JP2007135123A - 光空間伝送装置及び光空間伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光空間伝送装置が光信号を送信する際に、近距離から遠距離までいずれの場所でも、他の光空間伝送装置との高速データ通信が実現できる光空間伝送装置を提供すること。
【解決手段】光送信部１００は、複数の光源５ａ、５ｂ、５ｃと、ハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃを含み、各光源５ａ、５ｂ、５ｃはそれぞれ同じデータ信号で変調された異なる指向角の透過ビーム９ａ、９ｂ、９ｃを放射し、それぞれがハーフミラーによって反射され、光路を変換される。このとき、図１のように反射された光ビーム７ａ、７ｂ、７ｃの光軸がそれぞれ一致するように、光源５ａ、５ｂ、５ｃの位置とハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃの角度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は空間へ光信号を直接放射してデータ通信を行う光空間伝送装置に関し、より特定的には光空間伝送装置が光信号を送信する際に、近距離から遠距離までいずれの場所でも他の光空間伝送装置との光軸調整が容易で、かつ高速データ通信が実現できる光空間伝送装置に関するものである。

従来の光空間伝送システムにおいて、一般的に、高速伝送を実現するため、光空間伝送装置の光受信器では、低速伝送時に比べ、大きな信号電力を必要とする。この条件を満たすため、光送信器から送信される光ビームの指向特性を狭指向化することにより、受光電力を大きくする方法が用いられる。しかしながら、光ビームの指向性を狭指向化すると受信器の可動範囲は狭く、光軸調整が困難になるというデメリットがあった。一方、受光器の可動範囲を広くとるために、光ビームを広指向化すると、伝送距離に応じて急速に光電力密度が低下し、受信器で受光できる受光電力が小さくなる。このように、一般的に光空間伝送システムにおいて、データ伝送の高速化と、光軸調整の容易さはトレードオフの関係にある。

この関係を利用して、所望のデータ伝送速度、すなわち所望の受光電力を得らえるように光ビームの指向角を変化させ適切な受信範囲を確保することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

図１６は、前記特許文献１に記載された従来の光空間伝送装置の構成を示す図である。

図１６に示す光空間伝送装置は光源３０から光ビーム３２を空間に直接放射してデータを伝送する構成である。従来の光空間伝送装置においては、レンズ３１を可動させることにより、光ビーム３２の指向角を変化させることができる。例えば、レンズ３１を光源３０に近づけることにより、指向角は広がり、光ビーム３２ａの放射パターンとなる。一方、レンズ３１を光源３０から離すことにより、指向角は狭くなり、光ビーム３２ｂの放射パターンとなる。従って、高速データ伝送を行う場合は、光ビーム３２ａのように指向角を狭帯化し、一方、通信速度がある程度低速で、所要受光電力が比較的小さい場合は、光ビーム３２ｂのように広指向化することで、受信器が受光できる範囲を通信エリア３３ｂのように広範囲化することができる。

以上のように、従来の光空間伝送装置は所定の条件によって光ビームの指向性を変化させることにより、受光電力と受信範囲を制御しているが、データ伝送の高速化と、光軸調整の容易さは依然トレードオフの関係にある。

一方、第２の従来の光空間伝送装置として、指向性の狭い光源と、指向性の広い高原を用いて光送信器を形成するものがある（例えば、特許文献２参照）。図１７は、前記特許文献２の光空間伝送装置の構成を示す図である。

以下、図１７を参照して第２の従来の光空間伝送装置の動作について説明する。

図１７に示す光空間伝送装置は、複数個の光源３５〜３８を基板３４の同一平面上にとりつけたものである。このうち、光源３５、３８は図１８の指向特性３９に示すように指向性が狭く、光源３６、３７は図１８の指向特性４０に示すように指向性が広い。この結果、光源４個からなる光空間伝送装置の指向特性は図１８の指向特性４１のようになる。したがって近距離では指向性が広く、また遠距離では指向性は狭いが伝送距離が長くなり有利である。
特開２００２−３１９９０１号公報（図１） 特開昭６０−１１７８３４号公報（図４）

しかしながら、第２の従来の光空間伝送装置は、基板３４の同一平面上に複数の光源３５〜３８を設置しているため、遠方に光受信器を設置した場合、これら複数光源はほぼ点光源として見なせ、各光源からの光ビームは同一光軸のビームと考えることができるが、近距離、例えば、基板の大きさ以下から基板の大きさの数倍程度の距離付近では、各光源の設置位置が影響し、各光源からの光ビームの光軸は一致せず、ビームプロファイルが不均一になる。具体的には、光ビームの同一断面上で、受光強度に極小値や極大値が複数出現し、さらには光受信器を設置する際の最適角度も場所によって変化し、必ずしも光送受信器が完全に対向した場合が最大受光電力を得られるとは限らない。これらの理由により、光軸調整がより複雑化する。また、光源の個数や配置によっては、上述したように、光ビームの同一断面上で受信強度に極小値が存在し、特に顕著な場合は、十分な受光電力を得られない可能性もある。

例えば、光空間伝送システムの一例として、コンテンツサーバーからテレビやパソコン、あるいは携帯電話などの端末へ配線を行うことなく光の広帯域性を利用し、高速データ伝送を行うことができる。一例として図１５に光空間伝送システムの構成を示す。図１５に示す光空間伝送システムにおいて、光送信器１では、送信する信号を光信号に変換し、その光信号を直接空間へ光ビーム４として放射する。一方、データを受信する端末２では、端末２に内蔵、あるいは接続されている光受信部３で空間に放射された光ビーム４を受信することで、データ伝送を行うことができる。このとき、例えば端末２が携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）など端末を人の手で保持しながらデータ伝送を行う場合、高精度な光軸調整を行うことは困難である。更に、上記のような端末へのデータ伝送を考える場合、光受信部３は端末２のどの場所に位置するかは機種によって異なり、また光送信器１と端末２の距離は比較的近いことが想定されるため、図１５に示すｘ軸方向、ｙ軸方向は端末自身の大きさ程度の範囲で、かつｚ軸方向に対してはある程度近距離から遠距離までといった、ｘ、ｙ、ｚ全ての方向に対し広い範囲で一定以上の光強度密度が必要となり、第２の従来の光空間伝送装置では、所要条件を満たすことができない。

それゆえに、本発明の目的は、光空間伝送装置が光信号を送信する際に、近距離から遠距離までいずれの場所でも、他の光空間伝送装置との高速データ通信が実現できる光空間伝送装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、以下のような特徴を有する。本発明は、光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、複数の半透過ミラーを備え、前記各光源は、それぞれ異なる指向性特性を有した光ビームを送信し、前記各光ビームは、各光ビームに対応する前記半透過ミラーにより反射され、各々光軸方向が変換された後、各光ビームの光軸が略一致することを特徴とする。本発明によれば、広指向角の光源から出射され、反射された光ビームは比較的短い光路長でも広範囲に広がるため、光送信部から近端でも所望の通信エリア範囲である通信エリアを得ることができる。一方、狭指向角の光源から出射され、反射された光ビームは、光源の近端では、ビーム半径が小さいものの、光路長が長くなるにつれ、ビーム径は広がるため、ある程度の距離で、所望の通信エリア範囲である通信エリアを得ることができる。また、これら各光源から放射される光ビームの光軸を一致させることにより、光ビームの光路長方向及び、断面方向に対しても連続的な光ビームプロファイルを得ることができる。このように本発明によれば、本発明の光空間伝送装置とデータ通信を行う受信端末は広範囲で光軸調整が容易となる利便の高い光空間伝送を行うことができる。

好ましくは、前記各光源はそれぞれ発振波長が異なり、更に前記半透過ミラーはそれぞれ対応する光ビームの波長光は反射し、その波長以外の光ビームは透過させるとよい。これにより、各波長多重用光源からの光ビームが他の光ビームと合波される際にも、損失が軽減され、より高密度の光ビームを送信することができる。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源の位置から、全ての光ビームが合波される位置までの光路長の差によって生じる遅延時間を補償するための遅延補償制御手段を有するとよい。これにより、それぞれの光源から放射された各光ビームが合波される時点で生じる遅延時間を、予め各光源を変調するデータに逆の遅延を持たせることによって各光ビームが合波する時点での遅延差を低減することができる。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記光源可動手段の変動情報を前記遅延補償制御手段に伝達する手段を含み、前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できるとよい。これにより、通信エリアの範囲及び到達距離を可変とでき、更に、その光路長の変動分を反映して遅延補償を行うことにより、光路長差による遅延誤差を低減することができる。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記半透過ミラーを透過した各光ビームを受信する複数の受信素子と、前記各受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できるとよい。これにより、モーター等で光源位置を駆動した際、光源の位置制御量に対し、モーターの遊び等で正確に光源が移動しない場合でも、各受光素子で受光した光ビームにより正確な変動量を検知することができるため、より高い精度で遅延補償を行うことができる。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記各光源が予め決められた所定の送信タイミングチャートに従い光ビームを放射する手段と、前記半透過ミラーを介し各光ビームを受信する１つの受信素子と、予め決められた所定の受信タイミングチャートと比較することにより前記受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できるとよい。これにより、受信素子の数を低減することができ、光空間伝送装置の低コスト化が図れる。

また、本発明は、光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、複数の半透過ミラーと、少なくとも一つのレンズを備え、前記各光源は、前記レンズまでの距離がそれぞれ異なる場所に配置され、前記各光源から放射される光ビームは、各光ビームに対応する前記半透過ミラーにより反射され、各々光軸方向が変換された後、各光ビームの光軸が略一致し、さらに前記レンズを介し異なる指向角の光ビームとして放射されることを特徴とする。本発明によれば、各光源から出射される光ビームの指向角が一定であっても、レンズまでの距離を変化させることによってそれぞれの指向角を制御でき、所望の通信エリア範囲が得られる。

好ましくは、前記各光源はそれぞれ発振波長が異なり、更に前記半透過ミラーはそれぞれ対応する光ビームの波長光は反射し、その波長以外の光ビームは透過させるとよい。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源の位置から、全ての光ビームが合波される位置までの光路長の差によって生じる遅延時間を補償するための遅延補償制御手段を有するとよい。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記光源可動手段の変動情報を前記遅延補償制御手段に伝達する手段を含み、前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できるとよい。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記半透過ミラーを透過した各光ビームを受信する複数の受信素子と、前記各受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できるとよい。

好ましくは、前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記各光源が予め決められた所定の送信タイミングチャートに従い光ビームを放射する手段と、前記半透過ミラーを介し各光ビームを受信する１つの受信素子と、予め決められた所定の受信タイミングチャートと比較することにより前記受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できるとよい。

また、本発明は、光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、前記各光源に接続された複数の光ファイバと、少なくとも一つのレンズを備え、前記各光ファイバの端面の位置は、前記レンズまでの距離がそれぞれ異なる場所に配置され、前記各光源から放射される光ビームは、前記レンズを介し異なる指向角の光ビームとして放射されることを特徴とする。本発明によれば、ハーフミラーを用いることなく、各光源からの光ビームの光軸を略一致させることができる。

また、本発明は、光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、前記各光源に接続され端部に傾斜状の反射面を有した複数の光ファイバと、少なくとも一つのレンズを備え、前記各光ファイバの反射面の位置は、前記レンズまでの距離がそれぞれ異なる場所に配置され、前記各光源から放射される光ビームは、前記各光ファイバの反射面により反射され、各々光軸方向が変換された後、各光ビームの光軸が略一致し、さらに前記レンズを介し異なる指向角の光ビームとして放射されることを特徴とする。本発明によれば、ハーフミラーを用いることなく各光ビームの光軸が一致した通信エリア範囲を得ることができる。

また、本発明は、光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置において、前記光送信器は、複数の光源からそれぞれ光軸が略一致し、かつ異なる指向性特性を有した光ビームを送信し、前記各光ビームが形成する通信エリアは互いに連続することを特徴とする。

本発明によれば、複数の異なる指向性光ビームを各光ビームの光軸を略一致させ空間に放射させることにより、近距離から遠距離までいずれの場所でも広範囲で高密度の光ビームを形成できるため、光受信器の光軸調整が容易となる利便の高い光空間伝送装置を提供できる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる光空間伝送装置における光送信部の構成を示す図である。図１において、光送信部１００は、複数の光源５ａ、５ｂ、５ｃと、ハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃを含む。なお、図１では３つの光源及びハーフミラーを用いているが、２つでもよいし、４つ以上でもよい。

各光源５ａ、５ｂ、５ｃはそれぞれ同じデータ信号で変調された異なる指向角の透過ビーム９ａ、９ｂ、９ｃを放射し、それぞれがハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃによって反射され、光路を変換される。このとき、図１のように反射された光ビーム７ａ、７ｂ、７ｃの光軸がそれぞれ一致するように、光源５ａ、５ｂ、５ｃの位置とハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃの角度を調整する。また、図のように、各ビームを合波する際には、光空間伝送装置の出射口に対し、指向角の広い光源（図１では光源５ａ）から順に、近端に位置するように光源を配置し、指向角の最も狭い光源（図１では光源５ｃ）を最も遠端に配置する。

この構成により、広指向角の光源５ａから出射され、ハーフミラー６ａによって反射された光ビーム７ａは比較的短い光路長でも広範囲に広がるため、光送信部１００から近端でも所望の通信エリア範囲である通信エリア８ａを得ることができる。一方、狭指向角の光源５ｃから出射され、反射された光ビーム７ｃは、光源５ｃの近端では、ビーム径が小さいものが、光路長が長くなるにつれ、ビーム径は増加し、ある程度の距離で、所望の通信エリア範囲である通信エリア８ｃを得ることができる。また、これら各光源から放射される光ビームの光軸を一致させることにより、光ビームの光路長方向及び、断面方向に対しても連続的な光ビームプロファイルを得ることができる。

また、図２に、実施の形態１に係わる光空間伝送装置における光送信部の別の構成を示す。図２は、図１における光源５ｃから放射させる光を、直接他の光ビームと合波させる場合である。

図１に示す実施の形態では、光源５ａ、５ｂ、５ｃを基板へ実装する際、電気回路との配線が容易になり、また基板の小型化が図れることから、光源５ｃに関してもハーフミラー６ｃによって反射させ、他の光ビームと合波させているが、実装上、問題ない場合は、図２に示すように、光源５ｃから放射させる透過ビーム９ｃはハーフミラー６ｃを介することなく、直接他の光ビームと合波させる。これにより、ハーフミラーの数を軽減することができる。

図３及び図４は、本発明の実施の形態１に係わる光送信部の設計例を示すグラフである。これらグラフは、各光源の指向角をパラメータとしたとき、距離Ｌでの光ビーム広がり（図３、４における右肩上がりの直線）と、受信器での受光電力（図３、４における右肩下がりの直線）を示している。光ビーム広がりは、光源波長が１３１０ｎｍのガウシアンビームを用いた場合について計算し、受光電力は、受光半径２００μｍの受信部を用いた時、光ビームの中心軸上で受光できる値を計算している。

図３では、３つの光源の指向角をそれぞれ、３０°、４０°、５０°としたときの計算結果を示している。図３に示すように、広指向角光源の方が、狭指向角光源に比べ、同じ距離では光ビーム広がりが大きくなり受光電力は小さくなる。ここで、図３には、受信部として、変換効率０．９、増倍率２０のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた場合、１Ｇｂｐｓのデータ伝送を実現するための所要受光電力−３７ｄＢｍを合わせて示した。また、図１５で示した携帯電話を用いた光空間伝送システムを想定した場合、所要通信エリアの直径は折りたたみ時の携帯電話程度と考え、１０ｃｍとし、同じく図３に示した。

図３より、距離４．２ｃｍ以上で、指向角５０°の光ビームはビーム径の所要値を満たすが、距離６．４ｃｍ付近で受光電力が所要値を満たさなくなる。しかしながら、距離６ｃｍ〜８．８ｃｍでは次に指向角の広い指向角４０°の光ビームが所要受光電力及び所要ビーム径を満たし、同じように距離８．６ｃｍ〜１０ｃｍでは指向角３０°の光ビームが各所要値を満たす。つまり、距離４．２ｃｍ〜１０ｃｍの間で常にいずれかの光ビームが受光電力及びビーム径を満たすことがわかる。

これにより、携帯電話を手に保持したままでも十分に光軸調整を行うことができ、容易に高速光空間伝送が実現できる。

また、別の計算例を図４に示す。図４では、３つの光源の指向角をそれぞれ、７°、１０°、１５°としたときの計算結果を示している。ここで、図４では、受信部として、図３と同じく変換効率０．９、増倍率２０のＡＰＤと、更にレンズ利得５ｄＢのレンズを用いた場合の、１Ｇｂｐｓに対する所要受光電力−４２ｄＢｍ、及び、ここでは、所要通信エリアの直径を２０ｃｍとし、合わせて図４に示している。

図４より、距離３８ｃｍ〜６５ｃｍでは指向角１５°の光ビームが、距離５８ｃｍ〜８２ｃｍでは指向角１０°の光ビームが、距離８２ｃｍ〜９２ｃｍでは指向角７°の光ビームがそれぞれ所要受光電力及び所要ビーム径を満たすことから、従って、距離３８ｃｍ〜９２ｃｍのいずれの距離でも直径２０ｃｍの通信エリアを確保することができる。この場合、例えば、光空間伝送装置を数十ｃｍ離して設置し、映像情報を光空間伝送するといったアプリケーションを想定した場合でも大まかに装置同士を対向して設置すればよく、厳密な光軸調整が不要となる。

通常、数ｃｍ〜数１０ｃｍ以上の光路長間を、直径数十ｃｍの高密度光ビームを形成するには、その所要直径以上のコリメートレンズ、もしくは、パラボラ型凹面反射鏡を使用することが考えられるが、本発明の構成では、これらの大きな部品を用いることなく、近距離から遠距離までいずれの場所でも直径数十ｃｍの高密度な光ビーム径を得ることができるため、光送信器の小型化を実現できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係わる光送信部の構成を示す図である。図５に示すように、光送信部１０２は、複数の波長が異なる波長多重用光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、波長多重フィルタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む。このとき、波長多重用光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの発振波長をそれぞれλａ、λｂ、λｃとすると、波長多重フィルタ１２ａは、λａに対しては全反射し、λｂ及びλｃに対しては透過する特徴を有するものを使用する。同じく、波長多重フィルタ１２ｂには、λｂに対しては全反射し、λｃに対しては透過するものを、波長多重フィルタ１２ｃには、λｃに対し全反射するものを使用する。波長多重用光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃはそれぞれ同じデータ信号で変調された異なる指向角の光ビーム１３ａ、１３ｂ、１３ｃを放射し、それぞれが波長多重フィルタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって反射され、光路を変換される。また、図５のように反射された光ビーム１３ａ、１３ｂ、１３ｃの光軸がそれぞれ一致するように、光源５ａ、５ｂ、５ｃの位置とハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃの角度を調整する。更に実施の形態１と同様に、各光ビームを合波する際には、光空間伝送装置の出射口に対し、指向角の広い光源（図５では波長多重用光源１１ａ）から順に、近端に位置するように光源を配置し、指向角の最も狭い光源（図５では波長多重用光源１１ｃ）を最も遠端に配置する。

図１に示す実施の形態１では、光空間伝送装置の出射口に対し、遠方にある光源は、各ハーフミラーを透過する度に所望の光軸方向以外に、左手方向にも反射されるため、損失が生じる。一方、図５に示す実施の形態２では、このように波長多重フィルタを用いることによって、光空間伝送装置の出射口に対し、遠方にある波長多重用光源１１ｃからの光ビームも損失なく、波長多重フィルタ１２ａ、１２ｂを透過することができる。この構成により、ハーフミラーを用いた場合に比べ、波長多重用光源１１ｂや１１ｃからの光ビームが他の光ビームと合波される際にも、損失が軽減され、より高密度の光ビームを送信することができる。

なお、図５では、図１と同様に波長多重用光源１１ｃに対しても波長多重フィルタ１２ｃを用いて他の光源の光軸と一致するように光路変換させているが、図２と同様の構成とし、波長多重用光源１１ｃに対しては光路変換用の波長多重フィルタ１２ｃを介さず、直接他の光ビームと合波させてもよい。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係わる光空間伝送装置の構成を示す図である。図６において、図５に示す部分と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略する。図６の光空間伝送装置１０３は、実施の形態１もしくは２で示した光送信部（図６に示した構成は２つの実施の形態のうち、実施の形態２で示した光送信部を記載）に更に遅延補償制御部１４及びデータ送信部１５を備える。

実施の形態１及び２では、それぞれの光源から放射された光ビームをハーフミラーもしくは波長多重フィルタで光路変換した後、合波するため、全ての光ビームが合波される時点で、各光源からの光路長差によってそれぞれの遅延に時間差が生じる。図６に示す光送信部の場合、出射口から最も遠端にある波長多重用光源１１ｃから出射後、反射された光ビーム１３ｃが最も合波までの光路長が長く、遅延時間も大きくなる。この遅延時間の影響は伝送速度が大きくなるにつれ、問題となる。例えば１０Ｇｂｐｓのベースバンド伝送の場合、ビット長が１０^−１０秒であることから、２つの光ビームが同じデータで変調された場合、その光路長差が３ｃｍで完全に１ビット分ずれ、正確なデータ伝送が不能になる。しかしながら、光源やハーフミラーもしくは波長多重フィルタの実装を考慮すると、光路長差を短くするには限界がある。そこで、送信データで光源を変調する際、遅延補償制御部１４によって予め光路長差によって発生する遅延差を、各光源を変調するデータに遅延を持たせることによって各光ビームが合波する時点での遅延差を低減することができる。例えば波長多重フィルタ１２ａと１２ｃの距離差が３ｃｍであれば、波長多重光源１１ａに対する変調信号を波長多重光源１１ｃに対する変調信号に比べ１ビット分遅らせればよい。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第４の実施形態に係わる光空間伝送装置の構成を示す図である。図７において、図５に示す部分と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略する。図７の光空間伝送装置１０４は、実施の形態３で示した光伝送装置のうち、各光源（図７では、実施の形態２で示した光送信部を用いているため、波長多重用光源）を可動できる光源用可動部１６ａ、１６ｂ、１６ｃがそれぞれ備えられ、これら光源用可動部１６の変動情報を遅延補償制御部１４に伝達する機能を含む。なお、光源用可動部１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、モーターや、ＭＥＭＳを用いて実現することができる。

光空間伝送システムにおいては、通信速度によって必要な受光電力が異なる。高速伝送を行う際には、所要受光電力が大きいため、光送信器からの指向角を狭くし、受光電力を集中させる必要があり、逆に低速で伝送を行う場合は、所要受光電力は小さいため、光送信器からの指向角を広くし、通信エリアを拡大することができる。したがって、光空間伝送システムの通信速度を変化させる際には、通信エリアの範囲を最適化することが好ましい。これを実現するためには、図７に示すように、各光源の光路長を変化させることで、通信エリアの範囲及び到達距離を可変とできるが、その際に更に、光路長の変動分を反映して遅延補償を行うことにより、光路長差による遅延誤差を低減することができる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態５に係わる光空間伝送装置の構成を示す図である。図８において、図１および図７に示す部分と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略する。なお、図８の光空間伝送装置１０５は、図１で示した光送信部１００を使用し、更に、各光源５ａ、５ｂ、５ｃから放射され、ハーフミラー６ａ、６ｂ、６ｃを透過した透過ビーム９ａ、９ｂ、９ｃを受光する受光素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び、遅延検知部１８を備え、この遅延検知部１８で検知された遅延の変動情報を遅延補償制御部１４に伝達する機能を含む。

このようにハーフミラーを介して透過された光ビームを検知することにより、各光源５ａ、５ｂ、５ｃが、光源用可動部１６によって位置が変動した場合も、その光路長の変動分を反映して遅延補償を行うことにより、光路長差による遅延誤差を低減することができる。これにより、モーター等で光源位置を駆動した際、光源の位置制御量に対し、モーターの遊び等で正確に光源が移動しない場合でも、各受光素子で受光した光ビームにより正確な変動量を検知することができるため、より高い精度で遅延補償を行うことができる。なお、遅延検知を行うことで、光源が所望の移動量を正確に実施できているかを確認することもでき、所望の移動量に対し、誤差がある場合は、その差異情報を光源可動部に情報を伝達して、所望の移動量となるようにフィードバック制御をしてもよい。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６について、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態６に係わる光空間伝送装置の構成を示す図で、図１０は、本発明の第６の実施形態に係わる遅延検出部の検知用タイミングチャートを示す図である。図９において、図８に示す部分と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略する。図９に示す光空間伝送装置１０６は、図８に示す光空間伝送装置１０５に比べ、ハーフミラーを通過した光ビームを検知する受光素子が、光空間伝送装置の出射口から最も近い場所に位置する受光素子１７ａのみとした構成になっている。以下、図９及び図１０を用いて、各光源の遅延を検知する方法を示す。始めに、図９の光空間伝送装置１０６において、光空間伝送装置の出射口から最も近い場所に位置する光源５ａに対し、データ送信部１５から遅延検知用の信号ｓ１１を送信する。信号ｓ１１は光源５ａで透過ビーム９ａに変調され、ハーフミラー６ａを介した後、受光素子１７ａに入射される。一方、光空間伝送装置の出射口に対し、次に近い場所に位置する光源５ｂに対し、データ送信部１５から時間Ｔ_１ｔだけ遅延させて遅延検知用信号ｓ２１を送信する。同様に信号ｓ２１は光源５ｂで透過ビーム９ｂに変調され、ハーフミラー６ｂに反射された光が次にハーフミラー６ａによって受光素子１７ａの方向に反射された光ビームとなって受光素子１７ａに入射される。このとき、始めに受信された遅延検知用信号ｓ１２の受信時刻に対し、次に受信された遅延検知用信号ｓ２２の受信時刻は、予めデータ送信部１５で遅延を持たせたＴ_１ｔと、光源５ａと光源５ｂの光路長差による遅延時間Ｔ_１ｄが加わる。従って、同様の作業を全ての光源に対し順に行い、予め遅延検知部１８では、それぞれの設定された遅延検知用信号の送信遅延時間Ｔ_１ｔやＴ_２ｔがわかれば、光路長差による遅延時間Ｔ_１ｄやＴ_２ｄを求めることができる。よって、図９に示す光空間伝送装置１０６の場合、遅延補償制御部１４では、光源５ｂに対しては光源５ｃとの遅延時間差であるＴ_２ｄ−Ｔ_１ｄだけデータ送信タイミングを遅らせ、光源５ａに対しては光源５ｃとの遅延時間差であるＴ_２ｄだけデータ送信タイミングを遅らせればよい。また、逆に、光空間伝送装置の出射口から最も遠い場所に位置する光源５ｃから順番に、データ送信部１５から遅延検知用の信号を送信し、最後に、最も出射口から近い場所に位置する光源５ａに対し、遅延検波用信号を送信することによっても、同様に各光源間の遅延時間差を算出することもできるが、遅延検波用信号の送信タイミングと、各光源の遅延時間差によっては、光源５ｃから送信された信号が光源５ａからの信号に重なり合うことがある。したがって、図９に示すように出射口から最も近い場所に位置する光源５ａから順に遅延検波用信号を送信し、各光源の遅延時間差を算出方法が好ましい。

これらの手順により、受信素子の数を低減することができ、光空間伝送装置の低コスト化が図れる。

ここで、図１１に実施の形態１〜６における光空間伝送装置の筐体模式図を示す。図１１では、図８に示す光空間伝送装置１０５を実現するための筐体例を示しているが、図９に示す光空間伝送装置１０６など、光空間伝送装置１０５に比べ、部品点数が少ない場合は、不要な部品の実装用スペースは省いてもよい。

図１１に示す筐体１９には、光ビームが出射するための複数の光源用スリット２１ａ、２１ｂ、２２ｃと、遅延検知用の光ビームが入射するための複数の受光素子用スリット２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、ハーフミラーや波長多重フィルタを保持するための保持部２３が設けられ、更に光源５ａ、５ｂ、５ｃ、光源用可動部１６、遅延補償制御部１４やデータ送信部１５の実装基板を設置するための光源実装基板用スリット２４や、受信素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃや遅延検知部１８の実装基板を設置するための受光素子実装基板用スリット２６、及び遅延検知部１８からの遅延情報を伝達するための配線基板（もしくは同軸線）を設置するためのスリット２５が含まれる。図８に示す各部品はそれぞれ筐体１９に設置され、多重された送信用光ビームは光ビームの波長に対して透明なガラスやプラスチック等の透明な保護カバー２０を介して外部に放射される。

（実施の形態７）
本発明の実施の形態７について、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の実施の形態７に係わる光空間伝送装置を示す図である。また図１２では、基本構成に関しては図６に示す光空間伝送装置１０３と同様の構成とし、同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略するが、実施の形態１〜６に記載した他の実施の形態と同様の構成としてもよい。

図１２において、光空間伝送装置１０７は図６に対して、出射口付近にレンズ２７を追加した構成である。これにより波長多重用光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃはそれぞれこのレンズ２７までの距離の差に応じ、レンズ２７を介した後、指向角が変化される。例えば、レンズ２７として凸型のコリメートレンズを用いた場合、レンズ２７の焦点距離より各波長多重用光源を近接して設置することにより、光ビームは平行光ではなく、ある程度の指向角を持って放射される。このとき、各波長多重用光源からレンズ２７までの距離の差に応じて指向角に差が生じる。図１２に示すように、レンズ２７から最も近端に位置する波長多重用光源１１ａの集光効果は最も小さく、レンズ２７から最も遠端に位置する波長多重用光源１１ｃの集光効果は最も大きくなる。これにより、各光源から出射される光ビームの指向角が一定であっても、レンズまでの距離を変化させることによってそれぞれの指向角を制御でき、所望の通信エリア範囲が得られる。

（実施の形態８）
本発明の実施の形態８について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の実施の形態８に係わる光空間伝送装置を示す図である。図１３において、図１２に示す部分と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略する。

図１３において、光空間伝送装置１０８は、複数の光源５ａ、５ｂ、５ｃを備え、各光源はそれぞれ光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ｃを介して、光ビーム７ａ、７ｂ、７ｃを放射する。各光ファイバは、それぞれの端面からレンズ２７までの距離が異なり、また側面はほぼ密着するようにＶ溝基板２８に固定される（図１３では図面説明の都合上、各光ファイバは分離して記載している）。これにより、各光ファイバの端面から放射された光ビームは同じ指向角にはなるが、実施の形態７と同様に、レンズ２７までの距離の差によって異なる指向角の光ビームとして放射される。また、図１３に示す構成では、各光ビームの光軸は一致していないが、一般的に被覆を施されていない芯線の光ファイバの断面は直径１２５ミクロンであるため、各光源に接続する光ファイバは被覆のない芯線のみの光ファイバとし、それら光ファイバを密着して設置することにより、ハーフミラーを用いることなく、各光源からの光ビームの光軸を略一致させることができ、図１７に示す第２の従来の光空間伝送装置に比べ、各光ビームの光軸ずれが軽減できる。

（実施の形態９）
本発明の実施の形態９について、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の第９の実施形態に係わる光空間伝送装置を示す図である。図１４において、図１３に示す部分と同様の機能を有する部分については、同一の参照符号を付し、詳しい説明を省略する。

図１４において、光空間伝送装置１０９は、複数の光源５ａ、５ｂ、５ｃを備え、各光源はそれぞれ光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ｃを介して、光ビーム７ａ、７ｂ、７ｃを放射する。各光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、それぞれの端面を傾斜状に研磨することによりその面で光ビームが反射する機能を備える。ここで、光ファイバの端面を垂直断面に対し４５°に研磨すると図１４に示すように光ファイバ中を伝搬する光ビームは光ファイバの端面で全反射され、効率よく光軸方向を９０°変換され空間に放射される。なお、光ファイバの端面は研磨後、表面に反射フィルタを設けてもよい。各光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ｃは放射される光ビーム７ａ、７ｂ、７ｃの光軸が一致し、かつ各光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ｃの反射面からレンズ２７までの距離が異なるようにＶ溝基板２８に固定される。これにより、ハーフミラーを用いることなく各光ビームの光軸が一致した通信エリア範囲を得ることができる。

本発明は、近距離から遠距離までいずれの場所でも広範囲で高密度の光ビームを形成できることから、光受信器の光軸調整が容易となる利便の高い光空間伝送装置として有用である。

本発明の実施の形態１における光送信部の構成を示す図 本発明の実施の形態１における光送信部の構成を示す図 本発明の実施の形態１における光送信部の設計例を示すグラフ 本発明の実施の形態１における光送信部の設計例を示すグラフ 本発明の実施の形態２における光送信部の構成を示す図 本発明の実施の形態３における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態４における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態５における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態６における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態６における遅延検出部の検知用タイミングチャート 本発明の実施の形態１〜６における光空間伝送装置の筐体模式図 本発明の実施の形態７における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態８における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態９における光空間伝送装置の構成を示す図 本発明に係わる光空間伝送システムの構成を示す図 第１の従来の光空間伝送装置の構成を示す図 第２の従来の光空間伝送装置の構成を示す図 第２の従来の光空間伝送装置における指向特性を示す図

符号の説明

１ 光送信器
２ 端末
３ 光受信部
４，７，１３，３２ 光ビーム
５，３０ 光源
６ ハーフミラー
８，３３ 通信エリア
９ 透過ビーム
１１ 波長多重用光源
１２ 波長多重フィルタ
１４ 遅延補償制御部
１５ データ送信部
１６ 光源用可動部
１７ 受光素子
１８ 遅延検知部
１９ 筐体
２０ 保護カバー
２１ 光源用スリット
２２ 受信素子用スリット
２３ ハーフミラー保持部
２４ 光源実装基板用スリット
２５ スリット
２６ 受信素子実装基板用スリット
２７，３１ レンズ
２８ Ｖ溝基板
２９ 光ファイバ
３４ 基板
３５，３８ 狭指向性光源
３６，３７ 広指向性光源
３９ 狭指向性光源の指向特性
４０ 広指向性光源の指向特性
４１ 第二の従来例における光空間伝送装置の指向特性
１００〜１０２ 光送信部
１０３〜１０９ 光空間伝送装置
ｓ１１，ｓ１２，ｓ２１，ｓ２２，ｓ３１，ｓ３２ 遅延検知用信号

Claims (15)

1. 光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、
   前記光送信器は、複数の光源と、複数の半透過ミラーを備え、
   前記各光源は、それぞれ異なる指向性特性を有した光ビームを送信し、
   前記各光ビームは、各光ビームに対応する前記半透過ミラーにより反射され、各々光軸方向が変換された後、各光ビームの光軸が略一致することを特徴とする光空間伝送装置。
2. 前記各光源はそれぞれ発振波長が異なり、更に前記半透過ミラーはそれぞれ対応する光ビームの波長光は反射し、その波長以外の光ビームは透過させることを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送装置。
3. 前記光送信器は、前記各光源の位置から、全ての光ビームが合波される位置までの光路長の差によって生じる遅延時間を補償するための遅延補償制御手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光空間伝送装置。
4. 前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記光源可動手段の変動情報を前記遅延補償制御手段に伝達する手段を含み、
   前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光空間伝送装置。
5. 前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記半透過ミラーを透過した各光ビームを受信する複数の受信素子と、前記各受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、
   前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できることを特徴とする請求項４に記載の光空間伝送装置。
6. 前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記各光源が予め決められた所定の送信タイミングチャートに従い光ビームを放射する手段と、前記半透過ミラーを介し各光ビームを受信する１つの受信素子と、予め決められた所定の受信タイミングチャートと比較することにより前記受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、
   前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できることを特徴とする請求項４に記載の光空間伝送装置。
7. 光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、複数の半透過ミラーと、少なくとも一つのレンズを備え、
   前記各光源は、前記レンズまでの距離がそれぞれ異なる場所に配置され、前記各光源から放射される光ビームは、各光ビームに対応する前記半透過ミラーにより反射され、各々光軸方向が変換された後、各光ビームの光軸が略一致し、さらに前記レンズを介し異なる指向角の光ビームとして放射されることを特徴とする光空間伝送装置。
8. 前記各光源はそれぞれ発振波長が異なり、更に前記半透過ミラーはそれぞれ対応する光ビームの波長光は反射し、その波長以外の光ビームは透過させることを特徴とする請求項７に記載の光空間伝送装置。
9. 前記光送信器は、前記各光源の位置から、全ての光ビームが合波される位置までの光路長の差によって生じる遅延時間を補償するための遅延補償制御手段を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の光空間伝送装置。
10. 前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記光源可動手段の変動情報を前記遅延補償制御手段に伝達する手段を含み、
    前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の光空間伝送装置。
11. 前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記半透過ミラーを透過した各光ビームを受信する複数の受信素子と、前記各受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、
    前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できることを特徴とする請求項１０に記載の光空間伝送装置。
12. 前記光送信器は、前記各光源を、全ての光ビームが合波される位置までの光路長を変化できる光源可動手段と、前記各光源が予め決められた所定の送信タイミングチャートに従い光ビームを放射する手段と、前記半透過ミラーを介し各光ビームを受信する１つの受信素子と、予め決められた所定の受信タイミングチャートと比較することにより前記受信素子で受信した信号に応じて各光ビームの遅延時間を検知する手段を含み、
    前記遅延補償制御手段は、前記変動情報に応じて、補償する遅延時間を可変できることを特徴とする請求項１０に記載の光空間伝送装置。
13. 光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、前記各光源に接続された複数の光ファイバと、少なくとも一つのレンズを備え、
    前記各光ファイバの端面の位置は、前記レンズまでの距離がそれぞれ異なる場所に配置され、前記各光源から放射される光ビームは、前記レンズを介し異なる指向角の光ビームとして放射されることを特徴とする光空間伝送装置。
14. 光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置であって、前記光送信器は、複数の光源と、前記各光源に接続され端部に傾斜状の反射面を有した複数の光ファイバと、少なくとも一つのレンズを備え、
    前記各光ファイバの反射面の位置は、前記レンズまでの距離がそれぞれ異なる場所に配置され、前記各光源から放射される光ビームは、前記各光ファイバの反射面により反射され、各々光軸方向が変換された後、各光ビームの光軸が略一致し、さらに前記レンズを介し異なる指向角の光ビームとして放射されることを特徴とする光空間伝送装置。
15. 光送信器が空間へ直接光信号を放射してデータ通信を行う光空間伝送装置において、前記光送信器は、複数の光源からそれぞれ光軸が略一致し、かつ異なる指向性特性を有した光ビームを送信し、前記各光ビームが形成する通信エリアは互いに連続することを特徴とする光空間伝送方法。

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