JP2016503516A

JP2016503516A - マイクロ発光ダイオードを使用する高速短距離光通信のための方法および装置

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Publication number: JP2016503516A
Application number: JP2015542124A
Authority: JP
Inventors: アシュラーフハーリド、ナジーブ
Original assignee: 4233999
Current assignee: 4233999
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2016-02-04
Also published as: EP2920628A4; EP2920628A1; WO2014075178A1; CN104969106A; CN104969106B; KR20150084999A; CA2891250A1; US9279947B2; US20150241645A1

Abstract

開示する方法は、標準銅導体を光ファイバに置き換えることを現実的にして、光ファイバを介して高速で短距離の通信を達成する。これは、インターネット高速通信の「ラストマイル」問題の解決策である。【選択図】図１

Description

提案する解決策は、短距離高速通信のための方法および装置に関し、特に、短距離光通信リンクで発光ダイオードを使用する方法および装置に関する。

光ファイバを介する通信は成熟した技術である。電子信号は光信号に変換され、光信号は、光信号を光リンクで搬送する光ファイバに結合される。光ファイバリンクの他端で光検出器が光信号を電子信号に変換し、接続が完了する。電子信号を光信号に変換する手段は例えば、超高速で長距離に対してはレーザダイオードを使用し、高速で中距離に対しては発光ダイオードを使用する。

発光ダイオードおよびレーザダイオードからの信号を光ファイバに結合する手段は、当業界で充分に確立されている。米国特許第5,448,676号明細書は発光ダイオードをファイバの中心に整列させる手段を記載しており、米国特許第5,631,992号明細書は、ロッドレンズを使用して光源を光ファイバに結合することに重点を置いており、米国特許公開第2007/0031089号明細書は、高効率の方法で光を結合する手段を記載している。米国特許第4,466,696号明細書はさらに、同一手段で２地点間の通信リンクを形成するためにレーザダイオードまたは発光ダイオードを光ファイバに同様に結合することについて記載している。これらの方法は全て、仲介光学機器を使用することによって発光源の出射角を光ファイバの受光角に機械的に一致させる必要がある。

発光ダイオードを光ファイバに結合する上での進行中の課題は、発光ダイオードおよび光ファイバの物理的寸法の不整合である。公称的に、マルチモード光ファイバは６０ないし１００ミクロンの直径を有する。発光ダイオードは少なくとも３倍の大きさであり、公称的に３００ミクロンである。屈折光学系を使用して光を光ファイバに収束させない限り、光の大部分は失われる。小さめの出射角および小さい開口を有するレーザダイオードが使用される場合、レーザダイオードのコストおよび出射角は、発光ダイオードの場合と同じ問題を引き起こす。

発光ダイオードはコストがずっと低く、かつ中距離に適しているが、それでもなお短距離用には考えられない。これはコスト上の制約のためである。長距離および中距離の通信は膨大な量のデータを超高速で搬送することができ、コストは通信量で容易に償却される。短距離では、データの量はずっと少なく、かつ通常、単一のユーザで償却しなければならない。この短距離通信の問題の一例は「ラストマイル問題」と呼ばれる。光ファイバを地域社会の公共地点まで伸ばすことは実行可能であり、これは一般的な慣行である。この公共地点から、光ケーブルリンクを介して各ユーザに接続することは、思い止まらざるをえないほどのコストがかかり、かつ各ユーザに提供できる帯域幅を制限する。この「ラストマイル」リンクは現在、帯域幅が制限された銅導体を介して接続されている。

具体的に言うと、屈折光学系および機械的保持装置のようないかなる二次装置も使用せずに、発光ダイオードを光ファイバに結合する手段が必要である。

米国特許第5,448,676号明細書米国特許第5,631,992号明細書米国特許公開第2007/0031089号明細書米国特許第4,466,696号明細書

開示する発明は、標準銅導体を光ファイバに置き換えることを現実的にして、光ファイバを介して高速で短距離を通信する手段を提供する。これは、インターネット高速通信におけるラストマイル問題の解決策になり得る。

本書の開示は、大きいダイの発光ダイオードまたはレーザダイオードを使用する先行技術の方法と比較して、非常に低いコストで短期の通信を確立する手段を提供するのに特に効果的である。

マルチモード光ファイバの直径より実質的に小さいマイクロ発光ダイオードは、光ファイバの一端に接合されたときに、光源の出射角と光ファイバの受光角との間の不整合を埋めるために屈折素子を使用する必要無く、照明または通信の手段として、すなわちそれを目的として、光（信号）を光ファイバに結合するためのカプラになる。

提案する解決策の１つの態様では、ファイバの一端の表面にマイクロ発光ダイオードが配置された状態のクラッディング付き光ファイバ（すなわち光ファイバコア）用のカプラが提供される。発光ダイオードは、導体が取り付けられた接触パッド付き基板上に実装される。２つの導体は、発光ダイオードを制御する電子手段になる駆動電子部品への接続をもたらす。

提案する解決策の別の態様では、直径を有する光ファイバのケーブルリンクの端部を受容しかつ固定するとともに、カプラの長手軸を画定する開口と、前記長手軸と略同一直線上にあるエミッタ領域を有するマイクロＬＥＤダイとを含む、短距離高速通信用のカプラが提供される。

提案する解決策の別の態様では、短距離高速通信用の光リンクが提供される。当該光リンクは、少なくとも１つの光カプラと、少なくとも一方の端部が前記軸線に対し垂直に劈開され、前記端部が前記カプラの前記開口に挿入される光ファイバとを含み、前記マイクロＬＥＤが前記光ファイバのコアと当接し、前記ＬＥＤ出射領域が光ファイバのコアの直径の２分の１より小さい直径を有する。

提案する解決策のさらなる態様では、局所信号分配点と、前記信号分配点と複数の加入者の敷地との間に延びる複数の光リンクとを含む、電気通信ネットワークが提供される。

提案する解決策のさらなる態様では、直径を有する光ファイバによる短距離高速通信のためのマイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）実装組立体が提供される。当該組立体は、表面および裏面を有する基板と、前記表面に実装されたマイクロＬＥＤダイとを含み、前記ＬＥＤは光ファイバの直径の３分の１未満の直径の出射領域を有し、前記マイクロＬＥＤを駆動するための導体に接続するために前記裏面にコンタクトパッドが設けられた、マイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）実装組立体を提供する。

提案する解決策のさらに別の態様では、第１および第２ノード間でシグナリングおよびデータの少なくとも１つを伝達するための短距離通信システムが提供される。当該システムは、前記第１ノードにおける第１マイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体と、前記第１および前記第２ノード間において、第１および第２端部を有し、各端部がコア領域を有する光ファイバと、前記第２ノードにおける第２マイクロＬＥＤ組立体とを含み、各前記マイクロＬＥＤ組立体は、エミッタ領域を有する対応するマイクロＬＥＤを有し、各マイクロＬＥＤ組立体は、対応するマイクロＬＥＤエミッタ領域が前記光ファイバの前記対応する端部に直交かつ当接する状態で実装され、前記エミッタ領域は前記コア領域の少なくとも３分の１より小さい。

添付の図面に関連する本発明の実施形態の以下の詳細な説明により、本発明はいっそうよく理解されるであろう。図面全体を通して同様の特徴には同様の符号が付いている。本明細書における「頂部」および「底部」のような限定詞への言及は、単に本願で提示する図面の向きに関連して行われだけであって、絶対的な空間的向きを含意するものではない。
提案する解決策に係るマイクロ発光ダイオードと光ファイバとの間の突合せ結合を示す略図である。提案する解決策に係る光ファイバの受光角内の全内部反射を示す略図である。提案する解決策に係るプリント回路基板組立体の正面図を示す略図である。提案する解決策に係るプリント回路基板組立体の背面図を示す別の略図である。提案する解決策の実施形態に係る光ファイバに結合されたソケットを示す略図である。提案する解決策の実施形態に係る複数の光ファイバを結合するためのキャリアを示す略図である。「ラストマイル」問題の解決案を示す略図である。提案する解決策の実施形態に係る２つのサブチャネルのスペクトル強度変動グラフを示す略図である。提案する解決策の実施形態に係るアップストリーム周波数フィルタパターンを示す略図である。提案する解決策の実施形態に係るダウンストリーム周波数フィルタパターンを示す略図である。

発光ダイオード技術の最近の進歩は、直径が数ミクロンであり表面から数百ミクロン以下という小さな発光ダイオード装置を作製することを可能にした。マイクロＬＥＤとして知られるそのような装置は、光ファイバに光源を直接結合する手段、すなわち図１に示すような光信号結合を達成する手段を提供する。さらに、そのような装置は、標準的発光ダイオードより狭い出射角度をもたらす一体型凹面鏡またはマイクロレンズを用いて作製することができる。図１は、クラッディング１０２を備えたマルチモード光ファイバ１００および光ファイバ１００の一端の劈開面１０４に配置されたマイクロＬＥＤ２００を示す。典型的には、光ファイバコア１００は公称的に６０ミクロンの直径を有する一方、マイクロＬＥＤ２００は公称的に２０ミクロンの開口を有する。図示する実現例では、マイクロＬＥＤ２００は、コンタクトパッド３０２を備えかつ導体３０４が取り付けられた状態で示されたＰＣＢキャリア３００基板上に実装される。図示された２つの導体３０４は、接続されるとマイクロＬＥＤ２００の電子制御を行う駆動電子部品（図示せず）への接続を達成するためのものである。ＰＣＢキャリア３００基板は円形である必要はない。

そのようなマイクロＬＥＤ装置２００の特性は、光ファイバの受光角に近い角度で光を提供する手段として役立つ。すなわち、そのようなマイクロＬＥＤ装置２００は、図２に示すように光ファイバ１００の受光角に近い角度２０２で光を出射するのに役立つ。そのような小さな光源（２００）から光ファイバ１００に入る光は、ファイバ１００の受光角より低い出射角２０２で広がり、高効率の光信号結合を確実にする。

提案する解決策の実施形態では、図１に示すように光ファイバ１００の垂直劈開面１０４にマイクロＬＥＤ２００を実装するための組立体４００（図３および図４）を提供する。光ファイバ１００の直径の３分の１以下のマイクロＬＥＤ２００は、光学的または機械的仲介部品無しに、マイクロＬＥＤ２００を光ファイバ１００に突合せ結合することを可能にする。発光ダイオード２００の直径は２０ミクロンである。マルチモード光ファイバコア１００の直径は６０ミクロンである。確実を期すために言うと、これらの寸法は単なる例であって、原理は光源が光ファイバの直径より何倍も小さいことである。

マイクロＬＥＤ２００から出射された光信号は、いかなる妨害も無しに、あるいはいかなる他の光学装置をも通過することなく、垂直劈開面１０４に入る。光は光ファイバ１００の内部で広がり、光の実質的部分が、図２に示すように、光ファイバ１００中を長手方向に光ファイバ１００の反対側の端まで進み、そこで光検出器２１２は光信号を受信し、それを電気信号に変換する。

提案する解決策の好適な実施形態では、実装組立体４００は、ＧａＡｓから成る本発明を制限することなく、ドライバおよびインピーダンス整合部品５００を好ましくはマイクロＬＥＤダイ２０４の反対側の基板３００の裏側に備えた、小さな（ＰＣＢ）基板３００に実装されたマイクロＬＥＤダイ２０４を含む。導体３０４は、外部信号に接続するために実装組立体４００に取り付けられる。別の実施形態では、マイクロＬＥＤ基板２０４はドライバ電子部品（５００）をも含むので、マイクロＬＥＤ２００を変調および駆動するために外部デジタル信号だけが要求される。

マイクロＬＥＤ２０４が非常に小型であり、光ファイバ１００に取り付けることができない分野では、実用上の目的で、ソケット６００（またはキャリア）に実装されたマイクロＬＥＤ組立体４００を提供することが好ましい。図５に示す通り（正確な縮尺ではない）、ソケット６００は、マイクロＬＥＤ組立体４００のための台座６０２と、予め劈開された光ファイバ１００をマイクロＬＥＤ２０４と略同一直線上に挿入するための開口６０４とを含む。挿入は適切なスペーサ４１０によって制限される。ソケット６００を作成するために使用される材料は、光ファイバジャケット１０６の直径のばらつきに適応するように柔軟である一方、結合の完全性を維持するのに充分な強度を有するという特性を持つ。光ファイバ１００を開口に挿入した後、速硬化性エポキシ６０６を使用して結合を固定することができることが想定される。

提案する解決策の別の実施形態では、図５Ｂに示すように、複数のマイクロＬＥＤ組立体４００がキャリア６００に実装される。そのような多重組立体キャリア６００は、図５Ｃに示すように近所の信号分配点に特に適応される。

導体３０４の数は、例えば単信方式または二重通信方式の伝送能力を有するＰＣＢ基板の関数として決定される。

光ファイバ通信の標準は、１２６０から１３６０ｎｍまで延びる波長帯域（図６）で１３００ｎｍで運用するように確立されている。

今日の技術は、出射が充分に狭いので２つの異なる波長のサブバンドを図６に示すように標準帯域内に受け入れることのできる、発光ダイオードの設計を可能にする。提案する解決策の実現例では、アップストリームおよびダウンストリームのシグナリングサブチャネル用に、１つのマイクロＬＥＤはｗ₁＝１２８０ｎｍが中心になり、もう１つはｗ₂＝１３２０ｎｍが中心になるように構築される。本発明は、アップストリームまたはダウンストリームシグナリングに対するサブチャネルの特定の関連付けに制限されず、また特定の通信チャネルの波長にも制限されない。

提案する解決策では、中心領域がエミッタ２１０（マイクロＬＥＤ）であり、周囲環状領域が光検出器２１２（フォトダイオード）である、ＧａＡｓデバイスを構築することができる。出射領域２１０が直径ｄを有する場合、出射領域はΠ（ｄ／２）²となる。光検出器２１２の直径がＤである場合、光検出器２１２の領域はΠ（（Ｄ／２）²−（ｄ／２）²）となる。ｄ＝２０ミクロン、Ｄ＝１００ミクロンの場合、検出器２１２の領域は、エミッタ２１０の２４倍の大きさになる。これは、光ファイバ１００の反対側の端部から入ってくる減衰した信号を検出するために要求される増幅の必要性を低減する。

好適な実施形態では、光検出器２１２を光ファイバ１００の反対側の端部から入ってくる光信号にだけ反応させるために、各検出器２１２は、検出器２１２がその一部を構成しているエミッタ２１０からの信号を拒絶するように、ノッチフィルタを使用することができる。図７に関連して、ｗ₁を出射するエミッタ２１０は、検出器２１２にｗ₂用のノッチフィルタを有し、かつ図８に関連して、ｗ₂を出射するエミッタ２１０は対応する周囲検出器２１２にｗ₁用のノッチフィルタを有する。ノッチフィルタは薄膜または層を含むことができる。２つの装置を含む２つの組立体４００を区別するために、色分けを使用することができる。

代替的に、本書に開示した手段、すなわち本書に開示した装置はまた、自動車および航空機のようなシステムのみならず、情報の高速交換を必要とするサブシステムの単純または複雑な組織に対しても、コマンドおよび制御の短距離通信を可能にする。

好適な実施形態に関連して本発明を図示し説明したが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、それらに形状および細部の様々な変化を施すことができることを当業者は理解されるであろう。

Claims

直径を有する光ファイバのケーブルリンクの端部を受容しかつ固定するとともに、カプラの長手軸を画定する開口と、
前記長手軸と略同一直線上にあるエミッタ領域を有するマイクロＬＥＤダイと、を含む短距離高速通信用の光ファイバカプラ。
ＬＥＤ組立体基板を受容するための、前記長手軸に垂直な台座と、
表面および裏面を有するＬＥＤ組立体基板と、
を含み、
前記マイクロＬＥＤが前記表面に実装され、
前記マイクロＬＥＤを駆動するために導体に接続するためのコンタクトパッドが前記裏面に設けられた、請求項１に記載のカプラ。
前記基板は略円形である、請求項１または２に記載のカプラ。
前記ＬＥＤ組立体は、前記マイクロＬＥＤを駆動しかつ電子部品パッケージと交換される電気信号のために電気信号インピーダンスを整合するように構成された、電子部品パッケージを含む、請求項１ないし３のいずれかに記載のカプラ。
前記マイクロＬＥＤダイはさらに、前記マイクロＬＥＤの出射領域の周りに環状光検出器を含む、請求項１ないし４のいずれかに記載のカプラ。
前記組立体は前記環状光検出器の上にノッチフィルタを含む、請求項１ないし５のいずれかに記載のカプラ。
前記ノッチフィルタは薄膜または層の１つである、請求項６に記載のカプラ。
前記基板はさらに、前記光ファイバケーブルリンクの劈開端部に当接するためのスペーサ要素を含む、請求項１ないし７のいずれかに記載のカプラ。
請求項１ないし８のいずれかに記載の少なくとも１つの光カプラと、前記軸に対し垂直に劈開された少なくとも１つの端部を有するとともに、前記端部が前記カプラの前記開口内に挿入されて成る光ファイバとを含み、前記マイクロＬＥＤは前記光ファイバのコアに当接し、前記ＬＥＤの出射領域は前記光ファイバのコアの直径の少なくとも２分の１より小さい直径を有する、短距離高速通信用の光リンク。
第１光カプラおよび第２光カプラを含み、前記光ファイバは前記軸に対し垂直に劈開された第１および第２端部を有し、各光ファイバ端部は対応する光カプラに挿入され、前記光ファイバの各々における光カプラの各前記中央マイクロＬＥＤエミッタ領域は、前記光ファイバの反対側の端部の前記環状光検出器領域が感応する波長帯域で出射するように構成された、請求項９に記載の光リンク。
各光カプラは前記光カプラの光検出器領域上にノッチフィルタを含み、前記ノッチフィルタは、前記光ファイバの対応する反対側の端部における前記カプラの前記マイクロＬＥＤ出射領域の前記出射波長帯域に感応する、請求項１０に記載の光リンク。
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである、請求項９ないし１１のいずれかに記載の光リンク。
局所信号分配点と、前記信号分配点と複数の加入者の敷地との間に延びる、請求項９ないし１２のいずれか一項に記載の複数の光リンクとを含む、電気通信ネットワーク。
直径を有する光ファイバによる短距離高速通信のためのマイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）実装組立体であって、
表面および裏面を有する基板と、
前記表面に実装されたマイクロＬＥＤダイと、
を含み、
前記ＬＥＤは前記光ファイバの直径より３分の１より小さい直径の出射領域を有し、
前記マイクロＬＥＤを駆動するために導体に接続するためのコンタクトパッドが前記裏面に設けられた、組立体。
前記マイクロＬＥＤエミッタ領域は前記基板に対し中心に配置された、請求項１４に記載の組立体。
前記基板は略円形である、請求項１４または１５に記載の組立体。
前記組立体は、前記マイクロＬＥＤを駆動しかつ電子部品パッケージと交換される電気信号のために電気信号インピーダンスを整合するように構成された、電子部品パッケージを含む、請求項１４ないし１６のいずれかに記載の組立体。
前記マイクロＬＥＤダイはさらに、前記マイクロＬＥＤ出射領域の周りに環状光検出器を含む、請求項１４ないし１７のいずれかに記載の組立体。
前記組立体は前記環状光検出器の上にノッチフィルタを含む、請求項１４ないし１８のいずれかに記載の組立体。
前記ノッチフィルタは薄膜または層の１つである、請求項１９に記載の組立体。
前記基板はさらに、前記光ファイバの劈開端部に対して当接するためのスペーサ要素を含む、請求項１４ないし２０のいずれかに記載の組立体。
第１および第２ノード間でシグナリングおよびデータの少なくとも１つを伝達するための短距離通信システムであって、
前記第１ノードにおける第１マイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体と、
前記第１および前記第２ノード間において、第１および第２端部を有し、各端部がコア領域を有する光ファイバと、
前記第２ノードにおける第２マイクロＬＥＤ組立体と、
を含み、
各前記マイクロＬＥＤ組立体は、エミッタ領域を有する対応するマイクロＬＥＤを有し、各マイクロＬＥＤ組立体は、対応するマイクロＬＥＤエミッタ領域が前記光ファイバの前記対応する端部に直交かつ当接する状態で実装され、
前記エミッタ領域は前記コア領域の少なくとも３分の１より小さい、短距離通信システム。
前記光ファイバはマルチモード光ファイバである、請求項２２に記載のシステム。
各前記マイクロＬＥＤ組立体は、前記対応するマイクロＬＥＤが実装された基板を含み、前記基板はマイクロＬＥＤ駆動電子部品との接続を達成するためのコンタクトパッドを有する、請求項２２または２３に記載のシステム。
各マイクロＬＥＤ組立体はさらに、外部電気信号を伝達するためのマイクロＬＥＤドライバ電子部品を含む、請求項２４に記載のシステム。
光ファイバと、
ＬＥＤの出射角と前記ファイバの受光角の不整合を埋めるための屈折光学系無しで光通信のために前記ファイバの一端に接合／結合された、前記ファイバの直径より実質的に小さい第１マイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）と、を含む、短距離通信システム。
前記光ファイバはマルチモード光ファイバである、請求項２６に記載のシステム。
前記ＬＥＤの直径は約２０ミクロンである、請求項２７に記載のシステム。
前記ファイバのコアの直径は約６０ミクロンである、請求項２８に記載のシステム。
前記ＬＥＤの光を受光しかつそれを電気信号に変換するために、前記ファイバの他端に配設された光検出器をさらに含む、請求項２６ないし２９のいずれか一項に記載のシステム。
前記ＬＥＤは、前記ファイバの受光角に近い出射角度をもたらす一体型凹面鏡またはマイクロレンズを用いて作製される、請求項２６ないし３０のいずれか一項に記載のシステム。
前記ＬＥＤは前記ファイバの直交面に実装される、請求項２６ないし３１のいずれか一項に記載のシステム。
前記ＬＥＤを変調するために外部デジタル信号だけが要求されるように、前記ＬＥＤはドライバ電子部品をも有する基板上に設けられる、請求項２６ないし３２のいずれか一項に記載のシステム。
前記基板は、前記ＬＥＤを有する面とは反対側の面に導体コンタクトを有する、請求項３３に記載のシステム。
ＬＥＤの出射角と光ファイバの受光角の不整合を埋めるための屈折光学系無しで光通信のために前記光ファイバの一端に接合／結合された、前記光ファイバの直径より実質的に小さいマイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、短距離通信システムにおける光ファイバのためのカプラ。
前記ＬＥＤの直径は約２０ミクロンである、請求項３５に記載のカプラ。
前記ファイバのコアの直径は約６０ミクロンである、請求項３６に記載のシステム。
前記ＬＥＤは、前記ファイバの受光角に近い出射角度をもたらす一体型凹面鏡またはマイクロレンズを用いて作製される、請求項３５、３６、または３７に記載のカプラ。
前記ＬＥＤを変調するために外部デジタル信号だけが要求されるように、前記ＬＥＤはドライバ電子部品をも有する基板上に設けられる、請求項３５ないし３８のいずれか一項に記載のカプラ。
前記基板は、前記ＬＥＤを有する面とは反対側の面に導体コンタクトを有する、請求項３９に記載のカプラ。