JP4697446B2

JP4697446B2 - 光受信装置

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Publication number: JP4697446B2
Application number: JP2006124584A
Authority: JP
Inventors: 雅晴服部
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007300248A

Description

本発明は、空間光伝送の光受信装置に関する。

空間光伝送では、光送信装置と光受信装置の光軸を如何にうまく合わせるかが重要である。信号光ビームが細い場合、光軸が合わなければ、信号を伝送できない。

２軸ジンバルミラーを帰還制御することで、入射ビームを所定箇所に誘導する光学系が特許文献１，２に記載されている。特に、特許文献２には、通信衛星のような移動する相手局からの信号ビームを受信する光受信装置として、通信２軸ジンバル機構を帰還制御する第１の閉ループ制御系と、光受光器の前面に配置したビーム偏向器を帰還制御する第２の閉ループ制御系を設けた構成が記載されている。
特開２０００−２９２５４１号公報特開２００２−３４１００６号公報

特許文献１に記載の従来技術では、２軸ジンバルミラーの回転中心、つまりミラー中央に信号光ビームが当たることが前提であり、光ビームの入射位置がジンバルミラーの回転中心からずれると、信号光ビームを正しく受光できない。つまり、入射ビームの角度ずれには対応できるが、位置ずれには対応できない。

特許文献２に記載される構成では、ビーム偏向器を導入することで、角度ずれに加えて位置ずれに対しても信号光ビームを捕捉・追尾することが可能となる。しかし、２系統のフィードバック系が必要となり、装置が大型化し、コストが増大する。

例えば、１Ｇｂｐｓを超えるような高速空間光伝送では、受光器は、高速変調に対応するために、受光器の受光径を小さくしなければならない。例えば、２００μｍφ以下となる。このように小さい受光器では、信号光ビームの角度ずれのみならず、入射位置のずれも、受信品質に多大な影響を与えてしまう。

携帯電話をはじめとする携帯端末に空間光伝送装置を実装することを考慮すると、演算処理装置への負荷軽減と装置の小型が望まれており、フィードバック制御系統及び／又は部品点数を少なくしたいとする要求がある。

本発明は、信号光ビームの角度ずれ及び位置ずれに対応可能な、より簡易な構成の光受信装置を提示することを目的とする。

本発明に係る光受信装置は、信号光ビームを二分割し、第１及び第２の分割信号光を出力するビーム分波器と、当該第２の分割信号光の、当該ビーム分波器からの互いに異なる光学距離でのビーム重心を検出する第１及び第２のビーム重心検出装置と、受光器と、所定面内で二次元方向に当該受光器を移動するＸＹ移動装置と、当該第１及び第２のビーム重心検出装置の検出結果に従い当該ＸＹ移動装置を制御し、当該第１の分割信号光が入射する位置に当該受光器を移動させる制御装置とを具備することを特徴とする。

本発明に係る光受信装置は、信号光ビームを二分割し、第１及び第２の分割信号光を出力するビーム分波器と、当該第２の分割信号光の、当該ビーム分波器からの互いに異なる光学距離でのビーム重心を検出する第１及び第２のビーム重心検出装置と、受光器と、当該第１の分割信号光の光軸を調整する光軸調整装置と、当該第１及び第２のビーム重心検出装置の検出結果に従い当該光軸調整装置を制御して、当該光軸調整装置から出力される当該第１の分割信号光を当該受光器に入射させる制御装置とを具備することを特徴とする。

本発明に係る光受信装置は、信号光ビームを二分割し、第１及び第２の分割信号光を出力するビーム分波器と、当該第２の分割信号光の、当該ビーム分波器からの互いに異なる光学距離でのビーム重心を検出する第１及び第２のビーム重心検出装置と、受光器と、所定面内で二次元方向に当該受光器を移動するＸＹ移動装置と、当該第１の分割信号光の光軸を調整する光軸調整装置と、当該第１及び第２のビーム重心検出装置の検出結果に従い、当該ＸＹ移動装置及び当該光軸調整装置を制御し、当該光軸調整装置から出力される当該第１の分割信号光を当該受光器に入射させる制御装置とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、入射光束の角度ずれおよび位置ずれに対応することができ、受光強度が十分に強くなる位置で信号光を受光できる。これにり、仮に手ぶれ等で信号光の光軸に角度ずれや位置ずれが生じることがあったとしても、通信断を起こさずに、高速にデータを伝送することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の概略構成図を示す。この実施例では、信号光は、細い平行ビームになっているとする。信号光ビーム１０は、ハーフミラー１２で２分割され、一方の分割光（データ受信用ビーム）１０ａが、レンズ１４により集光されて、受光素子１６に入射する。受光素子１６は、理想的な信号光ビーム１０の光軸に対して垂直な面内でＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹステージ１８上に載置されている。Ｘ軸アクチュエータ２０が、ＸＹステージ１８を信号光ビーム１０ａの理想的な光軸に垂直な面内でＸ方向に移動させ、Ｙ軸アクチュエータ２２が、ＸＹステージ１８をＹ方向に移動させる。これにより、受光素子１６が、信号光ビーム１０の理想的な光軸に垂直な面内のＸ方向及びＹ方向に移動可能である。

ハーフミラー１２からの他方の分割信号光ビーム１０ｂ（光軸モニタ用ビーム）は、ハーフミラー２４により更に２分割され、一方の分割光が、エリアセンサ２６に入射し、他方の分割光が、ミラー２８により反射されてエリアセンサ３０に入射する。ハーフミラー１２からエリアセンサ２６，３０までの光学距離は、互いに異なる。エリアセンサ２６，３０は、いわゆる撮像素子であり、画素毎に入射光強度に応じた電荷量の電気信号を出力する。エリアセンサ２６，３０により、入射信号光の、その光軸に垂直な面内での強度分布情報を得ることができる。

ビーム重心検出装置３２は、エリアセンサ２６から出力されるビーム強度分布情報からビーム中心（重心）の位置（Ｘ１，Ｙ１）を検出する。同様に、ビーム重心検出装置３４は、エリアセンサ３０の出力から、エリアセンサ３０に入射する信号光ビームのビーム中心（重心）の位置（Ｘ２，Ｙ２）を検出する。

制御装置３６は、ビーム重心検出装置３２，３４の位置出力（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２）から、信号光ビーム１０ａのＸＹステージ１８上での入射位置（Ｘ０，Ｙ０）を計算する。制御装置３６は、得られた位置（Ｘ０，Ｙ０）に受光素子１６が位置するように、Ｘ駆動回路３８及びＹ駆動回路４０を制御して、それぞれＸ軸アクチュエータ２０及びＹ軸アクチュエータ２２を駆動させる。これにより、受光素子１６は位置（Ｘ０，Ｙ０）に移動し、信号光ビーム１０ａが正しく受光素子１６に入射する。復調回路４２は、受光素子１６の出力電気信号から、信号光ビーム１０で搬送されるデータを復調する。

図２は、本実施例の等価光学系を示す。図２を参照して、計算方法を説明する。実線は、信号光ビーム１０ａの理想的な光軸を示し、破線は、ずれた光軸を示す。ハーフミラー１２から受光素子１６までの距離をＤ０，ハーフミラー１２からエリアセンサ２６までの距離をＤ１、ハーフミラー１２からエリアセンサ３０までの距離をＤ２とする。破線で示すように光軸がずれた場合、ＸＹステージ１８上での信号光ビームの入射位置（Ｘ０，Ｙ０）は、エリアセンサ２６，３０の受光位置（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２）と距離Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２から、下記式で求められる。即ち、
Ｘ０＝Ｘ１−（Ｄ１−Ｄ０）（Ｘ２−Ｘ１）／（Ｄ２−Ｄ１）
Ｙ０＝Ｙ１−（Ｄ１−Ｄ０）（Ｙ２−Ｙ１）／（Ｄ２−Ｄ１）
制御装置３６は、上式の演算を行い、Ｘ駆動回路３８及びＹ駆動回路４０によりそれぞれＸアクチュエータ２０及びＹアクチュエータ２２を駆動して、位置（Ｘ０，Ｙ０）に受光素子１６を移動させる。この位置制御により、信号光ビーム１０は、その光軸が理想位置・角度からずれていても、正しく受光素子１６に入射でき、本実施例の光受信装置は、信号光ビーム１０の搬送するデータを受信できる。

位置（Ｘ０，Ｙ０）を決定する制御装置３６の演算は、簡易的には、ルックアップテーブルで置換できることは明らかである。

本実施例では、２つのエリアセンサ２６，３０の入射ビームから、信号光ビーム１０を受光するための受光素子１６の位置を決定するので、簡易な構成で迅速に、信号を受信できる。

人間が携帯端末を手に持った状態で光軸を合わせようとするとき、かならず手ぶれによる角度ずれ及び位置ずれが発生してしまう。手ぶれによる揺れは、周波数にして１〜５Ｈｚである。リアルタイムに光軸補正をするのであれば、これよりも十分早い応答速度で角度ずれ及び位置ずれの検出および補正を行なわなくてはならない。Ｘ軸アクチュエータ２０及びＹ軸アクチュエータ２２としては、ステッピングモータによるアクチュエータ、ボイスコイルモータによるアクチュエータ、及び圧電アクチュエータ等が挙げられる。このうち、一般的にボイスコイルモータの応答性は１ｍｓｅｃ、圧電アクチュエータの応答性は０．０１ｍｓｅｃと手ぶれの周波数１〜５Ｈｚを十分上回る応答速度を確保できる。位置精度の観点からも、ボイスコイルモータの場合で０．１μｍ、圧電アクチュエータの場合で０．０１μｍであり、受光素子１６の受光径２００μｍφと比較しても、十分に精度の高い制御が可能である。

アクチュエータ２０，２２の応答速度を活かすためにも、エリアセンサ２６，３０のフレームレートが大きいのが好ましい。エリアセンサ２６，３０としてＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）センサが一般的に採用される。ＣＣＤセンサのフレームレートは、高速のもので１０００ｆｒａｍｅ／ｓｅｃであり、手ぶれによる揺れの周波数の１００倍以上である。アクチュエータ付ＸＹステージ１８とエリアセンサ２６，３０の組み合わせで、十分な応答速度で手ぶれによる角度ずれ及び位置ずれを感知して、受光素子１６を信号光入射位置に制御できる。

エリアセンサ２６，３０としては、二次元ＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）素子も利用可能である。二次元ＰＳＤ素子に光が入射すると、入射位置に入射光量に比例した電荷が発生する。この電荷は、光電流としてＰＳＤ素子の抵抗層を通り、受光面端にある電極から取り出される。この光電流は、両端の電極までの距離に逆比例して分割されるので、電極から取り出される光電流から光の入射位置を特定できる。ビーム重心検出装置３２は、Ｘ方向の２つの両端電極からの光電流から重心のＸ位置を検出し、Ｙ方向の２つの両端電極からの光電流から重心のＹ位置を検出する。

光送信装置から出力される信号光１０のビーム径が大きい場合又は拡散している場合、ハーフミラー１２の前段に、ビーム径を小さくする光学系又は平行な細いビームにする光学系を配置すれば良い。勿論、適宜に、エリアセンサ２６，３０の前に集光レンズ等の集光器を配置してもよい。

実施例１では、信号光１０の受光のために受光素子１６をＸＹ面内で移動したが、受光素子１６を静止させ、レンズ１４をＸＹ面内で移動しても良い。図３は、このように変更した実施例２の概略構成図を示す。

この実施例では、レンズ１４にＸ軸アクチュエータ５０及びＹ軸アクチュエータ５２を装備してあり、レンズ１４を、ビーム１０ａの理想的な光軸に垂直な面内でＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。受光素子１６は静止している。制御装置５４は、先の計算式の位置（Ｘ０，Ｙ０）に入射するビームがレンズ１４により受光素子１６に入射するように、Ｘ軸駆動回路５６によりＸ軸アクチュエータ５０を駆動し、Ｙ軸駆動回路５８によりＹ軸アクチュエータ５２を駆動する。いわば、制御装置５４は、信号光ビーム１０の位置ずれ及び角度ずれを相殺するように、レンズ１４の位置を制御する。

上記実施例では更に、受光素子１６とレンズ１４の両方をＸＹ面内で移動させても良い。

入射信号光１０の光軸ずれに応じて分割信号光１０ａを偏向することで、信号光１０ａが、常時、受光素子１６に入射するようにしてもよい。図４は、その実施例の概略構成図を示す。

この実施例では、ハーフミラー１２とレンズ１４の間に光ビームの方向を偏向可能な偏向装置６０を配置してある。受光素子１６は静止している。制御装置６２は、先の計算式の位置（Ｘ０，Ｙ０）に入射しようとするビームが偏向装置６０により偏向されて受光素子１６に入射するように、偏向装置６０を制御する。いわば、制御装置６２は、信号光ビーム１０の位置ずれ及び角度ずれを相殺するように、偏向装置６０により信号光ビーム１０ａの光軸を偏向する。このような目的の偏向装置６０は、例えば、可変頂角プリズムにより実現できる。

実施例１と実施例３を組み合わせても良い。図５は、その変更実施例の概略構成ブロック図を示す。制御装置６４は、ビーム重心検出装置３２，３４の検出結果に従い、偏向装置６０の偏向を制御すると共に、ＸＹステージ１８により受光素子１６の位置を制御する。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例の概略構成図である。本実施例の等価光学系の模式図である。本発明の実施例２の概略構成図である。本発明の実施例３の概略構成図である。本発明の実施例４の概略構成図である。

符号の説明

１０：信号光ビーム
１２：ハーフミラー
１０ａ：分割信号光（データ受信用ビーム）
１０ｂ：分割信号光（光軸モニタ用ビーム）
１４：レンズ
１６：受光素子
１８：ＸＹステージ
２０：Ｘ軸アクチュエータ
２２：Ｙ軸アクチュエータ
２４：ハーフミラー
２６：エリアセンサ
２８：ミラー
３０：エリアセンサ
３２：ビーム重心検出装置
３４：ビーム重心検出装置
３６：制御装置
３８：Ｘ駆動回路
４０：Ｙ駆動回路
４２：復調回路
５０：Ｘ軸アクチュエータ
５２：Ｙ軸アクチュエータ
５４：制御装置
５６：Ｘ駆動回路
５８：Ｙ駆動回路
６０：偏向装置
６２：制御装置
６４：制御装置

Claims

信号光ビームを二分割し、第１及び第２の分割信号光を出力するビーム分波器（１２）と、
当該第２の分割信号光の、当該ビーム分波器からの互いに異なる光学距離でのビーム重心を検出する第１及び第２のビーム重心検出装置（２６，３０，３２，３４）と、
受光器（１６）と、
所定面内で二次元方向に当該受光器（１６）を移動するＸＹ移動装置（１８，２０，２２）と、
当該第１及び第２のビーム重心検出装置の検出結果に従い当該ＸＹ移動装置を制御し、当該第１の分割信号光が入射する位置に当該受光器（１６）を移動させる制御装置（３６）
とを具備することを特徴とする光受信装置。
信号光ビームを二分割し、第１及び第２の分割信号光を出力するビーム分波器（１２）と、
当該第２の分割信号光の、当該ビーム分波器からの互いに異なる光学距離でのビーム重心を検出する第１及び第２のビーム重心検出装置（２６，３０，３２，３４）と、
受光器（１６）と、
当該第１の分割信号光の光軸を調整する光軸調整装置（１４，６０）と、
当該第１及び第２のビーム重心検出装置の検出結果に従い当該光軸調整装置を制御して、当該光軸調整装置から出力される当該第１の分割信号光を当該受光器（１６）に入射させる制御装置（５４，６０）
とを具備することを特徴とする光受信装置。
信号光ビームを二分割し、第１及び第２の分割信号光を出力するビーム分波器（１２）と、
当該第２の分割信号光の、当該ビーム分波器からの互いに異なる光学距離でのビーム重心を検出する第１及び第２のビーム重心検出装置（２６，３０，３２，３４）と、
受光器（１６）と、
所定面内で二次元方向に当該受光器（１６）を移動するＸＹ移動装置（１８，２０，２２）と、
当該第１の分割信号光の光軸を調整する光軸調整装置（１４，６０）と、
当該第１及び第２のビーム重心検出装置の検出結果に従い、当該ＸＹ移動装置及び当該光軸調整装置を制御し、当該光軸調整装置から出力される当該第１の分割信号光を当該受光器（１６）に入射させる制御装置（６４）
とを具備することを特徴とする光受信装置。