光通信系统技术方案

在具有塑料光纤（１）和光通信模块（２Ａ）的光通信系统中，光纤（１）具有球形端面（１１），从球形端面（１１）射出的发射光的数值孔径小于等于０．３５。光纤（１）设置在光通信模块（２Ａ）中，使得感光元件（２１）的感光面位于离光纤球形端面（１１）的顶点距离为ｄ的位置。设光纤直径为Ｄ、球形端面的曲率半径Ｒ为ｒ＊Ｄ、纤芯的折射率为ｎ、在光纤的球形端面和感光元件之间存在的物质的折射率为ｎ１，则距离ｄ在感光元件直径小于等于Ｄ时，为０＜ｄ≤ｒ＊Ｄ／（ｎ－ｎ１），在感光元件直径大于Ｄ时，为Ｄ≤ｄ≤ｒ＊Ｄ／（ｎ－ｎ１）。通过这样，该光通信系统能以简单的构成高效地进行直径大的光纤和直径小的感光元件间的光耦合。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关利用光纤能发送接收光信号的光通信系统，更具体为有关将塑料光纤作为传送媒体能够应用于家庭内部通信、电子设备间通信或LAN(局域网Local Area Network)等的光通信系统。
技术介绍
采用光纤的光通信系统在利用光纤构成的信号传送线路的一端有发送系统，而另一端有接收系统。发送系统例如有发光二极管或半导体激光器等光源(发光元件)，控制该发光源，并使发出的信号光射入光纤。另一方面，接收系统有光电二极管等感光元件，该感光元件接受自光纤射出的信号光，并变换成电信号。这种光通信系统的性能在很大程度上取决于信号光的传送效率。而进一步，该传送效率主要取决于光纤自身的传送效率、从发光源到光纤的耦合效率、及从光纤到感光元件的耦合效率。现有的光通信系统中的接收系统大致可分为以下两种，一种是直接用感光元件接收光纤来的射出光的系统，另一种是通过配置在光纤和感光元件之间的透镜等光学系统聚焦而感光的系统。这种光纤和感光元件间的光学耦合方法广泛用于芯径微米级粗细的石英纤维。但是在芯径为毫米级的塑料光纤的情况下，就有问题产生。虽然塑料光纤是一种近几年在家庭内部网络等受人们关注的光纤，但存在的问题是，塑料光纤的光纤直径为0.5～2mm，较粗，虽然连接方便，但反过来由于口径大，因此与接收器耦合的效率低。由于通常光纤通信使用的感光元件的感光直径为数百μm-百μm，故若是芯径小的光纤则无问题，但例如在口径1mm的塑料光纤的场合，即使使用透镜等，仍难以聚焦于比光源尺寸小的尺寸上。特别是传送速度越高，由于电容的关系就越必须要减小感光直径，所以耦合效率即接收效率越降低。作为一种解决上述问题的方法，所知的有具有如图25所示的光纤和感光元件间耦合结构的光通信系统。该光通信系统中，使具有用高反射特性的反射面103包围着的引导光路102的该导光体101介于光纤104和感光元件105之间，用该导光体101将光纤104射出的信号光一直引导给感光元件105。这样，完成光纤104和感光元件105间高效的光耦合，即使是来自塑料光纤等芯径大的光纤的射出光，仍能使其高效地聚焦于口径小的光电二极管上(参照特开平10-221573号公报的段落序号0008等、图1、图3)。在图25所示的结构中，从光纤射出的光的数值孔径(NA)在变化，尤其在变大时，如图26所示，在光纤104一侧射出光106容易返回，相反存在耦合效率低的缺点。另外，这种结构的孔的深度相对口径的深宽比大，在制造上存在难以均匀地蒸镀反射膜等问题。
技术实现思路
本专利技术之目的在于提供一种能以简洁的构成高效地进行塑料光纤那样直径大的光纤和直径小的感光元件间光学耦合的光通信系统。本申请的一个方面的光通信系统包括至少在一端有球形端面、并从该球形端面射出的发射光的数值孔径小于等于0.35的光纤；及以及具有感觉元件、并接收来自所述光纤球形端面的发射光的光通信模块。而且，所述光纤的所述一端插入所述光通信模块内规定的部位时，所述感光元件的感光面位于距所述光纤的球形端面顶点的距离为d的位置，设光纤的直径为D、球形端面曲率半径R为r*D、纤芯的折射率为n、在所述光纤的球形端面和感光元件间存在的物质的折射率为n1，则所述距离d为，在感光元件直径小于等于D时，在0＜d≤r*D/(n-n1)的范围内，在感光元件直径大于D时，在D≤d≤r*D/(n-n1)的范围内。还有，所谓‘光纤直径’系指芯径。但在SI型塑料光纤的情况下，由于包层与整个直径只差2％，所以光纤直径和包层直径近似相等。设光纤的端面为球形端面，配置感光元件，使得距离d在该范围内，通过这样和光纤的端面是平面时相比，接收耦合效率最高能提高到两倍以上。之所以将光纤端面加工成球形，是可以考虑到采用和在平坦的端面上安装具有向光纤来的光射出方向凸出的凸面的平凸透镜的结构相同的结构。用r*D/(n-n1)即R/(n-n1)求得的值是曲率半径为R、折射率为n的平凸透镜在充填折射率n1的物质的空间中的焦距f。图3A-3C为概要表示芯线是PMMA公司生产的(折射率≈1.5)的塑料光纤/在空气中(n1＝1)进行仿真时来自光纤的射出光L的扩展(远场图Far FieldPatternFFP)和对光纤端面进行加工后设置的球形端面11的曲率半径R(＝r*D)的关系的示意图。如按照和光纤轴向垂直的面切割多模光纤特别是SI(阶跃)型多模光纤，该近场图(Near Field Pattern)则能得到强度均匀的面光源。另外，将该强度均匀的面光源细分为各点，则来自各点的射出光的取向分布为高斯分布。从图3A-3C可知，射出光聚焦的位置因光纤球形端面的曲率半径而异。图3A表示球形端面的曲率半径R为光纤直径D的2倍即R＝2*D时，聚焦位置位于距球形端面顶点4D的位置，图3B表示球形端面的曲率半径R为光纤直径D的1.5倍即R＝1.5*D时，聚焦位置位于距球形端面顶点3D的位置，图3C表示球形端面的曲率半径R和光纤的直径相同即R＝D时，聚焦位置位于距球形端面顶点2D的位置。平凸透镜在空气中的焦距f根据上述可以用f＝R/(n-1)表示，图3A-3C示出的仿真结果和平凸透镜的折射率为1.5时在空气中的焦距f近似一致。即，本申请在来自光纤的射出光的数值孔径(NA)小于等于0.35即较小时，将感光元件的感光面置于所述焦距f内。但在感光元件的直径比光纤的直径D还要大时，由于根据申请人所进行的各种实验结果表明，在距离d超过D以前，只能得到和端面平的光纤同等的耦合效率，所以距离d比D要大。因而，由于从光纤一端面射出的发射光利用平凸透镜效应聚焦后再扩展之前射入感光元件，故与光纤端面是平面的情形相比，将提高与感光元件的耦合效率。又因不使用现有技术的导光体，所以光通信模块的制造也容易。射出光的NA为0.35的光纤主要用在传输速率200～622Mbps的高速传输。通常，感光元件的直径随着传输速度越高，根据电容的关系要做得越小。另外传输速度越高，使用的光纤结构NA越小。随之，从光纤射出的光的NA也变小。本申请在使用感光元件直径小、而且光纤的NA也小的塑料光纤时，即在使用塑料光纤的数百Mbps的高速传输时特别有效。在本申请的所述光通信系统中，所述通信模块除了感光元件外，还可以有将所述光纤球形端面来的发射光引至所述感光元件的接收光学系统。这时，不仅感光元件的感光面，而且接收光学系统的中心位置也将如下述那样，根据接收光学系统的大小，相对应地配置在距所述光纤球形端面的距离d的位置上。即接收光学系统这样配置，使得从所述光纤球形端面至接收光学系统的中心位置的距离d为，在接收光学系统大小小于等于D时，在0＜d≤r*D/(n-n1)，在接收光学系统大小比D大时，在D≤d≤r*D/(n-n1)。作为接收光学系统的一个例子，例如有利用折射率不同于空气的物质做成的棱镜及透镜等使光折射的构件、及反射镜等使光反射的构件形成的接收光学系统。在感光元件上形成折射率不同于空气的透明模铸构件等时，在本申请中也将该模铸构件作为接收光学系统处理。这里，所谓‘接收光学系统的中心位置’是指来自光纤的主光线射入接收光学系统的入射一侧的主点。另外，所谓‘接收光学系统的大小’，在圆形时(例如聚焦透镜)是指光学上将光聚焦部分的直径，非圆时(例如棱镜)是指光学上将光聚焦部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光通信系统，其特征在于，包括至少在一端有球形端面（１１）、并从该球形端面（１１）射出的发射光的数值孔径小于等于０．３５的光纤（１）；及具有感光元件（２１）、并接收所述光纤的球形端面来的发射光的光通信模块（２Ａ）， 所述光纤的所述一端插入所述光通信模块内的规定部位时，所述感光元件的感光面位于离所述光纤球形端面顶点的距离为ｄ的位置，设光纤的直径为Ｄ、球形端面的曲率半径Ｒ为ｒ＊Ｄ、纤芯的折射率为ｎ、在所述光纤的球形端面和感光元件之间存在的物质的折射 率为ｎ１，则所述距离ｄ为，在感光元件直径小于等于Ｄ时，在０＜ｄ≤ｒ＊Ｄ／（ｎ－ｎ１）的范围内，在感光元件直径大于Ｄ时，在Ｄ≤ｄ≤ｒ＊Ｄ／（ｎ－ｎ１）的范围内。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：石井赖成，岩木哲男，田村寿宏，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]