JP2002501681A - レーザ通信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザビームにインポーズした情報を送受信するための携帯式レーザ通信トランシーバ。通信信号が、1〜4度の間の発散を有するレーザビームにインポーズされる。作業者は望遠鏡観察装置（26）をのぞいて、離れた位置にある、レーザビーム内の光線を集めて通信信号を抽出するトランシーバを見ながらビーム（27）を方向付ける。好ましい実施例において、トランシーバは手で持たれ、各々に作業者同士の会話を可能にするためのマイクロホン（22）とイヤホン（20）が設けられている。それぞれの作業者がいる場所のパーソナルコンピュータおよびその他の電子情報装置から、デジタル情報を送信することもできる。軍事および調査アプリケーションとして有用な好ましい実施例において、GPS、コンパス、チルト計器、レーザ測距システムを提供している。これにより、使用者は双眼鏡をのぞいて目標を定め、経度、緯度、高度におけるその位置を決定することができる。次に目標位置の情報が、この場合にはベースのトランシーバである、離れたトランシーバに送信される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ通信装置 本発明は通信システム、特にレーザ通信トランシーバに関するものである。本 明細書は、1992年8月27日提出のシリアルナンバー07/935,899の"Voigt Filter" と題された明細書、1994年2月22日提出のシリアルナンバー08/199,115の"Laser Communication Transceiver and System"と題された明細書、1994年4月1日提出 のシリアルナンバー08/221,527の"Point to Point Laser Communication Device ”と題された明細書の一部継続出願である。 発明の背景 1960年代半ば、最初のレーザが光を発した少し後に、自由空間レーザ通信が発 明された。初めて成功したレーザ通信の空間へのアップリンクは、1960年代終わ りに、RFダウンリンクにデータを供給するフオトマルチプライヤ光受信器に送信 する接地式のアルゴンレーザを使用してNASAが行った一連の実験中に達成された 。情報は秒速約1/2ビットのモールス式信号で送信された。自由空間レーザ通信 の限定要素は、太陽光線をほとんど反射してしまうバックグラウンド光線の存在 である。既存の軽量で、信頼性のあるレーザの操作波長と一致する非常に狭い帯 域フィルタを開発する努力が続けられた。この開発努力のいくつかは"Selected Papers on Free-Space Laser Communimation"，SPIE Milestone Series，Vol．M S30に開示されている。最新の、非静止型人工衛星を使った汎地球測位システム( GPS's)では、軌道を旋回する人工衛星からの周波数信号の分析に基づいた緯度、 軽度、海抜の提供が可能である。 必要なのは、数フィートから数キロメートルの範囲の距離を経てpoint to poi ntに情報を送信できるレーザ携帯式通信トランシーバ装置である。 発明の概要 本発明は、レーザビームにインポーズした情報を送受信するための携帯式レー ザ通信トランシーバを提供する。通信信号が、1〜4度の間の発散を有するレーザ ビームにインポーズされる。作業者は望遠鏡観察装置をのぞいて、離れた位置に ある、レーザビーム内の光線を集めて通信信号を抽出するトランシーバを見なが らビームを方向付ける。好ましい実施例において、トランシーバは手で持たれ、 各々に作業者同士の会話を可能にするためのマイクロホンとイヤホンが設けられ ている。それぞれの作業者がいる場所のパーソナルコンピュータおよびその他の 電子情報装置から、デジタル情報を送信することもできる。軍事および調査アプ リケーションとして有用な好ましい実施例において、GPS、コンパス、チルト計 器、レーザ測距システムを提供している。これにより、使用者は双眼鏡をのぞい て目標を定め、経度、緯度、高度におけるその位置を決定することができる。次 に目標位置の情報が、この場合にはベースのトランシーバである、離れたトラン シーバに送信される。 好ましい実施例は、重量が1.3ポンド以下、使用電力が約5ワットであり、大気 中数キロの距離を秒速100キロビットの値で情報送信する。これらのデータ値に おいて、音声とデータ送信の両方が実行可能である。他の実施例では、秒速百万 ビットを超える速度で送信できる。これらのトランシーバは、地上から地上、地 上から空中、空中から空中、海上の船から船、そして海上の船から空中への通信 に使用することができる。 図面の簡単な説明 第1図は本発明の好ましい実施例を示す略図である。 第2図、第3図は好ましいとユニットを示す2つの図である。 第4図は、本発明の好ましい実施例の主な電子および光学構成要素を示すブロ ック図である。 第5図は本発明の好ましい実施例のブロック図である。 第6図は第1図を参照した装置の使用中を示す図である。 第7図は、第1図を参照した構成要素レーザ送信機を示すブロック図である。 第8図は上述の送信機の断面図である。 第9図は、上述の好ましい実施例の受信機モジュールを示す、部分断面図と部 分ブロック図である。 第10図は、さらに安全性を増した送信を提供する、本発明の第2実施例のサイ ドロックされた受信機の断面図である。 第11図は、主なファラデーおよびフォークトフィルタを説明する図である。 第12A図、第12B図、第12C図は、セシウムの吸収スペクトルと比較した、フォー クトおよびファラデーフィルタの送信スペクトルを示す図である。 第13A図、第13B図は、透過波長を制御する別の方法を示す図である。 好ましい実施例の詳細な説明 携帯式レーザ通信トランシーバ 本発明は、非常に軽量で低電力消費のトランシーバを利用したcovert自由空間 通信を許容するものである。情報が約1〜4度の発散を有する低電力レーザビーム によって伝搬される。この範囲における発散は十分に小さいため、光線の分散が 最小になり、且つ、ビデオカメラ、双眼鏡、望遠鏡のような手で持てる普通の望 遠鏡装置以外の特別な照準装置を使用しなくても、光線の「足跡」は受信ユニッ トをカバーするのに十分な大きさである。 レーザビームは、大気中を移動する距離の機能として散逸および劣化し、本発 明の実施例は様々な大気の状態および距離の下で利用できるように構成すること ができる。雑音値への信号は所望の通信の質を十分に許容できる大きさでなくて はならず、S/N（信号対雑音比）に影響を及ぼす多くの要素が、本発明の示唆に 準じた特定の製品の開発におけるコスト、重量と共に考慮されている。この明細 書では、本発明の2つの特定の実施例について詳細に説明している。第1実施例で は、バックグラウンド光線をフィルタリングするために、トランシーバの受信ユ ニット内に従来の光フィルタを利用している。（従来のフィルタは、原子線フィ ルタ(atomic line filter)と比べると比較的粗悪であるが、しかし構造が単純で 安価であり、一般に操作上の問題もない。）詳細に説明している第2実施例では 、S/Nが著しく改良された非常に狭い帯域原子線フィルタを利用しているが、こ の ユニットは製造コストが高く、明らかに構造が複雑である。下記の表において、 これら2つの実施例の主な特徴のいくつかを比較してみた。 原子線フィルタ vs 従来フィルタ 好ましい実施例 １ 従来フィルタ 双眼鏡位置-通信ユニット 本発明の好ましい実施例は、第1図〜第4図を参照して説明することができる。 この実施例のために発明者は、ヴァージニア州にオフィスを置くLeica Techno logies社製の市販の方向表示双眼鏡101に特別仕様のレーザトランシーバを取り 付けた。この双眼鏡は商標LEICA VECTORで販売されており、レーザ測距儀、電子 コンパス、電子チルト計器を備えている。さらに発明者が電子GPSモニタ、コン ピュータエレクトロニクスおよびソフトウェアを採用したため、使用者は、単に 目標地点に双眼鏡を合わせてその範囲、コンパス方位、チルト角度、使用者のGP S位置を記録するだけで、目標地点の緯度、経度、高度を決定することができる 。次に使用者は、受信機の方向で双眼鏡を再度焦点し、送信モードに切替えるこ とにより、位置情報をレーザ受信機に送信できる。第1図中で、レーザトランシ ーバはLEICA VECTOR双眼鏡101に取り付けられており、符号100で示されている。 このトランシーバのさらに詳細な図を第2A図、第2B図に示す。トランシーバはレ ーザ通信受信ユニット108とレーザ通信送信ユニット106を備えている。 送信ユニット レーザ通信送信ユニット106は、852nmレーザビーム上で100Kb/sの値で情報を 送信するように設計されている。このユニットは、カリフォルニア州サンノゼに オフィスを置くSDL社製のModel 2000のGaAlAsパルスダイオードレーザ103を備え ている。GaAlAsパルスダイオードレーザ103は、やはリコントローラ94に制御さ れる熱電冷却機102で冷却される。送信ユニット106の出力が目の安全必要基準に 準じていることが重要である。これは本実施例においては、光線の強度が目に安 全になるまでレーザダイオード103からの光線を拡張できるようにすることで達 成されている。この光線は次に、円筒形の平凹レンズ（CVIRCC-40.0-25.4−508. 6-C PCCV CYL）と平凹レンズ(Melles Griot LPX16)PCVX)で約2℃のXとyの発散を 有する光線に変換される。 目の安全のために、いずれの7mm円形の平均強度も2mW/cm2を超えてはならない 。送信機出力において、光線足跡は寸法10.8mmと43.2mmの楕円形であり、これは 10mW（平均電力）のダイオード出力が目に安全な2mW/cm2未満の強度を生じるの に十分な大きさである。光線は100mで約3.8m（横）、約4.2m（縦）に発散する。 光線の近似発散は、縦2.2°、横2.4°である。作業者は、約2°の範囲で発散す る光線を備えたコンパニオントランシーバを手に持っていても何の問題もない。 約１°未満において、光線を目標地点上に保つことは困難であり、約4°以上に おいては分散が問題になりやすい。 受信ユニット この実施例におけるレーザ通信受信ユニット108は、100kbits/secの値におい て約852nmの波長でのデジタル自由空間レーザ通信を受信するように設計されて いる。干渉フィルタ109はかなりの量のバックグラウンド光線を遮断するが、約8 48〜852nm範囲内の光線を透過する。 送信ユニットからの852nmにおけるレーザビームは対物レンズ110によって集め られ、回転鏡114で反射され、アバランシェフォトダイオード112の1.5mmの有効 範囲に収束される。この好ましい実施例において、発明者は市販の光検出器、カ リフォルニア州、サンディエゴにオフィスを持つHammamatsu社製のModel C6018 を使用している。 フォトダイオードA用の高電圧電力源をIIIに示す。 電子構成要素 本発明の好ましいトランシーバの主な電子構成要素を、ブロック形式で第4図 に示す。送信コントローラ116は、アリゾナ州フェニックスにオフィスを持つMic rochip社製のマイクロプロセッサ、Model PIC 16C74-20Lである。マイクロプロ セッサへの入力はLeica社製の方向表示双眼鏡101の電子出力によって供給される 。トランシーバはまた、送信コントローラ116への追加入力を接続するための接 続を設けている。これはフレームグラバー118に接続されたCCD 115を備えている 。ニューハンプシャー州にオフィスを置くCurrent Technology社製のModel FFが 、好ましいフレームグラバーとして回路板に設けられている。さらに、標準モデ ム120もファクシミリ機などの電子装置からコントローラに入力を供給すること ができる。メモリチップ122、124、クロックチップ126も送信コントローラ116に 対して入力を行える。送信コントローラは、レーザダイオード90を駆動する出力 電子コントローラ94に、信号を送信するよう指示する。 送信コントローラ116と同様に、受信コントローラ128もマイクロプロセッサで ある。受信コントローラ128はアバランシェフォトダイオード112からの、受信電 子130を介した入力を受ける。さらにこのプロセッサはコンピュータ132、GPSシ ステム134、図中に符号136で示すその他の通信装置からも入力を受けることがで きる。受信コントローラ128は送信コントローラ116に対して入力を供給し、また 、音声システム140を介してスピーカ138に対しても入力を供給する。 情報の送信 上述のトランシーバユニットは、先に述べたように100kB/sにおけるデジタル データの送信が可能である。この送信情報には、使用者による音声通信、LEICA VECTORユニットからの指向性データ、そしてGPSデータが含まれる。発明者はこ のユニットに、他の電子情報装置からの追加の情報源を接続するための部品を設 けた。発明者の好ましい送信アプローチは、パルス間の時間インターバルが1ま たは0のいずれかを送信するために変化するパルス位置変調(PPM)を利用するもの である。例えば、1はパルス立上り時間の間の10マイクロセカンドインターバル によって表され、0はパルス立上り時間の間の10.5マイクロセカンド時間インタ ーバルによって表される。 音声はNational Semiconductor社製LM483 2ウェイ音声増幅器システム140によ って処理される。マイクロホン出力はLM4830によって増幅される。次に音声はフ ィルタリングされ、圧縮されて、CD22357ＣＣＤ（符号復号器）プロセッサ142で デジタル化される。ＣＣＤ（符号復号器）プロセッサでの処理が終わると、デジ タル化された音声は送信コントローラによって検索される。ここではデジタル信 号をPPMコードに変換する。PPMコーディングの後、信号は送信のためにレーザダ イオードドライバ94に送られる。 作業者がLeicaデータを送信したい場合には、データは時間と日付をスタンプ され、次に使用者がスイッチ142の内の1つを操作することで、送信コントローラ によってLeicaから送信コントローラにシフトされる。データはPPMコード化され た信号に変換され、次にレーザドライバエレクトロニクス94に送られる。Leica データは、受信機に音声ではなくデータを受信することを伝える16ビットのヘッ ダ識別子で送信される。GPSデータは以下のように送信される。データは、RS232 インターフェースを介して受信コントローラにシフトされる。データは次に、時 間と日付がスタンプされたデータをメモリに送る送信マイクロコントローラへと 移される。データは、上述したLeicaデータの場合と同様に送信される。CCDカメ ラデータがデジタル化され、メモリに記憶され、次にLeicaデータの場合と同様 に処理される。 他のトランシーバからのデータは検出され、プリアンプと高電圧回路構成を装 備したHamamatsu社製のアバランシェフォトダイオード112で増幅される。受信マ イクロコントローラ128はPPMフォーマットをバイナリフォーマットに変換する。 このコントローラは、送られたデータのタイプを決定するために、送信された情 報のコーディングをチェックする。送信されたデータの整合性が標準技術でチェ ックされてもよい。次にデータはメモリに記憶される。データはコンピュータ13 2へ送られてもよい。コンピュータデータも、コントローラ128を介してコンピュ ータからコントローラ116へと送信されることができる。 音声データが検出された場合、（バイナリ変換のためのPPMの後）受信マイク ロコントローラからＣＣＤ（符号復号器）プロセッサ142へと送信される。信号 はＣＣＤ（符号復号器）プロセッサ142で音声に変換されて、ダイナミックレン ジが拡張され、増幅され、スピーカ138の操作に使用される。 無線送受信に供給を行うこともできる。これは、大雨や濃霧といった大気状態 の悪さや、トランシーバ間の視界が悪いことによりレーザ通信が不可能である際 に、非常に便利な追加である。RF通信リンクを第4図に符号136で示す。メモリユ ニット122、124、144、145に記憶されたデータは、RS232リンクを介してコント ローラ128からSINGCARSユニット（SINGCARSは標準軍用無線ユニットである）あ るいは多くの市販の無線ユニットのいずれか1つといった無線送信機へとシフト されることができる。音声通信は、無線ユニットを介して直接行える。 従来フィルタを利用したその他の実施例 CCDカメラを双眼鏡で代用してモニタを供給することにより、目標がカメラの 視野内にある場合にはコンパニオントランシーバあるいは目標への方向がモニタ 上に十字線で表示されるか、または、所望の目標に向かうカメラの動きを促すた めの表示がモニタ上に現れる。 好ましい実施例2 原子線フィルタ 原子線フィルタを利用した本発明の好ましい実施例を、第5図〜第11図を参照 して説明する。 フィルタユニット 本発明の好ましい実施例の一般配置を第5図にブロック図に示し、その使用中 の図を第6図に示す。主な構成要素がこれらの図面中に確認できる。構成要素はC CDカメラ2、フォークトフィルタ波長ロックレーザ送信機4、受信機ファラデーフ ィルタ6、電子ビューファインダ26である。さらに付属品構成要素として、マイ クロホン22とイヤホン/スピーカ20が示されている。 波長ロックレーザ送信機 送信機4の要素を第7図、第8図、第9図に示す。SDL社製の150mWattダイオード レーザ40によってレーザビームが提供される。適当な整形光学系を備えたこのレ ーザは、２mrad（ミリラッド）の発散幅を有する光線を生じ、852nm波長で予定 どおりに作動する。この好ましい実施例において、我々はレーザを、セシウムの 6s1/2 6p3/2変換に関連する、852.11nmにおけるまたはこれに近い精密波長の1つ でロックする。これを行うために、レーザシステムは第7図に示す波長制御ユニ ット内に設計されている。この制御は、レーザの温度制御と電流制御、フォーク トフィルタ44を使用することで達成される。レーザの制御は熱電ヒートポンプ41 と温度コントローラによって行われる。ダイオード要素40の出力がレンズ組み立 て42を通過し、さらにフォークトフィルタ44を通過する。フォークトフィルタ44 は、磁場が光線方向に対して直角であることを除いてファラデー原子線フィルタ と類似する。（フォークトフィルタについては、この明細書中の後続部分でさら に詳細に説明する。）レーザビームに対して直角の角度において永久磁石46によ って生じた磁場は、第12B図に示すように、852nmに近い4つの極度に狭い通過帯 域を供給するために、原子蒸気（この場合は100℃のセシウム）上で動作する。 交差した偏光子48、50が、フィルタ内で回転される偏光を持たない光線の本質的 に全てを停止する。原子共鳴付近の光線の偏光がフィルタ内で90°回転される。 フィードバック鏡56が入射する光の80%を通過させ、10%を反射する。この10%の 光はダイオードレーザ40内へと反射されて戻り、そこで選択した波長でロックさ れるべく集束される。フィードバック鏡56を通過する光線は、光線を円形偏光に 変換するためのさらなる光学レンズを通過する。これらの光学レンズは、偏光を 回転して、光線を円形にする一対のアナモリフィックプリズム60と一致させるた めの1/2波長板58から成る。出来上がった出力は、852.11nmの波長と約2mradの発 散を持つ、60mWの円形に偏光されたレーザビームである。（この発散の結果、5k mの距離において直径10mの足跡が得られる。）ダイオード電流を制御し、出力を 選択された精密波長に維持するためにフィードバック回路63が設けられている。 我々が使用するレーザダイオードはSDL社製のModel No．SDL 5421-G1である。 ダイオードの温度は2つのMelcor社製FC 0.6-65-06-1熱電ヒートポンプによって 規制される。ヒートポンプは波長電子FPT 2000熱電冷却機コントローラによって 駆動される。レーザダイオードの温度は、最適波長安定に必要な温度の±0.05℃ 以内に維持される。レーザダイオードは低雑音、電圧制御電流源によって駆動さ れる。電流源は波長電子FPL 250からのレーザダイオードを駆動するために使用 している。レーザダイオード出力はRodenstock 1403.108レンズでコリメートさ れ、フォークトフィルタを通過する。セシウム蒸気セルの温度は、蒸気セル本体 に温度センサをエポキシ樹脂で接着したDawn Electronics社製Ds1112ヒーターを 駆動する、波長電子RHM 4000コントローラによって制御される。正確な送信スペ クトルを達成するために、温度は102.5℃に維持される。蒸気セルのいずれかの 側に配設された2つの磁石（Dexter Permag社製#ND35570048）によって、610ガウ スの横型磁場が供給される。磁場は、レーザビームの偏光に対して45°、光線に 対して90°に配向される。Corning社製900-HCの交差した偏向子が、フィルタ内 で90°回転される偏光を持たない全ての光線を停止する。CVIPRI-850-20-0537の 部分反射鏡を使用して、入射する光線の80%を通過させ、10%を反射する。CVI QW PO-850.0-05-2半波長板を使用して、偏光を90°まで回転させ、偏光がレーザビ ームの長(long)軸に対して垂直になるようにする。これは、楕円形のレーザビー ムを円形にするためにMelles Griot社製06-GPA-004−対のアナモルフィックプリ ズムを使用しているため、必要である。一対のアナモルフィックプリズムの入力 がブルースター角度にあるので、偏光を修正しないと光線中の50%が損失する。 レーザビームの小部分が一対のアナモルフィックプリズムの入力面で反射される 。この反射された光線を検出するために、Advanced Photonix社製SD−100412123 1増幅フォトダイオード62を使用している。レーザ送信出力および波長の閉ルー プ制御用に信号を使用している。 レーザ送信機の全ての機能をモニタおよび制御するために、マイクロコントロ ーラ68を使用している。パワーアップ状態で(Upon power-up)マイクロコントロ ーラは機能しているモジュールがないことを保証し、シャッターが閉められ、全 ての供給電圧が現れる。2秒間の後、マイクロコントローラはレーザ許可命令（l aser enable comand）を受け入れる。許可命令を受信すると、ロッキングおよび レシーブオーブンヒーター、熱電ヒートポンプが機能する。マイクロコントロー ラが、ロッキングオーブンが80℃に達したことを感知すると、レーザダイオード 電流駆動モジュールが機能する。これにより、ロッキングフィルタがその作動温 度、102.5℃に達した際に電子部品が安定する。オーブンが95℃に達すると、マ イクロコントローラが、16ビットup/downカウンタを駆動してレーザダイオード 駆動電流をランプアップ、ランプダウンさせる。カウンタ出力は、出力によって 電圧制御電流源を駆動するデジタル-アナログ変換機に接続している。電流源64 は波長電子FPL-250電流ドライバである。出力モニタフォトダイオードがデジタ ル化され、マイクロコントローラ68へと送られる。マイクロコントローラはレー ザダイオード電流をアップまたはダウンに駆動して、出力モニタフォトダイオー ドによって感知してピーク出力を検索する。最大出力が検出されると、マイクロ コントローラは次に、レーザ組み立てからの最大光線出力を維持するために出力 駆動電流を制御する。レーザの出力は10秒ごとにサンプリングされ、既にサンプ リングされた出力と比較され、±5%またはそれ以上の差がある場合、一定の出力 を維持するために電流が変更される。電流コントローラがレーザからの光線出力 を検出しない場合には、レーザダイオードの温度を1/2℃上昇させて変更し、レ ーザの所定の設定点を上回る、または下回る電流を、レーザから光線が検出され るまでランピングする。この時点で、ピークパワー出力アルゴリズムが始動され る。レーザ出力信号変換間において、レーザ温度およびオーブン温度がデジタル 化されて記憶される。これは、先行する作動状態が記憶されて、次回またトラン シーバを使用する際に使えるように、いかなる欠陥状態にも注目することで達成 される。これにより、従来の作動状態を使用することでウォームアップタイムを 短縮する。またレーザ電流も、同じ理由でデジタル化されて記憶される。 光線に信号をインポーズする マイクロホンからの音声出力はNational Semiconductor社製LM 4830 Audio Sy stem ICによって増幅され、次いでフィルタリング、圧縮され、Harris Semicond uctor社製PCM Codec IC Model CD 22357Aによってデジタル化される。この集積 回路のデジタル出力は、次にレーザダイオードを駆動するために適切なレベルに 位取りされる。40ミリボルト/ミリアンペアの電流位取り要素への電圧と共に、 5Vのデジタルが200ミリボルト（5mA）に位取りされる。この200ミリボルト（5mA ）のデジタル信号は次に定常レーザダイオード駆動電流と合計される。その結果 、各信号パルスについてレーザビームの波長が送信ピークにシフトオフされるた め、送信が行われない。最終結果としては、第6図中に27で示すデジタル的に変 調されたレーザビームが送信される。 データインターフェース 端末あるいはホストコンピュータからの入力もレーザで送信することができる 。そのためには、データフォーマットをTTL（0〜5ボルトレベル）に変換し、次 にこれを、レーザ波長のシフトに必要な200ミリボルトレベルにシフトする。デ ータフォーマットをいくつ選んでもよいのであるが、この場合は、RS-232フォー マットデータ変換を使用することが決定された。指示構成要素をほとんど必要と しないという理由で、この装置にはMaxim # MAX-233 RS-232からTTLへの変換機 集積回路板を使用した。 受信ユニット 第5図、第6図に示した実施例の受信ユニットの主な要素を、第9図にブロック および断面形式で示す。信号ビーム1は、光線を水平方向に偏光する偏光子70を 介してファラデーフィルタユニット6へ入る。蒸気セル74内のヒーター76により 約102℃に加熱されたセシウム蒸気上で操作する磁石80によって生じた軸方向の 磁場が、852nmに近い鋭いCs吸収線での波長における光線スペクトルのその部分 のみを回転させる。このように回転された光線が垂直偏光子72を通過し、鏡78で 反射されてAdvanced Photonix社製APM-20アバランシェフォトダイオード83へ進 む。その他の光線は垂直偏光子72と852nmの狭帯域フィルタ（Andover社製#850F4 0-12.5）82で遮断される。検出された信号は増幅され、成形され、次にパルスシ ェーパー84によってTTLレベルに変換される。信号が音声の場合、その信号はHar ris Semiconductor社製CD22357A Codec ICによりデコードおよび処理され、次に National Semiconductor社製LM4830 Audio System ICにより増幅される。信号が データ転送の場合は、コンピュータ92への入力のために、Maxim MAX-233 集積回路（または他の標準RS232駆動/受信機IC）によりRS-232レベルに変換され る。 サイドロックレーザ インラインロックレーザとサイドロックレーザ送信機の利点は、レーザを変調 するために非常に小型の変調回路しか必要としない点である。インラインロック レーザでは、波長がロッキングフィルタの通過帯域外にシフトされると、信号出 力は行われない。信号が遮断されると、デジタル変調が容易に検出される。 サイドロックレーザはさらに、変調の明白なフオームを持たない連続出力信号 といった特徴を有する。動作の理論は以下のとおりである。レーザ電流駆動源、 レーザ温度制御、オーブン温度加熱および制御は、既に説明したインライン送信 機で使用したタイプのものと同一である。レーザダイオード組み立て49から照射 されたレーザビームは集束され、非偏光ビームスプリッタ45を通過する。光線の 55%が、一対のアナモルフィックプリズムによって透過され円形にされる。レー ザビームの残りの45%は90°回転され、フォークトフィルタを介して方向付けら れる。フォークトフィルタの通過帯域内の光線44は、フィルタを通過し、光線の 約90%を反射する部分反射鏡56へと進む。この鏡は、光線がロッキングフィルタ を介して反射してビームスプリッタへと戻り、さらにレーザダイオードへと戻る ように配設されている。レーザ内へと反射する光線が、フォークトフィルタの透 過ピークにおいてレーザビームを発射するように促す。フィードバック鏡上に入 射する光線の小部分が反射されずに鏡を通過する。この光線は、フォトダイオー ド62によって検出され、インラインフィルタのものと同じ方法で、レーザの出力 パワーと波長を制御するために使用される。ロッキングフィルタが送信機レーザ ビームと並列でなく、また光線がフォークトフィルタの通過帯域外にシフトされ るため、連続出力を供給するフィルタによって遮断されない。信号は、レーザダ イオードの駆動電流のわずかなシフティングによってビーム上で改良され、この 効果により、信号波長がファラディーフィルタ通過帯域外にわずかにシフティン グされる。これによって、受信ユニットによる信号の検出が容易になるが、作業 者がロック波長と一致する原子線フィルタ(ALF)も持っていない限り、"立ち間き 者(eavesdropper)"（ビームを遮断できたとしても）は信号を検出することがで きない。 ファラデーおよびフォークトフィルタ 我々のファラデーフィルタの動作原理は、図11を参照することで理解すること ができる。交差した偏光子90、91が、10-5より上の拒否率でバックグラウンド光 線を遮断する役割をする。我々は95%以上の透過を有する高透過偏光子を使用す る。これらの偏光子は赤外線内の制限された波長領域にしか効果がないため、広 帯域干渉フィルタをファラデーフィルタと共に使用する。偏光子間では、磁場内 でビームの通路と共に軸方向に整列された原子蒸気（この場合はビーコンビーム の波長付近で強力な共振を持つセシウム）がビーコンレーザ信号の偏光を90°回 転させ、その一方で他の波長を回転させずにおき、その結果偏光子によって遮断 される。透過された光線の通路は影響を受けないため、空間情報が維持される。 偏光回転は、ゼーマン効果による磁場内の左右の円形に偏光された光線のため の光吸収周波数内の分離のためのものである。吸収付近の蒸気の屈折のインデッ クスは1と異なり、吸収分離はインデックスに与えられた周波数における左右の 円形偏光において異なりを生じさせ、それにより、これらの偏光が異なる位相速 度を有する蒸気を介して移動する。この効果は、原子吸収ピーク付近でしか起こ らない、入射される線形に偏光された光線の偏光子において周波数依存回転を生 じることである。ビームの周波数が吸収されない原子共振から十分に離れている とすれば、フィルタを介した透過は偏光回転が90°、270°等である所が最大で ある。フォークトフィルタはファラデーフィルタと似ている。フォークトフィル タでは、磁場は力線がビーム方向に対して垂直になるように配置されている。90 °の変更回転を達成するために、蒸気はファラデー回転よりもむしろ1/2波長板 のように動く。ファラデーフィルタのセシウムの852nmの範囲内の透過スペクト ルを第8A図に示し、フォークトフィルタのそれを第8B図に示す。（このスペクト ルはロックドビーコンで使用したレーザパワーで飽和される。）透過ピークは、 ファラデーフィルタと比べてフォークトフィルタにおいてはるかに鋭いことに注 意すること。我々は、ビーコン送信機レーザをロックするためにフオークトフィ ルタを選ぶ際、また、受信ユニットに使用するファラデーフィルタを選ぶ際にこ れを利用する。これにより、人工衛星の相対速度によるドップラー・シフトを適 応することができる。好ましい実施例において、我々はビーコンレーザの内の1 つを第12B図中に符号98で示した低周波数において操作することができ、また、 他の1つを高周波数周波数99で操作することができる。これにより、接近する人 工衛星と離れて行く人工衛星の両方を受信することができる。受信する人工衛星 が接近することがわかれば、両方のビーコンをローワー・ピーク98に設定するこ とができる。磁場を欠いたセシウム蒸気用の透過スペクトルを第12C図に示す。 セシウム蒸気にかけての通路の長さはどちらの場合においても1cmである。図に 示すように、ファラデーフィルタは温度121℃、50ガウスの磁場において操作さ れる。フォークトフィルタは温度95℃、600ガウスにおいて操作される。 別の送信機波長制御 第13A図、第13B図では、受信ユニットのファラデー原子線フィルタの従来の通 過帯域と適合する送信機の送信波長を制御するための別の方法を説明している。 受信ユニットのファラデー原子線フィルタは第13B図で示している。この設定に おいて、SDL 5712-H1の分布ブラッグ反射方半導体レーザダイオード154が、温度 コントローラ156と電流コントローラ158によって制御される。温度コントローラ 156はレーザの温度を約25℃の範囲内において一定（0.050℃以内）温度で制御す る。フィードバック制御は電流コントローラ158で行われる。マイクロコントロ ーラ160は、受信ユニット原子線フィルタ内の従来の送信ピークと適合するよう に、電流を第13B図中に垂直の破線で示したある値に保つ。レーザビームの一部 がサンプリングされ、セシウム吸収セル162を通過し、フォトダイオード152によ って検出される。第13B図に示すように、第2ALF通信ピークと適合する電流は、 フォトダイオード152の定期的な（1回/10秒）校正スキャニング中に検出された セシウムセルの2つの吸収ピーク間距離の約4/5である。スキャニングには約10分 かかる。 上述の説明には多くの特有の記述が含まれるが、読者はこれらを本発明の範囲 の限定と解釈すべきではなく、単に好ましい実施例の例証として解釈すべきであ る。当業者はその範囲内において他の多くの変更を構想するであろう。例えば当 業者は、例で参照した距離よりも短いあるいは長い距離での通信に適した変更を 加えることが可能である。トランシーバの使用に基づいて、適当な望遠鏡または 他のレンズ装置を送信機ユニット、受信機ユニットおよび/または第5図中に符号 7で示したビデオユニットに追加することができる。従って読者には、本発明の 範囲を、説明した例証によってではなく、付属の請求の範囲およびその法的な等 価によって決定するように要求する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 メンダーズ，ジェームズ，エイチ. アメリカ合衆国 92109 カリフォルニア 州，サン ディエゴ，オリヴァー アベニ ュー 943 (72)発明者 ブルーム，スコット アメリカ合衆国 92130 カリフォルニア 州，サン ディエゴ，コールコット ウェ イ 13060

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． レーザビームを介して別のレーザ通信トランシーバへと情報を送信するた めの、また、前記レーザ通信トランシーバからレーザビームを介して情報を受信 するためのレーザ通信トランシーバであって、前記トランシーバが、 A) レーザ送信機システムを有し、前記レーザ送信機システムが、 1) 波長の選択された領域を有するレーザビームを画定する信号レーザビ ームを生じる少なくとも1つのレーザと、 2) デジタル通信信号を前記レーザビームにインポーズするための前記信 号レーザビームを変調する信号変調器とを有し、 B) さらに、前記別のレーザ通信トランシーバからの波長の選択された領域 を有するレーザビームを受信するレーザ受信機を有し、前記レーザ受信 機が、 1) 前記受けられたレーザビームの少なくとも1つの波長と適合する光 フイルタと、 2) 前記別のレーザ通信トランシーバから送信された、また前記フィルタ を通過する通信信号を検出するための信号検出器とを有し、 C) さらに、前記別の類似レーザ通信トランシーバを配置するための、およ び前記トランシーバを前記別のレーザ通信トランシーバの方向に向ける ための望遠鏡観察装置を、 有することを特徴とするレーザ通信トランシーバ。 2． 前記望遠鏡観察装置が双眼鏡を有することを特徴とする請求の範囲1に記載 のレーザ通信トランシーバ。 3． 前記望遠鏡観察装置がGPSユニットを有することを特徴とする請求の範囲1 に記載のレーザ通信トランシーバ。 4． 前記望遠鏡観察装置が電子コンパスを有することを特徴とする請求の範囲1 に記載のレーザ通信トランシーバ。 5． さらにレーザ範囲ユニット、GPSユニット及び電子コンパスを有することを 特徴とする請求の範囲1に記載のレーザ通信トランシーバ。 6． さらにチルト計器を有することを特徴とする請求の範囲5に記載のレーザ通 信トランシーバ。 7． さらにマイクロホンとイヤホンを有することを特徴とする請求の範囲1に記 載のレーザ通信トランシーバ。 8． 前記信号レーザビームの前記波長の選択された領域が波長の狭帯域である ことを特徴とする請求の範囲1に記載のレーザ通信トランシーバ。 9． 前記波長の狭帯域が852.11nmにおいて、またはその付近でフォークトフィ ルタを使用してロックされていることを特徴とする請求の範囲８に記載のレーザ 通信トランシーバ。 10． 前記波長の狭帯域が、フィードバック制御を有する分布ブラッグ反射型レ ーザダイオードで生じたものであることを特徴とする請求の範囲８に記載のレー ザ通信トランシーバ。 11． 前記光フィルタが原子線フィルタであることを特徴とする請求の範囲1に 記載のレーザ通信トランシーバ。 12． 前記原子線フィルタが、0.1nm未満の雑音等価帯域を供給するように配置 されていることを特徴とする請求の範囲11に記載のレーザ通信トランシーバ。 13． 前記受信機原子線フィルタがファラデーフィルタであることを特徴とする 請求の範囲12に記載のトランシーバ。 14． さらにビデオカメラと、電子ビューファインダとを有することを特徴とす る請求の範囲1に記載のトランシーバ。 15． さらにスピーカを有することを特徴とする請求の範囲1に記載のトランシ ーバ。 16．前記レーザ受信機が、前記通信信号を検出するために、また、前記信号をコ ンピュータへの入力に適したサウンドデータあるいはデジタルデータとして特徴 付けるために、フォトダイオードと、前置増幅器と、周波数-電圧変換機と、デ ータ変換機とを有することを特徴とする請求の範囲1に記載のトランシーバ。