JP4371910B2 - 光空間伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームを伝播して遠距離間で通信を行う光空間伝送装置に関するものである。

相手装置と自装置との間で、大気中の自由空間を伝送路として光ビームによる通信を行う光空間通信は、高速かつ大容量の情報を通信することができ、更に光ファイバ等の有線通信と比較して可搬性に優れ、簡便かつ自由に通信路を開設することができるという特長がある。

この光空間通信を用いて信頼性の高い通信路を開設するためには、自装置の光ビームが相手装置から外れないようにする必要があり、このためには光ビームのビーム径を大きくしたり、光ビームが相手装置から外れないように、常に可動ミラーの角度補正を自動的に行う自動追尾機能を設けることが必要である。

この種の自動追尾機能を備えた光空間伝送装置を図６に示す。ここで図６は、空間を伝送路として相手装置と光通信を行う光空間伝送装置の概略図である。

不図示の相手装置から入射した光ビームのうち、一部はハーフミラー１４０を透過して４分割受光素子１４６に入射する。この４分割受光素子１４６からは、４分割受光素子１４６の受光面に形成されたスポットの光の強度分布に応じた信号が出力され、演算回路１４７は、この出力信号に基づき、送信光ビームと受信光ビームの光軸のなす自動追尾誤差角を演算する。演算回路１４７は可動ミラー制御回路１４８に角度誤差を０とするように指令信号を送り、可動ミラー制御回路１４８は、可動ミラー１３２をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ駆動するアクチュエータ１５１を同時に駆動して、可動ミラー１３２の角度調整を行う（例えば、特許文献１参照）。

一方、光ビームは大気中を伝播して行く際に、大気の揺らぎによる位置的、時間的強度変動（シンチレーション）の影響を受けるため、相手装置に入射する光ビームの強度分布が不均一となる。従って、自動追尾の応答速度を高速にすると、不均一な強度分布に基づき追尾動作を行ってしまう。その結果、光ビームが正常に相手装置に到達しているにも拘らず、シンチレーションによって光ビームの出射方向が振動してしまい光ビームの追尾エラーが発生し、更に受光光パワーの増減を招いてしまう。

光空間伝送装置は、比較的振動の少ないビルの屋上や屋内等の場所に設置されている場合が多いので、可動ミラー制御回路１４８は、アクチュエータ１５１に与える駆動電圧Ｖｘ、Ｖｙに対して、ローパスフィルタ部１５０を通すことにより、自動追尾の応答特性を低周波数域のみに制限する。このようにしてシンチレーションの周波数成分の少ない、低い周波数応答に限定して自動追尾を行うことでシンチレーションの影響を軽減している。
特開平１１−３４６１９２号公報（図１参照）

しかしながら光空間伝送装置は、ビルの屋上や屋内のような比較的振動の少ない場所に設置されることが多いとは言え、それ以外の、振動を受けたり、風にあおられるような場所に設置したい場合もありうる。しかし上述の従来例の光空間伝送装置は自動追尾の応答特性を低周波数域のみに制限しているため、振動などの速い変動に応答できず、設置場所が限定される。

特に、夜間や朝と夕方、また日中でも曇りや雨の時のようなシンチレーションの小さいときには、自動追尾の応答特性を低周波数域のみに制限する必要がないので、低周波数域のみに制限することで自動追尾の効果を十分活かし切れない状態で使用することになる。

上記課題を解決するために、本願発明の空間を伝播する光を用いて通信を行う光空間伝送装置は、受光手段と、可動ミラーを有する光学系と、該光空間伝送装置に入射した入射光を追尾しながら前記受光手段に導くように可動ミラーの角度を制御する制御手段と、受光手段での受光強度を検出する検出手段と、該検出手段により検出された所定時間内での前記受光強度の最大値、最小値および平均値のうち少なくとも２つの差が所定値以上である場合に、制御手段による可動ミラーの角度制御の応答速度を、上記差が上記所定値以上でない場合に比べて遅くする演算手段とを有することを特徴とする。

本願発明の光空間伝送装置によれば、高品位の光空間伝送を行なうことができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
（第一の実施例）
まず、図１を参照して本発明の第一の実施例である光空間伝送装置の構成を説明する。ここで、図１は、本実施例の光空間伝送装置の概略図である。

信号入力部３８からの送信用本信号は、パイロット信号発生回路３９からの自動追尾用のパイロット信号と合波回路３７で合波され、増幅器３６を介して発光素子３５で光信号となり、コリメータレンズ３４、偏光ビームスプリッタ３３を経て、可動ミラー３２（第1の可動部）で反射されて、レンズ３１，３０から送信光ビームとして不図示の相手装置へ投光される。

また、該相手装置からの受信光ビームは、レンズ３０、３１、可動ミラー３２を通って偏光ビームスプリッタ３３で反射された後、ミラー４０に入射する。このミラー４０は、ハーフミラーとなっており、ミラー４０を透過した光は、集光レンズ４５を通って４分割受光素子４６に入射し、ミラー４０で反射された光は、集光レンズ４１を通って受光素子４２に入射する。受光素子４２に入射した光は、電気信号に変換され、増幅器４３で増幅された後、本信号出力部４４から出力される。

４分割受光素子４６からは、４分割受光素子４６の受光面に形成されたスポットの光の強度分布に応じた信号が出力され、演算回路４７は、この出力信号に基づき、送信光ビームと受信光ビームの光軸のなす自動追尾誤差角を演算する。

演算回路（演算手段）４７は可動ミラー制御回路４８に角度誤差を０とするように指令信号を送り、可動ミラー制御回路（制御手段）４８は、Ｘ軸、Ｙ軸のアクチュエータ５１を同時に駆動して、可動ミラー３２の角度調整を行う。

可動ミラー３２の角度はミラー位置センサ５２によって検出されており、この検出結果は、演算回路４７にフィードバックされ、可動ミラー制御回路４８は演算回路４７からの指令信号に対応した角度に可動ミラー３２を制御する。

一方、受光素子（受光手段）４２から出力された電気信号は、受信光強度検出回路（検
出手段）５３にも出力され、ここで受光素子４２に入射した光の受光強度が検出される。

ここで、受信光強度検出回路５３で検出された受光強度は、受光強度信号として演算回路４７に出力され、演算回路４７内で演算処理されて、受光強度の変化、すなわち本実施例では、ある一定期間内での受光強度の平均値、最小値、最大値が算出される。その例を図３に示す。

ここで、図３は、ある日の夜から翌々日の明け方までの受光強度を示しており、横軸は
時間で、縦軸は相対的な受光強度である。３本あるグラフのうち、中央の比較的平坦なグ
ラフａは１分間の受光強度（ＯＰＴ ＲＸ）の平均値、上のグラフｂは１分間の受光強度の最大値、下の変動の大きいグラフｃは１分間の受光強度の最小値を示している。

同図に示すように、夜から早朝にかけての間は、シンチレーションの少ない時間帯であり、受信光強度の平均値、最小値、最大値のそれぞれの差は小さいが、朝から昼間にかけてシンチレーションが増えてくるに連れて平均値、最小値、最大値のそれぞれの差は大きくなって行き、正午頃に最大となる。そして、夕方から夜にかけてシンチレーションが減るに連れて平均値、最小値、最大値のそれぞれの差はまた小さくなって行く。すなわち受信光強度の平均値、最小値、最大値のそれぞれの値を比較することによって、シンチレーションの大きさを知ることが出来る。なお、ここでいうシンチレーションとは、大気の揺らぎによる受信光の受光強度の変動を意味している。

光空間伝送では、雨や霧などの気象条件で伝搬光が減衰することがあるため、受光強度の平均値はこれら気象条件で大きく変化する。しかし、平均値と最小値の強度差などを比較することにより、雨や霧などの減衰による受光強度の変動とシンチレーションによる受光強度の変動とを区別することができ、例えば平均値の強度にかかわらず、最小値と平均値の強度差が小さければシンチレーションが小さいと判断することが出来る。また、図３のようにずっと天気の良い状態で、平均値の変動が殆ど無い場合でも最小値あるいは最大値は大きく変動しており、例えば最小値と平均値の強度差からシンチレーションの大きさを知ることが出来る。

シンチレーションの大きさは、最大値、最小値及び平均値のうち少なくとも２つを比較することにより、求めることができるが、図３の結果では、最小値の変化が最も大きいので、最小値と、平均値又は最高値との差からシンチレーションの大きさを判断するのが好ましい。平均値、最小値、最大値を求める時間幅としては、図３では１分間であったが、自動追尾機構の性能や演算回路４７の処理能力などに応じて、別の時間幅を自由に選択することができる。

演算回路４７では、このようにして得られた、シンチレーションが特に大きく、シンチレーションによる追尾誤差が信号伝送に、伝送エラーなどの悪影響を与える恐れのある程度であると判断した場合に限り、追尾の速度（応答速度）を遅くして、追尾特性を低周波領域に制限するような措置を取る。具体的な方法としてはソフト的に追尾制御プログラムの内部にあるデジタルフイルタの定数を変えて高域を制限するなどである。

それに対して、通常のシンチレーションが特に大きくない場合は、追尾特性を低周波領域に制限するような措置を取ることはないので、トラッキングの性能を損なうことなく、振動など速い変動に応答することが出来る。

デジタルフイルタの定数を変えて追尾の速度を遅くする代わりに、追尾制御ループのゲインをソフト的に小さくして応答を鈍感にするという方法もある。これにより、結果的に追尾の速度が遅くなる。

次に、図４を参照して、本実施例の光空間伝送装置の追尾速度の制御手順について説明する。ここで、図４は、本実施例の光空間伝送装置の追尾速度の制御手順を説明するためのフローチャートである。
まず、受光素子４２から出力された電気信号に基づき、受信光強度検出回路５３は、受光強度を検出する（Ｓ１０１）。この検出結果は、不図示のメモリに記憶される。強度検出を開始してから所定時間経過後、演算回路４７は、該メモリに記憶された検出結果に基づき、該所定期間内における受光強度の平均値、最小値を演算する（Ｓ１０３）。そして、シンチレーションの値、すなわち、求めた最小値と平均値との差が所定値以上か判別する（Ｓ１０４）。そして、最小値と平均値の差が所定値以上の場合には、追尾速度を遅くして、追尾特性を低周波領域に制限する（Ｓ１０５）。

なお、図１の実施例では、受光素子４２の出力により受信光強度を検出しているが、受光素子４２用の受信光強度検出回路５３を用いないでも、４分割受光素子４６において４個の各受光素子の出力を加算することにより受信光強度を検出することも出来る。この場合、特にハードの追加をしなくても演算回路４７内でソフト的に加算することが可能である。もちろん必要に応じてこの二つの検出方法を併用しても良い。

本実施例では、光通信の通信路を形成する空間の状態を、ある一定期間内での受光強度の平均値、最小値及び最大値に基づき判別しているが、例えば、受光強度がある値より大きく又は小さくなった回数が何回あるかによって判別するようにしてもよい。
（参考例）
図２は、本発明の参考例の光空間伝送装置の概略図である。ここでは、受光強度の平均値、最小値、最大値のなどの差（シンチレーションの大きさ）に基づき、制御の速度をそのままにして、シンチレーションによる追尾誤差の影響が出ない程度に送信光ビームの拡がり角を大きくするような動作を行なっている。なお、第一の実施例と同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。

演算回路４７では、第一の実施例と同様の方法で、シンチレーションが所定値よりも大きく、シンチレーションによる追尾誤差が信号伝送に、伝送エラーなどの悪影響を与える恐れのあると判定した場合は、フォーカス駆動モータ５４に駆動信号を送り、コリメートレンズ３４（第2の可動部）を発光素子３５に近付ける方向に駆動する。これにより、送信光ビームの拡がり角を大きくする。

次に、図５を参照して、コリメートレンズの駆動制御の手順について説明する。ここで、図５は、コリメートレンズの制御手順を説明するためのフローチャートである。

まず、受光素子４２から出力された電気信号に基づき、受信光強度検出回路５３は、受光強度を検出する（Ｓ２０１）。この検出結果は、不図示のメモリに記憶される。強度検出を開始してから所定時間経過後、演算回路４７は、該メモリに記憶された検出結果に基づき、該所定期間内における受光強度の平均値、最小値を演算する（Ｓ２０３）。そして、シンチレーションの値、すなわち、求めた最小値と平均値との差が所定値以上か判別する（Ｓ２０４）。そして、最小値と平均値の差が所定値以上の場合には、フォーカス駆動モータ５４に駆動信号を送り、コリメートレンズ３４を駆動することにより、送信光ビームの拡がり角を大きくする。（Ｓ２０５）。

このように、送信光ビームの拡がり角を大きくすることにより、シンチレーションによる追尾誤差があっても送信光が相手装置から外れるのを防止できる。また、光ビームの拡がり角を大きくすることにより、相手装置が受信できる光強度が小さくなるが、もともとシンチレーションの大きい時は、晴天で大気の透過率の良い時であるから、相手装置には十分の光が届いており、光ビームが拡がっても相手装置の光受信強度が不足する恐れは少ない。

これに対して、雨や霧などの悪天候時はシンチレーションが小さく、大気の減衰が大きいという状態であるため、この場合は、トラッキングの性能を高くし、光ビームのビーム径を小さくすることで、相手装置に効率よく光を送ることができる。

上述の実施例では、受信光強度の所定時間範囲での平均値、最小値及び最大値に基づき大気揺らぎによる受信光の変動（シンチレーション）の大きさを求め、これに基づいて、自動追尾の制御特性（ゲインまたは応答速度）を変化させている。これにより、シンチレーションが特に大きい場合を除き、通常の状態では自動追尾の性能を落とすことなく、高品位の光空間伝送を行なうことができる。

本発明の第一の実施例の概略図 本発明の参考例の概略図 受光強度の平均値、最小値及び最大値を図示した図 第一の実施例の追尾速度の制御手順を説明するためのフローチャート 参考例のコリメートレンズの制御手順を説明するためのフローチャート 従来のミラー駆動機構の概略図

符号の説明

３２：可動ミラー
３３：偏光ビームスプリッタ
３５：発光素子
３７：合波回路
３９：パイロット信号発生回路
４０：ミラー
４２：受光素子
４６：４分割受光素子
４７：演算回路
４８：可動ミラー制御回路
５１：アクチュエータ
５３： 受信光強度検出回路
５４：フォーカス駆動モータ

Claims (1)

1. 空間を伝播する光を用いて通信を行う光空間伝送装置であって、
   受光手段と、
   可動ミラーを有する光学系と、
   該光空間伝送装置に入射した入射光を追尾しながら前記受光手段に導くように前記可動ミラーの角度を制御する制御手段と、
   前記受光手段での受光強度を検出する検出手段と、
   該検出手段により検出された所定時間内での前記受光強度の最大値、最小値および平均値のうち少なくとも２つの差が所定値以上である場合に、前記制御手段による前記可動ミラーの角度制御の応答速度を、前記差が前記所定値以上でない場合に比べて遅くする演算手段とを有することを特徴とする光空間伝送装置。

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