(57)【要約】【課題】発光波長の異なる発光素子を必要とせず一波長のみの発光素子で実現でき、また多値デジタル信号を用いる必要のない、LFM通信を実現する。【解決手段】送信側端末10は、第1発光素子11、第2発光素子12及び第1光結合器13を具え、受信側端末20は、第1受光素子18、第2受光素子19及び第2光結合器17を具え、送信側端末10と受信側端末20とを結ぶ通信線路は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16を以って構成されるLFM通信用光リンクである。第1光結合器は、LDからの出射光を平行光束にして、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で入射させる。第2光結合器17は、光ファイバ16からの出射光束を集光して、低次伝播モードの出射光束は受光素子18に、高次伝播モードの出射光束は受光素子19にそれぞれ入射させる。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて光多重通信を行なう光通信用光リンクにおいて、
複数の発光素子と、該ステップインデックス型マルチモード光ファイバを介して該複数の発光素子ごとに1対1に対応する、複数の受光素子とを具え、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で前記発光素子の出射光束を入射させる第1光結合器と、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で出射する光束を、それぞれ別々の前記受光素子に入射させる第2光結合器と
を具えることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項２】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第1光結合器は、前記複数の発光素子に対応して設けられた複数の凸レンズを具え、該複数の凸レンズは、それぞれの光軸と該ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸とのなす角度をそれぞれ違えて配置されており、前記凸レンズは、前記発光素子の出射光束を前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに、平行光束の状態で、入射させることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項３】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第1光結合器は、前記複数の発光素子に対応して設けられた複数の凹面鏡を具え、該凹面鏡は、それぞれの光軸と該ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸とのなす角度をそれぞれ違えて配置されており、前記凹面鏡は、前記発光素子の出射光束を反射させて前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに、平行光束の状態で、入射させることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項４】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第1光結合器は、前記複数の発光素子のそれぞれの出射光束を平行光束にするとともに、該平行光束を、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対する入射角度を違えて該ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させる、単一の凸レンズであることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項５】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第1光結合器は、前記複数の発光素子のそれぞれの出射光束を平行光束にするとともに、該平行光束を前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対する入射角度を違えて該ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させる、単一の凹面鏡であることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項６】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第2光結合器は、直径が互いに異なるリング状の複数のレンズを同心円状に並べて構成されていて、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束を、それぞれ、別々の位置に配置された受光素子に集光して入射させる、リング状多焦点レンズであることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項７】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第2光結合器は、焦点距離と反射方向とが異なる複数の凹面鏡をつなぎ合わせて構成されていて、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束を反射させてそれぞれ別々の受光素子に集光して入射させる複合型凹面鏡であることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項８】
請求項１に記載の光束多重通信用光リンクにおいて、
前記第2光結合器は、レンズと凹面鏡とを複合して構成されていて、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束を反射及び屈折させてそれぞれ別々の受光素子に集光して入射させる多焦点素子であることを特徴とする光束多重通信用光リンク。
【請求項９】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて双方向光通信を行なう双方向光通信用光リンクにおいて、
発光素子と、受光素子と、該発光素子から送信光束として出力される光束を前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させ、かつ、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、受信光束として出力される、前記送信光束とは異なる伝播モードで逆向きに該ステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波された出射光束を前記受光素子に入射させる双方向光結合器と
を具えることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１０】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記双方向光結合器は、直径が異なるリング状の複数のレンズを同心円状に並べて構成されたリング状多焦点レンズであって、前記発光素子の出射光束を前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態として入射し、前記発光素子の出射光束とは該ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対して異なる角度で出射する円錐状に広がった出射光束を、受光素子に集光して入射させる双方向光結合器であることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１１】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記双方向光結合器は、焦点距離と反射方向とが異なる複数の凹面鏡をつなぎ合わせた複合型凹面鏡であって、前記発光素子の出射光束を前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態として入射し、前記発光素子の出射光束とは該ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対して異なる角度で出射する円錐状に広がった出射光束を、受光素子に集光して入射させる双方向光結合器であることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１２】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記双方向光結合器は、レンズと凹面鏡とを複合して構成された多焦点素子であって、前記発光素子の出射光束を前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態として入射し、前記発光素子の出射光束とは該ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対して異なる角度で出射する円錐状に広がった出射光束を、受光素子に集光して入射させる双方向光結合器であることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１３】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記双方向光結合器は、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えた双方向光結合器であることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１４】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記双方向光結合器は、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えた双方向光結合器であることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１５】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間部に、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１６】
請求項９に記載の双方向光通信用光リンクにおいて、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間部に、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えることを特徴とする双方向光通信用光リンク。
【請求項１７】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて光束多重通信を行なう方法において、
複数チャンネルの光搬送波である複数の光束を、それぞれ別々の複数の発光素子から出力する発光ステップと、
該出力された複数の光束を合波して、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップと、
該合波されて入力された複数の光束をそれぞれ別々の伝播モードで前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップと、
該ステップインデックス型マルチモード光ファイバから出射する複数の光束を伝播モードごとに分波する分波ステップと
該分波された複数の光束をそれぞれ別々の複数の受光素子で受光する受光ステップと
を含むことを特徴とする光束多重通信方法。
【請求項１８】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて双方向光通信を行なう方法において、
送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを第1の伝播モードで伝播する光束を用いて行なうステップと、
送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを、前記第1の伝播モードとは異なる伝播モードである第2の伝播モードで伝播する光束を用いて行なうステップと
を含むことを特徴とする双方向光通信方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の双方向光通信方法であって、
送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信を行なうステップが、
送受信端末甲において、送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を、送受信端末甲に具えられた発光素子甲から出力する発光ステップと、
上述の出力された光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップと、
上述の光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップと、
送受信端末乙において、この光ファイバから出射する光束と送受信端末乙から送受信端末甲に向けた送信チャンネルの光搬送波である光束とを分離する分波ステップと、
この光ファイバから出射する送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を送受信端末乙に具えられた受光素子乙で受光する受光ステップを含み、
送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信を行なうステップが、
送受信端末乙において、送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を、送受信端末乙に具えられた発光素子乙から出力する発光ステップと、
上述の出力された光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップと、
上述の光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップと、
送受信端末甲において、この光ファイバから出射する光束と送受信端末甲から送受信端末乙に向けた送信チャンネルの光搬送波である光束とを分離する分波ステップと、
この光ファイバから出射する送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を送受信端末甲に具えられた受光素子甲で受光する受光ステップと
を含むことを特徴とする双方向光通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ（以後「マルチモード光ファイバ」あるいは「光ファイバ」と略称することもある。）の複数の伝播モードごとにそれぞれ1チャンネルずつの光信号を割り当てて通信する、光束多重(LFM: Light Flux Multiplexing)通信に関する。また、マルチモード光ファイバの複数の伝播モードを違えて、送信信号と受信信号とに割り当てて通信を行なう双方向光通信に関する。
【０００２】
特に、マルチモード光ファイバ中を異なる伝播モードで伝播する複数の入射光束をマルチモード光ファイバに束ねて入射させることができる合波器と、マルチモード光ファイバから出射する複数の出射光束を伝播モードごとに分離できる分波器に関する。
【０００３】
また、発光素子から送信光束として出力される出力光束をマルチモード光ファイバに入射させ、かつ、一方ではこのマルチモード光ファイバから受信光束として出射される出射光束を受光素子に入力させる機能を有する双方向光結合器に関する。
【０００４】
また、マルチモード光ファイバの片端あるいは中間に配置して、伝播モードを高次から低次伝播モードへ、あるいは低次から高次伝播モードにモード変換するモード変換器に関する。
【背景技術】
【０００５】
近年、プラスチック光ファイバを通信線路とした安価な光リンクが、車載用、屋内用の通信機器の通信手段として注目されるようになった。これらの光リンクの通信線路の長さはおおむね3ｍから4ｍ程度である。このプラスチック光ファイバを利用した通信において、通信チャンネルを増やす方法として、波長の異なる複数の光を用いる波長多重（WDM: Wavelength Division Multiplexing）方式や、光の振幅強度を多値にとる多値振幅変調（PAM: Pulse Amplitude Modulation）方式及びモード多重方式等がある。
【０００６】
WDM通信では発光波長の異なる複数の発光素子を用意して、それを一本の光ファイバ中を伝播させる。光ファイバから出射した光は、波長分離フィルタで分離され、それぞれ別々の受光素子(例えばフォトダイオード)で受信される。したがって、通信に必要な波長帯域は、多重するチャンネル数に1チャンネルが占有する波長帯域幅を乗じた値以上の広さが必要である。
【０００７】
PAM方式を用いる伝送の場合、発光素子は単色でよく、必要とされる受発光素子の数もWDM方式の場合のように増やす必要がない。通信で遣り取りされるデータは、通常2値デジタル信号になっているのを多値信号に変換する回路を経て、光パルス信号として光ファイバに入射される。光ファイバから出射する光パルス信号は電気信号に変換され多値デジタル信号とされる。この多値信号は更に2値デジタル信号に変換される。これにより、例えば、4値デジタル信号による通信におけるのと同一通信帯域を用いても、伝送速度を2倍にすることができる。
【０００８】
モード多重方式を用いる伝送の場合も、発光素子は単色でよく、必要とされる受発光素子の数もWDM方式の場合のように増やす必要がない。モード多重方式を用いる伝送を実施できる例として、マルチモード光ファイバを通信線路に用いた、時分割多重光通信の発明がある（例えば、特許文献1参照）。この例では、時分割多重される複数チャンネルの光パルス信号を、チャンネルごとに、マルチモード光ファイバの伝播軸に対する入射角を変えて入射させて、伝送する。そして、受信側では、多重送信された光パルス信号をゲート回路によってゲーティングすることで、チャンネルごとの光パルス信号に分割して受信する形態である。
【０００９】
この方式は、本質的には光時分割多重伝送（OTDM: Optical Time Division Multiplexing）である。伝送路であるマルチモード光ファイバに複数チャンネルを合波させて入射させるために、マルチモード光ファイバの伝播軸に対する入射角を変えて入射させる方法をとっているに過ぎず、光ファイバ中を伝播する光パルス信号の伝播モードの特性を積極的に利用した方法ではない。伝送路であるマルチモード光ファイバに複数チャンネルを合波させて入射させるために、予め、伝送する複数チャンネル分の光パルス信号を合波して時分割多重した光パルス信号を、一括して送路であるマルチモード光ファイバに入射させることができさえすれば、マルチモード光ファイバの伝播軸に対する入射角を変えて入射させる方法をとる必要はない。
【００１０】
したがって、現在では、上述の伝送する複数チャンネル分の光パルス信号を合波して時分割多重した光パルス信号を得るために、プレーナ光導波路等を用いて実現されている。そして、光伝送路としてはシングルーモード光ファイバが使われ、OTDMが実現されている。
【００１１】
また、光ファイバ中を伝播する光パルス信号の伝播モードの特性を積極的に利用してモード多重方式を用いる伝送を実施した例がある(例えば、特許文献2参照)。この例は、マルチモード光導波路として、断面が方形形状のものを伝送路として用いている。そして、この光伝送路の向かい合う平行な二面で反射を繰り返して伝播する伝播モードを用いて、光パルス信号を伝送する。しかしながら、このモード多重方式を用いる伝送方法では、光伝送路として、その断面形状が方形である特殊な導波路を用いなければならず、実用性に乏しい。また、この光伝送路の向かい合う平行な二面は、二組しかないので、特殊な工夫を施さない限り基本的には2チャンネル多重伝送が実現できるに過ぎない。
【００１２】
一方、双方向通信をするために光ファイバを2本用いる方式が主として行なわれてきたが、より小型、安価にするために1本の光ファイバによる双方向通信方式が提案されている。
【００１３】
例えば、光ファイバからの出射光を鏡で受光素子に集光し、光ファイバ端面の一部分から送信光をこの光ファイバに入射させる構成とした双方向通信方式が提案されている(例えば特許文献3参照)。この双方向通信方式では、光ファイバへの入射光を集光させるためのレンズの外周部に発散部を形成して、受信光を集光する薄膜の反射鏡を設置することによって、内部散乱光による混信を減少させる工夫が施されている。
【００１４】
また、光ファイバに光パルス信号を入射させるために要するコア面積が、受信光を得るために要するコア面積に比べて十分小さくなるようにすることで、光結合損失を小さくする工夫が施された双方向通信方式も提案されている（例えば、特許文献4、特許文献5、特許文献6参照）。
【００１５】
特許文献4に開示されている双方向光通信装置では、凹面鏡の一部を穿って、発信信号光を光ファイバに導く部分を作りつけた、光分離素子と呼ばれる構成要素によって、上述の課題を解決している。特許文献5に開示されている双方向光通信器では、発信信号光を光ファイバに導くための平面鏡と、光ファイバからの出射光である受信光を受光器に導くための凹面鏡とを用いることで、上述の課題を解決している。また、特許文献6に開示されている双方向光通信モジュールでは、偏光フィルムを用いることで、送信光信号を出射する発光素子からの出射光が光ファイバ端面で反射して、受光素子に達しない攻勢とすることで、上述の課題を解決している。
【００１６】
また、発光素子からの送信光が光ファイバの端面等で反射して受光素子に入射する反射戻り光が強くなると、クロストークが発生し、通信の品質が低下する。そのため、反射戻り光を弱めるための構造が提案されている。例えば、光ファイバ接続部に屈折率整合剤を挟むことにより、光ファイバ端面での反射を防ぐ構造の装置がある(例えば、特許文献７参照)。また、光ファイバ端面を、凸面に加工して、反射戻り光強度を低減する構造を採用した装置がある（例えば、特許文献8参照）。
【特許文献１】USP 3,633,034
【特許文献２】USP 4,516,828
【特許文献３】特開2003-167616号公報
【特許文献４】特開2001-188148号公報
【特許文献５】特開2001-235660号公報
【特許文献６】特開2001-249254号公報
【特許文献７】特開平11-174283号公報
【特許文献８】特開2002-323643号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、WDMによる光通信システムを構築するには、発光波長の異なる複数の発光素子が必要であるために、高価なシステムとなる。また、波長の異なる光を合波する合波器や、分波する分波器も高価であるので、高価なシステムとなる。
【００１８】
またPAMによる光通信システムでは、2値デジタル信号と多値デジタル信号との複雑な変換を実現するための高価な回路が必要である。また、モード多重によるこれまで実現されてきた光通信システムにおいては、各モードに対応した光結合器として高価なものを使わなければならず、その上、光ファイバへの入射が効率よく行なわれるように、入射光と光ファイバ端面との位置合わせを高い精度で行なう必要がある。
【００１９】
そこで、この発明の目的は、上述した問題点を解決する、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを使ったモード多重方式による、LFM通信用光リンクを提供することにある。
【００２０】
具体的には、発光波長の異なる複数の発光素子を必要とせず一波長のみで実現でき、また多値デジタル信号を用いる必要のない、多重通信を実現することにある。
【００２１】
また、1本の光ファイバによる双方向通信を、発光波長の異なる複数の発光素子を必要とせず一波長のみで実現できる、双方向光通信用光リンクを実現することにある。
【００２２】
また、この双方向通信を行なうにあたり、構成が同一である通信端末を用いて送受信が可能である光リンクを実現するための、モード変換器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
以後の説明において、光ファイバの光軸とは、光ファイバのコアの中心を光の伝播方向に連ねた軌跡を意味するものとする。そして、光ファイバの光軸に対する光束の入射角あるいは出射角とは、この光ファイバの入射端近傍あるいは出射端面近傍における、この光ファイバの光軸に対する光束の伝播方向のなす角を意味するものとする。
【００２４】
発光素子からの出射光束をこの光ファイバの光軸に対してある角度をもって平行な入射光束として入射させると、この入射角度と同一の角度でこの光ファイバの出射端から円錐状の出射光束として出射される。入射角度と出射角度とは等しいので、以後、入射角度と出射角度とをまとめて入出射角ということもある。
【００２５】
また、光束の入出射角は光ファイバを伝播するこの光束の伝播モードに対応している。そして、光ファイバの出射端から出射される光束の形状である円錐の頂角は入出射角の2倍に等しい。
【００２６】
また、この光ファイバの光軸に対して小さい角度（光軸に対して平行に近い入射角度）で入射されこの光ファイバを伝播する光束を、低次伝播モードで伝播する光束あるいは単に低次伝播モードの光束ということもある。また、逆にこの光ファイバの光軸に対して大きい角度（光軸に対して平行な方向から離れた入射角度）で入射されこの光ファイバを伝播する光束を、高次伝播モードで伝播する光束あるいは単に高次伝播モードの光束ということもある。
【００２７】
この発明のLFM通信用光リンクは、下記のような構成上の特徴を有する。すなわち、複数の発光素子と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを介してこの複数の発光素子ごとに1対1に対応する複数の受光素子及び、第1及び第2光結合器とを具えるLFM通信用光リンクである。第1光結合器は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で複数の発光素子の出射光束を入射させる機能を有する。また、第2光結合器は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で出射する光束を、それぞれ別々の受光素子に入射させる機能を有する。
【００２８】
上記構成のこの発明のLFM通信用光リンクによれば、以下に示すステップを含むLFM通信方法を実現できる。すなわち、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いてLFM通信を行なう方法において、
（1）複数チャンネルの光搬送波である複数の光束を、それぞれ別々の複数の発光素子から出力する発光ステップ
（2）上述の出力された複数の光束を合波して、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップ
（3）合波されて入力された複数の光束を、それぞれ別々の伝播モードでステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップ
（4）この光ファイバから出射する複数の光束を伝播モードごとに分波する分波ステップ
（5）分波された複数の光束をそれぞれ別々の複数の受光素子で受光する受光ステップ。
【００２９】
第1光結合器は、好ましくは、以下の通りの構成とする。すなわち、複数の凸レンズを、複数の発光素子ごとにステップインデックス型マルチモード光ファイバとの間に、この複数の凸レンズの光軸とこの光ファイバの光軸とのなす角度をそれぞれ違えて配置することで第1光結合器を構成する。そして、この第1光結合器は、複数の発光素子の出射光束をこの光ファイバに平行光束の状態で入射させる構成とする。
【００３０】
あるいは、また、複数の凹面鏡を複数の発光素子ごとに、この凹面鏡の光軸とステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸とのなす角度を違えて配置することで第1光結合器を構成する。そして、この第1光結合器は、複数の発光素子の出射光束を反射させてこの光ファイバに平行光束の状態とされて入射させる構成とする。
【００３１】
あるいは、また、複数の発光素子の出射光束が、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態とされて、かつ、平行光束の状態とされたこの複数の発光素子の出射光束ごとに、この光ファイバの光軸に対する入射角度を違えてこの光ファイバに入射する位置に配置された単一の凸レンズを以って第1光結合器を構成する。
【００３２】
また、複数の発光素子の出射光束が、反射させてステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態とされて、かつ、平行光束の状態とされたこの複数の発光素子からの出射光束ごとに、この光ファイバの光軸とのなす角度を違えてこの光ファイバに入射する位置に配置された単一の凹面鏡を以って第1光結合器を構成する。
【００３３】
上述した構成の第1光結合器を利用すれば、この光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で複数の発光素子の出射光束を合波して入射させることができる。
【００３４】
第2光結合器は、好ましくは、以下の通りの構成とする。すなわち、複数の直径が異なるリング状のレンズを同心円状に並べて構成されたリング状多焦点レンズであって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束を、それぞれの頂角ごとに別々の受光素子に集光して入射する位置に配置することで第2光結合器を構成する。
【００３５】
あるいは、また、焦点距離と反射方向とが異なる複数の凹面鏡をつなぎ合わせた複合型凹面鏡であって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束が、それぞれの頂角ごとに反射させて別々の受光素子に集光して入射する位置に配置することで第2光結合器を構成する。
【００３６】
あるいは、また、レンズと凹面鏡とを複合して構成された多焦点素子であって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束が、それぞれの頂角ごとに反射及び屈折されて別々の受光素子に集光して入射する位置に配置することで第2光結合器を構成する。
【００３７】
上述した構成の第2光結合器を利用すれば、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で出射する光束を、それぞれ伝播モードごとに別々に分波することができる。
【００３８】
この発明の双方向光通信用光リンクは、下記のような構成上の特徴を有する。すなわち、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて双方向光通信を行なう双方向光通信用光リンクである。この双方向光通信用光リンクは、発光素子と、受光素子と、双方向光結合器とを具える。双方向光結合器は、発光素子から送信光束として出力される光束をステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させる。そして、この光ファイバから、受信光束として出力される、送信光束とは異なる伝播モードで逆向きにこの光ファイバを導波された出射光を受光器に入射させる機能を有する。
【００３９】
双方向光結合器は、好ましくは、以下の通りの構成とする。すなわち、直径が異なるリング状の複数のレンズを同心円状に並べて構成されたリング状多焦点レンズであって、発光素子の出射光束が、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態とされて、かつ、平行光束の状態とされた発光素子の出射光束をこの光ファイバに入射し、発光素子の出射光束とは、この光ファイバの光軸に対して異なる角度で出射する、円錐状に広がった出射光束を、受光素子に集光して入射する位置に配置することで双方向光結合器を構成する。
【００４０】
あるいは、また、焦点距離と反射方向とが異なる複数の凹面鏡をつなぎ合わせた複合型凹面鏡であって、発光素子の出射光束が、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態とされて、かつ、平行光束の状態とされた発光素子の出射光束をこの光ファイバに入射し、この発光素子の出射光束とは、この光ファイバの光軸に対して異なる角度で出射する、円錐状に広がった出射光束を、受光素子に集光して入射する位置に配置することで双方向光結合器を構成する。
【００４１】
あるいは、また、レンズと凹面鏡とを複合して構成された多焦点素子であって、発光素子の出射光束が、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに平行光束の状態とされて、かつ、平行光束の状態とされた発光素子の出射光束をこの光ファイバに入射し、この発光素子の出射光束とは、この光ファイバの光軸に対して異なる角度で出射する、円錐状に広がった出射光束を、受光素子に集光して入射する位置に配置することで双方向光結合器を構成する。
【００４２】
以上説明した構成の双方向光結合器を利用すれば、発光素子から送信光束として出力される光束をステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させ、かつ、この光ファイバから、受信光束として出力される送信光束とは異なる伝播モードで逆向きにこの光ファイバを導波された出射光を受光素子に入射させることができる。
【００４３】
また、この発明の双方向光通信用光リンクにおいて、以下のモード変換器のいずれか一つを具えるのが好適である。
【００４４】
すなわち、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器である。また、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器である。なお、このモード変換器は、双方向結合器の一部に設定することができる。
【００４５】
あるいは、また、このモード変換器をこの発明の双方向光通信用光リンクにおいて用いられるステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間部に、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を設置しても良い。また、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間部に、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を設置しても良い。
【発明の効果】
【００４６】
この発明のLFM通信用光リンクによれば、複数の発光素子のそれぞれの出射光束は、第1光結合器によって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で入射され、出射した光束は、第2光結合器によって、発光素子ごとに1対1に対応する、それぞれ別々の複数の受光素子に入射される。
【００４７】
第1光結合器によって、複数の発光素子からの出射光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度を有する光束として入射させることができるので、この複数の入射光束をそれぞれの入射角度に対応する伝播モードでこの光ファイバ中を伝播させることができる。すなわち、合波されて入力された複数の光束をそれぞれ別々の伝播モードでステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップが実現できる。
【００４８】
また、第2光結合器によって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの光軸に対してそれぞれ異なる角度で出射する光束を、それぞれ伝播モードごとに分波することができる。すなわち、この光ファイバから出射する複数の光束を伝播モードごとに分波する分波ステップを実現できる。
【００４９】
これら分波された光束は、光束ごとにそれぞれ対応する受光素子に入射させることができる。すなわち、分波された複数の光束をそれぞれ別々の複数の受光素子で受光する受光ステップが実現できる。
【００５０】
上述したように、複数の伝播モードが異なる光束を、同時にステップインデックス型マルチモード光ファイバ中を導波させることができるので、この複数の光束にそれぞれ別々のチャンネルの伝送信号を伝送する搬送波としての役割を与えれば、一本のステップインデックス型マルチモード光ファイバを伝送路とする光多重通信が行なえる。その結果、発光波長の異なる複数の発光素子を必要とせず一波長のみで光多重通信が実現できる。また多値デジタル信号を用いることなく、多重通信を実現することができる。
【００５１】
一方、この発明の双方向光通信用光リンクによれば、発光素子と、受光素子と、双方向光結合器とを具えている。この双方向光結合器は、発光素子から送信光束として出力される光束をステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させ、かつ、この光ファイバから、受信光束として出力される送信光束とは異なる伝播モードで逆向きにこの光ファイバを導波された出射光を受光素子に入射させる機能を有している。
【００５２】
双方向光結合器によって、発光素子から送信光束として出力される光束をステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させることができる。また、この双方向光結合器によって、受信光束として出力される送信光束とは異なる伝播モードで逆向きにこの光ファイバを導波された出射光を受光素子に入射させることができる。
【００５３】
すなわち、この発明の双方向光通信用光リンクによれば、送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信を、光ファイバを第1の伝播モードで伝播する光束を用いて行なうステップが実現できる。また、送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信を、光ファイバを、第1の伝播モードとは異なる伝播モードである第2の伝播モードで伝播する光束を用いて行なうステップが実現できる。
【００５４】
したがって、一本のステップインデックス型マルチモード光ファイバを光通信線路として利用すれば、この一本の光ファイバによって、発光波長の異なる複数の発光素子を必要とせず一波長のみで双方向光通信用光リンクを実現することができる。
【００５５】
更にこの発明のモード変換器によれば、この発明の双方向光通信を行なうにあたり、構成が同一である通信端末を用いて送受信を可能とすることができる。
【００５６】
すなわち、この発明の双方向光通信用光リンクにおいて、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えた双方向光結合器を利用する。
【００５７】
また、この発明の双方向光通信用光リンクにおいて、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えた双方向光結合器を利用する構成としても良い。
【００５８】
また、この発明の双方向光通信用光リンクにおいて、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間部に、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具えて構成する。
【００５９】
また、この発明の双方向光通信用光リンクにおいて、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間部に、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズを以って構成されるモード変換器を具え具えて構成しても良い。
【００６０】
上述のモード変換器を具えてこの発明の双方向光通信用光リンクを構成すれば、双方向光通信の両方の端末甲及び乙（送信部と受信部がセットになって光ファイバ伝送路の両端に設置される送受信部をいう。）の構成を同一にすることができる。
【００６１】
仮に一方の端末甲から端末乙に向けて送信光束を高次伝播モードで送信した場合、この送信光束を受信するもう一方の端末乙側では、この高次伝播モードで送信された光束を低次伝播モードで受信する。また、一方の端末乙から端末甲に向けて送信光束を高次伝播モードで送信した場合、この送信光束を受信するもう一方の端末甲側では、この高次伝播モードで送信された光束を低次伝播モードで受信する。
【００６２】
この場合には、高次伝播モードを低次伝播モードに変換する上述のモード変換器を利用すればよい。
【００６３】
すなわち、端末甲も端末乙も、送信光束はいずれも高次伝播モードで送信し、受信光束は低次伝播モードで受信する構成とすることができる。言い換えると、送信光束を出射する発光素子を高次伝播モードで光ファイバに入射できる配置とし、受信光束を受光する受光器を光ファイバから低次伝播モードで出射する光束を受光できる配置に統一して設定できる。結果として、同一の送受信機を端末甲及び端末乙に利用することができ、複数種類の端末を必要としない。この結果スター構成の光リンクを構成する場合等において好都合となる。
【００６４】
上記の説明において、高次伝播モードで送信し低次伝播モードで受信する構成を説明したが、これとは逆に、低次伝播モードで送信し高次伝播モードで受信する構成とすることも可能であることは、自明である。この場合には、低次伝播モードを高次伝播モードに変換する上述のモード変換器を利用すればよい。
【００６５】
また、上述のモード変換器のいずれも、この発明の双方向光通信用光リンクを構成する光結合器に設定しても、また、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの中間に設定しても、上述の双方向光通信の両方の端末の構成を同一にすることができるという、効果が得られることは明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明が理解出来る程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の材料及び条件等を用いることがあるが、これら材料及び条件は好適例の一つに過ぎず、従って何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については同一の番号を付して示し、それらの機能等に関して、その重複する説明を省略することもある。
【実施例１】
【００６７】
＜光束多重通信用光リンクの構成＞
発光素子及び受光素子それぞれ2つ利用して構成される、2チャンネルのLFM通信方式を一例にして、LFM通信の基本原理を説明する。2つ並んだ発光素子からの出射光を受ける第1光結合器を置き、それぞれの発光素子からの出射光はそれぞれ異なる角度でステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射させる場合を想定する。すなわち、2つの発光素子の一方からの出射光束をこの光ファイバの光軸に対して平行に入射させ、もう一方の発光素子からの出射光束をこの光ファイバの光軸に対してある角度を持って入射させる。
【００６８】
光ファイバの出射端面から少し離れたところにレンズを以って構成された第2光結合器を置けば、光ファイバの光軸に平行な伝播成分を有する光束はレンズの後方焦点面のレンズの光軸との交点近傍（焦点面の中心部）に集光される。一方、光ファイバの光軸に平行からある角度を以って入射した光束は、レンズの後方焦点面のレンズの光軸との交点近傍から離れた周辺部に集光される。
【００６９】
上述の第2光結合器の後方焦点面の、それぞれの光束が集光される位置にそれぞれ受光素子をおくと、この光ファイバの光軸に平行に入射された光束と、この光軸にある角度傾いた方向に入射された光束とは、それぞれ別々の受光素子によって受光されることになる。
【００７０】
すなわち、上述した2つの発光素子、第1光結合器、光ファイバ、第2光結合器及び2つの受光素子から構成されるシステムは、光束2多重通信システムとなる。
【００７１】
上述した光束2多重通信システムと同様の構成で、発光素子と受光素子との組を上述の2組に限らず、3組以上からなるLFM通信システムを構築することが可能である。すなわち、複数の発光素子から出射される光束を、光ファイバの光軸に対して互いに異なる角度で入射させる構造として、この光ファイバの出射端の後方に、異なる伝播モードで伝播してきた光束をそれぞれ分離して受光することができるように、それぞれの光束が集光される位置に、受光素子をおけばよい。
【００７２】
図1(A)及び(B)を参照して、2チャンネル通信が可能である光束2多重通信を行なう場合の、入射光束及び出射光束の遠視野像の特徴を説明する。後述するように、入射角が0°(光ファイバの光軸に対して平行の方向)で光ファイバに光束を入射させ、この光束に1チャンネル分を割り当てることは、行なわれない。そのため、図1(A)及び(B)に示す入出射角が0°の光束は使われないので、残りの入射角の異なる2種類の光束にそれぞれ1チャンネルを割り当てることで、合計2チャンネルの通信を想定した図となっている。
【００７３】
図1(A)は光ファイバへの入射光束の遠視野像を、図1(B)は光ファイバからの出射光束の遠視野像を示す図である。図1(A)の横軸は光ファイバの光軸に対する入射角、図1(B)の横軸は光ファイバの光軸に対する出射角を示す。また両方の図ともに、縦軸は光強度を任意スケールで示す。
【００７４】
どちらの図も、入出射角が0°(光ファイバの光軸に対して平行の方向)から、光軸方向と平行な方向から離れる正の方向についての値のみを示している。実際には、出射光束は、光ファイバの光軸を対称軸とする円錐状の形状であるので、遠視野像を示す図は、縦軸(入出射角0°)を対称軸とする対称形であるが、横軸の負の値に対応する部分は省略してある。
【００７５】
図1(A)では、入出射角が0°の光束a、入射角度が小さい光束b及び入射角が大きい光束cの3種類の光束の遠視野像を示す。また、図1(B)では、出射角が0°の光束a'、出射角度が小さい光束b'及び出射角が大きい光束c'の3種類の光束の遠視野像を示す。入射角が0°の光束aが出射角0°の光束a'として光ファイバを出射し、入射角度が小さい光束bが出射角度の小さい光束b' として光ファイバを出射し、また、入射角が大きい光束cが出射角の大きい光束c' として光ファイバを出射する。
【００７６】
入射角度の異なる複数種類の入射光をステップインデックス型マルチモード光ファイバに入射した場合、これらの光束がこの光ファイバを伝播する間に、それぞれの光束の伝播モードは変化する。図1(A)と図1(B)とを比較すると明らかなように、光ファイバへの入射光束の形状と光ファイバからの出射光束との形状が異なっている。例えば、入射角度が小さい光束bの半値全幅(図1(A)中矢印で挟んだ間隔)とこの入射光束が光ファイバを伝播して多端から出射する光束b'の半値全幅(図1(B)中矢印で挟んだ間隔)とを比較すると明らかに、後者のほうが広い。すなわち、光束がこの光ファイバを伝播する間に伝播モードが、隣接する伝播モードで伝播する光束とクロストークが起こらない程度の変化をしていることを示している。
【００７７】
LFM通信システムを設計する際には、隣接するチャンネルの光束が受信側において分離してそれぞれの受信素子で受光できるように、上述の出射光束の遠視野像の半値全幅の増大を考慮する必要がある。受信側において、送信された光束を分離するためには、入射側において、入射光束の入射角度を十分違えて入射すればよいが、このように十分に入射角度を違えて入射させると、送信可能なチャンネル数が少なく限定されてしまう。
【００７８】
そこで、受信側において、多少隣接する出射光束の重なりがあっても、十分に光束を分離して受光できる工夫が、図1(B)で破線で示す光量減衰特性を有する光透過率フィルタを用いることである。すなわち、出射光束a'に対しては、破線pで示す特性、出射光束b'に対しては、破線qで示す特性、出射光束c'に対しては、破線rで示す特性をそれぞれ有する光量減衰特性を有する光透過率フィルタを受光素子の入射面に設定すれば良い。このような工夫を施すことによって、受信側において、多少隣接する出射光束の重なりがあっても、十分に光束を分離して受光できる。
【００７９】
図2を参照して、この発明のLFM通信用光リンクの構成について説明する。図2は2LFM光通信用光リンクの構成概念図である。光束を2種類利用した多重通信であるので、2多重光通信を実現する。
【００８０】
送信側端末10は、第1発光素子11、第2発光素子12及び第1光結合器13を具えている。受信側端末20は、第1受光素子18、第2受光素子19及第2光結合器17を具えている。送信側端末10と受信側端末20とを結ぶ通信線路は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16を以って構成される。
【００８１】
第1発光素子11及び第2発光素子12は、例えば半導体レーザ(LD: Semiconductor Laser Diode)を利用することができる。第1光結合器13は、これらLDからの出射光を平行光束にして、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の光軸に対してそれぞれ異なる角度で入射させる。第1光結合器13は後述するようにコリメートレンズ等の光学部品を利用して構成することができる。
【００８２】
光ファイバ16の光軸に平行に近い角度で入射される第1発光素子11からの出射光束は、低次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、光ファイバ16の光軸に平行に近い角度で出射する光束となる。一方、光ファイバ16の光軸に平行から外れた角度で入射される第2発光素子12からの出射光束は、高次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、光ファイバ16の光軸の平行方向から外れた角度で出射する光束となる。
【００８３】
上述した、光ファイバ16の光軸に平行に近い角度(小さな入射角度)で入射される低次伝播モードでこの光ファイバ16を伝播した光束は、光ファイバ16の光軸に平行に近い角度(小さな入射角度)を頂角(入射角の2倍)とする円錐状の形状である。一方、光ファイバ16の光軸に平行な方向から外れた角度(大きな入射角度)で入射される高次伝播モードでこの光ファイバ16を伝播した光束は、光ファイバ16の光軸に平行な方向から外れた角度(大きな入射角度)を頂角(入射角の2倍)とする円錐状の形状である。
【００８４】
第2光結合器17は、光ファイバ16からのこれらの出射光束を集光して、低次伝播モードの出射光束は受光素子18に、高次伝播モードの出射光束は受光素子19に入射させる機能を有する。第2光結合器17は、後述するようにリング状多焦点レンズ等の光学部品を利用して構成することができる。
【００８５】
第1受光素子18及び第2受光素子19は、例えばフォトダイオードを利用することができる。
【００８６】
＜光ファイバの屈曲が伝播モードに与える影響＞
上述したように、低次伝播モードで光ファイバ16を伝播するように入射される光束がその伝播モードを保存されて低次伝播モードで出射するためには、光ファイバ16が途中で大きく曲がった部分を含まないことが必要である。ステップインデックス型マルチモード光ファイバを伝播する光の伝播モードは、この光ファイバの大きく曲がった部分を伝播するときに、その伝播モードを変えることが知られているからである。
【００８７】
そこで、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの曲がりの度合いで、この光  ファイバを伝播する光の伝播モードがどの程度影響を受けるかを調べる実験を行なった。これによって、この発明のLFM通信用光リンクを実現するために、光ファイバの曲がり具合をどの程度以内に収めておく必要があるかを明確にしておく必要があるからである。
【００８８】
図3(A)、(B)及び(C)を参照して、上述の実験結果を説明する。これらの図は、PMMA（ポリメチルメタクリレート）をコア材料として用いて形成されたステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて行なった実験結果を示す図である。コア径は980μｍ、クラッドの厚みは10μｍ、開口比(NA: Numerical Aperture)＝0.3のステップインデックス型マルチモード光ファイバを、曲げ半径25ｍｍで長さ3.8ｍ分を20回巻いて、この光ファイバからの低次伝播モード及び高次伝播モードの出射光の遠視野像を測定した結果である。
【００８９】
図3(A)、(B)及び(C)は、横軸を出射角(℃)にとり、縦軸は光強度の最大値を100％に規格化して目盛ってある。図3(A)、(B)及び(C)の各図とも上に示す図はｘ方向の遠視野像、下に示す図はｙ方向の遠視野像である。ｘ-ｙ平面は光ファイバを出射した光束を受光する受光面に平行に設定した。横軸の出射角0°を中心にして、上下の図とも対称形であるということは、光束の出射方向に対して垂直面において、その強度分が同心円状に分布していることを意味する。
【００９０】
図3(A)は、光ファイバの光軸上に受光素子の中心位置を置いて測定した遠視野像を示す図である。低次伝播モードの出射光束の遠視野像が観測されている。図3(B)は、光ファイバの光軸と5°傾けた方向に受光素子の中心位置を置いて測定した遠視野像を示す図である。上述の図3(A)の遠視野像と同じ低次伝播モードの出射光束の遠視野像が観測されている。この図から低次伝播モードの出射光束は円錐状の光束というよりもほぼ平行な光束となっていることが分かる。
【００９１】
図3(C)は、光ファイバの光軸と15°傾けた方向に受光素子の中心位置を置いて測定した遠視野像を示す図である。この図3(C)は、光ファイバから円錐状の光束として出射する高次伝播モードの光束の遠視野像を表している。すなわち、クロストークが十分に小さい状態で、図3(A)及び図3(B)に示した低次伝播モードの光束と、図3(C)に示した高次伝播モードの光束とが分離して受光されることが分かる。
【００９２】
以上の実験の結果、コア径は980μｍ、クラッドの厚みは10μｍ、開口比(NA: Numerical Aperture)＝0.3のステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いてLFM通信を行なう場合、曲げ半径25ｍｍで長さ3.8ｍ分を20回巻かれた程度の光ファイバの曲がりでは、受光素子を光ファイバの光軸から15°程度離して受光素子を設置することで、低次伝播モードの光束と高次伝播モードの光束とを十分に分離して受光できることが確認された。
【００９３】
曲げ半径25ｍｍは、上記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの曲げ半径としては、設計上における最小の曲げ半径である。これ以下の曲げ半径となる曲げをこの光ファイバに加えると、光ファイバが破断したりするなど、その性能を保証できない限界値とされている。したがって、上記曲げ半径25ｍｍで長さ3.8ｍ分を20回巻かれた程度の光ファイバの曲がりという、この実験条件以上の変形がこの光ファイバに加わることは想定する必要がない。
【００９４】
図3(A)に示す遠視野像は、光ファイバの光軸上に設置された受光素子によって観測される遠視野像であるので、観測されている光束は、光ファイバの光軸上に設置された発光素子から出射されこの光ファイバの端面に垂直(光ファイバの光軸に対しては平行)に入射された光束がこの光ファイバを伝播して出射した光束の遠視野像である。光ファイバの端面に垂直に光束を入射させると、この端面からの反射光の一部が発光素子に戻る。そのために、発光素子の発光強度が不規則に変動する、いわゆる戻り光雑音を発生させることがある。
【００９５】
したがって、この戻り光雑音の発生を防ぐために、光ファイバの端面に対して垂直の方向から光束をこの光ファイバに入射させる構成はとられないのが一般的である。この発明の光リンクにおいても、低次伝播モードの光束を光ファイバに入射させる場合も、光ファイバの光軸に対して数度程度傾けて、発光素子からの出射光束を入射させる。したがって、低次伝播モードの光束として入出射角が5°程度、高次伝播モードの光束として入出射角が15°程度の2光束に、それぞれ1チャンネルを割り当てれば光束多重通信が可能であることが示されている。
【００９６】
すなわち、光ファイバの光軸上、光ファイバの光軸から5°程度はなした位置及び
光ファイバの光軸から15°程度はなした位置にそれぞれ受光素子を配置すれば、上記の曲がり程度が光ファイバに加わっていても、2チャンネルLFM通信が可能であることが示された。
【００９７】
通信距離が3.8ｍ程度であれば、上述のステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いてLFM通信に当って、実用上この光ファイバに多少の曲げが加わっても、チャンネル間のクロストーク等の問題は生じないことが確かめられた。
【００９８】
＜第1光結合器の構成例＞
図4を参照して、コリメートレンズを以って構成される第1光結合器の例を説明する。この図4は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末10の概略図である。第1のチャンネルの信号光を出力する第1発光素子11からの出射光は、コリメートレンズ14によって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入射端16aに入射される。またもう一方の第2チャンネルの信号光を出力する第2発光素子12からの出力光も、コリメートレンズ15によって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入射端16aに入射される。
【００９９】
この例において、図2における第1光結合器13に相当するのは、コリメートレンズ14及び15である。図4に示した構成によれば、2つのコリメートレンズ(凸レンズ)を2つの発光素子それぞれに対して、光ファイバ16との間に、このコリメートレンズの光軸とこの光ファイバ16の光軸とのなす角度をそれぞれ違えて配置された構造となる。そして、2つの発光素子の出射光束をこの光ファイバ16に平行光束の状態として入射させる構成となっている。
【０１００】
図5を参照して、凹面鏡を以って構成される第1光結合器の例を説明する。この図5は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末10の概略図である。第1のチャンネルの信号光を出力する第1発光素子11からの出射光は、凹面鏡54によって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入射端16aに入射される。またもう一方の第2チャンネルの信号光を出力する第2発光素子12からの出力光も、凹面鏡55によって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入射端16aに入射される。
【０１０１】
この例において、図2における第1光結合器13に相当するのは、凹面鏡54及び55である。図5に示した構成によれば、2つの凹面鏡を2つの発光素子それぞれに対して、光ファイバ16との間に、この凹面鏡で反射され平行光束の状態とされた平行光束の伝播方向とこの光ファイバ16の光軸とのなす角度をそれぞれ違えて配置された構造となる。そして、2つの発光素子の出射光束をこの光ファイバ16に平行光束の状態として入射させる構成となっている。
【０１０２】
第1光結合器に凸レンズや凹面鏡を用いて、発光素子からの出射光束を平行光束に変換すると、発光素子から光ファイバの入射端までの距離を十分に離しても、光ファイバに入射させる光量は減少しない。すなわち、発光素子から光ファイバの入射端までの距離を十分に離すことができる。その結果、送信側端末10において、複数の発光素子を設置するためのスペースを十分に確保できるので、多くの発光素子を設置することができ、LFM通信の多重度を大きくするために好都合である。
【０１０３】
図6を参照して、単一のコリメートレンズ(凸レンズ)22を以って構成される第1光結合器の例を説明する。この図6は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末10の概略図である。第1のチャンネルの信号光を出力する第1発光素子及び第2のチャンネルの信号光を出力する第2発光素子とはアレイ状に一体化されてアレイ状発光素子21として構成されている。アレイ状発光素子21から出射される2チャンネル分の出射光は、コリメートレンズ22によって2本の平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入射端16aに入射される。
【０１０４】
この例において、図2における第1光結合器13に相当するのは、単一のコリメートレンズ(凸レンズ)22である。図6に示した構成によれば、第1光結合器は、アレイ状発光素子21からの2本の出射光束をステップインデックス型マルチモード光ファイバ16に平行光束の状態として、かつ、平行光束の状態とされた2本の出射光束ごとに、この光ファイバ16の光軸に対する入射角度を違えて入射されるよう配置された単一の凸レンズ22が対応している。
【０１０５】
図7を参照して、単一の凹面鏡52を以って構成される第1光結合器の例を説明する。この図7は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末10の概略図である。第1のチャンネルの信号光を出力する第1発光素子及び第2のチャンネルの信号光を出力する第2発光素子とはアレイ状に一体化されてアレイ状発光素子21として構成されている。アレイ状発光素子21から出射される2チャンネル分の出射光は、凹面鏡52によって2本の平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入射端16aに入射される。
【０１０６】
この例において、図2における第1光結合器13に相当するのは、単一の凹面鏡52である。図7に示した構成によれば、第1光結合器は、アレイ状発光素子21からの2本の出射光束をステップインデックス型マルチモード光ファイバ16に平行光束の状態として、かつ、平行光束の状態とされた2本の出射光束ごとに、この光ファイバ16の光軸に対する入射角度を違えて入射されるよう配置された単一の凹面鏡52が対応している。
【０１０７】
第1光結合器に単一の凸レンズや凹面鏡を用いて、発光素子からの出射光束を平行光束に変換しても、上述した複数の凸レンズや凹面鏡を用いた場合同様に、光ファイバに入射させる光量は減少しない。すなわち、発光素子から光ファイバの入射端までの距離を十分に離すことができる。その結果、送信側端末10において、複数の発光素子を設置するためのスペースを十分に確保できるので、多くの発光素子を設置することができ、LFM通信の多重度を大きくするために好都合である。また、単一の凸レンズや凹面鏡を第1光結合器としたこの図6及び図7に示した構成によれば、発光素子として複数の発光素子をアレイ化したアレイ状発光素子を利用する場合に好都合な構成である。
【０１０８】
図6に示す単一のコリメートレンズ(凸レンズ)22や図7に示す単一の凹面鏡52を利用すれば、発光素子あるいは受光素子の数が多い場合にあっても、凸レンズ22や凹面鏡52のサイズを適切に選択し、発光素子あるいは受光素子の幾何学的位置を調整することで、凸レンズ22や凹面鏡52の数を増やさなくても対応できる。
【０１０９】
＜第2光結合器の構成例＞
図8を参照して、リング状多焦点レンズ37を以って構成される第2光結合器の例を説明する。この図8は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末の概略図である。第1のチャンネルの信号光を受信する第1受光素子18及び第2のチャンネルの信号光を受信する第2受光素子19を受信側端末20に設定して構成されている。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16から出射される2チャンネル分の出射光は、リング状多焦点レンズ37によって2本の平行光束が第1受光素子18及び第2受光素子19にそれぞれ集光して入射される。
【０１１０】
高次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、円錐状に広がって伝播する形状を有する。したがって、円錐状に広がって伝播する光束を、受光素子面上に集光するためには、リング形状のレンズが必要である。
【０１１１】
図8に示すリング状多焦点レンズ37は、リング状多焦点レンズ37の中心部分が貫けた周辺部分がドーナツ形状の外周部レンズ37bと、リング状多焦点レンズ37の中心部分の中心部レンズ37aとが合わさって構成された複合型レンズである。このような複合型レンズであるリング状多焦点レンズ37に、円錐状に広がって伝播する光束が入射すれば、この光束はリング状多焦点レンズ37の外周部レンズ37bによって、集光される。
【０１１２】
このとき、リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aには、光のエネルギーは到達しない。円錐状に広がって伝播する光束の伝播軸上においては、光のエネルギーは0であるからである。ここで、円錐状に広がって伝播する光束の伝播軸とは、この光束の内部に含まれ、この光束の伝播ベクトルに平行な向きに連ねた軸を言う。すなわち、円錐状に広がって伝播する光束の電場エネルギーは、この光束の伝播軸を囲むように分布している。
【０１１３】
高次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、円錐状に広がって伝播する形状を有するので、高次伝播モードの光束はリング状多焦点レンズ37の外周部レンズ37bによって、第2受光素子19に集光される。一方、低次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、その電場エネルギーの全てがリング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aに達する。したがって、低次伝播モードの光束は、リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aによって、第1受光素子18に集光される。
【０１１４】
光ファイバ16を伝播する伝播モードの異なる光束が3つ以上である場合にも同様に、伝播モードが高次数であればあるほど円錐状に広がって伝播する光束の頂角が大きくなる。したがって、伝播モードの異なる光束が3つ以上である場合には、それぞれの頂角の大きさに対応するリング状レンズを同心円上に重ねて構成すれば良い。
【０１１５】
リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aと外周部レンズ37bとはその光軸を違えて設定する必要がある。これは、低次伝播モードの光束と高次伝播モードの光束とを、それぞれ第1受光素子及び第2受光素子によってそれぞれ別々に受光できる構成とするためである。リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aと外周部レンズ37bとの光軸が同一であれば、低次伝播モードの光束と高次伝播モードの光束とを、それぞれ第1受光素子と第2受光素子とで受光できる配置とすることができない。伝播モードの異なる光束が3つ以上である場合にも同様に、同心円上に重ねて構成するリング状レンズの光軸も違えて設定する必要がある。
【０１１６】
この発明において利用される、リング状多焦点レンズ37の特徴は、眼鏡等に利用される多焦点レンズのように、焦点距離の異なるレンズを同一の光軸上に重ねた状態に形成されたレンズではなく、リング状レンズのそれぞれの光軸の向きを違えて形成されている点にある。この光軸の向きを連続的に変えてリング状レンズを形成することもできるが、この発明においては、チャンネル間のクロストークを小さくするためにチャンネル数に相当する数だけに限定してこの光軸の向きを設定するのが好ましい。
【０１１７】
この例において、図2における第2光結合器17に相当するのは、リング状多焦点レンズ37である。図8に示した構成によれば、第2光結合器は、光ファイバ16と第1受光素子18及び第2受光素子19との間に設置された、複数の直径が異なるリング状のレンズを同心円状に並べて構成されたリング状多焦点レンズである。光ファイバ16から、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束を、それぞれの頂角ごとに別々の受光素子に集光して入射するように配置されている。
【０１１８】
図9を参照して、複合型凹面鏡57を以って構成される第2光結合器の例を説明する。この図9は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末の概略図である。第1のチャンネルの信号光を受信する第1受光素子18及び第2のチャンネルの信号光を受信する第2受光素子19を受信側端末20に設定して構成されている。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16から出射される2チャンネル分の出射光は、複合型凹面鏡57によって反射されて、2本の平行光束が第1受光素子18及び第2受光素子19にそれぞれ集光して入射される。
複合型凹面鏡57は、凹面の曲率と反射方向とがそれぞれ異なる、第1反射部57a及び第2反射部57bの二種類の凹面鏡から構成される。
【０１１９】
高次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、円錐状に広がって伝播する形状を有するので、高次伝播モードの光束は複合型凹面鏡57の第2反射部57bによって、第2受光素子19に集光される。一方、低次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、複合型凹面鏡57の第1反射部57aによって、第1受光素子18に集光される。
【０１２０】
この発明において利用される、複合型凹面鏡57の凹面の曲率(焦点距離）と反射方向とが連続的に変わるように形成することもできるが、上述の、リング状多焦点レンズ37場合同様に、チャンネル間のクロストークを小さくするためにチャンネル数に相当する数だけに限定して複合される凹面鏡を設定するのが好ましい。
【０１２１】
この例において、図2における第2光結合器17に相当するのは、複合型凹面鏡57である。図9に示した構成によれば、第2光結合器は、複数の焦点距離と反射方向とが異なる複数の凹面鏡をつなぎ合わせた複合型凹面鏡57であって、光ファイバ16から、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束をそれぞれの頂角ごとに反射させて別々の受光素子に集光して入射するように配置されている。
【０１２２】
図10を参照して、多焦点素子58を以って構成される第2光結合器の例を説明する。この図10は、2チャンネルのLFM通信方式の送信側端末の概略図である。第1のチャンネルの信号光を受信する第1受光素子18及び第2のチャンネルの信号光を受信する第2受光素子19を受信側端末20に設定して構成されている。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16から出射される2チャンネル分の出射光は、多焦点素子58によって反射または屈折されて、2本の平行光束が第1受光素子18及び第2受光素子19にそれぞれ集光して入射される。
【０１２３】
多焦点素子58は、凹面鏡で構成される反射部58b及び凸レンズで構成される屈折部58aから構成される。
【０１２４】
高次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、円錐状に広がって伝播する形状を有するので、高次伝播モードの光束は多焦点素子58の反射部58bによって、第2受光素子19に集光される。一方、低次伝播モードで光ファイバ16を伝播して、この光ファイバ16の出射端から出力される光束は、多焦点素子58の屈折部57aよって、第1受光素子18に集光される。
【０１２５】
この例において、図2における第2光結合器17に相当するのは、多焦点素子58である。図10に示した構成によれば、第2光結合器は、凸レンズと凹面鏡とを複合させた複合型凹面鏡であって、光ファイバ16から、頂角を違えて出射する円錐状に広がった複数の光束をそれぞれの頂角ごとに反射及び屈折させて別々の受光素子に集光して入射するように配置されている。
【０１２６】
図8から図10を参照して、数々の光学系を第2光結合器として説明したが、もちろんこれらは、第1光結合器としても利用できることは明らかである。これらを第1光結合機として利用する場合には、第1及び第2受光素子（18及び19）を第1及び第2発光素子（11及び12）に入れ替えればよい。
【０１２７】
以上説明した図4から図10を参照して説明した送信側端末及び受信側端末の構成例は、原則としとして2チャンネルのLFM通信を前提としたが、3チャンネル以上の多チャンネルのLFM通信においても、同様に実現できることは明らかである。
【０１２８】
多焦点素子58を用いる場合には、反射部と屈折部を交互にリング状に形成することができ、隣接する光束（隣接する伝播モードの光束）の方向を大きく変えることができるので、クロストークを小さくするために好都合である。
【０１２９】
図5や図9に示す複数の凹面鏡を使った光結合器が、特許文献5に開示されている。また、図10に示す凸レンズと凹面鏡とを複合化した光結合器が特許文献4に開示されている。しかしこれらの発明は、光ファイバへの入射光や光ファイバからの出射光が、この光ファイバを伝播する伝播モードに対応する設計とはなっていない点が、この発明と異なる。
【０１３０】
＜LFM通信方法＞
上述のLFM通信用光リンクを実現させるためのLFM通信方法として、以下に述べる方法をとることができる。すなわち、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いてLFM通信を行なう方法において、以下のステップを含んで構成されるLFM通信方法である。
（1）複数チャンネルの光搬送波である複数の光束を、それぞれ別々の複数の発光素子から出力する発光ステップ
（2）上述の出力された複数の光束を合波して、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップ
（3）合波されて入力された複数の光束をそれぞれ別々の伝播モードでステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップ
（4）この光ファイバから出射する複数の光束を伝播モードごとに分波する分波ステップ
（5）分波された複数の光束をそれぞれ別々の複数の受光素子で受光する受光ステップ。
【０１３１】
発光ステップは、既に説明したように、例えばLD等を発光素子として利用することで実現できる。入力ステップは、図4から図7を参照して説明した構成の第1光結合器を利用すれば実現できる。導波ステップは、例えば、PMMAをコア材料として用いて形成されたステップインデックス型マルチモード光ファイバを利用することで実現できる。分波ステップは、図8から図10を参照して説明した構成の第2光結合器を利用すれば実現できる。受光ステップは、既に説明したように、例えばフォトダイオードを受光素子として利用することで実現できる。
【実施例２】
【０１３２】
＜双方向光通信用光リンクの構成＞
図11を参照して、この発明の双方向光通信用光リンクの構成について説明する。図11は双方向光通信用光リンクの構成概念図である。送信用と受信用とに対してそれぞれ1種類の光束を宛がって、合計2種類の光束を利用した双方向光通信であるので、送信及び受信についてそれぞれ1チャンネルの双方向光通信を実現する。
【０１３３】
この双方向光通信用光リンクは、発光素子と、受光素子と、双方向光結合器とを具える一組の送受信端末を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを介して接続して構成される。
【０１３４】
以後の説明の便宜のために一組の送受信端末の一方を送受信端末甲、他方を送受信端末乙と表記して区別することもある。また、送受信端末甲及び送受信端末乙を構成する要素についても甲及び乙を付して区別することもある。
【０１３５】
送受信端末甲30は、発光素子甲110、受光素子甲180及び双方向光結合器甲23を具えている。送受信端末乙40は、発光素子乙120、受光素子乙190及び双方向光結合器乙27を具えている。送受信端末甲30と送受信端末乙40とを結ぶ通信線路は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16を以って構成される。
【０１３６】
双方向光結合器甲23及び双方向光結合器乙27は、これらのLDからの出射光を平行光束にして、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の光軸に対してそれぞれ異なる角度で入射させるとともに、光ファイバ16を伝播して出射された光束をそれぞれ受光素子甲180及び受光素子乙190に集光して入射させる。
【０１３７】
双方向光結合器甲23及び双方向光結合器乙27は、後述するようにリング型多焦点レンズ等の光学部品を利用して構成することができる。発光素子甲110及び発光素子乙120は、例えばLDを利用することができる。また、受光素子甲180及び受光素子乙190は、例えばフォトダイオードを利用することができる。
【０１３８】
この発明の双方向光通信用光リンクでは、送受信端末甲30から送受信端末乙40に向けての送信光束の光ファイバ16中を伝播する伝播モードと、送受信端末乙40から送受信端末甲30に向けての送信光束の光ファイバ16中を伝播する伝播モードとを別々の伝播モードに設定する。例えば、送受信端末甲30から送受信端末乙40に向けての送信光束の伝播モードを低次伝播モードに設定し、送受信端末乙40から送受信端末甲30に向けての送信光束の伝播モードを高次伝播モードに設定する。以下の説明においては、このように設定した場合を想定して説明するが、伝播モードをこれとは逆に設定してもよいことは明らかである。
【０１３９】
上述した双方向光通信は、送信及び受信それぞれ1チャンネルの双方向光通信を対象として説明したが、発光素子と受光素子の組を増やし、光ファイバ16中を伝播する伝播モードを増やせば、2チャンネル以上の双方向多重通信が可能となることは明らかである。
【０１４０】
また、図11を参照して説明したこの発明の双方向光通信用光リンクの構成は、USB (Universal Serial Bus)のように、上流側と下流側とを区別する構成とされたシステムにおいて利用するのに適している。
【０１４１】
＜双方向光結合器の構成例＞
図12を参照して、リング状多焦点レンズ33及び37を以って構成される双方向光結合器の例を説明する。この図12は、リング状多焦点レンズ33及び37を利用して構成される双方向光結合器23及び27を具えた双方向光通信用光リンクの概略図である。リング状多焦点レンズ33の中心部レンズ33aと外周部レンズ33bとはその光軸を違えて設定する必要がある。同様に、リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aと外周部レンズ37bとはその光軸を違えて設定する必要がある。このように光軸を違えて設定することによって、発光素子と受光素子とを空間的に分離して設置することができる。
【０１４２】
図12を参照しての説明においては、説明の便宜上、送受信端末甲30から送受信端末乙40に向けての送信光束の伝播モードを低次伝播モードに設定し、送受信端末乙40から送受信端末甲30に向けての送信光束の伝播モードを高次伝播モードに設定する。
【０１４３】
発光素子甲110からの出射光束は、リング状多焦点レンズ33の中心部レンズ33aによって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入出力端16aに入射される。光ファイバ16に入射した発光素子甲110からの出射光束は、光ファイバ16中を低次伝播モードで伝播し、光ファイバ16の入出力端16bから出力され、リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aに入射して、受光素子乙190に集光されて受信される。
【０１４４】
一方、発光素子乙120からの出射光束は、リング状多焦点レンズ37の外周部レンズ37bによって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入出力端16bに入射される。光ファイバ16に入射した発光素子乙120からの出射光束は、光ファイバ16中を高次伝播モードで伝播し、光ファイバ16の入出力端16aから出力され、リング状多焦点レンズ33の外周部レンズ33bに入射して、受光素子甲180に集光されて受信される。
【０１４５】
この例において、図11における双方向光結合器23及び27に相当するのは、それぞれ、リング状多焦点レンズ33及び37である。図12に示した構成によれば、双方向光結合器23及び27が以下の通りの役割を果たす機能を有している。
【０１４６】
すなわち、リング状多焦点レンズ33の中心部レンズ33aは、発光素子甲110からの出射光束を平行光束とし、光ファイバ16にこの光ファイバ16を低次伝播モードで伝播するように入出力端16aに入射させる。また、リング状多焦点レンズ33の周辺部レンズ33bは、光ファイバ16からの出射光束を受光素子甲180に集光させて入射させる。
【０１４７】
一方リング状多焦点レンズ37の周辺部レンズ37bは、発光素子乙120からの出射光束を平行光束とし、光ファイバ16にこの光ファイバ16を高次伝播モードで伝播するように入出力端16bに入射させる。また、リング状多焦点レンズ37の中心部レンズ37aは、光ファイバ16からの出射光束を受光素子乙190に集光させて入射させる。
【０１４８】
図13を参照して、複合型凹面鏡53及び57を以って構成される双方向光結合器の例を説明する。この図13は、複合型凹面鏡53及び57を利用して構成される双方向光結合器を具えた双方向光通信用光リンクの概略図である。複合型凹面鏡53の第1反射部53aと第2反射部53bとはその光軸を違えて設定する必要がある。同様に、複合型凹面鏡57の第1反射部57aと第2反射部57bとはその光軸を違えて設定する必要がある。このように光軸を違えて設定することによって、発光素子と受光素子とを空間的に分離して設置することができる。
【０１４９】
図13を参照しての説明においては、説明の便宜上、送受信端末甲30から送受信端末乙40に向けての送信光束の伝播モードを低次伝播モードに設定し、送受信端末乙40から送受信端末甲30に向けての送信光束の伝播モードを高次伝播モードに設定する。
【０１５０】
発光素子甲110からの出射光束は、複合型凹面鏡53の第1反射部53aによって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入出力端16aに入射される。光ファイバ16に入射した発光素子甲110からの出射光束は、光ファイバ16中を低次伝播モードで伝播し、光ファイバ16の入出力端16bから出力され、複合型凹面鏡57の第1反射部57aに入射して、受光素子乙190に集光されて受信される。
【０１５１】
一方、発光素子乙120からの出射光束は、複合型凹面鏡57の第2反射部57bによって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入出力端16bに入射される。光ファイバ16に入射した発光素子乙120からの出射光束は、光ファイバ16中を高次伝播モードで伝播し、光ファイバ16の入出力端16aから出力され、複合型凹面鏡53の第2反射部53bに入射して、受光素子甲180に集光されて受信される。
【０１５２】
この例において、図11における双方向光結合器23及び27に相当するのは、それぞれ、複合型凹面鏡53及び57である。図13に示した構成によれば、双方向光結合器23及び27が以下の通りの役割を果たす機能を有している。
【０１５３】
すなわち、複合型凹面鏡53の第1反射部53aは、発光素子甲110からの出射光束を平行光束とし、光ファイバ16にこの光ファイバ16を低次伝播モードで伝播するように入出力端16aに入射させる。また、複合型凹面鏡53の第2反射部53bは、光ファイバ16からの出射光束を受光素子甲180に集光させて入射させる。
【０１５４】
一方複合型凹面鏡57の周辺部レンズ57bは、発光素子乙120からの出射光束を平行光束とし、光ファイバ16にこの光ファイバ16を高次伝播モードで伝播するように入出力端16bに入射させる。また、複合型凹面鏡57の中心部57aは、光ファイバ16からの出射光束を受光素子乙190に集光させて入射させる。
【０１５５】
図14を参照して、多焦点素子58及び59を以って構成される双方向光結合器の例を説明する。この図14は、多焦点素子58及び59を利用して構成される双方向光結合器30及び40を具えた双方向光通信用光リンクの概略図である。多焦点素子59の反射部59bと屈折部59aとはその光軸を違えて設定する必要がある。同様に、多焦点素子58の反射部58bと屈折部58aとはその光軸を違えて設定する必要がある。このように光軸を違えて設定することによって、発光素子と受光素子とを空間的に分離して設置することができる。
【０１５６】
図14を参照しての説明においては、説明の便宜上、送受信端末甲30から送受信端末乙40に向けての送信光束の伝播モードを高次伝播モードに設定し、送受信端末乙40から送受信端末甲30に向けての送信光束の伝播モードを低次伝播モードに設定する。
【０１５７】
発光素子甲110からの出射光束は、多焦点素子59の反射部59bによって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入出力端16aに入射される。光ファイバ16に入射した発光素子甲110からの出射光束は、光ファイバ16中を高次伝播モードで伝播し、光ファイバ16の入出力端16bから出力され、多焦点素子58の反射部58bに入射して、受光素子乙190に集光されて受信される。
【０１５８】
一方、発光素子乙120からの出射光束は、多焦点素子58の屈折部58aによって平行光束となって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ16の入出力端16bに入射される。光ファイバ16に入射した発光素子乙120からの出射光束は、光ファイバ16中を低次伝播モードで伝播し、光ファイバ16の入出力端16aから出力され、多焦点素子59の屈折部59bに入射して、受光素子甲180に集光されて受信される。
【０１５９】
この例において、図11における双方向光結合器23及び27に相当するのは、それぞれ、多焦点素子59及び58である。図14に示した構成によれば、双方向光結合器23及び27が以下の通りの役割を果たす機能を有している。
【０１６０】
すなわち、多焦点素子59の反射部59bは、発光素子甲110からの出射光束を平行光束とし、光ファイバ16にこの光ファイバ16を高次伝播モードで伝播するように入出力端16aに入射させる。また、多焦点素子59の透過部59aは、光ファイバ16からの出射光束を受光素子甲180に集光させて入射させる。
【０１６１】
一方、多焦点素子58の透過部58aは、発光素子乙120からの出射光束を平行光束とし、光ファイバ16にこの光ファイバ16を低次伝播モードで伝播するように入出力端16bに入射させる。また、多焦点素子58の反射部58bは、光ファイバ16からの出射光束を受光素子乙190に集光させて入射させる。
【０１６２】
＜双方向光通信方法＞
上述の双方向光通信用光リンクを用いる双方向光通信方法として、以下に述べる方法をとることができる。すなわち、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いて双方向光通信を行なう方法において、以下のステップを含んで構成される双方向光通信方法である。
【０１６３】
送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを第1の伝播モードで伝播する光束を用いて行なうステップと、送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを第2の伝播モードで伝播する光束を用いて行なうステップとを含む双方向光通信方法である。この双方向光通信方法において第1の伝播モードと第2の伝播モードとは異なる伝播モードに設定する。
【０１６４】
送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信を行なうステップは、以下のステップを具えて構成すれば良い。
（1）送受信端末甲において、送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を、送受信端末甲に具えられた発光素子甲から出力する発光ステップ
（2）上述の出力された光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップ
（3）上述の光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップ
（4）送受信端末乙において、この光ファイバから出射する光束と送受信端末乙から送受信端末甲に向けた送信チャンネルの光搬送波である光束とを、分離する分波ステップ
（5）この光ファイバから出射する送受信端末甲から送受信端末乙に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を送受信端末乙に具えられた受光素子乙で受光する受光ステップ。
【０１６５】
また、送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信を行なうステップは、以下のステップを具えて構成すれば良い。
（1）送受信端末乙において、送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を、送受信端末乙に具えられた発光素子乙から出力する発光ステップ
（2）上述の出力された光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに入力する入力ステップ
（3）上述の光束を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバを導波させる導波ステップ
（4）送受信端末甲において、この光ファイバから出射する光束と送受信端末甲から送受信端末乙に向けた送信チャンネルの光搬送波である光束とを、分離する分波ステップ
（5）この光ファイバから出射する送受信端末乙から送受信端末甲に向けての送信チャンネルの光搬送波である光束を送受信端末甲に具えられた受光素子甲で受光する受光ステップ。
【０１６６】
発光ステップは、既に説明したように、例えばLD等を発光素子として利用することで実現できる。入力ステップ及び分波ステップは、図12から図14を参照して説明した構成の双方向光結合器を利用すれば実現できる。導波ステップは、例えば、PMMAをコア材料として用いて形成されたステップインデックス型マルチモード光ファイバを利用することで実現できる。受光ステップは、既に説明したように、例えばフォトダイオードを受光素子として利用することで実現できる。
【実施例３】
【０１６７】
＜モード変換器の構成例＞
図11から図14を参照して説明した、この発明の双方向光通信用光リンクを構成する送受信端末は、発光素子と受光素子との配置に関して、同一の構成となっていない。双方向光通信用光リンクを、発光素子と受光素子との配置に関して同一の構成とすることができれば、送受信端末を一種類製造すればよく、産業上利用する上で利便性が高い。特に送受信端末を3つ以上用いて構築されるスター構成の光リンクを実現する場合等において好都合となる。
【０１６８】
具体的には、Ethernet（登録商標）やIEEE1394のように送受信端末が対等である設計となっているシステムにおいて、発光素子と受光素子との配置に関して同一の構成とされた送受信端末を具えて構成することが適している。
【０１６９】
そこで、この双方向通信を行なうにあたり、構成が同一である通信端末を用いて送受信が可能である光リンクを実現するための、モード変換器について図15から図18を参照して説明する。
【０１７０】
図15を参照して、低次伝播モードの光束を高次伝播モードの光束に変換する場合の、モード変換器60の構成を説明する。モード変換器60は、リング状多焦点レンズ41、モード変換レンズ42を具えて構成される。モード変換レンズ42は、図16に示すように、第1部分レンズ43と第2部分レンズ44とが複合されて構成される複合レンズである。図15において、モード変換レンズ42は、第1部分レンズ43がｌで示す部分に来るように、また第2部分レンズ44が位置ｈで示す部分に来るように配置する。
【０１７１】
図17(A)〜(D)に、モード変換レンズ42を構成する第1部分レンズ43と第2部分レンズ44として利用できるレンズ形状を示す。各図において、左側の図はレンズの光軸を含みこの光軸に平行な平面で切断した断面形状を示す図である。また、右側の図はレンズの中心部を通り光軸に対して垂直な平面で切断した断面形状を示す図である。
【０１７２】
図15の左側から低次伝播モードの光束Lがリング状多焦点レンズ41の中心部レンズ41aに入射すると、中心部レンズ41aで平行光束の状態とされてモード変換レンズ42の第2部分レンズ44に、光ファイバ16の光軸に対して小さい入射角度で入射する方向で入射する。第2部分レンズ44には、一例として図17(B)に示すレンズを利用することができる。この図17(B)に示すレンズを、その光軸を光ファイバ16の光軸に対して傾けて配置することで、第2部分レンズの役割を実現させることができる。
【０１７３】
第2部分レンズ44は、リング状多焦点レンズ41の中心部レンズ41aからの出射光束を平行光束に変えるとともに、光ファイバ16の光軸に対して大きな角度でこの光ファイバ16に入射させる。このとき、光ファイバ16に入射させる光束Lを細い光束にして、モード変換レンズ42の第2部分レンズ44に入射させる。
【０１７４】
また、光ファイバ16に入射させる光束Lが平行光束ではなく、円錐形状の光束である場合に対応するためには、モード変換レンズ42の第2部分レンズ44としては、図17(A)に示すレンズあるいは図17(C)に示すレンズを用いる。更にモード変換レンズ42の第2部分レンズ44の変わりに、この第2部分レンズ44が設置されるモード変換レンズ42の位置を空洞にして、レンズの代わりに凹面鏡を用いて同様の機能を実現することも可能である。
【０１７５】
以上説明したように、図15に示すモード変換器60に左側から低次伝播モードで伝播してきた光束Lを、リング状多焦点レンズ41の中心部レンズ41a及びモード変換レンズ42の第2部分レンズ44によって、高次伝播モードで光ファイバ16を伝播するモードに変換することができる。
【０１７６】
一方、図15の右側から光ファイバ16を低次伝播モードで伝播してきた光束は、光ファイバ16から出射すると、モード変換レンズ42の第1部分レンズ43によって、円錐状に広がって伝播する光束Hに伝播モードが変換される。モード変換レンズ42の第1部分レンズ43として利用できるレンズは、例えば、図17(A)に示すレンズ及び図17(C)に示すレンズである。
円錐状の光束として変換された光束Hは、リング状多焦点レンズ41の周辺部レンズ41bによって、このモード変換器60の左側Mで示す位置(領域)に集光されて、高次伝播モードの光束として、このモード変換器60から出力される。
【０１７７】
モード変換器60を伝送路である光ファイバ16の中間に置くならば、このMで示す位置に光ファイバ16の入出射端を設置すれば良い。すなわち、図15に示すモード変換器60を挟んで右側にはこの図に示すとおりの光ファイバ16を配置し、このMで示す位置にも光ファイバ16と同様の別のステップインデックス型マルチモード光ファイバの入出射端を配置すれば良い。このように配置することで、通信線路の中間において、モード変換を実行することができる。
【０１７８】
また、モード変換器60を伝送路である光ファイバ16の出射端に置くならば、このMで示す位置より右側、すなわち、リング状多焦点レンズ41よりに双方向光結合器を配置すれば良い。すなわち、双方向光結合器を、低次の伝播モード光束を高次の伝播モード光束に変換する複合レンズであるモード変換レンズ42を具えて構成すればよい。
【０１７９】
このように配置することで、モード変換を実行した上で、光束H及び光束Lを、双方向光結合器によってそれぞれ発光素子と受光素子、またはそれぞれ受光素子と発光素子に結合することができる。
【０１８０】
以上説明したように、モード変換器60は、このモード変換器60の左右の両側から低次伝播モードで入射してくる光束の伝播モードを、高次伝播モードの光束に変換する機能を有する。したがって、図15を参照して説明したモード変換器60を、双方向光通信用光リンクの伝送線路の途中に配置すれば、送受信端末の構造を同一にすることが可能となる。
【０１８１】
すなわち、双方向光通信用光リンクを構成する全ての送受信端末の構造を、送信信号は低次伝播モード光束として送信し、高次伝播モードの光束を受信信号として受信することができるように、送信信号を出力する発光素子と受信信号を受光する受光素子とを配置した構成とすればよいことになる。
【０１８２】
また、以上説明したモード変換器60は、伝送線路である光ファイバ16の両端に配置してもよいし、光ファイバ16の中間部分に配置してもよいことは、明らかである。すなわち、双方向光通信用光リンクを構成する際には、1組の送受信端末ごとに、このモード変換器60一つを、この1組の送受信端末どうしを結ぶ伝送路である光ファイバ16の両端あるいは中間部に配置すれば良い。
【０１８３】
次に、同じく図15を参照して、高次伝播モードの光束を低次伝播モードの光束に変換する場合の、モード変換器60の構成を説明する。この場合もモード変換器60は、リング状多焦点レンズ41、モード変換レンズ42を具えて構成される。また、モード変換レンズ42は、図16に示すように、第1部分レンズ43と第2部分レンズ44とが複合されて構成される複合レンズである。ただし、第1部分レンズ43と第2部分レンズ44として利用できるレンズ形状が、上述した低次伝播モードの光束を高次伝播モードの光束に変換する場合のモード変換器と異なる。また図15において、光線の進む向きを示す矢印の向きが逆向きに採られているものとして、参照する。
【０１８４】
図15の左側から高次伝播モードの光束Hがリング状多焦点レンズ41の周辺部レンズ41bに入射すると、周辺部レンズ41bで平行光束の状態とされてモード変換レンズ42の第2部分レンズ44に、光ファイバ16の光軸に対して大きい入射角度で入射する方向で入射する。第2部分レンズ44には、一例として図17(C)に示すレンズを利用することができる。この図17(C)に示すレンズを、その光軸を光ファイバ16の光軸に対して傾けて配置することで、第2部分レンズ44の役割を実現させることができる。
【０１８５】
第2部分レンズ44は、リング状多焦点レンズ41の周辺部レンズ41bからの出射光束を平行光束に変えるとともに、光ファイバ16の光軸に対して小さな角度でこの光ファイバ16に入射させる。このとき、光ファイバ16に入射させる光束Hを細い光束にして、モード変換レンズ42の第2部分レンズ44に入射させる。
【０１８６】
以上説明したように、図15に示すモード変換器60に左側から高次伝播モードで伝播してきた光束Hを、リング状多焦点レンズ41の周辺部レンズ41b及びモード変換レンズ42の第2部分レンズ44によって、低次伝播モードで光ファイバ16を伝播するモードに変換することができる。
【０１８７】
一方、図15の右側から光ファイバ16を高次伝播モードで伝播してきた光束は、光ファイバ16から出射すると、モード変換レンズ42の第1部分レンズ43によって、円錐状に広がって伝播する光束Lに伝播モードが変換される。モード変換レンズ42の第1部分レンズ43として利用できるレンズは、例えば、図17(D)に示すレンズ（普通の凸レンズ）である。
【０１８８】
ほぼ平行の光束として変換された光束Lは、リング状多焦点レンズ41の中心部レンズ41aによって、このモード変換器60の左側Mで示す位置に集光されて、低次伝播モードの光束として、このモード変換器60から出力される。
【０１８９】
以上説明したように、モード変換器60は、このモード変換器60の左右の両側から高次伝播モードで入射してくる光束の伝播モードを、低次伝播モードの光束に変換する機能を有する。
【０１９０】
モード変換器60を伝送路である光ファイバ16の出射端に置くならば、このMで示す位置より右側、すなわち、リング状多焦点レンズ41よりに双方向光結合器を配置すれば良い。すなわち、双方向光結合器を、高次の伝播モード光束を低次の伝播モード光束に変換する複合レンズであるモード変換レンズ42を具えて構成すればよい。このように構成すれば、送受信端末の構造を同一にすることが可能となる。
【０１９１】
また、図15を参照して説明したモード変換器60を、双方向光通信用光リンクの伝送線路の途中に配置することによっても、送受信端末の構造を同一にすることが可能となる。
【０１９２】
すなわち、双方向光通信用光リンクを構成する全ての送受信端末の構造を、送信信号は高次伝播モード光束として送信し、低次伝播モードの光束を受信信号として受信することができるように、送信信号を出力する発光素子と受信信号を受光する受光素子とを配置した構成とすればよいことになる。
【０１９３】
また、先に説明した低次伝播モードの光束を高次伝播モードの光束に変換する場合のモード変換器60と同様に、以上で説明した高次伝播モードの光束を低次伝播モードの光束に変換する場合のモード変換器60においても次のように同様のことが言える。すなわち、伝送線路である光ファイバ16の両端に配置してもよいし、光ファイバ16の中間部分に配置してもよい。すなわち、双方向光通信用光リンクを構成する際には、1組の送受信端末ごとに、このモード変換器60一つを、この1組の送受信端末どうしを結ぶ伝送路である光ファイバ16の両端あるいは中間部に配置すれば良い。
【０１９４】
図15を参照して説明した、高次伝播モードの光束を低次伝播モードの光束に変換するモード変換器と、低次伝播モードの光束を高次伝播モードの光束に変換する場合のモード変換器とでは、その変換による光束のエネルギー損失において差異が存在する。すなわち、第1部分レンズを通過する光束と第2部分レンズを通過する光束との、伝播モード変換によるエネルギー損失は、その面積比に反比例するからである。
【０１９５】
したがって、光リンクにモード変換器を組み込む際には、上述のエネルギー損失の相違を考慮する必要がある。モード変換器によるエネルギー損失によって、信号光束のエネルギーが受信に必要な最低限度を下回らないように、第1部分レンズと第2部分レンズとの面積比及び形状を決定する必要がある。
【０１９６】
具体的には、モード変換レンズ42へ入射する光束の伝播モードによって、第1部分レンズ43と第2部分レンズ44の面積及び形状を決定する必要がある。
【０１９７】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバに、平行光束をこの光ファイバの光軸に対して傾けて入射すると、この光ファイバから出射する際には円錐状の光束となる。しかし、この光ファイバの入射端から出射端までの長さが短いと、出射光束の伝播方向に垂直な平面上での光強度が均一な円状には分布しない。円周の一部分にのみ光強度が局在した伝播モード（不均一な伝播モードということもある。）となる。
【０１９８】
一方、この光ファイバの入射端から出射端までの長さが十分に長ければ、出射光束の伝播方向に垂直な平面上での光強度は均一である円状に分布する。円周全体にわたって均一に光強度が分布する伝播モード（均一な伝播モードということもある。）となる。
【０１９９】
したがって、モード変換器を挿入する箇所において、光束の伝播モードが上述したように不均一な伝播モードであるのか、均一な伝播モードであるのかによって、第1レンズと第2レンズとの配置やそのレンズ形状等を確定する必要がある。
【０２００】
次に、図17(A)に示したレンズの形状について、図18(A)から(C)及び図19(A)から(C)を参照して説明する。図18(A)はドーナツ型の通常トーラスと呼ばれる立体形状の断面である。半径rの円をこの円の中心とは異なる位置にある点を中心にして、この円の中心が半径Rの円周を描くように回転させた時に描かれるその包絡面で囲まれてできる立体である。図18(A)に示すトーラスは、R＞rの場合である。これに対して、図18(B)に示すトーラスはR≦rの場合である。R＜rの場合には、厳密にはトーラスとはならないが、説明の便宜上ここでは、この場合でもトーラスと記述する。また、R＝rの場合には、正方トーラスとなるが、この場合も説明の便宜上単にトーラスと記述することとする。
【０２０１】
更に図18(B)に示すトーラスを、半径rの円の中心を連ねる半径Rの円を含む平面で半分に切断すると、図18(C)に示す断面形状を有する立体となる。
【０２０２】
図19(A)から(D)は、図18(A)から(C)に示す断面形状をしたトーラスを、変形させた形状を有する立体の断面である。図18(A)から(C)に示す断面形状を前提に、これと同種の図形として図19(A)から(D)に示す断面形状を有する立体を想定し、この形状を有するレンズを、図17(A)に示したレンズとして利用する。図19(A)から(D)に示すa、b及びcで示す直線は、これらの形状を有するレンズの光軸である。
【０２０３】
図19(A)から(D)に示す断面形状を有するレンズに平行光束が入射すると、この光束の各部分がその入射位置によって、その進行方向が異なる方向に曲げられる。この場合の光束の進行方向を決めるのが、これらa、b及びcで示された光軸である。これらa、b及びcで示された光軸の向きをそれぞれ調整することで、光ファイバ16の光軸に対する入射角をそれぞれ調整することができ、円錐状の光線の伝播モードを変換する機能をもたせることができる。
【０２０４】
図17(C)に示すレンズについては、図19(D)に示す断面形状のレンズを用いればよい。図19(A)から(C)に示す断面形状をもつレンズは、集光機能を有するレンズであるのに対して、図19(D)に示す断面形状をもつレンズは、光束を広げる機能を有するレンズである。低次伝播モードから高次伝播モードへの変換の場合と、高次伝播モードから低次伝播モードへの変換の場合とのそれぞれの場合において、適宜、集光機能を有するレンズを利用するか、光束を広げる機能を有するレンズを利用するかを決める。
【産業上の利用可能性】
【０２０５】
上述した説明から明らかなように、この発明のマルチモード光ファイバの複数の伝播モードごとにそれぞれ1チャンネルずつの光信号を割り当てて通信するLFM通信によれば、発光波長の異なる複数の発光素子を必要とせず一波長のみで実現でき、また多値デジタル信号を用いる必要のない、多重通信を実現することができる。
【０２０６】
また、この発明の、発光素子から送信光束として出力される出力光束をマルチモード光ファイバに入射させ、かつ、一方ではこのマルチモード光ファイバから受信光束として出射される出射光束を受光素子に入射させる機能を有する双方向光結合器によれば、1本の光ファイバによる双方向通信を、発光波長の異なる複数の発光素子を必要とせず一波長のみで実現できる。
【０２０７】
また、この発明のマルチモード光ファイバの片端あるいは中間に配置して、伝播モードを高次から低次伝播モードへ、あるいは低次から高次伝播モードにモード変換するモード変換器によれば、この発明の双方向通信を行なうにあたり、構成が同一である通信端末を用いて送受信を可能とすることができる。この結果スター構成の光リンクを構成する場合等において好都合となる。
【図面の簡単な説明】
【０２０８】
【図１】入射光束及び出射光束の遠視野像を示す図である。
【図２】実施例1の光束多重通信用光リンクの構成を説明する概念図である。
【図３】光ファイバからの低次伝播モード及び高次伝播モードの出射光の遠視野像を測定した結果を示す図である。
【図４】複数の凸レンズを用いて構成される第1光結合器の概略図である。
【図５】複数の凹面鏡を用いて構成される第1光結合器の概略図である。
【図６】単一の凸レンズを用いて構成される第1光結合器の概略図である。
【図７】単一の凹面鏡を用いて構成される第1光結合器の概略図である。
【図８】リング状多焦点レンズを用いて構成された第2光結合器の概略図である。
【図９】複合型凹面鏡を用いて構成される第2光結合器の概略図である。
【図１０】多焦点素子を用いて構成される第2光結合器の概略図である。
【図１１】実施例2の双方向光通信用光リンクの構成を説明する概念図である。
【図１２】リング状多焦点レンズを用いて構成された双方向光通信用光リンクの構成を説明する概念図である。
【図１３】複合型凹面鏡を用いて構成された双方向光通信用光リンクの構成を説明する概念図である。
【図１４】多焦点素子を用いて構成された双方向光通信用光リンクの構成を説明する概念図である。
【図１５】モード変換器の構成概念図である。
【図１６】複合レンズの構成概念図である。
【図１７】部分レンズの断面形状を示す図である。
【図１８】トーラスの断面形状を示す図である。
【図１９】部分レンズの断面形状を示す図である。
【符号の説明】
【０２０９】
10：送信側端末
11、110：第1発光素子
12、120：第2発光素子
13：第1光結合器
14、15、22：コリメートレンズ
16：ステップインデックス型マルチモード光ファイバ
17：第2光結合器
18、180：第1受光素子
19、190：第2受光素子
20：受信側端末
21：アレイ状発光素子
23、27：双方向光結合器
33、37、41：リング状多焦点レンズ
30、40：送受信端末
42：モード変換レンズ
43：第1部分レンズ
44：第2部分レンズ
52、54、55：凹面鏡
53、57：複合型凹面鏡
58、59：多焦点素子
60：モード変換器
【図１】
2005070189.tif 000003
【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】
2005070189.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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