JP4954860B2

JP4954860B2 - 光空間通信システム

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Publication number: JP4954860B2
Application number: JP2007319918A
Authority: JP
Inventors: 耕一吉田; 健辻村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP2009147448A

Description

本発明は、光導波路による通信線路の一部で空間中にレーザー光による光ビームを伝播させることにより双方向通信を行う光空間通信システムに関する。

光空間通信システムは、光ファイバ等の光導波路端を対向させ、それぞれの直前にコリメータ等の光学デバイスを配置し、空間中でレーザー光による光ビームを伝播させて光導波路間の光通信を行うものである。このシステムは、物理的配線が困難なユーザー環境にあっても、シームレスな光アクセスサービスが提供可能となる利点を有している。但し、その場合、振動や風などの外乱が存在しても、一組の光導波路間のレーザー光の入出力が維持されなければならない。

近年、そのような外乱の影響をキャンセルするため、光ビーム制御装置を一方のコリメータの直前に配置し、その光軸ともう片方のコリメータからのレーザー光を一致させるような光路修正制御を行うことによって光空間通信を行う手法が実現されている。特に、光ビーム制御装置側をユーザー宅へ設置すれば、対向する片方のコリメータは電柱などに電源を供給することなく配置可能となるメリットを備えている（例えば、非特許文献１参照）。

但し、この手法では、固定側からのレーザー光の一部を光路修正制御のためのパイロット光とするか、あるいは別波長の光源を通信光に重ね合わせてパイロット光として使用する必要がある。前者の場合、通信光のパワーを分割することになるため、パワーが微弱な状態では通信サービス品質の低下を招く危険性がある。また、後者の場合、固定側で別波長の光源を用意する必要があることから、固定側における電源フリーのメリットが消失してしまう。
吉田他：単一モード光フアイバ伝送への光空間通信の適用性に関する検討，信学技法OFT2006-41, pp.5-10, 2006

以上述べたように、従来の光空間通信システムでは、外乱の影響による光軸ずれの影響をユーザーエンドで補正するための光路修正制御に必要なパイロット光として、通信光を利用するか、あるいは別波長の光源を固定側に用意する手法をとっており、前者は通信品質の低下の問題、後者は光源の電源確保の問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、外乱の影響による光軸ずれの影響をユーザーエンドで補正するための光路修正制御に必要なパイロット光を通信光とは別波長で固定側から電源フリーで送出可能な光空間通信システムと光通信ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る光空間通信システムは、以下のように構成される。

（１）空間を介して第１の光導波路から第２の光導波路へ第１の波長のレーザー光による光ビームを伝播させ、前記第２の光導波路から前記第１の光導波路へ前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザー光による光ビームを伝播させて双方向に通信を行う光空間通信システムにおいて、前記第２の光導波路の光入出射端直前に配置され、その光入出射端の光軸と前記第１の光導波路からの到達光ビームの光軸とが一致するように前記双方向の光ビームの伝播経路を調整する光ビーム制御装置と、前記第１の光導波路の光入出射端部に設けられる第１の光通信ユニットと、前記第２の光導波路の光入出射端部に設けられる第２の光通信ユニットとを具備し、前記第２の光通信ユニットは、前記第１、第２の波長とは異なる第３の波長のレーザー光をパイロット光として発生する光源と、前記第２の光導波路に当該光導波路の光入出射端に向けて前記パイロット光を合波する光合波手段とを備え、前記第１の光通信ユニットは、前記第１の光導波路に対しその入出射端部から伝播される前記第３の波長のパイロット光を分波し、逆行する前記第３の波長のパイロット光を前記入出射端部に向けて合波する光合分波手段と、前記光合分波手段で分波されたパイロット光を全反射する全反射手段とを備え、前記光ビーム制御装置は、前記第１の光導波路から伝播されるパイロット光に基づいて前記光ビームの伝播経路の調整を行うことを特徴とする。

（２）（１）において、前記第１の光導波路の光入出射端は、端面が斜め研磨されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光空間通信システムの光通信ユニットは、以下のように構成される。

（３）空間を介して第１の光導波路から第２の光導波路へ第１の波長のレーザー光による光ビームを伝播させ、前記第２の光導波路から前記第１の光導波路へ前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザー光による光ビームを伝播させて双方向に通信を行う光空間通信システムに用いられ、前記第２の光導波路の光入出射端直前に光ビーム制御装置が配置され、その光入出射端の光軸と前記第１の光導波路からの到達光ビームの光軸とが一致するように前記双方向の光ビームの伝播経路が調整され、前記第２の光導波路から前記第１、第２の波長とは異なる第３の波長のレーザー光がパイロット光として多重出射されるとき、前記第１の光導波路に対しその入出射端部から伝播される前記第３の波長のパイロット光を分波し、逆行する前記第３の波長のパイロット光を前記入出射端部に向けて合波する光合分波手段と、前記光合分波手段で分波されたパイロット光を全反射する全反射手段とを備えることを特徴とする。

要するに本発明によれば、第１の光導波路側を固定側、第２の光導波路側をユーザーエンドとすることで、外乱の影響による光軸ずれの影響をユーザーエンドで補正するための光路修正制御に必要なパイロット光を通信光とは別波長で固定側から電源フリーで送出可能な光空間通信システムと光通信ユニットを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係る光空間通信システムの一実施形態を示す概略構成図である。図１において、Ａは固定側光通信ユニット、Ｂはユーザーエンド側の光通信ユニットを示しており、それぞれ通信光の光導波路として単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）Ａ１，Ｂ１が用いられる。ユーザーエンド側の光通信ユニットＢの直前には光ビーム制御装置Ｃが配置される。

上記固定側光通信ユニットＡにおいて、光ファイバＡ１には上流から第１の波長λ１のレーザー光による通信光が伝播される。この通信光は３波長合分波器Ａ２介してコネクタＡ３から出射され、コリメータＡ４によって平行光に変換されて、光ビームとしてユーザーエンド側に向けて照射される。この光ビームは光ビーム制御装置Ｃによって光軸調整されてユーザーエンド側の光通信ユニットＢに入射される。

このユーザーエンド光通信ユニットＢは、入射光ビーム、すなわち第１の波長λ１の通信光をコリメータＢ２から取り込み、コネクタＢ３によって光ファイバＢ１に導く。光ファイバＢ１によって伝播される第１の波長λ１の通信光は３波長合分波器Ｂ４、２波合分波器Ｂ５を介してフォトダイオード（ＰＤ）Ｂ６で光受信される。また、このユーザーエンド側光通信ユニットＢは第１の波長λ１とは異なる第２の波長λ２の通信光をレーザーダイオード（ＬＤ）Ｂ７から発生する。この第２の波長λ２の通信光は、光ファイバＢ１を伝播し、２波長合分波器Ｂ５、３波長合分波器Ｂ４を介してコネクタＢ３から出射され、コリメータＢ２によって平行光に変換されて、光ビームとして固定側に向けて照射される。この光ビームは光ビーム制御装置Ｃによって光軸調整された経路で固定側通信ユニットＡに入射される。

この固定側光通信ユニットＡでは、ユーザーエンド側光通信ユニットＢからの第２の波長の通信光をコリメータＡ４から取り込み、コネクタＡ３によって光ファイバＡ１に導く。光ファイバＡ１によって伝播される第２の波長λ２の通信光は３波長合分波器Ａ２を介して上流に送られる。

上記構成において、本発明では、さらに以下の構成を備える。すなわち、ユーザーエンド側光通信ユニットＢにおいて、第１及び第２の波長λ１，λ２とは異なる第３の波長λ３のレーザー光を発生するレーザーダイオードＢ８を備え、この第３の波長λ３のレーザー光をパイロット光とし、３波長合分波器Ｂ４により光導波路Ｂ１上に合波して、固定側光通信ユニットＡに向けて照射する。固定側光通信ユニットＡでは、第３の波長λ３のパイロット光が光ファイバＡ1に結合されると、この光ファイバＡ１を伝播される第３の波長λ３のパイロット光を３波長合分波器Ａ２で分波し、光反射器Ａ５で全反射させ、再び３波長合分波器Ａ２で合波して光ビーム制御装置Ｃを介してユーザーエンド側の光通信ユニットＢに送出する。

ここで、上記固定側光通信ユニットＡのコネクタＡ３の端面は、反射を抑えるため、斜めに研磨しておく。

図２は本発明の構成要素である光ビーム制御装置Ｃの一実施例を示している。対向する一組のコリメータＡ４，Ｂ２の片方／両方に加えられる振動等の外乱に起因する光軸ずれを動的に補正し、双方向通信状態を維持するには、平行軸ずれとあおり角の計４自由度の光路調整が必要となる。本装置Ｃは、片側コリメータＡ４をパッシブにするため、もう片側に光軸調整機構を集約させる非対称構成が可能となっている。コリメータＡ４，Ｂ２の遥動によるビーム位置の変動をカバーするのに十分な開口を有する位置補正用駆動ミラー（以下、位置補正ミラー）Ｃ１が固定側コリメータＡ４からの光ビームを反射させ、さらにビームスプリッタ（Ｂ／Ｓ）Ｃ２、角度補正用駆動ミラーＣ３、ビームスプリッタＣ４を経由してユーザーエンド側のコリメータＢ２へと導く。

２つのミラーＣ１，Ｃ３はそれぞれパン・チルト角を制御可能な２自由度の駆動機構を備えている。位置補正ミラーＣ１は光ビームを角度補正ミラーＣ３の中心に導くように制御され、さらに角度補正ミラーＣ３はその反射光がコリメータＢ２の光軸と一致するように制御されることにより、２つのコリメータＡ４，Ｂ２の光軸が一致することになる。位置補正ミラーＣ１と角度補正ミラーＣ３との間のビームスプリッタＣ２反射面に関して、角度補正ミラーＣ３の鏡像位置に位置検出器（Position Sensing Devise：ＰＳＤ）Ｃ５が配置されている。これにより、角度補正ミラーＣ３の中心に対する光ビーム反射点の位置が検出可能となる。この検出位置情報をビーム位置制御器Ｃ６に送り、この制御器Ｃ６でその位置誤差に相当する制御信号を位置補正ミラーＣ１の駆動機構へフィードバックすることにより、光ビームを角度補正ミラーＣ３の中心へ導くことができる。

一方、角度補正ミラーＣ３とユーザーエンド側コリメータＢ２との間のビームスプリッタＣ４による分岐光は、凸レンズＣ７を通して角度検出用位置検出器（ＰＳＤ）Ｃ８へと導かれるため、この位置検出器Ｃ８では角度誤差のみが検出されることになる。ユーザーエンド側コリメータＢ２の光軸に対する角度誤差はビーム角度制御器Ｃ９に送られ、ここで角度制御信号に変換されて角度補正ミラーＣ３の馬区動機構へフィードバックされ、これによって光ビームは光軸と一致することになる。

上記構成において、以下にその動作を説明する。

まず、上記構成による光空間通信システムでは、固定側とユーザーエンド側に、それぞれ光ファイバＡ１に接続されその端面から発せられるレーザー光を平行光へ変換するコリメータＡ４，Ｂ２が２組対向配置され、異なる波長を有する２つのレーザー光（λ１，λ２）を互いに逆方向に伝播させることにより双方向光通信を行っている。ユーザー側コリメータＢ２の直前には光ビーム制御装置Ｃが配置される。

この光ビーム制御装置Ｃでは、固定側コリメータＡ４より発せられるレーザー光をパイロット光としてモニターし、その伝播経路をフィードバック制御することにより、ユーザー側コリメータＢ２の光軸と一致させる。これによりコリメータＡ４，Ｂ２に加わる振動などの外乱の影響を吸収し、光空間通信を維持することが可能となる。その際、パイロット光として通信光を用いることも可能であるが、その光パワーを減じることになり、結果として通信品質の低下につながるリスクが生じる。

そこで、本実施形態では、ユーザーエンド側の光通信ユニットＢに第３の波長λ３の光源Ｂ８を用意し、これをユーザー側コリメータＢ２直後の合分波器Ｂ８を介して導入し、固定側コリメータＡ４へ向け照射して結合させ、さらにその直後の合分波器Ａ２と光反射器Ａ５の組み合わせにより、この第３の波長λ３のみを全反射させて、ユーザー側へ照射するパイロット光として用いている。

このとき、固定側コリメータＡ４に接続された光ファイバＡ１の端面を斜め研磨しておく。これにより、波長λ３の光ファイバ端面での表面反射による影響を除去することができる。光ファイバＡ１の端面での表面反射による戻り光は、例えば固定側コリメータＡ４が光軸に対して平行移動してしまうと、固定側コリメータＡ４の光軸とはずれを生じることになり、パイロット光としては使用できない。一方、固定側コリメータの光ファイバに一度結合した光を反射させれば、あたかも固定側コリメータに接続された光ファイバＡ１から波長λ３のレーザー光を供給しているのと同等の効果を得ることが可能となる。

図３は本発明の利用形態の一例を示している。固定側光通信ユニットＡは電柱１１上に配置され、光通信用の光ファイバーケーブル１２に結合されている。一方、ユーザーエンド側の光通信ユニットＢは、ユーザー宅１３に配置される。また、光ビーム制御装置Ｃはユーザー宅１３の窓側に、その光学窓部分が固定側コリメータＡ４を見通せるように配置される。

すなわち、上記ファイバーケーブル１２によって伝播される通信光は、固定側光通信ユニットＡに入射され、コリメータＡ４を介してユーザー宅１３へ照射され、ユーザー宅１３に設置された光ビーム制御装置Ｃにより宅内の光通信ユニットＢへ導かれている。このとき、光ビーム制御装置Ｃにより電柱１１からの到達光の中心軸と宅内光ファイバ用コリメータＢ２の光軸が一致するように調整されているため、反対に宅内光ファイバＢ１からのレーザー光は電柱１１の固定側コリメータＡ４を介して光ファイバ１２に取り込まれることになる。振動などの外乱によって電柱がゆれた場合でも、ユーザー宅への到達光が光ビーム制御装置Ｃの光学窓内に収まる範囲においては、ゆれに応じて光路を修正することにより光軸の一致が保たれる。可動部分及びパイロット光用の光源は、全てユーザー側に集約されているため、電柱１１側に配置される装置はコリメータＡ４及び光合分波器Ａ３等のパッシブなエレメントのみでよく、電源供給の必要がない。また、光ケーブル収容局よりパイロット光を伝送する必要もない。

したがって、上記構成による光空間通信システムによれば、光ファイバによる双方向光通信において、振動や風などの外乱の影響による光軸ずれの影響を動的に補正する光ビーム制御に必要なパイロット光を、ユーザーエンド側から供給することが可能になる。光ビーム制御装置Ｃはユーザーエンド側光通信ユニットＢの直前に設置され、これに対向する光通信ユニットＡは電源供給不要な状態で電柱等に設置される。前述のように、電柱側からユーザー側に向かう光ビーム制御に必要なパイロット光がユーザー側から供給できるため、パイロット光として通信光を用いたり、光ファイバ収容局から提供したりする必要がなくなることになる。

なお、本発明は、上記実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、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合せにより種種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いくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせるようにしてもよい。

本発明に係る光空間通信システムの一実施形態を示す概略構成図。図１に示す光ビーム制御装置の具体的な構成を示すブロック図。図１に示す光空間通信システムの利用形態の一例を示す概念図。

符号の説明

Ａ…固定側光通信ユニット、Ａ１…単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）、Ａ２…３波長合分波器、Ａ３…コネクタ、Ａ４…コリメータ、Ａ５…光反射器、
Ｂ…ユーザーエンド側光通信ユニット、Ｂ１…単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）、Ｂ２…コリメータ、Ｂ３…コネクタ、Ｂ４…３波長合分波器、Ｂ５…２波合分波器、Ｂ６…フォトダイオード（ＰＤ）、Ｂ７…レーザーダイオード（ＬＤ）、Ｂ８…レーザーダイオード、
Ｃ…光ビーム制御装置、Ｃ１…位置補正用駆動ミラー、Ｃ２…ビームスプリッタ（Ｂ／Ｓ）、Ｃ３…角度補正用駆動ミラー、Ｃ４…ビームスプリッタ、Ｃ５…位置検出用位置検出器、Ｃ６…ビーム位置制御器、Ｃ７…凸レンズ、Ｃ８…角度検出用位置検出器、Ｃ９…ビーム角度制御器、
１１…電柱、１２…光通信用光ファイバーケーブル、１３…ユーザー宅。

Claims

空間を介して第１の光導波路から第２の光導波路へ第１の波長のレーザー光による光ビームを伝播させ、前記第２の光導波路から前記第１の光導波路へ前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザー光による光ビームを伝播させて双方向に通信を行う光空間通信システムにおいて、
前記第２の光導波路の光入出射端直前に配置され、その光入出射端の光軸と前記第１の光導波路からの到達光ビームの光軸とが一致するように前記双方向の光ビームの伝播経路を調整する光ビーム制御装置と、
前記第１の光導波路の光入出射端部に設けられる第１の光通信ユニットと、
前記第２の光導波路の光入出射端部に設けられる第２の光通信ユニットと
を具備し、
前記第２の光通信ユニットは、前記第１、第２の波長とは異なる第３の波長のレーザー光をパイロット光として発生する光源と、前記光源で発生されるパイロット光を入射して前記第２の光導波路の光入出射端に向けて伝送される前記第２の波長のレーザー光に合波する光合波手段とを備え、
前記第１の光通信ユニットは、入射光を全反射する全反射手段と、前記第２の光導波路から前記第１の光導波路の光入出射端に伝播される光ビームを入射し当該光ビームから前記パイロット光を分波して前記全反射手段に向けて出射し、当該全反射手段で全反射されたパイロット光を入射して前記第１の光導波路の光入出射端に向けて伝送される前記第１の波長のレーザー光に合波する光合分波手段とを備え、
前記光ビーム制御装置は、前記第１の光導波路から伝播される光ビームを入射し当該光ビームから前記全反射されたパイロット光を抽出し、このパイロット光に基づいて前記光ビームの伝播経路の調整を行うことを特徴とする光空間通信システム。
前記第１の光導波路の光入出射端は、端面が斜め研磨されていることを特徴とする請求項１記載の光空間通信システム。