JP2871702B2 - 集積ファイバ光学送受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は双方向通信システムに使用するファイバ光学
送受信装置に関する。

（従来技術） 情報はケーブルを通した電流、マイクロ波または光を
介して伝送することができる。電流を変調することによ
って伝達できる情報の帯域幅には限界がある。より高い
帯域幅のデータ伝送はマイクロ波伝播によって可能であ
る。もちろん、光を使用すれば最も高いギガヘルツの範
囲の帯域幅を得ることができる。

光通信は空間を通して、あるいは光管や導波管を通し
て行なわれる。たとえばテレビジョン用のリモコン装置
にはテレビジョンへ制御信号を送るための赤外線ビーム
が用いられている。音声、画像あるいはデータの通信の
ために、光ファイバが導波管として用いられている。光
ファイバは二酸化シリコンの混合物から成り、典型的に
は直径が100ミクロン程度である。そのため光ケーブル
は非常に軽い。光通信システムにおいて、発光ダイオー
ド（LED）などの光源からの光は光ファイバのコアに接
続されるる光ファイバはロスの少ない材質により作られ
ているので、光ファイバに接続された光のほとんどはフ
ァイバの他端に現われる。高速の光検出器によって情報
が拾われ、電気信号に変換される。現在、ほとんどのフ
ァイバ光学通信システムは１本のファイバを情報送信用
に用い、そして１本のファイバを情報受信用に用いるよ
うに設計されている。１本の光ケーブルに束ねられるフ
ァイバの数は２つの目的地において必要とされる送信機
および受信機の数によって決定される。

長距離にわたって通信される情報の量が絶えず増加し
ているため、光ファイバを通信路として利用する必要も
増加してる。今日の多くのオフィスでは、マイクロコン
ピュータ、ミニコンピュータおよびメーンフレームコン
ピュータがローカルエリアネットワーク（LAN）に接続
されている。同軸ケーブルは１つの建物内の接続に集中
的に採用されているが、離れた建物では今では同軸ケー
ブルまたは光ファイバによって結ばれている。光ファイ
バはより多くの情報を伝送するが、そのコスト高のた
め、ネットワークの応用にファイバ光学が広く使用させ
るのが制限されている。

第1A図は一端に送信機、他端に受信機を有する光ファ
イバを示している。光源１はLEDまたはレーザダイオー
ドであり、光錐を出射する。レンズ２はその光を集光し
て光ファイバ３の一端に結像させる。光ファイバに入射
される光の量は、レンズ２の開口数および光源の光錐の
発散量によって決まる。導波管内の特殊な事情により発
散するわずかな量の光の損失を除けば、ほとんどの光は
ファイバ３を通って送られ、レンズ４によって検出器５
に集光される。ファイバを通した光の損失は、光の波長
の強力な関数である。780nmから850nmまでの近赤外領域
の波長では、光の損失率は2dB/キロメータである。この
損失は波長1300nmではいっそう低くなる。このため、情
報を中継器なしで20〜30キロメートル伝送することがで
きる。第1B図は双方向通信システム用の一対の光ファイ
バを示している。

第２図は１本の光ファイバを用いた別の双方向通信シ
ステムを示している。レーザダイオード６は発散ビーム
を出射し、それはコリメータレンズ７によってコリメー
トつまり平行光線にされる。第２のレンズ８はレーザ光
を光ファイバ12に入射させるように、コリメートされた
ビームを小さな光点に集中させるために使用される。ビ
ームスプリッタ９はレンズ７とレンズ８との間に配置さ
れ、光ファイバ12の一端から入射される光の一部を反射
する。この反射光の一部はレンズ10によって検出器11へ
集光される。これと同一のシステムが光ファイバ12の他
端にも設けられている。この双方向通信システムによっ
て２本の光ファイバを使用する必要はなくなる。しかし
ながら、この場合光ファイバに光を入出射させる光学系
の光軸合せが重要な問題となり、またそれは機械的振動
や環境変化に敏感である。

１本の光ファイバで伝送される情報量は、信号を時間
多重化または周波数多重化することにより増大させるこ
とができる。信号を周波数多重化するとき、２以上の異
なる波長の光ビームが使用される。それは受信側でその
２つのビームを分割する、あるいは復調する光学装置を
必要とする。いくつかのシステムにおいては、ホログラ
フィーを利用して作られた回折格子が用いられ、１つの
波長のビームを始めの光路上で進行させながら、他の波
長のビームを回折させる。このような多重化装置または
復調装置は、たとえば、米国特許第3666345号、同第419
8117号、同4359259号、同4362359号、同第4387955号お
よび同第4626069号に示されている。ホログラムレンズ
はまたファイバ光ケーブルにおいて中継器として機能す
るカプラ装置にも使用されている。その例は米国特許第
3975082号、同第4057319号および同第4465332号に示さ
れている。

（発明の目的および構成） 本発明の目的は、従来システムの欠点を解消した、１
本のファイバによる双方向通信ができる光送受信機を提
供することにある。

本発明による集積送受信システムは光源および光検出
器のための構成素子を用い、光ビームを２またはそれ以
上のビームに分割するホログラフィック光学素子を有す
るものである。この混成素子は同一の機械的構成上に設
けられたレーザダイオードと検出器とを有する。本発明
ではすべての構成要素を実質的に単一の光軸に沿って配
置することができる。この構成は光軸合わせの問題や振
動による誤差を減少させる。

第１の実施例において、レーザダイオードから出射さ
れたレーザビームは第１のレンズによってコリメートさ
れ、次に別のレンズによって光ファイバの一端に集光さ
れる。ホログラフィックビームスプリッタがこの２つの
レンズの間に配置されている。第２の実施例において、
レーザダイオードビームをファイバに結像させそしてフ
ァイバからのビームを検出器に結像させる単一レンズが
用いられている。この結像レンズとレーザダイオードお
よび検出器との間に、ホログラフィックビームスプリッ
タが配置される。第１および第２の実施例において、レ
ーザダイオードはレンズの光軸に沿って配置される。検
出器はその光軸から約1mm離れ、１次回折ビームを受光
するように配置される。

第３および第４の実施例においては、レーザダイオー
ドと検出器はレンズの光軸を挟んで対称的に配置され
る。ホログラフィックビームスプリットは２つの回折ビ
ームを発生させ、０次ビームを抑制するように構成され
る。これによりレーザダイオードから出射された光をよ
り良く利用することができる。ホログラフィックビーム
スプリッタは伝達的な（transmissive）素子である。こ
の素子のわずかな角度の回転や位置ずれはファイバに対
する光源あるいは検出器に対するファイバの関係に影響
を及ぼさない。

本発明はこのように従来技術よりも少ない部品で簡潔
な光学ヘッドを提供し、この装置は光軸合せが容易で且
つ環境変化から受ける影響も小さい。

本発明の性格および利点をより完全に理解するため
に、以下の添付図面に基づく詳細な説明が参考となろ
う。

（実施例） 本発明による送受信機の第１の実施例を第３図に示
す。半導体レーザダイオード13が一対の光検出器14およ
び15を有する支持体に取付けられている。レーザダイオ
ード13は光錐16を出射し、それはレンズ17によってコリ
メートされ平行ビームが生成される。ホログラフィック
ビームスプリッタ18はその平行ビームを第３図の３つの
ビーム20、21および22に回折する。ビーム20は光ファイ
バ23の一端に集光され情報は光ファイバ23の他端に伝送
される。ビーム21および22は利用されない。

この装置を使って情報を受信する場合において、光フ
ァイバ23から出射されるビームを再度ビーム20とする
と、このビーム20はレンズ19を通った後、ホログラフィ
ックビームスプリッタ18によって回折され、ビーム16、
24および25となる。ビーム24および25は光検出器14,15
で捕えられ、光の振動の形で符号化された情報は再び電
気信号に変換される。

光検出器14および15はレーザダイオード13から非常に
近い距離にあるので、レーザダイオード13から出射され
た光も光検出器14および15によって検出される。光検出
器の出力において、受信信号を送信信号から区別する方
法には２つある。その１つは中心周波数の異なる信号を
符号化することである。この方法によれば、電子回路中
の単一のバンドパスフィルタが受信信号を送信信号から
分離する。したがって信号を光ファイバの両端から同時
に送信することができる。

もう１つの方法はLANにおいてもっと普通に用いられ
ている。この方法は他の誰も送信していないときに送信
するというものである。いま両方の送信機から同時に情
報が送られたとする。すると光検出器の信号レベルは増
大し、信号衝突が起こり２つの光源から同時に送信して
いることを示す。システムは両端からの送信を自動的に
停止し、そして一方の送信機が待っている間他方の送信
機から送信させるようにする。この実施例はレーザダイ
オード13から出射された光の重要な部分を集光するため
にコリメータレンズ17を選択することができるという利
点がある。なぜならコリメータレンズ17は単一の波長に
同調させることができるからである。たとえば、開口数
0.30のレンズによってレーザダイオード13からの光のう
ち60〜70パーセントを集光することができる。ホログラ
フィックビームスプリッタ18は入射ビームの50パーセン
トをデータ送信用のビーム20に集光できる。他方、光フ
ァイバ23からくる光の約15〜20パーセントが各光検出器
14および15に集光され、全体の信号検出効率はおよそ30
〜40パーセントになる。

第４図は本発明の第２の実施例を示す。この実施例に
おいては、レーザダイオード26がレーザビームを出射
し、そのレーザビームはレンズ33によって光ファイバ37
の一端に結像される。レーザダイオード26からの単一の
発散ビームから、ホログラフィックビームスプリッタ32
はビームをビーム34、35および36に分割する。ビーム34
は光ファイバ37の一端に集光するようになっている。フ
ァイバ37から入ってくるビームはホログラフィックビー
ムスプリッタ32によってビーム29、30および31に回折さ
れる。ビーム30および31は信号検出用の光検出器27およ
び28に受光される。

第３図および第４図の実施例において、レーザダイオ
ードは光学系の光軸上に配置されている。光検出器は光
軸から近い距離たとえば1mmほどのところに配置されて
いる。

第５図および第６図に示す実施例において、レーザダ
イオードおよび光検出器は光軸72をはさんで対称的に配
置されている。この構成によれば、送受信装置から光検
出器を１個省くことができる。第５図において、レーザ
ダイオード38は発散ビーム40を出射し、それはレンズ42
によってコリメートされる。レーザダイオード38は光軸
からずれているため、コリメートされた光はある角度で
伝わる。ホログラフィックビームスプリッタ43は、コリ
メートされたビームの傾斜を修正し、ビーム46が光学系
の光軸上に位置している光ファイバ47に集光するように
設計されている。ビームスプリッタ43からの他の回折ビ
ーム45°はファイバ47の外側に集光する。光ファイバ47
から出たビーム46はレンズ44によってコリメートされ
る。ホログラフィックビームスプリッタ43はこのビーム
を光軸72を挟んで対称的に分割する。一方のビームは光
検出器39に結像し、他方のビームはレーザダイオード38
の表面に結像する。このビームスプリッタ43は第３図お
よび第４図のホログラフィックビームスプリッタとは異
なり、１つの＋１および−１の回折次数を有している。
０次ビームは、公知の技術によりホログラフィックビー
ムスプリッタ43の断面をコントローラすることにより抑
制されている。ホログラフィックビームスプリッタ43は
各検出器で40パーセントの回折効率を有している。

第６図は光軸から離れたレーザダイオードおよび光検
出器を有する別の実施例を示す。この実施例において、
１つの結像レンズ53が、第５図の２つのコリメータレン
ズの代わりに採用されている。レーザダイオード48から
のレーザビームはホログラフィックビームスプリッタ52
によってビーム54および55に分割されている。この２つ
のビームは光ファイバ56の一端を含む平面に集光され
る。ビーム54は光ファイバ56に入射される。この装置が
受信機として使用される場合、光ファイバ56からのビー
ムはビーム50および51に分割される。ビーム51は光検出
器49によって受光される。

レーザダイオードおよび光検出器を同一のパッケージ
に納め、ホログラフィックビームスプリッタを使用すれ
ば、送受信機を高度に集積化されたコンパクトな装置に
することができる。ホログラフィックビームスプリッタ
は伝達的な（transmissive）素子であるから、ホログラ
フィックビームスプリッタのわずかな角度的および並進
的な変化があっても、光ファイバに対してレーザビーム
がずれることはない。その結果、ファイバ光学通信用の
信頼性の高い双方向通信装置となる。

本発明は、この分野に精通する者に理解されるよう
に、その要旨または本質的特徴からかけ離れることのな
い他の形態で実施できる。たとえば、第４図および第６
図の単一レンズはホログラフィックビームスプリッタの
他の面に代えることができる。したがって、本発明の実
施例の開示は説明のためのものであり、本発明を限定す
るものではない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、より少ない部
品によって光軸合せが容易で且つ環境変化に影響されに
くいファイバ光学送受信装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の二重化送受信システムを示す図、第２図
は１本の光ファイバによる従来の双方向通信システムを
示す図、第３図は本発明の第１の実施例の図、第４図は
本発明の第２の実施例の図、第５図は本発明の第３の実
施例の図、第６図は本発明の第４の実施例の図である。 13,26,38,48……レーザダイオード、14,15,27,28,39,49
……光検出器、17,19,33……レンズ、18,32,43,52……
ホログラフィックビームスプリッタ、23,37,47,56……
光ファイバ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ファイバ光ケーブルの第１端に接続される
   送受信装置であって、 レーザビームを発生するレーザビーム源と、 光検出器と、 前記ファイバ光ケーブルの第２端におけるレーザ源から
   発し且つ前記ファイバ光ケーブルの第１端から出るビー
   ムを回折して、一次回折ビームを前記光検出器に命中さ
   せるため、前記レーザビーム源と前記ファイバ光ケーブ
   ルとの間に配置されたホログラフィック回折格子と、 を包含し、 前記ホログラフィック回折格子は０次ビームを抑制する
   ように構成され、 また、前記ホログラフィック回折格子は前記レーザビー
   ム源から出るビームを回折して、その一次回折ビームを
   前記ファイバ光ケーブルの第１端に命中させ、 前記レーザビーム源から出るビームを前記ファイバ光ケ
   ーブルの第１端に集光させ且つ前記一次回折ビームを前
   記光検出器に集光させるための光学系を備え、 前記レーザビーム源及び光検出器が前記光学系、前記ホ
   ログラフィック回折格子及び前記ファイバ光ケーブルの
   第１端を通る光軸に対して同一の角度で取り付けられて
   いること、 を特徴とする集積ファイバ光学送受信装置。