(57)【要約】  【課題】  受信許容角度の範囲が広い光アンテナの構造を提供する。  【解決手段】  外部から送信される光信号を検出するための光アンテナ２００であって、光信号を検出するための光検出器２２０と、光信号を受信する第１の端２１０ａから光検出器２２０に接する第２の端２１０ｂの側になるほど、幅が狭くなり且つ屈折率が増加する集光器２１０と、を具備する。【選択図】  図３
2005218102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から送信される光信号を検出するための光アンテナであって、
前記光信号を検出するための光検出器と、
前記光信号を受け入れるための第１の端から前記光検出器に接する第２の端の側になるほど、幅が狭くなり、屈折率が増加する集光器と、
を具備することを特徴とする光アンテナ。
【請求項２】
前記光検出器は、導波路形態のフォトダイオードを含むこと
を特徴とする請求項１記載の光アンテナ。
【請求項３】
前記光検出器は、活性領域を備え、前記集光器の前記第２の端は、前記光検出器の活性領域に接するように位置すること
を特徴とする請求項１記載の光アンテナ。
【請求項４】
前記集光器は、前記第１の端から前記第２の端にかけて分割されたｎ個の層で構成され、前記第１の端から第２の端の側になるほど、屈折率が増加すること
を特徴とする請求項１記載の光アンテナ。
【請求項５】
前記ｎが３より大きいこと
を特徴とする請求項４記載の光アンテナ。
【請求項６】
前記集光器は、内部に進むほど狭くなるラッパ形状（trumpet shape）であること
を特徴とする請求項４記載の光アンテナ。
【請求項７】
赤外線信号を受信するための通信システムに使用されること
を特徴とする請求項１記載の光アンテナ。
【請求項８】
前記集光器と前記光検出器との間に配置されることによって、既設定された波長を有する光信号のみを前記光検出器に透過させるためのフィルターをさらに備えること
を特徴とする請求項１記載の光アンテナ。
【請求項９】
光信号を出力するための光送信部と前記光信号を検出するための光受信部とを含む光無線システムであって、
前記光受信部は、光信号を検出するための光検出器と、前記光信号を受け入れるための第１の端から前記光検出器に接する第２の端の側になるほど、幅が狭くなり且つ屈折率が増加する集光器と、を具備する光アンテナを含むこと
を特徴とする光無線システム。
【請求項１０】
前記光受信部は、
前記集光器と前記光検出器との間に挿入されることによって、前記既設定された波長を有する光信号のみを前記光検出器に透過させるためのフィルターを含むこと
を特徴とする請求項９記載の光無線システム。
【請求項１１】
前記光検出器は、導波路形態のフォトダイオードを含むこと
を特徴とする請求項１０記載の光無線システム。
【請求項１２】
前記光検出器は、活性領域を備え、前記第２の端は、前記光検出器の活性領域に接するように位置すること
を特徴とする請求項１０記載の光無線システム。
【請求項１３】
赤外線信号を受信するための通信システムに使用されること
を特徴とする請求項９記載の光無線システム。
【請求項１４】
前記光送信部は、光源と、レンズ系と、前記光源と前記レンズ系との間に配置された拡張器と、を具備すること
を特徴とする請求項９記載の光無線システム。
【請求項１５】
外部からの光信号を受け入れるための第１の端と、該光信号を検出するための光検出器に接する第２の端と、を備える集光器であって、
前記第１の端から前記第２の端の側に進むにつれて、幅が狭くなり、屈折率が増加すること
を特徴とする集光器。
【請求項１６】
前記第１の端から前記第２の端にかけて分割されたｎ個の層で構成され、前記第１の端から第２の端の側になるほど、屈折率が増加すること
を特徴とする請求項１５記載の集光器。
【請求項１７】
前記ｎが３より大きいこと
を特徴とする請求項１６記載の集光器。
【請求項１８】
内部に進むほど狭くなるラッパ状の形状（trumpet shape）を有すること
を特徴とする請求項１５記載の集光器。
【請求項１９】
赤外線信号の受信に使用されること
を特徴とする請求項１５記載の集光器。
【請求項２０】
受信した光信号を検出する方法であって、
第１の端から第２の端の側になるほど、幅が狭くなり且つ屈折率が増加し、第１の端に入力された前記光信号を前記第２の端に接する光検出器に供給するための集光器を提供するステップと、
前記光信号を検出するための光検出器を前記第２の端に提供するステップと、
を含むことを特徴とする光信号の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光アンテナに関し、特に、集光器を含む光アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の典型的な光アンテナは、半球形レンズ(Hemispherical Lens)形状の集光器(Light concentrator)を含む。しかしながら、このような半球形レンズ形状の集光器は、光信号を受信することができる受信許容角度の範囲が制限されるという短所がある。
【０００３】
上述の問題を克服するために、イギリスのウォリック(Warwick)大学は、ラッパ形状（trumpet shape）の集光器を含む光アンテナを提案した。この光アンテナは、赤外線光無線通信システム、様々な形態の信号処理、アナログ或いはディジタルのシステム、及び携帯電話等に適用可能である。一の単純な例として、この光アンテナは、家庭で使用される無線遠隔制御装置等にも適用することができる。
【０００４】
図１は、従来技術によるラッパ形状の集光器を含む光アンテナを示す。図１を参照すると、この光アンテナ１００は、集光器(Light concentrator)１１０と、集光器１１０を通じて入射された光信号を検出するための光検出器１２０と、を含む。
【０００５】
集光器１１０は、光信号が入射される第１の端１１０ａから光検出器１２０に接する第２の端１１０ｂの側に進行するにつれて、その幅が狭くなる一種のラッパ形状を呈している。そして、集光器１１０は、第１の端を通じて許容可能な角度の範囲内の角度で入射された光信号を、内部に全反射させて、光検出器１２０にまで到達させる。上述の許容可能な角度は、光検出器１２０が集光器１１０に入力された光信号を受信することができる角度を意味し、集光器１１０の内部で全反射された光信号は、光検出器１２０に入力される。
【０００６】
光検出器１２０は、導波路形態のフォトダイオード（ＰＤ）を用いることができ、集光器１１０の第２の端に接するように設けられる。また、光検出器１２０と集光器１１０との間には、屈折率整合層や帯域通過フィルター(Band Pass Filter)等を挿入することができる。
【０００７】
図２は、図１に示した光アンテナの動作特性を説明する図であって、上述した許容可能な角度（以下、受信許容角度とも言う。）よりも大きい角度で光信号が入力された場合を示す。図２を参照すると、この場合には、集光器１１０に入力された光信号は、全反射された後に集光器１１０の外部に放出される。
【０００８】
しかしながら、ラッパ形状の集光器を含む光アンテナは、受信許容角度の範囲が半球形レンズ形状の集光器よりも広い反面に、受信許容角度外の角度で入射されるいかなる光信号についても受信せず、再び外部に反射させてしまうという短所があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記背景に鑑みて、本発明の目的は、受信許容角度の範囲が広い光アンテナの構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、外部から送信される光信号を検出するための光アンテナであって、光信号を検出するための光検出器と、前記光信号を受け入れるための第１の端から前記光検出器に接する第２の端の側になるほど、幅が狭くなり、屈折率が増加する集光器と、を具備する。
【００１１】
また、本発明の他の側面は、光信号を出力するための光送信部と前記光信号を検出するための光受信部とを含む光無線システムであって、前記光受信部は、光信号を検出するための光検出器と、前記光信号を受け入れるための第１の端から前記光検出器に接する第２の端の側になるほど、幅が狭くなり且つ屈折率が増加する集光器と、を具備する光アンテナを含む。
【００１２】
さらに、本発明の他の側面は、受信した光信号を検出する方法であって、
第１の端から第２の端の側になるほど、幅が狭くなり且つ屈折率が増加し、第１の端に入力された前記光信号を前記第２の端に接する光検出器に供給するための集光器を提供するステップと、前記光信号を検出するための光検出器を前記第２の端に提供するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１の端から第２の端の側に行くほど屈折率が高くなる集光器を含む光アンテナを使用することによって、第１の端に入力された光信号が第２の端に進行するほどその屈折角が大きくなる。すなわち、本発明の光アンテナによれば、集光器の第１の端に入力される光信号の許容可能な受光角度が大きくなる長所がある。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨を明瞭する目的のために、公知の機能や構成についての詳細な説明を適宜省略する。なお、各図面間において、同一の構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。
【００１５】
図３は、本発明の第１の実施形態による集光器を含む光アンテナの構造を示す。図３に示すように、本発明の第１の実施形態による光アンテナ２００は、光信号を検出するための光検出器２２０と、光信号が入力される第１の端（end）２１０ａから光検出器２２０に接する第２の端２１０ｂの側になるほど、その幅が狭くなる集光器２１０と、を含む。また、光信号を検出するための活性層（図示せず）として、導波路形態のフォトダイオードを含むことも可能であり、この場合に当該フォトダイオードは、集光器２１０の第２の端２１０ｂに接するように配置される。
【００１６】
集光器２１０は、図４に示すように、複数の屈折率層(refractive index layer)２１１−１〜２１１−ｎを含んで構成される。これら屈折率層２１１−１〜２１１−ｎは、第１の端２１０ａ側から第２の端２１０ｂ側になるほど、その屈折率が増加するように配置される。すなわち、集光器２１０に入射された光信号は、集光器２１０の内部の屈折率層２１１−１〜２１１−ｎによって、光検出器２２０側へ移動するにつれて順次に屈折する。例えば、大気中を移動する光は、屈折率層２１１−１への入力で屈折し、当該屈折した光は屈折率層２１１−２への入力で再び屈折し、以下同様に屈折しながら進行する。
【００１７】
図５は、図３に示した光アンテナの全反射の特性を説明する図である。全反射は、屈折率が高い第１の媒質４１０(ｎ１)から屈折率が低い第２の媒質４２０(ｎ２)に光（４０２）が進行するときに、当該光が、第１の媒質４１０と第２の媒質４２０との間の境界で光の強度の損失無しに反射する現象である。境界面４０１は、第１の媒質４１０と第２の媒質４２０との間を意味し、境界面４０１に垂直な軸は、法線と呼ばれる。そして、光が境界面４０１に入射される際の法線に対する角度は、入射角（図中の角度ｉ，ｉ’）であり、この入射光が境界面４０１から反射するときの角度が、反射角又は屈折角（図中の角度ｒ，ｒ’）である。
【００１８】
全反射は、光が、高い屈折率を有する密度が高い媒質から、低い屈折率を有する密度が低い媒質に進行する場合、或いは、第１の媒質４１０及び第２の媒質４２０との間の境界面４０１に臨界角ｉ’より大きい角度で入射される場合にのみ発生する。図５に示されるように、入射角が臨界角より小さい場合には、入射された光の一部は反射し、一部は屈折する。集光器２１０の側面から反射した光は、光検出器２２０に到達することができず、従って、光損失が発生する。これに対して、本発明の実施形態で達成される広い許容角度は、従来技術により発生した光損失を防止することができる。
【００１９】
臨界角ｉ’は、光が境界面４０１に沿って屈折する限界角度としての入射角ｉ’を意味し、光がこの臨界角より大きい角度で入射される場合には、当該光は全反射される。
【００２０】
集光器２１０は、第１の端２１０ａから第２の端２１０ｂの側になるに従ってその幅が狭くなるので、これにより、その内部に入力されたより多くの光信号を、臨界角を超過する入射角で反射させることができる（図３参照）。すなわち、より多くの光信号が全反射されることによって、最少の損失で光検出器２２０に入力されることができる。
【００２１】
図６は、図３及び図４に示した集光器での屈折率層間での屈折率の差とそれによる光信号の屈折程度を説明するグラフである。
【００２２】
図６を参照すると、光信号３０３は、相互に異なる屈折率を有する第１の媒質と第２の媒質との間の境界に到達する。ここで、第１の媒質３１０は、ｎ１の屈折率を有し、第２の媒質３２０は、ｎ２の屈折率を有する。境界面３０１は、第１の媒質３１０と第２の媒質３２０との間の境界を意味する。光信号３０３は、境界面３０１に垂直な法線３０２に対してθ１の角度で第１の媒質３１０中を進行し、法線３０２からθ2 の角度で屈折して第２の媒質３２０中に入る。
【００２３】
スネル(Snell)の法則によれば、光信号３０３が第１の媒質３１０に進行するときの角度θ１及び第２の媒質３２０で屈折するときの角度θ2 と、第１の媒質３１０と第２の媒質３２０の屈折率ｎ１，ｎ２との相関関係については、下記式１のように表すことができる。
【数１】
2005218102.tif 000003
【００２４】
上述のように、集光器２１０は、第１の端２１０ａから第２の端２１０ｂまでの幅が徐々に狭くなるとともに、第１の端２１０ａから第２の端２１０ｂまで次第に屈折率が大きくなるように設けられた複数の屈折率層２１１−１〜２１１−ｎを含む。これにより、集光器２１０に入力された光信号は、入射に関して、すなわち光検出器２２０の（境界）表面に対して垂直な角度に近づくように屈折する。
【００２５】
光検出器２２０は、集光器２１０を通して入力された光信号を検出するものであり、光信号を検出するための活性層(図示せず)が集光器２１０の第２の端２１０ｂに接触或いは近接するように位置した導波路形態のフォトダイオード等を含むことができる。
【００２６】
光検出器２２０が光信号を効率的に検出する程度を示すための関数は、下記式２及び式３のように示されることができる。
【数２】
2005218102.tif 000004
【数３】
2005218102.tif 000005
【００２７】
ここで、上記式３の左項の
2005218102.tif 000006
は、光検出器２２０が光信号を検出する有効効率の関数を示し、ψは、光信号が進行する媒質での入射角または屈折角を示す。
【００２８】
上述の有効効率の関数は、光検出器２２０が光信号を検出することができる有効面積(Effective area)にも比例するが、ψのcosの関数に従っても変化される。
【００２９】
この式２及び式３を参照すると、光信号が光検出器２２０の活性層に垂直に入射される場合には、光検出器２２０が検出することができる有効面積が拡大される。
【００３０】
光検出器２２０と集光器２１０の第２の端２１０ｂに接する部分を境界面とすると、法線は、この境界面に垂直な任意の軸を意味する。そして、ψは、光信号がこの法線となす角を意味し、さらに具体的には、光信号が光検出器２２０に入力される入射角を意味する。
【００３１】
入射角が９０°の場合、すなわち、光信号が光検出器の活性層に平行に入射する場合には、式３によると、有効面積が０であり、従って、光検出器の有効効率が最も低くなる。
【００３２】
結果的に、光検出器２２０は、光信号の入射角が境界面に対して垂直になるときに、最大の有効効率を得ることができる。 
【００３３】
図６及び式１乃至式３を参照すると、ψは、光信号が第１の媒質３１０或いは第２の媒質３２０中を進行するときの、法線に対する屈折角θ１又はθ２を意味する。すなわち、集光器２１０は、その第１の端２１０ａ側の位置から第２の端２１０ｂ側の位置になるほど、屈折率層２１１−１乃至２１１−ｎの屈折率が徐々に大きくなる。これにより、集光器２１０に入力された光信号は、法線となす角度が徐々に小さくなるように屈折する。 
【００３４】
結果的に、集光器２１０に入力された光信号は、光検出器２２０と集光器２１０との間の境界面となす角度が徐々に大きくなり、したがって、法線となす角度が徐々に小さくなるように屈折するので、光検出器２２０の有効効率を最大にすることができる。
【００３５】
図７は、本発明の第２の実施形態による光無線システムの構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態の光無線システムは、光信号を送信（出力）するための光送信部５１０と、光信号を検出するための光受信部５２０と、を含む。
【００３６】
光送信部５１０は、光信号を生成するための光源５１１と、この光信号を拡張させるための拡張器（spreader）５１２及びレンズ系５１３と、を含む。光源５１１から生成された光信号は、拡張器５１２とレンズ系５１３によって拡張された後に、光受信部５２０に出力される。
【００３７】
光受信部５２０は、光信号を検出するための光検出器５２３と、集光器５２１と、集光器５２１と光検出器５２３との間に位置したフィルター５２２と、を含む。従って、光受信部５２０は、光送信部５１０から受信された光信号を検出するための光アンテナとして機能する。
【００３８】
集光器５２１は、光信号が入力される第１の端から光検出器５２３に隣接する第２の端の側になるほど、その屈折率が徐々に大きくなるとともに、その幅が狭くなる。集光器５２１は、上述した第一の実施形態の集光器（２１０）を用いることが可能である。また、光検出器５２３も、上述した第一の実施形態の光検出器（２２０）を用いることが可能である。
【００３９】
フィルター５２２は、集光器５２１と光検出器５２３との間に挿入され、これにより、既設定された波長を有する光信号のみを光検出器５２３に透過させることができる。なお、フィルターの配置位置としては、光検出器５２３の一面からこの面に対向する集光器５２１の一面まで延設するように設けること、或いは、集光器５２１と光検出器５２３との間にフィルターが離隔して位置するように設けることが可能である。
【００４０】
上述した構成を有する光無線システムは、無線赤外線通信システム及び様々な形態の無線光システムなどに適用されることができる。
【００４１】
以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及び該記載と均等なものの範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来技術の光アンテナの構造を示す側面図である。
【図２】図１に示した光アンテナの動作特性を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による集光器を含む光アンテナの構造を示す側面図である。
【図４】図３の実施形態における入射光の屈折について説明する概念図である。
【図５】図３に示す光アンテナの全反射の特性を示すグラフである。
【図６】図３及び図４に示した集光器の屈折率層の間に入射された光信号の屈折特性を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態による光無線システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
２００  光アンテナ
２２０  光検出器
２１０  集光器
２１０ａ  第１の端
２１０ｂ  第２の端
５１０  光送信部
５２０  光受信部
【図１】
2005218102.tif 000007
【図２】
2005218102.tif 000008
【図３】
2005218102.tif 000009
【図４】
2005218102.tif 000010
【図５】
2005218102.tif 000011
【図６】
2005218102.tif 000012
【図７】
2005218102.tif 000013