WO2004019099A1

WO2004019099A1 - 光通信システム

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Publication number: WO2004019099A1
Application number: PCT/JP2003/010543
Authority: WO
Inventors: Yorishige Ishii; Tetsuo Iwaki; Toshihiro Tamura
Original assignee: Sharp Kabushiki Kaisha
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2004-03-04
Also published as: US7218813B2; JP2004078109A; US20050232537A1; CN100462757C; JP3869774B2; AU2003262261A1; CN1685260A

Abstract

　プラスチック光ファイバ（１）と光通信モジュール（２Ａ）を備える光通信システムにおいて、光ファイバ（１）は球状端面（１１）を有し、球状端面（１１）から出射する放射光の開口数は０．３５以下である。光ファイバ（１）は、受光素子（２１）の受光面が光ファイバの球状端面（１１）の頂点から距離ｄの位置にくるように光通信モジュール（２Ａ）に設置される。光ファイバの直径をＤ、球状端面の曲率半径Ｒをｒ＊Ｄ、光ファイバのコアの屈折率をｎ、光ファイバの球状端面と受光素子との間に存在する物質の屈折率をｎ１とすると、距離ｄは、受光素子の直径がＤ以下のとき、０＜ｄ≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）であり、受光素子の直径がＤより大きいとき、Ｄ≦ｄ≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）である。これにより、この光通信システムは、口径の大きい光ファイバと口径の小さい受光素子の光学的な結合を簡素な構成で効率良く行得る。

Description

明細書光通信システム技術分野

本発明は、光ファイバを用いて光信号を送受信することのできる光通信システムに関し、より詳しくはプラスチック光ファイバを伝送媒体として、家庭内通信や電子機器間通信、 L AN (ローカル'エリア 'ネットワーク Local Area Network) 等に適用することのできる光通信システムに関するものである。背景技術

光ファイバを用レ、た光通信システムは、光ファイバによる信号伝送路の一端側に送信系を備え、また他端側に受信系を備えている。送信系は例えば発光ダイォードゃ半導体レーザなどの光源（発光素子）を備えており、この発光源を制御して発光させた信号光を光ファイバに入射させる。一方、受信系は、例えばフォトダイォード等の受光素子を備えており、光ファイバより出射した信号光をこの受光素子が受光して、電気信号に変換する。

このような光通信システムの性能は信号光の伝送効率に大きく依存する。また、該伝送効率は光ファィバ自体の伝送効率、発光から光ファィバへの結合効率、光ファイバから受光素子への結合効率により主に決定される。

従来の光通信システムにおける受信系は、大別すると、光ファイバからの出射光を直接受光素子で受光するものと、光ファイバと受光素子の間に配置されたレンズ等の光学系を介して集光させて受光するものの二種類がある。

このような光ファイバと受光素子との光学的結合方法は、コァ径がマイクロメータオーダの太さの石英ファイバ用として、広く使用されている。しかしながら、コア径がミリメ一トルオーダのプラスチック光ファイバの場合には、問題が生ずる。プラスチック光ファイバは家庭內ネットワーク等で近年注目されている光フアイバであるが、プラスチック光ファイバはファイバ径が 0 . 5〜2 mmと大きく、接続しやすい反面、口径が大きいため受信器への結合効率が低下する問題がある。通常、光ファイバ通信に使用される受光素子の受光径は数百 /z m〜百 mであるため、コア径が小さい光ファイバであれば問題ないが、例えば口径 l mmのプラスチック光ファイバの場合、レンズ等を使用しても光源のサイズより小さいサイズに集光することが困難だからである。特に伝送速度が高くなればなるほど、容量の関係から受光径を小さくする必要があるため、結合効率即ち受信効率の低下が発生する。

そのような問題を解決するものとして、図 2 5に示すような光ファイバと受光素子との結合構造を有する光通信システムが知られている。この光通信システムでは、高反射†生の反射面 1 0 3で囲まれた導光路 1 0 2を有する同導光体 1 0 1 を光ファイバ 1 0 4と受光素子 1 0 5との間に介在させ、光ファイバ 1 0 4から出射する信号光をこの導光体 1 0 1にて受光素子 1 0 5まで導光する。こうすることで、光ファイバ 1 0 4と受光素子 1 0 5との高効率の光学的結合をなし、プラスチック光ファイバ等のコア径の大きい光ファイバからの出射光であっても、口径の小さいフォトダイオードに効率良く集光できるようにしている（特開平 1 0 - 2 2 1 5 7 3号公報の段落番号 0 0 0 8等、図 1、 3参照。）。

図 2 5に示したような構造の場合、光ファイバから出射される光の開口数（N A) が変る、特に大きくなる場合、図 2 6に示すように、光ファイバ 1 0 4側に出射光 1 0 6が戻りやすくなり、結合効率が逆に低下するという欠点がある。また、このよう構造は口径に対する穴の深さのアスペクト比が大きく、反射膜を均一に蒸着するのが難し！/、等の製造上の問題がある。発明の開示

そこで、本発明の目的は、プラスチック光ファイバのような口径の大きい光フアイバと口径の小さい受光素子の光学的な結合を簡素な構成で効率良く行える光通信システムを提供することにある。

本明の一側面に係る光通信システムは、少なくとも一端側に球状端面を有し、この球状端面から出射する放射光の開口数が 0 . 3 5以下である光ファイバと、受光素子を有し、上記光ファィバの球状端面からの放射光を受信する光通信モジユールとを備える。そして、上記光ファイバの上記一端側が上記光通信モジユール内の所定箇所に挿入されたとき、上記受光素子の受光面は上記光ファィバの球状端面の頂点から距離 dの位置にあり、光ファイバの直径を D、球状端面の曲率半径 Rを r *D、光ファイバのコアの屈折率を 11、上記光ファイバの球状端面と受光素子との間に存在する物質の屈折率を n 1とすると、上記距離 dは、

受光素子の直径が D以下のとき、 0く d≤ r *D/ (n— n 1) の範囲内にあり、

受光素子の直径が Dより大きいとき、 D d^r *D/ (n-n 1) の範囲内にある。

尚、「光ファイバの直径」とは、コア径である。伹し， S I型のプラスチック光ファイバの場合には、クラッド部分が全直径の 2%しかないため、光ファイバの直径はクラッド径と略等しくなる。

光フアイバの端面を球状端面とし、距離 dがこの範囲内にあるように受光素子を配置することにより、光ファイバの端面が平坦面である場合に比べて、受信結合効率を最高で 2倍以上まで高めることができる。

ファイバの端面を球状に加工するということは、平坦な端面にファイバからの光が出射する方向に凸面を持った平凸レンズを取付けたのと同一の構造と考えることができる。 r *DZ (n-n 1) つまり RZ (n-n 1) で求められる値は、曲率半径が R、屈折率が nである平凸レンズの屈折率 n 1の物質が充填された空間における焦点距離 f である。

図 3A— 3Cは、コアが PMMA製（屈折率 = 1. 5) のプラスチック光ファィバ 1について空気中（n l = l) でシミュレーションを行ったときの光フアイバからの出射光 Lの広がり (ファーフィールドパターン FFP) と光ファイバ端面を加工して設けた球状端面 11の曲率半径 R (=r *D) の関係を示す概略図である。

マルチモード光ファイバ特に S I (ステップインデックス）型のマルチモード光ファイバをファイバの軸方向と垂直な面で切ると、そのニァフィールドパターンは均一強度の面光源と捕らえることができる。また、その均一強度の面光源を細分化した各点からの出射光の配向分布はガウス分布である。

図 3 A— 3 Cからわかるように、出射光が集光している位置はファイバーの球状端面の曲率半径により異なる。図 3 Aは球状端面の曲率半径 Rがファイバの直径 Dの倍即ち R = 2 * Dの場合を表しており、集光位置は球状端面の頂点から 4 Dの位置にある。図 3 Bは球状端面の曲率半径 Rがファイバの直径 Dの 1 . 5倍即ち R = 1 . 5 * Dの場合を示しており、集光位置は球状端面の頂点から 3 Dの位置にある。そして、図 3 Cは球状端面の曲率半径 Rがファイバの直径 Dと同じ即ち R = Dのときで、集光位置は球状端面の頂点から 2 Dの位置である。

平凸レンズの空気中での焦点距離 f は、上記より、 f = R/ ( n— 1 ) で表され、図 3 A— 3 Cに示したシミュレーション結果は、平凸レンズの屈折率を 1 . 5としたときの空気中での焦点距離 f とほぼ一致する。

つまり、本発明は、光ファイバからの出射光の開口数（NA) が 0 . 3 5以下と小さい場合に、受光素子の受光面を上記焦点距離 ί内に置くようにしたものである。但し、受光素子の直径が光ファイバの直径 Dよりも大きい場合には、発明者が種々行なった実験結果より、距離 dが Dを越えるまでは、端面が平坦な光フアイバと同等の結合効率し力得られないことが判明したため、距離 dは Dよりも大きくしている。したがって、光ファイバ一端面から出射した放射光は平凸レンズ効果により集光されて再び広がる前に受光素子に入射するので、光ファイバの端面が平坦である場合に比べて、受光素子への結合効率が向上する。しかも、従来技術におけるような導光体を使用しないので、その分、光通信モジュールの製造が容易である。

出射光の NAが 0 . 3 5である光ファイバは主に伝送レートが 2 0 0〜6 2 2

M b p s程度の高速伝送で使用されるものである。通常、受光素子の径は伝送速度が高くなるほど、容量の関係から小さくする必要がある。また、伝送速度が高くなればなるほど使用する光ファイバの構造 N Aは小さくなる。それに伴い光フアイバから出射される光の N Aも小さくなる。本発明は受光素子の径が小さく、光ファイバの NAが小さいプラスチック光ファイバを使用したとき、即ちプラスチック光ファイバを使用した数百 M b p sの高速伝送時に特に効果的である。本発明の上記光通信システムにおいて、上記通信モジュールは、受光素子に加えて、上記光ファィバの球状端面からの放射光を上記受光素子へ導く受信光学系を有していてもよい。この場合、受光素子の受光面ではなく、受信光学系の中心位置が、次の通り、受信光学系の大きさに応じて、上記光ファイバの球状端面から距離 dの位置に配置されることになる。つまり、受信光学系は、上記光フアイパの球状端面から受信光学系の中心位置までの距離 dが

受信光学系の大きさが D以下のとき、 0 < d≤r * D/ ( n - n 1 ) 、受信光学系の大きさが Dより大きいとき、 D d≤r * D/ (n - n 1 ) となるよう^配置される。

受信光学系の一例としては、例えば空気と屈折率の異なる物質で形成されたプリズム及びレンズ等の光を屈折させる部材や、ミラー等、光を反射させる部材により形成された受信光学系がある。受光素子の上に空気と屈折率の異なる透明モ一ルド部材等が形成されている場合も、そのモールド部材を本願では受信光学系として扱う。

ここで、「受信光学系の中心位置」とは、光ファイバからの主光線の受信光学系への入射側主点を言う。

また、「受信光学系の大きさ」とは、円形の場合（たとえば集光レンズ）は光学的に光を集光する部分の直径であり、円形でない場合（たとえばプリズム）は光学的に光を集光する部分の代表的な寸法とする。

種々のシミュレーション結果より、上記距離 dは、好ましくは、

受光素子の直径が D以下のとき、 0 < d≤ 2 Dの範囲内にあるのがよく、受光素子の直径が Dより大きいとき、 D d 2 Dの範囲内にあるのがよい。

また、本発明は、上記受光素子の直径（受信光学系が設けられている場合には、受信光学系の大きさ）は、光ファイバの直径 D以下のとき、より効果的である。受光素子の直径（受信光学系が設けられている場合には、受信光学系の大きさ）が光ファイバの直径 Dより大きい場合に比べて、端面が平坦面である光ファイバと比べての結合効率向上の効果が顕著だからである。

また、本発明の別の側面による光通信システムは、少なくとも一端側に球状端面を有し、この球状端面から出射する放射光の開口数が 0. 4〜0. 6である光ファイバと、受光素子を有し、上記光ファイバの球状端面からの放射光を受信する光通信モジュールとを備える。そして、上記光ファイバの上記一端側が上記光通信モジュール内の所定箇所に揷入されたとき、上記受光素子は上記光ファイバの球状端面の頂点から距離 dの位置にあり、光ファイバの直径を Dとすると、上記距離 dは、

受光素子の直径が D以下のとき、 0く dく 2Dの範囲内にあり、

受光素子の直径が Dより大きいとき、 0. 5D< d< 2Dの範囲内にある。

0. 4〜0. 6までの範囲の出射光の開口数、特に 0. 5の開口数は伝送レートが 20〜10 OMb p s程度の中速伝送に使用されるものである。

この光通信システムにおいて、上記通信モジュールは、受光素子に加えて、上記光フアイバの球状端面からの放射光を上記受光素子へ導く受信光学系を有していてもよい。この場合、受光素子の受光面ではなく、受信光学系の中心位置が、次の通り、受信光学系の大きさに応じて、上記光ファイバの球状端面から距離 d の位置に配置されることになる。つまり、受信光学系は、上記光ファイバの球状端面から受信光学系の中心位置までの距離 dが

受信光学系の大きさが D以下のとき、 0< d< 2Dの範囲内にあり、受信光学系の大きさが Dより大きいとき、 0. 5D<d<2Dの範囲内にあるように酉己置される。

光ファイバの端面を球状端面とし、距離 dがこの範囲内にあるように受信光学系を配置することにより、光ファイバの端面が平坦面である場合に比べて、受信結合効率を最高で 1. 7倍程度まで高めることができる。

ここで、「受信光学系の中心位置」および「受信光学系の大きさ」の定義は、上述した通りである。

好ましくは、上記距離 dは、本発明者の行なつた種々のシミュレーション結果から、

受光素子の直径が D以下のとき、 0く d≤l. 5 Dの範囲内にあるのがよ <、

受光素子の直径が Dより大きいとき、 D≤d< l. 5Dの範囲内にあるのがよい。

また、好ましくは、開口数が 0. 35以下の場合と同様に、上記受光素子の直径（受信光学系が設けられている場合には、受信光学系の大きさ）は、光フアイバの直径 D以下であるのがよい。受光素子の直径（受信光学系が設けられている ± 合には、受信光学系の大きさ）が光ファイバの直径 Dより大きい場合に比べて、端面が平坦面である光ファイバと比べての結合効率向上の効果が顕著だからである。したがって、本発明を利用すれば小さい受光素子に光を集光しやすい小型の受信光学系を配置できる。この場合、本発明は一芯双方向通信において、より効果を発揮することができる。

一実施形態では、上記した各光通信モジュールは、発光素子と発信光学系とのうち少なくとも発光素子をさらに有し、上記光ファイバを介して相手方の光通信モジュールと一芯双方向通信方式で信号光を送受信できるようになつている。受光素子や受信光学系を小さくすることができるので、送信系と並列して配置する観点から効果的である。

前述したように、プラスチック光ファイバを使用した場合、一般的なファイバ径は 0 . 5〜2 mmであるが、使い易さ即ち接続のし易さと、モード分散を抑える観点から、 1 mmのファイノ径のものが一般によく使用されている。一方、一般的にプラスチック光ファイバで使用される高速通信の伝送レートは 1 0 O Mb p s〜6 2 2 M b p sで、その伝送レートに適したフォトダイオードの直径（以下、 P D径とも言う。）は 0 . 5 mm以下、より詳しくは、 0 . 3〜0 . 5 mm である。

一実施形態では、上記いずれかの通信システムにおいて、直径 Dが l mmの光ファイバと、直径が 0 . 5 mm以下（例えば、 0 . 3 mm〜 0 . 5 mm) の高速対応の小型フォトダイオードを組み合わせて使用している。このような光フアイバと受光素子の寸法の組み合わせは、本発明を適用することにより、平端面ファィバに比べて受信効率を大幅に高くすることができるので、効果的である。

また、受信光学系を設けている場合、直径 Dが l mmの光ファイバを使用するときには、直前に述べたのと同じ理由により、受信光学系の大きさを 0 . 5 mm 以下にするのが好ましい。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態である光通信システムの構成を概略的に示した図である。

図 2は、本発明の一実施形態である光通信システムの構成を概略的に示した図である。

図 3A、 3B、 3Cは、本発明の原理を説明する図である。

図 4は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が 0. 5D、ファイバ出射 NAが 0.35であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面ファイバを用いた場合と比較したグラフである。

図 5は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が D、ファイバ出射 N Aが 0. 35であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面ファイバを用いた場合と比較したグラフである。

図 6は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が 1. 5D、ファイバ出射 NAが 0.35であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面ファイバを用いた場合と比較したグラフである。

図 7は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が 0. 5D、ファイバ出射 NAが 0.5であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面ファイバを用いた場合と比較したグラフである。

図 8は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が D、ファイバ出射 N Aが 0.5であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面ファイバを用いた場合と比較したグラフである。

図 9は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が 1. 5D、ファイバ出射 NAが 0.5であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面フアイパを用いた場合と比較したグラフである。

図 10は、光ファイバ（出射 NA=0. 35) が球状端面を有する場合と平端面を有する場合の図 4のグラフに示された受信結合効率の比較結果を 3段階に分類してまとめた表である。 ·

図 11は、光ファイバ（出射 NA=0. 35) が球状端面を有する場合と平端面を有する場合の図 5のグラフに示された受信結合効率の比較結果を 3段階に分類してまとめた表である。

図 12は、光ファイバ（出射 NA=0. 35) が球状端面を有する場合と平端面を有する場合の図 6のグラフに示された受信結合効率の比較結果を 3段階に分類してまとめた表である。

図 13は、光ファイバ（出射 NA=0. 5) が球状端面を有する場合と平端面を有する場合の図 7のグラフに示された受信結合効率の比較結果を 3段階に分類してまとめた表である。

図 14は、光ファイバ（出射 NA=0. 5) が球状端面を有する場合と平端面を有する場合の図 8のグラフに示された受信結合効率の比較結果を 3段階に分類してまとめた表である。

図 15は、光ファイバ（出射 NA=0. 5) が球状端面を有する場合と平端面を有する場合の図 9のグラフに示された受信結合効率の比較結果を 3段階に分類してまとめた表である。

図 16は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が 0. 5D、フアイバ出射 NAが 0.35であるとき、球状端面ファイバを用いた場合の受信結合効率を平端面ファイバを用いたときと比較したグラフである。

図 17は、本発明の効果を示すグラフで、受光素子の直径が 0. 5D、フアイバ出射 NAが 0.5である場合において、球状端面ファイバを用いたときの受信結合効率を平端面ファイバを用いたときと比較したグラフである。

図 18は、本発明の効果を示すグラフで、受信結合効率の PD径依存性を示すグラフである。

図 19は、本発明の効果を示すダラフで、受信結合効率の実測値とシミュレ一ションで求めた値との比較を示す。

図 20は、本発明の一実施形態である一芯双方向通信方式の光通信システムの構成を概略的に示した図である。

図 21は、図 20の光通信システムの一部（光ファイバ端面付近）を拡大して示した概略図である。

図 22は、一芯双方向通信方式の光通信システムにおける光学系の寸法おょぴ位置と、送 Z受信光の光フ了ィバ端面 Z受信光学系との結合との関係を示す説明図である。

図 23は、一芯双方向通信方式の光通信システムにおける光学系の寸法および位置と、送 Z受信光の光フ了ィバ端面/受信光学系との結合との関係を示す説明図である。

図 2 4は、一芯双方向通信方式の光通信システムにおける光学系の寸法および位置と、送 Z受信光の光フ了ィバ端面/受信光学系との結合との関係を示す説明図である。

図 2 5は、従来の技術の説明図である。

図 2 6は、図 2 5に示した従来の技術の問題点を説明する図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。

(第 1実施形態）

図 1は本発明の光通信システムの一実施形態として一方向通信を行なう光通信システムの一例を概略的に示したものである。この光通信システムは、光フアイバ 1と、この光ファイバ 1を介して信号光の送受信を行なう 1対の光通信モジュール 2 A、 2 Bとを備えている。光通信モジュール 2 Bは半導体レーザ装置 ( L D) または発光ダイオード ( L E D) からなる発光素子 2 2を備えて送信モジュ —ルとして機能する一方、光通信モジユーノレ 2 Aはフォトダイオード ( P D) からなる受光素子 2 1を備えて受信モジュールとして機能する。図面を簡単にするため、受 ·発光素子の保持部分等、発明に直接関係しない部分は図 1から省いている。

光ファイバ 1は、コアが PMMA製（屈折率：略 1 . 5 ) のプラスチック光フアイバであり、両端面がそれぞれ曲率半径 Rを有する球状端面 1 1となっている。但し、受信側の端面のみを球状端面 1 1としてもよレ、。また、光ファイバ 1は P MMA以外のプラスチック材料からなるものであってもよい。光ファイバの球状端面 1 1は溶融あるいは研磨によって作成できる。

光ファイバ 1の端部が光通信モジュール 2 A内に揷入されて所定箇所に設置されたとき、受光素子 2 1の受光面は、光ファイバ 1の球状端面 1 1の頂点から距離 dだけ離れた位置にある。この距離 dは、光ファイバ 1の球状端面 1 1から出射する放射光の開口数（以下、「出射 NA」とも言う。）と受光素子であるフォトダイオード 21の直径（以下、「PD径」とも言う。）に応じて設定される値である。

具体的に言うと、光ファイバ 1の出射 N Aが高速伝送つまり 200〜622M b p sの伝送レートで使用される 0. 35以下の場合、距離 dは

受光素子の直径が D以下のとき、

0 < d≤ r *D/ (n-n 1) . . . (1)

の範囲内にあり、

受光素子の直径が Dより大きいとき、

D≤ d≤ r *D/ (n-n 1) . . . (2)

の範囲内にあるように設定されている。ここで、 Dは光ファイバ 1の直径（コア径）、 r *Dは球状端面 11の曲率半径 Rを Dを用いて表したもの、 nは光ファィバ 1のコアの屈折率、そして、 n 1は光ファイバ 1の球状端面 11と受光素子 21との間に存在する物質の屈折率である。本実施形態の場合、光ファイバ 1の球状端面 1 1と受光素子 21との間に存在する物質は空気である。したがって、 n 1は 1である。また、光ファイバ 1のコァ材料である PMMA (ポリメチノレメタクリレート）の屈折率は略 1. 5 (ここでは、 1. 5として計算する）である。したがって、上記関係式（1) 、（2) はそれぞれ、

0< d≤2 r氺 D. . . (1 ' )

D≤ d≤ 2 r *D. . . (2' )

と書き表すことができる。

式（1' ) は、受光素子 21の受光面が、光ファイバ 1の球状端面 1 1に接触しておらず、し力、も、球状端面 11の曲率半径の 2倍に相当する距離を超えては光ファイバ 1の球状端面 1 1から離れていないことを示している。式（2，）は、受光素子 21の受光面が、光ファイバ 1の直径に相当する距離以上だけ光フアイバ 1の球状端面 11から離れているが、球状端面 1 1の曲率半径の 2倍に相当する距離を超えては光ファイバ 1の球状端面 1 1から離れていないことを示している。

一方、光ファイバ 1の出射 NAが中速伝送つまり 100〜200Mb s程度の伝送レートで使用される 0. 5付近（つまり 0. 4〜0. 6) の場合には、距離 dは

受光素子の直径が D以下のとき、

0< d< 2D. . . (3)

の範囲内にあり、

受光素子の直径が Dより大きいとき、

0. 5D< d < 2D. . . (4)

の範囲内にあるように設定されている。

図 4〜6は、図 1の構成を有する光通信システムにおいて、光ファイバ 1の出射 NAが 0. 35の場合の受信結合効率の端面一受信器間距離依存性を平端面フアイパの場合と比較したグラフであり、各パラメータはファイバ径 Dを用いて表されている。より詳しくは、グラフの縦軸に示された受信結合効率は、ファイバ出射端面が平坦面のとき 1/e ² (=0. 135) の強度で規定された光フアイバからの出射光の開口数が 0. 35で、 200〜500Mb p sの伝送レートで光源に半導体レーザ（LD) を使用し、伝送媒体に低 N Aの高速通信グレードのプラスチック光ファイバ（コアの屈折率 n= 1. 5) を使用した場合の受信結合効率であり、フアイバ端面が平坦面であるときの結合効率との比の形であらわしている（つまり、結合効率 1はフアイバ端面が平坦面であるときの結合効率である。）。横軸は、端面一受信器間距離をファイバ径 Dとの比の形で表したものである。また、パラメータである端面曲率半径 Rおよび PD径は、ファイバ径 Dを用いて表されている。図 4は PD径が◦. 5Dのとき、図 5は PD径が 1Dのとき、図 6は PD径が 1. 5 Dのときを示す。また、 ♦、騸、 ▲はそれぞれ端面曲率半径 Rが 2D、 1. 5D、 Dの場合を表している。なお、「受信器」とは、この場合には、フォトダイオード 21のことを言う。

また、図 10— 11は図 4一 6のグラフに示した受信結合効率に関しての効果を 3段階に分類して表示したものである。〇は受信結合効率が平端面ファイバに比べて 1. 01倍以上であることを示す。 △は、受信結合効率が平端面ファイバに比べて 0. 99〜1. 01倍であることを示す。 Xは受信結合効率が平端面ファイバに比べて 0. 99倍以下であることを示す。

これらの図面より、図 3 A— 3 Cに示した球状端面の曲率 (=r *D) で決まる焦点位置（この場合には、 n=l. 5、 n 1=1であるため、 f = r * D/O. 5 = 2 r *Dとなる。）に相当する位置までは、ファイバ端面が平坦面の場合に対し受信効率が向上しているのがわかる。ただしその効果は PD径がより小さい場合に対して効果的である。そして、 PD径が 0. 5Dのとき、端面の曲率半径 Rが小さいほど、受信効率を大きくできることもわかる。いずれにしても、 PD径がファイバ径 D以下の場合は、ほぼファイバ端面の位置から上記焦点位置に相当する位置まで受信効率向上の効果がある。

一方、 PD径がファイバ径 Dより大きい場合は、ほぼファイバ端面から 1Dだけ離れた位置から球状端面の曲率半径 R (=r *D) で決まる焦点位置に相当する位置まで受信効率向上の効果があることがわかる。

図 7〜 9は、フアイバ出射端面が平坦面のとき 1 Z e ²の強度で規定されたフアイバ出射 N Aが 0. 5に相当する場合の図 4〜 6と同様のグラフである。但し、この場合は、 100〜200Mb p sの伝送レートで光源（発光素子）に LED を使用し、伝送媒体に NA0. 5付近の通信グレードのプラスチック光ファイバ (コアの屈折率 n=l. 5) を使用した。図 7は PD径が 0. 5Dのとき、図 8 は PD径が 1Dのとき、図 9は PD径が 1. 5Dのときを示す。

また、図 13〜15は図 7〜 9のグラフに示した受信結合効率に関しての効果を 3段階に分類して表示したものである。図 10〜 12と同様、〇は受信結合効率が平端面ファイバに比べて 1. 01倍以上であることを示す。 △は、受信結合効率が平端面ファイバに比べて 0. 99〜1. 01倍であることを示す。 Xは受信結合効率が平端面ファイバに比べて 0. 99倍以下であることを示す。

図 7〜 9および図 13〜 15からわかるように、この場合の受信効率向上の効果は、 lZe ²の強度で規定されたファイバからの出射光の NAが 0. 35の場合に比べて小さくなるが、 PD径がファイバ径 Dより小さいときは、ファイバ端面付近より 2Dの位置まではファイバ端面が平坦面の場合に対し受信効率が向上しているのがわかる。そして、この場合も、 PD径がファイバ径 Dより小さいときは、端面の曲率半径 Rが小さいほど、受信効率を大きくできることがわかる (但し、距離 dが 1Dまでのところにおいて）。また、 PD径がファイバ径 Dより大きくなつた場合も、ファイバ端面 D付近から 2Dの位置までの範囲において、程度は小さくなるものの受信効率向上の効果があることがわかる。

図 16と図 17は受光素子 21の直径が 0. 5 Dの場合で、フアイバ出射端面が平坦面のとき 1/e ²の強度で規定されたファイバからの出射 NAが 0. 35 と 0. 5にそれぞれ相当するとき、ファイバ球状端面 11の曲率半径 Rを変えたときの受信結合効率の距離依存性をファイバ端面が平坦面であるときと比較したグラフである。これらのグラフから、ファイバ端面が球状端面である場合には、ファイバ端面が平坦面である場合に比べて、上記式（1) 、 (3) で定義された距離範囲内で受信効率（結合効率）を大きくできることがわかる。中でも、球状端面 11の曲率半径 Rが Dで、距離 dが 0. 5D近傍にあるときに、光ファイバからの出射光の NAが 0. 35であっても 0. 5であっても、平端面ファイバに比べて大幅に結合効率が向上しているのがわかる。また、距離 dが所定の範囲内にあるとき、同じ距離 dに対しては、端面の曲率半径 Rは小さいほど、つまり、曲率が大きいほど、結合効率は高くなると言える。

図 18は、ファイバ出射端面が平坦面のとき lZe ²の強度で規定されたファィバからの出射 NAが 0. 35に相当する場合に、距離 dをパラメータとして、受信効率の受光素子径（PD径）への依存性をプロットしたグラフである。図 1 8力、ら、 PD径が小さいほど、特に PD径がファイバ径 1Dより小さいときに効果的であることがわかる。そして、 PD径がファイバ径 1Dよりも小さい場合、特に、略 0. 9 D以下の場合には、距離 dは 1. 5 Dよりも 1Dの方が高い受信効率が得られることがわかる。 PD径がファイバ径 Dより小さいときには、距離 dは 1 Dまでの値に設定した方が効果的であると言える。

図 19はファイバ出射端面が平坦面のとき 1/e ²の強度で規定された光ファィバ 1からの出射 NAが 0. 35に相当、光ファイバ径 lmm、ファイバ球状端面 1 1の曲率半径が 1. 5mm、 PD径 1 mmの場合に、計算値と実測結果とを比較したグラフである。両者はほぼ一致し同じ傾向を示している。横軸に示される端面一受信器間距離（つまり、距離 d ) が 0〜 3 mmの範囲では 30 %を越える結合効率が得られ、距離 dが短くなつて受光素子 21が光ファイバの端面 1 1 に近接するほど、結合効率が 100 %に近づくのが確かめられた。

前述したように、プラスチック光ファイバを使用した場合、一般的なファイバ径は 0 . 5〜2 mmであるが、使い易さ即ち接続のし易さと、モード分散を抑える観点から、一般に l mmのファイバ径のものが使用される。一方、一般的にプラスチック光ファイバで使用される高速通信の伝送レートは 1 0 0 M b p s〜6 2 2 M b p sで、その伝送レートに適した P D径は 0 . 3〜0 . 5 mmである。このファイバ径と P D径の組合せは、本宪明の効果が最も引き出せる範囲とほぼ一致する。

(第 2実施形態）

図 2は本発明の光通信システムの第 2実施形態の概略図である。この第 2実施形態は各通信モジュール 2 A, 2 Bに光学系を設けた点が第 1実施形態と異なる。図 2において、図 1に示した構成部分と同様の構成部材には図 1で使用したのと同じ参照番号を付している。図 2中、参照番号 2 5、 2 6はそれぞれ受信光学系、送信光学系である。受信光学系 2 5は、受光素子 2 1と光ファイバ 1の球状端面 1 1との間に配置されて、球状端面 1 1からの放射光を受光素子 2 1へ導く働きをする。また、発信光学系 2 6は、発光素子 2 2から出射された光を光ファイバ 1の端面へ導く働きをする。これら受信光学系 2 5および発信光学系 2 6には、例えば空気と屈折率の異なる物質で形成されたプリズム及ぴレンズ等の光を屈折させる部材や、ミラー等光を反射させる部材等が含まれる。なお、本願では、受光素子 2 1の上に空気と屈折率の異なる透明モールド部材（図示せず）が形成されている場合、そのモールド部材も受信光学系 2 5の構成要素とみなしている。このような受信 ·発信光学系は当業者には広く知られているものであるため具体的構成についてはここでは詳細には記述しない。受信光学系 2 5として、透明モールド部材でレンズ部分を一体に形成してもよい。

上記第 1の実施形態において受光素子 2 1と光ファイバ 1の球状端面 1 1との間に成立した関係式（1 ) 〜（4 ) は、第 2の実施形態では、受信光学系 2 5と光ファイバ 1の球状端面 1 1との間に成立している。つまり、第 1の実施形態においては、光ファイバ 1の球状端面 1 1の頂点から受光素子 2 1の受光面までの距離を dとして式（1 ) 〜（4 ) で規定したが、この第 2の実施形態においては、光ファイバ 1の球状端面 1 1の頂点から受信光学系 2 5の中心位置までの距離を dとして式 ( 1 ) 〜 ( 4 ) で規定している。また、第 1実施形態では、光フアイ 10543

16 バ 1の球状端面 1 1から出射する放射光の開口数（NA) と、受光素子 2 1の直径（P D径）とに応じて、式（1 ) 〜（4 ) のいずれかを適用したが、この第 2 実施形態では、受光素子 2 1の直径の代わりに受信光学系 2 5の大きさに応じて式（1 ) ~ ( 4 ) が適用される。

なお、「受信光学系 2 5の中心位置」とは、上述したように、光ファイバ 1からの主光線の受信光学系 2 5への入射側主点とする。また、「受信光学系の大きさ」とは、集光レンズのように円形の場合には、光学的に光を集光する部分の直径であり、円形でない場合には、光学的に光を集光する部分の代表的な寸法とする。たとえば、円形でない光学系としては、楕円ミラーがあり、この場合には、楕円ミラー入射側主点での光軸に垂直な断面の平均寸法をこの光学系の大きさとする。

第 2実施形態の場合にも、第 1実施形態と同様の受信効率向上の効果が得られた。本発明を利用すれば小さ、受光素子に光を集光しゃすい小型の受信光学系を配置することができる。

(第 3実施形態）

図 2 0は本発明の第 3実施形態である一芯双方向光通信方式を採用した光通信システムの概略構成図であり、図 2 1は図 2 0の一部を拡大して示した図である。図 2 0において、図 1、 2に示した構成部分と同様の構成部分には図 1、 2で使用したのと同じ参照番号を付して、詳細な説明は省略する。

第 1 , 2実施形態の光通信システムがー方向通信方式を採用していて、協働する 2つの光通信モジュール 2 A, 2 Bが受光素子と発光素子の一方し力、搭載していないのに対して、この第 3実施形態の光通信システムをプラスチック光フアイバ 1と共に構成する 2つの光通信モジュール 2 A, 2 Bはいずれも、発光素子 2 2と受光素子 2 1の両方を備えて、送受信モジュールとして機能する。光通信モジュール 2 A, 2 Bは、さらに送信光学系 2 6と受信光学系 2 5をも備えている。受発光素子 2 1 , 2 2および受送信光学系 2 5， 2 6は、光ファイバ端面 1 1からの出射光の N Aと受信光学系 2 5の大きさとに応じて受信光学系 2 5の中心位置が上述の式（1 ) 〜 ( 4〉のいずれかを満たすように配置されている。

光学系 2 5、 2 6を用いないで、受発光素子 2 1、 2 2を光ファイバ端面 1 1 に直接対向させてもよいが、受発光素子 2 1、 2 2自体の占有面積がその保持部分まで含めると光ファイバ端面 1 1に対しかなり大きなものとなるため、送受信を分割する場合はそのような配置は、可能でなくはないが、余り現実的とは言えない。

そこで、通常、一本の光ファイバで送受信を行う場合は、小さい光ファイバ端面部で効果的に送受信光を分割するために、光フアイバ端面と受発光素子間に受発光素子へ光路を変換するための光学系が設けられる。送受信光学系は小さい光ファイバ端面に対応して小型である必要がある。ただし、受信光学系があまりに小さすぎると、何の措置も取らない場合、受信光のロスが大きくなる。例えば図 2 2に示すように、受信光 1 5の半分は送信光学系 2 6に蹴られてしまう。一方、図 2 3のように受信光学系 2 5を大きくすると、送信光 1 6が光ファイバ端面 1 1に結合しない場合がある。図 2 4のように光ファイバ端面 1 1から大きく距離をとつて送受信光学系を配置した場合は、比較的大きな受信光学系 2 5を使用しても送信光 1 6の N Aさえ小さくすれば 1本の光ファイバを使用しての送受信は可能である。しかしながら、受信光 1 5が広がってしまい、高速対応の小さい P D (受光素子） 2 1への結合が困難になるという問題が生ずる。

しかし、本実施形態では、受信光学系 2 5を第 2実施形態で説明したように、光ファイバ端面 1 1からの出射光の N Aと受信光学系 2 5の大きさとに応じて、上記式（1 ) ( 4 ) のいずれかを満たす位置に配置しているので、送信光学系 2 6で蹴られる分はしかたないが、受信光学系 2 5が小型であっても効率よく受光し、受光素子 2 1であるフォトダイオードへ受信光 1 5を導くことが出来る。以上、本発明を 3つの実施形態を通じて説明したが、特許請求の範囲に記載した構成以外の構成は、材料も含めて、上記実施形態で述べたものに限定されることなく、適宜変更 ·追;! i きることは言うまでもない。

以上から明らかなように、本発明によると、伝送媒体として口径の大きいブラスチック光ファイバを使用し、受光素子を高速通信対応の小型受光素子としても、簡単な構成で光学的に高い結合効率を得ることができる。特に、プラスチック光フアイバの直径が一般的によく使用される 1 mmで、受光素子が直径 0 . 5 mm 以下の高速対応の小型フォトダイオードであるとき、受信効率を高くすることができ効果的である。

また、本発明は、通信方式が一本の光ファイバを介して双方向通信を行う一芯双方向光通信方式であるとき、受光素子や受信光学系を小さくすることができるので、送信系と並列して配置する観点から効果的である。

Claims

請求の範囲

1. 少なくとも一端側に球状端面（11) を有し、この球状端面から出射する放射光の開口数が 0. 35以下である光ファイバ（1) と、

受光素子（21) を有し、上記光ファイバの球状端面からの放射光を受信する光通信モジュール (2A) とを備え、

上記光ファイバの上記一端側が上記光通信モジュール内の所定箇所に揷入されたとき、上記受光素子の受光面は上記光フアイパの球状端面の頂点から距離 dの位置にあり、

光ファイバの直径を D、球状端面の曲率半径 Rを r *D、光ファイバのコアの屈折率を n、上記光フ了ィバの球状端面と受光素子との間に存在する物質の屈折率を n 1とすると、上記距離 dは、

受光素子の直径が D以下のとき、 0く d≤r *DZ (n-n 1) の範囲内にあり、

受光素子の直径が Dより大きいとき、 D d≤r *D/ (n— n l) の範囲内にあることを特徴とする光通信システム。

2. 少なくとも一端側に球状端面（11) を有し、この球状端面から出射する放射光の開口数が 0. 35以下である光ファイバ（1) と、

受光素子（21) と、上記光ファイバの球状端面からの放射光を上記受光素子へ導く受信光学系（25) とを有して、上記光ファイバの球状端面からの放射光を受信する光通信モジュール（2A) とを備え、

上記光ファイバの上記一端側が上記光通信モジュール内の所定箇所に揷入されたとき、上記受信光学系の中心位置は上記光ファイバの球状端面の頂点から距離 dの位置にあり、

光ファイバの直径を D、球状端面の曲率半径 Rを r *D、光ファイバのコアの屈折率を _n、上記光ファィバの球状端面と上記受信光学系との間に存在する物質の屈折率を n 1とすると、上記距離 dは、

受信光学系の大きさが D以下のとき、 0く d≤r *DZ (n-n 1) の範囲内にあり、

受信光学系の直径が Dより大きいとき、 D≤d≤r *DZ (n-n 1) の範囲内にあることを特徴とする光通信システム。

3. 少なくとも一端側に球状端面（11) を有し、この球状端面から出射する放射光の開口数が 0. 4〜0. 6である光ファイバ（1) と、

受光素子（21) を有し、上記光ファイバの球状端面からの放射光を受信する光通信モジュール（2A) とを備え、

上記光ファイバの上記一端側が上記光通信モジュール内の所定箇所に挿入されたとき、上記受光素子の受光面は上記光ファイバの球状端面の頂点から距離の位置にあり、

光ファイバの直径を Dとすると、上記距離 dは、

受光素子の直径が D以下のとき、 0< d< 2Dの範囲内にあり、受光素子の直径が Dより大きいとき、 0. 5D<d< 2Dの範囲内にあることを特徴とする光通信システム。

4. 少なくとも一端側に球状端面（11) を有し、この球状端面から出射する放射光の開口数が 0. 4〜0. 6である光ファイバ（1) と、

上記光フアイバの上記一端側が上記光通信モジュール内の所定箇所に揷入されたとき、上記受信光学系の中心位置は上記光ファィバの球状端面の頂点から距離 dの位置にあり、

光ファイバの直径を Dとすると、上記距離 dは、

受信光学系の大きさが D以下のとき、 0く dく 2Dの範囲内にあり、受信光学系の大きさが Dより大きいとき、 0. 5 D<dく 2Dの範囲内にあることを特徴とする光通信システム。

5. 請求項 1乃至 4のいずれか 1つに記載の光通信システムにおいて、

上記光ファイバ（1) はプラスチック光ファイバであることを特徴とする光通信 V

6. 請求項 1または 2に記載の光通信システムにおいて、

上記物質は屈折率 n 1が 1である空気であることを特徴とする光通信システム。

7. 請求項 1乃至 4のいずれか 1つに記載の光通信システムにおいて、

上記光ファイバ（1) の直径 Dは lmmで、上記受光素子は直径が 0. 5 mm 以下のフォトダイオードであることを特徴とする光通信システム。

8. 請求項 3または 4に記載の光通信システムにお、て、

上記光ファイバ（1) の直径 Dは lmmで、上記受信光学系の大きさは 0. 5 mm以下であることを特徴とする光通信システム。

9. 請求項 1乃至 4のいずれか 1つに記載の光通信システムにおいて、

上記光通信モジュール (2A) は宪光素子（22) と発信光学系（26) とのうち少なくとも発光素子をさらに有し、上記光ファイバを介して相手方の光通信モジュール（2B) と一芯双方向通信方式で信号光を送受信できるようになっていることを特徴とする光通信システム。