JP2002170996A

JP2002170996A - 光通信システム

Info

Publication number: JP2002170996A
Application number: JP2001288759A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsuoka; 隆志松岡; Toshio Ito; 敏夫伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【課題】安価なプラスチックファイバを利用しつつ
も、安定して長距離伝送ができる。【解決手段】伝送媒体はプラスチックファイバ５であ
り、光源となる発光ダイオード３は、発光波長が５２０
ｎｍであり、発光波長は６２０ｎｍよりも短い。発光ダ
イオード３としては、ＩｎＧａＡ１Ｎ系の半導体発光素
子であっても、ＺｎＳｅ系半導体発光素子であってもよ
い。この例では、伝送速度１９０Ｍｂ／Ｓ、伝送距離２
００ｍの伝送を実現できた。また発光ダイオード３はワ
イドギャップ半導体であるため、高温環境下において使
用することができ、ビル構内での光通信システム（光Ｌ
ＡＮ）として使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信システムに関
するものであり、安価なプラスチックファイバを利用し
つつも、安定して長距離伝送ができるように工夫したも
のである。

【０００２】

【従来の技術】現在の光通信システムにおいては、伝送
路として石英ファイバが用いられ、光源としてＩｎＧａ
ＡｓＰ系材料からなる半導体レーザが用いられ、光検出
器としてＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる半導体光検出器
が用いられている。この光通信システムでは、ファイバ
の光吸収損失が０．２ｄＢ／ｋｍと小さいことから、長
距離伝送が実現されており、全世界で用いられている。

【０００３】この光通信システムにおける問題点は、シ
ステムの価格が高いことである。その理由は、次に述べ
るように、ファイバ、光の結合系、ファイバの接続用コ
ネクタの価格が高いことにある。

【０００４】すなわち、ファイバの作製には高純度の石
英材料を必要とし、ファイバの製作プロセスでは石英の
融点が高いことから高温を必要とし、さらに、石英ファ
イバの素線それ自体では傷が付いた場合には破断し易い
ため、樹脂によるコーティングを必要としているためで
ある。

【０００５】次に、光の結合系、すなわち、ファイバと
光源との光学的結合、およびファイバと光検出器との光
学的結合においては、ファイバのコア径が５〜１０μｍ
と小さいことから、レンズ系を必要としている。特に、
光源の光をファイバに入れる場合には、半導体レーザか
ら出射される光ビームの光軸に垂直な断面での形状、つ
まり、ファイバ端面に当たる形状が、レーザの構造に起
因して扁平であることが多い。そのため、円筒型レンズ
を用いて、ビーム形状を円形に変換し、その後、球レン
ズでビームを小さく絞って、ファイバに入射させる。こ
の作業に当たっては、ファイバ径が小さいことから、
０．１μｍ単位以下の精度を必要としている。このた
め、ファイバと光源を組み合わせた半導体レーザモジュ
ールが高価になっている。

【０００６】最後に、ファイバの接続用コネクタについ
ては、ファイバのコア径が小さいことに起因して、０．
１μｍの精度が必要である。そのため、金属やセラミク
スを用いて、高精度に作られている。その市場価格は、
１０００〜３０００円である。

【０００７】現在、ビルなどの構内での光通信システム
（光ＬＡＮ：Local area network）に、石英ファイバを
用いた光通信システムを用いようとすると、上述したこ
とから大変なコストがかかっていた。

【０００８】これに対して、光ファイバにプラスチック
ファイバを用いたシステムが提案され、発光波長が６６
０〜６７０ｎｍと発光波長が７８０ｎｍ付近の光源を用
いて、実験も進んでいる。この波長域が選ばれている理
由は、プラスチックファイバの吸収損失の波長依存性を
表す図１に示すように、この波長域（６６０〜６７０ｎ
ｍと７８０ｎｍ付近）に低損失の窓があるためであるこ
とと、光源が市販されていることである。

【０００９】特に、そのうちの損失の低い方である発光
波長が６６０〜６７０ｎｍの光源が用いられているが、
この波長域では低損失波長域が狭いため、厳格に波長の
規定された素子を使う必要があった。また、大容量伝送
に向けて、波長多重通信を行おうとしても、低損失であ
る波長域が狭いため、この低損失窓内での波長域では不
可能であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで、プラスチック
ファイバを用いて波長多重通信を行う場合には、発光波
長が６６０ｎｍと７８０ｎｍの両方の光源を用いるとい
った、波長間隔の粗い波長多重伝送方式（一般にＣｏｕ
ｒｓｅＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)と
言われている）方式を採用せざるを得なかった。そのた
め、多波長を用いることができず、伝送容量も大きく向
上しなかった。また、従来のプラスチックファイバの損
失は、波長４００ｎｍにおいて２５０〜３００ｄＢ／ｋ
ｍ以上であった。波長６６０ｎｍにおいても、損失は１
５０〜２００ｄＢ／ｋｍと大きかった。そのため、極短
距離の伝送しかできなかった。また、光源として用いら
れる発光素子も、高出力でなければならなかった。ファ
イバの損失が大きかった理由は、従来のファイバ製造方
法にある。すなわち、ポリマの固まり（ペレット）ある
いはロッド状の母材からファイバをバッチ処理で作製す
るので、塵芥の混入や、熱履歴によりファイバの損失が
大きくなっていた。

【００１１】また、光源に注入されたキャリアの発光再
結合に要する時間が１ｎｓ程度と長いため、通常の石英
ファイバを用いた通信の場合と同程度の変調速度しか実
現できない。

【００１２】また、光ＬＡＮシステムは、ビル内で用い
られていることが多い。この場合、高温環境下で用いら
れていることがある。この場合、温度調整器の付帯して
いない安価な光源を用いると、発光素子の発光波長や発
光出力などの光出力特性が温度と共に変動し、通信シス
テムの特性が劣化したり、あるいは、発光素子の寿命が
短くなるという問題があった。光ＬＡＮシステムでは、
一般の長距離・ハイビットレートの光通信システムと異
なり、低廉化が要求されるので、発光素子への温度調整
器の付帯をなるべく避けたい。そこで、このような問題
が生じる訳である。

【００１３】（１）本発明は上記の問題点を解決するた
めになされたもので、その目的は安価で安定な光通信シ
ステムを提供することにある。（２）また本発明の目的は、伝送容量が大きく、長距離
伝送が可能な光通信システムを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、伝送媒体としてプラスチックファイバを用
い、光源として発光波長が６２０ｎｍより短い半導体発
光素子を用いることを特徴とする。この場合、前記半導
体発光素子は、発光波長が３５０ｎｍ〜６２０ｎｍのワ
イドギャップ半導体によって構成されていることが望ま
しい。また、プラスチックファイバに、波長４００ｎｍ
における吸収損失が２００ｄＢ／ｋｍ以下の低損失ファ
イバを用いてもよい。このようなファイバは、モノマー
の重合、すなわち、ポリマー化から溶融押し出しによる
ファイバ化まで、連続的に、かつ、極めてクリーンな状
態で作製される。

【００１５】また本発明は、前記半導体発光素子が、Ｉ
ｎ_1-X-YＧａ_XＡｌ_YＮ（０≦Ｘ、Ｙ、１−Ｘ−Ｙ≦
１）によって構成されたり、前記半導体発光素子が、Ｚ
ｎ，Ｃｄ，Ｍｇのうちの少なくとも１元素と、Ｓ，Ｓ
ｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素を有するＺｎＳｅ系
半導体発光素子であることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。本発明の実施の形態では、光源として、Ｉｎ
_1-X-YＧａ_XＡｌ_YＮ（０≦Ｘ、Ｙ、１−Ｘ−Ｙ≦１）
（以下、ＩｎＧａＡ１Ｎと記す）からなり発光波長が６
２０ｎｍより短いワイドギャップ半導体発光素子や、Ｚ
ｎ，Ｃｄ，Ｍｇのうちの少なくとも１元素とＳ，Ｓｅ，
Ｔｅのうちの少なくとも１元素を有し発光波長が６２０
ｎｍより短いワイドギャップ半導体発光素子（以下Ｚｎ
Ｓｅ系半導体発光素子と記す）を用い、伝送媒体として
プラスチックファイバを用いる。

【００１７】なお、ワイドギャップ半導体発光素子と
は、従来から実用になっているＧａＡｓ系やＩｎＰ系の
半導体発光素子に比べて、大きなバンドギャップを有す
る半導体材料からなり、現在では具体的には、ＺｎＳｅ
系，ＧａＮ系，ＳｉＣ系，ＺｎＯ系等の半導体発光素子
を意味する。

【００１８】また本発明の実施の形態では、伝送媒体と
してプラスチックファイバを用い、光源として発光波長
が３５０ｎｍ〜６２０ｎｍのワイドギャップ半導体発光
素子を用いる。発光波長の最短波長が３５０ｎｍである
理由は、ＩｎＧａＡ１Ｎという材料によっている。すな
わち、発光波長は光源を構成する材料のバンドギャップ
によって規定される。本材料の最大バンドギャップは
６．２ｅＶであり、波長に換算すると丁度２００ｎｍと
なる。しかし、高効率発光素子を作製するには、一般に
ダブルヘテロ（ＤＨ）構造と呼ばれる構造を用いてお
り、発光層をよりバンドギャップの広い材料（閉じ込め
層）で挟む必要がある。従って、ＩｎＧａＡ１Ｎを用い
た発光素子の波長は、２００ｎｍより長いことになる。
現在、ＩｎＧａＡ１Ｎを用いた発光ダイオードの短波長
化が進められているが、実際に製作されている発光ダイ
オードの最短波長は３６０ｎｍ近傍である。次に、発光
波長の最長波長が６２０ｎｍである理由は、波長６５０
ｎｍ近傍を中心の発光素子を構成している材料ＩｎＧａ
Ａ１Ｐによっている。すなわち、この場合も前述した構
成で発光素子は作製されており、発光波長の短波長化に
制限が出てくる。さらにＩｎＧａＡ１Ｐの場合には、閉
じ込め層と発光層との間の伝導帯でのエネルギ差ΔＥｃ
が小さいという材料上の不利な性質がある。このため、
発光層と閉じ込め層との間の組成比を大幅に変える必要
がある。このことがＩｎＧａＡ１Ｐを用いた発光素子の
短波長化を妨げている。実際、室温で動作するＩｎＧａ
Ａ１Ｐからなる発光ダイオードの波長は、６３０ｎｍ近
傍である。

【００１９】このような本実施の形態は、従来の光通信
システム、つまり、発光波長が６６０〜６７０ｎｍや７
８０ｎｍの半導体発光素子を用い、伝送路にプラスチッ
クファイバを用いた光通信システムとは、以下の点で異
なる。

【００２０】すなわち、光源の光出力が同じであれば、
伝送距離が長い。特に、光源にＩｎＧａＡｌＮからなる
発光ダイオードを用いる場合には、極めて透明な基板側
から光を取り出せるため、特に長距離伝送が可能であ
る。また、光の取り出し効率が高いことから、電力から
光への変換効率が高いため、発光素子での熱の発生が抑
制され、熱によるシステム特性の劣化を低減できる。も
ちろん、素子寿命も長くなる。従って、信頼性の高いシ
ステムを構築できる。

【００２１】また、光源の発光波長がばらついていて
も、伝送特性に影響がない。また、単一光源を用いて
も、大きな伝送容量を得ることができる。また、各波長
間の間隔が狭い波長多重通信、いわゆるＤｅｎｓｅＷ
ＤＭが可能である。

【００２２】

【作用】ここで本発明の実施の形態の作用を説明する。
図１に示したように、６２０ｎｍより短い波長域では、
６６０〜６７０ｎｍや７８０ｎｍ域より、ファイバの吸
収損失が少ない。そのため、長距離伝送が可能となる。
特に、材料ＩｎＧａＡｌＮを用いて構成された光源を用
いる場合には、発光層内で発生した光が、６６０〜６７
０ｎｍや７８０ｎｍ域用の光源を構成する材料自身とそ
の基板との材料の物性が異なるため、有効に外部に取り
出すことができ、同じ注入電流であっても伝送距離を長
くできる。ここで言う材料の物性の差とは、素子を構成
する各層、基板および空気との間の屈折率差が、ＩｎＧ
ａＡｌＮにおいて最も小さいことをいう。そのため、発
光で発生した光は、素子を構成する各層、基板および空
気との界面での反射率が小さいため、効率よく出力され
る。

【００２３】また、ＩｎＧａＡｌＮによって構成される
発光素子は、透明な絶縁基板上に作製されることが多
い。そのため、発光ダイオードにおいては、基板側に一
切の電極がないため、基板側から効率よく光を取り出す
ことができる。６６０〜６７０ｎｍや７８０ｎｍ域の発
光ダイオードの場合には、必ず基板側にも金属電極が配
置されているため、ＩｎＧａＡｌＮとは、大きく異な
る。このことは、低価格光ＬＡＮを構成する場合には、
大きなメリットである。

【００２４】また、６２０ｎｍより短い発光波長、特に
５００ｎｍ台の発光波長の光源を用いると、ワイドギャ
ップ半導体であるため、素子を用いる環境が高温下であ
っても、素子特性を損なうことが少なく（この理由は後
述する）、ひいては素子寿命も長くなり、伝送システム
の安定化につながる。

【００２５】また、図１に示したように、６２０ｎｍよ
り短い波長域では、６６０〜６７０ｎｍや７８０ｎｍ域
に較べて、吸収損失の波長依存性が少ない。そのため、
用いる光源の発光波長が厳密に規定されていず、ばらつ
いていても、伝送特性が変わることがない。

【００２６】また、６２０ｎｍより短い波長域では吸収
損失が波長にあまり依存しないことから、波長間隔の狭
い、発光波長の異なる複数の光源を用いることができ、
ＤＥＮＳＥＷＤＭが可能となる。

【００２７】また、光源として用いるＩｎＧａＡｌＮや
ＺｎＳｅ系によって構成される半導体発光素子は、素子
に注入されたキャリアの再結合速度が１００ｐｓ以下で
あり、発光波長が６６０〜６７０ｎｍ域の光源を構成す
るＩｎＧａＰ系や、発光波長が７８０ｎｍ域の光源を構
成するＧａＡｓ系の１ｎｍ程度より一桁以上短い。その
ため、高速変調が可能となり、大容量伝送が可能とな
る。

【００２８】ここで、ワイドギャップ半導体発光素子が
高温に耐えられる理由を説明する。即ち、半導体は、電
流の担体である電子の走行する伝導帯と、電流の担体で
ある正孔の走行する価電帯を有しており、この２つの帯
（バンド）間のエネルギ差をバンドギャップエネルギと
呼んでいる。各バンドは、エネルギに関して広がりを持
っており、その広がりは、高温ほど大きくなる。従っ
て、バンドギャップエネルギが小さい半導体は、高温で
は、２つのバンドギャップが重なってしまい、バンドギ
ャップがなくなってしまう。そのため、金属と同じ振る
舞いをするようになり、半導体ではなくなってしまう。
これに対して、バンドギャップエネルギの大きいワイド
ギャップ半導体（発光素子）は、高温でも２つのバンド
が重なることがなく、半導体としての特性を維持するこ
とができ、高温に耐えることができるのである。

【００２９】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。な
お、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得ること
は言うまでもない。

【００３０】図２，図３および図４は本発明の実施例を
説明する図である。このうち図２は、図１に示した特性
を有するプラスチックファイバを伝送路に用いた伝送シ
ステム（光通信システム）の構成を示す。図２におい
て、１はパルス・パタン発生器、２はドライバ、３は光
源である発光ダイオード、４は対物レンズ、５は長さ１
００ｍのプラスチックファイバ、６はオシロスコープ、
７はアッテネータ、８はシリコン・フォトダイオード、
９はエラーレート測定器、１０はクロックとデータの波
形整形器である。

【００３１】ここで用いたプラスチックファイバの製造
法を以下に述べる。従来のファイバの損失が波長４００
ｎｍで２５０〜３００ｄＢ／ｋｍと高かった理由は、フ
ァイバの製造法にある。すなわち、ポリマの固まり（ペ
レット）あるいはロッド状の母材からファイバをバッチ
処理で作製するので、塵芥の混入や、熱履歴によりファ
イバの損失が大きくなっていた。そこで、ここで用いた
ファイバは、損失の低減を図るため、次のような工夫を
行った。まず、原材料の純化を進めた。さらに原材料か
らのモノマーの重合、すなわち、ポリマー化から溶融押
し出しによるファイバ化まで、連続的に、かつ、極めて
クリーンな状況下で作製した。これにより、原材料、そ
の重合反応、および、ファイバ化の工程から、不純物や
塵芥の混入を低減することができた。この方法を用いる
ことにより、初めて、図１に示すように、波長４００ｎ
ｍでの損失が１５０〜２００ｄＢ／ｋｍである低損失フ
ァイバを製作することができた。

【００３２】ここで用いた発光ダイオード３は、ＩｎＧ
ａＡｌＮの単一量子井戸で構成されたワイドギャップ発
光ダイオードであり、サファイア基板上に形成されてい
る。発光した光は、基板側から取り出されている。Ｉｎ
ＧａＡｌＮ材料の屈折率は結晶の組成に依存するが２．
５前後であり、サファイアの屈折率も１．７５である。
従って、空気も含めて、材料間での屈折率差が、発光波
長６６０〜６７０ｎｍや発光波長７８０ｎｍを構成する
材料の屈折率３．２前後と比較して、小さい。従って、
発光層で発生した光を、波長６６０〜６７０ｎｍや７８
０ｎｍの素子以上に効率良く、素子外部に取り出すこと
ができる。ここで、その発光波長は５２０ｎｍであり、
パルスのピーク出力は１ｍＷである。

【００３３】実際に行った伝送実験の方法を以下に示
す。１．パルス・パタン発生器１で０と１をランダムに配列
した１９０Ｍｂ／ｓのパルス信号を作製する。２．パルス・パタン発生器１の信号をドライバ２で増幅
する。３．ドライバ２からの出力で発光ダイオード３を駆動
し、光のパルス列からなるランダムパルスを作製する。

【００３４】４．発光ダイオード３からの光を対物レン
ズ４で絞り、プラスチックファイバ５に入れる。５．ファイバ出力とエラーレートの関係を把握するため
に、ファイバ出力をアッテネータ７で調整する。６．アッテネータ７からの光出力をシリコン・フォトダ
イオード８で検出する。７．シリコン・フォトダイオ
ード８からの電気信号をオシロスコープ６で観察
する。８．波形成型器１０で光パルスの波形を整形する。９．エラーレート測定器１０でエラーレートを測定す
る。

【００３５】オシロスコープ６で観測した波形を図３に
示す。横軸の一目盛は３ｎｓである。この図は、明確な
アイパターンを示している。

【００３６】次にエラーレートの特性を評価した。受信
電力とエラーレートの関係を図４に示す。受信電力の調
整にはアッテネータ７を用いた。本図には、ファイバ長
１ｍと２００ｍとを比較して示してある。２００ｍ伝送
後も、エラーレートが劣化していないことがわかる。

【００３７】以上述べてきたように、ここで述べた構成
により、伝送速度１９０Ｍｂ／ｓ、伝送距離２００ｍの
伝送を実現できた。従来、光通信の一つの規格になって
いる伝送速度１５６Ｍｂ／ｓで、伝送距離２００ｍを実
現することは、難しいとされてきたが、ここで初めて実
現することができた。

【００３８】なお、ここでは、発光ダイオードを用いた
が、半導体レーザでも良いことは言うまでもなく、さら
なる伝送特性の改善を見込める。また、ここでは発光ダ
イオードを構成する材料として、ＩｎＧａＡｌＮを用い
たが、ＺｎＳｅ系でも同様な効果を期待できる。ＺｎＳ
ｅ系の発光ダイオードを用いる場合、ここで示した実施
例と同様に基板側から光を取り出すためには、ＺｎＳｅ
基板上に発光ダイオードが構成されている必要がある。

【００３９】従来、ＺｎＳｅ系発光ダイオードは、Ｇａ
Ａｓ基板上で作製されていたが、ＺｎＳｅ基板を用いた
方が、素子寿命が遙かに長いことが指摘されている。従
って、ＺｎＳｅ基板上のＺｎＳｅ系発光ダイオードを用
いることは、素子寿命の観点からも整合性が良い。そし
てＺｎＳｅ系発光ダイオードの材料構成はＺｎ，Ｃｄ，
Ｍｇのうちの少なくとも１元素と、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのう
ちの少なくとも１元素とでなっている。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、プラ
スチックファイバ伝送システムに６２０ｎｍより短波長
の光源を用いることにより、容易に１５６Ｍｂ／ｓとい
う国際規格を満足し、伝送距離２００ｍに渡るシステム
を実現できる。光学系も図２に示したように従来のガラ
スファイバを用いた通信システムより簡単であり、低コ
ストが可能である。また、ワイドギャップ半導体を光源
に用いることから、ビル内の高温環境下でも、発光素子
用温度調節器を用いることなく、本システムを構成し、
用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラスチックファイバの光吸収特性の波長依存
性を示す特性図。

【図２】プラスチックファイバを伝送路に用いた伝送シ
ステムの構成図。

【図３】１９０Ｍｂ／ｓの光信号を２００ｍ伝送後、光
検出器で受信した電気信号をオシロスコープで観測した
アイパターンを示す観測図。

【図４】受信電力とエラーレートの関係を示す特性図。

【符号の説明】

１パルス・パタン発生器２ドライバ３発光ダイオード（光源）４対物レンズ５プラスチックファイバ６オシロスコープ７アッテネータ８シリコン・フォトダイオード９エラーレート測定器１０クロックとデータの波形整形器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H050 AA13 AA15 5F041 CA05 CA34 CA40 CA43 EE01 FF14 5K002 BA01 BA31 FA01 FA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝送媒体としてプラスチックファイバを
用い、光源として発光波長が６２０ｎｍより短い半導体
発光素子を用いることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】請求項１において、前記半導体発光素子
は、発光波長が３５０ｎｍ〜６２０ｎｍのワイドギャッ
プ半導体によって構成されていることを特徴とする光通
信システム。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記
半導体発光素子は、Ｉｎ_1-X-YＧａ_XＡｌ_YＮ（０≦
Ｘ、Ｙ、１−Ｘ−Ｙ≦１）によって構成されることを特
徴とする光通信システム。
【請求項４】請求項１または請求項２において、前記
半導体発光素子は、Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｇのうちの少なくと
も１元素と、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素
を有するＺｎＳｅ系半導体発光素子であることを特徴と
する光通信システム。
【請求項５】請求項１において、前記プラスチックフ
ァイバの損失が、波長４００ｎｍにおいて２００ｄＢ／
ｋｍ以下であることを特徴とする光通信システム。