JP2007507981A

JP2007507981A - 三段極微ステアリングを用いた空中自由空間光システム

Info

Publication number: JP2007507981A
Application number: JP2006533941A
Authority: JP
Inventors: エム．チッキエッロ、ジェイムズ; フェザーストン、ジョン
Original assignee: ノースロップグラマンコーポレーション
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2007-03-29
Also published as: EP1668390A4; US20050069325A1; WO2005033744A3; EP1668390A2; US7171126B2; WO2005033744A2

Abstract

光ヘッドが自由空間光通信システムのために提供されている。光ヘッドは、変調された赤外線レーザビームを送受信するために使用される。光ヘッドは、光増幅器、サーキュレータ、極微ステアリング素子、微ステアリング素子、粗ステアリング素子、および微追跡センサを含んでいる。更に、空中ホストプラットフォームとリンクプラットフォームの間の空中自由空間光通信を容易にするための方法が提供されている。各プラットフォームは、変調された赤外線レーザビームを介してデータを送受信する光ヘッドを有しており、前記ホストは、縦続三段ステアリング素子アーキテクチャに構成された微、粗、及び極微ステアリング素子を有する光ヘッドを少なくとも含んでいる。

Description

本発明は自由空間光（ＦＳＯ）通信に関する。詳しくは、本発明は空中ＦＳＯ通信システムのための光ヘッドに関する。更に詳しくは、本発明は空中ＦＳＯ通信システムの光ヘッドのための三段ステアリング設計に関する。

データ処理量が増加するにつれて、膨大な量のデータを送信するために、非常に大きい帯域幅容量を有する柔軟で確実な通信ネットワークを必要とする。米国国防総省（ＤＯＤ）は、そのような技術を開発するためのいくつかのプログラムを確立した。例えば、移動環境におけるＤＯＤの増大するデータ需要を扱うための新しい方法を発見し実証するために、テラヘルツ・オペレーショナル・リーチバック（ＴＨＯＲ）プログラムが確立された。ＴＨＯＲプログラムの目的は、安全で確実な高データ転送速度の端末間通信を空中、地上、および水面の戦闘機に提供することにある。

自由空間光（ＦＳＯ）通信は、ＤＯＤの目標のいくつかの側面を成し遂げるときの主要な役割を担う新進技術である。従来の応用においては、ＦＳＯ通信は、光通信を行うための大気を通じての変調された赤外線（ＩＲ）レーザビームの送信をいう。光ファイバ通信のように、ＦＳＯはレーザを使ってデータを送信するが、ガラスファイバの中にデータストリームを封入する代わりに、それを空気または宇宙を通じて送信する。前記送信を行うために、ＦＳＯは、一つの光ヘッドから、高感度光子検出器受信器上でレーザビームを受信するもう一つの光ヘッドへ、レーザビームを送信する。今日までのところ、ＦＳＯ通信は、最小の動きと振動を条件とする建物間に据えつけられた静止をベースとしたシステムであった。

しかしながら、ＦＳＯ技術を移動空中応用において使用する場合は、もっと複雑で困難な環境が提示される。空中ＦＳＯ通信は、低ジッターの方向指示・捕捉・追跡（ＰＡＴ）ソリューションを必要とする。この環境においては、ジッターの振幅と周波数はプラットフォームに依存しており、乱気流への移行の前縁に関するアパーチャの配置によって決まる。例えば、ＴＨＯＲプログラムに関する動作概念（CONOPS）は、約１００μｒａｄ発散のビームの方向指示ジッターが、ＦＳＯ通信システムにおけるポインタ・トラッカ（Ｐ／Ｔ）・サブシステムに対して一般的に認められている要求である約１００μｒａｄのジッターより少なくある必要がある。即ち、ＦＳＯ通信システムのポインタ・トラッカ・サブシステムがビーム発散の１／１０内で方向指示する必要がある。例えば、リンク予算を満足するために追跡の間のビーム発散が１００μｒａｄであるならば、システムは１０μｒａｄ内に方向指示しなければならない（即ち、１０μｒａｄ未満のジッターを実現しなければならない）。しかしながら、このジッター仕様は、たいていの入手可能な空中ポインタ・トラッカの能力を超えている。

空中プラットフォームの振動に対処する一つの方法は、大きく重たいシステムを開発するか、能動的な防振を適応するか、その両方を行うことによって、慣性的にポインタ・トラッカ（Ｐ／Ｔ）を安定させることである。前記ジッター要求を達成することができる既知のポインタ・トラッカ・システムは、大きいプラットフォーム上で使用される高価で重たい慣性的に安定化されたシステムしかない。高度な慣性安定化と共に粗ステアリング素子と微ステアリング素子を使用するこのソリューションは、例えば、無人空中ビークル（ＵＡＶ）上に取り付けるには大きすぎ、一般的に、ＦＳＯ通信システムにおいて新しいリンクパートナをすばやく（即ち、約１００〜２００ｍｓｅｃ以内に）捕捉するのに必要な敏捷性を有していない。能動的防振設計は、いくつかのプラットフォームに対するもう一つの実行可能なソリューションであるかもしれないが、他のプラットフォームについての高い音響振動周波数との整合性が難しい。そして、重量設計アプローチも能動防振設計アプローチも、空中プラットフォームの周りの境界層によって誘導される空気・光ジッターを減少させることはできない。

前記空気・光問題は、空中プラットフォームに近い圧縮性剪断層によって誘導される位相誤差と関連がある。即ち、Ｃｎ２値は、９，０００メートル（３０，０００フィート）にあるプラットフォームに対してある程度小さくでき、大気圧擾乱がほとんど問題とならないことを示すが、約０．８以上のマッハ数を有するプラットフォームに対して、圧縮性剪断層は、１００μｒａｄ程度のビームジッターと、ビーム径によって決まる著しいストレール（Strehl）比の低下とを生じるプラットフォームのアパーチャを過ぎて、対流を生じ、発達することが研究によって示されている。約１ｋＨｚで約１００μｒａｄのジッターと、いくつかの既存のプラットフォーム（例えば、ＵＡＶおよび大きい高飛行プラットフォーム）の既知の振動特性とが組み合わさって、空中ＦＳＯ通信ミッションの１０μｒａｄジッター要求にとっての課題となっている。

ジッター問題の軽減を容易にする要因は、リンクパートナの形態での「協動」ビーコンである。システムはこの強い位置決め信号によることができるので、制御ループは、十分速ければ、ステアリングを連続的に更新してジッターをなくすことができる。即ち、完全なジッター補正により、質量増加か能動的防振による慣性安定化の必要性がなくなる。しかしながら、十分速いシステムを開発することは難しい。なぜなら、高速ステアリングミラーをベースにした設計（ＦＳＭ）は、２〜５ｋｋＨｚで±１００μｒａｄのステアリングであるが、更に±５００Ｈｚで数度を超えるステアリングを提供することはできないためである。ＦＳＭは、視線安定化、レーザ通信、ジッター動作補償、軍事目標システム、光学器械、および高エネルギーレーザ方向指示アプリケーションの広い範囲において使用されている。圧縮性フローレジームにおけるジッターの時間的頻度は数ｋＨｚであり、従来の高速ステアリングミラーをベースにした（ＦＳＭ）設計の閉ループ応答を超えている。例えば、約５００Ｈｚの命令応答を有する約±３０の従来のステアリングであるが、更に２〜５ｋＨｚ応答で±１００μｒａｄのジッター（光学的傾斜）補正に追随するステアリングを提供することができる入手可能な既知のＦＳＭはない。

他のミッション、即ち、商用ミッション（即ち、スポーツイベントの空中撮像）と軍事ミッション（即ち、ＩＲＣＭ標的）は今日、微追跡センサ（ＦＴＳ）に固定された粗ステアリングと微ステアリングを有する二段ポインタ・トラッカ・システムによっているが、空中ＦＳＯ通信ミッションは、特に好ましくない環境にある一方で、より高い方向指示分解能と、ジッターの更なる減少を必要とする。そのため、前記従来技術は、粗ステアリングと微ステアリングを使用した市場で入手可能なポインタ・トラッカ・システムからなっているが、このシステムは一般に、空中ＦＳＯ通信ミッションにおいて適切に作動しない。

現在の空中自由空間光（ＦＳＯ）通信システムの前記欠点を克服する空中ＦＳＯ通信システムを提供することは有利であり望ましいことである。特に、低ジッターの方向指示・捕捉・追跡（ＰＡＴ）特性を有する空中ＦＳＯ通信システムを提供することは有益である。また、空中ＦＳＯベース通信ミッションの１０μｒａｄジッターの要求を満足することは有利である。例えば、約１００μｒａｄの発散を有するビームに対し約１０μｒａｄより少ない方向指示ジッターを有するシステムを提供することは有利である。また、５００Ｈｚまでの命令応答を有する±３０までの従来のステアリングであるが、更に２〜５ｋＨｚ応答で±１００μｒａｄのジッター（光学的傾斜）補正に追随するステアリングを提供することは望ましい。また、振動誘導ジッターと空気・光誘導ジッターを軽減し、結果としてポンター・トラッカ（Ｐ／Ｔ）・システムに高精度の方向指示分解能を提供することができる、空中ＦＳＯ通信システムのための軽量で低価格の光ヘッドを提供することは望ましい。

三段極微ステアリング設計を提供する本発明は、空中自由空間光通信システムの新興分野において現れた前記問題を克服し解決する。本発明は、ＦＳＯ通信ミッションのための高方向指示分解能のポインタ・トラッカ・システムを容易にするために、空中プラットフォームについての振動誘導ジッターと空気・光誘導ジッターを軽減するための方法と装置を提供する。

ＦＳＯ通信によって二つの動的な移動空中プラットフォーム間で通信するための能力は、この技術において知られている地上ベース静止搭載ＦＳＯおよび光ファイバ通信システムからそれを区別する本発明の側面である。

より詳しくは、本発明は、空中ＦＳＯのポインタ・トラッカ・システムによって使用される三段ステアリングシステムを提供する。三段ステアリングの実施態様においては、粗ステアリング素子と微ステアリング素子と極微ステアリング素子が縦続接続される。各連続段においては、視野（ＦＯＲ）が狭くされて（より細かいステアリング分解能を可能にして）おり、帯域幅が増加している（即ち、ジッター補正は、最小傾斜であるが最高帯域幅の最小傾斜によっている）。例えば、粗ステアリングは２０Ｈｚで±４５度を扱うことができ、微ステアリングは２００Ｈｚで±３度を扱うことができ、極微ステアリングは２ｋＨｚで±１００μｒａｄを扱うことができる。超高速適応光（ＡＯ）サブシステムによって極微ステアリングを提供することができる。適応光学素子は、曲率検知を含む、いくつかの形式の高速波面検知システムに固定することができる。

粗ステアリング素子は、従来のジンバルベース設計とすることができるか、より新しい等角または敏捷ステアリング技術を活用することができる。この等角ステアリング技術の主要な利点は、空力荷重の最小化とプラットフォーム観測可能性を含んでいる。また、敏捷ステアリングは、機械システムよりも速く、ディジタルにアクセスされ、容易に拡大縮小可能であり、多数のサブアパーチャを可能にする。

本発明の一側面によれば、空中ホストプラットフォームとリンクプラットフォームの間の空中自由空間光通信を容易にするための方法が提供される。各プラットフォームは変調された赤外線レーザビームを介してデータを送受信する光ヘッドを有している。前記ホストは、縦続三段ステアリング素子アーキテクチャに構成された微、粗、及び極微ステアリング素子を有する光ヘッドを少なくとも含んでいる。前記方法は、ネットワークから事前方向指示情報を得て前記リンクプラットフォームの位置を特定するステップと、前記リンクプラットフォームに向けてビームを送信するステップと、粗ステアリング素子を調節して前記ビームを第１指定測定単位範囲内で前記リンクプラットフォームに向けるステップと、前記プラットフォームのビーコンを探し当てるステップと、追跡を容易にするために、前記ビームを動的に集束させて、前記送信されたビームの発散を前記第１指定測定単位範囲より小さい第２指定測定単位範囲に下げるステップとを含んでいる。

前記方法のもう一つの側面によれば、前記第１指定測定単位範囲は約２００〜５００μｒａｄとすることができ、前記第２指定測定単位範囲は約１００μｒａｄとすることができる。前記瞬時方法のもう一つの側面によれば、より細かいステアリング分解能を可能にするために前記縦続三段ステアリング素子アーキテクチャ内の各連続段に対する視野を狭くすることができる。前記瞬時方法のもう一つの側面によれば、前記粗ステアリング素子は第１視野を有し、前記微ステアリング素子は前記第１視野より小さい第２視野を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２視野より小さい第３視野を有する。本発明のもう一つの側面においては、前記粗ステアリング素子は第１帯域幅を有し、前記微ステアリング素子は前記第１帯域幅より大きい第２帯域幅を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２帯域幅より大きい第３帯域幅を有する。前記方法のもう一つの側面においては、ジッターは前記第３帯域幅の最小傾斜パラメータを使って補正される。

前記瞬時実施態様のもう一つの側面によれば、前記粗ステアリング素子は約２０Ｈｚで約±４５度の範囲をカバーし、前記微ステアリング素子は約２００Ｈｚで約±３度の範囲をカバーし、前記極微ステアリング素子は約２０００ｋＨｚで約±１００μｒａｄの範囲をカバーする。本発明のもう一つの側面によれば、動的集束ステップは適応光学素子を使うことによって前記ビームの焦点をぼかすステップを含み、前記適応光学素子は変形可能ミラーとすることができる。前記方法のもう一つの側面は、前記リンクプラットフォームの送信ビームをビーコンとして使用する追跡モードに移行するステップを含み、前記追跡モードの間、前記リンクプラットフォームのビームは、微追跡センサを使用することによって、粗ステアリング素子と微ステアリング素子の視野内にとどまる。

もう一つの側面によれば、前記方法は、ジッターを制御するために、ネストされた制御ループを使って、前記微ステアリング素子と粗ステアリング素子と極微ステアリング素子の視野と命令応答時間の両方を蟻継ぎ（dovetail）にするステップを含む。また、前記ネストされた制御ループは、前記ネットワークから前記事前方向指示情報を受け取り、捕捉の間動的集束を行う。更に、前記ネストされた制御ループは外側のネストされたループと内側のネストされたループを含み、前記外側のネストされたループは前記粗ステアリング素子と微ステアリング素子を制御し、前記内側のネストされたループは前記極微ステアリング素子を制御する。

もう一つの側面によれば、前記方法は、微追跡センサを使用して前記粗ステアリング素子と前記微ステアリング素子を固定するステップと、波面センサを使用して前記極微ステアリング素子を固定するステップを含み、前記極微ステアリング素子は、曲率センサからなる波面センサに固定された変形可能ミラーからなる適応光学素子とすることができる。また、前記極微ステアリング適応光学素子は更に、それ自身の専用制御装置によって、前記波面センサの捕捉に基づいて前記変形可能ミラーを制御することができる。

更に、本発明は、変調された赤外線レーザビームを送受信するために使用される、自由空間光通信システムのための光ヘッドを提供する。この光ヘッドは、光増幅器、サーキュレータ、極微ステアリング素子、微ステアリング素子、粗ステラジアン素子、および微追跡センサを含む。

本発明のもう一つの側面によれば、前記極微ステアリング素子は、高速曲率検知技術を使用するのに適した変形可能ミラーであることができる適応光学素子を含む。また、前記適応光学素子は動的に集束および焦点ぼかしされるのに適することができる。

本発明のもう一つの側面によれば、前記極微ステアリング素子と微ステアリング素子と粗ステアリング素子は縦続三段ステアリング素子アーキテクチャに構成することができ、前記縦続三段ステアリング素子アーキテクチャ内の各連続段に対して、視野を狭くしてより細かいステアリング分解能を可能にすることができる。更に、前記粗ステアリング素子は第１視野を有し、前記微ステアリング素子は前記第１視野より小さい第２視野を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２視野より小さい第３視野を有する。

他の側面によれば、前記粗ステアリング素子は第１帯域幅を有し、前記微ステアリング素子は前記第１帯域幅より大きい第２帯域幅を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２帯域幅より大きい第３帯域幅を有し、ジッター補正は前記第３帯域幅の最小傾斜パラメータによっている。そして、本発明の更なる他の側面においては、前記粗ステアリング素子は約２０Ｈｚで約±４５度の範囲をカバーし、前記微ステアリング素子は約２００Ｈｚで約±３度の範囲をカバーし、前記極微ステアリング素子は約２ｋＨｚで約±１００μｒａｄの範囲をカバーする。

本発明の更なる他の側面においては、前記光増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。また、本発明のもう一つの側面は、前記サーキュレータと前記極微ステアリング素子の間で送信ビームと受信ビームの両方をサポートする共通光路である。更に本発明は、前記極微ステアリング素子と前記微ステアリング素子の間に配置されたビームスプリッタを含むことができ、前記ビームスプリッタは約１．５５μｍの波長を有するビームに適することができる。

また、本発明の一側面においては、前記微追跡センサは前記ビームスプリッタからのビームを受信するように置かれ、前記微追跡センサを前記粗ステアリング素子および前記微ステアリング素子と共に使用してリンクプラットフォームを追跡する。本発明のもう一つの側面においては、前記微ステアリング素子は高速ステアリングミラーであり、前記粗ステアリング素子は電気光学機械アセンブリである。また、本発明は、前記極微ステアリング素子と微ステアリング素子と粗ステアリング素子に電気的に接続されると共に前記微追跡センサに電気的に接続されたポインタ／トラッカ制御器を含むことができる。更に、本発明の一側面によれば、前記極微ステアリング素子は、埋め込み型の波面センサおよび制御器を含む。

本発明の他の典型的な実施態様および利点は、現在の開示と添付図面を調べることによって確かめることができる。

本発明は、本発明の好ましい実施態様の非制限的例によって、指摘図面を参照して、以下の詳細な説明の中で更に説明されており、図面のいくつかの図を通して同様な参照数字は同様な部品を表す。

ここに示された事項は一例であって、本発明の実施態様を明らかにするためだけのものであり、本発明の原理と概念的側面の最も有用かつ容易に理解される説明であると思われるものを提供するために提示されている。この点については、本発明の基本的な理解のために必要である以上に詳しくは本発明の構造的な詳細を示そうとするものではなく、図面と共になされる説明は、本発明のいくつかの形態がどのように実際に具体化できるかを当業者に対して明らかにするものである。

空中自由空間光通信システムの概観
本発明は、いくつか挙げてみると無人空中航空機、有人航空機、係留（テザー）航空機、および商用航空機（以下「航空機」と呼ぶ）などの種々の空中プラットフォームによって使用可能な空中自由空間光（ＦＳＯ）通信システムを提供する。図１に示すように、空中ＦＳＯ通信システムは、航空機上に統合された複数の飛行空中プラットフォーム４で構成することができ、これらは空中ネットワークを構成する。この例においては、図１はＴＨＯＲプログラムをサポートするように計画されている空中ネットワーク２の実施態様を示す。しかしながら、本発明は、他の実施態様および空中ネットワーク２の変形例において使用でき、図１に示された実施態様に制限されるべきでないことは明らかである。

図１に示す実施態様において、無人空中ビークル（ＵＡＶ）、有人航空機、および係留航空機は、ＦＳＯレーザ通信リンク６を通じて空中ネットワーク２を確立している。光ファイバ存在点１０は、地上から光ファイバケーブル８を通って係留空中プラットフォーム４へ延びて、空中ネットワーク２との広帯域リンクを確立している。空中ネットワーク２はそれから、指令本部１４などの指令現場または地上センサ１２の接続性を容易にすることができ、あるいは、ＰＯＴＳ（普通の旧式電話サービス）通信１６をサポートすることができる。空中ネットワーク２は、十分な数の空中プラットフォーム４が、個々の空中プラットフォーム４から、空中ネットワーク２を形成する残りの空中プラットフォーム４への信頼性の高いデータ転送を容易にするために使用できるとき、動作可能と考えられる。

空中端末の説明
図２は各空中プラットフォーム４の中で使用される空中端末５を示す。空中端末５は、光ヘッド１８とトランシーバ２０を含む二つの主要部品で構成されている。リンクパートナは、個々のプラットフォーム４に要求される望ましい通信容量によって決まる複数の端末５を備えることができる。各端末５は約２ステラジアン（ｓｒ）立体角の有効範囲を有しているので、プラットフォーム４上の６端末の一組は、プルームが激しいオブスキュレーションとなると考えられる約４πステラジアン立体角を完全にカバーする。しかしながら、具体的な応用に応じて、プラットフォーム４はさまざまな数の端末５を有することができる。空中ネットワーク２に参加する各空中プラットフォーム４または「リンクパートナ」は少なくとも一つの端末を備える。ホストプラットフォームとリンクプラットフォームが共に移動している間、各空中プラットフォーム４上の各端末５が他のリンクパートナを捕捉しかつ追跡することができる。リンクパートナの捕捉は、種々のプラットフォームの概略位置を与える事前方向指示情報６６（図３参照）によっている。リンクパートナの捕捉は、本明細書において後で更に詳細に説明する。

各端末５は光ヘッド１８とトランシーバ２０で構成される。トランシーバ２０は、「赤」ハードウェアバス２２と「黒」ハードウェアバス２４を含んでいる。赤プロセッサ２３は非暗号化データを処理し、黒プロセッサ２５は暗号化データを処理する。両プロセッサ２３，２５は情報セキュリティ（INFOSEC ）モジュールによって接続される。トランシーバ２０は、空中プラットフォーム４から、未処理センサデータストリーム２８（SENSOR RAW）及び処理済センサデータストリーム３０（SENSOR RPTS ）またはそのいずれかを、暗号化パラメータ３２（COMSEC）及び構成パラメータ３４（LOAD & STATUS ）と共に受信する。フォーマッタ・ルータ３８と周波数標準モジュール４０もトランシーバ２０のアーキテクチャに統合されている。トランシーバ２０はそれから、光変調情報の高データ転送速度ストリームを、リンクパートナへの送信のために、光モデム３６を介して光ヘッド１８へ供給する。光モデム３６及び光ヘッド１８の両方ともが、光信号の変調のためのこの技術における既知の種々の変調検出スキームを介して通信するようになっていることが注目される。

三段ステアリング設計を有する光ヘッドの詳細な説明
光ヘッド１８は、粗ステアリング、微ステアリングおよび高速適応光補正を実行する本発明の構成要素であり、これらによって、空中プラットフォーム４が、飛行中、互いの間のＦＳＯ通信リンク６を維持することができる。これを達成できるのは、光ヘッド１８が、振動と著しい境界層（空気−光）擾乱がある場合に十分な空間的かつ時間的分解能を提供する三段ステアリング設計を使用しているためである。

光ヘッド１８は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）５２、サーキュレータ５４、極微ステアリング素子４８、単独微ステアリング素子４６、および単独粗ステアリング素子４４を備えている。極微ステアリング素子４８は適応光学素子（これも参照番号４８で参照される）を備えることができ、この適応光学素子は、例えば、変形可能ミラー（ＤＭ）とすることができる。微ステアリング素子は高速ステアリングミラー（ＦＳＭ）とすることができる。粗ステアリング素子４４は電気光学機械アセンブリ（ＥＯＭ）とすることができる。また、光ヘッド１８は更に、微追跡センサ（ＦＴＳ）５０と、ポインタ・トラッカ（Ｐ／Ｔ）制御器４２を備えている。各ステアリング素子４４，４６，４８は、ビーム制御のために、ポインタ・トラッカ制御器４２によって制御される。上記構成部品は本明細書において後で更に説明する。

図２に示す光ヘッド１８の典型的な実施態様は、ここで以下に述べるいくつかの設計側面を有している。第１に、共通光路３９は、送信ビーム３５と受信ビーム３７の両方をサポートして、複雑性とスペースを最小にし、従って、多くの構成部品の必要性を最小にする。更に、共通光路３９によって、両方のリンクパートナのための送信側適応光学素子４８が簡単になる。共通光路３９が使用されるので、二つの異なる色λＴとλＲを使って光学的漏話を最小にし、ビーム制御検出過程において有効迷光を確実に拒絶することができる。第２に、リンク予算を満たすために、光源の実質的な増幅がＥＤＦＡ５２によってなされる。ここで光源は、およそ□＝１．５５μｍの狭線幅波長可変レーザである。第３に、波長ホッピングを使ってセキュリティを上げることができ、光ヘッド１８は、許容分解能でＣバンド内のすべての波長の進路操作（ステアリング）を行うようになっている。第４に、リンク捕捉は、極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８の動的な集束と焦点ぼかしを伴う。

光ヘッド１８は、図２に示すような縦続アーキテクチャを有する粗ステアリング素子４４、微ステアリング素子４６、および極微ステアリング素子４８を使用した三段ステアリング設計を取り入れている。各連続段においては、視野（ＦＯＲ）を狭くしてより細かいステアリング分解能を可能にしている。また、帯域幅が増加されている（即ち、ジッター補正は最小傾斜であるが、最高帯域幅の最小傾斜によっている）。例えば、粗ステアリングは２０Ｈｚで±４５度を扱うことができ、微ステアリングは２００Ｈｚで±３度を扱うことができ、極微ステアリングは２ｋＨｚで±１００μｒａｄを扱うことができる。極微ステアリング４８は、高速曲率検知によることができる超高速適応光学素子によって提供される。粗ステアリング素子４４、微ステアリング素子４６、および極微ステアリング素子４８の視野（ＦＯＲ）と命令応答時間の両方を「蟻継ぎにする」ことによって、全ＦＯＲとシステムの捕捉速度とを犠牲にすることなく、高分解能ジッター制御が容易となる。

粗ステアリング素子４４、微ステアリング素子４６、および極微ステアリング素子４８の視野（ＦＯＲ）は、部分的に重なるように構成される。例えば、粗ステアリング素子４４が「０−４５０ＥＬ」と「３６００Ａｚ」を超える範囲を提供する一方で、微ステアリング素子４６が「±１．５０」範囲を提供し、極微ステアリング適応光学素子４８が「±３００μｒａｄ」の傾斜補正を提供する。最内最速素子は、約２〜５ｋＨｚの帯域幅を有することができる極微ステアリング適応光学素子４８である。微ステアリング素子４６の帯域幅は約５００Ｈｚとすることができ、敏捷な粗ステアリング素子４４の帯域幅は約１ｋＨｚで十分すぎるほどである。

ネストされた制御ループ
図３は、本発明の一側面に従う空中光ヘッド１８の典型的な実施態様において使用されるネストされた制御ループ２１の図である。ネストされた制御ループ２１は、移動プラットフォーム４についてのネットワーク情報と結びついており、捕捉の間動的集束を行う。ネストされた制御ループ２１は、外側のネストされたループと内側のネストされたループを含んでいる。外側のネストされたループは、（高速ステアリングミラーを介する）粗ステアリング素子４４と微ステアリング素子４６を含んでいる。内側のネストされたループは、変形可能ミラー（ＤＭ）とすることができる極微ステアリング適応光学素子４８を含んでいる。二つの追跡センサを縦続で使用して、ネストされた制御ループ２１を固定することができる。約３０×３０のＦＯＲを有することができる最初の微追跡センサ（ＦＴＳ）５０は、粗ステアリング素子４４と微ステアリング素子４６を固定するために使用される。波面センサ（ＷＦＳ）は極微ステアリング適応光学素子４８を固定するために使用される。例えば、内側のネストされたループに関して、極微適応光学素子４８は、それ自身の専用フィードバック素子［即ち、波面センサ（ＷＦＳ）］に固定された変形可能ミラー（ＤＭ）を備えることができ、典型的な実施態様における専用フィードバック素子は曲率センサとすることができる。極微ステアリング適応光学素子４８はまた、それ自身の専用制御器によって、波面センサ（ＷＦＳ）の捕捉に基づいて変形可能ミラー（ＤＭ）を制御することに関して、それを超高速にすることができる。

ネストされた制御ループ２１は、ネットワーク２からの、移動端末のネットワークマップを少なくとも備えた事前方向指示情報６６で始まる。「捕捉モード」においては、方向指示情報６６は光ヘッド１８をリンクパートナの位置へ向ける。次に、粗ステアリング素子４４がリンクパートナの方向を指示するように調節する。捕捉においては、ビームは大きな発散角を容易にするために少し焦点がぼかされ、この焦点ぼかしは、変形可能ミラー（ＤＭ）とすることができる適応光学素子４８によって動的になされる。いったんリンクパートナからのビーコンが高速追跡センサ（ＦＴＳ）によって目撃されると、ビームは変形可能ミラー（ＤＭ）によってより狭い発散角まで集束され、リンクパートナに更なる信号を供給し、リンクを確立する。光ヘッド１８はそれから「追跡モード」に移る。追跡モードにおいては、リンクパートナのビーコンは、粗ステアリング素子４４と、典型的な実施態様においては高速ステアリングミラー（ＦＳＭ）である微ステアリング素子４６との視野内にとどまり、このビーコンはまた、極微ステアリングサブシステム４８の視野内に維持される。

ネストされた制御ループ２１は更に、ほぼ大きさの順で徐々に応答が速くなる動作素子（即ち、粗ステアリング素子４４、微ステアリング素子４６、および極微ステアリング素子４８）によって決まるので、外側のネストされたループ６８と内側のネストされたループ７０は、互いと競うよりも互いを補完する。部分的に重なるように構成された粗ステアリング素子４４、微ステアリング素子４６、および極微ステアリング素子４８の視野（ＦＯＲ）と同様に、ネストされた制御ループ２１の連続段階の間にクロスオーバ周波数がある。典型的な実施態様においては、粗ステアリング素子４４を約５０Ｈｚで制御することができ、微ステアリング素子４６を約５００Ｈｚで制御することができ、微ステアリング素子４８を約５ｋＨｚで制御することができる。空気・光誘導ジッターのあるところで、高速で動く空中プラットフォーム４についての高分解能方向指示を可能にするのは、極微ステアリング素子４８によって提供される傾斜補正速度である。

光ヘッドの典型的なハードウェア実施態様
図４は、本発明の一側面に従う光ヘッド１８の典型的な実施態様において使用される典型的なハードウェア構成部品の図である。極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８は、AOptixモデルR2.5トランシーバとすることができる。前記AOptixハードウェアは、曲率検知によっており、（１）基準波面を必要としない曲率検知と、（２）シンチレーションによって生じるようなアパーチャを超える振幅変動によって妨げられない曲率検知と、（３）それが極端に速くなる可能性を有することを意味する、より簡単な波面復元アルゴリズムを容易にする曲率検知とを含む、シャック・ハートマン（Shack-Hartmann）波面検知アプローチを超える著しい利点を提供する。リンクの受信端と送信端の両方において適応光学素子を使用することによって、これらの通信リンクは大気擾乱の影響を大いに減らし、従って、その結果として生じるフェードおよびドロップアウトを減らす。

補助光学素子５８とビームスプリッタ６０を、極微ステアリング素子４８と微ステアリング素子４６の間に置くことができる。微追跡センサ５０は、例えば、３２０Ｈｚのフル・ウィンドウ・フレーム・レートを有する、市場で入手可能なInGaAsカメラとすることができる。微ステアリング素子４６と粗ステアリング素子４４は、従来の、ジンバルベース素子か、敏捷なまたは等角な素子かのいずれかとすることができる。例えば、微ステアリング素子４６は、従来の高速ステアリングミラー（ＦＳＭ）か、次世代の敏捷ステアリング素子とすることができる。詳しくは、微ステアリング素子４６は、２５．４ｍｍのクリアアパーチャと、±３０の範囲（光学）と、１μｒａｄの分解能と、（１００μｒａｄステアリングに対する）５５０Ｈｚの帯域幅とを有するニューポート（Newport ）モデルFSM-200-03とすることができる。更に、微ステアリング素子４６と粗ステアリング素子４８の間にアライメント用静的ステアリングミラー６２を置くことができる。粗ステアリング素子４４は、分解能が±１．５０でありフレーム更新が５００Ｈｚである、ロックウェル・サイエンティフィック・カンパニー（Rockwell Scientific Company ）（ＲＳＣ）によって提供される電気光学機械アセンブリ（ＥＯＭ）とすることができる。

空中自由空間光通信システムの機能
光ヘッド１８が空中ＦＳＯ通信を容易にする方法の更なる詳細を以下に述べる。最初に、極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８の動的集束が捕捉段階において要求される。そういうものとして、ホスト端末は、低データ転送速度のＲＦ送信によって供給される方向指示情報を使用して、提示されたリンクパートナの方向を約２００〜５００μｒａｄの範囲内で指示する。リンクパートナのビーコンを見たとき（ここで、ビーコンは、補助の広範囲発散光源か、実際の送信光源であるかもしれない）、ホストパートナは、動的集束によって、送信されたビームの発散を１００μｒａｄ以内に落とす。この狭発散ビームは、方向指示精度について新しい要求を出すにもかかわらず、適正電力レーザに対するリンク予算を満足する（即ち、入手可能な通信構成部品によっている）。

何百μｒａｄだけの遠距離領域内のビームの敏捷な拡大と狭めを可能にする極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８によって、動的集束が行われる。このビーム発散制御は、事前方向指示情報が入手可能である限りは、リンクパートナを捕捉かつ追跡するのに十分である。この特徴により、捕捉段階における機械的調節可能光学素子の必要性がなくなる。特に、動的集束によるビーム発散の低下は、光ヘッド１８への極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８の統合によって直接的に容易にされる特徴であることが注目される。それがすでに提供するであろう高速ジッター（即ち、光学的傾斜）補正と波面補正に加えて、規定曲率と敏捷な光パワー選択を提供するための極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８の能力は、機械的調節可能光学サブシステムの必要性をなくし、より大きなシステムを著しく簡単にする。

いったんリンクパートナが捕捉されると、それは、ホストパートナによって、粗ステアリング素子４４および微ステアリング素子４６と共に微追跡センサ（ＦＴＳ）５０を使って追跡される。微追跡センサ（ＦＴＳ）５０は、リンクパートナの送信ビームを、それをビーコンとして用いながら、連続的に見、それを閾値および中心値として、ステアリング情報を主として微ステアリング素子４６へ供給する。

送信モードにおいては、光送信機２０は、光ファイバ３５を介して、約１．５５μｍの変調された低電力高データ転送速度信号を光ヘッド１８へ供給する。光ヘッド１８は初めに、前記信号をＥＤＦＡ５２によって約１．０Ｗに増幅する。次に、ビームはサーキュレータ５４によって光ファイバから自由空間へ結合され平行化される。それから、適応光学サブシステム５６は、大気擾乱と空気・光擾乱の連続サンプリングに基づいて、送信された波面を補正し、このようにして、極微ステアリング適応光学（ＡＯ）素子４８を提供する。次に、微ステアリング素子４６と粗ステアリング素子４４がリンクパートナの追跡を行う。

受信モードにおいては、送信されたデータストリームが、もう一つの空中プラットフォーム４の協動光ヘッド１８へ結合され、波面が逆の順序で同様のパスに沿って導かれ処理され、受信光ファイバ３７に結合され、光モデム３６によって受信される。

他の実施態様
ＴＨＯＲプログラムに加えて、本発明は、超高分解能方向指示を必要とする他の空中アプリケーションにおいて使用することができる。例えば、三段ステアリングソルーションを「空中レーザコム端末」において使用することができる。長距離の空対宇宙CONOPSにおいては、ジッターは特に煩わしい課題である。このミッションは、（Ｃ２ｎが９，０００メートル（３０，０００フィート）より上では全く小さくなるために）オープンパスの大気擾乱によって必ずしも妨げられない限りは、プラットフォームのまわりのアパーチャの配置によって決まる航空機境界層擾乱と空気・光擾乱に対処する必要はなく、それはまたプラットフォーム振動に対処しなければならない。

また、本発明はいくつかの典型的な実施態様に関して述べられたが、使用された言葉は制限の言葉というよりもむしろ説明と例示の言葉であることが理解される。本発明の側面において、本発明の範囲と趣旨から逸脱することなしに、直後に述べられるようなかつ補正されるような特許請求の範囲内で、変更を行うことができる。本発明は、特定の手段、材料、および実施態様に関して述べられたが、本発明は開示された事項に限定されるものではなく、それどころか、本発明は、特許請求の範囲にあるようなすべての機能的に同等の構造、方法、および用途にも適用される。

本発明の一側面による典型的な空中ネットワークの図。本発明の一側面による三段ステアリング設計を有する空中光ヘッドの典型的な実施態様の一般図。本発明の一側面による空中光ヘッドの典型的な実施態様において使用されるネストされた制御ループの図。本発明の一側面による空中光ヘッドの典型的な実施態様において使用される典型的なハードウェア構成部品の図。

Claims

空中ホストプラットフォームとリンクプラットフォームの間の空中自由空間光通信を容易にするための方法であって、各プラットフォームは変調された赤外線レーザビームを介してデータを送受信する光ヘッドを有し、前記ホストは、縦続三段ステアリング素子アーキテクチャに構成された微、粗、及び極微ステアリング素子を有する光ヘッドを少なくとも備えた方法において、
ネットワークから事前方向指示情報を得て前記リンクプラットフォームの位置を特定するステップと、
前記リンクプラットフォームに向けてビームを送信するステップと、
粗ステアリング素子を調節して前記ビームを第１指定測定単位範囲内で前記リンクプラットフォームに向けるステップと、
前記プラットフォームのビーコンを探し当てるステップと、
追跡を容易にするために、前記ビームを動的に集束させて、前記送信されたビームの発散を前記第１指定測定単位範囲より小さい第２指定測定単位範囲に下げるステップと
を備えたことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記第１指定測定単位範囲は約２００〜５００μｒａｄであることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記第２指定測定単位範囲は約１００μｒａｄであることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、より細かいステアリング分解能を可能にするために前記縦続三段ステアリング素子アーキテクチャ内の各連続段に対する視野を狭くするステップを更に備えたことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記粗ステアリング素子は第１視野を有し、前記微ステアリング素子は前記第１視野より小さい第２視野を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２視野より小さい第３視野を有することを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記粗ステアリング素子は第１帯域幅を有し、前記微ステアリング素子は前記第１帯域幅より大きい第２帯域幅を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２帯域幅より大きい第３帯域幅を有することを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法であって、前記第３帯域幅の最小傾斜パラメータを使ってジッターを補正するステップを更に備えたことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記粗ステアリング素子は約２０Ｈｚで約±４５度の範囲をカバーし、前記微ステアリング素子は約２００Ｈｚで約±３度の範囲をカバーし、前記極微ステアリング素子は約２０００ｋＨｚで約±１００μｒａｄの範囲をカバーすることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、動的集束ステップは適応光学素子を使うことによって前記ビームの焦点をぼかすステップを含むことを特徴とする方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記適応光学素子は変形可能ミラーであることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記リンクプラットフォームの送信ビームをビーコンとして使用する追跡モードに移行するステップを更に備えたことを特徴とする方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記追跡モードの間、前記リンクプラットフォームのビームは、微追跡センサを使用することによって、粗ステアリング素子と微ステアリング素子の視野内にとどまることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、ジッターを制御するために、ネストされた制御ループを使って、前記微ステアリング素子と粗ステアリング素子と極微ステアリング素子の視野と命令応答時間の両方を蟻継ぎにするステップを更に備えたことを特徴とする方法。
請求項１３に記載の方法であって、前記ネストされた制御ループは、前記ネットワークから前記事前方向指示情報を受け取り、捕捉の間動的集束を行うことを特徴とする方法。
請求項１３に記載の方法であって、前記ネストされた制御ループは外側のネストされたループと内側のネストされたループを含み、前記外側のネストされたループは前記粗ステアリング素子と微ステアリング素子を制御し、前記内側のネストされたループは前記極微ステアリング素子を制御することを特徴とする方法。
請求項１５に記載の方法であって、微追跡センサを使用して前記粗ステアリング素子と前記微ステアリング素子を固定するステップと、波面センサを使用して前記極微ステアリング素子を固定するステップを更に備えたことを特徴とする方法。
請求項１６に記載の方法であって、前記極微ステアリング素子は、曲率センサからなる波面センサに固定された変形可能ミラーからなる適応光学素子であることを特徴とする方法。
請求項１７に記載の方法であって、前記極微ステアリング適応光学素子は更に、それ自身の専用制御装置によって、前記波面センサの捕捉に基づいて前記変形可能ミラーを制御することを特徴とする方法。
自由空間光通信システムのための光ヘッドであって、変調された赤外線レーザビームを送受信するために使用される光ヘッドにおいて、
光増幅器と、
サーキュレータと、
極微ステアリング素子と、
微ステアリング素子と、
粗ステラジアン素子と、
微追跡センサと
を備えたことを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記極微ステアリング素子は適応光学素子からなることを特徴とする光ヘッド。
請求項２０に記載の光ヘッドであって、前記適応光学素子は変形可能ミラーからなることを特徴とする光ヘッド。
請求項２０に記載の光ヘッドであって、前記適応光学素子は高速曲率検知技術を使用するのに適していることを特徴とする光ヘッド。
請求項２２に記載の光ヘッドであって、前記適応光学素子は動的に集束および焦点ぼかしされるのに適していることを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記極微ステアリング素子と微ステアリング素子と粗ステアリング素子は縦続三段ステアリング素子アーキテクチャに構成されていることを特徴とする光ヘッド。
請求項２４に記載の光ヘッドであって、前記縦続三段ステアリング素子アーキテクチャ内の各連続段に対して、視野を狭くしてより細かいステアリング分解能を可能にすることができることを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記粗ステアリング素子は第１視野を有し、前記微ステアリング素子は前記第１視野より小さい第２視野を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２視野より小さい第３視野を有することを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記粗ステアリング素子は第１帯域幅を有し、前記微ステアリング素子は前記第１帯域幅より大きい第２帯域幅を有し、前記極微ステアリング素子は前記第２帯域幅より大きい第３帯域幅を有することを特徴とする光ヘッド。
請求項２７に記載の光ヘッドであって、ジッター補正は前記第３帯域幅の最小傾斜パラメータによっていることを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記粗ステアリング素子は約２０Ｈｚで約±４５度の範囲をカバーし、前記微ステアリング素子は約２００Ｈｚで約±３度の範囲をカバーし、前記極微ステアリング素子は約２ｋＨｚで約±１００μｒａｄの範囲をカバーすることを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記光増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）からなることを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記サーキュレータと前記極微ステアリング素子の間で送信ビームと受信ビームの両方をサポートする共通光路を更に備えたことを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記極微ステアリング素子と前記微ステアリング素子の間に配置されたビームスプリッタを更に備えたことを特徴とする光ヘッド。
請求項３２に記載の光ヘッドであって、前記ビームスプリッタは約１．５５μｍの波長を有するビームに適していることを特徴とする光ヘッド。
請求項２０に記載の光ヘッドであって、前記微追跡センサは前記ビームスプリッタからのビームを受信するように置かれていることを特徴とする光ヘッド。
請求項３４に記載の光ヘッドであって、前記微追跡センサを前記粗ステアリング素子および前記微ステアリング素子と共に使用してリンクプラットフォームを追跡することを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記微ステアリング素子は高速ステアリングミラーからなることを特徴とする光ヘッド。
請求項１９に記載の光ヘッドであって、前記粗ステアリング素子は電気光学機械アセンブリからなることを特徴とする光ヘッド。
請求項３４に記載の光ヘッドであって、前記極微ステアリング素子と微ステアリング素子と粗ステアリング素子に電気的に接続されると共に前記微追跡センサに電気的に接続されたポインタ／トラッカ制御器を更に備えたことを特徴とする光ヘッド。
請求項２１に記載の光ヘッドであって、前記極微ステアリング素子は、埋め込み型の波面センサおよび制御器を更に備えたことを特徴とする光ヘッド。