(57)【要約】      （修正有）【課題】変調器と、変調器に結合され、かつ、変調器がデータで変調するように構成されている光ビームを放出するように構成された光送信機とを備える装置を提供する。【解決手段】発散ビーム通信システム１００において、光送信機は、光ビームからのデータを検出および回復するように構成された光受信機による受信のために、人工の閉じ込めを伴わないデータを伝搬する光ビームを放出する。光送信機は、０．１度超の広がり角および０．０５％未満の光子効率で光ビームを放出する。光子効率は、光受信機によって検出可能な光ビームの光子数を光送信機によって放出される光ビームの光子数に相関する。【選択図】図１
2020014227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
復調器と、
前記復調器に結合され、かつ前記復調器が回復するように構成されているデータを伝搬する光ビームを検出するように構成された光受信機であって、前記光受信機は、前記データで変調された光ビームを放出するように構成された光送信機からの人工の閉じ込めを伴わずに放出された光ビームを検出するように構成されている、光受信機と、
を備える装置であって、
前記光受信機は、サイズにおいて２００ミクロン超の検出器と、前記光ビームが前記検出器に入射するように０．１度超の角度の範囲にわたって光ビームを屈折させるように位置付けられたレンズとを含み、それにより、前記光受信機は０．１度超の受光角を有する、装置。
【請求項２】
少なくとも、前記光受信機が前記光送信機への見通し線を有していないいくつかの場合では、前記光受信機は前記光ビームを検出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、前記光受信機を含む光受信機アレイを備えるか、あるいは、前記光受信機は、前記光ビームを検出するように構成された検出器アレイを含み、かつ
前記光受信機アレイの光受信機または前記検出器アレイの検出器は、前記光送信機に対するそれらの向きに基づいて選択的に起動および動作停止するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光ビームは、入射ビームと、前記入射ビームの反射によって生成された反射ビームとを含み、前記光受信機は、少なくとも１つの場合では、前記反射ビームを優先的に検出し、かつ前記入射ビームの直接検出を回避するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光受信機は、前記光ビームを検出するように構成された検出器アレイを含み、前記アレイは、前記光送信機における前記光ビームのスポットサイズよりも大きいサイズを有し、かつ
前記光ビームは、多数の光受信機に対応するように空間的に多重化されており、前記検出器アレイは、独立して変調される前記光送信機のエミッタのパターンに対応する検出器のパターンで配列されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
多数の光受信機に対応するようにスペクトル的に多重化されている光ビームを前記光受信機が検出することを可能にする波長特異的もしくは波長整調可能フィルタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光受信機は、前記光受信機の前記光ビームの特性への整合を容易にする調整可能な焦点をもって前記光ビームを検出するように構成されており、前記調整可能な焦点は、少なくとも１つの場合では、前記光送信機と前記光受信機との間のいくつかの中間点に前記光受信機の焦点を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光受信機および前記光送信機の方向づけのためのハートビート信号であって、前記ハートビート信号は、前記光送信機の位置を伝搬するかまたは示すように変調されている、ハートビート信号、または前記光受信機にその位置もしくはその位置の指標を前記光送信機に戻すようにさせる信号を受信するようにさらに構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光受信機は、前記光ビームの一部を捕捉するように構成されたカメラと、前記カメラが通信して、前記光ビームの捕捉された部分に基づいて粗いかまたは細かいステアリングを駆動して前記光受信機および前記光送信機を少なくとも部分的に方向づけするように構成されている電子機器とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記光受信機は、前記光受信機の周囲の周りに位置づけられ、かつ前記光受信機の限界開口によって遮光されている複数のフォトダイオードを含み、前記フォトダイオードは、前記光ビームの相対出力を検出するように構成されており、前記光受信機は、前記フォトダイオードが通信して、前記光ビームの相対出力に基づいて粗いかまたは細かいステアリングを駆動して前記光受信機および前記光送信機を少なくとも部分的に方向づけするように構成されている電子機器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
別個の光受信機または検出器による広い光ビームの受信に基づいて、前記光受信機によって与えられた案内に基づいて動作可能なポインティングシステムをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記光受信機が前記光ビームを検出するように構成されていることは、時分割多重化されている光ビームを検出するように構成されていることを含み、かつ
前記光受信機が時分割多重化されている光ビームを検出するように構成されていることは、時分割多重化されておりかつ複数の光送信機から放出される光ビームを検出するように構成されていることを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は、前記光ビームの信号対雑音比（ＳＮＲ）またはデータの完全性に基づいて、前記光ビームのデータ転送速度または変調を変化させるようにさらに構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記装置は、順方向誤り訂正を用いて、前記復調器によって回復されたデータにおける誤りを制御するようにさらに構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置は、１つ以上の光送信機との通信に基づいて前記光送信機を選択するようにさらに構成されており、前記光受信機は、前記光受信機およびそのように選択された光送信機を少なくとも部分的に方向づけするように粗いかまたは細かいステアリングを駆動する電子機器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記光受信機は、前記光ビームを検出するように構成されたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、ポインティングおよび追跡のための手段をさらに備え、前記ポインティングおよび追跡のための手段は、パン／チルト制御のための手段を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記光受信機は、複数の光送信機からの光ビームに基づいて、前記複数の光送信機から前記光送信機を選択するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置は、前記光ビームから回復されたデータを解読するようにさらに構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
光受信機によって、前記データで変調された光ビームを放出するように構成された光送信機からの人工の閉じ込めを伴わずに放出された光ビームを検出することと、
そのように検出された光ビームから前記データを回復することと、
を備える方法であって、
前記光受信機は、サイズにおいて２００ミクロン超の検出器と、前記光ビームが前記検出器に入射するように０．１度超の角度の範囲にわたって光ビームを屈折させるように位置付けられたレンズとを含み、それにより、前記光受信機は０．１度超の受光角を有する、方法。
【請求項２１】
前記光ビームを検出することは、前記光受信機によって前記光送信機への見通し線を有していない光ビームを検出することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光ビームを検出することは、前記光受信機を含む光受信機アレイの光受信機によって、あるいは検出器アレイを含む光受信機によって前記光ビームを検出することを含み、
前記方法は、前記光受信機アレイの光受信機または前記検出器アレイの検出器を、前記光送信機に対するそれらの向きに基づいて選択的に起動および動作停止することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記光ビームは、入射ビームと、前記入射ビームの反射によって生成された反射ビームとを含み、前記光ビームを検出することは、前記反射ビームを優先的に検出することと、前記入射ビームの直接検出を回避することとを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記光ビームを検出することは、前記光送信機における前記光ビームのスポットサイズよりも大きいサイズを有する検出器アレイを含む光受信機によって前記光ビームを検出することを含み、かつ
前記光ビームは、多数の光受信機に対応するように空間的に多重化されており、前記検出器アレイは、独立して変調される前記光送信機のエミッタのパターンに対応する検出器のパターンで配列されている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記光ビームを検出することは、多数の光受信機に対応するようにスペクトル的に多重化されている光ビームを検出することを含み、前記方法は、前記光ビームを前記光受信機が検出することを可能にするように前記光ビームを波長特異的にもしくは波長整調可能にフィルタリングすることをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記光ビームを検出することは、前記光受信機の前記光ビームの特性への整合を容易にする調整可能な焦点をもって前記光ビームを検出することを含み、前記調整可能な焦点は、前記光送信機と前記光受信機との間のいくつかの中間点に前記光受信機の焦点を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記光受信機および前記光送信機の方向づけのためのハートビート信号であって、前記ハートビート信号は、前記光送信機の位置を伝搬するかまたは示すように変調されている、ハートビート信号、または前記光受信機にその位置もしくはその位置の指標を前記光送信機に戻すようにさせる信号を受信することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法は、
カメラによって前記光ビームの一部を捕捉することと、
前記光ビームの捕捉された部分に基づいて粗いかまたは細かいステアリングを駆動して前記光受信機および前記光送信機を少なくとも部分的に方向づけすることと、
をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記光受信機は、前記光受信機の周囲の周りに位置づけられ、かつ前記光受信機の限界開口によって遮光されている複数のフォトダイオードを含み、前記方法は、
前記フォトダイオードによって前記光ビームの相対出力を検出することと、
前記光ビームの相対出力に基づいて粗いかまたは細かいステアリングを駆動して前記光受信機および前記光送信機を少なくとも部分的に方向づけすることと、
をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
別個の光受信機または検出器による広い光ビームの受信に基づいて、前記光受信機によって与えられた案内に基づいてポインティングシステムを動作させることをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記光ビームを検出することは、時分割多重化されている光ビームを検出することを含み、かつ
前記時分割多重化されている光ビームを検出することは、時分割多重化されておりかつ複数の光送信機から放出される光ビームを検出することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
前記光ビームの信号対雑音比（ＳＮＲ）またはデータの完全性に基づいて、前記光ビームのデータ転送速度または変調を変化させることをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
順方向誤り訂正を用いて、回復されたデータにおける誤りを制御することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
１つ以上の光送信機との通信に基づいて前記光送信機を選択することと、
前記光受信機およびそのように選択された光送信機を少なくとも部分的に方向づけするように粗いかまたは細かいステアリングを駆動することと、
をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３５】
前記光ビームを検出することは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）で前記光ビームを検出することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
前記方法は、ポインティングおよび追跡をさらに備え、前記ポインティングおよび追跡は、パン／チルト制御を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３７】
複数の光送信機からの光ビームに基づいて、前記複数の光送信機から前記光送信機を選択することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３８】
前記光ビームから回復されたデータを解読することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に光通信に関し、特に発散ビーム光通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザを用いる自由空間光通信（ＦＳＯ）の概念はレーザの発明まで遡る。しかし、高出力レーザの生成および変調に関する難しさにより、ＦＳＯの厳密に平行なビームを用いる見通し線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）システムへの使用は制限されている。テレビや他の用途のための遠隔制御などのいくつかのニッチ用途では、発散される光のパルスによる非常に低い出力および変調速度が使用されている。部品およびシステムに対して何十億ドルもの投資がなされた１９９０年代後半および２０００年代初期の遠隔通信ブームの間でさえも、ＦＳＯシステムは、見通し線構成における平行ビーム以上の域に達するものではなかった。ＦＳＯ見通し線システムを販売している既存の会社がいくつか存在するが、これらのシステムは、正確な位置合わせおよび熟練を要する設置を必要とする。これらのシステムコストは１リンク当たり少なくとも約１０，０００米国ドルであり、１年でたった数千台のシステムしか出荷されない。
【０００３】
従って、上記問題の少なくとも一部ならびに場合により他の問題を考慮して解決するシステムおよび方法を有することが望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は一般に、ＦＳＯ通信および特に発散ビームＦＳＯ通信のシステムおよび方法に関する。２つの集中的傾向から、本開示のシステムおよび方法の実施形態に至った。１つ目の傾向は、特に家庭およびモバイル機器による帯域幅の使用および需要の指数関数的増加である。家庭およびモバイル機器へのビデオのリアルタイム配信は大量の帯域幅を必要とし、これは４Ｋビデオ、ビデオ会議、ＯＴＴ（オーバー・ザ・トップ）サービスおよびその他の用途により増加する。これまで、この必要性は、ケーブル、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、ＦＴＴＨ（ファイバ・トゥ・ザ・ホーム）およびモバイル機器のためのセルラー無線技術によって満たされていた。しかし、利用可能な帯域幅はＦＴＴＨ以外の全ての事例において不足し始めており、そのため非常に高価なままであるため、全ての家および建物への配備ができない。２つ目の傾向は、全種類の用途における技術開発および光通信部品の使用の増加によるレーザおよび検出器部品のコストの低下である。部品の進歩および帯域幅の市場ニーズの劇的な増加により、本開示の実施形態のシステムおよび方法の活動の場が提供される。
【０００５】
当該実施形態のＦＳＯシステムの出発点は、光子生成および検出がムーアの法則型曲線上にあるという前提である。レーザ出力ならびに検出器アレイのサイズおよび感度は、コストが低下しているにも関わらず増加している。かつてのレーザ系ＦＳＯシステムは全て、狭い広がりを有する平行ビームならびに送信機および受信機の両方の厳密な角度追跡に基づいている。対照的に、当該実施形態のシステムでは、安価な光子を広範囲の角度にわたって一斉送信することができ、大型の検出器が広範囲の角度から受け入れることができるため、それにより送信機と受信機との角度公差が大きくなる。送信機と受信機との間の多数のビーム路により、雨、霧および雪などの天候の影響が低下する。情報の各ビットは若干の光子数を必要とするため、安価な光子はより安価なビットに繋がり、次いで、より手頃でより高いビットレートのシステムが得られる。十分に安価な光子により、送信機によって放出される光子のほんの一部のみが受信機に到達する見通し線外（ＮＬＯＳ）システムが得られるが、非常に高いビットレートを達成するのになお十分である。光周波数とは、本システムによって使用される利用可能な数テラビットの帯域幅が存在することを意味する。本システムは、発散レーザビームＦＳＯ通信の技術革新により、ラストマイルおよびモバイル機器の帯域幅に関する市場での必要性を解決することができる。
【０００６】
従って、本開示は、限定されるものではないが以下の実施形態を含む。
【０００７】
実施形態１：変調器と、変調器に結合され、かつ変調器がデータで変調するように構成されている光ビームを放出するように構成された光送信機であって、従って光送信機は、データを伝搬する光ビームを放出するように構成されており、かつ光ビームからのデータを検出および回復するように構成された光受信機による受信のための人工の閉じ込めを伴わない（例えば、自由空間において）光送信機とを備え、光送信機は、０．１度超の広がり角で、かつ０．０５％未満の光子効率で光ビームを放出するように構成されており、光子効率は、光受信機によって検出可能な光ビームの光子数を光送信機によって放出された光ビームの光子数に相関するものである、装置。
【０００８】
実施形態２：光送信機が光ビームを放出するように構成されていることは、反射器において誘導される入射ビームを放出して入射ビームの反射によって反射ビームを生成するように構成されていることを含み、光送信機は、光受信機による反射ビームの受信のために入射ビームを放出するように構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【０００９】
実施形態３：光送信機は、光ビームを放出するように構成されたエミッタアレイを含み、上記アレイは光送信機における光ビームのスポットサイズよりも大きいサイズを有する、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１０】
実施形態４：光送信機は、エミッタアレイがそこを通して光ビームを放出するように構成されている光学部品をさらに含み、上記アレイのエミッタは、それぞれの平行ビームを放出するように構成されているが、上記アレイの間隔の程度により異なる角度によってであり、従って上記アレイは、それぞれの平行ビームからなる光ビームを発生するように構成されており、その広がり角は、上記アレイのサイズおよび光学部品の焦点距離によって設定される、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１１】
実施形態５：光送信機は、エミッタアレイがそこを通して光ビームを放出するように構成されている光学部品をさらに含み、上記アレイは光学部品の焦点から離れて位置しており、前記アレイの前記エミッタはそれぞれの発散ビームを放出するように構成されており、従って上記アレイは、それぞれの発散ビームからなる光ビームを発生するように構成されており、その広がり角は、上記アレイのサイズおよび光学部品の焦点から離れた上記アレイの状況による焦点ずれの程度によって設定される、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１２】
実施形態６：光送信機は多数の光受信機に対応するように多重化を行うように構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１３】
実施形態７：光送信機は、調整可能な焦点または非点収差をもって光ビームを放出するように構成されており、調整可能な焦点は、光送信機からの所与の距離における光ビームの直径の調整を可能にし、非点収差は光ビームに異なる垂直および水平の広がりを有するようにさせる、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１４】
実施形態８：光送信機および光受信機の方向づけのためのハートビート信号であって、上記ハートビート信号は、光送信機の位置を伝搬するかまたは示すように変調されている、ハートビート信号、または光受信機にその位置もしくはその位置の指標を光送信機に戻すようにさせるための信号を送信するようにさらに構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１５】
実施形態９：復調器と、復調器に結合され、かつ復調器が回復するように構成されているデータを伝搬する光ビームを検出するように構成された光受信機であって、上記光受信機は、放出された光ビームを検出するように構成されており、かつデータで変調された光ビームを放出するように構成された光送信機からの人工の閉じ込めを伴わない、光受信機とを備え、光受信機は、０．１度超の広がり角で、かつ０．０５％未満の光子効率で放出された光ビームを検出するように構成されており、光子効率は、光受信機によって検出可能な光ビームの光子数を光送信機によって放出された光ビームの光子数に相関するものである、装置。
【００１６】
実施形態１０：少なくとも、光受信機は、光受信機が光送信機への見通し線を有していないいくつかの場合では、光ビームを検出するように構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１７】
実施形態１１：光受信機を含む光受信機アレイを備える装置か、あるいは光受信機は光ビームを検出するように構成された検出器アレイを含み、光受信機アレイの光受信機または検出器アレイの検出器は、光送信機に対するそれらの方向づけ（例えば光送信機との位置合わせ）に基いて、選択的に起動および動作停止する（例えばスイッチをオンおよびオフする）ように構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１８】
実施形態１２：光ビームは、入射ビームと、入射ビームの反射によって生成された反射ビームとを含み、光受信機は少なくとも１つの場合では、反射ビームを優先的に検出し、かつ入射ビームの直接検出を回避するように構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００１９】
実施形態１３：光受信機は光ビームを検出するように構成された検出器アレイを含み、上記アレイは光送信機における光ビームのスポットサイズよりも大きいサイズを有する、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２０】
実施形態１４：光ビームは多数の光受信機に対応するように空間的に多重化されており、検出器アレイは、独立して変調される光送信機のエミッタのパターンに対応する検出器のパターンで配列されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２１】
実施形態１５：多数の光受信機に対応するようにスペクトル的に多重化されている光ビームを光受信機が検出することを可能にする波長特異的もしくは波長整調可能フィルタをさらに含む、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２２】
実施形態１６：光受信機は、光受信機の光ビームの特性への整合を容易にする調整可能な焦点をもって光ビームを検出するように構成されており、調整可能な焦点は少なくとも１つの場合では、光送信機と光受信機との間のいくつかの中間点に光受信機の焦点を含む、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２３】
実施形態１７：光受信機および光送信機の方向づけ（例えば位置合わせ）のためのハートビート信号であって、ハートビート信号は、光送信機の位置を伝搬するかまたは示すように変調されているハートビート信号、または光受信機がその位置もしくはその位置の指標を光送信機に戻すようにさせる信号を受信するようにさらに構成されている、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２４】
実施形態１８：光受信機は、光ビームの一部を捕捉するように構成されたカメラと、カメラが通信して、光ビームの捕捉された部分に基いて粗いかまたは細かいステアリングを駆動し、光受信機および光送信機を少なくとも部分的に方向づける（例えば位置合わせする）ように構成されている電子機器とを含む、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２５】
実施形態１９：光受信機は、光受信機の限界開口の周囲の周りに位置づけられ、かつ光受信機の限界開口によって遮光されている複数のフォトダイオードを含み、フォトダイオードは、光ビームの相対出力を検出するように構成されており、光受信機は、フォトダイオードが通信して、光ビームの相対出力に基いて粗いかまたは細かいステアリングを駆動し、光受信機および光送信機を少なくとも部分的に方向づけるように構成されている電子機器をさらに含む、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る装置。
【００２６】
実施形態２０：データにより光ビームを変調することと、上記データを伝搬する光ビームを光受信機によって放出し、かつ光ビームからデータを検出および回復するように構成された光受信機による受信のための人工の閉じ込めを伴わない工程とを含む方法であって、光ビームは０．１度超の広がり角で、かつ０．０５％未満の光子効率で放出され、光子効率は、光受信機によって検出可能な光ビームの光子数を光送信機によって放出された光ビームの光子数に相関するものである、方法。
【００２７】
実施形態２１：光ビームを放出することは、反射器において誘導される入射ビームを放出して入射ビームの反射によって反射ビームを生成することを含み、光受信機による反射ビームの受信のために入射ビームが放出される、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００２８】
実施形態２２：光ビームは、光送信機のエミッタアレイによって放出され、上記アレイは光送信機における光ビームのスポットサイズよりも大きいサイズを有する、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００２９】
実施形態２３：光ビームは、光学部品を介してエミッタアレイによって放出され、前記アレイの前記エミッタは、それぞれの平行ビームを放出するが、上記アレイの間隔の程度により異なる角度によってであり、従って上記アレイは、それぞれの平行ビームからなる光ビームを発生し、その広がり角は、上記アレイのサイズおよび光学部品の焦点距離によって設定される、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００３０】
実施形態２４：光ビームは、光学部品を介してエミッタアレイによって放出され、上記アレイは光学部品の焦点から離れて位置しており、前記アレイの前記エミッタはそれぞれの発散ビームを放出し、従って上記アレイはそれぞれの発散ビームからなる光ビームを発生し、その広がり角は、上記アレイのサイズおよび光学部品の焦点から離れた上記アレイの状況による焦点ずれの程度によって設定される、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００３１】
実施形態２５：多数の光受信機に対応するように多重化を行うことをさらに含む、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００３２】
実施形態２６：光ビームは調整可能な焦点または非点収差をもって放出され、調整可能な焦点は、光送信機からの所与の距離における光ビームの直径の調整を可能にし、非点収差は光ビームに異なる垂直および水平の広がりを有するようにさせる、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００３３】
実施形態２７：光送信機および光受信機の方向づけのためのハートビート信号であって、上記ハートビート信号は、光送信機の位置を伝搬するかまたは示すように変調されている、ハートビート信号、または光受信機にその位置もしくはその位置の指標を光送信機に戻すようにさせるための信号を送信することをさらに含む、前述もしくは後述の実施形態のいずれかまたはそれらの組み合わせに係る方法。
【００３４】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下に簡単に説明されている添付の図面と共に以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。本開示は、そのような特徴または要素が本明細書中の具体的な実施形態の説明において明示的に組み合わせられているかそれ以外の方法で列挙されているか否かに関わらず、本開示に記載されている２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素のあらゆる組み合わせを含む。本開示は、その態様および実施形態のいずれかにおける本開示のあらゆる分離可能な特徴または要素が、本開示の文脈が明らかにそれ以外を指示していない限り意図される、すなわち組み合わせ可能なものとみなされるように、全体論的に解釈されるものとする。
【００３５】
従って、上記概要は、本開示のいくつかの態様の基本的な理解を与えるための単にいくつかの実施形態を要約するために提供されていることが分かるであろう。従って、当然のことながら、上記実施形態は、単にいくつかの実施形態の例であり、決して本開示の範囲または趣旨を狭めるものと解釈されるべきではない。当然のことながら、本開示の範囲は、ここにまとめられているものに加えて多くの可能な実施形態を包含し、それらの一部について以下にさらに説明する。さらに、本明細書に開示されている実施形態の他の態様および利点は、一例として記載されている実施形態の原理を示す添付の図面と共に考察される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００３６】
以上、本開示について上記一般的な用語で説明してきた。次に添付の図面を参照するが、これらは必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本開示の各種実施形態に係る発散ビーム通信システムを示す。
【図２Ａ】各種実施形態に係る複数の光送受信機（送受信機モジュールと呼ぶ場合もある）を含む光送受信機アレイを示す。
【図２Ｂ】いくつかの実施形態に係るさらに詳細な送受信機モジュールを示す。
【図２Ｃ】送受信機モジュールを示し、かついくつかの実施形態に係るそのポインティングシステムを強調している。
【図２Ｄ】送受信機モジュールを示し、かついくつかの実施形態に係るそのポインティングシステムを強調している。
【図３】いくつかの実施形態に係る、携帯電話基地局などの既存のネットワークインフラに組み込まれた光送受信機アレイを示す。
【図４Ａ】いくつかの実施形態に係る光送受信機を装備することができるモバイル機器を示す。
【図４Ｂ】いくつかの実施形態に係る光送受信機を装備することができるモバイル機器を示す。
【図５Ａ】いくつかの実施形態に係るエミッタアレイの分散光源を用いてビーム広がりを達成するための技術例を示す。
【図５Ｂ】いくつかの実施形態に係るエミッタアレイの分散光源を用いてビーム広がりを達成するための技術例を示す。
【図６Ａ】実施形態に係る光受信機を示す。
【図６Ｂ】実施形態に係る光受信機を示す。
【図７Ａ】いくつかの実施形態に係る光ビームの調整可能な焦点を可能にするように構成された１つ以上の動的光学部品を備えた光送信機を示す。
【図７Ｂ】いくつかの実施形態に係る、光送信機において垂直な広がりを水平の広がりとは異なるものにすることができる非点収差を可能にする動的光学部品の使用を示す。
【図７Ｃ】いくつかの実施形態に係る、光送信機において垂直な広がりを水平の広がりとは異なるものにすることができる非点収差を可能にする動的光学部品の使用を示す。
【図７Ｄ】いくつかの実施形態に係る、光送信機において垂直な広がりを水平の広がりとは異なるものにすることができる非点収差を可能にする動的光学部品の使用を示す。
【図７Ｅ】いくつかの実施形態に係る、光送信機においてポインティング調整を可能にする動的光学部品の使用を示す。
【図８】いくつかの実施形態に係るビームディザリングを示す。
【図９Ａ】いくつかの実施形態に係る光ビームの調整可能な焦点を可能にするように構成された動的光学部品を備えた光受信機を示す。
【図９Ｂ】いくつかの実施形態に係るＬＯＳ（見通し線）事例のための動的光学部品を備えた光受信機を示す。
【図９Ｃ】いくつかの実施形態に係る非ＬＯＳ（ＮＬＯＳ）のための動的光学部品を備えた光受信機を示す。
【図９Ｄ】いくつかの実施形態に係る光受信機におけるポインティング調整を可能にする動的光学部品の使用を示す。
【図９Ｅ】いくつかの実施形態に係る光受信機におけるポインティング調整を可能にする動的光学部品の使用を示す。
【図１０】いくつかの実施形態に係る、通信のための光送信機と光受信機との間の少なくとも最初の位置合わせのためのいくつかの技術を示す。
【図１１Ａ】いくつかの実施形態に係る、光受信機内で少なくとも部分的に達成することができる光送信機と光受信機との間の位置合わせのための例を示す。
【図１１Ｂ】いくつかの実施形態に係る、光受信機内で少なくとも部分的に達成することができる光送信機と光受信機との間の位置合わせのための例を示す。
【図１２Ａ】いくつかの実施形態に係る発散ビーム通信システムによって実行することができるスペクトル多重化および空間多重化をそれぞれ示す。
【図１２Ｂ】いくつかの実施形態に係る発散ビーム通信システムによって実行することができるスペクトル多重化および空間多重化をそれぞれ示す。
【図１３】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１４】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１５Ａ−Ｃ】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１６】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１７】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１８Ａ】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１８Ｂ】いくつかの実施形態に係る本発散ビーム通信システムを配備することができる各種状況を示す。
【図１９】実施形態に係る方法における各種動作を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本開示について、その実施形態を参照しながらより完全に説明する。本開示を徹底的かつ完全なものにし、かつ当業者に本開示の範囲を完全に伝えるために、これらの実施形態について説明する。実際には、本開示は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載されている実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、本開示が適用可能な法的要件を満たすように、これらの実施形態を提供する。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されている、例えば、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」「その（前記）（ｔｈｅ）」などは、文脈が明らかに別の意を示していない限り、複数の指示物を含む。また、例えば、本明細書では定量的尺度、値、関係などを参照する場合がある。特に明記しない限り、これらの全てではないとしてもいずれか１つ以上は、絶対的なものであっても、製作公差などにより生じ得るような許容変動を説明するために近似的なものであってもよい。
【００３９】
以下に説明するように、本開示の実施形態は光通信に関し、より詳細には発散ビーム光通信に関する。本開示の実施形態について、主に自由空間光通信（ＦＳＯ）との関連で説明する。但し当然のことながら、実施形態は、従来からＦＳＯ通信に関連する状況以外、すなわち空気、外部空間、真空などを介した通信にも等しく適用可能であってもよい。例えば、当該実施形態は、水またはあらゆる他の液体、溶液または懸濁液、および光ビームが光ファイバケーブル、導波管もしくは伝送線路なしに伝播することができるあらゆる他の物質または媒体を介した通信にも等しく適用可能であってもよい。これらおよび他の同様の人工の閉じ込め手段は、光ビームを伝搬するかそれ以外の方法で導くためにその中へのモード閉じ込めを引き起こす屈折率において対照性を示し得る。従って、当該実施形態は、より一般には、光ファイバケーブル、導波管、伝送線路などの人工の閉じ込めを伴わない送信機と受信機との間の光ビームの伝播を含む光通信に適用可能なものとみなすことができる。
【００４０】
以下により詳細に説明するように、当該実施形態の発散ビーム通信システムは一般に、データを伝搬する発散光ビームを放出するように構成された光送信機と、光ビームを検出し、かつそこからのデータを回復するように構成された受信機とを備える。多くの異なる種類の固定もしくはモバイル通信機器およびデータを伝送および／または受信するかそれ以外の方法でデータの送信および／または受信をサポートするように構成された構造物に光送信機および光受信機を装備することができる多くの異なる状況に、本システムを配備することができる。好適な通信機器および構造物の例としては、マスト、伸縮マスト、塔、ポール、木、建物、風船、凧、陸上車（例えば、自動車、列車）、船舶（例えば、ボート、船）、宇宙機（例えば、人工衛星）、天体（例えば、惑星、月）、航空機（例えば、飛行機、ヘリコプター、無人機、飛行船）、コンピュータ（例えば、デスクトップ、ラップトップ）、タブレットコンピュータ、スマートフォン、および無線通信に対応しているかそれ例外の方法で無線通信することができる多くの他の種類の装置のいずれかが挙げられる。
【００４１】
光送信機からの発散光ビームおよび光受信機における適当な受光角は、通信スループットを維持しながら光送信機および／または光受信機の位置を移動することができることを意味する。その移動速度は、光受信機における光ビームのスポットサイズ、光受信機の受光角ならびに光送信機および／または光受信機追跡のフィードバック速度によって制限することができる。これは多くの状況にとって望ましい場合もあるが、現時点では利用不可能であるか極めて高価であるさらなるＦＳＯ通信用途を切り開くこともできる。そのような用途としては、例えば、マストまたは塔などの地上系の固定構造物と航空機との間のＦＳＯ通信が挙げられる。また、２つの航空機間の通信も可能である。宇宙機と地上系の固定構造物との間の通信も可能になるかもしれず、その場合のいくつかの例では、宇宙機は一斉送信モードで動作してもよい。いくつかの用途では、非常に高出力のエミッタ（例えば、１０〜１，０００ワット以上）を使用してもよい。
【００４２】
発散光ビームの別の利点は、名目上ポイントツーポイント状況における最初の位置合わせおよび位置合わせ調整のその容易性であり得る。状況の一例は、２つの地上系固定構造物の間、例えば塔と建物との間の光通信を含み、ここでは光送信機および光受信機を最初にセットアップする。電子制御されているか手動の簡単な追跡により、セットアップをより容易にし、技術者の時間を最小限に抑えるかエンドユーザに当該機器のセットアップを行わせることができる。これにより、本発散ビーム通信システムを短時間でのみ使用することができ、かつ素早くセットアップおよび停止する必要があるアドホック型ネットワークも可能になる。考えられる状況のいくつかの例としては、Ｗｉ−Ｆｉと組み合わせた本システムを使用して、ハイスループットでより少ない機器を使用し、かつ迅速なセットアップおよび停止時間により、１００〜１００，０００人のユーザに帯域幅を提供することができるスポーツイベント、フェアまたは他の集まりが挙げられる。また、ネットワーク機器が損傷または破壊されたエリアへの本システムの迅速な配備により、災害応答的状況を支援してもよい。さらに、人数や機器の量に基づき帯域幅の必要性が変わる可能性のある活発な戦闘が行われているエリアやベースキャンプにおいても、軍隊や協力員のための数多くの軍事的状況が存在する。本システムは、容易に停止させることができ、かつ帯域幅が必要とされる場所が時間と共に変わる場合に再配備することができる。
【００４３】
発散ビームおよびいくつかの例では光受信機におけるより大きな受光角は、ビーム中に散乱体が存在する平行ビームよりも多くの利点を有し得る。平行ビームでは、あらゆる散乱体が主にビームから光を散乱させることがあり、故に、まさに減衰源となり得る。考えられる散乱体としては、雨、雪、氷、霰および霧などの天候関連の散乱体ならびに葉、枝、煙、ワイヤなどの天候に関連しない散乱体が挙げられる。
【００４４】
当該実施形態の発散ビーム通信システムでは、散乱は必ずしも光子が失われることを意味するわけではない。特に多数の散乱では、光子を光受信機へのビーム路の外に出し、次いでその後に散乱させて光受信機へのビーム路内に戻すことができる経路上に最初に散乱させることができる光子が存在する場合がある。これは、ゼロの前方角度に近い角度において顕著な散乱が存在する状況、すなわち霧などの光の波長規模内での散乱の場合に、より頻繁に生じ得る。１つの特定の例では、霧の液滴直径は約２ミクロンでピークに達し得、これは、いくつかの例では、０．４ミクロン〜１．６ミクロンの範囲であり得る本システムの目的の波長に近いものとなり得る。人が車を見ることができるよりもかなり前に霧がかかった条件で車のヘッドライトの光を見ることができるのとちょうど同じように、当該実施形態のシステムは、結像または平行ビームが目に見えない条件であっても光を受信することができる。
【００４５】
霧などの散乱体の信号劣化は、最終的にデータ転送速度を維持することができない時点に達する場合があり、この時点で、本発散ビーム通信システムは出力を上げるか、データ転送速度を下げるか、その変調方式、その誤り訂正方式、その符号化方式、そのネットワークスタックプロトコル、またはこれらの任意の組み合わせを修正して、十分な信号対雑音比（ＳＮＲ）および／またはデータの完全性を維持してもよい。その劣化が非常に低い光子数または光子効率によるものである場合では、その際に出力を上げるだけでデータ転送速度を維持するのに十分であり得る。その劣化がマルチパス分散の増加によるものである場合では、データ転送速度を下げればよい。本システムは、性能を監視し続け、次いで条件が改善した際には、データ転送速度を上げるか出力を下げ、かつ／または上記修正のそれ以外のいずれかを調整することができる。本システムは、いくつかの例では、異なるデータ転送速度のために多数のセットの駆動／検出電子機器を備えていてもよい。一般に、所与の駆動装置のデータ転送速度のダイナミックレンジは、約１桁分すなわち１０の倍数であり得る。従って、１セットの電子機器で１Ｇｂ／ｓ〜１００Ｍｂ／ｓをサポートしてもよいが、１００Ｍｂ／ｓ未満であって１Ｍｂ／ｓ以上のデータ転送速度のためにさらなる電子機器を使用してもよい。より一般には、本開示のいくつかの実施形態は、１秒当たりメガビットから１秒当たりテラビットの範囲またはそれ以上のビットレートでの通信をサポートしてもよく、このビットレートは、時に多くの異なる技術を用いて動的に調整可能な場合もある。
【００４６】
図１は、本開示の各種実施形態に係る発散ビーム通信システム１００を示す。図示のように、本システムは、固定もしくはモバイル通信のために構成された光送信機１０２（１つが図示されており、光源と呼ぶ場合もある）および光受信機１０４（光受信機１０４ａ、１０４ｂとして２つが図示されており、光検出器と呼ぶ場合もある）を含む多くの部品のそれぞれのうちの１つ以上を備える。いくつかの例では、１つ以上の光送信機および光受信機は、１つ以上の光送受信機の形態で同じ場所に配置されていてもよい。また、いくつかの例では、１つ以上の光送受信機は、データを伝搬する光ビームを（その受信機を介して）受信し、かつ同じまたは同様のデータを伝搬する別の光ビームを（その送信機を介して）再送信するように構成された光リレーノードとして機能してもよい。従って、当該実施形態のシステムは、１つ以上の光送信機、光受信機および／または光送受信機（そのうちのいくつかはリレーノードとして機能してもよい）の各種組み合わせを備えていてもよい。
【００４７】
上に説明したように、光送信機１０２、光受信機１０４および／または光送受信機（送信機および受信機の両方を含む）は、多くの異なる種類の固定もしくはモバイル通信機器およびデータを送信および／または受信するかそれ以外の方法でデータの送信および／または受信をサポートするように構成された構造物に装備されていてもよい。好適な通信機器および構造物の例としては、マスト、伸縮マスト、塔、ポール、木、建物、風船、凧、陸上車、船舶、宇宙機、天体、航空機、コンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートフォン、および無線通信に対応するかそれ以外の方法で無線通信を可能にする多くの他の種類の装置のいずれかが挙げられる。
【００４８】
光送信機１０２は、１つ以上のエミッタを備えていてもよく、適当な支援電子機器および任意の適当な光学部品に接続されていてもよく、データを伝搬する光ビームを放出するように構成されていてもよい。光受信機１０４は、１つ以上の検出器を備えていてもよく、適当な支援電子機器および任意の適当な光学部品に接続されていてもよく、光ビームを検出し、かつそこからのデータを回復するように構成されていてもよい。光送信機およびその支援電子機器は、いくつかの例では、変調器１０６、ポインティングシステム１０８および／または制御システム１１０も備えるアセンブリの一部であってもよい。光送信機は、変調器がデータソース１１２からのデータで変調するように構成されることができる光ビームを放出するように構成されていてもよい。光受信機は、その関連する電子機器内に含められた復調器がそこからデータを復調して回復するように構成されることができる光ビームを検出するように構成されていてもよい。また、別々に図示されているが、いくつかの例では、変調器はいくつかの例では、光送信機に関連する電子機器内に含められていてもよい。
【００４９】
当該実施形態によれば、光送信機１０２は、光ビームが光送信機から伝播するにつれて発散するように、光ビームを放出するように構成されていてもよい。光ビームを僅かに発散させて狭い発散ビーム１１４を生成してもよく、あるいはより大きく発散させて広い発散ビーム１１６を生成してもよい。より多くの発散ビームは、車両に装備するかユーザが手に持って使用するものなど、移動する光受信機１０４に有用である。
【００５０】
効果的に無制限数の別々のチャネルを利用することができ、かつ多数の光信号間の干渉が本質的に存在しないという理由から、発散ビーム通信システム１００は、より単純な実施形態では、その主要な変調方式としてオン／オフ・キーイング（ＯＯＫ）を使用することができる。この変調方式は、光送信機１０２と光受信機１０４との間の距離の増加、大気条件、帯域幅要求の増加、光送信機出力制限などの多くの因子のいずれかにより不十分になることがある。本システムは、異なる周波数で動作する多数の光送信機を用い、かつ／またはさらなる符号化方式を用いるなどの多くの異なる方法でこの不十分性に対処することができる。さらなる符号化方式の好適な例としては、光デュオバイナリ変調（ＯＤＢ）、差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ）、差動四位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ）、および二重偏波四位相偏移変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）が挙げられる。
【００５１】
光送信機１０２と光受信機１０４と間でのデータ伝送における誤りは、従来の誤り訂正符号および／または順方向誤り訂正の使用などによる多くの異なる方法で制御してもよい。
【００５２】
いくつかの例では、発散ビーム通信システム１００は、昼光条件下で適切なＳＮＲを達成するために多くの異なる技術のいずれかを使用することができる。ＳＮＲを高めることができる好適な技術の例としては、高い送信出力、レーザ線の狭幅化、狭帯域受信機フィルタリング、疑似ランダム符号変調、信号加算平均、適応的遮光などの使用が挙げられる。
【００５３】
いくつかの例では、単一の光送信機１０２は、多くの異なる多重化技術のいずれかの使用などにより、その光ビームの円錐内に存在している多数の受信機に対応することができる。好適な技術の例としては、空間、時間、周波数（スペクトル）、偏光、角運動量、符号またはその１つ以上のいくつかの組み合わせに基づくものが挙げられる。より具体的な例では、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、周波数間隔などの従来のチャネルアクセス法を使用してもよい。他の例では、３自由度での空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）、３自由度での角度分割多元接続（ＡＤＭＡ）、１自由度での偏波分割多元接続（ＰＤＭＡ）などを使用してもよい。従って、当該実施形態のシステムは、無線周波数で利用可能な３度に対して最大１０度以上の次元分離を提供することができる。
【００５４】
いくつかの例では、光送信機１０２は、その送信前にデータを暗号化するように構成されていてもよい。この目的のために送信機が使用することができる好適な暗号化方式の例としては、ＫＡＳＵＭＩブロック暗号またはＵＥＡ１もしくはＵＥＡ２機密性アルゴリズムおよびＵＩＡ１もしくはＵＩＡ２完全性アルゴリズムによるＳＮＯＷ３Ｇストリーム暗号などの高速ＲＦネットワークのための従来の技術が挙げられる。光受信機１０４は、固定または取外し可能な信頼できるハードウェアによって特定してもよい。あるいは、例えば、特に純粋にデータ（音声およびデータに対して）通信のために、既存のＩＥＥＥ８０２．１１セキュリティプロトコルを使用してもよい。
【００５５】
いくつかの例では、光ビームの広がりは、光送信機１０２において電子制御される焦点調整機構によって動的に変更可能であってもよい。数ある利点のうち特にこれにより、送信機と受信機との通信期間の少なくとも一部の期間において、光ビームが固定された光受信機１０４または万が一移動するとしてもあまり移動しないことが期待される移動受信機に自動追跡される例において、広がりを抑えることができる。
【００５６】
いくつかの例では、光ビームの出力は、光送信機１０２により電子的に変更可能であってもよい。数ある利点のうち特にこれにより、発散ビーム通信システム１００はエネルギーを保存し、かつ／または高い安全性を与えることができる。送信機と受信機との通信期間の少なくとも一部の期間において光ビームが固定された光受信機１０４または万が一移動するとしてもあまり移動しないことが期待される移動受信機に自動追跡されるいくつかの例において、ビームの広がりおよび／または出力を抑えることができる。
【００５７】
ポインティングシステム１０８は、例えば多くの異なる技術のいずれかに従って、光送信機１０２を１つ以上の光受信機１０４の全般的方向に向けるように構成されていてもよい。当該ポインティングシステムは、光送信機を選択された方向に向けるように当該ポインティングシステムに指示して１つ以上の受信機を含む可能性が高いエリアを広くカバーできるように構成された制御システム１１０の指示下で動作してもよい。例えば、光送信機は、１つ以上の可能な受信機にサービスの可用性を示す符号を送信してもよい。都市などの環境では、ハートビート信号として機能する１つ以上の広い光ビームのセットを都市全体に一斉送信して、１つ以上の受信機の位置の検出を支援することにより位置決めを行い、かつ適当な方向づけ（例えば位置合わせ）の命令または案内を与えることができる光アンダーレイネットワークを構築してもよい。別の例では、高周波（ＲＦ）システムがハートビート信号を一斉送信してＲＦアンダーレイネットワークを構築し、かつ発散ビーム通信システム１００の制御を行ってもよい。本明細書に記載されているように、光送信機と光受信機との間の方向づけは、主にそれらの位置合わせと関連させて説明することができる。但し、当然のことながら、少なくともいくつかの見通し線外（ＮＬＯＳ）事例などでは、従来の位置合わせと見なすことができる以外の方法で、光送信機および光受信機を方向づけるかそれ以外の方法で位置づけてもよい。
【００５８】
光受信機１０４は、（例えば、ＧＰＳまたは他の地理位置情報による方法を介すか、あるいは光通信チャネルに埋め込まれたタイムスタンプを用いて）その位置を制御システム１１０に提供または指示する広い光ビームおよび／またはＲＦシステムなどを介する多くの異なる方法で、サービスを要求してもよい。本明細書に記載されているこの位置および他の位置は、地理位置情報または発散ビーム通信システム１００の別の構成要素に対する位置（例えば、光送信機１０２に対する光受信機の位置）などにより、多くの異なるいずれかの方法で表してもよい。当該制御システムは、恐らく複数のそのような光送信機から光送信機を計算または選択し、選択された光送信機を向ける方向を計算または選択し、かつポインティングシステム１０８を用いて、選択された送信機を方向制御してそれを選択された方向に向けてもよい。また、広い光ビームおよび／またはＲＦシステムは、光送信機の位置に関する案内を行い、かつ検出、最初の捕捉／ハンドシェイクを得、かつ／または受信を最適化するのに適切な移動のための命令を受信機に伝えてもよい。
【００５９】
いくつかの例では、狭い角度の高解像度でのポインティングコストは比較的高価になり得るが、ビームの広がりにより出力要求が高まるためにレーザ（光）コストが上がってしまうことがある。従って、レーザコストとポインティングコストとの間にトレードオフが存在し得、すなわち、十分に高い送信効率ならびに適度なレーザおよびポインティングコストによる最適な動作範囲が存在し得る。
【００６０】
ポインティングコストに関しては、ホームセキュリティカメラに使用されるような二軸移動を与えるように配置される現在の単純な追跡システムは、約２０米国ドルで０．２°のポインティング解像度を与える。現在の軍用システムは、約５百万米国ドルで約０．００１°のポインティング精度を達成する。ビーム広がりの観点では、適度に強力なレーザビームを発散させて、数百メートルから数キロメートルの距離に１００メートルのスポットサイズを生成することができる。光学技術、機械技術、電気光学技術および光学機械技術などによるビーム広がりを含む多くの異なる技術のいずれかを用いて、ビーム広がりを生じさせてもよい。これらの技術は、ビーム広がりならびに開口部を介すか直接的なビームステアリングを含むことができる。
【００６１】
１つの好適なポインティングシステム１０８の一例として、妥当なコストおよび最長１００ｋｍを移動することができる十分に強力なビームを発生する光送信機１０２（例えば、レーザ）で０．１°の追跡精度を達成することができる。いくつかの例では、例えば適当な光学部品を光送信機または光受信機１０４のいずれか一方または両方に追加することにより、他の部品によって当該ポインティングシステムの性能を高めてもよい。この目的に適した光学部品の例としては、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）鏡および可動式液体レンズや可変鏡などの動的光学部品が挙げられる。これらの装置は、かなり小さい角度調整範囲を有することができ、例えば既存の可動式液体レンズは＋／−０．６°で調整されるが、細かい制御および比較的低いコストを有することができる。光送信機アレイは、そのようなポインティング解像度を用いて最大１０，０００個の受信機１０４に対応することができ、現在のセルラーデータシステムよりも非常に優れたデータ転送速度を達成することができる。
【００６２】
いくつかの例では、光送信機１０２または光受信機１０４の一方または両方は、光送信機または光受信機アレイをそれぞれ（または以下により詳細に説明するエミッタまたは検出器アレイをそれぞれ）備えていてもよい。光送信機（またはエミッタ）アレイは、いくつかの例ではそれらのアレイが２次元（２Ｄ）または３次元（３Ｄ）の形状（例えば、立方体、球体、半球体）を形成した状態で、多数の方向に配置されていてもよい。同様に、光受信機（または検出器）アレイは、多数の方向に配置されていてもよい。これらの例および他の同様の例では、それぞれのアレイの光送信機（エミッタ）または光受信機（検出器）を、所望の光受信機または光送信機に対するそれらの方向づけ（例えば位置合わせ）に基づいて選択的に起動および動作停止するように構成することにより、ポインティングシステム１０８を省略してもよい。いくつかの例では、この選択的起動および動作停止は、選択的にスイッチをオンおよびオフするように構成されたそれぞれのアレイの光送信機（エミッタ）または光受信機（検出器）により達成してもよい。また、いくつかの例では、受信された光ビームの相対出力に基づいて、あるいはいくつかの他のアルゴリズムに従って、それらの向きを推測してもよい。
【００６３】
当該技術のいくつかの配備において、特に完全に水平に霧を通って進む場合に、霧などの大気条件が問題となる場合がある。１つの例では、バックアップ用長波長赤外線（例えば８〜１５μｍ）システムを使用してもよい。別の例では、光受信機１０４への直接またはほぼ直接の線上を移動する光子のみにゲートを制限する受信機の時間ゲーティングを用いて、より高い出力でより短い波長を使用してもよく、これにより、散乱光をたとえ排除しないとしても減少させ、かつＳＮＲを高めてもよい。別の例では、ＲＦシステムをより低いデータ転送速度でバックアップとして使用してもよい。
【００６４】
特定の状況（例えば、車両、モバイル機器の追跡）では、狭いビームにより光受信機１０４を正確に追跡できないため、広い高発散ビームが必要になる場合がある。これらの例では反射ビームを使用するが、この反射は、建物の側面、地面または他の表面などの１つ以上の表面から生じ、かつそれらの反射は十分に広い強力なビームの使用により生じる。本明細書に記載されているように、反射という場合、鏡面反射およびランバート反射による反射などの拡散反射すなわち散乱を等しく指すことができる。
【００６５】
直接受信は、入射ビームを横から奪うように構成された直接光受信機１０４ａを用いて達成することができる。あるいは、反射光受信機１０４ｂを使用して、反射器１１８から生じた反射ビーム（散乱体から生じた散乱ビームの例を含む）を検出してもよい。１つの例では、単一の受信機は、直接受信機および反射受信機のいずれか一方または両方として機能するように構成されていてもよい。当該受信機は、ビームを検出し、かつデータを回復することができる。ビームが発散されるため、方向づけ（例えば位置合わせ）は、それ程重要ではない場合もあり、広視野のビームで受信を得ることができ、あるいは、あらゆる場所にビームが反射される。いくつかの例では、光送信機１０２は、１つ以上の光受信機による直接もしくは反射受信の許容可能性を与えることが予め決められた反射器または反射器上の反射点で光ビームを誘導してもよい。これらの例および他の同様の例では、１つ以上の光受信機が（所望であれば）光送信機にフィードバックを与えて、それぞれの光受信機に対してより望ましい向きになるようにそれを案内してもよい。
【００６６】
次に、より詳細に光送信機１０２を参照すると、いくつかの例では、光送信機は、可視光、紫外光または赤外光の光ビームを放出するように構成された、１つ以上の少なくとも部分的にコヒーレント（コヒーレントまたは部分的にコヒーレント）なレーザの形態の１つ以上のエミッタを備えていてもよい。すなわち、光送信機は、可視領域（例えば、４００〜７００ｎｍ）、紫外線領域（例えば、２００〜４００ｎｍの波長）または赤外線領域（例えば、７００ｎｍ〜１ｍｍ）の電磁スペクトルを操作および放出するように構成されていてもよい。赤外光の特定の例では、光送信機は、短波長赤外線領域（例えば、１．４〜３μｍの波長）、またはＯ、Ｅ、Ｓ、Ｃ、ＬまたはＵ赤外線領域のうちのいずれか１つ以上を操作および放出するように構成されていてもよい。好適なレーザの例としては、固体レーザ、レーザダイオード、太陽光レーザなどが挙げられる。より特定の例では、以下により詳細に説明するように、当該レーザは面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。
【００６７】
いくつかの例では、光送信機１０２は、１つ以上の固定周波数もしくは波長整調可能レーザからなっていてもよい。いずれの場合も、異なる周波数を有するタスの固定周波数レーザを配備するか、あるいは多数の波長整調可能レーザを異なる周波数に調整することにより、発散ビーム通信システム１００は多数の別々の周波数を用いることができる。いくつかの例では、本システムは、１チャネル当たり０．１ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの帯域幅で５００ＴＨｚもの広い周波数範囲にわたって動作することができ、これにより５００，０００〜５，０００，０００，０００個の別々のチャネル動作が得られる。
【００６８】
図２Ａは、いくつかの例では、それぞれが光送信機１０２および光受信機１０４を備える複数の光送受信機２０２（送受信機モジュールと呼ぶ場合もある）に対応し得る光送受信機アレイ２００を示し、その例が図２Ｂにより詳細に示されている。図示のように、当該送受信機アレイは、その幅２０４および高さ２０６に沿って好適な数のセルを有していてもよい。１つの例では、当該送受信機アレイは、ｍ＝７０およびｎ＝３０でｍ×ｎ個の送受信機モジュールを含んでいてもよい。１つの例では、当該送受信機モジュール内の送信機および受信機のそれぞれの上にある光学部品（例えば開口部）の直径は、３〜４インチであってもよく、約４〜５インチの高さおよび７〜８インチの幅の長方形の送受信機が得られる。他の例では、より大きいまたはより小さい光学部品を使用してもよい。より大きい光学部品により一般に、より長い接続範囲が生じ得る。当該光学部品は、低コスト成形プラスチックレンズ、フレネルレンズ、鏡などの多種のものであってもよい。さらに、当該送受信機アレイのために図示されている正方形または長方形の形状以外の他の形状を使用してもよい。１つの例では三角形の構造を使用してもよく、別の例では八角形の構造を使用してもよい。他の例では、図２Ｃに示すように、それらの形状に関わらず携帯電話基地局などの既存のネットワークインフラを使用してもよい。
【００６９】
図２Ｂは、いくつかの実施形態に係る送受信機モジュール２０２をさらに詳細に示す。図示のように、例えば、当該送受信機は、１つ以上のレーザダイオードなどの１つ以上のエミッタ（例えば、エミッタ２０８アレイが図示されている）を有する光送信機１０２を備えていてもよい。１つ以上の光学部品２１０、２１２（例えば、１つ以上のレンズや鏡）を使用してエミッタからの平行ビームを拡散させ、かつこのビームを再集束させ、比較的広く部分的に平行な（例えば発散）光ビームを生成してもよい。別の例では、当該光学部品は、エミッタからの平行ビームを光送信機と光受信機１０４との間の点に集束させるように構成されていてもよく、この集束点において当該ビームを光受信機による受信のために拡散させてもよい。
【００７０】
また図示のように、送受信機モジュール２０２は、１つ以上のＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）などの１つ以上の検出器（例えば、検出器２１４アレイが図示されている）を有する光受信機１０４を備えていてもよい。当該受信機を使用して入ってくる光信号を検出してもよく、１つ以上の光学部品２１６（例えば、１つ以上のレンズや鏡）を使用して当該受信機に入ってくる光を集束させてもよい。パン／チルト制御などのポインティングシステム１０８を使用して光送信機および光受信機の両方を移動させ、それらを適当なエリアに向けてもよい。
【００７１】
ポインティングシステム１０８は、一般に送受信機モジュール２０２を指向させるように構成されていてもよい。但し、いくつかの例では、光送信機１０２または光受信機１０４を互いに独立に指向させてもよい。図２Ｃおよび図２Ｄに示すように、いくつかの例では、ポインティングシステムは、特に光受信機を指向させるように構成された受信機ポインティングシステム２１８をさらに備えていてもよい。また図示のように、いくつかの例では、受信機ポインティングシステムは、送受信機モジュール内に位置していてもよい。受信機ポインティングシステムにより、光受信機と入ってくるビームとの位置合わせを可能にして信号を最適化してもよい。ビームはデータを運んでもよく、あるいは以下で説明するように、ハートビートを運んでもよい。
【００７２】
図３は、携帯電話基地局などの既存のネットワークインフラ３００に組み込まれた１つ以上の光送受信機アレイ２０２を示す。図３に示すような状況では、各送受信機アレイが１２０°の受信可能範囲を与え、３つのアレイが３６０°の受信可能範囲を与えてもよい。あるいは、いくつかの例では、単一の送受信機アレイは、３Ｄ形状を形成する多数の方向に配置されたアレイなどにより３６０°の受信可能範囲を与えるように構成されていてもよい。これらのアレイは、最低十から、数百、数千、最大数百万またはそれ以上の幅広い数の光送信機１０２および光受信機１０４を含んでいてもよい。いくつかの例では、各ユーザは光送信機と光受信機との間を素早く切り換えることができ、これにより本システムの安全な動作を容易にしてもよい。
【００７３】
図４Ａおよび図４Ｂは、いくつかの実施形態に係る光送信機１０２および光受信機１０４を含む光送受信機４０２を装備することができるスマートフォンなどのモバイル機器４００を示す。図示のように、当該モバイル機器は、適当な反射ビームの受信を可能にするための１つ以上の上側および下側送受信機に光学部品（開口部）を備えていてもよい。図示されている例では、一次受光レンズ４０４および一次投光レンズ４０６がモバイル送受信機の底部に位置していてもよく、二次受光レンズ４０８および二次投光レンズ４１０が当該モバイル機器の頂部に位置していてもよい。１つの例では、下側光パイプ４１４および上側光パイプ４１６と共に光デュプレクサ４１２を使用して、一次もしくは二次レンズのいずれか一方からの光を当該光送受信機に適切に案内してもよい。
【００７４】
いくつかの例では、モバイル機器４００は、既存の改良されたモバイル機器であってもよく、あるいは一体化されたモバイル機器として製造されたものであってもよい。いくつかの例のモバイル機器では、ＧＰＳ位置／装置の向きと光送信機１０２または光リレーノードの知識とを組み合わせて当該モバイル機器に送受信ハンドシェイクプロトコルを開始させるかその開始に応答できるようにして、光送信機と光リレーノードと間の光リンクを最適化してもよい。当該モバイル機器は、いくつかの例では、デジタルインタフェース、可動式太陽光遮断機能を有する受信機光学部品、レーザ送信機／変調器、ビーム誘導装置および受信機／復調器を備えていてもよい。
【００７５】
上に示したように、発散ビーム通信システム１００におけるビーム広がりは、多くの異なる技術のいずれかを用いて生じさせてもよい。１つの例では、レーザダイオードまたは光ファイバなどの点光源エミッタを光送信機１０２に使用してもよく、光源が焦点にない凹レンズ、凸面鏡または凸レンズなどの適当な光学部品を使用して発散ビームを生成してもよい。図５Ａおよび図５Ｂは、ＶＣＳＥＬなどのエミッタ２０８アレイの分散光源を用いてビーム広がりを達成するための技術例を示し、ここでは分散光源は光送信機における光ビームのスポットサイズよりも大きい。図５Ａに示すように、分散光源を有する送信機は、１つ以上の光学部品５０２（例えば、光学部品２１０、２１２）の焦点に配置してもよい。当該アレイのエミッタは、それぞれの平行ビーム５０４を放出するが、上記アレイの間隔の程度により異なる角度によってである。これにより、その広がり角を上記アレイのサイズおよび当該光学部品の焦点距離によって設定することができる発散ビーム全体を生成してもよい。
【００７６】
図５Ｂに示すように、エミッタ２０８アレイは、光学部品５０２のより近くに位置していても、広がりの程度を増加させるためにより遠くに位置し、それによりその焦点５０６から離れていてもよい。この状況では、当該エミッタは、この場合も異なる角度でそれぞれの発散ビーム５０８を放出してもよい。この状況での広がり角は、上記アレイのサイズおよび、光学部品の焦点から離れている上記アレイの状況による焦点ずれの程度によって設定してもよい。
【００７７】
別の例では、送信機１０２は、所望のシステム広がりに近い固有の広がりを有する光源エミッタを使用してもよい。例えば、ＶＣＳＥＬレーザの広がり角は、端面発光レーザダイオードの広がりよりも小さくてもよく、本システムによって必要とされる広がりに近づけてもよい。この場合、さらなる光学部品は不要であってもよい。なお、上記手法のいくつかの組み合わせを使用して所望のシステムビーム広がりを達成してもよい。垂直および水平方向の広がりが異なっていると有利であり得ることにも留意されたい。
【００７８】
また、エミッタアレイの分散光源を有する送信機１０２により、いくつかの例では少なくとも部分的に目の安全性に関連し得る所望の動作に対して異なる出力限界が生じ得る。大部分のレーザ出力限界の計算値は、光を２０ミクロンのオーダーの非常に小さい点に集束させることができる平行ビームを前提としている。遠距離場では、これはほぼ点光源であるように見えるため、分散光源の正確な限界になり得る。遠距離場では、ビームは発散しているため、発散ビーム通信システム１００は既に所望の出力限界未満にあり得る。但し、当該送信機により近い近接場では、出力レベルは、平行ビームにとって望ましい出力限界よりも大きくてもよい。分散光源は単一のスポットに集束させることができず、むしろエリアに集束させることができるため、光源エミッタの拡張性により、この限界を大きくしてもよい。この限界は、ビーム広がりおよび当該送信機と当該エミッタが集束される場所との間の距離に依存し得るが、所望の出力限界を引き上げてもよい。次いで、出力限界の監視の一部または全てが必要でない場合には、これによりシステム設計を単純化し、かつコストを下げてもよい。
【００７９】
送信機１０２は多くの異なる種類のエミッタのいずれを用いてもよいが、ＶＣＳＥＬアレイがエミッタの種類の特に好適な例であり、これも当然のことながら分散光源を生じ得る。ＶＣＳＥＬアレイは、平行に配線することができる個々のダイオードからなるアレイを有し、それにより高周波数での高データ転送速度用途にとって望ましい入力容量よりも高い入力容量が生じることがある。現在の２ＷのＶＣＳＥＬアレイの１つは、それぞれが名目上０．４ｐＦの容量を有する平行な約１０００個のダイオードを有し、これにより４００ｐＦの入力容量が生じる。いくつかの例では、それぞれのアレイが１００個のダイオードを有し、従って４０ｐＦの容量を有する平行な構成で接続された１０個の異なるサブアレイとしてのＶＣＳＥＬアレイに電力を供給するようにその配線を再構成してもよい。接続されたサブアレイを、それぞれが４０ｐＦを駆動する１０個の別個の増幅器変調器を用いて駆動してもよい。
【００８０】
別の例では、その配線を１０個のサブアレイを直列構成で接続するように再構成してもよく、これにより４ｐＦの容量（４０ｐＦ／１０）に低下させ、かつ全ての１０００個のダイオードを単一の増幅器変調器により駆動可能にし、多数の増幅器を同期および位相整合する問題をなくしてもよい。また、直列構成のための駆動電圧を１０倍上昇させてもよく、より高い電流でより低い電圧負荷を駆動するよりも、より低い電流でより高い電圧負荷を駆動する方がより容易であり得るため、それにより当該アレイの駆動効率を高めてもよい。また、出力損失を低下させることもできる。
【００８１】
次いで、当該実施形態によれば、ＶＣＳＥＬなどのエミッタアレイを様々な平行および／または直列構成で配置して、最大のデータスループット率および出力効率の両観点から電気設計を最適化してもよい。また、緩和共鳴によるターンオンおよび／またはターンオフ時のオーバーシュートまたは振動の影響、オフ状態の跳ね返りおよび他の影響を最小限に抑えるために、電気駆動波形を調整してもよい。この波形は、直列または平行あるいはそれらの組み合わせである個々のＶＣＳＥＬの数によって決まってもよい。
【００８２】
上記に加えて、ＶＣＳＥＬにより、本開示の実施形態において多くの他の利点が得られる。各レーザ要素が本質的に短い空洞を有するため、ＶＣＳＥＬの直接変調をより容易にすることができる。直接変調により、より単純かつあまり高価でないシステム設計を得ることができる。当該アレイの平行な性質と共に各レーザのより高い信頼性により、非常に高いシステム信頼性および長いＭＴＢＦ（平均故障間隔）を得ることができる。たとえ当該アレイ内の数個のレーザが故障したとしても、全体的な出力低下は最小限に抑えることができる。ＶＣＳＥＬアレイの拡張性および高い効率により、熱発生および当該アレイ外への輸送という問題を最小限に抑えることができる。これらの両方が、高い帯域幅で低コストのＦＳＯシステムにとって重要であり得る。
【００８３】
また、ＶＣＳＥＬアレイは、１つのアレイ当たりより大きな数の要素、より高い全体出力およびより高い変調帯域幅も含むことができる。ＶＣＳＥＬは典型的にかなり効率的であり、場合によっては４０％超も効率的である。いくつかの例では、同じアレイは、多数の波長を有するＶＣＳＥＬを含んでいてもよく、アレイは、独立して制御または変調される小部分を含んでいてもよい。また、利用可能な波長を拡張してもよい。現在では、大部分のＶＣＳＥＬアレイは８００ｎｍ〜９００ｎｍであるが、波長は４００ｎｍ〜最大８００ｎｍの可視領域ならびに約１３１０ｎｍ〜約１５５０ｎｍを含むより典型的な遠隔通信波長のうちの一部にわたって利用可能になる場合もある。ＶＣＳＥＬアレイの一部はハートビートとして動作してもよく（以下により詳細に説明する）、その場合、その部分を上記アレイのデータ部分よりも非常に遅い速度で変調し、所望の出力レベルを生じさせてもよい。
【００８４】
次に光受信機１０４を参照すると、多くの通信システムはかなり小さいＰＩＮフォトダイオードまたはＡＰＤを使用しており、それらはいくつかの実施形態では好適であり得る。その小さいサイズは高い帯域幅を可能にし、かつ約５ミクロン〜最大２００ミクロンの範囲またはそれ以上のファイバ光学部品のコアサイズにも一致する。当該実施形態によれば、当該ビームは検出器において数センチメートルから数メートルの幅であってもよく、これは１センチメートルから最大数センチメートルの幅である開口部からの光子の収集に有利であり得る。これをレンズや鏡などの光学部品により達成してもよいが、受光角と開口部サイズとの間にトレードオフが存在することがある。これを、より大きな検出器を有する光受信機を用いて軽減してもよい。当該検出器は、収集開口部と同程度に大きくてもよく、光受信機は、どんな光学部品も有していなくてもよい。別の例では、光受信機は、非常に大きな面検出器を備え、かつ検出器の前に光学フィルタリングのみを有していてもよく、あるいは検出器アレイを構成する個々の検出器の前にマイクロレンズを有していてもよい。
【００８５】
図６Ａは、本開示の一実施形態に係る光受信機１０４を示す。図示のように、光送信機１０２と同様に、光受信機は、検出器２１４アレイの分散光源および１つ以上の光学部品６０２を備えていてもよい（検出器アレイは光送信機における光ビームのスポットサイズよりも大きなサイズを有する）。検出器アレイは、光送信機におけるエミッタアレイと同様の利点を有していてもよい。例えば、多くの小さい検出器に基づき検出器を構築することにより、システム帯域幅全体を非常に高いままにしてもよい。同様に数個の検出器が故障した場合に、システム性能全体に対する影響を減らしてもよい。
【００８６】
図６Ｂは同様の光受信機であるが、光学利得を増加させるために検出器２１４アレイに非常に近接して配置された、ルビー、サファイアまたはある種のプラスチックまたはガラスなどの屈折率材料でできた１つ以上の半球体レンズ６０４などの１つ以上の光学部品をさらに備える光受信機を示す。この増加は、当該材料の屈折率の二乗にまで達することがある。検出器アレイのちょうど前にある単一レンズとして示されているいくつかの例では、当該レンズは代わりとして、検出器アレイのそれぞれの検出器上のマイクロレンズアレイであってもよく、これにより上記アレイに対するフィルファクターの影響を減らしてもよい。これらのマイクロレンズは、検出器アレイ内の検出器の上および間の可能な限り多くの領域を覆うように形成および配置されていてもよい。
【００８７】
さらなる光学部品を有する検出器２１４アレイの場合、同じまたは同様の光開口部を維持するために光学利得をそれほど大きくする必要はないため、光受信機の受光角１０４は、かつてのＦＳＯシステムよりも非常に高くはないとしても同程度に高ければよい。検出器のサイズが２００ミクロンから最大５００ミクロン、次いで１ｍｍおよびそれ以上に増加した際は、０．１〜１００センチメートルまたはそれ以上の開口部サイズを維持しながら、受光角をほんの数分の１度から最大数度まで増加させてもよい。
【００８８】
簡単に図１を参照すると、いくつかの例では、光ビームの発散性および見通し線外（ＮＬＯＳ）事例において変化する条件を、光送信機１０２および／または光受信機１０４に調整可能な焦点、非点収差および／またはポインティング調整を有することにより改善してもよく、これらを多くの異なる方法のいずれかで実装してもよい。いくつかの実施形態では、光送信機１０２および／または光受信機１０４は、上記調整可能な焦点、非点収差またはポインティング調整のうちの１つ以上を可能にするように構成することができる１つ以上の動的光学部品を備えていてもよい。これらの動的光学部品は時間と共に変化してもよく、いくつかの例では、電気的に制御することができる１つ以上の表面を備えていてもよい。好適な動的光学部品の例としては、液体レンズや可変鏡などが挙げられる。より具体的な例としては、Ｖａｒｉｏｐｔｉｃ社またはＯｐｔｏｔｕｎｅ社によって製造されている液体レンズが挙げられる。特に液体レンズは一般に、携帯電話カメラなどの撮像用途のために設計されているが、発散ビーム通信システム１００に適応させてもよい。それらは比較的小さく、かつ低コストであり、当該装置内の膜にかかる電圧または電流により作動させてもよい。Ｖａｒｉｏｐｔｉｃ社製のＶｉｓａｙａｎなどの利用可能な非点収差を有する液体レンズも存在する。
【００８９】
図７Ａは、光ビームの調整可能な焦点を可能にするように構成された１つ以上の動的光学部品７０２を含む光送信機１０２を示す。光送信機では、調整可能な焦点により、発散７０２から準平行７０４および集束７０６までの光送信機からの所与の距離におけるビーム直径の調整を可能にしてもよい。例えば、１００ｍ〜最大１ｋｍの短距離構成では、可能な限りビーム路の多くにわたって出力レベルを所望の出力限界未満になるように、ビーム広がりを増加させることが望ましい場合がある。逆に、ビームが１ｋｍを超えて最大１０ｋｍまたはそれ以上を移動する例では、当該受信機における出力レベルが所与のデータ転送速度のために必要な閾値を超えたままであるように、ビーム広がりを減らすことが望ましい場合がある。同様に、霧などのいくつかの天候条件では、霧の散乱によってさらなるビーム広がりが生じることがあるため、ビーム広がりを減らすことが望ましい場合がある。
【００９０】
図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄは、垂直な広がり７０８を水平の広がり７１０とは異なるものにすることができ（垂直軸における集束は水平軸におけるものとは異なる）、光送信機１０２における非点収差を可能にするための動的光学部品７０２の使用を示す。これは、水平のビーム広がりが垂直のビーム広がりよりも大きくなり得る塔から地面への送信などの例において望ましい場合がある。光受信機１０４は、地面から垂直に数メートル以内であるが、特に塔から１ｋｍ以上の距離において水平に数十または数百メートル以内のどこかにあってもよい。
【００９１】
図７Ｅは、光送信機１０２におけるポインティング調整を可能にするための動的光学部品７０２の使用を示す。ポインティングシステム１０８との関連で上に説明したように、当該動的光学部品は、一直線７１２から＋／−０．６°の角度７１４および７１６までの光ビームの調整を可能にしてもよいが、当然のことながら、より大きいまたはより小さい角度が可能である。いくつかの例では、これにより、約８ビットすなわち２５６までの数の解像度（１．２°／２５６＝８０マイクロラジアンの解像度）調整を可能にしてもよい。
【００９２】
図８に示すように、いくつかの例では、当該実施形態の発散ビーム通信システム１００および方法は、単一の送信点、例えば迅速なビームディザリング８０２をサポートすることができる多数の光送信機１０２アレイまたはエミッタ２０８アレイを有する送信機などからの多数のビームをサポートすることができる。次いで、このビームディザリングを順番に使用して、狭いビームのサービス品質を低下させるシンチレーションおよびフェージングの影響を軽減してもよい。広いビームは、ビーム角度よりも非常に小さいディザ角度により迅速にディザリングされる場合があり、これにより、シンチレーションおよびフェージングの影響を平均させながら、所望の光受信機１０４に一貫して命中するビームを生じさせてもよい。また、このディザリングすなわち迅速なビーム路の移動により、ビーム路が望ましくない時間にわたって１つのエリアに決して留まらないように移動するビームを用いて安全性を高めてもよい。
【００９３】
図９Ａは、光ビームの調整可能な焦点を可能にするように構成された動的光学部品９０２を含む光受信機１０４を示す。この調整可能な焦点により、光受信機と光ビームの特性との整合を容易にしてもよい。故にＬＯＳの場合では、図９Ｂに示すように、入ってくるビームは当該受信機において効果的に平行にすることができるため、光受信機は、無限またはほぼ無限の焦点を所望することができる。天候の影響を受けるＬＯＳでは、雨、雪、霧またはそれ以外による散乱により光送信機と光受信機との間に効果的な光源点が生じる場合があるため、光送信機１０２と光受信機との間のいくつかの中間点で集束させることが望ましい場合がある。図９Ｃに示すように、これは同様に、光送信機と光受信機との間のいくつかの中間点で集束させることが同様に望ましい場合があるＮＬＯＳの場合であってもよい。
【００９４】
図９Ｄおよび図９Ｅは、光受信機１０４においてポインティング調整を可能にするための動的光学部品９０２の使用を示す。図示のように、当該動的光学部品により、単一の検出器または光受信機の検出器２１４アレイのサブセットに命中するような準平行ビームの調整を可能にしてもよい。これは光受信機における焦点の調整と同時に達成してもよい。
【００９５】
通信のための光送信機１０２と光受信機１０４との少なくとも最初の位置合わせは、多くの異なる方法のいずれかで達成してもよい。図１０は上で紹介したいくつかの技術例を示す。図示のように、発散ビーム通信システム１００は、高出力で高速の光通信１００２を提供するように構成されていてもよい。いくつかの例では、ＲＦシステムが本発散ビーム通信システムの下にあってもよく、光送信機と光受信機との間で低出力のＲＦ通信１００４を提供してそれらの位置を確立し、かつそれらの位置合わせを支援してもよい。このＲＦ通信は、光送信機と光受信機との位置合わせを支援することができる１つ以上のＲＦシグナルのセットからなるＲＦハートビート信号を含んでいてもよい。また、以下により詳細に説明するいくつかの例では、光送信機は、光送信機と光受信機との位置合わせを支援することができる１つ以上の広い光ビームのセットからなる光ハートビート１００６（光ハートビート信号）を放出するように構成されていてもよい。いくつかの例では、光送信機と光受信機とを位置合わせすることができる（あるいは互いまたは光ビームに対するそれらの向きをそれ以外の方法で調整することができる）ように、光送信機の位置（地理的位置）を運ぶか示すようにハートビート信号を変調してもよく、かつ／またはある信号により光受信機がその位置もしくはその位置の指標を光送信機に戻すようにしてもよい。光送信機および光受信機はそれらの位置を知っていてもよく、あるいはいくつかの例では、ＧＰＳまたは他の地理位置情報による方法などを介してそれらの位置を取得してもよい。あるいはいくつかの例では、光送信機または光受信機により、ハートビート信号内に埋め込まれたタイムスタンプなどを用いてそれ以外の位置を決定してもよい。
【００９６】
当該実施形態によれば、光送信機１０２によって放出される光ハートビートは、全ての場合において所望の出力限界以下の光ビームであってもよく、それを本システムの高出力で高速の光通信１００２よりも遅い速度で変調してもよい。位置合わせの場合に、光送信機はハートビート（光またはＲＦ）を放出してもよい。光受信機１０４は、ハートビートの少なくとも一部を捕捉するように構成された広視野（例えば、数十度〜最大１８０度以上）を有するカメラなどによりハートビートを検出してもよい。当該光受信機は、光送信機のハートビートを識別し、かつ必要に応じて移動して、光送信機と位置合わせしてもよい。あるいは、光受信機アレイを含むいくつかの例では、光受信機のいずれも移動することなく、光送信機と最も近くに位置合わせされた上記アレイの光受信機の１つ以上を、それ以外の光受信機が選択的に動作停止された（例えば、スイッチが切れた）状態で、選択的に起動してもよい（例えば、スイッチを入れてよい）。受信された光ビームの相対出力に基づくかハートビートを介した技術などの、光受信機の選択的起動または動作停止の他の技術を用いてもよい。いずれの場合も、次いで光受信機は、関連する送信機（光またはＲＦ）を介してハートビートを光送信機に送り戻してもよい。光送信機は関連する受信機を介して当該受信機のハートビートを受信し、かつ高速光通信の送信を開始してもよい。また、いくつかの例では、高速光通信の送信前などに当該受信機のハートビートにより光送信機を案内して光受信機との位置合わせを高めてもよい。
【００９７】
いくつかの例では、光送信機１０２は、光受信機１０４からのハートビートを監視してもよい。光受信機のハートビートが閾値レベルまたは他の判断基準未満に低下する場合では、光送信機は、高出力で高速の光通信１００２を不能にしてもよい。次いで、光送信機は、当該受信機の（閾値レベルまたは他の判断基準を超える）ハートビートを再び拾うかそれ以外の方法で検出するまで待機し、次いで高出力で高速の光通信を再確立してもよい。動作停止時間は、光曝露レベルを所望の出力限界未満に維持するのに十分な時間であってもよいが、可能な限り素早く（例えば、ミリ秒オーダーまたはそれより速く）高速光通信の再確立を可能にする時間であってもよい。例えば、ビーム路内を行き来する分岐波（tree branch waving）により、ビームを通過する度に数分の１秒間ビームを妨害してもよいが、十分に速い再開により通信スループットに対するあらゆる影響を最小限に抑えてもよい。
【００９８】
いくつかの例では、光送信機１０２と光受信機１０４との位置合わせは、多くの異なる技術に従い、光受信機内で少なくとも部分的に達成してもよい。図１１Ａおよび図１１Ｂは２つの例を示す。図１１Ａに示すように、光受信機は、検出された光ビームの一部を適当な光学部品１１０４を介してカメラ１１０６に反射させるように構成されたフィルタまたは部分的ピックオフミラー１１０２を備えていてもよい。当該カメラは、光ビームの反射部分を捕捉し、かつ光受信機の電子機器と通信して、光ビームの捕捉された反射部分に基づき粗いステアリング（例えば、モーター、受信機ポインティングシステム２１８）および／または細かいステアリング（例えば、ＭＥＭＳミラー、動的光学部品または他の方法）を駆動するように構成されていてもよい。いくつかの例では、光送信機のエミッタ２０８アレイは１つ以上のエミッタを含んでいてもよく、あるいは光送信機は、カメラのフレームレートよりも低い速度で光ビームを放出して追跡、ロックインおよびハートビートを可能にするように構成された１つ以上のさらなるエミッタを含んでいてもよい。
【００９９】
図１１Ｂに示すように、別の例では、光受信機は、限界開口１１１０の周囲に配置され、かつそれにより遮光することができる複数のフォトダイオード１１０８（フォトダイオード１１０８ａ、１１０８ｂ、１１０８ｃ、１１０８ｄとして４つが図示されている）を含んでいてもよい。この例では、当該フォトダイオードは、当該フォトダイオードにおいて検出された光ビームの相対出力（検出器２１４において検出された光ビームの全体出力に対する）を検出し、かつ光受信機１０４の電子機器と通信して粗いステアリング（例えば、モーター、受信機ポインティングシステム２１８）および／または細かいステアリング（例えば、ＭＥＭＳミラー、動的光学部品）を駆動するように構成されていてもよい。いくつかの例では、円の周りに約１２０°離間して配置されたフォトダイオード１１０８ａ、１１０８ｂおよび１１０８ｃのように、３つのみのフォトダイオードを使用してもよい。より具体的な例では、このフィードバック制御について、それぞれのフォトダイオードで検出された相対出力ごとに、以下のように要約することができる：
［フォトダイオード１１０８ｂ＞フォトダイオード１１０８ｃ］であれば、第１の方向（例えば右）にパンさせ、
フォトダイオード１１０８ｂ＜フォトダイオード１１０８ｃであれば、反対の第２の方向（例えば左）にパンさせ、
［フォトダイオード１１０８ａ＞（フォトダイオード１１０８ｂ＋フォトダイオード１１０８ｃ）／２］であれば、第３の方向（例えば下）にチルトさせ、かつ
［フォトダイオード１１０８ａ＜（フォトダイオード１１０８ｂ＋フォトダイオード１１０８ｃ）／２］であれば、反対の第４の方向（例えば上）にチルトさせる。
【０１００】
光受信機１０４のステアリングすなわちパン動作との関連で説明してきたが、上に説明したように、光受信機アレイを含むいくつかの例では、光受信機を移動させることなく位置合わせを達成してもよい。これらの例では、光受信機のいずれも移動させることなく、光送信機に最も近く位置合わせされた上記アレイの光受信機の１つ以上を、それ以外の光受信機が選択的に動作停止された（例えばスイッチが切れた）状態で、選択的に起動してもよい（例えばスイッチを入れてもよい）。
【０１０１】
上に説明したように、いくつかの例では、単一の光送信機１０２は、その光ビームの円錐内に存在するような多数の受信機に対応できる（ＬＯＳの場合）。上に説明したように、これは、１つ以上の多重化技術などに従う多くの異なる方法で達成してもよい。図１２Ａは、１つの多重化技術の例すなわちスペクトル多重化を示す。図示のように、光送信機のエミッタ２０８アレイを異なるそれぞれの波長を有する１つ以上のエミッタのグループに分けてもよい（λ１、λ２、λ３、λ４として示されており、かつ上記ハートビートのための別個のエミッタを有する）。当該グループのエミッタは、図示のように領域ごとに上記アレイ内に配置されていてもよく、あるいは他の例では、当該エミッタは互いに散らばっていてもよい。光受信機１０４は、それらの検出器２１４の１つ以上の全てまたはいくつかの前に１つ以上の波長特異的もしくは波長整調可能フィルタ１２０２を備えていてもよい。いくつかの例では、波長整調可能フィルタは、環境条件、特に温度の変化などの各種条件により当該エミッタの波長が変化した際に動的に調整可能であってもよい。
【０１０２】
スペクトル多重化に加えて、あるいはその代わりに、発散ビーム通信システム１００はいくつかの例では、図１２Ｂに示す方法などで空間多重化（ＳＭＸ）を用いてもよい。図示のように、光送信機のエミッタ２０８アレイは、独立して変調することができるエミッタのパターン（例えば、１つ以上のエミッタのグループのパターン）で配置されていてもよい（領域１、領域２、領域３、領域４として図示されており、かつ上記ハートビートのための別個のエミッタを有する）。光受信機１０４における検出器２１４アレイは同様に、検出器の対応するパターンで配置されていてもよい。いくつかの例では、本システムは、晴天条件下で空間多重化を使用してもよい。次いで、本システムは顕著な散乱（例えば天候による）の場合またはＮＬＯＳの場合に空間多重化をオフにするか低下させ、これにより帯域幅全体を低下させるが通信容量を維持することができる。
【０１０３】
各種例における発散ビーム通信システム１００のさらなる特徴としては、光送信機１０２が多数の経路を試み、かつ／またはユーザに自身の光受信機１０４を回転または移動させるように信号を送ってそれらの位置合わせを最適化し、かつ受信される信号の速度およびサービス品質を高めることが挙げられる。このユーザへの信号送信は、テキスト、記号、音声、音または他の光信号、音響信号、触覚信号またはそれ以外の信号などによる多くの異なる方法で達成してもよい。より具体的な例では、光送信機は、窓まで移動するか、自身の前、後ろ、左または右に移動するようにユーザに信号を送ってもよい。別の特定の例では、光送信機は、ユーザに円に回転するように信号を送ってもよく、回転を停止する際にユーザに信号を送ってもよい。あるいは、さらに別の例では、光送信機は、ユーザに光受信機を移動、回転またはチルトさせるように信号を送ってもよい。
【０１０４】
いくつかの例では、安全な出力レベルを高めるために再帰反射を使用してもよい。これらの例によれば、光送信機１０２または光送信機アレイは短いパルスを放出してもよく、あらゆる帰還（反射）信号を監視するように構成された１つ以上の検出器または他のセンサを備えていてもよい。非常に短い時間遅延における大強度反射は、近距離における送信ビーム内の物体を示してもよく、これにより光送信機またはアレイに、異なるエミッタまたは上記アレイの異なる送信機を支持するそのビームの放出を停止させてもよい。十分に長い期間にわたる光エネルギーの十分な蓄積によってのみ生じ得る特定の公知かつ規制されたエネルギー閾値に到達する前にビームを中断することができるため、本システムの応答速度により安全な動作を容易してもよい。
【０１０５】
いくつかの例では、発散ビーム通信システム１００の環境の３Ｄモデリングを使用してそのスループットを最適化してもよい。これは既存の地形および都市建築物のデータベースおよび画像、システムによって収集されたデータまたはそれらの組み合わせを用いて達成してもよい。より具体的な例では、再帰反射強度および時間遅延を使用してライダー（ＬＩＤＡＲ）型機能を達成してもよい。環境の３Ｄモデルから、固定および移動光送信機１０２ならびに光受信機１０４の両方にとって最適なビーム路を予測してもよい。移動光受信機の場合、当該受信機の経路を３Ｄモデルにモデル化して、モバイルユーザによる受信にとって最適なビーム路を形成してもよい。この３Ｄモデルは、良好な反射器１１８（例えば、異なる位置に移動する駐車中のトラック）などの変化に応答して適応するものであってもよい。本システムによって得られたビーム反射および送信強度情報を使用して最初の３Ｄモデルを改良するか、あるいは新しい３Ｄモデルを作製してもよい。
【０１０６】
１つの例では、大規模外部搬送システム（例えば、携帯電話マクロセルサイト）および局所ルータシステムの両方に同じ部品および周波数を使用することができる固定遅延ルータ（光リレーノード）を使用してもよい。これにより規模の経済およびシステム効率を高める共通性を得ることができる。
【０１０７】
いくつかの例では、発散ビーム通信システム１００によって可動式リレービームを生成してもよい。協働するユーザ／ルータは、マクロセルからモバイルまたは他のユーザへの信号を中継してもよい。
【０１０８】
いくつかの例では、非常に低重量かつ低出力の光リレーノードなどの形態で自律型の固定もしくは移動光送信機、光受信機または光送受信機（セルノードと呼ぶ場合もある）を配備することができる。これらの例では、空中（例えば、風船、無人機、飛行船）に、あるいは建物、塔、ポール、木または地面よりも上の他の位置に、軽量の光リレーノードを配備することができる。１つの例では、これらの自律型光送信機、光受信機または光送受信機は太陽光発電式であってもよい。
【０１０９】
いくつかの例では、外部、内部またはその両方の導光板を使用して、発散ビーム通信システムからの信号を伝播させてもよい。
【０１１０】
いくつかの例では、セキュリティ、干渉抑制、および／または太陽光バックグラウンドおよびマルチパス歪みに対抗するためのＳＮＲ向上のために、迅速なビーム周波数走査を使用してもよい。１つの例では、全ての半導体無動レーザを電気的に調整し、あらゆる機械部品または電気機械部品の使用を回避してもよい。
【０１１１】
いくつかの例では、ネットワークへの寄与およびその形成に積極的なユーザにより、アドホックネットワークを形成してもよい。
【０１１２】
いくつかの例では、発散ビーム通信システム１００は、ある種の携帯電話バッテリーに類似したピギーバック装置（piggyback device）の使用により、携帯電話、タブレットまたはパーソナルコンピュータなどの既存のモバイルデータ伝送装置に一体化されていてもよく、ここでは光学部品は既存のモバイル機器と一体化されていてもよい。
【０１１３】
いくつかの例では、光受信機構造内に機械バッフルを使用して、光送信機からの単一ビームの選択を可能にし、このようにしてマルチパス問題および受信システムに対する入射太陽光の影響を減らしてもよい。別の例では、光受信機１０４における光コリメーターにより、狭い許容範囲外の信号を拒否し、マルチパスの影響を改善してもよい。
【０１１４】
発散ビーム通信システム１００におけるマルチパス因子および干渉は、多くの方法で対処することができる。１つの例では、拒否閾値を超える信号強度を有する他の経路がより強力な信号経路よりも符号間干渉を引き起こすほどに不十分に長いまたは短いものであるように、光送信機１０２と光受信機１０４との間の恐らく最も強力な信号経路（直接的なものか反射されたものかは問わない）を十分に短くしてもよい。この状況は、比較的低いデータ転送速度における比較的短い経路に当て嵌まり得る。１つの例では、符号化を使用してマルチパス干渉の影響を軽減してもよい。別の例では、光信号は、マルチパス環境におけるパルスの不鮮明化を補償し、かつ符号間干渉を減らすための符号化された周波数分割であってもよい。当該受信機は信号を再構築してもよい。従って、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）を使用してマルチパス問題に対抗してもよい。別の例では、同期された受信機の時間ゲーティングを使用して、光子を最も短い、すなわち最も効率的な経路を移動する光子のみに制限してもよい。
【０１１５】
実施形態の発散ビーム通信システム１００をさらに例示するために、次に、当該実施形態を配備することができる各種状況を示す図１３〜図１７、図１８Ａおよび図１８Ｂを参照する。上に説明したように、特定の光受信機１０４ａは光送信機１０２からの入射ビームを検出してもよく、他の光受信機１０４ｂは（または同じ受信機であっても）、反射器１１８（散乱体を含む）からの反射ビーム（散乱ビームを含む）を検出してもよい。図１３は、建物１３０２が光受信機１０４ｂによる受信により放出された光ビーム（遮断された入射ビーム１３０４として示されている）を遮断することができる状況を示す。図示のように、地面または別の建物などの適当な反射器上の反射点１３０６は、光受信機１０４ｂによって受信することができる反射ビーム１３０８を生成することができる。光受信機はここでは固定されていても移動可能であってもよいが、移動受信機では、入射もしくは反射ビームに対するさらなる位置合わせが望まれたり要求されたりする場合があり、感度問題によりさらなる検討が必要になるかもしれない。
【０１１６】
図１４は、固定された受信機環境における発散ビーム通信システム１００の配備例を示す。図示のように、光送受信機アレイ２００などの光送信機アレイは、ホスト建物１４０２、塔または他の位置に配置されていてもよい。光送信機は、１つ以上の光受信機１０４ａ（建物１４０６内に図示されている）への直接見通し線（ＬＯＳ）を有する入射ビーム１４０４を含むビーム、および反射または散乱して１つ以上の光受信機１０４ｂ（別の建物１４１２内に図示されている）によって検出可能な反射／散乱ビーム１４１０を生成することができる別の第２の入射ビーム１４０８を発生してもよい。図示されていない別の例では、反射／散乱ビームを直接見通し線ビームによって生成してもよい。光受信機１０４ａは、直接見通し線ビームから光を直接受信してもよく、また第２のビームから直接見通し線光を受信してもよい。第２のビームを使用して反射／散乱ビームを生成してもよく、これはランバート性を有していてもよく、光を完全に１８０°にわたって散乱させてもよい。次いで、この第２のビームを光受信機１０４ｂによって受信してもよい。図示されていない別の例では、固定された反射もしくは散乱面または両種類の表面を、第２のビームの最初の入射点に取り付けて、光受信機１０４ｂにより効率的に光を誘導することができる反射／散乱ビームを生成してもよい。
【０１１７】
上に示したように、図１４の状況における光受信機１０４ａ、１０４ｂは固定されていてもよい。他の例では、状況例において以下により詳細に説明するように、上記光受信機の一方または両方は代わりとして、特定のエリア内で移動可能すなわちモバイル機器であってもよい。１つの例では、ユーザはそれらの受信機を特定のエリア内の異なる位置まで物理的に運ぶか配置してもよい。別の例では、上記光受信機の一方または両方には、受信を改善するためにそれらを１つ以上の（例えば６つ）の自由度で自立的に移動させることができる装置を装備することができる。
【０１１８】
図１５Ａは、建物（例えば、建物１４１０、１４１２）、車両または他の構造物の窓１５０４を介した入射ビーム１５０２の受信を示し、このビームは、天井、床または壁から反射して反射ビーム１５０６を生成してもよい。図１５Ｂは、別の入射ビームとして中継のために入射ビームがルータ（光リレーノード）１５０８によって受信され、それが同様に、天井、床または壁から反射して反射ビームを生成することができる同様の状況を示す。どちらの例も、入射ビームは直接受信されてもよい。反射ビームも直接受信されてもよく、あるいはそれらにより、敷居の隙間１５１２を通過することができるような伝播される放射の形態で残存放射１５１０が生じてもよい。本システムは直接受信された入射もしくは反射ビームにおいて生じるものから伝播された放射において生じるものにまで及ぶ各種出力レベルに適合することができるため、伝送路は重要ではなく、本システムは、必要に応じて入射、反射もしくは残存放射を拾うことができる。
【０１１９】
図１５Ｃは、いくつかの実施形態に係るルータ（光リレーノード）１５０８をより詳細に示す。図示のように、当該ルータは、外部構成および内部構成を含んでいてもよい。外部構成は、光ビームを受信するように構成された１つ以上の外部検出器１５１４を有する１つ以上の外部光受信機を備えていてもよく、内部構成は、光ビームを再送信するように構成された１つ以上の内部エミッタ１５１６を有する１つ以上の内部光送信機を備えていてもよい。別々に図示されていないが、いくつかの例では、内部構成は、光ビームを受信するように構成された１つ以上の内部検出器を有する１つ以上の内部光受信機も備えていてもよく、外部構成は、光ビームを再送信するように構成された１つ以上の外部エミッタを有する１つ以上の外部光送信機を備えていてもよい。１つの特定の例では、外部および内部検出器は、１００ｃｍ２のエリアをカバーし、かつ１０００個の光子／ビットを提供してもよく、内部および外部エミッタは±４５°をカバーしてもよい。内部エミッタは２０°のポインティングを可能にしてもよく、外部エミッタは０．５°のポインティングを可能にしてもよい。
【０１２０】
図１６は、移動受信機環境における発散ビーム通信システム１００の配備例を示す。図示のように、ここでも光送受信機アレイ２００などの光送信機アレイは、ホスト建物１４０２、塔または他の位置に配置されていてもよい。光送信機は、建物反射ビーム１６０４ならびに地面反射ビーム１６０６を生成する入射ビーム１６０２を含むビームを発生してもよい。次いで、入射および反射ビームを含むこれらのビーを、１つ以上の光受信機１０４ａ、１０４ｂによって受信してもよい。いくつかの例では、当該受信機は、入射ビームから意図的に「目を背け」て、直接ビームよりも安定だがより低い出力レベルのビームを得てもよい。例えば、建物または地面から反射された放射は、当該送受信機アレイからの直接放射よりも一定であってもよい。ＳＮＲなどによる多くの異なる方法で、この決定を行うことができる。従って、光受信機は、反射ビームを優先的に検出するかそれ以外の方法で自動追跡し、入射ビームの直接検出を回避してもよい。
【０１２１】
図１７は、都市および田舎（例えば森の多い）環境における発散ビーム通信システム１００の配備例を示す。さらにここでも、この例は、ホスト建物１４０２、塔または他の位置に配置された光送受信機アレイ２００などの光送信機アレイを備える。図示のとおり、この状況では、光送信機からの入射ビーム１７０２を通常の比較的均質な大気中微粒子から散乱させて、それにより反射／散乱ビーム１７０４を生成してもよい。さらに、入射ビームを、屋根の通気口から生じる水蒸気１７０６、または霧、雲、煙などの非均質な大気中微粒子から散乱させて、それによりさらなる反射／散乱ビームを生成してもよい。これらの反射／散乱ビームを固定もしくは移動光受信機によって受信してもよい。いくつかの例では、紫外線波長に対する青などのより短い波長は、それらのより大きな程度の散乱により有利になり得る。
【０１２２】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、都市および田舎（例えば森の多い）環境における発散ビーム通信システム１００の他の配備例を示す。これらの例では、本システムは、光送信機または、光送信機を含む送受信機（別々に図示されていない）が装備された人工衛星の急増するネットワークなどにおける１つ以上の人工衛星１８０２を備える。この状況では、人工衛星は、都市環境および／または田舎環境においてほぼ垂直または効果的に垂直な光ビームを送信するように構成されていてもよい。これらのビームを固定もしくは移動光受信機によって受信してもよい。これらのビームを固定もしくは移動光受信機によって受信してもよい。いくつかの例では、赤外線波長に対する赤などのより長い波長は、図１８Ｂに示すように、それらのより良好な雲１８０４への貫通により有利になり得る。
【０１２３】
図１９は、本開示の実施形態に係る方法１９００における各種動作を示す。ブロック１９０２および１９０４に示すように、本方法は、データにより光ビームを変調する工程と、光ビームからのデータを検出および回復するように構成された光受信機による受信のために、人工の閉じ込めを伴わずにデータを伝搬する光ビームを光送信機によって放出する工程とをそれぞれ含んでもよい。光ビームを０．１度超の広がり角および０．０５％未満の光子効率で放出してもよい。あるいは、別の例では、光ビームを０．１度超の広がり角および０．０１％未満の光子効率で放出してもよい。また、光子効率は、光受信機によって検出可能な光ビームの光子数を光送信機によって放出される光ビームの光子数に相関し得る。
【０１２４】
従って、本開示の実施形態は、発散ビーム通信システム１００および光通信方法、より詳細には発散ビーム通信を提供する。従来のＦＳＯ通信とは対照的に、当該実施形態のシステムおよび方法は、さらにより広いビームおよびさらにより高い出力レベルを使用する。光ビームの出力のかなりの部分は、より従来のＦＳＯ通信と比較して「浪費される」場合もあるが、より広いビームによりポインティングおよび追跡が完全に不必要なものになるか、あるいは容易かつ手頃なものになる。これらの高出力の広いビームにより、モバイルユーザに対する柔軟性、より高いサービス品質、ならびに反射および散乱伝播により高いデータ転送速度スループットおよび高品質サービスを可能にすることができる見通し線外（ＮＬＯＳ）および妨害された見通し線用途の実現も可能になる。
【０１２５】
発散ビーム通信システム１００および本方法は、高出力固体レーザまたは、１Ｇｂ／ｓ超およびいくつかの例では最大１Ｔｂ／ｓまたはそれ以上の高いデータ転送速度の無線通信のために他のエミッタを用いてもよい。また、いくつかの例では、本システムにより各通信リンクのためのビーム広がりを最適化してもよい。ビーム広がり角は、固定されていても徐々に、または急速に変化してもよい。本システムは、光送信機１０２と光受信機１０４との間に見通し線を必要としない。本発散ビーム通信システムで使用されるエミッタの放出出力は、多数の反射を有する場合であっても非常に高いデータ伝送率が達成可能であるようなものであればよい。
【０１２６】
発散ビーム通信システム１００は、光子もしくは送信効率およびその光ビームの広がりなどに基づく多くの異なる方法で従来のＦＳＯ送信を用いて構築されていてもよい。ここでは、光子効率は、光検出器によって検出可能な光子数を光送信機で放出されたビームの光子数に相関し得る。この点に関しては、光検出器によって検出可能な光子数をその受光角によって規定するか、それ以外の方法で制限してもよい。いくつかの例では、光子効率は、光受信機１０４によって検出された光子数（ＡＲ）／光送信機１０２によって放出された光子数（ＡＴ）の比（Ｅ）（Ｅ＝ＡＲ／ＡＴ）で表してもよい。因子Ｅは、ビーム広がりまたはビーム幅などの多くの変数によって影響を受けることがある。
【０１２７】
従来の手法では高い送信効率を達成することができるが（Ｅ＝１０％〜９０％）、０．０００５〜０．００５度のオーダーの広がりを有する非常に狭いビームが必要とされ、次いで、より高いコストおよび極めて高い精度での指向が求められる。他方、当該実施形態の発散ビーム通信システムは、はるかにより広いビームを使用する。いくつかの例では、そのビームは、０．２〜６度のオーダーのビーム広がりを有するより広いビームにより０．０１％〜０．００００１％の光子効率しか達成することができないが、これにより、当該ポインティングシステムが非常に手頃になるようにポインティング要求を軽減してもよい。他の例では、ビーム広がり角は、０．０２〜２０度、０．１〜１０度などの範囲であってもよい。より一般的な場合におけるいくつかの例では、本発散ビーム通信システムは、０．１度超のビーム広がりおよび０．０１％未満の光子効率で動作することができる。あるいは他の例では、本発散ビーム通信システムは、０．１度超のビーム広がりおよび０．０５％未満の光子効率で動作することができる。
【０１２８】
既存のＦＳＯ見通し線システムでは、光送信機は典型的に、たった０．０１〜１０ｍＷ、または恐らく３０〜５０ｍＷである。これらのＦＳＯシステムは、レーザのコストおよび安全性懸念によって制限されており、これは、約１００ｍＷ超または１Ｗ超の出力レベルが経済的に実行不可能であり、かつ／または安全でないことを意味している。従って、これらのシステムは、レーザ出力を最小限に抑える努力をしている。対照的に、本開示の各種実施形態の発散ビーム通信システム１００は、最大ではないとしても高い利用可能なレーザ出力を利用する努力をするものである。
【０１２９】
発散ビーム通信システム１００では、光送信機１０２の出力は、本システムの限界ではなく、エネルギー消費およびコストに関する経済問題を単に提起している場合がある。既存の無線ＲＦシステムは、約１０００人の顧客に対応するために５ｋＷ〜５０ｋＷのピーク出力を消費するマクロセル基地局建物を使用する。これは１人の顧客当たり約５〜５０ピークワットである。この出力消費の利用率すなわちデューティサイクルは非常に低く、約０．１〜１％であり、スペクトル利用によって制限されている。現在の無線ＲＦシステムのエネルギーコストは、１人の顧客当たり１月たった０．１〜１米国ドルの範囲である。現在の高速無線ＲＦシステムは、１人の顧客当たり１月約３０〜１００米国ドルを請求している。従って、基地局のエネルギーコストは、サービス料のたった約０．１〜１％によって賄われている。
【０１３０】
経済的に、当該実施形態の発散ビーム通信システム１００は、総サービスコストの妥当な割合すなわち１０％を超えるエネルギーコストにより経済問題が引き起こされ得るというエネルギーコスト問題に立ち向かうことができる。従って、いくつかの例では、本システムは、典型的なスペクトル利用率において、エネルギー消費に基づき１人の顧客当たり約１００Ｗ〜１０００Ｗのピーク出力で動作することができる。より頻繁な濃霧を有するエリアでは、よりハイエンドの出力が特に有利になり得、より晴天の多いエリアでは、よりローエンドの出力が有用になり得る。上に実証されているように、これらの出力レベルは、既存のＦＳＯシステムのレベルの１０倍から１００万倍超であってもよい。これは例えば、本システムが地理的領域のたった数パーセントで生じ得る濃霧を通して信号を駆動するのに必要な場合にのみ、よりハイエンドの出力を使用する場合であってもよく、よって１月当たりの時間の数パーセントでもあってもよい。
【０１３１】
また、当該実施形態の発散ビーム通信システム１００および方法は、妨害されていない直接ＬＯＳを使用することなく動作することができ、光送信機１０２への非常に妨害されたＬＯＳまたは、さらに完全に遮断されたＬＯＳを有する光受信機１０４との通信を可能にする。いくつかの例では、反射ビームは直接入射ビームよりも非常に小さい変動を有し得るため、当該受信機は、サービス品質を高めるために光送信機からさらに意図的に「目を背け」てもよい。
【０１３２】
当該実施形態の発散ビーム通信システム１００および方法は、多数の光送信機１０２アレイまたはエミッタ２０８アレイを有する送信機などの単一の送信点からの多数のビームをサポートしてもよく、これにより信頼性およびサービス品質を高めてもよい。本システムは、ビーム路が望ましくない状況を提供する程十分に長く１つのスポットに決して留まらないように、１つの送信機またはエミッタから別の送信機またはエミッタに迅速に移動する、すなわちディザリングする光ビームもサポートしてもよい。また、この常に移動するビームおよび経路により、新しいより最適な経路を常に見つけて常に高いサービス品質を維持してもよい。さらに、広い光ビームのこのディザリングは、ビーム角度よりも非常に小さいディザ角度により達成してもよく、ビームがその目的とする光受信機に命中する確率を高め、かつシンチレーションおよびフェージングの影響を平均してもよい。
【０１３３】
本開示の実施形態をハードウェアおよびソフトウェアのあらゆる組み合わせにより実装してもよい。コンピュータによって実行される装置として実装する場合、これらの例を、上記工程および機能のうちの一部または全てを実施する手段を用いて実装してもよい。
【０１３４】
本開示の実施形態は、例えば、情報を格納することができる非一時的装置として１つの位置から別の位置に情報を伝播することができる一時的電子信号などのコンピュータ可読伝送媒体と区別することができるコンピュータ可読記憶媒体を有する製品（例えば、１つ以上のコンピュータプログラム製品）に含めることができる。本明細書に記載されているコンピュータ可読媒体とは一般に、コンピュータ可読記憶媒体またはコンピュータ可読伝送媒体を指してもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、当該実施形態の機構を提供および容易にするためのコンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読プログラム符号手段をその中に組み込んでいる。この点に関しては、コンピュータ可読記憶媒体は、プロセッサ（ハードウェアプロセッサ）による実行に応答して、装置に本明細書に記載されている各種機能を実行させる、その中に格納されているコンピュータ可読プログラム符号部分を有していてもよい。当該製品を上記プロセッサを含むコンピュータシステムの一部として含めたり別々に提供したりすることができる。あるいは、いくつかの例では、当該製品を、光送信機１０２、光受信機１０４、変調器１０６、ポインティングシステム１０８、制御システム１１０および／またはデータ光源１１２などの、発散ビーム通信システム１００の１つ以上の部品の電子機器の中に含めてもよい。
【０１３５】
上記説明および関連する図面に示されている教示の利点を有するこれらの開示が属する技術分野の当業者であれば、本明細書に記載されている本開示の多くの修正形態および他の実施形態を思い付くであろう。従って、当然のことながら、本開示は、開示されている具体的な実施形態に限定されるものではなく、修正形態および他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、上記説明および関連する図面は、要素および／または機能の特定の組み合わせの例との関連で実施形態について記述しているが、当然のことながら、添付の特許請求の範囲から逸脱しない他の実施形態により、要素および／または機能の異なる組み合わせを提供してもよい。この点に関しては、例えば、上に明示的に記載されているものとは異なる要素および／または機能の組み合わせも、添付の特許請求の範囲の一部に記載されていてもよいものとして想定される。本明細書には具体的な用語が用いられているが、それらは一般的かつ記述的な意味でのみ使用されており、限定のためのものではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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