JP2014525717A - 高速自由空間光通信 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2011年8月26日に出願された米国仮特許出願第61/528,119号と、2012年7月12日に出願された米国仮特許出願第61/671,036号の利益を主張するものであり、これらの文献はそれぞれそのまま引用されることによって本明細書に組み込まれる。
相互の1対の内側に面したデバイスが完全な双方向通信を提供することを容易にするために、対称的な方法で受信側の検出器の対応するアレイ上に、高出力かつ高速の自由空間レーザービーム(関連出願に記載されているものなど)の小さなクラスタの単一の、二重の、一次元または二次元のアレイを含んだ実施形態が記載されている。クラスタは並列に接続されてもよく、あるいは、個別にかつ並列に駆動するバイナリ重み付けサブグループに分割されてもよい。いずれの場合も、それぞれの個々のクラスタからのビームは、それぞれの対応する検出器の集光レンズに転写するためにコリメータレンズへビーム束を広げる、ホログラフィック光拡散要素を用いて混ぜられてもよい。これは同様に、基板対基板の「デイジーチェーン」スキームが、すべての基板によって共有されるバスのようなデータ構造を可能にするのを容易にする。
図3のクラスタ(308)のそれぞれの内部で形成された、同一出願人による米国特許公報2011/0148328 A1号に記載された技術からのバイナリ重み付けアレイは、1つのクラスタに合わせて検出器で画像を映すことができる任意の妥当な数のサブクラスタに、デジタル強度変調(Amplitude Shift Keying)を用いることによって、追加データをそれぞれのチャネルにエンコードするために使用されてもよい。したがって、バイナリーデータは、バイナリーデータ中のビット位置に強度レベルを関連付けることによりエンコードされてもよい。1つの実施形態では、最小有効ビット(「LSB」)は最低強度レベルに関係している。したがって、有効にエンコードすることができるビット数は、最小のリンクバジェットよりも大きなLSB信号を有する受信端と、レベル識別回路の制度に主に依存している。上記の拡散素子は、検出器の不鮮明な領域にそれぞれのエミッターサブクラスタの異なる電力レベルを平等に分配するために理想的である。
000−クロックパルスの間、グループはない
001−クロックパルスの間、グループ(400)だけが作動する。
010−クロックパルスの間、グループ(402)だけが作動する。
011−同じクロックパルスの間、グループ(400)および(402)が作動する。
100−クロックパルスの間、グループ(404)だけが作動する。
101−同じクロックパルスの間、グループ(400)および(402)が作動する。
110−同じクロックパルスの間、グループ(402)および(404)が作動する。
111−同じクロックパルスの間、グループ(400)、(402)、および(404)が作動する。
実施形態において、レンズの後ろのフォトニック素子のアレイまたはクラスタは、フォトニック素子から放射されたビームが様々な位置でレンズに当たるように、指向性を提供する。ビームステアリングは、アレイの素子を選択的に活性化することによって達成されてもよい。これにより、非機械的な光学アライメントを可能にし、それにより、過剰なジンバル移動を減らすか除去し、エネルギーを保存し、そして、信頼性を高める。ビームステアリングはこの技術を駆使して達成されてもよい。一次元および二次元の指向性は、一次元のアレイまたは二次元のアレイをそれぞれ用いることによって、達成されてもよい。加えて、360°のカバレッジは、マルチセクタ、例えば、外部に面したアレイの六角形、球状、または、他の三次元の配置を採用することで達成されてもよい。
追加の実施形態は、レンズの後ろにフォトニック素子を採用する光スイッチ用途を考慮に入れている。この実施形態では狭いビームは好ましいこともある。データセンターラックでは、この技術を採用する光スイッチが置かれてもよく、その結果、光スイッチから放射された狭いビームは、ラック内の定義された位置に達することがある。例えば、図5で見られるように、スイッチは、マルチレンズアレイを採用してもよく、ラックの頂部に置かれてもよい。1つの実施形態において、装置ラック(equipment rack)(500)は、ラックの天井であることもある表面(504)に取り付けられた光スイッチ(502)をその内部に含んでもよい。検出器(508)は表面(506)に取り付けられてもよく、表面はラックの内部であるか、または、ラックの壁であってもよい。光スイッチ(502)と検出器(508)は、光スイッチ(502)と検出器(508)の間の光通信が、例えば、光スイッチ(502)と検出器(508)の間の見通し線を維持することで妨害されないように置かれる。この配置により、正確なデータを示すビーム(data shower beams)がラック内の定義された位置でサーバー接続に達し、ケーブルのないラックが可能となる。天井の配置が図5に例証されているが、光スイッチ(502)は、ラックの床に取り付けることができ、または、ラックの構成と、ラックのどの部分がビームにもっとも明瞭な見通し線を提供したかに依存して、床と天井の中間のどんな場所にも取り付けることができる。
VCSELデバイスのアレイは、高速スイッチマトリックスで使用されてもよい。情報は、100Gb/sのファイバー接続のような単一のソースによって、スイッチに供給されてもよい。ルーティングする必要のある情報のパケットはそれぞれ、パケットを適切な出力チャネルにルーティングする標準的なルーティングチップによって分離される。
多くの用途は、自由空間光通信の本明細書に開示された形式を利用してもよい。例えば、出力密度が目に安全な大きな領域にわたって出力密度を広げるための送信機を用いて、1つ以上のエミッタ/受信機がテーブルトップに埋め込まれ、光信号は透明な保護カバーを備えたカウンタまたは表面に達し、その結果、デバイス上のまたはデバイスに埋め込まれたエミッタ/受信機を有するモバイルデバイスが、テーブルトップに配され、および、1Gから10Gのデータソースに自動的につながれるようになる。同じ目的で部屋の他の位置または表面の周りに置かれているエミッタ/受信機を含む、多くの他の物理的な構成も可能である。例えば、レーザー・エミッター・クラスタは、第1の面と第2の面を備えた透明な平面として形作られた光学素子に、レーザービームを放射し、第1の面がレーザービームを受け取り、レーザービームの出力密度を目に安全なレベルまで減らすのに十分な第2の面の領域にわたって、レーザービームの出力を広げる。
能力を採用してもよい。
多くの追加の実施形態が可能である。例えば、1から1000までの対の送受信機のそれぞれ一致する対は、任意の数のレイアウト構成でこの技術を駆使してもよい。
Claims (53)
- 自由空間光通信のための光通信デバイスであって、
1以上のレーザービームを放射するように構成されたレーザーエミッタの1以上のクラスタ、
1以上のレーザービームを受け取り、1以上のレーザービームのそれぞれの拡散した光錐を出力するように構成された光拡散素子、
拡散した光錐を組み合わせてレーザービームの束にするように構成された1以上のコリメータレンズ、
レーザービームの束を受け取り、レーザービームの束に焦点を合わせて、焦点を合わせたレーザービームの束にするように構成された1以上の集光レンズ、
1以上の集光レンズから焦点を合わせたレーザービームの束を受け取るように構成されたレーザー検出器の1以上のクラスタを備え、
レーザー検出器のそれぞれのクラスタは、1以上のコリメータレンズと1以上の集光レンズによって、エミッタの対応するクラスタに光学的に結合されるように構成されている、
ことを特徴とする光通信デバイス。 - レーザービームの束は、並進公差の所望の量に基づいて、1以上の集光レンズをオーバーフィルまたはアンダーフィルするように構成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の光通信デバイス。 - レーザービームの束が、1以上の集光レンズをオーバーフィルまたはアンダーフィルするように構成されているとき、余分なレーザーエネルギーを収集するために、レーザー検出器の1以上のクラスタのなかからそれぞれのレーザー検出器を囲むように構成された光起電力デバイスをさらに備える、
ことを特徴とする請求項2に記載の光通信デバイス。 - レーザービームの束は1以上のレーザービームの組み合わせであり、組み合わせた1以上のレーザービームはコヒーレントではない、
ことを特徴とする請求項1に記載の光通信デバイス。 - 1以上の集光レンズは、検出器の1以上のクラスタの表面の後ろの焦点でレーザービームの束に焦点を合わせるように構成されており、したがって、焦点を合わせたレーザービームの束は、検出器の1以上のクラスタの表面で不鮮明な円を形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光通信デバイス。 - 焦点は、所望の並進公差と、焦点を合わせたレーザービームの束の所望の光パワーに基づく、
ことを特徴とする請求項5に記載の光通信デバイス。 - 1以上のドライバをさらに備え、
レーザーエミッタの1以上のクラスタのそれぞれは、並列に電気的に接続されるように、および、1以上のドライバのなかの単一のドライバによって駆動されるように構成された2以上のVCSEL素子を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の光通信デバイス。 - レーザーエミッタの1以上のドライバは表面の中央に位置しており、独立した制御回路によって駆動され、
レーザー検出器の1以上のクラスタは、レーザーエミッタの1以上のクラスタに対して遠位に位置している、
ことを特徴とする請求項1に記載の光通信デバイス。 - レーザーエミッタの1以上のクラスタは、直線アレイで並べられている、
ことを特徴とする請求項8に記載の光通信デバイス。 - レーザーエミッタの1以上のクラスタは、二次元アレイで並べられており、レーザー検出器の1以上のクラスタは、複数のエミッタのまわりで周辺部を形成する、
ことを特徴とする請求項8に記載の光通信デバイス。 - 1以上の集光レンズは、所望のアライメント公差またはリンクバジェットに基づいて、レーザービームの焦点を合わせた束を不鮮明にするように構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の光通信デバイス。 - バイナリデータのストリングの光自由空間送信のためのシステムであって、
前記システムは、
第1の出力レベルに関連付けられるレーザーエミッタの第1のクラスタ、
レーザーエミッタの第1のクラスタよりもはるかに多くのレーザーエミッタを含む、第2の出力レベルに関連付けられるレーザーエミッタの第2のクラスタ、
クロックパルス中にレーザーエミッタの第1のクラスタに関する第1の活性化状態を測定するように構成された回路であって、前記第1の活性化状態がバイナリデータのストリングにおける第1のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、
クロックパルス中にレーザーエミッタの第2のクラスタに関する第2の活性化状態を測定するように構成された回路であって、前記第2の活性化状態がバイナリデータのストリングにおける第2のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、
を含むことを特徴とするシステム。 - レーザーエミッタの第1のクラスタとレーザーエミッタの第2のクラスタは、歪を減らすために動作するように構成されている、
ことを特徴とする請求項12に記載のシステム。 - レーザーエミッタの第2のクラスタは、レーザーエミッタの第1のクラスタの2倍の数のレーザーエミッタを有している、
ことを特徴とする請求項12に記載のシステム。 - レーザーエミッタの1以上の追加のクラスタをさらに含み、
レーザーエミッタの1以上の追加のクラスタの中のレーザーエミッタの追加の各クラスタは、レーザーエミッタの先のクラスタからのレーザーエミッタのもっとも有意なバイナリグループの2倍の数のレーザーエミッタを有する、
ことを特徴とする請求項10に記載のシステム。 - レーザーエミッタの第1のクラスタとレーザーエミッタの第2のクラスタの出力を受け取るように、および、均一な強度のビームを形成するように構成されたホログラフィック光学素子およびレンズをさらに含む、
ことを特徴とする請求項10に記載のシステム。 - バイナリデータのストリングの光自由空間送信のためのシステムであって、
前記システムは、
第1の出力波長に関連付けられるレーザーエミッタの第1のクラスタ、
第2の出力波長に関連付けられるレーザーエミッタの第2のクラスタ、
クロックパルス中にレーザーエミッタの第1のクラスタに関する第1の活性化状態を測定するように構成された回路であって、前記第1の活性化状態がバイナリデータのストリングにおける第1のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、
クロックパルス中にレーザーエミッタの第2のクラスタに関する第2の活性化状態を測定するように構成された回路であって、前記第2の活性化状態がバイナリデータのストリングにおける第2のビット位置でのバイナリ値に基づいている、回路、
を含むことを特徴とするシステム。 - レーザーエミッタの第1のクラスタとレーザーエミッタの第2のクラスタからの出力を受け取るように、および、混合ビームを形成するように構成されたホログラフィック光学素子およびレンズをさらに含む、
ことを特徴とする請求項14に記載のシステム。 - 第1の出力波長と第2の出力波長が目に安全な波長に調節される、
ことを特徴とする請求項14に記載のシステム。 - レーザーエミッタの1以上の追加のクラスタをさらに含み、
レーザーエミッタの1以上の追加のクラスタの中のレーザーエミッタの追加の各クラスタは、追加の出力波長に関連付けられ、レーザーエミッタの追加の各クラスタは、レーザーエミッタの先のクラスタからのレーザーエミッタのもっとも有意なバイナリグループの2倍の数のレーザーエミッタを有する、
ことを特徴とする請求項17に記載のシステム。 - 非機械的なビームの指向性が可能な自由空間光通信のための光通信デバイスであって、
前記デバイスは、
レンズ、
レンズの後ろに位置付けられる複数のレーザーエミッタであって、複数のレーザーエミッタのそれぞれがレンズを介して明瞭な光路を辿るレーザービームを放出するように構成された、レーザーエミッタ、および、
レーザービームの所望の光路に基づいて複数のレーザーエミッタの1つを活性化するように構成された回路、
を含む光通信デバイス。 - 複数のレーザーエミッタは直線アレイで構成される、
ことを特徴とする請求項21に記載のデバイス。 - 複数のレーザーエミッタは二次元アレイで構成される、
ことを特徴とする請求項21に記載のデバイス。 - 複数のレーザーエミッタは外側に面したアレイの三次元配置で構成される、
ことを特徴とする請求項21に記載のデバイス。 - 自由空間光通信ネットワークであって、
第1の表面、
第1の表面に接続されたレーザー検出器のクラスタ、
第2の表面、および、
第2の表面に接続された光スイッチを含み、
光スイッチは、
レーザービームを放出するように構成されたレーザーエミッタのクラスタ、
レーザービームを受け取り、レーザー検出器のクラスタに当たるビームを出力するように構成された1以上の光学素子、および、
レーザーエミッタのクラスタを駆動することによって、レーザー検出器のクラスタに情報を送信するように構成された回路、
を含むことを特徴とする光通信ネットワーク。 - 第1の表面と第2の表面は装置ラックに対して内部にある、
ことを特徴とする請求項25に記載の光通信ネットワーク。 - 第1の表面は第1の装置ラック上に位置し、第2の表面は第2の装置ラック上に位置する、
ことを特徴とする請求項25に記載の光通信ネットワーク。 - 第1の表面は装置ラックの上にある、
ことを特徴とする請求項25に記載の光通信ネットワーク。 - 自由空間光通信ネットワークであって、
第1の表面、
第1の表面に接続されたレーザー検出器の第1のクラスタ、
第2の表面、および、
第2の表面に接続された送受信機を含み、
前記送受信機は、
レーザービームを放出するように構成されたレーザーエミッタのクラスタ、
レーザービームの第2のクラスタ、
レーザービームを受け取り、レーザー検出器のクラスタに当たるビームを出力するように構成された1以上の光学素子、および、
レーザーエミッタのクラスタを駆動することによって、レーザー検出器の第1のクラスタに情報を送信するように構成された回路、
を含むことを特徴とする光通信ネットワーク。 - 第2の表面は装置ラックの上にある、
ことを特徴とする請求項29に記載の光通信ネットワーク。 - 目に安全な自由空間光通信システムであって、
データを運ぶレーザービームを放出するレーザーエミッタクラスタ、および、
第1の面と第2の面を有する透明な平面として形作られた光学素子を含み、
光学素子は、第1の面でレーザービームを受け取るように、および、目に安全なレベルまでレーザービームの出力密度を低下させるのに十分な第2の面の領域にわたって、レーザービームの出力を広げるように構成される、
ことを特徴とする光通信システム。 - 光学素子はテーブルトップ上またはテーブルトップ内にある、
ことを特徴とする請求項31に記載の光通信システム。 - 光学素子からの出力は、幅広のビームのデータを1以上の受信機に送る、
ことを特徴とする請求項31に記載の光通信システム。 - 光学素子は、壁または天井に、あるいは、壁または天井の中に取り付けられる、
ことを特徴とする請求項31に記載の光通信システム。 - 受信機につなげられた光学フィルタをさらに含む、
ことを特徴とする請求項31に記載の光通信システム。 - エミッタは偏光しており、光学フィルタは偏光している、
ことを特徴とする請求項31に記載の光通信システム。 - エミッタに関連付けられる波長の送信をブロックする窓のフィルタをさらに含む、
ことを特徴とする請求項31に記載の光通信システム。 - 情報の第1のチャネルと第1の信号強度に関連付けられる第1の検出器、
情報の第2のチャネルと第2の信号強度に関連付けられる第2の検出器、および、
第1の信号強度と第2の信号強度に基づいて、情報の第1のチャネルまたは情報の第2のチャネルを選択するように構成された回路、
をさらに含むことを特徴とする請求項30に記載の光通信システム。 - 目に安全な自由空間光通信システムであって、
データを運ぶレーザービームを放出するレーザーエミッタクラスタ、
レーザービームを受け取るように、および、目に安全なレベルまでレーザービームの出力密度を低下させるのに十分な領域にわたって広げられる放散したレーザービームを形成するように構成された送信機、および、
送信機の上に設置される保護カバー
を含むことを特徴とする光通信システム。 - 保護素子はテーブルトップ上に、または、テーブルトップ内にある、
ことを特徴とする請求項39に記載の光通信システム。 - 放散したレーザービームを受け取るための1以上の受信機をさらに含み、
放散したレーザービームは1以上の受信機に幅広のビームのデータを送る、
ことを特徴とする請求項39に記載の光通信システム。 - 保護素子は壁または天井に、あるいは、壁または天井の中に取り付けられる、
ことを特徴とする請求項39に記載の光通信システム。 - 受信機につながれた光学フィルタをさらに含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の光通信システム。 - エミッタは偏光しており、光学フィルタは偏光している、
ことを特徴とする請求項43に記載の光通信システム。 - エミッタに関連付けられる波長の送信をブロックする窓のフィルタをさらに含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の光通信システム。 - モバイルデバイスのための自由空間光通信受信機システムであって、
エミッタクラスタからレーザービームを受け取り、および、目に安全なレベルまでレーザービームの出力密度を低下させるのに十分な領域にわたって放散した放散レーザービームを形成した、送信機からのデータを運ぶ放散したレーザービームを受け取るための受信機を含む、
ことを特徴とする受信機システム。 - 放散したレーザービームは幅広のビームのデータを受信機に送る、
ことを特徴とする請求項46に記載の受信機システム。 - 受信機につながれた光学フィルタをさらに含む、
ことを特徴とする請求項46に記載の受信機システム。 - エミッタクラスタは偏光しており、光学フィルタは偏光している、
ことを特徴とする請求項48に記載の受信機システム。 - 光スイッチデバイスであって、
第1のレーザービームを放出するレーザーエミッタの第1のクラスタ、
第2のレーザービームを放出するレーザーエミッタの第2のクラスタ、
第1のチャネルにつながれた第1の光学素子、
第2のチャネルにつながれた第2の光学素子、
第1のレーザービームを受け取るように、および、第1の光学素子に向けられたビームを出力するように構成されたレンズ、
第2のレーザービームを受け取るように、および、第2の光学素子に向けられたビームを出力するように構成されたレンズ、および、
第1のチャネルに送信されるデータに基づいてレーザーエミッタの第1のクラスタを駆動させるように、および、第2のチャネルに送信されるデータに基づいてレーザーエミッタの第2のクラスタを駆動させるように構成された回路、
を含むことを特徴とする光スイッチデバイス。 - 単一のレンズは、第1のレーザービームを受け取るように構成されたレンズと、第2のレーザービームを受け取るように構成されたレンズを含む、
ことを特徴とする請求項50に記載の光スイッチデバイス。 - 1以上の追加の光学素子をさらに含む、
ことを特徴とする請求項50に記載の光スイッチデバイス。 - 1以上の追加の光学素子が、拡散体、ミラー、およびMEMSデバイスの少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項50に記載の光スイッチデバイス。
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