JP6624548B2 - 受光装置および可視光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、可視光通信に用いる受光装置および該受光装置を用いた可視光通信システムに関する。

ブロードバンドインターネットの普及やＨＤ（High Definition）、４Ｋ、８Ｋと称される広帯域デジタル放送の普及に伴い通信システムは高速で、大容量通信を達成する必要が生じている。このため光ファイバーによるＦＴＴＨ（Fiber to the home）やＦＴＴＰ（Fiber to the premises）等と称される光通信システムにより通信基地端末収容設備施設から各家庭、各ユーザまたは他の収容設備施設へと広帯域（主に１００Ｍｂｐｓ以上）による接続サービスが可能となってきている。
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。

この光無線通信としては、ＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emission Diode）を送信用光源として利用し、受信側の受光素子としてはＳｉ-ＰＤ（Silicon Photo Diode）やＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）などを用いた方式が提案されている。
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。

また、ＬＥＤを利用した光通信としては、赤外線ＬＥＤによる無線通信（リモコン装置など）が実用化されているが、可視光ＬＥＤによる光無線通信も数多く提案されている。
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。

これらの可視光通信においては、外部環境や外乱条件により、通信強度が不安定になるため、通信距離を確保できない問題がある。
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。

これらの解決法として、送信側ではより遠距離まで位相の乱れがなく到達するコヒーレント光を発するＬＤを光源光として使用する方法、送信側および受信側にレンズを配置する方法、波長フィルタ、プリズムなどの光学系の性能向上などにより通信距離の拡大を図る方法などが提案されている。

ＬＤ利用の可視光通信は、コヒーレント光であるため通信距離は拡大し、かつ高い感度での光出力の切り替えがおこなえるため、極めて高い領域（数ＧＨｚ程度）での変調も可能であるが、特定の強度以上の電流が流れないと光出力は無くなるため消費電力や回路構成の複雑さなどが課題となっている。
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。

このように、ＬＥＤを利用した可視光通信の受光素子としては、ＰＤが一般的に用いられるが、受光感度を上げるにはより光感度特性に優れたものが必要となる。

本願出願人は、先の特許出願において、種々のＰＤのうちＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）およびこのＡＰＤをマルチピクセル化したＡＰＤアレイである、ＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）やＭＰＰＣ（登録商標）と称される受光素子を用いて受光感度を上げる方法を着想した。
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。

このＡＰＤ，ＳｉＰＭおよびＭＰＰＣは受光感度が高く、高速応答するなど優れた特性を有するものの、本来フォトンカウンティング用として利用することを想定しており、光量が極端に少なく離散した状態での、光子数の計測や、光の検知に適した性能を有している。
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。

なお、受光素子に対するバイアス値の設定に関して、以下の文献に記載する技術が知られている。
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。

特開２００５−４５５６０号公報 特開２００２−８４２３５号公報 特開平９−１６２４３７号公報

これらの特許文献は、主として、光ファイバーを有線伝送網として利用した光通信システムや、極めて近距離での無線通信におけるＡＰＤ受光素子の利用法について開示している。
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。

また、ＡＰＤアレイは、ＡＰＤに比べて受光感度が飛躍的に高く微弱光といわれる入射光量１０^-８〜１０^-１８Ｗ程度をカバーしている。
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。

このように、可視光通信に、超微弱光を検出するためのＡＰＤアレイを使用する場合、光量が極端に少ない光子レベルの超微弱光では信号光源の検知が不安定となり、通信は困難となる。
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。

前述したとおり、市販のＳｉＰＭやＭＰＰＣ素子は、フォトンカウンティングを主たる目的とするため、入射光量が増大した場合の飽和限界、および超微弱光から強い入射光に至るダイナミックレンジについては考慮されておらず、素子により異なる範囲を有している。
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。

よって、本発明は、可視光による無線通信の安定性の向上や、通信距離の拡大を可能とする手段の提供を目的の一つする。

本発明は、可視光帯域特性のＬＥＤを送信装置の光源光とし、ＳｉＰＭやＭＰＰＣなどの微弱光検出用の複数のＡＰＤをアレイ状に並列配置した素子（以下、単に「ＡＰＤアレイ」という。）を受光素子として使用することを要旨の一つとする。また、前記ＡＰＤアレイのバイアス設定を適切に行うことを要旨の一つとする。また、前記ＡＰＤアレイに流れる電流値を適切に設定することを要旨の一つとする。また、前記ＡＰＤアレイの検出効率のピーク波長を適切に設定することを要旨の一つとする。

すなわち、本願の第１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し、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。

本発明によれば、以下に記載する効果のうち、少なくとも何れか１つの効果を得ることができる。
（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。

可視光通信システムの概略ブロック図。 一般的なＭＰＰＣの波長特性を示す図。 受光素子に流れる電流値を変更した測定結果を示す図。 ケース１に係るＱＡＭ星座図。 ケース２に係るＱＡＭ星座図。 ケース３に係るＱＡＭ星座図。 ケース４に係るＱＡＭ星座図。 ケース５に係るＱＡＭ星座図。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る受光素子および可視光通信システムの実施形態について説明する。

［受光素子に対する考慮条件］
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。

＜１＞（Ａ）バイアス設定
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。

検出感度を上げて微弱光でも検出するようにするにはできるだけＡＰＤアレイのデジタルモード領域で使用するのが望ましいが、通信として利用するにはフォトカウンタとしての機能は不要であり、光子の離散状態を形成しない状態である入射光子量（１０^６ｃｐｓ（入射光量約１０^−１２Ｗ））以上である必要がある。
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。

例えば、ＡＰＤアレイの増倍率は温度特性があり、周囲温度が上がるほど増倍率は低下する。
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。

そこで、具体的には、受光素子の駆動電源回路において各ＡＰＤに流れる電流を極力制限する定電流ダイオードを挿入するか、定電流回路を採用する。

定電流回路を挿入する方法では電気の消耗が生じるため、より簡便には電源回路設計において超微弱光領域であるフォトカウンティングレベルでの動作を制限させて受光素子に流れる電流を極力低い電流値に抑えて使用する。
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。

＜２＞（Ｂ）検出効率を考慮した設定
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。

微弱光検知用受光素子の検出効率は、一般的に以下の式１で示される。ここでの検出効率とは、入射したフォトン（光子）を何％検出できるかを示すものである。
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。

市販されているＡＰＤアレイの種類別波長特性と検出効率を調べると、多くのＡＰＤアレイが波長特性３５０〜５５０ｎｍに検出効率が最も高くなる波長特性を有しており、ピッチ数が大きい、つまり開口率が高いほど検出効率が高くなっている。
更に、この波長特性が検出効率に大きく影響している。

本発明では、受信側の受光素子としてＡＰＤアレイ（ＳｉＰＭまたはＭＰＰＣなど）を利用するため、受光素子の波長依存性が大きく検出効率に影響する点を考慮する必要がある。
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。

また、受光素子の検出効率が高い範囲（３５０〜５５０ｎｍ）内に複数の違う波長特性を有する発光素子を使用し、複数チャンネルの可視光通信を行うことも可能である。この場合それぞれの光源光の波長を通過する光フィルタなどにより波長分離を行い複数チャンネルの可視光通信を行う。

市販の微弱光検出用受光素子においてはほぼ同様に３５０〜５５０ｎｍにおいてピークを示しているが、本発明のような微弱光検出光電変換素子を使用する場合、上記以外の波長特性を示すものも考えられる。
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。

＜１＞全体構成
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。

＜２＞送信装置
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。

＜２．１＞インターフェース部
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。

＜２．２＞フレーミング回路
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。

＜２．３＞変調回路
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。

本発明の変調回路においてはＬＥＤ駆動パルスをＰＰＭ（Pulse Position Modulation）変調する方式でなく、ＱＡＭ信号をアナログ変換し、ＬＥＤ駆動パルスに重畳する方法をとるため、ＬＥＤの駆動パルス周波数に直接影響せず高速での通信を実現することができる。
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。

またＨＤＭＩなど主として地上波デジタル放送、ＩＥＥＥ８０１．１１などの無線ＬＡＮや電力線モデムなどの伝送方式では狭い周波数帯域で多量の画像データなどを送信する必要があり、ＯＦＤＭ変調により周波数の利用効率を上げることも可能である。
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。

これらの変調方式は利用目的に応じてＱＡＭ，ＱＰＳＫ，ＯＦＤＭなどの変調方式を採用するが、これらの変調方式を本発明の可視光通信に適用することで、より高速の通信システムを確立することが出来る。

＜２．４＞Ｄ／Ａ変換回路および調光制御部
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。

＜２．５＞駆動回路
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。

照明用ＬＥＤに通信信号を重畳する場合、通信信号は上述したように調光制御回路１６および駆動回路１６を経て発光素子１８の照明光と共に通信光が発光することとなるが、照明光が発光しない場合は通信信号も発光（発信）されないこととなる。
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。

アナログ変換された変調信号はＬＥＤ駆動パルスに重畳されて送信されるが、その際発光素子１８のバイアスを適切に設定する必要がある。
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。

＜２．６＞発光素子の波長特性
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。

本発明においては、発光素子１８と受光素子２１との相互の波長特性が略略合致させる必要性がある。
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。

＜３＞受信装置
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。

＜３．１＞受光素子
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。

＜３．１．１＞波長感度特性
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。

＜３．１．２＞太陽光に対する対策
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。

＜３．１．３＞バイアス設定回路部
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。

＜３．１．４＞ＡＰＤアレイの電流制御
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。

＜３．１．４．１＞電源回路
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。

＜３．２＞ＲＦ信号の取出・増幅
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。

＜３．３＞ＡＤＣ
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。

＜３．４＞復調、フレーミング、インターフェース
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。

＜４＞その他の変形例
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。

＜５＞実験結果
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。

前記した実施例１では、発光素子にＬＥＤを用いたことを想定しているが、本発明に係る発光素子はＬＥＤに限定されず、有機ＥＬそのほかの発光手段を用いることができる。

Ａ 可視光通信システム
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。