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JP4475562B2 - Method for designing sheet-like light guide - Google Patents
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JP4475562B2 - Method for designing sheet-like light guide - Google Patents

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Description

本発明は導光体、特に詳細には、シート状の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなり、一端面から入射した光を前記粒子により散乱させながら他端面側に伝搬させるシート状導光体を設計する方法に関するものである。 The present invention includes a light guide, particularly, a sheet containing light scattering particles in a sheet-like optical medium, and propagating light incident from one end surface to the other end surface side while being scattered by the particles. it relates to how to design the shaped light guiding member.

従来、例えば特許文献1や特許文献2に示されているように、PMMA(ポリメチルメタクリレート)等の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなり、一端面から入射した光を前記粒子により散乱させながら別の端面側に伝搬させる導光体が公知となっている。   Conventionally, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example, particles that scatter light are contained in an optical medium such as PMMA (polymethyl methacrylate), and light incident from one end surface is the particles. Light guides that are propagated to another end face side while being scattered by the above are known.

このような導光体は、その側端面と周囲媒質(空気あるいはクラッド層)との界面における全反射の作用に加えて、光学媒質内の粒子で散乱を繰り返させながら光を伝搬させるものであるので、全反射の作用のみで光を伝搬させる導光体と比較すると、より強度が均一化した光を出射端面から取り出せるという利点を有している。その利点を活かしてこの種の導光体は、例えば特許文献3に示されるように、シート状の光学媒質を用いて形成し、その一端面に光信号を入力する1つの入力部を結合するとともに他端面に複数の出力部を結合して、入力された光信号を複数の出力部に共通の信号として分配する光データバス(シートバス)を構成するために適用することが考えられている。   Such a light guide propagates light while repeating scattering by particles in the optical medium in addition to the effect of total reflection at the interface between the side end face and the surrounding medium (air or cladding layer). Therefore, as compared with a light guide that propagates light only by the action of total reflection, there is an advantage that light having a more uniform intensity can be extracted from the emission end face. Taking advantage of this advantage, this type of light guide is formed by using a sheet-like optical medium, for example, as shown in Patent Document 3, and one input portion for inputting an optical signal is coupled to one end face thereof. In addition, it is considered to apply an optical data bus (sheet bus) that couples a plurality of output units to the other end surface and distributes an input optical signal as a common signal to the plurality of output units. .

また、このような光データバスとして、例えば特許文献4に示されるように、シート状光学媒質の光入射側の端部に各信号光入射部に対応させて光拡散部を設け、この光拡散部で拡散、分岐した信号光を該光学媒質の光出射側の端部に向けて伝搬させるようにしたものも公知となっている。
特許第3162398号公報 特許第3184219号公報 特開平10−123350号公報 特開平11−31035号公報
Further, as such an optical data bus, for example, as shown in Patent Document 4, a light diffusing portion is provided at the light incident side end of the sheet-like optical medium so as to correspond to each signal light incident portion. It is also known that the signal light diffused and branched at the portion is propagated toward the end of the optical medium on the light exit side.
Japanese Patent No. 3162398 Japanese Patent No. 3184219 JP-A-10-123350 JP 11-31035 A

特許文献4に示されるような光データバスにおいては、光拡散部を一辺が100μmからなる多数の単位光学素子から構成する必要があり、作製が極めて困難であるという問題が認められている。また、このような光拡散部をシート状光学媒質の一方の端部に形成すれば、その端部側において光検出することは事実上不可能であってその端部は光入射側と限定せざるを得ず、よってこのシート状光学媒質を介して双方向通信することは不可能となる。   In the optical data bus as shown in Patent Document 4, it is necessary to construct the light diffusing unit from a large number of unit optical elements each having a side of 100 μm, and it is recognized that the production is extremely difficult. Further, if such a light diffusing portion is formed at one end of the sheet-like optical medium, it is practically impossible to detect light at the end, and the end is limited to the light incident side. Therefore, it is impossible to perform two-way communication via this sheet-like optical medium.

特許文献3に示されるようなシート状導光体を用いれば、双方向通信することも可能である。しかし従来、この種のシート状導光体において、所望の光取り出し効率や、均一な出射光強度分布を実現する設計条件を簡単に求めることは不可能であった。そこで従来は、所望の特性の導光体を得る上で、光学媒質内に含有させる粒子の粒子径や粒子密度を変えて複数の導光体サンプルを作製し、それらの中から所望の光取り出し効率や均一な出射光強度分布が得られる導光体を選んで使用する手法や、計算機を用いた大がかりなシミュレーションによって設計条件を求める手法が採用されていた。   Bidirectional communication is also possible by using a sheet-like light guide as shown in Patent Document 3. However, conventionally, in this type of sheet-like light guide, it has been impossible to easily obtain design conditions for realizing desired light extraction efficiency and uniform intensity distribution of emitted light. Therefore, conventionally, in order to obtain a light guide having desired characteristics, a plurality of light guide samples are prepared by changing the particle diameter and particle density of particles to be contained in the optical medium, and desired light is extracted from them. A method of selecting and using a light guide capable of obtaining efficiency and a uniform distribution of emitted light intensity, and a method of obtaining design conditions by a large-scale simulation using a computer have been adopted.

本発明は上記の事情に鑑みて、シート状導光体において良好な光取り出し効率が得られるように該導光体を設計する方法を提供することを目的とする。 The present invention is in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a way to design a light guide body so that good light extraction efficiency obtained in the sheet-shaped light guide.

本発明によるシート状導光体の設計方法は、
前述したようにシート状の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなり、一端面から入射した信号光を前記粒子により散乱させながら、受光器が結合された他端面側に伝搬させるシート状導光体を設計する方法において、
前記粒子の散乱断面積をΦ、前記光学媒質の光伝搬方向の長さをL、粒子密度をNp、補正係数をK (=0.004)としたとき、Φ・Np・L・Kの値が0.9以下となるようにΦ、NpおよびL の値を選定するステップと、
このステップによって選定された各値に基づいてシート状導光体を設計するステップとを含むことを特徴とするものである。
A method for designing a sheet-like light guide according to the present invention is as follows.
As described above, the sheet-like optical medium contains particles that scatter light, and the signal light incident from one end surface is scattered by the particles and propagates to the other end surface side to which the light receiver is coupled. In a method of designing a light guide,
The scattering cross section of the particle [Phi, the optical medium in the light propagation direction lengths L G, the particle density Np, when the correction coefficient was K C (= 0.004), Φ · Np · L G · a step of the value of K C is Φ in so that Do and 0.9 or less, to select the values of Np and L G,
And a step of designing a sheet-like light guide based on each value selected in this step .

また、上記シート状導光体は、入射光が入・出射端面以外の各面においてSnell’s Lawに従って反射を繰り返すものとし、周囲媒質の屈折率をNs、母材の光学媒質の屈折率をNm、入射角をθm、屈折角をθsとしたとき、粒子を含有しない場合にNm・sinθm=Ns・sinθsであるならば、sinθs>1を満足する形状の光学媒質から構成されることが望ましい。
The sheet-like light guide repeats reflection of incident light according to Snell's Law on each surface other than the incident / exit end face, and the refractive index of the surrounding optical medium is Ns, and the refractive index of the optical medium as the base material is When Nm, the incident angle is θm, and the refraction angle is θs, if Nm · sin θm = Ns · sin θs when no particles are contained, it is desirable that the optical medium has a shape satisfying sin θs> 1. .

また上記シート状導光体は、少なくとも1つの出射端面から出射する光線が該出射端面での反射・屈折においてSnell’s Lawに従うものとし、周囲媒質の屈折率をNs、母材となる光学媒質の屈折率をNm、入射角をθm、屈折角をθsとしたとき、粒子を含有しない場合にNm・sinθm=Ns・sinθsであるならば、sinθs<1を満足する形状の光学媒質から構成されることが望ましい。   The sheet-like light guide is such that light emitted from at least one exit end face conforms to Snell's Law in reflection and refraction at the exit end face, the refractive index of the surrounding medium is Ns, and the optical medium serving as a base material When the refractive index is Nm, the incident angle is θm, and the refraction angle is θs, and Nm · sinθm = Ns · sinθs when no particles are included, the optical medium is formed of an optical medium satisfying sinθs <1. It is desirable.

また上記シート状導光体においては、光学媒質に混入する粒子がMie散乱理論に従う非磁性の伝導体粒子であってもよい。また光学媒質において、粒子は粒子密度に勾配を持たせて混入されてもよい。
In the above sheet-shaped light guide, particles mixed into the optical medium may be a conductor particles nonmagnetic according Mie scattering theory. In the optical medium, the particles may be mixed with a gradient in particle density.

さらにこのシート状導光体は、複数の光学媒質を組み合わせて構成することも可能である。   Furthermore, this sheet-like light guide can also be configured by combining a plurality of optical media.

また本発明は、上述のようなシート状導光体として、導光体本体の表面(入・出射端面以外の面)を被覆する保護層を有するシート状導光体を設計する場合にも適用可能である。そのような保護層は、例えばプラスチック光ファイバの被覆材として従来広く用いられているポリエチレンや塩化ビニル等を好適に用いて形成することがで きる。 The present invention is also applicable to the case where a sheet-like light guide having a protective layer covering the surface of the light guide body (a surface other than the input / output end face) is designed as the sheet-like light guide as described above. Is possible . Such a protective layer can be formed preferably using, for example, polyethylene or vinyl chloride, which has been widely used as a coating material for plastic optical fibers.

なお、上述の保護層を有するシート状導光体は、該保護層と導光体本体表面との間に、この導光体本体より低屈折率のクラッド層を有するものであることが特に望ましい。そのようなクラッド層は、具体的には、例えば紫外線硬化樹脂やシリコン樹脂等の材料を、導光体本体に塗布、蒸着する等によって形成することができる。またこのクラッド層のシート状導光体本体に対する屈折率差は、シート状導光体本体における信号光の最大入射角に対して全反射条件を満足する値となっていることが望ましい。   In addition, it is particularly desirable that the sheet-like light guide having the above-described protective layer has a clad layer having a lower refractive index than the light guide body between the protective layer and the light guide body surface. . Specifically, such a cladding layer can be formed by, for example, applying and vapor-depositing a material such as an ultraviolet curable resin or a silicon resin to the light guide body. The refractive index difference of the clad layer with respect to the sheet light guide body is desirably a value that satisfies the total reflection condition with respect to the maximum incident angle of the signal light in the sheet light guide body.

前述の特許文献1および2には、屈折率不均一構造により、あるいは誘電体粒子を光学媒質に混入・拡散させ、所望の光強度分布を実現するための導光路が提案されている。またこれらの特許文献1および2には、Debyeの濁度(Turbidity)理論(Journal of Applied Physics Vol.20 pp.518〜525(1949))を応用することにより、散乱光強度を高め、かつ出射口における光強度分布の均一化を実現できることが記されている。Debyeは、Einsteinの“気体または液体中の誘電率の熱的揺らぎについての理論”(Annalen Der Physik 33 pp.1275〜1298(1910))の中で、特に散乱光に関する考察を引用しており、上記論文中のEinsteinの式は下の通りである。   Patent Documents 1 and 2 described above propose a light guide for realizing a desired light intensity distribution by a non-uniform refractive index structure or by mixing and diffusing dielectric particles in an optical medium. Further, in these Patent Documents 1 and 2, by applying Debye's Turbidity theory (Journal of Applied Physics Vol.20 pp.518-525 (1949)), the scattered light intensity is increased and emitted. It is described that the light intensity distribution in the mouth can be made uniform. Debye quotes in particular his discussion on scattered light in Einstein's “Theory of Thermal Fluctuation of Dielectric Constants in Gases or Liquids” (Annalen Der Physik 33 pp. 1275-1298 (1910)) The Einstein equation in the above paper is as follows.

i/I=(RT/N)・〔(ε−1)(ε+2)/P〕・(2π/λ)
〔V/(4πD)〕cosθ・・・・(1)
ここで、 i:散乱体から距離D離れた位置での光強度
:入射光の強度
R:気体定数
T:絶対温度
N:1グラム分子中の分子数
ε:波長λに対する屈折率の二乗(誘電率)
P:流体に加わる圧力
λ:波長
V:光散乱体の体積
D:光散乱体と観測点までの距離
θ:散乱角
上記Einsteinの式はDebyeにより変形され、下式で表されている。
i / I 0 = (RT / N) · [(ε−1) 2 (ε + 2) 2 / P] · (2π / λ) 4
[V / (4πD) 2 ] cos 2 θ (1)
Where i: light intensity at a distance D away from the scatterer
I 0 : intensity of incident light
R: Gas constant
T: Absolute temperature
N: Number of molecules in a gram molecule
ε: square of refractive index with respect to wavelength λ (dielectric constant)
P: Pressure applied to the fluid
λ: wavelength
V: Volume of light scatterer
D: Distance between light scatterer and observation point
θ: Scattering angle The above Einstein equation is modified by Debye and expressed by the following equation.

i/I=<η>/ε(πV/λ)・(1+cosθ)/2・ω・・・(2)
ここで、 i:散乱体から距離D離れた位置での光強度
:入射光の強度
ε:散乱体の誘電率
<η>:散乱体の誘電率の揺らぎの二乗平均値
R:観測点と散乱体までの距離
λ:波長
V:光散乱体の全体積
θ:散乱角
ω:相関体積
また、ω=4π∫sin(ksr)/ksr・rγ(r)dr・・・(3)
k:波数
s:入射光の単位ベクトルと出射光の単位ベクトルの合成ベクトルの長さ
r:誘電率揺らぎを生じている2点間の距離
s=2sin(θ/2) である。
i / I = <η> 2 / ε 22 V / λ 4 R 2 ) · (1 + cos 2 θ) / 2 · ω (2)
Where i: light intensity at a distance D away from the scatterer
I 0 : intensity of incident light
ε: Dielectric constant of scatterer
<Η> 2 : root mean square value of fluctuation of dielectric constant of scatterer
R: Distance between observation point and scatterer
λ: wavelength
V: Total volume of light scatterer
θ: scattering angle
ω: correlation volume ω = 4π∫sin (ksr) / ksr · r 2 γ (r) dr (3)
k: wave number s: length of combined vector of unit vector of incident light and unit vector of outgoing light r: distance s = 2 sin (θ / 2) between two points causing dielectric constant fluctuation.

Debyeによれば、相関体積ωは相関関数γ(r)を
γ(r)=exp(−r/a)(a:相関距離)
とおくと積分でき、故に(3)式は、
ω=8πa/(1+k ・・・・(4)
で表される。
According to Debye, the correlation volume ω is the correlation function γ (r) with γ (r) = exp (−r / a) (a: correlation distance).
It can be integrated, so equation (3) is
ω = 8πa 3 / (1 + k 2 s 2 a 2 ) 2 ... (4)
It is represented by

(2)、(4)式より、
i/I=<η>2/ε(πV/λ)・(1+cosθ)/2・8πa/(1+k
ここで、s=2sin(θ/2)を用いて(2)式は、
i/I=4πa<η>2/ε(πV/λ)・(1+cosθ)
/(1+8π(1−cosθ)(a/λ)・・・・(5)
となる。(4)式の散乱角強度の項は、以下で示される。
From equations (2) and (4),
i / I = <η> 2 / ε 22 V / λ 4 R 2 ) · (1 + cos 2 θ) / 2 · 8πa 3 / (1 + k 2 s 2 a 2 ) 2
Here, using s = 2sin (θ / 2), equation (2) is
i / I = 4πa 3 <η> 2 / ε 22 V / λ 4 R 2 ) · (1 + cos 2 θ)
/ (1 + 8π 2 (1−cos θ) (a / λ) 2 ) 2 ... (5)
It becomes. The term of the scattering angle intensity in the equation (4) is shown below.

f(θ)=(1+cosθ)/(1+8π(1−cosθ)(a/λ)
・・・・(6)
この(6)式を代表的な(a/λ)の値毎に計算して、散乱角対規格化強度を求めた結果を図1に示す。また、Mie散乱理論に基づいて、代表的な粒子径Dpの値毎に散乱角対規格化強度を求めた結果を図2に示す。
f (θ) = (1 + cos 2 θ) / (1 + 8π 2 (1-cos θ) (a / λ) 2 ) 2
.... (6)
FIG. 1 shows the result obtained by calculating the expression (6) for each representative value (a / λ) and obtaining the scattering angle versus the normalized intensity. Moreover, the result of having calculated | required scattering angle versus normalized intensity | strength for every value of typical particle diameter Dp based on Mie scattering theory is shown in FIG.

特許文献1および2によれば、粒子径はほぼ相関距離に等しいと考えることができるので、図1より、粒子径が波長と同程度の大きさであれば前方散乱光の強度が強くなるが、粒子径が波長の10倍を超えると側方散乱光の強度が極めて強くなり、もはや前方には光が進行しないことが分かる。一方、Mie散乱理論によれば、図2から明らかなように、粒子径が波長の10倍を超えても前方散乱光の強度はなお強い。Debyeの濁度理論は、γ(r)=exp(−r/a)で近似した場合、粒子径が波長と同程度の場合は、Mie散乱の結果に近いが、それよりも大きい粒子径に対しては、Mie散乱理論と大きくずれを生じていることが分かる。   According to Patent Documents 1 and 2, since it can be considered that the particle diameter is substantially equal to the correlation distance, from FIG. 1, if the particle diameter is as large as the wavelength, the intensity of the forward scattered light is increased. It can be seen that when the particle diameter exceeds 10 times the wavelength, the intensity of the side scattered light becomes extremely strong, and the light no longer travels forward. On the other hand, according to the Mie scattering theory, as apparent from FIG. 2, the intensity of the forward scattered light is still strong even when the particle diameter exceeds 10 times the wavelength. When Debye's turbidity theory is approximated by γ (r) = exp (−r / a), when the particle size is similar to the wavelength, it is close to the Mie scattering result, but the particle size is larger than that. On the other hand, it can be seen that there is a large deviation from the Mie scattering theory.

以上の考察から、所望の光学媒質に光散乱を生じさせる粒子を混入し、入射した光を均一な強度分布として出射させるために用いる計算手法として、粒子の大きさが波長よりも非常に小さい場合にはRayleigh散乱を表し、非常に大きい場合はHuygens−Fresnel回折を表す、Mie散乱理論がより適切であると考えられる。さらに、Mie散乱理論は1粒子系であり、多粒子の散乱に対しては、Mie散乱理論に基づいた多粒子系での解析が必要であると考えられる。   From the above considerations, when the particle size is much smaller than the wavelength as a calculation method used to mix the light scattering particles into the desired optical medium and emit the incident light as a uniform intensity distribution Mie scattering theory, which represents Rayleigh scattering and, if very large, represents Huygens-Fresnel diffraction, is considered more appropriate. Furthermore, the Mie scattering theory is a one-particle system, and it is considered that multi-particle analysis based on the Mie scattering theory is necessary for multi-particle scattering.

本発明で用いるシート状導光体を製造するに当たっては、以上の考察に基づいて、所望の光取り出し効率を実現する設計条件を簡単に求めることができる。以下、この方法を詳しく説明する。   In manufacturing the sheet-like light guide used in the present invention, design conditions for realizing desired light extraction efficiency can be easily obtained based on the above consideration. Hereinafter, this method will be described in detail.

<散乱断面積>
まず、散乱断面積Φについて説明する。Mie散乱理論に限らず、また可視域の光以外に、γ線やX線等の放射線領域や赤外線やマイクロ波等の長波長領域において、散乱断面積という概念が広く用いられている。粒子径と波長の関係がRayleigh領域にある場合、散乱断面積Φは、
Φ=128・π5・(a 6/3λ4)・{(n2−1)/(n2+2)}2・・(7)
ただし a:粒子半径
λ:入射光の波長
n:相対屈折率
で表される。
<Scattering cross section>
First, the scattering cross section Φ will be described. The concept of scattering cross section is widely used not only in the Mie scattering theory, but also in a radiation region such as γ-rays and X-rays and a long wavelength region such as infrared rays and microwaves in addition to light in the visible region. When the relationship between particle diameter and wavelength is in the Rayleigh region, the scattering cross section Φ is
Φ = 128 · π 5 · ( ap 6 / 3λ 4 ) · {(n 2 -1) / (n 2 +2)} 2 ··· (7)
Where a p is the particle radius
λ: wavelength of incident light
n: Expressed by relative refractive index.

一方、Mieの理論において、散乱断面積Φは下の(8)式で表される。

Figure 0004475562
On the other hand, in Mie's theory, the scattering cross section Φ is expressed by the following equation (8).
Figure 0004475562

上記(8)式のa/λ>>1の極限では、散乱断面積Φは、
Φ=Mπa (収束時:M≒2)・・・・(9)
である。そして(8)式より、2πa/λ≒1の領域では、上記Mが1<M<6の間で振動することが分かっている。
In the limit of a / λ >> 1 in the above equation (8), the scattering cross section Φ is
Φ = Mπa p 2 (At the time of convergence: M≈2) (9)
It is. From the equation (8), it is known that in the region of 2πa p / λ≈1, M oscillates between 1 <M <6.

ここで図3a、bおよびcにそれぞれ、相対屈折率nが1.1、1.5、2.1である場合のMの振動の様子を示す。これらの図より、Mie散乱領域における散乱断面積Φは、粒子径Dpの増大により振動・収束して行くことが分かる。この振動領域においても、相対屈折率nが1から2程度の広い範囲で、Mie散乱領域の収束する幾何学的散乱断面積πa に乗ずる数値を、図3a〜cにより各粒子径に応じて求めることが可能である。 Here, FIGS. 3A, 3B, and 3C show the vibration of M when the relative refractive index n is 1.1, 1.5, and 2.1, respectively. From these figures, it can be seen that the scattering cross section Φ in the Mie scattering region oscillates and converges as the particle diameter Dp increases. Also in this vibration region, the numerical value multiplied by the geometric scattering cross section πa p 2 where the Mie scattering region converges in a wide range where the relative refractive index n is about 1 to 2 is shown in FIG. Can be obtained.

上述の(7)、(9)式に基づいて粒子径Dpと散乱断面積Φとの関係を、いくつかの相対屈折率n毎に求めた結果を図4に示す。一方、Mie散乱理論に基づいて、多粒子系の粒子径Dpと、ある数値を乗じた粒子密度の逆数との関係を計算機シミュレーションで求めた結果を図5に示す。   FIG. 4 shows the results of obtaining the relationship between the particle diameter Dp and the scattering cross section Φ for each of several relative refractive indexes n based on the above-described equations (7) and (9). On the other hand, based on the Mie scattering theory, FIG. 5 shows the result of calculating the relationship between the particle diameter Dp of a multiparticulate system and the inverse of the particle density multiplied by a certain numerical value by computer simulation.

なお、これらの計算機シミュレーションでは、ある有限の拡がり角をもつ光を、内部に粒子を含有する10mm角から1000mm角の各種の大きさの立方体形状を持つ光学媒質に入射させたものとしている。すなわち、入射光と立方体の大きさは相似的に変化する。また粒子径Dp、はRayleigh散乱領域からFresnel回折領域に至るまでの幅広い範囲で変化させた。またこれらの計算機シミュレーションでは、光は入射側と対向する位置から入射光と同方向に出射するものとし、そして立方体の光の出射端における光の取り出し効率は約80%としている。   In these computer simulations, it is assumed that light having a certain finite divergence angle is incident on an optical medium having a cubic shape of various sizes of 10 mm square to 1000 mm square containing particles inside. That is, the incident light and the size of the cube change in a similar manner. The particle diameter Dp was varied in a wide range from the Rayleigh scattering region to the Fresnel diffraction region. In these computer simulations, light is emitted in the same direction as the incident light from a position facing the incident side, and the light extraction efficiency at the light emitting end of the cube is about 80%.

これらの図4および5より、散乱断面積と、有限の大きさの光学媒質中の粒子数との間に密接な関係が有ることが分かる。   4 and 5 show that there is a close relationship between the scattering cross section and the number of particles in a finite size optical medium.

<Lambert−Beer則と散乱断面積>
平行光束を等方媒質に入射させた場合の透過率Tは、Lambert−Beer則により
T=I/I=exp(−ρ・x)・・・・(10)
ここで x:距離
:入射光強度
I:出射光強度
ρ:減衰定数
で表される。
<Lambert-Beer law and scattering cross section>
The transmittance T when a parallel light beam is incident on an isotropic medium is expressed by the following Lambert-Beer rule: T = I / I 0 = exp (−ρ · x) (10)
Where x: distance
I 0 : Incident light intensity
I: Output light intensity
ρ: represented by an attenuation constant.

上記減衰定数ρは、粒子の散乱断面積をΦ、媒質に含まれる単位体積当たりの粒子数をNpとすると
ρ=Φ・Np・K ・・・(11)
であると考えられる。ここで、Kは有限の空間の光学媒質中で光が伝搬する場合に経験的に求められる無次元の補正係数である。
The attenuation constant ρ is ρ = Φ · Np · K C (11) where Φ is the scattering cross section of the particles and Np is the number of particles per unit volume contained in the medium.
It is thought that. Here, K C is a dimensionless correction coefficient empirically obtained when light propagates in an optical medium in a finite space.

そして、導光体を設計する上で一般に必要とされるパラメータは、光学媒質の体積V、混入粒子数NPTおよび粒子径Dpであり、その場合に出射光強度がどのように変化するか検討する。 The parameters required typically in designing light guide, the volume of the optical medium V, a mixed particle number N PT and the particle diameter Dp, consider whether the outgoing light intensity in that case how changes To do.

ここで、Np=NPT/V である。さらに、図4と図5との比較・類推並びに図示しないいくつかのデータからKは決定される。本計算においては、図4、図5並びに図示しないいくつかのデータからK=0.004が得られた。粒子径Dpと散乱断面積Φは、(7)、(9)式より対応付けられ、故に、光学媒質の光軸方向への長さをLとすると、光の取り出し効率Eoutは、
Eout=exp{−(Φ・Np・L・K)}・・・・(13)
で与えられる。この(13)式より、Φ・Np・L=CONST.とすれば取り出し効率を一定にできることが分かる。つまり、光学媒質の光軸方向への長さLに応じてNpを変化させればよい。
Here, Np = N PT / V. Further, K C is determined from a number of data that do not compare and analogy, as well as shown in FIGS. 4 and 5. In this calculation, K C = 0.004 was obtained from FIGS. 4 and 5 and some data not shown. The particle diameter Dp scattering cross section [Phi, (7), associated with from equation (9), therefore, when the length in the optical axis direction of the optical medium and L G, extraction efficiency Eout of the light,
Eout = exp {- (Φ · Np · L G · K C)} ···· (13)
Given in. From this equation (13), Φ · Np · L G = CONST. It can be seen that the extraction efficiency can be made constant. That may be changed to Np in accordance with the length L G of the optical axis direction of the optical medium.

さらに、粒子が存在しない場合に、立体の形状、入射光の強度分布、入射角度に依存するFresnel損失と、内部透過率等を総合した損失係数Kで表せば、
上記(13)式は、
Eout=exp{−(Φ・Np・L・K)}・K・・・・(14)
となる。
Furthermore, when there is no particle, the loss factor K L that combines the three-dimensional shape, the incident light intensity distribution, the Fresnel loss depending on the incident angle, the internal transmittance, etc.
The above equation (13) is
Eout = exp {- (Φ · Np · L G · K C)} · K L ···· (14)
It becomes.

すなわち、粒子の散乱断面積Φ、粒子密度Np、光学媒質の光伝搬方向の長さL、補正係数Kおよび損失係数Kにより取り出し効率Eoutを決定できる。言い換えれば、所望の光取り出し効率Eoutが与えられたとき、上記(14)式を満足させれば、その光取り出し効率Eoutが実現される。 That is, the extraction efficiency Eout can be determined by the particle scattering cross section Φ, the particle density Np, the length L G of the optical medium in the light propagation direction, the correction coefficient K C and the loss coefficient K L. In other words, when the desired light extraction efficiency Eout is given, the light extraction efficiency Eout is realized if the above equation (14) is satisfied.

<Fresnel損失因子>
Fresnel損失は、まず反射率を考え、p偏光成分をRp、s偏光成分をRsとすれば
Rp=tan(θi−θr)/tan(θi+θr)・・・(15a)
Rs=−sin(θi−θr)/sin(θi+θr)・・・(15b)
ここで、θi:入射角
θr:屈折角
となる。故に反射光の強度Irは、(15a)、(15b)式より
Ir=(Rp+Rs)/2・・・・(16)
この(16)式より透過光強度Itは、
It=1−Ir・・・・(17)
となり、入射光の強度分布を考慮した透過光強度をIt’すると(17)式は、
It’(θi)=It(θi)・D(θi)・・・・(18)
D(θi):強度分布関数
となる。
<Fresnel loss factor>
The Fresnel loss is determined by considering the reflectance, and assuming that the p-polarized component is Rp and the s-polarized component is Rs, Rp = tan (θi−θr) / tan (θi + θr) (15a)
Rs = −sin (θi−θr) / sin (θi + θr) (15b)
Where θi: incident angle
θr: Refraction angle. Therefore, the intensity Ir of the reflected light is obtained from the equations (15a) and (15b).
Ir = (Rp 2 + Rs 2 ) / 2 (16)
From this equation (16), the transmitted light intensity It is
It = 1-Ir (17)
When it is assumed that the transmitted light intensity in consideration of the intensity distribution of the incident light is It ′,
It ′ (θi) = It (θi) · D (θi) (18)
D (θi): an intensity distribution function.

<Fresnel損失の算出>
任意の拡がり角の有る光束が光学媒質に入射する場合、任意の入射角θiに対し、Fresnel損失は変化する。光束の最大入射角をθmaxとすると、境界面におけるFresnel損失は、

Figure 0004475562
<Calculation of Fresnel loss>
When a light beam having an arbitrary divergence angle is incident on the optical medium, the Fresnel loss changes with respect to the arbitrary incident angle θi. If the maximum incident angle of the luminous flux is θmax, the Fresnel loss at the interface is
Figure 0004475562

で表される。 It is represented by

ここで、計算の簡素化のために入射光の強度分布を矩形とすると上記(19)式は

Figure 0004475562
Here, for simplification of calculation, if the intensity distribution of incident light is rectangular, the above equation (19) is
Figure 0004475562

となる。この(20)式に基づいて、光学媒質の種々屈折率に対するFresnel損失を求めた結果を図6に示す。なおこの図6では、縦軸に透過率を取って損失を示してある。つまり、透過率1が損失0(ゼロ)である。 It becomes. FIG. 6 shows the result of obtaining the Fresnel loss with respect to various refractive indexes of the optical medium based on the equation (20). In FIG. 6, the vertical axis represents the transmittance and the loss. That is, the transmittance 1 is loss 0 (zero).

<Fresnel損失を含む光取り出し効率の算出>
上記の図6から、入射角が30°以下の場合、光学媒質の屈折率と周囲媒体の屈折率が大きく異なっていても、Fresnel損失はほぼ同じになることが分かる。今、光学媒質がシート状直方体の場合、反射・屈折において光線の方向余弦は保存され、入射角と出射角は粒子が存在しない場合、同じになると考えられる。また、内部透過率Tin≒1と近似できる場合は、入射面の透過率と出射面の透過率の積が全透過率Ttotalとなる。よって光学媒質の屈折率をn=1.5とすると、Ttotal=0.92となる。
<Calculation of light extraction efficiency including Fresnel loss>
From FIG. 6, it can be seen that when the incident angle is 30 ° or less, the Fresnel loss is almost the same even if the refractive index of the optical medium and the refractive index of the surrounding medium are greatly different. Now, when the optical medium is a sheet-like rectangular parallelepiped, the direction cosine of the light beam is preserved in reflection and refraction, and the incident angle and the emission angle are considered to be the same when no particle is present. When the internal transmittance Tin≈1 can be approximated, the product of the transmittance of the incident surface and the transmittance of the output surface is the total transmittance Ttotal. Therefore, if the refractive index of the optical medium is n = 1.5, Ttotal = 0.92.

故に(14)式は、
Eout=exp{−(Φ・Np・L・K)}・0.92・・・(14b)
となる。この(14b)式により、粒子径と光取り出し効率との関係を求めた結果を図7a〜eに示す。なお、入射光の強度に分布が有る場合や、入射光の入射角度が30°以上になる場合は、(19)式、(20)式によりFresnel損失を求め(14b)式に代入すればよい。ただし、出射時には臨界角を考慮して、入射光の広がりは半角で30°程度にするのが望ましい。
Therefore, equation (14) is
Eout = exp {- (Φ · Np · L G · K C)} · 0.92 ··· (14b)
It becomes. The result of having calculated | required the relationship between a particle diameter and light extraction efficiency with this (14b) Formula is shown to FIG. If there is a distribution in the intensity of the incident light, or if the incident angle of the incident light is 30 ° or more, the Fresnel loss can be obtained from the equations (19) and (20) and substituted into the equation (14b). . However, in consideration of the critical angle at the time of emission, it is desirable that the spread of incident light is about 30 ° in half angle.

上記の図7a〜eは、本計算方法において、まず各粒子径の平均的な狙いの光取り出し効率を定め、それに対し各粒子径における計算値(10mmC、100mmC、1000mmC)と本計算で用いた粒子径、粒子密度による精密なシミュレーション(S 10mm、S 100mm、S 1000mm)の結果を示している。平均的な狙いの光取り出し効率は、図7a、7b、7c、7d、7eにおいてそれぞれ80%,70%,60%,50%,40%である。散乱断面積Φは、粒子径20nmの場合はRayleigh理論により、また粒子径200nm以上についてはMie理論により求めた。Sはシミュレーションを表し、Cは本計算によることを表している。また数値は光学媒質の光伝搬方向の長さLを表している。 7a to 7e above, in this calculation method, first determine the average target light extraction efficiency of each particle size, and use the calculated values (10 mmC, 100 mmC, 1000 mmC) and particle size for each particle size in this calculation. The result of the precise simulation (S10mm, S100mm, S1000mm) by the particle diameter and particle density is shown. The average target light extraction efficiency is 80%, 70%, 60%, 50%, and 40% in FIGS. 7a, 7b, 7c, 7d, and 7e, respectively. The scattering cross section Φ was determined by the Rayleigh theory when the particle diameter was 20 nm, and by the Mie theory when the particle diameter was 200 nm or more. S represents simulation, and C represents this calculation. The numbers represent the length L G of the light propagation direction of the optical medium.

この図7a〜eによれば、平均的な狙いの光取り出し効率が60%以上であれば、精密なシミュレーションの結果と10%未満の誤差におさまっており、よく一致していることが分かる。すなわち、言い換えれば、Φ・Np・L・Kの値が0.4以下であれば、誤差が10%未満におさまることを表している。また、上記値が0.9以下であっても、誤差は50%未満におさまることを同時に表している。なおKの値は、経験的に求めた値0.92を用いた。シミュレーションや試作を行う上では、誤差が50%程度生じていても、光取り出し効率の狙いを付けるためには特に問題無いと考えられる。言うまでもなく、誤差が10%未満であればシミュレーションをする必要性は無く、また数種類のサンプルを評価し、絞り込む必要性が無くなるため、開発効率が向上するという効果が得られる。 7A to 7E, it can be seen that if the average target light extraction efficiency is 60% or more, the result of the precise simulation is within an error of less than 10%, which is in good agreement. That is, in other words, if the value of Φ · Np · L G · K C is 0.4 or less, an error indicates that the fall below 10%. Moreover, even if the said value is 0.9 or less, it represents simultaneously that an error will be less than 50%. Note the value of K L was used empirically value 0.92 obtained. In carrying out simulations and prototypes, even if an error of about 50% occurs, it is considered that there is no particular problem in order to aim at the light extraction efficiency. Needless to say, if the error is less than 10%, there is no need to perform a simulation, and there is no need to evaluate and narrow down several types of samples, so that the development efficiency is improved.

上述の結果から、Mie散乱の複雑な理論に頼らなくても、比較的簡便なRayleigh領域とMie散乱収束領域の結果を基に(14)式を用いて、光の取り出し効率について見通しの良い解を得ることが可能であると考えられる。本方法は、この知見に鑑みてなされたものであり、前述のように
Eout=exp{−(Φ・Np・L・K)}・K
を満足させることにより、所望の光取り出し効率Eoutを実現する。
Based on the above results, it is possible to obtain a good solution for the light extraction efficiency using the equation (14) based on the relatively simple results of the Rayleigh region and the Mie scattering convergence region without relying on the complicated theory of Mie scattering. Is considered possible. This method was made in view of this finding, and as described above.
Eout = exp {- (Φ · Np · L G · K C)} · K L
Is satisfied, a desired light extraction efficiency Eout is realized.

<計算例>
(14)式に基づいてシート状直方体について計算した結果を、表1〜3および図8a〜cに示す。なお、表1の数値をグラフに表したものが図8aであり、以下同様に、表2と図8b、表3と図8cが順次対応している。これらの表中の計算結果において、Φ・Np・L・Kの値はいずれも0.9以下になっている。なお、いずれの場合も、Kの値は0.92である。

Figure 0004475562
Figure 0004475562
Figure 0004475562
<Calculation example>
The result calculated about the sheet-like rectangular parallelepiped based on (14) Formula is shown in Tables 1-3 and Drawing 8a-c. FIG. 8a shows the numerical values of Table 1 in a graph. Similarly, Table 2 and FIG. 8b, and Table 3 and FIG. 8c sequentially correspond to each other. In the calculation results in these tables, both the value of Φ · Np · L G · K C is in the 0.9. Incidentally, in either case, the value of K L is 0.92.
Figure 0004475562
Figure 0004475562
Figure 0004475562

図8a〜cにおいて(C)、(S)はそれぞれ本計算の結果、精密なシミュレーションの結果を表している。また数値は光学媒質の寸法(mm)である。また狙いの光取り出し効率は、各粒子径における平均としている。表1〜3および図8a〜cから明らかなように、本計算の結果とシミュレーション結果とがよく一致していることが分かる。特に粒子径2000nmにおける結果は、本計算方法がシミュレーションに一致することをより一層明白にしている。   8A to 8C, (C) and (S) represent the result of this calculation and the result of precise simulation, respectively. The numerical value is the dimension (mm) of the optical medium. The target light extraction efficiency is an average for each particle size. As is clear from Tables 1 to 3 and FIGS. 8a to 8c, it can be seen that the result of this calculation and the simulation result are in good agreement. In particular, the results at a particle size of 2000 nm make it even more clear that this calculation method is consistent with the simulation.

<出射光強度分布特性>
出射光強度分布特性は、光源の強度分布、広がり角、光源の数と配置などに影響を受けるため、シミュレーションにて評価した。そのようにして求めた粒子径毎の出射光強度分布特性を図9a、b、cに示す。ここで、光源は光学媒質の入射側断面の中心に位置させたものとし、広がり角を半角で30°とした。図9a、b、cは表1と同じ条件でシート状直方体の場合についてシミュレーションした結果であり、それぞれシートサイズが小、中、大の場合を示している。
<Emission light intensity distribution characteristics>
The emitted light intensity distribution characteristics are affected by the intensity distribution of the light source, the divergence angle, the number and arrangement of the light sources, and so were evaluated by simulation. The emission light intensity distribution characteristics for each particle diameter thus determined are shown in FIGS. 9a, 9b and 9c. Here, the light source was positioned at the center of the incident-side cross section of the optical medium, and the divergence angle was 30 ° as a half angle. FIGS. 9a, 9b, and 9c show simulation results for the case of a sheet-like rectangular parallelepiped under the same conditions as in Table 1, and show cases where the sheet size is small, medium, and large, respectively.

これらの図から、断面が矩形の光学媒質において光取り出し効率90%前後で、ほぼ均一な強度分布が実現されていることが分かる。以上の考察および計算機シミュレーションから、任意の光学媒質に光散乱を生じさせる粒子を混入して導光体を製造する場合には、まず(14)式に基づいて、各粒子径による散乱断面積、粒子密度、光学媒質の寸法などから、光取り出し効率を予め絞り込むこともできる。そしてさらに、光強度分布特性を精密なシミュレーションにより求めるようにしてもよい。あるいは、(14)式から予め絞り込んだ条件に沿って数種類のサンプルを製作し、実験的に評価することも可能である。   From these figures, it can be seen that a substantially uniform intensity distribution is realized at an optical extraction efficiency of about 90% in an optical medium having a rectangular cross section. From the above consideration and computer simulation, when manufacturing a light guide by mixing particles that cause light scattering in an arbitrary optical medium, first, based on the equation (14), the scattering cross section by each particle diameter, The light extraction efficiency can be narrowed down in advance from the particle density, the dimensions of the optical medium, and the like. Further, the light intensity distribution characteristics may be obtained by a precise simulation. Alternatively, it is possible to produce several types of samples according to the conditions preliminarily narrowed from the equation (14) and evaluate them experimentally.

そして本発明で用いられるシート状導光体は、前述した通りΦ・Np・L・K≦0.9の関係を満足する構成としたことにより、シミュレーションとの誤差が10%未満におさまるので、良好な光取り出し効率および、均一な出射光強度分布を実現することができる。 The sheet light guide used in the present invention, with the construction which satisfies the relation as Φ · Np · L G · K C ≦ 0.9 described above, the error between the simulation fit less than 10% Therefore, it is possible to realize a good light extraction efficiency and a uniform outgoing light intensity distribution.

また本発明で用いられるシート状導光体は、光学媒質内の粒子で散乱を繰り返させながら光を伝搬させるものであるので、一方の端面から光を入射させて他方の端面に伝搬させることも、また上記他方の端面から光を入射させて上記一方の端面に伝搬させることも同じように可能である。そこで、このシート状導光体を用いる本発明のシート状導光体を用いた通信システムは、双方向通信することも可能となる。   In addition, since the sheet-like light guide used in the present invention propagates light while repeating scattering by particles in the optical medium, it is also possible to make light incident from one end face and propagate to the other end face. It is also possible to make light incident from the other end face and propagate to the one end face. Therefore, a communication system using the sheet light guide of the present invention using this sheet light guide can also perform two-way communication.

<シート状導光体を用いた通信システムの必要条件>
代表的な通信用シート状導光体を図10に示す。シート状導光体10は、前述したように例えばPMMA(ポリメチルメタクリレート)等の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなり、一端面から入射した光を上記粒子により散乱させながら別の端面側に伝搬させるものである。そしてこのシート状導光体10の一端面には複数の光ファイバ21、22および23が接続され、他端面には光ファイバ31、32および33が接続される。これらの光ファイバ21〜23および31〜33としては通常大N.A.(開口数)のものが適用され、双方向の通信を可能にする。
<Requirements for a communication system using a sheet-like light guide>
A typical communication sheet-like light guide is shown in FIG. As described above, the sheet-like light guide 10 includes particles that scatter light in an optical medium such as PMMA (polymethyl methacrylate), and separates light incident from one end surface while scattering the light by the particles. It propagates to the end face side. A plurality of optical fibers 21, 22, and 23 are connected to one end face of the sheet-like light guide 10, and optical fibers 31, 32, and 33 are connected to the other end face. These optical fibers 21 to 23 and 31 to 33 are usually large N.P. A. (Numerical aperture) is applied, enabling bidirectional communication.

光ファイバで受光する場合の条件について考察する。文献“High-Uniformity Star Coupler Using Diffused Light Transmission” IEICE TRANS. ELECTRON, Vol.E84C,No.3 MARCH 2001 p339(以下、非特許文献1という)によれば、通信用シート状導光体システムにおける受光器への要求は、以下の通りである。   Consider the conditions when receiving light with an optical fiber. According to the document "High-Uniformity Star Coupler Using Diffused Light Transmission" IEICE TRANS. ELECTRON, Vol. E84C, No. 3 MARCH 2001 p339 (hereinafter referred to as Non-Patent Document 1) The requirements for the vessel are as follows.

《受光器の最小受光光量が20.5dBm(0dBm=1mW)以上必要》
これは、500Mbpsの信号を送受信した場合のBit-Error-Rate(BER)より算出されており、また受光器はPINフォトダイオードであるため、受光器が異なる場合(例えばフォトマルチプライヤ、アバランシェフォトダイオードなど)、或いは送信帯域が異なる場合には参考にはならない。すなわち、任意の受光器において、ある送信帯域において許され得る最小受光光量というものが存在するはずである。これより、上記の条件を満足する受光器の許容最小受光量をP(Receiver)minと定義する。
<< Minimum received light quantity of the receiver is required to be 20.5dBm (0dBm = 1mW) or more >>
This is calculated from Bit-Error-Rate (BER) when a 500 Mbps signal is transmitted and received, and since the photoreceiver is a PIN photodiode, the photoreceiver is different (eg, photomultiplier, avalanche photodiode). Etc.) or when the transmission band is different. That is, there must be a minimum amount of received light that can be allowed in a certain transmission band in an arbitrary light receiver. Thus, the allowable minimum amount of light received by the light receiver that satisfies the above conditions is defined as P (Receiver) min.

まず上記の条件からシート状導光体の出射光強度分布がフラットな場合について制約条件を求める。この出射光強度分布がフラットな場合でも、一本の光ファイバにおいて導光路と光ファイバの断面の面積比π/4が必ず損失につながる。ただし、光ファイバのコア径がシート状導光体の厚みに等しいとする。また公差は、今は考慮しない。   First, a constraint condition is obtained for the case where the emission light intensity distribution of the sheet light guide is flat from the above conditions. Even when the emitted light intensity distribution is flat, the area ratio π / 4 between the light guide path and the cross section of the optical fiber in one optical fiber always leads to a loss. However, it is assumed that the core diameter of the optical fiber is equal to the thickness of the sheet-like light guide. Also, tolerances are not considered now.

分岐数(ノード数)をNとすると、光量は1/Nに下がり、かつそのうちπ/4を損失分として計上すると、理想的な場合、受光器が受光する光量P(Receiver)は、
P(Receiver)=Eout・(1/N)・π/4・・・(21)
ここで受光器は、光ファイバからの出射光すべてを受光するものとする。これより、導光体への入射光の光量をPinとすると(21)式は
P(Receiver)=Pin・Eout・(1/N)・π/4・・・(22)
となる。この(22)式の対数をとって受光器の受光光量をdBmで表すと、
P(Receiver)dBm=−10Log{Pin・Eout・(1/N)・π/4}・・(23)
受光光量と分岐数(ノード数)の関係を、入射光量が1mW、10mWの場合について図11に示す。この図11から分かるように、当然のことながら受光光量は出射光量に比例する。また、ここではシート状導光体からの出射光の強度分布をフラットなものと想定しているが、実際には光源の位置が変われば出射光の強度分布も変化する。すなわち、受光光量に増減が生じ、出射光強度の最小部において受光光量も最小になると考えられる。
If the number of branches (number of nodes) is N, the amount of light falls to 1 / N, and if π / 4 is counted as a loss, in an ideal case, the amount of light P (Receiver) received by the receiver is
P (Receiver) = Eout · (1 / N) · π / 4 (21)
Here, it is assumed that the light receiver receives all the light emitted from the optical fiber. From this, if the amount of light incident on the light guide is Pin, the equation (21) is P (Receiver) = Pin · Eout · (1 / N) · π / 4 (22)
It becomes. Taking the logarithm of this equation (22) and expressing the amount of light received by the light receiver in dBm,
P (Receiver) dBm = -10 Log {Pin · Eout · (1 / N) · π / 4} · · (23)
FIG. 11 shows the relationship between the amount of received light and the number of branches (number of nodes) when the incident light amount is 1 mW and 10 mW. As can be seen from FIG. 11, the amount of received light is naturally proportional to the amount of emitted light. Here, it is assumed that the intensity distribution of the emitted light from the sheet-like light guide is flat, but in reality, the intensity distribution of the emitted light changes as the position of the light source changes. That is, it is considered that the amount of received light is increased or decreased, and the amount of received light is minimized at the minimum portion of the emitted light intensity.

ここで、導光体への入射光量Pinが与えられたとき、光源が任意の位置にある場合の出射光の分布形状を、出射光強度分布が長辺となっている方向をx、短辺となっている方向をyとして、規格化強度分布関数D(x,y)で表す。また分岐数(ノード数)で分割された入、出射部における1単位をセグメントと呼ぶことにし、各セグメントの中心に光ファイバの中心(光軸)を理想的に位置決めするものとする。   Here, when the incident light amount Pin to the light guide is given, the distribution shape of the emitted light when the light source is at an arbitrary position, the direction in which the emitted light intensity distribution is the long side is x, and the short side This direction is represented by a normalized intensity distribution function D (x, y), where y is y. Further, one unit in the entrance and exit sections divided by the number of branches (number of nodes) is called a segment, and the center (optical axis) of the optical fiber is ideally positioned at the center of each segment.

故に、i番目のセグメントにおける出射光量の規格化された平均値NPiは、Segiをi番目のセグメントにおける積分領域とすると、

Figure 0004475562
Therefore, the normalized average value NPi of the amount of emitted light in the i-th segment is expressed as follows, where Segi is the integration region in the i-th segment.
Figure 0004475562

ここで、Segmaxは全セグメント中で最大の光量となるセグメントを表す。また、光量が最小となる場合のセグメントにおいては、

Figure 0004475562
Here, Segmax represents a segment having the maximum light quantity among all the segments. In addition, in the segment where the light quantity is minimum,
Figure 0004475562

となる。(23)式において出射全光量Poutは、
Pout=Pin・Eout ・・・・(26)
である。これよりi番目のセグメントにおける光量PSegiは、分岐数=セグメント数=ノード数であるから、

Figure 0004475562
It becomes. In equation (23), the total emitted light amount Pout is
Pout = Pin · Eout (26)
It is. Since the light quantity PSegi in the i-th segment is equal to the number of branches = the number of segments = the number of nodes,
Figure 0004475562

となる。なお本明細書では、上記(27)式に含まれる

Figure 0004475562
It becomes. In this specification, it is included in the above equation (27).
Figure 0004475562

を便宜的にΣNPiと表すこととする。 Is represented as ΣNPi for convenience.

上記(23)式、(27)式をまとめて、出射光強度分布がフラットな場合の1/Nに換えて、
P(Receiver)dBm=−10Log{Pin・Eout・(NPi/ΣNPi)・π/4}
となる。いま必要な数値は、光ファイバから出射する光量が最小の場合であり、それは(25)式より与えられる。すなわち、P(Receiver_min) dBmを受光器の得る最小受光光量とすると、上記式から
P(Receiver_min)dBm=−10Log{Pin・Eout・(NPi(min)/ΣNPi)
・π/4}・・・・(28)
となる。ここでPin:入射光量、Eout:光の取り出し効率、NPi(min):最小光量となるセグメントの光量、ΣNPi:セグメントの光量和である。
Summarizing the above equations (23) and (27), instead of 1 / N when the emitted light intensity distribution is flat,
P (Receiver) dBm = -10 Log {Pin · Eout · (NPi / ΣNPi) · π / 4}
It becomes. The numerical value required now is the case where the amount of light emitted from the optical fiber is the minimum, which is given by the equation (25). That is, if P (Receiver_min) dBm is the minimum amount of light received by the light receiver, P (Receiver_min) dBm = −10 Log {Pin · Eout · (NPi (min) / ΣNPi)
・ Π / 4} (28)
It becomes. Here, Pin: incident light quantity, Eout: light extraction efficiency, NPi (min): light quantity of the segment that becomes the minimum light quantity, and ΣNPi: light quantity sum of the segments.

また、あるBERを満足するために受光器に必要な最小光量をPRmindBmとすると
PRmindBm ≦ P(Receiver_min)dBm
であり、さらに発光器と光ファイバとの結合損失をK、光ファイバとシート状導光体との結合損失をK、光ファイバと受光器との結合損失をK、光ファイバの内部損失KFIとすると、
PRmindBm≦P(Receiver_min)dBm・K・K・K・KFI・・・(29)
であり、この(29)式がシート状導光体を用いた通信システムの必要条件になる。
Also, if PRmin dBm the minimum necessary amount of light to the light receiving device to satisfy certain BER PRmin dBm ≦ P (Receiver_min) dBm
Furthermore, the coupling loss between the light emitter and the optical fiber is K E , the coupling loss between the optical fiber and the sheet-like light guide is K F , the coupling loss between the optical fiber and the light receiver is K R , and the inside of the optical fiber. Let's say loss KFI
PRmin dBm ≦ P (Receiver_min) dBm · K E · K F · K R · K FI (29)
This equation (29) is a necessary condition for a communication system using a sheet-like light guide.

<BER(Bit-Error-Rate)>
BERは、ランダムに発生させたデジタル信号をある通信媒体を通じて送信し、受信したデジタル信号が元のデジタル信号に対してどの程度の食い違いを生じているかを表す指標であり、送信したビット数をBits、ビットエラー数をBiterとすると、
BER=Biter/Bits ・・・・(30)
で表される。
<BER (Bit-Error-Rate)>
The BER is an index that indicates how much the generated digital signal is transmitted through a certain communication medium, and how much the received digital signal is different from the original digital signal. If the number of bit errors is Biter,
BER = Biter / Bits (30)
It is represented by

次に、ビットエラーの発生するメカニズムについて考察する。まず、デジタル変換する際のアナログ波形の歪が、第一要因として挙げられる。また信号レベルが低下した際にビットエラーが増加することから、S/Nも要因として考える必要がある。波形の歪により信号レベルが低下しても、それが(0,1)信号を区別する閾値を安定して超えていればビットエラーは発生しないはずであり、ノイズが外部から飛来し、あるいは内部から発生することにより、歪んだ波形にレベル変化を与えそれがビットエラーの原因になると考えられる(図12参照)。   Next, a mechanism for generating a bit error will be considered. First, distortion of an analog waveform at the time of digital conversion is cited as a first factor. Further, since the bit error increases when the signal level is lowered, it is necessary to consider S / N as a factor. Even if the signal level decreases due to waveform distortion, if it exceeds the threshold value for distinguishing (0, 1) signals stably, no bit error should occur, and noise will come from the outside or internal It is considered that a level change is given to a distorted waveform due to the occurrence of the error, which causes a bit error (see FIG. 12).

シート状導光体を用いた通信システムにおける波形歪みの最大因子は、任意の入射セグメントと出射セグメントとが対応した受信信号自身の歪みと、各入射セングメントと任意の出射セグメントに対応したミキシンング信号に含まれる各信号成分の位相ずれによる波形歪であると考えられる。そして上記の波形歪は信号光の光路差に起因している。光ファイバとシート状導光体とを用いた通信システムにおいて光路差を生じる要素は、シート状導光体自身と光ファイバである。すなわちビットエラーは、アナログ信号をデジタル変換する際に、波形歪により信号レベルが予め決められた閾値を下回ることにより生じると推定される。さらにデジタル信号を送信する際には、基準信号(基準クロック)を付随させるとし、かつ読み取る際にも基準信号と照合すると考えると、基準信号とデジタル化された信号とに位相差(ジッタ)が大きくなるとビットエラーが発生すると考えられる。また、閾値近傍のアナログ信号はノイズによるゆらぎにより閾値を上下し、間違ったデジタル信号に化ける。すなわち、光路差要因とノイズ要因とが複合してビットエラーが発生すると推測される。   The largest factor of waveform distortion in a communication system using a sheet-shaped light guide is the distortion of the received signal itself corresponding to any incident segment and the output segment, and the mixing signal corresponding to each incident segment and any output segment. This is considered to be waveform distortion due to the phase shift of each signal component included. The waveform distortion is caused by the optical path difference of the signal light. In a communication system using an optical fiber and a sheet-like light guide, elements that cause an optical path difference are the sheet-like light guide itself and the optical fiber. That is, it is estimated that a bit error is caused when the signal level falls below a predetermined threshold due to waveform distortion when an analog signal is converted into a digital signal. Furthermore, when transmitting a digital signal, it is assumed that a reference signal (reference clock) is attached, and when a digital signal is read, if it is compared with the reference signal, there is a phase difference (jitter) between the reference signal and the digitized signal. It is considered that a bit error occurs when it becomes large. An analog signal in the vicinity of the threshold value can be converted into an incorrect digital signal by raising or lowering the threshold value due to fluctuations caused by noise. That is, it is presumed that a bit error occurs due to a combination of the optical path difference factor and the noise factor.

<光路差とBER(Bit-Error-Rate)との関係>
シート状導光体を用いた通信システムにおける、4、8、16の各ノード数に対する波形歪をそれぞれ図13aおよびb(4ノード)、図14aおよびb(8ノード)、図15aおよびb(16ノード)に示す。これらの通信システムにおいて、光ファイバの外径は全て1mm、長さは光路差を無視できる1mであり、それらは各々光入射側においても光出射側においても互いに密接して並設されている。
<Relationship between optical path difference and BER (Bit-Error-Rate)>
13A and 13B (4 nodes), FIGS. 14A and B (8 nodes), and FIGS. 15A and 15B (16), respectively, in the communication system using the sheet-like light guide. Node). In these communication systems, the outer diameters of the optical fibers are all 1 mm and the length is 1 m so that the optical path difference can be ignored, and they are arranged in close contact with each other on the light incident side and the light emission side.

また各図における「In」と「Out」の数値はそれぞれ、光入射位置、出射位置をシート状導光体の光ファイバ並び方向中央位置からの距離(mm:光を入射させる光ファイバが有る側には−、それと反対側には+で示す)で表している。すなわち、図13aは上記中央位置から−1.5mmの位置に中心がある光ファイバ、つまり該中央位置から−方向に2本目の光ファイバ(後述の図18を例に挙げれば光ファイバ21)に光を入射させ、同じ位置に中心がある光ファイバ(同様に光ファイバ31)から光を出射させた場合、図13bは上記と同じ位置の光ファイバ(同様に光ファイバ21)に光を入射させ、上記中央位置から+1.5mmの位置に中心がある光ファイバつまり該中央位置から+方向に2本目の光ファイバ(同様に光ファイバ34)から光を出射させた場合の各波形歪を示している。また図14aは上記中央位置から−3.5mmの位置に中心がある光ファイバ、つまり該中央位置から−方向に4本目の光ファイバに光を入射させ、同じ位置に中心がある光ファイバから光を出射させた場合、図14bは上記と同じ位置の光ファイバに光を入射させ、上記中央位置から+3.5mmの位置に中心がある光ファイバつまり該中央位置から+方向に4本目の光ファイバから光を出射させた場合の各波形歪を示している。また図15aは上記中央位置から−7.5mmの位置に中心がある光ファイバ、つまり該中央位置から−方向に8本目の光ファイバに光を入射させ、同じ位置に中心がある光ファイバから光を出射させた場合、図15bは上記と同じ位置の光ファイバに光を入射させ、上記中央位置から+7.5mmの位置に中心がある光ファイバつまり該中央位置から+方向に8本目の光ファイバから光を出射させた場合の各波形歪を示している。   The numerical values of “In” and “Out” in each figure are the light incident position and the light emitting position, respectively, the distance from the center position in the optical fiber alignment direction of the sheet-like light guide (mm: the side where the optical fiber that makes light incident is present Is indicated by-, and the opposite side is indicated by +. That is, FIG. 13a shows an optical fiber centered at a position −1.5 mm from the center position, that is, a second optical fiber in the − direction from the center position (an optical fiber 21 in the case of FIG. 18 described later). When light is incident and light is emitted from an optical fiber having the center at the same position (similarly, optical fiber 31), FIG. 13b allows light to be incident on the optical fiber at the same position as above (also optical fiber 21). Each waveform distortion when light is emitted from an optical fiber centered at +1.5 mm from the central position, that is, from the second optical fiber (similarly, optical fiber 34) in the positive direction from the central position is shown. Yes. FIG. 14a shows an optical fiber centered at −3.5 mm from the center position, that is, light is incident on the fourth optical fiber in the − direction from the center position, and light is transmitted from the optical fiber centered at the same position. 14b, the light is incident on the optical fiber at the same position as above, and the optical fiber having the center at the position of +3.5 mm from the central position, that is, the fourth optical fiber in the + direction from the central position. Each waveform distortion at the time of emitting light from is shown. FIG. 15a shows an optical fiber centered at −7.5 mm from the center position, that is, light is incident on the eighth optical fiber in the − direction from the center position and light is transmitted from the optical fiber centered at the same position. 15b, the light is incident on the optical fiber at the same position as above, and the optical fiber having the center at the position of +7.5 mm from the central position, that is, the eighth optical fiber in the + direction from the central position. Each waveform distortion at the time of emitting light from is shown.

これらの図より、入力信号1Gbpsにおいて、波形歪によるレベル変化は無視できることが分かる。   From these figures, it can be seen that the level change due to waveform distortion can be ignored in the input signal of 1 Gbps.

<S/NとBERとの関係>
読み間違い(ビットエラー)の発生は、信号の質、すなわちS/Nにも関係すると考えられる。つまり、いくら合い隣り合う信号スペクトルの高調波成分を除去した主要成分が分離されていても、高調波成分(ノイズ成分)が大きければ、別々の信号として区別できなくなる。極端な場合を想像すると、ノイズ成分に埋もれた信号は特別にフィルタ処理した場合以外は、通常、検出不可能と考えられる。
<Relationship between S / N and BER>
The occurrence of reading errors (bit errors) is considered to be related to the signal quality, that is, S / N. That is, even if the main components obtained by removing the harmonic components of the adjacent signal spectrum are separated, if the harmonic components (noise components) are large, they cannot be distinguished as separate signals. If an extreme case is imagined, a signal buried in a noise component is usually considered to be undetectable except when specially filtered.

ノイズ成分には熱ノイズ(Johnson Noise)、量子ノイズ(Shot Noise)、発光器や受光器に用いる半導体素子特有の1/fノイズなどのシステム内部で発生するノイズに加えて、放射線ノイズ、誘導ノイズなどの外来ノイズが存在する。ここでは、システム自身の能力について評価するため、外来ノイズは無視することにし、システム内部で発生するノイズに限定して考える。また、1/fノイズの影響は無視する。   In addition to noise generated within the system, such as thermal noise (Johnson Noise), quantum noise (Shot Noise), and 1 / f noise specific to semiconductor elements used in light emitters and receivers, noise components include radiation noise and induced noise. There is external noise such as. Here, in order to evaluate the capability of the system itself, external noise is ignored, and only noise generated inside the system is considered. The influence of 1 / f noise is ignored.

ノイズ成分のパワー(電力)Noise(Total)は、
Noise(Total)=Noise(熱)+Noise(量子)・・(31)
で表され、各成分は、受光素子について電力で表記すると、
Noise(熱) =(4kT/R)・Δν ・・・・(31a)
ただしk:Plank定数
T:等価温度(雑音指数により決まる)
R:受光器の負荷抵抗
Δν:受光器の帯域
Noise(量子) =3e・(P+P)・η・Δν/(hν)
+2ei・Δν ・・・・(31b)
ただしe:電子の電荷
P:信号光光量
:背景光光量
η:量子効率
h:Plank定数
ν:信号光の振動数
:暗電流
Δν:受光器の帯域
ここで、0.5Gbpsの信号を作る上で、出力低下が無い0.25GHz帯域の信号を整流することを考える。つまり、フォトダイオードの帯域は0.25GHzである。この場合、一例として浜松ホトニクス株式会社製Siフォトダイオード:S5973について、P=8.9×10−6W(20.5dBm)、η=0.4、R=50Ω、T=300Kとしてノイズ成分を計算すると、電流値に換算して
Noise(熱rms) =2.88×10−7(A)
Noise(量子rms)=8.19×10−8(A)
となり、トータルの雑音成分は、
Noise(トータルrms)=3.70×10−7(A) ・・・(32)
となる。一方、最小受光光量における信号電流Scは、
Sc=P・e・η・/(h・ν) ・・・・(33)
で与えられるため、最小受光光量での信号電流S(min)cは、
S(min)c =2.46×10−6(A)
となる。故にこの場合の信号対雑音比(S/N)は、S/N(Pmin)=6.65となる。
Noise component power (power) Noise (Total) is
Noise (Total) = Noise (heat) + Noise (quantum) (31)
Each component is expressed in terms of power for the light receiving element.
Noise (heat) = (4kT / R) · Δν · · · (31a)
Where k is the Plank constant
T: Equivalent temperature (determined by noise figure)
R: Receiver load resistance
Δν: Receiver bandwidth
Noise (quantum) = 3e 2 · (P + P B ) · η · Δν / (hν)
+ 2ei d · Δν (31b)
Where e: electron charge
P: Signal light intensity
P B : Background light quantity
η: Quantum efficiency
h: Plank constant
ν: Frequency of signal light
i d : dark current
[Delta] [nu]: Receiver Bandwidth Here, let us consider rectifying a signal in the 0.25 GHz band that does not cause a decrease in output when making a 0.5 Gbps signal. That is, the bandwidth of the photodiode is 0.25 GHz. In this case, as an example, for the Hamamatsu Photonics Si photodiode: S5973, P = 8.9 × 10 −6 W (20.5 dBm), η = 0.4, R = 50Ω, T = 300K, and the noise component When calculated, it is converted into current value
Noise (heat rms) = 2.88 × 10 −7 (A)
Noise (quantum rms) = 8.19 × 10 −8 (A)
And the total noise component is
Noise (total rms) = 3.70 × 10 −7 (A) (32)
It becomes. On the other hand, the signal current Sc at the minimum received light quantity is
Sc = P · e · η · / (h · ν) (33)
Therefore, the signal current S (min) c at the minimum received light quantity is given by
S (min) c = 2.46 × 10 −6 (A)
It becomes. Therefore, the signal-to-noise ratio (S / N) in this case is S / N (Pmin) = 6.65.

さて、ノイズの分布を熱雑音が支配的であるため、Gaussianで近似すると、あるタイミングにおけるシステムノイズがrmsノイズの6.65倍になる場合、すなわち信号電流レベル=雑音電流レベル(S/N=1)となる場合のノイズの発生確率Pr(S/N=1)は、
Pr(S/N=1)≒3.47×10−11
となり、BER≒1×10−11にほぼ近い値となり、前記非特許文献1のBERの発生確率に近い値になる。さらに、デジタル信号の伝送に支障の無い20MHz程度のハイパスフィルタを使った場合、
S/N(Pmin)=6.81
Pr(S/N=1)≒1.31×10−11
となり非特許文献1の記載にほぼ一致する。つまり上記の結果が、BERに関してこれまでの推測が正しいと考え得る根拠である。なお図16に、rms(root mean square)ノイズの大きさとその発生確率との関係を示す。
Now, since thermal noise is dominant in the noise distribution, when Gaussian approximation is used, the system noise at a certain timing is 6.65 times the rms noise, that is, signal current level = noise current level (S / N = The probability of occurrence of noise Pr (S / N = 1) in the case of 1) is
Pr (S / N = 1) ≈3.47 × 10 −11
Thus, the value is almost close to BER≈1 × 10 −11 and close to the probability of occurrence of BER in Non-Patent Document 1. In addition, when a high-pass filter of about 20 MHz that does not interfere with digital signal transmission is used,
S / N (Pmin) = 6.81
Pr (S / N = 1) ≈1.31 × 10 −11
Therefore, it almost coincides with the description in Non-Patent Document 1. In other words, the above result is the basis on which it can be assumed that the previous estimation regarding BER is correct. FIG. 16 shows the relationship between the magnitude of rms (root mean square) noise and its occurrence probability.

さらに、BERに関して推測を一歩進めて、より実際的な手法について考察する。まず、シート状導光体を用いた通信システムにおける代表的なrmsノイズ(電圧値)を測定し、Noise(System_rms)で定義する。また、システムに許容されるBERをBER(accept)とし、そのときの受光信号パワーをPRminとすれば、信号電圧S(PRmin )vは、Rを負荷抵抗として、
S(PRmin )v=PRmin・e・η/(h・ν)×R ・・・・(34)
となる。また、(0,1)信号の閾値レベルをV(Thresh)とし、閾値レベルを考慮したS/N(Thresh)を、
S/N(Thresh)
={S(PRmin )v−V(Thresh)}/Noise(System_rms)・・・(35)
で定義する。(35)式がある値に達したときBEがある確率で発生し、それをS/Nacceptとすると、上記の考察から、そのときのNoise(System_rms)の発生確率がBERに等しいと考えられる。図17に、上記の考察から計算したBERと受光光量との関係を示す。この関係は非特許文献1の実測結果に非常に近く、かつ形状もよく近似している。
In addition, we take a step forward with regard to BER and consider a more practical approach. First, a typical rms noise (voltage value) in a communication system using a sheet-like light guide is measured and defined by Noise (System_rms). Further, if the BER allowed by the system is BER (accept) and the received light signal power at that time is PRmin, the signal voltage S (PRmin) v is obtained by using R as a load resistance.
S (PRmin) v = PRmin · e · η / (h · ν) × R (34)
It becomes. Further, the threshold level of the (0, 1) signal is V (Thresh), and the S / N (Thresh) considering the threshold level is
S / N (Thresh)
= {S (PRmin) v-V (Thresh)} / Noise (System_rms) (35)
Defined in When the expression (35) reaches a certain value and BE is generated with a certain probability, which is assumed to be S / Naccept, it is considered from the above consideration that the probability of occurrence of Noise (System_rms) at that time is equal to BER. FIG. 17 shows the relationship between the BER calculated from the above consideration and the amount of received light. This relationship is very close to the actual measurement result of Non-Patent Document 1, and the shape closely approximates.

またV(Thresh)について考えると、信号成分からノイズ成分を差し引いた値がこれを下回わる場合と、“0”レベルからノイズ成分を加えた値がこれを上回る場合に、BEが発生することになる。故にこのV(Thresh)は、平均信号電圧の半分の値にするのが望ましいと考えられる。   Considering V (Thresh), BE occurs when the value obtained by subtracting the noise component from the signal component falls below this value and when the value obtained by adding the noise component from the “0” level exceeds this value. become. Therefore, it is considered that V (Thresh) is preferably half the average signal voltage.

以上より、シート状導光体を用いた通信システムにおいて、許容されるBERすなわちBER(accept)が与えられ、またシステムのrmsノイズをNoise(System_rms)とした場合に、Noise(System_rms)の発生確率Pr(Noise(System_rms))が、信号波形の歪を考慮する必要の無い帯域において、Qを比例定数として、
Pr(Noise(System_rms)・Q)≦BER(accept) ・・・(36)
を満足する大きさのNoise(System_rms)であり、信号レベルが、2値化における任意の閾値V(Thresh)を与えた場合に、
{S(PRmin )v−V(Thresh)}>Noise(System_rms)・Q ・・・(37)
を満足する入力信号PRminであって、かつ該(37)式を満足する受光器から負荷抵抗を介して出力する信号電圧S(PRmin )vとなる通信システムが定義できる。
From the above, in a communication system using a sheet-like light guide, when an allowable BER, that is, BER (accept) is given and the rms noise of the system is Noise (System_rms), the probability of occurrence of Noise (System_rms) In a band where Pr (Noise (System_rms)) does not need to consider distortion of the signal waveform, Q is a proportional constant,
Pr (Noise (System_rms) · Q) ≦ BER (accept) (36)
Noise (System_rms) with a size satisfying the above, and when the signal level gives an arbitrary threshold V (Thresh) in binarization,
{S (PRmin) v-V (Thresh)}> Noise (System_rms) · Q (37)
An input signal PRmin that satisfies the above equation and a signal voltage S (PRmin) v output from the light receiver that satisfies the equation (37) via the load resistor can be defined.

あるいは上記(37)式は、前記の理由から
S(PRmin )v/2>Noise(System_rms)・Q ・・・・(38)
としても定義できる。
Alternatively, the above equation (37) is obtained from the above-described reason: S (PRmin) v / 2> Noise (System_rms) · Q (38)
Can be defined as

さらに、BERをシステム内部で測定できるような回路構成を持たせて、BER(accept)を満足するように光源の出力パワーPRminを調整して、(37)式および(38)式を満足させるようにしてもよい。この場合、BER測定回路から光源側にフィードバックするデジタル回路を設け、本デジタル回路は、BER(accept)から決められたテーブルにより光源光量を制御するものとすることにより、システム自身が発生するNoise(System_rms)以外の外来ノイズにも対応可能となる。   Further, by providing a circuit configuration capable of measuring the BER inside the system, the output power PRmin of the light source is adjusted so as to satisfy the BER (accept), and the expressions (37) and (38) are satisfied. It may be. In this case, a digital circuit that feeds back from the BER measurement circuit to the light source side is provided, and this digital circuit controls the light source light amount by a table determined from BER (accept), so that the noise generated by the system itself ( External noise other than (System_rms) can also be supported.

なお本発明の通信システムにおいて、特にシート状導光体として、導光体本体の表面を被覆する保護層を有するものが用いられた場合は、外部からの衝撃や圧力によって導光体本体が破壊あるいは破損することが防止されるので、システムの信頼性が向上する。   In the communication system of the present invention, in particular, when a sheet-like light guide having a protective layer covering the surface of the light guide body is used, the light guide body is destroyed by an external impact or pressure. Or since it is prevented from being damaged, the reliability of the system is improved.

またその場合、特に保護層と導光体本体表面との間にクラッド層が形成されていれば、シート表面に到達した信号光の多くは該表面とクラッド層との界面で全反射するようになるので、この信号光が保護層に吸収されることを防止して、高い光伝搬効率を実現可能となる。   In this case, particularly, if a cladding layer is formed between the protective layer and the light guide body surface, most of the signal light reaching the sheet surface is totally reflected at the interface between the surface and the cladding layer. Therefore, this signal light is prevented from being absorbed by the protective layer, and high light propagation efficiency can be realized.

さらに、上記クラッド層のシート状導光体本体に対する屈折率差が、シート状導光体本体における信号光の最大入射角に対して全反射条件を満足する値となっていれば、シート状導光体をある程度屈曲させても、屈曲させない場合と同等の高い光伝搬効率を確保できる。そこで、そのようなシート状導光体を用いた本発明の通信システムは、例えば狭い機械内の配線用に従来用いられているフレキシブル基板やフラットケーブルを用いる通信システムに代えて、その種の用途に広く適用し得るものとなる。しかも本発明のシート状導光体を用いた通信システムは、単に上記従来品に置き換えられ得るだけではなく、光信号で通信するものであるから電磁ノイズに強く、他方、光信号で通信するシステムの中でも光ファイバを用いる通信システムと比べれば安価に構築可能なものとなる。   Furthermore, if the refractive index difference of the clad layer with respect to the sheet-shaped light guide body is a value that satisfies the total reflection condition with respect to the maximum incident angle of the signal light in the sheet-shaped light guide body, the sheet-shaped light guide. Even if the light body is bent to some extent, high light propagation efficiency equivalent to that when the light body is not bent can be secured. Therefore, the communication system of the present invention using such a sheet-like light guide is, for example, such a use instead of a communication system using a flexible substrate or a flat cable conventionally used for wiring in a narrow machine. It can be widely applied to. In addition, the communication system using the sheet-like light guide according to the present invention is not only simply replaced with the above-mentioned conventional product, but also communicates with an optical signal, so it is resistant to electromagnetic noise, while the system communicates with an optical signal. Among them, it can be constructed at a lower cost than a communication system using optical fibers.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図18は、本発明の一実施の形態によるシート状導光体を用いた通信システムの平面形状を示すものである。図示されるようにこのシステムは、1つのシート状導光体10の一端面に一例として4本の光ファイバ21、22、23および24が結合されるとともに、他端面にも4本の光ファイバ31、32、33および34が結合されてなる4ノードタイプのものである。シート状導光体10は、厚みが1mm、幅が4mm、長さが30mmに形成されたものである。   FIG. 18 shows a planar shape of a communication system using a sheet light guide according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, this system has four optical fibers 21, 22, 23, and 24 coupled to one end face of one sheet-like light guide 10 as an example, and four optical fibers on the other end face. The four-node type is formed by combining 31, 32, 33 and 34. The sheet-shaped light guide 10 is formed to have a thickness of 1 mm, a width of 4 mm, and a length of 30 mm.

ここで本実施の形態においては、許容されるビットエラーレートBER(accept)は、一般にエラーフリーとされる限界の1×10−11である。一方、上記シート状導光体10の光取り出し効率Eout=0.9とする。この場合、前述の(14)式より、粒子直径を7μmとすると、粒子密度Npは0.93×10(個/mm)となる。言い換えれば、粒子直径および粒子密度Npをこの値にしておくことにより、(14)式が満足されることになる。 Here, in the present embodiment, the allowable bit error rate BER (accept) is 1 × 10 −11 which is a limit that is generally regarded as error-free. On the other hand, the light extraction efficiency Eout of the sheet-like light guide 10 is set to 0.9. In this case, when the particle diameter is 7 μm, the particle density Np is 0.93 × 10 4 (pieces / mm 3 ) based on the above-described equation (14). In other words, the equation (14) is satisfied by setting the particle diameter and the particle density Np to these values.

次に、このシステムの信号対雑音比(S/N)を求める。前記(28)式に基づくシミュレーションによれば、このとき受光器40が得る最小受光光量P(Receiver_min) dBmは10.5(dBm)となる。ただし、Pin=1.0mW、Eout=0.9、NPi(min)/ΣNPi≒0.15とした。 Next, the signal-to-noise ratio (S / N) of this system is determined. According to the simulation based on the equation (28), the minimum received light quantity P (Receiver_min) dBm obtained by the light receiver 40 at this time is 10.5 (dBm). However, Pin = 1.0 mW, Eout = 0.9, NPi (min) /ΣNPi≈0.15.

そして、最小受光光量P(Receiver_min) dBmとなる任意のノードで前記(28)式および(29)式が満足されるものとする。なおここで、経験的な事実並びに公差解析から、(29)式中の発光器と光ファイバとの結合損失:K、光ファイバとシート状導光体との結合損失:K、光ファイバと受光器との結合損失:Kの値はそれぞれ概略1dBであることが分かっている。 It is assumed that the above equations (28) and (29) are satisfied at an arbitrary node where the minimum received light amount P (Receiver_min) dBm . Here, from empirical facts and tolerance analysis, the coupling loss between the light emitter and the optical fiber in the equation (29): K E , the coupling loss between the optical fiber and the sheet-like light guide: K F , and the optical fiber coupling loss between the light receiver: it has been found that the value of K R is a schematic 1dB, respectively.

次に光ファイバの内部損失KFIを求める。ここでは、コアがPMMAからなるプラスチック光ファイバを使用するものとし、その場合の光ファイバの伝搬損失は約0.15〜0.2dB/mである。該通信システムが配置される装置内の配線を考慮した場合、シート状導光体10の両端で合わせて10m程度のファイバ長さが必要であるとすると、光ファイバの内部損失KFIは最大で2dB程度となる。(29)式において、この内部損失KFIとその他の結合損失を加算すると、受光器に必要な最小光量PRmin=15.5(dBm)となる。Watts表示ではPRmin=0.028(mW)である。 Next, the internal loss KFI of the optical fiber is obtained. Here, a plastic optical fiber whose core is made of PMMA is used, and the propagation loss of the optical fiber in this case is about 0.15 to 0.2 dB / m. Considering the wiring in the apparatus in which the communication system is arranged, if the fiber length of about 10 m is required at both ends of the sheet-like light guide 10, the internal loss KFI of the optical fiber is the maximum. It becomes about 2 dB. (29) In the equation, adding the other coupling loss and the internal loss K FI, a minimum amount PRmin = 15.5 (dBm) required for the receiver. In the Watts display, PRmin = 0.028 (mW).

よって信号電流Scは、帯域を500MHzとして(この帯域では、シミュレーション結果から、波形歪は考慮する必要はない)、前述の(33)式よりSc=8.01×10−6(A)となる。一方ノイズ成分は、前述の(31a)、(31b)式よりNoise(System_rms)=5.28×10−7(A)である。故にこの場合の信号対雑音比(S/N)は15.2となる。 Therefore, the signal current Sc is set to Sc = 8.01 × 10 −6 (A) from the above-described equation (33), assuming that the band is 500 MHz (in this band, it is not necessary to consider the waveform distortion from the simulation result). . On the other hand, the noise component is Noise (System_rms) = 5.28 × 10 −7 (A) from the above-described equations (31a) and (31b). Therefore, the signal-to-noise ratio (S / N) in this case is 15.2.

ここでV(Thresh)=S(PRmin )v/2とした上で、上記の結果を(37)式に代入すると、15.2/2=7.6となるので、Noise(System_rms)・7.6のノイズ振幅が発生する確率が、所望のBERより小さければ前記(36)式を満たすことになる。この場合のNoise(System_rms)・Qの発生確率は4×10−15である。つまり、許容されるビットエラーレートBER(accept)=1×10−11であるので、前記(36)式の条件を満足している。 Here, when V (Thresh) = S (PRmin) v / 2 is substituted into the equation (37), 15.2 / 2 = 7.6, so that Noise (System_rms) · 7 When the probability that a noise amplitude of .6 is generated is smaller than the desired BER, the above equation (36) is satisfied. In this case, the probability of occurrence of Noise (System_rms) · Q is 4 × 10 −15 . That is, since the allowable bit error rate BER (accept) = 1 × 10 −11 , the condition of the expression (36) is satisfied.

次に、本発明の別の実施形態によるシート状導光体を用いた通信システムについて、図19を参照して説明する。同図の(1)は本実施形態において用いられるシート状導光体50の一部破断側面形状を示すものであり、また同図の(2)は、同図(1)のA1−A1線に沿った部分の断面形状を示すものである。このシート状導光体50は、図18に示したシート状導光体10と同様に、シート状の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなる導光体本体51を有するものであるが、それに加えて、該導光体本体51の表面(入・出射端面51a以外の面)を覆うように形成されたクラッド層52と、該クラッド層52の外周をさらに覆う保護層53とを有している。   Next, a communication system using a sheet light guide according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. (1) in the figure shows a partially broken side surface shape of the sheet-like light guide 50 used in the present embodiment, and (2) in the figure shows a line A1-A1 in the figure (1). The cross-sectional shape of the part along line is shown. This sheet-like light guide 50 has a light guide body 51 containing particles that scatter light in a sheet-like optical medium, like the sheet-like light guide 10 shown in FIG. In addition to this, a cladding layer 52 formed so as to cover the surface of the light guide body 51 (a surface other than the input / output end face 51a), and a protective layer 53 further covering the outer periphery of the cladding layer 52, have.

シート状導光体本体51は、光を散乱させる粒子を含有してシート状に成形されたPMMAからなり、一方の入・出射端面51aから入射した光を上記粒子により散乱させながら他方の入・出射端面51a側に伝搬させる。クラッド層52は具体的には、上記PMMAより低屈折率の例えば紫外線硬化樹脂やシリコン樹脂等の材料を、導光体本体51の表面に塗布あるいは蒸着して形成されたものである。なお、このクラッド層52のシート状導光体本体51に対する屈折率差は、シート状導光体本体51における信号光SLの入射角θmの最大値に対して全反射条件を満足する値とされている。   The sheet-like light guide body 51 is made of PMMA molded into a sheet shape containing particles that scatter light, and the light incident from one input / output end face 51a is scattered by the particles while the other input / output Propagation to the emission end face 51a side. Specifically, the cladding layer 52 is formed by applying or vapor-depositing a material having a lower refractive index than that of the PMMA, such as an ultraviolet curable resin or a silicon resin, on the surface of the light guide body 51. The refractive index difference of the clad layer 52 with respect to the sheet-like light guide body 51 is a value that satisfies the total reflection condition with respect to the maximum value of the incident angle θm of the signal light SL in the sheet-like light guide body 51. ing.

また、シート状導光体本体51の2つの入・出射端面51aには、それぞれ送・受光ユニット54が固定されている。1つの送・受光ユニット54は、上記入・出射端面51aに直接光学的に結合された3個の受光器55および1個の送光器56を備えて成るものである。つまり本実施形態の通信システムは、4ノードタイプのものである。なお送・受光ユニット54は、上述のように入・出射端面51aに直接光学的に結合させる他、該入・出射端面51aと光ファイバ等を介して結合させてもよい。   A transmission / reception unit 54 is fixed to each of the two input / output end faces 51a of the sheet-like light guide body 51. One transmitter / receiver unit 54 includes three receivers 55 and one transmitter 56 optically coupled directly to the input / output end face 51a. That is, the communication system of this embodiment is of a four node type. The transmission / reception unit 54 may be optically coupled to the input / output end face 51a as described above, or may be connected to the input / output end face 51a via an optical fiber or the like.

本実施形態においては、例えば同図(1)中左方の送・受光ユニット54の送光器56から変調された信号光SLが発せられ、シート状導光体本体51を伝搬したその信号光SLが、図中右方の送・受光ユニット54の3個の受光器55によって受光される。また、これとは反対に、同図(1)中右方の送・受光ユニット54から図中左方の送・受光ユニット54に向けて信号光SLを伝搬させることもできるので、双方向通信が実現される。   In the present embodiment, for example, the modulated signal light SL is emitted from the light transmitter 56 of the transmission / reception unit 54 on the left side in FIG. 1A, and the signal light propagated through the sheet-like light guide body 51. SL is received by the three light receivers 55 of the transmission / reception unit 54 on the right side of the drawing. On the other hand, since the signal light SL can be propagated from the right transmission / reception unit 54 in the figure (1) to the left transmission / reception unit 54 in the figure, bidirectional communication is possible. Is realized.

本実施形態においては、シート状導光体50として、導光体本体51の表面を被覆する保護層53を有するものが用いられているので、外部からの衝撃や圧力によって導光体本体51が破壊あるいは破損することが防止され、通信システムの信頼性が向上する。   In the present embodiment, since the sheet-like light guide 50 having the protective layer 53 that covers the surface of the light guide body 51 is used, the light guide body 51 is caused by an external impact or pressure. The destruction or damage is prevented, and the reliability of the communication system is improved.

またこのシート状導光体50は、特に上記保護層53と導光体本体51の表面との間に、導光体本体51より低屈折率のクラッド層52を有しているので、導光体本体51の表面に到達した信号光SLの多くは該表面とクラッド層52との界面で全反射するようになる。そこで本通信システムにおいては、信号光SLが保護層53に吸収されることを防止して、高い光伝搬効率を確保可能となる。   The sheet-like light guide 50 has a cladding layer 52 having a lower refractive index than that of the light guide body 51, particularly between the protective layer 53 and the surface of the light guide body 51. Most of the signal light SL that reaches the surface of the body main body 51 is totally reflected at the interface between the surface and the cladding layer 52. Therefore, in this communication system, it is possible to prevent the signal light SL from being absorbed by the protective layer 53 and to ensure high light propagation efficiency.

さらに、上記クラッド層52のシート状導光体本体51に対する屈折率差は、シート状導光体本体51における信号光SLの入射角θmの最大値に対して全反射条件を満足する値とされているので、シート状導光体50をある程度屈曲させても、屈曲させない場合と同等の高い光伝搬効率を確保可能となる。そこで本実施形態の通信システムは、例えば狭い機械内の配線用に従来用いられているフレキシブル基板やフラットケーブルを用いる通信システムに代えて、そのような用途に広く適用し得るものとなる。   Further, the refractive index difference of the clad layer 52 with respect to the sheet-like light guide body 51 satisfies the total reflection condition with respect to the maximum value of the incident angle θm of the signal light SL in the sheet-like light guide body 51. Therefore, even if the sheet-like light guide 50 is bent to some extent, it is possible to ensure high light propagation efficiency equivalent to that when the sheet-like light guide 50 is not bent. Therefore, the communication system according to the present embodiment can be widely applied to such applications in place of, for example, a communication system using a flexible substrate or a flat cable conventionally used for wiring in a narrow machine.

しかも本実施形態の通信システムは、単に上記従来品に置き換えられ得るだけではなく、光信号で通信するものであるから電磁ノイズに強く、他方、光信号で通信するシステムの中でも光ファイバを用いる通信システムと比べれば安価に構築可能なものとなる。   In addition, the communication system of the present embodiment can be replaced not only with the above-mentioned conventional product, but also communicates with an optical signal, so it is resistant to electromagnetic noise. On the other hand, communication using an optical fiber in a system that communicates with an optical signal. Compared to a system, it can be constructed at a low cost.

次に図20の(1)は、本発明の通信システムに用いられるさらに別のシート状導光体60の一部破断側面形状を示すものであり、また同図の(2)は、同図(1)のA2−A2線に沿った部分の断面形状を示している。なおこの図20において、図19中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する(以下、同様)。   Next, (1) of FIG. 20 shows a partially broken side surface shape of still another sheet-shaped light guide 60 used in the communication system of the present invention, and (2) of FIG. The cross-sectional shape of the part along the A2-A2 line of (1) is shown. In FIG. 20, the same elements as those in FIG. 19 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless necessary (the same applies hereinafter).

ここに示されるシート状導光体60は、図19に示したシート状導光体50から保護層53が除かれた形のものである。このようなシート状導光体60においても、クラッド層52がシート状導光体本体51を覆う保護層として機能するので、外部からの衝撃や圧力によって導光体本体51が破壊あるいは破損することが防止され、通信システムの信頼性が高められる。   The sheet-like light guide 60 shown here has a shape in which the protective layer 53 is removed from the sheet-like light guide 50 shown in FIG. Also in such a sheet-like light guide 60, since the clad layer 52 functions as a protective layer covering the sheet-like light guide body 51, the light guide body 51 is destroyed or damaged by an external impact or pressure. Is prevented, and the reliability of the communication system is improved.

次に図21の(1)は、本発明の通信システムに用いられるさらに別のシート状導光体70の一部破断側面形状を示すものであり、また同図の(2)は、同図(1)のA3−A3線に沿った部分の断面形状を示している。ここに示されるシート状導光体70は、図19に示したシート状導光体50からクラッド層52が除かれた形のものである。このシート状導光体70においても、保護層53がシート状導光体本体51を覆って保護するので、外部からの衝撃や圧力によって導光体本体51が破壊あるいは破損することが防止され、通信システムの信頼性が高められる。なおこの場合は、保護層53を光反射性の材料を用いて形成することにより、伝搬する信号光がそこに吸収されることを防止できる。   Next, (1) of FIG. 21 shows a partially broken side surface shape of still another sheet light guide 70 used in the communication system of the present invention, and (2) of FIG. The cross-sectional shape of the part along the A3-A3 line of (1) is shown. The sheet-like light guide 70 shown here has a shape in which the cladding layer 52 is removed from the sheet-like light guide 50 shown in FIG. Also in this sheet-like light guide 70, since the protective layer 53 covers and protects the sheet-like light guide body 51, the light guide body 51 is prevented from being broken or damaged by an external impact or pressure. The reliability of the communication system is improved. In this case, by forming the protective layer 53 using a light reflective material, it is possible to prevent the propagating signal light from being absorbed therein.

次に図22の(1)は、本発明の通信システムに用いられるさらに別のシート状導光体80の一部破断側面形状を示すものであり、また同図の(2)は、同図(1)のA4−A4線に沿った部分の断面形状を示している。ここに示されるシート状導光体80は、図19に示したシート状導光体50とはノード数が異なるものである。つまり本例では、1つの送・受光ユニット81が7個の受光器55および1個の送光器56を備えており、8ノードの通信システムが構成されている。このシート状導光体80もクラッド層52および保護層53を有しているので、該シート状導光体80を用いることにより、図19のシート状導光体50を用いる場合と同様の効果を得ることができる。   Next, (1) of FIG. 22 shows a partially broken side surface shape of still another sheet light guide 80 used in the communication system of the present invention, and (2) of FIG. The cross-sectional shape of the part along the A4-A4 line of (1) is shown. The sheet-like light guide 80 shown here has a different number of nodes from the sheet-like light guide 50 shown in FIG. That is, in this example, one light transmission / reception unit 81 includes seven light receivers 55 and one light transmitter 56, and an eight-node communication system is configured. Since the sheet-like light guide 80 also has the clad layer 52 and the protective layer 53, the use of the sheet-like light guide 80 has the same effect as the case where the sheet-like light guide 50 of FIG. 19 is used. Can be obtained.

次に図23を参照して、本発明の別の実施形態による双方向通信システムについて説明する。本実施形態では、先に図18に示したものと基本的に同じ構成を有するシート状導光体10が用いられている。そしてこのシート状導光体10の入・出射端面となる一端面、他端面にはそれぞれ、3個の受光器55および1個の送光器56が直接光学的に結合されている。つまり本実施形態でも、双方向通信可能な4ノードタイプの通信システムが構成されている。   Next, a bidirectional communication system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a sheet-like light guide 10 having basically the same configuration as that shown in FIG. 18 is used. Then, three light receivers 55 and one light transmitter 56 are directly optically coupled to one end surface and the other end surface, which are input and output end surfaces of the sheet-like light guide 10, respectively. That is, also in this embodiment, a four-node type communication system capable of bidirectional communication is configured.

上記受光器55にはそれぞれデマルチプレクサ84が接続されている。また送光器56としては、例えば高速の直接変調が可能な半導体レーザが適用されており、該送光器56はLDドライバ83によって駆動される。このLDドライバ83および上記デマルチプレクサ84の動作は、コントローラ85によって制御される。   A demultiplexer 84 is connected to each of the light receivers 55. As the light transmitter 56, for example, a semiconductor laser capable of high-speed direct modulation is applied, and the light transmitter 56 is driven by an LD driver 83. The operations of the LD driver 83 and the demultiplexer 84 are controlled by a controller 85.

以下、この通信システムの動作を、一例として図中左から右側に信号光を伝搬させる場合を例にとって説明する。図中左側のコントローラ85には、4チャンネルの情報を担う信号SQが時分割してシリアルに入力される。コントローラ85は入力されたこの信号SQに基づいてLDドライバ83の動作を制御し、送光器56を構成する半導体レーザを直接変調駆動させる。こうして送光器56から発せられた4チャンネルの信号光は、シート状導光体10を伝搬して、図中右側の3つの受光器55に受光される。各受光器55が光電変換して出力する電気信号は、それぞれデマルチプレクサ84に入力される。デマルチプレクサ84はシリアル入力された4チャンネルの電気信号を、それぞれ別個の系統に分離して出力する。   Hereinafter, the operation of this communication system will be described as an example in which signal light is propagated from left to right in the drawing. The controller 85 on the left side of the figure receives a signal SQ carrying information on four channels in a time-division manner and is serially input. The controller 85 controls the operation of the LD driver 83 based on the input signal SQ, and directly modulates and drives the semiconductor laser constituting the light transmitter 56. Thus, the four-channel signal light emitted from the light transmitter 56 propagates through the sheet light guide 10 and is received by the three light receivers 55 on the right side in the drawing. The electrical signals output by photoelectric conversion of each light receiver 55 are input to the demultiplexer 84, respectively. The demultiplexer 84 separates the serially input 4-channel electrical signals into separate systems and outputs them.

こうして本実施形態においては、4チャンネルの各電気信号が各々3系統にパラレルに伝送されることになる。この信号分割を、シート状導光体10だけで行おうとすると、合計12チャンネルのノードに送光用の1ノードを併せて合計13ノードが必要となる。このようにシート状導光体10のノード数を増やすと伝送信号のS/Nが低下するおそれがあるが、デマルチプレクサ84を用いて信号分割を電気的に行うことにより、ノード数を少なく抑えて、伝送信号のS/N低下を防止できる。   Thus, in the present embodiment, each of the four channels of electrical signals is transmitted in parallel to three systems. If this signal division is to be performed only by the sheet-like light guide 10, a total of 13 nodes are required, including a total of 12 channels and one node for light transmission. If the number of nodes of the sheet-like light guide 10 is increased in this way, the S / N of the transmission signal may be reduced. However, by electrically dividing the signal using the demultiplexer 84, the number of nodes can be reduced. Thus, it is possible to prevent a decrease in S / N of the transmission signal.

なお、上述のようなデマルチプレクサを用いる通信システムにおいても、図19〜22に示したような保護層を有するシート状導光体が適用可能である。   Note that a sheet-like light guide having a protective layer as shown in FIGS. 19 to 22 can also be applied to a communication system using the demultiplexer as described above.

次に図24を参照して、本発明のさらに別の実施形態による通信システムについて説明する。本実施形態では、曲がり部を有する導光体88を用いて通信システムが構成されている。この導光体88は、先に図18に示したものと基本的に同じ構成を有するシート状導光体10が2個と、これらのシート状導光体10がそれぞれ光学的に結合された角度変換導光体90とから構成されている。角度変換導光体90は、円環を1/4切り取った形の断面形状を有しており、一方のシート状導光体10に結合する端面と他方のシート状導光体10に結合する端面が互いに90°の角度をなす状態となっている。この角度変換導光体90は、例えばPMMA等の樹脂を射出成形してなるものであり、特に大きな外力が加えられない限り上記形状を維持する。   Next, referring to FIG. 24, a communication system according to still another embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the communication system is configured using the light guide 88 having a bent portion. In this light guide 88, two sheet-like light guides 10 having basically the same configuration as that shown in FIG. 18 are combined, and these sheet-like light guides 10 are optically coupled to each other. An angle conversion light guide 90 is included. The angle conversion light guide 90 has a cross-sectional shape obtained by cutting a quarter of an annulus, and is joined to one sheet-like light guide 10 and the other sheet-like light guide 10. The end surfaces are in an angle of 90 ° with each other. The angle conversion light guide 90 is formed by injection molding a resin such as PMMA, for example, and maintains the above shape unless a particularly large external force is applied.

したがって、一方のシート状導光体10に結合されている送・受光ユニット54から発せられて、他方のシート状導光体10に結合されている送・受光ユニット54に向けて伝搬する信号光は、この角度変換導光体90において伝搬方向を90°変えるようになる。   Therefore, the signal light emitted from the transmission / reception unit 54 coupled to one sheet-shaped light guide 10 and propagates toward the transmission / reception unit 54 coupled to the other sheet-shaped light guide 10 The angle conversion light guide 90 changes the propagation direction by 90 °.

シート状導光体を用いた通信システムを各種機器内に導入する場合、シート状導光体を屈曲させなければならないことも多い。ところが、シート状導光体は一般にある程度の厚みを有して、可撓性が高いものではないので、特に機器内空間が狭い場合には、屈曲配置が不可能になることもある。この点は、各種機器内の電線による通信システムを、シート状導光体を用いた通信システムに置き換える上で、深刻な問題となる。   When introducing a communication system using a sheet light guide into various devices, the sheet light guide often needs to be bent. However, since the sheet-like light guide generally has a certain thickness and is not highly flexible, it may not be possible to bend the sheet-shaped light guide, particularly when the space in the device is narrow. This point becomes a serious problem when the communication system using electric wires in various devices is replaced with a communication system using a sheet light guide.

しかし上記導光体88を用いた通信システムは、上述のような角度変換導光体90を備えたことにより、たとえシート状導光体10が屈曲困難であっても、通信経路を屈曲させて、狭い機器内空間に容易に適用可能となる。そこで本実施形態の通信システムは、例えば狭い機械内の配線用に従来用いられているフレキシブル基板やフラットケーブルを用いる通信システムに代えて、広く適用し得るものとなる。しかもこの通信システムは、単に上記従来品に置き換えられ得るだけではなく、光信号で通信するものであるから電磁ノイズに強く、他方、光信号で通信するシステムの中でも光ファイバを用いる通信システムと比べれば安価に構築可能なものとなる。   However, the communication system using the light guide 88 includes the angle conversion light guide 90 as described above, so that even if the sheet light guide 10 is difficult to bend, the communication path is bent. Therefore, it can be easily applied to a narrow space in a device. Therefore, the communication system of this embodiment can be widely applied in place of, for example, a communication system using a flexible substrate or a flat cable conventionally used for wiring in a narrow machine. In addition, this communication system can be replaced not only by the above conventional products, but also is resistant to electromagnetic noise because it communicates with optical signals. On the other hand, it is compared with a communication system using optical fibers among systems communicating with optical signals. If it can be constructed at a low cost.

なお角度変換導光体90は、シート状導光体10と同じ材料に限らず、それとは異なる材料から形成されても構わない。また角度変換導光体90は、シート状導光体10と別体に形成して後から該シート状導光体10と結合する他、射出成形等により最初からシート状導光体10と一体的に形成されてもよい。またこの角度変換導光体90には、シート状導光体10と同様に光を散乱させる粒子を含有させても、させなくてもよいが、出射光の強度分布を均一化する上では、勿論含有させるのが望ましい。   The angle conversion light guide 90 is not limited to the same material as the sheet light guide 10, and may be formed from a different material. In addition, the angle conversion light guide 90 is formed separately from the sheet light guide 10 and is combined with the sheet light guide 10 later, and is integrated with the sheet light guide 10 from the beginning by injection molding or the like. It may be formed automatically. Further, the angle conversion light guide 90 may or may not contain particles that scatter light in the same manner as the sheet light guide 10, but in order to make the intensity distribution of emitted light uniform, Of course, it is desirable to contain.

さらに上記角度変換導光体90は、図25に示すように複数用いて、屈曲部の多いより複雑な導光体89を構成することも可能である。   Further, a plurality of the angle conversion light guides 90 can be used as shown in FIG. 25 to form a more complicated light guide 89 having many bent portions.

また角度変換導光体の形状も、上述した角度変換導光体90のような形状に限られるものではなく、図26に例示するような形状を適宜採用することもできる。なおこの図26は、角度変換導光体の幅方向に垂直な面内の断面形状を示している。同図(1)に示す角度変換導光体90aは、上述の角度変換導光体90と同様に光の伝搬角度を90°変換するものであるが、円弧状ではなく、直線状部分が折れ曲がった断面形状を有するものである。また同図(2)に示す角度変換導光体90bは、光の伝搬角度を180°変換するもので、円弧状の断面形状を有するものである。また同図(3)に示す角度変換導光体90cは、上記角度変換導光体90bと同様に光の伝搬角度を180°変換するものであるが、円弧状ではなく、直線状部分が折れ曲がった断面形状を有するものである。   Also, the shape of the angle conversion light guide is not limited to the shape of the angle conversion light guide 90 described above, and the shape illustrated in FIG. FIG. 26 shows a cross-sectional shape in a plane perpendicular to the width direction of the angle conversion light guide. The angle conversion light guide 90a shown in FIG. 1A converts the light propagation angle by 90 ° in the same manner as the angle conversion light guide 90 described above. However, the angle conversion light guide 90a is not an arc shape but a linear portion is bent. It has a cross-sectional shape. An angle conversion light guide 90b shown in FIG. 2B converts the light propagation angle by 180 ° and has an arcuate cross-sectional shape. The angle conversion light guide 90c shown in FIG. 3 (3) converts the light propagation angle by 180 ° as in the case of the angle conversion light guide 90b. However, the angle conversion light guide 90c is not an arc shape but a linear portion is bent. It has a cross-sectional shape.

なお、上述のような角度変換導光体を用いる通信システムにおいても、図23に示したデマルチプレクサを用いることが可能であり、さらには、図19〜22に示したような保護層を有するシート状導光体を適用することも可能である。   In the communication system using the angle conversion light guide as described above, the demultiplexer shown in FIG. 23 can be used, and furthermore, a sheet having a protective layer as shown in FIGS. It is also possible to apply a shaped light guide.

次に図27を参照して、本発明のさらに別の実施形態による通信システムについて説明する。同図(1)、(2)はそれぞれ、本実施形態に用いられる導光体150およびその周辺部分の平面形状、側面形状を示している。図示の通り本実施形態では、先に図18に示したシート状導光体10と基本的に同じ構成を有するシート状導光体91と、このシート状導光体91の両端面に接合された2つのテーパ状導光体92とからなる導光体150が用いられている。そして、一方のテーパ状導光体92には4本の光ファイバ21、22、23および24が結合され、他方のテーパ状導光体92にも同様に4本の光ファイバ31、32、33および34が結合されている。   Next, a communication system according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIGS. 1A and 1B respectively show the planar shape and the side surface shape of the light guide 150 used in the present embodiment and its peripheral portion. As shown in the figure, in the present embodiment, a sheet-like light guide 91 having basically the same configuration as the sheet-like light guide 10 previously shown in FIG. 18 is joined to both end faces of the sheet-like light guide 91. A light guide 150 composed of two tapered light guides 92 is used. The four optical fibers 21, 22, 23 and 24 are coupled to one tapered light guide 92, and the four optical fibers 31, 32, 33 are similarly connected to the other tapered light guide 92. And 34 are joined.

なお、上記シート状導光体91およびテーパ状導光体92は、詳しい図示は省いてあるが、図19に示したクラッド層52および保護層53と同様のクラッド層および保護層を有するものであり、図27(2)ではそれらの内側の導光体本体の外形形状を破線で示してある。また光ファイバ21〜24および31〜34についても、同図においてコア部の外形形状を破線で示してある。図示の通りテーパ状導光体92の導光体本体は、光ファイバ21〜24および31〜34側ではそのコアの外径とほぼ等しい厚さとされ、シート状導光体91側ではその導光体本体の厚さとほぼ等しい厚さとされている。   The sheet-like light guide 91 and the tapered light guide 92 are not shown in detail, but have the same clad layer and protective layer as the clad layer 52 and protective layer 53 shown in FIG. In FIG. 27 (2), the outer shape of the light guide body inside them is indicated by a broken line. In addition, for the optical fibers 21 to 24 and 31 to 34, the outer shape of the core portion is indicated by a broken line in FIG. As shown in the figure, the light guide body of the tapered light guide 92 has a thickness substantially equal to the outer diameter of the core on the optical fibers 21 to 24 and 31 to 34 side, and the light guide on the sheet light guide 91 side. The thickness is approximately equal to the thickness of the body.

上記光ファイバ21〜24および31〜34は、シート状導光体91の厚さよりも大きいコア径を有するものである。そこで、これらの光ファイバ21〜24および31〜34をそれぞれシート状導光体91に結合する場合、結合効率を高く確保するためにはシート状導光体91の厚さをより大きくして、光ファイバ21〜24および31〜34のコア径と一致させることが望まれる。しかしそのように厚く形成されたシート状導光体91は屈曲し難くなり、狭い機器内空間に配設することが困難になる。   The optical fibers 21 to 24 and 31 to 34 have core diameters larger than the thickness of the sheet-like light guide 91. Therefore, when these optical fibers 21-24 and 31-34 are respectively coupled to the sheet-like light guide 91, in order to ensure high coupling efficiency, the thickness of the sheet-like light guide 91 is increased, It is desirable to match the core diameters of the optical fibers 21-24 and 31-34. However, the sheet-like light guide 91 formed so thick is difficult to bend, and it is difficult to dispose it in a narrow space in the device.

それに対して本実施形態では、上述のようなテーパ状導光体92を設けることにより、シート状導光体91は厚く形成しなくても、それと光ファイバ21〜24および31〜34との間の結合効率が高く確保される。こうしてシート状導光体91が比較的薄く形成されていれば、該シート状導光体91をある程度まで屈曲させることが可能になり、狭い機器内空間に配設することも容易となる。   On the other hand, in the present embodiment, by providing the tapered light guide 92 as described above, the sheet-like light guide 91 is not formed thick, but between it and the optical fibers 21-24 and 31-34. High coupling efficiency is ensured. If the sheet-like light guide 91 is formed relatively thin in this way, the sheet-like light guide 91 can be bent to a certain extent, and can be easily disposed in a narrow device space.

そこで本実施形態の通信システムは、例えば狭い機械内の配線用に従来用いられているフレキシブル基板やフラットケーブルを用いる通信システムに代えて、そのような用途に広く適用し得るものとなる。しかもこの通信システムは、単に上記従来品に置き換えられ得るだけではなく、光信号で通信するものであるから電磁ノイズに強いものとなる。   Therefore, the communication system according to the present embodiment can be widely applied to such applications in place of, for example, a communication system using a flexible substrate or a flat cable conventionally used for wiring in a narrow machine. Moreover, this communication system is not only simply replaced with the above-mentioned conventional product, but also is resistant to electromagnetic noise because it communicates with optical signals.

なおテーパ状導光体92は、テーパ角が付いた形状をしている以外は、シート状導光体91と基本的に同様の構成とすればよい。またそのテーパ角は、結合する光ファイバの入射N.A.(開口数)を満足するように制限することが望ましい。   The tapered light guide 92 may have basically the same configuration as the sheet light guide 91 except that it has a shape with a taper angle. The taper angle is determined by the incident N.P. A. It is desirable to limit so as to satisfy (numerical aperture).

次に図28を参照して、本発明のさらに別の実施形態による通信システムについて説明する。同図(1)、(2)はそれぞれ、本実施形態に用いられる導光体160およびその周辺部分の平面形状、側面形状を示している。図示の通り本実施形態は、図27に示した通信システムと比べると、導光体160を構成するシート状導光体およびテーパ状導光体の形状が異なるものである。   Next, a communication system according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIGS. 1A and 1B show the planar shape and the side shape of the light guide 160 used in the present embodiment and its peripheral portion, respectively. As illustrated, the present embodiment is different from the communication system shown in FIG. 27 in the shapes of the sheet-like light guide and the tapered light guide constituting the light guide 160.

すなわち本実施形態では、比較的幅の狭いシート状導光体93が用いられており、それに対応させてテーパ状導光体94は、その厚さ方向だけでなく幅方向にもテーパが付いた形状とされている。このような構成においても、基本的に、図27に示した通信システムにおけるのと同様の効果を奏することができる。それに加えてこの構成は、比較的幅の狭いシート状導光体および比較的大径の光ファイバを用いる場合でも、ノード数を多く設定しやすいという利点がある。   That is, in this embodiment, a sheet-like light guide 93 having a relatively narrow width is used, and correspondingly, the tapered light guide 94 is tapered not only in the thickness direction but also in the width direction. It is made into a shape. Even in such a configuration, the same effects as those in the communication system shown in FIG. 27 can be basically obtained. In addition, this configuration has an advantage that the number of nodes can be easily set even when a relatively narrow sheet-like light guide and a relatively large-diameter optical fiber are used.

なお、上述のようなテーパ状導光体を用いる通信システムにおいても、図24〜26に示した角度変換導光体が適用可能であり、また図23に示したデマルチプレクサを用いることも可能である。   In addition, in the communication system using the tapered light guide as described above, the angle conversion light guide shown in FIGS. 24 to 26 can be applied, and the demultiplexer shown in FIG. 23 can also be used. is there.

次に図29を参照して、本発明のさらに別の実施形態による通信システムについて説明する。同図は、本実施形態に用いられるシート状導光体95およびその周辺部分の平面形状を示すものである。図示の通り該シート状導光体95は、図18に示したシート状導光体10と同様に、シート状の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなるものであるが、それぞれ上記光学媒質の屈折率がN、N’(N<N’)と相異なる高屈折率部95a、および低屈折率部95bを有している。そしてこれら高屈折率部95aと低屈折率部95bとの境界は、シート表面と平行な面内で、前者が凹となる円弧状となる形とされている。そのためこのシート状導光体95は、伝搬する光を上記面内で発散させる凹レンズ効果を有するものとなっている。   Next, a communication system according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This figure shows the planar shape of the sheet-like light guide 95 used in the present embodiment and its peripheral portion. As shown in the drawing, the sheet-like light guide 95 contains particles that scatter light in a sheet-like optical medium, similar to the sheet-like light guide 10 shown in FIG. The optical medium has a high refractive index portion 95a and a low refractive index portion 95b that are different in refractive index from N and N ′ (N <N ′). The boundary between the high refractive index portion 95a and the low refractive index portion 95b is formed in an arc shape in which the former is concave in a plane parallel to the sheet surface. Therefore, the sheet-like light guide 95 has a concave lens effect that diverges propagating light within the plane.

このようなレンズ効果を有するシート状導光体95を用いれば、上記粒子により光を散乱させるだけの場合と比べて、該シート状導光体95から出射する光の強度分布をさらに高度に均一化することが可能となる。そこで、複数のノード間の光量ばらつきを少なく抑えて、ノード間のBER(Bit-Error-Rate)をほぼ同等にすることができる。   If the sheet-like light guide 95 having such a lens effect is used, the intensity distribution of the light emitted from the sheet-like light guide 95 is more highly uniform compared to the case where light is only scattered by the particles. Can be realized. Therefore, it is possible to make the BER (Bit-Error-Rate) between the nodes substantially equal while suppressing variations in the amount of light among the plurality of nodes.

なお、シート状導光体におけるレンズ形状は、図29に示した形状に限られるものではなく、その他例えば図30に示すような形状を採用することもできる。すなわちこの図30に平面形状を示すシート状導光体96は、1つの低屈折率部96b(屈折率=N)の両側に、該低屈折率部96bに対して凹形状となる高屈折率部96a(屈折率=N’、N<N’)が配設されてなるものであり、この構成においても、伝搬する光を発散させる凹レンズ効果を得ることができる。   In addition, the lens shape in a sheet-like light guide is not restricted to the shape shown in FIG. 29, For example, a shape as shown in FIG. 30 can also be employ | adopted. That is, the sheet-like light guide 96 having a planar shape shown in FIG. 30 has a high refractive index which is concave on both sides of one low refractive index portion 96b (refractive index = N) with respect to the low refractive index portion 96b. The portion 96a (refractive index = N ′, N <N ′) is provided. Even in this configuration, a concave lens effect for diverging propagating light can be obtained.

ここで、上記図30に示す構成のシート状導光体96について、出射光のシート幅方向の強度分布を計算機によってシミュレーションした結果の一例を、図31に示す。この場合シート幅は4mmと設定してあり、図中横軸の数値はシート幅方向中央位置からの距離を示している。この図31により、出射光の強度分布が高度に均一化され得ることが確認できる。   Here, FIG. 31 shows an example of a result obtained by simulating the intensity distribution in the sheet width direction of the emitted light by the computer for the sheet-like light guide 96 having the configuration shown in FIG. In this case, the sheet width is set to 4 mm, and the numerical value on the horizontal axis in the drawing indicates the distance from the center position in the sheet width direction. It can be confirmed from FIG. 31 that the intensity distribution of the emitted light can be made highly uniform.

なお、上述のようなレンズ部分を有するシート状導光体を用いる通信システムにおいても、図27、28に示したテーパ状導光体や、図24〜26に示した角度変換導光体が適用可能であり、また図23に示したデマルチプレクサを用いることも可能であり、さらには、該シート状導光体に図19〜22に示したような保護層を設けることもできる。   Note that the tapered light guide shown in FIGS. 27 and 28 and the angle conversion light guide shown in FIGS. 24 to 26 are also applied to the communication system using the sheet light guide having the lens portion as described above. It is possible to use the demultiplexer shown in FIG. 23, and further, a protective layer as shown in FIGS. 19 to 22 can be provided on the sheet-like light guide.

次に図32を参照して、本発明のさらに別の実施形態による通信システムについて説明する。同図は、本実施形態に用いられるシート状導光体100およびその周辺部分の平面形状を示すものである。このシート状導光体100は、図18に示したシート状導光体10と同様に、シート状の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなるものであり、その2つの入・出射端面100aの一方には4本の光ファイバ21、22、23および24が結合され、他方にも同様に4本の光ファイバ31、32、33および34が結合されている。   Next, a communication system according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The figure shows a planar shape of the sheet-like light guide 100 used in the present embodiment and its peripheral portion. The sheet-like light guide 100 is similar to the sheet-like light guide 10 shown in FIG. 18 and contains particles that scatter light in a sheet-like optical medium. Four optical fibers 21, 22, 23, and 24 are coupled to one of the emission end faces 100a, and four optical fibers 31, 32, 33, and 34 are coupled to the other in the same manner.

図33の(1)には上記入・出射端面100aの正面形状を示し、また同図(2)にはこの入・出射端面100aに対する4本の光ファイバ21、22、23および24の配置状態を示す。ここに示される通りシート状導光体100の入・出射端面100aの高さは光ファイバ21〜24の外径と略等しい値とされ、またその左右両側端部は最も外側の光ファイバ21および24の外形形状に合わせて半円形状とされている。入・出射端面100aをこのような形状とすることにより、シート状導光体100から光ファイバ21〜24へ通信光が入射する際の漏れが、入・出射端面形状を一般的な長方形(同図(2)に2点鎖線で示す)とした場合と比べてより少なくなり、両者の結合効率が高められる。それにより、S/Nが高く、またBER(Bit-Error-Rate)がより低い通信システムを実現可能となる。   33 (1) shows the front shape of the input / output end face 100a, and FIG. 33 (2) shows the arrangement of the four optical fibers 21, 22, 23 and 24 with respect to the input / output end face 100a. Indicates. As shown here, the height of the input / output end face 100a of the sheet-like light guide 100 is set to a value substantially equal to the outer diameter of the optical fibers 21 to 24, and the left and right end portions thereof are the outermost optical fiber 21 and It is semicircular to match the 24 outer shape. By making the input / output end face 100a in such a shape, leakage when communication light is incident on the optical fibers 21 to 24 from the sheet-like light guide 100 causes the input / output end face to have a general rectangular shape (same as above). Compared to the case of (2) shown by a two-dot chain line), the coupling efficiency between the two is increased. As a result, a communication system with a high S / N and a lower BER (Bit-Error-Rate) can be realized.

なお、上記光結合効率を高める上で、別の入・出射端面形状を採用することも可能である。図34の(1)には、別のシート状導光体110の入・出射端面110aの形状を示し、また同図(2)にはこの入・出射端面110aに対する4本の光ファイバ21、22、23および24の配置状態を示す。ここに示される通りシート状導光体110の入・出射端面110aは、1列に並んだ光ファイバ21〜24の断面を投影した形を基にし、それにおいて2つの光ファイバの間の部分を若干厚くした形状とされている。入・出射端面110aをこのような形状にした場合も、シート状導光体110から光ファイバ21〜24へ通信光が入射する際の漏れが、入・出射端面形状を一般的な長方形(同図(2)に2点鎖線で示す)とした場合と比べてより少なくなり、両者の結合効率が高められる。それにより、S/Nが高く、またBER(Bit-Error-Rate)がより低い通信システムを実現可能となる。   In addition, in order to improve the said optical coupling efficiency, it is also possible to employ | adopt another entrance / exit end surface shape. FIG. 34 (1) shows the shape of the entrance / exit end face 110a of another sheet light guide 110, and FIG. 34 (2) shows four optical fibers 21 for the entrance / exit end face 110a, The arrangement state of 22, 23 and 24 is shown. As shown here, the entrance / exit end face 110a of the sheet-like light guide 110 is based on a shape obtained by projecting the cross-sections of the optical fibers 21 to 24 arranged in a line, and a portion between the two optical fibers is defined there. The shape is a little thicker. Even when the input / output end face 110a is formed in such a shape, leakage when communication light enters the optical fibers 21 to 24 from the sheet-like light guide 110 causes the input / output end face to have a general rectangular shape (same as above). Compared to the case of (2) shown by a two-dot chain line), the coupling efficiency between the two is increased. As a result, a communication system with a high S / N and a lower BER (Bit-Error-Rate) can be realized.

なお、上記図33、34の各シート状導光体100、110と光ファイバ21〜24との間の光結合効率を、シート状導光体の入・出射端面を普通の長方形状とした場合(比較例)と比較して下に示す。   33 and 34, when the light coupling efficiency between each of the sheet light guides 100 and 110 and the optical fibers 21 to 24 is a normal rectangular shape on the input and output end faces of the sheet light guide. It shows below compared with (comparative example).

いずれの場合も、シート状導光体を伝搬させた信号光を4本の光ファイバ21〜24に結合させ、そのとき1本の光ファイバに結合した出力の、シート状導光体からの全体出力に対する比をOutputとし、該1本の光ファイバについての減衰の程度をdB=−10×log(Output)で定義する。結合が理想的であるならばOutput=0.25で、このときの減衰の程度は6dBとなるのに対し、比較例、シート状導光体100、シート状導光体110における減衰の程度は、それぞれ7.0〜7.2dB、6.6〜6.8dB、6.6dB以下となった。これにより、比較例に比べて、シート状導光体100、110の方が結合効率が高いことが裏付けされた。   In either case, the signal light propagating through the sheet-like light guide is coupled to the four optical fibers 21 to 24, and the output coupled to one optical fiber at that time is output from the sheet-like light guide as a whole. The output ratio is defined as Output, and the degree of attenuation for the single optical fiber is defined as dB = −10 × log (Output). If the coupling is ideal, Output = 0.25, and the degree of attenuation at this time is 6 dB, whereas the degree of attenuation in the comparative example, the sheet-like light guide 100 and the sheet-like light guide 110 is as follows. And 7.0 to 7.2 dB, 6.6 to 6.8 dB, and 6.6 dB or less, respectively. This proves that the sheet-like light guides 100 and 110 have higher coupling efficiency than the comparative example.

また、上述したような入・出射端面形状を有するシート状導光体100やシート状導光体110は、例えばインジェクション成型や、精密切削加工によって作製することができる。   Further, the sheet-like light guide 100 and the sheet-like light guide 110 having the input / output end face shapes as described above can be produced by, for example, injection molding or precision cutting.

なお、入・出射端面の形状を上述のように設定したシート状導光体を用いる通信システムにおいても、そのシート状導光体に図29、30に示したようなレンズ部分を形成することができ、また図27、28に示したテーパ状導光体や、図24〜26に示した角度変換導光体が適用可能であり、また図23に示したデマルチプレクサを用いることも可能であり、さらには、該シート状導光体に図19〜22に示したような保護層を設けることもできる。   Even in a communication system using a sheet-like light guide whose input and output end faces are set as described above, it is possible to form lens portions as shown in FIGS. 29 and 30 on the sheet-like light guide. The tapered light guide shown in FIGS. 27 and 28 and the angle conversion light guide shown in FIGS. 24 to 26 can be applied, and the demultiplexer shown in FIG. 23 can also be used. Furthermore, a protective layer as shown in FIGS. 19 to 22 can be provided on the sheet-like light guide.

Debye濁度理論による散乱角対規格化強度を示すグラフGraph showing scattering angle versus normalized intensity by Debye turbidity theory Mieの散乱理論による散乱角対規格化強度を示すグラフGraph showing scattering angle versus normalized intensity according to Mie's scattering theory Mieの理論において、散乱断面積が振動する様子を相対屈折率が1.1のときについて示すグラフA graph showing how the scattering cross section oscillates in Mie's theory when the relative refractive index is 1.1 Mieの理論において、散乱断面積が振動する様子を相対屈折率が1.5のときについて示すグラフIn Mie's theory, a graph showing how the scattering cross section oscillates when the relative refractive index is 1.5 Mieの理論において、散乱断面積が振動する様子を相対屈折率が2.1のときについて示すグラフA graph showing how the scattering cross section oscillates in Mie's theory when the relative refractive index is 2.1. 粒子径と散乱断面積との関係を、いくつかの相対屈折率毎に計算機シミュレーションで求めた結果を示すグラフGraph showing the relationship between particle size and scattering cross section obtained by computer simulation for several relative refractive indices 多粒子系の粒子径と粒子密度の逆数との関係を、計算機シミュレーションで求めた結果を示すグラフGraph showing the relationship between the particle size of multi-particle system and the inverse of particle density, obtained by computer simulation 光学媒質の種々屈折率に対するFresnel損失を示すグラフGraph showing Fresnel loss for various refractive indices of optical media 粒子径と光取り出し効率との関係を、本発明方法と計算機シミュレーションで求めた結果を比較して示すグラフ(光取り出し効率80%狙い)A graph showing the relationship between the particle diameter and the light extraction efficiency by comparing the results obtained by the method of the present invention and computer simulation (light extraction efficiency of 80% target) 粒子径と光取り出し効率との関係を、本発明方法と計算機シミュレーションで求めた結果を比較して示すグラフ(光取り出し効率70%狙い)A graph showing the relationship between the particle diameter and the light extraction efficiency by comparing the results obtained by the method of the present invention and computer simulation (light extraction efficiency 70% target) 粒子径と光取り出し効率との関係を、本発明方法と計算機シミュレーションで求めた結果を比較して示すグラフ(光取り出し効率60%狙い)A graph showing the relationship between the particle diameter and the light extraction efficiency by comparing the results obtained by the method of the present invention and computer simulation (light extraction efficiency 60% target) 粒子径と光取り出し効率との関係を、本発明方法と計算機シミュレーションで求めた結果を比較して示すグラフ(光取り出し効率50%狙い)A graph showing the relationship between the particle diameter and the light extraction efficiency by comparing the results obtained by the method of the present invention and computer simulation (light extraction efficiency 50% target) 粒子径と光取り出し効率との関係を、本発明方法と計算機シミュレーションで求めた結果を比較して示すグラフ(光取り出し効率40%狙い)A graph showing the relationship between the particle diameter and the light extraction efficiency by comparing the results obtained by the method of the present invention and computer simulation (light extraction efficiency of 40% target) シート状導光体における粒子径と光取り出し効率との関係を、計算とシミュレーションとの場合とで比較して示すグラフ(平均光取り出し効率:80%)The graph which shows the relationship between the particle diameter and light extraction efficiency in a sheet-like light guide compared with the case of calculation and simulation (average light extraction efficiency: 80%) シート状導光体における粒子径と光取り出し効率との関係を、計算とシミュレーションとの場合とで比較して示すグラフ(平均光取り出し効率:70%)The graph which shows the relationship between the particle diameter and light extraction efficiency in a sheet-like light guide compared with the case of calculation and simulation (average light extraction efficiency: 70%) シート状導光体における粒子径と光取り出し効率との関係を、計算とシミュレーションとの場合とで比較して示すグラフ(平均光取り出し効率:60%)The graph which shows the relationship between the particle diameter and light extraction efficiency in a sheet-like light guide compared with the case of calculation and simulation (average light extraction efficiency: 60%) シート状導光体における出射光強度分布特性を、シートサイズが小の場合について示すグラフGraph showing outgoing light intensity distribution characteristics in sheet-like light guide when sheet size is small シート状導光体における出射光強度分布特性を、シートサイズが中の場合について示すグラフGraph showing outgoing light intensity distribution characteristics in sheet-like light guide when sheet size is medium シート状導光体における出射光強度分布特性を、シートサイズが大の場合について示すグラフGraph showing outgoing light intensity distribution characteristics of sheet-shaped light guide when sheet size is large シート状導光体の概略形状を示す平面図A plan view showing a schematic shape of a sheet-like light guide シート状導光体を用いた通信システムにおける受光光量とノード数との関係例を示すグラフGraph showing an example of the relationship between the amount of received light and the number of nodes in a communication system using a sheet-like light guide ビットエラーの発生原因を説明する説明図Explanatory diagram explaining the cause of bit errors シート状導光体を用いたノード数4の通信システムにおける信号光波形歪の一例を示すグラフGraph showing an example of signal light waveform distortion in a communication system with four nodes using a sheet-like light guide シート状導光体を用いたノード数4の通信システムにおける信号光波形歪の別の例を示すグラフThe graph which shows another example of the signal light waveform distortion in the communication system of 4 nodes using a sheet-like light guide シート状導光体を用いたノード数8の通信システムにおける信号光波形歪の一例を示すグラフGraph showing an example of signal light waveform distortion in a communication system with 8 nodes using a sheet-like light guide シート状導光体を用いたノード数8の通信システムにおける信号光波形歪の別の例を示すグラフThe graph which shows another example of the signal light waveform distortion in the communication system of the number of nodes of 8 using a sheet-like light guide. シート状導光体を用いたノード数16の通信システムにおける信号光波形歪の一例を示すグラフGraph showing an example of signal light waveform distortion in a communication system with 16 nodes using a sheet-like light guide シート状導光体を用いたノード数16の通信システムにおける信号光波形歪の別の例を示すグラフGraph showing another example of signal light waveform distortion in a communication system with 16 nodes using a sheet-like light guide rms(root mean square)ノイズの大きさとその発生確率との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the magnitude of rms (root mean square) noise and the probability of occurrence BER(Bit-Error-Rate)と受光光量との関係を示すグラフGraph showing the relationship between BER (Bit-Error-Rate) and received light quantity 本発明の一実施の形態による通信システムを示す平面図The top view which shows the communication system by one embodiment of this invention 本発明の通信システムに用いられるシート状導光体の別の例を示す一部破断側面図(1)と立断面図(2)The partially broken side view (1) and elevation sectional view (2) which show another example of the sheet-like light guide used for the communication system of the present invention 本発明の通信システムに用いられるシート状導光体のさらに別の例を示す一部破断側面図(1)と立断面図(2)The partially broken side view (1) and elevation sectional view (2) which show another example of the sheet-like light guide used for the communication system of the present invention 本発明の通信システムに用いられるシート状導光体のさらに別の例を示す一部破断側面図(1)と立断面図(2)The partially broken side view (1) and elevation sectional view (2) which show another example of the sheet-like light guide used for the communication system of the present invention 本発明の通信システムに用いられるシート状導光体のさらに別の例を示す一部破断側面図(1)と立断面図(2)The partially broken side view (1) and elevation sectional view (2) which show another example of the sheet-like light guide used for the communication system of the present invention 本発明による通信システムの別の実施形態を示す概略平面図The schematic plan view which shows another embodiment of the communication system by this invention. 角度変換導光体を含む導光体の一例を示す斜視図The perspective view which shows an example of the light guide containing an angle conversion light guide 角度変換導光体を含む導光体の別の例を示す側面図Side view showing another example of a light guide including an angle conversion light guide 角度変換導光体の別の例を示す側面図Side view showing another example of angle conversion light guide テーパ状導光体を含む導光体の一例を示す平面図(1)と側面図A plan view (1) and a side view showing an example of a light guide including a tapered light guide テーパ状導光体を含む導光体の別の例を示す平面図(1)と側面図A plan view (1) and a side view showing another example of a light guide including a tapered light guide レンズ機能付きシート状導光体の一例を示す平面図The top view which shows an example of the sheet-like light guide with a lens function レンズ機能付きシート状導光体の別の例を示す平面図The top view which shows another example of the sheet-like light guide with a lens function レンズ機能付きシート状導光体による効果を説明するグラフGraph explaining the effect of the sheet-like light guide with lens function 本発明の別の実施形態によるシート状導光体を示す平面図The top view which shows the sheet-like light guide by another embodiment of this invention. 図32のシート状導光体の入・出射端面の形状を示す立面図(1)および、該端面と光ファイバとの位置関係を示す説明図(2)The elevation view (1) which shows the shape of the entrance / exit end surface of the sheet-like light guide of FIG. 32, and explanatory drawing (2) which shows the positional relationship of this end surface and an optical fiber 本発明のさらに別の実施形態によるシート状導光体を示す立面図(1)および、該端面と光ファイバとの位置関係を示す説明図(2)Elevated view (1) showing a sheet-like light guide according to still another embodiment of the present invention and an explanatory view (2) showing the positional relationship between the end face and the optical fiber

符号の説明Explanation of symbols

10、50、60、70、80、91、93、95、96、100、110 シート状導光体
21、22、23、24、31、32、33、34 光ファイバ
40 受光器
51 シート状導光体本体
52 クラッド層
53 保護層
54、81 送・受光ユニット
83 LDドライバ
84 デマルチプレクサ
85 コントローラ
88、89、150、160 導光体
90、90a、90b、90c 角度変換導光体
92、94 テーパ状導光体
95a、96a シート状導光体の高屈折率部
95b、96b シート状導光体の低屈折率部
100a シート状導光体の入・出射端面
110a シート状導光体の入・出射端面
10, 50, 60, 70, 80, 91, 93, 95, 96, 100, 110 Sheet-shaped light guide
21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 34 Optical fiber
40 Receiver
51 Sheet-shaped light guide body
52 Clad layer
53 Protective layer
54, 81 Transmitter / receiver unit
83 LD driver
84 Demultiplexer
85 Controller
88, 89, 150, 160 Light guide
90, 90a, 90b, 90c Angle conversion light guide
92, 94 Tapered light guide
95a, 96a High refractive index part of sheet light guide
95b, 96b Low refractive index part of sheet-like light guide
100a Input and output end faces of sheet-shaped light guide
110a Input and output end faces of sheet-shaped light guide

Claims (1)

シート状の光学媒質内に光を散乱させる粒子を含有してなり、一端面から入射した信号光を前記粒子により散乱させながら、受光器が結合された他端面側に伝搬させるシート状導光体を設計する方法において、
前記粒子の散乱断面積をΦ、前記光学媒質の光伝搬方向の長さをL、粒子密度をNp、補正係数をK(=0.004)としたとき、Φ・Np・L・Kの値が0.9以下となるようにΦ、NpおよびLの値を選定するステップと、
このステップによって選定された各値に基づいてシート状導光体を設計するステップとを含むことを特徴とするシート状導光体の設計方法。
A sheet-like light guide that contains particles that scatter light in a sheet-like optical medium and that propagates signal light incident from one end face to the other end face side to which a light receiver is coupled while being scattered by the particles. In how to design
The scattering cross section of the particle [Phi, the optical medium in the light propagation direction lengths L G, the particle density Np, when the correction coefficient was K C (= 0.004), Φ · Np · L G · a step of the value of K C is selected the value of the [Phi, Np and L G becomes 0.9 or less,
Designing a sheet-shaped light guide based on each value selected in this step.
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