JP6080516B2 - Acquisition and tracking device - Google Patents

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Description

この発明は、レーザ光を伝搬させて通信する光通信において、通信を確立および維持するために到来光の伝搬方向を捕捉し、受信光の光路を追尾制御する捕捉追尾装置に関するものである。   The present invention relates to a capture and tracking device that captures the propagation direction of incoming light and establishes tracking control of the optical path of received light in order to establish and maintain communication in optical communication in which laser light is propagated.

従来、通信用受信機とは独立した捕捉追尾装置を設け、受信光の光路の一部を分岐して捕捉追尾装置のフォトダイオード(光電素子)に入力し、捕捉追尾制御を行っていた。しかし、この従来の技術では、通信回路成立に必要となる光パワーに、捕捉追尾用の光パワーを増強して送信させる必要があるという問題があった。   Conventionally, a capture and tracking device that is independent from the communication receiver is provided, and a part of the optical path of the received light is branched and input to a photodiode (photoelectric element) of the capture and tracking device to perform capture and tracking control. However, this conventional technique has a problem in that it is necessary to increase the optical power required for establishment of a communication circuit by increasing the optical power for acquisition and tracking.

この問題を解決するため、特許文献1に開示された光ビーム追尾装置では、4つの光検出器で構成される追尾検出器を備え、各光検出器で入射される光信号を検出して検出した4つの信号電圧の差に基づいて、受信した光ビームの到来角度を検出する。具体的には、各光検出器で検出された信号電圧は演算回路に入力され、正規化誤差電圧が算出され、該正規化誤差電圧に基づいて追尾検出器の水平方向に対応する方位角と追尾検出器の垂直方向に対応する仰角を推定し、受信光が中心軸に位置するように光偏光器を制御する。   In order to solve this problem, the optical beam tracking device disclosed in Patent Document 1 includes a tracking detector including four photodetectors, and detects and detects an optical signal incident on each photodetector. The arrival angle of the received light beam is detected based on the difference between the four signal voltages. Specifically, the signal voltage detected by each photodetector is input to an arithmetic circuit, a normalized error voltage is calculated, and an azimuth angle corresponding to the horizontal direction of the tracking detector is calculated based on the normalized error voltage. The elevation angle corresponding to the vertical direction of the tracking detector is estimated, and the optical polarizer is controlled so that the received light is located on the central axis.

特開平2−216076号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-216076

しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術では、角度検出範囲と応答時間とがトレードオフの関係にあり、高速通信を行うためには受信光の受光面積を小さくする必要があり、安定した通信を確保するための広い角度誤差検出範囲と、通信の高速化を両立することが困難であるという課題があった。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, the angle detection range and the response time are in a trade-off relationship, and in order to perform high-speed communication, it is necessary to reduce the light receiving area of the received light, which is stable. There is a problem that it is difficult to achieve both a wide angular error detection range for ensuring communication and high-speed communication.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、安定した通信を確保するための広い角度誤差検出範囲と、通信の高速化を両立した捕捉追尾装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a capture and tracking device that achieves both a wide angle error detection range for ensuring stable communication and high-speed communication. And

この発明に係る捕捉追尾装置は、空間伝搬するレーザ光を受信する光アンテナと光アンテナの受信光と略同一波長を有する局発光を出力する局発光源と、受信光と局発光とを光波合成し、受信光の入射角と等しい出射角を有する出射光を複数出力するハイブリッド素子と、ハイブリッド素子から出力される複数の出射光を検出信号に変換する光電変換部と、光電変換部が変換した検出信号をハイブリッド素子の出射面に対して広角度に捕捉した粗捕捉誤差信号を生成する粗捕捉追尾機構と、光電変換部が変換した検出信号をハイブリッド素子の出射方向に高精度に捕捉した精捕捉誤差信号を生成する精捕捉追尾機構とを備えた捕捉追尾センサと、捕捉追尾センサが生成した粗捕捉誤差信号を用いて粗捕捉追尾機構を駆動する粗捕捉制御信号を生成する粗補正制御信号生成回路と、捕捉追尾センサが生成した精捕捉誤差信号を用いて精捕捉追尾機構を駆動する精捕捉制御信号を生成する精捕捉制御信号生成回路と、光電変換器が変換した検出信号に基づいて周波数誤差信号を生成し、局発光源にフィードバック出力する位相同期制御回路とを備え、光電変換部は、受信素子の出射面に対して水平方向に2分割された第1および第2の光電変換領域、および第1および第2の光電変換領域に接する第3の光電変換領域を有する水平光電変換器と、受信素子の出射面に対して垂直方向に2分割された第1および第2の光電変換領域、および第1および第2の光電変換領域に接する第3の光電変換領域を有する垂直光電変換器とを複数直交配置して構成し、粗捕捉追尾機構は、水平光電変換器の第3の光電変換領域および垂直光電変換器の第3の光電変換領域から出力される検出信号を粗捕捉誤差とし、当該粗捕捉誤差から粗捕捉誤差信号を生成し、精捕捉追尾機構は、水平光電変換器の第1および第2の光電変換領域および垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される検出信号を重心演算することで算出される追尾誤差から精捕捉誤差信号を生成するものである。 An acquisition and tracking device according to the present invention includes an optical antenna that receives a spatially propagated laser beam, a local light source that outputs local light having substantially the same wavelength as the received light of the optical antenna, and a received light and a local light that are transmitted as light waves. A hybrid element that combines and outputs a plurality of outgoing lights having an outgoing angle equal to the incident angle of the received light, a photoelectric converter that converts the outgoing lights output from the hybrid element into detection signals, and a photoelectric converter The coarse capture tracking mechanism that generates a coarse capture error signal that captures the detected signal at a wide angle with respect to the exit surface of the hybrid element , and the detection signal converted by the photoelectric conversion unit is captured with high accuracy in the exit direction of the hybrid element A capture tracking sensor having a fine capture tracking mechanism that generates a fine capture error signal, and a coarse capture control signal that drives the coarse capture tracking mechanism using the coarse capture error signal generated by the capture tracking sensor A coarse correction control signal generation circuit to be generated, a fine capture control signal generation circuit for generating a fine capture control signal that drives a fine capture tracking mechanism using a fine capture error signal generated by the capture and tracking sensor, and a photoelectric converter And a phase synchronization control circuit that generates a frequency error signal based on the detected signal and outputs a feedback signal to the local light source. The photoelectric conversion unit is divided into two in the horizontal direction with respect to the emission surface of the receiving element. And a second photoelectric conversion region, and a horizontal photoelectric converter having a third photoelectric conversion region in contact with the first and second photoelectric conversion regions, and a second photoelectric converter divided into two in a direction perpendicular to the emission surface of the receiving element A plurality of vertical photoelectric converters having a first photoelectric conversion region and a third photoelectric conversion region in contact with the first and second photoelectric conversion regions are arranged in a plurality of orthogonal directions. Photoelectric change The detection signal output from the third photoelectric conversion region of the detector and the third photoelectric conversion region of the vertical photoelectric converter is used as a coarse capture error, and a coarse capture error signal is generated from the coarse capture error. Fine capture from tracking error calculated by calculating the center of gravity of detection signals output from the first and second photoelectric conversion regions of the horizontal photoelectric converter and the first and second photoelectric conversion regions of the vertical photoelectric converter An error signal is generated .

この発明によれば、広い角度誤差検出範囲を確保し、且つ通信の高速化を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to secure a wide angular error detection range and realize high-speed communication.

実施の形態1による捕捉追尾装置の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a capture and tracking device according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の捕捉追尾装置の光ハイブリッド素子の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an optical hybrid element of the capture and tracking device according to the first embodiment. 実施の形態1による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび接続を示す図である。It is a figure which shows the division | segmentation pattern and connection of the division | segmentation type photoelectric converter of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 1. FIG. 実施の形態1による捕捉追尾装置において到来光の到来角度がX方向にずれた場合の各分割型光電変換器からの信号出力の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of signal output from each split photoelectric converter when the arrival angle of incoming light is shifted in the X direction in the acquisition and tracking device according to the first embodiment. 実施の形態2による捕捉追尾装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 2. FIG. 実施の形態2による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび接続を示す図である。It is a figure which shows the division | segmentation pattern and connection of the division | segmentation type photoelectric converter of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 2. FIG. 実施の形態3による捕捉追尾装置の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a capture and tracking device according to a third embodiment. 実施の形態3による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび接続を示す図である。It is a figure which shows the division | segmentation pattern and connection of the division | segmentation type photoelectric converter of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 3. FIG. 実施の形態4による捕捉追尾装置のデフォーカス制御機の構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a defocus controller of a capture and tracking device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による捕捉追尾装置の広角度検出時と高精度角度検出時の受信イメージを示す図である。It is a figure which shows the reception image at the time of the wide angle detection of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 4 and a highly accurate angle detection. 実施の形態4による捕捉追尾装置の検出精度およびダイナミックレンジの数値計算結果Numerical calculation results of detection accuracy and dynamic range of acquisition and tracking device according to embodiment 4 実施の形態4による捕捉追尾装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 4. FIG. 実施の形態4による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび各分割型光電変換器および各光電変換器の接続を示す図である。It is a figure which shows the division | segmentation pattern of the division | segmentation type photoelectric converter of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 4, and connection of each division | segmentation type photoelectric converter and each photoelectric converter. 到来光の到来角度が変化した場合の各分割型光電変換器からの信号出力の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the signal output from each division | segmentation type photoelectric converter when the arrival angle of incoming light changes. 実施の形態4による捕捉追尾装置の追尾完了までの動作を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an operation up to the completion of tracking of the acquisition and tracking device according to the fourth embodiment. 実施の形態5による捕捉追尾装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 5. FIG. 実施の形態5による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび各分割型光電変換器の接続を示す図である。It is a figure which shows the division | segmentation pattern of the division | segmentation type photoelectric converter of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 5, and the connection of each division | segmentation type photoelectric converter. 実施の形態5による捕捉追尾装置の周波数弁別回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the frequency discrimination circuit of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 5. FIG. 実施の形態5による捕捉追尾装置の周波数弁別回路の受信スペクトルのイメージを示す図である。It is a figure which shows the image of the reception spectrum of the frequency discrimination circuit of the acquisition tracking apparatus by Embodiment 5. FIG. 実施の形態5による捕捉追尾装置の動作を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an operation of the acquisition and tracking apparatus according to the fifth embodiment.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図1において、捕捉追尾装置は、光アンテナ1、局発光源2、光ハイブリッド素子3、第1、第2、第3および第4の分割型光電変換器(水平光電変換器および垂直光電変換器)4,5,6,7、第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路(粗捕捉追尾機構)8,10、第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路(精捕捉追尾機構)9,11で構成された捕捉追尾センサ12、第1の差動増幅回路13、第2の差動増幅回路14、コスタスループ回路15、粗捕捉制御信号生成回路16および精捕捉制御信号生成回路17で構成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a capture and tracking apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, the acquisition and tracking device includes an optical antenna 1, a local light source 2, an optical hybrid element 3, first, second, third and fourth divided photoelectric converters (horizontal photoelectric converter and vertical photoelectric converter). 4, 5, 6, 7, first and second coarse acquisition error signal generation circuits (rough acquisition tracking mechanism) 8, 10, first and second fine acquisition error signal generation circuits (fine acquisition tracking mechanism) 9 , 11, 11, 11, 11 differential amplifier circuit 13, second differential amplifier circuit 14, Costas loop circuit 15, coarse capture control signal generation circuit 16, and fine capture control signal generation circuit 17. It is configured.

光アンテナ1は、空間を伝搬して到来する到来光を受信する。局発光源2は、到来光と略同一波長を有する局発光を出力する光源である。光ハイブリッド素子3は、到来光に局発光を合波し、特に入射角と出射角とが1対1の関係を維持する特性を備えている。第1、第2、第3および第4の分割型光電変換器4,5,6,7は、それぞれ、角度検出範囲が小さい、即ち領域が小さく応答時間が早い(高速通信用)光電変換領域と、角度検出範囲が大きい、即ち領域が大きい光電変換領域で構成されている。領域が小さい光電変換領域と、領域が大きい光電変換領域は直交配置される。   The optical antenna 1 receives incoming light that propagates through space. The local light source 2 is a light source that outputs local light having substantially the same wavelength as the incoming light. The optical hybrid element 3 has a characteristic of combining local light with incoming light and maintaining a one-to-one relationship between the incident angle and the outgoing angle. The first, second, third, and fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 each have a small angle detection range, that is, a small area and a fast response time (for high-speed communication). And a photoelectric conversion region having a large angle detection range, that is, a large region. A photoelectric conversion region having a small region and a photoelectric conversion region having a large region are arranged orthogonally.

第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路8,10は、第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7から得られる検出信号から所定方向の追尾誤差信号を取得する。同様に、第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路9,11は、各分割型光電変換器4,5,6,7から得られる検出信号から所定方向の追尾誤差信号を取得する。粗捕捉制御信号生成回路16は、第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路8,10の出力信号に基づいて、フィードバック信号を生成し、光アンテナ1に出力する。同様に、精捕捉制御信号生成回路17は、第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路9,11の出力信号に基づいてフィードバック信号を生成し、光アンテナ1に出力する。これらにより、生成されたフィードバック信号が捕捉追尾センサ12にフィードバックされる。   The first and second coarse acquisition error signal generation circuits 8 and 10 obtain tracking error signals in a predetermined direction from detection signals obtained from the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7. . Similarly, the first and second fine capture error signal generation circuits 9 and 11 acquire tracking error signals in a predetermined direction from detection signals obtained from the respective divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7. The coarse acquisition control signal generation circuit 16 generates a feedback signal based on the output signals of the first and second coarse acquisition error signal generation circuits 8 and 10 and outputs the feedback signal to the optical antenna 1. Similarly, the fine capture control signal generation circuit 17 generates a feedback signal based on the output signals of the first and second fine capture error signal generation circuits 9 and 11 and outputs the feedback signal to the optical antenna 1. As a result, the generated feedback signal is fed back to the acquisition and tracking sensor 12.

第1の差動増幅回路13および第2の差動増幅回路14は、それぞれ90度位相のずれた、I信号(In−phase sIgnal)と、Q信号(Quadrature−phase sIgnal)を出力する。コスタスループ回路15は、第1の差動増幅回路13および第2の差動増幅回路14から出力されたI信号とQ信号の周波数誤差信号を局発光源2に入力する。I信号およびQ信号を局発光源2にフィードバックすることにより、到来光と局発光との位相同期を確立する。これら第1の差動増幅回路13、第2の差動増幅回路14およびコスタスループ回路15が、位相同期制御回路を構成する。   The first differential amplifier circuit 13 and the second differential amplifier circuit 14 each output an I signal (In-phase signal) and a Q signal (Quadrature-phase signal) that are 90 degrees out of phase. The Costas loop circuit 15 inputs the frequency error signal of the I signal and the Q signal output from the first differential amplifier circuit 13 and the second differential amplifier circuit 14 to the local light source 2. By feeding back the I signal and the Q signal to the local light source 2, phase synchronization between the incoming light and the local light is established. The first differential amplifier circuit 13, the second differential amplifier circuit 14, and the Costas loop circuit 15 constitute a phase synchronization control circuit.

次に、図2を参照しながら、光ハイブリッド素子3の詳細について説明する。
図2は、この実施の形態1の捕捉追尾装置の光ハイブリッド素子の構成を示す図である。
光ハイブリッド素子3は、1/2波長板(以下、HWPと称する)203、1/4波長板(以下、QWPと称する)204、1個のビームスプリッタ(以下、BSと称する)205、および偏光分離スプリッタ(以下、PBSと称する)206,207で構成されている。
1/2波長板203は、特定波長の直交する2つの偏光成分の間にλ/2の光路差(180度の位相差)を与える。1/4波長板204は、特定波長の直交する2つの偏光成分の間にλ/4の光路差(90度の位相差)を与える。BS205は、入射する光を合波分岐して出射する。PBS206,207は、入射する光に対して2つの直交する偏光成分に分離して出射する。
Next, the details of the optical hybrid element 3 will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the optical hybrid element of the acquisition and tracking device according to the first embodiment.
The optical hybrid element 3 includes a half-wave plate (hereinafter referred to as HWP) 203, a quarter-wave plate (hereinafter referred to as QWP) 204, one beam splitter (hereinafter referred to as BS) 205, and a polarization It consists of separation splitters (hereinafter referred to as PBS) 206, 207.
The half-wave plate 203 gives an optical path difference of λ / 2 (a phase difference of 180 degrees) between two orthogonal polarization components having a specific wavelength. The quarter-wave plate 204 gives an optical path difference (90-degree phase difference) of λ / 4 between two orthogonal polarization components of a specific wavelength. The BS 205 combines and branches the incident light and emits it. The PBSs 206 and 207 are separated into two orthogonal polarization components for incident light and output.

図2(a)は到来光201の入射角が変化しない場合を示し、図2(b)は到来光201の入射角がΔθ変化した場合を示している。
まず、図2(a)を参照しながら説明する。光アンテナ1で受信された到来光(受信光)201はHWP203により0、90、180、270度ではない直線偏光とされ、局発光源2で発生した局発光202は、QWP204により円偏光とされる。これらの2信号光をBS205により同一光路となるように合波分岐される。BS205を透過した信号光は、PBS206およびPBS207により偏光ごとに分離され、それぞれ位相差90度が付加された4つの信号208,209,210,211が生成され、4つの出力ポート(不図示)から出力される。なお、到来光201と局発信光202に角度差はない。
FIG. 2A shows a case where the incident angle of the incoming light 201 does not change, and FIG. 2B shows a case where the incident angle of the incoming light 201 changes by Δθ.
First, a description will be given with reference to FIG. The incoming light (received light) 201 received by the optical antenna 1 is converted into linearly polarized light that is not 0, 90, 180, or 270 degrees by the HWP 203, and the local light 202 generated by the local light source 2 is converted into circularly polarized light by the QWP 204. The These two signal lights are multiplexed and branched by the BS 205 so as to have the same optical path. The signal light transmitted through the BS 205 is separated for each polarization by the PBS 206 and the PBS 207, and four signals 208, 209, 210, and 211 each having a phase difference of 90 degrees are generated and output from four output ports (not shown). Is output. Note that there is no angular difference between the incoming light 201 and the station transmitted light 202.

出力ポートの出力信号を具体的に定義すると、例えば、第1の出力ポート(Iチャネル出力ポート)からは位相差0度が付加(位相付加なし)された信号が出力され、第2の出力ポート(Iチャネル出力ポート)からは位相差180度が付加された信号が出力され、第3の出力ポート(Qチャネル出力ポート)からは位相差90度が付加された信号が出力され、第4の出力ポート(Qチャネル出力ポート)からは位相差270度が付加された信号が出力される。なお、以下では第1から第4の出力ポートと付加される位相差との関係は上述した関係を有しているものとして説明するが、各出力ポートと位相差の対応関係が明確であれば、適宜変更可能である。   When the output signal of the output port is specifically defined, for example, the first output port (I channel output port) outputs a signal with a phase difference of 0 degree added (no phase added), and the second output port A signal with a phase difference of 180 degrees is output from the (I channel output port), and a signal with a phase difference of 90 degrees is output from the third output port (Q channel output port). A signal with a phase difference of 270 degrees is output from the output port (Q channel output port). In the following description, the relationship between the first to fourth output ports and the added phase difference is described as having the above-described relationship. However, if the correspondence between each output port and the phase difference is clear. These can be changed as appropriate.

一方、図2(b)に示すように到来光201の入射角がΔθ変化した場合には、出力される4つの信号208´,209´,210´,211´は共に局発光202に対して到来光201が角度Δθを有して出力される。
なお、図2(a),(b)において、出力される信号208,208´および信号209,209´は同相成分のIチャネル信号であり、信号210,210´および信号211,211´は直交成分のQチャネル信号である。上述した各出力ポートと関連付けて説明すると、Iチャネル信号は第1および第2の出力ポートから出力され、Qチャネル信号は第2および第3の出力ポートから出力される。
On the other hand, when the incident angle of the incoming light 201 changes by Δθ as shown in FIG. 2B, the four signals 208 ′, 209 ′, 210 ′, and 211 ′ that are output are all with respect to the local light 202. The incoming light 201 is output with an angle Δθ.
2A and 2B, the output signals 208 and 208 'and the signals 209 and 209' are in-phase component I-channel signals, and the signals 210 and 210 'and the signals 211 and 211' are orthogonal. This is a component Q channel signal. When described in association with each of the output ports described above, the I channel signal is output from the first and second output ports, and the Q channel signal is output from the second and third output ports.

次に、追尾捕捉センサの第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7の詳細な構成および第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7に接続される各捕捉誤差信号生成回路について説明する。
図3は、実施の形態1による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび各捕捉誤差信号生成回路の接続を示す図である。また図4は、到来光201の到来角度がX方向にずれた場合の各分割型光電変換器からの信号出力の一例を示す図である。
Next, the detailed configuration of the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 of the tracking acquisition sensor and the connection to the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 are connected. Each captured error signal generation circuit will be described.
FIG. 3 is a diagram showing a division pattern of the division type photoelectric converter of the acquisition and tracking device according to the first embodiment and the connection of each acquisition error signal generation circuit. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of signal output from each split photoelectric converter when the arrival angle of the incoming light 201 is shifted in the X direction.

図3に示すように第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7は、それぞれ3つの領域で構成されている。第2の分割型光電変換器5を例に説明すると、第2の分割型光電変換器5は、面積が小さい光電変換領域5a,5bと、面積が大きい光電変換領域5cに分割されている。光電変換領域5a,5bと、光電変換領域5cは直交配置される。面積の小さい光電変換領域は角度検出範囲が小さく、応答時間が早いという特性を有する。一方、面積の大きい光電変換領域は角度検出範囲が広いという特性を有する。第1の分割光電変換器4、第3の分割光電変換器6および第4の分割光電変換器7も同様に3つの領域の光電変換領域で構成される。   As shown in FIG. 3, the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 are each composed of three regions. The second divided photoelectric converter 5 will be described as an example. The second divided photoelectric converter 5 is divided into photoelectric conversion regions 5a and 5b having a small area and a photoelectric conversion region 5c having a large area. The photoelectric conversion regions 5a and 5b and the photoelectric conversion region 5c are arranged orthogonally. A photoelectric conversion region having a small area has a characteristic that the angle detection range is small and the response time is fast. On the other hand, the photoelectric conversion region having a large area has a characteristic that the angle detection range is wide. Similarly, the first divided photoelectric converter 4, the third divided photoelectric converter 6, and the fourth divided photoelectric converter 7 are also configured by three photoelectric conversion regions.

各分割光電変換器4,5,6,7を構成する3つの領域は、対応する出力ポート毎に異なる配置パターンを有する。
第1の出力ポートの出力信号が入力される第1の分割型光電変換器4は、小さい領域の光電変換領域4a,4bをビーム出射面Aに対して水平方向(以下、X方向と称する)、大きい領域の光電変換領域4cをビーム出射面Aに対して垂直方向(以下、Y方向)に配置する。同様に、第2の出力ポートの出力信号が入力される第2の分割型光電変換器5は、小さい領域の光電変換領域5a,5bをX方向、大きい領域の光電変換領域5cをY方向に配置する。一方、第3の出力ポートの出力信号が入力される第3の分割型光電変換器6は、小さい領域の光電変換領域6a,6bをY方向、大きい領域の光電変換領域6cをX方向に配置し、第4の出力ポートの出力信号が入力される第4の分割型光電変換器7は、小さい領域の光電変換領域7a,7bをY方向、大きい領域の光電変換領域7cをX方向に配置する。なお、図3において、4d,5d,6d,7dは受光スポットを示している。
The three regions constituting each of the divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 have different arrangement patterns for the corresponding output ports.
In the first split type photoelectric converter 4 to which the output signal of the first output port is input, the photoelectric conversion regions 4a and 4b of the small region are horizontal with respect to the beam exit surface A (hereinafter referred to as X direction). The large photoelectric conversion region 4c is arranged in a direction perpendicular to the beam exit surface A (hereinafter referred to as Y direction). Similarly, in the second split photoelectric converter 5 to which the output signal of the second output port is input, the photoelectric conversion regions 5a and 5b in the small region are in the X direction, and the photoelectric conversion region 5c in the large region is in the Y direction. Deploy. On the other hand, in the third split photoelectric converter 6 to which the output signal of the third output port is input, the photoelectric conversion regions 6a and 6b in the small region are arranged in the Y direction, and the photoelectric conversion region 6c in the large region is arranged in the X direction. In the fourth split photoelectric converter 7 to which the output signal of the fourth output port is input, the photoelectric conversion regions 7a and 7b in the small region are arranged in the Y direction, and the photoelectric conversion region 7c in the large region is arranged in the X direction. To do. In FIG. 3, reference numerals 4d, 5d, 6d, and 7d denote light receiving spots.

各分割光電変換器4,5,6,7を図3に示すように直交配置することにより、第1の分割型光電変換器4からX成分の精捕捉誤差信号と、Y成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第2の分割型光電変換器5からX成分の精捕捉誤差信号と、Y成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第3の分割型光電変換器6からY成分の精捕捉誤差信号と、X成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第4の分割型光電変換器7からY成分の精捕捉誤差信号と、X成分の粗捕捉誤差信号を取得する。   By arranging the divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 orthogonally as shown in FIG. 3, the X component fine acquisition error signal and the Y component coarse acquisition error from the first divided photoelectric converter 4 are arranged. A signal is acquired, an X component fine acquisition error signal and a Y component coarse acquisition error signal are acquired from the second divided photoelectric converter 5, and a Y component fine acquisition is acquired from the third divided photoelectric converter 6. An error signal and an X component coarse acquisition error signal are acquired, and a Y component fine acquisition error signal and an X component coarse acquisition error signal are acquired from the fourth split photoelectric converter 7.

第1の分割型光電変換器4のX方向の精捕捉誤差信号は第1の差動増幅回路13に出力され、Y方向の粗捕捉誤差信号は第1の粗捕捉誤差信号生成回路8を経由して粗捕捉制御信号生成回路16に出力される。
第2の分割型光電変換器5のX方向の精捕捉誤差信号は、第1の差動増幅回路13に出力されると共に、第1の精捕捉誤差信号生成回路9を経由して精捕捉制御信号生成回路17に出力される。
第3の分割型光電変換器6のY方向の精捕捉誤差信号は第2の差動増幅回路14に出力され、Y方向の粗捕捉誤差信号は第2の粗捕捉誤差信号生成回路10を経由して粗捕捉制御信号生成回路16に出力される。
第4の分割型光電変換器7のY方向の精捕捉誤差信号は、第2の差動増幅回路14に出力されると共に、第2の精捕捉誤差信号生成回路11を経由して精捕捉制御信号生成回路17に出力される。
The fine capture error signal in the X direction of the first split photoelectric converter 4 is output to the first differential amplifier circuit 13, and the coarse capture error signal in the Y direction passes through the first coarse capture error signal generation circuit 8. Then, it is output to the coarse acquisition control signal generation circuit 16.
The fine capture error signal in the X direction of the second split type photoelectric converter 5 is output to the first differential amplifier circuit 13 and is finely controlled via the first fine capture error signal generation circuit 9. The signal is output to the signal generation circuit 17.
The fine capture error signal in the Y direction of the third divided photoelectric converter 6 is output to the second differential amplifier circuit 14, and the coarse capture error signal in the Y direction passes through the second coarse capture error signal generation circuit 10. Then, it is output to the coarse acquisition control signal generation circuit 16.
The fine capture error signal in the Y direction of the fourth split photoelectric converter 7 is output to the second differential amplifier circuit 14 and is also finely controlled via the second fine capture error signal generation circuit 11. The signal is output to the signal generation circuit 17.

次に、捕捉追尾センサ12の詳細な処理について説明する。
まず、誤差信号の取得について説明する。
第2の分割型光電変換器5の光電変換領域5aから得られる検出信号を信号Sa1とし、光電変換領域5bから得られる検出信号を信号Sa2として、以下に示す式(1)に基づいてX方向追尾誤差を取得する。
X方向追尾誤差=(Sa1−Sa2)/(Sa1+Sa2) ・・・(1)
同様に、第4の分割型光電変換器7の光電変換領域7aから得られる検出信号を信号Sb1とし、光電変換領域7bから得られる検出信号を信号Sb2として、以下に示す式(2)に基づいてY方向追尾誤差を取得する。
Y方向追尾誤差=(Sb1−Sb2)/(Sb1+Sb2) ・・・(2)
Next, detailed processing of the acquisition tracking sensor 12 will be described.
First, acquisition of an error signal will be described.
The detection signal obtained from the photoelectric conversion region 5a of the second split photoelectric converter 5 is defined as a signal Sa1, and the detection signal obtained from the photoelectric conversion region 5b is defined as a signal Sa2, based on the following equation (1) in the X direction. Get tracking error.
X-direction tracking error = (Sa1-Sa2) / (Sa1 + Sa2) (1)
Similarly, a detection signal obtained from the photoelectric conversion region 7a of the fourth split photoelectric converter 7 is a signal Sb1, and a detection signal obtained from the photoelectric conversion region 7b is a signal Sb2, based on the following equation (2). To obtain the Y direction tracking error.
Y direction tracking error = (Sb1−Sb2) / (Sb1 + Sb2) (2)

また、第3の分割型光電変換器6の光電変換領域6cから得られる検出信号を信号Sa3と、第1の分割型光電変換器4の光電変換領域4cから得られる検出信号を信号Sb3は、以下の式(3),(4)に示すように角度検出範囲が大きい粗捕捉誤差に用いる。
X方向粗捕捉誤差=Sa3 ・・・(3)
Y方向粗捕捉誤差=Sb3 ・・・(4)
The detection signal obtained from the photoelectric conversion region 6c of the third divided photoelectric converter 6 is the signal Sa3, and the detection signal obtained from the photoelectric conversion region 4c of the first divided photoelectric converter 4 is the signal Sb3. As shown in the following formulas (3) and (4), it is used for a coarse capture error having a large angle detection range.
X direction coarse capture error = Sa3 (3)
Y direction coarse capture error = Sb3 (4)

次に、通信用信号の取得について説明する。
第1の出力ポートから出力される信号に対して第1の分割型光電変換器4から得られる検出信号は、以下の式(5)に基づいて生成される通信用信号となる。
第1の出力ポート通信用信号(信号位相0[deg.])
=Sa1(4a)+Sa2(4b) ・・・(5)
同様に、第2から第4の出力ポートから出力される信号に対して、第2から第4の分割型光電変換器5,6,7から得られる検出信号は、以下の式(6)、(7)、(8)で示される通信用信号となる。
第2の出力ポート通信用信号(信号位相180[deg.])
=Sa1(5a)+Sa2(5b) ・・・(6)
第3の出力ポート通信用信号(信号位相90[deg.])
=Sa1(6a)+Sa2(6b) ・・・(7)
第4の出力ポート通信用信号(信号位相270[deg.])
=Sa1(7a)+Sa2(7b) ・・・(8)
Next, acquisition of a communication signal will be described.
The detection signal obtained from the first split photoelectric converter 4 with respect to the signal output from the first output port is a communication signal generated based on the following equation (5).
First output port communication signal (signal phase 0 [deg.])
= Sa1 (4a) + Sa2 (4b) (5)
Similarly, with respect to signals output from the second to fourth output ports, detection signals obtained from the second to fourth divided photoelectric converters 5, 6, and 7 are expressed by the following equation (6), It becomes a communication signal shown in (7) and (8).
Second output port communication signal (signal phase 180 [deg.])
= Sa1 (5a) + Sa2 (5b) (6)
Third output port communication signal (signal phase 90 [deg.])
= Sa1 (6a) + Sa2 (6b) (7)
Fourth output port communication signal (signal phase 270 [deg.])
= Sa1 (7a) + Sa2 (7b) (8)

第1の出力ポート通信信号と第2の出力ポート通信信号を第2の差動増幅回路14に出力し、第3の出力ポート通信信号と第4の出力ポート通信信号を第1の差動増幅回路13に出力する。これにより局発光源2の光源雑音を除去する。第1の差動増幅回路13および第2の差動増幅回路14からはそれぞれ90度位相のずれたIチャネル信号とQチャネル信号が出力される。これらをコスタスループ回路15に入力し、周波数誤差信号を局発光源2にフィードバックすることにより、到来光201と局発光202との位相同期が確立される。   The first output port communication signal and the second output port communication signal are output to the second differential amplifier circuit 14, and the third output port communication signal and the fourth output port communication signal are first differential amplified. Output to the circuit 13. Thereby, the light source noise of the local light source 2 is removed. The first differential amplifier circuit 13 and the second differential amplifier circuit 14 respectively output an I channel signal and a Q channel signal that are 90 degrees out of phase. By inputting these into the Costas loop circuit 15 and feeding back the frequency error signal to the local light source 2, phase synchronization between the incoming light 201 and the local light 202 is established.

一方、第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路8,10の出力信号は粗捕捉制御信号生成回路16を介して光アンテナ1、即ち捕捉追尾センサ12にフィードバックされる。また、第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路9,11の出力信号は精捕捉制御信号生成回路17を介して光アンテナ1、即ち捕捉追尾センサ12にフィードバックされる。   On the other hand, the output signals of the first and second coarse acquisition error signal generation circuits 8 and 10 are fed back to the optical antenna 1, that is, the acquisition tracking sensor 12 via the coarse acquisition control signal generation circuit 16. The output signals of the first and second fine capture error signal generation circuits 9 and 11 are fed back to the optical antenna 1, that is, the capture and tracking sensor 12 via the fine capture control signal generation circuit 17.

以上のように、この実施の形態1によれば、到来光と略同一波長を有する局発光を光波合成し、位相が互いに90度ずつ異なる出力信号を生成する光ハイブリッド素子3と、空間的に3分割された第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7とを備え、該分割型光電変換器4,5,6,7からの出力信号を用いて演算を行い、演算結果から追尾誤差信号と通信信号を生成するように構成したので、角度検出機能と高速光通信用受信機能の両立が可能となり、捕捉追尾センサ機能と通信用受信機能とを両立させることができる。これにより、到来光を、角度検出用に分岐する必要がなくなり、所要送信光パワーを低減させることができる。さらに捕捉追尾センサを、通信用受信機とは別途に設ける必要がなくなり、装置の小型化を実現することができる。   As described above, according to the first embodiment, the optical hybrid element 3 that generates an output signal that is 90 degrees out of phase with each other by optically synthesizing local light having substantially the same wavelength as the incoming light, and spatially The first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 divided into three are used to perform operations using output signals from the divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7, Since the tracking error signal and the communication signal are generated from the calculation result, the angle detection function and the reception function for high-speed optical communication can be compatible, and the acquisition tracking sensor function and the communication reception function can be compatible. . Thereby, it is not necessary to branch the incoming light for angle detection, and the required transmission light power can be reduced. Furthermore, it is not necessary to provide a capture and tracking sensor separately from the communication receiver, and the apparatus can be downsized.

また、この実施の形態1によれば、第1から第4の分割型光電変換器第4,5,6,7を、応答時間の早い2つの光電変換領域と、角度検出範囲が大きい1つの光電変換領域で構成したので、広角度範囲の角度検出機能と、高精度の角度検出機能とを併せ持たせることが可能となり、装置の小型化を実現することができる。   Further, according to the first embodiment, the first to fourth divided photoelectric converters Nos. 4, 5, 6, and 7 are divided into two photoelectric conversion regions with a fast response time and one with a large angle detection range. Since the photoelectric conversion region is used, it is possible to have both an angle detection function with a wide angle range and a highly accurate angle detection function, and the apparatus can be downsized.

また、この実施の形態1によれば、4出力の光ハイブリッド素子3の第1の出力ポートの出力信号を第1の分割型光電変換器4で検出し、第2の出力ポートの出力信号を第2の分割型光電変換器5で検出し、第3の出力ポートの出力信号を第3の分割型光電変換器6で検出し、第4の出力ポートの出力信号を第4の分割型光電変換器7で検出するように構成したので、第1から第4の出力ポートを隣接した配置可能となり、光ハイブリッド素子におけるポート間光路長差、電気長差を短く設定することができ、高速な通信信号に対しても高感度化が可能である。   Further, according to the first embodiment, the output signal of the first output port of the four-output optical hybrid element 3 is detected by the first split photoelectric converter 4, and the output signal of the second output port is detected. Detected by the second split type photoelectric converter 5, the output signal of the third output port is detected by the third split type photoelectric converter 6, and the output signal of the fourth output port is detected by the fourth split type photoelectric converter. Since it is configured to detect by the converter 7, the first to fourth output ports can be arranged adjacent to each other, the optical path length difference between ports and the electrical length difference in the optical hybrid element can be set short, and high speed Sensitivity can be increased even for communication signals.

なお、上述した実施の形態1では、光ハイブリッド素子3に光90度ハイブリッドを使用し、光ホモダイン通信を行う場合を想定して説明したが、上述した通信方式や光90度ハイブリッドに限定されることなく、たとえは光ハイブリッド素子3として入射角と出射角が1対1の関係となる配置の光180度ハイブリッドの2つの出力ポートを使用した場合にも適用可能である。   In the first embodiment described above, a description has been given assuming that optical 90-degree hybrid is used for the optical hybrid element 3 and optical homodyne communication is performed, but the present invention is limited to the communication method and optical 90-degree hybrid described above. For example, the present invention can also be applied to the case where two output ports of an optical 180-degree hybrid having an incident angle and an emission angle in a one-to-one relationship are used as the optical hybrid element 3.

実施の形態2.
上述した実施の形態1では、Iチャネル信号とQチャネル信号を用いて精捕捉誤差信号を検出する構成を示したが、この実施の形態2では2つのQチャネル信号を用いて精捕捉誤差信号を検出する構成を示す。なお以下では、実施の形態1と同様に光ハイブリッド素子3として光90度ハイブリッドを用いる場合を例に説明する。
図5は、実施の形態2による捕捉追尾装置の構成を示す図である。捕捉追尾装置の各構成要素は実施の形態1と同一であるが、各構成要素の接続を変更している。
第1の分割型光電変換器4は、第2の精捕捉誤差信号生成回路11および第2の差動増幅回路14に接続される。第2の分割型光電変換器5は、第1の精捕捉誤差信号生成回路および第2の差動増幅回路14に接続される。第3の分割型光電変換器6は、第2の粗捕捉誤差信号生成回路10および第1の差動増幅回路13に接続される。第4の分割型光電変換器7は、第1の粗捕捉誤差信号生成回路8および第1の差動増幅回路13に接続される。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment described above, the configuration in which the fine capture error signal is detected using the I channel signal and the Q channel signal is shown. However, in the second embodiment, the fine capture error signal is obtained using two Q channel signals. The structure to detect is shown. In the following, a case where an optical 90-degree hybrid is used as the optical hybrid element 3 as in the first embodiment will be described as an example.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the acquisition and tracking apparatus according to the second embodiment. Each component of the acquisition and tracking device is the same as that of the first embodiment, but the connection of each component is changed.
The first split photoelectric converter 4 is connected to the second fine capture error signal generation circuit 11 and the second differential amplifier circuit 14. The second split photoelectric converter 5 is connected to the first fine capture error signal generation circuit and the second differential amplifier circuit 14. The third split photoelectric converter 6 is connected to the second coarse capture error signal generation circuit 10 and the first differential amplifier circuit 13. The fourth split photoelectric converter 7 is connected to the first coarse acquisition error signal generation circuit 8 and the first differential amplifier circuit 13.

図6は、実施の形態2による捕捉追尾装置の分割光電変換器の分割パターンおよび信号演算処理の接続を示す図である。
第1の分割型光電変換器4は、第3の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第2の分割型光電変換器5は第4の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。一方、第3の分割型光電変換器6は、第1の出力ポートから出力されるIチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第4の分割型光電変換器7は第2の出力ポートから出力されるIチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a division pattern of the division photoelectric converter of the acquisition and tracking device according to the second embodiment and connection of signal calculation processing.
The first split photoelectric converter 4 detects a capture error signal using the Q channel signal output from the third output port, and the second split photoelectric converter 5 outputs from the fourth output port. The captured error signal is detected using the Q channel signal. On the other hand, the third split-type photoelectric converter 6 detects the capture error signal using the I channel signal output from the first output port, and the fourth split-type photoelectric converter 7 has the second output port. The capture error signal is detected using the I channel signal output from the.

第1の分割型光電変換器4は、光電変換領域4a,4bをY方向、光電変換領域4cをX方向に配置する。第2の分割型光電変換器5は、光電変換領域5a,5bをX方向、光電変換領域5cをY方向に配置する。第3の分割型光電変換器6は、光電変換領域6a,6bをY方向、光電変換領域6cをX方向に配置する。第4の分割型光電変換器7は、光電変換領域7a,7bをX方向、光電変換領域7cをY方向に配置する。   In the first split photoelectric converter 4, the photoelectric conversion regions 4a and 4b are arranged in the Y direction and the photoelectric conversion region 4c is arranged in the X direction. In the second split photoelectric converter 5, the photoelectric conversion regions 5a and 5b are arranged in the X direction and the photoelectric conversion region 5c is arranged in the Y direction. In the third split photoelectric converter 6, the photoelectric conversion regions 6a and 6b are arranged in the Y direction and the photoelectric conversion region 6c is arranged in the X direction. In the fourth split photoelectric converter 7, the photoelectric conversion regions 7a and 7b are arranged in the X direction and the photoelectric conversion region 7c is arranged in the Y direction.

Qチャネルポートの出力信号を用いる第1の分割型光電変換器4と第2の分割型光電変換器5では、変換領域4a,4bと変換領域5a,5bがX、Y方向それぞれで直交するように配置される。またIチャネルポートの出力信号を用いる第3の分割型光電変換器6と第4の分割型光電変換器7では、変換領域6cと変換領域7cがX、Y方向それぞれで直交するように配置される。   In the first split photoelectric converter 4 and the second split photoelectric converter 5 using the output signal of the Q channel port, the conversion regions 4a and 4b and the conversion regions 5a and 5b are orthogonal to each other in the X and Y directions. Placed in. Further, in the third divided photoelectric converter 6 and the fourth divided photoelectric converter 7 that use the output signal of the I channel port, the conversion region 6c and the conversion region 7c are arranged so as to be orthogonal to each other in the X and Y directions. The

図6に示すように第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7を直交配置することにより、第1の分割型光電変換器4からY成分の精捕捉誤差信号とX成分の粗捕捉誤差信号を取得する。また、第2の分割型光電変換器5からX成分の精捕捉誤差信号とY成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第3の分割型光電変換器6からY成分の精捕捉誤差信号とX成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第4の分割型光電変換器7からX成分の精捕捉誤差信号とY成分の粗捕捉誤差信号を取得する。   As shown in FIG. 6, by arranging the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6 and 7 orthogonally, the Y component fine capture error signal and X Obtain the coarse acquisition error signal of the component. Further, an X component fine acquisition error signal and a Y component coarse acquisition error signal are obtained from the second divided photoelectric converter 5, and a Y component fine acquisition error signal and an X component are acquired from the third divided photoelectric converter 6. A component coarse acquisition error signal is acquired, and an X component fine acquisition error signal and a Y component coarse acquisition error signal are acquired from the fourth split photoelectric converter 7.

第1および第2の分割型光電変換器4,5において、Qチャネル信号を用いて生成された精捕捉誤差信号が第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路9,11に入力される。一方、第3および第4の分割型光電変換器6,7において、Iチャネル信号を用いて生成された粗捕捉誤差信号が第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路8,10に入力される。
第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7から取得した精捕捉誤差信号および粗捕捉誤差信号に基づいて、誤差信号および通信用信号を取得する構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
In the first and second divided photoelectric converters 4 and 5, the fine capture error signal generated using the Q channel signal is input to the first and second fine capture error signal generation circuits 9 and 11. On the other hand, in the third and fourth split type photoelectric converters 6 and 7, the coarse acquisition error signal generated using the I channel signal is input to the first and second coarse acquisition error signal generation circuits 8 and 10. The
The configuration for acquiring the error signal and the communication signal based on the fine acquisition error signal and the coarse acquisition error signal acquired from the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 is the same as that of the first embodiment. Since it is the same, description is abbreviate | omitted.

以上のように、この実施の形態2によれば、第1および第2の分割型光電変換器4,5が、Qチャネルポートの出力信号を用いてX成分の精捕捉誤差信号と、Y成分の精捕捉誤差信号とを取得するように構成したので、Qチャネルポートの出力信号を精捕捉追尾誤差検出に用いることにより、通信用として用いるIチャネルポートの出力信号の劣化を抑制することができる。これにより通信の高感度化を実現することができる。また、広角度範囲の追尾誤差検出機能と、高速通信用受信機能とを両立することができる。   As described above, according to the second embodiment, the first and second split-type photoelectric converters 4 and 5 use the output signal of the Q channel port and the X component fine acquisition error signal and the Y component. Since the Q channel port output signal is used for fine capture tracking error detection, deterioration of the output signal of the I channel port used for communication can be suppressed. . Thereby, high sensitivity of communication can be realized. In addition, it is possible to achieve both a tracking error detection function in a wide angle range and a reception function for high-speed communication.

なお、上述した実施の形態1では、光ハイブリッド素子3に光90度ハイブリッドを使用し、光ホモダイン通信を行う場合を想定して説明したが、上述した通信方式や光90度ハイブリッドに限定されることなく、たとえは光ハイブリッド素子3として入射角と出射角が1対1の関係となる配置の光180度ハイブリッドの2つの出力ポートを使用した場合にも適用可能である。   In the first embodiment described above, a description has been given assuming that optical 90-degree hybrid is used for the optical hybrid element 3 and optical homodyne communication is performed, but the present invention is limited to the communication method and optical 90-degree hybrid described above. For example, the present invention can also be applied to the case where two output ports of an optical 180-degree hybrid having an incident angle and an emission angle in a one-to-one relationship are used as the optical hybrid element 3.

実施の形態3.
この実施の形態3では、ハイブリッド素子の光90度ハイブリッドにおいて、到来光201の直交偏光角度を45°以上とすることにより、IチャネルとQチャネルの信号比をIチャネル>Qチャネルとし、精捕捉誤差信号の検出にIチャネルポートの出力信号を使用する構成を示す。なお以下では、実施の形態1と同様に光ハイブリッド素子3として光90度ハイブリッドを用いる場合を例に説明する。
図7は、実施の形態3による捕捉追尾装置の構成を示す図である。捕捉追尾装置の各構成要素は実施の形態1と同一であるが、各構成要素の接続を変更している。
第1の分割型光電変換器4は、第2の粗捕捉誤差信号生成回路10および第2の差動増幅回路14に接続される。第2の分割型光電変換器5は、第1の粗捕捉誤差信号生成回路8および第2の差動増幅回路14に接続される。第3の分割型光電変換器6は、第2の精捕捉誤差信号生成回路11および第1の差動増幅回路13に接続される。第4の分割型光電変換器7は、第1の精捕捉誤差信号生成回路9および第1の差動増幅回路13に接続される。
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, in the 90-degree hybrid light of the hybrid element, the orthogonal polarization angle of the incoming light 201 is set to 45 ° or more, so that the signal ratio of the I channel to the Q channel is set to I channel> Q channel and fine capture is performed. 1 shows a configuration in which an output signal of an I channel port is used for error signal detection. In the following, a case where an optical 90-degree hybrid is used as the optical hybrid element 3 as in the first embodiment will be described as an example.
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the acquisition and tracking apparatus according to the third embodiment. Each component of the acquisition and tracking device is the same as that of the first embodiment, but the connection of each component is changed.
The first split photoelectric converter 4 is connected to the second coarse capture error signal generation circuit 10 and the second differential amplifier circuit 14. The second split photoelectric converter 5 is connected to the first coarse acquisition error signal generation circuit 8 and the second differential amplification circuit 14. The third split photoelectric converter 6 is connected to the second fine capture error signal generation circuit 11 and the first differential amplifier circuit 13. The fourth split-type photoelectric converter 7 is connected to the first fine capture error signal generation circuit 9 and the first differential amplifier circuit 13.

また、ハイブリッド素子のHWP203の角度を出力信号比がIチャネル>Qチャネルとなるように設定する。具体的に説明すると、Iチャネル信号を出力する第1および第2の出力ポートの出力を「10」とし、Qチャネル信号を出力する第3および第4の出力ポートの出力を「1」とする素子配置を行う。なお、上述した出力比は一例であり、適宜変更可能である。   Further, the angle of the HWP 203 of the hybrid element is set so that the output signal ratio is I channel> Q channel. More specifically, the outputs of the first and second output ports that output the I channel signal are “10”, and the outputs of the third and fourth output ports that output the Q channel signal are “1”. Arrange the elements. The output ratio described above is an example and can be changed as appropriate.

図8は、実施の形態3による捕捉追尾装置の分割光電変換器の分割パターンおよび信号演算処理の接続を示す図である。
第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7の各変換領域の配置は実施の形態2と同様であり、第1の分割型光電変換器4は、第3の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第2の分割型光電変換器5は第4の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。Qチャネル信号を用いる第1の分割型光電変換器4と第2の分割型光電変換器5は、変換領域4cと変換領域5cがX、Y方向にそれぞれ直交する配置である。
FIG. 8 is a diagram showing a division pattern of the division photoelectric converter of the acquisition and tracking device according to the third embodiment and connection of signal calculation processing.
The arrangement of the conversion regions of the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6 and 7 is the same as that of the second embodiment, and the first divided photoelectric converter 4 has a third output port. The capture error signal is detected using the Q channel signal output from the second output, and the second split photoelectric converter 5 detects the capture error signal using the Q channel signal output from the fourth output port. The first divided photoelectric converter 4 and the second divided photoelectric converter 5 using the Q channel signal are arranged such that the conversion region 4c and the conversion region 5c are orthogonal to the X and Y directions, respectively.

一方、第3の分割型光電変換器6は、第1の出力ポートから出力されるIチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第4の分割型光電変換器7は第4の出力ポートから出力されるIチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。Iチャネル信号を用いる第3の分割型光電変換器6と第4の分割型光電変換器7では、変換領域6a,6bと変換領域7a,7bがX,Y方向にそれぞれ直交する配置である。   On the other hand, the third split-type photoelectric converter 6 detects the capture error signal using the I channel signal output from the first output port, and the fourth split-type photoelectric converter 7 has the fourth output port. The capture error signal is detected using the I channel signal output from the. In the third divided photoelectric converter 6 and the fourth divided photoelectric converter 7 using the I channel signal, the conversion regions 6a and 6b and the conversion regions 7a and 7b are arranged orthogonal to the X and Y directions, respectively.

図8に示すように第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7を直交配置することにより、第1の分割型光電変換器4からY成分の精捕捉誤差信号とX成分の粗捕捉誤差信号を取得する。また、第2の分割型光電変換器5からX成分の精捕捉誤差信号とY成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第3の分割型光電変換器6からY成分の精捕捉誤差信号とX成分の粗捕捉誤差信号を取得し、第4の分割型光電変換器7からX成分の精捕捉誤差信号とY成分の粗捕捉誤差信号を取得する。   As shown in FIG. 8, by arranging the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6 and 7 orthogonally, the Y component fine capture error signal and X Obtain the coarse acquisition error signal of the component. Further, an X component fine acquisition error signal and a Y component coarse acquisition error signal are obtained from the second divided photoelectric converter 5, and a Y component fine acquisition error signal and an X component are acquired from the third divided photoelectric converter 6. A component coarse acquisition error signal is acquired, and an X component fine acquisition error signal and a Y component coarse acquisition error signal are acquired from the fourth split photoelectric converter 7.

第3および第4の分割光電変換器6,7において、Iチャネル信号を用いて生成された精捕捉誤差信号が第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路9,11に入力される。一方、第1および第2の分割型光電変換器4,5において、Qチャネル信号を用いて生成された粗捕捉誤差信号が第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路8,10に入力される。
第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7から取得した精捕捉誤差信号および粗捕捉誤差信号に基づいて、誤差信号および通信用信号を取得する構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
In the third and fourth split photoelectric converters 6 and 7, the fine capture error signal generated using the I channel signal is input to the first and second fine capture error signal generation circuits 9 and 11. On the other hand, in the first and second split photoelectric converters 4 and 5, the coarse acquisition error signal generated using the Q channel signal is input to the first and second coarse acquisition error signal generation circuits 8 and 10. The
The configuration for acquiring the error signal and the communication signal based on the fine acquisition error signal and the coarse acquisition error signal acquired from the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 is the same as that of the first embodiment. Since it is the same, description is abbreviate | omitted.

以上のように、この実施の形態3によれば、光ハイブリッド素子3の分岐比を調整し、Iチャネルポート出力を潤沢な信号レベルとするように構成したので、到来光の信号レベルが減衰した場合においても広角範囲の追尾誤差検出と高速通信用受信機能を両立することができる。   As described above, according to the third embodiment, since the branching ratio of the optical hybrid element 3 is adjusted and the I channel port output is set to a rich signal level, the signal level of the incoming light is attenuated. Even in this case, the tracking error detection in the wide-angle range and the reception function for high-speed communication can be compatible.

実施の形態4.
上述した実施の形態1から実施の形態3では、粗捕捉誤差と精捕捉誤差を検出するため、空間的に3分割した第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7を設ける構成を示したが、この実施の形態4では光ハイブリッド素子3への入力光のデフォーカスを制御する構成を示す。なお以下では、実施の形態1から実施の形態3と同様に、位相が互いに90度ずつ異なる出力信号を生成する光ハイブリッド素子3を用いる場合を例に説明を行う。
Embodiment 4 FIG.
In the first to third embodiments described above, the first to fourth divided photoelectric converters 4, 5, 6, and 7 that are spatially divided into three are detected in order to detect the coarse capture error and the fine capture error. In the fourth embodiment, a configuration for controlling defocusing of input light to the optical hybrid element 3 is shown. In the following description, as in the first to third embodiments, an example in which the optical hybrid element 3 that generates output signals whose phases are different from each other by 90 degrees is used will be described.

この実施の形態4では、ハイブリッド素子3への入力光のデフォーカスを制御することにより、捕捉追尾センサ12に入力されるビーム径を制御する。これにより、角度検出される感度、ダイナミックレンジを変化させることができ、広角度検出機能と高精度角度検出機能の両立が可能となる。また、広角度検出機能と高精度角度検出機能を両立させることにより、粗捕捉用の角度検出器が不要となり、装置の小型化が可能となる。   In the fourth embodiment, the beam diameter input to the acquisition tracking sensor 12 is controlled by controlling the defocusing of the input light to the hybrid element 3. Thereby, the sensitivity and dynamic range for angle detection can be changed, and both the wide angle detection function and the high-precision angle detection function can be achieved. Further, by making the wide angle detection function and the high precision angle detection function compatible, an angle detector for coarse capture becomes unnecessary, and the apparatus can be miniaturized.

図9は実施の形態4による捕捉追尾装置のデフォーカス制御機の構成例を示す図であり、図10は実施の形態4による捕捉追尾装置の広角度検出時と高精度角度検出時の受信イメージを示す図である。
図9に示すように、光アンテナ1からの到来光201を対物レンズ18aで集光した後、リレーレンズ18bを用いてビームサイズの変更を行う。ここでリレーレンズ18bの位置を矢印B方向に変化させることにより、光ハイブリット素子3への入力光のデフォーカスを制御する。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a defocus controller of the acquisition and tracking device according to the fourth embodiment, and FIG. 10 is a reception image when the acquisition and tracking device according to the fourth embodiment detects a wide angle and detects a high-precision angle. FIG.
As shown in FIG. 9, after the incoming light 201 from the optical antenna 1 is collected by the objective lens 18a, the beam size is changed using the relay lens 18b. Here, the defocusing of the input light to the optical hybrid element 3 is controlled by changing the position of the relay lens 18b in the arrow B direction.

デフォーカスを制御することにより、図10に示すように捕捉追尾センサ12において局発光に対して信号光のビーム径が変化する。図10(a)に示すように広角度検出時には信号光のビーム径を大きく設定し、図10(b)に示すように高精度角度検出時には信号光のビーム径を小さく設定する。   By controlling the defocusing, the beam diameter of the signal light changes with respect to the local light in the acquisition and tracking sensor 12 as shown in FIG. As shown in FIG. 10A, the beam diameter of the signal light is set large when detecting a wide angle, and the beam diameter of the signal light is set small when detecting a highly accurate angle as shown in FIG. 10B.

ここで、到来光201の到来ビーム径10[mm]、リレーレンズ18bの焦点距離を250[mm]とした場合の検出精度およびダイナミックレンジの数値計算結果を図11に示す。図11(a)は演算出力例を示し、図11(b)は算出したダイナミックレンジおよび測定精度を示している。
演算出力には、上述した式(1)および式(2)を用いる。演算出力0.5(線形近似可能範囲)を測定範囲(ダイナミックレンジ)と仮定し、測定精度は演算出力として8bitDAQを用いた場合を仮定した。図11(b)に示すようにデフォーカス値を変化させることにより、ダイナミックレンジおよび測定精度を変化させることができる。
Here, FIG. 11 shows the numerical calculation results of the detection accuracy and the dynamic range when the incoming beam diameter of the incoming light 201 is 10 [mm] and the focal length of the relay lens 18b is 250 [mm]. FIG. 11A shows an example of calculation output, and FIG. 11B shows the calculated dynamic range and measurement accuracy.
For the calculation output, the above-described equations (1) and (2) are used. The calculation output 0.5 (range that can be linearly approximated) is assumed to be the measurement range (dynamic range), and the measurement accuracy is assumed to be 8 bit DAQ as the calculation output. As shown in FIG. 11B, the dynamic range and measurement accuracy can be changed by changing the defocus value.

図12は、実施の形態4による捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図12において、捕捉追尾装置は、光アンテナ1、デフォーカス制御機18、局発光源2、光ハイブリッド素子3、第5の分割型光電変換器(水平分割型光電変換器)19、第6の分割型光電変換器(垂直分割型光電変換器)20、第1の光電変換器(非分割光電変換器)21および第2の光電変換器(非分割光電変換器)22で構成された捕捉追尾センサ12、第1の差動増幅回路13、第2の差動増幅回路14、コスタスループ回路15および追尾制御信号生成回路23で構成されている。
なお、以下では実施の形態1による捕捉追尾装置の構成要素と同一または相当する部分には実施の形態1で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。また、実施の形態1と同様に光ハイブリッド素子3として光90度ハイブリッドを用いる場合を例に説明する。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of the acquisition and tracking apparatus according to the fourth embodiment.
In FIG. 12, the acquisition and tracking device includes an optical antenna 1, a defocus controller 18, a local light source 2, an optical hybrid element 3, a fifth split photoelectric converter (horizontal split photoelectric converter) 19, and a sixth Capture tracking composed of a split photoelectric converter (vertical split photoelectric converter) 20, a first photoelectric converter (non-split photoelectric converter) 21, and a second photoelectric converter (non-split photoelectric converter) 22. The sensor 12 includes a first differential amplifier circuit 13, a second differential amplifier circuit 14, a Costas loop circuit 15, and a tracking control signal generation circuit 23.
In the following, the same or corresponding parts as the components of the acquisition and tracking apparatus according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those used in the first embodiment, and the description thereof is omitted or simplified. Further, as in the first embodiment, a case where an optical 90-degree hybrid is used as the optical hybrid element 3 will be described as an example.

光アンテナ1は、空間を伝搬して到来する到来光を受信する。デフォーカス制御機18は、受信した到来光201のデフォーカスを調整する。光ハイブリッド素子3は、デフォーカスを調整した到来光に局発光202を合波し、特に入射角と出射角とが1対1の関係を維持する特性を備える素子である。第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20はQチャンネルポートとし、非分割型の第1の光電変換器21および第2の光電変換器22はIチャンネルポートとする。   The optical antenna 1 receives incoming light that propagates through space. The defocus controller 18 adjusts the defocus of the received incoming light 201. The optical hybrid element 3 is an element having a characteristic that combines the local light 202 with the incoming light whose defocus is adjusted, and in particular maintains the one-to-one relationship between the incident angle and the outgoing angle. The fifth split type photoelectric converter 19 and the sixth split type photoelectric converter 20 are Q channel ports, and the non-split type first photoelectric converter 21 and the second photoelectric converter 22 are I channel ports. .

図13は、実施の形態4による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび各分割型光電変換器および各光電変換器の接続を示す図である。
図13に示すように、第5の分割型光電変換器19は光電変換領域19a,19bをビーム照射面Aに対してX方向(水平方向)に配置し、第6の分割型光電変換器20は光電変換領域20a,20bをビーム照射面Aに対してY方向(垂直方向)に配置する。なお、図13において19c,20cは受光スポットを示している。このように分割型光電変換器を直交配置とした構成とすることにより、第5の分割型光電変換器19からX成分の捕捉誤差信号と、第6の分割型光電変換器20からY成分の捕捉誤差信号を取得する。第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20の捕捉誤差信号は第1の差動増幅回路13および追尾制御信号生成回路23に出力される。一方、受光スポット21aを備えた第1の光電変換器21および受光スポット22aを備えた第2の光電変換器22の出力信号は、第2の差動増幅回路14に出力される。
FIG. 13 is a diagram illustrating a division pattern of a divided photoelectric converter of the acquisition and tracking device according to the fourth embodiment, and a connection of each divided photoelectric converter and each photoelectric converter.
As shown in FIG. 13, the fifth split photoelectric converter 19 has photoelectric conversion regions 19 a and 19 b arranged in the X direction (horizontal direction) with respect to the beam irradiation surface A, and the sixth split photoelectric converter 20. The photoelectric conversion regions 20a and 20b are arranged in the Y direction (vertical direction) with respect to the beam irradiation surface A. In FIG. 13, reference numerals 19c and 20c denote light receiving spots. In this way, by configuring the split photoelectric converters in an orthogonal arrangement, the X component capture error signal from the fifth split photoelectric converter 19 and the Y component of the sixth split photoelectric converter 20 are arranged. Obtain a capture error signal. Capture error signals of the fifth split photoelectric converter 19 and the sixth split photoelectric converter 20 are output to the first differential amplifier circuit 13 and the tracking control signal generation circuit 23. On the other hand, the output signals of the first photoelectric converter 21 provided with the light receiving spot 21 a and the second photoelectric converter 22 provided with the light receiving spot 22 a are output to the second differential amplifier circuit 14.

追尾制御信号生成回路23は、第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20の補正誤差信号に基づいて光アンテナ制御信号(212)およびでデフォーカス制御信号(213)を生成し、光アンテナ1およびデフォーカス制御機18にフィードバック信号として出力される。これらにより、生成されたフィードバック信号が捕捉追尾センサ12にフィードバックされる。   The tracking control signal generation circuit 23 uses the optical antenna control signal (212) and the defocus control signal (213) based on the correction error signals of the fifth split photoelectric converter 19 and the sixth split photoelectric converter 20. Is output to the optical antenna 1 and the defocus controller 18 as a feedback signal. As a result, the generated feedback signal is fed back to the acquisition and tracking sensor 12.

第1の差動増幅回路13および第2の差動増幅回路14は、局発光源2の光源雑音を除去し、それぞれ90度位相のずれたIチャンネル信号とQチャンネル信号が出力される。これらをコスタスループ回路15に入力し、周波数誤差信号を局発光源2にフィードバックすることにより、到来光201と局発光202との位相同期が確立される。   The first differential amplifier circuit 13 and the second differential amplifier circuit 14 remove light source noise from the local light source 2, and output an I channel signal and a Q channel signal that are 90 degrees out of phase, respectively. By inputting these into the Costas loop circuit 15 and feeding back the frequency error signal to the local light source 2, phase synchronization between the incoming light 201 and the local light 202 is established.

次に、信号出力例およびデフォーカス制御機18の処理動作について説明する。
図14は、到来光の到来角度が変化した場合の各分割型光電変換器からの信号出力の一例を示す図である。
図15は、実施の形態4による捕捉追尾装置の追尾完了までの動作を示すフローチャートである。
捕捉追尾装置は、光アンテナ1が到来光を受信すると(ステップST1)、演算出力が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST2)。ステップST2の処理は、例えばプログラム上やアナログ回路において実行され、演算出力信号電圧が閾値外であるか判定を行う。
Next, a signal output example and the processing operation of the defocus controller 18 will be described.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of signal output from each split photoelectric converter when the arrival angle of the incoming light changes.
FIG. 15 is a flowchart showing the operation until the tracking completion of the acquisition and tracking device according to the fourth embodiment.
When the optical antenna 1 receives incoming light (step ST1), the acquisition and tracking device determines whether or not the calculation output is outside the threshold (step ST2). The process of step ST2 is executed, for example, on a program or in an analog circuit, and it is determined whether the calculation output signal voltage is outside the threshold value.

演算出力が閾値外であると判定した場合(ステップST2;YES)、ステップST5の処理に進む。一方、演算出力が閾値内であると判定した場合(ステップST2;NO)、デフォーカス制御機18はデフォーカス値が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST3)。デフォーカス値が閾値外であると判定された場合(ステップST3;YES)、デフォーカス制御機18はデフォーカス制御を行う(ステップST4)。その後、ステップST3の判定処理に戻る。一方、デフォーカス値が閾値内であると判定された場合(ステップST3;NO)、例えばアダプティブミラー対などを用いて当該アダプティブミラーの角度を制御することにより伝播する光の角度を制御するポインティング制御を行い(ステップST5)、処理を終了する。 When it is determined that the calculation output is outside the threshold (step ST2; YES), the process proceeds to step ST5. On the other hand, when it is determined that the calculation output is within the threshold (step ST2; NO), the defocus controller 18 determines whether or not the defocus value is outside the threshold (step ST3). When it is determined that the defocus value is outside the threshold (step ST3; YES), the defocus controller 18 performs defocus control (step ST4). Thereafter, the process returns to the determination process of step ST3. On the other hand, when it is determined that the defocus value is within the threshold value (step ST3; NO), for example, pointing control for controlling the angle of the propagating light by controlling the angle of the adaptive mirror using an adaptive mirror pair or the like. (Step ST5), and the process ends.

以上のように、この実施の形態4によれば、到来光のデフォーカスを調整するデフォーカス制御機18と、位相が互いに90度ずつ異なる出力信号を生成する光ハイブリッド素子3と、空間的に2分割された第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20と、非分割型の第1の光電変換器21および第2の光電変換器22からの出力信号を用いて演算を行うように構成したので、第5および第6の分割型光電変換器19,20と、第1および第2の光電変換器21,22とそれぞれにおいて光ヘテロダイン検出を行い、広角度範囲の角度検出機能と高精度の角度誤差検出機能とを両立することができる。また、広角度範囲の角度検出と高速通信とを両立することができ、所要送信パワーを低減することができる。また、広角度検出機能と高精度角度検出機能を両立させることにより、粗捕捉用の角度検出器が不要となり、装置の小型化が可能となる。   As described above, according to the fourth embodiment, the defocus controller 18 that adjusts the defocus of the incoming light, the optical hybrid element 3 that generates output signals whose phases are different from each other by 90 degrees, and the spatial The output signals from the fifth divided photoelectric converter 19 and the sixth divided photoelectric converter 20 divided into two and the non-divided first photoelectric converter 21 and the second photoelectric converter 22 are used. Therefore, the fifth and sixth split photoelectric converters 19 and 20 and the first and second photoelectric converters 21 and 22 perform optical heterodyne detection, respectively, so that the wide angle range is obtained. It is possible to achieve both the angle detection function and the highly accurate angle error detection function. In addition, both angle detection in a wide angle range and high-speed communication can be achieved, and the required transmission power can be reduced. Further, by making the wide angle detection function and the high precision angle detection function compatible, an angle detector for coarse capture becomes unnecessary, and the apparatus can be miniaturized.

なお、上述した実施の形態1では、光ハイブリッド素子3に光90度ハイブリッドを使用し、光ホモダイン通信を行う場合を想定して説明したが、上述した通信方式や光90度ハイブリッドに限定されることなく、たとえは光ハイブリッド素子3として入射角と出射角が1対1の関係となる配置の光180度ハイブリッドの2つの出力ポートを使用した場合にも適用可能である。   In the first embodiment described above, a description has been given assuming that optical 90-degree hybrid is used for the optical hybrid element 3 and optical homodyne communication is performed, but the present invention is limited to the communication method and optical 90-degree hybrid described above. For example, the present invention can also be applied to the case where two output ports of an optical 180-degree hybrid having an incident angle and an emission angle in a one-to-one relationship are used as the optical hybrid element 3.

実施の形態5.
上述した実施の形態1から実施の形態4では、局発光202の伝播角度は安定であると仮定した場合の到来角201の角度検出について述べたが、この実施の形態5では局発光202に位相変調を与え、局発光202の伝播角と信号光の伝播角とを同時に検出可能とする構成を示す。
局発光202の伝播角が変化した場合、信号光の到来角が変化していない場合であっても分割型光電変換器の演算出力は変化し、余剰誤差となる。従って、高精度角度検出を行う場合には、局発光202の伝播角を検出し、制御する必要がある。
Embodiment 5. FIG.
In the first to fourth embodiments described above, the angle detection of the arrival angle 201 when the propagation angle of the local light 202 is assumed to be stable has been described. A configuration is shown in which modulation is applied and the propagation angle of local light 202 and the propagation angle of signal light can be detected simultaneously.
When the propagation angle of the local light 202 changes, even if the arrival angle of the signal light does not change, the calculation output of the split photoelectric converter changes, resulting in a surplus error. Therefore, when performing highly accurate angle detection, it is necessary to detect and control the propagation angle of the local light 202.

図16は、実施の形態5による捕捉追尾装置の構成を示す図である。実施の形態4で示した捕捉追尾装置の第1の光電変換器21および第2の光電変換器22に換えて、第7の分割型光電変換器(水平分割型光電変換器)30および第8の分割型光電変換器(垂直分割型光電変換器)31を設けている。さらに、光位相変調器26、角度補正部27、周波数弁別回路28および伝播角制御信号生成回路29を追加して設けている。   FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of the acquisition and tracking apparatus according to the fifth embodiment. Instead of the first photoelectric converter 21 and the second photoelectric converter 22 of the acquisition and tracking device shown in the fourth embodiment, a seventh divided photoelectric converter (horizontal divided photoelectric converter) 30 and an eighth photoelectric converter are used. The split type photoelectric converter (vertical split type photoelectric converter) 31 is provided. Further, an optical phase modulator 26, an angle correction unit 27, a frequency discrimination circuit 28, and a propagation angle control signal generation circuit 29 are additionally provided.

光位相変調器26は、局発光源2の後段である局発光路に設けられ、局発光源2から出力された局発光の位相を変調する。角度補正部27は、例えばアダプティブミラーなどで構成され、位相変調器26から出力された局発光の伝播角を制御する。周波数弁別回路28は、受信信号から局発光の信号を弁別して切り出す回路である。さらに切り出した信号を用いて局発光の角度誤差を検出する。伝播角制御信号生成回路29は、周波数弁別回路28が検出した局発光の角度誤差に基づいた伝播角制御信号(214)を生成する制御回路である。   The optical phase modulator 26 is provided in a local light emission path that is a subsequent stage of the local light source 2 and modulates the phase of the local light output from the local light source 2. The angle correction unit 27 is configured by, for example, an adaptive mirror and controls the propagation angle of local light output from the phase modulator 26. The frequency discriminating circuit 28 is a circuit that discriminates and cuts out the local light emission signal from the received signal. Further, the angle error of local light is detected using the extracted signal. The propagation angle control signal generation circuit 29 is a control circuit that generates a propagation angle control signal (214) based on the angle error of local light detected by the frequency discrimination circuit.

図17は、実施の形態5による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび各分割型光電変換器の接続を示す図である。
第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20はQチャンネルポートとし、第7の光電変換器30および第8の光電変換器31はIチャンネルポートとする。この実施の形態5では、Iチャンネルポートも非分割型ではなく分割型の光電変換器として局発光の角度誤差検出に用いる。
FIG. 17 is a diagram illustrating a division pattern of the division type photoelectric converter of the acquisition and tracking device according to the fifth embodiment and a connection of each division type photoelectric converter.
The fifth split photoelectric converter 19 and the sixth split photoelectric converter 20 are Q channel ports, and the seventh photoelectric converter 30 and the eighth photoelectric converter 31 are I channel ports. In the fifth embodiment, the I channel port is not a non-divided type but a divided type photoelectric converter, and is used for detecting an angular error of local light.

第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20の分割パターンおよび配置方向は実施の形態4と同一である。一方、第7の分割型光電変換器30は光電変換領域30a,30bをビーム照射面Aに対してX方向(水平方向)に配置し、第8の分割型光電変換器31は光電変換領域31a,31bをビーム照射面Aに対してY方向(垂直方向)に配置する。なお、17において30c,31cは受光スポットを示している。このように、第7の分割型光電変換器30と第8の分割型光電変換器31を直交配置として構成とすることにより、第7の分割型光電変換器30からX成分の捕捉誤差信号と、第8の分割型光電変換器31からY成分の捕捉誤差信号を取得する。第7の分割型光電変換器30および第8の分割型光電変換器31の捕捉誤差信号は第2の差動増幅回路14および周波数弁別回路28に出力される。   The division pattern and the arrangement direction of the fifth divided photoelectric converter 19 and the sixth divided photoelectric converter 20 are the same as those in the fourth embodiment. On the other hand, the seventh divided photoelectric converter 30 has the photoelectric conversion regions 30a and 30b arranged in the X direction (horizontal direction) with respect to the beam irradiation surface A, and the eighth divided photoelectric converter 31 has the photoelectric conversion region 31a. , 31b are arranged in the Y direction (vertical direction) with respect to the beam irradiation surface A. In FIG. 17, 30c and 31c indicate light receiving spots. In this way, by configuring the seventh divided photoelectric converter 30 and the eighth divided photoelectric converter 31 in an orthogonal arrangement, the X component capture error signal from the seventh divided photoelectric converter 30 and the The Y component capture error signal is acquired from the eighth split type photoelectric converter 31. Capture error signals of the seventh split photoelectric converter 30 and the eighth split photoelectric converter 31 are output to the second differential amplifier circuit 14 and the frequency discrimination circuit 28.

周波数弁別回路28は、局発光路の位相変調器26に印加する信号と同一信号を用いてダウンコンバートを行い、局発光の角度誤差を検出する。検出した角度誤差信号は、伝播角制御信号生成回路29に入力されて伝播角制御信号が生成され、角度補正部27にフィードバックされる。   The frequency discriminating circuit 28 performs down-conversion using the same signal as the signal applied to the phase modulator 26 in the local light emission path, and detects an angular error of local light. The detected angle error signal is input to the propagation angle control signal generation circuit 29 to generate a propagation angle control signal and fed back to the angle correction unit 27.

図18は実施の形態5による捕捉追尾装置の周波数弁別回路の構成を示す図であり、図19は周波数弁別回路の受信スペクトルのイメージを示す図である。
通信信号成分(f)以外の局発光位相変調(f)による信号を電気フィルタであるバンドパスフィルタ28aで抽出し、乗算器28bにおいて抽出した信号に局発光位相変調(f)による信号を乗算してダウンコンバートする。これにより、局発光の受光量によりDC電流が変化し、局発光の角度誤差を検出することができる。検出した角度誤差信号に基づいて伝播角制御信号生成回路29が生成した伝播角制御信号が角度補正部27にフィードバックされることにより、局発光の伝播角を安定化させることができる。
FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the frequency discrimination circuit of the acquisition and tracking device according to the fifth embodiment, and FIG.
A signal by local light phase modulation (f L ) other than the communication signal component (f s ) is extracted by a bandpass filter 28a that is an electric filter, and a signal by local light phase modulation (f L ) is extracted by the multiplier 28b. Multiply and downconvert. As a result, the DC current changes depending on the amount of light received by the local light, and the angular error of the local light can be detected. The propagation angle control signal generated by the propagation angle control signal generation circuit 29 based on the detected angle error signal is fed back to the angle correction unit 27, so that the propagation angle of local light emission can be stabilized.

図20は、実施の形態5による捕捉追尾装置の動作を示すフローチャートである。
まず始めに捕捉追尾装置は、局発光のポインティングの設定を行い(ステップST11)、信号光のポインティングおよびデフォーカス値の設定を行う(ステップST12)。ここで、ステップST11の処理はアダプティブミラーなどを用いて行われ、ステップST12の処理は例えばプログラム上やアナログ回路において実行される。その後、光アンテナ1が到来光を受信すると(ステップST13)、局発光の演算出力が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST14)。局発光の演算出力が閾値外であると判定した場合(ステップST14;YES)、ステップST11の処理に戻り、局発光のポインティングの再設定を行う。一方、局発光の演算出力が閾値内であると判定した場合(ステップST14;NO)、信号光の演算出力が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST15)。信号光の演算出力が閾値外であると判定した場合(ステップS15;YES)、ステップST12の処理に戻り信号光のポインティングの再設定を行う。
FIG. 20 is a flowchart showing the operation of the acquisition and tracking apparatus according to the fifth embodiment.
First, the acquisition and tracking device sets the local light emission pointing (step ST11), and sets the signal light pointing and the defocus value (step ST12). Here, the process of step ST11 is performed using an adaptive mirror or the like, and the process of step ST12 is executed on a program or in an analog circuit, for example. Thereafter, when the optical antenna 1 receives incoming light (step ST13), it is determined whether or not the calculation output of local light is outside the threshold (step ST14). If it is determined that the local light calculation output is outside the threshold (step ST14; YES), the process returns to step ST11 to reset the local light pointing. On the other hand, when it is determined that the calculation output of local light is within the threshold (step ST14; NO), it is determined whether the calculation output of the signal light is outside the threshold (step ST15). When it is determined that the calculation output of the signal light is outside the threshold (step S15; YES), the processing returns to step ST12 to reset the pointing of the signal light.

一方、信号光の演算出力が閾値内であると判定した場合(ステップST15;NO)、信号光のデフォーカス値が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST16)。信号光のデフォーカス値が閾値外であると判定した場合(ステップST16;YES)、ステップST12の処理に戻り、信号光のデフォーカス値の再設定を行う。一方、信号光のデフォーカス値が閾値内であると判定した場合(ステップST16;NO)、処理を終了する。   On the other hand, when it is determined that the calculation output of the signal light is within the threshold (step ST15; NO), it is determined whether the defocus value of the signal light is outside the threshold (step ST16). When it is determined that the defocus value of the signal light is outside the threshold (step ST16; YES), the process returns to step ST12, and the defocus value of the signal light is reset. On the other hand, when it is determined that the defocus value of the signal light is within the threshold (step ST16; NO), the process is terminated.

以上のように、この実施の形態5によれば、到来光のデフォーカスを調整するデフォーカス制御機18と、位相が互いに90度ずつ異なる出力信号を生成する光ハイブリッド素子3と、局発光に位相変調を与える光位相変調器26と、空間的に2分割された第5から第8の分割型光電変換器19,20,21,22で構成され局発光の光軸を制御する捕捉追尾センサ12と、光電変換後に局発光の変調信号を抽出する周波数弁別回路28と、抽出した局発光の変調信号から局発光の伝播角を検出する角度補正部27とを備えるように構成したので、局発光の角度誤差を検出することにより、局発光の伝播角誤差による信号光の角度検出誤差を低減させることができ、角度検出機構の高精度化を実現することができる。   As described above, according to the fifth embodiment, the defocus controller 18 that adjusts the defocus of the incoming light, the optical hybrid element 3 that generates output signals whose phases are different from each other by 90 degrees, and the local light emission. An acquisition and tracking sensor configured to control an optical axis of local light, which includes an optical phase modulator 26 for providing phase modulation and spatially divided fifth to eighth divided photoelectric converters 19, 20, 21, and 22. 12, a frequency discriminating circuit 28 that extracts a local light modulation signal after photoelectric conversion, and an angle correction unit 27 that detects the propagation angle of the local light from the extracted local light modulation signal. By detecting the angle error of the light emission, the angle detection error of the signal light due to the propagation angle error of the local light can be reduced, and high accuracy of the angle detection mechanism can be realized.

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。   In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .

1 光アンテナ、2 局発光源、3 光ハイブリッド素子、4 第1の分割型光電変換器、4a,4b,4c,5a,5b、5c、6a,6b,6c,7a,7b,7c,19a,19b,20a,20b,30a,30b,31a,31b 光電変換領域、4d,5d,6d,7d,19c,20c,21a,22a,30c,31c 受光スポット、5 第2の分割型光電変換器、6 第3の分割型光電変換器、7 第4の分割型光電変換器、8 第1の粗捕捉誤差信号生成回路、9 第1の精捕捉誤差信号生成回路、10 第2の粗捕捉誤差信号生成回路、11 第2の精捕捉誤差信号生成回路、12 捕捉追尾センサ、13 第1の差動増幅回路、14 第2の差動増幅回路、15 コスタスループ回路、16 粗捕捉制御信号生成回路、17 精捕捉制御信号生成回路、18 デフォーカス制御機、18a 対物レンズ、18b リレーレンズ、19 第5の分割型光電変換器、20 第6の分割型光電変換器、21 第1の光電変換器21、22 第2の光電変換器、23 追尾制御信号生成回路、26 光位相変調器、27 局発光角度補正機構、28 周波数弁別回路、28a バンドパスフィルタ、28b 乗算器、29 局発光伝播角制御信号生成回路、30 第7の分割型光電変換器、31 第8の分割型光電変換器、01 到来光、202 局発光、203 1/2波長板、204 1/4波長板、205 ビームスプリッタ、206,207 偏波分離スプリッタ、208,209,210,211,208´,209´,210´,211´ 出力信号、212 光アンテナ制御信号、213 デフォーカス制御信号、214 伝播角制御信号。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical antenna, 2 local light source, 3 optical hybrid element, 4 1st division | segmentation type photoelectric converter 4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c, 19a, 19b, 20a, 20b, 30a, 30b, 31a, 31b Photoelectric conversion region, 4d, 5d, 6d, 7d, 19c, 20c, 21a, 22a, 30c, 31c Light receiving spot, 5 Second split photoelectric converter, 6 3rd division type photoelectric converter, 7 4th division type photoelectric converter, 8 1st coarse acquisition error signal generation circuit, 9 1st fine acquisition error signal generation circuit, 10 2nd coarse acquisition error signal generation Circuit, 11 second fine acquisition error signal generation circuit, 12 acquisition tracking sensor, 13 first differential amplification circuit, 14 second differential amplification circuit, 15 Costas loop circuit, 16 coarse acquisition control signal generation circuit, 17Capture control signal generation circuit, 18 defocus controller, 18a objective lens, 18b relay lens, 19 fifth split photoelectric converter, 20 sixth split photoelectric converter, 21 first photoelectric converter 21, 22 Second photoelectric converter, 23 tracking control signal generation circuit, 26 optical phase modulator, 27 local emission angle correction mechanism, 28 frequency discrimination circuit, 28a band pass filter, 28b multiplier, 29 local emission propagation angle control signal generation circuit , 30 Seventh split type photoelectric converter, 31 Eighth split type photoelectric converter, 01 Arrival light, 202 Local light, 203 1/2 wavelength plate, 204 1/4 wavelength plate, 205 Beam splitter, 206, 207 Polarization splitting splitter, 208, 209, 210, 211, 208 ′, 209 ′, 210 ′, 211 ′ output signal, 212 optical antenna control signal, 13 defocus control signals, 214 propagation angle control signal.

Claims (5)

空間伝搬するレーザ光を受信する光アンテナと、
前記光アンテナの受信光と略同一波長を有する局発光を出力する局発光源と、
前記受信光と前記局発光とを光波合成し、前記受信光の入射角と等しい出射角を有する出射光を複数出力するハイブリッド素子と、
前記ハイブリッド素子から出力される複数の出射光を検出信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部が変換した検出信号を前記ハイブリッド素子の出射面に対して広角度に捕捉した粗捕捉誤差信号を生成する粗捕捉追尾機構と、前記光電変換部が変換した検出信号を前記ハイブリッド素子の出射方向に高精度に捕捉した精捕捉誤差信号を生成する精捕捉追尾機構とを備えた捕捉追尾センサと、
前記捕捉追尾センサが生成した前記粗捕捉誤差信号を用いて前記粗捕捉追尾機構を駆動する粗捕捉制御信号を生成する粗補正制御信号生成回路と、
前記捕捉追尾センサが生成した前記精捕捉誤差信号を用いて前記精捕捉追尾機構を駆動する精捕捉制御信号を生成する精捕捉制御信号生成回路と、
前記光電変換器が変換した検出信号に基づいて周波数誤差信号を生成し、前記局発光源にフィードバック出力する位相同期制御回路とを備え
前記光電変換部は、前記受信素子の出射面に対して水平方向に2分割された第1および第2の光電変換領域、および前記第1および第2の光電変換領域に接する第3の光電変換領域を有する水平光電変換器と、前記受信素子の出射面に対して垂直方向に2分割された第1および第2の光電変換領域、および前記第1および第2の光電変換領域に接する第3の光電変換領域を有する垂直光電変換器とを複数直交配置して構成し、
前記粗捕捉追尾機構は、前記水平光電変換器の第3の光電変換領域および前記垂直光電変換器の第3の光電変換領域から出力される検出信号を粗捕捉誤差とし、当該粗捕捉誤差から前記粗捕捉誤差信号を生成し、前記精捕捉追尾機構は、前記水平光電変換器の第1および第2の光電変換領域および前記垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される検出信号を重心演算することで算出される追尾誤差から前記精捕捉誤差信号を生成する捕捉追尾装置。
An optical antenna for receiving spatially propagating laser light;
A local light source that outputs local light having substantially the same wavelength as the received light of the optical antenna;
A hybrid device that combines the received light and the local light with a light wave, and outputs a plurality of outgoing lights having an outgoing angle equal to an incident angle of the received light;
A photoelectric conversion unit that converts a plurality of emission lights output from the hybrid element into detection signals, and a coarse acquisition error signal that captures the detection signals converted by the photoelectric conversion unit at a wide angle with respect to the emission surface of the hybrid element A capture tracking sensor comprising: a coarse capture tracking mechanism that generates a fine capture error signal that captures the detection signal converted by the photoelectric conversion unit with high accuracy in the emission direction of the hybrid element ; ,
A coarse correction control signal generation circuit for generating a coarse acquisition control signal for driving the coarse acquisition tracking mechanism using the coarse acquisition error signal generated by the acquisition and tracking sensor;
A fine capture control signal generating circuit for generating a fine capture control signal for driving the fine capture and tracking mechanism using the fine capture error signal generated by the capture and tracking sensor;
A phase synchronization control circuit that generates a frequency error signal based on the detection signal converted by the photoelectric converter and outputs a feedback to the local light source ,
The photoelectric conversion unit includes first and second photoelectric conversion regions that are divided into two in the horizontal direction with respect to the emission surface of the receiving element, and a third photoelectric conversion that is in contact with the first and second photoelectric conversion regions. A horizontal photoelectric converter having a region, first and second photoelectric conversion regions that are divided into two in a direction perpendicular to the emission surface of the receiving element, and a third that is in contact with the first and second photoelectric conversion regions A plurality of vertical photoelectric converters having a photoelectric conversion region of
The coarse acquisition tracking mechanism uses a detection signal output from the third photoelectric conversion region of the horizontal photoelectric converter and the third photoelectric conversion region of the vertical photoelectric converter as a rough acquisition error, A coarse capture error signal is generated, and the fine capture tracking mechanism is output from the first and second photoelectric conversion regions of the horizontal photoelectric converter and the first and second photoelectric conversion regions of the vertical photoelectric converter. A capture tracking device that generates the fine capture error signal from a tracking error calculated by performing a centroid operation on a detection signal .
前記ハイブリッド素子は、入力される受信光および局発光を位相差90度ハイブリッドで合波し、位相差0度および位相差180度の出射光を出力する2つのIチャネル出力ポートと、位相差90度および位相差270度の出射光を出力する2つのQチャネル出力ポートとを備え、
前記光電変換部は、前記2つのIチャネル出力ポートおよび前記2つのQチャネル出力ポートのいずれかの出射光を検出信号に変換する2つの水平光電変換器および2つの垂直光電変換器を直交配置したことを特徴とする請求項記載の捕捉追尾装置。
The hybrid element combines input received light and local light with a 90-degree phase difference hybrid, and outputs two I-channel output ports that output emitted light with a phase difference of 0 degree and a phase difference of 180 degrees, and a phase difference of 90 Two Q channel output ports for outputting outgoing light having a phase difference of 270 degrees and a phase difference of 270 degrees,
In the photoelectric conversion unit, two horizontal photoelectric converters and two vertical photoelectric converters that convert light emitted from either of the two I channel output ports and the two Q channel output ports into detection signals are arranged orthogonally. The acquisition and tracking device according to claim 1 .
前記光電変換部は、前記2つのIチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器と、前記2つのQチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器とを直交配置し、
前記粗捕捉追尾機構は、前記Qチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される検出信号を用いて算出される追尾誤差から前記精捕捉誤差信号を生成することを特徴とする請求項記載の捕捉追尾装置。
The photoelectric conversion unit includes the horizontal photoelectric converter and the vertical photoelectric converter connected to the two I channel output ports, and the horizontal photoelectric converter and the vertical photoelectric converter connected to the two Q channel output ports. The transducer is placed orthogonally,
The coarse acquisition tracking mechanism is a tracking calculated using detection signals output from the first and second photoelectric conversion regions of the horizontal photoelectric converter and the vertical photoelectric converter to which the Q channel output port is connected. acquisition and tracking apparatus according to claim 2, wherein the generating the fine acquisition error signal from the error.
前記光電変換部は、前記2つのIチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器と、前記2つのQチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器とを直交配置し、
前記粗捕捉追尾機構は、前記Iチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される検出信号、および前記Qチャネル出力ポートが接続された前記垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される検出信号を用いて算出される追尾誤差から前記精捕捉誤差信号を生成することを特徴とする請求項記載の捕捉追尾装置。
The photoelectric conversion unit includes the horizontal photoelectric converter and the vertical photoelectric converter connected to the two I channel output ports, and the horizontal photoelectric converter and the vertical photoelectric converter connected to the two Q channel output ports. The transducer is placed orthogonally,
The coarse acquisition and tracking mechanism includes a detection signal output from the first and second photoelectric conversion regions of the horizontal photoelectric converter to which the I channel output port is connected, and the vertical to which the Q channel output port is connected. 3. The acquisition and tracking device according to claim 2, wherein the fine acquisition error signal is generated from a tracking error calculated using detection signals output from the first and second photoelectric conversion regions of the photoelectric converter.
前記ハイブリッド素子は、前記Iチャネル出力ポートの出力を、前記Qチャネル出力ポートの出力よりも大きくすることを特徴とする請求項記載の捕捉追尾装置。 The acquisition and tracking device according to claim 3 , wherein the hybrid element makes the output of the I channel output port larger than the output of the Q channel output port.
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