(57)【要約】  【課題】  中口径のプラスチック光ファイバーを用いた光通信システムにおいて、伝送損失を低く抑える。  【解決手段】  コア径が300〜600μｍのプラスチック光ファイバー31を伝送させる光Ｌにより通信を行う光通信システムにおいて、伝送させる光Ｌの、光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値を250μｍ以下、かつビーム拡がり角度を開口数(NA)で0.25以下に設定しておく。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア径が300〜600μｍのプラスチック光ファイバーを伝送させた光により通信を行う光通信システムにおいて、
前記光が前記プラスチック光ファイバーの入射端面近傍で収束するように集光され、
この光の、光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値が250μｍ以下で、かつビーム拡がり角度が開口数(NA)で0.25以下とされていることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
前記光の、光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値が200μｍ以下で、かつビーム拡がり角度が開口数(NA)で0.2以下とされていることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
【請求項３】
前記光を発する光源として半導体レーザ、LEDまたはRC-LEDが用いられ、
前記光源の発光部と前記光ファイバーとの間に、像を拡大するための光学系が設けられ、
前記発光部の最大外形の長さをＸμｍとしたとき、前記光学系の倍率が250／Ｘ以下となっていることを特徴とする請求項１または２記載の光通信システム。
【請求項４】
前記光ファイバーが、屈折率が連続的に変化するグレーデッドインデックス型プラスチック光ファイバー、もしくは屈折率が段階的に変化するステップインデックス型光ファイバーであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック光ファイバーを伝送路として用いる光通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信における光の伝送路としては、石英ガラスを主材料としたシングルモードもしくはマルチモードの光ファイバーが多く用いられて来た。これらの光ファイバーのコア径は通常100μｍ以下であり、アライメントにおいてもμｍ単位の高精度の位置合わせが必要となっている。そのため、工事現場等の一般環境下における光ファイバー敷設作業は容易ならざるものがあり、それが、光ファイバーを用いる光通信システムをさらに一段普及させる上で大きな妨げとなっている。
【０００３】
その一方、例えば特許文献１に示されるように、光通信システム用にコア径の大きなプラスチック光ファイバーも開発されているが、それらの多くは製造上の問題からステップインデックス型の構造を有するものであって、高速信号を遠距離に伝送にすることが困難となっていた。しかしながら、近年、大きなコア径を有しながらもこれらの欠点を解消し、高速伝送が可能なグレーデッドインデックス型のプラスチック光ファイバー（以下GI-POFという）が提案され、その実用化が進められている。
【０００４】
さらに近年では、市場から、低速信号も高速信号も伝送したいという要求が高まってきている。そこで、高速信号伝送用には半導体レーザを搭載した送信器を用意し、低速信号伝送用には廉価なRC-LED(Resonant Cavity Light Emitting Diode：共振キャビティー型発光ダイオード)を搭載した送信器を用意する一方、伝送路として低速信号も高速信号も伝送可能なGI-POFを用い、送る信号の速度に応じた送信器を選択使用するようにした通信システムが提案されている。
【０００５】
なお、このように低速信号も高速信号も伝送可能なプラスチック光ファイバーとしては、コア径300〜600μｍ、光ファイバーの開口数（NA：numerical aperture）が0.2〜0.4程度の中口径のGI-POFが開発されている。以下、この中口径のGI-POFについて詳しく説明する。
【０００６】
この種のGI-POFは基本的に、直径300〜600μｍのコアと、その外側に配された厚さ数十μｍ程度のクラッドとから構成される。コアとクラッドの屈折率は、伝搬光をコアに閉じ込めるために、通常の光導波路と同様にコアの方が僅かに高くなっている。またコアには、屈折率調整剤として、高屈折率で分子体積が大きい低分子化合物が添加され、それはコア中心で最も高い屈折率を有する状態で径方向に分布している。コア中の屈折率分布ｇは、ｇ＝１〜５になるように調整されている。また光ファイバーの開口数(NA)は、コアの最大屈折率Ｎ1およびクラッドの屈折率Ｎ2を用いて下の（数１）のように定義されるが、この中口径のGI-POFにおいてコアとクラッドの屈折率差ΔＮ｛＝（Ｎ1＋Ｎ2）／Ｎ1｝は、NAが0.2〜0.4になるように調整されている。
【数１】
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【０００７】
一方クラッドの材料は、コアの屈折率よりも低い屈折率を発現する等、光伝送の機能を損うものでない限り限定されないが、特にフッ素系ポリマーを用いることが屈折率の点で好ましい。そのような材料として具体的には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：波長650ｎｍに対するＮ2＝1.42）が挙げられる。コアの材料も、光伝送の機能を損なわない限り特に限定されないが、特に好ましいものとしては、光透過性の高いポリマーが挙げられる。ただし、実質的に光学的異方性が生じないか、あるいは小さくなるように、非晶質のポリマーを適用することが好ましい。さらにコアとクラッドには、互いに密着性に優れるポリマーを適用するのが望ましく、また機械的特性および耐熱性にも優れていることがより好ましい。
【０００８】
コアの具体的な材料例としては、（メタ）アクリル酸エステル類（フッ素不含（メタ）アクリル酸エステル、含フッ素（メタ）アクリル酸エステル）、スチレン系化合物、ビニルエステル類、ポリカーボネート類の原料であるビスフェノールＡ等を重合性化合物として用いて重合させたもの等が挙げられる。また、これらを原料として各々を重合させたホモポリマー、あるいはこれらのうちの２種以上を組み合わせて重合させた共重合体、さらには上記ホモポリマーや共重合体の各種組合せによる混合物もコア材料として適用可能である。これらのうち、（メタ）アクリル酸エステル類またはフッ素ポリマーを成分として含むものは、光伝送体を形成する上で特に好ましい。なお、光学部材を近赤外光用途（例えば波長750〜850ｎｍの光源、伝送等）に適用する場合は、該部材を構成するＣ−Ｈ結合に起因する吸収損失が起きる。そこで特許文献２や特許文献３に記載されているように、Ｃ−Ｈ結合の水素原子を重水素原子やフッ素等で置換したポリマーを用いることで、この吸収損失が生じる波長域を長波長化することができ、伝送光の損失を低減することができる。そのようなポリマーとしては、例えば重水素化ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ−ｄ８）、ポリトリフルオロエチルメタクリレート（Ｐ３ＦＭＡ）、ポリヘキサフルオロイソプロピル２−フルオロアクリレート（ＨＦＩＰ  ２−ＦＡ）等が挙げられる。なお、原料となる化合物は、重合後の透明性を損なわないためにも、不純物や散乱源となる異物は重合前に十分に除去されることが望ましい。
【特許文献１】特開２００４−０７８１０９号公報
【特許文献２】特許３３３２９２２号公報
【特許文献３】特開２００３−１９２７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述したようにコア径が300〜600μｍの中口径のプラスチック光ファイバーを用いる光通信システムにおいては、RC-LEDを搭載した低速伝送用送信器を用いて光信号を送った際、伝送光が光ファイバー中で想定以上に減衰してしまうことが判明した。具体的には図７に示すように、発光部１の直径が100μｍであるRC-LED２を、レンズ状凸部３を持つ透明樹脂４に封入してなる素子を光源とし、そこから発せられた光Ｌをコア径500μｍの光ファイバー（GI-POF）６に入射、伝送させたところ、250ｄＢ／ｋｍを超える予想外の過大な伝送損失が計測された。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みて、GI-POF等の中口径プラスチック光ファイバーを用いても、伝送損失を低く抑えることができる光通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光通信システムは、
コア径が300〜600μｍのプラスチック光ファイバーを伝送させた光により通信を行う光通信システムにおいて、
伝送させる光が、前記プラスチック光ファイバーの入射端面近傍で収束するように集光され、
この光の、光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値が250μｍ以下で、かつビーム拡がり角度が開口数(NA)で0.25以下とされていることを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、本発明の通信システムにおいて伝送させる光は、光ファイバー入射端面におけるスポット形状が真円となるように集光されるのが望ましいが、真円以外の楕円やその他の形状となるように集光されてもよいものであり、そのように集光される場合の「ビーム直径」とは、ビームスポットの平均的な差し渡しの長さを意味するものとする。
【００１３】
なお上記構成の光通信システムにおいてより好ましくは、上記光の、光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値は200μｍ以下とされ、かつビーム拡がり角度は開口数(NA)で0.2以下とされる。
【００１４】
また上記構成の光通信システムにおいてより好ましくは、
光ファイバーを伝送させる光を発する光源として半導体レーザ、LEDまたはRC-LEDが用いられ、
上記光源の発光部と光ファイバーとの間に、像を拡大するための光学系が設けられ、
上記発光部の最大外形の長さをＸμｍとしたとき、上記光学系の倍率が250／Ｘ以下とされる。
【００１５】
また上記光ファイバーとしては、屈折率が連続的に変化するグレーデッドインデックス型プラスチック光ファイバー、もしくは屈折率が段差状に変化するステップインデックス型光ファイバーを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明者は、前述したように低速度から高速度の光通信に対応する中口径GI-POFにおいて、伝送損失の大きい原因を解明した。まず図２に、中口径GI-POFに入射する光ビームの直径と伝送損失との関係を計測した結果を示す。なおこの場合は、図３に示す通り、光ファイバー10に入射する光Ｌとして、その拡がり角度が開口数(NA)にして0.2である光を用いた。また光ビームの直径は、１／ｅ2で定義する。図２から明らかなように、光ファイバーへの入射ビームの直径が小さいほど伝送損失が低く、損失の実用上の目安である200ｄＢ／ｋｍ以下を実現するためには、入射ビーム直径が概略250μｍ以下であることが必要である。
【００１７】
次に、光ファイバーに入射する光ビームの拡がり角度と伝送損失との関係を調べた結果を図４に示す。なお、光ビームの拡がりの角度は開口数(NA)で表してある。またこの場合の伝送損失は、伝送させる光が入射ビーム直径を200μｍとしてGI-POF端面に照射される条件で計測した。ここに図示される通り、光が一定のビーム直径で光ファイバーに入射する条件下では、開口数(NA)が小さいほど伝送損失が低くなることが判明した。
【００１８】
図５は、以上説明したGI-POF端面における光ビームの開口数(NA)と入射光のビーム直径をパラメーターとして、伝送損失を等高線型にまとめたものである。ここに示されるように、中口径GI-POFの伝送損失は入射光のビーム直径と開口数（NA）に大きな影響を受け、ビーム直径はより小さく、開口数（NA）はより狭い方が、より低い伝送損失を実現できることがわかった。
【００１９】
具体的に、実用上の目安となる200ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失を実現するには、ビーム直径が概略250μｍ以下で、かつ開口数が概略0.25以下であることが必要であり、より望ましくは、ビーム直径が概略200μｍ以下で、かつ開口数が概略0.2以下であることが必要である。本発明による光通信システムは、以上の知見に基づいて光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値を250μｍ以下とし、かつビーム拡がり角度を開口数(NA)で0.25以下としたものであり、それにより、十分実用に足りる低い伝送損失を実現可能となる。また、より好ましく、光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値が200μｍ以下で、かつビーム拡がり角度が開口数(NA)で0.2以下とされた場合は、さらに低い伝送損失を実現できるようになる。
【００２０】
ちなみに、前述の図７に示した構成において、レンズ状凸部３が形成された樹脂４に封入された一体型RC-LED２から発せられてGI-POF６に入射する光Ｌが、光ファイバー端面でビーム直径が350μｍ程度、開口数NAが0.15程度となっている場合は、最適値条件から大きく外れ（図５中の×点）、伝送損失が大きかった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
本発明の実施形態においては、「光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値が200μｍ以下で、かつ入射する光の開口数(NA)が0.2以下」という条件で光学設計を行う。光源としては、主として、(1)発光部が単独の半導体レーザ（端面発光型、もしくはVCSEL：面発光型）、(2)複数の発光部の集合体からなるアレーVCSEL、および(3)前述のRC-LEDの３つを考える。
【００２３】
(1)発光部が単独の半導体レーザ（端面発光型、もしくはVCSEL）を用いる場合
１スポットで発光する半導体レーザのように、理想的な点光源とみなせる光源の場合には、比較的容易に上記条件を満足させることができる。まず、半導体レーザの発光部の直径は、端面発光型とVCSELのいずれの場合でも20μｍ以下であり、かつ、放射した光ビームの拡がり角度も、大きめに見積もっても開口数にして0.6以下である。仮に、半導体レーザの発光部の直径を20μｍ、ビーム拡がり角度をNAで概略0.6とし、４倍の光学系を用いれば、光ファイバー入射端面でのビーム直径は80μｍ、入射する光ビームの開口数(NA)は１／４の0.15を実現でき、余裕をもって最適領域に入るようになる(図５中のＡ点)。
【００２４】
なお一般的に、光源の発光部の直径をＷ、光源から出射する光ビームの拡がり角度を表した開口数(NA)をＰ、光源とGI-POFとの間に挿入される光学系の倍率をＭとすると、集光位置に置かれた光ファイバーの端面に入射する光ビームの直径はＷ×Ｍ、入射する光ビームの開口数(NA)＝Ｐ／Ｍの関係がある。上記入射端面でのビーム直径：80μｍ、入射する光ビームの開口数(NA)：0.15という値は、これらの関係に基づくものである。また、これらの関係より、発光部の最大外形の長さをＸμｍとしたとき、光学系の倍率が250／Ｘ以下となっていれば、光ファイバー入射端面でのビーム直径の平均値を必ず250μｍ以下にすることができる。
【００２５】
また、10倍の光学系を用いた場合でも、光ファイバー入射端面でのビーム直径は200μｍ、ビーム拡がり角度は１／10の0.06となり(図５中のＢ1点)、さらに８倍の光学系を用いた場合でも、光ファイバー入射端面でのビーム直径は160μｍ、ビーム拡がり角度は１／８の約0.08と、最適領域内に入るようになる(図５中のＢ2点)。
【００２６】
以上説明の通り、４〜10倍程度の倍率の光学系を、半導体レーザと光ファイバーとの間に挿入することで、容易に「光ファイバー入射端面におけるビーム直径の平均値が200μｍ以下で、かつ入射する光の開口数(NA)が0.2以下」という条件を実現可能である。
【００２７】
(2)複数の発光部の集合体からなるアレーVCSELを用いる場合
複数の発光部を持ったVCSELの場合には、発光部の間隔を考慮する必要がある。仮に正方形の頂点に発光部20が有る、図６のような４スポットアレーVCSEL21を用いる場合を考える。ここでスポット間隔を50μｍとすれば、対角線上の間隔は約70μｍとなる。各発光部の直径を10μｍとすれば、等価的に最大外形の長さが80μｍの光源とみなす必要がある。仮に、このアレーVCSEL21の出射NAが0.3であるとすれば、倍率２倍の光学系を用いることで、光ファイバー入射端面での入射ビーム直径は160μｍ、入射ビームの開口数NAは0.15を実現でき、余裕をもって最適領域に入るようになる(図５中のＣ点)。
【００２８】
(3)RC-LEDを用いる場合
この場合は一般的に、RC-LEDの発光部の直径は、信頼性の観点から直径50〜100μｍが選ばれる。つまり直径が小さ過ぎると、電流密度が増すために望ましくないのである。したがって、発光部の直径としては、複数の発光部を持つ半導体レーザを光源とした前記(1)の場合と同等と考えればよい。仮に、RC-LEDの発光部直径を100μｍ、出射NAを0.3とし、倍率1.8倍の光学系を用いれば、光ファイバー入射端面での光ビーム直径は180μｍ、入射NAは１／２の0.17となり、最適領域に入る（図５中のＤ）。
【００２９】
次に、より具体的な実施の形態について説明する。図１は、光源としてRC-LEDを、また光ファイバーとして中口径GI-POFを用いた、本発明の一実施形態による光通信システムを模式的に示すものである。
【００３０】
本実施の形態においては、光ファイバーとしてGI-POF31が用いられ、そのコア径は450μｍである。また、光源であるRC-LED32の発光部33の直径は100μｍ、そこから出射した光ビームＬの出射NA＝0.3である。なお本実施の形態においてRC-LED32は、表面が凸形状でレンズ効果を持ったプラスチック樹脂ではなく、表面が平らな樹脂34内に封入されている。またRC-LED32から発せられた光ビームＬをGI-POF31に入力するためのレンズ30が、1.8倍の倍率となる位置に設置されている。そして以上の各要素は、GI-POF31の入射端面が、レンズ30による集光位置に有るように調整されている。それにより、GI-POF31の入射端面でのビーム直径：180μｍ、入射NA：0.17を実現でき、図５の最適範囲内に設定することができた。
【００３１】
上記RC-LED32に10ｍＡの電流を流すことで、樹脂モールドされたRC-LED32からレンズ30に向けて、500μＷの光出力で発光させることができた。そして、その70％の光に相当する350μＷの光を中口径POF31に光結合させることができた。
【００３２】
上記POF31を50ｍ伝送した後、そこから出射した光の出力は35μＷであった。これは距離50ｍで10ｄＢの損失（1／10の光減衰）を実現できたことを意味する。すなわち本例では伝送損失として、設計通りの200ｄＢ／ｋｍを実現できたことになる。
【００３３】
ちなみに比較例として、１倍の倍率の光学系を用い、入射ビーム直径を85μｍ、入射NAを0.3として光ビームをPOF31に入射させた場合、伝送損失は250ｄＢ／ｋｍに増大した。これより、入射NAおよびビーム直径を本発明で規定する範囲に設定することの効果が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による光通信システムの概略構成図
【図２】光ファイバーの入射端面における光ビームの直径と伝送損失との関係を示すグラフ
【図３】光ファイバーに入射する光の開口数（NA）を説明する説明図
【図４】光ファイバーに入射する光の開口数（NA）と伝送損失との関係を示すグラフ
【図５】光ファイバーに入射する光の開口数（NA）と光ファイバーの入射端面における光ビーム直径と伝送損失との関係を示すグラフ
【図６】マルチスポットVCSELの説明図
【図７】従来の光通信システムの一例を示す概略構成図
【符号の説明】
【００３５】
30    レンズ
31    GI-POF
32    RC-LED
33    発光部
【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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