JP2003523108A - 信号システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アレイ内のエレメントの見かけ充填密度を高めるための追加光エレメントと一つ以上の通信エレメントアレイとを一緒に用いる信号システムが提供される。実施の形態では、これは通信エレメントアレイに適合するマイクロレンズアレイを使用することによって達成される。別の実施の形態では、ビームスプリッタと光学的に組合される２つのアレイが提供される。第３の実施の形態では、アレイにおける位置と視野内の位置との間に異なる割付があるように、相互に角度でオフセットした２つの光システムが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

本発明は信号システムに関する。本発明の一局面は、自由空間光信号伝達方法
および装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】

本出願人は、自らの先の国際出願ＷＯ９８／３５３２８において、複数のユー
ザー端末からコリメートされたレーザービームを受信し、受信したレーザービー
ムを変調し、そしてそれらをそれぞれのユーザー端末へ反射して戻すために逆反
射体を使用する、一点から多点へのデータ伝送システムを提案した。一点から多
点へのこのデータ伝送システムは、画素化された反射体／変調器アレイおよびテ
レセントリック光学レンズ系を用いる。このシステムは、システムの各ユーザー
へアレイ中の固有の画素を割当てることによって動作する。アレイ中の各画素は
、テレセントリック光学レンズ系の視野内で固有の角度位置に合うようになって
いる。

【０００３】 しかし、本発明者が明らかにしたことは、この国際特許出願に記載されたシス
テムは、光学レンズ系の視野内に送信機と受信機間の通信が信頼性を持ち得ない
場所があるという問題に悩まされるという点である。本発明者は、これはシステ
ムで使用される反射器／変調器アレイの画素化に由来することを明らかにした。
詳細には、アレイ内の画素間に間隙があるので、反射器／変調器アレイの画素に
対応しない領域が光学レンズ系の視野に存在する。この問題は、画素間の間隙を
極小化することによって最小にできる。しかし、画素は相互に電気的に隔離され
ねばならず、個々の画素へ接続がなされるように空間を設けねばならないので、
実際には、これを達成することは困難である。

【０００４】 本発明の狙いは、通信画素の見かけの充填密度を高めるべく、少なくとも一つ
の追加光エレメントを設けることによって、上記問題を緩和することである。

【０００５】 一つの局面によると、本発明は、その実効充填密度を高める（すなわち、エレ
メント間の間隙に比べて、通信エレメントで覆われる実効面積を増やす）べく、
光学的に組合された複数の通信エレメントアレイを用いる通信システムを提供す
る。好ましくは、これら複数のアレイは、充填密度が１００％にまで高められて
最大カバレッジを提供するように編成される。

【０００６】 別の局面によると、本発明は、エレメントの見かけ充填密度を高めるべく、光
通信エレメントアレイと、エレメントアレイの前に位置決めされたマイクロレン
ズアレイとを有する光通信システムを提供する。

【０００７】 別の局面によると、本発明は、相互に角度でもってオフセットし、通信エレメ
ントアレイをそれぞれが含む、２つ以上のテレセントリック光学系を有する光通
信システムを提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】

本発明の典型的な実施の形態を、添付図面を参照して以下説明する。

【０００９】 図１は、複数の遠隔ユーザーへ、複数のテレビジョンチャネル用のビデオ信号
を供給するためのビデオ放送システムを略示する。図１に示すように、システム
は、光ビデオ信号を、光ファイバ束５経由で複数のローカル配信ノード３へ送信
する中央配信システム１を備える。ローカル配信ノード３は、中央配信システム
１から送信される光ビデオ信号を受信し、そしてビデオ信号の関連部分を、（ロ
ーカル配信ノード３に対して空間的に固定された）それぞれのユーザー端末７へ
、自由空間を通る光信号として、すなわち光ファイバ経路伝いの光信号としてで
なく送信するよう編成される。

【００１０】 この実施の形態では、利用可能なテレビジョンチャネル全てのためのビデオデ
ータが中央配信システム１からローカル配信ノード３の各々へ送信され、各ユー
ザー端末７はどのチャネルまたは複数のチャネルを受信したいかを、（該当する
要求を送信することによって）該当ローカル配信ノード３に通告し、それに応答
してローカル配信ノード３がそれぞれのユーザー端末７へ該当するビデオデータ
を送信する。しかし、各ローカル配信ノード３は、ビデオデータをそれぞれのユ
ーザー端末７へは放送しない。その代わり、各ローカル配信ノード３は、（i）
その域内にあるユーザー端末７の各々から送信された光ビームを受信し、（ii）
受信したビームを所望のチャネルまたは複数のチャネルのために該当するビデオ
データで変調し、そして（iii）変調したビームをそれぞれのユーザー端末７へ
反射して戻すように編成される。中央配信システム１からの、およびユーザー端
末７からの光信号を受信できることに加え、ローカル配信ノード３の各々は、ス
テータス報告等の光データをそれぞれの光ファイバ束５経由で、中央配信システ
ム１へ送信して戻すこともでき、それにより中央配信システム１は配信ネットワ
ークのステータスを監視できる。

【００１１】 図２は、図１に示すシステムのひとつのローカル配信ノード３およびひとつの
ユーザー端末７の主要構成要素を更に詳細に略示する。図２に示すように、ロー
カル配信ノード３は通信制御ユニット１１を備え、この制御ユニット１１は、（
i）中央配信システム１から光ファイバ束５伝いに送信される光信号を受信し；
（ii）受信した光信号からビデオデータを再生成し；（iii）ユーザー端末７か
ら送信されるメッセージ１２を受信し、それに応答して適切な処置を取り；そし
て、（iv）該当のビデオデータを、ユーザー端末７から受信したそれぞれの光ビ
ーム１５を変調するためのデータ１４に変換する。ビデオデータを変調データ１
４に変換する際に、通信制御ユニット１１は、エラー訂正符号化、および、シン
ボル間干渉と太陽や他の光源に由来するような他の種類のよく知られた干渉源と
の影響を低減する符号化、によりビデオデータを符号化することになる。

【００１２】 ローカル配信ノード３は、逆反射体兼モデムユニット１３も備え、このユニッ
ト１３は、その視野内にあるユーザー端末７から光ビーム１５を受信し、それぞ
れの光ビームを適切な変調データ１４で変調し、その変調されたビームをそれぞ
れのユーザー端末７へ反射して戻すよう編成される。ユーザー端末７の一つから
受信される光ビーム１５がメッセージ１２を搬送する場合には、逆反射体兼モデ
ムユニット１３が、メッセージ１２を回復し、それを通信制御ユニット１１へ送
り、ここでそれが処理されて適切な処置が取られる。この実施の形態において、
逆反射体兼モデムユニット１３は、＋／−５０°を超える水平視野と、ほぼ＋／
−５度の垂直視野とを有する。

【００１３】 図２は、ひとつのユーザー端末７の主要構成要素も示す。図示のように、ユー
ザー端末７は、コヒーレント光のレーザービーム１９を出力するための半導体レ
ーザー１７を備える。この実施の形態では、ユーザー端末のリンク可用性７は９
９．９％であり、１５０メートルの範囲内でローカル配信ノード３と通信できる
ように設計されている。これを達成するために、半導体レーザー１７は、波長８
５０ｎｍのレーザービームを出力する５０ｍＷの半導体レーザーである。この出
力されたレーザービーム１９は、レーザービーム１９の発散角を低減するコリメ
ータ２１を通過させられる。その結果得られたレーザービーム２３はビームスプ
リッタ２５を通って光ビームエキスパンダ２７に至り、エキスパンダ２７は、ロ
ーカル配信ノード３に配置された逆反射体兼モデムユニット１３への転送のため
にレーザービーム径を大きくする。光ビームエキスパンダ２７を用いるのは、大
径レーザービームが小径レーザービームより小さい発散比を持つからである。加
えて、レーザービーム径を大きくすることは、レーザービームのパワーを、より
大きな面積に拡げる利点もある。従って、目の安全要件を依然として満たしつつ
、より高いパワーの半導体レーザー１７を使用することができる。

【００１４】 光ビームエキスパンダ２７を使用することは、エキスパンダ２７が反射された
レーザービームに対してかなり大きな集光開口を提供するとともに、反射された
レーザービームをより小径のビームに集中させるという更なる利点がある。この
より小径の反射ビームは次に、初めに送信されたレーザービームの経路からビー
ムスプリッタ２５によって分割されて、レンズ３１により光ダイオード２９上に
焦点を結ぶ。半導体レーザー１７の動作波長は８５０ｎｍであるので、シリコン
アバランシュ光ダイオード（ＡＰＤ）を使用できる。市場で入手可能な他の光検
出器を用いても達成できるのが低ノイズ増倍なので、それらデバイスよりも一般
に感度が高いＡＰＤが使用される。次に、光ダイオード２９によって出力される
電気信号は変調データ１４に依存して変化するであろうが、増幅器３３によって
増幅されてフィルタ３５に通される。フィルタに通された信号は、次に、クロッ
ク回生兼データ回復ユニット３７へ送られ、ユニット３７は、標準のデータ処理
技術を使用してクロックとビデオデータを再生成する。回復されたビデオデータ
３８は、次にユーザーユニット３９へ送られ、ユーザーユニット３９はこの実施
の形態ではテレビジョン受像機を備え、そこでビデオデータがＣＲＴ（不図示）
上にユーザーのために表示される。

【００１５】 この実施の形態において、ユーザーユニット３９は、例えば遠隔制御ユニット
（不図示）を介して所望のテレビジョンチャネルの選択を指示する入力をユーザ
ーから受信できる。それに応答して、ユーザーユニット３９は、ローカル配信ノ
ード３への送達に関する適切なメッセージ１２を生成する。このメッセージ１２
はレーザー制御ユニット４１へ出力され、ユニット４１は、半導体レーザー１７
から出力されるレーザービーム１９がメッセージ１２により変調されるよう、半
導体レーザー１７を制御する。この技術に精通した者は理解するであろうように
、対向方向に送信されているデータが相互に干渉しないようにするためには、異
なる変調技術を用いるのがよい。例えば、レーザービーム１５の振幅がローカル
配信ノード３によって変調される場合、レーザー制御ユニット４１は、例えば、
送信レーザービームの位相を変調するのがよい。代替として、レーザー制御ユニ
ット４１はレーザービーム１９へ小信号変調を加えて、ユーザー端末７とローカ
ル配信ノード３との間に少帯域幅制御チャネルを創成することができる。ローカ
ル配信ノード３にある検出器が、受信したレーザービームの振幅の小さな変化量
を検出できる場合、これは可能である。その上、レーザービームのそのような小
信号振幅変調は、逆反射体兼モデムユニット１３によって用いられ得るバイナリ
の「オン」と「オフ」形式の変調に影響を及ぼさないであろう。

【００１６】 ユーザー端末７における構成要素の構造と機能は、この技術に精通した者によ
く知られているので、それらの更に詳細な説明は省略する。

【００１７】 図３は、図２に示すローカル配信ノード３の一部を形成する逆反射体兼モデム
ユニット１３を略示する。図示のように、この実施の形態では、逆反射体兼モデ
ムユニット１３は、広角テレセントリックレンズ系５１と、２つの変調器兼検出
器アレイ５３ａおよび５３ｂと、テレセントリックレンズ系からのビームを変調
器／検出器アレイ５３ａと５３ｂ間で分割するためのビームスプリッタ５４とを
備える。この実施の形態では、テレセントリックレンズ系５１は、レンズエレメ
ント６１および５５と、中央開口５９を有する停止部材５７とを備える。開口５
９のサイズは、設計選択事項であり、設置の具体的要件に依存する。テレセント
リックレンズ系の構造と機能は、本出願人の先の国際特許出願ＷＯ９８／３５３
２８に記載されており、その内容は引用して本明細書に組込まれる。

【００１８】 ２組の光線６７と６９によって図３に図解するように、異なるソースからのレ
ーザービームは、変調器／検出器アレイ５３ａ、５３ｂの異なる部分上へ焦点を
結ぶ。従って、別々の変調器兼検出器アレイを使用することによって、全てのユ
ーザー端末７からのレーザービーム１５は、それぞれの変調器兼検出器対によっ
て別々に検出されて、変調されることができる。

【００１９】 この実施の形態では、変調器／検出器アレイ５３ａと５３ｂの各々は、１００
列１０行の変調器／検出器セルを備える。図３に示すように、これらアレイは、
レンズ系５１の背焦点面６２ａと６２ｂに配置される。これらアレイのセルは相
互に空間的に千鳥状になされているので、アレイ５３ｂのセルは、アレイ５３ａ
のセル間の空間へ光学的に配置される。これを図４に略示する。図４は、光学的
に組合された変調器／検出器アレイ５３ａと５３ｂを示す。図示のように、アレ
イ５３ｂのセルｃ^２ _ｉｊは、アレイ５３ａのセルｃ^１ _ｉｊ間へ光学的に配置され
るように位置決めされる。その結果、セルの充填密度は、個々のアレイ５３ａと
５３ｂの充填密度と比較して著しく高くなっている。図示のように、各変調器／
検出器セルｃ_ｉｊは、変調器ｍ_ｉｊと、対応する変調器に隣接して配置される検
出器ｄ_ｉｊとを備える。この実施の形態では、セルｃ_ｉｊのサイズ７１は、５０
から２００μｍの間であり、セル間の間隔（中心から中心まで）７２は、セルサ
イズ７１より僅かに小さい。

【００２０】 図４に示すように、テレセントリックレンズ５１は、ユーザー端末７の一つか
らの焦点を結んだレーザービームのスポットサイズが、図４に示す、変調器／検
出器セルｃ^１ _{１０ １}を覆う斜線円７３で図解するように、変調器／検出器セル
ｃ_ｉｊの１つのサイズ７１に合致するように、設計される。ユーザー端末７から
のレーザービームが逆反射体に整列される方法、および、システムが当初に変調
器／検出器セルをそれぞれのユーザー端末へ割当てる方法は、ＷＯ９８／３５３
２８に記載されており、本明細書で繰返して説明しない。

【００２１】 この実施の形態では、American Telephone and Telegraph Company（ＡＴ＆Ｔ
）によって開発された、量子閉込シュタルク効果（Quantum Confined Stark Eff
ect）（ＱＣＳＥ、時には自己光電効果デバイス（Self Electro-optic Effect D
evices ）つまりＳＥＥＤとも称せられる）変調器が、変調器ｍ_ｉｊとして使用
される。このＱＣＳＥ変調器の構造と機能はＷＯ９８／３５３２８に記載されて
おり、本明細書では述べない。この実施の形態では、検出器ｄ_ｉｊの各々は光ダ
イオードを備え、この光ダイオードは、図２に示すユーザー端末７で用いられる
ものに類似する、関連増幅器、フィルタ、およびクロック回生兼データ回復ユニ
ットに接続され、それらは、対応するレーザービームのいずれの変調を検出する
よう、そして対応するユーザー端末７から送信されるいずれのメッセージ１２も
再生成するよう動作する。回生された全てのメッセージ１２は、次に、通信制御
ユニット１１へ送信して戻され、ここでメッセージが処理されて適切な処置が取
られる。

【００２２】 図５は、一点から多点への信号システムを用いるデータ配信システムを略示す
る。このデータ配信システムは、データが中央配信システム１からユーザー端末
７へ一方向だけで回送されることを除き、図１に示すビデオデータ配信システム
に類似する。このようなデータ配信システムは、例えば、株式市場で売買される
株価に関連する情報を配信するために用いることができる。そのような用途では
、個々のユーザー端末７は、トレーダへ新規の株価を表示するためのディスプレ
イユニットを備え、それによりトレーダは株価の変化に遅れず追従できる。代替
として、そのような一方向データ配信システムは、乗客に到着および出発などを
通知するために、鉄道の駅や空港などで使用できよう。

【００２３】 この実施の形態で使用されるローカル配信ノード３は、図１に示すシステムの
ローカル配信ノードに類似する。唯一の違いは、アレイ内のセルがユーザー端末
７から送信される通信を受信する検出器ｄ_ｉｊを含まないことである。同様に、
ユーザー端末７は、ビームスプリッタの前の光ビームエキスパンダも、ローカル
配信ノードへメッセージを送信するために半導体レーザーを変調するレーザー制
御回路も必要ないことを除き、第１の実施の形態のものに類似する。この実施の
形態の残りの構成要素は同一であり、従ってそれらは繰返し説明しない。

【００２４】 上記実施の形態では、逆反射体通信システムを説明した。この技術に精通した
者は理解するであろうように、充填密度を高めるための上記技術は、逆反射体ア
レイでなく光エミッタアレイを使用するシステムへも適用可能である。図６は、
そのような実施の形態のローカル配信ノード３の一つおよびユーザー端末７の一
つの主要構成要素を更に詳細に略示する。図６に示すように、ローカル配信ノー
ド３は通信制御ユニット１１を備え、この制御ユニットは、（i）中央配信シス
テム１から光ファイバ５伝いに送信される光信号を受信し；（ii）受信した光信
号からビデオデータを再生成し；（iii）ユーザー端末７から送信されるメッセ
ージ１２を受信し、それに応答して適切な処置を取り；そして、（iv）エミッタ
／検出器アレイおよびレンズ系８０のエミッタエレメントからの送信のために適
切なビデオデータをデータ１４に変換する。エミッタ／検出器アレイおよびレン
ズ系８０は、（i）その視野内にあるユーザー端末７から光ビーム１５を受信し
、受信したメッセージ１２をそれが処理され適切な処置がとられる通信制御ユー
ザー１１へ送信し；そして（ii）それぞれのビデオデータ１４を光ビーム１５を
介してそれぞれのユーザー端末７へ送信するように編成される。

【００２５】 図６に示すように、ユーザー端末７は図２のものと同一である。

【００２６】 図７は、図６に示すローカル配信ノード３の一部を形成するエミッタ兼検出器
アレイおよびレンズ系８０を略示する。図示のように、この実施の形態では、エ
ミッタ兼検出器アレイおよびレンズ系８０は、レンズ系８９と、２つのエミッタ
／検出器のアレイ９０ａ、９０ｂと、アレイ９０とレンズ系８９間に配置される
ビームスプリッタ５４とを備える。図示のように、レンズ系８９は、広角レンズ
５５と凸レンズ８７を備え、それらはエミッタ兼検出器アレイおよびレンズ系８
０のために広い視野を提供するよう動作する。この実施の形態では、レンズ系８
９はテレセントリックではない。エミッタ／検出器アレイ９０ａと９０ｂの各々
は、変調器が光エミッタで置換えられたことを除き、第１の実施の形態の変調器
／検出器アレイに形成されるセルに類似する規則的な通信セルアレイを備える。
この実施の形態で、エミッタは、面発光型半導体レーザー(vertical cavity sur
face emitting lasers)（以降、ＶＣＳＥＬｓと称する）で形成される。ＶＣＳ
ＥＬアレイは、ウェーハを切断する必要もなく、単一の半導体ウェーハから製造
できるので好ましい。これは、従来の半導体レーザーから作られるアレイの場合
より、単位面積当たりのエミッタエレメントの数を多くできる。

【００２７】 これらのＶＣＳＥＬアレイは、CSEM SA (Badenerstrasse 569, 8048 Zirich,
スイス) によって製造され販売されているが、１から３０ｍＷ間の範囲の電力で
動作し、従来の半導体レーザーと波長が同じレーザービームを出力する。この場
合もやはり、アレイ９０ａと９０ｂのセルは、ビームスプリッタ５４の動作によ
り、図４に示すセルと同じようにアレイのセルが相互にインターリーブされるよ
うに空間的に編成される。

【００２８】 この実施の形態では、エミッタアレイ９０ａ、９０ｂ内のＶＣＳＥＬエミッタ
ｅ_ｉｊは、選択的にアドレス可能であり、通信制御ユニットからのデータ１４は
、各ＶＣＳＥＬエミッタｅ_ｉｊのためのそれぞれのデータを含む。各ＶＣＳＥＬ
エミッタのためのデータは、用途に応じて同一であってもよいし、異なってもよ
い。図７に示すように、アレイ９０ａ、９０ｂ内の各エミッタｅ_ｉｊによって出
力される光は発散ビームであり、発散は主としてレーザーの放射開口での回折に
よるものである。レンズ系８９は、各エミッタからの発散ビームを集め、それを
集光ビームにする。この技術に精通した者は理解するであろうように、そして、
光線９５と９７で図解するように、集光ビームがレンズの出口瞳孔を出る角度は
、アレイ９０ａまたは９０ｂ内のエミッタの空間位置に依存する。従って、各ア
レイ内の各エミッタは、空間内で特定角度へ割付けられ、従ってそれぞれのユー
ザー端末７と通信できる。

【００２９】 上記実施の形態では、単方向および双方向データ配信システムが説明され、そ
こでは数多くの固定ユーザー端末がローカル配信ノードと通信できる。図８と９
を参照して、幾つかのユーザー端末７（例えば、ユーザー端末ｕ^１ _ｍ）が２つ以
上のローカル配信ノード３からデータを受信できることを除き、図５から７を参
照して説明したシステムに類似するデータ配信システムを説明する実施の形態を
、以下説明する。それで、幾つかのユーザー端末は、ローカル配信ノードから２
倍の量のデータを受信できるか、または、ローカル配信ノードが同一データを送
信する場合、幾つかのユーザー端末７は、ローカル配信ノードの一つとリンクさ
れる見透し線がさえぎられたとしても、途切れない通信リンクを持つことになる
。

【００３０】 この実施の形態では、ローカル配信ノード３は、レンズ系が図３に示すレンズ
系と同様にテレセントリックであり、アレイがエミッタアレイそのものであるこ
とを除き、図７に示すローカル配信ノードと実質的に同じである。この実施の形
態では、テレセントリックレンズが使用されているが、それはレンズの（エミッ
タアレイ９０からの光の）集光効率をエミッタアレイにわたり一定であるように
するからである。従って、エミッタエレメント全てが同一である場合、ローカル
配信ノードから出力される光の強度は、各エミッタに対して同じであろう。対照
的に、非テレセントリックレンズでは、ローカル配信ノードから出力される光の
強度は、アレイ中心にあるエミッタで放射される光に対する方が、端でのそれに
対するより大きいであろう。テレセントリックレンズの使用は、従来レンズでよ
く知られる種々の余弦減衰要因も回避する。

【００３１】 ユーザー端末が異なるローカル配信ノード３からの異なる通信を同時に受信で
きるようにするために、ユーザー端末は、ローカル配信ノード３に配置されるエ
ミッタセルのアレイに類似した検出器セルのアレイを含む。図９は、ユーザー端
末７の一部を形成し、図６のレンズ３１と光ダイオード２９を置換える、レンズ
系および検出器アレイ１００を略示する。図示のように、レンズ系１０１は、広
角レンズ１０３と凸レンズ１０５とを備え、異なるローカル配信ノード３から受
信した（光線１０６と１０７で表される）光を、２つの検出器アレイ１０８ａと
１０８ｂとの間でビームを分割するビームスプリッタ１０９上へ焦点を結ぶよう
動作する。この実施の形態では、２つの検出器アレイ１０８ａと１０８ｂにある
検出器セルは、図４に示すセルと同様に相互にインターリーブされるように空間
的に編成される。この技術に精通した者は理解するであろうように、ビームスプ
リッタ１０９によって光学的に組合された２つのこれらの検出器アレイを設ける
ことによって、検出器アレイの充填密度は、単一アレイで得られる充填密度を超
えるものとなる。

【００３２】 この技術に精通した者は理解するであろうように、そして先に述べたように、
この実施の形態の利点の一つは、ローカル配信ノード３の一つからのレーザービ
ームの一方（１０６または１０７）がさえぎられる場合に、ユーザー端末７は依
然として他方のビームからデータを受信できるというころである。この実施の形
態の別の利点は、自由空間通信リンクの両側に広角レンズが使用されるので、そ
の視野が比較的大きいことである。従って、ユーザー端末７がローカル配信ノー
ド３に対して移動する場合でさえ、両方が他方の視野内に留まる場合に通信は依
然として首尾よく行われる。

【００３３】 この実施の形態の別の利点は、ユーザー端末７がローカル配信ノード３に対し
て移動する場合、ユーザー端末がローカル配信ノード３の一つの視野外へ移動し
ようとしているか、またはローカル配信ノード３の一つが端末の視野外へ移動し
ようとしているか、を端末が判定できる点である。これが可能なのは、ユーザー
端末７が移動するのに従い、ローカル配信ノード３からのレーザービームは、そ
れぞれの検出器アレイ１０８ａ、１０８ｂ上を移動し、ユーザー端末７はそのア
レイにある検出器セルからの信号をサンプリングすることによってこれを検出で
きるからである。そのような実施の形態では、ローカル配信ノード３の一つから
のレーザービームが検出器アレイ１０８ａ、１０８ｂの側面を外れようとしてい
ることをユーザー端末７が判定する場合、そしてユーザー端末７が別のローカル
配信ノード３からデータを受信していない場合、ユーザー端末７は、中央配信シ
ステム１への接続が失われようとしていることをユーザーに警告するよう構成で
きる。この技術に精通した者は理解するであろうように、ユーザー端末７がロー
カル配信ノード３に対して移動する（または、その逆の）場合の実施の形態では
、通信リンクの一方の側が、その一つの視野内での他方の側の移動を、他方の側
から焦点合わせされたレーザービームがその一つのエミッタ／検出器アレイ上で
移動するのに従い、他方の側のビームを追跡することによって、追跡できる。こ
の情報は次に、通信リンクで使用されるエミッタ兼検出器セルを制御するために
使用できる。

【００３４】 単方向通信システムを上記で説明したが、そこでは、エミッタアレイがローカ
ル配信ノードの各々に設けられ、検出器アレイがユーザー端末の各々に設けられ
た。この技術に精通した者は理解するであろうように、そして図１０に示すよう
に、図８に示した通信システムは、エミッタ兼検出器アレイをローカル配信ノー
ド３およびユーザー端末７の両方に設けることによって、双方向通信システムに
成され得る。好ましくは、そのような実施の形態では、通信リンクの各々の側が
、先に記載の理由により、図３に示すような広角テレセントリックレンズを使用
するであろう。代替として、図１１に図解するように、エミッタ兼検出器アレイ
をローカル配信ノード３に設け、逆反射体兼変調器アレイをユーザー端末７の各
々に設けることができる。さらに代替として、図１２に図解するように、逆反射
体兼モデムユニットをローカル配信ノード３の各々に設け、エミッタ兼検出器ア
レイをユーザー端末７の各々に設けることができる。

【００３５】 さらに代替として、逆反射体兼モデムユニットを、ローカル配信ノード３およ
びユーザー端末７の両方に設けることができる。そのような実施の形態を図１３
で図解する。この技術に精通した者は理解するであろうように、そのような実施
の形態では、ローカル配信ノードまたはユーザー端末のどちらかが、逆反射体の
一つの光反射器を照射するための半導体レーザーも含まなくてはならない。図１
３に示す実施の形態では、この半導体レーザーは、ローカル配信ノード３に設け
られている。図示のように、半導体レーザー１１１からの光は、レンズ１１２に
よって拡大されて、コリメートされ、変調器アレイ１１３を偏光化ビームスプリ
ッタ１１４経由で照射するために使用される。変調器アレイの各エレメントは、
入射光の一部を（入力変調データ１４に依存する）そのエレメントへ印加される
電気的バイアスに従い反射または吸収する。反射された光は、次に、ユーザー端
末７へ向けて（反射光の偏光を直線から円へ変更するために）ビームスプリッタ
とλ／４波プレート１１９、そしてレンズ１１５を通過する。ユーザー端末で受
信されたビームは、レンズ１１６によって（変調器と検出器の両方を含む）逆反
射体アレイ１１７上に焦点を結び、ここで、（変調データ１４を回生するよう）
検出と、データ１２での変調との両方がなされ、ローカル配信ノード３へ向けて
反射して戻される。この反射の結果、偏光された光の「利き手 (handedness)」
が反転される。従って、反射光がλ／４波プレート１１９を再度通過する際に、
受信光の直線偏光は、送信光に対して９０度回転される。従って、反射光は、偏
光化ビームスプリッタ１１４によって光ダイオードアレイ１１８へ向けて反射さ
れ、ここで変調データ１２が回生される。この技術に精通した者は理解するであ
ろうように、逆反射体の実効充填密度を高めるために使用される上記技術は、通
信リンクの片方または両方の終端で、この実施の形態にも用いることができる。

【００３６】 上記実施の形態では、２つの変調器アレイがビームスプリッタ５４を使用して
組合された。結果として、変調器／検出器セルのアレイの見かけ充填密度は高ま
る。しかし、２Ｄアレイでは、１００％の充填密度はそのような変調器／検出器
セルの２つのアレイだけでは達成できない。しかし、変調器／検出器セルの４つ
のアレイが、各々が少なくとも２５％の充填密度（すなわち、画素間の間隙が画
素サイズに等しいかまたはそれより大きい）を持って使用される場合、３つのビ
ームスプリッタを用いることよって、これらの４アレイは、光学的に組合されて
１００％充填密度を達成する。これを図１４に略示する。

【００３７】 更に、幾つかの用途では、通信システムのユーザーは、実質的に水平面に分布
されるであろう。従って、この場合には、変調器／検出器の直線アレイで十分で
あり、１００％充填密度は、図１５に図解するように、たった２つの直線アレイ
だけで達成できる。

【００３８】 上記実施の形態では、光通信エレメント（光エミッタ、光反射器、および光検
出器のような）の２つのアレイが、光エレメントの充填密度を高めるために、ビ
ームスプリッタを使用して光学的に組合された。光エレメントの充填密度は、他
の技術を使用して実効的に高めることができる。例えば、マイクロレンズアレイ
を光エレメントのアレイの前面に置いてもよい。この場合、マイクロレンズアレ
イは、マイクロレンズの中心が光エレメントアレイのエレメントの中心と同じ格
子間隔を持つように編成され、それによって、各マイクロレンズは、個々の光エ
レメントのための光学系として作用する。これを図１６に図解するが、図１６は
、そのようなマイクロレンズのアレイ１３５を、光通信エレメントのアレイ（こ
の場合には、ＱＣＳＥ変調器のアレイ５３）の前に置くことができる方式を示す
。図１６に図解するように、各マイクロレンズ１３７は、変調器画素５３−１に
隣接して配置され、画素５３−１は、この実施の形態では、アレイ５３に沿い規
則的な間隔５３−２で離間される。図示のように、各マイクロレンズ１３７は、
連係する変調器画素の拡大画像を形成するよう作用し、それにより、テレセント
リック光学系５１の出口瞳孔から見た際に、アレイが１００％充填密度を持つよ
うに見える。

【００３９】 この技術に精通した者は理解するであろうように、そのようなマイクロレンズ
アレイを使用することによって、変調器画素のところのビームの開口数は、マイ
クロレンズで与えられる長さ倍率に等しい係数だけ、レンズより大きくなるであ
ろう。３０μｍの変調器エレメントで、５μｍのエレメント間の間隔で、１００
％充填密度を達成するために必要とされる長さ倍率は１．１６７であり、画素の
ところの開口数はこの係数分だけ増える。しかし、これは、比較的小さな開口数
の増加であり、大抵の場合は変調器画素にとって十分に容認可能な制限内である
。

【００４０】 光通信エレメントの単一アレイの充填密度を高める別の方式は、２つ以上の個
別の光学系および通信エレメントのアレイを使用することである。そのようなシ
ステムを図１７に略示する。図示のように、システムは、２つのテレセントリッ
ク光学系１２０ａと１２０ｂ、および光通信エレメントの２つのアレイ１２５ａ
と１２５ｂを含む。この実施の形態は、送信機または受信機上に入射したビーム
１２７が普通にはテレセントリックレンズのテレセントリック停止部より著しく
大きいという事実を活用する。従って、ビームは、一つ以上のテレセントリック
系によって受信できる。従って、２つのテレセントリックレンズ系を僅かに異な
る方向へ指し向けることによって、図１７に示すように、２つのアレイに対して
、視野内の方向とアレイ１２５ａおよび１２５ｂ上の位置との間の割付けに違い
があるであろう。従って、２つのテレセントリックレンズ系の間に適切なオフセ
ット角を設定することによって、２つのアレイ１２５ａと１２５ｂにおける通信
エレメントは、ビームスプリッタを用いる実施の形態と類似した様式で互いに入
り組むように編成できる。この技術に精通した者は理解するであろうように、こ
の技術は、ビームスプリッタに付随する追加の光損失はないが、テレセントリッ
ク光学系の追加という代償をもって１００％充填密度を達成できる。

【００４１】 逆反射体の上記実施の形態では、ＱＣＳＥ変調器のアレイが、通信リンクの逆
反射体終端に使用された。これらのＱＣＳＥ変調器は、入射光を吸収するか反射
する。この技術に精通した者は理解するであろうように、他の形式の反射器およ
び変調器を使用できる。例えば、平面ミラーを反射器として使用してもよく、透
過性変調器（例えば、液晶）をレンズとミラー間に設けてもよい。さらに代替と
して、入射ビームの経路を、反射ビーム経路から一時的に分離するためにビーム
スプリッタを使用してもよく、この場合、反射ビームの経路に変調器を設けるこ
とにより反射光だけを変調するようにしてもよい。しかし、そのような実施の形
態は、前進と戻りの経路を分け、次に、変調後に経路を再併合するために追加の
光学的構成要素を必要とするので好ましくない。

【００４２】 テレセントリックレンズを用いる実施の形態においては、エミッタ、検出器ま
たは変調器のアレイは、テレセントリックレンズの背焦点面に実質的に配置され
る。この技術に精通した者は理解するであろうように、テレセントリックレンズ
は、曲面、または部分的に曲面の背焦点面を持つように成すことができる。この
場合、エミッタ、検出器または変調器のアレイもテレセントリックレンズの背焦
点面に適合するよう曲面、または部分的に曲面に成されよう。

【００４３】 上記実施の形態では、一点から多点への信号システムが説明された。この技術
に精通した者は理解するであろうように、上記通信技術の多くは、一点から一点
への信号システム、多点から一点への信号システム、および、多点から多点への
信号システムへ適用されるであろう。

【００４４】 ＶＣＳＥＬエミッタのアレイを用いる上記実施の形態では、各エミッタで生成
された光は、通信リンクの他端へ送信されるべきデータで変調される。ＶＣＳＥ
Ｌエミッタからの光を変調する最も容易な方式は、エミッタをオンとオフに切換
えることによって、よって、エミッタから放射される光を振幅変調することであ
る。しかし、この技術に精通した者は理解するであろうように、周波数変調また
は位相変調等の他の変調技術が使用できる。更に、この技術に精通した者は理解
するであろうように、半導体レーザーおよび発光ダイオード等の他の形式の光エ
ミッタが使用できる。エミッタのアレイは、各ファイバの他端へ結合された半導
体レーザーを持ち、規則的なアレイにきっちりと詰込まれた光ファイバ束でも形
成できよう。しかし、そのような光ファイバ束の使用、または半導体レーザーの
２Ｄアレイの使用は、放射開口での回折に起因する大きなビーム発散の結果とな
り、発散は±２０度程度である。これは、光が効果的に集光されコリメートされ
るべき場合に、小さいＦ数のコリメートレンズの使用を必要とする。これは、レ
ンズ系のコストと複雑さを増大させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、複数の遠隔ユーザーへ、複数のテレビジョンチャネル用ビデオ信号を
供給するためのビデオ放送システムの概略図であり；

【図２】 図２は、図１に示すビデオ放送システムの一部を形成するローカル配信ノード
およびユーザー端末の概略ブロック図であり；

【図３】 図３は、図２に示すローカル配信ノードで用いられる逆反射体アレイおよびレ
ンズ系の概略図であり；

【図４】 図４は、図３に示すシステムの一部を形成する光学的に組合された画素化逆反
射体アレイの概略図であり；

【図５】 図５は、データ配信システムの概略図であり；

【図６】 図６は、図５に示すデータ配信システムの一部を形成するローカル配信ノード
およびユーザー端末の概略図であり；

【図７】 図７は、図６に示すローカル配信ノードで用いられるエミッタ兼検出器アレイ
およびレンズ系の概略図であり；

【図８】 図８は、複数のユーザーへデータを供給するためのデータ配信システムの概略
図であり；

【図９】 図９は、図８に示すシステムにおけるひとつのユーザー端末の一部を形成する
エミッタ兼検出器のアレイの概略図であり；

【図１０】 図１０は、図１に示すデータ配信システムに使用できるローカル配信ノードお
よびユーザー端末の代替形態の概略図であり；

【図１１】 図１１は、図１に示すデータ配信システムで用いることができるローカル配信
ノードおよびユーザー端末の代替形態の概略図であり；

【図１２】 図１２は、図１に示すデータ配信システムで用いることができるローカル配信
ノードおよびユーザー端末の代替形態の概略図であり；

【図１３】 図１３は、図１に示すデータ配信システムで用いることができるローカル配信
ノードおよびユーザー端末の代替形態の概略図であり；

【図１４】 図１４は、上記実施の形態のいずれかで使用できる光学的に組合された画素化
通信セルアレイの代替形態の概略図であり；

【図１５】 図１５は、上記実施の形態のいずれかで使用できる光学的に組合された画素化
通信セルアレイの代替形態の概略図であり；

【図１６】 図１６は、図２に示すローカル配信ノードで用いることができ、そして通信セ
ルの見かけ充填密度を高めるためのマイクロレンズアレイを含む、逆反射体アレ
イおよびレンズ系の概略ブロック図であり；そして、

【図１７】 図１７は、相互に角度をもってオフセットした２つのテレセントリック光学系
および変調器アレイの概略ブロック図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ユアン・モリソン 英国，ＣＢ10 １ＳＸ，ケンブリッジシャ ー州，イクレトン，デュクスフォード ロ ード，アビィ バーンズ （番地無し）， クワンタムビーム リミテッド内 (72)発明者 マイケル・レイノルズ 英国，ＣＢ10 １ＳＸ，ケンブリッジシャ ー州，イクレトン，デュクスフォード ロ ード，アビィ バーンズ （番地無し）， クワンタムビーム リミテッド内 Ｆターム(参考） 5C064 EA01 5K102 AA15 AB01 AL07 AL12 AL16 AL21 AL28 PB18 PH38 RB02

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２信号装置を備え光信号システムであって、 前記第１信号装置は、所定の構成に編成されかつその間に間隙を有する複数の
   信号エレメントを備え；そして、 前期第２信号装置は、前記第１信号装置の前記信号エレメントの少なくとも一
   つへ信号を送るための少なくとも一つの信号エレメントを備え；そして、 前記第１信号装置は、更に、隣接エレメント間の前記間隙の見かけサイズを低
   減するための少なくとも一つの追加光エレメントを備える光信号システム。
2. 【請求項２】 前記少なくとも一つの追加光エレメントは、前記信号エレメントの前に位置決
   めされた対応する複数のマイクロレンズを備える請求項１によるシステム。
3. 【請求項３】 前記少なくとも一つの追加光エレメントは、少なくとも一つのビームスプリッ
   タを備え、前記複数の信号エレメントは、少なくとも２つのグループに編成され
   、そして、前記少なくとも一つのビームスプリッタおよび前記少なくとも２つの
   グループは、前記少なくとも２つのグループの前記信号エレメントが効果的に互
   いにインタリーブされるように編成される請求項１によるシステム。
4. 【請求項４】 前記少なくとも一つの追加光エレメントは、所定の構成に編成され、かつ間に
   間隙を有する第２の複数の信号エレメントを備え、前記第２の複数の信号エレメ
   ントは、前記第１の複数の信号エレメントに対し角度をもってオフセットされる
   請求項１によるシステム。
5. 【請求項５】 前記各複数のまたはそれぞれの信号エレメントが、アレイに編成される先に記
   載の請求項のいずれかによる装置。
6. 【請求項６】 前記信号エレメントが、規則アレイに編成される請求項５によるシステム。
7. 【請求項７】 前記またはそれぞれのアレイが、２次元アレイである請求項５によるシステム
   。
8. 【請求項８】 前記またはそれぞれのアレイが、１次元アレイである請求項５によるシステム
   。
9. 【請求項９】 レンズ系が前記第１信号装置における前記複数の信号エレメントの前に設けら
   れ、そしてレンズ系が前記第２信号装置内の前記信号セルの前に設けられる先に
   記載の請求項のいずれかによるシステム。
10. 【請求項１０】 前記第１信号装置の前記レンズ系が、テレセントリックレンズを備える請求項
    ９によるシステム。
11. 【請求項１１】 前記複数の信号エレメントが、前記テレセントリックレンズの背焦点面に実質
    的に配置される請求項１０によるシステム。
12. 【請求項１２】 前記テレセントリックレンズが、広角テレセントリックレンズである請求項１
    ０および１１によるシステム。
13. 【請求項１３】 前記複数の信号エレメントが、光エミッタアレイを備える先に記載の請求項の
    いずれかによるシステム。
14. 【請求項１４】 前記信号エレメントアレイが、光反射器アレイを備える請求項１から１２のい
    ずれかによるシステム。
15. 【請求項１５】 前記第１信号装置が更に、前記反射器アレイによって反射された、またはそれ
    によって反射されるべき光を変調するための手段を備える請求項１４によるシス
    テム。
16. 【請求項１６】 前記第２信号装置が、複数の信号エレメントを備える先に記載の請求項のいず
    れかによるシステム。
17. 【請求項１７】 前記第２信号装置における前記複数の前記信号エレメントが規則アレイに編成
    される請求項１６によるシステム。
18. 【請求項１８】 前記第２信号装置の一つ以上の前記信号エレメントが面発光型半導体レーザー
    （ＶＣＳＥＬ）を備える請求項１７によるシステム。
19. 【請求項１９】 前記第２信号装置の一つ以上の前記信号エレメントが光検出器を備える請求項
    １７または１８によるシステム。
20. 【請求項２０】 前記またはそれぞれの光検出器が光ダイオードを備える請求項１９によるシス
    テム。
21. 【請求項２１】 前記第１および第２信号装置が相互に移動可能である先に記載の請求項のいず
    れかによるシステム。
22. 【請求項２２】 前記少なくとも一つの更なる光エレメントは、前記複数の信号エレメントの平
    均充填密度を高めるために動作可能である先に記載の請求項のいずれかによるシ
    ステム。
23. 【請求項２３】 一つ以上の前記第２信号装置へ信号を送るよう編成された複数の前記第１信号
    装置の複数を備える先に記載の請求項のいずれかによるシステム。
24. 【請求項２４】 前記第１信号装置の前記信号エレメントのそれぞれ一つへ信号を送るよう各々
    が編成された複数の前記第２信号装置を備える先に記載の請求項のいずれかによ
    るシステム。
25. 【請求項２５】 前記第１信号装置の前記信号エレメントは、前記第２信号装置へ送信されるべ
    き光信号を変調するよう動作可能である先に記載の請求項のいずれかによるシス
    テム。
26. 【請求項２６】 前記第１信号装置の前記信号エレメントは、前記光信号の振幅、位相、周波数
    、または偏光の少なくとも一つを変調するよう動作可能である請求項２５による
    システム。
27. 【請求項２７】 所定の構成に編成され、間に間隙を有する複数の信号エレメントと、前記隣接
    エレメント間の前記間隙の見かけサイズを低減するための少なくとも一つの更な
    る光エレメントとを備える信号装置。
28. 【請求項２８】 先に記載の請求項のいずれかの、第１信号装置の技術的特徴を備える信号装置
    。
29. 【請求項２９】 請求項２７または２８による一つ以上の信号装置と複数の第２信号装置とを備
    える信号キットであって、前記第２信号装置の各々が、前記第１信号装置の前記
    信号エレメントの少なくとも一つへ信号を送る少なくとも一つの信号エレメント
    を備える信号キット。
30. 【請求項３０】 第１および第２信号装置を使用する信号伝達方法であって、前記第１信号装置
    は、所定の構成に編成され、かつ間に間隙を有する複数の信号エレメントを備え
    、前記方法は、隣接エレメント間の前記間隙の見かけサイズを低減するための少
    なくとも一つの追加光エレメントを前記第１信号装置に設けるステップを特徴と
    する信号伝達方法。
31. 【請求項３１】 第１および第２信号装置を備える光信号システムであって、 前記第１信号装置は、光信号を生成するための手段；前記生成された光信号を
    変調データで変調するための手段；および前記第２信号装置の方へ前記生成され
    た光信号を反射するための手段；を備え、 前記第２信号装置は、前記第１信号装置から送信される光信号を受信するため
    の手段；前記受信した信号から前記変調データを回復するための手段；前記受信
    した光信号を前記第１信号装置のための変調データで変調するための手段；およ
    び前記受信した光信号を前記第１信号装置へ反射して戻す手段；を備える光信号
    システム。
32. 【請求項３２】 第１および第２信号装置を備える光信号システムであって、 前記第１信号装置は、複数の反射器と、前記複数の反射器を共通して照射する
    ための光源とを備え； 前記第２信号装置は、各々がそれぞれの光源から光を受信するための、および
    前記光を前記それぞれの光源へ反射して戻すための複数の反射器を備える光信号
    システム。
33. 【請求項３３】 前記反射器がアレイに編成される請求項３２によるシステム。
34. 【請求項３４】 前記第１信号装置は更に、前記光源からの前記光を変調データで変調するため
    の手段を備え、そして、前記第２信号装置は更に、前記変調データを回復するた
    めの手段を備える請求項３２または３３によるシステム。
35. 【請求項３５】 前記第２信号装置は更に、前記第１信号装置からの前記光を変調データで変調
    するための手段を備え、前記第１信号装置は更に、前記変調データを回復するた
    めの手段を備える請求項３２から３４のいずれかによるシステム。
36. 【請求項３６】 第１および第２信号装置を備える光信号システムであって、前記第１および第
    ２信号装置の各々は、逆反射体を備え、そして前記第１および第２信号装置の少
    なくとも一方が、前記第１および第２信号装置の前記少なくとも一方の前記逆反
    射体上へ光信号を生成して出力するための手段を備える光信号システム。