(57)【要約】【課題】多重波長信号を伝送する光伝送路と端末とを簡単な構成でカップリングするための光通信ユニット、その光通信用光学素子、その製造方法及び家庭や小規模事務所等のための光通信システムを提供する。【解決手段】この光通信ユニット１０は、外部の光伝送路と接続可能な光伝送部１２と、光伝送部に対し光の入射及び出射が可能なように配置され分光機能を有する光学素子１１と、光学素子で分光された光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子１４と、外部からの電気信号に基づいて複数の発光位置の１つから光学素子に発光する発光素子とを備える。外部の光伝送路から送られた多重波長信号を光学素子で波長分割しその受光位置で受光し電気信号として取り出す。また、外部からの電気信号に基づいて発光した光が光学素子に入射し出射することで光信号を外部の光伝送路に送る。【選択図】　図１
2004129123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、
前記光伝送部からの光が入射可能なように配置され分光機能を有する光学素子と、
前記光学素子で分光された光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、を具備し、
前記外部の光伝送路から送られた多重波長信号を前記光学素子で波長分割し前記受光位置で受光し電気信号として取り出すことを特徴とする光通信ユニット。
【請求項２】
外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、
前記光伝送部に光が出射可能なように配置され分光機能を有する光学素子と、
外部からの電気信号に基づいて複数の発光位置の１つから前記光学素子に発光する発光素子と、を具備し、
前記電気信号に基づいて発光した光が前記光学素子に入射し出射することで光信号を前記外部の光伝送路に送ることを特徴とする光通信ユニット。
【請求項３】
外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、
前記光伝送部に対し光の入射及び出射が可能なように配置され分光機能を有する光学素子と、
前記光学素子で分光された光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、
外部からの電気信号に基づいて複数の発光位置の１つから前記光学素子に発光する発光素子と、を具備し、
前記外部の光伝送路から送られた多重波長信号を前記光学素子で波長分割し前記受光素子の受光位置で受光し電気信号として取り出し、
前記外部からの電気信号に基づいて発光した光が前記光学素子に入射し出射することで光信号を前記外部の光伝送路に送ることを特徴とする光通信ユニット。
【請求項４】
前記受光素子がフォトダイオードアレイから構成され、前記各フォトダイオードが複数の前記受光位置と対応するように配置された請求項１または３に記載の光通信ユニット。
【請求項５】
前記発光素子がＬＥＤアレイから構成され、前記各ＬＥＤが前記複数の発光位置と対応し前記電気信号に基づいてそれぞれ発光する請求項２または３に記載の光通信ユニット。
【請求項６】
前記各ＬＥＤがほぼ同じ波長特性を有している請求項５に記載の光通信ユニット。
【請求項７】
前記各ＬＥＤの少なくとも一部が青色系の波長特性を有し、少なくとも他の一部が赤色系の波長特性を有している請求項５に記載の光通信ユニット。
【請求項８】
前記光学素子が球面または非球面の光学面上に回折構造を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項９】
前記光学素子の回折構造がブレーズ回折格子である請求項８に記載の光通信ユニット。
【請求項１０】
前記回折格子のピッチが前記光学面の周辺に近づくほど広くなるようにした請求項９に記載の光通信ユニット。
【請求項１１】
前記回折格子のピッチｐが次の式にほぼ従って形成されている請求項１０に記載の光通信ユニット。
ｐ＝ｐ０＊（ｓ＋ｍ）／ｍ
但し、ｐ０：光学面中央における回折格子のピッチ
ｓ：光学素子の中央のサグ
ｍ：光学素子と受光素子または発光素子との間の距離
【請求項１２】
前記回折構造を設けた光学面の反対側の第２の面が前記光伝送部の光軸に対し傾斜している請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項１３】
前記回折構造を設けた光学面の反対側の第２の面は、前記回折構造による１次光が前記入射した光とほぼ同じ方向に進行するように構成されている請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項１４】
前記回折格子の高さが前記光学面の周辺に近づくほど低くなるようにした請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項１５】
前記回折格子の高さｈが次の式にほぼ従って形成されている請求項１４に記載の光通信ユニット。
ｈ＝ｈ０＊ｃｏｓθ
但し、ｈ０：光学面中央における回折格子の高さ
θ：θ＝ｔａｎ−１（ｘ／ｍ）
ｘ：光学素子中央からの放射方向の距離
ｍ：光学素子と受光素子または発光素子との間の距離
【請求項１６】
前記回折格子の高さは回折効率が大きくなるように少なくとも２つの異なる高さに構成される請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項１７】
前記回折格子が前記光学面上でランダムな高さになるように配置された請求項８乃至１３、１６のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項１８】
外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、前記光伝送部に対し光の入射及び出射が可能であり分光機能を有する光学素子と、前記光学素子からの光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、外部からの電気信号に基づいて前記光学素子に発光する発光素子と、を具備し、
前記光学素子の前記光伝送部側の光学面がプリズム状に２つの面を備え、前記２つの面と前記伝送部の面と、及び前記受光素子の受光面及び前記発光素子の発光面と前記２つの面とがそれぞれ前記光学素子に関して共役関係になるように構成されたことを特徴とする光通信ユニット。
【請求項１９】
前記発光素子からの光をモニタするモニタ手段を更に備え、前記モニタ手段からフィードバックした信号に基づいて前記外部光伝送路の複数波長間の振幅のレベルが同等になるように制御を行う請求項２乃至７，１８のいずれか１項に記載の光通信ユニット。
【請求項２０】
前記光学素子から出射した光の内で前記光伝送部に入射しない光を前記モニタ手段に入射するように構成した請求項１９に記載の光通信ユニット。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光通信ユニットにおける前記光学素子として使用可能なことを特徴とする光通信用光学素子。
【請求項２２】
外部の光伝送路との間で送信及び受信の少なくとも一方を行う光通信ユニットに配置される光通信用光学素子であって、球面または非球面でありかつ回折構造の形成された第１の光学面と、前記回折構造を設けた光学面の反対側の第２の光学面と、を備え、
前記第２の光学面は、前記回折構造による１次光が前記第２の光学面に入射した光とほぼ同じ方向に進行するように構成されていることを特徴とする光通信用光学素子。
【請求項２３】
前記光通信ユニットは前記外部の光伝送路と接続可能にかつ前記第２の光学面に光入射が可能なように配置された光伝送部を備え、
前記第２の光学面が前記光伝送部の光軸に対し傾斜している請求項２２に記載の光通信用光学素子。
【請求項２４】
前記光学素子の回折構造がブレーズ回折格子である請求項２２または２３に記載の光通信用光学素子。
【請求項２５】
前記回折格子のピッチが前記第１の光学面の周辺に近づくほど広くなるようにした請求項２４に記載の光通信用光学素子。
【請求項２６】
前記回折格子のピッチｐが次の式にほぼ従って形成されている請求項２５に記載の光通信用光学素子。
ｐ＝ｐ０＊（ｓ＋ｍ）／ｍ
但し、ｐ０：光学面中央における回折格子のピッチ
ｓ：光学素子の中央のサグ
ｍ：光学素子と受光素子または発光素子との間の距離
【請求項２７】
前記回折格子の高さが前記光学面の周辺に近づくほど低くなるようにした請求項２４，２５または２６に記載の光通信用光学素子。
【請求項２８】
前記回折格子の高さｈが次の式にほぼ従って形成されている請求項２７に記載の光通信用光学素子。
ｈ＝ｈ０＊ｃｏｓθ
但し、ｈ０：光学面中央における回折格子の高さ
θ：θ＝ｔａｎ−１（ｘ／ｍ）
ｘ：光学素子中央からの放射方向の距離
ｍ：光学素子と受光素子または発光素子との間の距離
【請求項２９】
前記回折格子の高さが対象とする波長範囲で最適となるように少なくとも２つの異なる高さに構成された請求項２４，２５または２６に記載の光通信用光学素子。
【請求項３０】
前記回折格子が前記光学面上でランダムな高さになるように配置された請求項２４，２５，２６または２９に記載の光通信用光学素子。
【請求項３１】
前記光通信ユニットが、前記光通信用光学素子からの光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、外部からの電気信号に基づいて前記光通信用光学素子に発光する発光素子と、を具備し、
前記第２の光学面がプリズム状に２つの面を備え、前記２つの面と前記伝送部の面と、及び前記受光素子の受光面及び前記発光素子の発光面と前記２つの面とがそれぞれ前記光通信用光学素子に関して共役関係になるように構成されたことを特徴とする請求項２３に記載の光通信用光学素子。
【請求項３２】
電子ビーム描画法により製造され得ることを特徴とする請求項２１乃至３１のいずれか１項に記載の光通信用光学素子。
【請求項３３】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光通信ユニットにおける前記光学素子または請求項２１乃至３１のいずれか１項に記載の光通信用光学素子を電子ビーム描画法を用いて製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３４】
光伝送路と、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光通信ユニットと、端末装置と、を備え、前記光通信ユニットを介して前記光伝送路と前記端末装置との間で光通信を行うように構成したことを特徴とする光通信システム。
【請求項３５】
前記光伝送路から送られた多重波長信号を前記光通信ユニットの光学素子で波長分割し前記各受光位置でそれぞれ受光することで得られた電気信号を前記端末装置に送る請求項３４に記載の光通信システム。
【請求項３６】
前記端末装置が複数設けられ、前記各端末装置からの電気信号に基づいて前記光通信ユニットの前記複数の発光位置の１つから発光した光が前記光学素子に入射し出射し更に前記光伝送部に入射し光信号として前記光伝送路に送られるようにすることで複数の波長特性の光信号が前記光伝送路で重畳して多重波長信号となって送られる請求項３４または３５に記載の光通信システム。
【請求項３７】
前記多重波長信号がアナログ信号である請求項３６に記載の光通信システム。
【請求項３８】
前記複数の端末装置が前記光伝送路を通して互いに送信及び受信を行う請求項３６または３７に記載の光通信システム。
【請求項３９】
前記光伝送路が光ファイバから構成されている請求項３４乃至３８のいずれか１項に記載の光通信システム。
【請求項４０】
前記光伝送路が情報伝送幹線に接続可能である請求項３４乃至３９のいずれか１項に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信のときに光伝送路と端末とをカップリングする光通信ユニット、光通信ユニットに使用される光通信用光学素子、その製造方法、及び光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）による波長多重光通信では、光ファイバで波長の異なる複数の光信号を伝送するが、そのための複数波長の光を得る光源として例えば回折凹面鏡を用いる方法が提案されている（「ＩＥＥＥ　ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．１１，ＮＯ．２，ＦＥＢＲＵＡＲＹ　１９９９，ｐ．２２１−２２３」）。かかる反射型の回折凹面鏡によるルータ等を用いて例えば家庭や小規模事務所内で光ファイバにより多数の端末を接続する場合に、カップリング装置や光通信システムを小型かつ安価に構成することが困難である。また、反射型の回折凹面鏡によれば、光の伝送効率が低下し易い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、多重波長信号を伝送する光伝送路と端末とを簡単な構成でカップリングするための光通信ユニット、その光通信ユニットのための光通信用光学素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。また、例えば家庭や小規模事務所において多重波長信号により光通信を簡単な構成で行う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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による第１の光通信ユニットは、外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、前記光伝送部からの光が入射可能なように配置され分光機能を有する光学素子と、前記光学素子で分光された光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、を具備し、前記外部の光伝送路から送られた多重波長信号を前記光学素子で波長分割し前記受光位置で受光し電気信号として取り出すことを特徴とする。
【０００５】
この第１の光通信ユニットによれば、外部から送られてきた多重波長信号を分光機能のある光学素子で波長分割し、その波長分割された光がその波長に対応した受光位置に結像し電気信号となることで検出される。これにより、多重波長信号を伝送する光伝送路から所定波長の光を分割し電気信号として取り出し端末に送ることができ、光伝送路から端末へと簡単な構成で両者をカップリングできる。
【０００６】
本発明による第２の光通信ユニットは、外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、前記光伝送部に光が出射可能なように配置され分光機能を有する光学素子と、外部からの電気信号に基づいて複数の発光位置の１つから前記光学素子に発光する発光素子と、を具備し、前記電気信号に基づいて発光した光が前記光学素子に入射し出射することで光信号を前記外部の光伝送路に送ることを特徴とする。
【０００７】
この第２の光通信ユニットによれば、端末から送られてきた電気信号に基づいて所定の発光位置で発光した光が分光機能のある光学素子で所定の波長になって光伝送部から外部へと送ることができる。これにより、端末からの電気信号に基づいた所定波長の光を光伝送部から外部へと送ることができ、端末から外部の光伝送路へと簡単な構成で両者をカップリングできる。
【０００８】
本発明による第３の光通信ユニットは、外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、前記光伝送部に対し光の入射及び出射が可能なように配置され分光機能を有する光学素子と、前記光学素子で分光された光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、外部からの電気信号に基づいて複数の発光位置の１つから前記光学素子に発光する発光素子と、を具備し、前記外部の光伝送路から送られた多重波長信号を前記光学素子で波長分割し前記受光素子の受光位置で受光し電気信号として取り出し、前記外部からの電気信号に基づいて発光した光が前記光学素子に入射し出射することで光信号を前記外部の光伝送路に送ることを特徴とする。
【０００９】
この第３の光通信ユニットによれば、受光素子と発光素子の両方を有するので、第１及び第２の光通信ユニットの機能を備え、端末と外部の光伝送路とを簡単な構成で双方向通信可能なようにカップリングできるので、端末と別の端末との間や端末と外部端末との間で双方向に信号を送信し受信できる。
【００１０】
上記第１及び第３の光通信ユニットにおいて、前記受光素子がフォトダイオードアレイから構成され、前記各フォトダイオードが複数の前記受光位置と対応するように配置されることが好ましい。各受光位置に各フォトダイオードが配置され、受光したフォトダイオードで受光位置が分かる。
【００１１】
上記第２及び第３の光通信ユニットにおいて、前記発光素子がＬＥＤアレイから構成され、前記各ＬＥＤが前記複数の発光位置と対応し前記電気信号に基づいてそれぞれ発光するように構成することが好ましい。この場合、前記各ＬＥＤがほぼ同じ波長特性を有していてもよいし、または、前記各ＬＥＤの少なくとも一部が青色系の波長特性を有し、少なくとも他の一部が赤色系の波長特性を有していてもよい。
【００１２】
上記光学素子が球面または非球面の光学面上に回折構造を有し、この場合、前記光学素子の回折構造がブレーズ回折格子であることが好ましい。また、前記回折格子のピッチが前記光学面の周辺に近づくほど広くなるようにすることで、受光部の距離が離れる分だけ回折角を小さくし、回折光を効率よく受光面に集光することができる。
【００１３】
この場合、前記回折格子のピッチｐが次の式（１）にほぼ従って形成されることが好ましい。
ｐ＝ｐ０＊（ｓ＋ｍ）／ｍ　・・・（１）
但し、ｐ０：光学面中央における回折格子のピッチ
ｓ：光学素子の中央のサグ
ｍ：光学素子と受光素子または発光素子との間の距離
【００１４】
また、前記回折構造を設けた光学面の反対側の第２の面が前記光伝送部の光軸に対し傾斜していることが好ましい。そして、前記回折構造を設けた光学面の反対側の第２の面は、前記回折構造による１次光が前記入射した光とほぼ同じ方向に進行するように構成されていることにより、光通信ユニットをコンパクトに構成できる。
【００１５】
また、前記回折格子の高さが前記光学面の周辺に近づくほど低くなるようにすることが好ましい。回折格子による回折効率は、ブレーズ形状の場合、その高さが１／（ｎ−１）のときに最も高くなる（ｎ：屈折率）一方、光学面の周囲では光の進行方向がブレーズに対し斜めになり高さが増加するが、このため回折効率が低下するのを防止できる。
【００１６】
この場合、前記回折格子の高さｈが次の式（２）にほぼ従って形成されることが好ましい。
【００１７】
ｈ＝ｈ０＊ｃｏｓθ　・・・（２）
但し、ｈ０：光学面中央における回折格子の高さ
θ：θ＝ｔａｎ−１（ｘ／ｍ）
ｘ：光学素子中央からの放射方向の距離
ｍ：光学素子と受光素子または発光素子との間の距離
【００１８】
また、前記回折格子の高さは回折効率が大きくなるように少なくとも２つの異なる高さに構成されることが好ましい。これにより、使用している波長範囲において回折効率がなるべく一定になるようにすることで、光信号と電気信号とのカップリング動作の安定性を向上できる。この場合、前記回折格子が前記光学面上でランダムな高さになるように配置されることが好ましい。
【００１９】
本発明による第４の光通信ユニットは、外部の光伝送路と接続可能な光伝送部と、前記光伝送部に対し光の入射及び出射が可能であり分光機能を有する光学素子と、前記光学素子からの光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、外部からの電気信号に基づいて前記光学素子に発光する発光素子と、を具備し、前記光学素子の前記光伝送部側の光学面がプリズム状に２つの面を備え、前記２つの面と前記伝送部の面と、及び前記受光素子の受光面及び前記発光素子の発光面と前記２つの面とがそれぞれ前記光学素子に関して共役関係になるように構成されたことを特徴とする。
【００２０】
この第４の光通信ユニットによれば、端末と外部の光伝送路とを簡単な構成で双方向通信可能なようにカップリングできるので、端末と別の端末との間や端末と外部端末との間で双方向に信号を送信し受信できる。
【００２１】
上記第２〜第４の光通信ユニットでは、前記発光素子からの光をモニタするモニタ手段を更に備え、前記モニタ手段からフィードバックした信号に基づいて前記外部光伝送路の複数波長間の振幅のレベルが同等になるように制御を行うことが好ましい。この場合、発光素子から光学素子に入射し出射したが、光伝送部に入射しないような発光位置からの光を利用することが好ましい。即ち、前記光学素子から出射した光の内で前記光伝送部に入射しない光を前記モニタ手段に入射するように構成することが好ましい。
【００２２】
本発明による光通信用光学素子は、上述の光通信ユニットにおける前記光学素子として使用可能なことを特徴とする。具体的には、外部の光伝送路との間で送信及び受信の少なくとも一方を行う光通信ユニットに配置される光通信用光学素子であって、球面または非球面でありかつ回折構造の形成された第１の光学面と、前記回折構造を設けた光学面の反対側の第２の光学面と、を備え、前記第２の光学面は、前記回折構造による１次光が前記第２の光学面に入射した光とほぼ同じ方向に進行するように構成されていることを特徴とする。
【００２３】
この場合、前記光通信ユニットは前記外部の光伝送路と接続可能にかつ前記第２の光学面に光入射が可能なように配置された光伝送部を備え、前記第２の光学面が前記光伝送部の光軸に対し傾斜していることが好ましい。
【００２４】
また、前記光学素子の回折構造がブレーズ回折格子であることが好ましい。この場合、前記回折格子のピッチが前記第１の光学面の周辺に近づくほど広くなることが好ましく、前記回折格子のピッチｐが上記式（１）にほぼ従って形成されることが好ましい。
【００２５】
また、前記回折格子の高さが前記光学面の周辺に近づくほど低くなることが好ましい。この場合、前記回折格子の高さｈが上記式（２）にほぼ従って形成されることが好ましい。
【００２６】
また、前記回折格子の高さが対象とする波長範囲で最適となるように少なくとも２つの異なる高さに構成されることが好ましい。この場合、前記回折格子が前記光学面上でランダムな高さになるように配置されることが好ましい。
【００２７】
また、上記光通信用光学素子において、前記光通信ユニットが、前記光通信用光学素子からの光をその波長に応じた受光位置で受光し光電変換する受光素子と、外部からの電気信号に基づいて前記光通信用光学素子に発光する発光素子と、を具備し、前記第２の光学面がプリズム状に２つの面を備え、前記２つの面と前記伝送部の面と、及び前記受光素子の受光面及び前記発光素子の発光面と前記２つの面とがそれぞれ前記光通信用光学素子に関して共役関係になるように構成されることが好ましい。
【００２８】
また、上述の光通信用光学素子は、電子ビーム描画法により製造され得るものである。
【００２９】
本発明による光学素子の製造方法は、上記各光通信ユニットにおける前記光学素子または上記光通信用光学素子を電子ビーム描画法を用いて製造することを特徴とする。これにより、光学素子を精度よく製造することができる。
【００３０】
本発明による光通信システムは、光伝送路と、上記光通信ユニットと、端末装置と、を備え、前記光通信ユニットを介して前記光伝送路と前記端末装置との間で光通信を行うように構成したことを特徴とする。
【００３１】
この光通信システムによれば、光通信ユニットにより光伝送路と端末とを簡単な構成でカップリングでき、多重波長信号により他チャンネルで光通信を簡単な構成で行うことができる。
【００３２】
この場合、前記光伝送路から送られた多重波長信号を前記光通信ユニットの光学素子で波長分割し前記各受光位置でそれぞれ受光することで得られた電気信号を前記端末装置に送るようにできる。
【００３３】
また、前記端末装置が複数設けられ、前記各端末装置からの電気信号に基づいて前記光通信ユニットの前記複数の発光位置の１つから発光した光が前記光学素子に入射し出射し更に前記光伝送部に入射し光信号として前記光伝送路に送られるようにすることで複数の波長特性の光信号が前記光伝送路で重畳して多重波長信号となって送られるようにできる。
【００３４】
また、前記多重波長信号がアナログ信号であるように構成できるので、光通信ユニットを安価に構成できるとともに光通信システムを低コストでかつ簡単に構成できる。このため、汎用性のある光通信システムを実現でき、例えば、家庭や小規模事務所に適用して好ましい光通信システムとなる。これにより、アナログ信号によりパケット通信及びストリーム通信を行うこともできる。
【００３５】
この場合、光通信システム内で前記複数の端末装置が前記光伝送路を通して互いに送信及び受信を行うようにできるし、また、前記光伝送路が情報伝送幹線に接続可能とすることで、インターネットに接続したり、外部と通信することができる。また、前記光伝送路が光ファイバから構成されることが好ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態について図面を用いて光通信ユニット、光通信システム及び光通信用光学素子の製造方法について説明する。
【００３７】
〈光通信ユニット〉
【００３８】
まず、光通信ユニットについて説明する。図１は本発明の実施の形態による光通信ユニットの概略的な構成を示す正面図であり、図２は平面図であり、図３は側面図である。図４は図１〜図３の光学素子の光学面に形成されたブレーズ回折格子を示す拡大側面図である。
【００３９】
図１〜図３に示すように、光通信ユニット１０は、非球面に形成された第１の光学面２０を含む光学素子１１と、外部の光伝送路に接続される光ファイバ等から構成された光伝送部１２と、アレイ状に複数のフォトダイオード１４ａ〜１４ｆが並んだ受光素子１４と、アレイ状に複数のＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）が並んだ発光素子１５と、受光素子１４及び発光素子１５と接続しこれらの制御や電気信号の増幅等を行い外部の端末装置９と接続する電気回路１６と、を備える。
【００４０】
また、光通信ユニット１０は、発光素子１５からの光を受光しモニタするためのモニタ部１７を備え、モニタ部１７の出力信号は電気回路１６にフィードバックされることで発光素子１５の発光レベルを一定に保つようになっている。
【００４１】
光通信ユニット１０は、受光素子１４としてフォトダイオードを用い、発光素子１５としてＬＥＤを用いるので、アナログ信号を送信・受信に使用し、また、受光素子１４及び発光素子１５が安価であるので、全体として低コストにできる。また、光通信ユニット１０は、光伝送部１２の端面１３が筐体１０ａの内部に位置し、上記各部分１１，１４，１５，１６が筐体１０ａ内に組み込まれている。
【００４２】
光学素子１１は、光伝送部１２の端面１３から出射した光が入射し透過し第１の光学面２０から出射して受光素子１４に結像するように配置され、また、発光素子１５から発光した光が第１の光学面２０に入射し透過し反対側の面から出射して端面１３に入射するように配置されている。
【００４３】
光学素子１１の第１の光学面２０には、図３に示すように、光学面２０の中心を通るブレーズ部２１ａが直径方向にほぼ直線状に外周２３に延びるとともに順にブレーズ部２１ｂ〜２１ｇ及び２２ｂ〜２２ｇが中心からずれて比較的緩やかな曲線状に外周２３まで延びるようにしてブレーズ回折格子２１が多数形成されている。また、図３の縦方向に受光素子１４及び発光素子１５がブレーズ部２１ａと略直交する方向に延びるように配置されている。
【００４４】
ブレーズ回折格子２１は、図４のように光学素子１１を側面からみたとき、鋸波状に形成されており、外周２３においてブレーズ部とその隣のブレーズ部との間の各ピッチｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・は、それぞれ図３のように中心付近の各ピッチｐ０よりも広くなっている。このように、回折格子２１のピッチが図３の外周２３に近づくほど広くすることで、受光素子１４の距離が離れる分だけ回折角を小さくし、回折光を効率よく受光面１４ｇに集光できる。
【００４５】
例えば、図５のように光学素子１１の光学面２０の各位置から受光素子１４の受光面１４ｇ（または発光素子の発光面）までの最短距離をｍとし、光学素子１１の中央のサグをｓとすると、式（１）に従うように各ピッチを決めることが好ましく、これにより、回折光を効率よく受光面１４ｇに集光できる。
【００４６】
ｐ＝ｐ０＊（ｓ＋ｍ）／ｍ　・・・（１）
但し、ｐ０：光学面中央における回折格子のピッチ（図３参照）
【００４７】
また、ブレーズ部２１ａの高さｈ（図４）は、光学面２０の外周２３に近づくにつれ低くなるようにしており、他のブレーズ部２１ｂ〜２１ｇ及び２２ｂ〜２２ｇの高さも同様に低くなるようにしている。これにより、ブレーズ回折格子による波長分割はブレーズ部の高さが目的波長の２倍の高さが最適であるが、光学面の周囲に近づくと、例えば一波長シフトしてしまうので、ブレーズ部の高さを低くすることでこの波長シフトを防止できる。
【００４８】
例えば、式（２）に従うように各高さを決めることが好ましい。
ｈ＝ｈ０＊ｃｏｓθ　・・・（２）
但し、ｈ０：光学面中央における回折格子の高さ
θ：θ＝ｔａｎ−１（ｘ／ｍ）
ｘ：光学素子中央からの放射方向の距離
【００４９】
光学素子１１の光伝送部１２の端面１３側の第２の光学面は、図２のように、光伝送部１２の光ファイバの光軸ｃ上に位置し図２の紙面垂直方向に延びる直線を基準にして２つの平面１８，１９に分割されてプリズム状に形成されている。第２の光学面における２つの平面１８，１９は、図１では、光軸ｃに対して傾斜しており、端面１３から出射し光学素子１１に入射した光の第１の光学面２０のブレーズ回折格子２１による回折１次光がほぼ直進するように傾斜している。
【００５０】
平面１８は端面１３からの光を透過し光学面２０における回折１次光が受光素子１４の受光面１４ｇに入射するようになっている。一方、発光素子１５の発光面１５ｇから発光した光が光学面２０に入射し平面１９から出射し、発光面１５ｇの発光位置に応じてその出射光が光伝送部１２の端面１３に入射し、またはモニタ部１７に入射するようになっている。
【００５１】
また、図２に示すように、光伝送部１２の端面１３と、光学素子１１の２つの面１８，１９とが光学素子１１に関し共役関係になるように配置されるとともに、光学素子１１の２つの面１８，１９と、受光素子１４の受光面１４ｇ及び発光素子１５の発光面１５ｇとが光学素子１１に関し共役関係になるように配置されている。
【００５２】
図１に示すように、光伝送部１２の端面１３からの光が面１８を透過し光学面２０から出射すると、そのブレーズ回折格子２１（図３，図４）で発生した回折１次光は、その波長により受光素子１４の受光面１４ｇに結像するときの結像位置が変わる。このため、受光面１４ｇにおける受光位置、即ち、複数のフォトダイオード１４ａ〜１４ｆの内で受光したフォトダイオードからの電気信号を電気回路１６で増幅して端末装置９へ送る。これにより、光伝送部１２に送られたアナログ信号の多重波長信号から目的の光信号を取り出しアナログ信号の電気信号として取り出すことができる。
【００５３】
また、端末装置９から送られたアナログ信号の電気信号に基づいて電気回路１６で駆動された発光素子１５の１つのＬＥＤが発光し、光学面２０から面１９を通して所定の波長の光が端面１３に入射し、光伝送部１２からアナログ信号の光信号として外部へと送られる。
【００５４】
一方、発光素子１５の発光面１５ｇにおける複数のＬＥＤの内の所定位置のＬＥＤからの光は、端面１３に入射せずに、モニタ部１７に入射する。モニタ部１７で受光した光のレベルに応じて発生する電気信号が電気回路１６にフィードバックされることで、外部の光伝送路（図６の光ファイバ４）の複数波長間の振幅のレベルが同等になるように制御を行うことができる。
【００５５】
図１〜図３の光通信ユニット１０は、例えば、光学素子１１と受光面１４ｇ（または発光面１５ｇ）との間の距離を約１０ｍｍ、光学素子１１の光学面２０に形成したブレーズ回折格子のピッチを最小で約２μｍ、受光素子１４の各フォトダイオードの間隔を約０．０５ｍｍとすることができ、このため、全体として小型に構成でき、例えば、筐体１０ａを２０ｍｍ程度の立方体または矩方体に構成可能である。
【００５６】
図１〜図３の光通信ユニット１０によれば、端末装置と外部の光伝送路とを簡単な構成で双方向通信可能なようにカップリングできるので、端末装置と別の端末装置との間や端末装置と外部端末装置との間で双方向に信号を送信し受信でき、ホームやプライベート用の規格フリーの汎用的な光電変換機能と波長選別機能とを有する小型で安価なモジュールタイプのカプラーを提供できる。
【００５７】
また、光通信ユニット１０の光学素子１１は、光を透過しながら波長分割するので、反射型のように光の伝送効率が低下し難く、効率がよく、また、光通信ユニットを小型に構成でき、好ましい。
【００５８】
なお、図１〜図３の光通信ユニット１０は、端末装置９からみて外部の光伝送路に対して送信及び受信が可能であるが、図１〜図３において発光素子１５を省略すれば受信専用となり、また、受光素子１４を省略すれば送信専用となることは容易に理解できる。
【００５９】
次に、図９により、光学素子１１の光学面２０に形成されるブレーズ回折格子２１のブレーズ部の高さを対象とする波長範囲で最適となるように異なる高さに形成した変形例を説明する。
【００６０】
図９に示すように、光学素子１１の光学面２０において、ブレーズ部２１ａ’〜２１ｃ’は、図４と比べて低くなっており、２１ｄ’、２１ｅ’はほぼ同じ高さであり、２１ｆ’、２１ｇ’は高く構成されている。また、ブレーズ部２２ｂ’、２２ｃ’は図４と比べて高く構成され、２２ｄ’、２２ｅ’ほぼ同じ高さであり、２２ｆ’、２２ｇ’は低く構成されている。
【００６１】
ブレーズ回折格子による波長分割はブレーズ部の高さが目的波長の２倍の高さが最適であるが、波長変動を考慮してブレーズ部の高さを分散させることで、波長変動が生じても回折格子の特性が全体として揃い、光信号と電気信号とのカップリング動作の安定性を向上できる。図９の例は一例であり、各ブレーズ部の高さは光学面上でランダムな高さになるように配置されることが好ましい。
【００６２】
〈光通信システム〉
【００６３】
次に、図１〜図３に示すような光通信ユニット１０を用いて家庭内の信号の送受信を対象にした小規模な光通信システムについて説明する。図６は、光通信システムの一例を示す概略的構成図であり、図７及び図８は図６における光通信ユニットの機能を説明するための図である。
【００６４】
図６に示す光通信システムは、家庭の複数の部屋１，２，３にある各種の複数の端末装置（電話、パソコン、スピーカ、表示装置、ＤＶＤ、ＣＤ、カセットテープ等のレコーダ、ＭＤ、ＣＤ、ＤＶＤ等のプレーヤ）をプラスチックやガラスからなる光ファイバ４で互いに接続するようにして家庭内に構築されたＬＡＮシステムである。光ファイバ４は、可視光レベルの光信号を伝送可能であり、多重波長の異なる光信号を重畳して多重に伝送できる。
【００６５】
図６では、光ファイバ４は、ルータ５を介して外部の情報伝送幹線６と接続可能であり、電話やパソコン等の各種端末装置が外部と通話できまたインターネットに接続可能となっている。ルータ５は、外部の情報伝送幹線６が比較的狭い波長範囲内（例えば、１．３μｍ〜１．５５μｍ）に光信号があるような多重波長信号を伝送する場合には、各光信号を電気信号にいったん変換し、その電気信号を可視光レベルの波長に再変換することが好ましい。また、情報伝送幹線６が電気信号を伝送する場合は、可視光レベルの波長に変換する。
【００６６】
図６に示すように、各種の複数の端末装置と光ファイバ４とは光通信ユニット１０を介して接続しており、図１の光伝送部１２が光ファイバ４と結合し、また、図１の端末装置９のように各端末装置が光通信ユニットと接続している。これにより、各端末装置の電気信号と光ファイバ４の可視光レベルの光信号とを双方に変換することができる。
【００６７】
図７のように、光ファイバ４で伝送中のアナログ信号の多重波長信号（Σλ）を光通信ユニット１０に導くと、多重波長信号が図１の光伝送部１２の端面１３から光学素子１１の面１８に入射しブレーズ回折格子の形成された光学面２０から出射することで、多重波長信号（Σλ）に含まれる波長λｍの光信号が波長分離され、その波長λｍの光信号を波長λｍに対応した受光素子１４のフォトダイオードが受光し、電気回路１６から電気信号Ｓｍを所定の端末装置に送る。
【００６８】
また、図８のように、端末装置から電気信号Ｓｎが光通信ユニット１０に送られると、その電気信号Ｓｎに基づいて図１の電気回路１６により発光素子１５の内の所定のＬＥＤが発光し、その光が光学素子１１の光学面２０に入射し面１９から出射しすることで、波長λｎの光が端面１３に入射し光伝送部１２を通して光ファイバ４へと送られ、光ファイバ４で他の光信号（Σλ）に重畳し、Σλ＋λｎの多重波長信号（アナログ信号）となって伝送される。
【００６９】
また、光通信ユニット１０では、発光素子１５の所定位置のＬＥＤからの光がモニタ部１７に入射し、モニタ部１７で受光した光のレベルに応じて発生する電気信号が電気回路１６にフィードバックされ、光ファイバ４の複数波長間の振幅のレベルが同等になるように制御を行う。これにより、光ファイバ４に複数の光通信ユニット１０を取り付けて信号を加えたとき各波長間の信号レベルを揃えることができる。
【００７０】
図６の光通信システムは、例えば、波長５００ｎｍ乃至８００ｎｍの範囲内のアナログ信号である光信号により波長間隔２０ｎｍで１５チャンネルの多重波長信号を双方向に送るように構成できる。
【００７１】
図６の光通信システムにより、例えば、部屋１のＤＶＤプレーヤで再生中の画像情報や音声情報等の情報を光ファイバ４を通して送り、各部屋１〜３で表示装置で画像情報を表示したりスピーカで音声情報を聴くことができる。また、各部屋の１，３の電話はルータ５、外部の情報伝送幹線６を通して通話でき、また、内線電話としても利用できる。また、各部屋１〜３のパソコンは、ルータ５、情報伝送幹線６を通してインターネットに接続でき、また、互いに送受信ができ、また、部屋３のスキャナで取り込んだ画像情報を受信でき、プリンタに送信し画像情報をプリントすることができる。
【００７２】
図６の光通信システムによれば、例えば、家庭内や小規模事務所内の全ての信号を対象とし、パケットとともに既存のストリーム型の信号を取り扱うことができる。
【００７３】
なお、端末装置が表示装置やスピーカのように情報を専ら受信するだけの場合には、図６における光通信ユニット１０（図１〜図３）は発光素子１５を省略した受信専用にしたものでもよい。また、端末装置がＤＶＤプレーヤのように再生が専門で情報を送信するだけの場合には、図６における光通信ユニット１０（図１〜図３）は受光素子１４を省略した送信専用にしたものでもよい。
【００７４】
〈光学素子の製造方法〉
【００７５】
次に、図１〜図３に示すような光通信用の光学素子の製造工程について図１０を参照して説明する。図１０は、図１〜図３に示すような光学素子を成形するための光学素子成形用金型を母型の形状から電鋳により転写し形成する工程を示すフローチャートである。
【００７６】
図１０のように、まず、母型の素材をＳＰＤＴ加工機にセットして、図１の光学素子１１の光学面２０に相当する非球面形状を形成する（Ｓ１０１）。続いて、非球面形状を形成した基材をＳＰＤＴ加工機より取り外し、基材の非球面上にレジスト溶液をスピンコート法により塗布する（Ｓ１０２）。その後、ベーキング熱処理を行ってから（Ｓ１０３）、図３、図４のようなブレーズ回折格子を得るために、基材上のレジスト膜に対し電子ビーム描画装置を用いて電子ビーム描画を行う（Ｓ１０４）。
【００７７】
ここで、電子ビーム描画とは、電子ビーム照射手段にて電子ビームを照射することで載置台上に載置された曲面を有する基材上に所定のパターンを描画するものである。電子ビームの制御は電子レンズの電流値を調整して前記電子ビームの焦点位置を可変制御したり、前記載置台を移動制御することにより実現できる。このような電子ビーム描画は、例えば、本発明者が他の発明者とともに特願２００１−３５７５７８で提案したような電子ビーム描画装置により実行することができる。
【００７８】
更に、露光処理を行い（Ｓ１０５）、次に、レジスト現像処理を行い（Ｓ１０６）、その後、エッチング処理を行って（Ｓ１０７）、母型の素材に彫り込みを行うことで母型を得る。かかる母型に電鋳処理を施してから脱型し、裏打ち部材と組み合わせることで（Ｓ１０８）、光学素子成形用金型を得る。この成形用金型を用いた射出成形により図１〜図３に示す光学素子を製造することができる。
【００７９】
以上のように本発明を実施の形態により説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図６では、光ファイバ４と各端末装置との間に光通信ユニット１０をそれぞれ配置するようにしたが、各端末装置内に組み込むようにしてもよいことは勿論である。
【００８０】
また、光通信ユニットは、その取り扱う波長範囲及びチャンネル数に応じて波長分割する範囲を適宜変えたものを複数用意するようにしてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、多重波長信号を伝送する光伝送路と端末とを簡単な構成でカップリングするための光通信ユニット、その光通信ユニットのための光通信用光学素子、その製造方法を提供できる。また、家庭や小規模事務所などにおいて多重波長信号により光通信を簡単な構成で行うことができる光通信システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による光通信ユニットの概略的な構成を示す正面図である。
【図２】図１の光通信ユニットの平面図である。
【図３】図１の光通信ユニットの側面図である。
【図４】図１〜図３の光学素子の光学面に形成されたブレーズ回折格子を示す拡大側面図である。
【図５】式（１）及び（２）における距離ｍ、サグｓ、θ（＝ｔａｎ−１（ｘ／ｍ））及び光学素子中央からの放射方向の距離ｘ等を説明するための概略的な図である。
【図６】本実施の形態による光通信システムの一例を示す概略的構成図である。
【図７】図６において端末装置が受信するときの光通信ユニットの機能を説明するための図である。
【図８】図６において端末装置から送信するときの光通信ユニットの機能を説明するための図である。
【図９】図１〜図４における光学素子の光学面に形成されるブレーズ回折格子のブレーズ部の高さを異なるように形成した変形例を示す図４と同様の拡大側面図である。
【図１０】図１〜図３に示す光学素子を成形するための光学素子成形用金型を母型の形状から電鋳により転写し形成する工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１〜３　　　　　　家庭内の部屋
４　　　　　　　　光ファイバ（光伝送路）
５　　　　　　　　ルータ
６　　　　　　　　外部の情報伝送幹線
９　　　　　　　　端末装置
１０　　　　　　　　光通信ユニット
１１　　　　　　　　光学素子
１２　　　　　　　　光伝送部
１３　　　　　　　　端面
１４　　　　　　　　受光素子
１４ｇ　　　　　　　受光面
１５　　　　　　　　発光素子
１５ｇ　　　　　　　発光面
１６　　　　　　　　電気回路
１７　　　　　　　　モニタ部
１８，１９　　　　　２つの面、第２の光学面
２０　　　　　　　　第１の光学面
２１　　　　　　　　ブレーズ回折格子
２１ａ〜２１ｇ　　　ブレーズ部
２２ｂ〜２２ｇ　　　ブレーズ部
２３　　　　　　　　外周
ｈ　　　　　　　　　ブレーズ部の高さ
ｐ０〜ｐ３　　　　　ブレーズ部のピッチ
【図１】
2004129123.tif 000003
【図２】
2004129123.tif 000004
【図３】
2004129123.tif 000005
【図４】
2004129123.tif 000006
【図５】
2004129123.tif 000007
【図６】
2004129123.tif 000008
【図７】
2004129123.tif 000009
【図８】
2004129123.tif 000010
【図９】
2004129123.tif 000011
【図１０】
2004129123.tif 000012