JP4615384B2 - 入射状態検出方法及び光無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、光無線通信装置における入射状態検出方法、及び当該光無線通信装置に関する。

従来から、空間光通信において、光無線通信装置に信号光を適切に入射させるために、信号光受信用の光学系の光軸を信号光の光軸に追尾させる等の入射条件の制御が行われている。この追尾は例えば、光学系に設けられた位置検出素子により検出される、光無線通信装置に入射する信号光の方向等の入射状態の情報が参照されることにより行われている（例えば、下記の特許文献１参照）。
特公平６−２２３５０号公報

上記の方法において、信号光の入射状態の情報は、通常、４分割検出器のような位置検出素子に入射した信号光の強度が電圧等のアナログ信号として取得され、それがＡＤ（Analog to Digital）変換されてＣＰＵ（CentralProcessing Unit）等の情報処理装置に入力されて演算されることにより検出される。しかしながら、光無線通信装置により受信される信号光の強度は、その装置が置かれる環境等により大きく変化する。通常、ＡＤ変換器は一定のダイナミックレンジを有しているので、受信される信号光の強度が大きく変動した場合にダイナミックレンジを外れることがある。その場合、信号光の入射状態を正確に検出することができず、入射条件の制御を適切に行うことができない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、受信する信号光の強度が大きく変動する場合であっても、信号光の入射条件を正確に検出することができる入射状態検出方法及び光無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明に係る入射状態検出方法は、無線通信信号として到達した信号光を受光する受信用光学系と、当該受信用光学系に入射した信号光を受光する受光面を有し当該受光面が複数に分割された光強度検出手段とを備える光無線通信装置における入射状態検出方法であって、光強度検出手段における分割された受光面の位置毎に信号光の強度をアナログ信号として検出して出力する光強度検出ステップと、光強度検出ステップにおいて出力されたアナログ信号を増幅する増幅ステップと、増幅ステップにおいて増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換ステップと、ＡＤ変換ステップにおいてディジタル信号に変換された信号光の強度に基づき、前記増幅ステップにおけるゲインを制御するゲイン制御ステップと、ＡＤ変換ステップにおいてディジタル信号に変換された、位置毎の信号光の強度に基づき当該信号光の入射状態を検出する入射状態検出ステップと、を有することを特徴とする。

本発明に係る入射状態検出方法では、光強度検出ステップで検出され出力される信号光の強度に係るアナログ信号は、増幅ステップにおいて増幅されてから、ＡＤ変換ステップでディジタル信号に変換される。増幅ステップにおけるゲインは、その増幅以前にディジタル信号として得られた信号光の強度に基づいて、ゲイン制御ステップにおいて制御される。これにより、光無線通信装置に入射する信号光の強度が変動したとしても、ディジタル信号に変換されるアナログ信号の強度をＡＤ変換におけるダイナミックレンジに収めることができる。よって入射状態検出ステップで参照されるディジタル信号としての信号光の強度は、常に正確なものとなる。従って、本発明に係る入射状態検出方法によれば、信号光の入射状態を正確に検出することができる。

また、入射状態検出ステップにおける入射状態の検出は、各位置の信号光の強度の合計に対する各位置の信号光の強度の比の値を用いて行われることが好ましい。この構成によれば、安定して入射状態を検出することができる。

また、入射状態検出ステップにおいて、各位置の信号光の強度の比の値は、予め定められた係数を乗算した値が用いられることが好ましい。この構成によれば、比の値を整数値にすること等により、入射状態検出ステップにおける信号光の入射状態を検出するための演算を容易にすることができる。

また、前記強度ステップにおけるゲインの制御は、前記信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン増加用閾値以下である場合にゲインを増加させ、信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン減少用閾値以上である場合にゲインを減少させることにより行われ、同じゲインにおいては、ゲインが増加されて増幅された信号光の強度よりも前記ゲイン減少用閾値が大きい、ことを特徴とする。この構成によれば、ゲインの切替が頻繁に行われることを防止することができる。

また、入射状態検出方法は、入射状態検出ステップにおいて検出された信号光の入射状態に基づいて、信号光の入射条件を制御する入射条件制御ステップを更に有することが好ましい。この構成では、上記のように、信号光の入射状態を正確に検出することができ、その入射状態に基づいて入射条件を制御する。従って、入射条件の制御を適切に行うことができる。

また、入射条件制御ステップにおける入射条件は、信号光に対する受信用光学系の光軸の位置及び方向の少なくとも一つであることが好ましい。この構成によれば、容易に入射条件を制御することができる。従って、本発明を容易に実施することができる。

また、入射条件制御ステップにおける入射条件の制御は、光強度検出ステップにおいて検出された信号光の強度に基づいて基準状態を設定して、光強度検出ステップにおいて検出される信号光の強度が基準状態となるように行うことが好ましい。この構成によれば、精密な調整を必要とせずに入射条件の制御を行うことができる。

ところで、本発明は、上記のように入射状態検出方法の発明として記述できる他に、以下のように光無線通信装置の発明としても記述することができる。これはカテゴリが異なるだけで、実質的に同一の発明であり、同様の作用及び効果を奏する。

本発明に係る光無線通信装置は、無線通信信号として到達した信号光を受光する受信用光学系と、当該受信用光学系に入射した信号光を受光する受光面を有し、当該受光面が複数に分割されており、当該分割された受光面の位置毎に前記信号光の強度をアナログ信号として検出して出力する光強度検出手段と、光強度検出手段により出力されたアナログ信号を増幅する増幅手段と、増幅手段により増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、ＡＤ変換手段によりディジタル信号に変換された信号光の強度に基づき、増幅手段におけるゲインを制御するゲイン制御手段と、ＡＤ変換手段によりディジタル信号に変換された、位置毎の信号光の強度に基づき当該信号光の入射状態を検出する入射状態検出手段と、を備え、ゲイン制御手段によるゲインの制御は、信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン増加用閾値以下である場合にゲインを増加させ、信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン減少用閾値以上である場合にゲインを減少させることにより行われ、同じゲインにおいては、ゲインが増加されて増幅された信号光の強度よりもゲイン減少用閾値が大きい、ことを特徴とする。

本発明では、ゲインはディジタル信号として得られた信号光の強度に基づいて制御される。これにより、光無線通信装置に入射する信号光の強度が変動したとしても、ディジタル信号に変換されるアナログ信号の強度をＡＤ変換におけるダイナミックレンジに収めることができる。よってディジタル信号としての信号光の強度は常に正確なものとなる。従って、本発明によれば、受信する信号光の強度が大きく変動する場合であっても、信号光の入射状態を正確に検出することができる。

以下、図面とともに本発明に係る入射状態検出方法及び光無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。まず、入射状態検出方法が実行される光無線通信装置を説明し、その後、入射状態検出方法を説明する。

図１は、本発明による光無線通信装置１０の実施形態を概略的に示す構成図である。光無線通信装置１０は、光ファイバネットワーク２０から信号光を入力し、その信号光を通信相手の光無線通信装置（本発明による光無線通信装置１０と同様の構成であっても、同様の構成でなくてもよい）に対して無線通信信号として投光する。また、通信相手の光無線通信装置により無線通信信号として投光された信号光を受光し、光ファイバネットワーク２０に出力する。なお、通信相手の光無線通信装置及び光無線通信装置１０は、通信可能なように互いに投受光可能な位置に設置されている。光ファイバネットワーク２０は、光ファイバを含んで構成された通信網であり、信号が光によって伝達される。

光無線通信装置１０により投受光される光としては、１．５５μｍ帯の波長のレーザ光を用いることが好ましい。このレーザ光の波長は、これまで開発されている光無線通信装置で用いられる光の波長７５０ｎｍ〜８５０ｎｍとは異なるが、光ファイバネットワークで標準的に使用されているものである。従って、通常の光ファイバネットワークでの信号光をそのまま光無線に利用することができ、光ファイバネットワークとの親和性が高い。また、この１．５５μｍ帯の波長は目に安全な波長帯であるので、投受光する信号光の高出力化を可能とする。

以下、光無線通信装置１０の構成を説明する。図１に示すように、光無線通信装置１０は、サーキュレータ１１と、信号光投受光部１２と、光ファイバアンプ１３と、光カプラ１４と、信号光パワー検出部１５と、制御部１６と、光ファイバアンプ１７とを備える。

サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａと、第２の端子１１ｂと、第３の端子１１ｃとを含んで構成されている。第１の端子１１ａは、光ファイバアンプ１３に接続されており、光ファイバアンプ１３から出力される信号光を入力する。第２の端子１１ｂは、信号光投受光部１２に接続されている。第３の端子１１ｃは、光カプラ１４に接続されており、出力する信号光を光カプラ１４に入力する。サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａから入力された信号光を第２の端子１１ｂに出力する。また、サーキュレータ１１は、第２の端子１１ｂから入力された信号光を第３の端子１１ｃに出力する。

信号光投受光部１２は、光ファイバ１２１とレンズ１２２とを含んで構成される。信号光投受光部１２は、サーキュレータ１１の第２の端子１１ｂから出力された信号光を、光ファイバ１２１を伝搬させて、レンズ１２２により、通信相手の光無線通信装置に対して投光する。また、信号光投受光部１２は、通信相手の光無線通信装置により投光され到達した信号光を、レンズ１２２により受光し、光ファイバ１２１を伝搬させてサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに入力する。光ファイバ１２１は、第１の端面１２１ａと第２の端面１２１ｂとを含んでいる。第１の端面１２１ａはサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに接続されており、サーキュレータ１１の第２の端子１１ｂから出力された信号光を第１の端面１２１ａに入力し第２の端面１２１ｂから出射する。また、レンズ１２２により受光された信号光を第２の端面１２１ｂに入射し第１の端面１２１ａから出力する。信号光投受光部１２のより詳細な構成については後述する。即ち、光ファイバ１２１及びレンズ１２２は、無線通信信号として到達した信号光を受光する受信用光学系を構成する。

光ファイバアンプ１３は、光ファイバネットワーク２０に接続されており、通信相手の光無線通信装置に送信するために光ファイバネットワーク２０から入力される信号光を増幅して出力する。この増幅は信号光が大気中を伝搬する際の減衰を考慮して、信号光を無線光通信に耐えうるパワーにするためのものである。なお、光ファイバアンプ１３は、光ファイバを用いない光増幅器等により代替されてもよい。また、光ファイバネットワーク２０から入力される信号光のパワーの値が充分大きく、無線光通信に耐えうるものである場合、光ファイバアンプ１３は必ずしも光無線通信装置１０に備えられている必要はない。

光カプラ１４は、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力された信号光を入力し、その信号光の一部を分岐して信号光パワー検出部１５に出力し、残部を光ファイバアンプ１７に出力する。

信号光パワー検出部１５は、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力され光カプラ１４により分岐された信号光のパワーの値を検出する。光カプラ１４と信号光パワー検出部１５とは、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段の役割を果たす。検出された信号光のパワーの情報は、制御部１６に送信される。

制御部１６は、信号光パワー検出部１５により検出される値を参照して、光ファイバアンプ１７から出力される信号光のパワーを制御する。この制御は、光ファイバネットワーク２０に入力される信号光の安定化を図るために行われ、例えば信号光のパワーの値を一定にする制御が相当する。

光ファイバアンプ１７は、制御部１６の制御を受けて、光カプラ１４から入力される信号光を増幅して、光ファイバネットワーク２０に出力する。なお、光ファイバアンプ１７は、光ファイバアンプ１３と同様、光ファイバを用いない光増幅器等により代替されてもよい。制御部１６と光ファイバアンプ１７とは、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力され光ファイバアンプ１７から光ファイバネットワーク２０に出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段の役割を果たす。

引き続いて信号光投受光部１２の構成を説明する。図２に信号光投受光部１２の側面からの断面を示す。また、図３に信号光投受光部１２の上面からの断面を示す。信号光投受光部１２は、信号光を投光及び受光する面が開けられた箱型の筐体１２３を有している。信号光投受光部１２は、筐体１２３内に、光ファイバ１２１と、レンズ１２２と、保持基体１２４と、保持基体支持部１２５と、ビームスプリッタ１２６と、光強度検出器１２７と、縦方向アクチュエータ１２８と、横方向アクチュエータ１２９とを備える。なお、サーキュレータ１１、光ファイバアンプ１３，１７、光カプラ１４、信号光パワー検出部１５及び制御部１６は、その何れか又は全てが筐体１２３に含まれていてもよい。また、信号光投受光部１２は、光無線通信装置１０に対する信号光の入射状態を検出して入射条件を制御する機構を有しており、それらについてはより詳細に後述する。

光ファイバ１２１は、第２の端面１２１ｂから出射される信号光がレンズ１２２により平行光にされ投光されると共に、レンズ１２２により受光される信号光が第２の端面１２１ｂに入射されるように、保持基体１２４に固定される。光信号の伝搬効率を考慮し、光ファイバ１２１として、シングルモード光ファイバが用いられることが好ましい。

レンズ１２２は、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂから出射される信号光を平行光にして投光すると共に、受光した信号光を集光して第２の端面１２１ｂに入射するように、保持基体１２４の筒状部材１２４ａの一方の先端部で固定される。レンズ１２２は、光ファイバ１２１のＮＡ（Numerical Aperture）を考慮して、受光される信号光を第２の端面１２１ｂに入射できるものを用いる。また従来、レンズ１２２は例えば三枚玉が用いられるが、受光される信号光が第２の端面１２１ｂに入射できるように投受光面を非球面とした１枚の非球面レンズを用いるのが好ましい。この投受光面を適切に設計すれば、光ファイバ１２１とレンズ１２２との間での光路を１枚のレンズでも好適に制御することができる。

また本実施形態においては、レンズ１２２の他方の面は、図２に示すように平面とされており、この面が筒状部材１２４ａに対する位置決めに用いられている。上記のように１枚の非球面レンズを用いることとすれば、信号光投受光部１２を簡易な構成とすることができまた軽量化を図ることができる。また、このとき、後述のアクチュエータ１２８，１２９による調整が容易になる。また、レンズ１２２の径は、投光する信号光のパワーが５００ｍＷ程度の高いパワーの信号光でも、クラス１Ｍのレーザ安全基準を確保できるようにするのが好ましい。クラス１Ｍのレーザ安全基準を達成させるようにすると、レンズ１２２の焦点距離が長くなるが、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間にビームスプリッタ１２６を配置することで余計なレンズ等を排除し、小型化を実現することができる。

筐体１２３の内面のうち、信号光が通過する開口が設けられた面に垂直な面の１つが、保持基体１２４を設置するための保持面１２３ａとなっている。この保持面１２３ａに対し保持基体支持部１２５及び縦方向アクチュエータ１２８が固定される。また、筐体１２３は内側に保持面１２３ａと垂直な側面１２３ｂを有し、当該側面１２３ｂに対し横方向アクチュエータ１２９が固定される。

保持基体１２４は、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部及びレンズ１２２を、信号光を投受光可能なように光軸が合った状態で位置決めして、一体に保持する保持手段である。保持基体１２４は、レンズ１２２を保持する筒状部材１２４ａと、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部の固定等を行う保持板１２４ｂとを含んで構成されている。保持基体１２４は、筒状部材１２４ａの所定箇所で保持基体支持部１２５により、信号光の光軸（光ファイバ１２１の第２の端面からレンズ１２２への方向）を調整できるように作動可能な状態で支持されている。

筒状部材１２４ａは、その中心軸が光軸と略一致するように設置されており、投光方向にある一方の端部が開口している。また、筒状部材１２４ａの当該端部内側に設けられたレンズ固定部１２４ｄが、筒状部材１２４ａ内でレンズ１２２を位置決めして固定する。筒状部材１２４ａは、当該レンズ１２２が固定される端部が筐体１２３の開口面と同一の方向になるよう設けられる。筒状部材１２４ａと保持板１２４ｂとは互いに位置決めされた状態で一体となっており、保持板１２４ｂは、筒状部材１２４ａと筐体１２３の保持面１２３ａとの間に位置している。

また、保持板１２４ｂは、受光方向の筒状部材１２４ａの端面より受光方向側にせり出した台状の後端部１２４ｅを有している。保持板１２４ｂは、当該後端部１２４ｅで光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部を、筒状部材１２４ａの受光方向の端部の後方に、位置決めして第２の端面１２１ｂが筒状部材の方向を向くよう固定する。また、筒状部材１２４ａの受光方向の端部には、筒状部材１２４ａの外側に配置された光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂから出射された光をレンズ１２２で受けられるよう、開口部が設けられている。以上の保持基体１２４の構成により、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとが、光軸が合った状態で位置決めされている。

保持基体支持部１２５は、筐体１２３の保持面１２３ａに対して固定されており、保持基体１２４を作動可能な状態で保持する。具体的には、保持基体支持部１２５は、筐体１２３の保持面１２３ａと垂直な軸線の周方向（図２に示すＲ１方向、この方向を横方向と呼ぶ）に回転可能な部分１２５ａ（横方向追尾軸）を有しており、保持基体１２４を当該方向に作動可能とする。また、保持基体支持部１２５は、保持基体１２４の筒状部材１２４ａを、筐体１２３の保持面１２３ａと平行かつ光軸と垂直な軸線方向（縦方向追尾軸、図２及び図３に示す支持点１２５ｂ）の径の２点で、回転可能なように支えており、当該２つの支持点１２５ｂによる回転軸とした周方向（図２に示すＲ２方向、この方向を縦方向と呼ぶ）に作動可能とする。なお、上記の作動は、後述するアクチュエータ１２８，１２９を駆動させることにより行われる。

ビームスプリッタ１２６は、保持基体１２４の筒状部材１２４ａ内の、信号光の経路におけるレンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間に設けられる。レンズ１２２により受光された信号光の一部を反射させ、光強度検出器１２７に入射させる。なお、反射される光の光路と受光された信号光の光路とが垂直になるよう、ビームスプリッタ１２６は、反射面が信号光の光軸と４５°となるように設置するのがよい。

光強度検出器１２７は、受信用光学系に入射しビームスプリッタ１２６により反射された信号光を受光する受光面を有する光強度検出手段である。この受光面は、例えば四等分等、複数に分割されており、光強度検出器１２７は、分割された受光面の位置毎に信号光の強度を検出して、その強度の値を示すアナログ信号である電流値をもつ電流として出力する。この信号光の強度の検出は、光無線通信装置１０に対する信号光の入射状態を検出するために行われるものである。検出された入射状態は、信号光の入射条件の制御に用いられる。具体的にどのように入射状態の検出及び入射条件の制御が行われるかは後述する。検出される入射状態としては、具体的には光ファイバ１２１に入射する信号光の方向が相当する。光強度検出器１２７としては、具体的には例えば、四分割フォトダイオード等の四分割センサが用いられる。

光強度検出器１２７は、筒状部材１２４ａの外壁に固定され設けられる検出器格納部１２４ｃ内に位置決めして設置される。なお、筒状部材１２４ａには、光強度検出器１２７で反射光を受光できるように、反射光の経路上に、開口部が設けられる。筒状部材１２４ａと筐体１２３の保持面１２３ａとの間には保持板１２４ｂ等が設けられているので、光強度検出器１２７は、保持面１２３ａとは逆側に設けられることが好ましい。即ち、ビームスプリッタ１２６による反射光は、保持面１２３ａとは逆側に向かうものであることとするのがよい。

縦方向アクチュエータ１２８は筐体１２３の保持面１２３ａに対して固定されており、その駆動部１２８ａが、保持基体１２４の保持板１２４ｂの後端部１２４ｅを挟み込んで保持基体１２４に固定されている。縦方向アクチュエータ１２８を図２に示すＲ３方向に駆動させることにより、保持基体を縦方向（Ｒ２方向）に作動させることができる。また、横方向アクチュエータ１２９は筐体１２３の側面１２３ｂに対して固定されており、駆動部１２９ａが、保持基体１２４の保持板１２４ｂの後端部１２４ｅを挟み込んで保持基体１２４に固定されている。横方向アクチュエータ１２９を図３に示すＲ４方向に駆動させることにより、保持基体を横方向（Ｒ１方向）に作動させることができる。

縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９は、後述する信号光の入射条件の制御機構から制御信号を受信し、その制御信号に基づいて、適切な方向（レンズ１２２の受光面と信号光の方向がほぼ垂直となり、レンズ１２２により集光された信号光が光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに入射する方向）で信号光を受光できるように、保持基体１２４の方向を調整し、信号光の入射条件である、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間の信号光の光軸を調整する。即ち、アクチュエータ１２８，１２９は、信号光の入射条件を制御する入射条件制御手段の一構成要素である。

続いて、光無線通信装置１０に対する信号光の入射状態を検出して入射条件を制御する機構について、図４の構成図を用いて説明する。図４に示すように、この機構には、光強度検出器１２７、縦方向アクチュエータ１２８及び横方向アクチュエータ１２９が含まれ、また、それ以外に、電流電圧変換器３１と、増幅器３２と、ＡＤ変換器３３と、マイクロコントローラ３４と、ゲイン切替器３５と、アクチュエータ用ドライバ３６と、外部制御・モニタ用機器３７とが含まれる。これらの構成要素は、外部制御・モニタ用機器３７を除いて、筐体１２３内に設置されることが好ましい。

光強度検出器１２７は、図４に示すように４つに分割された受光面１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃ，１２７ｄを有している。各分割された受光面１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃ，１２７ｄに信号光が入射すると、当該受光面の位置毎に入射した信号光の強度をアナログ値である電流値として検出し、当該電流を電流電圧変換器３１に入力させる。

電流電圧変換器３１は、光強度検出器１２７の分割された受光面１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃ，１２７ｄ毎に設けられており、それぞれが対応する受光面１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃ，１２７ｄに信号線等で接続されている。各電流電圧変換器３１は、それぞれ各分割された受光面１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃ，１２７ｄから出力された信号光の強度を示す電流値をもつ電流を入力し、当該電流を電圧に変換する。変換された電圧は増幅器３２に入力される。当該変換された電圧の電圧値は、信号光の強度を示すものになっている。電流から電圧への変換は、ＡＤ変換器３３により信号光の強度の値をディジタル値として取り出すために行われる。電流電圧変換器３１は、具体的には例えば、電子回路により実現される。

増幅器３２は、電流電圧変換器３１毎に設けられており、それぞれが対応する電流電圧変換器３１に接続されている。増幅器３２は、電流電圧変換器３１から入力した、信号光の強度を示すアナログ信号である電圧を増幅する増幅手段である。増幅器３２は、それぞれ同じゲインで増幅を行う。このゲインは、ゲイン切替器３５により制御される。この増幅は、当該アナログ信号をＡＤ変換する際に、アナログ信号である電圧の強度をＡＤ変換におけるダイナミックレンジに収めるために行われる。増幅されたアナログ信号は、ＡＤ変換器３３に入力される。

ＡＤ変換器３３は、増幅器３２毎に設けられており、それぞれが対応する増幅器３２に接続されている。ＡＤ変換器３３は、増幅器３２から入力したアナログ信号である電圧の電圧値をディジタル信号に変換するＡＤ変換手段である。なお、ＡＤ変換器３３は、ＡＤ変換における入力されるアナログ値に一定のダイナミックレンジを有しており、ダイナミックレンジの範囲外の入力がなされた場合、正確に入射状態の検出を行うことができない。変換後のディジタル信号はマイクロコントローラ３４に送信される。このＡＤ変換は、マイクロコントローラ３４において信号光の強度の値を処理するために行われる。

マイクロコントローラ３４は、ＡＤ変換器３３によりディジタル信号に変換された信号光の強度に基づき、増幅器３２におけるゲインを制御するゲイン制御手段である。ゲインの制御は、ＡＤ変換器３３によるＡＤ変換が適切に行われることを目的としている。具体的には例えば当該信号光の強度に対して演算を行い、予め設定されたルールに従って行われる。ゲインの制御は、実際にはマイクロコントローラ３４からゲイン切替器３５に制御信号が送信され、ゲイン切替器３５により行われる。ゲインの制御に関しては、光無線通信装置１０の動作の説明において、より詳細に後述する。

また、マイクロコントローラ３４は、ＡＤ変換器３３によりディジタル信号に変換された、位置毎の信号光の強度に基づき当該信号光の入射状態を検出する入射状態検出手段としても機能する。信号光の入射状態としては、具体的には、光無線通信装置１０に対する信号光の入射方向及び入射位置等である。入射状態の検出は、具体的には例えば当該位置毎の信号光の強度に対して演算を行い、予め設定されたルールに従って行われる。検出された入射状態は、入射条件の制御に用いられる。入射条件の検出に関しては、光無線通信装置１０の動作の説明において、より詳細に後述する。

また、マイクロコントローラ３４は、検出された入射状態に基づいて、信号光の入射条件を制御する入射条件制御手段としても機能する。入射条件の制御は、具体的には例えば、適切に信号光を受光できるように、信号光に対する受信用光学系の光軸の位置及び方向の少なくとも一つを制御すること等により行われる。入射条件の制御は実際には、マイクロコントローラ３４から制御信号がアクチュエータ用ドライバ３６に送信され、アクチュエータ用ドライバ３６がアクチュエータ１２８，１２９を駆動させることにより行われる。

マイクロコントローラ３４は、具体的にはＣＰＵ及びメモリ等により構成される。また、マイクロコントローラ３４にＡＤ変換器３３の機能が含まれていてもよい。

ゲイン切替器３５は、マイクロコントローラ３４からの制御信号を受けて、ゲインの切替を実際に行うものである。具体的には、例えば、電流電圧変換器３１における並列抵抗値を切り替えることによりゲインの切替を行うことが可能になる。アクチュエータ用ドライバ３６は、マイクロコントローラ３４からの制御信号を受けて、入射条件の制御のためにアクチュエータ１２８，１２９を駆動させるものである。外部制御・モニタ用機器３７は、ユーザが手動で上記の構成要素を制御、又はモニタするための外部装置である。手動で制御等をする必要のない場合は、外部制御・モニタ用機器３７は、必ずしも光無線通信装置１０に設ける必要はない。

引き続いて、光無線通信装置１０の動作について、特に増幅器３２におけるゲインの制御、及び入射条件の制御を中心に図５のフローチャートを用いて説明する。本動作は、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光が光無線通信装置１０により（ある程度継続的に）受光される場合のものである。

光無線通信装置１０では、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光がレンズ１２２により受光される。受光された信号光の一部は、ビームスプリッタ１２６により反射され光強度検出器１２７に入射される。光強度検出器１２７は反射光を受光して、分割された受光面の位置毎に信号光の強度を検出する。ここで、位置毎に検出された光信号の強度は、電流電圧変換器３１、増幅器３２及びＡＤ変換器３３を介してマイクロコントローラ３４に入力される（この動作に関しての各構成要素の動作は、より詳細に後述するが、ここでは説明を省略する）。マイクロコントローラ３４は、当該位置毎の光信号の強度を基準状態として設定し、メモリ等に格納しておく（Ｓ０１）。この基準状態は、入射条件の制御（Ｓ０７）に用いられる。

受光された信号光の残りは、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに集光され入射される。入射された光は、光ファイバ１２１内を伝搬し第１の端面１２１ａから出力される。第１の端面１２１ａから出力された信号光は、サーキュレータの第２の端面１１ｂに入力され、第３の端面１１ｃから出力される。

出力された信号光は、光カプラ１４に入力され、その一部が信号光パワー検出部１５に、残部が光ファイバアンプ１７に入力される。信号光パワー検出部１５では、信号光のパワーの値が検出され、検出された値の情報が制御部１６に送信される。制御部１６では、パワーの値が検出された信号光を一定のパワーの値で出力されるよう光増幅するように光ファイバアンプ１７に対する制御が行われる。光ファイバアンプ１７に入力された信号光は、上記のような制御を受けた光ファイバアンプ１７により、一定のパワーになるよう光増幅されて出力され、光ファイバネットワーク２０に入力される。以下の動作でも、受光された信号光は上記と同様に光ファイバネットワーク２０に入力される。

基準状態設定後の動作を以下に説明する。上述した動作と同様に、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光がレンズ１２２により受光される。受光された信号光の一部は、ビームスプリッタ１２６により反射され光強度検出器１２７に入射される。光強度検出器１２７は反射光を受光して、分割された受光面の位置毎に信号光の強度を検出する（Ｓ０２、光強度検出ステップ）。この信号光の強度は電流値として取得され、アナログ信号である当該電流が各電流電圧変換器３１に入力される。当該電流は、各電流電圧変換器３１により、信号光の強度を示す電圧値をもつ、これもアナログ信号である電圧に変換される。各電圧は、増幅器３２に入力される。

続いて、それぞれの増幅器３２が、各電流電圧変換器３１から入力された、位置毎の信号光の強度を示す電圧値をもつ電圧を増幅する（Ｓ０３、増幅ステップ）。この増幅は、全ての増幅器３２において同じゲインで行われる。この増幅は、ＡＤ変換器３３におけるダイナミックレンジに、ＡＤ変換の対象であるアナログ信号の電圧を収めるためにするものである。即ち、ここで電圧は、ＡＤ変換器３３の分解能に対して十分に大きなレベルに増幅される。また、電圧レベルの飽和を避けるために、一定以上の大きさの電圧にならないようにする。ゲインは、マイクロコントローラ３４及びゲイン切替器３５により制御されたものである（制御内容については後述する）。増幅された電圧は、ＡＤ変換器３３に入力される。

光無線通信装置１０においては、光強度検出器１２７に入射する光強度が大きく変動する。光強度の変動は大気中における光波減衰に依存し、１ｋｍの通信で３０ｄＢ程度の減衰（最大受光強度と比較して強度が１／１０００となる）が生じることもある。また、太陽光等を原因とする外乱光が光強度検出器１２７に入射した場合には、受光レベル全体が増加することもある。さらに光源に光ファイバ増幅器を使用する構成とした場合には、設置条件や設置環境に応じて送信強度を１０ｍＷ〜５００ｍＷ程度の間で切り替えることがある。ここで、このような増幅を行うのは、このように光強度の変動がある場合でも、ＡＤ変換器３３への入力レベルを、正確にＡＤ変換をできるものとするためである。

続いて、それぞれのＡＤ変換器３３が、各増幅器３２から増幅されて入力された、アナログ値である電圧値をもつ電圧をディジタル信号に変換する（Ｓ０４、ＡＤ変換ステップ）。変換されたディジタル信号は、マイクロコントローラ３４に入力される。

続いて、マイクロコントローラ３４及びゲイン切替器３５が、マイクロコントローラ３４に入力されたディジタル信号に基づいて、各増幅器３２に対するゲインの制御を行う（Ｓ０５、ゲイン制御ステップ）。ゲインの制御は、具体的には以下のように行われる。まず、マイクロコントローラ３４は、各ＡＤ変換器３３から入力されたディジタル値の合計をとる。一方、マイクロコントローラ３４では、ゲイン毎に、ゲインを増加させる信号光の強度のゲイン増加用閾値、及びゲインを減少させる信号光の強度のゲイン減少用閾値が定められている。マイクロコントローラ３４では、上記のディジタル値の合計と、現在のゲインのゲイン増加用閾値及びゲイン減少用閾値とから、ゲインを増加させるか、減少させるか、及び現状維持の何れかであるかを判断する。信号光の強度の合計であるディジタル値の合計が、ゲイン増加用閾値以下である場合はゲインを増加させ、ゲイン減少用閾値以上である場合はゲインを減少させる。２つの場合の何れでもない場合は、現状維持とする。なお、各増幅器３２におけるゲインは、各増幅器３２間で全て同じ値になるようにする。マイクロコントローラ３４は、上記の判断に基づいて、制御信号をゲイン切替器３５に送信して、当該制御信号を受けたゲイン切替器３５が各増幅器３２に対して切替を行う。

ゲインの制御に関して、具体例を図６に示す状態遷移を用いて説明する。図６において、横軸は信号光の強度を示すディジタル値（ＡＤ変換器３３による変換後。単位は省略）、縦軸は増幅器３２におけるゲインである。なお、図６は簡易的にゲインの切替が１倍と１０倍のみであるとした場合である。ゲインが１倍である場合、ゲインを１０倍するゲイン増加用閾値は１０であり、ゲインが１０倍である場合、ゲインを１倍にするゲイン減少用閾値は９５０である。現在のゲインが１倍で、受光強度を示すディジタル値が１０となった場合、ゲインは１０倍にされる。また、現在のゲインが１０倍でディジタル値が９５０になった場合、ゲインは１倍にされる。

このように、同じゲインにおいては、ゲインが増加されて増幅された信号光の強度（ゲインが１０倍に増加される場合、最大でも１００（図６における（ii）））よりもゲイン減少用閾値（ゲイン１０倍の場合、９５０（図６における（iii）））が大きいことが好ましい。また、その場合、同じゲインにおいては、ゲインが減少されて増幅された信号光の強度（ゲインが１倍に減少される場合、最小でも９５（図６における（iv）））よりもゲイン増加用閾値（ゲイン１倍の場合、１０（図６における（i）））が小さくなる。

例えば、上記のゲインが増加されて増幅された信号光の強度（図６における（ii））とゲイン減少用閾値（図６における（iii））とが等しい値になるように設定してしまうと、ゲインの切替が頻繁に行われ動作が不安定になる。本実施形態のように、ゲイン増加用閾値及びゲイン減少用閾値をゲイン切替のヒステリシス特性を考慮したものにすることにより、ゲインの切替が頻繁に行われることを防止し安定的な動作をさせ、更に後述する入射条件の制御の時間的パフォーマンスの低下を防止することができる。

続いて、マイクロコントローラ３４が、光強度検出器１２７における位置毎の光強度を示すディジタル信号に基づいて、信号光の光無線通信装置１０に対する入射状態を検出する（Ｓ０６、入射状態検出ステップ）。入射状態の検出は、以下に説明するように、各位置の信号光の強度の合計に対する各位置の信号光の強度の比の値を用いて行われるのが好ましい。光強度検出器１２７の受光面は、図４に示すように４つに分かれている。ここでＡを図４において左上の部分に入射した信号光の強度の値、Ｂを右上の部分に入射した信号光の強度の値、Ｃを右下の部分に入射した信号光の強度の値、Ｄを左下の部分に入射した信号光の強度の値とそれぞれする。入射状態は、具体的には例えば、光強度検出器１２７の上下方向の強度の差の値Ｖとして検出され、以下の式により導出される。
Ｖ＝ｋ×（Ｕ−Ｄ）／（Ｕ＋Ｄ）
ここで、Ｕは光強度検出器１２７の上側に入射した信号光の強度であり、ＧＡ＋ＧＢで表される（Ｇは増幅器３２におけるゲインの値）。また、Ｄは光強度検出器１２７の下側に入射した信号光の強度であり、ＧＣ＋ＧＤで表される。また、ここでｋは、ＣＰＵによる演算を用意にするために整数値に変換するための予め設定された値である。

また、入射状態は、光強度検出器１２７の左右方向の強度の差の値Ｈとしても検出され、以下の式により導出される。
Ｈ＝ｋ×（Ｒ−Ｌ）／（Ｒ＋Ｌ）
ここで、Ｒは光強度検出器１２７の右側に入射した信号光の強度であり、ＧＢ＋ＧＣで表される。また、Ｌは光強度検出器１２７の左側に入射した信号光の強度であり、ＧＡ＋ＧＤで表される。このように検出された信号光の入射状態の情報は、入射条件の制御に用いられる。

例えば光無線通信装置１０のおいては、Ｌが２０００、Ｒが３０００という場合がある。一方で、降雨に伴う強度の減衰やゲインの切替等で、Ｌが４、Ｒが６ということが起こりうる。前者の場合、左右方向の強度の差は１０００であり、後者の場合、左右方向の強度の差は２である。上記の二例は左右方向に対しては、方向あるいは位置という意味において、信号光の入射条件は同一である。しかし、上記のような従来、ＣＤ（Compact Disk？）のピックアップ等に用いられる各チャネルの受光レベルの差信号を用いると、正確な入射条件を検出することが難しい。

上記二例において、全体の信号光の強度に対する比を取ると、両者の強度の差は０．２となり、同じ値が得られる。つまり、全体の強度が変動しても値が変わらない。そこで、本実施形態では、入射状態の情報として、各位置の信号光の強度の合計に対する各位置の信号光の強度の比の値を用いているのである。

続いて、マイクロコントローラ３４、アクチュエータ用ドライバ３６、及びアクチュエータ１２８，１２９が、検出された信号光の入射状態に基づいて、信号光の入射条件を制御する（Ｓ０７、入射条件制御ステップ）。入射条件の制御は、具体的には以下のように行われる。マイクロコントローラ３４は、Ｓ０１での入射条件の基準状態の設定の際に、基準状態として取得した位置毎の光信号の強度から、上述したものと同様に上下方向の強度の差、及び左右方向の強度の差を導出しておく。マイクロコントローラ３４は、基準状態の値と、Ｓ０６において検出された入射状態の値とを比較して、それらの値の間に差がある場合はその差を縮めるように制御を行う、と判断する。入射条件の制御が頻繁に行われることを防止するため、許容誤差を設定しておき、当該判断において差が当該許容誤差以内であれば制御を行わないとすることとしてもよい。

当該判断の後、マイクロコントローラ３４からアクチュエータ用ドライバ３６に判断に基づいた制御信号が送られる。アクチュエータ用ドライバ３６によりアクチュエータ１２８，１２９が制御され駆動されることにより、入射状態の調整が実際に行われる。

その後も信号光の強度の取得（Ｓ０２）が繰り返し行われ、上記Ｓ０３〜Ｓ０７の処理もそれに伴って行われる。但し、ゲインの制御（Ｓ０５）においてゲインの切替が行われた場合、回路の時定数にもよるが出力電圧が安定するまでに時間が必要となる。よって、ゲインを切り替えたときには時定数に従って一定時間、入射状態の検出処理を停止することとするのが好ましい。

上記の動作において、ゲインの制御（Ｓ０５）と、入射状態の検出（Ｓ０６）及び入射条件の制御（Ｓ０７）とは直接的な関連がないので、何れが先に行われてもよいし、両方が平行に行われてもよい。また、入射状態の検出（Ｓ０６）及び入射条件の制御（Ｓ０７）は、ゲインの制御（Ｓ０５）においてゲインの切替がなかった場合のみに行われてもよい。

上記のように本実施形態によれば、ゲインはディジタル信号として得られた信号光の強度に基づいて制御される。これにより、光無線通信装置１０に入射する信号光の強度が変動（例えば、上記に示したように１万倍程度の変動）したとしても、ディジタル信号に変換されるアナログ信号の強度をＡＤ変換におけるダイナミックレンジに収めることができる。よってディジタル信号としての信号光の強度は常に正確なものとなる。従って、本実施形態によれば、受信する信号光の強度が大きく変動する場合であっても、信号光の入射状態を正確に検出することができる。

また、本実施形態のように、信号光の入射状態の検出に各位置の信号光の強度の合計に対する各位置の信号光の強度の比の値を用いることとすれば、全体の強度の変動の影響を受けずに、また上述したようにゲインを制御した場合であっても、安定して入射状態を検出することができる。

また、本実施形態のように、上記比の値に予め定められた係数（ｋ）を乗算することにより、比の値を整数値にすること等により、入射状態検出ステップにおける信号光の入射状態を検出するための演算を容易にすることができる。

また、本実施形態のように、検出された入射条件に基づいて、入射条件の制御を行うこととすれば、受信する信号光の強度が大きく変動する場合であっても、入射条件の制御を適切に行うことができる。また、入射条件を、信号光に対する受信用光学系の光軸の位置及び方向の少なくとも一つであることとすれば、用意に入射条件の制御を行うことができる。

また、本実施形態のように検出された信号光の強度を、入射条件制御の基準状態とすれば、光強度検出器１２７の各位置において検出される信号光の強度を等しい状態に調整する必要がないので、精密な調整を必要とせずに入射条件の制御を行うことができる。特に本実施形態のように、受信光をフォトダイオードのような光検出器でなく、光ファイバ１２１のコアへ直接導くような場合では、数μｍレベルの位置調整が必要である。この方式では、精密な調整を必要とせず、光強度検出器１２７の各位置において検出される信号光の強度がそれぞれ多少ずれていても、その状態を基準状態として、入射条件の制御を行うことができる。またこの場合でも、上記のように信号光の強度の比の値をとることにより、全体の強度が変動しても値は変化しない。但し、予め全ての位置において信号光の強度が同一の基準状態を定めておき、その基準状態となるように制御することとしてもよい。

なお、本実施形態で示した光無線通信装置１０は一例であり、他の形態であってもよい。例えば、信号光の送信と受信とを別々の光学系で行うものでもよい。また、光ファイバネットワークから直接信号光が入力されるものではなく、電気信号が入力されそれを信号光に変換するものであってもよい。

また、本実施形態によれば、増幅器３２の現在のゲインとマイクロコントローラ３４に入力されるディジタル信号を記録することにより、受光レベルの変動を常に監視することが可能である。よって、現在の大気の状況即ち大気による光波減衰量を常に監視できる。この受光レベルの変動を元に光源の送信パワーや受光側にある増幅器のゲインを制御することにより、安定した通信を行うことも可能である。

本発明の実施形態に係る光無線通信装置の構成を示す図である。 信号光投受光部の側面からの断面を示す図である。 信号光投受光部の上面からの断面を示す図である。 光無線通信装置における、入射状態検出及び入射条件制御を行う機構を示した図である。 本発明の実施形態に係る入射状態検出方法のフローチャートである。 ゲインの切替を説明するための図である。

符号の説明

１０…光無線通信装置、１１…サーキュレータ、１１ａ…第１の端子、１１ｂ…第２の端子、１１ｃ…第３の端子、１２…信号光投受光部、１２１…光ファイバ、１２１ａ…第１の端面、１２１ｂ…第２の端面、１２１ｃ…ＡＲコート膜、１２２…レンズ、１２３…筐体、１２３ａ…保持面、１２３ｂ…側面、１２４…保持基体、１２４ａ…筒状部材、１２４ｂ…保持板、１２４ｃ…検出器格納部、１２４ｄ…レンズ固定部、１２４ｅ…後端部、１２５…保持基体支持部、１２６…ビームスプリッタ、１２７…光強度検出器、１２８，１２９…アクチュエータ、１３，１７…光ファイバアンプ、１４…光カプラ、１５…信号光パワー検出部、１６…制御部、２０…光ファイバネットワーク、３１…電流電圧変換器、３２…増幅器、３３…ＡＤ変換器、３４…マイクロコントローラ、３５…ゲイン切替器、３６…アクチュエータ用ドライバ、３７…外部制御・モニタ用機器。

Claims (7)

1. 無線通信信号として到達した信号光を受光する受信用光学系と、当該受信用光学系に入射した信号光を受光する受光面を有し当該受光面が複数に分割された光強度検出手段とを備える光無線通信装置における入射状態検出方法であって、
   前記光強度検出手段における分割された受光面の位置毎に前記信号光の強度をアナログ信号として検出して出力する光強度検出ステップと、
   前記光強度検出ステップにおいて出力されたアナログ信号を増幅する増幅ステップと、
   前記増幅ステップにおいて増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換ステップと、
   前記ＡＤ変換ステップにおいてディジタル信号に変換された信号光の強度に基づき、前記増幅ステップにおけるゲインを制御するゲイン制御ステップと、
   前記ＡＤ変換ステップにおいてディジタル信号に変換された、前記位置毎の信号光の強度に基づき当該信号光の入射状態を検出する入射状態検出ステップと、を有し、
   前記ゲイン制御ステップにおけるゲインの制御は、前記信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン増加用閾値以下である場合にゲインを増加させ、前記信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン減少用閾値以上である場合にゲインを減少させることにより行われ、
   同じゲインにおいては、ゲインが増加されて増幅された信号光の強度よりも前記ゲイン減少用閾値が大きい、
   ことを特徴とする入射状態検出方法。
2. 前記入射状態検出ステップにおける入射状態の検出は、前記各位置の信号光の強度の合計に対する各位置の信号光の強度の比の値を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の入射状態検出方法。
3. 前記入射状態検出ステップにおいて、前記各位置の信号光の強度の比の値は、予め定められた係数を乗算した値が用いられることを特徴とする請求項２に記載の入射条件検出方法。
4. 前記入射状態検出ステップにおいて検出された信号光の入射状態に基づいて、前記信号光の入射条件を制御する入射条件制御ステップを更に有する請求項１〜３の何れか一項に記載の入射状態検出方法。
5. 前記入射条件制御ステップにおける入射条件は、前記信号光に対する前記受信用光学系の光軸の位置及び方向の少なくとも一つであることを特徴とする請求項４に記載の入射状態検出方法。
6. 前記入射条件制御ステップにおける入射条件の制御は、前記光強度検出ステップにおいて検出された信号光の強度に基づいて基準状態を設定して、前記光強度検出ステップにおいて検出される信号光の強度が基準状態となるように行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の入射状態検出方法。
7. 無線通信信号として到達した信号光を受光する受信用光学系と、
   当該受信用光学系に入射した信号光を受光する受光面を有し、当該受光面が複数に分割されており、当該分割された受光面の位置毎に前記信号光の強度をアナログ信号として検出して出力する光強度検出手段と、
   前記光強度検出手段により出力されたアナログ信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段により増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
   前記ＡＤ変換手段によりディジタル信号に変換された信号光の強度に基づき、前記増幅手段におけるゲインを制御するゲイン制御手段と、
   前記ＡＤ変換手段によりディジタル信号に変換された、前記位置毎の信号光の強度に基づき当該信号光の入射状態を検出する入射状態検出手段と、を備え、
   前記ゲイン制御手段によるゲインの制御は、前記信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン増加用閾値以下である場合にゲインを増加させ、前記信号光の強度がゲイン毎に予め定められたゲイン減少用閾値以上である場合にゲインを減少させることにより行われ、
   同じゲインにおいては、ゲインが増加されて増幅された信号光の強度よりも前記ゲイン減少用閾値が大きい、
   ことを特徴とする光無線通信装置。

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