JP4802033B2 - 空間光通信用受光装置 - Google Patents

Description

本発明は、送光装置から送られてくる光信号を受光する空間光通信用受光装置に関する。

送光装置から送られてくる光信号を受光する空間光通信用受光装置として、１つの受光素子と１つのプリアンプとを一組とした受光部を複数設けるとともに、各受光部の前方にレンズを配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この空間光通信用受光装置においては、各受光部に比較回路及び選択回路が接続され、各受光部からの信号が比較回路及び選択回路に入力される。そして、比較回路は、各受光部から入力される信号の信号レベルを比較して、最大の信号レベルを検出する一方、選択回路は、信号レベルが最大の受光部に外部出力端子が接続されるよう回線を切り換えて、最も強い光を受光している受光部からの信号が外部へ出力されるようにしている。

しかし、上記空間光通信用受光装置では、プリアンプを動作させるために受光部の全てに駆動電流を常時流しており、消費電力が非常に大きく、また、選択回路が回線を切り換えたときに、外部へ出力される信号が一瞬途切れるため、信号の伝送エラーが発生しやすい。さらに、各受光部のプリアンプと比較回路との間、各受光部のプリアンプと選択回路との間、及び比較回路と選択回路との間に各々配線が必要で、配線が非常に複雑化するという問題点がある。
特開平１１−１５０５１４号公報

上記のような問題点を解消するために、光信号を受光して受光量に応じて電圧信号を出力する受光素子と、比較器や増幅器を有する電気回路部とを一組とした基本セルを複数設け、複数の基本セルをマトリクス状に配列するとともに、各基本セルにおいては、受光素子からの電圧信号があらかじめ設定した閾値以上か否か比較器で比較して、閾値以上の時は当該基本セル内の増幅器を能動状態に、閾値未満の時は増幅器を非能動状態にそれぞれ自己制御するようにした空間光通信用受光装置が同一出願人より提案されている（特願２００５−３０８１０６号参照）。

この空間光通信用受光装置によれば、光信号を受光している基本セルの増幅器のみが能動状態となり、他の増幅器は非能動状態となるため、消費電力の節減が可能となる。

しかしながら、上記空間光通信用受光装置では、送光装置からの光スポットが僅かにずれて隣の基本セルに照射された場合、その基本セルにおける受光量が少なく、比較器における比較結果は閾値未満となって、当該基本セル内の増幅器は非能動状態となってしまう。その結果、このずれて照射された光スポット分の信号は電気信号として取り出せないことになり、信号の伝達損失が生じるという問題がある。

本発明の課題は、光スポットが僅かにずれた場合でも、伝達損失が生じることのない空間光通信用受光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、送光装置からの光信号を受光して受光量に応じた電圧信号を出力する受光素子と、比較器、増幅器及びＯＲ回路を有する電気回路部とを一組とした基本セルが複数設けられ、前記複数の基本セルはマトリックス状に配列され、前記基本セル内の各比較器の出力側は、当該基本セル内のＯＲ回路及び当該基本セルに隣接する他の基本セル内のＯＲ回路に接続され、かつ前記複数の基本セル内の各増幅器の出力側が加算器に接続された空間光通信用受光装置であって、前記電気回路部は、前記受光素子からの電圧信号が、あらかじめ設定された閾値を超えているか否かを前記比較器で比較して、前記閾値を超えているときは、電圧レベルハイの信号を当該基本セル内のＯＲ回路に出力することにより、該ＯＲ回路から出力される信号によって当該基本セル内の増幅器を能動状態とするとともに、当該基本セルに隣接する他の基本セル内のＯＲ回路にも前記電圧レベルハイの信号を出力することにより、前記他の基本セル内の増幅器を能動状態とし、前記加算器は、前記複数の基本セル内の増幅器のうち、能動状態となった増幅器からの信号を合算して受光信号として出力することを特徴としている。

上記構成によれば、隣接する他の基本セルの増幅器にも電圧レベルハイの信号を印加して当該増幅器を能動状態にしているので、光スポットが僅かにずれた場合でも、このずれて照射されたスポット分の光信号を電気信号として確実に取り出すことができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記各電気回路部はＯＲ回路を有し、該ＯＲ回路は、当該基本セルおよびそれに隣接する他の基本セルの少なくとも１つから電圧レベルハイの信号が入力されたとき、当該基本セル内の増幅器に対して電圧レベルハイの信号を出力することを特徴としている。

本発明によれば、光スポットが僅かにずれた場合でも、このずれて照射されたスポット分の光信号を電気信号として確実に取り出すことができるため、伝達損失が生じることがない。

以下、本発明の実施例について図面に従って説明する。

図１は、本発明に係る空間光通信用受光装置の構成図である。この空間光通信用受光装置１には、図に示すように、基本セル２がマトリックス状に配列されている。本実施例では、基本セル２は、横方向にＡ〜Ｆの６行、縦方向に１〜６の６列、合計３６個配列されている。なお、基本セル２の個数は３６個に限らず、複数個設けられていればよい。例えば、５行５列で合計２５個や、７行７列で合計４９個であってもよいし、また５行６列や７行５列等、横方向の個数と縦方向の個数とが異なっていてもよい。さらには、１０行１０列や１５行１５列の如くその数を増すことは有効である。

各基本セル２は矩形をなしており、その一辺（図１においては上辺）には信号線３が取り付けられている。各基本セル２の信号線３は横方向に配索された信号取出線４に接続されており、本実施例では基本セル２が６行に配列されているので、信号取出線４は６本配索されている。なお、基本セル２は矩形でなくてもよい。

６本の信号取出線４は１本の信号主取出線５に纏められ、この信号主取出線５は加算器６の反転入力端子に接続されている。加算器６の非反転入力端子には、分圧抵抗Ｒ₁，Ｒ₂で分圧された、直流電圧Ｖddの分圧電圧が印加されるようになっている。また、加算器６の出力側は出力端子７に接続されている。なお、加算器６には、抵抗Ｒ₃を有する帰還回路が設けられている。

図２は図１のＡ部を示しており、隣接する各基本セル２が受光検出線８で互いに接続されていることを示している。例えば、基本セルＢ-２と、この基本セルＢ-２に隣接する基本セルＡ-１，Ａ-２，Ａ-３，Ｂ-１，Ｂ-３，Ｃ-１，Ｃ-２，Ｃ-３とは、受光検出線８によってそれぞれ接続されている。

図３は、基本セル２の詳細構成を示している。基本セル２は、図に示すように、外形が矩形をなしており、その矩形の角部に電気回路部９が設けられている。電気回路部９以外の部分には受光素子１０が設けられ、この受光素子１０は電気回路部９と電気的に接続されている。

電気回路部９には、ＯＲ回路１１、比較器１２及び増幅器１３等が設けられている。ＯＲ回路１１の入力側には、当該基本セル２の比較器１２からの受光検出線８に加え、同セル２に隣接する他の基本セル（例えば、当該基本セル２がＢ-２のときは、図２に示したように、隣接する他の基本セルはＡ-１，Ａ-２，Ａ-３，Ｂ-１，Ｂ-３，Ｃ-１，Ｃ-２，Ｃ-３である）からの８本の受光検出線８が接続されている。すなわち、比較器１２の出力側は、自らの電気回路部９内のＯＲ回路１１並びに他の基本セル内のＯＲ回路に延びる受光検出線８に接続されており、また増幅器１３の出力側は信号線３を介して信号取出線４にそれぞれ接続されている。

図４は、受光素子１０を含む電気回路部９の構成を示している。受光素子１０であるフォトダイオードＤのアノード側は接地され、カソード側には抵抗Ｒ₄が接続されている。抵抗Ｒ₄には、図示していない電源から直流電圧Ｖddが印加されている。

フォトダイオードＤのカソード側は、抵抗Ｒ₅を介して比較器１２の入力側に、またコンデンサＣ₁を介して増幅器１３の入力側にそれぞれ接続されている。なお、抵抗Ｒ₅と比較器１２の入力側とを接続する配線はコンデンサＣ₂を介して接地されている。

増幅器１３にはエレクトリックスイッチＳ₁を介して直流電圧Ｖddが印加されるようになっている。このエレクトリックスイッチＳ₁はＯＲ回路１１の出力側に接続されている。なお、ＯＲ回路１１の入力側には、前述の通り、自らの電気回路部内の比較器に加え、隣接する他の基本セルからの受光検出信号８が入力される（図３も参照）。また増幅器１３には、抵抗Ｒ₆を有する帰還回路が設けられている。

増幅器１３の出力側には、エレクトリックスイッチＳ₂が設けられている。このエレクトリックスイッチＳ₂は、ＯＲ回路１１から出力信号によってＯＮ／ＯＦＦが制御される。また、エレクトリックスイッチＳ₂は、抵抗Ｒ₇を介して加算器６に接続されている。

次に、本実施例による空間光通信用受光装置の作用について説明する。

図４において、フォトダイオードＤに光が照射されていないときは、比較器１２の入力側の電圧Ｖ₁としては、直流電圧Ｖddがそのまま加わっており、
Ｖ₁ ＝ Ｖdd
である。

図示していない送光装置（レーザダイオード等）からの光信号がフォトダイオードＤに照射されると、フォトダイオードＤには逆方向に電流Ｉ₁が流れるので、比較器１２の入力側の電圧はＶ₁’は、
Ｖ₁’＝ Ｖdd−Ｒ₄・Ｉ₁
となる。

ここで、比較器１２はＣＭＯＳインバータで構成されており、そのスレッショルド電圧（つまり閾値）は約Ｖdd／２に予め設定されている。そして、比較器１２はＶ₁’とＶdd／２とを比較し、Ｖ₁’＞Ｖdd／２のときは０ボルトを、Ｖ₁’＜Ｖdd／２のときはＶddボルトをそれぞれ出力する。すなわち、比較器１２の出力は、フォトダイオードＤが受光していないときは０ボルトであるが、フォトダイオードＤが受光したときはＶddボルトとなり、比較器１２はＯＲ回路１１に対して受光検出信号（つまり電圧レベルハイの信号）を出力する。このとき、比較器１２は、隣接する他の基本セル内のＯＲ回路１１に対しても同様に受光検出信号を出力する。

ＯＲ回路１１は、比較器１２からの受光検出信号が入力されると、エレクトリックスイッチＳ₁及びＳ₂に対して駆動信号を送り、エレクトリックスイッチＳ₁及びＳ₂をＯＮにする。エレクトリックスイッチＳ₁をＯＮにすることにより、増幅器１３には直流電圧Ｖddが印加されることになり、増幅器１３は能動状態となる。そして増幅器１３は、能動状態となると、フォトダイオードＤが受光した交流成分の信号をエレクトリックスイッチＳ ₂ を介して加算器６へ送信する。

次に、図５は従来技術による空間光通信用受光装置に光スポットが照射された様子を、図６は本実施例による空間光通信用受光装置に光スポットが照射された様子をそれぞれ示している。

図５（ａ）において、円で示された光スポットが、今、Ｃ-３，Ｄ-３，Ｃ-４，Ｄ-４の基本セルに当たっており、これら４つの基本セルは全て能動セルとなっており、各基本セルの受光素子が発する電気信号の交流成分が加算器を介して出力端子から出力されている。このとき、上記４つの基本セルを囲む１２個の基本セルＢ-２，Ｃ-２，Ｄ-２，Ｅ-２，Ｂ-３，Ｅ-３，Ｂ-４，Ｅ-４，Ｂ-５，Ｃ-５，Ｄ-５，Ｅ-５はいずれも非能動セル、すなわち、これらの基本セルの増幅器には前述の受光検出信号が印加されておらず、前記増幅器は非能動状態になっている。

そして、次の瞬間、図５（ｂ）に示すように、光スポットの位置が右方向に僅かに移動した場合、新たに光スポットが当たるようになったＥ-３，Ｅ-４の基本セルでは、光スポットの光量が少なく、各基本セルから発せられる電圧も、比較器に設定した閾値未満であって、受光を検出できない。そのため、増幅器を能動状態に切り替えることができず、これら基本セルＥ-３，Ｅ-４に照射された光信号は無視されることとなる。また、この場合、基本セルＣ-３，Ｃ-４では光スポットが右方向にずれた分、照射される光量が減ってしまい、各基本セルから発せられる出力が減少する。すなわち、光スポットの移動に伴って受光検出されない部分が出てきて、光信号受信のロスが発生する。なお、閾値を下げて僅かな受光も取り込むことも考えられるが、こうすると微弱な外来光まで検出してしまう恐れがあり、好ましくない。

本実施例による空間光通信用受光装置においては、図６（ａ）に示すように、基本セルＣ-３，Ｄ-３，Ｃ-４，Ｄ-４に光スポットが当たっていて、これら各基本セルが能動セルとなっている場合、基本セルＣ-３，Ｄ-３，Ｃ-４，Ｄ-４内の比較器からの受光検出信号が当該基本セルに隣接する他の基本セルＢ-２，Ｃ-２，Ｄ-２，Ｅ-２，Ｂ-３，Ｅ-３，Ｂ-４，Ｅ-４，Ｂ-５，Ｃ-５，Ｄ-５，Ｅ-５内のＯＲ回路１１（図３及び図４参照）に入力され、これら隣接する他の基本セルの増幅器も能動状態となっている。

このため、図６（ｂ）に示すように、光スポットの位置が右方向に僅かに移動して、基本セルＥ-３，Ｅ-４が光スポットを少し受光しただけでも、当該基本セルから発せられた電流は増幅器で増幅され、他の基本セルからの出力に合算され、外部に取り出すことが可能となる。

図６（ｃ）に示すように、光スポットが更に右方向に移動した状態では、４つの基本セルＤ-３，Ｅ-３，Ｄ-４，Ｅ-４に光スポットが当たり、これら基本セルが能動状態となるとともに、当該基本セルに隣接する１２個の基本セルＣ-２，Ｄ-２，Ｅ-２，Ｆ-２，Ｃ-３，Ｆ-３，Ｃ-４，Ｆ-４，Ｃ-５，Ｄ-５，Ｅ-５，Ｆ-５も能動状態となる。

なお、本実施例では、光スポットが当たっている４つの基本セルに加えて、その周囲の１２個の基本セルも能動状態になっていて、一見、消費電力の増大が懸念されるが、例えば１５列１５行のセル配列を想定した場合には、能動状態の基本セルの個数は全体の僅かに７％に過ぎず、消費電力を節減できる点では変わりはない。

本実施例によれば、受光している基本セルと、受光している基本セルに隣接する基本セルを能動状態とすることで、送光装置あるいは受光装置又はその双方の振動などに伴う光のスポット移動が生じた場合でも、受光ロスは発生しないので、高い受信効率を確保することができる。

また、光のスポット形状が真円で無い場合（楕円形状など）でも、確かな信号受信を可能にすることができる。

本発明に係る空間光通信用受光装置の構成図である。 図１のＡ部を示しており、隣接する各基本セルが受光検出線で互いに接続されていることを示す図である。 基本セルの詳細構成図である。 受光素子を含む電気回路部の構成図である。 （ａ）は従来技術による空間光通信用受光装置に光スポットが照射された様子を示す図、（ｂ）は（ａ）において光スポットが僅かに右方向に移動した様子を示す図である。 （ａ）は本実施例による空間光通信用受光装置に光スポットが照射された様子を示す図、（ｂ）は（ａ）において光スポットが僅かに右方向に移動した様子を示す図、（ｃ）は光スポットが更に右方向に移動した様子を示す図である。

符号の説明

１ 空間光通信用受光装置
２ 基本セル
６ 加算器
８ 受光検出線
９ 電気回路部
１０ 受光素子（フォトダイオードＤ）
１１ ＯＲ回路
１２ 比較器
１３ 増幅器

Claims (1)

1. 送光装置からの光信号を受光して受光量に応じた電圧信号を出力する受光素子と、比較器、増幅器及びＯＲ回路を有する電気回路部とを一組とした基本セルが複数設けられ、前記複数の基本セルはマトリックス状に配列され、
   前記基本セル内の各比較器の出力側は、当該基本セル内のＯＲ回路及び当該基本セルに隣接する他の基本セル内のＯＲ回路に接続され、
   かつ前記複数の基本セル内の各増幅器の出力側が加算器に接続された空間光通信用受光装置であって、
   前記電気回路部は、前記受光素子からの電圧信号が、あらかじめ設定された閾値を超えているか否かを前記比較器で比較して、前記閾値を超えているときは、電圧レベルハイの信号を当該基本セル内のＯＲ回路に出力することにより、該ＯＲ回路から出力される信号によって当該基本セル内の増幅器を能動状態とするとともに、当該基本セルに隣接する他の基本セル内のＯＲ回路にも前記電圧レベルハイの信号を出力することにより、前記他の基本セル内の増幅器を能動状態とし、
   前記加算器は、前記複数の基本セル内の増幅器のうち、能動状態となった増幅器からの信号を合算して受光信号として出力することを特徴とする空間光通信用受光装置。

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