JP2012137541A - 変調器、発信機および通信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】データの全転送速度を向上させられる変調器、発信機および通信システムを提供する。
【解決手段】ＡＷＧ１３は、白色ＬＥＤ１１から放射される白色光Ｌを、それぞれ異なる波長を有する複数の分光Ｌａ〜Ｌｄに分光する。また、変調器１２は複数の変調手段１４ａ〜１４ｄを備える。変調手段１４ａは、第１電極層１４１および第２電極層１４３に電圧を印加することによって、モスアイ構造層１４２の材料に変化する電界を生じさせ、その屈折率を変化させて分光Ｌａを変調する。変調手段１４ｂ〜１４ｄも同様に分光Ｌｂ〜Ｌｄを変調する。変調手段１４ａ〜１４ｄは、それぞれ異なる信号に基づいて、分光Ｌａ〜Ｌｄを変調する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変調器、発信機および通信システムに関する。
近年、窒化物半導体による短波長のＬＥＤ素子と蛍光体の組み合わせによる白色ＬＥＤが実用化され、白色ＬＥＤは今後の照明用光源として期待されている。白色ＬＥＤは、従来の照明光源である白熱電球や蛍光灯とは異なり、比較的高速での光の変調が可能であり、この特徴を生かした可視光通信への応用が見込まれている。照明装置からの１〜１０Ｍｂｐｓの可視光通信によって、インターネットをはじめとするオフィス、家庭内の情報通信網を構築することを目指した研究プロジェクトが国内外で活発に推進されている。
また、この種の可視光通信用装置として、送信データに基づいて生成された駆動電流信号に基づいて青色光励起型白色ＬＥＤを駆動し、可視光信号を受信機に対して出力するものが提案されている。特許文献１には、この可視光通信用装置は、送信データの立ち上がり時に立ち上がりパルスを付加するとともに、送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加して、多階調の駆動電流信号を生成する多階調駆動手段を備えると記載されている。
特開２０１０−１０３９７９号公報
しかしながら、現在の光ファイバーなどによるブロードバンド通信は、１０００Ｍｂｐｓにも達しており、これと比較すると、従来のＬＥＤや白熱電球の光を用いた構成での転送速度は十分とは言い難い。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、データの全転送速度を向上させられる変調器、発信機および通信システムを提供することにある。なお、本明細書において「全転送速度」とは、単一の発信機による転送速度と、複数の発信機を並列的に動作させる容量との双方を考慮した、全体的なデータの転送速度を意味する。
上述の問題点を解決するため、この発明に係る変調器は、複数の波長を含む光を、異なる波長を有する複数の光に分光する分光手段と、複数の変調手段とを備え、変調手段のそれぞれは、表面に凹部または凸部が周期的に形成された材料を含む構造体と、材料に変化する電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部とを有し、変調手段のそれぞれは、屈折率の変化によって複数の光のうち１つを変調する。
このような構成によれば、電界調整部は屈折率を変化させることにより、屈折率の変化と同じ速度で光量を変化させる。また、各変調手段の電界調整部は、それぞれ異なる分光を並列的に変調する。
複数の変調手段において、凹部または凸部が形成される周期はそれぞれ異なってもよい。
複数の変調手段のそれぞれにおいて、凹部または凸部が形成される周期は、その変調手段が変調する光の光学波長より大きく、その変調手段が変調する光のコヒーレント長より小さいものであってもよい。
また、この発明に係る発信機は、複数の波長を含む光を放射する光源と、上述の変調器とを備える。
また、この発明に係る通信システムは、上述の発信機と、複数の光を検出する光検出手段を有する受信機とを備える。
本発明の変調器、発信機および通信システムは、データの転送速度および転送容量を向上させることにより、データの全転送速度を向上させることができる。
本発明に係る通信システムの構成の概略を示す模式図である。 図１の変調手段の構成の概略を示す模式図である。 異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を通過する状態を示す。 図２のモスアイ構造層に入射する光の回折作用を示す説明図である。 図１の受信機の構成の概略を示す模式図である。 実施の形態２における信号の内容の変化を示す図である。 図１の変調手段の変形例を示す模式図である。 図１の変調手段の変形例を示す模式図である。
実施の形態１．
図１は本発明に係る通信システムの構成の概略を示す模式図である。本発明に係る通信システムは、発信機１０および受信機２０を備える。発信機１０には直流電源３０が接続され、この直流電源３０が発信機１０に電源を供給する。
発信機１０は、光源としての白色ＬＥＤ１１を備える。白色ＬＥＤ１１は、複数の波長を含む光として、たとえば白色光Ｌを放射する。また、発信機１０は変調器１２を備える。変調器１２は、白色ＬＥＤ１１が放射する光を、入力される信号（図２〜図４を参照して後述）に基づいて変調する。
変調器１２は、分光手段としてのＡＷＧ（アレイ導波路格子）１３を備える。ＡＷＧ１３は、白色ＬＥＤ１１から放射される白色光Ｌを、それぞれ異なる波長を有する複数の光に分光する。図１の例では、分光Ｌａ〜Ｌｄの４つに分光されている。この例では、分光の波長は分光Ｌａが最も短く、以下、分光Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄの順に長くなるものとする。また、本実施形態では説明の便宜上分光の数を４個としているが、理論的に４００個まで分光させることが可能である。
また、変調器１２は、複数の変調手段１４を備える。変調手段１４のそれぞれは、分光Ｌａ〜Ｌｄのいずれか１つに対応してこれを変調する。図１では、波長の短い分光に対応するものから順に変調手段１４ａ〜１４ｄとする。また、分光Ｌａ〜Ｌｄが変調手段１４ａ〜１４ｄによって変調されたものを、それぞれ信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’とする。
図２は、変調手段１４ａの構成の概略を示す模式図である。変調手段１４ａは、第１電極層１４１と、構造体としてのモスアイ構造層１４２と、第２電極層１４３とを含む。これらの層は、分光Ｌａが入射する側から信号光Ｌａ’が出射する側に向けて、第２電極層１４３、モスアイ構造層１４２、第１電極層１４１の順に積層されている。
また、変調手段１４ａには信号入力用電源１４５が接続されている。信号入力用電源１４５の一方の極は第１電極層１４１に接続され、他方の極は第２電極層１４３に接続される。信号入力用電源１４５は、送信すべき信号に基づいて、第１電極層１４１および第２電極層１４３の間に印加される電圧を制御する。
第１電極層１４１は、ＡｌＮモル分率が０．２以下のｎ＋−ＡｌＧａＮ層からなる。尚、第１電極層１４１は、モスアイ構造層１４２よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。
モスアイ構造層１４２は、第１電極層１４１上に形成され、第２電極層１４３側へ突出する凸部１４４が周期的に形成される。本実施形態においては、各凸部１４４は、平面視にて、中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部１４４の周期は、分光Ｌａの光学波長より大きく、分光Ｌａのコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部１４４における深さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部１４４の周期は、分光Ｌａの光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凸部１４４の周期は、分光Ｌａのコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
本実施形態においては、各凸部１４４の周期は、５００ｎｍである。分光Ｌａの波長をたとえば４５０ｎｍとすると、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、分光Ｌａの半値幅が６３ｎｍであるとすると、そのコヒーレント長は３２１４ｎｍである。すなわち、各凸部１４４の周期は、分光Ｌａの光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
また、本実施形態においては、各凸部１４４は、先端に向けて縮径する円錐状に形成される。具体的に、各凸部１４４は、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは２５０ｎｍとなっている。なお、各凸部１４４の先端は、尖った形状（たとえば図３）としてもよく、尖っていない形状（たとえば図４のように平坦な形状）としてもよい。また、モスアイ構造層１４２の表面は、各凸部１４４の他は平坦となっている。
構造体としてのモスアイ構造層１４２は、ポッケルス効果の大きい材料が好ましい。具体的には、圧電性を有することが好ましく、等方性結晶であることがより好ましい。モスアイ構造層１４２は、たとえばＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ３、ＺｎＯ、ＩＴＯ等から形成することができ、本実施形態においてはＡｌＮから形成される。各凸部１４４の形状は、円錐、多角錐等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１４４により、光の回折作用を得ることができる。
第２電極層１４３は、モスアイ構造層１４２の表面に沿って形成される。本実施形態においては、第２電極層１４３は、ＡｌＮモル分率が０．２以下のｎ＋−ＡＩＧａＮ層からなる。尚、第２電極層１４３は、モスアイ構造層１４２よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。
ここで、図３（ａ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１４２の界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、空気の屈折率となる。
一方、図３（ｂ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１４２の界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、モスアイ構造層１４２の屈折率となる。すなわち、モスアイ構造層１４２の屈折率が変化すると、光の透過条件が変化する。
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、各凸部１４４の周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、各凸部１４４の周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。
図４に示すように、モスアイ構造層１４２へ入射角θｉｎで入射する光は、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで反射するとともに、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θｉｎでは、強い反射光強度となる。
なお図３および図４ではθｏｕｔ＞θｉｎとなっているが、これらの大小関係は上記（２）式から明らかなように屈折率ｎ１およびｎ２に応じて変動する。
そして、第１電極層１４１および第２電極層１４３に電圧を印可して、モスアイ構造層１４２に電界を生じさせると、モスアイ構造層１４２の材料の屈折率が変化する。本実施形態においては、モスアイ構造層１４２は、圧電性を有することから、ポッケルス効果を利用して効率よく屈折率を変化させることができる。モスアイ構造層１４２の屈折率が変化すると、上記（２）式のｎ２が変化して回折の透過条件が変化する。これにより、第１電極層１４１の電位を変化させて、信号光Ｌａ’の光量を変化させることができる。
すなわち、第１電極層１４１は屈折率変調用電極として機能する。また、第１電極層１４１および第２電極層１４３は、モスアイ構造層１４２の材料の屈折率を変化させる電界調整部として機能する。
従って、モスアイ構造層１４２にて生じる電界に応じて光を変調させることができ、白色ＬＥＤ１１による発光のオン／オフを制御して変調する従来の方式よりも、格段に変調速度を向上させることができる。
また、モスアイ構造層１４２を、モスアイ構造層１４２よりもシート抵抗の小さな一対の層で挟むようにしたので、モスアイ構造層１４２に確実に電界を生じさせることができる。
図２〜図４では変調手段１４ａの構成のみを示すが、変調手段１４ｂ〜１４ｂの構成も同様である。ただし、上述のように変調手段１４ａ〜１４ｄはそれぞれ異なる波長を有する分光Ｌａ〜Ｌｄを変調するので、構成のうち波長に依存する寸法はそれぞれ異なる。当業者は、上述の変調手段１４ａの構成に関する説明に基づき、変調すべき光の波長に応じて必要な変更を施して、他の変調手段１４ｂ〜１４ｄを設計することができる。たとえば、変調手段１４ｂにおけるモスアイ構造層の凸部が形成される周期は、変調手段１４ａのように５００ｎｍではなく、分光Ｌｂの光学波長やコヒーレント長等に基づいて最適な値に決定される。たとえば図１に概略的に示すように、モスアイ構造層の凸部が形成される周期は変調手段ごとに異なり、変調手段１４ａが最も小さく、以下、変調手段１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの順に大きくなる。
このように、変調手段１４ａ〜１４ｄは、それぞれに含まれるモスアイ構造層の材料の屈折率を変化させることにより、複数の分光Ｌａ〜Ｌｂのうち対応する１つを変調する。
変調手段１４ａ〜１４ｄは、それぞれ異なる信号に基づいて、対応する分光を変調する。すなわち、光の各波長にそれぞれ異なる情報を持たせることができる。変調手段１４ａ〜１４ｄは同時に動作することが可能なので、４種類の信号に基づいて分光Ｌａ〜Ｌｄを並列的に変調し送信することができ、信号の転送容量を増加させることができる。
図５は、受信機２０の構成の概略を示す模式図である。受信機２０は、複数の光学フィルタ２１および複数の光検出手段２２を備える。光学フィルタ２１および光検出手段２２は信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’に対応して設けられる。たとえば、光学フィルタ２１ａは、信号光Ｌａ’に対応する波長の光を透過させ、光検出手段２２ａは、信号光Ｌａ’に対応する波長の光を検出する。
光検出手段２２ａ〜２２ｄは、変調手段１４の変調速度に対応できる動作速度を持つフォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトＩＣ、等によって構成することができる。たとえば、ＣＣＤカメラにおいて、受光素子ごと（または受光素子のグループごと）に異なる波長に対応する光学フィルタを設ければよい。なお、光学フィルタ２１ａ〜２１ｄはそれぞれ光検出手段２２ａ〜２２ｄと同一のチップ内に配置されてもよく、またチップ外に配置されてもよい。
このように、受信機２０は、それぞれ異なる波長を有する信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’を波長に基づいて分光し検出するので、信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’が空間的に重なる場合であってもこれらを区別して受信することができる。すなわち、発信機１０と受信機２０との距離が大きく、受信機２０の解像度（空間分解能）では各変調手段１４を個別に認識できない場合であっても、信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’をスペクトル上で分解し、これらを区別して受信することができる。
以上説明するように、本実施形態に係る発信機１０および受信機２０によれば、モスアイ構造層１４２に生じる電界を用いて高速な変調を行うことができるので、データの転送速度を向上させることができる。また、複数の波長を用いて並列的に信号を変調し送信するので、データの転送容量を向上させることができる。したがって、転送速度および転送容量の向上により、可視光通信における全転送速度を向上させることができる。
また、白色ＬＥＤ１１を光源として用いるので、室内照明用の光源を情報転送用にも転用または兼用することができる。
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において、信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’のうち一部をダミーとするとともに、実信号に対応する信号光を時間とともに変更するものである。このような実施形態は、たとえば暗号通信において有用である。
図６は、実施の形態２に係る通信システムにおける信号の内容の変化を示す。
期間１において、変調手段１４ａおよび１４ｂは送信すべき実信号に基づいて変調を行い、変調手段１４ｃおよび１４ｄは実信号と関連のないダミー信号に基づいて変調を行う。すなわち、信号光Ｌａ’およびＬｂ’が実信号を表し、信号光Ｌｃ’およびＬｄ’がダミー信号を表すことになる。図６では実信号を実線で表し、ダミー信号を破線で表している。
次に、時間が経過して期間１が終了したとする。期間が切り替わると（この例では期間２が開始されると）、実信号を用いる変調手段と、ダミー信号を用いる変調手段の一部または全部が入れ替わる。図６の期間２の例では、期間１とは異なり、信号光Ｌａ’およびＬｄ’が実信号を表し、信号光Ｌｂ’およびＬｃ’がダミー信号を表すことになる。
同様に、期間２が終了すると、続く期間３において、信号光Ｌｂ’およびＬｃ’が実信号を表し、信号光Ｌａ’およびＬｄ’がダミー信号を表す。
なお、図示しないが、実施の形態２においては、各波長のうちいずれが実信号を表し、いずれがダミー信号を表すかという情報は、受信側の機器（たとえば受信機または復調器）になんらかの方法で伝達され、またはあらかじめ記憶されている。したがって、受信側では各波長のうち実信号を表すもののみを選択し、これらを用いて元の信号を復元することができる。
このように、実施の形態２に係る通信システムによれば、実信号を表す信号光の周波数が時間とともに変動する。このため、信号光Ｌａ’〜Ｌｄ’が傍受または盗聴されたとしても、これらのうちいずれが実信号でいずれがダミー信号かについて秘匿されていれば、元の信号を復元するのは困難である。したがって、通信の秘匿性を高めることができる。なお、図６では変調手段は４個であるが、実際には上述のように４００個の変調手段を設けることが可能であり、秘匿性の高い通信方式を実現することができる。
上述の実施の形態２において、実信号とダミー信号との切り替え方式は、周知の暗号通信用プロトコルを用いて適宜設計することができる。実施の形態２では各期間において実信号に対応する変調手段は２個であるが、これは異なる数であってもよく、また、すべての変調手段が実信号を送信する期間があってもよく、すべての変調手段がダミー信号を送信する期間があってもよい。
また、上述の実施の形態１および２においては、モスアイ構造層１４２をＡｌＮから形成したものを示したが、たとえば図７に示すように、ｎ型ＧａＮ層１４２ｂとＡｌＮ層１４２ａを交互に積層して形成してもよい。この場合、各ＡｌＮ層１４２ａに生じる電界が強くなるため、モスアイ構造層１４２の屈折率変化を大きくすることができる。尚、光の変調には、ポッケルス効果を利用してモスアイ構造層１４２の屈折率を変えることが好ましいが、ポッケルス効果より屈折率の変化量は小さいものの、カー効果を利用して屈折率を変えることもできる。
また、実施の形態１および２では、図２に示すようにモスアイ構造層１４２の凸部１４４は入射側に凸となる向きであるが、これは逆向きに形成されてもよい。このような構成の例を図８に示す。図８の変調手段２４は、第１電極層２４１と、構造体としてのモスアイ構造層２４２と、第２電極層２４３とを含む。これらの層は、分光Ｌ２が入射する側から信号光Ｌ２’が出射する側に向けて、第１電極層２４１、モスアイ構造層２４２、第２電極層２４３の順に積層されている。ここで、モスアイ構造層２４２の凸部２４４は、信号光Ｌ２’が出射する側に凸となる向きに形成される。また、変調手段２４には信号入力用電源２４５が接続されている。
また、実施の形態１および２では、モスアイ構造層１４２に周期的に凸部１４４が形成されたものを示したが、周期的に凹部を形成してもよい。また、たとえば、凸部又は凹部を角柱状とし、所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成してもよい。さらに、凸部又は凹部を三角錐状、四角錐状のような先端に向けて縮径する多角錐状としてもよく、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
また、実施の形態１および２では変調手段１４ａ〜１４ｄがそれぞれ異なる情報に基づいて変調を行うが、複数の変調手段が同じ情報に基づいて変調を行ってもよい。この場合は送信される情報の冗長度を向上させ、伝送エラーを抑制することができる。
また、実施の形態１および２では光源として白色ＬＥＤ１１を用いたが、光源は複数の波長を含む光を放射するものであれば他の構成を用いてもよい。たとえば、分光可能な程度のスペクトル幅を持つ単色のＬＥＤを用いてもよい。また、白熱電球や蛍光灯を用いてもよい。これらは室内照明用のものを光源として転用または兼用してもよい。
また、実施の形態１および２では、モスアイ構造層１４２の凸部１４４に噛み合う媒質は空気であるが、これは空気でなくとも良く、他の媒質の層が設けられても良い。たとえば白色ＬＥＤを構成するＬＥＤチップをエポキシ樹脂でドーム状に封止してもよい。この場合には、図３における入射側の媒質の屈折率ｎ１はエポキシ樹脂の屈折率となる。
１０ 発信機、１２ 変調器、１１ 白色ＬＥＤ（光源）、１４（１４ａ〜１４ｄ），２４ 変調手段、２０ 受信機、２１（２１ａ〜２１ｄ） 光学フィルタ、２２（２２ａ〜２２ｄ） 光検出手段、３０ 直流電源、１４１，２４１ 第１電極層（電界調整部）、１４２，２４２ モスアイ構造層（構造体）、１４２ｂ ｎ型ＧａＮ層、１４２ａ ＡｌＮ層、１４３，２４３ 第２電極層（電界調整部）、１４４，２４４ 凸部、１４５，２４５ 信号入力用電源、
Ｌ 白色光（複数の波長を含む光）、Ｌａ〜Ｌｄ，Ｌ２ 分光（異なる波長を有する複数の光）、Ｌａ’〜Ｌｄ’，Ｌ２’ 信号光、 θｉｎ 入射角、θｏｕｔ 透過角、θｒｅｆ 反射角。

Claims (5)

  1. 複数の波長を含む光を、異なる波長を有する複数の光に分光する分光手段と、
    複数の変調手段と
    を備え、
    前記変調手段のそれぞれは、
    表面に凹部または凸部が周期的に形成された材料を含む構造体と、
    前記材料に変化する電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部と
    を有し、
    前記変調手段のそれぞれは、前記屈折率の変化によって前記複数の光のうち１つを変調する
    変調器。
  2. 前記複数の変調手段において、前記凹部または凸部が形成される周期はそれぞれ異なる、請求項１に記載の変調器。
  3. 前記複数の変調手段のそれぞれにおいて、前記凹部または凸部が形成される周期は、その変調手段が変調する光の光学波長より大きく、その変調手段が変調する光のコヒーレント長より小さい、請求項１または２に記載の変調器。
  4. 複数の波長を含む前記光を放射する光源と、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の変調器と
    を備える、発信機。
  5. 請求項４に記載の発信機と、
    前記複数の光を検出する光検出手段を有する受信機と
    を備える通信システム。
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