CN1685260A - 光通信系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

光通信系统

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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 FieldPattern：FFP)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分的代表性的尺寸。

根据各种仿真结果，上述距离d最好为，

感光元件直径小于等于D时，在0＜d≤2D的范围内，

感光元件直径比D大时，在D≤d≤2D的范围内。

另外，本申请在所述感光元件直径(在设置接收光学系统时，接收光学系统的大小)小于等于光纤直径D时更有效。这是因为，与感光元件直径(在设置接收光学系统时，接收光学系统的大小)大于光纤直径D时相比、及与端面为平面的光纤相比，耦合效率提高的效果明显。

另外，本申请的其它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为0.4～0.6的光纤；以及具有感光元件、并接收所述光纤球形端面来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，所述感光元件位于距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时，则所述距离d为，

在感光元件直径小于等于D时，在0＜d＜2D的范围内，

在感光元件直径大于D时，在0.5D＜d＜2D的范围内。

0.4～0.6范围内的射出光的数值孔径、尤其是0.5的数值孔径适用于传输速率为20～100Mbps的中速传输。

在该光通信系统中，所述通信模块除感光元件外，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，

在接收光学系统的大小小于等于D时，在0＜d＜2D的范围内，

接收光学系统的大小大于D时，在0.5D＜d＜2D的范围内。

在通过设光纤端面为球形端面，配置接收光学系统，使得距离d在该范围内，从而与光纤端面为平面时相比，接收耦合效率最高，可提高至1.7倍左右。

这里所说的‘接收光学系统的中心位置’及‘接收光学系统的大小’的定义如上所述。

根据本申请者进行各种仿真结果，上述距离d最好为，

在感光元件直径小于等于D时，在0＜d≤1.5D的范围内，

在感光元件直径大于D时，在D≤d＜1.5D的范围内。

另外，最好和数值孔径小于等于0.35时一样，所述感光元件直径(设置接收光学系统时，接收光学系统的大小)可小于等于光纤直径D。感光元件直径(设置接收光学系统时，接收光学系统的大小)与大于光纤直径D时相比、及与端面为平面的光纤相比，耦合效率提高的效果明显。因此，如利用本申请，能对较小的感光元件配置易聚焦的小型接收光学系统。这时，本申请在单芯双向通信上更能发挥效果。

在一种实施形态中，所述各光通信模块还具有发光元件和发送光学系统中至少一种发光元件，通过所述光纤按照单芯双向通信方式能和对方的光通信模块间收发信号光。由于能将感光元件或接收光学系统做小，故能和发送系统并列配置，从这一角度看是相当有效的。

如上所述，在用塑料光纤时，一般光纤直径为0.5～2mm，但考虑到使用、连接方便及制止模式分散，常用直径1mm的光纤。另外，一般塑料光纤用于高速通信的传输速率为100Mbps～622Mbps，与此对应的光电二极管的直径(以后称为PD直径)为小于等于0.5mm，更具体为0.3～0.5mm。

另一实施形态中，在所述任一通信系统中，将直径D为1mm的光纤和直径小于等于0.5mm(例如0.3～0.5mm)的与高速通信对应的小型光电二极管组合使用。这样尺寸的光纤与感光元件组合在一起，通过应用本申请，从而能比端面平的光纤大幅度地提高接收效率，所以相当有效。

另外，在设置接收光学系统的情况下，使用直径D为1mm的光纤时，基于和刚说过的相同原因，最好取接收光学系统大小为小于等于0.5mm。

附图说明

图1为概要表示本发明一实施形态的光通信系统的构成图。

图2为概要表示本发明一实施形态的光通信系统的构成图。

图3A、3B、3C为说明本发明的原理用图。

图4为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为0.5D、光纤射出NA为0.35时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图5为表示本发明的效果用的曲线图，感光元件直径为D、光纤射出NA为0.35时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图6为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为1.5D、光纤射出NA为0.35时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图7为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为0.5D、光纤射出NA为0.5时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图8为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为D、光纤射出NA为0.5时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图9为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为1.5D、光纤射出NA为0.5时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图10为将光纤(射出NA＝0.35)有球形端面时和有平端面时的图4的曲线图中示出的接收耦合效率比较结果分成三类的汇总表。

图11为将光纤(射出NA＝0.35)有球形端面时和有平端面时的图5的曲线图中示出的接收耦合效率比较结果分成三类的汇总表。

图12为将光纤(射出NA＝0.35)有球形端面时和有平端面时的图6的曲线图中示出的接收耦合效率比较结果分成三类的汇总表。

图13为将光纤(射出NA＝0.5)有球形端面时和有平端面时的图7的曲线图中示出的接收耦合效率比较结果分成三类的汇总表。

图14为将光纤(射出NA＝0.5)有球形端面时和有平端面时的图8的曲线图中示出的接收耦合效率比较结果分成三类的汇总表。

图15为将光纤(射出NA＝0.5)有球形端面时和有平端面时的图9的曲线图中示出的接收耦合效率比较结果分成三类的汇总表。

图16为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为0.5D、光纤射出NA为0.35时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图17为表示本发明的效果用的曲线图，是感光元件直径为0.5D、光纤射出NA为0.5时采用球形端面光纤时的接收耦合效率和使用平端面光纤时比较后的曲线图。

图18为表示本发明的效果用的曲线图，为表示接收耦合效率取决于PD直径的关系用的曲线图。

图19为表示本发明的效果用的曲线图，表示接收耦合效率实测值和用仿真求得的值之间的比较。

图20为概要地表示本发明一实施形态的单芯双向通信方式的光通信系统构成图。

图21为将图20的光通信系统的一部分(光纤端面附近)局部放大表示的示意图。

图22为表示单芯双向通信方式的光通信系统中光学系统的尺寸和位置、与接收/发送光的光纤端面/接收光学系统耦合的关系用的说明图。

图23为表示单芯双向通信方式的光通信系统中光学系统的尺寸和位置、与接收/发送光的光纤端面/接收光学系统耦合的关系用的说明图。

图24为表示单芯双向通信方式的光通信系统中光学系统的尺寸和位置、与接收/发送光的光纤端面/接收光学系统耦合的关系用的说明图。

图25为现有技术的说明图。

图26为说明图25所示现有技术之问题用的示意图。

具体实施方式

以下，利用图中示出的实施形态详细地说明本发明。

(实施形态1)

图1概要表示作为本发明光通信系统一实施形态的进行单向通信的光通信系统一个示例。该光通信系统包括光纤1、及通过该光纤1进行信号光收发的一对光通信模块2A、2B。光通信模块2B具有由半导体激光器件(LD)或发光二极管(LED)构成的发光元件22，起到作为发送模块的作用，另一方面，光通信模块2A具有由光电二极管(PD)组成的感光元件21，起到作为接收模块的作用。为作图方便，感光、发光元件的保持部分等与发明无直接关系的部分从图1中便省略。

光纤1的芯线为PMMA公司生产(折射率：约1.5)的塑料光纤，两端面形成分别有曲率半径R的球形端面11。但是也可以只将接收侧的端面做成球形端面11。另外，光纤1也可用PMMA以外的塑料材料构成。光纤的球形端面11可利用熔融或研磨做成。

光纤1的端部插入光通信模块2A内，在设置在规定位置时，感光元件21的感光面位于只离开光纤1的球形端面11顶点的距离d的位置。该距离d为根据从光纤1的球形端面11射出的发射光的数值孔径(以后也称‘射出NA’)和感光元件即光电二极管21的直径(以后也称‘PD直径’)相应设定的值。

具体为，按照高速传输即200～622Mbps的传输速率所使用光纤1的射出NA小于等于0.35时，距离d设定成，

在感光元件直径小于等于D时，在0＜d≤r*D/(n-n1)……(1)的范围内，

在感光元件直径大于D时，在D≤d≤r*D/(n-n1)……(2)的范围内。式中D为光纤1的直径(芯径)、r*D为用D表示球形端面11的曲率半径R、n为光纤1的芯线的折射率，而n1表示存在于光纤1的球形端面11和感光元件21间的物质的折射率。本实施形态时，存在于光纤1的球形端面11和感光元件21间的物质是空气。因此，n1为1。另外，光纤1的芯线材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，其折射率约为1.5(这里作为1.5计算)。

因而，上述关系式(1)、(2)分别为

0＜d≤2r*D……(1’)

D≤d≤2r*D……(2’)

式(1’)表示感光元件21的感光面不与光纤1的球形端面11接触，而且离开光纤1的球形端面11没有超过相当于球形端面11的曲率半径两倍的距离。式(2’)表示感光元件21的感光面离开光纤1球形端面11只是大于等于相当于光纤1直径的距离，但离开光纤1的球形端面11没有超过相当于球形端面11的曲率半径两倍的距离。

另外，在按照中速传输即100～200Mbps左右的传输速率所使用光纤1的射出NA为0.5附近(即0.4～0.6)时，距离d设定成，

在感光元件直径小于等于D时，

在0＜d＜2D……(3)的范围内，

在感光元件直径大于D时，

设定成在0.5D＜d＜2D……(4)的范围内。

图4～6为在具有图1构成的光通信系统中、将光纤1的射出NA为0.35时的接收耦合效率取决于端面-接收器间距离的关系和平端面光纤时比较的曲线图。各种参数用光纤直径D表示。更具体为，曲线图的纵轴示出的接收耦合效率为光纤射出端面为平面时按照1/e²(≈0.135)的强度从规定的光纤来的射出光的数值孔径为0.35、按照200～500Mbps的传输速率用半导体激光器件(LD)作光源、并使用低NA的高速通信等级的塑料光纤(芯线的折射率n＝1.5)作为传输媒体时的接收耦合效率，以和光纤端面为平面时的耦合效率之比的形式来表示(即耦合效率1为光纤端面是平面时的耦合效率)。横轴以和光纤直径D之比的形式表示端面-接收器间距离。另外，参数即端面曲率半径R及PD直径可用光纤直径D表示。图4表示PD直径为0.5D时、图5表示PD直径为1D时、图6表示PD直径为1.5D时的情形。另外，◆、■、▲分别表示端面曲率半径R为2D、1.5D、D的情形。还有，所谓‘接收器’这里是指光电二极管21。

另外，图10-11是将图4-6的曲线所示的有关接收耦合效率的效果分成三类来表示。○表示接收耦合效率比平端面光纤为大于等于1.01倍。△表示接收耦合效率比平端面光纤为0.99～1.01倍。×表示接收耦合效率比平端面光纤为小于等于0.99倍。

根据上述附图可知，在与按照图3A-3C示出的球形端面曲率半径R(＝r*D)所决定的焦点位置(这时，由于n＝1.5、n1＝1，故变成f＝r*D/0.5＝2r*D)相当的位置前，相比光纤端面是平端面时，接收效率提高。但该效果对于PD直径更小时更有效。而且还知道，PD直径为0.5D时，端面曲率半径R越小，接收效率可越高。总之，PD直径小于等于光纤直径D时，基本上从光纤端面的位置开始至与所述焦点位置相当的位置为止，有提高接收效率的效果。

另外可知，PD直径比光纤直径D大时，基本上从光纤端面开始仅离开1D的位置起至与按照球形端面曲率半径R(＝r*D)所决定的焦点位置相当的位置，有提高接收效率的效果。

图7～9为光纤射出端面为平面时按照1/e²的强度规定的光纤射出NA相当于0.5时的与图4～6同样的曲线图。但这时，按100～200Mbps的传输速率使用LED作光源(发光元件)，使用NA为0.5附近的通信等级的塑料光纤(芯线折射率n＝1.5)作传输媒体。图7表示PD直径为0.5D时、图8表示PD直径为1D时、图9表示PD直径为1.5D时的情形。

另外，图13～15为将有关图7～9的曲线图所示的接收耦合效率的效果分成三类来表示。和图10～12一样，○表示接收耦合效率比平端面光纤为大于等于1.01倍。△表示接收耦合效率比平端面光纤为0.99～1.01倍。×表示接收耦合效率比平端面光纤为小于等于0.99倍。

从图7～9及图13～15可知，这时接收效率提高的效果比按照1/e²的强度从规定的光纤来的射出光的NA为0.35时要小，但在PD直径比光纤直径D小时，自光纤端面附近至2D的位置对于光纤端面是平面时，接收效率提高。而且可知，这时也同样，PD直径比光纤直径D小时，端面的曲率半径R越小，接收效率越高。(但在距离d小于1D的地方)。另外可知，PD直径比光纤直径D大时，也在从光纤端面的D附近至2D的位置为止的范围内，程度虽小但仍的有接收效率提高的效果。

图16和图17是感光元件21的直径为0.5D的情况下光纤射出端面为平坦面时按照1/e²的强度从规定的光纤来的射出NA分别相当于0.35和0.5时、将改变光纤球形端面11的曲率半径R时接收耦合效率取决于距离的关系与光纤端面是平面时进行比较后的曲线图。从这些图可知，在光纤端面是球形端面时，与光纤端面是平面时相比，在用上述式(1)、(3)定义的距离范围内可增大接收效率(耦合效率)。其中可知，球形端面11的曲率半径R为D、距离d为0.5D附近时，光纤来的射出光的NA无论是0.35、还是0.5，光纤耦合效率都比平端面要大幅提高。另外，可以这样说，距离d在规定范围内时，对于相同距离d，端面曲率半径R越小，即曲率越大，耦合效率越高。

图18为在光纤射出端面是平面时按照1/e²的强度从规定的光纤来的射出NA相当于0.35时、将距离d作为参数画出接收效率取决于感光元件直径(PD直径)的关系的曲线图。从图18可知，PD直径越小，特别是PD直径比光纤直径1D小时，越有效。而且还知道，PD直径比光纤直径1D小时，尤其是小于等于近似0.9D时，距离d为1D与1.5D相比，则能得到较高的接收效率。PD直径比光纤直径D小时，可以说距离d设定成1D以下的值更有效。

图19为在光纤射出端面是平面时按照1/e²的强度从规定的光纤来的射出NA相当于0.35、光纤直径为1mm、光纤球形端面11曲率半径R为1.5mm、PD直径为1mm时计算值和实测值进行比较的曲线图。两者近似一致，表示了相同的倾向。可以确认，横轴示出的端面-接收器间距离(即距离d)在0～3mm的范围内得到超过30％的耦合效率，距离d越变短，感光元件21越接近光纤端面11，则耦合效率越接近100％。

如上所述，使用塑料光纤时，通常光纤直径为0.5～2mm，但是考虑到使用方便即连接方便、及制止模式分散，一般纤径使用1mm的。另外，塑料光纤能使用的高速通信传输速率为100～622Mbps，适合于该传输速率的PD直径为0.3～0.5mm。该光纤直径和PD直径组合在一起，和本发明的效果最能表现出的范围几乎一致。

(实施形态2)

图2为本发明的光通信系统实施形态2的概要构成图。该实施形态2在各通信模块2A、2B中设置光学系统，这点不同于实施形态1。在图2中，和图1示出的构成部分同样的构成部件上标注和图1用过的参考标号相同的标号。图2中，参考标号25、26分别为接收光学系统、发送光学系统。接收光学系统25配置在感光元件21和光纤1的球形端面11之间，起到将来自球形端面11的发射光引至感光元件21的作用。另外，发送光学系统26起到将发光元件22射出的光引至光纤11的端面的作用。在上述接收光学系统25及发送光学系统26中，例如包括用折射率和空气不同的物质形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。还有，本申请中，在感光元件21上形成折射率和空气不同的透明模铸构件(图中未示出)时，该模铸构件也视作接收光学系统25的构成要素。

这样的发送、接收光学系统对于从事这项工作的人士来说是相当熟悉的，所以具体构成不再在此详述。作为接收光学系统25，也可以用透明模铸构件透镜部分一体形成。

关于所述实施形态1中感光元件21和光纤1的球形端面11间成立的关系式(1)～(4)，在实施形态2中，在接收光学系统25和光纤1的球形端面11间也成立。即在实施形态1中，将光纤1的球形端面11的顶点至感光元件21的感光面的距离作为d，用式(1)～(4)来规定，但该实施形态2中，将从光纤1的球形端面11的顶点至接收光学系统25的中心位置的距离作为d，用式(1)～(4)来规定。另外，实施形态1中，根据从光纤1的球形端面11射出的发射光的数值孔径(NA)、和感光元件21的直径(PD直径)，相应使用式(1)～(4)中任一个。该实施形态2中，根据接收光学系统25的大小代替感光元件21的直径相应使用式(1)～(4)。

还有，所谓‘接收光学系统25的中心位置’，如上所述为光纤1来的主光线入射接收光学系统25的入射侧的主点。另外，‘接收光学系统的大小’在聚焦透镜那样圆形的情况下，是光学上聚焦的部分的直径，在非圆形时，为光学上聚焦的部分的代表性的尺寸。例如，作为不是圆形的光学系统有椭圆反射镜，这时，将与椭圆反射镜入射一侧主点上的光轴垂直的截面的平均尺寸作为该光学系统的大小。

在实施形态2的情况下，也能获得和实施形态1同样的接收效率提高的效果。根据本发明，能配置容易将光聚焦在较小感光元件上的小型的接收光学系统。

实施形态3

图20为本发明实施形态3即采用单芯双向光通信方式的光通信系统概要构成图。图21为将图20的一部分放大表示的示意图。图20中，和图1、2示出的构成部分相同的构成部分上标注和图1、2用过的参考标号相同的标号，其详细说明省略。

实施形态1、2的光通信系统采用单向通信方式，一起工作的两个光通信模块2A、2B只安装感光元件或发光元件的某一个，相反和光纤1一起构成实施形态3的光通信系统的两个光通信模块2A、2B都具有发光元件22和感光元件21，起到作为接收发送模块的作用。光通信模块2A、2B还具有接收光学系统25和发送光学系统26。感光发光元件21、22及接收发送光学系统25、26根据从光纤端面11来的射出光的NA和接收光学系统25的大小进行配置，使得接收光学系统25的中心位置满足上述的式(1)～(4)中的任一个。

虽然也可以不用光学系统25、26，而使感光发光元件21、22与光纤端面直接对向，但由于感光发光元件21、22自身的占有面积若再包含其保持部，则对于光纤端面11是相当大的部分，所以，分别进行接收和发送时，那样的配置虽然不是不可能，但不能说是很现实的。

因而，通常用一根光纤进行接收和发送时，在较小的光纤端面部为了有效地划分接收光和发射光，在光纤端面和感光发光元件之间设置变换通向感光发光元件的光路用的光学系统。接收发送光学系统要与较小的光纤端面对应，要是小型的。但接收光学系统过小，又不采取任何措置时，接收光的损耗增大。如图22所示，接收光15的一半被发送光学系统26反射掉。另一方面，如图23所示，接收光学系统25一增大，则发送光16有时不与光纤端面11耦合。如图24所示，从光纤端面11开始取较大距离配置接收发送光学系统时，即使使用较大的接收光学系统25，但只要发送光16的NA减小，则能使用一根光纤接收发送。但存在的问题是，接收光15一扩展，就难以与高速通信对应的小的PD(感光元件)21耦合。

但本实施形态中，如在实施形态2说明过的那样，由于根据光纤端面11的射出光的NA和接收光学系统25的大小，将接收光学系统25配置在满足上述式(1)至(4)中任何一个的位置上，所以，由发送光学系统26反射掉的部分是没法避免的，但是接收光学系统25即使小型化，仍能高效地感光，能将接收光15引导到感光元件21即光电二极管。

以上，利用三个实施形态对本发明进行了说明，在权利要求范围内所述的构成以外的构成也包括材料在内，不限于上述实施形态所述的内容，当然可以做适当的变更或追加。

从上述可知，采用本发明，即使使用直径大的塑料光纤作传输媒体，将感光元件作为与高速通信对应的小型感光元件，也能用简单的构成得到相当高的光耦合效率。特别是在塑料光纤的直径一般常用1mm、感光元件直径小于等于0.5mm的与高速通信对应的小型光电二极管时，在提高接收效率上是相当有效的。

另外，本发明在通信方式为通过一根光纤进行双向通信的单芯双向光通信方式时，由于能将感光元件或接收光学系统做小，所以可和发送系统并列配置，从这一角度来看是有效的。

Claims (9)

1.一种光通信系统，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。

2.一种光通信系统，其特征在于，包括

至少在一端有球形端面(11)、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)和将从所述光纤的球形端面来的发射光引导到所述感光元件的接收光学系统(25)、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，所述接收光学系统的中心位置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接收光学系统间存在的物质的折射率为n1，则所述距离d为，

在接收光学系统大小小于等于D时，在0＜d≤r*D/(n-n1)的范围内，

在接收光学系统直径大于D时，D≤d≤r*D/(n-n1)的范围内。

3.一种光通信系统，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为0.4～0.6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，则所述距离d为，

在感光元件直径小于等于D时，在0＜d＜2D的范围内，

在感光元件直径大于D时，在0.5D＜d＜2D的范围内。

4.一种光通信系统，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为0.4～0.6的光纤(1)；及

具有感光元件(21)和将从所述光纤的球形端面来的发射光引导到所述感光元件的接收光学系统(25)、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，所述接收光学系统的中心位置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，则所述距离d为

在接收光学系统大小小于等于D时，在0＜d＜2D的范围内，

在接收光学系统大小大于D时，在0.5D＜d＜2D的范围内。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光通信系统，其特征在于，

所述光纤(1)是塑料光纤。

6.如权利要求1或2所述的光通信系统，其特征在于，

所述物质为折射率n1是1的空气。

7.如权利要求1至4中任一项所述的光通信系统，其特征在于，

所述光纤(1)的直径D为1mm，所述感光元件为直径小于等于0.5mm的光电二极管。

8.如权利要求3或4所述的光通信系统，其特征在于，

所述光纤(1)的直径D为1mm，所述接收光学系统的大小为小于等于0.5mm。

9.如权利要求1至4中任一项所述的光通信系统，其特征在于，

所述光通信模块(2A)在发光元件(22)和发送光学系统(26)中至少还具有发光元件，通过所述光纤，能和对方的光通信模块(2B)按照单芯双向通信方式收发信号光。

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