(57)【要約】  発散ビーム自由空間光通信システム用の光受信器が提供される。光受信機は、デマルチプレクサと、検出器アレイとを含む。デマルチプレクサは、自由空間内で伝搬する光ビームを受信するように構成された回折光学系を含む。光ビームは、複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を含み、回折光学系は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成される。検出器アレイは、複数の光キャリア信号を複数の通信チャネル用のそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器を含む。複数の光検出器は、複数の光キャリア信号の光キャリア信号の数の少なくとも２倍の数の光検出器を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発散ビーム自由空間光（ＤＢＦＳＯ）通信システムであって、
複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を生成し、前記複数の光キャリア信号を光ビームに合成して、自由空間内で伝播させるために前記光ビームを送信するように構成された光送信機と、
自由空間内で伝播している前記光ビームを受信し、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離して、前記複数の光キャリア信号を前記複数の通信チャネル用のそれぞれの複数の電気信号に変換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、前記複数の光キャリア信号を前記それぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器を含み、前記複数の光検出器は、前記複数の光キャリア信号内の光キャリア信号の少なくとも２倍の数の光検出器を含む、光受信機と、
を備える、ＤＢＦＳＯ通信システム。
【請求項２】
前記光受信機は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折格子を有するデマルチプレクサを含む、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項３】
前記光受信機は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成されたホログラフィック体積位相格子を有するデマルチプレクサを含む、請求項２に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項４】
光受信機は、２つの軸に沿って前記光ビームを空間的に分離するように構成された第１および第２の回折光学系を有するデマルチプレクサを含む、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項５】
前記複数の検出器の各々の光検出器のサイズは、最大９ミクロンである、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項６】
前記光受信機は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサと、偏光に応じて前記光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系とを含む、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項７】
前記光受信機は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサと、軌道角運動量に応じて前記光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系とを含む、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項８】
前記光受信機は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサを含み、かつ前記回折光学素子と検出器アレイとの間の光学系アレイをさらに含み、前記光学系アレイは、前記複数の光キャリア信号を空間的に拡散させるように構成される、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項９】
前記光学系アレイは、ミラーアレイである、請求項８に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項１０】
前記複数の光検出器は、前記複数の通信チャネルの各々の通信チャネル用の複数の検出器を含み、
前記光受信機は、前記複数の光検出器のそれぞれに結合された固体スイッチングデバイスをさらに含み、前記固体スイッチングデバイスによって、前記複数の光検出器のそれぞれが処理回路への接続のために個別におよび別個に選択可能であり、
各々の通信チャネル用の前記複数の検出器は、前記複数の検出器の全てではないが少なくともいくつかが選択され、前記複数の検出器のうちの他の検出器は利用されないように、個別におよび別個に選択可能である、請求項１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項１１】
前記複数の検出器のうちの前記利用されない他の検出器は、前記複数の検出器のうちの前記他の利用されない検出器に結合された固体スイッチングデバイスのそれぞれによって、低電圧もしくはグランドに、または高電圧に接続される、請求項１０に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【請求項１２】
発散ビーム自由空間光通信システム用の光受信機であって、前記光受信機は、
自由空間内で伝播している光ビームを受信するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサであって、前記光ビームは、複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を含み、前記回折光学系は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成される、デマルチプレクサと、
前記複数の光キャリア信号を前記複数の通信チャネル用のそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器であって、前記複数の光検出器は、前記複数の光キャリア信号内の光キャリア信号の数の少なくとも２倍の数の光検出器を含む、検出器アレイと、
を含む、光受信機。
【請求項１３】
前記回折光学系は、回折格子である、請求項１２に記載の光受信機。
【請求項１４】
前記回折格子は、ホログラフィック体積位相格子である、請求項１３に記載の光受信機。
【請求項１５】
前記デマルチプレクサは、２つの軸に沿って前記光ビームを空間的に分離するように構成された第１および第２の回折光学系を含む、請求項１２に記載の光受信機。
【請求項１６】
前記複数の光検出器の各々の光検出器のサイズは、最大９ミクロンである、請求項１２に記載の光受信機。
【請求項１７】
偏光に応じて前記光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系をさらに備える、請求項１２に記載の光受信機。
【請求項１８】
軌道角運動量に応じて前記光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系をさらに備える、請求項１２に記載の光受信機。
【請求項１９】
前記回折光学系と検出器アレイとの間にあり、かつ前記複数の光キャリア信号を空間的に拡散させるように構成された光学系アレイをさらに備える、請求項１２に記載の光受信機。
【請求項２０】
前記光学系アレイは、ミラーアレイである、請求項１９に記載の光受信機。
【請求項２１】
発散ビーム自由空間光（ＤＢＦＳＯ）通信システムであって、
複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を生成し、前記複数の光キャリア信号を光ビームに合成して、自由空間内で伝播させるために前記光ビームを送信するように構成された光送信機と、
自由空間内で伝播している前記光ビームを受信し、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離して、前記複数の光キャリア信号を前記複数の通信チャネル用のそれぞれの複数の電気信号に変換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、前記複数の光キャリア信号を前記それぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器を含み、前記複数の光検出器は、前記通信チャネルの少なくともいくつかに対して０．１度より大きい受光角を有する、光受信機と、
を備える、ＤＢＦＳＯ通信システム。
【請求項２２】
前記光受信機は、波長に応じて前記光ビームを前記複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折格子またはホログラフィック体積位相格子を有するデマルチプレクサを含む、請求項２１に記載のＤＢＦＳＯシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１８年２月２２日に出願され、「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ，Ｄｉｖｅｒｇｅｄ−Ｂｅａｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」と題された米国仮特許出願第６２／６３３，９４０号の優先権を主張するものであり、この特許の内容全体を参照によって本願明細書に引用したものとする。
【０００２】
本開示は、全般的には、高速自由空間光通信リンクに関し、特に、単一の物理パスまたはリンク上の帯域幅を増加させるために複数のチャネルを使用することに関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザを使用した自由空間光（ＦＯＳ）通信の概念は、レーザの発明まで遡る。しかしながら、高出力レーザの生成および変調の難しさが、細くコリメートされたビームを使用する見通し内システムへのＦＳＯの使用を制限している。発散光パルスによる非常に低パワーかつ低変調率が、テレビおよび他の機器用の遠隔制御装置のようないくつかのニッチ用途で使用されている。構成要素およびシステムに数十億ドルもの投資が行われた１９９０年代後半および２０００年代初頭の電気通信急成長期でさえ、ＦＳＯシステムは、見通し内構成においてコリメートされたビームを超えなかった。ＦＳＯ見通し内システムを販売する既存の企業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。これらのシステムのコストは、１リンク当たりおよそ１万ドルから始まり、１年に数千のシステムのみが出荷されている。
【０００４】
上述した問題の少なくともいくつか、ならびに場合によっては他の問題を考慮し、解決する近年開発のＦＳＯ通信システムは、米国特許第９８４７８３４号明細書に記載されている。該特許は、参照によって本願明細書に引用したものとする。それでも、多くの場合、既存のシステムおよび方法をさらに向上させ、拡張することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の例示的な実施形態は、自由空間光（ＦＳＯ）通信システムにおいて単一の物理パスまたはリンク上の帯域幅を増加させるために複数のチャネルを使用することに関する。好適なＦＳＯ通信システムの一例は、’８３４号特許によって開示されているような発散ビームＦＳＯ（ＤＢＦＳＯ）システムである。例示的な実施形態は、’８３４号特許によって開示されているＤＢＦＳＯシステムのようなＦＳＯ通信システムにおいて、複数の波長およびより高いデータレートへと発展したものであり、単一の光リンクにおいて最大１Ｔｂｐｓ（１秒当たりのテラビット）に到達し、および１Ｔｂｐｓを超えるハードウェアおよびソフトウェアの技術革新を提供する。
【０００６】
これらのリンクは、一方向、双方向、１対多、多対１、またはいくつかの組み合わせであり得る。
【０００７】
例示的な実施形態によれば、チャネルは、異なる波長もしくは異なる偏光、または異なる角運動量の状態で動作し得る。波長は、回折格子を使用してスペクトル的に、またはリンクの送信側の複数のアパーチャを使用して空間的に多重化され得る。この選択は、眼の安全パワーレベルに基づき得る。
【０００８】
受信側では、波長は、回折光学素子を使用して逆多重化され得る。個々のチャネルは、チャネル帯域幅で動作する１つまたは複数のフォトダイオードにおいて光電変換され得る。
【０００９】
チャネルはさらに、垂直偏光および水平偏光のような直交偏光を含む偏光を使用して多重化され得る。この場合、多重化および逆多重化は、偏光ビームスプリッタを用いて実現され得る。差動検波は、所与の偏光におけるＳＮＲを向上させるために使用され得る。
【００１０】
したがって、本開示は、以下の例示的な実施形態を含むが、これらに限定されるものではない。
【００１１】
いくつかの例示的な実施形態は、複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を生成し、複数の光キャリア信号を光ビームに合成して、自由空間内で伝播させるために光ビームを送信するように構成された光送信機と、自由空間内で伝播している光ビームを受信し、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離して、複数の光キャリア信号を複数の通信チャネル用のそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された光受信機であって、光受信機は、複数の光キャリア信号をそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器を含み、複数の光検出器は、複数の光キャリア信号内の光キャリア信号の少なくとも２倍の数の光検出器を含む、光受信機と、を備える、発散ビーム自由空間光（ＤＢＦＳＯ）通信システムを提供する。
【００１２】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折格子を有するデマルチプレクサを含む。
【００１３】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成されたホログラフィック体積位相格子を有するデマルチプレクサを含む。
【００１４】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、２つの軸に沿って光ビームを空間的に分離するように構成された第１および第２の回折光学系を有するデマルチプレクサを含む。
【００１５】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、複数の光検出器の各々の光検出器のサイズは、最大９ミクロンである。
【００１６】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサと、偏光に応じて光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系とを含む。
【００１７】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサと、軌道角運動量に応じて光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系とを含む。
【００１８】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサを含み、かつ回折光学素子と検出器アレイとの間の光学系アレイをさらに含み、光学系アレイは、複数の光キャリア信号を空間的に拡散させるように構成される。
【００１９】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光学系アレイは、ミラーアレイである。
【００２０】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、複数の光検出器は、複数の通信チャネルの各々の通信チャネル用の複数の検出器を含み、光受信機は、複数の光検出器のそれぞれに結合された固体スイッチングデバイスをさらに含み、固体スイッチングデバイスによって、複数の光検出器のそれぞれは処理回路への接続のために個別におよび別個に選択可能であり、各々の通信チャネル用の複数の検出器は、場合によっては、複数の検出器の全てではないが少なくともいくつかが選択され、複数の検出器のうちの他の検出器は利用されないように、個別におよび別個に選択可能である。
【００２１】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、複数の検出器のうちの利用されない他の検出器は、その利用されない他の検出器に結合された固体スイッチングデバイスのそれぞれによって、低電圧もしくはグランドに、または高電圧に接続される。
【００２２】
いくつかの例示的な実施形態は、自由空間内で伝播している光ビームを受信するように構成された回折光学系を含むデマルチプレクサであって、光ビームは、複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を含み、回折光学系は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成される、デマルチプレクサと、複数の光キャリア信号をそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器であって、複数の光検出器は、複数の光キャリア信号内の光キャリア信号の少なくとも２倍の数の光検出器を含む、検出器アレイと、を備える、発散ビーム自由空間光（ＤＢＦＳＯ）通信システム用の光受信機を提供する。
【００２３】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、回折光学系は、回折格子である。
【００２４】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、回折格子は、ホログラフィック体積位相格子である。
【００２５】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、デマルチプレクサは、２つの軸に沿って光ビームを空間的に分離するように構成された第１および第２の回折光学系を含む。
【００２６】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、複数の光検出器の各々の光検出器のサイズは、最大９ミクロンである。
【００２７】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、偏光に応じて光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系を備える。
【００２８】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、軌道角運動量に応じて光キャリア信号を分割するように構成された追加の光学系をさらに備える。
【００２９】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、回折光学系と検出器アレイとの間にあり、かつ複数の光キャリア信号を空間的に拡散させるように構成された光学系アレイをさらに備える。
【００３０】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせの光受信機のいくつかの例示的な実施形態では、光学系アレイは、ミラーアレイである。
【００３１】
いくつかの例示的な実施形態は、複数の通信チャネル用のそれぞれの波長の複数の光キャリア信号を生成し、複数の光キャリア信号を光ビームに合成して、自由空間内で伝播させるために光ビームを送信するように構成された光送信機と、自由空間内で伝播している光ビームを受信し、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離して、複数の光キャリア信号を複数の通信チャネル用のそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された光受信機であって、光受信機は、複数の光キャリア信号をそれぞれの複数の電気信号に変換するように構成された複数の光検出器を含み、複数の光検出器は、通信チャネルの少なくともいくつかに対して０．１度より大きい受光角を有する、光受信機と、を備える、ＤＢＦＳＯ通信システムを提供する。
【００３２】
任意の前述の例示的な実施形態または任意の前述の例示的な実施形態の任意の組み合わせのＤＢＦＳＯシステムのいくつかの例示的な実施形態では、光受信機は、波長に応じて光ビームを複数の光キャリア信号に空間的に分離するように構成された回折格子またはホログラフィック体積位相格子を有するデマルチプレクサを含む。
【００３３】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下で簡単に説明する添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。本開示は、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が本明細書内の具体的な実施形態の説明において明示的に組み合わされるか、または別の形で列挙されているかに関係なく、このような特徴または要素の任意の組み合わせを含む。本開示は、本開示の文脈に別段の明確な指示のない限り、その態様および実施形態のいずれかにおいて、本開示の任意の分離可能な特徴または要素が組み合わせ可能であると見なされるように、総合的に解釈されることを意図している。
【００３４】
したがって、上記の発明の概要は、本開示のいくつかの態様の基本的な理解が得られるように、いくつかの例示的な実施形態を要約するためだけに記載されていることが理解されよう。それ故に、上述の例示的な実施形態は、いくつかの実施形態の単なる例にすぎず、本開示の範囲または精神をいかなるステッパ形でも狭めるものであると解釈すべきではないことが理解されよう。本開示の範囲は多くの可能な実施形態を包含することが理解されよう。それらの実施形態のいくつかについて、本発明の概要に要約されている内容に加えて、以下でさらに詳細に説明する。さらに、本明細書に開示される実施形態の他の態様および利点は、記載されている実施形態の原理を例として示している添付図面と併せて考察された以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００３５】
上記で大まかに本開示を説明したが、ここで添付図面について述べる。これらの図面は必ずしも正確な縮尺率で示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本開示の様々な例示的な実施形態に係る、検出器面上で異なる波長のビームを空間的に分離する例示的な格子、および結果として得られる検出器面上のモデル化されたスポットそれぞれを示す図である。
【図２】様々な例示的な実施形態に係る、互いに対して回転された軸を有する二重格子、続いて一対のアクロマティックダブレット、および光が検出器表面上の対角線に沿って並ぶ点に集束される検出器表面をそれぞれ示す図である。
【図３】様々な例示的な実施形態に従って、格子が光を分散させ、レンズが１次元検出器アレイの異なる素子上へ異なる波長をマッピングする様子を示す図である。
【図４】様々な例示的な実施形態に従って、格子が入射光を分散させ、レンズが２次元（２Ｄ）検出器アレイの異なる素子上へ異なる波長をマッピングする様子を示す図である。
【図５】例示的な実施形態に係る、アレイ上の１００％のフィルファクタおよび１００％未満のフィルファクタのそれぞれに対する様々な検出器形状の例を示す図である。
【図６】例示的な実施形態に係る、１／４波長板を通過して偏光を調整し、次に格子から出て回折し、左（ＬＨ）偏光を一方の検出器へ、右（ＲＨ）偏光を他方の検出器へと案内する偏光ビームスプリッタ上にレンズによって集束される円偏光を示す図である。
【図７】例示的な実施形態に係る、軌道角運動量（ＯＡＭ）および多波長多重化を示す図である。
【図８】例示的な実施形態に係る、眼の安全のためにパワー密度を低減するのに使用される複数のアパーチャの一例を示す図である。
【図９】例示的な実施形態に係る、装置全体を移動させるか、または固定マウント内で送受信サブシステムのみを移動させるかのいずれかを伴い得る、送受信ビームをポインティングするための装置を示す図である。
【図１０】例示的な実施形態に係る、経時的なチャネル、リンク、およびノード容量の予測される増加を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
次に、本開示の実施例を参照しながら本開示をより詳細に説明する。本開示が徹底的かつ完全な説明となり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えることができるように、これらの例示的な実施形態を説明する。実際に、本開示は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、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解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供されている。本明細書および添付の請求項で使用される場合、例えば、単数形「一」、「一つ」、「その」などは、文脈上別段の明確な指示がない限り、複数形の指示対象を含む。また、例えば、本明細書では、定量的尺度、値、関係などが引用され得る。特に明記しない限り、これらの全てではないにしても、いずれか１つまたは複数は、例えば公差などに起因して起こり得る許容可能な変動を説明するために絶対的または近似的であり得る。
【００３８】
一貫した名称で表示するために、ノード、リンク、およびチャネルの用語が使用されている。ノードは、ネットワーク内の物理的な位置であり、静止ノードまたは移動ノードであり得る。リンクは、２つ以上のノード間のデータおよびネットワーク制御情報を送受信するノード間のＤＢＦＳＯ接続である。チャネルは、リンク内の単一パスであり、波長または偏光のような何らかの物理的特性によって他のチャネルと区別され、電気／光（Ｅ／Ｏ）変換および光／電気（Ｏ／Ｅ）変換される。’８３４号特許によって開示されているようなＤＢＦＳＯシステムは、多くのノードで構成され、各々のノードは、他のノードへの１つまたは複数のリンクを有する。この場合、各々のリンクは、１つまたは複数のチャネルで構成される。
【００３９】
チャネルは、異なる用途を有し、異なるデータレートで動作し得る。例えば、１つのチャネルはクロックとして使用され、他のチャネルはデータとして使用され得る。これが必要とされ得る一例は、パルス位置変調（ＰＰＭ）であり、データチャネルのデューティサイクルは比較的低く、データから生成される受信クロックはより大きなタイミングジッタを発生させる傾向がある。より高いデューティサイクルを有するクロックチャネルは、その後、受信クロックを同期状態で維持し得る。このクロックは、データチャネルのデータレートで、またはより高いデータレートもしくはより低いデータレートで動作し得る。ＰＰＭは、ビットサイズよりも小さいビンサイズで使用され得、このことにより、固有のビット周期よりも高いデータレートが得られる。ＰＰＭはさらに、複数のチャネルにわたって使用され得る。他の可能なチャネルは、制御レイヤ情報、またはデータと制御レイヤ情報との混合物を搬送し得る。
【００４０】
光／電気変換（Ｏ／Ｅ）は、検出器、素子、ピクセル、またはさまざまなそのようなデバイスによって行われ得る。
【００４１】
データ送信の別の考慮事項は相対的なシグナリングであり、この場合、２つ以上のチャネル間の相対的な強度差も情報を搬送し得る。すなわち、差動符号化または位相符号化は、１つのチャネルを別のチャネルに対して変化させることによって使用され得る。位相は、所与の波長または異なる波長における２つの偏光間で変化し得る。
回折素子（複数を含む）を使用したマルチチャネルＦＳＯ
【００４２】
以前の特許を踏まえて、本出願は、発散ビーム自由空間光通信システムを示す。ここで、リンクは、１リンク当たり２つ以上のチャネルを有する。所与のリンクに対して、チャネルは、米国特許第９８４７８３４号によって示されている発散光子効率を満たす。すなわち、送信機は、０．１度を超えるビーム発散を有し、受信機は、０．１度を超える受光角を有し、特定のチャネルの光子効率は、０．０５％未満である。ここで、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の数を光送信機によって放出される光ビームの光子の数に関連付け得る。
【００４３】
リンクの受信機側では、複数のチャネルは、１つまたは複数の集束素子と組み合わされた回折素子によってスペクトル的に分離され得る。回折素子は、典型的には、波長を角度にマッピングする。集束素子は、角度を物理的位置にマッピングし得る。これは、分光計において起こる状態と同様である。１つの相違点は、ここでは、入力光は既にコリメートされているか、またはほぼコリメートされているが、分光計は入力スリットまたはアパーチャを有し、回折素子の前に光を内部でコリメートする必要があるということである。
【００４４】
１つの例示的な実施形態は、回折格子を使用し得る。回折格子は、角度に応じて複数の波長を空間的に分離する（（角度分散と呼ばれるプロセス）。次いで、１つまたは複数のレンズを使用して、角度をマッピングして、空間的位置を分離し得る。より高い線密度の格子およびより長い焦点距離のレンズを使用することにより、より大きな角度分散、すなわち、２つの所与の波長間のより大きな物理的分離が得られる。しかしながら、１９００本／ｍｍ（１ミリメートル当たりの本数）より高い線密度を有する回折格子を構築することは困難であり、より長い焦点距離レンズの使用は、集光アパーチャにおける単一波長の受光角を小さくし、その結果、集光がより困難になる。
【００４５】
回折格子の一般式は、以下の通りである。
【数１】
2021515462.tif 000003
ここで、ｄは格子の線間隔であり、θｉは入力角度であり、θ０は出力角度であり、ｍは、回折次数であり、λは真空中の光の波長である。１つの凸レンズ（もしくは複数の凸レンズまたは凹面鏡）を使用して、出力角度（複数を含む）を空間的位置にマッピングすることができる。最初に、２つの異なる波長間の空間的分離は、角度分離×レンズの焦点距離により得られる。２つの異なる波長間の出力角度分離（２つの波長が同じ入射角であると仮定して）は、以下の式によって得られる。
【数２】
2021515462.tif 000004
【００４６】
一例として、１６６６本／ｍｍの格子は、ｄ＝０．６ミクロンの線間隔を有する。λｎ＝０．９ミクロンであり、λ１＝０．８ミクロンである場合、Δθ＝０．２５ラジアンである。５０ミリメートルの焦点距離レンズと組み合わされると、２つの波長間の物理的間隔は、１２．７ミリメートルである。このシステムは、図１（Ａ）に示されており、格子１００は１６６６本／ｍｍであり、５０ｍｍの焦点距離レンズをシミュレートし、色収差を低減する２つの１００ｍｍ焦点距離アクロマティックダブレット１０２、１０４と、検出器面１０６とが存在する。それぞれ別個の波長は、検出器面１０６上の異なる空間スポットに集束される。１つのそのような集束スポットの一例は、１０８である。図１（Ｂ）は、１０ｎｍだけ分離された２つの波長について検出器面１０６上の得られたモデル化スポット１１２、１１４を示す。８００〜９００ｎｍの範囲の波長についての１０ｎｍスペクトル分離は、約１．２ｍｍ離間した検出器面１０６上の空間分離を生じさせる。これは、１００ｎｍの帯域幅が１２．７ｍｍ離間しているという理論的計算と一致する。
【００４７】
波長の空間分離を増加させるためにより長い焦点距離のレンズを使用することに対するトレードオフは、所与の検出器の受光角が、最初に、検出器の直径をレンズの焦点距離で除算することにより得られることである。１ミリメートルの直径の検出器および５０ミリメートルの焦点距離のレンズは、１／５０＝０．０２＝１．２度、合計＝＋／−０．６度の近似受光角を有する。１ｍｍの検出器が間にデッドスペースを有さない場合、２７ミリメートルのレンズは、１０個の検出器全体で１００ｎｍ拡大するのに十分であり、１つの検出器の受光角は、約１／２７＝０．０３７＝２．２度である。検出器サイズを用いたスケーリングはなく、１００ミクロンの検出器は、２．７ミリメートルの焦点距離レンズを必要とし、（デッドスペースがないと仮定して）依然として２．２度の受光角を有し得るが、各々の検出器の光利得はより小さくなる。小さな検出器は、より高いデータレートを可能にし、所与のチャネル数に対するシステム全体のサイズを減少させるので、小さな検出器によるシステムの利点がある。いくつかの例では、受光角は、少なくとも０．１度であり、最大で１０度であり得る。また、いくつかの例では、素子アレイを有する検出器の受光角は、球面カバレッジを実現するために最大４πステラジアンであり得る。
【００４８】
単一の格子は、その格子線に垂直な軸に沿った回折を生成するのみである。別の例は、格子線が互いにほぼ直角であり、したがって２つの軸における分散を生成するように、第２の格子が第１の格子に対して約９０度回転された２つの格子を含み得る。このことが、図２（Ａ）に示されている。ここで、光は、最初に、第１の格子２００によって回折され、次いで直交方向に配向された第２の格子２０２によって直交方向に回折される。光は、検出器面２０８上に２つのアクロマティックダブレット２０４、２０６を通して集束される。１つのこのようなスポット２１０は緑色で示されているが、他の波長は検出器面２０８を挟んで異なる空間位置に集束される。この手法は、２つの所与の波長間の物理的距離を増大させ得、焦点面に位置する検出器に到達する周囲光の量を低減し得る。図２（Ｂ）では、検出器上に集束されたスポット２１２、２１４は、スペクトル的に１０ｎｍ離間しており、単一の軸の場合と比較して、それらの空間的分離は、単一の格子に対して、
【数３】
2021515462.tif 000005
だけ増大される。いくつかの例では、２つの格子は、１つの光学系に物理的に組み込まれ得る。例えば、体積位相ホログラフィック格子は、その中に書き込まれた複数の格子を有し得る。
【００４９】
いくつかの例では、回折格子は、表面透過型格子または反射格子または体積位相ホログラフィック格子であり得る。また、格子およびレンズを含み得るホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）も利用可能である。格子周期は、１００本／ｍｍから１０００／（λ／２）本／ｍｍの物理的限界までの任意の値であり得る。８４０ｎｍの光では、格子周期は、２３８０本／ｍｍである。
【００５０】
角度分散を生成する別の方法は、プリズムまたは他の回折光学系（ＤＯＥ）の使用による方法である。
【００５１】
別の例は、例えば音響光学変調器（ＡＯＭ）または音響光学デバイス（ＡＯＤ）において、進行波ＲＦまたは音波を使用して分散を生成し得る。
【００５２】
別の例は、回折素子として空間光変調器（ＳＬＭ）を使用し得る。ＳＬＭの有効な線間隔は、時間とともに変化し得る。線間隔の変更は、角度の波長をステアリングし得、ひいては、検出器または検出器アレイ上の位置を変更し得る。代替的に、線間隔の変更は、波長間の物理的距離を変更し得る。１つまたは２つの軸においてＳＬＭの回転と組み合わせると、線間隔の変更は、複数の波長間の位置および分離の両方を設定することができる。
【００５３】
別の例は、メタマテリアルまたは他の材料を使用してもよく、その場合、屈折率は、電圧、電流、磁場または光場を変化させることによって変更され得る。
【００５４】
周囲光遮断―波長を空間的に分離することに加えて、回折格子はさらに、受信アパーチャに入射する波長および角度の範囲のみが所与のフォトダイオード上で終了し得るので、周囲光遮断フィルタとしても機能する。例えば、図１の場合、１０ｎｍ離間した波長間の空間的分離は、約１．２ｍｍである。したがって、この場合、１ｍｍの検出器は、１０ｎｍ／１．２＝８．３ｎｍの波長範囲、したがって、周囲光を検出することになる。例えば検出器アレイ内の検出器が小さくなると、周囲光の範囲は狭くなる。１００ミクロンの検出器は、周囲光の０．８３ｎｍの帯域幅のみを検出することになる。
【００５５】
この場合、周囲光遮断は、格子の分散軸にのみ沿った遮断であることに留意されたい。直交方向においては、光学系によって通される全ての波長は、依然として検出器に到達し得る。しかしながら、ほぼ直角を成す２つの格子が使用される場合、周囲光遮断は、両方の軸に沿って発生し、各々の検出器の前の狭帯域フィルタの場合と同様になる。狭帯域フィルタは非常に高価であるため、回折格子は、２つの機能を果たし、各々が単一の波長で動作する多くのシステムを構築する場合と比較して、システムコストを低減することができる。
【００５６】
別の例は、１つの偏光格子を使用して、周囲光遮断を向上させ得る。この場合、レーザは偏光され、その偏光が格子の意図された偏光に対して大まかに位置合わせされた信号光の一部が透過される。
【００５７】
いくつかの例では、該システムは、光路にロングパスフィルタを有し得る。これは、７８０ｎｍよりも長い波長を通し、より短い波長からの光の大部分を遮断し得る。このロングパスフィルタは、フォトダイオードのスペクトル応答と組み合わされて、該システムの全帯域幅を設定し得る。この構成は、太陽または他の光源からの周囲光の影響を低減し得る。
【００５８】
いくつかの例では、光路にショートパスフィルタまたは帯域フィルタが存在し得る。同様に、このフィルタ（複数を含む）も、フォトダイオードのスペクトル応答と組み合わされて、該システムの全帯域幅を設定し得る。この構成は、太陽または他の光源からの周囲光の影響を低減し得る。
【００５９】
いくつかの例では、光路にアパーチャが存在し得る。これは、中に穴を有するプレートのような薄いアパーチャ、またはチューブのような長いアパーチャで構成され得る。このアパーチャは、他の光学系と組み合わされて、所与のフォトダイオードに到達する周囲光の量を低減し得る。この場合、周囲光は、回折光学系、集束光学系、アパーチャ、および特定のフォトダイオードのサイズの組み合わせによって決定され得る。
【００６０】
いくつかの例では、受信機は、図３に示されているように、１次元（１Ｄ）検出器アレイ（または線形アレイ）を使用し得る。ここで、入射ビーム３００は、角度に応じて分離された異なる波長をもって格子または回折素子３０２から出て回折する。例えば、赤色波長３０８の全ては、同じ角度で回折し、したがって、レンズ３０４によって同じスポットに集束される。検出器アレイ３０６は、異なる波長を検出する１つまたは複数の素子を有する。次いで、複数のチャネルが、検出器アレイ全体に拡散され得る。
【００６１】
いくつかの例では、受信機は、２次元（２Ｄ）検出器アレイを使用し、図４に示されている任意の方向から信号を受信するために、一方向または各方向で複数の素子を使用することができる。ここで、入射光４００は、格子４０２に当たり、異なる角度方向に回折する。これらの異なる角度は、レンズ４０４によって、検出器アレイ４０６の異なる素子４０８上に集束される。例示のために示されているのは、例えば４１０によって得られた異なる波長であり、これらの波長の全てが同じ角度で回折し、したがって、検出器アレイ４０６上の同じスポット４１２に集束される。検出器アレイは、単一の波長４１０がアレイ４０６の複数の検出素子４０８に広がり得るので、複数の素子を使用してより大きな視野を可能にし得る。
【００６２】
通例では、センサシステムにおいて全てのまたはほとんど全ての素子が使用されなければならない。エンジニアリングの観点から、このことは、性能および効率の両方を最大化する。しかし、本開示の少なくともいくつかの例示的な実施形態では、素子またはピクセルは、これらの素子の多くまたはほとんどが能動的に使用されないと認識および意図して、意図的に追加される。その後、能動的な使用のために特定の素子を選択することが必要になる。このことは、各々の素子と別個に関連付けられた別個の固体スイッチングトランジスタを用いて行われ得る。その後、これらのスイッチは、各々の所望の素子を適切な感知回路またはアナログ・デジタル変換回路に接続するように作用する。特定の実施形態では、アレイ全体の性能は、非能動素子を接地する、またはより高い電圧に昇圧させることによってさらに高められ得る。これらの実施形態では、第２の別個の固体スイッチングトランジスタは、各々の素子に別個に関連付けられることになる。この作用は、静電容量を低減し、速度を速め、信頼性を高め、および／またはセンサシステムのノイズを低減することができる。
【００６３】
次に、いくつかの例は、複数の素子を有する光センサまたはアレイであって、多くのまたはほとんどの素子が利用されず、各々の素子に結合された個々の別個の固体スイッチングデバイスによって適切な感知回路のような処理回路へ接続するために能動素子が個々におよび別個に選択される、光センサまたはアレイを提供し得る。いくつかの別の例では、非能動素子は、各々の素子に結合された個々の別個の固体スイッチングデバイスによって、低電圧もしくは接地または高電圧へ接続するために個々におよび別個に選択される。
【００６４】
アレイの素子は、１００％のフィルファクタのために正方形、長方形または六角形であり得る。検出器アレイはさらに、１００％未満のフィルファクタを有し得、円形であり得、または正方形、長方形、円形、八角形などの組み合わせであり得る。図５には、１００％のフィルファクタのための検出器アレイのいくつかの可能な変形例が示されている（図５（Ａ））。ここで、検出器は、正方形であり、互いにオフセットされ得る５００、またはハニカム型パターンの六角形５０２であり得る。検出器はさらに、八角形および正方形の組み合わせ５０４であり得る。１００％未満のフィルファクタを有するアレイが図５（Ｂ）に示されている。アレイのフィルファクタは、製造プロセスまたは素子へのトレースの経路決定のための要件に起因して、１００％未満であり得る。ここで、検出器は、円形５０６、互いに間隔が空けられた六角形５０８、または様々な他の形状５１０、５１２であり得る。
【００６５】
アレイは、各々の素子のための高速Ｏ／Ｅ変換電子機器を有し得る。Ｏ／Ｅ変換後、能動チャネルをボックスの出力接続と接続するためのデジタルスイッチファブリックが存在し得る。該システムは、チャネルへの問い合わせを行って、どのチャネルがデータを受信しているかを確認し、次いで、スイッチファブリックを再構成して、能動チャネルを出力と接続し得る。いくつかの構成では、該システムは、特定の光チャネルが１つの光検出器から別の光検出器に移動したとしても、その光チャネルをボックスからの特定の出力と一致させる。
【００６６】
別の例では、光学素子よりも少ない数のＡ／Ｄチャネルが存在し得る。光学素子とＡ／Ｄチャネルとの間にアナログスイッチファブリックが存在し得る。この場合も同様に、該システムは、光学素子への問い合わせを行って、どの光学素子が信号を有するかを判断して、それに応じてアナログスイッチファブリックを構成し得る。スイッチファブリックは、チャネルが１つの光学素子から別の光学素子に移動するか、または光チャネルがリンクに追加される、またはリンクから除去されるときに、経時的に進化し得る。
【００６７】
アナログスイッチファブリックは、低損失で非常に高いデータレートを搬送することができる低抵抗スイッチング経路を提供する、当業者に周知のＭＯＳＦＥＴアレイまたは他の半導体技術を使用して実装され得る。これらのデータレートは、既存の技術の範囲内の技術を用いれば、１チャネル当たり１Ｍｂｐｓ〜１００Ｇｂｐｓの範囲であり得、将来の技術を用いれば、１００，０００，０００Ｇｂｐｓ以上の範囲であり得る。
【００６８】
本開示のこの態様の一例は、検出素子よりも大きいサイズのマイクロレンズ素子を有し、有効フィルファクタを向上させることができる。一例は、個々の素子が非常に大きな受光角を有し、利得が１〜１００の小さなレンズを有する場合である。この実施例は、より広い領域にわたって、より大きい受光角とより小さい受光角を差し替えることによって、受光可能なアレイの面積を最大化する。
【００６９】
別の例は、レンズカバーの複数の素子を有し、信号光が到来する方向を決定するために様々な素子上の相対的な信号強度を使用し得る。この情報は、その後、ポインティングおよび／またはトラッキングのためのフィードバックループにおいて使用され得る。別の例では、検出器は、レーザアレイのどのサブセクションが検出器に到達しているかを送信機に伝えて、他のレーザを小さくする、または切ることができ、その結果、システムのパワーレベルを眼安全レベル未満で維持する、より低出力のパワーにすることができる。一例は、４つ以上の検出器をカバーする小さなレンズであり得、直接的な位置合わせは、４つの検出器の各々に等しい信号強度をもたらし得るが、水平方向または垂直方向のいずれかの角度ずれは、２つの対応する検出器の信号強度の不一致を生じさせ得る。
【００７０】
別の例では、１Ｄまたは２Ｄアレイ上の特定のチャネルの位置を使用して、チャネルの波長を測定することができる。１つの波長の位置が分かると、格子の設定角度分散から、その他の波長の位置も分かる。この測定は、他の波長に対して絶対的または相対的であり得る。これは、そのチャネルの波長が特定の範囲内にとどまるように、送信レーザへのフィードバックループで使用され得る。この範囲は、１５５０ｎｍの光ファイバ通信において使用されるＩＴＵグリッドのような事前定義されたチャネルグリッドであり得る。受信機は、１つまたは複数の既知の波長の何らかの光を受信光学系に供給して、アレイの波長マッピングを較正し得る。
【００７１】
いくつかの例では、検出器は、アレイ内の複数の素子を使用して１つのチャネルを検出し得る。このことにより、単一の検出器に入射する周囲光の量を低減し得る。このことはさらに、複数の検出器にわたって平均化することによってチャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させ得る。この平均化は、検出器によって重み付けされ得る。１つの重み付けは、各々の検出器上の全体の信号強度に比例し得る。この重み付けは、信号強度または他のメトリックまたはユーザ入力に基づいて行われる調整によって、時間的に動的であり得る。これは、前述のアナログまたはデジタルスイッチファブリックと組み合わせて使用され得る。
【００７２】
個々の素子のサイズは、波長のサイズよりも小さい、すなわち５００ｎｍ〜１０ミリメートルの小さい範囲であり得る。そのサイズは、直径が９ミクロンである典型的なテレコム検出器よりも小さいサイズであり得る。いくつかの実施態様では、検出器は、１つの検出器の高さが幅の２倍超である１Ｄアレイの一部であり得る。幅は、５００ｎｍ〜１０ミクロンであり得、高さは、１ミクロン〜１ミリメートルであり得る。いくつかの実施形態では、アレイは２Ｄであり得る。この場合、個々の素子は、直径が５００ｎｍ程度の小ささであり得るが、アレイは、受光角が０．１度〜１０度、またはさらには、球形カバレッジのために最大４πステラジアンとなるのに十分な大きさである。個々の素子は、直径が９ミクロンである典型的なテレコム検出器よりも小さい素子であり得る。個々の検出器は、波長から１ミリメートルまでの範囲であり得る個々の光チャネルのスポットサイズより小さいサイズであり得る。これらの寸法は、特定のチャネルに対して受光角が０．１度を超えるシステム要件を満たすように設定される。
【００７３】
この例は、機械的トラッキングの代わりに、または機械的トラッキングに加えて、電子的トラッキングを使用し得る。電子的トラッキングとは、チャネル信号が最も強く、信号をそれらの素子から電子送受信機にルーティングしている、アレイ内の素子を見つけることを指す。種々のチャネルがどこに位置するかを突き止めるためにビットレートより低いデータレートでのアレイ全体の監視、および各々のチャネルが正しい電子送受信機に行くように電子的ルーティングの調整が行われ得る。この監視は、全体の信号強度、送信されるビットの評価、より低いデータレートのトラッキングもしくはアライメント信号によって、または何らかの他の方法によって行われ得る。
【００７４】
別の例は、より遅い速度で動作するより大きなアレイとともにトラッキングするための１つまたは複数の波長を使用し得る。このアレイは、高速検出器またはアレイと同じ焦点面（または同じプリント基板（ＰＣＢ）上）に配置され得る。特に、トラッキング波長のためのこのサブアレイは、このセクションが他の波長と比較してトラッキング波長に対してより大きな受光角を有するように、アレイの残りの部分よりも物理的に広くてよい。このサブアレイ内のピクセルは、アレイの他の部分よりも大きい場合もあれば、小さい場合もある。これらのピクセルは、主にトラッキングのために使用され、データ送信のために使用されないので、より低いデータレートで動作し得る。このサブアレイによって送受信されるいくつかのより低速のデータが存在し得る。このデータは、制御レイヤ情報および識別情報を含み得る。
【００７５】
別の例では、該システムは、トラッキングのために格子を回転させ得る。すなわち、格子は、より従来式のトラッキング設定におけるステアリングミラーの代わりとなり得る。格子は、１Ｄまたは２Ｄ検出器アレイまたはそれらの任意の組み合わせの有無にかかわらず、１つの軸または両方の軸のいずれかで回転し得る。
偏光を使用したマルチチャネルＦＳＯ
【００７６】
利用され得る別の自由度は、偏光である。単一の波長で複数の偏光を使用することにより、スループットを最大２倍に向上させることができる。一例として、１つのチャネルに対して水平偏光を使用し、第２のチャネルに対して垂直偏光を使用することで、スループットを２倍にすることができる。さらに、差動検波は、「０  １」ビット対「１  ０」ビットに対する信号対雑音比を向上させるために使用され得る。大気およびシステムの伝播効果は、偏光を混合する（または所与のチャネルを脱分極する）傾向があるが、狭い範囲（１０メートル〜１０００メートル）では最小でなければならない。
【００７７】
可能な逆多重化方式は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、図６に示されている受信側の２つの検出器とから構成される。ここで、入射光６００は、１／４波長板６０２に当たって、その直線偏光を円偏光に変化させる。次に、入射光６００は、格子６０４に当たり、角度分散される。レンズ６０６は、上述したように、異なる波長を検出器６１０、６１２上の異なる点に集束するが、ビームは、検出器上に到達する前に、追加の光学部品、ＰＢＳ６０８を通過する。ＰＢＳは、例えば、水平偏光が１つの検出器６１０上に到達し、垂直偏光が他の検出器６１２に到達するように、２つの直線偏光成分の各々を分離する。
【００７８】
別の例は、レンズの焦点面においてまたは焦点面の近傍に２つ以上のミラーのアレイを有し得る。次に、これらのミラーは、特定の波長チャネルまたは偏光チャネルを１つまたは複数の検出器へステアリングし得る。ミラーと検出器（複数を含む）との間には、リレーレンズ、フィルタ、追加のステアリングミラー、または他の素子を含むが、これらに限定されない、追加の光学系が存在し得る。
【００７９】
いくつかの例では、ミラーは固定され得るが、他の例では、ミラーは、１つまたは複数の軸において可動であり得る、特に回転可能であり得る。特定のミラーは、チャネルを２つ以上の他の光路にステアリングすることが可能であり得る。これは、光クロスコネクトとして、または他の目的のために使用され得る。
【００８０】
この例は、ミラーが検出器または検出器アレイよりも小さく作製され得る場合に、特に有用であり得る。ミラーは、この場合、チャネルをはるかに大きな物理領域全体に拡散させ、そのことにより、検出器および関連電子機器のための領域をより大きくすることができる。
軌道角運動量を使用したマルチチャネルＦＳＯ
【００８１】
光子ビームは、偏光、周波数（波長）、位相、振幅、および空間モードを有する。波動方程式の解である空間モードのうちの１つは、ラゲール・ガウスビームと呼ばれ、これらのビームは、偏光されたビームがスピン角運動量を有するのと同様に、軌道角運動量を有する。ビームの軌道角運動量は、保存されなければならないが、ビームの軌道角運動量は、モードの完全な正規直交基底を有するので、情報を符号化するための更なる自由度として使用され得る。ビームの軌道角運動量の数字は、波長もしくは偏光のような情報のビットとして、または別個のチャネルとして使用され得る。
【００８２】
いくつかの例では、空間光変調器（ＳＬＭ）または位相板が、１つまたは複数の異なる波長のそれぞれにおける１つまたは複数のＯＡＭ状態を生成する。このことは、ＯＡＭおよび波長の両方の情報を符号化するより高い次元空間を生成するので、信号中のビット当たりの光子を減少させる
【００８３】
図７に示されているのは、ＯＡＭ・波長ハイブリッドシステムの多重化および逆多重化の一例である。図７（Ａ）において、信号ビーム７０８は、最初に、回折格子７０４およびレンズ７０２を使用してレーザアレイ７００からの複数の波長を単一ビームに多重波長を多重化し、次に、ＳＬＭ７０６（または螺旋状位相板）を介してビームにＯＡＭを付与してその位相を変化させることによって、生成される。ビームは、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示されているように、ＯＡＭ状態の異なる位相を異なる線形位置にマッピングする位相アンラッパ７１２、７１３によって、逆多重化され得る。図７（Ｂ）において、入射ビーム７１０は、多くの異なる波長および多くの異なるＯＡＭモードで構成される。ＯＡＭモードのモード分類器が実証されており、位相アンラッパ７１２を使用して角運動量を線形運動量に、その次に角度にマッピングする７１４。これは、異なる波長を別個の空間位置に分離する格子に全く類似している。ＯＡＭ状態７１４は、モード分類器によって分離されると、格子７１６に当たって角度に応じて波長を空間的に分離し、その後、各々の波長セットを検出器アレイ７２０上の異なる点に集束させるレンズ７１８に当たる。各々の検出器アレイは、同じ波長のビームを検出するサブアレイ７２２で構成され得る。各々のアレイ内で、個々の検出器７２４は、異なるＯＡＭモードを検出する。
【００８４】
代替的に、逆多重化は、最初に波長が分離され、その後にＯＡＭモードが分離される逆の順序で実現され得る。この形態は、図７（Ｃ）に示されており、入射ビーム７２６は、最初に、格子７２８およびレンズ７３０に当たり、波長に応じて角度的／空間的に分離される。各々の異なる波長は、ＯＡＭモード７３４を検出器サブアレイ７３８上および個々の検出器７４０上にさらに分離する位相アンラッパ７３２またはモード分類器に集束される。
検出器のタイプ
【００８５】
本明細書に記載されている光電変換は、検出器技術の多くの異なるタイプで実装され得る。これには、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、シリコン光電子増倍管（ＳＩＰＭ）、および光電子増倍管のような現在利用可能な検出器が含まれる。これらは、シリコン、ゲルマニウム、ＩｎＧａＡｓ（インジウム、ガリウム、ヒ素）、ＧａＡｓ（ガリウム、ヒ素）などを含む、使用中の波長に対応する様々な材料で実装され得る。
【００８６】
新たな検出器技術も使用され得る。これらの技術には、量子ドット、ナノワイヤなどが含まれる。そのいくつかは、グラフェンおよびグラフェンと量子ドットなどの他の材料と組み合わされたものに基づいた技術である。これらのうちのいくつか、例えば量子ドットは、有利である固有のスペクトル応答プロファイルを有し得る。そのいくつかは、信号を有する波長では応答性が高く、信号を有さない波長では応答性が低くなるように調整され得、ひいては周囲光の影響を低減し得る。これらのうちのいくつかは、アバランシェフォトダイオードの現行技術と比較して、より高い応答率（すなわち、ビットレート）を有し得る。このことにより、個々の受信機、線形アレイ、または２Ｄアレイの素子またはピクセルサイズを大きくすることができる。
マルチチャネルＦＳＯを用いた眼の安全性
【００８７】
複数のチャネルは、本質的に、全体的なデータ容量を増加させるためにより多くの光を必要とする。このことは、眼の安全レベルを超えて送信機における強度レベルを増加させる可能性がある。この問題を軽減し、光パワーレベルを眼の安全性限界未満で維持するためのいくつかの技術革新がある。
【００８８】
１ビット当たりのパワーが比較的低い変調方式を使用する。いくつかのＤＢＦＳＯシステムは、ＯＯＫ（オンオフキーイング（レーザが１ではオン、０ではオフになる））を使用し得る。１の数および０の数は、平均して同じであり、したがって、１ビット当たりの平均パワーレベルは、０．５になる。他の変調方式は、ビットレベルごとに異なるパワーレベルを有する。例えば、ＰＰＭは、予め定義されたフレーム内に１つのレーザパルスを配置する。ｎビットのフレームサイズは２ｎであるが、「１」パルスがｎビットの情報を生成するので、１ビット当たりの平均パワーレベルは１／ｎである。全体的なパワーレベルは、１／（２ｎ）となり、そのため、ｎ>２の場合、平均パワーレベルはＯＯＫよりも低くなる。具体的な一例として、ｎ＝３の場合、フレーム内に８つのスロットが存在する。スロットのうちの１つは、その中に光のパルスを有する。平均パワーレベルは、ＯＯＫパワーの１／８であり、情報速度は、ビンレートの３／８である。ＯＯＫと同じ平均パワーレベルにするためには４つのチャネルが必要であり得、情報速度は、この場合、ビンレート（またはＯＯＫビットレート）の４×（３／８）また１．５倍となり得る。
【００８９】
複数の送信アパーチャを使用する。送信アパーチャの数を増加させることは、眼の安全性の懸念は眼が図８に示されている送信機の非常に近くにあるときのみに存在するので、送信され得る総平均パワーを増加させ得る。複数のソースを使用して、パワーの合計の一部を有する各々のソースが比較的大きな領域にわたって総パワーを拡散させ、そのことにより、システムの眼の安全性を高める。ここでは、ＲＸ８００の周囲に複数のＴＸ素子８０２ａ〜８０２ｈを位置決めすることにより、総面積を増加させ、その結果、パワー密度を低下させる。眼が複数の送信機を見ることができる時点では、眼は、全ての送信機からの総パワーが変わらずに眼の安全レベル未満になるほど十分に離れた位置にあり得る。所与のアパーチャは、その裏側に１つまたは複数の送信機を有し得る。受信側では、単一のアパーチャが使用され、その結果、１つの格子または分散素子の使用が可能になり、複数のチャネルを分離することができる。受信機は、２つ以上のアパーチャを有し得る。
【００９０】
より大きなアレイ内のサブアレイを使用する。ＤＢＦＳＯシステムでは、ビームは、受信アパーチャよりもはるかに大きな領域をカバーする。マルチチャネルシステムにおいては、当該受信アパーチャに到達していない所与の波長に対してレーザアレイのセクションをオフにすることが有利である。いくつかの例では、これは、少なくとも１つの波長が全範囲、例えば、＋／−１度をカバーするように、波長のうちのいくつかの波長に対して行われ得る。その他の波長は、必要な出射パワーを１００倍低減する＋／−０．１度のみをカバーし得、依然として＋／−１度のカバレッジを有する波長を介して必要なフィードバック情報を受信することができる。総出射パワーは、カバレッジの大きな角度範囲を維持しながら、大幅に低減され得る。これらの範囲は単なる例であり、ＤＢＦＳＯ設計空間全体の範囲内の任意の範囲が使用され得る。
ポインティングおよびトラッキング
【００９１】
提案されているシステムは、機械的ポインティングまたはステアリングの助けを使用する場合もあれば、そうでない場合もある。多くの場合、広視野であっても、送信および受信の両方において、別個にまたは一緒に、いくつかの粗いポインティング能力を有することが有利である。この粗いポインティング能力は、ノードの視野を固有受光角（０．１度〜１０度）からより大きな角度範囲、典型的には、５度〜３６０度の範囲まで増加させ得る。ポインティングは、水平軸（パンと呼ばれる場合がある）、垂直軸（チルトと呼ばれる場合がある）、または両方の軸で発生し得る。
【００９２】
ステアリングの１つの方法は、外部マウントおよび機械的ハードウェアを使用するものであり、図９（Ａ）に示されている。ここで、受信機（ＲＸ）９０２は、図８に示されているように、それを取り囲む複数の送信機９００を有する構造体の中心に置かれる。送受信機は、極性方向に傾くことができるクレードル９０４に保持され、ステッパまたはＤＣモータ（図示せず）を含む様々なタイプのモータによって駆動され得る。アセンブリは、パンする（方位方向に回転する）回転マウント９０６上に取り付けられ、この回転マウントは、固定ベース９０８に取り付けられる。
【００９３】
代替的には、構造体は、図９（Ｂ）に示されているように、光学部品がその中で回転されている間は、静止状態であり得る。ここで、送信機９１０および受信機９１２は、窓９１４を有する固定マウント９２０の内部に取り付けられる。送信構造体９１０および受信構造体９１２が取り付けられる点に内部パン９１８およびチップ９１６が存在する。内部送信機９１０および受信機９１２は、固定構造体９２０内のこれらの枢動点を中心として揺動する。
容量
【００９４】
チャネル容量―単一のチャネルの第１の実施形態は１００Ｍｂｐｓのビットレートを有し、次の繰り返し分は１Ｇｂｐｓを有する。ローエンドでは、１チャネル当たりの容量は１Ｍｂｐｓと低くなり得る。ハイエンドでは、いくつかの例は、ＯＯＫを用いて少なくとも１０Ｇｂｐｓのデータレートに達し得るチャネル容量を有し得る。いくつかの例は、ＯＯＫを用いて最大１００Ｇｂｐｓのチャネル容量を有し得る。他の例は、特に位相変調および他の手法を含む他の符号化形式を用いて、最大１Ｔｂｐｓのより高いチャネルデータレートを有し得る。
【００９５】
リンク容量―リンク容量は、チャネル数×１チャネル当たりのビット数として定義される。所与のリンクにおけるチャネルの数は、１〜少なくとも１０００の範囲であり得る。リンク容量は、基本的に、媒体中の物理的帯域幅によって制限される。８００ｎｍと９００ｎｍと間の全帯域幅は、４２テラヘルツである。１ビット／Ｈｚでは、これは４２Ｔｂｐｓであり、これは理論上ＯＯＫを用いて実現され得る。他の変調手法は、スループットを最大１０ビット／Ｈｚまで向上させることができ、この帯域幅にわたって４２０Ｔｂｐｓを可能にする。可視光の範囲外にあり、かつ既存の検出器技術（約７８０ｎｍ〜２０００ｎｍ）によってもアクセス可能である全スペクトルに帯域幅が拡張される場合、全帯域幅は２３５ＴＨｚになる。この帯域幅の全てが、本明細書に記載されているこれらのマルチチャネルリンクのためにアクセスされ得る。
【００９６】
ノード容量―ノード容量は、ノードからのリンク数×１リンク当たりの容量として定義される。リンク数の限界は、およそ各々のリンクの角度発散で除算されたアクセス可能な全角度範囲である。これよりも近いリンク間隔は、クロストークを生じ始める場合がある。３６０度をカバーする１つのリンク列および＋／−１度のリンク発散を有する例では、ノードは、１８０個のリンクを有し得る。追加のリンク列は、ノード容量を大幅に増加させ得る。図１０は、本開示の教示に基づく、経時的なチャネル、リンク、およびノード容量の増加可能性を示す。
【００９７】
コストスケーリング―以前に開示されているように、ＤＢＦＳＯシステムは、送信機／受信機ペアの数を増加させ、クロストークが許容レベル未満になるように送信機／受信機ペアを操作することによって、スループットを向上させることができる。これは、複数の波長、複数の空間位置、および他の実施形態を用いて行われ得る。この場合、コストは、一般に、各々のチャネルがリンクの両端に自身の送受信機を含むので、チャネルの数に比例して変化する。このことは、いくつかの用途において許容可能であり得る。本開示は、システムのいくつかを並列化することによって線形スケーリングよりも低くコストを低減するアーキテクチャおよびアプローチを網羅するものである。
【００９８】
説明した本開示の多くの修正および他の実施形態は、上記説明および関連図面で提示されている教示の恩恵を受ける本開示が関係する当業者の頭に浮かぶであろう。したがって、本開示は、開示されている特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正形態および他の実施形態は、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図されていることを理解されたい。さらに、上記説明および関連図面は、要素および／または機能の特定の例示的な組み合わせにおいて例示的な実施形態を説明しているが、添付の請求項の範囲から逸脱せずに、要素および／または機能の異なる組み合わせが代替の実施形態によって提供され得ることを理解されたい。この点に関して、例えば、添付の請求項のいくつかに明記され得るように、上記に明示的に記載されたものとは異なる要素および／または機能の組み合わせも企図される。特定の用語が本明細書で用いられているが、それらは、限定するためではなく、一般的かつ説明的な意味でのみ使用されている。
【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７】
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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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