(57)【要約】【課題】双方向通信であって、視認性のある高速な伝送システムを提供すること。【解決手段】本発明に係る光通信システム１００は、屈折率がグレーデットインデックス型をしたガラス製の第１のコア２０３と、一定の屈折率を有し、かつ、第１のコア２０３よりも屈折率が小さいガラス製の第２のコア２０３と、第１及び第２のコアを包むプラスチック製のクラッド２０１と、を備えた光ファイバ１０７を用いた光通信システムであって、第１のコア２０３には、波長８５０ｎｍ以上の赤外レーザ光を変調した信号を伝搬させ、第２のコア２０２には波長７８０ｎｍ以下の第１の可視発光ダイオードによる光を変調した信号を伝搬させることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率がグレーデットインデックス型をしたガラス製の第１のコアと、
一定の屈折率を有し、かつ、前記第１のコアよりも屈折率が小さいガラス製の第２のコアと、
前記第１及び第２のコアを包むプラスチック製のクラッドと、を備えた光ファイバを用いた光通信システムであって、
前記第１のコアには、波長８５０ｎｍ以上の赤外レーザ光を変調した信号を伝搬させ、前記第２のコアには波長７８０ｎｍ以下の第１の可視発光ダイオードによる光を変調した信号を伝搬させることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
前記第１のコア部の直径が１２０μｍ以下、前記第２のコアの直径が４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
【請求項３】
前記光ファイバの断面において、前記第１のコアの外周を構成する円の中心と、前記第２のコアの外周を構成する円の中心とが一致していないことを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信システム。
【請求項４】
前記赤外レーザ光を生成するために面発光レーザを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光通信システム。
【請求項５】
前記第１の可視発光ダイオードによる光とは波長の異なる第２の可視発光ダイオードによる光を変調した信号を、前記第２のコアに逆方向に伝搬させ、双方向に通信を行う請求項１〜４のいずれか一項に記載の光通信システム。
【請求項６】
前記赤外レーザ光を変調した信号の受信側から送信側へ、当該信号を受信したことを示す信号が届かない場合、前記レーザ光の出射を停止する機構を設けたことを特徴とする請求項５に記載の光通信システム。
【請求項７】
前記第１及び第２の可視発光ダイオードとして、赤色の発光ダイオード、青色の発光ダイオード、緑色の発光ダイオードのうち２つの発光ダイオードを用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光インターコネクションの分野で用いられる光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ：Plastic Optical Fiber）を用いた光伝送システムが、家庭用の音声信号の伝送や車内のマルチメディア信号の伝送、工場内の装置間内のデータ伝送等に幅広く使われている。光通信は電気通信と比べノイズ耐性が強いことや電線からファイバにすることでの軽量化が可能などの利点を有している。このような通信システムでは、主にアクリル系の樹脂のファイバを用いており、吸収のもっとも少ない赤色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が主に使われてきていた。
【０００３】
近年、家庭内のデジタル機器、例えばパソコン、デジタル放送用のテレビやレコーダなどの普及により、家庭内でも高速なデジタル伝送を行う機会が増えてきている。また、自動車などの交通機関においても、安全や環境対策のための制御機器が増加し、高速な伝送手段が求められている。しかし、発光ダイオードは、レゾナントキャビティ型の発光ダイオードなどの高速なタイプでも１Ｇｂｐｓを超えるような高速動作が困難であり、またＰＯＦは、損失が大きく高速伝送には適していない。
【０００４】
このような高速な光伝送に適しているのが、ガラスファイバコアの伝送路と半導体レーザを用いた光通信システムである。このような光通信システムは主に、長距離・大容量化が可能なことから業務用通信システムとしてすでに幅広く応用されている。中でも比較的短距離（１００ｍ以下）の通信に適しているのが、面発光レーザとマルチモードファイバを用いた光通信システムである。この方式は、すでに高速な通信が必要とされている業務用の短距離データコム用途に使われている。このような近距離通信には、小型、低消費電力である面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が適している。すでに１０Ｇｂｐｓ程度の高速動作が可能である。
【０００５】
ところで、デジタル情報は複製しても劣化しないため、著作権保護の観点から、画像伝送では複製を禁止するための暗号化処理が必要である。安全に暗号化するには、送受それぞれのインターフェースに信頼関係を構築するため、双方向通信とする必要がある。このようなインターフェースは、すでにテレビとレコーダ間の接続等に幅広く使われているが、双方向通信が簡易な電気配線を使うものが多かった。しかし、高精細化に伴う伝送帯域の拡大に伴い、光配線化が求められている。そのようなデジタル動画伝送用の双方向通信の一例が、特許文献１に開示されている。
【０００６】
動画伝送には、画像データだけではなく、音声やアスペクト比などの制御信号、接続しているかどうか検出するホットプラグ検出、受信側のコントローラ電源供給などが必要とされている。それぞれの信号は、伝送速度や伝送品質などが異なる。電気ケーブルを用いたインターフェースでは、画像データは、３原色（ＲＧＢ）に分解されて送信され、また、クロックもそれぞれ別に送信されている。一方、光配線を用いたものでもそれぞれパラレルに送信するか、特許文献１に記載したように画像データのみシリアル化して送信するものがある。
【０００７】
その場合、それぞれ異なるファイバを複数本必要とし、またコネクタ部が大きくなるなどの課題がある。また、画像伝送以外にも例えば車載用途等を考えると、低速の制御信号と高速なマルチメディア信号を一度に伝送させることなどの用途が考えられる。これらのマルチメディア信号と制御信号には、求められる信頼性が異なる。
【０００８】
画像データや音声データで構成されるマルチメディア信号では、誤り訂正符号を用いる必要がなく、データの伝送の確実性も必要がない。マルチメディア信号のわずかな誤りは、人が認識できないからである。一方、制御信号などの場合、１ビットでも誤りが許されない。そのため、リードソロモン符号を用いた誤り訂正や、データが届いていない場合の再送処理などが必要となる。このような信頼度の異なる信号をシリアル化して一度に送信するシステムでは、信頼度の必要のない信号まで信頼性のある送信形態をとることになる。そのため、伝送システムが高価になり、消費電力も増加する。
【０００９】
ところで、高速なレーザ変調光を用いたデータ通信では、赤外光が用いられることが多い。それは、ガラスによる損失が低く、また、高速かつ信頼性の高い半導体素子が作りやすいからである。一方、可視光を用いて視認できる方が、信号の有無を直感的に判断できて望ましい。特に、光ファイバ等の光伝送路は電気伝送路に比べ破損しやすく、接続されているだけでは信号の伝送が正常に行われているか判断できない。また、このような光システムを装置に組み込むときにも視認可能な方が、作業性の向上など利点が多い。しかも、現在のＰＯＦを用いた通信システムでも、可視の発光ダイオードが使用されている。そのため、それを高速化したシステムでも、互換性を維持するために、視認できることが望ましい。
【００１０】
このようなシステムの方法として、レーザ変調光と発光ダイオード変調光を同時に送信する方法が考えられる（例えば、特許文献２及び３参照）。特許文献２及び３に記載のシステムでは、同じ赤色の波長を持つ発光ダイオードと半導体レーザを使用している。ダブルコア化し、内側にはレーザ光源を外側には発光ダイオードを使用し、伝送させている。このシステムには、ＰＯＦとの互換性を維持できるという利点がある。
【特許文献１】特開２００５−６５０３４号公報
【特許文献２】特開２００６−６４７６６号公報
【特許文献３】特開２００１−１６６１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２及び３に記載のシステムでは、１Ｇｂｐｓを超える伝送速度を達成する上での課題も多い。ＰＯＦは、赤色領域で最も損失が小さく、それ以外の波長では損失が極めて大きくなる。そのため、赤色の光源が使用される。この場合、レーザ光と発光ダイオードとが同じ波長になるため、それぞれの波長の信号のクロストークが問題となる。
【００１２】
さらに、赤色のレーザ光は、網膜に与えるダメージが大きく、アイセーフ化するために、光出力を小さくする必要がある。また、例え赤色を用いたとしてもＰＯＦによる損失が大きいため、受信側に到達できる光出力が極めて弱くなる。光出力が弱いと、よりクロストークに弱くなる上、ＳＮ比が劣化するので、高速通信を安定して行うことができない。また、ガラスファイバを用いたとしても、可視光領域は、損失が大きく、さらに波長分散も大きい。そのため、多モード発振状態で使用することが多いレーザ光源のスペクトル幅も狭くしなければならないという問題があった。
【００１３】
本発明は上記を鑑みなされたものであり、双方向通信であって、視認性のある高速な伝送システム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】
【００１４】
本発明に係る光通信システムは、
屈折率がグレーデットインデックス型をしたガラス製の第１のコアと、
一定の屈折率を有し、かつ、前記第１のコアよりも屈折率が小さいガラス製の第２のコアと、
前記第１及び第２のコアを包むプラスチック製のクラッドと、を備えた光ファイバを用いた光通信システムであって、
前記第１のコアには、波長８５０ｎｍ以上の赤外レーザ光を変調した信号を伝搬させ、前記第２のコアには波長７８０ｎｍ以下の第１の可視発光ダイオードによる光を変調した信号を伝搬させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、双方向通信であって、視認性のある高速な伝送システム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】
【００１６】
本発明に係る通信システムでは、高速な信号と低速な信号を１本のファイバにより伝送する。それぞれ、複数本必要であったファイバを一本にまとめることで低コスト化が可能になる。
【００１７】
低速信号には可視発光ダイオードを、光束信号には赤外レーザを使用する。可視発光ダイオードを使用することにより、信号が出ているかどうかを視認できる上、赤色の発光ダイオードとＰＯＦを用いた現行のシステムとの互換性を有する。視認可能であるため、信号が出ているかどうかの判断が即時にでき、異常や故障の判断などが容易になる。また、これらの光通信システムを組み込む装置、例えば車などの組み立て時に信号が出ているかどうかが特別な装置なしで瞬時に判断でき、生産性の向上が期待できる。また、故障時や破損時の修理作業の効率の向上なども期待できる。
【００１８】
高速な光伝送には、変調速度の制限から発光ダイオードではなく、半導体レーザを用いる必要がある。ここでは、高速な信号として１Ｇｂｐｓを想定している。特に、赤外線の半導体レーザは、高速動作に適し、光通信等の実績から信頼性にも優れている。その上、長波長であるほど、人間の目に直接は入った場合のダメージが少ない。さらに、高速な光伝送には、低速用途に比べて高出力化が求められていることや、波長が短い方が光電気の変換効率が悪化することなどを考慮すると、可視でなく赤外のレーザを用いるのが望ましい。
【００１９】
半導体レーザとしては、低消費電力動作が可能で、高速変調にも適している面発光レーザが好ましい。その波長としては、人間の目に影響が少なく、面発光レーザの製造に適している８５０〜１６００ｎｍがよい。この波長よりも短いと、共振器を形成しているＤＢＲの組成が制限され、高い反射率が得難くなり、面発光レーザの効率や帯域が落ちてしまう。一方、１６００ｎｍを越えると、発光素子、受光素子ともに作製が難しい。また、８５０〜１３１０ｎｍがさらに望ましい。この波長帯であれば、ＧａＡｓ基板上に高性能な面発光レーザを容易に作製できる。
【００２０】
発光ダイオードには、人間の目で視認でき、また、半導体レーザとの信号分離には波長差をつける必要があることから、４００〜７８０ｎｍのものが適している。４００ｎｍ未満では、紫外光となり視認できない上、プラスチッククラッドやガラス等による損失が増える。低速信号を伝送する発光ダイオードと高速信号を伝送する半導体レーザの波長差を大きくすれば、それを実現する素子の集積化が容易になる。また、信号のクロストークなどの干渉を抑えられ、安定した通信が可能になる。
【００２１】
低速信号に関しては、双方向通信とすることで、高速信号の変調状態の制御や高速な信号源を持つ機器のコントロールなどに応用できる。また、さらに安全のために、高速な信号の受信側から送信側への信号をホットプラグ検出として利用する。ホットプラグ検出がされない場合、送信側のレーザ出射を止め、より安全にすることができる。その上、送信側のＬＳＩや受信側のＬＳＩの電源をオフにすることで、低消費電力化も可能である。
【００２２】
この通信システムに適用するダブルコアの光ファイバは、半導体レーザを変調して高速な信号を伝送させる第１のコアは、モード帯域が高い必要がある。また、受光素子の受光面積も小さくする必要がある。そのため、コア面積を小さくする必要がある。大きくても１２０μｍ以下にする必要があり、望ましくは通常のマルチモードファイバと同じ６２．５μｍか５０μｍがよい。５０μｍにすることで、少なくとも５００ＭＨｚ−ｋｍ以上のモード帯域のあるファイバの作製が可能であり、１０Ｇで５０ｍ程度の伝送が可能になる。どのコア径のファイバを用いるかは伝送速度に合わせて適宜選択すればよい。ガラスコアを持つファイバは、可視領域から赤外の広い範囲内で損失を低減することができるため、このようなファイバには適している。クラッドを含めてすべてをガラス化するとＰＯＦと比べて、高コストになってしまうため、クラッド部はプラスチック系の材料を用いることが望ましい。
【００２３】
発光ダイオードを変調させて信号を伝搬させるファイバでは、第１のコアを内側にもつため、第１のコアよりも大きい必要がある。そこを伝送させる信号は低速なので、コア径が大きくてもモード帯域は問題がないが、マルチモードファイバの原型であるプリフォームからとれる長さが短くなり、高コストになる。そのため、第１のコアよりも大きいが、４００μｍ以下にする必要があり、望ましくは２００μｍ程度がよい。また、第１のコアは、ダブルコアファイバの中心からずらしてもよい。ずらすことによって、第１のコアを伝送させる半導体レーザと発光ダイオード集積化などの光源の実装性を向上させることができる。
【００２４】
本発明の第１の効果は、高速伝送と低速伝送とを複雑な信号処理なしに、伝送できることである。第２の効果は、高速な光伝送も可能なシステムでありながら、低速信号に発光ダイオードを用いることで、信号の有無が視認できることである。第３の効果は、低速信号の双方向通信により、暗号データの送受やホットプラグ検出などもできることである。第４の効果は、自動車などの応用面は、事故などによる破損から修理する場合、視認可能な信号を用いることで、信号の破損箇所を容易に診断できることなどである。
【００２５】
実施の形態１
以下に、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るダブルコアファイバを用いた光通信システムを説明する。この光通信システム１００は、高速送信データ１０１と低速送信データ１０２を同時に一本のファイバで伝送させるシステムである。この通信システム１００は、高速な信号を信号多重する高速信号多重回路１０３、低速な信号を信号多重する低速信号多重回路１０４、高速な信号を変調する半導体レーザ（ＬＤ）１０５、低速な信号を変調する発光ダイオード（ＬＥＤ）１０６、ダブルコア光ファイバ１０７、高速な光信号を電気信号に変換する半導体受光素子（ＰＤ）１０８、低速な光信号を電気信号に変換する半導体受光素子（ＰＤ）１０９、伝送した信号をもとのデータにもどす高速信号分離回路１１０及び低速信号分離回路１１１を備える。このシステムによって、高速送信データ１０１と低速送信データ１０２は、高速受信データ１１２、低速受信データ１１３として伝送される。
【００２６】
次に、それぞれの機能について説明する。高速信号多重回路１０３、低速信号多重回路１０４は、複数の高速な信号列と低速な信号とをそれぞれ多重する装置である。この信号多重回路１０３、１０４は、データのみではなく、クロックも同時に伝送する。図１では、高速信号多重回路１０３がデータ１、２及びクロックを伝送し、低速信号多重回路１０４がデータ３及びクロックを伝送している。ここで、データ列から信号分離をしやすくするために、データ列を８Ｂ１０Ｂ変換してもよい。この方法は、８ビットの信号から１０ビットの信号を生成する方法である。このコーディングにより、長い信号列をなくすことができるので、クロックを復元しやすくなる。
【００２７】
次に、多重化された信号で高速な信号を半導体レーザ１０５により変調する。この半導体レーザ１０５には、面発光レーザが適している。面発光レーザは低消費電力かつ、高速変調に適しているためである。動作速度としては１０Ｇｂｐｓ程度の速度まで対応できる。ここでは発振波長として８５０ｎｍ帯の面発光レーザを用いている。この波長はデータコム用途などの短距離マルチモード伝送などで幅広く使われており入手性に優れている。
【００２８】
一方、低速なデータ信号には、発振波長が６５０ｎｍ帯の赤色の発光ダイオード１０６を用いる。その発光ダイオードでも数十Ｍｂｐｓ程度の速度までは対応が可能である。それぞれレーザ変調光と発光ダイオード変調光をマルチモードのダブルコア光ファイバ１０７に結合する。ダブルコア光ファイバ１０７により伝送後に、高速なレーザ光と低速な発光ダイオード変調光を分離させる。この方法について、ファイバの構造と合わせて後述する。
【００２９】
分離した光を、高速信号用の受光素子１０８と低速信号用の受光素子１０９により電気信号に変換される。高速信号用の受光素子１０８にはＧａＡｓ製の面入射型の受光素子を用いる。一方、低速信号用の受光素子１０９にはシリコン製の受光素子を用いる。変換部ではそれぞれ、アンプなどをつかって信号を増幅する手段を用いてもよい。電気信号に変換した後、信号分離回路／ＣＤＲ部１１０、１１１において、信号からクロックを抽出し、そのクロックをもとに信号を分離することで元に高速受信データ１１２及び低速受信データ１１３を得ることができる。
【００３０】
このように高速な信号と低速な信号とを分離して送信するメリットは、例えば伝送プロトコルやとトポロジーを柔軟に分ける用途や、伝送品質がことなる場合に有益である。例えば、音声や画像データのようなものと機器制御などに使う信号ではデータ品質が大きく異なる。音声データや画像データは、受信側でディスプレイやスピカーから映像や音声として出力されるが、ごくわずかな信号に誤りがあったとしても映像、音声上の差を識別できないので問題がない。一方、機器制御などでは誤りがあると、誤動作などの原因になるため、確実なデータ伝送が求められる。
【００３１】
一般には、画像や音声などのマルチメディア信号には、高速性が要求されることが多く、本発明の場合、高速なデータ信号には誤り訂正やデータの再送機能などが不要になる。これに対し、低速なデータ信号には確実なデータ伝送が必要となる。低速な信号の伝送の方がジッタなどのマージンが大きくできるなど品質が高めやすいし、低速なので誤り訂正信号等を付与しても制御用のＬＳＩへの負担、ここでは回路規模や消費電力への影響が少ない。一方、低速な信号と高速な信号を多重化した場合は、全ての信号にデータ品質を保証する必要が生じ、高速な信号での複雑な誤り訂正は多重化や分離回路などを形成するＬＳＩの消費電力や回路規模が大きくことや伝送遅延が生じるなどデメリットが多い。従って、低速な信号と高速な信号で求められる品質やデータ内容が異なる場合、分離したまま送受信することには大きなメリットがある。
【００３２】
次に、本光通信システム１００で使われるダブルコア光ファイバ１０７について、図２を参照して説明する。このマルチモードのダブルコア光ファイバ１０７は、ハードプラスチッククラッドダブルガラスコアファイバである。このダブルコア光ファイバ１０７は、フッ化アクリレート樹脂性クラッド２０１、ステップインデックスガラス製コア２０２、ゲルマニウム添加グレーデットインデックスコア２０３を備える。それぞれの屈折率は図２の下に示した通りである。屈折率は、高い方から順にグレーデットインデックスコア２０３、ステップインデックスコア２０２、プラスチッククラッド２０１となっている。図２（ａ）は、グレーデットインデックスコア２０３、ステップインデックスコア２０２の外周円の中心が一致している場合、図２（ｂ）は、一致していない場合を示している。
【００３３】
レーザ変調光は、ステップインデックスコア２０２とグレーデットインデックスコア２０３に屈折率差があるので、グレーデットインデックスコア２０３中を伝搬させることができる。発光ダイオード光は、ハードプラスチッククラッド２０１よりもグレーデットインデックスコア２０３とステップインデックスコア２０２の方が、屈折率が高いので、この中に光を閉じ込めて伝搬することができる。グレーデットインデックスコア２０３には、ゲルマニウムを適量添加することで屈折率をステップインデックスコア２０２よりも高めている。グレーデットインデックスコア２０３の屈折率の形状は、最もモード帯域が高くなるように、ほぼ放物線関数（２乗）としている。
【００３４】
グレーデットインデックスコア２０３の直径は、１０Ｇ以上の高速な信号を通す必要な場合には、広帯域なモード帯域をえられために５０μｍとする。また、１Ｇ程度の速度の場合には実装容易性などを考慮して、１２０μｍ程度とするのが望ましい。ステップインデックスコア２０２は、グレーデットインデックスコア２０３よりも大きくする必要があるので少なくとも市販されているハードプラスチッククラッドファイバと同じ２００μｍ程度とする。高速伝送をつかさどる光素子との実装上の問題があれば４００μｍ程度に広げても問題はない。広くしすぎると一本のプリフォームといわれるファイバの加工元からのとれる長さが短くなってしまうので、せいぜい４００μｍ程度にとどめておくのが経済性の観点から望ましい。なお、図２（ｂ）に示すように、グレーデットインデックスコア２０３が、ステップインデックスガラス製コア２０２の中心でなく、外側にずれた位置に形成されていてもかまわない。
【００３５】
次に、ダブルコア光ファイバ１０７とそれぞれの光素子との結合について説明する。高速伝送用の半導体レーザ１０５の光がグレーデットインデックスコア２０３の中心に直接入るように実装する必要がある。その理由は、結合ずれによって伝送特性が悪化することがあることや、ファイバのＮＡが大きくできないので結合効率が悪化してしまうためである。
【００３６】
一方、ステップインデックスコア２０２を伝搬させる発光ダイオード１０６の光は、ずれて入射しても伝送特性上も結合特性上も問題が生じない。そのため、半導体レーザ１０５をグレーデットインデックスコア２０３の中心において、発光ダイオード１０６はステップインデックスコア２０２の端に実装すればよい。
【００３７】
一方、受信側では、シリコン製の大口径受光素子１０９の中心に、小型で小口径のＧａＡｓ製の受光素子１０８を置けばよい。この小型の受光素子１０８はできるだけ小さく加工し、シリコン製の受光素子１０９上にフリップチップ実装する。高速な変調光は、グレーデットインデックスコア２０３を伝搬してくるので、モードフィールド径が小さく、小さく集光することができる。この集光した光を小型のＧａＡｓ製の受光素子１０８で受けて電気信号に変換する。この受光素子１０８には、発光ダイオードの光を電気信号に変換しないように、フィルタ層を設けておく、これは、半導体組成の禁制帯幅が、８５０ｎｍと６５０ｎｍの中間の組成にすることで、そのフィルタ層で吸収させることができる。また、この受光素子１０８をステップインデックスコア２０２の直径よりも十分に小さくすることで、シリコン製の受光素子１０９にステップインデックスコア２０２を伝搬してきた光を入射させて、発光ダイオードの変調信号を電気信号に復元することができる。
【００３８】
次に、本ダブルコア光ファイバ１０７の製造方法について説明する。このダブルクラッドコアをもつファイバではあるが、構造的には、通常のグレーデットインデックスファイバに、ハードプラスチッククラッドを施したものに相当する。グレーデットインデックスファイバは、ＰＣＶＤ法で作製した光ファイバプリフォームを線引炉により線引し、紡糸することで作製することができる。その作製したグレーデットインデックスファイバにフッ化アクリレート樹脂性クラッドを被覆し、その外側に保護用の被覆を行って作製する。
【００３９】
実施の形態２
次に、第２の実施の形態として、低速な信号を双方向にした光通信システムについて図３を参照して説明する。実施の形態１と同一の構成要素は、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００４０】
この光通信システム１００では、高速送信データ１０１と低速送信データ１０２ａ、及び逆方向の低速送信データ１０２ｂを同時に一本のファイバで伝送させるシステムである。この通信システムは、高速な信号を信号多重する高速信号多重回路１０３、低速な信号を信号多重する低速信号多重回路１０４、高速な信号を変調する半導体レーザ（ＬＤ）１０５、低速な信号を変調する発光ダイオード（ＬＥＤ）１０６ａ、１０６ｂ、ダブルコア光ファイバ１０７、高速な光信号を電気信号に変換する半導体受光素子（ＰＤ）１０８、低速な光信号を電気信号に変換する半導体受光素子（ＰＤ）１０９ａ、１０９ｂ、伝送した信号を元のデータに戻す高速信号分離回路１１０及び低速信号分離回路１１１を備える。
【００４１】
このシステムによって、第１の実施の形態と同様、高速送信データ１０１と低速送信データ１０２ａとが、高速受信データ１１２、低速受信データ１１３ａとして伝送される。さらに、本第２の実施の形態では、低速送信データ１０２ｂが低速受信データ１１３ｂとして逆方向に伝送される。
【００４２】
第２の実施の形態では、低速なデータ信号が２つであるため、発振波長が６５０ｎｍ帯の赤色の発光ダイオード１０６ａと４７０ｎｍの青色発光ダイオード１０６ｂとを用いる。色を変えることで、信号の送受の役割をはっきりさせることができる。それぞれレーザ変調光と２つの発光ダイオード変調光をマルチモードのダブルコア光ファイバ１０７に結合する。ダブルコア光ファイバ１０７は、実施の形態１と同様である。
【００４３】
伝送された光を分離し、高速信号用の受光素子１０８と低速信号用の受光素子１０９ａ、１０９ｂにより電気信号に変換する。実施の形態１と同様、高速信号用の受光素子１０８にはＧａＡｓ製の面入射型の受光素子を用いる。一方、低速信号用の受光素子１０９ａにはシリコン製の受光素子を用いる。電気信号に変換した後、信号分離回路／ＣＤＲ部１１０、１１１において、信号からクロックを抽出し、そのクロックを元に信号を分離することで高速受信データ１１２及び低速受信データ１１３ａを得ることができる。ここで、データ受信側から送信される低速送信データ１０２ｂは、送信側から送信されてきた信号のクロックに同期しているため、送信側では受信する低速受信データ１１３ｂからクロックを抽出する必要がない。
【００４４】
このように高速な信号と低速な信号を分離して送信し、かつ受信側からも信号を送る効果は、実施の形態１に記載した内容に加え次のようなものがある。まず、第１に、ホットプラグ検出が挙げられる。受信側からの光信号の返信がない場合、送信側ではレーザの発信を止め、完全なアイセーフを実現することができる。さらに、高速な信号多重回路のような消費電力の大きなＬＳＩの電源もオフにするなどにより、消費電力化にも貢献できる。第２に、送信側の装置のコントロールや、送信回路の制御ができる。第３に、通信の安全が確保できる。送受信の低速な信号間で、お互いの情報交換することで、送受の相手側の信頼関係が確認でき、暗号化のための鍵の交換などを行うことができる。従って、高速なデータ通信の内容を安全に送信することが可能になる。
【実施例】
【００４５】
第２の実施の形態に係る実施例として、デジタル画像伝送システムを例に、図４を参照して説明する。このデジタル画像システムは、デジタル放送録画機から高精細テレビ間の画像伝送などに使われているＨＤＭＩ形式を準拠したものである。
【００４６】
この通信システム１００は、画像のピクセルデータと音声信号が多重化されている高速送信データ１０１を信号多重化する高速信号多重回路１０３、画像のアスペクト比などのデータ、機器制御信号、暗号化キー信号などの低速送信データ１０２ａを信号多重化する低速信号多重回路１０４ａ、受信側から送信されてきた低速送信データ１０２ｂを信号多重化する低速信号多重回路１０４ｂ、高速な信号を変調する半導体レーザ（ＬＤ）１０５、低速な信号を変調する発光ダイオード（ＬＥＤ）１０６ａ、１０６ｂ、ダブルコア光ファイバ１０７、高速な光信号を電気信号に変換する半導体受光素子（ＰＤ）１０８、低速な光信号を電気信号に変換する半導体受光素子（ＰＤ）１０９ａ、１０９ｂ、伝送した信号を元のデータに戻す高速信号分離回路１１０及び低速信号分離回路１１１ａ、１１１ｂを備える。さらに、高速送信データ１０１及び低速送信データ１０２ａを８Ｂ１０Ｂ変換する８Ｂ１０Ｂ変換回路４０１、４０２、受信したクロックデータをリカバリーするＣＤＲ回路４０３、４０４を備える。
【００４７】
このシステムによって、画像や音声データなどの高速送信データ１０１（図４におけるデータ１〜３及びクロック）と、アスペクト比や暗号化キーデータなどの画像フォーマットデータのシリアルデータであるＤＤＣ（Display Data Channel）信号、機器の制御に使われるＣＥＣ（Consumer Electric Control）信号及びＤＤＣクロックを含む低速送信データ１０２ａとが、それぞれ高速受信データ１１２、低速受信データ１１３ａとして伝送される。さらに、ホットプラグ検出用データ信号、制御信号・暗号化キーデータ（図４におけるホットプラグ検出及びＤＤＣデータ出力）などの低速送信データ１０２ｂが低速受信データ１１３ｂとして逆方向に伝送される。
【００４８】
次にそれぞれの機能について説明する。高速信号多重回路１０３は、画像信号（ＲＧＢ信号又はＹＵＶ信号）に音声信号があらかじめ多重化された３ｃｈ分のＴＭＤＳ（図４におけるデータ１〜３）をさらに多重化する。画像信号と音声信号の多重化は、本システムの外部の画像処理システムＬＳＩで行う。本発明のシステムには、あらかじめ多重化された３ｃｈ分のＴＭＤＳ信号を多重化するところから扱う。また、低速信号多重回路１０４ａはアスペクト比や暗号化キーデータＤＤＣ信号と機器制御用ＣＥＣ信号を多重する。信号多重回路１０３、１０４ａではデータ列は、クロック（図４におけるクロック及びＤＤＣクロック）をもとに信号を多重化する。この通信システムは、クロック信号は、データ信号に埋め込んで伝送し、受信側受けたデータ信号から、クロックを復元する。画像伝送などの場合ピクセルデータは同じデータ列が続く可能性が高いので、信号からクロックを抽出しやすくかつ、マーク確率を０．５に近づけるために、データ列を８Ｂ１０Ｂ変換回路４０１、４０２により変換する。この方法は、８ビットの信号から１０ビットの信号を生成する方法である。このコーディングにより、長い信号列をなくすことができるので、受信側でクロックを復元しやすくなる。
【００４９】
次に、多重化された信号で高速な信号を半導体レーザ１０５により変調する。この半導体レーザには、面発光レーザが適している。面発光レーザは低消費電力かつ、高速変調に適しているためである。動作速度としては１０Ｇｂｐｓ以上の速度まで対応が可能である。ＨＤＭＩ１．３規格の１９２０×１０８０、６０ｆｐｓ程度のいわゆるフルハイビジョン相当の映像まで送信させることが可能である。ここでは発振波長として８５０ｎｍ帯の面発光レーザを用いている。この波長は高速なデータコム用途などの短距離マルチモード伝送などで幅広く使われており入手性に優れている。
【００５０】
一方、低速なデータ信号１０２ａ、１０２ｂには、それぞれ発振波長が６５０ｎｍ帯の赤色の発光ダイオードと４７０ｎｍの青色発光ダイオードとを用いる。その発光ダイオードでも数十Ｍｂｐｓ程度の速度までは対応が可能である。色を変えることで、信号の送受の役割をはっきりさせることができる。それぞれレーザ変調光と発光ダイオード変調光をマルチモードのダブルコア光ファイバ１０７に結合させる。
【００５１】
伝送された光を分離し、高速信号用の受光素子１０８と低速信号用の受光素子１０９ａにより電気信号に変換する。実施の形態１と同様、高速信号用の受光素子１０８にはＧａＡｓ製の面入射型の受光素子を用いる。一方、低速信号用の受光素子１０９ａにはシリコン製の受光素子を用いる。変換部ではそれぞれ、トランスインピーダンスアンプをつかって信号を増幅する。電気信号に変換したあと、クロックデータリカバリー（ＣＤＲ：Clock Data Recovery）回路４０３、４０４で、クロックとデータを抽出する。そのクロック信号とデータ信号をもとに信号分離回路／８Ｂ１０Ｂ変換回路１１０、１１１ａにおいて、信号分離と復号化し画像データ及び音声データなどの高速受信データ１１２及びアスペクト比や制御信号・暗号化キーデータなどの低速受信データ１１３ａを得ることができる。ここで、データ受信側から送信される低速送信データ１０２ｂは、送信側からおくられてきた信号のクロックに同期しているため、送信側では受信する低速受信データ１１３ｂからクロックを抽出する必要がない。
【００５２】
このように画像及び音声信号と制御信号等を分離して送信し、かつ受信側からも信号を送ることにより、ＨＤＭＩ機器で必須のホットプラグ検出が可能になる。このとき信号送信側においては、受信側からの光信号がない場合、レーザの発信を止めて、完全なアイセーフ化することができる。さらに、レーザだけではなく、高速な信号多重回路のような消費電力の大きなＬＳＩの電源をオフにすることなどによって消費電力化にも貢献することができる。また、高精細テレビから録画機の制御なども可能になる。さらに、安全の通信が確保できることである。高精細な映像デジタル情報は、コピーしても劣化しないため、著作権管理の観点からコピー制御をおこなう必要がある。送受信が可能なことからお互いの機器の信頼関係が確認でき、暗号化のための鍵の交換などが行え、画像データを安全に送信することが可能になる。
【００５３】
次に、この光通信システムを構築するに当たり、それぞれの光素子とダブルコア光ファイバ１０７との結合について説明する。高速伝送用の半導体レーザ１０５は、その光がグレーデットインデックスコア２０３の中心に直接入るように実装する必要がある。その理由は、結合ずれによって伝送特性が悪化することがあることや、ファイバのＮＡが大きくできないので結合効率が悪化してしまうためである。
【００５４】
一方、ステップインデックスコア２０２を伝搬させる発光ダイオード１０６ａからの光は、ずれて入射しても伝送特性上も結合特性上も問題が生じない。そのため、半導体レーザ１０５をグレーデットインデックスコア２０３の中心において、発光ダイオード１０６ａはステップインデックスコア２０２の端に実装すればよい。
【００５５】
この半導体レーザ１０５と発光ダイオード１０６ａとをシリコン製の受光素子１０９ｂ上に実装する。シリコン製のヒートシンクは、可視光を吸収するので、受信側からおくられてきた低速な信号を電気信号にもどすことができ、熱伝導率も高いのでヒートシンクとしての役割も果たすことができる。なお、受光素子１０９ｂ上に十分な光がはいるようにするために、例えば図２（ｂ）のようにグレーデットインデックスコア２０３をステップインデックスコア２０２の中心からずらして形成するか、発光ダイオード１０６ａをもう一方側にずらして実装する。
【００５６】
一方、信号の受信側では、シリコン製の大口径受光素子１０９ａの中心に、小型で小口径のＧａＡｓ製の受光素子１０８と発光ダイオード１０６ｂを配置する。この小型の受光素子１０８はできるだけ小さく加工し、シリコン製の受光素子１０９ａ上にフリップチップ実装する。高速な変調光は、グレーデットインデックスコア２０３を伝搬してくるので、モードフィールド径が小さく、小さく集光することができる。この集光した光を小型のＧａＡｓ製の受光素子１０８で受けて電気信号に変換する。この受光素子１０８には、発光ダイオードの光を電気信号に変換しないように、フィルタ層を設けておく。これは、半導体組成の禁制帯幅が、８５０ｎｍと６５０ｎｍの中間の組成にすることで、そのフィルタ層で吸収させることができる。また、この受光素子１０８をステップインデックスコア２０２の直径よりも十分に小さくすることで、シリコン製の受光素子１０９ａにステップインデックスコア２０３を伝搬してきた光を入射させて、発光ダイオードの変調信号を電気信号に復元することができる。また、発光ダイオード１０６ｂは、シリコン受光素子１０９ａの中心をさけて実装し、シリコン受光素子１０９ａへの光の吸収を妨げないように実装する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光通信システムの構成図である。
【図２】本発明の光通信システムで用いる光ファイバの断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る光通信システムの構成図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る光通信システムの構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００  光通信システム
１０１  高速送信データ
１０２、１０２ａ、１０２ｂ  低速送信データ
１０３  高速信号多重回路
１０４、１０４ａ、１０４ｂ  低速信号多重回路
１０５  半導体レーザ（ＬＤ）
１０６、１０６ａ、１０６ｂ  発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０７  ダブルコア光ファイバ
１０８  受光素子（ＰＤ）
１０９、１０９ａ、１０９ｂ  受光素子（ＰＤ）
１１０、１１０ａ、１１０ｂ  高速信号分離回路
１１１、１１１ａ、１１１ｂ  低速信号分離回路
１１２、１１２ａ、１１２ｂ  高速受信データ
１１３、１１３ａ、１１３ｂ  低速受信データ
２０１  フッ化アクリレート樹脂性クラッド
２０２  ステップインデックスコア
２０３  グレーデットインデックスコア
４０１、４０２  ８Ｂ１０Ｂ変換回路
４０３、４０４  ＣＤＲ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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