JP2007150455A - 自由空間光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの構成を簡素化し、無駄なエネルギー消費を抑え、通信回線の品質及び安定性を向上させた自由空間光通信システムを提供する。
【解決手段】各通信局内に、光源と、光源からの光を信号に基づいて変調する変調手段と、前記光源からの光を自由空間へ放射するとともに自由空間を伝搬した光を受ける光アンテナと、光アンテナの方向又は光の放射方向のうち少なくとも一方を制御する方向制御手段と、光アンテナで受けた光を受光する受光手段と、自局と通信相手局との相対位置に関する情報を取得する位置情報取得手段とを有し、相対位置が変化する複数の通信局間で自由空間を介して光通信を行う自由空間光通信システムにおいて、光源から発せられ前記光アンテナによって自由空間へ放射される光の広がり角を変化させる広がり角可変手段を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、両者の相対的な位置が時間と共に変化しうる通信局同士を光の自由空間伝搬を用いて結ぶ自由空間光通信システムに関する。

宇宙空間において、衛星や宇宙機が通信局となって自由空間を介して光通信を行う場合には、まず両者の間で通信経路を確立する必要がある。図１は、この通信経路を確立するために行われる手順を示している。

図１において、通信局１は、まず通信相手となる通信局２が存在すると予測される領域に向けてビーコン光を照射し、走査する（図１（ａ））。このビーコン光は、相手の通信局を探索することを目的とする光であるため、比較的大きな広がり角とする。通信局２が存在すると予測される領域は、各通信局がそれぞれに有する自局及び相手局の軌道情報に基づいて現在の相手局の位置を計算して求めることができる。また通信局２は、通信局１が存在すると予測される方向を向いて、このビーコン光を待ち受ける。

通信局２は、通信局１からのビーコン光を検出しこれを捕捉すると、通信局１が存在する方向（ビーコン光が検出された方向）に向けて通信光を出射する（図１（ｂ））。通信局１は、通信局２からの通信光を検出すると、ビーコン光の照射を停止し、通信局２に向けて通信光の照射を開始し、通信局２は通信局１からのこの通信光を受信する（図１（ｃ））。両通信局は、ビーコン光よりもビーム幅の狭い通信光を継続的に照射しながら相手局を追尾することによって、相手局への指向精度を向上させながらデータ伝送を行う。

なお、両通信局の相対位置あるいは通信局の指向方向の時間的な角度変化がある一定量を超えると、通信回線が途切れる場合がある。この場合は、上に述べた手順の最初に戻り、再度通信経路の確立を行う。

図２は、上記のような手順で通信経路の確立と通信光の送受信を行う従来の自由空間光通信システム全体の概略を示した図であり、通信相手局にも同様のシステムが設けられている。このシステムで、まず通信経路を確立するためにビーコン光を送信する場合には、通信相手局が存在すると予測される領域に光アンテナ１を向けて、ビーコン光光源９からビーコン光を発する。このビーコン光の光源としては、例えばＹＡＧレーザが用いられる。ビーコン光光源９からの光は、レンズ８、ビームスプリッタ４、ビームスプリッタ３、レンズ２の光路を経て光アンテナ１へ供給され、ここから相手の通信局に向けて、自由空間に照射される。

ビーコン光を受信する場合に、図２のシステムは次のように動作する。ビーコン光はまず光アンテナ１によって受光され、レンズ２を通ってビームスプリッタ３に入り、ここで二つの経路に分岐される。ビームスプリッタ３によって図２の下方へ分岐された光は、ビームスプリッタ４、レンズ５を通って光センサ６に導かれる。この光センサ６は、典型的にはＣＣＤからなり、そのセンサ面における受光位置に関する信号を光アンテナ制御部７へ伝える。光アンテナ制御部７は、この信号に基づいて、光アンテナ１全体あるいはその内部の光学素子の向き又は角度を調節して光センサ６のセンサ面上で光が所定の位置に来るよう制御する。これにより、ビーコン光を発している相手通信局のおおよその方向を知ることができる。

一方、ビームスプリッタ３によって右側へ分岐された光は、光伝搬角度制御部１３を通過したあと、ビームスプリッタ１０へ入ってさらに二つの経路に分岐される。下方へ分岐された光は、レンズ１１を通って光センサ１２へ入射する。光センサ１２は、典型的にはクアドラント・フォト・ディテクタ（ＱＤ）からなり、その出力信号は光伝搬角度制御部１３へ供給され、光伝搬角度のより精密な調節制御が行われる。

図２のシステムがビーコン光を受光すると、光アンテナ１及び光伝搬角度制御部１３が上記のように調節された状態を維持した状態で、光源・変調部１８から通信用の光を出射する。この光源としては例えば半導体レーザダイオードが用いられ、レーザダイオードから発せられた光には送信すべきデータに基づいて変調が施される。出射した光は、レンズ１７、ビームスプリッタ１０、光伝搬角度制御部１３、ビームスプリッタ３、レンズ２を通って光アンテナ１へ導かれ、ここから通信相手局に向けて自由空間に放射され、この光が通信相手局よ受信されることによって通信経路が確立される。

以後、この光源・変調部１８からの光によって通信すべきデータが搬送されて、実際の通信が行われる。通信すべきデータが搬送される光が、通信相手局の光アンテナ１によって受信されると、これはレンズ２、ビームスプリッタ３、光伝搬角度制御部１３、ビームスプリッタ１０、ビームスプリッタ１４、レンズ１７を経て、光センサ１６によって受光され、データが取り出される。光センサ１６としては、例えばアバランシェ・フォト・ダイオードが用いられる他、相対的に高感度のフォト・ダイオードが用いられる場合もある。

上記手順に記載のとおり、従来の技術では、通信相手局の捕捉に用いるビーコン光とデータの搬送を行う通信光について、図２のようにそれぞれに光源及び光源の動作制御を行うための手段を具備する必要があり、光通信システムの構成が複雑化する要因となっている。

一般に、移動体通信のように通信局間の相対位置が時間的に変化する場合、送出した通信光が通信を行う最長距離だけ離れた場所においても、データ伝送に十分な品質を与える強度で受光される必要がある。しかし、従来の自由空間光通信システムでは、通信光の出射強度パターン（ビーム軸に垂直な面内における強度分布）、広がり角及びデータ伝送速度が固定されているため、通信局間の距離が最長距離以下の場合には、通信光の受光強度は通信回線の品質保持に必要な分を超えるため、無駄なエネルギー消費が生じることになる。

また、通信光が放射される範囲は、広がり角が各システムで固定であるため、送信局からの距離に比例して広くなる。通信局が人工衛星の場合、その移動速度はおよそ秒速７キロメートル程度であるため、二つの通信局の相対速度は最大秒速１４キロメートル程度（両者が対向移動する場合）にも達する。このため、通信局間を結ぶ直線と直交する平面内において、通信局が追従できない速さで相対位置などに変化が起こる場合がある。このような場合、通信局間の距離が短いほど、通信回線の保持に許容できる変化量は小さくなる。通信回線が途切れた場合は、図１との関連で説明した手順を行うが、この手順を繰り返している期間はデータ伝送ができないため、通信回線の稼働時間が制限されることになる。

このため、従来の方法で光通信局間同士の通信回線を確立しようとすると、システムの構成が複雑であると共に、通信局間の距離が短いほど、使用される光通信エネギーに含まれる無駄なエネルギー消費が増加し、また、通信回線の稼働時間が制限される可能性が高まるという問題が存在する。本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的としてなされた。

各通信局内に、光源と、前記光源からの光を信号に基づいて変調する変調手段と、前記光源からの光を自由空間へ放射するとともに自由空間を伝搬した光を受ける光アンテナと、前記光アンテナの方向又は光の放射方向のうち少なくとも一方を制御する方向制御手段と、前記光アンテナで受けた光を受光する受光手段と、自局と通信相手局との相対位置に関する情報を取得する位置情報取得手段とを有し、相対位置が変化する複数の通信局間で自由空間を介して光通信を行う自由空間光通信システムにおいて、前記光源から発せられ、前記光アンテナによって自由空間へ放射される光の広がり角を変化させる広がり角可変手段を備える。そして、前記光源から発せられる光を相手局を探索するビーコン光及び通信に用いる通信光として用いるとともに、前記広がり角可変手段は、ビーコン光として用いるときと通信光とし用いるときとで前記広がり角を変化させる。

このように構成することによって、単一の光源をビーコン用の光源と光通信用の光源の両方に利用することができるので、従来において必要とされたビーコン光だけのための光源及びこれに付随する光学系を削減することができ、システムの構成を簡素化することができる。また、広がり角可変手段によって、光アンテナから自由空間へ放射される光をビーコン用と光通信用のそれぞれにおいて適した広がり角とすることができる。

さらに、通信中における相手局の受光電力及びデータ品質のうち少なくとも一方を取得する相手局情報取得手段と、通信光を放射するときは前記相手局情報取得手段によって得られた通信中における相手局の受光電力及びデータ品質のうち少なくとも一方を用いて前記広がり角及び通信速度のうち少なくとも一方を調整するよう制御する制御手段とを設けることによって、通信の品質と安定性を向上させることができる。

前記広がり角可変手段としては、可動レンズを設ける、各位置の屈折率が任意に設定できる液晶パネルを光軸に垂直に配置する、前記光アンテナの主鏡と副鏡の間の距離を調節する手段を設ける、前記光アンテナの主鏡と副鏡の一方又は両方の曲率を調節する手段を設けるといったことが可能である。

一定量の光エネルギーの使用よって通信相手局の捕捉・追尾を容易にし、かつ、データ伝送経路の品質を維持しつつその稼働率を高めることができる。これにより、自由空間光通信システムにおける光エネルギーの効率的な利用と、光通信回線の信頼性を向上させることができる。

以下に図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。図３は、本実施形態に係る自由空間光通信システムの全体を示した図であり、通信の相手となる通信局にも同様のシステムが設けられている。なお、図３のうち図２と同じ構成部分については同一の符号を付してある。

図３において図２の構成と異なるのは、図２におけるビーコン光光源９とこれに関連するレンズ８及びビームスプリッタ４を削除した点と、光源・変調部１８の前の固定レンズ１７を可動レンズ２４に置き換えるとともに、この可動レンズ２４を制御するためのレンズ制御部２８を設けた点である。さらに、図３のシステムでは、新たに、自局と相手局の位置情報を取得する位置情報取得部２５と、相手の通信局が受信しているデータの品質に関する情報を取得するデータ品質取得部２６と、相手の通信局がどのような受光電力で受光しているかを示す情報を取得する受光電力取得部２７とが設けられており、レンズ制御部２８はこれらからの情報に基づいて、可動レンズ２４の動作を制御するとともに、光源・変調部１８の光源の強度やデータ伝送速度などを制御する。光源・変調部１８のうちの光源としては、一例として半導体レーザダイオードを用いる。

図３のシステムでは、光源・変調部１８から出射される光を、通信光として使用するだけでなく、通信の相手局を捕捉するビーコン光としても使用することによって、ビーコン光光源及びこれに関連する光学系が不要となる。その一方で、光源からの光を通信光として用いる場合とビーコン光として用いる場合とでは、光を自由空間に放射する際に必要とされる広がり角が異なる。そこで、光源・変調部１８の前に可動レンズ２４を配置し、この可動レンズ２４の位置を光ビームの軸方向において変化させることによって、光アンテナ１から自由空間へ放射される光の広がり角を連続的に変えることができるようにした。このように広がり角を可変とすることにより、相手局との通信経路を確立するための広がり角の大きいビーコン光の光源と、通信に利用する広がり角の小さい通信光の光源を一つの光源で兼ねることができ、システムの構成が従来よりも簡素化される。

通信の相手局を捕捉する段階では、光源・変調部１８からの光に対して変調は行わない。この場合、レンズ制御部２８は、光アンテナ１から出射する光の広がり角が大きくなるように可動レンズ２４を制御し、この状態で通信相手局が存在すると予測される領域を走査する。相手局にこの光が到達すると、相手局における同様のシステムの光センサ６において受光され、その後、光センサ１２及び光伝搬角度制御部１３によって、光を放射した相手局の位置が特定され、通信経路が確立される。

なお、上記の可動レンズ２４は、特許請求の範囲に記載された、光源からの光の広がり角度を変化させる広がり角可変手段の一例である。広がり角可変手段としては、他に、例えば各部の屈折率を任意に制御できる液晶パネルを光路と垂直に配置し、液晶パネルの中心部からの距離に従って屈折率が異なるように任意に屈折率を制御することによって、レンズを軸方向に沿って移動させるのと同様の作用を実現することができる。あるいはまた、可動レンズや液晶パネルを設ける代わりに、光アンテナ１を構成する主鏡と副鏡の間の距離を可変としたり、これらの主鏡と副鏡の一方あるいは両方の曲率を可変とすることによっても広がり角を調節することができる。

位置情報取得部２５が自局と相手局の位置情報を知る方法としては、それぞれが保有している軌道情報を用いて位置情報を得る他に、ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用することも可能である。データ品質取得部２６は、相手局に設けられたデータ品質を監視するモニターが取得した情報を、通信相手局から光通信によって送ってもらう他に、光通信回線とは別の電波による回線で送ってもらうことによって、相手局のデータ品質に関する情報を取得することができる。受光電力取得部２７も、相手の通信局に設けられている受光電力を監視するモニターが取得した情報を光通信又はこれとは別の電波による回線で送ってもらうことによって通信相手局の受光電力に関する情報を得るようにする他、特に宇宙空間の場合には、通信相手局との距離と送信側の光出力とから計算された通信相手局の受光電力が実際の受光電力と非常によく一致することが知られているので、計算によって通信相手局の受光電力を求めるようにしてもよい。また、データ品質については、相手がどの程度の受光電力を得ているかが分かれば、これに基づいてかなり正確に推定することができるので、データ品質取得部２６は、推定によってデータ品質を取得する構成とすることもできる。

通信経路が確立された後に、光通信によって本来のデータ通信を行う場合には、可動レンズ２４を光通信用の位置に移動させ、アンテナ１から放射される光の広がり角を光通信用のそれに設定する。さらに、この通信中の光の広がり角は、通信の実行中においても、通信相手局の受光電力に応じて変化させる。また、光源・変調部２８も、通信相手局の受光電力に応じて、データの信号に基づく変調速度すなわち通信速度を変化させる。

図４は、光通信の実行中に通信速度を変化させる処理、図５は光通信の実行中に通信光の広がり角を変化させる処理を示したフローチャートである。図４及び図５は、いずれも光源から出ている光のパワーが一定であるという前提のもとでの処理である。

図４では、まず、受光電力取得部２７によって通信相手局における受光電力を取得するとともに、データ品質取得部２６によって通信相手局における通信のデータ品質を取得する（Ｓ４０１）。得られた受光電力を、通信に必要とされる規定の通信速度及び通信品質（ビットエラーレート）に対して適当であるかどうかを判定する（Ｓ４０２）。そして、受光電力が必要な電力よりも大きければ、通信速度に十分余裕があるので、さらに通信速度を高める（Ｓ４０３）。一方、受光電力が、現在のデータ品質を維持するためには小さすぎると判定された場合には、通信速度を下げる（Ｓ４０４）。以下、同様の動作を通信中は繰り返す（Ｓ４０５，Ｓ４０６）。

図５では、まず、受光電力取得部２７によって通信相手局における受光電力を取得するとともに、データ品質取得部２６によって通信相手局における通信のデータ品質を取得する点は、図４の場合と同様である（Ｓ５０１）。得られた受光電力を、通信に必要とされる規定の通信速度及び通信品質に対して適当であるかどうかを判定し（Ｓ５０２）、受光電力が必要な電力よりも大きければ、通信光の広がり角を大きくする（Ｓ５０３）。広がり角を大きくすることによって、両者の相対位置が突発的にある程度変化しても通信を継続することができるので、通信の安定性を高めることができる。一方、受光電力が、現在のデータ品質を維持するためには小さすぎると判定された場合には、十分なデータ品質を確保するために通信光の広がり角を小さくする（Ｓ５０４）。以下、同様の動作を通信中は繰り返す（Ｓ５０５，Ｓ５０６）。

このように、送信光の広がり角を制御し又はデータ伝送速度を制御し、あるいはその両方を協調的に制御することによって、通信回線の切断を防いで、安定した通信を確保することができる。なお、図４及び図５には示してないが、放射する光のパワーを制御する場合も当然にありうる。また、通信相手局の位置が同じ距離だけ変化する場合でも、通信相手局が近くにいる場合には、通信が可能な光の広がり角から外れ易くなる。このような場合には、広がり角を大きくして通信の安定性を高めることもできる。

以上説明した実施形態では、位置情報部２５の他に、データ品質取得部２６と受光電力取得部２７が設けられているが、このいずれか一方だけを設け、データ品質と受光電力の一方だけに基づいて通信光の広がり角、データ通信速度のいずれか一方又は両方の制御を行うようにしてもよい。

本実施形態よれば、光の自由空間伝搬を用いた光通信において、一つの光源で従来のビーコン光と光通信の両方の光源を兼ねることにより、システムの構成を簡素化すると共に、通信相手局における受光電力、データ受信品質及び自局と相手局の相対位置に応じて送出する光の広がり角やデータ伝送速度を制御することによって、通信局間でやりとりされる光エネルギーを効率的に使用し、かつ、予期しない通信局間の相対位置の変化などが引き起こす通信回線切断の可能性を低くすることにより、通信の信頼性を向上させることができる。

なお、上記の実施形態では、本発明の自由空間光通信システムを宇宙空間に存在する人工衛星や宇宙機に搭載したものとし説明したが、本発明の自由空間光通信システムは、宇宙空間における飛翔体以外にも、飛行機、ヘリコプター、気球のような大気圏内の飛翔体、船舶、自動車などの一般の移動体、さらに、温度変化や風などの影響を受けやすい建物と建物の間の光通信などにおいても適用することができる。

従来の自由空間光通信システムにおいて通信経路を確立するために行われる手順を示した図である。 従来の自由空間光通信システム全体の概略を示した図である。 本発明の実施の一形態に係る自由空間光通信システムの全体を示した図である。 本発明の実施の一形態に係る自由空間光通信システムにおいて光通信の実行中に通信速度を変化させる処理を示したフローチャートである。 本発明の実施の一形態に係る自由空間光通信システムにおいて光通信の実行中に通信光の広がり角を変化させる処理を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 光アンテナ
２，５，８，１１，１５，１７ レンズ
３，４，１０，１１ ビームスプリッタ
６，１２，１６ 光センサ
１３ 光伝搬角度制御部
１８ 光源・変調部
２４ 可動レンズ
２５ 位置情報取得部
２６ データ品質取得部
２７ 受光電力取得部
２８ レンズ制御部

Claims (7)

1. 各通信局内に、光源と、前記光源からの光を信号に基づいて変調する変調手段と、前記光源からの光を自由空間へ放射するとともに自由空間を伝搬した光を受ける光アンテナと、前記光アンテナの方向又は光の放射方向のうち少なくとも一方を制御する方向制御手段と、前記光アンテナで受けた光を受光する受光手段と、自局と通信相手局との相対位置に関する情報を取得する位置情報取得手段とを有し、相対位置が変化する複数の通信局間で自由空間を介して光通信を行う自由空間光通信システムにおいて、
   前記光源から発せられ、前記光アンテナによって自由空間へ放射される光の広がり角を変化させる広がり角可変手段を備え、
   前記光源から発せられる光を相手局を探索するビーコン光及び通信に用いる通信光として用いるとともに、前記広がり角可変手段は、ビーコン光として用いるときと通信光とし用いるときとで前記広がり角を変化させるものである自由空間光通信システム。
2. 通信中における相手局の受光電力及びデータ品質のうち少なくとも一方を取得する相手局情報取得手段と、
   通信光を放射するときは前記相手局情報取得手段によって得られた通信中における相手局の受光電力及びデータ品質のうち少なくとも一方を用いて前記広がり角及び通信速度のうち少なくとも一方を調整するよう制御する制御手段と、
   をさらに備えた請求項１に記載の自由空間光通信システム。
3. 前記広がり角可変手段は、可動レンズからなる、請求項１又は２に記載の自由空間光通信システム。
4. 前記広がり角可変手段は、各位置の屈折率が任意に設定できる液晶パネルを光軸に垂直に配置してなる、請求項１又は２に記載の自由空間光通信システム。
5. 前記広がり角可変手段は、前記光アンテナの主鏡と副鏡の間の距離を調節する手段からなる、請求項１又は２に記載の自由空間光通信システム。
6. 前記広がり角可変手段は、前記光アンテナの主鏡と副鏡の一方又は両方の曲率を調節する手段からなる、請求項１又は２に記載の自由空間光通信システム。
7. 前記各通信局は人工衛星である、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の自由空間光通信システム。

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