JP2005064993A - 光無線装置および光無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化と低消費電力化を図り、モバイル機器に適用可能な光無線装置および光無線システムを提供する。
【解決手段】 この親機１Ａと子機１Ｂは、それぞれ送信部３、受信部４、及び相手の親機１Ａ又は子機１Ｂの送信部３の３次元位置を算出する３次元位置算出部６０とＭＥＭＳ素子を駆動する素子駆動部６１とからなる制御部６により構成されている。まず、親機１Ａが比較的指向性の狭い送信光５を出力し、送信光５を２次元的に走査する。次に、子機１Ｂの受信部４がその送信光５を受信し、受光素子アレイ上の受信光５’のスポットの位置から親機１Ａの送信方向を算出し、その方向へ送信光５を送信する。その時点で親機１Ａの送信光５の走査を停止し、しかる後に通信を開始する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、相手装置との間で情報信号を送受信する光無線装置、および親機と子機との間で情報信号を送受信する光無線システムに関し、特に、小型化と低消費電力化を図り、モバイル機器に適用可能な光無線装置および光無線システムに関する。

光無線は、電波無線と同様に配線が要らないこと、電波無線に比べて、１００Ｍｂｐｓ以上と言った高速の通信が比較的簡単にできることなどから、パソコンやプリンタなどの固定・半固定機器やＰＤＡ（Personal Data Assistance）機器などのモバイル機器とＬＡＮとを繋ぐ方式として有望視されている。モバイル機器だけでなく、固定・半固定機器においては、それぞれの機器に光無線装置が取り付けられる程度に小型であることと、低消費電力であることなどが求められている。特にモバイル機器の光無線通信では、一度の充電により長時間の送受信ができることが重要であり、極力低消費電力化することが重要である。また、画像の高精細化や動画画像の増大に伴い、１００Ｍｂｐｓ以上、できれば１Ｇｂｐｓと言った通信の高速化が求められている。そのため、受信入力の増大が必要となり、効率の良い送受信が課題となっている。

従来、光通信の標準規定であるＩｒＤＡ（赤外線データ通信）を中心として、これらのモバイル機器での課題や問題の解決を目指して多くの光通信方式が開発されて来た。古くは、親機と子機間を指向角の広い光線や狭い指向角で繋いで交信を行うタイプが開発されたが、前者（指向角の広い光通信）では、十分なＳＮ比を保って信号処理をするためには、送信出力を大きくしなければならず、後者（指向角の狭い光通信）では、低電力での送信が可能であるが、手動で方向を設定する必要があり、さらに子機が移動する場合には、その接続を保つのが困難であり、モバイル機器に使用することは難しいなどの問題があった。

その後、指向角の狭い第１送信光を出力する第１の発光素子、および指向角の広い第２送信光を出力する第２の発光素子を備えた送信装置と、受光素子を備えた受信装置と、この受信装置の受光強度を表示するモニタＴＶとから構成された光無線システムにおいて、指向角の大きな第２送信光で送信装置と受信装置間の認識を行って送受信の開始を可能とした後、指向角の狭い第１送信光で送受信を行うタイプが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

他の従来例としては、親機からは指向性の広い送信光を送信し、子機においては受信素子と送信素子を並列して配置し、それらを同時に二次元的に走査して親機を探し、親機からの送信光を受信し、その方向に送信するタイプの光無線システムが開発され、実用化されている。この例では親機の送信光の指向角が広いため、複数の子機が存在する場合、親機からの送信光はこれら複数の子機の受信部に同時に入射する。これは、教室などで同じ信号を同時に生徒達の有する複数の子機に送信する場合には適する。また、この子機の場合、別々の集光レンズを有する送信素子と受信素子とを同一ホルダー上に並列配置して、そのホルダーに取り付けたモータの回転により、指向方向を２次元的に調節する。
特開平６−２３２８１８号公報（図１）

しかし、従来の光無線システムによれば、子機が移動する場合、親機との接続を保つのが困難であり、送信開始時に大出力が必要であり、装置や信号処理が複雑となるため、モバイル機器に使用することは難しいという問題があった。また、指向性の広い送信光を送信する親機は、例えば教室などで同じ信号を同時に生徒達の有する複数の子機に送信する場合には適するが、オフィス等において、複数の子機にそれぞれ別の信号を送る場合には、それぞれの子機を親機が認識し、時分割的にそれぞれの子機との通信を行わなければならず、子機からのアップロードの速度が子機の数に逆比例して低下するという問題があった。また、別々の集光レンズを有する送信素子と受信素子とを同一ホルダー上に並列配置して、そのホルダーに取り付けたモータの回転により、指向方向を２次元的に調節する子機を使用する従来の光無線システムによれば、子機のサイズが１０センチ前後ないしそれ以上と大きくなると共に、消費電力が２ワット程度と非常に大きくなるため、モバイル機器に使用することは困難であるという問題があった。

従って、本発明の目的は、小型化と低消費電力化を図り、モバイル機器に適用可能な光無線装置および光無線システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を２次元的に走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を２次元的に走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を２次元的に走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を２次元的に走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線置を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、親機と子機との間で送受信する光無線システムにおいて、前記親機および前記子機は、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、前記親機および前記子機の少なくとも一方は、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を２次元的に走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を２次元的に走査する走査手段と、相手の前記親機あるいは前記子機からの前記送信光の送信方向を計測する計測手段と、前記計測手段の計測結果に基づいて前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線システムを提供する。

本発明の光無線装置および光無線システムによれば、送信部あるいは受信部において、集光レンズに対して相対的に発光素子あるいは受光素子のみを２次元的に走査することにより、可動部の大幅な小型化が可能となり、光無線装置および光無線システムを大幅に小型化することができ、高速走査も可能となる。また、発光素子および受光素子の走査により、狭い指向角の送信光でも受信素子への入射光量を増すことができ、低消費電力で送受信を行うことが可能となる。従って、モバイル機器に適用可能となる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光無線システムを示す。この第１の実施の形態の光無線システムは、光無線装置としての親機１Ａと、同じく光無線装置としての子機１Ｂとの間で情報信号を送受信するものである。この親機１Ａと子機１Ｂは同一の構成を有しており、それぞれ送信部３、受信部４、及び相手の親機１Ａ又は子機１Ｂの送信部３の３次元位置を算出する３次元位置算出部６０と後述するＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子を駆動する素子駆動部６１とを有する制御部６により構成されている。

送受信開始時では、図１に示すように、まず、親機１Ａが比較的指向性の狭い送信光５を出力し、かつ、その送信光５を素子駆動部６１により２次元的に走査する。次に、子機１Ｂの受信部４がその送信光５を受信し、３次元位置算出部６０が後述する受光素子アレイ上の受信光のスポットの位置から親機１Ａの送信方向を算出し、その方向へ送信光５を送信する。その時点で親機１Ａは、送信光５の走査を停止し、しかる後に通信を開始する。親機１Ａの受信部４においてもアレイ状の受光素子を有する場合には、親機１Ａと子機１Ｂが相手の送信方向を検出することが可能であり、双方が独立に相手の送信方向に送信光５を送信して通信を行う。

図２は、第１の実施の形態に係る子機１Ｂを示す。この子機１Ｂは、図２に示すように、基板２上に送信部３と受信部４が装着されており、送信部３から送信光５を送信し、受信部４において受信光５’を受信する。なお、子機１Ｂでは、小型化のために送信部３及び受信部４の直径は５ｍｍとし、親機１Ａの送信部３及び受信部４の直径は、集光効率を上げるために約２０ｍｍと大きくし、それぞれ直径程度の距離をおいて送信部３と受信部４を基板２上に配置している。

図３は、第１の実施の形態に係る子機１Ｂの送信部３を示す。この送信部３は、図３に示すように、集光レンズ７の焦点位置近傍にＧａＡｓ系半導体レーザからなる発光素子８が配置されている。集光レンズ７は、入射面、出射面とも非球面とし、収差を抑えて送信光５にほぼガウス型の分布を持たせた。また、発光素子８は静電的に２次元走査可能なＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子９上に設けられ、２次元的に走査される。ホルダー部１５は、基板２の一部に設けられて集光レンズ７やＭＥＭＳ素子９などを保持するものである。

発光素子８としては、子機１Ｂ側には、波長１．４〜１．６μｍのＧａＡｓＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）を、親機１Ａ側には波長９８０ｎｍ発振のＩｎＧａＡｓＬＤ（端面発光レーザ）を使用している。子機１Ｂ側のＶＣＳＥＬの活性層の直径は１０μｍと比較的大きくした。このためマルチモード発振となるが、出力は大きく、１０ｍＷ以上が可能である。親機１Ａ側のＬＤは、低価格化を図るため、ファイバ増幅に使用されるものを用いる。このように親機１Ａと子機１Ｂの送信波長を変えることにより、両者を簡単な色ガラスで分離することを可能とした。子機１Ｂの発光素子８は、Ｘ，Ｙ方向の２次元方向１２に走査可能とするＭＥＭＳ素子９の上に搭載し、これにより、送信光源の２次元走査が可能となる。

図４（ａ）は、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子９の主要部を示す。このＭＥＭＳ素子９は、ＭＥＭＳ基板２３と、ＭＥＭＳ基板２３に対してＹ方向に可動するＹ方向可動部２２と、Ｙ方向可動部２２に対してＸ方向に可動するＸ方向可動部２１とを備え、Ｘ方向可動部２１の中心に発光素子８が搭載された構成を有している。Ｘ方向可動部２１とＹ方向可動部２２との間には、櫛形駆動素子２４ａ，２４ｂがＸ方向可動部２１の左右に配置され、Ｙ方向可動部２２とＭＥＭＳ基板２３との間には、櫛形駆動素子２５ａ，２５ｂがＹ方向可動部２２の上下に配置されている。

櫛形駆動素子２４ａは、図４（ｂ）に示すように、Ｘ方向に延びる５μｍ幅、１５０μｍ長さの一対の櫛形電極２１ａ、２２ａから形成され、これらの両電極２１ａ、２２ａに静電圧を印加することにより、Ｘ方向の走査が行われるようになっている。他方の櫛形駆動素子２４ｂも図４（ｂ）に示す櫛形駆動素子２４ａと同様に構成され、静電圧の印加によりＸ方向の走査が行われるようになっている。櫛形駆動素子２５ａ，２５ｂは、Ｙ方向に延びる５μｍ幅、１５０μｍ長さの一対の櫛形電極から形成され、これらの両電極に静電圧を印加することにより、Ｙ方向の走査が行われるようになっている。Ｘ、Ｙ方向に駆動することにより駆動距離は±1００μｍとなり、それにより出射光は約１０度２次元に走査される。

図５は、第１の実施の形態に係る子機１Ｂの受信部４を示す。この受信部４は、図５に示すように、図３に示す送信部３とは発光素子８を受光素子１６に置き換えたのみであり、他は送信部３と同様に構成されており、集光レンズ７の焦点位置近傍であってＭＥＭＳ素子９上に２次元アレイ型ピンフォトダイオードからなる受光素子１６が設置されている。

図６は、図５に示す受光素子１６を示す。この受光素子１６は、２０×２０個の５μｍ角を有する光検出素子としてのピンフォトダイオード１７を２次元アレイ状に配列したものである。この受光素子１６上に集光された受信光５’のスポット１８の位置を、受光素子１６のそれぞれのピンフォトダイオード１７の出力電圧の比較から検出する。これにより、一方の受信部４の受光素子１６上での受信光５’の位置から、他方の送信光５の方向を検知することが可能となる。

また、親機１Ａの受信部４にもピンフォトダイオード１７のアレイを使用することにより強度分布を測定し、子機１Ｂと親機１Ａが互いの３次元位置を定期的に算出し、算出結果に基づいてＸ、Ｙ方向に位置決めし、受光素子１６を走査することにより、アレイ中の１つ（又は２〜４個の少数個）に限定されたピンフォトダイオード１７に集光させることにより、子機１Ｂの移動や傾きなどの動きに追従させることができる。また、動きの検出には、一方の送信光５の送信方向を高速に偏向し、他方の受信部４においてその偏向周波数で同期検波することにより、移動方向を算出し、常に最大感度が得られるように、送信角と受光角を調整し、発光素子８の出射方向も制御する。

また、一方、特に子機１Ｂが単一の光検出素子しか有しない場合には、親機１Ａの受信部４は、子機１Ｂの送信方向を受信した後、親機１Ａの送信方向を子機１Ｂに向けると共に、子機１Ｂの送信方向を修正する信号を子機１Ｂに送信することにより、双方向の通信を行う。

第１の実施の形態によれば、集光レンズ７を固定したまま、発光素子８および受光素子１６のみを走査することにより、可動部の大幅な小型化が可能となり、光無線装置を１センチ以下に大幅に小型化することができ、高速走査も可能となる。また、親機１Ａと子機１Ｂとともに狭い指向角の送信光で送信することを可能としたことにより、低消費電力で高効率の送受信が可能となる。従って、モバイル機器に適用可能となる。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る子機１Ｂの受信部４を示す。受信部４は、図７に示すように、図３に示す送信部３とは発光素子８を受光素子１６に置き換えたのみであり、他は送信部３と同様に構成されており、受光素子１６は、集光レンズ７の焦点位置近傍であって、ＭＥＭＳ素子９の上に単体のピンフォトダイオード１７が集積されており、ＭＥＭＳ素子９により２次元方向１２に走査される。

ピンフォトダイオード１７のサイズは、集光レンズ７により集光される光スポット１８の直径とほぼ同程度のサイズとしている。このピンフォトダイオード１７の位置を２次元的に微小振動（ウォブリング）させ、その周波数で受信光５’の強度を同期検波することにより、送信光５の移動方向を検知でき、その方向に送信光５を送信することができる。

この第２の実施の形態によれば、親機１Ａと子機１Ｂが互いに他方の位置の送信光５の送信方向を追従させながら通信することが可能となる。

図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光無線装置を示す。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態において、発光素子８と受光素子１６を、共通のビームスプリッタ１９及び集光レンズ７を介して送受信するように集光レンズ７の付近に配置したものである。この第３の実施の形態によれば、発光素子８と受光素子１６との位置をこの共通の集光レンズ７に対して走査し、送受信の方向と指向角を制御して送信を行うように送信部と受信部を一体化することにより、さらに光無線装置の小型化が図れる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、発光素子８を静電的に走査したが、ＭＥＭＳ素子９に電磁石を取り付けることにより、電磁的に走査してもよく、またＭＥＭＳ素子９の代わりに、光ディスク用のピックアップにおいて自動焦点制御とトラッキングに使用される４枚の細幅の板バネを用いて発光素子８及び受光素子１６を支え、電磁的に走査してもよい。これによって、数百μｍの走査ができ、指向角を大幅に変えられるとともに、大口径のレンズを用いても十分な角度で受信角を走査でき、高感度の受信が可能となる。

また、上記実施の形態では、受光素子１６としてピンフォトダイオードアレイを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、アバランシェフォトダイオードアレイ、あるいはＣＣＤ（Charge-Coupled Device）アレイやＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型受光素子を用いてもよく、それにより低価格化が図れるが、その場合には、高速化を図るため、行ごとに信号処理を行うことが求められる。

また、発光素子８あるいは受光素子１６に対して集光レンズ７を移動させてもよい。

また、受光素子１６は、集光レンズ７の焦点近傍に配置され、集光レンズ７による集光スポットの直径と同程度のサイズを有する一対の光検出素子から構成してもよい。この場合、両光検出素子の出力の差から相手装置の位置を算出する。

本発明は、親機と子機双方が互いに相手に送信光の方向を制御しながら通信ができるため、ＰＤＡや携帯電話などのモバイル機器の高速通信に適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る光無線システムを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る送受信部を備えた子機の概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る子機の送信部の断面図である。 （ａ）は図３に示すＭＥＭＳ素子の主要部を示す平面図であり、（ｂ）はＭＥＭＳ素子の櫛形駆動素子の拡大平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る子機の受信部の断面図である。 図５に示す受光素子を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る子機の受信部の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光無線装置の概略平面図である。

符号の説明

１Ａ 親機
１Ｂ 子機
２ 基板
３ 送信部
４ 受信部
５ 送信光
５’ 受信光
６ 制御部
７ 集光レンズ
８ 発光素子
９ ＭＥＭＳ素子
１２ 二次元方向
１５ ホルダー部
１６ 受光素子
１７ ピンフォトダイオード
１９ ビームスプリッタ
２１ Ｘ方向可動部
２１ａ 櫛形電極
２２ Ｙ方向可動部
２２ａ 櫛形電極
２３ ＭＥＭＳ基板
２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ 櫛形駆動素子
６０ ３次元位置算出部
６１ 素子駆動部

Claims (17)

1. 主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、
   前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を２次元的に走査する走査手段と、
   前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置。
2. 主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、
   前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を２次元的に走査する走査手段と、
   前記走査手段を駆動して前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置。
3. 主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、
   前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を２次元的に走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を２次元的に走査する走査手段と、
   前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線置。
4. 前記送信光用集光レンズおよび前記受信光用集光レンズとして１つの共通の集光レンズを用い、
   前記発光素子および前記受光素子は、前記送信光および前記受信光が前記共通の集光レンズを介して送受信されるように配置されたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の光無線装置。
5. 前記受光素子は、２次元アレイ状に配列された複数の受光セルから構成され、
   前記制御手段は、前記走査手段を駆動して前記複数の受光セルのうち受信光を受光する１個又は少数個の前記受光セルに限定することを特徴とする請求項２又は３記載の光無線装置。
6. 前記複数の受光セルは、複数のＣＣＤあるいはＭＯＳ素子から構成されることを特徴とする請求項５記載の光無線装置。
7. 前記複数の受光セルは、複数のフォトダイオードあるいはアバランシェフォトダイオードから構成されることを特徴とする請求項５記載の光無線装置。
8. 前記受光素子は、前記受信光用集光レンズの焦点近傍に配置され、前記受信光用集光レンズによる集光スポットの直径と同程度のサイズの単体の光検出素子から構成されることを特徴とする請求項１、２又は３記載の光無線装置。
9. 前記受光素子は、前記受信光用集光レンズの焦点近傍に配置され、前記受信光用集光レンズによる集光スポットの直径と同程度のサイズを有する一対の光検出素子から構成されることを特徴とする請求項１、２又は３記載の光無線装置。
10. 前記発光素子は、前記受光素子の上に集積されて形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の光無線装置。
11. 前記走査手段は、前記単体の光検出素子を周期的に位置を振動させ、
    前記制御手段は、前記単体の光検出素子の振動周期に同期して前記受信光の検波を行うことにより、互いの送信方向の位置ずれ信号を生成し、前記位置ずれ信号に基づいて送受信方向の最適化を行うことを特徴とする請求項８記載の光無線装置。
12. 親機と子機との間で送受信する光無線システムにおいて、
    前記親機および前記子機は、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、
    前記親機および前記子機の少なくとも一方は、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を２次元的に走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を２次元的に走査する走査手段と、
    相手の前記親機あるいは前記子機からの前記送信光の送信方向を計測する計測手段と、
    前記計測手段の計測結果に基づいて前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線システム。
13. 前記発光素子は、前記親機側と前記子機側で異なる波長の前記送信光を発光することを特徴とする請求項１２記載の光無線システム。
14. 前記子機側の前記発光素子は、前記親機側の前記発光素子が発光する前記送信光の波長よりも短い波長の前記送信光を発光することを特徴とする請求項１３記載の光無線システム。
15. 前記親機側の前記発光素子は、１．４〜１．６μｍの波長の前記送信光を発光し、
    前記子機側の前記発光素子は、０．８〜１μｍの波長の前記送信光を発光することを特徴とする請求項１３記載の光無線システム。
16. 前記親機および前記子機の少なくとも一方は、他方の前記親機あるいは前記子機からの前記送信光の方向を検出し、前記送信光の方向に前記送信光を送信することにより、送受信を行うことを特徴とする請求項１２記載の光無線システム。
17. 前記子機は、前記発光素子を２次元的に走査し、
    前記親機は、前記送信光の方向を計測し、前記方向に送信光を送信して送受信を行うことを特徴とする請求項１２記載の光無線システム。