JP2023500499A - 広い光検出面、広い視野および広い帯域を持つ光無線通信受信器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】光無線通信（ＯＷＣ）受信器が示される。この光無線通信（ＯＷＣ）受信器は、データで変調された入射光ビームを受信し、変調されたデータを備えた電気出力信号を出力するための光無線通信（ＯＷＣ）受信器であって、入射光ビームを受信するように構成されたレンズと、レンズから一定の距離を置いて、レンズの焦点面またはその近辺に配置された複数のフォトダイオードと、増幅器と、を備える。複数のフォトダイオードの各々は、入射光ビームの一部を受信し、当該受信した入射光ビームの一部に相当する光子の光電流を生成するように構成される。複数（Ｎ個）のフォトダイオードは、（１、…、Ｍ）の行と、（１、…、Ｋ）の列と、からなる（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）２次元アレイに配置される。列（１、…、Ｋ）からの出力は結合され、これらの列からの光電流は足し合わされる。増幅器は、２次元アレイの列（１、…、Ｋ）からの結合された出力に接続され、足し合わされた光電流を増幅された電気出力信号に変換する。２次元アレイ（Ｍ×Ｋ）内の各フォトダイオード同士の相互接続は、少なくとも２個（１、…、Ｋ；ただしＫ≧２）の並列なフォトダイオードのブランチを形成する。並列なブランチの各々は、少なくとも２個（１、…、Ｍ；ただしＭ≧２）のフォトダイオードのカスケードを形成する。２次元アレイは、組み合わされたフォトダイオードの面を形成する。【選択図】図８

Description

本発明は、一般に光無線通信に関する。より具体的には、広い光検出器表面領域および広い帯域を持つ無線通信受信器に関する。

無線周波数（ＲＦ）ベースの通信の利用および技術革新は絶え間なく発達している一方、その人気ゆえに、無線スペクトルの輻輳が起きている。光無線通信（ＯＷＣ）は、信号を伝えるために、誘導されない可視、赤外（ＩＲ）または紫外（ＵＶ）光を使う光通信の１つである。ＯＷＣは、急速に産業上の関心を集めている。これは、（可視）光（約４００－７００ｎｍの波長領域にある）が、少なくとも３２０ＴＨｚの帯域と、長距離光ファイバ通信（１５００－１６００ｎｍ）で通常使われるスペクトルを実現することによる。これらの値は、将来のＴＨｚ無線技術で実現できるものより高い。

ＯＷＣは、無線ＬＡＮネットワークを含む広いアプリケーション領域の中でも、特に無線パーソナルエリアネットワークおよび車両ネットワークで使うことができる。可視光領域で動作するＯＷＣネットワークは、一般に可視光通信（ＶＬＣ）システムと呼ばれる。通信データは、光の出力や人間の目に特段の影響を与えずに、高速で可視光をパルス化することで変調される。ＶＬＣシステムは、ＬＥＤ照明システムでピギーバックされてもよい。なぜならＬＥＤの出力光は、照明目的に限らず、データ変調に使われてもよいからである。しかし、ＬＥＤは基本的にそのような目的で設計されていないので、実現可能な帯域は限られる。

赤外（ＩＲ）領域および近ＩＲ領域で動作するＯＷＣシステムは、高データレートとの間に、プロトコル－トランスペアレントなリンクを与える。こうしたＯＷＣシステムは、ユーザのデバイスにオンデマンドで導かれる赤外線ビームを使う。これは、高プライバシーな特性を持つデバイスの間に、大容量かつ輻輳のない無線リンクを確立することができる。なぜならこうしたビームは、共有されることがなく、さらに当該ビーム内のフットプリントに含まれないユーザからはアクセスできないからである。

ＯＷＣは、ＲＦベースの通信システムに比べ、大きな利点を持つ。前述のようにＯＷＣシステムは大きな潜在帯域を持つが、それ以上に、光スペクトルには規制がなくライセンスを必要としない。光は壁に侵入できないので、ＯＷＣシステムはプライバシーおよびセキュリティに優れる。

こうした利点は別として、ＯＷＣシステムには、いくつかの技術的課題がある。例えば、細い光ビームを個別に効率的に方向づけることや、繊細で精密な位置調整を必要とすることなくユーザデバイスに向けて光受信器を調整することなどである。こうした繊細で精密な位置調整はユーザデバイスを複雑化し、コスト増加を招くからである。

エタンデュの基本的な物理法則によれば、断面開口領域と立体角との積は限定される。すなわち一方を増やせば、他方は減る。例えば、集光力を高めるためには大口径のレンズを使うことができるが、このレンズは小さな高速の光検出器にフォーカスする。これは、ＯＷＣシステムで光受信器を作るとき、通常取られるアプローチである。しかし、入射光のレンズに対する小さな角度オフセットは、フォーカスされたビームを微小な検出器に対して外側にシフトさせる。これにより、受光に損失が発生する。このシフトは、レンズの焦点距離に比例する。大口径のレンズは、通常長い焦点距離を持つ。従って開口が大きいほど、許されるビーム角度オフセット（従って、限られた視野角（ＦｏＶ））は小さなものとなる。

従って本開示の目的は、従来のＯＷＣ受信器に比べ、帯域を狭めることなく、広い光検出面および広い視野角を持つ、改良されたＯＷＣ受信器を与えることにある。

第１の態様では、光無線通信（ＯＷＣ）受信器が与えられる。この光無線通信（ＯＷＣ）受信器は、データで変調された入射光ビームを受信し、変調データを含む電気出力信号を出力するための光無線通信（ＯＷＣ）受信器であって、
－入射光ビームを受信するように構成されたレンズと、
－レンズから一定の距離を置いて、前記レンズの焦点面またはその近辺に配置された複数のフォトダイオードと、
－増幅器と、
を備え、
前記複数のフォトダイオードの各々は、前記入射光ビームの一部を受信し、当該受信した入射光ビームの一部に相当する光子の光電流を生成するように構成され、
前記複数（Ｎ個）のフォトダイオードは、行（１、…、Ｍ）と、列（１、…、Ｋ）と、からなる２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）内に配置され、
前記列（１、…、Ｋ）からの出力は結合され、これらの列からの光電流は足し合わされ、
前記増幅器は、前記２次元アレイの列（１、…、Ｋ）からの結合された出力に接続され、前記足し合わされた光電流を増幅された電気出力信号に変換し、
前記２次元アレイ（Ｍ×Ｋ）内の各フォトダイオード同士の相互接続は、少なくとも２個（１、…、Ｋ；ただしＫ≧２）の並列なフォトダイオードのブランチを形成し、
前記並列なブランチの各々は、少なくとも２個（１、…、Ｍ；ただしＭ≧２）のフォトダイオードのカスケードを形成し、
前記２次元アレイは、フォトダイオードの組み合わされた面を形成することを特徴とする。

本発明者は、受信器の帯域を狭めることなく、フォトダイオードの面を拡大できること、従って開口を拡大できることに気がついた。これは、本開示の第１の態様に従えば、レンズと、複数のフォトダイオード（レンズから一定の距離を置いて、レンズの焦点面またはその近辺（好ましくは、レンズの手前）に配置された複数のフォトダイオード）と、を備えたＯＷＣ受信器によって実現することができる。特に、複数のフォトダイオードの各々は、入射光ビームの一部を受信し、当該受信した入射光ビームの一部に相当する光子の光電流を生成するように構成される。複数（Ｎ個）のフォトダイオードは、行（１、…、Ｍ）と、列（１、…、Ｋ）と、からなる２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）内に配置される。列（１、…、Ｋ）からの出力は結合され、これらの列からの光電流は足し合わされる。これらの足し合わされた光電流は、アンプ、特にトランスインピーダンス・アンプに入力される。増幅器は、２次元アレイの列（１、…、Ｋ）からの結合された出力に接続され、足し合わされた光電流を、増幅された電気出力信号に変換する。

本発明者は、以下のことに気がついた。すなわち、２次元アレイ（Ｍ×Ｋ）内の各フォトダイオード同士の相互接続が少なくとも２個（１、…、Ｋ；ただしＫ≧２）の並列なフォトダイオードのブランチを形成し、並列なブランチの各々が少なくとも２個（１、…、Ｍ；ただしＭ≧２）のフォトダイオードのカスケードを形成すると、以下のような受信器を得ることができる。すなわち、並列なブランチの数およびブランチごとのフォトダイオードの数を定義する相互接続を規定することにより、光検出面および帯域を調整可能な受信器である。本開示に係る２次元アレイを備えた受信器は、Ｎ＝Ｍ×Ｋ個のフォトダイオード（従って、単一のフォトダイオードよりＮ倍大きい光検出面を備えた結合光検出器）で生成される出力信号を生成する。この場合、単一のフォトダイオードを備えた受信器に比べ、低周波数では、検出信号はＫ倍大きく、受信器の帯域はＭ／Ｋ倍大きい。この点については、後で詳述する。

本明細書では、複数のフォトダイオードを新規な方法で組み合わせることを提案する。これにより、接続されて（または組み合わされて）形成された光検出面を拡大できる一方、帯域の拡大も実現される。このように得られた広い検出面により、入射ビームから受信される光の量（これは通常、単一フォトダイオードの場合よりもはるかに多い）を増やすことができる。さらにレンズシステムと組み合わせることにより、ＯＷＣ受信器の開口角（ＦｏＶ）も増やすことができる。提案されるフォトダイオードのアレイまたはマトリックス（この内部で、フォトダイオードの光検出面、すなわち活性領域が拡大される）により、複雑な高周波回路や追加的な調整制御アルゴリズムを必要とすることなく、ＯＷＣ受信器の感度と帯域との間にトレードオフを得ることができる。

提案するＯＷＣ受信器は、高速データで変調された入射光ビームを受信し、これを電気出力信号に変換する。このためにＯＷＣ受信器は、電気増幅器（特に、トランスインピーダンス・アンプ。これは、足し合わされた光信号を増幅器の出力信号に変換する）の前段のフォトダイオードを利用する。ビームの径は通常、フォトダイオードの活性領域よりはるかに大きい。従って、フォトダイオードの出力信号を最大化するためには、フォトダイオードは、入射ビームのパワーをできるだけ多く取得する必要がある。光ビームは最初にレンズで捕らえられ、その後フォトダイオードに照射される。取得された光ビームのパワーを最大化し、当該ビームに対する精密な角度調整をなくすために、ＯＷＣ受信器は、広い開口断面積と広い視野（ＦｏＶ。従って広い角度領域）を持つことが提案される。光検出領域は複数の個別のフォトダイオードを組み合わせて形成されるので、個々の光検出活性領域は小さい。これは、典型的には、ＯＷＣが広い帯域を持つことを必要とする。

複数のフォトダイオードを並列に配置することにより、集められて生成される光電流は増す。しかしながら、これにより必然的にキャパシタンスも追加されることとなり、全体的な帯域は減る。複数のフォトダイオードを直列に配置することにより、そのキャパシタンスも直列に配置され、その結果帯域が増える。しかしながら、光電流を増やすことはできない。このオプションは通常は否定される。なぜなら、理想的なフォトダイオードは電流源として機能し、通念上、電流源は直列に配置できないからである。ここで典型的なフォトダイオードは完全な電流源ではなく、限られた並列抵抗を持つことに気がつくと、直列に配置したフォトダイオードを並列に組み合わせることが提案できる。このようにして、第１の態様に係る、Ｍ×Ｋの相互接続したフォトダイオードの２次元アレイまたはマトリックスが提案される。このアレイは、好ましくは、単一チップに集積化される。

アレイの各フォトダイオードは、漏れ電流を説明する（通常は大きい）抵抗、逆バイアスされたフォトダイオード接合部のキャパシタンス、熱効果によって発生する（通常は小さい）暗電流の電流源および光電流（これは、（フォトダイオードの活性領域に衝突した光ビーム部分への反応である）自体を表す電流源からなる等価回路で表すことができる。

既知のテブナンおよびノートンの定理を適用することにより、Ｍ×Ｋのフォトダイオードのアレイ全体を、単一の等価フォトダイオード回路を使って表すことができる。その出力電流および内部インピーダンスＺ_ｔｏｔは以下のように表される。ここでａ_ｍ、ｋ ^￣は、（ｍ、ｋ）番目のフォトダイオードに到達した光ビームパワーの平均割合を示す。

トランスインピーダンス・プレアンプ（ＴＩＡ）または他の好適な（プレ）アンプを用いて、光受信器にフォトダイオードマトリックスを適用すると、そのω＝０（ＤＣ）に近いトランスインピーダンス
Ｚ_Ｔ＝ｖ_ｏｕｔ（ｔ）／ｉ_ｔｏｔ（ｔ）
およびそのω_－３ｄＢ帯域（Ｒ_ｓ＜＜Ｒ_ｄ）は以下のようになる。

これは、単一フォトダイオードでは以下のようになる。

従って、（Ｒ_ｄ＞＞Ｒ_ｓ、Ｒ_ｐ＞＞Ｚ_Ｔ／（１＋Ａ）と仮定すると）Ｍ×Ｋフォトダイオードマトリックスを使った受信器の－３ｄＢ帯域は、よい近似で、単一フォトダイオードを使った受信器の帯域より（Ｍ／Ｋ）倍広いこととなる。提案するＭ×Ｋフォトダイオードマトリックスを用いると、生成される電流は
ｉ_ｏｕｔ≒Ｋ・Ｒ・ａ￣・Ｐ（ｔ）
となる（暗電流を無視する）。すなわちこれは、単一フォトダイオードの場合よりＫ倍大きい。特に正方形のＭ×Ｍフォトダイオードマトリックス（すなわち、Ｍ＝Ｋの場合）をＴＩＡの前段に置くと、得られる帯域は単一フォトダイオードの場合と同じだが、活性領域はＭ^２倍大きくなり、出力信号はＭ倍大きくなる。従って、アレイの行および列の数を調整することによって、帯域と活性領域とが設定可能なＯＷＣ受信器を得ることができる。

ある例では、２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）に含まれる並列なブランチ（１、…、Ｋ）の数Ｋは、ブランチの各々に含まれるカスケード（１、…、Ｍ）の数Ｍより大きい（すなわちＭ＜Ｋ）。

並列なブランチの数が多くなるようにマトリックスを設定すると（すなわち、フォトダイオード間の相互接続により）、集められて生成される光電流は、Ｍ＝Ｋの場合より多くなる。しかし、必然的にキャパシタンスの数も増え、その結果、全体的な帯域はＭ＝Ｋの場合より狭くなる。

ある例では、２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）に含まれる並列なブランチ（１、…、Ｋ）の数Ｋは、ブランチの各々に含まれるカスケード（１、…、Ｍ）の数Ｍより小さい（すなわちＭ＞Ｋ）。

各ブランチに含まれるフォトダイオードのカスケード（１、…、Ｍ）の数が多くなるようにマトリックスを設定すると（すなわち、フォトダイオード間の相互接続により）、キャパシタンスは直列となり、従って帯域も増える。フォトダイオードを直列に接続することは、通常は望ましくないと考えられる。なぜなら、理想的なフォトダイオードは電流源として機能し、電流源は通念上直列に配置できないからである。ここで本発明者は、典型的なフォトダイオードは完全な電流源ではなく、限られた並列抵抗を持つことに気がついた。そして、直列に配置したフォトダイオードを並列に組み合わせるオプションを考案した。従って本開示での提案は、Ｍ×Ｋの相互接続したフォトダイオードの２次元マトリックスであり、好ましくは単一チップに集積化されるものである。

ある例では、２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）に含まれる並列なブランチ（１、…、Ｋ）の数Ｋは、ブランチの各々に含まれるカスケード（１、…、Ｍ）の数Ｍに等しい（すなわちＭ＝Ｋ）。

ある例では、レンズが、受信した光ビームを、フォトダイオードの２次元アレイの組み合わされた面より広い領域の面に照射する。

ある例では、フォトダイオードの２次元アレイの行および列を定義する当該２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）は、フォトダイオードの相互接続を含み、各行（１、…、Ｍ）を定義する相互接続の各々は、各列（１、…、Ｋ）を定義する相互接続でもある。

ある例では、２次元アレイの各行は、各行のフォトダイオードに平行に配置された抵抗をさらに備える。

ある例では、抵抗の各々は、フォトダイオードの２次元アレイの外部に配置される。

ある例では、抵抗の各々は、フォトダイオードの２次元アレイの内部で集積化される。

第２の態様では、光無線通信（ＯＷＣ）システムが与えられる。このシステムは、前述の光無線通信（ＯＷＣ）受信器を備える。

第３の態様では、光無線通信（ＯＷＣ）システムは、可視光スペクトル、赤外光スペクトル、近赤外光スペクトルまたは紫外光スペクトルのいずれかの波長の電磁波を用いた光通信に使われる。

第４の態様では、光無線通信（ＯＷＣ）システムは、無線ＬＡＮネットワーク、無線パーソナルネットワークまたは車両ネットワークのいずれかに使われる。

当業者は、本開示の第１の態様のすべての例および利点が本開示の第２の態様にも同様に適用できることを理解するだろう。

本開示に係るＯＷＣ受信器の視野半角αを示す。直径Ｄ_１、焦点距離ｆのレンズを通った光ビームは、直径Ｄ_２のフォトダイオード（ＰＤ）に角度αで到達し、これを照射する。フォトダイオードは、レンズの焦点面に対して、距離ｘデフォーカスされている。 フォトダイオード上でビームスポットを照射する様子を示す。デフォーカスされた半径Ｒ_ｃ＝Ｄ_ｃ／２のスポットが、半径Ｒ_２＝Ｄ_２／２のフォトダイオードを照射する。 デフォーカスパラメータｐに対する入射光ビームの視野半角αを示す（ｐは、ｐ＝ｘ／ｆで定義される）。レンズの直径Ｄ_１＝１０ｍｍであり、レンズの焦点距離ｆ＝５ｍｍであり、フォトダイオードの直径Ｄ_２は様々な値を取る。 デフォーカスパラメータｐに対する入射光ビームの光検出割当Ｔを示す。（ｐは、ｐ＝ｘ／ｆで定義される）。レンズの直径Ｄ_１＝１０ｍｍであり、レンズの焦点距離ｆ＝５ｍｍであり、フォトダイオードの直径Ｄ_２は様々な値を取る。 単一フォトダイオードの等価回路を示す。 光トランスインピーダンス受信器を示す。 並列に配置したＮ個のフォトダイオードの等価回路の例を示す。 直列に配置したＮ個のフォトダイオードの等価回路の例を示す。 直列に配置したＮ個の各フォトダイオードのＤＣバイアス電圧Ｖ_ｎを示す（ｎ＝１、…、Ｎ）。 各列に平行に抵抗Ｒ_ｐが配置された、フォトダイオードの２次元マトリックスの例を示す。 複数のフォトダイオードを直列／並列に配置した２次元マトリックスを示す（Ｍ個のフォトダイオードを直列に配置して組を作り、このＭ個のフォトダイオードからなるＫ個の組を並列に配置する）。 ＯＷＣ受信器（Ｎ＝Ｍ×Ｋのフォトダイオードの２次元アレイをトランスインピーダンス・アンプの前段に置いたもの）の周波数特性を示す。

図１に示すように、提案するＯＷＣ受信器は、高速データで変調された入射光ビームを受信し、これを電気出力信号に変換する。このためにＯＷＣ受信器は、電気増幅器の前段のフォトダイオードを利用する。一般に光ビームの直径は、フォトダイオードの活性領域よりはるかに大きい。従ってフォトダイオードの信号を最大化するためには、入射ビームのパワーをできるだけ多く取得する必要がある。図１に示されるように、光ビームは最初にレンズで捕らえられ、その後フォトダイオードに照射される。取得された光ビームのパワーを最大化し、当該ビームに対する細心の角度調整をなくすためには、ＯＷＣ受信器は、広い開口断面積と広い視野（ＦｏＶ。従って広い角度領域）を持つ必要がある。しかし高速データを扱うためには、ＯＷＣ受信器は、は広い帯域を持つ必要もある。通常、これを狭い光検出活性領域を持つフォトダイオードで実現しなければならない。

フォトダイオードがビームのフォーカスされていないスポットで完全に覆われている場合は、Ｄ_ｃ＝ｐΔＤ_１＞Ｄ_２が成り立つ。この場合、フォトダイオード中心に対するスポット中心の変位Δは以下を満たす必要がある（デフォーカスパラメータｐ＝ｘ／ｆ、ただし０≦ｐ≦１）。

スポットＰ_ｓｐｏｔにおける全光パワーのうち、フォトダイオードに入射した光パワーＰ_ｄｅｔは以下で表される。

視野半角αについては以下が成り立つ。

図２Ａに示すように、ＦｏＶ半角αは、デフォーカスパラメータｐの増加とともに増加する。すなわち、直径Ｄ_２＝０．２ｍｍのフォトダイオードは曲線２１１で示され、直径０．４ｍｍのフォトダイオードは曲線２１２で示され、直径０．８ｍｍのフォトダイオードは曲線２１３で示され、直径１．０ｍｍのフォトダイオードは曲線２１４で示される。ＦｏＶは、フォトダイオードの直径の増加とともに若干減少する。一方図２Ｂに示すように、光検出パワーは、フォトダイオードの直径の増加とともに大きく増加する。図２Ｂには、入射光ビームのうち、光検出されたものの割合Ｔが、デフォーカスパラメータｐに対して示される。ただしｐは、ｐ＝ｘ／ｆで定義される。ここでレンズの直径Ｄ_１はＤ_１＝１ｍｍであり、レンズの焦点距離ｆはｆ＝５ｍｍである。フォトダイオードの直径Ｄ_２については、Ｄ_２＝１．０ｍｍの場合が曲線２２１で示され、Ｄ_２＝０．８ｍｍの場合が曲線２２２で示され、Ｄ_２＝０．４ｍｍの場合が曲線２２３で示され、Ｄ_２＝０．２ｍｍの場合が曲線２２４で示される。

［単一フォトダイオード］
図３（左側）は、単一フォトダイオードの電気回路を示す。この電気回路は、直列抵抗Ｒ_ｓと、並列抵抗Ｒ_ｄと、キャパシタンスＣ_ｄと、暗電流ｉ_ｄ（ｔ）と、光電流ｉ_ｓ（ｔ）と、を含む。典型的にｐ－ｉ－ｎフォトダイオードは、真性領域全体にかかる逆電圧によってバイアスされる。そして光子がこの領域を通過すると、電子－ホールのペアが生成される。これらはそれぞれ、電場に起因して、フォトダイオードのアノードおよびカソード端子に移動する。このようにして光電流ｉ_ｓ（ｔ）が生成される。（通常は小さな）並列抵抗Ｒ_ｄは、フォトダイオードチップへの結合ワイヤを含む。（大きな）並列抵抗Ｒ_ｄは、漏れ電流を含む。（小さな）暗電流ｉ_ｄ（ｔ）は、熱効果によって発生する。光電流は、ｉ_ｓ（ｔ）＝Ｒ・ａ・Ｐ（ｔ）である。Ｒは、フォトダイオードの感度（単位はＡ／Ｗ）である。ａは、光ビームの瞬時パワーのうち、フォトダイオードの活性領域で検出される割合である。

テブナンの定理を適用すると、図３（中央）に示すように、フォトダイオードは、電圧源ｅ（ｔ）と、直列インピーダンスＺと、を備えた等価回路で示すことができる。代替的に、ノートンの定理を適用することにより、図３（右側）に示すように、フォトダイオードは、電流源ｉ_ｔｏｔ（ｔ）および同じインピーダンスＺ_ｔｏｔ＝Ｚを並列にしたものの等価回路で示すことができる。

［光受信器］
光検出後に信号を処理すために、フォトダイオードの後段に電子高周波低雑音増幅器が適用される。この既知の典型的な例は、トランスインピーダンス・アンプ（ＴＩＡ）である。図４に、その回路構成を模式的に示す（Ａは、アンプのオープンループ利得である。Ｚ_ｔは、フィードバックインピーダンスである）。増幅はトランスインピーダンスＺ_Ｔで表され、以下のようになる。

代替的に、単一フォトダイオードモデルは以下のようになる。

低周波数受信トランスインピーダンスと、－３ｄＢ受信器の帯域は、それぞれ以下のようになる。

［並列の複数フォトダイオード］
活性領域を広げるために、Ｎ個のフォトダイオードを並列につなぐこともできる。図５に、このような並列配置の回路モデルを示す。図３（右側）の単一フォトダイオードの電流源モデルは、これらをＮ個並列に接続したものに拡張される。これは、単に電流を追加し、インピーダンスをＮで割ればよいことを意味する。

この分析から、等価キャパシタンスはＣ_ｅｑ≒Ｎ・Ｃ_ｄおよび生成された光電流はｉ_ｔｏｔ（ｔ）≒Ｎ・ａ￣・Ｒ・Ｐ（ｔ）であることが分かる。このとき、各フォトダイオードは、ビームのパワーの割合ａ_ｎで照射される。ａ￣＝（１／Ｎ）Σ_ｎ＝１ ^Ｎａ_ｎは、単一フォトダイオードに入射するビームパワーの平均割合を表す。従って生成される光電流は、個々のフォトダイオードで生成される平均電流のＮ倍である。

トランスインピーダンス・アンプにＮ個の並列なフォトダイオードを適用すると、そのトランスインピーダンスは、以下のようになる。

従って低周波数受信利得および－３ｄＢ受信器の帯域は、それぞれ以下のようになる。

単一フォトダイオード受信器に対して、生成される光電流はＮ倍となる。従って、参照トランスインピーダンスＺ_{Ｔ，，ｒｅｆ}を定義することができる。これは、フォトダイオードａ￣・Ｒ・Ｐ（ｔ）ごとに平均光生成電流により生成されたものとして、出力信号ｖ_ｏｕｔ（ｔ）を表す。

従って、Ｎ個のフォトダイオードを並列に備えた受信器で生成された出力信号は、単一フォトダイオードを備えた受信器で生成されたもののＮ倍大きいものとなる。しかし、受信器の帯域はＮ倍小さいものとなる。

［直列の複数フォトダイオード］
代替的に、Ｎ個の個別のフォトダイオードを直列につなげることにより、活性領域を広げることができる。図６に、このようなフォトダイオードのカスケード接続の等価回路を示す。図３（中央）の単一フォトダイオードの場合と等価な電流源を適用すると、このカスケードは図６（左側）で示される。ｎ番目のフォトダイオードはビームパワーＰ（ｔ）の割合ａ_ｎを受けるので、光電流はｉ_ｓ，ｎ（ｔ）＝ａ_ｎ・Ｒ・Ｐ（ｔ）となる。従ってテブナンは再び（図３（中央）と同様に）、直列インピーダンスＺを持つ電圧源ｅ_ｎ（ｔ）として表すことができる。図６（中央）に示すように、この電圧源の直列接続およびインピーダンスは、総和を取って、それぞれ単一電圧源ｅ_ｔｏｔ（ｔ）および単一直列インピーダンスＮ×Ｚとすることができる。ノートンに従えば、これは単一の電流源ｉ_ｔｏｔ（ｔ）および同じインピーダンスＺ_ｔｏｔ＝Ｚを並列にしたもので表すことができる。その関係は以下で表される。

ａ￣＝（１／Ｎ）Σ_ｎ＝１ ^Ｎａ_ｎは、単一フォトダイオードに入射するビームパワーの平均割合を表す。Ｒ_ｓが小さくＲ_ｄが大きいと仮定すると、等価キャパシタンスはＣ_ｅｑ≒Ｃ_ｄ／Ｎと考えることができる。従って、Ｎ個のフォトダイオードのカスケード接続により、等価キャパシタンスをＮ倍小さくすることができる。一方、低周波数（ω＜＜１）で生成される光電流ｉ_ｔｏｔ（ｔ）はｉ_ｔｏｔ（ｔ）≒ａ￣・Ｒ・Ｐ（ｔ）である（これは、すべてのフォトダイオードがビームのパワーの同じ割合で照射されたとき、個々のフォトダイオードで生成される電流に等しい）。

トランスインピーダンス・アンプのスキームでフォトダイオードの直列接続を適用すると、以下のようになる。

従って、低周波数受信利得および－３ｄＢ受信器の帯域は、それぞれ以下のようになる。

生成される光電流は、単一フォトダイオード受信器の場合と等しい。従って、参照トランスインピーダンスＺ_{Ｔ，ｒｅｆ}を定義することができる。これは、出力信号を、平均信号により生成されたものとして表す。

従って、Ｎ個のフォトダイオードを直列に備えた受信器で生成された出力信号は、単一フォトダイオードを備えた受信器で生成されたものと等しい。しかし、受信器の帯域はＮ倍大きいものとなる。

十分な検出および帯域性能を達成するには、各フォトダイオードは十分な逆電圧でバイアスする必要がある。このため、直列につないだフォトダイオードｎの逆電圧Ｖ_ｎ（ｎ＝１、…、Ｎ）を評価する必要がある。これは、フォトダイオードの特性および生成される光電流に応じて、感度に関する若干の非対称性を含む。

入射光によりフォトダイオードｎ（これは、電圧Ｖ_ｎで逆バイアスされる）の活性領域で生成されたＤＣ電流Ｉ_ｎは、以下のようになる。

Ｉ_ｏｎはフォトダイオードの暗電流、Ｒ_ｎはフォトダイオードの抵抗、Ｐ_ｎはフォトダイオードｎへの入射光パワーである（Ｒ_ｎ・Ｐ_ｎ＜Ｉ_ｎ＜Ｒ_ｎ・Ｐ_ｎ＋Ｉ_ｏｎ；室温でｋＴ／ｑ＞＞２５ｍＶである点に注意する）。

図７に、直列に接続したＮ個のフォトダイオードと、この直列接続全体に印加したバイアス電圧Ｖ_ｂと、を示す。ここには、フォトダイオードに並列につないだ抵抗Ｒ_ｄおよび直列につないだ抵抗Ｒ_ｓが含まれる（図３も参照）。

直列接続のフォトダイオードにより生成された電流Ｉについては、以下が成り立つ。

これは、典型的な逆バイアス条件Ｖ_ｎ＞＞ｋＴ／ｑのもとで、以下の近似がよく成り立つ。

従って、次式が成り立つ。

これは、典型的な条件Ｒ_ｄ＞＞Ｒ_ｓのもとで、以下の近似がよく成り立つ。

従って全バイアス電圧Ｖ_ｂは、Ｎ個のフォトダイオードに均等に分配される。従って各フォトダイオードのバイアス電圧はＶ_ｂ／Ｎである。ここで各フォトダイオードｎに電圧偏差が発生する可能性がある。これは、「並列抵抗Ｒ_ｄ」と「各フォトダイオードにおける暗電流Ｉ_ｏｎと光電流との差」との積Ｒ_ｎ・Ｐ_ｎである。すべてのフォトダイオードを同じチップ上に集積化することで、これらの差は小さくなるだろう。（例えば各ダイオードに外部抵抗を並列につなぐことで）Ｒ_ｄを下げることにより、各バイアス電圧偏差を低減することができる（十分な性能を発揮するのに必要であれば）。この様子は、図８において、マトリックス内の各ダイオードの行の外に抵抗Ｒ_ｐが接続されていることにより示されている。

［２次元マトリックスにおける直列／並列の複数フォトダイオード］
フォトダイオードをＭ×Ｋの２次元マトリックスに配置することを提案する。図９に示すように、これは、Ｍ個のフォトダイオードを直列に接続した組を、Ｋ組並列に接続したものに相当する。

テブナン等価回路において電流源ｉ_ｔｏｔおよびインピーダンスＺ_ｔｏｔを決定する関係式は、以下の通りである（前述の直列および並列接続した１次元フォトダイオード構造の分析結果を使う）。

演算子「／／」は、「並列接続すること」を意味する。例えば、
Ｚ_ａ／／Ｚ_ｂ＝Ｚ_ａ・Ｚ_ｂ／（Ｚ_ａ＋Ｚ_ｂ）
である。トランスインピーダンス・アンプにおいて２次元マトリックスフォトダイオードを適用すると、以下のようになる。

低周波数受信利得および－３ｄＢ受信器の帯域は、それぞれ以下のようになる。

直列に接続されたフォトダイオードの組をＫ組並列接続したもので生成される光電流は、単一フォトダイオードを備えた受信器のＫ倍である。このとき、各直列接続の組が生成する光電流は、単一フォトダイオードの場合に等しい。従って、参照トランスインピーダンスＺ_{Ｔ，ｒｅｆ}は以下の通りである。

従って、Ｎ＝Ｍ×Ｎ個のフォトダイオードからなる２次元マトリックス（この光検出領域全体は、単一フォトダイオードに比べてＮ倍大きい）を備えた受信器で生成される出力信号は、低周波数で、単一のフォトダイオードを備えた受信器に比べてＫ倍大きく、受信帯域はＭ／Ｋ倍大きい。

図１０に、ＯＷＣ受信器（Ｎ＝Ｍ×Ｎ個のフォトダイオードの２次元アレイからなる）の周波数特性９０１、９０２、９０３、９０４の振る舞いを示す。
Ｚ_{Ｔ，ｒｅｆ}＝ｖ_ｏｕｔ（ｔ）／ｉ_ＰＤ（ｔ）
は、トランスインピーダンス・アンプの出力電圧ｖ_ｏｕｔ（ｔ）と、フォトダイオードごとに生成された平均光電流ｉ_ＰＤ（ｔ）＝ａ￣・Ｒ・Ｐ（ｔ）と、の比を表す。この振る舞いは、図１０では対数－対数スケールで示される。すなわち、縦軸、横軸とも対数軸である。図示されるように、Ｋ＝Ｍのとき、帯域は単一のフォトダイオード（Ｎ＝１）の場合と同じである。

単一のフォトダイオード９０５と比較すると、フォトダイオードの数が一定であってＫ＞Ｍであれば（曲線９０２参照）、帯域はＭ／Ｋ倍小さくなり、利得はＫ倍大きくなる。逆にＮが一定であってＫ＜Ｎであれば（曲線９０４参照）、帯域は増えるが、利得は減る。

単一のフォトダイオード９０５と比較すると、Ｋ＝Ｍのフォトダイオードの２次元アレイを適用することにより（曲線９０３参照）、フォトダイオードの活性領域を広げることができる。一方このとき、帯域は変わらず、ＯＷＣの出力信号は強くなる。Ｋ＞Ｍの場合（曲線９０２参照）、Ｋ＝Ｍ（曲線９０３参照）の場合に比べ、出力電圧はさらに増え、帯域は減る。逆にＫ＜Ｍの場合（曲線９０４参照）、出力電圧は減り、帯域は増える。

以上、いくつかの実施の形態に従い、本発明を説明した。これらは例示を目的とし、限定を目的としない。従って本発明は詳細な実装において多くの変形が可能であり、これは本明細書から当業者が想到できるものである。こうした変形はすべて、請求項および法的にその均等と定義される本発明および思想の範囲内にある。

Claims (13)

1. データで変調された入射光ビームを受信し、変調データを含む電気出力信号を出力するための光無線通信（ＯＷＣ）受信器であって、
   －入射光ビームを受信するように構成されたレンズと、
   －レンズから一定の距離を置いて、前記レンズの焦点面またはその近辺に配置された複数のフォトダイオードと、
   －増幅器と、
   を備え、
   前記複数のフォトダイオードの各々は、前記入射光ビームの一部を受信し、当該受信した入射光ビームの一部に相当する光子の光電流を生成するように構成され、
   前記複数（Ｎ個）のフォトダイオードは、行（１、…、Ｍ）と、列（１、…、Ｋ）と、からなる２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）内に配置され、
   前記列（１、…、Ｋ）からの出力は結合され、これらの列からの光電流は足し合わされ、
   前記増幅器は、前記２次元アレイの列（１、…、Ｋ）からの結合された出力に接続され、前記足し合わされた光電流を増幅された電気出力信号に変換し、
   前記２次元アレイ（Ｍ×Ｋ）内の各フォトダイオード同士の相互接続は、少なくとも２個（１、…、Ｋ；ただしＫ≧２）の並列なフォトダイオードのブランチを形成し、
   前記並列なブランチの各々は、少なくとも２個（１、…、Ｍ；ただしＭ≧２）のフォトダイオードのカスケードを形成し、
   前記２次元アレイは、フォトダイオードの組み合わされた面を形成することを特徴とする光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
2. 前記２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）に含まれる並列なブランチ（１、…、Ｋ）の数Ｋは、前記ブランチの各々に含まれるカスケード（１、…、Ｍ）の数Ｍより大きい（すなわちＭ＜Ｋ）ことを特徴とする請求項１に記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
3. 前記２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）に含まれる並列なブランチ（１、…、Ｋ）の数Ｋは、前記ブランチの各々に含まれるカスケード（１、…、Ｍ）の数Ｍより小さい（すなわちＭ＞Ｋ）ことを特徴とする請求項１に記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
4. 前記２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）に含まれる並列なブランチ（１、…、Ｋ）の数Ｋは、前記ブランチの各々に含まれるカスケード（１、…、Ｍ）の数Ｍに等しい（すなわちＭ＝Ｋ）ことを特徴とする請求項１に記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
5. 前記レンズは、受信した光ビームを、前記組み合わされたフォトダイオードの面より広い領域の面に照射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
6. 前記フォトダイオードの２次元アレイの行および列を定義する当該２次元アレイ（Ｎ＝Ｍ×Ｋ）は、前記フォトダイオードの相互接続を含み、
   各行（１、…、Ｍ）を定義する前記相互接続の各々は、各列（１、…、Ｋ）を定義する相互接続でもあることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
7. 前記２次元アレイの各行は、前記各行のフォトダイオードに平行に配置された抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
8. 前記抵抗の各々は、前記フォトダイオードの２次元アレイの外部に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
9. 前記抵抗の各々は、前記フォトダイオードの２次元アレイの内部で集積化されることを特徴とする請求項７に記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器を備えた光無線通信（ＯＷＣ）システム。
11. 請求項１から９のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器を複数備えた請求項１０に記載の光無線通信（ＯＷＣ）システム。
12. 請求項１から９のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器を備えた光無線通信（ＯＷＣ）システムであって、
    可視光スペクトル、赤外光スペクトル、近赤外光スペクトルまたは紫外光スペクトルのいずれかの波長の電磁波を用いた光通信に使われる光無線通信（ＯＷＣ）システム。
13. 請求項１から９のいずれかに記載の光無線通信（ＯＷＣ）受信器を備えた光無線通信（ＯＷＣ）システムであって、
    無線ＬＡＮネットワーク、無線パーソナルネットワークまたは車両ネットワークのいずれかに使われる光無線通信（ＯＷＣ）システム。

Images