JPWO2014181370A1

JPWO2014181370A1 - 光通信用受信装置、光通信装置および光通信方法

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Publication number: JPWO2014181370A1
Application number: JP2015515651A
Authority: JP
Inventors: 稔上猶
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2017-02-23
Also published as: US20190036617A1; EP2996268A4; EP2996268A1; KR20160006732A; WO2014181370A1; HK1221085A1; CN105359436A

Abstract

[要約][課題]微弱な光であっても情報通信が可能な光通信用受信装置、光通信装置および光通信方法を提供すること。[解決手段]複数の光子検出素子での光子の検出の有無をデジタル情報信号として取り出すよう構成することで、受信可能最高周波数を光子の計数間隔の逆数とした光通信が可能となる。

Description

本発明は、光通信用受信装置、光通信装置および光通信方法に関し、より詳しくは光子計数技術を用いた光通信用受信装置、光通信装置および光通信方法に関する。

微弱な光を検出するための装置として、光子計測装置がある。
この光子計測装置は、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオード（以下、単に「ＡＰＤ」という。）に入射した光子によって放出した光電子を、検出可能なレベルにまで増幅することによって、微弱な光を探知可能としている。

光子計測装置は、主に、分光分析、高エネルギー物理学、天文学、医療診断、血液分析、環境測定、バイオテクノロジー、半導体製造、材料開発などの用途で用いられることが一般的である。
その中から光子計測装置の一例として、衛星からのレーダービームを受信することを想定した、特許文献１に記載の単一光子計測装置がある。

特開平７−１６７７０９号公報

これらの先行技術を参照すると、以下のような改善点や問題点がある。
（１）特許文献１に記載の光子計測装置では、ＡＰＤからなる複数の扇型素子の集合体で、円形の光検出素子部を構成している。そして、ある扇型素子で光子を検出してから当該扇型素子が光子を受光可能な状態に復帰するまでは、他の扇型素子で光子を検出することを確率的に期待している。しかし、この光子計測装置では、１ビット通信上で見かけのカウントレートを向上させているに過ぎず、複数の扇型素子に同時に光子が到達した場合に、複数の光子計測装置それぞれが同時に光子を検出して、複数ビットによる情報通信を行うものではない。
（２）受光装置に到来する微弱光の光強度をなるべく上げるために、集光装置を設けることを前提としている。
（３）情報通信の分野で光子計測技術、又は光子計数技術を用いた例が未だ無い。

すなわち、本願発明は、微弱な光であっても情報通信が可能な光通信用受信装置、光通信装置および光通信方法を提供することを目的の一つとする。

上記の改善点や問題点等を解決すべくなされた本願発明は以下の通りである。
本願発明に係る光通信用受信装置は、複数の光子検出素子と、各光子検出素子での光子の検出の有無をデジタル情報信号として取り出す制御部と、を備えることを特徴とする。
また、前記発明において、前記複数の光子検出素子での光子の検出時刻を検知する、時刻収集部と、をさらに備えても良い。
また、前記発明において、前記複数の光子検出素子での光子の検出の有無を一定期間蓄積して一つのデジタル情報信号とする積算部と、をさらに備えても良い。
また、前記発明において、前記複数の光子検出素子の手前に拡散手段または集光手段を配しても良い。

また、本願発明に係る光通信装置は、前記発明に記載の光通信用受信装置と、該光通信装置の手前に設ける光源選択装置と、を備えた光通信装置であって、前記光源空間選択装置は、空間分割装置を少なくとも備え、前記空間分割装置は、平面空間上に配列してなり、それぞれ反射角度を任意に変更可能な鏡の集合体からなり、前記集合体へと入射する複数の光線に対し、前記鏡の反射角度の制御によって、受光器への導入の有無を切り替え可能としたことを特徴とするものである。

また、本願発明に係る光通信方法は、複数の光子検出素子での光子の検出の有無をデジタル情報信号として取り出すことを特徴とする。

本願発明によれば、以下に記載する効果のうち、少なくとも一つの効果を得ることができる。
（１）微弱光を用いた情報通信が可能となる。
（２）微弱光を用いたパラレル伝送による情報通信が可能となる。
（３）所定時刻毎に光子検出素子毎の光子の検出の有無を取り出すことで、他の光源による背景ノイズの影響を低くすることができる。
（４）微弱な送信光で想定される光子の数より多数の光子検出素子を用いつつ、該光子検出素子に光子計数素子（フォトカウンティングデバイス）を用いることで、光子を検出した光子計数素子のパルス回復時間中に到来した次の光子を残りのＡＰＤで検知することができ、電子雪崩時間間隔に近い間隔での情報通信が可能となる。すなわち、受信可能最高周波数を、光子の計数間隔の逆数とした光通信が可能となる。
（５）必要に応じて、光子検出素子の手前に集光手段または拡散手段を配置することで、前記光子検出素子に到来する光子数（光子密度）を適当なレベルにまで調整することができる。
（６）必要に応じて、光子検出素子の手前に通信に使用される波長に対応し光子検出素子の配置に適合するように作成されたホログラムを置くことにより、可干渉性の高い光源の光を分散させることができる。

実施例１に係る光通信用受信装置の原理を示す図。実施例２に係る光通信用受信装置（拡散手段）の原理を示す図。実施例２に係る光通信用受信装置（集光手段）の原理を示す図。実施例２に係る光通信用受信装置（光量制限手段）の原理を示す図。実施例３に係る光通信用受信装置の原理を示す図。実施例４に係る光通信用受信装置の原理を示す図。実施例５に係る光通信装置の原理を示す図。

以下、各図面を参照しながら、本発明の光通信用受信装置、光通信装置および光通信方法の実施例について説明する。

＜１＞全体構成
図１は、実施例１に係る光通信用受信装置の原理を示す図である。
本発明に係る光通信用受信装置は、光を受光するための受信手段Ａを少なくとも備える。そして、本発明に係る光通信用受信装置は、前記受信手段Ａで受けた光子数の絶対数ではなく、光子数の時間変化を検出することで情報通信を行うものである。

本発明に係る光通信用受信装置は、前記受信手段Ａの他に、他方の光通信装置に投光するための光源Ｂを備える送信手段を設けても良いが、本発明において必須の構成ではない。送信手段を設ける方法は、使用環境において公知技術の範囲内で適宜選択すればよい。
また、光源ＢはＬＥＤ光や、レーザー光などの光線を照射可能な公知の部材を用いることができる。
以下、各部材について説明する。

＜２＞受信手段
受信手段Ａは、光源Ｂからの送信光を受光するための手段である。
受信手段Ａは、複数の光子検出素子１と、該複数の光子検出素子１での光子Ｃの検出の有無から、デジタル情報の取り出し処理を制御する制御部２と、を少なくとも備える。

＜２−１＞光子検出素子
光子検出素子１は、光子を検出するための素子である。
［光子検出素子の例］
光子検出素子１には、一定時間内に入射した光信号としての光子Ｃの数を検出・計数可能な、公知の光子計数素子（フォトンカウンティング素子）を用いることができる。
例えば、光子検出素子１として使用できる部材としては、ガイガーモードで使用するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）とクエンチング抵抗を組み合わせたもの、光電子倍増管、単一または複数のマルチピクセルフォトンカウンティング（ＭＰＰＣ）素子など、がある。

［光子検出素子の数］
光子検出素子１の配置数は、多ければ多いほど、同時検出可能な光子Ｃの数が増える点で望ましい。

［光子検出素子の配置］
光源Ｂから送られる光に対する受信手段Ａの受光面は、複数の光子検出素子１を、二次元的あるいは三次元的に配列して構成する。例えば、各光子検出素子１を同一平面上に配置してもよいし、立体曲面を形成するように配置してもよい。

［受光面の調整機能］
複数の光子検出素子１は、各光子検出素子１の空間位置を任意に変更できる構造であることが望ましい。これは、光源Ｂが複数ある場合に、特定の光源Ｂからの光をより効率的に受光すべく、受光面を最適な形状に調整することができる点で有益だからである。

＜２−２＞制御部
制御部２は、各光子検出素子１での光子Ｃの検出の有無をデジタル情報信号として取り出すための装置である。
制御部２は、各光子検出素子１での光子Ｃの検出の有無をデジタル信号に変換し、各光子検出素子１間で同期をとって複数ビットのデータとして送出したり、各デジタル信号を光子検出素子１毎にカウントしたりすることができる。

＜２−３＞基本原理
図１を参照しながら、本発明に係る光通信装置の基本原理について説明する。
本発明では、光源Ｂから自由空間Ｄ上に送られた光の強度（光子Ｃの数または密度）の変化を伝送情報に見立てている。

［情報信号の取り出し方法（１）］
光の強度から情報信号を取り出す方法は様々な方法が考えられる。
例えば、前記光子検出素子１での光子Ｃの検出時刻を検知可能に構成しておき、所定のタイミング毎に光子Ｃの検出の有無を捉えてデジタル情報信号として取り出す方法がある。
図１のように８つの光子検出素子１からなる光通信装置を仮定したとき、時刻ｔ０では、光子は到来していないため、“００００００００”といった８ビットのデータ列を取り出すことができる。
一方、時刻ｔ１に１つの光子が到来する場合、検出した光子検出素子１ｄの出力を１、その他の光子検出素子の出力を０とすることで、“０００１００００”といった８ビットのデータ列を取り出すことができる。

［情報信号の取り出し方法（２）］
その他、所定期間内に到来した光子Ｃの検出数をカウントして、当該カウント情報をデジタル情報信号として取り出す方法がある。
例えば、ｔ₁時には、光子Ｃを１つ、ｔ₂時には光子Ｃを２つ検出したため、この期間内に検出した光子Ｃの数「３（“１１”）」をデジタル通信情報とすることができる。

［その他の公知技術］
なお、本実施例では、光源Ｂから送出される光子Ｃが何れの光子検出素子１にも到達しなかったり、ある光子検出素子１に光子Ｃが複数同時に到達したり、光子検出素子１が検出可能状態へ復帰するまでの間に他の光子Ｃが到達してしまったり、その他の光源Ｂによる光子Ｃ（ノイズ）の存在があったりするケースを考慮していない。
しかしこれらの事象については、データ通信における公知の補正技術などによって対応すれば良い。

本実施例によれば、複数の光子検出素子を用いることで、カウントした光子数の時間変化に基づいた情報通信を行うことが少なくとも可能となる。

本発明は、前記光子検出素子１に光子Ｃが単一で入射可能な程度となるように、拡散手段Ｅ、集光手段Ｆまたは光量制限手段Ｇ、或いはそれらを適宜組み合わせたものを前記光子検出素子１の手前に配する構成としてもよい。
以下、図２を参照しながら各例について説明する。

＜１＞拡散手段の設置例
図２Ａに、受信手段Ａの手前に拡散手段Ｅを設けた実施例を示す。
拡散手段Ｆには、ビームエクスパンダなど、光の拡径・拡散が可能な公知の部材を用いることができる。
本実施例は、光源Ｂから光ファイバーＨなどを通して、強度がある程度強い段階で受信手段Ａ近傍まで光が到来する場合を想定している。
この光を受信手段Ａでそのまま受信してしまうと、受信手段Ａの許容値以上の光子Ｃが同時に到来する場合がある。
そこで、手前に設けた拡散手段Ｅで前記光子検出素子に到来する光子Ｃの数（光子密度）を適当なレベルにまで調整することにより、単一の光子検出素子１に複数光子が同時に到来することを確率的に低く抑え、より正確で安定性の高い情報通信が可能となる。

＜２＞集光手段の設置例
図２Ｂに、受信手段Ａの手前に集光手段Ｆを設けた実施例を示す。
集光手段Ｆには、集光レンズなど、光の縮径・集光が可能な公知の部材を用いることができる。
本実施例は、光源Ｂからの光が自由空間Ｄ上で発散し、受信手段Ａ近傍において、光強度が想定以上に微弱な状態となっている場合を想定している。
この光を受信手段Ａでそのまま受信してしまうと、受信手段Ａで検出すべき光子Ｃの数が不足する場合がある。
そこで、集光手段Ｆで前記光子検出素子１に到来する光子Ｃの数（光子密度）を適当なレベルにまで調整することにより、より正確で安定性の高い情報通信が可能となる。

＜３＞光量制限手段の設置例
図２Ｃに、受信手段Ａの手前に光量制限手段Ｇを設けた実施例を示す。
光量制限手段Ｇには、絞りＧ１、偏光板、ＮＤ（ＮｏｒｍａｌＤｅｎｓｉｔｙ）フィルター、または減光フィルターなど、光量を制限することが可能な公知の部材を用いることができる。
光量制限手段Ｇは、前記した拡散手段Ｅのように、手前に設けた光量制限手段Ｇで前記光子検出素子に到来する光子Ｃの数（光子密度）を適当なレベルにまで調整することにより、単一の光子検出素子１に複数光子が同時に到来することを確率的に低く抑え、より正確で安定性の高い情報通信が可能となる。

本発明は、前記光子検出素子１での光子Ｃの検出時刻を検知する、時刻収集部３を新たに設ける構成としてもよい（図３（ａ））。
時刻収集部３は制御部２の中の一機能としても設けても良いし、光子検出素子１毎に設ける構成としてもよい。

時刻収集部３は、各光子検出素子１で光子Ｃを検出した時刻をそれぞれ記憶しておき、制御部２では、そのうち所定の時刻（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃）での光子Ｃの検出情報をデジタル情報信号として取り出すよう、構成することができる（図３（ｂ））。

本実施例によれば、光源Ｂから送る光を周期的に出力し、当該周期毎に光子Ｃの検出情報を取り出すことで、その他の光源Ｂによるノイズなどの除去が容易となる点で有益である。

本発明は、前記複数の光子検出素子１において、光子Ｃを検出した光子検出素子１が検出可能状態へ復帰するまでの間に到達した他の光子Ｃを、残る光子検出素子１で検出可能に構成し、一定期間それらの光子検出情報を積算して一つの伝送情報とする積算部４を新たに設ける構成としてもよい（図４）。
積算部４は制御部２の中の一機能としても設けて制御部２からの出力を伝送情報としても良いし、制御部２の後方に設けて、制御部２で生成したデジタル情報信号から、新たに伝送情報を生成する構成としてもよい。

例えば、時刻ｔ１に、一つの光子検出素子１で光子を検出した場合を想定する。
この光子検出素子１にＡＰＤを用いている場合、光子Ｃを検出したＡＰＤのパルス回復時間Ｔ_R中に、新たな光子Ｃが到来しても新たなパルスを生成することはできない。
そこで、残る光子検出素子１に次の光子Ｃが到来することを期待することで、新たな光子Ｃが到来しているにもかかわらず、未検出の状態となる現象をできる限り回避することができる。

なお、光を十分拡散したり、微弱な送信光で想定される光子Ｃの数より遥かに多数の光子検出素子１を設けたりしておけば、残る光子検出素子１に次の光子Ｃが到来する確率を高めることができる。

本実施例によれば、電子雪崩時間間隔に近い間隔で情報の受信が可能となる。

次に、本願発明に係る光通信装置について説明する。
本実施例では、光源Ｂが複数ある場合に、所望の光源Ｂのみの光を選択する装置（光源選択装置Ｉ）を受信手段Ａ（光子検出素子１）の手前に介設するものである（図５）。

光源選択装置Ｉの構成例としては、空間分割装置Ｉ１とプリズムＩ２またはハーフミラーの組合せがある。
空間分割装置Ｉ１は、平面空間上に配列してなり、それぞれ反射角度を任意に変更可能な鏡Ｉ１１の集合体からなり、前記集合体へと入射する、複数の光源Ｂからの光線に対し、前記鏡Ｉ１１の反射角度の制御によって、光子検出素子１への導入の有無を切り替えることが可能な装置である。
空間分割装置Ｉ１には、ＤＭＤ（Degital Micromirror Device）や、ガルバノミラーなどを用いることができる。
また、鏡Ｉ１１の配列態様は格子状だけに限られず、公知の配列態様を用いることができる。また、鏡Ｉ１１は、それぞれ任意に角度を変更可能に構成する。鏡の角度を変更することで、光線の反射方向を制御することができる。

各光源Ｂ１〜Ｂ４からの光線は、レンズＪ、プリズムＩ２を介して、空間分割装置Ｉ１における投射平面上に向けられており、投射平面上には光源の数だけ光点が存在している。
このとき、例えば、光源Ｂ３からの光線のみを受光器に送りたい場合には、当該光源による光点の位置にある鏡Ｉ１１（制御対象の鏡）だけ反射角度を調整してプリズムＩ２へ反射して、光子検出素子１へ送るように構成し、その他の光源からの光線が投影されている部分の鏡の角度は、光子検出素子１へ送らないように制御すればよい。

本発明によれば、さらに、自由空間に存在する複数の光通信装置のうち、任意の通信装置間での光通信が可能となる。

Ａ受信手段
Ｂ光源
Ｃ光子
Ｄ自由空間
Ｅ拡散手段
Ｆ集光手段
Ｇ光量制限手段
Ｇ１絞り
Ｈ光ファイバー
Ｉ光源選択装置
Ｉ１空間分割装置
Ｉ２プリズムまたはハーフミラー
Ｊレンズ
１光子検出素子
２制御部
３時刻収集部
４積算部

Claims

複数の光子検出素子と、
各光子検出素子での光子の検出の有無をデジタル情報信号として取り出す制御部と、
を備えることを特徴とする、光通信用受信装置。
前記複数の光子検出素子での光子の検出時刻を検知する、時刻収集部と、をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の光通信用受信装置。
前記複数の光子検出素子での光子の検出の有無を一定期間蓄積して一つのデジタル情報信号とする積算部と、をさらに備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の光通信用受信装置。
前記複数の光子検出素子の手前に拡散手段、光量制限手段または集光手段を配したことを特徴とする、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の光通信用受信装置。
請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の光通信用受信装置と、該光通信用受信装置の手前に設ける光源選択装置と、を備えた光通信装置であって、
前記光源空間選択装置は、空間分割装置を少なくとも備え、
前記空間分割装置は、平面空間上に配列してなり、それぞれ反射角度を任意に変更可能な鏡の集合体からなり、前記集合体へと入射する複数の光線に対し、前記鏡の反射角度の制御によって、受光器への導入の有無を切り替え可能としたことを特徴とする、光通信装置。
複数の光子検出素子での光子の検出の有無をデジタル情報信号として取り出すことを特徴とする、光通信方法。