JP2005294864A - 自由空間光通信用受信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、自由空間光通信用受信システムを提供する。
【解決手段】 光受信システムは傾斜集信機を通して、検出器に光学的に結合されたフレネルレンズを含む。フレネルレンズは電磁信号を受けるのに適し、フレネル焦点を有する。傾斜集信機は第2の端部表面領域より大きな第1の端部表面領域を有する。検出器は傾斜集信機から生じる電磁信号を受ける方向をもった検知表面領域を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は自由空間光通信用の受信システムに係る。
自由空間光通信用の受信システムは、ファイバ光通信ケーブルを通してではなく、大気を通して伝搬された電磁信号を受けるように構成される。従って、光周波数(たとえば赤外周波数範囲)における電磁波信号は、雨、雪、温度反転あるいは凝結といった大気状態から、減衰を受ける。減衰は光送信機と光受信システム間の最大光路長を、制限する。場合によっては、光通信システムに対する最大光路長の制約により、光通信システムの代りに、短距離マイクロ波無線といった競合する技術を用いることになる。短距離マイクロ波無線は行政上の免許を必要とし、一方光通信システムは通常は必要ない。従って、大気状態からの減衰を補償できる光受信システムの必要性が存在する。
自由空間光通信はシンチレーションを受ける。シンチレーションというのは、空気密度が変化する空路を通って伝搬する電磁波信号の受信強度の望ましくない変動をさす。空気密度は伝搬ビームの断面積又は体積に渡って全体に均一ではないため、電磁波信号が伝搬する光路は、変化する密度の一連のエアポケットとモデル化してもよい。エアポケット間の変り目における密度の変化は、電磁波信号を屈折させ、電磁波信号を減衰させたり、方向を変えたりする可能性がある。シンチレーションは電磁波信号を弱め好ましくなく、光通信システムの信頼できる最大光路長を減す可能性がある。
従って、シンチレーションの有害な効果を減すか除く受信システムの必要性が存在する。
従来の受信システムにおいて、電磁信号の断面積は直径が1メートル程度で、コレクションレンズ又はミラーは、高品質レンズが大きくなるほど必然的に高価になるため、直径はわずか5ないし10センチメートルである。大きなフレネルレンズは必然的に高価という訳ではないが、フレネルレンズは市販の光受信システムでは、使われてこなかった。なぜなら、フレネルレンズだけでは、毎秒メガビットボーの通信速度又はそれ以上の十分な応答時間をもつ検出器用の適切な焦点スポットが一般に得られないからである。従って、光受信システム中の商業的に実用性のあるより大きなレンズの使用を容易にする必要性が存在する。
本発明は従来技術における上述の問題を解決するものである。
本発明に従うと、光受信システムは傾斜のある集信機を通して、検出器に光学的に結合されたフレネルレンズを含む。フレネルレンズは電磁波信号を受信するのに適し、フレネル焦点を有する。傾斜のある集信機は第2の端面領域より大きな第1の端面領域を有する。検出器はテーパ集光器から現れる電磁信号を受ける方向をもった検知表面領域を有する。
フレネルレンズとテーパ集光器は組合さり、テーパ集光器がフレネルレンズの焦点を受け、焦点を検出器上に適切に集めるように働く。光受信システムは電磁エネルギーをフレネルレンズにおいて、電磁信号(たとえば円錐状ビーム)の断面積のほとんどで集めることにより、シンチレーション、減衰又は両方の効果を減すことができる。
本発明の1つの特徴は、フレネルレンズ上に入射した電磁信号が伝搬する時のシンチレーションの効果を減少又は除去するのに十分な開口を有するフレネルレンズを含むことである。本発明の別の特徴は、フレネルレンズにより生じた第1の焦点のあった放射パターンを、検出器の検知表面領域と同等の強度の局在領域を有する第2の焦点のあった放射パターンに減少させるテーパ集光器を含むことである。
図1において、光送信機10は送信レンズ12を通して、受信システム40のフレネルレンズ16の方へ、電磁信号14を送信する。図1の送信レンズ12は一般に、円錐状パターンを生成するが、他の放射パターンも可能である。円錐放射パターンは複数の表示光線15を含み、送信機10と受信システム40間に潜在的な伝搬路(たとえば自由空間路)を規定する。フレネルレンズ16は送信機10により送信される電磁信号14をさえぎるような方向を向く。
本発明に従うと、光受信システム40はテーパ集光器50を通して検出器32に光学的に結合されたフレネルレンズ16を含む。フレネルレンズ16は電磁信号14を受けるのに適し、フレネル焦点30を有する。テーパ集光器50は第2の端面領域26より大きな第1の端面領域22を有する。検出器32はテーパ集光器50から現れる電磁信号14を受ける方向をもつ検知表面領域34を有する。検出器32は増幅器36を通して、その後信号処理するために、受信回路38に結合してよい。
フレネルレンズ16は一般に薄いレンズで、フレネルレンズ16がはるかに厚いレンズの光学特性をもつように、段差セットバックを有するように構成される。図1はフレネルレンズ16の断面を示す。フレネルレンズ16の断面は段差18により分離された一群の同心環19を含む。同心環19は一般に、円、卵形又は長円でよい。
一般に、フレネルレンズ16は受信した電磁界のシンチレーションを減すか除くために、電磁信号14の受けた電磁界の適当な表面領域をさえぎるのに十分な開口を有する。たとえば、フレネルレンズ16は電磁信号14の受信した電磁界に付随した受信可能な表面領域の少くともほとんどをさえぎるのに十分大きな開口を有してよい。開口というのは、フレネルレンズ16の表面領域をさし、電磁信号14を集めるか焦点をあわせるのに使用できる。受信可能な表面領域というのは、受信位置において、フレネルレンズ16に対し一般に垂直あるいは入射する電磁信号14の受信信号ビームの平坦な断面を表わす。
フレネルレンズ16はシンチレーションの効果を最小にするか除去するため、できるだけ電磁信号14の受信表面領域の多くをさえぎるのに十分大きな開口表面領域をもつのが好ましい。フレネルレンズ16は多くの要因の中で電磁信号14の伝搬パワー、受信システム40の受信機感度、伝搬レンズ16に付随した利得、信頼性の目標最小レベル及び妨げられない伝搬路の最大光路長を基本とした開口表面領域を有してよい。目標の信頼性はビット誤り率、フレーム誤り率、雑音対信号比、干渉対信号比、時間の割合としての使用割合、誤動作秒、極動作秒又は別の比較できる信頼性の尺度で定義してもよい。
理想的には、もし送信機10が円錐状ビームを伝送するなら、フレネルレンズ16は送信される電磁界のシンチレーションが完全に除去されるように、円錐状ビームの断面積と同等又は本質的に等しい開口をもつであろう。しかし、送信機10と受信システム40間の実際の伝送距離(D)は、しばしば具体的な用途に依存し、そのためシンチレーションの完全な削除は常に実際的ではない。更に、多の要因の中で、商業的な考察に基く空間的な制約及びフレネルレンズ16の美観、機械的安定性により、フレネルレンズ16の開口は理想的な開口寸法より小さく制約される可能性がある。理想的な開口は受信システム40の位置で受信した円錐状ビームの断面積に対応する。
同程度の製造価格のガラスレンズより著しく大きな開口を有する経済的なレンズを実現するため、透明プラスチック又は透明ポリマ材料から、フレネルレンズ16は容易に製造でき、有利である。実際、ポリマ構成のフレネルレンズ16はフレネルレンズ16と同等の価格を有するガラス構成のベースラインレンズより少くとも3デシベル大きな利得を実現することができる。フレネルレンズ16はポリ炭酸エステル、シリコーンを基本とするポリマ又はアクリル酸塩といったポリマ材料で構成してもよい。もし、フレネルレンズ16が透明プラスチック又透明ポリマで構成されるなら、フレネルレンズ16はガラスレンズに比べ、幾分分散的である。傾斜のある集信機50は、それと検知表面34を出る電磁信号14間に、適切に重なる領域を実現することにより、フレネルレンズ16の分散特性を、改善できる可能性がある。
フレネルレンズ16は受信した電磁放射を第1の焦点のあった放射パターンに焦点を合わせるフレネル焦点30を有する。傾斜のある集信機50は第1の焦点のあった放射パターンを、検出器32の検知表面34と同等の強度の局在領域をもつ第2の焦点のあった放射パターンに、減少させることができる。
テーパ集光器50はフレネル焦点30と一致する位置にあるか、フレネルレンズ16から電磁放射を受けるため、フレネルレンズ16から別の適当な距離にある第1の端面領域22を有する。テーパ集光器50は徐々に傾斜し、その中を伝搬する電磁界に、滑らかな変化を形成する。テーパ集光器50は少くとも一般に円錐状の中央部を有する。テーパ集光器50は第1の端部21及び第2の端部23の間に配置された一般に円錐面24をもつのが好ましい。
電磁界は誘導される光線42によって示されるように、反射又は全内部屈折の条件下で、テーパ集光器50内を伝搬する可能性がある。テーパ集光器50はそれを囲む雰囲気(たとえば空気又は真空)より少くとも5パーセント大きい屈折率をもつことにより、第1の端部21から第2の端部23への電磁界の電磁伝搬を、促進する可能性がある。実際、もしテーパ集光器50がガラスで作られ、雰囲気が空気なら、テーパ集光器50の屈折率は、40パーセントないし60パーセントの範囲内で、雰囲気の屈折率を越える可能性がある。たとえば、溶融シリカガラスで作られたテーパ集光器50は、約1の屈折率をもつ空気に比べ、約1.5の屈折率をもつ。もし、受信システムが赤外周波数範囲で動作するよう構成されるなら、テーパ集光器50は溶融シリカガラスで構成するのが好ましい。
テーパ集光器50は第1の端部21に付随した開口数を有する。開口数というのは、テーパ集光器50の第1の端部21における集光能力をさす。開口数の選択というのは、結合効率と歪の間の折衷を表わす。もし、開口数が小さすぎると、フレネルレンズ16からの電磁エネルギーの不十分な結合が起る可能性がある。もし、開口数が大きすぎると、電磁信号14は歪む可能性があり、テーパ集光器50中での伝搬損は、より大きくなる可能性がある。
開口数(N.A.)は以下の式に従って決められる:N.A.=nsin(θ/2)。ここで、nはテーパ集光器50を囲む媒体の屈折率で、Oはフレネル焦点30から出て、テーパ集光器50の第1の端部21に向う放射の角である。最大開口数はテーパ集光器50を囲む媒体が空気の場合である。開口数の任意の可能な値が、本発明を実施するのに適しているが、テーパ集光器50内の電磁信号14の歪を避けるため、1ないし5の範囲内の開口数が用いられる可能性が大きい。
テーパ集光器50の内部とフレネルレンズ16間の光学的結合は、電磁信号14の伝送と歪との間の所望のバランスをとるため、第1の端部21とフレネルレンズ16間の距離を調整することにより、調整してよい。一般に、テーパ集光器50の内部への適当な光結合を得るために、第1の端部21はフレネルレンズ16から、フレネル焦点30に等しいかそれより大きい距離だけ、離れている。好ましい実施例において、第1の端部21はフレネル焦点30と一致し、そのためテーパ集光器50の内部は、フレネルレンズ16から電磁信号の最大の振幅を受ける。
テーパ集光器50は第1の端部21と第2の端部23の間で測定された軸長をもつのが好ましい。軸長は屈折から生じる反射又は全内部反射を通して、第1の端部21から第2の端部23への電磁信号14の伝搬を促進するよう選択される。軸長は望ましくない大きな屈折による損失をもたらすことなく、第1の端部21と第2の端部23の間で徐々に変化するのに十分な長さであることが好ましい。そうしなければ損失は第2の端部23の代りに、壁を通して電磁エネルギーを逃すことになる。そのような屈折率は、たとえば消滅光線44で示されるように、臨界角φ又はブリュースター角より大きな入射角で放射が壁に照射された時起る。図1において、臨界角φはテーパ集光器50を囲む媒体(たとえば空気)の屈折率に対するテーパ集光器50の屈折率に依存する。従って、テーパ集光器50の屈折率を考えると、テーパ集光器50の壁の傾斜は、第1の端部21から第2の端部23への変化の間の屈折率損を最小にするため、傾斜角28とともに選択するのが好ましい。
テーパ集光器50は第1の端面領域22と第2の端面領域26間で、最小の軸長をもつ。最小軸長は、テーパ集光器50内を伝搬する電磁信号14に対する最大許容屈折損に付随した最大傾斜角又はそれ以下に、傾斜角28がなるように、十分大きいことが望ましい。1.2ないし1.6の範囲内の均一な屈折率を有するテーパ集光器50の場合、傾斜角28は15°又はそれ以下が好ましい。適当な最小軸長は、傾斜角を適切に決めた後、第1の端部21から第2の端部23への所望の伝送が生じるよう決めてよい。たとえば、最小軸長は十分ゆったりした傾斜が得られるよう、第1の端面領域の直径を5倍したものより大きいか等しくできる。
フレネル焦点30において、第1の放射パターン20は第1の直径を有する第1のスポットで、強度を集中させる。図1において、直径は図面から垂直方向に突き出した面と一致する。テーパ集光器50は第1のスポットを、第1の直径より小さな第2の直径をもつ第2のスポットに、減少させる。第2の放射パターンは検知表面領域34に対応する平坦表面領域又は断面積を有する第2のスポットにおいて、強度を集中させる。
テーパ集光器50はフレネルレンズ16の集光品質に少くともある程度の欠損を導入する。そうであるから、テーパ集光器50はフレネルレンズ16から受けた電磁放射を、検出器32の検知表面領域34上に集中させる。光の集中係数は、以下の式に従って計算できる:R=NA/n、ここで、N.A.は開口数、nはテーパ集光器50の屈折率である。従って、もしフレネルレンズ16がテーパ集光器50に開口数4を与え、テーパ集光器50の屈折率が1.5なら、集中係数は0.26で、第1のスポットから第2のスポットへ、直径が26%減少することを意味する。
検出器32は一般に、任意の範囲の電磁放射に応答して、出力電圧又は出力電流を発生する感光性デバイスを含んで良いが、検出器32は一般に少くともメガビットボーの伝送速度を生じる十分速い赤外光に対する応答時間をもつ感光性デバイスを有するのが好ましい。従って、検出器32の検知表面領域34は、典型的な場合75平方ミクロンから1200平方ミクロンの範囲に制限されるが、検知表面領域34は先の範囲とは異ってもよく、なお本発明の視野の中に入る。
検知表面領域34は第2の端部23から現れる電磁放射が広がる傾向と一致する間隙43により、テーパ集光器50の第2の端部表面領域26から離れている。実際、間隙43は電磁信号の検知表面上への入射を最大にするため、10ミクロンより小さい間隙距離を有してよい。異物の汚染による検知表面上への凝集あるいは第2の端部23と検知表面領域34間の電磁信号14の伝搬を妨げる他の物体によって生じる受信誤差又は欠損を減すため、透明な固着剤で間隙43を封じるのが好ましい。
検出器32の出力は、受信された電磁信号14の変調又は受信された信号14の他の任意の検出しうる変化に応答して変る。検出器32の出力変化は、出力電流、出力電圧、抵抗又は別の電気的パラメータの変化として、現実化してよい。増幅器36は変調器のような受信回路38に検出器出力を供給する前に、検出器32の検出器出力を増幅するのが好ましい。
典型的な用途において、光受信システム40は約8ミクロン波長範囲、1.3ミクロン波長範囲又は1.5ミクロン波長範囲で動作するよう構成できるが、本発明を実施するのに、任意の他の光周波数範囲を用いてもよい。受信システム40は受信した電磁信号14の受信可能な表面領域のほとんどを捕えるために、フレネルレンズ16と十分大きな開口表面領域を組合せることにより、受信する信号強度を改善し、光通信信号の漸減を減し、あるいは伝送距離(D)を増すことができる。本発明の受信システム40を実施するのに他の寸法も適しているが、一実施例において、フレネルレンズ16は少くとも1メートルの直径をもち、第1の端部表面は少くとも、15メートルの第1の半径をもち、第2の端部表面は少くとも10ミクロンの第2の半径を有する。
図2はテーパ集光器150を除いて、図1の実施例と同様の受信システム140の別の実施例を示す。従って、図1及び図2中の類似の数字は、同様の要素を示す。
テーパ集光器150はテーパ集光器150の一般に円錐状の表面124を金属被膜151で処理することにより、第1の端部121から第2の端部123への伝搬を促進する。金属被膜151はメタライゼーション、無電解メッキ、スパッタリング、反射性金属粒子(たとえば銀粒子)を含む固着剤あるいは任意の適当な方法により、形成してよい。
図1に関連して先に述べたものと同様、第1の端部表面領域122は第2の端部表面領域126を越える。先に述べた屈折損はテーパ集光器150の円錐状表面124を金属被膜で処理することにより除去できるが、先に述べたように、フレネルレンズ16の方への望ましくない反射を避け、テーパ集光器150を通して、許容しうる反射パワーに対する伝送される定在波の比を生じるのに十分な傾斜又は傾斜角128を有するゆっくりした傾斜でなければならない。
図3はテーパ集光器を除いて、図1と同様の受信システム240の別の実施例を示す。図1及び図3中の類似の参照数字は、同等の要素をさす。
テーパ集光器250は図1と関連して先に述べたものと同様に、第2の端部表面領域226を越える第1の端部表面領域222をもつ。テーパ集光器250は第1の端部221に入り第2の端部223に向って伝搬する電磁放射の全内部屈折を促進するため、可変屈折率又は階段状の屈折率をもってよい。階段状の屈折率は異なる屈折率間で急激な変化をもち、一方傾斜のある屈折率は異なる屈折率間で徐々に変化する。異なる屈折率間のゆっくりした変化は、急激な変化より、より広い周波数帯域の応答を生じ、より大きな周波数範囲でテーパ集光器250を通して、効率よく電磁放射を通過させる。
集信機250の内部コアが集信機の外部層254より大きな屈折率をもつように、屈折率は集信機250内で半径方向の変化を有すると有利である。内部コア252は第1の屈折率を有し、一方外部層254は第2の屈折率を有する。第1の屈折率と第2の屈折率間の境界は、階段状でよい。あるいはテーパ集光器250の密度が、第1の屈折率と第2の屈折率の間にはっきりした境界なしに変化するよう徐々に変化してもよい。内部コア252と外部層254は円錐形を規定でき、その中で内部コア252は内側にはまり込むか外部層254により囲まれる。円錐形は図1に関連して先に述べた傾斜角の原理と一致する傾斜角228又は傾斜をもつと好ましい。
本明細書は本発明のシステムの様々な実施例について述べた。特許請求の範囲の視野は、明細書中で述べた実施例の様々な変形及び等価なものを含むことを意図している。従って、特許請求の範囲は、ここで述べた本発明の精神及び視野と一致する変形、等価な構造及び特徴を含むよう適切な限り、最も広い解釈に従うべきである。
本発明に従うフレネルレンズ及びテーパ集光器を有する受信システムを示す図である。 本発明に従う受信システムの別の実施例を示す図である。 本発明に従う受信システムの更に別の実施例を示す図である。
符号の説明
10 送信器,光送信器
12 送信レンズ
14 電磁信号
15 表示光線
16 フレネルレンズ,伝搬レンズ
18 段差
19 同心環
20 第1の放射パターン
21 第1の端部
22 端面領域,第1の端面領域
23 第2の端部
24 円錐面
26 第2の端面領域,端部表面領域
28 傾斜角
30 フレネル焦点
32 検出器
34 検知表面領域,検知表面
36 増幅器
38 受信回路
40 受信システム、光受信システム
42 光線
43 間隙
44 消滅光線
50 テーパ集光器,集信機
121 第1の端部
122 第1の端部領域
123 第2の端部
124 表面
126 第2の端部表面領域
128 傾斜角
140 受信システム
150 テーパ集光器
151 金属被膜
221 第1の端部
222 第1の端部表面領域
223 第2の端部
226 第2の端部表面領域
228 傾斜角
250 テーパ集光器,集信機
252 内部コア
254 外部層

Claims (21)

  1. 情報を伝搬する光通信信号を受けるためのフレネルレンズ;
    第2の端部表面領域より大きな第1の端部表面領域を有し、前記フレネルレンズとの間で光を伝える関係にあるテーパ集光器:及び
    前記テーパ集光器から生じる前記光通信信号を受け、且つ、前記光通信信号内の前記情報を電気信号に変換するように構成された、75から1200平方ミクロンの検知表面領域を有する検出器
    を含む、自由空間光通信用の光受信システム。
  2. 前記テーパ集光器は略円錐状の中央部を有する請求項1記載のシステム。
  3. 前記フレネルレンズはフレネル焦点を有し、前記フレネル焦点は前記第1の端部表面領域上にある請求項1記載のシステム。
  4. 前記テーパ集光器と前記検出器の前記検知表面領域との間に、10ミクロンより小さな間隙がある請求項1記載のシステム。
  5. 前記間隙は透明な固着剤で満される請求項4記載のシステム。
  6. 前記フレネルレンズは前記光通信信号の電界に関連した受信可能な表面領域の少くともほとんどをさえぎるのに十分な大きさの開口表面領域を有する請求項1記載のシステム。
  7. 前記テーパ集光器は、前記第1の端部表面領域と前記第2の端部表面領域との間の最小軸長によって少なくとも部分的には決定される傾斜角でテーパがつけられ、前記最小軸長は、前記傾斜角が前記テーパ集光器内を伝搬する前記光通信信号の最大許容屈折損に関連した最大傾斜角又はそれ以下になるようなものである請求項1記載のシステム。
  8. 前記傾斜角は15度より小さい請求項7記載のシステム。
  9. 前記フレネルレンズは透明なプラスチック及び透明なポリマから成るグループから選択された材料からなる請求項1記載のシステム。
  10. 前記テーパ集光器はシリカガラスからなる請求項1記載のシステム。
  11. 前記テーパ集光器の前記第2の端部表面領域は、前記検出器の検知表面領域の寸法に見合う寸法である請求項1記載のシステム。
  12. 前記テーパ集光器は略円錐状の表面を有し、前記略円錐状の表面を覆う金属被膜を有する請求項1記載のシステム。
  13. フレネル像焦点を有するフレネルレンズであって、情報を伝搬する光通信信号を受けるためのフレネルレンズ;
    第2の端部表面領域より大きな第1の端部表面領域を有するテーパ集光器であって、前記フレネルレンズから前記テーパ集光器まで前記光通信信号を伝えるため、前記フレネル像焦点が前記第1の端部表面領域上にあるテーパ集光器;
    前記テーパ集光器から生じる前記光通信信号を受け、かつ、前記光通信信号内の前記情報を電気信号に変換するように構成された、75から1200平方ミクロンの検知表面領域を有する検出器
    を含む、自由空間光通信用の光受信システム。
  14. 前記テーパ集光器は第1の屈折率を有する内部コア及び前記第1の屈折率より低い第2の屈折率を有する外部層をもつ請求項13記載のシステム。
  15. 前記内部コア及び前記外部層は略円錐状であり、前記内部コアは前記外部層の内側に入る請求項14記載のシステム。
  16. 前記内部コアと前記外部層の間に境界を含み、前記境界において、前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との間で屈折率が遷移する請求項14記載のシステム。
  17. 前記第1の屈折率及び前記第2の屈折率は、前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との間で屈折率のなだらかな遷移あるいは非階段状の遷移が生じるよう傾斜している請求項14記載のシステム。
  18. 前記テーパ集光器は、略円錐状の表面を有し、前記略円錐状の表面を覆う金属被膜を有する請求項13記載のシステム。
  19. 前記フレネルレンズは、前記光通信信号の電界に関連した受信可能な表面領域の少くともほとんどをさえぎるのに十分な大きさの開口表面領域を有する請求項13記載のシステム。
  20. 前記テーパ集光器は、前記第1の端部表面領域と前記第2の端部表面領域との間の最小軸長により少なくとも部分的には決定される傾斜角でテーパがつけられ、前記最小軸長は、前記傾斜角が前記テーパ集光器内を伝搬する前記光通信信号の最大許容屈折損に関連した最大傾斜角又はそれ以下であるようなものである請求項13記載のシステム。
  21. 前記傾斜角は15度より小さい請求項20記載のシステム。
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