JP2007049290A - 光空間通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相手装置との光軸ずれの補正を容易に行う。
【解決手段】入力された本信号は本信号にそれぞれ異なる周波数が合波され、合波された各信号は４個の格子状に配列された発光素子２５ａ〜２５ｄにそれぞれ入力され発光する。発光素子２５ａ〜２５ｄからの光ビームＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄは、それぞれ光強度変調され適当な光強度によって空間に放出される。放出された４個の光ビームＬａ〜Ｌｄのビームパターンは格子状に並列され、その一部同士は重なっている。光受信側において、得られた光ビーム中の周波数を検知すれば、どの光ビームＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄが入射しているかが分かり、光軸ずれを検出できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、離れた２地点間に対向設置され、自由空間中を伝搬する光ビームにより光信号を送り、特に装置の角度ずれによる光ビームの光軸ずれを補正して通信を行う光空間通信装置に関するものである。

一般的に、自由空間中に光ビームを伝搬させて通信を行う光空間通信装置は、可搬性に富み、高速かつ大容量の情報を通信することができ、簡便かつ自由に通信路を開設することができるという特長がある。この光空間通信方式を用いて信頼性の高い通信路を開設するためには、伝送装置の光ビームが通信中に相手装置から外れないようにする必要がある。例えば、建物或いは設置架台の風圧や振動による揺れ、温度変動による歪み、経時変化による角度変動などにより、光ビームが相手装置から外れることがないように光ビームのビーム径を大きくする。或いは、常に角度補正を自動的に行う自動追尾機構を有することが必要である。従来、前記光ビームの確度補正を行う手段を備えた装置として、特許文献１に開示された光空間通信装置が知られている。

また、図９に従来の光空間通信装置の構成図を示し、装置の角度が変わっても角度を補正して、光ビームが相手装置を向くような光軸ずれ補正機能が考案されている。図９は対向する一対の装置の自装置側の構成図を示している。光ビームの送受信のための光学系１が用いられ、相手装置への送信光信号は半導体レーザー等の発光素子２から放出される。発光素子２の光ビームは偏光されており、光ビームは偏光ビームスプリッタ３を介して送受光レンズ４の方向に反射され、送受光レンズ４で僅かに拡がりを持つほぼ平行な光ビームＬとなって、相手装置の方向に送信される。

他方、相手装置からの光ビームは、自装置からの送信光ビームＬと同じ光軸上で逆の進路をたどり、送受光レンズ４から偏光ビームスプリッタ３に入射する。しかし、相手装置からの受信光は偏光方向が送信光ビームＬと直交するように設定されているために、偏光ビームスプリッタ３をそのまま透過し、ビームスプリッタ５に入射する。受信光の大部分はビームスプリッタ５で反射し、光信号検出用の受光素子６に入射して、通信用の信号が検出されるが、一部の光はビームスプリッタ５を透過して光位置検出素子７に入射する。

光位置検出素子７は例えば図１０に示すような４分割されたフォトダイオード７ａ〜７ｄが使用され、その一部に光スポットＬｐが入射している様子を示している。このような４つのフォトダイオード７ａ〜７ｄの出力を比較することにより、光スポットＬｐの位置を知ることができる。

光位置検出素子７の出力信号は、角度補正情報として制御回路８で演算処理され、光学系１の駆動回路９に駆動信号が出力される。そして駆動回路９により、垂直方向の駆動機構１０及び水平方向の駆動機構１１を作動して、光スポットＬｐの位置が光位置検出素子７の中心に至るようにする。つまり、４つのフォトダイオード７ａ〜７ｄの出力が、全て等しくなるような方向に駆動、制御される。

光位置検出素子７と発光素子２、光信号検出用の受光素子６は全て軸が一致するように位置調整がなされている。光位置検出素子７の中心に光スポットＬｐが入射した状態では、光信号検出用の受光素子６の中心にも光が入射しており、発光素子２からの光の中心は相手装置の方向に放射される。このようにして、常に送信光が受信光の方向、即ち相手装置の方向になるように光軸ずれ補正が行われる。

また、鏡筒全体を駆動することにより光軸ずれ補正を行う代りに、図１１に示すように、水平方向偏向ミラー１２と垂直方向偏向ミラー１３とを駆動することによって、鏡筒内で光ビームを偏向させて光軸補正を行う方法もある。

特開平５−１３３７１６号公報

しかしながら上述の従来例では、前述のように４分割フォトダイオード７ａ〜７ｄを有する光位置検出素子７を用いて光ビームの偏向方向を検出し、光軸の補正を行っている。従って、ビームスプリッタ、光位置検出素子等の光学部品を必要とし、装置のコストを上昇させる原因となっている。

また、光位置検出素子７に入射する光は、途中で分岐しているため、本信号検出用の受光素子６に入射する光ビームに比較して小さい。従って、本信号検出用受光素子６では、入射光を検出できている場合でも光位置検出素子７に入射する光は、比較的小さいため検出が困難である。従って、本信号が伝送可能な装置への入射光量の時でも、装置の光軸補正ができないという状況が発生することがある。

更には、光位置検出素子７と受光素子６に使用する素子の種類によって、受光素子６自体の最小受光感度が異なるため、本信号が伝送可能な装置への入射光量の時と光軸補正が可能な入射の時との感度差が、広がってしまうこともある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、相手装置との光軸ずれの補正を容易に行い得る光空間通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光空間通信装置の技術的特徴は、光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、本信号及び前記本信号に重畳される複数のパイロット信号を発生する信号発生手段と、前記本信号及び前記複数のパイロット信号により変調されて発光する複数の発光素子と、前記複数の発光素子の光ビームの一部が互いに重なり合うように相手側通信装置へ送信する送信手段と、前記相手側通信装置からの光ビームを受信する受信手段とを有し、前記複数のパイロット信号は前記複数の発光素子にそれぞれ対応し、前記受信手段で受信したパイロット信号に基づいて、前記相手側通信装置の光ビームの角度補正情報を算出する制御手段を有することにある。

本発明に係る光空間通信装置によれば、相手装置からの光ビームの角度を検出するための光位置検出素子を設ける必要がなくなる。また、光位置検出素子に受信光を集光させるための光学系と光の分岐手段が必要なくなるため、装置の構成が簡単になり、安価に実現できる。

更に、光位置検出素子に入射する光を途中で分岐させることがないため、光信号検出用の受光素子に入射する光を光軸補正にも使用することができる。このため、本信号が伝送可能な装置への入射光量の時でも、光軸補正ができていないという状況が解消される。

また、光軸補正用の信号検出と本信号検出用受光素子は同じであるため、受光素子の最小受光感度が異なることがない。このため、本信号が伝送可能な装置への入射光量の時と自動追尾が可能な入射光量の時との感度差が更に広がることもない。

光軸補正が常に動作している時の通信状態は、複数個の光ビームが重なり合っているため、その光量は１つの光ビームの時に比べて複数倍となる。従って、通信マージンが向上するという副次的な効果も得られる。

本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は送信側の信号発生系統のブロック回路構成図である。本信号入力端子Ｉからの入力信号は、広帯域アンプ２１を介して４分配が可能なパワーディバイダ２２に接続されている。パワーディバイダ２２の４つの出力信号は発振器２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの出力と共に、それぞれ合波器２４ａ〜２４ｄに接続されている。合波器２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのコンデンサを介した出力にはバイアス電圧＋ＶＬＤが加えられ、図２に示すように格子状に配列された発光素子２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに接続されている。

相手側装置に向けて光信号を送信する場合に、本信号入力端子Ｉから入力された本信号は、広帯域アンプ２１によって発光素子２５ａ〜２５ｄを輝度変調するための十分な振幅まで増幅される。増幅された本信号は、パワーディバイダ２２により４分配されて、それぞれの本信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄとして出力される。これらの本信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄは、それぞれ発振周波数が異なる発振器２３ａ〜２３ｄが発振する周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄを持つ各パイロット信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄと合波器２４ａ〜２４ｄにおいてそれぞれ合波される。合波された各信号Ｓ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄは４個の発光素子２５ａ〜２５ｄに、直流カットの結合コンデンサを介してそれぞれ入力される。

４個の発光素子２５ａ〜２５ｄへのそれぞれの信号Ｓ３ａ〜Ｓ３ｄにバイアス電圧＋ＶＬＤが重畳され、発光素子２５ａ〜２５ｄからの光ビームＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄが発光される。このとき、光ビームＬａ〜Ｌｄはそれぞれ光強度変調され、適当な光強度として図２に示すように空間に放出され、放出された４個の光ビームＬａ〜Ｌｄのビームパターンは格子状に並列され、その一部同士は重なっている。

一方、対向設置された受信側において、光ビームＬａ〜Ｌｄは受光地点においては、適当な大きさに拡散されて受信装置に到達し、図３に示すように受信装置の受光レンズ３１によって光信号が受信される。各光ビームＬａ〜Ｌｄにはそれぞれに本信号成分とは別にパイロット信号が重畳されている。即ち、光ビームＬａには周波数ｆａを持つパイロット信号Ｓ２ａ、光ビームＬｂには周波数ｆｂを持つ信号Ｓ２ｂ、光ビームＬｃには周波数ｆｃを持つ信号Ｓ２ｃ、光ビームＬｄには周波数ｆｄを持つ信号Ｓ２ｄが重畳されている。従って、光ビームＬａ〜Ｌｄの重なり合う部分においては、複数のパイロット信号の周波数ｆａ〜ｆｄが重なり合う成分を有している。

図４は受信装置の構成図を示し、相手装置からの光ビームＬは、受光レンズ３１、受信光学系３２を介して受光素子３３に入射し、受光素子３３の出力は本信号受信回路３４を介して本信号出力端子Ｏに接続されている。また、受光素子３３の出力の一部は、ビーム位置検出回路３５を介して検出処理部３６に接続されている。

相手装置から来た光ビームＬａ〜Ｌｄの何れかの光ビームＬは、先ず受光レンズ３１に入射し、受信光学系３２を経て受光素子３３に入射する。受光素子３３に入射した受信光は光電変換され、変換された電気信号は本信号受信回路３４及びビーム位置検出回路３５に分配され、本信号受信回路３４を介した本信号は出力端子Ｏから出力される。

一方、ビーム位置検出回路３５に分配された電気信号は、受光素子３３で受光したパイロット信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄの成分が検出される。このように検出された各パイロット信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは次段の検出処理部３６において信号処理がなされ、相手装置の光ビームＬの角度補正情報として検出される。更に、その情報は有線系又は無線系の回線によって相手装置に送られ、その検出情報により相手装置を駆動して送信装置の光軸補正を行う。

図５はビーム位置受信装置のブロック回路構成図を示し、受光素子３３の出力は、広帯域アンプ３７、４個の狭帯域アンプ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、アンプ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄを介して、出力端子Ｏａ〜Ｏｄに接続されている。

受光素子３３に入射した光ビームＬは光電変換され、その出力信号は広帯域アンプ３７で適当な振幅まで増幅され、ビーム位置検出回路３５に入力される。入力された信号は、中心周波数ｆｏがｆａ〜ｆｄの異なるそれぞれの狭帯域アンプ３８ａ〜３８ｄに入力される。周波数ｆａ〜ｆｄ別に増幅された狭帯域アンプ３８ａ〜３８ｄのそのそれぞれの出力は、後段に接続されたアンプ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄにより信号増幅され、周波数ｆａ〜ｆｄ別の各パイロット信号が出力端子Ｏａ〜Ｏｄにそれぞれ出力される。

従って、例えば図３に示すような位置に受信装置の受光レンズ３１がある場合には、受光素子３３では本信号と周波数ｆａ、ｆｂのパイロット信号が電気信号として光電変換される。次に、ビーム位置検出回路３５では、周波数ｆａ、ｆｂのパイロット信号が出力端子Ｏａ、Ｏｂから出力され、周波数ｆｃ、ｆｄのパイロット信号は出力されない。なお、この場合に全ての出力端子Ｏａ〜Ｏｄからの出力があれば、光ビームＬは受光素子３３の中心に入射していることになり何れか１つの出力端子、或いは３つの出力端子から出力がある場合も補正情報は得られる。

このように検出された各パイロット信号は、次段の検出処理部３６において信号処理がなされ、相手装置の光ビームＬの角度補正情報として検出され、更にその情報は有線系又は無線系の回線によって相手装置に送られる。送信回線においては、有線系では電話回線や光ファイバなど、無線系ではＩＥＥＥ８０２．１１等の電波無線や本装置のパイロット信号を変調して伝送する方法等が考えられる。

図６は相手装置の送信装置の構成図であり、角度補正情報が加えられた信号は制御回路４１に接続され、制御回路４１の出力は駆動回路４２を経て垂直方向の駆動機構４３、水平方向の駆動機構４４に接続されている。

受信装置から送信されてきた光ビームＬの角度補正情報は制御回路４１で演算処理され、駆動回路４２に駆動信号が出力される。そして、駆動回路４２により駆動機構４３及び駆動機構４４を駆動して、受信装置の検出処理部３６において周波数ｆａ〜ｆｄの全ての周波数のパイロット信号が検出されるように動作する。その結果、送信装置から空間に放出された４個の光ビームＬａ〜Ｌｄの光軸方向が、常に受信装置の中心に一致するような方向に制御、駆動し光軸の補正を行うことができる。

なお前述の説明では、受信装置の検出処理部３６において信号処理を行い、相手装置の光ビームＬの角度補正情報として検出し、相手装置でその情報を相手装置内の制御回路４１で演算処理し、光軸補正を行っている。しかし、検出処理部３６において相手装置内の制御回路４１で行っていた演算処理を行い、垂直方向及び水平方向の駆動信号として相手装置に送り、相手装置を動かすことも可能である。

また、入射する光ビームを途中で分岐させることなく、光信号検出用の受光素子３３に入射する光を光軸補正にも使用しているため、本信号が伝送可能な装置への入射時に光軸補正ができないという状況の発生が解消される。

更には、光軸補正用の信号の検出と本信号検出用を同じ受光素子３３を用いているため、受光素子３３の最小受光感度が異なるということがなくなる。従って、本信号が伝送可能な装置への入射光量の時と自動追尾が可能な入射光量の時との感度差が、更に広がってしまうという問題も解決される。

実施例２は実施例１と主たる構成に相異はないが、図７に示すように、４個の発光素子２５ａ〜２５ｄ（２５ｂ、２５ｄは図示を省略）が空間的に同一平面上に格子状に並列されている。なお、同一平面に格子状に並んでいる４個の発光素子２５ａ〜２５ｄは、ＬＥＤ又はＬＤ等の発光素子を並べて構成されている。これらの発光素子２５ａ〜２５ｄはそれぞれ送信レンズ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを介して、実施例１と同じ放射パターンを有する４個の光ビームＬａ〜Ｌｄが送出され、相手の受信装置に到達する。

この場合においても、実施例１と同様に、各発光素子２５ａ〜２５ｄから相手装置に送信された光ビームの光ビームパターンは格子状に並んでおり、一部が重なり合った光ビームＬａ〜Ｌｄとして光ビームを送信することにより、同じ効果を得られる。

本実施例３では４個の発光素子２５ａ〜２５ｄ（２５ｂ、２５ｄは図示を省略）として、近接した同一平面に格子状に並列した面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイが使用されている。この半導体レーザーアレイから４個の光ビームＬａ〜Ｌｄが発光され、１個の送信レンズ５２を経て相手側の受信装置に到達する。

４個の発光素子２５ａ〜２５ｄは、近接した同一平面に格子状に並んでいるので、各発光素子２５ａ〜２５ｄから相手装置に送信された光ビームＬは格子状に並んでいる。一部が重なり合ったビームとして光ビームＬａ〜Ｌｄを送信することが可能なように配置された面発光型半導体レーザーアレイを使用することにより、結果的に発光素子が１チップで可能となるため、全体の光学系の構成が簡単になる。

実施例１のブロック回路構成図である。 送信ビームのパターンの説明図である。 受信点におけるビームパターンの説明図である。 受信装置の構成図である。 ビーム位置受信装置のブロック回路構成図である。 送信装置の構成図である。 実施例２の発光部の構成図である。 実施例３の発光部の構成図である。 従来例の構成図である。 位置検出素子上のスポットの説明図である。 他の従来例の構成図である。

符号の説明

２１、３７ 広帯域アンプ
２２ パワーディバイダ
２３ 発振器
２４ 合波器
２５ 発光素子
３１ 受光レンズ
３２ 受信光学系
３３ 受光素子
３５ ビーム位置検出回路
３６ 検出処理部
３８ 狭帯域アンプ
４１ 制御回路
４２ 駆動回路
４３ 垂直方向の駆動機構
４４ 水平方向の駆動機構
５１、５２ 送信レンズ
Ｌａ〜Ｌｄ 光ビーム

Claims (5)

1. 光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、本信号及び前記本信号に重畳される複数のパイロット信号を発生する信号発生手段と、前記本信号及び前記複数のパイロット信号により変調されて発光する複数の発光素子と、前記複数の発光素子の光ビームの一部が互いに重なり合うように相手側通信装置へ送信する送信手段と、前記相手側通信装置からの光ビームを受信する受信手段とを有し、前記複数のパイロット信号は前記複数の発光素子にそれぞれ対応し、前記受信手段で受信したパイロット信号に基づいて、前記相手側通信装置の光ビームの角度補正情報を算出する制御手段を有することを特徴とする光空間通信装置。
2. 前記複数のパイロット信号は互いに周波数が異なることを特徴とする請求項１に記載の光空間通信装置。
3. 前記複数個の発光素子は、同一平面に格子状に並設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光空間通信装置。
4. 前記複数個の発光素子は面発光型半導体レーザーアレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光空間通信装置。
5. 前記相手側通信装置の光ビームの角度補正情報を前記相手側通信装置へ送信する手段を有し、前記相手側通信装置の制御手段は前記角度補正情報に基づいて光ビームの角度を補正することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間通信装置。

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