JP4520414B2 - 光空間通信システムの光路修正制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、一方の光導波路から発射され空間中を伝播するレーザ光を対向する他方の光導波路へ導くと同時に逆方向にもレーザ光を伝播させることにより双方向通信を行う光空間通信システムの光路修正制御装置に関するものである。

光ファイバ等の光導波路の端部を対向させ、それぞれの光導波路直前にコリメータレンズ等を配置して空間中にレーザ光を伝播させて光通信を行えば、物理的配線が困難なユーザ環境にあっても光アクセスサービスが提供可能となる。その場合、振動や風などの外乱が存在しても一組の光導波路間のレーザ光の入出力が維持されなければならない。

一方、例えば２つの送受信機を対向配置してビル−ビル間光空間通信を行う場合においても外乱による軸ズレの影響を補正する必要が生じる。このため、それぞれの送受信機において到達光の向きを検出して受光素子光学系の光軸の向きと一致させるように反射鏡を動的に調整することにより光通信を維持させる光軸制御手法が用いられることがある（例えば、特許文献１参照。）。

この場合、通常光空間通信両側の光軸制御装置に電源が供給されることになるが、例えば電柱とユーザ宅間で光通信を行おうとすると電柱側の光軸制御装置への電源供給が大きな問題となる。仮に電柱側送受信機において光軸制御を行わないとしてもユーザ宅への到達光が光軸制御装置の反射鏡上に留まる程度の外乱の影響しかないものとすればその制御により到達光の向きと受光素子光学系の光軸方向を一致させることができる。しかしながら、到達光の中心軸と受光素子光学系光軸が一致する保証はないため光源や受光素子の代わりに上述のような光導波路を用いる場合、光の通路である光導波路のコア部分の直径が数十ミクロン程度と小さいため光学系の球面収差によるズレが発生したり、双方向通信において異なる波長が使用される場合の色収差の影響が通信品質劣化の要因となる。

特開平５−１３３７１６号公報

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、光導波路を用いた光空間通信システムによる双方向光通信において、振動や風等の外乱の影響による光軸ズレを補正するための光路修正制御装置を光空間通信の片側のみに配置する非対称構成を可能にする光空間通信システムの光路修正制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、一方の光導波路から発射され空間中を伝播するレーザ光を対向する他方の光導波路へ導くと同時に逆方向にもレーザ光を伝播させることにより双方向通信を行う光空間通信システムの光路修正制御装置において、他方の光導波路の直前に配置され、他方の光導波路の光軸あるいは他方の光導波路からの発射レーザ光の中心軸と一方の光導波路からの到達レーザ光の中心軸が一致するようにレーザ光の伝播経路を調整する光路修正制御手段を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記光空間通信システムの光路修正制御装置において、表面上で直交する２軸の回りの回転角が調整可能な駆動式反射鏡２組を介して一方の光導波路からの到達レーザ光を反射させて他方の光導波路へと導き、他方の光導波路の光軸と一方の光導波路からの到達レーザ光の中心軸が一致するように前記駆動式反射鏡２組を制御する光路修正制御手段を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記光空間通信システムの光路修正制御装置において、一方の光導波路からの到達レーザ光を第１のビームスプリッタにより分岐させ、第１のビームスプリッタの分岐光を第２のビームスプリッタによりさらに２分させたレーザ光の一方をアフォーカル光学系へ導くと共に第２のビームスプリッタで２分させたレーザ光の他方を無限共役比光学系へと導き、前記アフォーカル光学系及び無限共役比光学系をそれぞれ介してビームスポット位置検出器とビーム入射角検出器で受光したときの検出量をフィードバックして駆動式反射鏡２組を制御する光路修正制御手段を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記光空間通信システムの光路修正制御装置において、アフォーカル光学系の入力側レンズのフロントフォーカス位置と入力側レンズ直近の駆動式反射鏡の反射鏡中心が一致すると共に前記アフォーカル光学系の出力側レンズのバックフォーカス位置にビームスポット位置検出器が配置され、且つ無限共役比光学系の焦点位置にビーム入射角検出器が配置されている光路修正制御手段を有することを特徴とするものである。

本発明の光空間通信システムの光路修正制御装置は、光導波路を用いた光空間通信システムによる双方向光通信において、振動や風等の外乱の影響による光軸ズレを、各々の光導波路から発射されたレーザ光がそれぞれの到着先光導波路の光軸と一致するよう動的に補正することができると共に、光軸ズレを補正するための光路修正制御装置を光空間通信の片側のみに配置する非対称構成を可能にするものである。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る光空間通信システムを示す構成説明図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の光路修正制御装置を示す構成説明図である。

図１（ａ）に示すように、電柱１１の上部には光導波路例えば光ファイバケーブル１２がレーザ光入出力部１３を介して敷設される。前記レーザ光入出力部１３のレーザ光入出力口にはコリメータ１４が配設され、前記コリメータ１４を介して光ファイバケーブル１２を伝播するレーザ光が入出力される。前記コリメータ１４に対向したユーザ宅１５には光路修正制御装置１６が設置される。前記光路修正制御装置１６は図１（ｂ）に示すように、コリメータ１４に対向した位置に光学窓１７が設けられ、前記光学窓１７を通して伝播するレーザ光１８の伝播位置には第１の駆動式反射鏡１９、第２の駆動式反射鏡２０、及びコリメータ２１が設置され、前記コリメータ２１には光導波路例えば光ファイバコード２２が接続される。

すなわち、電柱１１上に敷設されている光ファイバケーブル１２の一部からレーザ光入出力部１３を介してコリメータ１４にレーザ光が出力される。前記コリメータ１４からレーザ光１８がユーザ宅１５に照射される。ユーザ宅１５に照射されたレーザ光１８は光路修正制御装置１６に光学窓１７から入射し、第１の駆動式反射鏡１９で反射された後、第２の駆動式反射鏡２０で反射されてコリメータ２１に入射し、ユーザ宅１５内の光ファイバコード２２に伝播される。この場合、光路修正制御装置１６により光ファイバケーブル１２からの到達光の中心軸とコリメータ２１の光軸が一致するように調整されているため、反対に光ファイバコード２２からのレーザ光はコリメータ１４を介して光ファイバケーブル１２に取り込まれることになる。振動等の外乱によって電柱が揺れた場合でもユーザ宅１５への到達光が光路修正制御装置１６の光学窓１７内に収まる範囲においては揺れに応じて光路を修正することにより光軸の一致が保たれる。可動部分の光路修正制御装置１６は全てユーザ宅１５側に集約されているため電柱１１側にはコリメータ１４の固定用のパッシブなエレメントのみで電源供給の必要がない。

このように、一方の光ファイバケーブル１２から発射され空間中を伝播するレーザ光１８を対向する他方の光ファイバコード２２へ導くと同時に逆方向にもレーザ光１８を伝播させることにより双方向通信を行う光空間通信システムにおいて、他方の光ファイバコード２２の直前に配置され、他方の光ファイバコード２２の光軸あるいは他方の光ファイバコード２２からの発射レーザ光の中心軸と一方の光ファイバケーブル１２からの到達レーザ光の中心軸が一致するようにレーザ光１８の伝播経路を調整する光路修正制御装置１６を有することを特徴とする。

図２は本発明の実施形態に係る光路修正制御装置を示す構成説明図である。すなわち、外部から到達したレーザ光１８は第１の駆動式反射鏡１９により反射されて後、固定反射プリズム２３で反射され、更に第２の駆動式反射鏡２０で反射されて後、第１のビームスプリッタ２４に入射する。第１のビームスプリッタ２４で分岐した一方のレーザ光はコリメートレンズ２５を介して光ファイバコード２２へ導かれる。前記第１のビームスプリッタ２４で分岐した他方のレーザ光は第２のビームスプリッタ２６に入射する。第２のビームスプリッタ２６で分岐した一方のレーザ光は入力側レンズ２７及び出力側レンズ２８を有するアフォーカル光学系２９を介してビーム位置検出器例えば第１のＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇｎ Ｄｅｖｉｃｅ）３０に導かれる。前記第２のビームスプリッタ２６で分岐した他方のレーザ光は無限共役比光学系３１を介してビーム位置検出器例えば第２のＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇｎ Ｄｅｖｉｃｅ）３２に導かれる。前記第１の駆動式反射鏡１９は２組のモータ３３，３４の回転軸に反射鏡を取り付け、互いの回転軸が直交するように配置したもので、レーザ光の反射方向のパン・チルト角を調整できる構造になっている。前記第２の駆動式反射鏡２０は例えば反射鏡の裏面四隅に４組の圧電素子の一端を固定し、前記圧電素子を反射面と垂直方向に各々伸縮させることによって反射鏡表面上の直交する２軸回りに回転可能な構造を持っている。前記無限共役比光学系３１のＰＳＤ３２では入射レーザ光の基準光軸との角度変位が検出され、前記アフォーカル光学系２９のＰＳＤ３０では位置偏差が検出される。前記第１の駆動式反射鏡１９及び第２の駆動式反射鏡２０は前記ＰＳＤ３０，３２の検出結果のフィードバックによりダイナミックに駆動され入射レーザ光と基準光軸とが一致するように制御される。

このように、表面上で直交する２軸の回りの回転角が調整可能な駆動式反射鏡１９，２０の２組を介して一方の光ファイバケーブル１２からの到達レーザ光を反射させて他方の光ファイバコード２２へと導き、他方の光ファイバコード２２の光軸と一方の光ファイバケーブル１２からの到達レーザ光の中心軸が一致するように前記駆動式反射鏡１９，２０の２組を制御することを特徴とする。。この場合、一方の光ファイバケーブル１２からの到達レーザ光１８を第１のビームスプリッタ２４により分岐させ、第１のビームスプリッタ２４の分岐光を第２のビームスプリッタ２６によりさらに２分させたレーザ光の一方をアフォーカル光学系２９へ導くと共に第２のビームスプリッタ２６で２分させたレーザ光の他方を無限共役比光学系３１へと導き、前記アフォーカル光学系２９及び無限共役比光学系３１をそれぞれ介してＰＳＤ３０のビームスポット位置検出器とＰＳＤ３２のビーム入射角検出器で受光したときの検出量をフィードバックして駆動式反射鏡１９，２０の２組を制御する光路修正制御手段を有することを特徴とする。

尚、レーザ光検出光学系において、例えば無限共役比光学系３１を省略し、代わりにアフォーカル光学系２９の背後にビームスプリッタを設けて出力レーザ光を２分し出力側レンズより異なる距離に配置したＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇｎ Ｄｅｖｉｃｅ）によりレーザスポット位置を検知して入射レーザ光の位置と角度の変位を検出してもよい。

図３は本発明の実施形態に係るアフォーカル光学系を示す構成説明図である。図３は図２のアフォーカル光学系２９の位置関係を示し、第２の駆動式反射鏡２０はアフォーカル光学系２９の入力側レンズ２７より、入力側レンズ２７の焦点距離ＦＬ１だけ前方に配置され、且つＰＳＤ３０はアフォーカル光学系２９の出力側レンズ２８より、出力側レンズ２８の焦点距離ＦＬ２だけ後方に配置されている。このとき光学系の近軸領域における光線追跡を行えば入射レーザ光の駆動式反射鏡２０表面上での反射点位置がその後の経路にかかわらずＰＳＤ３０により検出されることが確かめられる。従って、ＰＳＤ３０の出力を駆動式反射鏡１９へフィードバックして入射レーザ光を駆動式反射鏡２０の中心へ導くように制御し、無限共役比光学系３１によるＰＳＤ３２の出力（角度変位）を駆動式反射鏡２０へフィードバックして入射レーザ光の基準光軸に対する角度誤差を抑制するように制御すれば結局入射レーザ光は基準光軸と一致することになる。このとき各ＰＳＤ３０，３２から各駆動式反射鏡１９，２０へのフィードバックは独立させることができるため制御系の構成が簡素化されることになる。

このように、アフォーカル光学系２９の入力側レンズ２７のフロントフォーカス位置と入力側レンズ２７直近の駆動式反射鏡２０の反射鏡中心が一致すると共に前記アフォーカル光学系２９の出力側レンズ２８のバックフォーカス位置にＰＳＤ３０のビームスポット位置検出器が配置され、且つ無限共役比光学系３１の焦点位置にＰＳＤ３２のビーム入射角検出器が配置されていることを特徴とするものである。

なお、本発明は、上記実施形態例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、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例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。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

（ａ）は本発明の実施形態に係る光空間通信システムを示す構成説明図であり、（ｂ）は（ａ）の光路修正制御装置を示す構成説明図である。 本発明の実施形態に係る光路修正制御装置を示す構成説明図である。 本発明の実施形態に係るアフォーカル光学系を示す構成説明図である。

符号の説明

１１…電柱、１２…光ファイバケーブル、１３…レーザ光入出力部、１４…コリメータ、１５…ユーザ宅、１６…光路修正制御装置、１７…光学窓、１８…レーザ光、１９…第１の駆動式反射鏡、２０…第２の駆動式反射鏡、２１…コリメータ、２２…光ファイバコード。

Claims (3)

1. 一方の光導波路から発射され空間中を伝播するレーザ光を対向する他方の光導波路へ導くと同時に逆方向にもレーザ光を伝播させることにより双方向通信を行う光空間通信システムの光路修正制御装置において、
   前記他方の光導波路の直前に配置され、前記他方の光導波路の光軸あるいは前記他方の光導波路からの発射レーザ光の中心軸である基準光軸と、前記一方の光導波路からの到達レーザ光の中心軸とが一致するようにレーザ光の伝播経路を調整する光路修正制御手段を有し、
   前記光路修正制御手段は、
   それぞれ表面上で直交する２軸の回りの回転角が調整可能な第１の駆動式反射鏡および第２の駆動式反射鏡を有し、
   前記第１の駆動式反射鏡と前記第２の駆動式反射鏡とを介して、前記到達レーザ光を反射させて前記他方の光導波路へと導き、
   前記到達レーザ光を前記第２の駆動式反射鏡の中心へ導くように前記第１の駆動式反射鏡を制御し、且つ前記到達レーザ光の中心軸の前記基準光軸に対する角度誤差を抑制するように前記第２の駆動式反射鏡を制御する
   ことを特徴とする光空間通信システムの光路修正制御装置。
2. 請求項１に記載の光空間通信システムの光路修正制御装置において、
   前記光路修正制御手段は、
   前記到達レーザ光を前記第１の駆動式反射鏡で反射させた後、さらに前記第２の駆動式反射鏡で反射させて第１のビームスプリッタに入射させ、
   前記第１のビームスプリッタの分岐光の一方を前記他方の光導波路へ導くと共に、前記第１のビームスプリッタの分岐光の他方を第２のビームスプリッタに入射させ、
   前記第２のビームスプリッタの分岐光の一方をアフォーカル光学系を介してビームスポット位置検出器で受光すると共に、前記第２のビームスプリッタの分岐光の他方を無限共役比光学系を介してビーム入射角検出器で受光し、
   前記ビームスポット位置検出器の出力を前記第１の駆動式反射鏡へフィードバックすることにより、前記到達レーザ光を前記第２の駆動式反射鏡の中心へ導くように制御し、
   前記ビーム入射角検出器の出力を前記第２の駆動式反射鏡へフィードバックすることにより、前記到達レーザ光の中心軸の前記基準光軸に対する角度誤差を抑制するように制御する
   ことを特徴とする光空間通信システムの光路修正制御装置。
3. 請求項２に記載の光空間通信システムの光路修正制御装置において、
   前記光路修正制御手段は、
   前記アフォーカル光学系の入力側レンズのフロントフォーカス位置と前記第２の駆動式反射鏡の反射鏡中心が一致すると共に、前記アフォーカル光学系の出力側レンズのバックフォーカス位置に前記ビームスポット位置検出器が配置され、且つ前記無限共役比光学系の焦点位置に前記ビーム入射角検出器が配置されている
   ことを特徴とする光空間通信システムの光路修正制御装置。

Images