(57)【要約】電子的に速いマルチビーム光トランシーバは、発光体の空間的アレイの選択されたものに入力信号を切り替える第１クロスバースイッチを有する。発光体は変調された光ビームをテレセントリックレンズの空間的位置に供給し、テレセントリックレンズは空間的アレイにおける発光体素子のレンズ軸からの偏移に従って異なる分岐経路に沿ってビームを幾何学的に変換する。テレセントリックレンズの分岐面に入射するリモートサイトからの光ビームは光検出器アレイに回折され、その出力は第２クロスバースイッチに結合される。補助光検出器アレイは空間的位置が基地の１つ又はそれ以上のサイトからの光ビームをモニタし、リアルタイムのポインティングとトラッキング及び大気補正のための空間エラー補正信号を供給する。
2004533137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの異なるサイトへの送信を対象とした複数の通信信号を受信するために適合された複数の入力ポート；
前記複数の入力ポートに結合された発光素子のアレイ；並びに
前記発光素子のアレイにより生成された光ビームが結合されたテレセントリックレンズ配列であって、前記光ビームが生成された前記発光素子のアレイにおける空間的位置に従って、前記異なる受信サイトの方にそれぞれ異なる方向に沿って光アパチャを通る前記光ビームのそれぞれを導く、テレセントリックレンズ配列；
から構成されることを特徴とする通信装置。
【請求項２】
請求項１に記載の通信装置であって、前記テレセントリックレンズ配列の第１の略平面的な表面と光学的に結合した発光素子の略平面的な２次元アレイから構成され、前記複数の通信信号を受信するために適合された複数の入力と前記発光素子の略平面的な２次元アレイに結合された複数の出力とを有するクロスバー入力スイッチを更に含む、ことを特徴とする通信装置。
【請求項３】
請求項２に記載の通信装置であって、空間的位置が既知である１つ又はそれ以上のサイトからの１つ又はそれ以上の光ビームをモニタするために配列された光検出器素子の補助的アレイを更に含み、前記入力クロスバースイッチのために空間的エラー補正信号を供給するために作動する、ことを特徴とする通信装置。
【請求項４】
請求項１に記載の通信装置であって、光検出器素子の受信器アレイを更に含み、前記テレセントリックレンズ配列は前記受信器アレイのそれぞれの空間的位置に前記光アパチャを通して異なる方向から入射する光ビームを導き、前記受信器アレイの前記光検出器素子の出力を受信するために適合された複数の入力と出力信号が得られる複数の出力とを有するクロスバー出力スイッチを更に含む、ことを特徴とする通信装置。
【請求項５】
請求項４に記載の通信装置であって、前記テレセントリックレンズ配列は、前記発光素子のアレイにより生成された第１波長における光が前記テレセントリックレンズ配列の出力面に移動し且つその出力面から分かれることを可能にする周波数選択界面を含み、並びに、第２波長において前記出力面に入射する光が前記受信器アレイに前記周波数選択界面により反射されるようにする、ことを特徴とする通信装置。
【請求項６】
請求項１に記載の通信装置であって、前記発光素子のアレイは、前記複数の通信信号を受信するために適合され且つ発光体アレイ面におけるそれぞれの空間的位置に対応する光ファイバにより結合されたビーム出力を有する複数の発光体素子から構成され、発光体アレイ面から前記テレセントリックレンズ配列により得られた空間対角度変換は前記異なる受信器サイトの方にそれぞれ異なる方向に沿って発光ビームを導く、ことを特徴とする通信装置。
【請求項７】
請求項６に記載の通信装置であって、前記発光素子は垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）から構成される、ことを特徴とする通信装置。
【請求項８】
請求項６に記載の通信装置であって、前記発光素子は分離したレーザダイオードから構成される、ことを特徴とする通信装置。
【請求項９】
請求項６に記載の通信装置であって、前記発光素子の出力は回折光素子に光学的に結合される、ことを特徴とする通信装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の通信装置であって、前記発光素子の出力はホログラフィック光素子に光学的に結合される、ことを特徴とする通信装置。
【請求項１１】
請求項６に記載の通信装置であって、前記発光素子のアレイの前記ビーム出力を受信するために適合され、且つ前記発光素子アレイ面におけるそれぞれの空間的位置に前記対応した光ファイバを介して結合された複数の光入力を有する光クロスバー入力スイッチを更に含む、ことを特徴とする通信装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の通信装置であって、前記発光素子のアレイは、前記複数の通信信号を用いて変調された光ビームを受信するために適合され、且つ発光体アレイ面におけるそれぞれの空間的位置に対応する光ファイバを介して結合された増幅されたビーム出力を有する複数の光増幅素子から構成され、前記発光体アレイ面から前記テレセントリックレンズ配列により得られた空間対角度変換は前記異なる受信器サイトの方にそれぞれ異なる方向に沿って発光ビームを導く、ことを特徴とする通信装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の通信装置であって、前記増幅器のアレイの前記ビーム出力を受信するために適合され、且つ前記発光体アレイ面におけるそれぞれの空間的位置に前記対応した光ファイバを介して結合された複数の光入力を有する光クロスバー入力スイッチを更に含む、ことを特徴とする通信装置。
【請求項１４】
第１クロスバースイッチから構成される電気的に速いマルチビーム光トランシーバであって、第１クロスバースイッチはデジタル入力通信信号を受信するために適合された入力とテレセントリックレンズシステムの複数の空間的位置に前記デジタル入力通信信号を伝える出力ビームを供給するために作動する２次元空間アレイの発光体素子に選択的に結合された出力とを有し、前記テレセントリックレンズシステムはそれぞれの前記２次元空間アレイにおける関連する発光体のレンズ軸からの空間的変移に従ってレンズアパチャにおける前記レンズ軸にある焦点を通る分岐経路に沿って前記テレセントリックレンズシステムの空間的位置からそれぞれの前記出力ビームの幾何学的変換を実行し、前記テレセントリックレンズシステムは前記発光体素子により生成された送信波長における光ビームが前記テレセントリックレンズシステムの光ビーム分岐面に移動し且つこの光ビーム分岐面から分岐すること及び光検出器アレイへ前記テレセントリックレンズシステムの前記光ビーム分岐面に受信器波長で入射する光を回折することを可能にし、その出力は前記受信器波長において前記テレセントリックレンズシステムの前記光ビーム分岐面に入射する光ビームにより伝えられたデジタル出力通信信号が導かれる第２クロスバースイッチに結合される、ことを特徴とする電気的に速いマルチビーム光トランシーバ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電気的に速いマルチビーム光トランシーバであって、空間的位置が既知である１つ又はそれ以上のサイトからの１つ又はそれ以上の光ビームをモニタするために配列された光検出器素子の補助的アレイを更に含み、リアルタイムのポインティング／トラッキング及び大気補正能力を提供するように前記第１及び第２クロスバースイッチを制御するために空間的エラー補正信号を供給するために作動される、ことを特徴とする電気的に速いマルチビーム光トランシーバ。
【請求項１６】
第１通信サイトから複数の空間的分岐第２通信サイトへの複数の第１通信信号のための一対多方向通信を実行する方法であって：
（ａ）前記第１通信信号を用いて複数の光ビームのそれぞれを変調する段階；並びに
（ｂ）テレセントリックレンズシステムの複数の空間的位置に前記複数の第１光ビームを選択的に結合する段階であって、前記テレセントリックレンズシステムは前記空間的位置のレンズ軸からの空間的変移に従って前記レンズ軸から分岐するレンズアパチャにおける前記レンズ軸にある焦点を通るビーム分岐経路に沿って前記テレセントリックレンズシステムの空間的位置から前記第１光ビームのそれぞれの幾何学的変換を実行する、段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、段階（ｂ）は、それぞれの発光体素子に第１クロスバースイッチにより前記第１通信信号を制御可能であるように結合する手順であって、前記発光体素子は前記テレセントリックレンズシステムの選択された空間的位置に前記第１通信信号を運ぶ前記第１光出力ビームを供給するために作動する手順から構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、段階（ａ）は前記テレセントリックレンズシステムの第１の略平面的表面と光学的に結合された発光素子の略平面的な２次元アレイにより生成される各々の光ビームを変調する手順であって、クロスバー入力スイッチは善意通信信号を受信するために適合された複数の入力と発光素子の前記略平面的な２次元アレイに結合された出力とを有する、手順から構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、前記テレセントリックレンズシステムは前記発光体素子により生成された送信波長において前記第１光出力ビームが前記テレセントリックレンズシステムの光ビーム分岐面に移動し且つ光ビーム分岐面から分岐すること及び光検出器アレイに前記テレセントリックレンズシステムの前記光ビーム分岐面に受信器波長において入射する光を回折することを可能にし、その出力は前記受信器波長において前記テレセントリックレンズシステムの前記光ビーム分岐面に入射する光ビームにより運ばれるデジタル出力通信信号が導かれる第２クロスバースイッチに結合される、ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって：
（ｃ）空間的位置が既知である１つ又はそれ以上のサイトからの１つ又はそれ以上の光ビームを光検出器素子の補助的アレイによりモニタする段階；並びに
（ｄ）前記光検出器素子の補助的アレイの出力に従って前記第１及び第２クロスバースイッチを制御するために空間的エラー補正信号を供給する段階；
から構成される、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、光通信システムに関し、特に、電子的に速く、自由空間で作動する新規且つ改善型光通信装置であって、複数の空間的に様々な受信器の場所へのそれぞれの異なる方向に、共通の光学的アパチャを通して、それぞれ異なる通信信号をもつ変調された光ビームのような複数の独立した光ビームの各々を選択的に導くために提供される、光通信装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
ビルディング間のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ：Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）及びトランク拡張システムのような自由空間用途向けの現在利用可能な光学的（例えば、レーザベースの）通信システムは、（短距離及び長距離）自由空間‘ポイントツーポイント’システムとして、通常、組み込まれている。図１及び２に示したように、そのようなシステムは、一般に、一対のローカル及びリモート光（レーザベース）トランシーバ１／２及び４／５を含み、それらの各々はアパチャに対応する望遠鏡を有し、１つ又はそれ以上の視野方向オプティカルリンク３／６において互いに光学的に結合されている。
【０００３】
図２に更に示すように、数ｋｍ以上の長い範囲の用途のためには、活発に駆動される機械的安定化プラットフォーム７が位置決めされたビームを維持するために習慣的に用いられる。更に、ハブアンドスポーク方式の操作と整合性がとれたポイントツーポイント用途のためには、そのシステムは図３に示すような高度に統合された構成を成し、高出力のハブサイト８と複数の受信器（加入者）サイト９との間の一対多方向リンクを提供するための相当量のハードウェアを必要とする。残念ながら、これらの既存のアーキテクチャの何れもが戦術的用途又は形態ノードに対応することができず、又、低コストの一対多方向通信を提供することができない。
【０００４】
（発明の概要）
本発明に従って、自由空間光通信（ＦＳＯＣ：Ｆｒｅｅ−Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）における近年新たに出現した技術開発にみられる利点は、一対多方向ハブで用いる電子的に速いマルチビーム光トランシーバ（又は、‘ＡＭＯＸ’）を提供するための低製造コストで済むアドレス可能な送信素子及び受信素子の高密度アレイを含み、一対多方向ハブは、複数の光ビーム（それぞれ異なる通信信号を用いて独立して変調される）が、複数の空間的に多様なサイト又はノードに比較的広視野において共通の光アパチャを通してそれぞれ異なる方向に、所望通りに、動的に導かれ且つ空間的に方向を変えられるようにできる、ことである。本発明は又、関連するノードの動き及び大気によりもたらされる歪みに起因する位置決めエラー及びトラッキングエラーを積極的に補正するトラッキングアレイを含む。電子的に速くするために、本発明においては動く部分がなく、それ故、大きさ、重さ及びコスト削減の達成が可能であり、又、信頼性及び機能性を改善することができる。
【０００５】
多重ポートの入力−出力ユニットは入力クロスバースイッチを含み、それらのそれぞれの入力はデジタル電気通信ネットワークにより供給される加入者信号のような電子信号を用いて供給される。クロスバースイッチの出力は、出力ビームがテレセントリックレンズシステムに結合される発光（レーザ）素子の（２次元）アレイに結合されたそれぞれの送信駆動回路に接続される。統合トランシーバ用途に対しては、テレセントリックレンズシステム（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｌｅｎｓ ｓｙｓｔｅｍ）は、発光アレイにより生成された送信波長における光がレンズの凸面に移動し且つその凸面から分岐することを可能にし、レンズの凸面に入射する光が光電子受信器アレイにダイクロイック界面により反射される。
【０００６】
テレセントリックレンズ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｌｅｎｓ）は、送信器アレイにおいて関連する発光体のビーム軸からの２次元空間変移に従ったレンズ分岐の出射面におけるアパチャ内の焦点を通る経路に沿って、送信アレイの空間的位置からのビームの幾何学的変換を行う。このことは、特定の信号チャンネルを伝える光ビームの所望の経路が２次元送信器アレイに入力するクロスバースイッチを制御することによりすぐに規定されることが可能であることを意味している。このように、本発明は、発光体の位置とその角度送信方向との間の正確な関係を用いて、テレセントリックレンズの共通の共用するアパチャを通る区別可能であるように分岐した自由空間ビームになるように２次元平面状発光体のアレイから複数の送信光信号を発射することが可能である。
【０００７】
受信又は帰還経路の方向において、テレセントリックレンズは、複数の受信光ビームを受け入れ、且つそれらを２次元受信器アレイに導く。このレンズシステムの光学により一般的なフーリエ変換操作が得られ、焦点面の位置は特定角度のビーム方向に一致する。光検出器アレイは、受信器側のクロスバースイッチに結合されたそれぞれの信号複調出力に接続された出力、即ち、送信クロスバースイッチに結合されたデジタル加入者ラインに供給される出力を有する。
【０００８】
ハブサイトに関連する空間的位置が正確に分かっているノードから１つ又はそれ以上のビームをモニタするために、補助トラッキング（２次元）光検出器アレイを用いることが可能である。リアルタイムのポインティング／トラッキング及び大気補正能力を備えるように、クロスバースイッチに供給される偏向コマンドにおいて、必要に応じて、適切な（Ｘ−Ｙ）補正を施す制御プロセッサにより、エラー補正信号として、トラッキングアレイにおけるそのようなノードからの‘トラッキング’ビームの空間的位置における任意のオフセットを用いる。
【０００９】
用途によっては、送信及び受信ビームは、２つの空間的に分離したアパチャ間で分離されることが可能であり、それ故、（送信対受信）波長分離は必要ない。そのようなビーム分離の潜在的な利点としては、被改善信号の補正のための大きい受信器アパチャ、特定の送信及び受信アレイ構成に対する最適化、並びに回折光学素子又はホログラフィック光学素子の複雑さの削減が挙げられる。
【００１０】
送信器アレイは多様な方法を用いて実施することが可能である。一般的に、空間的に安定しているリモートノードの数が少ない場合、サブポピュレーテドでスイッチングできないか又は‘速くない’アレイを用いることが可能である。‘速くない’用途の例としては、互いに適度に近いビルディングを‘局所的に’接続するためのイーサネット（登録商標）ネットワークを用いることが含まれる。特別なディスクリート光ファイバのセットは、発光体アレイ面におけるそれぞれの空間的位置に対応する光ファイバのアレイを介して有線配線されることが可能であり、それにより、テレセントリックレンズにより得られた空間対角度変換は加入者ノードに角度方向に沿って発光体ビームを導く。
【００１１】
本発明をそのような‘速くない’マルチビームターミナルに適用することが可能であるが、本発明の好適な実施形態は、上述した‘速い’構成を用い、その構成において、何れかのアレイ位置がアクティブである可能性があり且つ動的にアドレス可能である。限定されない速いアレイの適用は、モバイル通信を行う人がローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を迅速に活用することを可能にし、ネットワークのノードの数及び／又は物理的位置における動的変化を提供し、ノード間の相対的動きをトラック且つ補正することが可能である。
【００１２】
コストパフォーマンスがよく、速い送信器アレイを実現するために、ＭｘＮデジタルクロスバースイッチと組み合わせて、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）構成要素を用いることが可能である。それに代えて、ＶＣＳＥＬは、サブポピュレーテドアレイにおいてディスクリートレーザダイオードにより置き換えることが可能である。ＶＣＳＥＬの利点は、それらが多重横モード（ＭＴＭ）で同時に発光する能力を備えていることである。多重横モードソースは、ＦＳＯＣリンクにおいて大気のシンチレーションの影響を低減することが可能である。ＭＴＭソースを用いると、ビームは幾分均質であり、それ故、シンチレーションに起因する付加的な位相の混乱を著しく減少することが可能である。又、送信に先立ち位相面の混乱を低減させるために特別仕様の光学素子を用いることにより、この効果を得ること又は向上することが可能である。限定されない例として、ＤＯＥ／ＨＯＥ又は簡単な拡散器を用いることがかのうである。この技術は又、意図された用途のために所望のビーム角度を得るために用いることが可能である。
【００１３】
電子的構成の代替として、各々のクロスバースイッチを全て光ファイバ光スイッチとして備えることが可能である。光ファイバを用いる方法の主な利点は、入力信号の数に適合するようにレーザ素子の数を少なくすることが可能であることである。送信素子アレイは、十分ポピュレーテドな光ファイババンドルから構成され、所望の素子の中心間間隔をもった構成及び大きさにされることが可能である。
【００１４】
送信器アレイは、空間的に周期的なポイントソース発光体の２次元アレイから構成されるが、受信器アレイに衝突するビームは、加入者ノードの角度位置に依存するアレイ内の任意の位置に入射することが想定される。受信器アレイ素子は、従って、最も大きいと見込まれるアクティブ範囲（最大、アレイの所望の空間分解能まで）と最も大きいと見込まれるフィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）（又は光検出器素子間において殆どデッドスペースがない）とを有する。又、それぞれの光検出器素子の検出器、プレ増幅器及びフィードバックレジスタ構成要素に接続されるノードは、受信器の帯域幅性能を保つために、比較的“物理的に短い”ことが必要である。２次元受信器アレイにおいて、このようなノードの長さは、実装構成要素の第２寸法の損失のために受け入れられないものとなることが可能である。受信器アレイは、最適化されたディスクリート光検出器のサブセットに光ファイバスイッチのセットを介して導かれるファイババンドルの出力として構成されることが可能である。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
一対多方向ハブで用いる（電子的に）速い他ビーム光トランシーバ（ＡＭＯＸ）として構成される、本発明に従ったマルチビーム通信装置の限定されない実施形態は、図４に示すように、破線１０で示す多点入力出力ユニットから構成されており、デジタル電気通信網を経由して供給される（加入者）信号を含む多様な信号輸送経路を経由して供給される信号のような、電子信号を受信するために結合されている。限定されない例として、送信方向において、入力出力ユニット１０は、電気通信サービスプロバイダの本社として一般に設置されるタイプの、Ｍ個の入力に対してＮ個の出力をもつクロスバースイッチ１１を含むことが可能である。
【００１６】
クロスバースイッチ１１は、Ｍ個の入力ポート１２の配列の何れかの入力ポートに適用される信号が、Ｎ個の出力ポート１３の配列の何れかの出力ポートに（関連する制御プロセッサ１００により）制御可能にして電子的に導かれることを可能にするように機能する。スイッチ１１のＮ個の出力ポート１３は一組の送信ドライバ回路２０のそれぞれの信号入力２１に順番に結合され、その出力２２は集積された発光体アレイ３０の信号入力に結合される。発光体アレイ３０は、拡張された体積の多点送信可能範囲のための好適な実施形態において、１ｘＫ個の素子の配列から構成されることが可能であり、発光体アレイ３０は２次元空間における発光素子アレイ（例えば、レーザ）から構成され、その出力ビームは所定の光送信波長λＴを有している。限定されない例として、発光体アレイ３０は、略平面の出力表面３２を有する、米国カリフォルニア州サニーベールにあるＮｏｖａｌｕｘ社製のレーザ発光体アレイから構成され、テレセントリックレンズシステム４０の略平面の入力平面４１をもつそのアレイへの光学的な結合を容易にするものである。
【００１７】
テレセントリックレンズシステム４０は、隣接する第２の両側が凸状のビーム変換レンズ素子６０に光学的に結合される第１の略平面の面５１と第２の凸状の面５２を有する第１レンズ素子５０から構成されることが可能である。２次元発光アレイに対しては、レーザ素子アレイ３０の中心に軸７０により垂直に交わるテレセントリックレンズのレンズ素子の幾何学的表面は、軸７０について回転対称な表面である。
【００１８】
本発明のトランシーバの例に対しては、レンズ素子５０は、第１及び第２レンズブロック構成要素５３、５４を、発光体アレイ３０により生成された送信波長λＴにおける光が界面５５を通過し且つ第２凸面５２から出ることを可能にする周波数選択（ダイクロイック）インタフェース５５に結合することにより形成されることが可能であり、このとき、レンズ素子６０から面５２により受け取られるような異なる受信器波長λＲをもつ光は、光電子受信器アレイ１３０が結合される側面５６方向にレンズのダイクロイック界面５５により反射される。この受信器アレイは、好適には、前部に垂直入射するバンドパスフィルタを含む。このフィルタは、テレセントリックレンズ配列における波長選択ダイクロイックミラーと共に、受け取られた信号からバックグラウンドの光を効果的にフィルタリングするために、効果を発揮する。
【００１９】
それに代わる構成においては、図５（３つの全二重通信路に関連した送信及び受信ビームを示す）における参照符号８０及び９０で示すように、２つのサブ構成要素として、レンズ要素５０を導入することが可能である。図５のテレセントリックレンズの構成においては、図４の構造のように、第１サブレンズ部８０はダイクロイック界面５５により結合された２つの構成要素により形成されている。サブレンズ部８０は、発光体アレイ３０が結合された略平面の第１面８１と、第２サブレンズ部９０の関連する平面９１に隣接する第２平面８２とを有している。サブレンズ９０は、隣接する両側が凸面光ビーム変換レンズ素子６０に光学的に結合された凸面９２を有する。
【００２０】
図４に示すように、テレセントリックレンズ配列４０は、レンズ素子６０の出射面６６におけるアパチャ６４内の焦点６２を通る経路に沿って且つその焦点から分岐するようにして、レンズ素子５０の略平面的な表面５１に入射する光ビームの幾何学的変換を行うために効果を有する。図５に示すように、レンズシステムのパラメータは、アパチャ６４の直径がアレイ３０内のそれぞれの発光体からの各々の送信ビームを広げるのに十分適応できるようなものである。送信ビーム（送信波長λＴ）は、アレイ３０が結合した表面５１とテレセントリックレンズとの間の距離を簡単に制御することにより所望の角度ビーム幅量に焦点がぼかされる。これがビームのステアリング方向に影響を与えることはない。
【００２１】
テレセントリックレンズにより実施される幾何学的変換は、レンズ素子６０の出射面６６を出射し且つ中心ビーム軸７０から分岐するビームの行程により範囲を定められる角度αが発光体アレイ３０内の関連する発光体のビーム軸７０からの２次元空間変位に従って限定できる。このように、図４に示すように、相対的に軸７０に近い発光体アレイ３０内のレーザ発光体により生成されるビームｂｉは、軸から遠くに間隔を空けられたレーザ発光体により生成されたビームｂｊに比べてより小さい分岐角度で軸７０から焦点６２を通り分岐される。
【００２２】
これは、上述のように、角度分岐に対する空間分離の幾何学的パラメータに基づいて、信号が適用されるどれか１つのそのスイッチの入力ポート１２から、光素子アレイ３０における関連する光ビーム素子が意図された行程を生成するスイッチ出力ポート１３の１つまで信号を導くために、特定の信号チャンネルを伝える光ビームの所望の行程が２次元光ビーム素子アレイ３０を動かすクロスバースイッチ１１を制御することにより直ちに限定されることが可能である、ことを意味している。
【００２３】
即ち、本発明は、発光体の２次元平面アレイから区別される分岐した自由空間ビームにテレセントリックレンズの共通の共用アパチャにより発光体の位置とその角度送信方向との間の正確な関係を用いて、複数の送信光信号を伝えることが可能である。それとは逆に、受信又は帰還経路の方向において、テレセントリックレンズは複数の受信する光ビームを受け入れ、２次元受信器アレイにそれらを導く。レンズシステムの光学系は典型的なフーリエ変換機能を生成し、焦点面の位置は特異な角度ビーム方向に一致する。
【００２４】
所定の光学受信器波長λＲにおいて受け取られたビームは、光電子受信器アレイ１３０におけるビームスポットが何れかのアレイのデッドスペースに比べて適切に大きくなるように、好適に焦点ぼけされる。このような焦点ぼけは、レンズ部９０及び６０が一対の単純な球面レンズとしての機能を果たすことができるように、回折により限定される光学的性能に対する要求を予め回避する。
【００２５】
上述した内容で簡単に指摘したように、本発明の例の一対多方向トランシーバの適用に対して、レンズ素子５０のダイクロイック材料がコーティングされた界面５５は、光電受信器アレイ１３０が結合された側面５６にレンズ素子６０から面５２により受け入れた光を反射する。送信器アレイ３０の場合のように、光受信器アレイ１３０は光検出器素子の線形（１ｘＪ）アレイから構成されているが、光送信波長λＴとは異なる光受信波長λＲにおいて特徴的な感度をもつ光検出器素子の２次元アレイとして好適には構成される。
【００２６】
限定されない例として、光検出器アレイ１３０は、レンズ素子５０の略平面的な側面５６をもつアレイに非常によく光学的に結合することを容易にするために、略平面の入力表面１３２を有する米国ニュージャージ州プリンストンのＳｅｎｓｏｒｓ  Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ社製の光検出器アレイから構成されている。トランシーバの適用により各々のリモートサイトとの双方向への送信が可能な通信が提供される場合に、光検出器アレイ１３０は、光検出器素子がテレセントリックレンズによりリモートサイトから導かれた入力ビームと即座に位置調整できるように、効果的には、レーザ発光体アレイ３０と同じサイズを有することが可能である。
【００２７】
光検出器アレイ１３０は、一組の受信器復調装置１４０のそれぞれの信号入力に結合された信号出力ポートを有し、その出力は、Ｘ入力及びＹ出力のクロスバースイッチ１５０の信号入力と結合される出力は、Ｘ＝Ｎ及びＹ＝Ｍであるように、入力クロスバースイッチ１１に対して相補的に構成されている。従って、出力クロスバースイッチ１５０からの出力信号は、双方向への送信が可能な通信の場合に対して送信側クロスバースイッチ１１に結合されたデジタル加入者ラインに供給されることが可能である。
送信クロスバースイッチ１１に対する補間的意味合いから、受信器のクロスバースイッチ１５０は、何れかのＹ＝Ｍの出力ポートに制御可能であって電子的に導く受信器復調装置回路１４０から何れかのＸ＝Ｎの入力ポート１５１に適用された信号がイネーブルとする役割を果たす。
【００２８】
又、図４に示すように、焦点合わせレンズ１６２に関して結合された補助的トラッキング（２次元）光検出器アレイ１６０が備えられている。アレイ１６０は、従来の電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）受信器アレイから構成されることが可能である。トラッキングアレイ１６０の出力は、上述のように、クロスバースイッチ３０及び１３０の制御により信号ビームの空間的な偏向を規定する制御プロセッサ１００に結合されている。補助アレイ１６０は、ハブサイトに関連する空間的位置が演繹的に知られているノードから１つ又はそれ以上のビームをモニタするために用いられる。トラッキングアレイ１６０におけるそのようなノードからの‘トラッキング’ビームの空間的位置における何れかのオフセットは、必要に応じて、リアルタイムのポインティング／トラッキング及びオートスフェリック（ａｕｔｏｓｐｈｅｒｉｃ）補正能力を提供するように、クロスバースイッチ３０及び１３０に制御プロセッサ１００により供給される舵取りコマンドにおいて適切な（Ｘ−Ｙ）補正を付与するために制御プロセッサによりエラー補正信号として用いられる。
図４及び５に示した光トランシーバの形態は従来の球面レンズを用いることが可能である一方、回折光素子（ＤＯＥ）又はホログラフ光素子（ＨＯＥ）のような他の構成要素を用いて重要なコスト及び性能の優位性をもたらすことが可能であることを認識する必要があり、そのような素子の波長に依存する特徴が２つの波長のトランシーバシステムを構成する過程で考慮されなければならないことが認識されている。
【００２９】
図６に示すように、一方向ターミナルのようなもののための光学的構成は、ＡＭＯＸ構成のそれぞれの送信又は受信部分のためのダイクロイックビームスプリッタがないことを除いて、図５に示したものと類似している。ここで、ターミナルは、適応マルチビーム光送信器（ＡＭＯＴ：Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｕｌｔｉ−ｂｅａｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）又は適応マルチビーム光受信器（ＡＭＯＲ：Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｕｌｔｉ−ｂｅａｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）としての機能を果たす。ＡＭＯＸ、ＡＭＯＴ又はＡＭＯＲの何れが実施されようと、光学システムの構成要素は特定のアレイおよびビーム形成の要求と即座に比較するｓｃａｌｅことが可能である。重要な自由度の量は、従って、フィールドオブリガード（ＦＯＲ：Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｒｅｇａｒｄ）、データ速度、リンク範囲等における相互依存性変化を含む広い範囲のシステムの応用に適用させるために利用可能である。
【００３０】
統合された送信／受信の形態又は分離された送信及び受信の形態のどちらが採用されるに拘わらず、ビームは共通のアパチャを共用し、それ故、全体のフィールドオブリガード（ＦＯＲ）に亘る連続的な近視野ビーム被覆が得られる。更に、図７のビーム形成の幾何学的図において示すように、隣接する送信ビーム間の角度Θｉが、例えば−３ｄＢのビームエッジ間の角度ビーム幅Θｄに過ぎない場合、連続的なビーム被覆は遠視野にもまた及ぶ。最も効率的なビーム空間の使用は、Θｉ＝Θｄに伴って起こる。この場合、隣接するビームはＬｓ＝Ｄｔ／ｔａｎΘｉの距離において“解決できる”（例えば、中央の線はビーム幅の半分だけ離れる）ようになる。
【００３１】
上述のＦＳＯＣターミナルについての送信器アレイは種々の方法において実行されることが可能である。少数のリモートノードのみを有する比較的単純な適用であって、又一般に空間的に安定的である場合においては、小集団化した切り替え不可能なアレイを用いることが可能である。そのような‘速くない’主な適用の例は、互いに妥当な近さの近接性にあるビルをローカルに接続するためのイーサネット（登録商標）ネットワークの使用を含む。
【００３２】
そのような適用のために、図８の本発明の実施形態における電気的入力信号と光入力信号１９６を受信するために、比較的制限された一組の分離したレーザソース１９１は図９の本発明の実施形態におけるレーザ増幅器１９５に結合される。レーザの出力は、発光体アレイ面１９４内のそれぞれの空間的位置１９３に関連する光ファイバ１９２のアレイを通る有線配線により得ることができ、そのために、テレセントリックレンズにより得られた角度対空間変換は加入者のノードの所望の角度方向に沿って発光体ビームを導く。図９の光ファイバ入力の実施形態の利点は、それぞれの入力信号が自由空間に送信される前にのみ光増幅を必要とすることが可能であることである。光学的には、光ファイバアレイはフル実装ファイババンドルから構成され、それにおいて、特定の光ファイバのみが加入者の要求に基づいてレーザソースに接続される。どちらの場合においても、図に示すように、Ｍ個の入力データチャンネルはＭ個の出力ビーム方向に特定されてマッピングされている。
【００３３】
本発明をそのような‘速くない’マルチビームターミナルに適用することが可能であるが、本発明の実施形態は、任意のアレイの位置が潜在的にアクティブ且つ動的にアドレス可能である、図４乃至７を参照して先に説明した‘速い’構成を採用する。速いアレイの限定的でない適用は、モバイル通信を行う人がローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を即座に表示することを可能にし、ネットワークのノードの数及び／又は物理的位置における動的変化を提供し、ノード間の相対的動きを探知し且つ補正する。
【００３４】
高コストパフォーマンスを実現するために、速い送信器アレイ、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）構成要素は、図１０の構造において示されるように、ＭｘＮデジタルクロスバースイッチと組み合わされたアレイ３０から構成される。それに代えて、図１１の実施形態に示すように、ＶＣＳＥＬを図８の実施形態と同様に、サブポピュレーテドアレイにおける分離したレーザダイオード１９１に置き換えることが可能である。ＶＣＳＥＬを用いることの利点は、それらのマルチ横モード（ＭＴＭ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍｏｄｅ）を同時に発振する能力である。マルチモードファイバリンクにおけるモードノイズを取り除くために発光ダイオード（ＬＥＤ）の能力に類似する理由から、マルチ横モードソースは又、ＦＳＯＣリンクにおける大気シンチレーションの影響を著しく減少させることが可能である。
【００３５】
シンチレーションは、空気の屈折率が不均一であることによる大気中の多経路伝播の結果であり、建設的及び破壊的の両方にビームのビーム自身との一時的な干渉の原因となる。しかしながら、ＭＴＭソースを用いることにより、ビームは幾分“プレスクランブルド（ｐｒｅ−ｓｃｒａｍｂｌｅｄ）”又は均質化が既になされ、それ故、シングル横モードソースを用いて生じ得る問題と対比的に、シンチレーションによる付加的な位相スクランブリングの影響が著しく減少されることが可能である。又、送信に先立って位相面をスクランブルするために特別にデザインされた光学素子を用いることにより、このような効果を得ること又は向上させることが可能である。限定されない例として、ＤＯＥ／ＨＯＥ又は簡単な拡散器を用いることが可能である。この技術は又、意図された適用のための所望のビーム角度を得るために用いることが可能であることにより、両方の目的を効果的に達成することが可能である。
【００３６】
上述のＭｘＮデジタルクロスバースイッチは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及びＬＣＨＳＳ（Ｌｏｇｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ Ｓｗｉｔｃｈ）に限定されないが、それらのような多様なやり方において実施することが可能である。ＡＳＩＣの実施には、非常に高い実装密度（１つのみのチップにおいて）、高信頼性、及び低い所要電力を含む幾つかの重要な技術的優位性がある。しかしながら、少数であるが、ＡＳＩＣは、ＡＳＩＣファウンドリにおける高い設備コストと長く継続的なバックログにより、実際的でないことがあり得る。ＬＣＨＳＳによる方法は、スイッチ構成を制御するために、データ信号のルートを決めるためのいくつかの高速デジタルスイッチ及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を相互接続させる。この実施は、比較的低コストパフォーマンスであり且つ小さい体積に実装することが可能である。
【００３７】
送信アレイのレーザ発光体の電気バイアスは又、全体的な低電力操作を保つために且つ発熱性の影響を減少させるために個別に制御されなければならない。例えば、１０個の同時送信ビームの最大値が用いられる場合、半導体スイッチによりレーザにスイッチングされ且つデータスイッチを制御するために用いられる同じＦＰＧＡにより制御される、発光体は１０個の電源を用いて制御されることが可能である。
【００３８】
もう１つの方法として、図１２及び１３の参照符号１２０で示すように、全ての光ファイバ光スイッチとしてクロスバースイッチを実施することが可能である。光ファイバを用いる方法の主な優位性は、入力信号の数に適応させるために、レーザ素子１９１（例えば、送信波長が１５５０ｎｍであるレーザ）の数を減少させることが可能であることである。図１２及び１３の実施形態において、送信素子アレイ１２３は十分ポピュレーテドな光ファイババンドルから形成され、所望の素子の中心間距離になるように構成され且つ大きさ調整がなされることが可能である。
【００３９】
一対多方向（ＰＭＰ）の適用と一致して、データ速度、リンク範囲、ビーム幅、アレイ素子数、光出力、アドレス可能フィールドオブリガード（ＦＯＲ）、バックグラウンドの光ノイズ等の相互に関連のある問題を調査するために、予備のリンクの分析がなされる。ＰＭＰネットワークにおける加入者ノードは、シングルチャンネル（即ち、シングルレーザ、シングル検出器）であると想定できる。従って、加入者ノードは、従来の方法におけるマルチチャンネルハブターミナルを用いる双方向に送信可能なリンクを閉じることに一致する送信ビーム幅及び収集アパチャを用いることが可能である。限定されない例として、６．０インチの固定された加入者の収集アパチャを想定することが可能である。
【００４０】
図１４は、アレイの大きさ（必要な発光体の数）及びアドレス可能なフィールドオブリガード（ＦＯＲ）を確定するために多くのリンク分析の結果を一つにまとめた例を示している。特に、図１４は、３９及び６２２Ｍｂｐｓのデータ速度における３０°と９０°の間のＦＯＲの範囲をカバーするために必要とされるアレイ発光体の数を示している。例えば、１ｋｍの範囲、６２２Ｍｂｐｓのデータ速度及び３０°ｘ９０°のＦＯＲにおいて操作するために、送信アレイはおよそ２０ｘ６０程度の発光体素子を必要とする。
【００４１】
受信器アレイは、一般に、送信器アレイに比べてより複雑な実施が必要とされる。上述のように、送信器アレイを空間的に周期的な２次元の点状ソース発光体アレイから構成することが可能であるが、受信器アレイに衝突するビームにおいては、加入者のノードの角度の位置に依存してアレイ内の任意の位置に入射することが予想される。受信器アレイ素子は、従って、最大可能なアクティブな範囲（所望のアレイの空間分解能による）と最大可能なフィルファクタ（ｆｉｌｌ−ｆａｃｔｏｒ）（又は、光検出器の素子間にデッドスペースが殆どない）を有する必要がある。
【００４２】
更に、受信器の帯域幅特性を維持するために、それぞれの光検出器素子の検出器、予備増幅器、及びフィードバックレジスタを接続するノードは、比較的に‘物理的に短い’必要がある。２次元の受信器アレイにおいては、このノードの長さは、実装構成要素の第２寸法が小さ過ぎることにより許容されないことがあり得る。この問題を未然に防ぐために、検出器の予備増幅器は検出器の基板に混載されることが可能である。それに代えて、受信器アレイは図１５に示すように構成されることが可能であって、図１５はファイババンドル１２５の端部に受信されたビームの集まりを示し、その出力は、一組の光ファイバスイッチ１２０を通り、最適化された分離した光検出器１２７に導かれる。
【００４３】
このような図１５の受信器アーキテクチャは、基本的に、上述した図１２の送信アレイアーキテクチャの逆である。高フィルファクタを得るために、それぞれの光ファイバは、１００／１２５μｍのコア／クラッドの直径のような比較的薄いクラッド層をもつマルチモードのコアを含むことが可能である。直径１００μｍのコアは、１Ｇｂｐｓ以上で動作する高性能の光検出器のアクティブ領域に比較的よく適合する。バンドル２２１からのファイバは、光ファイバスイッチ２２３と適合させるために、必要に応じて、物理的に風を送られる。単一基板において１ｘ１６までの実装用に、現在市販されている集積化受信器アレイを用いることにより、受信器モジュール２２３の高密度実装を行うことが可能である。
【００４４】
以上の説明から明らかであるように、本発明は、一対多方向ハブにおいて用いる電気的に速いマルチビーム光トランシーバを実現するために、自由空間光通信における現在新たに出現した技術開発をうまく利用する。このような速いトランシーバにより、複数の空間的に多様化したサイト又はノードに対して比較的広い範囲に亘り共通の光アパチャを通してそれぞれ異なる方向に、任意のマルチ光ビームを動的に導き且つ空間的に方向を変えることを可能にする。更に、トラッキングアレイは、相対的なノードの動き及び大気によりもたらされる歪みに起因する可能性があるエラーをポインティングし且つトラッキングするために修正する。動く部分を有しないことから、本発明は、大きさ、重さ及びコストを削減し、又信頼性及び機能性を改善している。
【００４５】
本発明に従って幾つかの実施形態について添付図を参照しながら説明してきたが、本発明は、説明した内容と同じものに限定されるのではなく、多様な変更及び修正が可能であることは当業者には理解されることであろう。従って、本発明においては、以上の参照図を参照しながら詳細に説明した内容に限定されることなく、そのような変更及び修正全てをカバーすることを意図されるものであることを当業者は明快に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の通信システム（短距離の自由空間光ファイバベース）を示す図である。
【図２】
従来の通信システム（長距離の自由空間光ファイバベース）を示す図である。
【図３】
ハブ／スポークにより構成された複数のポイントツウポイントの自由空間光通信システムを示す図である。
【図４】
本発明の実施形態に従った（電子的に）速いマルチビーム光トランシーバを示す図である。
【図５】
図４のトランシーバにおいて用いることが可能であるテレセントリックレンズの構成の一例を示す図である。
【図６】
一方向ターミナルのためのテレセントリックレンズの構成の一例を示す図である。
【図７】
共通アパチャに関連したビーム形成の幾何学図を示す図である。
【図８】
電子的入力信号のための速くないマルチビーム光送信器を示す図である。
【図９】
光ファイバ入力信号のための速くないマルチビーム光送信器を示す図である。
【図１０】
クロスバースイッチと結合された垂直共振器型面発光レーザを用いる電子的に速い送信器アレイを示す図である。
【図１１】
クロスバースイッチと結合されたサブポピュレーテドアレイにおいてディスクリートレーザダイオードを用いる電子的に速い送信器アレイを示す図である。
【図１２】
光ファイバクロスバースイッチを用いるそれぞれの送信器アレイを示す図である。
【図１３】
光ファイバクロスバースイッチを用いるそれぞれの送信器アレイを示す図である。
【図１４】
アレイサイズとアドレス可能なフィールドオブリガードを確定するためのリンク分析のまとめられた結果の一例を示す図である。
【図１５】
受信器アレイの他の実施形態を示す図である。
【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８】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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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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