JP2014522158A - デジタルデータの光伝送用の装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、伝送されるデジタルデータに基づいて変調されるレベルで光信号を出力するように設計された信号源（１）を有するデジタルデータの光伝送用の装置に関する。本発明は、信号源（１）からの信号が周囲領域を介して受信され、蛍光性光ファイバー（３）内に入り、蛍光発光によって蛍性光信号に変換されるように配置された蛍光性光ファイバー（３）を提供し、その蛍光性光信号が光ファイバー（３）を介してファイバー端部（５）に送られる。

Description

本発明は、デジタルデータの光伝送用の装置、及びこのような装置が用いられるデバイスに関する。

多様な応用において、当業者が直面している問題は、回転部分と静止部分との間のデータリンクを維持することであり、例えば、レーダーアンテナやコンピュータートモグラフ（断層撮影装置）の場合が挙げられる。例えば、コンピュータートモグラフィーを実施する場合、回転軸上に患者自身が配置されるので、回転軸は通常自由なままであることが望ましい。

この問題に対する多様なアプローチが従来技術において知られている。こうしたアプローチの一つが例えば特許文献１に記載されている。この特許文献１では、蛍光性光ファイバーを曲げて、リング状のループを形成している。このファイバー自体は従来の光ファイバーであり、例えば、ローダミンＧ、ナイルブルー、他の蛍光染料等の蛍光染料を用いて適切な方法でドープされている。

この蛍光性光ファイバーが、例えば６５０ｎｍ等の適切な波長の光で照射されると、光ファイバーに含有される染料が放射を吸収して、より長波長の光を放出する（ストークスシフト）。放出は光ファイバー内部で全方向において生じるので、これによって放出される蛍光の一部が、光ファイバーに沿ってその端部に向かい、そこで検出され得る。

この特許文献１の従来技術によると、例えばＬＥＤやレーザーダイオード等の信号源からの光信号は、このような蛍光性光ファイバーに対してその周囲面にわたって側面から印加されて、その信号は、ＲＺ又はＮＲＺパルス変調方式に従って変調される。言い換えると、デジタル信号は離散パルスによって伝送されて、光のオン状態が１を表し、光のオフ状態が０を表し、又はその逆となり得る。

しかしながら、この技術の問題の一つは、染料が基底状態に戻り新たな励起を起こることが可能になるまで、適切な波長における励起後に、蛍光性光ファイバーが減衰時間を要するという点である。これは、二つの連続的な光パルスの間の間隔が減衰時間よりも長くならなければならないことを意味し、その減衰時間は、選択された染料に応じて、１から２．５ナノ秒の範囲内である。

結果として、データ伝送用の最大周波数は５００ＭＨｚ程度である。

多量のデータを伝送する場合、複数の信号源及び複数の蛍光性光ファイバーを設けなければならない。しかしながら、これはシステムを複雑で高価なものにする。

独国特許出願公開第４４２１６１６号明細書

従って、本発明の課題は、上記欠点を解消するようなデータの光伝送用の装置を提供することである。

この課題は請求項１に係る装置及び請求項７に係るデバイスによって解決される。従属項は本発明の追加的な有利な実施形態に関する。

以下、本発明を添付図面及び好ましい実施形態に基づいて詳述する。

光源と蛍光性光ファイバーとの間のデータ伝送の機能原理を示す。 本発明に係る装置を有する光ファイバー回転トランスミッターの概略図を示す。 本発明に係る装置のブロック図を示す。 本発明に係る装置を備えたコンピュータートモグラフの断面図を示す。

図１を参照して、蛍光性光ファイバーの機能原理を説明する。適切な信号源１によって放出された光は、蛍光性光ファイバー３の周囲面に当たる。蛍光性光ファイバー３に含有される染料がこの光の一部を吸収して、より長波長の蛍光を放出する。染料及び励起波長の適切な選択によって、一般的に生じる吸収スペクトルと放出スペクトルとの部分的な重なりを最少化することが可能であり、僅かな自己吸収のみが存在するようになる。

放出プロセスは、時間遅延（所謂、蛍光寿命）を伴い、上述のように、この時間遅延は、染料にとって一般的なものであり、通常は数ナノ秒の範囲内であり、伝送帯域幅を制限する。

蛍光性光ファイバー３の構造、具体的には開口数、直径等に応じて、蛍光性光ファイバー３内部に生じた光の一部が内部に閉じ込められ、全反射によって周囲面に戻され、蛍光性光ファイバー３の両端部５において、適切な方法で検出することができる。これによって誘導される放射の量は、所謂、パイプライン効率（ＰＥ，ｐｉｐｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）：
ＰＥ ＝ １ − ｎ_ｍ／ｎ_ｋ
で表され、ここで、ｎ_ｍ、ｎ_ｋは、蛍光性光ファイバー３のファイバーシースの屈折率、ファイバーコアの屈折率を表す。

図２に示されるように、蛍光性光ファイバー３をループ状に曲げて、第二の構成要素の回転軸と同心状にすることが特に有利である。レーザーダイオード又はＬＥＤが、この第二の構成要素上に光信号源１として設けられ、回転軸から或る距離に取り付けられ、それによって放出される光が他の構成要素である蛍光性光ファイバー３に当たるように向けられる。これら二つの構成要素の一方が共通の回転軸周りに回転しても、これら二つの構成要素間における確実な信号伝送が可能となっている。図２は、このデータ伝送の原理を示す。

前述のように、既知のシステムにおいて、単位時間当たりに伝送されるデータ量（帯域幅及び／又はビットレート）は、染料の残光、つまり蛍光寿命によって決まる。これは従来の染料ではナノ秒の範囲内で変わるものであり、例えば、スチリル６に対して２．５ナノ秒であり、既知のＲＺ又はＮＲＺでの変調ではビットレートを５００ＭＨｚに制限する。他の欠点は、より短い蛍光寿命の他の染料を選択した際に得られる蛍光収率が低くなることであり、これは、蛍光性光ファイバー３における信号振幅の劣化につながり、データ伝送における誤り率が高くなる。

この問題は、本発明に従い、デジタル光信号ではなくて、振幅変調光信号が伝送されることによって解決される。この振幅変調光信号は、既知のパルス振幅変調に従って、又は、直交周波数分割多重化／離散マルチトーン変調（ＯＦＤＭ／ＤＭＴ，ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ／ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｍｕｌｔｉｔｏｎｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）に従って、変調可能である。他の振幅変調法も考えられる。以下、上述の二つの変調法について簡単に説明する。

パルス振幅変調の原理によると、離散光パルスが、ＲＺ又はＮＲＺ変調として伝送される。しかしながら、伝送されるパルスの振幅は、多段階、例えば８ビットの伝送に対して８段階で調整される。言い換えると、レシーバーは、伝送パルスの振幅から１ビットに対応する情報を復元することができず、代わりに、振幅の評価によって８ビットを復元する。

しかし、この場合、信号源の光信号が光ファイバー内で蛍光に変換されるという上述のシステムにおける伝送の特性に起因した多数の問題が存在する。実際、こうした問題として、励起光と蛍光との間の線形性の欠如が挙げられ、これは実質的な信号の歪みをもたらす。この点に関して、驚くべきことに、レシーバー側に対する適切なプレディストーション（前置補償）又は等化を介して、この信号の歪みに対処することができる。

他の問題は、上述のように蛍光寿命に起因して生じ、励起パルスの鋭さを実質的に曖昧にする。更に、この場合、“メモリー効果”が生じることに留意されたい。つまり、信号源の二番目の光パルスの蛍光信号の強度は、先行する一番目の光パルスの強度に制御不能に依存してはならない。

従って、本発明によると、励起光の最大強度は、蛍光性光ファイバー３の飽和よりも顕著に低いものとなる。また、二つの連続的なパルスの間隔は、蛍光の確実な減衰を保証するのに十分長いものとなる。究極的には、この方法を用いて、誤り訂正用の訂正情報の伝達のための追加のデータ伝送帯域幅を利用することができる。この場合、ＤＦＥ（ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ，判定帰還型等化）や、ＦＥＥ（ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ，フィードフォワード等化）等の既知の方法を用いることができる。

図３は、本発明に係る装置のブロック図を示す。

データ源（図示せず）において、デジタル信号がプレディストーター（前置補償器）１１に送信される。このプレディストーター１１において、デジタル信号が、適切なパルス持続期間及びパルス高さを有するアナログ信号に変換されて、アナログ信号として、信号源１（例えば、レーザーダイオードやＬＥＤ）に印加される。従って、信号源１によって放出された光信号は、伝送されるデジタルデータに基づいて変調されたレベルを有する。

この光信号は、上述のように、蛍光性光ファイバー３の周囲面に当たり、蛍光性光ファイバー内に侵入して、そこに含有されている蛍光染料を励起して、励起波長よりも長い第二の波長の光を放出する。

蛍光の信号レベルは、励起光の信号レベルの関数であるが、この関係は一般的に線形ではない。蛍光性光ファイバー３における上述の自己吸収や減衰等の追加的な干渉効果が、ファイバー端部と励起サイトとの間の多様なファイバー長さの関数として、互いに相対的に移動している信号源及び光ファイバーと共に、更なる信号の歪みをもたらして、究極的には、両ファイバー端部５の一方に到達して、そこで、適切な検出器によって電気信号に変換される。受信した信号を等化して、デジタル信号に戻すイコライザー（等化器）９が、光検出器に対して適切に設けられる。

プレディストーター１１及びイコライザー９は、予め設定されたビットシーケンスを伝送することができて、このビットシーケンスがレシーバー側で復元可能となるようにプレディストーション及び／又は等化が設定され得る。また、特に、本発明が好適に使用される回転システムを用いて、回転角の関数としてプレディストーション及び／又は等化して、多様なファイバー長さ及びこれに関連する信号の障害が補償されるようにすることができる。

より高速のデータ転送率を可能にする第二の変調法は、上述の直交周波数分割多重化／離散マルチトーン変調法である。既知のタイプの周波数分割では、複数のチャネルが信号源１の信号に対して変調される。そして、これらのチャネルの各々が独立的に１ビットを伝送することができる。既知の方法を用いて、２５６個又は５１２個のチャネルが変調される。こうした周波数多重化法で、多数の信号を同時に伝送して、複数のキャリアーに分布させる。直交周波数多重化法は、マルチキャリアー変調の一例として好ましいものである。既知のタイプにおいては、伝送されるデータが、相応のより低いビットデータレートを有する多数のデータサブストリームに分割される。これらデータサブストリームは、低帯域幅で直交振幅変調法等の既知の変調法を用いて変調される。結果としての高周波数信号が、信号源１を介して振幅変調でアナログ信号として加算されて伝送される。

このように変調された信号源１の光信号は、蛍光性光ファイバー３において対応する蛍光信号に変換される。この蛍光信号は、歪んでいるが、復元可能であり、依然として出力情報を含んでいて、光ファイバーの端部の適切な復調回路７及びレシーバー回路９によって、元々の出力データに戻すことができる。

この変調法は、離散光パルスで動作するものではなく、特に重要なのは、信号源の励起光の最大振幅と、最高変調周波数との各々が、蛍光性光ファイバー３におけるメモリー効果を制限するのに十分低いものであることを保証することであり、つまり、想定される蛍光の飽和に起因した伝送される信号の情報の損失を防止することである。

この方法による伝送は、そのはるかに高速なデータ伝送率によって、元々のデータに誤り訂正情報を既知の方法で追加することを可能にして、伝送される多量のデータによる誤差に対する影響の受け易さを補償することができ、全体として考えると、より有用なデータ伝送率が得られる。

図４は、本発明に係る装置を特に有利に使用することができるシステム及び／又はデバイスとしてコンピュータートモグラフ１７での本発明の使用を示す。コンピュータートモグラフでは、多量のデータを、短期間で規則的に回転部分と静止部分との間で伝送させなければならない。回転軸を介した伝送は不可能である。何故ならば、検査される患者、つまりは患者用のベッド１３がその位置に配置されるからである。従って、本発明によると、図４に示されるように、ループ状の蛍光性光ファイバー３がコンピュータートモグラフの静止部分に配置されて、そのファイバーの端部５が、適切な検出回路１５に接続される。

このループは、回転軸と同軸上にあり、この回転軸から或る距離に配置されて、患者用の十分な空間が存在するように設計される。信号源１（例えば、ＬＥＤやレーザーダイオード）は、回転軸から或る距離において回転部分に配置される。この信号源は、例えば６４０ナノメートルの波長を有する光を蛍光性光ファイバー３の周囲面上に放出する。

コンピュータートモグラフの回転部分によって記録された画像情報はデジタルデータに変換されて、パルス振幅法又は周波数多重化法によって信号源１に対する振幅変調光信号に変換されて、蛍光性光ファイバー３に伝送される。回転部分が回転しても、光は常に光ファイバー３に当たる。回転部分と静止部分との間の相対的な回転角は既知であるので、光ファイバー３の長さに対する適切な補償を得ることができる。

信号源１の光信号は、蛍光性光ファイバー３において蛍光に変換されて、光ファイバー３の端部５に送られる。フォトセル等の適切な検出器１５が蛍光信号を電気信号に変換して、その電気信号が、等化及び復調されて、更にはアナログ・デジタル変換される。このようにして、デジタル画像データがレシーバー側において復元される。本発明に係るデバイスにより利用可能となる高いデータ伝送帯域幅によって、画像データを適切な誤り訂正データと共に伝送することができ、回転部分と静止部分との間のおける確実で信頼性が高く高速なデータ伝送が可能となる。

好ましい例示的な実施形態を参照して、本発明を説明してきたが、本発明にこれらに限定されるものではない。コンピュータートモグラフに代えて、レーダーアンテナにおいても、本発明は有利に利用可能である。

１ 信号源
３ 蛍光性光ファイバー
５ ファイバー端部
７ 復調回路
９ イコライザー
１１ プレディストーター
１３ ベッド
１５ 検出器
１７ コンピュータートモグラフ

Claims (9)

1. デジタルデータの光伝送用の装置であって、
   伝送されるデジタルデータに基づいて変調されるレベルで光信号を出力するように設けられた信号源（１）と、
   前記信号源（１）からの光信号を周囲面にわたって受信するように配置された蛍光性光ファイバー（３）であって、前記信号源（１）の光信号を受信すると蛍光発光して、該光ファイバー（３）内の蛍光をファイバー端部（５）に送るように設計された蛍光性光ファイバー（３）とを備えた装置。
2. 前記蛍光性光ファイバー（３）によって生じた光信号の歪みを補償するように配置されたイコライザー（９）を更に備えた請求項１に記載の装置。
3. 伝送経路の歪みを補償するためにデジタルデータをプレディストーションするように配置されたプレディストーター（１１）を更に備えた請求項１又は２に記載の装置。
4. 判定帰還型等化法及び／又はフィードフォワード等化法に従って動作するように設計された請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記信号源（１）が、パルス振幅変調法又は直交周波数分割多重化／離散マルチトーン法に従ってデジタルデータを変調するように設計されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記信号源（１）及び前記蛍光性光ファイバー（３）が互いに相対的に移動するように設計されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 共通回転軸周りに互いに相対的に回転する二つの部分の間でのデジタルデータの伝送用のデバイスであって、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置を有し、前記信号源（１）が回転軸周りのリング状の一方の部分上に配置され、前記蛍光性光ファイバー（３）が他方の部分上に同様に配置される、デバイス。
8. 前記デバイスがコンピュータートモグラフである、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記デバイスがレーダーデバイスである、請求項７に記載のデバイス。

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