JP4328401B2

JP4328401B2 - 光通信装置

Info

Publication number: JP4328401B2
Application number: JP36071898A
Authority: JP
Inventors: 敏克秋葉; 敦史貞本; 高宏天野
Original assignee: NEC Space Technologies Ltd
Current assignee: NEC Space Technologies Ltd
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: JP2000180652A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば人工衛星、宇宙ステーション、宇宙往還機等の宇宙航行体間や、宇宙航行体と地上局との間において、空間伝搬を利用して光通信を行うのに用いる光通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光通信装置においては、通信局間を光ファイバケーブルでケーブル接続して、この光ファイバケーブルを伝送路として、相互間で光通信を行う光ファイバ方式が採用されている。このような光通信システムにあっては、在来からのＲＦ通信に比して通信容量を飛躍的に増大することが可能となる。
【０００３】
ところで、最近の宇宙開発の分野においては、衛星間通信等の通信の多様化が図られており、通信容量の増大が要請されている。そこで、宇宙開発の分野にあっては、地上局と宇宙航行体や宇宙航行体間に光通信システムを構築して、通信容量の大容量化を図り、通信の多様化を実現する構想がある。
【０００４】
このような光通信システムに好適する光通信装置は、在来からの方式と異なり、光伝送路として光ファイバケーブルを敷設することなく、通信光を空間伝搬を利用して相手局に送信して光通信を行う空間伝搬方式が考えられ、研究されている。このような空間伝搬方式の光通信装置としては、特開平７―３０７７０３号に開示されているように空間を伝搬した微弱な光を、光アンテナを用いて送受し、その受信光を光学系を介して光信号処理系に導いて、この光信号処理系で光信号処理を施すことにより、光情報を取得する。この際、受信光は、光アンテナを、通信方向に指向制御して、粗い光軸誤差の補正が行われると共に、その光学系の光軸が調整されて光信号処理系に入射される。
【０００５】
ところが、上記光通信装置では、光アンテナで受信した微弱な受信光を空間伝搬させて光信号処理系に導いている構成上、空間伝搬された微弱な受信光を、検波して強度変調信号を再生する際に、背景光による影響を受けるために、送信する空間伝搬光の電力レベルを、背景光の電力レベルより優勢に設定しなければ高精度な再生が困難となる。このように、空間伝搬光の電力レベルが背景光の電力レベルより優勢でないと、高精度な光通信が困難となることにより、通信相手局との間の空間伝搬距離（回線距離）を長距離に設定するのが困難であるという問題を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、空間伝搬光を利用した光通信装置にあっては、送受する通信光が非常に微弱なために、受信した通信光の光信号処理が非常に面倒で、空間伝搬距離を長距離に設定することが困難であるという問題を有する。
【０００７】
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、空間伝搬距離の長距離化を容易に実現し得、且つ、簡便にして高精度な光信号処理を実現し得るようにした光通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】
この発明は、通信相手局と通信光の送受を行う指向調整自在に設けられた光アンテナと、この光アンテナで受信した通信光に基づいて当該光アンテナを前記通信相手局に指向調整する光アンテナ追尾手段と、前記光アンテナで通信相手局から受信した通信光を分離するスプリッタと、前記スプリッタで分離した一方の通信光の光軸を検出して、その検出値に基づいて前記スプリッタに入射する前記通信光の光軸に対してアライメント調整する第１の光軸調整部と、前記スプリッタで分離した他方の通信光の光軸を検出して、その検出値に基づいて前記他方の通信光の光軸に対してアライメント調整する第２の光軸調整部と、この第２の光軸調整部の出力光路に配置され、前記光軸調整部で光軸調整した通信光が照射される光ファイバケーブルとを具備し、前記スプリッタは、前記通信相手局へ送信する通信光を前記通信相手局側へ導くことを特徴とする光通信装置である。
【０００９】
上記構成によれば、光アンテナで、受信した通信光は、光軸調整手段により光ファイバケーブルのコア径に調整されて、当該光ファイバケーブルのコアに光結合され、この光ファイバケーブルを経由して信号処理部に入力される。これにより、受信した通信光を、例えば光ヘテロダイン検波して、その強度変調信号を高精度に再生することが容易に可能となり、電力レベルの微弱な通信光においても、高精度な光通信が実現されて、空間伝搬距離の長距離化の促進を容易に図ることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、この発明の一実施の形態に係る光通信装置を示すもので、光通信用光アンテナ１０は、租追尾手段を構成する指向調整機構部１１を介して例えば図示しない宇宙航行体に指向調整自在に搭載される。この光アンテナ１０は、例えば図２に示すように主反射鏡１０１及び副反射鏡１０２が支持部材１０３を用いて組合せ配置され、例えば図示しない他の宇宙航行体に構築される通信相手局からの通信光を主反射鏡１０１で受信して、その副反射鏡１０２を介して入出力路に出力する。
【００１２】
そして、光アンテナ１０は、その入出力路から後述するように送信用通信光が入力されると、その通信光が副反射鏡１０２に導かれた後、この副反射鏡１０２で反射されて主反射鏡１０１に導かれて、この主反射鏡１０１で上記通信相手局に向けて送信される。
【００１３】
上記光アンテナ１０の光入出路上には、光学系を構成するコリメータレンズ１２が配置され、このコリメータレンズ１２の後段には、第１のビームスプリッタ１３が配置される。この第１のビームスプリッタ１３の反射光路には、集光レンズ１４を介して光検出部１５が配置される。この光検出部１５は、その出力端に光アンテナ指向制御部１６が接続され、入力した通信光の光軸ずれ量を検出して光アンテナ指向制御部１６に出力する。光アンテナ指向制御部１６は、その出力端に上記指向調整機構１１が接続され、入力した通信光の光軸ずれ量と、上記光アンテナ１０の角度情報に基づいて駆動信号を生成して上記指向調整機構１１を駆動して光アンテナ１０を通信相手局方向に指向制御する。
【００１４】
なお、上記光アンテナ１０の角度情報は、図示しない角度検出器で検出されて上記光アンテナ指向制御部１６に出力される。
【００１５】
また、上記第１のビームスプリッタ１３の透過光路には、光軸調整用反射鏡１７、結像レンズ１８を介して第２のビームスプリッタ１９が配置される。このうち反射鏡１７は、後述する角度調整機構部２０を介して光軸に対して略直交する二軸方向に角度調整自在に設けられる。
【００１６】
上記第２のビームスプリッタ１７の反射光路には、第３のビームスプリッタ２１を介して光検出部２２が、例えば光軸に対して略直交する二軸方向に配置され、この光検出部２２の出力端には、反射鏡角度制御部２３が接続される。
【００１７】
光検出部２２は、第３のビームスプリッタ２１を介して入射した通信光の光軸ずれ量を検出して、その光情報を上記反射鏡角度制御部２３に出力する。この反射鏡角度制御部２３は、その出力端が上記角度調整機構部２０に接続され、入力した光情報と、角度調整機構部２０の後述する角度検出部２０１（図３参照）で検出した反射鏡１７の角度情報とに基づいて角度駆動信号を生成して角度調整機構部２０に出力する。角度調整機構部２０は、入力した角度駆動信号に基づいて反射鏡１７の角度を調整して光軸に対するアライメント調整を行うと共に、通信光に含まれる中周波の振動を除去する。
【００１８】
上記角度調整機構部２０は、例えば図３に示すように上記反射鏡１７が支持部材２０２に取付けられ、この支持部材２０２は、支持台２０３に略直交する二軸回りに回動自在に取付けられる。この支持台２０３には、複数の電磁アクチュエータ２０４が上記支持部材２０２の二軸に対応して設けられる。
【００１９】
また、支持台２０３には、上記光角度検出部２０１が支持部材２０２の図示しない被検出部に対応して設けられる。光角度検出部２０１は、支持部材２０２の被検出部（図示せず）を検出して反射鏡１７の二軸回りの角度を検出して、上記反射鏡角度制御部２３に出力する。反射鏡角度制御部２３は、光角度検出部２０１からの角度情報及び光検出部２２からの光情報に基づいて角度駆動信号を生成して、上記電磁アクチュエータ２０４を選択的に駆動制御する。これら電磁アクチュエータ２０４は、上記支持部材２０２の二軸回りの角度を制御して反射鏡１７の角度を制御し、光路上の光軸に対するアライメント調整を行って光軸ずれ及び中周波の振動成分を除去する。
【００２０】
また、上記第２のビームスプリッタ１９の透過光路には、通信光集光手段を構成する透過レンズ２４が配置され、この透過レンズ２４の後段には、第４のビームスプリッタ２５が配置される。このうち透過レンズ２４は、光軸に対して略直交する二軸方向に光軸調整機構部２６を介して移動調整自在に設けられ、この光軸調整機構部２６の入力端には、光軸制御部２７の出力端が接続される。
【００２１】
さらに、上記第４のビームスプリッタ２５の後段には、その反射光路に光検出部２８が配置され、その透過光路に光ファイバケーブル２９の一端が対向配置される。そして、この光ファイバケーブル２９の他端には、光信号処理部３０の入力端が光結合される。
【００２２】
上記光検出部２８は、第４のビームスプリッタ２５を介して入射した通信光の光軸ずれ量を検出して、その光情報を上記光軸制御部２７に出力する。この光軸制御部２７は、その出力端に上記光軸調整機構部２６が接続され、入力した光情報に基づいて駆動信号を生成して、光軸調整機構部２６を駆動制御して上記透過レンズ２４を二次元的に移動制御して光軸に対するアライメント調整を行って光軸ずれ及び高周波の振動成分を除去して、通信光を上記光ファイバケーブル２９に案内する。
【００２３】
光軸調整機構部２６は、図４に示すように透過レンズ２４が強磁性体で形成されるレンズ取付部２６１に取付けられ、このレンズ取付部２６は、その光軸に対して略直交する二軸方向が、それぞれ例えば枠状の一対の弾性支持部２６２を介して筐体２６３に取付けられる。これら一対２組の弾性支持部２６２には、電磁アクチュエータ２６３がそれぞれ収容される。電磁アクチュエータ２６３は、例えば図５に示すように一対を一組として駆動制御されて、その電磁力をレンズ取付部２６１を上記二軸の一方方向に付勢する。ここで、弾性支持部２６２は、一対２組が筐体２６３内で弾性変形して、例えば図５中破線で示すようにレンズ取付部２６１を二次元的に移動制御して、透過レンズ２４の光軸を調整制御する。
【００２４】
上記光軸調整機構部２６は、透過レンズ２４をレンズ取付部２６１に取付けて、このレンズ取付部２６１を弾性支持部２６２を介して筐体２６３に光軸に対して略直交する二軸方向に弾性変形自在に組付けて、透過レンズ２４をレンズ取付部２６１を介して直接的に二次元的に移動調整して光軸の補正を行っていることにより、迅速な光軸補正が実現されて光ファイバケーブル２９との高精度な光結合を実現している。
【００２５】
また、上記第３のビームスプリッタ２１の反射光路には、光送信部３１が例えば反射鏡３２及びレンズ３３を介して配置される。光送信部３１は、図示しない信号送信部からの送信信号に応動して通信光を生成し、レンズ３３から、通信遅れによる相手衛星の位置を補正する角度だけ傾けた反射鏡３２を介して、上記第３のビームスプリッタ２１の反射光路に出力する。第３のビームスプリッタ２１は、反射光路に入力した通信光を第２のビームスプリッタ１９、結像レンズ１８、反射鏡１７、第１のビームスプリッタ１３及びコリメータレンズ１２を介して光アンテナ１０に出力する。光アンテナ１０は、コリメータレンズ１２を介して入力された通信光を副反射鏡１０２で受けた後、主反射鏡１０１を介して上記通信相手局に向けて送信する。
【００２６】
上記構成において、通信相手局から送信された通信光は、光アンテナ１０の主反射鏡１０１で受光され、この主反射鏡１０１で反射されて副反射鏡１０２で反射され、コリメータレンズ１２に導かれて平行光に変換される。この際、光アンテナ１０の指向制御により、通信光の低周波の振動成分が除去される。
【００２７】
次に、平行光は、第１のビームスプリッタ１３の反射光路を介して結像レンズ１４に導かれて光検出部１５に入射される。光検出部１５は、入射した通信光の光軸ずれ量を検出して、光情報を光アンテナ指向制御部１６に出力する。光アンテナ指向制御部１６は、光情報と図示しない光アンテナ１０の角度情報に基づいてアンテナ駆動信号を生成して、上記指向調整機構部１１を駆動制御し、光アンテナ１０を通信相手局に向けて指向制御する。
【００２８】
また、上記平行光は、第１のビームスプリッタ１３の透過光路から反射鏡１７に導かれ、この反射鏡１７、結像レンズ１８を介して第２のビームスプリッタ１９に導かれる。この第２のビームスプリッタ１９に導かれた平行光は、当該第２のビームスプリッタ１９の反射光路で反射された後、第３のビームスプリッタ２１の透過光路を透過して光検出部２２に入射される。光検出部２２は、入射した通信光の光軸ずれ量を検出して、その光情報を反射鏡角度制御部２３に出力する。同時に、この反射鏡角度制御部２３には、角度調整機構部２０の角度検出部２０１からの反射鏡１７の角度情報が入力され、この角度情報と上記光情報に基づいて電磁アクチュエータ２０４を駆動して支持部材２０２の二軸方向の角度を調整制御し、反射鏡１７の角度を二次元的に制御して、光軸を制御すると共に、低、中周波の振動成分を除去する。
【００２９】
そして、第２のビームスプリッタ１９に導かれた平行光は、当該第２のビームスプリッタ１９の透過光路を透過して透過レンズ２４を透過し、第４のビームスプリッタ２５に導かれる。この第４のビームスプリッタ２５で反射された平行光は、光検出部２８に入射される。光検出部２８は、入射した通信光の光軸ずれ量を検出して、その光情報を光軸制御部２７に出力する。ここで、光軸制御部２７は、入力した光情報に基づいて駆動信号を生成して、上述したように光軸調整機構部２６の電磁アクチュエータ２６３を駆動制御し、透過レンズ２４を二次元的に移動制御して光軸を光ファイバケーブル２９の一端に対向させる。
【００３０】
ここで、透過レンズ２４を透過した通信光は、その光軸が制御されると共に、その高周波の振動成分が除去されて第４のビームスプリッタ２５に供給され、当該第４のビームスプリッタ２５の透過光路を透過して光ファイバケーブル２９の一端に入射される。そして、この光ファイバケーブル２９に入射された通信光は、当該光ファイバケーブル２９内を伝送して光信号処理部３０に入力され、例えば光ヘテロダイン検波されて光強度信号が再生されて光情報が生成される。
【００３１】
また、光送信部３１から送信された通信光は、レンズ３３で平行光に変換された後、反射鏡３２を介して第３のビームスプリッタ２１の反射光路に導かれる。この第３のビームスプリッタ２１に導かれた通信光は、第２のビームスプリッタ１９を経由して反射鏡１７に導かれた後、第１のビームスプリッタ１３を透過してコリメータレンズ１２に導かれて集光され、光アンテナ１０の副反射鏡１０２及び主反射鏡１０１を介して上記通信相手局に向けて照射される。この際、送信光は、上述したように角度調整された反射鏡１７により、所望の光軸が確保される。
【００３２】
このように、上記光通信装置は、通信相手局と通信光の送受を行う指向調整自在に設けられた光アンテナ１０で受信した通信光の光路上に、角度調整機構部２０を介して光軸調整自在な反射鏡１７、及び光軸調整機構部２６を介して光軸調整自在な透過レンズ２４を順に配置して、先ず角度調整機構部２０を駆動制御して通信光の光軸をアライメント調整すると共に、光軸調整機構部２６を駆動制御して同様に、アライメント調整して、このアライメント調整後の通信光を光ファイバケーブル２９の一端に光結合させるように構成した。
【００３３】
これによれば、光アンテナ１０で、受信した通信光は、光ファイバケーブル２９のコア径に調整されて、当該光ファイバケーブル２９のコアに高精度に光結合され、この光ファイバケーブル２９を経由して光信号処理部３０に入力されることにより、在来からの光ファイバケーブル２９を介して伝送された光を検波する光ヘテロダイン検波手法を用いた検波が可能となる。これにより、比較的容易な信号処理を実現したうえで、空間を伝搬した通信光の強度変調信号を高精度に再生することが可能となり、電力レベルの微弱な通信光においても、高精度な光通信が実現されて、空間伝搬距離の長距離化の促進を容易に図ることが可能となる。
【００３４】
なお、上記実施の形態では、光路上に角度調整自在に反射鏡１７を配置すると共に、透過レンズ２４を光軸と略直交する二軸方向に移動自在に配置して、これら反射鏡１７を角度調整すると共に、透過レンズ２４を二次元的に移動調整して反射鏡１７及び透過レンズ２４の双方で光軸を制御し、通信光を光ファイバケーブル２９と光結合させるように構成した場合で説明したが、その光軸調整精度に応じていずれか一方を光路上に配置して通信光を光ファイバケーブル２９と光結合させるように構成してもよい。
【００３５】
また、上記実施の形態では、角度調整機構部２０及び光軸調整機構部２６の各駆動源として電磁アクチュエータ２０４，２６３を用いて構成した場合で説明したが、これに限ることなく、例えば圧電素子や磁歪素子等の固体アクチュエータを用いて構成することも可能である。
【００３６】
さらに、上記角度調整機構部２０及び光軸調整機構部２６の構成としては、上記実施例に限ることなく、各種の支持構造を構成することが可能である。
【００３７】
よって、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることは勿論のことである。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、空間伝搬距離の長距離化を容易に実現し得、且つ、簡便にして高精度な光信号処理を実現し得るようにした光通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る光通信装置の構成を示した図。
【図２】図１の光アンテナを取出して示した図である。
【図３】図１の角度調整機構部を取出して示した図である。
【図４】図１の光軸調整機構部を取出して示した図である。
【図５】図４の光軸調整機構部の動作を説明するために示した図である。
【符号の説明】
１０… 光アンテナ。
１０１ … 主反射鏡。
１０２ … 副反射鏡。
１０３ … 支持部材。
１１ … 指向調整機構部。
１２ … コリメータレンズ。
１３ … 第１のビームスプリッタ。
１４ … 結像レンズ。
１５ … 光検出部。
１６ … 光アンテナ指向制御部。
１７ … 反射鏡。
１８ … 結像レンズ。
１９ … 第２のビームスプリッタ。
２０ … 角度調整機構部。
２０１ … 角度検出部。
２０２ … 支持部材。
２０３ … 支持台。
２０４ … 電磁アクチュエータ。
２１ … 第３のビームスプリッタ。
２２ … 光検出部。
２３ … 反射鏡角度制御部。
２４ … 透過レンズ。
２５ … 第４のビームスプリッタ。
２６ … 光軸調整機構部。
２６１ … レンズ取付部。
２６２ … 弾性支持部。
２６３ … 筐体。
２７ … 光軸制御部。
２８ … 光検出部。
２９ … 光ファイバケーブル。
３０ … 光信号処理部。
３１ … 送信部。
３２ … 反射鏡。
３３ … レンズ。

Claims

通信相手局と通信光の送受を行う指向調整自在に設けられた光アンテナと、
この光アンテナで受信した通信光に基づいて当該光アンテナを前記通信相手局に指向調整する光アンテナ追尾手段と、
前記光アンテナで受信した通信光を分離するスプリッタと、
前記スプリッタで分離した一方の通信光の光軸を検出して、その検出値に基づいて前記スプリッタに入射する前記通信光の光軸に対してアライメント調整する第１の光軸調整部と、
前記スプリッタで分離した他方の通信光の光軸を検出して、その検出値に基づいて前記他方の通信光の光軸に対してアライメント調整する第２の光軸調整部と、
この第２の光軸調整部の出力光路に配置され、前記光軸調整部で光軸調整した通信光が照射される光ファイバケーブルとを具備し、
前記スプリッタは、前記通信相手局へ送信する通信光を前記通信相手局側へ導くことを特徴とする光通信装置。
前記スプリッタは、
前記通信相手局から受信した通信光を前記一方の通信光と前記他方の通信光とに分離する第１のスプリッタと、
前記第１のスプリッタで分離した前記一方の通信光を前記第１の光軸調整部に導くとともに、前記通信相手局へ送信する通信光を、前記一方の通信光とは逆方向に、前記第１のスプリッタを介して前記通信相手局側へ導く第２のスプリッタとを備えることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
前記第２の光軸調整部は、光学系を支持する弾性変形自在な弾性支持部と、
この弾性支持部に付勢力を付与して前記光学系を光軸に対して略直交する二軸方向に移動制御する駆動手段と、
を備えてなることを特徴とする請求項２記載の光通信装置。
前記駆動手段は、光学系の光軸に対して略直交する二軸方向に前記光学系を挟んで一対の電磁磁石をそれぞれ配置してなることを特徴とする請求項３記載の光通信装置。
前記通信光は光アンテナを介して前記通信相手局と送受され、前記光アンテナは、宇宙航行体に搭載されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の光通信装置。