JP4753444B2 - 通信トランシーバアーキテクチャ - Google Patents

Description

本発明は、通信トランシーバアーキテクチャ、より詳細には、全二重の自由空間レーザ通信システムに関する。

（関連技術の説明）
自由空間レーザ通信システムは、データを長距離で非常に速いデータ転送速度で伝送する可能性を示す。レーザビーム源の空間コヒーレンスにより、ＲＦシステムに比べて小さい電力レベルでの長距離伝送が可能である。さらに、レーザの変調周波数はギガヘルツ帯域を可能とし、電気光学構成部品の現況によってのみ制限される。

しかし、大気乱流や雲による掩蔽などの動作条件は自由空間レーザ通信システムの性能に影響を与える。このため、光学的波長におけるレーザ信号のみに依存する通信システムは、通信が大幅に低下したり、完全に妨げられたりといった期間を経験することがある。

また、自由空間レーザ通信システムを、空中、宇宙空間および地上車などの移動プラットフォーム環境に適合させる場合、正確な角度指向・追尾の開発や、構成部品のより高い耐久性の達成などの難しい技術的障害を呈する。現行のレーザ通信システムは大型で脆弱であり、移動プラットフォーム環境に適合していない。特に航空機の動きが予測不可能である空中プラットフォームにおいては、この指向・追尾の方式がデータレーザビームを導く正確な誘導を提供することが重要である。しかし、指向・追尾のレーザはデータ光軸に整列することが困難であり、送受信器の構成は少しのずれにも影響を受けやすい。また、提案されている多くのシステムは、目に安全でないレーザ波長を使用している。

さらに、典型的な自由空間レーザ通信方式は、多くの移動プラットフォーム間におけるネットワーク状の通信能力の展開に適していない。例えば、提案されているレーザ通信システムの送受信器は一般的に静的波長および偏光を使用しているため、かかるシステムの柔軟性を制限している。このため、特にネットワークに関し、全二重動作はかかる方式において概して可能ではない。したがって、空中および宇宙環境において使用するための、実用的な自由空間レーザ通信システムの開発には未だ成功していない。

本発明の模範的な実施形態によれば、自由空間通信トランシーバは、レーザビーム送受信用望遠鏡、データで変調された送信レーザビームを発生するデータレーザ送信モジュール、受信レーザビームを処理してデータを回復する受光器モジュール、およびデータレーザ送信モジュールからの送信レーザビームを望遠鏡に導き、望遠鏡からの受信レーザビームを受光器モジュールに導くビームスプリッタを含む。ビームスプリッタと望遠鏡との間において、送信および受信レーザビームは共通光軸に沿って、同一直線上の平行自由空間ビームとして移動し、これがわずかなずれや振動や温度変化などの環境因子に対するシステムの感度を低減させる。好ましくは、この送信および受信レーザビームはランダムに偏光される。本システムにおいて、目に安全な波長はすべての伝送レーザビームに使用が可能である。

データレーザ送信モジュールは、送信レーザビームの送信波長が少なくとも第一と第二の波長とから選択可能であるように同調可能である。同様に、受光器モジュールは、受信レーザビームの受信波長が少なくとも前記第一と第二の波長とから選択可能であるように同調可能である。常に、送信および受信波長は異なる。例えば、第一の態様において、送信波長は第一の波長であり、受信波長は第二の波長であって、第二の態様において、送信波長は第二の波長であり、受信波長は第一の波長である。このように、二つの波長が二対の送信／受信波長として使用可能であり、これがトランシーバ端末のネットワークが全二重通信モードで動作できるようにする。さらなる波長の対は、レーザ送受信器を別の波長に適切に同調することにより使用可能である。

ビームスプリッタは、一つの態様において、送信／受信ビームスプリッタが第一および第二の波長のうちの一方で実質的に透過性であり、第一および第二の波長のうちの他方で実質的に反射性であり、および別の態様において、第一および第二の波長のうちの該一方で実質的に反射性であり、第一および第二の波長のうちの該他方で実質的に透過性であるように好ましくは同調可能である。この同調能力は、共通光軸に任意の波長の送信ビームを結合するために単一の固定光ファイバコリメータしか必要とせず、任意の受信レーザビームを受光器に結合するために単一の固定光ファイバコリメータしか必要としないため、トランシーバアーキテクチャを著しく簡素化する。実際において、ビームスプリッタは送受信器と連携して同調され、特定の波長のビームを適切な目標に導く。ビームスプリッタは例えば、送信および受信レーザビームのうちの一方に対して実質的に透過性であり、送信および受信レーザビームのうちの他方に対して実質的に反射性であるように、第一の光軸に沿って送信データパスに結合され、第二の光軸に沿って受信レーザパスに結合される同調可能エタロンフィルタであってよい。エタロンフィルタに結合された同調機構は、送受信器へ、または送受信器から適切なビームを導くために、どの波長が透過され、どの波長が反射されるのかによって、前記エタロンフィルタのピーク透過率の波長を調節する。例えば、エタロンは傾けられてよく、またはエタロンの空隙は異なるピーク透過波長を達成するように調節されてもよい。

トランシーバは、検出レーザビームから遠隔のトランシーバの角度方向を決定する位置検出器モジュールと、位置検出器モジュールからのフィードバックにしたがってレーザビームが望遠鏡へおよび望遠鏡から導かれる角度を制御する、共通光軸に沿って配置されたステアリングミラーをさらに含む。位置を決定するために使用されるレーザビームは、データで変調された受信レーザビームの分割された部分であるか、または異なる波長を持つ位置検出のためだけに使用される別個のレーザビームであってよい。例えば、別に送信されたより広いビーム幅を持つビーコン信号がこの目的に使用されることができる。

選択的には、トランシーバはさらに、データで変調されたＲＦ信号を送受信するＲＦトランシーバを含むことができる。光学／ＲＦビームスプリッタは、共通光軸とＲＦトランシーバの間において送受信ＲＦ信号を結合し、光伝送に使用される同じ望遠鏡がＲＦ信号の送受信に使用されてもよい。ＲＦ信号は、過度の乱気流、雲の掩蔽、霧またはその他の視覚的掩蔽によって光学性能が低下した場合、レーザ通信のバックアップとして使用されてもよい。

望遠鏡、ビームスプリッタおよびステアリングミラーを含む種々の自由空間光学構成部品は、空中、宇宙または地上車などの移動プラットフォームの表面に取り付けられた、回転できるタレットに格納された自由空間光学モジュールとひとまとめであってもよい。データレーザ送信モジュール、受光器モジュール、位置検出器モジュールおよびＲＦトランシーバはすべて、移動プラットフォーム内（例えば、航空機の機体内）で離れて位置してもよく、光ファイバケーブル（またはＲＦトランシーバの場合は導波管）を介してタレットに結合される。この配置は、自由空間光学モジュール内の構成部品のみがタレットの過酷な環境にさらされ、その他の電子的およびフォトニック設備がより制御された環境に留まるため、送受信器端末の移動プラットフォームにおける使用により適したものにする。

上記およびさらなる本発明の目的、特徴および利点は、以下のその具体的な実施形態の定義、説明および、種々の図面における同じ参照番号が、同じ構成部品を指定するために使用される、説明付きの図面の検討により明らかになろう。これらの説明は本発明を詳述するが、変更は存在し、本願の記載に基づき当業者には明らかであることを理解されたい。

以下の図１〜図６および好ましい実施形態の詳細な説明により、本発明の方法と装置を明らかにする。本発明の模範的な実施形態に基づく自由空間レーザ通信トランシーバアーキテクチャが図１に示される。図１に示されるアーキテクチャは、主要機能ユニットを図解する概念図であり、必ずしも位置関係を図解しない。

トランシーバ１００は、遠端トランシーバに向けてレーザビームを送信し、遠端トランシーバからレーザビームを受信して二方向の通信をもたらす、共通の口径望遠鏡１０２を含む。好ましくは、望遠鏡１０２がレーザビームを同時に送信および受信できるように、レーザビームは一つの波長において送信され、別の波長において受信される。また、望遠鏡１０２は、遠端トランシーバの角度位置を決定するために使用される、送信および受信レーザビームの指向方向を制御するために使用されることのできるレーザビームを受信することができる。選択的には、この位置決めレーザビームはデータで変調された受信レーザビームの分割された部分であってよく、または、より好ましくは、送信および受信波長とは異なる、第三の波長を持つ専用の位置決めレーザビームであってよい。後者において、位置決めレーザビームは、例えば、別個のビーコン口径（すなわち、望遠鏡１０２ではない）を介して遠端送受信器端末から送信された、より広いビーム幅を持つビーコンレーザビームであってよい。制限されない例として、望遠鏡１０２は、アルミニウム被覆表面の、１〜０．７の直径と長さのアスペクト比を持つ、４インチ口径の小型１０ｘアフォーカル望遠鏡であってもよい。

トランシーバ１０内において、レーザビームは、望遠鏡１０２へおよび望遠鏡１０２から共通光軸に沿って自由空間平行ビームとして移動する。自由空間光学構成部品は共通光軸に沿って配置され、共通光軸へのおよび共通光軸からの平行ビームに結合される。具体的には、ビームスプリッタ１０４は、データレーザモジュール１０６から発生した平行自由空間送信ビームを共通光軸へ導き、共通光軸からの平行自由空間受信レーザビームを受光器モジュール１０８へ導く。ビームスプリッタ１０４と望遠鏡１０２との間に配置された位置決めビーム・ビームスプリッタ１１０は、位置検出に使用される位置決めレーザビームを共通光軸から位置検出器１１２に導く。望遠鏡１０２とビームスプリッタ１０４および１１０との間に共通光軸に沿って配置された高速ステアリングミラー１１４は、着信および発信レーザビームを、選択された角度で向きを変え、レーザビームが望遠鏡１０２によって送受信される角度を制御する。位置検出器１１２からのフィードバックは、高速ステアリングミラー１１４の回転角度を制御して、遠端トランシーバの検出角度に対応する向きの角度を達成するために使用される。

データレーザ送信モジュール１０６は、遠端トランシーバに伝達される、情報信号（すなわち、データ）によって変調された送信レーザビームを発生する。以下でより詳述されるように、データレーザ送信モジュール１０６は好ましくは同調可能であり、プラットフォーム上の遠隔位置に置かれてもよく、送信レーザビームは、光ファイバケーブルを介して、上述の光学構成部品を含む自由空間光学モジュールに供給される。光ファイバコリメータ１１６は、到達した送信レーザビームを次にビームスプリッタ１０４に供給される平行ビームに転換する。別の光ファイバコリメータ１１８は、ビームスプリッタ１０４から出る平行自由空間受信レーザビームを、遠隔に位置するやはり好ましくは同調可能の受光器１０８に受信レーザビームを供給する、光ファイバケーブルに集中させる。あるいは、送信コリメータ１１６は受信器コリメータ１１８の位置に置かれ、受信器コリメータ１１８はビームスプリッタ１０４を再構成することにより送信コリメータ１１６の位置に置かれてもよい。コリメータ１１６と１１８はそれぞれ、単一の丈夫なアセンブリを形成するようにファイバに融合された屈折率分布型レンズであってもよい。例えば、コリメータは、例えば、５０、６２．５または１００ミクロンのコア径を持つマルチモードファイバに融合されてもよい。マルチモードファイバは、大気によって引き起こされるビームワンダおよびシンチレーションに対するシステムの感度を著しく低下させる。口径１０ミクロンの単一モードファイバをしのぐ長所は、受信器内の検出器に結合されるエネルギーの増加および信号減衰の減少である。同様に、平行位置決めレーザビームは、集束レンズによって集中され、好ましくはクワッドセル検出器である位置検出器１１２に集束される。位置検出器からのフィードバック信号は、高速ステアリングミラー１１４に供給され、戻されることができる。ビームスプリッタ１０４は、以下に詳述するように、送信および受信波長にしたがってその波長依存の透過率および反射率特性を調節するために「切り替え可能」または「同調可能」である。代替的な構成において、ビームスプリッタ１１０はデータの送信波長および受信波長の両方を反射し、位置決めレーザビームを透過するようにされ得る。その他すべての構成部品の動作はそのまま同じである。

このトランシーバの構成は、望遠鏡１０２とビームスプリッタ１０４（または位置決めレーザビームの場合はビームスプリッタ１１０）との間を共通光軸に沿って自由空間平行ビームとして移動するレーザビームをもたらす。ビームが集中するかまたは分散するのは、レーザビームが受信器または検出器に送信されるか、送信器から到着した時点のみである。この配置は、光学構成部品の分割を大いに簡単にし、位置決めや配列の許容性を著しく緩和し、システムの移動、振動、衝撃からの影響の受けやすさを低減する。配列、許容性、および動作に関するこの手段の柔軟性は、例えば、受信されたビームが、あらゆる集束の位置における動きが平行ビームによる動きよりもずっと大きい、検出器に直接集束される配置よりも著しく勝るものである。

選択的には、レーザ通信能力に加え、トランシーバ１００は、ＲＦフィードホーン１２２を介してＲＦデータ信号をシステムに供給しシステムから受信する、ＲＦトランシーバ１２０を含む。具体的には、高速ステアリングミラー１１４と共通の口径望遠鏡１０２との間に共通光軸に沿って配置されたＲＦ／光学ビームスプリッタ１２４は、ＲＦフィードホーンから発射されたＲＦ信号を、ＲＦ信号望遠鏡１０２を介して送信されるように共通光軸上に反射させる。同様に、望遠鏡１０２を介して受信されたＲＦ信号は、共通光軸からＲＦフィードホーン１２２に反射され、ＲＦトランシーバ１２０によって受信される。望遠鏡１０２とミラー１１４との間を移動する光学的波長レーザビームは、ビームスプリッタ１２４を通過する。よって、ＲＦデータ信号および光学的波長データレーザビームの両方が、望遠鏡へのおよび望遠鏡からの同じ光軸に沿って伝播し、望遠鏡はＲＦと光信号の両方を送受信する。

ＲＦ通信は、レーザ通信を補うために、多くの方法によって使用されることができる。例えば、大気乱流、雲、霧およびその他の掩蔽の影響は、任意の状況下においてレーザの光学的波長に影響を与え、レーザ通信を大幅に低下させ、または完全に妨げ得る。かかる期間において、ＲＦ通信は、晴天レーザ通信のデータ転送速度よりは低速ではあるが、通信回線を維持し、データの送信および受信を継続するために使用されることができる。ＲＦデータ信号はまた、初期の取得プロセスにおいて使用されることができ、ＧＰＳデータを遠端送受信器端末に送信して初期指向情報を遠端端末に提供する。同様に、ＲＦデータ信号は、端末が一時的に遠端端末を見失った場合にデータ回線を一時的に維持するために使用されることができる。選択的には、ＲＦ信号は、全体的なデータスループットを補うために、または補助チャネルを提供するために、レーザ信号と同時に送信されることができる。

同じ望遠鏡を使用すると、ＲＦ送信はレーザビーム送信よりもずっと大きなビーム広がりを有し、マイクロラジアンまたはミリラジアンのレーザビーム・ビーム幅ではなく、数オーダー大きなビーム幅を提供する。かかるビーム幅においては、指向・追尾動作はレーザビームと同程度に正確である必要はない。ここで、図１の高速ステアリングミラーはＲＦビームの方向を制御しないことに留意すべきである。それにもかかわらず、長時間にわたってＲＦ通信のみに依存する場合、なんらかの位置フィードバックおよびビーム指向制御は必要である。かかるフィードバックは、受信ＲＦ信号の分析を介して提供されることができ、ステアリングは、ＲＦフィードホーンの角度を調整することで、またはギンバルを介して望遠鏡を回転することでもたらされる。ＲＦモードの欠点は、データ転送速度が数分の一ギガバイト／秒（Ｇｂｐｓ）に限定されていることであり（例：約０．２Ｇｂｐｓ）、一方レーザビームにおけるデータスループットは、数Ｇｂｐｓ（例：２〜１０Ｇｂｐｓまたはそれ以上）のオーダーであり、すなわちＲＦの約１０倍のスループットである。したがって、ＲＦの帯域幅は高くないが、回線の利用可能性は天候の条件に関係なく一定である。

レーザビームを送受信するために使用される光学波長は、好ましくは電気通信Ｃ帯およびＬ帯の波長、すなわち約１５３０ｎｍ〜１６００ｎｍの間を含む、目に安全な周波数帯の範囲（すなわち、約１．４ミクロンより長い波長）である。これらの波長は、市販の光学構成部品がレーザトランシーバに使用されることを可能にする。ＲＦ信号の波長は、好ましくは十分な帯域幅を提供するため、ＲＦスペクトルのより高い周波数端であり、例えば、約１２ＧＨｚ〜９４ＧＨｚの間の範囲である。それにもかかわらず、本発明はいかなる特定の光学波長またはＲＦ波長の範囲にも限定されない。したがって、本願および請求項において使用される「光学」という用語は概して、「光学」設備（例えば、光通信設備、送信器、受信器など）が典型的に動作する、可視周波数帯、赤外線波長、紫外線波長を含む、電磁信号の波長の範囲を指す。同様に、「ＲＦ」という用語は、従来無線周波数として設計された、スペクトルの帯域内の任意の波長を指す。

本発明の別の側面によれば、上述の送受信器端末は自由空間レーザ通信システムにおいて全二重通信動作が可能である。この能力は、同調可能のデータレーザ送信機、同調可能の受光器、および送受信器によって使用される波長における透過および反射特性を切り替えることができる切り替え可能なビームスプリッタの使用によって可能となる。一つの構成または動作形態において、受光器は第一の波長λ_１においてレーザビームを受け取るように同調され、送信器はレーザビームを第二の波長λ_２において発生するように同調され、切り替え可能なビームスプリッタは、共通光軸を介して波長λ_１の受信レーザビームを受光器に向けて導くように構成され、波長λ_２の送信レーザビームを送信器から望遠鏡に向けて導く。別の構成または動作形態において、受光器が波長λ_２に同調され、送信器が波長λ_１に同調され、切り替え可能なビームスプリッタが、波長λ_２の受信レーザビームを受光器に向けて導き、波長λ_１の送信レーザビームを望遠鏡に向けて導くように、波長は逆転される。この同調および切り替えの能力は、第一の対：送信λ_１、受信λ_２、および第二の対：送信λ_２、受信λ_１である、トランシーバが二つの相補的な波長対を使用して動作することを可能にする。選択的には、データレーザ送信器および受光器は、波長の二対以上がレーザビームの送受信に使用できるように、多くの波長に同調可能である。

データレーザ送信器および受光器において同調能力を達成するために、任意の種々の技術が使用されることができる。例えば、データレーザ送信モジュールは、動作に必要な数の送信／受信波長の対に対処できるようにするための、十分なスペクトルをカバーする波長の狭い範囲を同調できる同調可能Ｂｒａｇｇレーザを含むことができる。受光器は、スペクトルの実質的に同一の波長帯をデータレーザ送信器として同調することができる同調可能Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔフィルタなどの同調可能光学フィルタを含むことができる。選択的には、受信レーザビームの信号レベルを制御し、フィルタの飽和を防ぐために、種々の光減衰器が同調可能光学フィルタの上流に置かれてもよい。好ましくは、同調可能光学フィルタは、バックグラウンド放射および受信信号中のその他のスプリアス信号を低減し、検出前に下流増幅器に供給される受信レーザビームの信号対雑音比を本質的に増大させるために、かなり狭い受信フィルタ線幅を持つ。

データレーザ送信器および受光器と同様に、切り替え可能なビームスプリッタは送受信器の選択された波長に対して「同調可能」であり、特に、本質的にその透過および反射特性を、二つの相補的な波長対二つの波長に「切り替える」ことができる。模範的な実施形態によれば、切り替え可能なビームスプリッタは、波長の範囲にわたって周期的な透過ピークを持つエタロンフィルタと、周期的な透過ピークの波長を調節する機構を含む。ビームスプリッタ１０４としての役目を果たすことができる、エタロンフィルタの基本動作を図解した図が図２に示される。エタロンフィルタは本質的に、空隙２０６によって分離された第一および第二の光学フィルタ２０２および２０４を含む帯域通過フィルタである。空隙２０６の幅は、例えば、数十または数百ナノメータのオーダーであってもよい。フィルタ２０２の平面２０８およびフィルタ２０４の平面２１０は互いに向き合っており、空隙の境界をなす。一定の透過率および反射率特性を持つ光学被覆が表面２０８および２１０に形成される。この被覆間における干渉は、エタロンフィルタが一定の周期的な波長において光学ビームを通過させる周期的な透過率のプロフィルまたは特性を生じさせる。ピーク透過率の波長の正確な値は、光学ビームの入射角度および空隙の幅を含む、多くの因子によって異なる。図２は、入射光学ビームの二つのケースを図解する。一つのケースにおいて、入射ビームはエタロンフィルタの透過率波長ピークに応じた波長を持ち、空隙の境界におけるわずかな角度変化で、エタロンフィルタを実質的に透過する。第二のケースにおいて、入射ビームはエタロンフィルタの透過率波長ピークからずれた波長を持ち、破線で示されるように空隙の境界において実質的に反射する。本発明はいかなる特定のエタロンフィルタ構成にも制限されず、一つ以上の空隙を持つエタロンフィルタおよび種々の材料、被覆物、および空隙間隔は、本発明の自由空間レーザ通信システム内においてビームスプリッタとして使用されることができることに留意すべきである。

再度図２を参照して、制御機構２１２は、エタロンフィルタの透過率プロフィルを調節するために使用される。この調節を達成するために、任意の周知の種々の制御機構が使用されることができる。例えば、透過率プロフィルの波長は、トランシーバ内の送信レーザビームおよび受信レーザビームの入射角度に対してエタロンフィルタを傾けることによって変えられることができる。エタロンフィルタに対するわずかな回転を与えることのできる、サーボ機構、ソレノイド、検流計、または任意のその他の機械的または電気的装置が、制御機構として使用されることができる。別の選択肢において、透過率プロフィルは、例えば、圧電素子などを使用して、エタロンフィルタの空隙を調節することによって変えられることができる。

図３Ａ〜３Ｄは、レーザ通信用トランシーバ内においてビームスプリッタとして用いられるエタロンフィルタに受け取られる送信および受信レーザビームの波長を交換するために、どのようにしてエタロンフィルタ透過率プロフィルの変化が使用されるかの例を図解している。

図３Ａおよび３Ｂは、受光器が波長λ_１に同調され、データレーザ送信器が、送信レーザビームが波長λ_２を持つように同調された、一つの動作形態を図解している。図３Ａに示されるように、適切な動作のためには、入射送信レーザビームを望遠鏡に向けて共通光軸上に反射させ、共通光軸に沿って到達する受信レーザビームを受光器に向けて透過するために、ビームスプリッタ１０４が必要である。図３Ｂは、図３Ａの動作に対応する特定の入射角度の、エタロンフィルタの透過率プロフィルの描画である。具体的には、透過率プロフィルは約１５４２ｎｍの波長においてピークを有し、約１５４８ｎｍ〜約１５５６ｎｍの波長において非常に低い透過率を持つ。このため、受光器が１５４２ｎｍの第一の波長λ_１に同調され、レーザ伝送が第二の波長１５４８ｎｍのλ_２に同調された場合、エタロンビームスプリッタは図３Ａに示すように、受信レーザビームを透過させ、送信レーザビームを反射する。

エタロンフィルタを、数度別の位置へわずかに傾けることによって、エタロンフィルタの送信および受信レーザビームの入射角度は変化し、図３Ｄに示される波長の変化した透過率プロフィルをもたらす。すでに記載されたように、かかる変化はまた、エタロン空隙を調節することによっても実装されることができる。図３Ｄの透過率プロフィルにおいて、エタロンフィルタはここで、図３Ｂのシナリオと正反対に、１５４２ｎｍの第一の波長λ_１において高度に反射し、１５４８ｎｍの第二の波長λ_２において透過率ピークを有することに留意されたい。これら二つの波長におけるこの透過率および反射率の交換は、交換された波長λ_１およびλ_２とともに、送受信器が適切に動作することを可能にする。図３Ｃに示されるように、送信器は送信レーザビームを波長λ_１で発生するように再同調されているにもかかわらず、エタロンビームスプリッタは対応して「切り替えられ」または「再同調され」、ここで波長λ_１を反射するので、エタロンビームスプリッタ１０４はやはり適切に送信レーザビームを望遠鏡に向かって反射する。同様に、受光器が波長λ_２に再同調される一方、エタロンビームスプリッタはここで、波長λ_２で透過するように再同調される。図３Ｂおよび３Ｄに示されるエタロン透過率のピークの約２０ｎｍの間隔は、実用的なフィルタ特性をビームスプリッタに提供するのに十分であり、送信と受信レーザビームとの間に数ナノメータの波長の波長間隔を生じさせる。図３Ａおよび３Ｃにおける送信器と受信器の位置決めは、図解を目的として使用されており、任意であることに留意されたい。受信器が反射するパスに沿って位置づけられ、送信器が透過するパスに沿って位置づけられている場合、同様の原則があてはまり、本発明はいかなる特定の方向性にも制限されない。

上記の記載により理解されるように、エタロンで作られたビームスプリッタは二つの波長を送信および受信の間において切り替えることができる。この能力は、データレーザ送信器と受光器が二つの波長に交換可能に切り替えられ（同調され）、それによってコリメータの物理的位置を再構成することなく、送信レーザビームを自由空間にコリメートし、自由空間受信レーザビームを受光器に向かう光ファイバに集中する二対の送信／受信波長を提供することを可能にする。言い換えれば、このビームスプリッタの切り替えまたは同調能力なしでは、コリメータを異なるビームを受け入れるように移動させるか、複数のビームスプリッタを使用するなどして、構成部品になんらかの物理的な再構成を施すことが必要となる。この設計において、コリメータは固定のままであり、それにより、大幅にトランシーバの設計を簡素化する。追加の切り替え可能な波長対が別の透過率ピークにおける波長を使用して得られることができ、したがって、二つのエタロンの位置は多くの送信／受信波長の対を生じることができることに留意されたい。

液晶Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔエタロンもまた、透過率および反射率特性がかかる装置によって交換され得るので、本発明のビームスプリッタにおいて使用可能であることに留意されたい。しかしこの装置には偏光によってのみ作動するという短所がある。レーザビームがランダムな偏光（すなわち、偏光されていない光）で発生される場合、液晶ビームスプリッタはエネルギーの半分を無駄にすることになる。よって、レーザビームはランダムに偏光された光で生成され、ビームスプリッタは偏光に敏感でないことが好ましい。

レーザ送信器と受光器との間における波長λ_１とλ_２の交換によってもたらされる二対の送信／受信波長は、レーザ通信用トランシーバ端末のネットワーク内における、固定の送信および受信波長では不可能である、二つの異なる波長のみを使用した全二重操作を可能にする。全二重通信の概念は、二つのモデムが二つの波長を使用して互いに同時に送受信することができる、電気通信モデムに関して周知である。二つのモデムにおける任意の通信セッションにおいて、相補の送信および受信波長を二つのモデムに割り当てるために、一方のモデムは送信モデムとして、他方のモデムは受信モデムとして設置される（一方のモデムは第一の波長で送信して第二の波長で受信し、他方のモデムは逆の仕様を有する）。普遍的に通信することのできるモデムには、すべてのモデムが送信側としての役割または受信側としての役割を担わねばならず、すなわち、特定の通信セッションによって必要とされるように、すべてのモデムが交換可能に、波長を送信または受信のどちらかに割り当てることができなければならない。

模範的な実施形態において記述された同調可能データレーザ送信器、同調可能受光器、および切り替え可能なビームスプリッタは、二つの切り替え可能な送信／受信波長対を提供することによって、電気通信モデムに使用される全二重の概念が、自由空間レーザ通信システムに関して導入されることを可能にする。図４は、三つのレーザ通信端末が固定の波長割当を使用し、それによって複数の通信端末における全二重通信を実現できないシナリオを図解する。端末１は、第一の波長λ_１で送信し、第二の波長λ_２で受信し、一方、端末２は第一の波長λ_１で受信し、第二の波長λ_２で送信する。このため、端末１および２は互いに通信することができる。同様に、端末３は、第一の波長λ_１で送信し、第二の波長λ_２で受信し、そのため、端末２および３もまた、互いに通信することができる。しかし、端末１および３は、これらの両端末が第一の波長λ_１で送信し、第二の波長λ_２で受信する（すなわち、波長が相補でない）ため、互いに通信できない。

図５は、レーザ通信システムの送受信器端末が動的波長割当を使用する、本発明の模範的な実施形態にしたがって普遍的に全二重操作を実現する通信シナリオを示す。このシナリオにおいて、端末１および３は図４に示す仕様を使用して端末２と通信することができる。しかし、端末１および３もまた、端末３が端末１から第一の波長λ_１を受信し、第二の波長λ_２で端末１に送信するように端末３の送信／受信波長を切り替えることによって、互いに通信することができる。これを相補するため、端末１は端末３から第二の波長λ_２を受信し、第一の波長λ_１で端末３に送信する。この手段は、すべての端末が送信／受信のいずれの波長も導入することができるため、第四の端末または任意の数の追加の端末を追加する場合、簡単に拡張されることができる。

本発明の模範的な実施形態によるレーザ通信用トランシーバ端末６００の実用的な構成が図６に図解される。端末６００は、航空機、衛星、船舶、および地上車などの移動プラットフォームに取り付けられる。タレット６０２は、プラットフォームの外部表面に取り付けられ、外部表面からプラットフォームの外装に突き出たドーム状の筐体を含む。タレット６０２は、図１に示される自由空間光学構成部品を含む自由空間光学モジュール６０４を格納する。指向および追尾のギンバルは、３６０度の方位角のすべてまたはほぼすべて、および仰角１８０度にわたって、（例えば、相当な乱気流が性能を低下させる場合、航空機の後方に向かって２０度の方位角盲点領域が存在する）、タレット（およびゆえに望遠鏡）を回転させるために使用される。初期の取得とそれに続く追尾において、ギンバルは、粗い望遠鏡の位置決め、およびレーザとＲＦビームとの位置決めに使用されることができ、高速調整ミラーがレーザビームの微細な位置決めに使用されることができる。ギンバルによって提供される粗い位置決めは、ＲＦビームのビーム幅が広いために、ＲＦビームの位置決めには十分であり得る。

再度図６を参照して、受光器モジュール６０６、データレーザ送信モジュール６０８、および補助電源モジュール６１２は、プラットフォーム内で遠隔的に位置することができる。モジュールは、データの送受信およびシステムの動作を監視するために、作動コンソール６１６およびプラットフォームネットワーク６１４に接続されることができる。空中プラットフォームの場合、モジュール６０６、６０８、および６１２は、好ましくは内部加圧された区画に位置する（例えば、航空機機体内部の棚に取り付けられる）。このように、変調されたレーザエネルギーを発生し受け取る構成部品は、航空機表面の外側に取り付けられたタレットのように過酷な環境にさらされない。この配置は、最も影響を受けやすい装置の作動条件の緩和と、外部にさらされるタレットの大きさを最小化するという、二重の長所を持つ。自由空間と接するシステム構成部品（すなわち、光学望遠鏡）または指向・追尾のみが、タレット内に必要となる。ＲＦ信号が望遠鏡によって送受信される場合にも、ＲＦトランシーバは同様にタレットから離れて位置することができる。

光ケーブルが、受光器モジュール６０６、データレーザ送信モジュール６０８、をタレット６０２に結合するために使用される。タレット内のスプリットリング接続が、タレットと自由空間光学モジュール６０４との間を結合するレーザおよび電気信号を提供するために使用されることができる。任意的なＲＦトランシーバは、ＲＦ導波管などを介してタレットに結合されることができる。

一つの動作上の自由空間レーザ通信システムにおいて、本発明のトランシーバ通信端末は、好ましくは少なくとも一秒あたり２ギガバイトのデータ転送速度で動作する、市販の光ファイバの標準規格をオープンシステム、全二重、プロトコルニュートラルな、スキーマを使用する。端末のデータ転送速度は、大気の影響がビット誤り率の著しい増加をもたらす場合、低下することがある。端末は、移動プラットフォームの間または、動作プラットフォームと固定プラットフォームとの間（例えば、空中に関し、航空機と航空機、および航空機から地上へのシナリオ）で動作することができる。

本システムは、異なるネットワークインターフェースに適合するように構成されることができる。例えば、端末は独立したリンクとして動作している場合、１０／１００やギガビット・イーサネット（登録商標）インターフェース以上のデータを送受信することができる。端末はまた、広ビームおよび狭ビームのＲＦリンクとともに、航空機の多目的な共通データリンク（ＭＰ−ＣＤＬ）上の第三のデータパスとして機能するように構成されることができる。１００キロを越える距離にわたるデータの伝送が可能である。

本発明の送受信器端末は、センサーデータ、ナビゲーション信号、音声信号、画像信号、ビデオ信号、プロセッサ上で実行されるアプリケーションに関連するデータ、制御信号、およびオーバーヘッドまたは通信プロトコル信号（例えば、通信プロトコル、ハンドシェーキング、ルーティング、設備構成などに関する）を含むがこれに限定されない、ほぼすべての型の情報またはデータを伝送することができる。特に、諜報、監視、および偵察のために情報を収集するセンサは、相当量のデータを発生し、高いデータ転送速度の利益を受け、レーザ通信に使用される、情報を妥当な時間で伝送することができる。

本願に記載のアーキテクチャの側面は、他の関連分野において使用されることができる。例えば、フォトニックおよび電子的設備の遠隔構成や、コリメートされた自由空間光学方式は、ＬＡＤＡＲシステムにおける位置検出および二次元・三次元画像化または地表の性質を調査するレーザ振動測定法に有益であろう。

新しい、および改良された通信用トランシーバアーキテクチャの好ましい実施形態を記述したことにより、その他の修正、変更、変化が、本願に記載の教示に照らして当業者に示されたものと考えられる。したがって、すべてのかかる変更、修正および変化は、添付の請求項に定義されるように、本発明の範囲内に含まれると理解される。本願には具体的な用語が含まれるが、これらは総称および説明的な意義においてのみ使用されるものであって、限定を目的とするものではない。

図１は、本発明の模範的な実施形態に基づく通信用トランシーバのアーキテクチャの図である。 図２は、本発明の模範的な実施形態にしたがって自由空間レーザ通信端末内に切り替え可能なビームスプリッタとして動作するように構成されたエタロンの図である。 図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の模範的な実施形態にしたがって送受信器の間で切り替えられる、二つの選択された波長を可能にする、切り替え可能なビームスプリッタの透過特性を図解する。 図４は、レーザ通信システムの送受信器端末が固定された波長割当を使用し、よって複数の通信端末間における全二重通信機能を有することができない通信シナリオを示す。 図５は、レーザ通信システムの送受信器端末が、本発明の模範的な実施形態にしたがって全二重操作機能を有することを支援する動的波長割当を使用する通信シナリオを示す。 図６は、本発明の模範的な実施形態に基づく通信用トランシーバ端末のシステム構成を図解する図である。

Claims (18)

1. 自由空間通信トランシーバであって、
   レーザビームを送受信するように構成された望遠鏡と、
   データで変調された送信レーザビームを発生するデータレーザ送信モジュールであって、該送信レーザビームは送信波長を持つ、データレーザ送信モジュールと、
   該望遠鏡から受け取った受信レーザビームを処理してデータを回復する受光器モジュールであって、該受信レーザビームは該送信波長と異なる受信波長を有する、受光器モジュールと、
   送信／受信ビームスプリッタであって、該送信および該受信レーザビームが、共通光軸に沿って、該送信／受信ビームスプリッタと該望遠鏡との間において同一線上の平行自由空間ビームとなるように、該送信レーザビームを該データレーザ送信モジュールから該望遠鏡の該共通光軸へ導き、および該受信レーザビームを該共通光軸から該受光器モジュールへ導くように構成された、送信／受信ビームスプリッタと
   を含み、
   該データレーザ送信モジュールは、該送信波長が少なくとも第一の波長と第二の波長とから選択可能であるように同調可能であり、
   該受光器モジュールは、該受信波長が少なくとも該第一の波長と該第二の波長とから選択可能であるように同調可能であり、第一の態様において、該送信波長は該第一の波長であり、該受信波長は該第二の波長であり、第二の態様において、該送信波長は該第二の波長であり、該受信波長は該第一の波長であり、それによって二対の送信／受信波長を提供し、
   該送信／受信ビームスプリッタは、該第一の態様において、該送信／受信ビームスプリッタが該第一および該第二の波長のうちの一方で実質的に透過性であり、該第一および該第二の波長のうちの他方で実質的に反射性であり、該第二の態様において、該第一および該第二の波長のうちの該一方で実質的に反射性であり、該第一および該第二の波長のうちの該他方で実質的に透過性であるように同調可能である、自由空間通信トランシーバ。
2. 前記送信／受信ビームスプリッタは、
   エタロンフィルタであって、前記送信および前記受信レーザビームのうちの一方に対して実質的に透過性であり、該送信および該受信レーザビームのうちの他方に対して実質的に反射性であるように、前記データレーザ送信モジュールに第一の光軸に沿って結合され、前記受光器モジュールに第二の光軸に沿って結合された、同調可能エタロンフィルタと、
   該同調可能エタロンフィルタに結合され、前記第一および前記第二の態様にしたがって該エタロンフィルタのピーク透過率の波長を調整するように構成された同調機構と
   を備える、請求項１に記載のトランシーバ。
3. 前記送信および前記受信レーザビームはランダムに偏光された光を備える、請求項１に記載のトランシーバ。
4. データで変調されたＲＦ信号を送受信するように構成されたＲＦトランシーバと、
   前記共通光軸と該ＲＦトランシーバとの間において、送信および受信ＲＦ信号を結合するように構成された光学／ＲＦビームスプリッタとをさらに備え、前記望遠鏡はＲＦ信号を送受信するように構成される、請求項１に記載のトランシーバ。
5. 前記望遠鏡によって受信される位置決めレーザビームの到達角度を決定するように構成された位置検出器モジュールであって、該位置決めレーザビームは、前記送信および前記受信波長と異なる第三の波長を有する、位置検出器モジュールと、
   該位置決めレーザビームを、前記共通光軸から該位置検出器モジュールへ導くように構成された位置決めビーム・ビームスプリッタと、
   該共通光軸に沿って配置され、ビームが該望遠鏡によって送受信される角度を制御するように構成されたステアリングミラーであって、該ステアリングミラーは、該位置検出器モジュールからのフィードバックにしたがって調節される、ステアリングミラーと
   をさらに備える、請求項１に記載のトランシーバ。
6. 前記送信／受信ビームスプリッタに供給される送信レーザビームを平行にする第一の光ファイバコリメータと、
   該送信／受信ビームスプリッタを出る平行受信レーザビームを集中する第二の光ファイバコリメータと
   をさらに備える、請求項１に記載のトランシーバ。
7. 前記第一および前記第二のコリメータのそれぞれは、ファイバに融合された屈折率分布型レンズであり、単一の固定したアセンブリを形成する、請求項６に記載のトランシーバ。
8. 前記第一および前記第二のコリメータのそれぞれは、５０〜１００ミクロンの間のコア径を持つマルチモードファイバに融合された屈折率分布型レンズである、請求項６に記載のトランシーバ。
9. 前記望遠鏡、前記送信／受信ビームスプリッタ、および前記第一および前記第二の光ファイバコリメータを含む自由空間光学モジュールと、
   前記データレーザ送信モジュールを該自由空間光学モジュールに結合させる第一の光ファイバケーブルであって、該データレーザ送信モジュールは前記自由空間光学モジュールから離れて位置する、第一の光ファイバケーブルと、
   前記受光器モジュールを該自由空間光学モジュールに結合させる第二の光ファイバケーブルであって、該受光器モジュールは該自由空間光学モジュールから離れて位置する、第二の光ファイバケーブルと
   をさらに備える、請求項６に記載のトランシーバ。
10. 全二重自由空間レーザ通信装置であって、
    レーザビームを同時に送受信するように構成された望遠鏡と、
    データで変調された送信レーザビームを発生するデータレーザ送信モジュールであって、該データレーザ送信モジュールは、該送信レーザビームの送信波長が、少なくとも第一と第二の波長とから選択可能であるように同調可能である、データレーザ送信モジュールと、
    該望遠鏡から受信した受信レーザビームを処理してデータを回復する受光器モジュールであって、該受光器は、受信レーザビームの受信波長が少なくとも該第一と該第二の波長とから選択可能であるように同調可能であり、該送信および該受信波長は異なり、送信／受信波長の対を形成する、受光器モジュールと、
    該レーザ通信装置が少なくとも二対の送信／受信波長のうちのいずれかを用いて遠隔の通信装置との全二重通信が可能となるように、該送信波長が該第一の波長であり、該受信波長が該第二の波長である第一の態様と、該送信波長が該第二の波長であり、該受信波長が該第一の波長である第二の態様との両方において、該データレーザ送信モジュールからの該送信レーザビームを該望遠鏡へ導き、該望遠鏡からの該受信レーザビームを該受光器モジュールへ導くように構成された、切り替え可能なビームスプリッタと
    を備え、
    該切り替え可能なビームスプリッタは、該切り替え可能なビームスプリッタが、該第一の態様において、該第一および該第二の波長の一方で実質的に透過性であり、該第一および該第二の波長の他方で実質的に反射性であり、該第二の態様において、該第一および該第二の波長の該一方で実質的に反射性であり、該第一および該第二の波長の該他方で実質的に透過性であるように同調可能である、全二重自由空間レーザ通信装置。
11. 前記切り替え可能なビームスプリッタは、
    エタロンフィルタが前記送信および前記受信レーザビームの一方に対して実質的に透過性であり、該送信および該受信レーザビームの他方に対して実質的に反射性であるように、第一の光軸に沿って前記データレーザ送信モジュールに結合され、第二の光軸に沿って前記受光器に結合された同調可能エタロンフィルタと、
    該同調可能エタロンフィルタに結合され、該エタロンフィルタのピーク透過率の波長を前記第一および前記第二の態様にしたがって調節するように構成された、同調機構と
    を備える、請求項１０に記載の装置。
12. 前記同調機構は、前記エタロンフィルタを傾けて前記ピーク透過率の波長を調節する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記同調機構は、前記エタロンフィルタの空隙を調節して前記ピーク透過率の波長を調節する、請求項１１に記載の装置。
14. 前記送信および前記受信レーザビームは、前記切り替え可能なビームスプリッタと前記望遠鏡との間において同一線上の平行自由空間ビームである、請求項１０に記載の装置。
15. 前記送信および前記受信レーザビームはランダムに偏光された光を備える、請求項１０に記載の装置。
16. 自由空間レーザ通信システムにおいて、同調可能レーザ送信モジュールおよび同調可能受光器を、望遠鏡の共通光軸に結合する方法であって、該方法は、
    （ａ）周期的な波長で透過率がピークに達する、調節可能な透過特性を持つエタロンフィルタを提供することであって、該透過率のピークの波長は選択された波長に同調可能である、ことと、
    （ｂ）送信レーザビームのパスを第一の光軸に沿って該エタロンフィルタと整列させることと、
    （ｃ）受信レーザビームのパスを第二の光軸に沿って該エタロンフィルタと整列させることと、
    （ｄ）該エタロンフィルタの透過率のピークが該送信レーザビームの送信波長または該受信レーザビームの受信波長に対応するように適応的に同調されるように、該エタロンフィルタの該透過特性を制御することであって、該受信波長は、該送信波長とは異なっている、ことと
    を含み、
    該エタロンフィルタは、複数の送信および受信波長について、該第一の光軸からの該送信レーザビームを該共通光軸へ導き、該共通光軸からの該受信レーザビームを第二の光軸へ導き、該エタロンフィルタは、該受信波長または該送信波長からずれている波長を反射する、方法。
17. （ｄ）は、前記エタロンフィルタの表面に対して、前記第一および前記第二の光軸の入射角度を変えることを伴う、請求項１６に記載の方法。
18. （ｄ）は、エタロンフィルタ内の空隙の幅を変えることを伴う、請求項１６に記載の方法。

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