JP2009177654A - 空間光通信装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、通信相手から送られてくる光ビームを追尾することを実現するときに、機械的可動部分を排除し、一層の小型化を実現することを目的とする。
【解決手段】レンズ系を使って、遠方の通信相手から送られてくる光ビームを受け取ると、ビームスプリッタを使って、２つの光ビームに分割する。そして、分割された一方の光ビームが集光することになる焦点面上で、エリアセンサを使って、その光ビームを検出する。続いて、エリアセンサのどの受光素子が光ビームを受光したのかを検出して、その配置座標に対応付けられる配置座標を持つレーザアレイのレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択する。そして、そのレーザを使って、通信相手に向けて送信する光ビームを生成することで、分割された他方の光ビームが集光することになる焦点面上で、レーザアレイを使って、通信相手に向けて送信する光ビームを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信する空間光通信装置およびその方法に関し、特に、機械的可動部分を排除し、一層の小型化を実現する空間光通信装置およびその方法に関する。

衛星同士の通信や地上−衛星間の通信などでは、レーザ光を用いる通信技術が研究されている。遠距離にある２つの通信局で光通信回線を形成・保持するためには、相手局を捕捉し、相手局との相対的位置が変動する場合には相手局を常に追尾し、相手局に向けてレーザビームを送信する機能が必要である。

従来の空間伝送用の光通信装置の構成では、遠方から送られてくるレーザビームの追尾において、望遠鏡や可動ミラーのような機械的可動部分を用いており、これから、装置の耐久性や故障の点で問題がある。

そこで、本出願人は、下記の特許文献１で、光ファイババンドルを用いた追尾機能を持つ空間伝送用の光通信装置の発明を開示した。

この発明では、レンズ系の焦点面上にファイバ端面が配置されるようにと光ファイババンドルを配置することで、遠方から送られてくるレーザビームを光ファイババンドルのファイバ端面上に集光させるとともに、そのファイバ端面から入射された光を伝送する各光ファイバを２つに分岐して、その一方を光受信部に接続するとともに、他方を光送信部に接続するという構成を採っている。

この構成を採ることで、遠方から送られてくるレーザビームの方向に応じた光ファイバにそのレーザビームが入射されることになるとともに、データ送信のレーザビームがその光ファイバから送信されることになることで、データ送信のレーザビームがその方向に、あたかも折り返されるように送信されることになる。

これにより、特許文献１に記載の発明によれば、空間伝送用の光通信装置において、機械的可動部分を用いることなく、遠方から送られてくるレーザビームを追尾することができるようになる。
特開２００６−３３３０７０号公報

確かに、特許文献１に記載の発明によれば、機械的可動部分を用いることなく、遠方から送られてくるレーザビームを追尾することができるようになる。

しかしながら、この発明では、光ファイババンドルを用いており、小型化に改善の余地が残されている。

空間伝送用の光通信装置を小型衛星に搭載するような場合には、その容積、重量を可能な限り小さくする必要がある。このように、空間伝送用の光通信装置が様々なシーンで使用されることを考えると、空間伝送用の光通信装置の一層の小型化を図る必要がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信するという構成を採るときに、機械的可動部分を排除し、一層の小型化を実現する新たな空間光通信技術の提供を目的とする。

この目的を達成するために、本発明の空間光通信装置は、通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信することを実現するために、（１）通信相手から送られてくる光ビームを入射して焦点面上に集光するレンズ系と、（２）レンズ系を通過した光ビームを２つの光ビームに分割するビームスプリッタと、（３）ビームスプリッタにより分割された一方の光ビームが集光することになる焦点面上に設けられて、受光素子が２次元的に配置されることで構成されるエリアセンサと、（４）ビームスプリッタにより分割された他方の光ビームが集光することになる焦点面上に設けられて、レーザが２次元的に配置されることで構成されるレーザアレイと、（５）エリアセンサの受光素子のどれが光ビームを受光したのかを検出して、その検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つレーザアレイのレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択する制御機構とを備えるように構成する。

この構成を採るときに、制御機構は、通信相手から複数の光ビームが送られてくる場合には、それらの光ビームに合わせて、それらの光ビームを受光するエリアセンサの複数の受光素子を検出して、その検出したそれぞれの受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つレーザアレイの複数のレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択することで、光多重回線を形成する。

また、制御機構は、エリアセンサの受光素子数構成とレーザアレイのレーザ数構成とが異なる場合には、検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つレーザアレイのレーザとして、その対応付けられる配置座標に最も近い配置座標を持つレーザを選択する。

また、制御機構によるレーザの選択のスイッチング時に、空間的なギャップが発生しないようにするために、通信相手に向けて送信する光ビームの広がり角がレーザアレイの間隔で決まる送信角度間隔よりも大きく設定される。

このように構成される本発明の空間光通信装置では、平行な光ビームを入射して焦点面上に集光するレンズ系を使って、通信相手から送られてくる光ビームを受け取ると、ビームスプリッタを使って、レンズ系を通過した光ビームを２つの光ビームに分割する。

そして、ビームスプリッタにより分割された一方の光ビームが集光することになる焦点面上で、受光素子が２次元的に配置されることで構成されるエリアセンサを使って、その光ビームを検出する。

続いて、この検出結果に基づいて、エリアセンサの受光素子のどれが光ビームを受光したのかを検出して、その検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つレーザアレイのレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択する。

そして、その選択したレーザを使って、通信相手に向けて送信する光ビームを生成することで、ビームスプリッタにより分割された他方の光ビームが集光することになる焦点面上で、レーザが２次元的に配置されることで構成されるレーザアレイを使って、通信相手に向けて送信する光ビームを生成する。

本発明では、エリアセンサという集積化された２次元センサと、レーザアレイという集積された２次元レーザ光源とを使って、通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信するという構成を採ることから、機械的可動部分を排除し、一層の小型化を実現する空間光通信装置を実現することができるようになる。

しかも、本発明では、エリアセンサという集積化された２次元センサと、レーザアレイという集積された２次元レーザ光源とを使って、通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信するという構成を採ることから、本質的に光多重回線に適合する構成となっており、これにより、特別な構成を加えることなく光多重回線を形成することができるようになる。

以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。

図１に、本発明の空間光通信装置の一実施形態例を図示する。

本発明の空間光通信装置は、この図に示すように、遠方に位置する通信相手局から送られてくる平行なレーザビームを入射して焦点面上に集光するレンズ系１０と、レンズ系１０を通過したレーザビームを２つのレーザビームに分割するビームスプリッタ２０と、ビームスプリッタ２０により分割された一方のレーザビームが集光することになる焦点面上に設けられて、ＣＣＤピクセルが２次元的に配置されることで構成されるＣＣＤセンサ３０と、ビームスプリッタ２０により分割された他方のレーザビームが集光することになる焦点面上に設けられて、レーザが２次元的に配置されることで構成されるレーザアレイ４０と、ＣＣＤセンサ３０のＣＣＤピクセルのどれがレーザビームを受光したのかを検出することで、通信相手局から送られてくるレーザビームの方向を検出して、その検出結果に基づいて、その検出した方向にレーザビームを送信するレーザアレイ４０のレーザがどれであるのかを特定する演算器５０と、演算器５０の特定したレーザを通信相手局に向けて光ビームを送信するレーザとして選択（複数のレーザを選択することが可能）して、その選択したレーザに対して送信通信信号を供給するレーザ切替器６０とを備える。

ここで、レーザアレイ４０としては、例えば、下記の参考文献に記載されるようなＶＣＳＥＬ（vertical-cavity surface-emitting lasers)を利用することが可能である。このようなレーザアレイではチップ上に細かくレーザ素子を配置できることから、装置を小型化することが可能である。

参考文献：A.V.Krishnamoorthy, K.W.Goossen, L.M.F.Chirovsky, R.G.Rozier, P.C handramani, W.S.Hobson, S.P.Hui, J.Lopata, J.A.Walker, and L.A.D'A saro, "16 ×16 VCSEL Array Flip-Chip Bonded to CMOS VLSI Circuit," IEEE Photon. Technol. Lett, vol.12, pp.1073-1075, 2000.
レンズ系１０は、平行な光ビームを入射すると、図２に示すように、その光ビームの傾きに応じた焦点面上の位置に、その光ビームを集光するという性質を持つ。

この図２では、傾きθについて示しているが、一般に３次元座標は（ｒ，θ，φ）で表現されるので、ｒが無限大距離となる遠方に位置する通信相手局から送られてくるレーザビームがレンズ系１０に入射すると、レンズ系１０の焦点面上に設けられるＣＣＤセンサ３０には、図３に示すように、その入射する角度θ，φの値θ_1,φ₁ に応じた座標位置にレーザビームが集光することになる。

一方、レンズ系１０は、図２とは逆に、焦点面上に点光源がある場合には、図４に示すように、その点光源とレンズ中心とを結ぶ直線の方向に、光ビームを放射するという性質を持つ。

この図４では、傾きθについて示しているが、一般に３次元座標は（ｒ，θ，φ）で表現されるので、レンズ系１０の焦点面上に設けられるレーザアレイ４０の持ついずれかのレーザがレーザビームを放射すると、図５に示すように、そのレーザの座標位置により規定される無限大距離の方向θ_1,φ₁ に向けて、そのレーザビームが放射されることになる。

これから、演算器５０は、ＣＣＤセンサ３０のＣＣＤピクセルのどれがレーザビームを受光したのかを検出することで、通信相手局から送られてくるレーザビームの方向を検出して、その検出結果に基づいて、その検出した方向にレーザビームを送信するレーザアレイ４０のレーザがどれであるのかを特定する処理を行う。

この特定処理にあたって、ＣＣＤセンサ３０のＣＣＤピクセルのアレイ構成と、レーザアレイ４０のレーザのアレイ構成とが異なることがある。例えば、ＣＣＤセンサ３０は５００×５００のＣＣＤピクセルのアレイ構成を持つのに対して、レーザアレイ４０は１００×１００のレーザのアレイ構成を持つというように、２つのアレイ構成が異なることがある。

このような場合には、演算器５０は、例えば、ＣＣＤセンサ３０の検出結果に基づいて、通信相手局から送られてくるレーザビームの方向を検出すると、その方向に最も近い方向にレーザビームを送信するレーザアレイ４０のレーザがどれであるのかを特定することで、レーザ切替器６０の選択するレーザアレイ４０のレーザを特定するといった処理を行うことになる。

次に、図１のように構成される本発明の空間光通信装置を用いた空間光追尾方式の動作について説明する。

図１において、レンズ系１０は、遠方に位置する通信相手局から送られてくる平行なレーザビーム（受信光信号）を集光して、その集光した光をＣＣＤセンサ３０に入射する。このとき、レーザビームの到来方向が変化すると、ＣＣＤセンサ３０の異なるＣＣＤピクセルに入射することになるので、その到来方向の角度変化を検出することができる。

これから、演算器５０は、ＣＣＤセンサ３０の検出した光位置により入射角度を求め、それに基づいてレーザアレイ４０のどのレーザを用いるのかを特定して、その特定結果をレーザ切替器６０に出力する。

この通知を受けて、レーザ切替器６０は、その通知に基づいて、レーザアレイ４０のレーザを切り替えることで、通信相手局に送信する送信光信号を生成するレーザを選択する。

レーザ切替器６０により選択されたレーザは送信通信信号（電気信号）と接続されており、これにより、そのレーザにより生成される送信光信号（レーザビーム）は、レンズ系１０を通過して、入射方向のレーザビームと同じ方向で逆向きに出射される。

このようにして、図１のように構成される本発明の空間光通信装置では、入射光に対して常に出射光の方向が追従することを実現する。

このときに送信されるレーザビームの広がり角は、デフォーカスなどによりレーザアレイ４０の間隔で決まる送信角度間隔よりも広く設定され、ビーム間でレーザのプロファイルが途切れないように適宜設定される。

このようにして、本発明の空間光通信装置を用いた空間光追尾方式は、追尾光学系の可動部分の除去という特徴を有するので、高速で入射光に対して追尾を行うことができるようになる。なお、追尾精度はレンズの開口を大きくすることや、焦点距離を長くすることや、アレイの素子数を増加させることで改善することができる。

以上に説明した動作例では、レーザアレイ４０の持つレーザのいずれか１つを用いることで説明（光回線が１回線であることで説明）したが、図１のように構成される本発明の空間光通信装置では、多重光回線を構成することができる。

すなわち、演算器５０は、ＣＣＤセンサ３０の検出した光位置が複数ある場合には、それに応じて複数の入射角度を求めることが可能であるので、レーザアレイ４０のどのレーザを用いるのかを特定するときに、その複数の入射角度に基づいて複数のレーザを特定してレーザ切替器６０に通知し、これを受けて、レーザ切替器６０は、演算器５０の特定した複数のレーザに対して送信通信信号を供給することで、空間多重光回線を構成することができるのである。

図６に、本発明の空間光通信装置の他の実施形態例を図示する。

本実施形態例と図１に示す実施形態例との違いは、本実施形態例では、ビームスプリッタ２０により分割されてＣＣＤセンサ３０に入射することになる光をさらに２つに分割する第２のビームスプリッタ７０を備えるとともに、第２のビームスプリッタ７０により分割されたＣＣＤセンサ３０に入射しない方の光を入射して受信通信信号を生成する受光素子８０を備えるという点である。

この構成に従って、本実施形態例によれば、受信通信信号についても通信することができるようになる。

ここで、この受光素子８０について、受信通信信号に符号分割多重（ＣＤＭ）信号を用いるようにすれば、１つの受光素子８０で受信通信信号についても多重化することができるようになる。また、受光素子８０として２次元のアレイ構成のものを用いるようにすれば、空間多重光回線を構成するときに、受信通信信号についても多重化することができるようになる。

さらに、複数の波長の異なる光信号を用いることにより、光回線をさらに多重化することも可能である。

また、受光素子８０として２次元のアレイ構成のものを用いる場合に、ＣＣＤセンサを用いることも可能である。下記に示す文献には、１kbit/sの伝送レートを早読みＣＣＤで実現する技術が記載されており、このような技術を使うことで、受光素子８０としてＣＣＤセンサを用いることも可能である。

この場合に、受光素子８０を省略して、レーザビームの到来方向を検出するために用意するＣＣＤセンサ３０の受信信号を信号処理することにより、このＣＣＤセンサ３０を受信通信信号の受信用に兼用することも可能である。

参考文献：R.C.Short, M.Cosgrove, D.L.Clark, P.Oleski, "Performance of a Demo nstration System for Simultaneous Laser Beacon Tracking and Low Da ta Rate Optical Communications with Multiple Platforms," SPIE Vol. 1417 Free-Space Laser Communication Technologies III, pp.464-475, 1991.
以上に説明した実施形態例では説明しなかったが、以上に説明した実施形態例の実用性を高めるためには、背景光雑音を抑えることが重要である。

これから、ＣＣＤセンサ３０の前に光フィルタを配置することで背景光雑音を抑えるという構成を採ったり、ビームスプリッタ２０を偏光ビームスプリッタで構成して、ビームスプリッタ２０よりもレンズ系１０側にλ／４波長板を配置するとともに、ＣＣＤセンサ３０の前に偏光子を配置することにより、送信と受信とで偏光を異なるようにすることで背景光雑音を抑えるという構成を採ることが有効である。

本発明は、通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信する場合に適用できるものであり、本発明によれば、機械的可動部分を排除し、一層の小型化を実現することができるようになる。

しかも、本発明によれば、本質的に光多重回線に適合する構成となっていることから、特別な構成を加えることなく光多重回線を形成することができるようになる。

本発明の空間光通信装置の一実施形態例である。 レンズ系の説明図である。 ＣＣＤセンサの説明図である。 レンズ系の説明図である。 レーザアレイの説明図である。 本発明の空間光通信装置の他の実施形態例である。

符号の説明

１０ レンズ系
２０ ビームスプリッタ
３０ ＣＣＤセンサ
４０ レーザアレイ
５０ 演算器
６０ レーザ切替器
７０ 第２のビームスプリッタ
８０ 受光素子

Claims (8)

1. 通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信する空間光通信装置であって、
   通信相手から送られてくる光ビームを入射して焦点面上に集光するレンズ系と、
   前記レンズ系を通過した光ビームを２つの光ビームに分割するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタにより分割された一方の光ビームが集光することになる焦点面上に設けられて、受光素子が２次元的に配置されることで構成されるエリアセンサと、
   前記ビームスプリッタにより分割された他方の光ビームが集光することになる焦点面上に設けられて、レーザが２次元的に配置されることで構成されるレーザアレイと、
   前記エリアセンサの受光素子のどれが光ビームを受光したのかを検出して、その検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つ前記レーザアレイのレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択する制御機構とを備えることを、
   特徴とする空間光通信装置。
2. 請求項１に記載の空間光通信装置において、
   前記制御機構は、通信相手から複数の光ビームが送られてくる場合には、それらの光ビームに合わせて、それらの光ビームを受光する前記エリアセンサの複数の受光素子を検出して、その検出したそれぞれの受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つ前記レーザアレイの複数のレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択することを、
   特徴とする空間光通信装置。
3. 請求項１又は２に記載の空間光通信装置において、
   前記制御機構は、前記エリアセンサの受光素子数構成と前記レーザアレイのレーザ数構成とが異なる場合には、前記検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つ前記レーザアレイのレーザとして、その対応付けられる配置座標に最も近い配置座標を持つレーザを選択することを、
   特徴とする空間光通信装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空間光通信装置において、
   通信相手に向けて送信する光ビームの広がり角が前記レーザアレイの間隔で決まる送信角度間隔よりも大きく設定されることを、
   特徴とする空間光通信装置。
5. 通信相手から受信した光ビームの向きに応じて、通信相手に向けて光ビームを送信する空間光通信方法であって、
   平行な光ビームを入射して焦点面上に集光するレンズ系を使って、通信相手から送られてくる光ビームを受け取り、
   ビームスプリッタを使って、前記レンズ系を通過した光ビームを２つの光ビームに分割し、
   前記ビームスプリッタにより分割された一方の光ビームが集光することになる焦点面上で、受光素子が２次元的に配置されることで構成されるエリアセンサを使って、その光ビームを検出し、
   前記ビームスプリッタにより分割された他方の光ビームが集光することになる焦点面上で、レーザが２次元的に配置されることで構成されるレーザアレイを使って、通信相手に向けて送信する光ビームを生成し、
   前記エリアセンサの受光素子のどれが光ビームを受光したのかを検出して、その検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つ前記レーザアレイのレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択することを、
   特徴とする空間光通信方法。
6. 請求項５に記載の空間光通信方法において、
   通信相手から複数の光ビームが送られてくる場合には、それらの光ビームに合わせて、それらの光ビームを受光する前記エリアセンサの複数の受光素子を検出して、その検出したそれぞれの受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つ前記レーザアレイの複数のレーザを、通信相手に向けて光ビームを送信するレーザとして選択することを、
   特徴とする空間光通信方法。
7. 請求項５又は６に記載の空間光通信方法において、
   前記エリアセンサの受光素子数構成と前記レーザアレイのレーザ数構成とが異なる場合には、前記検出した受光素子の配置座標に対応付けられる配置座標を持つ前記レーザアレイのレーザとして、その対応付けられる配置座標に最も近い配置座標を持つレーザを選択することを、
   特徴とする空間光通信方法。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載の空間光通信方法において、
   通信相手に向けて送信する光ビームの広がり角が前記レーザアレイの間隔で決まる送信角度間隔よりも大きく設定されることを、
   特徴とする空間光通信方法。

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