JP2007506984A

JP2007506984A - 適応光学を用いた自由空間光学通信システム用の複合波面センサおよびデータ検出器

Info

Publication number: JP2007506984A
Application number: JP2006534516A
Authority: JP
Inventors: グレイブス，エロン，ジェイ．; ノースコット，マルコム，ジェイ．; シェルトン，クリストファー，ジェイ．
Original assignee: エイオプティクステクノロジーズ，インク．
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2007-03-22
Also published as: KR20050072765A; WO2004036263A8; WO2004036263A3; AU2003284248A1; US20040086282A1; EP1552627A2; US7406263B2; AU2003284248A8; WO2004036263A2

Abstract

適応光学モジュールにおいて、波面検知およびデータ検出が、単一装置内で行われる。例えば、光−電気変換器がデータ符号化された光ビームを中間的な電気信号に変換し、この信号にはビーム内に符号化されたデータおよびそのビームに関する波面情報が含まれている。データおよび波面情報は、例えば、周波数フィルタリングによって後で分離される。

Description

本発明は、一般に、自由空間光学通信の分野に関する。より詳細には、本発明は、自由空間光学通信リンクを強化するための適応光学（例えば、先端および傾斜補正を含む）の使用に関する。

近年、技術の発達に伴い、様々な用途に対する自由空間光学通信の使用における関心が高まっている。例えば、現在の電気通信構造基盤の多くは、光ファイバーを経由する光信号の送信に基づいている。光ファイバーの使用によりデータ送信の容量および効率が高まったが、新規ファイバーの導入が最善の解決方法とはならない状況が多い。その結果、大気の自由空間を介して光信号を送信する電気通信構造基板にさらに関心が寄せられている。

自由空間光学通信リンクはまた、電気通信構造基盤以外の用途にも使用できる利点がある。他の通信技術に比べ、自由空間光学通信リンクは、小型なため移動が容易で、また方向性に優れており（例えば、傍受されにくい）、組立と分解が短時間で行え、および／または一方または両方のトランシーバが移動中である場合でも通信の安定性が高いという利点がある。そのため、自由空間光学通信リンクは、空中、水上、宇宙空間および地上など、異なる状況でも利用することができる。

しかし、前記の潜在的な用途において、自由空間光学通信リンクには光収差という問題が伴う。例えば、大気条件の変化は、自由空間光学通信システムの精密度、信頼性、および効率に、著しい障害となりうる。風、熱波、人的汚染物等により、光収差は常に変化しうる。このため、受信機で用いられる光信号の質が低下し、通信チャンネル全体の質および効率の悪化につながる。

適応光学は、これらの光収差を補償でき、したがって自由空間光学通信リンクの性能を向上する。しかしながら、適応光学能力を有する現在の自由空間光学通信リンクは、一般に、データ検出および波面検出に異なる検出器を用いている。入射光ビームは、ビームスプリッタにより分割され、一部はデータ検出器に、他は波面センサに向けられる。しかし、これにはデータ検出器および波面センサが精確かつ相互にリンクされている必要がある。使用する2つの異なる検出器およびそれにより生じるリンク上の要件により、コストが増大し、システム全体が複雑になるため、システムの信頼性が損なわれる。

その結果、適応光学システムには、２つの異なる検出器を使用しない方が、望ましいとされている。

本発明は、波面検出およびデータ検出を同時に行う適応光学モジュールを提供することにより、従来技術の限界を克服する。一実施の形態では、当該装置は、分離モジュールと連結される光−電気変換器を含む。光−電気変換器は、データ符号化光ビームを中間的な電気信号に変換し、この中間的な電気信号にはビーム内に符号化されたデータおよびそのビームに関する波面情報が含まれている。分離モジュールは、電気的波面信号および電気的データ信号の両方を中間的な電気信号から生成する。電気的波面信号は波面情報を含み、電気的データ信号はデータを含む。

一手法においては、波面情報およびデータは、中間的な電気信号内の周波数に分離される。例えば、波面情報は、データが位置する周波数よりも低い周波数に位置していてもよい。分離モジュールは、波面情報およびデータを、例えば、同調回路／フィルタまたは電気分割回路を使用することにより、周波数に基づいて分離する。

一実施の形態では、光−電気変換器は、複数の検出要素を含む。各要素は、光ビームのサブアパーチャの部分を受信し、これを中間的な電気信号に変換する。中間的な電気信号は、データ検出用に統合され、波面検出用に個別処理される。

特に、一実施の形態では、適応光学モジュールは、可変湾曲ミラーを用いて、光収差を補償する。例えば、可変湾曲ミラーは、電極セグメントのパターンを含む電子抑制物質の間に配置することができる。本配置は、電極セグメントに異なる電圧を印加することにより変形する。一体型波面／データセンサは、セグメント化検出器を含み、可変湾曲ミラーは、セグメント化検出器に映像を映す。一実施の形態では、検出器内の各部は、可変湾曲ミラー上の電極セグメントに対応する。可変湾曲ミラーとセグメント化検出器との間の焦点面に配置されている薄膜ミラーは、ディザ周波数で振動し、焦点ディザを前記光学システムに誘導する。分割回路は、セグメント化検出器から中間的な電気信号を受信し、波面情報（ディザ周波数周辺に位置する）をデータ（ディザ周波数よりも高い周波数に位置する）から、周波数に基づいて分離する。

本発明の他の局面は、適応光学モジュール、トランシーバ、ＦＳＯ通信リンク、および前記装置を用いるシステムと、前記すべてに対応する方法を含む。

本発明の利点および特長は、添付図面を併用することにより、以下の本説明の詳細な説明および添付の請求項からより容易に理解されるであろう。

図１は、本発明に適した自由空間光学通信システムを示す。

図２は、本発明に適した別の自由空間光学通信システムを示す。

図３は、本発明に適したさらに別の自由空間光学通信システムを示す。

図４は、本発明による適応光学モジュールを示す。

図５は、波面情報およびデータの周波数分離を示すパワースペクトルである。

図６は、分離モジュールの一例の回路図である。

図７は、分離モジュールの一例のブロック図である。

図８は、図４の適応光学モジュールの一実施形態を示す。

図９A〜９Cは、異なるクロスオーバーネットワークの回路図である。

図1〜図3は、適応光学を用いた自由空間光学（ＦＳＯ）通信システムを示す。図1のＦＳＯ通信システムは、ＦＳＯデータリンク１５０上を、空中トランスミッタ１１０から、定位置に設置されているか、移動可能な地上レシーバ１２０へ、データを通信するようになされている。便宜上、「トランシーバ」という用語は、送信専用であるモジュール１１０および受信専用であるモジュール１２０、ならびに送信と受信の両方を行うモジュールを指すのに用いる。

各トランシーバ１１０、１２０は、他方のトランシーバのテレスコープに向けられるテレスコープを含む。送信テレスコープ１１０は、一般に、光ビーム１５０を追跡し、それを受信テレスコープ１２０へ向けるための部品を含む。受信テレスコープ１２０は、一般に、送信テレスコープ１１０から光ビーム１５０を追従し、受信するための部品を含む。これらの目的に使用可能な部品の例には、操舵ミラー、機械式ジンバル、追跡機構および制御ループ、自動焦点およびズーム能力が含まれる。

ＦＳＯ通信システム１５０には、時変収差の問題が伴う。例えば、様々な用途に対し、大気の影響が光収差の大きな原因となりうる。大気密度は、一般に、乱流セルが約1 kHz以下の場合、時間と空間に応じて変化する。その結果、光収差が、ビームのゆらぎ、受信機１２０におけるシンチレーションパターンの発生、および波面の劣化等の、望ましくない効果を引き起こす。

図１の例において、これらの光収差が、受信機１２０の適応光学モジュール１２５により、部分的または完全に補正される。適応光学モジュール１２５は、入射光の波面を補正し、これにより受信機１２０で光ビームの操作を容易にする。光収差または入射波面を測定する他の方法を使用できるが、一般に、適応光学モジュール１２５により適用される波面補正は、入射光ビーム１５０の波面（一般に、補正後）の測定により、決定される。適応光学システムにより適用される補正のレベルは、多くの場合、適応光学システムのオーダーとされる。便宜上、「一次適応光学」という用語は、チップ（tip）、チルト（tilt）、および／または低次の光収差（例えば、ピストン）を補正する適応光学システムを指すのに用いるが、デフォーカス（defocus）または高次の光収差を補正する適応光学システムには用いられない。「高次適応光学」という用語は、デフォーカスおよび／または高次の光収差を補正する適応光学システムを指すのに用いる。

図２は、適応光学を用いる別のFSO通信システムを示す。本例では、FSO通信システムは、トランスミッタ２１０および受信機２２０は２つの建物の屋根に位置する都市環境で用いられる。図２は、異なる高さの建物、自動車、道路、木々、一つの建物の上の異なった大気状態を形成する煙突を示している。雨、霧、煙等により透過光ビームの強さが低下する。天候状態に起因する通常の大気収束に加えて、太陽光または建物構造より生じる熱波、エアコンの排気、熱交換器の排気、自動車の排気ガス等により、光学リンク２５０に伴う収差が発生する。地方部で用いる場合、地形の変化や、自然環境により光学リンク２５０に伴う収差が影響を受ける。

図２では、各トランシーバ２１０、２２０は、データ符号化された光波の送信および受信に悪影響を及ぼす大気状態を緩和するため、適応光学モジュール２１５、２２５を含む。トランスミッタ２１０では、適応光学モジュール２１５は、発信する光の波面を事前に補正する。この発信前補正により、受信機２２０におけるゆらぎおよびシンチレーションパターンが減少する。これにより受信機２２０上の投射量を増加させ、受信光ビームの波面の質を向上させる。受信機２２０において、適応光学モジュール２２５が、受信波面の光収差を補正し、受信機の画質および／または集光効率を向上する。

受信機２２０において、適応光学モジュール２２５により適用される波面補正は、入射光ビーム２５０の波面に基づいて決定する。逆伝搬プローブビーム２６０は、トランスミッタ２１０の適応光学モジュール２１５で使用される。プローブビーム２６０は、データ符号化された一次ビーム２５０とほぼ同じ光学経路に沿っているが、反対方向に伝搬される。それは、一次ビーム２５０と同じ波長であるか、異なった波長であってもよい。プローブビーム２６０は、実質的に、一次ビーム２５０と同じ光収差を経験し、適応光学モジュール２１５により適用される発信前補正は、プローブビーム２６０の波面に基づく。同様に、等伝搬プローブビーム（図２に不図示）は、一次ビーム２５０自体に対し使用されるよりは、一次ビーム２５０の波面補正のベースとして受信機２２５において使用できる。

図２の双端型補正システムにおいて、２つの適応光学モジュール２１５、２２５は、特定の条件下で、好ましくない交信を行う場合がある。この効果を抑制する一手法において、特性伝搬距離は、z０ = SYMBOL 112 \f "Symbol" \s 10.5SYMBOL 115 \f "Symbol" \s 10.5²／SYMBOL 108 \f "Symbol" \s 10.5と定義でき、ここで、SYMBOL 115 \f "Symbol" \s 10.5は、投影ビームの幅（本例では、ガウス状を仮定）を表し、SYMBOL 108 \f "Symbol" \s 10.5は波長を表す。例えば、投影ビーム幅SYMBOL 115 \f "Symbol" \s 10.5が４ｃｍで、波長が１．５５SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 10.5ｍの場合、特性伝搬距離は、約３ｋｍとなる。リンク距離が特性伝搬距離以下の場合、トランスミッタ２１０から受信機２２０へ、位相情報を伝搬することができ、適応光学モジュール２１５、２２５を介して、フィードバック経路を作成し、適応光学モジュールの不安定性が増す場合もある。この効果は、送信するビームのサイズを、例えば、ズーム光学等を用いて、縮小することにより、抑制することができる。代替として、トランスミッタ２１０と受信機２２０間の異なる焦点を使用して、受信テレスコープのアパーチャが、著しく不足していない状態を保つことができる。リンク距離が、特性伝搬距離以上の場合、トランスミッタ２１０の相変異は、一般に、受信機２２０の振幅変動に変換され、距離の2乗としてデータ信号強度が低下する。その結果、リンク距離が長い場合、位相不安定性は、問題とはならない。

また、リンク距離が特性伝搬距離以下の場合、瞳孔照度が不均一となる。この問題を解決するには、一次ビーム２５０により瞳孔照度を拡散するために、送信テレスコープ２１０の焦点を調整する。

図１および図２において、通信リンク１５０，２５０は、単指向性として示されている。異なる2つの単指向性システムを使用して、双方向性システムを構築することができる。経済効率を高めるには、例えば、各トランシーバ２１０、２２０上でデータソース（例えば、変調レーザまたは光ファイバー供給）およびデータ受信機（例えば、光検出器または送出光ファイバー）の両方を提供することにより、各地点のトランスミッタおよび受信機を一体化させ、適応光学補正を含む、同一のテレスコープ光学を共有する方法がある。

例えば、図２では、光ビーム２６０は、データで符号化することもできる。次いで、トランシーバ２１０から２２０へのデータ送信のため、トランシーバ２１０は、トランスミッタとなり、ビーム２５０は、データ符号化された一次ビームとなり、光ビーム２６０は、プローブビームとなり、トランシーバ２２０は、受信機となる。逆方向では、トランシーバ２２０はトランスミッタとなり、ビーム２６０は、データ符号化された一次ビームとなり、ビーム２５０は、プローブビームとなり、そしてトランシーバ２１０は、受信機となる。各ビーム２５０、２６０は、２つの役割を担う点に注意されたい。データ符号化された一次ビームは、一方向に、プローブビームはその反対方向に向かう。代替実施例では、２つのデータ符号化されたビームと２つのプローブビーム、計４つの光ビームが使用され、両方のトランシーバ２１０、２２０において、すべてのビームは、同一のテレスコープ光学を共有している。

図３は、適応光学を用いる、さらに別のFSO光学通信システムを示す。この実施例では、変調逆反射器３３０を使用する。トランスミッタ３１０は、光ビーム３５０Aを変調逆反射器３３０に送信する。逆反射器３３０の変調により、データを光ビームに符号化し、逆反射器３３０は、データ符号化されたビーム３５０Ｂを元ソース近傍に返還する。実施例では、同一のテレスコープ３１０は、反射ビーム３５０Bを受ける。しかし、様々な用途に対し、逆反射器３３０は、サイズに限界があり、反射ビーム３５０Bの回折限界スポットサイズは、テレスコープのアパーチャと比較した場合、非常に大きくなる。このため、図3に示すように、別のテレスコープ３２０を受信機として使用できる。代替として、逆反射器３３０は、非逆反射の反射器に交換することができる。適応光学モジュールは、一方または両方のテレスコープ（または逆反射器）で使用することができ、光ビーム３５０の発信前補正、発信後補正を行い、通信リンクは、単指性または双方向性でもよい。

図1〜図3は、単なる実施例である。他の用途がより明らかになるであろう。さらに、選択波長、データ率、リンク距離、テレスコープ設計、データソース、光ソース、データ受信機等の設計上の選択は、用途により異なる。特にFSO通信リンクは、用途により、選択肢が大幅に異なる。一用途では、両方のトランシーバが地上基地であり、リンクは、主に地表に沿っている。実施例は、都市環境、農村環境、または水域間のリンクを含む。他の用途において、リンクは、地上―空中間または空中―地上間（例えば、地上ステーションと飛行機間）または空中間（例えば、飛行機間）となる。FSO通信システムは、単指向性または双方向性のいずれかであってもよく、単端または双端型適応光学補正を使用する。ここで説明する原則は、これらの状況に適用する。

異なるデータ率と距離の組み合わせは、用途に応じて適応できるが、ここではデータ率１００Gbps、上方への距離を２７ｋｍとし、実験を行った。別の波長が使用され、特定の大気条件または他の用途によっては適している場合もあるが、現在、波長１．５５SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 10.5ｍ（ミクロン）の波長領域が、電気通信用途には好まれている。例えば、１．３SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 10.5ｍの波長領域は、単一波長モードにおいて、優れた性能を示す。「光学」または「光」という用語は、特定の波長範囲に限定されるものではなく、電磁スペクトルの可視領域に限定されるものではない。

いずれの数のソースも、データ符号化されたビームのソース数に上限はない。例えば、データ符号化された光信号を送信する光ファイバーを、送信テレスコープに直接連結することができる。データ信号が電気による場合、電気−光変換が可能である。例えば、電気的データを使用して、レーザーダイオード（または他の光源）を内部的に変調することができる。また、レーザー（または他の光源）からの光ビームを、例えば、マッハツェンダ変調器を介して、電気的データにより外部的に変調することができる。データ信号は光だが、波長が現行のシステムに対応しない場合、例えば、１．３SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 10.5ｍ〜１．５５SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 10.5ｍの波長領域内で、波長変換を行うことができる。光学手段（例えば、非線形光学現象に基づく）または光−電気−光手段により、波長変換を行うことができる。

受信機においては、多くの異なる方法を用いて、受信光ビームを処理または再送信してもよい。例えば、ある入射光は、発信光ファイバーに直接連結できる。代替として、入射光は、光検出器または光−電気変換器により、電気形態に変換できる。最終的な例として、入射光は増幅でき、更なる送信のために別のFSO通信リンクに連結できる。

適応光学モジュール自体も異なるレベルの高度化を有している。単純な用途において、焦点量に関係なく、チップ／チルトのみの補正を十分に行うことができる。需要の高い用途においては、高次の光収差の補正を行うことができる。チップ／チルト等の単純な一次適応光学補正は、操舵ミラー等の部品により、実施または増補することができ、適応光学モジュールを使用して、高次の光収差の補正を行う。

テレスコープ光学も変更できる。屈折型、反射型、または混合型デザインを使用することができる。用途によっては（例えば、超短距離）、テレスコープは不要となるであろう。代替として、テレスコープ以外の集光を適合させてもよい。適応光学を用いるFSO通信システムの更なる例は、J．Elon Graves および Malcom J. Northcott により、２００１年６月１６日に出願された米国特許出願第０９／８９２，９１３号の「大気光学データ送信システム」に記載されており、その内容を参照して本明細書に組み込む。

図４は、本発明による適応光学モジュールを示す。前記システムは、テレスコープ４１０（図４ではレンズ４１８として図示）、可変位相装置４２４、および波面センサおよびデータ検出器両方の機能を果たす装置４２０を含む。可変位相装置４２４および波面／データセンサ４２０は、テレスコープの光学経路に位置し、可変位相装置４２４の下方には、波面／データセンサ４２０を備えている。このシステムは、送信用データソース４４０も含んでいる。本実施例では、システムは、ビーム操舵機構４１６、例えば、チップ／チルトミラーも含んでいる。

受信方向において、システムは、遠隔ソース（例えば、送信テレスコープ）から波面／データセンサ４２０へ、光４５１を集光する。可変位相装置４２４および波面／データセンサ４２０は、適応光学ループを形成し、FSO通信リンクに伴い、光収差の補償を行う。可変位相装置４２４は、不要な光収差の効果を補償する調整可能な位相に誘導し、これにより波面上の残存収差を減少させる。可変位相装置４２４の例には、可変ミラー、液晶装置、ＭＥＭＳミラー、音響光学、熱光学、磁気光学、電気光学変調器、アイドフォル、および光学書込光学活性物質が含まれる。波面／データセンサ４２０の波面検出部により実際の収差量の測定を行うか、または、残存収差および制御モジュール４２２により、当該制御信号を可変位相装置４２４に送信する。この方法により、入射光ビームの波面の収差を補正し、これにより波面／データセンサ４２０のデータ検出部の画質および／または集光効率が向上する。

送信方向において、ソース４４０は、同一のＦＳＯ通信リンクに受信光ビームとして送信されるべき光ビームを生成する。ソース４４０からの光ビームは、可変位相装置４２４により事前に補正される。これにより、受信テレスコープ上に入射するエネルギー量が増大し、シンチレーション効果も減少する。受信光ビームおよび送信光ビームが移動する光学経路の大半は、共通している点に注意されたい。そのため、同一の適応光学補正が適用され、受信光ビームの受信後補正、送信光ビームの発信前補正の両方が行われる。

閉ループ動作において、適応光学は、光学経路に沿った光収差の変化率よりも非常に速い率で、例えば、約１０倍以上速いのがこのましい、波面を補正するのが好ましい。光収差が主に大気状態に起因する場合、大気中の乱流マイクロセルが１ｋＨｚ以下で変化するため、可変位相装置４２４は、１０ｋＨｚ以上で調整を行うのが望ましい。

ここで、一体型波面／データセンサ４２０に注目すると、センサ４２０は、分離モジュール４２８と接続する光−電気変換器４２７を含む。光−電気変換器４２７の実施例は、光検出器およびコヒーレント（coherent: 可干渉性）検出器（例えば、入射光ビーム次いで検出ビームが混合された光学局部発振器）を含む。光−電気変換器４２７は、入射光ビームを電気形態に変換する。生成された電気信号は、中間的な電気信号と称される。中間的な電気信号は、データ符号化された光ビームおよび光ビームの波面に関する波面情報を含む。分離モジュール４２８は、中間的な電気信号を受信し、波面情報を含む電気的波面信号およびデータを含む電気的データ信号を生成する。制御モジュール４２２は、電気的波面信号に基づき、可変位相装置４２４を制御する。電気的データ信号は、データを復旧するよう処理できる。

図４に示す構造は、単に一体型波面／データセンサ４２０の一例である。他の構造を使用することもできる。一代替においては、入射光ビームは、情報を含む一次ビームと、異なる波長の等伝搬プローブビームを含む。一体型波面／データセンサ４２０は、異なる波長を感知する異なる検出層を含むサンドイッチ型または複合型検出器を含む。例えば、上位層は、プローブビーム波長を感知する検出要素を含み、下位層は、一次ビームの波長を感知する検出要素を含む。上位層からの電気信号は、次いで、波面情報を含み、下位層からの電気信号は、データを含んでいる。

ここで、図４に示す特定の実施例を参照すると、一手法において、中間的な電気信号内の波面情報およびデータは、周波数で分離される。図５は、中間的な電気信号を示し、波面情報は、低周波数帯域を占有し、データは高周波数帯域を占有している。分離モジュール４２８は、次いで周波数に基づいて、波面情報およびデータを分離する。

図５に示す状況は、稀ではない。例えば、大気変動に起因する光収差は、一般に、1〜10 kHz範囲の帯域幅を有し、1 MHzを超えるデータ率は、稀ではない（例えば、OC3用150 MHz、ギガビットイーサネット用1 GHz等）。図５のデータは、直流コンポーネントを含まない点に注意されたい。多くの通信プロトコルは、直流成分が全くない（必要でさえない）。例えば、データは、8B/10B符号化形式またはその派生型のNRZを使用して、符号化を行ってもよい。

様々な方法を用いて、データおよび波面情報の周波分離が達成できる。例えば、同調回路／周波数フィルタを使用することができる。図６は、一実施例の回路図である。ここでは、光−電気変換器４２７が、入射光の強さに比例する電流を生成する光ダイオードまたは同等の装置として実装される。入射する中間的な電気信号は、接合器６１０により、２つの成分に分割される。増幅回路６２０は、高域フィルタとして動作し、中間的な電気信号の高周波数データ部分を選択し、波面情報を遮断する。同様に、増幅回路６３０は、低域フィルタとして動作し、低周波波面情報を選択し、データを遮断する。

図７は、自動ゲイン回路の一例のブロック図である。この例では、可変ゲインブロック７１０は、信号の振幅を均等化するため時変ゲインを中間的な電気信号に適用する。ゼロ交差がさらに精確に測定できるため、本手法が望ましい。自動ゲイン制御モジュール７２０は、発信信号をサンプリングし、それに基づいてゲインの調整を行う。自動ゲイン回路が十分速い場合、時変ゲインは、波面信号によって導入される変化量を補償する。このため、自動ゲイン回路によって適用される時変ゲインから、波面情報信号を検索することができ、また、均一振幅信号からデータの回収も行うことができる。

図８は、図４の適応光学モジュールの特定の実施例を示す。このシステムは、適応光学モジュールを備えたテレスコープ８１０を含む。遠隔光源からの光線８５１は、チップ／チルトミラーを介して、システムに投射される。

一実施の形態では、受信テレスコープ８１０を、垂直に配置できるようになされている。チップ／チルトミラー８１６は、２つの垂直軸を中心として枢軸動でき、１つの軸は、タレット状のテレスコープの垂直軸に、別の軸は鏡面に対し水平にあって、チップおよびチルトの調整を行うことができる。代替として、テレスコープ８１０が、垂直軸を中心として回転でき、その結果、ミラー８１６の回転軸は除去できる。他の代替編成は、他のチップ／チルトミラーの使用および対物レンズの微平行移動等により、テレスコープの粗点および照準に対し用いることができる。

図８を参照すると、チップ／チルトミラー８１６から光線が、焦点に遠隔光源の映像が投影されてはいるが、その補正はなされていない対象映像面（ＯＩＰ）上の光線に焦点を合わせるレンズ８１８を介して移動する。光線は、次いでコリメータレンズ８１９を通過し、可変ミラー８２４に到達する。可変ミラー８２４は、動的に形状を変化させ、波面上の光収差の補正を行う。可変ミラー８２４は、波面／データセンサ８２０により測定された波面に基づいて制御される。可変ミラー８２４の共役点は、例えば、ＯＩＰ上に共役同調素子を挿入することにより調整される。共役同調素子の例は、挿入式レンズ、ズームレンズ、または第２の可変ミラーを含む。

様々なタイプの波面センサおよび可変ミラーを使用してもよい。この例では、圧電材の異なる領域に異なる電圧を印加することに基づく可変湾曲ミラーであるため、前記可変ミラー８２４に変形が生じる。同タイプの可変ミラーの更なる詳細については、J．Elon Graves および Malcom J. Northcott により、２００１年１月２５日に出願され、２００２年１０月１５日に付与された米国特許第６，４６４，３６４号の「可変湾曲ミラー」、J．Elon Graves および Malcom J. Northcottにより、２００１年１月２５日に出願され、２００３年５月２７日に付与された米国出願特許第６，５６８，６４７号の「可変ミラー搭載装置」、およびJ．Elon Graves および Malcom J. Northcottにより、２００１年６月１６日に出願された米国特許出願第０９／８９２，９１３号の「大気光学データ送信システム」に記載されている。前記特許のすべての内容を、参照して本明細書に組み込む。

図８に示す例では、波面／データセンサ８２０の波面検出部は、デフォーカスされた瞳孔映像に基づく、波面湾曲センサである。同タイプの波面湾曲センサの更なる詳細については、J．Elon Graves および Malcom J. Northcott により２０００年5月２６日に出願され、２００２年９月１７日に付与された米国特許第６，４５２，１４５号の「波面検出方法および装置」およびJ．Elon Graves および Malcom J. Northcottにより、２００１年６月１６日に出願された米国特許出願第０９／８９２，９１３号の「大気光学データ送信システム」に記載されている。前記特許のすべての内容を、参照して本明細書に組み込む。

前記可変ミラー８２４の表面からの光線は、振動薄膜ミラー８３２に映像の再焦点を行うレンズ８２４に反射する。光は、振動薄膜ミラー８３２から、レンズ834を介して、セグメント化検出器８２７に反射される。薄膜ミラー８３２が振動していない場合、つまり、表面が平坦の場合、可変ミラー８２４の映像は、検出器８２７上に反映される。しかし、薄膜ミラー８３２が振動する場合、ミラーの凹凸運動により、映像の焦点が合わなくなるため、代わりに前記検出器８２７上に映像を反映する。この波面情報は、分離モジュール８２８により抽出され、波面の曲率を決定する制御モジュール８２２に送信される。

薄膜ミラー８３２は、一般に、数１０ｋＨｚ以下の周波数により振動する。光学経路（またはデフォーカス）に対し、この同一周波数で、効率的にディザ処理が行われ、波面情報は、ディザ周波数周辺の周波数帯域に位置する。この場合、分離モジュール８２８により、周波数に基づいて、波面情報およびデータが分離される。

制御モジュール８２２内のソフトウェアは、波面湾曲を導き、該当する制御信号を可変ミラー８２４に発信する。特に、薄膜ミラー８３２により誘導される可変焦点ディザは、ディザ周波数で信号成分に変換される。成分の大きさは、瞳孔内の波面湾曲および瞳孔境界上の波面の放射チルトに比例する。デフォーカス映像の形状に関するノイマン境界条件の強度に対するポワソン方程式を解くことにより、波面の抽出および復旧を行う。反復データ処理アルゴリズムまたは非線形フィッティング技術を採用して、開ループシステム内の測定における非線形性を補償してもよい。

制御モジュール８２２は、図中、Ｗ−ｌ〜Ｗ−Ｎに示すように、可変ミラー８２４後部の電極セグメントに、個別の及び制御された高電圧信号を提供する。可変ミラー８２４は、コリメータレンズ８１９から波面／データセンサ８２０への光線を反射するよう位置決めされる。可変ミラー８２４の全体のチルトおよび曲率は、電極に印加される電圧を変化させて、制御することができる。

本実施例では、検出器８２７は、セグメント化されている。光瞳孔は、のサブアパーチャに分割され、光ビームの各サブアパーチャは、個別の検出器のセグメントに向けられる。各検出器のセグメントは、個別の電気信号を生成する。このため、セグメント化検出器８２７から分離モジュール８２８への中間的な電気信号は、セグメント化検出器８２７から分離モジュール８２８へのラインを分断するスラッシュが示すように、複数の中間的な電気信号を、実際には含んでいる。各中間的な電気信号は、波面全体に関する情報を提供し、個別の中間的な電気信号の処理を行うことによって、波面を決定する。データ検出の目的のためにセグメント化検出器８２７は、基本的に、集光器として動作する。中間的な電気信号の一部またはすべてを結合し、結合信号の処理を行うことによってデータを復旧する。

例えば、光ビームがＮ個のサブアパーチャに分割される場合、検出器８２７は、Ｎ個の中間的な電気信号を生成するＮセグメントを有していてもよい。分離モジュール８２８は、各セグメントの低域フィルタ処理を行って、Ｎ個の個別の中間的な電気信号を生成し、次いで各セグメントが、制御モジュール８２２により処理される。同時に、分離モジュール８２８は、信号の高域フィルタ処理を行い、処理済みの信号を結合して、単一の電気的データ信号を生成する。

波面検出およびデータ検出を組み合わせることにより得られる利点は、シンプルかつロバストな構造にある。検出器数が一般に減少し、波面およびデータ検出器を、別途取り付ける必要がない。激しい乱気流下であっても、他の利点があり、複数の光学経路は、テレスコープ瞳孔内での点灯の一因となってもよい。そのため、複数の「ミラージュ」映像を映像面に導くことができる。２つの「ミラージュ」映像の中間位置へ誘導する適応光学モジュールを使用するか、１つの「ミラージュ」映像から別の「ミラージュ」映像へエネルギーを転移させ、適応光学モジュールを２つの映像間でスナップさせることにより、ミラージュ映像は単一モード光ファイバへの結合損失を招く。「ミラージュ」映像は、単一モードファイバへの結合時に、ドロップアウトを生じることもある一方で、瞳孔内の光度に及ぼす影響は低い。このため、一体型の波面／データセンサは、一般に、激しい乱気流下であってもロバスト性能を発揮する。

図９A〜９Cは、分離モジュール828の異なる実装の回路図である。図９Aでは、分離モジュール８２８が、電気分割回路９１０として実装されている。電気分割回路９１０は、セグメント化検出器８２７からの各Ｎ出力を、高周波成分（つまり、データ信号）および低周波成分（つまり、波面信号）に分割する。本例では、各受信中間的な電気信号に対し、個々に分離を行い、Ｎ出力の電気的データ信号およびＮ出力の電気的波面信号を生成する。

図９Ｂは、電気分割回路９１０の一実施例を示す。本実施例では、コンデンサが、低周波成分を遮断し、インダクタが、高周波成分を遮断する。さらに、Ｎ個のデータ信号を結合して、単一の「複合された」電気的データ信号を形成する。電気分割回路９１０は、その後増幅される。一つの増幅器９２０は複合データ信号に使用され、別の増幅器９３０がＮ個の各波面信号に使用される。

図９Ｃは、分離前に増幅が生じる点を除いて、図９Ｂと類似している。増幅器９４０は、データおよび波面情報が分離される前に、Ｎ個の中間的な電気信号を増幅する。高周波成分に対し、例えば、変成器結合、指向性結合器または伝送線結合に基づいて、他のクロスオーバーの実施形態が可能であり、また低周波成分に対しては、抵抗分離または誘導分離に基づいて、他のクロスオーバーの実施形態が可能である。

詳細な説明には、多岐にわたる特定要件が含まれているが、これらは、本発明の適用範囲を限定するものではなく、様々な例を示しながら、本説明の局面を説明している。本発明の適用範囲には、上記で詳細に説明されていない実施の形態も含まれる。

例えば、場合により、テレスコープ光学内に配置しているのとは対照的に、可変位相装置４２４、８２４を光学縦列の最外要素とすることが可能であり、好ましいであろう。可変位相装置４２４、８２４は、１つ以上の装置としても実装できる。例えば、別の装置を使用して、入射光ビームを発信後に補正でき、送信光ビームを発信前に補正できる。代替として、入射および送信光ビームに対し、共通の補正を施し、装置を追加することにより、増加補正（または微分補正）を施すことができる。かかる編成は、例えば、衛星との通信に有効で、光ビームが「光行差」度を有するため、衛星運動を補償する。波面センサが、補正後の残存収差の代わりに、補正前に光収差を測定するように、開ループ内で適応光学補正を施すこともできる。

他の変形として、制御モジュール４２２、８２２は、性能を向上するために他のシステムまたはセンサからの情報を波面情報と統合してもよい。実施例には、光行差角を算出する衛星上の軌道要素情報の使用、または操舵補正の帯域幅の向上を目的とする移動プラットフォーム上の回転率センサが含まれる。トランスミッタは、制御モジュールを含む外部システムから情報を受信することもできる。かかる情報には、波長の優先度、パワーレベル、光行差要件、または偏光要請等の通信リンクの管理情報またはトランスミッタのステータス情報が含まれる。

特定の状況下では、コヒーレント（例えば、ＱＰＳＫ）データ検出により、感度をさらに向上することができる。一手法においては、光学局部発振器を、瞳孔面内の入射光と結合する。アレイ検出器、例えば、光ダイオードのアレイを使用して、変調結果を検出する。この場合、各検出器上の光収差を変更させることにより、復旧データ信号の位相を転換し、その結果、瞳孔面信号が結合する前に、位相補正を施す。位相追跡信号結合器を使用する場合、各復旧信号の相対位相により、対応する瞳孔部位上の大気相収差を直接測定する。波面のコヒーレント検出により、精密性の高い補償装置を追加して、補正を開ループに施すことができるように、高い測定精密度を確保する。

別の実施例として、上記に説明と異なる機能を、異なる物理的形状で実装することができる。特定の用途に応じて、機能をハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアおよび／またはその組み合わせとして、機能を実装することができる。上記の説明の多くにおいて、低電力消費および高速性を活用するため様々な機能を専用回路として実装した。他の用途では、例えば、デジタル信号プロセッサまたは汎用プロセッサを実行するソフトウェアとして、同じ機能を実装することができる。例えば、特定の操作は、標準コンポーネント、ソフトウェア、または回路設計として共通している場合がある。これらは、他の機能をカスタマイズして、実装することができる。

同様に、モジュール同士を、様々な形で「結合」できる。例えば、配線、共有バス、共通レジスタまたは記憶域へのアクセスにより、専用回路を結合できる。ソフトウェアの「結合」は、複数の方法を使用して行われ、ソフトウェアコンポーネント間（場合によっては、ソフトウェアとハードウェア間）の情報を送信する。「結合」という用語は、上記すべてを包括し、配線を使用する２つのコンポーネント間の常時接続に限定されるものではない。

当業者にとって明らかな本発明の改良、変更、応用点を、添付請求項に記載されている趣旨と範囲から逸脱することなく、その編成、動作、方法および装置において行ってもよい。従って、本発明の請求の範囲は、添付請求項およびそれに法的に相当するものにより決定されなければならない。さらに、以下の請求の範囲で明確に述べていなくとも、その原理、コンポーネント、方法を、公共に限定する意図はない。

本発明に適した自由空間光学通信システムを示す図。本発明に適した別の自由空間光学通信システムを示す図。本発明に適したさらに別の自由空間光学通信システムを示す図。本発明による適応光学モジュールを示す図。波面情報およびデータの周波数分離を示すパワースペクトル図。分離モジュールの一例の回路図。分離モジュールの一例のブロック図。図４の適応光学モジュールの一実施形態を示す図。クロスオーバーネットワークの回路図。異なるクロスオーバーネットワークの回路図。さらに異なるクロスオーバーネットワークの回路図。

Claims

波面検知およびデータ検出用の装置であって、
データで符号化された光ビームを受信し、この光ビームを中間的な電気信号に変換する光−電気変換器であって、前記中間的な電気信号はデータを含み、さらに光ビームの波面に関する波面情報を含んでいるものと、
前記光−電気変換器に結合され、電気的波面信号および電気的データ信号を前記中間的な電気信号から生成する分離モジュールであって、前記電気的波面信号は前記波面情報を含み、前記電気的データ信号は前記データを含むものと
を備える装置。
前記光−電気変換器は、光検出器を備える、請求項１の装置。
前記光−電気変換器は、コヒーレント検出器を備える、請求項１の装置。
前記中間的な電気信号内で、前記波面情報および前記データが周波数で分離され、前記分離モジュールが周波数に基づいて波面情報およびデータを分離する、請求項１の装置。
前記波面情報は、前記データが位置する周波数よりも低い周波数に位置する、請求項４の装置。
前記波面情報は１ＭＨｚ未満の周波数に位置し、前記データは１ＭＨｚを超える周波数に位置する、
請求項４の装置。
前記中間的な電気信号内で、前記データは、直流成分を含まないで符号化される、請求項４の装置。
前記波面情報は、ディザ周波数で前記光ビームの光学経路にディザリングを施すことにより生成され、該波面情報は、前記ディザ周波数の周囲の周波数帯域に位置する、請求項４の装置。
前記分離モジュールは、
前記中間的な電気信号を少なくとも２つの成分に分割する分割器と、
前記成分のうちの１つを受信するよう結合され、前記電気的波面信号を生成する第１の周波数フィルタと、
前記成分のうちのもう一方を受信するよう結合され、前記電気的データ信号を生成する第２の周波数フィルタと
を備える、請求項４の装置。
前記分離モジュールは、
前記中間的な電気信号に対して時変動するゲインを適用する可変ゲインブロックと、
前記可変ゲインブロックに結合され、前記中間的な電気信号の振幅を均等化するために前記時変動するゲインを調整する自動ゲイン制御モジュールと
を備え、均等化された前記中間的な電気信号は前記データを含み、前記時変動するゲインは前記波面情報を含む、請求項４の装置。
前記光−電気変換器は、前記光ビームのサブアパーチャ部分を受信し、該光ビームのサブアパーチャ部分を中間的な電気信号に変換する複数の検出要素を備え、
前記分離モジュールは、個別の中間的な電気信号に基づいて前記電気的波面信号を生成し、組み合わされた中間的な電気信号に基づいて前記電気的データ信号を生成する、請求項１の装置。
前記分離モジュールが、前記中間的な電気信号の合計に基づいて、前記電気的データ信号を生成する、請求項１１の装置。
前記中間的な電気信号内で、前記波面情報および前記データが周波数領域で分離され、前記分離モジュールが、周波数に基づいて前記波面情報および前記データを分離する、請求項１１の装置。
前記分離モジュールは、
前記中間的な電気信号を受信して、前記波面情報および前記データを分離するクロスオーバーネットワークを備える、請求項１１の装置。
前記分離モジュールは、
前記個別の中間的な電気信号の各々についての増幅器と、
前記組み合わされた中間的な電気信号用の増幅器と
を備える、請求項１１の装置。
波面補正およびデータ送信用の適応光学モジュールであって、
データで符号化された光ビームを受信し、この光ビームから電気的波面信号および電気的データ信号を生成する一体型の波面／データセンサであって、前記電気的波面信号は前記光ビームの波面に関する波面情報を含み、前記電気的データ信号はデータを含むものと、
前記一体型の波面／データセンサに結合し、光ビームの光学経路内に位置している可変位相装置であって、前記電気的波面信号に応答して、前記光学経路に調整可能な位相を導入するものと
を備える、適応光学モジュール。
前記一体型の波面／データセンサは、
前記光ビームを受信し、前記光ビームを中間的な電気信号に変換する光−電気変換器であって、前記中間的な電気信号は前記データおよび前記波面情報を含むものと、
前記光−電気変換器と結合され、前記中間的な電気信号から前記電気的波面信号および前記電気的データ信号を生成する分離モジュールと
を備える、請求項１６の適応光学モジュール。
さらに、逆伝搬するデータ符号化された光ビームを生成するトランスミッタを備え、前記トランスミッタは、可変位相装置が、前記逆伝搬するデータ符号化された光ビームを発信前に補正できるように配置される、請求項１６の適応光学モジュール。
前記可変位相装置は可変ミラーを備える、請求項１６の適応光学モジュール。
前記可変ミラーは可変湾曲ミラーである、請求項１９の適応光学モジュール。
前記可変湾曲ミラーは、電子抑制物質の第１および第２の平行板を備え、前記第１および第２の板は積層され、前記第１板は外面を有し、前記第１板の外面に鏡面を有し、前記第２板は外面を有し、前記第２板の外面に電極セグメントのパターンを有し、各前記セグメントは、前記可変湾曲ミラーを選択的に変形させるため可変電圧を印加する別の電気端子を有する、請求項２０の適応光学モジュール。
前記波面情報は波面湾曲を含む、請求項１６の適応光学モジュール。
前記光−電気変換器はデフォーカスされた瞳孔映像を受信する、請求項１６の適応光学モジュール。
さらに、前記光−電気変換器の上方に位置する振動ミラーであって、瞳孔映像内に焦点ぼけを導く前記振動ミラーを備える、請求項２３の適応光学モジュール。
さらに、前記光ビームを集光するテレスコープ光学を備える、請求項１６の適応光学モジュール。
前記調整可能な位相が、チップ／チルト又はそれより低次の光収差のみを補正する、請求項１６の適応光学モジュール。
前記調整可能な位相が、焦点よりも高次の少なくともひとつの光収差を補正する、請求項１６の適応光学モジュール。
前記光ビームは、前記データ符号化された一次ビームおよび等伝搬プローブビームを備え、
前記一体型波面／データセンサは、
前記一次ビームの波長を感知し、前記一次ビームを前記電気的データ信号に変換する第１の検出層と、
前記プローブビームの波長を感知し、前記第１の検出層と重なり合う第２の検出層であって、前記プローブビームを前記電気的波面信号に変換する第２の検出層とを備える、請求項１６の適応光学モジュール。
データで符号化された光ビームを集光するテレスコープ光学装置と、
ビームの光学経路内に位置する可変湾曲ミラーであって、電気的波面信号に応答して、前記光学経路に調整可能な位相を導入する可変湾曲ミラーと、
前記可変湾曲ミラーの光学経路内下方に位置する波面検知およびデータ検出用装置と
を備えるＦＳＯトランシーバであって、
前記波面検知およびデータ検出用装置は、
光ビームを、前記データと前記光ビームの波面湾曲に関する波面情報とを含む中間的な電気信号に変換する光−電気変換器と、
前記光−電気変換器に結合され、前記中間的な電気信号から、前記電気的波面信号および電気的データ信号を生成する分離モジュールとであって、前記電気的波面信号は前記波面情報を含み、前記電気的データ信号は前記データを含むものと
を備えることを特徴とするＦＳＯトランシーバ。
前記光−電気変換器はデフォーカスされた瞳孔映像を受信する、請求項２９のＦＳＯトランシーバ。
前記波面検知およびデータ検出用装置は，さらに、前記光−電気変換器の上方に位置する振動ミラーであって、瞳孔映像にデフォーカスをディザ周波数で導入する振動ミラーを備え、
前記波面情報は、前記ディザ周波数の周辺の周波数帯域に位置し、前記データは、波面情報が位置する周波数帯域よりも高い周波数に位置し、
前記分離モジュールは、周波数に基づいて、前記波面情報およびデータを分離する、請求項３０のＦＳＯトランシーバ。
前記可変湾曲ミラーは、電子抑制物質の第１および第２の平行板を備え、前記第１および第２の板は積層され、前記第１板は外面を有し、前記第１板の外面に鏡面を有し、前記第２板は外面を有し、前記第２板の外面に電極セグメントのパターンを有し、各前記セグメントは、前記可変湾曲ミラーを選択的に変形させるため可変電圧を印加する別の電気端子を有し、
前記光−電気変換器は、前記可変湾曲ミラーのデフォーカスされた映像を受信し、前記光−電気変換器は、前記光ビームのサブアパーチャ部分を受信し、前記光ビームの前記サブアパーチャ部分を中間的な電気信号に変換する複数の検出要素を備え、
前記分離モジュールは、個別の中間的な電気信号に基づいて前記電気的波面信号を生成し、組み合わされた中間的な電気信号に基づいて前記電気的データ信号を生成する、請求項２９のＦＳＯトランシーバ。
さらに、逆伝搬するデータ符号化された光ビームを生成するトランスミッタを備え、該トランスミッタは、前記可変湾曲ミラーが、前記逆伝搬するデータ符号化された光ビームを事前に補正するように配置される、請求項２９のＦＳＯトランシーバ。
波面検知およびデータ検出方法であって、
データで符号化された光ビームを受信するステップと、
前記光ビームを中間的な電気信号に変換するステップであって、前記中間的な電気信号は前記データを含み、さらに前記光ビームの波面に関する波面情報を含むものと、
前記中間的な電気信号から電気的波面信号および電気的データ信号を生成するステップであって、前記電気的波面信号は前記波面情報を含み、前記電気的データ信号は前記データを含むものと
を備える波面検知およびデータ検出方法。
前記中間的な電気信号内で、前記波面情報および前記データが周波数で分離され、
前記中間的な電気信号から電気的波面信号および電気的データ信号を生成するステップは、周波数に基づき、前記波面情報および前記データを分離するステップを含む、請求項３４の方法。
前記波面情報は、前記光ビームの光学経路にディザ周波数でディザリングを施すことにより生成され、前記波面情報は、前記ディザ周波数周辺の周波数帯域に位置する、請求項３５の方法。
前記光ビームを中間的な電気信号に変換するステップは、前記光ビームのサブアパーチャ部分を中間的な電気信号に変換するステップを含み、
前記中間的な電気信号から電気的波面信号および電気的データ信号を生成するステップは、
個別の中間的な電気信号に基づいて前記電気的波面信号を生成するステップと、
組み合わされた中間的な電気信号に基づいて前記電気的データ信号を生成するステップとを含む、請求項３４の方法。
波面補正およびデータ送信方法であって、
データで符号化された光ビームを受信するステップと、
前記光ビームを中間的な電気信号に変換するステップであって、前記中間的な電気信号は前記データを含み、さらに前記光ビームの波面に関する波面情報を含むものと、
前記中間的な電気信号から電気的波面信号および電気的データ信号を生成するステップであって、前記電気的波面信号は前記波面情報を含み、前記電気的データ信号は前記データを含むものと、
前記電気的波面信号に応答して、前記光ビームの光学経路内の位相を調整するステップと
を備える波面補正およびデータ送信方法。
さらに、逆伝搬するデータ符号化された光ビームを生成するステップを含み、前記光学経路の調整された位相は、前記逆伝搬するデータ符号化された光ビームを事前に補正する、請求項３８の方法。
前記光学経路の位相を調整するステップは、前記光ビームの波面湾曲を調整するステップを含む、請求項３８の方法。
前記波面情報は波面湾曲を含む、請求項３８の方法。
ＦＳＯデータ送信方法であって、
データで符号化された光ビームを集光するステップと、
前記光ビームを中間的な電気信号に変換するステップであって、前記中間的な電気信号は前記データを含み、さらに前記光ビームの波面湾曲に関する波面情報を含むものと、
前記中間的な電気信号から電気的波面信号および電気的データ信号を生成するステップであって、前記電気的波面信号は前記波面情報を含み、前記電気的データ信号は前記データを含むものと、
前記電気的波面信号に応答して、前記光ビームの光学経路内の位相を調整するステップと
を備えるＦＳＯデータ送信方法。
前記光ビームを中間的な電気信号に変換するステップは、
前記光ビームの光学経路にディザ周波数でディザリングを施してデフォーカスされた瞳孔画像を生成するステップと、
前記デフォーカスされた瞳孔画像を前記中間的な電気信号に変換するステップとを含み、
前記波面情報は、前記ディザ周波数の周辺の周波数帯域に位置し、前記データは、波面情報が位置する周波数帯域よりも高い周波数に位置し、
前記中間的な電気信号から電気的波面信号および電気的データ信号を生成するステップは、周波数に基づき、前記波面情報および前記データを分離するステップを含む、請求項４２の方法。
さらに、逆伝搬するデータ符号化された光ビームを生成するステップを含み、前記光学経路の調整された位相は、前記逆伝搬するデータ符号化された光ビームを事前に補正する、請求項４２の方法。