JP2007329673A - 光通信装置及びローカルエリアネットワーク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気信号伝送部の負荷を低減し、より高速な光変調が可能な光通信装置及びローカルエリアネットワーク装置を提供する。
【解決手段】光源と、光源を常時発光した状態で変調し、かつ変調周波数が狭帯域である変調手段と、光源から発光した変調光信号を検出する信号検出手段とを備えた光通信装置において、前記光源は複数で１グループを構成し、各々の変調周波数帯域を分離して同時に光多重信号を送信するようにしたので、電気信号伝送部の負荷を低減し、より高速な光変調が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて情報を伝達する光通信装置及びローカルエリアネットワーク装置に関するものであり、特に光変調方法に特徴を有する光通信装置及びローカルエリアネットワーク装置に関するものである。

光ファイバーを用いた光伝送は、ますます高速化して実現されてきており、現在各家庭に光ファイバー網が構築される時代に来ている。
一方、高速通信技術の発展と共に、光を用いた無線通信技術も、様々なものが開発されるようになってきた。例えば、ビル間をコヒーレント光で通信する光無線通信、赤外線を用いて、室内で行う散乱光通信などがオフィスや学校などに普及してきている。

また、照明を用いた散乱光通信に関しては、例えば特許文献１に示されているように、専用の通信装置をもたずに、照明光自身を通信手段として用いるユビキタス通信が提案されている。
特開２００４−２２９２７３号公報

現在の光変調方式は、図１０に示すように、２値変調、つまり、ＯＮ、ＯＦＦ変調方式が一般的である。仮に、ＯＦＦレベルが電圧的に０Ｖではない場合でも方形波の信号伝送を行い、ある基準電位をスライスレベルとして２値化することが論理的にも容易であり、これまで多くの信号伝送系で実施されてきている。

その場合問題となるのがスペクトラムである。方形波は原理的に多くの周波数の正弦波を重ね合わせて実現されるため、図１１に示すように、広帯域に渡ってスペクトラムが発生する伝送方式である。
伝送速度が比較的低速の場合には、ほとんど問題にならないが、近年のように、数ＧＨｚを超える伝送速度（伝送周波数）になってくると、光自身の伝送は可能であるが、その前段で光を変調する電装部の処理速度限界が発生する。

電装部においては、ＰＣＢ（プリント配線基板）上の配線における導体損、基板における誘電損をはじめ、コネクタや抵抗などの素子における反射、クロストークなど、またＰＣＢ上のスタブビアにおける反射、ＰＣＢの物理的サイズそのものから発生する共振現象など、さまざまな速度限界の原因により、数ＧＨｚを超えて１０ＧＨｚ以上になった場合に、信号そのものが所望の伝送をすることができない事態が発生する。

その一例を図１２に示す。
あるＰＣＢにおいて、変調信号の透過率（Ｓパラメータ）を見ると、周波数が上がるに従って信号が伝達する信号透過率が減衰していく。また、その減衰が一様であればよいが、実際には図中丸で囲んだように、ある特定の周波数Ｆ０において共振が発生し、特定の周波数の信号が伝送できなくなる。そしてその原因は、スタブビアやＰＣＢの物理的サイズによる共振など多種多様であり、物理サイズにも影響されるため、個々の対応が困難である。

このように、光変調方式として光を２値変調（ＯＮ、ＯＦＦ変調）する従来の光変調方式では、高速化を進めていく場合、用いる周波数帯域が非常に広帯域であるため、電気的な信号伝送部において上記速度限界を生じている。

そこで、本発明は、電気信号伝送部の負荷を低減し、より高速な光変調が可能な光通信装置及びローカルエリアネットワーク装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光源と、前記光源を常時発光した状態で変調し、かつ変調周波数が狭帯域である変調手段と、前記光源から発光した変調光信号を検出する信号検出手段とを備えた光通信装置において、前記光源は複数で１グループを構成し、各々の変調周波数帯域を分離して同時に光多重信号を送信するようにしたことを最も主要な特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光通信装置において、前記信号検出手段は、複数若しくは多分割の受光素子で構成されていることを主要な特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記変調手段は、基準信号として正弦波を用いることを主要な特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記光源から出射される光は散乱光であることを主要な特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２記載の発明において、複数若しくは多分割の受光素子は、それぞれ変調された周波数帯域毎に異なる変調光信号を同時に検出することを主要な特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記散乱光は可視光である照明光であることを主要な特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記光源から発光した変調光信号は、空間を伝播して前記信号検出手段に到達するようにしたことを主要な特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記複数若しくは多分割の受光素子は、それぞれ変調光信号の複数の周波数帯域の信号を検出する信号検出部と前記信号検出部とに制御信号を入力することにより、特定の周波数のみを検出する機能と、それぞれ別の周波数を検出する機能とを有することを主要な特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の発明において、前記光源としてＬＥＤを用いたことを主要な特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の発明をＬＡＮに用いたローカルエリアネットワーク装置であることを最も主要な特徴とする。

本発明の光通信装置は、光源と、光源を常時発光した状態で変調し、かつ変調周波数が狭帯域である変調手段と、光源から発光した変調光信号を検出する信号検出手段とを備えた光通信装置において、前記光源は複数で１グループを構成し、各々の変調周波数帯域を分離して同時に光多重信号を送信するようにしたので、電気信号伝送部の負荷を低減し、より高速な光変調が可能となる。

また、本発明の光通信装置は、散乱光を光源とするので、光通信手段と照明手段とを共通にする事が出来、新たに通信系を用いなくても、照明系を導入するだけで、通信手段も導入できる事が可能であり、設備導入に関する装置、費用などを削減する事が可能となる。

また、本発明の光通信装置は、可視光である照明光を光源とするので、光通信手段と照明手段を共通にする事が出来、新たに通信系を用いなくても、照明系を導入するだけで、通信手段も導入できる事が可能であり、設備導入に関する装置、費用などを削減する事が可能となる。

また、光源から発光した変調光信号は、空間を伝播し、前記信号検出手段へ到達するので、光ファイバーなどを用いることなく、屋内空間を信号伝送する系が構築可能となる。

また、本発明の光通信装置は、複数若しくは多分割受光素子で構成される信号検出手段を有するので、より高速な光無線信号伝送系が可能となる。

また、本発明の光通信装置は、複数若しくは多分割受光素子で構成される信号検出手段を有し、それぞれ変調された周波数帯域毎に異なる変調光信号を同時に検出するので、より高速な光無線信号伝送系が可能となる。

また、本発明の光通信装置は、複数若しくは多分割受光素子で構成される信号検出手段を有し、それぞれ前記変調光信号の複数の周波数帯域の信号を検出する信号検出部と、信号検出部とに制御信号を入力し、特定の周波数のみを検出する機能とそれぞれ別の周波数を検出する機能との両方を有するので、信号品質により、高速性と正確性を両立した光無線信号伝送系が可能となる。

また、本発明の光通信装置は、ＬＥＤを光源として用いるので、より廉価で照明との兼用も可能な光無線信号伝送系が可能となる。

また、本発明の光通信装置はＬＡＮに用いられるので、より廉価で照明との兼用も可能な光無線信号伝送系が可能となる。

図６は、単一周波数の正弦波を示すものである。図２は、図６に示した正弦波のスペクトラムを示すものである。単に正弦波の信号を伝送する場合には、極狭帯域のみを考慮すればよいため、電装路を含めた信号伝送が容易となる。

図３に変調波の例を示す。図３は、振幅変調（ＡＭ変調）波の例であり、スペクトラムに関しては図４に示すように、搬送波を含めて、周波数は異なるが、伝送する際に考慮しなければならない周波数は特定されるため、伝送システム全体の設計が容易である。

周波数変調（ＦＭ変調）の場合も振幅変調の場合と同様であり、波形は図示しないが、スペクトラムを図５に示す。この場合も変調する周波数により特定のスペクトラムがたつが、伝送する際に考慮しなければならない周波数が特定されるのは上記と同様である。

このように、伝送する信号の周波数を狭帯域にするか、もしくは周波数を限定してシステムを構築する周波数管理をすることにより、電装系を含めた高速信号伝送が可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光通信装置の構成図である。
図１、図７に示す本発明の光通信装置では、光源１５をＯＮ、ＯＮ変調する。図１において、発光側ユニット１は、発振器１１、変調器１２、バンドパスフィルタ１３、パワーアンプ１４、光源１５を備えている。光源には一例として半導体レーザ又はＶＣＳＥＬを用いる。受光側ユニット２は、受光部２１、ローノイズアンプ２２、バンドパスフィルタ２３、復調器２４、及び発振器２５を備えている。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る光通信装置の構成図である。光源１５から発光された光は、散乱部１６により散乱されて例えば照明光となる。

ここで、光源１５に関しては、ＯＮ、ＯＦＦ変調するよりもＯＮ状態で変調をかけるＯＮ、ＯＮ変調（例えば振幅変調や周波数変調）の方が高速に動作することが知られている。

例えば、半導体レーザでは、ＯＦＦ状態からＯＮ状態となる場合、電荷の注入や寄生容量の充電が必要であり、方形波のような２値変調をしようとする場合に素子の特性を原因とする速度限界が発生する。しかし、ＯＮ状態を続けて変調する場合には、ＬＥＤ領域は使用せずＬＤ領域を用いるため、ＯＮ、ＯＦＦ変調をする場合に比較して高速に動作する。

特に端面発光型半導体レーザの場合には、その特性が顕著であり、ＬＥＤ領域の励起電流（発振開始閾値電流）が大きいため、連続発光状態での変調の方が高速である。例えば、ＶＣＳＥＬなどの面発光素子に関しては、ＬＥＤ領域の励起電流（発振開始閾値電流）が端面発光型半導体レーザよりは小さいため、より高速動作が期待できるが、ＯＮ、ＯＦＦ変調をさせるための駆動電流変化量と、ＯＮ、ＯＮ変調させるための駆動電流変化量とは、ＯＮ、ＯＮ変調させる場合の方が小さく、寄生容量へのチャージ・ディスチャージが少ないため、やはりより高速に動作する。

その他、ＬＥＤ光源に関しても同様である。ＬＥＤ光源の場合には、照明光としての利用も今後期待されており、さらにユビキタス化を推進する場合、ＬＥＤ光源変調にもこのようなＯＮ、ＯＮ変調を採用することにより、より高速な可視光通信も可能となる。散乱光を用いた光通信において、ＯＮ、ＯＮ変調は、光量変動量がＯＮ、ＯＦＦ変調に比較して小さいため、照明としての利用方法としてもより有効な方法である。

本発明では、ＯＮ、ＯＮ変調する狭帯域の信号のみを用いる伝送方式を提案することにより、信号に用いる周波数を特定し、その周波数に関して電装系を含めた設計を実施することにより、超高速信号伝送が可能である。

図８は、図７に示した光源の構成図である。
光源１５は４個の光源１５−１、１５−２、１５−３、１５−４で構成して信号を送信する場合を仮定している。近接する光源１５−１、１５−２、１５−３、１５−４は、照明光ほどは散乱せずにある領域に指向性のある光束を送る。この場合、４分割ＰＤからなる受光部２１が存在する、ある領域には、光源１５−１、１５−２、１５−３、１５−４から発光した光がすべて届くと考える。

まず、光源１５−１、１５−２、１５−３、１５−４はそれぞれやや異なる周波数で変調され、かつ受光部２１は、それぞれ復調若しくは同期部があり、それぞれ光源１５−１、１５−２、１５−３、１５−４に対応した周波数の光を選択的に受信(受光)できる系を考える。このような系において、同一周波で送信する場合に比較して、４倍の転送レートを持った送受信系が可能となる。

図８では、光源１５、受光部２１それぞれ４個の素子で構成される例を示しているが、複数個Ｎ(Ｎは２以上の自然数）で構成される系でも同様である。それぞれが狭帯域で変調されていれば、混信することなく信号伝送が可能となる。受光部２１の例として、４分割ＰＤとしたが、４個や複数個の受光素子を用いても良い。また、完全な散乱光では光量が不足する場合も有り得るので、レーザではなくやや指向性のあるＬＥＤを光源１５として用いると、照明光源と通信信号源として併用できる利点がある。

図９は、図７に示した受光部の構成図である。受光部２１は４つのＰＤ２１−１、２１−２、２１−３、２１−４から構成されている。各受光部素子であるＰＤからの信号を、ローノイズアンプ２２を経由して信号増幅してから、復調(同調)器２４に入れて、信号の分離を行う。例えば光源１５−１に対応した復調部を復調２４−１として記載している。また、ローノイズアンプ２２―１は復調器２４−１が対応している。

この構成例の場合には、４周波における変調信号が同時に検波できるものであり、光源１５の光量が十分の場合には、より高速に信号を送受信できる系が構築できる。また、光源１５の光量が弱い、若しくは受光感度があまり高くなく、受光信号品質が確保できない場合には、送信部である複数の光源１５―１〜１５−４の変調周波数を同一とし、さらに受光部２１の同調周波数を同一とすることにより、この例では４倍のゲインを持って信号伝送する系も可能となる。

さらに、信号品質が十分な場合には、上記系を切り替えて複数の異なる周波数で狭帯域変調を行うことで信号伝送量を増加させることができる。また、信号品質が低下している場合には、単一の周波数で複数の光源を変調し、複数の受光部で検知し処理すること、例えば、単一の周波数で複数の光源１５―１〜１５−４を変調し、複数のＰＤ２１―１〜２１−４で検知し処理することにより信号品質を確保することができ、このような信号品質を確保できる系を切り替え可能な光送受信部を構成できる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る光通信装置の構成図である。 図１に示した光通信装置に用いられる正弦波のスペクトラムを示す図である。 ＡＭ変調波を示す図である。 ＡＭ変調波のスペクトラムを示す図である。 ＦＭ変調波のスペクトラムを示す図である。 図１に示した正弦波を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光通信装置の構成図である。 図７に示した光源の構成図である。 図７に示した受光部の構成図である。 従来の光通信装置に用いられる方形波を示す図である。 図１０に示した方形波のスペクトラムを示す図である。 従来例の不具合を説明するための、信号の透過率と周波数との関係を示す図である。

符号の説明

１ 発光側ユニット
２ 受光側ユニット
１１ 発振器
１２ 変調器（変調手段）
１３ バンドパスフィルタ
１４ パワーアンプ
１５ 光源
２１ 受光部（受光手段）
２２ ローノイズアンプ
２３ バンドパスフィルタ
２４ 復調器
２５ 発振器

Claims (10)

1. 光源と、前記光源を常時発光した状態で変調し、かつ変調周波数が狭帯域である変調手段と、前記光源から発光した変調光信号を検出する信号検出手段とを備えた光通信装置において、
   前記光源は複数で１グループを構成し、各々の変調周波数帯域を分離して同時に光多重信号を送信するようにしたことを特徴とする光通信装置。
2. 請求項１記載の光通信装置において、
   前記信号検出手段は、複数若しくは多分割の受光素子で構成されていることを特徴とする光通信装置。
3. 請求項１記載の光通信装置において、
   前記変調手段は、基準信号として正弦波を用いることを特徴とする光通信装置。
4. 請求項１記載の光通信装置において、
   前記光源から出射される光は散乱光であることを特徴とする光通信装置。
5. 請求項２記載の光通信装置において、
   複数若しくは多分割の受光素子は、それぞれ変調された周波数帯域毎に異なる変調光信号を同時に検出することを特徴とする光通信装置。
6. 請求項４記載の光通信装置において、
   前記散乱光は可視光である照明光であることを特徴とする光通信装置。
7. 請求項１記載の光通信装置において、
   前記光源から発光した変調光信号は、空間を伝播して前記信号検出手段に到達するようにしたことを特徴とする光通信装置。
8. 請求項２記載の光通信装置において、
   前記複数若しくは多分割の受光素子は、それぞれ変調光信号の複数の周波数帯域の信号を検出する信号検出部と前記信号検出部とに制御信号を入力することにより、特定の周波数のみを検出する機能と、それぞれ別の周波数を検出する機能とを有することを特徴とする光通信装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の光通信装置において、
   前記光源としてＬＥＤを用いたことを特徴とする光通信装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光通信装置をＬＡＮに用いたことを特徴とするローカルエリアネットワーク装置。

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