(57)【要約】  本発明は、光電子デバイス２６、データを生成する電子装置３０、並びに光電子デバイス２６及び電子装置３０を制御するように構成された電気回路２８を有する光変換器回路２４を有する光送受信器に関する。光電子デバイス２６は、入射光ビームを受け取ると、前記光ビームを電気エネルギに変換するように構成される。光電子デバイス２６は、更に、光パルスを放射するように構成され、前記光パルスの放射は、光誘起エレクトロルミネセンス（ＰＩＥＬ）によって前記入射光ビームにより誘起され、光誘起エレクトロルミネセンスに基づく前記光パルスは、電子装置３０により生成されたデータを有する。電気回路２８は、光電子デバイス２６に、光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルの前記光パルスを放射させる多重信号レベル符号化スキームによって前記データを光電子デバイス２６に対して変調するように構成される。
2019533337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子デバイス、データを生成する電子装置、並びに前記光電子デバイス及び前記電子装置を制御する電気回路を有する光変換器回路、
を有する光送受信器において、
前記光電子デバイスが、入射光ビームを受け取ると、前記光ビームを電気エネルギに変換し、
前記光電子デバイスが、光パルスを放射し、前記光パルスの放射は、光誘起エレクトロルミネセンス（ＰＩＥＬ）によって前記入射光ビームにより誘起され、光誘起エレクトロルミネセンスに基づく前記光パルスが、前記電子装置により生成された前記データを有し、
前記電気回路が、多重信号レベル符号化スキームによって前記データを前記光電子デバイスに対して変調し、前記光電子デバイスに、光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルの前記光パルスを放射させる、
光送受信器。
【請求項２】
前記光電子デバイスが、前記光変換器回路に電力供給するために前記光ビームを電気エネルギに変換する、請求項１に記載の光送受信器。
【請求項３】
前記電気回路が、前記光パルスの異なるレベルの光強度を生成するように、前記光電子デバイスにおける電気負荷を変化させる又は異なる電気負荷レベルの離散的なセットにセグメント化する、請求項１に記載の光送受信器。
【請求項４】
前記電気回路が、前記光電子デバイスの動作点の周りの限定的な範囲で前記電気負荷を変化させる、請求項３に記載の光送受信器。
【請求項５】
前記電気回路が、可変抵抗を持つ電気又は電子部品を有する、請求項３に記載の光送受信器。
【請求項６】
前記可変抵抗を持つ電気又は電子部品が、前記光電子デバイスに直列に接続される、請求項５に記載の光送受信器。
【請求項７】
前記電気回路が、可変抵抗を各々持つ第１及び第２の電気又は電子部品を有し、前記第１の電気又は電子部品が、前記光電子デバイスに直列に接続され、前記第２の電気又は電子部品が、前記光電子デバイスに並列に接続される、請求項３に記載の光送受信器。
【請求項８】
前記電気回路が、前記多重信号レベル符号化スキームのレベルの数によって複数のサブ回路を有し、各サブ回路が、前記光電子デバイスに対して個別の電気負荷を提供する、請求項１に記載の光送受信器。
【請求項９】
前記サブ回路の各々又は少なくとも一部が、前記光電子デバイスにより前記入射光ビームから変換された電気エネルギを蓄積するエネルギ蓄積要素を独自に持つ、請求項８に記載の光送受信器。
【請求項１０】
前記電気回路が、前記光電子デバイスに接続された複数の電流源を有し、各電流源が、個別にオン及びオフに切り替えられる、請求項１に記載の光送受信器。
【請求項１１】
前記光電子デバイスが、複数の光電子セグメントを持つ、請求項１に記載の光送受信器。
【請求項１２】
前記光電子デバイスが、直接バンドギャップを持つ半導体材料を有する半導体デバイスである、請求項１に記載の光送受信器。
【請求項１３】
長さ、近位端部分及び遠位端部分を持つ細長い本体と、
前記細長い本体の長さに沿って延在する光ガイドと、
前記光ガイドと光学連通する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光送受信器であって、前記細長い本体の前記遠位端部分に配置される、光送受信器と、
を有する介入装置。
【請求項１４】
光ビームを生成する光源と、
前記光源から離れて配置される請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光送受信器と、
順方向において前記光源から前記光送受信器に前記光ビームをガイドするように前記光源と光学連通し、戻り方向において前記送受信器から前記光パルスをガイドするように前記光送受信と光学連通する光ガイドと、
を有する光学システム。
【請求項１５】
前記光ガイドから前記光パルスを受け取る光検出器を有する、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１６】
離れた電子装置にエネルギを供給し、前記電子装置からデータを返す方法において、
前記電子装置を有する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光送受信器を設けるステップと、
前記光送受信に光エネルギを供給するステップと、
前記光送受信器により前記光エネルギを電気エネルギに変換するステップと、
前記光送受信器から光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルで光誘起エレクトロルミネセンスに基づいて前記送受信器により生成された光パルスを返すステップであって、前記光パルスが、前記電子装置により生成されたデータを有する、ステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送受信器、光学システム及び介入装置に関する。光送受信器は、特に医療技術の分野において、離れた電子装置に光学的にエネルギを供給し、前記電子装置からデータを返すのに使用されうる。本発明は、更に、光学的にエネルギを供給し、光学的にデータを返す方法に関する。
【０００２】
光送受信器は、特に電力伝送及びデータ伝送経路のサイズの制約により、電線を介する電力伝送及びデータ伝送に問題がある応用分野において有用である。本発明は、医療的応用における使用に限定されないが、本発明は、ここでは、医療的応用に関して記載される。
【背景技術】
【０００３】
医療分野において、従来の外科的処置を最小侵襲介入で置き換える、明らかな進行中の傾向がある。低減された外傷、より短い入院、及び低減されたコストが、最小侵襲技術の採用の最も重要な原動力である。医療器具の更なるイノベーションを可能にするために、したがって、より進歩した、より挑戦的な最小侵襲介入を可能にするために、カテーテル及びガイドワイヤのような器具において体内撮像及び生理学的測定に対する小型センサを一体化する必要性がある。このような器具の先端におけるセンサの一体化は、医療装置の遠位先端に電力を伝送し、前記遠位先端から前記医療装置の近位端にデータを送り返すことができるワイヤの必要性を意味する。
【０００４】
撮像、感知、感作（sensitizing）又はアブレーションに対するカテーテル又はガイドワイヤのような長く細い装置の先端に対するデータ及び電力伝送は、困難である可能性がある。それに加えて、遠位から近位端への高データレート戻りチャネルを含めることは、更に問題がある。これは、いくつかの理由による。
【０００５】
第一に、医療介入に必要な、小さな断面（すなわち小さな直径）の結合は、ガイドワイヤ又はカテーテルの長い長さと組み合わせて、このような器具に一体化されることができる電線の総数を厳しく制限する。
【０００６】
第二に、複数の電線の一体化は、器具の柔軟性を損ない、柔軟性は、この種の器具の重要な性質である。
【０００７】
第三に、例えば先端における超音波トランスデューサ又は高感度測定に対して要求されるような、高データレートのために、しばしば、単心線と比較して更に大きな空間を必要とする同心ケーブルを要求する。
【０００８】
第四に、電線を持つ器具は、典型的には、接続された電子装置における電磁干渉を生じ、場合により組織加熱を生じる電線の／における共鳴のため、磁気共鳴撮像の使用に適合しない。更に、薄い電気ケーブルは、典型的には、カテーテルの遠位端における使用に対する比較的高い電力量をサポートすることができない。
【０００９】
また、ディスポーザブルな使用のため、カテーテル及びガイドワイヤは、比較的単純なコスト効率の良い方法で製造されなければならない。
【００１０】
ＷＯ２０１４／０７２８９１Ａ１は、離れたレーザ光源から光エネルギを受け取り、前記光エネルギを電気エネルギに変換して、送受信器の光変換器回路に電力供給する光送受信器を記載している。このために、前記光送受信器は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の形の光電子デバイスを有する。前記光変換器回路は、データを生成する電子装置を持つことができる。この既知の光送受信器が、電子装置として超音波カテーテルを作動するのに十分な電力伝送能力を提供するのに効果的であるのに対し、前記光電子デバイスが、必要な電力出力を達成するのに必要な大きな表面積を持つので、前記光電子デバイスの大きな表面積は、帯域幅、したがって、前記送受信器から前記近位端への戻り経路におけるデータ伝送のデータレートを制限する。この理由で、更に、別の光電子デバイス、特に遠位端から近位端への戻り経路におけるデータ伝送に対して垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用することが、提案される。しかしながら、データ伝送に対する別の光電子デバイス及びエネルギ収穫に対する別の光電子デバイスは、前記光送受信器を使用する介入器具の電子部分及び光学部分の両方に対して大幅な複雑さを追加する。前記光電子デバイスとして使用される、より小さなＬＥＤは、データ伝送の帯域幅を増大させるが、浮遊容量及びエッジ効果が、状況を悪化し、前記ＬＥＤの光起電力変換効率が、低減される。
【００１１】
したがって、問題は、光送受信器が、単一のＬＥＤのみを用いて高い帯域幅を提供することができないか、又は光起電力変換において効率的でないか、又は余分なＶＣＳＥＬによって複雑になるかのいずれかであることであり、関連するコスト、製造及びアライメントの問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、十分な変換電力出力を達成する能力を保つが、戻り経路におけるデータ伝送の帯域幅を増加する改良された光送受信器に対する要望が存在する。
【００１３】
本発明の目的は、光送受信器、光学システム、介入装置及び離れた電子装置にエネルギを供給し、前記離れた電子装置からデータを返す方法を提供することであり、これらは、高データレートでデータを伝送し、同時に前記光送受信器の電子装置に電力供給する、特に電子装置に電力供給するのに十分な電力出力を達成する能力を維持することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様において、光送受信器が提供され、前記光送受信器は、
光電子デバイス、データを生成する電子装置、並びに前記光電子デバイス及び前記電子装置を制御するように構成された電気回路を有する光変換器回路、
を有し、
前記光電子デバイスが、入射する光ビームを受け取ると、前記光ビームを電気エネルギに変換するように構成され、
前記光電子デバイスが、光パルスを放射するように構成され、前記光パルスの放射が、光誘起エレクトロルミネセンスにより前記入射光ビームにより誘起され、光誘起エレクトロルミネセンスに基づく前記光パルスが、前記電子装置により生成された前記データを有し、
前記電気回路が、多重信号レベル符号化スキーム（multiple signal-level coding scheme）によって前記データを前記光電子デバイスに対して変調し、前記光電子デバイスに、光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルにおいて前記光パルスを放射させる。
【００１５】
本発明による光送受信器は、光誘起エレクトロルミネセンスに基づいて前記光電子デバイスにより生成され、複数の異なるレベルの光強度を持つ光パルスによりデータを伝送する概念に基づく。このために、前記光送受信器の前記電気回路は、多重信号レベル符号化スキームによって、前記電子装置により生成されたデータを前記光電子デバイスに対して変調するように構成される。光強度のレベルの数は、達成されるべきデータレートに依存する。前記光パルスの光強度のレベルの数が高いほど、得られるデータレートは高くなる。したがって、２つのレベルの光強度のみを使用するバイナリ符号化と比較して、データ戻りチャネルのデータレートは、増加されることができる。
【００１６】
更に、前記多重信号レベル符号化スキームと組み合わせて、本発明による光学送受信は、光誘起エレクトロルミネセンス（ＰＩＥＬ）を使用する。ＰＩＥＬは、発光することができる光電子デバイス、特にＬＥＤが、光で照射され、そのリード線が、前記デバイスのバンドギャップより高い電圧を確立するように前記デバイスに対して十分に高い抵抗に接続される場合に、生じる。結果として、前記デバイスは、従来のエレクトロルミネセンスにおいて行われるように、電流を伝導し、光を放射し始める。従来のエレクトロルミネセンスとは異なり、ＰＩＥＬは、光放射を誘起するために余分なエネルギ源を必要としない。前記デバイス（例えばＬＥＤ）に入る光は、前記デバイスにおいて電圧を誘起し、前記電圧は、前記デバイスを通る電流を誘起し、前記電流は、前記デバイスによる光放射を誘起する。効率的なＬＥＤの場合、これは、電流源なしで強力な光放射を提供しうる。ルミネセンス強度の出力レベルは、本発明の原理によって、複数の異なるＰＩＥＬ強度レベルを得るために、例えば、前記ＬＥＤ上の負荷を変えることにより、変調されてもよい。
【００１７】
多重信号レベル符号化スキームと組み合わせた光誘起エレクトロルミネセンス（ＰＩＥＬ）の使用は、したがって、従来のエレクトロルミネセンスの場合より高いデータレート及びそれにもかかわらず前記光送受信器の低い電力消費の利点を持つ。
【００１８】
本発明のおかげで、送信器帯域幅がデジタル（２レベル）光パルスとのみ使用される場合より高いデータレートが、得られることができる。本発明は、したがって、ＶＣＳＥＬ及び光ビームスプリッタのような追加の要素が、カテーテル又はガイドワイヤのような介入装置の先端において利用可能な限定的な空間に配置される必要性を取り除く。
【００１９】
以下、好適な実施例は、どのように前記多重信号レベル符号化スキームが構成されることができるか開示される。
【００２０】
一実施例において、前記光電子デバイスは、前記光ビームを電気エネルギに変換し、前記光変換器回路に電力供給するように構成される。
【００２１】
前記光ビームから得られた電気エネルギで前記光変換器回路に電力供給することにより、更なる電源が、必要とされない。これは、前記光変換器回路が遠位端の近くに配置される、最小侵襲器具、例えばカテーテルにおける本発明の応用に対して特に有利である。前記光ビームを電気エネルギに変換して、センサのような電子装置を含む前記電気回路に電力供給することにより、電源が、前記遠位端において必要とされない。
【００２２】
一実施例において、前記電気回路は、前記光パルスの異なるレベルの光強度を生成するように、前記光電子デバイスにおける電気負荷を変化させる又は異なる電気負荷レベルの離散的なセットにセグメント化するように構成されてもよい。
【００２３】
前記光電子デバイスにおける電気負荷を変えることにより、ＰＩＥＬの強度が、変更される。前記光電子デバイスにおける電気負荷が、電気負荷の離散的なセットの複数の異なるレベルによって変化又はセグメント化される場合、前記光パルスは、これに応じて、光強度の離散的なセットの複数の異なるレベルで生成される。
【００２４】
一方で特定の応用に対して要求されるデータレートに依存して、他方で前記光変換器回路の電子素子に対して必要とされる電力に依存して、負荷変化又はセグメンテーションの範囲が、選択されることができる。特定の応用が、前記電子素子、例えば前記電子装置に対して大きな電力を必要とするが、最高のデータレートを必要としない場合、ＰＩＥＬ信号の大きな変化は、必要とされない。更なる目的は、特に、前記光変換器回路が、低電力消費、すなわち低損失、又は換言すると高効率を持つことである。可能な限り効率的に複数の信号レベルを符号化することが望ましい場合、信号レベルの識別可能な変化を生じる負荷の最小変化を知ることが、有利である。
【００２５】
したがって、更なる実施例によると、前記電気回路は、前記光電子デバイスの動作点（working point）の周りの限定的な範囲において前記電気負荷を変化させるように構成されてもよい。前記動作点は、好ましくは、前記光電子デバイスによる光起電力変換の最大出力点（ＭＰＰ）である。
【００２６】
前記動作点の周りの前記限定的な範囲は、特定の応用に依存して、前記動作点の周りの負荷の±１％、±３％、±１０％程度に小さいことが可能である。このようにして、前記多重信号レベル符号化スキームにより引き起こされる追加の損失が、小さく保たれることができる。前記電気負荷の最小変化は、信号対雑音比にも依存する。
【００２７】
実際的な実施例において、前記光電子デバイスにおける前記負荷の変化は、前記電気回路が、可変抵抗を持つ電気又は電子部品を有することで達成されてもよい。
【００２８】
前記可変抵抗を持つ電気又は電子部品は、ＰＩＥＬ信号強度を変調するために前記光電子デバイスにおける前記負荷を変調することができる。可変抵抗を持つ電子部品の一例は、ＭＯＳＦＥＴである。
【００２９】
前述の実施例は、所定の動作点の周りの限定的な小さな範囲内の離散的な数のレベルを使用する小さな変調が、前記戻りチャネルにおいて必要とされるデータレートに対して十分である場合に、特に有利である。
【００３０】
前記可変抵抗を持つ電気又は電子部品は、単純な構成で直列に前記光電子デバイスに接続されることができる。
【００３１】
データ伝送のより高いデータレートが、得られるべきである場合、より大きな範囲のレベルが得られることができるように変調された前記光電子デバイスにおける直列及び並列負荷を持つことが、有利であることができる。
【００３２】
したがって、更なる好適な実施例によると、前記電気回路は、可変抵抗を各々持つ第１及び第２の電気又は電子部品を有してもよく、前記第１の電気又は電子部品は、前記光電子デバイスに直列に接続され、前記第２の電気又は電子部品は、前記光電子デバイスに並列に接続される。
【００３３】
前記光電子デバイスに並列に接続された電気又は電子部品は、例えば、分路（shunt）であることができる。
【００３４】
前記光電子デバイスにおける前記電気負荷を変化させる電気又は電子部品は、単純さに関して有利である。
【００３５】
他の実施例において、前記電気回路は、前記多重レベル符号化スキームのレベルの数によって複数のサブ回路を有してもよく、各サブ回路は、前記光電子デバイスに個別の電気負荷を提供する。
【００３６】
この実施例は、前記電気回路のサブ回路へのセグメンテーションにより前記光電子デバイスにおける前記負荷のセグメンテーションを使用する。前記サブ回路の各々は、前記多重レベル符号化スキームを得るために前記光電子デバイスに異なる電気負荷を提供してもよい。１つの利点は、前記サブ回路が、デジタル部品のみで構成されることができることである。伝送されるべきデータは、前記サブ回路にわたって分散され、前記サブ回路により提供される多重信号レベルによって前記光電子デバイスに対して符号化されうる。
【００３７】
前述の実施例において、各サブ回路又は少なくとも一部のサブ回路は、前記前記光電子デバイスにより入射光ビームから変換される電気エネルギを蓄積する独自のエネルギ蓄積要素を有してもよい。
【００３８】
これに関して、前記光変換器回路は、常に十分な電力が電子装置に流れるようにあるプロセッサの制御下で独立に（再）充電及び非充電（uncharged）されうるいくつかのエネルギ蓄積要素に基づいて信号を合計する変調マトリクスを提供してもよい。前記エネルギ蓄積要素の充電は、電流のレベルの離散的なセットが流れうるように制御される。これらの電流は、前記光電子デバイスから放射されたＰＩＥＬの強度レベルと関連付けられ、高い電流が低いＰＩＥＬをもたらす。この実装は、いかなるインダクタも使用することを必要とせず、これは、カテーテル又はガイドワイヤのような介入装置の先端の場合のように空間が限られる場合に有利である。
【００３９】
更なる好適な実施例において、前記電気回路をサブ回路にセグメント化する原理を使用して、前記電気回路は、前記光電子デバイスにおける電気負荷をデジタルに変化させるように構成されてもよい。
【００４０】
これは、前記電気回路が、前記光電子デバイスおよび前記電子装置に接続された複数の電流源を有することで達成されることができ、各電流源は、個別にオン及びオフに切り替えられるように構成される。
【００４１】
利点は、可変抵抗を持つ電気又は電子部品を使用する前記光電子デバイスにおける負荷の変化と比較して、前記多重信号レベル符号化スキームによって前記データを前記ＰＩＥＬ信号に対して変調する場合に、前記光変換器回路の損失が、低減されることである。
【００４２】
前記電流源は、例えば、電流ミラー構成においてＰＮＰトランジスタを使用することにより作成されることができる。前記光電子デバイスにおける前記負荷は、前記電流源のサブセットをオンに切り替える又はオフに切り替えることにより適切に変化される。
【００４３】
この実施例の更なる利点は、アナログ制御部品を使用せずに、デジタル制御のみを使用して、集積電気回路上に容易に一体化されることができる「シリコン」部品のみを使用する単純さである。
【００４４】
以前の実施例の代わりに又は加えて、前記光電子デバイスが、複数の光電子セグメントを有してもよく、各光電子セグメントが、好ましくは、前記電気回路に個別に接続可能及び分離可能であることも、考えられる。
【００４５】
例えば、前記光電子デバイスは、単一のセグメント化された光電子デバイスであることができ、又は前記光電子セグメントは、別個の装置、例えばＬＥＤであることができる。
【００４６】
この実施例において、前記光電子デバイス自体が、複数の電流源として使用され、異なるセグメントは、前記負荷を変化させるように切り替えられる。セグメント化された光電子デバイスの場合に、最低信号レベルは、１つのアクティブセグメントでありえ、最高信号レベルは、アクティブセグメントの総数でありうる。前記光電子デバイスが、（前記変換器電気回路に電力供給する）「オン」又は「オフ」であるので、主な利点は、低減された損失である。更なる利点は、この実施例が、「デジタルシリコン」部品のみを使用し、これにより、集積電気回路に容易に集積されることができることである。
【００４７】
好適な実施例において、前記光電子デバイスは、直接バンドギャップを持つ半導体材料を有する半導体デバイスである。特に、前記光電子デバイスは、ＬＥＤであり、好ましくは青色ＬＥＤであり、好ましくはＧａＮに基づき、更に好ましくはＩｎＧａＮ−ＬＥＤである。
【００４８】
本発明の第２の態様において、介入装置が、提供され、前記介入装置は、
長さ、近位端部分及び遠位端部分を持つ細長い本体と、
前記細長い本体の長さに沿って延在する光ガイドと、
前記光ガイドと光学連通する前記第１の態様による光送受信器であって、前記細長い本体の前記遠位端部分に配置される当該光送受信器と、
を有する。
【００４９】
請求された介入装置が、請求された光送受信器と同様の及び／又は同一の好適な実施例を持つと、理解されるべきである。
【００５０】
前記細長い本体の長さに沿って延在する前記光ガイドは、１以上の光ファイバを有してもよい。電力供給及びデータ伝送のために電線が必要とされないので、１より多い光ファイバの使用が、本発明において可能である。
【００５１】
本発明の第３の態様において、光学システムが、提供され、前記光学システムは、
光ビームを生成するように構成された光源と、
前記光源から離れて配置された前記第１の態様による光送受信器と、
順方向に前記光源から前記光送受信器へ前記光ビームをガイドするように前記光源と光学連通し、逆方向に前記送受信器から前記光パルスをガイドするように前記光送受信器と光学連通するように構成された光ガイドと、
を有する。
【００５２】
前記光源は、好ましくは、レーザである。特にＬＥＤの形の、前記光電子デバイスは、好ましくは、高いバンドギャップを持ち、前記光源は、好ましくは、短波長レーザであり、好ましくは、高い出力パワーを持つ。
【００５３】
前記光学システムは、更に、前記光ガイドから前記光パルスを受けるように構成された光検出器を有してもよい。
【００５４】
前記電子装置は、温度センサ、圧力センサ、化学センサ、超音波トランスデューサ、カメラ、電離放射線に対するセンサ、電場センサ、及び／又は電気刺激装置若しくは感作物質（sensitizer）、及び／又は医療応用において有用な他の電子装置であってもよい。
【００５５】
前記光学システムは、更に、前記光源に動作可能に接続され、光エネルギを制御するように構成された制御ユニットを有してもよく、前記制御ユニットは、更に、前記光検出器に動作可能に接続され、そこからデータを受信するように構成される。前記制御ユニットは、前記光源により生成された光ビームの光エネルギを調整するために前記光送受信器から受信された光パルスの戻りＰＩＥＬレベルからのフィードバックを提供してもよい。このようなフィードバックは、前記光送受信器の安定した動作点を得るのに有利でありうる。
【００５６】
本発明の第４の態様によると、離れた電子装置にエネルギを供給し、前記電子装置からデータを返す方法が、提供され、前記方法は、
前記電子装置を有する前記第１の態様による光送受信器を設けるステップと、
前記光送受信器に光エネルギを供給するステップと、
前記光送受信器により前記光エネルギを電気エネルギに変換するステップと、
前記光送受信器から光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルで光誘起エレクトロルミネセンスに基づいて前記送受信器により生成された光パルスを返すステップであって、前記光パルスが、前記電子装置により生成されたデータを有する、ステップと、
を有する。
【００５７】
請求された方法が、上で開示された請求された光送受信器及び請求された光学システムと同様の及び／又は同一の好適な実施例を持つと、理解されるべきである。
【００５８】
本発明の第５の態様によると、コンピュータ上で実行される場合に、前記第４の態様による方法のステップを前記コンピュータに実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムが、提供される。
【００５９】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明による光送受信器を有する光学システムの一実施例を概略的に示す。
【図２】第１の実施例による光送受信器の電気回路図を示す。
【図３】更なる実施例による光送受信器の電気回路図を示す。
【図４】更に他の実施例による光送受信器の電気回路図を示す。
【図５】更に他の実施例による光送受信器の電気回路図を示す。
【図６】更に他の実施例による光送受信器の電気回路図を示す。
【図７】光電子デバイスのセグメンテーションの実施例を示す。
【図８】異なるポンプ光パワーにおけるＬＥＤに対する電流‐電圧曲線のグラフを示す。
【図９】光起電力変換、エレクトロルミネセンス及び光誘起エレクトロルミネセンス＋フォトルミネセンスに対するＬＥＤからの出力パワーのグラフを示す。
【図１０】異なるポンプ光パワーにおける光起電力変換及び光誘起エレクトロルミネセンス＋フォトルミネセンスに対するＬＥＤに対する出力パワー曲線のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
図１は、一般参照番号１０でラベル付けされた、エネルギ及びデータ伝送に対する光学システムの概略的表現を示す。光学システム１０は、光送受信器１２、細長い光ガイド１４（中断された形で表されている）、光源１６、ビームスプリッタ１８及び光検出器２０を有する。
【００６２】
光学システム１０は、光源１６から光ガイド１４を介して光送受信器１２に光エネルギの形で電力を伝送し、光送受信器１２から光ガイド１４を介して光検出器２０にデータを伝送することができる。更に、光学システム１０は、光源１６から光送受信器１２にデータを伝送することができてもよい。
【００６３】
光源１６は、光エネルギを持つ光を放射することができる。光源１６は、例えば、４０５ｎｍの波長を持つ高バンドギャップレーザでありうる。
【００６４】
矢印２２は、光源１６へのパワー入力及びデータ入力を示す。前記パワー入力は、電力入力であってもよいが、光パワー入力であってもよい。
【００６５】
光源１６により放射された光は、ビームスプリッタ１８を通って光ガイド１４内に放たれる。ビームスプリッタ１８は、二色性ビームスプリッタでありうる。光ガイド１４は、一方で光源１６に、他方で光送受信器１２に光学的に接続された１以上の光ファイバを有してもよい。光源１６が、光送受信器１２に光エネルギを伝送するのみならず、光送受信器１２にデータをも伝送するのに使用される場合、このようなデータは、光源１６に対して変調されてもよく、したがって、前記データにより変調された光を放射する。光源１６により前記光送受信器に伝送されたデータは、光送受信器１２のコンポーネントを制御する制御データであってもよい。
【００６６】
光送受信器１２は、光変換器回路２４を有する。光変換器回路２４は、光電子デバイス２６、電気回路２８及び電子装置３０を有する。
【００６７】
一般に、光電子デバイス２６は、直接バンドギャップを持つ半導体材料を有する半導体デバイスである。一例として、光電子デバイス２６は、約４５０ｎｍの波長を持つ光を放射する。光電子デバイス２６は、好ましくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、特に青色光を放射するＬＥＤである。光電子デバイス２６は、青色ＧａＮベースＬＥＤ、例えばＩｎＧａＮ−ＬＥＤであってもよい。例えば、前記ＬＥＤは、４４６ｎｍのピーク放射波長を持つ、"Philips Lumileds Luxeon Z, Royal Blue"名義で売買されるＬＥＤであってもよい。
【００６８】
光変換器回路２４の電気回路２８は、光電子デバイス２６及び電子装置３０に接続され、光電子デバイス２６及び電子装置３０を制御するように構成される。電気回路２８の実施例は、後で記載される。
【００６９】
電子装置３０は、１以上の撮像装置、例えば超音波撮像装置、カメラであってもよく、又は前記電子装置は、いくつかの例を与えるために、超音波トランスデューサ、温度センサ、圧力センサ、化学センサ、電離放射線に対するセンサ、例えば心電図を測定する、電場センサ、電気刺激装置又は感作物質であってもよい。
【００７０】
光電子デバイス２６は、光源１６により放射された光ビームを受け取り、前記光ビームの光エネルギを電気エネルギに変換するように構成される。この電気エネルギは、光変換器回路２４の部品、すなわち光電子デバイス２６、電気回路２８及び／又は電子装置３０に電力供給するのに使用されうる。しかしながら、光電子デバイス２６、電気回路２８及び／又は電子装置３０は、他の電源から電力を受けてもよい。光源１６により放射され、光電子デバイス２６により受け取られる入射光ビームは、図１において矢印３２により示される。
【００７１】
光変換器回路２４は、光送受信器１２から光検出器２０にデータを光学的に送信するようにも構成される。矢印３４は、光電子デバイス２６により放射された光パルスを示し、これらの光パルスの放射は、入射光ビーム３２により光誘起エレクトロルミネセンス（ＰＩＥＬ）により誘起される。ＰＩＥＬの効果は、より詳細には以下に記載される。
【００７２】
電気回路２８は、光電子デバイス２６により放射された光パルス３４が電子装置３０により生成されたデータを有するように電子装置３０により生成されたデータを光電子デバイス２６に対して変調する。電気回路２８は、後に記載される変調スキームによって前記データを前記光電子デバイスに対して変調する。前記光電子デバイスにより放射された前記光パルスは、ビームスプリッタ１８を介して光検出器２０上に向けられる。矢印３６は、更なる処理、例えば画像処理及び前記データ、例えばディスプレイ（図示されない）上の画像データの表現のための光検出器２０からのデータ出力を示す。電子装置３０が、例えば、撮像装置である場合、データ出力３６は、ディスプレイ上で可視にされる画像（ライブ画像又は静止画像）である。
【００７３】
一例として、入射光ビーム３２は、約４０５ｎｍの波長を有してもよく、光パルス３４は、約４５０ｎｍの波長を持つ。
【００７４】
光電子デバイス２６のバンドギャップは、好ましくは、入射光ビーム３２の波長と同様であるか、又はより好ましくはわずかに低い。入射光ビーム３２は、光電子デバイス２６により電気エネルギに変換される。したがって、送受信器１２の１つの機能は、光起電力変換により入射光ビームからのエネルギを収集することである。
【００７５】
入射ビーム３２は、光電子デバイス２６に取り付けられた電気回路２８において電流を生成する。電気回路２８は、光電子デバイス２６により感知された電気インピーダンスに影響を与えるように設計される。例えば、電気回路２８は、実質的に前記インピーダンスを上げることにより光電子デバイス２６を本質的に分離することができ、これにより独自の電源を分離する。電気回路２８は、後で記載されるように、光電子デバイス２６からの電力の外部供給なしの時間期間を埋めるのに使用されるキャパシタを有してもよい。光電子デバイス２６を分離することにより、ＰＩＥＬが、光電子デバイス２６において生じる。このルミネセンス光は、入射光ビーム３２からの吸収された光より長い波長を持ち、光検出器２０に輸送される。これにより、光送受信器１２は、光検出器２０にデータを送信することができる。したがって、送受信器１２の１つの更なる機能は、光学的にデータを伝送することである。
【００７６】
光源１６からの入力パワーは、出力効率に対する最適な動作点（後で記載されるように、いわゆる最大出力点）を見つけるように調整するように変更されることができる。合計ルミネセンス（フォトルミネセンス及び光誘起エレクトロルミネセンスの和）が、光電子デバイス２６における前記負荷を測定し、光送受信器１２の電子素子の前記動作点及び出力効率を推定するように監視される、フィードバックループが、作成されることができる。
【００７７】
次に、光‐電気出力（光起電力）変換及びＰＩＥＬが、図８乃至１０を参照して、より詳細に説明される。
【００７８】
一例として、４４６ｎｍのピーク放射波長を持つ"Philips Lumileds Luxeon Z, Royal Blue"名義で売買される青色ＬＥＤが、光電子デバイス２６として調査された。通常の順方向動作において、このＬＥＤは、４３％までの効率で３Ｖにおいて１ｍＡで動作する。その面積は、ちょうど１ｍｍ2であり、したがって、〜１０００ｍＷ／ｃｍ2の順方向出力密度を提供する。
【００７９】
測定において、このＬＥＤは、光エネルギを前記ＬＥＤに伝達するために４０５ｎｍの波長を持つレーザ光源から光で照射された。したがって、前記レーザは、ポンプレーザ光源として示されることもできる。
【００８０】
前記ＬＥＤは、３つの異なるレーザ光源出力パワーにおいて照射される。図８は、前記ＬＥＤの測定された電流（Ｉ）‐電圧（Ｕ）曲線を示し、曲線３８は、レーザ出力パワーＰlaser＝６．２ｍＷにおけるＩ−Ｕ曲線であり、曲線４０は、レーザ出力パワーＰlaser＝３８．０ｍＷにおけるＩ−Ｕ曲線であり、曲線４２は、レーザ出力パワーＰlaser＝５２．１ｍＷにおけるＩ−Ｕ曲線である。曲線３８、４０及び４２を測定するために、可変抵抗は、負荷（コンダクタンス）が変化されることができるように、前記ＬＥＤのリード線に接続された。曲線３８、４０、４２が、かなり角ばっており、高いフィルファクタ（fill factor）を持つ。これは、前記ＬＥＤにより変換されるより大きいパワーが求められる点まで、負荷を増加した時の電圧降下がかなり限定的であることを意味する。最高レーザポンプ出力（Ｐlaser＝５２．１ｍＷ）を持つ曲線４２に対して、最大出力点（ＭＰＰ）において生成される光起電力パワーは、Ｐout,MPP＝２．２３Ｖ×９．８ｍＡ＝２１．９ｍＷである。前記ＭＰＰは、最適な変換効率が得られるところであり、この場合、η＝２１．９／５２．１＝４２％である。
【００８１】
曲線４２は、Ｐlaser＝５２．１ｍＷにおける１０ｍＡの短絡回路電流ＩSCを明らかにし、曲線３８、４０及び４２は、開回路電圧ＵOP＝２．６Ｖを明らかにする。
【００８２】
ＬＥＤは、３種のルミネセンスを示す。第１のタイプのルミネセンスは、光源としてＬＥＤの通常の使用に対応する。この場合、入力電流からのエネルギは、光を生成するように変換される。この効果は、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）と称される。第２のタイプのルミネセンスは、フォトルミネセンス（ＰＬ）である。この場合、光放射は、前記ＬＥＤのバンドギャップより高いエネルギの光が前記ＬＥＤに照射される場合に生じる。ＰＬの波長は、ＥＬの波長と同じである。ＰＬに対して、ポンプ光は、前記ＬＥＤのバンドギャップより高いエネルギを持たなくてはならないので、これは、光起電力電流を生成する同じ状況であり、ＰＬは、光起電力変換（ＰＶ）における「寄生」効果と見なされてもよい。ＰＬの放射は、同じ入力パワーにおいてＥＬと比較してあまり強くない。
【００８３】
図９は、図８による測定の場合と同じタイプのＬＥＤにおいて実行された測定からのグラフを示し、左の縦軸は、前記ＬＥＤの測定された（光起電力）電気出力パワーＰout,elを示し、下の横軸は、前記ＬＥＤの光電流Ｉphotoを示し、上の横軸は、順方向ＬＥＤ電流Ｉforwardを示し、右の縦軸は、前記ＬＥＤのルミネセンスを示す。前記測定は、レーザ出力パワーＰlaser＝３８ｍＷにおいて実行された。
【００８４】
曲線４４は、光電流Ｉphotoの関数として電気出力パワーＰout,elを示す。ＩOCは、開回路電流を示し、ＩSCは、短絡回路電流を示す。
【００８５】
曲線４６は、順方向ＬＥＤ電流Ｉforward（上の横軸）に依存するエレクトロルミネセンス（ＥＬ）（ルミネセンスは右の縦軸に取られる）を示す。
【００８６】
光誘起エレクトロルミネセンス（ＰＩＥＬ）と称される第３のタイプのルミネセンスが存在する。ＰＩＥＬは、ＬＥＤが照射され、そのリード線が、バンドギャップより高い電圧を確立するのに前記ＬＥＤに対して十分に高い抵抗に接続される場合に、生じる。確立された電圧が、前記バンドギャップより高い場合、前記ＬＥＤは、導通し、ＥＬにおいて行われるように光を放射し始める。したがって、ＰＩＥＬにおいて、光は、前記ＬＥＤにおいて電圧を誘起し、前記電圧は、特定のレベルの上である場合に、前記ＬＥＤにおいて電流を誘起し、前記電流は、前記ＬＥＤからの光放射を生成する。効率的なＬＥＤの場合、これは、余分な電流源なしで強力な放射を提供し、前記ＬＥＤにおける負荷の変化は、ＰＩＥＬ光出力強度レベルを変調する。したがって、ＰＩＥＬは、ポンプ光源からの前記入射光ビームからエネルギを取るので、前記光起電力変換から送受信器１２において蓄積された余分なエネルギを消費しない。ＰＩＥＬの効率ηPIELは、光起電力パワー変換効率ηPV及びエレクトロルミネセンス効率ηELの積である。
【００８７】
図９において、曲線４８は、レーザ出力パワーＰlaser＝３８ｍＷに対するＰＩＥＬ＋「寄生」ＰＬを示す。短絡回路電流ＩSCにおける曲線４８と４６との間の差は、実際には小さいＰＬのレベルである。ＰＬのレベルは一定である。ＰＩＥＬ＋ＰＬ（曲線４８）及びＥＬ（曲線４６）の傾きは、ηPV〜ηELなので、同様である。図９のグラフの右の軸（ルミネセンス）は、ほとんど前記左の縦軸における出力パワーと対応するようにスケーリングされた。
【００８８】
ＰＩＥＬの最大放射は、前記ＬＥＤの開回路において得られ、これは、ηPV〜４２％かつηEL〜４３％の場合にηPIEL＝ηELηPV〜１８％になる。
【００８９】
ηPV〜ηELなので、前記ＬＥＤからの合計出力パワーは、ほとんど一定であり、前記ＬＥＤにおける加えられた負荷に依存して、光と電気との間で分割される。
【００９０】
図１０は、図９のグラフと同様のグラフを示し、図１０のグラフは、前記ＬＥＤをポンプする前記レーザの３つの異なるレーザ出力パワーにおいて図９のような前記ＬＥＤにおける測定を示す。曲線４４ａ、４４ｂ、４４ｃは、前記ＬＥＤを通る電流Ｉphotoに依存する前記ＬＥＤの光起電力出力パワーＰout,el（左の縦軸）を示し、曲線４８ａ、４８ｂ、４８ｃは、前記光検出器における前記ＬＥＤのルミネセンス（ＰＩＥＬ＋ＰＬ、ＥＬは図示されない）を示し、追加の文字「ａ」を持つ曲線は、ポンプレーザ出力パワーＰlaser＝６．２ｍＷにおいて取られ、追加の文字「ｂ」を持つ曲線は、ポンプレーザ出力パワーＰlaser＝３８．０ｍＷにおいて取られ（図９参照）、追加の文字「ｃ」を持つ曲線は、ポンプレーザ出力パワーＰlaser＝５２．１ｍＷにおいて取られる。
【００９１】
本発明は、送受信器１２からのデータ伝送に対して、一方でＰＩＥＬの効果を、他方で多重信号レベル符号化スキームを使用して、光電子デバイス２６に、送受信器１２から光検出器２０にデータを送信する光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルで光パルスを放射させ、したがって高い帯域レートを達成する。前記光パルスは、例えば、４、８、１６の強度レベルにおいて放射されてもよい。したがって、電気回路２８は、以下に記載されるように多重信号レベル符号化スキームによって光電子デバイス２６に対して前記データを変調するように構成される。
【００９２】
前記多重レベル符号化スキームに入る前に、光電子デバイス２６に対するデータの単一バイナリ変調の第１の実施例が、図２を参照して与えられる。図２が、図１の要素と同一又は同様の要素を示す限り、図１と同じ参照番号が、追加された「ａ」とともに使用される。
【００９３】
図２は、光電子デバイス２６ａ、電気回路２８ａ及び電子装置３０ａを持つ光変換器回路２４ａを有する光送受信器１２ａを示す。
【００９４】
電子装置３０ａは、ＡＳＩＣを有するＣＭＵＴ圧力センサであってもよい。前記ＣＭＵＴ圧力センサは、圧力依存周波数変調出力信号を生成しえ、これは、光電子デバイス２６ａからのＰＩＥＬ信号を変調するのに使用される。前記ＡＳＩＣは、光電子デバイス２６ａからの正及び負の電圧供給を提供され、前記ＡＳＩＣの圧力依存出力信号は、オープンコレクタを持つインバータ５０（例えば、タイプ７４ＡＵＰ２Ｇ０６）を制御するのに使用される。結果として、インバータ５０は、光電子デバイス２６ａからの電流をピンチオフすることにより光電子デバイス２６ａにおける負荷を変調し、同時に、前記ＡＳＩＣは、光エネルギから電気エネルギへの変換により光電子デバイス２６ａにより生成された電気エネルギが蓄積されるキャパシタ５２から電力を取り出す。
【００９５】
本発明の概念によると、光電子デバイス２６、特にＬＥＤにおける負荷の変調は、前記戻り経路において光ガイド１４を介して伝送される前記ＰＩＥＬの強度変調の結果となり、これは、光源１６により放射された光を光電子デバイス２６に「注入（pump）」するのにも使用される。
【００９６】
概論として、本発明による送受信器は、単純であり、コンパクトであり、低エネルギ損失、すなわち高効率であるように構成される。上の図８乃至１０の議論から出てくるように、ＰＩＥＬの効果は、前記光電子デバイスにおける負荷の変化も大きい場合にのみ、大きい。したがって、理想的には、この目的で消費される全ての電力は、前記ＬＥＤの後ろの光変換器回路２４の電子素子に電力供給するのに費やされる。換言すると、より多くの電力が、光変換器回路２４の電子素子において消費されると、より多くのレーザパワーが、前記ＬＥＤに注入するのに必要とされ、より強力なＰＩＥＬ信号になる。強力なＰＩＥＬ信号は、より多くの信号レベル、したがって、より高い帯域幅、したがって、前記戻り経路における、すなわち光検出器２０に対する送受信器１２からのデータ伝送のデータレートを可能にする。
【００９７】
一般に、データがチャネル上で送信されるデータ通信において、前記データレートは、利用可能な帯域幅、使用される信号のレベル、及び前記チャネルの品質（ノイズのレベル）に依存する。
【００９８】
システムのビットレートは、シンボルを示すのに使用される信号レベルの数Ｌの増加とともに増加する。シンボルは、単一のビット（ｎ＝１、バイナリ符号化）又はｎビットからなることができる。信号レベルの数は、Ｌ＝２nである。レベルの数Ｌが上昇すると、レベル間の間隔は減少し、これにより伝送障害の存在下で生じるエラーの確率を増加する。ナイキストの定理は、シンボル内のビット（又は信号レベル）の数及び前記システムの帯域幅Ｂ（２シンボル／サイクル及び第一高調波を仮定する）から直接的にビットレートを計算することにより前記伝送システムのビットレートに対する上限を与える。ナイキストの定理は、ノイズなしのチャネルに対して、容量Ｃnoiseless＝２Ｂ2logＬ＝２Ｂ2log２nであることを述べ、ここでＢはＨｚ単位の帯域幅であり、ｎはシンボル毎のビット数である。
【００９９】
シャノンの定理は、容量Ｃmax＝Ｂ2log(１＋ＳＮＲ)を与え、ここでＳＮＲは信号対雑音比である。
【０１００】
所定のシステムに対して、適切なビットレート及び信号レベルの数を見つけるために、第一に、シャノンの式が、ビットレートの上限Ｃmaxを見つけるのに使用され、第二に、Ｃmaxよりやや小さくてもよい、ビットレートの実際の値Ｃが、選択され、第三に、ナイキストの式が、信号レベルの数Ｌを見つけるのに使用され、ここでＬmax＝(１＋ＳＮＲ)1/2である。
【０１０１】
前記電子素子（電気回路２８及び電子装置３０）に対して大きなパワーを必要としうるが、最高データレートを必要としない特定の応用を仮定すると、前記ＰＩＥＬ信号における大きな変化は、必要とされない。したがって、前記光変換器回路の低電力消費のために、可能な限り効率的なデータ伝送に対して光電子デバイス２６における多重信号レベルを符号化することが、目的である。したがって、光電子デバイス２６が、光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルの光パルスを放射することができるように、２より多い信号レベルを提供する多重信号レベル符号化スキームを可能にするために信号レベルの識別可能な変化をもたらす最小変化負荷を知ることが、有用である。
【０１０２】
可能な限り低い損失を持つ多重信号レベル符号化スキームを提供するために、伝送されるべきデータレートに対して必要とされる信号レベルの最小変化を導入することが、有益である。例えば、１ＭＨｚのバイナリ帯域幅に対して、光電子デバイス２６における負荷の２％の最小変化が、必要とされ、前記負荷は、＋１％乃至−１％負荷で変調されることができる。２Ｍｂｐｓのデータレートが必要とされる場合、＋３％乃至−３％の光電子デバイス２６における負荷の変調が、適切であり、更に、例えば、４Ｍｂｐｓのデータレートが必要とされる場合、光電子デバイス２６における負荷は、＋７％乃至−７％で変調されうる。このようにして、光電子デバイス２６においてデータを変調するための前記負荷の変調により引き起こされる追加の損失は、依然として小さく、これは、予測されることができるＳＮＲにも依存する。前述のスキームは、チャネルデータ容量に対する動的に適応可能なメカニズムの一部でありうる。
【０１０３】
先行する記載に続いて、電気回路２８は、好ましくは、ＰＩＥＬに基づいて生成される前記光パルスの光強度の異なるレベルを生成するように異なる電気負荷レベルの離散的なセットによって光電子デバイス２６における電気負荷を変化又はセグメント化するように構成される。更に、以前に説明されたように、電気回路２８は、好ましくは、光電子デバイス２６の動作点の周りの限定的な範囲において前記電気負荷を変化させるように構成され、前記動作点は、以前に記載された最大出力点（ＭＰＰ）でありうる。
【０１０４】
安定した動作点を得るために、ポンプレーザ出力パワー（光源１６）のフィードバックが、光検出器２０により検出されるように光電子デバイス２６の戻りルミネセンスレベルから得られうる。
【０１０５】
図３において、送受信器１２ｂの一実施例が示され、送受信器１２ｂは、光変換器回路２４ｂを有し、光変換器回路２４ｂは、光電子デバイス２６ｂ、特にＬＥＤ、電気回路２８ｂ及び電子装置３０ｂを有する。電子装置３０ｂは、例えば、撮像装置（例えば、光学的又は超音波）である。電気回路２８ｂは、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５４、マイクロコントローラ５６、デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器５８、低ドロップアウト電圧レギュレータ（ＬＤＯ）６０、キャパシタ６２を有する。電気回路２８ｂは、更に、光電子デバイス２６ｂにおける電気負荷を変化させる可変抵抗を持つ電気又は電子部品６４を有する。電気又は電子部品６４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴでありうる。
【０１０６】
Ａ／Ｄ変換器５４による電子装置３０ｂにより生成された信号のＡ／Ｄ変換の後に、Ｄ／Ａ変換器５８による所望の数の信号レベルへのＤ／Ａ変換が続く。電気又は電子部品６４により光電子デバイス２６ｂにおける負荷を変調することにより、光電子デバイス２６ｂのＰＩＥＬ放射は、ＰＩＥＬの強度が光電子デバイス２６ｂを通る電流に依存するので、複数の強度レベルに変換されることができる。キャパシタ６２は、入射光エネルギを電気エネルギに変換する光電子デバイス２６ｂにより充電される。部品６４により前記負荷を変化させることにより、キャパシタ６２における電圧は、電圧の振れを示しうるが、低ドロップアウト電圧レギュレータ６０は、前記充電が、光変換器回路２４ｂの電子装置３０ｂ及び他の電子素子に電力供給するのに効率的に使用されることを保証する。
【０１０７】
図３による実施例は、光変換器回路２４ｂの所定の動作点の周りの離散的な数のレベルを使用する光電子デバイス２６ｂにおける負荷の小さな変調が、光電子デバイス２６ｂから光検出器２０への前記戻りチャネルにおいて必要とされるデータレートに対して十分である場合に、特に有利である。図３の実施例において、可変抵抗を持つ部品６４は、光電子デバイス２６ｂに直列に接続される。
【０１０８】
前記戻り経路における、より高いデータレートが、必要とされる場合、より大きな範囲の信号レベルを得るように、図３のような光電子デバイス２６ｂにおける直列負荷を変化させるのみならず、並列負荷をも変化させることが、有益であることができる。この態様を明らかにする実施例は、図４に示される。図４は、光電子デバイス２６ｃ、電気回路２８ｃ及び電子装置３０ｃを持つ光変換器回路２４ｃ並びに図３を参照して記載されるコンポーネント５４、５６、５８、６０、６２、６４を持つ光送受信器１２ｃを示す。加えて、電気回路２８ｃは、電気又は電子部品７０及び他のデジタル‐アナログ（Ｄ／Ａ）変換器６８を有する。可変抵抗を持つ部品７０は、光電子デバイス２６ｃに並列に接続された分路であってもよい。追加の分路負荷は、全範囲にわたって光電子デバイス２６ｃを変調する、すなわち光電子デバイス２６ｃを短絡することができるように使用される。
【０１０９】
図３及び４による実施例は、光電子デバイス２６における負荷を変化させるために可変抵抗を持つ電気又は電子部品を使用するが、図５は、キャパシタ８２を充電する複数の電流源７４、７６、７８及び８０を使用することにより光電子デバイス２６ｄにおける負荷電流をデジタルに変化させることができる光送受信器１２ｄの他の実施例を示す。電流源７４、７６、７８、８０は、マイクロコントローラ８４により制御される。光電子デバイス２６ｄにおける負荷電流を変化させるために、電流源７４、７６、７８、８０は、個別にオンに切り替えられ又はオフに切り替えられ、光電子デバイス２６ｄにおける電流負荷は、オンに切り替えられる又はオフに切り替えられる電流源７４、７６、７８、８０の数に依存して変化される。４つの電流源が、図５に示されているが、より低い又はより高い数の電流源が、提供されることができる。電流源７４、７６、７８、８０は、例えば、電流ミラー構成においてＰＮＰトランジスタを使用することにより作成されることができる。唯一の制約は、より長い期間にわたるキャパシタ８２に対する平均電流が、キャパシタ８２からの平均電流に等しいことでありうる。一般に、図５の実施例の裏の原理は、電気回路２８ｄが、異なる電流源７４、７６、７８、８０により示される複数のサブ回路を有することであり、前記サブ回路の各々は、前記光電子デバイスにおける負荷が複数の負荷レベルにセグメント化されるように光電子デバイス２６ｄに対する個別の電気負荷を提供する。
【０１１０】
単純さのために、前記電子装置及び前記ＬＤＯが、図５において省略されていることに注意されるべきであるが、このような機能電気回路が、図５の実施例にも存在すると理解されるべきである。
【０１１１】
図５の実施例と同様の原理に基づく実施例が、図６に示される。図６は、光電子デバイス２６ｅ、電気回路２８ｅ及び電子装置３０ｅを有する光変換器回路２４ｅを有する光送受信器１２ｅを示す。この実施例において、光電子デバイス２６ｅ自体が、（理想的な）前記電流源として使用される。このために、光電子デバイス２６ｅは、複数の光電子セグメント８４ａ、８４ｂ及び８４ｃを持つ。光電子セグメント８４ａ、８４ｂ及び８４ｃの各々は、入射光ビームを受け、光エネルギを電気エネルギに変換し、電子装置３０ｅにより生成されたデータを有する光パルスを放射するように構成される。光電子セグメント８４ａ、８４ｂ及び８４ｃは、セグメント化された単一の光電子デバイスのセグメント、特にセグメント化されたＬＥＤのセグメントであってもよいか、又は個別の光電子デバイス、例えば複数の単一ＬＥＤであってもよい。
【０１１２】
セグメント８４ａ、８４ｂ、８４ｃは、前記負荷をセグメント化する、したがって、光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルの光パルスを生成する多重信号レベル符号化スキームを得るために、個別に切り替えられる、又は換言すると、電気回路２８ｅに個別に接続可能かつ分離可能である。
【０１１３】
電気回路２８ｅは、例えば、トランジスタ８８ａ、８８ｂ、８８ｃを介してセグメント８４ａ、８４ｂ、８４ｃに接続されたマイクロコントローラ８６を有し、マイクロコントローラ８６は、電子装置３０ｅに接続される。電気回路２８ｅは、更に、ＬＤＯ及びキャパシタ９２を有し、キャパシタ９２は、例えば、図１の光源１６からの入射光エネルギからセグメント８４ａ、８４ｂ、８４ｃにより生成された電気エネルギで充電される。
【０１１４】
図６の実施例において、セグメント８４ａ、８４ｂ、８４ｃは、前記負荷を変化させる、したがって前記多重信号レベル符号化スキームを得るために、個別に「オン」及び「アウト」に切り替えられる。最低信号レベルは、１つのアクティブなセグメント８４ａ又は８４ｂ又は８４ｃであり、最大でアクティブなセグメント８４ａ及び８４ｂ及び８４ｃの合計数である。この実施例は、光電子セグメント８４ａ、８４ｂ、８４ｃが、ＬＥＤのセグメントである、又は単一のＬＥＤであるので、低減された損失を提供し、ＬＥＤは、「オン」であり、したがって光変換器回路２４ｅに電力供給するか、又は「オフ」である。
【０１１５】
セグメント化されたＬＥＤを使用することによる多重レベル符号化は、アクティブである前記ＬＥＤの異なるセグメントサイズから異なる輝度レベル、すなわち光強度を使用して複数ビットを信号に符号化することに基づく。前記光電子セグメントが、セグメント化されたＬＥＤのｎ個のセグメントである場合に、前記セグメントは、比１：２：４：８：...：２(n-1)の面積を持ち、放射された光パルスの２nの光強度レベルを表す。３つのセグメント８４ａ、８４ｂ、８４ｃを持つ図６の実施例において、２つのセグメントの面積は、第３のセグメントと１：２の比を形成するように結合されることができ、これにより４つのレベルが得られることができる。
【０１１６】
図７ａ）乃至ｄ）は、どのように光電子デバイス、例えばＬＥＤが、数２nの光強度レベルの光パルスを放射するようにセグメント化されることができるかのいくつかの例を示す。比１：２の２つの面積は、シンボル毎に２つのビット及び４つの光レベルを表す。図７ａ）乃至７ｃ）は、このようなセグメンテーションの３つの例を示し、図７ａ）及び図７ｂ）は、３つの等しい面積のセグメントを示し、このうち２つは、融合されている（点線により示される）。図７ｄ）は、８つの光強度レベルを表す比１：２：４の３つの面積に融合することを可能にする７つの等しい面積へのセグメンテーションを示す。
【０１１７】
例えば、同時に３ビット（０乃至７の数字に対応する０００、００１、０１０、...、１１１）を送信する場合、前記ＬＥＤのｊ／７×１００％が、アクティブである必要があり、ｊ＝０、１、２、...、７である。これらは、１：２：４の面積比を持つ３つのセグメントを持つことにより最も容易に符号化されることができる。３ビットパターン０００、００１、０１０、０１１、１００、１０１、１１０、１１１は、１セグメント、２セグメント又は４セグメントのいずれがオン又はオフであるかを決定する。本例において、０００を送信するために、全てのセグメントがオフであり、００１を送信するために、前記１セグメントがオンであり、前記２セグメント及び４セグメントがオフであり、０１０を送信するために、前記１セグメントがオフであり、前記２セグメントがオンであり、前記４セグメントがオフであり、以下同様であり、１１１を送信するために、全てのセグメントがオンである。
【０１１８】
このアプローチの利益は、単純に前記ビットをセグメントサイズの大きさの順序にマッピングすることにより実現されることができることである。４ビットパターンに対して、前記比は、１：２：４：８であり、５ビットパターンに対して、前記比は、１：２：４：８：１６であり、以下同様である。各ビットに対して、単一のスイッチのみが、必要とされる。この動作は、１つのセグメントが、常に完全にオン又は完全にオフであり、したがって、電力損失を最小化するので、多重レベル符号化に対して最大効率である。
【０１１９】
図３乃至６の送受信器の実施例は、送受信器１２として図１の光学システムにおいて実装されうる。
【０１２０】
図３乃至６による実施例において、光変換器回路２４ｂ乃至２４ｅは、各々、光電子デバイス２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ又は２６ｅにより生成された電気エネルギを蓄積するただ１つのキャパシタ６２、８２、９２を有する。しかしながら、十分な電力が常に前記光変換器回路の前記電子素子に流れるように、何らかのプロセッサの制御下で互いに独立に充電又は非充電されうるいくつかのエネルギ蓄積キャパシタに基づいて信号を合計する変調行列を提供することも、可能である。前記キャパシタの充電は、離散的なセットのレベルの電流が流れうるように制御されうる。これらの電流は、前記光電子デバイスから放射されたＰＩＥＬの強度レベルと関連付けられ、高い電流が、低いＰＩＥＬをもたらす。換言すると、電源及び電子素子は、信号レベルが存在するだけ多くの、例えば等しい負荷を持つ、部分Ｌにセグメント化されてもよく、前記部分の各々は、シンボルを送信するように電力が遮断される場合に隙間を埋めるように独自のキャパシタを持ちうる。一例として、撮像に対する電子素子は、Ｌ＝Ｎ／ｎのレベルへの負荷の自然なセグメンテーションを提供するようにＮの増幅器を有してもよく、ここでｎ、Ｌ及びＮは全て整数である。
【０１２１】
図１を再び参照すると、光送受信器１２及び光ガイド１４の少なくとも一部は、介入装置１００内に一体化されうる。介入装置１００は、カテーテル、ガイドワイヤ又は内視鏡でありうる。したがって、介入装置１００は、近位端部分１０４及び遠位端部分１０６を持つ細長い本体１０２を持つ。近位端部分１０４は、光源１６及び光検出器２０を有してもよい光学コンソール（図示されない）に接続されるように構成されうる。ビームスプリッタ１８は、前記コンソールと介入装置１０４との間のインタフェース装置でありうる。光送受信器１２は、介入装置１００の遠位端部分１０６内に一体化されうる。
【０１２２】
上の開示によると、離れた電子装置３０にエネルギを供給し、電子装置３０からデータを返す方法は、電子装置３０を有する、上に記載された実施例の１つによる光送受信器１２を設けるステップと、光送受信器１２に光エネルギを供給するステップと、電子装置３０に電力供給するために光送受信器１２により前記光エネルギを電気エネルギに変換するステップと、光送受信器１２から光強度の離散的なセットの２より多い異なるレベルを持つ光誘起エレクトロルミネセンスに基づいて送受信器１２により生成された光パルスを返すステップであって、前記光パルスが、電子装置３０により生成されたデータを有する、ステップとを有する。送受信器１２の光変換器回路２４の電気回路２８は、前記２より多い強度レベルでＰＩＥＬに基づく前記光パルスを得るために、光電子デバイス２６における負荷を変化させる又は複数の負荷レベルにセグメント化することにより、多重信号レベル符号化スキームによって前記データを、光電子デバイス２６により放射されるＰＩＥＬ信号に対して変調する。
【０１２３】
本発明は、図面及び先行する記載において詳細に図示及び記載されているが、このような図示及び記載は、限定的ではなく、例示的又は典型的であると見なされるべきであり、本発明は、開示された実施例に限定されない。開示された実施例に対する他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求された発明を実施する際に当業者により理解及び達成されることができる。
【０１２４】
請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載された複数のアイテムの機能を満たしてもよい。特定の方策が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。
【０１２５】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又は一部として供給される光記憶媒体又は半導体媒体のような、適切な媒体に記憶／分散されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムを介するような、他の形で分散されてもよい。
【０１２６】
請求項におけるいかなる参照符号も、その範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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