JP6624548B2 - 受光装置および可視光通信システム - Google Patents
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Description
また、これらの広帯域通信を、屋内に限らず屋外や種々の場所で、いつでもどこでも通信可能とするユビキタスな環境での利用が求められている。
これらを実現するために、光ファイバーを用いた有線通信でなく、光無線通信が提案され種々の方式が実用化されている。
この光無線通信は、光ファイバーを用いた有線通信に比べ、ファイバー伝送網が不要なため、光無線システムとして独自の特徴を活かした種々の応用が考えられている。
照明機能としてのLEDは、低消費電力、長寿命などの利点により従来の電球や、蛍光灯に取って代わりつつある。
このLED照明に通信機能を持たせることで、ファイバー設置などの有線通信網を特別に敷設することなく至る所で通信インフラが簡便に敷設でき、かつ電磁波が発生せず、さらに可視光として通信状態が目視可能で、外部への情報漏洩が防止できるなど多くの利便性を有する光無線システムが実現できる。
一般的に、光通信での受光パワーは、光源との距離の二乗に逆比例して大幅に減衰するため、出来るだけ距離を離して光通信を良好に行なおうとするには、送信装置側の光源強度を増加させ、かつ、受信装置側で検出感度を上げる工夫が求められる。
その点、可視光帯域のLEDは、偏光をもたない散乱光が得られ照明としての機能を有し、微小電流でも発光するため省電力であることなどから、可視光通信としてはLEDが発光素子として広く利用される傾向にある。
このAPD,SiPMおよびMPPCは、本来フォトンカウンティング(光子計測)に用いられるものとして商業化されたもので、光電子倍増管(PMT:Photo Multiplier Tube)に比べ、低電圧駆動、高倍増率、高光子検出率、高速応答が可能であることから、高い光感度を検出することができる。
しかし、LEDを用いた可視光通信においては、通常送信側のLED光源に信号波または信号波の変調波を重畳して送信しているため、APD、SiPM、またはMPPCを可視光通信の受光素子として使用するには、可視光通信の送信側のLED光源光を常時受光し、光電変換を安定的に行う必要がある。
そのため、これらのAPD素子について、逆電圧およびバイアス値の設定が素子の入射光量の変化、素子の飽和特性、素子の出力側のプリアンプの飽和、波長特性など種々の条件に配慮する必要がある。
例えば、特許文献1では、受信した光信号の強度変化に応じて、送信用APDのバイアス値を変化させている。
また、特許文献2では、APDのブレークダウン条件および温度条件などをパラメータとしてメモリーに記録し、APDのバイアス電圧を制御している。
また、特許文献3では、APDにより光電変換された信号の波長による感度特性を補正するために、入射光量によりバイアスを変化させている。
すなわち、ファイバー伝送網を利用する場合や近距離での光通信においては、基本的に外部環境や外乱条件による影響は少なく、受光素子に到達する光強度もファイバーの減衰量により変化するものの光無線通信ほど外乱条件に影響されることは無い。
よって、これらの特許文献には、可視光通信におけるAPDをマルチピクセル化したAPDアレイの使い方についての示唆や明示はされていない。
高感度レベルでの入射光量は10-18W程度であり、光子(フォトン)数100個以下に相当する。これらの光子数の場合、入射する光子は離散的であり、この離散的に入射する光量で、通信を行うことは極めて困難である。
一方、SiPMやMPPCへの入射光量が増大すると、ある一定時点で受光素子からの出力電流が飽和してしまう。この飽和時点は素子の発熱などにより倍増率が低下し、直線性が低下するものであるが、受光サイズやピクセルピッチにより変化する。一般的には小ピクセルで受光サイズが大きいほど入射光量が多くても飽和することなく直線性を保ち、ダイナミックレンジを広く取ることが可能となる。
従って、これら高感度のSiPMやMPPCをLED可視光通信に使用可能とするには、最小限LED光源光量の連続光を検知し、かつ光電変換特性が飽和しない範囲で使用することが望ましい。
また、LED可視光通信システムにおいては、送受信装置の距離、LED発光素子の発光強度、設置環境などにより、受光素子に到達する光源光量は変化する。
そこで、LED可視光通信システムに受光感度の高いAPDマルチピクセル(SiPMやMPPC)を利用しようとすると、受光素子の波長特性、利用可能なダイナミックレンジ、バイアス値の設定など多くのパラメータを適正に設定する必要がある。
また、本願の第2発明は、可視光通信用の受光装置であって、複数のアバランシェフォトダイオードをアレイ状に配列してなる受光素子を少なくとも有し、前記複数のアバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させ、前記受光素子のバイアス点が、前記受光素子への入射光量が光子の離散状態を形成しない状態である光子量以上であって、かつ飽和光量以下となるように設定されていることを特徴とする、受光装置を提供するものである。
また、本願の第3発明は、可視光通信用の受光装置であって、複数のアバランシェフォトダイオードをアレイ状に配列してなる受光素子を少なくとも有し、前記複数のアバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させ、前記アバランシェフォトダイオードの検出効率のピーク波長を、350〜550nmの範囲内としたことを特徴とする、受光装置を提供するものである。
また、本願の第4発明は、可視光通信システムであって、前記第1発明または第3発明に記載の受光装置と、前記受光装置に信号光を送る送光装置と、を少なくとも具備し、前記送光装置から送る信号光の発光効率のピーク波長を、350〜550nmの範囲内としたことを特徴とする、可視光通信システムを提供するものである。
(1)可視光通信システムにおいて、APDアレイからなる受光素子に対し、前記受光素子への入射光量が光子の離散状態を形成しない状態である光子量以上であって、かつ飽和光量以下となるように設定することで、通信距離の向上した可視光通信が可能となる。
(2)可視光通信システムにおいて、APDアレイからなる受光素子に流れる電流値を、極力小さく設定することで、受光素子の高温化による性能低下を回避し、実用的で簡易な構成により安定的かつ通信距離の向上した可視光通信が可能となる。
(3)可視光通信システムにおいて、前記APDの検出効率のピーク波長を、350〜550nmの範囲内とする受光素子を用いることにより、送信光源LED素子の波長ピークに合致させることで、効率的かつ安定的な可視光通信が可能となる。
従来、フォトンカウンティングや微弱光検知用に開発されたSiPM、MPPCなどのAPDアレイからなる受光素子が、可視光通信の受光素子として利用し難かった主な理由は、その利用条件や特性が多岐に亘っているためである。
この受光素子に対して、考慮を要する項目には、例えば以下のものがある。
(1)受光素子の温度特性
(2)受光素子の波長特性
(3)ガイガー放電を励起させるための光量
(4)ホワイトノイズ特性
(5)受光素子が飽和しないための入力オーバーロード限界
本発明では、これらの項目を考慮して、以下の条件設定を行うことを特徴とする。
本発明においては、微弱光を検出する部分は利用せず入射光量が増加し、APDアレイの入出力特性(入射光量に対する出力)において飽和限界以下で使用する。
典型的なAPDアレイ(SiPMやMPCC)の入出力特性(入射光量に対する出力)を踏まえると、APDアレイの飽和限界は、光量が凡そ10−7W以上の光量である。つまり、この限界光量以上の光量が照射されるとAPDアレイの特性は飽和してしまい、信号のリニアリティ確保が困難となるので、APDアレイの稼動逆バイアス電圧を上記飽和限界以下に設定する。
従って、APDアレイのバイアス設定としては、そのAPDアレイの飽和限界以下であって光子の入射光量が離散状態を形成しないレベル以上に設定するのが望ましい。
可視光通信において受光素子の倍増率を出来るだけ確保する必要があるため、周囲温度を出来るだけ低く維持するようペルチェ素子など冷却素子を利用して温度補償を行い、倍増率を上げる方法もある。
また、受光素子内の各APD素子に直列に挿入されているクエンチング抵抗を金属抵抗として温度係数を低減するよう配慮した設計を用いる。
本発明においては、各APDおよびクエンチング抵抗に流れる電流値そのものを出来るだけ制限するように受光素子を駆動することで、特別に温度補償回路を設けることなく、APDアレイの駆動が行えることが判明した。
本例においては、逆バイアス電圧75V時において1mA近傍に抑えることで温度変化による電圧値の変動(降下)は抑えられ、通信には大きな支障は生じなかった。
APDなどの微弱光用フォトン検出素子を、可視光通信の受光素子として用いる際には、受光素子の検出効率を上げることで微弱光での通信、および通信距離の拡大を図ることができる。
検出効率=量子効率×開口率×アバランシェ励起確率 (式1)
ここで、量子効率とは、APDアレイを形成するそれぞれのAPDにおいて1フォトンに対して何%の確率で電子正孔が形成されるかであり、フォトンの波長依存性が影響している。
また、開口率とは、受光素子のピクセル中で受光部の占める割合である。
また、励起確率とは、フォトンにより形成された電子がアバランシェ(なだれ)現象を起こし、ガイガー放電が起きる確率である。
更に、この波長特性が検出効率に大きく影響している。
送信側の発光素子としては、受光素子の波長特性に合致して検出効率を効率よく受光しうる波長特性350〜550nmのLED素子を選択する。
これらに適したLED半導体化合材料としては、ピーク波長が450nm近傍のInGaN、同じく489nm近傍のZnCdSeを使用するLEDが望ましい。
その場合は、受光素子の検出効率が向上する波長特性に合致する発光素子の波長特性を選択する。つまり、受光素子の波長特性に合致するように発光素子の波長特性を合わせることが重要である。
可視光通信を屋外で使用する場合、太陽光を始め外乱光の影響があるため、受光素子は可視光帯域の中でも広帯域に波長特性を有するものでなく、ある程度の限られた範囲でピークを有する波長特性をもったものが好ましい。
図1は、本発明に係る可視光通信による送受信が可能な可視光通信システムAの概略ブロック図が示されている。
可視光通信システムAは、LEDを発光素子として利用する送信装置10と、高感度受光素子を利用した受信装置20とから成る。
始めに、送信装置10を構成する各部の詳細について説明する。
インターフェース部11は、通信対応の種々のインターフェースを用いることができ、USB(Universal Serial Bus)、イーサネット(商標登録)LAN、HDMI(商標登録)(High Definition Multimedia Interface)、DMXやMIDIなどの制御用プロトコル、など各種インターフェースが通信および制御目的に応じて備えられている。
インターフェース部11より入力された通信信号は、フレーミング回路12により、共通の可視光通信用パケットフレーミングに変換されてデジタル処理されてから変調回路13へ送られる。
フレーミング回路12は、USBプロトコル、DMXプロトコル、イーサネットプロトコルなどにおいて規定されているデータ形式を可視光通信に適したプロトコルに変換し共通化を図るもので、DLNA(Digital Living Network Alliance)規格データや各種通信プロトコル、制御プロトコル、ネットワークプロトコル、およびその他のデータ形式を可視光通信データ形式として変換するものである。
これらは可視光通信として共通化を図るものであるが、特定の単一通信方式による通信や単独の制御目的であればこれらパケットフレーミング機能は省略することもできる。
変調回路13は、LED通信に適したQAM(Quadrature Amplitude Modulation直交振幅変調)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying四移送偏移変調),OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing直交周波数分割多重)変調など種々の変調方式により変調をかけて変調デジタル信号をとりだす。
通信信号をQAM変調する場合、データ量、ノイズ量および送信速度などの条件を勘案して16QAM,64QAM,256QAMなどいずれか適切な方式を選択する。
QAM変調では四値の振幅および位相をそれぞれずらすことで搬送波に対し16個の情報を搬送する16QAM信号を形成する。
さらに8値の振幅・位相をそれぞれずらして搬送波に重畳する64QAM方式、16値の振幅・位相をそれぞれずらして搬送する256QAM方式などを採用する。
高次モードのQAMになるほど信号点が近接することとなりビット誤り率がノイズとして生じるため、データ転送率や通信・制御目的に応じて適切な方式を採用するか、それぞれの方式を可変とすることもできる。
OFDM方式はデータを複数の相互に直交するサブキャリアに載せて送信する方式で、低シンボルレートで変調される。マルチパスなどの狭帯域干渉性や周波数選択性・フェージングに強く、チャンネルのイコライザー回路が比較的簡単に構成できる利点を有しているため可視光通信においてもこれらの利点を生かすよう組み込むことができる。
変調回路13で変調されたデジタル信号は、D/A変換回路14においてアナログ信号に変換され、調光制御部15へ送られる。
調光制御部15では、常時発光する照明用LEDの照度をPWM(Pulse Width Modulation)方式または位相制御方式により制御している。多くの可視光通信での調光制御はPWMのデューティー比を変化させて行う方法が採用されている。
駆動回路16は、照明用LEDからなる発光素子18を発光させるための定電流回路を形成する。
一般的には定電流スイッチングレグレータを用いて電源ロスの少ないスイッチング電源により電力ロスを極力低減し、高い効率で発光素子18を駆動している。
前記変調回路13の出力がD/A変換されたアナログ変調信号は、調光制御部15を経て、駆動回路16において、照明用の駆動パルス上に重畳され、発光素子18へ送られる。
そのため、照明用LEDと通信用LEDとを別に設けることも考えられる。この場合、調光制御部15は設ける必要はなく、アナログ変換された変調信号は直接駆動回路16へ送られ、LED駆動パルスに重畳して発光素子18から発信される。
発光素子18のダイナミックレンジは限定されるため、QAMなどの強度変調による信号(振幅)レベルが大きい場合は強度変調の振幅レベルにより飽和しないようにバイアス設定部17により設定する。
一般的にはLED発光素子の電源と定電流回路に挿入された抵抗値をLED素子の発光下限電圧値と最大定格電圧値との中間部に設定する。
発光素子18は、その波長特性により発光感度が大きく異なり、LED通信においては送信側の発光素子の波長特性と受信側の受光素子の波長特性により通信距離および感度特性が大幅に異なる。
照明用LEDと通信用LEDとを兼用する場合は、白色LEDの波長特性のピークがほぼ450nm近傍であり、これらのピーク値に近い受光感度特性を有する受光素子を選定することが好ましい。ちなみに単色LEDの場合、青色LEDでは450nm近傍、緑色LEDでは510nm近傍、赤色LEDでは650nm近傍において発光エネルギー感度が最大となる。
そこで、後述する受光素子21としてこれらの波長感度特性を有するAPDアレイ製品を使用する場合、発光素子18としては、450nm近傍にピーク特性を有する白色LEDでもいいが、白色LEDの場合比較的全可視光帯域に亘ってエネルギー感度を有するため、発光素子としては450nm付近のみに波長特性を有する青色LEDが望ましい。
次に、受信装置20を構成する各部の詳細について説明する。
発信装置10の発光素子18を光源光として送信された可視光通信信号は、受信側の受信装置20の受光素子21により受光される。この受光素子は本発明において発光素子の波長特性のピーク値に近い受光感度を有する微弱光検知用APDをマルチピクセル化したものであるSiPMやMPPCなどのAPDアレイを用いる。
図2は、一般的なMPPCの波長特性を示す図である。
図2に示す通り、APDをマルチピクセル化したAPDアレイのいくつかの波長感度特性は、APDの各ピクセルピッチの大きさにより検出効率に違いが見られるものの、いずれの素子においてもほぼ350〜550nmにおいて検出効率がピークとなっている。従って、この感度特性に優れた範囲の波長特性を利用して可視光通信に用いる事が望ましい。
また、可視光通信にAPDアレイを受光素子として用いると、その波長特性は350〜550nm以外の帯域においてかなり減衰しているため、光源光以外の可視光(太陽光)成分は特に光フィルタを用いなくても大幅にカットすることが可能であり、屋外などでの通信を行う場合、APDアレイは比較的好都合の受光素子である。
受光素子21として微弱光検知用APDをマルチピクセル化したAPDアレイを使用するには、バイアス設定部22において受光素子21に逆バイアス電圧を適正に与え、その稼動範囲を設定する。本発明においてはガイガーモードでAPDアレイを駆動するために逆バイアス電圧を概ね50〜90Vの範囲で設定し、かつ使用するAPDアレイの駆動が入射光量により飽和限界以下で作動させ、かつ入射光子が離散入射せず連続して入射する光量以上を検知するようにバイアス設定部22により設定する。
つまり、光子が離散するほどの超微弱光は通信として利用できないためその範囲は受光素子として検知しないように設定することとなる。
受光素子21は、MPPCの場合、APDにクエンチ抵抗と呼ばれる金属抵抗QRが直列に結合されたもので各ピクセルが構成され、それらが数百から数千個アレイ状に配置され夫々が並列結合されたもので構成されている。
APDアレイからなる受光素子21にはガイガーモードで駆動するための逆バイアス電圧が電源回路より供給される。電源回路は電圧調整部および電流調整部により逆バイアス電圧を制御すると共に、APDアレイに流れる電流値を制御する電流制御部を設けている。
電源回路においては、電圧調整抵抗により逆バイアス電圧値を前述のように設定すると共に、電流調整抵抗により受光素子を流れる電流値を調整し、受光素子21の温度特性が受光素子21のホワイトノイズ特性に悪影響しないようできるだけ低く設定する。
この電流値の設定は電流の増加に従って受光素子の感度が増加するものの、電流増加による温度上昇を伴いホワイトノイズも増加するため可視光通信の通信距離確保することと、ホワイトノイズのS/N比を確保することとは相反する関係となっている。
想定される通信距離に従い、受光素子に流れる電流をできるだけ制御するか、定電流回路を設け想定されるホワイトノイズを常に一定値以下に制御しておくかいずれかの方法により構成する。
なお、定電流回路は信号強度や通信距離により常に必要というものではフィルタ回路を経由して受光素子21へ印加される。
受光素子21で受光した信号は、出力電圧として信号取出回路23により取り出す。発光素子18の光源光は駆動回路16により発生する駆動信号に通信用の信号が重畳された形で送信されている。その為、信号取出回路23においては通信用信号の高周波部分のみをRF信号フィルタにより取り出す。
RF増幅部24においてはRF信号を増幅すると共に、特性補償を行う。
取り出された高周波信号は、A/D変換回路25によりアナログ信号がデジタル変換されてデジタル出力として、復調回路26へ送られる。復調回路26においては、送信装置10において行なわれた変調方式に対応した復調が行なわれる。本実施例では送信装置10の変調回路13においてQAM方式により変調を行い送信し、復調回路26においてQAM方式での復調を行なう。
復調回路26において復調された信号はフレーミング回路27によりそれぞれのインターフェースに適合するように共通フレーミング化され出力インターフェース部28へ送られる。インターフェース部28よりUSB、イーサネット、HDMI,DMXなどの出力をそれぞれのプロトコルや信号に応じて取り出す。
本発明においては入力信号が各種プロトコルや送受信信号によりパケット共通フレーミング回路部12により共通化され、デジタル信号として変調回路に送られる構造となっているが、特定の入出力のみでよければ、共通フレーミング回路12,27なしに構成することができる。
例えばHDMI信号の送受信のみを行う場合は、HDMIのデジタル変調信号(例えばOFDM変調信号)を直接D/A変換部14へ入力して送信することもできる。この場合、復調側もA/D変換部25から直接HDMIの復調器の復調部(図示しないODFDM復調部など)へ出力することも可能である。
図3は、受光素子に流れる電流値を調整するための電流調整抵抗の抵抗値と、受光素子を流れる電流値の対応関係を示す表であり、図4A〜図4Eは、図2に示す5つのケースのQAM星座図を示している。
各図からも明らかなように、市販のAPDアレイからなる受光素子に流れる電流値をできるだけ低く設定することで、特にケース3〜5について、比較的な良好な通信結果を得られることがわかった。
10 送信装置
11 インターフェース部
12 フレーミング回路
13 変調回路
14 D/A変換回路
15 用調光制御部
16 駆動回路
17 バイアス設定部
18 発光素子
20 受信装置
21 受光素子
22 バイアス設定部
23 信号取出回路
24 RF増幅部
25 A/D変換回路
26 復調回路
27 フレーミング回路
28 インターフェース部
Claims (3)
- 可視光通信用の受光装置であって、
複数のアバランシェフォトダイオードをアレイ状に配列してなる受光素子と、該受光素子に流れる電流値を制御する電流制御部と、を少なくとも有し、
前記複数のアバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させ、
前記受光素子のバイアス点が、前記受光素子への入射光量が光子の離散状態を形成しない状態である光子量以上であって、かつ飽和光量以下となるように設定し、
前記電流制御部は、可視光通信を行う通信距離に従い、前記受光素子に流れる電流値を制御するように設定し、
前記複数のアバランシェフォトダイオードの検出効率のピーク波長を、350〜550
nmの範囲内としたことを特徴とする、
受光装置。 - 可視光通信用の受光装置であって、
複数のアバランシェフォトダイオードをアレイ状に配列してなる受光素子と、該受光素子に流れる電流値を制御する電流制御部と、を少なくとも有し、
前記複数のアバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させ、
前記受光素子のバイアス点が、前記受光素子への入射光量が光子の離散状態を形成しない状態である光子量以上であって、かつ飽和光量以下となるように設定し、
前記電流制御部は、可視光通信を行う通信距離に従い、前記受光素子に流れる電流値を制御するように設定することを特徴とする、
受光装置。 - 可視光通信システムであって、
請求項1に記載の受光装置と、
前記受光装置に信号光を送る送光装置と、を少なくとも具備し、
前記送光装置から送る信号光の発光効率のピーク波長を、350〜550nmの範囲内としたことを特徴とする、
可視光通信システム。
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