JP6959316B2 - 高速自由空間光通信 - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１１年８月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／５２８，１１９号と、２０１２年７月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／６７１，０３６号の利益を主張するものであり、これらの文献はそれぞれそのまま引用されることによって本明細書に組み込まれる。

送信データの帯域幅と、このデータを屋外で伝えることができる範囲は、低速な単一のまたは複数の高出力半導体レーザー送信機、または、光変調器および／または光増幅器を備えたそのような送信機の組み合わせに依存した技術、あるいは、数メートルよりも遠い距離にわたって自由空間光通信の高帯域速度を達成するために、先に記載された構成要素と組み合わせて多波長を用いる技術に依存してきた。現在まで、これらの技術の実行に関わる複雑さは、局所化したシステムに関しては、とりわけメートル単位の短い距離について法外な費用がかかっている。利用可能なリンクバジェット、またはエミッタから利用可能な電力も、複雑で高額になるアライメントや検出の問題と同じように、コストを考慮すべきものである。多くのリンクバジェットを備えたコスト効率の良い無線の光送信機は望ましい。垂直共振器型発光（「ＶＣＳＥＬ」）アレイが上記の距離に必要な光パワーを作り出すことができ、はるかにコスト効率が優れているが、既存のＶＣＳＥＬアレイは必要とされる非常に高い帯域（一般に単一のＶＣＳＥＬ装置に関連付けられる）を作り出すことはできない。

短距離の光通信では、回路基板上の隣接する送受信機と送受信機の間にファイバー構造を用いると、レーザー開口部へのファイバーのアライメントが制限される。このアライメントは一般に、サイズが増大し製造コストも増えた機械的に組み立てられた部品を用いて達成され、そして、この問題は多数のファイバーで悪化する。リンクバジェットでの低電力量に基づく自由空間の光学の設計は、達成可能な公差が、極端に機械的な基板対基板のアライメントを要求するということを意味しており、これは精巧な機械的なコネクター構造を用いてコストがかかる。再度、単一のＶＣＳＥＬデバイスは、帯域幅と費用構造についてはもっとも適しているが、必要な電力に欠け、ほぼ達成不可能な公差にアライメントを制限している。

関連する出願は、ＶＣＳＥＬアレイがどのように製作され試験されるかを例証しており、その結果は、動力と速度を考慮すれば最先端技術よりも優れている。ＶＣＳＥＬアレイで可能な設計と実装の観点から構成上の柔軟性に優れているため、サブアレイのアレイ、アレイの多波長アレイ、パターン化した形状などの独特な構成は、容易に実現することができ、機械的な手段を用いずに光路を容易にかつ迅速にスキャンし、および、アレイ構成に従って光路を形作り、あるいは、光路が多数の可能なリンクを有し性能を増加させることを可能にする。これらの技術を駆使してコスト効率の良い高速かつ高出力アレイを作る能力は、コスト効率に優れた高速の光無線通信にまたとない機会を創出する。

同様に、隣接する回路基板間の高速光通信は従来、光ファイバーまたは複数の光ファイバー送受信機、あるいは、データの多チャネルの単一光ファイバー構成または半導体レーザー自由空間光学送信機構成への波長分割多重を用いて達成されてきた。これらの構成のいずれかにおいて、所望の帯域幅で最小の信号対雑音比を達成するために、エミッタから検出器に十分なエネルギーを送達する必要がある。成功した設計は利用可能な電力またはリンクバジェットで始まり、その後、システムで発生した損失をすべて計算し、検出器で十分な出力密度を備えて終わる。高速検出器は小型で、ゆえに、十分な信号対雑音レベルを維持するためにより多くの出力密度を必要とする。リンクバジェットの計算における深刻な損害の１つは、エミッタに対する検出器のアライメントの損失である。システムの信頼性は、アライメントの問題や他のシステム損失を克服するために、エミッタから利用可能な電力量に大きく依存している。

隣接する回路基板間の光通信は、銅による接続で利用可能な帯域幅よりも高い帯域幅を含む、多くの利点を提示している。自由空間の光学配置は通常、部品の単純性から、ファイバーシステムよりも好まれるだろう。しかしながら、自由空間系では、送信機と受信機の間での並進および角度と両方のミスアライメントを考慮に入れて、調整を行わなければならない。加えて、レーザーの安全性の事項に考慮しなければならない。一般的に、自由空間の構成は、高価なまたは精密な機械コネクターあるいは高価な実装構成を必要とする低電力デバイスまたはリンクバジェットによって制限される。本明細書で開示される実施形態は、非常に高い帯域で作動するＶＣＳＥＬデバイスの高出力アレイを可能にするために、同一出願人による米国特許番号７，９４９，０２４号を含む、関連出願で開示された技術を採用する。これらのレーザー源から利用可能な追加の電力またはリンクバジェットで、緩いアライメント公差は、以前はコスト効率の良いやり方では達成できなかったレベルにまで全帯域幅を増加させる、小さく、高速で、コスト効率の良い、自由空間の単信または二重の単一または並列のチャネルを可能にする、劇的な設計の変更をもたらすことができる。

光通信は、データセンターに利点を与えることもある。大気中の粒子状物質のような見通し内通信にとっての障害の多くは、データセンター環境では最小である。ビームアライメントの精度の上昇も達成可能である。本明細書に記載の発明の実施形態は、妥当なコストで先例がない帯域幅値を達成するために、これらの因子を活用することができる。さらに、光通信を使用すると、データセンターで必要とされるケーブルの量が劇的に減り、複雑さや維持費も減る。

単一の、チャネルが１つの送信機および受信機の対を描いている。 一対の揃いの多重チャネル送受信機を描いている。 エミッタと検出器の両方を含む、３２ビットのエミッターチップを描いている。 強度変調に役立つサブクラスタの配置を描いている。 データセンターのラック内の自由空間光スイッチを描く。 自由空間の光スイッチまたは送受信機を表面の上に取り付ける構造を描く。 周波数、角度、および、空間多重化を採用する実施形態を描く。 高速自由空間の光スイッチの実施形態を描く。

（アレイ・クラスタ）
相互の１対の内側に面したデバイスが完全な双方向通信を提供することを容易にするために、対称的な方法で受信側の検出器の対応するアレイ上に、高出力かつ高速の自由空間レーザービーム（関連出願に記載されているものなど）の小さなクラスタの単一の、二重の、一次元または二次元のアレイを含んだ実施形態が記載されている。クラスタは並列に接続されてもよく、あるいは、個別にかつ並列に駆動するバイナリ重み付けサブグループに分割されてもよい。いずれの場合も、それぞれの個々のクラスタからのビームは、それぞれの対応する検出器の集光レンズに転写するためにコリメータレンズへビーム束を広げる、ホログラフィック光拡散要素を用いて混ぜられてもよい。これは同様に、基板対基板の「デイジーチェーン」スキームが、すべての基板によって共有されるバスのようなデータ構造を可能にするのを容易にする。

図１は、図２または任意の同様の設計のシステムからの、単一の、チャネルが１つの送信機／受信機対を描いている。エミッタは、米国特許番号７，９４９，０２４号で説明されている概念に従って処理されたエピタキシャル成長したＧａＡｓウエハからのチップ上にあってもよく、このとき、２以上のＶＣＳＥＬ要素（１００）のクラスタは電気的に並列に接続されてもよく、単一の高速ドライバによって駆動されてもよい。１つの実施形態では、要素のそれぞれからのビームは、ホログラフィック光拡散体などの光拡散要素（１０２）の表面に影響を与える。そのような拡散体は、結果として生じるビームの拡散と高い伝送効率を上回る優れた光パワーの均一性を提供するという長所を有する。ＶＣＳＥＬ要素のそれぞれから拡散した光錐は、レンズ（１０４）の後面に影響を与え、その焦点距離は、レンズの拡散面から主面まで距離のそれと等しい。レンズから現れるビームは、個々の要素からのビームの組み合わせであり、コヒーレントではなく、レーザーのスペックル効果を低下させる。束は光（１０６）の単一の、半コリメータディスクとして受信機の前に現れる。このディスクがその光パワーと比較して十分な直径を備えていれば、「分散光源」として束を扱うことで、レーザーの安全基準を容易に満たすこともある。

受信機の集光レンズ（１０８）におけるこの束の大きさは、所望の並進公差（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）の量に依存して、集光レンズの大きさをアンダーフィル（ｕｎｄｅｒｆｉｌｌ）し、一致し、または、オーバーフィル（ｏｖｅｒｆｉｌｌ）してもよい。

この束が受信機の集光レンズに影響を与えるため、それは、検出器の面で錯乱円（１１２）を形成するように、検出器（１１０）の表面の後ろの小さな領域に焦点を合わせる。
これにより、リンクバジェットを満たすために検出器の面に依然として十分な光パワーを供給しながら、送信機の光軸に対する受信機の一定量の傾斜または並進の公差が可能となる。それによって、錯乱円内で十分なリンクバジェットエネルギーを提供するために、角度の公差と光パワーの間でトレードオフを行うことができる。

図２は、１つの構成の１対の揃いの多重チャネル送受信機を描いており、それによって、共通の基板（２０４）上の２以上の検出器／増幅器対の要素（２０２）の間に、単一のＧａＡｓエミッタ・チップ（２００）が位置している。第２の共通の基板（２０８）を有する同一のエミッター・アレイおよび検出器／増幅器のアレイ（２０６）は、光軸上であるが、第１の基板（２０４）から離れた位置で向かい合って面している。送信機と受信機の対称的なシステムは、２つの対称的な向かい合った基板の間で同時の多重チャネル通信を提供するために、このように構築されてもよい。

エミッタ・チップ（２００）は２つ以上の高速ＶＣＳＥＬクラスタで構成され、それぞれのクラスタは、それ自体の高速電流制御回路によって駆動される。図１に既に例証されたように、送信機のレンズは拡散体の後に位置しており、その結果、それぞれの異なるクラスタは、他のクラスタからのビーム束から角度を変えたそれ自体の半平行ビーム束を作成するようになる。このように、それぞれの束は、対応する受信機の基板の周辺で一致する受信機の集光レンズに向けられてもよい。基板周辺の受信機のレンズは、送信機のビームが対応する基板の中心付近から到着し、基板間の光軸に対して平行ではないという事実を受け入れるために、基板の中心に向かってオフセットしている。その枠組みは二次元まで拡大されてもよく、それによって、エミッターチップがｍ×ｎクラスタの二次元アレイであり、検出器／増幅器アレイは、エミッターチップを囲む要素の環である。

図３は、３２ビット構成を有する揃いの対の１つの平面図を表す。この図は、中央（３１０）の正方形の領域の周りに形成されたクラスタを備えた正方形のドーナツのように見えるパターンで、チップ（３００）上に並べられた３２のクラスタ化したエミッタ源を備えた送受信機で可能な密度を例証している。他の多くの構成を本明細書に記載されたように使用することができる。実施形態の例証されたデザインは、高密度であるものの小さなエミッターチップを可能にする。エミッターチップは正方形の領域（３１０）に位置し、構造物の周辺部のまわりに多くの検出器やサポートチップ（３０６）を置くことを可能にする。横方向のインピーダンス増幅器のように、サポートチップは、チップレイアウトや集積ハイブリッドチップのレイアウトの当業者に知られている多くの方法で、１つのチップ上に並べられ、検出器に送られ得る。チップは基板の穴を通って接続することもできる。パッシブチップまたはアクティブチップの冷却技術がこの構成とともに使用することができる。

図３は、一致する対の１つの送受信機の実施形態を示しており、構成（３００）でまとめられた並列に駆動されるクラスタ素子のアレイは、米国特許番号７，９４９，０２４号に記載されたようなレーザー光源技術を用いて、対応する検出器アレイ（３０４）に容易に光学的に伝えられる。素子のそれぞれのクラスタは、それ自体が単一素子（３０８）のアレイであり、自らの供給源で駆動されるそれぞれのクラスタは強力なレーザー光源を提供し、レーザー光源は、検出器の位置にわたって大きな「不鮮明な」領域（３１２）を撮像することを可能にする豊富な電力によって、リンクバジェットや関連する公差の設計上の問題を克服し、基板から基板までの緩いアライメント公差を可能にする。このことにより、回路基板間の光通信用のプラグ・アンド・プレイ構造が向上してもよい。

（強度変調）
図３のクラスタ（３０８）のそれぞれの内部で形成された、同一出願人による米国特許公報２０１１／０１４８３２８ Ａ１号に記載された技術からのバイナリ重み付けアレイは、１つのクラスタに合わせて検出器で画像を映すことができる任意の妥当な数のサブクラスタに、デジタル強度変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を用いることによって、追加データをそれぞれのチャネルにエンコードするために使用されてもよい。したがって、バイナリーデータは、バイナリーデータ中のビット位置に強度レベルを関連付けることによりエンコードされてもよい。１つの実施形態では、最下位ビット（「ＬＳＢ」）は最低強度レベルに関係している。したがって、有効にエンコードすることができるビット数は、最小のリンクバジェットよりも大きなＬＳＢ信号を有する受信端と、レベル識別回路の制度に主に依存している。上記の拡散素子は、検出器の不鮮明な領域にそれぞれのエミッターサブクラスタの異なる電力レベルを平等に分配するために理想的である。

高い周波数応答を有するか、あるいは、パワー・ロールオーバー（ｐｏｗｅｒ ｒｏｌｌｏｖｅｒ）に近づくまで電流バイアスが増加するにつれ速くなるＶＣＳＥＬは、強度変調を向上させてもよい。ＶＣＳＥＬは、高速性能のために完全に作動させることが好ましい。通常、強度変調は、レーザーとは異なる強度レベルを達成するためにアナログ信号レベルを使用することによって達成され、したがって、下位のレベルはデータ送信システム全体を遅らせることになる。異なるアレイを（歪みを減らすために）その最も高いバイアスまでオンにして、選択されたグループを、強度レベルを変更するために使用できるようにすることで、強度変調を用いて非常に高い帯域を達成することが可能となる。

図４は、３つの別々のバイナリ重み付けサブクラスタに分けた個々のクラスタグループを示している。それぞれのサブクラスタのレーザー出力は、単一の素子の出力を２倍にすることによって、あるいは、バイナリ法でサブクラスタの出力を高めるために素子の数を調節することによって、バイナリ法で増加する。サブクラスタはそれぞれ、他のサブクラスタとそのドライバから独立したそれ自体のドライバーソースによって制御される。このようにして、ビット（サブクラスタ）の任意の組み合わせは制御することができ、それによって、各クロックパルス中にエンコード可能である。同じパルスタイミング中に異なるサブクラスタまたはその組み合わせをオンにすることは、強度レベルの増加を意味し、これは、レベル識別回路によって、異なるエンコードレベルとして特定され得る。この場合、グループ（４００）は２つのＶＣＳＥＬエミッタを有し、グループ（４０２）は４つのＶＣＳＥＬエミッタを有し、グループ（４０４）は８つのＶＣＳＥＬエミッタを有している。この例におけるエミッタのそれぞれは、隣接するエミッタと同じ出力に近いと仮定される。ホログラフィック光学素子（４０６）は、ホット領域を強度の均一な混合ビームに分布させ、レンズ（４０８）は、単一パルスで作動するアレイのどのグループの出力も半平行にする。

様々なグループを作動させるため、検出器が、最下位ビット（ＬＳＢ）レベルと最上位ビット（ＭＳＢ）の強度レベルの間の差を検出するために、ダイナミックレンジを有しているという条件で、以下のデータ情報をビーム強度レベルによって配向することができる。
０００−クロックパルスの間、グループはない
００１−クロックパルスの間、グループ（４００）だけが作動する。
０１０−クロックパルスの間、グループ（４０２）だけが作動する。
０１１−同じクロックパルスの間、グループ（４００）および（４０２）が作動する。
１００−クロックパルスの間、グループ（４０４）だけが作動する。
１０１−同じクロックパルスの間、グループ（４００）および（４０２）が作動する。
１１０−同じクロックパルスの間、グループ（４０２）および（４０４）が作動する。
１１１−同じクロックパルスの間、グループ（４００）、（４０２）、および（４０４）が作動する。

これらの構成は、８つの別々のデータコードを１つのパルスによって中継することを可能にする。好ましい実施形態は、この強度変調技術を使用することができるが、必ずしも必要なわけではない。例えば、グループを定義することなく、あるいは、グループとエミッタで１対１の関係を有することによって、強度変調も達成してもよい。

追加の実施形態は、波長分割多重または高密度波長分割多重を採用し、それぞれの特定の波長は、その波長のそれぞれのパルスの各々でエンコードされたビットストリング情報と、データを送信するために多くの近接した直交副搬送波信号が用いられる直交周波数分割多重などの他の光多重化方式を有している。この性質のデバイスは非常に速いデータ転送速度を備えている。さらに、周波数の倍加は本実施形態では必要ではない。長く目に安全な波長を得るために周波数の追加を採用してもよく、これは、高出力のレーザー伝搬が採用される際に重要な因子である。

別の実施形態では、高度に分解されたデータパルスを形成するために、任意の数の光源および／またはエミッターチップによって作られた任意の数の波長またはビームが、１つ以上の光学素子によって組み合わされてもよい。そのようなデバイスは、サイズ、焦点距離、結合レンズのみの影響を受けるビット情報容量と、検出のダイナミックレンジの限界に従って定義可能なサブグループの数が潜在的に無制限である。

（ビームステアリング）
実施形態において、レンズの後ろのフォトニック素子のアレイまたはクラスタは、フォトニック素子から放射されたビームが様々な位置でレンズに当たるように、指向性を提供する。ビームステアリングは、アレイの素子を選択的に活性化することによって達成されてもよい。これにより、非機械的な光学アライメントを可能にし、それにより、過剰なジンバル移動を減らすか除去し、エネルギーを保存し、そして、信頼性を高める。ビームステアリングはこの技術を駆使して達成されてもよい。一次元および二次元の指向性は、一次元のアレイまたは二次元のアレイをそれぞれ用いることによって、達成されてもよい。
加えて、３６０°のカバレッジは、マルチセクタ、例えば、外部に面したアレイの六角形、球状、または、他の三次元の配置を採用することで達成されてもよい。

（データセンター環境における光スイッチ）
追加の実施形態は、レンズの後ろにフォトニック素子を採用する光スイッチ用途を考慮に入れている。この実施形態では狭いビームは好ましいこともある。データセンターラックでは、この技術を採用する光スイッチが置かれてもよく、その結果、光スイッチから放射された狭いビームは、ラック内の定義された位置に達することがある。例えば、図５で見られるように、スイッチは、マルチレンズアレイを採用してもよく、ラックの頂部に置かれてもよい。１つの実施形態において、装置ラック（ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒａｃｋ）（５００）は、ラックの天井であることもある表面（５０４）に取り付けられた光スイッチ（５０２）をその内部に含んでもよい。検出器（５０８）は表面（５０６）に取り付けられてもよく、表面はラックの内部であるか、または、ラックの壁であってもよい。光スイッチ（５０２）と検出器（５０８）は、光スイッチ（５０２）と検出器（５０８）の間の光通信が、例えば、光スイッチ（５０２）と検出器（５０８）の間の見通し線を維持することで妨害されないように置かれる。この配置により、正確なデータを示すビーム（ｄａｔａ ｓｈｏｗｅｒ ｂｅａｍｓ）がラック内の定義された位置でサーバー接続に達し、ケーブルのないラックが可能となる。天井の配置が図５に例証されているが、光スイッチ（５０２）は、ラックの床に取り付けることができ、または、ラックの構成と、ラックのどの部分がビームにもっとも明瞭な見通し線を提供したかに依存して、床と天井の中間のどんな場所にも取り付けることができる。

他の実施形態は、スタート、デイジーチェーン、リング、メッシュのような様々なリンクジオメトリを採用して、様々なネットワークトポロジーを可能にする。ラックの配置、気流、および電気ケーブルなどの様々な因子が見通し線の障害を形成することもあるが、これらの障害は適切なリンクジオメトリの選択により克服されることもある。適切なリンクジオメトリは、ネットワークトポロジーだけでなく、水平な寸法と垂直な寸法の両方における正確な位置付けを含んでもよい。例えば、図６に描かれたデバイスは、光子アレイを、ラックの上に適切な距離で位置付けるために採用されてもよい。光スイッチまたは送受信機（６００）は、複数面を有する構造（６０２）に取り付けられてもよい。該構造は、６つの面を有するように示されているが、多くの異なる面を備えた多くの異なる構造を有するように構成可能である。取り付けシステムは、光スイッチまたは送受信機（６００）のアライメントまたは再配向をサポートしてもよい。例えば、図６の下部に示されているように、側方の観点から示されている複数面構造（６０２）は、回転または高さの調節を可能にする支持構造（６０４）によって、ラック（６０６）に接続されてもよい。さらに、光スイッチ（６００）は、スイッチ（６００）から、検出が見られる特定の位置までビームを放射するよう導くために、サブアレイのグループの前に位置付けられたレンズを備えたサブアレイのアレイから形成されてもよい。これにより、別の自由度が可能となり、ビームの自動アライメントが可能となってもよい。正確なレンズ設計と組み合わせたアレイのこれらのサブグループは、自動化されたビームのアライメントが走査および受信方式によって行われる小さな領域をカバーしてもよい。

データセンター内の実施形態を用いることによって、リンクバジェットが改善される。
ビームのより正確なアライメントにより、視野が狭まり電力要件が緩和され、高帯域が可能となる。データセンター内で使用される時、実施形態は、自由空間光通信ネットワーク上で、少なくともギガビット／秒のスループットを達成することができる。

マクロスケールでは、すべての周波数が大気中で伝搬するとは限らない。霧、塵、雨、または雪のような浮遊粒子状物質は、光波の伝搬を妨害することもある。しかしながら、データセンターでは、ほとんどの周波数は十分によく伝搬し、粒子状物質は通常問題ではない。

４０Ｇｂ／ｓ以上の高い総帯域幅は、多重化を介して達成されてもよい。波長分割多重により、複数の光波長を同じ光路に置くことができる。ソースの構成が覆われている場合、より大きな出力密度が生じる。ソースの構成は、角度の分離を可能にするタイル状であってもよい。１つの実施形態は、図７で描かれているように、周波数多重化、または、単一の波長による空間および角度の多重化を採用してもよい。例えば、積み重ねられたエミッター（７００）は、多周波でレーザー出力を放出し、レンズ（７０６）の表面に当たり、光路（７０８）を辿ってもよい。積み重ねられていないエミッタ（７０２）および（７０４）は、同じまたは異なる波長の周波数を放射し、その出力がレンズ（７０６）に当たり、光路（７１０）および（７１２）をそれぞれ辿ってもよい。ビームサイズは空間的なチャネル密度と角度分解能の両方を決定する。

（光スイッチのための高速高出力アレイ）
ＶＣＳＥＬデバイスのアレイは、高速スイッチマトリックスで使用されてもよい。情報は、１００Ｇｂ／ｓのファイバー接続のような単一のソースによって、スイッチに供給されてもよい。ルーティングする必要のある情報のパケットはそれぞれ、パケットを適切な出力チャネルにルーティングする標準的なルーティングチップによって分離される。

出力チャネルからの信号は、単一のＶＣＳＥＬデバイスまたはＶＣＳＥＬデバイスのアレイに接続される高速電流ドライバによって増幅されてもよい。これらの各々は大きなアレイの一部であり、その大きさは、どれだけ多くのチャネルが全体的なスイッチネットワークで利用可能であるかを定義するものである。

レーザーデバイスの出力は、レンズ、レンズのアレイ、または、光ファイバーなどの光学素子のパターン上に光学素子を介して撮像される、制御された距離によって分けられる。それぞれの小素子の信号はその後、その単一の光チャネルまたはファイバーチャネルに入れられる。様々な目的のためにレーザービームの経路内部で展開可能な追加の光学素子は、少し名前を挙げるとすれば、拡散体、ミラー、およびＭＥＭＳデバイスを含んでいる。

光チャネルまたはファイバーチャネルはさらにアレイを形成する。このアレイの出力は、少なくとも２つの方法で束ねられてもよい。最初に、アレイの出力は検出器のアレイに向けられてもよく、それぞれの検出器の信号は再変換され光信号になり、ファイバーに注入される。ファイバーは、単一のファイバープラグなどの光プラグ、または、他のタイプの光終端部まで進んでもよい。次に、光スイッチアレイの出力は、光学素子またはファイバーに直接注入されてもよい。

検知可能な信号で終わるために、構成のリンクバジェットが分析されなければならない。多くの例において、システムの開始時にパワーが不足している。余分な電力は信号の品質を向上させ、ビットエラーレートを改善するだろう。したがって、それぞれの小素子をできるだけ高い電力レベルで操作することが望ましいこともある。

１つの実施形態が図８に描かれている。多くのＶＣＳＥＬアレイ（８０２）、（８０４）が表面（８００）に取り付けられてもよい。ＶＣＳＥＬアレイ（８０２）からの出力は、レンズ（８０６）を通り、ボール・レンズ（８０８）に当たり、ボール・レンズ（８０８）は、光ファイバーであってもよい経路（８１２）につながれることもある。同様に、ＶＣＳＥＬアレイ（８０４）からの出力は、レンズ（８０６）を通り、ボール・レンズ（８０８）に当たり、ボール・レンズ（８０８）は異なるチャネル（８１０）につながれてもよい。図８に描かれている線は、出力がレイトレーシングを意味しておらず、むしろ、単に位置上の撮像関係を意味することを表している。

（家庭と職場用の目に安全な光ネットワーク）
多くの用途は、自由空間光通信の本明細書に開示された形式を利用してもよい。例えば、出力密度が目に安全な大きな領域にわたって出力密度を広げるための送信機を用いて、１つ以上のエミッタ／受信機がテーブルトップに埋め込まれ、光信号は透明な保護カバーを備えたカウンタまたは表面に達し、その結果、デバイス上のまたはデバイスに埋め込まれたエミッタ／受信機を有するモバイルデバイスが、テーブルトップに配され、および、１Ｇから１０Ｇのデータソースに自動的につながれるようになる。同じ目的で部屋の他の位置または表面の周りに置かれているエミッタ／受信機を含む、多くの他の物理的な構成も可能である。例えば、レーザー・エミッター・クラスタは、第１の面と第２の面を備えた透明な平面として形作られた光学素子に、レーザービームを放射し、第１の面がレーザービームを受け取り、レーザービームの出力密度を目に安全なレベルまで減らすのに十分な第２の面の領域にわたって、レーザービームの出力を広げる。

信号の適用領域が広範囲であるため、いかなるアライメントも必要ないことから、実施形態はこの主の操作を容易にする。加えて、失ったり、押しつぶされたり、盗まれたりする配線で接続された接続部がない。このタイプのパブリックアクセスネットワークは、ケーブルを用いず、ずっと容易である。送信機は、ＩＮＴＥＬまたは他のプロトコルからのＴＨＵＮＤＥＲＢＯＬＴ技術を駆使することができる。これらの送信機は、より広い転送領域のためのより多くの電力を必要とする。

１メートルを超える距離の自由空間光通信は、受信の位置決めを容易にするために広範な適用領域と組み合わせて、目に安全な操作用のために制限された光パワー密度を必要とする。これらの要件は、様々な使用分野で必要とされる高出力と高速を提供することができるデバイスを制限している。

十分な帯域幅と出力密度が、光信号に様々な使用分野を提供する高出力で高速なデバイスによって可能であるため、単一のリンクは、複数のチャネルを経由してデータを転送し、あるいは、同時に多くのユーザーの役に立っている。レンズの後ろのサブグループのアレイは、別のビームが別の領域に対して位置付けられ得るように、切り替えられてもよい。自由空間光（Ｆｒｅｅ−Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ）ＭＩＭＯ（マルチ入力−マルチ出力）検出器とも呼ばれる検出器アレイは、信号をどこに送る必要があるかを特定するために、および、その具体的な領域に信号を送るために並べられてもよい。複数のサブグループアレイは、任意の１つの時系列で機能的であってもよく、これにより、複数のユーザーへの同時通信リンクが可能となる。複数のユーザーのための別の実施形態は、上記と同じＭＩＭＯ検出器方式によって波長分割多重を採用してもよいが、多波長に高感度なフィルタ処理した入力によって、入力と出力の両方の異なる波長で多重チャネルを用いて感知および反応する
能力を採用してもよい。

１つ以上の送信機が、光ファイバーケーブル、高速イーサネット（登録商標）ケーブル、またはビデオソースなどのデータソースに接続されてもよい。

送信機は、信号入力インターフェース、パッケージ化ＶＣＳＥＬアレイ、ＶＣＳＥＬドライバ、および、制御および増幅電子装置からなってもよく、送受信機を作る受信機の部品と電子機器、および、適切なビームを成形する光学系を、１つの共通するハウジング内にすべて含めてもよい。他の部品は、光パワー密度を目に安全なレベルに分散する光学部品と、ビームの直径と自由空間領域中のビームの分散を制御するレンズを含んでもよい。

送信機と受信機のハウジングは、単純なプラスチックで成型された眼球型のソケット方式を用いて、互いの方を向いてもよい。送信機または送受信機は、調整可能なグーズネックランプ型の構成によって、受信機または送受信機の方に向けられてもよい。送信機および受信機はそれぞれ、単純な低電圧直流電源から、または、電池からでさえ作動してもよい。送信機／送受信機は、照明、安全センサー／セキュリティセンサー、ビデオカメラ、およびセキュリティクラクションなどの他の天井に備え付けの設備と連結して設置されてもよい。

ＶＣＳＥＬアレイは、グループ（連動した）として、あるいは、１つ以上のサブアレイ、つまり、１つ以上の素子のそれぞれが独立して信号駆動され、アレイ全体を横切って位置を移動するアドレス指定可能なアレイとして、動作してもよい。

送信機は、１つ以上の受信機に、データの幅広ビームを送る「ブロードキャスト」モードで作動してもよい。

送信機は、１つ以上の受信機に狭いビームを送る「ビーム放射（ｂｅａｍｉｎｇ）」モードで作動してもよい。

送信機は、サブアレイがＶＣＳＥＬアレイ全体で順に動作するパンニングモードで作動してもよく、これが自由空間中の角運動に翻訳される。

システムは、単信回線の（一方向性）リンク、または、全二重（双方向）リンクとして構成されてもよい。後者の場合、光リンクの各端部にはＶＣＳＥＬアレイと１つ以上の検出器がある。

検出器アレイが用いられる場合、最も強い信号を有する検出器アレイまたはサブアレイは、優先して着目するために、隣接する送信機に対する「ハンドオフ」のために、所望の送信機から離れた受光光学系の角度の軽微なミスアライメントに対応するために、もっとも近い送信機を示すものとして選択されてもよい。

送信機は職場の天井に置かれてもよく、各々が距離をおいて配されるため、送信機は信号の過度な重なりがなく、受信機において十分な適用領域を有する。

送信機は、照明用ポールなどの垂直な支持部の中央に置かれてもよく、それぞれの送信機は空間のそれ自体角度をなす領域をカバーする。

受信機は、集光デバイス、検出器、増幅用の電子機器、および適切な出力インターフェースからなるものであってもよい。

集光デバイスは、撮像レンズ、または、円筒状の放物面集光器などの非撮像デバイスであってもよい。

受信検出器では、データは、光ファイバー、イーサネット（登録商標）、デジタルビデオケーブル、あるいは、Ｗｉ−Ｆｉなどの無線のローカルデータ伝送方式に伝えられてもよい。

受信機は、ケーブルまたは無線通信で多くのローカルユーザーに超高帯域幅を分布する、デジタルスイッチまたはルーターへと直接組み込まれてもよい。

受信機は、高帯域幅リンクを必要とするコンポーネントに直接一体化されてもよい。

ダウンリンク対アップリンクに必要な帯域幅の非対称性の可能性が高いため、代替ケーブルまたは無線通信のアップリンクが使用されてもよい（Ｗｉ−Ｆｉ、ＢＰＬ、イーサネット（登録商標）など）。

必要とされている送信機の波長以外の他のすべての波長を抑制するために、送信機の波長用の光学フィルタが受信端で使用されてもよい。単一の送信機における多波長リンクが使用されてもよい。

浮遊反射信号干渉を除去しやすくするために、偏光したＶＣＳＥＬアレイが受信機の偏光フィルタと連動して使用されてもよい。

受信機における光制限経路の目隠しは、入射信号以外の異なる角度で入ってくる浮遊反射信号を除去してもよい。

多数の送信機または送受信機は異なる位置から使用されてもよく、最良の信号受信のための三角測量による測位グリッドを可能にし、あるいは、信号のブラックアウトが物体を移動させるのを防ぐ。

窓のフィルタは、データが建物から出ないようにするために使用されてもよい。送信機または送受信機は、壁、床、天井、または対象に取り付けられてもよい。送信機または送受信機は、屋根裏の非常に狭い空間に取り付けられてもよく、あるいは、２点間領域にアクセスするのが困難であってもよい。送信機または送受信機はパイプに取り付けられてもよい。送信機または送受信機は、煙突に取り付けられてもよい。

（追加の実施形態）
多くの追加の実施形態が可能である。例えば、１から１０００までの対の送受信機のそれぞれ一致する対は、任意の数のレイアウト構成でこの技術を駆使してもよい。

素子のクラスタは、単一のチャネルとして駆動されてもよく、あるいは、それぞれの送受信機チャネルの強度変調のために構成されてもよい。

底部発光アレイ（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ａｒｒａｙ）は米国特許番号７，９４９，０２４号で開示されている。しかしながら、フリップチップ構成の底部発光アレイ、または、頂部発光アレイ、または、頂部発光アレイのグループは、多素子発光デバイスに使用されてもよい。

単一の二重送受信機は、米国特許番号７，９４９，０２４号で言及されたアレイＶＣＳＥＬ技術を駆使して、基板対基板の自由空間光通信に使用されてもよい。

単なる正方形や長方形のパターンの代わりに、ほとんどの形状の二次元パターンが形成されてもよく、円形の光学素子を用いた方がよりよく機能することもある。

任意の数のクラスタまたはエミッタを備えた一次元アレイが、単一のまたは二次元のアレイ以外の構成で使用することができる。

クラスタを形成し、同じパターンのアレイに撮像するために、任意の数のパターンを使用することができる。

異なるエミッタまたは複数のエミッタを選択して、その選択したチャネルにデータを送信することによって、どのチャネルがデータパルスを受け取るのかを選択するために、一次元または二次元のアレイをバックプレーンとして用いることができる。データを特定のチャネルに送る必要がある場合、アレイ全体の前の撮像レンズまたは投影レンズを介してそのチャネルとすでにアライメントしている適切なエミッタが選択される。実施形態は、適切な撮像光学系による高速データ通信用途に、より長い距離で使用することができる。

図３において上で言及したエミッタアレイ（３００）は、同じ高速かつ高出力技術から形成することができ、あるいは、上記したように、基板に設計される代わりに、基板にフリップチップされる。

フリップチップしたエミッタは、エミッタ向けの波長分割多重能力と、検出器向けの波長の適切なフィルタリングを可能にする、異なる波長であり得る。

高出力ビームは、より大きな受信領域に広がることができ、あるいは、多くの検出器がある領域上の他のエミッタービームと重なることができる。これらの重なるビームの信号を異なる波長のエミッタクラスタを区別するために、多波長のエミッターチップと連動して、検出器をカバーするフィルタを使用することができる。

送信機または送受信機は、高速の長距離用途に使用されてもよい。

送信機または送受信機は、衛星間で使用されてもよい。

送信機または送受信機は、電柱、または、建物の屋上に取り付けられてもよい。

送信機または送受信機は、よりよい送信角度のために垂直なポールに取り付けられてもよい。

送受信機の受信機部分は、レーザービームの束がアライメントを達成しやすくするために１つの領域中の集光レンズと検出器をオーバーフィルするように構成されているとき、可能なすべての光パワーを、あるいは、少なくとも余分なレーザーエネルギーを回復させることができるように、光電池または「太陽電池」を検出器のまわりに有してもよい。

上に言及された光起電力デバイスは、出力および／またはデータ通信を送信するために、基地局またはデバイスから光学的に送信される電源であってもよい。

１つの実施形態において、任意の数の列を備えた直線アレイがデータ送信に使用されてもよい。たとえパルスが同じまたは同様の波長を有していても、任意の数の列またはすべての列が同時にオンされてもよい。各列の出力位置は、他の列に関連して、波長分割多重または高密度波長分割多重に、次元の要素を加える。

別の実施形態において、１次元のアレイが単一の波長パルスを発生させるものとして用いられ、それは、同じまたは異なる波長の他のソースと組み合わされる。組み合わせた波長の出力パルス強度は、垂直および水平に走査され、データの送信を可能にする。

別の実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイの速度とデータ転送速度は、米国特許７，９４９，０２４号に記載されているように、フリップチップ技術と、各サブアレイまたは素子のまわりに導波管が形成された高速アレイ用の設計を採用することで、増加させることができる。

Claims (9)

1. バイナリデータのストリングの光自由空間送信のためのシステムであって、
   前記システムは、
   第１の出力レベルに関連付けられるレーザーエミッタの第１のクラスタ、
   レーザーエミッタの前記第１のクラスタよりも多くのレーザーエミッタを含み、前記第１の出力レベルより大きい第２の出力レベルに関連付けられる、レーザーエミッタの第２のクラスタ、
   前記第１の出力レベルを受信して第１の拡散した光錐内に平等に分配し、及び、前記第２の出力レベルを受信して第２の拡散した光錐内に平等に分配するように構成される拡散素子、
   前記拡散素子の後に位置する送信機のレンズであって、
   前記送信機のレンズの対応する位置にて前記第１の拡散した光錘と前記第２の拡散した光錘との各々のビームを受け、及び、
   前記ビームが受けられる前記送信機のレンズの前記対応する位置に基づいて特定の方向に各ビームを向ける
   ように構成される、送信機のレンズ、
   クロックパルス中にレーザーエミッタの前記第１のクラスタに関する第１のエンコードを測定するように構成された回路であって、前記第１のエンコードがバイナリデータの前記ストリングにおける第１のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、
   クロックパルス中にレーザーエミッタの前記第２のクラスタに関する第２のエンコードを測定するように構成された回路であって、前記第２のエンコードがバイナリデータの前記ストリングにおける第２のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、並びに、
   レーザーエミッタの前記第１のクラスタ及び／若しくはレーザーエミッタの前記第２のクラスタのうちの、一つ以上のレーザーエミッタを選択的に活性化することにより、ビームステアリングを行うように構成された回路
   を含むことを特徴とするシステム。
2. レーザーエミッタの前記第１のクラスタとレーザーエミッタの前記第２のクラスタは、夫々、レーザーエミッタの前記第１のクラスタとレーザーエミッタの前記第２のクラスタとのうちの、最大限のバイアス電流で動作するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. レーザーエミッタの前記第２のクラスタは、レーザーエミッタの前記第１のクラスタの２倍の数のレーザーエミッタを有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. レーザーエミッタの１以上の追加のクラスタをさらに含み、
   レーザーエミッタの前記１以上の追加のクラスタの中のレーザーエミッタの追加の各クラスタは、レーザーエミッタの異なるクラスタからのレーザーエミッタの最上位バイナリグループの２倍の数のレーザーエミッタを有し、前記最上位バイナリグループは最高強度レベルに関連付けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. レーザーエミッタの前記第１のクラスタとレーザーエミッタの前記第２のクラスタの出力を受け取るように、および、均一な強度のビームを形成するように構成されたホログラフィック光学素子およびレンズをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. バイナリデータのストリングの光自由空間送信のためのシステムであって、
   前記システムは、
   第１の出力波長に関連付けられるレーザーエミッタの第１のクラスタ、
   前記第１の出力波長より大きい第２の出力波長に関連付けられるレーザーエミッタの第２のクラスタ、
   前記第１の出力波長を受信して第１の拡散した光錐内に平等に分配し、及び、前記第２の出力波長を受信して第２の拡散した光錐内に平等に分配するように構成される拡散素子、
   前記拡散素子の後に位置する送信機のレンズであって、
   前記送信機のレンズの対応する位置にて前記第１の拡散した光錘と前記第２の拡散した光錘との各々のビームを受け、及び、
   前記ビームが受けられる前記送信機のレンズの前記対応する位置に基づいて特定の方向に各ビームを向けるように構成される、送信機のレンズ、
   クロックパルス中にレーザーエミッタの前記第１のクラスタに関する第１のエンコードを測定するように構成された回路であって、前記第１のエンコードがバイナリデータの前記ストリングにおける第１のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、
   クロックパルス中にレーザーエミッタの前記第２のクラスタに関する第２のエンコードを測定するように構成された回路であって、前記第２のエンコードがバイナリデータの前記ストリングにおける第２のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、並びに、
   レーザーエミッタの前記第１のクラスタ及び／若しくはレーザーエミッタの前記第２のクラスタのうちの、一つ以上のレーザーエミッタを選択的に活性化することにより、ビームステアリングを行うように構成された回路
   を含むことを特徴とするシステム。
7. レーザーエミッタの前記第１のクラスタとレーザーエミッタの前記第２のクラスタからの出力を受け取るように、および、混合ビームを形成するように構成されたホログラフィック光学素子およびレンズをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
8. 前記第１の出力波長と前記第２の出力波長が目に安全な波長に調節される、
   ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
9. レーザーエミッタの１以上の追加のクラスタをさらに含み、
   レーザーエミッタの前記１以上の追加のクラスタの中のレーザーエミッタの追加の各クラスタは、追加の出力波長に関連付けられ、レーザーエミッタの追加の各クラスタは、レーザーエミッタの異なるクラスタからのレーザーエミッタの最上位バイナリグループの２倍の数のレーザーエミッタを有し、前記最上位バイナリグループは最高強度レベルに関連付けられる、
   ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。

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