(57)【要約】【課題】【解決手段】一個以上の自由空間電子交換機（１２）を包含する通信システム（４００）。自由空間電子交換機（１２）は電子エミッタ（７２）のアレイ（７０）を使用し、各エミッタ（７２）は入力チャネル上のＲＦ信号または光入力信号に応答する。各エミッタ（７２）は、入力信号に応答して電子（８２）を放出するカソード（８８）を包含する。さらに、各エミッタ（７２）は放出された電子を収集・加速して電子ビーム（８２）にするフォーカス加速電極（９８）を包含する。各エミッタはさらに、検出器（７６）のアレイにある所望の検出器（８０）へ電子（８２）のビームを向ける照準アノード（１０２）を包含し、検出器（７６）は電子（８２）のビームを、出力チャネル上でそれを表すＲＦ信号や光信号へ変換する。各エミッタ（７２）は、電界を生成し電子（８２）のビーム上にデータを変調する変調電極（９４）を包含してもよい。この交換機を使用する通信システムは、ＩＳＤＮ、ＤＳＬＡＭネットワーク、パケットルーチングシステム、ＡＤＳＬネットワーク、ＰＢＸシステム、局内交換システム等々であってよい。【選択図】図１
2004518375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信リンク上の１つの地点からもう１つの地点へ信号を送信する通信システムであって、
該信号を発生し、該リンク上に送信するソースと、
該ソースにて送信された該リンク上の該信号を受信するシンクと、
該ソースと該シンクの間の該リンク内に配置された少なくとも１つの自由空間電子交換機とを具備し、前記自由空間電子交換機は該交換機に接続された複数の入力チャネルの１つにある該信号を受信し、前記交換機は複数のカソードを有するカソードアレイを包含し、該カソードの１つは該信号を受信しそれに応じて電子ビームを放出し、さらに前記交換機は照準アノードと該カソードからの該電子ビームを受信すべく配置された電子ビーム検出器のアレイを包含し、前記電子ビームは該電子ビームを該カソードから該検出器の１つへ向かわせる前記照準アノードと自由空間とを通って該カソードから進行する通信システム。
【請求項２】
さらに、該交換機は該カソードと該電子ビーム検出器との間に配置された複数のフォーカス加速電極を包含し、前記フォーカス加速電極は該カソードから該検出器への該電子ビームの速度を制御する請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
さらに、該交換機は該カソードの近傍に配置された変調電極を包含し、前記変調電極は電子ビームを変調する電磁界を生成する請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
さらに、該交換機はブランキング電極を包含し、前記ブランキング電極は該検出器への電子ビームと該検出器からの電子ビームとを切り換えて該電子ビームを変調する請求項１に記載の通信システム。
【請求項５】
該信号は光信号であり、該カソードは該光信号を該電子ビームへ変換し、そして該ソースと該シンクの間の該リンクは光リンクである請求項１に記載の通信システム。
【請求項６】
該複数の検出器は電子を光信号へ変換する複数のｅビームレーザである請求項５に記載の通信システム。
【請求項７】
該カソードはフォトカソードである請求項５に記載の通信システム。
【請求項８】
該ソースと該シンクは、電話機、コンピュータ端末、データ端末およびビデオ装置からなるグループから選択される請求項１に記載の通信システム。
【請求項９】
少なくとも該リンクの一部はツイストワイヤ対である請求項１に記載の通信システム。
【請求項１０】
該カソードはコールドカソードである請求項１に記載の通信システム。
【請求項１１】
さらに、該ソースと該シンクの間の該リンク内で相互に連結された複数のパケットノードを具備し、該少なくとも１つの自由空間電子交換機は複数の自由空間電子スイッチであり、各パケットノードは少なくとも１つの交換機を包含する請求項１に記載の通信システム。
【請求項１２】
該通信システムは複数のセントラルオフィスを包含するＩＳＤＮであり、該少なくとも１つの自由空間電子交換機は複数の自由空間電子スイッチであり、各セントラルオフィスは少なくとも１つの自由空間電子交換機を包含する請求項１に記載の通信システム。
【請求項１３】
さらに、該ＩＳＤＮはターミナルアダプタ、端末機器およびネットワーク終端を包含する請求項１２に記載の通信システム。
【請求項１４】
さらに、該ホストと該シンクの間の該リンク内で相互に連結された少なくとも１つのエンドオフィスと少なくとも１つのタンデムオフィスを具備し、該少なくとも１つの自由空間電子交換機は複数の自由空間電子スイッチであり、各エンドオフィスと各タンデムオフィスは少なくとも１つの該自由空間電子スイッチを包含する請求項１に記載の通信システム。
【請求項１５】
一連の通信リンク上の１つの地点からもう１つの地点へ信号を送信する通信システムであって、
該通信リンクで相互に連結された複数のスイッチングオフィスを具備し、各通信オフィスは少なくとも１つの自由空間電子交換機を包含し、前記少なくとも１つの自由空間電子交換機は該交換機に接続された複数の入力チャネルの１つの信号を受信し、前記交換機は複数のエミッタと、複数の検出器を包含する検出器アレイとを包含し、各エミッタは、選択されたエミッタのカソードが該信号を受信してそれに応じて電子ビームを放出する該カソードを包含し、さらに前記選択されたエミッタは、該カソードに対応する位置に配置された照準アノードを包含して該検出器アレイの１つに該電子ビームを向かわせ、前記電子ビームは自由空間を通って該カソードから該検出器へ進み、
該通信システムは該リンクと該少なくとも１つのスイッチと通信する通信端末を具備し、前記通信端末は該スイッチからの該信号を受信する通信システム。
【請求項１６】
さらに、該交換機は該エミッタの該カソードと該検出器アレイとの間に配置されたフォーカス加速電極グリッドを包含し、前記フォーカス加速電極グリッドは該カソードから該検出器への該電子ビームの速度を制御する請求項１５に記載の通信システム。
【請求項１７】
さらに、該交換機は該カソードの近傍に配置された変調電極を包含し、前記変調電極は電子ビームを変調する電磁界を生成する請求項１５に記載の通信システム。
【請求項１８】
さらに、該交換機はブランキング電極を包含し、前記ブランキング電極は該検出器への電子ビームと該検出器からの電子ビームとを切り換えて該電子ビームを変調する請求項１５に記載の通信システム。
【請求項１９】
該信号は光信号であり、該カソードは該光信号を該電子ビームへと変換し、該一連のリンクは光リンクである請求項１５に記載の通信システム。
【請求項２０】
該複数の検出器は電子を光信号へ変換する複数のｅビームレーザである請求項１９に記載の通信システム。
【請求項２１】
該カソードはフォトカソードである請求項１９に記載の通信システム。
【請求項２２】
少なくとも該リンクの一部はツイストワイヤ対である請求項１５に記載の通信システム。
【請求項２３】
該複数のオフィスは複数のパケットノードを包含する請求項１５に記載の通信システム。
【請求項２４】
該システムは、ターミナルアダプタ、端末機器およびネットワーク終端を包含するＩＳＤＮである請求項１５に記載の通信システム。
【請求項２５】
該複数のスイッチングオフィスは複数のエンドオフィスと少なくとも１つのタンデムオフィスを包含する請求項１５に記載の通信システム。
【請求項２６】
通信リンク上の１つの地点からもう１つの地点へ光信号を送信する通信システムであって、
該信号を発生し、該リンク上に送信するソースと、
該ソースにて送信された該リンク上の該信号を受信するシンクと、
該ソースと該シンクの間の該リンク内に配置された少なくとも１つの自由空間電子交換機とを具備し、前記自由空間電子交換機は該交換機に接続された複数の入力チャネルの１つにある光入力信号に応答し、前記交換機は該光信号に応答して電子ビームを放出する少なくとも１つのフォトカソードを包含し、さらに前記交換機は照準アノードと、ｅビームレーザアレイを包含し、前記電子ビームは該フォトカソードから自由空間と、該電子ビームを該フォトカソードから該レーザの１つへと衝突させる前期照準アノードを通って進み、該レーザの前記１つは該電子ビームに応答して光出力信号を生成する通信システム。
【請求項２７】
さらに、該交換機は該フォトカソードと該ｅビームレーザアレイの間に配置されたフォーカス加速電極グリッドを包含し、前記フォーカス加速電極グリッドは該フォトカソードから該ｅビームレーザへの該電子ビームの速度を制御する請求項２６に記載の通信システム。
【請求項２８】
該ソースと該シンクは、電話機、コンピュータ端末、データ端末およびビデオ装置からなるグループから選択される請求項２６に記載の通信システム。
【請求項２９】
さらに、該ソースと該シンクの間の該リンク内で相互に連結された複数のパケットノードを具備し、該少なくとも１つの自由空間電子交換機は複数の自由空間電子スイッチであり、各パケットノードは少なくとも１つの交換機を包含する請求項２６に記載の通信システム。
【請求項３０】
該通信システムは複数のセントラルオフィスを包含するＩＳＤＮであり、該少なくとも１つの自由空間電子交換機は複数の自由空間電子スイッチであり、各セントラルオフィスは少なくとも１つの自由空間電子交換機を包含する請求項２６に記載の通信システム。
【請求項３１】
さらに、該ＩＳＤＮはターミナルアダプタ、端末機器およびネットワーク終端を包含する請求項３０に記載の通信システム。
【請求項３２】
通信信号を送信する自由空間電子装置であって、
入力信号に応答する少なくとも１つのカソードを具備し、前記カソードは該入力信号を電子ビームへ変換し、および
複数の検出器を包含する検出器アレイを具備し、前記電子ビームは自由空間を通って該カソードから該検出器の１つへ向けられ、前記検出器は変調通信信号を出力する自由空間電子装置。
【請求項３３】
さらに、該カソードと該検出器アレイの間に配置された電極を具備し、前記電極は電磁界を生成する制御信号に応答し、該電磁界は該電子ビームを制御する請求項３２に記載の電子装置。
【請求項３４】
該電極は該電子ビームを特定の検出器へ向ける照準電極である請求項３３に記載の電子装置。
【請求項３５】
該電極は、変調目的によって該電子ビームを特定の検出器に衝突させるかあるいは該検出器から偏向させるブランキング電極である請求項３３に記載の電子装置。
【請求項３６】
該電極は該電子ビームを収集し集束するフォーカス電極である請求項３３に記載の電子装置。
【請求項３７】
該電極は該電子ビームを加速する加速電極である請求項３３に記載の電子装置。
【請求項３８】
該カソードは光入力信号に応答して該電子ビームを生成するフォトカソードであり、該検出器は該電子ビームを光出力信号へ変換するｅビームレーザである請求項３２に記載の電子装置。
【請求項３９】
少なくとも１つのカソードは複数のカソードである請求項３２に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、２０００年１２月６日出願の発明の名称「自由空間電子交換機」の米国特許出願第９／７３１，２１６号の部分継続出願である。この米国特許出願第９／７３１，２１６号は、２０００年５月２６日出願の発明の名称「自由空間電子交換機機構」の仮出願第６０／２０７，３９１号、２０００年９月１５日出願の発明の名称「光学交換機」の仮出願第６０／２３２，９２７号を基に優先権を主張した。本出願は、２０００年７月３日出願の発明の名称「自由空間電子交換機機構」の第６０／２１６，０３１号、２０００年７月３１日出願の発明の名称「自由空間電子マルチプレクサ（並直列変換器）およびディマルチプレクサ（直並列変換器）」の第６０／２２２，００３号、２０００年１１月６日出願の発明の名称「光子−電子−光子交換機」の第６０／２４５，５８４号、２００１年１月１６日出願の発明の名称「自由空間電子を用いるスイッチングおよび処理」の第６０／２６１，２０９号、２００１年１月１２日出願の発明の名称「自由空間電子交換機の詳細」の第６０／２６０，８７４号、２００１年１月１９日出願の発明の名称「アナログ並直列変換器および直並列変換器」の第６０／２６２，３６３号、２００１年２月５日出願の発明の名称「真空超小型電子部品」の第６０／２６５，８６６号、２００１年３月２日出願の発明の名称「フォトカソードベース光学受信器」の第６０／２７２，３２６号、および、２００１年５月３０日に郵送された発明の名称「呼び出し、都市および中心施設における通信交換機サブシステム」の米国仮出願を基に優先権を主張する。これらの仮出願の内容は参考のために本出願において導入される。
【０００２】
本出願は一般に通信ネットワークにて使用される電子交換機に関し、特に、通信ネットワークにおけるスイッチングのための自由空間電子交換機に関し、そこでは交換機はカソードのアレイを使用し、各カソードは通信チャネルの光入力信号あるいはＲＦ入力信号に応答して自由空間電子を生成し、電子ビームは照準アノードによって、複数の出力チャネルを有する受信器のアレイにある特定の受信器へ向けて選択的にその向きを変えることができる。
【０００３】
【従来の技術】
従来の電話通信システムや電話通信ネットワークにおいては、一般的に、光ファイバを使用し、光パケットに分割された光信号を伝送して情報を遠距離へ送信する。光ファイバはある屈折率のコアを包含する光導波管であり、ある入射角でコアを伝搬する光信号がコアに閉じ込められるように、コアより低い屈折角のクラッドで被覆されたものである。代表的な光ファイバは、コアとクラッドの屈折率を調整するドーパント原子を含む高純度シリカにより製造される。
【０００４】
光信号は情報をグループ化するチャネルに分割してもよい。当該技術のなかでは、光ファイバのチャネルを識別するさまざまな技術が知られている。これらの技術の中に、時分割多重化（ＴＤＭ）と波長分割多重化（ＷＤＭ）がある。ＴＤＭでは、情報パケット毎に異なった時間スロットが振り当てられる。ＷＤＭでは、データチャネル毎に異なった光波長が振り当てられる。更に、ある光の帯域幅以内の分割帯域光が所定の波長毎に分割されて各種のデータチャネルが識別される。
【０００５】
光信号が光ファイバを通って遠隔地に送信されると、ファイバ内損失により光信号の強度は減衰する。従って、背景にノイズのある光信号を受信器で検出することは一層困難になる。この問題を解決するために、ファイバに沿った所定間隔で、例えば８０ｋｍから１００ｋｍ毎に、光増幅器が配置され、光信号利得を提供している。当該技術においては、光信号を増幅して複製信号を発生し、使用されている各変調方式やビットレートに対する増幅機能を提供するさまざまな形式の増幅器が知られている。
【０００６】
更に、情報の光パケットが所望の方式に切り換えられ、ルート決めがなされて最終目的地に到達できるように、光ファイバの進路に沿ってスイッチングネットワークが周期的に設けられる。光パケット内のアドレスビットは、スイッチング素子が光パケットを適当な光ファイバへ向けることができるように位置コードを有する。あるいはスイッチング素子は、帯域外のデータによって別個の通信回線を経由して制御されてもよい。通信システム内の特定の位置にあるスイッチングネットワークは、幾十万のデータチャネルのサポートを要請されてもよい。
【０００７】
光子は光ファイバの伝搬媒質に対し、また光子相互間でも、極めて非反応的であることから、光信号の方向を変える適当な光子スイッチング素子を設けることは一般的に困難である。さらに、光子を伝搬する物理的な媒質の変更無しに光子の進行方向を定めたり変えたりすることはできないことから、純然たる光スイッチングを達成することは困難である。光子の方向変更は、一般的には、可動ミラーで反射させるか、あるいはＬＣＤ分子や感熱性結晶の中を通過させることによって成し遂げられる。物理的媒質を調整して光ビームの進行方向を調整する方法は速度が遅くなりがちであり非実用的であるために、ほとんどの光子スイッチング技術では、最新の光スイッチングスピードに必要な充分に速い応答時間が提供されておらず、また、充分に速い応答時間の光子スイッチング技術は適切に小型化して充分な数の出力ポートを確保することが一般的にできない。縮小性は交換機に備えられる出力ポートの数を規定する。
【０００８】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を使用する可動ミラー交換機は、この技術分野で知られる、光信号を切り換えるミラーの一形式である。一般的にこの形式の可動ミラー交換機はふたつのカテゴリー、とりわけ、アナログＭＥＭ交換機を使用する無段調整ミラーとディジタルＭＥＭＳ交換機を使用する２位置ミラーとに分類される。ディジタルＭＥＭＳ交換機はもともとスイッチングスピード（レーテンシー）が比較的に遅いが小型化できない。更に、ディジタルＭＥＭＳ交換機の内部素子の数は出力ポートの数が増えるに従い指数級数的に増加し、ポート数が２〜３百を超えると小型化が困難になる。従って、大規模ＭＥＭＳ交換機では一般的に、大規模化の可能な可調整アナログミラーを使用する。しかしながら、アナログＭＥＭＳ交換機は一般的にスイッチングにミリセカンドの時間を要し、スイッチング待ち時間の長いもの（低スイッチング速度）である。
【０００９】
光信号切り換え用としてのＭＥＭＳ交換機の寿命と信頼性には疑わしいものがある。今のところ、代表的なＭＥＭＳ交換機の寿命は１０億回の切り換え回数ほどである。従って仮にアナログＭＥＭ交換機が商用ベースの速度で光パケットの切り換えを行ったとすると、交換機はわずか１分で動作寿命に達してしまうことになる。また、ＭＥＭＳ交換機は衝撃に弱く、脆弱であり、重量の割にかさばっている。
【００１０】
加えて、現世代のＭＥＭＳ交換機は再生レーザを必要としており、順当に動作していても、ファイバごとの切り換え動作用であり、ミラーの反射力不足が原因している。例えば金メッキによってミラーの反射力を上げる手段が知られているが、これが再生レーザの必要性を払拭するかどうか、特に多段跳びを有し長距離伝送する実社会のネットワークにおいてどうかは不明である。
【００１１】
実際のラムダごとの切り換えにおいては、波長を受動的にファイバからファイバへ再方向付けするだけでは済まされない。波長衝突を避けるためには、スイッチからスイッチへ跳ぶときにラムダスイッチの波長を変更する必要がある。このことが再生レーザを必要とする。波長可変レーザはまだ、与えられた波長の信号をネットワークの隅から隅までで保持することを必要としており、この問題を緩和していない。所用の帯域幅を扱うのに必要な数以上に回路の数が著しく増加するウェイスティング回路の使用は、この衝突の問題をかなり解決することができる。
【００１２】
他の光子スイッチング技術はＭＥＭＳ交換機よりも利用できる。これらのスイッチング技術は、当該技術分野で知られている他の技術と同様に、アジラント（Ａｇｉｌａｎｔ）バブル交換機、ＬＣＤ交換機、感熱性結晶を使用して光の方向を変える交換機を包含する。しかしながら概してこれらの技術はすべて小型化において欠点を有し、スイッチング待ち時間の長いものである。
【００１３】
電子交換方式は純粋な光子スイッチングに代わるものを提供する。光ファイバを使用した電話通信システムにおける電子交換方式としてよく知られる技術は一段クロスバーを利用したものである。クロスバーとはスイッチング機能を果たす半導体ベースの論理素子である。しかしながらクロスバーの内部部品は、出力ポートの数が増加すると指数級数的に、あるいはぼ指数級数的にその数を増加する。その結果、ほとんどのクロスバーの出力ポートは最大で６４個である。次世代のクロスバーは、出力ポートの数が５１２を超えてもよい複合内部接続技術を必要とすることになる。
【００１４】
クロスバーは、通常１ＧＨｚ以下である半導体論理ゲートのクロックスピードによって制限を受ける。速いポート速度を得るには、多段の低速ポートを結合することによって単一の高速ポートを形成せねばならず、それによって全体のポート数は大幅に削減される。例えば、６２２ＭＨｚで動作するクロスバーにおいては、６６個のポートが結合されて単一のＯＣ−７６８ポートが形成されねばならない。また、ビットストリームを分割し、その後再結合するディマルチプレクサとマルチプレクサは複雑であり、特にＯＣ−１９２あるいはそれ以上のビットレートにおいては通常では考えられないスイッチング技術を必要とする。
【００１５】
ＣＬＯＳは、小規模クロスバーが結合されて大規模でポート数の多い交換機を形成する内部接続トポロジーである。現存する、あるいは計画されているクロスバーをベースにした交換機のほとんどすべては、ＣＬＯＳトポロジーを使用して組み上げられることになる。ＣＬＯＳは指定されたポート数を得るために多数のクロスバーを必要とする。その結果、ＣＬＯＳ内部接続クロスバー交換機は広大なフロアスペースを占有し、大電力を消費する。
【００１６】
スイッチング速度もまたＣＬＯＳベースの交換機に問題を呈してきた。半導体ＣＬＯＳ交換機は、入力ポートから出力ポートへの接続を達成するのに概して数十から数百マイクロ秒を必要とする。そのうえ、接続達成の所要時間がまことに予言しえないので、スイッチング速度は非決定論的である。パケットごとのスイッチングの使用に関しては、ＦＩＦＯパケットの動作を保証することが交換機にとって困難であることから、交換機を制御するパケット送出エンジンとトラフィックマネージャの複雑さが大いに増大する。さらに、ジッタのような望まれない効果が出力パケットの流れにもたらされる。ＯＥＯ光クロスコネクト内に使用される多くのＣＬＯＳクロスバーベース電子交換機は、このようにスイッチングスピードが低く且つまことに予言しえないものなので、パケットごとのスイッチングには適さないようである。
【００１７】
回路基板間を結ぶコネクタの密集度もまたＣＬＯＳ交換機にとっては重要な関心事である。大型のＣＬＯＳ交換機にとっては、５個ごとの相互結線のうちのほとんど４個が交換機に至る内部結線であり、外部の、交換機全体における帯域幅に対しては使用され得ないものである。従って、ＣＬＯＳベースの交換機は、コネクタの密集度、線の密集度および、交換機内の全ての帯域を形成するのに必要な相互結線によって制限を受ける。その結果、回路基板同士のコネクタの密集度において、５１２個の出力ポートで、ＣＬＯＳ交換機は厳しい限界に突き当たると言われてきた。
【００１８】
また、ＣＬＯＳ交換機は部品の数が多いことから、それらの部品の信頼性が重要な関心事となる。ＩＣの集合から構成される交換機はどれもが、複雑な機能である故障復帰と経路再指定という機能を支えることになる。また、すべての半導体論理回路ベースの交換機にあるように、ポートごとのビットレートは論理ゲートのクロック速度によって制限を受ける。
【００１９】
上述した欠点に拘わらず、静電界や電磁界によって電子の流れ方向を容易に変えることができるので、スイッチングに電子を用いることは誠に好適である。しかしながら、既知の電子交換機は半導体内のディジタル論理ゲートを通して電子の方向を変えている。従って上述したように、それらの素子は、交換機用としては複雑で小型化が困難なものとなっており、また、ソリッドステート論理ゲートがスイッチング可能な速度によって制限を受けている。
【００２０】
本発明の教えるところによると、１つ以上の自由空間電子交換機を包含する通信システムが開示される。その自由空間電子交換機は電子エミッタのアレイを使用し、各エミッタは入力チャネルのＲＦ入力信号や光入力信号に応答する。各エミッタは入力信号に応じて電子を放出するカソードを包含する。さらに各エミッタは、放出された電子を収集・加速して電子ビームとするフォーカス加速電極を包含する。さらに各エミッタは、検出器アレイにある所望の検出器に電子ビームを向かわせる照準アノードを包含する。検出器は、その後、出力チャネル上に表すＲＦ信号や光信号に電子ビームを変換する。アノードは所望の出力チャネルに連なる検出器に電子ビームを向かわせてスイッチングを行うように、選択的に容易に向きを変えることができる。
【００２１】
カソードは個々の用途によってコールドカソード、ホットカソードあるいはフォトカソードであってよい。一実施例では、カソードは光入力信号を電子ビームに変換するフォトカソードであり、検出器は電子を光信号に変換するｅビームレーザである。他の実施例では、カソードは電気信号を受信して電子ビームを生成するコールドカソードである。その実施例では、エミッタは電界を生成してデータを電子ビームへ変調する変調電極を包含する。ビームブランキングもまた電子ビーム変調のために使用されてよい。
【００２２】
この交換機を使用する通信システムはＩＳＤＮ、ＤＳＬＡＭネットワーク、パケットルーチングシステム、ＡＤＳＬネットワーク、ＰＢＸシステム、局内交換システム、等々であってよい。また、自由空間電子交換機はシステム内のマルチプレクサやディマルチプレクサ用に使用される。
【００２３】
本発明のさらなる目的、利点、特徴等は、以下の記述と添付したクレームから明らかとなり、添付した図面類とともに理解されることであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
各種の電話通信システムにおいて使用される自由空間電子交換機に向けられた本発明の、その実施例における以下の論考は、本来単に代表的なものにすぎず、本発明やその応用や使用を何等限定する意図のものではない。
【００２５】
図１は、本発明に係る自由空間電子交換機１２を使用する電話通信システム１０のブロック図である。交換機１２は、各種の通信チャネル１６としての入力回線１４上にある複数の光信号やＲＦ信号に応答する。ほんの数チャネルしか示していないが、この技術分野に習熟した者であれば理解されるように、ここで議論された実践的タイプの交換機には数千の入力チャネルがある。以下に詳細に説明するように、交換機１２は種々の入力回線１４上の信号を、交換機１２の出力ポートにある種々の通信チャネル２０としての複数の出力回線１８のひとつまたはそれ以上へと方向付けしたり切り換えたりする。この電子交換機１２は入力回線１４上の入力信号に応じて自由空間電子流を生成し、その電子を出力回線１８に結ばれた受信器へ選択的に向かわせる。
【００２６】
光システムにおいては、電子交換機１２は光ファイバの束になっている複数の入力信号を受信し、その光入力信号を、データで変調された複数の自由空間電子ビームへ変換し、その後所望の宛て先に至る出力回線１８の光ファイバを伝搬する光信号にこの電子を再度変換している。ここで検討されたタイプの交換機は数千個の入力チャネル上の信号を受信し、数千個の出力チャネル上へ信号を出力することが可能である。
【００２７】
図１は、本発明の自由空間電子交換機１２に関連して使用されるさまざまなタイプのＲＦチャネルと光チャネル１６の概括的な表示を意図したものである。１つのチャネル１６では、入力信号を所望の周波数レンジのものにするバンドパスフィルタ２４にＲＦ入力信号が入力される。フィルタにかけられたＲＦ信号は、その後、信号を使用に適したレベルまで増幅する低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）２６に印加される。増幅されたＲＦ信号は、その後、光変調器２８の中で光信号の変調に使用される。レーザ３０から来る光ビームが変調される光信号である。レーザ３０からの変調された光信号は、その後、交換機１２への入力回線１４である光ファイバ３２へ出力される。
【００２８】
もう１つのチャネル１６では、入力信号を所望の周波数レンジのものとするバンドパスフィルタ３６にＲＦ入力信号が入力され、その後、復調器３８で復調される。復調されたこのチャネルの信号は、入力回線１４上のＲＦ入力として交換機１２へ印加される。他の例では、ＲＦ入力は交換機１２へ直接印加される。この技術分野に習熟した者であれば理解されるように、他の構成要素もここに記されたタイプの電話通信システムに使用され得るものである。
【００２９】
もう１つのチャネル１６では、光バンドパスフィルタ４６でフィルタにかけられた、例えばレーザのような、光ソース４４からの光入力を交換機１２が受信する。フィルタ４６からの光信号は波長ディマルチプレクサ４８で直並列変換され、図示のように、周波数ディマルチプレクサ５０で４個のチャネルに分割される。分割されたチャネル上の信号は復調器５２で復調され、図示のように、４個の入力として交換機１２へ印加される。もう１つのチャネルでは、光ソース５６からの光入力信号は直接に光復調器５８へ印加され、図示のように、その後、入力信号として交換機１２へ印加される。
【００３０】
出力回線１８は、情報を変調して光信号やＲＦ信号へ乗せる変調器６２、複数の並列回線を多重化して単一の直列回線とするマルチプレクサ６４、光ファイバ上を伝搬するのに適した光信号を生成するレーザ６６、光信号を増幅する増幅器５４、およびＲＦ信号や光信号を所望の帯域のものとするフィルタ４２を包含することが可能である。この技術分野に習熟した者であれば理解されるように、光データチャネルおよびＲＦデータチャネルに関連して用いられる光検出器や周波数ミキサ等といった他の信号装置も使用が可能である。
【００３１】
図２は交換機１２を概括的に示す交換機６８の斜視図である。この技術分野に習熟した者であれば理解されるように、いくつかの例については後ほど説明するが、交換機６８の各層は適切な半導体製造技術によって形成される。交換機６８は複数のエミッタ７２を有するエミッタアレイ７０を包含し、複数のエミッタ７２はシリコンのような半導体材料から製造される基板７４の上に形成される。エミッタアレイ７０より少し離れて、のちほど詳細に説明する複数の検出器８０を有する誘電体板７８に、検出器アレイ７６が形成される。ここに言う「検出器」とは電子を受信してそれを表す電位へ変換し、その後、ＲＦ信号や光信号へ変換する装置をさす。他の用語、例えば受信器、ポート、ターゲット等はそれらのタイプの装置をさしてここでは使用される。各エミッタ７２は入力チャネル１６の１つから光信号や電気信号を受信し、それに応じて自由空間電子ビーム８２を生成する。交換機６８は電子ビームが真空内でアレイ７０からアレイ７６へと伝搬するように真空の空間内に配置される。アレイ７０と７６の間隔は１ｃｍのオーダーであり、アレイ内のエミッタ７２同士の間隔は数マイクロのオーダーである。
【００３２】
エミッタ７２は、例えばホット（熱イオン）カソード、コールドカソード、フォトカソードといったように、光信号や電気信号に反応して信号を電子ビーム８２へ変換するものであれば、どのようなカソード素子を包含してもよい。フォトカソードは入力信号が光信号であるときに使用され、コールドカソードは入力信号が電気信号であるときに使用される。さらに、アレイ７０は種々の用途において、ここで説明されるさまざまなタイプのカソードを混成したものや組み合わせたものであってもよい。フォトカソードは概して応答時間が非常に速く、相当に高いデータレートの使用が可能である。加えて、入力光信号はゲートや変調電極を使用せず、直接、フォトカソードの変調が可能である。電子ビーム８２は、入力チャネル１６上の電気信号が所望の出力チャネル１８に出力されるように所定の検出器８０へ向けられる。アレイ７０にある各エミッタ７２はその電子ビーム８２が所望の方法で検出器８０の１つに向けられるように選択的にアドレス可能になっている。本実施例では多数のエミッタ７２が互いに分離したものとして示されているが、後で説明するが、他の実施例では、エミッタ７２を構成するそれぞれの各層は適切な絶縁層で分離された共通アレイの一部であってもよい。
【００３３】
本発明の電子検出器８０として適切な多くのタイプの検出器がこの技術分野で知られている。一実施例では、検出器８０は単なる導体である。この導体検出器は低電圧差動信号ピン対で駆動され、交換機６８に関連した回路基板上のものを次々に駆動させる。さらに、１つのエミッタの電子ビームでもう１つのエミッタの電子ビームを制御するように使用する付加的な電子エミッタも検出器として使用してよい。これによれば、トランジスタが他のトランジスタを制御して回路を形成するのと同様の方法で、複雑な回路を形成することができる。
【００３４】
レーザの形式をとることのできる半導体は検出器８０に使用することができる。Ｅビーム励起レーザは、この技術分野で理解されているように、入力された電子ビームに応じてレーザビームを出力する。Ｅビーム励起レーザは、電子レーザにおいて必要とされている電気的相互結線の解消を含めて他にも利点を有している。このことは、クロストークや反射といった問題から、高速での電子の内部接続が概して困難とされているので、さらに高い変調レートを可能とする。
【００３５】
燐光物質は電子をあてられると非コヒーレント光を発生する。したがって燐光物質は、電子ビーム８２から光信号を生成する検出器８０に使用することができる。活性半導体ベースターゲットもまた検出器８０に使用することができる。そこではビームの強度は非常に弱く、半導体ベースターゲットはそのビームが導体にあたったときにビーム８２によって発生する信号を増幅するのに使用することができる。
【００３６】
さらに、ダイノードを使用して電子ビーム８２を鋭角のコーナーで曲げてもよく、また、ダイノードを増幅器として使用してもよい。また、検出器８０は垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を駆動してもよい。ＶＣＳＥＬは半導体ウェーハの上でアレイ状に組むことのできるレーザである。各ＶＣＳＥＬの間にある数十ミクロンのオーダーの非常に小さなＶＣＳＥＬピッチを、ＶＣＳＥＬの間の無用なシリコンの量を低減し、それによってＶＣＳＥＬのコストを低減する目的で使用することがしばしば望まれている。しかしながら、光ファイバリボンケーブル状の光ファイバは一般的に２５０ミクロンのピッチを有している。このことがファイバをＶＣＳＥＬに直接結ぶことを不可能にしている。これを改善するためには、プレーナ導波管を使用してＶＣＳＥＬでの小ピッチから大ピッチファイバ束へ信号を論理的に増大（“ｆａｎ  ｏｕｔ”）してもよい。
【００３７】
検出器８０として使用できるもう１つのタイプのレーザは、サブしきい値レーザである。サブしきい値レーザは直流バイアスによってレーザのレーザ発光しきい値の少々下の電圧に保たれる。そして電子ビーム８２は、レーザをレーザ発光しきい値以上に押し上げてレーザビームを生成するために少量の電流を追加しさえすればよい。これにより、ビーム電流の要求は低減される。
【００３８】
図２に示すように、アレイ７０と７６は略１ｃｍ離れて互いに対面している平面アレイである。他の実施例では、アレイを定めている平面を「くぼんだ形状のもの」として偏向角を減じてもよい。他のデザインでは、検出器８０とエミッタ７２をペアにすることを含めてアレイ７０と７６をさまざまな形状にしてもよい。
【００３９】
図３は種々の要素が示されている本発明に係るエミッタ７２の断面図である。特にエミッタ７２はオープンチャネル９０の端部で基板７４の上に置かれたカソード８８を包含する。カソード８８は環状変調電極９４をその上に形成する第一絶縁層９２に周囲を囲まれている。変調電極や変調ゲートあるいは変調ゲート構造といった用語は本説明においては交換可能に使用される。第２絶縁層９６が変調電極９４の上に形成され、環状フォーカス加速電極９８が絶縁層９６の上に形成される。第三絶縁層１００がフォーカス電極９８の上に形成され、環状照準アノード１０２が絶縁層１００の上に形成される。他の実施例では、電極９４と９８は逆に配置することが可能である。ここで説明される各種の層の位置やパターンは適当な半導体組成技術で決めることができる。
【００４０】
ここで説明されているように、エミッタ７２は、カソード８８によって電子のビームへと変換される電気信号や光信号を受信する。一実施例では、カソード８８は、５から７０ミクロンの厚さを有している。カソード８８がホットカソードであるとすると、カソード８８の大きさおよびカソード８８と変調電極９４（ゲート）の間の距離が相対的に大きいことから、高い変調レートを得ることは困難となる。入力信号が電気信号（ＲＦ）の場合に使用するには、カソード８８はコールドカソードとすることができる。コールドカソードは一般的にホットカソードよりも小型であり、大した熱は発生しない。しかしながらフォトカソードと違って、コールドカソードを直接変調することは困難である。コールドカソードに対する変調は変調電極９４や同種のゲート構造によってなされる。
【００４１】
カソード８８によって発生した電子はチャネル９０を下ってエミッタ７２から出て行く。変調電極９４は、変調を加えるべく電子ビーム８２をパルス状にする（周期的に抑制する）制御電界をチャネル９０の中に生成する。電子を変調することによってビーム８２にデータが与えられる。フォーカス電極９８は、変調された電子を集めて集束させ、チャネル９０の外へ向かわせる電界を提供する。さらにフォーカス電極９８は、所望の速度に電子ビーム８２を加速する。照準アノード１０２は、電子ビーム８２を所望の検出器８０へ向かわせる制御電界を生成する。本発明によれば、照準アノード１０２は電子ビーム８２をエミッタ７２から検出器８０のいずれかへと向かわせることができる。
【００４２】
この実施例では、変調電極９４、フォーカス電極９８および照準アノード１０２は環状部材である。しかしながらこの実施例は非限定的な例としてのものであり、この技術分野に習熟した者であれば理解されるように、ここに説明した目的に適したものであれば他の形状の電極も提供されてよい。
【００４３】
制御器１０４が設けられ、変調電極９４、フォーカス電極９８および照準アノード１０２へ印加される電圧信号を制御する。制御器１０４は所望のデータを変調機能によって電子ビーム８２へ付与する働きをし、電子ビーム８２の速度を好適なものとし、照準アノード１０２をして電子ビーム８２を所望の検出器８０へ向かわせる。制御器１０４はいくつかのエミッタ７２を同時に制御し、ときにはすべてのエミッタを制御する。制御器１０４はエミッタアレイ７０と同じウェーハの上に構成されてもよく、あるいは外部に設けてもよい。電子交換機１２に関連する種々の制御器を配置することによって、アドレス指定要求は低減することができる。ひとつの用途においては、真空空間内にＡＳＩＣを用いて照準アノード１０２を制御することが有用である。それによって、真空空間内に展開される内部接続の数は低減されることになる。
【００４４】
電子ビームの変調方法として変調電極９４を使用することには、ある種の障害がある。例えば、コールドカソードのターンオフ電圧は一般的に高く、しばしば５Ｖ以上であることから各エミッタ７２は別々の増幅器を必要とする。フォトダイオードは一般的にもっと低い電圧を出し、ときには５〜６ｍＶほどの低さである。しかしながらこの値はカソードを直接変調するには低すぎるものである。
【００４５】
さまざまなタイプの他の変調技術が使用され得る。例えば、電子交換機の設計には素子のスケーリング則を利用することができる。特に、エミッタ７２の相互の距離を短くしてエミッタ７２同士を近づけると、必要とされるビーム照射は低減する。ビーム照射の低減は、ビームが検出器８０に突き当たる前にごく短い距離を進むことから、ビームのスポットサイズを低減する。ビームのスポットサイズの低減は、検出器８０のビームの消去に必要な偏向量を低減させる。かく言う偏向量の低減は、電圧要求を低減する。
【００４６】
代わりに、遅波変調器が用いられてもよい。遅波変調器とは、送電線を進む信号の線速度が送電線の近傍を進む電子の速度と同等になるよう形成された送電線である。この技術により、超高速で動作する超長形変調アノードの使用が可能となる。アノードの長さが長いほど所定の偏向を成すに必要とされる電圧は低くなる。さらに、すべての電子銃が単一の検出器８０に向けられた多数の電子銃をエミッタ７２毎に使用してもよい。ビーム流の低減はビームのスポットサイズを低減し、従って必要とされる変調電圧を低減する。しかしながら多くの用途では、交換機１２の出力部で使用可能な信号を生じさせるために最小量のビーム流が必要とされる。そこで、ビーム単位の低偏向電圧を許容しつつも、必要な出力を生成するための多数の超低流ビームが単一の検出器８０で結合されることになる。
【００４７】
ゲートや変調電極９４で電子ビーム８２を変調する代わりに、ブランキングとして知られる技術によってビーム８２を変調することが可能である。ブランキングでは、照準アノード１０２が特定のエミッタ７２からの電子ビーム８２を特定の検出器８０に一度衝突させ、その後、照準を検出器８０からはずす。ビーム８２は、検出器８０が得る電圧を変えるために検出器８０への向きから外される。通信信号を照準アノード１０２の照準信号と混合して、ビーム８２を検出器８０へ向けたり外したりすることができる。これにより、安定した信号をカソード８８へ供給することが可能となる。ブランキングにより、カソード８８をゲート電極で直接変調することによって、より高い変調レートが達成される。
【００４８】
図４は本発明のブランキング変調技術を示すエミッタ１０６の平面図である。エミッタ１０６は本明細書の電子ビーム１１０を放出するカソード１０８を包含する。一連のフォーカス加速電極１４２は、上述したように、ビーム１１０を収集、加速、集束し、そして方向を定める。電極１４２は、適切なＤＣ電圧を付与する制御器１４４によって制御される。エミッタ１０６は付加的に曲線電極２０４を描き、該曲線電極は自身の信号の速度を電子ビームの速度と相関させ、該曲線電極上を進行する信号の速度を減速する働きをする。曲線電極の構造は米国特許第４，２０７，４９２号に記載されている。偏向電極１４６がカソード１０８とターゲット１４８の間に配置される。制御器１４０は、ビーム１１０がターゲット１４８へ向くように、あるいは、ブランキング作用をするためにビーム１１０がターゲット１４８に対し偏向するように、変調電圧信号を電極１４６に印加する。特に、電極１４６に印加された変調信号によって、電子ビーム１１０は反発される。
【００４９】
エミッタ７２から検出器８０への信号の伝搬時間が、エミッタや検出器によらず同一であることは重要である。エミッタ７２と検出器８０との間の距離はそれぞれでわずかに異なることから、異なる検出器８０へ向かって電子が進むときには距離に差があることになる。フォーカス電極９８に印加する電圧を調整することでこの距離の差は補償することができる。フォーカス電極９８に高い電圧を印加すれば電子は加速され、従って走行時間は短縮される。この技術は、交換機１２に至る内部結線のトレースやファイバにおけるわずかな長さの違いに対する補償にも使用可能である。
【００５０】
一実施例では、チャネル毎に４個の照準アノードが、電子ビームを上下左右に向けるためにある。本明細書におけるタイプのビームの方向づけを提供するアルゴリズムがこの技術分野で知られており、適切なアルゴリズムを使用することができる。一実施例では、近傍磁界を補償し、また、製造上の欠陥を補償するインテリジェント・ビーム・ステアリングアルゴリズムを備えることが望まれる。このようなアルゴリズムを備えることは、制御機１０４を有することであり、メモリーに２次元テーブルをつくることである。一方の次元は制御器１０４によって制御される各カソード８８用であり、他方の次元は種々の出力ポート用である。テーブルの各セルは、各照準アノード１０２がビーム８２を所望の検出器８０に衝突させるのに必要な電圧値をストアする。制御器１０４は初期化モードを有し、初期化モードの間にエミッタ単位と検出器単位でテーブルをうめる。
【００５１】
アルゴリズムを備えた一例では、空間分解として知られる、コンピュータグラフィクスで普通に使われている技術が使用される。空間分解は２次元のグリッドに基づく。しかしながら空間分解では、グリッド内のセルの大きさが変動する。こういったグリッドのセルサイズの変動は、規則的で目立った特徴のないテーブルの領域が、空間領域よりもさらに大きな、規則性に乏しく、目立った特徴が多数あるグリッドセルで表されることになる。仮にテーブルの大きな部分が規則的だとすると、テーブルはほとんどメモリーを占有しないことになる。
【００５２】
一実施例では、空間分解アルゴリズムは次のようなステップをとる。まず、エミッタアレイ７０の中央にあるエミッタ７２がテストされる。そして、アレイ７０の中のすべてのエミッタ７２がテストされたエミッタと同様にふるまうものとされる。これでテーブル全体が初めは単一の大きなセルで表現されることになる。初めにテストしたエミッタを基準にした、４個の４分の１区画のそれぞれの中央にあるエミッタをテストすることにより、前のステップにおける仮定をテストする。エミッタ７２のいずれかが中央のエミッタ７２と異なるふるまいをするときには、初めのセルは４個の小さなセルへと細分され、４個の新たなセルのそれぞれに対して前のステップが繰り返し実施される。
【００５３】
一実施例では、ディジタル−アナログ変換器（不図示）が照準アノード１０２の制御に必要とされる。ディジタル−アナログ変換器の速度は交換機１２のスイッチング速度の主要な決定要素となる。抵抗器のアレイをディジタル−アナログ変換器に代わる高速のものとして使用することも可能である。しかしながら非常に多数の抵抗器が必要とされることから、出力ポートの数が比較的に少ない交換機に対してのみこの方法は可能である。
【００５４】
照準電極１０２は環状であるため、表示装置へ用いる場合に必要な、電圧に正確に比例する偏向角を生成しないが、検出器アレイ７６の出力ポートがひずみを補償するように形成される。照準アノード１０２は印加電圧に比例する偏向角を生成するように設計できると考えられている。
【００５５】
本発明の他の実施例では、自由空間交換機１２が２個の離れたエミッタ７２に対して、一組の照準アノードを使用することによって低電圧差動送信を行っている。変わっているところは、交換機１２の入力側で低電圧差動信号を単一信号へ変換し、その後、出力側で低電圧差動信号へ再変換していることである。しかしながらこの変換を行うことなしに低電圧差動送信のペアを通過させれば、半導体ベース低電圧差動送信ドライバーの必要性を払拭し、交換機１２を一般的な半導体による場合以上の高速で動作させるといった効果がある。
【００５６】
いくつかの応用例では、照準アノード１０２は必要とされない。これらの応用例では、各エミッタ７２は真空管やトランジスタと同様の単なるオンオフスイッチとして動作する。これらのスイッチはカスケード接続されるか他の方法で結合されてディジタル論理回路やアナログ回路を形成する。あるいはまた、こういった装置は並列ドライバーや並列増幅器として使用される。これらの装置の一応用例が光変調器の高速駆動にある。他の応用例はアクセスネットワークでの銅ループの駆動である。
【００５７】
標準的なトランジスタに替わるものを、本発明に係る上述のエミッタ１０６と同様に、ブランキング変調構造を用いてつくることが可能である。その実施例では、装置は単一ポート装置であり、電子ビームはターゲットに対してオンオフされる。その結果が、変調信号が変調器へ送られるときの最大レートでのみ限定される数百ＧＨｚオーダーの超高速のスイッチング速度を有する交換機もしくは増幅器である。変調器は図４に示すような曲線電極２０４の形式をとってもよい。さらに、自由空間が半導体よりもロスの少ないものであることから、単一ポート交換機は効率のよい増幅機能を提供することになる。また、微弱な入力信号を強力なビームの偏向用に使用することが可能であることから、単一ポート交換機はハイゲインなものとなる。加えて、相互変調ひずみは低く、もしくは無い。
【００５８】
上述の変換器１２はこの技術分野で知られている他の交換機よりも数多くの重要な利点を提供する。交換機１２は比較的に狭い領域で事実上無制限の入出力ポート数を提供する。各エミッタ７２は基板７４上で数ミクロンを占めるだけである。交換機１２はエミッタ７２の数に拘わらず最小の電力を使用する。交換機１２全体は交換機内側の内部結線を必要としない一段の装置である。各エミッタ７２は、エミッタ７２が４０Ｇｂｐｓ以上で駆動される事実上無制限のスループットを有する。交換機１２はピコセコンドのスイッチング速度が可能であり、従ってバッファを必要としない。
【００５９】
本明細書の交換機のカソードもまた増幅器として用いられる。カソード８８で生成された電子ビーム８２は、適当な電圧でカソード８８を駆動することにより、検出器８０で入力信号の増幅機能を提供する。これに代えて、交換機１２は、複数の検出器８０のいずれかを選んで出力信号を提供する単一のカソード８８を包含してもよい。このような使用法は、単一のソースからの信号が複数の目標のいずれかへ切り換えられるケースで使用可能である。
【００６０】
真空装置における設計上の主な課題は装置への信号の入出力の問題である。この問題は通常、真空のフィードスルーで行われ、真空室の内側と外側の間のコネクタを必要とする。代案は、真空室を分離するガラス、セラミックあるいはその他の材料のプレートを有することである。そうすれば信号は真空室の内側から外側へ、あるいは必要あれば逆方向に、分離プレートを越えて送られる。信号は電気信号で電気導体を伝わるものであってよく、あるいは光信号で光導波管を伝わるものであってもよい。
【００６１】
図５は上述した交換機１２の動作を描いた、交換機システム１１２の一般的なブロック図である。交換機システム１１２は自由空間電子の伝搬を強化すべく真空空間１１４の内部に設けられる。カソード制御グリッド１１６がエミッタアレイ１１８にある各カソードに向けて複数の制御信号を発信する。エミッタアレイ１１８は上述のように自由空間電子を放出し、変調アレイ１２０がデータ入力回線１２２で受信したデータに基づいて電子ビームを変調する。変調された電子ビームは電子ビームを収集して加速するフォーカス加速グリッド１２４を通って伝搬する。設計によっては、変調アレイ１２０はフォーカス加速グリッド１２４の後に置かれる。電子ビームは、上述した方法で照準アノード１２６によって方向を決められ、トリミング補償回路１２８を通って受信器アレイ１３０へと進む。トリミング補償回路１２８は、この技術分野で理解されているように、ローカル磁界を補償する。受信器アレイ１３０は、種々の光出力ファイバへ出力するための光信号や電気信号へ電子ビームを変換するさまざまな検出器を包含する。制御グリッド１１６は標準的な交換機制御部品を用いて光パケットデータを分析し、受信器アレイ１３０のターゲット位置を判定する。
【００６２】
他の実施例では、ビームリターンシステム１３２が採用されて、交換機システム１１２の入出力ポートが同一の端部に位置するように、切り換えられた受信器アレイ１３０からの電子ビームを、交換機システム１１２を通って入力側へ戻している。これはいくつかの用途に対してさらに好ましく構成されたシステムを提供する。それを実行するために、受信器アレイ１３０で受信された電子ビームはガンエミッタ１３４内でカソードの励起用に使用される。ガンエミッタ１３４は電子ビーム１３６を反対方向に戻し、電子ビームはもう一方の受信器アレイ１３８で検出される。
【００６３】
図６は本発明の他の実施例に係る自由空間交換機１５０の断面図である。交換機１５０は、図示のように、成形入力端１５４と成形出力端１５６を内包する円筒ガラスチューブ１５２を包含する。ガラスチューブ１５２は、以下に説明する交換機１５０の真空環境内の構成要素を取り囲む内室１６０を定める。交換機１５０は金属支持体１６２を包含し、金属支持体１６２はセラミック環状部材１６６によって分離され間隔を空けて配置された複数のリング１６４を有し、セラミック環状部材１６６はチューブ１５２の壁１６８に形成される。さらに支持体１６２は、図示のように、リング１６４の間に内側セラミック環状部材１７０を包含する。
【００６４】
この実施例では、カソードプレートアレイ１７６がチューブ１５２の入力端１５４の部位で壁１６８に装着され、複数のホットカソードエミッタ（不図示）を包含する。カソードヒータプレート１７８が内室１６０の中で入力端１５４の近傍に設けられ、図示のように、成形端１５４内のコネクタ１８２を貫通する回線１８０にある電気信号を受信する。カソードヒータプレート１７８は、カソードプレートアレイ１７６にある各カソードエミッタを加熱して電子ビームを生成する。
【００６５】
エミッタで生成されたカソードプレート１７６にあるビームは、開口部がエミッタと一直線に配列されている一対の開口プレート１８６、１８８を通って案内される。プレート１８６と１８８は、部材１７０によってカソードプレートアレイ１７６および相互に間を空けて配置される。開口プレート１８６と１８８を通って案内される電子ビームは、図示のように、プレート１８８と支持リング１６４の間に装着されるフォーカス加速グリッド１９０で集束・加速される。電子ビームは内室１６０を通して加速され、照準アノード１９４のグリッドによって方向を決められる。集束され、加速され、方向を決められた電子ビームは、成形端１５６の近傍にある受信器アレイ１９８の特定の受信器１９６へ向けられる。コネクタプレート２００がチューブ１５２の成形端１５６を閉じる。コネクタプレート２００は、受信した電子ビームを適切な出力回路機構（不図示）へ送る複数の出力回線２０２を包含する。
【００６６】
上述のように、フォトカソードは入射光子に反応して電子を放出する装置である。フォトカソードは一般的に、夜間映像検出のような画像分野で使用される。フォトカソードの応答速度はフェムト秒のオーダーという超高速であり、４０Ｇｂｐｓ以上で動作する超高速通信システムの構築が見込まれる。本発明の自由空間電子交換機は、光子を吸収する装置の反対側で電子を放出する伝送フォトカソードを使用するさまざまな通信手段に装備される。しかし、同一の側で電子を放出し光子を吸収する標準的なフォトカソードもまた使用することが可能である。
【００６７】
広範囲に放出された電子は静電的に集束させることが可能であることから、フォトカソードベースの光受信器はもともと、光ファイバの受信器への結合を単純化することができる。例えば、ファイバ束（不図示）の全体が単一の広域フォトカソードを照らすことが考えられる。フォトカソードの後のフォーカス加速グリッドは、ファイバ束がフォーカス加速グリッドとの相関において正しく位置決めされているかを問わず、個々のビームへ電子を収集して集束させる。ファイバコアは多くの場合ファイバクラッドより小径であることから、フォーカス加速電極がファイバコアの大まかなサイズをその間隔として位置決めされているので、クロストークは交換機の中で最小となる。
【００６８】
図７は、本発明の他の実施例に係る、フォトカソード２１２を使用する自由空間電子スイッチ素子２１０のブロック平面図である。入力光ファイバ２１４が、図示のように、光ビーム２１６をフォトカソード２１２の一方の表面２１８へ向かわせる。一実施例では、光レンズ２２０が光ビーム２１６を所望の位置にあるフォトカソード２１２に集束するように設けられている。受信した光子に応じてフォトカソード２１２は、図示のようにフォトカソード２１２の反対側２２４から電子ビーム２２２を放出する。一連２２６のフォーカス加速電極２２８が電子ビーム２２２の進路近くに配置され、ビーム２２２の電子を集束・加速する。
【００６９】
当初、光ビーム２１６にコード化されていたデータは、今ではビーム２２２の強度変化として電子ビーム２２２にコード化されている。この技術分野で知られている、ここに記載した目的に適した各種のビーム集束技術が使用可能である。例えば、ビーム２２２の電子は一点に集束してもよいし、代わりに、層流状に送られてもよい。ビーム２２２を代わりの電気信号や光信号へ変換するターゲット２３０が電子ビーム２２２を受信する。
【００７０】
図８は、電子スイッチ素子２１０を敷衍した自由空間電子スイッチ素子２４０のブロック平面図である。表面積が比較的に広く、また、複数の入力ファイバ２４４から光ビームを受信するフォトカソード２４２が設備される。この例では、ファイバ２４４が所定の間隔を置いて配置されているが、それらは束ねられた複数のファイバを表すものである。電子ビームは、入力ファイバ２４４とはフォトカソード２４２を隔てた反対側から放出される。フォーカス加速導体２４８のグリッド２４６が、フォトカソード２４２のそちら側でフォトカソードに隣接して置かれ、電子ビームを集束させ、その向きを決める。フォーカス加速グリッド２４６は複数の電子ビームをターゲット２５２のアレイ２５０に衝突させる。
【００７１】
図９は、本発明の他の実施例に係る自由空間電子スイッチ素子２６０のブロック平面図である。この実施例では、カソードはフォトカソード２６２であり、単一エミッタとして表現される。しかしながら上述したように、フォトカソード２６２は、本明細書のタイプの交換機に適したフォトカソードのアレイの一部であってよい。フォトカソード２６２は、例えば光ファイバ２６４から、光信号を受信し、その光信号を自由空間電子の流れへ変換する。この実施例では、変調電極が使用されていないが、他の実施例では設備されてもよい。
【００７２】
一対の環状フォーカス加速電極２６６、２６８が、図示のように、フォトカソード２６２の近くに設備される。電極２６６と２６８は、フォトカソード２６２から放出された自由空間電子の向きを変えたり、加速したり、減速したり、あるいはブロックしたりする電磁界や静電界を供給する。この実施例におけるターゲットあるいは受信器は、フォトカソード２６２からの自由空間電子ビームを受信する一対のｅビーム励起レーザ２７０、２７２であり、この技術分野でよく知られているように光出力ビームを生成して、光ファイバ２７４、２７６のそれぞれへ送る。ｅビーム励起レーザの操作はこの技術分野でよく知られているものであり、ここで特に説明する必要はない。
【００７３】
スイッチ素子２６０は、単一のフォトカソード２６２が備えられて電子のビームを一対のｅビーム励起レーザ２７０、２７２の１つへ向ける１ｘ２交換機である。スイッチ素子２６０は現代のタイプのトランジスタとしてこのように使用されてよく、そこでは、電子ビームはまずレーザ２７０あるいは２７２へ向けられ、その後、切り換えられる。それゆえに、電子は半導体の中を伝搬せず、従ってその速度は最適となる。スイッチ素子２６０は小型化でき、シリコンウェーハ上で大規模集積回路とすることができる。
【００７４】
バックプレーンを使用する多くの電子システムを設計するに際しての主要な課題は、バックプレーントレースの密度をできるだけ少なくすることである。これらのシステムは一般的に、標準的なトレースリソグラフィとルーチング技術を用いて容易に得られるトレース以上の、バックプレーン上のトレースを必要とする。通常は、データがバックプレーンに送られる前に、大量のデータを並直列変換して単一の高速信号とし、その後、バックプレーンの反対側で信号を直並列変換することによって解決とする。マルチプレクサは、データを比較的に低速のパラレルバスから取り出して高速の直列回線に挿入する装置である。ディマルチプレクサは、データを高速直列データ回線から取り出して、信号を低速の並列バスへ移す装置である。一般的な並直列変換処理技術と直並列変換処理技術には低電圧差動信号トレース対での高速ディジタル直列回線の使用が伴う。１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｂｐｓで動作する既知の高速直並列変換器は、非常に高価で通常では考えられない技術を使用せねばならず、また、電力消費も極めて高い。本発明の自由空間電子交換機は、複雑でない装置を提供するディマルチプレクサおよびマルチプレクサとして使用することができる。
【００７５】
図１０は、本発明の自由空間電子交換機の原理に則って動作するディマルチプレクサ３３０のブロック平面図である。ディマルチプレクサ３３０は自由空間電子のビーム３３４を放出する電子銃３３２を包含する。電子銃３３２は上述のエミッタの役をはたし、従ってフォトカソードやホットカソードあるいはコールドカソードのようなカソードを包含する。環状照準アノード３３６が銃３３２の出力端３３８の近傍に設けられて、ビーム３３４の向きを決める。
【００７６】
複数の電子検出器３４０が銃３３２から間隔を置いてアレイ３４６に設けられる。一実施例では、２５６個の検出器３４０が二次元のアレイ状に配置される。電子検出器３４０は、本明細書記載の目的にかなった、電子ビームを受信してそれを表す電気信号や光信号へ変換できるものであれば、どのような電子検出器であってもよい。
【００７７】
１つの非限定的な例では、電子銃３３２で生成された電子ビーム３３４が直列入力回線３４２の４０Ｇｂｐｓの入力信号で変調される。変調に際して、電子銃３３２は１秒間に１億６千万回の割合で検出器３４０と交差しつつ検出器３４０をスキャンすることになる。この結果、４０Ｇｂｐｓの直列入力信号は、出力回線３４４上の１６０ＭＨｚ、２５６ビットのパラレルバスに直並列変換されることになる。銃３３２と検出器アレイ３４６は小型でコンパクトなので、多数のマルチプレクサ３３０を単一のチップに集積することができる。
【００７８】
図１１は、本発明の自由空間電子交換機の原理に則って動作するマルチプレクサ３５０のブロック平面図である。マルチプレクサ３５０は可動電子銃３５４のアレイ３５２を包含し、電子銃３５４は本明細書記載のタイプのカソードを使用するエミッタである。電子銃３５４に相対する単一の電子検出器３５６が直列出力バス３５８を駆動する。一組の照準アノード３６０が使用され、銃３５４から放出された電子ビーム３６２を検出器３５６へ向ける。
【００７９】
この非限定的な例では、２５６個の電子銃３５４があり、各電子銃３５４は１６０ＭＨｚ、２５６ビット入力パラレルバス３６４の１ビットで駆動される。パラレルバス３５４の各クロックサイクルについては、そのクロックサイクルの間の短時間に銃３５４が検出器３５６を照らすように、電子銃３５４からのビーム３６２が検出器３５６の先でスキャンされる。その後、銃３５４からの電子パルスが４０Ｇｂｐｓで出力バス３５８に出力される。
【００８０】
さらに機械的で単純な他の実施例や手段では、照準アノード３６０は削除され、それぞれの銃３５４は直接、検出器３５６の方向に向けられる。各銃３５４は異なる電圧で変調される。銃３５４の電圧は電子がギャップを越えて検出器３５６へ伝送されるスピードを決定することから、カソード電圧は、各ビットからの信号が直列出力の流れに挿入されるクロックサイクルにその時間を合わせるように制御される。入力パラレルバス３６４からの低い番号のビットに接続される電子銃は、高い番号のビットに接続される電子銃よりも高い電圧を使用する。
【００８１】
本発明に従って、ディジタル−アナログ変換器を使用してデータを連続した形状にする技術が提供される。例えば、８ビット入力バスはＤ／Ａ変換器への入力信号として使用することができ、オリジナルのバイナリの８ビットにあった全ての情報を含む出力電圧を得ることになる。しかしながら、その電圧は８本のワイヤどころか１本のワイヤで送ることができる。このことから、結局、８ビットは単一の信号回線上で直列化されることになる。さらに、この直列化は直列回線のデータレートを増大することなくなされる。
【００８２】
ディジタル並直列変換器は入力信号よりはるかに高いデータレートで動作する。このことはバックプレーンとバックプレーンコネクタの電気設計を非常に複雑化させ、また、高速動作に必要な回路構成は低速の回路よりもはるかに多くの電力を消費する傾向にあることから、電力消費を大いに増大する。それはまた、トレース変調レート、クロストークそして反射の点で、現行のバックプレーン技術を根本的な限界へ陥れることになる。
【００８３】
本発明に係る並直列変換器は、同一のスループットを得るために、低トレース変調周波数を使用することを可能にする。例えば、４個のディジタルビットが各アナログサイクルにコード化されると、直列回線の変調レートは等価なディジタル直列回線の場合の１／４となる。さらに、上り下り時間は、同じ周波数でディジタル信号に比してアナログ信号の方が長い。このことはクロストーク、信号ロスそして電磁放射を減少させる。本発明の並直列変換器は、並直列変換器と直並列変換器が現在使用されているところであれば、どの用途にも使用することが可能である。バックプレーントランシーバー以外で並直列変換器が適しているもうひとつの用途は、光通信用のレーザドライバーである。実際、高微分アナログ信号の質を落とすクロストークやロスといったファクターがファイバ内に存在しないので、ドライバーは理想的な用途である。
【００８４】
本明細書で説明される本発明の自由空間電子交換機は、多くのタイプの通信ネットワークのさまざまなところに使用することが可能である。種々のシステムの例としては、非対称ディジタル加入者線（ＡＤＰＣＭ）、アドバンストインテリジェントネットワーク（ＡＩＮ）、アドバンストモバイル電話ネットワーク（ＡＭＰＮ）、アドバンスト交通管理システム（ＡＴＭＳ）、ブロードバンドスイッチングシステム（ＢＳＳ）、非接続ブロードバンドデータサービス（ＣＢＤＳ）、クラスレスドメイン間ルーチング（ＣＩＲ）、商用インターネット交換機（ＣＩＸ）、カスタムローカルアクセス信号サービス（ＣＬＡＳＳ）、セントラルオフィス交換機（ＣＯＥ）、ディジタルアドバンストモバイル電話システム（Ｄ−ＡＭＰＳ）、ディジタル通信チャネル（ＤＣＣ）、データ電話ディジタルサービス（ＤＤＳ）、ダイアルナンバー識別サービス（ＤＮＩＳ）、ディジタル加入者線（ＤＳＬ）、ディジタル加入者線アクセスマルチプレクサ（ＤＳＬＡＭ）、データ交換インターフェイス（ＤＸＩ）、電子キー電話システム（ＥＫＴＳ）、海外交換機（ＦＥＸ）、固定サテライトシステム（ＦＳＳ）、インターネットパケット交換機（ＩＰＸ）、総合サービスディジタル網（ＩＳＤＮ）、キー電話システム（ＫＴＳ）、首都圏ネットワーク（ＭＡＮ）、モバイルサテライトシステム（ＭＳＳ）、モバイルトラフィックスイッチング交換機（ＭＴＳＸ）、構内交換機（ＰＢＸ）、個人通信ネットワーク（ＰＣＮ）、公衆電話網（ＰＳＴＮ）、ツイストペアデータインターフェイス（ＴＰＤＤＩ）、ユニバーサルモバイル電話通信システム（ＵＩＦＮ）、バーチャルローカルエリアネットワーク（ＶＬＡＮ）、ワイドエリア電話サービス（ＷＡＴＳ）等がある。以下にこれらのさまざまな例を、限定することなく示す。この技術分野の者であれば、ここにおける説明とこの技術分野における一般的な知識から、本発明の自由空間電子交換機がここに開示される以上に種々のシステムのさまざまな位置に使用され得るものであることを認識するであろう。
【００８５】
図１２は、以下に説明するシステム４００の中のさまざまなところに自由空間電子交換機を使用しているネットワークシステム４００のブロック図である。この例では、通信信号がソース４０２から一連の通信リンク４０４を通ってシンク４０６へ送信される。ソース４０２は、電話機、データ端末、ホストコンピュータシステム、ビデオカメラ等々で、ここに説明する目的に適うものであればどのような送信機であってもよい。同様にシンク４０６も、電話機、ホストコンピュータシステム、ビデオモニタ等々で、ここに説明する目的に適うものであればどのような受信器であってもよい。さらに、一般的にソースとシンクは送信と受信の両機能を果たし、従ってそれぞれはソースとシンク双方の働きをする。
【００８６】
送信された信号はエッジオフィス４１０、４１２およびコアオフィスもしくはセントラルオフィス４１４で切り換えられる。エッジオフィスとは、ネットワークのはずれにある切り換え局であり、従って一般的には低容量切り換え局である。セントラルオフィスはときにタンデムオフィスと呼ばれ、ネットワークの中央に配置される切り換え局であって、従って大容量交換機を使用している。特定のネットワークでは１つ以上のセントラルオフィスを使用する。
【００８７】
エッジオフィス４１０は、リンク４０４上にあるソース４０２からセントラルオフィス４１４にある自由空間電子交換機４２０へ信号を切り換える自由空間電子交換機４１８を包含する。セントラルオフィス４１４は、その後、リンク４０４上の信号をエッジオフィス４１２にある自由空間電子交換機４２２へ切り換える。交換機４２２は信号をシンク４０４へ向かわせる。信号には、交換機４１８、４２０、４２２を制御するアルゴリズムが信号の向けられるオフィスを認識できるように、アドレスビットを包含する。
【００８８】
図１３は、構内交換機（ＰＢＸ）を表すネットワークシステム４３０のブロック平面図である。ＰＢＸは、音声呼び出しを伝えるという本来の目的のための回路切り換えマトリクスを包含する特化されたコンピュータシステムであるが、データ信号も扱うことができる。セントラルオフィス４３４の中にある共通制御の中央処理装置（ＣＰＵ）４３２はＰＢＸの動作を制御する。ＣＰＵ４３２は、そこを通って運ばれる通話を制御するソフトウエアと、関連するハードウエアを包含する。オフィス４３４はさらに、信号をＣＰＵ４３２へ伝達する本発明に係る自由空間電子交換機４３６を包含する。
【００８９】
遠隔地にある複数の電話機４４０が、局回線４４２と回線インターフェイス４４４を介してオフィス４３４と通信している。回線インターフェイス４４４は、ＰＢＸ交換機４３６と局回線４４２をインターフェイスで接続する特化された回路基板である。加えて、オフィス４３４は、複数のＰＢＸトランク４４８と複数のトランクインターフェイス４５０を介してもう１つのセントラルオフィス４４６と接続される。トランクインターフェイス４５０は、ＰＢＸ交換機４３６とトランク４４８をインターフェイスで接続する特化された回路基板である。本発明に係る自由空間電子交換機４５２が、セントラルオフィス４４６の中に設けられて信号の伝達を行う。セントラルオフィス４４６はＰＢＸを、ＬＥＣ交換機のような他の交換機と接続する。
【００９０】
図１４は、ＩＳＤＮ４６２を使用する総合サービスディジタル網（ＩＳＤＮ）システム４６０のブロック平面図である。ＩＳＤＮ４６２はさまざまな端末４６４や電話機４６６、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮｓ）４６８、ネットワークバス４７０等の間で、データ、音声、ビデオ等といったあらゆるタイプの信号を搬送する。それぞれの信号は、システム４６０のエリア内に配置された種々のセントラルオフィス４８０、４８２、４８４、４８６内の一連の自由空間電子交換機４７２、４７４、４７６、４７８によってこれらの装置へ搬送される。セントラルオフィス４８０から４８６は、ＰＢＸ４８８や信号ルータ４９０といった端末機器（ＴＥ）、ターミナルアダプタ（ＴＡ）４９２およびネットワーク終端（ＮＴ）４９４を包含し、また、それらに限定されないネットワーク要素と通信する。端末機器はカスタマサイトをＩＳＤＮサービスへ接続する機能素子を包含する。ターミナルアダプタ４９２は１つ以上の非ＩＳＤＮ装置をＩＳＤＮ４６２へ接続するインターフェイスアダプタを包含する。ネットワーク終端４９４は、多重化や交換機能あるいはＩＳＤＮ集結といったさまざまな機能を果たすネットワーク終端素子を包含する。
【００９１】
図１５は本発明に係るパケット交換ネットワーク５００のブロック図である。パケット交換ネットワーク５００は、パケットが大きなデータの流れの一部であるか否かに拘わらず、パケットノードアレイ５１２の部分である一連の内部接続パケットノード５０２から５１０を介して情報のパケットを搬送する。このようにパケット交換は通信の混雑を軽減しようとする。それぞれのノード５０２から５１０は、その中でパケットを搬送する本発明に係る自由空間電子交換機５１４から５２２を包含する。
【００９２】
パケットノード５０２は、自由空間電子交換機５３０を包含するセントラルオフィス５２８へ接続される。さらに、パケットノード５０６は自由空間電子交換機５３４を包含するセントラルオフィス５３２へ接続される。ワークステーションコンピュータのような端末５３６がエリア内のセントラルオフィス５３２と通信する。加えて、ＳＤＬホスト５３８がエリア内のセントラルオフィス５２８と通信する。端末５３６とホスト５３８の間で伝送されるデータパケットは、遅れを軽減する最善の方法でアレイ５１２を介して搬送される。
【００９３】
図１６は、通常、首都圏の境界の内側で、局内電話サービスを提供する局内交換キャリアシステム５５０のブロック平面図である。そのシステム５５０は、直接あるいはタンデム交換機を介して接続されるローカルループのネットワークとセントラルオフィスを介して局内音声サービスを提供する。システム５５０は一連の外側エンドオフィス５５２から５６０を包含し、各エンドオフィスはそれぞれに、本発明の自由空間電子交換機５６２から５７０を包含する。エンドオフィス５５２から５６０は、それぞれ、自由空間電子交換機５７６や５７８を使用して、直接あるいはタンデムオフィス５７２と５７４を介して通信する。上述のように、交換機５６２から５７０、５７６および５７８は、オフィス５５２から５６０、５７２および５７４の間で信号を搬送する。
【００９４】
図１７は、セントラルオフィス５９２および家庭あるいは職場５９４の電話通信装置を包含するディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワーク５９０のブロック平面図である。周知のようにＤＳＬは、広帯域信号伝送用の先進的な広帯域ローカルループ技術である。セントラルオフィス５９２は、インターネット５９８と通信するディジタル加入者線アクセスマルチプレクサ（ＤＳＬＡＭ）５９６を包含する。自由空間電子交換機６００が公衆電話網（ＰＳＴＮ）６０２およびＤＳＬＡＭ５９６に接続される。交換機６００は、ＤＳＬＡＭ５９６を介してインターネット５９８から来たる通話をＰＳＴＮ６０２が搬送することを可能にする。
【００９５】
この実施例では、セントラルオフィス５９２がツイストワイヤ対６０４の結線で職場５９４へ接続される。さらに、クラス５交換機６０６がツイストワイヤ対で交換機６００と通信する。他の実施例では、結線は同軸ケーブルである。一実施例では、ツイストワイヤ対６０４は銅ループである。こういった銅ループは、交換機が容易にしかも効率よく高電圧を発生するし、高電圧は銅ループの駆動に必要とされるので、本発明の交換機１２に非常に適している。これは電力消費量を削減し、熱の密度を低減し、高いポート密度を可能にする。さらに、銅ループは電力サージを受け入れるから、銅ループで終端している装置はどれも電力サージに耐え得るにちがいない。本発明の自由空間電子交換機はこの終端機能に素晴らしく適している。というのは、電力サージを受けると燃える信号経路にいかなる半導体も有していないからである。
【００９６】
図１８は、多重化機能に使用される本発明の自由空間電子交換機を表すデータ通信システム６１０のブロック平面図である。システム６１０は、複数の信号チャネル６１６を介して通信する第１周波数分割マルチプレクサ（ＦＤＭ）６１２と第２ＦＤＭを包含する。ＦＤＭ６１２はチャネライザ６２８を介してホスト６１８と通信し、プロセッサ６２０とモデム６２２を包含する。ＦＤＭ６１４はモデム６２６を介して複数の端末６２４と通信する。ＦＤＭ６１２は自由空間電子交換機６３０を包含し、ＦＤＭ６１４は自由空間電子交換機６３２を包含し、これらの交換機６３０、６３２は入出力チャネルに対する並直列化と直並列化の機能を提供する。
【００９７】
上述の説明は本発明の単に模範的な実施例を開示して述べたものに過ぎない。この技術分野に習熟した者であれば、この説明からそして添付の図面と特許請求の範囲から、さまざまな変更、修正および変動が、特許請求の範囲に示される本発明の精神や範囲から逸脱することなくなされ得るものであることを容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
自由空間電子交換機を使用した、本発明の実施例に係る電話通信システムのブロック図。
【図２】
図１のシステムに示される交換機の一部分の斜視図。
【図３】
図２に示される交換機の中にある１個のエミッタの断面図。
【図４】
本発明の実施例に係るブランキング変調技術を使用したエミッタの平面図。
【図５】
図１に示される交換機の動作を示すブロック図。
【図６】
本発明の他の実施例に係る真空空間における自由空間電子交換機の断面図。
【図７】
本発明の実施例に係る単一ファイバ入力とフォトカソードを使用した自由空間電子交換機のブロック平面図。
【図８】
本発明の実施例に係るファイバ束入力と単一フォトカソードを使用した自由空間電子交換機のブロック平面図。
【図９】
本発明の実施例に係るｅビーム励起レーザ受信器を使用した自由空間電子交換機のブロック平面図。
【図１０】
本発明の自由空間電子交換機の教示に基づくマルチプレクサのブロック平面図。
【図１１】
本発明の自由空間電子交換機の教示に基づくディマルチプレクサのブロック平面図。
【図１２】
本発明の複数の自由空間電子交換機を使用したネットワークシステムのブロック平面図。
【図１３】
本発明の自由空間電子交換機を使用した構内交換機（ＰＢＸ）システムのブロック平面図。
【図１４】
本発明の複数の自由空間電子交換機を使用したＩＳＤＮ電話通信システムのブロック平面図。
【図１５】
本発明の複数の自由空間電子交換機を使用したパケット交換ネットワークのブロック平面図。
【図１６】
本発明の複数の自由空間電子交換機を使用した局内交換キャリア電話通信システムのブロック平面図。
【図１７】
本発明の自由空間電子交換機を使用したＡＤＳＬのブロック平面図。
【図１８】
本発明の自由空間電子交換機を使用したデータ通信システムにおける周波数分割多重化用システムのブロック平面図。
【符号の説明】
１０  電話通信システム
１２  自由空間電子交換機
１４  入力回線
１６  通信チャネル
１８  出力回線
２０  通信チャネル
２４  バンドパスフィルタ
２６  低ノイズ増幅器  （ＬＮＡ）
２８  光変調器
３０  レーザ
３２  光ファイバ
３６  バンドパスフィルタ
３８  復調器
４２  フィルタ
４４  光ソース
４６  光バンドパスフィルタ
４８  波長ディマルチプレクサ
５０  周波数ディマルチプレクサ
５２  復調器
５４  増幅器
５６  光ソース
５８  光復調器
６２  変調器
６４  マルチプレクサ
６６  レーザ
６８  交換機
７０  エミッタアレイ
７２  エミッタ
７４  基板
７６  検出器アレイ
７８  誘電体板
８０  検出器
８２  自由空間電子ビーム
８８  カソード
９０  オープンチャネル
９２  第１絶縁層
９４  環状変調電極
９６  第２絶縁層
９８  環状フォーカス加速電極
１００  第三絶縁層
１０２  環状照準アノード
１０４  制御器
１０６  エミッタ
１０８  カソード
１１０  電子ビーム
１１２  交換機システム
１１４  真空空間
１１６  カソード制御グリッド
１１８  エミッタアレイ
１２０  変調アレイ
１２２  データ入力回線
１２４  フォーカス加速グリッド
１２６  照準アノード
１２８  トリミング補償回路
１３０  受信器アレイ
１３２  ビームリターンシステム
１３４  ガンエミッタ
１３６  電子ビーム
１３８  受信器アレイ
１４０  制御器
１４２  フォーカス加速電極
１４４  制御器
１４６  偏向電極
１４８  ターゲット
１５０  自由空間交換機
１５２  円筒ガラスチューブ
１５４  成形入力端
１５６  成形出力端
１６０  内室
１６２  金属支持体
１６４  リング
１６６  セラミック環状部材
１６８  壁
１７０  内側セラミック環状部材
１７６  カソードプレートアレイ
１７８  カソードヒータプレート
１８０  回線
１８２  コネクタ
１８６  開口プレート
１８８  開口プレート
１９０  フォーカス加速グリッド
１９４  照準アノード
１９６  特定受信器
１９８  受信器アレイ
２００  コネクタプレート
２０２  出力回線
２０４  曲線電極
２１０  自由空間電子スイッチ素子
２１２  フォトカソード
２１４  入力光ファイバ
２１６  光ビーム
２１８  一方の表面
２２０  光レンズ
２２２  電子ビーム
２２４  反対側
２２６  一連
２２８  フォーカス加速電極
２３０  ターゲット
２４０  自由空間電子スイッチ素子
２４２  フォトカソード
２４４  入力光ファイバ
２４６  フォーカス加速グリッド
２４８  フォーカス加速導体
２５０  アレイ
２５２  ターゲット
２６０  自由空間電子スイッチ素子
２６２  フォトカソード
２６４  入力光ファイバ
２６６  環状フォーカス加速電極
２６８  環状フォーカス加速電極
２７０  ｅビーム励起レーザ
２７２  ｅビーム励起レーザ
２７４  光ファイバ
２７６  光ファイバ
３３０  ディマルチプレクサ
３３２  電子銃
３３４  自由空間電子のビーム
３３６  環状照準アノード
３３８  出力端
３４０  電子検出器
３４２  直列入力回線
３４４  出力回線
３４６  検出器アレイ
３５０  マルチプレクサ
３５２  電子銃アレイ
３５４  可動電子銃
３５６  電子検出器
３５８  直列出力バス
３６０  照準アノード
３６２  電子ビーム
３６４  入力パラレルバス
４００  ネットワークシステム
４０２  ソース
４０４  通信リンク
４０６  シンク
４１０  エッジオフィス
４１２  エッジオフィス
４１４  セントラルオフィス
４１８−４２２  自由空間電子交換機
４３０  ネットワークシステム
４３２  中央処理装置
４３４  セントラルオフィス
４３６  自由空間電子交換機
４４０  電話機
４４２  局回線
４４４  回線インターフェイス
４４６  セントラルオフィス
４４８  ＰＢＸトランク
４５０  トランクインターフェイス
４５２  自由空間電子交換機
４６０  総合サービスディジタル網システム
４６２  ＩＳＤＮ
４６４  端末
４６６  電話機
４６８  ローカルエリアネットワーク
４７０  ネットワークバス
４７２−４７８  自由空間電子交換機
４８０−４８６  セントラルオフィス
４８８  ＰＢＸ
４９０  信号ルータ
４９２  ターミナルアダプタ
４９４  ネットワーク終端
５００  パケット交換ネットワーク
５０２−５１０  パケットノード
５１２  パケットノードアレイ
５１４−５２２  自由空間電子交換機
５２８  セントラルオフィス
５３０  自由空間電子交換機
５３２  セントラルオフィス
５３４  自由空間電子交換機
５３６  端末
５３８  ＳＤＬホスト
５５０  局内交換キャリアシステム
５５２−５６０  エンドオフィス
５６２−５７０  自由空間電子交換機
５７２−５７４  タンデムオフィス
５７６−５７８  自由空間電子交換機
５９０  ディジタル加入者線ネットワーク
５９２  セントラルオフィス
５９４  家庭あるいは職場
５９６  ディジタル加入者線アクセスマルチプレクサ
５９８  インターネット
６００  自由空間電子交換機
６０２  公衆電話網
６０４  ツイストワイヤ対
６０６  クラス５交換機
６１０  データ通信システム
６１２  第１周波数分割マルチプレクサ
６１４  第２ＦＤＭ
６１６  信号チャネル
６１８  ホスト
６２０  プロセッサ
６２２  モデム
６２４  端末
６２６  モデム
６２８  チャネライザ
６３０−６３２  自由空間電子交換機
【図１】
2004518375.tif 000003
【図２】
2004518375.tif 000004
【図３】
2004518375.tif 000005
【図４】
2004518375.tif 000006
【図５】
2004518375.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004518375.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004518375.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2004518375.tif 000015
【図１４】
2004518375.tif 000016
【図１５】
2004518375.tif 000017
【図１６】
2004518375.tif 000018
【図１７】
2004518375.tif 000019
【図１８】
2004518375.tif 000020
【国際公開パンフレット】
2004518375.tif 000021
2004518375.tif 000022
2004518375.tif 000023
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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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