(57)【要約】【課題】  スペックルを含み且つ放射パターンマスクに適合した放射強度分布を呈する光源装置を提供する。【解決手段】  光源装置は、出射光の拡散程度が小さく大きなスペックル量を呈する半導体レーザ１を用いており、ＩrＤＡ１.１に適用される。その場合、ＩrＤＡ１.１に関する(最大放射強度)/(放射角度が±Θ以内での最小放射強度)および(放射角度が±２Θよりも外側での最大放射強度)/(放射角度が±Θ以内での最小放射強度)に応じて要求されるスペックル量と指向半値角度/通信角度との関係から、スペックル量に応じた指向半値角度になるようにエポキシ製のレンズ６の形状を制御する。こうすることによって、最小の光出力で、ＩrＤＡ１.１の放射パターンマスクに適合した放射強度分布を有する光源装置を得ることができる。【選択図】  図１
2006108358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光放射角度範囲において所定の光放射強度を必要とする光通信システムに供される光源装置であって、
スペックルを生ずる発光素子と、
上記発光素子からの放射光における放射角度と放射強度との関係を表わす放射パターンを、上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすようなパターンになるように、スペックル量に応じて設定する放射パターン設定手段を備えたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、
上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を、放射角度±Θ内での放射強度がIn_min以上であり、且つ、放射角度±２Θ内での放射強度がIn_max以下であり、且つ、放射角度±２Θより外側での放射強度がOut_max以下であり、且つ、In_max/In_min＝RおよびOut_max/In_min＝rであるとし、
上記スペックル量をｓとした場合に、
上記放射パターン設定手段によって設定される放射パターンは、光放射強度が最大光放射強度の１/２となる光放射角度を表わす指向半値角度θHが、
2006108358.tif 000042
2006108358.tif 000043
となるようなパターンであることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光源装置において、
上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を、放射角度±Θ内での放射強度が所定値以上であるとし、上記スペックル量をｓとした場合に、
上記放射パターン設定手段によって設定される放射パターンは、光放射強度が最大光放射強度の１/２となる光放射角度を表わす指向半値角度θHが、
2006108358.tif 000044
2006108358.tif 000045
2006108358.tif 000046
2006108358.tif 000047
を満たすようなパターンであることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光源装置において、
上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を、放射角度±Θ内での放射強度がIn_min以上であり、且つ、放射角度±２Θ内での放射強度がIn_max以下であり、且つ、放射角度±２Θより外側での放射強度がOut_max以下であり、且つ、Out_max/In_min＝rであるとし、
上記スペックル量をｓとした場合に、
上記放射パターン設定手段によって設定される放射パターンは、光放射強度が最大光放射強度の１/２となる光放射角度を表わす指向半値角度θHが、
2006108358.tif 000048
2006108358.tif 000049
2006108358.tif 000050
を満たすようなパターンであることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記放射パターン設定手段は、
上記放射光が入射されるレンズと、
上記レンズ内に設けられた円錐側面の一部をなす金属曲面を含む反射体とを有し、
上記レンズの形状および上記反射体の形状を設定することによって上記放射パターンが設定されることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光源装置において、
上記発光素子を封止する光源封止部を有し、
上記レンズおよび上記反射体は上記光源封止部上に配置され、
上記放射パターンを実現するレンズの形状および上記反射体の形状は、光の出射方向における上記レンズの半径がｒ１(mm)、光の出射方向と直交する垂直面における上記レンズの半径がｒ２(mm)、上記反射体の高さがｈ(mm)、上記レンズの底面と上記光源封止部の上面との界面での光源直径がｄ１(mm)、上記反射体下端の内径の半径がｄ２(mm)である時、４次のスーパーガウシアン分布を得る上記各パラメータは、概ね、
０．２５≦ｒ１≦１．５０、
１．００≦ｒ２≦１．７５、
１．５０≦ｈ  ≦２．００、
０．５０≦ｄ１≦０．７５、
ｄ１／２≦ｄ２≦ｒ２、
であることを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光源装置において、
上記放射光が入射されるレンズおよび反射体を備え、
上記放射パターン設定手段は、
上記発光素子と、上記レンズおよび反射体との間に配置されていると共に、上記放射光が上記レンズおよび反射体へ入射する位置を分散させる光入射位置分散手段であることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光源装置において、
上記光入射位置分散手段は、上記発光素子を覆う透明樹脂およびこの透明樹脂内に混入された光拡散剤であり、上記光拡散剤の濃度を設定することによって上記放射パターンが設定されることを特徴とする光源装置。
【請求項９】
請求項７に記載の光源装置において、
上記光入射位置分散手段は、光拡散板であることを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の光源装置において、
上記放射光が入射されるレンズ、及び反射体を備え、
上記放射パターン設定手段は、上記放射光が上記レンズと空気との界面へ入射する入射角度を分散させる光入射角度分散手段であることを特徴とする光源装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光源装置において、
上記光入射角度分散手段は、上記レンズに混入された光拡散剤であり、上記光拡散剤の濃度を設定することによって上記放射パターンが設定されることを特徴とする光源装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の光源装置において、
上記放射パターン設定手段は、さらに、上記放射パターンを、最小の光出力を呈するパターンとなるように、上記スペックル量に応じて設定するようになっていることを特徴とする光源装置。
【請求項１３】
請求項２に記載の光源装置において、
上記Ｒの値が
２≦Ｒ≦３.５
であることを特徴とする光源装置。
【請求項１４】
請求項２に記載の光源装置において、
上記ｒの値が
０.４≦ｒ≦０.７
であることを特徴とする光源装置。
【請求項１５】
請求項２に記載の光源装置において、
上記θHが、
2006108358.tif 000051
2006108358.tif 000052
であることを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項３に記載の光源装置において、
上記ＰＰの値は３よりも小さいことを特徴とする光源装置。
【請求項１７】
請求項４に記載の光源装置において、
2006108358.tif 000053
であることを特徴とする光源装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の光源装置を用いたことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定の光放射角度範囲で所定の光放射強度を呈する光源装置、および、それを用いた光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光無線通信として、代表的なものに、ＩrＤＡ(Infrared Data Association)がある。このＩrＤＡでは、光源装置として発光ダイオード(ＬＥＤ)を用い、所定の光放射角度エリア内において所定値以上の光放射強度を呈する光信号でデータのやり取りを行うようにしている。
【０００３】
図１４に、ＩrＤＡ１.１あるいはＩrＤＡ１.３で用いられる放射パターンマスク(実線)と、実際の光源装置における放射強度‐角度分布(破線)(以下、放射強度分布と言う)を示す。まず、図１４に従って放射パターンマスクについて説明する。通信角度エリアは±１５度以内と規格化されており、この範囲内で１００mＷ/sr以上の放射強度が要求される。この１００mＷ/srが、この通信を確保する最小受信感度に相当する。また、通信角度エリアが±３０度以内では、通信を行っている端末間の延長上に存在する隠れ端末への干渉を避けるために、最大の放射強度は５００mＷ/srに制限される。一方、±３０度よりも離れた通信角度エリアでは、隣の光端末との干渉を避けるために最小受信感度を下回る放射強度に抑える必要があり、１００mＷ/sr以下に制限される。
【０００４】
このようなＩrＤＡに用いられるＬＥＤ光源の放射パターン（つまり、放射強度分布）は、図１４に破線で示すようなガウシアン分布と呼ばれる形状を有している。以下、ガウシアン分布をより一般化した高次のガウシアン分布、すなわちスーパーガウシアン分布について簡単に説明する。光出力Ｐ、指向半値角度θH(放射強度が最大放射強度の１/２となる放射角度)を有する光源の放射強度分布は、ｎを次数として、次のスーパーガウシアン分布ＳＧ(θ)で表される。
2006108358.tif 000003
2006108358.tif 000004
このスーパーガウシアン分布ＳＧ(θ)は、次数ｎが増大すると、矩形放射パターンに近づいていく。つまり、θ＝０を中心としたある角度の範囲内で、放射強度が概ね一様な分布となる。従来、上記指向半値角度θHは、上記通信角度エリアにおける角度１５度程度に設定されている。
【０００５】
本願発明人等は、これまで、半導体レーザを光拡散によりアイセーフ化した、所謂アイセーフレーザを用いてＩrＤＡ用光源として供することを提案してきた(例えば、特許文献１(特開２００３‐２５８３５３号公報)参照)。その場合、放射強度分布には、レーザ光の高コヒーレンス特有のスペックルが少なからず存在することが分かっていたが、全体としてその放射強度分布はＬＥＤ同様ガウシアン分布になることが確認されており、指向半値角度θHをＬＥＤ光源の場合と同様に１５度程度に設定していた。ガウシアン分布において、上記放射パターンマスクを満たすには、指向半値角度θHは１２.７度〜３０度の範囲で設定可能であるが、消費電力を考慮して１５度程度に設定されている。
【０００６】
しかしながら、上記従来のアイセーフレーザを用いたＩrＤＡ用光源には、以下のような問題がある。すなわち、光無線通信においても、今後更なる高速化が期待されている。そして、その際に、通信に必要とされる絶対光量の増大を招くことが予想される。一方において、通信可能距離をこれまでと同等以上に確保する必要がある。また、受信機サイズにおいても、これまでと同等サイズが要求されている。これらの条件を満たすためには、図２に示す放射パターンマスクにおける放射角度が±Θ以内での最小放射強度(In_min)の引き上げが求められる。その一方で、他の通信方式への干渉を防ぐためには、放射角度が±２Θ以内での最大放射強度(In_max)を引き上げることは困難である。同様の理由によって、放射角度が±２Θよりも外側での最大放射強度(Out_max)の値も、これまで通りの値に制限される。
【０００７】
例えば、有効受光径３mmの受信機を用いて１００Ｍbpsの光無線通信を距離１ｍで行う場合には、送信機に対しては２５０mＷ/sr程度の放射強度が要求されることが分かっている。この場合、In_minのみを２５０mＷ/srにすると、(In_max)/(In_min)＝２となり、これまでのように、光源の指向半値角度θHを放射角度Θ近辺に固定して使用すると、光軸上(θ＝０)の放射がIn_maxを超えてしまうことになる。また、指向半値角度θHを広くしていくと、θ＝２ΘでOut_maxを超えてしまうことになり、放射パターンを変更する必要が生ずる。
【０００８】
また、アイセーフレーザを発光素子として用いた場合、平均的な放射強度分布が放射パターンマスクを満たしたとしても、少なからず存在するスペックルの影響によって、局所的にIn_minを下回る、あるいは、In_maxを超えてしまうことが懸念される。このような、スペックルを含んだ光源に対する最適な放射強度分布については、これまで何ら検討されてはいない。
【０００９】
さらに、発光素子からの放射パターンが従来のガウシアン分布(つまり、２次のスーパーガウシアン分布)である場合、矩形放射パターンに近い高次のスーパーガウシアン分布と比較して、通信角度２Θより広い角度領域にもある程度の光が及ぶ。その光は通信に使われず、損失となり消費電力上無駄である。
【００１０】
そのため、実開平７−３４４６７号公報(特許文献２)や特開２００２−９４１２９号公報(特許文献３)のように、光軸での放射強度の向上や、放射パターンを矩形に近付けるために、光源付近に設置された反射面を放物面などの凹面鏡状に加工して放射パターンを整形する例があるが、反射曲面の加工において面精度の確保、コスト等で不利である。
【特許文献１】特開２００３‐２５８３５３号公報
【特許文献２】実開平７−３４４６７号公報
【特許文献３】特開２００２−９４１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、この発明の課題は、要求される光放射パターンを満たしつつ光出力を最小化できるスペックルを含む光源装置、および、それを用いた光通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、この発明は、所定の光放射角度範囲において所定の光放射強度を必要とする光通信システムに供される光源装置であって、スペックルを生ずる発光素子と、上記発光素子からの放射光における放射角度と放射強度との関係を表わす放射パターンを、上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすようなパターンになるように、スペックル量に応じて設定する放射パターン設定手段を備えたことを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、上記放射パターン設定手段によって、上記発光素子からの放射光における放射パターンを設定することで、半導体レーザのごとくスペックル量がＬＥＤよりも大きな値を呈する発光素子を用いた場合であっても、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすような放射パターンが得られる。
【００１４】
また、１実施例の光源装置では、上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を、放射角度±Θ内での放射強度がIn_min以上であり、且つ、放射角度±２Θ内での放射強度がIn_max以下であり、且つ、放射角度±２Θよりも外側での放射強度がOut_max以下であり、且つ、In_max/In_min＝ＲおよびOut_max/In_min＝ｒであるとし、上記スペックル量をｓとした場合に、上記放射パターン設定手段によって設定される放射パターンは、光放射強度が最大光放射強度の１/２となる光放射角度を表わす指向半値角度θHが
2006108358.tif 000005
2006108358.tif 000006
となるようなパターンである。
【００１５】
この実施例によれば、上記Ｒ、ｒおよびスペックル量ｓを考慮することによって、例えば、従来のＩrＤＡ用の放射パターンマスクに対して上記In_maxおよびOut_maxを変化させることなく上記In_minのみを大きくして、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすような放射パターンを得ることができる。したがって、上記ＩrＤＡとの干渉を最小限に止めた新たな高速光通信システムにも適用可能な光源装置を得ることが可能になる。
【００１６】
また、１実施例の光源装置では、上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を放射角度±Θ内での放射強度が所定値以上であるとし、上記スペックル量をｓとした場合に、上記放射パターン設定手段によって設定される放射パターンは、光放射強度が最大光放射強度の１/２となる光放射角度を表わす指向半値角度θHが
2006108358.tif 000007
2006108358.tif 000008
2006108358.tif 000009
2006108358.tif 000010
となるようなパターンである。
【００１７】
この実施例によれば、上記ＰＰはパワーペナルティであり、上記発光素子が必要とする光出力と基準光出力との比を表している。ここで、上記基準光出力とは、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たし且つ光出力が最小となるような放射パターン(２次のスーパーガウシアン分布)の光出力である。したがって、上記発光素子のスペックル量ｓに応じて上記パワーペナルティＰＰの値を設定することによって、必要光出力を最小とする光源装置を得ることができる。
【００１８】
また、１実施例の光源装置では、上記光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を、放射角度±Θ内での放射強度がIn_min以上であり、且つ、放射角度±２Θ内での放射強度がIn_max以下であり、且つ、放射角度±２Θより外側での放射強度がOut_max以下であり、且つ、Out_max/In_min＝rであるとし、
上記スペックル量をｓとした場合に、上記放射パターン設定手段によって設定される放射パターンは、光放射強度が最大光放射強度の１/２となる光放射角度を表わす指向半値角度θHが
2006108358.tif 000011
2006108358.tif 000012
2006108358.tif 000013
となるようなパターンである。
【００１９】
この実施例によれば、製造工程等に起因する放射パターンの主に放射角度のばらつきについて、所定の光放射角度範囲に対する許容範囲を最大にすることができる。
【００２０】
また、１実施例の光源装置では、上記放射パターン設定手段は、上記放射光が入射されるレンズと、上記レンズ内に設けられた円錐側面の一部をなす金属曲面を含む反射体とを有し、
上記レンズの形状および上記反射体の形状を設定することによって上記放射パターンが設定される。
【００２１】
この実施例によれば、上記レンズまたは円錐側面の一部を用いた金属曲面からなる反射体の形状を設定することによって、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすように、上記発光素子からの放射光の放射パターンが設定される。
【００２２】
これにより、放射パターンを従来のガウシアン分布から、高次のスーパーガウシアン分布に変換することができ、通信角度２Θ外への無駄な光出力を抑制する光源装置を安価に得ることができる。
【００２３】
また、一実施形態の光源装置は、上記発光素子を封止する光源封止部を有し、
上記レンズおよび上記反射体は上記光源封止部上に配置され、
上記放射パターンを実現するレンズの形状および上記反射体の形状は、光の出射方向における上記レンズの半径がｒ１(mm)、光の出射方向と直交する垂直面における上記レンズの半径がｒ２(mm)、上記反射体の高さがｈ(mm)、上記レンズの底面と上記光源封止部の上面との界面での光源直径がｄ１(mm)、上記反射体下端の内径の半径がｄ２(mm)である時、４次のスーパーガウシアン分布を得る上記各パラメータは、概ね、
０．２５≦ｒ１≦１．５０、
１．００≦ｒ２≦１．７５、
１．５０≦ｈ  ≦２．００、
０．５０≦ｄ１≦０．７５、
ｄ１／２≦ｄ２≦ｒ２、
である。
【００２４】
この実施形態の光源装置によれば、放射パターンを従来のガウシアン分布から、４次のスーパーガウシアン分布に変換することができ、通信角度２Θ外への無駄な光出力を抑制する光源装置を安価に得ることができる。
【００２５】
また、１実施例の光源装置では、上記放射光が入射されるレンズおよび反射体を備えると共に、上記放射パターン設定手段は、上記発光素子と、上記レンズおよび反射体との間に配置されていると共に上記放射光が上記レンズへ入射する位置を分散させる光入射位置分散手段である。
【００２６】
この実施例によれば、上記光入射位置分散手段で上記放射光が上記レンズへ入射する位置を分散させることによって、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすように、上記発光素子からの放射光の放射パターンが設定される。
【００２７】
また、１実施例の光源装置では、上記光入射位置分散手段は、上記発光素子を覆う透明樹脂およびこの透明樹脂内に混入された光拡散剤であり、上記光拡散剤の濃度を設定することによって上記放射パターンが設定される。
【００２８】
この実施例によれば、上記光拡散剤の濃度を設定して上記放射光の上記レンズへの入射位置を分散させることによって、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすように、上記発光素子からの放射光の放射パターンが設定される。
【００２９】
また、１実施例の光源装置では、上記光入射位置分散手段は光拡散板である。
【００３０】
この実施例によれば、上記光拡散板により上記放射光の上記レンズへの入射位置を分散させることによって、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすように、上記発光素子からの放射光の放射パターンが設定される。
【００３１】
また、１実施例の光源装置では、上記放射光が入射されるレンズ、及び反射体を備え、上記放射パターン設定手段は、上記放射光の上記レンズと空気との界面への入射角度を分散させる光入射角度分散手段である。
【００３２】
この実施例によれば、上記光入射角度分散手段で上記放射光の上記レンズと空気との界面への入射角度を分散させることによって、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすように、上記発光素子からの放射光の放射パターンが設定される。
【００３３】
また、１実施例の光源装置では、上記光入射角度分散手段は、上記レンズに混入された光拡散剤であり、上記光拡散剤の濃度を設定することによって上記放射パターンが設定される。
【００３４】
この実施例によれば、上記光拡散剤の濃度を設定して上記放射光の上記レンズと空気との界面への入射角度を分散させることによって、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすように、上記発光素子からの放射光の放射パターンが設定される。
【００３５】
また、１実施例の光源装置では、上記放射パターン設定手段は、さらに、上記放射パターンを、最小の光出力を呈するパターンとなるように、上記スペックル量に応じて設定するようになっている。
【００３６】
この実施例によれば、上記放射パターン設定手段の機能によって、半導体レーザのごとくスペックル量がＬＥＤよりも大きな値を呈する発光素子を用いた場合であっても、必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすことができる。さらに、光出力を最小にすることができる。
【００３７】
また、１実施例の上記In_max/In_min＝ＲおよびOut_max/In_min＝ｒである光源装置では、上記Ｒの値が
２≦Ｒ≦３.５
である。
【００３８】
従来のＩrＤＡとの干渉を最小限に止めるためには、上記In_minのみ変化させてIn_maxおよびOut_maxは変化させるべきではない。この実施例によれば、上記Ｒの値をＩrＤＡの場合のＲ＝５よりも小さい２≦Ｒ≦３.５としている。したがって、上記In_maxをＩrＤＡの場合と同一にすると、放射角度±Θ内での最小放射強度In_minをＩrＤＡの場合の１.４倍〜２.５倍にまで高めることが可能になる。すなわち、ＬＥＤよりも大きなスペックル量を有する半導体レーザ(上記アイセーフレーザ等)を用いた場合であっても、ＩrＤＡとの干渉を最小限に止めた高速光通信システム用の光源装置を提供することができる。
【００３９】
また、１実施例の上記In_max/In_min＝ＲおよびOut_max/In_min＝ｒである光源装置では、上記ｒの値が
０.４≦ｒ≦０.７
である。
【００４０】
従来のＩrＤＡとの干渉を最小限に止めるためには、上記In_minのみ変化させてIn_maxおよびOut_maxは変化させるべきではない。この実施例によれば、上記ｒの値をＩrＤＡの場合のｒ＝１より小さい０.４≦ｒ≦０.７としている。したがって、上記Out_maxをＩrＤＡの場合と同一にすると、放射角度±Θ内での最小放射強度In_minをＩrＤＡの場合の１.４倍〜２.５倍にまで高めることが可能になる。すなわち、ＬＥＤよりも大きなスペックル量を有する半導体レーザ(上記アイセーフレーザ等)を用いた場合であっても、ＩrＤＡとの干渉を最小限に止めた高速光通信システム用の光源装置を提供することができる。
【００４１】
また、１実施例の上記In_max/In_min＝ＲおよびOut_max/In_min＝ｒである光源装置では、上記θＨは
2006108358.tif 000014
2006108358.tif 000015
である。
【００４２】
この実施例によれば、上記パワーペナルティＰＰが取り得る許容範囲を最大にすることができる。
【００４３】
また、１実施例の光源装置では、上記ＰＰの値は３よりも小さい。
【００４４】
一般的に、半導体レーザにおける電流‐光変換効率は、ＬＥＤよりも３倍〜４倍程度高い。この実施例によれば、上記パワーペナルティＰＰの値は３よりも小さくなっている。したがって、上記スペックル量がＬＥＤよりも大きな半導体レーザを用いることによって上記基準光出力に対するペナルティが発生しても、ＬＥＤと同程度の光出力を得ることができる。
【００４５】
また、この発明の光通信システムは、この発明の光源装置を用いたことを特徴としている。
【００４６】
上記構成によれば、半導体レーザのごとくスペックル量がＬＥＤよりも大きな値を呈する発光素子を用いた場合であっても、必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすような放射パターンを得ることが可能な光源装置が用いられている。したがって、例えば、従来のＩrＤＡ用の放射パターンマスクに対して上記In_maxおよびOut_maxを変化させることなく上記In_minのみを大きくして、上記ＩrＤＡとの干渉を最小限に止めた新たな高速光通信システムを提供することが可能になる。
【発明の効果】
【００４７】
以上より明らかなように、この発明の光源装置は、スペックルを生ずる発光素子からの放射光の放射パターンを、放射パターン設定手段によってスペックル量に応じて設定するので、スペックル量がＬＥＤよりも大きな半導体レーザを上記発光素子として用いた場合でも、適用される光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満たすような放射パターンを得ることができる。
【００４８】
また、この発明の光通信システムは、この発明の光源装置を用いているので、例えば、従来のＩrＤＡ用の放射パターンマスクに対して上記In_maxおよびOut_maxを変化させることなく上記In_minのみを大きくした放射パターンマスクにも適合することができる。したがって、上記ＩrＤＡとの干渉を最小限に止めることができ、ＬＥＤよりも大きなスペックル量を有する半導体レーザを用いた高速光通信システムを提供することができる。
【００４９】
更に、高次のスーパーガウシアン分布が得られることから、通信角度２Θ外への無駄な光出力を抑制でき、低消費電力化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５１】
図１は、本実施の形態の光源装置における一例を示す断面図であり、図２は放射パターンマスクを示す図であり、図３は図１に示す光源装置の放射パターンＧ２を示す。つまり、図３は放射強度分布図である。なお、図３には、反射体を備えないレンズのみによる構成の比較例で得られる放射強度分布Ｇ１,Ｇ０も、合わせて示してある。この発明は、スペックルを有する光源の指向半値角度の調整が重要であるため、始めにこの発明で用いられるスペックルおよびスペックル量について説明する。
【００５２】
図３の細実線による光強度分布Ｇ１およびＧ２は、光源(レーザ素子)から１ｍ離れた位置で開口２mmφの受光器で受光した際の放射強度分布であり、レーザのスペックル(ランダムな光の強度の変動)が見られる。同様に、太破線による光強度分布Ｇ０は、光源から１ｍ離れた位置で開口２０mmφの受光器で受光した際の放射強度分布である。この場合には、開口内でスペックルが合成され、強度変動の小さい分布Ｇ０が測定される。
以下においては、前者(細実線Ｇ１およびＧ２)を単に放射強度分布(Intensity)と呼び、後者(太破線Ｇ０)を平均化放射強度分布(Averaged Intensity)と呼ぶことにする。
【００５３】
スペックルは、上述のように確率的な振る舞いをするので、開口径が小さい程大きく現れる。したがって、光通信システムを決定すると、その光通信システムにおいて現れ得る最大スペックルは、当該光通信システムの最大通信距離および最小受光サイズが決まることから一意に決定されることになる。例えば、ＩrＤＡ１.１としては、受光器は２mmφ程度の受光面積を有するものが最小であって、通信距離は最大１ｍである。したがって、図３に細実線Ｇ２で示す放射強度分布の測定方法によって得られたスペックルは、本実施の形態の光源装置をＩrＤＡ１.１の光通信システムに採用した場合の受光器で受光された受光量の変動を意味しているのである。
【００５４】
さて、図４に、図３における放射強度と平均化放射強度との比を示す。この場合には、平均化放射強度分布が、ピーク値からこのピーク値の１/ｅ2(ｅは自然対数の底≒２.７１８)までの放射角度の範囲のみを考慮している。これは、経験によれば、平均化放射強度分布がピーク値の１/ｅ2よりも小さい領域においては、スペックルが小さくなる現象が見られるためである。
【００５５】
図４において、放射強度と平均化放射強度との比の値の分布における標準偏差に基づいてスペックル量を決定するのであるが、平均化放射強度分布がピーク値の１/ｅ2を下回る領域までのデータを含むと上記標準偏差の値が小さくなり、実際に考慮したい角度範囲でのスペックル量を再現しないことになる。したがって、平均化放射強度分布がピーク値の１/ｅ2を下回る領域を排除することによって、見かけ上のスペックルの低下を防ぐことができるのである。図４においては、明らかに、放射強度は平均化放射強度の周りに分布しており、その分布の仕方は確率事象であることが確認できる。実際に、放射強度と平均化放射強度との比の値の分布をヒストグラムとして表すと図５に示すようになる。図５の斜線ハッチングを施した領域で表されたヒストグラムによれば、放射強度と平均化放射強度との比の値はランダムな確率事象であり、正規分布している。このときの標準偏差(σ)は０.０４５である。
【００５６】
また、図５の上記斜線ハッチングが施されたヒストグラムに重ねて描かれた白抜きのヒストグラムは、先に、本願発明人等が提案した幾つかのアイセーフレーザに関してその放射強度と平均化放射強度との比の分布を示している。この標準偏差はおよそ０.０１６〜０.１０に分布していることが確認できる。後で述べる実施例においても、標準偏差は概ねこの範囲に含まれる。
【００５７】
スペックル量ｓは、上記放射強度と平均化放射強度との比の標準偏差σに対して３σ〜６σの範囲で決定する。スペックル量ｓを３σとすることによって、スペックル量ｓ以上のスペックルが表れる確率は０.００１３５以下となる。また、スペックル量ｓを５σとすることによって、スペックル量ｓ以上のスペックルが表れる確率を０.００００００２９以下にすることができる。このように、上記標準偏差σに３〜６の値を乗じた量をスペックル量ｓと言う。この値は、光通信システムによって異なることが考えられるが、通常５σ程度であると考えられる。本実施の形態においては、スペックル量ｓ＝５σと定義して、以下、各実施例について説明することにする。尚、以下、放射強度と平均化放射強度との比の値の分布における標準偏差σをスペックルの標準偏差と言う。
【００５８】
・第１実施の形態
（実施例１）
図１は、１００Ｍbps光通信システム用の光源装置の断面図である。この光源装置は、ガラスエポキシ基板４上（基板材料は例として、テフロン、紙エポキシ、紙フェノール、コンポジット等でも良く、本実施例以下ではガラスエポキシを用いた場合を示す）に所定角度の傾斜面と底面とを有するザグリ穴５が形成され、その内部の上記底面上には半導体レーザ１が実装されている。ザグリ穴５の底面および傾斜面からガラスエポキシ基板４の上面にかけて、半導体レーザ１の下部電極用パッドとなる配線パターン７が形成されると共に、金メッキが施されて半導体レーザ１からの光を上方へ導くための光反射部ともなっている。半導体レーザ１の上部電極(図示せず)とガラスエポキシ基板４の上面に形成された上部電極用パッド８とが、金ワイヤ３によって接続されている。電極パッド８は、ザグリ穴５の底面に電極パターンを設け、そこに電極パッド８を配置してもよい。そして、上部電極用パッド８から、配線パターン７へ通電することによって、半導体レーザ１が発光して、半導体レーザ１の端面から放射光２が放射される。
【００５９】
上記ザグリ穴５の内部には、光拡散剤(材料はアクリル、スチレン、ＴｉＯ２等でも良く、本実施例ではアクリルとした)を重量比率１％程度含有したゲル状あるいはゴム状のシリコン樹脂で作製された光源封止部９（樹脂は一例として、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂等でも良く、本実施例以下ではシリコン樹脂を用いた場合を示す）が充填してある。したがって、レーザ光２は、ザグリ穴５内でランダムな方向へ散乱されて、シリコン樹脂からなる光源封止部９から出射される際には１００μm程度の広がりを有する光束となる。
【００６０】
サグリ穴５およびその両側におけるシリコン樹脂９の上面には、円柱を円錐台状に刳りぬかれ、光が反射する斜面に金メッキ等が施された反射体１０と、エポキシ樹脂(樹脂材料は例として、シリコン樹脂、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂等でも良く、本実施例以下ではエポキシ樹脂を用いた場合を示す)からなるレンズ６が形成されている。
【００６１】
図１に示すように、上記反射体１０は、テーパ状斜面１０Ａを有し、この斜面１０Ａは断面において直線である。なお、実開平７−３４４６７号公報や、特開２００２−９４１２９号公報のように、反射面を放物面などの凹面鏡状にした例があるが、加工の面で精度を上げるのが容易ではなく、従ってコスト面で不利である。本例ならば、ザグリ加工と同様の工程で作製することも可能である。
【００６２】
ザグリ穴５で拡散された半導体レーザ１からの出射光は、上記光反射体１０で反射され、レンズ６を経て空間へ放射される。その際に、レンズ６の直径は３.５mmであり、上述した光束の広がり１００μmに比べて３０倍以上大きくなっている。したがって、放射パターンは、レンズ６によって良く制御されることになる。実際に、半球のエポキシ樹脂で成るレンズ６の曲率を調整することによって、指向半値角度θHが１８.８度(θH＝０.３３rad)であり、上記スペックルの標準偏差σがσ＝０.０８であり、スペックル量ｓがｓ＝５×σ＝０.４０である４次のスーパーガウシアン分布となる光源装置を得ることができた。尚、スペックル量ｓは上記出射光の拡散程度によって変化させることができる。本実施例の場合には、拡散剤(アクリル)の濃度が薄く比較的大きなスペックルとなっている。
【００６３】
次に、図６を参照して、上記放射パターンを実現するレンズ６、及び反射体１０の形状について説明する。図６において記載の参照番号は、図１と同じである。また、ｒ１(mm)、ｒ２(mm)はそれぞれ回転楕円体の部分であるレンズ６の各半径であり、ｈ(mm)は反射体１０の高さであり、ｄ１(mm)はシリコン樹脂からなる光源封止部９の表面９Ａでの光源直径であり、ｄ２(mm)は反射体１０の下端１０Ｂの内径（半径）である。
【００６４】
４次のスーパーガウシアン分布を得る上記ｒ１(mm)、ｒ２(mm)、ｈ(mm)、ｄ１(mm)、ｄ２(mm)の各パラメータは、概ね以下となる。
０．２５≦ｒ１≦１．５０
１．００≦ｒ２≦１．７５
１．５０≦ｈ  ≦２．００
０．５０≦ｄ１≦０．７５
ｄ１／２≦ｄ２≦ｒ２
【００６５】
この実施例１では、一例として、ｒ１(mm)＝１．５５、ｒ２(mm)＝１．７５、ｈ(mm)＝２．０、ｄ１(mm)＝０．７５、ｄ２(mm)＝０．４０、とした結果を説明している。
【００６６】
図１に示すような構成を有し、上述のような特性を有する光源装置を上記ＩrＤＡ１.１に適用した場合について説明する。ＩrＤＡ１.１においては、背景技術において説明したように、図１４に示すような放射パターンマスクが要求される。その場合、この光源装置が満たすべき光出力の条件は、以下のようになる。
【００６７】
先ず、通信角度が±１５度(±０.２６rad)以内における放射強度が１００mＷ/srを下回らないようにするための条件は、上述したスーパーガウシアン分布ＳＧ(θ)の式より、光出力Ｐについて、不等式、
2006108358.tif 000016
が成立することである。また、光軸上における放射強度が５００mＷ/srを超えないための条件は、光出力Ｐについて、不等式、
2006108358.tif 000017
が成立することである。
【００６８】
したがって、上記光源装置に必要な光出力ｐは、ｓ＝０.４０、ｎ＝４であるから、
７９mＷ≦ｐ≦１２７mＷ
となる。すなわち、上記光源装置における光出力ｐを、上記範囲内で調整することによって、ＩrＤＡ１.１の放射パターンマスクを逸脱しない光源装置を提供することができるのである。
【００６９】
（比較例１）
実施例１の場合と同様にＩrＤＡ１.１に適用されると共に、スペックル量ｓ＝０.４０となる光源装置であって、反射体１０が無く、レンズ６の曲率が従来のように指向半値角度θHが１５度となるような形状である場合の比較例について述べる。つまり、２次のスーパーガウシアン分布の場合を仮定する。
【００７０】
この場合、通信角度エリアが±１５度内における放射強度が１００mＷ/srを下回らないようにするためには、光出力ｐとして１０９mＷ以上が要求される。ところが、その場合には、光軸上における放射強度が最大で５３０mＷ/srとなってしまい、ＩrＤＡ１.１用の光源として用いることができないのである。
【００７１】
図７は、上記実施例１および比較例１におけるスペックル量ｓと指向半値角度θHとをプロットしたものである。Ｘ１は上記実施例１を示し、Ｙ１は上記比較例１を示している。
【００７２】
図７において、縦軸は指向半値角度θHを通信角度(図２におけるΘ、実施例１および比較例１では１５度)で除した値である。図中の太線は、Ｒ＝２、Ｒ＝３.５、Ｒ＝５およびｒ＝０.４、ｒ＝０.７、ｒ＝１の場合に、上記放射パターンマスクから規定される指向半値角度θHの範囲を表示したものである。ここで、Ｒ＝(In_max)/(In_min)であり、ｒ＝(Out_max)/(In_min)である。但し、「In_max」は最大放射強度であり、「In_min」は放射角度が±Θ以内での最小放射強度であり、「Out_max」は放射角度が±２Θよりも外側での最大放射強度である。
【００７３】
ここで、上記指向半値角度θHとスペックル量ｓとの関係式は、次のようにして導き出される。すなわち、図２に示す放射パターンマスク内に上述したガウシアン分布ＳＧ(θ）（図２に点線で示す曲線)が収まる条件は、式(１)〜式(３)の３つの不等式で表される。
2006108358.tif 000018
但し、Ｐは光出力
【００７４】
ここで、式(１)と式(２)とを組み合わせてａについて解くと、
2006108358.tif 000019
となる。さらに、式(１)と式(３)とを組み合わせてａについて解くと、
2006108358.tif 000020
となる。
【００７５】
また、放射角度０での放射強度は指向半値角度θHでの放射強度の２倍であるから、スーパーガウシアン分布ＳＧ（θ）の式より、式(８)
2006108358.tif 000021
が得られる。これより、
2006108358.tif 000022
となるため、式(９)を解いて
2006108358.tif 000023
が得られる。また、その場合におけるａの範囲は、式(５)と式(７)とから、
2006108358.tif 000024
となる。
【００７６】
ところで、実施例１の場合にはＩrＤＡ１.１の放射パターンマスクを用いている。したがって、Ｒ＝５の太破線およびｒ＝１の太破線の内側が適合範囲である。これにより、スペックル量ｓが０.６２を超えるような場合には、ＩrＤＡ１.１に適用可能な光源装置は得られないことが分かる。
【００７７】
従来のようにＬＥＤを用いた光源装置においては、スペックル量ｓは０.０５以下であり、指向半値角度θHの許容範囲は広い。そのために、指向半値角度θHは任意に設定できると言っても過言では無い。その際に、最小限の光出力で放射パターンマスクの要件を達成するために、２次のスーパーガウシアン分布なら、０.８５＜指向半値角度/通信角度＜１にすることが望ましい。
【００７８】
一方、本実施例１のごとく上記スペックル量ｓが０.０５よりも大きいスペックルを有する光源装置の場合には、スペックル量ｓに応じた指向半値角度θHになるように、光源の放射強度分布を設定する必要がある。そこで、本実施例１においては、スペックル量ｓに応じた指向半値角度θHになるような放射強度分布の制御を、上記放射パターン設定手段であるレンズ６の形状と反射体１０の斜面１０Ａの角度を制御することによって行うのである。
【００７９】
例えば、図８に示すように、エポキシ製のレンズ６のガラスエポキシ基板４表面からの高さを、図１の構造に比して抑えた構造にした場合には、図１の構造の場合よりも更に指向半値角度θHを広くすることが可能である。尚、図８においては、図１と同じ機能を有する部材には図１と同一の番号を付している。
【００８０】
以上のごとく、本実施例１においては、出射光の拡散程度が小さく大きなスペックル量ｓを呈する半導体レーザ１を用いた光源装置を上記ＩrＤＡ１.１に適用するに際して、図７に示すごとくＩrＤＡ１.１のＲおよびｒに応じて求められたスペックル量ｓと指向半値角度θH/通信角度との関係から、上記スペックル量ｓに応じた指向半値角度θHになるように、シリコン樹脂９に光拡散剤を含有させると共に、エポキシ製のレンズ６の形状、および、反射体１０の斜面１０Ａの角度を制御するようにしている。したがって、最小の光出力で、ＩrＤＡ１.１の放射パターンマスクに適合した放射強度分布を有する光源装置を得ることができるのである。
【００８１】
（実施例２）
本実施例は、実施例１で用いたＩrＤＡとは異なる１００Ｍbpsの通信速度を有する光通信モジュールに適用される光源装置の例である。ここで、本実施例において用いられる光通信モジュールは、放射パターンマスクが、±１５度以内での最小放射強度(In_min)＝２５０mＷ/sr、最大放射強度(In_max)＝５００mＷ/sr、±３０度よりも外側での最大放射強度(Out_max)＝１００mＷ/sr、Ｒ＝(In_max)/(In_min)＝２、ｒ＝(Out_max)/(In_min)＝０.４である光通信モジュールである。
【００８２】
１００Ｍbps通信の場合には、受光器の大きさにも依存するが光源側の放射強度として２５０mＷ/srが要求される。本実施例の場合、受光器(図示しない)の有効受光直径は３mmであり、光源装置の構成は図１に示す半球状のレンズ６と反射体１０を用いた実施例１の場合と略同じである。したがって、本実施例について、実施例１の場合と同様に図１を用いて説明する。
【００８３】
本実施例と図１に示す実施例１との差異は、上記ザグリ穴５内に充填されたシリコン樹脂製の光源封止部９に、光散乱剤が高濃度(重量比率５％)に含まれていることである。したがって、この場合、シリコン樹脂製の光源封止部９から出射される光線の空間広がりは５００μmに及ぶ。同時に、ザグリ穴５内での散乱回数が増すことによって、スペックル量の低減が実現できることになる。本実施例の場合は、スペックルの標準偏差はσ＝０.０２であり、スペックル量はｓ＝０.１である。この場合、ザグリ穴５直後での光分布の広がりが、放射強度分布を広げる効果を有している。その結果、光源の指向半値角度θHを２３．９度に設定することができる。
【００８４】
すなわち、本実施の形態においては、上記シリコン樹脂９に含有された光拡散剤によって上記光入射位置分散手段を構成し、レンズ６、および反射体１０によって上記放射パターン設定手段を構成しているのである。
【００８５】
本実施例におけるスペックル量ｓと指向半値角度/通信角度とを、実施例１の場合と同様に図７にプロットする。Ｘ２が本実施例２を示す。
【００８６】
本光源装置に最適な電流を注入することによって、光出力２２０mＷが得られ、この時、±１５度以内での最小放射強度＞２５０mＷ/sr、光軸上最大放射強度＜５００mＷ/sr、±３０度よりも外側での最大放射強度＜１００mＷ/srの放射強度分布を持つ光源が得られた。この場合、Ｒ＝(In_max)/(In_min)＝２およびｒ＝(Out_max)/(In_min)＝０.４であり、図７から分かるように、スペックル量ｓと指向半値角度/通信角度とは、Ｒ＝２の太実線およびｒ＝０.４の太鎖線の内側にあり、本実施例２で用いる１００Ｍbpsの通信速度を有する光通信モジュール用の放射パターンマスクの適合範囲内にあることが分かる。これにより、本光源装置の通信エリア外に存在する光端末に干渉することなく(つまり、ＩrＤＡとの干渉を最小限に止めて)、１００Ｍbpsという高速通信をこれまでと同じ通信カバーエリアを確保しつつ実現することができるのである。
【００８７】
本実施例２の光源装置においては、上記スペックル量ｓは０.１であり、そのために、１００Ｍbps用の光通信モジュールに用いる場合には、指向半値角度θHは通信角度Θの約１.０５倍以上に限定されることが明らかになった。その場合、本実施例２では、シリコン樹脂の光源封止部９に含まれる光散乱剤の濃度を制御してレンズ６の内側に存在する光線の空間広がりを拡大/縮小することによって、指向半値角度θHを上述の範囲に入るように制御できることを例示している。
【００８８】
光通信モジュールを製造する際、製造工程等に起因する放射パターンのばらつきが発生することが予想される。ここでは、主に放射角度のばらつきのことを指し、本光源装置の放射角度のばらつきをでき得る限り多く許容できる指向半値角度θHで製造することが望ましい。その際、消費電力が増大することは望ましくないので、消費電力つまり必要な光出力を最小にできる場合を選択することが要求される。
【００８９】
上記ばらつきを最も許容できる放射パターンは、放射角度±Θ内でのマスク強度In_minと同強度となる放射パターンの角度をθ１、放射角度±２Θより外側でのマスク強度Out_maxと同強度となる放射パターンの角度をθ２として、式（１２）を満たす場合である。
2006108358.tif 000025
また、θ１、θ２におけるスーパーガウシアン分布は、
2006108358.tif 000026
2006108358.tif 000027
と表されるので、式（１３）、式（１４）をθ１、θ２についてそれぞれ解き、式（１２）に代入すると、Ｉ0を角度０での放射強度として、
2006108358.tif 000028
となる。式（１５）をａについて解き、θHとの関係を求めると、
2006108358.tif 000029
2006108358.tif 000030
となる。
【００９０】
上記指向半値角度θHで製造することで、製造上の放射角度ばらつきに対する耐性が向上する。
【００９１】
このようにして得られた指向半値角度θHは、スーパーガウシアン分布の次数ｎに依存して変化し、必要な光出力、つまり消費電力が変化する。一例として図９に、In_min＝Out_max＝１００ｍＷ/sr、In_max＝５００ｍＷ/sr、光出力のばらつきに対する耐性から、ピーク出力（角度０）をIn_minとIn_maxの各強度の中点となる３００ｍＷ/ｓｒ（（In_min＋In_max）/２）とした時、スペックル量ｓ＝０（実線）、スペックル量ｓ＝０．３（破線）の各場合の次数ｎに対する必要光出力Ｐ[ｍＷ]の関係を示す。
【００９２】
図９からわかるように、ｓ＝０、ｓ＝０．３の双方共に、次数ｎ＝４で必要となる光出力を最も小さくでき、その時の光出力はそれぞれ１２１ｍＷ（ｓ＝０）、１２６ｍＷ（ｓ＝０．３）である。また、ｓ＝０なら概ね１０次までのスーパーガウシアン分布、ｓ＝０．３なら概ね２０次までのスーパーガウシアン分布が、一般的な発光素子の放射パターンであるガウシアン分布（２次のスーパーガウシアン分布）より少ない光出力で実現できることがわかる。なお、ｎ＝４における指向半値角度θHは、ｓ＝０で２０．１°、ｓ＝０．３で２０．５°となる。
【００９３】
基地局等の屋外で本実施例２の光源装置を用いた場合、温度差が室内に比べて大きく、本光源装置の主に光出力が変動する。その結果、光出力のばらつきが問題となる。ここで、光出力のばらつきを許容できる指向半値角度θHは放射パターンマスク形状に依存するが、その中でもでき得る限り多くのばらつきを許容できる指向半値角度θH(以下、θHmaxと言う)で製造することが望ましい。
【００９４】
図１０に、本実施例２の次数ｎ＝４、スペックル量s＝０.１における各指向半値角度/通信角度に対するパワーペナルティＰＰを示す。ここで、パワーペナルティＰＰとは、適用される光通信システムの放射パターンマスクに適合する放射強度分布であり、且つ、光出力が最小となる放射強度分布（２次のスーパーガウシアン分布）の光出力を、基準光出力とした場合に、光源装置の光出力と上記基準光出力との比である。図１０で、３本の曲線は光出力の放射パターンマスクによる限界を示しており、実線は放射角度±Θ(±１５度)以内での最小放射強度In_min(１００mＷ/sr)であり、破線は放射角度±２Θ(±３０度)以内での最大放射強度In_max(５００mＷ/sr)であり、一点鎖線は放射角度±２Θ(±３０度)より外側での最大放射強度Out_max(１００mＷ/sr)である。図１０より、本実施例２において指向半値角度/通信角度およびパワーペナルティＰＰの取り得る範囲は、上記３本の曲線で囲まれた領域である。特に、指向半値角度/通信角度が１.６２(指向半値角度θH：約２４．３度)の場合に最もばらつきに対する余裕度が高く、パワーペナルティＰＰはおよそ０．９〜６．７までの５．８だけ許容できる。
【００９５】
したがって、上記スペックル量ｓが０.1である本実施例２の場合には、温度変化によるパワー変動と、製造上の放射角度変動を考慮して、指向半値角度θHが概ね２０度〜２５度になるように作製することが望ましいと言える。尚、本実施例２においては、先に述べたように、シリコン樹脂製の光源封止部９に含まれる光散乱剤の濃度を重量比率５％にして指向半値角度θHが２３．９度に設定されている。したがって、光出力のばらつきに対して概ね望ましい指向半値角度θHを有する光源装置であることが分かる。
【００９６】
図１０では、スペックル量ｓが０．１である本実施例２の場合を示したが、ここでは、上記パワーペナルティＰＰの許容範囲を最大にする放射強度分布について、一般化して説明する。図１０からわかるように、上記最大放射強度In_maxの曲線と最大放射強度Out_maxの曲線との交点αでの指向半値角度/通信角度で光源装置を作成した場合、パワーペナルティＰＰの許容量を最大にすることができる。そして、上記交点αを与えるような放射強度分布が、パワーペナルティＰＰの値を最大にする放射強度分布となるのである。
【００９７】
上記交点αを与える放射強度分布は、放射角度０と放射角度２Θとにおいて放射パターンマスクに接するような放射強度分布である。したがって、このような放射強度分布は、スーパーガウシアン分布ＳＧ（θ）の式より、式(１８)と式(１９)とを満たすことになる。
2006108358.tif 000031
この式(１８)と式(１９)とを連立させて解くことによって、上記交点を与える放射強度分布を規定する「ａ」を求めることができる。つまり、式(１８)から
2006108358.tif 000032
が得られ、この式(２０)と式(１９)とからａを求めると、
2006108358.tif 000033
となる。すなわち、式(１０)と式(２１)とで表される放射強度分布が、放射角度±Θ以内での放射強度がIn_min以上であり、放射角度±Θ内での放射強度がIn_min以上であり、放射角度±２Θ内での放射強度がIn_max以下であり、放射角度±２Θよりも外側での放射強度がOut_max以下であり、In_max/In_min＝ＲおよびOut_max/In_min＝ｒである放射パターンマスクに適合し、且つ、パワーペナルティＰＰの許容範囲を最大にする放射強度分布である。
【００９８】
・第２実施の形態
（実施例３）
図１１は、実施例３における光源装置の断面図である。この光源装置は、上記ＩrＤＡ１.１用の光源として供される。図１１において、半導体レーザ１１、金ワイヤ１３、ガラスエポキシ基板１４、ザグリ穴１５、配線パターン１７、上部電極用パッド１８および反射体２０は、図１に示す上記第１実施の形態の光源装置における半導体レーザ１、金ワイヤ３、ガラスエポキシ基板４、ザグリ穴５、配線パターン７、上部電極用パッド８および反射体１０と同じである。
【００９９】
本実施例３における光源封止部としてのシリコン樹脂１９にはアクリル等の光拡散剤は含まれていない。その代わりに、エポキシ樹脂で構成された半球状のレンズ１６に光拡散剤を混入させている。この場合、光拡散剤が混入される母剤が異なるため当然ながら散乱剤そのものも代わり、エポキシ樹脂中には、シリカ粒子等を適度に添加することによって光散乱を最適化できるのである。
【０１００】
すなわち、本実施例３においては、上記レンズ１６に含有された光拡散剤によって、上記光入射角度分散手段を構成しているのである。
【０１０１】
本実施例３におけるレンズ１６は、光散乱剤がない場合に、レンズ１６から放射されるレーザ光は光軸に略平行な光線になるように構成されている。つまり、散乱剤がない場合における指向半値角度θHは０度になっている。これに対して、レンズ１６内部に散乱剤を添加することによって、レンズ１６の界面(エポキシ樹脂と空気との界面)に入射する光線の角度分布をある幅で分散させることができる。そして、この分散と反射体２０によって、レンズ１６から空気中へ放射される光線の放射強度分布は指向半値角度θH(≒０)のスーパーガウシアン分布とすることが可能となり、指向半値角度θHは上記散乱剤の濃度を調整することで変更可能となる。尚、本実施例３においては、１回の散乱での平均散乱角度が小さい散乱剤を用いている。この場合、散乱角度の余弦の平均値で表される散乱因子ｇの値は０.９以上である。
【０１０２】
上記構成を有する本実施例３における光源装置のスペックル量ｓは０.２５であり、指向半値角度θHは１４.８度である。本実施例におけるスペックル量ｓと指向半値角度/通信角度とを、第１実施の形態の場合と同様に図７にＸ３でプロットしている。図７に符号Ｘ３で示される点から分かるように、スペックル量ｓと指向半値角度/通信角度とは、本実施例３で用いるＩrＤＡ１.１用の放射パターンマスク(Ｒ＝５、ｒ＝１)に適合している。
【０１０３】
尚、図７において、縦軸上に示されるＰＰ＝−１．２ｄＢの記号「＋」で示される点は、通信角度の範囲内において、光出力を最小にする指向半値角度θHを示している。つまり、通信角度が±１５度である場合には、指向半値角度θHは１６.３度で光の利用効率が最大になる。半導体レーザを用いる場合には上記スペックルが発生し、そのスペックル量ｓに応じて必要パワーが増大する。そして、ＰＰ＝３ｄＢを表す二点鎖線で囲まれた領域での必要光出力は、ＰＰ＝０ｄＢである場合の光出力を基準光出力として、必要光出力＜(２×基準光出力)となる。そして、ｎ＝４の場合、ＰＰ＝３ｄＢにおいて、指向半値角度θHが１６．３度でスペックル量ｓが最大となる。つまり、スペックルに対する許容範囲が最大となり、次数ｎの増大とともに許容可能なスペックル量ｓ、指向半値角度θHともに増大する。
【０１０４】
ここで、上記パワーペナルティＰＰと指向半値角度θHとスペックル量ｓとの関係を表す式は、次のようにして導き出される。すなわち、放射角度Θで放射パターンマスクに接する放射強度分布(基準放射強度分布)は実際の光源装置における放射強度分布よりも下回ることから、基準放射強度分布の光出力をＰ0とし、上記ａをａ0、ｇをｇ0とすると、式(２２)
2006108358.tif 000034
が得られる。また、パワーペナルティＰＰの定義からＰ/Ｐ0＝ＰＰ(＞１)である。したがって、式(２２)は式(２３)のごとく変形できる。
2006108358.tif 000035
【０１０５】
また、上記ａ0、ｇ0は、基準放射強度分布の光出力Ｐ0が最小になるように設定する必要がある。ここで、基準放射強度分布を２次のスーパーガウシアン分布とする。しかし、解析的にＰ0を最小にするａ0を求めることはできないため、２次のスーパーガウシアン分布とほぼ等しい分布を有するランバート分布で置き換えて、解析的にａ0を求めることにする。ランバート分布は指向半値角度を決めるｎ0を用いると、放射角度Θにおける放射強度Ｉ0は、
2006108358.tif 000036
となる。まず、式(２４)において、Ｐ0を最小にするようなｎ0を求めればよい。つまり、次式(２５)
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＝０                              …（２５）
をｎ0に付いて解けば、式(２４)においてＰ0を最小にするｎ0が次式(２６)のごとく求められる。
2006108358.tif 000038
【０１０６】
ランバート分布では、次式（２７）
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の関係が成り立つ。ａ0とθ0は上記の式（１０）を適用して、
2006108358.tif 000040
となる。
【０１０７】
すなわち、上記パワーペナルティＰＰと指向半値角度θHとスペックル量ｓとの関係は式(２３)で表され、その場合の「ａ0」は式(２８)で表されるのである。
【０１０８】
なお、式（２８）のａ0から、ｇ0は次式（２９）を満たすよう決定される。
2006108358.tif 000041
【０１０９】
ところで、消費電力の観点から、光出力はできるだけ低い方が望ましい。また、スペックルに対する許容範囲はできるだけ大きい方が望ましい。この考え方に基づいて、本実施例３においては、指向半値角度θHが１６.３度になるように、レンズ１６に混入される散乱剤の濃度を調節している。したがって、ＩrＤＡ１.１の放射パターンマスクに適合すると共に、上記基準光出力と同程度の低い光出力の光源装置を得ることが可能になるのである。
【０１１０】
一般的に、半導体レーザにおける電流‐光変換効率は、ＬＥＤよりも３倍〜４倍程度高い。したがって、スペックルを含むことによって上記基準光出力に対するペナルティが発生しても、そのペナルティの値が３以下程度であれば半導体レーザを用いることの優位性は揺らぐ事は無いのである。
【０１１１】
図１２および図１３は、上記実施例１〜実施例３とは異なる光源装置の断面を示す。図１２に示す光源装置において、金ワイヤ２３、ガラスエポキシ基板２４、ザグリ穴２５、レンズ２６、配線パターン２７、上部電極用パッド２８、光源封止部としてのシリコン樹脂２９および反射体３０は、図１に示す上記第１実施の形態の光源装置における金ワイヤ３、ガラスエポキシ基板４、ザグリ穴５、レンズ６、配線パターン７、上部電極用パッド８およびシリコン樹脂製光源封止部９と同じである。但し、図１２の光源装置では、レンズ２６の中心軸Ｊは、ザグリ穴２５の中心軸Ｊと同軸になっている。
【０１１２】
半導体レーザ２１は、その両端面から放射光２２aおよび放射光２２bを出射するようになっている。このことにより、シリコン樹脂２９に混入される光散乱剤の濃度を上記実施例１の重量比率１％程度から上げることなく、シリコン樹脂２９からの出射光線の空間広がりを拡大することができるのである。シリコン樹脂２９やレンズ２６に対する高濃度の散乱剤の添加は光吸収に繋がるため、上述のように上記散乱剤の濃度は低濃度の方が好ましい。また、レンズ２６の中心軸Ｊとザグリ穴２５の中心軸Ｊとが同軸である構成になっている。したがって、半導体レーザ２１は何れの方向を向いていてもレンズ２６の中心軸Ｊに対する出射光の位置が同じになり、上記実施例１〜実施例３の場合のように、レンズ６、１６の中心軸に対する出射光の位置を合わせるために半導体レーザ１、１１のチップを面内で回転させる等の製作上の問題が発生することがない。したがって、上記実施例１〜実施例３の場合に比して歩留まりが向上すると言う全く別の効果を奏することができるのである。尚、図１２におけるレンズ２６には光拡散剤が含まれていないが、光拡散剤を含んでいても差し支えない。
【０１１３】
また、図１３に示す光源装置において、金ワイヤ３３、ガラスエポキシ基板３４、ザグリ穴３５、配線パターン３７、上部電極用パッド３８、シリコン樹脂３９および反射体４０は、図１に示す上記第１実施の形態の光源装置における金ワイヤ３、ガラスエポキシ基板４、ザグリ穴５、配線パターン７、上部電極用パッド８およびシリコン樹脂製の光源封止部９と同じである。また、半導体レーザ３１は、図１２における半導体レーザ２１の場合と同様に、両端面から放射光３２aおよび放射光３２bを出射する。また、レンズ３６は、図１２におけるレンズ２６の場合と同様に、ザグリ穴３５の中心軸Ｊと同軸の中心軸Ｊを有している。
【０１１４】
本光源装置では、上記シリコン樹脂３９とレンズ３６との間に、上記光入射位置分散手段としての光拡散板４１を配置している。この光拡散板４１は、光線の空間広がりを拡大させる機能を有しており、上記実施例１〜実施例３の場合と同様に、指向半値角度θHの調整に用いることができる。尚、図１３におけるレンズ２６およびシリコン樹脂３９には光拡散剤が含まれてはいないが、光拡散剤を含んでいても差し支えない。
【０１１５】
以上述べたごとく、上記各実施の形態の実施例によれば、ＩrＤＡに用いられるＬＥＤよりもスペックル量が大きい半導体レーザを、Ｒ＝５およびｒ＝１であるＩrＤＡや２≦Ｒ≦３.５および０.４≦ｒ≦０.７である１００Ｍbpsの高速光通信モジュールに用いることが可能になる。したがって、これまで人が存在する空間で使用することができなかった半導体レーザを、高速光無線通信システムの光源として適用することができる。その結果、上記各実施例の光源装置を用いた光無線通信システムを、パソコンや携帯端末(ＰＤＡ(パーソナル・ディジタル・アシスタント)、携帯電話)等へ搭載することによって、ＬＥＤを用いる場合に比して低消費電力であってより短時間に動画等の大容量のデータを転送することができると共に持ち運ぶことができるのである。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】この発明の光源装置における一例を示す断面図である。
【図２】放射パターンマスクを示す図である。
【図３】図１に示す光源装置の放射強度分布を示す図である。
【図４】図３における放射強度と平均化放射強度との比を示す図である。
【図５】図４に示す放射強度と平均化放射強度との比の値のヒストグラムである。
【図６】図１の光源装置における各寸法を説明する断面図である。
【図７】通信角度が±１５度の場合におけるスペックル量と指向半値角度/通信角度との関係を示す図である。
【図８】図１に示す光源装置におけるレンズ形状変更の説明図である。
【図９】図１に示す光源装置における次数ｎと光出力Ｐとの関係を示す図である。
【図１０】図１に示す光源装置におけるスペックル量が０.１である場合の指向半値角度/通信角度とパワーペナルティとの関係を示す図である。
【図１１】図１の光源装置とは異なる光源装置(第２実施形態の実施例３)の断面図である。
【図１２】図１および図１１の光源装置とは異なる光源装置の断面図である。
【図１３】図１、図１１および図１２の光源装置とは異なる光源装置の断面図である。
【図１４】ＩrＤＡ１.１またはＩrＤＡ１.３用の放射パターンマスクと光源装置の放射強度分布とを示す図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１、１１、２１、３１…半導体レーザ、
２、１２、２２a、２２b、３２a、３２b…放射光、
３、１３、２３、３３…金ワイヤ、
４、１４、２４、３４…ガラスエポキシ基板、
５、１５、２５、３５…ザグリ穴、
６、１６、２６、３６…レンズ、
７、１７、２７、３７…配線パターン、
８、１８、２８、３８…上部電極用パッド、
９、１９、２９、３９…光源封止部(シリコン樹脂)、
１０、２０、３０、４０…反射体、
４１…光拡散板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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