換素子と、
   を備えたことを特徴とする光通信装置。
10. 複数の光通信装置を用いた光通信システムであって、
    前記光通信装置は、両端面の面積が異なる導光体と、前記導光体の前記面積が小さい方の端面側に設けた光電変換素子とを備え、
    前記面積が大きい方の端面を互いに対向させることを特徴とする光通信システム。

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