JP6483258B2 - 光信号伝送システム - Google Patents
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Description
信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
を備える光信号伝送システムにおいて、
前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ1ex、
前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ2en、
前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
とするとき、
Φ1ex<Φ2en
Φpd<Φ2en
を満足し、
前記光コネクタにおける、
前記送信ファイバから射出される前記信号光のNAをNA1ex、
前記受信ファイバに入射する前記信号光のNAをNA2en、
とするとき、
NA1ex>NA2en
Φ1ex×NA1ex<Φ2en×NA2en
を満足し、
前記光レセプタクルは、
前記受信ファイバ側のNAをNA2ex、
前記受光素子に入射する前記信号光のNAをNApd、
とするとき、
前記光レセプタクル内の前記レンズにて、
NA2ex<NApd
とし、
前記受信ファイバの前記射出端面のコア径をΦ2ex、
とするとき、
前記受信ファイバ及び前記受光素子は、
Φ2ex×NA2ex<Φpd×NApd
を満足する、ことを特徴とするものである。
信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
を備える光信号伝送システムにおいて、
前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ1ex、
前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ2en、
前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
とするとき、
Φ1ex<Φ2en
Φpd<Φ2en
を満足し、
前記光コネクタにおける、
前記送信ファイバから射出される前記信号光のNAをNA1ex、
前記受信ファイバに入射する前記信号光のNAをNA2en、
とするとき、
NA1ex>NA2en
Φ1ex×NA1ex<Φ2en×NA2en
を満足し、
前記光レセプタクルは、
前記受信ファイバ側のNAをNA2ex、
前記受光素子に入射する前記信号光のNAをNApd、
とするとき、
前記光レセプタクル内の前記レンズにて、
NA2ex<NApd
とし、
前記受信ファイバの前記射出端面のコア径をΦ2ex、
とするとき、
前記受信ファイバ及び前記受光素子は、
Φ2ex×NA2ex<Φpd×NApd
を満足し、
前記光レセプタクルは、前記受光素子に結合された固浸レンズをさらに有する、
ことを特徴とするものである。
本発明に係る光信号伝送システムの第1の主要構成は、受信ファイバの入射端面でのコア径をΦ2en、送信ファイバの射出端面でのコア径をΦ1ex、受光素子の受光面の径をΦpdとするとき、Φ2enをΦ1ex及びΦpdよりも大きくする。また、光コネクタは、送信ファイバから射出される信号光のNAをNA1ex、受信ファイバに入射させる信号光のNAをNA2enとするとき、NA1exをNA2enよりも大きく構成する。換言すれば、受信ファイバとして、送信ファイバ及び受光素子の受光面よりもコア径の大きなものを用い、光コネクタに配置されるレンズによって、受信ファイバに入射する信号光のNA2enを、送信ファイバから射出される信号光のNA1exより小さくすることである。
先ず、第1の主要構成の作用について説明する。
光コネクタにおける受信ファイバあるいは光レセプタクルにおける受光素子のような小さい面積を、レンズを介して照明する場合、照明光の光スポットを小さく絞ろうとするとNAが大きくなり、照明光のNAを小さくしようとすると光スポットが大きくなるというトレードオフがある。このトレードオフを考慮するため、本発明では「エタンデュ」の概念を導入する。
発光面1のエタンデュ≦受光面3のエタンデュ
と書き表すことができる。
これを、光信号伝達システムに適用すると、損失なく信号光が伝達する条件は、
(送信ファイバのエタンデュ)≦(受信ファイバのエタンデュ)≦(受光素子のエタンデュ)
である。
図28に示した光信号伝送システムでは、信号光が送信ファイバ120から受信ファイバ140を経て受光素子152に到達する順に漸次エタンデュが拡大し、最終的に光レセプタクル150のレンズ151から受光素子152に入射する光線の最大入射角が過剰に大きくなる。これは、受光素子152に大きなエタンデュを持たせる要求がある一方、受光素子152の径を小さくするトレードオフとして、NAを大きく取らざるを得ないことによる。
図5は、第1実施の形態に係る光信号伝送システムの要部の構成を示す図である。図5に示す光信号伝送システムは、レーザダイオード10から発散して射出される信号光を、送信ファイバ20、光コネクタ30及び受信ファイバ40を経て光レセプタクル50に伝送するものである。
第2実施の形態に係る光信号伝送システムは、第1実施の形態において光コネクタ30を構成する平凸レンズ32及び33が球面レンズで構成される。この場合、単に図7に示した構成において、アプラナティックレンズ34を省略して、平凸レンズ32及び33を球面レンズで構成すると、設計によっては収差により受光ファイバ40の入射端面40enに形成される信号光の光スポットがぼける場合がある。この収差を低減するためには、送受信の光ファイバのNAを小さくすること(例えば、NAが0.15以下)が必要であるが、マルチモードファイバは、光を入射しやすくする都合からコア径及びNAが大きいのが通常である。
第1実施の形態で説明したように、光レセプタクル50において、受光素子52に入射する光線の最大入射角が大きくなりすぎないためには、受信ファイバ40のコア径Φ2とNA2との組合せが、図6の使用可能領域内にあることが必要である。そのため、第1実施の形態では、例えば受信ファイバ40のコア径Φ2を150μm、NA2を0.2としている。
図24は、第4実施の形態に係る光信号伝送システムの要部の構成を示す図である。図24に示す光信号伝送システムは、内視鏡システムに適用したものである。内視鏡システム91は、被検体内に導入され、被検体の体内を撮像して被検体内の画像信号を生成する内視鏡92と、内視鏡92が撮像した画像信号に所定の画像処理を施すとともに内視鏡システム91の各部を制御する情報処理装置93と、内視鏡92の照明光を生成する光源装置94と、情報処理装置93による画像処理後の画像信号を画像表示する表示装置95と、を備える。
また、光コネクタは、石英やガラスなどの無機材料のレンズを含めることで、温度や湿度の変化による光学特性の変化を小さくしてもよい。
同様に、光レセプタクルも、無機材料のレンズを含めることで、温度や湿度の変化による光学特性の変化を小さくしてもよい。
また、光コネクタに用いるレンズや光レセプタクルに用いるレンズは、屈折率が1.5以上のレンズを含めることで、球面収差の低減に有利としてもよい。
また、以下の条件式のいずれか1つもしくは複数を満たすことで本発明の効果をより確実にしてもよい。
Φ2en/Φ1ex>2
Φpd/Φ2en<0.5
NA1ex/NA2en>1.2
(Φ2en×NA2en)/(Φ1ex×NA1ex)>1.5
20 送信ファイバ
20ex 射出端面
30 光コネクタ
31 レンズ
32、33 平凸レンズ
34 アプラナティックレンズ
35、36 固浸レンズ
37、38 カバーガラス
40 受信ファイバ
40en 入射端面
40ex 射出端面
50 光レセプタクル
51 レンズ
52 受光素子
52a 受光面
55 固浸レンズ
56 半球レンズ
57 超半球レンズ
70 フレキシブル基板
Claims (10)
- 信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
を備える光信号伝送システムにおいて、
前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ1ex、
前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ2en、
前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
とするとき、
Φ1ex<Φ2en
Φpd<Φ2en
を満足し、
前記光コネクタにおける、
前記送信ファイバから射出される前記信号光のNAをNA1ex、
前記受信ファイバに入射する前記信号光のNAをNA2en、
とするとき、
NA1ex>NA2en
Φ1ex×NA1ex<Φ2en×NA2en
を満足し、
前記光レセプタクルは、
前記受信ファイバ側のNAをNA2ex、
前記受光素子に入射する前記信号光のNAをNApd、
とするとき、
前記光レセプタクル内の前記レンズにて、
NA2ex<NApd
とし、
前記受信ファイバの前記射出端面のコア径をΦ2ex、
とするとき、
前記受信ファイバ及び前記受光素子は、
Φ2ex×NA2ex<Φpd×NApd
を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
を備える光信号伝送システムにおいて、
前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ1ex、
前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ2en、
前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
とするとき、
Φ1ex<Φ2en
Φpd<Φ2en
を満足し、
前記光コネクタにおける、
前記送信ファイバから射出される前記信号光のNAをNA1ex、
前記受信ファイバに入射する前記信号光のNAをNA2en、
とするとき、
NA1ex>NA2en
Φ1ex×NA1ex<Φ2en×NA2en
を満足し、
前記光レセプタクルは、
前記受信ファイバ側のNAをNA2ex、
前記受光素子に入射する前記信号光のNAをNApd、
とするとき、
前記光レセプタクル内の前記レンズにて、
NA2ex<NApd
とし、
前記受信ファイバの前記射出端面のコア径をΦ2ex、
とするとき、
前記受信ファイバ及び前記受光素子は、
Φ2ex×NA2ex<Φpd×NApd
を満足し、
前記光レセプタクルは、前記受光素子に結合された固浸レンズをさらに有する、
ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項2に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記光レセプタクルは、前記固浸レンズと前記受光面との間に、前記固浸レンズの媒質の屈折率と前記受光面を形成する媒質の屈折率との中間の屈折率を有する薄膜が介在されている、
ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項2又は3に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記固浸レンズは、前記受信ファイバ側に凸のレンズ面を有し、
前記凸のレンズ面の曲率半径をR、
前記凸のレンズ面の面頂から前記受光面までの距離をD、
とするとき、
0.4<R/D<0.9
を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記受信ファイバは、ステップインデックス型からなる、
ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記光コネクタの結像倍率をβconとするとき、
1.1<|βcon|<3.9
を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項6に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記光コネクタは、前記レンズとして複数のレンズを含み、該複数のレンズのいずれかの隣接するレンズ間で着脱自在に結合される、
ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項7に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記光コネクタは、前記複数のレンズとして互いに凸面を向き合わせて配置される2つの平凸レンズを含み、該2つの平凸レンズ間で着脱自在に結合される、
ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項8に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記光コネクタは、前記2つの平凸レンズの互いの凸面が等しい曲率半径を有し、さらに、一方の前記平凸レンズと前記送信ファイバの前記射出端面との間に配置された超半球レンズと、他方の前記平凸レンズと前記受信ファイバの前記入射端面との間に配置され、前記超半球レンズと同じ曲率半径を有する半球レンズとを有する、
ことを特徴とする光信号伝送システム。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
前記光レセプタクルの結像倍率をβrecとするとき、
0.1<βrec<1
を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。
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