説明

光学変換器を有する広帯域無線送受信器

【課題】光学変換器を有する広帯域無線送受信器を提供する。
【解決手段】広帯域受信装置は、複数の変調周波数を持つ無線信号を受信するアンテナを備える。増幅器は、広帯域無線信号によってレーザ源を駆動し複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。回折格子は、光信号を複数のスペクトル成分に変換する。光センサアレイは、複数のスペクトル成分を変換して複数の変調周波数に対応する電気信号を得る。送信装置は、複数の変調周波数に対応する電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分に対応する光信号を生成するコヒーレントレーザエミッタアレイを含む。回折格子は、複数のスペクトル成分に対して逆変換を行い、複合光信号を得る。光センサは、複合光信号を変換し、複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る。増幅器は、広帯域無線信号として送信するべく、複合電子信号を増幅する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、広義には無線通信技術およびシリコン・フォトニクスに関する。特に本発明は、超広帯域無線システムで変調を効率的に行うべく使用される光学変換器に関する。
【背景技術】
【0002】
超広帯域(UWB)無線システムは広い帯域幅を使用する。低電力のUWBシステムでは、3.1GHzから10.6GHz(通常は6GHz以上)のスペクトルが使用される。
【0003】
直交波周波数分割多重(OFDM)を始めとする最先端の変調方式は、直交性を維持しつつ、広スペクトル信号をサブバンドに分割、またはサブバンドを合成して広スペクトル信号を得ることができる。処理条件の厳しさから、現在OFDMを利用できるのは100MHz未満の帯域幅に限られている。また、現在入手できるサンプリング機器のサンプリングレートは、高性能のものでも1GHzから2GHzで、OFDM利用のために必要なレートの6分の1にすぎない。しかしながら、このような従来の変調方式に必要なデジタル信号処理能力およびサンプリングレートを、近い将来UWB帯域幅を用いる電子回路で実現することは困難である。
【図面の簡単な説明】
【0004】
本発明は添付の図面を用いて説明するが、添付図面は例示目的で使用されるに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【0005】
【図1】図1は、光学変換器を有する超広帯域送受信無線システムの一実施形態を示す。
【0006】
【図2】図2Aと図2Bは、光学変換器を有する超広帯域無線受信装置の実施形態を示す。
【0007】
【図3】図3Aと図3Bは、光学逆変換器を有する超広帯域無線送信装置の実施形態を示す。
【0008】
【図4】図4は、超広帯域受信装置における光学変換器を用いた直交波周波数分割多重(OFDM)方式用処理の一実施形態を示すフローチャートである。
【0009】
【図5】図5は、超広帯域送信装置における光学変換器を用いたOFDM方式用処理の一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
光学変換器を使用した超広帯域送受信の方法および装置を開示する。受信装置の一実施形態はアンテナを備える。このアンテナは、複数の変調周波数を持つ超広帯域無線信号を受信し、低雑音増幅器と接続されている。低雑音増幅器は、超広帯域無線信号によってレーザ源を駆動して、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。生成された光信号は回折格子によってスペクトル成分に変換される。変換されたスペクトル成分は、光センサアレイによって、受信した超広帯域無線信号の複数の変調周波数に対応した電気信号に変換される。
【0011】
一実施形態に係る送信装置は、レーザエミッタアレイを備える。このレーザエミッタアレイは、複数のチャネル変調周波数に対応した電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分に対応した光信号を生成する。複数のスペクトル成分は、回折格子によって逆変換され複合光信号となる。複合光信号は光センサによって変換され、電気信号に対応する複数の変調周波数を持つ複合電子信号となる。この複合電子信号は増幅器によって増幅され、超広帯域無線信号として送信される。
【0012】
上述の実施形態を始めとする本願のさまざまな実施形態は、以下に説明する教示に基づき実施するとしてもよい。また、以下の教示に対して、本発明の範囲を超えることなくさまざまな変形および変更を追加できるのは明らかである。以下に挙げる例では、超広帯域(IEEE802.15.3a:standards.ieee.org/getieee802で入手可能)送受信装置で行う直交波周波数分割多重(OFDM)に光学変換器を使用しているが、開示技術は広範囲に応用できるのは明らかであり、応用により有益な効果が見込めるものの例を以下に挙げる。米国のIEEE802.11a(standards.ieee.org/getieee802で入手可能)を利用したシステムである「5GHz帯域の高速物理層」および、欧州通信規格協会(ETSI)のHiperLAN/2(High Performance Radio Local Area Networkの省略。portal.etsi.org/bran/kta/Hiperlan/hiperlan2.aspで入手可能)を用いたシステムなどである。本明細書および添付図面は説明目的で使用されており、発明を限定するものではなく、発明を定義するのは付記の請求の範囲だけである。
【0013】
図1に、光学変換器114、124を有する超広帯域無線送受信システム101の一実施形態を示す。無線受信部102において、アンテナ111は複数の変調周波数を持つ第1超広帯域無線信号を受信するとしてよい。アンテナ111と接続された低雑音増幅器112は、第1超広帯域無線信号を基に光学変換器114のレーザ源を駆動し、光信号を生成する。
【0014】
光学変換器114は実質的にフーリエ変換処理を行い、生成した第1光信号をスペクトル成分に分解する。分解されたスペクトル成分は、光センサによって変換され、第1超広帯域無線信号が持つ複数の変調周波数に対応した複数の電気信号が生成される。光センサは、生成した複数の電気信号を受信回路116に送信する。受信回路116は、デマッピング、デインターリービング、前方誤り訂正(FEC)復号化といったOFDMの公知の処理を行うとしてもよい。
【0015】
受信回路116は、バス118を介して、送信回路110および制御回路119に接続されている。送信回路110は、FEC畳み込み符号化、インターリービング、マッピングといった公知のOFDM処理を行うとしてもよい。複数の変調周波数に対応した複数の第2電気信号は、レーザエミッタを駆動して対応するスペクトル成分を持つ複数の光信号を生成する。生成された複数の光信号は、光学逆変換器124によって統合され、対応するスペクトル成分を持つ第2光信号が生成される。このように、光学逆変換器124は実質的に逆フーリエ変換処理を行う。第2光信号は光センサによって変換され、複数の変調周波数を含む複合電子信号が得られる。光センサは、得られた複合電子信号を処理ブロック123に送信する。処理ブロック123は、ガードインターバル(GI)付加やシンボル波形整形、IQ(同相・直行位相)変調といった公知のOFDM処理を行うとしてもよい。複数の変調周波数を持つ複合電子信号は、アンテナ111に接続された高出力増幅器122によって増幅され、アンテナ111から第2超広帯域無線信号として送信される。
【0016】
光学変換器114および124を有するUWB無線送受信システムは、GHz単位の広スペクトル信号の光学処理を実現することを目的としている。このような広スペクトル信号の処理を電気処理技術の分野で実現させるのは、近い将来には可能ではないかもしれない。最先端のサンプリング機器であっても現在は、サンプリングレートが1GHzから1.5GHzにとどまっている。しかし、6GHzという帯域幅を達成するために必要なナイキスト基準を満たすには少なくとも12GHzのサンプリングレートが必要となる。このようなサンプリングレートを持つサンプリング機器が入手可能と仮定したとしても、光学処理を応用する方がコストが低く、且つ消費電力も少ないと考えられる。ここで、無線送受信システムに光学変換器を利用した場合の効果は、送信装置か受信装置の一方のみで生じ、両方で生じる可能性は少ないと思われる。
【0017】
図2Aに、一実施形態に係る、光学変換器を有する超広帯域無線受信装置201を示す。アンテナ211が、複数の変調周波数を持つ超広帯域無線信号を受信するとしてもよい。アンテナ211に接続された低雑音増幅器212が、超広帯域無線信号によってレーザ源213を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。ここで、レーザ源213は、ファブリペロレーザのような端面発光レーザでもよいし、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)でもよい。生成された光信号は、回折格子214を通過することによってスペクトル成分に変換される。このスペクトル成分は、複数の光センサ215によって、超広帯域無線信号が持つ複数の変調周波数に対応した電気信号に変換される。光センサ215は、生成した電気信号を受信回路116に送信する。図1で示したように、受信回路116は、デマッピング、デインターリービングやFEC復号化といった公知のOFDM処理を行うとしてもよい。
【0018】
図2Bに、別の実施形態に係る、光学変換器を有する超広帯域無線受信装置202を示す。図2Bは図2Aと類似しているが、アンテナ211は複数の変調周波数を持つ超広帯域無線信号を受信するとしてもよい。また、増幅器212は、受信した超広帯域無線信号によってレーザ源213を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。生成された光信号は、回折格子224に反射されることによって、スペクトル成分に変換される。スペクトル成分は、光センサ215によって、受信した超広帯域無線信号が持つ複数の変調周波数に対応した電気信号に変換される。光センサ215は、生成した電気信号を受信回路116に送信する。
【0019】
図3Aに、一実施形態に係る、光学逆変換器を有する超広帯域無線送信装置301を示す。複数のレーザエミッタ313は、複数の変調周波数に対応した電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分に対応した光信号を生成する。複数のレーザエミッタ313は、端面発光レーザおよび/またはVCSELを含むとしてもよい。一実施形態に係る放射素子313は、単一レーザ源によって生成され、電界吸収型変調器またはニオブ酸リチウム変調器によって個別に変調される、放射素子のコヒーレントアレイを含む。生成された光信号は、回折格子314によって逆変換し、複数のスペクトル成分を持つ複合光信号が生成される。光信号の逆変換は、光信号を回折格子314に通過させることによって行う。生成された、複数のスペクトル成分を持つ複合光信号は、光センサ315によって、電気信号の複数の変調周波数を持つ複合電子信号に変換される。光センサ315は、生成した複合電子信号を処理ブロック323に送信する。前述した通り、処理ブロック323は、GI付加やシンボル波形整形、IQ変調といった公知のOFDM処理を行うとしてもよい。高出力増幅器322は、アンテナ321と接続され、複数の変調周波数を持つ複合電子信号を増幅し、超広帯域無線信号として、アンテナ321から送信する。
【0020】
図3Bに、別の実施形態に係る、光学逆変換器を有する超広帯域無線送信装置302を示す。図3Bは図3Aと類似しているが、レーザエミッタ313は複数の変調周波数に対応した電気信号によって駆動され、複数の光信号を生成する。生成された光信号は回折格子324によって逆変換され、複合光信号が得られる。光信号の逆変換は、複数の光信号を回折格子324で反射することによって行う。複合光信号は、光センサ315によって変換され、電気信号の複数の変調周波数を持つ複合電子信号が生成される。光センサ315は、生成した複合電子信号を処理ブロック323を介して高出力増幅器322に送信する。高出力増幅器322は受信した複合電子信号を増幅し、超広帯域無線信号としてアンテナ321から送信する。
【0021】
光学フーリエ変換および光学逆フーリエ変換をUWBシステムに用いると、電子処理素子のスピードや所要電力は減るかもしれないが、UWBシステムとして非常に高い性能を達成することができる。
【0022】
図4は、超広帯域受信装置における光学変換器を用いたOFDM用処理の一実施形態を示すフローチャートである。以下で開示される一連の処理401を実施するのは、汎用機器、専用機器またはその組み合わせによって実行可能な、専用電子/光子ハードウェア/ソフトウェア/ファームウェア用のオペレーションコードを含む処理ブロックである。一連の処理401は、説明を簡潔にするため特定の順序で実施される処理ブロックから成るとしているが、一部の処理ブロックの動作を並行して行ったり、一部の処理ブロックの実施順序を変更したり、決まった順序がない処理ブロックがあってもよい。
【0023】
処理ブロック411では、複数の変調周波数を持つ広帯域無線信号、例えばUWB信号を受信する。処理ブロック412では、受信した超広帯域無線信号を低雑音増幅器112などを用いて電子増幅する。処理ブロック413では、レーザエミッタを直接変調して、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する。処理ブロック414では、生成された光信号に対して光学フーリエ変換が行われる。処理ブロック415では、分離されたスペクトル成分を受信する。対応する光センサは受信したスペクトル成分を、変調周波数チャネルに対応する電気信号に変換する。
【0024】
本明細書では、例えばUWB送受信装置(IEEE802.15.3a、現在入手不可能)やIEEE802.11a(standards.ieee.org/getieee802で入手可能)を用いたシステムにおいてOFDM処理に光学フーリエ変換を利用する例を説明している。しかし、必ずしも特別なOFDM規格を使用しなければならないわけではないので、OFDM専用の処理を行う処理ブロックの使用は任意としてもよい。処理ブロック416で電気信号が増幅された後、OFDMのデマッピングおよびデインターリービング処理が行われる処理ブロック417に進むかどうかは任意である。最後の処理ブロック418で行われる前方誤り補正(FEC)復号も任意である。
【0025】
図5は、超広帯域送信装置における光学逆フーリエ変換素子を用いたOFDM用処理の一実施形態を示すフローチャートである。処理ブロック511では、FEC畳み込み符号化が任意で行われる。その後、任意で処理ブロック512に進む。処理ブロック512では、OFDMのインターリービングおよびマッピング処理が行われる。続いて処理ブロック513に進み、複数のレーザエミッタが複数の変調周波数に対応した電気信号によって直接変調され、複数のスペクトル成分に対応した光信号が生成される。処理ブロック514では、生成された光信号に対して光学逆フーリエ変換が行われ、複数のスペクトル成分を含む複合光信号が生成される。処理ブロック515では、光センサが複数のスペクトル成分を持つ複合光信号を受信・変換し、複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る。処理はその後、任意で処理ブロック516から518に進み、GI付加、シンボル波形整形およびIQ変調といったOFDM処理が行われる。処理ブロック519では、複数の変調周波数を持つ複合電子信号が増幅され、例えばUWB無線信号として送信される。
【0026】
上記の内容は、本発明の望ましい実施形態を説明するためのものである。成長速度が速く今後どこまでの進歩が達成されるか判断が難しい技術分野では特に、発明の内容や詳細部分を、付記の請求項が定義する範囲内で本発明の精神から離れることなく、当業者が変更できるのは明らかである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の変調周波数を持つ広帯域無線信号を受信する手順と、
前記広帯域無線信号を増幅してレーザ源を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する手順と、
前記光信号に光学変換を行って、複数の光センサに対応するよう、前記複数のスペクトル成分を分離する手順と、
前記複数のスペクトル成分を、前記複数の変調周波数に対応する複数の個別の電気信号に変換する手順と
を含む方法。
【請求項2】
前記光信号の光学変換は、前記光信号を回折格子に通過させることで行う
請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記光信号の光学変換は、前記光信号を回折格子によって反射することで行う
請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記レーザ源は、垂直共振器面発光型レーザ(VCSEL)である
請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記レーザ源は、端面発光型である
請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記複数の変調周波数に対応する前記複数の個別の電気信号をデマップする手順
をさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記複数の変調周波数に対応する前記複数の個別の電気信号をデインターリーブする手順
をさらに含む請求項6に記載の方法。
【請求項8】
前記広帯域無線信号は超広帯域無線信号である
請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記光信号にフーリエ変換を行い前記複数のスペクトル成分を分離する手順
をさらに含む請求項8に記載の方法。
【請求項10】
複数の変調周波数を持つ複数の電気信号によって複数のレーザエミッタを駆動して、複数のスペクトル成分を持つ複数の光信号を生成する手順と、
前記複数の光信号に光学逆変換を行い、前記複数のスペクトル成分を持つ複合光信号を得る手順と、
前記複数のスペクトル成分を持つ前記複合光信号を変換して、前記複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る手順と、
超広帯域無線信号として送信するべく、前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を増幅する手順と
を含む方法。
【請求項11】
前記複数の光信号の光学逆変換は、前記複数の光信号に回折格子を通過させることによって行う
請求項10に記載の方法。
【請求項12】
前記複数の光信号の光学逆変換は、前記複数の光信号を回折格子で反射することによって行う
請求項10に記載の方法。
【請求項13】
前記複数のレーザエミッタはVCSELである
請求項10に記載の方法。
【請求項14】
前記複数のレーザエミッタは端面発光型である
請求項10に記載の方法。
【請求項15】
前記複数の変調周波数を持つ前記複数の電気信号に対し、インターリービングおよびマッピングを行う手順
をさらに含む請求項10に記載の方法。
【請求項16】
前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号に対し、シンボル波形整形およびIQ変調を行う手順
をさらに含む請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を広帯域無線信号として送信する手順
をさらに含む請求項10に記載の方法。
【請求項18】
前記複数の光信号に逆フーリエ変換を行う手順
をさらに含む請求項17に記載の方法。
【請求項19】
複数の変調周波数を持つ広帯域無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記広帯域無線信号によってレーザ源を駆動し、複数のスペクトル成分を持つ光信号を生成する低雑音増幅器と、
前記光信号に光学変換を行って前記複数のスペクトル成分を得る回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を変換して、前記複数の変調周波数に対応する複数の電気信号を得る複数の光センサと
を備える装置。
【請求項20】
前記光信号の変換は、前記光信号を前記回折格子を通して分離することで行う
請求項19に記載の装置。
【請求項21】
前記光信号の変換は、複数の前記光信号を前記回折格子によって反射することで行う
請求項19に記載の装置。
【請求項22】
前記レーザ源はVCSELである
請求項19に記載の装置。
【請求項23】
前記レーザ源は端面発光型である
請求項19に記載の装置。
【請求項24】
前記広帯域無線信号は超広帯域無線信号である
請求項19に記載の装置。
【請求項25】
前記回折格子は、前記光信号に光学変換を行い、複数のフーリエ成分を得る
請求項19に記載の装置。
【請求項26】
複数の変調周波数と対応する複数の電気信号によって駆動され、複数のスペクトル成分と対応する複数の光信号を生成する複数のコヒーレントレーザエミッタと、
前記複数の光信号に光学逆変換を行って、前記複数のスペクトル成分を持つ複合光信号を得る回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を持つ前記複合光信号を変換し、前記複数の変調周波数を含む複合電子信号を得る光センサと、
複数の変調周波数を有する広帯域無線信号を送信するアンテナと、
アンテナに接続され、前記広帯域無線信号として前記アンテナから送信するべく、前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を増幅する高出力増幅器と
を含む装置。
【請求項27】
前記複数の光信号の逆変換は、前記複数の光信号に前記回折格子を通過させることによって行う
請求項26に記載の装置。
【請求項28】
前記複数の光信号の逆変換は、前記複数の光信号を前記回折格子によって反射することによって行う
請求項26に記載の装置。
【請求項29】
前記複数のレーザエミッタは、VCSELである
請求項26に記載の装置。
【請求項30】
前記複数のレーザエミッタは、端面発光型である
請求項26に記載の装置。
【請求項31】
前記広帯域無線信号は超広帯域無線信号である
請求項26に記載の装置。
【請求項32】
前記回折格子は前記複数の光信号に逆フーリエ変換を行う
請求項31に記載の装置。
【請求項33】
複数の変調周波数を持つ第1広帯域無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記第1超広帯域無線信号によってレーザ源を駆動し複数のスペクトル成分を持つ第1光信号を生成する低雑音増幅器と、
前記第1光信号に光学変換を行い、前記複数のスペクトル成分を得る第1回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を変換して前記複数の変調周波数に対応する複数の第1電気信号を得る複数の光センサと、
前記複数の変調周波数に対応する複数の第2電気信号によって駆動され、前記複数のスペクトル成分に対応する複数の光信号を生成する複数のコヒーレントレーザエミッタと、
前記複数の光信号に光学逆変換を行い、前記複数のスペクトル成分を持つ第2の光信号を得る第2の回折格子と、
前記複数のスペクトル成分を持つ前記第2の光信号を変換し、前記複数の変調周波数を持つ複合電子信号を得る光センサと、
アンテナに接続され、前記アンテナから第2広帯域無線信号として送信するべく、前記複数の変調周波数を持つ前記複合電子信号を増幅する高出力増幅器と
を含むシステム。
【請求項34】
前記光学変換および前記光学逆変換は、1以上の光信号を前記回折格子に通過させることによって行う
請求項33に記載のシステム。
【請求項35】
前記光学変換および前記光学逆変換は、1以上の光信号を前記回折格子によって反射することによって行う
請求項33に記載のシステム。
【請求項36】
前記レーザ源はVCSELである
請求項33に記載のシステム。
【請求項37】
前記複数のレーザエミッタはVCSELである
請求項36に記載のシステム。
【請求項38】
前記複数のレーザエミッタは端面発光型である
請求項33に記載のシステム。
【請求項39】
前記レーザ源は端面発光型である
請求項38に記載のシステム。
【請求項40】
前記第1広帯域無線信号および前記第2広帯域無線信号は、超広帯域無線信号である
請求項33に記載のシステム。

【図1】
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【図2a】
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【図2b】
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【図3a】
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【図3b】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2007−517476(P2007−517476A)
【公表日】平成19年6月28日(2007.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−547490(P2006−547490)
【出願日】平成16年12月23日(2004.12.23)
【国際出願番号】PCT/US2004/043686
【国際公開番号】WO2005/067183
【国際公開日】平成17年7月21日(2005.7.21)
【出願人】(591003943)インテル・コーポレーション (1,101)
【Fターム(参考)】