JP7529027B2

JP7529027B2 - 空間光通信システム

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Publication number: JP7529027B2
Application number: JP2022544946A
Authority: JP
Inventors: 直剛柴田; 臨太朗原田; 慎金子
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2024-08-06
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: WO2022044134A1; JPWO2022044134A1; US20230308179A1

Description

本発明は、複数の送信装置と、複数の送信装置のそれぞれに対向する複数の受信装置とが並列に光通信を行う空間光通信システムに関する。

互いに対向して配置された送信装置と受信装置との間の自由空間において光通信を行うＦＳＯ(Free Space Optics)が知られている。ＦＳＯでは、送信装置のビーム送信部がレーザ光などによりＦＳＯ信号を送信し、対向する受信装置のビーム受信部が受信する。ＦＳＯ信号は、例えば１９３ＴＨｚ付近の非常に高い周波数が用いられ、ミリ波帯（～３００ＧＨｚ）以下の無線信号よりも高い指向性の通信が行われる。

ビーム送信部は、ＦＳＯ信号を送出するレーザなどの発光素子と、発光素子から送出されたＦＳＯ信号を平行に集束させるコリメータとを有する。ただし、ＦＳＯ信号は、完全な平行にはならず、少しずつ拡がっていく。この拡がりの程度は発散角で表される。

ここで、通信容量を向上するため、送信装置と対向する受信装置の組を複数配置して、並列にＦＳＯ信号を伝送するシステムが考えられている（例えば、非特許文献１参照）。

J. Opt. Commun. Netw., Vol.9, No.11, pp.974-983, Nov.2017

ところが、発散角に応じてビームが拡がるため、送信装置から送信された光信号が隣接する受信装置に漏れこみ、干渉が発生する。干渉を回避するために、互いに隣接する組の送信装置が異なる波長の光信号を送信する方法が考えられる。しかし、同じ波長を用いる場合に比べて、レーザ部品の調達コストが増加するという問題がある。

一方、送信装置と受信装置との間の距離が長くなるほどビームの拡がりが大きくなるため、光信号が漏れ込まないように、隣接する受信装置の間隔を広くする必要がある。この場合、受信装置の数が増えるほど、複数の受信装置を並べて配置するのに必要な合計の距離が長くなる。このため、受信装置の設置スペースが制限される場合、複数の受信装置の設置が難しい。

また、送信装置と受信装置との間に中継装置を配置して、送信装置から送信される光信号を中継装置で一旦受信し、中継装置から受信装置に再送信することにより、光信号の拡がりを抑える方法が考えられる。しかし、中継装置には受信装置と送信装置の両方の機能が必要であり、装置コストが増加するとともに、中継装置のための給電設備が必要である。

本発明は、複数の送信装置と、複数の送信装置のそれぞれに対向する複数の受信装置とが並列に光通信を行う場合、送信装置と受信装置との間に干渉遮断部を配置することにより、給電不要で省スペースかつ低コストで隣接する受信装置の光通信に与える干渉を回避できる空間光通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、複数の送信装置と、複数の前記送信装置のそれぞれに対向する複数の受信装置とが並列に光通信を行う空間光通信システムにおいて、複数の前記送信装置は、それぞれの対向先の前記受信装置に同一または隣接する波長の光信号を送信し、前記送信装置と前記受信装置との間に配置され、前記送信装置から対向先の前記受信装置に送信される光信号のうち非対向先の前記受信装置に干渉を与える光信号を空間的に遮断する干渉遮断部を有することを特徴とする。

本発明に係る空間光通信システムは、複数の送信装置と、複数の送信装置のそれぞれに対向する複数の受信装置とが並列に光通信を行う場合、送信装置と受信装置との間に干渉遮断部を配置することにより、給電不要で省スペースかつ低コストで隣接する受信装置の光通信に与える干渉を回避することができる。

第１実施形態に係る空間光通信システムの一例を示す図である。光信号のビームの一例を示す図である。ビームの発散角の一例を示す図である。比較例の空間光通信システムを示す図である。干渉遮断部の一例を示す図である。第２実施形態に係る空間光通信システムの一例を示す図である。第２実施形態の干渉遮断部の一例を示す図である。遮断部の配置方向の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る空間光通信システムの実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る空間光通信システム１００の一例を示す。図１の例では、空間光通信システム１００は、送信装置１０１（１）、送信装置１０１（２）、受信装置１０２（１）、受信装置１０２（２）、干渉遮断部１０３（１）および干渉遮断部１０３（２）を有する。

ここで、第１実施形態および後述の第２実施形態の説明において、送信装置１０１（１）および送信装置１０１（２）に共通する場合は符号末尾の（番号）を省略して送信装置１０１と記載する。また、特定の送信装置１０１を指す場合は、符号末尾に（番号）を付加して、送信装置１０１（１）のように記載する。受信装置１０２および干渉遮断部１０３など、同機能の複数のブロックを有する他のブロックについても同様に記載する。

図１において、送信装置１０１は、ビーム送信部１１１を有し、ビーム送信部１１１から光信号を送信する。受信装置１０２は、ビーム受信部１１２を有し、送信装置１０１のビーム送信部１１１から送信される光信号を受信する。

ここで、送信装置１０１（１）のビーム送信部１１１（１）と受信装置１０２（１）のビーム受信部１１２（１）は、１つの組として互いに対向して配置され、光信号の送受信を行う。同様に、送信装置１０１（２）のビーム送信部１１１（２）と受信装置１０２（２）のビーム受信部１１２（２）は、１つの組として互いに対向して配置され、光信号の送受信を行う。

図１において、ビーム送信部１１１（１）（またはビーム送信部１１１（２））の送信端からビーム受信部１１２（１）（またはビーム受信部１１２（２））の受信端までのｚ軸の距離はｒ（例えば１００ｍ）である。なお、ビーム送信部１１１（１）とビーム送信部１１１（２）は、互いに並列に配置されている。同様に、ビーム受信部１１２（１）とビーム受信部１１２（２）は、互いに並列に配置されている。

ここで、第１実施形態に係る空間光通信システム１００は、並列に配置された複数の組の送信装置１０１および受信装置１０２が同一または隣接する波長の光信号を送受信する場合の干渉を回避するために有効である。

第１実施形態では、ビーム送信部１１１（１）とビーム受信部１１２（１）との間には干渉遮断部１０３（１）が配置され、ビーム送信部１１１（２）とビーム受信部１１２（２）との間には干渉遮断部１０３（２）が配置されている。干渉遮断部１０３は、送信装置１０１のビーム送信部１１１から送信される光信号のビームのうち、他の送信装置１０１の対向先の受信装置１０２のビーム受信部１１２に漏れ込む光信号を空間的に遮断する機能を有する。

例えば、干渉遮断部１０３（１）は、ビーム送信部１１１（１）から送信される光信号のビームが対向先のビーム受信部１１２（１）の隣のビーム受信部１１２（２）に漏れ込む光信号のビームを空間的に遮断する。同様に、干渉遮断部１０３（２）は、ビーム送信部１１１（２）から送信される光信号のビームが対向先のビーム受信部１１２（２）の隣のビーム受信部１１２（１）に漏れ込む光信号のビームを空間的に遮断する。

ここで、干渉遮断部１０３は、図１に示すように、送信装置１０１（１）と受信装置１０２（１）との間と、送信装置１０１（２）と受信装置１０２（２）との間に、別々に設置してもよい。あるいは、干渉遮断部１０３（１）と干渉遮断部１０３（２）とを物理的に一体化した１つの大きな干渉遮断部１０３を設けてもよい。また、図１の例では、送信装置１０１（１）と送信装置１０１（２）の両方の光信号をそれぞれ遮断しているが、どちらか一方の送信装置１０１の光信号を遮断するようにしてもよい。

このように、第１実施形態に係る空間光通信システム１００は、複数の送信装置１０１と、複数の送信装置１０１のそれぞれに対向する複数の受信装置１０２とが並列に光通信を行う。そして、第１実施形態では、送信装置１０１と受信装置１０２との間に給電不要の干渉遮断部１０３を配置する。これにより、給電設備を設けることなく、省スペースかつ低コストで隣接する受信装置１０２が受信する光信号に与える干渉を回避することができる。なお、干渉遮断部１０３については、後で詳しく説明する。

図２は、光信号のビームの一例を示す。図２では、図１に示す干渉遮断部１０３が無い場合に、送信装置１０１から受信装置１０２に送信される光信号のビームが拡がる様子が描かれている。

図２において、送信装置１０１と受信装置１０２は、ｚ軸方向に距離ｒで配置されている。送信装置１０１のビーム送信部１１１の送信端（原点Ｏ）から送信される光信号のビームは、ｚ軸方向に発散角θで円錐状に拡がりながら進んでいく。ここで、円錐状のビームの中心軸はｚ軸方向であり、ビームはｚ軸に垂直なｘｙ平面に照射される。このため、受信装置１０２のビーム受信部１１２に到達した時点では、ｘｙ平面上に大きく拡がってしまう。

図３は、ビームの発散角の一例を示す。図３では、ビーム送信部１１１の送信端（原点Ｏ）からの距離がｄ（ｚ＝ｄ）の位置におけるｘｙ平面上に拡がったビームと、ビーム受信部１１２の受信端（ｚ＝ｒ）の位置におけるｘｙ平面上に拡がったビームの一例を示す。図３において、発散角θとすると、距離ｄの位置でのビームの拡がりは半径が２ｄ・ｔａｎθの円、距離ｒの位置でのビームの拡がりは半径が２ｒ・ｔａｎθの円でそれぞれ表される。

このように、空間光通信システム１００は、送信装置１０１のビーム送信部１１１から送信される光信号が発散角θで円錐状に拡がる。このため、並列に配置された複数の受信装置１０２のうち、隣接する受信装置１０２間の距離が２ｒ・ｔａｎθより近い場合、非対向先の送信装置１０１から送信される光信号による干渉が生じる。

図４は、比較例の空間光通信システム８００を示す。図４に示す比較例の空間光通信システム８００は、図１に示す干渉遮断部１０３が無い。このため、送信装置１０１（１）のビーム送信部１１１（１）から送信される光信号のビーム２０１（１）は、対向先の受信装置１０２（１）のビーム受信部１１２（１）だけでなく、非対向先の受信装置１０２（２）のビーム受信部１１２（２）にも入射される。同様に、送信装置１０１（２）のビーム送信部１１１（２）から送信される光信号のビーム２０１（２）は、対向先の受信装置１０２（２）のビーム受信部１１２（２）だけでなく、非対向先の受信装置１０２（１）のビーム受信部１１２（１）にも入射される。

このように、送信装置１０１（１）と受信装置１０２（１）とを組とする通信と、隣接する送信装置１０１（２）と受信装置１０２（２）とを組とする通信とが互いに干渉するという問題が生じる。

そこで、第１実施形態に係る空間光通信システム１００は、図１に示すように、送信装置１０１と受信装置１０２との間に干渉遮断部１０３を配置し、非対向先の受信装置１０２に入射される光信号のビームを空間的に遮断する。これにより、送信装置１０１と受信装置１０２とが対向する複数の組が並列に隣接して配置される場合の干渉の回避が可能である。

図５は、干渉遮断部１０３の一例を示す。なお、図５の（ａ）は、送信装置１０１と受信装置１０２との間のｚ軸に垂直に配置された干渉遮断部１０３の断面図を示す。図５において、干渉遮断部１０３は、透過部３０１および遮断部３０２を有する。

透過部３０１は、送信装置１０１のビーム送信部１１１から円錐状に拡がりながら送信される光信号のビームのうち、ビームの中心軸近傍の光信号を透過し、透過されたビームは、再び拡がりながら受信装置１０２に届き、ビーム受信部１１２で受信される。ここで、透過部３０１は、透過物質により形成される。透過物質は、光信号を透過できる物質であれば何でも利用可能である。例えば透過物質が空気である場合、つまり遮断部３０２に穴が開いているだけの場合、回折により信号が拡がる可能性があるが、光などの直進性が高い周波数帯であれば、回折の影響は小さい。あるいは、透過部３０１がレンズの場合、透過する光信号を集束して発散を抑える効果が得られる。

遮断部３０２は、送信装置１０１のビーム送信部１１１から円錐状に拡がりながら送信される光信号のビームの外周部分を遮断し、遮断されたビームは受信装置１０２のビーム受信部１１２には届かない。この場合、図４で説明した隣接する他の受信装置１０２へのビームの漏れ込みが抑えられるので、並列に配置された受信装置１０２間の干渉が回避される。遮断部３０２は、光信号を遮断する遮断物質により形成される。遮断物質は、例えば、金属、コンクリート、布など、光を遮断できる物質であれば何でも利用可能である。

ここで、送信装置１０１のビーム送信部１１１の先端から干渉遮断部１０３までの距離をｄ、発散角をθとすると、透過部３０１の直径は、２ｄ・ｔａｎθよりも小さくなるように設計する。これにより、光信号のビームの外周部分が遮断されるので、受信装置１０２でのビームの拡がりが抑えられる。なお、ビーム中心軸が透過部３０１の中心を通るように配置するのが好ましい。

このように、第１実施形態に係る空間光通信システム１００は、複数の送信装置１０１のそれぞれに対向する複数の受信装置１０２との間に給電不要の干渉遮断部１０３を配置する。これにより、給電設備を設けることなく、省スペースかつ低コストで隣接する受信装置１０２の光通信に与える干渉を回避することができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る空間光通信システム１００ａの一例を示す。

図６において、送信装置１０１、ビーム送信部１１１、受信装置１０２およびビーム受信部１１２は、図１で説明した同符号のブロックと同様の機能を有する。

ここで、第２実施形態に係る空間光通信システム１００ａは、第１実施形態と同様に、並列に配置された複数の組の送信装置１０１および受信装置１０２が同一または隣接する波長の光信号を送受信する場合の干渉を回避するために有効である。

図１と図６は、送信装置１０１のビーム送信部１１１の送信方向が異なる。同様に、受信装置１０２のビーム受信部１１２の受信方向も異なる。図１では、送信装置１０１と対向先の受信装置１０２とを結ぶｚ軸方向が光信号のビーム中心軸となるように、ビーム送信部１１１は光信号を送信する。これに対して、図６では、送信装置１０１と干渉遮断部１０３とを結ぶａ（１）軸またはａ（２）軸の方向が光信号のビーム中心軸となるように光信号を送信する。受信装置１０２においても同様に、受信装置１０２は、干渉遮断部１０３と結ぶｂ（１）軸またはｂ（２）軸の方向が光信号のビーム中心軸となるように光信号を受信する。

このように、第２実施形態に係る空間光通信システム１００ａでは、隣接する送信装置１０１から送信される光信号のビームが相反する方向（外向きに離れる方向）を向いているので、第１実施形態に係る空間光通信システム１００よりも干渉しにくい。なお、図６において、ｚ軸が第１軸、ａ軸（ａ（１）軸およびａ（２）軸）が第２軸、ｂ軸（ｂ（１）軸およびｂ（２）軸）が第３軸、にそれぞれ対応する。

ここで、図６の例では、送信装置１０１（１）および送信装置１０１（２）のそれぞれの光信号が干渉遮断部１０３（１）および干渉遮断部１０３（２）によりそれぞれ遮断されるが、干渉遮断部１０３（１）および干渉遮断部１０３（２）のいずれか一方のみが配置されてもよい。なお、干渉遮断部１０３が配置されない送信装置１０１と受信装置１０２は、図１と同様にｚ軸方向に配置される。この場合、ｚ軸上に図１と同じ干渉遮断部１０３が配置されてもよいし、図６のようにビーム受信部１１２が受信するビームの中心軸（ｂ軸）とｚ軸とのずれにより干渉が回避できる場合は、干渉遮断部１０３が無くてもよい。

図７は、第２実施形態の干渉遮断部１０３ａの一例を示す。図７において、干渉遮断部１０３ａは、図５で説明した干渉遮断部１０３と同様に、透過部３０１および遮断部３０２を有する。さらに、干渉遮断部１０３ａは、送信装置１０１からａ軸方向に送信される光信号のビームを対向先の受信装置１０２が配置されたｂ軸方向に反射する反射部３０３を有する。ここで、反射部３０３の面とａ軸とがなす角（入射角）と、反射部３０３の面とｂ軸とがなす角（反射角）は等しい。つまり、送信装置１０１と受信装置１０２との間の距離と、反射部３０３の設置位置に基づいて、反射部３０３の傾き（入射角（反射角））を調整することで、送信装置１０１から送信される光信号のビームを受信装置１０２の方向に反射することができる。この場合、送信装置１０１のビーム送信部１１１および受信装置１０２のビーム受信部１１２は、反射部３０３の方向に調整される。なお、図７の例では、反射部３０３の面がｚ軸方向に設置されているが、送信装置１０１の光信号を受信装置１０２の方向に反射できる角度であればｚ軸方向でなくてもよい。また、第１実施形態の図５と同様に、ビーム送信部１１１から透過部３０１までの距離を近似的にｄとすると、透過部３０１の直径は、２ｄ・ｔａｎθよりも小さくなるように設計する。

図７の例において、透過部３０１は、反射部３０３で反射された光信号のビームのうち、ビーム中心軸（ｂ軸）近傍の光信号を透過する。また、遮断部３０２は、反射部３０３で反射された光信号のビームのうち、ビーム中心軸近傍（透過部３０１部分）を除く光信号を遮断する。

ここで、反射部３０３は、例えばミラーであり、送信装置１０１のビーム送信部１１１からミラーへの入射角と、ミラーから受信装置１０２のビーム受信部１１２への反射角が等しくなるように設置される。

また、図７では、透過部３０１を有する遮断部３０２を反射部３０３に平行に配置する例を示したが、平行である必要はない。なお、図７において、透過部３０１は、円形である必要はなく、例えば多角形や楕円形であってもよい。

図８は、遮断部３０２の配置方向の一例を示す。なお、図８に示す干渉遮断部１０３ｂと、図７に示す干渉遮断部１０３ａとの違いは、遮断部３０２の配置方向だけである。図８では、透過部３０１を有する遮断部３０２の面が反射部３０３で反射される光信号のビーム中心軸（ｂ軸）に垂直になるように配置される。これにより、図７の例に比べて、反射部３０３で反射される光信号を効率よく受信装置１０２に照射することができる。なお、図７と同様に、図８において、透過部３０１は、円形である必要はなく、例えば多角形や楕円形であってもよい。

このように、第２実施形態に係る空間光通信システム１００ａでは、送信装置１０１と対向先の受信装置１０２とを結ぶｚ軸方向とは異なる方向に光信号のビームを送信する。そして、送信装置１０１から送信された光信号のビームは、反射部３０３により受信装置１０２の方向に反射される。さらに、反射部３０３で反射された光信号のビームは、反射部３０３と受信装置１０２との間に配置された透過部３０１および遮断部３０２により、反射された光信号のビームの外周部分を遮断し、ビームの中心軸近傍が透過され、受信装置１０２で受信される。

なお、第１実施形態と同様に、第２実施形態に係る空間光通信システム１００ａにおいても、干渉遮断部１０３ａは、給電不要であり、省スペースかつ低コストで隣接する受信装置１０２の光通信に与える干渉を回避することができる。

以上説明したように、本発明に係る空間光通信システムは、複数の送信装置と、複数の送信装置のそれぞれに対向する複数の受信装置とが並列に光通信を行う場合、送信装置と受信装置との間に干渉遮断部を配置する。これにより、給電不要で省スペースかつ低コストで隣接する受信装置の光通信に与える干渉を回避することができる。

１００，８００・・・空間光通信システム；１０１・・・送信装置；１０２・・・受信装置；１０３，１０３ａ，１０３ｂ・・・干渉遮断部；１１１・・・ビーム送信部；１１２・・・ビーム受信部；２０１・・・ビーム；３０１・・・透過部；３０２・・・遮断部；３０３・・・反射部

Claims

複数の送信装置と、複数の前記送信装置のそれぞれに対向する複数の受信装置とが並列に光通信を行う空間光通信システムにおいて、
複数の前記送信装置は、それぞれの対向先の前記受信装置に同一または隣接する波長の光信号を送信し、
前記送信装置と前記受信装置との間に配置され、前記送信装置から対向先の前記受信装置に送信される光信号のうち非対向先の前記受信装置に干渉を与える光信号を空間的に遮断する干渉遮断部を有し、
前記送信装置は、対向先の前記受信装置とを結ぶ第１軸方向とは異なる第２軸方向が光信号のビーム中心軸となるように光信号を送信し、
前記干渉遮断部は、
前記送信装置から前記第２軸方向に送信される光信号のビームを対向先の前記受信装置が配置された第３軸方向に反射する反射部と、
前記反射部で反射された光信号のビームのうち、ビーム中心軸近傍の光信号を透過する透過部と、
前記ビーム中心軸近傍を除く光信号を遮断する遮断部と
を有することを特徴とする空間光通信システム。
請求項１に記載の空間光通信システムにおいて、
前記送信装置から前記透過部までの距離をｄ、ビームの発散角をθとするとき、前記干渉遮断部の前記透過部の直径は、２ｄ・ｔａｎθよりも小さい
ことを特徴とする空間光通信システム。