JP2005065221A - 自由空間光バス - Google Patents

Abstract

【課題】 自由空間ギャップを介して２つの回路ユニットを接続するための自由空間光バスシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】 第１の回路ユニットは、複数のバス信号を結合して電子複合信号を取得するマルチプレクサと、この電子複合信号によって駆動され、光信号を送信するレーザとを有している。第２の回路ユニットは自由空間ギャップによって第１の回路ユニットと分離されている。この第２の回路ユニットは、光信号を受信し、この光信号を電子複合信号に変換する光検出器と、電子複合信号を複数の組成信号に分割するデマルチプレクサとを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概括的には通信システムに関し、より詳細には自由空間光バスに関する。

過去数年において、集積回路ボードの容量が目立って増加してきている。個々のボードの容量が増加するにつれて、ボード間において多数の高データ速度の相互接続が必要になってきている。ボード間接続の必要性が増大しているのに対して、従来技術を用いて対応することは困難である。コネクタの微細なピッチによりコネクタの全長にわたってボード上の各パッドとの精確なアライメント（位置合わせ）が必要となるので、相互接続密度がより高くなることはクロストークの発生の可能性がより大きくなるとともに、組み立てが困難になることになる。コネクタ全部においてデータ速度を増加させようとすることは、周波数の増加に伴って従来の相互接続媒体によって生じる誘電損失および抵抗損失によって妨げられる。

従来、ボード間で送信させる必要がある信号は、ボードのエッジに導かれる。そこから、信号を隣接するボードまたはバックプレーンに導くことができる。現在のエッジコネクタは約５０本／インチの相互接続密度を有している。ボードの両側を利用することにより、この密度を倍にして１００本／インチにすることかできる。５００本から１０００本をボードが必要とすることは珍しくなく、コネクタの配置に応じて５インチから２０インチのボードのエッジが必要である。

コネクタ間の密度を増加させることの必要性をさらに深刻にさせるのはボード間の送信データ速度（レート）が対応して増加することである。高いデータ速度の信号を搬送する相互接続は、他の高いデータ速度の信号との干渉を低減するためにどちらかの側に接地ピンまたは電源ピンが必要となる。従って、利用可能なコネクタの数は、実際上、高いデータ速度の信号を受信および出力するボードについては半分になる。低電圧差動信号を用いたシステムではさらに問題が大きくなり、各信号を搬送するために２つの相互接続を必要とする。

ボード間で必要な相互接続の数が増えたにもかかわらず、種々のボードコンポーネントのサイズが減少する。従って、ボードのサイズが減少すると、利用可能なエッジスペース量が少なくなる。これらの要因は、従来のコネクタ技術を用いて相互接続の密度を増加させるいくつかの成果をもたらした。これらの成果は限定的な成功を収めたが、長い距離にわたる高いデータ速度では減衰という問題をかかえている。複雑なデジタルシステム内の従来のシステムバスにおいてかなりの距離にわたって信号を転送する必要がある。信号は、関連するバックプレーン上のどこかにある共通のシステムバスに、その出力先ジャンクションに対するバスに沿って、その後に出力先のボードに対するジャンクションに沿って送られる必要があるからである。この従来の技術は、複雑なデジタルシステムに有効である、効率がよく高いデータ速度のバスを提供しなければならない。

関連する問題は、不安定さをその環境の中に招くハードウェアに接続することに見いだすことが可能である。例えば、アンテナの動作によって周囲の回路に著しい熱的なストレスが生じ得る。これらの熱的なストレスは周囲のコンポーネントの効率や信頼性に好ましくない影響を与え、特に高周波信号に対して信号の大幅な減衰を招く。もし不安定状態のデバイスが多数の電気的接続を必要とするならば、接続内での信号の減衰と反射を極力少なくするコネクタの有効なアライメントを行うのは困難で時間のかかるプロセスとなる。

以下に、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために発明の簡単な概要を示す。この概要は本発明の広範囲にわたる全体像ではない。発明の重要なまたはクリティカルな要素を認定するものでななく、また本発明の範囲を正確に述べるものでもない。その唯一の目的は、後に示されるより詳細な説明の前置きとして簡単な形で発明のいくつかのコンセプトを示すことである。

本発明の１つの特徴によれば、自由空間ギャップを介して２つの回路ユニットを接続するための自由空間光バスシステムを提供する。第１の回路ユニットは、複数のバス信号を結合して電子結合信号を取得するマルチプレクサと、この電子結合信号によって駆動され、光信号を送信するレーザとを有している。第２の回路ユニットは自由空間ギャップによって第１の回路ユニットと分離されている。この第２の回路ユニットは、光信号を受信し、この光信号を電子コンポジット（複合）信号に変換する光検出器と、電子複合信号を複数の構成（組成）信号に分割するデマルチプレクサとを有している。

本発明の別の特徴によれば、自由空間ギャップを介して複数の情報伝達信号を送信するための方法を提供する。複数の情報伝達信号を結合して結合信号を生成する。レーザはこの結合信号で駆動され、自由空間ギャップを介して光信号を送信する。この光信号は複合電子信号に変換される。この複合電子信号は、情報伝達信号の一つにそれぞれ対応する複数の組成信号に分割される。

本発明のさらに別の特徴によれば、自由空間光バスシステムを提供する。このシステムは、複数の低いデータ速度の信号を結合して高いデータ速度の信号にするための手段を備えている。また、このシステムは、自由空間ギャップを介して高いデータ速度の信号を光信号として送信するための手段を備えている。さらに、このシステムは、高いデータ速度の信号を複数の低いデータ速度の信号に分割して戻すための手段を備えている。

上述および関連する目的を達成するために、発明のある例示的な態様を本明細書において以下の記述および添付した図面とともに説明する。しかしながら、これらの態様は発明の原理を採用した種々の方法のほんの数例を示しており、本発明は全てのこのような態様およびそれらと等価なものを含むものである。発明の他の利点や新規な特徴は、図面と関連させて考えれば本発明の以下の詳細な記述から明らかになる。

本発明は、光バスの一部としての自由空間ギャップを介して１またはそれ以上の情報伝達信号を転送するためのシステムおよび方法に関する。本発明の一態様によれば、複数のバス信号を多重化（マルチプレックス）してレーザを駆動するために用いられる合成信号にする。レーザは自由空間ギャップを超えて送信される光信号を発生する。この光信号は自由空間ギャップを介して受信機において受信される。受信された光信号は、電気信号に変換され、それを構成する信号を元に戻すために多重分離（デマルチプレックス）される。

本発明は、従来技術と比較していくつかの利点を有している。例えば、銅線を通して送信される信号は、この信号の周波数とともに変化するレートで距離に応じて減衰する。従って、銅の媒体では長距離にわたって高いデータ速度を維持することができない。自由空間光信号はこれらの減衰問題を回避する。自由空間光信号における減衰問題に関しては、それらの問題は、光送信機に配置されるコリメートレンズのようなパッシブ手段によって軽減することができる。更なる利点は別のシステムバスの除去または著しい減少に見られ、本発明の自由空間光バスは回路ボードまたは回路ユニット間の直接転送用の他の回路ユニットに実装することができる。これによって、信号が伝達する距離を減少させ、減衰を低減することができる。

図１は、本発明の一態様である自由空間光バス１２を備えた信号処理システム１０を示している。図示したシステム１０の自由空間光バス１２は第１の回路ユニット１４と第２の回路ユニット１６を接続している。なお、これらの回路ユニットは、別の分離した回路ユニットとの複数の相互接続を必要とするいくつかの分離した回路ユニットを備えることができる。例えば、このバスは、２つあるいはそれ以上の回路ボード、２つあるいはそれ以上のバックプレーン、または単一の回路ボード内の２つあるいはそれ以上のコンポーネントブロックを接続することができる。

このバスは、第１のユニット１４に配置されかつ第１のデータ速度の複数の入力バス信号を結合して第２のデータ速度の単一の信号にするマルチプレクサ１８を有している。これらのバス信号は、データ信号、アドレス信号、および制御信号のような、システムバスを介して送信可能な任意のタイプの電子信号を含んでいる。マルチプレクサ１８は、時分割多重化、周波数分割多重化、または符号分割多重化のような、複数の信号を結合する適切な方法に従ってこれらの信号を多重化できる。例示的な実施形態においては、時分割多重化の一形態が、入力信号を単一で高いデータ速度の信号にシリアル化するために用いられる。

マルチプレクサ１８の出力は、やはり第１のユニット１４に配置されたレーザ２０をドライブ（駆動）するために用いられる。レーザ２０は、第１のユニット１４と第２のユニット１６の間の自由空間ギャップを介して第２のデータ速度で光信号を送信する。「自由空間ギャップ」という用語は、ボード間で送信される光信号が光ファイバケーブルのような特定のキャリア媒体に対するものとしてのバックグランド媒体（例えば、空気または真空）を通過するように２つの回路ユニットの間のブッリジされていない間隔として定義される。すなわち、本発明の自由空間光バスを利用した場合、２つの回路ユニットを、通信のために何らかのやり方で物理的に接続することは必要ではない。しかしながら、本発明の範囲内においては、光バスに関係しない物理的な接続がボード間に存在できることが理解されるだろう。例示的な実施形態においては、レーザ２０は約８５０ｎｍの波長を有する近赤外レンジ（領域）の光信号を送信する。しかしながら、他の特性波長を有するレーザを用いてもまたは含んでもよく、また可視光領域の波長、紫外線領域の波長、およびより高い赤外波長に限定されないことは理解されるであろう。

レーザ２０からの光ビームは、第２のユニット１６で光検出器２２によって受信される。光検出器２２は、レーザ信号を検出し、レーザ２０からの光信号を第２のデータ速度の電子コンポジット（複合）信号に変換する。光検出器２２は、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード、または正―真性―負（ＰＩＮ：positive intrinsic negative）ダイオードを含む多数の光起電力または光導電デバイスのいずれかを有することができる。例示的な実施形態においては、ＰＩＮダイオードは光信号に対して等価的電子信号を与えるために用いられる。

光検出器２２の電子信号出力はデマルチプレクサ２４に供給される。デマルチプレクサ２４は、電子複合信号を第２の速度の単一信号から第１の速度の複数の組成（構成）信号に変換する。デマルチプレクサ２４は、マルチプレクサ１８において採用されている多重化技術に対応する方法によって信号を多重分離するように動作する。デマルチプレクサからの組成信号出力は、第２のユニット１６の１またはそれ以上の出力先（図示しない）に供給される。

なお、図示したシステムの自由空間光バス１２は隣接する２つのユニットの間の通信に限定されない。例えば、バス１２は、隣接するボードを越えて信号を送信して離れたボードに達するように延長することができる。２つのユニットの間のギャップが大きい（例えば、１０〜１２インチよりも大きい）場合、コリメートレンズを、光信号の分散を低減するためにレーザ２０に配置することができる。双方向通信は、適切なルーティングを有する多重または再構成可能な受信機および送信機を用いて達成することができる。

図２は、本発明の一態様である自由空間光バスを内蔵する例示的な信号処理システム３０を示している。図示したシステム３０は、第１のボード３２と第２のボード３４が示されている複数の回路ボードを備えている。図示したボードは、ボード間で一方向通信を提供する自由空間光システムバスを内蔵している。なお、本発明は、一方向シリアル構成に限られず、本発明の自由空間光バスを用いて他のバス構成を採用することができる。

第１のボード３２では、第３のボード（図示しない）からの高いデータ速度の光信号を第１のフォトダイオード３６で受信する。図示したシステム３０においては、この高いデータ速度の光信号は、１６個の組成信号を含む複合信号である。第１のフォトダイオード３６は光複合信号の振幅を示す電流を発生する。図示したシステム３０においては、第１のフォトダイオードはＰＩＮダイオードである。

フォトダイオード３６によって発生された電流はトランスインピーダンス増幅器３８（ＴＩＡ：transimpedance amplifier）に伝えられる。トランスインピーダンス増幅器３８は、この電流を高いデータ速度の複合信号を表す電圧に変換し、この信号の第１の増幅を行う。この第１の増幅率は必然的に比較的小さいゲインに制限される。これは、トランスインピーダンス増幅器３８のゲインが動作周波数に直接依存するからである。小さな電圧信号（例えば、１ｍＶから２ｍＶの範囲の信号）を正確に受信することを確実に行うためには、信号について第２段階の増幅を行うことが望ましい。

トランスインピーダンス増幅器３８の出力はリミッティング（制限）増幅器４０に供給される。制限増幅器４０は複合信号に対して更なる増幅を行い、更なる処理のための信号を準備する。しかしながら、制限増幅器４０は、その出力を入力信号の振幅にかかわらず所定の電圧範囲に制限する。これは、より強い信号によって下流の電気的コンポーネントに損傷を与えることことなく、より微弱な信号に対して著しい増幅を行うことを可能にする。

制限増幅器４０の出力はクロックおよびデータ再生回路（ＣＤＲ：clock and data recovery circuit）４２に供給される。クロックおよびデータ再生回路４２は増幅された複合信号から元のデータストリームを復元する。ＣＤＲ４２は、復元データをシステムクロックと同期させ、受信した信号に対して振幅レベルを決定して再生データストリームを発生する。システムクロックとこのデータストリームとの間の同期は位相ロックループによって容易に行うことができる。ＣＤＲの出力、すなわち複合電子信号はデシリアライザ４４に送られる。

デシリアライザ４４は再生複合信号を１６個の組成信号に分割する。各組成信号は、この複合信号のデータ速度の約１６分の１の関連データ速度を有している。１６個の組成信号は１またはそれ以上のデジタルコンポーネント４６に送られる。デジタルコンポーネント４６の性質は、用途に応じて変化し、これは任意の適切なデジタル回路を備えることが可能である。デジタルコンポーネント４６は、各機能を実行し、組成信号から派生する複数の低いデータ速度のバス信号をシリアライザ４８に出力する。

シリアライザ４８は、低いデータ速度のバス信号を結合して高いデータ速度の結合信号を形成する。図示した例のシリアライザ４８は、各バス信号からデジタルビットのパケットを取得し、それらのパケットを所定の順序に配列して結合信号を与える。シリアライザ４８は１６個のバス信号により伝達される情報を結合して単一の結合信号にするので、この結合信号のデータ速度はバス信号のそれの約１６倍である。図示した例においては、シリアライザ４８は、位相ロックループと外部基準クロック（図示しない）を用いて結合信号について適切な信号クロックを発生する。

この結合信号はレーザドライバ５０に供給される。レーザドライバ５０はレーザ５２のための駆動信号を結合信号から生成する。例示的な実施形態においては、レーザドライバ５０は、レーザ５２に対する温度変化の影響を補償する外部抵抗器（図示しない）を有している。レーザ５２は結合信号内の情報を伝達する自由空間ギャップを介して高いデータ速度の光信号を供給する。例示的な実施形態においては、このレーザは約８５０ナノメートルの波長で動作する。

この高いデータ速度の光信号は第２のボード３４の第２のフォトダイオード５６で受信される。第２のフォトダイオードは、この光信号を高いデータ速度の電子複合信号に変換し、この電子複合信号を第２のＴＩＡ５８に送る。第２のＴＩＡ５８は予備ゲインを第２のフォトダイオード５６からの電子信号に与える。複合信号は次に、第２の制限増幅器６０に送られ、所望の電力レベルまで増幅される。第１の制限増幅器４０と同様に、第２の制限増幅器６０は、この信号が所定の最大および最小限度から外れる電力レベルとなるのを防ぐように設計されている。

増幅された信号はクロックおよびデータ再生回路（ＣＤＲ）６２に供給される。このＣＤＲ６２は、この電子信号のタイミングおよび振幅特性を復元して第１のシリアライザ４８からの信号出力に近づける。復元された信号は第２のデシリアライザ６４に送られる。第２のデシリアライザ６４は複合信号を構成するデジタルビットのパケットを１６のストリームに分割して１６個の組成信号を生成する。これらの組成信号は第１のシリアライザ４８で結合される１６個のバス信号に対応する。その後、これらの組成信号は、第２セットの１またはそれ以上のデジタルコンポーネント６６に送られる。この第２セットのデジタルコンポーネントの機能は用途に応じて変化する。

第２セットの１またはそれ以上のデジタルコンポーネント６６の出力は１６個の組成信号を含んでいる。これらの信号は第２のシリアライザ６８に供給される。第２のシリアライザ６８は、１６個の組成信号から結合信号を生成し、それを第２のレーザドライバ７０に供給する。第２のレーザドライバ７０は第２のレーザ７２を駆動し、光信号を自由空間ギャップを介して送信させる。この光信号は信号の更なる処理のための第４の回路ボード（図示しない）で受信される。なお、図示した一実施態様の光バスは、記述した構成を用いて任意の数のボードまで延長することができる。

図３は、本発明の一態様である自由空間光バスを実装するデジタル通信システム１００を示している。図示した一実施態様において、デジタル通信システム１００は宇宙船の中に実装される。しかしながら、本発明の自由空間光バスは、地上通信システムに実装することが可能であり、他の地上および宇宙船の用途にも可能であることは理解される。

複数の無線周波数の通信信号は受信アンテナアレイ１０２で受信される。この受信アンテナアレイは、無線周波数の信号をアナログの電子信号に変換し、これらの電子信号を低雑音増幅器１０３に送る。これらの信号は更なる処理のために適切なレベルまで増幅される。その後、増幅された信号はダウンコンバータ１０４に伝えられる。これらの信号は低い周波数にダウンコンバートされる。その後、ダウンコンバートされたアナログ信号はアナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）１０６に送られ、これらの信号のデジタル表現が生成される。

デジタル信号は、一連のデジタル信号処理コンポーネント１０８に供給される。これらの信号は、従来の信号バスによって、または本発明の一態様である自由空間光バスによって供給することができる。なお、記述したデジタル信号処理コンポーネント１０８は、単に例示的なものであり、図示上簡略化している。デジタル信号処理コンポーネント１０８を構成する図示した回路ボード１１０、１１２、および１１４は、複数のボード間で分散可能な通信システム内の幅広い機能と、システム内の様々な位置とを表している。

例えば、図示した回路ボード１１０、１１２、および１１４のそれぞれは、キャッシュ（cache）マネージメント機能１１６に動作可能に接続されている。キャッシュマネージメント機能１１６は、処理リソースが利用可能となるまで、超過信号をキャッシュに記憶することによってデジタル信号処理コンポーネント１０８に対する信号の規則正しい入力を維持する。各ボードは、受信信号を記憶するためのキャッシュメモリと、キャッシュ内の受信信号に優先順位をつけるためのキャッシュマネージメント機能とを採用している。図示した一実施態様において、このキャッシュマネージメント機能１１６は、各ボード上の１またはそれ以上のデジタルコンポーネントおよび１つの信号キャッシュとしての回路ボード１１０、１１２、および１１４の間で分散される。

アナログ‐デジタル変換器１０６からのデジタル信号は、第１の回路ボード１１０のデコーダ１１８で受信される。デコーダ１１８は、受信信号内のエンコードされたエラー検出ビットに従ってエラーについて信号を検査する。例えば、受信信号のパリティを各信号のヘッダ部内のパリティビットに対してチェックしてもよい。なお、特許請求の範囲内でより高度なエラー検出技術を採用することができる。デコードされた信号は、本発明の一態様である第１の自由空間光トランシーバ１２０に供給される。

自由空間光トランシーバ１２０は、複数の信号を多重化し、これらの信号を光信号として第２の自由空間光トランシーバ１２２に送る。第２の自由空間光トランシーバ１２２は、この光信号を複合電子信号に変換し、この複合信号を多重分離してその組成信号にする。これらの組成信号は信号にルーティング情報を与えるルータ１２４に供給される。例えば、ルータ１２４は、所望の出力先に応じて信号を特定の信号群に割り当てるヘッダ情報を与えることができる。その後、ルーティングされた信号は、第２の自由空間光トランシーバ１２２に戻され、多重化され、光信号として第３の自由空間光トランシーバ１２６に供給される。

第３の自由空間光トランシーバ１２６では、光信号は、複合電子信号に変換され、多重分離されて複数の組成信号になる。組成信号はコーダ１２８に供給される。コーダ１２８はエラー検出ビットをこれらの信号にエンコードして送信後の信号におけるエラーの検出を容易にさせる。例えば、このエラーコード化は信号のヘッダに加えられるパリティビットの形をとることができる。その後、コード化された信号はデジタル‐アナログ変換器１３０に供給される。なお、これらの信号は、従来のバスによって、または本発明の一態様である自由空間光バスによって供給することができる。

デジタル‐アナログ変換器１３０はデジタル信号をそれらと同等なアナログ信号に変換する。その後、アナログ信号は、これらの信号を適切な送信周波数にアップコンバートするアップコンバータ１３２に供給される。その後、アップコンバートされた信号は、ハオパワー（高出力）増幅器１３４で増幅され、送信アンテナアレイ１３６に供給される。増幅された信号は１またそれ以上の受信機に同時送信（ブロードキャスト）される。

図４は、１またはそれ以上のアンテナアレイとデジタル信号処理モジュールの間の相互接続の一部としての自由空間光バスを実装する例示的な通信システム１５０を示している。図示したシステム１５０において、受信アセンブリ１５２は１またはそれ以上の無線周波数（ＲＦ）信号を受信し、１またはそれ以上のデジタル信号を処理用のデジタル信号処理モジュール１５４に供給する。信号のデジタル処理には、受信信号の完全性の確認、信号の新しい出力先へのルーティング、およびルーティングされた信号に対するエラーチェック情報のコード化を含んでもよい。処理された信号は無線周波数の信号として再度同時送信するように送信アセンブリ１５６に供給される。理解しやすいように、受信アセンブリ１５２および送信アセンブリ１５６内の構成を分離した構成として記述しているけれども、実際には、これらのアセンブリ１５２および１５６内の構成がオーバーラップすることは可能であることは理解されるであろう。例えば、本明細書では、受信アンテナアレイとして記述した構成と送信アンテナアレイとして記述した構成は、複数の機能を実行する単一のアンテナアレイから構成してもよい。

受信アセンブリ１５２は、１またはそれ以上のＲＦ信号をアナログ電気信号に変換する受信アンテナアレイ１５８を有している。アナログ信号は低雑音増幅器１６０で増幅されてこれらの信号の振幅をアナログ処理により適したレベルまで増大させる。なお、増幅器は受信信号を増幅する際に相当の熱を発生する。従って、本発明の一態様によれば、第１のアナログ自由空間光バス１６２を採用して、低雑音増幅器１６０を受信アセンブリ内の他の電子回路から隔離することができる。

第１の自由空間光バス１６２は第１のアナログ光変換器１６４と第１のアナログ光受信機１６６を有している。光変換器１６４は、アナログ信号を受信し、これらの信号を多重化して結合信号にし、この結合信号を用いて光送信機（例えば、レーザ）を駆動して光バス信号を生成する。この光バス信号は、光受信機１６６で受信され、アナログ信号に変換され、多重分離されて組成信号になる。

多重分離された信号は、これらの信号を無線周波数から中間周波数に変換するダウンコンバータ１６８に供給される。その後、中間周波数（ＩＦ）信号はＩＦ増幅器に供給され、さらに増幅される。その後、増幅された信号は復調器１７２で復調され、復調されたベースバンド情報信号はアナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）１７４に供給される。アナログ‐デジタル変換器１７４はアナログベースバンド情報信号をデジタル信号に変換し、これらのデジタル信号をデジタル信号処理モジュール１５４に供給する。

受信アセンブリ１５６では、デジタル信号処理モジュール１５４からの１またはそれ以上のデジタル信号をデジタル‐アナログ変換器（ＤＡＣ）１７６で受信する。デジタル‐アナログ変換器１７６は、デジタル信号をアナログ信号に変換し、これらのアナログ信号を変調器１７８に供給する。変調器１７８は、ベースバンド信号を中間周波数の搬送波で変調し、その結果得られた信号を中間周波数増幅器１８０に供給する。

中間周波数増幅器１８０は中間周波数の信号の第１の増幅を行う。その後、増幅された信号はアップコンバータ１８２に供給される。アップコンバータはこれらの信号を中間周波数から同時送信に適した無線周波数に変換する。その後、アップコンバートされた信号は第２のアナログ自由空間光バス１８４に供給される。

第２のアナログ自由空間光バス１８４は第２のアナログ光変換器１８６と第２のアナログ光受信機１８８を有している。第２の光変換器１８６は、アナログ信号を受信し、これらの信号を多重化して結合信号にし、この結合信号を用いて光送信機（例えば、レーザ）を駆動して光バス信号を生成する。この光バス信号は、第２の光受信機１８８で受信され、アナログ信号に変換され、多重分離されて組成信号になる。

これらの組成信号は、高出力増幅器１９０に供給され、送信のために適切なレベルまで増幅される。増幅された信号は送信アンテナアレイ１９２に供給される。送信アンテナアレイ１９２は、増幅された信号を無線周波数の信号に変換し、これらの信号を無線周波数の電磁波信号として同時送信する。理解しやすいように、受信アセンブリ１５２および送信アセンブリ１５６内の構成を分離した構成として記述しているけれども、実際には、これらのアセンブリ１５２および１５６内の構成がオーバーラップすることは可能であることが理解されるだろう。例えば、受信アンテナアレイ１５８と送信アンテナアレイ１９２は、複数の機能を実行する単一のアンテナアレイから構成しもよい。

図５は、本発明の一態様である双方向自由空間光バスを内蔵する例示的な信号処理システム２００を示している。図示したシステム２００は、３つの回路ボード、すなわち、第１のボード２０２と、第２のボード２０４と、第３のボード２０６とを備えている。なお、図５は、本発明の自由空間光バスに重点を置いており、機能的なシステムによって必要とされるが光バスの機能とは関係がない種々のコンポーネントや相互接続については本明細書では理解しやすいように省略した。例えば、システム２００は、外部入出力を有するようにも、またこれらのシステム入力を図示した情報ストリームに加えるのに必要なルーティングを有するようにも図示していない。

図示したこれらのボードは、バックプレーンを通してボード２０２、２０４、および２０６と接続する双方向システムバスを内蔵する。なお、本発明は双方向シリアル構成に限定されず、他のバス構成を本発明の自由空間光バスを用いて採用することができる。例えば、第２のボード上の複数の受信機の代わりに、適切なルーティング機能を有する単一の受信機を提供することができる。同様に、複数の送信機に代わって、送信機の回転または１あるいはそれ以上の切り替えミラーの反射によって種々の方向に光信号を送信することが可能な単一の送信機を用いることができる。

第１の回路ボード２０２は他の回路ボードから受信した高いデータ速度の電子信号を収納する第１のメモリ２１０を有している。信号は、第１のデマルチプレクサ２１２によって第１のメモリ２１０から引き出され、複数の組成信号に分離される。その後、これらの組成信号は、処理のために第１セットの１またはそれ以上のデジタルコンポーネント２１４に供給される。１またはそれ以上のデジタルコンポーネント２１４の性質は用途に応じて変化する。

その後、処理された信号は第１のマルチプレクサ２１６に供給される。マルチプレクサ２１６はこの処理された信号を結合して結合信号にする。この結合信号は第１の光送信機２１８に供給される。光送信機２１８は光信号を第２の回路ボード２０４の第１の受信機２２０に送信する。受信された信号は、第１の受信機２２０で電気信号に変換され、第２のメモリ２２２に記憶される。第２のメモリ２２２は、第３の回路ボード２０６からの信号を受信して変換するように動作する第２の受信機２２１からの信号も受け取る。

リレールーティングコントロール２２４は、第２のメモリ２２２から信号を引き出し、この信号の行先を決定する。例えば、リレールーティングコントロール２２４は、この信号のヘッダ情報を調べてどの回路ボードがこの信号を処理するのかを決定することができる。もし、この信号を別の回路ボードで処理することが決定されたならば、この信号は所望の行先ボードに応じて第１の送信機２２６または第２の送信機２２７のいずれかに供給される。第１の回路ボード２０２への信号は第１の送信機２２６に供給される。第１の送信機２２６はこの信号を光信号として第１の回路ボードの第１のボード受信機２２８に送信する。第１のボード受信機２２８で受信された信号は第１のメモリ２１０に供給される。第３の回路ボード２０６のための信号は第２の送信機２２７に供給される。第２の送信機２２７は高いデータ速度の光信号を第３の回路ボードの第３のボード受信機２３０に供給する。

もし、この信号が第２の回路ボード２０４で処理されるものであるならば、高いデータ速度の信号は第２のデマルチプレクサ２３２に供給される。第２のデマルチプレクサ２３２は高いデータ速度の電子信号を複数の低いデータ速度の組成信号に分割する。これらの組成信号は第２セットの電子コンポーネント２３４に供給される。第２セットの電子コンポーネント２３４は、組成信号を処理し、これらの組成信号を第２のマルチプレクサ２３６に伝える。第２のマルチプレクサは複数の組成信号を結合して高いデータ速度の複合信号にする。その後、この複合信号は複合信号の行先を決定するルータ２３８に供給される。第１の回路ボード２０２のための信号は第１の送信機２２６に供給され、第３の回路ボードのための信号は第２の送信機２２７に供給される。

第３の回路ボード２０６に送られた信号は第３のボード受信機２３０で受信される。受信された複合信号は第３のメモリ２４０に記憶される。第３のデマルチプレクサ２４２は、記憶された複合信号を引き出し、これらの信号を複数の組成信号に分割する。これらの組成信号は、第３セットのデジタルコンポーネント２４４で処理され、第３のマルチプレクサ２４６に供給される。第３のマルチプレクサ２４６は、複数の組成信号を結合して複合信号とし、この複合信号を第３の送信機２４８に供給する。第３の送信機２４８は光信号を第２のボード２０４の第２の受信機２２１に送信する。

図６は、本発明の一態様である、４つの回路ボードを接続する自由空間光バス２５０の例示的な実施態様の断面図である。図示したバス２５０は一方向にのみ信号を伝達するのに対して、このバスは図の教示により双方向バスとして実装することができることは理解されるであろう。第１の回路ボード２５２は３つの送信機を有している。第１の送信機２５４は複合光信号を第２の回路ボード２５８の第１の受信機２５６に送信する。第２の送信機２６０は複合光信号を第３の回路ボード２６４に配置された第２の受信機２６２に送信する。短距離の送信では、リレーレンズまたはコリメータは必要としない。長距離では、ビームコリメータが必要とされるかもしれない。例示的な実施形態においては、回路ボード内の開口（例えば、２６６）にリレーレンズ（図示しない）があることで、光信号の分散をさらに減らし、または光回折によってこの信号の方向に変化を与えることが可能である。

なお、上述の方法における複数のボード間での光信号の送信においては、光バスを含む種々の集積回路コンポーネントの精確なアライメントを必要とする。しかしながら、このアライメントの精確さは、本発明が有利である種々の用途のための電気的な接続を達成するのにすでに要求されている。例えば、通信衛星では、ボード間の相互接続密度は、従来の電気的バス接続が相当の機械的な精確さをすでに必要とするほど高い。従って、本発明の有利さを、ボードとこれらの各コネクタのアライメントの精確さを過度に増すことなく、この用途とたくさんの同様な用途において享受することができる。

第３の送信機２６８は光信号を第４の回路ボード２７２の第３の受信機２７０に送信する。第３の送信機２６８は送信中の光信号の分散を軽減するコリメートレンズ２７３を有している。第３の送信機２６８からの光信号は、送信中に、２つの回路ボード、すなわち第２の回路ボード２５８に位置する第２の開口２７４と第３の回路ボード２６４に位置する第３の開口２７６を通過する。従って、第１の回路ボード２５２からの信号を、第２および第３の回路ボード内の開口を通して下流のボード２５８、２６４、および２７２のいずれかに直接光学的な形で伝えることができることが理解されるであろう。図示した自由空間光バスは送受信ボード以外のいずれのボードでも処理ステップを必要としない。これは隣接しないボード間の信号の高速送信を可能とする。

第２の回路ボード２５８は第３の回路ボード２６４に配置された第４の受信機２８２に光信号を送信する第４の送信機２８０を有している。第２の回路ボードは第４の回路ボード２７２の第５の受信機２８６に光信号を送信する第５の送信機２８４をさらに有している。この送信は、第３の回路ボード２６４に位置する第４の開口２８８を通過する。例示的な実施形態においては、第２の回路ボード２５８は上流の回路ボード（例えば、２５２）に信号を送るためのさらに別の送信機（図示しない）を有することができる。これはバスシステムの複雑さが増加することになるが双方向通信を可能にする。

第３の回路ボード２６４は第４の回路ボード２７２の第６の受信機２９４に光信号を送信する第６の送信機２９２を有している。第２の回路ボード２５８と同様に、第３および第４の回路ボード２６４および２７２は、種々の回路ボード間で双方向通信が可能であるように、更なる送信機を有するようにすることができる。しかしながら、図示したシステム２５０に合うようなやり方でシステムを配置するには、システムにおける送信機および受信機の数を増加させることと回路ボード内の更なる開口を必要とする。別の方法では、既存の送信機および受信機を、複数のソースからの信号を取り扱うために、複数の切り替えミラーを追加することと送信機および受信機での適切なルーティングで利用することができる。

図７は、本発明の一態様である、２つの回路ユニット間の自由空間ギャップを介して複数のバス信号を送信するための例示的な方法３００を示している。これらの回路ユニットは、２つあるいはそれ以上の回路ボード、２つあるいはそれ以上のバックプレーン、または単一の回路ボード内の２つあるいはそれ以上のコンポーネントブロックのような、別の分離した回路ユニットとの複数の相互接続を必要とするいくつかの分離した回路ユニットを備えることができる。方法３００は、ブロック３０２で始まり、複数の低いデータ速度のバス信号を多重化して高いデータ速度の結合信号にする。なお、複数の信号を多重化して単一の信号を生成することに関しては多数の技術がある。記載する方法３００において用いられる技術は多重化された信号の性質と特定の用途に依存する。

ブロック３０４では、高いデータ速度の結合信号は、第１の回路ユニットのレーザを駆動して高いデータ速度の光信号を第１および第２の回路ユニット間の自由空間ギャップを介して送信するために用いられる。この発生した光信号には結合信号によって伝達される情報が含まれる。ブロック３０６では、光信号が第２の回路ユニットで受信される。この信号は、起電力（ボルタ：voltaic）フォトダイオード、導電性フォトダイオード、光電子増倍管、または電荷結合素子を含む、光量を検出するための任意の適切なセンサによって受信することが可能である。

ブロック３０８では、受信された光信号は高いデータ速度の電子信号に変換される。この信号は、オリジナルバス信号からの情報を合成したものであり、レーザを駆動するために用いられる結合信号に近い。ブロック３１０では、複合信号はデマルチプレクサで多重分離されて複数の低いデータ速度の組成信号になる。各組成信号は多重化されたバス信号の一つに対応する。多重分離のために用いられる技術は、ブロック３０２で用いられた多重化技術に依存する。ブロック３１２では、各組成信号は第２の回路ユニットの各行先に供給される。例えば、組成信号は、処理すべきデジタル処理コンポーネントに供給され、さらに別の回路ユニットに送ることが可能である。

図８は、複数の回路ユニット間の自由空間光バス上で信号を送信するための方法３５０を示している。この処理はブロック３５２で開始し、高いデータ速度を有する光信号は第１の回路ユニットで受信される。光信号は、複数の組成信号からの情報を含む高いデータ速度の電子信号に変換される。その後、この処理は判定ブロック３５４に進み、この信号が第１の回路ユニット向けのものであるかどうかが判定される。一般に、この信号には、この判定を行うためのルーティング情報を有する信号ヘッダが含まれている。もし、この信号が第１の回路ユニット向けのものでないならば、処理はブロック３５６に進み、所望の行先が決定される。実質的には、受信された信号が複数の他の回路ユニットのどれに供給されるべきかは信号から決定される。ブロック３５８では、この信号は所望の出力先に供給される。

もし、この信号が第１の回路ユニット向けのものであるならば、処理はブロック３６０に進み、この信号を多重分離して比較的低いデータ速度をそれぞれ有する複数の組成信号にする。ブロック３６２では、これらの組成信号が１またはそれ以上のデジタルコンポーネントで処理される。これらのコンポーネントの性質は、第１の回路ユニットの目的に応じて変化する。判定ブロック３６４では、信号を別の回路ユニットに送信すべきかが判定される。もし送信すべきでないならば、処理は終了する。もし送信すべきならば、処理はブロック３６６に進み、組成信号を多重化して高いデータ速度の複合信号を生成する。この信号にヘッダ情報を加えることで、適切な行先に対する複合信号のルーティングを助けることができる。処理はブロック３５６に続き、所望の行先が決定される。この出力先は、信号内のヘッダ情報から、信号の他の何らかの特徴によって、またはシステムに対する外部命令によって決定することができる。ブロック３５８では、この信号は所望の行先に供給される。

以上の説明は本発明の例示的な実施態様を含んでいる。もちろん、本発明を説明する目的で、コンポーネントまたは方法のすべての考えられる組み合わせを記載することは不可能である。しかし、当業者は、本発明の多くの更なる組み合わせや変更が可能であることを認識することができる。従って、本発明は、特許請求範囲の精神およびその範囲内においてこのような全ての変形、修正および変更を含むものである。

本発明の一態様である自由空間光バスを含む信号処理システムを示す。 本発明の一態様である自由空間光バスを内蔵する例示的な信号処理システムを示す。 本発明の一態様である、デジタル信号処理モジュールの一部である自由空間光バスを実装する例示的な通信システムを示す。 本発明の一態様である、１またはそれ以上のアンテナアレイとデジタル信号処理モジュールの間の相互接続の一部である自由空間光バスを実装する例示的な通信システムを示す。 本発明の一態様である双方向自由空間光バスを内蔵する例示的な信号処理システムを示す。 本発明の一態様である一方向自由空間光バスの例示的な実施形態の断面図である。 本発明の一態様である、２つの回路ユニット間の自由空間ギャップを介して複数のバス信号を送信するための例示的な方法を示す。 複数の回路ユニット間の自由空間光バス上で信号を送信するための方法を示す。

Claims (10)

1. 複数のバス信号を結合して電子結合信号を取得するマルチプレクサ、および
   前記電子結合信号によって駆動され、光信号を送信するレーザ、
   を有する第１の回路ユニットと、
   前記光信号を受信し、それを電子複合信号に変換する光検出器、および
   前記電子複合信号を複数の組成信号に分割するデマルチプレクサ、
   を有し、自由空間ギャップによって前記第１の回路ユニットと分離されている第２の回路ユニットと、
   を備えた自由空間光バスシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数のバス信号は第１のデータ速度で送信され、前記光信号は第２のデータ速度で送信される、システム。
3. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２の回路ユニットは、前記第１の回路ユニットの第２の光検出器に光信号を送信する第２のレーザをさらに備えているシステム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、第３の回路ユニットをさらに備え、該第３の回路ユニットは、前記第３の回路ユニットの第１の表面から前記第３の回路ユニットの第２の表面まで広がるとともに、前記第３の回路ユニットを介して前記第２の回路ユニットに光信号が送信されるのを可能にする開口を有する、システム。
5. 請求項４に記載のシステムにおいて、リレーレンズをさらに備え、該リレーレンズは、前記第１の回路ユニットから前記第２の回路ユニットに送信される光信号が前記開口を通過するとき、前記リレーレンズで再度集束されるように、前記開口に配置される、システム。
6. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記システムはデジタル通信システム内のシステムバスとして実装されるシステム。
7. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の回路ユニットはアンテナアレイおよび増幅器をさらに備え、前記第２の回路ユニットは少なくとも１つのアナログ信号処理コンポーネントをさらに備えているシステム。
8. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２の回路ユニットはルーティング情報を各組成信号に与えるルータをさらに備えているシステム。
9. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の回路ユニットは、前記バス信号内の少なくとも１つのエンコードされたエラー検出ビットに従ってエラーについて前記バス信号を検査するデコーダをさらに備えているシステム。
10. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２の回路ユニットは前記組成信号における少なくとも１つのエラー検出ビットをエンコードするコーダをさらに備えているシステム。
    
    

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