JP4723641B2 - 光学的に再構成が可能な多素子デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光学的に再構成が可能ないくつかの素子を含む無線周波又はマイクロ波デバイスに関する。このタイプのデバイスは、UHF周波数帯(470〜860MHz)からディジタル・テレビジョン用の数GHzに至る周波数と、WLAN(無線ローカルエリアネットワーク)型(2.4GHz−IEEE802.11b、5.8GHz−IEEE802.11a、3.5GHz、WiMAX)のための数GHzから、LMDS(Local Multipoint Distribution system)型(28GHz)のリンク又はマイクロ波デバイス用の衛星リンクのための数十GHzまでにわたって広がる、広帯域高データ速度サービスへのアクセス用に現在割り当てられている周波数との間に位置する周波数帯内に、主に位置付けられる最新の無線通信媒体において必要とされる。
長年にわたって、広帯域サービスへの加入者アクセス又はBWA(広帯域無線アクセス)を可能にする通信システムにおいては、例えば帯域幅、周波数ダイバーシティ、サイズの低減、有効範囲、及び干渉若しくは電磁外乱からの耐性(immunity)に関して、よりいっそう厳しい性能が要求されている。
これらを考慮することによって、伝送機器の工業設計者は、移相若しくはフィルタリング機能、整合システムのための他の機能、又はより具体的にはアンテナにおけるこれらの機能等の、ある種のRF(無線周波)機能又はある種のマイクロ波機能に関して、再構成が可能である革新的なデバイスを生み出してきた。このように、この高度なアンテナ技術によって、有効範囲、伝送能力、リンク品質又はあり得る妨害物(jammer)の方向を突き止める可能性に関して、システム性能が大幅に向上可能となる。この考え方により、制御信号を使用して、環境に対して放射パターンを最適化するために複数のアンテナ素子を組み合わせることが可能となる。この技術は特に、スイッチド・ビーム・アレイ・アンテナ又はアダプティブ・アレイに対して使用される。
単一のパターンでしか放射できない固定式アンテナと違って、再構成が可能なアンテナは、その物理構成を変更した結果として、いくつかのパターンにおいて放射することができる。
現在、平面構造において再構成が可能という概念の分野においては、かなりの研究が行われている。
図1は、MEMS(マイクロエレクトロメカニカル・システム)又はPBG(フォトニック・バンドギャップ、光の禁止帯)技術に基づく再構成が可能なアンテナの概念を示す。
この重要技術は、1つの層103がMEMSアレイから形成されていて別の層107がPBG構造を有する多層基板101、...、10N型の構成と共に設けられたアンテナ素子101の切り換えに基づくものだが、さまざまな電磁気的な構造に依存している。
このように、MEMS分野における最近の技術的進歩によって、アンテナを構成するさまざまな導電性領域のセクションの物理接続又は分離が可能となっているが、現時点においても、アンテナを構成するさまざまなセクションを接続するためのまさに実体的な制御素子が必要となっている。
特許文献1においては、アンテナ素子及び移相素子を含むポータブル端末を対象としたフェーズド・アレイ型の多素子アンテナが記載されている。そのさまざまな移相素子の切り換えは、アモルファス・シリコンTFTトランジスタによってなされている。ここで、主要となる問題は、これらのトランジスタの抵抗率が高いことにあり、このようなトランジスタは、RF周波数においてあまり有効ではない。この欠点を緩和するため、100個のTFTトランジスタを並列に集積することが提案されている。
図2に示されたような他の概念においては、PINダイオード210及び電気光学的に制御されたRFスイッチ201、202、...、208に基づく切り換え技術が使用される。
特開2000−022428号公報
しかしながら、能動RFスイッチ、PINダイオード又はTFTトランジスタに基づくこれらのシステムにおいては、放射導電性のセクション、例えばピクセル型の放射導電性セクションの接続を比較的複雑にする分極化(polarization)が必要となる。
さらに、能動RFスイッチのアレイを使用することによって、能動素子を再構成する際に、大きな制御柔軟性を達成することは不可能であり、制御回路とRF又はマイクロ波電子回路との間が十分に分離されない。
これらの欠点を改善するため、本発明は、光学的に再構成が可能な多素子デバイスを提案する。このデバイスの素子を接続する制御構造は、光学的な構造である。
本発明は、N個のRF又はマイクロ波回路素子を含み、これらの素子を互いに接続する能力を有する接続手段を備えた再構成が可能なデバイスからなる。この再構成が可能デバイスは、前記接続手段を光学的に作動させることができることを特徴とする。
この光学的な解決策の利点の1つは、機器の制御回路とRF/マイクロ波電子回路との間の電磁気的な分離が完全となることである。
他の利点は、バイアスする必要がある能動的な切り換え部品が存在しないことである。
他の認められる利点は、切り換え操作を提供するデバイスの挿入損失が非常に低いことであり、さらに応答時間が、MEMSデバイスのようなデバイスを用いて得られたものよりも相当に短いことである。
本発明はさらに、素子がマトリックスの形態に編成されている場合に、上述した接続手段が光学的に作動可能な接続マトリックスの形態に編成されている再構成が可能なデバイスを対象とする。
本発明の変更態様によれば、それぞれの接続素子に、OLED型(optical light−emitting diode)の多層光学素子が関連付けられていて、この光学素子が接続を作動させることを可能にする。
これらのOLED型光学素子は、接続手段のマトリックスに関連付けられた能動マトリックスの形態に編成されてもよい。
好ましくは、再構成が可能なデバイスの接続素子は、OLED素子と多素子デバイスの導電性ゾーンとの間に置かれた低抵抗率の光抵抗(photoresistive)材料層によって形成されるか、又は、非バイアス・フォトニック能動素子によって形成される。
この解決策の利点は主に、その主要な用途がフラット・スクリーンにあるために、現在よく理解されており低コストであるOLED技術と、製造可能なOLEDベースのスクリーンの(数インチから40インチに及ぶ)現状のサイズを考慮した際に幅広い周波数範囲内において応用が可能となる点とにある。
1つの変更態様として、光学素子のマトリックスが、ドライバと呼ばれる動的な制御デバイスに関連付けられ、さまざまな光学素子が接続点を形成する。場合によっては、この動的制御デバイスは、想定される種々の構成のためのプログラムを含む記憶領域を含む。また、接続マトリックスが、所望の接続点に対応した光学素子のマトリックスに関連付けられたマスクの形態として作製されることも想定される。
この解決策の利点は主に、素子を再構成する際のその柔軟性にあり、素子を、現時点から先、完全に動的であるか又は予めプログラムされている状態とすることができる。
本発明には多くの応用が存在する。より具体的には、本発明は、デバイスの所与の構成において光学的に再構成が可能である素子によって形成されたアンテナに適用される。
この解決策の利点は、OLEDが可撓性基板(プラスチック又は金属膜)上に製造された、新規の再構成可能な適合したアンテナの概念を想定することができることにある。
本発明はさらに、再構成が可能なデバイスの所与の構成において光学的に再構成が可能である素子によって形成されたフェーズド・アレイ回路に適用される。
同様に、本発明は、所与の構成において光学的に再構成が可能である素子によって形成されたRF又はマイクロ波アレイ回路に適用される。
本発明の他の応用はさらに、所与の構成において光学的に再構成が可能であるデバイスの再構成された素子によって形成されたPBG(フォトニック・バンドギャップ)構造の移相器に関する。
添付図面に関連して記載された以下の説明を読むことによって、本発明の理解が深まり、他の特徴及び利点が明確となる。
先に簡単に説明した、従来技術の回路を示す図1及び2については、以下でさらに詳細に説明することはしない。
図3は、本発明によるRF/マイクロ波回路を形成するためのピクセル状であるマトリックスのトポロジにおける1つの例を示す。図3において、RF又はマイクロ波回路素子のそれぞれが、正方形301によって表されている。これらの素子は、RF又はマイクロ波周波数の範囲内のアンテナ機能、移相機能又はアレイ機能を有し得る。パッドとも呼ばれる素子301はそれぞれ、自身を取り囲む他の素子に接続可能となっている。この接続可能性は、図3において、さまざまな素子を表す正方形301に付された破短線302によって表現されている。ある構成においてさまざまな素子を互いに接続させることによって、選択された機能を有する所望のデバイスが得られる。
本発明の本質は、(図3に示した素子のマトリックスには示されていない)光導電性素子によって、これらのさまざまな素子を光学的に接続することにある。
これら光導電性素子のうちの1つにおける発光によって、その光導電性素子が導電的となり、その結果、対応する素子間の接続が得られる。連続した2つの素子を互いに接触させるこのセルは、半導体光導電性セルの原理に基づいている。光の照射下で、デバイスのこの能動素子の中にフォトキャリア(photocarrier)が生成され、これにより材料の導電率が増大し、その結果、セルが導電性となる。
これらの接続素子はフォトニック・デバイスであってもよい。これらフォトニック・デバイスの一部は、上述した光導電性素子と同様にふるまい、発光によって、それらフォトニック・デバイスに導電性が付与される。
他のフォトニック・デバイスは反対の挙動を示す。すなわち、発光がない場合にそれらは導電性であり、発光によってそれらの電気伝導が遮断される。
これらの接続素子は、図3に記載された回路素子のマトリックスに関連付けられた接続マトリックスとして組み立てられる。
本発明によれば、能動素子とも呼ばれるこの接続素子は、単純に、ドープされた又はドープされていない半導体材料層を、接合部を有するか又は有しないように形成し、場合によってはさらに、トランジスタ又はダイオード型のデバイスを含めることによって得ることができる。この材料は、アモルファス・シリコン(a−Si)、又はその光導電性がよく知られており光起電性セル(例えばGaAs)の生産に使用される他の半導体合金とすることができる。基板上に形成されたこの層は、形成すべき接続点のマトリックスに従うようにエッチングされる。
この接続素子はフォトニック・デバイスでもよい。
エレクトロルミネセンス・デバイスの分野においては、OLEDは、例えばLCD(液晶デバイス)などの他の解決策よりも優れた機能を果たす。しかしながら、このLCD技術及び他の光学的技術が、フォトニック素子又は光導電性素子に対する所望の発光をもたらすことも当然に想定し得るものであり、これら技術は、依然として本発明が教示するところに従うものである。
本発明による再構成可能性の文脈内において提案される、新規かつ革新的な解決策は、OLED技術の特定の利用に基づいている。図3に示されたさまざまな素子を接続するために使用されるマトリックスはそれ故、本実施例において、OLEDから形成された能動マトリックスに関連付けられ、それぞれの接続点が、OLEDピクセルと重畳する。OLEDが従来のドライバによって駆動されて作動すると、光導電性素子が導電性となる。
図4は、OLED型エレクトロルミネセンス素子4に関連付けられた光抵抗(photoresistive)素子を使用して形成された、素子1と素子2との間の接続手段3の詳細を示す。
発光OLED構造は、2つの(金属又は酸化物)電極間に形成された有機層の積み重ねからなり、励起子を生み出すために必要な電荷、従って光を発生させるために必要な電荷は、この積み重ねの中へ注入される。
これらの2つの電極、すなわちカソードC及びアノードAの間の有機層内に、発光層Eがあり、発光層Eは、電子輸送層Tによってカソードから、正孔輸送層Vによってアノードから分離されている。従って、カソード及びアノードの間のある電位によって光が発生する。アノードは透明であり、例えば100nmの厚さを有し得る。反射性のカソードは例えば100nmから200nmまでの厚さを有し、各種中間層はそれぞれ、例えば20nmから100nmまでの範囲内の厚さを有する。
このOLED発光素子はガラス基板5上にある。ここでは、光線の伝搬を許容する基板が使用され得る。
この有機層の積み重ねは、ガラス又は金属のカバー6によって、周囲大気の酸素及び水分から守られていなければならない。
ピクセル状の再構成可能な機能を提供するマイクロ波基板7は、この多層構造において最後となる素子である。これらの層間の接触は、ビアホール(via)8によって与えられる。
図4に示された例において、接続素子3は、接続されるパッド1、2上のガラス基板、又はOLED素子4を支持するガラス基板5に形成された光抵抗層によって形成される。ビアホール8は、この光抵抗層3とパッド1及び2のそれぞれとの間の接続を与える。
光抵抗層3は、ガラス又は同等の材料で形成されている基板を介在させずに、パッド1及び2上に直接に形成され得る。
図4に示された例においては、従って、OLED素子4による発光によってこの光導電性素子が導電性となり、それ故、表示された2つのパッド間に電気的な結合が形成される。
以上、OLED素子4に関連付けられた接続素子3を説明した。OLEDマトリックスに関連付けられたこのような接続素子のマトリックスは、多素子デバイスのマトリックスの形態に編成されたさまざまなRF又はマイクロ波回路素子間の光学的な接続を提供する。図5、6及び8によって示された本発明による例示的な実施形態に見られるように、このマトリックスは、所望の構成に配列可能である。その構成は、接続手段によって接続されたパッドのピクセル型マトリックスを構成する金属の刻印(impression)によって規定される。所望の切り換え点に従って、この層のマスクを形成することも可能である。
このピクセル状の導電性のセクションは、規定により、高インピーダンス面を有する。本発明の1つの利点は、RF又はマイクロ波回路素子を含む1つ又は複数のデバイスを形成するために、この高インピーダンス面の特性が使用されることである。OLEDマトリックスが使用され、所望のRF又はアンテナ機能のための設置面(footprint)が、このOLEDマトリックスの一部のみになるとすると、このようにして生成される機能部分は、部分的に又は完全に相互接続された又は相互接続されていないピクセルの存在となるであろう。この機能部分の周囲又は付近に位置するこれらのピクセルの影響は、当業者にはよく知られており、この影響は、高インピーダンス面と組み合わせられる。とりわけ、これらの高インピーダンス面はしばしば、表面波を除去するために、又は2つのデバイス間の分離を増大させるために使用される。このタイプの構造から利益を得るように、又はこれらの表面がRF又はアンテナ機能を妨げないように、これらの高インピーダンス面を使用することが可能である。
このデバイスは、RF又はマイクロ波機能の素子を構成するマイクロ波基板と、OLED素子及び光導電性素子によって形成された多層構造との重ね合わせによって形成される。
接続素子の状態を動的に制御するデバイスは、OLEDマトリックスを駆動するドライバによって形成される。このドライバはさらに、種々のRF又はマイクロ波回路の再構成のための筋書きが記憶された記憶素子を含むことができる。
再構成が可能なアンテナの分野だけではなく、フィルトレーション回路、整合システム、移相器等の複数の調整可能なRF又はマイクロ波回路の分野においても、この概念の多くの応用が想定され得る。このように、これらのアンテナは、作動パラメータ、例えば周波数、RFレベル又はインピーダンスを整合させる際の柔軟性を供する。これらの整合特性は、無線通信の分野において非常に望ましいものである。
図5及び6は、N個の素子の接続によってデバイスを形成し、そのようにして所与のRF又はマイクロ波機能を生成することを本質とする、提案された概念における第1及び第2の実施形態を示す。図5に示されたこの第1の応用の場合、所望の機能は、再構成が可能なアンテナの機能である。図5は、関連付けられた2つのマトリックス、すなわち接続マトリックスとOLEDマトリックスとの組合せとして規定されたOLED接続マトリックス53を使用して再構成される平面アンテナ52に関連付けられた送信/受信素子51を示す。マトリックス53は、素子パッドのピクセル型マトリックスからなる金属の刻印(impression)によって規定されることもできる。所望のアンテナ機能の再構成の筋書きは、OLEDピクセルを駆動する素子54に接続された記憶素子55に記憶され得る。
従って、所望のアンテナ機能を構成するために、それぞれのパッドは、選択された隣接する素子に光学スイッチを介して電気的に接続される。
従って、図6に示された概念は、その物理パラメータに働きかけることによって再構成が可能な新たなマイクロ波機能を実行するデバイスからなり、この第2の応用の場合における所望の機能は、移相機能となる。
この概念は、マルチビーム・アンテナ66のフェーズド・アレイに関する。このフェーズド・アレイは特に、再構成が可能なRF移相器62を使用することによって制御することができ、RF移相器62の2つの移相状態は、OLEDマトリックス63の光学スイッチの状態を変更することによって得られる。送信/受信素子61は、移相器62に信号を送信し、移相器62から信号を受信する。ここで、移相器62はマルチビーム・アンテナ66に信号を送信し、又はマルチビーム・アンテナ66から信号を受け取る。図5の場合と同様に、記憶素子65に関連付けられた駆動素子64が、OLED接続マトリックス63を制御する。
図7は、ピクセル状マトリックスに基づいたこのタイプの光学的な接続によって可能となる機能の例である2つのピクセル・マトリックスを示す。
ここで使用されるOLEDマトリックスは、2つの動作周波数f1及びf2(図7(A))を、2つの角に位置する3つのパッドを切り離すことによる別の動作周波数f3(図7(B))に切り換えることを可能にする。
図8は、PBG構造を能動的に再構成することを可能にする、この光学スイッチの第3の可能な応用を示す。本発明の発明者らは、PBG構造を構成する周期的な特徴部分(features、フィーチャ)の数を変更することによって、このPBG構造の特性を変化させることを提案する。
これは、マイクロストリップ型伝送線84の下で周期的に繰り返される金属の特徴部分(features)からなるPBG構造である。このマイクロストリップ線の接地面mは、OLED80のアノード面(上面)である。基板81は、光抵抗層83が形成されたガラス基板である。基板82は、従来の誘電体基板である。
マイクロストリップ線84の下で繰り返される特徴部分(features)85−1、85−2、...、85−nの数を変更することによって、透過係数の位相が変化することが知られている。特徴部分の数が多くなるほど、透過係数の移相は大きくなる。本発明において提案される光学スイッチは従って、1つのPBG構成から別のPBG構成への「能動的な」切り換えを可能にする。OLEDを駆動させる方法に従って、OLEDは、光抵抗層83上に周期的に間隔を置いて配置されたn個又はn′個の特徴部分85を「照射」し、その結果、光による導電性をもたらす。
例として、3つのPBG構成において達成可能な移相を比較してみる。これらの構成はそれぞれ、18.4mm間隔で周期的に配置された1辺がa=2.3mmの3、5及び7個の正方形の特徴部分からなる。82で示された誘電体基板においては、誘電率が83.38であり、厚さが0.81mmである。それぞれ3、5及び7個の金属被覆された特徴部分からなるPBG構造を用いて、3.5GHzにおいて、例えば、−17°、−23°及び−36°の位相変化が達成可能である。
本発明は、以上に記載された応用に限定されるものではなく、再構成が可能なアンテナの分野において多くの応用を可能にし、さらに、複数の調整可能なRF又はマイクロ波回路(フィルトレーション、整合システム、移相器)を想定可能にする。これにより、周波数、RFレベル、インピーダンス、他のパラメータ等の作動パラメータを整合させることができる。このような特徴は、無線通信分野において非常に望ましいものである。
従来技術による再構成が可能なアンテナの概念を示す図である。 従来技術による切り換え技術を示す図である。 本発明によるRF/マイクロ波回路を形成するピクセルの形態の本マトリックスにおけるトポロジの1つの例に対応する図である。 パッド1とパッド2との間に位置する接続素子の詳細を示す図である。 提案された概念の第1の実施形態を示す図である。 提案された概念の第2の実施形態を示す図である。 このタイプの光学的な接続を有する1つの可能な機能の1つの例を示す図である。 この光学スイッチの第3の可能な応用を示す図である。
符号の説明
1、2 素子、パッド
3 接続手段、接続素子
4 OLED型エレクトロルミネセンス素子
5、81 ガラス基板
6 金属カバー
7 マイクロ波基板
8 ビアホール
51 送信/受信素子
52 平面アンテナ
53 OLED接続マトリックス
54、64 駆動素子
55、65 記憶素子
61 送信/受信素子
62 RF移相器
63 OLEDマトリックス
66 マルチビーム・アンテナ
80 OLED
82 誘電体基板
83 光抵抗層
84 マイクロストリップ型伝送線
85 特徴部分(フィーチャ)
A アノード
C カソード
E 発光層
T 電子輸送層
V 正孔輸送層

Claims (13)

  1. マトリックスの形態に編成されたN個のRF又はマイクロ波回路素子(1、2、301)を備えており、該回路素子を互いに接続させる能力を有する電気的な接続手段(3、302)を有する再構成が可能なデバイスであって
    該接続手段が、光学的に切り換えられることができる接続のマトリックスの形態に編成されており、
    該接続手段が、該回路素子間の接続を発光によって作動させる光学素子に関連付けられていて、
    該発光が、該接続手段の導電率を増大させ、または導電率においてその反対の挙動をもたらす
    ことを特徴とする再構成可能デバイス。
  2. それぞれの接続手段が、接続を作動させる多層光学素子に関連付けられていることを特徴とする請求項1に記載の再構成可能デバイス。
  3. 前記多層光学素子がOLED(4)型であることを特徴とする請求項2に記載の再構成可能デバイス。
  4. 前記OLED型の光学素子が、前記接続手段のマトリックスに関連付けられた能動マトリックスの形態に編成されていることを特徴とする請求項3に記載の再構成可能デバイス。
  5. 前記接続手段が、前記光学素子と前記N個の素子との間に置かれた低密度の光導電性材料層によって形成されていることを特徴とする請求項に記載の再構成可能デバイス。
  6. 前記接続手段が、非バイアス・フォトニック能動素子によって形成されていることを特徴とする請求項に記載の再構成可能デバイス。
  7. 前記光学素子のマトリックスが、接続点を形成するさまざまな素子を動的に駆動するデバイス(54、64)に関連付けられていることを特徴とする請求項から6のいずれか1項に記載の再構成可能デバイス。
  8. 前記駆動デバイスが、想定される種々の構成のためのプログラムを含む記憶領域を備えていることを特徴とする請求項7に記載の再構成可能デバイス。
  9. 前記接続のマトリックスが、所望の接続点に対応した光学素子のマトリックスに関連付けられたマスクの形態として作製されることを特徴とする請求項に記載の再構成可能デバイス。
  10. 請求項1から9のいずれか1項に記載された、所与の構成において光学的に再構成が可能なデバイスの素子によって形成されたアンテナ(52)。
  11. 請求項1から9のいずれか1項に記載された、所与の構成において光学的に再構成が可能なデバイスの素子によって形成されたフェーズド・アレイ回路(62)。
  12. 請求項1から9のいずれか1項に記載された、所与の構成において光学的に再構成が可能なデバイスの素子によって形成された再構成可能アレイ回路。
  13. 請求項1から9のいずれか1項に記載された、所与の構成において光学的に再構成が可能なデバイスの素子によって形成されたPBG構造の移相器。
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