JP4031464B2 - 光空間伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、自由空間を介して離れた二地点間で高速の通信を行う光空間伝送装置に関する。

自由空間を介して光信号を伝送する光空間通信は、光通信の特徴である高速大容量伝送が可能であることに加えて、電波の利用が制限される領域での利用が可能であること、光ファイバの布設などの大規模な工事を伴わずに簡便に通信路の開設が可能であることなど多くの利点を有している。

光空間伝送により毎秒数百メガビット以上の高速信号を伝送する場合、受光素子が小型となり、また受光感度も低くなるため光ビームの指向性を高める必要がある。そのため、光空間伝送装置においては、装置の傾きや装置に加わる振動などの影響に対しても、光ビームが装置から外れることなく通信が継続するように光自動追尾機能が備えられている。

光空間伝送装置は、離れた二地点間で通信を行う二台の装置が対向して配置されており、相手装置から送信された光信号の受光位置を検出し、検出結果を相手装置の光信号の出力方向を制御する偏向系にフィードバックする。偏向系は、たとえば、モータによりミラーやレンズを動かす駆動機構である。受信側も偏向系を有しており、同様に制御され、送受両装置間で光自動追尾が実現される。

偏向系としては、水平、垂直それぞれの方向に対して必要であるため、上述のような手段で偏向系を構成する場合、装置の大型化、調整の工程の複雑化、コスト的に高価となるといった問題があった。またレンズは質量が大きいため、偏向速度をあまり早くすることができず、振動耐力も限定的となる。そのためビル間通信など適用範囲も限定的となる。

近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる半導体プロセスで製造された微小ミラー（以下、「ＭＥＭＳミラー」と称する）による光ビーム自動追尾方式が提案されている（例えば特許文献１参照）。ＭＥＭＳミラーはｋＨｚ程度の共振周波数が可能であり、従来のレンズやミラーをモータで駆動する方式に比べ小型化、高速応答が可能である。しかしながら、ＭＥＭＳは、機械的共振周波数は高いものの、Ｑ値（尖鋭度と呼ばれる振動の減衰に関連する値）が高いため振動が整定するまで時間が長く、これを光自動追尾にそのまま用いた場合、ＭＥＭＳ本来の持つ高速応答性を生かしきれなかった。
特開２００４−８０２５３公報

上述のように、光ビームを偏向制御するデバイスとしてＭＥＭＳミラーを用いた場合、デバイスの機械的共振周波数は高いものの、Ｑ値が高いため振動が整定するまで時間が長く、その高速性を十分に活用できないという問題があった。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたもので、小型で高速応答性に優れ、振動の影響を受けにくい光ビーム追尾方式を実現し、広い応用分野へ適用可能な光空間伝送装置を提供することを目的とする。

本願発明は、このような課題を解決するために、第１の観点によると、空間を介して光信号を伝送する光空間伝送装置において、光信号を発生する光源と、前記光源から出力する光信号の伝播方向を制御可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーと、前記光信号を受信し、電気信号に変換する受光素子と、伝送された光信号の前記受光素子への入射位置を検出する光入射位置検出部と、前記光入射位置検出部の出力を、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数で決まる周期の整数倍の時間で平均化して出力するフィルタ回路と、前記フィルタ回路からの出力信号に基づき前記ＭＥＭＳミラーの位置を駆動制御するための信号を生成する制御信号生成部と、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数を記憶する記憶素子とを備え、前記記憶素子より、前記フィルタ回路に対して、記憶されている前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数が供給されることを特徴とする。

本願発明の第２の観点によると、空間を介して送信装置と受信装置との間で光信号を伝送する光空間伝送装置において、前記送信装置は、光信号を発生する光源と、前記光源から出力する光信号の伝播方向を制御可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーとを備え、前記受信装置は、前記光信号を受信し、電気信号に変換する受光素子と、伝送された光信号の前記受光素子への入射位置を検出する光入射位置検出部と、前記光入射位置検出部の出力を、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数で決まる周期の整数倍の時間で平均化して出力するフィルタ回路と、前記フィルタ回路からの出力信号に基づき前記ＭＥＭＳミラーの位置を駆動制御するための信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記送信装置は、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数を記憶する記憶素子と、前記受信装置に対して、前記記憶素子に記憶された前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数の情報を送信する送信器をさらに備えたことを特徴とする。

本願発明の第３の観点によると、空間を介して送信装置と受信装置との間で光信号を伝送する光空間伝送装置において、前記送信装置は、光信号を発生する光源と、前記光源から出力する光信号の伝播方向を制御可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーとを備え、前記受信装置は、前記光信号を受信し、電気信号に変換する受光素子と、伝送された光信号の前記受光素子への入射位置を検出する光入射位置検出部と、前記光入射位置検出部の出力を、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数で決まる周期の整数倍の時間で平均化して出力するフィルタ回路と、前記フィルタ回路からの出力信号に基づき前記ＭＥＭＳミラーの位置を駆動制御するための信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記受信装置はさらに、前記送信装置で使用するＭＥＭＳミラーの共振周波数を測定する手段と、測定された共振周波数を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段より前記フィルタ回路に対して、記憶されている前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数が供給されることを特徴とする。

本発明によれば、小型で高速応答性に優れ、振動の影響を受けにくい光ビーム追尾が実現でき、広い応用分野へ適用が可能となる。

図１は、本発明の光空間伝送装置の基本構成を示すためのブロック図である。

ここでは、送信装置から受信装置に対して一方向に主信号を伝送するシステムの例で説明する。送信装置は、光源１０２、ＭＥＭＳ偏向系１０３、制御信号受信器１０４で構成され、受信装置は、受信器１０６、光位置検出器１０８、フィルタ回路１０９、制御信号送信器１１０で構成されている。ＭＥＭＳ偏向系１０３はＭＥＭＳミラーである。

以下、動作について説明する。本システムにより伝送する送信信号１０１が光源１０２に入力され、光源を変調、光信号に変換する。変調された光信号は、ＭＥＭＳ偏向系１０３によりその伝播方向が２軸で偏向され、光ビーム１０５となって受信装置に向かって出力する。受信装置においては、送信装置から入力する光ビーム１０５の一部が受信器１０６に入力し、受信信号１０７が出力する。

また、送信装置から入力する光ビーム１０５の一部が光位置検出器１０８に入力し、光位置信号が検出される。検出された光位置検出信号は、フィルタ回路１０９で後述する変換を行った後、制御信号送信器１１０により伝送手段１１１を介して送信装置に向かって送信される。制御信号は、送信装置における制御信号受信器１０４で受信され、光位置を示す情報がＭＥＭＳ偏向系１０３にフィードバックされ、光ビーム１０５が受信器の所定の位置に入力するように制御される。制御信号は低速の信号であるため、その伝送手段１１１は、たとえば電力線、ＬＡＮなどの有線、また光、音波、電波などの無線技術を用いることができる。ここでは、主信号は一方向に伝送する場合を仮定しているが、双方向に伝送するシステムにおいては、制御信号をたとえばＴＤＭ（時間分割多重）などにより、主信号に多重して伝送してもかまわない。

図２を用いてフィルタ回路１０９の動作及びそれに伴うＭＥＭＳミラーの作用の詳細を説明する。光ビーム１０５が受信器１０６の所定の位置に入力している状態から、振動などにより位置ずれが生じた場合、たとえば図２（ａ）に示すＭＥＭＳ駆動信号２０１のような信号を印加して、ＭＥＭＳミラーを新しい位置に動かすように制御する。この制御信号に対するＭＥＭＳ振角の応答は、ＭＥＭＳのＱ値が大きいため、図２（ｂ）の参照符号２０２のように共振周波数に比べゆっくりと中心に収束していく。そのためＭＥＭＳ偏向系１０３から出力する光ビーム１０５の偏向角、および光ビーム１０５の入射位置を検出する光位置検出１０８の出力２０５（図２（ｃ）の点線で示す）もＭＥＭＳ振角の応答２０２と同様の応答となる。フィルタ回路１０９では、ＭＥＭＳ偏向系１０３の共振周波数の１周期（参照符号２０３で示す）と同じ長さの平均化時間（参照符号２０６で示す）にわたって、光位置検出器１０８からの参照符号２０５で示す出力を平均化して出力する。ＭＥＭＳのＱ値は１００程度と大きいため、１周期程度の時間で見た場合、出力２０５はほぼ振幅が一定の正弦波とみなすことができる。従って１周期にわたって平均化することにより、十分時間が経過したときに収束する値を得ることができる。この例では、フィルタ回路出力は図２（ｃ）の参照符号２０４のようになり、ＭＥＭＳミラーを新しい位置に駆動した場合、最初の１周期で収束することがわかる。従って、ＭＥＭＳミラーが安定するまでの時間である周期のＱ値倍程度待つことなく、次の位置に動かすことができ、追尾応答性が大幅に向上する。ここでは、フィルタ回路１０９の平均化時間２０６をＭＥＭＳの共振の１周期分の時間とする場合について説明したが、１周期の整数倍であっても同様の効果が実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図３は本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。図３において、図１と同一の構成には同一の参照符号を附し、詳しい説明は省略する。この例では、実用面を考慮して、送信装置には、ＭＥＭＳミラーの共振周波数（周期）を記憶するためのメモリ３０１、メモリ３０１からの出力を送信する制御信号送信器３０２が、また受信装置においては、制御信号受信器３０３が追加されている。実用面においてはＭＥＭＳの共振周波数がデバイス毎にばらついていることを考慮する必要がある。つまり、フィルタ回路１０９における平均化時間２０６と送信側ＭＥＭＳ偏向系１０３におけるＭＥＭＳの共振周波数で決まる周期２０３が異なる場合、フィルタ回路１０９からの出力は、十分時間が経過したときに収束する値と異なったものとなる。

本実施形態においては、ＭＥＭＳ偏向系１０３に使用されているＭＥＭＳの共振周波数（周期）がメモリ３０１に記憶されている。たとえば送信開始時、動作再開時、受信装置からの要求、あるいは定期的にメモリ３０１に記憶された共振周波数（周期）を送信装置の制御通信送信器３０２から受信装置に対して送信する。受信装置では、制御信号受信器３０３で受信し、共振周波数（周期）をフィルタ回路１０９に出力する。フィルタ回路１０９は、入力する共振周波数（周期）を平均化時間２０６として、光位置検出器１０８から入力する信号を平均化処理して制御信号送信部１１０に出力する。

ここでは制御信号送信器３０２、制御信号受信器３０３によりＭＥＭＳの共振周波数を送信装置から受信装置に伝送する方式について説明したが、ＴＤＭ（時分割多重）により主信号１０５に多重して伝送することも可能である。

ＭＥＭＳ偏向系１０３を構成するＭＥＭＳは半導体で形成されるため、メモリ３０１を同じ半導体に集積することも可能である。小型化、部品点数の削減が可能であり、製造時にＭＥＭＳの共振周波数（周期）をメモリに記憶させておくことにより、ＭＥＭＳ偏向系１０３とメモリ３０１の整合性に混乱を生じる可能性がなくなり製造性が向上する。

第２の実施形態を図４に示す。図４において、図１と同一の構成には同一の参照符号を附し、詳しい説明は省略する。この例では、さらなる利便性を考慮して、図１の構成に、周期測定回路４０１とメモリ４０２が追加されている。周期測定回路４０１は、例えば動作開始時、送信装置または受信装置のトリガーによりＭＥＭＳ偏向系１０３を構成するＭＥＭＳの共振周波数の測定を開始する。送信装置は測定用の信号を発生する。光位置検出器１０８の出力の一部は、周期測定回路４０１に入力し、周期が測定され、メモリ４０２に記憶される。フィルタ回路１０９は、メモリ４０２に記憶された周期を入力し共振周波数（周期）を平均化時間２０６として、光位置検出器１０８から入力する信号を平均化処理して制御信号送信部１１０に出力する。こうすることにより、受信装置側において、送信装置で用いられているＭＥＭＳミラーの共振周波数を測定できるので、送信装置側でメモリを持たせなくてもよい。また、本実施形態によれば、平均化時間と共振周波数測定の時間基準が同一となるので、時間基準の精度が高くなくても正確に周期の整数倍の平均化を行うことが出来る。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の光空間伝送装置の基本構成を示すブロック図 本発明に係るフィルタ回路の動作及びＭＥＭＳミラーの作用を説明するための図 本発明の第１の実施形態に係る光空間伝送装置のブロック図 本発明の第２の実施形態に係る光空間伝送装置のブロック図

符号の説明

１０１・・・送信信号、１０２・・・光源、１０３・・・ＭＥＭＳ偏向系、１０４・・・制御信号受信器、１０５・・・光ビーム、１０６・・・受信器、１０７・・・受信信号、１０８・・・光位置検出器、１０９・・・フィルタ回路、１１０・・・制御信号送信器

Claims (6)

1. 空間を介して光信号を伝送する光空間伝送装置において、
   光信号を発生する光源と、
   前記光源から出力する光信号の伝播方向を制御可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーと、
   前記光信号を受信し、電気信号に変換する受光素子と、
   伝送された光信号の前記受光素子への入射位置を検出する光入射位置検出部と、
   前記光入射位置検出部の出力を、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数で決まる周期の整数倍の時間で平均化して出力するフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路からの出力信号に基づき前記ＭＥＭＳミラーの位置を駆動制御するための信号を生成する制御信号生成部と、
   前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数を記憶する記憶素子とを備え、
   前記記憶素子より、前記フィルタ回路に対して、記憶されている前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数が供給される
   ことを特徴とする光空間伝送装置。
2. 空間を介して送信装置と受信装置との間で光信号を伝送する光空間伝送装置において、
   前記送信装置は、
   光信号を発生する光源と、
   前記光源から出力する光信号の伝播方向を制御可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーとを備え、
   前記受信装置は、
   前記光信号を受信し、電気信号に変換する受光素子と、
   伝送された光信号の前記受光素子への入射位置を検出する光入射位置検出部と、
   前記光入射位置検出部の出力を、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数で決まる周期の整数倍の時間で平均化して出力するフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路からの出力信号に基づき前記ＭＥＭＳミラーの位置を駆動制御するための信号を生成する制御信号生成部とを備え、
   前記送信装置は、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数を記憶する記憶素子と、前記受信装置に対して、前記記憶素子に記憶された前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数の情報を送信する送信器をさらに備えたことを特徴とする光空間伝送装置。
3. 前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数の情報は、前記送信装置が動作を開始するときに、前記受信装置に送信されることを特徴とする請求項２記載の光空間伝送装置。
4. 前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数の情報は、前記受信装置に定期的に送信されることを特徴とする請求項２記載の光空間伝送装置。
5. 前記記憶素子は、前記ＭＥＭＳミラーを形成する半導体に集積されていることを特徴とする請求項２記載の光空間伝送装置。
6. 空間を介して送信装置と受信装置との間で光信号を伝送する光空間伝送装置において、
   前記送信装置は、
   光信号を発生する光源と、
   前記光源から出力する光信号の伝播方向を制御可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーとを備え、
   前記受信装置は、
   前記光信号を受信し、電気信号に変換する受光素子と、
   伝送された光信号の前記受光素子への入射位置を検出する光入射位置検出部と、
   前記光入射位置検出部の出力を、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数で決まる周期の整数倍の時間で平均化して出力するフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路からの出力信号に基づき前記ＭＥＭＳミラーの位置を駆動制御するための信号を生成する制御信号生成部とを備え、
   前記受信装置はさらに、前記送信装置で使用するＭＥＭＳミラーの共振周波数を測定する手段と、測定された共振周波数を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段より前記フィルタ回路に対して、記憶されている前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数が供給されることを特徴とする光空間伝送装置。

Images