JP4880614B2 - 遠隔のネットワークコンポーネントに光学的にパワー供給するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、光ネットワークの遠隔に配置されたコンポーネントに光学的にパワー供給するためのシステム及び方法に関し、具体的には、遠隔に配置された供給源から送出された光パワーを、入力信号を処理する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）をバイアスする電力に変換するための光検出器アレイの使用に関する。

現在、多くの建物で光ネットワークが用いられている。光ネットワークは、電気ケーブルに基づくシステムと比較して本質的に高い帯域幅容量を有するにも関わらず、コンピュータ及び通信システムの改良によって増大し続ける帯域幅要求に追いつくために、しばしば拡張されなければならない。ネットワークの拡張では、一般的に、ネットワークの中央処理装置から遠隔に配置されたネットワークコンポーネントが追加される。特に、無線通信の成長により、既存の事務所及び建物サイズの光ネットワークとの無線インターフェイスに対する要求が高まっている。これらの無線インターフェイスの周囲には、高速無線データ通信のためのピコセル又は所謂ホットスポットが設けられるのが一般的である。そのようなインターフェイスは、中央ヘッドエンドに接続された遠隔アンテナとして機能するトランスポンダの形態をとり得る。

トランスポンダ又は他の何らかの遠隔に追加された装置の形態の追加されたネットワークコンポーネント内に存在する光電子半導体装置を動作させるには、電力が必要である。光ファイバは電力を伝送できないので、追加されたコンポーネントに電気を供給するための他の何らかの手段が必要である。最も単純な方法は、ネットワークに更なる電力線を追加することである。しかし、追加されたコンポーネントが遠隔に配置されていることから、そのような電力線の追加は困難且つ高価になりがちである。別の解決法は、光ファイバと電力線とを組み合わせたケーブルを用いることである。この解決法は、電力線を別途設置するよりは安価であるが、依然として電気ケーブルの追加を必要とする。

電界吸収型光変調器（ＥＡＭ）を用いたパッシブ型ピコセル設計が提案されている。これらの設計の幾つかでは、ＥＡＭは電気信号によってバイアスされる。この電気信号は、遠隔の光パワー源から光ファイバを介して受け取った光を電力に変換することによって得られる。残念ながら、ＥＡＭは少量生産であるので比較的高価である。更に悪いことに、ＥＡＭが機能するにはシングルモード光ファイバの使用が必要であり、一方、大半の小規模で短距離の光ネットワークは、全体的なシステムコストを低減するためにマルチモードファイバを用いている。よって、そのような解決法は、やはり（ほとんどのケースで）システムの光ファイバの少なくとも一部の交換を必要とすると共に、ＥＡＭのコストに起因して高価であるという短所がある。

電力線の別途設置を必要とせずに、又は既存の光ファイバの交換を必要とせずに、既存の光ネットワークにトランスポンダ等の新たなコンポーネントを追加するためのシステムが必要なことは明らかである。そのようなシステムは、比較的実施が容易且つ安価であり、既存のネットワークインフラと完全に適合するのが理想的である。最後に、そのようなシステムは、安価なマルチモード光ファイバを用いて、全く新たな建物サイズのネットワークを実装することも可能であるべきである。

本発明は、上述の従来技術に伴う全ての短所を回避する、ネットワークコンポーネントに遠隔から光学的にパワー供給するためのシステムである。この目的で、本発明のシステムは、概括的に、遠隔に配置された光パワー供給源から光ファイバを介して受け取ったパワーによってバイアスされるＶＣＳＥＬを含む回路を備える。一実施形態では、遠隔のパワー供給源から受け取られたバイアス光は光電変換器に結合され、ＶＣＳＥＬが電力でバイアスされるようになっている。光電変換器は光検出器アレイ又はフォトダイオードであってもよい。別の実施形態では、バイアス光は、ＶＣＳＥＬを直接バイアスするためにＶＣＳＥＬの活性領域に直接結合される。いずれの実施形態においても、回路は、入力信号に従ってＶＣＳＥＬの光出力を変調するためのバイアスティー又は他のコンポーネントを含む。

回路は、ピコセルシステムのトランスポンダを含んでもよく、この場合、ＶＣＳＥＬは入力電気信号をアップリンク光信号に変換し、アップリンク光信号はパワー伝送用光ファイバ又は別個の光ファイバを介してヘッドエンド回路に伝えられる。トランスポンダは、無線信号を入力信号に変換する高周波回路を含んでもよく、この入力信号を用いて、光電変換器によって生成されたＶＣＳＥＬのバイアス電流が変調され、ＶＣＳＥＬの光出力がアップリンク信号として変調される。ヘッドエンド回路は、デジタルベースバンド信号を高周波信号に変換する高周波回路を含んでもよく、この高周波信号はダウンリンク光信号に変換される。ヘッドエンド回路は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）又はレーザダイオード等といった、バイアスパワーを生成するための光パワー供給源を更に含んでもよい。ヘッドエンド回路は、同じ光ファイバ又は平行な異なる光ファイバを介して、光パワー及びダウンリンク光信号をトランスポンダに同時に伝えてもよい。ヘッドエンド回路は、アップリンク光信号をアップリンク電気信号に変換する光電変換器を更に有してもよく、ヘッドエンド回路の高周波回路は、トランスポンダから受け取ったアップリンク電気信号をデジタルベースバンド信号に変換するよう動作してもよい。

トランスポンダは、ダウンリンク信号をバイアス電流から分離して、それを伝送のためにトランスポンダの高周波回路に伝えるための、光電変換器によって生成される電力に接続されたＡＣ結合回路を含んでもよい。最後に、ピコセルのヘッドエンド回路及びトランスポンダは、個々の高周波回路の入力と出力との間に、ダウンリンク信号及びアップリンク信号の非干渉処理を可能にするための電気的サーキュレータ又は高周波（ＲＦ）スイッチを含んでもよい。

遠隔に配置された光パワー供給源によって生成される電力によってバイアスされるＶＣＳＥＬの使用は、従来技術を凌駕する複数の長所を提供する。ＥＡＭとは異なり、ＶＣＳＥＬは低コストであり、マルチモード光ファイバ及びシングルモード光ファイバの両方と適合可能である。ＶＣＳＥＬは、光ファイバを介して一般的に伝送可能な量のパワーで容易に作動される。更に、ＶＣＳＥＬは、光ネットワークで現在使用されている任意の波長（高速ネットワークで用いられている０．８５、１．３及び１．５５マイクロメートルの波長を含む）で動作するよう製造され得る。最後に、光パワーの変換は、電磁干渉及び高周波干渉の影響を受けないクリーンでスパイクのない電力を提供し、これにより、得られるネットワークの信頼性が高まる。

全ての図面において、類似の参照番号は類似の構成要素を表す。図１を参照すると、本発明のシステム１は、入力信号を処理するネットワーク（図示せず）の遠隔コンポーネント３を含む。遠隔コンポーネント３は、ＶＣＳＥＬ６、光検出器アレイ８及びバイアスティー１０を含む回路５に接続された入力信号源４を含む。回路５には、ＶＣＳＥＬ６の光出力を最大化するために、光検出器アレイ８が生成する電力の電圧対電流量を調節するＤＣ変換器１２も含まれ得る。従って、そのようなコンポーネントの使用は一般的には好ましくない。

システム１は、図１の例では出力が光ファイバ１９に接続されたレーザ光源１７によって構成される遠隔の光パワー供給源１５を更に含む。ファイバ１９は光検出器アレイ８に光学的に結合されている。光パワー供給源１７は、光ファイバ１９を介して光検出器アレイ８に少なくとも３ミリワット、好ましくは６ミリワット以上のパワーを送出できるものでありさえすれば、レーザダイオード、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）又は発光ダイオード等の多くの市販のコンポーネントの任意のもので構成されてよい。

動作においては、先に示したように、レーザ光発生器１７によって発生されたレーザ光は、光ファイバ１９を介して光検出器アレイ８に伝送される。次に、光検出器アレイ８はＤＣ電流を生成し、このＤＣ電流は、ＶＣＳＥＬ６をバイアスするためにＶＣＳＥＬ６に供給される。バイアス電流は、変調された入力信号がバイアスティー１０内に含まれる誘導子及びキャパシタ（図示せず）に作用することによって変調される。変調されたバイアス電流をＶＣＳＥＬ６に供給することにより、ＶＣＳＥＬの光出力信号も同様に変調される。

図２は、ＶＣＳＥＬの光出力を最大化するためにバイアス電流の電流電圧を調節することの重要性を示す。上昇するグラフは、例えば、典型的な１．３マイクロメートルのＶＣＳＥＬの電流電圧特性を示す。上のグラフは、例えば、直列接続された６つのインジウム−ガリウム−ヒ素検出器で構成される典型的な光検出器アレイによって生成され得る電流及び電圧の組み合わせを示す。ＶＣＳＥＬの光出力は、矢印で示されるこれら２つのグラフの交点で最大になる。従って、ＶＣＳＥＬの光出力は、約２ボルトで約２．８ミリアンペアの電流で最大になる。光検出器アレイ８は、複数の異なるタイプの光検出器の加算若しくは減算によって、又は図１に示されているＤＣ変換器１２を用いることによって、そのような電流及び電圧の組み合わせを提供するよう調節されてもよい。しかし、そのようなＤＣ変換器の使用は、光検出器アレイが生成する電力の一部をこのコンポーネントの動力源として用いなければならないので、一般的には好ましくない。このようなＤＣ変換器１２は市販の半導体コンポーネントであり、それ自体は本発明の一部を構成するものではない。

図３は、ＶＣＳＥＬへのバイアス電流が増加するにつれて変調帯域幅が増加する様子を示す。バイアス電流が１ミリアンペアの場合には、応答は約６．０ギガヘルツまでは十分に正であるが、その後は急激に低下して−３デシベルを下回るようになる。２ミリアンペアの場合には、性能は略改善されるが、周波数が約８．０ギガヘルツまで増加すると、応答は低下して−３デシベルを下回るようになる。２．８ミリアンペア及び３ミリアンペアを用いると、ＶＣＳＥＬは、応答が８．６ギガヘルツの周波数で−３デシベルまで低下するまでは動作可能である。２．８ミリアンペアの場合及び３ミリアンペアの場合がほぼ同一の曲線であることから、図３のグラフは、２．８ミリアンペアの電流が（それ以上電流量を増加しても有意な帯域幅の増加は生じないので）、ＶＣＳＥＬの最大変調帯域幅を得るために最適であることを示している。

図４は、ＶＣＳＥＬ６が図１に示されるシステム１内で動作する際の、誤りのないはっきりとしたデジタル情報を伝送する能力を示す。具体的には、この図は、図１の構成において約２．０ボルトで２．８ミリアンペアのバイアス電流で動作するＶＣＳＥＬが、２．４ギガビット／秒の速度で誤りのないデータ伝送を生じることができる様子を示している。他のタイプの端面発光型半導体レーザが図４に示されるのと同じ速度で誤りのないデータを伝送するために約６又は７倍の電力（即ち３０〜４０ミリワット）を要することを考えると、これは特に印象的な結果である。

図５Ａには、本発明のシステムの第２の実施形態２０が示されている。この実施形態では、検出器アレイ８はなくなり、ＶＣＳＥＬ６は、光パワー供給源１５のレーザ光発生器１７の出力によって直接光学的にポンピングされる。このような光ポンピングは、より短い波長の光がＶＣＳＥＬ６の活性領域に向けられた場合に達成され得る。例えば、バイアスされたＶＣＳＥＬ６が１．３０マイクロメートルのレーザ光を発生する場合には、ポンプレーザ１７が発生する光は約１．２マイクロメートル以下の波長を有するべきである。

図５Ｂには、電気的ポンピングと光ポンピングとの相対的パワー効率が略同じであることが示されている。例えば、ポンプパワーが４．０ミリワットである場合に得られる、ＶＣＳＥＬ６からの１．３マイクロメートルのレーザ光の強度は、約０．８０ミリワットである。具体的には図示しないが、フィルタ又はブラッグ格子と光サーキュレータ又はファイバ結合器とを組み合わせることにより、ＶＣＳＥＬ６の光出力が、光ファイバ１９を介して伝送される光ポンプパワーから容易に分離され得る。その他にも、パワー信号からダウンリンク光信号を分離するための幾つかの技術がある。図５Ａのシステム１の実施形態は、ＶＣＳＥＬ６の光出力より短い波長のポンプ光を発生するレーザ光発生器１７のみを必要とするので、簡単且つ安価であるという長所を有する。

図６には、本発明を具現化するピコセルシステム２１が模式的に示されている。システム２１は、一般的に、少なくとも１つの光ファイバを介してヘッドエンド回路２３に遠隔接続されたトランスポンダ２２を含む。

トランスポンダ２２は、アンテナ２５を介して無線（ＲＦ）トランシーバ２４とのデータの送受信を行う。アンテナ２５は、システム２１の動作中にアップリンク信号とダウンリンク信号との間の干渉を防止するよう機能するサーキュレータ２７に接続されている。そのようなサーキュレータはフェライト材料から形成され、高周波が任意の２つの隣接するポート間を一方向のみに流れるのを可能にする３つの端子を含む。そのような装置は従来技術で公知であり、それ自体は本発明の一部を構成するものではない。サーキュレータ２７の１つのポートはＡＣ結合２９ａを介して光検出器３１に接続され、このコンポーネントの他のポートはＡＣ結合２９ｂを介してＶＣＳＥＬ３３に接続される。ＶＣＳＥＬ３３は、好ましくはマルチモードファイバである光ファイバ３４を介してヘッドエンド回路２３に光学的に結合される。バイアス電流導体３５は、光検出器３１によって生成されたバイアス電流をＶＣＳＥＬ３３に伝える。

ヘッドエンド回路２３は、レーザ、ＥＤＦＡ又はＬＥＤであってもよい光源３７を含む。光源３７は、光ファイバ３９を介してトランスポンダ２２の光検出器３１に遠隔接続される。ヘッドエンド回路２３は光検出器４１を更に含み、光検出器４１の入力は、上述の光ファイバ３４を介してトランスポンダ２２のＶＣＳＥＬの出力に遠隔接続される。光源３７及び光検出器４１は、もう１つのサーキュレータ４３の３つのポートのうちの２つに接続される。サーキュレータ４３の第３のポートはアンテナ４７に接続される。アンテナ４７は無線（ＲＦ）トランシーバ４８とのデータの送受信を行う。

動作においては、トランスポンダ２２とヘッドエンド回路２３との間のダウンリンク信号及びアップリンク信号の伝送は、しばしば時分割複信（time-duplex）で行われる。ダウンリンク信号を伝送する際には、無線トランシーバ４８は、デジタルベースバンドダウンリンク信号を高周波信号に変換し、この高周波信号がアンテナ４７に送られる。レーザ光源３７の光出力を変調してダウンリンク光信号を生成するために、サーキュレータ４３は高周波信号をレーザ光源３７の入力に伝える。ダウンリンク光信号は光ファイバ３９を介してトランスポンダ２２の光検出器３１に伝送され、光検出器３１はダウンリンク光信号をダウンリンク高周波信号に変換する。次に、ダウンリンク高周波信号はＡＣ結合２９ａを介してサーキュレータ２７に伝えられ、そこで、アンテナ２５を介して無線トランシーバ２４に送信される。このようにして、無線トランシーバ４８からのダウンリンク信号が無線トランシーバ２４に送信される。

ピコセルシステム２１を用いて、無線トランシーバ２４からトランシーバ４８にアップリンク信号を伝送する場合には、レーザ光源３７は、光ファイバ３９を介して検出器３１に、バイアス電流を生成するためのバイアス信号を送る。次に、バイアス電流が導体３５を介してＶＣＳＥＬ３３に伝えられる。同時に、無線トランシーバ２４はアップリンク信号を送信し、アップリンク信号はアンテナ２５によって受信され、サーキュレータ２７を介してＡＣ結合２９ｂに伝えられる。ＡＣ結合２９ｂでアップリンク高周波信号から生成される時間変動する電荷は、ＶＣＳＥＬ３３の入力に印加され、ＶＣＳＥＬ３３の光出力がアップリンク高周波信号に従って変調される。得られたアップリンク光信号は、光ファイバ３４を介してヘッドエンドの光検出器４１に伝送され、そこからサーキュレータ４３を介してアンテナ４７に伝送され、無線トランシーバ４８に伝送される。

図示されているピコセルシステム２１はアップリンク信号用及びダウンリンク信号用の２つの光ファイバ３４及び３９を有するが、両端で分岐してトランスポンダの光検出器３４及びＶＣＳＥＬ並びにヘッドエンド回路２３のレーザ光源３７及び光検出器４１に接続する単一の光ファイバ４８（破線で示す）のみを用いてもよい。更に、ピコセルシステムの動作を時分割複信に関して説明したが、この同じアーキテクチャは、アップリンク信号とダウンリンク信号とがそれぞれ異なる周波数帯で同時に伝送される周波数分割複信（frequency duplex）でも動作可能である。

図７には、同様にトランスポンダ５２とヘッドエンド回路５４とを含む本発明のピコセルシステムの第２の実施形態５０が示されている。このシステム５０のトランスポンダ側では、ラップトップコンピュータ５７とＷｉ−Ｆｉカード５８との組み合わせで構成される無線トランシーバ５６がダウンリンク無線信号を送信する。トランスポンダ５２は、サーキュレータ６２に接続されたアンテナ６０を含み、サーキュレータ６２の残りの２つのポートは、ＶＣＳＥＬ６３の入力に接続されたバイアスティー回路６２と、フォトダイオード６５とにそれぞれ接続される。ＶＣＳＥＬ６３の光出力は、アップリンク光ファイバ６４に結合される。フォトダイオード６５の光入力はダウンリンク光ファイバ６６に結合される。トランスポンダ５２は光検出器アレイ６７を更に含み、光検出器アレイ６７の入力はバイアス光ファイバ６８に結合され、光検出器アレイ６７の電気出力は導体６９を介してバイアスティー６２に接続される。

次にシステム５０のヘッドエンド回路５４を見ると、回路５４は、アップリンク光ファイバ６４の他端に結合された光受信器７１と、ダウンリンク光ファイバ６６に結合されたＤＦＢ−ＬＤの形態の光送信器とを含む。エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）７４は、トランスポンダの光検出器アレイ６７にパワー供給するために、バイアス電流用光ファイバ６８の入力に結合される。光受信器７１の出力及び光送信器７２の入力は、サーキュレータ６３の３つのポートのうちの２つに接続される。残りのポートはコンピュータ７７とＷｉ−Ｆｉカード７９との組み合わせによって構成される無線トランシーバ７６の出力に接続される。

動作においては、無線トランシーバ７６のＷｉ−Ｆｉカード７９はＩＥＥＥ８０２.１１ｂ／ｇ標準に基づくものであった。従って、ダウンリンクデータ速度の周波数は２．４ＧＨｚであった。データ速度は、無線トランシーバ５６のラップトップコンピュータ５７上で読み取るか、又は、コンピュータ７７とラップトップコンピュータ５７との間でのファイル伝送にかかる時間から測定することができる。

幾つかの好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には、これらの実施形態の多くの変形及び変更が自明である。例えば、別の設計では、図６の実施形態を参照して説明したサーキュレータ４３はなくてもよい。図６及び図７の実施形態のヘッドエンド回路２３及び５４に示されているアンテナインターフェイスもなくてもよく、これらの回路２３及び５４は、インターネットや企業のイントラネット等のバックボーンネットワークに直接配線接続されてもよい。そのような全ての変形及び変更は、特許請求の範囲の文言及びその均等物のみによって限定される本発明の範囲に包含されることが意図される。

本発明のシステムの第１の実施形態の模式図 ＶＣＳＥＬの光出力を最大化するためにＶＣＳＥＬ及び光検出器アレイの電流電圧特性が一致させられ得る様子を示すグラフ 複数の異なるバイアス電流でＶＣＳＥＬの変調帯域幅が増加する様子を示すグラフ 特に２．４ギガビット／秒のデータ速度で鮮明に示されたデジタルの１と０とを示す、図１の模式図に従ったバイアスされた１．３０マイクロメートルのＶＣＳＥＬの光出力の「目」の図 図１の回路の光検出器アレイをなくし、ＶＣＳＥＬが光パワーによって直接バイアスされ得る様子を示す、本発明のシステムの第２の実施形態の図 入力レーザのポンプパワー（ミリワット）に対するＶＣＳＥＬの光出力強度（ミリワット）を示すグラフ 本発明の回路を用いたパッシブ型ピコセルシステムの第１の実施形態の模式図 本発明のパッシブ型ピコセルシステムの第２の実施形態の図

Claims (9)

1. 入力信号を処理するネットワークコンポーネントに光学的にパワー供給するためのシステムであって、当該システムが、
   ＶＣＳＥＬ及び光電変換器を含む回路と、
   前記回路に対して遠隔に配置された光パワー供給源と、
   前記光パワー供給源に結合され、前記回路に光パワーを伝える光ファイバと
   を有してなり、
   前記光電変換器が前記光パワーをバイアス電流に変換し、前記ＶＣＳＥＬがバイアス電流導体を通じて、前記バイアス電流によりバイアスされ、前記ＶＣＳＥＬが前記入力信号を受け取る入力と光出力信号を供給する出力とを備えること、前記光電変換器および前記ＶＣＳＥＬは、それぞれ対応するＡＣ結合により高周波回路に結合されること、及び
   前記回路が、前記出力が前記ＶＣＳＥＬによって生成される変調されたレーザ光ビームとなるように前記バイアス電流、前記入力信号及び前記ＶＣＳＥＬの入力に接続されたバイアスティーとを含むことを特徴とするシステム。
2. 前記光電変換器が光検出器アレイであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記光電変換器によって生成される電圧及び電流量が可変であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記高周波回路が、無線信号を前記入力信号に変換することを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記回路がトランスポンダであり、前記ＶＣＳＥＬの出力がアップリンク信号を生成することを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記ＶＣＳＥＬがアップリンク光信号を生成し、前記システムが、前記アップリンク信号をピコセルシステムのヘッドエンド回路に伝える第２の光ファイバを更に備えることを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記光ファイバがダウンリンク光信号を伝え、前記光電変換器が前記ダウンリンク光信号をダウンリンク電気信号に変換することを特徴とする請求項５記載のシステム。
8. 前記高周波回路が前記ダウンリンク電気信号を無線信号に変換することを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記回路が、前記ダウンリンク電気信号及び前記入力信号を周波数回路の入力及び出力に接続するサーキュレータ及び高周波スイッチの一方を更に含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。

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