专利名称：双向光通信设备器件和双向光通信装置的利记博彩app
发明的背景本发明涉及一种用于进行光信号的发射和接收的双向光通信设备和双向光通信装置，特别是涉及一种用在民用通信、电子设备间的通信及带有如塑料光纤的多模光纤作为传输介质的LAN(局域网)中的双向光通信设备和双向光通信装置。
随着信息化社会的发展，使用光纤的网络技术也日益受到人们的注意。特别是随着最近低损耗宽带POF(塑料光纤)技术的发展，将光纤应用于民用通信和LAN中的技术也正在进行。在用光纤作为传输介质而发射和接收具有相同波长信号光的光通信设备中，引导系统(the leading system)已成为一个使用双光纤的全双工系统。但是，使用两根光纤带来了难于缩小光学装置的问题并使光纤的成本随传输距离的增加而增大。因此，曾提出过一种进行全双工光通信的双向光通信装置。
在这种使用一条光纤的双向光通信装置中，发射和接收是在同一条光纤中进行的，重要的是要避免发射信号和接收信号的干扰。发射信号干扰接收信号的主要原因包括(1)当发射信号进入光纤时在该光纤的端面上进行了反射(以下称作“近端反射”)，(2)当经光纤传输过的发射信号从光纤出来时在该光纤的端面上进行了反射(以下称作“远端反射”)，(3)来自远程双向光通信装置的反射(以下称作“远程模块反射”)，及(4)在双向光通信装置内的内部杂散光(以下称作“杂散光”)。
在(1)到(4)的四种原因中，(2)的远端反射由光纤的端面形状来确定，故而难以用双向光通信装置的结构来控制远端反射。例如，在塑料光纤中，如果具有一垂直于光轴的平坦的端面，从光纤出来的光因纤芯和空气之间的折射率的差异而使得远端反射增加了约4％。因此，众所周知的一种方法是通过处理光纤的端面来减少远端反射。根据光纤端面的形状减少远端反射，公知有效的是使用如在日本专利公开说明书平成11-72622中披露的如球面和椭球面的曲面。
传统的能用一条光纤进行全双工通信的双向光通信装置采用了从光纤端面中心沿径向方向移动发射光的入射位置和在没有光从光纤反射回来的(近端反射)入射位置处设置光接收元件的方法，如日本专利公开说明书平成11-27217、平成11-237535和平成11-352364中所披露的那样。该方法将参照
图14所示的双向光通信装置进行说明。
在图14中，从光发射元件304发出的发射光313由一透镜306会聚，同时其光路由一竖板式反射镜308改变，以便在偏离开光纤302的端面中心位置处入射。从光纤302射出的接收光309耦合到一设置在光纤302相对端的光接收元件305上。其光路由竖板式反射镜308改变的发射光31在进入光纤302时具有一个从周边部分倾向光纤302中心的斜度。因此，被光纤302反射的反射光317指向光纤302的周边部分，且照射在除了光接收元件305以外的区域，由此可避免因近端反射而产生的干扰。而且，减小发射光313的数值孔径(NA)可以减少反射光317的传播，从而确保不发生近端反射。
但是，将图14所示的双向光通信设备应用于使用一根其端面为如球状的曲面光纤的情况会出现以下的问题。
入射到光纤的发射光因光纤的纤芯与外界(空气)之间的折射率不同而发生折射。例如，在具有球形端面的光纤中，其入射位置沿径向方向移离光纤端面中心的发射光朝光纤的中心方向折射，且其折射角随入射到光纤的发射光的位置越接近光纤的周边部分而变得越大。在这种情况下，如图15所示，光纤2内的发射光8包括一个具有相对于光纤2光轴为一大角度的主(dominant)分量(高次模)和一个具有相对于光纤2的光轴为一小角度的小(fractional)分量(低次模)。通常，发射光8的模式在经光纤2传输时被转换，使得从光纤2而输出的光的分布只取决于光纤2的特性而不会受入射光的状态影响。因此，只需考虑将发射光8耦合到光纤2的条件就可以使发射光8进入光纤2(根据光纤2的数值孔径NA而减小发射光8的数值孔径(NA))。但是，近年来，设备内部传输中的所需传输容量增加了，且采用光纤的通信已开始应用于传输距离为1米(m)的情况，从而带来了新的问题。即，短的传输距离妨碍了模式的充分转换，且其出射光受到了入射光状态的影响极大。例如，如图15所示，当发射光8的入射位置沿径向方向移离光纤2的球形端面的中心时，出射光的辐射强度如图16的实线所示地为一环形分布，从光纤的中心部分辐射的光量小、而从光纤的周边部分辐射的光量大。在具有多个如POF模式的大直径光纤的情况下，该影响尤为明显。
在传输距离长或发射光进入光纤中部的情况下，如图16的虚线所示，可得到一个从光纤中心的辐射强度大的分布。这样，无论接收光如何，因发射光的传输距离或入射条件引起的光纤输出光的辐射强度分布的显著的改变都使得接收效率受到了巨大的损失，导致其超出了动态范围。特别是在用一根光纤进行全双工通信的双向光通信设备中，发射光的入射位置沿径向方向移离光纤端面的中心，加大了接收效率的波动并限制了传输距离。
而且，由于减少远端模块反射的方法还没被公开，所以传统的双向光通信设备遭受了因远端模块反射带来的不利影响。
本发明的概述本发明的目的是提供一种能用一根光纤进行全双工双向通信，且价格低廉的小尺寸双向光通信设备和双向光通信装置，它通过减小因传输距离改变带来的接收效率的波动和减少发射光与接收光之间的干扰来降低对传输距离的限制。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用一根具有弯曲端面的光纤作为传输介质来进行光信号的发送和接收的双向光通信设备，包括一产生发射光的光发射元件；一会聚从该光发射元件发射的发射光并将该发射光耦合到光纤的会聚元件；一接收从光纤发出的接收光的光接收元件，其中满足θfb≤0≤θfa或 θfa≤0≤θfb在光纤的光轴与进入具有数值孔径NA的光纤之后的最外层处的发射光之间的倾斜角θfa和θfb如下表示时θfa＝sin-1[{n0sin(θL+sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θTθfb＝sin-1[{n0sin(θL-sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θT其中，θL为进入光纤之前的发射光的光轴和光纤光轴之间的夹角，θT为在发射光耦合到光纤的位置处的垂直于光纤端面的直线与光纤光轴之间的夹角，NA表示在进入光纤之前由会聚元件所会聚的发射光的数值孔径，nf表示光纤纤芯的折射率，n0表示在进入光纤之前发射光所经过的空间的折射率。
根据上述结构的双向光通信设备，发射光进入光纤使得在光纤的光轴与进入具有数值孔径NA的光纤之后的最外层处的发射光之间的倾斜角θfa和θfb满足上述条件。因此，入射进光纤的发射光包括低次模式，使得从光纤另一端输出的辐射光不显示为光纤的周边部分大于中心部分的环形分布，从而可提供一实现即使采用具有短传输距离的光纤在0°辐射角的最大的辐射强度的出射光的分布。这样便可降低来自光纤的出射光的辐射强度分布的波动，并通过控制因传输距离产生的接收效率的波动来减少对传输距离的限制。
在本发明的一个实施例中，发射光进入光纤端面时具有从中心轴线侧向光纤的周边部分一侧倾斜的发射光的光轴。
根据上述实施例的双向光通信设备，使发射光进入光纤端面时具有从中心轴线侧向光纤的周边部分一侧倾斜的发射光的光轴，该设备使得发射光入射到光纤端面的更外侧，它可减小发送区域并扩大接收区域，从而改善接收效率。而且，发射光可使从光纤端面进入的反射光指向光纤的外部，由此来实施对近端反射的控制。
在本发明的一个实施例中，双向光通信设备还包括一设置在会聚元件和光纤之间用于改变发射光光路的光路改变元件，以在光纤端面上将发射光引向沿径向方向离开中心位置。
根据上述实施例的双向光通信设备，设置在会聚元件和光纤之间的光路改变元件改变发射光的光路，使得发射光在光纤端面上被引向沿径向方向而离开光纤端面中心位置，便于入射到光纤的发射光的入射角的最佳化，及缩小该双向光通信设备的尺寸和放大接收区域，从而改善接收效率。
在本发明的一个实施例中，光路改变元件为一棱镜，以通过折射发射光来改变发射光的光路。
根据上述实施例的双向光通信设备，经发射光的折射改变发射光的光路的棱镜设置在光纤附近，它可增加发送部分和接收部分的设置自由度，以使光路正好在光纤之前改变。同样，棱镜的倾斜角的合理设置可减少远程模块反射。
在本发明的一个实施例中，会聚元件具有改变发射光的光路的光路改变功能，以便在光纤端面上将发射光引向沿径向方向离开中心的位置。
根据上述实施例的双向光通信设备，使用了具有改变发射光的光路的会聚元件，改变发射光的光路使得在光纤端面上发射光被引向沿径向方向离开中心的位置。因此，发射光的会聚和光路改变可以用一个元件来完成，实现了低成本和小尺寸。
在本发明的一个实施例中，会聚元件为一凹面反射镜，它通过使用发射光的反射来改变发射光的光路以会聚发射光。
根据上述实施例的双向光通信设备，通过使用发射光的反射来改变发射光的光路以会聚发射光的凹面反射镜设置在光纤附近。因此，该反射镜使光路正好在光纤之前改变，可增加发送部分和接收部分的设置自由度。
本发明还提供一种具有多个光学耦合到光纤的每一端的双向光通信设备的双向光通信装置，用以完成用光纤作为传输介质的多个双向光通信设备之间的光信号的发送和接收，其中，多个双向光通信设备中的至少一个为上面所定义的双向光通信设备。
根据上述结构的双向光通信装置，上述定义的双向光通信设备用作多个光学耦合到光纤的每一端的双向光通信设备中的至少一个。它可用一根光纤进行全双工通信，并减少因传输距离而引起的接收效率的波动，以减小对传输距离的限制，提供廉价小尺寸的双向光通信装置。
图的简述通过以下的详细描述并参考仅以图示给出的附图，可以更加全面地理解本发明，其不作为对本发明的限定，其中图1是使用根据本发明的第一实施例的双向光通信设备的双向光通信装置的基本结构的结构示意图；图2是双向光通信设备的结构示意图；图3是光纤的发送区域和接收区域的示意图；图4示出了双向光通信设备的避免干扰的原理图；图5示出了双向光通信设备的避免远程模块反射的原理图；图6是光纤端面形状的示意图；图7是入射到光纤的发射光的入射状态示意图；图8是入射到光纤的发射光的入射状态的示意图；图9是双向光通信设备的棱镜角度的最佳值的示意图10是双向光通信设备的棱镜角度的最佳值的示意图；图11是通过棱镜角从光纤出射的光的辐射强度分布图；图12是根据本发明的第二实施例的双向光通信设备的结构示意图；图13是根据本发明的第三实施例的双向光通信设备的结构示意图；图14是传统的双向光通信设备的示意图；图15是入射到具有球形端面的光纤的发射光的入射状态的示意图；和图16示出了从光纤出射的光的辐射强度分布图。
优选实施例的详细说明参考附图，以下描述本发明的双向光通信设备和双向光通信装置。
图1是使用根据本发明的第一实施例的双向光通信设备的双向光通信装置的基本结构的示意图。如图1所示，双向光通信装置3具有一用于传输受待传输数据信号调制的光的光纤2，并具有双向光通信设备1，其每个都连接到光纤2的两端以便进行光学耦合。
图2是双向光通信设备1的示意性结构的剖视图。该双向光通信设备1包括一个用于产生受数据信号调制的发射光8的光发射元件4、一个用于接收来自光纤2的接收光9并产生数据信号的光接收元件5、一个起会聚由光发射元件4发射的发射光8并将其耦合到光纤2的会聚元件作用的传输透镜6、和一个用于反射光纤2输出的接收光9并将其耦合到光接收元件5的反射镜7。传输透镜6和反射镜7都形成在光学元件10中。光发射元件4安装在如SiC的副支架12上。这些组成元件(光发射元件4、光接收元件5、光学元件10和副支架12)都成一直线地设置在管座13上。管座13电连接到一个未示出的控制回路。
由光发射元件4产生的发射光8按照光发射元件4的辐射角径向发散。接着在传输透镜6中，发射光8被会聚到一个任意可变的的数值孔径中，在穿过光学元件10之后，发射光8耦合到具有球形端面的光纤2。由光纤2发射的接收光9被反射镜7朝光接收元件5的方向反射，同时被具有曲率的反射镜7会聚，以便耦合到光接收元件5。在如上所示的光纤2的孔径内，将发射光8与接收光9空间地隔开的情况下，在光纤2中发射光8入射位置处没有输出的接收光9被耦合到光接收元件5。因此，光纤2中的发射光8的入射位置设在光纤2端面的周边侧。且传输区设定得小，以使接收光9有效地耦合到光接收元件5。
同样，光学元件10有一棱镜11作为光路改变元件，它在发射光8的入射面上朝向光纤2的光轴倾斜，由此发射光8被折射使得其光路被改变，将发射光8入射到光纤2的端面。部分反射镜7(遮挡部分16)设置成与光纤2接触或相靠近。
进入光纤2的部分发射光8由光纤2的端面反射。光纤2中的发射光8的反射光被反射镜7的遮挡部分16遮挡住，故而没有耦合到光接收元件5，从而避免了因近端反射带来的干扰。
而且，在发射光与接收光仅在一个光纤2中空间隔开的情况下，如图3所示通过减小耦合到光纤2的发射光8所占用的传输区域，可以扩大接收区域并增加可用的接收光9，从而为双向光通信设备提供了好的接收效率。重要的是以尽可能小的光损耗来完成发射光8和接收光9的隔离。在第一实施例所公开的方法中，发射光和接收光的隔离是通过一薄膜反射镜7来进行的，遮挡部分的损耗基本上等于零。另外，发射光8可在反射镜7的最近处穿过，它几乎消除了传输区域和接收区域之间的边界，从而放大了接收区域。
下面参照图4说明防止近端反射和杂散光的原理。
如图4所示，发射光8由光学元件10的棱镜11折射，使得发射光8进入光纤2端面时具有从中心轴侧朝向光纤2的周边侧倾斜的折射发射光8的光轴。来自光纤2端面的大部分反射光17与朝向光纤2周边侧的光接收元件的相反方向被反射，它减少了因近端反射带来的干扰的发生。特别是，近端反射的避免最好通过将发射光8的光轴从中心轴侧朝向光纤2的周边侧倾斜来实现，以便发射光8可进入光纤2的端面，但是，由于数值孔径或灰尘引起发射光散射而产生的散射光，它朝向光接收元件5一侧反射，从而产生干扰。在该第一实施例中，构成光学元件10的棱镜11顶部和部分反射镜7的遮挡部分16，被设置成与光纤2接触，或将其置于离开光纤几十或几百微米的位置处，使得包含散射光22的反射光17被反射镜7的与接收光9进入面相反的表面所反射(遮挡)，从而防止其入射到光接收元件5一侧。
同样，由光发射元件4所发射的部分发射光8没有进入传输透镜6而是变成了在双向光通信设备1中散射的杂散光18。但是，光接收元件5由反射镜7与光发射元件4一侧上的光学元件10光学地隔开，它可以防止杂散光18耦合到光接收元件5。而且，即使可能因光发射元件4的安装误差引起光发射元件4的位移，意外的杂散光18也不会进入光接收元件5。它允许光发射元件4的安装误差增加，从而减少了安装成本。尽管反射光17也在双向光通信设备1中散射，但它出于同样的理由也不会耦合到光接收元件5。特别是，反射镜7具有反射并会聚接收光9和将其耦合到光接收元件5的作用，并具有将反射光17、散射光22和杂散光18与光接收元件5隔开的作用。所用的反射镜7通过蒸发法将铝等薄膜沉积在光学元件10上形成。另外，由于光接收元件5由反射镜7隔开，所以不必考虑杂散光的影响就可确定发射元件4的布置，它增加了双向光通信设备1的自由度并实现了简化安装调整结构。
下面结合图5来说明防止远程模块反射的原理。
第一实施例的双向光通信设备1内的远程模块反射的发生归因于两个因素一个是将光接收元件5表面上所反射的元件反射光19再次耦合到光纤2，另一个是棱镜反射光20再次耦合到光纤2中，该反射光20是光学元件10(主要是棱镜11)照射面所反射的且从光纤2中输出的一部分接收光9。
如图5所示，光接收元件5的光接收表面通常为一减反射涂层，如由氮化硅等薄膜制成，用于防止接收光9的反射和改善接收效率。但是，不是所有的接收光9都进入光接收表面，而是有一部分进入除光接收表面之外的区域并在那儿反射，从而产生远程模块反射。因此，将除光接收表面之外的区域设计成一减反射涂层，如用在使用的波长范围内的具有高的光吸收系数和低反射系数的材料制成的黑色保护层，以确保对远程模块反射的限制。
同样，即使棱镜反射光20进入光纤2，通过优化棱镜11的倾斜角θp也可防止棱镜反射光20的再次耦合。特别是，棱镜反射光20会以一个大于光纤2的数值孔径的角度(入射光瞳的半径对物点的角度)进入光纤2。通过设定棱镜11对光纤2的光轴的倾斜角等于或大于光纤2的数值孔径NA来实现。例如，对于数值孔径NA为0.3的光纤2，倾斜角θp应等于或大于10°，最好是等于或大于17°。也可在用接收光9辐射的光学元件10的表面(棱镜11形成在其上)上提供一AR涂层，用以减少反射系数。但是，如果棱镜11的倾斜角θp改变，则发射光8入射到光纤2的角度也改变，必需考虑在使用后面描述的短光纤2时防止出射光的环形辐射强度分布的情况来设定棱镜11的倾斜角θp。
现在说明光纤的远端反射。
在光纤的端面垂直于光轴的情况下，空气与光纤间的折射率不同导致了约4％的远端反射。该远端反射可通过设计光纤端面的形状来减少。例如，采用将光纤2A的端面如图6A所示地朝光轴倾斜的方法，和采用使光纤2B的端面如图6B所示地弯曲的方法。在该两种方法中，通过改变光纤2A和2B的端面上的远端反射的方向使反射光的角度大于光纤2A和2B的数值孔径，从而使得远端反射不会在光纤2A和2B内发生。但是，在端面如图6A所示地倾斜的情况下，光纤2A绕其轴的转动改变了倾斜方向，难以防止近端反射。光纤2B具有固定的端面倾斜方向，它使光纤2B要有固定的插入方向，从而损失了其便捷性。因此，光纤2B的端面最好是一具有关于光纤2B的中心轴对称的曲面。鉴于其处理工艺，更优选地是将端面的形状设定为球面。特别是在POF中，将任意形状的熔融热板压制成端面可简化倾斜处理过程和球面处理过程。同样，将光纤的端面成型为球面可会聚和入射接收光，产生了改善接收效率的效果。
下面将说明发射光入射到光纤的角度。
在发射光8进入具有如图15所示的曲面端面的光纤2的情况下，在发射光8进入光纤2之后，发射光8的光轴因折射而改变。例如，在约为1米短的光纤2中，在进入光纤2之后发射光8的光轴方向改变了从光纤2的另一端输出光的辐射强度分布。在约为50米长的光纤2中，发射光9的模式在传播期间改变，使得从另一端输出的辐射光呈现为由光纤2结构(数值孔径NA)确定的分布，而不取决于入射条件。尤其是在进入光纤2的大部分发射光8为高次模式的情况下，从光纤2出射的光可呈现为环形分布，其中辐射强度的峰值不在0°辐射角处，如图16的实线所示。在光纤2中发射光8光轴朝向光纤2的倾斜小的情况下(低次模式是占主要)，呈现为如图16虚线所示的辐射强度峰值在0°辐射角处的分布。在长传输距离的情况下，呈现为如图16虚线所示的辐射强度峰值在0°辐射角处的分布。大的输出光辐射强度分布变化引起了接收效率的波动，且超出接收系统动态范围的辐射强度会阻碍接收，从而限制了传输距离。因此，优选的是，给来自光纤2的出射光提供一不依赖于传输距离的如图16虚线所示的辐射强度峰值在0°辐射角处的分布。
为此，入射到光纤2的发射光8的入射角应使发射光8入射到光纤2后为低次模式。特别是，在进入光纤2之后，部分发射光8平行于光纤2的光轴。
现在来说明发射光8的入射角，它是入射到光纤2后的允许低次模存在的条件。
图7是入射到光纤的发射光的入射状态的示意图，其中，θL表示光纤2的光轴与发射光8的光轴间的角度，R为光线的端面的曲率半径，而S为入射到光纤2的发射光8的入射位置，它沿径向方向移离光纤2的中心轴用r表示。在位置S，垂直线与光纤2的光轴间的角度θT由下式表示θT＝Sin-1(r/R)因此，当nf为光纤2的纤芯的折射率、no为外界(空气)的折射率、而θf为进入光纤2之后的发射光8的光轴与光纤2的光轴间的角度时，形成为以下表达式θf＝Sin-1{no/nfSin(θL+θT)}-θT(1)同样，如图8所示，考虑因发射光8的数值孔径引起的散射，光纤2的光轴与进入具有数值孔径NA的光纤2之后的在最外层处的发射光8之间的角度θfa、θfb如下表示时θfa＝sin-1[{n0sin(θL+sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θT(2)θfb＝sin-1[{n0sin(θL-sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θT(3)在发射光8进入光纤2之后，如果至少满足下列条件则可存在平行于光纤2的光轴的分量(低次模)θfb≤0≤θfa或 θfa≤0≤θfb(4)满足上述条件入射到光纤2的发射光8，即使在短光纤2的情况下也可获得辐射强度峰值在0°辐射角处的分布。
现在详细说明图2所示第一实施例中的双向光通信设备1的情况。
如图2所示，发射光8平行于光纤2光轴地从光发射元件4发出，并在传输透镜6中被转换成具有任意的数值孔径NA打的光束。在传输透镜6中被转换的发射光8被棱镜11折射以便改变其入射到光纤2的角度。例如，在使用具有1mm的孔径的POF(折射率nf＝1.5)作为光纤2的情况下，光纤端面的曲率半径R＝1.6mm、确定入射位置的距离r＝0.48mm、发射光8的数值孔径NA＝0.1、外界(空气)的折射率n0＝1、且光学元件10的折射率nB＝1.5，则棱镜11的倾斜角θp与θfa、θfb之间的关系如图9所示地表示。在仅有发射光8入射到光纤2的入射位置改变成r＝0.28mm的情况下，该关系为如图10所示的情形。
特别是，在入射位置r＝0.48mm的情况下，棱镜11的倾斜角θp满足表达在式(1)为0.4°到31.6°，而入射位置r＝0.28mm的情况下，该角度为-6.8°到25.6°。在这些情况下，可提供从光纤2出射光的分布，其中在不考虑光纤2长度时，辐射强度在0°辐射角处总是为峰值。
图11示出了在入射位置r＝0.28mm的情况下的从1m长的光纤2发射的出射光的辐射强度分布的测量结果。在棱镜11的倾斜角θp为10°的情况下，提供了在0°辐射角处辐射强度为峰值的分布，而在倾斜角θp为26°的情况下，在0°辐射角处辐射强度稍有减少，在倾斜角θp为30°的情况下，则为完全的环形分布。在棱镜11的倾斜角θp小的情况下，当角度为-7°时提供了与26°相同的分布，因此将棱镜11的倾斜角设定在-6°到25°的范围内可提供在0°辐射角处辐射强度为峰值的分布。
同样，光纤2相对双向光通信设备1的位置，因光纤2自身纤芯直径的误差或双向光通信设备1安装误差而波动。例如，在使用具有1mm孔径的POF作为光纤2的情况下，其纤芯直径误差大约为±60μm(JIS C6837)，考虑到安装误差，会产生大约±100μm的轴位移。因此，必须设定棱镜11的倾斜角θp以允许该轴位移。如果将入射到光纤2的发射光8的入射位置设为r＝0.38mm，则角度随因误差引起的具有±100μm的轴位移在r＝0.28到r＝0.48mm的范围内波动。因此，根据图9和图10，必须将棱镜11的倾斜角θp设定在1.4°到25.6°的范围内，使得r＝0.48mm和r＝0.28mm时都能满足表达式(4)。
棱镜11具有减少远程模块反射的作用。由于该影响随棱镜11的倾斜角θp变大而扩大，所以优选为使棱镜11的倾斜角θp设定为一个接近上限的值(围绕20°到25°)。在这种情况下，发射光8进入光纤2的端面时具有从光纤2中心轴侧朝着周边侧倾斜的发射光8光轴，进而限制了如前所述的近端反射。
如上所述，通过按表达式(2)、(3)、(4)设定入射到光纤2的发射光8的角度，可减小因传输距离带来的光纤2出射光辐射强度分布的波动，为双向光通信设备1提供小的接收效率波动，并能进行从短距离到长距离的各种通信。
另外，使用棱镜11改变靠近光纤2的发射光8光路，可增加传输系统和接收系统的设置自由度，从而提供小尺寸高效率的双向光通信设备1。
现在描述防止电和电磁干扰的方法。
在图2中，管座13与光接收元件5的接地端相连。副支架12由如SiC的绝缘材料组成，它电隔离开光发射元件4和光接收元件5。反射镜7也在光学元件10下面形成一电极21，电极21将反射镜电连接到管座13。尤其是，考虑到光发射元件4，使光接收元件5被反射镜7和管座遮挡，以控制电磁干扰。反射镜7用具有高反射和导电性的材料如铝合金从图2中的光学元件10的左下侧沉积而成。与此同时，形成电极21。反射镜7和电极21组成了光学元件10下侧的整个表面，使得它们不用掩膜等构形便可容易地形成。光发射元件4和监测光电二极管14用透明罩15盖住。透明罩15连接到光学元件10和管座13，并从将光发射元件4与外界空气隔开。透明罩15还电连接到管座13，用于将光发射元件4与外界空气电磁密封。部分光学元件10用作光发射元件4的一部分密封元件(等效于专用的覆盖玻璃)，可减少组件数目、降低组件的成本并简化制造工艺。
最好是使用多模光纤如POF作为光纤2。POF有一个用具有好的透光性如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚碳酸酯的塑性材料制成的纤芯和一个用折射率低于纤芯的塑性材料制成的包层。这样的光纤2比石英光纤易于增加纤芯的直径，从约200μm增加到1mm，易于进行耦合到双向光通信设备1的调节，从而提供廉价的双向光通信装置3。如第一实施例所示，为了发射光8和接收光9之间的空间间隔，最好使纤芯直径约为1mm。
其它可使用的光纤包括具有用石英玻璃制成纤芯和用聚合物制成的包层的PCF(塑料包层光纤)。尽管PCF比POF贵，但它具有小的传输损耗和宽的传输频带。由于这一特点，用作传输介质的PCF实现了双向光通信装置3的长距离传输和高速传输。
使用半导体激光器和发光二极管(LED)作为光发射元件4。优选的光发射元件4具有在使用的光纤2的传输损耗小的波长且价格便宜。例如在使用POF作为光纤2时，可使用具有波长为650nm半导体激光器等，可进行在DVD(数字多功能光盘)等中的批量生产。监测光电二极管14设置在光发射元件4的后侧用于保持光发射元件4的光量恒定。
用光电二极管作为光接收元件5，它把所接收的调制光的强弱转变成电信号，并在光发射元件4的波长区域内具有高敏感性，如PIN光电二极管和由二氧化硅制成的雪崩光电二极管。
光学元件10通过注塑模由例如PMMA和聚碳酸酯的塑性材料制成，且可以通过蒸发法等在反射镜7的侧面上形成用具有高反射性的铝合金等金属薄膜。从如图2所示的光学元件10的左下侧沉积反射镜7使其不必构形掩膜而简单地成形。反射镜7具有凹的表面并用于会聚接收光9。在同光学元件10的下面的管座13接触的表面上，形成有电极21。该电极21通过蒸发法同反射镜7一起形成，其至少一部分与反射镜7结合。在光学元件10中，形成有一个定位槽口(未示出)，它用于将光发射元件4和用于会聚发射光8并将其耦合到光纤2上的传输透镜6、用于折射发射光8以保证发射光8进入光纤2的棱镜11进行定位。光学元件10同样用作光发射元件4的密封元件。为光学元件10提供上述多种功能，可以极大地减少组成的元件数量并减小安装误差，由此可以提供一种低成本的小型双向光通信设备1。另外，光发射元件4、光接收元件5和光学元件10可以平行于光纤2光轴地设置在一个管座13上，这样可以省去复杂的安装过程，从而极大地减化安装过程。
如第一实施例中所述，利用双向光通信设备1作为构成双向光通信装置3的双向光通信设备中的至少一个可以阻止由于近端反射、远端反射、远程模块反射和杂散光的干扰，并且可以减小光和电磁的干扰，仅用一条光纤2执行全双工双向光通信。
另外，根据表达式(4)设定发射光8入射到光纤2中的入射角可以减小光纤2输出光的辐射强度分布的波动，且可以扩大传输距离的范围，从而扩大接收部分的动态范围。而且，在发射光8进入光纤2以前改变发射光8光路的棱镜11和具有多功能的光学元件10可以使双向光通信设备1价格便宜，尺寸小且易于制造。
第二实施例图12图示了本发明的第二实施例中的双向光通信设备的构造。该双向光通信设备由一用于产生受数据信号调制的发射光108的光发射元件104、一用于接收光纤102输出的接收光109且产生数据信号的光接收元件105、一用于反射从光发射元件104发出的发射光108且将其耦合到光纤102的反射镜107、和一用作会聚从光纤102发出的接收光109且将其耦合到光接收元件105的会聚元件的接收透镜124构成。该反射镜107和接收透镜124均形成在光学元件110中。
在第二实施例中，示出了一种将光发射元件和光接收元件同第一实施例相反布置的情况。特别地，从例如发光二极管等光发射元件104发出的发射光108，由形成在光学元件110上的凹面反射镜107反射，并会聚耦合到在凸表面端面的光纤102中。形成在光学元件110中的接收透镜124会聚接收光109，并将其耦合到到接收元件105中。发射光108在光纤102端面上的近端反射所产生的反射光，被反射镜107遮挡而没有耦合到光接收元件105中。同样，杂散光也没有耦合到光接收元件105中。由于接收光109的反射被接收透镜124的凸表面掉散射，所以可以减少远程模块反射。
反射镜107具有NA转换功能和发射光108的光路改变功能，其相当于第一实施例中的传输透镜106和棱镜111的两个功能。优化反射镜107的形状使发射光108入射到光纤102的入射角符合表达式(4)。
如上所述，在第二实施例中的双向光通信设备101同第一实施例中的双向光通信设备一样可以限制远端反射、近端反射和远程模块反射，并减小从光纤102出射的光的辐射强度分布的波动。另外，反射镜107具有NA转换功能和发射光108的光路改变功能，因此，可以提供价格便宜、尺寸小的双向光通信设备101。
第三实施例图13示出了本发明的第三实施例的双向光通信设备的构造。该双向光通信设备由一用于产生受数据信号调制的发射光223的光发射元件204、一用于接收光纤202输出的接收光209且产生数据信号的光接收元件205、一用于会聚从光发射元件204发出的发射光208并将其耦合到光纤202的传输透镜206、和一用作反射从光纤202发出的接收光209且将其耦合到光接收元件205的反射镜207构成。该反射镜207形成在光学元件210中。
如图13所示，光发射元件204发出的发射光208在球透镜的传输透镜206中进行数值孔径NA的转换，并进入到光纤202球形端面的周边。从光纤202输出的接收光209由形成在光学元件210中的凹面反射镜207会聚，并耦合到接收元件205中。尽管由光纤202端面反射的反射光217自光纤202端面凸表面向图13的左侧方向反射，但反射光217由布置有光接收元件205的管座213部分(遮挡部分216)遮挡，但没有耦合到光接收元件205中，因此，阻止了近端反射。发射光208经由光学元件210部分区域中的空隙部分223耦合到光纤202中。反射镜207的一部分也构成了空隙部分223。特别是，空隙部分223作为如图3所示的传输区域，剩余部分的功能是作为接收区域。通过减小空隙部分223，可以扩大接收区域，因此提高接收效率。因此，优选地减小传输透镜206的孔径并减小传输透镜208的数值孔径NA。反射镜207的空隙部分223离光纤202的端面越远，则接收光209辐射和散射越多，从而减小了空隙部分223的相对区域。
优化发射光208入射到光纤202的入射角，使其符合表达式(4)。同第二实施例不同，第三实施例的双向光通信设备201没有光路改变元件，所以光学元件210和光发射元件4本身倾斜以优化入射角。同时布置传输透镜206和光发射元件204的相对位置以使发射光208由传输透镜206折射，从而相对于光纤202的光轴倾斜发射光208的光轴。
如上所述，在第三实施例中，示出了没有利用光路改变元件的双向光通信设备201的构造。同第一和第二实施例相似，这一构造可以控制远端反射、近端反射、和远程模块反射，同样也减小了从光纤202出射的光的辐射强度分布的波动。
可以理解，具有如第一到第三实施例所示的构造的双向光通信设备只是发射光820入射到光纤202的入射情况符合表达式(4)的一些例子，且改变其中某些部分可以达到同样的效果。同样还可以理解为，如果光纤202的端面不是球面而是例如曲线和斜面的其它形状的表面，利用相同的原理优化入射情况，也可以获得相同的效果。
另外，在本发明的双向光通信设备中，利用具有由塑料形成的纤芯和包层的塑料光纤可以容易制造纤芯直径大约为1mm的大直径光纤，这种光纤便于调整光纤和双向光通信设备的耦合，易于分隔传输区域和接收区域，可以制造价格便宜的双向光通信设备，且便于进行端面处理。
另外，由于光纤的端面是球形，所以接收光可以会聚地出射，可以高效地将接收光耦合到光接收元件。同样，由于不必固定光纤和双向光通信设备之间的连接方向，所以可以很容易地建立连接。另外，具有球形端面的光纤易于进行端面加工。
很显然可以多种方式对上面描述的本发明进行各种变型。这些改变并不超出本发明的构思和范围，且对本领域的技术人员是显而易见的所有改变君包括在以下的权利要求中。
权利要求
1.一种双向光通信设备，它采用一个具有弯曲端面的光纤作为传输介质发送和接收光信号，它包括一用于产生发射光的光发射元件；一用于会聚该光发射元件发出的发射光，并将该发射光耦合到该光纤的会聚元件；和一接收该光纤输出的接收光的光接收元件，其中当光纤光轴与进入具有数值孔径NA的光纤之后的最外层处的发射光之间的倾斜角θfa和θfb由下式表示时，θfa＝sin-1[{nosin(θL+sin-1(NA)/no+θT)}/nf]-θTθfb＝sin-1[{nosin(θL-sin-1(NA)/no+θT)}/nf]-θT满足θfb≤0≤θfa或θfa≤0≤θfb其中，θL为进入光纤之前的发射光光轴和光纤光轴之间的夹角；θT为在发射光耦合到光纤的位置处，垂直于光纤端面的直线与光纤光轴之间的夹角；NA表示在进入光纤之前由会聚元件所会聚的发射光的数值孔径，nf表示光纤纤芯的折射率，no表示在进入光纤之前发射光所经过的空间的折射率。
2.一种如权利要求1所述的双向光通信设备，其中发射光进入该光纤端面时具有从中心轴侧朝该光纤的周边侧倾斜的光轴。
3.一种如权利要求1或2所述的双向光通信设备，还包括一设置在所述会聚元件和所述光纤之间的，改变所述发射光的光路的光路改变元件，它用于将所述发射光引导到一个沿径向方向离开所述光纤端面中心的位置。
4.一种如权利要求3所述的双向光通信设备，其中所述光路改变元件是一个通过折射所述发射光来改变所述发射光光路的棱镜。
5.一种如权利要求1或2所述的双向光通信设备，其中所述会聚元件具有改变所述发射光光路的光路改变功能，以把所述发射光引导到一个沿径向方向离开所述光纤端面中心的位置。
6.一种如权利要求5所述的双向光通信设备，其中所述会聚元件是一个通过利用所述发射光的反射，改变所述发射光的光路来会聚所述发射光的凹面反射镜。
7.一种双向光通信装置，它具有光学耦合到一光纤每一端的多个双向光通信设备，用于在用一个光纤作为传输介质的多个双向光通信设备之间进行光信号的发送和接收，其特征在于多个双向光通信设备中的至少一个为权利要求1至6中任一个所述的双向光通信设备。
全文摘要
一种双向光通信设备在θ
文档编号H04B10/13GK1387330SQ0214011
公开日2002年12月25日 申请日期2002年4月23日 优先权日2001年4月24日
发明者藤田英明, 石井頼成, 田村寿宏 申请人:夏普株式会社