(57)【要約】見通し光リンクを使用する光ワイヤレスローカルエリアネットワーク。基地局および端末局には送信機アレイおよび検出器アレイを含む光トランシーバが設けられている。送信機アレイはフリップチップ技術を使用してＣＭＯＳドライバ回路と集積された共振空洞発光ダイオードのアレイからなっている。ドライバ回路は定バイアス、電流ピークおよび電荷抽出を含んでいる。ドライバ回路はコンパクトであり対応する光源の下層領域内に留めることができる。検出器アレイは、前置増幅器および後置増幅器からなるセンス回路が設けられた、ホトダイオードのアレイからなっている。ダイオードおよびセンス回路および検出器は光ビームを導きかつ／または集束させる適応要素を含むことができる。
2004512730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光器層内に形成されかつドライバ層内に形成された各駆動回路の対応する２次元ユニットセルアレイ上に重畳された固体光源の２次元ユニットセルアレイを含む集積固体発光器であって、各駆動回路は入力論理信号に応答して対応する光源に対する整形された駆動信号を作り出し、駆動回路アレイの各ユニットセルの表面面積は光源アレイの各ユニットセルの表面面積以下であり、そのため各駆動回路は対応する光源ユニットセルの下層領域内に留められる集積固体発光器。
【請求項２】
請求項１記載の集積固体発光器であって、発光器層はそれを通って実質的に基板に垂直な方向に光源が発光する光源基板内に形成される集積固体発光器。
【請求項３】
請求項１または２記載の集積固体発光器であって、光源は共振空洞発光ダイオードである集積固体発光器。
【請求項４】
請求項１または２記載の集積固体発光器であって、光源はレーザダイオードである集積固体発光器。
【請求項５】
請求項１，２，３または４記載の集積固体発光器であって、光源は９００ｎｍ以上の波長で発光する集積固体発光器。
【請求項６】
請求項１，２，３または４記載の集積固体発光器であって、光源は１４００ｎｍ以上の波長で発光する集積固体発光器。
【請求項７】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、光源アレイおよび駆動回路アレイの少なくとも一方は六角形のぎっしり詰まったアレイである集積固体発光器。
【請求項８】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、光源アレイおよび駆動回路アレイは一緒に一体化される各基板内に別々に形成される集積固体発光器。
【請求項９】
請求項８記載の集積固体発光器であって、２つの基板はフリップチップ技術により一緒に一体化される集積固体発光器。
【請求項１０】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、駆動回路アレイはＣＭＯＳ回路により形成される集積固体発光器。
【請求項１１】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、各駆動回路は対応する光源に定バイアス電流を供給するバイアス電流源を含む集積固体発光器。
【請求項１２】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、各駆動回路は方形駆動信号の立上り縁にタイミングを合わせて対応する光源に電流パルスを供給する電流ピーク源を含む集積固体発光器。
【請求項１３】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、各駆動回路は方形駆動信号の降下縁にタイミングを合わせて対応する光源に電荷抽出信号を供給する電荷抽出回路を含む集積固体発光器。
【請求項１４】
前記いずれか一項記載の集積固体発光器であって、各駆動回路は集積回路として完全に形成された遅延回路を内蔵する集積固体発光器。
【請求項１５】
請求項１４記載の集積固体発光器であって、前記遅延回路は論理ゲートにより構成される集積固体発光器。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の集積固体発光器であって、前記遅延回路は前記集積回路内の抵抗性および容量性コンポーネントのみにより構成される集積固体発光器。
【請求項１７】
発光器アレイおよび光源からの光の経路内に配置された少なくとも一つの適応光要素を含む発光器アセンブリ。
【請求項１８】
請求項１７記載の発光器アセンブリであって、適応光要素は光源からの光を導きかつ／または集束させる発光器アセンブリ。
【請求項１９】
請求項１７または１８記載の発光器アセンブリであって、適応光要素はフレネルレンズおよびホログラムの少なくとも一方を含む発光器アセンブリ。
【請求項２０】
請求項１７，１８または１９記載の発光器アセンブリであって、適応光要素は空間光変調器により形成される発光器アセンブリ。
【請求項２１】
請求項１７，１８，１９または２０記載の発光器アセンブリであって、発光器は請求項１から１６のいずれか一項に従う発光器アセンブリ。
【請求項２２】
検出器層内に形成されかつセンス回路層内に形成された各センス回路の対応する２次元ユニットセルアレイ上に重畳された固体光検出器の２次元ユニットセルアレイを含む集積固体光検出器であって、各センス回路は検出器への入力光信号に応答してデータ信号を作り出し、センス回路アレイの各ユニットセルの表面面積は検出器アレイの各ユニットセルの表面面積以下であり、そのため各センス回路は対応する検出器ユニットセルの下層領域内に留められる集積固体光検出器。
【請求項２３】
請求項２２記載の集積固体光検出器であって、検出器層はそれを通って検出器が光を受光する検出器基板内に形成される集積固体光検出器。
【請求項２４】
請求項２２または２３記載の集積固体光検出器であって、検出器はホトダイオードである集積固体光検出器。
【請求項２５】
請求項２２，２４または２４記載の集積固体光検出器であって、さらに入来光をフィルタリングする検出器上層の光フィルタ層を含む集積固体光検出器。
【請求項２６】
請求項２５記載の集積固体光検出器であって、光フィルタ層はシステムの動作波長よりも短い波長の光を吸収するようなバンドギャップエネルギを有する集積固体光検出器。
【請求項２７】
請求項２２から２７のいずれか一項記載の集積固体光検出器であって、検出器アレイおよびセンス回路アレイの少なくとも一方は六角形のぎっしり詰まったアレイである集積固体固体光検出器。
【請求項２８】
請求項２２から２７のいずれか一項記載の集積固体光検出器であって、検出器アレイおよびセンス回路アレイは一緒に一体化される各基板内に別々に形成される集積固体光検出器。
【請求項２９】
請求項２８記載の集積固体光検出器であって、２つの基板はフリップチップ技術により一緒に一体化される集積固体光検出器。
【請求項３０】
請求項２２から２９のいずれか一項記載の集積固体光検出器であって、センス回路アレイはＣＭＯＳ回路により形成される集積固体光検出器。
【請求項３１】
請求項２２から２９のいずれか一項記載の集積固体光検出器であって、各センス回路は前置増幅器および後置増幅器を含む集積固体光検出器。
【請求項３２】
請求項３１記載の集積固体光検出器であって、後置増幅器はトランスインピーダンス増幅器が続く差動増幅器段を含む集積固体光検出器。
【請求項３３】
光検出器アレイおよび光検出器アレイへの光の経路内に配置された少なくとも一つの適応光要素を含む光検出器アセンブリ。
【請求項３４】
請求項３３記載の光検出器アセンブリであって、適応光要素は検出器上に光を導きかつ／または集束させる光検出器アセンブリ。
【請求項３５】
請求項３３または３４記載の光検出器アセンブリであって、適応光要素はフレネルレンズおよびホログラムの少なくとも一方を含む光検出器アセンブリ。
【請求項３６】
請求項３３，３４または３５記載の光検出器アセンブリであって、適応光要素は空間光変調器により形成される光検出器アセンブリ。
【請求項３７】
請求項３３，３４，３５または３６記載の光検出器アセンブリであって、光検出器アレイは請求項２２から３２のいずれか一項に従う光検出器アセンブリ。
【請求項３８】
請求項３７記載の光検出器アセンブリであって、検出器の出力は電気的に合計される光検出器アセンブリ。
【請求項３９】
請求項３３記載の光検出器アセンブリであって、検出器アレイは単一検出器と各々が単一検出器の異なるエリアを選択的に露光する光シャッター要素のアレイを含む光シャッターとを含む光検出器アセンブリ。
【請求項４０】
請求項３９記載の光検出器アセンブリであって、光シャッターは空間光変調器である光検出器アセンブリ。
【請求項４１】
請求項４０記載の光検出器アセンブリであって、シャッター要素は２つの異なる透過率状態を有する光検出器アセンブリ。
【請求項４２】
請求項４０記載の光検出器アセンブリであって、シャッター要素は連続的に変化する透過率を有する光検出器アセンブリ。
【請求項４３】
請求項３９から４２のいずれか一項記載の光検出器アセンブリであって、単一検出器はホトマルチプライヤである光検出器アセンブリ。
【請求項４４】
請求項１から１６のいずれか一項記載の集積固体発光器および請求項２２から３２のいずれか一項記載の集積固体光検出器を含む光トランシーバ。
【請求項４５】
請求項１７から２１のいずれか一項記載の発光器アセンブリおよび請求項３３から４３のいずれか一項記載の光検出器アセンブリを含む光トランシーバ。
【請求項４６】
少なくとも一つの基地局と複数の端末局を含む光ワイヤレスＬＡＮであって、少なくとも一つの基地局は複数の端末局の各々の端末局受信機にデータを送信するための見通し光下り回線を提供する光送信機を含み、複数の端末局の各々に少なくとも一つの基地局内の基地局受信機へデータを送信するための上り回線を提供する端末局送信機が設けられており、前記上り回線は無指向性光リンクおよび無線リンクの少なくとも一方を含む光ワイヤレスＬＡＮ。
【請求項４７】
請求項４６記載の光ワイヤレスＬＡＮであって、光送信機は請求項１から１６のいずれか一項記載の集積固体発光器または請求項１７から２１のいずれか一項記載の発光器アセンブリを含む光ワイヤレスＬＡＮ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は光ワイヤレス通信の改善または関連する改善に関し、特にローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）用光ワイヤレスリンクに関する。
【０００２】
モバイルユーザに音声データおよび視覚通信を提供することが研究および製品開発の重要な領域になってきている。ユーザのモビリティの度合いは範囲の一端における広域“ローミング”から範囲の他端において低いモビリティしか必要としないが極端な広帯域幅通信を必要とする室内ユーザまで広範に変動する。ワイヤレス通信リンクはモバイルユーザに通信を提供するのに重要であり、大きいエリアにわたって良好なカバレッジを提供するのに無線通信が有用ではあるが、無線通信により達成可能なデータ転送速度は、例えば光ファイバーを使用する、固定網により達成可能なデータ転送速度に比べて制限される。したがって、無線リンクはデータに対するボトルネックとして作用する傾向がある。無線リンクに優る光リンクの利点、すなわちより高い帯域幅したがってより高いデータ転送速度を提供する、はよく知られている。光ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）が提案されており、添付図の図１および２に示すような２つの主要タイプに入る。図１に示すような拡散網は広角光源１を使用し室内の表面から光を散乱させて、局部無線送信機を使用して得られるのと同様な、光“ｅｔｈｅｒ”を提供する。それはブロッキングに対してロバストなカバレッジを作り出すため、直接見通しパスが例えば人間５によりブロックされても端末３はデータを受信することができる。しかしながら、光源１と端末３における受信機間の多数のパスによりチャネルは分散されてその帯域幅が制限される。必要な光送信機も極端な高電力となり、高帯域幅に対してはダイナミック等化が必要である。この方法を使用して提案されたネットワークはほぼ１０Ｍｂ／ｓの“イーサネット”（Ｒ）型帯域幅を提供している。マルチパス分散により生じる困難を回避するためにこの低データレートが必要である。
【０００３】
図２に示すような別の方法は送信機７と端末８間の直接見通しパスを使用する。これらはより高いデータレートを提供することができるが、単一チャネルにより提供されるカバレッジエリアは極めて小さくなることがある。したがって、エリアカバレッジおよびユーザのローミング能力を提供するのに困難な問題が生じる。さらに、光チャネルには目の安全規則が適用され、これらの規則を満たすのは難しいという困難も伴う。目の安全規則は近赤外領域（７００および１４００ｎｍ間）に対して特に厳格であり、それは光源の電力に限界があることを意味する。見通し網には人間や物体によるチャネルのブロッキングの問題もある。
【０００４】
本発明は見通しリンクを使用し、セルラーカバレッジエリアを提供する光ネットワークに関する。このタイプのネットワークは図３に略示されており基地局１０はカバレッジエリアの上に配置されている。基地局１０にはその基板に垂直に発光してカバレッジエリアを一連のセル１４により照光する半導体光源１２の２次元アレイが設けられている。これはレンズシステム１６を使用してアレイ内の光源を特定の角度に一致させ空間の所望カバレッジを作り出すことにより達成される。光源のアレイを使用することにより、検出器を指示しない光源はスイッチオフすることができるため、送信電力が最小限に抑えられ各光源は異なるデータを送信することができる。さらに、光源を指示しない検出器はターンオフすることができる。図３に示すように、空間内の各端末は光を集めて検出器アレイ２０内の特定の検出器１８に集束させる光システム１６を有する。得られる電気信号が増幅されデータストリームが抽出されて端末８に供給される。検出器アレイを使用することによりビームの到来角を決定することができ、したがって、所要上り回線（端末８から基地局）の方向を決定することができる。単一の大型検出器ではなく検出器アレイを使用することにより、各検出器の容量を有利に低減することができ、高帯域が与えられる。各検出器は視野が狭く周囲光の問題は減少するが、アレイの使用により広い全体カバレッジが与えられる。図３には基地局の送信機と端末の検出器しか示されていないが、実際上リンクの各端は双方向データ転送が可能な同一送信機および受信機を有するトランシーバである。このシステムは９８０ｎｍで動作するように設計されており１５５Ｍｂ／ｓのデータレートを提供することができるが、適切な光源および検出器が与えられれば任意の光波長で動作することができる。
【０００５】
光源１２および検出器１８の詳細が図４および５に示されている。図４は一つの光源１２を略示している。それはデバイスの基板を通って基板に垂直に発光するように設計される表面発光ＬＥＤのアレイすなわちレーザ２２を含んでいる。このアレイはＣＭＯＳシリコン集積回路２４にフリップチップボンディングされる。アレイからの光は個別のビームを部屋の正しい部分に向けるレンズシステム２６中を伝達される。このアセンブリは集積回路２８の形のコントローラも含んでおり、全ての要素はＰＣＢ２９に固着されたチップラックパッケージング２７内に設けられる。送信機光学系が図６に示されており、それは２つの固定光要素３０および３２からなっている。屈折レンズもある。しかしながら、回折またはフレネル光学系を使用して所望のカバレッジパターンを得ることもできる。達成されたカバレッジパターンが図７に示されており、カバレッジセル１４の六角形アレイを示している。
【０００６】
受信機が図５に略示されており、それは基板の背面を通って入来する光を受光するホトダイオードであり、検出器からの信号をデータ信号に変換するセンス回路３６のアレイにフリップチップボンディングされる検出器３４のアレイからなっている。これらは端末８に出力するためにコントローラ３８に供給される。光はアレイ上部に配置されたレンズシステム４０を使用してアレイ３４上に集束される。光源の容量の低減と同様に、検出器アレイの使用により各検出器の容量が低減される。５１．８×１０６平方メートル（２０平方マイル）のカバレッジを提供するシステムには数百個の検出器のアレイが必要となることがある。
【０００７】
本発明はシステムのあるコンポーネントにも関連している。例えば、一側面において本発明は駆動回路の対応するアレイを有する固体光源のぎっしり集積されたスケーラブルアレイを含む集積固体発光器を提供する。好ましくは、発光器は発光器層内に形成されドライバ層内に形成された各駆動回路の対応する２次元ユニットセルアレイ上に重畳された固体光源の２次元ユニットセルアレイを含み、各駆動回路は入力論理信号に応答して対応する光源に対する整形された駆動信号を作り出し、駆動回路アレイの各ユニットセルの表面面積は光源アレイの各ユニットセルの表面面積以下であり、各駆動回路は対応する光源ユニットセルの下層領域内に留められる。
【０００８】
代替策として、固体光源は駆動回路上に重畳される必要がない。同様に、固体光源は各駆動回路に対して１対１ベース以外で配置することができる。
【０００９】
駆動回路のエリアを対応する光源の下層領域内に留めることにより、光源アレイは容易にスケーラブルとされる。すなわち、製作の困難さを特に増すことなく、光源を所望の大きさに作ることができる。
【００１０】
同様な方法が検出器アレイにおいて使用される。したがって、本発明のもう一つの側面により、検出器アレイ内に形成されかつセンス回路層内に形成された各センス回路の対応する２次元ユニットセルアレイ上に重畳された固体光検出器の２次元ユニットセルアレイを含む集積固体光検出器が提供され、各センス回路は検出器への入力光信号に応答してデータ信号を作り出し、センス回路アレイの各ユニットセルの表面面積は検出器アレイの各ユニットセルの表面面積以下であり、各センス回路は対応する光源検出器ユニットセルの下層領域内に留められる。
【００１１】
適切な集積方法の重要な特徴は、
（ｉ）　光電子デバイスとシステム性能上のエレクトロニクス間の配線の影響を低減するために、ドライバエレクトロニクスは発光器に接近しており受信機エレクトロニクスは検出器に接近している。
および／または
（ｉｉ）　集積技術は多数の別々の通信チャネルにスケーラブルである。
【００１２】
ここに記載された本発明はこれら両方の目的を達成するためにコンポーネントの垂直スタッキングを使用する。
【００１３】
発光器およびドライバ回路を単一基板上に集積することができる特殊化された材料処理を使用し、受信機に対しても同様に使用する等の他の方法を使用することもできる。さらに、検出器、送信機およびエレクトロニクスをこのように単一基板上に集積することができる。
【００１４】
発光器およびドライバが別々に取り付けられた中間基板を使用することもでき、それにより２つのコンポーネント間の電気配線が提供される。
【００１５】
もう一つのオプションは発光器および検出器アレイを共に共通シリコンＩＣに取り付けて発光および検出の両方を行うことができるハイレベル集積用の単一コンポーネントを作り出すことである。
【００１６】
発光器内の光源はおよそ９００ｎｍよりも上の、より好ましくは１４００ｎｍよりも上の、波長で光を伝達する共振空洞発光ダイオードまたはレーザダイオードとすることができる。検出器内で、個別の検出器はホトダイオードとすることができ検出器には受光した光の帯域幅を狭めるための光フィルタ層を設けることができる。
【００１７】
アレイは六角形のぎっしり詰め込まれたアレイとすることができ、発光器および検出器の両方において、光電子トランスジューサおよびその関連する電子回路は２つの別々の基板内に形成し、次にフリップチップ技術により一緒に集積することができる。好ましくは、電子回路はＣＭＯＳ回路内に形成される。
【００１８】
光源の発光器用駆動回路は、駆動信号の立上り縁における電流ピークおよび駆動信号の降下縁における電荷抽出だけでなく、定バイアス電流を加えるように適合させることができる。それより光源の応答に対して良好な形状が達成される。一実施例では、駆動信号のこの整形は論理スイッチング回路のみを使用して短幅のエッジトリガパルスを作り出すことにより達成される。
【００１９】
発光器および／または検出器は光ビームを導きかつ／または集束させるための、空間光変調器等の、一つ以上の適応光要素を含むことができる。この要素はフレネルレンズおよび／またはホログラムとして作用することができる。
【００２０】
検出器内で、センス回路は前置増幅器および後置増幅器を含むことができ、一実施例では後置増幅器はトランスインピーダンス増幅器が続く差動増幅器段を含んでいる。
【００２１】
これらのコンポーネントは少なくとも一つの基地局および複数の端末局を含む光ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）内で使用することができる。基地局から端末への下り回線は見通しとすることができるが、低データレートが満足すべきものであれば端末局から基地局への上り回線は無指向（拡散）光リンクまたは無線リンクとすることができる。
【００２２】
前記したように、システム内の光源は発光器のアレイからなり、本実施例では共振空洞発光ダイオードである。このダイオードは電流源として実現される各ドライバ回路により駆動される。したがって、ドライバ回路はデジタル電圧入力信号を一列の電流パルスへ変換する。ＬＥＤの光立上り時間および降下時間を改善するために、ドライバは全作動時間においてＬＥＤに小さいバイアス電流ＩＢを与える。それにより空間電荷容量は充電され続け、キャリア注入遅延したがって光出力遅延が回避される。立上り時間および降下時間をさらに改善するために、データ信号における各ローからハイへの遷移開始時に電流スパイクＩＰの形のピーク電流がダイオード端子に注入される。それにはデータ信号の定常ハイレベルへの制御された減衰が続く。入力信号の終りの降下時間は各ハイからローへの遷移開始時に逆電流ＩＲをダイオードに注入して減少させることができる。これは電荷抽出として知られている。図８は図８（ａ）に入力データ信号（５Ｖピークピークで立上りおよび降下時間は０．１ｎｓ）、図８（ｂ）に定バイアス電流ＩＢおよび図８（ｃ）に基本駆動信号（電流ピークや電荷抽出はない）を示す。図８（ｄ）および（ｅ）は、それぞれ、電流ピークおよび電荷抽出電流を示し、図８（ｆ）はＩＢ，ＩＭ，ＩＰおよびＩＲを結合して形成される実際の駆動信号を示す。駆動信号ＩＬＥＤを使用する結果、ＬＥＤの出力は入力データ信号の形状をより正確に反映するようになる。
【００２３】
光源の大きなアレイを作れるようにするために、各光源に対する駆動回路の表面面積は光源自体のそれ以下であることが有利である。それは各光源に対する駆動回路が対応する光源の下にある集積コンポーネントを作り出せることを意味する。アレイはスケーラブルである、すなわち、もう一つの光源の下を延びる一つの光源に対する駆動回路により生じる製作問題を伴うことなく所望の大きさに作ることができる。
【００２４】
これを達成する駆動回路の一実施例を図９−１２について説明する。この実施例では、電流ピークおよび電荷抽出パルスは短幅のエッジトリガパルスとして形成される。これはキャパシタや抵抗等の外部コンポーネントは不要であるという利点を有し、全コンポーネントを集積回路上に有して駆動回路を製作できることを意味する。図９は短パルスの発生を略示している。図９（ａ）に示すように、入力データ信号が一列のインバータおよび２入力論理ゲートに加えられる。インバータはデータパルスを短期間だけ有効に遅延させる。次に、論理ゲートのタイプにより出力パルス信号がデータ信号の立上り縁でトリガされるか降下縁でトリガされるかを決定する。図９（ｂ）からＮＡＮＤ論理ゲートは信号の立上り縁で負パルスを作り出すことが判る。このパルスは電流ピークに使用することができる。ＮＯＲ論理ゲートはデータ信号の各降下縁で短い正パルスを発生し、それは電荷抽出パルスを形成するのに使用することができる。パルス幅はインバータ列により導入されるゲート遅延により決定される。適切に設計されたインバータにより、導入される遅延の長さを外部制御することができる。
【００２５】
図１２は詳細なドライバ回路を示す。入力および出力ピンが下記の表１に記載されている。
【表１】
2004512730.tif 000003
図１２において、トランジスタ対Ｍ７−Ｍ８，Ｍ９−Ｍ１０およびＭ１１−Ｍ１２はＮＡＮＤゲートパルス発生器５０用インバータチェーンを形成する。トランジスタＭ１３，Ｍ１４，Ｍ１５およびＭ１６はＮＡＮＤゲート５１を形成する。この発生器からの出力パルスはパストランジスタＭ１７のゲートを駆動する。このパストランジスタはＭ１３からのドレイン電流（ＶＩＮＪにより決定される）を非常に短時間だけ導通させる。この注入電流は等価回路４８で表わされるＬＥＤに加えられる。
【００２６】
トランジスタ対Ｍ１９−Ｍ２０，Ｍ２１−Ｍ２２およびＭ２３−Ｍ２４はＮＯＲゲート発生器５２用インバータ列を形成する。ＮＯＲゲートは４個のトランジスタＭ２５，Ｍ２６，Ｍ２７およびＭ２８から作られる。このパルス発生器はパストランジスタＭ３０を駆動し、作り出される逆電流はＭ２９が導通する電流量により決定され、それはＶＥＸＴの大きさにより決定される。トランジスタＭ３１−Ｍ３８はデータ信号が後続負荷を駆動できるようにするインバータバァッファである。
【００２７】
バイアス電流ＩＢはトランジスタＭ６により供給される。入力データ信号はＣＭＯＳスイッチ（トランジスタＭ２およびＭ３を含む）を駆動し、それはトランジスタＭ１からの電流をトランジスタＭ４およびＭ５により形成されるカレントミラーの入力に導通する。次に、この電流は増幅されてダイオードに対する基本的駆動信号である変調電流ＩＭを供給する。
【００２８】
図１０および１１はドライバ回路内の信号を示す。図１０はいかなる電流ピークまたは電荷抽出もなくＬＥＤ４８を駆動する効果を示す。入力は図１０（ａ）に示され、図１０（ｂ）は総ダイオード電流（すなわち、等価回路４８への総電流）を示し、図１０Ｃは抵抗性ダイオード電流（すなわち、等価回路４８の抵抗性分岐への電流）を示す。抵抗性電流は光出力に対応する。波形は長い立上りおよび降下時間を有し、データ信号のようには整形されないことが判る。
【００２９】
図１１は電流ピークおよび電荷抽出を含む整形された駆動信号を使用してＬＥＤを駆動する効果を示す。ここでも図１１（ａ）はデータ信号を示し、図１１（ｂ）は電流ピークＰ、定常駆動信号Ｑ、および電荷抽出Ｓを有する総ＬＥＤ電流を示す。図１１Ｃは照光に対応する抵抗性ダイオード電流を示す。立上り時間および降下時間は著しく減少されており、波形は入力データ信号に遥かに近いことが判る。
【００３０】
光源は両面研磨ｎ＋ＧａＡｓ基板上に成長した９８０ｎｍ底面発光共振空洞ＬＥＤである。発光波長および発光角ビームプロフィールは活性領域（量子井戸）の発光波長および空洞の共振波長により設定される。２つの波長間の差は離調として知られ、それは使用される特定の光システムに対して光検出器において受電される電力を最大とするように最適化される。この範囲（９８０−１０００ｎｍ）内の特定の波長は（理想的には）周囲光光学スペクトルの光学的に静かな領域内となるように選択される。
【００３１】
光源アレイの平面図が図２２に示されている。光源２２は３００−５００μｍ程度の六角形ピッチ上にある。ハッチングしたコンタクト２２０はデバイス裏側のｐコンタクトであり、べたコンタクト２２２はｎコンタクトである。
【００３２】
光源アレイは独立した基板上に形成されたＣＭＯＳドライバ回路にフリップチップボンディングされて集積発光器を作り出す。
【００３３】
受信機は後置増幅器が続く前置増幅器からなる各センス回路に各々がその信号を供給するホトダイオード（３４）のアレイを使用する。前置増幅器は各段の出力に利得および安定度を制御するＮＭＯＳ負荷を有する３段トランスインピーダンス増幅器である。これは図１３に略示されている。各段はダイオード接続ＮＭＯＳ荷重を有するＣＭＯＳ反転増幅器からなる。増幅器は２１７ＭＨｚの−３ｄＢ帯域幅を有するように設計される。各段の帯域幅は９３９．９３ＭＨｚとして設定される。これは利得−帯域幅において段当たり１３°の移相に対応する。完全な増幅器は帰還抵抗５７も含んでいる。トランジスタの幅および長さは図２４に示す予め計算されたノモグラフの使用に基づく特殊なアルゴリズムにより規定される。
【００３４】
ノモグラフは使用されるＣＭＯＳプロセスに対応する既知のパラメトリックデータから計算される。それは従来の設計方法では実行不能な方法でＤＣバイアス条件、帯域幅、安定度および利得をトランジスタディメンジョンＷ１，Ｗ２およびＷ３に関連づける。この方法によりトランジスタディメンジョンに対して最適化された値を選択することができる。
【００３５】
後置増幅器が図１４に略示されている。それは３段増幅器である。第１段は正しい動作条件を維持するためのＤＣ安定化を有するＤＣ結合反転増幅器５８である。安定化回路は低周波応答を削減して不要低周波ノイズの影響を低減する働きもする。第２段は増幅の第３段６０、トランスインピーダンス増幅器、により増幅される出力電流を作り出す差動増幅器５９である。増幅の最終段はインバータおよびダイオード結合ＮＭＯＳトランジスタ６１からなっている。差動増幅器の使用により、所望により必要な追加回路要素を付加すれば、異なる検出器からの信号を一緒に結合することができる。それにより、強度の異なる複数の信号をそれらの強度に応じて異なる比率で一緒に結合することができる。
【００３６】
検出器はＩｎＰ基板上に成長した基板照光ＩｎＧａＡｓ　ＰＩＮダイオードである。これらは９８０および１５００ｎｍの両方で作動する。容量を最小限に抑えるために、これらのタイプのデバイスに対するＩ−領域は比較的厚い。回路の帯域幅は容量および検出器ジャンクション両端間を通過するキャリアの通過時間により制限される。これら２つは競合しており、好ましくは検出器はこれらの効果間の最適点で作動する。検出器の厚さおよび検出器のＤＣバイアス電圧はこれを達成するために最適化される。
【００３７】
検出器アレイの平面図が図２３に示されている。検出器２３０は３００−５００μｍ程度の六角形ピッチ上にぎっしり詰め込まれており、デバイスあたり１コンタクト２３１であり、周辺周りにグランドコンタクト２３２がある。
【００３８】
検出器はある範囲の波長にわたって所望電力（指定された波長における）および最適ノイズをピックアップする。光フィルタを検出器と一体化することにより光帯域幅を狭めることは図５Ｂに示す構造を使用して達成することができ、フィルタリングは適切な組成のＧａＡｓＰからなる層（ａ）により提供される。
【００３９】
光受信機はＣＭＯＳプロセス技術を使用して製作される。前置増幅器および後置増幅器は共に同じ基板内に形成され、共にそれらに供給するホトダイオードの表面エリア内に適合する。もちろん、実際には光検出器のアレイに対応して増幅器のアレイが形成される。センス回路および検出器アレイは一緒にフリップチップボンディングされて集積されたデバイスを形成する。ホトダイオード検出器および減結合キャパシタを除けば、受信機チップは外部回路コンポーネントを必要としない。このインプリメンテーションでは、アナログ回路および基板に対して３組の電力／グランド供給が使用される。それにより、電源への低抵抗パスを介したスイッチング（デジタル）回路から敏感な（アナログ）回路へのノイズ結合が防止される。トランジスタドレイン電流を悪化させることがあるソース−ツー−バルクノイズ電圧効果を抑制するために、アナログおよび基板電力／グランド供給は外部接続される。
【００４０】
後置増幅器電圧入力から最終出力までの伝達関数図１５に示されている。
【００４１】
図１６は典型的な条件下での受信機回路の過度応答のシミュレーションを示す。図１６（ａ）は入力電流信号を示し、図１６（ｂ）は前置増幅器出力電圧を示し、図１６（ｃ）は後置増幅器出力電圧を示し、図１６（ｄ）は最終バァッファ出力電圧を示す。
【００４２】
固定光ワイヤレス設計における一つの主要な困難は電力割当てである。固定光学系であっても、セル内の利用可能な電力のごく少量しかホトダイオードにおいて受電されない。この問題にはセルの縁に向かう光電力密度の大きな低下が混じり合う。光リンクの電力割当てを最適化するために、送信機からの光を検出器上に集束させたり、受信機において検出器上への光ビームを導くことができる。それはフレネルレンズまたはコンピュータ発生ホログラムの形をとることができる適応光要素を使用して達成される。これらは２進位相変調が可能な電子的にアドレスされるピクセル化されたデバイスである空間光変調器を使用して達成することができる。例えば、ネマティック液晶を使用し６４０×４８０ピクセル分解能で４２μｍのピクセルピッチを有するデバイスを利用できる。デバイスが所望の光要素として作用するようにデバイス内にパターンをプログラミングすることができる（各ピクセルの状態を規定する）。
【００４３】
図１７（ａ）は固定光要素２６および光源アレイ２２の前の適応光ステアラー７０の使用を示す。適応光ステアラー７０は発光されたビームをそれらのセル内で移動させるのに有効である。
【００４４】
図１７（ｂ）は光源アレイ２２からのビームを集束させて導くための適応光要素７２の使用を示す。中央ビーム７２は適応光学系が不活性である出力を示し、ビーム７４は適応光要素を使用してビームを集束させて導く効果を示す。
【００４５】
図１７（ｃ）は受信機内での適応光要素７６の使用を示す。この要素は固定光要素４０を介して検出器アレイ３４上にビームを導いて集束させるようにプログラムされる。適応光要素はアレイ内の特定の検出器にビームを導くようにプログラムすることができ、この構成により多数の送信機からの光を同じ検出器上に集束させることができ、例えば基地局間の“ハンドオーバ”を許すことができる。図１７（ｄ）は適応光要素を欠く比較例を示す。適応光学系を使用してアレイ内の要素数を単一検出器に減らすことができる。
【００４６】
空間光変調器を使用する替わりに、可変形ミラーまたは他の適応光要素を使用することができる。
【００４７】
図２０は適応要素が１×１目標エリアに集束するように設計される時に、受信機がその中央位置から変位されるにつれ受信機に結合される電力がどのように変動するかを示す。図２１では、より大きい（３×３）目標エリアを使用して光のより大きい“スポット”を生成し、そのため受信機はその所望位置からの変位に対してより鈍感となる。
【００４８】
図２５は検出器アレイではなく単一検出器２５０を使用する代替受信機を示す。この実施例では、検出器２５０はホトマルチプライヤ、好ましくはＰｈｏｔｅｋ　ＰＭＴ１１０等の固体ホトマルチプライヤである。ホトマルチプライヤは低容量を有し、そのためホトマルチプライヤの使用は検出器が大面積および高い帯域幅を有することができようにし、それらがホトダイオードよりも遥かに敏感であるという利点も有する。アレイではなく単一検出器を使用すればいくつかの検出器からの信号を結合するための処理回路の必要性が取り除かれる。
【００４９】
受信機が光源を追跡することができかつノイズ（すなわち、他の角度からの外来光）を除去できるようにするために、単一検出器上に光シャッター２５２が配置され、検出器の異なるエリアを２５２ａのように選択的に露光したり２５２ｂのように遮断できるようにされる。ＣＲＬ１２８×１２８　２Ｄ　ＳＬＭ等の空間光変調器（ＳＬＭ）をこのために使用することができる。光シャッター２５２は本質的に２進特性を有することができ、そのエリア２５２ａ，ｂ等が“オン”または“オフ”となるようにされる。あるいは、アナログ（可変透過率）を使用して異なる方向からの入力信号の異なる部分が検出器上に入射し、異なる重みで（光シャッターエリアの透過率に従って）結合するようにすることができる。それにより、信号対ノイズ比に比例して信号を結合できるようにしてノイズ除去を改善することができる。
【００５０】
前の受信機の実施例と同様に、レンズシステム２５４が入来光を集め光シャッター２５２と共に受信機に角感度を与える。
【００５１】
単一検出器および光シャッターを使用する替わりに、図２６に示すように、光シャッターを小面積検出器２６０のアレイと組み合わせることができる。個別の検出器２６０からの信号を単純な和分回路２６２を介して結合することができる。したがって、レンズシステム２６４および光シャッター２６２により光学的に角選択度が与えられる。それにより信号処理エレクトロニクスを単純化することができる。
【００５２】
光シャッター２５２，２６２の使用により検出器エリアの全体形状を所望により変えることができ、それにより光システム内の変更および欠陥を補償することができる。
【００５３】
受信機は光ＬＡＮ内の“ハブ”として使用して異なる光源からの時間多重化信号を受信することができる。
【００５４】
前記したシステムでは、データリンクはリンクの各端が同一送信機および受信機を含む点において対称的である。しかしながら、ウエブブラウジングの場合のように、高帯域幅が一方向でしか必要とされない場合がある。この場合、他の動作モードが可能である。図１８はさまざまな構成を示す。図１８（ａ）は双方向システムを示す。図１８（ｂ）では下り回線だけが直接見通し光リンクであり、上り回線は無線を介している（そのため低帯域幅である）。図１８（ｃ）では上り回線は拡散光リンク（やはり低帯域幅）である。このシステムは、各々が光リンクと相互接続される、図１９に示すような多数の基地局も含んでいる。光または無線とすることができる外部ワイヤレスリンク用トランシーバ１８も設けられる。判り易くするために、図１９には基地局は示されていない。
【００５５】
もちろん、基地局のトランシーバおよび受信機には光および無線または光見通しおよび光拡散トランシーバの両方を設けることができる。これらのトランシーバは帯域幅、コストまたは任意他の規準に従って選択的に使用することができる。ユーザが光カバレッジエリア内にいる時は、無線リンクをデータ要求に使用し、光リンクをデータ転送に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
拡散光ネットワークを示す図である。
【図２】
見通し光ネットワークを示す図である。
【図３】
セルラー光ネットワークを示す図である。
【図４】
セルラー光ネットワークで使用する送信機を示す略図である。
【図５】
セルラー光ネットワークで使用する受信機を示す略図である。
【図６】
送信機内で使用される光システムを示す図である。
【図７】
セルラーネットワークを使用して得られるセルラーカバレッジパターンを示す図である。
【図８】
光源用駆動回路内の信号を示す図である。
【図９】
光源駆動回路内の電流ピークおよび電荷抽出用パルスの発生を示す略図である。
【図１０】
電荷ピークおよび電荷抽出のない駆動回路内の信号を示す図である。
【図１１】
電荷ピークおよび電荷抽出のある駆動回路内の信号を示す図である。
【図１２】
完全な駆動回路を示す図である。
【図１３】
検出器のセンス回路で使用される前置増幅器を示す図である。
【図１４】
検出器のセンス回路で使用される後置増幅器を示す図である。
【図１５】
図１４の後置増幅器の伝達関数を示す図である。
【図１６】
受信機の過度応答を示す図である。
【図１７】
光ネットワーク内で光ビームを導きかつ集束させる適応光要素の使用を示す図である。
【図１８（ａ）】
ローカルエリアネットワークに対する異なる構成を示す図である。
【図１８（ｂ）】
ローカルエリアネットワークに対する異なる構成を示す図である。
【図１８（ｃ）】
ローカルエリアネットワークに対する異なる構成を示す図である。
【図１９】
ローカルエリアネットワーク内の基地局間の相互通信を示す図である。
【図２０】
適応光要素を使用する時に検出器に接続される電力を示す図である。
【図２１】
適応光要素を使用する時に検出器に接続される電力を示す図である。
【図２２】
光源アレイを示す図である。
【図２３】
検出器アレイを示す図である。
【図２４】
ノモグラフを示す図である。
【図２５】
代替受信機構成を示す線図である。
【図２６】
もう一つの代替受信機構成を示す線図である。
【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（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
2004512730.tif 000014
【図９（ｃ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１１（ｃ）】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１６（ｃ）】
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【図１６（ｄ）】
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【図１７（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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【図１７（ｃ）】
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【図１７（ｄ）】
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【図１８（ａ）】
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【図１８（ｂ）】
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【図１８（ｃ）】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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