特許 7354724 光通信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-25

(45)【発行日】2023-10-03

(54)【発明の名称】光通信装置

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/114 20130101AFI20230926BHJP

【ＦＩ】

H04B10/114

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019174709

(22)【出願日】2019-09-25

(65)【公開番号】P2021052329

(43)【公開日】2021-04-01

【審査請求日】2022-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129067

【弁理士】

【氏名又は名称】町田 能章

(74)【代理人】

【識別番号】100183162

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 義文

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 正紀

【審査官】対馬 英明

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２８５１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０９６４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６２８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２６７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１２９３４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ １０／００－１０／９０

Ｈ０４Ｊ １４／００－１４／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光信号を他の光通信装置に送信する発光素子と、
前記他の光通信装置が送信した光信号を受信する受光素子と、
前記発光素子と第１インピーダンス整合回路との接続点である第１接続点に接続され、第１ショートスタブ及び第１受動素子の並列回路である第１バイアス回路と、
前記受光素子と第２インピーダンス整合回路との接続点である第２接続点に接続され、第２ショートスタブ及び第２受動素子の並列回路である第２バイアス回路と、
前記受光素子が受信電気信号を出力すると前記第１ショートスタブ及び前記第２ショートスタブを遮断する切替回路とを備えることを特徴とする光通信装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光通信装置であって、
前記切替回路は、前記受信電気信号の出力が途絶すると前記第１受動素子及び前記第２受動素子を遮断することを特徴とする光通信装置。

【請求項3】

請求項１に記載の光通信装置であって、
前記第１ショートスタブ及び前記第２ショートスタブは、λ／４ショートスタブの一端をキャパシタで接地したものであり、
前記第１受動素子及び前記第２受動素子は、チョークコイルと抵抗器との直列回路である
ことを特徴とする光通信装置。

【請求項4】

請求項３に記載の光通信装置であって、
前記切替回路は、前記第２受動素子のチョークコイルの起電力により短絡状態になる第１トランジスタと、該第１トランジスタの短絡状態で開放状態になる第２トランジスタと、該第１トランジスタの短絡状態で開放状態になる第３トランジスタとを備え、
前記第２トランジスタは、前記第２ショートスタブの他端と直列接続されており、
前記第３トランジスタは、前記第１ショートスタブの他端と直列接続されていることを特徴とする光通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光通信装置に関し、例えば、可視光帯よりも長い波長（例えば、８００ｎｍ以上）で空間光通信を行う技術に関する。
に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献1には、発光素子及び受光素子を用いた可視光通信専用モデムが開示されている。一般的に、発光素子に電流を流し、受光素子に逆バイアス電圧を印加する必要がある。伝送速度が数十ＭＨｚ程度までは単に抵抗を挿入するのみで問題が無い。しかしながら、数ＧＨｚを超えるような場合では、伝送線路に外乱を与えないようバイアス回路を用いるのが一般的である。また、特許文献２には、このようなバイアス回路を用いた光電変換回路が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－１３０６０３号公報

【文献】特許６５５７９９４号公報（図２）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のような光通信装置は、光の特性上、光軸線上に配置しないと伝送を確立できない。また、軸ズレや光軸上の障害物等により、光通信が遮断したり、伝送品質が劣化したりする。このように、空間光通信では光が受光素子に届かない場合、相互通信が途絶えるという問題があった。

【0005】

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光通信が遮断しても通信を行うことができる光通信装置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】

【0006】

前記目的を達成するために、本発明の光通信装置は、光信号を他の光通信装置（１０１）に送信する発光素子（１）と、前記他の光通信装置が送信した光信号を受信する受光素子（１１）と、前記発光素子と第１インピーダンス整合回路（８）との接続点である第１接続点（Ｐ）に接続され、第１ショートスタブ（６）及び第１受動素子（２，３）の並列回路である第１バイアス回路（２５）と、前記受光素子と第２インピーダンス整合回路との接続点である第２接続点（Ｑ）に接続され、第２ショートスタブ（１６）及び第２受動素子（１２，１３）の並列回路である第２バイアス回路（２６）と、前記受光素子から受信電気信号（バイアス光）を取得すると前記第１ショートスタブ及び前記第２ショートスタブを遮断する切替え回路（７）とを備えることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、光通信が遮断しても通信を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１実施形態である光通信装置を用いた光通信システムの構成図である。

【図2】本発明の第１実施形態である光通信装置の回路図である。

【図3】本発明の第１実施形態である光通信装置の詳細回路図である。

【図4】本発明の比較例である光通信装置の回路図である。

【図5】本発明の第２実施形態である光通信装置を用いた光通信システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

【0010】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である光通信装置１００，１０１を用いた光通信システムＳ１の構成図である。

【0011】

光通信システムＳ１は、対を成す２つの光通信装置１００，１０１が空間光伝送可能に配設されたものである。光通信装置１００，１０１は、発光素子１と、受光素子１１と、λ／４ショートスタブ６とを備える。発光素子１は、数ＧＨｚ程度の動作を可能にする素子、例えばＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）である。受光素子１１は、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）である。なお、光通信装置１００と、光通信装置１０１とは、同一構成である。

【0012】

光通信装置１００の発光素子１は、他の光通信装置１０１の受光素子１１に光信号を送信し、光通信装置１０１の発光素子１は、他の光通信装置１００の受光素子１１に光信号を送信する。λ／４ショートスタブ６，１６は、光信号が途絶えたときに、無線通信を行うためのアンテナとして機能する。

【0013】

図２は、本発明の第１実施形態である光通信装置１００の回路図である。

【0014】

光通信装置１００は、発光素子１と、受光素子１１と、バイアス回路２５，２６と、インピーダンス整合回路８，１８と、伝送線路９，１９と、デカップリングキャパシタ４，１４と、カップリングキャパシタ１０，２０と、ＲＦ_ｉｎ端子と、ＲＦ_ｏｕｔ端子とを備えて構成される。

【0015】

光通信装置１００は、さらに、多軸モータ４０を備える。多軸モータ４０は、光通信装置１００の姿勢を制御し、対を成す光通信装置１０１との可視光通信を回復させるために用いられる。つまり、光通信システムＳ１は、通常時は、発光素子１及び受光素子１１を用いた可視光通信で光軸の微調整を行い、光軸が大きくずれたときに、無線通信で光軸調整を行う。このとき、対を成す光通信装置１００，１０１の一方が多軸モータ４０で姿勢を制御することで光軸調整が可能であるが、対を成す光通信装置１００，１０１の双方が多軸モータ４０で姿勢を制御して光軸を調整することもできる。光通信システムＳ１が行う無線通信は、対を成す光通信装置１００，１０１間の状態確認を行うものであり、原則的には、多量なデータ伝送を行わない。

【0016】

インピーダンス整合回路８，１８は、伝送線路３１，３３の一端を入力端とし、伝送線路３１，３３の他端と伝送線路３２，３４の一端とキャパシタ３０，３５の一端とを接続し、伝送線路３２，３４の他端を出力端とするＴ型回路である。なお、キャパシタ３０，３５の他端は、接地されている。伝送線路３１，３２，３３，３４は、特性インピーダンスＺｏ＝５０Ωである。

【0017】

バイアス回路２５，２６は、λ／４ショートスタブ６，１６とスイッチ７としてのトランジスタ２３，２２との直列回路と、受動素子としての抵抗器３，１３と受動素子としてのチョークコイル２，１２との直列回路と、λ／４ショートスタブ６，１６の一端に接続されるショートスタブ用キャパシタ５，１５とを備えて構成される。なお、ショートスタブ用キャパシタ５，１５の他端は、接地される。

【0018】

λ／４ショートスタブ６，１６は、特性インピーダンスＺ０ａ（基板設計で許す線幅及び流す電流の大きさによるが、Ｚ０＝５０Ωよりも大きな値、例えば１００Ω以上）に設定される。チョークコイル２，１２は、伝送線路に対し高抵抗になるように、２ＧＨｚ程度で数十ｎＨ程度のものを用いる。ショートスタブ用キャパシタ５，１５は、λ／４ショートスタブ６，１６をλ／４の位置で高周波的に接地するためのものである。λ／４ショートスタブ６，１６は、例えば、周波数２．４ＧＨｚ、基板の比誘電率３．６６として、λ／４＝１６．３ｍｍ程度のマイクロストリップ線路である。

【0019】

ＲＦ_ｉｎ端子は、伝送線路９の一端に設けられ、高周波電力源（高周波信号源）を接続する。伝送線路９の他端は、カップリングキャパシタ１０の一端と接続される。カップリングキャパシタ１０の他端は、インピーダンス整合回路８の入力端に接続される。インピーダンス整合回路８の出力端と、発光素子１のアノードと、スイッチとして機能するトランジスタ２３及びチョークコイル２の接続端とが接続される。この接続点を第１接続点Ｐと称する。バイアス回路２５のλ／４ショートスタブ６と抵抗器３と接続点には、デカップリングキャパシタ４の一端が接続され、バイアス電流Ｉ_ＬＤを流す電流源（不図示）が接続される。また、発光素子１のカソード及びデカップリングキャパシタ４の他端は、接地される。

【0020】

一方、ＲＦ_ｏｕｔ端子は、伝送線路１９の一端に設けられ、高周波増幅器（不図示）が接続される。伝送線路１９の他端は、カップリングキャパシタ２０の一端と接続される。カップリングキャパシタ２０の他端は、インピーダンス整合回路１８の入力端に接続される。インピーダンス整合回路１８の出力端と、受光素子１１のアノードと、スイッチとして機能するトランジスタ２２及びチョークコイル１２の接続端とが接続される。この接続点を第２接続点Ｑと称する。バイアス回路２６のλ／４ショートスタブ１６と抵抗器１３の接続点には、デカップリングキャパシタ１４の一端が接続され、バイアス電圧Ｖ_ＰＤ（正値）を印加する電圧源（不図示）が接続される。なお、受光素子１１のカソード及びデカップリングキャパシタ１４の他端は、接地される。デカップリングキャパシタ４，１４は、電源の安定性を図るためのものである。また、ＲＦ_ｉｎ端子の前段やＲＦ_ｏｕｔ端子の後段には、高利得の（電力）増幅器（不図示）が接続される。

【0021】

なお、抵抗器３，１３は、回路安定性のために電圧ドロップが許す範囲で直列・並列に接続することも可能である。

【0022】

（動作の説明）
まず、トランジスタ２２，２３が開放状態であるときの、光通信装置１００の動作を説明する。

【0023】

発光素子１には、受動素子としての抵抗器３及びチョークコイル２の直列回路を介して、バイアス電流Ｉ_ＬＤが流れる。これにより、発光素子１は、バイアス光を一定光量で発光する。この状態で、ＲＦ_ｉｎ端子に送信用電気信号（高周波信号）が入力されると、その送信用電気信号が発光素子１に流れるバイアス電流Ｉ_ＬＤに重畳される。これにより、発光素子１は、光信号を出力する。

【0024】

受光素子１１には、受動素子としての抵抗器１３及びチョークコイル１２の直列回路を介して、バイアス電圧Ｖ_ＰＤ（正値）が印加されている。このため、受光素子１１には、インピーダンス整合回路，及びカップリングキャパシタ２０を介して、順方向のバイアス電流が流れる。この状態で、受光素子１１が他方の光通信装置１０１（図１）からバイアス光を受光すると、受光素子１１に流れる電流Ｉ_ＰＤは、光電流がバイアス電流に重畳した値になる。さらに、受光素子１１が光信号を受信すると、受信電気信号（高周波信号）がＲＦ_ｏｕｔ端子から出力される。

【0025】

次に、トランジスタ２２，２３が短絡状態であるときの、光通信装置１００の動作を説明する。

【0026】

トランジスタ２２，２３が短絡状態であると、λ／４ショートスタブ６，１６は、直流的には導通状態であるが、高周波的には、オープン状態である。しかしながら、実際には伝送路からの影響を受ける。特に、受光素子１１の後段に高利得の電力増幅器を挿入している場合には、λ／４ショートスタブ６，１６は、アンテナとして機能する。

【0027】

λ／４ショートスタブ６は、アンテナ機能により、送信用電気信号に対応する電磁波を放射する。また、λ／４ショートスタブ６により、発光素子１にも、バイアス電流Ｉ_ＬＤに重畳する送信用電気信号が流れる。また、λ／４ショートスタブ１６は、そのアンテナ機能により、光通信装置１０１（図１）からの電磁波を受信する。なお、受光素子１１には、λ／４ショートスタブ１６により、バイアス電圧Ｖ_ＰＤが印加され、順方向のバイアス電流が流れる。そのため、トランジスタ２２が短絡状態であっても、受光素子１１に光が入射すれば、順方向のバイアス電流に光電流が重畳し、第２接続点Ｑの電位が変化する。

【0028】

図３は、本発明の第１実施形態である光通信装置１００の詳細回路図である。

【0029】

トランジスタ２２，２３は、受光素子１１に光信号が入力しているときに、開放状態になり、受光素子１１に光信号が入力していないときに短絡状態になる。この機能の実現について、図３を用いて説明する。

【0030】

バイアス回路２５，２６は、図２で説明したように、λ／４ショートスタブ６，１６と、トランジスタ２３，２２と、抵抗器３，１３と、チョークコイル２，１２との直列回路と、λ／４ショートスタブ６，１６の一端に接続されるショートスタブ用キャパシタ５，１５とを備えて構成される。ここで、トランジスタ２３，２２は、ベースが共通なスイッチ７として構成され、切替回路として機能する。

【0031】

バイアス回路２６は、さらに、トランジスタ２１と抵抗器１７とを備える。トランジスタ２１のベースは、チョークコイル１２と抵抗器１３との接続点に接続されている。トランジスタ２１のコレクタは、抵抗器１７の一端と２つのトランジスタ２２，２３のベースに接続されている。抵抗器１７の他端は、抵抗器１３、λ／４ショートスタブ１６、ショートスタブ用キャパシタ１５及びデカップリングキャパシタ１４と共に、バイアス電圧Ｖ_ＰＤ（正値）を印加する直流電源（不図示）に接続されている。

【0032】

（動作の説明）
バイアス電圧Ｖ_ＰＤ（正値）が印加されているので、受光素子１１には、直流のバイアス電流が抵抗器１３及びチョークコイル１２の直列回路を流れる。バイアス電流が直流なので、チョークコイル１２の電圧降下が小さく、トランジスタ２１はオフ状態である。このオフ状態で、受光素子１１に光信号が入力されると、チョークコイル１２に高周波電流Ｉ_Ｌ１が流れ、チョークコイル１２の電圧降下が大きくなり、トランジスタ２１がオン状態になる。トランジスタ２１がオン状態になると、トランジスタ２２，２３は、オフ状態になる。なお、受光素子１１に流れる電流（バイアス電流＋光電流）は、トランジスタ２１のコレクタ電流Ｉ_Ｂと抵抗器１３に流れる電流Ｉ_ＰＤとに分流する。

【0033】

一方、受光素子１１に光信号が入力されなくなると、トランジスタ２１がオフ状態になる。これにより、受光素子１１に流れる電流（バイアス電流＋光電流）は、抵抗器１７及びトランジスタ２２を介して流れる。つまり、トランジスタ２２，２３がオン状態になり、λ／４ショートスタブ６，１６に電流Ｉ_Ｓ１，Ｉ_Ｓ２が流れる。この状態で、高周波電気信号が入力され、Ｑ点の電位が変動すると、λ／４ショートスタブ１６は、アンテナとして機能して、電磁波を放射する。また、λ／４ショートスタブ６は、この電磁波を受信し、第１接続点Ｐの電位を変動させる。

【0034】

（効果の説明）
以上説明したように、本実施形態の光通信装置１００によれば、受光素子１１にバイアス光が入射した状態で、信号光が入力されると、受光素子１１は、受信電気信号を出力する。受光素子１１が受信電気信号を出力すると、切替回路としてのトランジスタ７（トランジスタ２２，２３）がλ／４ショートスタブ１６，６を遮断する。一方、受光素子１１に信号光が入力されなくなると、受光素子１１は、受信電気信号を出力しなくなる。受光素子１１が受信電気信号を出力しなくなると、切替回路としてのトランジスタ７（トランジスタ２２，２３）は、λ／４ショートスタブ１６，６を機能させる。したがって、本実施形態の光通信システムは、光通信が不通になったときでも、無線通信で補完される。

【0035】

（比較例）
図４は、本発明の比較例である光通信装置１０２の回路図である。

【0036】

光通信装置１０２は、発光素子１と、バイアス回路２７と、ＲＦ_ｉｎ端子と受光素子１１とバイアス回路２８とＲＦ_ｏｕｔ端子とを備えて構成される。バイアス回路２７，２８は、チョークコイル２，１２とデカップリングキャパシタ４，１４とカップリングキャパシタ１０，２０とを備える。

【0037】

ＲＦ_ｉｎ端子は、カップリングキャパシタ１０の一端と接続される。カップリングキャパシタ１０の他端は、チョークコイル２の一端と発光素子１のアノードとに接続されている。チョークコイル２の他端は、デカップリングキャパシタ４の一端が接続されており、その接続点にはバイアス電流Ｉ_ＬＤを流す電流源（不図示）が接続されている。なお、発光素子１のカソード及びデカップリングキャパシタ４の他端は、接地されている。

【0038】

ＲＦ_ｏｕｔ端子は、カップリングキャパシタ２０の一端と接続される。カップリングキャパシタ２０の他端は、チョークコイル１２の一端と受光素子１１のアノードとに接続されている。チョークコイル１２の他端は、デカップリングキャパシタ１４の一端が接続されており、その接続点には逆バイアス電圧Ｖ_ＰＤ（負値）を印加する電圧源（不図示）が接続される。

【0039】

（動作の説明）
発光素子１には、バイアス電流Ｉ_ＬＤが流れ、受光素子１１には、逆バイアス電圧Ｖ_ＰＤ（負値）が印加される。これにより、発光素子１からバイアス光が発生する。この状態で、ＲＦ_ｉｎ端子から高周波電気信号（高周波電力）が入力（供給）されると、発光素子１から光信号が出力される。

【0040】

光通信装置１０２に対向する他の光通信装置（不図示）の発光素子１がバイアス光を発生している状態では、受光素子１１は、直流電流を流す。しかしながら、カップリングキャパシタ２０により、直流電流が阻止され、ＲＦ_ｉｎ端子の電位は、変動しない。この状態で、他の光通信装置の発光素子１が光信号を出力すると、ＲＦ_ｉｎ端子の電位が変動し、電気信号として、取り出すことができる。

【0041】

つまり、比較例の光通信装置１０２は、光路が遮断されると、受光素子１１は光信号を電気信号に変換しない。また、光出力が弱くなると電気出力も弱くなり、光信号が電気信号に変換されない現象が生じる。つまり、光通信装置１０２は、光出力が弱くなると、光通信を行うことができなくなる。しかしながら、前記第１実施形態の光通信装置１００によれば、光軸がずれて、光信号が途切れても、無線通信により通信を行うことができる。

【0042】

（第２実施形態）
前記第１実施形態の光通信システムＳ１は、多軸モータ４０を使って、光通信装置１００，１０１の姿勢制御を行ったが、メムスミラーを用いて、焦点調整することもできる。

【0043】

図５は、本発明の第２実施形態である光通信システムの構成図である。

【0044】

本実施形態の光通信システムＳ２は、２つの光通信装置１０４，１０４で構成される。光通信装置１０４は、前記第１実施形態の光通信装置１００の構成において、多軸モータ４０の代わりに、メムスミラー４１とレンズ４２と電動機４３とを備えたものである。発光素子１及び受光素子１１は、レンズ４２の焦点位置に配設されている。電動機４３を用いて、メムスミラー４１を回転させると、光の集光位置が変動する。つまり、光軸がずれて、光通信が困難になったとき、光通信装置１０４は、メムスミラー４１を回転させ、対を成す光通信装置１０４，１０４間の無線通信によって、それぞれの光の集光位置をレンズ４２の焦点に合わせればよい。これにより、光通信が回復する。

【0045】

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。

【0046】

（１）前記各実施形態の切替回路としてのトランジスタ７（トランジスタ２２，２３）は、λ／４ショートスタブ１６，６を遮断したが、受動素子（チョークコイル２，１２及び抵抗器３，１３の直列回路）を遮断しても構わない。つまり、トランジスタ７（トランジスタ２２，２３）は、λ／４ショートスタブ１６，６及び受動素子の何れか一方を遮断し、他方を機能させても構わない。

【0047】

（２）前記実施形態では、スタブのアンテナ効果を利用したが、バイアス回路２５，２６の外部にリード線（アンテナ）を用いると、リード線がアンテナに見えて、伝送効率があがることがある。

【0048】

（３）前記実施形態では、数ＧＨｚ程度の動作を可能にするＶＣＳＥＬを前提に説明したが、可視光に対応した送受光素子を用いることもできる。

【0049】

（参考例）
前記各実施形態の光通信システムの切替回路は、簡易的なトランジスタでスイッチを構成したが、デジタル処理も可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ 発光素子
２ チョークコイル（第１受動素子）
１２ チョークコイル（第２受動素子）
３ 抵抗器（第１受動素子）
１３ 抵抗器（第２受動素子）
５，１５ ショートスタブ用キャパシタ
６ λ／４ショートスタブ（第１ショートスタブ）
１６ λ／４ショートスタブ（第２ショートスタブ）
７ スイッチ（切替回路）
８ インピーダンス整合回路（第１インピーダンス整合回路）
１８ インピーダンス整合回路（第２インピーダンス整合回路）
１１ 受光素子
２１，２２，２３ トランジスタ（スイッチ）
２５ バイアス回路（第１バイアス回路）
２６ バイアス回路（第２バイアス回路）
３０，３５ キャパシタ
１００，１０１，１０２，１０４ 光通信装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】