JP2008233179A - 偏向装置、それを用いた集光装置、さらにそれを用いた空間光受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光空間伝搬信号を受信装置に入射する際に、集光系を工夫することによって、受光した光の利用効率を高くする。
【解決手段】中心部の屈折率を周辺部よりも高くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたファイバプレートと中心部の屈折率を周辺部よりも低くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたキャピラリプレートとを密着して偏向装置を構成する。また、その偏向装置の前あるいは後に集光系を設けて、集光装置を構成する。さらにその集光装置から光ファイバに光を入射して空間光受信装置を構成する。
【選択図】図６

Description

この発明は、ある範囲の入射方向の変動があった場合でも入射光を一定の方向に導く偏向装置と、該偏向装置からの光を集光する集光装置と、該集光装置からの光を光ファイバに入射することで光信号を光信号処理装置に導く空間光受信装置と、に関している。

空間光通信を行なう場合、光の伝搬路である空気層の揺らぎによって、受信側から送信側を見た場合に、送信側の方向、つまり受信側への光の入射方向が微小な角度内で絶えず揺らいでいることが知られている。この入射方向の揺らぎによって、入射光を微細な入射領域しか持たない光ファイバに入力することが困難になっている。

この揺らぎに対処するために、入射方向を追尾する追尾装置と可動鏡を備え、追尾装置からの制御信号で可動鏡を調整して、光ファイバに受信する光を安定に導く装置が知られている。

また、集光系を工夫して、上記の制御部等をもたない構造にしたものとしては、特許文献１がある。特許文献１には、オフィスや家庭などの室内空間において、光信号による空間伝送により、照明等の機器制御や端末間のデータ通信を行う光空間伝送システムに使用する光リモコン受信器に関し、その目的とするところは、光ノイズの光リモコン受信器への入射を制限するフィルタを効率よく設置することにより、光ノイズの影響の低減化を図るとともに、受信可能距離も十分確保する光リモコン受信器が開示されている。これは、送信器より送信された光信号を、広範囲において受信可能とするための広角受光レンズと、広角受光レンズにより集光された光信号を受信する受光素子、信号増幅回路で構成される受光モジュールと照明光等による光ノイズを遮断するためのフィルタからなる光リモコン受信器において、照明光等の光ノイズの入射光路に、光ノイズを減衰させる光量調整フィルタを挿入したことを特徴とする光リモコン受信器である。

また、特許文献２には、広角な画角に対しても測距精度を低下せずにコンパクト化した多点方式の測距装置を提供する測距装置が開示されている。これは、基線長方向に投光系と受光系とを配置し、該投光系から被測距体側に向けて複数のスポット光を発光部の該基線長方向に沿って投光し、該被測距体側で反射したスポット光を位置検出型の該受光系で受光し、被測距体との間の距離を測距する多点方式の測距装置において、該受光系は、受光レンズと、該受光レンズを通過した光を受光する受光部を有する受光素子と、発光部のスポット光を該受光部に向けて反射させる反射部材とを有することを特徴とする測距装置である。

また、特許文献３には、広角度 範囲において、被測定物体との距離を正確に測定するとともに小型、軽量化された反射測定装置が開示されている。まず、反射測定装置の受光レンズはレンズ外 周部からレンズ中心部に向けてそれぞれ異なる焦点距離を有する円環状の短焦点部、中焦点部、長焦点部が繰り返し循環して刃状に配置された循環焦点フレネル レンズである。短焦点部、中焦点部、長焦点部はこの順番で焦点距離が長くなっている。短焦点部は受光レンズ対する入射光線の入射角度が０度のときに受光素 子の中心部に受光レンズからの屈折光線を集光し、中焦点部は入射角度が４度のときに受光素子の中心部に屈折光線を集光し、長焦点部は入射角度が８度のとき に受光素子の中心部に屈折光線を集光する。これにより、入射角度に対する受光素子の受光光量特性が平坦化する、とういうものである。

また、特許文献４には、入射側光線のスポットサイズと出射側光線のスポットサイズを桁違いに変換することを可能とした光結合素子および光結合方法が開示されている。これは、スポットサイズが異なる光導波路素子どうしを結合する光結合素子に、前記光導波路素子の利用する光の波長と同程度の間隔で周期的な屈折率の変調構造を有する光結合用フォトニック結晶を用いることにより、その出射端でのスポットサイズを入射端でのスポットサイズと異なるサイズに変換するものである。

また、非特許文献１には、フォトニック結晶を用いたスーパーコリメータが記載されている。このスーパーコリメータでは、光は、フォトニック結晶に入射する時点で集光されており、フォトニック結晶中を集光されたまま進行するが、フォトニック結晶から出射する際に散光してしまう。

上記の様に、従来の光空間伝搬信号を光電変換素子に導くための光結合装置では、稼動部をもつものと持たないものがあるが、稼動部を持つものでは、その応答速度が低く、速い変化には対応できなかった。さらに，高精度な角度制御が必要も余儀なくされる。

また、これらの集光系を工夫して回転鏡などの稼動部をもたない構造にしたものでは、集光系に入射する光を光電変換素子に効率的に集めることはできず、その光を部分的に利用しているにすぎない。

特開平７−２９８３７４号公報 特開平８−１４８８６号公報 特開平９−２１８７４号公報 特開２００１−４８６９号公報

回転鏡などの稼動部をもたない構造にして入射光の速い変化に対応できる構成でありながら、集光系を工夫することにより、受光した光の利用効率を高くする。

この発明の偏向装置、それを用いた集光装置、さらにそれを用いた空間光受信装置では、光空間伝搬信号を受信装置に入射する際に、集光系を工夫することによって、受光した光の利用効率を高くとることができる。

本発明は、まず、ある立体角にある入射方向から入射する光を、予め決められた方向の光とする偏向装置である。この偏向装置は、中心部の屈折率を周辺部よりも高くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたファイバプレートと、中心部の屈折率を周辺部よりも低くした光ファイバを束ねて両端部または一端を、平坦あるいは凹レンズ状あるいは凸レンズ状にしたキャピラリプレートと、から成る。また、上記のファイバプレートに光を入射し、次にキャピラリプレートに光を通す構成になっている。このユニークな構成により、入射方向の異なる入射光を、予め決められた方向の光とすることができる。

一般に、ファイバプレートの光ファイバは入射端と出射端とで、鏡面対象の対称性をもっており、これに単一波長の光が入射すると、出射光は、ファイバプレート内の光ファイバの周期的な並びを反映した干渉パターンを持つことが知られている。そこで、本発明では、入射端と出射端とで、鏡面対称を持たないようにその位置を入換ることによって、上記の干渉による効果を抑制するものである。

また、上記のキャピラリプレートに用いる光ファイバを、中空の光ファイバとすることで中心部の屈折率を周辺部よりも低くすることができる。

また、ファイバプレートの出射端の口径を入射端の口径よりも大きくすることで、開口数を大きくすることができる。

また、キャピラリプレートの出射端の口径を入射端の口径よりも小さくすることで、キャピラリプレートから集光する光を選択することができる。

また、キャピラリプレートの出射端の形状を凹レンズあるいは凸レンズ形状とすることで、本発明の偏向装置から出射する光を、集光したり、発散したりすることができる。

また、上記のいずれかの偏向装置の前にさらに集光系をもうけることで、出力ビームを絞ることができる。

また、上記のいずれかの偏向装置から出射される光を集光する集光系をさらに備えることで、微小領域に集光する集光装置を実現することができる。

上記の集光装置の光を光ファイバに入射して、光のまま信号処理を行なうか、光電変換を行なった後に電気信号で信号処理を行なうかして光信号を用いた通信装置を実現できる。この場合、上記の集光装置と光ファイバとで空間光通信の受信部に用いる空間光受信装置を構成できることになる。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１は、中心部の屈折率を周辺部よりも高くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたファイバプレートと、中心部の屈折率を周辺部よりも低くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたキャピラリプレートとを用いて構成した偏向装置を示す図である。この偏向装置は、入射角が異なるｄ１、ｄ２方向からの単一波長の入射光について、出射光が同じ方向ｄ４になる、という特徴がある。出射光の方向は、キャピラリプレートに用いる光ファイバの方向に沿った方向である。ここで、キャピラリプレートに用いる光ファイバとしては、通常用いられる中空のファイバ以外に、中心部に周辺部より屈折率の低い光学材料を用いたものでもよい。

このような偏向特性は、ファイバプレートとキャピラリプレートとを接近して、あるいは密着して組み合わせた効果である。

図２（ａ）あるいは図２（ｂ）は、それぞれ、ファイバプレート２あるいはキャピラリプレート３に単一波長の光を入射したときの出射光の方向を示す図である。ファイバプレート２に、ｄ１、ｄ２方向からの単一波長の光を入射する場合には、どちらの場合でも、出射光は、拡散してしまう。また、キャピラリプレート３に、ｄ１、ｄ２あるいはｄ３方向からの単一波長の光を入射する場合には、光軸に沿ったｄ３のみが選択的に出射されるという特徴がある。

図３は、ファイバプレート２とキャピラリプレート３を密着し、ファイバプレート側から光を入射するようにした集光装置６を用いて構成した空間光受信装置を示す。集光装置６からの光を伝送に用いる光ファイバ５へ入力する。ここで、入射光として想定するのは、例えば、空間光通信の受信時の入射光である。

ここで、ファイバプレート２とキャピラリプレート３間の距離は、光ファイバ５の入射端に入射する光の強度が最大になるように調整することが望ましい。これは、それぞれに用いるファイバやキャピラリのサイズやピッチの違いにより、ファイバプレートとキャピラリプレート間の距離を調整する必要があるためである。特別な場合として、ファイバとキャピラリが一致する場合は、それらが整合するように密着することが望ましい。

上記の様に、集光装置６から光ファイバ５への入射角は、集光装置６への光の入射角が変化しても極端に大きな変化で無い場合は、集光装置６への光の入射角に依存せず一定と見なすことができる。つまり、空間光通信で、信号光の波面の揺らぎが生じる場合でも、従来に比べて、より安定な受信が可能である。

図４は、キャピラリプレート３からの光を集光レンズ系４で集光する集光装置６で集光して光ファイバ５に入射する構成をもった空間光受信装置を示す図である。光ファイバ５への入射位置は、概ね集光レンズ系４の焦点位置である。集光装置６へ入射する光は、通常、太さのある光ビームであることから、図４に示す様に集光系４を用いることによって、集光効果を高めることが出来る。

図５は、集光系１で集光してからファイバプレート２に入射する構成をもった空間光受信装置を示す図である。ファイバプレート２の出力光として、光ファイバ５へ向かう光を増大させることによって、光ファイバ５に入射する光量を増加させることができることから、光ファイバ５の延長線上のファイバプレート２の位置に集光させることが望ましいことは、明らかである。

図６は、集光系１で集光してからファイバプレート２に入射し、それに密着したキャピラリプレート３からの光を集光系４で集光する集光装置６で集光して光ファイバ５に入射する構成をもった空間光受信装置を示す図である。この受信装置の利点は、ファイバプレート２やキャピラリプレート３の大口径化が困難な場合でも、容易に入射のため口径を大きくできる点にある。

図７は、ファイバプレート８の入射端の口径を小さくし、キャピラリプレート３側の口径を大きくした例である。この構成では、キャピラリプレート３の開口数（ＮＡ）を大きくとることができ、キャピラリプレート３の後にレンズ径を接地する場合に、開口数の大きな光源からの光とすることができる。このようなファイバプレート８は、光ファイバを束ねて、軟化点を越える高温にして引き伸ばして冷却し硬化させたのち切断することで作成することができる。また、なるべく低温で作成するためには、プラスチック材のファイバと酸化ケイ素の光ファイバをほぼ均一な分布を維持するように束ねて、プラスチック材のファイバの軟化点を越える高温でその束の径を細めるようなストレスを印加することで一部にくびれのあるファイバ束をつくり、冷却して硬化させて切断することでも製造することができる。

図８は、円形のファイバプレート２と先細りのキャピラリプレート９とを組み合わせたものの断面を示す図である。キャピラリプレート９のそれぞれのキャピラリは、それぞれ焦点Ｆに向かっており、この構成で、焦点Ｆに向かう光だけを選択することができる。

図９（ａ）、（ｂ）は、円形のファイバプレート２とレンズ状のキャピラリプレート１０ａあるいは１０ｂとを組み合わせたものの断面を示す図である。これらのキャピラリプレート１０ａあるいは１０ｂのキャピラリは、光軸と並行するものである。このようにすることによって、出射光を集光したり分散させたりすることができる。

上記のファイバプレートは、例えば、その入射端と出射端が、直線状の光ファイバで１対１に対応し、鏡面対称を持つ。このため、図２（ａ）で単一波長の光を入射すると、出射光の分布は、ファイバプレート光ファイバの周期性を反映した濃淡のあるパターンになることが知られている。このような濃淡のあるパターンは、光通信の大気揺らぎによる入射波面の変動がある場合に、このような濃淡のあるパターンが、光ファイバへの入射光量の揺らぎの原因になる。

このため、図１０に示す様に、それぞれの光ファイバの入射端と出射端の対応関係を、上記の対応関係からずらして、鏡面対称を持たない様にすることで、上記の濃淡を緩和することができる。特に、上記の、光ファイバの入射端と出射端の対応関係としては、なるべくランダムであることが望ましい。このようにランダムにするためには、通常のファイバプレート長さではなく、ファイバ束と呼ぶべき長さになる。本発明においては、ファイバプレートの光路長は、長くても問題ない。上記のそれぞれの実施例において、そのファイバプレートに図７のファイバプレートを用いることによって、上記の濃淡による、光ファイバへの入射光量の変動を抑制することができる。

また、上記の集光系としては、集光レンズ系や、凹面反射鏡、ゾーンプレートなどを用いることができる。

また、本発明では、複数の異方向からの光波を同時に受信することができる。

中心部の屈折率を周辺部よりも高くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたファイバプレートと、中心部の屈折率を周辺部よりも低くした光ファイバを束ねて両端部を平坦にしたキャピラリプレートとを用いて構成した偏向装置を示す図である。 ファイバプレートあるいはキャピラリプレートに単一波長の光を入射したときの出射光の方向を示す図である。 ファイバプレートとキャピラリプレートを密着し、ファイバプレート側から光を入射するようにした集光装置を用いて構成した空間光受信装置を示す図である。 キャピラリプレート３からの光を集光レンズ系４で集光する集光装置６で集光して光ファイバ５に入射する構成をもった空間光受信装置を示す図である。 集光系で集光してからファイバプレートに入射する構成をもった空間光受信装置を示す図である。 集光系で集光してからファイバプレートに入射し、それに密着したキャピラリプレートからの光を集光レンズ系で集光する集光装置で集光して光ファイバに入射する構成をもった空間光受信装置を示す図である。 ファイバプレートの入射端の口径を小さくし、キャピラリプレート側の口径を大きくした例を示す図である。 円形のファイバプレートと先細りのキャピラリプレート９とを組み合わせたものの断面を示す図である。 円形のファイバプレートとレンズ状のキャピラリプレートとを組み合わせたものの断面を示す図である。 それぞれの光ファイバの入射端と出射端の対応関係を、通常の対応関係からずらして、鏡面対称を持たない様にすることで、その出射光の濃淡を緩和したファイバプレートを示す模式図である。

符号の説明

１ 集光系
２ ファイバプレート
３ キャピラリプレート
４ 集光系
５ 光ファイバ
６ 集光装置
７ ファイバプレート
８ ファイバプレート
９ キャピラリプレート
１０ａ 凹レンズ状のキャピラリプレート
１０ｂ 凸レンズ状のキャピラリプレート

Claims (11)

1. 中心部の屈折率を周辺部よりも高くした光ファイバを束ねたファイバプレートと、
   中心部の屈折率を周辺部よりも低くした光ファイバを束ねたキャピラリプレートと、
   上記のファイバプレートに光を入射する構成と、
   を備え、
   入射方向の異なる入射光を、前記のファイバプレートとキャピラリプレートとを通して、予め決められた方向の光とすることを特徴とする偏向装置。
2. 上記のファイバプレートの光ファイバは、入射端と出射端とで鏡面対称となる位置からその位置を入れ換えたことを特徴とする請求項１に記載の偏向装置。
3. 上記のキャピラリプレートに用いる光ファイバは、中空の光ファイバであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の偏向装置。
4. 上記のファイバプレートは、出射端の口径を入射端の口径よりも大きくすることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の偏向装置。
5. 上記のファイバプレートの両端部を平坦にしたことを特徴とする請求項１、２あるいは４に記載の偏向装置。
6. 上記のキャピラリプレートは、出射端の口径を入射端の口径よりも小さくすることを特徴とする請求項１あるいは３に記載の偏向装置。
7. 上記のキャピラリプレートは，入射端もしくは出射端もしくは両端の形状を平坦にすることを特徴とする請求項１、３あるいは５に記載の偏向装置。
8. 上記のキャピラリプレートは、入射端もしくは出射端もしくは両端の形状を凹レンズあるいは凸レンズ形状とすることを特徴とする請求項１あるいは３に記載の偏向装置。
9. 請求項１、２あるいは３のいずれかに記載の偏向装置の前にさらに集光系を備えることを特徴とする偏向装置。
10. 請求項１、２、３あるいは９に記載の偏向装置から出射される光を集光する集光系をさらに備えることを特徴とする集光装置。
11. 請求項１０に記載の集光装置の光を入射する光ファイバをさらに備え、
    入射方向の異なる入射光を予め決められた入射角で光ファイバに入射することを特徴とする空間光受信装置。

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