WO2016088157A1 - 光通信用受光装置、光通信モジュールおよび可視光通信システム - Google Patents

光通信用受光装置、光通信モジュールおよび可視光通信システム Download PDF

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receiving device
space
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耕一郎 豊
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ランプサーブ株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116Visible light communication

Definitions

  • the present invention relates to a light receiving device for optical communication, an optical communication module, and a visible light communication system, and in particular, light having good detection sensitivity so as to be able to be used by suppressing the influence of disturbance light and reducing received light signal noise even outdoors.
  • the present invention relates to a light receiving device for communication, an optical communication module, and a visible light communication system.
  • LED Light Emitting Diode
  • conventional spatial light communication represented by an infrared remote controller and an infrared LAN
  • an infrared LED or LD Laser Diode
  • an infrared filter and a silicon photodiode are used as a light receiving unit.
  • visible light communication since visible light is used, there is a problem that sunlight or illumination light is mixed into a photodiode as a light receiving unit.
  • the received light power in optical communication is greatly attenuated in inverse proportion to the square of the distance to the light source, so that it has a large dynamic range characteristic to perform optical communication well at a distance of several tens of meters or more.
  • a light receiving device that has good detection sensitivity and that does not saturate the output even with a large amount of light.
  • the applicant of the present invention has developed a method of using the space dividing device described in Patent Document 1 below as a method of selectively receiving only a light source to be communicated while minimizing the influence of these disturbance lights.
  • This space division device is configured to capture only the light beam that is desired to be guided to the light receiver among a plurality of light sources in the space, and this device structure eliminates the influence of sunlight and disturbance light. The desired light source signal can be received.
  • This space dividing device has a structure in which an assembly of mirrors (DMD, Digital Micromirror Device) each capable of changing the reflection angle is provided in front of the light receiver to reflect and extract only a specific light source signal.
  • DMD Digital Micromirror Device
  • At least one object of the present invention is to provide a light receiving device for optical communication, an optical communication module, and a visible light communication system, which can further reduce adverse effects due to noise.
  • the present invention which has been made to solve the above-mentioned problems, includes a space dividing unit capable of transmitting an arbitrary ray from incident light and taking out the light, a light receiving unit that receives the light transmitted through the space dividing unit, and the space.
  • a light receiving device for optical communication comprising at least a light shielding portion that shields a space between a dividing portion and a light receiving portion.
  • the space dividing unit may be a liquid crystal in which a plurality of pixels are arranged on a plane and the transmittance can be controlled in units of pixels.
  • the light receiving section can be a light receiving sensor capable of detecting weak light with an input light quantity of 10 ⁇ 6 W or less.
  • it can comprise so that the said space division part and a light-receiving part may be integrated by the said light-shielding part.
  • the present invention provides an optical communication module comprising at least a condensing lens and a light receiving device for optical communication described above, wherein the light shielding unit further shields a space between the condensing lens and the space dividing unit. Can also be provided.
  • the present invention can also provide a visible light communication system comprising at least the light receiving device for optical communication or the optical communication module described above.
  • At least one of the effects described below can be obtained. (1) It is possible to provide a light receiving device or the like that is not affected by disturbance light, internal scattered light, or the like. Therefore, visible light communication with an improved communication distance is possible without being affected by sunlight or natural phenomena even outdoors. (2) Since the influence of disturbance light, internal scattered light, etc. is small, a highly sensitive light receiving sensor can be used. Therefore, visible light communication with improved light receiving sensitivity is possible.
  • the schematic block diagram which shows an example of the visible light receiver of a prior art.
  • Schematic which shows the structure of the visible light communication system which concerns on this invention.
  • the constellation figure of the QAM signal in this invention.
  • FIG. 1A shows a schematic diagram of a receiving device for visible light communication according to the prior art.
  • the receiving device has a structure in which the light beam collected through the objective condenser lens a reflects only a specific light source signal to the light receiving device d by the spatial division device c using DMD through the polarizing filter b. ing.
  • the light receiver d is provided with a light receiving sensor that receives a light source signal.
  • a photoelectric effect type is more suitable than a thermal effect type, and a photomultiplier tube (photomultiplier), a photoconductive cell, a Si cell based on Si, Ge, a photodiode such as a Ge cell (Si-PD), etc. , Ge-PD), a phototransistor, or the like can be used.
  • [4] Type of photodiode As the photodiode (PD) used for the light receiving sensor, pn-PD, pin-PD, Si-PD (cooling), Si-APD (Avalanche Photo Diode), and the like can be considered.
  • a light receiving sensor that can be used for visible light communication, (I) Excellent sensitivity in the visible light band (wavelength of about 380 to 780 nm), (Ii) no saturation due to incident light including sunlight (large dynamic range); (Iii) excellent response characteristics; Etc. are required. In consideration of outdoor use, it is limited to those that can withstand a wide range of temperature and humidity changes depending on the natural environment.
  • visible light communication based on the present invention uses DC to about 250 MHz in frequency characteristics and is often used with modulation as a communication system, it is excellent in frequency characteristics with a junction capacitance as small as possible as a photodiode characteristic. Things are needed. Therefore, pn-PD, pin-PD, and APD due to the photovoltaic effect can be considered as satisfying these conditions.
  • the output voltage due to a change in light intensity
  • the sensitivity of this PD is increased, noise in the vicinity of darkness increases, and there are many problems in using it for visible light communication outdoors due to various problems such as the need to cool the element due to the influence of temperature and the like.
  • APD is adopted for the light receiver.
  • APD with high sensitivity and internal multiplication function in the device is much more sensitive than pin-PD and can detect faint light, but it requires high voltage back electromotive force (several tens to 100V)
  • the multiplication factor greatly changes depending on the temperature characteristics.
  • MPCC Multi-Pixel Photon Counter
  • Si-PM Silicon Photomultiplier
  • the upper limit incident light amount of the dynamic range in which the possible linearity of this element can be obtained is about 10 ⁇ 15 to 10 ⁇ 7 W even for an element corresponding to a relatively high incident light amount.
  • the incident light amount-output current characteristic of this element is as shown in FIG. 1C.
  • the upper limit of the incident light amount in the MPPC element described above is saturated at about 10 ⁇ 7 W. For this reason, when visible light communication is performed outdoors, a light source signal cannot be detected due to the influence of slight noise light such as the influence of sunlight, disturbance light, other scattered light, or internal light.
  • FIG. 1D shows an incident light region covered by a commercially available photodiode used for a photo counter or the like.
  • Si-PD covers about 10 -6 to 10 -14 W
  • Si-APD covers about 10 -6 to 10 -16 W
  • MPPC covers about 10 -8 to 10 -18 W. is doing. That is, when Si-PD or Si-APD is used as a light receiving sensor, it should be limited to 10 ⁇ 6 W or less, and when MPPC is used as a light receiving sensor, it should be used at 10 ⁇ 8 W or less. is there.
  • the upper limit incident light amount for practical use of these light receivers is 10 ⁇ 6 W or less, and this upper limit incident light amount corresponds to the brightness at full moon under room lighting, and must be kept below this level. It will not be available.
  • the ratio of noise light to incident signal is greatly improved, and an ultra-weak light detection sensor element such as Si-PD, Si-APD or MPPC, which is a photon counter element usually used in the ultra-weak light region, is provided.
  • an ultra-weak light detection sensor element such as Si-PD, Si-APD or MPPC, which is a photon counter element usually used in the ultra-weak light region.
  • FIG. 2 shows an example of a visible light communication system according to the present invention.
  • the visible light communication system according to the present invention includes a light receiving device A for optical communication, a condenser lens 50, and a dichroic mirror (or prism) 60.
  • the optical signal from the light source X collected by the condenser lens 50 reaches the light receiving device A for optical communication through the dichroic mirror (or prism) 60 and the like along with disturbance light such as sunlight.
  • the dichroic mirror 60 is also used as a transmission / reception device, the dichroic mirror 60 is used to send out transmission light source light.
  • the dichroic mirror 60 is used to narrow down the entire light amount and monitor incident light. Details of the light receiving device for optical communication will be described below.
  • the light receiving device A for optical communication includes a space dividing unit 10 capable of transmitting an arbitrary light beam from incident light, a light receiving unit 20 that receives the light beam transmitted through the space dividing unit 10, and the space dividing unit 10 A light shielding unit 30 that shields light from a space between the light receiving unit 20 and at least a light shielding unit 30;
  • the space dividing unit 10 is an apparatus for extracting an arbitrary ray from a plurality of incident rays.
  • the arbitrary light beam includes both a single light beam and a plurality of light beams.
  • the space dividing unit 10 is composed of liquid crystal arranged in a plane with respect to the optical axis.
  • the liquid crystal is formed by arranging a plurality of pixels (pixels) on a plane, and the transmittance can be controlled in units of the pixels. More specifically, it has a function of transmitting or limiting light transmission for each pixel by a control signal from the X axis / Y axis of the liquid crystal. Therefore, only an arbitrary light beam (light signal) from the light source X is allowed to pass, and other light beams are not allowed to pass as noise, and serves as a space division filter or a shutter configured for each pixel.
  • the space dividing unit 10 As the space dividing unit 10, as long as the space dividing filter has a shutter characteristic for each pixel, not only a low temperature and high temperature polysilicon liquid crystal but also a transmissive ceramic PZT (Piezoelectric Zirconate Titanate) element can be used. .
  • a transmissive ceramic PZT piezoelectric Zirconate Titanate
  • the space dividing unit 10 does not always transmit light of only one pixel, but may also pass a plurality of pixels or pixels in the vicinity of one pixel. That is, it can be configured to be able to simultaneously receive signals from a plurality of light sources due to the difference in wavelength of the light sources. When signals having a plurality of wavelengths are received, the wavelengths are separated by a spectroscopic prism or the like before the light receiving unit and received by the plurality of light receiving units. Further, when the incident light source light extends over a plurality of pixels, it is configured to pass pixels in the vicinity of one pixel.
  • the light receiving unit 20 is a member for receiving a light source signal.
  • the light receiving unit 20 includes a light receiving sensor, and includes pn-PD, pin-PD, PMT (photomultiplier), Si-PD (cooling), Si-APD, MPCC, etc., particularly Si-PD, Si-APD or It would be beneficial if an ultra-weak light detection sensor element such as MPPC could be used.
  • the light shielding unit 30 is a member that shields at least the space between the space dividing unit 10 and the light receiving unit 20.
  • the light shielding unit 30 has a structure in which a dark portion is formed by sealing around the space between the space dividing unit 10 and the light receiving unit 20. Accordingly, the inside of the light shielding portion 30 is a dark space 40 and is in a state in which diffuse reflection and diffraction of light inside as well as intrusion sealing of external light noise is suppressed as much as possible.
  • the inner surface of the light shielding unit 30 is preferably black or provided with a light irregular reflection preventing agent in order to prevent irregular reflection of light.
  • ⁇ 6> Function / action.
  • the optical axis is controlled by a mirror, and the reflected light is separated by the angle to receive a signal from a predetermined light source.
  • the influence of irregularly reflected light, diffracted light, or the like occurs before the received optical signal reaches the light receiving unit.
  • noise light is received before reaching the light receiving unit 20 after taking in the light beam (signal light). There is nothing to be generated, and it becomes possible to take in signal light with an extremely improved S / N ratio.
  • FIG. 3A shows a light receiving unit (MPPC) that can obtain the distribution of ambient light such as sunlight, noise light caused by internal light, and incident light quantity of signal light when using a conventional space division device c (DMD).
  • MPPC light receiving unit
  • FIG. 1 In a receiver using a conventional space division device c (DMD), noise light such as internal disturbance light is in the 10 ⁇ 8 to 10 ⁇ 6 W region, and there is a region where the influence of the noise light substantially overlaps with the signal light. Therefore, it is necessary to improve the S / N ratio between the signal light and the noise by another means (for example, increasing the intensity of the signal light).
  • FIG. 3B shows the measurement results of the intensity distribution of the noise light and the signal light when the optical communication receiver A according to the present invention is used under the same environmental conditions of the signal light and the noise light in FIG. 3A. It is a figure shown on the input-output characteristic.
  • the optical communication receiver A according to the present invention even if the entire incident light is narrowed down, the difference between the influence of sunlight and the absolute value of the light source signal is increased, and the light source signal and the disturbance light / An incident signal ratio (SN ratio) with noise light such as internal disturbance light is greatly increased. This makes it possible to set the amount of light source signal incident light to 10 ⁇ 8 W or less, which is less than or equal to the MPPC use upper limit sensitivity.
  • the present invention can provide an apparatus / system that is not easily affected by sunlight or disturbance light such as outdoors in visible light communication.
  • visible light communication when using LED illumination as a visible light communication system, the transmission side superimposes subcarriers using the LED illumination optical signal as a carrier, and the transmission signal is subjected to intensity modulation, frequency modulation, phase modulation, etc. Transmit using the modulation method.
  • Communication systems that use LED lighting are not as coherent (phase) condensing as communication systems that use laser light. Compared with laser light, the light intensity is weaker and blurred. Therefore, in the light receiving device, the condensing efficiency can be increased by using a lens, and the communication distance can be improved by using a more sensitive light receiving unit.
  • visible light communication by QAM (Quadra Amplitude Modulator) quadrature amplitude modulation is performed using LED illumination as a transmission device, and a central signal light source at 10 ⁇ 12 W can be captured by an ultrasensitive light receiving unit. It was.
  • QAM Quadrat Amplitude Modulator
  • FIG. 4 is a waveform of a received signal that is transmitted and received using the optical communication receiver A according to the present invention for visible light communication.
  • light source signal light is received by being superimposed on noise light caused by diffused reflection of sunlight or disturbance light caused by ambient light. This state is considered to be because the number of photons incident on the light receiving cell of the light receiving unit such as Si-APD is superimposed and measured because the amount of light incident as a photon counter is detected at the photon level.
  • the number of photons incident on the light receiving cell of the light receiving unit such as Si-APD is superimposed and measured because the amount of light incident as a photon counter is detected at the photon level.
  • FIG. 5 is a synchroscope diagram of a spatial diagram (constellation diagram) of the obtained QAM signal when visible light communication is performed by 64QAM using the present invention. This figure shows a state in which the light source signal is reliably received using the visible light communication device according to the present invention.
  • the difference between noise light such as disturbance light due to sunlight or ambient light and internal light of the system optical system and the light source signal light can be greatly increased. Therefore, it is possible to use a photon counter measuring element such as Si-APD or MPPC, which is an ultra-weak light detecting element having an incident light quantity characteristic of 10 ⁇ 6 W or less, which is considered to be difficult to apply, for the light receiving unit 20.
  • a photon counter measuring element such as Si-APD or MPPC, which is an ultra-weak light detecting element having an incident light quantity characteristic of 10 ⁇ 6 W or less, which is considered to be difficult to apply, for the light receiving unit 20.
  • These weak light detection elements can be used as more sensitive elements by arranging them in an array or by arranging a plurality of them, and in the visible light communication device, the communication distance is greatly increased. It becomes possible.
  • the high-sensitivity detection sensor for ultra-weak light can be used as the light receiving unit 20.
  • high-sensitivity MPPC but also photomultiplier tubes (photomultipliers), photoconductive cells, Si cells based on Si and Ge, photodiodes such as Ge cells (Si-PD, Ge-PD, Si-APD), Even if it is not a high-sensitivity detection sensor for ultra-weak light such as a phototransistor, an even better visible light communication distance can be secured and a light receiving device with a simple configuration can be provided.
  • the optical communication module can be configured to include at least the light receiving device A for optical communication and the condenser lens 50 described above.
  • the light shielding unit 30 can further shield the space between the condenser lens 50 and the space dividing unit 10.
  • each module example will be described.
  • FIG. 6A shows an example in which the condenser lens 50, the polarizing filter 70 according to the present invention, and the dichroic prism (half mirror) 80 are integrated into a module.
  • the received light source signal light is guided to the space dividing unit 10 by the condenser lens 50, only the signal light is extracted by the space dividing unit 10 of the present invention, and the light source signal is extracted by the light receiving unit 20. Since this integrated module passes through the dark part until the incident light taken in by the condenser lens 50 reaches the light receiving part 20, the S / N ratio can be more reliably ensured.
  • FIG. 6B shows another example of the module.
  • the polarizing filter 70 and the dichroic prism 80 described above do not necessarily have to be taken into the module.
  • the polarizing filter 70 it is possible to adopt a form in which the polarizing filter 70 is disposed in front of the condenser lens 50 outside the module (on the light source side) or a form that is omitted.
  • the dichroic prism (half mirror) 80 is necessary for simultaneous transmission / reception and separation of incident signal light of a plurality of channels.
  • the dichroic prism (half mirror) 80 is required not to be used as a transmission device or to separate signals of a plurality of channels. If not, it can be omitted or placed outside the module.

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Abstract

[課題]ノイズによる悪影響を低減することが可能な、光通信用受光装置等を提供する。 [解決手段]本発明に係る光通信用受光装置は、入射光から任意の光線を透過させて取り出し可能な、空間分割部と、前記空間分割部を透過した光線を受光する、受光部と、前記空間分割部と受光部との間の空間を遮光する、遮光部と、を少なくとも具備してなる。

Description

光通信用受光装置、光通信モジュールおよび可視光通信システム
 本発明は、光通信用受光装置、光通信モジュールおよび可視光通信システムに関し、特に、外乱光の影響を抑え、屋外でも受光信号ノイズを減少させて使用可能となるように検出感度が良好な光通信用受光装置、光通信モジュールおよび可視光通信システムに関する。
 LED(Light Emitting Diode) 照明などの普及により、LEDなどの光源を用いて光通信を行う光通信が実用化されている。
 赤外線リモコン、赤外線LANに代表される従来の空間光通信では、光源として赤外線LEDやLD(Laser Diode)を用い、受光部として赤外線フィルターとシリコンフォトダイオードを用いている。
 特に可視光通信においては、可視光を用いるため、太陽光や照明光が受光部であるフォトダイオードに混入するという問題をもつ。
 また、光通信での受光パワーは、光源との距離の二乗に逆比例して大幅に減衰するため、数10メートル以上の距離において光通信を良好に行うには、大きなダイナミックレンジ特性を有し、検出感度が良好で、かつ大きな光量でも出力が飽和しない受光装置が求められる。
 受光装置に混入する外乱光、太陽光、照明光などの影響を除去するための方法が種々提案されており、例えば以下の様な方法が知られている。
(1)特定の光源周波数に対応したフィルターを使用する方法。
(2)受信装置、受光センサー、受光レンズなどを光源方向へ向ける方法。
(3)受光角度を絞り込む方法。
(4)光伝導ファイバーやプリズムなどの光学系の操作により検出感度を上げる方法。
 一方、本発明の出願人は、これらの外乱光の影響を極力少なくし、通信対象となる光源のみを選択受光する方法として、以下の特許文献1に記載の空間分割装置を用いる方法を開発した。
 この空間分割装置は、空間中の複数の光源のうち、受光器に導きたい光線のみを受光器側に取り込むように構成されたもので、この装置構成により太陽光や外乱光の影響を除去し、所望の光源信号を受信可能とする。
 この空間分割装置としては、受光器の手前にそれぞれ反射角度を変更可能な鏡の集合体(DMD, Digital Micromirror Device)を設けて、特定の光源信号のみを反射させて取り出す構造を呈している。
特許第5265788号公報
 前記特許文献1に記載の空間分割装置を用いる事により、外乱光の影響を少なくして任意の光線を取り出す事が可能となったが、この方式においても、例えば以下の様な点のうち、少なくとも何れか1つの点で、改善の余地が残されている。
(1)所望の光線のほかに取り込まれた光線の乱反射や回折光などの影響が生じうる。
(2)光通信装置内部に組み込まれた送信側の内部光源らの漏れ光などの影響が生じうる。
(3)光通信装置を屋外で使用する場合、自然現象(太陽光、雨、雪、風など)や光通信装置の近くにある照明光設備による光、温度、湿度などによる影響がノイズとして生じやすい。特に、太陽光の散乱光、反射光、回折などはノイズとして大きな影響を生じるため、これらの影響を極力少なくする必要がある。
 よって、本発明は、さらに、ノイズによる悪影響を低減することが可能な、光通信用受光装置、光通信モジュールおよび可視光通信システムの提供を少なくとも一つの目的とする。
 上記の課題を解決すべくなされた本願発明は、入射光から任意の光線を透過させて取り出し可能な、空間分割部と、前記空間分割部を透過した光線を受光する、受光部と、前記空間分割部と受光部との間の空間を遮光する、遮光部と、を少なくとも具備してなる、光通信用受光装置を提供する。
 また、前記発明において、前記空間分割部を、平面上に複数の画素を配列してなり、前記画素単位で透過率を制御可能な液晶とすることができる。
 また、前記発明において、前記受光部を、入力光量が10-6 W以下の微弱光を検出可能な受光センサーとすることができる。
 また、前記発明において、前記遮光部によって、前記空間分割部と受光部とを一体化するように構成することができる。
 また、本願発明は、集光レンズと、前記する光通信用受光装置と、を少なくとも備え、前記遮光部で、さらに前記集光レンズと空間分割部との間の空間を遮光する、光通信モジュールを提供することもできる。
 また、本願発明は、前記する光通信用受光装置または光通信モジュールを少なくとも具備してなる、可視光通信システムを提供することもできる。
 本発明によれば、以下に記載する効果のうち、少なくとも何れか1つの効果を得ることができる。
(1)外乱光、内部散乱光等に影響されない、受光装置等を提供することができる。よって、屋外でも太陽光や自然現象に影響されず、通信距離の向上した可視光通信が可能となる。
(2)外乱光、内部散乱光等の影響が小さいため、高感度の受光センサーを用いることができる。よって、受光感度の向上した可視光通信が可能となる。
従前技術の可視光受信装置の一例を示す概略構成図。 フォトダイオードの電流と出力との関係を示す図。 MPPCの出力電力と入射光量との関係を示す図。 各受光素子の利用範囲を示す図。 本発明に係る可視光通信システムの構成を示す概略図。 従前技術に係る入射光とノイズとの関係図。 本発明に係る入射光とノイズとの関係図。 本発明での受信信号波形を示す図。 本発明でのQAM信号の星座図。 本発明に係る光通信モジュールの第1構成例を示す図。 本発明に係る光通信モジュールの第2構成例を示す図。
[1]従前技術。
 始めに、本発明の着想に至った従前技術について図1A~図1Dを参照しながら説明する。
 この「従前技術」とは、本発明の着想前に出願人が考案・検討した発明を示すものであり、従来技術(公知技術)とは異なる。
[2]全体構成。
 図1Aには、従前技術による可視光通信用の受信装置の概略図が示されている。
 受信装置は、対物集光レンズaを介して集光した光線は、偏光フィルターbを介してDMDによる空間分割装置cによって、特定の光源信号のみを反射させて受光器dへと送る構造を呈している。
[3]受光器。
 受光器dには、光源信号を受ける受光センサーが配置されている。
 この受光センサーとしては、熱効果型より光電効果型が適しており、光電子増倍管(フォトマル)、光伝導セル、Si、Geを母体としたSiセル、Geセルなどフォトダイオード(Si-PD、Ge-PD)やフォトトランジスタなどを利用することができる。
[4]フォトダイオードの種類。
 前記受光センサーに用いるフォトダイオード(PD)としては、pn-PD、pin-PDや、Si-PD(冷却)、Si-APD(Avalanche Photo Diode)などが考えられる。
 一方、可視光通信に使用可能な受光センサーとしては、
(i)可視光帯域(波長約380~780nm)での感度が優れていること、
(ii)太陽光を含めた入射光による飽和が起きないこと(ダイナミックレンジが大きいこと)、
(iii)応答特性に優れていること、
 などが求められる。
 また、屋外で使用することを考慮すると、自然環境に応じたかなり広範囲での温度・湿度変化、に耐えられるものに限られる。
 さらに、本発明に基づく可視光通信は周波数特性でDCから250MHz程度を使用し、通信方式としては変調をかけて用いることが多いため、フォトダイオード特性として接合容量をできるだけ小さくした周波数特性に優れたものが必要となる。
 よって、これらの条件を満たすものとして、光起電力効果によるpn-PD、pin-PD、APDが考えられる。
[4.1]受光器にpin-PDを採用する場合。
 図1B(a)(b)は、pin-PDの出力電圧と電流との関係を示した図である。
 図1Bにおいて、PDに光が当たるとPDの抵抗は光量により減少し、暗時ではV=E、最大明時でV=E-RIとなり、光量の変化による出力電圧を検知する。
 このPDの感度を上げると暗時近傍でのノイズが大きくなり、温度の影響などで素子を冷却する必要が生じるなど種々の課題のため屋外での可視光通信に使用するには問題が多い。
[4.2]受光器にAPDを採用する場合。
 高感度で内部増倍機能を素子内にそなえたAPDは、pin-PDに比べはるかに感度が高く、微弱光を検出できる反面、高圧の逆起電力(数十V~100V)を必要としたり、温度特性により増倍率が大きく変化したりするなどの問題がある。
[4.3]受光器にMPCCを採用する場合。
 APDをマルチピクセル化したものとしてMPPC (Multi-Pixel Photon Counter) またはSi-PM(Silicon Photomultiplier)と呼ばれる光半導体素子がある。
 この素子は、PMT (Photo Multiplier Tube) に代わるものとしてフォトン(光子)カウンターとして利用されている。そのため、光に対する感度は極めて高く入射フォトン数で102個以下(6等星1個の光量程度)まで計測可能であるといわれている。
 しかしながら、この素子はフォトンカウンターを目的とする素子であるため、超微弱光(光子数)の計測には適していても、可視光通信用の受光器としては大光量の入射により素子が発熱し、倍増率が低下し、飽和してしまう特性のため、一般的には好適な素子とは考えられていない。
 この素子の考えられる直線性が得られるダイナミックレンジの上限入射光量は、比較的高い入射光量に対応している素子でも10-15から10-7W程度である。この素子の入射光量-出力電流特性は図1Cに示す通りである。
 つまり、上記したMPPC素子における入射光量の上限は10-7W程度で飽和してしまう。そのため、屋外で可視光通信を行う場合、太陽光の影響、外乱光その他の散乱光・内乱光など、僅かなノイズ光の影響により光源信号が検知できなくなってしまう。
 勿論、光源信号強度をレーザー光やレンズなどの光学系などで上げる方法も考えられるが、可視光通信においては、青色に近いλ=470nm程度の可視光を利用することが多く、MPPC素子の感度はλ=400~500nmでピークを有しているため、可視光通信の受光器としては飽和領域以外の使用では好適と考えられる。
 また、通信距離をできるだけ長く確保しようとすると微弱光を正確に捉えることが必要となる。
[4.4]入射光領域の特性からの観点。
 図1Dは、フォトカウンターなどに利用されている市販のフォトダイオードがカバーしている入射光領域を示す。
 Si-PDは、10-6~10-14W程度をカバーし、Si-APDは、10-6~10-16W程度をカバーし、MPPCは、10-8~10-18W程度をカバーしている。
 すなわち、受光センサーとしてSi-PD、Si-APDを使用する場合は、10-6W以下に制限して使用し、MPPCを受光センサーとして使用する場合は、10-8W以下で利用する必要がある。
 つまり、これらの受光器の実用化に供する上限入射光量は10-6W以下であり、この上限入射光量は、室内照明以下で満月時の明るさ程度に相当し、このレベル以下に抑えなければ利用できないこととなる。
 これらの素子を可視光通信に利用するには、入射光量を大幅に絞る方法が考えられる。
 しかし、可視光受信装置へ入射する全体光量を絞って飽和領域に達しない部分を利用しようとすると、光源信号と太陽光の外乱光・内乱光などのノイズ光との入射信号比(いわゆるS/N比)が減少してしまい、光源信号が取り出せなくなってしまうことが考えられる。
 そこで本発明では、ノイズ光と入射信号比を大幅に改善し、通常超微弱光領域で使用されるフォトンカウンター用素子であるSi-PD、Si-APDまたはMPPC等の超微弱光検出センサー素子を高感度の受光器として利用可能とするシステム構成を提案する。
 以下、本発明の実施例について、図2以降を参照しながら説明する。
<1>全体構成
 図2は本発明による可視光通信システムの一例を示す。
 本発明に係る可視光通信システムは、光通信用受光装置Aと、集光レンズ50と、ダイクロイックミラー(またはプリズム)60、とを含んで構成する。
 前記集光レンズ50により集光された光源Xからの光信号は、太陽光などの外乱光と共にダイクロイックミラー(またはプリズム)60などを介して光通信用受光装置Aへ到達する。
 ダイクロイックミラー60は、送受信装置を兼用する場合、送信光源光を送り出すのに利用されるが、受光装置としては、光量全体を絞り込むと共に、入射光をモニターするのに利用される。
 以下、光通信用受光装置の詳細について説明する。
<2>光通信用受光装置。
 光通信用受光装置Aは、入射光から任意の光線を透過させて取り出し可能な空間分割部10と、前記空間分割部10を透過した光線を受光する受光部20と、前記空間分割部10と受光部20との間の空間を遮光する遮光部30と、を少なくとも具備してなる、
<3>空間分割部
 空間分割部10は、入射した複数の光線のうち、任意の光線を取り出すための装置である。前記任意の光線とは、単数及び複数本の光線の何れをも含む意である。
 空間分割部10は、光軸に対し平面配置する液晶で構成する。
 前記液晶は、平面上に複数の画素(ピクセル)を配列してなり、前記画素単位で透過率を制御可能に構成する。より詳細には、前記液晶のX軸・Y軸からの制御信号により画素毎に光透過を透過または制限する機能を有している。
 よって、光源Xからの任意の光線(光信号)のみを通過させ、その他の光線はノイズとして通過させない構成となっており、空間分割フィルターまたは画素毎に構成されたシャッターの役割を果たしている。
 空間分割部10としては、上記空間分割フィルターとして画素毎のシャッター特性を有していれば低温、高温ポリシリコン液晶に限らず、透過型セラミックスPZT(Piezoelectric Zirconate Titanate)素子などを利用することもできる。
 なお、空間分割部10としてはひとつの画素のみの光を透過させるとは限らず、複数の画素またはひとつの画素の近傍の画素も通過させる場合も生じる。
 つまり、光源の波長の違いにより複数の光源からの信号を同時に受光することを可能に構成することができる。複数の波長による信号を受光する場合は、受光部の前に分光プリズムなどにより波長を分離し複数の受光部により受光することとなる。また、入射した光源光が複数の画素にまたがる場合は、ひとつの画素の近傍の画素も通過させるよう構成される。
<4>受光部。
 受光部20は、光源信号を受けるための部材である。
 受光部20は、受光センサーからなり、pn-PD、pin-PDや、PMT(フォトマル)、Si-PD(冷却)、Si-APD、MPCCなどがあり、特にSi-PD、Si-APDまたはMPPC等の超微弱光検出センサー素子を使用することができると有益である。
<5>遮光部。
 遮光部30は、少なくとも前記空間分割部10と受光部20との間の空間を遮光するための部材である。
 本実施例では、遮光部30は、空間分割部10と受光部20との間の空間の回りを密閉して、暗部を形成した構造となっている。
 したがって、遮光部30の内部は暗渠空間40として外部光ノイズの侵入封止は勿論、内部における光の乱反射、回折が極力抑えられた状態を呈している。
 遮光部30の内部表面は、光の乱反射を防止するために黒色または光乱反射防止剤を施したものが望ましい。
<6>機能・作用。
 従前技術で説明した空間分割装置cにDMDを用いた場合、鏡による光軸制御を行い、反射光を角度により分離して所定の光源光からの信号を受光しているため、レンズにより集光した光信号が受光部に至るまでに光の乱反射光や回折光などの影響が生じる。
 しかし、本発明では、空間分割部10と受光部20との間の空間を、遮光部30で暗部とするため、光線(信号光)を取り込んだ後、受光部20に至るまでにノイズ光を生じるものが存在せず、S/N比が極めて向上した信号光の取り込みが可能となる。
<7>特性の比較。
 図3A、3Bを参照しながら、太陽光等の外乱光、内乱光によるノイズ光と、信号光との入射光量との分布について説明する。
 図3Aは、従前の空間分割装置c(DMD)を用いた場合の太陽光等の外乱光、内乱光によるノイズ光と信号光との入射光量との分布を市場で入手しうる受光部(MPPC)の入-出力特性を示した図である。
 従前の空間分割装置c(DMD)を用いた受信装置では、内乱光などのノイズ光が10-8~10-6W領域に及び、ノイズ光による影響が信号光とほぼオーバーラップする領域存在することとなり、信号光とノイズとのS/N比を別の手段(例えば、信号光の強度を上げるなど)で向上させる必要があった。
 図3Bは、図3Aにおける信号光とノイズ光との同一環境条件下において、本発明による光通信用受信装置Aを利用した場合のノイズ光と信号光の強度分布の測定結果を、受光部の入-出力特性上に示した図である。
 図3Bが示す通り、本発明による光通信用受信装置Aによれば、全体の入射光を絞り込んでも太陽光などによる影響と光源信号との絶対値の差が拡大し、光源信号と外乱光・内乱光などのノイズ光との入射信号比(SN比)が大幅に拡大する。
 これにより、光源信号入射光量をMPPCの使用上限感度以下である10-8W以下に設定することが可能となる。
<8>光通信用受光装置の応用例。
 次に、本発明の可視光通信への応用例について説明する。
 本発明は、可視光通信において屋外などの太陽光や外乱光による影響を受けにくい装置・システムを提供することができる。
 可視光通信の一例において、LED照明を可視光通信システムとして利用する場合、送信側は、LED照明の光信号をキャリアとしてサブキャリアを重畳し、送信信号を強度変調、周波数変調、位相変調などの変調方式を用いて送信する。LED照明を利用した通信システムでは、レーザー光を利用した通信システムほどコヒーレント(位相)集光していないため、途中で光を遮断してもすぐに通信が途絶えることがないものの、光源信号光がレーザー光に比べ光強度が弱くかつぼやけたものとなる。そのため、受光装置においてはレンズを用いて集光効率をアップし、より高感度な受光部を使用することで通信距離を向上させることができる。
 本発明の実施例では、LED照明を送信装置としてQAM(Quadra Amplitude Modulator) 直角位相振幅変調による可視光通信を行い超高感度受光部により、10-12Wでの中心信号光源を捉えることができた。
 図4は、本発明に係る光通信用受信装置Aを可視光通信に利用し、送受信を行った受信信号波形である。送信信号はLEDによる発光素子で、青色に近いλ(波長)=470nm、を使い、QAM変調により送信した際の受信信号波形のオシログラフ図である。
 図4に示す通り太陽光の乱反射や周辺光による外乱光などによるノイズ光に重畳されて、光源信号光が受光されている。
 この状態はフォトンカウンターとして入射した光量を光子レベルで検知しているため、Si-APDなどの受光部の受光セルに入射したフォトン数が重畳されて計測されるためと考えられる。
 可視光通信システムにおいては、フォトン数を計測する必要はなく、光源強度変調またはQAM変調による変調されたサブキャリア信号が適確に受信できれば十分である。この受信した光信号をスレッシュホールドレベルでカットし、光源信号光だけを取り出すことは既存の技術で可能である。
 図5は、本発明を用いて64QAMによる可視光通信を行った場合、得られたQAM信号の空間ダイアグラム(星座図)のシンクロスコープ図である。
 本図によれば、本発明による可視光通信装置を使用して、光源信号が確実に受信されている状態が示されている。
 以上の通り、本発明による光通信用受光部を用いた光通信システムでは、太陽光や周囲光による外乱光やシステム光学系の内部光などのノイズ光と光源信号光との差が大きく取れるため、従来適用が困難と思われた10-6W以下の入射光量特性を有する超微弱光検知素子であるSi-APD、MPPCなどフォトンカウンター用計測素子を受光部20に用いることが可能となる。
 これらの微弱光検知素子は、これらをアレー状に配置したり、複数配置したりすることでより高感度の素子として利用することが可能となり、可視光通信装置においては、通信距離を大幅に伸ばすことが可能となる。
 また、本発明においては、信号光とノイズ光とのS/N比が大幅に向上するため、超微弱光用高感度検出センサーを受光部20として使用できることを提案したが、受光部20は、高感度のMPPCに限らず、光電子増倍管(フォトマル)、光伝導セル、Si、Geを母体としたSiセル、Geセルなどフォトダイオード(Si-PD、Ge-PD、 Si-APD)やフォトトランジスタなどの超微弱光用高感度検出センサーでなくとも、なお一層良好な可視光通信距離を確保し、かつ簡易構成の受光装置を提供することができる。
 次に、光通信用受光装置を含む光通信モジュールの実施例について説明する。
 本発明に係る光通信モジュールは、前記した光通信用受光装置Aと、集光レンズ50と、を少なくとも備えて構成することができる。
 このとき、遮光部30で、さらに前記集光レンズ50と空間分割部10との間の空間を遮光することができる。
 以下、各モジュール例について説明する。
<1>モジュール例(その1)。
 図6Aは、集光レンズ50、本発明による偏光フィルター70、ダイクロイックプリズム(ハーフミラー)80が一体となってモジュール化された例を示す。
 図6Aにおいて、受信された光源信号光は集光レンズ50により空間分割部10へ導かれ、本発明の空間分割部10により信号光のみを取り出し受光部20により光源信号を取り出す。この一体化されたモジュールは集光レンズ50で取り込んだ入射光が受光部20に至るまでを暗部を通過するため、より確実にS/N比を確保することが可能となる。
<2>モジュール例(その2)。
 図6Bに、その他のモジュール例を示す。
 モジュール構成において、前記した偏光フィルター70およびダイクロイックプリズム80などは、必ずしもモジュール内に取り込む必要はない。
 偏光フィルター70は、モジュール外の集光レンズ50の前(光源側)に配置する形態や、省略する形態を採用することも可能である。
 また、ダイクロイックプリズム(ハーフミラー)80は、送受信を同時に行ったり、複数チャンネルの入射信号光を分離するために必要なものであるが、送信装置として使用しない場合や、複数チャンネルの信号分離を必要としない場合は省略したり、モジュール外に配置することも可能である。
a  対物集光レンズ
b  偏光フィルター
c  空間分割装置
d  受光器
A  光通信用受光装置
10 空間分割部
20 受光部
30 遮光部
40 暗渠空間
50 集光レンズ
60 ダイクロイックミラー
70 偏光フィルター
80 ダイクロイックプリズム
X  光源

Claims (6)

  1. 入射光から任意の光線を透過させて取り出し可能な、空間分割部と、
    前記空間分割部を透過した光線を受光する、受光部と、
    前記空間分割部と受光部との間の空間を遮光する、遮光部と、
    を少なくとも具備してなる、光通信用受光装置。
  2. 前記空間分割部が、平面上に複数の画素を配列してなり、前記画素単位で透過率を制御可能な液晶であることを特徴とする、請求項1に記載の光通信用受光装置。
  3. 前記受光部が、入力光量が10-6 W以下の微弱光を検出可能な受光センサーであることを特徴とする、請求項1または2に記載の光通信用受光装置。
  4. 前記遮光部によって、前記空間分割部と受光部とを一体化してあることを特徴とする、請求項1乃至3のうち何れか1項に記載の光通信用受光装置。
  5. 集光レンズと、
    請求項1乃至4のうち何れか1項に記載の光通信用受光装置と、を少なくとも備え、
    前記遮光部で、さらに前記集光レンズと空間分割部との間の空間を遮光することを特徴とする、光通信モジュール。
  6. 請求項1乃至4のうち何れか1項に記載の光通信用受光装置、または請求項5に記載の光通信モジュールを少なくとも具備してなる、可視光通信システム。
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