CN105359436A - 光通信用接收装置、光通信装置和光通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使微弱光也能进行信息通信的光通信用接收装置、光通信装置和光通信方法。利用将多个光子检测元件中是否检测到光子作为数字信息信号提取的构成,从而能够进行可接收的最大频率为光子的计数间隔的倒数的光通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信用接收装置,光通信装置和光通信方法,并且更具体地涉及使用光子计数技术的光通信用接收装置,光通信装置和光通信方法。
背景技术
作为用于检测微弱的光的装置,有一种光子计测装置。
该光子计测装置通过将入射光电倍增管或雪崩光电二极管(以下,简称为“APD”)的光子所发射的光电子放大至可检测的水平,从而使得能够检测微弱的光。
光子计测装置一般主要用于光谱分析、高能物理学、天文学、医疗诊断、血液分析、环境测定、生物技术、半导体制造、材料开发等用途。
从中作为光子计测装置的一个例子,有一种假定从卫星接收雷达波束的在专利文献1中记载的单光子计测装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平7-167709号公报
发明内容
发明所要解决的课题
参考这些现有技术,有如下要改进的地方或问题点。
(1)在专利文献1所记载的光子检测元件中,利用多个由APD构成的扇形元件的集合体构成圆形的光检测元件部。从而,能够在利用某一扇形元件检测到光子后到该扇形元件恢复对光子可受光的状态期间,以概率期望用其他扇形元件来检测光子。然而,在该光子计测装置中,仅仅是在单比特通信上提高了表观计数率,而不是在光子同时到达多个扇形元件的情况下,多个光子计测装置分别同时检测光子,进行多比特信息通信。
(2)为了尽可能增大到达受光装置的微弱光的光强度,以设置聚光装置为前提。
(3)在信息通信领域,还没有使用光子计测技术或光子计数技术的例子。
即,本发明的目的是提供一种即使是微弱的光也可以进行信息通信的光通信用接收装置,光通信装置和光通信方法。
用于解决问题的方案
为了解决如上所述改进和问题点等而作出的本发明具体如下。
本发明的光通信用接收装置的特征在于,包括:多个光子检测元件,和将各个光子检测元件是否检测到光子作为数字信息信号提取的控制部。
此外,在所述发明中,还可以包括用于检测得到所述多个光子检测元件中的光子检测时刻的时刻收集部。
此外,在所述发明中,还可以包括将所述多个光子检测元件是否检测到光子积累一定期间而作为一个数字信息信号的加算部。
此外,在所述发明中,还可以在所述多个光子检测元件的前方配设扩散装置或聚光装置。
此外,本发明的光通信装置具有上述发明所述的光通信用接收装置,和设置于该光通信用接收装置的前方的光源选择装置,其特征在于:所述光源选择装置至少包括空间分割装置,所述空间分割装置由在平面空间上排列的、能够分别任意地改变反射角度的镜的集合体构成,对于向所述集合体入射的多个光线,通过对所述镜的反射角度的控制,可以切换是否导入受光器。
此外,根据本发明的光通信方法,其特征在于:将多个光子检测元件是否检测到光子作为数字信息信号提取。
发明效果
根据本发明,可获得在下面描述的效果中的至少一个效果。
(1)使用微弱光的信息通信成为可能。
(2)使用微弱光的基于并行传输的信息通信成为可能。
(3)通过按预定时刻对各光子检测元件是否检测到光子的情况进行提取,可以降低基于其它光源的背景噪声的影响。
(4)通过设置比用微弱的送信光所假定的光子的数量多的光子检测元件,并且该光子检测元件使用光子计数元件(photoncountingdevice),可以用其余的APD检测在检测到了光子的光子检测元件的脉冲恢复期间中所到达的后续光子,能以接近电子雪崩时间间隔的间隔进行信息通信。即,能够进行可接收的最大频率为光子的计数间隔的倒数的光通信。
(5)根据需要,通过在光子检测元件的前方配设聚光装置或扩散装置,可以将到达所述光子检测元件的光子数量(光子密度)调整到适当的水平。
(6)根据需要,通过在光子检测元件的前方放置与用于通信的波长对应、且适合于光子检测元件的配置而作成的全息图(hologram),可以将高可干涉性光源的光分散。
附图说明
图1是示出根据实施例1的光通信用接收装置的原理的图。
图2A是示出根据实施例2的光通信用接收装置(扩散装置)的原理的图。
图2B是示出根据实施例2的光通信用接收装置(聚光装置)的原理的图。
图2C是示出根据实施例2的光通信用接收装置(光量限制装置)的原理的图。
图3是示出根据实施例3的光通信用接收装置的原理的图。
图4是示出根据实施例4的光通信用接收装置的原理的图。
图5是示出根据实施例5的光通信装置的原理的图。
具体实施方式
下文中,参考各附图,对本发明的光通信用接收装置、光通信装置和光通信方法的实施例进行说明。
实施例1
<1>整体结构
图1是示出根据实施例1的光通信用接收装置的原理的图。
根据本发明的光通信用接收装置至少包括用于接收光的接收装置A。因而,根据本发明的光通信用接收装置不是检测由所述接收装置A接收的光子数的绝对数量,而是通过对光子数的时间变化进行检测来执行信息通信。
根据本发明的光通信用接收装置除了所述接收装置A以外,还可以设置具有向其它光通信装置投射光的光源B的发送装置,但是这并非是本发明中必不可少的配置。关于设置发送装置的方法,在使用环境中在公知技术的范围内适当选择即可。
此外,光源B可以使用LED光源、能够照射激光等的光线的公知部件。
在下文中,将对各个部件进行说明。
<2>接收装置
接收装置A是用于接收从光源B发送来的光的装置。
接收装置A至少包括多个光子检测元件1,和基于该多个光子检测元件1是否检测到光子C来控制数字信息的提取处理的控制部2。
<2-1>光子检测元件
光子检测元件1是一种用于检测光子的元件。
[光子检测元件的实例]
光子检测元件1可以使用能够对在一定时间内所入射的光子C的数量进行检测和计数的公知的光子计数元件(photoncountingdevice)。
例如,可以作为光子检测元件1使用的构件有:将在盖革模式下使用的雪崩光电二极管(APD)和猝灭电阻(quenchingresistance)组合了的构件、光电倍增管、单个或多个像素光子计数(MPPC)元件等。
[光子检测元件的数量]
在增加能同时检测的光子C的数量方面,期望光子检测元件1的配置数量越多越好。
[光子检测元件的配置]
接收装置A的对于来自光源B的光的接收表面,是通过将多个光子检测元件1二维或三维地配置而构成的。例如,可以将各个光子检测元件1配置在同一平面上,也可以立体曲面的方式配置。
[光接收表面的调整功能]
多个光子检测元件1期望是能够任意改变每个光子检测元件1的空间位置的结构。这是因为,在有多个光源B的情况下,能够为了更有效地接收来自特定的光源B的光,而将光接收表面调整到最佳形状。
<2-2>控制部
控制部2是将各个光子检测元件1是否检测到光子C作为数字信息信号加以提取的装置。
控制部2将各个光子检测元件1是否检测到光子C转换成数字信号,并在各个光子检测元件1之间取得同步后作为多位数据发送,或将各数字信号按各光子检测元件1计数。
<2-3>基本原理
参照图1,对根据本发明的光通信装置的基本原理进行说明。
在本发明中,将从光源B向自由空间D发送的光的强度(光子C的数量或密度)的变化判定为发送信息。
[信息信号的提取方法(1)]
从光的强度中提取信息信号的方法可以考虑各种方法。
例如这样的方法:预先构成为能够在所述光子检测元件1检测到光子C的检测时刻,按预定的定时捕获是否检测到光子C,并作为数字信息信号提取。
当假设如图1中所示由8个光子检测元件1构成光通信装置时,因为在时刻t0光子还没有到达,所以能够提取“00000000”这样的8位的数据串。
另一方面,在时刻t1一个光子到达的情况下,通过将检测到的光子检测元件1d的输出设为1,而将其它的光子检测元件的输出设为0,则可以提取“00010000”这样的8位的数据串。
[信息信号的提取方法(2)]
此外存在如下方法:对在预定期间内到达的光子C的检测数进行计数,将该计数信息作为数字信息信号而提取。
例如,在t1时检测出一个光子C,在t2时检测出两个光子C,可以将该期间内检测到的光子数C“3(“11”)”作为数字通信信息。
[其他公知技术]
在本实施例中,没有考虑到以下情况:从光源B发送的光子C未到达任一个光子检测元件1,或者多个光子C同时到达某一光子检测元件1,或者在光子检测元件1复原到可检测的状态的期间已有其它光子C到达,或者存在由其它的光源B所产生的光子C(噪声)。
然而,对于这些事件,可以通过在数据通信领域中公知的校正技术解决。
根据本实施方式,通过使用多个光子检测元件,至少可以进行基于所计数的光子数目的时间变化的信息通信。
实施例2
本发明也可以构成为将扩散装置E、聚光装置F或光量限制装置G、或它们的适当组合配置在所述光子检测元件1的前方,以使得光子C可单个地入射所述光子检测元件1。
在下文中,将参照图2对每个例子进行说明。
<1>扩散装置的设置例
图2A示出将扩散装置E设在接收装置A的前方的实施例。
扩散装置E可以使用扩束器等可以进行光的扩径和扩散的公知构件。
本实施例假定使光从光源B通过光学纤维H等,在一定程度的强度的阶段到达接收装置A附近。
在用接收装置A直接接收该光时,存在有接收装置A的容许值以上的光子C同时到达的情况。
于是,通过用设置于前方的扩散装置E将到达所述光子检测元件的光子C的数量(光子密度)调整到适当的水平,可以将多个光子同时到达单个的光子检测元件1的概率抑制为较低,从而能够进行更加准确且高度稳定的信息通信。
<2>聚光装置的设置例
图2B示出了在接收装置A的前方设置聚光装置F的实施例。
聚光装置F可以使用聚光透镜等能进行光的缩径、聚光的公知构件。
本实施例假定这样一种情况:来自光源B的光在自由空间D中发散,在接收装置A附近,光强度为预期以上程度的弱状态。
在用接收装置A直接接收该光时,存在应该在接收装置A检测到的光子C的数量不够的情况。
于是,通过聚光装置F将到达所述光子检测元件1的光子C的数量(光子密度)调整到适当的水平,能够进行更加准确且高度稳定的信息通信。
<3>光量限制装置的设置例
图2C示出了在接收装置A的前方设置光量限制装置G的实施例。
光量限制装置G可以使用光圈G1、偏振片、中性滤光片(NormalDensity(ND)filter)或减光滤光器等可以限制光量的公知的构件。
光量限制装置G如上述扩散装置E那样,通过设置于前方的光量限制装置G将到达所述光子检测元件的光子C的数量(光子密度)调整到适当的水平,可以将多个光子同时到达单个的光子检测元件1的概率抑制为较低,从而能够进行更加准确且高度稳定的信息通信。
实施例3
本发明也可以设为如下构成:新设用于检测得到所述光子检测元件1检测光子C的检测时刻的时刻收集部3(图3的(a))。
时刻收集部3可以设置为在控制部2中的一个功能,也以按每个光子检测元件1设置。
时刻收集部3可构成为:分别预先存储各光子检测元件1检测光子C的检测时刻,在控制部2中,将其中的预定的时刻(t1,t2,t3)的光子C的检测信息提取作为数字信息信号(图3(b))。
根据本实施例,将从光源B送出的光周期性地输出,并按该周期提取光子C的检测信息,由此,在去除由其它光源B造成的噪声等变得容易这方面是有益的。
实施例4
本发明也可以设成如下构成:在所述多个光子检测元件1中,在检测到光子C的光子检测元件1复原到可检测的状态的期间所到达的其它光子C可用其余的光子检测元件1检测,新设将一定期间中的这些光子检测信息加算成为一条传送信息的加算部4(图4)。
加算部4可以设为控制部2中的一个功能,并将来自控制部2的输出作为传送信息,也可以设在控制部2的后方,从用控制部2生成的数字信息信号生成新的传送信息。
例如,假定在时刻t1一个光子检测元件1检测到了光子的情况。
在该光子检测元件1使用APD的情况下,在检测到了光子C的APD的脉冲恢复时间TR中,即使新的光子C到达,也不能产生新的脉冲。
因此,通过预期后续光子C到达其余的光子检测元件1,即使有新的光子C到达,也能够尽可能地避免成为未被检测的状态。
通过使光预先充分地扩散,或者设置比微弱的发送光中所假定的光子C的数量多得多的光子检测元件1,可以提高后续光子C到达其余的光子检测元件1的概率。
根据本实施例,能以接近电子雪崩时间间隔的间隔来接收信息。
实施例5
接下来,对根据本发明的光通信装置进行说明。
在本实施例中,在有多个光源B的情况下,在接收装置A(光子检测元件1)的前方***设置有用于仅选择所希望的光源B的光的装置(光源选择装置Ⅰ)(图5)。
作为光源选择装置I的结构例,有空间分割装置I1和棱镜I2或半反射镜(halfmirror)的组合。
空间分割装置I1是这样一种装置,其由在平面空间上排列的、能够分别任意地改变反射角度的镜I11的集合体构成,对于向所述集合体入射的来自多个光源B的光线,通过对所述镜I11的反射角度的控制,可以切换是否向光子检测元件1导入。
空间分割装置I1可以使用数字微镜装置(DMD:DegitalMicromirrorDevice)、检流镜(galvanomirror)。
此外,镜I11的排列方式并不仅限于栅格状,也可以使用公知的排列方式。此外,镜I11构成为可分别任意地改变角度。通过改变镜的角度,就可以控制光线的反射方向。
来自各光源B1~B4的光线经由透镜J,棱镜I2,并指向空间分割装置I1中的投射平面上,在投射平面上存在有与光源数量相当的光点。
此时,例如,在希望仅将来自光源B3的光线送至光接收器的情况下,可构成为仅针对位于由该光源产生的光点的位置的镜I11(作为控制对象的镜)调整反射角度,以向棱镜I2反射,从而向光子检测元件1发送,并将来自其它光源投射的部分的镜的角度控制成不向光子检测元件1发送。
根据本发明,还可以进行在存在于自由空间的多个光通信装置中的、任意的通信装置之间的光通信。
附图标记说明
A接收装置
B光源
C光子
D自由空间
E扩散装置
F聚光装置
G光量限制装置
G1光圈
H光学纤维
I光源选择装置
I1空间分割装置
I2棱镜或半反射镜
J透镜
1光子检测元件
2控制部
3时刻收集部
4加算部
Claims (6)
1.一种光通信用接收装置,其特征在于,包括:
多个光子检测元件,和
将各个光子检测元件中是否检测到光子作为数字信息信号提取的控制部。
2.根据权利要求1所述的光通信用接收装置,其特征在于,
还包括用于检测得到所述多个光子检测元件中光子的检测时刻的时刻收集部。
3.根据权利要求1或2所述的光通信用接收装置,其特征在于,
还包括将所述多个光子检测元件中是否检测到光子积累一定期间后作为一个数字信息信号的加算部。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光通信用接收装置,其特征在于,
在所述多个光子检测元件的前方配设有扩散装置、光量限制装置或聚光装置。
5.一种光通信装置,具有权利要求1-4中任一项所述的光通信用接收装置,和设于该光通信用接收装置的前方的光源选择装置,所述光通信装置的特征在于:
所述光源选择装置至少包括空间分割装置,
所述空间分割装置由在平面空间上排列的、能够分别任意地改变反射角度的镜的集合体构成,对于向所述集合体入射的多个光线,通过控制所述镜的反射角度,可以切换是否导入受光器。
6.一种光通信方法,其特征在于:将多个光子检测元件中是否检测到光子作为数字信息信号提取。
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