JP4099469B2 - ミラー制御回路およびそれを用いた光空間伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、高共振周波数および高Ｑ値を有するミラーを制御するミラー制御回路およびそれを用いた光空間伝送装置に関する。

光空間伝送は、高速大容量伝送などの光通信本来の利点に加え、自由空間を伝送媒体とするという特徴から他にも多くの利点を有している。例えば、電波の利用が制限される領域での利用が可能であり、また、光ファイバの敷設などの大規模な工事を伴わずに簡便に通信路を開設することが可能である。

光空間伝送は、互いに対向するように配置された光受信装置と光送信装置とによって実現され、これら両装置から構成される系は一般に光空間伝送装置と呼ばれている。ここで、光空間伝送には、毎秒数百メガビット以上といった高速信号の伝送を実現するに際していくつかの制約がある。例えば、高速応答性を確保するために光受信装置内の受光素子を小さくする必要があり、また、高速化に伴い感度が低下するため、光送信装置において光ビームの指向性を高める必要がある。そのため、光空間伝送装置は、通常、光自動追尾機能を有している。光自動追尾機能とは、上記各装置が傾いたり、各装置に振動などの外乱が加わった場合であっても通信が持続するように、光ビームを所望の光路に留める機能である。

この光自動追尾機能を実現するために、光送信装置と光受信装置には、光信号の出射方向を制御する光偏向系が備わっている。例えば光偏向系は、ミラーやレンズと、それら光学系を動かすモータなどの駆動機構とから構成される。また、光受信装置には、光信号の受光位置を検出する光位置検出器が備わっている。この光位置検出器の検出結果が、光受信装置内の光偏向系と光送信装置内の光偏向系とにフィードバックされることによって、光自動追尾が実現される。

ところが、このような光偏向系においては、水平方向と垂直方向との２軸の偏向が必要であるため、光送信装置および光受信装置の大型化、光学系を調整する工程の複雑化、高コスト化といった問題があった。また、レンズは質量が大きいため、それを動かす速度、すなわち偏向速度を上げることが困難であり、振動耐力も十分でない。そのため、上述したような光空間伝送装置は、これら問題や制限を考慮した限定的な適用範囲、例えばビル間通信などで使用されていた。

一方、上記した光偏向系として、ＭＥＭＳミラーを用いることが提案されている（例えば特許文献１参照）。ＭＥＭＳミラーとは、電気信号によってそのミラーの角度を制御することができる光偏向系一体型の微小ミラーであり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる半導体プロセスで製造される。また、ＭＥＭＳミラーは、ｋＨｚオーダの高い共振周波数を有することを特徴の一つとしている。よって、ＭＥＭＳミラーは、従来のミラーやレンズを用いた光偏向系と比較して、少なくとも小型であり且つ高速応答性を有するという利点を有している。

しかしながら、ＭＥＭＳミラーは、機械的な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）も高いため、振動が収まるまでの時間が長い。よって、ＭＥＭＳミラーを光自動追尾のために用いたとしても、通常の制御ではＭＥＭＳミラー本来の有する高速応答性を生かしきれなかった。

ＭＥＭＳミラーの機械的共振の影響を低減するために、ＭＥＭＳミラーを制御する信号に含まれる共振周波数成分をノッチフィルタによって除去する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。この方法では、ノッチフィルタの特性を選ぶことによって制御誤差およびＭＥＭＳミラーの応答速度を調節することが可能である。

図１１は、以下の式（１）に示す伝達関数で表わされるノッチフィルタを用いて、ＭＥＭＳミラーをステップ状の制御信号によって駆動したときの、制御誤差とＭＥＭＳミラーの偏向角度が定常値の９０％になるまでの時間（遅延時間）とを示すグラフである。図１１において、点線Ｇ２１が制御誤差を表し、実線Ｇ２２が遅延時間を表している。

なお、式（１）において、ω_nは阻止帯域（不要な信号が減衰される周波数範囲）の中心角周波数を示し、ζ_nはダンピング係数を示し、ｓはラプラス演算子を示す。図１１に示したグラフは、一例としてＭＥＭＳミラーの共振周波数を５００（Ｈｚ）、Ｑ値を１００、ω_n＝２π×５００（Ｈｚ）とした場合の計算結果である。

特開２００４−８０２５３号公報 特開２００４−８５５９６号公報

しかしながら、制御誤差の低減とＭＥＭＳミラーの応答速度の向上とはトレードオフの関係にある。具体的には、ＭＥＭＳミラーの過渡応答時のオーバーシュートや残留振動振幅を小さくすることにより、制御誤差を小さくしようとするとＭＥＭＳミラーの応答速度は遅くなる。逆に、ＭＥＭＳミラーの応答速度を上げると、オーバーシュートや残留振動振幅が大きくなり制御誤差が大きくなる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、小型で且つ高速応答性および制御精度に優れたミラー制御回路およびそれを用いた光空間伝送装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるミラー制御回路は、偏向角を制御することができるミラーの所望の角度への偏向を示す第１制御信号を生成する制御信号生成回路と、前記ミラーの第１の伝達関数の逆数に略比例する第２の伝達関数を有し、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから、前記ミラーの偏向角を制御する第２制御信号を生成する補償回路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる光空間伝送装置は、伝送対象となる信号によって変調された光ビームを出射する光源と、偏向角を制御することができ、前記光源から出射された光ビームを前記偏向角で反射するミラーと、前記光ビームを受光する受光素子と、前記光ビームの前記受光素子での入射位置を検出する光位置検出器と、前記光位置検出器によって検出された入射位置に基いて、前記ミラーの所望の角度への偏向を示す第１制御信号を生成する制御信号生成回路と、前記ミラーの第１の伝達関数の逆数に略比例する第２の伝達関数を有し、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから、前記ミラーの偏向角を制御する第２制御信号を生成する補償回路と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるミラー制御回路によれば、ミラーの共振周波数の影響を受けることなく、高速に且つ高精度にミラーを制御することができる。

また、本発明にかかる光空間伝送装置によれば、本発明にかかるミラー制御回路を備えているので、上記効果に加えて、振動の影響を受けにくい光自動追尾を実現することができる。

以下に、本発明にかかるＭＥＭＳミラー制御回路およびそれを用いた光空間伝送装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかるＭＥＭＳミラー制御回路について説明する。図１は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳミラー制御回路とその周辺要素とを示したブロック図である。図１において、光源１２は、伝送情報を表す電気信号を受け取り、その電気信号によって変調された信号光を出射する。光源１２は、例えば、半導体レーザによって構成することができ、出射する信号光は指向性の高い光ビームである。

ＭＥＭＳミラー１０は、光源１２から出射された光ビームを受け、受けた光ビームを制御信号に基づいて所望の方向に反射する。ＭＥＭＳミラー１０は、典型的には、図２に示すＭＥＭＳミラー２０のように、ミラー部２３と、第１の駆動軸ａ１によってミラー部２３をその環内において支持する環状基板２２と、第２の駆動軸ａ２によって環状基板２２をその円形の穴内において支持する支持基板２１とから構成される。例えば駆動力として電磁力を用いる方式では、ミラー部２３および環状基板２２にコイルが形成されており、外部より磁界がかけられ且つこのコイルに電流を流すことにより発生した電磁力によって、所定の角度にミラー部２３が偏向する。ＭＥＭＳミラー１０に入力される制御信号は、この２軸偏向を制御するための電気信号である。

本実施の形態にかかるＭＥＭＳミラー制御回路１００は、ＭＥＭＳミラー１０に入力される制御信号を生成する回路であり、制御信号生成回路１１０と補償回路１２０とを備えている。制御信号生成回路１１０は、ＭＥＭＳミラー１０の偏向の目標値を示す信号を生成する回路であり、この信号は、ＭＥＭＳミラー１０の共振特性については何ら考慮されていない信号である。換言すれば、制御信号生成回路１１０は、従来の最もシンプルなＭＥＭＳミラー制御回路に相当し、外部から与えられる別の信号から、制御対象となるＭＥＭＳミラーの仕様に適した制御信号を生成することもできる。なお、ＭＥＭＳミラー１０に入力される制御信号と区別するために、この制御信号生成回路１１０から出力される信号を第１制御信号と称し、ＭＥＭＳミラー１０に入力される制御信号を第２制御信号と称する。

補償回路１２０は、ＭＥＭＳミラー１０の伝達関数（以下、ＭＥＭＳ伝達関数と称する）の逆数に比例する伝達関数（以下、補償伝達関数と称する）を有し、制御信号生成回路１１０から出力された第１制御信号をその補償伝達関数に入力することによって上記した第２制御信号を生成する回路である。なお、ＭＥＭＳ伝達関数とは、ＭＥＭＳミラー１０に入力される制御信号に対するＭＥＭＳミラー１０の偏向角を表す伝達関数であり、補償伝達関数とは、第１制御信号から第２制御信号を得るための伝達関数である。

図３は、ＭＥＭＳミラー制御回路の具体例を示すブロック図である。図３に示すＭＥＭＳミラー制御回路２００は、図１に示すＭＥＭＳミラー制御回路１００に相当し、制御信号生成回路２１０および補償回路２２０は、それぞれ図１の制御信号生成回路１１０および補償回路１２０に相当する。図３に示す補償回路２２０は、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２２２と逆伝達特性回路２２４とを備えている。

ＬＰＦ２２２は、制御信号生成回路２１０から出力された第１制御信号の低域成分のみを通過させ、逆伝達特性回路２２４へと出力する２次以上の低域通過フィルタである。ＬＰＦ２２２が、例えば４次フィルタである場合、その伝達関数Ｇ_LPF（ｓ）は、以下の式（２）で表される。

ここで、ω_LPF1，ω_LPF2はそれぞれ１段目，２段目のカットオフ角周波数を示し、Ｑ_LPF1，Ｑ_LPF2はそれぞれ１段目，２段目のＱ値を示す。

逆伝達特性回路２２４は、ＭＥＭＳ伝達関数Ｇ_MEMS（ｓ）の逆数に比例した伝達関数Ｇ_INV（ｓ）を有し、ＬＰＦ２２２から出力された信号から、上記した第２制御信号を生成する。ＭＥＭＳ伝達関数Ｇ_MEMS（ｓ）は、一般に、以下の式（３）で表される。

ここで、ω_MEMSはＭＥＭＳミラー１０の共振角周波数を示し、Ｑ_MEMSはＭＥＭＳミラー１０のＱ値を示し、αは比例係数を示し、ｓはラプラス演算子を示す。

また、逆伝達特性回路２２４の伝達関数Ｇ_INV（ｓ）は、以下の式（４）で表される。

ここで、ω_INV，Ｑ_INVはＭＥＭＳミラー１０の特性を補償するようにそれぞれ略ω_MEMS，Ｑ_MEMSと一致させる。また、βは比例係数を示し、ｓはラプラス演算子を示す。

結果的に、補償回路２２０の伝達関数（すなわち、上記した補償伝達関数）Ｇ_CMP（ｓ）は、以下の式（５）で表される。

Ｇ_INVはＧ_MEMSに略逆比例しているので、ＬＰＦ２２２の伝達関数Ｇ_LPFをＧ_MEMSで除した伝達関数に略比例した伝達関数が得られる。

また、制御信号生成回路２１０から出力された第１制御信号を入力とし、ＭＥＭＳミラー１０の偏向角を出力とする伝達関数Ｇ_TOTAL（ｓ）は、以下の式（６）で表される。

次に、図３に示したＭＥＭＳミラー制御回路２００によってもたらされる効果について説明する。図４−１は、補償回路２２０から出力される第２制御信号と、その第２制御信号を入力したＭＥＭＳミラー１０の偏向角とを示したグラフである。図４−１において、点線Ｇ１が第２制御信号を示し、実線Ｇ２がＭＥＭＳミラー１０の偏向角を示しており、ともに変化後の定常値によって正規化された値として表されている。なお、図４−１のグラフを得た条件は、ω_MEMS＝２π×５００，Ｑ_MEMS＝１００，ω_INV＝２π×５００，Ｑ_INV＝１００であった。また、ＬＰＦ２２２は、カットオフ周波数がω_MEMSの２倍の４次ベッセル型であり、制御信号生成回路２１０からＬＰＦ２２２に入力される第１制御信号は、ステップ状の信号とした。

また、図４−２は、補償回路２２０を用いずに、制御信号生成回路２１０から出力された第１制御信号が直接、ＭＥＭＳミラー１０に入力された場合の、その第１制御信号と、ＭＥＭＳミラー１０の偏向角とを示したグラフである。図４−２において、点線Ｇ３が第１制御信号を示し、実線Ｇ４がＭＥＭＳミラー１０の偏向角を示しており、これらもまた正規化値として表されている。なお、ω_MEMS，Ｑ_MEMSの各値は、上記条件と一致させた。

図４−１および図４−２を比較すると、本実施の形態にかかるＭＥＭＳミラー制御回路２００を用いた場合の方が、ＭＥＭＳミラー１０の共振がなく、高速応答が実現されていることが分かる。

図５は、ＬＰＦ２２２のカットオフ周波数を変えた場合の、最大残留振幅（制御誤差）とＭＥＭＳミラー１０の偏向角が定常値の９０％になるまでの時間（遅延時間）とを示すグラフである。図５において、点線Ｇ５が制御誤差を示しており、実線Ｇ６が遅延時間を示す。このグラフから、カットオフ周波数を変えても残留振幅の値はほとんど変化せずに、遅延時間が変化していることが分かる。特に、カットオフ周波数を高くすることにより、高い制御精度で高速な応答が可能となる。

以上に説明したように、実施の形態１にかかるＭＥＭＳミラー制御回路によれば、ＭＥＭＳミラー１０に入力される制御信号を、ＭＥＭＳミラー１０の伝達関数の逆数に比例する伝達関数によって生成しているので、ＭＥＭＳミラー１０の共振周波数成分を打ち消すことができる。これにより、ＭＥＭＳミラー１０の振動が抑えられ、ＭＥＭＳミラー１０を所望の偏向角に高速に且つ高精度に動かすことできる。

なお、上記した補償回路２２０は、高速動作が可能なＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のデジタル信号処理プロセッサによって実現することができる。その場合、制御信号生成回路２１０を含めたＭＥＭＳミラー制御回路２００全体をそのＤＳＰ等によって実現してもよい。特に、補償回路２２０をデジタル信号処理プロセッサで実現する場合には、式（５）によって得られたアナログ信号をｎビット（ｎは自然数）の分解能でデジタル化し、それにより得られたデジタル信号を上記した第２制御信号として用いてもよい。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかるＭＥＭＳミラー制御回路について説明する。実施の形態２にかかるＭＥＭＳミラー制御回路は、図３に示したＬＰＦ２２２と逆伝達特性回路２２４とから構成された補償回路２２０を、記憶回路と加算回路とからなる簡単な構成によって実現することを特徴とする。

図６は、実施の形態２にかかるＭＥＭＳミラー制御回路を示すブロック図である。図６に示すＭＥＭＳミラー制御回路３００は、制御信号生成回路３１０および補償回路３２０を備え、それぞれ図１に示した制御信号生成回路１１０および補償回路１２０に相当する。すなわち、制御信号生成回路３１０は、上記した第１制御信号を出力し、補償回路３２０は、第１制御信号から上記した第２制御信号を生成する。一方、補償回路３２０は、図１の具体的構成例である図３と比較した場合に相違する。その相違点は、ＬＰＦ２２２および逆伝達特性回路２２４が、記憶回路３２２および加算回路３２４で置換され、且つ、制御信号生成回路２１０が、これら記憶回路３２２および加算回路３２４を制御する点である。換言すれば、上記した第２制御信号は、記憶回路３２２および加算回路３２４によって生成される。

記憶回路３２２は、図４−１の点線Ｇ１で示した制御信号に相当する信号を記憶している。例えば、図４−１に示した点線Ｇ１のうち、０から２ｍｓｅｃまでの期間の信号波形を記憶し、その２ｍｓｅｃを基本波形として設定している。制御信号生成回路３１０は、第１制御信号の出力の他に、この記憶回路３２２を制御する信号を出力している。具体的には、記憶回路３２２に対して、上記した基本波形を出力するタイミングを指示する。

加算回路３２４は、制御信号生成回路３１０から出力された第１制御信号と、記憶回路３２２から出力された信号波形とを入力し、それらを加算することによって第２制御信号を生成する。

図７−１は、制御信号生成回路３１０が出力する第１制御信号の例を示す図である。図７−１において、点線Ｇ７は、第１制御信号がアナログ信号である場合の信号波形を示し、実線Ｇ８は、同信号波形をデジタル信号で表した場合の信号波形を示す。ここでは、補償回路３２０に、第１制御信号としてデジタル信号が入力されるものとする。すなわち、制御信号生成回路３１０は、加算回路３２４に対して、実線Ｇ８に示すようなステップ状の波形を入力する。換言すれば、ＭＥＭＳミラー１０の偏向角をステップ状に変化させることによって、目標とする角度に偏向させる。特に、実線Ｇ８は、２ｍｓｅｃごとに一定の大きさだけ振幅が増す波形であり、制御信号生成回路３１０は、その２ｍｓｅｃ間隔を上記した基本波形の読み出しタイミングとして記憶回路３２２に指示する。

図７−２は、記憶回路３２２から出力される信号の例を示す図である。特に、図７−２に示された実線Ｇ９は、図７−１の実線Ｇ８で示された第１制御信号が加算回路３２４に入力された場合の記憶回路３２２の出力を示している。すなわち、この例では、加算回路３２４に、２ｍｓｅｃごとに上記した基本波形が入力される。

図７−３は、加算回路３２４から出力される信号、すなわち第２制御信号の例を示す図である。特に、図７−３に示された実線Ｇ１０は、図７−１の実線Ｇ８で示される信号と図７−２の実線Ｇ９で示される信号とが入力された場合の加算回路３２４の出力を示している。図７−３を見てもわかるように、実線Ｇ１０は、図７−１の実線Ｇ８と図７−２の実線Ｇ９とを同じ時間軸上で加算した結果である。

図７−４は、ＭＥＭＳミラー１０の応答波形の例を示す図である。特に、図７−４に示された実線Ｇ１１は、ＭＥＭＳミラー１０に、図７−３の実線Ｇ１０で示された第２制御信号が入力された場合のＭＥＭＳミラー１０の偏向角に対応する波形である。この図からわかるように、図４−１の実線Ｇ２で示された偏向角の正規化値と同様に、ＭＥＭＳミラー１０の共振がなく、高速応答が実現されていることが分かる。特に、図７−１〜図７−４に示した例では、ＭＥＭＳミラー１０の偏向角をステップ状に変化させる場合であっても、高速にかつ高精度にＭＥＭＳミラー１０の偏向が実現されることを示している。

以上に説明したように、実施の形態２にかかるＭＥＭＳミラー制御回路によれば、補償回路３２０を、記憶回路３２２と加算回路３２４という簡単な構成によって実現しているため、ＭＥＭＳミラー１０に入力される第２制御信号を生成するための演算処理量が軽減し、且つ、低価格で提供することができるとともに、消費電力の低下をも実現することができる。

図７−１に示した第１制御信号の例では、一定の振幅で増加するステップ状の波形を示したが、加算回路３２４に入力される信号は、ステップごとに異なる振幅で増加する波形であってもよい。図８は、それを実現するＭＥＭＳミラー制御回路の変形例を示すブロック図である。図８に示すＭＥＭＳミラー制御回路４００は、制御信号生成回路４１０および補償回路４２０を備え、補償回路４２０はさらに記憶回路４２２と加算回路４２４と増幅回路４２６とを備える。制御信号生成回路４１０，記憶回路４２２，加算回路４２４は、それぞれ図６に示した制御信号生成回路３１０，記憶回路３２２，加算回路３２４に対応し、それらと同様な機能を有する。図６に示した制御信号生成回路３１０との相違点は、記憶回路４２２と加算回路４２４との間に増幅回路４２６が介在する点である。また、制御信号生成回路４１０は、この増幅回路４２６へと所望の利得信号を出力する。この利得信号は、記憶回路４２２から出力される基本波形の出力タイミング、換言すれば、制御信号生成回路４１０から出力される第１制御信号のステップに応じて異なる値にすることができる。すなわち、増幅回路４２６は、記憶回路４２２から出力された基本波形に任意の振幅を与え、その結果を加算回路４２４に出力する。これにより、加算回路４２４は、第２制御信号として、振幅増加幅の異なったステップ状の信号を出力することができる。これは、ＭＥＭＳミラー１０の偏向角をより緻密に制御することができることを意味する。なお、増幅回路４２６は、基本波形を増幅するのではなく、加算回路４２４の入力前段において、第１制御信号を増幅するように構成されてもよい。

また、第１制御信号は、上記した例のようなステップ状の波形でなくてもよく、図７−２に示したような基本波形を重畳するタイミングを計ることができれば、他の種々の波形であってもよい。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路について説明する。実施の形態３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路は、補償回路が有する上記した補償伝達関数の温度補償を行なうことを特徴とする。

図９は、実施の形態３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路を示すブロック図である。図９に示すＭＥＭＳミラー制御回路５００は、制御信号生成回路５１０および補償回路５２０を備え、それぞれ図３に示した制御信号生成回路２１０および補償回路２２０と同様に機能する。また、補償回路５２０は、ＬＰＦ５２２および逆伝達特性回路５２４を備え、それぞれ図３に示したＬＰＦ２２２および逆伝達特性回路２２４と同様に機能する。

ＭＥＭＳミラー制御回路５００は、さらに、温度測定回路５３０および係数補正回路５４０を備え、この点で図３に示したＭＥＭＳミラー制御回路２００と相違する。温度測定回路５３０は、ＭＥＭＳミラー１０またはその周辺の温度を測定し、測定結果を係数補正回路５４０に出力する。係数補正回路５４０は、温度測定回路５３０から受け取った測定結果が示す温度に基いて、補償回路５２４の伝達特性がその温度におけるＭＥＭＳミラー１０の伝達特性とマッチするように、上記した補償伝達関数の係数を補正する。

これにより、ＭＥＭＳミラー１０の共振周波数およびＱ値が温度によって変化した場合、すなわち逆伝達特性回路５２４の伝達関数Ｇ_INV（ｓ）が、ＭＥＭＳミラー１０のＭＥＭＳ伝達関数Ｇ_MEMS（ｓ）の逆数からずれてしまった場合であっても、図４−１に示したような第２制御信号と偏向角との関係を維持することができる。

以上に説明したように、実施の形態３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路によれば、補償回路５２０の補償伝達関数の温度補償を行うので、ＭＥＭＳミラー１０の温度やその周辺温度に依存することなく、実施の形態１による効果を享受することができる。

なお、ＭＥＭＳミラー１０は半導体で形成されるため、それを温度測定回路５３０と同じ半導体基板に集積することも可能である。この場合、温度測定回路５３０をＭＥＭＳミラー１０の周囲に配置する場合に比べ、温度測定の精度が高くなるとともに、小型化、部品点数の削減が可能である。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる光空間伝送装置について説明する。実施の形態４にかかる光空間伝送装置は、光送信装置の光偏向系として、ＭＥＭＳミラーと実施の形態１〜３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路とを用いたことを特徴とする。

図１０は、実施の形態４にかかる光空間伝送装置を示すブロック図である。図１０において、図１と共通する部分には、同一の符号を付し、ここではそれらの説明を省略する。すなわち、ＭＥＭＳミラー１０と、光源１２と、ＭＥＭＳミラー制御回路１００とは、図１に説明した同部と同様に機能する。光空間伝送装置を構成する光送信装置は、ＭＥＭＳミラー１０と、光源１２と、ＭＥＭＳミラー制御回路１００と、受信器１４とを備える。一方、光空間伝送装置を構成する光受信装置は、受光素子３２と、光位置検出装置３４と、送信器３６とを備える。

以下に、この光空間伝送装置の動作について説明する。ここでは、光送信装置から光受信装置に対して一方向に主信号を伝送する場合を説明する。まず、光送信装置において、伝送対象となる送信信号が光源１２に入力され、光源１２は、その送信信号を光ビームに変換する。光源１２から出射された光ビームは、ＭＥＭＳミラー１０に入射し、その伝播方向が２軸方向において偏向される。偏向された光ビームは、光受信装置に向かって自由空間を伝播する。光受信装置に達した光ビームは、その一部が受光素子３２に入射し、他の一部が光位置検出器３４に入射する。

受光素子３２に入射された光ビームは、電気信号に変換され、光受信信号として出力される。一方、光位置検出器３４は、光ビームの入射位置を検出し、その検出結果を入射位置信号として出力する。入射位置信号は、送信器３６に入力され、その送信器３６によって光送信装置の受信器１４へと送信される。この入射位置信号は低速の信号であるため、送信器３６と受信器１４との間において、電力線やＬＡＮなどの有線によって送受信されてもよいし、光、音波、電波などの無線技術を用いて送受信されてもよい。ここでは、主信号、すなわち光ビームが一方向に伝送される場合を想定しているが、双方向に伝送される場合には、入射位置信号をたとえばＴＤＭ（時間分割多重）などによって主信号に多重して伝送してもかまわない。

受信器１４は、受信した入射位置信号を、ＭＥＭＳミラー制御回路１００の制御信号生成回路１１０に出力する。制御信号生成回路１１０は、入力された入射位置信号から、実施の形態１〜３において説明した第１制御信号を生成し、その第１制御信号を補償回路１２０に出力する。補償回路１２０は、実施の形態１〜３において説明したように、入力された第１制御信号から第２制御信号を生成し、生成した第２制御信号をＭＥＭＳミラー１０に出力する。これにより、ＭＥＭＳミラー１０は、光源１２から出射された光ビームが光受信装置の受光素子３２の所定の位置に入射されるようにフィードバック制御される。

なお、以上に説明した実施の形態４にかかる光空間伝送装置は、実施の形態１〜３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路を用いた点以外は、従来のＭＥＭＳミラーを用いた光空間伝送装置の構成を適用することができる。換言すれば、実施の形態１〜３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路は、既存または公知の光空間伝送装置に容易に適用することができ、小型で且つ高速応答性および制御精度に優れた光偏向系を提供することができるとともに、振動の影響を受けにくい光自動追尾を実現することができる。

以上に説明した実施の形態１〜４においては、光ビームを偏向する手段としてＭＥＭＳミラーを例に挙げたが、ＭＥＭＳミラーと同様な共振特性およびＱ値を有するミラーであれば、そのミラーを電気制御する回路として上記した実施の形態にかかるＭＥＭＳミラー制御回路を使用することができる。

また、本発明は、上述したような特定の実施形態に限定されるものではなく、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。すなわち、本発明にかかる実施の形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物にかかる発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

以上のように、本発明にかかるミラー制御回路は、ＭＥＭＳミラーのような高共振周波数および高Ｑ値を有するミラーを高精度且つ高速に制御するのに有用であり、特に、光空間伝送装置の一構成要素として使用するのに適している。

実施の形態１にかかるＭＥＭＳミラー制御回路とその周辺要素とを示したブロック図である。 ＭＥＭＳミラーの模式図である。 実施の形態１にかかるＭＥＭＳミラー制御回路の具体例を示すブロック図である。 実施の形態１にかかるＭＥＭＳミラー制御回路の補償回路から出力される第２制御信号と、その第２制御信号を入力したＭＥＭＳミラーの偏向角とを示したグラフである。 制御信号生成回路から出力された第１制御信号が直接、ＭＥＭＳミラーに入力された場合の、その第１制御信号と、ＭＥＭＳミラーの偏向角とを示したグラフである。 ＬＰＦのカットオフ周波数を変えた場合のＭＥＭＳミラーの制御誤差とその偏向の遅延時間とを示すグラフである。 実施の形態２にかかるＭＥＭＳミラー制御回路を示すブロック図である。 制御信号生成回路が出力する第１制御信号の例を示す図である。 記憶回路から出力される信号の例を示す図である。 加算回路から出力される信号、すなわち第２制御信号の例を示す図である。 ＭＥＭＳミラーの応答波形の例を示す図である。 実施の形態２にかかるＭＥＭＳミラー制御回路の変形例を示すブロック図である。 実施の形態３にかかるＭＥＭＳミラー制御回路を示すブロック図である。 施の形態４にかかる光空間伝送装置を示すブロック図である。 従来のＭＥＭＳミラー制御におけるＭＥＭＳミラーの制御誤差とその偏向の遅延時間とを示すグラフである。

符号の説明

１０，２０ ＭＥＭＳミラー
１２ 光源
１４ 受信器
２１ 支持基板
２２ 環状基板
２３ ミラー部
３２ 受光素子
３４ 光位置検出器
３６ 送信器
１００，２００，３００，４００，５００ ＭＥＭＳミラー制御回路
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０ 制御信号生成回路
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０ 補償回路
２２２，５２２ ＬＰＦ
２２４，５２４ 逆伝達特性回路
３２２，４２２ 記憶回路
３２４，４２４ 加算回路
４２６ 増幅回路
５３０ 温度測定回路
５４０ 係数補正回路

Claims (8)

1. 偏向角を制御することができるミラーの所望の角度への偏向を示す第１制御信号を生成する制御信号生成回路と、
   前記ミラーの第１の伝達関数の逆数に略比例する第２の伝達関数を有し、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから、前記ミラーの偏向角を制御する第２制御信号を生成する補償回路と、
   を備え、
   前記補償回路は、
   前記第１制御信号を通過させる２次以上の第３の伝達関数を有する低域通過フィルタと、
   前記第１の伝達関数に略逆比例する第４の伝達関数を有し、前記低域通過フィルタを通過した前記第１制御信号と、前記第４の伝達関数とから、前記第２制御信号を生成する逆伝達特性回路と、
   を備え、
   前記第２の伝達関数は、前記第３の伝達関数と前記第４の伝達関数との積で表わされることを特徴とするミラー制御回路。
2. 偏向角を制御することができるミラーの所望の角度への偏向を示す第１制御信号を生成する制御信号生成回路と、
   前記ミラーの第１の伝達関数の逆数に略比例する第２の伝達関数を有し、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから、前記ミラーの偏向角を制御する第２制御信号を生成する補償回路と、
   を備え、
   前記補償回路は、
   ２次以上の第３の伝達関数を有する低域通過フィルタに前記第１制御信号を通過させた際に得られる信号と前記第１の伝達関数に略逆比例する第４の伝達関数とから生成した基本信号波形を記憶する記憶回路と、
   前記第１制御信号と前記基本信号波形とを加算して前記第２制御信号を生成する加算回路と、
   を備え、
   前記第２の伝達関数は、前記第３の伝達関数と前記第４の伝達関数との積で表わされることを特徴とするミラー制御回路。
3. 偏向角を制御することができるミラーの所望の角度への偏向を示す第１制御信号を生成する制御信号生成回路と、
   前記ミラーの第１の伝達関数の逆数に略比例する第２の伝達関数を有し、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから、前記ミラーの偏向角を制御する第２制御信号を生成する補償回路と、
   を備え、
   前記補償回路は、
   ２次以上の第３の伝達関数を有する低域通過フィルタに前記第１制御信号を通過させた際に得られる信号と前記第１の伝達関数に略逆比例する第４の伝達関数とから生成した基本信号波形を記憶する記憶回路と、
   前記基本信号波形を任意のタイミングで且つ任意の利得で増幅する増幅回路と、
   前記第１制御信号と、前記増幅回路によって増幅された前記基本信号波形とを加算して前記第２制御信号を生成する加算回路と、
   を備え、
   前記第２の伝達関数は、前記第３の伝達関数と前記第４の伝達関数との積で表わされることを特徴とするミラー制御回路。
4. 偏向角を制御することができるミラーの所望の角度への偏向を示す第１制御信号を生成する制御信号生成回路と、
   前記ミラーの第１の伝達関数の逆数に略比例する第２の伝達関数を有し、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから、前記ミラーの偏向角を制御する第２制御信号を生成する補償回路と、
   を備え、
   前記補償回路は、
   ２次以上の第３の伝達関数を有する低域通過フィルタに前記第１制御信号を通過させた際に得られる信号と前記第１の伝達関数に略逆比例する第４の伝達関数とから生成した基本信号波形を記憶する記憶回路と、
   前記第１制御信号を任意のタイミングで且つ任意の利得で増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路によって増幅された前記第１制御信号と、前記基本信号波形とを加算して前記第２制御信号を生成する加算回路と、
   を備え、
   前記第２の伝達関数は、前記第３の伝達関数と前記第４の伝達関数との積で表わされることを特徴とするミラー制御回路。
5. 前記ミラーまたはその周辺の温度を測定する温度測定回路と、
   前記温度に基いて前記補償回路の前記第２伝達関数の係数を補正する係数補正回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のミラー制御回路。
6. 前記ミラーは、ＭＥＭＳミラーであり、前記温度測定回路は、前記ＭＥＭＳミラーと同一の半導体基板に集積されることを特徴とする請求項５に記載のミラー制御回路。
7. 前記ミラーは、ＭＥＭＳミラーであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のミラー制御回路。
8. 前記第２制御信号は、前記第１制御信号と前記第２の伝達関数とから得られるアナログ制御信号を、デジタル化した信号であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のミラー制御回路。

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