JP4653034B2

JP4653034B2 - 双方向光空間通信システムおよび光送受信装置

Info

Publication number: JP4653034B2
Application number: JP2006198134A
Authority: JP
Inventors: 健辻村; 耕一吉田; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: JP2008028632A

Description

この発明は、光を透過する媒質を挟む２点間で信号光を双方向に伝送する双方向光空間通信システムと、このシステムに用いられる光送受信装置に関する。

例えば非特許文献１に記載されるように、空間を介して信号光を双方向に伝送する光空間通信システムが知られている。この種のシステムにおいては送受双方の光軸を一致させるなど、光学系の配置を精密に調整する必要がある。特許文献１には簡易な試験方法として信号光自体の受信強度を評価する方法が開示されており、この方法は単方向系、または近接する波長を用いる双方向系には有効である。
特開平７-１７５０２１号公報 T. Tsujimura, and K. Yoshida, "Active free space optics systems for ubiquitous user networks, "2004 Conference on optoelectronic and microelectronic materials and devices, pp.197-200（2004）.

ところで、光ファイバを用いる通信ネットワークでは双方向通信に１００〜２００ｎｍ程度にまで離れた波長を用いる場合もあり、光空間通信系でも同様の対応が必要になる。送受双方で波長の異なる信号光を用いる場合、コリメータレンズ等の光学系が持つ色収差などの波長依存性が顕著になり、片方の波長で焦点を合わせてももう一方の波長ではうまく結像せず十分な信号強度を得られなくなるという問題があった。このことは送受の波長差が大きくなるほどに顕著になり、何らかの対処が望まれている。

この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、送受双方で異なる波長を用いる場合にいずれの波長においても良好な信号強度を得ることを可能とした双方向光空間通信システムおよび光送受信装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、第１の波長を第１の空間通信系に割り当てるとともに前記第１の波長とは異なる第２の波長を前記第１の空間通信系と対向する第２の空間通信系に割り当てて双方向通信を行う双方向光空間通信システムにおいて、前記第１および第２の波長の中間の波長である第３の波長を前記第１の空間通信系に導入し、この第１の空間通信系における光学系配置を前記第３の波長を用いて調整する第１調整手段と、前記第３の波長を前記第２の空間通信系に導入し、この第２の空間通信系における光学系配置を前記第３の波長を用いて調整する第２調整手段とを具備し、前記第３の波長は１.４５μｍであることを特徴とする双方向光空間通信システムが提供される。

このような手段を講じることにより、第１の空間通信系における光学系の配置の調整（光軸調整など）、および第２の空間通信系における光学系の配置の調整が第３の波長を用いて実施される。従って上り波長（例えば第１の波長）と下り波長（例えば第２の波長）のいずれにおいても最適に近い光学系配置調整を行うことができ、いずれの波長においても良好な受信信号強度を得ることが可能になる。これにより双方向の通信系におけるトータルでの低損失化を実現することができるようになる。

この発明によれば、送受双方で異なる波長を用いる場合にいずれの波長においても良好な信号強度を得ることを可能とした双方向光空間通信システムおよび光送受信装置を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態につき説明する。まず、既存の光空間通信システムにつき説明する。
図１は光空間通信系を示す模式図である。簡単のため図１においては単方向（片方向）通信の構成を示す。図１において光源５から発せられた信号光は光ファイバ３を経由して送信部１に導かれ、コリメータレンズ４から空間に出射される。信号光７は送信部１から受信部２まで空間を伝搬し、た後光ファイバ３を経由して受光器６に到達する。光学系の設計が最適化されていれば、送信部１において信号光は光ファイバ３の端面から空気中に拡散したところでコリメータレンズ４により集光され、平行光となって空間を伝搬する。

図２は図１の受信側の構成を示す図である。受信部２では、伝搬した信号光７がコリメータレンズ４により光ファイバ端面３０に集光される。集光のターゲットは光ファイバのコア部分であるが、シングルモードファイバではその直径は約１０μｍと非常に狭い。従って最適集光条件を実現するためには、送信部１および受信部２の双方の光軸を一致させ、信号光がファイバのコア上で正確に結像するように光学系の配置を精密に調整する必要がある。

図３は既存の方法で実施される検証実験の一例を説明するための図である。図３の双方向通信系において、まず１.３μｍの波長を用いて図中右から左に信号を送る。この伝送方向を上り方向とする。２つのコリメータレンズ４を調整した結果、受信端での信号光強度Pout@１.３は−７.２dBmとなった。入力信号強度Pin@１.３は−４.１dBmなので、光空間通信系の損失Loss@１.３は差し引きして３.１dBになった。

次に光学系の調整をそのままにして１.５５μmの波長を用いて左から右に信号を送る。この伝送方向を下り方向とする。信号光強度Pout@１.５５は−２０.７dBm、Pin@１.５５は４.９dBmであり、損失Loss@１.５５は１５.８dBになった。このように１.３μmで光学系を最適化しても１.５５μmでは最適とならず大きな損失が出る。逆に１.５５μmで調整しても１.３μmでの最適値とはズレが生じる。そこでこの実施形態では、光学系配置調整のための波長を新たに導入する。

図４はこの発明に係わる双方向光空間通信システムの実施の形態を示す図である。図中λ１は上り波長を、λ２は下り波長を示し、さらにλ３は光学系配置調整用の波長を示す。光空間通信システムの両端には光合分波器１０が切替ポート１４を介して接続される。光合分波器１０のうちλ１ポート１１、λ２ポート１２側にはそれぞれ波長λ１,λ２の信号光しか通さないようなフィルタ効果がある。切替ポート１４には、例えばファイバコネクタ・アダプタの繋ぎ換え等により調整波長用ファイバ１３が接続できるようになっており、これにより光空間通信伝送路に光学系配置調整波長λ３を流すことが可能になる。

図５は図４の構成における光学系配置調整方法を示す図である。切替ポート１４には調整波長用ファイバ１３が接続される。光空間通信系の一端に設けた光源５から光学系配置調整波長λ３を送信し、他端での受信強度を光パワーメータ８などを利用して評価する。理論的には最適に調整された場合に受信強度が最大になるので、光学系配置を微調整しながら光パワーメータ８の検出値のピークを探索することにより光学系配置を調整する。なお図５においては上り方向での光学系配置調整につき示すが、下り方向に関しても同様の調整をすることにより光学系配置調整精度の向上が期待できる。

なお、切替ポート１４を光合分波器１０と一体化して３波を多重分離する構造とすることにより、λ１、λ２でオンラインで通信しつつλ３で光学系配置調整することも可能である。また、図５中でλ３の光源から光パワーメータヘの一方向の軸合わせではなく、片側に送受用光合分波器を設け、他方に光反射端を設けて往復する光を評価することにより、光源と光パワーメータとを片側に集めた一地点での調整が可能になる。

図６はこの実施形態における光学系配置調整の他の例を示す図である。図６において、受信部２の近傍における信号光７の経路上に、レーザ検出板９を挿入する。レーザ検出板９は不可視領域の波長を受けると蛍光を発しその位置を可視化できるようにする光学部品である。これを用いることにより信号光７の到達位置をレーザビームスポット７１として目視確認でき、このレーザビームスポット７１が光空間通信システム受信部２と一致するように光学系の配置を微調整することで光学系配置調整を簡易に実行できる。

図７は、この実施形態における光学系配置調整につき説明するための図である。切替ポート１４には光合分波器１０を接続し、光合分波器１０の末端には通信波長λ１,λ２に対応する光源５と受光器６とを配置する。上り方向の通信（図中右から左）を考えると、光源５から強度Pin@λ１で送信された信号光は空間通信距離Ｌを経由してλ１用の受信器６で検出される。このときの受信強度をPout@λ１とすると、この区間の伝送損失Loss@λ１は、次式（１）により計算することができる。
Loss@λ１＝Pin@λ１−Pout@λ１ … （１）
下り方向の通信経路についても波長λ２に関して同様に評価できる。

空間通信距離Ｌ＝１６.５ｍの双方向光空間通信系により検証実験を行った結果を以下に説明する。通信波長λ１,λ２をそれぞれ１.３μｍ、１.５５μｍとし、光学系配置調整用波長λ３として１.４５μｍを用いた。レーザ検出板９を用いて光学系配置調整を行った後、通信波長に関して信号強度を測定した。その結果を以下に示す。
Pin@λ１＝ −３.４８dBm ： Pout@λ１＝ −１０.０４dBm
Pin@λ２＝ −４.７８dBm ： Pout@λ２＝ −１０.１５dBm
従って伝送損失は、以下のようになる。
Loss@λ１＝６.５６dB ： Loss@λ２＝５.３７dB
先に述べたように従来方法による伝送損失は、
Loss@１.３＝３.１dB ： Loss@１.５５＝１５.８dB
であったので、１.５５μｍ側に１０dB以上の改善が見られた。一方、１.３μｍ側では３dB程度劣化したが、両波長とも６dB前後の損失に抑えられているので、現実の通信ネットワークに適用可能なレベルの特性を実現したと評価することができる。

以上説明したようにこの実施形態では、上り方向と下り方向とで異なる波長を用いる双方向光空間通信システムにおいて、上り波長と下り波長とのいずれの波長とも異なる波長を光学系配置調整用として用いることにより、上り波長および下り波長のいずれにも偏らない光学系配置調整を行えるようにしている。すなわち光学系配置調整用の波長を設け、対向する光送信装置において通信波長に加えて光学系配置調整用波長を導入および抽出できるようにすることで、光学系配置調整用波長を用いた光学系配置調整を実施できるようにしている。これにより送受いずれの波長にも対応する最適な光学系配置を提供し、現実の光空間通信システムにおいて調整作業を容易に実現でき、その結果双方向光空間通信系トータルで低損失化を実現することができる。従って、送受双方で異なる波長を用いる場合にいずれの波長においても良好な信号強度を得ることを可能とした双方向光空間通信システムを提供することが可能になる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、通信波長λ１，λ２および光学系配置調整用の波長λ３は上記の値に限定されるものではない。またこの発明は実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して具体化できる。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態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。

単方向光空間通信システムを示す模式図。受信側の装置構成を示す図。従来方法による双方向通信系を示す図。本発明の実施例を示す図。受信強度により光学系配置調整を行う方法を示す図。ビームスポット位置により光学系配置調整を行う方法を示す図。本発明の双方向光空間通信の構成図。

符号の説明

１…送信部、２…受信部、３…光ファイバ、３０…光ファイバ先端、４…コリメータレンズ、５…光源、６…受光器、７…信号光、７１…レーザビームスポット、８…光パワーメータ、９…受信部、１０…光合分波器、１１…λ１ポート、１２…λ２ポート、１３…調整波長用ファイバ、１４…切替ポート

Claims

第１の波長を第１の空間通信系に割り当てるとともに前記第１の波長とは異なる第２の波長を前記第１の空間通信系と対向する第２の空間通信系に割り当てて双方向通信を行う双方向光空間通信システムにおいて、
前記第１および第２の波長の中間の波長である第３の波長を前記第１の空間通信系に導入し、この第１の空間通信系における光学系配置を前記第３の波長を用いて調整する第１調整手段と、
前記第３の波長を前記第２の空間通信系に導入し、この第２の空間通信系における光学系配置を前記第３の波長を用いて調整する第２調整手段とを具備し、
前記第３の波長は１.４５μｍであることを特徴とする双方向光空間通信システム。
前記第１調整手段は、前記第１の空間通信系における前記第３の波長の受信強度に基づいて当該第１の空間通信系における光学系配置を調整し、
前記第２調整手段は、前記第２の空間通信系における前記第３の波長の受信強度に基づいて当該第２の空間通信系における光学系配置を調整することを特徴とする請求項１に記載の双方向光空間通信システム。
第１の波長とこの第１の波長とは異なる第２の波長とをそれぞれ片方向通信に割り当てて空間を介した双方向通信を行う双方向光空間通信システムに用いられる光送受信装置において、
前記第１および第２の波長の送受信に係わる空間通信系に、前記第１および第２の波長の中間の波長である第３の波長を導入する導入手段と、
前記空間通信系おける光学系配置を前記第３の波長を用いて調整する調整手段とを具備し、
前記第３の波長は１.４５μｍであることを特徴とする光送受信装置。
前記調整手段は、前記空間通信系における前記第３の波長の受信強度に基づいて当該空間通信系における光学系配置を調整することを特徴とする請求項３に記載の光送受信装置。