JP3873668B2 - 光伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の通信ノード間をブロードキャスト型の光伝送路を介して接続した光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報処理技術の発展とともに、データ処理システムあるいは通信システムで使用する回路基板の機能や性能が大幅に増大してきている。回路機能が増大するにつれて各回路基板に対する信号接続数が増大するため、各回路基板間をバス構造で接続するデータバスボードには、多数の接続コネクタと接続線を必要とするバックプレーン型データバスが採用されている。これまでも接続線の多層化と微細化で並列化を進めることにより、システムの処理速度の向上が図られてきた。しかし接続配線間容量や接続配線抵抗に起因する信号遅延により、バスの動作速度、ファンアウト、バスサイズに限界があり、システムの処理速度がバスの性能によって制限されることがある。また、バス配線の高密度化による電磁ノイズ（ＥＭＩ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）の問題もシステムの処理速度向上に対しては大きな制約となる。そこで、主に幹線系で脚光を浴びている光インターコネクションが、基板間の電気配線にも応用されるようになってきている。
【０００３】
従来提案されている様々な形態の光インターコネクション技術のうち、現在もっとも普及しているものは、シングルモードの光ファイバーを用いた幹線系の通信である。しかしながら、それらのシステムに必要な機器のコストが高価で、いまだにコンシューマ市場にまで光インターコネクションは浸透していない。また、一般に光ファイバによる光インターコネクションは１対１の通信を実現するものであり、バス接続のように多対多の接続には多数のファイバを敷設する必要が生じて好ましくない。
【０００４】
そこで、低コストで拡張性の高い光インターコネクションが、例えば、「エレクトロニクス」、２０００年１０月号、４９−５３頁、「新しい概念 光シートバステクノロジー」において提案されている。この技術によれば、例えば樹脂でできた低コストな平板状の導光路を用い、内部に反射拡散光学系を設けて一点から出力された光を多地点に伝送する、いわゆるブロードキャスト型の伝送路を得ることができる。
【０００５】
ところで、光通信は、光の強度変化によって信号を伝達するものであるから、信号の伝送品質を維持するために、常に光強度を所望の範囲に制御する必要がある。しかし一般に光素子や光伝送路は周囲の環境や光部品の接続損失の影響を受けやすく、システムにはその変化を補償する機能が必要である。例えば、特開平９−９３１９９号公報には、「光送受信レベル調整回路」に関する技術が開示されている。この技術は、受信部で検出した光信号の損失情報を送信部に通知し、その情報を以って発光素子の駆動条件を調整するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術のように、送信部と離れた受信部で検出した情報をフィードバックする方法では、フィードバックを行うためにシステムが複雑化してしまい、また伝送を開始するまでの時間がかかるという問題がある。
【０００７】
また、実際に正しい信号が伝送できたことを監視するためには、ある決まった特定のデータ列を伝送し、それを受信したノードがその特定のデータ列を復元できたかどうかによって調べることができる。しかしこの場合は、特定のデータ列を作る機能、あるいはあらかじめ決められたデータを保持するメモリが必要であり、さらにこれらを確認するために、例えば伝送開始前の初期化手続きにこのチェックを加えることが必要となり、システムが煩雑になる傾向がある。他の方法としては、データにパリティビットを加えたり、データを符号化したりすることによって、エラーを検出することも知られている。この場合は本来伝送を行いたいデータを冗長化するので、伝送帯域を狭めてしまうという問題や、データを変換するのに余計な時間がかかるという問題がある。
【０００８】
さらに、発光素子の経時劣化や温度変化を補償する方法として、発光素子のパッケージ内に光量モニタ用の受光素子を同梱する方法もよく知られている。しかしその方法は発光素子自体の光量をある初期値に基づいて調整するものであって、実際に光信号を伝送した後の状態を補正することはできない。
【０００９】
従って本発明の目的は、簡易な方法で伝送品質を高く保つことができる光伝送システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電気信号を光信号に変換する光出力部と光信号を電気信号に変換する光入力部を備えた複数の通信ノード間をブロードキャスト型の光伝送路を介して接続した光伝送システムであって、少なくとも一つの前記通信ノードが、自ら出力した光信号を前記光伝送路経由で自ら受信して光信号の伝送状態を監視するようにした光伝送システムにより、達成される。
【００１１】
ここで、前記通信ノードは、前記光信号の伝送状態を監視して受信光強度が一定となるように、前記光出力部の駆動条件を変えることができる。また、前記光信号の異常を検出したときは、前記異常を伝送エラー表示部に表示することができる。さらに、前記通信ノードは、自ら出力した光信号を前記光伝送路経由で受信した前記光信号と比較してデータの誤りを監視することができる。この場合、複数の通信ノードが同時に光信号を発信する動作期間がある場合には、前記光出力部の駆動条件を変える機能、前記異常を伝送エラー表示部に表示する機能、および前記データの誤りの監視機能のうち少なくとも一つをキャンセルすることができる。
【００１２】
また、前記光伝送路は、一端に通信ノードごとに設けられた個別導光路が接続され、他端に光の進行方向を概略反対方向に変える端面が設けられた透光性媒体により、または、一端に光信号の入射又は出射を担う入出力部を有する階段状の複数の段差が設けられ、他端に光の進行方向を概略反対方向に変える端面が設けられた透光性媒体により、それぞれ形成することができる。ここで、前記光の進行方向を概略反対方向に変える端面が、光を拡散させる光学系を具備することができる。
【００１３】
本発明に係る伝送制御装置は、電気信号を光信号に変換してブロードキャスト型の光伝送路に出力する光出力部と、前記光伝送路から光信号を受信して電気信号に変換する光入力部と、光強度を監視する光強度監視部とを備え、前記光強度監視部が、前記光入力部で受信される前記光出力部から出力された光信号の強度が一定となるように前記光出力部を制御するものである。さらに、前記光強度監視部が前記光入力部で受信される前記光出力部から出力された光信号について異常を検出したときに、前記異常を表示する伝送エラー表示部を備えることができる。ここで、前記光強度監視部は、外部からのモード信号に応じて前記光出力部の制御機能および前記異常を表示する伝送エラー表示部の機能のうち少なくとも一つを停止することができる。
【００１４】
また、本発明に係る伝送制御装置は、電気信号を光信号に変換してブロードキャスト型の光伝送路に出力する光出力部と、前記光出力部から出力される信号データを格納するデータ格納部と、前記光伝送路から光信号を受信して電気信号に変換する光入力部と、前記光入力部より入力された信号データと前記格納された信号データとを比較し正しいデータが伝送されているかどうかを判定するデータ比較・判定部とを備えたものである。ここで、前記データ比較・判定部は、外部からのモード信号に応じて信号データの比較・判定機能を停止することができる。
このように構成することにより、いわゆるブロードキャスト型の光伝送路を用いて光を多地点に伝送することができ、自ら出力した光信号を自ら監視または比較・判定することにより、簡易な方法で伝送品質を高く保つことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、その前に、本発明で使用される光伝送路について簡単に説明する。なお、各図において、特に断らない限り、同じものを指すときは同じ図番号を用いる。
【００１６】
図１は本発明で用いられるブロードキャスト型の光伝送路の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。図において、光伝送路１のコア４には透光性媒体が利用可能であり、コア４の上下面及び左右の側面にはコア部の透光性媒体よりも屈折率の小さいクラッド５を配置することが望ましい。透光性媒体にはポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィンのようなプラスチック材料、又は無機ガラス等を用いることができる。光信号は平板状に成型されたコア４内を進行する。光伝送路１の一端面３は光信号を反射させる役割を担っている。そのため端面３は、表面を研磨加工するか、あるいは光を反射してさらに拡散する反射拡散光学系を具備する。反射面と対向する端面は、図１（ａ）に示すように階段状に加工し、さらに図１（ｂ）に示すようにその端面を平板の上下面に対して４５度面７に加工し、光が反射しやすいように研磨する。場合によっては、この端面に金属膜などを蒸着してもよい。
【００１７】
また光入出射部２は、光の入出射に際し損失が無いように鏡面研磨するなどの加工を施すことが望ましい。このようにすることによって、光入出射部２から入力した光信号６は４５度面７で反射し、コア４内を伝播して他端面の反射面３で反射し、再び４５度面７で反射して光入出射部２から出射する。この時、光は広く拡散しながら戻ってくるので、光信号６を入力した光入出射部のみならず他の光入出射部からも同じ光信号を取り出すことができる。すなわち、ブロードキャスト型の光伝送路が構成され、任意の光入出射部２間で信号の授受が可能になる。この機能により、複数の通信ノードをこの光伝送路に接続し、バックプレーン型光バスを構成することができる。この光伝送路一層は電気配線の１ビットに相当し、多ビット化を実現するためには、この光伝送路を次に説明するように並列配置する必要がある。
【００１８】
図２は図１の光伝送路に通信ノードを接続した光伝送システムの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。通信ノード８は光伝送路１を用いて信号の授受が可能で、例えばＣＰＵやメモリ、画像処理基板、外部インタフェースなどの機能を持つ。また通信ノード８は光電変換部９を持ち、図１に示した光伝送路１を通して光信号を授受することができる。光電変換部は電気信号を光信号に変えるＬＥＤやレーザーダイオードなどの発光素子を含む光出力部（電気−光変換部）と、光信号を電気信号に変えるフォトダイオードなどの受光素子を含む光入力部（光−電気変換部）とを備えて構成される。本例は光伝送路１を４層並べた状態を示しており、図２（ａ）に示すように、それぞれの層の光入出射部が重ならないように配置してある。図２は４つのドーターボード間の通信を４層の光伝送路を用いて行う構成であり、この時の光信号のビット幅は４ビットに相当する。
【００１９】
図６は本発明で使用可能な光伝送路の他の例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。光伝送路には図１、図２に示した材料と同じ物を使用することができる。本実施形態においても、光伝送路１の一端面３は光信号を反射させる役割を担っており、表面を研磨加工するか、あるいは光を反射してさらに拡散する反射拡散光学系を具備している。一方、反射面と対向する端面は、図６（ａ）に示すように、それぞれの通信ノードが接続される個別導光路３１が接続される。この接続には市販の光コネクタを用いることができ、また光学接着剤を用いて接着してもよく、熱融着してもよい。この個別導光路としては、ガラスや各種プラスチックを材料とする光ファイバなどが適している。
【００２０】
図７は、図６の光伝送路に通信ノードを接続した光伝送システムの一例を示す図である。各通信ノード８には光電変換部９が備えられており、個別導光路３１を介して光信号を光伝送路１中に発信する。光伝送路中に導かれた光は図１、図２と同じように反射面３で反射され、方向を変えてそれぞれの個別導光路３１に導かれる。この図において、光伝送路を概略矩形で示したが、形はこれに限るものではなく、入力部と反射部が対向すれば他の形状でもよい。
【００２１】
図３は、光電変換部９における伝送制御装置の一例を示す図である。図において、伝送制御装置１０は、光信号の送受に関わる制御を行う回路機能部分で、他のノードへ伝送する電気信号１１を受け取って光信号１２に変換して伝送路中に発信し、また光伝送路から受け取った光信号１３を電気信号１１に戻す役割を担っている。
【００２２】
以下、図３を用いて、本発明の伝送制御動作についてより詳しく説明する。伝送制御装置１０では、他のノードへ信号を発信する場合、受け取った電気信号を入出力制御部１８によってデータエンコード部１４へ送る。入出力制御部１８は、送信データと受信データを区別して信号を振り分ける役目をする。データエンコード部１４では、電気信号を光伝送に適した電気信号に変換する。例えば複数のパラレル信号をシリアル信号に変換したり、あるいは制御コードを付加したりすることができる。エンコードされた電気信号は、電気−光変換部１５へと送られる。電気−光変換部１５は発光素子とそれを駆動する駆動部とから成り、送られた電気信号はそこで光信号１２に変換され、光伝送路に出力される。
【００２３】
一方、信号を受信する場合は、光−電気変換部１６により、まず受信した光信号１３を所望の振幅を持つ電気信号に変換する。この部分について図４を用いて説明する。図４は、光−電気変換部１６の構成例を示す図である。まず、光−電気変換部１６に入った光信号１３は、光検出器であるフォトダイオード２２によって光強度に比例した微小電流２５に変換される。微小電流２５の変化は電流−電圧変換をするプリアンプ２３によって電圧信号２６の変化に変換され、さらにその電圧変化を増幅するポストアンプ２４によって所望の電気信号２７の振幅レベルに変換される。ここで所望の電気信号の振幅レベルとは、システムの中で使われる電気信号のレベルに見合った振幅変化である。
【００２４】
図３に戻って説明を続けると、光−電気変換部１６で変換された電気信号は、後述する光強度監視部１９を介して、データデコード部１７でシリアル−パラレル変換や制御コードを取り除いて元の電気信号に戻される。ここで、全ての通信ノードにおいて、データのエンコード、デコード方法を統一しておくのは言うまでもない。復元された電気信号は、入出力制御部１８により上位層に送られる。図４で説明したように、光−電気変換部１６から出力される電気信号の振幅は光強度に依存するので、十分な量の光信号を受信できないと正しい電気信号を復元することができない。
【００２５】
ここで、光強度監視部１９の動作について説明する。上述の通り、本発明における光伝送路はブロードキャスト型であり、一つの通信ノードから発信した光信号は、光伝送路中を通って他の通信ノードに一様に達する。また、逆方向に進行する光同士はお互いに干渉し合わないという光の特性により、自分が送信ノードである場合でも、自ノードに送信部、受信部を両方備える場合には、図１、図２あるいは図６、図７に示した導光路内部を伝送した光は自ノードでも受信することができる。すなわち、自分で発信した光信号の伝送結果を自ノードで確認することができるのである。図３に示す光強度監視部１９は、この特性を利用して、伝送後の光強度を逐次監視する。従って、通信前の初期設定時など特別なオペレーション以外でも、リアルタイムに伝送状態の監視を行うことが可能になる。
【００２６】
本発明の第一の実施形態では、この光強度監視部１９が、通信中に送信側の発光強度が落ちたことを観測した場合には、図３に示すように、光強度監視部１９から電気−光変換部１５にエラー情報２１を出力し、これにより電気−光変換部１５の駆動条件を変更し、適正な光強度を常に保つようにする。あるいはもっと簡易に、光信号の異常、例えば光強度に不具合があることを検出したときは、それをエラー表示部２０に表示することができる。本発明にかかる光強度の監視は、発光素子の近傍に設置したモニタ受光器の情報をフィードバックさせる従来の方式とは違い、実際に光伝送路中を伝播した光の状態をフィードバックすることができるので、より厳密な故障解析を行うことができる。
【００２７】
図５は、光電変換部９における伝送制御装置の他の例を示す図である。本例では、データ送信ノードは、自分の伝送するデータの全てあるいはその一部をデータ保持メモリ２９に一旦格納する。そして、伝送路を介して受信した信号とメモリに格納した信号をデータ比較・判定部２８で比較し、これによって正しいデータが伝送されているかどうかを判定する。データの誤りを発見した場合には、正しいデータを再送信する手続きをとるか、あるいは適当な方法でデータの誤りを補正することができる。この時、先の実施形態に記載した、電気−光変換部の駆動条件を変更するなどの方法を同時に使うことも有効である。送信データが伝送中にビット誤りを起こす原因としては、電気−光変換部、伝送路、光−電気変換部のそれぞれにおいて考えられ、統計的にそれらをゼロとすることはできない。しかし本実施形態を用いることによって、簡易な方法でビット誤り率を小さくすることが可能である。
【００２８】
図８は、光電変換部９における伝送制御装置のさらに他の例を示す図である。本例では、図のデータ比較・判定部２８において、外部よりモード信号３２を受け、データ比較・判定部２８の機能をキャンセルすることができるようにしたものである。広く知られている汎用バスプロトコルの中には、例えば複数の通信ノードがバスの使用権を取り合うアービトレーションモードの時に、複数の通信ノードから同時に信号が発信される可能性を持つものがある。光バスにおいてこの機能を実現しようとすると、自ノードが信号「０」を出しているのに他ノードが「１」を発信しているために自ノードで受信した信号が「１」となり、見かけ上伝送エラーを起こしているように見える場合がある。これをエラーと判定して発光部の駆動条件を変更したり、エラー表示したりすることが無いように、より上位のプロトコル層からバス動作モードの信号を得て、必要の無い時にエラー判定を行わないようにしたものである。また、このような複数のノードが同時に発光する可能性のある動作モードの場合、信号「０」を発信して「１」が戻ってくる可能性はあるが、信号「１」を発信したら他ノードの動作状態に関わらず「１」を受信するはずであるから、自ノードが「０」を発信する時にのみエラー検知を行うように制御することもできる。なお、先の例においても、この種の外部からのモード信号に応じて、光強度監視部による光出力部の制御機能や伝送エラー表示機能を停止することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の技術では実現できなかった、通信中の伝送状態を逐次監視することが可能になり、より伝送品質の高い光伝送システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられるブロードキャスト型の光伝送路の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２】図１の光伝送路に通信ノードを接続した光伝送システムの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】光電変換部における伝送制御装置の一例を示す図である。
【図４】光−電気変換部の構成例を示す図である。
【図５】光電変換部における伝送制御装置の他の例を示す図である。
【図６】本発明で使用可能な光伝送路の他の例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図７】図６の光伝送路に通信ノードを接続した光伝送システムの一例を示す図である。
【図８】光電変換部における伝送制御装置のさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光伝送路
２ 光入出射部
３ 反射面
４ コア部
５ クラッド部
６、１２、１３ 光信号
７ ４５度面
８ 通信ノード
９ 光電変換部
１０、３０ 伝送制御装置
１１、２５、２６、２７ 電気信号
１４ データエンコード部
１５ 電気−光変換部
１６ 光−電気変換部
１７ データデコード部
１８ 入出力制御部
１９ 光強度監視部
２０ エラー表示部
２１ エラー情報
２２ フォトダイオード
２３ プリアンプ
２４ ポストアンプ
２５ 微小電流
２８ データ比較・判定部
２９ データ保持メモリ
３１ 個別導光路
３２ モード信号

Claims (15)

1. 電気信号を光信号に変換して出力する光出力部と光信号を入力して電気信号に変換する光入力部を備えた複数の通信ノード間を、複数の光入出射部を有し光信号を入力した光入出射部のみならず他の光入出射部からも前記光信号を取り出すことができるブロードキャスト型の光伝送路を介して接続した光伝送システムであって、少なくとも一つの前記通信ノードが、自ら出力した光信号を前記光伝送路経由で自ら受信して光信号の光強度を監視するようにしたことを特徴とする光伝送システム。
2. 前記通信ノードが、前記光信号の光強度を監視して受信光強度が一定となるように、前記光出力部から出力される光信号の光強度を変えることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
3. 前記光信号の光強度について異常を検出したときは、前記異常を伝送エラー表示部に表示することを特徴とする請求項１または２記載の光伝送システム。
4. 前記通信ノードが、自ら出力した光信号を前記光伝送路経由で受信した前記光信号と比較して正しいデータが伝送されているかどうかを監視することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光伝送システム。
5. 前記複数の通信ノードが同時に光信号を発信する動作モードがある場合に、外部から受けた前記動作モードのモード信号に応じて、前記光出力部から出力される光信号の光強度を変える機能をキャンセルすることを特徴とする請求項２記載の光伝送システム。
6. 前記複数の通信ノードが同時に光信号を発信する動作モードがある場合に、外部から受けた前記動作モードのモード信号に応じて、前記異常を伝送エラー表示部に表示する機能をキャンセルすることを特徴とする請求項３記載の光伝送システム。
7. 前記複数の通信ノードが同時に光信号を発信する動作モードがある場合に、外部から受けた前記動作モードのモード信号に応じて、前記正しいデータが伝送されているかどうかの監視機能をキャンセルすることを特徴とする請求項４記載の光伝送システム。
8. 前記光伝送路が、一端に通信ノードごとに設けられた個別導光路が接続され、他端に光の進行方向を概略反対方向に変える端面が設けられた透光性媒体により形成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光伝送システム。
9. 前記光伝送路が、一端に光信号の入射又は出射を担う入出力部を有する階段状の複数の段差が設けられ、他端に光の進行方向を概略反対方向に変える端面が設けられた透光性媒体により形成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光伝送システム。
10. 前記光の進行方向を概略反対方向に変える端面が、光を拡散させる光学系を具備することを特徴とする請求項８または９記載の光伝送システム。
11. 電気信号を光信号に変換して、複数の光入出射部を有し光信号を入力した光入出射部のみならず他の光入出射部からも前記光信号を取り出すことができるブロードキャスト型の光伝送路に出力する光出力部と、前記光伝送路から光信号を受信して電気信号に変換する光入力部と、光強度を監視する光強度監視部とを備え、前記光強度監視部が、前記光入力部で受信される前記光出力部から出力された光信号の強度が一定となるように前記光出力部を制御することを特徴とする伝送制御装置。
12. 前記光強度監視部が前記光入力部で受信される前記光出力部から出力された光信号の光強度について異常を検出したときに、前記異常を表示する伝送エラー表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の伝送制御装置。
13. 複数の通信ノードで同時に光信号を発信する動作モードがある前記通信ノードに設けられる場合に、前記光強度監視部が、外部から受けた前記動作モードのモード信号に応じて前記光出力部の制御機能を停止することができることを特徴とする請求項１１記載の伝送制御装置。
14. 複数の通信ノードで同時に光信号を発信する動作モードがある前記通信ノードに設けられる場合に、前記光強度監視部が、外部から受けた前記動作モードのモード信号に応じて前記異常を表示する伝送エラー表示部の機能を停止することができることを特徴とする請求項１２記載の伝送制御装置。
15. 電気信号を光信号に変換して、複数の光入出射部を有し光信号を入力した光入出射部のみならず他の光入出射部からも前記光信号を取り出すことができるブロードキャスト型の光伝送路に出力する光出力部と、前記電気信号の信号データを格納するデータ格納部と、前記光伝送路から光信号を受信して電気信号に変換する光入力部と、前記光出力部から出力され前記光伝送路経由で前記光入力部で受信された光信号に基づいて前記光入力部で変換された電気信号の信号データと前記格納された電気信号の信号データとを比較し正しいデータが伝送されているかどうかを判定するデータ比較・判定部とを備え、複数の通信ノードで同時に光信号を発信する動作モードがある前記通信ノードに設けられる場合に、前記データ比較・判定部が、外部から受けた前記動作モードのモード信号に応じて信号データの比較・判定機能を停止することができることを特徴とする伝送制御装置。

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