JP3825322B2

JP3825322B2 - 光通信装置及び通信方法

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Publication number: JP3825322B2
Application number: JP2001581453A
Authority: JP
Inventors: 邦宣篠; 嘉伸久礼; 和由堀江; 洋一鳥海; 佳史増田; 和人名倉
Original assignee: Sharp Corp; Sony Corp
Current assignee: Sharp Corp; Sony Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: US20030025958A1; CN1297087C; AU5258001A; ATE460018T1; US7072583B2; EP1209830A4; DE60141445D1; KR20020048310A; WO2001084751A1; EP1209830A1; EP1209830B1; TWI230815B; CN1383639A; KR100798514B1

Description

技術分野
本発明は、光通信装置及び通信方法に関し、特に、１本の光ファイバで双方向に通信することができるようにした光通信装置及び通信方法に関する。
背景技術
従来、ＩＥＥＥ１３９４高速シリアルバスが用いられている。ＩＥＥＥ１３９４高速シリアルバス（以下、単に１３９４バスと称する）を用いることにより、家庭内の電子機器を相互に接続することで、各電子機器をネットワーク化することができる。
このような１３９４バスに通常の電気ケーブルを用いると、減衰が大きくなり、使用可能な距離が制限される。電気ケーブルの規格では、４．５ｍが最長の伝送距離とされている。これでは、例えば、約５．４ｍ^２の広さの部屋の反対側の壁際に配置された機器を、壁づたいに電気ケーブルで配線することすら困難になる。
光ファイバを用いて、データを送受信する場合において、所定のビットエラーレート（ＢＥＲ）を確保するには、所定の信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を確保する必要がある。光ファイバを用いて、所定のビットエラーレートが実現できるか否かを検討する際には、従来、例えば、図１に示すような系が想定される。この系においては、光ファイバを用いて伝送されてきた光の受光光量がレベルＨのとき、論理１と判定され、レベルＬのとき、論理０と判定される。実際には、受光光量は、アナログ的に変化するので、レベルＨとレベルＬの丁度中間のレベル（Ｈ＋Ｌ）／２を判定レベルＤとして、受光光量がレベルＤより大きいとき、論理１と判定し、受光光量がレベルＤより小さいとき、論理０と判定される。
従来、レベルＨ及びレベルＬのそれぞれに、ガウシアン性のノイズが重畳されているものとして、以下の式より、ビットエラーレートＢＥＲを計算するようしていた。なお、以下の式においては、簡単のため、レベルＨとレベルＬのそれぞれに重畳されているノイズの標準偏差σは、等しいものとされている。

上記式では、レベルＨとレベルＬのそれぞれのガウシアン分布の裾野が重なった部分の面積と、全体の面積の比として、ＢＥＲが計算されている。
上記式において、Ｈ−Ｌを信号レベルＳとし、ノイズをσとすると、Ｓ／Ｎ比は、Ｑ値と次式の関係で表される。
Ｓ／Ｎ比＝２Ｑ
ビットエラーレートＢＥＲとＱ値との関係を図に示すと、図２に示すようになる。図２において、縦軸は、ＢＥＲを表し、横軸は、Ｑ値を表す。
１３９４バスにおいては、ビットエラーレートＢＥＲとして、１Ｅ−１２（＝１×１０−１２）が要求されている。これに対するＱ値は、図２より、約７となる。上記式によりＱ＝７をＳ／Ｎ比に換算すると、１４、すなわち１１．５ｄＢとなる。また、他の多くの通信システムにおいては、ビットエラーレートＢＥＲとして、１Ｅ−９が要求されているが、これに対応するＱ値は、６となり、Ｓ／Ｎ比は１２、すなわち１０．８ｄＢとなる。
従来、このようなビットエラーレートＢＥＲ＝１Ｅ−１２を、１本の光ファイバにおいて全二重通信することで実現することは困難であるとされてきた。全二重通信とは、ほぼ同一の波長を送信側と受信側の両方に用い、送信のための光の伝搬と、受信のための光の伝搬を同時に行うものである。
例えば、図３に示されるように、機器１の発光素子２から所定の波長の光が発生され、光ファイバ２１を介して機器２に伝送され、機器２の受光素子１３で、この光が受光されるとともに、機器２側の発光素子１２から、発光素子２が発生する光の波長とほぼ同一の波長の光が発生され、光ファイバ２１を介して伝送され、機器１の受光素子３で受光される。
機器１側において、受光素子３が機器２側の発光素子１２が発生する光だけを受光するならば、機器１は、機器２と同時に送受信を行うことが可能となる。
実際には、機器１側の発光素子２が発生した光は、受光素子３に直接漏れ込んだり、光ファイバ２１の機器１側の端面（近端面）で反射し、受光素子３により受光されたり、光ファイバ２１の機器２側の端面（遠端面）で反射され、受光素子３で受光される。すなわち、受光素子３は、発光素子１２が発生した光以外に、発光素子２が発生した光の戻り光（迷光）を受光する。この迷光量は、ノイズ成分と考えられてきた。その結果、この迷光量が信号量の１０％存在するものとすると、Ｓ／Ｎ比は、１０（＝１／０．１）となる。このＳ／Ｎ比をＱ値に換算すると、５（＝１０／２）となる。図２より明らかなように、Ｑ＝５を実現するには、ビットエラーレートＢＥＲは、約１Ｅ−６．５となる。すなわち、１０％の迷光量が存在する場合、１３９４バスで要求されている、１Ｅ−１２を実現することは元より、多くの通信システムにおいて要求されているビットエラーレート１Ｅ−９も実現するのが困難となる。
そこで、例えば、図４に示されるように、機器１からみて、送信用の光ファイバ２１Ａと受信用の光ファイバ２１Ｂとを設け、送信と受信を同時に行うことができるようにすることが提案されている。このような構成にすると、光ファイバが基本的に２本必要となる。
そこで、例えば、図５に示されるように、機器１と機器２を１本の光ファイバ２１で接続するとともに、機器１と機器２のそれぞれに、光学系３１、または光学系４１を配置し、時分割で通信することが提案されている。
光学系３１は、基本的に図６に示すように構成されている。他方の光学系４１も、同様に図６に示すように構成されている。この光学系３１は、基板５１には、プリズム５２が配置されている。発光素子２より出射された光は、プリズム５２の面５２Ａで反射され、レンズ５３を介して光ファイバ２１の端面２１Ａから光ファイバ２１内に導入され、機器２側に伝搬される。機器２側から伝搬されてきた光は、光ファイバ２１の端面２１Ａから出射され、レンズ５３を介してプリズム５２の端面５２Ａに入射され、そこを透過し、基板５１上に形成されている受光素子３上に入射される。
図６に示すように構成された光学系３１，４１は、プリズム５２により、発光素子２より出射された送信用の光と、光ファイバ２１から伝送されてきた受信表の光とを分離している。
しかし、発光素子２より出射された光の一部は、プリズム５２の面５２Ａで反射されず、プリズム５２の内部に進入し、受光素子３により受光される。そこで、図７と図８のフローチャートに示されるように、送信する処理と、受信する処理とが、時分割で行われるようになされている。
すなわち、最初にステップＳ１において、機器１は、送信データが存在するか否かを判定し、送信データが存在しない場合には、ステップＳ２に進み、機器２から線路（光ファイバ２１）使用要求信号を受信したか否かを判定する。機器２から線路使用要求信号が送信されてきていない場合には、ステップＳ１に戻り、それ以降の処理が繰り返し実行される。
ステップＳ２において、機器２から、線路使用要求信号が受信されたと判定された場合、ステップＳ３に進み、機器１は、受信モードを設定する。そして、ステップＳ４において、機器２から信号を受信中であるか否かを判定する。すなわち、線路使用要求信号をまだ受信中であるか否かを判定する。信号を受信中である場合には、受信しなくなるまで待機し、信号を受信しなくなったとき、ステップＳ５に進み、機器１は、受信モード設定を機器２に通知する。
この通知を行うと、後述するように、機器２からデータを送信してくるので、ステップＳ６においてデータを受信するまで待機し、データを受信してきたとき、ステップＳ７において、これをメモリなどに記憶する。そして、ステップＳ８において、データ終了信号を受信したか否かを判定し、受信していない場合には、ステップＳ６に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ８において、データ終了信号が受信されたと判定された場合、ステップＳ９に進み、機器１は、受信モードを解除し、ステップＳ１に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ１において、送信データが存在すると判定された場合、ステップＳ１０に進み、機器１は、線路使用要求信号を機器２に出力する。ステップＳ１１において、機器１は、機器２側から受信モード設定の通知が受信されたか否かを判定し、受信モード設定の通知が受信された場合には、ステップＳ１２に進み、機器１は、送信モードを設定する。そして、ステップＳ１３において、機器１は、データを送信し、ステップＳ１４において、送信するデータが終了したか否かを判定し、終了していない場合には、ステップＳ１３に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ１４において、送信するデータが終了したと判定された場合、ステップＳ１５に進み、機器１は、データ終了信号を機器２に出力する。そしてステップＳ１６において、送信モードを解除し、ステップＳ１に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ１１において、機器２から受信モード設定の通知が受信されていないと判定された場合、ステップＳ１０において機器１が機器２に対して線路使用要求信号を出力したタイミングにおいて、機器２からも、線路使用要求信号が出力され、２つの線路使用要求信号が重なってしまったために、機器２は、機器１が出力した線路使用要求信号を受信できなかったものと考えられる。そこで、この場合には、ステップＳ１７に進み、機器１は、再び線路使用要求信号を受信したか否かを判定し、受信していない場合には、ステップＳ１８に進み、予め設定されているランダムな所定の時間が線路使用要求信号を出力してから経過したか否かを判定し、まだその時間が経過していない場合にはステップＳ１７に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ１８において、ランダムな所定の時間が経過したと判定された場合、ステップＳ１に戻り、それ以降の処理が繰り返し実行される。
機器２側においても、同様に、機器１に対して線路使用要求信号を出力したにも関わらず、機器１側から受信モード設定の通知信号が送信されてこない場合には、ランダムな所定の時間が経過するまで待機する処理が実行される。このランダムな所定の時間は、一般的に、機器１と機器２において異なる時間となる。機器１が設定した時間の方が機器２が設定した時間より長い場合には、機器１が待機している間に機器２が再び線路使用要求信号を送信してくる。この場合、ステップＳ１７において、線路使用要求信号を受信したと判定され、ステップＳ３に進み、上述した場合と同様の処理が実行される。
すなわち、この例においては、機器１と機器２の両方から独立に送信処理を開始させ、相手側から適切な応答がない場合には、それぞれランダムな時間だけ待機させ、再び同様の処理を実行させる。ランダムな時間は通常異なる時間となるので、短い時間を設定した機器が先にデータを送信することになる。
このように、従来の１本の光ファイバにより送信と受信を行うシステムでは、時分割でデータを送受信するようにしている。その結果、各機器は、確実に所定のタイミングでデータを送信することができないという技術課題がある。
発明の開示
本発明は、上述した従来の技術が有している技術課題に鑑みて提案されたものであり、１本の光ファイバを用いて、任意のタイミングで確実にデータを送受信することができるようにした光通信装置及び通信方法を提供することを目的とする。
上述のような目的を達成するために提案される本発明は、１本の有線内に、ほぼ同一の波長の送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて双方向で通信する光通信装置において、送信用の光を発光する発光素子と、受信用の光を受光する受光素子と、送信用の光を有線に案内するとともに、受信用の光を受光素子に案内する光案内素子とを備え、受光素子に対して発生する迷光の光量Ｍの値が、要求される通信品質を表すＱ値の値をＱ、通信相手からの受信信号光量をＳ、ガウシアン性ノイズの総和をＮとするとき、Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞Ｓ／２Ｑ−Ｎとなるように設定されている。
受信信号光量Ｓに対する迷光の光量Ｍの割合Ｓ／Ｍは、７％乃至３０％とすることができ、光通信における伝送速度は、１００Ｍｂｐｓ以上とすることができる。
有線は、プラスティックオプティカルファイバを用いることができる。
通信相手側からの反射光の光量の和は、送信側からの送信用の光の通信相手側における受光量の０．７％乃至３．０％とすることができる。
また、本発明は、送信用の光を発光する発光素子と、受信用の光を受光する受光素子と、送信用の光を有線に案内するとともに、受信用の光を受光素子に案内する光案内素子とを備え、１本の有線内に、ほぼ同一の波長の送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて、双方向で通信する光通信装置の光通信方法において、受光素子に対して発生する迷光の光量Ｍの値が、要求される通信品質を表すＱ値の値をＱ、通信相手からの受信信号光量をＳ、ガウシアン性ノイズの総和をＮとするとき、Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞Ｓ／２Ｑ−Ｎとなるように設定されている。
上述のように構成された本発明に係る光通信装置及び方法においては、受光素子に対する迷光の光量Ｍの値が、要求される通信品質を表すＱ値の値をＱ、通信相手からの受信信号光量をＳ、ガウシアン性ノイズの総和をＮとするとき、次式で指定する範囲となるように設定されている。
Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞Ｓ／２Ｑ−Ｎ
さらに、本発明は、１本の有線内に、ほぼ同一の波長の送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて、双方向で通信する光通信装置において、送信用の光を発光する発光素子と、受信用の光を受光する受光素子と、送信用の光を有線に案内するとともに、受信用の光を受光素子に案内する光案内素子と、発光素子と受光素子を制御し、発光素子により送信用の光が発光され、有線に伝搬されている状態において、受光素子により受光された受信用の光に対応する信号の処理を許容するとともに、有線を伝搬されてきた受信用の光が受光素子により受光されている状態において、発光素子により発光された送信用の光による信号の送信のための処理を許容する制御手段とを備える。
さらにまた、本発明は、送信用の光を発光する発光素子と、受信用の光を受光する受光素子と、送信用の光を有線に案内するとともに、受信用の光を受光素子に案内する光案内素子とを備え、１本の有線内に、ほぼ同一の波長の送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて、双方向で通信する光通信装置の光通信方法において、発光素子により送信用の光が発光され、有線に伝搬されている状態において、受光素子により受光された受信用の光に対応する信号の処理を許容するとともに、有線を伝搬されてきた受信用の光が受光素子により受光されている状態において、発光素子により発光された送信用の光による信号の送信のための処理を許容する。
このような構成を備えた本発明に係る光通信装置及び方法においては、送信用の光が発光され、有線に伝搬されている状態において、受光された受信用の光に対応する信号の処理が許容されるとともに、有線を伝搬されてきた受信用の光が受光されている状態において、発光された送信用の光による信号の送信のための処理が許容される。
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施例の説明から一層明らかにされるであろう。
発明を実施するための最良の形態
図９は、本発明を適用したバスシステムの構成例を示している。この図９に示す構成例において、プラスティックオプティカルファイバ７６により、端子７１乃至７５と部屋Ａと部屋Ｂの各電子機器が相互に接続されている。
端子７２には、Ｂ−ＩＳＤＮの回線が接続されており、端子７３には、ＣＡＴＶの回線が接続されている。端子７４には、放送衛星または通信衛星を介して転送されてくる電波を受信するパラボラアンテナ７７が、また、端子７５には、地上波のテレビジョン放送の電波を受信するアンテナ７８がそれぞれ接続されている。
部屋Ａには、ケーブルリピータ７９が配置され、プラスティックオプティカルファイバ７６と接続されている。このケーブルリピータ７９には、プラスティックオプティカルファイバ７６を介して、ＩＲＤ８０、テレビジョン受像機８１、パーソナルコンピュータ８２及びビデオプリンタ８３が接続されている他、ホームサーバ８４、増幅器８５、ＤＶＣＲ８６が接続されている。
部屋Ｂのケーブルリピータ８７には、プラスティックオプティカルファイバ７６が接続されているとともに、プラスティックオプティカルファイバ７６を介して、テレビジョン受像機８８、電話機８９及びパーソナルコンピュータ９０が接続されている。
プラスティックオプティカルファイバ（以下、単に光ファイバと称する）７６に接続されている各機器や端子は、光ファイバ７６を介して、光通信を行うために、図１０に示されるような構成のインターフェースをそれぞれ内蔵している。
光ファイバ７６の端部は、プラグ１３５に接続されており、このプラグ１３５は、レセプタクル１３４に装着されている。レセプタクル１３４に対向して、光学系１３３が配置されており、光ファイバ７６の内部を伝搬されてきた光は、プラグ１３５、レセプタクル１３４を介して光学系１３３に入射され、光学系１３３から受光素子１３６に案内される。受光素子１３６より出力された受光量に対応する電気信号は、プリアンプ１３７により、電流電圧変換される。波形整形２値化回路１３８は、プリアンプ１３７より供給された電圧信号を波形整形するとともに２値化して受信回路１２３に出力する。
送信回路１２１より出力された送信信号は、トランシーバ回路１２２の発光ドライバ回路１３１に入力される。発光ドライバ回路１３１は、入力された信号に対応して発光素子１３２を駆動する。発光素子１３２は、入力された信号に対応して光を発生する。この光は、光学系１３３からレセプタクル１３４、プラグ１３５を介して光ファイバ７６に案内され、光ファイバ７６の内部を伝搬して他の機器に送信される。
例えば、マイクロコンピュータなどにより構成される制御回路１２４は、受信回路１２３により受信されたデータを取り込み、処理するとともに、送信データを送信回路１２１に供給する。さらに、制御回路１２４は、これらの送信回路１２１と受信回路１２３ととともに、トランシーバ回路１２２を制御して送受信の動作を制御する。
図１１は、光学系１３３の構成例を示している。レーザダイオード、あるいはＬＥＤなどにより構成される発光素子１３２より出射された光は、半導体基板１４１上に形成された台１４２Ａに設置されている結合レンズ１４２に入射される。結合レンズ１４２の光軸と、発光素子１３２の発生する光の強度中心は、距離ｄだけずらされている。その結果、発光素子１３２より出射された光の強度中心（主光線）の進路が、図１１において、上方向に曲げられ、さらに半導体基板１４１上に設置されている立上げミラー１４３の全反射面１４３Ａにより全反射され、光Ｌ１として光ファイバ７６の端面７６Ａに角度θで入射する。端面７６Ａに入射された光Ｌ１は、光ファイバ７６の内部に進入し、光Ｌ２として他の機器に向けて伝搬される。
光Ｌ１のうち、光ファイバ７６の端面７６Ａで反射された一部の光は、光Ｌ３として、半導体基板１４１側に照射される。フォトダイオードなどにより構成される受光素子１３６は、光Ｌ３が入射しないような位置であって、且つ、他の機器から伝送されてきて、光ファイバ７６の端面７６Ａから出射された光が入射される位置に配置されている。したがって、受光素子１３６は、他の機器からの光は受光するが、端面７６Ａで反射された迷光としての光Ｌ３は受光しない。
このような効果は、光ファイバ７６の端面７６Ａの角度や、光Ｌ３の収束度合い（実行ＮＡ）を所定の値に選択することで、実現することが可能である。
次に、このような光学系１３３において、所望のビットエラーレートＢＥＲを実現するための設計方法について説明する。
本発明においては、迷光をガウシアン分布しているノイズ成分としては考えず、信号の劣化として考える。すなわち、迷光量が１０％（図１２）、または３０％（図１３参照。）である場合における受光素子１３６の出力をプリアンプ１３７により電流電圧変換した後の信号の波形は、図１２と図１３にそれぞれ示されるようになる。これらの図から明らかなように、迷光成分は、信号に対してある割合で定常的に存在し、信号を広い範囲に渡って漸次劣化させるような、いわゆるガウシアン分布はしていないと考えられる。このことは、図１２と図１３のアイパタンが、全体的にぼけた状態になるのではなく、所定の輪郭の外部においてだけ不明瞭となっているだけで、輪郭の内部は明瞭になっていることからも明らかである。
すなわち、本発明においては、図１４に示されるように、迷光は、論理０のレベル及び論理１のレベルをそれぞれ所定のレベルだけ増加させるような成分として存在する。ガウシアン分布するノイズは、論理０または論理１のレベル、あるいは迷光Ｍに対してそれぞれ存在する。
以上のことを数式を用いて説明すると次のようになる。すなわち、今、信号の光量をＳ、迷光の光量をＭ、アンプノイズ、光のショットノイズなどのガウシアン分布するノイズ成分をＮとする。従来、迷光量Ｍをノイズとみなしていたため、Ｓ／Ｎ比は次式で示すように求められていた。
Ｓ／Ｎ比＝Ｓ／（Ｎ＋Ｍ）
本発明においては、迷光は、ノイズではなく、信号の劣化として把握するため、Ｓ／Ｎ比は次式で表される。
Ｓ／Ｎ比＝（Ｓ−Ｍ）／Ｎ
例えば、迷光光量Ｍを５％、ノイズも５％とすると、従来の考え方による場合のＳ／Ｎ比は、１０（＝１／（０．０５＋０．０５））となり、図２より、Ｑ値の値は、５となるため、ビットエラーレート１Ｅ−９の実現は、困難となる。
本発明の考え方によるＳ／Ｎ比は、１９（＝（１−０．０５）／０．０５）となり、図２より、Ｑ値の値は９．５となる。従って、１Ｅ−１２のビットエラーレートの実現が可能となる。
発明者らは、図１５に示すようなシステムを用いて実験を行った。パルス発生器１６５により、信号成分としてのパルスを発生させ、レーザダイオード１６６を駆動する。レーザダイオード１６６より出射されたレーザ光は、レンズ１６７、ＮＤフィルタ１６８を介して、ハーフミラー１６４に入射される。ハーフミラー１６４により反射されたレーザ光は、マルチモードシリコンファイバ１６９に入射され、その内部を伝搬されて、レンズ１７０を介して、フォトダイオード１７１に入射される。
また、パルス発生器１６１により、迷光成分としての信号を発生させ、レーザダイオード１６２を駆動する。レーザダイオード１６２より出射されたレーザ光は、レンズ１６３を介して、ハーフミラー１６４に入射され、信号成分としてのレーザ光と合成される。
フォトダイオード１７１により受光した光量の変化をデジタルオシロスコープ１７２により観測し、誤り検出器１７３によりパルス発生器１６５が出力したパルス（クロック）とデジタルオシロスコープ１７２により観測された結果と比較することで誤り検出処理を行った。
図１６は、誤り検出の結果を表している。迷光の割合を増加させるほどビットエラーレートが悪化していることがわかる。
１Ｅ−９のビットエラーレートが得られるときの迷光の割合は、約３１％となっており、１Ｅ−１２のビットエラーレートが得られるときの迷光の割合は、約２３％となっている。

表１は、この実験値の他、従来の
Ｓ／Ｎ比＝Ｓ／（Ｎ＋Ｎ）
の式に基づいて計算した結果得られたビットエラーレートの計算値１と、本願発明における
Ｓ／Ｎ比＝（Ｓ−Ｍ）／Ｎ
の式に基づいて計算した結果得られたビットエラーレートの計算値２を示している。
計算値１は、実験値と大きく異なっているのに対して、計算値２は、実験値とほぼ対応した値となっていることがわかる。このことは、本願発明における場合のように、迷光をガウシアン分布するノイズとして考えるのではなく、信号の劣化として考えることの正しさを表している。
そこで、本願発明においては、従来、
２Ｑ＝Ｓ／（Ｎ＋Ｎ）
の式に基づいて得られる迷光量Ｍの値、
Ｍ＝（Ｓ／２Ｑ）−Ｎ
より迷光量が少なくなるようにインターフェースなどの設計を行っていたのであるが、本願発明においては、
２Ｑ＝（Ｓ−Ｍ）／Ｎ
の式に基づいて得られる次の式
Ｍ＝Ｓ−２ＱＮ
に基づいて得られる値より迷光量を小さくするように設計する。
換言すれば、本願発明においては、迷光量Ｍの値が次式で表される範囲になるようにインターフェースの設計が行われる。
Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞（Ｓ／２Ｑ）−Ｎ
この原理に従うことで、１３９４バスに要求される１Ｅ−１２のビットエラーレートが一芯全二重通信において実現可能となる。すなわち、従来の計算方法よれば、ガウシアン分布のノイズＮの値が０であったとしても、図２より、１Ｅ−１２の値に対応するＱ値は７であるので、Ｍ＝Ｓ／２Ｑの値は、７％（＝１／（２×７））となる。これに対して、本願発明における原理に従うと、ガウシアン分布するノイズを５％と仮定したとしても、Ｍ＝Ｓ−２Ｑの値は、３０％（＝１−２×７×０．０５）となる。すなわち、それだけ多い迷光量の存在が許容される。従って、設計が容易となり、一芯全二重通信による１３９４バスの実現が可能となる。
より具体的な例についてさらに説明すると、発光素子１３２としては、例えば、波長が６５０ｎｍ近傍のレーザダイオード又はＬＥＤとすることができ、そのＲＩＮ（相対雑音強度）は、−１１５ｄＢ／Ｈｚ以下とすることができる。
受光素子１３６としては、シリコンのＰＩＮフォトダイオードを用いることができる。光ファイバ７６としては、ＰＭＭＡで構成されるＳｔｅｐＩｎｄｅｘのプラスティックオプティカルファイバを用いることができる。発光ドライバ回路１３１により信号をデューティ５０％で変調するものとすると、送信光量は平均パワーで、−２．７ｄＢｍ乃至−９．９ｄＢｍとすることができる。
光ファイバ７６の伝送距離が１０ｍであり、伝送ロス、曲げ損、端面損失などを考慮して、この伝送系における光量損失を最大５ｄＢとする。光ファイバ７６の通信相手側の端面における反射量（遠端反射量）を最大１．４％とする。また、受信効率−３ｄＢとする。この系において、１０ｍ送信時の最低受信信号光量は、次式で表されるように、−１７．９ｄＢｍとなる。
−１７．９ｄＢｍ＝−９．９ｄＢｍ−５ｄＢ−３ｄＢ
一方、遠端の迷光は、自分自身が最大光量を発生している場合に最大となるので、その値は、次式で表されるように、−３４．２ｄＢｍとなる。
−３４．２ｄＢｍ＝−２．７ｄＢｍ−５ｄＢ−１８．５ｄＢ−５ｄＢ−３ｄＢなお、上記式における−１８．５ｄＢは、１．４％の遠端反射量を表している。
また、近端の迷光量は、発光素子１３２における発光量の０．５％（−２３ｄＢ）とすると、次式で表されるように、−２５．７ｄＢｍとなる。
−２５．７ｄＢｍ＝−２．７ｄＢｍ−２３ｄＢ
従って、迷光の遠端と近端の和は、−２５．１ｄＢｍとなる。
すなわち、遠端からの迷光の光量−３４．２ｄＢｍは、元の値に換算すると、
−３４．２ｄＢｍ＝１０ｌｏｇｘ
の式を解いて、ｘ＝３．８×１０^−４となる。
同様に、近端からの迷光の光量−２５．７ｄＢｍは、元の値に換算すると、
−２５．７ｄＢｍ＝１０ｌｏｇｘ
の式を解いて、ｘ＝２．７×１０^−３＝２７×１０^−４となる。
両端の迷光の受光量の和は、次式により、３０．８×１０^−４となる。
３．８×１０^−４＋２７×１０^−４＝３０．８×１０^−４
この値をｄＢｍに換算すると、次式により、−２５．１ｄＢｍとなる。
１０ｌｏｇ（３０．８×１０^−４）＝−２５．１ｄＢｍ
その結果、信号に対する迷光の比率は、次式で表されるように、−７．２ｄＢ、すなわち１９％となる。
−７．２ｄＢ＝−２５．１ｄＢｍ−（−１７．９ｄＢｍ）
このように、１Ｅ−１２のビットエラーレートを実現することが可能となる。
さらに、例えば、受信効率を−６ｄＢとすると、最低受信光量信号量は、次式で表されるように、−２０．９ｄＢｍとなる。
−２０．９ｄＢｍ＝−９．９ｄＢｍ−５ｄＢ−６ｄＢ
遠端の迷光は、次式で表されるように、−３７．２ｄＢｍとなる。
−３７．２ｄＢｍ＝−２．７ｄＢｍ−５ｄＢ−１８．５ｄＢ−５ｄＢ−６ｄＢ
近端の迷光を発生光の光量の０．３％（−２５．２ｄＢ）とすると、次式で表されるように、−２７．９ｄＢｍとなる。
−２７．９ｄＢｍ＝−２．７ｄＢｍ−２５．２ｄＢ
遠端と近端の迷光の受光量の和は、−２７．４ｄＢｍとなる。
すなわち、遠端からの迷光の光量−３７．２ｄＢｍは、元の値に換算すると、
−３７．２ｄＢｍ＝１０ｌｏｇｘ
の式を解いて、ｘ＝１．９×１０^−４となる。
同様に近端からの迷光の光量−２７．９ｄＢｍは、元の値に換算すると、
−２７．９ｄＢｍ＝１０ｌｏｇｘ
の式を解いて、ｘ＝１．６×１０^−３＝１６×１０^−４となる。
両者の和は、次式より、１７．９×１０^−４となる。
１．９×１０^−４＋１６×１０^−４＝１７．９×１０^−４
この値をｄＢｍに換算すると、次式より、−２７．４ｄＢｍとなる。
１０ｌｏｇ（１７．９×１０^−４）＝−２７．４ｄＢｍ
信号に対する迷光の比率は、次式で表されるように、−６．５ｄＢすなわち２２％となる。
−６．５ｄＢ＝−２７．４ｄＢｍ−（−２０．９ｄＢｍ）
この場合においても、１Ｅ−１２のビットエラーレートを確保することが可能となる。
次に、図１７のフローチャートを参照して、図１０に示されるインターフェースの送信処理について説明する。最初にステップＳ３１において、制御回路１２４は、送信データが存在するか否かを判定し、送信データが存在しないと判定された場合、送信データが、発生するまで待機する。
ステップＳ３１において、送信データが存在すると判定されたと場合、ステップＳ３２に進み、制御回路１２４は、データを送信する処理を実行する。
このとき、制御回路１２４は、送信回路１２１に送信データを出力する。送信回路１２１は、この送信データを所定の方式で変調し、トランシーバ回路１２２の発光ドライバ回路１３１に供給する。発光ドライバ回路１３１は、送信回路１２１より入力された送信データに基づいて、発光素子１３２を駆動する。その結果、発光素子１３２は、送信データに対応する光を発生する。
この光は、結合レンズ１４２を介して、立上げミラー１４３の全反射面１４３Ａに入射され、そこで全反射された後、端面７６Ａから光ファイバ７６の内部に入射される。そして、通信相手の機器に伝送される。
次に、ステップＳ３３に進み、制御回路１２４は、全てのデータを送信したか否かを判定し、まだ送信していないデータが存在する場合には、ステップＳ３２に戻り、同様の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ３３において、全てのデータを送信したと判定された場合、ステップＳ３４に進み、制御回路１２４は、データ終了信号を出力する。このデータ終了信号は通常の送信データと同様に通信相手に送信される。通信相手は、このデータ終了信号を受け取ることで、送信されてきたデータの終了を検知することができる。その後、処理ステップＳ３１に戻り、それ以降の処理が繰り返し実行される。
次に、図１８のフローチャートを参照して、受信処理について説明する。ステップＳ５１において、制御回路１２４は、データを受信したか否かを判定し、受信していない場合、データを受信するまで待機する。ステップＳ５１において、データを受信したと判定された場合、ステップＳ５２に進み、制御回路１２４は、受信データを取り込む処理を実行する。
すなわち、光ファイバ７６を伝搬されてきた光は、端面７６Ａから出射され、半導体基板１４１上の受光素子１３６にその面１３６Ａから入射される。受光素子１３６は、入射された光の光量に対応する信号を出力する。この信号は、プリアンプ１３７により、電流から電圧に変換された後、波形整形２値化回路１３８に供給される。波形整形２値化回路１３８は、入力された電圧信号を波形整形するとともに２値化し、受信回路１２３に供給する。受信回路１２３は、受信されたデータを復調し、内蔵するメモリに記憶させる。
次に、ステップＳ５３に進み、制御回路１２４は、受信データを処理させる。このとき、制御回路１２４は、受信回路１２３を制御して受信し、記憶したデータを処理させる。受信回路１２３は、記憶したデータの誤りを訂正し、得られたデータを制御回路１２４に供給する。
次に、ステップＳ５４に進み、制御回路１２４は、データ終了信号を受信したか否かを判定し、受信していない場合にはステップＳ５２に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ５４において、データ終了信号が受信されたと判定された場合、制御回路１２４は、通信相手側からのデータ送信処理が終了したものと判断して、受信処理を終了させ、ステップＳ５１に戻り、それ以降の処理を繰り返し実行する。
制御回路１２４は、図１７に示す送信処理と、図１８に示す受信処理を独立に実行させる。換言すれば、送信処理が行われている状態において、受信処理を許容し、逆に受信処理が実行されている状態において、送信処理を許容する。このようにすることで、制御回路１２４は、任意のタイミングで、データを送受信することが可能となる。
以上のようにして、図９に示した光ファイバ７６に接続されている各機器は、迅速にデータを授受することが可能となる。
以上においては、本発明を１３９４バスに適用した場合を例として説明したが、本発明は、これ以外のシステムで光ファイバを利用した光通信に適用することが可能となる。
産業上の利用可能性
上述したように、本発明は、受光手段における光量Ｍの値を、次式
Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞Ｓ／２Ｑ−Ｎ
を満足するように設定するようにしたので、一般の有線内にほぼ同一の波長の送信と受信の光を同時に伝搬させて、双方向で通信することが可能となる。従って、２本の有線を使う場合に較べて、軽量化、低コスト化を図ることが可能となる。
また、本発明は、発光手段により送信用の光が発光され、有線に伝搬されている状態において、受光手段により受光された受信用の光に対する信号の処理を許容するとともに、有線を伝搬されてきた受信用の光が受光手段に受光されている状態において、発光手段により発光された送信用の光により、信号の送信のための処理を許容するようにしたので、リアルタイムで、１本の有線内に、ほぼ同一の波長の送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて双方向で通信することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の光通信システムにおける迷光に対する概念を説明する図である。
図２は、ビットエラーレートとＱ値の関係を示すグラフである。
図３は、光ファイバにおける迷光を説明する図である。
図４は、従来の光通信システムの構成例を示す図である。
図５は、従来の光通信システムの他の構成例を示す図である。
図６は、図５に示す光通信システムを構成する光学系の構成例を示す図である。
図７は、図５に示す光通信システムにおける通信処理を説明するフローチャートである。
図８は、図５に示す光通信システムにおける通信処理を説明するフローチャートである。
図９は、本発明を適用した１３９４バスシステムの構成を説明する図である。
図１０は、図９に示す各装置が有するインターフェースの構成例を示す図である。
図１１は、図１０に示す光学系の構成例を示す図である。
図１２は、迷光量が１０％の状態の受光素子の出力の例を示す図である。
図１３は、迷光量が３０％である状態の受光素子の出力の例を示す図である。
図１４は、本発明における迷光の概念を説明する図である。
図１５は、実験装置の構成を示すブロック図である。
図１６は、図１５に示す実験装置の実験の結果得られた特性を示すグラフである。
図１７は、図１０に示すインターフェースの送信処理を説明するフローチャートである。
図１８は、図１０に示すインターフェースの受信処理を説明するフローチャートである。

Claims

１本の有線内に、ほぼ同一の波長の送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて、双方向で通信する光通信装置において、
前記送信用の光を発光する発光手段と、
前記受信用の光を受光する受光手段と、
前記送信用の光を前記有線に案内するとともに、前記受信用の光を前記受光手段に案内する光案内手段とを備え、
前記受光手段に対して発生する迷光の光量Ｍの値が、要求される通信品質を表すＱ値の値をＱ、通信相手からの受信信号光量をＳ、ガウシアン性ノイズの総和をＮとするとき、
Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞Ｓ／２Ｑ−Ｎ
となるように設定されていることを特徴とする光通信装置。
前記受信信号光量Ｓに対する前記迷光の光量Ｍの割合Ｓ／Ｍは、７％乃至３０％とされていることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
前記光通信における伝送速度は、１００Ｍｂｐｓ以上とされていることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
前記有線は、プラスティックオプティカルファイバであることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
前記通信相手側からの反射光の光量の和は、送信側からの前記送信用の光の前記通信相手側における受光量の０．７％乃至３．０％とされていることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
前記受光手段は、前記発光手段から発光された光のうち、前記優先の端面で反射された光が入射されない位置であって、前記有線内を伝搬され、当該有線の端面から出射された受信用の光が入射される位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
当該光通信装置は、
さらに、前記発光手段と前記受光手段を制御し、前記発光手段により前記送信用の光が発光され、前記有線に伝搬されている状態において、前記受光手段により受光された前記受信用の光に対応する信号の処理を許容するとともに、前記有線を伝搬されてきた前記受信用の光が前記受光手段により受光されている状態において、前記発光手段により発光された前記送信用の光による信号の送信のための処理を許容する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
送信用の光を発光する発光手段と、受信用の光を受光する受光手段と、前記送信用の光を前記有線に案内するとともに、前記受信用の光を前記受光手段に案内する光案内手段とを備え、１本の有線内にほぼ同一の波長の前記送信用の光と受信用の光を同時に伝搬させて双方向で通信する光通信装置の光通信方法において、
前記受光手段に対して発生する迷光の光量Ｍの値が、要求される通信品質を表すＱ値の値をＱ、通信相手からの受信信号光量をＳ、ガウシアン性ノイズの総和をＮとするとき、
Ｓ−２ＱＮ≧Ｍ＞Ｓ／２Ｑ−Ｎ
となるように設定されていることを特徴とする光通信方法。
当該光通信方法は、
さらに、前記発光手段により前記送信用の光が発光され、前記有線に伝搬されている状態において、前記受光手段により受光された前記受信用の光に対応する信号の処理を許容するとともに、前記有線を伝搬されてきた前記受信用の光が前記受光手段により受光されている状態において、前記発光手段により発光された前記送信用の光による信号の送信のための処理を許容することを特徴とする請求項８記載の光通信方法。