JP4550321B2 - 空中光通信のための方法および送受信機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠隔通信の分野に関し、より詳細には、全く物理的キャリアを有さない光通信に関する。さらに詳細には、本発明は、例えば、風および／または乱流によって引き起こされる大気シンチレーションを補償することができる地上レーザ通信リンクを確立するための方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気および／または真空を介して情報搬送信号を伝送するために、レーザビームを使用することが知られている。実際には、双方向リンクの場合、ある距離をおいて、互いに直接に可視であるように配置した２つの端末（送受信機）を使用する。ただし、この伝送技術は、一連の欠点を有し、その中には、シンチレーション、端末の困難な機械的アラインメント、および放射パワーを安全制限内に保つことに関連する問題がある。
【０００３】
知られているとおり、シンチレーションは、乱流のセルを通るレーザビームが、いくつかのビームレット（ｂｅａｍｌｅｔ）に分解し、これが、受信されたとき、強め合う干渉効果または弱め合う干渉効果をもたらすように、異なる位相で合計され得ることから起きる。最終的効果は、再構成された信号上で振幅変動をもたらす。これらの変動の高い方の周波数成分は、通常、１ｋＨｚより低く、したがって、それは、搬送情報の復調に直接影響しないが、受信信号強度が、周期的に、検出器の感度しきい値を下回ることを引き起こす。
【０００４】
第２の問題は、１つの端末の送信機とさらなる端末の受信機の間で機械的アラインメントがずれる可能性から生じ、これは、不可避なポインティングの不正確さおよび支えの振動の可能性によって引き起こされる。この問題を克服するためには、ビームは、そのビーム角が、常に予測される振動の振幅よりも広くなるように、ある発散を有していなければならない。逆に、光パワーの観点からは、発散は、できる限り小さくなければならない。
【０００５】
リンクの安定性のためには、できる限り高くなければならず、他方、安全のためには、ある制限内に保たれなければならない放射パワーレベルから、さらなる問題が生じる。
【０００６】
大気によるシンチレーション問題は、最初に、天体観測中に直面したものであり、例えば、適応光学に基づく適切な対策が、この分野に関して研究されている。ただし、遠隔通信目的の光伝送に関しては、シンチレーション問題を解決する最もよく知られた解決法は、やはり伝送パワーを低く保つことを考慮するＵＳ５７７７７６８で記載されている。最も近い従来技術であると考えられる、ここに参照する特許の基本的着想は、複数のアパーチャを介して伝送すること、および／または複数のレーザ送信機を使用することにある。複数のアパーチャ（および／または複数の送信機）は、受信望遠鏡のまわりに分散して、これにより、シンチレーションの点からは、複数の空間ダイバーシチパスを生成するようにする。
【０００７】
伝送ビームは、わずかに分散しているので、それらを受信機で重ねることができる。この条件下で、受信機は、異なるアパーチャから受信したすべてのビームを合計し、かつ、原則として、１つのビーム上で発生する弱め合う干渉が、別のビーム上で発生する確率は非常に低い。この結果、伝送アパーチャの数が多いほど、受信信号上での振幅変動は、統計的に小さくなる。いくつかのアパーチャおよび／またはいくつかの送信機を利用することもまた、各アパーチャごとの伝送パワーを抑え、したがって、より容易に安全要件を満たす方向に向かう。
【０００８】
ＵＳ５７７７７６８号に記載され、請求されている解決法の欠点の中には、すべての送信望遠鏡を別々に、揃えて、受信機にポイントしなければならない。アラインメント精度の方は、主に、小さな送信機と大きな受信機の間の支えの機械的剛性に依存する。前述のとおり、アパーチャ（および／または送信機）の数が多いほど、シンチレーションに対する反応が大きいので、アパーチャ数が大きいほど、アラインメント問題も大きくなる。この状況は、設置中、アラインメントに要する長く、不都合で、コストの高い時間の浪費につながり、支えの建設のために、特に強く、温度変化の影響を受けない、したがって、高価な、長い間、アラインメントを保証できる材料を使用する必要性につながる可能性がある。
【０００９】
最後に、発散制御に関しては、従来技術は、液体に浸された非常に多数の小球体を含んだガラスケースから成る異なる散光器の使用法を提供する。この技術は、十分に効率的であることが分かっているが、手間がかかる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、従来技術の欠点を有しない光通信システムのシンチレーション問題および制御した発散の問題の解決法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的およびさらなる目的は、独立請求項１に記載の特徴および請求項７に記載の方法を有する送受信機を介して実現される。この送受信機およびこの方法のさらなる有利な特徴は、それぞれの従属請求項に記載されている。すべての請求項は、本発明の不可分の一部であると考慮されたい。
【００１２】
本発明の基本的着想は、受信表面の外側の縁を拡大する実質的に環状の送信アパーチャを設けることにある。この方式で、シンチレーションの問題が効果的に解決されるだけでなく、レーザビームの完全に制御された発散さえも得ることができる。最後に、光パワーが、より広い表面上に分散される。有利には、この方式で、受信望遠鏡のメインミラーも、送信アパーチャの同一ディッシュ上で実現することができる。
【００１３】
本発明は、非限定的例としてのみ与えられる下記の詳細な説明から、確実に明らかとなる。
【００１４】
同一の参照番号が、様々な図にわたって、同一部品または機能的に等価な構成要素を示すのに使用される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
既知のとおり、伝送システムは、一般的に、互いに離れて配置された第１送受信機と第２送受信機を含む。各送受信機は、この２つの装置の間での双方向通信を確立するため、受信装置および送信装置を含む。
【００１６】
まず、図１を参照すると、本発明による送受信機１０が、１つまたは複数のコヒーレント光信号の光源１２と、第１レンズ１４と、第１反射面１６と、やはり円錐の第２表面３２とを含んでいる。
【００１７】
光源１２は、例えば、純レーザ、光増幅器の出力、または信号搬送ファイバの終端から構成され得る。
【００１８】
第１反射面１６は、入射する光線に対して４５°の角を有し、メインディッシュ１８の反対側で孔として形成されている。
【００１９】
第２円錐反射面３２は、第１のものと同軸であり、やはり４５°の角を有する。
【００２０】
メインディッシュ１８の前面部分上に形成されているのが、メイン受信（反射）面である凹放物面２０である。メイン受信面は、平面ミラー２２と協力し、平面ミラー２２は、受信装置２４と協力する。
【００２１】
凹放物面２０の外側の縁に実質的に隣接して設けられているのが、環の形状のアパーチャ２６であり、これは、図２に明らかに示すとおり、円錐面の軸に垂直な平面から構成されている。
【００２２】
図１で、受信スキームとして、従来のニュートン光学スキームが示されている。この場合、面２０は、放物面でなければならず、ミラー２２は、４５°の角に配置されており、だ円形状に切断されている平面ミラーでなければならない。ただし、リアバックフォーカス、すなわち、メインディッシュ内の孔を必要とするものを除き、当分野で知られている反射スキームまたは反射屈接光学スキームのうちのどれでも使用することができる。
【００２３】
図１の実施形態と図３のものとの間にある主な違いは、第１反射面１６を形成する異なる方法にある。実際、図３の実施形態では、表面１６は、メインディッシュを裏側で機械加工して、メインディッシュの軸に実質的に平行な別の光学表面３０を形成することによって形成される。この機械加工の利点は、表面１６の実現が容易になり、また、原則として、より経済的でもあることに存する。ただし、２つの同軸の円錐面１６および３２を制作するのであれば、任意の他の可能な製造上の解決法を使用するのを妨げるものは、何もない。
【００２４】
送受信機１０のオペレーションを次に説明する。コヒーレント光ビームが、信号を搬送して（単一の波長または複数の波長で）、光源１２から発して、レンズ１４によって第１反射面１６上に視準される。光線は、これにより、第２反射面３２に向かって反射されて、次に、空中伝送されるように、アパーチャ２６に向かって反射される。たとえ小さくとも、ある発散角が存在することを考慮すると、環状アパーチャ（その外径は、例えば、２０〜２５ｃｍ程度のものであり得る））から発するすべての光線は、実質的に、離れて配置されている同様の送受信機の表面２０で重なる。表面２０上に入射するレーザビームは、ミラー２２上で反射されて、次に、純受信機であるポイント２４上に焦点を結ぶ。
【００２５】
次に、本発明による解決法の動作原理を、実行する計算は、例示するものであり、本発明自体の範囲を制限するものでない、と解釈すべきことをやはり念頭に置きながら分析する。これらの計算もまた、表面１６上に入射する電磁波は、強度と位相を持つ、平面波であるという例示的想定に基づく。
【００２６】
真空または例外的に清浄な空気での動作条件：
送信機からある距離での受信強度の形状は、既知の二スリット干渉形状を利用することによって、計算することができる。実際、図１の平面を見ると、送受信機の横断面図を示しており、これは、送信環状絞りを二重スリットであると考え得る対称平面であると考えることができる。したがって、同一平面内で、準備軸に垂直な線上での、結果の強度（Ｉ）は、送信アパーチャから十分に遠い距離では、Ｉ＝Ａ_０（ｓｉｎ^２Ｘ／Ｘ^２）ｃｏｓ^２γの型のものであり、ここで、Ｘは、スリットのサイズに関係し、またγは、２つのスリット間の距離に関係している。良好な近似で、γ／Ｘ＝ｄ／ｂであると言うことができ、ここで、ｄは、スリット間の距離であり、ｂは、単一スリットのサイズである。図４で、関数Ｉをγ＝８Ｘについて、プロットしている。
【００２７】
図４に示すパターンのエンベロープは、図５でプロットするＩ^＊＝Ａ_１（ｓｉｎ^２Ｘ／Ｘ^２）であり、これは、ｂに等しいサイズを有する単一スリットの放射ローブと一致する。また、両方の関数とも、単純にするため、Ａ_０＝Ａ_１＝１としてプロットしているが、送信パワー全体が両方のケースで同一であれば、Ａ_０＞Ａ_１でなければならない。
【００２８】
受信機面積が、関数Ｉの相対極大（空間周波数）の距離と比較して小さい場合には、受信パワーの無限の変動が得られることになる（これは、我々の目的の正反対である）。逆に、受信機面積が、はるかに大きい場合、例えば、関数Ｉのメインローブのエンベロープ全体をカバーするのに十分なほど大きい場合には、受信パワーは、関数が、Ｉ^＊であったとした場合と同じとなる。
【００２９】
しかし、実際の状況では、受信機面積は、システムが揃えられたとき、メインローブ中央面積の一部だけをカバーすることになる。したがって、同じパワー（ＩとＩ^＊の間）を受信するための条件は、関数Ｉ^＊の相対極大間の距離が、受信望遠鏡の直径よりもずっと短いとき、満たされることになる。この条件は、例えば、５Ｋｍより短い距離に対して、ｂ＝３ｍｍ（これは、およそキロメートル当たり０．５ｍという関数Ｉ^＊のメインローブの大きさを生成する）およびｄ＝２００ｍｍ（これは、およそキロメートル当たり７．５ｍｍという関数Ｉの相対極大間の距離を生成する）を有する送受信機内で満たされる。５Ｋｍは、大気を介するこのタイプのリンクに関する実際上の上限であるので、この条件は、常に、満たされると結論することができる。
【００３０】
乱流が存在する場合の動作条件
先に計算し、図４に示したパターンは、真空では、送信環状表面からの異なるパスが、受信表面上で相関するように合計されるために得られる。
【００３１】
実際の大気中では、実質上、常時、乱流セルが存在し、受信表面の各ポイントで、無限数のわずかに異なる方向から来る、したがって、それに対応する数の異なるシンチレーション事象を有する波が到着する。この断定は、この条件では、光線は全く相関していないと言うことに等しい。
【００３２】
これは、当然、パスの開始ポイント間の距離が、乱流セルの距離と同程度であるという条件でのことである。この条件は、実際、本発明による装置を、地上間光リンクを介し、２０ｃｍまたはそれより大きい程度の環状アパーチャを考慮して、利用することによって満たされる。
【００３３】
その結果、他の効果（ビームの揺らぎおよび分散など）を無視すると、受信機での強度関数パターンは、図４のものとは、相当に異なったものとなり、単一スリットに関係するもの（図５）にずっと近いものになる。ただし、受信表面の大きさを考慮すると、図４の放射ローブと図５のものとの間には、受信パワーの実質的な差は存在しないことが、上で判明している。この効果は、大気を通した遠隔物体の望遠鏡イメージと同様である（ただし、本明細書では、「イメージ」は考慮しないので、同一ではない）。
【００３４】
点光源を見ると、強度の相当な変動を見ることができ、これは、乱流が高いほど、大きくなる。反対に、低い乱流条件で、白色表面が見られ、これが、広がりを有し、暗色の細部を含む場合、その像の中の白色のものと暗色のものを区別することができる。より高い乱流条件下では、暗色の細部は消失するが、像全体の明るさは、あまり変化しない。
【００３５】
例として、波長１．５μｍで伝送して、厚さ１ミリラジアン（−３ｄＢポイントで、０．５ミリラジアン）のメイン回折ローブを得るためには、アパーチャ２６の外側半径と内側半径の間の差は、３ｍｍとなる。アパーチャ２６の表面全体は、２１０ｍｍの外径を想定すると、およそ２０００ｍｍ^２に等しくなる。これは、λ＝１．５μｍで連続放射の場合、１００ｍｗ／ｃｍ^２に対応するＩＥＣ規格８２５によって定義される安全制限の範囲内で、最高２ワットまでの出力光パワーを伝送することを可能にする。
【００３６】
本発明によって提供される主な利点は、実質的に３つである。その最も明白なものは、いくつかのアラインメント（複数のアパーチャの）ではなく、単一のアラインメント（単一アパーチャの）を有することにある。第２の利点は、送信アパーチャが、好ましくは、受信アパーチャと同じ物理ボディ上で得られるので、受信機のアラインメントが得られると、送信機のアラインメントも自動的に得られることである。第３の利点は、ビーム発散の制御に関わり、これは、追加の光装置なしに、完全に制御された値で得られる。
【００３７】
本説明を通して、「光」について述べるとき、これは、厳密な意味での可視光の波長帯域を意味するのではなく、原則として、前記帯域の限界外にある任意の波長を意味することに留意されたい。
【００３８】
他方で、頭記の請求項によって定義される保護の範囲を逸脱することなく、以上に説明し、図示した実施形態に対して、変更、適合、および機能的に等価なものによる部品の置換を行うことができることが明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による送受信機の第１実施形態の側面図である。
【図２】図１の送受信機の正面図である。
【図３】本発明による送受信機の第２実施形態の側面図である。
【図４】γ＝８Ｘでの、関数Ｉ＝Ａ_０（ｓｉｎ^２Ｘ／Ｘ^２）ｃｏｓ^２γのプロットである。
【図５】関数Ｉ^＊＝Ａ_１（ｓｉｎ^２Ｘ／Ｘ_２）のプロットである。
【符号の説明】
１０ 送受信機
１２ コヒーレント光の光源
１４ レンズ
１６、３２ 送信反射面
１８ メインディッシュ
２０ 受信反射面
２２ 平面ミラー
２４ 受信装置
２６ アパーチャ
３０ 光学表面

Claims (9)

1. 信号を搬送するコヒーレントな光源（１２）から来た信号を別の送受信機（１０）に送信するため、かつ前記別の送受信機（１０）から来た、コヒーレント光によって搬送される信号を受信するための送受信機（１０）であって、コヒーレント光によって搬送される信号を受信するための前記送受信機が受信したコヒーレント光を反射するための受信反射面（２０）を含み、前記受信反射面（２０）が外側の縁を画定し、さらに、送信すべき前記コヒーレント光を出力するための出力アパーチャ（２６）およびメインディッシュ（１８）を含み、前記出力アパーチャが、前記受信反射面（２０）の前記外側の縁に沿って延びており、前記受信反射面（２０）および前記出力アパーチャ（２６）はメインディッシュ（１８）の本体に一体化されていることを特徴とする送受信機（１０）。
2. メインディッシュ（１８）を含み、前記メインディッシュ（１８）が、伝送すべきコヒーレント光を入射方向に対して実質的に垂直な方向に反射するための第１送信反射面（１６）を含むことを特徴とする請求項１に記載の送受信機（１０）。
3. 前記メインディッシュ（１８）が、第１送信反射面（１６）によって反射されたコヒーレント光を出力アパーチャ（２６）に向けて反射するための第２送信反射面（３２）を含むことを特徴とする請求項２に記載の送受信機（１０）。
4. 前記出力アパーチャ（２６）が、実質的に環の形状であり、かつ平面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の送受信機（１０）。
5. 前記第１と第２の送受信機（１０）が、互いに離れて配置され、かつ小さな発散を考慮すると、前記第１送受信機の送信アパーチャ（２６）から発したコヒーレント光ビームが、前記第２送受信機の表面（２０）で重なるように、または前記第２送受信機の送信アパーチャ（２６）から発したコヒーレント光ビームが、前記第１送受信機の表面（２０）で重なるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の第１送受信機（１０）および第２送受信機（１０）を含むことを特徴とする伝送システム。
6. 情報搬送コヒーレント光ビームを空中送信／受信する方法であって、互いに離れて配置された第１送受信機（１０）および第２送受信機（１０）を設けるステップを含み、前記送受信機（１０）のそれぞれが、もう一方の送受信機から受信した前記コヒーレント光を反射するための受信反射面（２０）およびメインディッシュ（１８）を含み、前記受信反射面が外側の縁を画定し、前記送受信機（１０）のそれぞれに、送信する前記コヒーレント光ビームを通過させるための単一アパーチャ（２６）を装備し、前記アパーチャ（２６）が、実質的に前記受信反射面（２０）の外側の縁に沿って延びるステップを含み、前記受信反射面（２０）および前記単一アパーチャ（２６）はメインディッシュ（１８）の本体に一体化されていることを特徴とする情報搬送コヒーレント光ビームを空中送信／受信する方法。
7. 光源（１２）から第１レンズ（１４）を介して来る前記コヒーレント光ビームを通過させるステップと、
   メインディッシュ（１８）の第１円錐反射面（１６）を使用して、前記第１レンズ（１４）を通過した前記コヒーレント光ビームの方向を偏移させるステップと、
   単一アパーチャ（２６）を通過させるために前記メインディッシュの第２円錐面（３２）を使用して、前記第１円錐反射面によって反射されたコヒーレント光ビームの前記方向を再び偏移させるステップとを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 単一アパーチャ（２６）を設ける前記ステップが、実質的に環の形状で、平面上に形成された単一アパーチャ（２６）を設けるステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 単一アパーチャ（２６）を設ける前記ステップが、前記単一アパーチャをメインディッシュ（１８）上に直接に設けるステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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