JP3697166B2 - ワイヤレス光通信システムにおいて光信号を自動的にトラッキングするための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自由空間光通信の分野に関し、より詳細には、自由空間光通信システムにおいて送信機および受信機を自動的に整列させるための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤレス光通信システムでは、光信号が自由空間内を伝搬する。無線高周波数（ＲＦ）通信システムとは対照的に、光ワイヤレス通信システムは極端な指向性を有する。従って、送信ユニットと受信ユニットとの間で正確なアライメントが必要とされる。しかしながら、ワイヤレス光通信システムの指向性が高いことにより、セキュリティが改善されるという利点がもたらされる。なぜなら、光信号が、送信された光の経路に沿ってしか盗聴できないためである。光ワイヤレスリンクの別の利点は、スペクトルのうちの光に関する部分が行政によって規制されていないことである。従って、対応する無線高周波数（ＲＦ）ワイヤレス通信システムとは異なり、送信機および受信機を動作させるために、行政による免許は不要である。さらに重要なのは、光ワイヤレスシステムの帯域幅、すなわち情報搬送容量が、ＲＦワイヤレス通信システムの帯域幅によりもかなり広いことである。
【０００３】
ファイバ系通信システムでは、光ファイバを使用する必要がある。ワイヤレス光通信システムは、送信機と受信機との間で物理的な接続を必要としないという、そのようなファイバ系通信システムより優れた利点を有する。例えばニューヨークのような市街地の環境では、２つのビルディングの間に、特にそのビルディングが、通りあるいは別のビルディングによって離れて位置する場合には、物理的な接続を敷設することは困難なことである。ワイヤレス光リンクは送信機と受信機との間に遮断されていない経路さえあればよく、物理的なリンクよりも市街地において実現するのが容易である。ワイヤレス光通信システムは、例えば、災害区域のための緊急援助作業あるいは軍事作業において、２つの施設間に一時的に大容量のデータリンクが必要とされる場合に用いるのに特に適している。
【０００４】
ワイヤレス光通信システムは、受信ユニットに向けられる送信ビームを形成するための送信ユニットを備えており、受信ユニットが受信したビームを集光する。典型的には、送信される光信号は半導体レーザから放射される。レーザ（あるいはレーザが結合される光ファイバ）の放射ファセットが、送信ユニットのフロントの焦点面にある。受信信号は典型的には、受信ユニットのリアの焦点面に位置する光検出器（あるいは光検出器に接続される光ファイバ）上に集光される。
【０００５】
上記のように、光信号は極端な指向性を有する。従って、送信ユニットおよび受信ユニットは互いに正確に整列されなければならない。それにもかかわらず、大気の回折の影響により、送信ビームは注意深く向けられた経路から偏移するようになる（ビーム偏移：beam wander）。さらに、例えば、送信ユニットあるいは受信ユニットが搭載されている構造体が移動するとき、送信ユニットあるいは受信ユニットの温度変動あるいは動きの結果として、そのアライメントが劣化してしまう。
【０００６】
自動ビームトラッキング技術を用いて、アライメントの劣化を補償し、送信ユニットおよび受信ユニットのアライメントを確実にしている。従来の自動トラッキング技術は典型的には、主情報搬送信号とは異なる波長を用いる別のレーザによって生成されるビーコン信号を利用する。ビーコン信号は、メインビームと整列され、光経路に沿って移動し、ビデオカメラを含む専用のアライメントハードウエアに再配向される。専用のアライメントハードウエアは、そのビーコン信号（従って主情報搬送光信号）がアライメント外れを起こしているか否かを判定し、さらに必要なら、よく知られている方法で、適当なアライメントの補正値を決定する。そのような専用のハードウエアに余分に費用がかかることに加えて、ビーコン信号は主情報搬送光信号とは異なる波長で送信されるため、異なる送信特性を示す場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ本発明の目的は、主信号搬送光信号自体を用いて、送信ユニットと受信ユニットとを整列させる自動トラッキング技術を提供することである。また本発明の別の目的は、主情報搬送信号と同じ波長を用いて、送信ユニットと受信ユニットとを整列させる自動トラッキング技術を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
全般に、光ワイヤレス通信システムにおいて、送信ユニットと受信ユニットとを整列させるための方法および装置が開示される。受信ユニットは、レンズのような対物光学素子と、レンズの焦点面に配置される光バンドルとを備える。本発明の一態様に従えば、光バンドルは、受信ファイバの周囲に配列される、光ファイバのアレイから構成される。また受信ユニットは、光バンドル内の対応する光ファイバ上で光信号強度を測定する多数の検出器も備える。ファイバのアレイを用いて、受信光ファイバに対する受信信号の位置を検出し、さらに受信信号強度を最適化するために光バンドルの向きを調整するためのフィードバックを供給する。
【０００９】
アライメントプロセスは、アレイ内の周囲を取り巻くファイバによって測定される光信号強度を用いて、受信光ファイバに対する受信信号の位置を検出し、かつ受信信号強度を最適化するために受信ユニットの向きを調整するためのフィードバックを供給する。各外側光ファイバが、受信信号と受信ファイバとの間のミスアライメントの度合いに比例する誤差信号を生成する、対応する光信号検出器に接続される。受信信号と受信ファイバとの間にミスアライメントが生じるとき、入射する受信信号のある量が、外側光ファイバのうちの１つあるいは複数の光ファイバによって捕捉されるであろう。その後、生成された信号それぞれの振幅が互いに比較され、それにより光バンドルを駆動して、受信信号とのアライメントを戻す方向を与える。
【００１０】
本発明は、個別のレーザを用いることを必要とせずに、情報搬送光信号を用いる自動トラッキングを提供する。一実施形態では、アレイ内のファイバと受信ファイバとは同じ面内で終端する。さらに別の変形形態では、受信ファイバは、周囲を取り巻くファイバに対して凹んで位置し、受信ユニットが最初にアライメントを見失ったときに、光信号が受信ファイバのクラッディングにおいて終端するのを防ぐ。受信ファイバは、例えば、延長バンドルあるいはシリカディスクを光バンドルに取着し、アレイ内の各ファイバに付加的な長さを追加することにより、周囲を取り巻くファイバに対して凹んで配置させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の理解をより完全なものにし、また本発明のさらに別の特徴および利点を理解するために、以下において詳細な説明および図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明が動作できる例示的なワイヤレス光通信システムのブロック図である。そのワイヤレス光通信システムは、光送信ユニット１００と、光受信ユニット１５８とを備える。例示的な実施形態では、光送信ユニット１００は、所与の波長の光源１０２を備える。しかしながら、本発明は、当業者には明らかであろうが、多数の波長を利用する光通信システムにおいても実施できることに留意されたい。
【００１３】
例示的な光源１０２は、例えば、１３００〜１７００ｎｍ（ナノメートル）の光の範囲で動作する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザとして実現することができる。光源１０２によって生成される光は、送信ユニット１４０の、レンズ１１０のような対物光学素子によって捕捉される。
【００１４】
図１に示されるように、本発明によれば、受信機１５８は、レンズ１７０のような対物光学素子を有する受信ユニット１６０と、光バンドル構造２００とを備える。光バンドル２００は、図２〜図５とともに以下にさらに説明するように、レンズ１６０の焦点に配置される。図６とともに以下にさらに説明するように、受信ユニット１５８は、バンドル２００内の対応するファイバ上の光信号強度を測定する、これ以降集合的に検出器１８０と呼ばれる多数の検出器１８０−１〜１８０−Ｎも備える。上記のように、送信ユニット１４０および受信ユニット１６０は、光信号の指向性に起因して、正確に整列されなければならない。送信ユニット１４０と受信ユニット１６０との間の光学経路は、参照番号１５０によって示される。
【００１５】
図２は、本発明による受信ユニット１６０で用いるための光バンドル構造２００の端面図を示す。図２に示されるように、光バンドル構造２００は、受信ファイバ２１０の周囲を取り巻く面内に配列される、光ファイバ２２０−１〜２２０−Ｎのアレイ２２０から構成される。以下に説明するように、アレイ２２０を用いて、受信光ファイバ２１０に対する受信信号の位置を検出し、またアレイ２２０を用いて、図６とともに以下にさらに説明するように、受信信号強度を最適化するために受信ユニット１６０の向きを調整するためのフィードバックを供給する。このようにして、周囲を取り巻くファイバ２２０は、受信ファイバ２１０内の信号が適切に整列されているか否かを検出する。
【００１６】
本発明の１つの特徴に従えば、個別のレーザを用いることを必要とせずに、同じ波長、さらに実際には同じ情報搬送光信号を用いる自動トラッキングが提供される。周囲を取り巻くアレイ２２０内の光ファイバ２２０−Ｎの数Ｎは、製造を簡単にするように選択される。例えば、４本のファイバの場合、対称にするのは困難であるが、６本のファイバでは、ファイバの直径を等しくする場合に所望の対称が自動的に与えられる。周囲を取り巻くアレイ２２０内の光ファイバ２２０−Ｎのコア直径および開口数は、可能な限り多くの光を捕捉するように選択される。図２に示される例示的な実施形態では、アレイ２２０は６本の光ファイバ２２０−１〜２２０−６を備える。
【００１７】
受信ファイバ２１０は典型的には、約５０μｍのコア直径を有することに留意されたい。受信ファイバ２１０の直径は、コア直径を結果的に生じるパルス分散と釣り合わせるように選択される。一般に、コア直径が大きくなると、パルス分散も増加する。従って、パルス分散は、多モードファイバ上で伝送されることができる情報の量を制限する。例示される周囲を取り巻くアレイ２２０内の光ファイバ２２０−Ｎを用いて、アレイ２００内の他のファイバに対する、かつ受信ファイバ２１０に対する、各ファイバ２２０−Ｎによって捕捉される光の量の指標を得る（ただし光信号内のデータを検出しない）。従って、捕捉される光の量を最大限にするために、パルス分散はアレイ２２０内のファイバの場合には問題ではなく、周囲を取り巻くファイバ２２０−Ｎは、約１００μｍのコア直径を有することができる。
【００１８】
アレイ２２０内のファイバ２２０−Ｎおよび受信ファイバ２１０は全て、図２の実施形態では同じ面内で終端することに留意されたい。しかしながら、送信ユニット１４０および受信ユニット１６０が最初にアライメントを見失うとき、ビーム偏移によって、光信号の部分が受信ファイバ２１０のクラッディング内に配置される（それは検出することはできない）ことがわかっている。この問題を排除はしないが、低減する１つの可能性は、クラッディングの厚さを薄くすることである（それは、ファイバの製造後の付加処理を必要とする場合がある）。従って、図３〜図５とともに説明される本発明のさらに別の特徴によれば、自動トラッキングシステムの感度が上げられる。
【００１９】
図３は、本発明による光バンドル構造の第２の実施形態３００を示す。図３の実施形態では、光ファイバのアレイ２２０′が、受信ファイバ２１０′の周囲に配列され、受信ファイバ２１０′はアレイ２２０に対して凹んで配置される。このようにして、光信号は、受信ファイバ２１０′のコア上に集光され、光信号の一部は、（完全なアライメントの場合であっても）周囲を取り巻くファイバ２２０′によって捕捉される。光信号が完全なアライメントから偏移するとき、周囲を取り巻くファイバ２２０′によって、さらに信号強度が測定されるであろう。図３の実施形態は、例えば、同じ面内の全てのファイバ２２０−Ｎ′および２１０′を終端し、その後受信ファイバ２１０′を引き戻すようにする、知られている方法において、端部を研磨することにより製造することができる。
【００２０】
図４は、本発明による光バンドル構造の第３の実施形態４００を示す。図４の実施形態では、周囲を取り巻く各ファイバに付加的な長さＬを追加するために、図２の光バンドル構造２００に延長バンドル４１０が追加される。図４の実施形態は、例えば、中央のファイバの周囲に配列される６本の光ファイバから構成される長さＬの延長バンドル４１０を用いることにより製造することができる。その後中央のファイバは延長バンドル４１０から取り外され、感度を上げるための、図２に示される実施形態２００に取着される長さＬの６本の周囲を取り巻くファイバのアレイが形成される。
【００２１】
図５は、本発明による光バンドル構造の第４の実施形態５００を示す。図５の実施形態では、シリカディスク５１０が図２の光バンドル構造２００に取着され、周囲を取り巻く各ファイバに付加的な長さＬを追加する。図５の実施形態は、例えば、中央に孔を有するシリカディスク５１０を用いることにより製造することができる。ディスク５１０の外径は、図２の光バンドル構造２００の直径に少なくとも等しく、ディスクの内径は受信ファイバ２１０のコア直径に概ね等しい。このようにして、ディスク５１０を通過する光信号の部分は屈折して、光バンドル構造２００の周囲を取り巻くファイバ２２０−Ｎに入る。同様に、ディスク５１０内の開口部を通過する光信号の部分は、光バンドル構造２００の受信ファイバ２１０のコアへの（屈折しない）直接経路を有するであろう。
【００２２】
図６は、受信光ファイバ２１０に対する受信信号の位置を検出し、かつ受信信号強度を最適化するために受信ユニット１６０の向きを調整するためのフィードバックを供給するために、アレイ２２０内の周囲を取り巻くファイバ２２０−Ｎによって測定される光信号強度を用いる、本発明によるアライメントプロセス６００を記載する流れ図である。
【００２３】
光バンドル内の各外側ファイバによって捕捉される光信号を用いて、受信信号と受信ファイバとの間のあらゆるミスアライメントを判定する。図１に示されるように、外側光ファイバ２２０はそれぞれ、個別の光信号検出器１８０に接続され、これらの信号が、受信信号と受信ファイバとの間のミスアライメントの度合いに比例する誤差信号を供給する。
【００２４】
受信信号と受信ファイバ２１０との間にミスアライメントが生じるとき、入射する受信信号のうちのある量が、外側光ファイバ２２０のうちの１つあるいは複数のファイバによって捕捉されるであろう。その後、対応する光信号検出器１８０がこの信号を検出する。ただしここではその振幅が測定される。その後、生成された信号それぞれの振幅が互いに比較され、それにより光バンドルを駆動して、受信信号とのアライメントを戻す方向を与える。言い換えると、信号が受信ファイバ２１０の真上の外側ファイバ２２０においてのみ生成される場合には、アライメントを達成するために、全バンドルが正の垂直方向に移動されなければならない。信号が２つあるいは３つ以上の外側ファイバ２２０内で生成される場合には、全バンドル２００が、受信ファイバ信号を最大限にしつつ、外側ファイバ信号を最小限にする方向に駆動されなければならない。この場合には、バンドルは、信号を捕捉する２つの外側ファイバ２２０のそれぞれに向かって等しく駆動される。
【００２５】
一旦１つあるいは複数の外側ファイバ２２０内で光信号が検出される場合には、図６に示される再アライメントシーケンス６００が開始し、それにより受信ファイバ強度を最大限にする。この手順において、バンドル２００が移動している間、外側ファイバ信号が、受信ファイバ信号とともに継続的にモニタされ、それによりアライメントアルゴリズム６００へのフィードバックを供給する。バンドル２００が再アライメントに向かって移動するとき、外側ファイバ２２０内の信号は最小値まで減少し、一方、受信ファイバ２１０内の信号は最大値に到達するであろう。外側ファイバ２２０によって捕捉される信号が最小限になるとき、アライメントが達成される。この一定のフィードバックシステムを詳述する図式的な流れ図が図６に示される。
【００２６】
図６に示されるように、外側ファイバ２２０ぞれぞれの信号強度がステップ６１０において測定される。信号が外側ファイバ２２０のうちの少なくとも１つにおいて検出されるまで、ステップ６１５において検査が行われる。ステップ６１５において、一旦信号が外側ファイバ２２０のうちの少なくとも１つにおいて検出されると、アライメントルーチン６２０が実行される。ステージ６３０において検出されるような、外側ファイバ２２０それぞれの信号の相対強度に基づいて、ステージ６３５において、光バンドル２００は、光バンドルを駆動して、受信信号とのアライメントを戻す方向に、バンドルアクチュエータ６６０を用いて再配置される。その一方で、ステージ６４０は、外側ファイバ２２０と受信ファイバ２１０との各信号をモニタし続け、外側ファイバ２２０内で測定される信号を強度を最小限にし、一方受信ファイバ２１０内の信号を最大限にしようとするフィードバック信号をアクチュエータ６６０に加える。
【００２７】
ここに記載される実施形態および変形形態は本発明の原理を例示しているにすぎず、種々の変更形態が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者により実施できることを理解されたい。
【００２８】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、主信号搬送光信号自体を用いて、送信ユニットと受信ユニットとを整列させる自動トラッキング技術を実現することができる。主情報搬送信号と同じ波長を用いて、送信ユニットと受信ユニットとを整列させる自動トラッキング技術を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が動作することができる適当なワイヤレス光通信システムのブロック図である。
【図２】図１の受信ユニットで用いるための本発明による光バンドル構造の端面図である。
【図３】本発明の光バンドル構造の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の光バンドル構造の第３の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の光バンドル構造の第４の実施形態を示す図である。
【図６】受信光信号の位置を検出し、図１の受信ユニットの向きを調整するためのフィードバックを供給するために、本発明の機構を組み込んだアライメントプロセスを記載する流れ図である。

Claims (10)

1. ワイヤレス通信リンクのための光受信ユニットであって、該光受信ユニットは、
   少なくとも１つの対物光学素子を含む受信ユニットと、
   光通信信号を受信するように動作する光バンドルとを備え、該光バンドルは受信ファイバの周囲に配列される光ファイバのアレイから構成され、該光ファイバのアレイが受信する該光通信信号の強度と関連する該受信ファイバが受信する該光通信信号の強度を用いて該光受信ユニットの向きを調整することを特徴とする光受信ユニット。
2. 前記アレイはＮ本のファイバから構成され、Ｎは前記光バンドルの製造を容易にするように選択される請求項１に記載の光受信ユニット。
3. 前記光ファイバの前記アレイのコア直径および開口数は、可能な限り多くの光を捕捉するように選択される請求項１に記載の光受信ユニット。
4. 前記受信ファイバは、前記アレイに対して凹んで配置される請求項１に記載の光受信ユニット。
5. 前記受信ファイバは、前記アレイ内の前記ファイバそれぞれに付加的な長さを追加するために、前記光バンドルに延長バンドルを取着することにより、前記アレイに対して凹んで配置される請求項４に記載の光受信ユニット。
6. 前記延長バンドルは、中央のファイバの周囲に配列されるファイバのアレイから構成され、前記中央のファイバは後に延長バンドルから取り外される請求項５に記載の光受信ユニット。
7. 前記受信ファイバは、前記光バンドルにシリカディスクを取着することにより前記アレイに対して凹んで配置される請求項４に記載の光受信ユニット。
8. ワイヤレス通信リンクのための光受信ユニットであって、該光受信ユニットは、
   少なくとも１つの対物光学素子を有する受信ユニットと、
   光信号を受信するように動作する光バンドルとを備え、該光バンドルは、受信ファイバの周囲に配列される光ファイバのアレイから構成され、また前記光ファイバの前記アレイは、前記受信ファイバに対する前記信号の位置を検出し、該光ファイバのアレイが受信する該光通信信号の強度と関連する該受信ファイバが受信する該光通信信号の強度に基づいて、前記受信ユニットの向きを調整するためのフィードバックを供給する光受信ユニット。
9. ワイヤレス通信リンクにおいて光受信ユニットと光送信ユニットとを整列させる方法であって、該方法は、
   受信ファイバの周囲に配列される光ファイバのアレイから構成される光バンドルを用いて光信号を受信するステップと、
   前記光ファイバの前記アレイの各ファイバと、前記受信ファイバとにおいて、前記光信号の信号強度を測定するステップと、
   前記光ファイバの前記アレイ内の前記ファイバの前記信号強度を低減し、かつ前記受信ファイバ内の前記信号強度を増加させるように前記光バンドルを再配置するステップとを有する方法。
10. 前記アレイに対して前記受信ファイバを凹んで配置させるステップをさらに有する請求項９に記載の方法。

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