JP5255508B2 - 光空間伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、光空間伝送システムに関するものである。

共通の光軸をもち双方向通信が可能な光空間通信装置において、送信光と受信光とを分離するための手法として、例えば特許文献１のような偏光分離方式がある。特許文献１に記載の光空間通信装置では、偏光ビームスプリッタを用いることにより、レーザダイオードから送出されるレーザ光（送信光）の偏光角度が、相手装置から受信するレーザ光（受信光）の偏光角度と略直交するように調整される。また、この装置は、位置検出用光検出器上の受信光の検出位置に基づいて、追尾用ミラーを方位角及び仰角の２方向に制御することで、レーザ光の追尾を行う。

また、このような偏光分離型の光空間通信装置において、送信（受信）光学系の前段にλ／２波長板を配置し、この波長板を回転させることにより送信光と受信光の偏光状態を直交させ、送受信光を完全分離することが特許文献２に記載されている。

特開平５−１３３７１６号公報 特許第２５２２３７９号公報

ここで、特許文献１に記載の光通信装置２つを一対とした光空間伝送システムにおいて、固定基地局と移動局とに光通信装置をそれぞれ設置した場合に、移動局が移動している際にも光通信装置間で双方向通信を行うことができるのが好ましい。

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、移動局側の光通信装置の移動に追従して追尾用ミラーを方位角方向に広範囲で回転させた場合、追尾用ミラーの回転に伴って送信光及び受信光の偏光角度が逆方向に変化してしまうため、送信光の偏光角度と受信光の偏光角度とを略直交に維持することができなくなる。これにより、送受信光の偏光分離が完全ではなくなってしまい、ノイズ及び送受信光のレベルが低下して通信に影響を与えるという問題があった。

また、特許文献２に記載の装置では、随時、波長板を回転制御する必要があるため、λ／２波長板を制御するための機構が必要となり、装置が大型化してしまう。

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、常に送信光及び受信光の偏光分離が可能な光空間伝送システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意努力を重ねた結果、送信光の偏光角度と受信光の偏光角度との間には、光空間伝送システムが含む一対の空間光通信装置のそれぞれの追尾用ミラーの方位角を同じ方向に回転させた場合であっても、光送受信部に対する光学ミラーの仰角の方向が互いに一致する場合、向かい合う光の偏光角度は空間で逆方向に回転する関係があることを見出した。

すなわち、本発明に係る光空間伝送システムは、情報信号で変調された送信光を発生させる光源と、変調された受信光を受信する検出器と、光源から発生した送信光のうち所定の偏光角度を有する光、及び検出器へ受信される受信光のうち送信光の偏光角度と直交する偏光角度を有する光のいずれか一方を反射し、他方を透過する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタから射出された送信光を反射して出力すると共に、入力された受信光を反射して偏光ビームスプリッタに入射するよう構成された、回転可能なミラーと、受信光の入射する位置を検出する位置検出器と、位置検出器により検出された信号から取得された位置情報に基づいてミラーを回転駆動する駆動手段と、をそれぞれ有する第１及び第２の空間光通信装置を備え、第１の空間光通信装置と第２の空間光通信装置とを１対として送受信を行うと共に、第１の空間光通信装置のミラーの仰角と、第２の空間光通信装置のミラーの仰角とが逆向きとなるよう構成されたことを特徴とする。

このような光空間伝送システムによれば、第１の空間光通信装置のミラーの仰角と、第２の空間光通信装置のミラーの仰角とが逆向きとなるよう配置される。このため、追尾動作における第１及び第２の空間光通信装置のミラーの方位角回転方向は逆方向となり、送信光及び受信光の偏光角度が同じ方向に回転する。この結果、送信光の偏光角度と受信光の偏光角度とを常に略直交に維持することができるようになり、常に送信光及び受信光の偏光分離が可能となる。

また、光空間伝送システムは、位置検出器により取得された受信光の位置情報をミラーの方位角に応じて補正演算する信号処理手段をさらに有し、駆動手段が、信号処理手段により補正演算された位置情報に基づいてミラーを回転駆動することが好適である。これにより、ミラーの方位角による受信光の位置情報の変化を補正した上でミラーの回転駆動を行うことができるので、ミラーによる受信光の追尾動作の精度が向上する。

同様に、光空間伝送システムは、ミラーの方位角に応じて偏光ビームスプリッタと位置検出器との間の受信光の光軸上に配置された光像回転素子を用いて、受信光が位置検出器へ入射する位置を補正する補正手段をさらに有することが好適である。これにより、ミラーの方位角による影響を受けることなく位置検出器が受信光の入射位置を検出できるため、ミラーによる受信光の追尾動作の精度が向上する。

同様に、光空間伝送システムは、ミラーが、受信光の一部を透過させる透過部を有し、位置検出器が、ミラーの透過部を透過した受信光の一部を検出するよう配置されると共に、駆動手段によりミラーと共に回転可能に配置されることが好適である。これにより、ミラーの方位角による影響を受けることなく位置検出器が受信光の入射位置を検出できるため、ミラーによる受信光の追尾動作の精度が向上する。

本発明の光空間伝送システムによれば、常に送信光及び受信光の偏光分離が可能となる。

本発明の第1実施形態に係る光空間伝送システムの全体構成を示す図である。 図１中の空間光通信装置の構成を示す図である。 移動局に設置された空間光通信装置が移動する際の送信光及び受信光の偏光角度の変化を装置上方から示す概略図である。 位置検出用光検出器にＣＣＤ、ＰＳＤなど多画素の光検出器を用いた場合の受信光の検出位置を直交座標で表した図である。 位置検出用光検出器にＣＣＤ、ＰＳＤなど多画素の光検出器を用いた場合の受信光の検出位置を極座標で表した図である。 位置検出用光検出器に４分割フォトダイオードを用い、追尾用ミラーの方位角が初期角度にある場合の、４分割フォトダイオード上にビームスポットが結像された様子を示す概略図である。 位置検出用光検出器に４分割フォトダイオードを用い、追尾用ミラーの方位角が角度θ分変化した場合のビームスポットのエネルギー成分の配置を示す概略図である。 第２実施形態における空間光通信装置の構成を示す図である。 ビームスプリッタから位置検出用光検出器までの構成を詳細に示す図である。 第３実施形態における空間光通信装置の構成を示す図である。

以下、本発明による光空間伝送システムの好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。図１は、本発明の第1実施形態に係る光空間伝送システム１の全体構成を示す図である。

光空間伝送システム１は、一対の空間光通信装置２，３の間で双方向の送受信を行うものである。一対の空間光通信装置２，３は、例えば一方が固定基地局に設置され、他方が移動局に設置されて利用される。図１では空間光通信装置（第１の空間光通信装置）２が固定基地局側に設置され、空間光通信装置（第２の空間光通信装置）３が移動局側に設置されている。空間光通信装置２は、内部に送受信のための光学系が配置された光無線モジュール４と、相手局からの光ビームに対して、光無線モジュール４の光学系が追尾可能なように方位角及び仰角の２方向に制御可能な追尾用ミラー５とを備えている。空間光通信装置３も、空間光通信装置２と同様の構成をとる光無線モジュール６及び追尾用ミラー７を備えている。

特に本実施形態においては、空間光通信装置２の光無線モジュール４及び追尾用ミラー５の位置関係と、空間光通信装置３の光無線モジュール６及び追尾用ミラー７の位置関係とが、互いに上下逆になるように配置されている。すなわち、図１に示すように固定基地局側の空間光通信装置２が光無線モジュール４の上方に追尾用ミラー５を配置する場合には、移動局側の空間光通信装置３は、光無線モジュール６の下方に追尾用ミラー７が配置される。そして、空間光通信装置２，３は、追尾用ミラー５，７の間に共通の光軸をもち、双方向通信を行うことができるように、追尾用ミラー５，７の仰角が逆向きとなるよう構成されている。

図２は、空間光通信装置２の構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、追尾用ミラー５の方位角とは、光無線モジュール４の軸線まわりの回転角のことをいい、仰角とは、光無線モジュール４の軸線と直交する面と追尾用ミラー５とのなす角のことをいう。追尾用ミラー５は、相手局（空間光通信装置３）からの光ビームに対して、光無線モジュール４の光学系が追尾可能なように、ミラー駆動制御部（駆動手段）１１によって方位角及び仰角の２方向を自動的に調整可能とされている。追尾用ミラー５の追尾動作は、まず、位置検出用光検出器（位置検出器）１２によって検出された信号から取得される、相手局からの光ビームの検出位置に関する情報を、角度検出部１３によって検出された信号から取得される追尾用ミラー５の方位角に関する情報に基づいて信号処理部（信号処理手段）１４が補正演算し、この補正演算された位置情報を用いて、ミラー駆動制御部１１が追尾用ミラー５を駆動制御することでなされる。なお、信号処理部１４における信号処理の詳細については後述する。

光無線モジュール４の送信機能としての光学系は、投受光用光学レンズ１５、ビームエクスパンダ部１６，偏光ビームスプリッタ１７、レーザダイオード（光源）２２からの光を集光する光学レンズ２３から構成される。レーザダイオード２２は、図示しない送受信回路からの送信信号で変調され偏光された（図１の例では垂直方向に偏光された）光を発生する。光学レンズ２３によって集光され、ほぼ平行にされた光ビームは、偏光ビームスプリッタ１７によって反射され、ビームエクスパンダ部１６で大口径ビームに変換され、投受光用光学レンズ１５を経て追尾用ミラー５へ反射されて、送信光Ａとして相手局の空間光通信装置３に送信される。

光無線モジュール４の受信機能としての光学系は、投受光用光学レンズ１５、ビームエクスパンダ部１６、偏光ビームスプリッタ１７、ビームスプリッタ１８、光学レンズ１９から構成される。対向して設置された相手局の空間光通信装置３からは送信光Ａとは偏光角度が約９０度異なるレーザ光が、受信光Ｂとして受信される。追尾用ミラー５によって反射され、投受光用光学レンズ１５を経てビームエクスパンダ部１６で小口径ビームとなった受信光Ｂは、偏光ビームスプリッタ１７、ビームスプリッタ１８を透過して、光学レンズ１９によって光検出器（検出器）２０に集光される。そして、光検出器２０からの受信信号は、図示しない送受信回路に送られる。受信光Ｂのうちの一部は、ビームスプリッタ１８で反射されて光学レンズ２１によって、位置検出用光検出器１２に集光される。位置検出用光検出器１２は、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割フォトダイオード等のセンサによって構成され、集光された受信光Ｂの位置信号を、信号処理部１４を介してミラー駆動制御部１１に送信することで、投受光用光学レンズ１５の光軸が受信光Ｂの光路中心に一致するように、追尾用ミラー５の前記追尾動作がなされる。

なお、空間光通信装置３の構成は、光源であるレーザダイオード２２から発生する光（上述の受信光Ｂ）の偏光角度が空間光通信装置２のものと略直交する（図１の例では水平方向に偏光される）点以外は、図２に示した空間光通信装置２のものと同様である。また、空間光通信装置３は、光無線モジュール６と追尾用ミラー７の配置は、空間光通信装置２の光無線モジュール４と追尾用ミラー５の配置と逆になっている。

このように構成された光空間伝送システム１では、移動局に設置された空間光通信装置３が例えば図１に示す矢印３０の方向へ移動している場合、送信光Ａ及び受信光Ｂの偏光角度は図３に示すように変化する。図３は、移動局に設置された空間光通信装置３が移動する際の送信光Ａ及び受信光Ｂの偏光角度の変化を装置上方から示す概略図である。

図３に示すように、空間光通信装置３が左方に移動すると、空間光通信装置２の追尾用ミラー５は、方位角を空間光通信装置３の移動方向に追尾するよう反時計周りに回転する。このとき光無線モジュール４の方位角は変わらないため、空間光通信装置２から出力される送信光Ａの偏光角度は、追尾用ミラー５の回転角度に応じて垂直方向から時計周りに回転する。

これに対し、空間光通信装置３では、追尾用ミラー７が、追尾用ミラー５と同様に、方位角を空間光通信装置２の方向に追尾するよう反時計周りに回転するものの、追尾用ミラー７の仰角が追尾用ミラー５のものと逆方向であるため、空間光通信装置３から出力される送信光（受信光Ｂ）の偏光角度も送信光Ａの逆方向に回転する。つまり、受信光Ｂは、空間光通信装置３側から見て水平方向から反時計周りに回転する。

したがって、送信光Ａ及び受信光Ｂは、図３の符号３１で示すように、空間では同じ方向に偏光角度が回転することになる。例えば移動局として電車を考え、固定基地局が駅などに設置される状況など、移動局の進行方向が固定基地局に対してほぼ一定である場合には、送受信光の偏光回転角度は一致する。

このような光空間伝送システム１によれば、空間光通信装置２の追尾用ミラー５の仰角と、空間光通信装置３の追尾用ミラー７の仰角とが逆向きとなるよう配置される。このため、追尾動作における追尾用ミラー５，７の方位角回転方向は逆方向となり、送信光Ａ及び受信光Ｂの偏光角度が同じ方向に回転する。この結果、送信光Ａの偏光角度と受信光Ｂの偏光角度とを常に略直交に維持することができるようになり、常に送信光Ａ及び受信光Ｂの偏光分離が可能となる。

次に、図４〜図７を参照して、信号処理部１４における信号処理について説明する。本実施形態において、追尾用ミラー５，７の方位角が変化することは光無線モジュール４，６内にある位置検出用光検出器１２上に結像された像が回転することと等しい。つまり検出されるビームスポットの位置が示す追尾目標からの偏差量はその時の追尾用ミラー５，７の方位角によって方向が変化する。そこで、追尾用ミラー５，７の方位角方向の変化に依らず、常に正しい方向へ追尾制御できることが望ましい。信号処理部１４は、このために位置検出用光検出器１２により取得された受信光の位置情報の偏差を補正する機能である。

信号処理部１４における信号処理は、位置検出用光検出器１２に（ａ）ＣＣＤ、ＰＳＤなど多画素の光検出器を用いた場合、（ｂ）４分割フォトダイオードを用いた場合によって具体的な処理が異なる。

まず、図４、５を参照して、位置検出用光検出器１２にＣＣＤ、ＰＳＤなど多画素の光検出器を用いた場合の処理について説明する。

ＣＣＤのような多画素の光検出器やＰＳＤのような光位置検出器ではそのスポットの位置を図４のように直交座標上の位置として決定できる。

次に、直交座標で表される座標を極座標へと変換すれば図５のように表わされる。ここで追尾用ミラー５，７の回転中心軸と制御目標が座標の原点に一致するものとし、位置検出用光検出器１２の上に仮定した縦軸と原点および座標点を結ぶ直線とのなす角をθとする。

このとき、追尾用ミラー５，７の初期角からの方位角変化量をγとすれば、追尾用ミラー５，７の方位角に依らない偏差量を決定するためには追尾用ミラー５，７の方位角が変化した後に位置検出用光検出器１２から得られる座標を極座標に変換し、角度成分にγを加算すればよい。即ち、計算の流れとしては
（１）位置検出用光検出器１２から直交座標[x,y]を得る
（２）直交座標[x,y]を極座標[ρsinθ,ρcosθ]に変換する。
（３）角度検出部１３から得たミラーの方位角γを角度成分に加算する
（４）極座標[ρsin(θ+γ),ρcos(θ+γ)]を直交座標[X,Y]に変換する
（５）上記（４）で決定した座標の偏差を元に追尾用ミラー５，７の制御をおこなう
となる。

次に、図６，７を参照して、位置検出用光検出器１２に４分割フォトダイオードを用いた場合の処理について説明する。

４分割フォトダイオード上にビームスポットが結像された様子を図６に示す。ここでは理解しやすいようにビームスポットの大きさを拡大し、かつ中心を検出器の中央部に一致させている。

追尾用ミラーが初期角度にあるときそれぞれの画素ａ，ｂ，ｃ，ｄで検出されるビームスポットのエネルギー成分をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。この各エネルギー成分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは追尾用ミラー５，７を制御するために用いられる制御信号に等しい。

このとき追尾動作により追尾用ミラー５，７の方位角が角度θ分変化すると各エネルギー成分の配置は図７のようになる。

図７を参考に各制御信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを求めると、
（１）０°≦θ＜９０°では
計算を簡単にするために代入用の変数γを仮定する。
γ＝θとし

（２）９０°≦θ＜１８０°では
γ＝θ−９０とし

（３）１８０°≦θ＜２７０°では
γ＝θ−１８０とし

（４）２７０°≦θ＜３６０°では
γ＝θ−２７０とし

と表せる。

これにより得られる各成分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから制御信号を求めることで、追尾用ミラー５，７の方位角による受信光の位置情報の変化量（偏差）を補正した上で追尾用ミラーの回転駆動を行うことができるので、追尾用ミラーによる受信光の追尾動作の精度を向上させることが可能となる。

次に、図８，９を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態における空間光通信装置２ａの構成を示す図である。本実施形態の空間光通信装置２ａは、信号処理部１４を備えない点、及び、ビームスプリッタ１８と位置検出用光検出器１２との間に、例えばイメージローテータプリズムなどの光像回転素子２４ａを用いた補正手段２４を備える点で、第１実施形態の空間光通信装置２と相違する。

図９は、図８中のビームスプリッタ１８から位置検出用光検出器１２までの構成を詳細に示す図である。図９に示すように、本実施形態では、位置検出用光検出器１２より前の光軸上に補正手段２４を配置し、角度検出部１３により検出された追尾用ミラー５の回転角度に合わせて、補正手段２４のイメージローテータプリズム（ダブプリズム）２４ａの光軸方向を中心に回転させることにより、受信光が位置検出用光検出器１２に入射する位置を光学的に補正する。ただし、イメージローテータプリズム２４ａによる像の回転角度はプリズム２４ａの回転角度に対して２倍となるため、追尾用ミラー５の方位角変化に対して半分の角度で制御する必要がある。

このような構成により、追尾用ミラー５の方位角により影響を受けることなく、位置検出用光検出器１２が受信光の入射位置を検出できるため、追尾用ミラーによる受信光の追尾動作の精度を向上させることが可能となる。

次に、図１０を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は、第３実施形態における空間光通信装置２ｂの構成を示す図である。本実施形態の空間光通信装置２ｂは、信号処理部１４及び角度検出部１３を備えない点、並びに、光学レンズ２１及び位置検出用光検出器１２が光無線モジュール４ではなく追尾用ミラー５に設けられる点で、第１実施形態の空間光通信装置２と相違する。

図１０に示すように、本実施形態では、追尾用ミラー５の一部に開口又は部分透過ミラーである透過部５ａが設けられ、受信光の一部がこの透過部５ａを透過するよう構成される。そして、光学レンズ２１及び位置検出用光検出器１２が、透過部５ａを透過した受信光を検出するように追尾用ミラー５の裏側に配置される。これにより、追尾用ミラー５の方位角により影響を受けることなく、位置検出用光検出器１２が受信光の入射位置を検出できるため、追尾用ミラーによる受信光の追尾動作の精度を向上させることが可能となる。

以上、本発明に係る光空間伝送システムについて好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２が送信光を反射し、受信光を透過していたが、これとは逆に送信光を透過し、受信光を反射してもよい。この場合、図２に示す光無線モジュール４の送信機能及び受信機能の配置も逆になる。

また、上記実施形態では、光無線モジュール４，６と追尾用ミラー５，７との位置関係は上下方向だったが、両者の相対的な位置関係さえ保持されていれば他の方向としてもよい。

１…光空間伝送システム、２，２ａ，２ｂ…空間光通信装置（第１の空間光通信装置）、３…空間光通信装置（第２の空間光通信装置）、４，６…光無線モジュール、５，７…追尾用ミラー、５ａ…透過部、１１…ミラー駆動制御部（駆動手段）、１２…位置検出用光検出器（位置検出器）、１３…角度検出部、１４…信号処理部（信号処理手段）、１７…偏光ビームスプリッタ、２０…光検出器（検出器）、２２…レーザダイオード（光源）、２４…補正手段、２４ａ…イメージローテータプリズム（光像回転素子）、Ａ…送信光、Ｂ…受信光。

Claims (4)

1. 情報信号で変調された送信光を発生させる光源と、
   変調された受信光を受信する検出器と、
   前記光源から発生した送信光のうち所定の偏光角度を有する光、及び前記検出器へ受信される受信光のうち前記送信光の偏光角度と直交する偏光角度を有する光のいずれか一方を反射し、他方を透過する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタから射出された送信光を反射して出力すると共に、入力された受信光を反射して偏光ビームスプリッタに入射するよう構成された、回転可能なミラーと、
   前記受信光の入射する位置を検出する位置検出器と、
   前記位置検出器により検出された信号から取得された前記受信光の位置情報に基づいて前記ミラーを回転駆動する駆動手段と、をそれぞれ有する第１及び第２の空間光通信装置を備え、
   前記第１の空間光通信装置と前記第２の空間光通信装置とを１対として送受信を行うと共に、
   前記第１の空間光通信装置の前記ミラーの仰角と、前記第２の空間光通信装置の前記ミラーの仰角とが逆向きとなるよう構成されたことを特徴とする光空間伝送システム。
2. 前記位置検出器により取得された前記受信光の位置情報を前記ミラーの方位角に応じて補正演算する信号処理手段をさらに有し、
   前記駆動手段が、前記信号処理手段により補正演算された前記位置情報に基づいて前記ミラーを回転駆動することを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送システム。
3. 前記ミラーの方位角に応じて前記偏光ビームスプリッタと前記位置検出器との間の前記受信光の光軸上に配置された光像回転素子を用いて、前記受信光が前記位置検出器へ入射する位置を補正する補正手段をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送システム。
4. 前記ミラーが、前記受信光の一部を透過させる透過部を有し、
   前記位置検出器が、前記ミラーの透過部を透過した受信光の一部を検出するよう配置されると共に、前記駆動手段により前記ミラーと共に回転可能に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送システム。

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