JP3507630B2 - 光ビーム送受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信機器などに用
いられる光ビーム送受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光通信機器例えば人工衛星間光通
信機器では、図７に示すような光ビーム送受信装置が検
討されている。この光ビーム受信装置においては、図示
しない光軸調整機構を用いて通信用光ビーム５１が、微
小振動している振動ミラー５２に入射され、この振動ミ
ラー５２によって反射され、光軸調整ミラー駆動機構５
３を介して図示しない光ファイバへ送られる。

【０００３】光軸調整ミラー駆動機構５３を介して光フ
ァイバに入射した光ビーム５１は、光検出手段５７に送
られる。そして、この微小振動している光ビーム５１は
光検出手段５７のビームスプリッタ５７ａにおいて２光
路に分離される。この分離された光は光電変換器５７ｂ
₁ ，５７ｂ₂ によって各々電気信号に変換された後、加
算器５７ｃに送られて加算される。

【０００４】この加算器５７ｃの出力は通信信号とな
る。そして、光電変換器５７ｂ₁ ，５７ｂ₂ の出力と振
動ミラー５２の振動情報に基づいて制御手段５６によっ
て光ビーム５１の光軸誤差が求められ、この求められた
光軸誤差に基づいて前記光ビームが上記光ファイバに結
合するような制御信号が制御手段５６から出力される。
この制御信号は水平駆動制御信号、垂直駆動制御信号に
分離される。そして増幅器５９ａ，５９ｂによって増幅
され、水平駆動調整手段５５、垂直駆動調整手段５４に
各々送られ、これにより光ビーム５１の光軸中心が光フ
ァイバに結合するように光軸調整ミラー駆動機構５３が
制御される。

【０００５】なお、ミラー５２，５３などの駆動に用い
られる支持機構は玉軸受や、板バネなどが用いられてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の光ビ
ーム送受信装置においては、振動ミラー５２の駆動系
と、光ビーム５１を光ファイバへ結合させる光軸調整ミ
ラー駆動機構５３を別に設けていたために、装置の小型
化が困難であった。また、ミラー駆動に玉軸受を用いた
場合には、宇宙空間で使用する場合に潤滑が難しいとい
う問題がある。仮に、板バネを利用して潤滑の問題を解
決しても、板バネの取付スペースや、支持範囲が板のた
わみに依存しており、板のねじれ方向に対する広範囲の
支持ができないという問題があった。

【０００７】本発明は上記事情を考慮してなさたれもの
であって、小型化が可能でかつ光ファイバの広範囲な支
持および駆動が可能な光ビーム送受信装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光ビーム送
受信装置は、光ビームを受ける光ファイバと、内枠と、
外枠と、少なくとも前記光ファイバの軸とほぼ直交する
平面内の第１の方向に前記光ファイバが変位可能なよう
に前記内枠に前記光ファイバを固定する第１のワイヤ
と、少なくとも前記平面内の前記第１の方向とほぼ直交
する第２の方向に前記内枠が変位可能なように前記外枠
に前記内枠を固定する第２のワイヤと、第１の駆動信号
に基づいて前記第１の方向に前記光ファイバが変位する
ように駆動する第１の駆動手段と、第２の駆動信号に基
づいて前記第２の方向に前記内枠が変位するように駆動
する第２の駆動手段と、前記光ファイバを通過した光ビ
ームを電気信号に変換する信号処理手段と、前記光ファ
イバを微小振動させるための信号を発生する微小振動信
号発生手段と、前記信号処理手段の出力と前記微小振動
信号発生手段の出力とに基づいて前記光ビームが前記光
ファイバに入出射する際の光軸誤差を検出する光軸誤差
検出手段と、この光軸誤差検出手段によって検出された
光軸誤差と、前記微小振動信号発生手段の出力とに基づ
いて前記光軸誤差が零となるように前記第１および第２
の駆動手段を駆動制御する制御手段と、を備えているこ
とを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明による光ビーム送受信装置
の一実施の形態の構成を図１に示す。この実施の形態の
光ビーム送受信装置は光ビーム結合機構１と、ミラー駆
動機構２と、ビームスプリッタ３と、光軸位置検出手段
４と、駆動制御手段５と、信号処理手段６と、光軸誤差
検出手段７と、通信手段８と、振動動作調整手段９とを
備えている。

【００１０】外部からの光ビームは、ミラー駆動機構２
によって駆動されるミラー２ａによって反射され、ビー
ムスプリッタ３に送られる。この反射光はビームスプリ
ッタ３によって２光路に分離される。この分離された光
のうちの一方の光は光検出装置４によって検出される。
そしてこの検出信号に基づいて上記分離された光のうち
の他方の光が光ビーム結合機構１の光ファイバ１ａに入
射されるように、ミラー駆動機構２が駆動される。

【００１１】光ファイバ１ａは振動動作調整手段９から
の振動位置制御信号に基づいて駆動制御手段５によって
微小振動するように駆動制御されている。光ファイバ１
ａに入射した光は信号処理手段６に送られて電気信号に
変換される。そしてこの変換された電気信号と、振動動
作調整手段９からの振動制御位置信号とに基づいて光軸
誤差検出手段７によって、光ファイバ１ａに入射する光
ビームの光軸誤差が検出される。

【００１２】この光軸誤差の検出は次のようにして行わ
れる。振動動作調整手段９からの振動制御位置信号によ
って光ファイバ１ａの振動周波数がわかるので、振動処
理手段６の出力である光ファイバ入射光量信号から振動
周波数成分を検波することで、光ファイバ１ａの振動動
作による入射光量変化を知ることができる。具体的には
図６に示すように、光ファイバ１ａが光ビームの光軸を
中心に振動している場合（符号６１に示す範囲で振動し
ている場合）は、光量変化の振幅が最小になる。また光
軸からずれて振動している場合（符号６５に示す範囲で
振動している場合）は、光量変化の振幅値が増加するの
で、光ファイバ１ａへの入射光量の変化の振幅値から光
軸誤差を検出することができる。また光軸誤差の方向
性、すなわち誤差がどちらの方向にずれているかは、振
動動作調整手段９の出力である振動制御位置信号と、信
号処理手段６の出力である光量信号との位相を光軸誤差
検出手段７において比較することにより得ることができ
る。

【００１３】このようにして得られた光軸誤差と、振動
動作調整手段９の出力に基づいて駆動制御手段５によっ
て光ビーム結合機構１が駆動されることにより、光ビー
ムの光軸が光ファイバ１ａの中心に導かれる。このとき
の駆動制御手段５の出力である駆動信号は図５に示す信
号７０となる。この駆動信号７０は光軸誤差検出手段７
の出力（すなわち図５に示す低周波信号７５）に光ファ
イバ１ａの振動動作信号となる高周波成分が乗ったもの
となる。なおこの高周波成分は振動動作調整手段９の出
力である。

【００１４】このようにして光軸が光ファイバ１ａの中
心に導かれた光ビームは信号処理手段６によって電気信
号に変換され、この変換された電気信号が通信手段８に
送られることにより通信信号を得ることができる。

【００１５】次に上記実施の形態に用いられる光ビーム
結合機構１の第１の具体例を図２を参照して説明する。
この具体例の光ビーム結合機構は、内側枠１５と外側枠
１６の二重枠構造になっており、外側枠１６で外部筐体
とのインターフェースがとられる。内側枠１５は、内枠
支持ワイヤ１７で外側枠１６に固定される。ワイヤ１７
で支持した場合、ワイヤ１７の軸方向にはワイヤ剛性に
よって剛に固定され、径方向は柔らかい支持となる。し
たがって、ワイヤ軸に垂直な面内では、ある程度自由に
動くことができる。一般に板バネ支持は、径方向の一方
向のみに自由度があり他方向の自由度がないが、ワイヤ
支持によれば、簡単な構成で径方向の２自由度を確保す
ることができる。図２に示すように４本のワイヤ１７に
よって支持された内側枠１５は、図２（ｃ）において垂
直方向に剛に固定され、水平方向とヨーイング運動の自
由度がある。そこで、外枠圧電素子１８と外枠変位拡大
機構１９からなる内側枠駆動機構を２組組み合わせるこ
とで、水平方向とヨーイング運動の駆動が可能となる。

【００１６】また、ハウジング１１に設置された光ファ
イバ１０は、内側枠１５に光ファイバ支持ワイヤ１２に
よって固定されている。光ファイバ１０も内側枠１５と
外側枠１６の関係と同様に、図２（ａ）において垂直方
向とピッチングの自由度を持つことになり、内枠圧電素
子１８と内枠変位拡大機構１４で構成される２組の光フ
ァイバ駆動機構によって、垂直方向とピッチングの駆動
を行う。

【００１７】したがって、外部筐体に対して、光ファイ
バ１０は垂直方向、水平方向、ピッチング、ヨーイング
の４自由度を持つことにより、簡単な構成で小型の４自
由度駆動機構を実現することができる。

【００１８】なお、２個の圧電素子１３及び２個の圧電
素子１８には図１に示す駆動制御手段５から各々異なる
駆動信号が送られる。

【００１９】次に光ビーム結合機構の第２の具体例を図
３を参照して説明する。この第２の具体例の光ビーム結
合機構は、図２に示す第１の具体例と基本構成は同様で
あり、内側枠２５は外側枠２６に４本の内枠固定前方部
ワイヤ２７と２本の内枠固定後方部ワイヤ３１で固定さ
れている。したがって、内側枠２５は、外枠圧電素子２
８と外枠変位拡大機構２９によって構成された駆動部に
よって、ヨーイング運動が可能となる。同様に内側枠２
５に４本の光ファイバー前方部固定ワイヤ２２と２本の
光ファイバ後方部固定ワイヤ３０で固定された光ファイ
バ２０は、内枠圧電素子２３と内枠変位拡大機構２４に
よってピッチング運動の駆動が可能となる。これにより
ピッチング、ヨーイングの２自由度を持つ光ビーム結合
機構が実現できる。本具体例のワイヤ支持によれば、回
転運動の支持はワイヤのねじれ剛性で可能となり、光フ
ァイバ２０の並進運動に対してはワイヤのテンションで
支持しているので簡単な構成で比較的高剛性とすること
ができる。

【００２０】なお、各圧電素子２３，２８には図１に示
す駆動制御手段５から各々異なる駆動信号が送られる。

【００２１】次に光ビーム結合機構の第３の具体例を図
４を参照して説明する。この第３の具体例の光ビーム結
合機構は図面中で上下、左右、という並進の２自由度駆
動を実現したものである。この具体例の光ビーム結合機
構は、内側枠４５と外側枠４６の二重枠構造になってお
り、外側枠４６で外部筐体とのインターフェースをと
る。内側枠４５は、内枠支持ワイヤ４７で外側枠４６に
固定される。図４に示すように４本のワイヤ４７によっ
て支持された内側枠は、垂直方向には剛に固定され、水
平方向の自由度がある。そこで、外枠圧電素子４８と外
枠変位拡大機構４９からなる内側枠駆動機構で、垂直方
向の並進運動駆動が可能となる。圧電素子４８によって
内側枠４５の作用点は同相に駆動されるので、容易に並
進の駆動を行うことが出来る。また、ハウジング４１に
設置された光ファイバ４０は、内側枠４５に光ファイバ
支持ワイヤ４２によって固定されている。光ファイバ４
０も内側枠４５と外側枠４６の関係と同様に、垂直方向
の自由度を持つことになり、内枠圧電素子４３と内枠変
位拡大機構４４で構成される光ファイバ駆動機構によっ
て、垂直方向の駆動を行うことが可能となる。したがっ
て、外部筐体に対して、光ファイバ４０は垂直方向、水
平方向に対する並進運動の２自由度を持つことになり、
簡単な構成で小型の２自由度駆動機構を実現することが
できる。

【００２２】なお、各圧電素子４３，４８には図１に示
す駆動制御手段５から各々異なる駆動信号が送られる。

【００２３】なお、上記光ビーム結合機構の各具体例に
おいては、駆動手段として圧電素子を用いている。これ
は、圧電素子は指令電圧に応じた変位を生じさせること
ができ、前述した光軸を制御するめたの光ファイバ駆動
動作と光軸誤差検出のための振動動作を、指令電圧の生
成によって簡単に実現できるためである。

【００２４】なお、圧電素子の代わりに電歪素子等の固
体アクチュエータを用いても良い。また、本発明の光ビ
ーム結合機構は、受信装置のみならず、送信装置に組み
込んで有効に活用することもできる。たとえば、本機構
で送信光を微小振動させることで受信側の反射ミラーは
信号を捉えやすくなり、ミラー駆動機構の駆動範囲を縮
小することができる。また、微小振動させた送信光であ
れば、ビーム径を絞り、より大きな光量の受信光を入射
させることもできるため、ミラー径の小型化も図れる。
つまり、受信側の捕捉・追尾動作の負担軽減に寄与で
き、受信装置の簡便化、小型化に寄与できる。したがっ
て、本機構を受信装置および送信装置として組み合わせ
たシステムを構築することにより、光通信の高精度化お
よび大容量化も期待できる。

【００２５】以上説明したように本実施の形態の光ビー
ム送受信装置によれば、光ファイバを駆動機構で直接駆
動し、かつ、圧電素子を用いた駆動機構で、光ビームの
光軸の追尾動作と光軸検出のための振動動作を一つの駆
動機構で実現することが可能となり、装置の小型化が実
現できる。また、光ファイバの支持方法として、光ファ
イバと静止部をワイヤで接続したため、支持材の取付部
の省スペース化をはかることが可能となるとともに、駆
動範囲の拡大が可能となり、小型で駆動範囲の広い装置
を実現することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、小型
化が可能でかつ広範囲の支持および駆動が可能な光ビー
ム送受信装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ビーム送受信装置の一実施例の
構成を示すブロック図。

【図２】本発明にかかる光ビーム結合機構の第１の具体
例を示す構成図。

【図３】本発明にかかる光ビーム結合機構の第２の具体
例を示す構成図。

【図４】本発明にかかる光ビーム結合機構の第３の具体
例を示す構成図。

【図５】図１に示す実施の形態の光ビーム結合機構の駆
動信号の一例を示す図。

【図６】光軸誤差検出原理の説明図。

【図７】従来の光ビーム送受信装置の構成を示すブロッ
ク図。

【符号の説明】

１ 光ビーム結合機構 １ａ 光ファイバ ２ ミラー駆動機構 ２ａ 反射ミラー ３ ビームスプリッタ ４ 光軸位置検出手段 ５ 駆動制御手段 ６ 信号処理手段 ７ 光軸誤差検出手段 ８ 通信手段 ９ 振動動作調整手段 １０ 光ファイバ １１ ハウジング １２ 光ファイバ支持ワイヤ １３ 内枠圧電素子 １４ 内枠変位拡大機構 １５ 内側枠 １６ 外側枠 １７ 内枠支持ワイヤ １８ 外枠圧電素子 １９ 外枠変位拡大機構 ２０ 光ファイバ ２１ ハウジング ２２ 光ファイバ前方部固定ワイヤ ２３ 内枠圧電素子 ２４ 内枠変位拡大機構 ２５ 内側枠 ２６ 内側枠 ２７ 内枠固定前方部ワイヤ ２８ 外枠圧電素子 ２９ 外枠変位拡大機構 ３０ 光ファイバ後方部固定ワイヤ ３１ 内枠固定後方部ワイヤ ４０ 光ファイバ ４１ ハウジング ４２ 光ファイバ支持ワイヤ ４３ 内枠圧電素子 ４４ 内枠変位拡大機構 ４５ 内側枠 ４６ 外側枠 ４７ 内枠支持ワイヤ ４８ 外枠圧電子 ４９ 外枠変位拡大機構 ５１ 光ビーム ５２ 振動ミラー ５３ 光軸調整ミラー駆動機構 ５４ 垂直駆動調整手段 ５５ 水平駆動調整手段 ５６ 制御手段 ５７ 光検出手段 ５７ａ ビームスプリッタ ５７ｂ₁ ，５７ｂ₂ 光電変換器 ５７ｃ 加算器 ５８ａ，５８ｂ 乗算器 ５９ａ，５９ｂ 増幅器 ６０ 基準ビーム ６１ 光軸近傍領域 ６５ 光軸から外れた領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/14 10/26 10/28 (72)発明者 高 原 憲 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 荒 木 智 宏 茨城県つくば市千現２丁目１番１号 宇 宙開発事業団 筑波宇宙センター内 (72)発明者 久 田 安 正 茨城県つくば市千現２丁目１番１号 宇 宙開発事業団 筑波宇宙センター内 (72)発明者 中 森 重 治 茨城県つくば市千現２丁目１番１号 宇 宙開発事業団 筑波宇宙センター内 (56)参考文献 特開 平８−111666（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームを受ける光ファイバと、 内枠と、 外枠と、 少なくとも前記光ファイバの軸とほぼ直交する平面内の
   第１の方向に前記光ファイバが変位可能なように前記内
   枠に前記光ファイバを固定する第１のワイヤと、 少なくとも前記平面内の前記第１の方向とほぼ直交する
   第２の方向に前記内枠が変位可能なように前記外枠に前
   記内枠を固定する第２のワイヤと、 第１の駆動信号に基づいて前記第１の方向に前記光ファ
   イバが変位するように駆動する第１の駆動手段と、 第２の駆動信号に基づいて前記第２の方向に前記内枠が
   変位するように駆動する第２の駆動手段と、 前記光ファイバを通過した光ビームを電気信号に変換す
   る信号処理手段と、 前記光ファイバを微小振動させるための信号を発生する
   微小振動信号発生手段と、 前記信号処理手段の出力と前記微小振動信号発生手段の
   出力とに基づいて前記光ビームが前記光ファイバに入出
   射する際の光軸誤差を検出する光軸誤差検出手段と、 この光軸誤差検出手段によって検出された光軸誤差と、
   前記微小振動信号発生手段の出力とに基づいて前記光軸
   誤差が零となるように前記第１および第２の駆動手段を
   駆動制御する制御手段と、 を備えていることを特徴とする光ビーム送受信装置。
2. 【請求項２】前記第１および第２の駆動手段は、圧電素
   子または電歪素子を有していることを特徴とする請求項
   １記載の光ビーム送受信装置。