JPH10190584A

JPH10190584A - 光無線データ通信システムと、それに用いる送信装置、受信装置

Info

Publication number: JPH10190584A
Application number: JP9293055A
Authority: JP
Inventors: Takeo Kawase; 健夫川瀬; Shojiro Kitamura; 昇二郎北村; Takeo Kaneko; 丈夫金子; Takayuki Kondo; 貴幸近藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 1998-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】光を使った無線データ通信は、室内、屋外の
光の影響を受ける。特に、既存の光無線データ通信との
混信、干渉が問題であった。さらに、クロックを再生す
るためのＰＬＬ回路が必要なためコストが上昇してい
た。【解決手段】送信二値データ１２に基づいて、送信装
置１１は偏光面を変調した電磁波１３を自由空間１６中
に放出する。データは偏光面の方位として自由空間１６
中を伝わっていく。そして、受信装置１７が偏光面変調
された電磁波１３を受信して偏光面の状態からデータを
判別して受信二値データ１８を出力する。また、偏光状
態や波長の異なる複数の発光部よりデータとクロック情
報を送信してＰＬＬ回路を省いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を用いて自由空
間における無線通信をおこなう光無線通信のシステム
と、これに用いる送信装置、受信装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】移動体通信のマルチメディア化を実現す
るためには、より高転送レートの無線データ通信が求め
られており、新たな周波数の開拓が必要とされている。
電波の分野では準ミリ波・ミリ波が実用化を目指して開
発が進められている。一方、法律上は電波には分類され
ない赤外線も無線通信への利用が拡大しつつある。

【０００３】赤外線、つまり、光を用いた無線データ通
信においては電波として規制されていない広大な帯域を
利用して、高速なデータ通信を提供できる可能性があ
る。光の特性として壁などの不透明な物体を透過しない
ため、部屋単位の無線ＬＡＮや近距離のデータ通信に適
している。現在、赤外線を用いた無線通信のなかで最も
代表的なのがＩｒＤＡ（ＩｎｆｒａｒｅｄＤａｔａ
Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）方式の赤外線データ通信機能
である。これらは赤外線発光ダイオードと受光素子から
なり、１１５．２ｋｂｐｓから４Ｍｂｐｓの速度でデー
タ交換を実現している。通信の距離は１ｍ以内と短いが
最大の特徴は低コストで無線データ通信を提供できる点
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】今後は転送容量が更に
大きい、そして、通信距離の大きい光無線データ通信が
必要になる。しかし、光源に発光ダイオードを使用する
場合、発光ダイオードから出射される光は１００ｎｍ
以上の波長幅を有するので帯域の有効利用の点で問題が
ある。さらに、ＬＥＤではキャリアの寿命による制限の
ため、１００ＭＨｚを越える変調は困難である。これら
の問題を解決するために、光源として半導体レーザを用
いることが有効である。

【０００５】半導体レーザを用いれば、１ｎｍ以下の波
長幅を得ることも容易であるし、また、１ＧＨｚ以上の
変調も原理的に可能である。しかし、起こりうる問題と
して混線による誤動作が挙げられる。無線搬送波として
の光は電波のように法律で規制されていないために、自
由に利用することが可能である一方、同じ波長を利用し
た光無線機器どうしはお互いに干渉する弊害が起こりう
る。たとえば、既存の光無線データ通信、ＩｒＤＡ方式
はピーク波長として８５０ｎｍから９００ｎｍの波長を
利用している。

【０００６】もし、半導体レーザを使って、高速転送で
通信距離の長い通信装置を実現したとしても、この８５
０ｎｍから９００ｎｍに渡るいずれかの波長を使うと、
ＩｒＤＡ方式と干渉してしまうことになる。ＩｒＤＡ方
式は既存のコンピュータに広く普及しているので、これ
と干渉することは、法律上は問題ないとしても実用上は
避けなければならない。

【０００７】干渉を避けるためには、それぞれが使用し
ている波長のオーバーラップがないように波長を選べば
よい。例えば、ＩｒＤＡ方式との干渉を避けるためには
１μｍ以上の波長を用いることが有効である。しかし、
このとき問題になるのが、コストである。１μｍ以上の
波長を使うためには、送信用半導体レーザとしてＩｎＰ
基板上に形成したＩｎＧａＡｓＰ系混晶を用いる必要が
ある。

【０００８】この基板はＧａＡｓ基板より高価で大口径
化が難しいため低コスト化の面ではＧａＡｓ基板を使う
ことができる９００ｎｍ以下の波長に比べて不利にな
る。更に、受信用ＰＩＮフォトダイオードもコスト面で
問題になる。Ｓｉ製のＰＩＮフォトダイオードが利用で
きるのが１μｍ以下の波長に制限されるためである。こ
れを越える波長では感度が低下してしまう。１μｍを越
える波長ではＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ製の
ＰＩＮフォトダイオードが必要になる。この素子の材料
費、製造コストはＳｉ製のそれに比べて遥かに高いた
め、比較的大きな面積を必要とする受光素子の場合、コ
ストの差が大きくなってしまう。

【０００９】このように、半導体レーザを使って高速な
光無線データ通信を実現しようとしたとき、既に実用化
されている光無線データ通信方式との干渉を避けるため
に１μｍ以上の長波長を使うアプローチを採用すると、
コストが大きくなる問題点があった。

【００１０】また、安価な光無線データ通信を提供する
際には、別の問題もある。受信光から受信データを取り
出すには、受信データに同期したクロックが必要であ
る。従来の光無線データ通信では、受信光を光電変換し
た電気信号よりＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬ
ｏｏｐ）回路によってクロックを抽出していた。このＰ
ＬＬ回路が安定に動作するためには、精度の高い回路
や、安定な電源を必要として、これがコストを引き上げ
る原因となっていた。

【００１１】また、受信光よりクロックを抽出しやすい
様に、送信時にＲＬＬ（ＲｕｎＬｅｎｇｔｈＬｉｍ
ｉｔｅｄ、「１」や「０」が連続するビット数を制限さ
れていること）の性質を有する変調符号に変調する必要
があり、これに伴う、変調回路、復調回路もまたコスト
を引き上げる原因となっていた。

【００１２】本発明の目的は、外部からの光の影響を受
け難く、既存の光無線通信システムへの影響がなく、既
存の光無線通信システムからの影響を受けない安価な光
無線データ通信システムを提供することである。本発明
の他の目的は、ＩｒＤＡ方式を使用している８５０ｎｍ
から９００ｎｍの波長帯を使って偏光変調通信を行って
もＩｒＤＡ方式との干渉がない光無線データシステムを
提供することである。

【００１３】本発明のさらに他の目的は、従来のシステ
ムとの干渉のない安定した無線データ通信システムを低
コストで提供することができる。本発明は、さらに、同
様に異なった２波長の光を相補的に変調した場合も、同
相成分を差動検出によって除去できるため、安定した変
調信号の再生が可能な光無線データ通信システムを提供
することができる。

【００１４】さらに、他の目的は、偏光状態、または、
波長が異なる２種類の光を使って、送信すべきデータと
クロック情報とを空間伝送したので、ＰＬＬ回路を使わ
ずにデータの弁別が可能な通信システムを提供すること
である。さらに他の目的は、受信信号からクロックを抽
出する必要がないため、特別な変調符号による符号化、
復号化の処理を省くことができ、安価に光無線データシ
ステムを提供することである。さらに他目的は、偏光状
態、または、波長が異なる２種類の光を出射するのに面
発光レーザを用いて、装置を小型化することができ、ま
た、容易に光軸の調整ができ、結果的に低コストな送信
装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、波長が１００μｍ以下の光を自由空間中
に放出して通信を行う光無線通信システムにおいて、お
互いに異なる光学的性質を有する2種類以上の光を出射
する１つ以上の光源を有する送信装置が、送信情報を変
調した第1送信情報と、前記送信情報を演算変換した第2
送信情報に基づいて、前記2種類以上の光を個別に変調
して、お互いに異なる２つ以上の変調信号光を出射し
て、前記2種類以上の光を弁別して受光できる１つ以上
の受光部を有する受信装置が自由空間中を伝搬してきた
前記変調信号光を受光して得られた変調信号の演算をお
こなった演算結果より前記送信情報に対応した受信情報
を得ることを特徴とする。

【００１６】このシステムの一つの形態は、前記第１の
送信情報として前記送信情報が用いられ、前記第2送信
情報として、前記送信情報を反転した情報列が用いられ
るものである。

【００１７】他の形態は、前記第2送信情報として、ク
ロックの2分の1分周信号と前記送信情報との排他的論理
和が用いられるものである。

【００１８】他の形態は、前記第一送信情報として、前
記送信情報をＲＺ変調した情報列を用い、前記第2送信
情報として、前記送信情報を反転後、ＲＺ変調した情報
列を用いることである。

【００１９】さらに他の形態は、互いに異なる光学的性
質を有する2種類以上の光として、直交した直線偏光の
組み合わせを用いることである。

【００２０】さらに他の形態は、前記お互いに異なる光
学的性質を有する2種類以上の光として、右回りの円偏
光と、左回りの円偏光とを用いることである。

【００２１】さらに他の形態は、前記お互いに異なる光
学的性質を有する2種類以上の光として、異なる波長の
光の組み合わせを用いることである。

【００２２】本発明はまた、これらのシステムに送信装
置であって、前記光源が、直線偏光の偏光方向を変調す
るための垂直共振器型面発光半導体レーザと、前記垂直
共振器型面発光半導体レーザの出射光が通過するように
配置された位相板とから構成されることを特徴とする。
この光源は、第１の直線偏光を出射する第１の半導体レ
ーザと、前記第１の半導体レーザの出射光の偏光面に対
して垂直な直線偏光を出射する第２の半導体レーザと、
前記第１と第２の半導体レーザの出射光が通過するよう
に配置された位相板とから構成される。前記第１、第２
の半導体レーザとして、例えば、同一半導体基板上に形
成された垂直共振器型面発光半導体レーザが用いられ
る。

【００２３】この送信装置の他の実施形態は、前記第１
の半導体レーザである垂直共振器型面発光半導体レーザ
が複数個、そして前記第２の半導体レーザである垂直共
振器型面発光半導体レーザが複数個、同一半導体基板上
に形成されている。

【００２４】送信装置の更に他の形態は、第１と第２の
半導体レーザとして、断面が長方形で、長辺が短辺に比
べて１．２倍以上の長さの共振器を有する垂直共振器型
面発光半導体レーザを用いて、長辺の方向を第１と第２
の半導体レーザの間でお互いに直交するように配置した
ことを特徴とする。

【００２５】前記位相板として４分の１波長板が用いら
れ、前記第１または第２の半導体レーザの出射光の偏光
面に対して前記４分の１波長板の主軸方向がなす角度が
４５度であるように配置される。

【００２６】本発明はさらに、前記システムに使用され
る受信装置であって、受信光の偏光状態を直交した直線
偏光に変換する受信位相板と、直交した直線偏光をそれ
ぞれ透過、または、反射する検光子と、直交した直線偏
光をそれぞれ光電変換する第１と第２の受光素子とから
構成されるものであることを特徴とする。

【００２７】第１と第２の受光素子に、ＰＩＮフォトダ
イオードを用いることができる。前記光源として、異な
る発振波長を有する2つ以上の面発光レーザから構成さ
れる。前記光源の一例は、同一平面上に面発光レーザが
形成された半導体チップが2つ以上実装されたものであ
り、それぞれの前記半導体チップ上の面発光レーザの発
振波長が異なるものである。

【００２８】この受信装置は、例えば、受信光を波長に
応じて弁別する波長選択性のフィルタ、または、ミラー
を有し、波長上で弁別された光をそれぞれ受光して光電
変換する第1と第2の受光素子を有するものである。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００３０】[第一の実施の形態]第一の実施の形態とし
て、偏光状態の異なる2種類の光を使って光無線データ
通信をおこなう方式について説明する。特にここでは、
一方の偏光状態を使って、送信情報をそのまま送信、か
つ、他方の偏光状態を使って、送信情報の反転した情報
列を送信する実施例について説明する。

【００３１】図１に本発明の無線データ通信システムの
実施例を示す。送信装置１１からデータを送信して受信
装置１７で受信する構成を示している。送信二値データ
１２が送信装置１１の入力端１１ａに入力される。送信
装置１１は送信二値データ１２に基づいて偏光状態を変
調した電磁波１３を自由空間１６中に放出する。電磁波
１３はｚ軸方向に進行していく。ここで言う電磁波１３
は電波、光を含むものであるが、以下の実施例では主に
波長が１００μｍ以下の光について説明する。

【００３２】また、自由空間１６とは誘電体や金属で空
間が限定されたいわゆる導波路ではなく、電磁波が自由
に伝播できる空間を意味する。実際に、我々が生活して
いる空間では、地面、壁、天井、窓、建造物、人間が電
磁波の伝播を妨げているが、これらが特定の導波路を形
成しない限り、このような空間も自由空間１６に含める
ものとする。

【００３３】さて、電磁波１３は偏光状態が変調されて
いる。ここでは直交する直線偏光と送信二値データが対
応づけられて変調されている状態を示している。直線偏
光１４ａ、１４ｂはｘ軸に平行な直線偏光である。直線
偏光１５ａはｙ軸に平行な直線偏光である。例えば、送
信二値データ１２の”１”をｘ軸に平行な直線偏光に、
また、”０”をｙ軸に平行な直線偏光に対応させて偏光
状態を変調する。そうすると、送信二値データ１２は偏
光状態の変化として自由空間１６を伝播していくことに
なる。

【００３４】そして、電磁波１３は受信装置１７に達す
る。受信装置１７は偏光状態に対応した電圧を出力端１
７ａに出力する。例えば、ｘ軸に平行な直線偏光を受信
したときには”１”に対応する電圧を、そして、ｙ軸に
平行な直線偏光を受信したときには”０”に対応する電
圧を出力する。つまり、これが受信二値データ１８であ
る。この受信二値データ１８の内容が、送信二値データ
１２の内容と一致することは、以上の説明から明らかで
ある。このようにして、偏光状態を変調することによっ
て無線データ通信が可能である。

【００３５】以上の例では、偏光状態を変調するのに、
直交する直線偏光の組み合わせを利用した。このような
組み合わせには自由度があり直線偏光に限られるもので
はないことを図２を用いて説明する。図２（ａ）の組み
合わせは直線偏光である。ｘ軸に平行な直線偏光１４と
ｙ軸に平行な直線偏光１５との組み合わせが二値データ
の”１”または”０”に対応づけられる。ここで、座標
軸の取り方は任意であり、座標軸と偏光方向が平行であ
ることに特別な意味はなく、それぞれの直線偏光が直交
していることを明示するものである。

【００３６】図２（ｂ）に示す組み合わせは楕円偏光の
組み合わせである。楕円偏光の場合、楕円率が等しく、
主軸の方位が直交していて、かつ、回転方向が逆である
ような組み合わせを用いることができる。回転方向を楕
円率に含めて言う場合には楕円率の絶対値が等しく、そ
の符号が逆であり、主軸の方位が直交している楕円偏光
の組と言うことができる。これらの楕円偏光の組み合わ
せはポアンカレ球上ではお互いに対心点に位置してい
る。このような組み合わせを「独立した偏光状態」と呼
ぶことがある。「独立した偏光状態」の特徴は同じ位相
差を与えることによって直交した直線偏光の組み合わせ
に変換できる点である。図２（ｂ）に示した楕円偏光２
１、２２は独立した偏光状態であり、それぞれを二値デ
ータの”０”または”１”に対応させて通信を行うのに
有用である。

【００３７】さらに、上記の楕円偏光の楕円率が±１で
あるような場合、つまり、円偏光の組み合わせが特に有
用である。図２（ｃ）に示すのは左回りの円偏光２３と
右回りの円偏光２４の組み合わせである。この組み合わ
せはポアンカレ球において上下の極に位置する対心点で
あり、「独立した偏光状態」に相当している。つまり、
左回りの円偏光２３と右回りの円偏光２４とを二値デー
タの”０”または”１”に対応させることによって通信
が可能になる。これを図示したのが図３である。送信二
値データ１２が送信装置３１の入力端３１ａに入力され
ると送信装置３１は送信二値データ１２の”１”、”
０”に対応させて左回りの円偏光２３ａ、２３ｂ、ある
いは右回りの円偏光２４ａを出射する。

【００３８】このように円偏光の回転方向として変調さ
れた電磁波３２は自由空間１６をｚ軸方向に伝播して受
信装置３３に達する。受信装置３３は円偏光の回転方向
に対応させて”１”または”０”に相当する電圧を出力
端３３ａに出力することによって受信二値データ１８を
生成する。このように、円偏光の回転方向と二値データ
の”１”、”０”とを対応させても無線データ通信が可
能である。

【００３９】さらに重要なのは、「独立した偏光状態」
として円偏光の組み合わせを選ぶことは、特に有用なこ
とである。それは、送信装置３１と受信装置３３とがお
互いにｚ軸回りに回転しても、通信状態がその回転角に
依存しない点である。これは円偏光が特定の方位角を持
たないことからｚ軸回りの回転に対して不変であるため
である。

【００４０】図１に示すような直線偏光の場合は、送信
装置１１と受信装置１７とは特定の角度に揃えられる必
要がある。そのために最適の受信状態になるように受信
装置１７を回転させる機構をその内部、または、外部に
設けることが必要になる。このような機構が不要な点で
図３に示した円偏光の組み合わせによる変調は優れてい
る。

【００４１】次に、本発明の偏光状態を変調する通信方
法の特徴を説明する。図４は本発明による偏光変調通信
における光出力の時間変化を示すものである。独立した
偏光状態をＡ状態、Ｂ状態とするとき、送信装置１１、
３１から出力されるＡ状態の光出力を偏光成分Ａ、Ｂ状
態の光出力を偏光成分Ｂと呼ぶことにする。

【００４２】送信二値データ１２に基づいて出力される
電磁波１３の偏光成分Ａの時間変化４１と偏光成分Ｂの
時間変化４２は相補的な変化をする。つまり、偏光成分
Ａの出力が上昇して高いレベルに達すると、同時に、偏
光成分Ｂは下降して低いレベルに落ちつく。偏光成分Ａ
と偏光成分Ｂとの関係は差動出力とも言うことができ
る。

【００４３】ここで、偏光成分Ａと偏光成分Ｂとの振幅
が等しい場合、両者を併せた全光量４３は一定で直流光
になることが図４からわかる。つまり、送信装置１１、
３１から出力される電磁波１３、３２を偏光成分に分け
ないで、単に光量だけ観察すれば４３のように直流光に
過ぎない。このことは、既存の光無線通信機器への影響
が無視できる点で重要である。既存の光無線通信機器は
光出力を変調して通信を行っている。

【００４４】ここに、別の光無線通信機器が同じ波長を
使って通信を行えば、それぞれの光出力が重畳されて通
信に支障を来すことになる。ところが、本発明の光無線
データ通信システムでは、光出力としては変化しない直
流光しか出力しないので、本発明の送信装置１１、３１
から出力された電磁波１３、３２が既存の光無線通信装
置の受信装置に達しても、これに与える影響が非常に小
さい。既存の光無線通信装置の受信装置に直流光が入射
すると全受信光にオフセットを加えることになるが、こ
れは、データを復調する際に容易に除去できるからであ
る。このように、本発明の光無線データ通信システムに
おいて出力される電磁波は既存の光無線データ通信機器
に悪影響を及ぼさない。

【００４５】さらに、本発明の光無線データ通信システ
ムでは既存の光無線データ通信機器の送信装置が出力す
る電磁波の影響を受けにくい特徴を持っている。このこ
とを図５の偏光成分の時間変化の図を用いて説明する。

【００４６】本発明の光無線データ通信システムに用い
る受信装置１７、３３の受信面において、受信されるべ
き偏光成分Ａの時間変化５１と偏光成分Ｂの時間変化５
４が入射しているとする。ここに、実際は外部からの照
明光や既存の光無線データ通信機器の送信装置が出力す
る電磁波なども入射してくる。これらの影響を外光と称
することにする。

【００４７】ここで、外光は無偏光であり、特定の偏光
成分で変調されていたり、変動することはないものとす
る。実際、既存の光無線データ通信機器は無偏光を利用
しているし、照明などの光源の多くは無偏光を出力する
ため、この前提は実際的な内容である。そうすると、外
光成分は同じ大きさを持った外光Ａ成分５２と外光Ｂ成
分５５とに分解できる。波形５２、５５に示されるよう
に、外光は時間的に変化している。受信装置上の電磁波
の強度のＡ成分、Ｂ成分は５１と５２、５４と５５をそ
れぞれ足した波形５３、５６になる。外光も時間的に変
化しているため波形５３、５６は非常に複雑に変化して
いる。

【００４８】しかし、本発明の受信装置１７、３３は偏
光状態が変調されている成分のみを信号成分として取り
出すため、波形５３から波形５６を差し引いた信号、つ
まり、偏光変調成分５７を再生することができる。この
ように、本発明の光無線データ通信システムでは無偏光
の外光が入射しても、これを同相成分としてキャンセル
することが可能なためその影響を受けにくい。つまり、
外光の原因が既存の光無線データ通信機器の送信装置で
ある場合も、本発明の光無線データ通信方法はその影響
を受けないで通信が可能だと言うことになる以上のよう
に、本発明の光無線データ通信システムでは、既存の光
無線データ通信機器に対して、影響を及ぼしにくく、そ
して、受けにくい特徴を持っているため、同じ波長を使
った場合でも共存が可能である。例えば、既存の光無線
データ通信方式であるＩｒＤＡ方式の場合、通信光のピ
ーク波長が８５０ｎｍから９００ｎｍにあるようにと規
定されている。

【００４９】本発明の光無線データ通信システムを用い
れば、この８５０ｎｍから９００ｎｍに渡る波長を使っ
て、ＩｒＤＡ方式と干渉しない無線データ通信が可能で
ある。この波長帯は、送信装置用の光源として、ＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＡｓを材料とする半導体レーザが、受信装
置用の受光素子としてＳｉを材料とするＰＩＮフォトダ
イオードが使用可能な領域である。これらの材料は、通
信装置を安価に提供するためにはもっとも優れた材料で
ある。つまり、本発明の光無線データ通信システムによ
れば、既存の光無線データ通信機器との干渉を起こさな
いで、最もコスト的に有利な波長帯を利用した光無線デ
ータ通信を提供することが可能になるわけである。

【００５０】また、図５で説明したように、本発明の光
無線データ通信システムによれば、外部からの光が受信
装置に入射しても、その影響を除去できるため安定した
受信信号を得ることが可能である。太陽光、白熱電灯、
蛍光灯などによって通信に用いる電磁波に比べてはるか
に大きい出力の光が自由空間１６には満ちている。

【００５１】しかし、これらの光はいずれも無偏光であ
るため、本発明の光無線データ通信システムでは、これ
ら無偏光の影響を効果的に除去することが可能である。
そのため、強烈な外部からの光に埋もれている通信光を
高いＳＮ比で抽出することが可能である。

【００５２】さらに、本発明の光無線データ通信システ
ムによれば、光出力のピーク値が同一であるとすれば送
信装置が出力する光出力は直流光であるため、従来の強
度変調された光に比べておよそ倍の平均的な出力が得ら
れる。この結果パルス当たりの光子数を倍増できるため
ＳＮ比を３ｄＢ程度増加させることが可能である。

【００５３】次に、本発明の光無線データ通信システム
に用いる送信装置について具体的に説明する。

【００５４】図６は本発明の送信装置の一実施例を示
す。これは左回り、右回りの円偏光の組を用いる送信装
置３１について示したものである。直線偏光変調発光素
子６１は入力に応じて直交した直線偏光１４ｃ、１５ｂ
を出力できる素子である。この直線偏光をそのまま自由
空間１６に出射すれば直線偏光用の送信装置１１にな
る。左回り、右回りの円偏光の組を用いる場合には、四
分の一波長板６２を使って、直線偏光を円偏光２４ｂ、
２３ｃに変換する。

【００５５】この時、四分の一波長板６２をその光学軸
６２ａが直線偏光１４ｃ、１５ｂに対して４５度傾いた
角度に配置すると、直線偏光を円偏光に変換することが
できる。この時、直線偏光の方位と、円偏光の回転方向
との関係は、光学軸６２ａが遅い軸であるか速い軸であ
るかによって異なる。仮に、ｘ軸に平行な直線偏光１４
ｃが右回りの円偏光２４ｂに変換される場合には、ｙ軸
に平行な直線偏光１５ｂは左回りの円偏光２３ｃへと変
換されることになる。

【００５６】このようにして回転方向が変調された円偏
光２４ｂ、２３ｃが生成されたので、そのまま、自由空
間１６に放出しても良いが、レンズ系６３を通過させて
光の広がり角を調整することが有効である場合が多い。

【００５７】ここで、直線偏光変調発光素子６１につい
て詳しく説明する。発光素子としては、その光出力を変
調できる素子は一般的であるが、偏光状態を変調できる
素子はあまり一般的ではない。

【００５８】このような偏光変調発光素子は単一の素
子、あるいは、複数の素子の組み合わせで実現が可能で
ある。例えば、複数の素子を組み合わせるとすれば、レ
ーザー光源から出た光をネマッチック液晶を利用した旋
光素子で偏光面の向きを変調することが可能である。

【００５９】しかし、この場合、液晶の応答速度は通信
に利用できるほど高速でないのが欠点である。単一の素
子では、半導体レーザを使うことができる。通常の半導
体レーザは偏光面が一定の直線偏光を出射するが、構造
を工夫することによって偏光面を変調することが可能で
ある。その例として垂直共振器型面発光半導体レーザに
ついて説明する。

【００６０】図７は垂直共振器型面発光半導体レーザ
（以下、面発光レーザと称する）の外観図を示してい
る。面発光レーザの特徴はレーザ光７３が開口部７２か
ら基板７１面に対して垂直に出射する点である。面発光
レーザは基板７１上にエピタキシャル技術によって形成
された半導体層をフォトリソグラフィ技術で加工して作
製される。

【００６１】面発光レーザの断面図を図８に示す。下部
電極８６、上部電極８２から電子、または、正孔のキャ
リアが注入されるとこれらのキャリアは拡散を続け、活
性層８４に達する。上部電極８２から注入されたキャリ
アが電流狭窄層８３によって絞られて、開口部７２直下
の活性層８４に集められる構造がより望ましい。活性層
８４に到達した電子、正孔は再結合して光を放出する。
この光は下部半導体ミラー８５と上部ミラー８１とで形
成された共振器中を往復する。往復する光は活性層８４
を通過する際に誘導放出を誘起することによって増幅さ
れ、大きな出力の光が共振器中に閉じこめられる。その
一部が上部ミラー８１を透過して外部にレーザ光７３と
して出射される。

【００６２】このようにして面発光レーザは動作する
が、図７からもわかるように共振器７４の形状はフォト
リソグラフィによる加工によって自由に設計することが
できるため、偏光の制御が可能になる。例えば図７のよ
うに断面が円形の共振器７４を作製すると、特定の方位
ができないためレーザ光７３の偏光面の自由度が大き
い。

【００６３】そのため、図９に示すように注入電流量を
変化させることによって偏光面を切り替えることができ
る。図９は光出力の平行方向（ここで平行とは便宜的な
方向）の偏光成分９１と垂直方向（平行方向に垂直な方
向）の偏光成分９２との注入電流依存性を示したもので
ある。注入電流がＩｔｈ未満では主に平行方向の直線偏
光が出射されているが、Ｉｔｈを越えると垂直方向の直
線偏光に切り替わることがわかる。

【００６４】つまり、注入電流をＩｔｈの周りで変調す
ることによって直線偏光の偏光面を変調することが可能
である。ここでは、注入電流を変調する例を説明した
が、他にも、電界や磁界の印加、歪みの付与、偏光の注
入などによっても偏光面を変調することが可能である。
このような面発光レーザを直線偏光変調発光素子６１と
して用いることによって本発明の送信装置を実現するこ
とができる。

【００６５】さらに、偏光面の切替えが起こらない、つ
まり、偏光面が固定された面発光レーザを直線偏光変調
発光素子６１に用いることも可能である。それは、図１
０に示すように、同一基板上に異なる偏光を出射する面
発光レーザを設けることによって実現できる。

【００６６】図１０中に示す断面が長方形の共振器７４
ａ、７４ｂを形成することによって偏光面を一定の方向
に向けるような制御が可能となる。長方形の共振器７４
ａ、７４ｂを形成すると偏光面は長方形の短辺に平行な
方向に固定される。つまり、一つの基板７１上に短辺が
ｘ軸に平行な長方形共振器７４ａと短辺がｙ軸に平行な
長方形共振器７４ｂとを隣接させて形成することによっ
てそれぞれｘ軸に平行な直線偏光１４ｄ、ｙ軸に平行な
直線偏光１５ｃを得ることができる。

【００６７】これは、単一の開口部から直交した直線偏
光を変調して出射する訳ではないが、非常に隣接した開
口部７２ａ、７２ｂからそれぞれお互いに直交した直線
偏光を出射する構造である。ｘ軸に平行な直線偏光を出
射するときには上部電極８２ａから電流を注入して、ｙ
軸に平行な直線偏光を出射するときには上部電極８２ｂ
から電流を注入すればよい。この複開口型面発光レーザ
１０１を直線偏光変調発光素子６１として動作させるに
は図１１に示すような回路を用いることが実用的であ
る。

【００６８】図１１中ＯＰ１、ＴＲ１、Ｒ１はＶＲで設
定した電圧に対応する電流をＴＲ１のエミッタから供給
する定電流源を構成している。ＶＲで電圧Ｖ１にＯＰ１
の＋端子が設定させている場合、ＴＲ１からは電流Ｉｅ
＝（Ｖ−Ｖ１）／Ｒ１が供給される。また、ＴＲ２、Ｔ
Ｒ３はスイッチング用のトランジスタで、電流Ｉｅを面
発光レーザＬＤＸまたはＬＤＹに切り替える働きをす
る。

【００６９】ＴＲ２、ＴＲ３のベースは送信二値データ
１２によって、または、インバータＩＮＶを通過した反
転信号によって駆動される。つまり、ＴＲ２とＴＲ３は
相補的にオン／オフが切り替えられ、一方がオンの時は
他方がオフであるような動作をする。そのため、ＬＤ
Ｘ、ＬＤＹの一方にだけ電流Ｉｅが流れる。このＬＤ
Ｘ、ＬＤＹこそ同一基板７１上に形成された複開口型面
発光レーザ１０１である。ＬＤＸはｘ軸に平行な直線偏
光を、ＬＤＹはｙ軸に平行な直線偏光を出射する面発光
レーザとすると、送信二値データ１２が”１”のときｘ
軸に平行な直線偏光が、”０”のときｙ軸に平行な直線
偏光が複開口型面発光レーザ１０１から出射されること
になる。このような複開口型面発光レーザ１０１を直線
偏光変調発光素子６１として用いて図１１の回路で駆動
することによって本発明の送信装置を実現することがで
きる。なお、ＴＲ１からは定電流を流し、ＴＲ２、ＴＲ
３で電流の経路を変えるこの種の回路構成は高速な変調
ができる特徴を持っている。

【００７０】図１０に示したような偏光面が固定化され
た面発光レーザはフォトリソグラフィ技術によって大量
に作成可能である。長方形の長辺と短辺の長さの比率は
短辺に対して長辺の長さが１．２倍以上に設計すると有
効に偏光方向を固定的に制御することが可能であった。
長辺の長さが短辺に対して１．４倍以上ではさらに制御
が確実になった。さらに、面発光レーザは原理上少なく
とも１ギガヘルツまでは変調が可能なため、図１０の方
式では１ギガヘルツまでの偏光面変調が保証されてい
る。さらに、図１１の回路構成は高速変調に適している
ため、上記の複開口型面発光レーザ１０１を直線偏光変
調発光素子６１として用いると、高速・大容量な光無線
データ通信を実現することができる。

【００７１】面発光レーザの開口部の直径は１μｍから
１００μｍで動作が可能で、複開口型面発光レーザ１０
１の開口部の間隔は２μｍから４００μｍにすることが
できる。開口部の間隔は送信装置全体の大きさ、あるい
は、自由空間１６の大きさに比べて極めて小さいため、
１つの開口から光が出ているのと変わりはない。

【００７２】また、面発光レーザ１個当たりの光出力が
小さくて光無線データ通信を行うのに十分でない場合、
図１２に示すように同じ偏光方向を有する直線偏光を出
射する面発光レーザ７４ａ、または、７４ｂを同一基板
上に多数形成して出力の向上を達成することが可能であ
る。

【００７３】このように複数の面発光レーザから通信用
の光を放出することは光出力を大きくできるだけではな
くて、肉眼に対する安全性を高める効果がある。単一の
開口部からレーザ光を出射した場合、このレーザ光の一
部が肉眼に入射したとき、入射したエネルギーが肉眼の
レンズ作用によって網膜上の一点に収束される可能性が
ある。一点に収束されたレーザ光は大きなエネルギー密
度を有するため、網膜に損傷を与える場合がある。一
方、複数の開口部から出射されたレーザ光が肉眼に入射
したとき、先と同じエネルギーが網膜上に達したとして
も、このレーザ光は一点に収束しないためエネルギー密
度が低い。従って、同じ出力を考えた場合、複数の開口
部から出射されたレーザ光は安全性が高いことになる。

【００７４】以上の送信装置の実施例では主に面発光レ
ーザを利用する例について説明したが、その他の発光素
子の利用も可能である。従来の端面発光半導体レーザは
活性層に平行な偏光（ＴＥ波）を出力するが、これを歪
み超格子構造によってＴＭ波のゲインを大きくしてＴＥ
波とＴＭ波とを切り替えることのできる半導体レーザを
作製することができる。このように改良された端面発光
半導体レーザを直線偏光変調発光素子６１として用いて
送信装置を構成できる。

【００７５】また、従来のＴＥ波しか出力できない端面
発光半導体レーザでも偏光方向を直交させて実装するこ
とによって、見かけ上、２種類の偏光面を出力できる素
子が作製できるので、これを応用して送信装置を作製す
ることが可能である。ただし、端面発光半導体レーザの
偏光方向を直交させて実装する方法では、素子のアライ
メント、広がり角の調整が必要で、面発光レーザほど低
コストで提供できない問題がある。

【００７６】次に、受信装置１７、３３の一実施例につ
いて説明する。ここでは円偏光の回転方向が変調された
電磁波３２を受信する場合を例に挙げる。自由空間１６
を伝播してきた電磁波３２はレンズーフィルタ系１３１
によって集められる。通信に使用する波長以外の電磁波
は外乱となるため、レンズーフィルタ系１３１によって
反射、または、吸収されて透過光から除去されることが
望ましい。

【００７７】レンズーフィルタ系１３１を通過した円偏
光２３ｄ、２４ｃは四分の一波長板１３２によって直線
偏光に変換される。これは、送信装置で説明した直線偏
光から円偏光への変換の逆である。例えば、左回りの円
偏光２３ｄがｘ軸に平行な直線偏光へ、右回りの円偏光
がｙ軸に平行な直線偏光へと変換される。この時、四分
の一波長板１３２の光学軸１３２ａから４５度傾いた方
位にｘ軸、ｙ軸を定めることができる。このｘ軸、ｙ軸
に平行、または、垂直な偏光成分を透過、反射、吸収す
るように検光子１３３を配置する。この図の実施例では
検光子１３３として偏光ビームスプリッタを用いた場合
について示している。

【００７８】偏光ビームスプリッタ１３３はｘ軸に平行
な偏光成分を反射して、ｙ軸に平行な偏光成分を透過す
るように配置されている。従って、ｘ軸に平行な直線偏
光へ変換された光は光検出器１３４ａへと導かれる。他
方、ｙ軸に平行な直線偏光は光検出器１３４ｂへと導か
れることになる。光検出器はこれに入射する光出力に応
じた電流を発生する。光検出器１３４ａ、１３４ｂから
は図５の５３、５６に対応する電流波形がそれぞれ得ら
れることになる。

【００７９】図５の５３、５６の波形から５７に示す二
値データに対応するような偏光変調成分の波形を得るた
めに図１４の回路を使用する。ここでは、光検出器１３
４ａ、１３４ｂとしてＰＩＮフォトダイオードを用いた
場合について説明する。ＰＩＮＸ、ＰＩＮＹが光検出器
１３４ａ、１３４ｂに対応している。ＰＩＮフォトダイ
オードＰＩＮＸ、ＰＩＮＹには逆バイアス電圧Ｖｒが印
加されている。光出力に対応した電流ＩｓがＰＩＮフォ
トダイオードＰＩＮＸ、ＰＩＮＹのアノードから流れ出
て、ＯＰ２とＲ２、ＯＰ３とＲ３で構成された電流−電
圧変換回路へと流れていく。これらの電流−電圧変換回
路はＩｓをそれぞれＩｓ・Ｒ２、Ｉｓ・Ｒ３の電圧へと
変換する。

【００８０】通常、Ｒ２＝Ｒ３であることが望ましい。
電圧信号に変換された２つの信号は、ＯＰ４、Ｒ４、Ｒ
５、Ｒ６、Ｒ７から構成される差動増幅器に入力され、
その差動成分が増幅され、同相成分は除去される。通
常、Ｒ４＝Ｒ６、Ｒ５＝Ｒ７として設計され、増幅率は
Ｒ５／Ｒ４が得られる。こうして偏光変調成分に相当す
る波形５７を得ることができる。この段階ではアナログ
信号であるため、受信二値データに変換するためにはデ
ータ弁別器１４１に入力して二値データへの変換を行え
ば、出力端１７ａ、３３ａに受信二値データ１８を得る
ことができる。

【００８１】このようにして、円偏光の回転方向が変調
された電磁波３２を受信して、二値データを復調するこ
とができる。直編偏光の偏光面が変調された電磁波１３
を受信する場合は、円偏光−直線偏光変換の必要がない
ため、図１３の構成から四分の一波長板１３２を取り除
いた構成で受信が可能である。その他の素子、回路は上
記の円偏光の場合と同じ原理で受信できる。

【００８２】上述した受信装置の光検出器１３４ａ、１
３４ｂにはＰＩＮフォトダイオードを用いた場合につい
て説明したが、その他の光エネルギー変換素子を利用す
ることも可能である。半導体の場合、アバランシェフォ
トダイオードを用いると感度、速度の点で有利である。
光によってキャリアを制御する光トランジスタを利用す
ることもできる。

【００８３】半導体としては波長が１μｍ以下の場合、
Ｓｉを利用できるため安価に受信装置を提供することが
できる。先に述べたように、８５０ｎｍから９００ｎｍ
の波長を用いても本発明の光無線データ通信システムで
は従来の光無線通信システムと干渉を起こすことがない
ため、この波長域を利用することが可能である。半導体
以外の素子では光電子増幅管を使用することも可能であ
る。

【００８４】また、上記の実施例では検光子として偏光
ビームスプリッタ１３３を利用した例について説明した
が、ここに、多種の偏光素子を利用することは全く問題
ない。グラン・テイラー偏光プリズム、グラン・トムソ
ン偏光プリズム、ウォラストンプリズム、トムソンプリ
ズムなどの複屈折性の偏光子、二色性樹脂フィルム、金
属ウイスカー薄膜フィルム、多層複屈折樹脂フィルムな
どを利用することが可能である。

【００８５】[第2の実施の形態］第２の実施の形態とし
て、偏光状態の異なる２種類の光を使って光無線データ
通信をおこなう方式について説明する。第1の実施の形
態と異なるのは、偏光状態の異なる2種類の偏光を使っ
て、送信情報とクロック情報を送信する点である。

【００８６】ここで用いる２つの偏光状態は、第１の実
施の形態で説明したように、ポアンカレ球上でお互いに
対心点に位置する「独立した偏光状態」である。特別な
組み合わせとして、直交した直線方向の組み合わせ、あ
るいは、左回りの円偏光、右回りの円偏光の組み合わせ
がある。このような偏光状態の組み合わせをここでは第
一の偏光状態、第二の偏光状態の組み合わせとして表す
ことにする。

【００８７】図１５は送信する送信情報であるところの
送信二値データ１２と、これに対応する第一の偏光状態
の光の強度変化１５１と、第二の偏光状態の光の強度変
化１５２を示した図である。さらに、図１５中には、送
信二値データ１２の時間軸の基準となるクロック信号１
５３、クロック信号の２分の１分周信号１５４を示して
いる。第一の偏光状態は送信二値データ１２に基づいて
強度変調されていることがわかる。一方、第二の偏光状
態はクロック信号の２分の１分周信号１５４と送信二値
データ１２との排他的論理和である。

【００８８】このような第１の偏光状態、第２の偏光状
態の強度変調光を発生するには図１６の構成を用いる。
図１６は送信二値データ１２とクロック信号１５３に基
づいて、面発光レーザLDA、LDBを強度変調する回路図を
示している。ここで、面発光レーザLDAは第一の偏光状
態の光を出射して、面発光レーザLDBは第二の偏光状態
の光を出射する。送信二値データ１２はインバータINV
２に入力され、INV２の出力はトランジスタTR4のゲート
に接続される。つまり送信二値データ１２が「１」のと
き、TR4のゲートの電圧はエミッタの電圧より低くなりT
R4はON状態になって、電流が面発光レーザLDAに流れ
る。その結果、面発光レーザLDAからは第一の偏光状態
のレーザ光が出射される。このときの電流の大きさは抵
抗R８によって決定される。また、送信二値データ１２
が「０」のときはTR４はOFF状態で電流は流れないので
レーザ光は出射されない。

【００８９】また、クロック信号１５３は２分の１分周
器FFに入力され、その出力にクロック信号の２分の１分
周信号１５４が得られる。この信号と送信二値データ１
２とが排他的論理和ゲートEＸORに入力され、その出力
は、インバータINV3、トランジスタTR5を駆動して面発
光レーザLDBからレーザ光出力として出射される。

【００９０】受信装置は第一の実施の形態の図１３の説
明でも示したように、第一の偏光状態と第二の偏光状態
の光を分離して、それぞれの光強度を電気信号に変換す
る光学系を有している。その結果、図１７の波形図、図
１８の回路図に示すように、第一の偏光状態に対応した
第一の受信信号１７１がフォトダイオードPDAの出力と
して、第二の偏光状態に対応した電気信号である第二の
受信信号１７２がフォトダイオードPDBの出力として得
られる。フォトダイオードPDA,PDBの出力は電流である
ため、それぞれ、電流／電圧変換回路IVA,IVBによって
電圧値に変換され、さらには、コンパレータCPA,CPBに
入力され二値信号が得られる。

【００９１】第１の受信信号１７１は送信信号に対応し
ているので上記の二値信号を、データ弁別器１８１に入
力すればデジタルデータが選られるが、実際にはデータ
弁別器１８１内部で受信信号１７１サンプリングするた
めのクロック情報が必要である。そのために、第一の受
信信号１７１と第二の受信信号１７２との排他的論理和
を演算するために、コンパレータCPA,CPBの出力を排他
的論理和ゲートEXORに入力すると、先の、クロック信号
の２分の１分周に対応する受信クロック信号１７３を得
ることができる。これを遅延回路DLで一定時間だけ遅延
させて遅延受信クロック信号１７４を生成してデータ弁
別器１８１に入力すれば、この信号の立ち上がり、立ち
下がりのタイミングでコンパレータCPAの出力をサンプ
リングすることによって、目的の受信二値データ１８を
得ることができる。

【００９２】このように、データ弁別器１８１に必要な
クロック情報を得るのに、PLL回路を使わない。そのた
め、PLL回路を構成する精度の高い回路、あるいはPLL回
路に必要な安定な電源を省くことができるのでコストを
下げることができる。また、受信信号からクロックを抽
出する必要がないため、特別な変調符号による符号化、
復号化の処理を省くことができ、安価に光無線データ通
信を提供することができる。

【００９３】また、PLL回路を用いない方式として、以
下に説明するシステムもまた有効である。これはRZ符号
（Return to Zero）を用いる方法である。図１９の波形
図に示すように送信二値データ１２をRZ符号化したRZ信
号１９１は、送信二値データが「１」のとき、一旦
「１」の状態へ遷移して、その後「１」の状態から必ず
「０」の状態に戻る。送信二値データ１２の反転をRZ符
号化した反転RZ信号１９２は、送信二値データ１２が
「０」のとき一旦「１」の状態を持ち、その後「０」に
戻る。この、RZ信号１９１、反転RZ信号１９２をそれぞ
れ第一の偏光状態、第二の偏光状態の光の強度の変化と
して送信する。そのためには、それぞれの偏光状態の光
を出射するように作製された面発光レーザを、RZ信号１
９１、反転RZ信号１９２に基づいて変調すればよい。

【００９４】図２０に示す受信装置は第一の偏光状態を
分離する偏光素子２０１を透過した光の強度を電気信号
に変換する検出部PDCと、偏光状態に依存せず、その光
強度を電気信号に変換する検出部PDDとを有している。
つまり、検出部PDCはRZ信号１９１に対応する電気信号
を発生して、検出部PDDはRZ信号１９１と反転RZ信号１
９２との和信号１９３に対応する電気信号を発生する。
この和信号１９３はデータをサンプリングするのに必要
なクロックとして使うことができる。そのため、検出部
PPC、PPDの出力は電流／電圧変換器IVC,IVDを経て、コ
ンパレータCMC,CMDによって二値化された後、データ弁
別器２０２にデータ、および、クロックとして入力さ
れ、クロックに同期した受信二値データ１３を得ること
ができる。

【００９５】ここでは、和信号１９３を偏光無依存の光
検出器PDDによって光強度の和として得た。しかし、光
検出器PDCのような偏光を分離する素子で光電変換を行
い、電気信号に変換した後、電気的に和信号１９３を演
算しても同様な受信装置を実現することが可能である。

【００９６】[第３の実施の形態]第3の実施の形態とし
て、波長の異なる2種類以上の光を使って光無線通信を
行う方式について説明する。特にここでは、一方の波長
を使って、送信情報をそのまま送信、かつ、他方の波長
を使って、送信情報の反転した情報列を送信する実施例
について説明する。

【００９７】図２１は２種類の波長を出射することの可
能な面発光レーザモジュール２１４を示した概略構成図
である。台座２１３上の同一平面上に面発光レーザ２１
１ａ、２１２ａを有する半導体チップ２１１、２１２が
実装されている。面発光レーザは基板に対して垂直にレ
ーザ光を出射するため、基板、つまりは半導体チップを
同一平面上に隣接して配置するだけで、容易にレーザ光
の出射方向を一致させることができる。面発光レーザ２
１１ａ、２１２ａは異なる波長λａ、λｂを出射する。

【００９８】送信装置では上記の面発光レーザ２１１
ａ、２１２ａに流す電流を変調することによって、波長
λａの光を送信二値データ１２に基づいて、そして、波
長λｂの光を送信二値データ１２を反転した情報列に基
づいて強度変調をおこなって、自由空間中に二種類の波
長λａ、λｂを放出する。

【００９９】図２２に示す受信装置は、波長λａ、λｂ
を分離するためのバンドパスフィルタ２２１、ダイクロ
イックミラー２２２を有する。その結果、波長λａ、λ
ｂはそれぞれフォトダイオードＰＤＥ、ＰＤＦに導か
れ、それぞれの光強度に対応した電気信号を発生させ
る。フォトダイオードＰＤＥ、ＰＤＦに入射するのは、
送信装置から出射された光だけでなく、環境から発せら
れた外乱光のうち、バンドパスフィルターを透過する成
分も含まれている。多くの場合、この外乱光は白色光
か、有色光の場合でもブロードなスペクトルを有する光
である。

【０１００】つまり、これらの外乱光は１００ｎｍの範
囲では波長に依存しない光強度を有するといってよい。
そこで先の、面発光レーザ２１１ａ、２１２ａから出射
される波長λａ、λｂの差｜λａ−λｂ｜を１００ｎｍ
以下に設定しておくと、フォトダイオードＰＤＥ、ＰＤ
Ｆに入射する光量は同程度になり、それぞれの出力の差
を差動増幅器DEFで得ることによって、相殺することが
できる。一方、波長λａ、λｂの光は送信装置によって
お互いに逆相に変調されているため、フォトダイオード
ＰＤＥ、ＰＤＦの出力を差動増幅器に入力すると、変調
成分は振幅が利得×２の出力に増幅される。その結果、
外乱光の影響を最小にして、Ｓ／Ｎの良好な受信信号を
得ることが可能になる。

【０１０１】[第4の実施の形態]第４の実施の形態とし
て、波長の異なる2種類の光を使って光無線データ通信
をおこなう方式について説明する。ここでは、波長の異
なる2種類の光を使って、送信情報とクロック情報を送
信する実施例について説明する。

【０１０２】図２１に示した波長λａ、λｂのレーザ光
を出射する面発光レーザモジュール２１４を送信装置に
用いる。一方の面発光レーザ２１１ａを送信二値データ
１２に基づいて強度変調して、他方の面発光レーザ２１
２ａを送信二値データ１２とクロック信号の２分の１分
周信号１５４との排他的論理和に基づいて強度変調す
る。その結果、送信装置からは波長λａ、λｂの光が個
別に変調された光信号として自由空間中に放出される。

【０１０３】受信装置は図２２と同様な光学系を用い
る。ただし光検出器ＰＤＥ，ＰＤＦで光電変換して、電
流／電圧変換器ＩＶＥ，ＩＶＦで電圧に変換した後は、
図２２と異なる。電流／電圧変換器ＩＶＥはλａの光強
度に比例した電圧を出力する。この出力はコンパレータ
によって二値信号に変換されデータ弁別器１８１に入力
される。また、電流／電圧変換器ＩＶＥ，ＩＶＦの出力
がコンパレータによって二値信号に変換された後、両者
の信号は排他的論理和ゲートによって排他的論理和を求
めることによって受信クロック信号１７３が得られる。
受信クロック信号１７３を一定時間だけ遅延させて遅延
受信クロック信号１７４を生成してデータ弁別器１８１
に入力すれば、この信号の立ち上がり、立ち下がりのタ
イミングで先のコンパレータの出力をサンプリングする
ことによって、目的の受信二値データ１８を得ることが
できる。

【０１０４】また、別の方式として、送信二値データ１
２をＲＺ変調したＲＺ信号１９１と反転ＲＺ信号１９２
とに基づいて面発光レーザ２１１ａ，２１１ｂを強度変
調しても同様な光無線データ通信が可能であることは以
上の説明から明らかである。

【０１０５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明により、
二値データの基づいて偏光状態を変調する送信装置と、
偏光状態の変化を検出する受信装置との間で光無線デー
タ通信が実現できるため、外部からの光の影響を受けに
くく、既存の光無線通信システムへの影響がなく、既存
の光無線通信システムからの影響を受けない安価な光無
線データ通信システムを提供することができる。

【０１０６】特に、本発明の光無線データ通信システム
はＩｒＤＡ方式の使用している８５０ｎｍから９００ｎ
ｍの波長帯を使って偏光変調通信を行ってもＩｒＤＡ方
式との干渉がない。そのため、送信装置に用いる発光素
子としてＧａＡｓ基板上に成長した、ＡｌＧａＡｓ半導
体レーザを利用することができるため安価に送信装置を
提供できる。

【０１０７】また、１μｍ以下の波長で利用が可能なＳ
ｉ製ＰＩＮフォトダイオードを受信装置の受光素子とし
て利用できるため安価に受信装置を提供できる。このよ
うに、本発明の光無線データ通信システムは１μｍ以下
の波長を利用するときにコスト面での優位性が高いが、
これ以外にも１μｍ以上の波長を含むすべての波長域で
多くの優れた効果を有する。通信にとって外乱になる外
部からの光の殆どは無偏光であるため、本発明により、
これらの影響を除去して安定した通信が可能である。

【０１０８】さらに、本発明の光無線データ通信システ
ムによれば、光出力のピーク値が同一であるとすれば送
信装置が出力する光出力は直流光であるため、従来の強
度変調された光に比べておよそ倍の平均的な出力が得ら
れる。この結果パルス当たりの光子数を倍増できるため
ＳＮ比を３ｄＢ程度増加させることが可能である。

【０１０９】本発明に用いる偏光状態は任意の「独立し
た偏光状態」の組み合わせが可能である。このうち、左
回りの円偏光と右回りの円偏光の組は、送信装置と受信
装置の通信方位の周りの回転に対して送受信状態に変化
がない点で特に有効である。円偏光を変調するための送
信装置は直線偏光変調発光素子と四分の一波長板の組み
合わせで容易に実現できる。特に直線偏光変調発光素子
として面発光レーザを用いることが装置構成を簡略化す
る上で有効である。

【０１１０】面発光レーザは偏光方向の自由度が高さた
め、偏光方向を直接変調することが可能なため、低コス
トで送信装置を提供できる。また、偏光方向を固定化し
た面発光レーザを複数個用いて変調する方式では容易に
高速な偏光面変調が可能であり、高速・大容量の光無線
データ通信を提供することが可能である。また、複数の
面発光レーザから通信用の光を放出することによって、
光出力を大きくでき、かつ、肉眼に対する安全性を高め
ることが可能である。

【０１１１】また、円偏光の回転方向が変調された電磁
波を受信するための受信装置は、四分の一波長板、検光
子、光検出素子の組み合わせで実現ができる。この受信
装置は無偏光の入射に対応した同相成分を差動検出によ
って除去できるため、安定した偏光変調信号の再生が可
能である。

【０１１２】このように本発明の光無線データ通信シス
テム、および、これに用いる送信装置、受信装置によれ
ば、従来のシステムとの干渉のない安定した無線データ
通信を低コストで提供することができる。

【０１１３】また、同様に異なった二波長の光を相補的
に変調した場合も、同相成分を差動検出によって除去で
きるため、安定した変調信号の再生が可能である。つま
り、外部からの光の影響を受けにくく、既存の光無線通
信システムへの影響がなく、既存の光無線通信システム
からの影響を受けない安価な光無線データ通信システム
を提供することができる。

【０１１４】また、偏光状態、または、波長が異なる２
種類の光を使って、送信すべきデータとクロック情報と
を空間伝送したので、ＰＬＬ回路を使わずにデータの弁
別が可能になった。そのため、PLL回路を構成する精度
の高い回路、あるいはPLL回路に必要な安定な電源を省
くことができるのでコストを下げることができる。ま
た、受信信号からクロックを抽出する必要がないため、
特別な変調符号による符号化、復号化の処理を省くこと
ができ、安価に光無線データ通信を提供することができ
る。

【０１１５】特に、偏光状態、または、波長が異なる２
種類の光を出射するのに面発光レーザを用いたので、装
置を小型化することができ、また、容易に光軸の調整が
でき、結果的に低コストで本発明の送信装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光無線データ通信シ
ステムの概略構成を示す図である。

【図２】本発明の光無線データ通信システムに用いる偏
光状態の組み合わせを示す図である。

【図３】本発明の光無線データ通信システムの円偏光を
利用する実施例の概略構成を示す図である。

【図４】本発明の光無線データ通信システムの送信装置
から出射された電磁波の独立した偏光成分、全光量の時
間変化を示す波形図である。

【図５】本発明の光無線データ通信システムの送信装置
から出射された電磁波の独立した偏光成分に外光の影響
が付加されたときの時間変化を示す波形図である。

【図６】本発明の光無線データ通信システムに用いる送
信装置の一実施例を示す概略構成図である。

【図７】本発明の送信装置に用いる垂直共振器型面発光
半導体レーザの概要を示す斜視図である。

【図８】本発明の送信装置に用いる垂直共振器型面発光
半導体レーザの概要を示す断面図である。

【図９】本発明の送信装置に用いる垂直共振器型面発光
半導体レーザのある偏光方向の光出力の注入電流依存性
を示す特性図である。

【図１０】本発明の送信装置に用いる垂直共振器型面発
光半導体レーザの別の実施例を示す平面図、断面図であ
る。

【図１１】図１０の垂直共振器型面発光半導体レーザを
駆動するための回路構成の一例を示す回路図である。

【図１２】図１０の垂直共振器型面発光半導体レーザを
同一チップ上に多数配置した光源の構成を示す平面図で
ある。

【図１３】本発明の光無線データ通信システムに用いる
受信装置の一実施例を示す概略構成図である。

【図１４】図１３の受信装置を動作させる回路の一例を
示す回路図である。

【図１５】本発明の光無線データ通信システムの一実施
例を説明する波形図。

【図１６】本発明の光無線データ通信システムに用いる
送信装置の一実施例を示す回路図。

【図１７】本発明の光無線データ通信システムの一実施
例を説明する波形図。

【図１８】本発明の光無線データ通信システムに用いる
受信装置の一実施例を示す回路図。

【図１９】本発明の光無線データ通信システムの一実施
例を説明する波形図。

【図２０】本発明の光無線データ通信システムに用いる
受信装置の一実施例を示す回路図。

【図２１】本発明の光無線データ通信システムに用いる
受信装置に用いる面発光レーザモジュールを示す概観
図。

【図２２】本発明の光無線データ通信システムに用いる
受信装置の一実施例を示す概観図。

【符号の説明】

１１・・送信装置（直線偏光変調型）１１ａ・・送信装置１１の入力端１２・・送信二値データ１３・・直線偏光変調された電磁波１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ・・ｘ軸に平行
な直線偏光１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ・・ｙ軸に平行な直線偏
光１６・・自由空間１７・・受信装置（直線偏光変調型）１７ａ・・受信装置１７の出力端１８・・受信二値データ２１・・ｘ軸に長軸を持つ左回りの楕円偏光２２・・ｙ軸に長軸を持つ右回りの楕円偏光２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ・・左回りの円
偏光２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ・・右回りの円偏光３１・・送信装置（円偏光の回転方向変調型）３１ａ・・送信装置３１の入力端３２・・円偏光変調された電磁波３３・・受信装置（円偏光の回転方向変調型）３３ａ・・受信装置３３の出力端４１・・偏光成分Ａの波形４２・・偏光成分Ｂの波形４３・・全光量の波形５１・・偏光成分Ａの波形５２・・外光の偏光成分Ａの波形５３・・受信装置上の偏光成分Ａの波形５４・・偏光成分Ｂの波形５５・・外光の偏光成分Ｂの波形５６・・受信装置上の偏光成分Ｂの波形５７・・偏光変調成分の波形６１・・直線偏光変調発光素子６２・・四分の一波長板６２ａ・・四分の一波長板６２の光学軸方位６３・・レンズ系７１・・基板７２、７２ａ、７２ｂ・・開口部７３・・レーザ光７４・・共振器７４ａ、７４ｂ・・長方形型共振器８１・・上部ミラー８２、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ・・上部電極８３・・電流狭窄層８４・・活性層８５・・下部半導体ミラー８６・・下部電極９１・・平行方向の偏光光出力９２・・垂直方向の偏光光出力１０１・・複開口型面発光レーザ１３１・・レンズ−フィルタ系１３２・・四分の一波長板１３２ａ・・四分の一波長板１３２の光学軸方位１３３・・検光子、偏光ビームスプリッタ１３４ａ、１３４ｂ・・光検出器１４１・・データ弁別器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８・・
抵抗素子ＶＲ・・可変抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３・・トランジスタＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３、ＯＰ４・・演算増幅器ＬＤＸ、ＬＤＹ・・垂直共振器型面発光半導体レーザダ
イオードＩＮＶ・・インバータＰＩＮＸ、ＰＩＮＹ・・ＰＩＮフォトダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近藤貴幸長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長が１００μｍ以下の光を自由空間中
に放出して通信を行う、受信装置と送信装置とを備えて
構成される光無線通信システムであって、前記送信装置は、お互いに異なる光学的性質を有する2
種類以上の光を出射する１つ以上の光源を有し、そし
て、送信情報を変調した第1送信情報と、前記送信情報
を演算変換した第2送信情報に基づいて、前記2種類以上
の光を個別に変調して、お互いに異なる２つ以上の変調
信号光を出射し、前記受信装置は、前記2種類以上の光を弁別して受光で
きる１つ以上の受光部を有し、自由空間中を伝搬してき
た前記変調信号光を受光し、演算して得られた変調信号により前記送信情報に対応し
た受信情報を得ることを特徴とした光無線データ通信シ
ステム。
【請求項２】請求項１記載の光無線データ通信システ
ムにおいて、前記第1送信情報として前記送信情報を用
い、前記第2送信情報として前記送信情報を反転した情
報列を用いる光無線データ通信システム。
【請求項３】請求項１記載の光無線データ通信システ
ムにおいて、前記第2送信情報として、クロックの2分の
1分周信号と前記送信情報との排他的論理和を用いる光
無線データ通信システム。
【請求項４】請求項1記載の光無線データ通信システ
ムにおいて、前記第１送信情報として前記送信情報をＲ
Ｚ変調した情報列を用い、前記第2送信情報として、前
記送信情報を反転後、ＲＺ変調した情報列を用いる光無
線データ通信システム。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか一項記載の光
無線データ通信システムにおいて、前記お互いに異なる
光学的性質を有する2種類以上の光として、直交した直
線偏光の組み合わせを用いる光無線データ通信システ
ム。
【請求項６】請求項１乃至４のいずれか一項記載の光
無線データ通信システムにおいて、前記お互いに異なる
光学的性質を有する2種類以上の光として、右回りの円
偏光と、左回りの円偏光とを用いる光無線データ通信シ
ステム。
【請求項７】請求項１乃至４のいずれか一項記載の光
無線データ通信システムにおいて、前記お互いに異なる
光学的性質を有する2種類以上の光として、異なる波長
の光の組み合わせを用いる光無線データ通信システム。
【請求項８】請求項１乃至６のいずれか一項記載の光
無線データ通信システムに用いる送信装置において、前
記光源が、直線偏光の偏光方向を変調するための垂直共
振器型面発光半導体レーザと、前記垂直共振器型面発光
半導体レーザの出射光が通過するように配置された位相
板とから構成される送信装置。
【請求項９】請求項１乃至７のいずれか一項記載の光
無線データ通信システムに用いる送信装置において、前
記光源が、第１の直線偏光を出射する第１の半導体レー
ザと、前記第１の半導体レーザの出射光の偏光面に対し
て垂直な直線偏光を出射する第２の半導体レーザと、前
記第１と第２の半導体レーザの出射光が通過するように
配置された位相板とから構成される送信装置。
【請求項１０】請求項９記載の送信装置において、前
記第１、第２の半導体レーザとして同一半導体基板上に
形成された垂直共振器型面発光半導体レーザを用いる送
信装置。
【請求項１１】請求項１０記載の送信装置において、
前記第１の半導体レーザである垂直共振器型面発光半導
体レーザが複数個、そして前記第２の半導体レーザであ
る垂直共振器型面発光半導体レーザが複数個、同一半導
体基板上に形成される送信装置。
【請求項１２】請求項１０または１１記載の送信装置
において、第１と第２の半導体レーザとして、断面が長
方形で、長辺が短辺に比べて１．２倍以上の長さの共振
器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザを用い、長
辺の方向を第１と第２の半導体レーザの間でお互いに直
交するように配置した送信装置。
【請求項１３】請求項８乃至１２のいずれか一項記載
の送信装置において、前記位相板として４分の１波長板
を用い、前記第１または第２の半導体レーザの出射光の
偏光面に対して前記４分の１波長板の主軸方向がなす角
度が４５度であるように配置される送信装置。
【請求項１４】請求項１乃至６のいずれか一項記載の
光無線データ通信に用いる受信装置において、受信光の
偏光状態を直交した直線偏光に変換する受信位相板と、
直交した直線偏光をそれぞれ透過、または、反射する検
光子と、直交した直線偏光をそれぞれ光電変換する第１
と第２の受光素子とから構成される受信装置。
【請求項１５】請求項１４記載の受信装置において、
前記受信位相板として４分の１波長板を用い、前記検光
子の光学軸に対して前記４分の１波長板の主軸方向がな
す角度が４５度であるように配置される受信装置。
【請求項１６】請求項１４または１５記載の受信装置
において、第１と第２の受光素子にＰＩＮフォトダイオ
ードを用いる受信装置。
【請求項１７】請求項１から４、または７のいずれか
一項記載の光無線データ通信に用いる送信装置におい
て、前記光源が、異なる発振波長を有する2つ以上の面
発光レーザから構成される送信装置。
【請求項１８】請求項１７記載の送信装置において、
同一平面上に面発光レーザが形成された半導体チップが
2つ以上実装され、それぞれの前記半導体チップ上の面
発光レーザの発振波長が異なる送信装置。
【請求項１９】請求項１から４、または７のいずれか
一項記載の光無線データ通信に用いる受信装置におい
て、受信光を波長に応じて弁別する波長選択性のフィル
タ、または、ミラーを有し、波長上で弁別された光をそ
れぞれ受光して光電変換する第1と第2の受光素子を有す
る受信装置。