KR20160110432A

KR20160110432A - 발산-광선 통신 시스템

Info

Publication number: KR20160110432A
Application number: KR1020167021898A
Authority: KR
Inventors: 마일스 알. 팔머; 알렉산더 에드워드 오사드진스키; 윌리암 제이. 브라운
Original assignee: 팔머 랩스, 엘엘씨; 8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201528703A; US20180048390A1; TW202007100A; SG11201605587WA; US9847834B2; CN106464366A; EP3092732A1; US20160294472A1; JP2020014227A; WO2015106110A1; EA201600542A1; JP2017510126A; TWI675559B

Abstract

장치는 변조기, 변조기에 연결되어 변조기가 데이터를 변조하는 광선을 방출하는 광 송신기를 포함한다. 이에 따라, 광 송신기는 광선으로부터 데이터를 검출하고 복원하는 광 수신기의 수신을 위한 인위적인 제한 없이 데이터를 캐리하는 광선을 방출한다. 광 송신기는 0.1도보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 갖는 광선을 방출한다. 광자 효율은 광 송신기에 의해 방출되는 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 광선의 광자들의 개수와 관련된다.

Description

발산-광선 통신 시스템{DIVERGED-BEAM COMMUNICATIONS SYSTEM}

본 발명은 광 통신에 관한 것으로서, 특히 발산-광선(diverged-beam) 광 통신에 관한 것이다.

레이저를 사용하는 자유 공간 광 전송(free space optical; FSO) 통신의 개념은 레이저 발명으로 거슬러 올라간다. 그러나, 고-출력 레이저의 생성과 변조의 어려움 때문에, 평행 광선들을 이용하는 라인-오브-사이트(line-of-sight) 시스템에는 FSO를 사용하는 것을 제한하고 있다. 매우 낮은 전력과 낮은 변조율을 갖는 광의 발산된 펄스들은 텔레비전의 리모컨 및 다른 가정용 기기 등과 같은 소수의 틈새 시장에서 사용되어 왔다. 심지어, 수십억 달러가 부품 및 시스템에 투자된 1990년대 후반과 2000년대 초반의 통신 붐 동안에 FSO 시스템은 라인-오브-사이트 구성에서 평행 광선을 사용하는 기술을 넘지 못했다. FSO 라인-오브-사이트 시스템을 판매하는 기존의 여러 회사가 존재하고 있지만, 이런 시스템은 정확한 얼라인먼트와 숙련된 설치 기술이 필요하다. 상기 시스템 비용은 링크 당 최소 약 US $10,000가 소요되고, 일년에 단지 수천 개의 시스템만이 제공된다.

그러므로, 상기 논의된 문제들뿐만 아니라, 이와 관련된 다른 문제들이 발생될 수 있는 가능성을 고려하고 해결하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.

본 발명은 일반적으로 FSO 통신 시스템 및 그 방법에 관련되며, 특히, 발산-광선 FSO 통신과 관련된다. 두 가지의 트렌드가 본 발명의 실시예들에 따른 시스템과 방법을 주도한다. 첫 번째는 대역폭의 요구 및 사용, 특히 가정 및 모바일 장치들에 의한, 대역폭의 요구 및 사용의 지수적인 증가에 있다. 주택 및 모바일 장치들로의 실시간 비디오 전송은 엄청난 양의 대역폭을 요구하며, 이는 4K 비디오, 화상 회의, 오티티(over-the-tip; OTT) 서비스 및 기타 용도 등으로 인해 증가할 것이다. 지금까지 상기 요구들은 케이블, 디지털 가입자 회선(digital subscriber line: DSL), 댁내 광 케이블(fiber to the home; FTTH), 및 모바일을 위한 셀룰러 라디오 기술들에 의해 충족되었다. 그러나, FTTH는 모든 가정과 건물들에 배포하기에는 너무 비싸고, 이를 제외한 모든 케이스에서는 사용 가능한 대역폭이 부족해지기 시작하고 있다. 두 번째 트렌드는 기술 개발 및 모든 타입의 애플리케이션들 내에서 광자 부품 사용의 증가에 의한 레이저와 광 검출기 구성 요소의 비용 감소에 있다. 부품의 개량 및 대역폭에 대한 시장의 요구의 급격한 증가에 의해 본 발명의 실시예들에 따른 시스템과 방법에 대한 개발이 진행된다.

예시적인 구현 예들에 의한 상기 FSO 시스템은 광자의 생성과 검출이 무어의 법칙(Moore's law)의 곡선 상에 있다는 전제로부터 시작된다. 레이저 출력 파워와 검출기 어레이의 사이즈 및 감도는 증가하고 있는 반면 그 비용은 감소하고 있다. 이전의 모든 레이저 기반의 FSO 시스템은 좁은 발산과 광 송신기 및 수신기 모두 여유가 없는 트래킹(tracking) 각도를 갖는 평행 광선을 기반으로 한다. 반대로, 본 발명의 실시예들에 의한 시스템에 있어서, 몇몇 광자들은 소정의 각도들의 범위에 걸쳐 방출될 수 있고, 대형 검출기들은 상기 각도들의 범위로부터 광 송신기와 광 수신기 사이의 각도의 향상된 허용 오차를 수용할 수 있다. 광 송신기와 광 수신기 사이의 다중 빔 경로(multiple beam path)들은 비, 안개 및 눈과 같은 날씨의 영향을 감소시킨다. 각각의 정보 비트는 몇몇 광자들을 필요로 하기 때문에, 소수의 광자들은 좀 더 높은 비트 전송 속도(bit rate)를 갖는 시스템을 야기하는 소정의 비트들을 리드할 수 있다. 충분한 양의 광자들은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 광자들의 미세한 비율만이 상기 광 수신기에 도달하지만 충분히 매우 높은 비트 전송 속도를 달성할 수 있는 논-라인-오브-사이트(non-line-of-sight; NLOS) 시스템을 구현할 수 있다. 광 주파수는 상기 시스템에서 사용 가능한 대역폭이 테라비트(terabits)의 대역폭임을 의미한다. 상기 시스템은 라스트 마일(last mile) 및 모바일 대역폭 시장의 요구를 발산 레이저 빔 FSO 통신을 이용하여 해결할 수 있다.

따라서 본 발명은 특별한 제한 없이 다음의 구현예(실시예)들을 포함한다.

실시예 1: 장치는 변조기(modulator), 및 상기 변조기에 연결되고, 상기 변조기에 의해 데이터가 변조된 광선(optical beam)을 방출하는 광 송신기를 포함할 수 있다. 상기 광 송신기는, 이에 따라, 상기 광선으로부터 상기 데이터를 검출하고 복원하는 광 수신기의 수신을 위한 인위적인 제한 없이(예를 들어, 자유 공간에서) 상기 데이터를 캐리하는 상기 광선을 방출하며, 상기 광 송신기는 0.1도보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 갖는 상기 광선을 방출하고, 상기 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 상기 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 상기 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 상기 광선의 광자들의 개수와 관련될 수 있다.

실시예 2: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광선을 방출하는 상기 광 송신기는 입사 광선의 반사에 의해 반사 광선을 생성하는 반사기(reflector)를 향해 상기 입사 광선을 방출하고, 상기 광 송신기는 상기 광 수신기가 상기 반사 광선을 수신하도록 상기 입사 광선을 방출할 수 있다.

실시예 3: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 송신기는 상기 광선을 방출하는 이미터 어레이(array of emitters)를 포함하고, 상기 이미터 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size)보다 큰 사이즈를 가질 수 있다.

실시예 4: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 송신기는 상기 이미터 어레이에서 방출된 상기 광선이 통과하는 광학 소자(optic)를 더 포함하고, 상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 상기 이미터 어레이의 공간 범위(spatial extent)로 인하여 서로 다른 각들로 각각의 평행 광선(collimated beam)을 방출하며, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 평행 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하고, 상기 각각의 평행 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 초점 거리(focal length)에 의해 설정될 수 있다.

실시예 5: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 송신기는 상기 이미터 어레이에서 방출된 상기 광선이 통과하는 광학 소자(optic)를 더 포함하고, 상기 이미터 어레이는 상기 광학 소자의 중심으로부터 떨어져 위치하며, 상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 발산 광선(diverging beams)을 방출하고, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 발산 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하며, 상기 각각 발산 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 상기 중심으로부터 떨어진 상기 이미터 어레이의 위치로 인한 디-포커스(de-focus) 정도에 의해 설정될 수 있다.

실시예 6: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 송신기는 다수의 광 수신기들을 보조하기 위해 다중화(multiplexing)를 수행할 수 있다.

실시예 7: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 송신기는 가변 초점 또는 비점수차(astigmatism)로 상기 광선을 방출하고, 상기 가변 초점은 상기 광 송신기로부터 주어진 거리에서 상기 광선의 직경을 조절할 수 있게 하며, 상기 비점수차는 상기 광선이 서로 다른 수직 및 수평 발산들을 갖도록 야기할 수 있다.

실시예 8: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 장치는 상기 광 송신기 및 상기 광 수신기의 방향을 나타내기 위한 하트비트 신호(heartbeat signal)를 더 전송하고, 상기 하트비트 신호는 상기 광 송신기의 위치, 또는 상기 광 수신기의 위치를 리턴(return)하는 신호 또는 상기 광 송신기에게 상기 광 수신기의 위치를 알리는 신호를 캐리하거나 나타내기 위해 변조될 수 있다.

실시예 9: 장치는 복조기(demodulator) 및 상기 복조기에 연결되고, 상기 복조기가 복원하기 위한 데이터를 캐리하는 광선을 검출하는 광 수신기를 포함할 수 있다. 상기 광 수신기는 상기 데이터가 변조된 상기 광선을 방출하는 광 송신기로부터의 인위적인 제한 없이 상기 방출된 광선을 검출하며, 상기 광 수신기는 0.1도 보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 가지며 방출되는 상기 광선을 검출하고, 상기 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 상기 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 상기 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 상기 광선의 광자들의 개수와 관련될 수 있다.

실시예 10: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 수신기의 적어도 일부의 경우는 상기 광 수신기가 상기 광 송신기에 대하여 라인-오브-사이트(line-of-sight)를 갖지 않고 상기 광선을 검출할 수 있다.

실시예 11: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 장치가 상기 광 수신기를 포함하는 광 수신기 어레이(array)를 포함하거나, 상기 광 수신기가 상기 광선을 검출하는 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 상기 검출기 어레이의 검출기들 또는 상기 광 수신기 어레이의 광 수신기들은 광 송신기에 대한 그들의 방향(예를 들어 광 송신기에 대한 얼라인먼트)에 기초하여 선택적으로 활성화 및 비활성화(예를 들어, 스위칭 온 및 스위치 오프)될 수 있다.

실시예 12: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광선은 입사 광선 및 상기 입사 광선의 반사에 의해 생성된 반사 광선을 포함하고, 상기 광 수신기는 적어도 하나의 경우에 있어서 우선적으로 상기 반사 광선을 검출하여 상기 입사 광선의 직접 검출을 피할 수 있다.

실시예 13: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 광선을 검출하는 검출기 어레이를 포함하고, 상기 검출기 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size)보다 큰 사이즈를 가질 수 있다.

실시예 14: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광선은 다수의 광 수신기들에 제공되기 위해 공간 다중화(spatially multiplexed)되고, 상기 검출기 어레이는 상기 광 송신기의 이미터들(emitters)이 독립적으로 변조되는 패턴에 대응하는 검출기들의 패턴으로 배열될 수 있다.

실시예 15: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 장치는 다수의 광 수신기들에 제공되기 위해 스펙트럼 다중화된 상기 광선을 상기 광 수신기가 검출할 수 있게 하는 특정-파장 필터 또는 가변-파장 필터를 더 포함할 수 있다.

실시예 16: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 광선 특성에 대한 상기 광 수신기와의 매치(match)를 용이하게 하기 위해 상기 광선과 함께 가변 초점을 검출하고, 상기 가변 초점은 적어도 하나의 경우에 있어서 상기 광 송신기와 상기 광 수신기 사이의 중간 지점에 상기 광 수신기의 초점을 포함할 수 있다.

실시예 17: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 장치는 상기 광 수신기와 상기 광 송신기의 방향(예를 들어, 얼라인먼트)을 나타내기 위한 하트비트 신호(heartbeat signal)를 더 수신하고, 상기 하트비트 신호는 상기 광 송신기의 위치, 또는 상기 광 수신기의 위치를 리턴하는 신호 또는 상기 광 송신기에게 상기 광 수신기의 위치를 알리는 신호를 캐리하거나 나타내기 위해 변조될 수 있다.

실시예 18: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 광선의 일부를 캡쳐(capture)하는 카메라 및 상기 카메라가 상기 광선의 상기 캡쳐된 부분에 기초하여 적어도 부분적으로 상기 광 수신기와 상기 광 송신기의 방향(예를 들어, 나란히 한다)에 대한 코스(coarse) 또는 파인(fine) 조정을 구동하도록 상기 카메라와 통신하는 전자 장치를 포함할 수 있다.

실시예 19: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 광 수신기의 한계 개구(limiting aperture)에 의해 음영진 주변부 주위에 위치하며 상기 광선의 상대적인 출력들을 검출하는 복수의 포토다이오드들을 포함할 수 있다. 상기 광 수신기는 상기 포토다이오드들이 상기 광선의 상기 상대적인 출력들에 기초하여 적어도 부분적으로 상기 광 수신기와 상기 광 송신기의 방향에 대한 코스(coarse) 또는 파인(fine) 조정을 구동하도록 상기 포토다이오드들과 통신하는 전자 장치를 더 포함할 수 있다.

실시예 20: 방법은 광선(optical beam)의 데이터를 변조(modulate)하고, 상기 광선으로부터 상기 데이터를 검출하고 복원하는 광 수신기의 수신을 위한 인위적인 제한 없이, 광 송신기가 상기 데이터를 캐리(carry)하는 상기 광선을 방출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 광선은 0.1도보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 가지며 방출되며, 상기 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 상기 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 상기 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 상기 광선의 광자들의 개수와 관련될 수 있다.

실시예 21: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광선을 방출하는 것은 입사 광선의 반사에 의해 반사 광선을 생성하는 반사기(reflector)를 향해 상기 입사 광선을 방출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 입사 광선은 상기 광 수신기가 상기 반사 광선을 수신하기 위해 방출될 수 있다.

실시예 22: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광선은 상기 광 송신기의 이미터 어레이(array of emitters)에 의해 방출되고, 상기 이미터 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size)보다 큰 사이즈를 가질 수 있다.

실시예 23: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 이미터 어레이에 의해 방출되는 상기 광선은 광학 소자(optic)를 통과하고, 상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 상기 이미터 어레이의 공간 범위(spatial extent)로 인하여 서로 다른 각들로 각각의 평행 광선(collimated beam)을 방출하며, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 평행 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하고, 상기 각각의 평행 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 초점 거리(focal length)에 의해 설정될 수 있다.

실시예 24: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 이미터 어레이에 의해 방출되는 상기 광선은 광학 소자(optic)를 통과하고, 상기 이미터 어레이는 상기 광학 소자의 중심으로부터 떨어져 위치하며, 상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 발산 광선(diverging beams)을 방출하고, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 발산 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하며, 상기 각각 발산 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 상기 중심으로부터 떨어진 상기 이미터 어레이의 위치로 인한 디-포커스(de-focus) 정도에 의해 설정될 수 있다.

실시예 25: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 방법은 다수의 광 수신기들을 위해 다중화(multiplexing)를 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.

실시예 26: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 광선은 가변 초점 또는 비점수차(astigmatism)로 방출되고, 상기 가변 초점은 상기 광 송신기로부터 주어진 거리에서 상기 광선의 직경을 조절할 수 있게 하며, 상기 비점수차는 상기 광선이 서로 다른 수직 및 수평 발산들을 갖도록 야기할 수 있다.

실시예 27: 임의의 선행 또는 후속 실시예들 또는 이들의 조합에 의한 상기 장치에 있어서, 상기 방법은 상기 광 송신기와 상기 광 수신기의 방향을 나타내기 위한 하트비트 신호(heartbeat signal)를 전송하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 하트비트 신호는 상기 광 송신기의 위치, 또는 상기 광 수신기의 위치를 리턴(return)하는 신호 또는 상기 광 송신기에게 상기 광 수신기의 위치를 알리는 신호를 캐리하거나 나타내기 위해 변조될 수 있다.

본 발명의 특징, 태양 및 장점은 아래 도면의 간단한 설명에 의해 간략하게 설명된 첨부된 도면과 상세한 설명에 의해 명확해질 수 있다. 본 발명은 명시적으로 개시된 특징들 또는 구성 요소들의 조합이나 특정 실시예들에 대한 설명과 관계없이, 본 명세서에 기재된 2, 3, 4 또는 그 이상의 특징 또는 구성 요소의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 특징들, 본 발명의 구성 요소들, 실시예들의 태양들이 각각 결합된 전체로서 이해되어야 한다.

이에, 상기 해결하고자 하는 과제는 본 발명의 일부 태양들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 일부 실시예를 요약한 것으로 제공된 것임을 이해하여야 할 것이다. 따라서, 상술한 예시적인 일부 실시예에 의해 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위 또는 사상이 좁게 해석되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 할 것이다. 이는 본 발명의 범위가 이하에서 설명될 여러 잠재적인 실시예들 및 상기 요약된 실시예들 모두를 아우르는 범위를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예들에 의한 다른 양태들과 이점들, 상술한 실시예들의 원리는 첨부된 도면들과 아래의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템은 소정의 광자들이 소정의 각도들의 범위에 걸쳐 방출될 수 있고, 대형 검출기들은 상기 각도들의 범위로부터 광 송신기와 광 수신기 사이의 각도의 향상된 허용 오차를 수용할 수 있다. 광 송신기와 광 수신기 사이의 다중 빔 경로(multiple beam path)들은 비, 안개 및 눈과 같은 날씨의 영향을 감소시킨다. 각각의 정보 비트는 몇몇 광자들을 필요로 하기 때문에, 소수의 광자들은 좀 더 높은 비트 전송 속도(bit rate)를 갖는 시스템을 야기하는 소정의 비트들을 리드할 수 있다. 상기 광 송신기에 의해 방출되는 광자들의 미세한 비율만이 상기 광 수신기에 도달하지만 충분히 매우 높은 비트 전송 속도를 달성할 수 있는 논-라인-오브-사이트(non-line-of-sight; NLOS) 시스템을 구현할 수 있다. 광 주파수는 상기 시스템에서 사용 가능한 테라비트(terabits)의 대역폭일 수 있고, 상기 시스템은 라스트 마일(last mile) 및 모바일 대역폭 시장의 요구를 발산 레이저 빔 FSO 통신을 이용하여 해결할 수 있다.

본 발명의 다른 특징들 및 기타 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들의 상세한 설명을 통해 보다 명확해질 것이며, 첨부 도면들에 있어서,
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템을 나타내는 도면이고,
도 2a는 다양한 실시예들에 따른 복수의 광 트랜시버들(때때로 트랜시버 모듈이라 칭하는)을 포함하는 광 트랜시버 어레이를 나타내는 도면이며,
도 2b는 일부 예시적인 실시예들에 따라 광 트랜시버 모듈을 더욱 상세히 나타내는 도면이고,
도 2c 및 도 2d는 일부 예시적인 실시예들에 따라 광 트랜시버 모듈을 나타내며, 이의 포인팅 시스템을 강조하는 도면이고,
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따라 기지국(cell tower)과 같은 기존의 네트워크 기반 시설에 보강되는 광 트랜시버 어레이(array)를 나타내는 도면이며,
도 4a 및 도 4b는 일부 예시적인 실시예들에 따라 광 트랜시버가 장착될 수 있는 모바일 기기를 나타내는 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 일부 예시적인 실시예들에 따라 이미터 어레이의 면광원(extended source)을 이용하여 광선 발산을 수행하는 예시적인 기술을 나타내는 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 실시예들에 따른 광 수신기들을 나타내는 도면이고,
도 7a는 일부 예시적인 실시예들에 따라 상기 광선의 가변 초점을 활성화하는 하나 이상의 동적 광학 소자들을 포함하는 광 송신기를 나타내는 도면이며,
도 7b, 도 7c 및 도 7d는 일부 예시적인 실시예들에 따라 수직 발산과 수평 발산을 다르게 하여 상기 광 송신기에서 비점수차(astigmatism)을 생성하는 동적 광학 소자(들)를 사용하는 것을 나타내는 도면이고,
도 7e는 일부 예시적인 실시예들에 따라 상기 광 송신기에서 포인팅 조정을 가능하게 하는 동적 광학 소자(들)를 사용하는 것을 나타내는 도면이며,
도 8은 일부 예시적인 실시예들에 따른 광선 디더링(beam dithering)을 나타내는 도면이고,
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 각각 일부 예시적인 실시예들에 따라, 상기 광선의 가변 초점을 가능하게 하는 동적 광학 소자를 포함하는 광 수신기(도 9a)를 나타내면서 라인-오브-사이트(line-of-sight; LOS) 케이스 (도 9b) 및 논-LOS(non-LOS; NLOS) 케이스를 나타내는 도면들이며,
도 9d 및 도 9e는 일부 예시적인 실시예들에 따라 상기 광 수신기에서 포인팅되는 위치를 조절하기 위해 동적 광학 소자(들)를 사용하는 것을 나타내는 도면이고,
도 10은 일부 예시적인 실시예들에 따라 통신을 위한 광 송신기와 광 수신기 사이의 초기 얼라인먼트(alignment)에 대한 몇 가지 기술을 나타내는 도면이고,
도 11a 및 도 11b는 일부 예시적인 실시예들에 따라 광 수신기 내에서 광 송신기와 광 수신기 사이의 얼라인먼트(alignment)가 적어도 부분적으로 수행되는 두 가지 예들을 나타내는 도면들이며,
도 12a 및 도 12b는 일부 예시적인 실시예들에 따라 각각 스펙트럼 다중화(spectrum multiplexing) 및 발산-광선 통신 시스템에 의해 구현되는 공간 다중화(spatial multiplexing)를 나타내는 도면들이고,
도 13 내지 도 17, 도 18a 및 도 18b는 일부 예시적인 실시예들에 따라 상기 발산-광선 통신 시스템이 배치될 수 있는 다양한 시나리오들을 나타내는 도면들이며,
도 19는 실시예들에 따른 방법의 다양한 동작들을 나타내는 도면이다.

본 명세서에서는 이의 예시적인 실시예들을 참조하여 좀 더 자세한 설명을 하도록 한다. 상기 실시예들이 설명됨으로써 본 명세서가 철저하고 완전하게 이해될 수 있으며, 해당 기술 분야의 당업자에게 본 발명의 청구 범위가 충분히 전달될 것이다. 실제로, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 개시된 구현 예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되고, 상기 구현 예들이 제공됨으로써 본 발명이 적용 가능한 법적 요건을 만족시킬 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 예를 들어 본 발명의 특허 청구 범위에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 예를 들어, 특정 기준은 정량적 수단, 정량적인 값, 관계 등으로 이루어질 수 있다. 달리 언급하지 않는 한, 전부는 아니더라도 이들 중 하나 이상의의 의미는 공학적 오차 등으로 인해 발생하는 것과 같은 허용 오차를 포함하는 절대 값 또는 근사 값일 수 있다.

후술하는 바와 같이, 본 명세서의 예시적인 실시예들은 광 통신, 특히 발산-광선 광 통신에 관련된다. 본 명세서의 예시적인 실시예들은 주로 자유 공간 광(FSO) 통신의 맥락에서 설명된다. 그러나, 예시적인 실시예들은 대기, 우주, 진공 등을 통한 통신을 포함하는 종래의 FSO 통신과 이와 관련된 다른 상황들에 대해서도 동등하게 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 광선이 광섬유 케이블, 도파관(waveguide) 또는 전송 라인 없이 광선을 전파할 수 있는 물이나 다른 액체, 용액이나 현탁액, 및 물질이나 전달 매체를 통하는 통신에도 동일하게 적용될 수 있다. 이들 및 이와 유사하게 광선을 가두는 인위적인 제한 수단들은 광선을 캐리하거나 가이드하는 제한 수단의 굴절률에 의존할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 광섬유 케이블, 도파관, 전송 라인 등과 같은 인위적인 제약 수단이 없는 송신기와 수신기 사이의 광선 전달을 포함하는 광 통신에 일반적으로 적용될 수 있다.

이하 더 상세하게 설명될 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 발산-광선(발산-빔) 통신 시스템은 데이터를 캐리하는 발산 광선을 방출하는 광 송신기 및 상기 광선을 검출하고 이로부터 상기 데이터를 복원하는 광 수신기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 광 송신기와 상기 광수신기가 데이터를 송신 및/또는 수신하거나 데이터의 송신 및/또는 수신을 지원하는 여러 방식의 고정된 또는 모바일(mobile) 통신 장치들 및 통신 구조들이 장착될 수 있는 다수의 서로 다른 시나리오들에 배치될 수 있다. 이에 적합한 통신 장치들 및 통신 구조들은, 예를 들어, 마스트(masts), 텔레스코픽 마스트(telescopic masts), 타워(towers), 폴(poles), 나무, 빌딩(buildings), 풍선, 연, 육상 운송 수단(예를 들어, 자동차, 기차), 수상 운송 수단(예를 들어, 보트, 선박), 우주선(예를 들어, 인공 위성), 천체(예를 들어, 행성, 달), 항공 운송 수단(예를 들어, 비행기, 헬기, 무인기, 비행선), 컴퓨터(computers)(예를 들어, 데스크탑(desktop), 랩탑(laptop)), 태블릿 컴퓨터(tablet computers), 스마트폰(smartphones), 및 무선 통신이 가능한 모든 종류의 장치들을 포함할 수 있다.

상기 광 송신기로부터 발산된 광선과 상기 광 수신기의 적합한 수용 각도는 상기 광 송신기 및/또는 상기 광 수신기의 위치가 통신 처리량을 유지하면서 이동할 수 있는 것을 의미한다. 상기 이동 속도는 상기 광 수신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size), 상기 광 수신기의 상기 수용 각도 및 상기 광 송신기 및/또는 광 수신기의 트래킹 피드백 레이트(feedback rate)에 의해 제한될 수 있다. 본 발명은 다수의 시나리오들에 대해 바람직하게 적용될 뿐만 아니라 현재는 접근이 어렵거나 매우 비싼 추가적인 FSO 통신 애플리케이션들을 가능하게 할 수 있다. 이는, 예를 들어, 마스트 또는 타워와 같은 지상의 고정된 구조물들과 항공기 사이의 FSO 통신을 포함할 수 있다. 또한, 두 개의 항공기들 사이의 통신에도 적용될 수 잇다. 또한, 일부 실시예에서 우주선이 방송 모드로 동작하는 경우에 우주선과 지상의 고정된 구조물 사이의 통신도 가능하다. 매우 높은 출력의 이미터들(예를 들어, 약 10 내지 수천 와트 이상)은 일부 애플리케이션들에서 사용될 수 있다.

상기 발산 광선의 또 다른 이점은 초기 얼라인먼트(alignment, 또는 배열) 및 명목상 포인트-투-포인트(point-to-point) 상황에서의 얼라인먼트 조절이 용이해짐에 있다. 하나의 예시적인 상황은 상기 광 송신기와 광 수신기가 초기 설정된 타워와 빌딩 사이와 같은 두 개의 지상의 고정된 구조물들 사이의 광 통신을 수행하는 상황을 포함한다. 전자적으로 또는 수동으로 제어되는 간단한 트래킹 장치(tracking)는 설치가 용이하고, 기술자의 작업 시간을 최소화 하거나, 최종적인 사용자가 상기 장치를 설치하는 것을 가능하게 수 있다. 이것은 상기 발산-광선 통신 시스템이 짧은 시간 동안에만 사용되고 빠르게 설정되고 중단해야 하는 애드혹(ad hoc) 타입의 네트워크를 가능하게 할 수 있다. 일부 잠재적인 시나리오의 예는 높은 처리량을 갖고, 더 적은 장비로 빠른 설치 및 분해가 가능하며 수백 내지 수십만의 사용자들에게 주파수 대역폭을 제공하는 데에 사용될 수 있는 와이-파이가 결합된 상기 시스템이 제공되는 스포츠 행사, 박람회 또는 기타 모임 등을 포함한다. 재난 대응 시나리오에 있어서, 네트워크 장비가 손상되거나 파괴된 지역에 상기 시스템의 신속한 배치 또한 지원될 수 있다. 게다가, 대역폭 요구가 사람의 수 및 장비의 양에 기초하여 변할 수 있는 전투가 진행중인 지역들, 기지들 및 캠프들에 있는 병력과 지원 요원 모두를 위한 다수의 군사용 시나리오들이 있다. 상기 시스템은 시간이 지남에 따라 대역폭의 변화가 요구되는 위치에 따라 쉽게 분해 및 재배치될 수 있다.

상기 광선 내에 산란체들이 있는 경우, 상기 발산 광선 및 일부 실시예에서 상기 광 수신기에서의 더 큰 수용 각도는 평행 광선(collimated beams)에 비하여 많은 이점들을 가질 수 있다. 평행 광선에서, 소정의 산란체는 대부분 광선 바깥으로 광을 산란시킬 수 있으며, 따라서, 신호 감쇠의 원인이 될 수 있다. 잠재적인 산란체는 비, 눈, 얼음, 우박, 안개와 같은 날씨와 관련된 산란체들 뿐만 아니라 나뭇잎, 나뭇가지, 연기, 전선 등과 같은 날씨와 관련없는 산란체들을 포함한다.

예시적인 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템에서, 산란은 반드시 광자가 손실되는 것을 의미하지는 않는다. 특히, 다중 산란에서, 처음에는 상기 광자들을 상기 광 수신기를 향해 이동시킬 광선 경로 상에서 상기 광선 경로의 외부로 산란되고, 그 후로 이어서 상기 광선 경로 내부로 다시 산란되는 광자들이 있을 수 있다. 이는, 안개와 같이, 산란체의 크기가 상기 광의 파장의 크기 이내이고 주요 산란이 전방을 향한 각이 0도에 가까운 각도에서 일어나는 상황에서 더 자주 발생할 수 있다. 하나의 특정 예에서, 안개 물방울의 크기는 예를 들어 상기 시스템을 위한 파장에 가깝게 최대 약 2 미크론(micron)일 수 있다. 여기서, 상기 파장의 범위는 0.4 미크론 내지 1.6 미크론일 수 있다. 안개 조건에서 자동차가 보이기 전에 상기 자동차의 헤드라이트로부터 나오는 빛을 볼 수 있는 것과 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 시스템은 이미지 또는 평생 광선이 보이지 않는 조건에서도 계속해서 광을 수신할 수 있다.

이러한 안개와 같은 산란체들에 의한 신호 저하는 상기 발산-광선 통신 시스템의 충분한 신호잡음비(signal-to noise ratio; SNR) 및/또는 데이터 완전성을 유지하기 위해 출력 전력을 증가시키거나 상기 데이터 속도(data rate, 통신 속도)를 느리게 하거나 이의 변조 방식, 에러 정정 방식, 인코딩 방식, 네트워크 스택 프로토콜(network stack protocol) 또는 이들에 대한 임의의 조합을 변경할 수 있다. 결국, 이러한 안개와 같은 산란체들에 의한 신호 저하에 의해 상기 데이터 속도가 유지될 수 없는 지점에 도달할 수 있다. 상기 신호 저하가 너무 낮은 광자 수 또는 광자 효율의 원인이 되면, 상기 출력 전력을 증가시켜 상기 데이터 속도를 유지할 수 있다. 상기 신호 저하가 다중 경로 분산(multi-path dispersion)을 증가시키는 원인이 되면, 상기 데이터 속도가 낮아질 수 있다. 상기 시스템은 성능을 계속 모니터링하고, 이에 따른 조건이 개선됨에 따라 상기 데이터 속도를 증가시키거나, 상기 출력 전력을 낮추거나, 상기 보정들을 조절할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 시스템은 서로 다른 데이터 속도에 대한 다양한 드라이브 세트들 및 검출 전자 장치들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 주어진 드라이버의 상기 데이터 레이트의 동적 범위는 주어진 크기와 비슷하거나 대략 10배에 상응할 수 있다. 따라서, 전자 장치의 한 세트는 1 Gb/s에서 100 Mb/s까지 지원할 수 있다. 그러나, 추가적인 전자 장치는 100 Mb/s 이하로부터 1 Mb/s까지 또는 이보다 더 느린 데이터 속도에 적용될 수 있다. 좀더 일반적으로, 본 명세서의 일부 실시예들은 초당 메가 비트 범위로부터 초당 테라 비트 또는 그보다 큰 범위의 비트레이트(bitrates, 비트 전송 속도) 통신을 지원할 수 있으며, 상기 비트레이트는 다수의 기술들에 의해 시간의 흐름에 따라 동적으로 조절될 수 있다.

도 1은 본 명세서의 다양한 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템(100)을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 고정된 통신 또는 이동 통신을 위해 구성되는 광 송신기(102)(하나만 도시됨, 때때론 광 소스로 참조됨) 및 광 수신기(104)(2개의 광 수신기들(104a, 104b)로 도시됨, 때때로 광 검출기로 참조됨)를 각각 포함하는 하나 이상의 구성 요소들을 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 광 송신기 및 광 수신기는 하나 이상의 광 트랜시버(transceiver) 형태로 함께 위치될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 하나 이상의 광 트랜시버들은 데이터를 캐리하는 광선을 수신하고(그것의 수신기를 통해), 그와 동일하나 유사한 데이터를 캐리하는 또 다른 광선을 반송하도록(그것의 송신기를 통해) 구성된 광 중계 노드들로서 기능할 수 있다. 실시예들에 따른 상기 시스템은 그러므로 하나 이상의 광 송신기, 광 수신기 및/또는 트랜지스터(일부가 중계 노드로서 기능하는)들의 다양한 결합을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 광 송신기(102), 상기 광 수신기(104) 및/또는 (송신기 및 수신기 모두를 포함하는)광 트랜시버는 데이터를 송신 및/또는 수신하거나 데이터의 송신 및/또는 수신을 지원하는 수많은 다양한 타입들의 고정 또는 이동 통신 장치들 및 통신 구조물들에 장착될 수 있다. 통신 장치들 및 구조물들의 적절한 예들로서는 마스트, 텔레스코픽 마스트, 타워, 기둥, 나무, 빌딩, 풍선, 연, 육상 운송 수단, 수상 운송 수단, 우주선, 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 스마트폰, 및 무선 통신이 가능한 모든 종류의 장치들을 포함할 수 있다.

상기 광 송신기(102)는 이를 지원하는 적절한 전자 장치 및 임의의 적절한 광학 소자(optics)에 연결되어 데이터를 캐리하는 광선을 방출하는 하나 이상의 이미터들을 포함할 수 있다. 상기 광 수신기(104)는 이를 지원하는 적절한 전자 장치들 및 임의의 적절한 광학 소자에 연결되어 상기 광선을 검출하고 이로부터 상기 데이터를 복원하는 하나 이상의 검출기를 포함할 수 있다. 상기 광 송신기 및 이의 지원 전자 장치들은 일부 실시예들에 있어서 변조기(106), 포인팅 시스템(108) 및/또는 컨트롤 시스템(110) 또한 포함하는 어셈블리의 일부일 수 있다. 상기 광 송신기는 상기 변조기가 데이터 소스(112)로부터 변조한 데이터를 포함하는 광선을 방출할 수 있다. 상기 광 수신기는 상기 광선을 검출하고, 이와 관련된 전자 장치에 포함되는 복조기가 상기 데이터를 복원한다. 또한, 도면에는 서로 분리된 것으로 도시되어 있으나, 일부 실시예에서, 상기 변조기는 상기 광 송신기에 관련된 전자 장치에 포함될 수 있다.

실시예들에 따르면, 광 송신기(102)는 광선을 방출함으로써 상기 광 송신기로부터 발산하여 전파될 수 있다. 상기 광선은 좁은 발산 광선(narrow-divergence beam)(114)을 생성하기 위해 미세하게 발산되거나, 넓은 발산 광선(wide-divergence beam)(116)을 생성하기 위해 좀 더 많이 발산될 수 있다. 발산 광선은 차량이나 휴대용 장치에 장착되는 것과 같은 모바일 광 수신기(104)에 좀 더 유용하다.

유효하게 가용되는 개별 채널들의 개수가 무제한적이고, 다수의 광 신호들 사이의 간섭이 적게 발생하기 때문에, 좀 더 단순한 구현예들에 의한 상기 발산-광선 통신 시스템(100)은 그것의 기본 변조 방식으로서 온/오프 키잉(on/off keying)을 사용할 수 있다. 상기 변조 방식은 광 송신기(102)와 광 수신기(104) 사이의 증가된 거리, 환경 조건, 증가한 대역폭 요구, 광 송신기의 전력 제한 등과 같은 다수의 요인들에 기초하여 불충분하게 동작할 수 있다. 상기 시스템은 서로 다른 주파수에서 동작하는 다수의 광 송신기들 및/또는 추가적인 코딩 방식 등을 사용하는 방법과 같이 여러 가지 방식으로 상기 변조가 불충분하게 수행되는 문제를 관리할 수 있다. 추가 코딩 방식의 적절한 예들은 광 듀얼 바이너리 변조(optical dual binary modulation; ODB), 단편광 위상 변조(single polarization state phase modulation; DPSK), 차동 4위상 편이 변조(differential quadrature phase shift keying; DQPSK), 및 듀얼 편광 4위상 변조(dual polarization quadrature state phase modulation; DP-QPSK)를 포함한다.

광 송신기(102)와 광 수신기(104) 사이의 데이터 전송 에러는 기존의 에러-정정 코드들 및/또는 순방향 에러 정정과 같은 다양한 방식에 의해 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 발산-광선 통신 시스템(100)은 일조 조건에서 적절한 SNR을 달성하기 위해 다양한 기술들을 사용할 수 있다. 적절한 SNR을 얻기 위한 예시적인 기술들은 높은 전송 전력, 레이저 라인 협소화, 협대역 통과 수신기 필터링, 의사 랜덤 코드 변조, 신호 평균화, 음영 조정(adaptive shading) 등을 포함한다.

일부 실시예에서, 단일 광 송신기(102)는 다양한 다중화 기술들을 적용하는 것과 같이, 광선의 콘(cone) 내에 존재하는 다수의 수신기들에 대응될 수 있다. 공간, 시간, 주파수(스펙트럼), 편광, 각 운동량, 코드, 또는 이들의 하나 이상의 조합에 기초하여 사용되는 적절한 기술들이 포함될 수 있다. 특히, 일 실시예에서, 코드 분할 다중 접속(code division multiple access; CDMA), 시간 분할 다중 접속(time division multiple access; TDMA), 주파수 공간 등의 종래의 채널 접속 방법이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 자유도 3의 - 공간 분할 다중 접속(spatial division multiple access; SDMA), 자유도 3의 각 분할 다중 접속(angular division multiple access; ADMA), 자유도 1의 편광 분할 다중 접속(polarization division multiple access; PDMA) 등의 종래의 채널 접속 방법이 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 광 송신기(102)는 데이터의 전송 전에 상기 데이터를 암호화하도록 구성될 수 있다. 상기 목적을 위한 상기 송신기에 의해 사용되는 적절한 암호화 방식의 예로는 UEA1 또는 UEA2 기밀성 알고리즘, 또는 UIA1 또는 UIA2 무결성 알고리즘과 함께 사용되는 KASUMI 블록 암호 또는 SNOW 3G 스트림 암호와 같은 종래의 고속 RF 네트워크 기술을 포함한다. 광 수신기(104)는 고정된 또는 제거 가능한 신뢰성 있는 하드웨어에 의해 식별될 수 있다. 예를 들어, 기존의 IEEE 802.11 보안 프로토콜은 특히 순수한 데이터를 위해 데이터 대 음성, 데이터 대 데이터 통신에 이용될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 광선 발산은 광 송신기(102)에서의 전자 제어 초점 조정 장치에 의해 동적으로 변경될 수 있다. 이에 따른 다른 장점으로는, 광선이 고정된 광 수신기(104) 또는 상기 광 송신기와 광 수신기 사이의 통신 지속 시간의 적어도 일부 동안 많이 이동할 것으로 예상되지 않는 모바일 광 수신기에서 추적되는 경우에, 감소된 발산이 허용될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 광선의 출력은 광 송신기(102)에 의해 전기적으로 변할 수 있다. 이에 따른 장점으로는, 발산-광선 통신 시스템(100)이 에너지 보존 및/또는 증가된 안전을 제공할 수 있다. 광선이 고정된 광 수신기(104) 또는 상기 광 송신기와 광 수신기 사이의 통신 지속 시간의 적어도 일부 동안 크게 이동할 것으로 예상되지 않는 모바일 광 수신기에서 추적되는 경우에, 상기 광선 발산 및/또는 출력이 감소될 수 있다.

포인팅 시스템(108)은 다양한 기술에 의해 광 송신기(102)를 하나 이상의 광 수신기(104)에 대한 일반적인 방향으로 가리키도록 구성될 수 있다. 상기 포인팅 시스템은 하나 이상의 광 수신기들을 포함할 수 있는 넓은 범위의 영역을 커버하기 위해, 상기 광 송신기가 선택된 방향을 가리키도록 상기 포인팅 시스템을 제어하는 컨트롤 시스템(110)의 지시에 의해 동작할 수 있다. 도시와 같은 환경에서, 하트비트 신호(heartbeat signal)로서 기능하는 하나 이상의 넓은 광선은 하나 이상의 광 수신기의 위치 검출 및 적절한 방향(예를 들어, 얼라인먼트)의 지시 또는 가이드 제공에 의해 포지셔닝(positioning)을 제공할 수 있는 광학 언더레이(underlay)를 만들기 위해 상기 도시 전역에 전파될 수 있다. 다른 실시예에서, 라디오 주파수(RF) 시스템은 RF 언더레이를 만들고 발산-광선 통신 시스템(100)을 제어하기 위해 하트비트 신호를 전파할 수 있다. 본원에 상술되는 바와 같이, 상기 광 송신기와 상기 광 수신기 간의 방향은 주로 그들 간의 얼라인먼트 관점에서 기술될 수 있다. 그러나, 상기 광 송신기와 상기 광 수신기가 일렬로 정렬되는 경우뿐만 아니라 논-라인-오브-사이트(non-line-of-sight; NLOS)의 경우와 같은 종래의 얼라인먼트로 정렬되는 케이스도 고려될 수 있음을 이해하여야 한다.

광 수신기(104)는 넓은 광선 및/또는 RF 시스템 등과 같은 다양한 방식을 통해 그의 위치를 컨트롤 시스템(110)(예를 들어, GPS 또는 기타 지오로케이션(geolocation) 방식, 또는 광 통신 채널에 내장된 타임 스탬프(timestamp)를 통해)에 제공하는 서비스를 요청할 수 있다. 본원에 개시된 이러한 위치는 지오로케이션 또는 발산-광선 통신 시스템(100)의 다른 구성 요소에 대한 상대적 위치(예를 들어, 광 송신기(102)에 대한 광 수신기의 상대적인 위치) 등과 같은 다양한 방식들에 의해 표현될 수 있다. 상기 컨트롤 시스템은 복수의 이러한 광 송신기들로부터 하나의 광 송신기를 산출 또는 선택하고, 상기 선택된 광 송신기가 가리키는 방향을 산출 또는 선택하며, 포인팅 시스템(108)을 이용하여 상기 선택된 광 송신기가 상기 선택된 방향을 가리키도록 상기 선택된 광 송신기를 조종할 수 있다. 또한, 상기 넓은 광선 및/또는 RF 시스템은 상기 광 송신기의 위치에 관한 가이던스(guidance)를 제공하고, 검출값, 초기 획득값/손떨림을 얻거나, 수신을 최적화하는 적절한 움직임에 대한 명령을 상기 광 수신기에 전달할 수 있다.

일부 실시예에서, 좁은 각도, 고해상도로 포인팅하는 비용이 상대적으로 많이 들 수도 있고, 높은 출력의 요구에 의한 광선 발산은 레이저(광) 비용의 증가를 초래할 수 있다. 이와 같이, 충분히 높은 전송 효율로 동작하기 위한 최적의 범위에 대한 레이저 비용과 포인팅 비용은 트레이드 오프 관계에 있으며, 레이저 및 포인팅 비용은 적절히 조절될 수 있다.

포인팅 비용에 있어서, 가정용 보안 카메라 등에 사용되고 2축 모션을 제공하기 위해 배치되는 간단한 트래킹 시스템은 약 $20로서 0.2도의 포인팅 해상도를 제공한다. 군사용 시스템은 약 $5,000,000로서 대략 0.001도의 포인팅 정밀도를 제공한다. 광선 발산의 관점에서, 적당하게 강력한 레이저 광선은 수백 미터 내지 수 킬로미터의 거리에서 100미터의 스팟 사이즈를 생성하며 발산될 수 있다. 광선 발산은 광학, 기계, 전자-광학, 광-기계 기술 등을 통한 다양한 광선 발산 기술들에 의해 구현될 수 있다. 상기 기술들은 광선 발산에 더하여 개구를 통해 또는 직접적으로 광선을 조정하는 기술들을 포함할 수 있다.

적절한 포인팅 시스템(108)의 일 예로, 0.1도의 트래킹 정밀도는 합리적인 비용으로 100km까지 이동할 수 있는 충분히 강력한 광선을 생성하는 광 송신기(102)(예를 들어, 레이저)를 구현할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 포인팅 시스템의 성능은 상기 광 송신기 및 광 수신기 중 적어도 하나에 적절한 광학 소자를 추가하는 것과 같이 다른 구성 요소를 통해 향상될 수 있다. 상기 목적을 위한 적절한 광학 소자의 예로는 미소 전자 기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS) 거울, 조향 가능한 액체 렌즈, 변형 가능 거울 등과 같은 동적 광학 소자들을 포함할 수 있다. 상기 장치들은 예를 들어, +/- 0.6도로 조정되는 조향 가능한 액체 렌즈와 같이 비교적 작은 각도 조정 범위를 가질 수 있고, 상대적으로 낮은 비용으로 미세 조정을 수행할 수 있다. 광 송신기 어레이는 포인팅 해상도 등을 이용하여 10000개까지의 광 수신기들(104)을 커버할 수 있으며, 현재 셀룰러 데이터 시스템에 비해 훨씬 더 우수한 데이터 속도를 달성할 수 있다.

일부 실시예에서, 광 송신기(102) 및 광 수신기(104) 중 적어도 하나는 각각 광 송신기 어레이 및 광 수신기 어레이(또는 이미터 어레이 및 검출기 어레이 이하 더 상세히 설명될 것임)를 포함할 수 있다. 광 송신기 어레이(또는 이미터 어레이), 예를 들어, 2차원 또는 3차원 형태(예를 들어, 육면체, 구체, 반구체)를 형성하며, 다수의 방향으로 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 광 수신기 어레이(또는 검출기 어레이)는 여러 방향으로 배치될 수 있다. 이와 유사한 다른 실시예들에 있어서, 포인팅 시스템(108)은 원하는 광 수신기 또는 광 수신기에 대한 자신의 방향(예를 들어, 얼라인먼트)에 기초하여 각각의 어레이의 선택적으로 활성화 및 비활성화되는 광 송신기들(이미터들) 또는 광 수신기들(검출기들)과 함께 생략될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 선택적인 활성화 및 비활성화는 각각의 어레이의 선택적으로 스위칭 온/오프되는 상기 광 송신기들(이미터들) 또는 광 수신기들(검출기들)에 의해 구현될 수 있다. 또한 일부 실시예에서, 이들의 방향은 수신된 광선의 상대적인 전력에 기초하여, 또는 임의의 다른 알고리즘에 따라 추정될 수 있다.

상기 기술과 관련해서, 안개와 같은 환경 조건이 문제될 수 있다. 특히, 광선이 상기 안개 속을 완전히 수평으로 가는 경우가 문제될 수 있다. 일 실시예에서, 백업 장파장 적외선(예를 들어, 8-15um)이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 더 짧은 파장이 산란 광을 제거하지 않고 이를 줄일 수 있으며 SNR을 개선하는 광 수신기(104)로 직선으로 또는 거의 직선 라인으로 이동하는 상기 광 수신기의 타임 게이팅(time gating) 광자들의 레인지 게이트(range gate)와 함께 높은 출력으로 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, RF 시스템이 더 낮은 데이터 속도의 백업용으로 사용될 수 있다.

소정의 시나리오(예를 들어, 차량 또는 모바일 디바이스를 트래킹하는)에서, 좁은 광선은 정확하게 광 수신기(104)를 추적할 수 없기 때문에, 넓고 크게 발산된 광선이 필요하다. 예를 들어, 충분히 넓고 강력한 광선의 사용에 기초하여 빌딩의 면들, 지면들 또는 다른 표면들과 같은 하나 이상의 표면에서 반사가 일어나고, 이러한 반사된 광선이 사용될 수 있다. 설명되는 바와 같이, 참조되는 반사들은 거울 반사, 확산 반사 또는 램버시안 반사율(Lambertian reflectance)로부터 기인되는 산란 등으로부터 동일하게 참조될 수 있다.

직접 수신은 입사 광선을 막도록 구성된 직접 광 수신기(104a)를 이용하여 구현될 수 있다. 반사 광 수신기(104b)는 반사기(118)에서 생성된 반사 광선을 검출하는 데 사용(산란체에서 생성된 산란 광선의 경우도 포함한다)될 수 있다. 일 실시예에서, 단일 광 수신기는 직접 광 수신기 및 반사 광 수신기 중 적어도 하나를 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 광 수신기들은 상기 광선을 검출하고, 상기 데이터를 복원할 수 있다. 상기 광선이 발산되었기 때문에, 방향(예를 들어, 얼라인먼트)은 중요하지 않을 수 있으며, 수신되는 광선은 상기 광선의 넓은 영역 또는 상기 광선이 반사된 곳으로부터 수득될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 송신기(102)는 하나 이상의 광 수신기에 의한 직접 수신 또는 반사 수신의 수용 능력을 높이기 위해 기 설정된 반사기의 반사판 또는 반사 지점에 상기 광선을 조사할 수 있다. 이와 유사한 실시예에서, 하나 이상의 광 수신기는 (만약 원한다면) 각각의 광 수신기에 대한 더 적절한 방향으로의 광의 가이드를 위해 상기 광 송신기로 다시 피드백을 제공할 수 있다.

다시 광 송신기(102)로 돌아가서 좀 더 구체적으로, 일부 실시예에서, 상기 광 송신기는 가시 광선, 자외선 또는 적외선을 방출하는 하나 이상의 적어도 부분적인 간섭(간섭 또는 부분 간섭) 레이저의 형태를 방출하는 이미터를 포함할 수 있다. 즉, 상기 광 송신기는 전자기 스펙트럼의 가시 광선 영역(예를 들어, 400 - 700 nm), 자외선 영역(예를 들어, 200 - 400nm의 파장) 또는 적외선 영역(예를 들어, 700nm - 1mm)의 광선을 방출할 수 있다. 적외선과 관련된 실시예에서, 상기 광 송신기는 짧은 파장의 적외선 영역(예를 들어, 1.4 - 3 m 파장) 또는 O, E, S, C, L 또는 U 적외선 밴드 중 적어도 하나의 광선을 방출할 수 있다. 적절한 레이저의 예로는 고체 레이저, 레이저 다이오드, 태양광 레이저 등을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 아래에서 구체적으로 설명되는 바와 같이, 상기 레이저는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)일 수 있다.

일부 실시예에서, 광 송신기(102)는 하나 이상의 고정 주파수 또는 가변 파장 레이저로 구성될 수 있다. 다른 케이스에서, 서로 다른 주파수들에 대한 다수의 고정 주파수 레이저들, 또는 서로 다른 주파수들에 대한 다수의 가변 파장 레이저들의 조정이 발산-광선 통신 시스템(100)은 다수의 이산 주파수들에 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 시스템은 500THz 만큼 넓은 주파수 범위에서 500,000 내지 5,000,000,000 사이의 개별 동작 채널들을 제공하는 0.1 MHz 내지 1000 MHz의 채널당 대역폭으로 동작할 수 있다.

도 2a는 다양한 실시예들에 따른 복수의 광 트랜시버들(때때로 트랜시버 모듈이라 칭하는)을 포함하는 광 트랜시버 어레이를 나타내는 도면이며, 이의 일 실시예가 도 2b에서 더 상세히 보여진다. 도시된 바와 같이, 트랜시버 어레이는 그 너비(204) 및 높이(206)에 따라 적절한 수의 셀들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 트랜시버 어레이는 m*n 개의 트랜시버 모듈을 포함할 수 있다(여기서, m=70, n=30). 일 실시예에서, 상기 트랜시버 모듈에 있는 상기 광 송신기 및 광 수신기 각각의 상기 광학 소자들의 지름(예를 들어, 개구)은 3-4 인치이고, 사각형의 트랜시버는 약 4-5 인치의 높이 및 7-8 인치의 너비를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 이보다 더 크거나 더 작은 광학 소자들이 사용될 수도 있다. 더 큰 광학 소자는 일반적으로 더 긴 연결 범위를 가질 수 있다. 상기 광학 소자들은 저가로 몰딩된 플라스틱 렌즈, 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 거울 등의 다양한 형태를 포함할 수 있다. 게다가, 도시된 정사각형 또는 직사각형 이외의 다른 형태들이 상기 트랜시버 어레이에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 삼각형 구조, 팔각형 구조가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 기지국과 같은 기존의 네트워크 인프라에서도, 그들의 형상에 관계없이 사용될 수 있다.

도 2b는 일부 실시예들에 따른 트랜시버 모듈(202)을 더 자세하게 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 트랜시버는 하나 이상의 레이저 다이오드들과 같은 하나 이상의 이미터(예를 들어, 도시된 바와 같은 이미터 어레이(208)와 함께 광 송신기(102)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 광학 소자들(210, 212)(예를 들어, 하나 이상의 렌즈들, 거울들)은 상기 이미터들로부터 방출되는 평행 광선을 분산시키고, 상기 광선의 초점을 다시 맞추며, 비교적 넓으면서 부분적으로 평행하는(즉, 발산된) 광선을 생성하는 데에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 광학 소자(들)는 상기 이미터들에서 방출되는 평행 광선을 상기 광 송신기와 광 수신기(104) 사이의 한 지점으로 모으고, 상기 지점에서 상기 광 수신기에 의한 수신을 위한 상기 광선을 전파할 수 있다.

또한 도시된 바와 같이, 트랜시버 모듈(202)은 하나 이상의 핀(PIN) 다이오드, 애벌런치 포토다이오드(avalanche photodiodes, APDs), 포토멀티플라이어 튜브(photomultiplier tubes, PMTs) 등과 같은 하나 이상의 검출기(예를 들어 도시된 바와 같은 검출기 어레이(214))와 함께 광 수신기(104)를 포함할 수 있다. 상기 광 수신기는 수신된 광 신호를 검출하는 데에 사용될 수 있고, 하나 이상의 광학 소자들(216)(예를 들어, 하나 이상의 렌즈, 거울) 수신된 광을 상기 광 수신기로 포커싱(focusing)하는 데에 사용될 수 있다. 팬-틸트(pan-and-tilt) 제어 방식의 같은 포인팅 시스템(108)은 상기 광 송신기와 광 수신기 모두를 움직이고, 그들을 적절한 영역으로 겨누는(aim) 데에 사용될 수 있다.

포인팅 시스템(108)은 일반적으로 트랜시버 모듈(202)을 특정 방향으로 향하게 할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 광 송신기(102) 또는 광 수신기(104)는 서로 독립적으로 포인팅될 수 있다. 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 상기 포인팅 시스템은 특히 상기 광 수신기를 가리키도록 구성되는 수신기 포인팅 시스템(218)을 더 포함할 수 있다. 또한 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 상기 수신기 포인팅 시스템은 상기 트랜시버 모듈 내에 위치할 수 있다. 수신기 포인팅 시스템은 상기 신호를 최적화하기 위해 상기 광 수신기의 얼라인먼트를 수신된 광선으로 향하게 할 수 있다. 상기 광선은 데이터를 캐리하거나, 후술하는 바와 같이, 하트비트를 캐리할 수 있다.

도 3은 기지국과 같은 기존의 네트워크 기반 시설(300)에 보강되는 하나 이상의 광 트랜시버 어레이(202)를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같은 시나리오에서, 각각의 트랜시버 어레이는 120도 범위를 커버하고, 3개의 어레이들은 360도 범위를 커버할 수 있다. 또는 일부 실시예에서, 단일의 트랜시버 어레이가 3차원 형상으로 형성되어 여러 방향으로 배열됨으로써 360도 범위를 커버할 수 있다. 상기 어레이들은 열 개 미만으로부터 수백, 수천, 및 수만 개 이상까지의 넓은 범위의 광 송신들(102) 및 송 수신기들(104)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 사용자는 상기 광 송신기들과 광 수신기들 사이에서 빠르게 전환될 수 있고, 이는 시스템의 안전한 작동을 용이하게 할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 일부 실시예들에 따라 광 송신기(102) 및 광 수신기(104)를 포함하는 광 트랜시버(402)가 장착된 스마트폰과 같은 모바일 기기(400)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 모바일 기기는 적절한 반사 광선을 수신할 수 있도록 하기 위해 하나 이상의 상부 및 하부 트랜시버 광학 소자들(개구들)을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 주 수신 렌즈(404) 및 주 송신 렌즈(406)는 모바일 기기의 하단에 위치할 수 있고, 보조 수신 렌즈(408) 및 보조 송신 렌즈(410)는 상기 모바일 기기의 상단에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 광 듀플렉서(duplexer)(412)는 상기 주 또는 보조 렌즈들 중 하나로부터 상기 광 트랜시버로 광을 적절하게 가이드하기 위해 하부 광 파이프(414) 및 상부 광 파이프(414)와 함께 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 모바일 기기(400)는 기존의 모바일 기기에 추가되는 장치일 수도 있고, 모바일 기기에 집적되도록 제조될 수 있다. 일부 실시예들에 의한 상기 모바일 기기는 GPS 위치와 기기의 위치를 광 송신기(102)과 결합하거나, 상기 광 송신기 / 광 중계 노드 사이의 광학 링크를 최적화하는 송-수신 핸드쉐이크(handshake) 프로토콜의 초기화에 응답 또는 초기화하는 상기 모바일 기기를 인에이블하는 광 중계 노드와 결합할 수 있다. 상기 모바일 기기는 디지털 인터페이스, 태양광 음영을 조절하는 수신기 광학 소자들, 레이저 송신기/변조기, 광선 디렉터(beam director), 및 수신기/복조기를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 발산-광선 통신 시스템(100)에서의 광선 발산은 임의의 수많은 다양한 기술들을 이용하여 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 다이오드 또는 광섬유와 같은 점 광원 이미터가 광 송신기(102)에 사용될 수 있고, 발산 광선은 광원이 초점에 있지 않는 오목 렌즈, 볼록 거울, 또는 볼록 렌즈 등과 같은 적절한 광학 소자들을 사용함으로써 생성될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 상기 광 송신기에서 상기 광선의 스팟 사이즈보다 큰 VCSEL과 같은 이미터 어레이(208)의 면 광원(extended source)을 이용하여 광선 발산을 구현하는 기술을 나타내고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 면 광원을 갖는 상기 광 송신기는 하나 이상의 광학 소자들(502)(예를 들어, 광학 소자들(210, 212))의 초점에 위치할 수 있다. 상기 어레이의 이미터들은 상기 어레이의 공간적 범위에 따라 각각 평행 광선(504)을 서로 다른 각도로 방출할 수 있다. 즉, 이는 상기 어레이의 크기 및 상기 광학 소자들의 초점 거리에 의해 설정되는 발산 각도를 갖는 발산 광선들을 생성할 수 있다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 이미터 어레이(208)는 발산 각도를 증가시키기 위해 광학 소자들(502)로부터 적절한 거리로 떨어져 배치되며, 이에 따라 광학 소자의 초점(506)과도 떨어질 수 있다. 이 경우, 상기 이미터들은 각각의 발산 광선들(508)을 서로 다른 각도로 방출할 수 있다. 이 경우의 상기 발산 각도는 상기 어레이의 크기 및 광학 소자의 초점으로부터 떨어진 상기 어레이의 배치에 의한 디포커스(de-focus) 각도에 의해 설정될 수 있다.

다른 실시예에서, 광 송신기(102)는 원하는 시스템 발산에 가까운 고유한 발산을 하는 소스 이미터를 이용할 수 있다. 예를 들어, VCSEL 레이저의 발산 각도는 에지-이미팅(edge-emitting) 레이저 다이오드의 발산 각도보다 작고, 시스템에서 요구되는 발산 각도에 근접할 수 있다. 이 경우, 더 이상의 추가적인 광학 소자들이 필요하지 않다. 상기 방법들의 조합은 시스템에서 요구하는 광선 발산을 구현하기 위해 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 또한, 수직 및 수평 방향으로의 발산이 다르게 되는 것이 바람직할 수 있다는 점에 주목해야 한다.

이미터 어레이의 면 광원을 포함하는 광 송신기(102)는 눈의 안전과 관련하여 원하는 동작을 위한 서로 다른 출력 한계를 가질 수 있다. 대부분의 레이저 출력 한계 계산들은 20 미크론 정도의 매우 작은 점으로 집중(focus)될 수 있는 평행 광선에 의해 수행될 수 있다. 원거리장에서, 이것은 거의 점 광원으로 나타나질 수 있기 때문에, 상기 계산은 상기 면 광원을 위한 올바른 한계 값일 수 있다. 원거리장에서, 발산-광선 통신 시스템(100)은 상기 광선이 발산되기 때문에 이미 원하는 출력 한계 이하로 동작할 수 있다. 그러나, 근거리장에서, 상기 광 송신기에 더 가까워짐에 따라, 출력 레벨은 평행 광선에 대해 원하는 전력 한계보다 더 클 수 있다. 상기 광원 이미터의 면 광원의 특성은 면 광원이 단일 스팟(spot)이 아니라 하나의 영역(area)에 집중되기 때문에 이 출력 한계를 증가시킬 수 있다. 상기 출력 한계는 광선 발산과 상기 광 송신기로부터 상기 이미터들의 광이 집중되는 곳까지의 거리에 의존할 수 있지만, 원하는 출력 한계는 증가될 수 있다. 결과적으로, 이는 시스템 디자인을 단순화하고, 적어도 일부에 대한 출력 제한 모니터링이 필요하지 않은 경우에는 그 비용을 절감할 수 있다.

비록 광 송신기(102)가 다양한 형태의 이미터들을 포함할 수는 있지만, VCSEL 어레이들은 자연스럽게 면 광원을 발생시키는 특히 적합한 예에 해당된다. VCSEL 어레이는 고주파 고 데이터 전송 속도 애플리케이션들을 위한 적절한 입력 커패시턴스보다 더 높은 입력 커패시턴스를 갖도록 병렬로 연결되는 개별 다이오드들의 어레이를 갖는다. 하나의 전류 2W VCSEL 어레이는 각각이 0.4 pF의 커패시턴스를 가지면서 각각이 400 pF의 입력 커패시턴스를 생성하는 대략 1000개 이상의 다이오드들의 병렬 연결 형태를 갖는다. 일부 실시예에서, 배선은, 각각 100개의 다이오드 및 40 pF의 커패시턴스를 갖는 서로 다른 10개의 서브-어레이가 병렬 구성되고, 상기 VCSEL 어레이에 전원을 공급하도록 재구성될 수 있다. 상기 연결된 서브-어레이들은 각각 40 pF을 구동하는 별도의 10개의 증폭 변조기들에 의해 구동될 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 배선은, 상기 커패시턴스를 4 pF으로 줄이고 상기 다수의 증폭기들 구성에 따른 동기화 및 위상 조정의 문제들을 제거하는 단일 증폭 변조기를 이용하여 1000개의 다이오드 전체를 구동하기 위해, 상기 10개의 서브-어레이들이 직렬 구성으로 연결되도록 재구성될 수 있다. 낮은 전류에서 높은 전압 로드를 구동하는 것이 높은 전류에서 낮은 전압 로드를 구동하는 것보다 용이하기 때문에, 상기 직렬 구성을 위한 구동 전압은 또한 10배로 증가될 수 있고, 구동 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 전력 손실이 감소된다.

실시예들에 따르면, VCSEL과 같은 이미터 어레이는 최대 데이터 처리 속도와 전력 효율 모두를 위한 출력 디자인을 최적화하기 위해 다양한 병렬 및/또는 직렬 구성들로 배열될 수 있다. 전기적인 구동 파형은 공진 완화로 인한 턴-온(turn-on) 및/또는 턴-오프(turn-off)의 오버슛(overshoot) 또는 진동, 오프-스테이트 바운스(off-state bounce) 및 기타 영향을 최소화하기 위해 조절될 수 있다. 상기 파형은 얼마나 많은 개별 VCSEL들이 직렬 또는 병렬, 또는 이들의 조합으로 연결되는지에 따라 달라질 수 있다.

상술한 바에 더불어, VCSEL들은 본 발명의 실시예들에 대한 다른 이점들을 제공할 수 있다. 각각의 레이저 소자는 본질적으로 짧은 캐비티(cavity)를 가지기 때문에, VCSEL들은 직접 변조가 더 용이할 수 있다. 직접 변조는 시스템 디자인을 더 단순화하고 그 디자인 비용을 줄일 수 있다. 상기 어레이의 병렬 연결 특성에 따른 각각의 레이저의 높은 신뢰성은 매우 높은 시스템 신뢰도와 긴 평균 고장 간격(mean-time-between failures; MTBF)을 제고할 수 있다. 상기 어레이 내에서 몇몇 레이저에 이상이 발생하더라도, 전반적인 전체 출력이 감소되는 것이 최소화될 수 있다. 상기 VCSEL 어레이의 장점 및 높은 효율은 발열 및 어레이 외부로의 광 유출 문제를 최소화할 수 있다. 상기 장점들은 높은 대역폭 및 저비용의 FSO 시스템에 중요할 수 있다.

VCSEL 어레이들은 각각의 어레이마다 전체 출력 파워와 변조 대역폭을 높이는 다수의 엘리먼트들을 포함할 수 있다. VCSEL들은 매우 효율적이며, 일부 경우에 있어서 40% 이상의 효율을 갖는다. 일부 실시예에서, 동일한 어레이는 여러 파장의 VCSEL들을 포함할 수 있고, 하나의 어레이는 독립적으로 제어되거나 변조되는 서브섹션 (subsection)들을 포함할 수 있다. 사용 가능한 파장은 확장될 수도 있다. 현재 대부분의 VCSEL 어레이들은 800nm 내지 900nm 사이의 파장을 지원하지만, 400nm 내지 800nm까지의 가시 광선 영역뿐만 아니라 1310nm 근방 및 1550nm 근방의의 파장을 포함하는 일반적인 통신 파장들도 이용 가능해질 수 있다. 상기 VCSEL 어레이의 일부는 상기 어레이의 데이터 부분보다 훨씬 느린 속도로 변조되고 원하는 전력 레벨을 생성할 수 있는 하트비트(상세하게 후술됨)로서 동작할 수 있다.

광 수신기(104)를 참조하면, 다수의 통신 시스템들은 일부 실시예들에 적합한 매우 작은 PIN 다이오드들 또는 APD들을 사용해 왔다. 상기 작은 크기의 구성 요소는 높은 대역폭을 가능하게 하고, 5미크론 내지 200 미크론 이상까지의 광섬유 코어 사이즈에 대응할 수 있다. 실시예들에 의하면, 상기 광선은 수 센티미터인 개구를 이용하여 광자 수집을 수행하는 검출기로부터 수 센티미터 내지 수 미터를 가로지를 수 있다. 이는 렌즈, 거울 등과 같은 광학 소자에 의해 구현될 수 있다. 다만, 여기서, 수용 각도 및 개구의 크기 사이에 트레이드-오프(trade-off)가 있을 수 있다. 상기 트레이드-오프는 광 수신기와 큰 검출기를 이용함으로써 완화될 수 있다. 상기 검출기는 수집 개구의 크기만큼 클 수 있고, 상기 광 수신기는 광학 소자를 가질 수 없다. 다른 실시예에서, 상기 광 수신기는 매우 큰 영역의 검출기를 포함하고, 상기 검출기 앞에서만 광학 필터링이 수행될 수 있다. 또는, 상기 광 수신기는 검출기 어레이를 구성하는 개별 검출기들 앞에 배치되는 마이크로렌즈(microlens)를 포함할 수 있다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 광 수신기(104)를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 광 송신기(102)와 유사하게, 상기 광 수신기는 검출기(214) 어레이의 면 광원 및 하나 이상의 광학 소자들(602)(상기 검출기 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈보다 큰 사이즈를 가짐)을 포함할 수 있다. 검출기 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 이미터 어레이와 유사한 장점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 다수의 소형 검출기들에 기초하여 검출기를 구축함으로써 전체 시스템의 대역폭이 상당히 높게 유지될 수 있다. 이에 따라, 몇몇 검출기들에 이상이 발생하더라도, 전체 시스템 성능에 미치는 영향은 감소될 수 있다.

도 6b는 위와 유사하지만 루비, 사파이어, 플라스틱, 유리와 같은 고굴절 물질을 포함하는 하나 이상의 반구 렌즈(604) 등의 광학 소자를 포함할 수 있다. 상기 광학 소자는 광 이득을 증가시키기 위해 검출기(214) 어레이에 근접하여 위치한다. 상기 광 이득의 증가는 상기 물질의 굴절률의 제곱과 같을 수 있다. 검출기 어레이의 전면에 배치되는 단일 렌즈가 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 상기 렌즈는 상기 검출기 어레이에 포함되는 각각의 검출기들에 대한 마이크로렌즈 어레이를 대신하여 상기 어레이의 충전율의 영향을 줄일 수 있다. 상기 마이크로렌즈들은 상기 검출기 어레이 내에서 검출기들 사이의 가능한 많은 영역을 덮도록 형성 및 배열될 수 있다.

검출기 어레이가 추가적인 광학 소자와 함께 있는 경우, 상기 광 이득이 동일 또는 유사한 광 개구를 유지해야 할 만큼 클 필요가 없기 때문에, 광 수신기(104)의 수용 각도는 기존의 FSO 시스템의 수용 각도보다 훨씬 커야 하는 경우가 아닌 이상 크게 증가되지 않는다.

상기 검출기의 크기가 200 미크론에서 500미크론까지 또는 1mm 이상으로까지 증가함에 따라, 상기 수용 각도는 0.1에서 100cm 이상의 개구 사이즈를 유지하면서 매우 작은 각도 내지 몇 도 정도 증가할 수 있다.

도 1로 돌아가서, 일부 실시에에서, 상기 광선의 발산 특성과 논-라인-오브-사이트(non-line-of-sight; NLOS) 케이스에서의 상태 변화는 광 송신기(102) 및/또는 광 수신기(104)에서의 가변 초점, 비점수차(astigmatism) 및/또는 포인팅 조정(pointing adjustment)에 의해 향상될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 송신기(102) 및/또는 광 수신기(104)는 상기 가변 초점, 비점수차 또는 포인팅 조정 중 적어도 하나를 가능하게 하는 하나 이상의 동적 광학 소자를 포함할 수 있다. 상기 동적 광학 소자(들)는 시간 경과에 따라 변화되고, 일부 실시예에서는 전기적으로 제어되는 하나 이상의 표면들을 포함할 수 있다. 적절한 동적 광학 소자의 예로는 액체 렌즈, 가변 미러 등을 포함할 수 잇다. 좀 더 구체적으로, Varioptic 또는 Optotune에서 제조된 액체 렌즈가 포함될 수 있다. 특히 액체 렌즈는 일반적으로 휴대폰 카메라 등의 영상 애플리케이션 용으로 설계될 뿐만 아니라, 발산-광선 통신 시스템(100)에 적합할 수 있다. 액체 렌즈들은 비교적 작고, 저비용이며, 기기 내의 막 양단의 전압 또는 전류에 의해 작동될 수 있다. 액체 렌즈는 Varioptic의 Visayan과 같은 비점수차를 이용하는 렌즈일 수 있다.

도 7a는 상기 광선의 가변 초점을 활성화하는 하나 이상의 동적 광학 소자들(702)을 포함하는 광 송신기(102)를 나타내는 도면이다. 상기 광 송신기에 있어서, 가변 초점은 상기 광 송신기로부터의 주어진 거리에서 상기 광선의 지름을 발산(702)으로부터 의사-평행(704)을 거쳐 수렴(706) 단계까지 조절할 수 있다. 예를 들어, 100m 내지 1km의 근거리에 있어서, 가능한한 출력 레벨이 광선 경로 이상의 원하는 출력 한계보다 작아지도록 광선 발산을 증가시키는 것이 바람직하다. 반대로, 상기 광선이 1km 내지 10km까지의 거리로 전달되는 경우, 상기 광 수신기에서의 전력 레벨이 주어진 데이터 속도를 위해 요구되는 임계 값 이상이 되도록 상기 광선 발산을 감소시키는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 안개와 같은 기상 조건에서, 상기 안개의 분산에 의해 추가적인 광선 발산이 일어나므로, 상기 광선 발산을 감소시키는 것이 바람직하다.

도 7b, 도 7c 및 도 7d는 수직 발산(708)과 수평 발산(710)을 다르게(수직축으로의 포커싱을 수평축으로의 포커싱과 다르게 함) 하여 광 송신기(102)에서 비점수차를 생성하는 동적 광학 소자(들)(702)을 사용하는 것을 나타낸다. 타워와 지상 간의 통신 시나리오와 같은 경우에는 수평 광선의 확산이 수직 광선의 확산보다 많은 것이 바람직하다. 광 수신기(104)는 지상으로부터 수직으로 수 미터 내에 배치될 수 있지만, 수평적으로는 수십 내지 수백 미터 내에서 어디에든, 특히 타워로부터는 1km 이상의 거리에도 배치될 수 있다.

도 7e는 광 송신기(102)에서 포인팅 조정을 가능하게 하는 동적 광학 소자(들)(702)를 사용하는 것을 나타낸다. 포인팅 시스템(108)에 대하여 상술한 바와 같이, 상기 동적 광학 소자(들)는 상기 광선을 직선(712)으로부터 +/- 0.6도의 각도(714, 716)로 조절할 수 있다. 다만, 상기 조절 각도는 이보다 크거나 작게 조절될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 이것은 8비트 또는 256 카운트(1.2도/256 = 80 micro-radians of resolution)의 해상도 조정을 허용할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 발산-광선 통신 시스템(100) 및 구현 방법은 빠른 광선 디더링(802)을 지원할 수 있는 다수의 광 송신기들(102), 또는 이미터 어레이(208)를 포함하는 하나의 광 송신기와 같은 단일 전송 포인트로부터 다수의 광선들을 지원할 수 있다. 이러한 광선 디더링은 좁은 광선의 서비스 품질을 저하시키는 신틸레이션(scintillation) 및 페이딩 효과(fading effect)를 완화하기 위해 사용될 수 있다. 넓은 광선은 신틸레이션과 페이팅 효과를 일으키면서 원하는 광 수신기(104)에 지속적으로 부딪치는 광선을 생성하는 광선 각도보다 훨씬 작은 디더링 각도로 빠르게 디더링될 수 있다. 상기 디더링 또는 빠른 광선 경로의 시프팅(shifting)은 상기 빔 경로들이 원치 않는 시간 동안 한 영역에 머물지 않도록 광선들을 시프트함으로써 향상된 안전성 또한 제공할 수 있다.

도 9a는 상기 광선의 가변 초점을 가능하게 하는 동적 광학 소자를 포함하는 광 수신기를 나타낸다. 상기 가변 초점은 상기 광선의 특성에 상기 광 수신기를 용이하게 매치할 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, LOS 케이스에서, 입사 광선이 수신기에 대하여 효과적으로 평행하게 입사되기 때문에, 상기 광 수신기는 무한대 또는 거의 무한대의 초점을 가질 수 있다. 날씨와 관련된 LOS에 있어서, 비, 눈, 안개 등에 의한 산란이 상기 광 송신기와 광 수신기 사이에서 유효한 소스 포인트를 생성하기 때문에, 상기 광 송신기(102)와 광 수신기 사이의 임의의 중간 지점에 초점을 맞추는 것이 바람직할 수 있다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 이는 광 송신기와 광 수신기 사이의 임의의 중간 지점에 초점을 맞추는 것이 바람직한 NLOS의 경우와 유사할 수 있다.

도 9d 및 도 9e는 광 수신기(104)에서 포인팅되는 위치를 조절하기 위해 동적 광학 소자(들)를 사용하는 것을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 동적 광학 소자(들)는 준-평행 광선이 조절되게 할 수 있고, 상기 조절된 준-평행 광선은 상기 광 수신기 내의 단일의 검출기 또는 검출기 어레이(214)의 일부(subset)에 도달할 수 있다. 상기 동작은 상기 광 수신기에서의 초점 조절과 동시에 일어날 수 있다.

통신을 위한 광 송신기(102)와 공 수신기(104) 간의 초기 얼라인먼트는 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 도 10은 상기 초기 얼라인먼트 방식 중 몇 가지 기술들을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 발산-광선 통신 시스템(100)은 고출력(고전력), 고속 광 통신(1002)을 제공한다. 일부 실시예에서, RF 시스템은 상기 발산-광선 시스템의 기저를 이루며, 상기 광 송신기와 광 수신기의 위치를 설정하고 얼라인먼트(정렬)를 보조하기 위해 상기 광 송신기와 광 수신기 사이의 저전력 RF 통신(1004)을 제공할 수 있다. 상기 RF 통신은 상기 광 송신기와 광 수신기의 얼라인먼트에 도움을 줄 수 있는 하나 이상의 RF 신호들의 세트로 구성된 RF 하트비트 신호를 포함할 수 있다. 또한 자세하게 후술될 일부 실시예에서, 상기 광 송신기는 상기 광 송신기와 광 수신기의 얼라인먼트에 도움을 줄 수 있는 하나 이상의 넓은 광선들의 세트로 구성된 광 하트비트(optical heartbeat)(1006)(광 하트비트 신호)를 방출할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 하트비트 신호가 상기 광 송신기의 위치(지리적 위치)를 캐리하거나 나타내기 위해 변조되고, 소정의 신호가 상기 광 수신기가 그것의 위치 또는 그 위치를 나타내는 표시를 상기 광 송신기에 리턴하게 함으로써, 상기 광 송신기와 상기 광 수신기가 정렬될 수 있다(또는, 광 송신기와 광 수신기 서로에 대한 또는 상기 광선에 대한 광 송신기와 광 수신기의 방향이 다르게 조절될 수 있다). 상기 광 송신기 및 광 수신기는 그들의 위치를 알거나, 일부 실시예에서는 GPS 또는 기타 지리적 위치를 이용한 방식 등을 통해 그들의 위치를 획득할 수 있다. 또는 일부 실시예에서, 상기 광 송신기 또는 광 수신기는 상기 하트비트 신호 내에 포함된 타임스탬프(timestamp)를 사용하여 서로의 위치를 결정할 수 있다.

실시예들에 따르면, 광 송신기(102)에 의해 방출되는 광 하트비트 신호는 모든 경우들에서 소정의 출력 한계 이하의 광선일 수 있으며, 상기 시스템의 고출력, 고속 광 통신(1002)보다 느린 속도로 변조될 수 있다. 상기 얼라인먼트의 케이스에서, 상기 광 송신기는 상기 하트비트(광 또는 RF)를 방출할 수 있다. 광 수신기(104)는 상기 하트비트의 적어도 일부를 캡쳐하는 넓은 시야(예를 들어, 10도에서 180도 이상)를 갖는 카메라 등을 통해 상기 하트비트를 검출할 수 있다. 상기 광 수신기는 상기 광송신기의 하트비트를 식별하고, 필요에 따라 상기 광신기와의 정렬을 위해 이동될 수 있다. 또는 광 수신기들의 어레이를 포함하는 일부 실시예에서, 어떠한 광 수신기들의 이동 없이, 상기 어레이에서 상기 광 송신기와 가장 가깝게 정렬된 하나 이상의 상기 광 수신기들이 선택적으로 활성화(예를 들어, 스위치 온)되고 다른 광 수신기들은 비활성화(예를 들어, 스위치 오프)될 수 있다. 광 수신기들의 선택적 활성화 또는 비활성화를 위한 다른 기술들은 수신된 광선 또는 상기 하트비트를 통한 상대적인 전력에 기초한 기술들을 포함하여 적용될 수 있다. 상기 광 수신기는 그와 연관된 송신기(광 또는 RF)를 통해 상기 광 송신기에 하트비트를 다시 전송할 수 있다. 상기 광 송신기는 이와 연관된 광수신기를 통해 광수신기의 하트비트를 수신하고, 고속 광 통신 전송을 시작할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 광 수신기의 하트비트는 또한 이전의 고속 광 통신 전송과 같이, 상기 광 수신기와 향상된 얼라인먼트를 갖도록 상기 광 송신기를 가이드할 수 있다.

일부 실시예에서, 광 송신기(102)는 광 수신기(104)로부터 상기 하트비트를 모니터링할 수 있다. 상기 광 수신기의 하트비트가 임계 레벨 또는 임의의 기준치 아래로 떨어지는 경우, 상기 광 송신기는 고출력, 고속 광 통신(1002) 동작을 해제할 수 있다. 그러면, 상기 광 송신기는 상기 광 송신기가 상기 광 수신기의 하트비트를 다시 픽업하거나 검출할 때(상기 임계 레벨 또는 기준치 이상)까지 기다린 후에, 고출력, 고속 광 통신을 재설정할 수 있다. 셧다운(shutdown) 시간은 상기 출력 한계 아래의 광 노출 레벨을 유지하기에는 충분하지만, 가능한 한 빨리 상기 고속 광 통신을 재설정(예를 들어, 밀리초 이상의 속도로)할 수 있다. 예를 들어, 광선 경로 내에서 앞뒤로 흔들리는 나뭇가지는 상기 나뭇가지가 상기 광선을 통과할 때마다 상기 광선의 진행을 방해할 수는 있지만, 충분히 빠른 재시작(재설정)은 통신 처리율에 대한 영향을 최소화할 수 있다.

일부 실시예에서, 광 송신기(102)와 광 수신기(104) 사이의 얼라인먼트는 다양한 기술들에 의해 상기 광 수신기 내에서 적어도 부분적으로 수행될 수 있다. 도 11a 및 도 11b는 두 가시 예시들을 나타낸다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 상기 광 수신기는 적절한 광학 소자(들)(1104)을 통해 카메라(1106)로 진행되도록 상기 검출된 광선의 일부를 반사하는 필터 또는 부분-픽오프 거울(partial-pickoff mirror)(1102)을 포함할 수 있다. 상기 카메라는 상기 광선의 반사된 부분을 캡쳐하고, 상기 캡쳐된 광선의 반사된 부분에 기초하여 코스 조정(coarse steering)(예를 들어, 모터, 포인팅 시스템(218)) 및/또는 파인 조정(fine steering)(예를 들어, MEMS 거울, 동적 광학 소자 등)을 구동하기 위해 상기 광 수신기의 전자 장치와 통신할 수 있다. 일부 실시예에서, 트래킹, 락-인(lock-in) 및 하트비트를 위해 상기 광 송신기의 이미터 어레이(208)는 하나 이상의 이미터들을 포함하거나, 상기 광 송신기가 상기 카메라의 프레임 속도보다 낮은 속도로 광선을 방출하는 하나 이상의 추가적인 이미터들을 포함할 수 있다.

도 11b에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에서, 상기 광 수신기는 한계 개구(1110)에 의해 음영진 주변부 주위에 위치하는 복수의 포토다이오드(photodiode)들(1108)(4개의 도시된 포토다이오드들(1108a, 1108b, 1108c, 1108d))을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 포토다이오드들은 (검출기(214)에서 검출된 광선의 전체 출력에 대한) 상기 포토다이오드들에서 검출된 광선의 상대적인 출력을 검출하고, 코스 조정(coarse steering)(예를 들어, 모터, 포인팅 시스템(218)) 및/또는 파인 조정(fine steering)(예를 들어, MEMS 거울, 동적 광학 소자 등)을 구동하기 위해 광 수신기(104)의 전자 장치와 통신할 수 있다. 일부 실시예에서, 포토다이오드들(1108a, 1108b, 1108c)이 원 주위로 약 120도씩 떨어져 위치하는 것과 같이, 3개의 포토다이오드들만이 사용될 수 있다. 보다 구체적인 실시예에서, 상기 피드백 제어는 각각의 포토다이오드들에서 검출된 상대적인 출력들에 따라 아래와 같이 요약될 수 있다.

포토다이오드(1108b)의 출력 > 포토다이오드(1108c)의 출력인 경우, 제1 방향(예를 들어, 오른쪽)으로 회전하고;

포토다이오드(1108b)의 출력 < 포토다이오드(1108c)의 출력인 경우, 반대 방향인 제2 방향(예를 들어, 왼쪽)으로 회전하며;

포토다이오드(1108a)의 출력 > (포토다이오드(1108b)의 출력 + 포토다이오드(1108c)의 출력)인 경우, 제3 방향(예를 들어, 아래)으로 기울어지고;

포토다이오드(1108a)의 출력 < (포토다이오드(1108b)의 출력 + 포토다이오드(1108c)의 출력)인 경우, 반대 방향인 제4 방향(예를 들어, 위로) 기울어진다.

전술한 바와 같이, 광 수신기(104)를 조종 또는 회전시키는 맥락에서 설명되었지만, 광 수신기 어레이를 포함하는 일부 실시예에서, 얼라인먼트는 광 수신기의 움직임 없이 수행될 수 있다. 상기 실시예들에서, 어떠한 광 수신기의 움직임도 없이, 상기 어레이 내에서 상기 광 송신기와 가장 가까이 정렬된 하나 이상의 광 수신기들은 선택적으로 활성화(예를 들어, 스위치 온)되고 다른 광 수신기들은 비활성화(예를 들어, 스위치 오프)될 수 있다.

상술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 단일의 광 송신기(102)는, 광 수신기들이 광선의 콘 내에 존재하는 것과(상기 LOS 케이스에 따라) 같이, 다수의 광 수신기들을 커버할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 하나 이상의 다중화 기술에 따라 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 도 12a는 다중화 기술의 일 예, 즉, 스펙트럼 다중화(spectral multiplexing)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 광 송신기의 이미터 어레이(208)는 서로 다른 각각의 파장들(도시된 바와 같이, λ1, λ2, λ3, λ4, 및 전술한 하트비트(heartbeat)를 위한 별도의 이미터)에 대응하는 하나 이상의 이미터들의 그룹들로 구분될 수 있다. 상기 그룹들의 상기 이미터들은 도시된 바와 같이 영역 별로 구분된 상기 어레이에 배치될 수 있다. 또는 다른 실시예에서, 상기 이미터들은 서로 산재될 수 있다. 광 수신기들(104)은 하나 이상의 검출기들(214)의 전체 또는 일부 앞에 위치하는 하나 이상의 특정-파장 필터(wavelength-specific filter)들 또는 가변-파장 필터(wavelength-tunable filter)들(1202)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가변-파장 필터들은 환경 조건의 변화, 특히 온도 변화와 같은 다양한 조건에 의해 상기 이미터들의 상기 파장이 시프트되는 것과 같이 동적으로 조정될 수 있다.

스펙트럼 다중화에 더하여 또는 이 대신, 일부 실시예들에서의 발산-광선 통신 시스템(100)은 도 12b에 도시된 바와 같은 방식의 공간 다중화(spatial multiplexing; SMX) 방식을 적용할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 광 송신기의 이미터 어레이(208)는 독립적으로 변조되는(region1, region2, region3, region4 및 전술한 하트비트(heartbeat)를 위한 별도의 이미터) 이미터들의 패턴(예를 들어, 하나 이상의 이미터들의 그룹들의 패턴) 형태로 배치될 수 있다. 광 수신기(104)의 검출기 어레이(214)는 이에 대응하는 검출기들의 패턴 형태로 이와 유사하게 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 시스템은 클리어 컨디션(clear condition)에서 공간 다중화를 사용할 수 있다. 상기 시스템은 산란이 심한 경우(예를 틀어, 날씨에 의한) 또는 NLOS 케이스에서는 잠재적으로 전체 대역폭을 줄일 수 있지만 통신 능력을 유지하는 상기 공간 다중화 구동을 끄거나 줄일 수 있다.

다양한 실시예들에 의한 발산-광선 통신 시스템(100)의 특징은 얼라인먼트를 최적화하고 수신된 신호 속도와 서비스의 품질을 향상시키기 위해 다중 경로의 시도 및/또는 사용자의 광 수신기(104)를 회전 또는 이동시키는 시그널링(signaling)을 수행하는 광 송신기(102)를 포함할 수 있다. 상기 사용자에 대한 상기 시그널링은 텍스트, 심볼(symbol), 음성, 톤(tones), 또는 다른 광학, 음향, 촉각 신호 등에 의한 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 더 구체적인 예에서, 상기 광 송신기는 사용자가 창문쪽으로, 또는 그들의 앞, 뒤, 좌, 우로 움직이도록 신호를 보낼 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 광 송신기는 상기 유저가 원을 그리며 돌도록 신호를 보내고, 회전을 정지하도록 하는 신호를 보낼 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 광 송신기는 사용자가 상기 광 수신기를 움직이거나, 돌리거나, 기울이도록 신호를 보낼 수 있다.

일부 실시예에서, 역반사는 안전한 출력 레벨을 위해 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 광 송신기(102) 또는 광 송신기 어레이는 짧은 펄스들을 방출할 수 있고, 리턴되는(반사된) 신호들을 모니터링하는 하나 이상의 검출기들 또는 센서들을 포함할 수 있다. 매우 짧은 시간 지연 동안의 큰 광량 반사는 근접한 거리에서의 송신 광선 내의 객체를 지시할 수 있다. 이는 상기 광 송신기 또는 어레이가 다른 이미터 또는 상기 어레이의 다른 광 송신기로의 방출을 중단하게 할 수 있다. 충분히 긴 시간 동안 광 에너지의 충분한 축적에 의한 소정의 규정된 에너지 임계 값에 도달하기 전에 상기 광선 출력이 중단됨으로써 상기 시스템의 응답 속도는 안전한 동작을 할 수 있다.

일부 실시예에서, 발산-광선 통신 시스템(100)의 처리량을 최적화하기 위해 발산-광선 통신 시스템(100) 환경의 3D 모델링이 사용될 수 있다. 이는 기존의 지형 및 도시 구조 데이터베이스 및 이미지, 시스템에 의해 수집된 데이터 또는 이들의 조합을 이용함으로써 구현될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 역-반사 광량 및 시간 지연은 라이다-타입(LIDAR-type) 기능을 수행하도록 사용될 수 있다. 3D 모델링으로부터, 최적의 광선 경로들은 고정된 광 송신기들(102) 및 광 수신기들(104)과 모바일 광 송신기들(102) 및 광 수신기들(104) 모두에 대해 예측될 수 있다. 모바일 광 수신기의 경우에 있어서, 상기 광 수신기의 경로는 상기 모바일 사용자의 수신을 위한 최적의 광선 경로를 작성하는 3D 모델로 모델링될 수 있다. 상기 3D 모델은 좋은 반사기(118)(예를 들어, 다른 위치로 이동하여 주차된 트럭)와 같이 변화에 적응적으로 응답할 수 있다. 상기 시스템에 의해 획득된 광선 반사 및 전송 광량 정보는 초기 3D 모델을 향상시키거나 새로운 3D 모델을 작성하는 데에 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 고정된 지연 라우터(fixed-delay router)(광 중계 노드)는 대규모 외부 캐리어 시스템(예를 들어, 휴대폰 광역 기지국 사이트(macrocell sight) 및 로컬 라우터 시스템(local router system) 모두에 사용될 수 있는 동일한 구성들과 주파수를 사용할 수 있다. 이는 규모의 경제성 및 시스템 효율을 향상시키는 공통성을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 가변 중계 광선들은 발산-광선 통신 시스템(100)에 의해 생성될 수 있다. 사용자/라우터의 협력은 광역 기지국 사이트로부터 모바일 또는 다른 사용자들에게 신호를 중계할 수 있다.

일부 실시예에서, 자율 고정 또는 모바일 광 송신기들, 광 수신기들 또는 트랜시버들(때때로 셀 노드라고 함)은 매우 낮은 중량 및 저출력 광 중계 노드들로서 배포될 수 있다. 상기 실시예들에서, 상기 가벼운 광 중계 노드들은 공중(예를 들어, 풍선, 무인기, 비행선 내부) 또는 빌딩, 타워, 기둥, 나무 등 지상보다 높은 위치에 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 자율 고정 광 송신기들, 광 수신기들 또는 트랜시버들은 태양 전원을 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 광 가이드의 내외부는 상기 발산-광선 통신 시스템으로부터 신호를 전달하기 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 보안, 간섭 억제 및/또는 SNR 향상을 위한 빠른 광 주파수 스캔은 다중 경로 왜곡을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 모든 반도체 무운동성 레이저는 전기적으로 조절되고, 기계적 또는 전기-기계적 구성 요소의 사용을 피할 수 있다.

일부 실시예에서, 애드혹(ad hoc) 네트워크는 활성화된 사용자 네트워크 형성에 기여함으로써 생성될 수 있다.

일부 실시예에서, 발산-광선 통신 시스템(100)은 일부 모바일폰의 배터리와 같은 피기백(piggyback) 장치가 모바일폰(mobile phone), 태블릿(tablet), 퍼스널 컴퓨터(personal computer)에 사용되는 것과 같이, 광학 소자들이 기존의 모바일 장치에 집적되는 형태로, 기존의 모바일 데이터 전송 장치들에 집적될 수 있다.

일부 실시예들에서, 기계적인 배플(baffle)이 광 송신기로부터 단일 광선을 선택하기 위해 광 수신기 구조에 사용될 수 있다. 따라서, 다중 광 경로로 인한 문제 및 수신 시스템으로 태양광이 입사되는 영향이 감소될 수 있다. 다른 실시예에서, 광 수신기(104)에 있는 시준기들(optical collimators)은 다중 경로로 인한 영향을 줄이고, 좁은 광 수용 범위를 가짐으로써 외부의 신호를 제거할 수 있다.

발산-광선 통신 시스템(100) 내에서의 다중 경로 인자들 및 간섭은 다양한 방식으로 해결될 수 있다. 일 실시예에서, 광 송신기(102)와 광 수신기(104) 사이의 가장 강한 신호 경로(다이렉트(direct) 또는 반사된 경로)는, 부호간 간섭(inter-symbol interference)을 야기하는 다른 경로들보다 충분히 짧을 수 있다. 상기 다른 경로들은 임계치보다 큰 신호 강도를 가지며 그보다 신호 강도가 큰 신호 경로보다 불충분하게 길거나 짧다. 이 상황은 상대적으로 낮은 데이터 속도 환경에서 상대적으로 짧은 경로에 적용할 수 있다. 일 실시예에서, 코딩은 다중 경로 간섭을 완화하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 광 신호들은 다중 경로 환경에서 펄스들의 뭉개짐을 고려하고 부호간 간섭을 줄이기 위해 암호화 주파수 분할될 수 있다. 상기 광 수신기는 상기 신호들을 재구성할 수 있다. 이와 같이, 직교 주파수 분할 다중화(orthogonal frequency division multiplexing; OFDM)은 다중 경로 이슈에 대처하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 동시화된 수신시간 게이팅(gating)은 광자들이 최단 경로 또는 가장 효율 적인 경로만을 통해 이동하도록 광자 경로를 제한할 수 있다.

도 13 내지 도 17, 도 18a 및 도 18b를 참조하여 상기 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템(100)이 배치될 수 있는 다양한 시나리오들을 설명한다. 상술한 바와 같이, 소정의 광 수신기들(104a)은 광 송신기(102)로부터 입사되는 입사 광선들을 검출하고, 다른 광 수신기들(104b)(또는 동일한 상기 광 수신기들도) 반사기(118)로부터 반사된 반사 광선들(산란 포함)을 검출할 수 있다. 도 13은 빌딩(1302)이 방출된 광선을 광 수신기(104b)가 수신하는 것을 차단하는(blocked incident beam (1304)으로 도시됨) 하나의 시나리오를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 지면 또는 또 다른 빌딩과 같은 적절한 반사기 상의 반사 지점(1306)은 광 수신기(104b)가 수신하는 반사 광선(1308)을 생성할 수 있다. 상기 광 수신기는 고정된 것이거나 움직일 수 있다. 여기서, 모바일 광 수신기에 대해서는 입사 광선 또는 반사 광선에 대한 추가적인 얼라인먼트가 필요할 수 있고, 감도 문제에 대한 추가적인 고려가 요구될 수 있다.

도 14는 고정된 광 수신기 환경에서의 발산-광선 통신 시스템(100)의 배치의 일 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 광 트랜시버 어레이(200)와 같은 광 송신기들의 어레이는 호스트 빌딩(1402), 타워 등에 위치할 수 있다. 상기 광 송신기들은 하나 이상의 광 수신기들(104a)(빌딩(1406) 내에 도시됨)을 향하는 다이렉트 라인-오브-사이트(direct line-of-sight; direct LOS)를 포함하는 입사 광선(1404) 및 하나 이상의 광 수신기들(104b)(다른 빌딩(1412) 내에 도시됨)에 의해 검출될 수 있는 반사/산란 광선(1410)을 생성하기 위해 반사 또는 산란되는 제2 입사 광선(1408)을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 도시되지는 않았으나, 상기 반사/산란 광선은 상기 다이렉트 라인-오브-사이트 광선에 의해 생성될 수도 있다. 광 수신기(104a)는 상기 다이렉트 라인-오브-사이트 광선으로부터 광을 수신하고, 상기 제2 광선으로부터도 다이렉트 라인-오브-사이트 광선을 수신할 수 있다. 상기 제2 광선은 램버시안 반사 및 180도 이상으로 광을 산란하는 반사/산란 광선을 생성할 수 있다. 상기 제2 광선은 광 수신기(104b)에 의해 수신될 수 있다. 상기 도면에 도시되지 않은 다른 실시예에서, 고정된 반사면 또는 산란면 내지 상기 두 면 모두는 반사 광선/산란 광선을 좀 더 효과적으로 광 수신기(104b)로 향하게 하기 위해 상기 제2 광선의 초기 입사 지점에 부착될 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 14의 상기 시나리오에서의 광 수신기들(104a, 104b)은 고정된 것들일 수 있다. 더욱 상세하게 후술될 시나리오와 같은 다른 실시예들에서, 상기 광수신들 중 하나 또는 모두는 특정 지역에서 이동하거나 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 사용자는 그들의 광 수신기를 특정 영역 내에서의 다른 위치로 물리적으로 이동시키거나 위치시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 소정의 수신기들은 수신 정도를 향상시키기 위해 자유도(예를 들어, 자유도 6)를 갖고 자율적으로 움직이는 장치들에 장착될 수 있다.

도 15a는 천정, 바닥 또는 벽에서 반사되어 반사 광선(1506)을 생성하기 위해 빌딩(예를 들어, 빌딩(1410, 1412))의 창문(1504), 차량 또는 다른 구조물을 통해 입사 광선(1502)이 수신되는 것을 나타낸다. 도 15b는 반사 광선을 생성하기 위해 천정, 바닥 또는 벽에서 반사되는 것과 유사하게 상기 입사 광선이 중계를 위한 라우터(1508)(광 중계 노드)에 의해 수신되어 또 다른 입사 광선을 생성하는 시나리오를 나타낸다. 상기 경우들 모두 상기 입사 광선이 직접적으로 수신될 수 있다. 상기 반사 광선들도 직접적으로 수신되거나, 문턱 틈(1512)을 통과하는 광선들과 같은 전파 방사의 형태로 남은 잔여 방사선(1510)을 발생시킬 수 있다. 상기 시스템은 직접 수신되는 입사광 또는 반사 광들에 의해 발생되는 출력으로부터 전파 방사에 의해 발생하는 출력에 이르기까지 다양한 출력 레벨 범위를 커버할 수 있기 때문에, 전송 경로는 중요하지 않으며, 상기 시스템은 입사 광선, 반사 광선, 또는 잔여 방사선들을 필요에 따라 선택할 수 있다.

도 15c는 일부 실시예들에 따른 라우터(광 중계 노드)(1508)의 구체적인 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 라우터는 외부 어레인지먼트(arrangement)와 내부 어레인지먼트를 포함할 수 있다. 상기 외부 어레인지먼트는 광선을 수신하는 하나 이상의 외부 검출기들(1514)을 포함하는 하나 이상의 외부 광 수신기들을 포함할 수 있다. 상기 내부 어레인지먼트는 상기 광선을 재전송하는 하나 이상의 내부 이미터들(1516)을 포함하는 하나 이상의 내부 광 송신기들을 포함할 수 있다. 이들이 분리되어 도시되지는 않았지만, 일부 실시예에서, 상기 내부 어레인지먼트는 광선을 수신하는 하나 이상의 내부 검출기들을 포함하는 하나 이상의 내부 광 수신기들을 포함하고, 상기 외부 어레인지먼트는 상기 광선을 재전송하는 하나 이상의 외부 이미터들을 포함하는 하나 이상의 외부 광 송신기들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 내부 및 외부 검출기들은 100cm²의 영역을 커버하고, 1000 photons/bit을 제공할 수 있고, 상기 내부 및 외부 이미터들은 ±45도를 커버할 수 있다. 상기 내부 이미터는 20도의 포인팅 범위까지 커버가 가능한 반면, 상기 외부 이미터는 0.5도의 포인팅 범위까지 커버가 가능하다.

도 16은 모바일-수신기 환경에서 발산-광선 통신 시스템(100)이 배치되는 일 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 광 트랜시버 어레이(200)와 같은 광 송신기 어레이는 호스트 빌딩(1402), 타워 등에 위치할 수 있다. 상기 광 송신기들은 빌딩-반사 광선들(1604), 지면-반사 광선들(1606)을 생성하는 입사 광선(1602)을 포함하는 광선을 생성할 수 있다. 상기 입사 및 반사 광선들을 포함하는 상기 광선들은 광 수신기들(104a, 104b)에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 수신기들은 비록 직접적인 광선보다 낮은 출력 레벨을 갖지만 좀더 안정적으로 광선 및 출력을 얻기 위해 의도적으로 상기 입사 광선으로부터 직접 입사되는 광선을 향하지 않을 수 있다. 예를 들어, 빌딩 또는 지면으로부터 반사된 방사선은 상기 트랜시버 어레이로부터 방출된 직접 방사선보다 더 일정한 값을 가질 수 있다. 이러한 결정은 SNR과 같은 다양한 방식들에 의해 이루어질 수 있다. 이와 같이, 상기 광 수신기들은 반사 광선을 우선적으로 검출하거나 추적할 수 있고, 상기 입사 광선의 직접 검출을 피한다.

도 17은 도시 및 전원 환경(예를 들어, 나무가 우거진 환경)에서 발산-광선 통신 시스템(100)이 배치되는 일 예를 나타낸다. 다시 한번, 상기 예시는 광 트랜시버 어레이(200)와 같은 광 송신기 어레이는 호스트 빌딩(1402), 타워 등에 위치할 수 있다. 상기 시나리오에 도시된 바와 같이, 상기 광 송신기들로부터의 입사 광선들(1702)은 보통 상태적으로 균일한 미립자의 대기에서 산란되고, 이에 따라 반사/산란 광선들(1704)이 생성될 수 있다. 추가적으로, 상기 입사 광선들은 옥상 통풍기로부터 올라오는 수증기(1706), 안개, 구름, 연기 등과 같은 불균일한 대기 미립자들로부터 산란될 수 있고, 이에 따라 추가적인 반사/산란 광선들이 생성될 수 있다. 상기 반사/산란 광선들은 고정된 또는 모바일 광 수신기들에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예에서, 청색 내지 자외선 파장들과 같은 짧은 파장은 큰 산란 각도를 가지므로 유리할 수 있다.

도 18a 및 도 18b는 도시 및 전원 환경(예를 들어, 나무가 우거진 환경)에서 발산-광선 통신 시스템(100)이 배치되는 다른 예들을 나타낸다. 상기 실시예들에서, 상기 시스템은 광 송신기들 또는 광 송신기들을 포함하는 광 트랜시버들(별도로 도시하지 않음)이 장착된 위성 증식된 네트워크와 같은 하나 이상의 인공 위성들(1802)을 포함한다. 상기 시나리오에서, 상기 위성들은 도시 환경 및/또는 전원 환경에서 거의 수직에 가까운 수직 광선을 효과적으로 전송할 수 있다. 상기 광선들은 고정된 또는 모바일 광 수신기들에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 18b에 도시된 바와 같이, 구름(1804)에 더 잘 침투할 수 있는 적색 내지 적외선 파장들이 더 유리할 수 있다.

도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 방법(1900)의 다양한 동작들을 나타낸다. 단계 1902 및 1904에 도시된 바와 같이, 상기 방법은 광선의 데이터 각각을 변조하는 단계, 및 상기 광선으로부터 상기 데이터를 검출하고 복원하는 광 수신기의 수신을 위한 인위적인 제한 없이, 광 송신기가 상기 데이터를 캐리(carry)하는 상기 광선을 방출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 광선은 0.1도보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 가지며 방출될 수 있다. 또는 다른 실시예에서, 상기 광선은 0.1도보다 큰 발산 각과 0.01%보다 작은 광자 효율을 가지며 방출될 수 있다. 상기 광자 효율은 상기 광 수신기에 의해 검출되는 광선의 광자들의 개수와 상기 광 송신기에 의해 방출되는 광선의 광자들의 개수에 관련될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 실시예들은 발산-광선 통신 시스템(100)과 광 통신 방법 및 특히, 발산-광선 통신을 제공한다. 종래의 FSO 통신과는 대조적으로, 상기 시스템 및 상기 실시예들에 따른 방법은 더 넓은 범위의 광선과 더 높은 출력 레벨(또는 전력 레벨)을 사용한다. 상기 광선의 출력의 상당 부분은 종래의 FSO 통신에 비해서는 낭비될 수 있지만, 넓은 광선들은 쉽고 저렴한 포인팅 및 트래킹을 가능하게 한다. 상기 고출력의 넓은 광선은 모바일 사용자들을 위한 유연성, 더 높은 품질의 서비스를 가능하게 하며, 라인-오브-사이트가 막혀 반사 및 산란에 의한 광 전파를 통해 고속의 데이터 처리 및 고품질 서비스를 수행하는 논-라인-오브-사이트(NLOS) 애플리케이션들을 가능하게 할 수 있다.

발산-광선 통신 시스템(100) 및 방법은 1 Gb/s보다 높은, 일부 실시예에서는 1Tb/s 이상의, 고속 데이터 무선 통신을 위한 고출력 고체 레이저 또는 다른 이미터를 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 시스템은 각각의 통신 링크에 대한 광선 발산을 최적화할 수 있다. 상기 광선 발산 각도들은 고정되거나, 천천히 또는 빠르게 변할 수 있다. 상기 시스템은 광 송신기(102)와 광 수신기(104)가 직결될 것을 요구하지 않는다. 상기 발산-광선 통신 시스템에서 사용되는 이미터의 방출 출력은 다중 반사되는 상황에서도 매우 높은 데이터 전송 속도가 달성될 수 있는 정도일 수 있다.

발산-광선 통신 시스템(100)은 광자 효율(photonic efficiency) 또는 전송 효율 및 이의 광선의 발산에 기초하는 것과 같이 다양한 방식에서 종래의 FSO 전송과 대조될 수 있다. 여기서, 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 광선의 광자들의 개수에 대한 상기 광 검출기에 의해 검출될 수 있는 광자들의 개수와 관련될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 광 검출기에 의해 검출될 수 있는 광자들의 개수는 광 검출기의 수용 각도에 의해 정의 내지 제한될 수 있다. 일부 실시예에서, 광자 효율은 광 수신기(104)에 의해 검출된 광자들의 개수(AR)를 광 송신기(102)에 의해 방출된 광자들의 개수(AT)로 나눈 비율(E)로서 표현될 수 있다(E = AR / AT). 상기 인자(E)는 광선 발산 또는 광선 폭을 포함하는 여러 변수들에 의해 영향 받을 수 있다.

전통적인 접근 방식은 높은 전송 효율(E = 10% ~ 90%)을 달성할 수 있는 반면, 0.0005 ~ 0.005도 정도의 발산을 갖는 매우 좁은 광선을 요구하며, 이는 포인팅에 있어 극도의 정밀도를 요구하며 결과적으로 더 비싼 비용을 필요로 한다. 반면에, 본 발명의 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템은 훨씬 더 넓은 광선을 사용한다. 일부 실시예에서, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 광선은 단지 0.01% ~ 0.00001%의 광자 효율을 달성할 수 있지만, 0.2 ~ 0.6도 정도로 광선 발산하는 넓은 광선을 통해 포인팅 조건을 완화함으로써 상기 포인팅 시스템의 경쟁력을 높일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 광선의 발산 각들은 0.02 ~ 20도 범위, 0.1 ~ 10도 범위 등의 범위 내에 있을 수 있다. 보다 일반적인 경우에, 일부 실시예에서, 상기 발산-광선 통신 시스템은 0.1도 보다 큰 발산 각과 0.05%보다 작은 광자 효율로 동작할 수 있다.

기존의 FSO LOS 시스템에서, 상기 광 송신기들은 일반적으로 0.01 ~ 10mW 수준 혹은 30 ~ 50mW 수준을 갖는다. 상기 FSO 시스템은 레이저의 비용 및 안전 문제로 인해 제한되어 왔다. 즉, 약 100mW 또는 1W를 초과하는 출력 레벨은 실행 불가능하고 안전하지 않음을 의미해왔다. 따라서 상기 시스템은 레이저 출력을 최소화하기 위해 노력해왔다. 이와 대조적으로, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템(100)은 증가된 레이저 출력 내지 최대 허용 레이저 출력이 제한되지 않은 장치를 사용하고자 한다.

발산-광선 통신 시스템(100)에서, 광 송신기(102)의 출력은 상기 시스템의 성능을 제한하는 사항이 아니고, 단지 에너지 소모 및 비용과 관련된 경제적 측면에서의 과제만으로 여겨질 수 있다. 기존의 무선 RF 시스템은 약 1000명의 고객들을 서비스하는 5kW 내지 50KW의 피크 출력을 제공하는 매크로셀(macrocell) 타워를 사용한다. 이는 고객 당 최대 약 5 내지 50kW에 상응한다. 상기 소비 전력의 이용 비율 또는 듀티 사이클(duty cycle)은 스펙트럼 이용의 제한에 의해 대략 0.1 ~ 1% 정도로 매우 낮다. 현재 무선 RF 시스템의 에너지 비용은 고객 당 매달 US $0.1 ~ 1에 불과하다. 현재의 고속 무선 RF 시스템은 대략 고객 당 매달 US $30 ~ 100의 차지를 부과한다. 따라서, 타워 에너지 비용은 서비스 비용의 단지 0.1 ~ 1% 정도만을 차지한다.

경제적으로, 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템(100)은 전체 서비스 비용의 합리적인 비율을 초과하여(10% 정도) 경제적인 이슈를 야기하는 에너지 비용에 의한 과제에 당면할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 상기 시스템은 전형적인 스펙트럼 이용률에서의 에너지 소비에 기초하여 고객 당 약 100W ~ 1000W의 피크 전력으로 동작할 수 있다. 상위 단의 전력 출력은 짙은 안개 등이 있는 영역에서 특히 유용할 수 있고, 하위 단의 전력 출력은 좀 더 맑은 영역에서 유용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 출력 레벨들은 기존의 FSO 시스템보다 열 배 내지 백만 배 이상일 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 상기 시스템은 지리적으로 낮은 확률로 낮은 확률의 시간 동안 발생하는 짙은 안개 상황에서 신호를 구동하기 위해 필요한 경우에만 상기 상위 단의 전력 출력을 사용한다.

본 발명의 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템(100) 및 방법은 중간에 가로막는 장애물이 없는 다이렉트 LOS가 아닌 경우, 즉, 광 송신기(102)로부터 광 수신기(104)까지의 LOS가 완전히 차단되거나 거의 차단된 경우에도 광 송신기(102)와 광 수신기(104) 사이의 통신을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 광선이 직접적인 입사 광선보다 훨씬 작은 편차를 갖기 때문에, 상기 광 수신기는 서비스의 품질을 높이기 위해 의도적으로 상기 광 송신기를 향하지 않게 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 발산-광선 통신 시스템(100) 및 방법은 서비스의 신뢰도와 품질을 향상시키는 다수의 광 송신기들(102)의 어레이 또는 이미터 어레이(208)를 갖는 하나의 광 송신기와 같은 단일 전송 지점으로부터 방출되는 다수의 광선들을 지원할 수 있다. 상기 시스템은 또한 하나의 광 송신기 또는 이미터부터 다른 하나로의 빠른 광선 시프팅 또는 광선 디더링을 지원함으로써 상기 광선 경로들은 원치 않은 상황에서 한 지점에 오랫동안 머무르지 않게 된다. 상기 끊임없는 광선 및 경로의 시프팅은 또한 높은 서비스 품질을 계속 유지하기 위해 계속적으로 새로운 최적의 경로를 찾을 수 있다. 게다가, 넓은 광선들의 상기 디더링은 상기 광선의 각보다 훨씬 작은 디더 각으로 수행될 수 있고, 상기 광선들이 의도하는 광 수신기에 도달할 가능성이 증가되며, 신틸레이션(scintillation) 및 페이딩(fading) 효과의 평균이 도출될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의적인 조합에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터 구현 장치로서 구현되는 경우, 상기 예시들은 상술한 단계들 및 기능들의 일부 또는 전부를 수행하는 수단을 사용하여 구현될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 예시적인 구현들은, 일시적인 전기 신호들을 이용하여 하나의 위치에서 다른 곳으로 정보를 전달할 수 있는 컴퓨터-가독 전송 매체와 구별되는, 정보를 저장할 수 있는 비-일시적인 장치로서의 컴퓨터-가독 저장 매체를 포함하는 제조 물품(예를 들어, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품들)에 포함될 수 있다. 여기서 설명되는 컴퓨터-가독 매체는 일반적으로 컴퓨터-가독 저장 매체 또는 컴퓨터-가독 전송 매체를 지칭할 수 있다. 상기 컴퓨터-가독 저장 매체는, 예를 들어, 상기 구현 예들의 메커니즘을 용이하게 제공하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령들을 포함하는 컴퓨터 가독 프로그램 코드 수단들을 그 내부에 구현한다. 이와 관련하여, 상기 컴퓨터-가독 저장 매체는 본 명세서에서 설명된 다양한 기능들을 수행하도록 프로세서(하드웨어 프로세서)의 명령에 응답하는 상기 컴퓨터-가독 저장 매체의 내부에 저장된 컴퓨터-가독 프로그램 코드 부분을 포함할 수 있다. 상기 제조 물품은 상기 프로세서를 포함하는 컴퓨터 시스템의 일부로 포함되거나, 별도로 제공될 수 있다. 또는 일부 실시예에서, 상기 제조 물품은 광 송신기(102), 광 수신기(104), 변조기(106), 포인팅 시스템(108), 컨트롤 시스템(110) 및/또는 데이터 소스(112)와 같은 발산-광선 통신 시스템(100)의 하나 이상의 구성 요소들의 전자 장치 내에 포함될 수 있다.

해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 전술한 설명 및 이에 관련된 도면으로부터 개시 내지 교시된 이점으로부터 본 명세서에 개시된 내용을 다양하게 수정 및 변경할 수 있다. 그러므로, 본 명세서는 이에 개시된 특정한 구현 예로 한정되어서는 아니 되며, 다양한 구현 예들 및 수정은 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 비록 전술한 설명 및 과련 도면들은 구성 요소들 및/또는 기능들의 조합과 관련된 소정의 실시예들을 설명하였지만, 특허 청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 구성 요소들 및/또는 기능의 다른 조합들이 다른 구현 예들에 의해서도 제공될 수 있음을 알아야 할 것이다. 이와 관련하여, 예를 들어, 명시적으로 상술된 것과 다른 구성 요소 및/또는 기능의 조합들이 본 명세서의 특허 청구 범위로서도 고려될 수 있다. 특정 용어들이 사용되었지만, 이는 한정적인 관점으로 해석될 것이 아니라 일반적이고 설명을 위한 의미로 사용된다.

100: 발산-광선 통신 시스템 102: 광 송신기
104: 광 수신기 106: 변조기
108: 포인팅 시스템 110: 컨트롤 시스템
112: 데이터 소스 118: 반사기
202: 트랜시버 모듈 208: 이미터 어레이
212, 216: 광학 소자 214: 검출기 어레이

Claims

변조기(modulator); 및
상기 변조기에 연결되고, 상기 변조기에 의해 데이터가 변조된 광선(optical beam)을 방출하는 광 송신기를 포함하고,
상기 광 송신기는, 이에 따라, 상기 광선으로부터 상기 데이터를 검출하고 복원하는 광 수신기의 수신을 위한 인위적인 제한 없이 상기 데이터를 캐리하는 상기 광선을 방출하며,
상기 광 송신기는 0.1도보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 갖는 상기 광선을 방출하고,
상기 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 상기 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 상기 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 상기 광선의 광자들의 개수와 관련된 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광선을 방출하는 상기 광 송신기는 입사 광선의 반사에 의해 반사 광선을 생성하는 반사기(reflector)를 향해 상기 입사 광선을 방출하고, 상기 광 송신기는 상기 광 수신기가 상기 반사 광선을 수신하도록 상기 입사 광선을 방출하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광 송신기는 상기 광선을 방출하는 이미터 어레이(array of emitters)를 포함하고, 상기 이미터 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size)보다 큰 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 광 송신기는 상기 이미터 어레이에서 방출된 상기 광선이 통과하는 광학 소자(optic)를 더 포함하고,
상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 상기 이미터 어레이의 공간 범위(spatial extent)로 인하여 서로 다른 각들로 각각의 평행 광선(collimated beam)을 방출하며, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 평행 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하고, 상기 각각의 평행 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 초점 거리(focal length)에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 광 송신기는 상기 이미터 어레이에서 방출된 상기 광선이 통과하는 광학 소자(optic)를 더 포함하고,
상기 이미터 어레이는 상기 광학 소자의 중심으로부터 떨어져 위치하며, 상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 발산 광선(diverging beams)을 방출하고, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 발산 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하며, 상기 각각 발산 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 상기 중심으로부터 떨어진 상기 이미터 어레이의 위치로 인한 디-포커스(de-focus) 정도에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 광 송신기는 다수의 광 수신기들을 보조하기 위해 다중화(multiplexing)를 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광 송신기는 가변 초점 또는 비점수차(astigmatism)로 상기 광선을 방출하고,
상기 가변 초점은 상기 광 송신기로부터 주어진 거리에서 상기 광선의 직경을 조절할 수 있게 하며, 상기 비점수차는 상기 광선이 서로 다른 수직 및 수평 발산들을 갖도록 야기하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 장치는 상기 광 송신기 및 상기 광 수신기의 방향을 나타내기 위한 하트비트 신호(heartbeat signal)를 더 전송하고,
상기 하트비트 신호는 상기 광 송신기의 위치, 또는 상기 광 수신기의 위치를 리턴(return)하는 신호 또는 상기 광 송신기에게 상기 광 수신기의 위치를 알리는 신호를 캐리하거나 나타내기 위해 변조되는 것을 특징으로 하는 장치.
복조기(demodulator); 및
상기 복조기에 연결되고, 상기 복조기가 복원하기 위한 데이터를 캐리하는 광선을 검출하는 광 수신기를 포함하고,
상기 광 수신기는 상기 데이터가 변조된 상기 광선을 방출하는 광 송신기로부터의 인위적인 제한 없이 상기 방출된 광선을 검출하며,
상기 광 수신기는 0.1도 보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 가지며 방출되는 상기 광선을 검출하고,
상기 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 상기 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 상기 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 상기 광선의 광자들의 개수와 관련된 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 광 수신기의 적어도 일부의 경우는 상기 광 수신기가 상기 광 송신기에 대하여 라인-오브-사이트(line-of-sight)를 갖지 않고 상기 광선을 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 장치가 상기 광 수신기를 포함하는 광 수신기 어레이(array)를 포함하거나, 상기 광 수신기가 상기 광선을 검출하는 검출기 어레이를 포함하며,
상기 검출기 어레이의 검출기들 또는 상기 광 수신기 어레이의 광 수신기들은 광 송신기에 대한 그들의 방향에 기초하여 선택적으로 활성화 및 비활성화되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 광선은 입사 광선 및 상기 입사 광선의 반사에 의해 생성된 반사 광선을 포함하고,
상기 광 수신기는 적어도 하나의 경우에 있어서 우선적으로 상기 반사 광선을 검출하여 상기 입사 광선의 직접 검출을 피하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 광선을 검출하는 검출기 어레이를 포함하고,
상기 검출기 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size)보다 큰 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서, 상기 광선은 다수의 광 수신기들에 제공되기 위해 공간 다중화(spatially multiplexed)되고, 상기 검출기 어레이는 상기 광 송신기의 이미터들(emitters)이 독립적으로 변조되는 패턴에 대응하는 검출기들의 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,
다수의 광 수신기들에 제공되기 위해 스펙트럼 다중화된 상기 광선을 상기 광 수신기가 검출할 수 있게 하는 특정-파장 필터 또는 가변-파장 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 광선 특성에 대한 상기 광 수신기와의 매치(match)를 용이하게 하기 위해 상기 광선과 함께 가변 초점을 검출하고,
상기 가변 초점은 적어도 하나의 경우에 있어서 상기 광 송신기와 상기 광 수신기 사이의 중간 지점에 상기 광 수신기의 초점을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 장치는 상기 광 수신기와 상기 광 송신기의 방향을 나타내기 위한 하트비트 신호(heartbeat signal)를 더 수신하고,
상기 하트비트 신호는 상기 광 송신기의 위치, 또는 상기 광 수신기의 위치를 리턴하는 신호 또는 상기 광 송신기에게 상기 광 수신기의 위치를 알리는 신호를 캐리하거나 나타내기 위해 변조되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 광 수신기는
상기 광선의 일부를 캡쳐(capture)하는 카메라; 및
상기 카메라가 상기 광선의 상기 캡쳐된 부분에 기초하여 적어도 부분적으로 상기 광 수신기와 상기 광 송신기의 방향에 대한 코스(coarse) 또는 파인(fine) 조정을 구동하도록 상기 카메라와 통신하는 전자 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 광 수신기는
상기 광 수신기의 한계 개구(limiting aperture)에 의해 음영진 주변부 주위에 위치하며 상기 광선의 상대적인 출력들을 검출하는 복수의 포토다이오드들을 포함하고,
상기 광 수신기는
상기 포토다이오드들이 상기 광선의 상기 상대적인 출력들에 기초하여 적어도 부분적으로 상기 광 수신기와 상기 광 송신기의 방향에 대한 코스(coarse) 또는 파인(fine) 조정을 구동하도록 상기 포토다이오드들과 통신하는 전자 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
광선(optical beam)의 데이터를 변조(modulate)하는 단계; 및
상기 광선으로부터 상기 데이터를 검출하고 복원하는 광 수신기의 수신을 위한 인위적인 제한 없이, 광 송신기가 상기 데이터를 캐리(carry)하는 상기 광선을 방출하는 단계를 포함하고,
상기 광선은 0.1도보다 큰 발산 각(divergence angle)과 0.05%보다 작은 광자 효율을 가지며 방출되며,
상기 광자 효율은 상기 광 송신기에 의해 방출되는 상기 광선의 광자들(photons)의 개수에 대한 상기 광 수신기에 의해 검출될 수 있는 상기 광선의 광자들의 개수와 관련된 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 광선을 방출하는 단계는
입사 광선의 반사에 의해 반사 광선을 생성하는 반사기(reflector)를 향해 상기 입사 광선을 방출하는 단계를 포함하고,
상기 입사 광선은 상기 광 수신기가 상기 반사 광선을 수신하기 위해 방출되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 광선은 상기 광 송신기의 이미터 어레이(array of emitters)에 의해 방출되고, 상기 이미터 어레이는 상기 광 송신기에서의 상기 광선의 스팟 사이즈(spot size)보다 큰 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 이미터 어레이에 의해 방출되는 상기 광선은 광학 소자(optic)를 통과하고,
상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 상기 이미터 어레이의 공간 범위(spatial extent)로 인하여 서로 다른 각들로 각각의 평행 광선(collimated beam)을 방출하며, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 평행 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하고, 상기 각각의 평행 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 초점 거리(focal length)에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 이미터 어레이에 의해 방출되는 상기 광선은 광학 소자(optic)를 통과하고,
상기 이미터 어레이는 상기 광학 소자의 중심으로부터 떨어져 위치하며, 상기 이미터 어레이의 이미터들은 각각 발산 광선(diverging beams)을 방출하고, 이에 따라, 상기 이미터 어레이는 상기 각각의 발산 광선으로 구성된 상기 광선을 생성하며, 상기 각각 발산 광선의 발산 각은 상기 이미터 어레이의 사이즈 및 상기 광학 소자의 상기 중심으로부터 떨어진 상기 이미터 어레이의 위치로 인한 디-포커스(de-focus) 정도에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서,
다수의 광 수신기들을 위해 다중화(multiplexing)를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 광선은 가변 초점 또는 비점수차(astigmatism)로 방출되고,
상기 가변 초점은 상기 광 송신기로부터 주어진 거리에서 상기 광선의 직경을 조절할 수 있게 하며, 상기 비점수차는 상기 광선이 서로 다른 수직 및 수평 발산들을 갖도록 야기하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 광 송신기와 상기 광 수신기의 방향을 나타내기 위한 하트비트 신호(heartbeat signal)를 전송하는 단계를 더 포함하고,
상기 하트비트 신호는 상기 광 송신기의 위치, 또는 상기 광 수신기의 위치를 리턴(return)하는 신호 또는 상기 광 송신기에게 상기 광 수신기의 위치를 알리는 신호를 캐리하거나 나타내기 위해 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.