(57)【要約】　　　（修正有）【解決手段】製品を出力するため、出発材料を処理するよう動作可能な生産システムを備えた製造システムが説明される。ある実施形態において、かかる製造システムは、前記生産システムのパラメーターを表すデータ信号を生成するよう動作可能なセンサーであって、前記センサーは、システム管理装置と関連づけられた適切な信号装置から入ってきた光ビームを受信し、前記データ信号に基づき前記入射光ビームを変調し、さらに、前記データ信号を伝達する前記変調光ビームを前記第二信号装置に逆反射する再帰反射変調器、を備え、自身と関連づけられた信号装置、を有している。【効果】フリースペース光学通信を用いて、システムマネージャと１以上の処理装置間で信号を転送するシステムが提供できる。【選択図】　図１
2004040072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出発材料を処理して製品を出力するよう動作可能な生産システムと、
ｉ）入ってきた光ビームを受信し、ｉｉ）前記データ信号に基づき前記入射光ビームを変調し、さらに、ｉｉｉ）前記入射光ビームを逆反射することにより、前記データ信号を伝達する変調済み光ビームを送信するよう動作可能な再帰反射変調器を備え、関連づけられた第一信号装置を有するセンサーであって、前記生産システムのパラメーターを表すデータ信号を生成するよう動作可能なセンサーと、
ｉ）光ビームを生成するよう動作可能な光源、ｉｉ）前記生成光ビームを前記第一信号装置に送信するよう動作可能な送信器、ｉｉｉ）前記第一信号装置から前記変調光ビームを受信するよう動作可能な受信器、および、ｉｖ）前記変調光ビームから前記データ信号を取り込むよう動作可能なプロセッサを備え、関連づけられた第二信号装置を有するシステム管理装置とを備え、
前記システム管理装置は、前記取り込んだデータ信号を用いて前記生産システムを制御するために動作可能である製造システム。
【請求項２】
請求項１にかかる製造システムにおいて、さらに、前記第一信号装置に関連づけられたアクチュエーター、を備えており、
前記システム管理装置は、前記生産システムのパラメーターを変化させる制御信号を生成するよう動作可能であり、
前記第二信号装置は、前記制御信号に基づいて前記光源によって生成された前記光ビームを変調するよう動作可能な変調器を備えており、
前記第一信号装置は、前記第二信号装置からの前記入射光ビームから前記制御信号を再生するよう動作可能な検出器を備えており、さらに
前記アクチュエーターは、前記再生制御信号に基づいて前記生産システムのパラメーターを変更するよう動作可能であることを特徴とするもの。
【請求項３】
出発材料を処理して製品を出力するよう動作可能な生産システムと、
ｉ）入ってきた光ビームを受信し、ｉｉ）制御信号に基づき前記入射光ビームを変調し、さらに、ｉｉｉ）前記入射光ビームを逆反射することにより、前記制御信号を伝達する変調済み光ビームを送信するよう動作可能な再帰反射変調器を備え、関連付けられた第一信号装置を有するシステム管理装置であって、前記生産システムのパラメータを変化させる制御信号を生成するよう動作可能なシステム管理装置と、
ｉ）光ビームを生成するよう動作可能な光源、ｉｉ）前記生成光ビームを前記第一信号装置に送信するよう動作可能な送信器、ｉｉｉ）前記第一信号装置から前記変調光ビームを受信するよう動作可能な受信器、および、ｉｖ）前記変調光ビームから前記制御信号を取り込むよう動作可能なプロセッサを備え、関連付けられた第二信号装置を有するアクチュエータであって、前記生産システムのパラメーターを変更するよう動作可能なアクチュエーターとを備え、
前記アクチュエーターは、前記取り込んだ制御信号に基づいて前記生産システムの前記パラメーターを変更するよう動作可能である製造システム。
【請求項４】
請求項３にかかる製造システムにおいて、さらに、
前記生産システムのパラメーターを表すデータ信号を生成するよう動作可能であり、前記第一信号装置と関連づけられられたセンサを備え、
前記第二信号装置は、前記データ信号に基づいて、前記光源により生成された前記光ビームを変調するよう動作可能な変調器を備え、
前記第一信号装置は、前記第二信号装置からの前記入射した光ビームから前記データ信号を再生するよう動作可能な検出器を備え、さらに、
前記システム管理装置は、当該システム管理装置を用いて、前記生産装置を制御するよう動作可能であることことを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項２または請求項４にかかる製造システムにおいて、
前記第一信号装置の前記検出器は、
前記第二信号装置からの少なくとも一部の前記光ビームを、電流信号であって前記データを伝達する高周波数成分を有した対応する電流信号に変換するよう動作可能な光・電気変換器、
前記高周波数成分から低周波数成分を分離するよう動作可能な分離装置、
前記電流信号の前記分離低周波数成分を用い、オフセット電流信号を生成する信号生成装置、
検出電流信号を生成するため、前記電流信号から前記オフセット電流信号を減じるよう動作可能な減算器、
増幅された信号を生成するため、前記検出電流信号を増幅するよう動作可能なアンプ、および
前記データを再生するため、前記増幅信号を処理するよう動作可能なプロセッサーを備えたことを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項５にかかる製造システムにおいて、
前記光・電気変換器は、フォトダイオード、を備えたことを特徴とするもの。
【請求項７】
請求項５または請求項６にかかる製造システムにおいて、
前記信号生成装置は、前記電流信号の前記低周波数成分に対応するミラー電流を生成するよう動作可能なカレントミラーを備えたことを特徴とするもの。
【請求項８】
請求項７にかかる製造システムにおいて、
前記ミラー電流は負荷に印加され、前記検出器は、さらに、前記低周波数成分を表す電圧信号を生成するため、前記負荷の両端の電位差を監視するよう動作可能な監視装置を備えたことを特徴とするもの。
【請求項９】
請求項７または８にかかる製造システムにおいて、
前記ミラー電流は、第一電流ミラー（ｆｉｒｓｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｉｒｒｏｒ）であり、前記減算器は、前記第一電流ミラーの出力ブランチが第二電流ミラーの入力ブランチと接続するよう配置された第二電流ミラー（ｓｅｃｏｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｉｒｒｏｒ）を備えており、前記光・電気変換器は、前記第二電流ミラーの出力ブランチに接続され、これにより、前記オフセット電流は、前記第二電流ミラーの出力ブランチを通じて流れることを特徴とするもの。
【請求項１０】
請求項９にかかる製造システムにおいて、
前記信号生成装置は、さらに、前記第二電流ミラーの前記入力ブランチに流入する電流を低減させるため、第一電流ミラーにより生成された前記ミラー電流の一部を分離するスプリッターを備え、前記ミラー電流の前記一部は、前記電流が前記アンプを通じて一方向に流れるよう設定されていることを特徴とするもの。
【請求項１１】
先行するいずれかの請求項にかかる製造システムにおいて、
前記再帰反射変調器は、テレセントリックレンズおよび反射器、を備えたことを特徴とするもの。
【請求項１２】
請求項１１にかかる製造システムにおいて、
前記反射器は、実質的に前記テレセントリックレンズの後方焦点面内に位置することを特徴とするもの。
【請求項１３】
先行するいずれかの請求項にかかる製造システムにおいて、
前記再帰反射変調器は、量子閉じ込めシュタルク効果装置（ｑｕａｎｔｕｍ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｓｔａｒｋ　ｅｆｆｅｃｔ　ｄｅｖｉｃｅ）を備えたことを特徴とするもの。
【請求項１４】
請求項１３にかかる製造システムにおいて、
前記量子閉じ込めシュタルク効果装置は、
印加された電界に基づいて変化する光吸収スペクトルを有する複数の量子ウエルを含むマルチレイヤー半導体構造であって、入射光線を送信するよう動作可能な面を有するもの、および
前記マルチレイヤー半導体構造全体に電界を印加するよう動作可能な第一および第二電極、を備えており、
前記第一および第二電極のいずれか一つは、前記面の近傍に設けられ、前記面の覆って伸張する複数の帯状コンダクタを備えることを特徴とするもの。
【請求項１５】
請求項１４にかかる製造システムにおいて、
前記マルチレイヤー半導体構造は、ｐ型導電半導体層とｎ型導電半導体層間に挟まれた組込み（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）半導体層を備えており、前記複数の量子ウエルは、前記組込み半導体層内に形成され、前記一の電極が、前記ｐ型導電半導体層の近傍に設けられることを特徴とするもの。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５にかかる製造システムにおいて、
前記マルチレイヤー半導体構造は、ガリウムヒ素を有することを特徴とするもの。
【請求項１７】
先行するいずれかの請求項にかかる製造システムにおいて、
前記マルチレイヤー半導体構造は、その頂面に面を有するとともに基板から突出する突出部を有しており、前記一の電極が前記突出部の前記頂面を覆って伸張し、前記第一および第二電極の他方は、前記突出部のベース周囲に設けられることを特徴とするもの。
【請求項１８】
請求項１７にかかる製造システムにおいて、
前記突出部は、八角形の断面を有することを特徴とするもの。
【請求項１９】
請求項１４から請求項１８のいずれかの製造システムにおいて、
前記複数の帯状コンダクタは、互いに平行であることを特徴とするもの。
【請求項２０】
先行するいずれかの請求項にかかる製造システムにおいて、
前記第一信号装置は、さらに、複数のプッシュプルドライバーを有するとともに、前記再帰反射変調器に駆動信号を供給する変調器駆動回路であって、
前記複数のプッシュプルドライバーの入力は、一緒に接続され、前記複数のプッシュプルドライバーの出力は、各抵抗器を介して共通端末に接続され、前記変調器駆動回路の出力インピーダンスは、各プッシュプルドライバーの出力インピーダンスより小さいことを特徴とするもの。
【請求項２１】
請求項２０にかかる製造システムにおいて、
前記複数のプッシュプルドライバーは、ＣＭＯＳドライバーであることを特徴とするもの。
【請求項２２】
先行するいずれかの請求項にかかる製造システムにおいて、
前記再帰反射変調器は、変調エレメントのアレイを備えたことを特徴とするもの。
【請求項２３】
先行するいずれかの請求項にかかる製造システムにおいて、
前記第二信号装置の前記光源は、発光器のアレイを備えたことを特徴とするもの。
【請求項２４】
請求項２３にかかる製造システムにおいて、
前記発光器のアレイは、少なくとも一の垂直キャビテイー表面発光レーザー（ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｃａｖｉｔｙ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｌａｓｅｒ）を備えたことを特徴とするもの。
【請求項２５】
請求項２３または請求項２４にかかる製造システムにおいて、
前記第二信号装置は、さらに、テレセントリックレンズを備えたことを特徴とするもの。
【請求項２６】
請求項２５にかかる製造システムにおいて、
前記発光器のアレイは、実質的に前記テレセントリックレンズの後方焦点面内に位置することを特徴とするもの。
【請求項２７】
製品を出力するため、出発材料を処理するよう動作可能な生産システムを用いて製品を製造する方法であって、
センサを用いて前記生産システムのパラメーターを検出するとともに、当該検出パラメーターを表わすデータ信号を生成するステップ、
システム管理装置に関連づけられた第一信号装置において光ビームを生成するステップ、
前記センサに関連づけられた第二信号装置において前記生成された光ビームを受信するステップ、
前記データ信号に基づいて前記受信光ビームを変調し、前記受信光ビームを前記第一信号装置へ逆反射するステップ、
前記第一信号装置において前記反射光ビームを検出するとともに前記データ信号を再生するステップ、および
前記再生データ信号を用いて前記生産システムを制御するステップ、
を備えたことを特徴とするもの。
【請求項２８】
製品を出力するため、出発材料を処理するよう動作可能な生産システムを用いて製品を製造する方法であって、
前記生産システムのパラメーターを変更するため、システム管理装置を用いて制御信号を生成するステップ、
アクチュエーターと関連づけられた第一信号装置において光ビームを生成するステップ、
前記システム管理装置と関連づけられた第二信号装置において前記生成光ビームを受信するステップ、
前記制御信号に基づいて前記受信光ビームを変調し、前記受信光ビームを前記第一信号装置へ逆反射するステップ、
前記第一信号装置において前記反射光ビームを検出するとともに前記制御信号を再生するステップ、および
制された信号に基づき、前記生産システムの前記パラメーターを変更するステップ、
を備えたことを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
この発明は、センサからのデータが、リモートシステムマネージャーに対して送信され、および／又は、システムマネージャーが、リモートアクチュエーターに対して制御信号を送る、製造システムに関するものである。
【０００２】
【背景】
リモート処理装置を制御するため、又は、リモート処理装置からのデータを分析するため、システムマネージャーを用いることが、一般的になりつつある。例えば、ある固体をユーザーが定めた形状に加工するため、リモートコンピュータ端末を介し、遠隔より切削機（ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ）を制御することができる。コンピュータ端末は、通信リンクを介し、切削機に制御信号を送信する。これにより、切削機械に設けられている専用コンピュータによる制限が取除される。これに代え、温度センサ等の、産業環境の至るところに配されている一以上のセンサ、からのデータを、分析のため、共通処理装置に送るようにしてもよい。
【０００３】
通常、リモート処理装置は、ケーブルを介して、システムマネージャー、又は、システムマネージャーと接続するネットワーク用のネットワークソケット、に接続されている。ケーブルを用いることから生じる問題はとしては、処理装置が新しい場所に移動した場合に、まず最初にケーブルを抜き、次に、ケーブルを差し込み直す必要があった。これにより、ケーブル、ならびに、それに接続されるソケットが必然的に摩耗し、破損してしまう。さらに、ケーブルの長さにより、処理装置が移動出来る位置が制限を受けてしまう。
【０００４】
システムマネージャー、又は、それに対して、システムマネージャーも接続されているネットワークに接続されたＲＦトランシーバーとリモート処理装置との間にデータを伝達するため、無線周波数（ＲＦ）リンクを用いることが知られている。しかし、電磁スペクトラムの無線周波数部分は、ほとんどの国で、厳しく規制されており、かかるＲＦリンクは、他の産業環境に存する他の電子回路と干渉を起こすおそれがある。また、爆発性のガスを伴う危険な環境下において、火花の発生を防止するため求められる遮断レベルは、厄介な問題である。
【０００５】
本発明の側面によると、フリースペース光学通信を用いて、システムマネージャーと一以上の処理装置間で信号を転送する製造システムが提供される。
【０００６】
フリースペース光学通信を用いることにより、電磁スペクトラムの光学部分は、規制から比較的自由になる、という利点がある。また、光学信号は、ＲＦ信号が及ぶ範囲の電子回路と干渉することがない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ここで、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態の例を説明する。
【０００８】
−第一の実施形態−
−システムの概要−
図１は、製品を生産する産業システムの主要部を概略的に示す。出発材料入力装置１５（ｓｔａｒｉｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎｐｕｔ）を介して、製品出力装置１９において製品を製造するため、出発材料を処理する製造システム１７に出発材料が投入される。この実施形態においてはポイント・ツー・マルチポイント（一点対多点）信号伝達システムが、制御センター１と複数の処理装置３ａから３ｃ間にデータを送信する。処理装置３ａについて示したように、各処理装置は、製造システムのパラメーターを検知するセンサ４、当該製造システムのパラメーターを調整する駆動部６を含んでいる。
【０００９】
かかるポイント・ツー・マルチポイント信号伝達システムは、製造システムの全体を制御するプロセス管理ユニット７と、そのそれぞれが対応する処理装置３に接続された複数のリモート端末９ａから９ｃ間にデータを送信するため、フリースペース光学リンク５ａから５ｃを用いている。図１に示すように、制御センター１は、複数のマイクロハブ１１ａから１１ｃであって、各マイクロハブ１１がそれぞれの光学リンク５を介し、対応する各リモート端末９と通信を行うもの、を有している。
【００１０】
図示の便宜上、図１には、処理装置３が３台、リモート端末９を３台、マイクロハブ１１が３台示されている。しかし、より多くの、又は、より少ない数の処理装置３が、ポイント・ツー・マルチポイント信号伝達システムを介して、制御センター１と通信が行えるよう、処理装置３の数、それに対応するリモート端末９およびマイクロハブ１１の数を変更することも可能である。
【００１１】
各リモート端末９は、制御センター１へ伝達されるアップリンクデータに基づいて変調された低拡散のフリースペース光ビームを発し、当該光ビームを各マイクロハブ１１へ導く。この実施形態において、アップリンクデータは、対応する処理装置のセンサ４による測定値に相当する。各マイクロハブ１１は、対応するリモート端末９からの光ビームの一部を検出し、アップリンクデータを再生する検出器（図１に図示せず）、および、制御センター１から処理装置３へダウンリンクデータを伝達するため、対応するユーザー端末９からの光ビームの一部を変調し逆反射する、再帰反射変調器（図１に図示せず）を有している。本実施形態においては、ダウンリンクデータは、対応する処理装置３のアクチュエーター６用の制御信号に相当する。
【００１２】
プロセス管理ユニット７は、全ての処理装置３からダウンリンクデータを受信し、製造システムの動作を監視するため、かかるダウンリンクデータを処理する。また、プロセス管理ユニット７は、製造システムを所望の動作状態に維持するため、又は、製造システムの動作状態を調整するため、処理装置３のためのアップリンクデータを生成する。制御センター１は、各マイクロハブ１１に接続され、マイクロハブとリモート端末９間のフリースペース光学リンク５の動作を監視する通信管理ユニット１３をも含んでいる。
【００１３】
ここで、リモート端末９およびマイクロハブ１１の詳細について説明する。
【００１４】
−リモート端末−
図２は、図１に示すリモート端末９の主要部の詳細を図示している。図示したように、リモート端末９は、直線偏光のコーヒーレント光のビーム２３を出力するレーザーダイオード２１を備えている。当該リモート端末９は、２００メートルの範囲内で、高いリンク利用性を保ちつつ、制御センター１との通信を行うよう設計されている。これを達成するため、レーザーダイオード２１は、７８５ｎｍの波長を有するレーザービームを出力する５０ｍＷのレーザーである。
【００１５】
出力された光ビーム２３は、以後、コリメーテイングレンズと呼ばれる、非常に発散の小さい光ビーム２７を生成するため、光ビーム２３の発散角度を小さくするための光レンズ２５を通過する。低発散光ビーム２７の発散は、コリメーテイングレンズ２５とレーザーダイオード２１間の距離を変えることによって調節することができる。しかし、レーザーダイオード２１の発光開口において回折が生じるので、完全に平行な（ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ　ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）光ビームを作り出すことは不可能である。コリメーテイングレンズ２５は、発散の小さい光ビーム２７が比較的均一な波面を有するよう、５０ｎｍの直径と、レーザーダイオード２１によって発せられた全ての光を集めるのにちょうど良いＦの値（Ｆ−ｎｕｍｂｅｒ）と、を有する収差の低いレンズである。
【００１６】
光ビーム２７の発散は小さいが、配信ノード７における対応するマイクロハブ１１により反射された後のリモート端９末上に入射する光ビーム２９のサイズは、発散の小さい光ビーム２７のそれよりも大きい。帰還光ビーム２９の一部は、以後、ダウンリンク検出レンズ３１と呼ばれる、受けた光ビーム２９からの光を、本実施形態ではアバランシェ・フォトダイオードである検出器３３上に収束させるレンズ３１上に、入射させる。ダウンリンク検出レンズ３１の直径は１００ｎｍであるが、検出器３３上にできるだけ多くの光を集めることがその主要な目的であるので、コリメーテイングレンズ２５ほどの品質は求められない。
【００１７】
検出器３３の検出面の直径は、５００ｎｍであるが、受けた光ビーム２９からの光を収束させるダウンリンク検出レンズ３１によって形成された検出面上の光点の直径は、約５０マイクロメーターである。これにより、レーザーダイオード２１と検出器３３との位置決めに要求される精度の要件が緩和される。
【００１８】
検出器３３は、受信した光を、制御センター１において提供された変調に基づいて変化する、対応電気信号に変換する。かかる電気信号は、アンプ３５によって増幅され、その後、フィルター３７によってフィルタ処理される。フィルタ処理後の信号は、制御センター１からのデータを再生するため、クロックリカバリーならびにデータ取り込み動作を実行する中央制御ユニット３９に入力する。取り込まれたデータは、次に、対応する処理装置３に接続されたインターフェースユニット４１に引き渡される。
【００１９】
また、インターフェースユニット４１は、レーザーダイオード２１により出力された光ビーム２３がアップリンクデータに基づいて変調されるよう、処理装置３からのアップリンクデータ（制御センター１へ送信される）を、制御信号をレーザードライバー４３へ送る、中央制御ユニット３９へと導く。リモート端末９とマイクロハブ１１間での全二重通信を可能にするため、レーザーダイオード２１により出力された光ビーム２３に対して小さい振幅変調が適用される、低信号振幅スキーム（ｓｍａｌｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ）が用いられる。図３は、かかる変調を示すとともに、ＣＷレーザーレベル６５、および、それに適用された低信号変調６７を示す。具体的には、レーザーダイオード２１により出力された光ビーム２３の出力レベルは、アッパー出力レベルＰ１とローワー出力レベルＰ２間で変調される。
【００２０】
このアップリンク変調データは、ダウンリンクデータの別のノイズ源となってしまう。このことは、干渉アップリンクデータ６７、ならびにこれによって生じるノイズマージン７１の低下を含む、ダウンリンクデータ６９に関するアイダイヤグラムを示す図４に表されている
しかし、アップリンクの変調の深さが、非常に低く保たれている場合には、アップリンクとダウンリンクの双方が、同じ周波数帯域により動作することができる。
【００２１】
リモート端末９とマイクロハブ１１間の光リンク５は、基本的にデータのパイプとして機能する、すなわち、リモート端末９により受信されたデータは、それ以上暗号化されることなく（例えば、別のエラー検出および訂正ビットを付加することなしに）、マイクロハブ１１へ送信され、その逆も行われる。リモート端末９とマイクロハブ１１間の光リンク５に関する情報を送信するため、ＯＡＭデータに基づいて、データクロック信号のタイミングを調節することにより、それとは別の”オペレーションおよびメインテナンス”（ＯＡＭ）チャネルが形成される。クロック及びデータ再生動作を実行した場合、中央制御ユニット３９は、マイクロハブ１１により送信されれたＯＡＭデータを復活させるため、光リンク５の他端においてクロックのタイミングを監視する。
【００２２】
中央制御ユニット３９は、第一ステッパモーター４７ａへ駆動信号を供給するため、第一モータードライバー４５ａに接続され、第二ステッパモーター４７ｂへ駆動信号を供給するために第二モータードライバー４５ｂに接続されている。レーザーダイオード２１、コリメーテイングレンズ２５、検出器３３ならびにダウンリンク検出レンズ３１が、全体で一つの光学アセンブリ５１を形成するよう設けられ、第一および第二ステッパモーター４７は、光学アセンブリ５１が、直交するそれぞれの軸の周囲を回転できるよう動作する。リモート端末９が設けられている場合、通常、かかる端末は、第一および第二ステッパモーター４７が、垂直方向のいずれかの側に４５°傾斜する軸の周囲で光学アセンブリ５１を回転させるよう、傾けられている。これにより、対応するマイクロハブ１１への位置決めを行うため、発光された光ビームの方向を変えることができる。
【００２３】
−マイクロハブ−
図５は、マイクロハブ１１の主要部の概略を示す図である。図示したように、マイクロハブ１１は、プロセス管理ユニット７に接続されているインターフェースユニット８１、を含んでいる。このインターフェースユニット８１は、変調器駆動回路８３の入力および検出回路８５の出力にも接続されている。変調器駆動回路８３の出力は、光学変調器８７に接続され、検出回路８５の入力は、フォトダイオード８９に接続されている。
【００２４】
光学変調器８７は、組込み層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　ｌａｙｅｒ）内に形成された１００個の量子ウエル、および、ｎ−導電型膜内に形成されたブラグ反射器（Ｂｒａｇｇ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を有するｐ−ｉ−ｎダイオードを含む量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ　ＣｏｎｆｉｎｅｄＳｔａｒｋ　Ｅｆｆｅｃｔ）（ＱＣＳＥ）装置を備えている。テレセントリックレンズ９１によって受光された光は、ｐ−ｉ−ｎダイオードのｐ−導電型膜を介し、変調器駆動回路８３を用いてｐ−ｉ−ｎダイオードの両端に印加された電位差に基づき光の吸収量が変化する組込み層に導かれ、次に、ブラグ反射器は、組込み層（さらに光が吸収される）を介して、テレセントリックレンズ９１に光を反射する。
【００２５】
インターフェースユニット８１は、プロセス管理ユニット７から受信したダウンリンクデータを、光学変調器８７用の駆動信号を生成する変調器駆動回路８３に導く。理想的な場合、図６に示すように、バイナリ１を送信するために、０ボルトのバイアスがＱＣＳＥ変調器８７のｐ−ｉ−ｎダイオードの両端に印加され、これにより、リモート端末９からの光は、ＱＣＳＥ変調器８７から反射され、バイナリ０を送信するために、ＤＣのバイアス電圧がＱＣＳＥ変調器８７のｐ−ｉ−ｎダイオードの両端に印加され、これによっては、ＱＣＳＥ変調器８７からリモート端末９へ光が反射されることはない。しかし、実際には、組込み層内に形成された１００個の量子ウエルにより、ＱＣＳＥ変調器８７は、５Ｖの逆バイアスが印加された場合、受信した光の約４０％を反射し、１５Ｖの逆バイアスが印加された場合、受信した光の約１０％を反射する。これにより、バイナリ０が送信される場合とバイナリ１が送信される場合で、リモート端末９へ反射される光の量に約７５％の差を生じさせる。
【００２６】
変調器８７は、レンズエレメント９３、および、前方焦点面に中央開口９７を有する遮光部材（ｓｔｏｐ　ｍｅｍｂｅｒ）により、図７に概略的に示されたテレセントリックレンズ９１のほぼ後方焦点面、に位置する。実際には、テレセントリックレンズ９１には、特定の取り付け条件によって決まる設計変更事項である正確な位置決めがなされた、一以上のレンズエレメントが用いられる。開口９７のサイズも、設計変更事項であり、開口９７を大きくすると、開口９７が小さい場合よりも対応するリモート端末９からより多くの光が通過するが、開口９７が小さい場合に必要なレンズ構成よりも複雑かつ高価なレンズ構成が必要となる。
【００２７】
テレセントリックレンズ９１は、軸対象となっており、変調器８７上のアクテイブ領域を０．５°から２．５°間の半角（ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ）を有する円錐状の視野に合わされる。具体的には、テレセントリックレンズ９１は、異なる入射角の光が変調器８７上のアクテイブ領域上に位置づけられるよう、入射光を、光の入射角によって決まる後方焦点面内の、ある位置に集中させる。また、テレセントリックレンズ９１を介して送られた主光線（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｒａｙｓ）は、後方焦点面に対して、直角に入射するので、変調器８７は、主光線に沿い、その入射経路に沿って入射光を反射する。これにより、変調器８７およびテレセントリックレンズ９１は、再帰反射器として機能する。
【００２８】
テレセントリックレンズ９１を用いる利点としては、既存の光学変調器８７の変調効率（すなわち、変調深さ）が、実質的に、変調器８７に当たる光ビームの角度によって決定されることであり、さらに、テレセントリックレンズ９１を用いると、テレセントリックレンズ９１の視野内で入射光を生成するリモート端末９の位置に関係なく、光ビームの主光線が変調器８７の光軸（ｏｐｔｉｃａｌ　ａｘｉｓ）に対し、確実に平行に入射することがある。したがって、制御センター１と関連するリモート端末９の位置によって決まる変調効率の依存性は、実質的に取り除かれる。また、テレセントリックレンズ９１を用いることにより、反射された光ビームの発散を低減させるため、必要に応じて、変調器８７の位置をテレセントリックレンズの後方焦点面から若干移動させることができるので、リモート端末９における信号レベルを向上させることができるという利点を得ることができる。
【００２９】
インターフェースユニット８１は、フォトダイオード８９に入射した光により構成された電気信号から、検出回路８５によって生成されたアップリンクデータ信号を受信し、受信したアップリンクデータ信号をプロセス管理ユニット７に送信する。検出器８５は、リモート端末９からのＯＡＭデータ信号も取り込み、取り込んだＯＡＭデータ信号を通信管理ユニット１３に送信する。
【００３０】
フォトダイオード８９は、アップリンク検出レンズ９９の後方焦点面に置かれる。図５に図示したように、アップリンク検出レンズ９９の集光開口および焦点距離は、テレセントリックレンズ９１のそれより小さい。これにより、フォトダイオード８９のアクテイブエリアを、光学変調器８７よりも小さくすることができ、したがって、フォトダイオード８９のキャパシタンス（および応答速度も）が低下する、という利点がある。アップリンク検出レンズ９９の集光開口をテレセントリックレンズ９１のそれよりも小さくすることができる理由は、フォトダイオード８９が、アップリンクデータ信号およびＯＡＭ信号を再生するのに十分な光を検出することのみを必要するのに対し、リモート端末９の検出器３３において十分な信号レベルを達成するよう、再帰反射光ビームが十分なエネルギーを確実に有するため、テレセントリックレンズ９１が十分な光を集めなければならないからである。
【００３１】
ここで、マイクロハブ１１のＱＣＳＥ変調器８７、変調器駆動回路８３ならびに検出回路８５の詳細について説明する。
【００３２】
−ＱＣＳＥ変調器−
図７は、変調器８７の概略斜視図を示す。図示したように、変調器８７は、基板１０３上の直角八角形のプリズム型のテーブル構造（ｍｅｓａ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１０１により構成される。第一電極１０５は、テーブル構造１０１のベース周囲の八角形のリングにより形成され、第二電極１０７は、テーブル構造１０１の頂面に形成されている。第一電極１０５は、図８Ａに示された第一電極の平面図に最も明らかに表されるように、接触パッド１０９ａから１０９ｆまでの６個の接触パッドを備えている。
【００３３】
図８Ｂは、テーブル構造１０１の頂面上に形成された第二電極の平面図である。図示したように、第二電極１０７は、第一Ｃ型コンダクタ１１１ａから第二Ｃ型１１１ｂへ伸張する１８本の帯状コンダクタ１１３＿１から１１３＿１８、および、第二Ｃ型コンダクタ１１１ｂから第一Ｃ型コンダクタへ伸張する別の１８本の帯状コンダクタ１１３＿１９から１１３＿３６を有する第一および第二Ｃ型コンダクタ１１１ａ、１１１ｂから構成されている。かかる帯状コンダクタは、帯状コンダクタ１１３による１８組のペアを構成するため、各々が、第二のＣ型電極１１１ｂと位置決めされている第一のＣ型電極１１１ａに接続された１８本の帯状コンダクタ１１３を有することにより、その全てが互いに平行に構成されている。帯状コンダクタ１１３の各ペアは、変調器８７の製造工程中、帯状コンダクタ１１３間にエッチング液が流れ込むことのできる狭いギャップによって分離されている。
【００３４】
図７で第二Ｃ型コンダクタ１１１として示したように、各Ｃ型コンダクタ１１１は、テーブル構造１０１の側壁の下側に第一電極１０５を超えて伸張する１８本のコンダクテイブトラック１１７ａから１１７ｈを介し、３つの接続パッド１１５ａから１１５ｃに接続されている。テーブル構造１０１の側壁とコンダクテイブトラック１１７間、ならびに、第一電極とコンダクテイブトラック１１７間には、絶縁膜（図示せず）が設けられる。図８Ｃは、変調器８７の半導体基板１０３に垂直であって、帯状電極１１３に平行な断面を示し、図８Ｄは、変調器８７の半導体基板１０３に垂直であって、帯状電極１１３にも直角な断面を示している。図示したように、テーブル構造１０１の側壁は、半導体基板１０３の表面に対して垂直ではない。具体的には、その上をコンダクテイブトラック１１７が伸張する側壁は、ベースからテーブル構造１０１の頂面へと、内側に傾斜している。これにより、かかる頂面上にコンダクテイブトラックを堆積させることが可能となる。図８Ｄに示すように、その上にコンダクテイブトラックが伸張しないテーブル構造の側壁は、テーブル構造１０１の頂面の一部がテーブル構造１０１のベースに覆いかぶさり（ｏｖｅｒｈａｎｇ）、したがって、コンダクテイブトラックがそれらの上に堆積されないよう、ベースからテーブル構造１０１の頂面へと、外側に傾斜している。
【００３５】
図８Ｃおよび図８Ｄに示すように、変調器８７は、５つの膜を備えており、その３つはテーブル構造１０１内に形成されている。かかる３つの膜は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）および、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）によるものである。
【００３６】
具体的には、テーブル構造１０１は、その中に、１００個の量子ウエルを有する組込みアルミニウムガリウムヒ素膜（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃＡｌＧａＡｓ　ｌａｙｅｒ）１０１＿２上に形成されたｐ−導電型ガリウムヒ素膜１０１＿１によって構成され、組込みアルミニウムガリウムヒ素膜は、その中に形成されたブラグ反射器を有するｎ−導電型アルミニウムガリウムヒ素膜１０１＿３上により構成される。かかるテーブル構造１０１は、組み込みガリウムヒ素基板１０３＿２上に形成されたｎ−導電型ガリウムヒ素コンタクト膜１０３＿１に形成される。
【００３７】
帯状コンダクタ１１３は、変調器駆動回路８３から、ｐ−導電型ガリウムヒ素膜１０１＿１を介して駆動信号を配信する。これにより、テーブル構造１０１の中心を流れていた電流は、帯状コンダクタ１１３に沿って、テーブル構造１０１の頂面の中央へと流れることができるので、帯状電極１２５が設けられていない（例えば、第二電極がＣ型コンダクタ１１１のみによって形成されている）場合と比べ、変調器８７の実効直列抵抗が低減される。
【００３８】
帯状コンダクタ１１３は、２マイクロメーターの幅で真っ直ぐに形成されている。この幅は、帯状コンダクタ１１３が、アクテイブエリアのほとんど部分を覆うことなく、ｐ−導電型ガリウムヒ素膜１０１＿１と比べ、低い抵抗値となるのに十分な幅である。具体的には、テレセントリックレンズ９１が、変調器８７上に、２０マイクロメーターから８０マイクロメーターの領域で、ある直径を有するスポットを形成するので、帯状コンダクタ１１３は、再帰反射された光ビームに大きな影響を与えない。
【００３９】
−変調器駆動回路−
図９は、変調器駆動回路８３の主要部を、変調器８７とともに示している。図示したように、変調器駆動回路８３は、それらを介し、インターフェースユニット８１からダウンリンクデータがＰＥＣＬ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｅｍｉｔｔｅｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ　ｌｏｇｉｃ）差分データ信号として受信される２本の入力線を備えている。かかる入力線１２１、１２３は、それぞれ７５オームの並列端子（それぞれ９１オームの抵抗器１２５ａ、１２５ｂおよび４７０オームの抵抗器１２７ａ、１２７ｂ）を介して、デュアルＰＥＣＬ・ツー・ＴＴＬ変換器１２９（集積回路　ＳＶ１００ＥＬＴ２３）に接続されている。ＰＥＣＬ・ツー・ＴＴＬ変換器１２９のＰＥＣＬ入力の２つのペアＤ０、ｎＤ０、および、Ｄ１、ｎＤ１は、いずれも、ダウンリンクデータ信号によって駆動されるが、これらの入力は、２つのＴＴＬ出力Ｑ０およびＱ１が互いに逆位相となるよう、逆位相に接続される。
【００４０】
ＰＥＣＬ・ツー・ＴＴＬ変換器１２９のＴＴＬ出力Ｑ０、Ｑ１は、それぞれ、以後、ドライバチップ１３１と呼ばれる、おのおの８つのＣＭＯＳバッファ１３３ａから１３３ｈ、１３３ｉから１３３ｐまで、を有する第一および第二の８極のＣＭＯＳラインドライバー１３１ａ、１３１ｂ（集積回路７４ＡＣＴ２４５）に接続される。変調器８７のｐ−ｉ−ｎダイオードのキャパシタンスは、劣化した状態（ｄｅｐｌｅｔｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）で約４００ｐＦであり、７４ＡＣＴ　ＣＭＯＳバッファ１３３は、ほぼ２０オームの出力インピーダンスを有する。したがって、変調器８７を駆動するため、一の７４ＡＣＴ　ＣＭＯＳバッファ１３３が用いられた場合、変調器８７の量子ウエルにわたる電界を変化させるためのＲＣ時定数は、ほぼ８ｎｓである。しかし、これでは、毎秒１００Ｍビットを超えるデータレートの通信を行うには遅すぎる。
【００４１】
図９に示すように、ＰＥＣＬ・ツー・ＴＴＬ変換器１２９の各出力Ｑ０、Ｑ１は、対応するドライバーチップ１３１の８つのＣＭＯＳバッファ１３３に共通して接続されており、当該８つのＣＭＯＳバッファ１３３の出力は、抵抗器１３５ａから１３５ｐのそれぞれを介し、第一および第二キャパシタ１３７ａ、１３７ｂのいずれかにまとめて接続されている。ドライバチップ１３１の並列接合された８つのＣＭＯＳバッファ１３３の全てを駆動させることにより、ドライバーの出力インピーダンスが低下し、これによりＲＣ時定数が低減されるので、変調器８７の両端の電位差をより迅速に切り換えることが出来る。各ドライバチップ１３１における各々のＣＭＯＳバッファ１３３の切り換え時間は、若干変化するので、同じドライバチップ１３３の２つのＣＭＯＳバッファ１３３が異なった状態にある場合に生じる急上昇（ｓｈｏｏｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ）と呼ばれるサージ電流を一時的に減少させるため、それぞれが１０オームの抵抗を有する抵抗器１３５が変調器駆動回路８３内に設けられている。
【００４２】
第一および第二キャパシタ１３７ａ、１３７ｂは、それぞれ、１００ｎＦのキャパシタンスを有する。第一キャパシタ１３７ａは、変調器８７を構成するｐ−ｉ−ｎ
ダイオードのカソードに接続されているが、第二キャパシタ１３７ｂは、変調器８７を構成するｐ−ｉ−ｎダイオードのアノードに接続されている。変調器８７のカソードは、ダイオード１３９ａおよび抵抗器１４１を介し、変調器のカソードにおける電圧が約４．３Ｖを下回らないようにする５Ｖの電源にも接続されており、変調器８７のアノードは、ダイオード１３９ｂを介し、変調器のアノードにおける電圧が約０．７Ｖを超えないようにするグランドにも接続されている。１キロオームの抵抗を有するブリード抵抗器１４３は、照射時に、変調器８７によって生成された光電流用のＤＣパスを提供するため、変調器８７のアノードとカソード間に接続される。
【００４３】
ダウンリンクデータ信号がハイの状態になるよう駆動されている場合、第一ドライバーチップ１３１のＣＭＯＳバッファ１３３の出力は、ハイで駆動され、第二ドライバーチップ１３１のＣＭＯＳバッファ１３３の出力は、ローで駆動される。これにより、変調器８７のカソードにおける電圧は、９．３Ｖであり、変調器８７のアノードの電圧は、−４．３Ｖとなるので、変調器のアノードとカソード間の電位差が約１３．６Ｖとなる。ダウンリンクデータ信号がローの状態になるよう駆動されている場合、第一ドライバチップ１３１のＣＭＯＳバッファ１３３の出力は、ローで駆動され、第二ドライバチップ１３１のＣＭＯＳバッファ１３３の出力は、ハイで駆動される。これにより、変調器８７のカソードにおける電圧は、４．３Ｖであり、変調器８７のアノードの電圧は、０．７Ｖとなるので、変調器のアノードとカソード間の電位差が約３．６Ｖとなる。したがって、当該ダウンリンクデータに基づき、変調器８７の両端に１０Ｖの電圧振幅（ｖｏｌｔａｇｅ
ｓｗｉｎｇ）が印加される。
【００４４】
−検出回路−
検出器８９からの電気信号は、対応するリモート端末９から入力する光ビームの変調部分、対応するリモート端末９から入力する光ビームの未変調部分、ならびに、バックグラウンド光、の３つの主な成分から構成される。これら３つの成分の各振幅は、通信経路の変化に起因して、最大約１００ｋＨｚの割合で変化する。
【００４５】
図１０は、マイクロハブ１１における検出回路８５の主要部を示している。図示したように、フォトダイオード８９からの電気信号は、前記入力光ビームの未変調部分および前記バックグラウンド光に関する電気信号の成分のほとんどを除去するとともに、通信経路の変化に起因するいずれの低周波数の変動を低減させるＤＣ打ち消しユニット（ＤＣ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ）１５１、に入力する。残りの電気信号は、ＤＣ打ち消しユニット１５１によって出力され、アンプ１５３に入力する。アンプ１５３により出力された増幅信号は、アップリンクデータ信号およびリモート端末９からのいずれのＯＡＭ信号を再生する、クロック再生ユニット１５５に入力する。また、ＤＣ打ち消しユニット１５１は、以後、ＤＣ−ＲＳＳＩ信号と呼ばれる受信ＤＣ信号強度の合計を表す信号を、クロック再生ユニット１５５に出力し、アンプ１５３は、以後、ＡＣ−ＲＳＳＩ信号と呼ばれるデータ送信周波数の信号強度を表す信号を、クロック再生ユニット１５５に出力する。クロック再生ユニット１５５は、ＤＣ−ＲＳＳＩ信号およびＡＣ−ＲＳＳＩ信号を、通信管理ユニット１３に送る。
【００４６】
図１１は、検出回路８５のＤＣ打ち消しユニット１５１およびアンプ１５３の詳細を示している。図示したように、フォトダイオード８９のカソードは、本実施形態において３．３ｎＦのキャパシタンスを有するキャパシタＣ１を介し、グランド、および、第一電流ミラー１６１の入力ブランチ（ｉｎｐｕｔ　ｂｒａｎｃｈ）、に接続される。第一電流ミラー１６１は、おのおのが４７０オームの抵抗を有するエミッター抵抗器Ｒ１およびＲ２を伴う従来のダブルｐ−ｎ−ｐトランジスタによって形成されている。
【００４７】
第一電流ミラー１６１の入力ブランチは、本実施形態では４７０オームの抵抗を有する第三抵抗器Ｒ３の一端に接続されている。本実施形態では１００キロオームの抵抗を有する第四抵抗器Ｒ４、および、本実施形態では１０ｎＦのキャパシタンスを有する第二キャパシタンスＣ２は、第三抵抗器Ｒ３の他端とグランドとの間に並列に接続されている。第三抵抗器Ｒ３の他端は、本実施形態では、従来のダブルｎ−ｐ−ｎトランジスタ１６７および一のｎ−ｐ−ｎトランジスタ１６９により構成されるウイルソンミラーである第二電流ミラー１６５の入力ブランチ、にも接続されている。第二電流ミラー１６５の出力ブランチは、４７マイクロＨのインダクタンスを有するインダクタＬを介して、フォトダイオード８９のアノードに接続される。当該フォトダイオード８９のアノードは、プリアンプ１７１の入力にも接続されている。
【００４８】
フォトダイオード上に光が入射すると、電流Ｉｃがフォトダイオードのカソードを通じて流れ、フォトダイオードのアノードを通じて対応する電流Ｉａが流れる。カソード電流Ｉｃは、キャパシタＣ１を介し、グランドへ流れる高周波数部分Ｉｈ、および、第一電流ミラー１６１に入力する低周波数部分Ｉｌから構成される。高周波数部分Ｉｈと低周波数部分Ｉｌ間の３ｄＢの遮断周波数（３ｄＢ　ｃｕｔｔ−ｏｆｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、１００ｋＨＺである。したがって、毎秒１００Ｍビットを超えるデータトラフィック成分は、第一電流ミラー１６１よりもキャパシタＣ１を通じて流れる。
【００４９】
第一電流ミラー１６１は、低周波数部分Ｉｌが第三抵抗器Ｒ３を通じて流れるようマッチングさせる、ミラー電流を生じさせる。第二電流ミラー１６５の入力における電圧は、ウイルソンミラー構造により約１．４Ｖの制限を受けるので、以後、ブリード電流Ｉｂと呼ばれる、最大約１４マイクロアンペアの電流が、第四抵抗器Ｒ４を介して、グランドへ流れる。同様に、高周波数ノイズ電流Ｉｎが、第二キャパシタＣ２を介して、グランドへ流れる。したがって、第二電流ミラー１６５の入力ブランチに流れ込む電流Ｉｓは、以下の式によって求められる：
Ｉｓ　＝Ｉｌ　−Ｉｂ　−Ｉｎ　　　　（１）
第二電流ミラー１６５は、電流Ｉｓが第二電流ミラー１６５の出力ブランチを通じて流れるようマッチングさせる、ミラー電流を生じさせる。したがって、プリアンプ１７１に流れ込む検出電流Ｉｄは、以下の式によって求められる：
Ｉｄ＝Ｉａ　−Ｉｓ　　　　　　　（２）
これにより、検出電流Ｉｄは、基本的に、入力する光ビームの変調成分に相当する。しかし、ブリード電流Ｉｂとほぼ等しい低周波数電流の一部は、検出電流Ｉｄの一部をも構成する。これによって、プリアンプ１７１の入力から第二電流ミラー１６５の出力への電流の供給が阻止される。プリアンプ１７１は、マキシムインテグレーテイッドプロダクツ社が販売するＭＡＸ３９６３トランスインピーダンス式のプリアンプである。かかるプリアンプ１７１は、入力電流信号を、非反転出力ポート（ＯＵＴ＋）および反転出力ポート（ＯＵＴ−）から出力された対応する差動電圧信号（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ）に変換する。プリアンプ１７１の非反転出力ポート（ＯＵＴ＋）は、第三キャパシタＣ３を介し、本実施形態ではマキシムインテグレーテイッドプロダクツ社が販売するＭＡＸ３６９４制限増幅器である、制限増幅器１７３の反転入力（ＩＮ−）に静電的に結合される。同様に、プリアンプ１７１の反転出力ポート（ＯＵＴ−）は、第四キャパシタＣ４を介し、制限増幅器１７３の非反転入力（ＩＮ＋）に静電的に結合される。第五キャパシタＣ５は、高周波数ノイズを低減するため、プリアンプ１７１の非反転および反転出力の間に接続される。
【００５０】
制限増幅器１７３は、本実施形態においては５０オームの同軸ケーブルコネクタである第一コネクタ１７５を通じて、クロック再生ユニット１５５に出力されるＰＥＣＬ（正のエミッタ結合型論理）差動データ信号を、非反転および反転出力（ＯＵＴ＋、ＯＵＴ−）を介して出力する。また、制限増幅器１７３は、入力パワーレベルが第五抵抗器Ｒ５および第六抵抗器Ｒ６によって定められたしきい値を下回った場合を示す、補完的信号損失出力ポート（ｌｏｓｓ−ｏｆ−ｓｉｇｎａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｒｔｓ）ＬＯＳ＋、ＬＯＳ−を介して、信号を出力する。非反転の信号損失出力ポートＬＯＳ＋により出力されたかかる信号は、本実施形態においてはリボンケーブルコネクタ（ｒｉｂｂｏｎ　ｃａｂｌｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）である第二コネクタ１７７を介して、クロック再生ユニット１５５に出力される。
【００５１】
上述したように、入力における電圧であって、第二電流ミラー１６５に対するものは、ウイルソンミラー構造により約１．４Ｖの制限を受け、第三抵抗器Ｒ３を通じて流れる電流は、カソード電流Ｉｃの低周波数部分Ｉｌとマッチする。したがって、第一電流ミラー１６１の出力における電圧レベルは、以後、ＤＣ信号レベルと呼ばれる検出された低周波数信号のレベルを表す。かかる電圧レベルは、第一電流ミラー１６１と第三抵抗器Ｒ３間の配線を、第一ローパスフィルター１７９を介し、第一ユニテイーゲインバッファ１８１に接続することによりサンプリングされる。第一ユニテイーゲインバッファ１８１の出力は、第二ローパスフィルター１８３を介して、第二コネクタ１７７に接続される。これにより、ＤＣ−ＲＳＳＩ信号が、クロック再生ユニット１５５に送信される。制限増幅器１７３は、クロック再生ユニット１５５への送信のため、第二ユニテイーゲインバッファ１８５を介し、第二コネクター１７７にＡＣ−ＲＳＳＩ信号を出力するＲＳＳＩポートを備えている。
【００５２】
クロック再生ユニット１５５は、第一コネクタ１７５を介して、制限増幅器１７３により出力された差動データ信号を受信し、クロックタイミング中の変化を監視することにより、ＯＡＭ信号が取り込まれる間にクロック再生およびデータ再生成動作を行う。クロック再生ユニット１５５によって再生成されたアップリンクデータ信号は、イーサネット（商標）スイッチ１３に送信され、ＬＯＳ信号、ＤＣ−ＲＳＳＩ信号およびＡＣ−ＲＳＳＩ信号とともに、ＯＡＭ信号がネットワーク管理ユニット１５に送信される。
【００５３】
−第二実施形態−
第一実施形態においては、各リモート端末用に、それぞれのマイクロハブが設けられていた。また、リモート端末に各光リンク用の光源が位置し、各マイクロハブに再帰反射変調器が設けられていた。ここで説明する第二実施形態においては、第一の実施形態におけるマイクロハブ１１の少なくともいくつかが、複数のリモート端末１００３と通信が可能なローカル配信ハブ１００１に置き換えられる。
【００５４】
図１２に示すように、ローカル配信ハブ１００１は、各画素内に垂直キャビテイー表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を伴う二次元の画素アレイを有するエミッタアレイ１００５、を備えている。エミッタアレイ１００５は、ウエハを切断することなく一枚の半導体ウエハから製造することが出来るので、ＶＣＳＥＬを用いることが好ましい。これにより、従来のダイオードレーザーで行うより、発光エレメント（ｌａｓｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を高密度にすることが可能となる。エミッタアレイ１００５中の各ＶＣＳＥＬは、直線的に偏向した発散光ビームを出力し、かかる発散は、基本的にＶＣＳＥＬの発光用開口における回折によって引き起こされる。
【００５５】
エミッタアレイ１００５のＶＣＳＥＬにより発せられた直線偏向発散光ビームは、ビームスプリッター１００７を通して送信され、直線偏向発散光ビームを円状偏光（ｃｉｒｃｕｌａｒｙ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｌｉｇｈｔ）に変換する四分の一波長板（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ　ｐｌａｔｅ）１００９上に入射する。次に、かかる円状偏光は、図１２においてテレセントリックレンズの後方焦点面に位置するエミッタアレイ１００５とともにレンズエレメント１０１３の前方焦点面に位置する遮光部材１０１１、により表されているテレセントリックレンズを通過する。図示したように、レンズエレメント１０１３は、各ＶＣＳＥＬにより発光された発散ビームを集め、これらを、対応する低発散光ビーム１０１５ａ、１０１５ｂに変換する。当業者であれば理解するように、各光ビーム１０１５が、テレセントリックレンズの射出ひとみ（ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ）から出て行く角度は、対応する発散ビームを発するＶＣＳＥＬのエミッタアレイ１００５内の空間上の位置によって決定される。ローカル配信ハブ１００１内でテレセントリックレンズシステムを用いる利点は、どこから光が発せられようと、エミッタアレイ１００５からの光の集光効率は、エミッタアレイ１００５内の位置と無関係であること、である。
【００５６】
上述のように、エミッタアレイ１００５の各画素は、エミッタアレイ１００５に対応する視野内のそれぞれ異なる角度に設定される。図１２に示すように、ローカル配信ノード１００１からの第一光ビーム１０１５ａは、第一リモート端末１００３ａに入射し、ローカル配信ノード１００１からの第二光ビーム１０１５ｂは、第二リモート端末１００３ｂに入射する。本実施形態においては、エミッタアレイ１００５のＶＣＳＥＬは、選択的にアドレス可能なので、第一および第二リモート端末１００３に、それぞれ異なるデータを送信することが可能である。具体的には、データ信号Ｄ１（ＩＮ）は、第一リモート端末１００３ａの方向に対応するＶＣＳＥＬの出力を変調するため用いられ、信号Ｄ２（ＩＮ）は、第二リモート端末１００３ｂの方向に対応するＶＣＳＥＬの出力を変調するため用いられる。
【００５７】
各リモート端末１００３は、図１２において遮光部材１０１７ａ、１０１７ｂおよび受けた光を検出／変調アレイ１０２１ａ、１０２１ｂのアレイ上に集光するレンズエレメント１０１９ａ、１０１９ｂで概略的に示した、テレセントリックレンズを備えている。第一リモート端末１００３ａの検出／変調アレイ１０２１ａは、信号Ｄ１（ＩＮ）を再生するため、第一光ビーム１０１５ａを検出し、データ信号Ｄ１（ＯＵＴ）により変調された第一反射光を返送する。同様に、第二リモート端末１００３ｂの検出／変調アレイ１０２１ｂは、信号Ｄ２（ＩＮ）を再生するため、第二光ビーム１０１５ｂを検出し、データ信号Ｄ２（ＯＵＴ）により変調された第二反射光を返送する。
【００５８】
本実施形態において、検出／変調アレイ１０２１の各エレメントが、変調器（第一実施形態で説明したように）および検出器のいずれとしても機能するｐ−ｉ−ｎダイオード形式のＱＣＳＥ装置、を備えている。リモート端末１００３により反射された光ビーム１０１５は、ローカル配信ハブ１００１に返送され、遮光部材１０１１、レンズエレメント１０１３、および、反射ビームの円状偏光をエミッタアレイ１００５により発せられた光ビームと直行する直線偏光に変換する四分の一波長板１００９、を通過する。次に、反射された光ビームは、その位置が入って来る反射ビームに対応する検出アレイ１０２３の各検出エレメント上に光ビームを反射する、偏光ビームスプリッター１００７上に入射する。したがって、第一リモート端末１００３ａから反射された光ビームは、データ信号Ｄ１（ＯＵＴ）を再生する第一検出エレメントに導かれ、第二リモート端末１００３ｂから反射された光ビーム１０１５ｂは、データ信号Ｄ２（ＯＵＴ）を再生する第二検出エレメントに導かれる。
【００５９】
−変更例ならびに他の実施形態−
上述の実施形態においては、プロセス管理ユニットが、リモートセンサから測定信号を受信するか、リモートアクチュエーターに制御信号を送信していた。かかるセンサは、例えば、温度センサ、重量センサ、位置センサ又は電流センサ、であってもよい。また、アクチュエーターは、モーター、ヒーター又は電気リレー等、であってもよい。
【００６０】
本発明が適用可能な製造システムの例は、自動生産ライン（例えば、自動車製造用の）を含むものがある。また、本発明は、化学品生産ライン（例えば、薬品の製造用）にも適用可能である。
【００６１】
上述の実施形態においては、各リモート端末とプロセス管理ユニット間に双方向通信リンクが確立されていた。リモート端末がセンサのみに接続されている場合には、光学リンクのリモート端末側に再帰反射変調器が位置する、単方向通信リンクを用いることができること、が理解されよう。これに代えて、リモート端末がアクチュエーターのみに接続される場合、光学リンクのプロセス管理ユニット側に再帰反射変調器ビームを用いる単方向通信リンクを用いることができる。
【００６２】
第一の実施形態において、変調器は、ほぼ直角八角形のプリズム型のテーブル構造を含んでいたが、他の形状のテーブル構造、例えば、円状の断面を有する円柱、を用いることもできる。しかし、テーブル構造は、円状断面よりも製造が容易なので八角形の断面の方が好ましいが、八角形の断面は、ほぼ円形の断面を有するので、テレセントリックレンズの視野が、効率的にテーブル構造の頂面上に設定される。視野に設定されていないアクテイブエリアの部分は役に立たないだけでなく、変調器の全域にわたる電界の切り換え速度を低下させるキャパシタンスを伴うので、テレセントリックレンズの視野がアクテイブエリア上に効率的に設定されることが重要である。
【００６３】
第一の実施形態においては、変調器の直列抵抗を低減させるため、複数の並列帯コンダクタがアクテイブエリアを横切っていた。当業者であれば、当該帯状コンダクタのレイアウト自身が重要なのではなく、他の帯状コンダクタのレイアウトを用いることができること、を理解する。
【００６４】
第一実施形態において説明された変調器は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）および、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）膜を含んでいた。当業者であれば、他の半導体材料を用いることが可能であること、を理解する。例えば、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、を用いることも出来る。また、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料を用いて、ＱＣＳＥ変調器を構成することも可能である。
【００６５】
第一実施形態において、ＣＭＯＳラインドライバーは、変調器の複数の量子ウエルにわたる電界を切り換えるのに用いられていた。他の方式のプッシュプルドライバーを用いてもよいこと、が理解されよう。例えば、ｐ−チャネルのＭＯＳＦＥＴおよびｎ−チャネルのＭＯＳＦＥＴを用いる代わりに、相補型バイポーラートランジスタを用いることもできる。また、当業者であれば、通常、ラインドライバーは、その性能を向上させるため、通常、シュミットトリガ等の他の回路を含んでいること、を理解する。
【００６６】
当業者は、マイクロハブおよびユーザー端末に、他の異なる種類の検出器を用いてもよいこと、を理解する。例えば、フォトトランジスタを用いることも可能である。一般に、検出器は、必要とされるビットレートおよび感度、光ビームの波長、ならびに、コスト面、に基づいて選択される。上述の実施形態においては、ブラグミラー上に形成されたＱＣＳＥ変調器を有する集積半導体装置が、用いられていた。当業者であれば、他の種類の反射器および変調器を用いてもよいこと、を理解する。例えば、反射器として平面鏡を用いてもよく、透過型変調器（液晶等の）を、テレセントリックレンズと鏡との間に設けることも可能である。さらに、当業者であれば、再帰反射器がテレセントリックレンズである必要はないこと、を理解する。これに代え、逆反射鏡（ｃｏｒｎｅｒ−ｃｕｂｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）又はキャッツアイ反射器（ｃａｔ’ｓ−ｅｙｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）により、再帰反射器を構成することもできる。しかし、再帰反射ビームの発散を調節する能力を考慮すると、テレセントリックレンズを用いることが好ましい。
【００６７】
第一の実施形態において、変調器ユニットの視野は、０．５°から２．５°間の半角を有する円錐状であること、が好ましい。これにより、広い開口を有するがユーザー端末と正確な位置決めが必要とされない、テレセントリックレンズを比較的安価に製造することが可能となる。
【００６８】
上述の実施形態においては、マイクロハブとユーザー端末間の光学リンクは、データパイプとして機能した。これに代えて、光学リンクを介した通信を行う前に、データを、エラー検出および訂正ビット等を含むプロトコルによって暗号化するようにしてもよい。
【００６９】
上述の実施形態においては、１５０メートルの範囲内で、対応するローカル配信ノードとの通信ができるよう、各リモート端末内に５０ｍＷのレーザーダイオードが設けられていた。実際のところ、ユーザー端末とローカル配信ノード間の距離は、数メートル程度と比較的短いので、通常ＣＤプレイヤー又は発光ダイオードに用いられている出力の小さいレーザーダイオード、を用いるようにしてもよい。
【００７０】
当業者であれば、”光”という表現には、可視領域とともに、紫外線中の電磁波および電磁スペクトルの赤外線領域、が含まれていることを理解する。上記で説明した実施形態は、７８５ｎｍの波長を有するレーザービームを用いていたが、他の光ビームを用いるようにしてもよい。具体的には、より目に優しく、しかも、この波長の発信器および検出器が光ファイバー通信用に開発されているので、約１．５ミクロンの波長が代替用の波長としてふさわしい。
【００７１】
マイクロハブおよびリモート端末内のレンズは、一つのレンズによって概略的に示されているが、実際には、各レンズが複数のレンズエレメントによって構成されてもよいこと、が理解される。
【００７２】
本発明は、上述の例示された実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変更ならびに実施形態が可能であることは、当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、制御センターと複数の処理装置との間でデータを配信するためのポイント・ツー・マルチポイント信号伝達システムを組み込んだ製造システムの部品を示す回路図である。
【図２】図２は、図１に示す製造システムの一部を構成するリモート端末の概念図である。
【図３】図３は、リモート端末から、図１に示す通信システムの一部を構成する処理マネージメントユニットに対してアップリンクデータを送信するため、微少な信号変調を達成するよう、図２に示したリモート端末により発せられたレーザービームの出力が変化する状態を表したグラフである。
【図４】図４は、リモート端末によってなされる、制御センターからリモート端末へ送信されたダウンリンクの検出、における微少信号変調の効果を概略的に示したアイダイアグラム（ｅｙｅ　ｄｉａｇｒａｍ）である。
【図５】図５は、図１に示す製造システムの制御センターの一部を構成するマイクロハブの概略図である。
【図６】図６は、図５に示した変調器上に入射した光が、その電極に印加されたバイアス電圧に基づいて変化する状態、を概念的に示す信号図である。
【図７】図７は、図５に示すマイクロハブの一部を構成する変調器の概略斜視図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７に示す変調器の一部を構成する第一電極のレイアウトを示す平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７に示す変調器の一部を構成する第二電極のレイアウトを示す平面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図７に示す変調器の第一断面を概略的に示している。
【図８Ｄ】図８Ｄは、図７に示す変調器の第二断面を概略的に示している。
【図９】図９は、図５に示すマイクロハブの一部を構成する変調器駆動回路の部品の詳細を示す概略ブロック図である。
【図１０】図１０は、図５に示すマイクロハブの一部を構成する検出回路の詳細を示す概略ブロック図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す検出回路の一部を構成するＤＣ打ち消しユニットおよびアンプの詳細を示す回路図である。
【図１２】図１２は、図１に示す製造システムとは別の製造システム用の配信ハブおよび複数のリモート端末を概略的に示す図である。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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