(57)【要約】【課題】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う。【解決手段】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。【選択図】図１
2004078109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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０．３５以下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、
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、上記距離ｄは、
受光素子の直径がＤ以下のとき、０＜ｄ≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）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−ｎ１）の範囲内にあることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
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０．３５以下である光ファイバと、
受光素子と、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ヘ導く受信光学系とを有して、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、上記光ファイ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ｎ１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＜ｄ≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）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＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）の範囲内にあることを特徴とする光通信システム。
【請求項３】
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、
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＜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。
【請求項４】
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ヘ導く受信光学系とを有して、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＜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の範囲内にあることを特徴とする光通信システム。
【請求項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システム。
【請求項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ｎ１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。
【請求項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、
上記光ファイバの直径Ｄは１ｍｍで、上記受光素子は直径が０．５ｍｍ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。
【請求項８】
請求項３または４に記載の光通信システムにおいて、
上記光ファイバの直径Ｄは１ｍｍで、上記受信光学系の大きさは０．５ｍｍ以下であることを特徴とする光通信システム。
【請求項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っていることを特徴とする光通信システム。
【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、ＬＡＮ（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。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用い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オードや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、例えばフォトダイオ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。
【０００３】
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イバ自体の伝送効率、発光源から光ファイバへの結合効率、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、コア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、コア径がミリメー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内ネットワーク等で近年注目されている光ファイバであるが、プラスチック光ファイバはファイバ径が０．５〜２ｍｍ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μｍ〜百μｍ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１ｍｍ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。
【０００６】
そのような問題を解決するものとして、図２５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、高反射性の反射面１０３で囲まれた導光路１０２を有する同導光体１０１を光ファイバ１０４と受光素子１０５との間に介在させ、光ファイバ１０４から出射する信号光をこの導光体１０１にて受光素子１０５まで導光する。こうすることで、光ファイバ１０４と受光素子１０５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（特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２２１５７３号公報（段落番号０００８等、図１、３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図２５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（ＮＡ）が変る、特に大きくなる場合、図２６に示すように、光ファイバ１０４側に出射光１０６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い等の製造上の問題がある。
【０００９】
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える光通信システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発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０．３５以下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、上記距離ｄは、
受光素子の直径がＤ以下のとき、０＜ｄ≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）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−ｎ１）の範囲内にある。
【００１１】
尚、「光ファイバの直径」とは、コア径である。但し，ＳＩ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。
【００１２】
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。
【００１３】
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＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）つまりＲ／（ｎ−ｎ１）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ｎ１の物質が充填された空間における焦点距離ｆである。
【００１４】
図３は、コアがＰＭＭＡ製（屈折率≒１．５）のプラスチック光ファイバ１について空気中（ｎ１＝１）でシミュレーションを行ったときの光ファイバからの出射光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。
【００１５】
マルチモード光ファイバ特にＳＩ（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、そのニア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。
【００１６】
図３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４Ｄ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３Ｄ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２Ｄの位置である。
【００１７】
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。
【００１８】
つまり、本発明は、光ファイバからの出射光の開口数（ＮＡ）が０．３５以下と小さい場合に、受光素子の受光面を上記焦点距離ｆ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、端面が平坦な光ファイバと同等の結合効率しか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、光ファイバー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。
【００１９】
出射光のＮＡが０．３５である光ファイバは主に伝送レートが２００〜６２２Ｍｂｐｓ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ＮＡは小さくなる。それに伴い光ファイバから出射される光のＮＡ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Ｍｂｐｓの高速伝送時に特に効果的である。
【００２０】
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、上記光ファイバの球状端面からの放射光を上記受光素子ヘ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≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）、
受信光学系の大きさがＤより大きいとき、Ｄ≦ｄ≦ｒ＊Ｄ／（ｎ−ｎ１）
となるように配置される。
【００２１】
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ー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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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≦２Ｄ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≦２Ｄ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。
【００２５】
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挿入されたとき、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＜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。
【００２６】
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２０〜１００Ｍｂｐｓ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、上記光ファイバの球状端面からの放射光を上記受光素子ヘ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配置される。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
好ましくは、上記距離ｄは、本発明者の行なっ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＜ｄ≦１．５Ｄ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＜１．５Ｄ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、光ファイバの直径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。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。
【００３０】
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っている。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。
【００３１】
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０．５〜２ｍｍ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、１ｍｍのファイバ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１００Ｍｂｐｓ〜６２２Ｍｂｐｓ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、ＰＤ径とも言う。）は０．５ｍｍ以下、より詳しくは、０．３〜０．５ｍｍである。
【００３２】
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１ｍｍの光ファイバと、直径が０．５ｍｍ以下（例えば、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ）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。このような光ファ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、平端面ファイ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。
【００３３】
また、受信光学系を設けている場合、直径Ｄが１ｍｍ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０．５ｍｍ以下にするのが好ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００３５】
（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、光ファイバ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２Ａ、２Ｂとを備えている。光通信モジュール２Ｂは半導体レーザ装置（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる発光素子２２を備えて送信モジュールとして機能する一方、光通信モジュール２Ａはフォトダイオード（ＰＤ）からなる受光素子２１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。
【００３６】
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ァイバであり、両端面がそれぞれ曲率半径Ｒを有する球状端面１１となっている。但し、受信側の端面のみを球状端面１１としてもよい。また、光ファイバ１はＰＭＭＡ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１１は溶融あるいは研磨によって作成できる。
【００３７】
光ファイバ１の端部が光通信モジュール２Ａ内に挿入されて所定箇所に設置されたとき、受光素子２１の受光面は、光ファイバ１の球状端面１１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１１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。
【００３８】
具体的に言うと、光ファイバ１の出射ＮＡが高速伝送つまり２００〜６２２Ｍｂｐｓ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−ｎ１）．．．（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−ｎ１）．．．（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は光ファイバ１のコアの屈折率、そして、ｎ１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１１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、ｎ１は１である。また、光ファイバ１のコア材料であるＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）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≦２ｒ＊Ｄ．．．（１’）
Ｄ≦ｄ≦２ｒ＊Ｄ．．．（２’）
と書き表すことができる。
【００３９】
式（１’）は、受光素子２１の受光面が、光ファイバ１の球状端面１１に接触しておらず、しかも、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１１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ァイバ１の球状端面１１から離れているが、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１１から離れていないことを示している。
【００４０】
一方、光ファイバ１の出射ＮＡが中速伝送つまり１００〜２００Ｍｂｐｓ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。
【００４１】
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−受信器間距離依存性を平端面ファイバ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／ｅ２（≒０．１３５）の強度で規定された光ファイバからの出射光の開口数が０．３５で、２００〜５００Ｍｂｐｓ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ＮＡ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、ファ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はファ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−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０．５Ｄのとき、図５はＰＤ径が１Ｄのとき、図６はＰＤ径が１．５Ｄのときを示す。また、◆、■、▲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。
【００４２】
また、図１０−１１は図４−６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。○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。×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に示した球状端面の曲率半径Ｒ（＝ｒ＊Ｄ）で決まる焦点位置（この場合には、ｎ＝１．５、ｎ１＝１であるため、ｆ＝ｒ＊Ｄ／０．５＝２ｒ＊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。
【００４３】
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。
【００４４】
図７〜９は、ファイバ出射端面が平坦面のとき１／ｅ２の強度で規定されたファイバ出射ＮＡ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、１００〜２００Ｍｂｐｓ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＝１．５）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。
【００４５】
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、○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。×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、１／ｅ２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より大きくなった場合も、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。
【００４６】
図１６と図１７は受光素子２１の直径が０．５Ｄの場合で、ファイバ出射端面が平坦面のとき１／ｅ２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。
【００４７】
図１８は、ファイバ出射端面が平坦面のとき１／ｅ２の強度で規定されたファイバからの出射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１８から、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０．９Ｄ以下の場合には、距離ｄは１．５Ｄ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１Ｄまでの値に設定した方が効果的であると言える。
【００４８】
図１９はファイバ出射端面が平坦面のとき１／ｅ２の強度で規定された光ファイバ１からの出射ＮＡが０．３５に相当、光ファイバ径１ｍｍ、ファイバ球状端面１１の曲率半径が１．５ｍｍ、ＰＤ径１ｍｍ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−受信器間距離（つまり、距離ｄ）が０〜３ｍｍの範囲では３０％を越える結合効率が得られ、距離ｄが短くなって受光素子２１が光ファイバの端面１１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０．５〜２ｍｍ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１ｍｍ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１００Ｍｂｐｓ〜６２２Ｍｂｐｓで、その伝送レートに適したＰＤ径は０．３〜０．５ｍｍである。このファイバ径とＰＤ径の組合せは、本発明の効果が最も引き出せる範囲とほぼ一致する。
【００４９】
（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２Ａ，２Ｂ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２５、２６はそれぞれ受信光学系、送信光学系である。受信光学系２５は、受光素子２１と光ファイバ１の球状端面１１との間に配置されて、球状端面１１からの放射光を受光素子２１ヘ導く働きをする。また、発信光学系２６は、発光素子２２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２５および発信光学系２６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等が含まれる。なお、本願では、受光素子２１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２５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２５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。
【００５０】
上記第１の実施形態において受光素子２１と光ファイバ１の球状端面１１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２５と光ファイバ１の球状端面１１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１１の頂点から受光素子２１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１１の頂点から受信光学系２５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、光ファイバ１の球状端面１１から出射する放射光の開口数（ＮＡ）と、受光素子２１の直径（ＰＤ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２１の直径の代わりに受信光学系２５の大きさに応じて式（１）〜（４）が適用される。
【００５１】
なお、「受信光学系２５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２５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。
【００５２】
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することができる。
【００５３】
（第３実施形態）
図２０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２１は図２０の一部を拡大して示した図である。図２０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。
【００５４】
第１，２実施形態の光通信システムが一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２Ａ，２Ｂが受光素子と発光素子の一方しか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ァイバ１と共に構成する２つの光通信モジュール２Ａ，２Ｂはいずれも、発光素子２２と受光素子２１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２Ａ，２Ｂは、さらに送信光学系２６と受信光学系２５をも備えている。受発光素子２１，２２および受送信光学系２５，２６は、光ファイバ端面１１からの出射光のＮＡと受信光学系２５の大きさとに応じて受信光学系２５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。
【００５５】
光学系２５、２６を用いないで、受発光素子２１、２２を光ファイバ端面１１に直接対向させてもよいが、受発光素子２１、２２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１１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。
【００５６】
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、光ファ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２２に示すように、受信光１５の半分は送信光学系２６に蹴られてしまう。一方、図２３のように受信光学系２５を大きくすると、送信光１６が光ファイバ端面１１に結合しない場合がある。図２４のように光ファイバ端面１１から大きく距離をとっ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２５を使用しても送信光１６のＮＡ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１５が広がってしまい、高速対応の小さいＰＤ（受光素子）２１への結合が困難になるという問題が生ずる。
【００５７】
しかし、本実施形態では、受信光学系２５を第２実施形態で説明したように、光ファイバ端面１１からの出射光のＮＡと受信光学系２５の大きさとに応じて、上記式（１）から（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２６で蹴られる分はしかたないが、受信光学系２５が小型であっても効率よく受光し、受光素子２１であるフォトダイオードへ受信光１５を導くことが出来る。
【００５８】
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・追加できることは言うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
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プ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、プラスチック光ファイバの直径が一般的によく使用される１ｍｍで、受光素子が直径０．５ｍｍ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。
【００６０】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】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３】本発明の原理を説明する図である。
【図４】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】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６】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】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】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９】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ァイバを用いた場合と比較したグラフである。
【図１０】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】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】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】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】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】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】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ときと比較したグラフである。
【図１７】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】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】本発明の効果を示すグラフで、受信結合効率の実測値とシミュレーションで求めた値との比較を示す。
【図２０】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】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】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／受信光の光ファイバ端面／受信光学系との結合との関係を示す説明図である。
【図２３】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／受信光の光ファイバ端面／受信光学系との結合との関係を示す説明図である。
【図２４】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／受信光の光ファイバ端面／受信光学系との結合との関係を示す説明図である。
【図２５】従来の技術の説明図である。
【図２６】図２５に示した従来の技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１　光ファイバ
２Ａ、２Ｂ　光通信モジュール
１１　光ファイバの球状端面
１５　受信光
１６　送信光
２１　受光素子
２２　発光素子
２５　受信光学系
２６　送信光学系
Ｌ　光
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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