(57)【要約】【課題】低コストで整ったビーム形の光無線を実現すると共に、送受信時の光の損失を最小限とし、さらにメタルケーブルの引き回しを必要としない対向型光無線装置を提供する。【解決手段】発受光素子を電子回路部１２に配置し、送受信する光を光ファイバにて光学部１４に導く。発光素子から送信用光ファイバ１６により導いた光は、光出射部２０において、ファイバコリメータとビームエキスパンダによりビーム径を拡大した平行光に変換する。これで、長距離伝送が可能な光無線用の出射光に変換する。受信光は、受光部２２において、受信レンズにより集光してビーム径の小さい平行光に変換し、ファイバコリメータと受信用光ファイバ１８を経由して電子回路部１２に導くようにした。【選択図】図１
2005286704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受信データ処理用の電子回路部と、光送受信用の光学部とを備え、
前記電子回路部と前記光学部とは、送受信データ伝送用の送信用光ファイバと受信用光ファイバを介して接続され、
前記光学部は、光出射部と受光部を備え、
前記電子回路部において光信号に変換された送信データは、前記送信用光ファイバの光入力端末から入力されるものであり、
前記光出射部は、前記送信用光ファイバの光出力端末と、この光出力端末から出力される光を送信用光ビームにして外部に出射するビーム形成部を備え、
前記送信用光ファイバの前記光出力端末には、送信用光ファイバの出力光を光軸にほぼ平行な光ビームに拡径する送信用ファイバコリメータが設けられ、
前記受光部は、外部から入力した受信光ビームを集光する集光部と、この集光部で集光された光を受け入れるための、前記受信用光ファイバの光入力端末を備え、
前記受信用光ファイバの前記光入力端末には、受信用光ファイバの入力光を、当該受信用光ファイバの開口角に調整する受信用ファイバコリメータが設けられ、
前記受信用光ファイバの光出力端末において電気信号に変換された受信データは、前記電子回路部に入力されるものであることを特徴とする対向型光無線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の対向型光無線装置において、
前記送信用光ファイバの前記光入力端末には、当該送信用光ファイバと一体化され、電気信号による送信データを光信号に変換して前記送信用光ファイバに入力する光ファイバ一体型電気光変換素子が設けられ、
前記受信用光ファイバの光出力端末には、当該受信用光ファイバと一体化され、前記受信用光ファイバにより伝送された光信号による受信データを電気信号に変換する光ファイバ一体型光電気変換素子が設けられていることを特徴とする対向型光無線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光無線により双方向の情報伝達を好適に行う用途に使用される、対向型光無線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信用のネットワークを流れるトラフィックはますます膨大になる傾向がある。一般向けの有線ＬＡＮでは、端末レベルが１００Ｍｂｐｓのものが普及し、幹線系ＬＡＮでは１Ｇｂｐｓのものが普及してきている。このような環境で、広帯域でしかも通信網の構築が容易であり、比較的コストが安価な対向型光無線装置を用いた光無線システムは、ＬＡＮ間の相互接続やブロードバンド・インターネット時代のアクセス系として注目を浴びている。また、光ファイバ網や、無線通信事業者の管理するネットワークのバックアップ用としてもその有効性が注目されている。
【０００３】
しかし、光無線装置において数百Ｍｂｐｓを超える伝送速度と数百ｍを超える伝送距離を同時に実現するためには、発光素子から効率よく光を取出し、所望の放射角にて光を出射しなければならない。また、受光部においても受信した光を効率よく受光素子に導くことが必要である。
【０００４】
従来、これを実現するために高価な光学レンズと送受光デバイスを駆使する送受光部を構成して実現していた（特許文献１参照）。このような光無線装置の構成では、送信側で発光素子から送出する光を直接レンズ等でビーム変換などを行い出射し、受信側でレンズにて集光した光を直接受光素子に入射し電気信号に変換するというのが一般的である。
【特許文献１】特開２００１−２９２１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、従来の対向型光無線装置には、次のような解決すべき課題があった。
このような光無線装置で高速長距離通信を実現しようとした場合、次のような問題点が発生する。
【０００６】
（１）発光素子から放出されるビームパターンはその横断面が円錐形状と限らず、効率よい光無線伝送を実現するためには、レンズ等による放射ビーム形状の変換と調整を行う必要が生じていた。
（２）ギガビットクラスの通信速度を実現しようとすると受光素子の応答特性を高速化させる必要からそのチップ形状をより小さくしなければならず、レンズにより集光された光を受光素子に入射するため高精度な光軸調整が必要となる。また、一般的には集光時に大きなロスが発生する。
（３）高速な電気信号を送受光デバイスまで導かなければならず、メタル信号ケーブルが長くなると信号の劣化やノイズの影響を受けやすくなる。
（４）光学装置の構成が複雑になり、コストが高くなる。
【０００７】
本発明は、以上の点に着目してなされたもので、下記のような対向型光無線装置を提供することを目的とする。
１．ファイバコリメータと光学系とを組み合わせて使用することで、低コストで整ったビーム形の光無線を実現する。
２．応答速度の速い光ファイバ一体型の小型素子を使用して送受信時の光の損失を最小限にする。
３．メタル信号ケーブルの引き回しを必要としない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の各実施例においては、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
送受信データ処理用の電子回路部と、光送受信用の光学部とを備え、上記電子回路部と上記光学部とは、送受信データ伝送用の送信用光ファイバと受信用光ファイバを介して接続され、上記光学部は、光出射部と受光部を備え、上記電子回路部において光信号に変換された送信データは、上記送信用光ファイバの光入力端末から入力されるものであり、上記光出射部は、上記送信用光ファイバの光出力端末と、この光出力端末から出力される光を送信用光ビームにして外部に出射するビーム形成部を備え、上記送信用光ファイバの上記光出力端末には、送信用光ファイバの出力光を光軸にほぼ平行な光ビームに拡径する送信用ファイバコリメータが設けられ、上記受光部は、外部から入力した受信光ビームを集光する集光部と、この集光部で集光された光を受け入れるための、上記受信用光ファイバの光入力端末を備え、上記受信用光ファイバの上記光入力端末には、受信用光ファイバの入力光を、当該受信用光ファイバの開口角に調整する受信用ファイバコリメータが設けられ、上記受信用光ファイバの光出力端末において電気信号に変換された受信データは、上記電子回路部に入力されるものであることを特徴とする対向型光無線装置。
【０００９】
送信データは電子回路部で光信号に変換されて送信用光ファイバ経由で光射出部に伝送される。この光信号はファイバコリメータにより拡径されて光出射部に入力され、受信側の受光部径に合わせた最適なビーム径で出射される。ファイバコリメータを使用することにより、送信用光ファイバから出力される光信号は無駄なくきわめて効率よく受信側に達する。受信側では、ファイバコリメータを用いて光ビームを受信用光ファイバの開口角に調整して光ファイバに入力するので、最小限の損失で電気信号への変換が可能である。
【００１０】
電子回路部は光信号と電気信号との変換処理を行う部分で、その構成は任意である。送信データも受信データも、内容は任意である。送信用光ファイバと受信用光ファイバには、光有線通信で多用されているコアとクラッドを備えた光ファイバを使用する。シングルモード用でもマルチモード用でも構わない。
【００１１】
〈構成２〉
構成１に記載の対向型光無線装置において、上記送信用光ファイバの上記光入力端末には、当該送信用光ファイバと一体化され、電気信号による送信データを光信号に変換して上記送信用光ファイバに入力する光ファイバ一体型電気光変換素子が設けられ、上記受信用光ファイバの光出力端末には、当該受信用光ファイバと一体化され、上記受信用光ファイバにより伝送された光信号による受信データを電気信号に変換する光ファイバ一体型光電気変換素子が設けられていることを特徴とする対向型光無線装置。
【００１２】
有線光通信で汎用されている光ファイバ一体型の素子もしくは光ファイバを接続可能な光コネクタ一体型の素子を、電気光変換と光電気変換に使用し、変換効率を最大にするようにした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、次のような効果が期待できる。
１．発光ビームは、ファイバコリメータと、出射部により所望のビーム形状に変換可能となる。このことにより、伝送距離に応じたビーム径の設定や、光軸調整の自由度が高く、しかも精密な調整が可能である。
２．光ファイバ一体型の素子を使用するので、受光する光パワーを確実に受光素子に導くことができ、ロスの少ない受信回路を実現できる。
３．送受光デバイスを選択する際、通常の有線光ファイバ通信で利用されているデバイスを利用して低価格化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明では、前述のような問題点を解決するために、発受光素子を電子回路部に配置し、送受信する光を光ファイバにて光学部に導く。発光素子から送信用光ファイバにより導いた光は、光出射部において、ファイバコリメータとビームエキスパンダによりビーム径を拡大した平行光に変換する。これで、長距離伝送が可能な光無線用の出射光に変換する。受信光は、受光部において、受信レンズにより集光してビーム径の小さい平行光に変換し、ファイバコリメータと受信用光ファイバを経由して電子回路部に導く。以下、本発明の実施の形態を実施例ごとに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の対向型光無線装置の光出射部と受光部を示す縦断面図である。
図１において本発明の対向型光無線装置は、送受信データ処理用の電子回路部１２と、光送受信用の光学部１４とを備えている。電子回路部１２と光学部１４とは、送受信データ伝送用の送信用光ファイバ１６と受信用光ファイバ１８を介して接続されている。電子回路部１２は、送信用光ファイバ１６と受信用光ファイバ１８の各端部に接続された電気光変換素子４０と光電気変換素子４２とを備えている。光学部１４は、光出射部２０と受光部２２を備えている。
【００１６】
〈光出射部〉
光出射部２０は、送信用光ファイバ１６の光出力端末２４と、この光出力端末２４から出力される光を送信用光ビーム２６にして外部に出射するビーム形成部３３とを備えている。ビーム形成部３３は、本体ケース４４の両端部に、それぞれレンズフォルダ４６及びレンズフォルダ５０を介してレンズ４８及びレンズ５２を配設したものである。送信用光ファイバ１６の光出力端末２４には、送信用光ファイバ１６の出力光を光軸２８にほぼ平行な、光ビーム２６に拡径する送信用ファイバコリメータ３０が設けられている。本体ケース４４に螺合されたレンズフォルダ４６を回転すると、ビーム形成部３３において光ビーム２６のビーム径を調整して、放射幅を任意に設定できる。
【００１７】
数百メートル離れた２台の対向型光無線装置間における光通信には、光回折によるビーム角の拡大を押えるため、ビーム径を最適化する必要がある。即ち、光出射部２０によりビーム径を拡大するのは、出射する光信号が回析現象により広がり受光地点での受光パワーが減少し通信距離が短くなることを防ぐことにある。光出射部２０は、光ビームを最適径に調整して、受信側へ計算どおりのビーム径が到達するようにする機能を持つ。光ファイバの出力光は、発光素子と異なり、点光源に近い。そこで、ファイバコリメータを用いて、レンズ４８の外径に近い平行ビームに拡大している。
【００１８】
光学部１４は、対向する光無線装置の光学部と光軸調整され、主に屋外に設置される。送信側の光出射部から出射された光ビームは、各種の外乱による光軸のずれの最大値を考慮した外径で受信側の光学部に到達するよう調整される。受信側の光学部に達した光ビーム外径と受信側の光学部の集光レンズの外径の比があまり大きいとエネルギ損失が大きい、また光ビームの径が小さいと光軸を合せることが困難となる。従って、この範囲で光ビームの外径が最適化される。
【００１９】
〈受光部〉
受光部２２は、外部から受光した受信光ビーム３２を集光する集光部３４と、この集光部３４で集光された光を受け入れるための、受信用光ファイバ１８の光入力端末３６とを備えている。集光部３４は、本体ケース５４の両端部に、それぞれレンズフォルダ５６及び微調スリーブ６４、レンズフォルダ６０を介してレンズ５８及びレンズ６２を配設したものである。微調スリーブ６４は、両端部の各内周面に互いに逆方向のねじ溝が形成されており、本体ケース５４とレンズフォルダ６０の各外周面に設けられたねじ溝に螺合されている。光入力端末３６には、受信用光ファイバ１８の入力光を、当該受信用光ファイバ１８に入力するように絞り込む受信用ファイバコリメータ３８が設けられている。
【００２０】
光ファイバは、受光可能な面積が小さい上、ＮＡ（開口角）も小さい。そのため、ファイバコリメータを用いてより小さなビーム径にすることにより受光した光をロスすることなく光ファイバに入力している。これで、光電気変換部の受光素子に効率よく受信光を入射できる。
【００２１】
〈電子回路部〉
図２は、本発明の対向型光無線装置の電子回路部１２と光学部１４の関係を示すブロック図である。
図２において、本発明の光無線装置では、伝送するべき送信データ６６を、電子回路部１２において入力インタフェース回路部７０から受け入れて信号処理し、電気光変換素子４０を含む電気光変換部７２で所望のパワーの光信号に変換され、図１に示した送信用光ファイバ１６の光入力端末２４を経て送信用ファイバコリメータ３０に導かれる。
【００２２】
送信用ファイバコリメータ３０に導かれた光信号は、さらに光学部１４の光出射部２０に導かれる。光出射部２０で光信号は、上述したとおり、平行光に近いビーム形状に変換されて所定空間に出射される。出射された光ビームは、対向する別の光無線装置の受光部に入射される。対向する別の光無線装置も、図１及び図２に示す構成の受光部２２や光電気信号変換部７４、出力インタフェース回路部７６を備える。
【００２３】
一方、受光部２２と対向する別の光無線装置も、図１及び図２に示す構成の光出射部２０を備える。受光部２２は、対向する光無線装置より受光した光を受信用ファイバコリメータ３８に入射する。この光信号は、受信用光ファイバ１８の光入力端末３６を経て電子回路部１２に導かれる。電子回路部１２においては、光電気変換素子４２を含む光電気変換部７４により光信号から電気信号に変換される。ここで変換された電気信号は、出力インタフェース回路部７６において信号処理されて送信データ６６と同じインタフェースに変換され受信データ６８として出力される。なお、光が電子回路部１２に導かれる際、光学フィルタにより、通信に使用していない波長の光は除去される。
【００２４】
このように光出射部２０と電気光変換部７２、受光部２２と光電気変換部７４を、それぞれ光ファイバで結ぶことにより、外部雑音に強いシステムにできる。また、電気光変換部や光電気変換部を含む電子回路部１２に、光通信やＬＡＮで利用されているデバイスを採用することで、低価格の部品や多種の部品を選択できる。例えば、メディアコンバータ等に利用されている２心光トランシーバモジュールを利用すれば、電気光変換部や光電気変換部などのデバイスを、小型で低価格な部品とし、低コストの光無線装置が製作可能になる。
【００２５】
〈光入出力端末〉
図３は、本発明の対向型光無線装置に使用する光ファイバの説明図で、（ａ）は送信用光ファイバの光出力端末を示す側面図、（ｂ）は光ファイバと変換素子との接続部を示す側面図、（ｃ）は送信用光ファイバに設けられた送信用ファイバコリメータを示す縦断面図である。
【００２６】
図３（ａ）は、送信用光ファイバ１６と電気光変換素子４０一体型にした、即ちピグテールタイプに形成した状態を示している。受信用光ファイバ１８と光電気変換素子４２を一体型にしたものも、同様の構造をしている。符号８０は端子を示している。送信用光ファイバ１６と電気光変換素子４０とを（ｂ）に示すような一体型とした場合には、発光素子の出力光を最大効率で光ファイバに入力できる。また、受信用光ファイバ１８と光電気変換素子４２とを一体型とした場合には、光ファイバの出力光を最大効率で電気信号に変換できる。
【００２７】
数百Ｍｂｐｓを超えるよう光無線通信ではその高速応答性から発光素子にレーザを使用し、受光素子にＰＤまたはＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を利用するのが一般的である。これらの素子の送受光部は大変微小な面積でしかないため、光学系で効率よく光を送受信するのは容易ではない。そこで、例えば、受信用として、光ファイバと光電気変換用の素子が一体化された、ピグテールタイプの高速受光デバイス等の、既知の光通信用部品を使用する。これにより、最大効率で光信号を電気信号に変換できる。さらに、高速伝送を実現するためには、受光デバイスの小チップ化が不可欠であるが、ピグテールタイプの高速受光デバイス等を利用することで解決する。
【００２８】
ファイバコリメータには、例えば、光束をレンズ状に収束させたり拡大させたりする機能を持つセルフォックレンズを使用することができる。またあるいは、光学レンズ単体あるいは複数の光学レンズを使用した光学系を使用することができる。いずれの場合でも、図３（ｃ）に示すように、ファイバコリメータ２４は、光ファイバ１６を伝送されてきた光を一定の径まで拡大して、平行光ビーム２６にする機能を有している。これにより、送信用光ファイバ１６端から出力される光信号をビームエキスパンダの能力を最大に生かす口径にして、光出射部２０に導入できる。
【００２９】
図４は本発明の対向型光無線装置の全体構成を示する側面図である。
図の対向型光無線装置は、光出射部２０と電気光変換素子４０、受光部２２と光ファイバ一体型光電気変換素子４２を光ファイバ１６、１８で接続してなる。各変換素子４０、４２を含む電子回路部１２には、一般に光通信やＬＡＮで利用されているデバイスを利用できる。即ち、豊富な市販品の中から低価格の部品が選択可能である。なお、電子回路部１２へ入力する信号は任意である。光信号でも電気信号でも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の対向型光無線装置の光出射部と受光部を示す縦断面図である。
【図２】本発明の対向型光無線装置の光学部と電子回路部のブロック図である。
【図３】本発明の対向型光無線装置に使用する光ファイバの説明図で、（ａ）は光ファイバと変換素子との接続部を示す側面図、（ｂ）は、送信用光ファイバに設けられた送信用ファイバコリメータを示す縦断面図である。
【図４】本発明の対向型光無線装置の全体構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１２  電子回路部
１４  光学部
１６  送信用光ファイバ
１８  受信用光ファイバ 
２０  光出射部
２２  受光部
２４  光出力端末
２６  送信用光ビーム
２８  光軸
３０  送信用ファイバコリメータ
３２  受信光ビーム
３４  集光部
３６  光入力端末
３８  受信用ファイバコリメータ
４０  光ファイバ一体型電気光変換素子
４２  光ファイバ一体型光電気変換素子
４４  本体ケース
４６、５０、５６、６０  レンズフォルダ
４８、５２、５８、６２  レンズ
５４  本体ケース
６４  微調スリーブ
【図１】
2005286704.tif 000003
【図２】
2005286704.tif 000004
【図３】
2005286704.tif 000005
【図４】
2005286704.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月18日(2005.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
〈光出射部〉
光出射部２０は、送信用光ファイバ１６の光出力端末２４と、この光出力端末２４から出力される光を送信用光ビーム２６にして外部に出射するビーム形成部３３とを備えている。ビーム形成部３３は、本体ケース４４の両端部に、それぞれレンズフォルダ４６及びレンズフォルダ５０を介してレンズ４８及びレンズ５２を配設したものである。送信用光ファイバ１６の光出力端末２４には、送信用光ファイバ１６の出力光を光軸２８にほぼ平行な、光ビーム２６に拡径する送信用ファイバコリメータ３０が設けられている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
数百メートル離れた２台の対向型光無線装置間における光通信には、光回折によるビーム角の拡大を押えるため、ビーム径を最適化する必要がある。即ち、光出射部２０によりビーム径を拡大するのは、出射する光信号が回析現象により広がり受光地点での受光パワーが減少し通信距離が短くなることを防ぐことにある。光出射部２０は、光ビームを最適径に調整して、受信側へ計算どおりのビーム径が到達するようにする機能を持つ。光ファイバの出力光は、発光素子と異なり、点光源に近い。そこで、ファイバコリメータ３０を用いて、光ファイバ１６の出力光を点光源から平行な、光ビーム２６に変換しレンズ４８に入射する。そして、光ビーム２６はレンズ４８により広がり鏡筒４４の長さを調整することにより最適径に調整した光ビーム２６をレンズ５２で光軸２８に平行な、光ビーム２６にしている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
このように光出射部２０と電気光変換部７２、受光部２２と光電気変換部７４を、それぞれ光ファイバで結ぶことにより、電気的外部雑音に強いシステムにできる。また、電気光変換部や光電気変換部を含む電子回路部１２に、光通信やＬＡＮで利用されているデバイスを採用することで、低価格の部品や多種の部品を選択できる。例えば、メディアコンバータ等に利用されている２心光トランシーバモジュールを利用すれば、電気光変換部や光電気変換部などのデバイスを、小型で低価格な部品とし、低コストの光無線装置が製作可能になる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図３（ａ）は、送信用光ファイバ１６と電気光変換素子４０を一体型にした、即ちピグテールタイプに形成した状態を示している。受信用光ファイバ１８と光電気変換素子４２を一体型にしたものも、同様の構造をしている。符号８０は端子を示している。送信用光ファイバ１６と電気光変換素子４０とを（ｂ）に示すような一体型とした場合には、発光素子の出力光を最大効率で光ファイバに入力できる。また、受信用光ファイバ１８と光電気変換素子４２とを一体型とした場合には、光ファイバの出力光を最大効率で電気信号に変換できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
数百Ｍｂｐｓを超えるよう光無線通信ではその高速応答性から発光素子にレーザを使用し、受光素子にＰＤまたはＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を利用するのが一般的である。これらの素子の送受光部は大変微小な面積でしかないため、光学系で効率よく光を送受信するのは容易ではない。そこで、例えば、受信用として、光ファイバと光電気変換用の素子が一体化された、ピグテールタイプの高速受光デバイス等の、既知の光通信用部品を使用する。これにより、最大効率で光信号を電気信号に変換できる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005286704.tif 000007