JP4949917B2 - Optical space transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、光空間を伝送する光ビームを用いてデータ通信を行う光空間伝送システムに関し、より特定的には、光ビームの不要な反射に起因する伝送特性の劣化を低減させた光空間伝送システムに関する。 The present invention relates to an optical space transmission system that performs data communication using an optical beam that transmits an optical space, and more specifically, an optical space transmission in which deterioration of transmission characteristics due to unnecessary reflection of the light beam is reduced. About the system.
光ビームを自由空間に放射してデータ通信を行う光空間伝送技術は、オフィスや家庭において情報処理端末やAV機器をケーブルレスで接続することが可能であり、光の広帯域性を活かした高速通信を実現できる可能性が高いこと等から、近年注目されている。また、光空間伝送は、無線LANやUWBといった無線を媒体とした通信方式と比較して、周波数利用に法的規制がないことに加え、指向性が高くかつ隣接する無線ネットワークに影響を及ぼさない等、秘匿性・セキュリティの面で大きな優位性を有している。
そのような理由から、最近では転送データの大容量化に従って、より高速な光空間伝送システムが求められている。
Optical space transmission technology that radiates a light beam to free space and performs data communication allows information processing terminals and AV equipment to be connected without cables in offices and homes, making high-speed communication utilizing the broadband nature of light In recent years, it has been attracting attention because of the high possibility that it can be realized. In addition, optical space transmission has higher directivity and does not affect adjacent wireless networks, in addition to no legal restrictions on frequency usage, compared to wireless LAN and UWB wireless communication methods. It has a great advantage in terms of confidentiality and security.
For these reasons, recently, a higher-speed optical space transmission system has been demanded in accordance with an increase in the capacity of transfer data.
ところが、データ通信をより高速に行うためには、高速応答が可能である高性能な光源(発光素子)や受光素子が必要となる。特に、受光素子は、高い周波数応答特性を得るためには寄生容量を低減する必要があることから、受光面積が小さくなる。例えば、1.25Gbpsデータ通信用の受光素子の直径が200μmで、10Gbpsデータ通信用の受光素子の直径が60μmとなる(2006年2月現在 albis社製)。
しかしながら、光空間伝送システムにおいては、受光素子の受光面積が小さくなると、総受光電力が減少することから、高速伝送が困難になる。
However, in order to perform data communication at a higher speed, a high-performance light source (light emitting element) or light receiving element capable of high-speed response is required. In particular, the light receiving element has a reduced light receiving area because it is necessary to reduce parasitic capacitance in order to obtain high frequency response characteristics. For example, the diameter of the light receiving element for 1.25 Gbps data communication is 200 μm, and the diameter of the light receiving element for 10 Gbps data communication is 60 μm (manufactured by Albis as of February 2006).
However, in the optical space transmission system, when the light receiving area of the light receiving element is reduced, the total received power is reduced, so that high speed transmission becomes difficult.
そこで、この問題を解決するため、複数の光源と複数の受光素子とで並列データ通信を行い、全体の伝送レートを向上させる多重伝送方式が提案されている(特許文献1を参照)。この方式は、複数の光リンクを設けることで、1リンク当たりの伝送レートを低減させるものである。 In order to solve this problem, a multiplex transmission method has been proposed in which parallel data communication is performed between a plurality of light sources and a plurality of light receiving elements to improve the overall transmission rate (see Patent Document 1). In this method, a plurality of optical links are provided to reduce the transmission rate per link.
図16は、特許文献1に記載された従来の光空間結線装置の構成を示す図である。特許文献1では、コンピュータや通信処理装置内での信号伝達を行うための技術を示したものであるが、光空間伝送システムへの適応も可能である。
FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a conventional optical spatial connection device described in
図16において、光送信モジュール30に入力された複数の電気信号は、それぞれLDドライバアレイ32及び発光素子アレイ33により光信号に変換され、さらにコリメートレンズ34により角度の異なる光ビームへ変換され、空間に放出される。光受信モジュール35では、集光レンズ39により、光ビームの入射角度に応じて受光素子アレイ38内の各受光素子へ光信号が集光される。そして、受光素子アレイ38は、入力された光信号を電気信号に変換し、アンプアレイ37に送出する。その後、アンプアレイ37は、それぞれの電気信号を増幅した後、光受信モジュール35から出力する。
In FIG. 16, a plurality of electric signals input to the
この従来の光空間結線装置では、コリメートレンズ34から見た焦点面上の発光素子の配置は、コリメートレンズ34から出力される光ビームの出射角度として伝送される。また、光受信モジュール35に入射される光ビームの受光面上での集光位置は、光ビームの入射角度によって決まる。すなわち、この従来の光空間結線装置では、発光素子アレイ33の素子配置は、光ビームの角度情報に変換された後に伝送されるので、光送受信モジュールの間の位置ずれが生じても、光ビームが集光レンズ39で集光できる限り、受光面上での集光位置には何ら影響を与えない。従って、モジュール間の位置ずれトレランスを従来のレンズアレイを用いる構成に比べ改善できると記載されている。
In this conventional optical spatial connection device, the arrangement of the light emitting elements on the focal plane viewed from the
しかしながら、図16に示す構成では、光源や受光素子の数が増え、その実装面積が増えるにつれ、コリメートレンズ34及び集光レンズ39が大きくなるという課題がある。さらに、発光素子アレイ33から照射される光ビームは、それぞれコリメートレンズ34に対して垂直に入射されるため、反射戻り光が再び発光素子アレイ33に入射され、発光素子アレイ33の動作が不安定になることがある。また、受光素子アレイ38に入射した光ビームのうち、一旦受光素子の表面で反射され、さらにその反射光が集光レンズ39の正面で反射され、再び受光素子アレイ38に入射されることがある。この多重反射光は、遅延光となるために、データレートが高速になるにつれ、大きな課題となる。
このように、光空間伝送システムでは、光伝送路における各反射点からの反射戻り光や、多重反射が伝送品質に影響を与える。
However, the configuration shown in FIG. 16 has a problem that the
Thus, in the optical space transmission system, reflected return light from each reflection point in the optical transmission path and multiple reflections affect the transmission quality.
そこで、この反射光による影響を解決するため、受信器でノイズキャンセルを行う手法が提案されている(特許文献2を参照)。
図17は、特許文献2に記載された従来の光空間伝送システムの構成を示す図である。
Therefore, in order to solve the influence of the reflected light, a technique of performing noise cancellation with a receiver has been proposed (see Patent Document 2).
FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a conventional optical space transmission system described in
図17において、親機41の光送信部44は、送信すべき信号Pに応じてLED54及び55から異なる発光スペクトラムの送信光LPa及びLPbを同相送信する。子機42の光受信部46は、PD67で送信光LPa及びLPbを光電変換し、演算増幅器68で信号Pのみを取り出す。また、子機42の光送信部45は、送信すべき信号Cに応じてLED61及び63から異なる発光スペクトラムの送信光ビーム(−LCb、LCa)を差動送信する。親機41の光受信部43は、PD52及び53により送信光ビーム(−LCb、LCa)を発光スペクトラムに応じて光電変換し、演算増幅器51で信号Cのみを取り出す。
In FIG. 17, the
従って、光受信部43のPD52から演算増幅器51の反転入力端子へ送られる信号は、光送信部45から送信された送信光ビーム(−LCb)が光電変換された信号(−C)に対して、外乱光LNが光電変換されたノイズ成分(N)と、光送信部44から送信された送信光LPbが反射物47により反射された光が光電変換されたノイズ成分(P)とが、重畳された信号(N+(−C)+P)となる。また、光受信部43のPD53から演算増幅器51の非反転入力端子へ送られる信号は、光送信部45から送信された送信光ビーム(LCa)が光電変換された信号(+C)に対して、外乱光LNが光電変換されたノイズ成分(N)と、光送信部44から送信された送信光LPaが反射物47により反射された光が光電変換されたノイズ成分(P)とが、重畳された信号(N+C+P)となる。
Therefore, the signal transmitted from the PD 52 of the
一方、演算増幅器51では、非反転入力端子に入力されたPD53の出力信号(N+(−C)+P)から、反転入力端子に入力されたPD52の出力信号(N+C+P)を減算する演算(N−N+C−(−C)+P−P=2C)が行われることになる。
On the other hand, the
すなわち、この演算結果からわかるように、当該演算増幅器51から出力されて端子50から後段の信号処理部に送られる信号は、外乱光LNに起因するノイズ成分(N)と、反射物47による反射光に起因するノイズ成分(P)とが、完全に除去された信号(2C)のみとなる。
しかし、特許文献2に記載の従来の光空間伝送システムにおいて、演算増幅器51から出力される信号から、ノイズ成分(N)及び(P)が精度よく完全に除去されるためには、親機41の光送信部44に備えられるLED54及び55は近接して設置されなければならない。なぜならば、離して設置した場合は、各光源から送信される送信光ビームの反射物に対する入射条件(例えば、入射角や入射パワー)が異なることから、反射光パワーが変化するからである。さらに、反射物を介して、PDに到達するまでの光路長差も生じることから、親機41の光受信部43に備えられるPD52及び53に入射される反射光に起因するノイズ成分(P)の大きさや位相がそれぞれ異なってしまう。従って、演算した際に、ノイズ成分が完全に除去されない。
However, in the conventional optical space transmission system described in
また、特許文献2に記載の従来の光空間伝送システムにおいて、子機42で得られる出力信号は、1つのLEDから得られる出力信号Pの2倍である2Pとある。しかし、上述した理由によりLED54及び55を隣接して設置した場合、光ビームの放射強度密度が高まり、アイセーフ条件を満たすように、LED当たりの出力パワーを低減させるか、拡散板等を用いて、光ビームの放射強度密度を低減させる必要があるため、単純に大きな出力信号を得ることはできない。
Further, in the conventional optical space transmission system described in
このように、特許文献2に記載された従来の光空間伝送システムは、通常の光空間伝送システムに比べ、2つの異なる波長の光源と、ノイズキャンセル用の演算回路等の部品点数が増加しながらも、データ伝送の高速化の効果が少ないという問題があった。
As described above, the conventional optical space transmission system described in
それ故に、本発明の目的は、発光素子から出射した光ビームが、反射して発光素子に戻ってきたり、目的外の受光素子に入射したりすることを防止して、安定した高速データ通信を実現することが可能な光空間伝送システムを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to prevent a light beam emitted from a light emitting element from being reflected back to the light emitting element or incident on a light receiving element other than the target, thereby enabling stable high speed data communication. It is to provide an optical space transmission system that can be realized.
本発明は、光空間を伝送する光ビームを用いてデータ通信を行う光空間伝送システムに向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の光空間伝送システムは、光ビームを光空間に出射する少なくとも1つの発光部を備える送信端末と、光空間に出射された光ビームを受光する少なくとも1つの受光部を備える受信端末と、送信端末及び受信端末を装着し、少なくとも1つの発光部と少なくとも1つの受光部との位置関係を固定する端末固定用補助具とで構成する。さらに、少なくとも1つの発光部及び少なくとも1つの受光部を、送信端末及び受信端末が端末固定用補助具に装着された状態で、少なくとも1つの発光部から出射された光ビームが少なくとも1つの受光部で反射して少なくとも1つの発光部に戻らない位置に設けることを特徴とする。 The present invention is directed to an optical space transmission system that performs data communication using a light beam that transmits an optical space. And in order to achieve the said objective, the optical space transmission system of this invention is a transmission terminal provided with the at least 1 light emission part which radiate | emits a light beam to optical space, and at least receives the light beam radiate | emitted to optical space. A receiving terminal including one light receiving unit, and a terminal fixing auxiliary tool that is attached to the transmitting terminal and the receiving terminal and fixes the positional relationship between at least one light emitting unit and at least one light receiving unit. Further, at least one light-emitting unit and at least one light-receiving unit are connected, and the light beam emitted from at least one light-emitting unit is at least one light-receiving unit in a state where the transmitting terminal and the receiving terminal are mounted on the terminal fixing auxiliary tool. And is provided at a position where it does not return to at least one light emitting portion.
例えば、送信端末及び受信端末が端末固定用補助具に装着された状態で、少なくとも1つの発光部と少なくとも1つの受光部とが平行に向かい合う場合、送受信の対となる1つの発光部と1つの受光部との垂直方向距離をL及び水平方向間隔をWとし、光ビームの指向角をθとすると、送信端末から受信端末へ向かうの垂直方向に対するこの1つの発光部の光ビーム照射角度αが、実施形態で説明する式(1)で与えられる。 For example, when at least one light emitting unit and at least one light receiving unit face each other in a state where the transmission terminal and the reception terminal are mounted on the terminal fixing auxiliary tool, one light emitting unit and one light transmission pair are paired for transmission and reception. When the vertical distance from the light receiving unit is L, the horizontal interval is W, and the directivity angle of the light beam is θ, the light beam irradiation angle α of this one light emitting unit with respect to the vertical direction from the transmitting terminal to the receiving terminal is , Given by equation (1) described in the embodiment.
典型的には、少なくとも1つの発光部は、それぞれ、通信データに応じた光を発光させる発光素子と、発光素子と接続され、発光素子が発光した光を集光して光空間に光ビームを出射する光ファイバとを含む。又は、少なくとも1つの発光部は、それぞれ、通信データに応じた光を発光させる発光素子と、発光素子と接続され、発光素子が発光した光を光導波路を介して光空間に光ビームを出射する光導波路基板とを含む。 Typically, each of the at least one light emitting unit is connected to a light emitting element that emits light according to communication data and the light emitting element, and condenses the light emitted from the light emitting element and emits a light beam into an optical space. And an outgoing optical fiber. Alternatively, each of the at least one light emitting unit is connected to a light emitting element that emits light corresponding to communication data and the light emitting element, and emits light emitted from the light emitting element to an optical space through an optical waveguide. And an optical waveguide substrate.
少なくとも1つの発光部から複数の光ビームが照射される場合、受信端末は、入射する複数の光ビームを集光するレンズをさらに備え、少なくとも1つの受光部は、レンズで集光された光ビームを受光する少なくとも1つの受光素子とを含んでもよい。又は、受信端末は、入射する複数の光ビームを集光するレンズをさらに備え、少なくとも1つの受光部は、レンズで集光された光ビームのうち所望波長の光ビームだけを通過させる少なくとも1つの波長フィルタと、少なくとも1つの波長フィルタを通過した光ビームだけを受光する少なくとも1つの受光素子とを含んでもよい。なお、波長フィルタの許容通過帯域Δλは、少なくとも1つの発光部の各々が照射する光ビームの波長をλnと、指向角をθnと、少なくとも1つの受光部に対する入射角をαnとしたとき、実施形態で説明する式(2)で与えられる。 When a plurality of light beams are irradiated from at least one light emitting unit, the receiving terminal further includes a lens that collects the plurality of incident light beams, and at least one light receiving unit includes the light beam collected by the lens. And at least one light receiving element for receiving light. Alternatively, the receiving terminal further includes a lens that condenses a plurality of incident light beams, and the at least one light receiving unit passes at least one light beam having a desired wavelength among the light beams collected by the lens. A wavelength filter and at least one light receiving element that receives only the light beam that has passed through the at least one wavelength filter may be included. The allowable passband Δλ of the wavelength filter is defined such that the wavelength of the light beam emitted from each of the at least one light emitting unit is λ n , the directivity angle is θ n, and the incident angle with respect to at least one light receiving unit is α n . Is given by equation (2) described in the embodiment.
好ましくは、受信端末が、光ビームを光空間に出射する第2の少なくとも1つの発光部をさらに備え、送信端末が、受信端末から出射された光ビームを受光する第2の少なくとも1つの受光部をさらに備えてもよい。この場合も同様に、第2の少なくとも1つの発光部及び第2の少なくとも1つの受光部は、送信端末及び受信端末が端末固定用補助具に装着された状態で、第2の少なくとも1つの発光部から出射された光ビームが第2の少なくとも1つの受光部で反射して第2の少なくとも1つの発光部のいずれにも戻らない位置に設けるとよい。 Preferably, the receiving terminal further includes a second at least one light emitting unit that emits a light beam to the optical space, and the transmitting terminal receives a second at least one light receiving unit that receives the light beam emitted from the receiving terminal. May be further provided. Similarly, in this case, the second at least one light emitting unit and the second at least one light receiving unit have the second at least one light emitting unit in a state where the transmitting terminal and the receiving terminal are mounted on the terminal fixing auxiliary tool. the light beam emitted from the part may the second of the at least one provided also do not return position to any of the second at least one light emitting portion is reflected by the light receiving portion.
さらに、少なくとも1つの発光部が出射する複数の光ビームの少なくとも2つは、少なくとも1つの受光部のいずれか1つに集光されてもよいし、少なくとも1つの発光部は、任意の2つの発光部の間隔をd(d>0.15mm)とした場合に、この2つの発光部から各々が出射する光ビームの光軸交点までの距離Lを、実施形態で説明する式(3)で与えられることが好ましい。 Furthermore, at least two of the plurality of light beams emitted from the at least one light emitting unit may be condensed on any one of the at least one light receiving unit, and the at least one light emitting unit may be any two If the spacing of the light emitting portion and a d (d> 0.15 mm), the distance L to the optical axis intersecting point of the light beam, each emitted from the two light emitting portions are described in embodiment formula (3) Is preferably given by:
なお、少なくとも1つの発光部と少なくとも1つの受光部との位置関係を固定する端末固定用補助具は、個別の構成ではなく、送信端末側に一体形成されていてもよいし、受信端末側に一体形成されていてもよい。 Note that the terminal-fixing auxiliary tool that fixes the positional relationship between at least one light emitting unit and at least one light receiving unit may be integrally formed on the transmitting terminal side, not on an individual configuration, or on the receiving terminal side. It may be integrally formed.
上記本発明によれば、発光素子から出射した光ビームが、反射して発光素子に戻ってきたり、目的外の受光素子に入射したりすることを防止できる。これにより、簡易な方法で良好な伝送特性を得ることができ、安定した高速データ通信を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the light beam emitted from the light emitting element from being reflected back to the light emitting element or entering a light receiving element other than the intended purpose. As a result, good transmission characteristics can be obtained by a simple method, and stable high-speed data communication can be realized.
本発明の技術は、自由空間を介して光ビームを送受信する様々な光空間伝送システムに適用可能であるが、その具体的な一例として図1及び図2に示す光空間伝送システムを説明する。 The technology of the present invention can be applied to various optical space transmission systems that transmit and receive light beams through free space. The optical space transmission system shown in FIGS. 1 and 2 will be described as a specific example.
図1に示す光空間伝送システムは、送信端末10及び受信端末20(携帯端末等)と、端末固定用補助具70とで構成される。送信端末10は、データを光送信するための光送信部11を備える。受信端末20は、データを光受信するための光受信部21を備える。端末固定用補助具70は、送信端末10を装着するためのガイド71及び受信端末20を装着する装着するためのガイド72を有している。
The optical space transmission system shown in FIG. 1 includes a
また、図2に示す光空間伝送システムは、送信端末10に相当するデータ保存装置80(DVDレコーダ等)と接続可能な端末固定用補助具70と、受信端末20(携帯端末等)とで構成される。受信端末20は、データを光受信するための光受信部21を備える。端末固定用補助具70は、データ保存装置80に保存されたデータを光送信するための光送信部11と、受信端末20を装着するためのガイド72を備える。
もちろん、この端末固定用補助具70は、データ保存装置80に一体形成されていてもよい。
The optical space transmission system shown in FIG. 2 includes a terminal fixing
Of course, the terminal fixing
本発明では、図1のシステムにおいて、送信端末10及び受信端末20を端末固定用補助具70にそれぞれ装着するだけで、光送信部11と光受信部21との位置合わせをフールプルーフに行うことを実現している。また、図2のシステムのように、光送信部11が端末固定用補助具70と一体形成されている場合でも、受信端末20を端末固定用補助具70に装着するだけで、光送信部11と光受信部21との位置合わせをフールプルーフに行うことを実現している。なお、端末が端末固定用補助具70に装着された状態の光送信部11と光受信部21との距離は、数mmから数十cm程度である。
In the present invention, in the system of FIG. 1, the
以下、本発明が提供する特徴ある様々な構造を、図1の光空間伝送システムに適用させた場合を例にして、順に詳細に説明する。なお、各実施形態で用いる図面は、送信端末10及び受信端末20を端末固定用補助具70にそれぞれ装着した状態における、送信端末10と受信端末20との位置関係を示した図である(端末固定用補助具70については、図示を省略している)。
Hereinafter, various characteristic structures provided by the present invention will be described in detail in the order of an example in which the structure is applied to the optical space transmission system of FIG. The drawings used in each embodiment are diagrams illustrating the positional relationship between the
〔第1の実施形態〕
図3は、本発明の第1の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための斜視図である。図4は、図3に示した光空間伝送システムのA−A断面図である。図3及び図4において、送信端末10の光送信部11は、実装基板12の上に設けられた発光部13を備える。また、受信端末20の光受信部21は、実装基板22の上に設けられた受光部23を備える。
[First Embodiment]
FIG. 3 is a perspective view for explaining the optical space transmission system according to the first embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view of the optical space transmission system shown in FIG. 3 taken along the line AA. 3 and 4, the
発光部13は、半導体レーザ等の発光素子を構成に含み、通信データに応じた光ビームを出射する。受光部23は、フォトダイオード等の受光素子を構成に含み、発光部13から出射された光ビームを受光する。本発明では、発光部13から受光部23に向けて出射された光ビームが、光受信部21や実装基板22の表面で反射されて発光部13に戻らないように、発光部13及び受光部23の配置や、光ビームの出射角及び入射角が決定される。
The
例えば、図4に示す光空間伝送システムのように、端末固定用補助具70によって、送信端末10の光送信部11と受信端末20の光受信部21とが平行に向かい合う場合を考える。この場合、送受信の対となる発光部13と受光部23との垂直方向距離を“L”と、発光部13と受光部23との水平方向間隔を“W”と、光ビームの指向角を“θ”とすると、送信端末10から受信端末20へ向かうの垂直方向に対する発光部13の光ビーム照射角度“α”は、次式(1)で求めることができる。
α>tan-1(W/2L)+θ ‥‥ (1)
For example, as in the optical space transmission system shown in FIG. 4, consider a case where the
α> tan −1 (W / 2L) + θ (1)
上記構造にすることで、DFB(Distributed Feedback)レーザやVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等の、反射戻り光によって動作が不安定になり易い発光素子を用いた場合でも、安定した光伝送を行うことができる。 With the above structure, stable light transmission is performed even when a light-emitting element such as a DFB (Distributed Feedback) laser or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), whose operation is likely to be unstable due to reflected return light, is used. be able to.
次に、上記式(1)を満足させるための発光部13の構造例を具体的に説明する。
図5〜図7は、発光部13の構造例1〜3を説明するための送信端末10の構造断面図である。
Next, a structural example of the
5 to 7 are structural cross-sectional views of the
(1)構造例1
構造例1は、図5に示すように、発光部13を構成する発光素子14を、実装基板12に対して予め傾けた状態で実装する構造である。この構造によって、容易に光ビームの照射方向を変えることができる。なお、実装した発光素子14が固定されずに不安定となる場合には、発光素子14を支持する部品を別途設けてもよい。
(1) Structural example 1
As shown in FIG. 5, Structural Example 1 is a structure in which the
(2)構造例2
構造例2は、図6に示すように、発光素子14を実装基板12に対して正常な状態で実装すると共に、傾斜させた光ファイバ15を発光素子14と接続させる構造である。この構造によって、容易に照射方向を変えることができる。なお、光ファイバ15を固定するために、支持する部品を別途設けてもよい。なお、反射戻り光が発光素子14に戻らないように、光ファイバ15の出射端面を7°程度斜めに研磨してもよい。
(2) Structural example 2
Structure example 2 is a structure in which the
通常、発光素子の駆動回路から発光素子までの配線が長くなると、高速変調時に特性が劣化するという問題がある。構造例1のように発光素子14を傾けて実装基板12に実装する場合には、片側のリード線が長くなるという問題がある。しかし、構造例2のように光ファイバ15を用いることにより、配線を短くすることができるため、高速データ伝送時の伝送特性劣化を低減することができる。
Usually, when the wiring from the light emitting element drive circuit to the light emitting element becomes long, there is a problem that the characteristics deteriorate during high-speed modulation. When the
(3)構造例3
構造例3は、図7に示すように、発光素子14を実装基板12に対して正常な状態で実装すると共に、傾斜させた光導波路16を有する光導波路基板17を発光素子14と接続させる構造である。この構造によって、容易に照射方向を変えることができる。
(3) Structural example 3
In Structure Example 3, as shown in FIG. 7, the
一般に、構造例2のように光ファイバ15を送信端末10の内部に用いると、余長処理部分のために送信端末10が大型化してしまう問題がある。しかし、構造例3のように光導波路16を用いることで、送信端末10を小型化できる。
In general, when the
この第1の実施形態の構造により、発光部13から出射した光ビームが、受光部23等で反射して発光部13に戻ってくることを防止できる。これにより、簡易な方法で安定した高速データ通信を実現することができる。
With the structure of the first embodiment, it is possible to prevent the light beam emitted from the
〔第2の実施形態〕
上記第1の実施形態では、光送信部11が1つの発光部13を、光受信部21が1つの受光部23を備える構造を説明した。
以下の第2〜第7の実施形態では、光送信部11が複数の発光部13を、光受信部21が複数の受光部23を備える構造を説明する。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the structure in which the
In the following second to seventh embodiments, a structure in which the
図8は、本発明の第2の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための斜視図である。図8に例示する第2の実施形態では、光送信部11が、実装基板12の上に4つの発光部13a〜13dを備え、光受信部21は、実装基板22の上に4つの受光部23a〜23dを備える。
FIG. 8 is a perspective view for explaining an optical space transmission system according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment illustrated in FIG. 8, the
発光部13aと受光部23aとは、上述した第1の実施形態の位置関係を満足する。同様に、発光部13bと受光部23bと、発光部13cと受光部23cと、及び発光部13dと受光部23dとは、上述した第1の実施形態の位置関係をそれぞれ満足する。
The
〔第3の実施形態〕
図9は、本発明の第3の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための斜視図である。図9に例示する第3の実施形態では、光送信部11が、実装基板12の上に2つの発光部13a及び13bを備え、光受信部21は、実装基板22の上に2つの受光部23a及び23bを備える。
[Third Embodiment]
FIG. 9 is a perspective view for explaining an optical space transmission system according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment illustrated in FIG. 9, the
発光部13aと受光部23aと、及び発光部13bと受光部23bとは、上述した第1の実施形態の位置関係をそれぞれ満足する。さらに、発光部13aが出射する光ビームと発光部13bが出射する光ビームとが交差するように、発光部13a〜13b及び受光部23a〜23bがそれぞれ配置されている。
The
〔第4の実施形態〕
図10は、本発明の第4の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための斜視図である。図10に例示する第4の実施形態では、光送信部11が、実装基板12の上に8つの発光部13a〜13hを備え、光受信部21は、実装基板22の上に8つの受光部23a〜23hを備える。この第4の実施形態は、上記第2の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせた構造である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 10 is a perspective view for explaining an optical space transmission system according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment illustrated in FIG. 10, the
〔第5の実施形態〕
図11は、本発明の第5の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための斜視図である。図11に例示する第5の実施形態では、光送信部11が、実装基板12の上に4つの発光部13a〜13dを備え、光受信部21は、実装基板22の上に4つの受光部23a〜23dを備える。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 is a perspective view for explaining an optical space transmission system according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment illustrated in FIG. 11, the
発光部13aと受光部23aとは、上述した第1の実施形態の位置関係を満足する。同様に、発光部13bと受光部23bと、発光部13cと受光部23cと、及び発光部13dと受光部23dとは、上述した第1の実施形態の位置関係をそれぞれ満足する。さらに、発光部13a〜13dがそれぞれ出射する複数の光ビームが1点で交差するように、発光部13a〜13d及び受光部23a〜23dがそれぞれ配置されている。
The
〔第6の実施形態〕
図12は、本発明の第6の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための構造断面図である。図12において、送信端末10の光送信部11は、実装基板12の上に設けられた発光部13a及び13bを備える。受信端末20の光受信部21は、実装基板22の上に設けられた受光部23a及び23bと、レンズ24とを備える。
[Sixth Embodiment]
FIG. 12 is a structural sectional view for explaining an optical space transmission system according to the sixth embodiment of the present invention. In FIG. 12, the
この第6の実施形態の光受信部21の構造は、上記第3の実施形態を応用した構造であり、第3の実施形態の光受信部21の構造と比べて、レンズ24が異なる。第6の実施形態の光送信部11の構造は、第1の実施形態の光送信部11の構造(構造例1〜3)と同じである。
The structure of the
レンズ24は、送信端末10から送信される光ビームを集光するためのレンズであり、発光部13aから出射される指向角θを有した光ビームを受光部23aで集光できる位置、かつ、発光部13bから出射される指向角θを有した光ビームを受光部23bで集光できる位置に設けられる。すなわち、レンズ24は、発光部13aから受光部23aまでの直線距離の1/2を、焦点距離fとするレンズである。
The
この第6の実施形態の構造により、レンズを用いて高効率に光を集光したい場合でも、受光部毎にレンズを設置する場合に比べ、レンズの数を減らすことができる。また、発光部や受光部の数が増え、必要な光学素子の実装面積が増えた場合でも、レンズの大きさを大きくする必要がない。よって、レンズの製作が容易になり、コストを低減することができる。 With the structure of the sixth embodiment, even when it is desired to condense light with high efficiency using a lens, the number of lenses can be reduced compared to the case where a lens is installed for each light receiving unit. Further, even when the number of light emitting units and light receiving units is increased and the mounting area of necessary optical elements is increased, it is not necessary to increase the size of the lens. Therefore, it becomes easy to manufacture the lens, and the cost can be reduced.
なお、レンズ24の表面に反射防止膜を形成することが好ましい。この反射防止膜により、発光部13から出射された光ビームが、レンズ24で反射して発光部13に戻ることを防ぐことができる。また、受光部23の表面で反射した光ビームがレンズ24で再反射し、受光部23に戻ることを防ぐことができる。
Note that an antireflection film is preferably formed on the surface of the
〔第7の実施形態〕
図13は、本発明の第7の実施形態に係る光空間伝送システムを説明するための構造断面図である。図13において、送信端末10の光送信部11は、実装基板12の上に設けられた発光部13a及び13bを備える。受信端末20の光受信部21は、実装基板22の上に設けられた受光部23a及び23bと、レンズ24と、波長フィルタ25a及び25bとを備える。
[Seventh Embodiment]
FIG. 13 is a structural sectional view for explaining an optical space transmission system according to the seventh embodiment of the present invention. In FIG. 13, the
この第7の実施形態の光受信部21の構造は、上記第6の実施形態の光受信部21の構造と比べて、波長フィルタ25a及び25bが異なる。第7の実施形態の光送信部11の構造は、第1の実施形態の光送信部11の構造(構造例1〜3)と同じである。
The structure of the
発光部13a及び13bは、それぞれ異なる波長の光ビームを出射する。波長フィルタ25aは、発光部13aが出射する光ビームの波長だけを通過させる。波長フィルタ25bは、発光部13bが出射する光ビームの波長だけを通過させる。
なお、発光部13が照射する光ビームの波長をλnと、指向角をθnと、受光部23に対する入射角をαnとしたとき、波長フィルタ25a及び25bの許容通過帯域Δλは、下記式(2)の関係で表される。
Δλ>sinαn×λn×θn ‥‥ (2)
The
When the wavelength of the light beam emitted from the
Δλ> sin α n × λ n × θ n (2)
図14は、波長フィルタ25a及び25bの効果を説明するための図である。図14では、発光部13aから出射された指向角θの光ビームが、レンズ(図示せず)で集光されて、対し、角度αで受光部23aに入射された場合を示している。この時、受光部23aに設けられた波長フィルタ25aには、角度θ1〜θ2までの偏差をもって、光ビームが入射される。
FIG. 14 is a diagram for explaining the effects of the
ここで、一般的な誘電体多層膜で形成された波長フィルタには、垂直入射光に対する基準波長をλ0とすると、入射角αに対する通過波長λが、λ=cosα・λ0に変位するという特性がある(非特許文献1を参照)。従って、波長フィルタは、予め想定される入射角αに対し、所望の波長λ0が最小損失で通過するように設計するが、光ビームがθ1〜θ2の成分を有している場合、基本入射角αに対する偏差が大きいほど、波長λ0の光に対する通過損失が大きくなるという問題がある。 Here, in a wavelength filter formed of a general dielectric multilayer film, when the reference wavelength for vertically incident light is λ 0 , the passing wavelength λ with respect to the incident angle α is displaced to λ = cos α · λ 0. There are characteristics (see Non-Patent Document 1). Therefore, the wavelength filter is designed so that the desired wavelength λ 0 passes with a minimum loss with respect to the incident angle α assumed in advance, but when the light beam has components θ 1 to θ 2 , There is a problem that the greater the deviation from the basic incident angle α, the greater the transmission loss for light of wavelength λ 0 .
通常、波長フィルタに対する通過波長はある程度の幅を想定して設計するが、通過波長帯域を広げすぎると他の発光部からの光ビームも通過するために、波長フィルタの役割が損なわれる。そこで、波長フィルタの通過帯域を狭くするためには、できるだけ、指向角の小さい光ビームを照射させるのが好ましい。よって、対となる発光部と受光部とをできるだけ遠ざけて、レンズ24での光ビームの照射エリアを同面積としつつ、指向角θを小さくすることが望ましい。
Usually, the pass wavelength with respect to the wavelength filter is designed assuming a certain width. However, if the pass wavelength band is excessively widened, the light beam from other light emitting parts also passes, and the role of the wavelength filter is impaired. Therefore, in order to narrow the pass band of the wavelength filter, it is preferable to irradiate a light beam having a small directivity angle as much as possible. Therefore, it is desirable that the light emitting unit and the light receiving unit that are paired as far as possible to reduce the directivity angle θ while making the irradiation area of the light beam on the
例えば、発光部13a及び13bの発振波長を850nmとして、光送信部11から光受信部21までの距離を1cmとし、レンズ24での光ビームの照射エリアを直径5mmで比較した場合を考える。
この場合、発光部13aと発光部13bとの距離が5mmの場合では、光軸の入射角度を約26.6度、及び指向角を12.5度と設計でき、通過波長の最大シフト量が22.7nmとなる。一方、発光部13aと発光部13bとの距離が10mmの場合では、光軸の入射角度を約45度、及び指向角を8.1度と設計でき、通過波長の最大シフト量が8.54nmとなる。よって、後者の方が、波長多重をする際には波長間隔を狭くすることができ、システム設計上の波長設定が容易になる。
For example, consider a case where the oscillation wavelength of the
In this case, when the distance between the
この第7の実施形態の構造により、発光部から出射した光ビームが、レンズや受光部の表面反射等によって目的外の受光部に入射されたとしても、波長フィルタによって不要光が減衰される。よって、伝送特性劣化を低減することができる。 With the structure of the seventh embodiment, even if the light beam emitted from the light emitting unit is incident on a non-target light receiving unit due to surface reflection of the lens or the light receiving unit, unnecessary light is attenuated by the wavelength filter. Therefore, transmission characteristic deterioration can be reduced.
なお、上記実施形態は一例であって、発光部13の数及び受光部23の数は、自由に決定することができる。例えば、より広い通信エリアを確保するために、発光部13の数を受光部23の数より多くしてもよいし、受光した信号を合波してより大きな受信信号を得るために、受光部23の数を発光部13の数より多くしてもよい。
また、複数の発光部13から送信されるデータ信号は、全て同じでもよいし、全て又は一部が異なっていてもよい。また、複数の発光部13による光ビームの出射角度は、全て同じでもよいし、全て又は一部が異なっていてもよい。
さらに、送信端末10側だけに光送信部11を備え、受信端末20側だけに光受信部21を備えた構造を説明したが、送信端末10にも光受信部21を受信端末20にも光送信部11を備えることで、双方向通信を行うことも可能である。
In addition, the said embodiment is an example, Comprising: The number of the
The data signals transmitted from the plurality of light emitting
Furthermore, the structure in which the
また、図1及び図2で示した光空間伝送システムは一例であって、光送信部11と光受信部21との位置合わせをフールプルーフに行えるのであれば、他のシステム構成及び構造であってもよい。例えば、送信端末10に、端末固定用補助具70に相当する格納可能な突起物を設け、この突起物によって光送信部11と光受信部21との位置合わせを行ってもよい。
The optical space transmission system shown in FIGS. 1 and 2 is an example, and other system configurations and structures may be used as long as the
さらに、複数の光ビームを照射する構造である場合、レーザ放射に対する国際的な安全基準「IEC60825−1」規格を考慮して、複数の光源(発光素子)から10cm離れた位置における直径7mmの円範囲内に複数の光軸が含まれないように設計することが望ましい。これは、人間の目の網膜障害の最悪露光条件が、目と光源との距離を10cmとした時であり、それより近いと網膜像がぼけるため危険性が緩和されるためである。
Furthermore, in the case of a structure that irradiates a plurality of light beams, a circle having a diameter of 7 mm at a
具体的には、2つの光源の間隔をd(d>0.15mm)とした場合、2つの光源から各々が出射する光ビームの光軸交点までの距離Lは、次式(3)で設計することが好ましい(図15)。
L<(100×d)/(7+d) ‥‥ (3)
この式(3)に従って、光パワーが最も集中する場所を光源から10cm以内に設計し、その場所に受光部を配置する。これにより、受光部では、目に安全な条件の下で、複数光源からの光ビームパワーを軽減することなく、大きなまま得ることができる。
Specifically, if the distance between the two light sources was d (d> 0.15 mm), distance L from the two light sources to the optical axis intersecting point of the light beam that each emitted, by the following formula (3) It is preferable to design (FIG. 15).
L <(100 × d) / (7 + d) (3)
According to this formula (3), the place where the optical power is most concentrated is designed within 10 cm from the light source, and the light receiving unit is arranged at that place. As a result, the light receiving unit can be obtained in a large size without reducing the light beam power from the plurality of light sources under conditions that are safe for the eyes.
本発明の光空間伝送システムは、高速光空間通信の分野等に利用可能であり、特に反射光を目的外の光学素子に照射することを防止して伝送特性劣化を低減したい場合等に有用である。 The optical space transmission system of the present invention can be used in the field of high-speed optical space communication, etc., and is particularly useful when it is desired to reduce the deterioration of transmission characteristics by preventing the reflected light from being irradiated to an undesired optical element. is there.
10 送信端末
11 光送信部
12、22 実装基板
13、13a〜13h 発光部
14 発光素子
15 光ファイバ
16 光導波路
17 光導波路基板
20 受信端末
21 光受信部
23、23a〜23h 受光部
24 レンズ
25a、25b 波長フィルタ
70 端末固定用補助具
71、72 ガイド
80 データ保存装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
光ビームを光空間に出射する少なくとも1つの発光部を備える送信端末と、
光空間に出射された光ビームを受光する少なくとも1つの受光部を備える受信端末と、
前記送信端末及び前記受信端末を装着し、前記少なくとも1つの発光部と前記少なくとも1つの受光部との位置関係を固定する端末固定用補助具とで構成され、
前記少なくとも1つの発光部及び前記少なくとも1つの受光部は、前記送信端末及び前記受信端末が前記端末固定用補助具に装着された状態で、前記少なくとも1つの発光部から出射された光ビームが前記少なくとも1つの受光部で反射して前記少なくとも1つの発光部のいずれにも戻らない位置に設けられ、
前記送信端末及び前記受信端末が前記端末固定用補助具に装着された状態で、前記少なくとも1つの発光部の出射面と前記少なくとも1つの受光部の受光面とが平行に向かい合っており、送受信の対となる1つの発光部と1つの受光部との垂直方向距離をL及び水平方向間隔をWとし、光ビームの指向角をθとすると、前記送信端末から前記受信端末へ向かう垂直方向に対する前記1つの発光部の光ビーム照射角度αが、次式(1)で与えられることを特徴とする、光空間伝送システム。
α>tan -1 (W/2L)+θ ‥‥ (1) An optical space transmission system for performing data communication using a light beam transmitting in an optical space,
A transmission terminal including at least one light emitting unit that emits a light beam to an optical space;
A receiving terminal comprising at least one light receiving unit for receiving a light beam emitted into the optical space;
A terminal fixing auxiliary tool that is mounted with the transmitting terminal and the receiving terminal and fixes the positional relationship between the at least one light emitting unit and the at least one light receiving unit,
The at least one light emitting unit and the at least one light receiving unit are configured so that a light beam emitted from the at least one light emitting unit is in the state where the transmitting terminal and the receiving terminal are attached to the terminal fixing auxiliary tool. Provided at a position where it is reflected by at least one light receiving portion and does not return to any of the at least one light emitting portion ;
In a state where the transmitting terminal and the receiving terminal are mounted on the terminal fixing auxiliary tool, the emission surface of the at least one light emitting unit and the light receiving surface of the at least one light receiving unit face each other in parallel, When the vertical distance between one light emitting unit and one light receiving unit as a pair is L, the horizontal interval is W, and the directivity angle of the light beam is θ, the vertical direction from the transmitting terminal to the receiving terminal is An optical space transmission system characterized in that a light beam irradiation angle α of one light emitting unit is given by the following equation (1) .
α> tan −1 (W / 2L) + θ (1)
前記受信端末は、前記複数の発光部から出射された複数の光ビームを入射し、当該入射する複数の光ビームを集光するレンズをさらに備え、
前記少なくとも1つの受光部は、前記レンズで集光された光ビームをすべて受光する、少なくとも1つの受光素子を含む、請求項1に記載の光空間伝送システム。 The transmission terminal includes a plurality of light emitting units each emitting one light beam,
The receiving terminal further includes a lens that enters the plurality of light beams emitted from the plurality of light emitting units and collects the incident light beams.
Wherein the at least one light receiving unit, for receiving all of the condensed light beam by the lens, at least one light receiving element, an optical space transmission system according to claim 1.
前記受信端末は、前記複数の発光部から出射された複数の光ビームを入射し、当該入射する複数の光ビームを集光するレンズをさらに備え、
前記少なくとも1つの受光部は、
前記レンズで集光された光ビームのうち所望波長の光ビームだけを通過させる少なくとも1つの波長フィルタと、
前記少なくとも1つの波長フィルタを通過した光ビームだけを受光する少なくとも1つの受光素子とを含む、請求項1に記載の光空間伝送システム。 The transmission terminal includes a plurality of light emitting units that respectively emit light beams having different wavelengths.
The receiving terminal further includes a lens that enters the plurality of light beams emitted from the plurality of light emitting units and collects the incident light beams.
The at least one light receiving unit includes:
At least one wavelength filter that passes only a light beam having a desired wavelength among the light beams collected by the lens;
The optical space transmission system according to claim 1, further comprising: at least one light receiving element that receives only the light beam that has passed through the at least one wavelength filter.
前記複数の発光部から出射された複数の光ビームは、前記少なくとも1つの受光部のいずれかに集光されることを特徴とする、請求項1に記載の光空間伝送システム。 The transmission terminal includes a plurality of light emitting units each emitting one light beam,
Before SL plurality of multiple emitted from the light emitting portion of the light beam, said characterized in that it is any crab condensing at least one light receiving portion, the optical spatial transmission system according to claim 1.
前記複数の発光部は、任意の2つの発光部の間隔をd(d>0.15mm)とした場合、当該2つの発光部から各々が出射する光ビームの光軸交点までの距離Lは、次式(2)で与えられることを特徴とする、請求項1に記載の光空間伝送システム。
L<(100×d)/(7+d) ‥‥ (2) The transmission terminal includes a plurality of light emitting units each emitting one light beam,
When the interval between any two light emitting units is d (d> 0.15 mm), the plurality of light emitting units has a distance L from the two light emitting units to the optical axis intersection of the light beams respectively emitted from the two light emitting units. The optical space transmission system according to claim 1, characterized by being given by the following equation ( 2 ).
L <(100 × d) / (7 + d) ( 2 )
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