JP4574111B2 - 光送受信装置、光空間伝送装置及び光通信システム - Google Patents
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Description
【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、光源から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7に点線で示したゴースト光321は、レーザ光源301から発し、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304に漏れ込む。
【0012】
表1は、偏光素子308が無い場合に光源301から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7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】
本発明の光送受信装置は、偏光方向が第1の方向に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、光源からの上記第1の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第1の方向に対して直交する第2の方向に偏光方向を有した光を受光素子に向かわせるプリズム型の偏光ビームスプリッタと、光源と偏光ビームスプリッタとの間に配置され、第1の方向に平行な偏光軸を持つ光源側偏光素子と、前記受光素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置され、前記第2の方向に偏光軸を備えた受光素子側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光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、上記光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光送受信装置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40も接続されている。この場合、駆動回路12は該撮影装置40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、光送受信装置10において、偏光分離面3aから相手方装置側の光学要素(入射出ポート6及び送受信光学系7)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3a)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50,51,52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3a)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。
【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 (5)
- 偏光方向が第1の方向に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第1の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第1の方向に対して直交する第2の方向に偏光方向を有した光を前記受光素子に向かわせるプリズム型の偏光ビームスプリッタと、
前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置され、前記第1の方向に平行な偏光軸を持つ光源側偏光素子と、
前記受光素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置され、前記第2の方向に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光送受信装置。 - 前記光源側偏光素子を、その変更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請求項1に記載の光送受信装置。
- 前記受光素子側偏光素子を、その変更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請求項1に記載の光送受信装置。
- 請求項1から3のいずれか1つ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。 - 請求項4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。
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