(57)【要約】【課題】光学変換器を有する広帯域無線送受信器を提供する。【解決手段】広帯域受信装置は、複数の変調周波数を持つ無線信号を受信するアンテナを備える。増幅器は、広帯域無線信号によってレーザ源を駆動し複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。回折格子は、光信号を複数のスペクトル成分に変換する。光センサアレイは、複数のスペクトル成分を変換して複数の変調周波数に対応する電気信号を得る。送信装置は、複数の変調周波数に対応する電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分に対応する光信号を生成するコヒーレントレーザエミッタアレイを含む。回折格子は、複数のスペクトル成分に対して逆変換を行い、複合光信号を得る。光センサは、複合光信号を変換し、複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る。増幅器は、広帯域無線信号として送信するべく、複合電子信号を増幅する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変調周波数を持つ広帯域無線信号を受信する手順と、
前記広帯域無線信号を増幅してレーザ源を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する手順と、
前記光信号に光学変換を行って、複数の光センサに対応するよう、前記複数のスペクトル成分を分離する手順と、
前記複数のスペクトル成分を、前記複数の変調周波数に対応する複数の個別の電気信号に変換する手順と
を含む方法。
【請求項２】
前記光信号の光学変換は、前記光信号を回折格子に通過させることで行う
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光信号の光学変換は、前記光信号を回折格子によって反射することで行う
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ源は、垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）である
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ源は、端面発光型である
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の変調周波数に対応する前記複数の個別の電気信号をデマップする手順
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の変調周波数に対応する前記複数の個別の電気信号をデインターリーブする手順
をさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記広帯域無線信号は超広帯域無線信号である
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記光信号にフーリエ変換を行い前記複数のスペクトル成分を分離する手順
をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
複数の変調周波数を持つ複数の電気信号によって複数のレーザエミッタを駆動して、複数のスペクトル成分を持つ複数の光信号を生成する手順と、
前記複数の光信号に光学逆変換を行い、前記複数のスペクトル成分を持つ複合光信号を得る手順と、
前記複数のスペクトル成分を持つ前記複合光信号を変換して、前記複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る手順と、
超広帯域無線信号として送信するべく、前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を増幅する手順と
を含む方法。
【請求項１１】
前記複数の光信号の光学逆変換は、前記複数の光信号に回折格子を通過させることによって行う
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の光信号の光学逆変換は、前記複数の光信号を回折格子で反射することによって行う
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のレーザエミッタはＶＣＳＥＬである
請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のレーザエミッタは端面発光型である
請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の変調周波数を持つ前記複数の電気信号に対し、インターリービングおよびマッピングを行う手順
をさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号に対し、シンボル波形整形およびＩＱ変調を行う手順
をさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を広帯域無線信号として送信する手順
をさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の光信号に逆フーリエ変換を行う手順
をさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
複数の変調周波数を持つ広帯域無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記広帯域無線信号によってレーザ源を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する低雑音増幅器と、
前記光信号に光学変換を行って前記複数のスペクトル成分を得る回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を変換して、前記複数の変調周波数に対応する複数の電気信号を得る複数の光センサと
を備える装置。
【請求項２０】
前記光信号の変換は、前記光信号を前記回折格子を通して分離することで行う
請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記光信号の変換は、複数の前記光信号を前記回折格子によって反射することで行う
請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記レーザ源はＶＣＳＥＬである
請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記レーザ源は端面発光型である
請求項１９に記載の装置。
【請求項２４】
前記広帯域無線信号は超広帯域無線信号である
請求項１９に記載の装置。
【請求項２５】
前記回折格子は、前記光信号に光学変換を行い、複数のフーリエ成分を得る
請求項１９に記載の装置。
【請求項２６】
複数の変調周波数と対応する複数の電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分と対応する複数の光信号を生成する複数のコヒーレントレーザエミッタと、
前記複数の光信号に光学逆変換を行って、前記複数のスペクトル成分を持つ複合光信号を得る回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を持つ前記複合光信号を変換し、前記複数の変調周波数を含む複合電子信号を得る光センサと、
複数の変調周波数を有する広帯域無線信号を送信するアンテナと、
アンテナに接続され、前記広帯域無線信号として前記アンテナから送信するべく、前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を増幅する高出力増幅器と
を含む装置。
【請求項２７】
前記複数の光信号の逆変換は、前記複数の光信号に前記回折格子を通過させることによって行う
請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記複数の光信号の逆変換は、前記複数の光信号を前記回折格子によって反射することによって行う
請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記複数のレーザエミッタは、ＶＣＳＥＬである
請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記複数のレーザエミッタは、端面発光型である
請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
前記広帯域無線信号は超広帯域無線信号である
請求項２６に記載の装置。
【請求項３２】
前記回折格子は前記複数の光信号に逆フーリエ変換を行う
請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
複数の変調周波数を持つ第１広帯域無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記第１超広帯域無線信号によってレーザ源を駆動し複数のスペクトル成分を持つ第１光信号を生成する低雑音増幅器と、
前記第１光信号に光学変換を行い、前記複数のスペクトル成分を得る第１回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を変換して前記複数の変調周波数に対応する複数の第１電気信号を得る複数の光センサと、
前記複数の変調周波数に対応する複数の第２電気信号によって駆動され、前記複数のスペクトル成分に対応する複数の光信号を生成する複数のコヒーレントレーザエミッタと、
前記複数の光信号に光学逆変換を行い、前記複数のスペクトル成分を持つ第２の光信号を得る第２の回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を持つ前記第２の光信号を変換し、前記複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る光センサと、
アンテナに接続され、前記アンテナから第２広帯域無線信号として送信するべく、前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を増幅する高出力増幅器と
を含むシステム。
【請求項３４】
前記光学変換および前記光学逆変換は、１以上の光信号を前記回折格子に通過させることによって行う
請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記光学変換および前記光学逆変換は、１以上の光信号を前記回折格子によって反射することによって行う
請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記レーザ源はＶＣＳＥＬである
請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
前記複数のレーザエミッタはＶＣＳＥＬである
請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記複数のレーザエミッタは端面発光型である
請求項３３に記載のシステム。
【請求項３９】
前記レーザ源は端面発光型である
請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記第１広帯域無線信号および前記第２広帯域無線信号は、超広帯域無線信号である
請求項３３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には無線通信技術およびシリコン・フォトニクスに関する。特に本発明は、超広帯域無線システムで変調を効率的に行うべく使用される光学変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超広帯域（ＵＷＢ）無線システムは広い帯域幅を使用する。低電力のＵＷＢシステムでは、３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚ（通常は６ＧＨｚ以上）のスペクトルが使用される。
【０００３】
直交波周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を始めとする最先端の変調方式は、直交性を維持しつつ、広スペクトル信号をサブバンドに分割、またはサブバンドを合成して広スペクトル信号を得ることができる。処理条件の厳しさから、現在ＯＦＤＭを利用できるのは１００ＭＨｚ未満の帯域幅に限られている。また、現在入手できるサンプリング機器のサンプリングレートは、高性能のものでも１ＧＨｚから２ＧＨｚで、ＯＦＤＭ利用のために必要なレートの６分の１にすぎない。しかしながら、このような従来の変調方式に必要なデジタル信号処理能力およびサンプリングレートを、近い将来ＵＷＢ帯域幅を用いる電子回路で実現することは困難である。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
本発明は添付の図面を用いて説明するが、添付図面は例示目的で使用されるに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【０００５】
【図１】図１は、光学変換器を有する超広帯域送受信無線システムの一実施形態を示す。
【０００６】
【図２】図２Ａと図２Ｂは、光学変換器を有する超広帯域無線受信装置の実施形態を示す。
【０００７】
【図３】図３Ａと図３Ｂは、光学逆変換器を有する超広帯域無線送信装置の実施形態を示す。
【０００８】
【図４】図４は、超広帯域受信装置における光学変換器を用いた直交波周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式用処理の一実施形態を示すフローチャートである。
【０００９】
【図５】図５は、超広帯域送信装置における光学変換器を用いたＯＦＤＭ方式用処理の一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
光学変換器を使用した超広帯域送受信の方法および装置を開示する。受信装置の一実施形態はアンテナを備える。このアンテナは、複数の変調周波数を持つ超広帯域無線信号を受信し、低雑音増幅器と接続されている。低雑音増幅器は、超広帯域無線信号によってレーザ源を駆動して、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。生成された光信号は回折格子によってスペクトル成分に変換される。変換されたスペクトル成分は、光センサアレイによって、受信した超広帯域無線信号の複数の変調周波数に対応した電気信号に変換される。
【００１１】
一実施形態に係る送信装置は、レーザエミッタアレイを備える。このレーザエミッタアレイは、複数のチャネル変調周波数に対応した電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分に対応した光信号を生成する。複数のスペクトル成分は、回折格子によって逆変換され複合光信号となる。複合光信号は光センサによって変換され、電気信号に対応する複数の変調周波数を持つ複合電子信号となる。この複合電子信号は増幅器によって増幅され、超広帯域無線信号として送信される。
【００１２】
上述の実施形態を始めとする本願のさまざまな実施形態は、以下に説明する教示に基づき実施するとしてもよい。また、以下の教示に対して、本発明の範囲を超えることなくさまざまな変形および変更を追加できるのは明らかである。以下に挙げる例では、超広帯域（ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ：ｓｔａｎｄａｒｄｓ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｇｅｔｉｅｅｅ８０２で入手可能）送受信装置で行う直交波周波数分割多重（ＯＦＤＭ）に光学変換器を使用しているが、開示技術は広範囲に応用できるのは明らかであり、応用により有益な効果が見込めるものの例を以下に挙げる。米国のＩＥＥＥ８０２．１１ａ（ｓｔａｎｄａｒｄｓ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｇｅｔｉｅｅｅ８０２で入手可能）を利用したシステムである「５ＧＨｚ帯域の高速物理層」および、欧州通信規格協会（ＥＴＳＩ）のＨｉｐｅｒＬＡＮ／２（Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｒａｄｉｏ  Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋの省略。ｐｏｒｔａｌ．ｅｔｓｉ．ｏｒｇ／ｂｒａｎ／ｋｔａ／Ｈｉｐｅｒｌａｎ／ｈｉｐｅｒｌａｎ２．ａｓｐで入手可能）を用いたシステムなどである。本明細書および添付図面は説明目的で使用されており、発明を限定するものではなく、発明を定義するのは付記の請求の範囲だけである。
【００１３】
図１に、光学変換器１１４、１２４を有する超広帯域無線送受信システム１０１の一実施形態を示す。無線受信部１０２において、アンテナ１１１は複数の変調周波数を持つ第１超広帯域無線信号を受信するとしてよい。アンテナ１１１と接続された低雑音増幅器１１２は、第１超広帯域無線信号を基に光学変換器１１４のレーザ源を駆動し、光信号を生成する。
【００１４】
光学変換器１１４は実質的にフーリエ変換処理を行い、生成した第１光信号をスペクトル成分に分解する。分解されたスペクトル成分は、光センサによって変換され、第１超広帯域無線信号が持つ複数の変調周波数に対応した複数の電気信号が生成される。光センサは、生成した複数の電気信号を受信回路１１６に送信する。受信回路１１６は、デマッピング、デインターリービング、前方誤り訂正（ＦＥＣ）復号化といったＯＦＤＭの公知の処理を行うとしてもよい。
【００１５】
受信回路１１６は、バス１１８を介して、送信回路１１０および制御回路１１９に接続されている。送信回路１１０は、ＦＥＣ畳み込み符号化、インターリービング、マッピングといった公知のＯＦＤＭ処理を行うとしてもよい。複数の変調周波数に対応した複数の第２電気信号は、レーザエミッタを駆動して対応するスペクトル成分を持つ複数の光信号を生成する。生成された複数の光信号は、光学逆変換器１２４によって統合され、対応するスペクトル成分を持つ第２光信号が生成される。このように、光学逆変換器１２４は実質的に逆フーリエ変換処理を行う。第２光信号は光センサによって変換され、複数の変調周波数を含む複合電子信号が得られる。光センサは、得られた複合電子信号を処理ブロック１２３に送信する。処理ブロック１２３は、ガードインターバル（ＧＩ）付加やシンボル波形整形、ＩＱ（同相・直行位相）変調といった公知のＯＦＤＭ処理を行うとしてもよい。複数の変調周波数を持つ複合電子信号は、アンテナ１１１に接続された高出力増幅器１２２によって増幅され、アンテナ１１１から第２超広帯域無線信号として送信される。
【００１６】
光学変換器１１４および１２４を有するＵＷＢ無線送受信システムは、ＧＨｚ単位の広スペクトル信号の光学処理を実現することを目的としている。このような広スペクトル信号の処理を電気処理技術の分野で実現させるのは、近い将来には可能ではないかもしれない。最先端のサンプリング機器であっても現在は、サンプリングレートが１ＧＨｚから１．５ＧＨｚにとどまっている。しかし、６ＧＨｚという帯域幅を達成するために必要なナイキスト基準を満たすには少なくとも１２ＧＨｚのサンプリングレートが必要となる。このようなサンプリングレートを持つサンプリング機器が入手可能と仮定したとしても、光学処理を応用する方がコストが低く、且つ消費電力も少ないと考えられる。ここで、無線送受信システムに光学変換器を利用した場合の効果は、送信装置か受信装置の一方のみで生じ、両方で生じる可能性は少ないと思われる。
【００１７】
図２Ａに、一実施形態に係る、光学変換器を有する超広帯域無線受信装置２０１を示す。アンテナ２１１が、複数の変調周波数を持つ超広帯域無線信号を受信するとしてもよい。アンテナ２１１に接続された低雑音増幅器２１２が、超広帯域無線信号によってレーザ源２１３を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。ここで、レーザ源２１３は、ファブリペロレーザのような端面発光レーザでもよいし、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）でもよい。生成された光信号は、回折格子２１４を通過することによってスペクトル成分に変換される。このスペクトル成分は、複数の光センサ２１５によって、超広帯域無線信号が持つ複数の変調周波数に対応した電気信号に変換される。光センサ２１５は、生成した電気信号を受信回路１１６に送信する。図１で示したように、受信回路１１６は、デマッピング、デインターリービングやＦＥＣ復号化といった公知のＯＦＤＭ処理を行うとしてもよい。
【００１８】
図２Ｂに、別の実施形態に係る、光学変換器を有する超広帯域無線受信装置２０２を示す。図２Ｂは図２Ａと類似しているが、アンテナ２１１は複数の変調周波数を持つ超広帯域無線信号を受信するとしてもよい。また、増幅器２１２は、受信した超広帯域無線信号によってレーザ源２１３を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。生成された光信号は、回折格子２２４に反射されることによって、スペクトル成分に変換される。スペクトル成分は、光センサ２１５によって、受信した超広帯域無線信号が持つ複数の変調周波数に対応した電気信号に変換される。光センサ２１５は、生成した電気信号を受信回路１１６に送信する。
【００１９】
図３Ａに、一実施形態に係る、光学逆変換器を有する超広帯域無線送信装置３０１を示す。複数のレーザエミッタ３１３は、複数の変調周波数に対応した電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分に対応した光信号を生成する。複数のレーザエミッタ３１３は、端面発光レーザおよび／またはＶＣＳＥＬを含むとしてもよい。一実施形態に係る放射素子３１３は、単一レーザ源によって生成され、電界吸収型変調器またはニオブ酸リチウム変調器によって個別に変調される、放射素子のコヒーレントアレイを含む。生成された光信号は、回折格子３１４によって逆変換し、複数のスペクトル成分を持つ複合光信号が生成される。光信号の逆変換は、光信号を回折格子３１４に通過させることによって行う。生成された、複数のスペクトル成分を持つ複合光信号は、光センサ３１５によって、電気信号の複数の変調周波数を持つ複合電子信号に変換される。光センサ３１５は、生成した複合電子信号を処理ブロック３２３に送信する。前述した通り、処理ブロック３２３は、ＧＩ付加やシンボル波形整形、ＩＱ変調といった公知のＯＦＤＭ処理を行うとしてもよい。高出力増幅器３２２は、アンテナ３２１と接続され、複数の変調周波数を持つ複合電子信号を増幅し、超広帯域無線信号として、アンテナ３２１から送信する。
【００２０】
図３Ｂに、別の実施形態に係る、光学逆変換器を有する超広帯域無線送信装置３０２を示す。図３Ｂは図３Ａと類似しているが、レーザエミッタ３１３は複数の変調周波数に対応した電気信号によって駆動され、複数の光信号を生成する。生成された光信号は回折格子３２４によって逆変換され、複合光信号が得られる。光信号の逆変換は、複数の光信号を回折格子３２４で反射することによって行う。複合光信号は、光センサ３１５によって変換され、電気信号の複数の変調周波数を持つ複合電子信号が生成される。光センサ３１５は、生成した複合電子信号を処理ブロック３２３を介して高出力増幅器３２２に送信する。高出力増幅器３２２は受信した複合電子信号を増幅し、超広帯域無線信号としてアンテナ３２１から送信する。
【００２１】
光学フーリエ変換および光学逆フーリエ変換をＵＷＢシステムに用いると、電子処理素子のスピードや所要電力は減るかもしれないが、ＵＷＢシステムとして非常に高い性能を達成することができる。
【００２２】
図４は、超広帯域受信装置における光学変換器を用いたＯＦＤＭ用処理の一実施形態を示すフローチャートである。以下で開示される一連の処理４０１を実施するのは、汎用機器、専用機器またはその組み合わせによって実行可能な、専用電子／光子ハードウェア／ソフトウェア／ファームウェア用のオペレーションコードを含む処理ブロックである。一連の処理４０１は、説明を簡潔にするため特定の順序で実施される処理ブロックから成るとしているが、一部の処理ブロックの動作を並行して行ったり、一部の処理ブロックの実施順序を変更したり、決まった順序がない処理ブロックがあってもよい。
【００２３】
処理ブロック４１１では、複数の変調周波数を持つ広帯域無線信号、例えばＵＷＢ信号を受信する。処理ブロック４１２では、受信した超広帯域無線信号を低雑音増幅器１１２などを用いて電子増幅する。処理ブロック４１３では、レーザエミッタを直接変調して、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。処理ブロック４１４では、生成された光信号に対して光学フーリエ変換が行われる。処理ブロック４１５では、分離されたスペクトル成分を受信する。対応する光センサは受信したスペクトル成分を、変調周波数チャネルに対応する電気信号に変換する。
【００２４】
本明細書では、例えばＵＷＢ送受信装置（ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ、現在入手不可能）やＩＥＥＥ８０２．１１ａ（ｓｔａｎｄａｒｄｓ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｇｅｔｉｅｅｅ８０２で入手可能）を用いたシステムにおいてＯＦＤＭ処理に光学フーリエ変換を利用する例を説明している。しかし、必ずしも特別なＯＦＤＭ規格を使用しなければならないわけではないので、ＯＦＤＭ専用の処理を行う処理ブロックの使用は任意としてもよい。処理ブロック４１６で電気信号が増幅された後、ＯＦＤＭのデマッピングおよびデインターリービング処理が行われる処理ブロック４１７に進むかどうかは任意である。最後の処理ブロック４１８で行われる前方誤り補正（ＦＥＣ）復号も任意である。
【００２５】
図５は、超広帯域送信装置における光学逆フーリエ変換素子を用いたＯＦＤＭ用処理の一実施形態を示すフローチャートである。処理ブロック５１１では、ＦＥＣ畳み込み符号化が任意で行われる。その後、任意で処理ブロック５１２に進む。処理ブロック５１２では、ＯＦＤＭのインターリービングおよびマッピング処理が行われる。続いて処理ブロック５１３に進み、複数のレーザエミッタが複数の変調周波数に対応した電気信号によって直接変調され、複数のスペクトル成分に対応した光信号が生成される。処理ブロック５１４では、生成された光信号に対して光学逆フーリエ変換が行われ、複数のスペクトル成分を含む複合光信号が生成される。処理ブロック５１５では、光センサが複数のスペクトル成分を持つ複合光信号を受信・変換し、複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る。処理はその後、任意で処理ブロック５１６から５１８に進み、ＧＩ付加、シンボル波形整形およびＩＱ変調といったＯＦＤＭ処理が行われる。処理ブロック５１９では、複数の変調周波数を持つ複合電子信号が増幅され、例えばＵＷＢ無線信号として送信される。
【００２６】
上記の内容は、本発明の望ましい実施形態を説明するためのものである。成長速度が速く今後どこまでの進歩が達成されるか判断が難しい技術分野では特に、発明の内容や詳細部分を、付記の請求項が定義する範囲内で本発明の精神から離れることなく、当業者が変更できるのは明らかである。
【図１】
2007517476.tif 000003
【図２ａ】
2007517476.tif 000004
【図２ｂ】
2007517476.tif 000005
【図３ａ】
2007517476.tif 000006
【図３ｂ】
2007517476.tif 000007
【図４】
2007517476.tif 000008
【図５】
2007517476.tif 000009
【国際調査報告】
2007517476.tif 000010
2007517476.tif 000011
2007517476.tif 000012