(57)【要約】【課題】  発光素子または受光素子を光空間通信の始終点から離して、光送受信装置それぞれの小型化ととりまわしの柔軟性を実現する。【解決手段】  光送信部１１には発光素子１１１とその駆動回路１１２のみを組み込み、発光素子１１１によって発光された信号光を、光導波路１２で所定位置まで導き、送信用レンズ１３により、信号光Ｌを所定のスポットサイズで空間に放出する。対向する受信位置には受信用レンズ２１を配置し、送信用レンズ１３から空間伝送される信号光を集光し、光導波路２２により光受信部２３に導き、光導波路２２からの信号光を受光素子２３１で受光し、その受信信号を復調してもとの伝送信号を得る。この構成では、送信側、受信側ともレンズ部分だけを正確に対向するだけでよく、光送信部１１、光受信部２３の配置・寸法等の制約を受けない。また、レンズ近傍の給電設備も必要としない。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光を発生する発光素子と、
一方の端部から前記発光素子で発生される信号光を取り込んで任意の箇所まで伝送し、他方の端部から空間に向けて照射する光導波路と、
を具備することを特徴とする光空間通信用光送信装置。
【請求項２】
さらに、前記光導波路の他方の端部の信号光照射光軸上に配置され、照射光の形状を整形する光学レンズを備えることを特徴とする請求項１記載の光空間通信用光送信装置。
【請求項３】
前記光導波路は、前記信号光を照射する他方の端部がテーパ状に加工されることを特徴とする請求項１記載の光空間通信用光送信装置。
【請求項４】
前記光導波路は、前記テーパ加工側の端面が球面状であることを特徴とする請求項３記載の光空間通信用光送信装置。
【請求項５】
前記光導波路は、前記テーパ加工側の端面が前記信号光の照射光軸に対して傾斜を有することを特徴とする請求項３記載の光空間通信用光送信装置。
【請求項６】
光送信装置から空間に向けて照射される信号光を一方の端部から取り込んで任意の箇所まで伝送する光導波路と、
前記光導波路の他方の端部から導出する信号光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を具備することを特徴とする光空間通信用受信装置。
【請求項７】
さらに、前記光導波路の他方の端部の信号光照射光軸上に配置され、照射光の形状を整形する光学レンズを備えることを特徴とする請求項６記載の光空間通信用光受信装置。
【請求項８】
前記光導波路は、前記信号光を入射する一方の端部がテーパ状に加工されることを特徴とする請求項６記載の光空間通信用光受信装置。
【請求項９】
前記光導波路は、前記テーパ加工側の端面が球面状であることを特徴とする請求項８記載の光空間通信用光受信装置。
【請求項１０】
前記光導波路は、前記テーパ加工側の端面が前記信号光の入射光軸に対して傾斜を有することを特徴とする請求項８記載の光空間通信用光受信装置。
【請求項１１】
光空間通信用の光導波路先端面で信号光を入射または出射するために、前記光導波路の光ファイバを石英チューブに挿入した後、延伸しテーパ状に加工して前記光導波路の先端面断面積を拡大することを特徴とする光空間通信用光導波路加工方法。
【請求項１２】
光空間通信用の光導波路先端面で信号光を入射または出射するために、前記光導波路の端部に径の異なる複数の光導波路を先端部に向かって広がるように連結しテーパ状に加工して前記光導波路の先端面断面積を拡大することを特徴とする光空間通信用光導波路加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間を介して光信号を送受信するための光空間通信装置に用いられる光送信装置及び光受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光空間通信装置を構成する光送信装置及び光受信装置は、それぞれ光学レンズの焦点位置に発光素子または受光素子を配置する形で、光学レンズと発光素子または受光素子を一体として製作されている（例えば非特許文献１、２参照）。しかしながら、上記のような従来の光学レンズと発光素子または受光素子の一体型構造では、個々の装置の小型化に限界があり、その分、装置の設置スペースを確保しなくてはならないという問題があった。また、送受信光学系の光軸が一致するように高精度に調整するため、光送信装置と光受信装置を互いに正確に対向させる必要があった。
【０００３】
また、さらに、光送信機、光受信機それぞれに対する給電が必要であり、屋外設置の場合給電のための配線やバッテリー設置など、通信とは本来無関係の設備を設ける必要があった。
【０００４】
【非特許文献１】H. Willebrand, B. S. Ghuman ： “Free-space optics”, Sams Publishing (2002).
【０００５】
【非特許文献２】H. Hemmati el al. : “Approachs forefficient coupling of lasers to telescopes with secondary mirror and buffle obsuration”, Proc. SPIE Vol.4635, pp.288 - 297 (2002).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上述べたように、従来の光空間通信装置では、光学レンズと発光素子または受光素子の一体構造による光送信装置及び光受信装置を用いるため、個々の装置に対する小型化の要求に対応しきれなくなってきている。また、送受信光学系の光軸が一致するように高精度に調整するため、光送信装置と光受信装置を互いに正確に対向させる必要があり、さらには個々の装置で給電設備を必要としている。
【０００７】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたもので、光学レンズと発光素子または受光素子の一体光学設計の制約を解き、発光素子または受光素子を光空間通信の始終点から離して、装置の小型化ととりまわしの柔軟性を実現する光空間通信用光送信装置、光受信装置及び光空間通信用光導波路加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光空間通信用光送信装置は、信号光を発生する発光素子と、一方の端部から前記発光素子で発生される信号光を取り込んで任意の箇所まで伝送し、他方の端部から空間に向けて照射する光導波路とを具備して構成し、これによって光学レンズと発光素子の一体光学設計の制約を解く。
【０００９】
また、本発明に係る光空間通信用光受信装置は、光送信装置から空間に向けて照射される信号光を一方の端部から取り込んで任意の箇所まで伝送する光導波路と、前記光導波路の他方の端部から導出する信号光を受光して電気信号に変換する受光素子とを具備して構成し、これによって光学レンズと受光素子の一体光学設計の制約を解く。
【００１０】
また、本発明に係る光空間通信用光導波路加工方法は、光空間通信用の光導波路先端面で信号光を入射または出射するために、前記光導波路の光ファイバを石英チューブに挿入した後、延伸しテーパ状に加工して前記光導波路の先端面断面積を拡大する。あるいは、前記光導波路の端部に径の異なる複数の光導波路を先端部に向かって広がるように連結しテーパ状に加工して前記光導波路の先端面断面積を拡大する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、光導波路で信号光を伝送することにより光学レンズと発光素子または受光素子を分離し、また、光導波路自体を加工することによりレンズを不要とする。この場合、光空間通信の始終点には光学レンズまたは光導波路先端のみを配置するだけでよく、実質的に装置小型化が可能になり、光軸調整に関わる取りまわしも容易となる。また、光導波路先端を、テーパ状に加工して光導波路の先端面断面積を拡大するだけで対応できる。よって、本発明によれば、レンズと発光素子または受光素子の一体光学設計の制約を解き、発光素子または受光素子を光空間通信の始終点から離すことにより、装置小型化・装置とりまわしの柔軟性を実現する光空間通信用光送信装置、光受信装置及び光空間通信用光導波路加工方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係る光空間通信装置の第１の実施形態として、単方向通信系の構成を示す概念図である。図１において、光送信部１１には発光素子１１１とその駆動回路１１２が組み込まれる。発光素子１１１は駆動回路１１２によって駆動され、一定波長の光を伝送信号によって変調出力する光源である。この発光素子１１１によって発光された信号光は、任意の発光位置まで、例えば光ファイバケーブルによる光導波路１２で所定位置まで導かれる。光導波路１２には、石英系、プラスチック系のいずれでもよい。光導波路１２の先端には送信用レンズ１３が取り付けられる。この送信用レンズ１３は、光導波路１２を介して伝送されてきた信号光Ｌを所定のスポットサイズで空間に放出する。
【００１３】
対向する受信位置には受信用レンズ２１が配置される。この受信用レンズ２１は、上記送信用レンズ１３から空間伝送される信号光を集光して、例えば光ファイバケーブルによる光導波路２２に導くもので、光導波路２２の他端は光受信部２３に接続される。この光受信部２３は、受光素子２３１とその受信信号処理回路２３２を備え、光導波路２２からの信号光を受光素子２３１で受光して電気信号（受信信号）に変換し、その受信信号を復調してもとの伝送信号を得る。
【００１４】
本実施形態による構成では、送信側、受信側ともレンズ１３，２１の部分だけを正確に対向するだけでよく、光送信部１１、光受信部２３の配置・寸法等の制約を受けない。また、レンズ近傍の給電設備も必要としない。
図２は本発明に係る光空間通信装置の第２の実施形態として、第１の実施形態の光送受信部分を改良し、光導波路１２，２２の先端をテーパ状に加工して光導波路の先端面断面積を拡大することにより、レンズなしで信号光を送受信する場合の構成を示す概念図である。１４は送信部テーパ、２４は受信部テーパを表す。図３に光導波路１２または２２の先端部にテーパを形成した様子を示す。図３において、光ファイバを加工した場合、Ａ１はコア、Ａ２はクラッドを表す。
【００１５】
すなわち、レンズなしの場合、受光面積は光導波路のコア径に依存する。例えば光導波路がシングルモードファイバの場合にはコア径１０μｍなので、遠距離からこの精度で信号光を命中させることは困難である。また、信号光を１０μｍに絞ること自体困難である。ここで、受光強度は信号光のスポット面積と光導波路コアの面積の比となる。例えば、信号光を直径１ｍｍに絞ったとしても面積比は１／１００００となり、受光強度も１／１００００に減衰してしまう。これに対して、導波路先端をテーパ状に加工すれば、受光強度の低下を防ぐことができる。
【００１６】
図４は本発明に係る光空間通信装置の第３の実施形態として、第２の実施形態の光導波路テーパ１４，２４に第１の実施形態で使用した送信用レンズ１３、受信用レンズ２１を取り付けた場合の構成を示す概念図である。この構成によれば、受光すべき信号光の直径がテーパ加工した光導波路より大きい場合でも、広範囲の信号を集光して受信ロスを抑えることができる。発光に関しては光学的に精度のよい信号光を発射できる。
【００１７】
図５は第２の実施形態で説明したテーパの作成例を示す概念図である。まず、図５（ａ）に示すように、光空間通信用の光導波路に使用される大口径ファイバＢ１を石英チューブＢ２に挿入した後、図５（ｂ）に示すように延伸してテーパ状に加工して光導波路の先端面断面積を拡大する。例えば、コア径１ｍｍの大口径ファイバを用いてシングルモードファイバのコア径（１０μｍ）まで延伸すれば、面積比１００００倍のテーパが作成できる。
【００１８】
以上が本発明に係る光空間通信装置の基本構造の説明であるが、さらに以下のような構造を組み合わせると効果的である。
まず、図３に示したテーパ構造において、図６に示すように、光導波路先端面を球面状に加工すれば、そのレンズ効果により発射光の発散を防いだり、入射光を効率的に集光したりする効果が得られる。
【００１９】
また、図７に示すように、テーパ端面を光軸に対し傾斜角度θを付与するよう加工することで、当該端面での信号光の反射を抑制する効果が得られる。このことは、特に双方向通信時の反射による漏話を防ぐ効果につながる。傾斜面の角度θは光ファイバ通信で一般に用いられる数°以上が望ましい（参考文献：鈴木・藤原、光コネクタフレネル反射対策の検討、信学技報、ＯＱＥ８２−１５（１９８２−０５））。
【００２０】
また、テーパ形成の手法として、図８に示すように、直径小、中、大の光導波路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を光導波路の先端部に向かって広がるように連結し、各々の接合部分に融着接続等を施して光学的結合を図る方法もある。これによって形成されたテーパでも、第２の実施形態の場合と同等の作用効果が得られる。
【００２１】
以上の実施形態では単方向通信系を示したが、光分岐装置を用いることにより双方向通信も実現できる。図９は、図２に示した単方向通信系システムを双方向通信系システムに変更した場合の構成を示す概念図である。このシステムでは、図２に示した送信側には、第１の光送信部１１Ａ及び第１の光受信部２３Ａを配置し、それぞれ光分岐装置１５を介して光導波路１２に光接続する。この場合、導波路１２の端部は光送受信共用のテーパ１６として機能する。一方、図２に示した受信側には、第２の光送信部１１Ｂ及び第２の光受信部２３Ｂを配置し、それぞれ光分岐装置２５を介して光導波路２２に光接続する。この場合、導波路２２の端部は光送受信共用のテーパ２６として機能する。
【００２２】
上記構成によれば、第１の光送信部１１Ａから発信された信号光は光分岐装置１５を経由して光送受信共用テーパ１６から空間に発射される。対向する光送受信共用テーパ２６で受光した信号は光導波路２２を通過し光分岐装置２５を経由して第２の光受信部２３Ｂで受信される。逆方向も同様であり、第２の光送信部１１Ｂから発信された信号光は光分岐装置２５を経由して光送受信共用テーパ２６から空間に発射される。対向する光送受信共用テーパ１６で受光した信号は光導波路１２を通過し光分岐装置１５を経由して第１の光受信部２３Ａで受信される。
【００２３】
尚、上記双方向通信の実施形態は、図２に示した単方向通信の応用例として説明しているが、他の実施形態についても同様に双方向通信を実現可能である。
その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る光空間通信装置の第１の実施形態として、単方向通信系の構成を示す概念図。
【図２】本発明に係る光空間通信装置の第２の実施形態として、レンズなしで信号光を送受信する場合の構成を示す概念図。
【図３】図２に示す実施形態において、光導波路の先端部にテーパを形成した実施例を示す図。
【図４】本発明に係る光空間通信装置の第３の実施形態として、光導波路の先端部にレンズを取り付けた場合の構成を示す概念図。
【図５】第２の実施形態で説明したテーパの作成例を示す概念図。
【図６】図３に示すテーパ構造において、光導波路先端面を球面状に加工した実施例を示す図。
【図７】図３に示すテーパ構造において、光導波路先端面を光軸に対して傾斜角度を付けて加工した実施例を示す図。
【図８】図３に示すテーパ構造において、直径の異なる光導波路を直列に結合した実施例を示す図。
【図９】図２に示す単方向通信系をもとに双方向通信系を構成する実施例を示す概念図。
【符号の説明】
【００２５】
１１，１１Ａ，１１Ｂ：光送信部
１１１：発光素子
１１２：駆動回路
１２：光導波路
１３：送信用レンズ
１４：送信部テーパ
１５：光分岐装置
１６：光送受信共用テーパ
２１：受信用レンズ
２２：光導波路
２３，２３Ａ，２３Ｂ：光受信部
２３１：受光素子
２３２：受信信号処理回路
２４：受信部テーパ
２５：光分岐装置
２６：光送受信共用テーパ
【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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