JP2005086569A - Angle adjustment mechanism of optical instrument for optical communication - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信用光学装置の角度調節機構に関し、特に光受信用ファイバーコリメータで受信した光パワーが最大となるように、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構及びシステムに関する。 The present invention relates to an angle adjustment mechanism of an optical device for optical communication, and in particular, to adjust the angle of a fiber collimator with respect to the propagation direction of incoming light so that the optical power received by a fiber collimator for receiving light is maximized. It relates to a mechanism and a system.
光は電磁波の一種であるが、その周波数は従来のマイクロ波等に比較して非常に高いため、光を使用する通信の伝送可能情報量は従来の方式に比較して飛躍的に多い。近年、レーザ光を利用した光通信が実用化され、人工衛星間や衛星・地上間或いは地上光通信が知られている。このうち、比較的短距離の光通信において、空間を伝搬してきた光を低損失で受信する簡便な装置が望まれている。 Light is a kind of electromagnetic wave, but its frequency is much higher than that of a conventional microwave or the like. Therefore, the amount of information that can be transmitted for communication using light is dramatically higher than that of a conventional method. In recent years, optical communication using laser light has been put into practical use, and satellite-to-satellite, satellite-to-ground or terrestrial optical communication is known. Among these, in a relatively short distance optical communication, a simple device that receives light propagating in space with low loss is desired.
光無線通信における受信は、半導体受光素子等の面で受光するバルク受信が一般的である。しかし、受信した信号光を、光ファイバー、特にシングルモード光ファイバーへ直接導光することができれば、空間部分もトランスペアレントな単なる線路の一部とみなすことができ、ファイバーシステムの一部として扱え、都合が良い。シングルモード光ファイバーは、コア径(又は口径)を非常に小さくして単一モードの光のみを伝搬させるようしたものであり、モード分散が発生せず、パルス拡がりが極めて小さく広帯域通信に適している。 Reception in optical wireless communication is generally bulk reception in which light is received by a surface such as a semiconductor light receiving element. However, if the received signal light can be guided directly to an optical fiber, particularly a single-mode optical fiber, the spatial portion can be regarded as a part of a simple transparent line, which can be conveniently handled as a part of the fiber system. . A single mode optical fiber is designed to propagate only single mode light with a very small core diameter (or aperture), does not generate mode dispersion, has very small pulse spread, and is suitable for broadband communication. .
空間光を効率的にファイバー内へ集光するためには、レンズやファイバー等の光学定数を整合させる必要があり、実際には屋外で大気揺動を受けて伝搬方向が傾斜した光信号を確実に受信することは非常に困難であり、大きな受光損失を伴う。 In order to efficiently collect spatial light into the fiber, it is necessary to match the optical constants of the lens and fiber, etc. However, it is very difficult to receive the signal and involves a large light receiving loss.
従って、ファイバー受光を実現したシステムの多くは、受光損失を小さくするために、口径又はコア径の大きなマルチモード光ファイバーを用いている。しかし、マルチモード光ファイバー内では、モードにより光軸方向への伝搬速度が異なり、モード分散を生じるので、高密度の情報を伝送することができないという不利点がある。 Therefore, many systems that realize fiber light reception use multimode optical fibers having a large aperture or core diameter in order to reduce light reception loss. However, in a multimode optical fiber, the propagation speed in the direction of the optical axis differs depending on the mode and mode dispersion occurs, so there is a disadvantage that high-density information cannot be transmitted.
一方、宇宙における衛星間通信用に開発された大きな光アンテナを用いることにより、シングルモードファイバーでの受光を実現するものもあるが、構成が非常に複雑でかつ高価なシステムとなってしまう。 On the other hand, using a large optical antenna developed for inter-satellite communication in space can realize light reception with a single mode fiber, but the configuration becomes very complicated and expensive.
また、受光レベルを維持するための追尾方式として、波長0.8μm帯には高感度な位置検出センサー(多チャンネルAPD, PSDさらにCCDなど)が知られているが、波長1.55μm帯においてはそのような位置検出センサーが得られず、参照光として0.8μm帯の光を同時に投光する方式(非特許文献1参照)や特殊な検出センサーを用意する必要があり、コストの高いものとなる。
通常、ファイバー内へ導光する場合、ファイバーのNA(Numerical Aperture 開口数)より大きな角度の光は入らない。ファイバーへの入射可能な臨界光線がファイバー光軸とのなす角をψとすると、開口数は、NA = sin ψ で定義される。また、光無線装置は温度変化による設置点の歪みや大気の温度勾配による屈折率変化により光の入射角度は微妙に変動するため、シングルモードファイバーの10μmの小さなコアへと直接導光することは難しい。そのために、図1に示すように、シングルモードファイバー6の端部にコリメータ部4を設けるのが一般的である。このコリメータ部4は、予想される角度変動よりも大きいものを選択する。主レンズ2に到来した光信号1が、主レンズ2により、コリメートレンズ3に集光される。コリメートレンズ3は、その光を平行光束に変換してコリメータ部4へと導光する。コリメータ部4が受光した光束が低損失でシングルモードファイバー6内へと導光される。通常、コリメータ部は、ファイバーから外へ出射される光を平行にするために用いられるが、ここでは逆に用いて平行光線を低損失でファイバー内へと簡易に導光するために用いている。
Normally, when light is guided into a fiber, light with an angle larger than the NA (Numerical Aperture numerical aperture) of the fiber does not enter. The numerical aperture is defined as NA = sin ψ where ψ is the angle between the critical ray that can enter the fiber and the optical axis of the fiber. In addition, the optical wireless device slightly changes the incident angle of light due to the distortion of the installation point due to temperature changes and the change in refractive index due to the atmospheric temperature gradient. difficult. Therefore, as shown in FIG. 1, it is common to provide the
一般的に、受光装置に到達する光束1と受光装置の主レンズ2との間の平行関係は常に保たれるということはない。温度変化による受光装置の歪みや大気の温度勾配による屈折率変化により、平行度が変動する場合が多い。本装置の適用範囲(例えば、1km以下の近距離利用範囲)を考慮すると、空間を伝搬する光束の波面変動は小さく許容可能レベルであるが、受光装置の接地面などの機械的変動による平行度の変化や大気の温度勾配による光束の傾斜は比較的に大きく、整合されたコリメートレンズ間の結合に困難な状況が生じる(図2参照)。
In general, the parallel relationship between the light beam 1 reaching the light receiving device and the
そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、近距離の光無線通信において、簡易かつ効率的で安価に、空間光から直接シングルモードファイバーへ導光するための、光束平行度の変動分を補償する角度調節システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and in parallel optical wireless communication, light flux parallelism for guiding light directly from a spatial light to a single mode fiber in a simple, efficient and inexpensive manner. An object of the present invention is to provide an angle adjustment system that compensates for fluctuations in the angle.
上記の目的を達成するための本発明の一特徴に従った、光通信用光学装置の角度を通信光の伝搬方向に対して調節する角度調節機構は、固定支持部;光学装置を支持するための被駆動支持部;固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも1箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸;固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第1の弾性部材;固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第2の弾性部材;及び外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも1つの駆動軸;から構成される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, an angle adjustment mechanism for adjusting an angle of an optical device for optical communication with respect to a propagation direction of communication light includes a fixed support portion; A fixed support shaft that is fixed to at least one fixed portion of the fixed support portion and the driven support portion and maintains the fixed portion at a fixed distance from the fixed support portion; A first elastic member acting in a direction to reduce the distance between the moving part of the driving support part; a second elasticity acting in a direction to widen the distance between the fixed support part and the moving part of the driven support part And at least one drive shaft that is driven by the external drive control unit and changes the distance between the fixed support part and the moving part of the driven support part.
第1の弾性部材は板バネから構成することができ、第2の弾性部材はスプリングから構成することができる。駆動軸は、光学装置の角度を鉛直面内で調節するための第1の駆動軸、及び光学装置の角度を水平面内で調節するための第2の駆動軸から構成することができる。 The first elastic member can be composed of a leaf spring, and the second elastic member can be composed of a spring. The drive shaft can be composed of a first drive shaft for adjusting the angle of the optical device in the vertical plane and a second drive shaft for adjusting the angle of the optical device in the horizontal plane.
光通信用光学装置は、光受信用ファイバーコリメータでも良い。 The optical device for optical communication may be a fiber collimator for receiving light.
本発明の他の特徴に従った、光受信用ファイバーコリメータの角度調節システムは、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構;ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ;及び該光カップラからのモニタ光を測定し、該測定値が最大になるように角度調節機構を制御する制御部;から構成される。 According to another aspect of the present invention, an angle adjustment system for a fiber collimator for receiving light includes an angle adjustment mechanism for adjusting an angle of the fiber collimator with respect to a propagation direction of incoming light; distributing light received by the fiber collimator; An optical coupler that extracts the monitor light; and a control unit that measures the monitor light from the optical coupler and controls the angle adjustment mechanism so that the measured value is maximized.
本発明の他の特徴に従った、光受信用ファイバーコリメータの角度調節システムは、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構であり、固定支持部と、ファイバーコリメータを支持するための被駆動支持部と、固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも1箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸と、固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第1の弾性部材と、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第2の弾性部材と、外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも1つの駆動軸と、から構成される角度調節機構;ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ;及び該光カップラからのモニタ光のパワーを測定し、該測定値が最大になるように、外部駆動制御部を通じて角度調節機構を制御する制御部;から構成される。 According to another aspect of the present invention, an angle adjustment system for a fiber collimator for receiving light is an angle adjustment mechanism for adjusting an angle of a fiber collimator with respect to a propagation direction of incoming light, and includes a fixed support portion and a fiber collimator. A driven support portion for supporting, and a fixed support shaft fixed to at least one fixed portion of the fixed support portion and the driven support portion, and maintaining the fixed portion at a fixed distance from the fixed support portion; The first elastic member acting in the direction of reducing the distance between the fixed support portion and the driven support portion in the direction of movement, and the direction of increasing the distance between the fixed support portion and the movement portion of the driven support portion. Angle adjustment composed of an acting second elastic member and at least one drive shaft that is driven by the external drive control unit and changes the distance between the fixed support part and the moving part of the driven support part. Structure: Optical coupler that distributes the light received by the fiber collimator and extracts the monitor light; and the power of the monitor light from the optical coupler is measured, and the angle is adjusted through the external drive control unit so that the measured value becomes maximum A control unit for controlling the mechanism.
本発明の実施例によれば、近距離の光無線通信において、簡易かつ効率的で安価に、空間光から直接シングルモードファイバーへ導光するための、光束平行度の変動分を補償する角度調節システムが提供される。 According to the embodiments of the present invention, in short-distance optical wireless communication, angle adjustment for compensating for fluctuations in the parallelism of light flux for guiding light directly from spatial light to a single mode fiber in a simple, efficient and inexpensive manner. A system is provided.
また、被駆動支持台の揺動位置を引っ張る作用の弾性部材と押し出す作用の弾性部材を併用して力の均衡を図っているので、駆動軸によって被駆動支持台の位置をバックラッシュなく、細かに精度良く制御できる。 In addition, since the force balance is achieved by using both the elastic member that pulls the swinging position of the driven support and the elastic member that pushes out, the position of the driven support is finely adjusted by the drive shaft without backlash. Can be controlled accurately.
本発明に従ったシステムは、近距離通信であることを考慮し、送信側は、ある程度傾いても、受信側の主レンズ2から外れない大きさの光束1を出力するものとする。受信側は、特別なセンサー系を持たず、受光系が常時自律的にコリメータを駆動して、現ポジションの周囲を走査し受光レベルの強い角度位置へと移動していく方式を採用している。その角度を制御する一方法として、コリメータファイバーを保持する支持台を二点で独立に押したり引いたりすることにより、コリメータの傾きを制御するものである。
In consideration of short-range communication, the system according to the present invention outputs a light beam 1 having a magnitude that does not deviate from the
以下、図面を参照しながら本発明に従った光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構の実施例について説明する。 Embodiments of an angle adjusting mechanism for adjusting the angle of an optical communication fiber collimator according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図3は、光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構10の概略側面図である。固定指示部としての固定支持台14が光受信装置のベース12に固定されている。固定支持台14に固着され、そこから伸びている1本の固定支持軸16が、被駆動支持部としての被駆動支持台18の1箇所(ここが支点となる)を固定している。被駆動支持台18は、固定部位としての支点を中心として、図4に示すように、揺動(角度変動)することができる。図5に示す角度調節機構10の正面図において、1本の固定支持軸16が図示されている。被駆動支持台18には、図3に示すようにファイバーコリメータ20が取り付けられており、そこに入射した光がファイバー40を通って伝搬される。
FIG. 3 is a schematic side view of the
被駆動支持台18の固定部位としての固定位置(支点)を固定したまま、被駆動支持台18の移動部位としての揺動位置を到来光の伝搬方向に対して前後方向に移動させることにより、ファイバーコリメータの到来光に対する角度を調節することができる。支持台14と被駆動支持台18の揺動位置との間には、図3乃至図5に示すように、第1の弾性部材としての1枚の板バネ22と、第2の弾性部材としての3本のスプリング24が設けられている。本実施例では、揺動位置は、図5の32,34,36(これらは駆動軸の符号であるが、ちょうど揺動位置を示すのにも有用である)で指示された3箇所がある。板バネ22の形状は、図5に示すように、ねじれに対応可能なU字型である。板バネ22は、被駆動支持台18の揺動位置32,36に対して、固定支持台14に近づく方向に引っ張り力を作用させる。一方、スプリング24は、被駆動支持台18の揺動位置32,34,36に対して、固定支持台14から離れる方向に押圧力を作用させる。これらの二つの逆方向の力が釣り合う位置で、被駆動支持台18が停止することになる。
By moving the rocking position as the moving part of the driven
好適な例として、板バネとスプリングを示したが、弾性部材はこれらに限定されることなく、如何なる種類の弾性部材であって良い。例えば、他の形状のバネやスプリング、或いはゴムや樹脂などの弾性材料などを用いることができる。 As a preferred example, a leaf spring and a spring are shown, but the elastic member is not limited to these, and any type of elastic member may be used. For example, other shapes of springs and springs, or elastic materials such as rubber and resin can be used.
また、被駆動支持台18の1つの揺動位置には上下角度駆動軸32が取り付けられており、上下角度駆動軸32は外部駆動制御部としての直線駆動アクチュエータ(図示せず)により軸方向に駆動される。上下角度駆動軸32が駆動されると、図4に示すように、被駆動支持台18が揺動する。この揺動により、被駆動支持台18に取り付けられているファイバーコリメータ20の光軸が鉛直面内で上下方向に角度変動することになる。
Further, an up / down
被駆動支持台18の他の揺動位置には左右角度駆動軸34が取り付けられており、左右角度駆動軸34は外部のアクチュエータ(図示せず)により軸方向に駆動される。左右角度駆動軸34が駆動されると、被駆動支持台18が揺動する。この揺動により、被駆動支持台18に取り付けられているファイバーコリメータ20の光軸が水平面内で左右方向に角度変動することになる。
A left / right
被駆動支持台18の第3の揺動位置には自由軸36が取り付けられており、被駆動支持台18が揺動する際にその自由軸に対し摺動可能である。
A
2つの駆動軸32,34を独立に駆動することで、被駆動支持台18ひいてはファイバーコリメータ20の光軸を上下左右に自由に変位させることができる。2つの駆動軸を制御するだけで良く、その結果、走査時間の短縮と制御アルゴリズムの簡易化及びコスト低減化を可能とした。
By driving the two
被駆動支持台18の揺動位置を引っ張る作用の弾性部材と押し出す作用の弾性部材を併用して力の均衡を図っているので、駆動軸32,34によって被駆動支持台18の位置をバックラッシュなく、細かに精度良く制御できる。
Since the force balance is achieved by using both the elastic member for pulling the swinging position of the driven
上記の実施例では、光を受信する場合の例を示したが、本発明の原理は光を送信する場合にも適用可能である。光を送信する側の光学装置の光軸を上下左右に細かく制御するために上述のような角度調節機構を用いることができる。 In the above embodiment, an example in which light is received has been described. However, the principle of the present invention can also be applied to a case in which light is transmitted. The angle adjusting mechanism as described above can be used to finely control the optical axis of the optical device on the light transmitting side vertically and horizontally.
図6に本発明の実施例に従ったファイバーコリメータの角度調節システム60の概略を示す。ファイバーコリメータ(図示せず)を介して到来光を受信する光受光部11からシングルモードファイバー40が伸び、その中を受光した光信号が伝搬される。光受光部のファイバーコリメータは、角度調節機構10により角度調節される。シングルモードファイバー40内を伝搬した光は、光パワーを分配する光カップラ42において、光パワーの一部が分配されてモニタ回路48へと導かれる。大部分の光パワーは本来の光通信用に主信号光44として用いられる。光カップラ42としては、エバネッセント光を利用した拡散型カップラ、光導波断面を分割する面積分割型方向性カップラ、部分反射を利用したビーム分割型カップラ等の種々のカップラを用いることができる。
FIG. 6 schematically shows an
モニタ回路48は、受信した光のパワーを測定して、測定結果を制御演算装置部50へと出力する。制御演算装置部50は、モニタ回路48からのアナログ信号をデジタル信号へと変換するA/D変換部、制御演算を実行するCPU、駆動アルゴリズムを記憶したメモリ部を備え、モニタ光量が最大になるように、駆動制御部54を制御する。駆動制御部54は、制御演算装置部50からの指令に応じて、駆動軸32,34を駆動して、ファイバーコリメータの上下左右角度を調節する。駆動制御部54としては、パルス入力により一定角ずつ回るステップモータなどのサーボモータを利用したアクチュエータや、プランジャー型のボイスコイル・アクチュエータ、圧電型のアクチュエータなどの種々のアクチュエータを用いることができる。このようにして、制御のための特別なモニタ系を用意することなく、自律的に到来光の傾斜に追従するシステムを構築することが可能となる。
The
モニタ回路48及び制御演算装置部50が制御部に相当し、駆動制御部54が外部駆動制御部に相当する。
The
本発明に従った、角度調節機構は、比較的短距離の光通信用光学装置内で用いることができ、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータ角度の調節を必要とする技術分野において利用することができる。 The angle adjustment mechanism according to the present invention can be used in an optical device for optical communication at a relatively short distance, and is used in a technical field that requires adjustment of the fiber collimator angle with respect to the propagation direction of incoming light. be able to.
10 角度調節機構
14 固定指示台
18 被駆動支持台
16 固定支持軸
32, 34 駆動支持軸
22 板バネ
24 スプリング
60 角度調節システム
42 光カップラ
48 モニタ回路
50 制御演算装置部50
54 駆動制御部
10 Angle adjustment mechanism
14 Fixed instruction stand
18 Driven support base
16 Fixed support shaft
32, 34 Drive support shaft
22 leaf spring
24 Spring
60 angle adjustment system
42 Optical coupler
48 Monitor circuit
50 Control
54 Drive controller
Claims (10)
固定支持部;
前記光学装置を支持するための被駆動支持部;
固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも1箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸;
固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第1の弾性部材;
固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第2の弾性部材;及び
外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも1つの駆動軸;
から構成される角度調節機構。 An angle adjustment mechanism for adjusting the angle of an optical device for optical communication with respect to the propagation direction of communication light, comprising:
Fixed support;
A driven support for supporting the optical device;
A fixed support shaft that is fixed to at least one fixed part of the fixed support part and the driven support part, and maintains the fixed part at a fixed distance from the fixed support part;
A first elastic member acting in a direction to reduce the distance between the fixed support part and the driven support part from the moving part;
A second elastic member acting in a direction to increase the distance between the fixed support part and the moving part of the driven support part; and the moving part of the fixed support part and the driven support part driven by an external drive control unit At least one drive shaft that changes the distance between
Angle adjustment mechanism composed of
到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構;
前記ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ;及び
該光カップラからのモニタ光を測定し、該測定値が最大になるように前記角度調節機構を制御する制御部;
から構成される角度調節システム。 An angle adjustment system for a fiber collimator for optical reception:
An angle adjustment mechanism for adjusting the angle of the fiber collimator with respect to the propagation direction of the incoming light;
An optical coupler that distributes light received by the fiber collimator and extracts monitor light; and a controller that measures the monitor light from the optical coupler and controls the angle adjustment mechanism so that the measured value is maximized;
Angle adjustment system composed of.
到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構であり、
固定支持部と、
ファイバーコリメータを支持するための被駆動支持部と、
固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも1箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸と、
固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第1の弾性部材と、
固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第2の弾性部材と、
外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも1つの駆動軸と、
から構成される角度調節機構;
前記ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ;及び
該光カップラからのモニタ光のパワーを測定し、該測定値が最大になるように、前記外部駆動制御部を通じて前記角度調節機構を制御する制御部;
から構成される角度調節システム。 An angle adjustment system for a fiber collimator for optical reception:
It is an angle adjustment mechanism that adjusts the angle of the fiber collimator with respect to the propagation direction of incoming light,
A fixed support;
A driven support for supporting the fiber collimator;
A fixed support shaft fixed to at least one fixed part of the fixed support part and the driven support part, and maintaining the fixed part at a fixed distance from the fixed support part;
A first elastic member that acts in a direction to reduce the distance between the fixed support part and the driven support part among the moving parts;
A second elastic member acting in the direction of increasing the distance between the fixed support part and the moving part of the driven support part;
At least one drive shaft driven by an external drive control unit to change a distance between the fixed support part and the moving part of the driven support part;
An angle adjustment mechanism comprising:
An optical coupler that distributes the light received by the fiber collimator and extracts monitor light; and the power of the monitor light from the optical coupler is measured, and the angle is passed through the external drive controller so that the measured value is maximized. A control unit for controlling the adjusting mechanism;
Angle adjustment system composed of.
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CN103487911A (en) * | 2013-10-11 | 2014-01-01 | 复旦大学 | Precision positioning and adjusting device for off-axis optical element |
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