JP6274204B2 - 光制御装置、それを用いた光空間通信装置および光制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光制御装置、それを用いた光空間通信装置および光制御方法に関し、特に、光空間通信における受信感度を低下させることなく光サージを抑制する光制御装置、それを用いた光空間通信装置および光制御方法に関する。

光空間通信は、レーザ光を用いて、人工衛星や航空機などの移動体間や移動体と地上局との間、あるいは、地上局間の空間を通信するものである。

この光空間通信では、通信信号を伝送するために受信器と送信器との伝送用の光ビームの光軸を合わせる必要がある。また、光空間通信では、伝送用の光ビームはレーザ光の波長に応じた拡がり角で拡がる。また、光ビームが大気中を通過する際に、大気の吸収や散乱などにより、大気中の伝搬距離に応じて光強度が減衰する。その結果、受信器で受信する光強度は、送信器との間の距離が遠くなるほど低下するため、受信感度の向上が必要となる。

この問題を解決するために、送信器と受信器との間にある中継器に備えた偏向機構によって、光ビームの偏向を制御しつつ、受光素子の前に供えた光ファイバアンプで光ビームを増幅する光空間伝送装置が特許文献１に記載されている。これにより、送信器から放射される光ビームを受信器内の受光素子で損失を少なく受光することを可能としている。

特許文献１の光空間伝送装置は、中継器と受信器とを備える。この中継器内は、送信器からの光ビームを集光する収束レンズと、集光された光ビームが入射する光ファイバと、光ファイバから出射された光ビームを平行光とするコリメータレンズと、光ファイバのコリメータレンズ側に設けた偏向機構とから構成されている。受信器内は、送信器あるいは中継器からの光ビームを集光する収束レンズと、集光された光ビームが入射する光ファイバと、光ファイバ内の光ビームと励起光とを結合する光ファイバカプラとから構成されている。さらに、受信器内は、結合した２つの光が入射する光ファイバアンプと、光ファイバアンプによって増幅された光ビームが入射する再生信号器とを備えている。以上の構成により、以下のように動作する。

送信器から出射した光ビームは中継器の収束レンズで集光され光ファイバに入射する。光ファイバから出射した光ビームはコリメータレンズによって平行光となり、受信器へ伝播する。受信器内の光ファイバ端部に入射するように、コリメータレンズの光軸に直交する面内において、偏向機構により光ファイバのコリメータレンズ側を変位させる。また、送信器、あるいは、中継器より伝搬した光ビームは受信器内の収束レンズによって集光され光ファイバに入射する。光ファイバカプラにおいて入射した光ビームは励起光源からの励起光と結合し、光ファイバアンプによって光ビームが増幅され、再生信号器に入射する。これにより、受信器の光軸に対する光ビームの光軸ずれを補正するとともに、低下した受光感度を向上することができる。

しかし、光空間通信では、大気のゆらぎにより光ビームの波面が変動することによって、受信器への結合効率が変化し、受信レベルが変動する。この結果、通信品質が低下し、場合によっては通信が不可能となる。

この問題を解決するために、曲率ミラーによって入射光の波面歪を補正し、光ファイバアンプを備えた光受信機によって、受信した入射光を増幅する光空間通信装置が特許文献２に記載されている。

特許文献２の光空間通信装置は、曲率ミラーと、平面ミラーと、レンズと、光ファイバアンプを備えた光受信機と、制御部と、駆動部とから構成されており、以下のように動作する。

曲率ミラーのミラー面の曲率分布を可変することで、入射光の波面歪を平坦な波面の出射光に補正する。出射光は平面ミラーによってレンズに向けて反射し、レンズによって光受信機上に集光する。光受信機が供えた光ファイバアンプへ集光した光は増幅され、光強度信号が検出される。制御部はこの光強度信号に基づいて駆動信号を出力し、駆動部はこの駆動信号に基づいて曲率ミラーのミラー面の曲率分布を変位させる。これにより、光ファイバアンプへ集光する光の損失を抑制している。

なお、光ファイバアンプとしては、エルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）が用いられている。これは、石英ファイバに３価のエルビウムイオンが添加され、波長が０．９８μｍまたは１．４８μｍの光で励起することで、１．５５μｍ帯の受信光に対して増幅作用を示す。

特開平０７−０９９４８０号公報 特開平１０−２３９６００号公報

しかし、光空間通信では、送信機と受信機との間の障害物等により受信光が瞬断することがある。受信光の瞬断が発生すると、光ファイバアンプの入力光が失われるため、励起光が蓄積して光ファイバアンプのエネルギーレベルが過大となる。その状態で受信光が回復した場合、大きな増幅利得により異常に強い光が光ファイバアンプから出力され、受信機内の光電変換素子が破損するという問題がある。この異常に強い光は光サージと呼ばれ、以降の説明では異常に強い光を光サージと記載する。

このような問題に対し、光ファイバ通信の分野では、光ファイバアンプへ入力する通信ビームの瞬断の検出に基づいて、光ファイバアンプの通信ビームの出力側に配置した光スイッチの透過率を低下させることで、光サージによる受光素子の破損を防ぐ技術がある。

しかし、光サージを抑制するために、光学系へ光学素子である光スイッチを新たに挿入する必要がある。それに伴って受信する光ビームの光学損失が生じるだけでなく、光スイッチを含めた複雑な制御が必要である。

このように、光空間通信装置において光サージによる影響を回避しようとすると、新たな部品を追加するために、組立工程も含めた製造コストが増大するだけでなく、制御が複雑化するという問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、光サージによる影響を回避しようとすると、コストが増大し、制御が複雑化する、という課題を解決する光制御装置、それを用いた光空間通信装置および光制御方法を提供することにある。

本発明の光制御装置は、入射光の波面を制御する波面変調手段と、前記入射光の強度情報を取得する検出手段と、前記強度情報に基づいて目標波面を定める制御手段と、前記入射光の波面が前記目標波面と略等しくなるように、前記波面変調手段を制御する波面制御手段、とを備える。

また、本発明の光制御方法は、入射光の位相情報と強度情報とを取得し、前記強度情報に基づいて前記入射光の目標波面を決定し、前記入射光の波面が前記目標波面と略等しくなるように、前記入射光の波面を制御する。

本発明の光制御装置、それを用いた光空間通信装置および光制御方法によれば、コストの増大、および、制御の複雑化を招くことなく、光サージによる影響を回避することができる。

本発明の第１の実施形態による光制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による光制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による光制御装置における目標収差と受光強度情報信号の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態による光制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による光制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による光制御装置における球面収差と受光強度情報信号（光ファイバへの結合効率）の関係を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態による光制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による光制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第４の実施形態による光制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態による光制御装置の構成を示すブロック図である。

〔第１の実施形態〕以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態による光制御装置１の構成を示すブロック図である。光制御装置１は、後段の光増幅部３０へ入射する光ビームを制御し、受光部３５に入力する光サージを抑制する。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態の光制御装置１の構成を説明する。

本発明の第１の実施形態の光制御装置１は、検出部９と制御部１１と波面制御部１３と波面変調部２１とを備える。

検出部９は、光制御装置１へ入射する光ビームである受信光、具体的には波面変調部２１から出射する光ビーム（受信光）の一部を受光する。そして、光ビームの強度情報である受光強度を検出し、受光強度に基づいた受光強度情報信号を制御部１１へ出力する。なお、受光強度情報信号は受光強度の変化に応じて変化する信号である。

制御部１１は、検出部９からの受光強度情報信号を入力し、受光強度情報信号から受光強度の低下を検出し、それに基づいて目標波面を決定する。目標波面に関する情報を含む目標収差信号を波面制御部１３へ出力するとともに、光の増幅を停止あるいは低下させる光増幅制御信号を後段の光増幅部３０へ出力する。

なお、制御部１１は、受光強度情報信号に含まれる受光強度の変化を検出したとき、光増幅部３０に入力する光ビームの割合が低下するように、波面を大きく乱す波面収差の情報を目標収差信号に付与する。その後、波面変調部２１によって波面の乱れを段階的に減少させる波面収差の情報を付与する。

光ビームの伝搬光路に障害物が侵入すると、波面変調部２１、さらには、光増幅部３０へ入力する光ビームが瞬断される。光ビームの光軸に直交する断面における障害物の大きさ、障害物が光路を遮る時間に応じて、受光強度の低下、受光強度の遮光時間が異なる。

ここで、受光強度情報信号に対し所定の閾値を設ける。光増幅部３０へ入力する光ビームの瞬断が開始されたことを瞬時に検知するために、閾値は、光ビームの光軸に交差する断面に対する障害物の大きさの割合、波面変調部２１へ入射する光ビームの瞬断に伴う光サージの大きさなどから予め定めておく。受光強度情報信号がこの閾値以下となる場合、受光強度が低下したと検知する。

制御部１１は、この受光強度の低下を検知した時、波面変調部２１において制御可能な大きな波面収差の情報を目標収差信号に付与して波面制御部１３へ出力する。

また、波面変調部２１によって光ビームに大きな波面収差が付与されている時、制御部１１は、そのときの波面収差より小さい波面収差の情報を段階的に目標収差信号に付与して波面制御部１３へ出力する。ここで、最初に光ビームへ付与した大きな波面収差がゼロとなるまで、段階的に減少する波面収差の情報を目標収差信号に付与する。

波面制御部１３は、制御部１１からの目標収差信号を入力し、波面変調部２１が補償する光ビームの位相情報信号を出力する。具体的には、目標収差信号に含まれる波面収差の情報に基づき、光ビームの光軸に直交する断面の２次元の位相分布を演算し、その情報を位相情報信号として波面変調部２１へ出力する。つまり、波面変調部２１で制御可能な大きな波面収差の情報を目標収差信号に含む場合、波面を大きく乱す位相情報信号を波面変調部２１へ出力する。また、段階的に減少する波面収差の情報を目標収差信号に含む場合、その情報に対応する位相情報信号を波面変調部２１へ出力する。

波面変調部２１は、大気のゆらぎによる光ビームの波面の変動を補償する。更に、光ビームの瞬断が発生したとき、波面制御部１３からの位相情報信号に基づき、光制御装置１へ入射する光ビームの空間的な位相を変調し、出射する。つまり、光ビームの進行方向（波面変調部２１へ入射する方向）に交差する２次元面内の複数領域における光の位相を制御し、光増幅部３０へ光ビームを出射もしくは反射させる。なお、波面変調部２１には、可変形ミラー(Deformable Mirror)や、液晶パネルなどを用いることができる。具体的には、波面制御部１３から波面を大きく乱す位相情報信号が入力された場合、波面変調部２１は、その信号に基づき、光ビームに大きな波面収差を付与する。これにより、光ビームは波面が大きく乱れ、光増幅部３０へ出力する光ビームの割合が低下する。また、波面制御部１３から波面の乱れを段階的に減少する位相情報信号が入力された場合、その信号に基づき、光ビームが有する波面収差を段階的に低減する。これに伴い、光増幅部３０へ出力する光ビームの割合が段階的に増加する。

なお、大きく乱した波面を復元した後、光増幅部３０の光増幅を再開することにより、光増幅部３０へ入射された光ビームは増幅され、受光部３５は光ビームに含まれる通信信号を検出する。

次に、図２および図３を参照して、光制御装置１を用いた光制御方法について説明する。図２は光制御装置１を用いた光制御方法を説明するためのフローチャートであり、図３は目標収差信号（目標波面）と受光強度情報信号（強度情報）との関係を示す図である。なお、図３では、目標収差信号と受光強度情報信号との関係が直線的に変化する場合を示しているが、これに限るものではない。目標収差が大きくなることにより受光強度が低下する関係であれば良く、例えば、目標収差信号と受光強度情報信号との関係が曲線的に変化する場合であってもよい。

図２および図３を参照して、まず、制御部１１は検出部９から入力する受光強度情報信号が閾値以下であるかどうかを監視する（ステップＳ１）。閾値より大きい場合（ステップＳ１がＮｏの場合）、受光強度情報信号の監視を続ける。一方、閾値以下の場合（ステップＳ１がＹｅｓの場合）、制御部１１は波面収差を増大させる(大きな波面収差の情報を有する）目標収差信号を波面制御部１３へ出力する（ステップＳ２）。具体的には、図３に示すように、受光強度情報信号が閾値であるときの目標収差信号Ａ_０より大きい値Ａ_Ｎを出力する。

次に、制御部１１は光の増幅を減少（停止あるいは低下）させる光増幅制御信号を光増幅部３０へ出力する（ステップＳ３）。続いて、制御部１１は波面収差を減少させる（波面収差を段階的に減少させる情報を有する）目標収差信号を波面制御部１３へ出力する（ステップＳ４）。このとき、波面制御部１３へ出力する目標収差信号の値はＡ_ＮからＡ_０との間の値Ａ_Ｎ−１である。その後、制御部１１は、検出部９から入力する受光強度情報信号が閾値以上であるかどうかを監視する（ステップＳ５）。閾値より小さい場合（ステップＳ５がＮｏの場合）、ステップＳ４へ戻る。この時、ステップＳ４では、制御部１１は、Ａ_Ｎ−１より小さくＡ_０より大きい値Ａ_Ｎ−２を付与した目標収差信号を波面制御部１３へ出力する。このように、Ａ_Ｎから段階的にＡ_０へ近づく値を付与した目標収差信号を波面制御部１３へ出力する。

なお、波面制御部１３は、目標収差信号に付与された情報Ａ_Ｎ、Ａ_Ｎ−１、Ａ_Ｎ−２が入力される毎に、この信号に基づいて作成した光ビームへ付与する位相分布の情報を波面変調部２１へ出力する。また、受光強度情報信号が閾値以上の場合（ステップＳ５がＹｅｓの場合）、制御部１１は、光の増幅を再開する、あるいは元の光の増幅量に戻す光増幅制御信号を光増幅部３へ出力する（ステップＳ６）。
なお、制御部１１のステップＳ１からステップＳ５までの動作時間は、光ビームが瞬断している時間より長くなるように設定する。

以上のように、本発明の第１の実施形態では、受光強度情報信号が閾値以下となることに伴い、大気のゆらぎに伴う光ビームの波面補償を行う波面変調部２１から光増幅部３０へ入力する光ビームを低下させる。これとともに、光増幅部３０の光ビームの増幅を停止あるいは低減させる。また、受光強度情報信号が閾値以上となるまで、段階的に波面収差を変化させることにより、波面変調部２１から光増幅部３０へ入力する光ビームを増加させた後、光増幅部３０の光ビームの増幅を復帰させる。これにより、光サージの抑制のために新たな光学素子を必要とせず、組立作業を含めたコスト増大を抑制しつつ、制御の複雑化を抑えることができる。

また、波面変調部２１に入力する光ビームが瞬断しても、光増幅部３０に生じる光サージの発生を抑制することができる。光ビームの瞬断が回復したときは、波面変調部２１から光増幅部３０への光ビームが効率的に入力するとともに、光増幅部３０の光の増幅も回復するため、光通信時の受光感度の低下を防止することができる。

〔第２の実施形態〕続いて、本発明の第２の実施形態について詳細に説明する。図４は本発明の第２の実施形態である光制御装置２の構成を示すブロック図である。

図４を参照して、第２の実施形態の光制御装置２は、第１の実施形態の構成に加え、波面演算部１４と光分割部２２と光集光部３１と光ファイバ３２と光ファイバアンプ３３と励起光源３４と受光部３５とを備える。また、第１の実施形態の検出部９を構成する光強度演算部１０と波面センサ２３とを備え、第１の実施形態の波面制御部１３を構成する目標波面演算部１２と波面演算部１４とを備える。

光分割部２２は、位相の変調を受けた光ビームを２つの光路に分割する。つまり、波面センサ２３へ向う光路と光集光部３１へ向う光路とに分割する。このようなデバイスとしては、ハーフミラー、プリズム、偏光ビームスプリッタを用いることができる。なお、分割された各光路の強度比は等しいとは限らない。

波面センサ２３は、検出部として例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）素子、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子などのカメラ部を備えている。そして、光分割部２２により分割された一方の光ビームの空間的な位相分布を測定し、位相分布の情報を電気信号に変換して出力する。具体的には、光ビームの進行方向（波面センサ２３へ入射する方向）に交差する２次元面内の、複数領域における位相あるいは位相の傾きの情報である位相情報を電気信号に変換して波面演算部１４へ出力する。

また、波面センサ２３は入射した光ビームの空間的な強度分布を測定（あるいは検出）し、強度分布の情報を電気信号に変換して出力する。具体的には、光ビームの進行方向（波面センサ２３へ入射する方向）に交差する２次元面内の複数領域における強度あるいは強度の傾きの情報を電気信号に変換して光強度演算部１０へ出力する。以上のような波面センサ２３には、シャック・ハルトマン式波面センサ、波面曲率センサなどを用いることができる。

光強度演算部１０は、波面センサ２３が測定（あるいは検出）した２次元面内の強度あるいは強度の傾きの情報に関わる電気信号から受光強度（強度情報）を演算し、演算した情報の電気信号を受光強度情報信号として制御部１１へ出力する。なお、受光強度情報信号は受光強度の変化に応じて変化する信号である。

波面演算部１４は、波面センサ２３が出力した位相あるいは位相の傾きの情報（位相情報）に関する電気信号から光ビームの波面を演算し、演算した情報の電気信号を波面補償演算部１５へ出力する。上述した波面センサ２３としてシャック・ハルトマン式波面センサ、波面曲率センサを用いる場合、波面補償演算部１５へ出力する電気信号は、波面センサ２３へ入射した光ビームの２次元の位相情報に対応した信号である。

制御部１１は受光強度情報信号に基づいて、波面変調部２１が光ビームの位相に付与する目標収差信号を設定し、目標波面演算部１２へ出力する。また、目標波面演算部１２は入力した目標収差信号に基づいて、目標収差に対応する２次元の位相分布の情報を含む位相情報信号を出力する。目標収差によって、後述する光集光部３１が光ファイバ３２のコア上に形成される集光スポットを変化させる。具体的には、光ファイバ３２の入射面の集光スポットの形状、大きさ、位置を変えるように目標収差信号を設定し、また、光ファイバ３２の入射面上のコア径の中に導くよう集光スポットの形状、大きさ、位置を段階的にかえるように目標収差信号を設定する。

波面補償演算部１５は、目標波面演算部１２より入力される位相情報信号と、波面演算部１４より入力される光ビームの波面の演算情報に関する電気信号との差分を算出し、その情報から演算した波面変調部２１の制御信号を出力する。具体的には、光ビームの目標とする波面に関する位相情報と波面センサ２３で測定した光ビームの波面に関する位相情報との差分が小さくなるように波面変調部２１をフィードバック制御する。これによって、波面変調部２１から出射する光ビームの波面を所望の光ビームの波面へと変更する。ただし、波面情報は２次元の行列であり、また波面変調部２１の制御信号も２次元の行列であることから、波面補償演算部での演算は変換行列を含む行列演算となる。

光集光部３１は、光分割部２２により分割された光ビームのうち、光ファイバ３２の方向へ進む光ビームを集光し、集光した光ビームは光ファイバ３２のコア部に入射する。光ファイバ上の集光スポット径が光ファイバのコア径に近く、理想的にはコア径に等しくなる場合、所望の光通信の性能を達成できる。

光ファイバ３２は、光ファイバアンプ３３に接続している。光ファイバアンプ３３は、光空間通信の通信信号の受光感度を向上させる光学素子であり、光ファイバ３２へ入射し導光した光ビームの強度を励起光源３４から注入された励起光に応じて変化させ、受光部３５へ出射する。具体的には、励起光源３４からの励起光が光ファイバアンプへ注入される場合、光ファイバ３２から入射した光ビームは増幅され受光部３５へ出射する。また、励起光が光ファイバアンプへ注入されない場合、光ファイバ３２から入射した光ビームは増幅されることなく受光部へ出射する。

受光部３５は、フォトダイオードなどの光電変換素子であり、光ファイバアンプ３３からの入射した光ビームを電気信号に変換し、受信信号として後段の回路に出力する。

以上説明した光制御装置２では、波面変調部２１によって光ビームに収差を加えて波面を乱した場合、波面センサ２３が検出する受光強度情報信号が低下する。それと共に、光ファイバ３２の入射面上のコアに対する集光ビームの大きさ、形状、または、位置が変化、または移動し、光ファイバへ入射する光ビームの結合効率が低下する。また、波面変調部２１によって光ビームの乱れた波面を段階的に補償すると、波面センサ２３が検出する受光強度情報信号が段階的に増加する。それと共に、光ファイバ３２の入射面上のコアの径、位置に集光ビームの大きさ、形状、または、位置が変化または移動し、光ファイバ３２へ入射する光ビームの結合効率が改善する。

このように、第２の実施形態の光制御装置２は、第１の実施形態と同様に、入射する光ビームの波面の歪、または波面の時間的なゆらぎがあったとしても、波面変調部２１によって光ビームの波面を補償し、光ファイバ３２へ入射する光ビームの結合効率を維持する。これにより、光通信時の受光感度の低下を抑制し、所望の通信性能を達成することができる。

次に、図５および図６を参照して、光制御装置２を用いた光抑制方法について説明する。図５は光制御装置２の動作を説明するためのフローチャートであり、図６は目標収差信号と受光強度情報信号との関係を示す図である。図６に示すように、球面収差に基づいた目標収差信号の増加に伴い受光強度情報信号が減少し、球面収差に基づいた目標収差信号の減少に伴い受光強度情報信号は増加する。なお、図６では、目標収差信号を球面収差とした場合を示したが、これに限るものではなく、コマ収差や非点収差など他の収差であっても良い。あるいは、波面をゼルニケ多項式で展開したときの任意の係数に対応する波面であっても良く、それらを複合した波面の組合せであっても良い。

図５および図６を参照して、光空間通信中に、制御部１１は、波面センサ２３が測定した受光強度に基づく光強度演算部１０からの受光強度情報信号（強度情報）が閾値以下であるかどうかを監視する（ステップＳ１１）。受光強度情報信号が閾値より大きい場合（ステップＳ１がＮｏの場合）、受光強度情報信号の監視を続ける。一方、受光強度情報信号が閾値以下の場合（ステップＳ１がＹｅｓの場合）、制御部１１は球面収差を増大させる（大きな球面収差の情報を有する）目標収差信号を目標波面演算部１２へ出力する（ステップＳ１２）。具体的には、図６に示すように、受光強度情報信号が閾値であるときの目標収差信号の波面収差の情報Ｂ_０より大きい値Ｂ_Ｎを出力する。次に、制御部１１は光の増幅を減少（停止あるいは低下）させる光増幅制御信号を励起光源３４へ出力する（ステップＳ１３）。

続いて、制御部１１は、球面収差を減少させる（球面収差を段階的に減少させる情報を有する）目標収差信号を目標波面演算部１２へ出力する（ステップＳ１４）。このとき、目標波面演算部１２へ出力する目標収差信号の値はＢ_ＮからＢ_０との間の値Ｂ_Ｎ−１である。その後、制御部１１は、光強度演算部１０から入力する受光強度情報信号が閾値以上であるかどうかを監視する（ステップＳ１５）。言い換えると、光ファイバ３２へ集光する光ビームの結合効率が所定の閾値以上であるかを監視する。受光強度情報信号が閾値より小さい場合（ステップＳ１５がＮｏの場合）、つまり、光ビームの結合効率が閾値より小さい場合、ステップＳ１４へ戻る。この時、ステップＳ１４では、制御部１１がＢ_Ｎ−１より小さくＢ_０より大きい値Ｂ_Ｎ−２を付与した目標収差信号を目標波面演算部１２へ出力する。このように、Ｂ_Ｎから段階的にＢ_０へ近づく値を付与した目標収差信号を目標波面演算部１２へ出力する。なお、目標波面演算部１２は、目標収差信号に付与された情報Ｂ_Ｎ、Ｂ_Ｎ−１、Ｂ_Ｎ−２が入力される毎に、この信号に基づいて作成した光ビームへ付与する位相分布の情報を波面補償演算部１５へ出力する。そして、波面補償演算部１５は、目標波面演算部１２からの目標収差信号と、波面演算部１４からの光ビームの波面の関する電気信号との差分を算出し、その情報から演算した波面変調部２１の制御信号を出力する。

また、受光強度情報信号が閾値以上の場合（ステップＳ１５がＹｅｓの場合）、つまり、光ビームの結合効率が閾値以上の場合、制御部１１は、光の増幅を再開あるいは元の状態に戻す、つまり、励起光の出射を回復させる光増幅制御信号を励起光源３４へ出力する（ステップＳ１６）。その後、光空間通信が再開される。

以上のように、本発明の第２の実施形態では、受光強度情報信号が閾値以下となることに伴い、波面変調部２１により光ビームに収差を加えて波面を乱すことにより、光ファイバ３２への光ビームの結合効率を低下させる。これとともに、励起光源３４への励起光の出射を停止あるいは低減させる。また、受光強度情報信号が閾値以上となるまで、波面変調部２１による乱れた波面を段階的に改善させた後、励起光源３４への励起光の出射を再開させる。この動作は、大気のゆらぎに伴う光ビームの波面補償を行う波面補償する構成部品、および、受光感度を向上させる光増幅する構成部品により実現している。したがって、光空間通信時の受光感度を向上させつつ、光サージを抑制するための構成部品の追加、その追加に伴う組立作業の工数増加、追加された構成部品の制御ステップの追加を抑えることができる。

さらに、波面変調部２１に入射する光ビームが瞬断されても、励起光が光ファイバアンプ３３に蓄積されエネルギーが光サージとして受光部３５へ出力することを防止できる。さらに、光ビームの波面乱れが回復したとき、光ファイバ３２へ集光する光ビームが効率的に入射するとともに、励起光源３４の励起光の出射を再開するため、光通信時の受光感度が低下することはない。

なお、第２の実施形態では、球面収差を徐々に改善し、受光強度情報信号が閾値以上となった後に再開させる光増幅制御信号を励起光源３４へ出力したが、これに限るものではない。例えば、球研収差を徐々に改善すると共に、励起光を徐々に増幅させる光増幅制御信号を励起光源３４へ出力してもよい。

〔第３の実施形態〕続いて、本発明の第３の実施形態について詳細に説明する。図７は本発明の第３の実施形態である光制御装置３の構成を示すブロック図である。第３の実施形態の光制御装置３は、第２の実施形態の光制御装置２に保護時間タイマ１６が追加された構成であり、第３の実施形態の制御部１１は第２の実施形態の制御部１１に機能を追加している。それ以外の構成部品は第２の実施形態の光制御装置２と同じであり、それらの説明は省略する。

図７を参照して、制御部１１は、光強度演算部１０からの受光強度情報信号に基づき目標収差信号および光増幅制御信号を出力する。これとともに、保護時間タイマ１６へ保護時間の開始情報を含む起動信号を出力し、保護時間タイマ１６から保護時間の終了情報を含む終了信号を入力する。なお、保護時間は、光増幅制御信号によって励起光源３４による光の増幅を停止あるいは低下させた時刻から光ファイバアンプ３３に蓄積された励起光のエネルギーが自然放出される時刻までの時間である。また、この保護時間の間、増加した目標波面の収差を維持し、段階的に減少させることは行わない。

保護時間タイマ１６は、制御部１１からの起動信号を入力し、その信号によってタイマを起動する。タイマが起動後、所定の保護時間に到達した後、保護時間の終了の情報を含む終了信号を出力する。

次に、図８および図６を参照して、光制御装置３を用いた光抑制方法について説明する。図８は光制御装置３の動作を説明するためのフローチャートである。また、第３の実施形態の光制御装置３のフローチャートは、第２の実施形態の光制御装置２のフローチャートに保護時間タイマ起動、および、完了のフローを追加している。それ以外のフローは第２の実施形態の光制御装置３のフローと同じであり、それらの説明は省略する。また、第２の実施形態の動作と同じように、目標収差信号は球面収差に基づき設定される信号としている。

図８および図６を参照して、光空間通信中に、制御部１１は、ステップＳ１１からステップＳ１３までのフローを実施する。続いて、制御部１１は、保護時間タイマ１６へ保護時間の開始情報を含む起動信号を出力する（ステップＳ２０）。次に、制御部１１は、保護時間の終了情報を含む終了信号の入力の有無を監視する（ステップ２１）。終了信号の入力が無い場合（ステップ２１がＮｏの場合）、終了信号の入力の監視を続ける。一方、終了信号の入力が有る場合（ステップ２１がＹｅｓの場合）、次のステップへ進む。以降は、ステップＳ１４からステップＳ１６までのフローを実行する。

以上のように、本発明の第３の実施形態では、保護時間タイマ１６を設けることにより、保護時間の間、励起光の入力を抑制しつつ光ファイバアンプ３３に蓄積されたエネルギーが自然放出することができる。このため、第１の実施形態、および、第２の実施形態に比べてより安定に光サージの発生を抑制できる。

なお、第３の実施形態では、制御部１１へ終了信号が入力されたとき、目標収差信号の値を段階的に小さくする（球面収差を段階的に小さくする）ように変化させたが、これに限るものではない。例えば、目標収差信号の大きな値から小さな値へ一度に変化させてもよい。ここで、目標収差信号の小さな値は、受光強度情報信号の閾値を下回る前の値であってもよい。

〔第４の実施形態〕続いて、本発明の第４の実施形態について詳細に説明する。図９は本発明の第４の実施形態である光制御装置４の構成を示すブロック図である。第４の実施形態の光制御装置４は、第２の実施形態の光制御装置２に波面記憶部１７が追加された構成であり、第４の実施形態の制御部１１は第２の実施形態の制御部１１に機能を追加している。それ以外の構成部品は第２の実施形態の光制御装置２と同じであり、それらの説明は省略する。

図９を参照して、波面記録部１７は、受光部３５で検出された光強度信号と波面演算部１４で演算された波面の情報とを、光強度信号が低下した瞬間の波面として記憶する。具体的には、波面センサ２３の受光強度情報信号が低下した場合の波面、つまり、光ファイバ３２への光ビームの結合効率が低い場合において、増加あるいは減少する光強度信号の値ごとに、その値と対応する波面の情報とを記憶する。また、記憶した波面の情報を制御部１１へ目標波面情報として出力する。

波面センサ２３の受光強度情報信号が低下した場合の波面、つまり、光ファイバ３２への光ビームの結合効率が低い場合における波面演算部１４で演算された波面の情報は、光空間通信中に波面演算部１４を用いて光ビームの波面補償を行っている間に記憶してもよい。但し、これに限るものではない。波面演算部１４を用いた光ビームの波面補償を行わず受光部３５で検出される光強度信号の変動が大きい場合、波面演算部１４で演算された波面の情報を記憶してもよい。

制御部１１は、光強度演算部１０からの受光強度情報信号と、波面記憶部１７からの波面の情報とを入力する。また、入力した受光強度情報信号に含まれる受光強度の低下を検出すると、つまり、受光部３５からの光強度信号の低下を検出すると、波面記憶部１７から入力された波面の情報を目標収差信号として目標波面演算部１２へ出力する。さらに、光の増幅を停止する光増幅制御信号を光増幅部３０へと出力する。

次に、光制御装置４を用いた光制御方法について説明する。この制御方法では、光制御装置２の光制御方法のステップＳ１２、ステップＳ１４において、球面収差を改悪する、または、改善する目標収差信号として、波面記憶部１７から入力された波面の情報を用いる。それ以外のフローは光制御装置２を用いた光制御方法と同じである。

このように、本発明の第４の実施形態では、光サージの影響を受ける受光部３５で検出した光強度信号に基づいて、波面センサ２３の受光強度情報信号が低下した場合の波面、つまり、光ファイバ３２への光ビームの結合効率が低い場合の波面の情報を目標収差として設定することができる。これにより、第１の実施形態、および、第２の実施形態に比べて、光サージによる影響を一層抑制することができる。

また、第２の実施形態から第４の実施形態では、波面変調部２１の前段に捕捉追尾部を設けてもよい。すなわち、捕捉追尾部によって捕捉追尾された光ビームが波面変調部２１へ入射する。捕捉追尾部は、例えば、ジンバルミラー、ステアリングミラー、エリアセンサ、４分割センサなどからなる。

ジンバルミラーは第２の実施形態から第３の実施形態に記載した光制御装置を搭載した光空間通信装置の指向方向を広い領域で粗く制御する。ステアリングミラーは光空間通信装置の指向方向を狭い領域で高精度に制御する。エリアセンサは入射した光ビームから光空間通信装置の指向方向を広い領域で粗く検出する。４分割センサは入射した光ビームから光空間通信装置の指向方向を狭い領域で高精度に検出する。捕捉追尾部を備えると、光空間通信装置の少なくとも一方、あるいは双方が、人工衛星や航空機などの移動体に搭載されている場合、捕捉追尾部の効果はより顕著となる。

〔第５の実施形態〕続いて、本発明の第５の実施形態について詳細に説明する。図１０は本発明の第５の実施形態である光制御装置５および光空間通信装置の構成を示すブロック図である。第５の実施形態の光制御装置５は、第２の実施形態の光制御装置２と同じ構成であり、第５の実施形態の光空間通信装置は、第２の実施形態の光制御装置２に捕捉追尾部２４が追加された構成である。なお、第５の実施形態の制御部１１、光強度演算部１８は、第２の実施形態の制御部１１、光強度演算部１０とは異なる形態である。それ以外の構成部品は第２の実施形態の光制御装置２と同じであり、それらの説明は省略する。

図１０を参照して、捕捉追尾部２４は上述した構成および機能を備えている。さらに、捕捉追尾部２４に入射する光ビームをエリアセンサ、または、４分割センサで検出する。検出した光強度分布の情報を有する電気信号を光強度演算部１８へ出力する。

光強度演算部１８は、捕捉追尾部２４からの電気信号を入力し、受光強度を演算し、その情報を含んだ受光強度情報信号を制御部１１へ出力する。

なお、第５の実施形態の波面センサ２３では、光ビームの進行方向（波面センサ２３へ入射する方向）に交差する２次元面内の複数領域の、位相あるいは位相の傾きの情報が含まれた電気信号を波面演算部１４に出力しているのみである。

このように、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を用いる波面センサ２３よりも空間分解能が低い捕捉追尾部の受光センサ（例えば、エリアセンサや４分割センサ）が取得した光強度分布の情報に基づいて受光強度を演算する。したがって、第２の実施形態から第４の実施形態より光強度演算部の演算量を低減することができる。

また、第２の実施形態から第５の実施形態のおける光制御方法では、制御部１１が光の増幅を停止あるいは低下させる光増幅制御信号を出力したのち（第１の実施形態のステップＳ３、第２の実施形態から第４の実施形態のステップＳ１３）、制御信号１１が波面収差（もしくは球面収差）を改善する目標収差信号を出力している（第１の実施形態のステップＳ４、第２の実施形態から第４の実施形態のステップＳ１４）。しかし、これに限るものではない。上述したステップの間に、制御部１１が、受光強度情報信号が閾値以下であるかを監視するステップを挿入しても良い。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

この出願は、２０１３年３月１９日に出願された日本出願特願２０１３−０５６３９４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 光制御装置
２ 光制御装置
３ 光制御装置
４ 光制御装置
５ 光制御装置
９ 検出部
１０ 光強度演算部
１１ 制御部
１２ 目標波面演算部
１３ 波面制御部
１４ 波面演算部
１５ 波面補償演算部
１６ 保護時間タイマ
１７ 波面記憶部
２１ 波面変調部
２２ 光分割部
２３ 波面センサ
２４ 捕捉追尾部
３０ 光増幅部
３１ 光集光部
３２ 光ファイバ
３３ 光ファイバアンプ
３４ 励起光源
３５ 受光部

Claims (9)

1. 入射光の波面を制御する波面変調手段と、
   前記入射光の強度情報を取得する検出手段と、
   前記強度情報に基づいて目標波面を定める制御手段と、
   前記入射光の波面が前記目標波面と略等しくなるように、前記波面変調手段を制御する波面制御手段、とを備え、
   前記波面制御手段は、前記目標波面における位相情報を前記波面変調手段へ出力し、
   前記波面変調手段は、前記位相情報に基づき前記入射光の進行方向に対して交差する面内の位相分布を制御する
   光制御装置。
2. 前記制御手段は、前記入射光の強度を増幅する光増幅手段の増幅率を制御する請求項１に記載の光制御装置。
3. 前記制御手段は、前記増幅率を低減させる場合、前記目標波面の収差を増加させたのち、増加した目標波面の収差を段階的に減少させる請求項２に記載の光制御装置。
4. 前記入射光の強度を制御する光ファイバアンプと、
   前記光ファイバアンプに励起光を注入する励起光源、とを更に備え、
   前記制御手段は、前記波面変調手段によって前記入射光へ付与された前記位相分布に応じて、前記光ファイバアンプへの光ビームの結合効率を変化させるとともに、
   前記励起光源の出力を抑制することで前記光ファイバアンプにおける前記光ビームの増幅を抑制する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光制御装置。
5. 保護時間タイマを更に備え、
   前記制御手段は、前記強度情報が所定値より小さい場合、前記保護時間タイマにより計測された所定時間の間、前記光ファイバアンプの増幅率の抑制、および増加した前記目標波面の収差の段階的な減少を停止する請求項４に記載の光制御装置。
6. 前記位相情報を記憶する波面記憶手段を更に備え、
   前記波面の目標値として前記波面記憶手段に記憶された前記位相情報を用いる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光制御装置。
7. 入射光を捕捉追尾し出射光を送出する捕捉追尾手段と、
   前記出射光の波面を制御する波面変調手段と、
   前記波面変調手段からの出射光の一部の強度及び波面を検出する波面センサと、
   前記波面変調手段からの出射光の一部の強度を制御する光ファイバアンプと、
   前記光ファイバアンプの強度を制御するために励起光を注入する励起光源と、
   前記光ファイバアンプからの出射光を受光する受光手段と、
   前記波面センサで検出した強度情報に基づいて、前記入射光の目標波面を定め、前記出射光の増幅を制御する制御手段と、
   前記目標波面と前記波面センサが検出した波面とに基づき、前記入射光へ付与する位相情報を出力する波面演算手段、とを備え、
   前記波面変調手段は、前記位相情報に基づき前記入射光の進行方向に対して交差する面内の位相分布を制御する
   光空間通信装置。
8. 入射光の位相情報と強度情報とを取得し、
   前記強度情報に基づいて前記入射光の目標波面を決定し、
   前記入射光の波面が前記目標波面と略等しくなるように、前記入射光の波面を制御し、
   前記入射光の波面を制御することは、前記目標波面における前記位相情報に基づき前記入射光の進行方向に対して交差する面内の位相分布を制御することを含む
   光制御方法。
9. 前記入射光の波面を制御した後、
   所定の増幅率で前記入射光を増幅し、
   前記強度情報に基づいて前記増幅率を制御する
   請求項８に記載の光制御方法。

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