JP2004503175A - 自由空間光信号システム - Google Patents
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Abstract
レンズと複数の光学エレメントとを備える光学装置を有する自由空間光信号システムを記載する。光ビームを偏向するビーム偏向器が、レンズと複数の光学エレメントとの間の光路に設けられる。ビーム偏向器は複数のビーム偏向エレメントを有し、各ビーム偏向エレメントはそれぞれの光学エレメントと関連付けられて、レンズを通過する主光線が、関連付けられた光学エレメントに対して実質的に垂直になるように偏向させるよう動作可能である。光学装置は、逆反射システムに対して、格別ではあるが専用ではない適合性を有する。
Description
【０００１】
本発明は、信号システムおよびその構成要素に関する。詳細には、本発明は、自由空間光ビームを変調することによってデータを伝達する信号方法および装置に関する。
【０００２】
全体の内容が引用されて本明細書に組込まれる国際特許出願ＷＯ９８／３５３２８は、自由空間光ビームを使用した一点対多点通信システムを記載している。ＷＯ９８／３５３２８は、詳細には、（例えば、街路の家屋ごとに設けられた）複数のユーザ局が（例えば、街路の電柱に設けられた）ローカル分配ノードへ向けた無変調光ビームを放射するように成したシステムについて説明している。ローカル分配ノードでは、各入光ビームが、個々に駆動可能な変調器素子から成るアレイの各変調器素子によりデータ信号に従って変調され、その生成源であるユーザ局へ反射して戻される。変調光ビームはユーザ局で検出され、データ信号が再生される。
【０００３】
ＷＯ９８／３５３２８に記載されたシステムのローカル分配ノードでは、各ユーザ局からの光は、生成源であるユーザ局へ向けてその光を戻すためにテレセントリックレンズの後方焦点面に配置した実質的に平面の反射体によって逆反射される。テレセントリックレンズを使用することによって、テレセントリックレンズを通過するユーザ局の各々からの主光線（すなわち、テレセントリックレンズの入射ひとみの中心を通過する光線）は、反射体の反射面に対して垂直に入射し、従って反射体は入射光をその入射路に沿って反射して戻す。このように、反射体とテレセントリックレンズは逆反射体を形成する。テレセントリックレンズを使用する別の利点は、異なるユーザ局からの光ビームが、テレセントリックレンズ視野内へのユーザ局の配置にかかわらず、それら光ビームそれぞれの変調器素子上へ同一角度で入射するである。このようにして、光ビームが変調器素子に当る角度に概ね依存する変調の効率（すなわち、変調の深さ）は全てのユーザ局からの光ビームに対してほぼ一定である。
【０００４】
ＷＯ９８／３５３２８に記載されたシステムのユーザ局では、半導体レーザーが光ビームを出力し、この光ビームはコリメートされ、次にビームスプリッタを通して送信された後にテレスコープ編成によって拡張される、そして、ローカル分配ノードからの反射して戻された変調光は、テレスコープ編成を通過して戻り、光ダイオード上へビームスプリッタによって反射される。この編成に伴う問題は、半導体レーザーにより放射され、ビームスプリッタを通って送信された光の一部がテレスコープ編成の光学面により反射されてビームスプリッタへ戻され、そしてこのビームスプリッタ光ダイオード上へ光を反射し、その結果、大きな定常状態背景ノイズレベルを招き、これが、ローカル分配ノードからの反射して戻された変調光ビームによって伝達されるデータを回生するときに信号対ノイズ比を著しく低減させるとともに、光ダイオードを飽和させることである。
【０００５】
本発明の一側面によれば、レンズおよび複数の光学エレメントを備える光学装置が提供される。ビーム偏向手段が、レンズと複数の光学エレメントとの間の光路に位置決めされて、レンズを通過する複数の主光線を、レンズの光軸と光学的に平行になるように偏向する。このようにして、レンズとビーム偏向手段は、ＷＯ９８／３５３２８に記載のテレセントリックレンズ編成の代替を成す。
【０００６】
本発明の別の側面によれば、光放射器および光検出器を備える自由空間逆反射信号システムのための信号装置が提供される。光検出器用レンズ系を光が通って向くようにする放射光ビームの分岐に依存してレンズ系が別体に光放射器と光検出器のために設けられる。このようにして、レンズ系の構成要素を離れて光検出器上に入射する放射光の反射は低減される。更に、これらレンズ系は、光放射器および光検出器に関連する、異なった要件に従って別々に最適化できる。
【０００７】
本発明の更なる側面によると、光変調器および光検出器を備える自由空間逆反射信号システムのための信号装置が提供される。レンズ系が別体に光変調器と光検出器のために設けられる。このようにして、レンズ系は、光変調器および光検出器に関連する、異なった要件に従って別々に最適化できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の例示の実施の形態を、添付図面を参照して以下に説明する。
【０００９】
図１は、一点対多点信号システムを用いて、複数ユーザ局へデータを送信するとともに、それらユーザ局からデータを受信するデータ分配システムを概略的に図解する。図示のように、データ分配システムは中央分配システム１を備え、中央分配システム１は、複数のローカル分配ノード３ａ〜３ｃへそれぞれの光ファイバ５ａ〜５ｃ経由で光データ信号を送信し、それらローカル分配ノードから光データ信号を受信する。
【００１０】
ローカル分配ノード３ａで、自由空間光リンク１１ａ〜１１ｄ、すなわち、内部で光が光ファイバ路伝いに案内されない光リンクを使用して、中央分配システム１から受信したデータストリームがそれぞれのユーザ局７ａ〜７ｄへ送信され、中央分配１への送信用データはユーザ局７ａ〜７ｄから受信される。同様に、データはローカル分配ノード３ｂとユーザ局７ｅ〜７ｈとの間を、自由空間光リンク１１ｅ〜１１ｈを使用して伝送され、そしてデータはローカル分配ノード３ｃとユーザ局７ｉ〜７ｌとの間を、自由空間光リンク１１ｉ〜１１ｌを使用して伝送される。ユーザ局７の各々は、少なくとも一台のユーザ装置（不図示）へ接続される。この実施の形態で、ユーザ装置は、チャネル情報を中央分配システム１へ送信するとともに、応答して対応するテレビジョン信号を受信するテレビジョン受像機（不図示）、および、インターネットに中央分配システム経由でアクセスするコンピュータシステム（不図示）を含んでいる。
【００１１】
この実施の形態で、各ユーザ局７は、低発散率自由空間光ビームを放射し、この光ビームは、ローカル分配ノードへ伝達されるべきデータに従って変調されて、対応するローカル分配ノード３へ向けられる。各ローカル分配ノード３は複数の変調素子（図１には不図示）を有し、これら変調素子は、各ユーザ局７からの光ビームを変調および逆反射して、ローカル分配ノード３からユーザ局７へデータを伝達する。
【００１２】
図２は、図１に示すデータ分配システムの一ユーザ局７の主要構成要素をより詳細に概略的に図解する。図示のように、ユーザ局７は、コヒーレント光のビーム２３を出力する半導体レーザー２１を備える。この実施の形態では、ユーザ局７は、２００メートルの範囲内のローカル分配ノード３との間で９９．９％のリンク有効性で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２１は、８５０ｎｍの波長を持つレーザービームを出力する５０ｍＷの半導体レーザーである。
【００１３】
出力光ビーム２３は、光ビーム２３の発散角を低減するレンズ２５、以後コリメータレンズ２５と称する、を通過して、実質的に低発散率の光ビーム２７を形成する。低発散率光ビームの発散率は、コリメータレンズ２５と光源２１間の距離を変更することによって変えることができる。しかし、この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、半導体レーザーの放射開口での回折に起因して低発散光ビーム２７は完全にはコリメートできない。この実施の形態では、コリメータレンズ２５が低収差レンズであるので、低発散率ビーム２７は比較的均一な波面を持つが、このレンズは直径５０ｍｍで、半導体レーザー２１が放射する全ての光を集光するのにまさに十分な大きさのＦナンバーを持つ。
【００１４】
光ビーム２７の発散率が低いとはいえ、ローカル分配ノード３による反射後のユーザ局７上に入射する光ビーム２９のサイズは、ユーザ局７を離れる低発散率光ビーム２７の発散率より著しく大きい。この実施の形態では、図３に示すように、受信された光ビーム２９のビームサイズは、レンズ、以後ダウンリンク検出レンズ３１と称する、を包囲するのに十分な大きさであり、レンズはコリメータレンズ２５に隣接して設けられる。この実施の形態では、コリメータレンズ２５およびダウンリンク検出レンズ３１の入射口ひとみは同一平面に配置される。
【００１５】
図２に戻ると、図では明確にするためにダウンリンク検出レンズ３１に入射する受信光ビーム２９の一部だけが示されているが、ダウンリンク検出レンズ３１は受信光ビーム２９からの光を検出器３３上に焦点を結ばせるが、検出器３３は、この実施の形態ではアバランシュ光ダイオードである。ダウンリンク検出レンズ３１の直径は１００ｍｍであるが、その主な目的が単に可能な限り多くの光を検出器３３上へ向けることであるので、コリメータレンズ２５ほどの高品質を必要としない。図４は、検出器３３の検出面６１と、受信光ビーム２９からの光に焦点を結ばせるダウンリンク検出レンズ３１によって形成される光スポット６３とを概略的に示す。この実施の形態では、検出面６１の直径が５００μｍであるのに対し、光スポット６３の直径は略５０μｍである。
【００１６】
検出器３３は受信光ビームを対応電気信号に変換するが、この電気信号は、ローカル分配ノード３で成される変調に従って変化する。電気信号は増幅器３５によって増幅され、次にフィルタ３７にかけられる。フィルタにかけられた信号は、中央制御ユニット３９へ入力され、制御ユニット３９は従来のクロック回生とデータ回復操作を行って、中央分配システム１からのデータを再生する。回復データは、次にユーザ装置４３へ接続されているインタフェースユニット４１へ送られる。
【００１７】
インタフェースユニット４１はユーザ装置４３からのデータも受信し、受信データを中央制御ユニット３９へ入力し、中央制御ユニット３９はローカル分配ノード３経由で中央分配システム１への伝送のために適切なメッセージを生成する。このメッセージはレーザー駆動器４３へ出力され、駆動器４３は、半導体レーザー２１によって出力される光ビーム２３をメッセージに従って変調する。この実施の形態では、レーザー駆動器４３は、半導体レーザー２１によって出力される光ビーム２３に小信号変調を行う。図５はこの変調を図解するとともに、ＣＷレーザーレベル６５およびそれに対して行われた小信号変調６７を示す。逆反射システムのこの非対称経路損失ゆえに、小信号変調コンセプトを用いて、「全」帯域幅アップリンクチャネルを提供することができる。この技術に精通した者には言うまでもなく、このアップリンク変調データは、ダウンリンクデータにとって更なるノイズ源となる。これを図６に図解するが、この図は、干渉アップリンクデータ６７を含むダウンリンクデータ６９に対するアイパターン、およびその結果としてのノイズマージン７０の低減を示す。しかし、アップリンク変調深さが充分に低く保たれる場合、アップリンクおよびダウンリンクの両方は等しい帯域幅で動作できる。この実施の形態では、アップリンク変調深さは、ＣＷレーザーレベルの略３％である。この小信号変調の更なる詳細は、国際特許出願ＷＯ０１／０５０７１に記載され、その内容全体を引用して本明細書に組込む。
【００１８】
図２に戻ると、中央制御ユニット３９は、水平ステッパーモータ４７へ駆動信号を供給する第１モータ駆動器４５ａ、および垂直ステッパーモータ４９へ駆動信号を供給する第２モータ駆動器４５ｂにも接続されている。この実施の形態では、半導体レーザー２１、コリメータレンズ２５、検出器３３およびダウンリンク検出レンズ３１は一緒に搭載されて、単体の光学アセンブリ５１を形成し、そして水平ステッパーモータ４７が光学アセンブリ５１を垂直軸周りに回転させるよう動作可能であり、それによりコリメートされた光ビーム２７は水平面内で移動し、垂直ステッパーモータ４９が光学アセンブリ５１を水平軸周りに回転させるよう動作可能であり、それによりコリメートされた光ビーム２７は垂直面内で移動する。このようにして、放射光ビームの方向を変えることができる。
【００１９】
図７は、一つのローカル分配ノード３の主要構成要素を概略的に図解する。図示のように、ローカル分配ノード３は通信制御ユニット７１を備え、この制御ユニットは中央分配システムからのデータを伝達する光ファイバ５伝いに送信される光信号を受信して、受信光信号から伝達されたデータを再生する。通信制御ユニット７１は、伝達されたデータに従って制御信号を生成し、制御信号は変調器駆動回路７３へ出力され、駆動回路７３は対応する駆動信号を変調器アレイ７５へ供給する。この実施の形態では、変調器アレイ７５の変調器素子は、変調器駆動回路７３によって出力される駆動信号が変調器素子の反射率を変えるのに伴って、変調器駆動回路７３によって個々にアドレス可能である。
【００２０】
この実施の形態では、変調器アレイ７５は、量子閉込シュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）（ＱＣＳＥ）デバイス（これは時には自己光電効果デバイス（Ｓｅｌｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ ）つまりＳＥＥＤとも称せられる）の２次元平面集積アレイを備える。図８Ａは、一つのＱＣＳＥデバイス９１の断面を概略的に図解する。図示のように、ＱＣＳＥデバイス９１は、しかるべきユーザ局７からの光ビームが通過する透明窓９３を備え、それに続いてガリウム砒素（ＧａＡｓ）ベース材料でできた３層９５−１、９５−２、９５−３を備える。層９５−１はｐ型導電層であり、層９５−２は内部に形成された複数の量子ウエルを有する真性層であり、そして層９５−３はｎ型導電層である。これら３層９５は一緒にｐ−ｉ−ｎダイオードを形成する。図示のように、ｐ型導電層９５−１は電極１０１へ接続され、ｎ型導電層９５−３は接地端子１０３へ接続される。この実施の形態ではブラッグ反射体である反射層９７がｎ型導電層９５−３の下に設けられ、そして基板層９９が反射層９７の下に設けられる。
【００２１】
動作時に、ユーザ局７からの光ビームは、窓９３を通過してガリウム砒素ベース層９５へ入る。真性層９５−２に吸収される光の量は、電極１０１へ印加されるＤＣバイアス電圧に依存する。理想的には、図８Ａに図解するように、ＤＣバイアス電圧が何ら電極１０１へ印加されないとき、光ビームは窓９３を通過し、真性層９５−２内で全部吸収される。その結果、電極１０１へ何らＤＣバイアス電圧も印加されてないとき、対応ユーザ局７へは何らの光も反射されて戻されない。それに対し、図８Ｂに図解するように、略−５ボルトのＤＣバイアス電圧が電極１０１へ印加されているとき、対応ユーザ局７からの光ビームは、窓９３およびガリウム砒素ベース層９５を通過して、反射層９７により反射される。そのため、変調器駆動回路７３からの駆動信号に従って電極１０１へ印加されるバイアス電圧を変化させることによって、ＱＣＳＥ変調器９１は、受信した光ビームを振幅変調して、変調された光ビームをユーザ局７へ反射して戻す。
【００２２】
理想的な場合には、図９に図解するように、ゼロ電圧バイアスが電極１０１へ印加された結果、反射光がなくなってバイナリ０を送信し、そして、−５ボルトのＤＣバイアス電圧が電極１０１へ印加された結果、ユーザ局７からの光がＱＤＳＥデバイス９１から反射して戻され、バイナリ１を送信する。しかし、普通には、ＱＣＳＥ変調器９１は、ＤＣバイアスが電極１０１へ印加されないときは光ビームの７０％を、そして−５ボルトのＤＣバイアスが電極１０１へ印加されたときは光ビームの９５％を反射することになる。従って、実際には、バイナリ０が送信されるときと、バイナリ１が送信されるときとで、ユーザ局７で検出される光量間には約２５％の差しかない。
【００２３】
真性層９５−２によって吸収される受信光ビーム量は、真性層９５−２の深さを増加させるように追加の量子ウエルを加えることによって増やすことができる。しかし、真性層９５−２の深さを増加させると、光が真性層９５−２を通過できるようにするためには、より高い電圧を電極１０１へ印加して、真性層９５−２を横切るのに必要な電界を生成しなければならない。そのために、真性層９５−２の吸収率と電極１０１へ印加される電圧との間にはトレードオフがある。
【００２４】
ＱＣＳＥ変調器９１を使用することによって、毎秒ギガビットを超える個々の変調器セルの変調速度が達成できる。
【００２５】
図１０は、この実施の形態に使用される変調器アレイ７５の表面を示す。図示のように、変調器アレイ７５は２次元アレイであり、Ｙ方向に設けられた１６個の変調器素子９１とＹ方向に対して垂直なＸ方向に設けられた２個の変調器素子９１とを持つ。Ｘ方向の変調器は２個だけであるため、この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、変調器アレイ７５の製作において変調器素子９１をアレイの両側からアドレスできるので大いに単純化される。
【００２６】
この実施の形態では、各変調器素子９１は、Ｘ方向にほぼ１ｍｍの長さとＹ方向にほぼ１００μｍの幅を有する。この配列は、フロア数の多いビルディング内の、予想されるユーザ分布に合うよう選定されたものである。詳細には、変調器アレイ７５は、Ｘ方向がビルディングの水平方向に対応し、Ｙ方向がビルディングの垂直方向に対応するよう整列され、ユーザは主にＹ方向に分布すると予測されるので、変調器素子９１はＹ方向よりＸ方向に少なく設けられている。Ｘ方向の変調器素子９１の長さは、ビルディングの側方向の的確な受信可能範囲を確保するようにＹ方向の幅より長くとられている。
【００２７】
ローカル分配ノード３は、複数の光検出素子を有する検出器アレイ７７も備える。各検出器素子は、それぞれのユーザ局７からの入射光を対応電気信号に変換し、その対応電気信号は検出回路７９へ入力される。検出回路７９では、検出器アレイからの電気信号が増幅され、次に検出回路７９は従来のクロック回復とデータ再生処理を実行して、ユーザ局７からのメッセージデータを回生する。全ユーザ局７からの回生メッセージデータは、次に通信制御ユニット７１へ出力され、制御ユニットはメッセージデータを光ファイバ５伝いの光信号として中央分配システム１へ送信する。
【００２８】
図７に示すように、変調器アレイ７５と検出器アレイ７７のために別体の光学系が設けられる。詳細には、変調器アレイ７５は、レンズ、以後変調器レンズ７９と称する、の実質的に後方焦点面内に配置される。この技術に精通した者には言うまでもなく、変調器レンズ７９は、ユーザ局から受信した低発散光ビームを、レンズの後方焦点面内で位置が受信光ビームの入射角に依存する一点に向ける。言い換えれば、変調器レンズ７９は、その視野内の異なる方向を、変調器アレイ上の異なる位置へマップする。このようにして、変調器アレイは、変調器レンズ７９の視野内の異なる場所に位置決めされた複数ユーザ局７からの光ビームを変調および反射することができる。
【００２９】
この実施の形態では楔形アレイ８１が設けられて、変調器レンズ７９を通し送信されたユーザ局７からの光ビームを偏向し、それにより主光線は変調器アレイ７５のそれぞれの変調器素子上へ垂直に入射する。この実施の形態では、楔形アレイ８１は変調器アレイ７５の前面に位置決めされるので、ユーザ局７からの変調器レンズ７９によって集光された実質的に全ての光は楔形アレイの単体楔形プリズムを通過する。楔形アレイ８１がないと、変調器レンズ７９を通過する各ユーザ局７からの光の主光線は、一般的に変調器アレイ７５上へ垂直に入射しないことになり、従って変調器アレイ７５によって反射される変調光は、その生成源であるユーザ局７へ同一経路に沿って進行して戻らないことになる。
【００３０】
図１１は、楔形アレイ８１の効果をより詳細に示す。図示のように、楔形アレイ８１は複数の楔形プリズム１１１＿１、１１１＿２、１１１＿３を備え、各プリズム１１１が関連変調器素子９１に隣接して位置決めされるように、それらのプリズムは変調器アレイ７５の対応する変調器素子９１と空間的に整合される。楔形アレイ８１の各楔形プリズム１１１は、その楔形プリズム１１１の楔形角度と屈折率ｎによって決定される角度で入射する光線を偏向する。図１１に示すように、光の主光線１１３＿１、すなわち、変調器レンズ７９に対して入射口ひとみの中心を通過する光線は、楔形角度がφで表示される楔形プリズム１１１＿２上へ、変調器アレイ７５の面の垂線に対して角度θで入射する。図１１に破線で示したように、楔形アレイ８１がない場合、主光線１１３＿１は、変調器素子９１＿２上へ、垂線に対して角度θで入射することになるので、反射してそれ自体へ戻らないことになる。楔形角度φは、次式を満足するよう選択される：
【００３１】
φ＝ｔａｎ−１［ｓｉｎθ／（ｎ−ｃｏｓθ）］ （式１）
【００３２】
この関係は、主光線１１３＿１が、変調器素子９１＿２上へ垂直に入射し、変調器素子９１＿２によって反射してそれ自体へ戻されるように、主光線１１３＿１がθに等しい角度で確実に偏向させる。概ね有効な薄い楔の近似により、主光線から離れた光線も角度θで偏向されることになるので、例えば、光線１１３＿２は、変調器素子９１＿２によって光線１１３＿３の経路に沿って反射され、その逆も同様である。
【００３３】
ユーザ局７からの主光線と変調器アレイ７５への垂線との間の角度が大きくなるのに従い、対応する楔形プリズムの楔形角度も、主光線が変調器アレイ７５上へ垂直に入射するには大きな偏向が必要となるので、大きくしなければならない。そのため、楔形アレイ８１の中心に配置された楔形プリズムは変調器レンズ７９の光軸近くに位置するが、楔形アレイ８１の中心から遠い楔形プリズム１１１の楔形角度より小さい楔形角度を有する。明瞭にするために、図１１は、変調器アレイ７５に対して垂直な面を通る楔形アレイ８１と変調器アレイ７５の断面を示す。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、変調器アレイ７５は２次元であるから、楔形アレイ８１は、一般的にＸ方向とＹ方向で異なる楔形角度を有する楔形プリズムの２次元のアレイによって形成される。
【００３４】
この実施の形態では、楔形アレイ１１１は、光学プラスチック材料の射出成形で得られる。
【００３５】
検出器アレイ７７は、それぞれのレンズ、以後アップリンク検出レンズ８３と称する、の後方焦点面に位置決めされる。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、アップリンク検出レンズ８３を通過する主光線が検出器アレイ７７に対して垂直に入射する必要はない。従って、アップリンク検出レンズ８３は、単に、ユーザ局７からできるだけ多くの光を集光し、集光した光をそれぞれの検出素子へ向けるよう設計される。この実施の形態では、アップリンク検出レンズ８３のサイズは変調器レンズ７９の２倍であるが、ほぼ同じ焦点距離を持っている。言い換えれば、アップリンク検出レンズ７９のＦナンバーは、変調器レンズ８３のほぼ半分である。
【００３６】
初期化手順を実行した後にユーザ局７はローカル分配ノード３と通信できる。この初期化手順を以下簡単に説明する。新規ユーザ局７の設置時に、ユーザ局７が出力するレーザービームをおおまかにローカル分配ノード３へ向けるように、設置者が手動でユーザ局７を軸合わせする。次に設置者は、新規ユーザ局７を設置モードに設定するが、このモードでは自動的な微細軸合わせが水平ステッパーモータ４７と垂直ステッパーモータ４９を使用して行なわれる。
【００３７】
設置モードは、ユーザ局７内の光学アセンブリ５１が水平および垂直ステッパーモータの行程の中央に位置決めされることで始まる。ユーザ局７は、リンク要求信号（ＬＲＳ）を伝達するレーザービームを出力する。光分配ノード３がＬＲＳを検出する場合、光分配ノード３は返答をユーザ局７へ送信する。光分配ノード３が返答を送信する理由は、ユーザ局が反射ＬＲＳを検出した場合に、ユーザ局７により出力された光ビームがその視野内の何か別のものによって反射して戻されたかもしれないので、それが光分配ノード３によって今反射されている保証が何も無いからである。
【００３８】
ユーザ局７がローカル分配ノード３からの返答を検出しない場合、光学アセンブリはステッパーモータによって（図１２に示す）歩進的な方形スパイラル上に動かされ、それに伴って返答が検出されるまで水平および垂直ステッパーモータの各ステップの後に、ユーザ局７はローカル分配ノード３からの返答をチェックする。
【００３９】
設置モード中、ユーザ局７が放射するレーザービームのパワーは、レーザービームが偶然に人間や動物に入射した場合の深刻な眼の損傷の可能性を回避するように、眼に安全なレベルに保たれる。
【００４０】
この実施の形態では、ローカル分配ノード３へ入射する光ビームのビームサイズは、少なくとも変調器レンズ７９およびアップリンク検出レンズ８３のかなりの部分を包囲するのに充分大きくなければならない。これは、半導体レーザー２１とコリメータレンズ２５間の距離を、ローカル分配ノード３での所要ビームサイズが達成されるまで変えることによって得られる。ユーザ局７へ入射する反射光ビームがダウンリンク検出レンズ２９のかなりの部分を包囲するのに充分なほど大きくすることも必要である。しかし、これは必ずしもそうならず、ユーザ局７では容易に是正できない。
【００４１】
第２の実施の形態を図１３Ａと１３Ｂを参照して以下に説明する。ここで、ユーザ局が出力した光ビームをダウンリンク検出レンズ３１の光軸と軸合わせするために、反射体および偏光ビームスプリッタが、第１の実施の形態のユーザ局７の光学アセンブリへ追加される。ユーザ局の残りの構成要素は、第１の実施の形態の構成要素と同一である。図１３Ａと１３Ｂにおいて、第１の実施の形態で対応する構成要素と同一の構成要素は、同じ符号が付されており、再度説明しない。
【００４２】
図１３Ａは、第２の実施の形態のユーザ局における光学構成要素を示す。半導体レーザー２１は、リニア偏光された光ビーム２３を放射し、この光ビームコリメータレンズ２５を通過して低発散光ビーム２７を形成する。反射体１２１が、光ビーム２７の伝播方向に対して４５°の角度で軸合わせされ、それにより光ビーム２７は直角に反射され、ダウンリンク検出レンズ３１の光軸に対して４５°に軸合わせされた偏光ビームスプリッタ１２３へ向けられる。反射体１２１からのリニア偏光された光がダウンリンク検出レンズ３１の光軸に沿ってユーザ局から離れてローカル分配ノードへ向けられるように、偏光ビームスプリッタ１２３の偏光分離面は、その光を反射する。
【００４３】
図１３Ｂは、第２の実施の形態のローカル分配ノードの主要構成要素を示す。図示のように、第１の実施の形態のローカル分配ノードとの唯一の差異は、４分の１波長板１３１が変調器レンズ７９の前面（すなわち、変調器アレイ７５から離れた変調器レンズ７９側）に設けられている点である。先に説明したように、ユーザ局のコリメータレンズ２５は、ユーザ分配ノードへ入射する光ビームが変調器レンズ７９およびアップリンク検出レンズ８３の両方を包囲する位置まで走査される。ユーザ局からの幾らかの光は４分の１波長板１３１を通過し、４分の１波長板は、リニア偏光された光を円偏光の光に変換してから、変調器レンズ７９を通過する。円偏光された光は次に変調器アレイ７５により反射されて、変調器レンズ７９および４分の１波長板１３１を通って戻り、４分の１波長板１３１は反射された円偏光の光をリニア偏光の光に変換し、そのリニア偏光方向はユーザ局からの光ビームの偏向方向に対して垂直である。
【００４４】
図１３Ａに戻ると、ローカル分配ノードからのリニア偏光された光は、偏光ビームスプリッタ１２３の偏光分離面を通って送信され、次にダウンリンク検出レンズ３１によって検出器３３上に焦点を結ぶ。
【００４５】
上で説明したように、反射体１２１および偏光ビームスプリッタ１２３を使用して、半導体レーザー２１によって放射された光ビームを検出レンズ３１の光軸に沿って取り回すことによって、ローカル分配ノードからの逆反射された光ビーム２９の大部分がダウンリンク検出レンズ３１へ入射することが確保される。更に、ダウンリンク検出レンズ３１は検出器３３と偏光ビームスプリッタ１２３間に設けられるので、半導体レーザーからの光の、ダウンリンク検出レンズ３１の光学面からの戻り反射は発生しない。
【００４６】
第１および第２の実施の形態において、変調器アレイ７５の変調器素子９１は、間隙を介して分離されている。このことは、レンズの視野内には、ユーザ局とローカル分配ノード間の通信に信頼性のおけない場所があることを意味する。なぜなら、それらの場所は画素間の間隙へマップされる方向に沿っているからである。第３の実施の形態を図１４を参照して以下に説明する。ここでは、楔形アレイの楔形プリズムが曲面を持ち、関連する変調器素子の拡大像を形成する。このようにして、変調器アレイは、ローカル分配ノードの外側から観たときに１００％の充填密度を持つように見える。
【００４７】
図１４は、楔形アレイおよび変調器アレイの一部分を示す。第３の実施の形態の残りの構成要素は、第１の実施の形態の構成要素と同一であり、従って再度説明しない。
【００４８】
図１４に示すように、楔形アレイの楔形プリズム１３５＿１、１３５＿２および１３５＿３の各々は曲面を持つ。各楔形プリズムに対して、曲面の中心に対する接線は、変調器アレイ７５の表面に平行な面に対して角度φを成す。角度φは上記式１に従って選定され、それにより変調器アレイ７５の平面の表面の垂線に対して角度θで曲面の中心に到る主光線は、関連変調器素子９１＿２へ垂直に入射するように偏向される。楔形プリズム１３５の表面の曲率は、曲面上の点に対する接線と変調器アレイ７５の表面に平行な面との間の角度が、楔形アレイ１４１の中心から更に離れた楔形プリズム１３５の曲面上の点に対して大きくなることを意味する。従って、この曲面は、関連変調器素子９１の拡大像を形成する正の相当光学倍率を持つ。
【００４９】
実効充填密度が、相当光学倍率を持つエレメントのアレイを使用することによって高くする方法の更なる詳細は、国際特許出願ＷＯ０１／０５０６９に記載されており、その内容全体を引用して本明細書に組込む。
【００５０】
第１から第３の実施の形態では、ユーザ局はローカル分配ノードに対して固定位置にある。第４の実施の形態を、図１５と１６を参照して以下に説明する。ここでは、ユーザ局はローカル分配ノードに対して移動できる。この実施の形態では、ローカル分配ノードは第１の実施の形態と同一である。
【００５１】
図１５は、第４の実施の形態のローカル分配ノード３およびユーザ局の主要構成要素を概略的に図解する。第１の実施の形態で対応する構成要素と同じ構成要素は、同じ符号が付されており、再度説明しない。
【００５２】
図１５に示すように、インタフェースユニット４１は、ユーザ装置（不図示）とユーザ局の中央制御ユニット１４１との間のインタフェースとして動作する。インタフェースユニット４１で受信されたユーザ装置からのデータは、中央制御ユニットへ入力され、中央制御ユニットは受信データに従ってレーザー駆動器１４３のための制御信号を生成する。レーザー駆動器１４３は、放射器アレイ１４５のための駆動信号を生成し、放射器アレイ１４５は、この実施の形態では、各画素に位置決めされた面発光型半導体レーザー（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）（ＶＣＳＥＬ）を持つ２次元の画素化平面アレイを備える。ＶＣＳＥＬの使用は、ウェーハを切断する必要も無く、放射器アレイ１４５を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にとって可能であろう密度より高い密度のレーザー素子を可能にする。１ｍＷと３０ｍＷ間のパワーレンジで８５０ｎｍの領域の波長を持つ光ビームを出力するＶＣＳＥＬアレイは、スイスの ＣＳＥＭ ＳＡ、Ｂａｄｅｎｅｒｓｔｒａｓｓｅ ５６９， ８０４８ Ｚｉｒｉｃｈが市販している。
【００５３】
この実施の形態では、レーザー駆動器１４３は、放射器アレイ１４５のＶＣＳＥＬを個々に駆動することができ、ユーザ装置からローカル分配ノードへのアップリンクデータを伝達するために中央制御ユニット１４１によって出力される制御信号に従って小信号変調を加える。各ＶＣＳＥＬから放射される光は、楔形アレイ１４７のそれぞれの楔形プリズムに入射する。楔形アレイ１４７の楔形プリズムは放射光を偏向し、それによりＶＣＳＥＬによって放射される放射器アレイ１４５の表面に対して垂直な光線がコリメータレンズ２５の開口絞りの中心を通るように向けられる。
【００５４】
図１６は、放射器アレイ１４５、楔形アレイ１４７およびコリメータレンズ２５の拡大図を示す。図示のように、楔形アレイ１４５の楔形プリズムは、各ＶＣＳＥＬが、対応する楔形プリズムに関係するように、放射器アレイ１４５のＶＣＳＥＬと空間的に整合される。更に、この実施の形態では、楔形アレイ１４７は、ＶＣＳＥＬから放射される実質的に全ての光が楔形アレイ１４７の関連楔形プリズムを通過するように、放射器アレイ１４５に隣接して位置決めされる。放射器アレイ１４５内のＶＣＳＥＬから垂直に放射される光線は、コリメータレンズ２５の開口絞りの中心を通過するように、関連楔形プリズムによって偏向される。楔形アレイ１４７内の各楔形プリズムの楔形角度φは、上記式（１）を使用して決定され、角度θは、開口絞りの中心から楔形プリズムへ通る線とコリメータレンズ２５の光軸との間の内在角度である。従って、楔形角度は、楔形アレイ１４７の中心から楔形プリズムまでの距離に伴って大きくなる。
【００５５】
楔形アレイ１４７を使用する利点は、放射器アレイ１４７内のＶＣＳＥＬの各々からの光のコリメータレンズ２５による集光効率がほぼ一定であること、従ってユーザ局から出力される光の強度がＶＣＳＥＬの各々に対して同じであることである。対照的に、従来のコリメータレンズでは、光出力の強度は、ＶＣＳＥＬアレイの中心でＶＣＳＥＬが放射する光の方が、放射器アレイ１４５の端部でＶＣＳＥＬが放射する光より強い。
【００５６】
ローカル分配ノードから受信された変調光は、ダウンリンク検出レンズ３１によって集光され、検出器アレイ１４９の光検出素子へ向けられる。この実施の形態では、検出器アレイ１４９は光ダイオードの２次元アレイである。検出器アレイ１４９の検出素子は、入射光を対応電気信号に変換し、電気信号は検出回路１５１へ入力され、この検出回路は電気信号を増幅およびフィルタにかけ、フィルタにかけられた信号は中央制御ユニット１４１へ入力される。中央制御ユニット１４１は、ローカル分配ノードから送信されたデータをフィルタにかけた信号から再生し、インタフェースユニット４１を経由してデータをユーザ装置へ送る。
【００５７】
内容全体を引用して本明細書に組込まれた国際特許出願ＷＯ００／４８３３８に記載されるように、ユーザ局に対するローカル分配ノードの方向は、検出器アレイ１４９内の検出素子がローカル分配ノードからの変調光を検出するかを決定する。従って、トラッキング動作がなされ、その中で、ローカル分配ノードへの光ビーム出力に使用される放射器アレイ１４５内のＶＣＳＥＬが、検出器アレイ１４９の検出素子のうち、ローカル分配ノードから返送された光を検出する検出素子に従って選定される。
【００５８】
−変形および更なる実施の形態−
図解した実施の形態では、光学エレメントのアレイへ空間的に整合させた複数の楔形プリズムを使用して楔形アレイが形成されている。楔形プリズムの楔形角度は、楔形アレイと（テレセントリックでない）標準レンズとが総合してテレセントリックレンズに近似するように、楔形アレイ内の楔形プリズムの位置に従って変えられる。
【００５９】
上記実施の形態の楔形アレイは光学プラスチックを射出成形することによって製造されるが、この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、他の製造技術も利用できる。
【００６０】
第３の実施の形態では、楔形プリズムの光学面は正の光学倍率を提供するように曲面を成し、この正の光学倍率が、変調器素子の実効充填密度を改善するために、関連変調器素子のサイズを拡大する。曲面は非点収差または他の光学収差を矯正するよう非球面であってもよい。曲面を持つ楔形プリズムを放射器アレイと共に使用できることは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。
【００６１】
上記実施の形態で、光ビームは、屈折に因り楔形プリズムによって偏向される。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、屈折効果を得るために、一定の屈折率を持つ楔形プリズムに代って、変化する屈折率分布を持つ平面構造を備えてもよい。この平面構造の屈折率分布は、各屈折エレメントが相当する正の光学倍率を持つように、そして、非点収差を矯正するように、編成できるだろう。更に、ビーム偏向を得るために屈折を利用することは必須ではない。例えば、（ホログラム等の）回折光学エレメントを使用でき、反射体のアレイでさえ使用できるだろう。
【００６２】
上記実施の形態では、光検出器に当る戻り反射を減らすために、別体の光学系が光放射器と光検出器のためにユーザ局に設けられている。テレセントリック光学系を近似するために、ＷＯ９８／３５３２８およびＷＯ００／４８３３８に記載のように、ビームスプリッタを使用してコリメータレンズおよびダウンリンク検出レンズの光軸を光学的に軸合わせする系にも、楔形アレイ（または同等構造）が使用できることは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。
【００６３】
第２の実施の形態では、ビーム進路取り編成が反射体１２１および偏光ビームスプリッタ１２３によって形成され、ユーザ局が放射する光ビームを検出器用のレンズ系の光軸に沿って軸合わせする。
【００６４】
上記で説明したように、ユーザ局で光放射器と光検出器のために、そしてローカル分配ノードで変調器アレイと光検出器のために別体の光学系を設けることにより、レンズ系をそれらの関連光学エレメントに従って別々に最適化することが可能になる。説明した本実施の形態に提供された特定の詳細は、単に例示の目的で付与されたものであり、本発明にとって不可欠のものではない。
【００６５】
楔形アレイは、光学系を分離することに伴う利点にとって不可欠ではないことは、この技術に精通した者は容易に分かるであろう。例えば、変調器アレイおよび楔形アレイはテレセントリックレンズで置換えられるであろうし、また、変調器アレイは実質的にテレセントリックレンズの後方焦点面内に位置決めできるであろう。
【００６６】
第１の実施の形態では、光放射器と光検出器は単一の光学アセンブリとしてそれらの関連光学系と一緒に搭載され、単一の光学アセンブリは、放射光ビームを進路取りするために、ステッパーモータによって移動される。代替として、光放射器と関連するレンズ系は、光検出器と関連するレンズ系とは別々に搭載できるだろう。その内容全体を引用して本明細書に組込んだＷＯ０１／０５０７２に記載のビーム進路取り技術も使用できるだろう。別の実施の形態では、光ビームは、放射器用のレンズの一部分を形成するレンズエレメントを移動させることによって進路取りできるだろう。
【００６７】
放射光ビームの方向が変えられたとき、戻り光ビームは一般的に検出器の検出面の中心に焦点を結ばないことは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。しかし、第１の実施の形態のように、検出面が、焦点を結んだスポットサイズよりずっと大きい場合、これは問題ではない。第１の実施の形態の編成において、放射光ビームの方向が変えられたとき、検出レンズの光軸は移動させられて、放射光ビームの方向に整合するので、検出表面が、焦点を結んだスポットサイズよりずっと大きいことは不可欠でないこともこの技術に精通した者にとっては言うまでもない。
【００６８】
説明した実施の形態では、複数ユーザ局からの光ビームは、ローカル分配ノード内の変調器アレイの各変調器素子上に入射し、それら光ビーム生成源のユーザ局へ逆反射して戻される。代替として、複数の光放射器をローカル分配ノード内に設け、変調器をユーザ局の各々に設けることができよう。
【００６９】
第１から第３の実施の形態では、ＱＣＳＥ変調器が使用されている。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、他の種類の反射体および変調器も使用できるだろう。例えば、平面ミラーを反射体として使用でき、（液晶等の）透過型変調器をレンズとミラーとの間に設けることができるだろう。更に、反射体および／または変調器を単体装置に統合する必要はなく、反射体および／または変調器を共通平面に配置することも不可欠でないことは、この技術に精通した者にとっては言うまでもないが、これらの特徴は、装置の容易な製造および容易な軸合わせにとって好ましい。
【００７０】
第１から第３の実施の形態では、変調器素子は長方形マトリクスに編成されている。しかし、これは不可欠でなく、変調器素子を形状の異なる規則的アレイ、さもなければ不規則編成にさえ編成できるだろう。
【００７１】
第４の実施の形態ではＶＣＳＥＬアレイが使用されている。この技術に精通した者にっとは言うまでもなく、他の形式の光放射器を使用できるだろう。例えば、従来の半導体レーザーを使用できるだろう。
【００７２】
第１から第４の実施の形態では、全双方向伝送システムが説明されている。代替として単方向伝送システムを使用できるだろう。このシステムでは、無変調光ビームは逆反射体へ送られ、そこで変調および反射して戻され、検出器によって検出される。代替として、半双方向システムを使用できるだろう。このシステムは、ユーザ局が無変調光ビームをローカル分配ノードへ送り、そこでビームが変調され、ユーザ局へ反射して戻されて、データを一方向へ伝達するか、または、変調データがユーザ局によって放射されて、データをローカル分配ノードへ伝達する。この場合には、ＱＣＳＥ変調器を用いて、ユーザ局からの変調光ビームを検出できるであろう。
【００７３】
用語の「光」は、可視領域だけでなく電磁波スペクトルの紫外および赤外領域での電磁波も含むことは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。上記実施の形態は波長が約８５０ｎｍのレーザービームを使用しているが、他の波長を使用できるだろう。とりわけ、１．５μｍの波長は、本質的に眼にとってより安全であり、安価な放射器と検出器が光ファイバ通信用にこの波長に対して開発されているので魅力的な代替である。
【００７４】
ユーザ局およびローカル分配ノード内のレンズは単体のレンズで概略的に表されているが、実際には、各レンズは複数のレンズエレメントを有してもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、中央分配システムと複数のユーザ局との間でデータを分配する一点対多点通信システムの概略図である。
【図２】図２は、図１に示すデータ分配システムの一部分を形成するユーザ局および関連ユーザ装置の概略図である。
【図３】図３は、図２に図解するユーザ局の透視図である。
【図４】図４は、図２に図解するユーザ端末の一部分を形成する検出器の検出面を示す概略図である。
【図５】図５は、ユーザ局によって放射されるレーザービームのパワーが、ユーザ装置からローカル分配ノードへ送信されるアップリンクデータのための小信号変調を達成するように変えられる方法を図解するプロットである。
【図６】図６は、ローカル分配ノードからユーザ装置へ送信されるダウンリンクデータに及ぼす小信号変調の影響を概略的に図解するアイパターンである。
【図７】図７は、図１に図解するデータ分配システムの一部分を形成するローカル分配ノードの概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７に図解するローカル分配ノードの一部分を形成する変調器アレイ内の一変調器の、ＤＣバイアス電圧がその電極へ印加されないときの第１動作モードにおける断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７に図解するローカル分配ノードの一部分を形成する変調器アレイ内の一変調器の、バイアス電圧がその電極へ印加されるときの第２動作モードにおける断面図である。
【図９】図９は、図８Ａと８Ｂに示す変調器に入射する光が、画素電極へ印加されるバイアス電圧に依存して変調される方法を概略的に図解する信号図である。
【図１０】図１０は、図７に示すローカル分配ノードの一部分を形成する変調器アレイの表面の概略図である。
【図１１】図１１は、図７に図解するローカル分配ノードの一部分を形成する楔形アレイの、および変調器アレイの一部分を概略的に示す。
【図１２】図１２は、通信リンクを確立するよう、図２に示すユーザ局から放射された光ビームを、図７に示すローカル分配ノードと軸合わせするための探索パターンを概略的に示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図２に図解するユーザ局のための代替光学アセンブリを概略的に示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図７に図解するローカル分配ノードに対する代替ローカル分配ノードを概略的に示す。
【図１４】図１４は、図７に示すローカル分配ノードのための変調器アレイの、および代替の楔形アレイの一部分を概略的に示す。
【図１５】図１５は、図１に図解するデータ分配システムのための代替ユーザ局の主要構成要素を概略的に示す。
【図１６】図１６は、図１５の拡大した一部を概略的に示す。
本発明は、信号システムおよびその構成要素に関する。詳細には、本発明は、自由空間光ビームを変調することによってデータを伝達する信号方法および装置に関する。
【０００２】
全体の内容が引用されて本明細書に組込まれる国際特許出願ＷＯ９８／３５３２８は、自由空間光ビームを使用した一点対多点通信システムを記載している。ＷＯ９８／３５３２８は、詳細には、（例えば、街路の家屋ごとに設けられた）複数のユーザ局が（例えば、街路の電柱に設けられた）ローカル分配ノードへ向けた無変調光ビームを放射するように成したシステムについて説明している。ローカル分配ノードでは、各入光ビームが、個々に駆動可能な変調器素子から成るアレイの各変調器素子によりデータ信号に従って変調され、その生成源であるユーザ局へ反射して戻される。変調光ビームはユーザ局で検出され、データ信号が再生される。
【０００３】
ＷＯ９８／３５３２８に記載されたシステムのローカル分配ノードでは、各ユーザ局からの光は、生成源であるユーザ局へ向けてその光を戻すためにテレセントリックレンズの後方焦点面に配置した実質的に平面の反射体によって逆反射される。テレセントリックレンズを使用することによって、テレセントリックレンズを通過するユーザ局の各々からの主光線（すなわち、テレセントリックレンズの入射ひとみの中心を通過する光線）は、反射体の反射面に対して垂直に入射し、従って反射体は入射光をその入射路に沿って反射して戻す。このように、反射体とテレセントリックレンズは逆反射体を形成する。テレセントリックレンズを使用する別の利点は、異なるユーザ局からの光ビームが、テレセントリックレンズ視野内へのユーザ局の配置にかかわらず、それら光ビームそれぞれの変調器素子上へ同一角度で入射するである。このようにして、光ビームが変調器素子に当る角度に概ね依存する変調の効率（すなわち、変調の深さ）は全てのユーザ局からの光ビームに対してほぼ一定である。
【０００４】
ＷＯ９８／３５３２８に記載されたシステムのユーザ局では、半導体レーザーが光ビームを出力し、この光ビームはコリメートされ、次にビームスプリッタを通して送信された後にテレスコープ編成によって拡張される、そして、ローカル分配ノードからの反射して戻された変調光は、テレスコープ編成を通過して戻り、光ダイオード上へビームスプリッタによって反射される。この編成に伴う問題は、半導体レーザーにより放射され、ビームスプリッタを通って送信された光の一部がテレスコープ編成の光学面により反射されてビームスプリッタへ戻され、そしてこのビームスプリッタ光ダイオード上へ光を反射し、その結果、大きな定常状態背景ノイズレベルを招き、これが、ローカル分配ノードからの反射して戻された変調光ビームによって伝達されるデータを回生するときに信号対ノイズ比を著しく低減させるとともに、光ダイオードを飽和させることである。
【０００５】
本発明の一側面によれば、レンズおよび複数の光学エレメントを備える光学装置が提供される。ビーム偏向手段が、レンズと複数の光学エレメントとの間の光路に位置決めされて、レンズを通過する複数の主光線を、レンズの光軸と光学的に平行になるように偏向する。このようにして、レンズとビーム偏向手段は、ＷＯ９８／３５３２８に記載のテレセントリックレンズ編成の代替を成す。
【０００６】
本発明の別の側面によれば、光放射器および光検出器を備える自由空間逆反射信号システムのための信号装置が提供される。光検出器用レンズ系を光が通って向くようにする放射光ビームの分岐に依存してレンズ系が別体に光放射器と光検出器のために設けられる。このようにして、レンズ系の構成要素を離れて光検出器上に入射する放射光の反射は低減される。更に、これらレンズ系は、光放射器および光検出器に関連する、異なった要件に従って別々に最適化できる。
【０００７】
本発明の更なる側面によると、光変調器および光検出器を備える自由空間逆反射信号システムのための信号装置が提供される。レンズ系が別体に光変調器と光検出器のために設けられる。このようにして、レンズ系は、光変調器および光検出器に関連する、異なった要件に従って別々に最適化できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の例示の実施の形態を、添付図面を参照して以下に説明する。
【０００９】
図１は、一点対多点信号システムを用いて、複数ユーザ局へデータを送信するとともに、それらユーザ局からデータを受信するデータ分配システムを概略的に図解する。図示のように、データ分配システムは中央分配システム１を備え、中央分配システム１は、複数のローカル分配ノード３ａ〜３ｃへそれぞれの光ファイバ５ａ〜５ｃ経由で光データ信号を送信し、それらローカル分配ノードから光データ信号を受信する。
【００１０】
ローカル分配ノード３ａで、自由空間光リンク１１ａ〜１１ｄ、すなわち、内部で光が光ファイバ路伝いに案内されない光リンクを使用して、中央分配システム１から受信したデータストリームがそれぞれのユーザ局７ａ〜７ｄへ送信され、中央分配１への送信用データはユーザ局７ａ〜７ｄから受信される。同様に、データはローカル分配ノード３ｂとユーザ局７ｅ〜７ｈとの間を、自由空間光リンク１１ｅ〜１１ｈを使用して伝送され、そしてデータはローカル分配ノード３ｃとユーザ局７ｉ〜７ｌとの間を、自由空間光リンク１１ｉ〜１１ｌを使用して伝送される。ユーザ局７の各々は、少なくとも一台のユーザ装置（不図示）へ接続される。この実施の形態で、ユーザ装置は、チャネル情報を中央分配システム１へ送信するとともに、応答して対応するテレビジョン信号を受信するテレビジョン受像機（不図示）、および、インターネットに中央分配システム経由でアクセスするコンピュータシステム（不図示）を含んでいる。
【００１１】
この実施の形態で、各ユーザ局７は、低発散率自由空間光ビームを放射し、この光ビームは、ローカル分配ノードへ伝達されるべきデータに従って変調されて、対応するローカル分配ノード３へ向けられる。各ローカル分配ノード３は複数の変調素子（図１には不図示）を有し、これら変調素子は、各ユーザ局７からの光ビームを変調および逆反射して、ローカル分配ノード３からユーザ局７へデータを伝達する。
【００１２】
図２は、図１に示すデータ分配システムの一ユーザ局７の主要構成要素をより詳細に概略的に図解する。図示のように、ユーザ局７は、コヒーレント光のビーム２３を出力する半導体レーザー２１を備える。この実施の形態では、ユーザ局７は、２００メートルの範囲内のローカル分配ノード３との間で９９．９％のリンク有効性で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２１は、８５０ｎｍの波長を持つレーザービームを出力する５０ｍＷの半導体レーザーである。
【００１３】
出力光ビーム２３は、光ビーム２３の発散角を低減するレンズ２５、以後コリメータレンズ２５と称する、を通過して、実質的に低発散率の光ビーム２７を形成する。低発散率光ビームの発散率は、コリメータレンズ２５と光源２１間の距離を変更することによって変えることができる。しかし、この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、半導体レーザーの放射開口での回折に起因して低発散光ビーム２７は完全にはコリメートできない。この実施の形態では、コリメータレンズ２５が低収差レンズであるので、低発散率ビーム２７は比較的均一な波面を持つが、このレンズは直径５０ｍｍで、半導体レーザー２１が放射する全ての光を集光するのにまさに十分な大きさのＦナンバーを持つ。
【００１４】
光ビーム２７の発散率が低いとはいえ、ローカル分配ノード３による反射後のユーザ局７上に入射する光ビーム２９のサイズは、ユーザ局７を離れる低発散率光ビーム２７の発散率より著しく大きい。この実施の形態では、図３に示すように、受信された光ビーム２９のビームサイズは、レンズ、以後ダウンリンク検出レンズ３１と称する、を包囲するのに十分な大きさであり、レンズはコリメータレンズ２５に隣接して設けられる。この実施の形態では、コリメータレンズ２５およびダウンリンク検出レンズ３１の入射口ひとみは同一平面に配置される。
【００１５】
図２に戻ると、図では明確にするためにダウンリンク検出レンズ３１に入射する受信光ビーム２９の一部だけが示されているが、ダウンリンク検出レンズ３１は受信光ビーム２９からの光を検出器３３上に焦点を結ばせるが、検出器３３は、この実施の形態ではアバランシュ光ダイオードである。ダウンリンク検出レンズ３１の直径は１００ｍｍであるが、その主な目的が単に可能な限り多くの光を検出器３３上へ向けることであるので、コリメータレンズ２５ほどの高品質を必要としない。図４は、検出器３３の検出面６１と、受信光ビーム２９からの光に焦点を結ばせるダウンリンク検出レンズ３１によって形成される光スポット６３とを概略的に示す。この実施の形態では、検出面６１の直径が５００μｍであるのに対し、光スポット６３の直径は略５０μｍである。
【００１６】
検出器３３は受信光ビームを対応電気信号に変換するが、この電気信号は、ローカル分配ノード３で成される変調に従って変化する。電気信号は増幅器３５によって増幅され、次にフィルタ３７にかけられる。フィルタにかけられた信号は、中央制御ユニット３９へ入力され、制御ユニット３９は従来のクロック回生とデータ回復操作を行って、中央分配システム１からのデータを再生する。回復データは、次にユーザ装置４３へ接続されているインタフェースユニット４１へ送られる。
【００１７】
インタフェースユニット４１はユーザ装置４３からのデータも受信し、受信データを中央制御ユニット３９へ入力し、中央制御ユニット３９はローカル分配ノード３経由で中央分配システム１への伝送のために適切なメッセージを生成する。このメッセージはレーザー駆動器４３へ出力され、駆動器４３は、半導体レーザー２１によって出力される光ビーム２３をメッセージに従って変調する。この実施の形態では、レーザー駆動器４３は、半導体レーザー２１によって出力される光ビーム２３に小信号変調を行う。図５はこの変調を図解するとともに、ＣＷレーザーレベル６５およびそれに対して行われた小信号変調６７を示す。逆反射システムのこの非対称経路損失ゆえに、小信号変調コンセプトを用いて、「全」帯域幅アップリンクチャネルを提供することができる。この技術に精通した者には言うまでもなく、このアップリンク変調データは、ダウンリンクデータにとって更なるノイズ源となる。これを図６に図解するが、この図は、干渉アップリンクデータ６７を含むダウンリンクデータ６９に対するアイパターン、およびその結果としてのノイズマージン７０の低減を示す。しかし、アップリンク変調深さが充分に低く保たれる場合、アップリンクおよびダウンリンクの両方は等しい帯域幅で動作できる。この実施の形態では、アップリンク変調深さは、ＣＷレーザーレベルの略３％である。この小信号変調の更なる詳細は、国際特許出願ＷＯ０１／０５０７１に記載され、その内容全体を引用して本明細書に組込む。
【００１８】
図２に戻ると、中央制御ユニット３９は、水平ステッパーモータ４７へ駆動信号を供給する第１モータ駆動器４５ａ、および垂直ステッパーモータ４９へ駆動信号を供給する第２モータ駆動器４５ｂにも接続されている。この実施の形態では、半導体レーザー２１、コリメータレンズ２５、検出器３３およびダウンリンク検出レンズ３１は一緒に搭載されて、単体の光学アセンブリ５１を形成し、そして水平ステッパーモータ４７が光学アセンブリ５１を垂直軸周りに回転させるよう動作可能であり、それによりコリメートされた光ビーム２７は水平面内で移動し、垂直ステッパーモータ４９が光学アセンブリ５１を水平軸周りに回転させるよう動作可能であり、それによりコリメートされた光ビーム２７は垂直面内で移動する。このようにして、放射光ビームの方向を変えることができる。
【００１９】
図７は、一つのローカル分配ノード３の主要構成要素を概略的に図解する。図示のように、ローカル分配ノード３は通信制御ユニット７１を備え、この制御ユニットは中央分配システムからのデータを伝達する光ファイバ５伝いに送信される光信号を受信して、受信光信号から伝達されたデータを再生する。通信制御ユニット７１は、伝達されたデータに従って制御信号を生成し、制御信号は変調器駆動回路７３へ出力され、駆動回路７３は対応する駆動信号を変調器アレイ７５へ供給する。この実施の形態では、変調器アレイ７５の変調器素子は、変調器駆動回路７３によって出力される駆動信号が変調器素子の反射率を変えるのに伴って、変調器駆動回路７３によって個々にアドレス可能である。
【００２０】
この実施の形態では、変調器アレイ７５は、量子閉込シュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）（ＱＣＳＥ）デバイス（これは時には自己光電効果デバイス（Ｓｅｌｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ ）つまりＳＥＥＤとも称せられる）の２次元平面集積アレイを備える。図８Ａは、一つのＱＣＳＥデバイス９１の断面を概略的に図解する。図示のように、ＱＣＳＥデバイス９１は、しかるべきユーザ局７からの光ビームが通過する透明窓９３を備え、それに続いてガリウム砒素（ＧａＡｓ）ベース材料でできた３層９５−１、９５−２、９５−３を備える。層９５−１はｐ型導電層であり、層９５−２は内部に形成された複数の量子ウエルを有する真性層であり、そして層９５−３はｎ型導電層である。これら３層９５は一緒にｐ−ｉ−ｎダイオードを形成する。図示のように、ｐ型導電層９５−１は電極１０１へ接続され、ｎ型導電層９５−３は接地端子１０３へ接続される。この実施の形態ではブラッグ反射体である反射層９７がｎ型導電層９５−３の下に設けられ、そして基板層９９が反射層９７の下に設けられる。
【００２１】
動作時に、ユーザ局７からの光ビームは、窓９３を通過してガリウム砒素ベース層９５へ入る。真性層９５−２に吸収される光の量は、電極１０１へ印加されるＤＣバイアス電圧に依存する。理想的には、図８Ａに図解するように、ＤＣバイアス電圧が何ら電極１０１へ印加されないとき、光ビームは窓９３を通過し、真性層９５−２内で全部吸収される。その結果、電極１０１へ何らＤＣバイアス電圧も印加されてないとき、対応ユーザ局７へは何らの光も反射されて戻されない。それに対し、図８Ｂに図解するように、略−５ボルトのＤＣバイアス電圧が電極１０１へ印加されているとき、対応ユーザ局７からの光ビームは、窓９３およびガリウム砒素ベース層９５を通過して、反射層９７により反射される。そのため、変調器駆動回路７３からの駆動信号に従って電極１０１へ印加されるバイアス電圧を変化させることによって、ＱＣＳＥ変調器９１は、受信した光ビームを振幅変調して、変調された光ビームをユーザ局７へ反射して戻す。
【００２２】
理想的な場合には、図９に図解するように、ゼロ電圧バイアスが電極１０１へ印加された結果、反射光がなくなってバイナリ０を送信し、そして、−５ボルトのＤＣバイアス電圧が電極１０１へ印加された結果、ユーザ局７からの光がＱＤＳＥデバイス９１から反射して戻され、バイナリ１を送信する。しかし、普通には、ＱＣＳＥ変調器９１は、ＤＣバイアスが電極１０１へ印加されないときは光ビームの７０％を、そして−５ボルトのＤＣバイアスが電極１０１へ印加されたときは光ビームの９５％を反射することになる。従って、実際には、バイナリ０が送信されるときと、バイナリ１が送信されるときとで、ユーザ局７で検出される光量間には約２５％の差しかない。
【００２３】
真性層９５−２によって吸収される受信光ビーム量は、真性層９５−２の深さを増加させるように追加の量子ウエルを加えることによって増やすことができる。しかし、真性層９５−２の深さを増加させると、光が真性層９５−２を通過できるようにするためには、より高い電圧を電極１０１へ印加して、真性層９５−２を横切るのに必要な電界を生成しなければならない。そのために、真性層９５−２の吸収率と電極１０１へ印加される電圧との間にはトレードオフがある。
【００２４】
ＱＣＳＥ変調器９１を使用することによって、毎秒ギガビットを超える個々の変調器セルの変調速度が達成できる。
【００２５】
図１０は、この実施の形態に使用される変調器アレイ７５の表面を示す。図示のように、変調器アレイ７５は２次元アレイであり、Ｙ方向に設けられた１６個の変調器素子９１とＹ方向に対して垂直なＸ方向に設けられた２個の変調器素子９１とを持つ。Ｘ方向の変調器は２個だけであるため、この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、変調器アレイ７５の製作において変調器素子９１をアレイの両側からアドレスできるので大いに単純化される。
【００２６】
この実施の形態では、各変調器素子９１は、Ｘ方向にほぼ１ｍｍの長さとＹ方向にほぼ１００μｍの幅を有する。この配列は、フロア数の多いビルディング内の、予想されるユーザ分布に合うよう選定されたものである。詳細には、変調器アレイ７５は、Ｘ方向がビルディングの水平方向に対応し、Ｙ方向がビルディングの垂直方向に対応するよう整列され、ユーザは主にＹ方向に分布すると予測されるので、変調器素子９１はＹ方向よりＸ方向に少なく設けられている。Ｘ方向の変調器素子９１の長さは、ビルディングの側方向の的確な受信可能範囲を確保するようにＹ方向の幅より長くとられている。
【００２７】
ローカル分配ノード３は、複数の光検出素子を有する検出器アレイ７７も備える。各検出器素子は、それぞれのユーザ局７からの入射光を対応電気信号に変換し、その対応電気信号は検出回路７９へ入力される。検出回路７９では、検出器アレイからの電気信号が増幅され、次に検出回路７９は従来のクロック回復とデータ再生処理を実行して、ユーザ局７からのメッセージデータを回生する。全ユーザ局７からの回生メッセージデータは、次に通信制御ユニット７１へ出力され、制御ユニットはメッセージデータを光ファイバ５伝いの光信号として中央分配システム１へ送信する。
【００２８】
図７に示すように、変調器アレイ７５と検出器アレイ７７のために別体の光学系が設けられる。詳細には、変調器アレイ７５は、レンズ、以後変調器レンズ７９と称する、の実質的に後方焦点面内に配置される。この技術に精通した者には言うまでもなく、変調器レンズ７９は、ユーザ局から受信した低発散光ビームを、レンズの後方焦点面内で位置が受信光ビームの入射角に依存する一点に向ける。言い換えれば、変調器レンズ７９は、その視野内の異なる方向を、変調器アレイ上の異なる位置へマップする。このようにして、変調器アレイは、変調器レンズ７９の視野内の異なる場所に位置決めされた複数ユーザ局７からの光ビームを変調および反射することができる。
【００２９】
この実施の形態では楔形アレイ８１が設けられて、変調器レンズ７９を通し送信されたユーザ局７からの光ビームを偏向し、それにより主光線は変調器アレイ７５のそれぞれの変調器素子上へ垂直に入射する。この実施の形態では、楔形アレイ８１は変調器アレイ７５の前面に位置決めされるので、ユーザ局７からの変調器レンズ７９によって集光された実質的に全ての光は楔形アレイの単体楔形プリズムを通過する。楔形アレイ８１がないと、変調器レンズ７９を通過する各ユーザ局７からの光の主光線は、一般的に変調器アレイ７５上へ垂直に入射しないことになり、従って変調器アレイ７５によって反射される変調光は、その生成源であるユーザ局７へ同一経路に沿って進行して戻らないことになる。
【００３０】
図１１は、楔形アレイ８１の効果をより詳細に示す。図示のように、楔形アレイ８１は複数の楔形プリズム１１１＿１、１１１＿２、１１１＿３を備え、各プリズム１１１が関連変調器素子９１に隣接して位置決めされるように、それらのプリズムは変調器アレイ７５の対応する変調器素子９１と空間的に整合される。楔形アレイ８１の各楔形プリズム１１１は、その楔形プリズム１１１の楔形角度と屈折率ｎによって決定される角度で入射する光線を偏向する。図１１に示すように、光の主光線１１３＿１、すなわち、変調器レンズ７９に対して入射口ひとみの中心を通過する光線は、楔形角度がφで表示される楔形プリズム１１１＿２上へ、変調器アレイ７５の面の垂線に対して角度θで入射する。図１１に破線で示したように、楔形アレイ８１がない場合、主光線１１３＿１は、変調器素子９１＿２上へ、垂線に対して角度θで入射することになるので、反射してそれ自体へ戻らないことになる。楔形角度φは、次式を満足するよう選択される：
【００３１】
φ＝ｔａｎ−１［ｓｉｎθ／（ｎ−ｃｏｓθ）］ （式１）
【００３２】
この関係は、主光線１１３＿１が、変調器素子９１＿２上へ垂直に入射し、変調器素子９１＿２によって反射してそれ自体へ戻されるように、主光線１１３＿１がθに等しい角度で確実に偏向させる。概ね有効な薄い楔の近似により、主光線から離れた光線も角度θで偏向されることになるので、例えば、光線１１３＿２は、変調器素子９１＿２によって光線１１３＿３の経路に沿って反射され、その逆も同様である。
【００３３】
ユーザ局７からの主光線と変調器アレイ７５への垂線との間の角度が大きくなるのに従い、対応する楔形プリズムの楔形角度も、主光線が変調器アレイ７５上へ垂直に入射するには大きな偏向が必要となるので、大きくしなければならない。そのため、楔形アレイ８１の中心に配置された楔形プリズムは変調器レンズ７９の光軸近くに位置するが、楔形アレイ８１の中心から遠い楔形プリズム１１１の楔形角度より小さい楔形角度を有する。明瞭にするために、図１１は、変調器アレイ７５に対して垂直な面を通る楔形アレイ８１と変調器アレイ７５の断面を示す。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、変調器アレイ７５は２次元であるから、楔形アレイ８１は、一般的にＸ方向とＹ方向で異なる楔形角度を有する楔形プリズムの２次元のアレイによって形成される。
【００３４】
この実施の形態では、楔形アレイ１１１は、光学プラスチック材料の射出成形で得られる。
【００３５】
検出器アレイ７７は、それぞれのレンズ、以後アップリンク検出レンズ８３と称する、の後方焦点面に位置決めされる。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、アップリンク検出レンズ８３を通過する主光線が検出器アレイ７７に対して垂直に入射する必要はない。従って、アップリンク検出レンズ８３は、単に、ユーザ局７からできるだけ多くの光を集光し、集光した光をそれぞれの検出素子へ向けるよう設計される。この実施の形態では、アップリンク検出レンズ８３のサイズは変調器レンズ７９の２倍であるが、ほぼ同じ焦点距離を持っている。言い換えれば、アップリンク検出レンズ７９のＦナンバーは、変調器レンズ８３のほぼ半分である。
【００３６】
初期化手順を実行した後にユーザ局７はローカル分配ノード３と通信できる。この初期化手順を以下簡単に説明する。新規ユーザ局７の設置時に、ユーザ局７が出力するレーザービームをおおまかにローカル分配ノード３へ向けるように、設置者が手動でユーザ局７を軸合わせする。次に設置者は、新規ユーザ局７を設置モードに設定するが、このモードでは自動的な微細軸合わせが水平ステッパーモータ４７と垂直ステッパーモータ４９を使用して行なわれる。
【００３７】
設置モードは、ユーザ局７内の光学アセンブリ５１が水平および垂直ステッパーモータの行程の中央に位置決めされることで始まる。ユーザ局７は、リンク要求信号（ＬＲＳ）を伝達するレーザービームを出力する。光分配ノード３がＬＲＳを検出する場合、光分配ノード３は返答をユーザ局７へ送信する。光分配ノード３が返答を送信する理由は、ユーザ局が反射ＬＲＳを検出した場合に、ユーザ局７により出力された光ビームがその視野内の何か別のものによって反射して戻されたかもしれないので、それが光分配ノード３によって今反射されている保証が何も無いからである。
【００３８】
ユーザ局７がローカル分配ノード３からの返答を検出しない場合、光学アセンブリはステッパーモータによって（図１２に示す）歩進的な方形スパイラル上に動かされ、それに伴って返答が検出されるまで水平および垂直ステッパーモータの各ステップの後に、ユーザ局７はローカル分配ノード３からの返答をチェックする。
【００３９】
設置モード中、ユーザ局７が放射するレーザービームのパワーは、レーザービームが偶然に人間や動物に入射した場合の深刻な眼の損傷の可能性を回避するように、眼に安全なレベルに保たれる。
【００４０】
この実施の形態では、ローカル分配ノード３へ入射する光ビームのビームサイズは、少なくとも変調器レンズ７９およびアップリンク検出レンズ８３のかなりの部分を包囲するのに充分大きくなければならない。これは、半導体レーザー２１とコリメータレンズ２５間の距離を、ローカル分配ノード３での所要ビームサイズが達成されるまで変えることによって得られる。ユーザ局７へ入射する反射光ビームがダウンリンク検出レンズ２９のかなりの部分を包囲するのに充分なほど大きくすることも必要である。しかし、これは必ずしもそうならず、ユーザ局７では容易に是正できない。
【００４１】
第２の実施の形態を図１３Ａと１３Ｂを参照して以下に説明する。ここで、ユーザ局が出力した光ビームをダウンリンク検出レンズ３１の光軸と軸合わせするために、反射体および偏光ビームスプリッタが、第１の実施の形態のユーザ局７の光学アセンブリへ追加される。ユーザ局の残りの構成要素は、第１の実施の形態の構成要素と同一である。図１３Ａと１３Ｂにおいて、第１の実施の形態で対応する構成要素と同一の構成要素は、同じ符号が付されており、再度説明しない。
【００４２】
図１３Ａは、第２の実施の形態のユーザ局における光学構成要素を示す。半導体レーザー２１は、リニア偏光された光ビーム２３を放射し、この光ビームコリメータレンズ２５を通過して低発散光ビーム２７を形成する。反射体１２１が、光ビーム２７の伝播方向に対して４５°の角度で軸合わせされ、それにより光ビーム２７は直角に反射され、ダウンリンク検出レンズ３１の光軸に対して４５°に軸合わせされた偏光ビームスプリッタ１２３へ向けられる。反射体１２１からのリニア偏光された光がダウンリンク検出レンズ３１の光軸に沿ってユーザ局から離れてローカル分配ノードへ向けられるように、偏光ビームスプリッタ１２３の偏光分離面は、その光を反射する。
【００４３】
図１３Ｂは、第２の実施の形態のローカル分配ノードの主要構成要素を示す。図示のように、第１の実施の形態のローカル分配ノードとの唯一の差異は、４分の１波長板１３１が変調器レンズ７９の前面（すなわち、変調器アレイ７５から離れた変調器レンズ７９側）に設けられている点である。先に説明したように、ユーザ局のコリメータレンズ２５は、ユーザ分配ノードへ入射する光ビームが変調器レンズ７９およびアップリンク検出レンズ８３の両方を包囲する位置まで走査される。ユーザ局からの幾らかの光は４分の１波長板１３１を通過し、４分の１波長板は、リニア偏光された光を円偏光の光に変換してから、変調器レンズ７９を通過する。円偏光された光は次に変調器アレイ７５により反射されて、変調器レンズ７９および４分の１波長板１３１を通って戻り、４分の１波長板１３１は反射された円偏光の光をリニア偏光の光に変換し、そのリニア偏光方向はユーザ局からの光ビームの偏向方向に対して垂直である。
【００４４】
図１３Ａに戻ると、ローカル分配ノードからのリニア偏光された光は、偏光ビームスプリッタ１２３の偏光分離面を通って送信され、次にダウンリンク検出レンズ３１によって検出器３３上に焦点を結ぶ。
【００４５】
上で説明したように、反射体１２１および偏光ビームスプリッタ１２３を使用して、半導体レーザー２１によって放射された光ビームを検出レンズ３１の光軸に沿って取り回すことによって、ローカル分配ノードからの逆反射された光ビーム２９の大部分がダウンリンク検出レンズ３１へ入射することが確保される。更に、ダウンリンク検出レンズ３１は検出器３３と偏光ビームスプリッタ１２３間に設けられるので、半導体レーザーからの光の、ダウンリンク検出レンズ３１の光学面からの戻り反射は発生しない。
【００４６】
第１および第２の実施の形態において、変調器アレイ７５の変調器素子９１は、間隙を介して分離されている。このことは、レンズの視野内には、ユーザ局とローカル分配ノード間の通信に信頼性のおけない場所があることを意味する。なぜなら、それらの場所は画素間の間隙へマップされる方向に沿っているからである。第３の実施の形態を図１４を参照して以下に説明する。ここでは、楔形アレイの楔形プリズムが曲面を持ち、関連する変調器素子の拡大像を形成する。このようにして、変調器アレイは、ローカル分配ノードの外側から観たときに１００％の充填密度を持つように見える。
【００４７】
図１４は、楔形アレイおよび変調器アレイの一部分を示す。第３の実施の形態の残りの構成要素は、第１の実施の形態の構成要素と同一であり、従って再度説明しない。
【００４８】
図１４に示すように、楔形アレイの楔形プリズム１３５＿１、１３５＿２および１３５＿３の各々は曲面を持つ。各楔形プリズムに対して、曲面の中心に対する接線は、変調器アレイ７５の表面に平行な面に対して角度φを成す。角度φは上記式１に従って選定され、それにより変調器アレイ７５の平面の表面の垂線に対して角度θで曲面の中心に到る主光線は、関連変調器素子９１＿２へ垂直に入射するように偏向される。楔形プリズム１３５の表面の曲率は、曲面上の点に対する接線と変調器アレイ７５の表面に平行な面との間の角度が、楔形アレイ１４１の中心から更に離れた楔形プリズム１３５の曲面上の点に対して大きくなることを意味する。従って、この曲面は、関連変調器素子９１の拡大像を形成する正の相当光学倍率を持つ。
【００４９】
実効充填密度が、相当光学倍率を持つエレメントのアレイを使用することによって高くする方法の更なる詳細は、国際特許出願ＷＯ０１／０５０６９に記載されており、その内容全体を引用して本明細書に組込む。
【００５０】
第１から第３の実施の形態では、ユーザ局はローカル分配ノードに対して固定位置にある。第４の実施の形態を、図１５と１６を参照して以下に説明する。ここでは、ユーザ局はローカル分配ノードに対して移動できる。この実施の形態では、ローカル分配ノードは第１の実施の形態と同一である。
【００５１】
図１５は、第４の実施の形態のローカル分配ノード３およびユーザ局の主要構成要素を概略的に図解する。第１の実施の形態で対応する構成要素と同じ構成要素は、同じ符号が付されており、再度説明しない。
【００５２】
図１５に示すように、インタフェースユニット４１は、ユーザ装置（不図示）とユーザ局の中央制御ユニット１４１との間のインタフェースとして動作する。インタフェースユニット４１で受信されたユーザ装置からのデータは、中央制御ユニットへ入力され、中央制御ユニットは受信データに従ってレーザー駆動器１４３のための制御信号を生成する。レーザー駆動器１４３は、放射器アレイ１４５のための駆動信号を生成し、放射器アレイ１４５は、この実施の形態では、各画素に位置決めされた面発光型半導体レーザー（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）（ＶＣＳＥＬ）を持つ２次元の画素化平面アレイを備える。ＶＣＳＥＬの使用は、ウェーハを切断する必要も無く、放射器アレイ１４５を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にとって可能であろう密度より高い密度のレーザー素子を可能にする。１ｍＷと３０ｍＷ間のパワーレンジで８５０ｎｍの領域の波長を持つ光ビームを出力するＶＣＳＥＬアレイは、スイスの ＣＳＥＭ ＳＡ、Ｂａｄｅｎｅｒｓｔｒａｓｓｅ ５６９， ８０４８ Ｚｉｒｉｃｈが市販している。
【００５３】
この実施の形態では、レーザー駆動器１４３は、放射器アレイ１４５のＶＣＳＥＬを個々に駆動することができ、ユーザ装置からローカル分配ノードへのアップリンクデータを伝達するために中央制御ユニット１４１によって出力される制御信号に従って小信号変調を加える。各ＶＣＳＥＬから放射される光は、楔形アレイ１４７のそれぞれの楔形プリズムに入射する。楔形アレイ１４７の楔形プリズムは放射光を偏向し、それによりＶＣＳＥＬによって放射される放射器アレイ１４５の表面に対して垂直な光線がコリメータレンズ２５の開口絞りの中心を通るように向けられる。
【００５４】
図１６は、放射器アレイ１４５、楔形アレイ１４７およびコリメータレンズ２５の拡大図を示す。図示のように、楔形アレイ１４５の楔形プリズムは、各ＶＣＳＥＬが、対応する楔形プリズムに関係するように、放射器アレイ１４５のＶＣＳＥＬと空間的に整合される。更に、この実施の形態では、楔形アレイ１４７は、ＶＣＳＥＬから放射される実質的に全ての光が楔形アレイ１４７の関連楔形プリズムを通過するように、放射器アレイ１４５に隣接して位置決めされる。放射器アレイ１４５内のＶＣＳＥＬから垂直に放射される光線は、コリメータレンズ２５の開口絞りの中心を通過するように、関連楔形プリズムによって偏向される。楔形アレイ１４７内の各楔形プリズムの楔形角度φは、上記式（１）を使用して決定され、角度θは、開口絞りの中心から楔形プリズムへ通る線とコリメータレンズ２５の光軸との間の内在角度である。従って、楔形角度は、楔形アレイ１４７の中心から楔形プリズムまでの距離に伴って大きくなる。
【００５５】
楔形アレイ１４７を使用する利点は、放射器アレイ１４７内のＶＣＳＥＬの各々からの光のコリメータレンズ２５による集光効率がほぼ一定であること、従ってユーザ局から出力される光の強度がＶＣＳＥＬの各々に対して同じであることである。対照的に、従来のコリメータレンズでは、光出力の強度は、ＶＣＳＥＬアレイの中心でＶＣＳＥＬが放射する光の方が、放射器アレイ１４５の端部でＶＣＳＥＬが放射する光より強い。
【００５６】
ローカル分配ノードから受信された変調光は、ダウンリンク検出レンズ３１によって集光され、検出器アレイ１４９の光検出素子へ向けられる。この実施の形態では、検出器アレイ１４９は光ダイオードの２次元アレイである。検出器アレイ１４９の検出素子は、入射光を対応電気信号に変換し、電気信号は検出回路１５１へ入力され、この検出回路は電気信号を増幅およびフィルタにかけ、フィルタにかけられた信号は中央制御ユニット１４１へ入力される。中央制御ユニット１４１は、ローカル分配ノードから送信されたデータをフィルタにかけた信号から再生し、インタフェースユニット４１を経由してデータをユーザ装置へ送る。
【００５７】
内容全体を引用して本明細書に組込まれた国際特許出願ＷＯ００／４８３３８に記載されるように、ユーザ局に対するローカル分配ノードの方向は、検出器アレイ１４９内の検出素子がローカル分配ノードからの変調光を検出するかを決定する。従って、トラッキング動作がなされ、その中で、ローカル分配ノードへの光ビーム出力に使用される放射器アレイ１４５内のＶＣＳＥＬが、検出器アレイ１４９の検出素子のうち、ローカル分配ノードから返送された光を検出する検出素子に従って選定される。
【００５８】
−変形および更なる実施の形態−
図解した実施の形態では、光学エレメントのアレイへ空間的に整合させた複数の楔形プリズムを使用して楔形アレイが形成されている。楔形プリズムの楔形角度は、楔形アレイと（テレセントリックでない）標準レンズとが総合してテレセントリックレンズに近似するように、楔形アレイ内の楔形プリズムの位置に従って変えられる。
【００５９】
上記実施の形態の楔形アレイは光学プラスチックを射出成形することによって製造されるが、この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、他の製造技術も利用できる。
【００６０】
第３の実施の形態では、楔形プリズムの光学面は正の光学倍率を提供するように曲面を成し、この正の光学倍率が、変調器素子の実効充填密度を改善するために、関連変調器素子のサイズを拡大する。曲面は非点収差または他の光学収差を矯正するよう非球面であってもよい。曲面を持つ楔形プリズムを放射器アレイと共に使用できることは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。
【００６１】
上記実施の形態で、光ビームは、屈折に因り楔形プリズムによって偏向される。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、屈折効果を得るために、一定の屈折率を持つ楔形プリズムに代って、変化する屈折率分布を持つ平面構造を備えてもよい。この平面構造の屈折率分布は、各屈折エレメントが相当する正の光学倍率を持つように、そして、非点収差を矯正するように、編成できるだろう。更に、ビーム偏向を得るために屈折を利用することは必須ではない。例えば、（ホログラム等の）回折光学エレメントを使用でき、反射体のアレイでさえ使用できるだろう。
【００６２】
上記実施の形態では、光検出器に当る戻り反射を減らすために、別体の光学系が光放射器と光検出器のためにユーザ局に設けられている。テレセントリック光学系を近似するために、ＷＯ９８／３５３２８およびＷＯ００／４８３３８に記載のように、ビームスプリッタを使用してコリメータレンズおよびダウンリンク検出レンズの光軸を光学的に軸合わせする系にも、楔形アレイ（または同等構造）が使用できることは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。
【００６３】
第２の実施の形態では、ビーム進路取り編成が反射体１２１および偏光ビームスプリッタ１２３によって形成され、ユーザ局が放射する光ビームを検出器用のレンズ系の光軸に沿って軸合わせする。
【００６４】
上記で説明したように、ユーザ局で光放射器と光検出器のために、そしてローカル分配ノードで変調器アレイと光検出器のために別体の光学系を設けることにより、レンズ系をそれらの関連光学エレメントに従って別々に最適化することが可能になる。説明した本実施の形態に提供された特定の詳細は、単に例示の目的で付与されたものであり、本発明にとって不可欠のものではない。
【００６５】
楔形アレイは、光学系を分離することに伴う利点にとって不可欠ではないことは、この技術に精通した者は容易に分かるであろう。例えば、変調器アレイおよび楔形アレイはテレセントリックレンズで置換えられるであろうし、また、変調器アレイは実質的にテレセントリックレンズの後方焦点面内に位置決めできるであろう。
【００６６】
第１の実施の形態では、光放射器と光検出器は単一の光学アセンブリとしてそれらの関連光学系と一緒に搭載され、単一の光学アセンブリは、放射光ビームを進路取りするために、ステッパーモータによって移動される。代替として、光放射器と関連するレンズ系は、光検出器と関連するレンズ系とは別々に搭載できるだろう。その内容全体を引用して本明細書に組込んだＷＯ０１／０５０７２に記載のビーム進路取り技術も使用できるだろう。別の実施の形態では、光ビームは、放射器用のレンズの一部分を形成するレンズエレメントを移動させることによって進路取りできるだろう。
【００６７】
放射光ビームの方向が変えられたとき、戻り光ビームは一般的に検出器の検出面の中心に焦点を結ばないことは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。しかし、第１の実施の形態のように、検出面が、焦点を結んだスポットサイズよりずっと大きい場合、これは問題ではない。第１の実施の形態の編成において、放射光ビームの方向が変えられたとき、検出レンズの光軸は移動させられて、放射光ビームの方向に整合するので、検出表面が、焦点を結んだスポットサイズよりずっと大きいことは不可欠でないこともこの技術に精通した者にとっては言うまでもない。
【００６８】
説明した実施の形態では、複数ユーザ局からの光ビームは、ローカル分配ノード内の変調器アレイの各変調器素子上に入射し、それら光ビーム生成源のユーザ局へ逆反射して戻される。代替として、複数の光放射器をローカル分配ノード内に設け、変調器をユーザ局の各々に設けることができよう。
【００６９】
第１から第３の実施の形態では、ＱＣＳＥ変調器が使用されている。この技術に精通した者にとっては言うまでもなく、他の種類の反射体および変調器も使用できるだろう。例えば、平面ミラーを反射体として使用でき、（液晶等の）透過型変調器をレンズとミラーとの間に設けることができるだろう。更に、反射体および／または変調器を単体装置に統合する必要はなく、反射体および／または変調器を共通平面に配置することも不可欠でないことは、この技術に精通した者にとっては言うまでもないが、これらの特徴は、装置の容易な製造および容易な軸合わせにとって好ましい。
【００７０】
第１から第３の実施の形態では、変調器素子は長方形マトリクスに編成されている。しかし、これは不可欠でなく、変調器素子を形状の異なる規則的アレイ、さもなければ不規則編成にさえ編成できるだろう。
【００７１】
第４の実施の形態ではＶＣＳＥＬアレイが使用されている。この技術に精通した者にっとは言うまでもなく、他の形式の光放射器を使用できるだろう。例えば、従来の半導体レーザーを使用できるだろう。
【００７２】
第１から第４の実施の形態では、全双方向伝送システムが説明されている。代替として単方向伝送システムを使用できるだろう。このシステムでは、無変調光ビームは逆反射体へ送られ、そこで変調および反射して戻され、検出器によって検出される。代替として、半双方向システムを使用できるだろう。このシステムは、ユーザ局が無変調光ビームをローカル分配ノードへ送り、そこでビームが変調され、ユーザ局へ反射して戻されて、データを一方向へ伝達するか、または、変調データがユーザ局によって放射されて、データをローカル分配ノードへ伝達する。この場合には、ＱＣＳＥ変調器を用いて、ユーザ局からの変調光ビームを検出できるであろう。
【００７３】
用語の「光」は、可視領域だけでなく電磁波スペクトルの紫外および赤外領域での電磁波も含むことは、この技術に精通した者にとっては言うまでもない。上記実施の形態は波長が約８５０ｎｍのレーザービームを使用しているが、他の波長を使用できるだろう。とりわけ、１．５μｍの波長は、本質的に眼にとってより安全であり、安価な放射器と検出器が光ファイバ通信用にこの波長に対して開発されているので魅力的な代替である。
【００７４】
ユーザ局およびローカル分配ノード内のレンズは単体のレンズで概略的に表されているが、実際には、各レンズは複数のレンズエレメントを有してもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、中央分配システムと複数のユーザ局との間でデータを分配する一点対多点通信システムの概略図である。
【図２】図２は、図１に示すデータ分配システムの一部分を形成するユーザ局および関連ユーザ装置の概略図である。
【図３】図３は、図２に図解するユーザ局の透視図である。
【図４】図４は、図２に図解するユーザ端末の一部分を形成する検出器の検出面を示す概略図である。
【図５】図５は、ユーザ局によって放射されるレーザービームのパワーが、ユーザ装置からローカル分配ノードへ送信されるアップリンクデータのための小信号変調を達成するように変えられる方法を図解するプロットである。
【図６】図６は、ローカル分配ノードからユーザ装置へ送信されるダウンリンクデータに及ぼす小信号変調の影響を概略的に図解するアイパターンである。
【図７】図７は、図１に図解するデータ分配システムの一部分を形成するローカル分配ノードの概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７に図解するローカル分配ノードの一部分を形成する変調器アレイ内の一変調器の、ＤＣバイアス電圧がその電極へ印加されないときの第１動作モードにおける断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７に図解するローカル分配ノードの一部分を形成する変調器アレイ内の一変調器の、バイアス電圧がその電極へ印加されるときの第２動作モードにおける断面図である。
【図９】図９は、図８Ａと８Ｂに示す変調器に入射する光が、画素電極へ印加されるバイアス電圧に依存して変調される方法を概略的に図解する信号図である。
【図１０】図１０は、図７に示すローカル分配ノードの一部分を形成する変調器アレイの表面の概略図である。
【図１１】図１１は、図７に図解するローカル分配ノードの一部分を形成する楔形アレイの、および変調器アレイの一部分を概略的に示す。
【図１２】図１２は、通信リンクを確立するよう、図２に示すユーザ局から放射された光ビームを、図７に示すローカル分配ノードと軸合わせするための探索パターンを概略的に示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図２に図解するユーザ局のための代替光学アセンブリを概略的に示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図７に図解するローカル分配ノードに対する代替ローカル分配ノードを概略的に示す。
【図１４】図１４は、図７に示すローカル分配ノードのための変調器アレイの、および代替の楔形アレイの一部分を概略的に示す。
【図１５】図１５は、図１に図解するデータ分配システムのための代替ユーザ局の主要構成要素を概略的に示す。
【図１６】図１６は、図１５の拡大した一部を概略的に示す。
Claims (41)
- 光学装置であって： レンズ； 複数の光学エレメント； および、前記レンズと前記複数の光学エレメントとの間の光路に設けられた光ビームを偏向する手段；を備え、
前記ビーム偏向手段は複数のビーム偏向エレメントを備え、各ビーム偏向エレメントは、それぞれの光学エレメントと関連付けられていて、前記レンズを通過する主光線が前記関連付けられた光学エレメントに対して実質的に垂直になるように、前記主光線を偏向するよう動作可能である光学装置。 - 前記光学エレメントの各々は実質的に平面である請求項１による光学装置。
- 前記複数の光学エレメントは、共通平面内に実質的に配置される請求項２による光学装置。
- 前記複数の光学エレメントは単一装置に統合される請求項３による光学装置。
- 前記複数のビーム偏向エレメントは実質的に共通の平面内に配置される先に記載の請求項のいずれかによる光学装置。
- 前記複数のビーム偏向エレメントは単一装置に統合される請求項５による光学装置。
- 前記複数の光学エレメントは規則的な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光学装置。
- 前記複数の光学エレメントは長方形マトリクスに編成される先に記載の請求項のいずれかによる光学装置。
- 前記複数のビーム偏向エレメントの空間編成は、前記複数の光学エレメントの空間的編成に空間と整合する先に記載の請求項のいずれかによる光学装置。
- 各光学エレメントは反射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光学装置。
- 前記反射エレメントの反射率を変えることができる信号を与える手段を更に備える請求項１０による光学装置。
- 前記信号付与手段は、前記反射エレメントを個々にアドレスするよう動作可能である請求項１１による光学装置。
- 前記複数のビーム偏向エレメントの各々は、前記関連付けられた反射エレメントに隣接して位置決めされる請求項１０から１２のいずれかによる光学装置。
- 前記複数の光学エレメントは、少なくとも一つの量子閉込シュタルク効果デバイスを備える先に記載の請求項のいずれかによる光学装置。
- 前記複数の光学エレメントは、複数の光放射器を備え、各光放射器は光ビームを放射するよう動作可能である請求項１から９のいずれかによる光学装置。
- 前記複数の光放射器の少なくとも一つは、面発光型半導体レーザーを備える請求項１５による光学装置。
- 前記複数のビーム偏向エレメントの各々は、前記光放射器によって放射される実質的に全ての光が前記関連付けられた光学エレメント上に入射するように、前記関連付けられた光放射器に隣接して位置決めされる請求項１５または１６による光学装置。
- 前記ビーム偏向エレメントの少なくとも一つは屈折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光学装置。
- 前記少なくとも一つの屈折エレメントは楔形プリズムを備える請求項１８による光学装置。
- 前記楔形プリズムが関連付けられた光学倍率を有するように、前記楔形プリズムの表面が曲面である請求項１９による光学装置。
- 前記関連付けられた光学倍率が正である請求項２０による光学装置。
- 前記楔形プリズムの前記曲面は、前記レンズおよび前記楔形アレイの少なくとも一方に起因する収差を矯正するよう編成される請求項２０または２１による光学装置。
- 前記少なくとも一つの屈折エレメントは、可変の屈折率の分布を持つ平面層によって形成される請求項１８による光学装置。
- 前記少なくとも一つの屈折エレメントは、光学倍率を提供する屈折率分布を有する請求項２３による光学装置。
- 前記関連付けられた光学倍率が正である請求項２４による光学装置。
- 前記屈折率分布は、前記レンズおよび前記楔形アレイの少なくとも一方に起因する収差を矯正するよう動作可能である請求項２４または２５による光学装置。
- 前記ビーム偏向エレメントの少なくとも一つは回折エレメントを備える請求項１から１５のいずれかによる光学装置。
- 前記ビーム偏向エレメントの少なくとも一つは反射エレメントを備える請求項１から１５のいずれかによる光学装置。
- 光学装置であって： レンズ； 複数の光学エレメント； および、前記レンズと前記複数の光学エレメントとの間の光路に設けた光ビームを偏向する手段；を備え、
前記ビーム偏向手段は複数のビーム偏向エレメントを備え、各ビーム偏向エレメントは、それぞれの光学エレメントと関連付けられていて、前記レンズの光軸に対して斜めの角度で前記レンズを通過する主光線が前記レンズの前記光軸と光学的に平行になるように、前記主光線を偏向するよう動作可能である光学装置。 - 光学装置であって： レンズ； 複数の変調器素子を有する変調器アレイ； および、前記レンズと前記変調器アレイとの間の光経路に設けた光ビームを偏向する手段；を備え、
前記ビーム偏向手段は複数のビーム偏向エレメントを備え、各ビーム偏向エレメントは、それぞれの変調器素子と関係付けられていて、前記レンズを通過する主光線が前記関連付けられた変調器素子に対して垂直で入射するように、前記主光線を偏向するよう動作可能である光学装置。 - 第１および第２信号装置を備える信号システムであって、
前記第１信号装置は： 光ビームを放射する手段； 前記放射光ビームを前記第２信号装置に向ける手段； 前記第２信号装置からの変調された光ビームを受信する手段； および、前記変調光ビームからデータ信号を回復する手段；を備え、そして、
前記第２信号装置は請求項３０による光学装置を備え、前記第１信号装置からの前記放射光ビームは、前記変調光ビームを生成するために前記データ信号に従って前記放射光ビームを変調し、前記変調光ビームを、前記第１信号装置へ反射して戻す前記変調器アレイの変調器素子に対して垂直で入射する信号システム。 - 光学装置であって： レンズ； 複数の光放射素子を有する放射器アレイ； および、前記レンズと前記放射器アレイとの間の光経路に設けた光ビームを偏向する手段；を備え、
前記ビーム偏向手段は複数のビーム偏向エレメントを備え、各ビーム偏向エレメントは、それぞれの光放射素子と関係付けられていて、前記光放射素子によって垂直に放射される光線が、主光線の経路に沿って前記レンズを通過するように、前記光線を偏向するよう動作可能である光学装置。 - 第１および第２信号装置を備える信号システムであって、
前記第１信号装置は請求項３２による光学装置を備え、前記第１信号装置の前記複数の放射器の各々は情報を搬送するそれぞれの光ビームを放射するよう動作可能であり；そして、
前記第２信号装置は： ｉ） 前記第１信号装置の光放射器から放射された光を集光するレンズ系； ｉｉ） 前記レンズ系からの前記集光された光を受信し、前記受信光を対応する電気信号に変換する光検出器； および、ｉｉｉ） 前記情報を回復するよう前記光検出器からの前記電気信号を処理する手段；を備える信号システム。 - 第１および第２信号装置を備える自由空間光信号システムであって、
前記第１信号装置は： 光ビームを放射する手段； 前記放射光ビームを前記第２信号装置に向ける手段； 前記第２信号装置からの変調された光ビームを受信する手段； 前記受信変調光ビームを対応する電気信号に変換するための光電変換器； および、前記対応電気信号からデータ信号を回復する手段；を備え、そして、
前記第２信号装置は： 前記第１信号装置からの前記放射光ビームを受信する手段； 前記受信光ビームを前記データ信号に従って変調する手段； および、前記変調光ビームを前記第１信号装置へ逆反射して戻す手段；を備え、
前記第１信号装置の前記仕向け手段は第１レンズ系を備え、そして、前記第１信号装置の前記受信手段は前記第１レンズ系とは別体の第２レンズ系を備える自由空間光信号システム。 - 前記第１および第２レンズ系は、それぞれ第１および第２光軸を有し、そして前記第１および第２レンズ系は、前記第１および第２光軸が同軸にならないように位置決めされる請求項３４による信号システム。
- 第１および第２信号装置を備える自由空間光信号システムであって、
前記第１信号装置は： 光ビームを放射する手段； 前記放射光ビームを前記第２信号装置に向ける手段； 前記第２信号装置からの変調された光ビームを受信する手段； 前記受信変調光ビームを対応する電気信号に変換する光電変換器； および前記対応電気信号からデータ信号を回復する手段；を備え、そして、
前記第２信号装置は： 前記第１信号装置からの前記放射光ビームを受信する手段； 前記受信光ビームを前記データ信号に従って変調する手段； および、前記変調光ビームを前記第１信号装置へ逆反射して戻す手段；を備え、
前記第１信号装置の前記仕向け手段は、第１レンズ系、およびビーム進路取り手段を備え、そして前記第１信号装置の前記受信手段は前記第１レンズ系とは別体の第２レンズ系を備え、
そして、前記第１レンズ系は、前記放射手段によって放射される光が前記第１レンズ系を通過して前記ビーム進路取り手段へ来るように編成され、そして、前記ビーム進路取り手段は、前記放射光ビームを、前記第２レンズ系を通過することなく直に前記第２信号装置へ前記第２レンズ系の光軸に沿って進路取りするよう編成される自由空間光信号システム。 - 前記ビーム進路取り手段はビームスプリッタを備え、前記第２レンズ系は前記ビーム併合器と前記光電変換器との間へ光学的に配置される請求項３６による信号システム。
- 前記第１信号装置は、前記光放射器によって放射される前記光ビームを、前記第１信号装置から前記第２信号装置へ送られるべきメッセージに従って変調する手段を更に備え、
そして、前記第２信号装置は： 前記放射光ビームを検出して前記放射光ビームを対応する電気信号に変換するための光電変換器； 前記放射光ビームの少なくとも一部分を前記光電変換器上へ向けるための手段； および、前記対応電気信号から前記メッセージを回生するための手段；を更に備える請求項３４から３７のいずれかによる信号システム。 - 前記第１信号装置の前記変調手段は、前記放射光ビームへ小信号変調を加えるように編成される請求項３８による信号システム。
- 前記第２信号装置の前記仕向け手段は第３レンズ系を備え、そして、前記第２信号装置の前記受信手段は、前記第３レンズ系とは別体の第４レンズ系を備える請求項３８または３９による信号システム。
- 前記第３および第４レンズ系は、それぞれ第３および第４光軸を有し、そして前記第３および第４レンズ系は、前記第３および第４光軸が同軸にならないように位置決めされる請求項４０による信号システム。
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